JP2009194127A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関する。特に、高耐圧、大電流用に使用される、炭化硅素からなるパワー半導体デバイスに関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof. In particular, the present invention relates to a power semiconductor device made of silicon carbide used for high breakdown voltage and large current.
パワー半導体デバイスは、高耐圧で大電流を流す用途に用いられる半導体素子であり、低損失であることが望まれている。従来は、シリコン(Si)基板を用いたパワー半導体デバイスが主流であったが、近年、炭化硅素(SiC)基板を用いたパワー半導体デバイスが注目され、開発が進められている(例えば、特許文献1〜4など参照)。 A power semiconductor device is a semiconductor element that is used for a purpose of flowing a large current with a high breakdown voltage, and is desired to have a low loss. Conventionally, power semiconductor devices using silicon (Si) substrates have been mainstream, but in recent years, power semiconductor devices using silicon carbide (SiC) substrates have attracted attention and are being developed (for example, patent documents). 1-4).
炭化硅素(SiC)は、シリコン(Si)に比べて材料自体の絶縁破壊電圧が一桁高いので、pn接合部やショットキー接合部における空乏層を薄くしても逆耐圧を維持することができるという特徴を持っている。そこで、SiCを用いると、デバイスの厚さを薄くすることができ、また、ドーピング濃度を高めることができるので、SiCは、オン抵抗が低く、高耐圧で低損失のパワー半導体デバイスを形成するための材料として期待されている。
特許文献5には、Si基板を用いた縦型パワーMOSFETが開示されており、具体的には、MOSFET素子とショットキーバリアダイオード(SBD)素子とを同一基板に1チップ化した半導体装置が開示されている。また、特許文献5では、この構成によれば、縦型パワーMOSFET素子内の内蔵ダイオードに順方向電流が流れ、スイッチング動作する間での逆回復時間を短縮することができることが記載されている。
しかしながら、本願発明者が、SiC基板を用いた縦型パワーMOSFETにてMOSFET素子とSBD素子とを同一基板に1チップ化した構造を作製し、それについて実験したところSBD特性が悪く、正常な製品とならないことがわかった。具体的には、オーミック電極とショットキー電極を同時に形成した試作品においては、ある試作品では、逆方向耐圧は確保できるものの、順方向特性(理想因子)が悪く、一方、他の試作品では、逆方向耐圧が確保できなかった。 However, the inventor of the present application manufactured a structure in which a MOSFET element and an SBD element are formed on a single substrate by a vertical power MOSFET using an SiC substrate, and an experiment was conducted on the structure, and the SBD characteristics were poor and normal products were obtained. It turns out that it is not. Specifically, in a prototype in which an ohmic electrode and a Schottky electrode are formed at the same time, one of the prototypes can ensure a reverse breakdown voltage, but the forward characteristics (ideal factor) are poor. The reverse breakdown voltage could not be secured.
そのような状況の中、本願発明者は、SiC基板を用いた縦型パワーMOSFETにSBD素子を混載させてスイッチング特性を向上させるべく、鋭意検討した結果、そのような効果を奏する構造を実現することができた。 Under such circumstances, the inventor of the present application has intensively studied to improve the switching characteristics by incorporating the SBD element in the vertical power MOSFET using the SiC substrate, and as a result, realizes a structure that exhibits such an effect. I was able to.
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、スイッチング特性を向上できるSiC基板を用いた縦型パワーMOSFETおよびその製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of such a point, and a main object thereof is to provide a vertical power MOSFET using a SiC substrate capable of improving switching characteristics and a manufacturing method thereof.
本発明に係る半導体装置の製造方法は、炭化硅素からなる第1導電型の半導体基板の主面上に、当該半導体基板よりも低いドーパント濃度を有する第1導電型の炭化硅素エピタキシャル層を形成する工程(a)と、前記炭化硅素エピタキシャル層に、DMOSFET素子を形成するためのDMOSFET領域と、前記DMOSFET領域と異なる位置においてショットキーバリアダイオード素子を形成するためのSBD領域を規定する工程(b)と、前記炭化硅素エピタキシャル層における前記DMOSFET領域および前記SBD領域に、第2導電型のウェル領域を形成する工程(c)と、前記DMOSFET領域における前記ウェル領域の一部に、第1導電型のソース領域と第2導電型のコンタクト領域とを形成する工程(d)と、前記炭化硅素エピタキシャル層と前記ウェル領域と前記ソース領域との上に、炭化硅素からなるチャネルエピタキシャル層を形成する工程(e)と、前記チャネルエピタキシャル層の上に、ゲート酸化膜を形成する工程(f)と、前記ゲート酸化膜の上に、ゲート電極を形成する工程(g)と、前記DMOSFET領域における前記コンタクト領域および前記ソース領域の上にシリサイド層を形成する工程(h)と、前記DMOSFET領域における前記ゲート電極を覆い且つ前記シリサイド層の少なくとも一部を露出する絶縁膜であって、前記SBD領域における前記ウェル領域の一部を覆い且つ前記炭化硅素エピタキシャル層を露出する絶縁膜を形成する工程(i)と、前記絶縁膜を覆うとともに、前記DMOSFET領域の前記シリサイド層と、前記SBD領域の前記炭化硅素エピタキシャル層及び前記ウェル領域とに接触する金属層を形成することによって、前記SBD領域にショットキー電極を形成する工程(j)とを含む。 In the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a first conductivity type silicon carbide epitaxial layer having a dopant concentration lower than that of the semiconductor substrate is formed on the main surface of the first conductivity type semiconductor substrate made of silicon carbide. (B) defining a DMOSFET region for forming a DMOSFET element and an SBD region for forming a Schottky barrier diode element at a position different from the DMOSFET region in the silicon carbide epitaxial layer; (C) forming a second conductivity type well region in the DMOSFET region and the SBD region in the silicon carbide epitaxial layer, and forming a first conductivity type in a part of the well region in the DMOSFET region. Forming a source region and a second conductivity type contact region (d); A step (e) of forming a channel epitaxial layer made of silicon carbide on the silicon nitride epitaxial layer, the well region, and the source region; and a step of forming a gate oxide film on the channel epitaxial layer (f) ), Forming a gate electrode on the gate oxide film (g), forming a silicide layer on the contact region and the source region in the DMOSFET region (h), and the DMOSFET region Forming an insulating film that covers the gate electrode and exposes at least a part of the silicide layer, and covers a part of the well region and exposes the silicon carbide epitaxial layer in the SBD region. (I) and the silicide in the DMOSFET region while covering the insulating film When, by forming a metal layer in contact with said silicon carbide epitaxial layer and the well region of the SBD region, and a step (j) for forming the Schottky electrode on the SBD region.
