JP2011003825A - Silicon carbide semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress degradation of element characteristics which is caused by a defect present in a semiconductor substrate, relating to a semiconductor device.SOLUTION: A silicon carbide semiconductor device includes a semiconductor substrate 101, an epitaxial layer 102 formed on the surface of the semiconductor substrate 101, a gate insulating film 111 formed on the epitaxial layer 102, and a gate electrode 113 which is insulated from the epitaxial layer 102 by the gate insulating film 111. A defect propagation suppressing layer 116 whose defect density is lower than well region is provided between a well region 105 and a channel layer 115. By converting the substrate surface transition from the semiconductor substrate 101 to a blade-like transition by using the defect propagation suppressing layer 116, the defect density in the channel layer 115 directly under the gate insulating film 111 comes to be 50% or less of the defect density of the well region 105.

Description

本発明は、炭化珪素を用いた半導体素子及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device 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, 4H-SiC is a polytype generally used for producing a practical silicon carbide semiconductor element.

MOSFETなどの炭化珪素半導体素子を作製する際には、通常、c軸の結晶軸に対し垂直な(0001)Si面にほぼ一致する面を主面とする4H−SiC基板が用いられる。4H−SiC基板(以下、単に「SiC基板」という)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、作製しようとする半導体素子の種類に応じて、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。 When a silicon carbide semiconductor element such as a MOSFET is manufactured, a 4H—SiC substrate having a surface substantially coincident with the (0001) Si surface perpendicular to the c-axis crystal axis is usually used. On the 4H—SiC substrate (hereinafter simply referred to as “SiC substrate”), an epitaxial growth layer serving as an active region of the silicon carbide semiconductor element is formed. In a selected region of the epitaxial growth layer, an impurity doped layer whose conductivity type and carrier concentration are controlled according to the type of semiconductor element to be manufactured is formed. For example, in the MOSFET, the impurity doped layer functions as a p-type well region or an n + source region.

図7に従来技術によるSiCのチャネル構造のMOSFETについて説明する。従来構造のMOSFET300は、炭化珪素基板301上にn型の伝導性を示すドーパントを供給しながらエピタキシャル成長によって形成したn型ドリフト層302を有する。ドリフト層の一部分にp型ドーパントとなる不純物、例えばアルミニウム(Al)をイオン注入することによりp型のウェル領域305が形成されている。さらに、ウェル領域の一部分にn型ドーパントとなる不純物(例えば窒素)及びp型不純物(例えばAl)をイオン注入することによりそれぞれ、ソース領域308及びコンタクト領域309を形成する。さらに、少なくともウェル領域305上にn型チャネル層307をn型不純物のイオン注入、もしくはn型ドーパントを供給しながらエピタキシャル成長することにより形成する。チャネル層307上に例えば熱酸化によりゲート絶縁膜311を形成し、ゲート絶縁膜311上にゲート電極313を形成する。さらに、ソース領域308及びコンタクト領域309と接するようにソース電極312が形成され、炭化珪素基板301の裏面にはドレイン電極314を有する。   FIG. 7 illustrates a conventional MOSFET having a SiC channel structure. MOSFET 300 having a conventional structure has n-type drift layer 302 formed by epitaxial growth while supplying a dopant showing n-type conductivity on silicon carbide substrate 301. A p-type well region 305 is formed by ion-implanting an impurity serving as a p-type dopant, for example, aluminum (Al) into a part of the drift layer. Further, an impurity (for example, nitrogen) and a p-type impurity (for example, Al) serving as an n-type dopant are ion-implanted into a part of the well region, thereby forming a source region 308 and a contact region 309, respectively. Further, an n-type channel layer 307 is formed on at least the well region 305 by ion implantation of n-type impurities or epitaxial growth while supplying an n-type dopant. A gate insulating film 311 is formed on the channel layer 307 by, for example, thermal oxidation, and a gate electrode 313 is formed on the gate insulating film 311. Further, source electrode 312 is formed so as to be in contact with source region 308 and contact region 309, and drain electrode 314 is provided on the back surface of silicon carbide substrate 301.

SiC基板には、その結晶成長メカニズムなどに起因して結晶欠陥が存在することが知られている。SiCパワーデバイス特性に大きな影響を与える代表的な結晶欠陥として、基板を貫通する欠陥であるマイクロパイプがある。このようにあらかじめSiC基板に存在する欠陥に加えて、上記MOSFETの作製プロセスにおけるイオン注入工程でSiCエピタキシャル成長層のイオン注入領域に欠陥が発生する。このようにイオン注入領域に発生した欠陥は、1600℃以上の高温で活性化アニール処理を行うことによって、ある程度は結晶が回復するが、SiC結晶が完全に回復することは困難であり、高密度の欠陥が残留する。以下、イオン注入によって発生した欠陥による課題について説明する。   It is known that a SiC substrate has crystal defects due to the crystal growth mechanism and the like. As a typical crystal defect that greatly affects the characteristics of the SiC power device, there is a micropipe that is a defect penetrating the substrate. In this manner, in addition to the defects existing in the SiC substrate in advance, defects are generated in the ion implantation region of the SiC epitaxial growth layer in the ion implantation process in the MOSFET manufacturing process. The defects generated in the ion implantation region are recovered to some extent by performing the activation annealing process at a high temperature of 1600 ° C. or higher, but it is difficult to completely recover the SiC crystal. Defects remain. Hereinafter, problems due to defects generated by ion implantation will be described.

図3はエピタキシャル層10にイオン注入により注入層11を形成した断面を透過型電子顕微鏡(TEM)により観察した図である。図3において欠陥が発生し結晶が乱れている領域は黒いまだら模様となっている。このようにエピタキシャル層10にイオン注入することにより、欠陥領域(黒いまだら模様の領域)12が発生する。このような欠陥領域は、注入されたイオンがエピタキシャル層10に入射する際にSiC結晶内の珪素と炭素との結合手を切断したり、注入種が珪素もしくは炭素のサイトに置換されることで珪素もしくは炭素がはじき出されたりすることによって発生する。   FIG. 3 is a view obtained by observing a cross section in which the implantation layer 11 is formed in the epitaxial layer 10 by ion implantation using a transmission electron microscope (TEM). In FIG. 3, the region where defects are generated and the crystal is disturbed has a black mottled pattern. By implanting ions into the epitaxial layer 10 in this manner, a defect region (black mottled region) 12 is generated. Such a defect region is formed by cutting the bond between silicon and carbon in the SiC crystal when the implanted ions are incident on the epitaxial layer 10 or by replacing the implanted species with silicon or carbon sites. It is generated when silicon or carbon is ejected.

従来の成長方法でこのようにして形成された、欠陥を有するイオン注入層の上に、チャネル層をエピタキシャル成長で形成すると、イオン注入層の欠陥は、チャネル層に引き継がれて、チャネル層内にも欠陥が発生する。   When the channel layer is formed by epitaxial growth on the ion-implanted layer having defects thus formed by the conventional growth method, the defects in the ion-implanted layer are inherited by the channel layer and are also formed in the channel layer. Defects occur.

本発明者らが検討したところ、このようなチャネル層の欠陥は、半導体素子の特性に与える影響が大きいことがわかった。特に、チャネル層を流れるキャリアが欠陥近傍で散乱することでキャリア移動度が低下したり、チャネル層の表面に形成されるゲート絶縁膜の信頼性を低下させる一因となることがわかった。また、基底面転位と呼ばれるSiC結晶内の基底面((0001)面)に平行に存在する転位がゲート絶縁膜の信頼性を劣化させることも分かった。このため、このような欠陥を有するチャネル層を用いて半導体素子を形成すると、SiCの優れた物性値から期待されるような電気特性の炭化珪素半導体素子が得られないという問題がある。   As a result of studies by the present inventors, it has been found that such a channel layer defect has a large influence on the characteristics of the semiconductor element. In particular, it has been found that carriers flowing in the channel layer are scattered in the vicinity of the defect, thereby reducing the carrier mobility and reducing the reliability of the gate insulating film formed on the surface of the channel layer. It was also found that dislocations existing in parallel to the basal plane ((0001) plane) in the SiC crystal, called basal plane dislocations, deteriorate the reliability of the gate insulating film. For this reason, when a semiconductor element is formed using a channel layer having such a defect, there is a problem that a silicon carbide semiconductor element having the electrical characteristics expected from the excellent physical properties of SiC cannot be obtained.

これに対し、イオン注入で発生する欠陥による素子特性の劣化を回避するために、特許文献1および特許文献2には、MOSFETのウェル領域の一部をイオン注入ではなく、エピタキシャル成長により形成することを開示している。   On the other hand, in order to avoid deterioration of device characteristics due to defects caused by ion implantation, Patent Document 1 and Patent Document 2 describe that a part of the well region of the MOSFET is formed by epitaxial growth instead of ion implantation. Disclosure.

