CN103959471A - 用于制造碳化硅半导体器件的方法 - Google Patents
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Abstract
漂移层(32)被形成在单晶衬底(20)上。漂移层(32)具有面向单晶衬底(20)的第一表面(S1)和与第一表面(S1)相反的第二表面(S2)，由碳化硅制成，具有第一导电类型。由碳化硅制成并具有第二导电类型的集电极层(30)形成在漂移层(32)的第二表面(S2)上。通过去除单晶衬底(20)，暴露漂移层(32)的第一表面(S1)。体区(33)和发射极区(34)被形成。体区(33)被布置在漂移层(32)的第一表面(S1)中，具有不同于第一导电类型的第二导电类型。发射极区(34)被布置在体区(33)上，通过体区(33)与漂移层(32)分离，具有第一导电类型。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于制造碳化硅半导体器件的方法。
背景技术
日本专利特开No.2008-288349(专利文献1)公开采用硅衬底的n型IGBT(绝缘栅双极型晶体管)。这样的IGBT具有p型集电极层，在硅衬底上形成发射极侧面的结构之后借助于离子注入和热处理形成该p型集电极层。
近年来，替代硅衬底，碳化硅衬底的使用已经被视为用于功率半导体器件的衬底。通常在近似于1500℃或者更高的热处理温度下，这是比用于活化借助于离子注入在硅中提供的杂质的热处理温度更高的温度，来活化借助于离子注入而在碳化硅(SiC)中提供的杂质。因此，如果日本专利特开No.2008-288349的技术被应用于使用碳化硅衬底制造IGBT的方法，则由于高温加热损坏发射极侧面的结构。因此，难以应用此技术。
根据日本国际专利公开No.2010-529646(专利文献2)，p型碳化硅外延层被形成在n型碳化硅衬底上，并且然后半导体器件的结构被形成，并且然后n型碳化硅衬底的至少一部分被去除。
引用列表
专利文献
PTL1：日本专利特开No.2008-288349
PTL2：日本国际专利公开No.2010-529646
发明内容
技术问题
在使用在日本国际专利公开No.2010-529646中描述的技术制造IGBT的情况下，考虑到步骤变化，通过碳化硅衬底的去除，集电极层的一部分必须不可避免地被去除，以确保暴露p型碳化硅外延层(集电极层)。结果，集电极层的厚度变化以导致半导体器件当中的特性的变化。
已经提出本发明以解决前述问题，并且其目的是提供一种用于制造碳化硅半导体器件的方法使得实现特性的小变化。
问题的解决方案
本发明的用于制造碳化硅半导体器件的方法包括下述步骤。漂移层被形成在单晶衬底上。漂移层具有面向单晶衬底的第一表面和与第一表面相反的第二表面。漂移层是由碳化硅制成并且具有第一导电类型。集电极层被形成在漂移层的第二表面上。集电极层是由碳化硅制成并且具有第二导电类型。通过去除单晶衬底暴露漂移层的第一表面。体区和发射极区被形成。体区被布置在漂移层的第一表面中并且具有不同于第一导电类型的第二导电类型。发射极区被布置在体区上，通过体区与漂移层分离，并且具有第一导电类型。栅极绝缘膜被形成在体区上使得相互连接漂移层和发射极区。栅电极被形成在栅极绝缘膜上。发射极电极被形成为与发射极区和体区中的每一个接触。
根据此制造方法，集电极层形成在单晶衬底上，且漂移层插入其间。因此，当去除单晶衬底时，能够避免集电极层被部分地去除。因此，能够避免集电极层的厚度由于去除单晶衬底的步骤中的变化而变化。以这样的方式，能够抑制碳化硅半导体器件中的集电极层的厚度中的变化。因此，能够抑制碳化硅半导体器件当中的特性的变化。
在上述制造方法中，单晶衬底可以是由碳化硅制成。因此，单晶衬底和被形成在其上的漂移层都是由碳化硅制成。这有助于具有较高质量的漂移层的形成。
在上述制造方法中，单晶衬底具有第一导电类型。因此，单晶衬底和被形成其上的漂移层具有第一导电类型。换言之，单晶衬底的导电类型和被形成在其上的漂移层的导电类型是相同的。这有助于具有较高质量的漂移层的形成。
在上述制造方法中，第一导电类型可以是n型。因此，通过栅电极控制的沟道能够是n型。因此，具有比正空穴更高的移动性的电子能够被采用作为该沟道中的载流子。
