JP2000514604A - 電圧制御半導体装置のためのSiC層中にチャンネル領域層を形成する方法 - Google Patents

電圧制御半導体装置のためのSiC層中にチャンネル領域層を形成する方法

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Abstract

(57)【要約】 電圧制御半導体装置を製造するためのSiC層(2)中にチャンネル領域層(3)を形成するための方法において、SiC層の表面近辺層(5)中にn−型ドーパント及びp−型ドーパントをインプラントする。インプラントされたp−型ドーパントは、インプラントされたn−型ドーパントよりもSiC中で一層大きな拡散速度を有する。次にインプラントしたp−型ドーパントが前記表面近辺層から、僅かにn−ドープしたSiC層の周囲の領域中へ拡散するような温度で、p−型ドーパントが優勢なチャンネル領域層が形成される程度までSiC層を加熱する。

Description

【発明の詳細な説明】 電圧制御半導体装置のためのSiC層中にチャンネル領域層を形成する方法 〔技術分野〕 本発明は、電圧制御半導体装置を製造するためのSiC層中に、ドープしたn −型領域を両横側に有するドープしたp−型チャンネル領域層を形成するための 方法、及びそのような方法を用いて製造された電圧制御半導体装置に関する。 〔背景技術〕 そのような方法は、例えば、MISFET、MOSEFET及びIGBTのよ うな電圧制御半導体装置を製造するために使用することができる。この種のSi C半導体装置は、本質的に非常に迅速にオン・オフの切り替えを行うことができ るため、電力用途でのスイッチング装置として用いることができる。SiCから 作られたそのような装置は、特に高電力用途に非常に適している。なぜなら、そ のような用途は、特にSiと比較してSiCの優れた性質、即ちSiCは極端な 条件下でも充分機能することができることから一層役に立つことができるからで ある。大きな熱安定性、大きな熱伝導度、及び高い耐電圧を含めたこれらの性質 は当分野でよく知られているが、別のよく知られたSiCの特徴、即ち都合のよ い温度でその中でのドーパントの拡散性が極めて低いことが、今日までチャンネ ル領域層、特に幅の狭いチャンネル領域層を簡単で信頼性のあるやり方で電圧制 御SiC半導体装置のために形成することは極めて困難であった。例えば、Si の場合には、そのようなチャンネル領域層を形成するのに問題はない。なぜなら 、拡散技術がSiについては優れた機能を発揮できるからである。 〔発明の開示〕 本発明の目的は、始めに定義した部類の方法で、簡単で商業的に関心のもてる やり方でSiCの電圧制御装置のチャンネル領域層を形成することを可能にする 方法を与えることである。 この目的は、本発明により次の工程: 1) 僅かにn−ドープしたSiC層の上表面の上にマスク層を適用し、 2) 前記マスク層にSiC層まで伸びる孔をエッチングし、 3) 前記孔によって定められた前記SiC層の領域中にn−型ドーパントを インプラントし、前記領域の下のSiC層の表面近辺の層中に大きな濃度のn− 型ドーピングを得、 4) 工程3)でインプラントしたn−型ドーパントよりもSiC中での拡散 速度がかなり大きいp−型ドーパントを、前記孔によって定められたSiC層の 領域中へ、工程3)を行うことにより形成された前記表面近辺の層のドーピング 型が維持されるような程度にインプラントし、 5) 前記表面近辺層中の工程4)でインプラントしたp−型ドーパントが、 僅かにn−ドープしたSiC層の周囲の領域中へ拡散するような温度に前記Si C層を加熱し、然も、p−型ドーパントが優勢なチャンネル領域層が、前記高度 にドープしたn−型表面近辺の層の横に且つその層とSiC層の僅かにn−ドー プした領域との間に形成されるような程度まで加熱する、 工程を有し、 然も、前記高度にドープしたn−型表面近辺層に最も近接した僅かにn−ドー プした領域中のドーピングの型が、前記p−型ドーパントの拡散によりp−型に 移行できる程度まで、工程4)で前記p−型ドーパントをインプラントし、工程 3)及び4)を、a)上記順序、及びb)最初に工程4)、次に工程3)、のい ずれかで行う、 方法を与えることにより達成することができる。 