JP2008108824A - Silicon-carbide semiconductor element and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、炭化珪素を用いた半導体素子およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor element using silicon carbide and a method for manufacturing the same.
炭化珪素(シリコンカーバイド:SiC)は、珪素(Si)に比べてバンドギャップが大きく、絶縁破壊電界強度が高いことなどから、次世代の低損失パワーデバイス等へ応用されることが期待される半導体材料である。炭化珪素は、立方晶系の3C−SiCや六方晶系の6H−SiC、4H−SiC等、多くのポリタイプを有する。この中で、実用的な炭化珪素半導体素子を作製するために一般的に使用されているポリタイプは6H−SiC及び4H−SiCである。 Silicon carbide (silicon carbide: SiC) is a semiconductor that is expected to be applied to the next generation of low-loss power devices because it has a larger band gap and higher dielectric breakdown field strength than silicon (Si). Material. Silicon carbide has many polytypes such as cubic 3C—SiC and hexagonal 6H—SiC and 4H—SiC. Among these, polytypes generally used for producing a practical silicon carbide semiconductor element are 6H—SiC and 4H—SiC.
MOSFET、MESFET、ショットキーダイオードなどの炭化珪素半導体素子は、通常、c軸に対し垂直な(0001)面にほぼ一致する面を主面とする6H−SiC基板または4H−SiC基板を用いて作製される。6H−SiCまたは4H−SiC基板(SiC基板)上には、炭化珪素半導体素子の活性領域となるエピタキシャル成長層が形成される。エピタキシャル成長層のうち選択された領域には、導電型やキャリア濃度が制御された不純物ドープ層が形成される。不純物ドープ層は、例えばMOSFETではP型ウェル領域やn+ソース領域として機能する。 Silicon carbide semiconductor elements such as MOSFETs, MESFETs, and Schottky diodes are usually manufactured using a 6H-SiC substrate or a 4H-SiC substrate whose main surface is a plane that substantially matches the (0001) plane perpendicular to the c-axis. Is done. On the 6H—SiC or 4H—SiC substrate (SiC substrate), an epitaxial growth layer serving as an active region of the silicon carbide semiconductor element is formed. An impurity doped layer with a controlled conductivity type and carrier concentration is formed in a selected region of the epitaxial growth layer. The impurity doped layer functions as a P-type well region or an n + source region in a MOSFET, for example.
以下、図面を参照しながら、SiC基板上にエピタキシャル成長層を形成する一般的な方法を説明する。図11は、SiC基板の上にエピタキシャル成長によって形成された炭化珪素層を示す図である。 Hereinafter, a general method for forming an epitaxial growth layer on a SiC substrate will be described with reference to the drawings. FIG. 11 is a diagram showing a silicon carbide layer formed by epitaxial growth on the SiC substrate.
SiC基板40は、例えば(0001)面より数度(オフ角)傾けてステップ密度を増大させた表面(ステップ構造表面)40sを有するオフアングル基板である。図示するように、SiC基板40における表面40sは、複数の原子レベルのステップ50を有している。なお、標準的なオフアングル基板のオフ角は、4H−SiC基板では(0001)面を基準面として[11−20]方向に8°、6H−SiC基板では(0001)面を基準面として[11−20]方向に3.5°である。
The
このSiC基板40の表面40sに、ステップ50の横方向成長によるステップフロー42を利用して炭化珪素をエピタキシャル成長させることにより、炭化珪素エピタキシャル層41が得られる。得られた炭化珪素エピタキシャル層41の表面41sには、SiC基板40のステップ50に起因する階段状のステップ43が形成される。なお、ステップ43の高さは、通常、SiC基板40におけるステップ50の高さ(0.25nm)よりも大きく、例えば1nm以上である。
Silicon carbide
しかしながら、上記方法によって形成された炭化珪素エピタキシャル層41を用いて半導体素子を作製しても、炭化珪素本来の優れた物性値から期待されるような電気的特性を得ることは困難である。炭化珪素MOSFETを例に、以下により具体的に説明する。
However, even if a semiconductor element is manufactured using silicon carbide
炭化珪素MOSFETでは、例えば、炭化珪素エピタキシャル層41の上にゲート酸化膜を介してゲート電極が設けられ、炭化珪素エピタキシャル層41の表面41sにチャネルが形成されるが、MOS界面となる炭化珪素エピタキシャル層41の表面41sにはステップ43が存在するので、キャリアがチャネルを移動する際にステップ43によって散乱したり、界面準位密度が高くなるためにチャネル移動度が低下する。このようなチャネル移動度の低下は、炭化珪素MOSFETの電力損失の増大を引き起こすおそれがある。
In the silicon carbide MOSFET, for example, a gate electrode is provided on the silicon carbide
また、炭化珪素エピタキシャル層41に対するイオン注入後、活性化アニールを行うと、炭化珪素エピタキシャル層41の表面には原子のマイグレーションによるバンチングステップが形成されるので、チャネル移動度はさらに低下する。
In addition, when activation annealing is performed after ion implantation into the silicon carbide
これに対し、特許文献1は、炭化珪素エピタキシャル層に対する活性化アニールによってバンチングステップを形成し、そのバンチングステップにおける平坦部(「テラス」ともいう)をMOSFETのチャネル部分として用いることを提案している。
On the other hand,
なお、「バンチングステップ」とは、表面に微小なステップを有する炭化珪素エピタキシャル層に対して活性化アニールを行うことによって、炭化珪素エピタキシャル層の原子(Si、C)が昇華した結果、複数の微小なステップが重なってできたステップをいう。従って、バンチングステップのサイズは、活性化アニール前のステップよりも極めて大きくなる。例えば、活性化アニール前のステップの高さは約1nm、テラスの幅は約7nmであるのに対し、バンチングステップの高さは約7〜10nm、テラスの幅は約100nmである。ステップの高さやテラスの幅の定義については後述する。また、本明細書では、図11に示すステップ43のような活性化アニール前のステップを、「微小なステップ」と呼んでバンチングステップと区別することがある。
The “bunching step” is a result of sublimation of atoms (Si, C) in the silicon carbide epitaxial layer by performing activation annealing on the silicon carbide epitaxial layer having a minute step on the surface, resulting in a plurality of minute steps. This is a step made up of overlapping steps. Therefore, the size of the bunching step is extremely larger than the step before the activation annealing. For example, the step height before activation annealing is about 1 nm and the terrace width is about 7 nm, while the bunching step height is about 7 to 10 nm and the terrace width is about 100 nm. The definition of step height and terrace width will be described later. Further, in this specification, a step before activation annealing such as
バンチングステップは、炭化珪素エピタキシャル層表面における原子のマイグレーションを利用して形成されているため、その平坦部(テラス)は、良好な結晶性の面ではなく、通常は多数の欠陥を含んでいる。このため、バンチングステップの平坦部をチャネルとして利用しても、キャリアが欠陥によって散乱してしまうので、高いチャネル移動度は得られない。さらに、バンチングステップの平坦部の幅はばらついており、MOSFETにおけるチャネル長を正確に設計できないという問題もある。 Since the bunching step is formed by utilizing the migration of atoms on the surface of the silicon carbide epitaxial layer, the flat portion (terrace) does not have a good crystallinity and usually includes a large number of defects. For this reason, even if the flat part of the bunching step is used as a channel, carriers are scattered by defects, so that high channel mobility cannot be obtained. Furthermore, the width of the flat part of the bunching step varies, and there is a problem that the channel length in the MOSFET cannot be designed accurately.
