JP2011023757A - 炭化ケイ素半導体装置および炭化ケイ素半導体装置の製造方法 - Google Patents

炭化ケイ素半導体装置および炭化ケイ素半導体装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、炭化ケイ素基板上おち作製した縦型MOSFETの構造およびその製造方法に関するものである。
【解決手段】 第1伝導型の高濃度炭化ケイ素基板(1)表面上に形成されている第1伝導型の低濃度炭化ケイ素からなる第1の堆積膜(2)が形成されている。前記第1の堆積膜(2)上に選択的に切り欠かれている第1の領域を有する第2伝導型の高濃度ゲート領域からなる第2の堆積膜(31)と、前記第2の堆積膜(31)上に選択的に切り欠かれている前記第1の領域より幅が広い第2の領域と前記第1伝導型の高濃度ソース領域(5)と第2伝導型の低濃度ゲート領域(11)からなる第3の堆積膜(32)とが形成されている。そして、第1伝導型の低濃度ベース領域(4)は、前記第1の堆積膜(2)に接し、前記第1の領域および第2の領域に形成されている。その結果、低いオン抵抗、且つ高耐圧の炭化ケイ素縦型MOSFETを実現する
【選択図】図1

Description

本発明は、炭化ケイ素基板上に作製した縦型MOSFETの構造および、その製造方法に関するものである。
炭化ケイ素(SiC)は、シリコン(Si)と比較して、1.バンドギャップが広い、2.絶縁破壊強度が大きい、3.電子の飽和ドリフト速度が大きいなどの優れた物性を有する。したがって、炭化ケイ素(SiC)を基板材料として用いることにより、シリコン(Si)の限界を超えた高耐圧で低抵抗の電力用半導体素子が作製できる。
また、炭化ケイ素(SiC)には、シリコン(Si)と同様に、熱酸化によって絶縁層を形成できるという特徴がある。これらの理由から、炭化ケイ素(SiC)を基板材料とした高耐圧で低いオン抵抗の縦型MOSFETが実現できると考えられ、数多くの研究開発が行われている。
第12図は代表的なプレーナ型縦型MOSFETの単位セルを説明するための模式断面図である。第12図において、高濃度n+ 型基板1上に低濃度n型ドリフト層2が堆積されている。低濃度n型ドリフト層2内には表面から、選択的にp型ウェル層3が形成されている。また、前記p型ウェル層3に挟まれた領域には、低濃度n型ベース領域4が存在する。
また、前記p型ウェル層3内には、選択的に高濃度n+ 型ソース領域5が形成されている。前記低濃度n型ベース領域4と、前記高濃度n+ 型ソース領域5に挟まれた部分との表面には、ゲート絶縁膜6を介してゲート電極7が設けられている。前記ゲート電極7上には、層間絶縁膜8を介して前記高濃度n+ 型ソース領域5と前記p型ウェル層3の一部との表面に低抵抗接続されたソース電極9が形成されている。
高濃度n+ 型基板1の裏面には、ドレイン電極10が形成されている。この構造のプレーナ型縦型MOSFETでは、ゲート電極7に、しきい値電圧以上のゲート電圧が印加されると、p型ウェル層3の表面に電子が誘起され、チャネル領域11の表面層にn型反転層が形成される。これによって、高濃度n+ 型ソース領域5と低濃度n型ドリフト層2が導通状態になり、ドレイン電極10からソース電極9へ電流を流すことができる。
ゲート電圧がしきい値電圧以下の場合、高濃度n+ 型ソース領域5と低濃度n型ドリフト層2は絶縁状態となる。この状態でドレイン電極10へ電圧が印加されると、p型ウェル層3と低濃度n型ベース領域4との接合部分から延びた空乏層によって低濃度n型ベース領域4がピンチオフされる。さらに、ドレイン電極10への電圧を増加すると、空乏層が低濃度n型ドリフト層2内を延びる。この最大印加電圧は、低濃度n型ドリフト層2の厚さによって制限され、素子の耐圧が決定される。
基板材料にシリコン(Si)を用いた場合は、プレーナ型縦型MOSFETは、二重拡散法によって作製される。第13図(a)乃至(f)及び第14図(a)、(b)は前記二重拡散法によるシリコン(Si)を使用したプレーナ型縦型MOSFETの作製方法を説明するための図である。まず、高濃度n+ 型基板1表面上には、低濃度n型ドリフト層2が堆積される。次に、前記低濃度n型ドリフト層2の表面には、酸化法によりゲート絶縁膜6が形成される。
前記ゲート絶縁膜6の上には、多結晶シリコン7aが堆積されて、第13図(a)に示すようになる。そして、前記多結晶シリコン7aは、フォトリソグラフィによりパターン加工されてゲート電極7が第13図(b)に示すように形成される。次に、第13図(c)に示すように、ゲート電極7をマスクとした選択的なp型不純物イオン注入3aが行われる。
その後、熱拡散によって、第13図(d)に示すように、p型ウェル層3が形成される。この時、ボロンなどのp型不純物は、拡散係数が大きいのでマスクの下まで侵入する。さらに、第13図(e)に示すように、同じマスクを用いてリンなどのn型不純物イオン注入5aが行われる。その後、第13図(f)に示すように、熱拡散で高濃度n+ 型ソース領域5が形成される。
この時、第14図(a)に示すように、リンなどのn型不純物は、ボロンなどのp型不純物に比べ拡散係数が小さく、横方向の拡散長の差によってチャネル領域11が形成される。次いで、CVD法により表面上に層間絶縁膜8が堆積され、その層間絶縁膜8に窓が開けられる。第14図(b)に示すように、高濃度n+ 型ソース領域5ならびにp型ウェル層3のそれぞれの表面には、ソース電極9が低抵抗接触で形成される。
この二重拡散法によるシリコンを使用したプレーナ型縦型MOSFETにおいて、チャネル領域11の表面層に誘起されるチャネル内の伝導電子は、イオン注入などによって生ずる結晶欠陥などによる散乱を受けないため、数100cm2 /Vsという高いチャネル移動度を持ち、これによって低いオン抵抗が実現されている。
これに対して、炭化ケイ素基板(高濃度n+ 型基板)1を用いた場合、第12図に示す構造のプレーナ型縦型MOSFETは、第13図および第14図に示すように、二重拡散法を用いて作製できない。その理由は、不純物元素の拡散係数が炭化ケイ素基板(低濃度n型ドリフト層)2内で、極めて小さいため、p型不純物およびn型不純物の横方向拡散長の差によって、チャネル領域11を形成することが出来ないからである。
炭化ケイ素プレーナ型縦型MOSFETは、普通、以下に述べる二重イオン注入法によって作製されている。第15図(a)乃至(f)および第16図(a)、(b)は従来における二重イオン注入法を用いた典型的な炭化ケイ素プレーナ型縦型MOSFETの作製方法を示す。まず、第15図(a)において、炭化ケイ素基板(高濃度n+ 型基板)1上には、低濃度n型ドリフト層2が堆積される。第15図(b)に示すように、前記低濃度n型ドリフト層2の表面には、マスク12が設けられる。
前記低濃度n型ドリフト層2には、その表面に設けられた前記マスク12を介して、選択的にp型不純物イオン3aが注入される。このとき、注入の加速電圧は、高くなると、深い低濃度n型ドリフト層2までp型不純物イオン3aが注入される。次に、第15図(c)に示すように、前記低濃度n型ドリフト層2には、サイズの異なるマスク13が設けられる。n型不純物イオン5aは、前記マスク13を介して選択的に注入される。
このときの加速電圧は、n型不純物イオン5aの飛程距離がp型不純物イオン3aの飛程距離よりも小さくなるように設定される。そして、第15図(d)に示すように、前記マスク13を除去した後に、熱処理により、注入イオン領域は、活性化され、高濃度n+ 型ソース領域5とp型ウェル層3が形成される。ここで、熱処理による注入イオンの拡散は、非常に小さいため、注入されたイオンのプロファイルがほぼそのまま各層を形作ることになる。
