JP2011146426A - Silicon carbide semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、炭化珪素を材料とする半導体装置およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device made of silicon carbide and a method for manufacturing the same.
シリコンを用いたパワーデバイスの物性限界を打破するために、近年、炭化珪素を用いたパワーデバイスの開発が行われている。炭化珪素パワーデバイスの1つであり、主にスイッチング素子として用いられる炭化珪素MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)については、オン抵抗低減のため、MOSFETチャネル部のキャリア移動度(チャネル移動度)を高くすることが要求されている。 In recent years, power devices using silicon carbide have been developed in order to overcome the physical property limitations of power devices using silicon. A silicon carbide MOSFET (Metal Oxide Field Effect Transistor), which is one of silicon carbide power devices and is mainly used as a switching element, has a carrier mobility (channel mobility) in the MOSFET channel portion to reduce on-resistance. It is required to be high.
従来の炭化珪素MOSFETとして、チャネル部のドーピングタイプをn型とし、ゲート電極をp型多結晶シリコンで形成することにより、チャネル移動度の改善とゲート閾値電圧の適正な保持を両立させたものがある(例えば、特許文献1参照)。 As a conventional silicon carbide MOSFET, the channel portion doping type is n-type and the gate electrode is formed of p-type polycrystalline silicon, thereby achieving both improvement in channel mobility and proper retention of the gate threshold voltage. Yes (see, for example, Patent Document 1).
炭化珪素を用いたMOSFETでは、MOS構造部のゲート絶縁膜と炭化珪素半導体層との界面に高密度の界面準位が発生し、チャネル移動度がバルク移動度に比べて著しく低下する。このため炭化珪素MOSFETではオン抵抗が高くなり、低損失化の障害になっていた。チャネル部のドーピングタイプをn型にすることでチャネル移動度を高くできるが、逆にゲート閾値電圧が低下してしまい、デバイスの安全動作上問題になる。特許文献1に示された炭化珪素MOSFETおよびその製造方法では、多結晶シリコンゲート電極を従来一般的に用いられるn型からp型に変更することで、ゲート閾値電圧を1V程度高くし、チャネル移動度とゲート閾値電圧のトレードオフを改善しているが、その改善の程度は僅かであった。
In a MOSFET using silicon carbide, a high-density interface state is generated at the interface between the gate insulating film and the silicon carbide semiconductor layer in the MOS structure, and the channel mobility is significantly reduced compared to the bulk mobility. For this reason, in the silicon carbide MOSFET, the on-resistance is increased, which is an obstacle to lowering the loss. Although the channel mobility can be increased by setting the doping type of the channel portion to n-type, the gate threshold voltage is lowered and this causes a problem in the safe operation of the device. In the silicon carbide MOSFET and the manufacturing method thereof disclosed in
本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、ゲート閾値電圧を低下させることなく、チャネル移動度を向上できる炭化珪素半導体装置およびその製造方法を提供するものである。 The present invention has been made to solve such problems, and provides a silicon carbide semiconductor device and a method for manufacturing the same that can improve channel mobility without lowering the gate threshold voltage.
この発明に係る炭化珪素半導体装置は、炭化珪素基板と、前記炭化珪素基板上に形成され、エピタキシャル層とイオン注入領域とからなる炭化珪素層と、前記炭化珪素層上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜を介して、前記炭化珪素層上の所定位置に形成された多結晶シリコンからなるゲート電極とを備え、前記ゲート電極はB、AlまたはGaのいずれかを不純物として含むとともに、前記ゲート電極直下の前記炭化珪素層と前記絶縁膜との界面近傍に前記不純物を含むことを特徴とするものである。 A silicon carbide semiconductor device according to the present invention includes a silicon carbide substrate, a silicon carbide layer formed on the silicon carbide substrate and including an epitaxial layer and an ion implantation region, and an insulating film formed on the silicon carbide layer. And a gate electrode made of polycrystalline silicon formed at a predetermined position on the silicon carbide layer via the insulating film, the gate electrode containing either B, Al or Ga as an impurity, The impurity is included in the vicinity of the interface between the silicon carbide layer directly below the gate electrode and the insulating film.