また、特許文献1には、実施形態の1つとして、バンチングステップにおける平坦部の位置を制御するために、活性化アニールを行う前に、炭化珪素エピタキシャル層表面に段差を設ける方法が開示されている(特許文献1の図3)。以下、図面を参照しながら、この方法を詳しく説明する。
図12は、特許文献1に開示された上記実施形態の方法を用いて得られたMOSFETの断面図である。
FIG. 12 is a cross-sectional view of a MOSFET obtained by using the method of the above-described embodiment disclosed in
まず、SiC基板61の表面に炭化珪素エピタキシャル層62を形成する。次いで、炭化珪素エピタキシャル層62に対してイオン注入を行うことにより、P型領域63およびN型領域64を形成する。イオン注入後、炭化珪素エピタキシャル層62の表面に、ドライエッチングで2つの段差70を設ける。続いて、活性化アニールを行うことにより、炭化珪素エピタキシャル層62の表面にバンチングステップを形成する。その後、バンチングステップ上に炭化珪素をさらにステップフロー成長させると、2つの段差70の間では、左端から右端に向ってステップ67が成長し、ステップ67のテラス部分から構成される平坦面69を得る。この平坦面69の上に絶縁膜65およびゲート電極66を形成することにより、平坦面69をチャネルとして利用できる。
First, silicon carbide
上記方法によると、段差70によって平坦面69の位置を制御できるので、バンチングステップによるキャリア移動度の低下を抑制できる。
しかし、図12を参照しながら説明した特許文献1の方法では、バンチングステップの平坦部は多数の欠陥を含んでいるため、この面の上に炭化珪素をステップフロー成長させても、十分に高い結晶性を有する平坦面69を得ることは難しい。従って、平坦面69にチャネルを形成しても、高いチャネル移動度は得られない。
However, in the method of
また、図12からわかるように、炭化珪素エピタキシャル層62の表面において、チャネルとなる平坦面69を含む領域と、その周囲の領域との間で段差70が存在するために、MOSFETの作製プロセス上、様々な問題を引き起こすおそれがある。段差70は少なくともバンチングステップの高さ以上と考えられるため、例えば、炭化珪素エピタキシャル層62の上に電極や配線を形成する際に、正確なパターニングを行うことが困難になり、素子特性を低下させる要因となる。また、段差70によって配線切れなどが生じてMOSFETの信頼性を低下させるおそれもある。さらには、段差70によってMOSFETの内部に電界集中箇所ができ、MOSFETの耐圧劣化を引き起こす可能性がある。
Further, as can be seen from FIG. 12, since there is a
このように、従来の炭化珪素半導体素子の作製方法によると、炭化珪素基板表面のステップ構造に起因して、MOS界面に微小なステップや結晶欠陥が存在するため、高いキャリア移動度を有するチャネルを形成できなかった。また、図12を参照しながら説明した方法では、炭化珪素エピタキシャル層に段差70を設ける必要があり、その後のプロセスが困難になるという問題があった。
Thus, according to the conventional method for manufacturing a silicon carbide semiconductor element, a channel having a high carrier mobility is formed due to the presence of minute steps and crystal defects at the MOS interface due to the step structure on the surface of the silicon carbide substrate. Could not be formed. Further, the method described with reference to FIG. 12 has a problem that it is necessary to provide a
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、炭化珪素層表面に単一の結晶面からなるファセット面を形成することにより、炭化珪素基板表面のステップ構造に起因する素子特性の低下を抑制することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to form an element resulting from a step structure on the surface of a silicon carbide substrate by forming a facet surface composed of a single crystal plane on the surface of the silicon carbide layer. It is to suppress the deterioration of the characteristics.
本発明の炭化珪素半導体素子は、オフ角を有する炭化珪素基板と、前記炭化珪素基板の上に形成された炭化珪素層とを備え、前記炭化珪素層の表面は、単一の結晶面から構成されるファセット面を有し、前記ファセット面は、前記炭化素基板の表面における包絡面に対して傾斜しており、前記炭化珪素層は、前記ファセット面が形成された第1領域と、前記ファセット面における最も低い部分に隣接する第2領域とを含み、前記第1領域における最も高い部分は、前記第2領域の表面よりも高く、前記炭化珪素層の表面には、前記ファセット面の端部の少なくとも一部に沿って、前記ファセット面のうち最も低い部分よりも窪んだ底部を有する段差が設けられていない。 A silicon carbide semiconductor element of the present invention includes a silicon carbide substrate having an off-angle and a silicon carbide layer formed on the silicon carbide substrate, and the surface of the silicon carbide layer is configured by a single crystal plane. The facet surface is inclined with respect to an envelope surface on a surface of the carbide substrate, the silicon carbide layer includes a first region in which the facet surface is formed, and the facet A second region adjacent to the lowest portion of the surface, the highest portion of the first region being higher than the surface of the second region, and the surface of the silicon carbide layer has an end of the facet surface A step having a bottom that is recessed from the lowest part of the facet surface is not provided along at least a part of the facet.
ある好ましい実施形態において、前記ファセット面における最も高い部分と、前記第2領域における最も低い部分とのレベル差は1μm以下である。 In a preferred embodiment, the level difference between the highest portion in the facet surface and the lowest portion in the second region is 1 μm or less.
ある好ましい実施形態において、前記ファセット面は、前記炭化珪素基板の表面における包絡面に対して傾斜している。 In a preferred embodiment, the facet surface is inclined with respect to an envelope surface on the surface of the silicon carbide substrate.
前記炭化珪素層のファセット面は、前記炭化珪素基板の法線方向から見ると、長方形であってもよい。 The facet surface of the silicon carbide layer may be rectangular when viewed from the normal direction of the silicon carbide substrate.
上記炭化珪素半導体素子は、前記ファセット面を複数個有しており、前記複数個のファセット面における一部の辺は互いに平行であることが好ましい。 The silicon carbide semiconductor element preferably includes a plurality of facet surfaces, and some sides of the plurality of facet surfaces are parallel to each other.
ある好ましい実施形態において、前記ファセット面は(0001)面から構成されている。 In a preferred embodiment, the facet plane is composed of a (0001) plane.
上記炭化珪素半導体素子は前記第2領域の表面は微小なステップを有しており、前記微小なステップの稜線に垂直な断面において、前記ファセット面の幅は前記微小なステップの幅よりも大きい。 In the silicon carbide semiconductor element, the surface of the second region has a minute step, and the width of the facet surface is larger than the width of the minute step in a cross section perpendicular to the ridge line of the minute step.
前記ファセット面の少なくとも一部を覆う酸化膜と、前記酸化膜の上に設けられた電極とをさらに備えていてもよい。 You may further provide the oxide film which covers at least one part of the said facet surface, and the electrode provided on the said oxide film.
ある好ましい実施形態において、前記第1領域にチャネルが形成されたトランジスタ構造を有する。 In a preferred embodiment, the transistor has a transistor structure in which a channel is formed in the first region.
ある好ましい実施形態において、前記炭化珪素層の上に、前記ファセット面の少なくとも一部と接触するように設けられた電極をさらに備え、前記炭化珪素層および前記電極の界面の少なくとも一部はショットキー障壁を形成している。 In a preferred embodiment, the semiconductor device further includes an electrode provided on the silicon carbide layer so as to be in contact with at least a part of the facet surface, and at least a part of an interface between the silicon carbide layer and the electrode is a Schottky. It forms a barrier.
本発明の炭化珪素半導体素子の製造方法は、オフ角を有し、かつ、表面に第1の炭化珪素層が形成された炭化珪素基板を用意する工程(A)と、前記第1の炭化珪素層の上にマスク層を形成する工程(B)と、前記第1の炭化珪素層のうちマスク層で覆われていない部分に、第2の炭化珪素層をエピタキシャル成長させる工程(C)とを包含し、前記第2の炭化珪素層の表面は、単一の結晶面から構成されるファセット面を有する。 The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device of the present invention includes a step (A) of preparing a silicon carbide substrate having an off angle and having a first silicon carbide layer formed on a surface thereof, and the first silicon carbide. A step (B) of forming a mask layer on the layer, and a step (C) of epitaxially growing a second silicon carbide layer on a portion of the first silicon carbide layer not covered with the mask layer. And the surface of the said 2nd silicon carbide layer has a facet surface comprised from a single crystal plane.
ある好ましい実施形態において、前記マスク層の端面は、前記炭化珪素基板の表面の包絡面における前記第2の炭化珪素層におけるステップフロー成長の進行方向に垂直な方向に沿って伸びる部分を有する。 In a preferred embodiment, the end face of the mask layer has a portion extending along a direction perpendicular to the progress direction of step flow growth in the second silicon carbide layer in the envelope surface of the surface of the silicon carbide substrate.
上記製造方法は、前記第1および第2の炭化珪素層の少なくとも一部に不純物イオンを注入する工程(D)と、前記不純物イオンが注入された第1および第2の炭化珪素層に対して活性化アニールを行う工程(E)とをさらに包含し、前記工程(D)および(E)は、前記工程(C)よりも後に行われてもよい。 The manufacturing method includes the step (D) of implanting impurity ions into at least a part of the first and second silicon carbide layers, and the first and second silicon carbide layers implanted with the impurity ions. A step (E) of performing activation annealing, and the steps (D) and (E) may be performed after the step (C).
前記工程(E)よりも前に、前記第1および第2の炭化珪素層の表面に炭素からなるキャップ層を設ける工程を含み、前記工程(E)の後に、前記キャップ層を除去する工程を含んでもよい。 Including a step of providing a cap layer made of carbon on the surfaces of the first and second silicon carbide layers before the step (E), and a step of removing the cap layer after the step (E). May be included.
前記マスク層は、前記炭化珪素基板の法線方向から見て長方形であってもよい。 The mask layer may be rectangular when viewed from the normal direction of the silicon carbide substrate.
前記炭化珪素基板の法線方向から見て、前記マスク層の少なくとも一辺は、前記第2の炭化珪素層におけるステップフロー成長の進行方向に対して垂直であってもよい。 When viewed from the normal direction of the silicon carbide substrate, at least one side of the mask layer may be perpendicular to the direction of progress of step flow growth in the second silicon carbide layer.
ある好ましい実施形態において、前記工程(B)は、前記第1の炭化珪素層の上に複数の島状のマスク層を形成する工程であり、前記炭化珪素基板の法線方向から見て、前記複数のマスク層のそれぞれにおける少なくとも一辺は互いに平行である。 In a preferred embodiment, the step (B) is a step of forming a plurality of island-shaped mask layers on the first silicon carbide layer, as viewed from the normal direction of the silicon carbide substrate. At least one side of each of the plurality of mask layers is parallel to each other.
