JP2012244083A - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents

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Shiro Hino
史郎 日野
Narihisa Miura
成久 三浦
Akihiko Furukawa
彰彦 古川
Kenichi Otsuka
健一 大塚
Tomokatsu Watanabe
友勝 渡辺
Masayoshi Taruya
政良 多留谷
Takahiro Nakatani
貴洋 中谷
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent the occurrence of leakage current due to a crystal defect, in a semiconductor device having a plurality of second-conductivity-type regions that are selectively formed in a surface portion of a first-conductivity-type semiconductor layer.SOLUTION: A MOSFET is formed using a silicon carbide substrate 10 in which an n-type silicon carbide drift layer 20 is formed on its primary surface. In a top-surface portion of the silicon carbide drift layer 20, a plurality of p-type first well regions 30 are selectively formed. In the region of the silicon carbide drift layer 20 where a basal plane defect exists, an integral p-type second well region 31 is formed in the top-surface portion of the silicon carbide drift layer 20 so as to overlap the first well regions 30.

Description

本発明は半導体装置およびその製造方法に関し、特に、結晶欠陥に起因するリーク電流の低減を図る技術に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more particularly to a technique for reducing leakage current caused by crystal defects.

高耐圧、低損失および高耐熱を実現できる次世代のスイッチング素子として、炭化珪素(SiC)を用いた半導体素子が有望視されており、インバータなどのパワー半導体装置への適用が期待されている。しかし炭化珪素半導体装置には、多くの解決すべき課題が残されている。   Semiconductor elements using silicon carbide (SiC) are promising as next-generation switching elements that can achieve high breakdown voltage, low loss, and high heat resistance, and are expected to be applied to power semiconductor devices such as inverters. However, many problems to be solved remain in the silicon carbide semiconductor device.

炭化珪素は、積層欠陥などの基底面欠陥、すなわち基底面内に形成された結晶欠陥が多いことが知られている。例えば半導体装置のドリフト層内の基底面転位は、ドリフト層内部に形成したpn接合に逆バイアスが印加された状態において、リークパスとなることがある。そのため半導体装置が結晶欠陥を内在すると、オフ状態でも電流を遮断できない不良品となることがあり、歩留まりの低下を招く原因となる。   It is known that silicon carbide has many basal plane defects such as stacking faults, that is, crystal defects formed in the basal plane. For example, basal plane dislocations in the drift layer of a semiconductor device may become a leak path when a reverse bias is applied to a pn junction formed in the drift layer. Therefore, if the semiconductor device has crystal defects, it may be a defective product that cannot cut off current even in the off state, which causes a decrease in yield.

そのため炭化珪素半導体装置の結晶欠陥を含む領域に一定の処理を施すことにより、半導体装置の歩留まりを向上させる技術が各種提案されている(例えば下記の特許文献1,2)。   Therefore, various techniques for improving the yield of the semiconductor device by applying a certain treatment to the region including the crystal defect of the silicon carbide semiconductor device have been proposed (for example, Patent Documents 1 and 2 below).

特開2002−134760号公報JP 2002-134760 A 特開2000−003946号公報JP 2000-003946 A

基底面欠陥は、基底面内に二次元的に形成された結晶欠陥であるため、基底面欠陥に起因するリーク電流が流れる方向は基底面に沿った方向になる。一方、リーク電流を起こす電子および正孔は、印加される電界が大きいほど強く加速されるため、リーク電流経路に平行な電界を抑えることができれば、リーク電流は小さくなる。よって基底面欠陥に起因するリーク電流を低減させるためには、基底面に沿った方向の電界強度を低減させることが有効である。   Since the basal plane defect is a crystal defect formed two-dimensionally within the basal plane, the direction in which the leakage current due to the basal plane defect flows is along the basal plane. On the other hand, electrons and holes that cause leakage current are accelerated more strongly as the applied electric field is larger. Therefore, if the electric field parallel to the leakage current path can be suppressed, the leakage current becomes smaller. Therefore, in order to reduce the leakage current due to the basal plane defect, it is effective to reduce the electric field strength in the direction along the basal plane.

上記の特許文献1では、炭化珪素半導体装置であるショットキーバリアダイオードにおいて、結晶欠陥の1つであるマイクロパイプの影響を抑えるために、基板表面のマイクロパイプ近傍に選択的なイオン注入を行い、マイクロパイプを不活性化している。この方法では基底面欠陥に沿った方向の電界を抑えることは期待できない。   In the above Patent Document 1, in the Schottky barrier diode that is a silicon carbide semiconductor device, in order to suppress the influence of the micropipe that is one of crystal defects, selective ion implantation is performed in the vicinity of the micropipe on the substrate surface, The micropipe is inactivated. This method cannot be expected to suppress the electric field in the direction along the basal plane defect.

また特許文献2の技術は、炭化珪素半導体基板においてリーク電流の要因となる結晶欠陥を検出し、所望の歩留まりが得られないときはそれをMOSデバイスの作成プロセスに流動させない、あるいは検出された結晶欠陥上がゲート酸化膜の形成領域にしないことにより、歩留まりの向上を図るものであり、積極的に結晶欠陥のリーク電流を抑えるものではない。   Further, the technique of Patent Document 2 detects a crystal defect that causes a leakage current in a silicon carbide semiconductor substrate, and if a desired yield cannot be obtained, does not flow it into a MOS device manufacturing process, or detects a detected crystal By not forming the gate oxide film formation region on the defect, the yield is improved, and the leakage current of the crystal defect is not actively suppressed.

本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、第1導電型の半導体層の表面部分に選択的に形成された複数の第2導電型の領域を備える半導体装置において、結晶欠陥に起因するリーク電流の発生を抑えることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and in a semiconductor device including a plurality of second conductivity type regions selectively formed on a surface portion of a first conductivity type semiconductor layer, The object is to suppress the occurrence of leakage current due to crystal defects.

本発明に係る半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板の主面上に形成された第1導電型のドリフト層と、前記ドリフト層の上面部に選択的に離間して形成された第2導電型の複数の第1ウェル領域と、前記ドリフト層の結晶欠陥が存在する領域において、前記結晶欠陥を平面視で包含して当該ドリフト層の上面部に離間せず一体的に形成された第2導電型の第2ウェル領域とを備えるものである。   The semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor substrate, a first conductivity type drift layer formed on a main surface of the semiconductor substrate, and a second selectively formed on the upper surface of the drift layer. A plurality of first well regions of the conductivity type and a region where crystal defects of the drift layer exist are formed integrally with the crystal defects including the crystal defects in plan view without being separated from the upper surface portion of the drift layer. And a second well region of two conductivity types.

本発明によれば、基底面欠陥等の結晶欠陥に起因するリーク電流の発生が抑えられるため、炭化珪素半導体装置の製造における歩留まりの向上およびそれによる低コスト化を図ることができる。   According to the present invention, since the generation of leakage current due to crystal defects such as basal plane defects can be suppressed, it is possible to improve the yield in manufacturing the silicon carbide semiconductor device and reduce the cost.