その後、第15図(e)に示すように、熱酸化によって、前記表面にゲート絶縁膜6が形成される。また、前記ゲート絶縁膜6の上には、多結晶シリコンまたは金属7aが堆積される。前記多結晶シリコンまたは金属7aは、第15図(f)に示すように、フォトリソグラフィにより、パターン加工が施され、ゲート電極7が形成される。
次いで、第16図(a)に示すように、前記ゲート電極7の表面上には、CVD法により、層間絶縁膜8が堆積される。第16図(b)に示すように、前記層間絶縁膜8には、窓が開けられ、高濃度n+ 型ソース領域5ならびに低濃度p型ウェル層3の表面に低抵抗接続されるソース電極9が形成される。
この方法では、チャネル領域11がイオン注入によって形成されているために、イオン注入によって誘起された多数の結晶欠陥が含まれる。また、イオン注入されたp型不純物元素は、1600℃以上という高温の熱処理を施しても、十分に電気的活性化されない。したがって、十分な不純物濃度を得るためには、その分注入量を高くする必要があり、欠陥の発生量を増大させることになる。
その結果、チャネル領域11の表面層に誘起されるチャネル内の伝導電子は、欠陥などによって散乱され、移動度が低下する。したがって、二重イオン注入法で作製された炭化ケイ素プレーナ型縦型MOSFETは、チャネル移動度が1cm2 /Vs以下と極めて小さく、オン抵抗が理論値よりも遥かに高いという問題を抱えている。
炭化ケイ素プレーナ型縦型MOSFETのオン抵抗を下げる方法としては、チャネル領域11をイオン注入ではなく堆積膜によって形成した構造が提案されている[Journal of Applied Physics vol.87, 8773 (2000).] 。第17図は炭化ケイ素プレーナ型縦型MOSFETとして提案された単位セルの構造を説明するための模式断面図である。第17図において、前記炭化ケイ素プレーナ型縦型MOSFETの構造では、高濃度n+ 型基板1上に低濃度n型ドリフト層2が堆積されている。
その上には、高濃度p+ 型層31が堆積されている。さらに、その上には、同様に低濃度p型層32が選択的に堆積されている。その後、n型不純物イオン注入によって、これらの高濃度p+ 型層31と低濃度p型層32を貫通して低濃度n型ドリフト層2に達する低濃度n型ベース領域4が選択的に形成される。また、低濃度p型層32の表面部分には、選択的に高濃度n+ 型ソース領域5が形成されている。
高濃度p+ 型層31と低濃度p型層32を貫通して低濃度n型不純物イオンが注入されていない領域がp型ウェル層3となる。この構造では、チャネル領域11がイオン注入されてない堆積膜内に形成されるので、伝導電子の高い移動度が得られるという特徴がある。なお、ここで、低濃度p型層32を比較的低濃度にしているのは、高いチャネル移動度を得るためである。
実際、5×1015cm-3の低濃度p型堆積膜上に作製した炭化ケイ素プレーナ型縦型MOSFETにおいて、高いチャネル移動度が得られていることが報告されている[IEEE Electron Device Letters vol.22, 272 (2001) .]。また、炭化ケイ素基板1側の高濃度p+ 型層31は、比較的高濃度にしているが、高濃度n+ 型ソース領域5と低濃度n型ドリフト層2とが低電圧でパンチスルーして、高い電圧を阻止できなくなるのを回避するために、この濃度が低い場合、その厚さを数ミクロン程度に厚くする必要がある。
そうすると、低濃度n型ベース領域4を形成するためのn型不純物イオン注入の加速電圧がMeVという極めて高エネルギーになり、一般の装置を用いての作製は困難となってしまう。したがって、この構造においては、高濃度n+ 型ソース領域5と低濃度n型ドリフト層2とのパンチスルーを防ぎ高耐圧化するために、p型層31を比較的高濃度で、かつ薄くしているものと思われる。前記引用したこの構造が提案された文献には、作製手順に関する詳細な記載はない。
[Journal of Applied Physics vol.87, 8773 (2000).] [IEEE Electron Device Letters vol.22, 272 (2001) .]
しかし、予想される作製方法は、まず、低濃度n型ドリフト層2の上に高濃度p+ 型層31を堆積し、さらに、その上に低濃度p型層32を堆積する。その後、マスクを利用した選択的なn型不純物イオン注入と熱処理を行い、p型層の極性をn型へと反転することによりp型ウェル層3で挟まれた低濃度n型ベース領域4が形成されている。
前記方法は、チャネル領域11を低濃度のp型堆積膜によって形成しているため、高いチャネル移動度と低いオン抵抗が期待できる。しかし、その一方で、高耐圧化は、次に述べる理由で困難である。すなわち、低濃度n型ベース領域4の低濃度n型ドリフト層と接する部分24は、高濃度p型堆積膜にn型不純物イオンを注入して形成した領域である。
この場合、イオン注入によって、高濃度のp型層をそれより低濃度のn型層に反転することは技術的に不可能であるため、低濃度n型ベース領域4の不純物濃度は、高濃度p+ 型層31の濃度よりも高くならざるを得ない。その結果、イオン注入によって形成された低濃度n型ベース領域4と高濃度p+ 型層31によって構成されるpn接合部の耐圧が非常に低くなってしまう。
電圧阻止状態において、正のドレイン電圧を印加したときに、高濃度p+ 型層31によって挟まれた低濃度n型ベース領域4は、両側のpn接合に印加される逆バイアスによって、延びる空乏層で完全にピンチオフされる必要があるが、このpn接合の耐電圧が低い場合、ピンチオフする前にその低い電圧で阻止能力を失うことになる。
さらにまた、このように、低濃度n型ベース領域4が高濃度である場合、空乏層の広がりが少ないため、完全にピンチオフさせるのにいっそう高い逆バイアスを印加しなければならないことになり、高い電圧の阻止は、なお、いっそう困難になる。以上のことから、この構造は、高耐圧の炭化ケイ素プレーナ型縦型MOSFETを得るためには適していないといえる。
炭化ケイ素縦型MOSFETは、二重イオン注入により作製された場合、チャネル領域がイオン注入による結晶欠陥を多く含むため、チャネル移動度が小さくオン抵抗が下がらない。これに対して、チャネル領域を低濃度のp型堆積膜により形成する方法は、チャネル移動度が向上するため、オン抵抗の低減に効果があると期待される。
しかしながら、これまで提案された炭化ケイ素縦型MOSFETの構造は、n型ドリフト層の表面全てが高濃度のp型堆積膜で覆われた形となっているため、低濃度n型ベース領域を形成するために、高濃度のn型不純物イオン注入が必要となる。その結果、低濃度n型ベース領域の濃度が高くなってしまい、高い電圧阻止能力を保持することができないという問題があった。
本発明は、これらの問題を解決するために、低いオン抵抗、かつ、高耐圧の炭化ケイ素縦型MOSFETを実現することであり、低濃度p型堆積膜により形成したゲート領域(以下、本明細書において、下記の理由により、チャネル領域と記載せずにゲート領域と記載する。すなわち、MOSFETでは、ゲート信号によって、半導体層の表面に形成されるチャネル領域は、厚さ0.01μm以下の極めて薄い層であるため、前記チャネル領域が形成される半導体層はチャネル領域よりはるかに大きな部分である。この半導体層の不純物濃度や構造等を特徴付ける表現とするには機能上で「チャネル領域」より広い意味を有する「ゲート領域」として記載する方が適切である。)を有する炭化ケイ素縦型MOSFETにおいて、阻止電圧を高くするための低濃度ベース領域を有する炭化ケイ素半導体装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、低濃度p型堆積膜により形成したゲート領域を有する高耐圧炭化ケイ素半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