特開2008−210848号公報JP 2008-210848 A 特開2004−31471号公報JP 2004-31471 A

特許文献1および特許文献2の方法によって、MOSFETのウェル領域をエピタキシャル成長で形成することで、イオン注入によってウェル領域に発生する欠陥の発生を回避することは可能となる。しかしながら、局所的なウェル領域をエピタキシャル成長で形成することは非常に困難であり、この方法ではMOSFETの作製工程及びその構造が複雑になるという課題が存在する。このため、量産可能な一般的な構造のMOSFETを作製するためには特許文献1および特許文献2を適用することはできない。   By forming the well region of the MOSFET by epitaxial growth using the methods of Patent Document 1 and Patent Document 2, it is possible to avoid the occurrence of defects that occur in the well region due to ion implantation. However, it is very difficult to form a local well region by epitaxial growth, and this method has a problem that a MOSFET manufacturing process and its structure are complicated. For this reason, Patent Document 1 and Patent Document 2 cannot be applied to manufacture a MOSFET having a general structure that can be mass-produced.

本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、SiC基板を用いた炭化珪素半導体素子において、欠陥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 such conventional problems, and an object of the present invention is to suppress deterioration in element characteristics due to defects in a silicon carbide semiconductor element using a SiC substrate.

本発明の炭化珪素半導体素子は、半導体基板の主面上に形成された第1導電型の第1の炭化珪素層と、前記第1の炭化珪素層内に形成された第2導電型の不純物を含むウェル領域と、前記ウェル領域内に形成された第1導電型の不純物を含むソース領域と、前記ウェル領域内に形成された第2導電型の不純物を含むコンタクト領域と、前記ウェル領域の表面に対向する位置に設けられたゲート絶縁膜と、前記ウェル領域と前記ゲート絶縁膜との間に形成された第3の炭化珪素層からなるチャネル層と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、前記ソース領域と接する位置に形成されたソース電極と、前記半導体基板の主面と対向する面の上に形成されたドレイン電極と、前記ウェル領域と前記チャネル層との間に前記ウェル領域に比べて欠陥密度が低い第2の炭化珪素層と、を備えている。   A silicon carbide semiconductor element of the present invention includes a first conductivity type first silicon carbide layer formed on a main surface of a semiconductor substrate, and a second conductivity type impurity formed in the first silicon carbide layer. A well region including a source region including a first conductivity type impurity formed in the well region, a contact region including a second conductivity type impurity formed in the well region, and the well region A gate insulating film provided at a position facing the surface, a channel layer made of a third silicon carbide layer formed between the well region and the gate insulating film, and formed on the gate insulating film A gate electrode; a source electrode formed at a position in contact with the source region; a drain electrode formed on a surface facing the main surface of the semiconductor substrate; and the well region and the channel layer between Compared to well region Defect density Te is provided with lower and second silicon carbide layer.

前記ゲート絶縁膜の直下における前記チャネル層の欠陥密度が、前記ウェル領域の欠陥密度の50%以下であることが好ましい。   It is preferable that the defect density of the channel layer immediately below the gate insulating film is 50% or less of the defect density of the well region.

また、前記ゲート絶縁膜の直下における前記チャネル層の基底面転位密度が、前記ウェル領域の基底面転位密度の50%以下であることが好ましい。   The basal plane dislocation density of the channel layer immediately below the gate insulating film is preferably 50% or less of the basal plane dislocation density of the well region.

前記チャネル層が第1導電型の不純物を含むことが好ましい。   The channel layer preferably includes a first conductivity type impurity.

また、前記第2の炭化珪素層に含まれる第1導電型の不純物濃度は、前記第1の炭化珪素層に含まれる第1導電型の不純物濃度に比べて低いことが好ましい。   The first conductivity type impurity concentration contained in the second silicon carbide layer is preferably lower than the first conductivity type impurity concentration contained in the first silicon carbide layer.

また、前記半導体基板は、(0001)Si面から所定の角度だけ傾斜させた面を前記主面とする炭化珪素基板であることが好ましい。   The semiconductor substrate is preferably a silicon carbide substrate whose main surface is a surface inclined by a predetermined angle from a (0001) Si surface.

本発明の炭化珪素半導体素子の製造方法は、
(A)所定のオフ角を有する半導体基板の主面上に第1のエピタキシャル成長によって第1導電型の第1の炭化珪素層を形成する工程と、
(B)前記第1の炭化珪素層内に第2導電型の不純物を含むウェル領域をイオン注入にて形成する工程と、
(C)前記ウェル領域および前記第1の炭化珪素層上に第2のエピタキシャル成長によって第2の炭化珪素層を形成する工程と、
(D)前記第2の炭化珪素層上に第1導電型の不純物を含む第3の炭化珪素層からなるチャネル層を形成する工程と、を包含し、
前記工程(C)は、前記ウェル領域上への前記第2のエピタキシャル成長の開始時に、珪素源より先に炭素源を前記ウェル領域の表面に供給して前記第2のエピタキシャル成長を行う工程(C1)を含む。
The method for producing a silicon carbide semiconductor element of the present invention comprises:
(A) forming a first conductivity type first silicon carbide layer by first epitaxial growth on a main surface of a semiconductor substrate having a predetermined off angle;
(B) forming a well region containing a second conductivity type impurity in the first silicon carbide layer by ion implantation;
(C) forming a second silicon carbide layer by second epitaxial growth on the well region and the first silicon carbide layer;
(D) forming a channel layer made of a third silicon carbide layer containing a first conductivity type impurity on the second silicon carbide layer,
In the step (C), at the start of the second epitaxial growth on the well region, a carbon source is supplied to the surface of the well region before the silicon source to perform the second epitaxial growth (C1). including.

前記工程(C1)における珪素の含有量に対する炭素の含有量の比(C/Si)は前記チャネル層を形成する際の珪素の含有量に対する炭素の含有量の比よりも大きいことが好ましい。   The ratio of carbon content to silicon content (C / Si) in the step (C1) is preferably larger than the ratio of carbon content to silicon content when forming the channel layer.

また、前記工程(C1)を行うことにより、前記ウェル領域と前記チャネル層との間に、前記ウェル領域に比べて欠陥密度が低い層を形成することが好ましい。   Moreover, it is preferable to form a layer having a lower defect density than the well region between the well region and the channel layer by performing the step (C1).

前記第2導電型の不純物としてアルミニウムを用い、当該アルミニウムのイオン注入によって前記ウェル領域を形成することが好ましい。   Preferably, aluminum is used as the second conductivity type impurity, and the well region is formed by ion implantation of the aluminum.

また、本発明の炭化珪素半導体素子の製造方法は、さらに、
(E)前記ウェル領域内に第1導電型の不純物を含むソース領域を形成する工程と、
(F)前記ウェル領域内に第2導電型の不純物を含むコンタクト領域を形成する工程と、
(G)前記チャネル層の表面にゲート絶縁膜を形成する工程と、
(H)前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、
(I)前記ソース領域と接する位置にソース電極を形成する工程と、
(J)前記半導体基板の主面と対向する裏面にドレイン電極を形成する工程と、
を含むことが好ましい。
Moreover, the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor element of the present invention further includes:
(E) forming a source region containing a first conductivity type impurity in the well region;
(F) forming a contact region containing a second conductivity type impurity in the well region;
(G) forming a gate insulating film on the surface of the channel layer;
(H) forming a gate electrode on the gate insulating film;
(I) forming a source electrode at a position in contact with the source region;
(J) forming a drain electrode on the back surface facing the main surface of the semiconductor substrate;
It is preferable to contain.

本発明の炭化珪素半導体素子によると、イオン注入によって形成したウェル領域上のチャネル層における欠陥の密度が低減されているので、チャネル層の欠陥に起因するキャリアの移動度の低下がなく、チャネル層上に形成される酸化膜の信頼性の劣化も抑制される。また、本発明の製造方法によると、従来の工程に比べて工程を1つ追加するのみであるので、プロセスを複雑にすることなく、上記半導体素子を製造することができる。   According to the silicon carbide semiconductor element of the present invention, since the density of defects in the channel layer on the well region formed by ion implantation is reduced, there is no decrease in carrier mobility caused by the defect in the channel layer. The deterioration of the reliability of the oxide film formed thereon is also suppressed. Further, according to the manufacturing method of the present invention, since only one process is added compared to the conventional process, the semiconductor element can be manufactured without complicating the process.