ある好ましい実施形態において、前記工程(B)は、前記第1の炭化珪素層の上に複数の島状のマスク層を形成する工程であり、前記炭化珪素基板の法線方向から見て、前記複数のマスク層のそれぞれにおける少なくとも一辺は前記第2の炭化珪素層におけるステップフロー成長の進行方向に対して平行であり、前記ステップフロー成長の進行方向に対して平行な少なくとも一辺の長さは、隣接するマスク層の間隔よりも小さい。 In a preferred embodiment, the step (B) is a step of forming a plurality of island-shaped mask layers on the first silicon carbide layer, as viewed from the normal direction of the silicon carbide substrate. At least one side of each of the plurality of mask layers is parallel to the direction of progress of step flow growth in the second silicon carbide layer, and the length of at least one side parallel to the direction of progress of step flow growth is: It is smaller than the interval between adjacent mask layers.
前記マスク層の厚さは、前記第2の炭化珪素層の厚さよりも大きくてもよい。 The thickness of the mask layer may be greater than the thickness of the second silicon carbide layer.
前記マスク層の厚さは10nm以上1μm以下であってもよい。 The mask layer may have a thickness of 10 nm to 1 μm.
前記マスク層は炭素を含んでもよい。 The mask layer may include carbon.
本発明の他の炭化珪素半導体素子の製造方法は、(A)オフ角を有する炭化珪素基板を用意する工程と、(B)前記炭化珪素基板の上にマスク層を形成する工程と、(C)前記炭化珪素基板のうちマスク層で覆われていない部分に、炭化珪素層をエピタキシャル成長させる工程とを包含し、前記炭化珪素層は単一の結晶面から構成されるファセット面を有する。 Another method of manufacturing a silicon carbide semiconductor device of the present invention includes (A) a step of preparing a silicon carbide substrate having an off angle, (B) a step of forming a mask layer on the silicon carbide substrate, and (C And a step of epitaxially growing a silicon carbide layer on a portion of the silicon carbide substrate that is not covered with a mask layer, the silicon carbide layer having a facet plane composed of a single crystal plane.
本発明の他の炭化珪素半導体素子は、オフ角を有する炭化珪素基板と、前記炭化珪素基板の表面の一部に形成された炭化珪素層とを備え、前記炭化珪素層の表面は、単一の結晶面から構成されるファセット面を有する。 Another silicon carbide semiconductor device of the present invention includes a silicon carbide substrate having an off-angle and a silicon carbide layer formed on a part of the surface of the silicon carbide substrate, and the surface of the silicon carbide layer is a single surface. Having facet planes composed of crystal planes.
本発明によると、炭化珪素層の表面に結晶性に優れたファセット面を形成できるので、高い素子特性を有する炭化珪素半導体素子を提供できる。本発明をMOSFETに適用すると、上記ファセット面をチャネルとして利用することにより、MOS界面において、炭化珪素基板のオフ角に起因する微小なステップやバンチングステップによるキャリアの散乱を抑え、かつ、界面準位密度を抑制できるので、チャネル抵抗を低減できる。 According to the present invention, since a facet surface having excellent crystallinity can be formed on the surface of the silicon carbide layer, a silicon carbide semiconductor element having high element characteristics can be provided. When the present invention is applied to a MOSFET, by using the facet surface as a channel, scattering of carriers due to a minute step or a bunching step caused by an off angle of the silicon carbide substrate at the MOS interface is suppressed, and the interface state is reduced. Since the density can be suppressed, the channel resistance can be reduced.
また、本発明によると、炭化珪素層の表面に比較的大きな段差を設けることなく、ファセット面のサイズや位置を制御できるので、そのような段差による素子特性や信頼性の低下を防止できる。 Further, according to the present invention, since the size and position of the facet surface can be controlled without providing a relatively large step on the surface of the silicon carbide layer, it is possible to prevent deterioration of element characteristics and reliability due to such a step.
さらに、本発明によると、上記のような炭化珪素半導体素子を簡便なプロセスで作製できる。 Furthermore, according to the present invention, the silicon carbide semiconductor element as described above can be manufactured by a simple process.
本発明による好ましい実施形態の炭化珪素半導体素子は、ステップ構造表面を有する炭化珪素基板と、炭化珪素基板の上に形成された炭化珪素層とを有し、炭化珪素層の表面には、単一の結晶面から構成されるファセット面が形成されている。本明細書では、「ファセット面」とは、単一の結晶面から構成され、かつ、炭化珪素基板のステップ構造に対応する微小なステップを有していない平坦な面を意味する。このファセット面を例えばMOSFETのチャネルとして利用することにより、炭化珪素基板のステップ構造に起因する素子特性の劣化を抑制できる。 A silicon carbide semiconductor device according to a preferred embodiment of the present invention includes a silicon carbide substrate having a step structure surface and a silicon carbide layer formed on the silicon carbide substrate. A facet plane composed of the crystal plane is formed. In the present specification, the “facet plane” means a flat plane that is composed of a single crystal plane and does not have minute steps corresponding to the step structure of the silicon carbide substrate. By using this facet surface as a channel of, for example, a MOSFET, it is possible to suppress deterioration in element characteristics due to the step structure of the silicon carbide substrate.
以下、図1を参照しながら、本発明の好ましい実施形態におけるファセット面の形成方法の一例を説明する。ここでは、炭化珪素基板として、<11−20>方向に8°のオフ角を有する4H−SiC基板を用いる。 Hereinafter, an example of a method for forming a facet surface in a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Here, a 4H—SiC substrate having an off angle of 8 ° in the <11-20> direction is used as the silicon carbide substrate.
まず、図1(a)に示すように、炭化珪素基板1のシリコン面、すなわち(0001)面上に炭化珪素エピタキシャル層2を形成する。上述したように、炭化珪素基板1の表面は8°のオフ角を有すため、炭化珪素エピタキシャル層2の表面には、炭化珪素基板1の表面構造に対応する微小なステップ4が存在する。
First, as shown in FIG. 1A, a silicon
ここで、上記ステップ4の構造を詳しく説明する。図2はステップ4の拡大断面図であり、炭化珪素基板1の表面に置ける包絡面に垂直であり、かつ、ステップ4の稜線方向と直交する断面を示している。なお、図2は、わかりやすくするために模式的に誇張して示している。図示する例では、炭化珪素基板1の表面における包絡面Sの法線Nは、(0001)面より<11−20>方向に傾いており、その傾斜角は、炭化珪素基板1におけるオフ角(ここでは8°)に等しい。ステップ4の断面形状は、(0001)面からなる幅Wのテラス7tと、高さHのステップ側壁7wとから構成される略三角形である。ステップ4の高さHは、炭化珪素の格子間隔である0.25nm以上であり、一般的には1nm以上である。
Here, the structure of
次に、図1(b)に示すように、炭化珪素エピタキシャル層2の表面にマスク層5を形成する。ここでは、2個の島状のマスク層5を、炭化珪素層2の表面のうちファセット面を形成しようとする部分を挟むように配置する。マスク層5は、後述するエピタキシャル薄膜の形成工程に耐え得る十分な耐熱性を有する必要があり、例えばカーボン膜から形成されている。マスク層5の形成は、スパッタリングやCVDによって行うことができる。また、炭化珪素基板1の法線方向から見たマスク層5の平面形状は、例えば、<1−100>方向に沿った長辺を有する長方形である。マスク層5の厚さは、後述する工程で形成するエピタキシャル薄膜の厚さと同程度あるいはそれよりも大きいことが好ましく、例えば0.3μmである。
Next, as shown in FIG. 1B,
次に、図1(c)および(d)に示すように、炭化珪素エピタキシャル層2の表面のうちマスク層5が形成されていない部分に、炭化珪素エピタキシャル層2と同一の濃度でN型不純物を含むエピタキシャル薄膜8を形成する。このとき、ステップフロー成長の進行に伴って、炭化珪素エピタキシャル層2の表面のうちマスク層5が形成されていない部分には(0001)面からなるファセット面9が出現する(図1(c))。ステップフロー成長をさらに進行させると、マスク層5の間隔に亘ってファセット面9が形成される(図1(d))。このようにして、炭化珪素層10が得られる。なお、本明細書では、炭化珪素エピタキシャル層2とエピタキシャル薄膜8とを合わせて、単に「炭化珪素層」と呼ぶ。
Next, as shown in FIGS. 1C and 1D, an N-type impurity having the same concentration as that of silicon
エピタキシャル薄膜8の厚さは、ステップ4の高さHよりも十分大きく設定され、例えば0.3μmである。このように、マスク層5によって開口された部分のみにエピタキシャル成長させると、エピタキシャル成長条件を最適化することにより、(0001)面からなるファセット面9を形成できる。なお、本実施形態では、炭化珪素エピタキシャル層2とエピタキシャル薄膜8とは、同じエピタキシャル成長条件で形成され、かつ、同一濃度で同一の不純物を含むが、これらの成長条件や不純物の種類・濃度は異なっていてもよい。
The thickness of the epitaxial
この後、図示しないが、炭化珪素層10からマスク層5を除去する。マスク層5がカーボンマスクの場合には、マスク層5を熱酸化することによって一酸化炭素もしくは二酸化炭素等の反応生成物となり除去されるので、炭化珪素層10の表面にダメージを与えることなくマスク層5を略完全に除去できるので好ましい。
Thereafter, although not shown,
本実施形態におけるファセット面9は、活性化アニールを経ずに形成されるため、極めて高い結晶性を有する(0001)面である。従って、このファセット面9をチャネルとして利用する場合には、酸化膜−半導体(MOS)界面においてキャリア散乱が生じず、かつ界面準位の密度を低減できるので、チャネル移動度を高め、電流密度の高い電流を流すことが可能になる。また、電気特性のバラツキの少ない炭化珪素半導体素子を実現できる。また、ファセット面9のサイズや位置は、マスク層5の設計によって任意に制御できるので、チャネル長などの設計が容易である。
The facet surface 9 in this embodiment is a (0001) surface having extremely high crystallinity because it is formed without activation annealing. Therefore, when this facet surface 9 is used as a channel, carrier scattering does not occur at the oxide film-semiconductor (MOS) interface, and the interface state density can be reduced, so that the channel mobility is increased and the current density is reduced. A high current can flow. In addition, a silicon carbide semiconductor element with little variation in electrical characteristics can be realized. Further, since the size and position of the facet surface 9 can be arbitrarily controlled by the design of the
これに対し、前述の特許文献1では、活性化アニールによって炭化珪素層表面にバンチングステップを形成し、バンチングステップ間の平坦部をチャネルとして利用している。あるいは、そのような平坦部上に炭化珪素をステップフローさせて得られた平坦面をチャネルとして利用している。しかしながら、特許文献1におけるファセット面は、炭化珪素層表面でのマイグレーションによって形成されているために、良好な結晶性の面ではなく、多数の欠陥を含んでいる。このため、MOSFETのチャネルとして利用すると、キャリアは欠陥によって散乱し、結果的にチャネル移動度が低下する。また、バンチングステップにおける平坦部の寸法はばらついており、チャネル長を正確に設計できない。
On the other hand, in
次に、本実施形態の炭化珪素半導体素子の構成を説明する。 Next, the structure of the silicon carbide semiconductor element of this embodiment is demonstrated.