更に、本発明は、低濃度p型堆積膜により形成したゲート領域を有する高耐圧炭化ケイ素縦型MOSFETにおいて、オン抵抗を低減するためのゲート絶縁膜およびゲート電極の構造を有する炭化ケイ素半導体装置を提供することを目的とする。
更にまた、本発明は、低濃度p型堆積膜により形成したゲート領域を有する高耐圧炭化ケイ素縦型MOSFETにおいて、オン抵抗を低減するための基板の面方位を提供する炭化ケイ素半導体装置を提供することを目的とする。
本発明の炭化ケイ素半導体装置は、第1伝導型の高濃度炭化ケイ素基板表面上に形成されている第1伝導型の低濃度炭化ケイ素からなる第1の堆積膜と、前記第1の堆積膜上に選択的に切り欠かれている第1の領域を有する第2伝導型の高濃度ゲート領域からなる第2の堆積膜と、前記第2の堆積膜上に選択的に切り欠かれている前記第1の領域より幅が広い第2の領域と第1伝導型の高濃度ソース領域と第2伝導型の低濃度ゲート領域からなる第3の堆積膜と、前記第1の堆積膜に接し、前記第1の領域および第2の領域に形成されている第1伝導型の低濃度ベース領域と、少なくとも前記第3の堆積膜の表面上に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記第1伝導型の炭化ケイ素基板の裏面に低抵抗接続されたドレイン電極と、前記第1伝導型の高濃度ソース領域および第2伝導型の低濃度ゲート領域の一部に低抵抗接続されているソース電極とからなる。
上記の炭化ケイ素半導体装置において、前記第3の堆積膜の厚さは、0.2μm〜0.7μmの範囲にあり、かつ、前記第3の堆積膜内に選択的に形成された前記第2伝導型の低濃度ゲート領域において、前記ゲート絶縁膜と接する部分の不純物濃度は、1×1015cm-3より高濃度で、5×1015cm-3より低濃度であることを含む。
上記の炭化ケイ素半導体装置において、前記第1伝導型の低濃度ベース領域における上面には、前記ゲート絶縁膜と接する部分の少なくとも一部に凹部が設けられていることを含む。
上記の炭化ケイ素半導体装置において、前記第1伝導型の低濃度ベース領域の不純物濃度は、前記第2伝導型の高濃度ゲート領域の不純物濃度よりも低いことを含む。
上記の炭化ケイ素半導体装置における前記第3の堆積膜内に選択的に形成された前記第2伝導型の低濃度ゲート領域において、前記ゲート絶縁膜と接する部分の不純物濃度は、2×1016cm-3以下であることを含む。
上記の炭化ケイ素半導体装置において、前記第3の堆積膜内に選択的に形成された前記第1伝導型の低濃度ベース領域の不純物濃度は、前記第2伝導型の高濃度ゲート領域と接する部分において、4×1016cm-3以下であることを含む。
上記の炭化ケイ素半導体装置において、前記第2伝導型の高濃度ゲート領域は、第1の堆積膜上に形成された炭化ケイ素からなる第2の堆積膜であることを含む。
上記の炭化ケイ素半導体装置において、前記第3の堆積膜上に形成されたゲート絶縁膜は、少なくとも前記第3の堆積膜内に選択的に形成された第1伝導型の低濃度ベース領域上において、他の部分より厚くなっている部分を有することを含む。
上記の炭化ケイ素半導体装置において、前記第3の堆積膜内に選択的に形成された第1伝導型の低濃度ベース領域の表面上で、ゲート電極は、少なくとも一部が除かれていることを含む。
上記の炭化ケイ素半導体装置は、前記第1伝導型の炭化ケイ素基板表面の結晶学的面指数は、(11−20)面に対して平行な面であることを含む。
上記の炭化ケイ素半導体装置において、前記第1伝導型の炭化ケイ素基板表面の結晶学的面指数は、(000−1)面に対して平行な面であることを含む。
上記の炭化ケイ素半導体装置において、前記第2伝導型の低濃度ゲート領域内の前記ゲート絶縁膜と接する部分には、第1伝導型の埋め込みチャネル領域を有することを含む。
また、本発明の炭化ケイ素半導体装置は、第1伝導型の高濃度炭化ケイ素基板表面上に形成されている第1伝導型の低濃度炭化ケイ素からなる下部堆積膜と、前記第1伝導型の低濃度炭化ケイ素が残されている第1の領域を有するように前記下部堆積膜内に選択的に形成された第2伝導型の高濃度ゲート領域と、前記下部堆積膜上に選択的に前記第1の領域より幅が広い第2領域からなる第1伝導型の低濃度ベース領域と、前記第1伝導型の高濃度ソース領域と、第2伝導型の低濃度ゲート領域とからなる上部堆積膜と、少なくとも前記上部堆積膜の表面上に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記第1伝導型の炭化ケイ素基板の裏面に低抵抗接続されたドレイン電極と、前記第1伝導型の高濃度ソース領域および第2伝導型の低濃度ゲート領域の一部に低抵抗接続されているソース電極とからなる。
上記の炭化ケイ素半導体装置において、前記上部堆積膜の厚さは、0.2μm〜0.7μmの範囲にあり、かつ、前記上部堆積膜内に選択的に形成された前記第2伝導型の低濃度ゲート領域において、前記ゲート絶縁膜と接する部分の不純物濃度は、1×1015cm-3より高濃度で、5×1015cm-3より低濃度であることを含む。
上記の炭化ケイ素半導体装置において、前記第1伝導型の低濃度ベース領域の不純物濃度は、前記第2伝導型の高濃度ゲート領域の不純物濃度よりも低いことを含む。
上記の炭化ケイ素半導体装置における前記上部堆積膜内に選択的に形成された前記第2伝導型の低濃度ゲート領域において、前記ゲート絶縁膜と接する部分の不純物濃度は、2×1016cm-3以下であることを含む。
上記の炭化ケイ素半導体装置において、前記上部堆積膜は、炭化ケイ素からなることを含む。
上記の炭化ケイ素半導体装置において、前記上部堆積膜上に形成されたゲート絶縁膜は、少なくとも前記上部堆積膜内に選択的に形成された第1伝導型の低濃度ベース領域上において、他の部分より厚くなっている部分を有することを含む。
上記の炭化ケイ素半導体装置において、前記上部堆積膜内に選択的に形成された第1伝導型の低濃度ベース領域の表面上で、ゲート電極は、少なくとも一部が除かれていることを含む。
上記の炭化ケイ素半導体装置において、前記第1伝導型の炭化ケイ素基板表面の結晶学的面指数は、(11−20)面に対して平行な面であることを含む。
上記の炭化ケイ素半導体装置において、前記第1伝導型の炭化ケイ素基板表面の結晶学的面指数は、(000−1)面に対して平行な面であることを含む。
上記の炭化ケイ素半導体装置において、前記第2伝導型の低濃度ゲート領域内の前記ゲート絶縁膜と接する部分には、第1伝導型の埋め込みチャネル領域を有することを含む。
更に、本発明の炭化ケイ素半導体装置の製造方法は、第1伝導型の高濃度炭化ケイ素基板表面上に第1伝導型の低濃度炭化ケイ素からなる第1の堆積膜を形成する工程と、前記第1の堆積膜上に前記第2伝導型の高濃度領域が選択的に欠除した第1の領域を有する第2の堆積膜を形成する工程と、前記第2の堆積膜上および前記第2の堆積膜が選択的に欠除した第1の領域に形成された第2伝導型の低濃度領域からなる第3の堆積膜を形成する工程と、前記第3の堆積膜に選択的に前記第1の領域より幅を広くした第2の領域が形成されるように、前記第1伝導型の低濃度炭化ケイ素からなる第1の堆積膜に接し、前記第1の領域および第2の領域に第1伝導型の低濃度ベース領域を形成し、また、前記第3の堆積膜に選択的に第1伝導型の高濃度炭化ケイ素からなるソース領域を形成する工程と、少なくとも前記第3の堆積膜の表面上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、前記第1伝導型の炭化ケイ素基板の裏面に低抵抗接続されるドレイン電極を形成する工程と、前記第1伝導型の高濃度ソース領域および第2伝導型の低濃度ゲート領域の一部に低抵抗接続されるソース電極を形成する工程とを少なくとも有することから成る。
