JP2007066959A - Process for fabricating silicon carbide semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、炭化珪素半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device.
炭化珪素(SiC)は、高い絶縁破壊電界を有している。そのため、炭化珪素を用いた縦型の絶縁ゲート電界効果トランジスタ(炭化珪素MOSFET)は、珪素(Si)を用いた場合に比べて、高耐圧かつ低損失のスイッチング性能を有する。 Silicon carbide (SiC) has a high breakdown electric field. Therefore, a vertical insulated gate field effect transistor (silicon carbide MOSFET) using silicon carbide has a switching performance with high withstand voltage and low loss as compared with the case using silicon (Si).
また、炭化珪素MOSFETのチャネル部に、炭化珪素からなるエピタキシャルチャネル層を形成することでチャネル移動度を改善することができ、より低損失な特性のスイッチング素子を得ることができる。 Further, by forming an epitaxial channel layer made of silicon carbide in the channel portion of the silicon carbide MOSFET, channel mobility can be improved, and a switching element with lower loss characteristics can be obtained.
ここで、nチャネルの炭化珪素MOSFETでは、スイッチング動作を行う際、p型のベース領域とn型のソース領域を金属電極(ソース・ベース共通電極)で接続することにより、ベース領域とソース領域を同電位にして動作している。これは、炭化珪素MOSFETが、OFF動作時にバイポーラ動作するのを防ぎ、さらにOFF動作を速やかに行うために必要とされている。 Here, in the n-channel silicon carbide MOSFET, when performing a switching operation, the base region and the source region are connected by connecting the p-type base region and the n-type source region with a metal electrode (source / base common electrode). Operating at the same potential. This is necessary to prevent the silicon carbide MOSFET from performing a bipolar operation during the OFF operation and to quickly perform the OFF operation.
そして、OFF動作によるスイッチング損失を最小限に抑えるために、ベース領域とソース・ベース共通電極とを、コンタクト抵抗率1e−3Ωcm2以下のオーミックコンタクトにする必要がある。 In order to minimize the switching loss due to the OFF operation, the base region and the source / base common electrode need to be ohmic contacts having a contact resistivity of 1e-3 Ωcm 2 or less.
そのため、ソース・ベース共通電極にニッケル(Ni)電極を用いる場合、アルミニウム(Al)、ボロン(B)、若しくはガリウム(Ga)の何れかを含むイオンが高濃度に注入された、p型の炭化珪素層(ベースコンタクト部)をベース領域のソース・ベース共通電極との接合部に形成する必要がある。 Therefore, when a nickel (Ni) electrode is used for the source-base common electrode, p-type carbonization in which ions containing any of aluminum (Al), boron (B), or gallium (Ga) are implanted at a high concentration. It is necessary to form a silicon layer (base contact portion) at the junction between the base region and the source / base common electrode.
そこで、非特許文献1では、ベース領域に濃度2e20cm-3のAlイオンを注入してベースコンタクト部を形成し、ベースコンタクト部とNi電極とをコンタクトさせることで、コンタクト抵抗率5e−3Ωcm2のオーミックコンタクトを得ている。
Therefore, in
また、炭化珪素MOSFETの製造工程では、イオン注入した不純物のアニール処理による活性化率を高くするために、炭化珪素基板(炭化珪素ウエハ)を高温に保持した状態でイオン注入を行う手法が知られている。 In addition, in the manufacturing process of silicon carbide MOSFETs, a technique is known in which ion implantation is performed with the silicon carbide substrate (silicon carbide wafer) held at a high temperature in order to increase the activation rate of the ion-implanted impurities by annealing. ing.
そして、特許文献1には、炭化珪素基板を1000℃以上に保持した状態でイオン注入を行うことで、炭化珪素MOSFETの一部であるベース領域やソース領域を形成する発明が開示されている。
しかしながら、炭化珪素MOSFETでは、低損失化のため、ソース・ベース共通電極とベースコンタクト部とのコンタクトについて、コンタクト抵抗率が1e−3Ωcm2以下のオーミックコンタクトが必要とされている。 However, in the silicon carbide MOSFET, an ohmic contact having a contact resistivity of 1e-3 Ωcm 2 or less is required for the contact between the source / base common electrode and the base contact portion in order to reduce the loss.
そのため、非特許文献1に開示されたものよりもさらに低いコンタクト抵抗率を持つオーミックコンタクトが必要となる。
Therefore, an ohmic contact having a lower contact resistivity than that disclosed in
さらに、ベースコンタクト部は、高濃度のイオン注入により、結晶性が悪化している。そして、ベースコンタクト部形成後に、活性化アニ−ルやエピタキシャルチャネル層の形成工程で炭化珪素基板を高温に保持する必要がある。 Furthermore, the crystallinity of the base contact portion is deteriorated due to high concentration ion implantation. Then, after forming the base contact portion, it is necessary to keep the silicon carbide substrate at a high temperature in the process of forming the activated annealing layer and the epitaxial channel layer.
炭化珪素基板の温度が高温に保持されると、イオン注入により結晶性が悪化したベースコンタクト部の一部が昇華し、ベースコンタクト部がエッチングされる。すなわち、ベースコンタクト部の厚みが、活性化アニールやエピタキシャルチャネル層の形成により薄くなる。 When the temperature of the silicon carbide substrate is maintained at a high temperature, a part of the base contact portion whose crystallinity has deteriorated due to ion implantation is sublimated, and the base contact portion is etched. That is, the thickness of the base contact portion is reduced by activation annealing or formation of an epitaxial channel layer.
その結果として、ベースコンタクト部と、ベースコンタクト部に隣接する領域との間に、段差y(μm)が生じる(後述する図19参照)。ここで、段差yは、活性化アニールやエピタキシャルチャネル層の製造工程によってベースコンタクト部がどれだけエッチングされたかを示す指標となるものである。 As a result, a step y (μm) is generated between the base contact portion and a region adjacent to the base contact portion (see FIG. 19 described later). Here, the level difference y is an index indicating how much the base contact portion has been etched by the activation annealing or the epitaxial channel layer manufacturing process.