実施の形態1に係る半導体装置の構成を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to a first embodiment. 実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。FIG. 6 is a process diagram illustrating the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。FIG. 6 is a process diagram illustrating the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。FIG. 6 is a process diagram illustrating the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。FIG. 6 is a process diagram illustrating the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。FIG. 6 is a process diagram illustrating the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。FIG. 6 is a process diagram illustrating the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。FIG. 6 is a process diagram illustrating the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。FIG. 6 is a process diagram illustrating the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 半導体装置の断面構造を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the cross-sectional structure of a semiconductor device. 半導体装置内の電界分布の模式図である。It is a schematic diagram of the electric field distribution in a semiconductor device. 半導体装置内の電位分布のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of the electric potential distribution in a semiconductor device. 半導体基板の表面に対する基底面の角度と基底面方向の電界強度との関係を表すシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result showing the relationship between the angle of the basal plane with respect to the surface of a semiconductor substrate, and the electric field strength of a basal plane direction. 第2ウェル領域の深さと基底面方向の電界強度との関係を表すシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result showing the relationship between the depth of a 2nd well area | region, and the electric field strength of a basal plane direction. 実施の形態2に係る半導体装置の構成を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to a second embodiment. 実施の形態2に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。FIG. 10 is a process diagram illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment.

<実施の形態1>
図1は、実施の形態1に係る炭化珪素半導体装置である縦型MOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)の構成を示す断面図である。以下では、第1導電型をn型、第2導電型をp型と仮定するが、反対に第1導電型をp型、第2導電型をn型としてもよい。
<Embodiment 1>
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a vertical MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) which is a silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment. In the following, it is assumed that the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type, but conversely, the first conductivity type may be p-type and the second conductivity type may be n-type.

図1のように、本実施の形態に係る半導体装置は、4Hのポリタイプを有するn型で低抵抗な炭化珪素の半導体基板(炭化珪素基板)10と、その上面(第1主面)にエピタキシャル成長させたn型の炭化珪素ドリフト層20を備えるエピタキシャル基板を用いて形成されている。炭化珪素基板10は、第1主面の面方位が(0001)面でありc軸方向に対して4°傾斜されている。   As shown in FIG. 1, the semiconductor device according to the present embodiment includes an n-type low-resistance silicon carbide semiconductor substrate (silicon carbide substrate) 10 having a 4H polytype and an upper surface (first main surface) thereof. An epitaxial substrate including an n-type silicon carbide drift layer 20 grown epitaxially is used. Silicon carbide substrate 10 has a (0001) plane as the first principal surface and is inclined 4 ° with respect to the c-axis direction.

炭化珪素ドリフト層20の上面部には、複数のp型の第1ウェル領域30が、互いに離間して(所定の間隔を空けて)周期的に形成されている。第1ウェル領域30は、p型の不純物としてアルミニウム(Al)を含んでおり、炭化珪素ドリフト層20の底面よりも浅く形成される。また、各第1ウェル領域30内の表面部分には、n型のソース領域40が選択的に形成されている。ソース領域40は、n型の不純物として窒素(N)を含んでおり、第1ウェル領域30よりも浅く形成される。   A plurality of p-type first well regions 30 are periodically formed on the upper surface portion of silicon carbide drift layer 20 apart from each other (with a predetermined interval). First well region 30 includes aluminum (Al) as a p-type impurity, and is formed shallower than the bottom surface of silicon carbide drift layer 20. An n-type source region 40 is selectively formed on the surface portion in each first well region 30. The source region 40 contains nitrogen (N) as an n-type impurity and is formed shallower than the first well region 30.

炭化珪素ドリフト層20において、第1ウェル領域30に隣接するn型領域(隣り合う第1ウェル領域30に挟まれた領域)の部分はJFET(Junction Field Effect Transistor)領域と呼ばれ、当該MOSFETのオン動作時の電流経路となる。   In silicon carbide drift layer 20, a portion of an n-type region (region sandwiched between adjacent first well regions 30) adjacent to first well region 30 is called a JFET (Junction Field Effect Transistor) region. Current path during on-operation.

炭化珪素ドリフト層20上には、第1ウェル領域30内のソース領域40とJFET領域とを跨ぐように、酸化珪素のゲート絶縁膜50を介してゲート電極60が延在する。図1のように、ゲート絶縁膜50およびゲート電極60は、隣り合う第1ウェル領域30のソース領域40間に跨って形成されている。よってゲート絶縁膜50およびゲート電極60は、JFET領域上にも延在している。   On the silicon carbide drift layer 20, a gate electrode 60 extends through a gate insulating film 50 of silicon oxide so as to straddle the source region 40 and the JFET region in the first well region 30. As shown in FIG. 1, the gate insulating film 50 and the gate electrode 60 are formed across the source regions 40 of the adjacent first well regions 30. Therefore, the gate insulating film 50 and the gate electrode 60 also extend over the JFET region.

第1ウェル領域30において、ゲート電極60の下方に位置するソース領域40とJFET領域との間の領域は、当該MOSFETのオン動作時に反転層(反転チャネル)が形成されるチャネル領域となる。   In the first well region 30, a region between the source region 40 located below the gate electrode 60 and the JFET region becomes a channel region where an inversion layer (inversion channel) is formed when the MOSFET is turned on.

ゲート絶縁膜50にはソース領域40の上面を露出する開口が設けられており、その内部に、ソース領域40(および第1ウェル領域30の一部)と電気的に接続するソース電極70が形成される。また炭化珪素基板10の下面(第2主面)には、ドレイン電極80が配設される。   An opening exposing the upper surface of the source region 40 is provided in the gate insulating film 50, and a source electrode 70 electrically connected to the source region 40 (and a part of the first well region 30) is formed therein. Is done. A drain electrode 80 is provided on the lower surface (second main surface) of silicon carbide substrate 10.

なお、図示は省略するが、複数の第1ウェル領域30が周期的に並ぶ領域を囲む外周部には、配線領域の確保や素子終端部の耐圧向上を目的として、オン電流が流れない領域(外周領域)が形成される。この外周領域に対し、その内側の複数の第1ウェル領域30が並べて配設される領域は活性領域という。   Although illustration is omitted, an area where no on-current flows in the outer peripheral portion surrounding a region where the plurality of first well regions 30 are periodically arranged for the purpose of securing a wiring region and improving the breakdown voltage of the element termination portion ( Outer peripheral region) is formed. A region where a plurality of first well regions 30 inside the outer peripheral region are arranged side by side is referred to as an active region.