ある好適な実施形態では、前記金属層の上に、アルミニウムからなる配線層を形成する工程と、前記半導体基板の裏面に、電極を形成する工程とをさらに含む。 In a preferred embodiment, the method further includes a step of forming a wiring layer made of aluminum on the metal layer and a step of forming an electrode on the back surface of the semiconductor substrate.
ある好適な実施形態において、前記工程(h)は、前記半導体基板の主面上に、前記DMOSFET領域における前記コンタクト領域を露出させる開口部を有する絶縁層を形成する工程と、前記コンタクト領域および前記絶縁層の上に、オーミック電極用金属材料からなる金属層を形成する工程と、前記金属層の形成の後、加熱処理を実行する工程と、前記絶縁層を取り除くことにより、前記金属層をリフトオフにて除去する工程とを含む。 In a preferred embodiment, the step (h) includes forming an insulating layer having an opening exposing the contact region in the DMOSFET region on the main surface of the semiconductor substrate, the contact region, and the contact region Forming a metal layer made of a metal material for ohmic electrodes on the insulating layer; performing a heat treatment after the formation of the metal layer; and removing the insulating layer to lift off the metal layer. And removing at a step.
ある好適な実施形態において、前記工程(j)における前記金属層は、Ti、Taおよびそれらの窒化物からなる群より選択された材料からなる。 In a preferred embodiment, the metal layer in the step (j) is made of a material selected from the group consisting of Ti, Ta, and nitrides thereof.
本発明に係る半導体装置は、主面および当該主面の反対面である裏面を有し、炭化硅素からなる第1導電型の半導体基板と、前記半導体基板の主面上に形成され、当該半導体基板よりも低いドーパント濃度を有する第1導電型の炭化硅素エピタキシャル層と、前記炭化硅素エピタキシャル層に形成され、DMOSFET素子を規定するDMOSFET領域と、前記炭化硅素エピタキシャル層に形成され、ショットキーバリアダイオード素子を規定するSBD領域とを備え、前記DMOSFET領域は、前記炭化硅素エピタキシャル層に形成された、第2導電型のウェル領域と、前記ウェル領域に形成された第1導電型のソース領域と、前記ウェル領域に形成された第2導電型のコンタクト領域とを備え、前記ソース領域及びコンタクト領域の上には、シリサイド層が形成されており、前記SBD領域は、前記炭化硅素エピタキシャル層に形成された第2導電型のウェル領域を備えており、前記SBD領域における前記炭化硅素エピタキシャル層および前記ウェル領域の上には、ショットキー電極を構成する金属層が形成されており、前記金属層は、前記ショットキー電極から延在していているとともに、前記DMOSFET領域における前記コンタクト領域の上の前記シリサイド層に接触している。 A semiconductor device according to the present invention has a main surface and a back surface opposite to the main surface, and is formed on a first conductivity type semiconductor substrate made of silicon carbide, and the main surface of the semiconductor substrate. A first conductivity type silicon carbide epitaxial layer having a dopant concentration lower than that of the substrate; a DMOSFET region formed in the silicon carbide epitaxial layer to define a DMOSFET element; and a Schottky barrier diode formed in the silicon carbide epitaxial layer. An SBD region defining an element, wherein the DMOSFET region includes a second conductivity type well region formed in the silicon carbide epitaxial layer, a first conductivity type source region formed in the well region, A contact region of a second conductivity type formed in the well region, the source region and the contact region Includes a silicide layer, and the SBD region includes a second conductivity type well region formed in the silicon carbide epitaxial layer, and the silicon carbide epitaxial layer and the well region in the SBD region. A metal layer constituting a Schottky electrode is formed on the silicide layer, and the metal layer extends from the Schottky electrode, and the silicide layer on the contact region in the DMOSFET region Touching.
ある好適な実施形態において、前記金属層の上には、アルミニウムからなる配線層が形成されている。 In a preferred embodiment, a wiring layer made of aluminum is formed on the metal layer.
ある好適な実施形態において、前記金属層は、Ti、Taおよびそれらの窒化物からなる群より選択された材料からなる。 In a preferred embodiment, the metal layer is made of a material selected from the group consisting of Ti, Ta, and nitrides thereof.
前記金属層は、Tiの窒化物からなることが好ましい。 The metal layer is preferably made of Ti nitride.
ある好適な実施形態において、前記DMOSFET領域における前記炭化硅素エピタキシャル層と前記ウェル領域と前記ソース領域との上には、炭化硅素からなるチャネルエピタキシャル層が形成されており、前記チャネルエピタキシャル層のうち前記ウェル領域上に位置する部位は、チャネル領域として機能し、前記チャネルエピタキシャル層の上には、ゲート酸化膜が形成されている。 In a preferred embodiment, a channel epitaxial layer made of silicon carbide is formed on the silicon carbide epitaxial layer, the well region, and the source region in the DMOSFET region, and the channel epitaxial layer includes the channel epitaxial layer. A portion located on the well region functions as a channel region, and a gate oxide film is formed on the channel epitaxial layer.
ある好適な実施形態において、前記炭化硅素エピタキシャル層と前記ウェル領域と前記ソース領域との上面は、同一平面上に位置している。 In a preferred embodiment, upper surfaces of the silicon carbide epitaxial layer, the well region, and the source region are located on the same plane.