また、ベースコンタクト部は、エピタキシャルチャネル層のエッチング工程(後述する図21参照)や、犠牲酸化およびゲート酸化工程(後述する図23参照)、ソース・ベース共通電極形成時のRTA(Rapid Thermal Annealing)処理(後述する図26参照)などにより、さらに0.1〜0.2μm程度エッチングされる。 In addition, the base contact portion includes an epitaxial channel layer etching step (see FIG. 21 described later), a sacrificial oxidation and gate oxidation step (see FIG. 23 described later), and RTA (Rapid Thermal Annealing) at the time of source / base common electrode formation. Etching is further performed by about 0.1 to 0.2 μm by processing (see FIG. 26 described later).
したがって、ベースコンタクト部は、炭化珪素MOSFETの全製造工程を経た場合、基板表面からy+0.1〜y+0.2μmの深さまでエッチングされる。 Therefore, the base contact portion is etched from the substrate surface to a depth of y + 0.1 to y + 0.2 μm when the entire manufacturing process of the silicon carbide MOSFET is performed.
そのため、ベースコンタクト部の深さをxとすると、炭化珪素MOSFETの全製造工程を経た後に、ベースコンタクト部を有効に残存させるためには、段差yおよび深さxは、少なくともy+0.1<xを満たす必要がある。 Therefore, assuming that the depth of the base contact portion is x, in order to effectively leave the base contact portion after the entire manufacturing process of the silicon carbide MOSFET, the step y and the depth x are at least y + 0.1 <x. It is necessary to satisfy.
一方、段差yは、ベースコンタクト部の深さxを深くしたり、エピタキシャルチャネル層を厚くすることで大きくなるため、上記条件を満たすように深さxを設計することは困難である。 On the other hand, the level difference y is increased by increasing the depth x of the base contact portion or by increasing the thickness of the epitaxial channel layer. Therefore, it is difficult to design the depth x so as to satisfy the above conditions.
以上説明したように、段差yが生じることで、炭化珪素MOSFET製造工程の設計マージンに影響を及ぼし、ベースコンタクト部とソース・ベース共通電極とのコンタクト不良や、炭化珪素MOSFETのOFF時の耐圧低下を招く。 As described above, the generation of the step y affects the design margin of the silicon carbide MOSFET manufacturing process, the contact failure between the base contact portion and the source / base common electrode, and the breakdown voltage drop when the silicon carbide MOSFET is OFF. Invite.
そのため、活性化アニ−ルやエピタキシャルチャネル層の形成によるベースコンタクト部のエッチングを抑制し、段差yを十分に小さくする必要がある。 Therefore, it is necessary to suppress the etching of the base contact portion due to the formation of the activated anneal or the epitaxial channel layer and to sufficiently reduce the step difference y.
また、特許文献1に示されたベース領域やソース領域の製造方法を、ベースコンタクト部の製造工程に適用すると、基板温度を1000℃以上の高温に保持しつつイオン注入するので、イオン注入時の炭化珪素層の結晶性悪化が防止される。
Further, when the manufacturing method of the base region and the source region disclosed in
そして、イオン注入による結晶性の悪化が防止されることで、活性化アニールやエピタキシャルチャネル層の形成時のベースコンタクト部のエッチングを抑制できる可能性がある。 Further, since deterioration of crystallinity due to ion implantation is prevented, there is a possibility that etching of the base contact portion during activation annealing or epitaxial channel layer formation can be suppressed.
しかしながら、基板温度を1000℃以上に保持して、ベースコンタクト部を形成した場合、イオン注入された不純物が炭化珪素層内で凝集し、その後のアニール処理による電気的活性化がイオン注入領域内で一様にできなくなる恐れがある。 However, when the base contact portion is formed with the substrate temperature kept at 1000 ° C. or higher, the ion-implanted impurities are aggregated in the silicon carbide layer, and the electrical activation by the subsequent annealing process occurs in the ion-implanted region There is a risk that it will not be possible.
さらに、基板温度を800℃以上にすると、イオン注入装置や炭化珪素基板自身から放出される熱電子の遮蔽などにより、炭化珪素層へのイオン注入が阻害される恐れがある。 Further, when the substrate temperature is set to 800 ° C. or higher, ion implantation into the silicon carbide layer may be hindered due to, for example, shielding of thermoelectrons emitted from the ion implantation apparatus or the silicon carbide substrate itself.
そこで、本発明の目的は、不純物イオンの炭化珪素層内での凝集等の問題なく、活性化アニール等でのベースコンタクト部のエッチングを抑制し、ソース・ベース共通電極とベースコンタクト部とが、抵抗率の低いオーミックコンタクトとなる炭化珪素半導体装置の製造方法を提供することである。 Therefore, the object of the present invention is to suppress the etching of the base contact part in activation annealing or the like without problems such as aggregation of impurity ions in the silicon carbide layer, and the source-base common electrode and the base contact part are A method of manufacturing a silicon carbide semiconductor device that provides an ohmic contact with a low resistivity is provided.
請求項1に記載の発明は、炭化珪素下地層と、前記炭化珪素下地層の表層部に形成されたp型領域と、前記p型領域の表層部に形成されたコンタクト部と、を備える炭化珪素半導体装置の製造方法であって、前記炭化珪素下地層を400℃以上800℃以下に保持しつつ、前記p型領域にAl、B、若しくはGaの何れかを含むイオンを注入することにより前記コンタクト部を形成する工程を備えることを特徴とする。
The invention according to
請求項1に記載の発明によれば、400℃以上800℃以下に炭化珪素下地層を保持しつつ、p型領域にAl、B、若しくはGaの何れかを含むイオンを注入することでコンタクト部を形成している。 According to the first aspect of the present invention, the contact portion is formed by implanting ions containing any of Al, B, or Ga into the p-type region while holding the silicon carbide underlayer at 400 ° C. or higher and 800 ° C. or lower. Is forming.