本発明による第1の実施形態に係る半導体素子の断面模式図1 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. (a)〜(f)は、本発明による第1の実施形態に係る半導体素子の製造方法を説明するための工程断面図(A)-(f) is process sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the semiconductor element which concerns on 1st Embodiment by this invention. エピタキシャル層にイオン注入により注入層を形成した断面を透過型電子顕微鏡(TEM)により観察した図The figure which observed the section which formed the injection layer in the epitaxial layer by ion implantation with the transmission electron microscope (TEM) (a)(b)は、本発明における基板面転位のエピタキシャル層への伝播の様子を説明するための断面図(A) (b) is sectional drawing for demonstrating the mode of propagation to the epitaxial layer of the substrate surface dislocation in this invention 本発明による第2の実施形態に係る半導体素子の断面模式図Sectional schematic diagram of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention. (a)〜(f)は、本発明による第2の実施形態に係る半導体素子の製造方法を説明するための工程断面図(A)-(f) is process sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the semiconductor element which concerns on 2nd Embodiment by this invention. 従来構造の半導体素子の断面模式図Cross-sectional schematic diagram of a conventional semiconductor device 注入層上に本発明の方法によりチャネル層をエピタキシャル成長により形成した断面を透過型電子顕微鏡(TEM)により観察した図The figure which observed the section which formed the channel layer by epitaxial growth on the injection layer by the method of the present invention with the transmission electron microscope (TEM) (a)はエピタキシャル成長のメカニズムを説明する模式図、(b)および(c)は、それぞれ、本発明の実施形態と従来とにおける、基板面転位のエピタキシャル層への伝播の様子を説明するための断面図(A) is a schematic diagram for explaining the mechanism of epitaxial growth, and (b) and (c) are for explaining the state of propagation of substrate plane dislocations to the epitaxial layer in the embodiment of the present invention and the conventional one, respectively. Cross section

本発明の半導体素子は、注入にて形成したウェル領域(以下、注入ウェル領域とも呼ぶ)と、エピタキシャル成長により形成したチャネル層(以下、チャネルエピ層とも呼ぶ)との間に、ウェル領域での注入欠陥を上層のチャネル層に伝搬するのを抑制する機能を有する欠陥伝播抑制層を備える。この欠陥伝播抑制層が、ウェル領域に形成された注入欠陥を抑制する抑制層として作用することで、上記注入欠陥を上層のチャネル層に伝搬しないことを特徴としている。   In the semiconductor device of the present invention, an implantation in a well region is performed between a well region formed by implantation (hereinafter also referred to as an implantation well region) and a channel layer formed by epitaxial growth (hereinafter also referred to as a channel epi layer). A defect propagation suppressing layer having a function of suppressing the propagation of defects to the upper channel layer is provided. The defect propagation suppressing layer functions as a suppressing layer that suppresses the injection defects formed in the well region, so that the injection defects are not propagated to the upper channel layer.

(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。本実施形態の半導体素子は、ウェル領域とチャネルエピ層との間に欠陥伝搬抑制層を形成したことを特徴とするものであり、このような欠陥伝播抑制層を形成したMOSFETについて説明する。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The semiconductor element of this embodiment is characterized in that a defect propagation suppression layer is formed between the well region and the channel epilayer. A MOSFET having such a defect propagation suppression layer will be described.

図1に示す半導体素子100は、低抵抗のn型炭化珪素基板101と、炭化珪素基板101の主面上に形成された炭化珪素層104と、炭化珪素層104に形成されたソース電極112およびゲート電極113と、ゲート電極113および炭化珪素層104の間に設けられたゲート絶縁膜111と、炭化珪素基板101の裏面に形成されたドレイン電極114とを有している。   Semiconductor device 100 shown in FIG. 1 includes low-resistance n-type silicon carbide substrate 101, silicon carbide layer 104 formed on the main surface of silicon carbide substrate 101, source electrode 112 formed on silicon carbide layer 104, and Gate electrode 113, gate insulating film 111 provided between gate electrode 113 and silicon carbide layer 104, and drain electrode 114 formed on the back surface of silicon carbide substrate 101 are included.

炭化珪素基板101は、(0001)Si面を主面とする炭化珪素基板であり、例えば、4H−SiCからなり、(0001)Si面より数度(例えば4〜8度のオフ角)傾けてステップ密度を増大させた表面を有するオフカット基板である。炭化珪素基板101における欠陥は、例えば10cm−2以上(本実施形態では約3×10cm−2)である。 The silicon carbide substrate 101 is a silicon carbide substrate having a (0001) Si surface as a main surface, and is made of, for example, 4H—SiC, and is inclined by several degrees (for example, an off angle of 4 to 8 degrees) from the (0001) Si surface. An off-cut substrate having a surface with increased step density. The defect in silicon carbide substrate 101 is, for example, 10 4 cm −2 or more (in this embodiment, about 3 × 10 4 cm −2 ).

炭化珪素層104は、エピタキシャル層102(図2を参照)中に形成された複数のp型ウェル領域105とドリフト領域107とを有している。ドリフト領域107は、炭化珪素基板101よりも低濃度でn型不純物を含む炭化珪素層である。ウェル領域105の内部には、高濃度でn型不純物を含むn型ソース領域108と、高濃度でp型不純物を含むコンタクト領域109が形成されている。ソース領域108の一部は、ソース電極112とオーミック接触を形成している。   Silicon carbide layer 104 has a plurality of p-type well regions 105 and drift regions 107 formed in epitaxial layer 102 (see FIG. 2). Drift region 107 is a silicon carbide layer containing n-type impurities at a lower concentration than silicon carbide substrate 101. Inside the well region 105, an n-type source region 108 containing an n-type impurity at a high concentration and a contact region 109 containing a p-type impurity at a high concentration are formed. A part of the source region 108 is in ohmic contact with the source electrode 112.

また、炭化珪素層104は、ウェル領域105とゲート絶縁膜111との間にn型不純物を含むチャネル層115を有する。ウェル領域105とチャネル層115との間には、ウェル領域においてイオン注入により形成された結晶欠陥領域をチャネル層115への伝搬を抑制する欠陥伝搬抑制層116を有しており、この欠陥伝播抑制層の効果により、欠陥伝搬抑制層116の上側、すなわちチャネル層115における欠陥密度は、欠陥伝搬抑制層116の下面における欠陥密度よりも約一桁小さい。この結果、従来よりもチャネル層115の結晶性が向上するので、結晶中に存在する欠陥による電子の散乱が抑制され、MOSFETのオン動作時に流れるチャネル電流密度が高くなり、MOSFETのオン抵抗を大幅に低減することが可能となる。   Silicon carbide layer 104 has channel layer 115 containing an n-type impurity between well region 105 and gate insulating film 111. Between the well region 105 and the channel layer 115, there is a defect propagation suppressing layer 116 that suppresses the propagation of the crystal defect region formed by ion implantation in the well region to the channel layer 115. Due to the effect of the layer, the defect density on the upper side of the defect propagation suppression layer 116, that is, on the channel layer 115 is about an order of magnitude smaller than the defect density on the lower surface of the defect propagation suppression layer 116. As a result, since the crystallinity of the channel layer 115 is improved as compared with the conventional case, the scattering of electrons due to the defects present in the crystal is suppressed, the channel current density flowing during the ON operation of the MOSFET is increased, and the on-resistance of the MOSFET is greatly increased. It becomes possible to reduce it.

<本実施形態の半導体素子の製造方法>
以下、図面を参照しながら、本実施形態の半導体素子100を製造する方法の一例を説明する。
<The manufacturing method of the semiconductor element of this embodiment>
Hereinafter, an example of a method for manufacturing the semiconductor element 100 of the present embodiment will be described with reference to the drawings.

まず、図2(a)に示すように、炭化珪素基板101の主面上にエピタキシャル成長にて炭化珪素のエピタキシャル層(第1の炭化珪素層)102を形成する。炭化珪素基板101として、例えば、主面が(0001)Si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50mmの4H−SiC基板を用いる。基板101はn型であり、基板101における不純物濃度は例えば、8×1018cm−3である。エピタキシャル層102の形成は、例えば原料ガスとしてシラン(SiH4)およびプロパン(C38)、キャリアガスとして水素(H2)、ドーパントガスとして窒素(N2)ガスを用いて、熱CVD法で行うこと形成することができる。ここでは、炭化珪素基板101よりも不純物濃度の低いn型の炭化珪素からなるエピタキシャル層102を形成する。エピタキシャル層102の不純物濃度や厚さは、MOSFETに要求される仕様によって異なるが、例えば耐圧が600VのMOSFETを製造しようとすると、エピタキシャル層102の不純物濃度が1×1015cm-3以上5×1016cm-3以下、厚さが5μm以上であることが望ましい。このようにして、炭化珪素基板101と、炭化珪素基板101の上に形成されたエピタキシャル層102とを備えたエピ基板103が得られる。 First, as shown in FIG. 2A, an epitaxial layer (first silicon carbide layer) 102 of silicon carbide is formed on the main surface of silicon carbide substrate 101 by epitaxial growth. As the silicon carbide substrate 101, for example, a 4H—SiC substrate having a diameter of 50 mm and having an off angle of 8 degrees in the [11-20] (112 bar 0) direction from the (0001) Si surface is used. The substrate 101 is n-type, and the impurity concentration in the substrate 101 is, for example, 8 × 10 18 cm −3 . The epitaxial layer 102 is formed by, for example, thermal CVD using silane (SiH 4 ) and propane (C 3 H 8 ) as source gases, hydrogen (H 2 ) as a carrier gas, and nitrogen (N 2 ) gas as a dopant gas. Can be formed by Here, epitaxial layer 102 made of n-type silicon carbide having an impurity concentration lower than that of silicon carbide substrate 101 is formed. Although the impurity concentration and thickness of the epitaxial layer 102 vary depending on the specifications required for the MOSFET, for example, when manufacturing a MOSFET with a breakdown voltage of 600 V, the impurity concentration of the epitaxial layer 102 is 1 × 10 15 cm −3 or more and 5 ×. It is desirable that the thickness is 10 16 cm −3 or less and the thickness is 5 μm or more. Thus, epitaxial substrate 103 including silicon carbide substrate 101 and epitaxial layer 102 formed on silicon carbide substrate 101 is obtained.

