JP2006210693A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高耐圧な半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a high breakdown voltage semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device.
従来の炭化珪素を用いた高耐圧のダイオードを得るための接合の一つに、“パワーデバイス・パワーICハンドブック 電気学会 高性能高機能パワーデバイス・パワーIC調査専門委員会 編 コロナ社 p.12〜21”(非特許文献)に記載されるショットキー接合がある。この非特許文献では、上記の高耐圧のダイオードを得るための接合に関し、シリコンを基本に記述されており、炭化珪素においても広く適用されている。
ショットキー接合を炭化珪素へ適用し、高耐圧なダイオードを実現するためには、ショットキー電極端部における電界集中を緩和するために、ショットキー電極端部に電界緩和領域として拡散層を形成する必要がある。この拡散層を形成する際には、イオン注入が用いられるが、炭化珪素の場合、注入後の活性化熱処理に1500℃以上の高温が必要になるため、熱処理中に炭化珪素基板表面が劣化し、劣化した炭化珪素基板表面には良好なショットキー接合が形成できず、高耐圧なダイオードを実現することが難しいという問題があった。 In order to apply a Schottky junction to silicon carbide and realize a high breakdown voltage diode, a diffusion layer is formed as an electric field relaxation region at the Schottky electrode end to alleviate electric field concentration at the Schottky electrode end. There is a need. When forming this diffusion layer, ion implantation is used. In the case of silicon carbide, the activation heat treatment after the implantation requires a high temperature of 1500 ° C. or more, so that the surface of the silicon carbide substrate deteriorates during the heat treatment. There is a problem that a good Schottky junction cannot be formed on the deteriorated silicon carbide substrate surface and it is difficult to realize a high breakdown voltage diode.
本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、高耐圧な半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供することにある。 The present invention has been made to solve such a conventional problem, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device having a high breakdown voltage and a method for manufacturing the semiconductor device.
上記目的を達成するため、本発明は、第一の半導体材料と該第一の半導体材料とはバンドギャップの異なる第二の半導体材料とによって形成されるヘテロ接合と、該ヘテロ接続と接するように第一の半導体材料中に形成された不純物導入領域と、からなる電界緩和領域を備えたことを特徴とする半導体装置、及びその製造方法を構成する。 To achieve the above object, the present invention provides a heterojunction formed by a first semiconductor material and a second semiconductor material having a band gap different from that of the first semiconductor material, and in contact with the heteroconnection. A semiconductor device including an electric field relaxation region including an impurity introduction region formed in a first semiconductor material and a method for manufacturing the semiconductor device are provided.
本発明に係る半導体装置、及び半導体装置の製造方法によれば、高温の熱処理を行わずに電界緩和領域を形成することができ、高耐圧なダイオード、或いはスイッチ素子を提供することができる。 According to the semiconductor device and the method for manufacturing the semiconductor device of the present invention, the electric field relaxation region can be formed without performing high-temperature heat treatment, and a high voltage diode or switch element can be provided.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
<第1の実施形態>
本発明の第1の実施形態について、図1、図2、図3、及び図4に基づいて説明する。図1は、本発明の第1の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の構成を示す断面図である。
<First Embodiment>
A first embodiment of the present invention will be described based on FIG. 1, FIG. 2, FIG. 3, and FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
図1において、N+型の炭化珪素基板1の上にN−型の炭化珪素エピタキシャル層2を形成することにより、第一導電型であるN型の炭化珪素半導体基体100が形成されている。即ち、第一の半導体材料が炭化珪素である炭化珪素半導体基体100が炭化珪素基板1と炭化珪素エピタキシャル層2とから構成されている。
In FIG. 1, an N − type silicon carbide
この炭化珪素半導体基体100上の第一主面側、即ち炭化珪素エピタキシャル層2側に、炭化珪素とはバンドギャップの異なる第二の半導体材料として、N−型の多結晶シリコンからなるN−型多結晶シリコン層3Aが形成され、炭化珪素エピタキシャル層2とN−型多結晶シリコン層3Aとの間にへテロ接合が形成されている。
The first main surface side of the silicon
また、炭化珪素半導体基体100の第一主面側、即ち炭化珪素エピタキシャル層2側には不純物が導入された不純物導入領域4がヘテロ接合に接するように形成された電界緩和領域5が形成されている。炭化珪素基板1の裏面には、カソード電極6が金属等の導体材料によって形成されている。また、炭化珪素エピタキシャル層2に接するように形成されたN−型多結晶シリコン層3Aはアノード電極7としての役割も兼ねている。
Further, an electric
即ち、図1に示す炭化珪素半導体装置は、N−型多結晶シリコン層3Aからなるアノード電極7とカソード電極6を有するダイオードの構造となっている。
That is, the silicon carbide semiconductor device shown in FIG. 1 has a diode structure having
次に、図1に示した本発明の第1の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を、図2を用いて説明する。 Next, a method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG.