図1においては、炭化珪素ドリフト層20内に存在する基底面欠陥(積層欠陥を含む)が図示されている。同図の如く、本実施の形態の半導体装置は、炭化珪素ドリフト層20の上面部における、平面視で基底面欠陥が存在する領域を含む領域一帯に、p型の第2ウェル領域31が、第1ウェル領域30およびソース領域40に重ねて形成される。つまりp型の第2ウェル領域31は、炭化珪素ドリフト層20における基底面欠陥が存在する領域の上部に、その基底面欠陥を平面視で包含して、離間せず連続的に(一体的に)形成される。第2ウェル領域31は、p型の不純物としてアルミニウム(Al)を含んでおり、後述するように、第1ウェル領域30よりも深いことが望ましい。   In FIG. 1, basal plane defects (including stacking faults) existing in silicon carbide drift layer 20 are shown. As shown in the figure, in the semiconductor device of the present embodiment, the p-type second well region 31 is formed in the entire region including the region where the basal plane defect exists in a plan view on the upper surface portion of the silicon carbide drift layer 20. Overlaid on the first well region 30 and the source region 40. In other words, the p-type second well region 31 includes the basal plane defect in an upper portion of the region where the basal plane defect exists in the silicon carbide drift layer 20 in a plan view, and continuously (integrally) without being separated. )It is formed. The second well region 31 contains aluminum (Al) as a p-type impurity, and is desirably deeper than the first well region 30 as will be described later.

ここで、図1のMOSFETの動作を簡単に説明する。ゲート電極60に閾値電圧以上の正電圧が印加されると、チャネル領域に反転チャネルが形成され、ソース領域40と炭化珪素ドリフト層20(JFET領域)との間に、キャリアである電子が流れる経路ができる。ソース領域40からJFET領域へ流れ込んだ電子は、ドレイン電極80に印加される正電圧により形成される電界に従い、炭化珪素ドリフト層20および炭化珪素基板10を経由してドレイン電極80に到達する。   Here, the operation of the MOSFET of FIG. 1 will be briefly described. When a positive voltage equal to or higher than the threshold voltage is applied to gate electrode 60, an inverted channel is formed in the channel region, and a path through which electrons serving as carriers flow between source region 40 and silicon carbide drift layer 20 (JFET region). Can do. Electrons flowing from the source region 40 to the JFET region reach the drain electrode 80 via the silicon carbide drift layer 20 and the silicon carbide substrate 10 according to an electric field formed by a positive voltage applied to the drain electrode 80.

つまり当該MOSFETは、ゲート電極60に閾値以上の正電圧が印加されたときに、ドレイン電極80からソース電極70に電流を流すことができる。この状態がオン状態であり、そのとき流れる電流がオン電流である。但し、本実施の形態のMOSFETでは、第2ウェル領域31が形成された部分にはオン電流は流れない。   That is, the MOSFET can pass a current from the drain electrode 80 to the source electrode 70 when a positive voltage higher than the threshold is applied to the gate electrode 60. This state is the on state, and the current flowing at that time is the on current. However, in the MOSFET of the present embodiment, no on-current flows through the portion where the second well region 31 is formed.

一方、ゲート電極60に閾値電圧以下の電圧が印加されると、チャネル領域には反転チャネルが形成されず、ドレイン電極80からソース電極70へ電流は流れない。この状態がオフ状態である。このとき、ドレイン電極80に印加される正電圧が作用して、炭化珪素ドリフト層20と第1ウェル領域30との間のpn接合から空乏層が伸びる。また、第2ウェル領域31が形成された部分では、第1ウェル領域30および第2ウェル領域31と、炭化珪素ドリフト層20の間のpn接合から空乏層が伸びる。   On the other hand, when a voltage lower than the threshold voltage is applied to the gate electrode 60, an inversion channel is not formed in the channel region, and no current flows from the drain electrode 80 to the source electrode 70. This state is an off state. At this time, a positive voltage applied to drain electrode 80 acts, and a depletion layer extends from the pn junction between silicon carbide drift layer 20 and first well region 30. In the portion where second well region 31 is formed, the depletion layer extends from the pn junction between first well region 30 and second well region 31 and silicon carbide drift layer 20.

続いて、図1のMOSFETの製造方法について説明する。図2〜図9はその工程を示す断面模式図である。   Next, a method for manufacturing the MOSFET of FIG. 1 will be described. 2 to 9 are schematic sectional views showing the process.

まず、第1主面の面方位が(0001)面であり、4Hのポリタイプを有するn型で低抵抗の炭化珪素基板10を用意する。そしてその上面に化学気相堆積(Chemical Vapor Deposition:CVD)法により、n型の炭化珪素ドリフト層20をエピタキシャル成長させる(図2)。炭化珪素ドリフト層20におけるn型不純物の濃度は1×1015cm-3〜1×1017cm-3程度、厚さは5〜50μm程度とする。 First, an n-type low-resistance silicon carbide substrate 10 having a plane direction of the first main surface of (0001) plane and a 4H polytype is prepared. Then, n-type silicon carbide drift layer 20 is epitaxially grown on the upper surface by chemical vapor deposition (CVD) (FIG. 2). The silicon carbide drift layer 20 has an n-type impurity concentration of about 1 × 10 15 cm −3 to 1 × 10 17 cm −3 and a thickness of about 5 to 50 μm.

次に、炭化珪素ドリフト層20内に存在する基底面欠陥のウェハ内の位置を特定するために、結晶欠陥検査を行う。結晶欠陥検査の手法としては、例えば、微分干渉顕微鏡を含む光学顕微鏡、共焦点顕微鏡検査、レーザ顕微鏡、フォトルミネッセンス測定、FT−IR(Fourier Transform Infrared Spectrophotometer)測定、X線回折などが広く知られており、本発明ではいずれを採用してもよい。   Next, in order to identify the position of the basal plane defect existing in the silicon carbide drift layer 20 in the wafer, a crystal defect inspection is performed. As a method for inspecting crystal defects, for example, an optical microscope including a differential interference microscope, a confocal microscope inspection, a laser microscope, a photoluminescence measurement, an FT-IR (Fourier Transform Infrared Spectrophotometer) measurement, an X-ray diffraction and the like are widely known. Any of these may be employed in the present invention.

その後、フォトリソグラフィ技術を用いて、炭化珪素ドリフト層20上に、第1ウェル領域30の形成領域上が開口された第1注入マスク100を形成する。すなわち炭化珪素ドリフト層20の上面にポジ型のフォトレジストを塗布し、第1ウェル領域30の形成領域を開口したパターンのフォトマスクを用いて露光した後、現像処理を行うことによって第1注入マスク100が形成される。   Thereafter, the first implantation mask 100 having an opening on the formation region of the first well region 30 is formed on the silicon carbide drift layer 20 by using a photolithography technique. That is, a positive photoresist is applied to the upper surface of the silicon carbide drift layer 20, and the first well mask 30 is exposed by using a photomask having a pattern in which the formation region of the first well region 30 is opened, and then subjected to a development process, thereby performing the first implantation mask. 100 is formed.