続いて、図2(b)に示すように、エピ基板103のエピタキシャル層102のうち選択された領域に不純物イオンを注入し、ウェル領域105を形成する。具体的には、エピタキシャル層102の所定の位置上に、シリコン酸化膜(SiO2)からなるマスク106を形成し、このマスク106を形成していない領域にp型不純物(例えばAl)イオンを注入する。マスク106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。 Subsequently, as shown in FIG. 2B, impurity ions are implanted into a selected region of the epitaxial layer 102 of the epitaxial substrate 103 to form a well region 105. Specifically, a mask 106 made of a silicon oxide film (SiO 2 ) is formed on a predetermined position of the epitaxial layer 102, and p-type impurity (eg, Al) ions are implanted into a region where the mask 106 is not formed. To do. The thickness of the mask 106 is determined by its material and implantation conditions, but is preferably set sufficiently larger than the implantation range.

さらに、図2(c)に示すように、エピタキシャル層102の表面に欠陥伝搬抑制層(第2の炭化珪素層)116及びn型のチャネル層(第3の炭化珪素層)115を堆積し、炭化珪素層104を形成する。欠陥伝搬抑制層116の形成時にはドーパントガスは供給せずに、炭素源であるプロパンガスをシリコン源であるシランガスよりも先に供給し、膜厚は30nmとした。更に、チャネル層115の形成時にはドーパントガスとして窒素を供給して、n型濃度が約1×1018cm−3、膜厚が10nmからなるドープ層を形成し、このドープ層上にドーパントガスを供給しないアンドープ層を膜厚100nmで形成した。なお、チャネル層115を形成する際は、供給する原料ガス中の珪素の含有量に対する炭素の含有量の比C/Siを、欠陥伝搬抑制層116を形成する際のC/Si比よりも小さくなるように設定する。 Further, as shown in FIG. 2C, a defect propagation suppressing layer (second silicon carbide layer) 116 and an n-type channel layer (third silicon carbide layer) 115 are deposited on the surface of the epitaxial layer 102, Silicon carbide layer 104 is formed. When forming the defect propagation suppression layer 116, the propane gas as the carbon source was supplied before the silane gas as the silicon source without supplying the dopant gas, and the film thickness was set to 30 nm. Further, when forming the channel layer 115, nitrogen is supplied as a dopant gas to form a doped layer having an n-type concentration of about 1 × 10 18 cm −3 and a film thickness of 10 nm. An undoped layer which is not supplied was formed with a film thickness of 100 nm. When the channel layer 115 is formed, the ratio C / Si of the carbon content to the silicon content in the source gas to be supplied is smaller than the C / Si ratio when the defect propagation suppression layer 116 is formed. Set to be.

この後、図2(d)に示すように、チャネル層115上の所定の位置に例えばプラズマCVD装置を用いてマスクとしてのシリコン酸化膜(SiO)を形成(図示せず)し、このマスクの開口部(ウェル領域105の一部)にn型不純物(例えば窒素)イオンを注入する。 Thereafter, as shown in FIG. 2D, a silicon oxide film (SiO 2 ) as a mask is formed (not shown) as a mask at a predetermined position on the channel layer 115 using, for example, a plasma CVD apparatus. N-type impurity (for example, nitrogen) ions are implanted into the opening (a part of the well region 105).

さらに、上記と同様にして所定のマスクを用いて、ウェル領域105の一部にp型不純物(例えばアルミニウム)イオンを注入する。これらのイオン注入処理を行ったエピ基板103の表面にカーボンキャップ層を形成して活性化アニール(約1100℃)することでウェル領域内にソース領域108、コンタクト領域109を形成する。   Further, in the same manner as described above, p-type impurity (for example, aluminum) ions are implanted into a part of the well region 105 using a predetermined mask. A carbon cap layer is formed on the surface of the epitaxial substrate 103 subjected to these ion implantation processes, and activation annealing (about 1100 ° C.) is performed to form a source region 108 and a contact region 109 in the well region.

更に、図2(e)に示すように、ゲート絶縁膜111を形成する。ゲート絶縁膜111は、厚さが約50nmであるSiO膜であり、約1100℃の温度下でエピタキシャル層102の表面を熱酸化することによって形成できる。 Further, as shown in FIG. 2E, a gate insulating film 111 is formed. The gate insulating film 111 is a SiO 2 film having a thickness of about 50 nm, and can be formed by thermally oxidizing the surface of the epitaxial layer 102 at a temperature of about 1100 ° C.

最後に、図2(f)に示すように、ゲート電極113、ソース電極112およびドレイン電極114を形成する。ソース電極112およびドレイン電極114は、それぞれ、電子ビーム(EB)蒸着装置を用いてソース領域108および炭化珪素基板101の裏面にNiを蒸着し、続いて加熱炉を用いて1000℃で加熱することによって形成される。ソース電極112はソース領域108とオーミック接合を形成しており、また、ドレイン電極114は炭化珪素基板101とオーミック接合を形成している。ゲート電極113は、LPCVD装置を用いて、ゲート絶縁膜111上にリンドープpoly-Si膜を堆積することによって形成できる。これにより、半導体素子100が得られる。   Finally, as shown in FIG. 2F, a gate electrode 113, a source electrode 112, and a drain electrode 114 are formed. The source electrode 112 and the drain electrode 114 are each formed by depositing Ni on the source region 108 and the back surface of the silicon carbide substrate 101 using an electron beam (EB) deposition apparatus, and subsequently heating at 1000 ° C. using a heating furnace. Formed by. Source electrode 112 forms an ohmic junction with source region 108, and drain electrode 114 forms an ohmic junction with silicon carbide substrate 101. The gate electrode 113 can be formed by depositing a phosphorus-doped poly-Si film on the gate insulating film 111 using an LPCVD apparatus. Thereby, the semiconductor element 100 is obtained.

なお、本実施形態の半導体素子の製造方法は、上記方法に限定されない。例えば、炭化珪素基板101として4H−SiC以外のポリタイプからなる基板を用いてもよい。また、上記方法では、ゲート絶縁膜111は、炭化珪素層104を熱酸化することによって形成された熱酸化(SiO)膜であるが、炭化珪素層104の上にCVD法で堆積されたSiO膜であってもよい。 In addition, the manufacturing method of the semiconductor element of this embodiment is not limited to the said method. For example, a substrate made of a polytype other than 4H—SiC may be used as the silicon carbide substrate 101. In the above method, the gate insulating film 111 is a thermally oxidized (SiO 2 ) film formed by thermally oxidizing the silicon carbide layer 104, but the SiO deposited on the silicon carbide layer 104 by the CVD method. Two films may be used.

<チャネル層の欠陥密度の測定>
図8は本実施形態で述べた方法により、エピタキシャル層20に形成されたイオン注入層21上に欠陥伝搬抑制層23を形成した断面を透過型電子顕微鏡(TEM)により観察した図である。図8において、図3と同様に、欠陥領域22は黒いまだら模様となっている。一方、欠陥伝搬抑制層23上に形成したチャネル層24には黒いまだら模様は観察されず、エピタキシャル層20と同一の結晶性のエピタキシャル層が形成されていることがわかる。このように、本実施形態の方法によれば、イオン注入層21の欠陥領域22の影響を受けることなく、良好な結晶性のチャネル層24をエピタキシャル成長により形成可能であることが明らかとなった。
<Measurement of channel layer defect density>
FIG. 8 is a view of a cross section in which the defect propagation suppression layer 23 is formed on the ion implantation layer 21 formed in the epitaxial layer 20 by the method described in the present embodiment, which is observed with a transmission electron microscope (TEM). In FIG. 8, as in FIG. 3, the defect region 22 has a black mottled pattern. On the other hand, the black mottled pattern is not observed in the channel layer 24 formed on the defect propagation suppressing layer 23, and it can be seen that the same crystalline epitaxial layer as the epitaxial layer 20 is formed. As described above, according to the method of the present embodiment, it has been clarified that the channel layer 24 with good crystallinity can be formed by epitaxial growth without being affected by the defect region 22 of the ion implantation layer 21.

次に、エピ基板103のチャネル層115における欠陥密度を測定したので、その方法および結果を説明する。   Next, since the defect density in the channel layer 115 of the epitaxial substrate 103 was measured, the method and result will be described.

500℃に加熱して溶融させた水酸化カリウム(KOH)の中に、エピ基板103を5分間浸すことにより、エピタキシャル層表面に対してKOHエッチングを行った。次いで、エッチングされた表面を顕微鏡で観察し、欠陥密度を調べた。また、欠陥や転位の種類はエッチピットの形状により区別した。基板のエピタキシャル層表面における欠陥密度は約10cm−2であった。この欠陥のうち、基底面転位の密度は約10cm−2であった。 The epitaxial substrate surface was subjected to KOH etching by immersing the epitaxial substrate 103 in potassium hydroxide (KOH) melted by heating to 500 ° C. for 5 minutes. Next, the etched surface was observed with a microscope to examine the defect density. The types of defects and dislocations were distinguished by the shape of the etch pit. The defect density on the surface of the epitaxial layer of the substrate was about 10 3 cm −2 . Among these defects, the density of basal plane dislocations was about 10 2 cm −2 .