まず、図2(A)に示すように、N+型の炭化珪素基板1の上に、N−型の炭化珪素エピタキシャル層2を形成したN型の炭化珪素半導体基体100を用意する。炭化珪素エピタキシャル層2の濃度及び厚さは、例えば1×1016 cm−3、10μmである。
First, as shown in FIG. 2A, an N type silicon
次に、図2(B)に示すように、LP−CVD法により多結晶シリコンを、例えば1000Å堆積し、多結晶シリコン層3を形成した後、イオン注入法により燐8を多結晶シリコン層3に注入し、不純物を多結晶シリコン中に導入する。
Next, as shown in FIG. 2B, after depositing, for example, 1000Å of polycrystalline silicon by LP-CVD method to form a
なお、この際のイオン注入の条件は、例えば加速電圧70KeV、ドーズ1×1014 cm−2である。この条件下では注入される燐8の飛程が多結晶シリコン層3の厚さよりも大きくなるため、多結晶シリコン層3を介して炭化珪素エピタキシャル層2側にも燐8が注入され不純物導入領域4が形成される。即ち、炭化珪素エピタキシャル層2と多結晶シリコン層3とのヘテロ接合、並びに不純物導入領域4からなる電界緩和領域5が形成される。
The ion implantation conditions at this time are, for example, an acceleration voltage of 70 KeV and a dose of 1 × 10 14 cm −2 . Under this condition, the range of
次に、図2(C)に示すように、窒素雰囲気中にて950℃、20分間の熱処理を行い、多結晶シリコン層3に注入した燐8を活性化させた後、フォトリソグラフィとエッチングにより多結晶シリコン層3をパターニングし、N−型多結晶シリコン層3Aを形成する。
Next, as shown in FIG. 2C, heat treatment is performed at 950 ° C. for 20 minutes in a nitrogen atmosphere to activate
次いで、図2(D)に示すように、スパッタ法にてN+型の炭化珪素基板1の裏面にTi(チタン)、Ni(ニッケル)の順に堆積し、窒素雰囲気中で1000℃、1分間のRTA(Rapid Thermal Anneal)を行い、カソード電極6を形成し、図1に示した本発明の第1の実施形態に係る炭化珪素半導体装置を完成させる。
Next, as shown in FIG. 2 (D), Ti (titanium) and Ni (nickel) are deposited in this order on the back surface of the N + type
第1の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、第一の半導体材料である炭化珪素基体100に、第二の半導体材料である多結晶シリコン層3を堆積することでヘテロ接合を形成することができる。また、多結晶シリコン層3への不純物導入にイオン注入を用いているので精度良く、不純物を導入することができる。
According to the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment, the
更に、多結晶シリコン層3の厚さが不純物導入時における燐8の飛程より薄く形成されているため、イオン注入による多結晶シリコン層3への不純物導入と同時にN−型の炭化珪素エピタキシャル層2にも不純物が導入され不純物導入領域4を形成することができ、その結果、自己整合的に電界緩和領域5を形成することができる。
Further, since the thickness of
このように製造した第1の実施形態における炭化珪素半導体装置の具体的な動作について、図1中の、a点からb点におけるエネルギーバンド構造を用いて説明する。 A specific operation of the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment manufactured as described above will be described using an energy band structure from point a to point b in FIG.
図3(A)は熱平衡状態、即ちN−型多結晶シリコン層3A(アノード電極7)、カソード電極6のいずれも接地とした状態におけるエネルギーバンド構造を示している。
FIG. 3A shows an energy band structure in a thermal equilibrium state, that is, in a state where both the N − -type
炭化珪素及びN−型多結晶シリコンの電子親和力χSiC、χPolyの差により、熱平衡状態下にあるヘテロ接合界面におけるN−型多結晶シリコン層3A(アノード電極7)側には蓄積層が形成され、ヘテロ接合界面には障壁φh50が形成されている。
Due to the difference in electron affinity χSiC, χPoly between silicon carbide and N − -type polycrystalline silicon, an accumulation layer is formed on the N − -type
このため、本素子のN−型多結晶シリコン層3A(アノード電極7)に然るべき電圧を印加し、カソード電極6を接地の状態にすると、電子がカソード電極6から炭化珪素基板1、炭化珪素エピタキシャル層2、不純物導入領域4を経てN−型多結晶シリコン層3A(アノード電極7)へと流れる。つまり、ダイオードの順方向特性を示す。
For this reason, when an appropriate voltage is applied to the N − -type
次に、本素子のN−型多結晶シリコン層3A(アノード電極7)を接地、カソード電極6に高電圧を印加した状態、即ち逆方向電圧印加時における動作について説明する。
Next, the operation of the device when the N − -type
本素子において、不純物導入領域4とヘテロ接合とからなる電界緩和領域5が存在しない場合、逆方向電圧印加時にはヘテロ接合界面に高電界が印加され、エネルギーバンド構造は図3(B)のように変化し、ヘテロ接合界面に生じた障壁φh50により電子51は遮られ、遮断状態を保持する。
In this element, when the electric
この際、ヘテロ接合界面におけるN−型多結晶シリコン層3A(アノード電極7)側に蓄積された電子51の一部は、高電界が印加されたことにより障壁φh50中をトンネリングする、或いは障壁φh50を乗り越えることで、N−型多結晶シリコン層3Aから炭化珪素エピタキシャル層2へと移動しようとするが、電界緩和領域5が存在している場合には、電界緩和領域5によってヘテロ接合界面に及ぶ電界が緩和されるため、ヘテロ接合からの逆方向漏れ電流を低減することができる。
At this time, a part of the electrons 51 accumulated on the N − -type
発明者らが、本発明の第1の実施形態に係る炭化珪素半導体装置を作製、実験を行った結果から得られたダイオードの逆方向特性を図4に示す。電界緩和領域5を有するダイオードは、電界緩和領域5がない場合と比較して逆方向漏れ電流が非常に少なく、良好な逆方向特性を示している。実験結果から理解されるように、本素子はヘテロ接合のみの場合においても、高い逆方向耐圧を有しているが、電界緩和領域5を設けることで漏れ電流をより低減することが可能になり、より一層遮断性の高いダイオードを実現することができる。