400℃以上800℃以下に炭化珪素下地層の温度を保持しつつイオン注入をしているので、コンタクト部の結晶性の悪化を防止できる。 Since the ion implantation is performed while maintaining the temperature of the silicon carbide underlayer at 400 ° C. or higher and 800 ° C. or lower, the crystallinity of the contact portion can be prevented from deteriorating.
そのため、活性化アニールやエピタキシャルチャネル層の形成によるコンタクト部のエッチングを抑制できる。 Therefore, etching of the contact portion due to activation annealing or formation of an epitaxial channel layer can be suppressed.
また、800℃以下に炭化珪素下地層を保持しているので、不純物イオンがコンタクト部内で凝集する等の問題もない。 Further, since the silicon carbide underlayer is held at 800 ° C. or lower, there is no problem that impurity ions aggregate in the contact portion.
その結果、炭化珪素MOSFETに本発明を適用した場合、不純物イオンのベースコンタクト部内での凝集等の問題なく、ソース・ベース共通電極とベースコンタクト部とが抵抗率の低いオーミックコンタクトとなる炭化珪素MOSFETを製造することができる。 As a result, when the present invention is applied to a silicon carbide MOSFET, a silicon carbide MOSFET in which the source / base common electrode and the base contact portion have an ohmic contact with a low resistivity without problems such as aggregation of impurity ions in the base contact portion. Can be manufactured.
<実施の形態1>
<A.ベースコンタクト部のイオン注入濃度および製造方法>
本実施の形態1に係る炭化珪素半導体装置の製造方法について説明する前に、ベースコンタクト部とソース・ベース共通電極とのコンタクト抵抗率を1e−3Ωcm2以下とするために必要なベースコンタクト部のイオン注入濃度、およびベースコンタクト部の製造方法について説明する。
<
<A. Ion implantation concentration of base contact portion and manufacturing method>
Before describing the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment, the base contact portion required for setting the contact resistivity between the base contact portion and the source / base common electrode to 1e-3 Ωcm 2 or less. The ion implantation concentration and the base contact part manufacturing method will be described.
<A−1.イオン注入濃度の調査>
まず、図1に示す抵抗率評価用炭化珪素半導体装置100を作製し、TLM(Transmission Line Method)によってオーミックコンタクトの抵抗率を評価する。そして、1e−3Ωcm-3以下のオーミックコンタクトの抵抗率を得るために必要なAlイオンのイオン注入濃度を調べる。
<A-1. Investigation of ion implantation concentration>
First, the silicon
<A−1−1.抵抗率評価用炭化珪素半導体装置の構成>
図1は、前述した抵抗率評価用炭化珪素半導体装置100の構成を示す断面図である。
<A-1-1. Configuration of Silicon Carbide Semiconductor Device for Resistivity Evaluation>
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of the silicon
n型の炭化珪素基板1上に、n型の炭化珪素からなる炭化珪素エピタキシャル層2が形成されている。そして、炭化珪素エピタキシャル層2上にp型のホール伝導層3が形成されている。
A silicon
ホール伝導層3の表層部に、所定間隔離れて2つのベースコンタクト部4が形成されている。そして、ベースコンタクト部4上にはNi電極5が形成されている。
Two
以下、抵抗率評価用炭化珪素半導体装置100の製造方法について説明する。
Hereinafter, a method for manufacturing silicon
<A−1−2.抵抗率評価用炭化珪素半導体装置100の製造方法>
まず、炭化珪素基板1上に、熱CVD(Chemical Vapor Deposition)法により、炭化珪素エピタキシャル層2を形成する。
<A-1-2. Method for Manufacturing Silicon
First, silicon
炭化珪素エピタキシャル層2は、n型不純物のドーピング濃度が5e15〜1.5e16cm-3、膜厚が7〜15μmとなるように形成されている。
Silicon
また、炭化珪素エピタキシャル層2は、基板温度1500〜1600℃、気圧250mbar、キャリアガス流量:H2=50lm、生成ガス流量:SiH4/C3H8/N2=9/4.5/1.5ccmの条件で形成する。
The silicon
次に、炭化珪素エピタキシャル層2の全面に、濃度5e18cm-3のAlイオンを、深さ0.7〜1.0μmまで注入して、ホール伝導層3を形成する。
Next, Al ions having a concentration of 5e18 cm −3 are implanted into the entire surface of the silicon
次に、炭化珪素エピタキシャル層2上にマスク(図示せず)を形成して、濃度2e19〜2e20cm-3のAlイオンを、深さ0.25μmまで注入して、ベースコンタクト部4を形成する。
Next, a mask (not shown) is formed on silicon
次に、1300〜1900℃のアニール処理により、ベースコンタクト部4およびホール伝導層3のAlイオンを電気的に活性化させる。
Next, Al ions in the
次に、ベースコンタクト部4の上に、Ni電極5を形成する。その後、Ni電極5とベースコンタクト部4とが接触している部分において、それらを合金化する。
Next, the
合金化は、温度950〜1000℃、処理時間20〜60秒、昇温速度10〜25℃/秒のRTA処理により行う。 Alloying is performed by RTA treatment at a temperature of 950 to 1000 ° C., a treatment time of 20 to 60 seconds, and a heating rate of 10 to 25 ° C./second.
以上により、図1に示す抵抗率評価用炭化珪素半導体装置100が完成する。
Thereby, silicon
<A−1−3.オーミックコンタクト抵抗率の評価>
次に、図1の炭化珪素半導体装置100のベースコンタクト部4とNi電極5とのコンタクト抵抗率をTLMによって評価する。
<A-1-3. Evaluation of ohmic contact resistivity>
Next, the contact resistivity between
図2は、電極間距離(Ni電極5間の距離)を5μmとして、印加電圧−1〜+1Vの範囲で測定したI−V特性である。 FIG. 2 shows IV characteristics measured in the range of applied voltage −1 to +1 V, with the distance between the electrodes (distance between the Ni electrodes 5) being 5 μm.