そして第1注入マスク100をマスクに用いて、p型の不純物であるAlを炭化珪素ドリフト層20へ選択的にイオン注入し、第1ウェル領域30を形成する(図3)。このときAlのイオン注入の深さは、炭化珪素ドリフト層20の厚さを超えない範囲で、0.5〜3μm程度とする。またイオン注入された不純物としてのAlの濃度は、1×1017cm-3〜1×1019cm-3の範囲で、炭化珪素ドリフト層20のn型不純物の濃度より高くする。 Then, using the first implantation mask 100 as a mask, Al, which is a p-type impurity, is selectively ion implanted into the silicon carbide drift layer 20 to form the first well region 30 (FIG. 3). At this time, the depth of ion implantation of Al is about 0.5 to 3 μm within a range not exceeding the thickness of the silicon carbide drift layer 20. Further, the concentration of Al as the ion-implanted impurity is higher than the concentration of the n-type impurity of the silicon carbide drift layer 20 in the range of 1 × 10 17 cm −3 to 1 × 10 19 cm −3 .

第1注入マスク100を除去後、第2ウェル領域31の形成領域、すなわち上記の欠陥検査によって基底面欠陥が検出された領域を開口した第2注入マスク101を形成する。第2注入マスク101は、炭化珪素ドリフト層20の上面にポジ型のフォトレジストを塗布し、平面視で基底面欠陥が存在する位置に対して選択的に紫外線を照射してフォトレジストの一部を感光させた後、現像処理を行うことによって形成可能である。   After the removal of the first implantation mask 100, a second implantation mask 101 having an opening in the formation region of the second well region 31, that is, the region where the basal plane defect is detected by the defect inspection is formed. The second implantation mask 101 is formed by applying a positive photoresist on the upper surface of the silicon carbide drift layer 20 and selectively irradiating the position where the basal plane defect exists in a plan view with a part of the photoresist. The film can be formed by performing a development process after exposing the film.

そして第2注入マスク101をマスクに用いて、p型の不純物であるAlを炭化珪素ドリフト層20へ選択的にイオン注入し、第2ウェル領域31を形成する(図4)。このときAlのイオン注入の深さは、第1ウェル領域30形成時にイオン注入したAlに対し、さらに0.1μm以上深く、且つ、その3倍以下の深さであることが望ましい。またイオン注入されたAlの不純物濃度は、1×1017cm-3〜1×1019cm-3の範囲で、炭化珪素ドリフト層20のn型不純物濃度より高いものとし、より望ましくは、第1ウェル領域30を形成するためにイオン注入したAlと同じ濃度とする。 Then, using second implantation mask 101 as a mask, Al, which is a p-type impurity, is selectively ion implanted into silicon carbide drift layer 20 to form second well region 31 (FIG. 4). At this time, the depth of ion implantation of Al is desirably 0.1 μm or more and 3 times or less deeper than that of Al implanted at the time of forming the first well region 30. The impurity concentration of the ion-implanted Al is in the range of 1 × 10 17 cm −3 to 1 × 10 19 cm −3 and higher than the n-type impurity concentration of the silicon carbide drift layer 20, more preferably The concentration is the same as that of Al ion-implanted to form the 1-well region 30.

基底面方向(基底面に沿った方向)が、炭化珪素ドリフト層20の主面に対して完全に垂直な場合を除き、基底面欠陥は炭化珪素ドリフト層20内に有限の広がりを持っている。第2ウェル領域31の形成領域は、平面視で基底面欠陥を完全に包含することが好ましい。図4の工程から分かるように、第2ウェル領域31の広さは、第2注入マスク101の設けられる開口の大きさで決まる。よって、機械的誤差による露光位置のずれを補償するために、フォトレジストに紫外線を照射する段階で基底面欠陥の外側に0.1μm以上のマージンをとって、第2注入マスク101の開口を形成することが好ましい。   Except for the case where the basal plane direction (the direction along the basal plane) is completely perpendicular to the main surface of silicon carbide drift layer 20, the basal plane defects have a finite extent in silicon carbide drift layer 20. . The formation region of the second well region 31 preferably completely includes the basal plane defect in plan view. As can be seen from the process of FIG. 4, the width of the second well region 31 is determined by the size of the opening in which the second implantation mask 101 is provided. Therefore, in order to compensate for the deviation of the exposure position due to a mechanical error, an opening of the second implantation mask 101 is formed with a margin of 0.1 μm or more outside the basal plane defect at the stage of irradiating the photoresist with ultraviolet rays. It is preferable to do.

第2注入マスク101を除去後、炭化珪素ドリフト層20上に、フォトリソグラフィ時術を用いてソース領域40の形成領域を開口した第3注入マスク102を形成する。そして第3注入マスク102をマスクに用い、n型の不純物である窒素(N)をイオン注入して、ソース領域40を形成する(図5)。このときNのイオン注入深さは、第1ウェル領域30の厚さよりも浅くする。また、イオン注入したNの不純物濃度は、1×1018cm-3〜1×1021cm-3の範囲で、第1ウェル領域30のp型不純物濃度を超えるものとする。 After removing the second implantation mask 101, a third implantation mask 102 having an opening in the formation region of the source region 40 is formed on the silicon carbide drift layer 20 using photolithography. Then, using the third implantation mask 102 as a mask, nitrogen (N) which is an n-type impurity is ion-implanted to form the source region 40 (FIG. 5). At this time, the N ion implantation depth is made shallower than the thickness of the first well region 30. The impurity concentration of the ion-implanted N is in the range of 1 × 10 18 cm −3 to 1 × 10 21 cm −3 and exceeds the p-type impurity concentration of the first well region 30.

第3注入マスク102を除去した後(図6)、熱処理装置を用いて、アルゴン(Ar)ガスなどの不活性ガス雰囲気中での1300〜1900℃、30秒〜1時間のアニールを行う。このアニールにより、イオン注入されたN、Alが活性化する。   After removing the third implantation mask 102 (FIG. 6), annealing is performed in an inert gas atmosphere such as argon (Ar) gas at 1300 to 1900 ° C. for 30 seconds to 1 hour using a heat treatment apparatus. By this annealing, ion-implanted N and Al are activated.