FIG. 4 shows the reverse characteristics of the diode obtained from the results of the inventors producing and experimenting with the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. The diode having the electric
また、第1の実施形態における炭化珪素半導体装置は、従来のエッジターミネーション領域などと異なり、高温の活性化アニールを用いずに形成することができるため、炭化珪素エピタキシャル層2の表面が劣化することがない。また、多結晶シリコン層3への不純物導入時に電界緩和領域5を自己整合的に形成することができるので、プロセスの簡易化を図ることができる。
Moreover, since the silicon carbide semiconductor device in 1st Embodiment can be formed without using high temperature activation annealing unlike the conventional edge termination area | region etc., the surface of the silicon carbide
また、第一の半導体材料に炭化珪素を用いることで、より高耐圧な半導体装置を提供することができる。 In addition, by using silicon carbide as the first semiconductor material, a semiconductor device with higher withstand voltage can be provided.
更に、第二の半導体材料に多結晶シリコンを用いることで、デバイス製造時のエッチングや伝導度制御などのプロセスを簡易化することができる。 Furthermore, by using polycrystalline silicon as the second semiconductor material, processes such as etching and conductivity control during device manufacturing can be simplified.
<第2の実施形態>
次に、本発明の第2の実施形態について、図5、図6に基づいて説明する。図5は、本発明の第2の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の断面図である。
<Second Embodiment>
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 5 is a cross-sectional view of a silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
本発明の第2の実施形態に係る炭化珪素半導体装置は、第1の実施形態における炭化珪素半導体装置とほぼ同じ構造になっているが、炭化珪素エピタキシャル層2に接するように形成されたN−型多結晶シリコン層3A(アノード電極7)の外周部にのみ電界緩和領域5が形成されている点が、第1の実施形態における炭化珪素半導体装置とは異なっている。
The silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment of the present invention has substantially the same structure as that of the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment, but is N − formed so as to be in contact with silicon
次に、図5に示した本発明の第2の実施形態による炭化珪素半導体装置の製造方法を、図6を用いて説明する。なお、本発明の第1の実施形態による炭化珪素半導体装置の製造方法と同様の工程における図については省略している。 Next, a method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment of the present invention shown in FIG. 5 will be described with reference to FIG. In addition, the figure in the process similar to the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device by the 1st Embodiment of this invention is abbreviate | omitted.
まず、N+型の炭化珪素基板1の上にN−型の炭化珪素エピタキシャル層2を形成したN型の炭化珪素半導体基体100を用意する。炭化珪素エピタキシャル層2の濃度及び厚さは、例えば1×1016 cm−3、10μmである。
First, an N type silicon
次に、図6(A)に示すように、LP−CVD法により多結晶シリコンを堆積し多結晶シリコン層3を形成する。このとき多結晶シリコン層3の厚さは、不純物導入時におけるイオン注入のイオンの飛程より大きくなるようにする。例えば、イオン注入の条件が燐を加速電圧70KeV、ドーズ1×1014 cm−2で注入する場合、多結晶シリコン層3の厚さは例えば5000Åである。
Next, as shown in FIG. 6A, polycrystalline silicon is deposited by LP-CVD to form a
次いで、フォトリソグラフィとエッチングにより、多結晶シリコン層3の外周部を不純物導入時におけるイオン注入のイオンの飛程より小さくなるような厚さにする。例えば、イオン注入の条件が前述の条件である場合、飛程より小さくなるような多結晶シリコン層3の厚さは例えば1000Åである。つまり、多結晶シリコン層3の厚さが異なる領域、具体的には不純物導入時におけるイオン注入のイオンの飛程より大きい領域、或いは小さい領域を形成する。
Next, by photolithography and etching, the outer peripheral portion of the
次に、図6(B)に示すように、イオン注入法により多結晶シリコン層3に燐8を導入する。イオン注入の条件は前述のように、例えば加速電圧70KeV、ドーズ1×1014cm−2である。この際に、多結晶シリコン層3の厚さが燐8の飛程より小さい領域直下の炭化珪素エピタキシャル層2側にも燐8が注入され不純物導入領域4が形成される。
Next, as shown in FIG. 6B,
即ち、炭化珪素エピタキシャル層2と多結晶シリコン層3とによるヘテロ接合と不純物導入領域4からなる電界緩和領域5が形成される。
That is, an electric
次に、窒素雰囲気中にて950℃、20分間の熱処理を行い、多結晶シリコン層3に注入した燐8を活性化させた後、フォトリソグラフィとエッチングにより多結晶シリコン層3をパターニングし、N−型多結晶シリコン層3Aを形成する。なお、この際にN−型多結晶シリコン層3Aの最外周部が不純物導入領域4上になるようにパターニングする。
Next, heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere at 950 ° C. for 20 minutes to activate the