また、この発明に係る炭化珪素半導体装置の製造方法は、炭化珪素基板上に炭化珪素エピタキシャル層を形成する工程と、前記炭化珪素エピタキシャル層内にイオン注入領域を形成する工程と、前記炭化珪素エピタキシャル層と前記イオン注入領域とからなる炭化珪素層上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜を介して、前記炭化珪素層上の所定位置に、B、AlまたはGaを不純物として含む多結晶シリコンからなるゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極直下の前記炭化珪素層と前記絶縁膜との界面近傍に前記不純物を拡散させる拡散工程と、前記不純物を活性化するためのアニールを行う工程とを含むものである。 A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a silicon carbide epitaxial layer on a silicon carbide substrate, a step of forming an ion implantation region in the silicon carbide epitaxial layer, and the silicon carbide epitaxial A step of forming an insulating film on a silicon carbide layer comprising a layer and the ion-implanted region, and a polycrystal containing B, Al or Ga as an impurity at a predetermined position on the silicon carbide layer via the insulating film A step of forming a gate electrode made of silicon, a diffusion step of diffusing the impurity in the vicinity of the interface between the silicon carbide layer directly below the gate electrode and the insulating film, and a step of performing annealing for activating the impurity Is included.
この発明によれば、ゲート絶縁膜と炭化珪素半導体層との界面にp型ドーパントであるB、AlまたはGaのいずれかを導入することで、界面に存在する界面準位が低減される。また、ゲート電極が仕事関数の高いp型多結晶シリコンで構成されるため、ゲート閾値電圧は高く保持される。その結果、ゲート閾値電圧を高く保持したまま、チャネル移動度を向上できる炭化珪素MOSFETを容易に得ることができる。 According to the present invention, by introducing any of p-type dopants B, Al, or Ga into the interface between the gate insulating film and the silicon carbide semiconductor layer, the interface state existing at the interface is reduced. Further, since the gate electrode is made of p-type polycrystalline silicon having a high work function, the gate threshold voltage is kept high. As a result, it is possible to easily obtain a silicon carbide MOSFET that can improve channel mobility while maintaining a high gate threshold voltage.
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置の構成を示す断面図である。また、図2〜図9は、この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置の製造工程の一部を示す断面図である。
1 is a cross sectional view showing a configuration of a silicon carbide semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. 2 to 9 are cross sectional views showing a part of the process for manufacturing the silicon carbide semiconductor device in the first embodiment of the present invention.
まず、図1を参照して、実施の形態1における炭化珪素半導体装置の構成について説明する。
First, with reference to FIG. 1, the structure of the silicon carbide semiconductor device in
図1において、炭化珪素半導体装置である炭化珪素MOSFET100は、炭化珪素基板10と、炭化珪素基板10上に形成された炭化珪素層20と、炭化珪素層20上に形成された絶縁膜30と、絶縁膜30上に形成されたゲート電極40と、炭化珪素層20上に形成されたソース電極50およびドレイン電極60とを有している。炭化珪素層20は、炭化珪素エピタキシャル層21と、イオン注入領域またはエピタキシャル層であるp型ベース領域22と、イオン注入領域であるn型ソース領域23a、n型ドレイン領域23bおよびp型ベースコンタクト用p++領域24とから形成される。
In FIG. 1,
炭化珪素エピタキシャル層21は炭化珪素基板10上に形成されており、この炭化珪素エピタキシャル層21の表層部には、p型ベース領域22が形成されている。そして、p型ベース層22の内部には、n型ソース領域23aとn型ドレイン領域23bとが所定の間隔をおいて、炭化珪素層20の表面に接するように形成されており、n型ソース領域23aと隣接する位置にはp型ベースコンタクト用p++領域24が形成されている。
Silicon carbide
そして、炭化珪素層20の表面には、ゲート絶縁膜30が形成されており、このゲート絶縁膜30を介して、炭化珪素層20上にゲート電極40が形成されている。ゲート電極40は、絶縁膜30を介して、n型ソース領域23aおよびn型ドレイン領域23bの一部を覆うように形成されている。また、ゲート電極40にはIII族軽元素であるB、AlまたはGaのいずれかがp型不純物として含まれている。
A
また、ソース電極50およびドレイン電極60は炭化珪素層20上に形成されており、ソース電極50はn型ソース領域23aおよびp型ベースコンタクト用p++領域24と、ドレイン電極60はn型ドレイン領域23bとにそれぞれ接続されている。
そして、ゲート電極40直下の炭化珪素層20内に形成されたチャネル領域とゲート絶縁膜30との界面近傍には、ゲート電極40に含まれるp型不純物であるB、AlまたはGaのいずれかが拡散されている。
In the vicinity of the interface between the channel region formed in the
次に、図2〜図9を参照して、実施の形態1における炭化珪素半導体装置の製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device in the first embodiment will be described with reference to FIGS.