本発明によると、DMOSFET領域のシリサイド層およびSBD領域の炭化硅素エピタキシャル層に接触する金属層を形成することによって、SBD領域にショットキー電極を形成しているので、SBD素子によってスイッチング特性の向上を図ることができる。また、コンタクト領域のシリサイド層上にショットキー電極材料と同一構造の金属層が形成されているので、当該金属層がバリアメタルとなり、それゆえ、シリサイド層を介してコンタクト領域に接触する金属層の上に、アルミニウムからなる配線層を形成した場合でも、バリアメタルによってアルミニウムの拡散を抑制することが可能となる。またそれにより、オーミックコンタクト抵抗増大とゲート酸化膜信頼性低下を抑制し、信頼性向上につながる。 According to the present invention, since the Schottky electrode is formed in the SBD region by forming the metal layer in contact with the silicide layer in the DMOSFET region and the silicon carbide epitaxial layer in the SBD region, the switching characteristics are improved by the SBD element. Can be planned. In addition, since the metal layer having the same structure as the Schottky electrode material is formed on the silicide layer in the contact region, the metal layer becomes a barrier metal, and therefore, the metal layer in contact with the contact region via the silicide layer. Even when a wiring layer made of aluminum is formed thereon, diffusion of aluminum can be suppressed by the barrier metal. This also suppresses an increase in ohmic contact resistance and a decrease in gate oxide film reliability, leading to improved reliability.
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面においては、説明の簡潔化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, components having substantially the same function are denoted by the same reference numerals for the sake of brevity. In addition, this invention is not limited to the following embodiment.
図1は、本発明の実施形態に係る半導体装置100の断面構成を模式的に示している。図1に示した本実施形態の半導体装置100は、SiC基板を用いた縦型パワーMOSFETであり、具体的には、DMOSFET素子とSBD素子とがSiC基板に形成されている。「DMOSFET」は、二重拡散型MOS(Double Diffused Metal Oxide Semiconductor)の略であり、「SBD」は、ショットキーバリアダイオードの略である。
FIG. 1 schematically shows a cross-sectional configuration of a
本実施形態の半導体装置100は、炭化硅素(SiC)からなる第1導電型の半導体基板(SiC基板)10と、半導体基板10の主面10a上に形成され、半導体基板10よりも低いドーパント濃度を有する第1導電型の炭化硅素エピタキシャル層20とから構成されている。炭化硅素エピタキシャル層20には、DMOSFET素子を規定するDMOSFET領域50と、SBD素子を規定するSBD領域55とが規定されている。
The
DMOSFET領域50には、炭化硅素エピタキシャル層20に形成された第2導電型のウェル領域22と、ウェル領域22に形成された第1導電型のソース領域24と、ウェル領域22に形成された第2導電型のコンタクト領域26とが設けられている。本実施形態のコンタクト領域26及びソース領域24の上には、シリサイド層28が形成されている。なお、シリサイド層28の形成方法については後述する。また、本実施形態のDMOSFET領域50におけるドリフトエピ層20とウェル領域22とソース領域24との上面は、同一平面上に位置している。
The
また、SBD領域55には、炭化硅素エピタキシャル層20に形成された第2導電型のウェル領域22が設けられている。そして、SBD領域55における炭化硅素エピタキシャル層20の上には、ショットキー電極42を構成する金属層40が形成されている。金属層40は、例えば、チタン(Ti)またはタンタル(Ta)から構成されている。金属層40は、ショットキー電極42から延在しているとともに、DMOSFET領域50におけるソース領域24及びコンタクト領域26の上に形成されたシリサイド層28に接触している。
The
さらに、本実施形態の構成では、DMOSFET領域50における炭化硅素エピタキシャル層20とウェル領域22とソース領域24との上には、炭化硅素からなるチャネルエピタキシャル層30が形成されている。また、チャネルエピタキシャル層30のうちウェル領域22上に位置する部位は、チャネル領域35として機能する。なお、本実施形態において「エピタキシャル層」は、「エピ層」と称することもあり、炭化硅素エピタキシャル層20は「ドリフトエピ層20」と称し、一方、チャネルエピタキシャル層30は「チャネルエピ層30」と称する場合もある。
Furthermore, in the configuration of the present embodiment, a
チャネルエピタキシャル層30の上には、ゲート酸化膜32が形成されている。ゲート酸化膜32は、例えば、シリコン酸化膜である。加えて、ゲート酸化膜32の上には、ゲート電極34が形成されている。ゲート電極34は、例えば、ポリシリコンから構成されている。
A
また、ゲート電極34の上には、絶縁膜36が形成されている。絶縁膜36は、例えば、酸化シリコンである。本実施形態の構成では、絶縁膜36は、DMOSFET領域50におけるゲート電極34を覆っており、そして、絶縁膜36には、シリサイド層28の少なくとも一部を露出する開口部(コンタクトホール)37が形成されている。この絶縁膜36の上に、シリサイド層28に接触した電極(バリアメタル)41から延在した金属層40が形成されている。
An insulating
さらに、絶縁膜36は、SBD領域55におけるウェル領域22の一部の上にも形成されている。具体的には、絶縁膜36には、SBD領域55におけるウェル領域22の一部とウェル領域22に囲まれたドリフトエピ層20を露出する開口部(コンタクトホール)43が形成されている。そして、DMOSFET領域50に形成された金属層40は、SBD領域55における絶縁膜36の上を通って、ショットキー電極42まで延びている。
Further, the insulating
金属層40の上には、配線層44が形成されており、本実施形態の配線層44は、アルミニウムから構成されている。図1に示した例では、DMOSFET領域50におけるコンタクトホール37内に位置するアルミニウム配線層44は、金属層40の一部(電極41)を介してシリサイド層28に接続されている。一方、SBD領域55におけるコンタクトホール43内に位置するアルミニウム配線層44は、金属層40の一部(ショットキー電極42)を介して、ウェル領域22及びドリフトエピ層20に接続されている。
A
また、半導体基板10の裏面10bには、電極(ドレイン電極)80が形成されている。本実施形態の電極(裏面電極)60は、基板10側から順に、Ti層82/Ni層84/Ag層86の積層構造を有しており、また、電極80のTi層82と半導体基板10の裏面10bとの間には裏面シリサイド層81が形成されている。
An electrode (drain electrode) 80 is formed on the
本実施形態の一例においては第1導電型はn型であり、図1に示した例では、半導体基板10はn型SiC半導体基板(n+SiC基板)であり、ドリフトエピ層20はn−SiC層である。また、ウェル領域22はp−層であり、ソース領域24はn+層である。また、コンタクト領域はp+層である。なお、「+」、「−」などは、n型またはp型の相対的なドーパントの濃度を表記した符号である。
In the example of the present embodiment, the first conductivity type is n-type. In the example illustrated in FIG. 1, the
また、本実施形態のチャネルエピ層30は、絶縁層(または実質的に絶縁層)であり、「i層」または「チャネルエピi層」と称する場合もある。ただし、チャネルエピ層30は、低濃度の第1導電型(n−)の層であってもよし、さらには、チャネルエピ層30は、深さ方向に濃度の変化を有していてもよい。
The
本実施形態の半導体装置100は、SiCからなるパワー半導体デバイスであり、高耐圧、大電流用に好適に使用される。本実施形態の構成の条件を例示的に説明すると次の通りである。
The
n+SiC基板10は、六方晶系炭化硅素からなる。n+SiC基板10の厚さは、例えば、250〜350μmであり、n+SiC基板10の濃度は、例えば、8E18cm−3ある。ここで、8E18cm−3は、8×1018cm−3の意味であり、以下、本明細書では、濃度については同様の表記を行う場合がある。なお、n−SiC基板10の場合、立方晶系炭化硅素からなる基板を用いることもできる。 The n + SiC substrate 10 is made of hexagonal silicon carbide. The thickness of the n + SiC substrate 10 is, for example, 250 to 350 μm, and the concentration of the n + SiC substrate 10 is, for example, 8E18 cm −3 . Here, 8E18 cm− 3 means 8 × 10 18 cm −3 , and hereinafter, in this specification, the same notation may be given for the concentration. In the case of the n - SiC substrate 10, a substrate made of cubic silicon carbide can also be used.