上記結果と比較するために、比較サンプル基板として、従来方法によりエピ基板を作製し、上記と同様の方法で欠陥密度の測定を行った。比較サンプル基板は、欠陥伝搬抑制層116を形成する代わりに、シリコンと炭素を同時に供給してチャネル層を形成する以外は本実施形態のエピ基板103と全く同一の構造とした。得られた比較サンプル基板の表面に対してKOHエッチングを行った後、表面を観察すると、本実施形態のエピ基板103よりも高い密度で欠陥が観察された。欠陥密度は約10cm−2で、ウェル領域のイオン注入層とほぼ同等の欠陥密度であり、炭化珪素基板101よりも高密度であった。この欠陥のうち、基底面転位の密度は約10cm−2であった。 In order to compare with the above results, an epitaxial substrate was prepared as a comparative sample substrate by a conventional method, and the defect density was measured by the same method as described above. The comparative sample substrate had the same structure as that of the epitaxial substrate 103 of this embodiment except that the channel layer was formed by simultaneously supplying silicon and carbon instead of forming the defect propagation suppressing layer 116. When KOH etching was performed on the surface of the obtained comparative sample substrate and then the surface was observed, defects were observed at a higher density than the epi substrate 103 of the present embodiment. The defect density was about 10 5 cm −2 , a defect density almost equivalent to that of the ion implantation layer in the well region, and higher than that of the silicon carbide substrate 101. Among these defects, the density of basal plane dislocations was about 10 3 cm −2 .

<欠陥密度の減少原理に関する検討>
次に、図面を参照しながら、ウェル領域におけるイオン注入による欠陥密度を、本実施形態によって減少させることができる原理を説明する。
<Study on the principle of reducing defect density>
Next, the principle that the present embodiment can reduce the defect density due to ion implantation in the well region will be described with reference to the drawings.

図4は、本実施形態における(0001)Si面から[11−20](112バー0)方向にオフ角を有するステップ表面にエピタキシャル成長が進行するメカニズムの模式図である。このステップ構造は(0001)面に垂直なステップ面とこの面に平行なテラス面を備えており、ステップ面には未結合手を有するキンクと呼ばれる領域が存在する。本実施形態に方法によれば、同図(a)に示すように、エピタキシャル層を構成する炭化珪素のステップ構造表面50にエピタキシャル成長させるので、炭化珪素は各ステップから横方向(図4(a)に示すX方向)に成長する。欠陥伝搬抑制層を形成するためのエピタキシャル成長工程において、シリコンよりも炭素を先に基板表面に供給することによって、まず、炭素が欠陥領域のステップ近傍のテラス面に存在する未結合手と結合する。引き続き、この炭素がテラス面上部のステップ面の未結合手と結合することで、これ以降はテラス面の欠陥領域の影響を受けずに、ステップ面の情報を伝搬しながらエピタキシャル成長が進行する。このため、イオン注入層の主にテラス面上に存在する欠陥を伝搬することなく、欠陥密度の抑制されたチャネル層を形成することが可能となる。   FIG. 4 is a schematic diagram of a mechanism in which epitaxial growth proceeds from a (0001) Si plane to a step surface having an off angle in the [11-20] (112 bar 0) direction in the present embodiment. This step structure has a step surface perpendicular to the (0001) plane and a terrace surface parallel to this surface, and a region called a kink having a dangling bond exists on the step surface. According to the method of this embodiment, as shown in FIG. 4A, since silicon carbide is epitaxially grown on the step structure surface 50 of silicon carbide constituting the epitaxial layer, the silicon carbide is laterally moved from each step (FIG. 4A). In the X direction). In the epitaxial growth step for forming the defect propagation suppressing layer, carbon is first bonded to the dangling bonds present on the terrace surface near the step of the defect region by supplying carbon to the substrate surface before silicon. Subsequently, this carbon is bonded to the dangling bonds on the step surface above the terrace surface, and thereafter, epitaxial growth proceeds while propagating information on the step surface without being affected by the defect region on the terrace surface. For this reason, it becomes possible to form a channel layer in which the defect density is suppressed without propagating the defects present mainly on the terrace surface of the ion implantation layer.

次に、基底面転位を本実施形態によって減少させることができる原理を説明する。   Next, the principle that basal plane dislocations can be reduced by this embodiment will be described.

図4(b)は、同図(a)における欠陥伝播抑制層の成長を説明するための部分拡大図である。図4(b)に示すように、欠陥伝搬抑制層を形成するためのエピタキシャル成長工程において、シリコンよりも炭素を先に基板表面に供給することによって、まず、表面のステップの欠陥領域のすべり面の未結合手に炭素が結合し、続いてすべり面上部のステップ面端の未結合手と結合しながらエピタキシャル成長は進行する。このように、すべり面をテンプレートにしてステップ面端のキンクで欠陥が埋められた領域にエピタキシャル層が形成されると、これ以降は欠陥密度の小さいエピタキシャル層が成長する。   FIG. 4B is a partially enlarged view for explaining the growth of the defect propagation suppressing layer in FIG. As shown in FIG. 4B, in the epitaxial growth process for forming the defect propagation suppressing layer, by supplying carbon to the substrate surface before silicon, first, the slip surface of the defect region in the surface step is formed. Epitaxial growth proceeds while carbon bonds to dangling bonds and then bonds to dangling bonds at the end of the step surface above the slip surface. Thus, when an epitaxial layer is formed in a region where defects are filled with kinks at the end of the step surface using the sliding surface as a template, an epitaxial layer having a low defect density is grown thereafter.

さて、上述したように、本実施形態において、基底面転位がチャネル層で減少するのは、成長開始時において炭素をシリコンに比べて先に供給することによって、基板面からの転位線が、ステップフロー成長によって結晶方位のc軸に平行な方向に90°変換し、注入欠陥領域に存在する基底面転位が貫通刃状転位に変換されるからであると考えられる。これについて、図9を用いて説明する。   As described above, in this embodiment, the basal plane dislocations are reduced in the channel layer because the dislocation lines from the substrate surface are stepped by supplying carbon earlier than silicon at the start of growth. This is considered to be because the basal plane dislocation existing in the implantation defect region is converted into the threading edge dislocation by 90 ° conversion in the direction parallel to the c-axis of the crystal orientation by flow growth. This will be described with reference to FIG.

図9(a)は、本実施形態におけるエピタキシャル成長のメカニズムの模式図である。図9(a)に示すように、イオン注入層32のステップ構造表面に炭化珪素をエピタキシャル成長させることにより、エピタキシャル層34を形成する。炭化珪素はエピタキシャル成長層34の各ステップ61から横方向(図9(a)の矢印方向)に成長する。欠陥伝播抑制層33を形成するためのエピタキシャル成長工程において、炭素をシリコンに比べて先に供給すると、図4を用いて説明した原理により、結果として、炭素空孔が低減されて、主に炭素サイトにシリコンが入ってしまう(アンチサイト)。これにより、基板面からの欠陥転位30が横方向へ伝播するのが止まり、アンチサイトは上方に伝播される。このようにして、基板面欠陥転位は(0001)面に垂直な上方(c軸方向)に延びる貫通刃状転位に変化する。   FIG. 9A is a schematic diagram of the mechanism of epitaxial growth in the present embodiment. As shown in FIG. 9A, the epitaxial layer 34 is formed by epitaxially growing silicon carbide on the step structure surface of the ion implantation layer 32. Silicon carbide grows laterally (in the direction of the arrow in FIG. 9A) from each step 61 of the epitaxial growth layer 34. In the epitaxial growth step for forming the defect propagation suppressing layer 33, if carbon is supplied earlier than silicon, the carbon vacancies are reduced as a result by the principle described with reference to FIG. Into the silicon (anti-site). Thereby, the defect dislocation 30 from the substrate surface stops propagating in the lateral direction, and the antisite is propagated upward. In this way, the substrate surface defect dislocation changes to a threading edge dislocation extending upward (c-axis direction) perpendicular to the (0001) plane.

欠陥伝播抑制層における転位変化の様子を説明するために、図9(b)に本実施形態における、イオン注入層32上にエピタキシャル成長させたエピタキシャル層34の断面図を示す。図9(b)のように、イオン注入層32における基板面転位30は、欠陥伝播抑制層33で刃状転位31に変化する。一旦刃状転位31に変化すると刃状転位31のまま伝播され、エピタキシャル層34の表面に達する。   In order to explain the state of dislocation change in the defect propagation suppressing layer, FIG. 9B shows a cross-sectional view of the epitaxial layer 34 epitaxially grown on the ion implantation layer 32 in this embodiment. As shown in FIG. 9B, the substrate plane dislocation 30 in the ion implantation layer 32 changes to the edge dislocation 31 in the defect propagation suppression layer 33. Once changed to the edge dislocation 31, the edge dislocation 31 is propagated and reaches the surface of the epitaxial layer 34.