在上述制造方法中，当形成集电极层时，可以注入杂质离子。因此，使用离子注入方法能够形成集电极层。
在上述制造方法中，当形成集电极层时，碳化硅可以被生长同时对其添加导电杂质。以这样的方式，在没有使用离子注入方法的情况下能够添加集电极层中的导电杂质的至少一部分。
在上述制造方法中，场阻止层可以被形成在漂移层的第二表面上。场阻止层具有第一导电类型并且具有比漂移层的杂质浓度更高的杂质浓度。通过形成场阻止层的步骤和形成集电极层的步骤，场阻止层被形成为布置在漂移层上并且集电极层被形成为布置在场阻止层上。利用场阻止层，能够抑制从体区延伸到漂移层的耗尽层到达集电极层。
在上述制造方法中，漂移层可以具有比集电极层的结晶性更高的结晶性。因此，在漂移层中，能够抑制流入碳化硅半导体器件的电流的损失，从而通过充分的载流子寿命达到有效的导电性调制。
在上述制造方法中，集电极层可以具有1×1018/cm3或者更大的杂质浓度。因此，能够将更加充分量的载流子从集电极层供应到漂移层。
发明的有益效果
如上所述，根据本发明，能够制造碳化硅半导体器件以实现特性的小的变化。
附图说明
图1是示意性地示出根据本发明的第一实施例的碳化硅半导体器件的构造的截面图。
图2是示意性地示出用于制造图1的碳化硅半导体器件的方法中的第一步骤的截面图。
图3是示意性地示出用于制造图1的碳化硅半导体器件的方法中的第二步骤的截面图。
图4是示意性地示出用于制造图1的碳化硅半导体器件的方法中的第三步骤的截面图。
图5是示意性地示出用于制造图1的碳化硅半导体器件的方法中的第四步骤的截面图。
图6是示意性地示出用于制造图1的碳化硅半导体器件的方法中的第五步骤的截面图。
图7是示意性地示出用于制造图1的碳化硅半导体器件的方法中的第六步骤的截面图。
图8是示意性地示出用于制造图1的碳化硅半导体器件的方法中的第七步骤的截面图。
具体实施方式
关于本说明书中的晶体学指示，由()表示单独的面，并且由{}表示群面。另外，负号应当通过将“-”(横杠)放在数字上面来晶体学地指示，但是在本说明书中通过将负号放数字前面来指示。此外，在本说明书中，除非另有说明，否则诸如“第一结构被布置在第二结构上”的表达旨在指示第一结构被布置成直接接触第二结构的情况和第一结构被布置成间接接触第二结构并且第三结构插入在其间的情况。下面参考附图描述本发明的实施例。
如在图1中所示，本实施例的IGBT90(碳化硅半导体器件)包括碳化硅层SC、栅极绝缘膜11、栅电极9、发射极电极42、发射极布线43、集电极电极44、间层绝缘膜10、以及保护电极15。
碳化硅层SC由具有六方晶体结构的碳化硅或者具有立方晶体形式的碳化硅制成。碳化硅层SC具有n型(第一导电类型)的区域和p型(第二导电类型)的区域。具体地，碳化硅层SC具有p型集电极层30、n型场阻止层31、n型漂移层32、p型体区33、以及n型发射极区34。优选地，碳化硅层SC具有30μm或者更大的厚度。
N型漂移层32优选地具有不小于50μm并且不大于200μm的厚度。N型漂移层32具有表面S1(第一表面)和表面S2(第二表面)。N型场阻止层31被提供在n型漂移层32的表面S2上。应注意的是，可以不提供n型场阻止层31。
p型集电极层30被提供在n型场阻止层31上。换言之，p型集电极层30被提供在n型漂移层32的表面S2上，且n型场阻止层31插入其间。p型集电极层30具有例如1μm的厚度。应注意的是，在没有提供n型场阻止层31的情况下，p型集电极层30能够被直接提供在n型漂移层32的表面S2上。
p型体区33的每一个被提供在n型偏移层的表面S1中。此外，p型体区33具有p区33a和p+区33b。p+区33b具有比p区33a的杂质浓度更高的杂质浓度。p区33a接触栅极绝缘膜11。p+区33b接触发射极电极42。
N型发射极区34被提供在p型体区33上。此外，通过p型体区33，n型发射极区34与n型漂移层32分离。
栅极绝缘膜11被提供在p型体区33上使得相互连接n型漂移层32和n型发射极区34。栅极绝缘膜11是由例如通过热氧化方法形成的氧化硅(SiO2)制成的。