従って、本発明は、容易に制御できる幅を有し、非常に狭くすることが決定さ れたならば、そうすることもできるチャンネル領域層を形成するために、SiC に対しても結局、拡散法を用いることができると言う見解に基づいている。従っ て、本発明は、或るアクセプタが、SiC中では殆ど拡散しないドナーよりもS iC中で実質的に一層大きな拡散速度を有すると言う事実を用いている。前記表 面近辺層中に異なったドーピング型のドーパントをインプラントし、この層を加 熱することによって、p−型ドーパントをそこから拡散させ、インプラントした n−型ドーパントを前記表面近辺層中に留まらせながら、前記チャンネル領域層 を形成する。このやり方で形成されたチャンネル領域層の幅は、工程5)で加 熱する時間及び加熱する温度を調節することにより容易に制御することができる ことは当業者には明らかであろう。従って、そのようなチャンネル領域層はどの ような幅にでも与えることができ、装置の一層低いオン状態の抵抗をもたらす非 常に短いチャンネルを、非常に高い精度の繊細な処理工程を必要とすることなく 、容易に得ることができる。なぜなら、チャンネルはリトグラフによって定めら れるのではないからである。 本発明の好ましい態様によれば、工程3)でのインプラテーションは、前記孔 によって定められた前記SiC層中へ異なった深さまで行い、その結果p−型ド ーパントは前記領域中へ深くインプラントされて、工程3)で形成された前記n −型表面近辺層の下にp−型の深層を形成する。このようにして、そのような深 いインプランテーションにより、SiC中にDMOS型構造体を有する装置を製 造することができる。そのような装置のための一層適切な名前はVIMOS(垂 直にインプラントされたMOS)であるが、勿論この態様は、例えば、IGBT のような深くインプラントされた層を有する電圧制御SiC半導体装置の別な型 のものを製造する場合も含むことは強調しておきたい。 本発明の別の好ましい態様によれば、工程4)でp−型ドーパントとしてホウ 素をインプラントする。SiC中のホウ素の拡散速度は、SiC環境については 比較的大きい。なぜなら、それ程高くないアニーリング温度でホウ素はむしろ小 さな原子であり、そのため前記チャンネル領域層を、ドーパントとしてホウ素を 用いることにより、ひどく高い加熱温度を必要とすることなく、商業的に関心の もてる時間内で容易に形成することができ、ドーパントをインプラントさせるの に1700℃程度のアニーリング温度でうまく行くからである。 本発明の別の好ましい態様により、工程4)でp−型ドーパントとしてベリリ ウムをインプラントする。ベリリウムはSiC中でホウ素と殆ど同じ拡散性を有 するが、極めて毒性が強い大きな欠点を有する。 本発明の更に別の非常に好ましい態様によれば、SiC層の上表面上にAlN の絶縁層を適用し、AlN層の上表面の上に電気伝導体である耐火性材料の層を 適用することにより工程1)でマスク層を適用し、これら二つの層を工程5)中 、SiC層上に残し、この方法を用いて製造される電圧制御半導体装置の、夫々 ゲ ート絶縁層及びゲート電極を形成する。ゲート絶縁層のための材料としてAlN を用い、ゲート電極として耐火性金属を用いることにより、好ましい自己整合法 を用いて装置を製造することができ、ゲート電極を、高度にドープしたn−型表 面近辺層に対する前記チャンネル領域層の境界に関し、自己整合させることがで きる。そのような方法は非常に僅かなマスキング工程しか含まず、そのため商業 的に非常に競争力のあるものになる。 態様の好ましい一層の発展により、最後に言及したTiNを工程1)で前記絶 縁層の上表面の上に適用し、前記ゲート電極のための層を形成する。