まず、図2に示すように、炭化珪素基板10の上に熱CVD(Chemical Vapor Deposition)法により、温度1500〜1800℃、気圧250hPa(mbar)、キャリアガス種:H2、生成ガス種:SiH4、C3H8の条件で、膜厚0.3μm以上の炭化珪素エピタキシャル層21を積層する。
First, as shown in FIG. 2, a temperature of 1500 to 1800 ° C., an atmospheric pressure of 250 hPa (mbar), a carrier gas species: H 2 , and a generated gas species: SiH are formed on the
次に、図3に示すように、炭化珪素エピタキシャル層21の表層部に、深さ0.5〜3.0μm、濃度1×1015〜1×1019cm−3のAl、B、またはGaイオンを注入し、p型ベース領域22を形成する。あるいは、炭化珪素エピタキシャル層21の上にp型の炭化珪素エピタキシャル層をさらに成膜してp型ベース領域22としてもよい。
Next, as shown in FIG. 3, Al, B, or Ga having a depth of 0.5 to 3.0 μm and a concentration of 1 × 10 15 to 1 × 10 19 cm −3 is formed on the surface layer portion of the silicon carbide
次に、p型ベース領域層22の上に選択イオン注入用マスク(図示せず)を形成し、図4に示すように、n型ソース領域23a、n型ドレイン領域23bに、深さ0.1〜2.0μm、濃度1×1018〜1×1020cm−3のN、AsまたはPイオンを注入する。選択イオン注入用マスクを除去した後、新たに選択イオン注入用マスク(図示せず)を形成し、p型ベースコンタクト用p++領域24に、深さ0.1〜2.0μm、濃度1×1019〜1×1021cm−3のAl、B、あるいはGaイオンを注入する。
Next, a mask for selective ion implantation (not shown) is formed on the p-type
そして、選択イオン注入用マスクを除去した後、温度1300〜2100℃で活性化アニールを行い、イオン注入領域であるp型ベース領域22、n型ソース領域23a、n型ドレイン領域23b、およびp型ベースコンタクト用p++領域24を電気的に活性化する。これにより、n型ソース領域23aとn型ドレイン領域23bとの間の炭化珪素層20であるp型ベース領域22にn型チャネル領域が形成されることになる。
Then, after removing the selective ion implantation mask, activation annealing is performed at a temperature of 1300 to 2100 ° C., and the p-
次に、図5に示すように、温度800〜1400℃での表面熱酸化、あるいはCVD法による膜積層プロセスにより、ゲート絶縁膜30を炭化珪素層20の表面全面に成膜する。
Next, as shown in FIG. 5, the
次いで、図6に示すように、ゲート絶縁膜30上に、CVD法により多結晶シリコン膜40aを不純物ドーピングなしで積層する。あるいは、多結晶シリコン膜40aの積層時にIII族軽元素であるAl、B、またはGaを含むドーピングガスを導入することでp型多結晶シリコン膜40aを積層してもよい。
Next, as shown in FIG. 6, a
上記工程で、不純物ドーピングなしで多結晶シリコン膜40aを積層した場合には、図7に示すように、p型ドーパントとして、III族軽元素であるB、Al、あるいはGaイオンを多結晶シリコン膜40aに注入する。なお、p型ドーパントの濃度は1019〜1022cm−3程度にすることが望ましい。
When the
次に、図8に示すように、リソグラフィおよびエッチング技術により、n型ソース領域23aおよびn型ドレイン領域23bがゲート絶縁膜30を介して両端部に位置するような形状に、多結晶シリコン膜40aを成形する。その後、温度600〜1100℃で熱処理を例えば1〜300秒行い、多結晶シリコン膜40aに導入されたIII族軽元素であるB、AlまたはGaのいずれかからなるp型ドーパントを多結晶シリコン膜40aの深さ方向、およびゲート絶縁膜30、およびゲート絶縁膜30と炭化珪素層20の界面近傍まで拡散させる。これにより、多結晶シリコン膜40aはゲート電極40になり、更にゲート絶縁膜30と炭化珪素層20との界面近傍まで拡散したp型ドーパントは、界面近傍に存在する界面準位をパッシベーションする。
Next, as shown in FIG. 8, the
ここで、界面近傍とは、界面近傍に存在する界面準位をパッシベーションする効果を得ることができる範囲をいい、具体的には、不純物であるp型ドーパントが前記界面に対して5nm以内の距離に存在することが好ましい。 Here, the vicinity of the interface refers to a range in which the effect of passivating the interface states existing in the vicinity of the interface can be obtained. Specifically, the p-type dopant as an impurity is within a distance of 5 nm or less with respect to the interface. It is preferable that it exists in.