その後、スパッタ法にてN+型の炭化珪素基板1の裏面にTi(チタン)、Ni(ニッケル)の順に堆積し、窒素雰囲気中で1000℃1分間のRTA(Rapid Thermal Anneal)を行い、カソード電極6を形成し、図5に示した炭化珪素半導体装置を完成させる。
Thereafter, Ti (titanium) and Ni (nickel) are sequentially deposited on the back surface of the N + -type
このように製造した第2の実施形態における炭化珪素半導体装置は、第1の実施形態にて示した効果に加えて、逆方向電圧印加時に電界が最も集中するN−型多結晶シリコン層3A(アノード電極7)の外周部に電界緩和領域5が配置されているため、電界緩和領域5を有していない場合と比較してN−型多結晶シリコン層3A(アノード電極7)の外周部からの漏れ電流が低減され、その結果、耐圧が高くなる。
In addition to the effects shown in the first embodiment, the silicon carbide semiconductor device in the second embodiment manufactured in this way has an N − type
更に、第2の実施形態における炭化珪素半導体装置は、N−型多結晶シリコン層3A(アノード電極7)の外周部にのみ電界緩和領域5が配置されているため、順方向特性は電界緩和領域5が存在しない場合と同様の特性で、かつ高い逆方向耐圧を得ることができ、低オン抵抗を実現できる。
Furthermore, in the silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment, the electric
なお、第2の実施形態における炭化珪素半導体装置では電界緩和領域5がN−型多結晶シリコン層3A(アノード電極7)の外周部に配置された構造になっているが、第2の実施形態の応用として多結晶シリコン層3をパターニングする際に、図7(A)に示すように多結晶シリコン層3の厚さが不純物導入時におけるイオン注入のイオンの飛程より大きい領域と小さい領域とが所定の間隔を置いて交互に配置されるようにパターニングするか、図7(B)に示すように多結晶シリコン層3の厚さが不純物導入時におけるイオン注入のイオンの飛程より小さくなる厚さで形成した後、酸化膜などからなるマスク材52をパターニングすれば、多結晶シリコン層3への不純物導入とともに、炭化珪素エピタキシャル層2に選択的に不純物導入領域4が形成され、図7(C)、(D)に示すような電界緩和領域5が所定の間隔をおいて形成される構造になり、逆方向電圧印加時の遮断性をより向上することできる。
The silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment has a structure in which the electric
また、第1、第2の実施形態においては、多結晶シリコン層3Aがアノード電極7として機能する場合について説明したが、図8、9に示すようなアノード電極7が金属からなる場合でも同様の効果を得ることができる。
In the first and second embodiments, the case where the
本発明の第1、2の実施形態においては、ダイオードを例に説明したが、本発明における電界緩和領域は前述のように簡易エッジターミネーションとして用いることができる。そのため、ダイオードに限らず、スイッチ素子等においても適用することができる。 In the first and second embodiments of the present invention, the diode has been described as an example, but the electric field relaxation region in the present invention can be used as simple edge termination as described above. Therefore, the present invention can be applied not only to a diode but also to a switch element or the like.
<第3の実施形態>
本発明の第3の実施形態について、図10〜図12に基づいて説明する。図10は、本発明の第3の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の断面図である。図示のようにこの炭化珪素半導体装置は、多数配列された単位セルの外周部における断面構造を示しており、単位セルが3つ連続した構造を示している。
<Third Embodiment>
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 10 is a cross-sectional view of a silicon carbide semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. As shown in the figure, this silicon carbide semiconductor device shows a cross-sectional structure at the outer periphery of a large number of unit cells arranged, and shows a structure in which three unit cells are continuous.
図10において、N+型の炭化珪素基板1の上にN−型の炭化珪素エピタキシャル層2を形成することにより第一導電型であるN型の炭化珪素半導体基体100が形成されている。即ち、第一の半導体材料が炭化珪素である炭化珪素半導体基体100が炭化珪素基板1と炭化珪素エピタキシャル層2とから構成されている。
In FIG. 10, an N − type silicon
この炭化珪素半導体基体100上の第一主面側、即ち炭化珪素エピタキシャル層2側に、所定の間隔でトレンチ(溝)13が形成されている。炭化珪素エピタキシャル層2の第一主面側の所定の位置には炭化珪素半導体基体100とはバンドギャップの異なる半導体材料であるN型多結晶シリコンからなるソース領域9が形成され、炭化珪素エピタキシャル層2とソース領域9との間にへテロ接合が形成されている。
Trenches (grooves) 13 are formed at predetermined intervals on the first main surface side on silicon
トレンチ13の側壁部の炭化珪素エピタキシャル層2とソース領域9とに隣接してゲート絶縁膜14を介して、ゲート電極10が形成されている。ソース領域9にはソース電極11が形成され、炭化珪素基板1の第二主面側にはドレイン電極12が形成されている。多数配列された単位セルの外周部、及びトレンチ13同士の間の所定領域における炭化珪素エピタキシャル層2側には不純物が導入された不純物導入領域4がヘテロ接合に接するように形成された電界緩和領域5が形成されている。ゲート電極10とソース電極11は層間絶縁膜15にて電気的に絶縁されている。
A
次に、図10に示した本発明の第1の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を、図11,図12に基づいて説明する。 Next, a method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 10 will be described with reference to FIGS.