ドリフトエピ層20は、SiC基板10の主面10a上にエピタキシャル形成されたSiC層である。ドリフトエピ層20の厚さは、例えば、4〜15μmであり、その濃度は、例えば、5E15cm−3である。なお、n+SiC基板10とドリフトエピ層20の間に、更なるSiCエピ層(例えば、6E16cm−3の濃度を有するSiCエピ層)を設けてもよい。
ウェル領域22の厚さ(即ち、ドリフトエピ層20の上面からの深さ)は、例えば、0.5〜1.0μmであり、ウェル領域22の濃度は、例えば、1.5E18cm−3である。また、ソース領域24の厚さ(即ち、ドリフトエピ層20の上面からの深さ)は、例えば、0.25μmであり、ソース領域24の濃度は、例えば、5E19cm−3である。そして、コンタクト層(p+層)26の厚さは、例えば、0.3μmであり、その濃度は、例えば、2E20cm−3である。なお、DMOSFET領域50におけるウェル領域22間のドリフトエピ層20には、JFET領域が規定されており、そのJFET領域の長さ(幅)は、例えば、3μmである。
The thickness of the well region 22 (that is, the depth from the upper surface of the drift epi layer 20) is, for example, 0.5 to 1.0 μm, and the concentration of the
チャネルエピ層30は、ドリフトエピ層20上にエピタキシャル形成されたSiC層であり、チャネルエピ層30の厚さは、例えば、30nm〜150nmである。チャネル領域35の長さ(幅)は、例えば、0.5μmである。また、ゲート酸化膜32は、SiO2(酸化シリコン)からなり、その厚さは、例えば、70nmである。ゲート電極34は、poly−Si(ポリシリコン)からなり、その厚さは、例えば、500nmである。
The
さらに、上述したように、本実施形態の構成では、シリサイド層28が形成されており、具体的には、ソース電極はTi(チタン)とSi(シリコン)との合金からなり、その厚さは、例えば、50nmである。また、ドレイン電極(裏面電極のうちシリサイド層81)もTi(チタン)とSi(シリコン)との合金からなり、その厚さは、例えば、100nmである。なお、ドレイン電極には、SiCチップをプラスチックパッケージに実装する際のはんだ付けを容易にするために、NiとAgやNiとAuを堆積することもある。
Furthermore, as described above, in the configuration of this embodiment, the
本実施形態の半導体装置100の構成によれば、半導体基板10にDMOSFET領域50とSBD領域55が形成され、そして、DMOSFET領域50のシリサイド層28およびSBD領域55のドリフトエピ層20に接触する金属層40が形成され、その金属層40によってSBD領域55にショットキー電極42が形成されているので、SBD領域55に形成されたSBD素子によってスイッチング特性の向上を図ることができる。
According to the configuration of the
また、ソース領域24及びコンタクト領域26にシリサイド層28が形成されている。したがって、シリサイド層28を介してソース領域24及びコンタクト領域26に接触する金属層40の上に、アルミニウムからなる配線層44を形成した場合でも、金属層40がバリアメタルとして作用することによってアルミニウムの拡散を抑制することが可能となる。つまり、本実施形態の構成によれば、ゲート電極34を構成するポリシリコン中にアルミニウムが拡散してゲート酸化膜32にまでアルミニウムが到達してしまう現象を、金属層40によるアルミニウムの拡散の抑制によって防止することができ、その結果、コンタクト領域26及びソース領域24のオーミック特性及び、ゲート酸化膜32の信頼性を向上させることができる。
A
次に、本実施形態の半導体装置100の動作について説明する。
Next, the operation of the
まず、縦型MOSFETの動作について説明すると、ソース電極24には0V、ドレイン電極80には外部抵抗(図示せず)を介して数百Vから数kVの電圧が印加されている。ゲート電極34に閾値(Vth)以下の電圧(例えば、0V)を印加するオフ状態では、ウェル領域22とドリフト間に空乏層が広がっており、JFET領域ではウェル領域22の両側から延びる空乏層が繋がっている。
First, the operation of the vertical MOSFET will be described. A voltage of several hundred volts to several kilovolts is applied to the
次に、ゲート電極に閾値(Vth)より高い電圧(例えば20V)を印加した場合は、ゲート絶縁膜32を介してチャネル領域35のチャネルエピ層30に電子が流れ込む。このとき、ウェル領域22とドリフト(ドリフトエピ層20)との間で形成される空乏層に蓄積されている電子も利用されるために、ウェル領域22の電位がソース電位に近づき、空乏層が縮小することによってJFET領域の電流経路が形成され、オン状態となる。このときドレイン電圧は外部抵抗の電圧降下により1ないし2V程度となるように外部抵抗が選択される。
Next, when a voltage (for example, 20 V) higher than the threshold value (Vth) is applied to the gate electrode, electrons flow into the
従来の構成では、SBD素子を混載しない場合は、スイッチング動作する間での逆回復時間が長く、良好なスイッチング特性が得られない。またSBD素子とMOSFET素子を同一基板に混載する際に、オーミック電極やアルミ電極と同時に形成した場合においては、順方向特性(理想因子等)や逆方向耐圧が悪化し、良好なショットキー特性が得ることが困難である。 In the conventional configuration, when the SBD element is not mixedly mounted, the reverse recovery time during the switching operation is long, and good switching characteristics cannot be obtained. In addition, when the SBD element and the MOSFET element are mixedly mounted on the same substrate, the forward characteristics (ideal factors, etc.) and the reverse breakdown voltage deteriorate when the ohmic electrode and the aluminum electrode are formed at the same time. It is difficult to obtain.