その後、炭化珪素ドリフト層20の上面を熱酸化して所定の厚さのゲート絶縁膜50を形成する(図7)。ゲート絶縁膜50の上に、導電性の多結晶珪素膜を減圧CVD法により形成し、これをパターニングすることによりゲート電極60を形成する(図8)。そして、ゲート絶縁膜50にソース領域40上に達する開口を形成し、その内部にソース領域40の一部に接続するソース電極70を形成する(図9)。さらに、炭化珪素基板10の下面にドレイン電極80を形成することにより、図1のMOSFETの構造が完成する。ソース電極70およびドレイン電極80となる材料としてはAl合金などが挙げられる。   Thereafter, the upper surface of silicon carbide drift layer 20 is thermally oxidized to form gate insulating film 50 having a predetermined thickness (FIG. 7). A conductive polycrystalline silicon film is formed on the gate insulating film 50 by a low pressure CVD method and patterned to form a gate electrode 60 (FIG. 8). Then, an opening reaching the source region 40 is formed in the gate insulating film 50, and a source electrode 70 connected to a part of the source region 40 is formed therein (FIG. 9). Further, by forming drain electrode 80 on the lower surface of silicon carbide substrate 10, the structure of the MOSFET of FIG. 1 is completed. Examples of the material for the source electrode 70 and the drain electrode 80 include an Al alloy.

なお上記の説明では、炭化珪素ドリフト層20に対する各種のイオン注入により、第1ウェル領域30、第2ウェル領域31、ソース領域40をこの順に形成したが、それらの形成順は任意でよい。   In the above description, the first well region 30, the second well region 31, and the source region 40 are formed in this order by various ion implantations into the silicon carbide drift layer 20, but the formation order thereof may be arbitrary.

本発明の効果について説明する。先に述べたように、基底面欠陥は、基底面内に二次元的に形成された結晶欠陥であるため、オフ状態でリーク電流が流れる方向も基底面内の方向になる。一方、リーク電流を起こす電子および正孔は、印加される電界が大きいほど強く加速されるため、リーク電流経路に平行な電界を抑えることができれば、リーク電流は小さくなる。よって基底面欠陥に起因するリーク電流を低減させるためには、基底面に沿った方向(基底面方向)の電界強度を低減させることが有効である。本発明者らはこの特性に注目して本発明をするに至った。   The effect of the present invention will be described. As described above, since the basal plane defect is a crystal defect formed two-dimensionally in the basal plane, the direction in which the leakage current flows in the off state is also the direction in the basal plane. On the other hand, electrons and holes that cause leakage current are accelerated more strongly as the applied electric field is larger. Therefore, if the electric field parallel to the leakage current path can be suppressed, the leakage current becomes smaller. Therefore, in order to reduce the leakage current caused by the basal plane defect, it is effective to reduce the electric field strength in the direction along the basal plane (base plane direction). The inventors of the present invention have made the present invention paying attention to this characteristic.

図10(a),(b)は、MOSFETの断面構造を模式的に示す図である。本発明の効果(リーク電流の低減)は、主にMOSFETがオフ状態のときに得られるため、ここではソース領域40などオフ状態の電界分布に影響を及ぼさない要素を省略し、オフ状態のMOSFETの構成を簡略化して再現する。   10A and 10B are diagrams schematically showing a cross-sectional structure of the MOSFET. Since the effect of the present invention (reduction of leakage current) is obtained mainly when the MOSFET is in the off state, elements that do not affect the off-state electric field distribution such as the source region 40 are omitted here, and the off-state MOSFET is omitted. The structure of is simplified and reproduced.

図10(a)に示す構造Aは、炭化珪素基板10上の炭化珪素ドリフト層20に、第1ウェル領域30のみが形成された、従来構造のMOSFETに相当する。図10(b)に示す構造Bは、炭化珪素基板10上の炭化珪素ドリフト層20に、複数の第1ウェル領域30とそれらに跨る一体的な第2ウェル領域31が形成された、本実施の形態のMOSFETに相当する。   Structure A shown in FIG. 10A corresponds to a MOSFET having a conventional structure in which only the first well region 30 is formed in the silicon carbide drift layer 20 on the silicon carbide substrate 10. In the structure B shown in FIG. 10B, the silicon carbide drift layer 20 on the silicon carbide substrate 10 is formed with a plurality of first well regions 30 and an integral second well region 31 straddling them. This corresponds to the MOSFET of the form.

ここでも図1と同様に、炭化珪素基板10および炭化珪素ドリフト層20はn型、第1ウェル領域30および第2ウェル領域31はp型とする。また以下の説明では、炭化珪素基板10の上面(第1主面)に垂直な方向を「上方向」、下面(第2主面)に垂直な方向を「下方向」、ある第1ウェル領域30からそれに隣り合う他の第1ウェル領域30へ向かう方向を「横方向」と称している。   Here, similarly to FIG. 1, silicon carbide substrate 10 and silicon carbide drift layer 20 are n-type, and first well region 30 and second well region 31 are p-type. In the following description, a direction perpendicular to the upper surface (first main surface) of silicon carbide substrate 10 is “upward”, and a direction perpendicular to the lower surface (second main surface) is “downward”. The direction from 30 to the other first well region 30 adjacent thereto is referred to as a “lateral direction”.

図11(a),(b)は、構造A,Bを有するMOSFETそれぞれのオフ状態において、炭化珪素ドリフト層20内の第1ウェル領域30およびその周辺に発生する電界の向きを示す図である。   FIGS. 11A and 11B are diagrams showing directions of electric fields generated in the first well region 30 in the silicon carbide drift layer 20 and its periphery in the OFF state of the MOSFETs having the structures A and B, respectively. .

構造AのMOSFETのオフ状態では、炭化珪素ドリフト層20(JFET領域を含む)は空乏化し、その部分にはドナーイオンに相当する正の空間電荷が発生する。一方、第1ウェル領域30は炭化珪素ドリフト層20よりも不純物濃度が高いため、第1ウェル領域30では炭化珪素ドリフト層20に近い外周部だけが空乏化し、その部分にアクセプタイオンに相当する負の空間電荷が発生する。これら正の空間電荷と負の空間電荷とを結ぶように電気力線が形成され、その密度に応じた電界が図11(a)の矢印の向きに生じる。   In the OFF state of the MOSFET of structure A, silicon carbide drift layer 20 (including the JFET region) is depleted, and positive space charges corresponding to donor ions are generated in that portion. On the other hand, since first well region 30 has a higher impurity concentration than silicon carbide drift layer 20, only the outer peripheral portion close to silicon carbide drift layer 20 is depleted in first well region 30, and a negative electrode corresponding to acceptor ions is present in that portion. The space charge is generated. Electric lines of force are formed so as to connect these positive space charges and negative space charges, and an electric field corresponding to the density is generated in the direction of the arrow in FIG.

炭化珪素ドリフト層20において、第1ウェル領域30の下の領域で発生したドナーイオンから生じる電気力線は、直上の第1ウェル領域30内に発生したアクセプタイオンで終端するため、第1ウェル領域30の下で発生する殆どの電界の向きは上方向である。一方、炭化珪素ドリフト層20のうちJFET領域およびその下の領域では、直上に第1ウェル領域30が存在しないため、その部分にドナーイオンから生じる電気力線は、そこから近い第1ウェル領域30内に発生したアクセプタイオンで終端する。そのため構造Aでは、図11(a)に示すように横方向の電界成分も多く発生する。   In silicon carbide drift layer 20, the lines of electric force generated from donor ions generated in the region below first well region 30 are terminated by acceptor ions generated in first well region 30 immediately above, so that the first well region The direction of most electric fields generated under 30 is upward. On the other hand, the first well region 30 does not exist immediately above the JFET region and the region below it in the silicon carbide drift layer 20, and therefore the electric lines of force generated from donor ions in the portion are close to the first well region 30. Terminate with acceptor ions generated inside. For this reason, in the structure A, as shown in FIG.