前記ゲート のための耐火性金属としてTiNを用いることは有利である。なぜなら、TiN はAlNと安定な界面を形成し、これら二つの材料が、問題を起こすことなく、 SiC中の拡散工程を行うのに必要な高温に耐えることができるからである。 本発明は、a)MISFET、及びb)IGBTのいずれかである電圧制御S iC半導体装置を製造する方法において、 6) 次のSiC半導体層:a)n−型、b)p−型、の高度にドープした基 体層、及びb)の場合、その上表面の上に、c)高度にドープしたn−型緩衝層 及びd)そのような層が無く、僅かにドープしたn−型ドリフト層のいずれか; を互いに重ねてエピタキシャルに成長させる、 工程を有する方法からなり、この方法は、次の工程: 7) 請求項1に規定した二つの順序の一方に従い、請求項1、3及び11及 び(又は)12による工程を行い、ドープしたn−型ソース領域層、その下に位 置するドープしたp−型ベース層、及びドープしたp−型チャンネル領域層を形 成し、 8) 前記高度にドープしたn−型ソース領域層と接触したソースを蒸着し、 9) 装置のそれら層の上表面の上に不動態化層を適用し、 10) 不動態化層を通って前記ゲート電極までの孔をエッチングし、それに 外部との接点のための手段を適用する、 工程も有することも特徴とする。 そのような方法は非常に有利である。なぜなら、それに含まれるマスキング工 程数が非常に少なく、換言すれば、この種の半導体装置を製造するためには非常 に少ない数である僅か四つのそのような工程しか含まないからである。実際、半 導体部品の製造コストの殆どを決定するのはマスキング工程の数である。なぜな ら、材料費はコストとしては無視できるからである。従って、この方法は非常に 好ましく、SiCの電圧制御半導体装置を商業的に製造するのに非常に適してい る。 本発明の更に別な好ましい態様に従い、この方法は、高度にドープしたn−型 ソース領域層を通り、その下に位置するp−型ベース層中まで溝をエッチングす る工程を含み、この工程は、工程8)前に行い、ソースをその溝中に蒸着して、 前記p−型ベース層と前記n−型ソース領域層との両方への接点を形成する。こ のようにしてソースをベース層と接触するように構成し、電位変動に対し装置を 安定化するのが好ましい。 本発明は、請求の範囲に記載した方法のいずれかに従う工程を有する方法によ り製造したSiCの電圧制御半導体装置も包含する。そのような装置の利点は上 で述べたことから明らかに分かるであろう。 本発明の更に別の利点及び好ましい態様は、本記載及び他の従属請求項から明 らかになるであろう。 〔図面の簡単な説明〕 図面を参照して、下に本発明の好ましい態様を例として特に記載する。 図中、 第1図及び第2図は、本発明の好ましい態様に従い電圧制御半導体装置を製造 するための、SiC層中にチャンネル領域層を製造する方法の二つの主要な工程 を例示する模式的断面図である。 第3図は、第1図及び第2図で例示した方法工程及び更に従来の処理工程を用 いることにより製造された電圧制御半導体装置の製造の仕方を例示する模式的断 面図である。 〔本発明の好ましい態様についての詳細な説明〕 電圧制御半導体装置を製造するためにSiC層にチャンネル領域層を製造する 方法を、次に第1図及び第2図を参照して記述する。本発明と関係の無い従来の 半導体装置製造工程は、簡明にするため、図面には示されていない。先ず最初に 、 僅かにn−ドープした、好ましくは適当なドナー、例えば、N又はPのようなド ナーを約1015cm-3のドーピング濃度でドープしたSiC層2の上表面の上に AlNの絶縁層1を適用する。SiC層は単結晶質であり、単結晶AlNとSi Cとの良好な格子整合により、層1と2との間に高品質の界面を形成しながら、 SiC層上に、例えばCVDによりAlN層を適用する。電気伝導体である耐火 性材料、この場合にはTiNである耐火性材料の層3をAlN層の上表面の上に 更に適用する。次に層1及び3を通ってSiC層2の表面まで孔4をエッチング する。