上記の炭化ケイ素半導体装置の製造方法において、前記第1の堆積膜上に前記第2の堆積膜を形成する工程と、前記第2の堆積膜表面から前記第1の堆積膜に達するトレンチ溝を形成する工程と、前記第2の堆積膜および前記トレンチ溝の上に第3の堆積膜を形成する工程と、前記第3の堆積膜内に前記第1伝導型の低濃度ベース領域を形成するために選択的に第1伝導型の不純物イオン注入を行う工程とを有することを含む。
更に、本発明の炭化ケイ素半導体装置の製造方法は、第1伝導型の高濃度炭化ケイ素基板表面上に第1伝導型の低濃度炭化ケイ素からなる下部堆積膜を形成する工程と、前記下部堆積膜中に第2伝導型の不純物領域を形成する工程と、前記第2伝導型の不純物領域が形成されている下部堆積膜上に第2伝導型の低濃度ゲート領域となる上部堆積膜を形成する工程と、前記上部堆積膜に第1伝導型の高濃度ソース領域を形成する工程と、前記上部堆積膜に前記下部堆積膜に接する第1伝導型の低濃度ベース領域を形成する工程と、少なくとも前記上部堆積膜の表面上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、前記第1伝導型の炭化ケイ素基板の裏面に低抵抗接続されるドレイン電極を形成する工程と、前記第1伝導型の高濃度ソース領域および第2伝導型の低濃度ゲート領域の一部に低抵抗接続されるソース電極を形成する工程とを少なくとも有することから成る。
上記の炭化ケイ素半導体装置の製造方法は、前記低濃度炭化ケイ素からなる下部堆積膜に高濃度の第2伝導型の不純物イオン注入により形成し、その上に上部堆積膜を形成する工程と、前記上部堆積膜内に前記第1伝導型の低濃度ベース領域を形成するために選択的に第1伝導型の不純物イオン注入を行う工程とを有することを含む。
本発明は、低濃度p型堆積膜内に形成した低濃度のチャネル領域を有する炭化ケイ素縦型MOSFETを高耐圧化する手段として、前記低濃度p型堆積膜とn型ドリフト層との間に高濃度p+ 型堆積膜を介在させ、前記高濃度p+ 型堆積膜に切り欠かれた第1の領域を具備し、前記第1の領域において、比較的低濃度のn型ベース領域を前記n型ドリフト層の一部に直接接する構造としたことに特徴がある。
また、本発明は、低濃度p型堆積膜に設けられた第2の領域の幅が前記高濃度p+ 型堆積膜に設けられた第1の領域より広くなっているため、その部分からの抵抗成分が小さくなり、オン抵抗が低減される。
低濃度p型堆積膜内に形成したゲート領域を有する炭化ケイ素縦型MOSFETにおいて、オン抵抗を低減するためのゲート絶縁膜およびゲート電極の構造をn型ベース領域上のゲート絶縁膜を低濃度ゲート領域上よりも厚くした場合、正のゲート電圧を印加した際に、ゲート絶縁膜とn型ベース領域の界面近傍に局在する伝導電子の数が減少する。したがって、前記界面近傍は、高抵抗化せず、オン抵抗が低減できる。
本発明は、基板表面の結晶学的面指数を(000−1)面あるいは(11−20)面に対して平行な面とした場合、ゲート絶縁膜とゲート領域との界面準位密度が軽減するため、前記界面近傍は、高抵抗化せず、オン抵抗が低減できる。
この発明の他の目的、その他の特徴は、添付の図面に基づく以下の詳しい説明で明らかにする。
以上、詳述したように、本発明によれば、以下のような効果を奏する。
本発明によれば、低濃度p型堆積膜内に形成された低濃度のゲート領域を有する炭化ケイ素縦型MOSFETを高耐圧化することができ、低いオン抵抗、かつ高耐圧の炭化ケイ素縦型MOSFETの製造が可能となる。
本発明によれば、第1伝導型の低濃度ベース領域の第1伝導型の不純物濃度が第2伝導型の高濃度ゲート層の第2伝導型の不純物濃度よりも低くすることにより、炭化ケイ素縦型MOSFETを高耐圧化することができる。
本発明によれば、堆積膜内に選択的に形成された第2伝導型のゲート領域のゲート絶縁膜と接する部分の第2伝導型の不純物濃度を最適化することにより、炭化ケイ素縦型MOSFETのオン抵抗を低減することができる。
本発明によれば、第3の堆積膜内に選択的に形成された第1伝導型の低濃度ベース領域内の第2伝導型の高濃度ゲート領域と接する部分の第1伝導型の不純物濃度を最適化することにより、炭化ケイ素縦型MOSFETを高耐圧化することができる。
本発明によれば、第2伝導型の高濃度ゲート領域を第1の堆積膜上に形成した高濃度の第2伝導型の炭化ケイ素からなる第2の堆積膜としたことにより、ゲート領域並びに第1伝導型の低濃度ベース領域内の第2伝導型の高濃度ゲート領域と接する部分の双方の不純物濃度を低減することができる。
本発明によれば、第2伝導型の高濃度のゲート領域を前記第1の堆積膜内に形成したことにより、ゲート領域並びに第1伝導型の低濃度ベース領域内の第2伝導型の高濃度ゲート層と接する部分の双方の不純物濃度を低減することができる。
本発明によれば、第3の堆積膜上に形成されたゲート絶縁膜が、少なくとも第2の堆積膜内に選択的に形成された第1伝導型の低濃度ベース領域上に、その他の領域より厚くなっている部分を有することにより、ゲート絶縁膜と第1伝導型の低濃度ベース領域との界面近傍が高抵抗化せずオン抵抗が低減できる。
本発明によれば、第3の堆積膜内に選択的に形成された第1伝導型の低濃度ベース領域の表面上に、少なくともゲート電極が除かれた部分を有することにより、ゲート絶縁膜と第1伝導型の低濃度ベース領域との界面近傍が高抵抗化せずオン抵抗が低減できる。
本発明によれば、第1伝導型の炭化ケイ素基板表面の結晶学的面指数が(11−20)面あるいは(000−1)面に対して平行な面であるため、ゲート絶縁膜とチャネル領域との界面準位密度が軽減し、オン抵抗が低減できる。
本発明によれば、低濃度のゲート領域と低濃度の第1伝導型の低濃度ベース領域を形成することができ、低いオン抵抗でかつ高耐圧の炭化ケイ素縦型MOSFETの製造を容易にすることができる。
本発明によれば、第3堆積膜の膜厚の下限は、エピタキシャル層の品質限界により、すなわち、堆積される膜の厚さが0.2μm以下では膜の結晶品質が悪く、電子移動度が低くなる。また、前記膜厚の上限は、製造プロセスの難度により制限される。すなわち、第1伝導型の第2領域の形成は、第2図(e)と(f)及び第5図(e)と(f)に示されているように、第2伝導型に堆積された堆積膜の表面から第1伝導型のドーパントイオンの注入により形成される(これを打ち返しと呼ぶ)ので、膜厚が最大0.7μmを超えると極めて高いエネルギーの特殊なイオン注入が必要となり、製作が難しくなる。
上部堆積膜における不純物濃度の上限(5×1015cm-3)は、反転型チャネル移動度が濃度に反比例して増大するので、高い移動度には不純物濃度は、2×1016cm-3以下であることが必要だが、より好ましくは5×1015cm-3以下が良い。濃度の下限は、製造プロセスの制御可能限界により制限され、1×1015cm-3以下の濃度制御は極めて難しい。また、前記打ち返しイオン注入の注入量を少なくできるので、前記第2の領域を低濃度化でき、それによってピンチ効果増大により素子の高耐圧化が容易になる。