また、図2は、ベースコンタクト部4のAl濃度を2×1019cm-3、5×1019cm-3、8×1019cm-3、2×1020cm-3とした場合のI−V特性を図示している。
FIG. 2 shows I when the Al concentration of the
図2に示すように、ベースコンタクト部4のAl濃度が高くなるにしたがい、I−V特性はより良好なオーミック性を示すようになり、電極間の抵抗値は低くなっている。
As shown in FIG. 2, as the Al concentration of the
これは、ベースコンタクト部4のAl濃度が高くなるにしたがい、ベースコンタクト部4に生じるホール密度が高くなり、ベースコンタクト部4とNi電極5との間に流れるホールのトンネル電流が大きくなるためである。
This is because, as the Al concentration of the
また、電極間距離を50〜3μmとして同様のI−V特性評価を行い、各Al濃度(横軸)に対してTLMにより算出したコンタクト抵抗率(縦軸)を図3に示す。 Further, the same IV characteristic evaluation was performed with the distance between the electrodes set to 50 to 3 μm, and the contact resistivity (vertical axis) calculated by TLM for each Al concentration (horizontal axis) is shown in FIG.
図3に示されるように、ベースコンタクト部4のAl濃度を1.5e20cm-3にすることで、1e−3Ωcm-3のコンタクト抵抗率が得られる。そして、ベースコンタクト部4のAl濃度をさらに上げると、コンタクト抵抗率の下がる割合は飽和する傾向を示している。
As shown in FIG. 3, by the Al concentration in the
これは、ベースコンタクト部4とNi電極5の領域間をトンネルするホールの数が、Al濃度の上昇に対して飽和するためである。
This is because the number of holes tunneling between the region of the
よって、濃度1.5e20cm-3以上のAlイオンを注入してベースコンタクト部4を形成することで、1e−3Ωcm-3以下のコンタクト抵抗率を持つオーミックコンタクトが得られることが示される。
Therefore, it is shown that an ohmic contact having a contact resistivity of 1e- 3 Ωcm- 3 or less can be obtained by implanting Al ions having a concentration of 1.5e20 cm- 3 or more to form the
<A−2.ベースコンタクト部4の製造方法>
次に、ベースコンタクト部4の製造方法について説明する。
<A-2. Manufacturing method of
Next, a method for manufacturing the
<A−2−1.ベースコンタクト部4の深さxの条件>
まず、ベースコンタクト部4の深さxの条件について説明する。
<A-2-1. Condition of depth x of
First, the condition of the depth x of the
後述するように、炭化珪素MOSFET製造工程において、1300〜1900℃の活性化アニ−ルやエピタキシャルチャネル層の形成により、ベースコンタクト部4はエッチングされ、隣接する領域との間には段差yが生じる。
As will be described later, in the silicon carbide MOSFET manufacturing process, the
そして、エピタキシャルチャネル層のエッチング工程(図20参照)や、犠牲酸化およびゲート酸化工程(図22参照)、ソース・ベース共通電極20形成時のRTA処理による炭化珪素の合金化工程(図25参照)などにより、ベースコンタクト部4はさらに0.1〜0.2μm程度エッチングされる。
Then, an etching process of the epitaxial channel layer (see FIG. 20), a sacrificial oxidation and gate oxidation process (see FIG. 22), and an alloying process of silicon carbide by RTA treatment when forming the source / base common electrode 20 (see FIG. 25). Thus, the
そのため、炭化珪素MOSFETの全製造工程の終了後にベースコンタクト部4を有効に残存させるには、ベースコンタクト部4の深さxが、少なくともy+0.1<xを満たすことが必要になる。そして、ベースコンタクト部4が有効に残存する、より最適な条件としては、y+0.2<xを満たすことが必要となる。
Therefore, in order for
一方、ベース領域の深さは0.7〜1.0μmであり、炭化珪素MOSFETのOFF時に拡がるベース・ドリフト層間の空乏層のうち、ベース領域側へ拡がる空乏層の最大値は、0.1μm程度である。 On the other hand, the depth of the base region is 0.7 to 1.0 μm, and the maximum value of the depletion layer extending to the base region side among the depletion layers extending when the silicon carbide MOSFET is OFF is 0.1 μm. Degree.
そして、ベースコンタクト部4に注入された高濃度Alイオンは、深さxよりもさらに0.1μm程度深くまで分布する。
Then, the high-concentration Al ions implanted into the
以上のことを考慮して、ベースコンタクト部4が、炭化珪素MOSFETのOFF時の耐圧に影響を及ぼさないために、ベースコンタクト部4の深さをx<0.5μmとする。
Considering the above, the depth of the
以上の条件を満たす、段差y,深さxの値をグラフ化すると図4のようになる。 FIG. 4 is a graph of the values of the level difference y and the depth x that satisfy the above conditions.