本実施形態の炭化珪素半導体素子は、上記方法によって形成されたファセット面9を備えている。ファセット面9は、炭化珪素基板1の表面における包絡面に対して傾斜している。図1(d)に示すファセット面9は、一方のマスク層5の端面によって規定される最も低い端部9Lと、最も高い端部9Hとを有する傾斜面である。
The silicon carbide semiconductor element of the present embodiment includes a facet surface 9 formed by the above method. Facet surface 9 is inclined with respect to the envelope surface on the surface of
炭化珪素層10は、ファセット面9が形成された第1領域10aと、ファセット面9における最も低い部分9Lに隣接する第2領域10bとを有している。第1領域10aは、炭化珪素エピタキシャル層2およびエピタキシャル薄膜8から構成されるため、炭化珪素エピタキシャル層2のみから構成される第2領域10bよりも、エピタキシャル薄膜8の厚さ分(例え10nm以上1μm以下)だけ高くなっている。しかしながら、ファセット面9が形成された第1領域10aの表面と、第2領域10bの表面とのレベル差dは、図12を参照しながら前述した従来のMOSFETに形成された段差70よりも十分に小さく、10nm以下、より好ましくは1μm以下である。なお、本明細書において、上記レベル差dは、第1領域10aのうち最もレベルの高い点9Hと、第2領域10bの表面のうち最もレベルの低い点との差をいう。
また、図12に示す従来のMOSFETでは、炭化珪素層の表面には、ファセット面の端部に沿って、ファセット面のうち最も低い部分よりも窪んだ底部を有する段差70が設けられている。これに対し、本実施形態における炭化珪素層10には、ファセット面9の端部に沿って、そのような低い底部を有する段差が形成されていない。ファセット面9に隣接する領域10bの表面のレベルは、ファセット面9のうち最も低い部分(ファセット面9の端部のうちステップフロー成長の進行方向の始点に近い方)9Lのレベルと同程度またはそれよりも高い。微視的に説明すると、第2領域10bの表面には、典型的には複数の微小なステップ4が形成されているが、ファセット面9のうち最も低い部分9Lのレベルは、それらのステップ4における谷線部分のレベルと略等しい。このように、本実施形態における炭化珪素層10には比較的大きな段差が設けられていないので、その後の製造プロセスを困難にすることなく、信頼性の高い炭化珪素半導体素子を製造できる。
In the conventional MOSFET shown in FIG. 12, a
本実施形態における第2領域10bは、炭化珪素基板1のオフ角に起因する複数の微小なステップを有していてもよいし、活性化アニールによって形成されたバンチングステップを有していてもよい。なお、第2領域10bにバンチングステップが形成されていないことが好ましく、そのような構成は、後述するように、例えばキャップ層を用いて炭化珪素層に対する活性化アニールを行うことにより得られる。
本実施形態では、図1(d)に示すように、マスク層5の間隔の一方の端部から他方の端部に亘ってファセット面9が形成されていることが好ましい。これにより、より面積の大きいファセット面9が得られるだけでなく、マスク層5の設計に応じて、ファセット面9のサイズを制御できる。マスク層5の間隔はエピタキシャル薄膜8の厚さに応じて最適化できるが、これについては後述する。
In the present embodiment, as shown in FIG. 1 (d), it is preferable that the facet surface 9 is formed from one end of the interval of the
なお、本実施形態におけるファセット面9は、エピタキシャル薄膜8の表面のうち少なくとも一部に形成されていればよい。エピタキシャル薄膜8の厚さによっては、図1(c)に示すように、マスク層5の間隔のうちステップフロー成長方向の始点に近い部分のみにファセット面9が形成され、終点に近い部分にはステップが残存する場合もある。
In addition, the facet surface 9 in this embodiment should just be formed in at least one part among the surfaces of the epitaxial
本実施形態の炭化珪素半導体素子は、上記方法で得られたファセット面9を備えているので、高い素子特性および信頼性を実現できる。例えば、炭化珪素層10におけるファセット面9の上に酸化膜および電極をこの順で形成することによりMOSFETを作製すると、ゲート耐圧が高く良好なMOS界面を形成できるので、良好な電流電圧特性を確保できる。あるいは、炭化珪素層10におけるファセット面9と接触するショットキー電極を形成することによりショットキーダイオードを作製すると、炭化珪素層表面に凹凸が無いために電界集中が起こらず高耐圧の特性を実現できる。
Since the silicon carbide semiconductor element of this embodiment is provided with facet surface 9 obtained by the above method, high element characteristics and reliability can be realized. For example, when a MOSFET is manufactured by forming an oxide film and an electrode on the facet surface 9 in the
(第1の実施形態)
以下、図面を参照しながら、本発明による第1の実施形態を説明する。ここでは、表面にファセット面を有する炭化珪素層を形成する方法を詳述する。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Here, a method of forming a silicon carbide layer having a facet surface on the surface will be described in detail.
はじめに、図3を参照しながら、本実施形態において、炭化珪素をエピタキシャル成長させる工程で用いる加熱炉の構造を説明する。 First, the structure of a heating furnace used in the process of epitaxially growing silicon carbide in this embodiment will be described with reference to FIG.
図3に示す加熱炉は、反応炉150と、反応炉150を加熱するためのコイル154とを備えている。コイル154は、反応炉150の周りに設けられており、高周波誘導加熱により反応炉150を加熱する。反応炉150の内部には、支持軸153によって支持されたチャンバー163が設けられている。チャンバー163は周囲を断熱材162で覆われている。チャンバー163の内部にはカーボン製のサセプタ152が配置されている。炭化珪素基板などの試料151は、このサセプタ152によってチャンバー163に固定される。チャンバー163は、ガス排気系159およびガス供給系158とそれぞれ接続されている。ガス排気系159は、排気ガス用配管160と圧力調整バルブ161とを備え、必要に応じてチャンバー163のガスを排気する。ガス供給系158は、アルゴンガス155、炭化珪素のエピタキシャル成長に用いる原料ガス156、酸素ガス157などを必要に応じてチャンバー163に供給する。
The heating furnace shown in FIG. 3 includes a
次いで、本実施形態における炭化珪素層の形成方法を説明する。図4(a)〜(c)は、本実施形態の炭化珪素層の形成方法を説明するための工程断面図であり、図5(a)および(b)は、それぞれ、図4(b)および図4(c)に対応する斜視図である。 Next, a method for forming a silicon carbide layer in the present embodiment will be described. 4A to 4C are process cross-sectional views for explaining the method for forming the silicon carbide layer of the present embodiment. FIGS. 5A and 5B are respectively the same as FIG. FIG. 5 is a perspective view corresponding to FIG.