本発明にかかる第1実施例である炭化ケイ素縦型MOSFETの単位セルを説明するための模式断面図である。 (a)乃至(f)は、第1図の炭化ケイ素縦型MOSFETの製造工程を説明するための模式断面図である。 (a)乃至(d)は、第1図の炭化ケイ素縦型MOSFETの製造工程を説明するための模式断面図である。 本発明の第2実施例である炭化ケイ素縦型MOSFETの単位セルを説明するための模式断面図である。 (a)乃至(f)は、本発明の第4図の炭化ケイ素縦型MOSFETの製造工程を説明するための模式断面図である。 (a)乃至(d)は、本発明の第4図の炭化ケイ素縦型MOSFETの製造工程を説明するための模式断面図である。 本発明の第3実施例である炭化ケイ素縦型MOSFETを説明するための模式断面図である。 本発明の第4実施例である炭化ケイ素縦型MOSFETを説明するための模式断面図である。 本発明の第5実施例である炭化ケイ素縦型MOSFETを説明するための模式断面図である。 本発明の第6実施例である炭化ケイ素縦型MOSFETを説明するための模式断面図である。 本発明の第7実施例である炭化ケイ素縦型MOSFETを説明するための模式断面図である。 代表的なプレーナ型縦型MOSFETの単位セルを説明するための模式断面図である。 (a)乃至(f)は、前記二重拡散法によるシリコン(Si)を使用したプレーナ型縦型MOSFETの作製方法を説明するための図である。 (a)及び(b)は、前記二重拡散法によるシリコン(Si)を使用したプレーナ型縦型MOSFETの作製方法を説明するための図である。 (a)乃至(f)は、従来における二重イオン注入法を用いた典型的な炭化ケイ素プレーナ型縦型MOSFETの作製方法を示す。 (a)及び(b)は、従来における二重イオン注入法を用いた典型的な炭化ケイ素プレーナ型縦型MOSFETの作製方法を示す。 炭化ケイ素プレーナ型縦型MOSFETとして提案された単位セルの構造を説明するための模式断面図である。
本発明をより詳細に説述するために、添付の図面に従ってこれを説明する。
第1図は本発明にかかる第1実施例である炭化ケイ素縦型MOSFETの単位セルを説明するための模式断面図である。第1図において、たとえば、1×1018cm-3の窒素がドーピングされた厚さ300μmの(0001)面を有する高濃度n+ 型基板1表面上には、たとえば、5×1015cm-3の窒素がドーピングされた厚さ10μmの低濃度n型ドリフト層2が堆積されている。
前記低濃度n型ドリフト層2の表面上には、たとえば、2×1018cm-3のアルミニウムがドーピングされた厚さ0.5μmの高濃度p+ 型層31が堆積されている。さらに、前記高濃度p+ 型層31の上には、たとえば、5×1015cm-3のアルミニウムがドーピングされた厚さ0.5μmの低濃度p型層32が堆積されている。前記低濃度p型層32の表面部分には、たとえば、選択的に約1×1020cm-3のリンがドーピングされた高濃度n+ 型ソース領域5が形成されている。前記高濃度p+ 型層31には、選択的に形成された幅2μmの切欠き部からなる第1の領域が設けられており、前記低濃度p型層32には、前記切欠き部より幅の広い第2の領域が形成されている。
前記第1および第2の領域には、たとえば、1×1016cm-3の窒素がドーピングされた低濃度n型ベース領域4が前記低濃度n型ドリフト層2に直接接して設けられている。前記低濃度p型層32における幅の広い第2の領域は、抵抗成分が小さくなり、炭化ケイ素半導体装置のオン抵抗を低減することができる。前記低濃度n型ベース領域4と高濃度n+ 型ソース領域5の中間部分には、低濃度p型ウェル層3の表面層に低濃度ゲート領域11が形成される。
低濃度ゲート領域11上、および低濃度n型ベース領域4の表面上には、ゲート絶縁膜6を介してゲート電極7が設けられている。前記ゲート電極7上には、層間絶縁膜8を介して、高濃度n+ 型ソース領域5とp型ウェル層3とのそれぞれの表面に低抵抗接続されたソース電極9が形成されている。また、前記高濃度n+ 型基板1の裏面には、ドレイン電極10が低抵抗接続で形成されている。さらに、前記低濃度n型ベース領域4は、第1図に示すように、凹部41を設けることができる。
なお、p型ウェル層3とソース電極9は、低抵抗接続のため、p型ウェル層3表面に高濃度p+ 型層31が形成される場合や、低濃度p型層32のエッチオフによって、ソース電極9が直接に高濃度p+ 型層31の露出表面に接続されることもある。
前記炭化ケイ素縦型MOSFETの動作は、基本的には、従来例として示した第14図に記載された炭化ケイ素プレーナ型縦型MOSFETと同様である。すなわち、ゲート電極7に、しきい値電圧以上のゲート電圧が印加されると、p型ウェル層3の表面に電子が誘起されチャネル領域11が形成される。これによって、高濃度n+ 型ソース領域5と低濃度n型ドリフト層2が導通状態になり、ドレイン電極10からソース電極9へ電流を流すことができる。
ここで、従来例として示した第14図の炭化ケイ素プレーナ型縦型MOSFETと異なる点は、低濃度n型ドリフト層2の表面全てが高濃度のp+ 型層31で覆われ、その上に低濃度のp型層32が堆積されているのではなく、低濃度n型ドリフト層2の一部が表面に露出しており、濃度が5×1015cm-3のp型堆積膜が低濃度n型ドリフト層2に直接接して設けられている。すなわち、n型不純物イオンを注入して低濃度n型ベース領域4を形成する領域全てが低濃度p型堆積膜で構成されているために、n型不純物イオン注入を行った後、n型ベース領域4のn型ドリフト層2と接する部分24を低濃度にできた。
たとえば、前記低濃度n型ベース領域4と低濃度n型ドリフト層2とが接する部分24の幅は、2μmであり、この場合、前記低濃度n型ベース領域4の濃度が4×1016cm-3でピンチオフ電圧は30Vとなる。この構造では、前記低濃度n型ベース領域4の濃度が4×1016cm-3以下となっているため、前記低濃度n型ベース領域4をピンチオフさせるのに高い電圧が不必要となる。
さらに、前記低濃度n型ベース領域4とp型ウェル層3の接合部の耐圧は、向上し、1000V以上の高耐圧の素子が実現できた。また、低濃度ゲート領域11を2×1016cm-3の低濃度p型堆積膜で形成しているため、数10cm2 /Vsの高いチャネル移動度が得られオン抵抗を低減することができた。
第2図(a)乃至(f)及び第3図(a)乃至(d)は第1実施例の炭化ケイ素縦型MOSFETの製造工程を説明するための模式断面図である。第2図(a)において、まず、高濃度n+ 型基板1の表面上には、低濃度n型ドリフト層2が堆積される。さらに、前記低濃度n型ドリフト層2の上には、高濃度p+ 型層31が堆積される。前記低濃度n型ドリフト層2は、たとえば、窒素のドーピング濃度を5×1015cm-3、厚さを10μmとした。前記高濃度p+ 型層31は、アルミニウムのドーピング濃度を2×1018cm-3とし、厚さを0.5μmにした。
次いで、第2図(b)に示すように、レジストをマスクとしたドライエッチングにより、表面から低濃度n型ドリフト層2に達するトレンチ構造が形成される。エッチングには、六フッ化硫黄(SF6 )と酸素(O2 )の混合ガスを用いた。前記レジストを除去した後、第2図(c)に示すように、前記表面には、たとえば、5×1015cm-3のアルミニウムがドープされた低濃度p型層32が0.5μmの厚さで堆積された。
その後、高濃度n+ 型ソース領域5を形成するために、前記低濃度p型層32の表面には、第2図(d)に示すように、マスク13が形成された。n型不純物イオン5aは、前記マスク13を介して前記低濃度p型層32に注入される。前記マスク13は、表面上に減圧CVD法により堆積された厚さ1μmのSiO2 膜をフォトリソグラフィにより、パターン加工して形成された。n型不純物イオン注入5aは、たとえば、リンイオンを基板温度500℃、加速エネルギー40keV〜250keVの多段で、注入量2×1020cm-3として実施された。
前記マスク13を除去した後、低濃度n型ベース領域4を形成するために、第2図(e)に示すように、マスク14を使用してn型不純物イオン4aを注入した。前記マスク14は、低濃度p型層32の表面上に減圧CVD法により堆積された厚さ1.5μmのSiO2 膜をフォトリソグラフィによりパターン加工して形成された。前記n型不純物イオン4aは、窒素イオンを室温にて、加速エネルギー40keV〜400keVの多段で、注入量2×1016cm-3として注入された。その後、第2図(f)に示すように、アルゴン雰囲気中にて、1500℃で30分間にわたる活性化アニールを行い、p型ウェル層3、低濃度n型ベース領域4および高濃度n+ 型ソース領域5が形成された。