次に、図9に示すように、n型ソース領域23a、n型ドレイン領域23bおよびp型ベースコンタクト用p++領域24上のゲート絶縁膜30をリソグラフィおよびエッチング技術によって除去し、n型ソース領域23a、n型ドレイン領域23bおよびp型ベースコンタクト用p++領域24を表面に露出させる。
Next, as shown in FIG. 9, the
そして、表面に露出したn型ソース領域23a、n型ドレイン領域23bおよびp型ベースコンタクト用p++領域24上の一部にNiを積層し、ソース電極50とドレイン電極60を形成する。コンタクト電極用の材料としてはNi以外に、Ti、Al、Mo、Cr、Pt、W、Si、TiC、あるいはこれらの合金を用いても良い。最後に、ソース電極50とドレイン電極60を、接触している炭化珪素と合金化させるために、炭化珪素に対して、温度950〜1000℃、処理時間20〜60秒間、昇温速度10〜25℃/秒の熱処理を行う。これにより、図1に示すような炭化珪素MOSFET100の素子構造の主要部が完成する。
Then, Ni is laminated on part of the n-
このようにして作製した横型MOSFETから得られた、実効チャネル移動度のピーク値とゲート閾値の関係を図10に示す。ただし、図10において、「○」印で示したプロットは従来のn型多結晶シリコンゲート電極を有する炭化珪素MOSFET(構造はゲート電極40を除いて図1で示すものと同一)の値であり、「△」印で示したプロットは本実施の形態の製造方法で作製した炭化珪素MOSFET100の値である。得られた実効チャネル移動度ピーク値は、本実施の形態の製造方法を適用することで高くなり、p型ドーパントのドーズ量を増やすことで更に高くなる。これは、ゲート絶縁膜30と炭化珪素層20との界面近傍まで拡散する不純物濃度が増大することで、界面準位がより高密度にパッシベーションされたことによるものである。また、ゲート電極40はp型であるため、ゲート閾値が高く保持されている。その結果、チャネル移動度とゲート閾値のトレードオフが、従来の方法で作製したMOSFETと比較して大幅に改善される。
FIG. 10 shows the relationship between the peak value of effective channel mobility and the gate threshold value obtained from the lateral MOSFET fabricated in this manner. However, in FIG. 10, the plots indicated by “◯” are values of a conventional silicon carbide MOSFET having an n-type polycrystalline silicon gate electrode (the structure is the same as that shown in FIG. 1 except for the gate electrode 40). , The plots indicated by “Δ” are values of the
上記で示した炭化珪素MOSFETでは、ゲート絶縁膜と炭化珪素半導体層との界面に不純物ドーパントが導入されることで、界面に存在する界面準位が低減される。その結果、図10の△プロットに示すように、チャネル移動度が従来のn型多結晶シリコンゲート電極MOSFET(○プロット)よりも高くなる。また、ゲート電極40が仕事関数の高いp型多結晶シリコンで構成されるため、ゲート閾値は高く保持される。その結果、チャネル移動度とゲート閾値のトレードオフが大きく改善される。またその効果は、p型多結晶シリコン電極や、ゲート絶縁膜30と炭化珪素層20との界面に導入される不純物ドーパントの濃度が高くなるに従い、より顕著になる。一般的に、珪素を用いたp型ゲートMOSFETでは、B等がチャネル領域にまで拡散することで不具合を引き起こすが、炭化珪素では不純物の拡散係数が極めて低いため、珪素MOSFETで問題になるような不具合は起きない。
In the silicon carbide MOSFET described above, the impurity state is introduced into the interface between the gate insulating film and the silicon carbide semiconductor layer, whereby the interface state existing at the interface is reduced. As a result, the channel mobility is higher than that of the conventional n-type polycrystalline silicon gate electrode MOSFET (◯ plot), as shown by the Δ plot in FIG. Further, since the
このように、本実施の形態によれば、多結晶シリコンからなるゲート電極40をIII族軽元素であるB、AlまたはGaのいずれかの不純物をドーピングすることによりp型とし、更に注入ドーパントを熱処理でゲート絶縁膜と炭化珪素半導体層との界面近傍まで拡散させて界面準位のパッシベーションに用いることにより、ゲート閾値を高い値に保持したまま、実効チャネル移動度を高くできる炭化珪素MOSFETを容易に得ることが可能となった。
As described above, according to the present embodiment, the
実施の形態2.