まず、図11(A)に示すように、N+型の炭化珪素基板1の上にN−型の炭化珪素エピタキシャル層2を形成したN型の炭化珪素半導体基体100を用意する。炭化珪素エピタキシャル層2の濃度及び厚さは、例えば1×1016 cm−3、10μmである。
First, as shown in FIG. 11A, an N type silicon
次に、図11(B)に示すように、炭化珪素半導体基体100の炭化珪素エピタキシャル層2側にLP−CVD法により多結晶シリコンを堆積し、多結晶シリコン層3を形成する。このとき、多結晶シリコン層3の厚さは、例えば5000Åである。
Next, as shown in FIG. 11B, polycrystalline silicon is deposited on the silicon
次に、図11(C)に示すように、マスク材52を用いてボロン30を炭化珪素エピタキシャル層2の所定領域に、多結晶シリコンを介してイオン注入する。この際、ボロン30の加速電圧は、ボロン30の注入飛程が多結晶シリコン層3の厚さより大きくなるように設定する。本実施形態の場合、例えば、加速電圧は200keV、ドーズ量は5×1013cm−2である。
Next, as shown in FIG. 11C,
このような条件でイオン注入を行うことによって、多結晶シリコン層3の一部と多結晶シリコン層3直下の炭化珪素エピタキシャル層2側とにボロン30が注入され不純物導入領域4が形成される。
By performing ion implantation under such conditions,
次に、図11(D)に示すように、多結晶シリコン層3の全面に対して燐8をイオン注入した後、窒素雰囲気中で950℃、20分間の熱処理を行い、N+型多結晶シリコン層3Bを形成する。本実施形態における燐8の注入条件は、例えば、加速電圧は50keV、ドーズ量は1×1016cm−2である。
Next, as shown in FIG. 11 (D), after the
ここで、前述の図11(C)の工程において、多結晶シリコン層の一部にボロンが注入されているが、図11(D)の工程で注入した燐の濃度は、注入されたボロンの濃度と比較して、約2桁以上高いので、窒素雰囲気中で950℃、20分間の熱処理を行った後は、多結晶シリコン層は、全てN+型になる。このように図11(C)、及び11(D)に示した工程を行うことで、炭化珪素エピタキシャル層2とN+型多結晶シリコン層3Bとによるヘテロ接合と不純物導入領域4からなる電界緩和領域5が形成される。その後、フォトリソグラフィとエッチングにより、N+型多結晶シリコン層3Bの外周部をエッチングする。
Here, in the process of FIG. 11C described above, boron is implanted into a part of the polycrystalline silicon layer. The concentration of phosphorus implanted in the process of FIG. 11D is the same as that of the implanted boron. Since it is higher than the concentration by about two orders of magnitude or more, after the heat treatment at 950 ° C. for 20 minutes in the nitrogen atmosphere, all the polycrystalline silicon layers become N + type. By performing the steps shown in FIGS. 11C and 11D in this way, the electric field relaxation comprising the heterojunction of the silicon
次いで、図12(E)に示すように、マスク材52を用いて、反応性イオンエッチングにより、N+型多結晶シリコン層3B、及び炭化珪素エピタキシャル層2の所定領域をエッチングし、ソース領域9、トレンチ13を形成する。その後、マスク材52を除去する。
Next, as shown in FIG. 12 (E), predetermined regions of the N + -type
そして、図12(F)に示すように、ソース領域9、トレンチ13側壁の炭化珪素エピタキシャル層2に隣接するようにゲート絶縁膜14を形成した後、ゲート絶縁膜14を介してトレンチの内部にゲート電極10を形成する。
Then, as shown in FIG. 12F, after forming the
次に、図12(G)に示すように層間絶縁膜15を堆積した後、コンタクトホールを開孔し、ソース領域9に接するように、ソース電極11を形成し、炭化珪素基板1の裏面にドレイン電極12を形成し、図10の炭化珪素半導体装置を完成させる。
Next, after depositing an
このように製造した第3の実施形態における炭化珪素半導体装置の具体的な動作について説明する。本素子は、ソース電極11を接地し、ドレイン電極12に正のドレイン電圧を印加して使用する。
A specific operation of the silicon carbide semiconductor device according to the third embodiment manufactured as described above will be described. This element is used by grounding the
この際に、ゲート電極10が接地されていると、素子の特性は第1の実施形態における炭化珪素半導体装置の逆方向特性と同じ特性を示す。即ち、ソース電極11とドレイン電極12との間に電流は流れず遮断状態となる。
At this time, if
次に、ゲート電極10に然るべき正の電圧を印加すると、ゲート絶縁膜14に隣接した多結晶シリコンからなるソース領域9、及び炭化珪素エピタキシャル層2に電子が蓄積され、その結果、所定のドレイン電圧でソース電極11とドレイン電極12との間に電流が流れる。即ち、導通状態となる。
Next, when an appropriate positive voltage is applied to the
更に、ゲート電極10に印加している正の電圧を取り除くと、ゲート絶縁膜14に隣接したソース領域9、及び炭化珪素エピタキシャル層2に電子の蓄積層がなくなり、ヘテロ接合界面における障壁φh50(図3(A)参照)によって電子は遮られ、遮断状態となる。