次いで、第3図(a)に示すように、前記p型ウェル層3、低濃度n型ベース領域4、および高濃度n+ 型ソース領域5は、1200℃、140分の熱酸化されて、厚さ40nmのゲート絶縁膜6が形成された。前記ゲート絶縁膜6の上には、減圧CVD法によって、多結晶シリコン7aが0.3μmの厚さで堆積された。第3図(b)に示すように、多結晶シリコン7aは、フォトリソグラフィにより、パターン加工されて、ゲート電極7が形成された。
さらに、第3図(c)に示すように、減圧CVD法により、前記ゲート電極7の表面上には、厚さ0.5μmの層間絶縁膜8が堆積された。第3図(d)に示すように、前記層間絶縁膜8には、窓が開けられ、高濃度n+ 型ソース領域5とp型ウェル層3に共通のソース電極9が低抵抗接続された。
なお、本実施例では、(0001)面基板上の炭化ケイ素縦型MOSFETの構造およびその製造工程について説明したが、(11−20)面あるいは(000−1)面基板にも同様に適用できる。(11−20)面あるいは(000−1)面基板上に作製された炭化ケイ素縦型MOSFETは、チャネル移動度が(0001)面基板上よりも高いため、より低いオン抵抗が得られた。
第4図は、本発明の第2実施例である炭化ケイ素縦型MOSFETの単位セルを説明するための模式断面図である。第4図において、5×1018cm-3の窒素がドーピングされた厚さ300μmの(0001)面の高濃度n+ 型基板1上には、5×1015cm-3の窒素がドーピングされた厚さ10μmの低濃度n型ドリフト層2が堆積されている。前記低濃度n型ドリフト層2には、その表面から深さ0.5μmに渡って2×1018cm-3のアルミニウムがドーピングされた高濃度p+ 型層31が形成され、さらに、その表面上に5×1015cm-3のアルミニウムがドーピングされた厚さ0.5μmの低濃度p型層32が堆積されている。
低濃度p型層32の表面部分には、選択的に約1×1020cm-3のリンがドーピングされた高濃度n+ 型ソース領域5が形成されている。前記高濃度p+ 型層31には、pイオンが注入されていない欠除部が選択的に設けられている。前記欠除部には、1×1016cm-3の窒素がドーピングされた低濃度n型ベース領域4が前記低濃度n型ドリフト層2に直接接するように設けられている。
前記低濃度n型ベース領域4と前記高濃度n+ 型ソース領域5との中間部分であるp型ウェル層3の表面層には、低濃度ゲート領域11が形成される。前記低濃度ゲート領域11上、低濃度n型ベース領域4、および高濃度n+ 型ソース領域5の表面上には、ゲート絶縁膜6を介してゲート電極7が設けられている。前記ゲート電極7上には、層間絶縁膜8を介して高濃度n+ 型ソース領域5とp型ウェル層3のそれぞれの表面に低抵抗接続されたソース電極9が形成されている。また、高濃度n+ 型基板1の裏面には、ドレイン電極10が低抵抗接続で形成されている。
前記炭化ケイ素縦型MOSFETと第1図の実施例1との相違点は、高濃度p+ 型層31が低濃度n型ドリフト層2の表面上に堆積されているのではなく、前記低濃度n型ドリフト層2内に形成されていることである。すなわち、低濃度n型ベース領域4内の低濃度n型ドリフト層2と接する部分24は、高濃度p+ 型層31の上端と同一面内に位置し、前記高濃度p+ 型層31で挟まれた領域は、低濃度n型ドリフト層2内に存在する。このため、高濃度p+ 型層31で挟まれた領域の濃度は、実施例1の構造よりも低く、実施例1に比べ高耐圧の素子が実現できる。前記実施例2は、第1図の実施例1と同様に、低濃度p型層32に設けられた低濃度n型ベース領域4の幅が高濃度p+ 型層31より広いため、その部分からの抵抗成分が小さくなり、オン抵抗が低減される。
第5図(a)乃至(f)及び第6図(a)乃至(d)は本発明の第2実施例である炭化ケイ素縦型MOSFETの製造工程を説明するための模式断面図である。第5図(a)において、まず、高濃度n+ 型基板1上には、5×1015cm-3の窒素をドーピングした低濃度n型ドリフト層2が10μmの厚さで堆積されている。次いで、第5図(b)に示すように、高濃度p+ 型層31を形成するために、前記低濃度n型ドリフト層2上にマスク15が形成される。p型不純物イオン3aは、前記マスク15を使用して前記低濃度n型ドリフト層2に注入される。前記マスク15は、前記低濃度n型ドリフト層2の表面上に減圧CVD法により堆積され、厚さ1μmのSiO2 膜がフォトリソグラフィによりパターン加工して形成される。
前記p型不純物イオン3aは、アルミニウムイオンを基板温度500℃、加速エネルギー40keV〜250keV、注入量2×1018cm-3として注入される。第5図(c)に示すように、マスク15を除去した後、低濃度n型ドリフト層2の表面には、5×1015cm-3のアルミニウムがドープされた低濃度p型層32が0.5μmの厚さで堆積される。
その後、第5図(d)に示すように、高濃度n+ 型ソース領域5を形成するために、マスク13を使用して前記低濃度p型層32にn型不純物イオン5aの注入を行う。n型不純物イオン5aは、燐イオンを基板温度500℃、加速エネルギー40keV〜250keV、注入量2×1020cm-3で注入される。マスク13は、除去された後、低濃度n型ベース領域4を形成するためのマスク14が形成される。
第5図(e)に示すように、n型不純物イオン4aは、前記マスク14を介して前記低濃度p型層32に注入される。前記n型不純物イオン4aは、窒素イオンを室温にて、加速エネルギー40keV〜250keV、注入量1×1016cm-3として注入される。前記マスク14は、除去された後、第5図(f)に示すように、アルゴン雰囲気中にて、1500℃で30分間にわたる活性化アニールが行われる。
前記活性化アニールによって、p型ウェル層3、低濃度n型ベース領域4、および高濃度n+ 型ソース領域5が形成される。次いで、第6図(a)に示すように、前記各層は、1200℃、140分熱酸化されて、厚さ40nmのゲート絶縁膜6が形成される。前記ゲート絶縁膜6の上には、減圧CVD法によって、多結晶シリコン7aが0.3μm堆積される。
第6図(b)に示すように、多結晶シリコン7aは、フォトリソグラフィによりパターン加工されて、ゲート電極7が形成される。さらに、第6図(c)に示すように、前記ゲート電極7の上には、減圧CVD法により、0.5μmの層間絶縁膜8が堆積される。第6図(d)に示すように、前記層間絶縁膜8には、窓が開けられ、高濃度n+ 型ソース領域5とp型ウェル層3に共通のソース電極9が形成される。
なお、実施例2では、(0001)面基板上の炭化ケイ素縦型MOSFETの構造およびその製造工程について説明したが、実施例1と同様に(11−20)面あるいは(000−1)面基板にも適用でき、効果も同様である。
第7図は、本発明の第3実施例である炭化ケイ素縦型MOSFETを説明するための模式断面図である。第3実施例は、前記第1実施例および第2実施例の図中で使用した番号を同じ部分に使用する。第3実施例は、ゲート構造を除いて、基本的な構造が実施例1と同じである。実施例1と異なる点は、低濃度n型ベース領域4の表面上にあるゲート絶縁膜6が約400nmと、他の領域のゲート絶縁膜6よりも厚くなっている部分を有することである。前記ゲート絶縁膜6の構造は、実施例2の構造に対しても適用でき、効果も同様である。
第8図は、本発明の第4実施例である炭化ケイ素縦型MOSFETを説明するための模式断面図である。第4実施例は、前記第1実施例ないし第3実施例の図中で使用した番号を同じ部分に使用する。第4実施例は、ゲート構造を除き、基本的な構造は、実施例1に示した第1図と同じである。実施例1と異なる点は、低濃度n型ベース領域4表面上に、ゲート電極7が除かれた部分を有し、ゲート絶縁膜6上に、層間絶縁膜8が直接堆積されていることである。前記ゲート構造は、実施例2の構造に対しても適用でき、効果も同様である。