図4のうち、斜線で示された領域1は、y+0.1<x、かつx<0.5を満たす領域である。また、図4の網掛けで示された領域2は、y+0.2<x、かつx<0.5を満たす領域である。
In FIG. 4, a
<A−2−2.段差y評価用炭化珪素半導体装置の作製>
次に、ベースコンタクト部4の形成後、1300〜1900℃の活性化アニ−ル、および炭化珪素エピタキシャル層10の形成により生じる、ベースコンタクト部4と、それに隣接する領域との段差yを調べるために、図5に示す段差y評価用炭化珪素半導体装置200を作製する。
<A-2-2. Production of silicon carbide semiconductor device for level difference y evaluation>
Next, in order to investigate the step y between the
図5において、n型の炭化珪素基板1上に、n型の炭化珪素エピタキシャル層2が形成されている。そして、炭化珪素エピタキシャル層2上にホール伝導層3が形成されている。ホール伝導層3の表層部に所定間隔離れて2つのベースコンタクト部4が形成されている。そして、ホール伝導層3上に炭化珪素エピタキシャル層10が形成されている。
In FIG. 5, n-type silicon
ここで、炭化珪素エピタキシャル層10は、エピタキシャルチャネル層16(図13)に対応している。
Here, silicon
<A−2−3.段差y評価用炭化珪素半導体装置の製造方法>
以下、図5に示す段差y評価用炭化珪素半導体装置200の製造方法を説明する。
<A-2-3. Method for Manufacturing Silicon Carbide Semiconductor Device for Step Y Evaluation>
Hereinafter, a method of manufacturing silicon
まず、炭化珪素基板1上に、熱CVD法により炭化珪素エピタキシャル層2を形成する。炭化珪素エピタキシャル層2は、n型ドーピング濃度5e15〜1.5e16cm-3、膜厚7〜15μmとなるように形成する。
First, silicon
そして、炭化珪素エピタキシャル層2の形成条件は、温度1500〜1600℃、気圧250mbar、キャリアガス流量:H2=50lm、生成ガス流量:SiH4/C3H8/N2=9/4.5/1.5ccmの条件で形成する。
The formation conditions of the silicon
次に、炭化珪素エピタキシャル層2の全面に、濃度5e18cm-3のAlイオンを、深さ0.7〜1.0μmまで注入してp型のホール伝導層3を形成する。
Next, Al ions having a concentration of 5e18 cm −3 are implanted to a depth of 0.7 to 1.0 μm over the entire surface of the silicon
次に、ホール伝導層3上にマスク(図示せず)を形成して、濃度2e20cm-3のAlイオンを、深さ0.25μmまで注入して、ベースコンタクト部4を形成する。
Next, a mask (not shown) is formed on the hole
ここで、イオン注入時の基板温度の違いによる、活性化アニールや炭化珪素エピタキシャル層10の形成後に生じるベースコンタクト部4のエッチングの違いを調べるために、イオン注入時の基板温度を、室温、500℃、800℃にそれぞれ保持したものを作製する。
Here, in order to investigate the difference in etching of the
次に、1300〜1900℃のアニール処理により、ベースコンタクト部4およびホール伝導層3に注入されたAlイオンを電気的に活性化させる。
Next, Al ions implanted into the
次に、熱CVD法により、n型ドーピング濃度1e15〜3e17cm-3の炭化珪素からなる、膜厚0.1〜2.0μmの炭化珪素エピタキシャル層10を形成する。
Next, silicon
炭化珪素エピタキシャル層10は、温度1500〜1600℃、気圧250mbar、キャリアガス流量:H2=50lm、生成ガス流量:SiH4/C3H8/N2=9/4.5/0.15〜30ccmの条件で形成する。
The silicon
以上から、図5に示す、段差y評価用炭化珪素半導体装置200を得ることができる。
From the above, silicon
<A−2−4.段差yの測定>
図6から図8は、図5に示す段差y評価用炭化珪素半導体装置200について、イオン注入時に、基板温度を室温、500℃、800℃にした場合の段差yの計測結果をそれぞれ示す図である。
<A-2-4. Step y measurement>
6 to 8 are diagrams respectively showing measurement results of the step y when the substrate temperature is set to room temperature, 500 ° C., and 800 ° C. during the ion implantation in the silicon
ベースコンタクト部4に隣接する領域の表面を基準(Depth(縦軸)=0nm)として、ベースコンタクト部4(図中p++領域に対応)の深さを測定している。そのため、ベースコンタクト部4でのDepthは、段差yに対応している。
The depth of the base contact portion 4 (corresponding to the p ++ region in the figure) is measured using the surface of the region adjacent to the
図6に示すように、基板温度を室温にしてベースコンタクト部4にAlイオン注入を行った炭化珪素半導体装置200では、段差yは200〜300nmである。
As shown in FIG. 6, in silicon
一方、図7,8に示すように、基板温度を500℃若しくは800℃に保持してAlイオン注入を行った炭化珪素半導体装置200では、段差yは20nm以下に抑えられている。
On the other hand, as shown in FIGS. 7 and 8, in silicon
これは、Alイオン注入時の基板温度を高温に保持することで、高濃度イオン注入による炭化珪素単結晶の結晶性劣化が抑制されたためと考えられる。 This is considered to be because the crystallinity deterioration of the silicon carbide single crystal due to high concentration ion implantation was suppressed by maintaining the substrate temperature at the time of Al ion implantation at a high temperature.
すなわち、結晶性劣化が抑制されることで、その後の活性化アニール等の高温工程による炭化珪素の昇華によるエッチングや、炭化珪素エピタキシャル層10の成長レートの低下が抑えられたためと考えられる。
In other words, it is considered that the crystallinity deterioration is suppressed, so that the etching due to the sublimation of silicon carbide and the decrease in the growth rate of the silicon
図9は、イオン注入時の基板温度(注入温度:横軸)に対して、炭化珪素エピタキシャル層10形成後の段差y(縦軸)の最大値を示している。
FIG. 9 shows the maximum value of the level difference y (vertical axis) after the formation of the silicon
図9に示すように、イオン注入時の基板温度が400℃以上で段差yは20nm程度に抑えられている。この段差yの値は、図4に示した条件を十分に満たしている。 As shown in FIG. 9, the substrate temperature at the time of ion implantation is 400 ° C. or more, and the level difference y is suppressed to about 20 nm. The value of the level difference y sufficiently satisfies the condition shown in FIG.
なお、図9には詳細なデータは示していないが、発明者の実験によれば段差yの最大値は図9に示すラインに沿って変化することがわかっている。そのため、図9に示すラインから、基板温度が400℃以上で段差yは20nm程度に抑えられることがわかる。 Although detailed data is not shown in FIG. 9, it has been found by experiments of the inventor that the maximum value of the step difference y changes along the line shown in FIG. Therefore, it can be seen from the line shown in FIG. 9 that the step y is suppressed to about 20 nm when the substrate temperature is 400 ° C. or higher.