構造BのMOSFETでは、隣り合う第1ウェル領域30の間に跨って第2ウェル領域31が形成されているため、その部分にJFET領域が存在しない。また構造Bでは、第2ウェル領域31が一様に形成されているため、炭化珪素ドリフト層20内に発生したドナーイオンから生じる電気力線は、その直上にある第2ウェル領域31中のアクセプタイオンで終端する。従って構造Bの炭化珪素ドリフト層20においては、図11(b)のように上方向の電界のみが生じる。つまり構造Bでは、横方向の電界成分は発生しない。   In the MOSFET having the structure B, since the second well region 31 is formed between the adjacent first well regions 30, there is no JFET region in that portion. In structure B, since second well region 31 is formed uniformly, the electric lines of force generated from the donor ions generated in silicon carbide drift layer 20 are the acceptors in second well region 31 immediately above it. Terminate with ions. Accordingly, in the silicon carbide drift layer 20 having the structure B, only an upward electric field is generated as shown in FIG. That is, in the structure B, no horizontal electric field component is generated.

本発明者等は、上記の構造A,Bのそれぞれについて、有限要素法による二次元デバイスシミュレーションを用いて内部の電界分布を算出した。当該シミュレーションでは、構造A,Bの両方において、炭化珪素ドリフト層20は、ドナー濃度が1×1016cm-3、膜厚が10μmであると仮定した。また構造A,Bの両方において、第1ウェル領域30は、アクセプタ濃度が1×1018cm-3、深さが0.8μmであり、炭化珪素ドリフト層20の上部に4μmの間隔で2つ配置されているものと仮定した。 The inventors calculated the internal electric field distribution for each of the structures A and B using a two-dimensional device simulation by the finite element method. In the simulation, the silicon carbide drift layer 20 is assumed to have a donor concentration of 1 × 10 16 cm −3 and a film thickness of 10 μm in both structures A and B. In both structures A and B, the first well region 30 has an acceptor concentration of 1 × 10 18 cm −3 and a depth of 0.8 μm, and two first well regions 30 are formed at an interval of 4 μm above the silicon carbide drift layer 20. It was assumed that it was placed.

さらに構造Bに設けられる第2ウェル領域31は、2つの第1ウェル領域30を包含し(すなわち第2ウェル領域31は第1ウェル領域30よりも厚い)、アクセプタ濃度が1×1018cm-3、深さが1.0μmであると仮定した。なお、第1ウェル領域30と第2ウェル領域31が重複する領域の不純物濃度は、それら単独の不純物濃度の和と仮定した。またMOSFETのオフ状態を想定し、構造A,Bのそれぞれに1000Vの逆バイアスが印加されているものと仮定した。 Further, the second well region 31 provided in the structure B includes two first well regions 30 (that is, the second well region 31 is thicker than the first well region 30), and the acceptor concentration is 1 × 10 18 cm −. 3. The depth was assumed to be 1.0 μm. It is assumed that the impurity concentration of the region where the first well region 30 and the second well region 31 overlap is the sum of the single impurity concentrations. Further, assuming that the MOSFET is in an off state, it is assumed that a reverse bias of 1000 V is applied to each of the structures A and B.

図12(a),(b)は、そのシミュレーション結果であり、それぞれ構造A,Bに1000Vの逆バイアスが印加されたときの電位分布の計算結果を示している。同図において、電位分布は50V刻みの等電位線で示している。図12(a)に示すように、構造Aでは第1ウェル領域30の周辺で等電位線が曲がり、様々な方向の電界を有していることが分かる。また図12(b)に示すように、構造Bでは全域に渡って等電位線がほぼ水平であり、横方向の電界が生じていないことが分かる。   FIGS. 12A and 12B show the simulation results, and show the calculation results of the potential distribution when a reverse bias of 1000 V is applied to the structures A and B, respectively. In the figure, the potential distribution is indicated by equipotential lines in increments of 50V. As shown in FIG. 12A, in the structure A, it can be seen that equipotential lines are bent around the first well region 30 and have electric fields in various directions. Further, as shown in FIG. 12B, it can be seen that in the structure B, the equipotential lines are almost horizontal over the entire region, and no electric field in the lateral direction is generated.

ここで構造A,Bにおける炭化珪素ドリフト層20内の基底面が、図10の断面に垂直であり、且つ炭化珪素基板10の上面に対してθの角度を成していると仮定する。すなわち炭化珪素基板10の上面が、炭化珪素のc面からθだけ傾斜した面であると仮定する。図13は、この仮定のもと、構造A,Bそれぞれの炭化珪素ドリフト層20の全体(第1ウェル領域30および第2ウェル領域31中も含む)における基底面方向の電界強度の最大値(最大電界強度)並びにそれらの比と、角度θとの関係を示している。なお図13では、構造A,Bのそれぞれに1000Vの逆バイアスが印加された状態を仮定している。   Here, it is assumed that the basal plane in silicon carbide drift layer 20 in structures A and B is perpendicular to the cross section of FIG. 10 and forms an angle θ with respect to the upper surface of silicon carbide substrate 10. That is, it is assumed that the upper surface of silicon carbide substrate 10 is a surface inclined by θ from the c-plane of silicon carbide. FIG. 13 shows the maximum value of the electric field strength in the basal plane direction in the entire silicon carbide drift layer 20 of each of the structures A and B (including the first well region 30 and the second well region 31) under this assumption. The relationship between the maximum electric field strength) and the ratio thereof and the angle θ is shown. In FIG. 13, it is assumed that a reverse bias of 1000 V is applied to each of the structures A and B.

図13から分かるように、θがいずれの値になっても、基底面方向の最大電界強度は構造Aよりも構造Bの方が小さいことが分かる。またそれらの比のグラフから分かるように、特にθが8°以下になると、基底面方向の最大電界強度が構造Bにおいて劇的に減少することが分かる。この結果は、基底面欠陥が存在する場合に、構造Bでは構造Aに比較してリーク電流が抑制されることを意味している。   As can be seen from FIG. 13, regardless of the value of θ, the maximum electric field strength in the basal plane direction is smaller in the structure B than in the structure A. Further, as can be seen from the graph of their ratio, it can be seen that the maximum electric field strength in the basal plane direction decreases dramatically in the structure B especially when θ is 8 ° or less. This result means that the leakage current is suppressed in the structure B compared to the structure A when the basal plane defect exists.