一方、本実施形態の構成100の場合、良好なショットキー特性のSBD素子をMOSFET素子と同一基板上に実現することにより、SBDに順方向が流すことで、スイッチング動作する間での逆回復時間を短縮するので、スイッチング特性を向上させることができる。
On the other hand, in the case of the
次に、図2(a)から図4(b)を参照しながら、本実施形態の半導体装置100の製造方法について説明する。図2(a)から図4(b)は、本実施形態の製造方法を説明するための工程断面図である。
Next, a method for manufacturing the
まず、n+SiC基板10として、n型4H−SiC(0001)基板を用意する。この基板は、例えば、<11−20>方向に8°または4°オフカットされ、n型ドーピング濃度が1×1018cm-3〜5×1019cm-3の基板である。
First, an n-type 4H—SiC (0001) substrate is prepared as the n + SiC substrate 10. This substrate is, for example, a substrate having an n-type doping concentration of 1 × 10 18
次いで、図2(a)に示すように、n+SiC基板10の主面10a上に、エピタキシャル成長によってn−ドリフトエピ層20を形成する。エピタキシャル条件は原料ガスとして、例えば、シラン(SiH4)とプロパン(C3H8)を、キャリアガスとして水素(H2)を、ドーパントガスとして窒素(N2)ガスを用いて熱CVDを行うことにより、1×1015cm-3〜1×1016cm-3の濃度で、厚さとして10μm以上を堆積する。
Next, as illustrated in FIG. 2A, an n −
次に、n−ドリフトエピ層20の上に、ウェル領域22を規定する所定のマスク(例えば、酸化膜からなるマスク)を設けて、例えばAl+をイオン注入することによって、n−ドリフトエピ層20の表面に、所定の深さを有するウェル領域(p−)22を形成する。イオン注入の条件は、例えば、エネルギーを30keVから350keVの間で複数に分け行い、その際の基板の温度は、例えば500℃である。ウェル領域22の深さは、例えば、0.5〜1.0μmである。ウェル領域22間によって規定される、n−ドリフトエピ層20の表面部がJFET領域となる。本実施形態のJFET領域の幅は、例えば、3μmである。
Next, a predetermined mask (for example, a mask made of an oxide film) for defining the
次に、DMOSFET領域50におけるソース領域24を規定する所定のマスクを設けて、ウェル領域(p−)22の表面に、N+(窒素イオン)またはP+(リンイオン)をイオン注入することによって、ソース領域(n++)24を形成する。イオン注入の条件は、例えば、エネルギーを30keVから90keVの間で複数に分け行い、その際の基板の温度は例えば500℃である。ソース領域24の深さは、例えば、0.25μmである。
Next, a predetermined mask for defining the
次に、DMOSFET領域50におけるコンタクト領域26を規定する所定のマスクを設けて、ウェル領域(p−)22の表面に、Al+(アルミニウムイオン)またはB+(ボロンイオン)をイオン注入することによって、コンタクト領域(p+層)26を形成する。イオン注入の条件は、例えば、エネルギーを30keVから150keVの間で複数に分け行い、その際の基板の温度は例えば500℃である。コンタクト領域(p+層)26の深さは、ソース領域(n++)24の深さよりも深く、例えば、0.3μmである。
Next, a predetermined mask for defining the
次に、基板10(より正確には、各層(20、22、24、26)が形成された基板10)を1000℃以上、ここでは1700℃前後の温度で活性化アニールすることによって、イオン注入種を活性化させる。
Next, ion implantation is performed by activating annealing the substrate 10 (more precisely, the
次に、DMOSFET領域50におけるチャネルエピ層30をエピタキシャル成長させて形成する。本実施形態におけるチャネルエピ層30は、SiCからなるエピi層であり、そのエピタキシャル成長の条件は、例えば、原料ガスとして例えば、シラン(SiH4)とプロパン(C3H8)を、キャリアガスとして水素(H2)を、ドーパントガスとして窒素(N2)ガスを用いて熱CVDを行うことにより、1×1015cm-3〜5×1015cm-3の濃度で、厚さとして30〜150nmを堆積する。
Next, the
なお、エピタキシャル成長の途中で窒素(N2)ガスを導入して、チャネルエピ層の一部を高濃度にしても構わない。また、エピタキシャル成長させたチャネルエピ層30の表面は、CMP(化学的機械的研磨)してもよい。ただし、CMPの実施は、任意であり、CMPを行わなくてもよい。
Note that nitrogen (N 2 ) gas may be introduced during the epitaxial growth so that a part of the channel epitaxial layer has a high concentration. Further, the surface of the epitaxially grown
次に、所定のマスクを介して、チャネルエピ層30をドライエッチングを行ってパターニングをする。その後、パターニングされたチャネルエピ層30の上にゲート酸化膜(SiO2)32を形成する。ゲート酸化膜の厚さは、例えば、70nmである。
Next, the
次いで、減圧CVDを用いて、ゲート酸化膜32の上にゲート電極(poly−Si)34を形成する。その後、所定のマスクを用いて、ゲート電極34をエッチングしてパターニングする。このようにして、図2(a)に示した構造が得られる。すなわち、注入層形成からゲート形成工程を経て、図2(a)に示した構造が完成する。その後は、図2(b)以降に示すように配線形成工程が実行される。
Next, a gate electrode (poly-Si) 34 is formed on the
まず、図2(b)に示すように、基板10の上に(正確には、ドリフトエピ層20の上に)、DMOSFET領域50におけるソース・コンタクト領域(24、26)を露出する開口部61を有する絶縁層60を形成する。絶縁層60は、シリサイド用のマスクとなる層である。本実施形態では、絶縁層60は、基板10上の全体に形成しているので、DMOSFET領域50だけでなく、SBD領域55にも形成されている。
First, as shown in FIG. 2B, an
この絶縁層60は、例えば、p−SiN膜を約100〜200nm堆積した後、そのp−SiN膜に開口部61を形成することによって作製される。開口部61の形成は、当該開口部61を規定する開口部を有するマスクをリソグラフィーによって作製した後、RIEなどによってp−SiN膜をドライエッチングすることによって実行される。