一方、基板温度を800℃以上にしてイオン注入を行っても、段差yは20nm程度に抑えられるが、注入されたAlが炭化珪素内で凝集し、その後の活性化アニールによるAlイオンの電気的活性化が、イオン注入領域内で一様にできなくなる恐れがある。 On the other hand, even if ion implantation is performed at a substrate temperature of 800 ° C. or higher, the level difference y can be suppressed to about 20 nm. However, the implanted Al aggregates in the silicon carbide, and the electrical ions of Al ions are activated by the subsequent activation annealing. There is a possibility that activation cannot be performed uniformly within the ion implantation region.
さらに、基板温度を800℃以上にすると、注入装置や炭化珪素基板自身から放出される熱電子の遮蔽などにより、炭化珪素基板内へのイオン注入が阻害される恐れもある。 Furthermore, if the substrate temperature is set to 800 ° C. or higher, ion implantation into the silicon carbide substrate may be hindered due to, for example, shielding of thermal electrons emitted from the implantation apparatus or the silicon carbide substrate itself.
以上から、ベースコンタクト部4のAlイオン注入を行う際に、基板温度を400℃以上、望ましくは800℃以下に保持することで、段差yおよび深さxが図4に示すx,y値を満たすベースコンタクト部4を製造できる。
From the above, when Al ion implantation of the
<A−2−5.オーミックコンタクトのコンタクト抵抗率評価>
次に、図5で示した炭化珪素半導体装置200を用いてオーミックコンタクトのコンタクト抵抗率を評価する。
<A-2-5. Contact resistance evaluation of ohmic contacts>
Next, the contact resistivity of the ohmic contact is evaluated using silicon
そのため、図5に示した炭化珪素半導体装置200の炭化珪素エピタキシャル層10を全てエッチングにより除去し、ベースコンタクト部4上にNi電極5を形成する。
Therefore, silicon
そして、さらにRTA処理を行い、図1と同様の構造を備える炭化珪素半導体装置200を作製する。その後、TLMにより、Ni電極5間の抵抗率を評価する。
Then, RTA treatment is further performed to manufacture silicon
図10から12は、基板温度を室温、500℃、800℃として、濃度2e20cm-3のAlイオン注入により形成したベースコンタクト部4とNi電極5間のコンタクト抵抗率を、TLMによって評価した結果である。
FIGS. 10 to 12 show results obtained by evaluating the contact resistivity between the
図10に示すように、イオン注入時の基板温度を室温とした炭化珪素半導体装置200では、I−V特性は、印加電圧−1〜1Vの範囲において、良好なオーミック特性を示していない。
As shown in FIG. 10, in the silicon
これは、炭化珪素エピタキシャル層10の形成後に生じた領域間の段差yが最大で300nmであったため、その後の炭化珪素エピタキシャル層10のエッチング工程で、ベースコンタクト部4が全てエッチングされたためである。
This is because the level difference y between the regions generated after the formation of the silicon
図11、12に示すように、イオン注入時の基板温度が500℃、800℃とした場合では、I−V特性は、良好なオーミック特性を示している。そして、コンタクト抵抗率はそれぞれ、7.2e−4Ωcm-3、9.5e−4Ωcm-3である。この値は、炭化珪素MOSFETのベースコンタクト部4に必要なコンタクト抵抗率を十分に満たしている。
As shown in FIGS. 11 and 12, when the substrate temperature at the time of ion implantation is 500 ° C. and 800 ° C., the IV characteristics show good ohmic characteristics. The contact resistivity is 7.2e-4 Ωcm -3 and 9.5e-4 Ωcm -3 , respectively. This value sufficiently satisfies the contact resistivity required for the
これは、炭化珪素エピタキシャル層10の形成後に生じた上記の領域間の段差yが20nm以下であったため、炭化珪素エピタキシャル層10のエッチングプロセスを経た後でも、ベースコンタクト部4が残存したことによる。
This is because the step y between the above-mentioned regions generated after the formation of the silicon
次に、以上説明したベースコンタクト部4の製造方法を適用した炭化珪素MOSFETの製造方法について説明する。
Next, a method for manufacturing a silicon carbide MOSFET to which the above-described method for manufacturing
<B.炭化珪素MOSFETへの適用>
<B−1.炭化珪素半導体装置300の構造>
図13は、本実施の形態1に係る炭化珪素半導体装置300の構成を示す断面図である。ここで、炭化珪素半導体装置300は、nチャネルの炭化珪素MOSFETである。
<B. Application to Silicon Carbide MOSFET>
<B-1. Structure of silicon
FIG. 13 is a cross sectional view showing a configuration of silicon
図13において、n型の炭化珪素基板1上にn型の炭化珪素からなるドリフト層(炭化珪素層、炭化珪素下地層)12が形成されている。そして、ドリフト層12の表層部にp型のベース領域(p型領域)13が所定間隔離れて形成されている。ベース領域13の表層部にn型のソース領域14が形成されている。
In FIG. 13, a drift layer (silicon carbide layer, silicon carbide underlayer) 12 made of n-type silicon carbide is formed on n-type
ドリフト層12上には、エピタキシャルチャネル層16が形成されている。エピタキシャルチャネル層16は、一方のソース領域14端から他方のソース領域14端までを覆うように形成されている。
An
ベース領域13表層部のエピタキシャルチャネル層16に覆われていない領域には、ベースコンタクト部(コンタクト部、p型ベースコンタクト領域)15が形成されている。
A base contact portion (contact portion, p-type base contact region) 15 is formed in a region not covered with the
ソース領域14およびベース領域13上には、ソース・ベース共通電極20が形成されている。そして、ベースコンタクト部15とソース領域14は、ソース・ベース共通電極20により接続されている。
A source / base
エピタキシャルチャネル層16上にはゲート絶縁膜17が形成されている。ゲート絶縁膜17上には、ゲート電極18が形成されている。そしてゲート電極18、およびゲート絶縁膜17を覆うように層間絶縁膜19が形成されている。
A
そして、炭化珪素基板1のドリフト層12が形成された面とは反対の面に、ドレイン電極21が形成されている。