図11は、この発明の実施の形態2における炭化珪素半導体装置の構成を示す断面図である。また、図12〜図19は、この発明の実施の形態2における炭化珪素半導体装置の製造工程を示す断面図である。
FIG. 11 is a cross sectional view showing the structure of the silicon carbide semiconductor device in the second embodiment of the present invention. 12 to 19 are cross sectional views showing the steps for manufacturing the silicon carbide semiconductor device in the second embodiment of the present invention.
まず、図11を参照して、実施の形態2における炭化珪素半導体装置の構成について説明する。
First, with reference to FIG. 11, the structure of the silicon carbide semiconductor device in
図11において、炭化珪素半導体装置である縦型MOSFET200は、炭化珪素基板10と、炭化珪素基板10の表面に形成された炭化珪素層20と、炭化珪素層20上に形成されたゲート絶縁膜30と、ゲート絶縁膜30上に形成されたゲート電極40と、炭化珪素層20上に形成されたソース・ベース共通電極51と、炭化珪素基板10の裏面に形成されたドレイン電極60と、ゲート電極40上に形成された層間絶縁膜70とを有している。そして、炭化珪素層20は、炭化珪素エピタキシャル層21と、イオン注入領域またはエピタキシャル層であるp型ベース領域22と、イオン注入領域であるn型ソース領域23およびp型ベースコンタクト用p++領域24と、炭化珪素エピタキシャル追成長層25とから形成される。
In FIG. 11,
炭化珪素エピタキシャル層21は炭化珪素基板10上に形成されており、炭化珪素エピタキシャル層21の表層部には、p型ベース領域22が形成されている。この炭化珪素エピタキシャル層21の表層部には、間隔をおいて、一対のp型ベース領域22が形成されている。そして、一対のp型ベース領域22の内部の所定位置には、それぞれn型ソース領域23が炭化珪素層20の表面に接するように形成されており、n型ソース領域23と隣接する位置にはp型ベースコンタクト用p++領域24が形成されている。そして、炭化珪素層20の表面には、炭化珪素エピタキシャル追成長層25が形成されており、この炭化珪素エピタキシャル追成長層25は、炭化珪素エピタキシャル層21、p型ベース領域22およびn型ソース領域23の一部を覆うように形成されている。
Silicon
そして、炭化珪素層20の表面には、ゲート絶縁膜30が形成されており、このゲート絶縁膜30を介して、炭化珪素追成長層25上にゲート電極40が形成されている。ゲート電極40は、絶縁膜30を介して、n型ソース領域24の一部を覆うように形成される。また、ゲート電極40にはIII族軽元素であるB、AlまたはGaのいずれかがp型不純物として含まれている。
A
また、ソース・ベース共通電極51が炭化珪素層20上に形成されており、ソース・ベース共通電極51はn型ソース領域23およびp型ベースコンタクト用p++領域24と接続されている。
A source / base
なお、本実施の形態においては、チャネル移動度を向上させるため、ゲート電極40直下の炭化珪素層20の最表面に炭化珪素エピタキシャル追成長層25を設けたが、この炭化珪素エピタキシャル追成長層25を形成せず、ゲート絶縁膜30を炭化珪素層20上に直接形成してもよい。
In the present embodiment, in order to improve the channel mobility, silicon carbide epitaxial
そして、ゲート電極40直下の炭化珪素層20とゲート絶縁膜30との界面近傍に、ゲート電極40に含まれるB、AlまたはGaのいずれかのp型ドーパントが拡散されている。
Then, any of p-type dopants of B, Al, or Ga contained in the
次に、実施の形態2における、炭化珪素半導体装置の製造方法を図12〜19を参照して説明する。 Next, a method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device in the second embodiment will be described with reference to FIGS.