まず、図4(a)に示すように、炭化珪素基板1の上に炭化珪素エピタキシャル層2を成長させる。炭化珪素基板1として、例えば、基板表面の包絡面の法線が(0001)面より[11−20](112バー0)方向に8度のオフ角度を有する直径75mmの炭化珪素基板(4H−SiC基板)を用いる。
First, as shown in FIG. 4A, silicon
炭化珪素エピタキシャル層2は、例えば次のようにして形成される。まず、図3に示す加熱炉のチャンバー163に炭化珪素基板1を設置する。その後、誘導加熱用のコイル154に20.0kHz、20kWの高周波電力を印加して誘導加熱によって炭化珪素基板1を例えば1600℃まで加熱する。ガス供給系158より炭化珪素の原料ガス156をキャリアガスとともにチャンバー163に供給し、CVD法によって、基板1の上に炭化珪素層(厚さ:例えば10μm)2をエピタキシャル成長させる。原料ガス156として、例えばモノシラン(SiH4)およびプロパン(C3H8)を用いる。キャリアガスは例えば水素である。
Silicon
炭化珪素エピタキシャル層2を形成した後、図4(b)および図5(a)に示すように、スパッタ装置を用いて炭化珪素エピタキシャル層2の表面にカーボンからなるマスク層5を形成する。本実施形態では、まず、炭化珪素エピタキシャル層2の上に、開口部を有するレジスト層(図示せず)を設ける。レジスト層の開口部の形状(すなわちマスク層5の平面形状)は、例えば長方形である。また、開口部は、その長辺が<1−100>方向と一致するように配置される。この後、スパッタ装置のターゲットとして炭素を使用し、スパッタ法によって、レジスト層および炭化珪素エピタキシャル層2の上に厚さが0.3μmのカーボン膜(図示せず)を形成する。スパッタ法によるカーボン膜の形成は、Arガス雰囲気中、圧力を0.5Pa、RF電力を1500Wとして行うことができる。続いて、レジスト層を炭化珪素エピタキシャル層2から剥離することにより(リフトオフ法)、炭化珪素エピタキシャル層2の表面のうちレジスト層の開口部によって規定された領域に長方形状のマスク層5が形成される。
After silicon
次に、図4(c)および図5(b)に示すように、炭化珪素エピタキシャル層2におけるマスク層5で覆われていない部分に、炭化珪素をさらにエピタキシャル成長させることによって、(0001)面からなるファセット面9を有するエピタキシャル薄膜8を形成する。これにより、炭化珪素エピタキシャル層2およびエピタキシャル薄膜8から構成される炭化珪素層10が得られる。
Next, as shown in FIG. 4C and FIG. 5B, silicon carbide is further epitaxially grown on the portion of the silicon
エピタキシャル薄膜8は、例えば次のようにして形成される。まず、図3に示す加熱炉のチャンバー163にマスク層5が形成された炭化珪素基板1を設置する。その後、誘導加熱用のコイル154に20.0kHz、20kWの高周波電力を印加して誘導加熱によって基板1を例えば1600℃まで加熱する。ガス供給系158より炭化珪素の原料ガス156をキャリアガスとともにチャンバー163に供給し、CVD法によって、炭化珪素エピタキシャル層2の上にエピタキシャル薄膜(厚さ:例えば0.2μm)8を形成する。原料ガス156として、例えばモノシラン(SiH4)およびプロパン(C3H8)を用いる。キャリアガスは例えば水素である。
The epitaxial
ここで、上記方法によって形成されたエピタキシャル薄膜8の表面モフォロジーを調べたので、その方法および結果を説明する。
Here, since the surface morphology of the epitaxial
エピタキシャル薄膜8の表面モフォロジーの解析は原子間力顕微鏡(AFM)を用いて行った。
Analysis of the surface morphology of the epitaxial
また、比較のために、炭化珪素基板上に炭化珪素エピタキシャル層を形成した後、マスク層を形成しない状態で炭化珪素エピタキシャル層の上にエピタキシャル薄膜を成長させて、比較例1の炭化珪素層を作製した。比較例1の炭化珪素層は、表面にマスク層を形成しないこと以外は、実施形態1と同様の方法および条件で形成した。
For comparison, after forming a silicon carbide epitaxial layer on a silicon carbide substrate, an epitaxial thin film is grown on the silicon carbide epitaxial layer without forming a mask layer, and the silicon carbide layer of Comparative Example 1 is formed. Produced. The silicon carbide layer of Comparative Example 1 was formed by the same method and conditions as in
表面モフォロジーの測定結果から、本実施形態で得られた炭化珪素層10におけるファセット面9の表面粗さRaは約0.1nmであり、AFMの測定限界以下であった。一方、比較例1の炭化珪素層の表面粗さRaは10nmであり、マスク層5を用いたエピタキシャル成長工程によって、炭化珪素層の表面粗さを2桁以上も低減できることを確認した。なお、本明細書における「表面粗さRa」は、JISB0601−1994で規格される算術平均粗さRaで定義される。
From the measurement result of the surface morphology, the surface roughness Ra of the facet surface 9 in the
本実施形態におけるマスク層5の厚さは、ステップフロー成長を制限するために十分な厚さを有することが必要であり、例えば10nm以上、より好ましくは30nm以上である。また、マスク層5の厚さが、エピタキシャル薄膜8の厚さと同程度またはそれ以上であれば、ステップフロー成長を確実に制限できるので有利である。一方、プロセス上の観点から、マスク層5の厚さは1μm以下であることが好ましい。
The thickness of the
また、本実施形態におけるエピタキシャル薄膜8の厚さは、形成しようとするファセット面のステップフロー成長方向における幅に応じて適宜選択されるが、ステップ4の高さの数倍以上であることが好ましく、例えば10nm以上、より好ましくは30nm以上である。また、炭化珪素エピタキシャル層2の表面のうちマスク層5で挟まれた領域に存在するステップ4の数をn個とすると、ステップ4の高さH(例えば1nm)のn倍以上であれば、マスク層5の間隔に亘ってファセット面9を形成できるので有利である。一方、プロセス上の観点から、エピタキシャル薄膜8の厚さは、1μm以下であることが好ましい。
In addition, the thickness of the epitaxial
(第2の実施形態)
以下、図面を参照しながら、本発明による第2の実施形態を説明する。ここでは、表面に複数のファセット面を有する炭化珪素層を形成する方法を説明する。
(Second Embodiment)
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Here, a method of forming a silicon carbide layer having a plurality of facet surfaces on the surface will be described.
図6(a)〜(c)は、本実施形態の炭化珪素層の形成方法を説明するための模式的断面図である。 6A to 6C are schematic cross-sectional views for explaining the method for forming the silicon carbide layer of the present embodiment.
まず、図6(a)に示すように、炭化珪素基板1の上に炭化珪素エピタキシャル層2を成長させる。炭化珪素基板1として、基板表面の包絡面の法線が(0001)面より[11−20](112バー0)方向に8度のオフ角度を有する直径75mmの炭化珪素基板(4H−SiC基板)を用いる。炭化珪素エピタキシャル層2は、図4(a)を参照しながら前述した方法と同様の方法で形成される。
First, as shown in FIG. 6A, silicon
次いで、図6(b)に示すように、スパッタ装置を用いて炭化珪素エピタキシャル層2の上に、複数のマスク層(厚さ:例えば0.3μm)15を形成する。マスク層15は、図4(b)を参照しながら前述した方法と同様の方法で形成できる。具体的には、炭化珪素エピタキシャル層2の上に、開口部を有するレジスト層(図示せず)を設ける。本実施形態におけるレジスト層は、複数の開口部を有し、各開口部は、長辺が<1−100>方向に沿って伸びる長辺を有する長方形である。また、これらの開口部は、それぞれの長辺が平行になるように、所定の間隔を空けて配列される。この後、スパッタ法により、レジスト層の開口部に炭素を堆積させることによって、複数のマスク層15が得られる。
Next, as shown in FIG. 6B, a plurality of mask layers (thickness: 0.3 μm, for example) 15 are formed on the silicon
本実施形態では、隣接するマスク層15の間隔Dは、各マスク層15におけるステップフロー成長方向に沿って伸びる辺の長さLよりも大きくなるように設計される。これによって、より面積の大きなファセット面を形成できる。具体的には、上記辺の長さLを0.5μm、隣接するマスク層15の間隔Dを1.5μmとする。
In the present embodiment, the distance D between adjacent mask layers 15 is designed to be larger than the length L of the side extending along the step flow growth direction in each
ここで、本願発明者らが、互いに平行なファセット面を形成するためにマスク層15をどのように配置すべきかを考察した結果、隣接するマスク層15の好ましい間隔Dを算出する方法を見い出したので、詳しく説明する。
Here, as a result of considering how the
図7は、後述する工程で炭化珪素エピタキシャル層2の上に形成されるエピタキシャル薄膜12を示す拡大図であり、炭化珪素基板1に対して垂直、かつ、ステップフロー成長が進行する方向(矢印Gで示す)に平行な断面を示している。
FIG. 7 is an enlarged view showing epitaxial
炭化珪素エピタキシャル層2の上に、厚さTのエピタキシャル薄膜12を成長させるとき、炭化珪素基板1のオフ角をXとすると、ステップフロー成長方向GにT/tanX°の長さのファセット面11が形成される。従って、ステップフロー成長方向Gにおけるマスク層15の間隔DをT/tanX°とすると、マスク層15の各間隔に、互いに平行なファセット面11を形成できる。本実施形態では、炭化珪素基板1のオフ角Xは8°なので、エピタキシャル薄膜12の厚さを0.2μmとすると、マスク層15の好適な間隔D、すなわちT/tanX°は約1.5μmとなる。
When the epitaxial
マスク層15を形成した後、図6(c)に示すように、炭化珪素エピタキシャル層2の上にエピタキシャル薄膜12を成長させることにより、複数の(0001)面からなるファセット面11を形成する。エピタキシャル薄膜12の厚さは0.2μmとする。エピタキシャル薄膜12の形成方法は、図4(c)を参照しながら前述した方法と同様である。このようにして、炭化珪素エピタキシャル層2およびエピタキシャル薄膜12からなる炭化珪素層20が得られる。
After forming
形成された複数のファセット面11のそれぞれは、炭化珪素層20の表面において、ステップフロー成長方向に対して垂直に伸びる長方形である。ファセット面11の寸法を測定すると、炭化珪素基板1に垂直かつステップフロー成長方向に平行な断面において、各ファセット面11の幅は1.5μm、隣接するファセット面11の幅は0.5μmであり、マスク層15の設計どおりに形成されていることを確認した。
Each of the formed facet surfaces 11 has a rectangular shape extending perpendicularly to the step flow growth direction on the surface of
次に、炭化珪素層20におけるファセット面11の表面モフォロジーを調べたところ、表面粗さRaは約0.1nmであり、AFMの測定限界以下であった。前述の第1の実施形態と同様に、マスク層を形成せずに作製した比較例1の炭化珪素層(表面粗さRa:10nm)と比較したところ、表面粗さRaを2桁以上低減できることがわかった。
Next, when the surface morphology of the
上記方法によると、炭化珪素エピタキシャル層2の表面に複数のマスク層15を形成してエピタキシャル成長させることにより、複数のファセット面11を形成できる。また、マスク層15の配置を最適化することにより、互いに平行なファセット面11を形成できる。
According to the above method, the plurality of facet surfaces 11 can be formed by forming a plurality of mask layers 15 on the surface of the silicon
本実施形態の方法は、特に、複数のユニットセルから構成された炭化珪素素子に適用すると有利である。 The method of this embodiment is particularly advantageous when applied to a silicon carbide element composed of a plurality of unit cells.