<B−2.炭化珪素半導体装置300の製造方法>
次に、本実施の形態1に係る炭化珪素半導体装置300の製造方法を図14〜26を参照して説明する。
<B-2. Method for Manufacturing Silicon
Next, a method for manufacturing silicon
まず、炭化珪素基板1上に、熱CVD法により、炭化珪素からなるドリフト層12を形成する(図14参照)。
First,
ドリフト層12は、n型ドーピング濃度5e15〜1.5e16cm-3、膜厚7〜15μmとなるように形成する。また、ドリフト層12は、温度1500〜1600℃、気圧250mbar、キャリアガス流量:H2=50lm、生成ガス流量:SiH4/C3H8/N2=9/4.5/1.5ccmの条件で形成する。
The
次に、ドリフト層12の表層部にベース領域13を形成する(図15)。ベース領域13は、ドリフト層12上にマスク(図示せず)を形成し、濃度5e17〜2e18cm-3のAlイオンを、深さ0.7〜1.0μmまで注入することにより形成する。なお、図15は、マスク除去後の断面図を示している。
Next, the
次に、ベース領域13の表層部にソース領域14を形成する(図16)。ソース領域14は、ベース領域13上にマスク(図示せず)を形成し、濃度1e19〜3e19cm-3のNイオンを、深さ0.2〜0.5μmまで注入することにより形成する。なお、図16は、マスク除去後の断面図を示している。
Next, the
次に、上記各ベース領域13の外側にマスク(図示せず)を形成して、濃度1e17〜2e17cm-3のAlイオンを深さ0.7〜1.0μmまで注入して、p型のJTE(Junction Termination Extension)領域(図示せず)を形成する。
Next, a mask (not shown) is formed outside each of the
次に、ベース領域13の表層部にベースコンタクト部15を形成する(図17)。
Next, the
ベースコンタクト部15は、各ベース領域13上にマスクを形成した後、基板温度を400℃以上さらに望ましくは800℃以下に保持した状態で、濃度1.5e20cm-3以上のAlイオンを深さ0.1〜0.5μmまで注入することにより形成する。ここで、ベースコンタクト部15の製造条件は、前述したベースコンタクト部4の製造条件から設定した。なお、図13は、マスク除去後の断面図を示している。
The
次に、アニ−ル装置によって1300〜1900℃の温度でアニール処理し、基板内に注入されたイオンを電気的に活性化する。 Next, annealing is performed at a temperature of 1300 to 1900 ° C. by an annealing apparatus to electrically activate ions implanted in the substrate.
次に、熱CVD法により、炭化珪素からなるn型ドーピング濃度1e15〜3e17cm-3、膜厚0.1〜2.0μmのエピタキシャルチャネル層16を形成する(図18)。
Next, an
エピタキシャルチャネル層16は、温度1500〜1600℃、気圧250mbar、キャリアガス流量:H2=50lm、生成ガス流量:SiH4/C3H8/N2=9/4.5/0.15〜30ccmの条件で、成膜する。
The
ここで、比較のために、基板温度が室温でのイオン注入によりベースコンタクト部15を形成した場合の断面図を図19に示す。図19に示すように、活性化アニール、およびエピタキシャルチャネル層16の製造工程により、ベースコンタクト部15がエッチングされ、段差yが生じている。
Here, for comparison, FIG. 19 shows a cross-sectional view when the
次に、エピタキシャルチャネル層16を、リソグラフィ技術およびエッチング技術により、一対のベース領域13の間に露出したドリフト層12が中央に位置し、それぞれのベース領域13およびソース領域14がエピタキシャルチャネル層16の両端部に位置するような形状にする。図20は、エピタキシャルチャネル層16をエッチングした後の断面図を示す。
Next, the
ここで、比較のために、ベースコンタクト部15を形成するためのAlイオン注入を、従来のように室温中で行った場合の、エピタキシャルチャネル層16をエッチング後の断面図を図21に示す。従来の製造方法では、図21に示すように、活性化アニール、エピタキシャルチャネル層16のエッチング等により、ベースコンタクト部15がエッチングされ、段差yが生じている。
Here, for comparison, FIG. 21 shows a cross-sectional view after etching the
次に、基板全面にゲート絶縁膜17を形成する(図22)。
Next, a
次に、リソグラフィ技術およびエッチング技術により、一対のベース領域13の間に露出したドリフト層12が中央に位置し、それぞれのベース領域13およびソース領域14が両端部に位置するような形状に、ゲート電極18を形成する(図23)。
Next, the
次に、ソース領域14・ゲート電極18間を電気的に絶縁するための層間絶縁膜19を素子全面に成膜する(図24)。
Next, an
次に、各ソース領域14およびベースコンタクト部15上のゲート絶縁膜17および層間絶縁膜19をリソグラフィ技術およびエッチング技術によって除去する。
Next, the
次に、ゲート絶縁膜17および層間絶縁膜19の除去により、ソース領域14およびベースコンタクト部15が表面に露出した部位にソース・ベース共通電極20を成膜する。
Next, by removing the
図25は、ソース・ベース共通電極20形成後の素子断面を示している。
FIG. 25 shows a device cross section after the source / base
次に、炭化珪素基板1の裏面側全面にドレイン電極21を形成する。この後、ソース・ベース共通電極20とドレイン電極21を接触している炭化珪素と合金化させるために、炭化珪素素子基板に対して、温度950〜1000℃、処理時間20〜60秒間、昇温速度10〜25℃/秒のRTA処理を行う。これにより、図13に示す炭化珪素半導体装置が完成する。
Next,
ここで、比較のために、ベースコンタクト部15を形成するためのAlイオン注入を室温で行った場合のソース・ベース共通電極20形成後の断面図を図26に示す。
Here, for comparison, FIG. 26 shows a cross-sectional view after forming the source / base
図26に示すように、Alイオン注入を室温で行った場合、ソース・ベース共通電極20形成後のRTA処理により、ベースコンタクト部15がエッチングされ消失している。その結果、ソース・ベース共通電極20とベース領域13がオーミックコンタクトとならず、炭化珪素MOSFETの動作時の損失が大きくなる。
As shown in FIG. 26, when Al ion implantation is performed at room temperature, the
<C.効果>
本実施の形態1に係る炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、炭化珪素基板1を400℃以上800℃以下に保持しつつ、前記ベース領域にAl、B、若しくはGaの何れかを含むイオンを注入することによりベースコンタクト部15を形成している。
<C. Effect>
According to the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device in accordance with the first embodiment, the
400℃以上800℃以下に炭化珪素基板1の温度を保持しつつイオン注入をしているので、ベースコンタクト部15の結晶性の悪化を防止できる。
Since ion implantation is performed while maintaining the temperature of
そのため、活性化アニールやエピタキシャルチャネル層16の形成によるベースコンタクト部15のエッチングを抑制できる。
Therefore, etching of the
また、800℃以下に炭化珪素基板を保持しているので、不純物イオンが炭化珪素層内で凝集する等の問題もない。 In addition, since the silicon carbide substrate is held at 800 ° C. or lower, there is no problem that impurity ions aggregate in the silicon carbide layer.