The insulating
次に、図2(c)に示すように、基板10の上に、オーミック電極用の金属材料を堆積して、金属層62を形成する。この堆積によって、開口部61内の底面に位置するソース領域・コンタクト領域(24、26)の上に金属層62が形成される。オーミック電極用の金属材料は、例えば、NiまたはTiからなり、金属層62の形成は、例えば、EB蒸着、スパッタなどによって行うことができる。金属層62の厚さは、例えば、約100nmである。
Next, as shown in FIG. 2C, a metal material for the ohmic electrode is deposited on the
次に、図3(a)に示すように、金属層62の形成の後に加熱処理を行うことによって、ソース領域・コンタクト領域(24、26)の上にシリサイド層28を形成する。このシリサイド層28の形成のための加熱処理は、850℃〜1000℃でAr又はN2雰囲気中にて実行される。
Next, as shown in FIG. 3A, the
次に、図3(b)に示すように、絶縁層60を取り除くことことにより、シリサイド層28以外の領域に位置する金属層62をリフトオフにて除去する。すなわち、このリフトオフによって、シリサイド層28以外の領域に位置する「未反応」金属(化合物)が除去される。
Next, as shown in FIG. 3B, by removing the insulating
また、本実施形態では、裏面でのオーミックコンタクトを実現するために、基板10の裏面10bにシリサイド層(裏面シリサイド層)81を形成する。この裏面シリサイド層81の形成は、基板10の裏面10bに金属(例えば、NiまたはTi)を堆積した後、850℃〜1000℃でAr又はN2雰囲気中にて実行される。
In the present embodiment, a silicide layer (backside silicide layer) 81 is formed on the
次に、図4(a)に示すように、ソース・コンタクト領域(24、26)を露出する開口部61と、ショットキーコンタクト領域を露出する開口部71とが形成された絶縁膜(層間絶縁膜)36を形成する。層間絶縁膜36は、例えば、シリコン酸化膜(ここでは、PSG、BPSGなども含む)からなる。層間絶縁膜36の形成は、シリコン酸化膜をCVDなどによって堆積した後に、DMOSFET領域50の開口部61とSBD領域55の開口部71を規定するマスクをリソフラフィーによって作製し、次いで、RIEなどによってシリコン酸化膜をドライエッチングすることによって実行される。
Next, as shown in FIG. 4A, an insulating film (interlayer insulation) in which an
次に、図4(b)に示すように、金属層40を形成する。金属層40は、SBD領域55におけるバリアメタル層41と、DMOSFET領域50におけるショットキー電極42とを構成しており、金属層40からなるバリアメタル層41は、シリサイド層28に接触している。また、本実施形態の金属層40は、ショットキー電極42から延在して、層間絶縁膜36の上を通って、バリアメタル層41に繋がっている。
Next, as shown in FIG. 4B, a
金属層40の形成は、バリアメタル(41)及びショットキーメタル(42)となる金属材料(例えば、Ti、Ta、またはそれらの窒化物)をEB蒸着やスパッタ(例えば、反応性スパッタ)によって厚さ100〜200nm堆積した後、パターニングすることによって行われる。このパターニングは、バリアメタル層41およびショットキー電極42をオーバーラップ部分を含めて残すように、所定のマスクを用いてウエット又はドライエッチングによって実行される。この所定のマスクは、リソグラフィーによって形成される。さらに、金属層40の形成の後、ショットー特性改善、バリアメタルの表面の窒化のため、300〜500℃で高温熱処理することも好適である。
The
その後、基板10の表面の上に、より正確には図4(b)に示した構造体の上に、アルミニウムを堆積して、そのアルミニウムをパターニングすることによってAl配線層44を形成すると、図1に示した半導体装置100が得られる。Al配線層44を構成するアルミニウムの堆積は、EB蒸着またはスパッタ等によって行われる。Al配線層44の厚さは、例えば、約4μmである。堆積したアルミニウムのパターニングは、Al配線層44を規定するマスクをリソグラフィーによって形成した後、そのマスクを介してウエットエッチまたはドライエッチすることによって行われる。
Thereafter, aluminum is deposited on the surface of the
なお、図1に示すように、最終的に、基板10の表面の上(具体的には、図4(b)に示した構造体の上)に、Al配線層44を形成するので、ソース・コンタクト領域(24、26)の上に位置するシリサイド層28と、ショットキー電極42とを接続する金属層40は、層間絶縁膜36の上で少なくとも一部除去されていても構わない。すなわち、層間絶縁膜36の上で金属層40が切れていても、シリサイド層28とショットキー電極42との電気的接続はAl配線層44によって確保することができる。
As shown in FIG. 1, the
ただし、層間絶縁膜36とAl配線層44との間に金属層(例えば、Ti層)40が存在していると、層間絶縁膜36とAl配線層44との密着性を金属層40によって向上させることができる。また、この密着性の向上によって、Al配線層44の断線を抑制することができ、その結果、製造上の歩留まり向上などの効果を得ることができる。
However, if a metal layer (for example, a Ti layer) 40 exists between the interlayer insulating
その後、図1に示した構造の上に、表面保護膜(不図示)を形成することも可能である。その表面保護膜は、例えば、p−SiNを堆積することによって形成することができる。なお、表面保護膜を形成した後、パット部を規定するマスクをリソグラフィー形成し、次いで、そのマスクを用いて表面保護膜をRIEなどで除去して、パッド部を外部へ露出させることもできる。 Thereafter, a surface protective film (not shown) can be formed on the structure shown in FIG. The surface protective film can be formed, for example, by depositing p-SiN. Note that after the surface protective film is formed, a mask that defines the pad portion is formed by lithography, and then the surface protective film is removed by RIE using the mask to expose the pad portion to the outside.