上述した第1および第2の実施形態の方法は、図4〜6を参照しながら前述した方法に限定されない。 The methods of the first and second embodiments described above are not limited to the methods described above with reference to FIGS.
第1および第2の実施形態における炭化珪素基板1は、基板面方位を基本結晶面((0001)面より数度傾けて形成されたステップ構造表面を有するオフアングル基板であればよく、オフ角やその傾斜方向も上述した角度や方向に限定されない。また、本実施形態では、4H−SiCを炭化珪素基板1として用いているが、4H−SiC以外のポリタイプからなる基板を用いてもよい。
さらに、炭化珪素基板1のシリコン面、すなわち(0001)面上に炭化珪素層10をエピタキシャル成長させる代わりに、カーボン面、すなわち(000−1)面上に炭化珪素層10をエピタキシャル成長させてもよい。
Further, instead of epitaxially growing
マスク層5、15の形成方法もスパッタ法に限定されず、CVD法や蒸着法を用いてもよい。また、マスク層5、15の材料もカーボンに限定されず、ダイヤモンドやモリブテンであってもよい。 The formation method of the mask layers 5 and 15 is not limited to the sputtering method, and a CVD method or a vapor deposition method may be used. The material of the mask layers 5 and 15 is not limited to carbon, and may be diamond or molybdenum.
さらに、マスク層5、15の平面形状はいずれも長方形であるが、マスク層5、15の平面形状は他の形状であってもよい。ただし、マスク層5、15の平面形状は、炭化珪素基板1の表面の包絡面において、ステップフロー成長方向に対して垂直な方向に伸びる辺を有することが好ましく、これによって、良好なファセット面9、11が得られる。また、マスク層5、15は、炭化珪素エピタキシャル層2のうちファセット面を形成しようとする領域を包囲する形状であってもよい。さらに、マスク層5、15は、離散的に設けられている必要はなく、例えば、ファセット面を規定する複数の開口部を有する連続膜であってもよい。
Furthermore, the planar shapes of the mask layers 5 and 15 are all rectangular, but the planar shapes of the mask layers 5 and 15 may be other shapes. However, the planar shape of
なお、マスク層5、15の平面形状にかかわらず、マスク層5、15の端面は、炭化珪素基板1の表面の包絡面において、ステップフロー成長方向に対して垂直な方向に伸びる部分を有することが好ましく、このような端面によってファセット面9、11の端部が規定される。
Regardless of the planar shape of
上述した第1および第2の実施形態では、いずれも、炭化珪素エピタキシャル層2のうちファセット面を形成しようとする領域の両端にマスク層5、15を配置しているが、マスク層5、15は、ファセット面を形成しようとする領域の少なくとも一方の端部に配置されていれば、ファセット面9、11を出現させることができる。
In both the first and second embodiments described above, the mask layers 5 and 15 are disposed at both ends of the region of the silicon
また、炭化珪素基板1の上に炭化珪素エピタキシャル層2を形成する代わりに、炭化珪素基板1に不純物イオンを注入して炭化珪素層を設けてもよい。その場合には、炭化珪素基板1の表面に直接マスク層を形成し、マスク層で覆われていない部分にエピタキシャル薄膜を形成することにより、エピタキシャル薄膜の表面にファセット面を形成できる。
Instead of forming silicon
(第3の実施形態)
以下、図面を参照しながら、本発明による第3の実施形態の炭化珪素半導体素子を説明する。本実施形態の炭化珪素半導体素子はMOSFETである。
(Third embodiment)
Hereinafter, a silicon carbide semiconductor device according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The silicon carbide semiconductor element of this embodiment is a MOSFET.
本実施形態の炭化珪素MOSFETは、例えば次に説明するような方法で作製されている。図8(a)〜(c)および図9(a)〜(c)は、本実施形態の炭化珪素MOSFETの製造方法を説明するための工程断面図である。 The silicon carbide MOSFET of the present embodiment is manufactured by, for example, a method described below. FIGS. 8A to 8C and FIGS. 9A to 9C are process cross-sectional views for explaining the method for manufacturing the silicon carbide MOSFET of this embodiment.
まず、図8(a)に示すように、炭化珪素基板21に形成された炭化珪素エピタキシャル層22の表面にマスク層25を形成する。炭化珪素基板21として、例えば、主面が(0001)面から[11−20](112バー0)方向に8度のオフ角度がついた直径75mmの4H−SiC基板を用いる。炭化珪素基板21の導電型はN型で、キャリア濃度は1×1018cm-3である。炭化珪素エピタキシャル層22の形成は、図3に示す加熱炉を用いてCVD法で行うことができる。ここでは、炭化珪素基板21の主面上にN型の不純物がドープされた炭化珪素層(厚さ:10μm)22をエピタキシャル成長させる。炭化珪素エピタキシャル層22の形成に用いる原料ガスおよびキャリアガスは、実施形態1および2で用いたガスと同じである。ただし、本実施形態では、原料ガスに一定流量のドーピングガス(N2)を混入する。炭化珪素層22のキャリア濃度は、ドーピングガスの流量によって制御され、ここでは約5×1015cm-3である。
First, as shown in FIG. 8A,
マスク層25は、図4(b)を参照しながら前述した方法と同様の方法によって形成されたカーボンマスク層である。各マスク層25は、炭化珪素基板21の法線方向から見て、<1−100>方向に沿った長辺を有する長方形である。ここでは、間隔を空けて配置された2個のマスク層25のみが図示されているが、典型的には、3個以上のマスク層25が互いに平行に配置される。各マスク層25の厚さは0.3μmとする。
The
次に、図8(b)に示すように、炭化珪素エピタキシャル層22のうちマスク層25で覆われていない部分に炭化珪素をさらにエピタキシャル成長させることによって、(0001)面のファセット面91を有するエピタキシャル薄膜92を形成する。エピタキシャル薄膜92の形成方法や条件は、図4(c)を参照しながら前述した方法や条件と同様である。本実施形態では、エピタキシャル薄膜92の厚さを0.2μmとする。
Next, as shown in FIG. 8B, silicon carbide is further epitaxially grown on a portion of the silicon
炭化珪素エピタキシャル層22およびエピタキシャル薄膜92は、同一の不純物を同一の濃度で含んでいる。以下、炭化珪素エピタキシャル層22およびエピタキシャル薄膜92を合わせて炭化珪素層20と呼ぶ。
Silicon
続いて、図8(c)に示すように、炭化珪素層20の選択された領域に、複数の第1の不純物イオン注入層(厚さ:例えば1.5μm〜2μm)23’を形成する。
Subsequently, as illustrated in FIG. 8C, a plurality of first impurity ion implantation layers (thickness: for example, 1.5 μm to 2 μm) 23 ′ are formed in selected regions of the
具体的な形成方法を説明する。まず、炭化珪素層20の表面に例えばシリコン酸化膜(SiO2)からなる第1の注入マスク33を形成する。第1の注入マスク33は、炭化珪素層20のうち、第1の不純物イオン注入層23’となる領域を既定する開口部を有している。第1の注入マスク33の形状は、フォトリソグラフィおよびエッチングによって任意に形成され得る。第1の注入マスク33の厚さは、その材料や注入条件によって決定されるが、注入飛程よりも充分に大きく設定することが好ましい。次いで、第1の注入マスク33の上方から、炭化珪素層20にP型の不純物イオン(Alイオン)を注入する。不純物イオンの注入は多段階で行う。イオン注入後、第1の注入マスク33を取り除く。これにより、炭化珪素層20のうち不純物イオンが注入された領域に第1の不純物イオン注入層23’が形成される。また、炭化珪素層20のうち不純物イオンが注入されずに残った領域は、N型ドリフト領域35となる。
A specific forming method will be described. First, a