Further, when the positive voltage applied to the
本素子は、ドレイン電圧印加時に電界が集中し易い、多数配列された単位セルの外周部、及びトレンチ13同士の間の所定領域には、不純物導入領域4がヘテロ接合に接するように形成された電界緩和領域5を有しているため、ドレイン電圧印加時の外周部における電界を緩和することができ、高いドレイン耐圧を有している。
This element is formed so that the
また、本素子の逆方向導通時には、電界緩和領域5はユニポーラの還流ダイオードとして機能するため、スイッチ素子の内部に還流ダイオードを設ける必要が無く、単位セル当りの面積を小さくすることができる。即ち、オン抵抗をより低減することが可能である。また、還流ダイオードとして機能する電界緩和領域5は、ユニポーラ素子であるため、少数キャリアの注入が生じない。よって、スイッチング動作時の電力損失を低減することが可能である。
Further, when this element is turned on in the reverse direction, the electric
なお、本実施形態においては、不純物導入領域に導入される不純物がボロン、第二の半導体材料である多結晶シリコン層に導入される不純物が燐として説明しているが、それぞれに導入される不純物、および組み合わせは、これらに限定されるものではない。例えば、不純物導入領域に導入する不純物としては、ボロン以外にもアルゴン、燐、砒素、アルミニウム、バナジウム、硫黄などを用いることができる。また、多結晶シリコン層に導入する不純物としては、燐以外にも、砒素、アンチモン、ボロン、アルミニウム、ガリウムなどを用いることができる。 In this embodiment, the impurity introduced into the impurity introduction region is described as boron, and the impurity introduced into the polycrystalline silicon layer as the second semiconductor material is described as phosphorus. , And combinations are not limited to these. For example, as impurities introduced into the impurity introduction region, argon, phosphorus, arsenic, aluminum, vanadium, sulfur, or the like can be used in addition to boron. In addition to phosphorus, arsenic, antimony, boron, aluminum, gallium, or the like can be used as an impurity to be introduced into the polycrystalline silicon layer.
<第4の実施形態>
本発明の第4の実施形態について、図13〜図15に基づいて説明する。図13は、本発明の第4の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の断面図である。図示のようにこの炭化珪素半導体装置は、多数配列された単位セルの外周部における断面構造を示しており、単位セルが3つ連続した構造を示している。
<Fourth Embodiment>
A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 13 is a cross-sectional view of a silicon carbide semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention. As shown in the figure, this silicon carbide semiconductor device shows a cross-sectional structure at the outer periphery of a large number of unit cells arranged, and shows a structure in which three unit cells are continuous.
図13において、N+型の炭化珪素基板1の上にN−型の炭化珪素エピタキシャル層2を形成することにより第一導電型であるN型の炭化珪素半導体基体100が形成されている。即ち、第一の半導体材料が炭化珪素である炭化珪素半導体基体100が炭化珪素基板1と炭化珪素エピタキシャル層2とから構成されている。この炭化珪素半導体基体100上、第一主面側、即ち炭化珪素エピタキシャル層2側に、所定の間隔でトレンチ(溝)13が形成されている。
In Figure 13, N on the N + -type
炭化珪素エピタキシャル層2の第一主面側の所定の位置には炭化珪素半導体基体100とはバンドギャップの異なる半導体材料であるN−型多結晶シリコンからなるソース領域9が形成され、炭化珪素エピタキシャル層2とソース領域9との間にへテロ接合が形成されている。ソース領域9の第一主面側の所定位置にはソース領域9に接するようにN+型多結晶シリコンからなるソースコンタクト領域16が形成されている。
A
トレンチ13の側壁部の炭化珪素エピタキシャル層2とソース領域9とソースコンタクト領域16に隣接してゲート絶縁膜14を介して、ゲート電極10が形成されている。ソースコンタクト領域16にはソース電極11が形成され、炭化珪素基板1の第二主面側にはドレイン電極12が形成されている。
多数配列された単位セルの外周部、及びトレンチ13同士の間の所定領域における炭化珪素エピタキシャル層2側には不純物が導入された不純物導入領域4がヘテロ接合に接するように形成された電界緩和領域5が形成されている。ゲート電極10とソース電極11は層間絶縁膜15にて電気的に絶縁されている。
An electric field relaxation region formed such that an
次に、図13に示した本発明の第4の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を、図14,図15に基づいて説明する。 Next, a method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention shown in FIG. 13 will be described with reference to FIGS.