次に前記孔によって定められたSiC層領域中にn−型ドーパントをイン プラントし、前記領域下のSiC層の表面近辺層5中に高濃度のドナーをドープ する。例えば、N及びPのように、SiCに適したどのような型のドナーでも使 用することができる。層5を形成するためにインプラントしたn−型ドーパント よりもSiC中でかなり大きな拡散速度を有するp−型ドーパントを、前記孔に よって定められたSiC層領域内に、前記表面近辺層のドーピング型が維持され 、即ち、この層内でドナーが依然として優勢であるような程度にインプラントす る。p−型ドーパントのインプランテーションは、前記SiC層中の異なった深 さまで、即ちそのための異なった加速エネルギーを用いながら行い、大きなエネ ルギー、例えば、300keVを用いた場合にはこの領域中深くp−型ドーパン トをインプラントし、層5の下のp−型の深層6を形成する。このインプランテ ーションは、層6が高度にドープされるように行うのが好ましい。SiC中で合 理的な大きな拡散速度を有するアクセプタはホウ素、ベリリウム、及びアルミニ ウムである。ホウ素が好ましいものである。なぜなら、ベリリウムは極めて毒性 が強く、アルミニウムは合理的な拡散速度を得るためには約2000℃の温度を 必要とするのに対し、ホウ素の対応する温度は約1700℃だからである。 次に前記SiC層を、層5及び6中にインプラントしたp−型ドーパントが、 僅かにn−ドープしたSiC層の周囲の領域中へ、それら層5及び6を取り巻く p−型ドーパントが優勢な層7が形成される程度まで拡散するような温度で加熱 する。従って、このやり方で、層5の横に、この層と、SiC層の僅かにn−ド ープした領域8との間にチャンネル領域層7を形成する。従って、p−型ドーパ ントを少なくとも前記表面近辺層5の中に、前記高度にドープしたn−型表面近 辺層5に最も近い僅かにn−ドープした領域中のドーピング型が、前記p−型ド ーパントの拡散によりp−型へ移行するような程度までインプラントすることが 重要である。従って、層5中のアクセプタのドーピング濃度は、例えば、1017 〜1018cm-3になるように選択する。チャンネル領域層7は僅かにp−ドープ される。チャンネル領域層の幅は、それを加熱する温度及び加熱時間を選択する ことにより制御することができ、このやり方で、もし望むならば、非常に狭いチ ャンネル領域層を得ることができる。インプランテーションのためのマスク層と してAlN及び耐火性材料の層3を用いると言う事実により、加熱中、マスク層 はそこに残ることができる。なぜなら、それらは用いる高温に耐えることができ るからである。その結果、このやり方で製造された電圧制御半導体装置中に、夫 々絶縁層1及び層3が、ゲート絶縁層及びゲート電極として残り、必要なマスキ ング工程を最も少なくすることができる。この事実により、ゲート電極3は、表 面近辺層5に対し自己整合し、重なりのないソース領域層を形成する。 しかし、従来の方法を用いて製造される装置では、絶縁層として例えば、酸化 物を用いることは充分でき、この場合、絶縁層が拡散工程中そこにないと、自己 整合は得られないが、第1図及び第2図に示した自己整合法は、それによって得 られるマスキング工程数が非常に少ないため好ましくなることを指摘しておきた い。このように、本発明の鍵は、チャンネル領域層を形成するのに、ドナーはS iC中で実際上殆ど拡散しないが、或るアクセプタは拡散することを利用するこ とにある。 加熱工程の後、溝9(第3図参照)を、層5を通りその下の層6の中までエッ チングする。そこでソース領域層5及びベース層6と接触させてソース10を蒸 着する。図には示されていないが、その後で、装置のそれら層の一番上に適当な 不動態化層を適用し、最後にその不動態化層を通って前記ゲート電極3まで孔を エッチングし、それへの外部接点のための手段11を適用する。 