まず、図12に示すように、オフ角を有する炭化珪素基板10の上に熱CVD法により、温度1500〜1800℃、気圧250hPa(mbar)、キャリアガス種:H2、生成ガス種:SiH4、C3H8の条件で、膜厚1.0〜100μmの炭化珪素エピタキシャル層21を積層する。
First, as shown in FIG. 12, a temperature of 1500 to 1800 ° C., an atmospheric pressure of 250 hPa (mbar), a carrier gas type: H 2 , and a generated gas type: SiH 4 are formed on a
次に、炭化珪素エピタキシャル層21の上に選択イオン注入用マスク(図示せず)を形成し、図13に示すように、p型ベース領域22に、深さ0.5〜3.0μm、濃度1×1015〜1×1019cm−3のAl、B、またはGaイオンを注入する。選択イオン注入用マスクを除去した後、新たに選択イオン注入用マスク(図示せず)を形成し、n型ソース領域23に、深さ0.1〜2.0μm、濃度1×1018〜1×1020cm−3のN、As、あるいはPイオンを注入する。選択イオン注入用マスクを除去した後、新たに選択イオン注入用マスクを形成し、p型ベースコンタクト用p++領域24に、深さ0.1〜2.0μm、濃度1×1019〜1×1021cm−3のAl、B、またはGaイオンを注入する。
Next, a selective ion implantation mask (not shown) is formed on the silicon
選択イオン注入用マスクを除去した後、温度1300〜2100℃で活性化アニールを行い、p型ベース領域22、n型ソース領域23、p型ベースコンタクト用p++領域24を電気的に活性化する。
After removing the mask for selective ion implantation, activation annealing is performed at a temperature of 1300 to 2100 ° C. to electrically activate the p-
次に、図14に示すように、p型ベース領域22、n型ソース領域23およびp型ベースコンタクト用p++領域24を含む炭化珪素エピタキシャル層21の上にチャネル用炭化珪素エピタキシャル追成長層25を積層し、リソグラフィおよびRIE(Relative Ion Etching)技術により、一対のp型ベース領域22の間に露出した炭化珪素エピタキシャル層21が中央に位置し、それぞれのp型ベース領域22およびn型ソース領域23が両端部に位置するような形状にする。あるいは、チャネル用炭化珪素エピタキシャル追成長層25を形成せずに次の工程に進んでも良い。チャネル用炭化珪素エピタキシャル追成長層25を形成した場合、炭化珪素エピタキシャル追成長層25にn型チャネル領域が形成されることになる。
Next, as shown in FIG. 14, channel silicon carbide epitaxial
そして、温度800〜1400℃で表面を熱酸化した後、フッ化水素酸により熱酸化膜を除去し(犠牲酸化プロセス)、炭化珪素層20の表面全面に、ゲート絶縁膜30を形成する。
Then, after the surface is thermally oxidized at a temperature of 800 to 1400 ° C., the thermal oxide film is removed with hydrofluoric acid (sacrificial oxidation process), and the
次に、図15に示すように、熱CVDプロセスにより多結晶シリコン膜40aを不純物ドーピングなしで積層する。あるいは、積層時にIII族軽元素であるAl、B、あるいはGaを含むドーピングガスを導入することでp型多結晶シリコン膜40aを積層してもよい。
Next, as shown in FIG. 15, a
上記工程で、不純物ドーピングなしで多結晶シリコン膜40aを積層した場合には、図16に示すように、p型ドーパントとして、III族軽元素であるB、Al、あるいはGaイオンを多結晶シリコン膜40aに注入する。
なお、p型ドーパントの濃度は1019〜1022cm−3程度にすることが望ましい。
When the
Note that the concentration of the p-type dopant is preferably about 10 19 to 10 22 cm −3 .
次に、図17に示すように、リソグラフィおよびエッチング技術により、一対のp型ベース領域22の間に露出した炭化珪素エピタキシャル層21が絶縁膜30を介して中央に位置し、それぞれのp型ベース領域22およびn型ソース領域23が両端部に位置するような形状に、多結晶シリコン膜40aを成形する。
Next, as shown in FIG. 17, the silicon
そして、温度600〜1100℃で1〜300秒の熱処理を行い、多結晶シリコン膜40aに注入された不純物イオンを多結晶シリコン膜40aの深さ方向、およびゲート絶縁膜30、およびゲート絶縁膜30と炭化珪素層20の界面近傍まで拡散させる。これにより、多結晶シリコン膜40aはp型ゲート電極40になり、更にゲート絶縁膜30と炭化珪素層20の界面近傍まで拡散した不純物イオンは、界面近傍に存在する界面準位をパッシベーションする。
Then, heat treatment is performed at a temperature of 600 to 1100 ° C. for 1 to 300 seconds, and impurity ions implanted into the
ここで、界面近傍とは、界面近傍に存在する界面準位をパッシベーションする効果を得ることができる範囲をいい、具体的には、不純物であるp型ドーパントが前記界面に対して5nm以内の距離に存在することが好ましい。 Here, the vicinity of the interface refers to a range in which the effect of passivating the interface states existing in the vicinity of the interface can be obtained. Specifically, the p-type dopant as an impurity is within a distance of 5 nm or less with respect to the interface. It is preferable that it exists in.