図14は、構造Bに対する上記の二次元シミュレーションにおいて、第2ウェル領域31の深さのみを0.2μm〜1.2μmの間で変化させた場合の、基底面方向の最大電界強度の変化を示している。第2ウェル領域31の深さが0.0μmに相当するプロットは、第2ウェル領域31が存在しない構造Aに相当する。第2ウェル領域31の深さがいずれの値になっても、基底面方向の電界強度の最大値は、第2ウェル領域31が存在しない場合よりも低減されることが分かる。   FIG. 14 shows the change in the maximum electric field strength in the basal plane direction when only the depth of the second well region 31 is changed between 0.2 μm and 1.2 μm in the above two-dimensional simulation for the structure B. Show. A plot in which the depth of the second well region 31 corresponds to 0.0 μm corresponds to the structure A in which the second well region 31 does not exist. It can be seen that the maximum value of the electric field strength in the basal plane direction is reduced as compared with the case where the second well region 31 does not exist, regardless of the value of the depth of the second well region 31.

また、第2ウェル領域31の深さが第1ウェル領域30の深さ(0.8μm)よりも深くなると、基底面方向の電界強度が最も低減されることが分かる。これは第2ウェル領域31の底の位置を第1ウェル領域30の底の位置よりも深くすることで、炭化珪素ドリフト層20と第2ウェル領域31との間のpn接合から第2ウェル領域31の内部へ伸びる空乏層が、第1ウェル領域30に届かなくなり、横方向の電界成分が完全に無くなるためである。このことから、第2ウェル領域31の深さは第1ウェル領域30よりも深いことが望ましい。   It can also be seen that when the depth of the second well region 31 is deeper than the depth of the first well region 30 (0.8 μm), the electric field strength in the basal plane direction is most reduced. This is because the bottom position of the second well region 31 is made deeper than the bottom position of the first well region 30, so that the second well region is separated from the pn junction between the silicon carbide drift layer 20 and the second well region 31. This is because the depletion layer extending to the inside of 31 does not reach the first well region 30 and the electric field component in the lateral direction is completely eliminated. Therefore, it is desirable that the depth of the second well region 31 is deeper than that of the first well region 30.

この深さの関係についてより詳細に検討する。第2ウェル領域31と炭化珪素ドリフト層20との間に形成されるpn接合面から、第2ウェル領域31の内部に電界が入り込む深さdは、次の式(1)で表される。
d={2ε0εs(VD+φbi)}/qNA …式(1)
この式において、ε0は真空の誘電率、εsは炭化珪素の比誘電率、VDはドレインの電圧、φbiはpn接合の拡散電位、qは素電荷、NAは第2ウェル領域31のアクセプタ濃度である。
This depth relationship will be examined in more detail. The depth d at which the electric field enters the second well region 31 from the pn junction surface formed between the second well region 31 and the silicon carbide drift layer 20 is expressed by the following equation (1).
d = {2ε 0 ε s (V D + φ bi )} / qN A Formula (1)
In this equation, ε 0 is the dielectric constant of vacuum, ε s is the relative dielectric constant of silicon carbide, V D is the drain voltage, φ bi is the diffusion potential of the pn junction, q is the elementary charge, and N A is the second well region. An acceptor concentration of 31.

つまり第2ウェル領域31の深さを、第1ウェル領域30の深さよりも式(1)で求まるd以上に深くすれば、空乏層が第1ウェル領域30に届かなくなり、第2ウェル領域31の下方での横方向の電界成分を最小にすることができる。例えば、NAが1×1018cm-3、VDが600Vであれば、dは0.08μmとなる。 That is, if the depth of the second well region 31 is made deeper than the depth of the first well region 30 by d or more determined by the equation (1), the depletion layer does not reach the first well region 30, and the second well region 31. The electric field component in the lateral direction below can be minimized. For example, if N A is 1 × 10 18 cm −3 and V D is 600 V, d is 0.08 μm.

なお図10(b)に示した構造Bでは、炭化珪素ドリフト層20の上面部の全体に第2ウェル領域31が形成されているが、これはシミュレーションの便宜のためである。実際には図1のように、第2ウェル領域31は、基底面欠陥が存在する領域に局所的に形成される。第2ウェル領域31が形成された領域では、オン電流の経路となるJFET領域が無くなりオン抵抗が流れないので、炭化珪素ドリフト層20の全面に第2ウェル領域31が形成されると、スイッチング素子として機能しなくなるからである。   In the structure B shown in FIG. 10B, the second well region 31 is formed on the entire upper surface portion of the silicon carbide drift layer 20 for the convenience of simulation. Actually, as shown in FIG. 1, the second well region 31 is locally formed in a region where a basal plane defect exists. In the region where the second well region 31 is formed, the JFET region serving as an on-current path disappears and the on-resistance does not flow. Therefore, when the second well region 31 is formed on the entire surface of the silicon carbide drift layer 20, the switching element It will not function as.

またオン抵抗低減の観点から、電流経路の面積は広いことが望ましいため、第2ウェル領域31の形成領域の面積はできるだけ小さいことが好ましい。従って第2ウェル領域31は、基底面欠陥が存在する領域のみに形成されることが望ましい。本発明の実施にあたり、第2ウェル領域31の形成に先立って、炭化珪素ドリフト層20に対する結晶欠陥検査を行い、基底面欠陥の位置を特定するのはこのためである。   Further, from the viewpoint of reducing the on-resistance, it is desirable that the area of the current path is wide, so that the area of the formation region of the second well region 31 is preferably as small as possible. Therefore, it is desirable that the second well region 31 is formed only in a region where a basal plane defect exists. This is why the crystal defect inspection is performed on the silicon carbide drift layer 20 and the position of the basal plane defect is specified prior to the formation of the second well region 31 in the practice of the present invention.

以上のように本実施の形態によれば、炭化珪素ドリフト層20の基底面欠陥が存在する領域に第2ウェル領域31が形成されることにより、基底面欠陥に沿った方向の電界成分の発生が抑制される。従って、基底面欠陥に起因するリーク電流の発生が抑えられ、炭化珪素半導体装置の製造における歩留まりの向上およびそれによる低コスト化を図ることができる。   As described above, according to the present embodiment, the second well region 31 is formed in the region of the silicon carbide drift layer 20 where the basal plane defect exists, thereby generating an electric field component in the direction along the basal plane defect. Is suppressed. Therefore, the occurrence of leakage current due to the basal plane defects can be suppressed, and the yield in the manufacture of the silicon carbide semiconductor device can be improved and the cost can be reduced accordingly.

<実施の形態2>
図3および図4を用いて説明したように、実施の形態1では、炭化珪素ドリフト層20における基底面欠陥が存在する領域の上面部一帯に形成するp型不純物領域(第2ウェル領域31)を、第1ウェル領域30とは別の工程で形成した。本実施の形態では、それらを同時に形成する手法を示す。
<Embodiment 2>
As described with reference to FIGS. 3 and 4, in the first embodiment, the p-type impurity region (second well region 31) formed in the entire upper surface portion of the region where the basal plane defect exists in silicon carbide drift layer 20 Was formed in a process separate from the first well region 30. In this embodiment, a method for forming them simultaneously will be described.