まず、図14(A)に示すように、N+型の炭化珪素基板1の上にN−型の炭化珪素エピタキシャル層2を形成したN型の炭化珪素半導体基体100を用意する。炭化珪素エピタキシャル層2の濃度及び厚さは、例えば1×1016cm−3、10μmである。
First, as shown in FIG. 14A, an N-type silicon
次に、図14(B)に示すように、炭化珪素半導体基体100の炭化珪素エピタキシャル層2側にLP−CVD法により多結晶シリコンを堆積し、多結晶シリコン層3を形成する。このとき、多結晶シリコン層3の厚さは、不純物導入時におけるイオン注入のイオンの飛程より大きくなるようにする。例えば、イオン注入の条件が燐を加速電圧70KeV、ドーズ1×1014cm−2で注入する場合、多結晶シリコン層3の厚さは例えば5000Åである。
Next, as shown in FIG. 14B, polycrystalline silicon is deposited on the silicon
次に、図14(C)に示すように、フォトリソグラフィとエッチングにより多結晶シリコン層3の厚さが異なる領域、具体的には不純物導入時におけるイオン注入のイオンの飛程より大きい領域、或いは小さい領域を形成した後、イオン注入法により多結晶シリコン層3に燐8を導入する。イオン注入の条件は前述のように、例えば、加速電圧70KeV、ドーズ1×1014 cm−2である。
Next, as shown in FIG. 14C, a region where the thickness of the
この際に、多結晶シリコン層3の厚さが燐8の飛程より小さい領域直下の炭化珪素エピタキシャル層2側にも燐8が注入され不純物導入領域4が形成される。即ち、炭化珪素エピタキシャル層2と多結晶シリコン層3とによるヘテロ接合と不純物導入領域4からなる電界緩和領域5が形成される。その後、注入した燐8の活性化アニールとして窒素雰囲気中で950℃、20分間の熱処理を行い、N−型多結晶シリコン層3Aを形成する。
At this time,
次に、図14(D)に示すように、N−型多結晶シリコン層3Aの上面にN+型多結晶シリコン層3Bを形成し、フォトリソグラフィとエッチングによりN−型多結晶シリコン層3AとN+型多結晶シリコン層3Bをパターニングする。パターニング後、酸化膜を堆積し、フォトリソグラフィとエッチングにより、酸化膜をパターニングしマスク材52を形成する。
Next, as shown in FIG. 14 (D), N - type on the upper surface of the
次いで、図15(E)に示すように、形成したマスク材52をマスクとして、反応性イオンエッチングにより、N−型多結晶シリコン層3AとN+型多結晶シリコン層3B、及び炭化珪素エピタキシャル層2をエッチングし、ソース領域9、ソースコンタクト領域16、トレンチ13を形成する。その後、マスク材52を除去する。
Next, as shown in FIG. 15E, the N − type
そして、図15(F)に示すように、ソース領域9、ソースコンタクト領域16、トレンチ13側壁の炭化珪素エピタキシャル層2に隣接するようにゲート絶縁膜14を形成した後、ゲート絶縁膜14を介してトレンチの内部にゲート電極10を形成する。
Then, as shown in FIG. 15F, after forming the
次に、15(G)に示すように層間絶縁膜15を堆積後、コンタクトホールを開孔し、ソースコンタクト領域16に接するように、ソース電極9を形成し、炭化珪素基板1の裏面にドレイン電極12を形成し、図13の炭化珪素半導体装置を完成させる。
Next, as shown in 15 (G), after depositing
なお、このように製造した第4の実施形態における炭化珪素半導体装置は第3の実施形態における半導体装置と同様の動作を示す。 The silicon carbide semiconductor device according to the fourth embodiment manufactured in this way exhibits the same operation as the semiconductor device according to the third embodiment.
第4の実施形態においてはソース領域9がN−型多結晶シリコンにて構成される蓄積型のMOSFETを例に示したが、ソース領域9をN−型多結晶シリコンにて構成した反転型のMOFETでも良い。この場合、ソース領域9へのイオン注入にはボロンなどを用いることが出来る。
The
以上、第3及び第4の実施形態においては、スイッチ素子として縦型のMOSFETを例に説明したが、ソース領域、ドレイン領域及び駆動領域からなる活性領域を有するスイッチ素子であればいずれでもよい。 As described above, in the third and fourth embodiments, the vertical MOSFET is described as an example of the switch element. However, any switch element having an active region including a source region, a drain region, and a drive region may be used.
例えば、MOSFET、JFETなどのユニポーラデバイス、IGBTに代表されるバイポーラデバイス、RESURF構造を有したMOSFETなどの、横型のスイッチ素子、いずれのスイッチ素子においても同様の効果を得ることができる。 For example, the same effect can be obtained in any switching element such as a unipolar device such as a MOSFET or JFET, a bipolar device typified by an IGBT, or a lateral switching element such as a MOSFET having a RESURF structure.