また、基板10の裏面10bに(具体的には、裏面シリサイド層の下面に)、裏面電極(ドレイン電極)80を形成する。裏面電極80は、例えば、Ti層82/Ni層84/Ag層86のような積層構造とすることができる。
Further, a back electrode (drain electrode) 80 is formed on the
次に、図5(a)および(b)を参照しながら、本願発明者が行った実験結果について説明する。図5(a)および(b)に示したグラフは、本実施形態の半導体装置100におけるSBD素子のJ−V特性(電流−電圧特性)の評価結果であり、図5(a)は、順方向のJ−V特性を表し、一方、図5(b)は、逆方向のJ−V特性を表している。図5中の「Ti」「TiN」は、金属層40の一部であるショットキー電極42が、それぞれ、チタン、窒化チタンから構成されている例を示している。なお、図5中の「Al」は、金属層40が形成されておらず、直接、Al配線層44がショットキー電極42を構成している例(比較例)である。
Next, experimental results performed by the present inventor will be described with reference to FIGS. 5 (a) and 5 (b). The graphs shown in FIGS. 5A and 5B are the evaluation results of the JV characteristics (current-voltage characteristics) of the SBD element in the
さらに、その他の条件(膜厚)および特性の結果を示すと、次の通りである。 Further, the results of other conditions (film thickness) and characteristics are as follows.
なお、Jon@2Vは順方向電圧が2Vの場合のオン電流密度、Ronはオン抵抗を示し、J-V特性の傾きから算出した(Ron=1/S*ΔV/ΔJ ※S:面積)。 Jon @ 2V represents the on-current density when the forward voltage is 2V, Ron represents the on-resistance, and was calculated from the slope of the J-V characteristic (Ron = 1 / S * ΔV / ΔJ * S: area).
Φbはショットキー障壁、nは理想因子を示し、ともにJ-V特性から理論式をもとにデータ解析により算出した。またVbrは逆方向耐圧を示す。 Φb is a Schottky barrier, n is an ideal factor, and both were calculated from the J-V characteristics by data analysis based on theoretical equations. Vbr indicates reverse breakdown voltage.
(1)「TiN」:膜厚[nm]=200、Jon@2V[A/cm2]=496、Ron[mΩcm2]=2.30、φb[eV]=1.22、n=1.1,Vbr(V)=−1474
(2)「Ti」:膜厚[nm]=200、Jon@2V[A/cm2]=493、Ron[mΩcm2]=2.45、φb[eV]=1.21、n=1.1,Vbr(V)=−1230
(3)「Al」:膜厚[nm]=3000、Jon@2V[A/cm2]=648、Ron[mΩcm2]=2.34、φb[eV]=0.87、n=1.2,Vbr(V)=−694
上記結果および図5(a)及び(b)から、次のことがわかる。まず、φbは、Alと比較し、TiやTiNの方が大きくなる。そして、Alでは、n値も、逆方向特性(Vbr)も劣化している。Ti、TiNは、良好なショットキー特性を実現し、特に、TiNは、より良好な逆方向特性を実現している。
(1) “TiN”: film thickness [nm] = 200, Jon @ 2V [A / cm 2 ] = 496, Ron [mΩcm 2 ] = 2.30, φb [eV] = 1.22, n = 1. 1, Vbr (V) = − 1474
(2) “Ti”: film thickness [nm] = 200, Jon @ 2V [A / cm 2 ] = 493, Ron [mΩcm 2 ] = 2.45, φb [eV] = 1.21, n = 1. 1, Vbr (V) =-1230
(3) “Al”: film thickness [nm] = 3000, Jon @ 2V [A / cm 2 ] = 648, Ron [mΩcm 2 ] = 2.34, φb [eV] = 0.87, n = 1. 2, Vbr (V) = − 694
From the above results and FIGS. 5A and 5B, the following can be understood. First, φb is larger for Ti and TiN than for Al. In Al, both the n value and the reverse direction characteristic (Vbr) are degraded. Ti and TiN realize a good Schottky characteristic, and particularly TiN realizes a better reverse direction characteristic.
以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。 As mentioned above, although this invention was demonstrated by suitable embodiment, such description is not a limitation matter and of course various modifications are possible.
本発明は、スイッチング特性を向上できる炭化珪素基板を用いた縦型パワーMOSFETを提供できるので、高耐圧、大電流用に使用される、炭化硅素からなるパワー半導体デバイスに用いると好適である。 Since the present invention can provide a vertical power MOSFET using a silicon carbide substrate capable of improving switching characteristics, it is suitable for use in a power semiconductor device made of silicon carbide used for high withstand voltage and large current.