次に、図18に示すように、ソース・ゲート間を電気的に絶縁するための層間絶縁膜70を素子全面に積層する。
Next, as shown in FIG. 18, an
次に、図19に示すように、各n型ソース領域23およびp型ベースコンタクト用p++領域24上のゲート絶縁膜30および層間絶縁膜70をリソグラフィおよびエッチング技術によって除去し、n型ソース領域23およびp型ベースコンタクト用p++領域24を表面に露出させる。
Next, as shown in FIG. 19, the
そして、図19に示すように、表面に露出したn型ソース領域23およびp型ベースコンタクト用p++領域24にNiを積層し、ソース・ベース共通コンタクト電極50を形成する。コンタクト電極用の材料としては、Ti、Al、Mo、Cr、Pt、W、Si、TiC、あるいはこれらの合金を用いても良い。
Then, as shown in FIG. 19, Ni is stacked on the n-
次に、炭化珪素基板10の裏面全面にドレイン電極60を形成する。この後、ソース・ベース共通電極51とドレイン電極60を、接触している炭化珪素と合金化させるために、炭化珪素に対して、温度950〜1000℃、処理時間20〜60秒間、昇温速度10〜25℃/秒の熱処理を行う。これにより、図11に示すような縦型MOSFET200の素子構造の主要部が完成する。
Next,
本実施の形態によれば、多結晶シリコンからなるゲート電極40をIII族軽元素であるB、AlまたはGaのいずれかの不純物をドーピングすることによりp型とし、更に注入ドーパントを熱処理でゲート絶縁膜と炭化珪素半導体層との界面近傍まで拡散させて界面準位のパッシベーションに用いることにより、MOSFETのゲート閾値電圧を十分高く保持しつつチャネル移動度を高くできる。その結果、パワーデバイスとしての安全動作を確保しつつMOSFETのオン抵抗を大きく低減できる。
According to the present embodiment, the
実施の形態3.
実施の形態1および実施の形態2の炭化珪素半導体装置である炭化珪素MOSFETでは、ゲート電極をIII族軽元素であるB、Al、Gaからなるp型ドーパントを含む多結晶シリコンで形成したが、ゲート絶縁膜をボロンリンガラスで形成し、このゲート絶縁膜中に含まれるボロンまたはリンを、炭化珪素層内であってゲート電極直下の炭化珪素層と絶縁膜との界面近傍に拡散させてもよい。
In the silicon carbide MOSFET that is the silicon carbide semiconductor device of the first embodiment and the second embodiment, the gate electrode is formed of polycrystalline silicon containing a p-type dopant composed of B, Al, and Ga that are group III light elements. The gate insulating film is formed of boron phosphorous glass, and boron or phosphorus contained in the gate insulating film may be diffused in the vicinity of the interface between the silicon carbide layer immediately below the gate electrode and the insulating film in the silicon carbide layer. Good.
この場合、ゲート絶縁膜をボロンリンガラスで形成する点、ゲート電極にIII族軽元素からなる不純物を含む必要がない点で実施の形態1および実施の形態2と相違するが、その他の構成および製造方法は、実施の形態1および実施の形態2と同様である。なお、絶縁膜のボロンリンガラスは公知の製造方法を用いて成膜することができる。 In this case, the gate insulating film is formed of boron phosphorous glass, and the gate electrode is different from the first and second embodiments in that the gate electrode does not need to contain an impurity composed of a group III light element. The manufacturing method is the same as in the first and second embodiments. Note that the boron phosphorous glass of the insulating film can be formed using a known manufacturing method.
本実施の形態の構成および製造方法によっても、実施の形態1および実施の形態2と同様に、ゲート閾値電圧を高く保持したまま、チャネル移動度を向上できる炭化珪素MOSFETを容易に得ることができる。 Also according to the configuration and the manufacturing method of the present embodiment, a silicon carbide MOSFET that can improve channel mobility can be easily obtained while maintaining a high gate threshold voltage, as in the first and second embodiments. .
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で様々な変形例や発展例を含むことは言うまでもない。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it goes without saying that various modifications and developments are included within the scope of the technical idea of the present invention.
10 炭化珪素基板、 20 炭化珪素層、 21 炭化珪素エピタキシャル層、 22 p型ベース領域、 23,23a n型ソース領域、 23b n型ドレイン領域、 24 p型ベースコンタクト用p++領域、 25 炭化珪素エピタキシャル追成長層、 30 ゲート絶縁膜、 40 ゲート電極、 50 ソース電極、 51 ソース・ベース共通電極、 60 ドレイン電極、 70 層間絶縁膜、 100,200 炭化珪素MOSFET。 10 silicon carbide substrate, 20 silicon carbide layer, 21 silicon carbide epitaxial layer, 22 p-type base region, 23,23a n-type source region, 23b n-type drain region, 24 p ++ region for p-type base contact, 25 silicon carbide epitaxial Additional growth layer, 30 gate insulating film, 40 gate electrode, 50 source electrode, 51 source / base common electrode, 60 drain electrode, 70 interlayer insulating film, 100,200 silicon carbide MOSFET.