发射极电极42接触n型发射极区34和p型体区33的p+区33b的每一个。发射极布线43被提供在发射极电极42上并且被电连接到发射极电极42。发射极布线43由例如铝制成。
集电极电极44是接触p型集电极层30的欧姆电极。例如，集电极电极44包括：面向表面S2的Ni层；和被提供在Ni层上的Au层。替代Ni层和Au层，Ti层和Al层可以分别被使用。保护电极15覆盖集电极电极44。
下面描述IGBT90的使用的要点。电压被施加在发射极布线43和保护电极15之间使得保护电极15具有相对于发射极布线43的正电势。根据被施加到栅电极9的电势切换在发射极布线43和保护电极15之间的导电性。
具体地，当栅电极9被馈送有超过阈值的正电势时，反型层被形成在面向栅电极9的区域(沟道区)处的各个p型体区33中，且栅极绝缘膜11插入在其间。因此，n型发射极区34和n型漂移层32被相互电连接。因此，电子从n型发射极区34注入到n型漂移层32。因此，正空穴被从p型集电极层30供应到n型漂移层32。结果，在n型漂移层32中发生电导率调制，从而显著地减少在发射极电极42和集电极电极44之间的电阻。换言之，IGBT90进入导通状态。
同时，当栅电极9没有被馈送有上述电势时，反型层没有被形成在沟道区中，从而在n型漂移层32和p型体区33之间维持反向偏置状态。因此，IGBT90处于截止状态中。
下面描述用于制造IGBT90的方法。
参考图2，准备由碳化硅制成的n型单晶衬底20。优选地，n型单晶衬底20具有与碳化硅层SC(图1)的晶体结构相同的晶体结构。更加优选地，n型单晶衬底20具有与碳化硅层SC的表面S1的面取向相反的面取向。
接下来，由碳化硅制成的n型漂移层32被形成在n型单晶衬底20上。n型偏移层32具有面向n型单晶衬底20的表面S1，和与表面S1相反的表面S2。通过在n型单晶衬底20上外延生长碳化硅同时添加施主型杂质来执行n型漂移层32的形成。通过例如化学气相沉积(CVD)方法执行外延生长。在CVD方法中，例如，膜形成温度近似于1400℃。作为CVD方法中的原料气体，能够使用硅烷(SiH4)和丙烷(C3H8)的混合气体。例如，作为施主型杂质，能够使用氮(N)或者磷(P)。例如，作为用于原料气体的载气，能够使用氢气(H2)。
接下来，n型场阻止层31被形成在漂移层的表面S2上。使用与用于形成n型漂移层32大体上相同的方法能够形成n型场阻止层31。
接下来，由碳化硅制成的p型集电极层30形成在n型漂移层32的表面S2上，且n型场阻止层31插入在其间。借助于离子注入方法或者外延生长方法能够形成n型场阻止层31和p型集电极层30。
在采用离子注入方法的情况下，通过受主型杂质到n型场阻止层31的离子注入执行p型集电极层30的形成。在没有提供n型场阻止层31的情况下，对n型漂移层32或者p型集电极层30执行离子注入。
在采用外延生长方法的情况下，例如，借助于CVD方法形成p型集电极层30。在CVD方法中，例如，膜形成温度近似于是1400℃。能够使用硅烷(SiH4)和丙烷(C3H8)的混合气体作为CVD方法中的原料气体。例如，能够使用铝(Al)或者硼(B)作为受主型杂质。例如氢气(H2)能够被用作用于原料气体的载气。
通过在n型漂移层32的表面S2上外延地生长碳化硅，且n型场阻止层31插入在其间，同时添加受主型杂质，执行p型集电极层30的形成。通过例如CVD方法执行外延生长。在CVD方法中，例如，膜形成温度近似于是1400℃。能够使用硅烷(SiH4)和丙烷(C3H8)的混合气体作为CVD方法中的原料气体。例如，能够使用铝(Al)或者硼(B)作为受主型杂质。例如氢气(H2)能够被用作用于原料气体的载气。
参考图3，n型单晶衬底20的至少一部分被去除。例如，能够采用背面研磨方法作为去除的方法。换言之，能够研磨n型单晶衬底20。可替选地，能够采用蚀刻方法。可以采用反应离子蚀刻作为蚀刻方法。
通过n型单晶衬底20的去除，n型漂移层32的表面S1的至少一部分被暴露。优选地，为了确保暴露表面S1的至少一部分，在表面S1的至少一部分上在一定程度上去除n型漂移层32。