第9図は、本発明の第5実施例である炭化ケイ素縦型MOSFETを説明するための模式断面図である。第5実施例は、第1図に示された第1実施例における凹部41がない点、および低濃度n型不純物からなる埋め込みチャネル領域91を設けた点で異なっている。前記埋め込みチャネル領域91は、窒素イオンがたとえば、1×1017cm-3で、その深さが0.2μmとした。前記第5実施例の動作は、第1図における第1実施例とほぼ同じであった。また、第5実施例は、前記. 1実施例ないし第4実施例とともに、適用することもできる。
第10図は、本発明の第6実施例である炭化ケイ素縦型MOSFETを説明するための模式断面図である。第6実施例は、層間絶縁膜8の代わりに絶縁被膜8′を設けた点、およびソース電極9′の形状が異なる点で第1実施例ないし第5実施例と異なり、他の部分およびこれらに対する符号に関しては同じである。すなわち、第6実施例における炭化ケイ素縦型MOSFETのソース電極9′は、ゲート電極7の上部にない。したがって、ゲート電極7は、層間絶縁膜8を介することなく、絶縁被膜8′によって覆われている。前記第6実施例における構造は、ゲート電極7とソース電極9′との電気的な短絡の発生を防止する効果がある。
第11図は、本発明の第7実施例である炭化ケイ素縦型MOSFETを説明するための模式断面図である。第7実施例は、第4図に示されている第2実施例における層間絶縁膜8とソース電極9を前記第6実施例と同様にしたものである。
本発明の炭化ケイ素半導体装置において、チャネル移動度を向上させ、かつ低いオン抵抗と同時に高耐圧を達成した理由をさらに詳述する。
チャネル移動度を向上させるためには、チャネルが形成されるp型層の表面濃度を低減する必要があり、高耐圧にするためには、前記p型層の底部を高濃度にする必要がある。この理由は、高濃度p+ 型層の底部に挟まれた低濃度n型層を低い逆バイアスでピンチオフするため、および、高濃度n+ 型ソース領域と低濃度n型ドリフト層とがパンチスルーを起こすのを防ぐためである。
従来の炭化ケイ素プレーナ型縦型MOSFETは、不純物元素の拡散係数が炭化ケイ素基板内において、極めて小さいため、二重拡散法で作製することが困難であり、さらに、二重イオン注入法で作製した場合は、プロファイルが表面方向にテールを引くため、p型層の底部を高濃度にすると表面も高濃度になってしまい、オン抵抗が高くなってしまう。
そこで、第15図に示すような方法を採用すると、低いオン抵抗とすることができるが、高耐圧にすることができなかった。本発明の炭化ケイ素縦型MOSFETは、高濃度p+ 型層で挟まれたn型領域の濃度が低いため、低いオン抵抗と高耐圧の両方を達成することができるようになった。
低濃度のn型ベース領域の濃度を高濃度のp+ 型チャネル領域より低くした理由は、前記低濃度のn型ベース領域をピンチオフさせるためのドレイン電圧を低く抑え、高耐圧化するためである。換言すると、前記低濃度のn型ベース領域と前記高濃度のp+ 型チャネル領域の境界面から前記低濃度のn型ベース領域内に延びる空乏層の幅をより大きくするためである。本発明は、前記切り欠き部(欠除した領域)を有するため、前記低濃度のn型ベース領域の濃度を前記高濃度のp+ 型チャネル領域より低くできる。
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではない。そして、特許請求の範囲に記載された本発明を逸脱することがなければ、種々の設計変更を行うことが可能である。前記実施例において、ストリップ型の炭化ケイ素半導体装置における模式断面図にしたがって説明したが、メッシュ型の炭化ケイ素半導体装置で、6角形型、丸型、あるいはこれらの変形タイプであっても、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で形状を変えることができることはいうまでもないことである。また、同様に、切り欠かれている領域、欠除部、凹部等の形状は、本発明の作用を変えない程度に変形することは任意にできる。

Claims (22)

  1. 第1伝導型の高濃度炭化ケイ素基板(1)表面上に形成されている第1伝導型の低濃度炭化ケイ素からなる第1の堆積膜(2)と、
    前記第1の堆積膜(2)上に選択的に切り欠かれている第1の領域を有する第2伝導型の高濃度ゲート領域からなる第2の堆積膜(31)と、
    前記第2の堆積膜(31)上に選択的に切り欠かれている前記第1の領域と比べ幅が同じもしくは広い第2の領域と第1伝導型の高濃度ソース領域(5)と第2伝導型の低濃度ゲート領域からなる第3の堆積膜(32)と、
    前記第1の堆積膜(2)に接し、前記第1の領域および第2の領域に形成されている第1伝導型の低濃度ベース領域(4)と、
    少なくとも前記第3の堆積膜(32)の表面上に形成されたゲート絶縁膜(6)と、
    前記ゲート絶縁膜(6)を介して形成されたゲート電極(7)と、
    前記第1伝導型の炭化ケイ素基板の裏面に低抵抗接続されたドレイン電極(10)と、
    前記第1伝導型の高濃度ソース領域(5)および第2伝導型の低濃度ゲート領域(32)の一部に低抵抗接続されているソース電極(9)と、
    からなり、
    前記第3の堆積膜(32)の厚さは、0.2μm〜0.7μmの範囲にあり、かつ、前記第3の堆積膜(32)内に選択的に形成された前記第2伝導型の低濃度ゲート領域(11)において、前記ゲート絶縁膜(6)と接する部分の不純物濃度は、1×1015cm-3より高濃度で、1×1016cm-3より低濃度であることを特徴とする炭化ケイ素半導体装置。
  2. 前記第1伝導型の低濃度ベース領域(4)における上面には、前記ゲート絶縁膜(6)と接する部分の少なくとも一部に凹部(41)が設けられていることを特徴とする請求の範囲第1項記載の炭化ケイ素半導体装置。
  3. 前記第1伝導型の低濃度ベース領域(4)の不純物濃度は、前記第2伝導型の高濃度ゲート領域(31)の不純物濃度よりも低いことを特徴とする請求の範囲第1項または請求の範囲第2項の炭化ケイ素半導体装置。
  4. 前記第3の堆積膜(32)内に選択的に形成された前記第2伝導型の低濃度ゲート領域(11)において、前記ゲート絶縁膜(6)と接する部分の不純物濃度は、2×1016cm-3以下であることを特徴とする請求の範囲第1項乃至請求の範囲第3項のいずれか1項記載の炭化ケイ素半導体装置。
  5. 前記第3の堆積膜(32)内に選択的に形成された前記第1伝導型の低濃度ベース領域(4)の不純物濃度は、前記第2伝導型の高濃度ゲート領域(31)と接する部分において、4×1016cm-3以下であることを特徴とする請求の範囲第1項乃至請求の範囲第4項のいずれか1項記載の炭化ケイ素半導体装置。
  6. 前記第2伝導型の高濃度ゲート領域(31)は、第1の堆積膜(2)上に形成された炭化ケイ素からなる第2の堆積膜(31)であることを特徴とする請求の範囲第1項乃至請求の範囲第5項のいずれか1項記載の炭化ケイ素半導体装置。
  7. 前記第3の堆積膜(32)上に形成されたゲート絶縁膜(6)は、少なくとも前記第3の堆積膜(32)内に選択的に形成された第1伝導型の低濃度ベース領域(4)上において
    、他の部分より厚くなっている部分を有することを特徴とする請求の範囲第1項乃至請求の範囲第6項のいずれか1項記載の炭化ケイ素半導体装置。
  8. 前記第3の堆積膜(32)内に選択的に形成された第1伝導型のベース領域(4)の表面上において、ゲート電極(7)は、少なくとも一部が除かれていることを特徴とする請求の範囲第1項乃至請求の範囲第7項のいずれか1項記載の炭化ケイ素半導体装置。
  9. 前記第1伝導型の炭化ケイ素基板(1)表面の結晶学的面指数は、(11−20)面に対して平行な面であることを特徴とする請求の範囲第1項乃至請求の範囲第9項のいずれか1項記載の炭化ケイ素半導体装置。