その結果、不純物イオンの炭化珪素層内での凝集等の問題なく、また炭化珪素MOSFETの耐圧低下やオン抵抗の増大を招くことなく、十分低抵抗なオーミックコンタクトを持つ炭化珪素MOSFETを製造することができる。 As a result, it is possible to manufacture a silicon carbide MOSFET having a sufficiently low resistance ohmic contact without causing problems such as aggregation of impurity ions in the silicon carbide layer and without causing a decrease in breakdown voltage or an increase in on-resistance of the silicon carbide MOSFET. Can do.
また、本実施の形態1に係る炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、イオンの注入濃度を1.5e20cm-3以上にしてベースコンタクト部15を形成しているので、ベースコンタクト部15とソース・ベース共通電極20のコンタクトを1e−3Ωcm2以下のオーミックコンタクトにすることができる。
Further, according to the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment, since
さらに、本実施の形態1に係る炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、ベース領域13に注入されるイオンの注入深さが0.1μmから0.5μmとしているので、エピタキシャルチャネル層16のエッチング工程や、犠牲酸化およびゲート酸化工程、ソース・ベース共通電極20形成時のRTA処理による炭化珪素の合金化工程後もベースコンタクト部15を確実に残存させることができる。
Furthermore, according to the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment, since the implantation depth of ions implanted into
さらに、ベースコンタクト部4の深さをx<0.5μmとしているので、炭化珪素MOSFETのOFF時の耐圧に悪影響を及ぼすことがない。
Furthermore, since the depth of the
さらにまた、本実施の形態1に係る炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、ドリフト層12上にエピタキシャルチャネル層16を形成する工程をさらに備えているので、よりオン抵抗の低い炭化珪素MOSFETを製造することができる。
Furthermore, according to the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment, the method further includes the step of forming
なお、本実施の形態1では、ベース領域13にAlイオンを注入することでベースコンタクト部15を形成したが、Al、B、若しくはGaの何れかを含むイオンを注入することにより形成してもよい。
In the first embodiment, the
また、本実施の形態1では、炭化珪素MOSFETについて本発明を適用した例を説明したが、本発明は、炭化珪素MOSFETに限定されるものでは無く、炭化珪素下地層内のp型領域にコンタクト部を有する構造であれば他の構造であっても適用することができる。 In the first embodiment, an example in which the present invention is applied to a silicon carbide MOSFET has been described. However, the present invention is not limited to a silicon carbide MOSFET, and contacts a p-type region in a silicon carbide underlayer. Any other structure can be applied as long as it has a portion.
1 炭化珪素基板、2,10 炭化珪素エピタキシャル層、3 ホール伝導層、4,15 ベースコンタクト部、5 Ni電極、12 ドリフト層、13 ベース領域、14 ソース領域、16 エピタキシャルチャネル層、17 ゲート絶縁膜、18 ゲート電極、19 層間絶縁膜、20 ソース・ベース共通電極、21 ドレイン電極。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記炭化珪素下地層の表層部に形成されたp型領域と、
前記p型領域の表層部に形成されたコンタクト部と、
を備える炭化珪素半導体装置の製造方法であって、
前記炭化珪素下地層を400℃以上800℃以下に保持しつつ、前記p型領域にAl、B、若しくはGaの何れかを含むイオンを注入することにより前記コンタクト部を形成する工程を備えることを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。 A silicon carbide underlayer;
A p-type region formed in a surface layer portion of the silicon carbide underlayer;
A contact portion formed on a surface layer portion of the p-type region;
A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device comprising:
A step of forming the contact portion by implanting ions containing any of Al, B, or Ga into the p-type region while maintaining the silicon carbide underlayer at 400 ° C. or more and 800 ° C. or less. A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device.
前記p型領域は、MOSFETのp型ベース領域であり、
前記コンタクト部は、MOSFETのp型ベースコンタクト領域であることを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 The silicon carbide underlayer is a silicon carbide layer formed on a silicon carbide substrate,
The p-type region is a p-type base region of a MOSFET,
The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the contact portion is a p-type base contact region of a MOSFET.
The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, further comprising a step of forming an epitaxial channel layer on the silicon carbide underlayer after the step.
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