一方、従来方法により形成した場合のエピタキシャル層では、図9(c)に示すように、イオン注入層32のステップの未結合手が存在したまま成長するためにイオン注入層における欠陥は、そのままエピタキシャル層34に欠陥として引き継がれる。さらに、イオン注入層の基底面転位はエピタキシャル層34でもそのまま引き継いで伝搬する。なお、従来方法によりチャネル層をエピタキシャル成長した場合でも、欠陥の一部はチャネル層の成長中に消失するが、その割合は本実施形態の方法により成長した場合における変化の割合よりも極めて小さいと考えられる。   On the other hand, in the epitaxial layer formed by the conventional method, as shown in FIG. 9 (c), the defects in the ion implantation layer are epitaxially grown as they are because the unbonded hands of the step of the ion implantation layer 32 exist. Layer 34 takes over as a defect. Further, the basal plane dislocations in the ion implanted layer are inherited and propagated in the epitaxial layer 34 as they are. Even when the channel layer is epitaxially grown by the conventional method, some of the defects disappear during the growth of the channel layer, but the rate is considered to be extremely smaller than the rate of change when grown by the method of this embodiment. It is done.

<半導体素子の特性>
次に、本実施形態における半導体素子の特性を調べたのでその結果を説明する。
<Characteristics of semiconductor elements>
Next, since the characteristics of the semiconductor element in this embodiment were examined, the results will be described.

まず、図2を参照しながら説明した工程と同様の方法で、実施例のMOSFETを作製した。また、比較例として、図7に示した従来のチャネル構造のMOSFET300(比較例のMOSFET)を作製した。   First, the MOSFET of the example was manufactured by the same method as that described with reference to FIG. As a comparative example, the conventional channel structure MOSFET 300 (MOSFET of the comparative example) shown in FIG. 7 was fabricated.

比較例のMOSFET300は、図7に関して前述した方法で作製し、チャネル層307はn型のドーパントを供給しながらエピタキシャル成長することによって形成している。   The MOSFET 300 of the comparative example is manufactured by the method described above with reference to FIG. 7, and the channel layer 307 is formed by epitaxial growth while supplying an n-type dopant.

次いで、実施例および比較例のMOSFETにおける電流−電圧特性をそれぞれ測定し、測定結果を比較したところ、実施例のMOSFETでは、比較例のMOSFETに比べて、オン抵抗が30%低減することがわかった。   Next, the current-voltage characteristics in the MOSFETs of the example and the comparative example were respectively measured and the measurement results were compared. As a result, it was found that the on-resistance was reduced by 30% in the MOSFET of the example compared to the MOSFET of the comparative example. It was.

この理由は次のように考えられる。比較例のMOSFETでは、炭化珪素チャネル層表面における欠陥密度がウェル領域における密度と同程度(約10cm−2)と高いため、炭化珪素チャネル層上に形成されたチャネル抵抗が大幅に増加する。これに対し、実施例のMOSFETでは、欠陥伝搬抑制層によって、チャネル抵抗を増大させる欠陥が大幅に低減しており、エピタキシャル層表面における欠陥密度は約10cm−2まで低減している。そのため、比較例のMOSFETよりもオン抵抗を低減することができる。 The reason is considered as follows. In the MOSFET of the comparative example, the defect density on the surface of the silicon carbide channel layer is as high as the density in the well region (about 10 5 cm −2 ), so that the channel resistance formed on the silicon carbide channel layer is greatly increased. . On the other hand, in the MOSFET of the embodiment, the defects that increase the channel resistance are greatly reduced by the defect propagation suppressing layer, and the defect density on the epitaxial layer surface is reduced to about 10 3 cm −2 . Therefore, the on-resistance can be reduced as compared with the MOSFET of the comparative example.

(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。本実施形態の半導体素子は、ウェル領域上に形成されたチャネル層が欠陥伝搬抑制層の機能を兼ね備えていることを特徴とするものであり、以下には、チャネル層が欠陥伝搬抑制層の機能を有したMOSFETについて説明する。
(Second Embodiment)
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The semiconductor element of the present embodiment is characterized in that the channel layer formed on the well region also has a function of a defect propagation suppression layer. The MOSFET having the above will be described.

図5に示す半導体素子200は、低抵抗のn型炭化珪素基板201と、炭化珪素基板201の主面上に形成された炭化珪素層204と、炭化珪素層204に形成されたソース電極212およびゲート電極213と、ゲート電極213および炭化珪素層204の間に設けられたゲート絶縁膜211と、炭化珪素基板201の裏面に形成されたドレイン電極214とを有している。   Semiconductor device 200 shown in FIG. 5 includes low resistance n-type silicon carbide substrate 201, silicon carbide layer 204 formed on the main surface of silicon carbide substrate 201, source electrode 212 formed on silicon carbide layer 204, and It has a gate electrode 213, a gate insulating film 211 provided between the gate electrode 213 and the silicon carbide layer 204, and a drain electrode 214 formed on the back surface of the silicon carbide substrate 201.

炭化珪素基板201は、(0001)Si面を主面とする炭化珪素基板であり、例えば、4H−SiCからなり、(0001)Si面より数度(例えば4〜8度のオフ角)傾けてステップ密度を増大させた表面を有するオフカット基板である。炭化珪素基板201における欠陥は、例えば10cm−2以上(本実施形態では約3×10cm−2)である。 The silicon carbide substrate 201 is a silicon carbide substrate having a (0001) Si surface as a main surface, and is made of, for example, 4H—SiC, and is inclined by several degrees (for example, an off angle of 4 to 8 degrees) from the (0001) Si surface. An off-cut substrate having a surface with increased step density. The defect in the silicon carbide substrate 201 is, for example, 10 4 cm −2 or more (in this embodiment, about 3 × 10 4 cm −2 ).

炭化珪素層204は、エピタキシャル層202(図6を参照)中に形成された複数のp型ウェル領域205とドリフト領域207とを有している。ドリフト領域207は、炭化珪素基板201よりも低濃度でn型不純物を含む炭化珪素層である。ウェル領域205の内部には、高濃度でn型不純物を含むn型ソース領域208と高濃度でp型不純物を含むコンタクト領域209が形成されている。ソース領域208及びコンタクト領域209の一部は、ソース電極212とオーミック接触を形成している。   Silicon carbide layer 204 has a plurality of p-type well regions 205 and drift regions 207 formed in epitaxial layer 202 (see FIG. 6). Drift region 207 is a silicon carbide layer containing n-type impurities at a lower concentration than silicon carbide substrate 201. Inside the well region 205, an n-type source region 208 containing an n-type impurity at a high concentration and a contact region 209 containing a p-type impurity at a high concentration are formed. A part of the source region 208 and the contact region 209 forms an ohmic contact with the source electrode 212.

また、炭化珪素層204は、ウェル領域205とゲート絶縁膜211との間にn型不純物を含むチャネル層215を有している。ここで、チャネル層は、炭素源であるプロパンガスをシリコン源であるシランガスよりも先に供給することによるエピタキシャル成長によって形成するため、チャネル層において欠陥が消滅する欠陥伝搬抑制層として作用し、チャネル層における欠陥の密度は、ウェル領域における欠陥の密度よりも約一桁小さく、約3×10cm−2である。この結果、チャネル層の結晶性は良好となり、従来よりもMOSFETのオン抵抗を低減することができる。 Silicon carbide layer 204 has channel layer 215 containing an n-type impurity between well region 205 and gate insulating film 211. Here, since the channel layer is formed by epitaxial growth by supplying propane gas as a carbon source before silane gas as a silicon source, the channel layer acts as a defect propagation suppressing layer in which defects disappear in the channel layer. The density of defects in is about one order of magnitude less than the density of defects in the well region, and is about 3 × 10 2 cm −2 . As a result, the crystallinity of the channel layer is improved, and the on-resistance of the MOSFET can be reduced as compared with the conventional case.

<本実施形態の半導体素子の製造方法>
以下、図面を参照しながら、本実施形態の半導体素子200を製造する方法の一例を説明する。
<The manufacturing method of the semiconductor element of this embodiment>
Hereinafter, an example of a method for manufacturing the semiconductor element 200 of the present embodiment will be described with reference to the drawings.