続いて、図9(a)に示すように、第1の不純物イオン注入層23’の内部に、P型コンタクト領域を規定する第2の不純物イオン注入層24’と、N型ソース領域を規定する第3の不純物イオン注入層(厚さ:例えば0.5μm〜2μm)26’を形成する。ここでは、図8(c)を参照しながら説明した方法と同様に、炭化珪素層20の上に第2の注入マスク(図示せず)を形成した後、P型の不純物イオン(Alイオン)の注入を行うことにより、第2の不純物イオン注入層24’を形成する。同様に、炭化珪素層20の上に第3の注入マスク(図示せず)を形成した後、N型の不純物イオン(Nイオン)の注入を行うことにより、第3の不純物イオン注入層26’を形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 9A, a second impurity
この後、図9(b)に示すように、第1、第2および第3の不純物イオン注入層23’、24’、26’に対して活性化アニールを行い、それぞれ、P型ウェル領域(キャリア濃度:1×1017cm-3)23、コンタクト領域(キャリア濃度:1×1019cm-3)24およびN型ソース領域26を形成する。本実施形態では、各P型ウェル領域23の表面、すなわちチャネルが形成される領域のうち少なくとも一部がファセット面91から構成されるように、ウェル領域23やソース領域26が配置されている。なお、後述するキャップ層を用いない場合には、高温の活性化アニール工程によって、炭化珪素層20の表面のうちファセット面以外の領域にバンチングステップが形成されるおそれがあるが、ファセット面91にはバンチングステップは形成されず、その平坦性が維持される。
Thereafter, as shown in FIG. 9B, activation annealing is performed on the first, second, and third impurity ion implantation layers 23 ′, 24 ′, and 26 ′, and P-type well regions ( A carrier concentration: 1 × 10 17 cm −3 ) 23, a contact region (carrier concentration: 1 × 10 19 cm −3 ) 24 and an N-
最後に、図9(c)に示すように、ゲート絶縁膜28、ソース電極29、ドレイン電極30およびゲート電極31を形成する。これにより、炭化珪素半導体素子(MOSFET)100が得られる。
Finally, as shown in FIG. 9C, a
ゲート絶縁膜28は、炭化珪素基板21を1100℃の温度で熱酸化することによって、炭化珪素層20の上に形成する。なお、ゲート絶縁膜28は、ファセット面91の少なくとも一部と重なっている必要がある。ゲート絶縁膜28の厚さは例えば30nmである。
ソース電極29およびドレイン電極30は例えば次のようにして形成できる。まず、電子ビーム(EB)蒸着装置を用いてコンタクト領域24と接するようにNi膜を堆積させる。また、炭化珪素基板21の裏面にもNi膜を堆積させる。続いて、加熱炉を用いて、これらのNi膜を1000℃の温度で加熱する。これにより、コンタクト領域24とオーミック接合されたソース電極29および、基板21の裏面にオーミック接合されたドレイン電極30がそれぞれ形成される。一方、ゲート電極31は、ゲート絶縁膜28の上にアルミニウムを蒸着することにより形成される。
The
得られた炭化珪素半導体素子100は、ゲート電極31に印加する電圧により、ゲート電極31の下方に位置するP型ウェル領域23の浅い表面層がN型に反転し(反転チャネル)、その結果、ドレイン電極30からソース電極29に電流を流すことができる(オン状態)。
In the obtained silicon
なお、図8および図9では、隣接するウェル領域23の一部のみが示されているが、炭化珪素半導体素子100は、典型的には多数のウェル領域23が配列された構造を有している。
8 and 9, only a part of
活性化アニールによるステップバンチングの形成を抑制する目的で、上記方法におけるイオン注入工程の前に、炭化珪素層20の表面にキャップ層を形成してもよい。キャップ層は、炭化珪素基板21を真空雰囲気中で加熱し、炭化珪素層20の表面をグラファイト化させることによって形成されたカーボン層であってもよいし、公知の堆積方法によって形成されたカーボン層であってもよい。キャップ層を形成した後、キャップ層を介して炭化珪素層20に不純物イオンの注入を行う。続いて、注入された不純物イオンを活性化させるためのアニール処理を行う。この後、キャップ層を炭化珪素層20の表面から除去する。キャップ層がカーボン層である場合は、カーボン層を熱酸化することによって除去することが好ましい。
In order to suppress the formation of step bunching by activation annealing, a cap layer may be formed on the surface of
キャップ層を用いて活性化アニールを行うと、炭化珪素層20の表面のうちファセット面91が形成された領域以外の領域にもバンチングステップが形成されず、ステップフロー成長によって形成された微小なステップが残存する。従って、バンチングステップによる素子特性の低下を抑制できる。なお、この場合には、ステップフロー成長の進行方向において、ファセット面91の幅は、上記微小なステップの幅よりも大きくなる。
When activation annealing is performed using the cap layer, a bunching step is not formed in a region other than the region where the
本実施形態の炭化珪素半導体素子100は、ウェル領域23によって規定される多数のユニットセルから構成されている。図10は、炭化珪素半導体素子100の構成の一例を示す平面図である。ユニットセルの配列方法は特に限定しないが、図示するように、列毎(または行毎)に列方向(または行方向)に沿って1/2ピッチずらして配置されてもよい。
Silicon
図10に示すように、炭化珪素半導体素子100では、1つの長方形のファセット面91に、複数のユニットセルにおけるチャネル部分が配置されている。従って、結晶性の高いファセット面91に上述した反転チャネルを形成できるので、チャネル移動度を従来よりも向上できる。なお、ファセット面91の平面形状や配置はこの例に限定されず、ゲート電極31の下方に位置するウェル領域23の表面の少なくとも一部がファセット面91から構成されていればよい。
As shown in FIG. 10, in silicon
上記方法によると、簡便なプロセスで、炭化珪素層20の表面に良好なファセット面91を備えた高性能な炭化珪素半導体素子を形成できる。
According to the above method, a high performance silicon carbide semiconductor element having a
また、上記方法では、炭化珪素層20に対する活性化アニールを行う前に、炭化珪素層20の一部に追加のエピタキシャル成長を行うことにより、ファセット面91を形成している。そのため、活性化アニールによってステップバンチングを形成する特許文献1の方法と比べて、結晶欠陥の少ない良好なファセット面を形成でき、素子特性を向上できる。
In the above method,
さらに、上記方法では、炭化珪素エピタキシャル層22にマスク層25を設けて、炭化珪素エピタキシャル層22のうちマスク層25で覆われていない部分に対して、追加のエピタキシャル成長を行っている。そのため、ファセット面のサイズや位置を容易に制御することができる。また、特許文献1の方法のように、ファセット面を形成する位置を制御するために炭化珪素エピタキシャル層に比較的大きな段差を設ける必要がないため、そのような段差がその後の製造プロセスや素子の信頼性に与える影響を防止できる。
Further, in the above method,
次に、炭化珪素半導体素子100におけるファセット面91の表面粗さを調べたので、その測定結果を説明する。
Next, since the surface roughness of
まず、図8(b)に示すエピタキシャル薄膜92の表面モフォロジーを、実施の形態1で説明した方法と同様の方法で測定した。その結果、ファセット面91の表面粗さRaは0.1nm以下であることを確認した。
First, the surface morphology of the epitaxial
また、比較のために、炭化珪素層表面にマスク層を形成しないこと以外は、図8および図9を参照しながら上述した方法と同様の方法で、比較例2の炭化珪素半導体素子(MOSFET)を作製した。比較例2の炭化珪素半導体素子を作製する際に、炭化珪素層上にさらに形成したエピタキシャル薄膜の表面モフォロジーを調べると、その表面粗さRaは約10nmであった。 For comparison, a silicon carbide semiconductor element (MOSFET) of Comparative Example 2 is manufactured in the same manner as described above with reference to FIGS. 8 and 9 except that no mask layer is formed on the surface of the silicon carbide layer. Was made. When the surface morphology of the epitaxial thin film further formed on the silicon carbide layer was examined when producing the silicon carbide semiconductor device of Comparative Example 2, the surface roughness Ra was about 10 nm.