電圧制御半導体装置、この場合にはIGBTを製造するための全工程は、次の SiC半導体層を互いに重なるようにエピタキシャル成長させることにより開始 する:p−型の高度にドープした基体層12、高度にドープしたn−型緩衝層1 3、及び僅かにドープしたn−型ドリフト層14。基体層12と接触させてドレ イン15を適用する。同じやり方でMISFETを製造することができるが、高 度にドープしたp−型層12は要らない。MISFETの場合、これは、Si中 のDMOSと同様な構造を有するVIMIS(垂直インプラントMIS)である と言うことができる。実際、このやり方で製造された二つのIGBTを平行に接 続したものを第3図に示す。 このやり方で製造することができる装置の典型的な大きさは、チャンネル領域 層の幅0.3μm、ソース領域層の幅0.2μm、及びベース層の深さ0.7μ mである。 本発明は、勿論上で述べた好ましい態様になんら限定されるものではなく、発 明の基本的な考えから離れることなく、その修正に対する多くの可能性が当業者 には明らかになるであろう。 図面に示した異なった層の厚さは、本発明により保護される範囲を限定するも のと解釈すべきではなく、どのような厚さの関係でも請求の範囲によって包含さ れるものであることを強調しておきたい。 請求の範囲で言及する層の数は最低の数であり、装置中に一層多くの層を構成 すること、或はいずれの層でも、異なった領域の選択的ドーピングにより幾つか の層に分割することは本発明の範囲内に入る。p−型ドーパントの深いインプラ ンテーションを行う必要はないが、SiC層の表面近辺層中へp−型ドーパント をインプラントし、その後でそこからドーパントを拡散させるために加熱を行い 、高度にドープしたn−型表面近辺層の横にチャンネル領域層を形成することは 、前記チャンネル領域層を形成するのに充分であろう。 本明細書中、「基体層」は、言及した層のドレインに最も近い層として解釈さ れるべきであり、この分野でこの言葉の厳密な意味での基体層、即ち、成長が開 始される層である必要はない。実際の基体層はどのような層でもよく、殆どの場 合最も厚い層である。 互いに重なって位置する層は、請求の範囲でそれらが言及されている順序でエ ピタキシャル成長させる必要はないが、これらの層の成長の別の順序も請求の範 囲に入る。例えば、成長はドリフト層から開始してもよく、いわゆる基体層及び ドレインを、その方法の最後に成長させてもよく、或は逆にしてもよい。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 21/265 602A

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.電圧制御半導体装置を製造するためのSiC層中にドープしたn−型領域 を両横側に有するドープしたp−型チャンネル領域層を形成するための方法にお いて、 1) 僅かにn−ドープしたSiC層(2)の上表面の上にマスク層(1、3 )を適用し、 2) 前記マスク層中にSiC層まで伸びる孔(4)をエッチングし、 3) 前記孔によって定められた前記SiC層の領域中にn−型ドーパントを インプラントし、前記領域の下のSiC層の表面近辺の層(5)中に大きな濃度 のn−型ドーピングを得、 4) 工程3)でインプラントしたn−型ドーパントよりもSiC中での拡散 速度がかなり大きいp−型ドーパントを、前記孔によって定められたSiC層の 領域中へ、工程3)を行うことにより形成された前記表面近辺層のドーピング型 が維持されるような程度にインプラントし、 5) 前記表面近辺層(5)中の工程4)でインプラントしたp−型ドーパン トが、僅かにn−ドープしたSiC層の周囲の領域中へ拡散するような温度に前 記SiC層を加熱し、然も、p−型ドーパントが優勢なチャンネル領域層(7) が、前記高度にドープしたn−型表面近辺層の横に且つその層とSiC層の僅か にn−ドープした領域(8)との間に形成されるような程度まで加熱する、 工程を有し、 然も、前記高度にドープしたn−型表面近辺層に最も近接した僅かにn−ドー プした領域中のドーピングの型が、前記p−型ドーパントの拡散によりp−型に 移行する程度まで、工程4)で前記p−型ドーパントをインプラントし、工程3 )及び4)を、a)上記順序、及びb)最初に工程4)、次に工程3)のいずれ かで行う、 p−型チャンネル領域層形成方法。 