Claims (8)
前記炭化珪素基板上に形成され、エピタキシャル層とイオン注入領域とからなる炭化珪素層と、
前記炭化珪素層上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜を介して、前記炭化珪素層上の所定位置に形成された多結晶シリコンからなるゲート電極とを備え、
前記ゲート電極はB、AlまたはGaのいずれかを不純物として含むとともに、
前記ゲート電極直下の前記炭化珪素層と前記絶縁膜との界面近傍に前記不純物を含むことを特徴とする炭化珪素半導体装置。 A silicon carbide substrate;
A silicon carbide layer formed on the silicon carbide substrate and comprising an epitaxial layer and an ion implantation region;
An insulating film formed on the silicon carbide layer;
A gate electrode made of polycrystalline silicon formed at a predetermined position on the silicon carbide layer via the insulating film;
The gate electrode contains either B, Al or Ga as an impurity,
A silicon carbide semiconductor device comprising the impurity in the vicinity of an interface between the silicon carbide layer immediately below the gate electrode and the insulating film.
前記炭化珪素基板上に形成され、エピタキシャル層とイオン注入領域とからなる炭化珪素層と、
前記炭化珪素層上に形成されたボロンリンガラスからなる絶縁膜と、
前記絶縁膜を介して、前記炭化珪素層上の所定位置に形成されたゲート電極とを備え、
前記炭化珪素層内であって、前記ゲート電極直下の前記炭化珪素層と前記絶縁膜との界面近傍に、前記絶縁膜中のBまたはPを不純物として含むことを特徴とする炭化珪素半導体装置。 A silicon carbide substrate;
A silicon carbide layer formed on the silicon carbide substrate and comprising an epitaxial layer and an ion implantation region;
An insulating film made of boron phosphorous glass formed on the silicon carbide layer;
A gate electrode formed at a predetermined position on the silicon carbide layer via the insulating film,
A silicon carbide semiconductor device comprising B or P in the insulating film as an impurity in the silicon carbide layer and in the vicinity of an interface between the silicon carbide layer and the insulating film directly under the gate electrode.
前記炭化珪素エピタキシャル層内にイオン注入領域を形成する工程と、
前記炭化珪素エピタキシャル層と前記イオン注入領域とからなる炭化珪素層上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜を介して、前記炭化珪素層上の所定位置に、B、AlまたはGaを不純物として含む多結晶シリコンからなるゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極直下の前記炭化珪素層と前記絶縁膜との界面近傍に前記不純物を拡散させる拡散工程と、
前記不純物を活性化するためのアニールを行う工程と
を含む炭化珪素半導体装置の製造方法。 Forming a silicon carbide epitaxial layer on the silicon carbide substrate;
Forming an ion implantation region in the silicon carbide epitaxial layer;
Forming an insulating film on the silicon carbide layer comprising the silicon carbide epitaxial layer and the ion implantation region;
Forming a gate electrode made of polycrystalline silicon containing B, Al or Ga as an impurity at a predetermined position on the silicon carbide layer via the insulating film;
A diffusion step of diffusing the impurities in the vicinity of the interface between the silicon carbide layer and the insulating film directly under the gate electrode;
And a step of performing annealing for activating the impurities.
前記炭化珪素エピタキシャル層内にイオン注入領域を形成する工程と、
前記炭化珪素エピタキシャル層と前記イオン注入領域とからなる前記炭化珪素層上にボロンリンガラスからなる絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜を介して、前記炭化珪素層上の所定位置にゲート電極を形成する工程と、
前記絶縁膜中のBまたはPを、前記炭化珪素層内であって前記絶縁膜と前記炭化珪素層との界面近傍に拡散させる拡散工程と、
前記不純物を活性化するためのアニールを行う工程と
を含む炭化珪素半導体装置の製造方法。 Forming a silicon carbide epitaxial layer on the silicon carbide substrate;
Forming an ion implantation region in the silicon carbide epitaxial layer;
Forming an insulating film made of boron phosphorous glass on the silicon carbide layer made of the silicon carbide epitaxial layer and the ion implantation region;
Forming a gate electrode at a predetermined position on the silicon carbide layer via the insulating film;
A diffusion step of diffusing B or P in the insulating film in the silicon carbide layer and in the vicinity of an interface between the insulating film and the silicon carbide layer;
And a step of performing annealing for activating the impurities.
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