参考图4，形成有p型体区33，其每一个被布置在n型漂移层32的表面S1中体区，以及n型发射极区34，其每一个被布置在p型体区33上并且通过p型体区33与n型漂移层32分离发射极区。借助于例如铝(Al)等等的离子注入能够形成p型体区33。借助于例如磷(P)等等的离子注入能够形成n型发射极区34。
接下来，执行热处理以活化碳化硅层SC中的导电杂质。优选地在不低于1500℃的温度执行热处理。此外，优选地在不高于1900℃的温度执行热处理。例如，在近似于1700℃的温度执行热处理。例如，执行热处理持续近似30分钟。热处理的气氛优选地是惰性气体气氛，诸如Ar气氛。
参考图5，栅极绝缘膜11被形成在包括表面S1的碳化硅层SC的表面上。借助于例如热氧化能够执行栅极绝缘膜11的形成。
参考图6，栅电极9被形成在栅极绝缘膜11上。例如，首先，借助于CVD方法执行其中添加有杂质的导电多晶硅的沉积，或者执行多晶硅的沉积和后续的杂质添加。接下来，执行杂质的活化和图案化。
参考图7，间层绝缘膜10被形成。此外，栅极绝缘膜11被图案化以在p型体区33上具有将n型漂移层32和n型发射极区34相互连接的剩余部分。
参考图8，发射极电极42被形成，该发射极电极42是接触n型发射极区34和p型体区33的欧姆电极。此外，发射极布线43被形成在发射极电极42上。发射极布线43例如由铝制成。
再次参考图1，用作欧姆电极的集电极电极44被形成在p型集电极层30上。此外，保护电极15被形成以覆盖集电极电极44。以这样的方式，获得IGBT90。
根据本实施例，p型集电极层30被形成在n型单晶衬底20上且n型漂移层32插入其间(图2)。因此，当去除n型单晶衬底20时，能够避免p型集电极层40被部分地去除。因此，能够避免p型集电极层30的厚度由于去除n型单晶衬底20的步骤中的变化而变化。以这样的方式，能够抑制IGBT中的p型集电极层30的厚度中的变化。因此，能够抑制IGBT当中的特性的变化。
此外，n型单晶衬底20是由碳化硅制成。因此，n型单晶衬底20和被形成在其上的n型漂移层32两者是由碳化硅制成。这有助于具有较高的质量的n型漂移层32的形成。
此外，n型单晶衬底20具有n型导电性。因此，与单晶衬底是p型的情况相比较，能够更加容易地准备高质量的衬底。此外，n型漂移层32具有n型导电性。因此，与漂移层是p型的情况相比较，能够更加容易地准备高质量漂移层。此外，n型单晶衬底20和n型漂移层32中的每一个具有n型导电性，即，相同的导电类型。这有助于在n型单晶衬底20上的具有较高质量的n型漂移层32的形状。
此外，因为n型漂移层32具有n型导电性(第一导电类型)，所以通过栅电极109控制的沟道能够是n型。因此，具有比正空穴更高的移动性的电子能够被采用作为该沟道中的载流子。
在通过注入杂质离子形成p型集电极层30的情况下，使用离子注入方法能够形成p型集电极层30。由此注入的杂质能够与各个p型体区33和各个n型发射极区34中的至少一个中的杂质一起被共同地活化。
在通过生长碳化硅同时向其添加导电杂质形成p型集电极层30的情况下，在没有使用离子注入方法的情况下能够添加p型集电极层30中的导电杂质的至少一部分。
在n型场阻止层31被提供的情况下，能够通过n型场阻止层31抑制从p型体区33延伸到n型漂移层32的耗尽层到达p型集电极层30。
n型漂移层32可以具有比p型集电极层30的结晶性更高的结晶性。利用这样高结晶性的n型漂移层32，能够抑制n型漂移层32中的流入碳化硅半导体器件的电流的损失。基于例如在X射线衍射中的衍射峰值的半宽度或者摆动曲线的半宽度，能够评估结晶性。
p型集电极层30可以具有1×1018/cm3或者更大的杂质浓度。因此，能够将更加充分量的载流子从p型集电极层30供应到n型漂移层32。
在本实施例中，n型单晶衬底20由碳化硅制成，但是可以采用由不同材料制成的衬底。此外，替代n型单晶衬底20，可以使用p型单晶衬底。此外，可以采用其中本实施例或者其修改的构造中的n型导电性和p型导电性被相互替换的构造。
为了形成碳化硅层SC的表面以对应于特定的晶体面，在形成栅极绝缘膜11(图5)之前，例如，除了碳化硅层SC的具有特定的平面的部分之外的其一部分被覆盖SiO2的掩膜并且可以热蚀刻碳化硅层SC的表面。以这样的方式，此表面被自发地形成为对应于特定晶体面。
通过给碳化硅层SC供应能够与碳化硅化学反应的工艺气体，同时加热碳化硅层SC，来执行热蚀刻。