まず、図6(a)に示すように、炭化珪素基板201の主面上にエピタキシャル成長にて炭化珪素のエピタキシャル層(第1の炭化珪素層)202を形成する。炭化珪素基板201として、例えば、主面が(0001)Si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50mmの4H−SiC基板を用いる。基板201はn型であり、基板201における不純物濃度は例えば、8×1018cm−3である。エピタキシャル層202は、第1の実施形態と同様の方法によって、炭化珪素基板201上にn型ドーパントとして窒素を用いてn型ドリフト層10μmを形成する。このようにして、炭化珪素基板201と、炭化珪素基板201の上に形成されたエピタキシャル層202とを備えたエピ基板203が得られる。 First, as shown in FIG. 6A, a silicon carbide epitaxial layer (first silicon carbide layer) 202 is formed on the main surface of a silicon carbide substrate 201 by epitaxial growth. As the silicon carbide substrate 201, for example, a 4H—SiC substrate having a diameter of 50 mm and having an off angle of 8 degrees in the [11-20] (112 bar 0) direction from the (0001) Si surface is used. The substrate 201 is n-type, and the impurity concentration in the substrate 201 is, for example, 8 × 10 18 cm −3 . Epitaxial layer 202 forms n-type drift layer 10 μm on silicon carbide substrate 201 using nitrogen as an n-type dopant by the same method as in the first embodiment. Thus, epitaxial substrate 203 including silicon carbide substrate 201 and epitaxial layer 202 formed on silicon carbide substrate 201 is obtained.

続いて、図6(b)に示すように、エピ基板203のエピタキシャル層202のうち選択された領域に不純物イオンを注入する。具体的には、エピタキシャル層202のマスク206を形成していない領域にp型不純物(例えばAl)イオンを注入し、ウェル領域205を形成する。   Subsequently, as shown in FIG. 6B, impurity ions are implanted into a selected region of the epitaxial layer 202 of the epitaxial substrate 203. Specifically, p-type impurity (for example, Al) ions are implanted into a region of the epitaxial layer 202 where the mask 206 is not formed, thereby forming the well region 205.

さらに、図6(c)に示すように、エピタキシャル層202の表面にn型のチャネル層215を形成する。チャネル層215は炭素源であるプロパンガスをシリコン源であるシランガスよりも先に供給することによるエピタキシャル成長によって形成した。チャネル層215の形成時にはドーパントガスとして窒素を用い、n型濃度2×1017cm−3とし、膜厚は150nmとした。以上により、エピタキシャル層202の上にチャネル層215を有する炭化珪素層204を形成する。 Further, as shown in FIG. 6C, an n-type channel layer 215 is formed on the surface of the epitaxial layer 202. The channel layer 215 was formed by epitaxial growth by supplying propane gas as a carbon source before silane gas as a silicon source. When forming the channel layer 215, nitrogen was used as the dopant gas, the n-type concentration was 2 × 10 17 cm −3 , and the film thickness was 150 nm. Thus, silicon carbide layer 204 having channel layer 215 is formed on epitaxial layer 202.

この後、図2(d)に示すように、チャネル層115上の所定の位置に例えばプラズマCVD装置を用いて、マスクとしてのシリコン酸化膜(SiO2)を形成(図示せず)し、このマスクの開口部(ウェル領域205の一部)にn型不純物(例えば窒素)イオンを注入する。さらに、上記と同様にして所定のマスクを用いて、ウェル領域205の一部にp型不純物(例えばアルミニウム)イオンを注入する。これらのイオン注入処理を行った炭化珪素基板201の表面にカーボンキャップ層を形成して活性化アニール(約1100℃)することでウェル領域内にソース領域208、コンタクト領域209を形成する。 Thereafter, as shown in FIG. 2D, a silicon oxide film (SiO 2 ) as a mask is formed (not shown) at a predetermined position on the channel layer 115 by using, for example, a plasma CVD apparatus. N-type impurity (for example, nitrogen) ions are implanted into the opening of the mask (a part of the well region 205). Further, p-type impurity (for example, aluminum) ions are implanted into a part of the well region 205 using a predetermined mask in the same manner as described above. A source region 208 and a contact region 209 are formed in the well region by forming a carbon cap layer on the surface of the silicon carbide substrate 201 that has been subjected to these ion implantation processes and performing activation annealing (about 1100 ° C.).

更に、図6(e)に示すように、ゲート絶縁膜211を形成する。ゲート絶縁膜211は、厚さが50nmであるSiO膜であり、約1100℃の温度下で熱酸化することによって形成できる。 Further, as shown in FIG. 6E, a gate insulating film 211 is formed. The gate insulating film 211 is a SiO 2 film having a thickness of 50 nm, and can be formed by thermal oxidation at a temperature of about 1100 ° C.

最後に、図6(f)に示すように、ゲート電極213、ソース電極212およびドレイン電極214を形成する。ソース電極212およびドレイン電極214は、それぞれ、電子ビーム(EB)蒸着装置を用いてソース領域208および炭化珪素基板201の裏面にNiを蒸着し、続いて加熱炉を用いて1000℃で加熱することによって形成される。ソース電極212はソース領域208とオーミック接合を形成しており、また、ドレイン電極214は炭化珪素基板201とオーミック接合を形成している。ゲート電極213は、LPCVD装置を用いて、ゲート絶縁膜211上にリンドープpoly-Si膜を堆積することによって形成できる。これにより、半導体素子200が得られる。   Finally, as shown in FIG. 6F, a gate electrode 213, a source electrode 212, and a drain electrode 214 are formed. The source electrode 212 and the drain electrode 214 are each formed by depositing Ni on the source region 208 and the back surface of the silicon carbide substrate 201 using an electron beam (EB) deposition apparatus, and subsequently heating at 1000 ° C. using a heating furnace. Formed by. Source electrode 212 forms an ohmic junction with source region 208, and drain electrode 214 forms an ohmic junction with silicon carbide substrate 201. The gate electrode 213 can be formed by depositing a phosphorus-doped poly-Si film on the gate insulating film 211 using an LPCVD apparatus. Thereby, the semiconductor element 200 is obtained.

なお、本実施形態の半導体素子の製造方法は、上記方法に限定されない。例えば、炭化珪素基板201として4H−SiC以外のポリタイプからなる基板を用いてもよい。また、上記方法では、ゲート絶縁膜211は、炭化珪素層204を熱酸化することによって形成された熱酸化(SiO)膜であるが、炭化珪素層204の上にCVD法で堆積されたSiO膜であってもよい。 In addition, the manufacturing method of the semiconductor element of this embodiment is not limited to the said method. For example, a substrate made of a polytype other than 4H—SiC may be used as the silicon carbide substrate 201. In the above method, the gate insulating film 211 is a thermal oxidation (SiO 2 ) film formed by thermally oxidizing the silicon carbide layer 204, but the SiO deposited on the silicon carbide layer 204 by the CVD method. Two films may be used.

<チャネル層の欠陥密度の測定>
ここで、エピ基板203のチャネル層215の表面における欠陥の密度を測定したので、その方法および結果について説明する。
<Measurement of channel layer defect density>
Here, since the density of defects on the surface of the channel layer 215 of the epitaxial substrate 203 was measured, the method and result will be described.

500℃に加熱して溶融させた水酸化カリウム(KOH)の中に、エピ基板203を5分間浸すことにより、エピタキシャル層表面に対してKOHエッチングを行った。次いで、エッチングされた表面を顕微鏡で観察し、欠陥の密度を調べた。この結果、サンプル基板のエピタキシャル層表面における欠陥の密度は約10cm−2であり、第1の実施形態の比較サンプル基板に比べて約一桁以上低減していることが明らかとなった。これは、第1の実施形態で説明したウェル領域のイオン注入欠陥を抑制する原理に起因するものと考えられる。 The epitaxial substrate 203 was immersed in potassium hydroxide (KOH) heated to 500 ° C. for 5 minutes to perform KOH etching on the surface of the epitaxial layer. The etched surface was then observed with a microscope to examine the density of defects. As a result, the density of defects on the surface of the epitaxial layer of the sample substrate was about 10 3 cm −2 , which was found to be reduced by about an order of magnitude or more compared to the comparative sample substrate of the first embodiment. This is considered to be due to the principle of suppressing the ion implantation defect in the well region described in the first embodiment.

<チャネル層の欠陥密度の測定>
次に、本実施形態における半導体素子の特性を調べたのでその結果を説明する。
<Measurement of channel layer defect density>
Next, since the characteristics of the semiconductor element in this embodiment were examined, the results will be described.

まず、図6を参照しながら説明した工程と同様の方法で、実施例のMOSFETを作製した。また、比較例として、図7に示した従来のチャネル構造のMOSFET300(比較例のMOSFET)を作製した。   First, the MOSFET of the example was manufactured by the same method as that described with reference to FIG. As a comparative example, the conventional channel structure MOSFET 300 (MOSFET of the comparative example) shown in FIG. 7 was fabricated.

比較例のMOSFET300は、図7に関して前述した方法で作製し、チャネル層は従来通りの方法により形成している。   The MOSFET 300 of the comparative example is manufactured by the method described above with reference to FIG. 7, and the channel layer is formed by a conventional method.