表面モフォロジーの測定結果より、炭化珪素半導体素子100では、表面粗さRaが2桁以上低減された極めて平坦なファセット面91が形成されていることがわかった。
From the measurement result of the surface morphology, it was found that in the silicon
次いで、本実施形態の炭化珪素半導体素子100および比較例2の炭化珪素半導体素子の電流電圧特性を測定したので、その結果を説明する。
Next, the current-voltage characteristics of the silicon
炭化珪素半導体素子100および比較例2の炭化珪素半導体素子のドレイン電流の値をそれぞれ測定すると、炭化珪素半導体素子100のドレイン電流は、比較例2の炭化珪素半導体素子のドレイン電流よりも5倍以上大きいことがわかった。これは、以下の理由によるものと考えられる。
When the drain current values of silicon
比較例2の炭化珪素半導体素子では、炭化珪素層表面の表面粗さが大きいため、チャネルが形成される炭化珪素層表面近傍におけるキャリアの移動度が低く、ドレイン電流が流れにくい。これに対し、炭化珪素半導体素子100では、ステップがなく、かつ、表面粗さの低減された(0.1nm以下)ファセット面91にチャネルが形成されるので、キャリアの移動度の低下を抑制できる。従って、より高い電流密度のドレイン電流をチャネルに流すことが可能になる。
In the silicon carbide semiconductor element of Comparative Example 2, since the surface roughness of the silicon carbide layer surface is large, the carrier mobility in the vicinity of the surface of the silicon carbide layer where the channel is formed is low, and the drain current hardly flows. On the other hand, in silicon
続いて、炭化珪素半導体素子100および比較例2の炭化珪素半導体素子のしきい値電圧を測定すると、比較例2の炭化珪素半導体素子のしきい値は2〜10Vの範囲でばらついているが、炭化珪素素子100のしきい値は3〜3.5Vと安定していることがわかった。これは、以下の理由によるものと考えられる。
Subsequently, when the threshold voltage of the silicon
比較例2の炭化珪素半導体素子では、MOS界面で表面が荒れているために、しきい値電圧がばらつく。これに対し、炭化珪素半導体素子100では、(0001)面のファセット面から構成されたMOS界面を有するために、均一な厚さを有するチャネルが形成され、安定したしきい値が得られる。
In the silicon carbide semiconductor device of Comparative Example 2, the threshold voltage varies because the surface is rough at the MOS interface. On the other hand, silicon
以上の測定結果から明らかなように、段差を有するマスク層25を炭化珪素エピタキシャル層22の上に形成した後、さらにエピタキシャル成長させることにより、平坦な(表面粗さRa:0.1nm以下)ファセット面を実現できる。また、得られたファセット面を利用することにより、炭化珪素MOSFETの電気的特性や信頼性を向上できる。
As is apparent from the above measurement results, a flat facet (surface roughness Ra: 0.1 nm or less) is formed by further epitaxially growing the
本実施形態では反転型のMOSFETについて説明したが、蓄積型のMOSFETに本発明を適用しても同様の効果が得られる。また、MOSFETに限らず、MESFETや基板表面でショットキー障壁を有するショットキーダイオードなどの炭化珪素素子にも本発明を適用でき、本実施形態で説明した効果と同様の効果が得られる。 Although the inversion type MOSFET has been described in the present embodiment, the same effect can be obtained even if the present invention is applied to a storage type MOSFET. Further, the present invention can be applied not only to MOSFETs but also to silicon carbide elements such as MESFETs and Schottky diodes having a Schottky barrier on the substrate surface, and the same effects as those described in the present embodiment can be obtained.
本発明は、製造プロセスを複雑にすることなく、電気的特性に優れた信頼性の高い炭化珪素素子を提供でき、MOSFET、MESFET、ショットキーダイオードなどを含む種々の炭化珪素素子に広く適用できる。本発明の炭化珪素素子は、家電製品や自動車、電力輸送・変換装置、産業用機器などの各種電力・電気機器に使用可能な低損失パワーデバイスに用いられ得る。 The present invention can provide a highly reliable silicon carbide element having excellent electrical characteristics without complicating the manufacturing process, and can be widely applied to various silicon carbide elements including MOSFET, MESFET, Schottky diode and the like. The silicon carbide element of the present invention can be used in low-loss power devices that can be used in various electric power / electric equipment such as home appliances, automobiles, electric power transportation / conversion devices, and industrial equipment.
1、21、40 炭化珪素基板
2、22 炭化珪素エピタキシャル層
10、20 炭化珪素層
4、43 炭化珪素エピタキシャル層表面に形成されるステップ
5、15、25 マスク層
8、12、92 エピタキシャル薄膜
9、11、91 ファセット面
33 注入マスク
32 ドリフト領域
23、24、26 不純物イオン注入層
23 ウェル領域
24 コンタクト領域
26 ソース領域
28 ゲート絶縁膜
29 ソース電極
30 ドレイン電極
31 ゲート電極
42 ステップフロー
100 炭化珪素半導体素子
150 反応炉(チャンバー)
151 試料
152 サセプタ
153 サセプタ支持軸
154 コイル
155 アルゴンガス
156 炭化珪素の原料ガス
157 酸素ガス
158 ガス供給系
159 ガス排気系
160 排気ガス用配管
161 圧力調整バルブ
162 断熱材
1, 21, 40
Claims (22)
前記炭化珪素基板の上に形成された炭化珪素層と
を備え、
前記炭化珪素層の表面は、単一の結晶面から構成されるファセット面を有し、
前記ファセット面は、前記炭化珪素基板の表面における包絡面に対して傾斜しており、
前記炭化珪素層は、前記ファセット面が形成された第1領域と、前記ファセット面における最も低い部分に隣接する第2領域とを含み、
前記第1領域における最も高い部分は、前記第2領域の表面よりも高く、
前記炭化珪素層の表面には、前記ファセット面の端部の少なくとも一部に沿って、前記ファセット面のうち最も低い部分よりも窪んだ底部を有する段差が設けられていない炭化珪素半導体素子。 A silicon carbide substrate having an off angle;
A silicon carbide layer formed on the silicon carbide substrate,
The surface of the silicon carbide layer has a facet plane composed of a single crystal plane,
The facet surface is inclined with respect to an envelope surface on the surface of the silicon carbide substrate,
The silicon carbide layer includes a first region in which the facet surface is formed, and a second region adjacent to the lowest portion of the facet surface,
The highest portion of the first region is higher than the surface of the second region;
A silicon carbide semiconductor element in which a step having a bottom portion that is recessed from the lowest portion of the facet surface is not provided on a surface of the silicon carbide layer along at least a part of an end portion of the facet surface.
前記酸化膜の上に設けられた電極と
をさらに備えた請求項1から6のいずれかに記載の炭化珪素半導体素子。 An oxide film covering at least part of the facet surface;
The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, further comprising an electrode provided on the oxide film.
(B)前記第1の炭化珪素層の上にマスク層を形成する工程と、
(C)前記第1の炭化珪素層のうちマスク層で覆われていない部分に、第2の炭化珪素層をエピタキシャル成長させる工程と
を包含し、
前記第2の炭化珪素層の表面は、単一の結晶面から構成されるファセット面を有する炭化珪素半導体素子の製造方法。 (A) preparing a silicon carbide substrate having an off angle and having a first silicon carbide layer formed on the surface;
(B) forming a mask layer on the first silicon carbide layer;
(C) including a step of epitaxially growing a second silicon carbide layer on a portion of the first silicon carbide layer that is not covered with a mask layer,
The method of manufacturing a silicon carbide semiconductor element, wherein the surface of the second silicon carbide layer has a facet plane constituted by a single crystal plane.
(E)前記不純物イオンが注入された第1および第2の炭化珪素層に対して活性化アニールを行う工程と
をさらに包含し、
前記工程(D)および(E)は、前記工程(C)よりも後に行われる請求項10または11に記載の炭化珪素半導体素子の製造方法。 (D) implanting impurity ions into at least a part of the first and second silicon carbide layers;
(E) further including a step of performing activation annealing on the first and second silicon carbide layers implanted with the impurity ions,
The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor element according to claim 10 or 11, wherein the steps (D) and (E) are performed after the step (C).
前記炭化珪素基板の法線方向から見て、前記複数のマスク層のそれぞれにおける少なくとも一辺は互いに平行である請求項10から15のいずれかに記載の炭化珪素半導体素子の製造方法。 The step (B) is a step of forming a plurality of island-shaped mask layers on the first silicon carbide layer,
16. The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 10, wherein at least one side of each of the plurality of mask layers is parallel to each other when viewed from a normal direction of the silicon carbide substrate.
前記炭化珪素基板の法線方向から見て、前記複数のマスク層のそれぞれにおける少なくとも一辺は前記第2の炭化珪素層におけるステップフロー成長の進行方向に対して平行であり、前記ステップフロー成長の進行方向に対して平行な少なくとも一辺の長さは、隣接するマスク層の間隔よりも小さい請求項10から16のいずれかに記載の炭化珪素半導体素子の製造方法。 The step (B) is a step of forming a plurality of island-shaped mask layers on the first silicon carbide layer,
When viewed from the normal direction of the silicon carbide substrate, at least one side of each of the plurality of mask layers is parallel to the progress direction of the step flow growth in the second silicon carbide layer, and the progress of the step flow growth The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor element according to any one of claims 10 to 16, wherein a length of at least one side parallel to the direction is smaller than an interval between adjacent mask layers.
(B)前記炭化珪素基板の上にマスク層を形成する工程と、
(C)前記炭化珪素基板のうちマスク層で覆われていない部分に、炭化珪素層をエピタキシャル成長させる工程と
を包含し、
前記炭化珪素層は単一の結晶面から構成されるファセット面を有する炭化珪素半導体素子の製造方法。 (A) preparing a silicon carbide substrate having an off angle;
(B) forming a mask layer on the silicon carbide substrate;
(C) including a step of epitaxially growing a silicon carbide layer on a portion of the silicon carbide substrate that is not covered with a mask layer,
The silicon carbide layer is a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor element having a facet surface composed of a single crystal plane.
前記炭化珪素基板の表面の一部に形成された炭化珪素層と
を備え、
前記炭化珪素層の表面は、単一の結晶面から構成されるファセット面を有する炭化珪素半導体素子。 A silicon carbide substrate having an off angle;
A silicon carbide layer formed on a part of the surface of the silicon carbide substrate,
The silicon carbide semiconductor element which has the facet surface comprised from the surface of the said silicon carbide layer from a single crystal plane.
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