2.工程4)の後で、工程5)の前に行うマスク層のエッチングによる除去工 程を有する、請求項1に記載の方法。 3.工程3)のインプランテーションを、孔(4)により定められたSiC層 (2)中へ異なった深さまで行い、p−型ドーパントを前記領域中に深くインプ ラントし、工程3)で形成したn−型の表面近辺層(5)の下にp−型の深層( 6)を形成する、請求項1又は2に記載の方法。 4.工程4)でp−型ドーパントとしてホウ素をインプラントする、請求項1 〜3のいずれか1項に記載の方法。 5.工程4)でp−型ドーパントとしてベリリウムをインプラントする、請求 項1〜4のいずれか1項に記載の方法。 6.工程5)での加熱を、工程3)及び4)でインプラントしたドーパントが 電気的に活性になる温度で行う、請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。 7.工程5)での加熱を、1650℃より高い温度で行う、請求項4に記載の 方法。 8.工程5)での加熱を、1800℃より低い温度で行う、請求項7に記載の 方法。 9.チャンネル領域層(7)の幅を、工程5)で、それを加熱する時間及びそ れを加熱する温度を調節することにより制御する、請求項1〜8のいずれか1項 に記載の方法。 10.工程4)でのインプランテーションのため200keVより高いエネル ギーを用いて深層を形成する、請求項3に記載の方法。 11.SiC層(2)の上表面の上にAlNの絶縁層(1)及びそのAlN層 の上表面の上に電気伝導体である耐火性材料の層(3)を適用することにより工 程1)でマスク層を適用し、これら二つの層が工程5)中、SiC層上に残り、 この方法を用いて製造された電圧制御半導体装置の夫々ゲート絶縁層及びゲート 電極を形成する、請求項1及び3〜10のいずれか1項に記載の方法。 12.工程1)でTiNを絶縁層(1)の上に適用し、ゲート電極のための層 を形成する、請求項11に記載の方法。 13.a)MISFET、及びb)IGBTのいずれかである電圧制御SiC 半導体装置を製造する方法において、 6) 次のSiC半導体層:a)n−型、b)p−型、の高度にドープした基 体層、及びb)の場合、その上表面の上にc)高度にドープしたn−型緩衝層( 13)及びd)そのような層が無く、僅かにドープしたn−型ドリフト層(14 )のいずれか;を互いに重ねてエピタキシャルに成長させる、 工程を有し、次の工程: 7) 請求項1に規定した二つの順序の一方に従い、請求項1、3及び11及 び(又は)12による工程を行い、高度にドープしたn−型ソース領域層(5) 、その下に位置するドープしたp−型ベース層(6)、及びドープしたp−型チ ャンネル領域層(7)を形成し、 8) 前記高度にドープしたn−型ソース領域層と接触したソース(10)を 蒸着し、 9) 装置のそれら層の上表面の上に不動態化層を適用し、 10) 不動態化層を通って前記ゲート電極(3)までの孔をエッチングし、 それに外部との接点のための手段(11)を適用する、 工程も有することを特徴とする半導体装置製造方法。 14.高度にドープしたn−型ソース領域層(5)を通り、その下に位置する p−型ベース層(6)中へ溝(9)をエッチングする工程を有し、この工程を、 工程8)の前に行い、ソース(10)を前記溝中に蒸着し、前記p−型ベース層 と前記n−型ソース領域層との両方への接点を形成する、請求項13に記載の方 法。 15.請求項1〜14のいずれか1項に記載の工程を有する方法により製造し た電圧制御SiC半導体装置。
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