次いで、実施例および比較例のMOSFETにおける電流−電圧特性をそれぞれ測定し、測定結果を比較したところ、実施例のMOSFETでは、比較例のMOSFETに比べて、オン抵抗が約10%程度低減する効果があることがわかった。   Next, the current-voltage characteristics in the MOSFETs of the example and the comparative example were measured and the measurement results were compared. As a result, the on-resistance of the MOSFET of the example was reduced by about 10% compared to the MOSFET of the comparative example. I found out that

この理由は次のように考えられる。比較例のMOSFETでは、チャネル層表面における欠陥密度がウェル領域における密度と同程度(約105cm−2)と高いため、チャネル層上に形成されたチャネル移動度を大幅に低下させる。これに対し、本実施例のMOSFETでは、欠陥伝搬抑制層をチャネル層とすることで、チャネル層のキャリアの移動度を低下させる欠陥が減少しており、チャネル層表面における欠陥密度は約10cm−2まで約一桁も低減されている。そのため、比較例のMOSFETよりもオン抵抗を低減することができると考えられる。 The reason is considered as follows. In the MOSFET of the comparative example, since the defect density on the surface of the channel layer is as high as the density in the well region (about 10 5 cm −2 ), the channel mobility formed on the channel layer is greatly reduced. On the other hand, in the MOSFET of the present embodiment, the defect propagation suppression layer is a channel layer, thereby reducing defects that reduce the carrier mobility of the channel layer, and the defect density on the surface of the channel layer is about 10 3. It is reduced by about an order of magnitude to cm −2 . Therefore, it is considered that the on-resistance can be reduced as compared with the MOSFET of the comparative example.

本発明によると、半導体層のうち所望のチャネル領域における欠陥密度を低減することにより、オン抵抗が低い低損失半導体素子を提供できる。本発明を炭化珪素パワー素子に適用すると、炭化珪素の優れた物性値から期待されるような低損失を実現できるので、特に有利である。   According to the present invention, a low-loss semiconductor element with low on-resistance can be provided by reducing the defect density in a desired channel region of the semiconductor layer. The application of the present invention to a silicon carbide power element is particularly advantageous because it can realize the low loss expected from the excellent physical properties of silicon carbide.

10,20 エピタキシャル層
11,21 イオン注入層
12,22 欠陥領域
23 欠陥伝搬抑制層
24 チャネル層
101,201,301 半導体基板(炭化珪素基板)
102,202 エピタキシャル層
103,203 エピ基板
105,205,305 ウェル領域
107,207,302 ドリフト領域
108,208,308 ソース領域
111,211,311 ゲート絶縁膜
112,212,312 ソース電極
114,214,314 ドレイン電極
113,213,313 ゲート電極
116 欠陥伝搬抑制層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10,20 Epitaxial layer 11,21 Ion implantation layer 12,22 Defect area | region 23 Defect propagation suppression layer 24 Channel layer 101,201,301 Semiconductor substrate (silicon carbide substrate)
102, 202 Epitaxial layer 103, 203 Epi substrate 105, 205, 305 Well region 107, 207, 302 Drift region 108, 208, 308 Source region 111, 211, 311 Gate insulating film 112, 212, 312 Source electrode 114, 214, 314 Drain electrode 113, 213, 313 Gate electrode 116 Defect propagation suppression layer

Claims (10)

半導体基板の主面上に形成された第1導電型の第1の炭化珪素層と、
前記第1の炭化珪素層内に形成された第2導電型の不純物を含むウェル領域と、
前記ウェル領域内に形成された第1導電型の不純物を含むソース領域と、
前記ウェル領域内に形成された第2導電型の不純物を含むコンタクト領域と、
前記ウェル領域の表面に対向する位置に設けられたゲート絶縁膜と、
前記ウェル領域と前記ゲート絶縁膜との間に形成された第3の炭化珪素層からなるチャネル層と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
前記ソース領域と接する位置に形成されたソース電極と、
前記半導体基板の主面と対向する面の上に形成されたドレイン電極と、
前記ウェル領域と前記チャネル層との間に前記ウェル領域に比べて欠陥密度が低い第2の炭化珪素層と、
を備えていることを特徴とする炭化珪素半導体素子。
A first silicon carbide layer of a first conductivity type formed on the main surface of the semiconductor substrate;
A well region containing a second conductivity type impurity formed in the first silicon carbide layer;
A source region including a first conductivity type impurity formed in the well region;
A contact region containing a second conductivity type impurity formed in the well region;
A gate insulating film provided at a position facing the surface of the well region;
A channel layer made of a third silicon carbide layer formed between the well region and the gate insulating film;
A gate electrode formed on the gate insulating film;
A source electrode formed at a position in contact with the source region;
A drain electrode formed on a surface facing the main surface of the semiconductor substrate;
A second silicon carbide layer having a defect density lower than that of the well region between the well region and the channel layer;
A silicon carbide semiconductor element comprising:
前記ゲート絶縁膜の直下における前記チャネル層の欠陥密度が、前記ウェル領域の欠陥密度の50%以下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素子。   2. The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein a defect density of the channel layer immediately below the gate insulating film is 50% or less of a defect density of the well region. 前記ゲート絶縁膜の直下における前記チャネル層の基底面転位密度が、前記ウェル領域の基底面転位密度の50%以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の炭化珪素半導体素子。   3. The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein a basal plane dislocation density of the channel layer immediately below the gate insulating film is 50% or less of a basal plane dislocation density of the well region. 前記チャネル層が第1導電型の不純物を含むことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の炭化珪素半導体素子。   4. The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the channel layer contains an impurity of a first conductivity type. 5. 前記第2の炭化珪素層に含まれる第1導電型の不純物濃度は、前記第1の炭化珪素層に含まれる第1導電型の不純物濃度に比べて低いことを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の炭化珪素半導体素子。   5. The impurity concentration of the first conductivity type contained in the second silicon carbide layer is lower than the impurity concentration of the first conductivity type contained in the first silicon carbide layer. The silicon carbide semiconductor element according to any one of the above. 前記半導体基板は、(0001)Si面から所定の角度だけ傾斜させた面を前記主面とする炭化珪素基板である請求項1から5のいずれかに記載の炭化珪素半導体素子。   6. The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor substrate is a silicon carbide substrate having a main surface that is inclined by a predetermined angle from a (0001) Si surface. (A)所定のオフ角を有する半導体基板の主面上に第1のエピタキシャル成長によって第1導電型の第1の炭化珪素層を形成する工程と、
(B)前記第1の炭化珪素層内に第2導電型の不純物を含むウェル領域をイオン注入にて形成する工程と、
(C)前記ウェル領域および前記第1の炭化珪素層上に第2のエピタキシャル成長によって第2の炭化珪素層を形成する工程と、
(D)前記第2の炭化珪素層上に第1導電型の不純物を含む第3の炭化珪素層からなるチャネル層を形成する工程と、を包含し、
前記工程(C)は、前記ウェル領域上への前記第2のエピタキシャル成長の開始時に、珪素源より先に炭素源を前記ウェル領域の表面に供給して前記第2のエピタキシャル成長を行う工程(C1)を含むことを特徴とする炭化珪素半導体素子の製造方法。
(A) forming a first conductivity type first silicon carbide layer by first epitaxial growth on a main surface of a semiconductor substrate having a predetermined off angle;
(B) forming a well region containing a second conductivity type impurity in the first silicon carbide layer by ion implantation;
(C) forming a second silicon carbide layer by second epitaxial growth on the well region and the first silicon carbide layer;
(D) forming a channel layer made of a third silicon carbide layer containing a first conductivity type impurity on the second silicon carbide layer,
In the step (C), at the start of the second epitaxial growth on the well region, a carbon source is supplied to the surface of the well region before the silicon source to perform the second epitaxial growth (C1). The manufacturing method of the silicon carbide semiconductor element characterized by the above-mentioned.
前記工程(C1)における珪素の含有量に対する炭素の含有量の比(C/Si)は前記チャネル層を形成する際の珪素の含有量に対する炭素の含有量の比よりも大きいことを特徴とする請求項7に記載の炭化珪素半導体素子の製造方法。   The ratio of the carbon content to the silicon content (C / Si) in the step (C1) is larger than the ratio of the carbon content to the silicon content when forming the channel layer. A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor element according to claim 7. 前記第2導電型の不純物としてアルミニウムを用い、当該アルミニウムのイオン注入によって前記ウェル領域を形成することを特徴とする請求項7または8に記載の炭化珪素半導体素子の製造方法。   9. The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor element according to claim 7, wherein aluminum is used as the second conductivity type impurity, and the well region is formed by ion implantation of the aluminum. (E)前記ウェル領域内に第1導電型の不純物を含むソース領域を形成する工程と、
(F)前記ウェル領域内に第2導電型の不純物を含むコンタクト領域を形成する工程と、
(G)前記チャネル層の表面にゲート絶縁膜を形成する工程と、
(H)前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、
(I)前記ソース領域と接する位置にソース電極を形成する工程と、
(J)前記半導体基板の主面と対向する裏面にドレイン電極を形成する工程と、
をさらに含むことを特徴とする請求項7から9のいずれかに記載の炭化珪素半導体素子の製造方法。
(E) forming a source region containing a first conductivity type impurity in the well region;
(F) forming a contact region containing a second conductivity type impurity in the well region;
(G) forming a gate insulating film on the surface of the channel layer;
(H) forming a gate electrode on the gate insulating film;
(I) forming a source electrode at a position in contact with the source region;
(J) forming a drain electrode on the back surface facing the main surface of the semiconductor substrate;
The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor element according to claim 7, further comprising:
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