また、本発明のいずれの実施形態においても、第一導電型をN型、第二導電型をP型として説明しているが、第一導電型をP型、第二導電型をN型としても同じ効果を得ることが出来る。 In any of the embodiments of the present invention, the first conductivity type is described as N type and the second conductivity type is described as P type. However, the first conductivity type is defined as P type and the second conductivity type is defined as N type. Can achieve the same effect.
更に、本発明のいずれの実施形態においても、第一の半導体材料を炭化珪素、第二の半導体材料を多結晶シリコンとして説明しているが、いずれも上記半導体材料にのみ限定されるものではない。 Furthermore, in any embodiment of the present invention, the first semiconductor material is described as silicon carbide, and the second semiconductor material is described as polycrystalline silicon. .
例えば、窒化ガリウム、ダイヤモンド、酸化亜鉛などに代表されるワイドギャップ半導体は無論のこと、ゲルマニウム、砒化ガリウム、窒化インジウムなど、いずれの半導体材料においても同様の効果を得ることができる。 For example, a wide gap semiconductor typified by gallium nitride, diamond, zinc oxide, and the like can of course obtain the same effect in any semiconductor material such as germanium, gallium arsenide, and indium nitride.
また、本発明の主旨を逸脱しない範囲における変形を含むことは言うまでもない。 Moreover, it cannot be overemphasized that the deformation | transformation in the range which does not deviate from the main point of this invention is included.
高耐圧な半導体装置を製造する上で極めて有用である。 This is extremely useful in manufacturing a semiconductor device with a high breakdown voltage.
1 炭化珪素基板
2 炭化珪素基板エピタキシャル層
3 多結晶シリコン層
3A N−型多結晶シリコン層
3B N+型多結晶シリコン層
4 不純物導入領域
5 電界緩和領域
6 カソード電極
7 アノード電極
8 燐
9 ソース領域
10 ゲート電極
11 ソース電極
12 ドレイン電極
13 トレンチ
14 ゲート絶縁膜
15 層間絶縁膜
16 ソースコンタクト領域
30 ボロン
50 障壁φh
51 電子
52 マスク材
DESCRIPTION OF
51 Electronic 52 Mask material
Claims (18)
前記アノード電極と前記半導体基体との間に、前記第一の半導体材料と前記第一の半導体材料とはバンドギャップの異なる第二の半導体材料とによって形成されるヘテロ接合と、前記ヘテロ接合と接するように前記第一の半導体材料に形成された不純物導入領域と、からなる電界緩和領域を備えたことを特徴とする半導体装置。 A semiconductor substrate made of a first semiconductor material of a first conductivity type, an anode electrode formed to contact the first main surface of the semiconductor substrate, and a main surface opposite to the first main surface In a semiconductor device having a cathode electrode formed,
Between the anode electrode and the semiconductor substrate, the first semiconductor material and the first semiconductor material are in contact with the heterojunction formed by a second semiconductor material having a different band gap. Thus, a semiconductor device comprising an electric field relaxation region comprising an impurity introduction region formed in the first semiconductor material.
前記第一の半導体材料と前記第一の半導体材料とはバンドギャップの異なる第二の半導体材料とによって形成されるヘテロ接合と、前記ヘテロ接合と接するように前記第一の半導体材料に形成された不純物導入領域と、からなる電界緩和領域を備えたことを特徴とする半導体装置。 In a semiconductor device for forming a switch element having an active region composed of at least three regions of a source region, a drain region, and a drive region formed in a predetermined position of a semiconductor substrate made of a first semiconductor material,
The first semiconductor material and the first semiconductor material are formed on the first semiconductor material so as to be in contact with the heterojunction formed by the second semiconductor material having a different band gap. A semiconductor device comprising an electric field relaxation region comprising an impurity introduction region.
前記第一の半導体材料と、前記第一の半導体材料とはバンドギャップが異なる第二の半導体材料からなるヘテロ接合を形成する工程と、
前記第二の半導体材料に不純物を導入する工程と、
前記不純物導入領域を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。 A semiconductor device manufacturing method for manufacturing the semiconductor device according to any one of claims 1 to 11,
Forming a heterojunction of the first semiconductor material and the second semiconductor material having a band gap different from that of the first semiconductor material;
Introducing impurities into the second semiconductor material;
Forming the impurity introduction region;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記第二の半導体材料に不純物を導入する工程と同時に行われることを特徴とする請求項12または請求項13のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 The step of forming the impurity introduction region comprises:
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 12, wherein the method is performed simultaneously with the step of introducing an impurity into the second semiconductor material.
18. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 12, wherein the second semiconductor material is at least one of single crystal silicon, polycrystalline silicon, and amorphous silicon. Method.
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EP1883114A1 (en) * | 2006-07-26 | 2008-01-30 | Nissan Motor Co., Ltd. | Heterojunction semiconductor device and method of producing the semiconductor device |
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JP2011091109A (en) * | 2009-10-20 | 2011-05-06 | Fujitsu Ltd | Semiconductor device and method of manufacturing the same |
JP2015138958A (en) * | 2014-01-24 | 2015-07-30 | 株式会社デンソー | Silicon carbide semiconductor device manufacturing method |
-
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