优选地，工艺气体包含包括氯原子的蚀刻气体。例如，能够采用氯气作为这样的蚀刻气体。优选地，工艺气体包含包括氧离子的氧化气体。例如，能够采用氧气作为氧化气体。在采用氧气和氯气的混合气体作为工艺气体的情况下，在混合气体的供应期间氧气的流动速率与氯气的流动速率的比率优选地不小于0.1并且不大于2.0，更加优选地，不小于0.25。
应注意的是，工艺气体可以包含载气。例如，能够采用氮(N2)气、氩(Ar)气、氦(He)气等等作为载气。
此外，优选地在不低于700℃并且不高于1200℃的温度执行在热蚀刻中的热处理。通过在不小于700℃的温度执行的热处理，在蚀刻SiC中能够确保近似于70μm/hr的速率。下限温度更加优选地是800℃或者更大，进一步优选地是900℃或者更大。上限温度更加优选地是1100℃或者更小，更加优选地是1000℃或者更小。
应注意的是，通过热蚀刻可以形成具有与上述特定面相对应的倾斜表面的沟槽。例如，当n+区、p型体区、以及n型漂移层被提供在此倾斜表面上时，在此倾斜表面上具有沟道的沟槽型IGBT能够被制备。
在此公开的实施例在任何方面是说明性的并且是非限制性的。本发明的范围通过权利要求的范围而不是在上面描述的实施例来限定，并且旨在包括等效于权利要求条款的范围内的意义和范围的任何修改。
附图标记列表
9：栅电极；10：间层绝缘膜；11：栅绝缘膜；15：保护电极；20：n型单晶衬底；31：n型场阻止层；32：n型漂移层；33：p型体区；33a：p区；33b：p+区；34：n型发射极区；42：发射极电极；43：发射极布线；44：集电极电极；90：IGBT(碳化硅半导体器件)；S1：表面(第一表面)；S2：表面(第二表面)；SC：碳化硅层。
Claims (9)
1.一种用于制造碳化硅半导体器件(90)的方法，包括以下步骤：
在单晶衬底(20)上形成漂移层(32)，所述漂移层具有面向所述单晶衬底的第一表面(S1)和与所述第一表面相反的第二表面(S2)，所述漂移层由碳化硅制成并且具有第一导电类型；
在所述漂移层的所述第二表面上形成集电极层(30)，所述集电极层由碳化硅制成并且具有第二导电类型；
通过去除所述单晶衬底来暴露所述漂移层的所述第一表面；
形成体区(33)和发射极区(34)，所述体区被布置在所述漂移层的所述第一表面中并且具有不同于所述第一导电类型的第二导电类型，所述发射极区被布置在所述体区上，通过所述体区与所述漂移层分离，并且具有所述第一导电类型；
在所述体区上形成栅极绝缘膜(11)，使得所述漂移层和所述发射极区相互连接；
在所述栅极绝缘膜上形成栅电极(9)；以及
形成与所述发射极区和所述体区中的每一个接触的发射极电极(42)。
2.根据权利要求1所述的用于制造碳化硅半导体器件的方法，其中所述单晶衬底由碳化硅制成。
3.根据权利要求2所述的用于制造碳化硅半导体器件的方法，其中所述单晶衬底具有第一导电类型。
4.根据权利要求2或者3所述的用于制造碳化硅半导体器件的方法，其中所述第一导电类型是n型。
5.根据权利要求1-4中的任意一项所述的用于制造碳化硅半导体器件的方法，其中形成所述集电极层的步骤包括注入杂质离子的步骤。
6.根据权利要求1-4中的任意一项所述的用于制造半导体器件的方法，其中形成所述集电极层的步骤包括在向碳化硅添加导电杂质的同时生长碳化硅的步骤。
7.根据权利要求1-6中的任意一项所述的用于制造碳化硅半导体器件的方法，进一步包括在所述漂移层的所述第二表面上形成场阻止层(31)的步骤，所述场阻止层具有第一导电类型并且具有比所述漂移层的杂质浓度高的杂质浓度，其中
通过形成所述场阻止层的步骤和形成所述集电极层的步骤，所述场阻止层被形成为布置在所述漂移层上，并且所述集电极层被形成为布置在所述场阻止层上。
8.根据权利要求1-7中的任意一项所述的用于制造碳化硅半导体器件的方法，其中所述漂移层具有比所述集电极层的结晶性高的结晶性。
9.根据权利要求1-8中的任意一项所述的用于制造碳化硅半导体器件的方法，其中所述集电极层具有1×1018/cm3或者更大的杂质浓度。
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