10 半導体基板
20 炭化硅素エピタキシャル層(ドリフトエピ層)
22 ウェル領域
24 ソース領域
26 コンタクト領域
28 シリサイド層
30 チャネルエピタキシャル層(チャネルエピ層)
32 ゲート酸化膜
34 ゲート電極
35 チャネル領域
36 絶縁膜(層間絶縁膜)
37 コンタクトホール
40 金属層
41 バリアメタル層
42 ショットキー電極
43 コンタクトホール
44 配線層(アルミニウム配線層)
50 DMOSFET領域
55 SBD領域
60 絶縁層(p−SiN膜)
61 開口部
62 金属層
71 開口部
80 裏面電極
81 裏面シリサイド層
100 半導体装置
10
22
32
37
50
61
Claims (10)
前記炭化硅素エピタキシャル層に、DMOSFET素子を形成するためのDMOSFET領域と、前記DMOSFET領域と異なる位置においてショットキーバリアダイオード素子を形成するためのSBD領域を規定する工程(b)と、
前記炭化硅素エピタキシャル層における前記DMOSFET領域および前記SBD領域に、第2導電型のウェル領域を形成する工程(c)と、
前記DMOSFET領域における前記ウェル領域の一部に、第1導電型のソース領域と第2導電型のコンタクト領域とを形成する工程(d)と、
前記炭化硅素エピタキシャル層と前記ウェル領域と前記ソース領域との上に、炭化硅素からなるチャネルエピタキシャル層を形成する工程(e)と、
前記チャネルエピタキシャル層の上に、ゲート酸化膜を形成する工程(f)と、
前記ゲート酸化膜の上に、ゲート電極を形成する工程(g)と、
前記DMOSFET領域における前記コンタクト領域および前記ソース領域の上にシリサイド層を形成する工程(h)と、
前記DMOSFET領域における前記ゲート電極を覆い且つ前記シリサイド層の少なくとも一部を露出する絶縁膜であって、前記SBD領域における前記ウェル領域の一部を覆い且つ前記炭化硅素エピタキシャル層を露出する絶縁膜を形成する工程(i)と、
前記絶縁膜を覆うとともに、前記DMOSFET領域の前記シリサイド層と、前記SBD領域の前記炭化硅素エピタキシャル層及び前記ウェル領域とに接触する金属層を形成することによって、前記SBD領域にショットキー電極を形成する工程(j)と
を含む、半導体装置の製造方法。 A step (a) of forming a first conductivity type silicon carbide epitaxial layer having a dopant concentration lower than that of the semiconductor substrate on the main surface of the first conductivity type semiconductor substrate made of silicon carbide;
(B) defining a DMOSFET region for forming a DMOSFET element and an SBD region for forming a Schottky barrier diode element at a position different from the DMOSFET region in the silicon carbide epitaxial layer;
Forming a second conductivity type well region in the DMOSFET region and the SBD region in the silicon carbide epitaxial layer; and
Forming a first conductivity type source region and a second conductivity type contact region in a part of the well region in the DMOSFET region;
Forming a channel epitaxial layer made of silicon carbide on the silicon carbide epitaxial layer, the well region, and the source region;
Forming a gate oxide film on the channel epitaxial layer (f);
Forming a gate electrode on the gate oxide film (g);
Forming a silicide layer on the contact region and the source region in the DMOSFET region (h);
An insulating film that covers the gate electrode in the DMOSFET region and exposes at least a part of the silicide layer, and that covers a part of the well region in the SBD region and exposes the silicon carbide epitaxial layer. Forming step (i);
A Schottky electrode is formed in the SBD region by covering the insulating film and forming a metal layer in contact with the silicide layer in the DMOSFET region and the silicon carbide epitaxial layer and the well region in the SBD region. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising the step (j) of:
前記半導体基板の裏面に、電極を形成する工程と
をさらに含む請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 Forming a wiring layer made of aluminum on the metal layer;
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising: forming an electrode on a back surface of the semiconductor substrate.
前記半導体基板の主面上に、前記DMOSFET領域における前記コンタクト領域を露出させる開口部を有する絶縁層を形成する工程と、
前記コンタクト領域および前記絶縁層の上に、オーミック電極用金属材料からなる金属層を形成する工程と、
前記金属層の形成の後、加熱処理を実行する工程と、
前記絶縁層を取り除くことにより、前記金属層をリフトオフにて除去する工程と
を含む、請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 The step (h)
Forming an insulating layer having an opening exposing the contact region in the DMOSFET region on the main surface of the semiconductor substrate;
Forming a metal layer made of a metal material for ohmic electrodes on the contact region and the insulating layer;
A step of performing a heat treatment after the formation of the metal layer;
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising: removing the metal layer by lift-off by removing the insulating layer.
前記半導体基板の主面上に形成され、当該半導体基板よりも低いドーパント濃度を有する第1導電型の炭化硅素エピタキシャル層と、
前記炭化硅素エピタキシャル層に形成され、DMOSFET素子を規定するDMOSFET領域と、
前記炭化硅素エピタキシャル層に形成され、ショットキーバリアダイオード素子を規定するSBD領域と
を備え、
前記DMOSFET領域は、
前記炭化硅素エピタキシャル層に形成された、第2導電型のウェル領域と、
前記ウェル領域に形成された第1導電型のソース領域と、
前記ウェル領域に形成された第2導電型のコンタクト領域と
を備え、
前記ソース領域及びコンタクト領域の上には、シリサイド層が形成されており、
前記SBD領域は、前記炭化硅素エピタキシャル層に形成された第2導電型のウェル領域を備えており、
前記SBD領域における前記炭化硅素エピタキシャル層および前記ウェル領域の上には、ショットキー電極を構成する金属層が形成されており、
前記金属層は、前記ショットキー電極から延在していているとともに、前記DMOSFET領域における前記コンタクト領域の上の前記シリサイド層に接触している、半導体装置。 A first conductivity type semiconductor substrate having a main surface and a back surface opposite to the main surface, and made of silicon carbide;
A silicon carbide epitaxial layer of a first conductivity type formed on a main surface of the semiconductor substrate and having a dopant concentration lower than that of the semiconductor substrate;
A DMOSFET region formed in the silicon carbide epitaxial layer and defining a DMOSFET element;
An SBD region that is formed in the silicon carbide epitaxial layer and that defines a Schottky barrier diode element;
The DMOSFET region is
A second conductivity type well region formed in the silicon carbide epitaxial layer;
A source region of a first conductivity type formed in the well region;
A contact region of a second conductivity type formed in the well region,
A silicide layer is formed on the source region and the contact region,
The SBD region includes a second conductivity type well region formed in the silicon carbide epitaxial layer,
A metal layer constituting a Schottky electrode is formed on the silicon carbide epitaxial layer and the well region in the SBD region,
The semiconductor device, wherein the metal layer extends from the Schottky electrode and is in contact with the silicide layer on the contact region in the DMOSFET region.
前記チャネルエピタキシャル層のうち前記ウェル領域上に位置する部位は、チャネル領域として機能し、
前記チャネルエピタキシャル層の上には、ゲート酸化膜が形成されている、請求項5から8の何れか一つに記載の半導体装置。 A channel epitaxial layer made of silicon carbide is formed on the silicon carbide epitaxial layer, the well region, and the source region in the DMOSFET region,
A portion of the channel epitaxial layer located on the well region functions as a channel region,
The semiconductor device according to claim 5, wherein a gate oxide film is formed on the channel epitaxial layer.
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