  10. 前記第1伝導型の炭化ケイ素基板(1)表面の結晶学的面指数は、(000−1)面に対して平行な面であることを特徴とする請求の範囲第1項乃至請求の範囲第9項のいずれか1項記載の炭化ケイ素半導体装置。
  11. 前記第2伝導型の低濃度ゲート領域(11)内の前記ゲート絶縁膜(6)と接する部分には、第1伝導型の埋め込みチャネル領域(91)を有することを特徴とする請求の範囲第1項乃至請求の範囲第10項のいずれか1項記載の炭化ケイ素半導体装置。
  12. 第1伝導型の高濃度炭化ケイ素基板(1)表面上に形成されている第1伝導型の低濃度炭化ケイ素からなる下部堆積膜(2)と、
    前記第1伝導型の低濃度炭化ケイ素が残されている第1の領域を有するように
    前記下部堆積膜(2)内に選択的に形成された第2伝導型の高濃度ゲート領域(31)と、
    前記下部堆積膜(2)上に選択的に前記第1の領域と比べ幅が同じか広い第2領域からなる第1伝導型の低濃度ベース領域(4)と、前記第1伝導型の高濃度ソース領域(5)と、第2伝導型の低濃度ゲート領域(11)とからなる上部堆積膜(32)と、
    少なくとも前記上部堆積膜(32)の表面上に形成されたゲート絶縁膜(6)と、
    前記ゲート絶縁膜(6)を介して形成されたゲート電極(7)と、
    前記第1伝導型の炭化ケイ素基板(1)の裏面に低抵抗接続されたドレイン電極(10)と、
    前記第1伝導型の高濃度ソース領域(5)および第2伝導型の低濃度ゲート領域(11)の一部に低抵抗接続されているソース電極(9)と、
    からなり、
    前記上部堆積膜(32)の厚さは、0.2μm〜0.7μmの範囲にあり、かつ、前記上部堆積膜(32)内に選択的に形成された前記第2伝導型の低濃度ゲート領域(11)において、前記ゲート絶縁膜(6)と接する部分の不純物濃度は、1×1015cm-3より高濃度で、1×1016cm-3より低濃度であることを特徴とする炭化ケイ素半導体装置。
  13. 前記第1伝導型の低濃度ベース領域(4)の不純物濃度は、前記第2伝導型の高濃度ゲート領域(31)の不純物濃度よりも低いことを特徴とする請求の範囲第12項記載の炭化ケイ素半導体装置。
  14. 前記上部堆積膜(32)内に選択的に形成された前記第2伝導型の低濃度ゲート領域(11)において、前記ゲート絶縁膜(6)と接する部分の不純物濃度は、2×1016cm-3以下であることを特徴とする請求の範囲第12項または請求の範囲第13項のいずれか1項記載の炭化ケイ素半導体装置。
  15. 前記上部堆積膜(32)は、炭化ケイ素からなることを特徴とする請求の範囲第12項乃至請求の範囲第14項のいずれか1項記載の炭化ケイ素半導体装置。
  16. 前記上部堆積膜(32)上に形成されたゲート絶縁膜(6)は、少なくとも前記上部堆積膜(32)内に選択的に形成された第1伝導型の低濃度ベース領域(4)上において、他の部分より厚くなっている部分を有することを特徴とする請求の範囲第12項乃至請求の範囲第15項のいずれか1項記載の炭化ケイ素半導体装置。
  17. 前記上部堆積膜(32)内に選択的に形成された第1伝導型の低濃度ベース領域(4)の表面上において、ゲート電極(7)は、少なくとも一部が除かれていることを特徴とする請求の範囲第12項乃至請求の範囲第16項のいずれか1項記載の炭化ケイ素半導体装置。
  18. 前記第1伝導型の炭化ケイ素基板(1)表面の結晶学的面指数は、(11−20)面に対して平行な面であることを特徴とする請求の範囲第12項乃至請求の範囲第17項のいずれか1項記載の炭化ケイ素半導体装置。
  19. 前記第1伝導型の炭化ケイ素基板(1)表面の結晶学的面指数は、(000−1)面に対して平行な面であることを特徴とする請求の範囲第12項乃至請求の範囲第18項のいずれか1項記載の炭化ケイ素半導体装置。
  20. 前記第2伝導型の低濃度ゲート領域(11)内の前記ゲート絶縁膜(6)と接する部分には、第1伝導型の埋め込みチャネル領域(91)を有することを特徴とする請求の範囲第12項乃至請求の範囲第19項のいずれか1項記載の炭化ケイ素半導体装置。
  21. 第1伝導型の高濃度炭化ケイ素基板(1)表面上に第1伝導型の低濃度炭化ケイ素からなる第1の堆積膜(2)を形成する工程と、
    前記第1の堆積膜(2)上に前記第2伝導型の高濃度領域が選択的に欠除した第1の領域を有する第2の堆積膜(31)を形成する工程と、
    前記第2の堆積膜(31)上および前記第2の堆積膜(31)が選択的に欠除した第1の領域に形成された第2伝導型の低濃度領域からなる第3の堆積膜(32)を形成する工程と、
    前記第3の堆積膜(32)に選択的に前記第1の領域に比べ幅が同じもしくはを広くした第2の領域が形成されるように、前記第1伝導型の低濃度炭化ケイ素からなる第1の堆積膜(2)に接し、前記第1の領域および第2の領域に第1伝導型の低濃度ベース領域(4)を形成し、また、前記第3の堆積膜(32)に選択的に第1伝導型の高濃度炭化ケイ素からなるソース領域(5)を形成する工程と、
    少なくとも前記第3の堆積膜(32)の表面上にゲート絶縁膜(6)を形成する工程と、
    前記ゲート絶縁膜(6)を介してゲート電極(7)を形成する工程と、
    前記第1伝導型の炭化ケイ素基板(1)の裏面に低抵抗接続されるドレイン電極(10)を形成する工程と、
    前記第1伝導型の高濃度ソース領域(5)および第2伝導型の低濃度ゲート領域(11)の一部に低抵抗接続されるソース電極(9)を形成する工程と、
    前記第1の堆積膜(2)上に前記第2の堆積膜(31)を形成する工程と、
    前記第2の堆積膜(31)表面から前記第1の堆積膜(2)に達するトレンチ溝(41)を形成する工程と、
    前記第2の堆積膜(31)および前記トレンチ溝(41)の上に第3の堆積膜(32)を形成する工程と、
    前記第3の堆積膜(32)内に前記第1伝導型の低濃度ベース領域(4)を形成するために選択的に第1伝導型の不純物イオン注入を行う工程と、
    を有することを特徴とする炭化ケイ素半導体装置の製造方法。
  22. 第1伝導型の高濃度炭化ケイ素基板(1)表面上に第1伝導型の低濃度炭化ケイ素からなる下部堆積膜(2)を形成する工程と、
    前記下部堆積膜(2)中に第2伝導型の不純物領域(31)を形成する工程と、
    前記第2伝導型の不純物領域(31)が形成されている下部堆積膜(2)上に第2伝導型の低濃度ゲート領域(11)となる上部堆積膜(32)を形成する工程と、
    前記上部堆積膜(32)に第1伝導型の高濃度ソース領域(5)を形成する工程と、
    前記上部堆積膜(32)に前記下部堆積膜(2)に接する第1伝導型の低濃度ベース領域(4)を形成する工程と、
    少なくとも前記上部堆積膜(32)の表面上にゲート絶縁膜(6)を形成する工程と、
    前記ゲート絶縁膜(6)を介してゲート電極(7)を形成する工程と、
    前記第1伝導型の炭化ケイ素基板(1)の裏面に低抵抗接続されるドレイン電極(10)を形成する工程と、
    前記第1伝導型の高濃度ソース領域(5)および第2伝導型の低濃度ゲート領域(11)の一部に低抵抗接続されるソース電極(9)を形成する工程と、
    前記低濃度炭化ケイ素からなる下部堆積膜(2)に高濃度の第2伝導型の不純物イオン注入により形成し、その上に上部堆積膜(32)を形成する工程と、
    前記上部堆積膜(32)内に前記第1伝導型の低濃度ベース領域(4)を形成するために選択的に第1伝導型の不純物イオン注入を行う工程と、
    を有することを特徴とする炭化ケイ素半導体装置の製造方法。
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