図15は、実施の形態2に係る炭化珪素半導体装置である縦型MOSFETの構成を示す断面図である。同図において、図1に示したものと同様の機能を有する要素には同一符号を付してあるので、それらの説明は省略する。   FIG. 15 is a cross sectional view showing a configuration of a vertical MOSFET which is a silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment. In the figure, elements having the same functions as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

図15のMOSFETは、炭化珪素ドリフト層20における基底面欠陥が存在する領域の上面部一帯に、第1ウェル領域30の形成と同じイオン注入で形成された第3ウェル領域32が形成されている点で、図1の構成とは異なっている。すなわち第3ウェル領域32は、第1ウェル領域30に重ねて形成されたものではなく、第1ウェル領域30と同時に形成されたものである。そのため第3ウェル領域32の深さ(厚さ)や不純物濃度等は、第1ウェル領域30と同じになっている。   In the MOSFET of FIG. 15, the third well region 32 formed by the same ion implantation as the formation of the first well region 30 is formed in the entire upper surface portion of the region where the basal plane defect exists in the silicon carbide drift layer 20. This is different from the configuration of FIG. That is, the third well region 32 is not formed over the first well region 30 but is formed simultaneously with the first well region 30. Therefore, the depth (thickness), impurity concentration, etc. of the third well region 32 are the same as those of the first well region 30.

本実施の形態のMOSFETの製造方法を説明する。まず実施の形態1と同様の手順により、炭化珪素基板10上に炭化珪素ドリフト層20を形成し、結晶欠陥検査によって炭化珪素ドリフト層20内に存在する基底面欠陥のウェハ内の位置を特定する。   A method for manufacturing the MOSFET according to the present embodiment will be described. First, silicon carbide drift layer 20 is formed on silicon carbide substrate 10 by the same procedure as in the first embodiment, and the position of the basal plane defect existing in silicon carbide drift layer 20 in the wafer is specified by crystal defect inspection. .

続いて炭化珪素ドリフト層20の上面にポジ型のフォトレジストを塗布し、第1ウェル領域30の形成領域が開口されたパターンのフォトマスクを用いて露光する。このフォトマスクは、実施の形態1と同様に、基底面欠陥が存在する領域を含む全体に、第1ウェル領域30のパターンが周期的に形成されたものを用いる。   Subsequently, a positive type photoresist is applied to the upper surface of the silicon carbide drift layer 20 and exposed using a photomask having a pattern in which the formation region of the first well region 30 is opened. As in the first embodiment, this photomask uses a pattern in which the pattern of the first well region 30 is periodically formed over the entire region including the region where the basal plane defects exist.

実施の形態1ではここで現像処理を行ったが、本実施の形態では現像処理の前に、基底面欠陥が存在する領域に対して選択的に紫外線を照射し、その部分のフォトレジストを感光させる。そして現像処理を行うと、図16のように、第1ウェル領域30の形成領域と第3ウェル領域32の形成領域(基底面欠陥が存在する領域)の両方が開口された第4注入マスク103が形成される。すなわち第4注入マスク103の開口パターンは、第1ウェル領域30の形成領域と第3ウェル領域32の形成領域の論理和となる。また必要に応じて第4注入マスク103に対するレジストベークを施してもよい。   In the first embodiment, the development process is performed here. However, in this embodiment, before the development process, the region where the basal plane defect exists is selectively irradiated with ultraviolet rays, and the photoresist in that portion is exposed. Let Then, when the development process is performed, as shown in FIG. 16, the fourth implantation mask 103 in which both the formation region of the first well region 30 and the formation region of the third well region 32 (region where the basal plane defect exists) is opened. Is formed. That is, the opening pattern of the fourth implantation mask 103 is the logical sum of the formation region of the first well region 30 and the formation region of the third well region 32. Moreover, you may perform the resist baking with respect to the 4th implantation mask 103 as needed.

そして第4注入マスク103をマスクに用いて、p型の不純物であるAlを炭化珪素ドリフト層20へ選択的にイオン注入し、第1ウェル領域30と第3ウェル領域32とを同時に形成する(図16)。このイオン注入の条件(ドーズ量や注入深さなど)は、実施の形態1の第1ウェル領域30形成時と同じでよい。   Then, using the fourth implantation mask 103 as a mask, Al, which is a p-type impurity, is selectively ion implanted into the silicon carbide drift layer 20 to form the first well region 30 and the third well region 32 simultaneously ( FIG. 16). The ion implantation conditions (dose amount, implantation depth, etc.) may be the same as those in forming the first well region 30 of the first embodiment.

本実施の形態でも、実施の形態1と同様に、炭化珪素ドリフト層20の基底面欠陥が存在する領域の上部一帯に厚さの一定なp型の不純物領域(第3ウェル領域32)が形成されるため、その領域では上方向の電界成分のみが発生する。よって基底面欠陥に沿った方向の電界成分を小さくでき、基底面欠陥に起因するリーク電流を抑制できる。また本実施の形態では、実施の形態1よりも注入マスクの形成工程およびイオン注入工程をそれぞれ1回少なくできるため、プロセスコストの削減が可能となる。   Also in the present embodiment, a p-type impurity region (third well region 32) having a constant thickness is formed in the entire upper region of the region where the basal plane defect of silicon carbide drift layer 20 exists, as in the first embodiment. Therefore, only an upward electric field component is generated in that region. Therefore, the electric field component in the direction along the basal plane defect can be reduced, and the leakage current caused by the basal plane defect can be suppressed. Further, in the present embodiment, since the implantation mask forming process and the ion implantation process can be reduced by one time as compared with the first embodiment, the process cost can be reduced.

なお以上の説明では、炭化珪素基板10は、第1主面の面方位が(0001)面であり、4Hのポリタイプを有し、第1主面がc軸方向に対して4°傾斜されているものとしたが、本発明の適用はこれに限定されない。例えば炭化珪素基板10の面方位は、(000−1)面でも良い。また第1主面のc軸に対する傾斜角は60°以下、好ましくは8°以下であればよく、その傾斜の方向は問わない。また第1主面がc軸に対して傾斜していなくてもよい。   In the above description, silicon carbide substrate 10 has a (0001) plane of the first main surface, a 4H polytype, and the first main surface is inclined by 4 ° with respect to the c-axis direction. However, the application of the present invention is not limited to this. For example, the plane orientation of silicon carbide substrate 10 may be a (000-1) plane. Further, the inclination angle of the first main surface with respect to the c-axis may be 60 ° or less, preferably 8 ° or less, and the direction of the inclination is not limited. The first main surface may not be inclined with respect to the c-axis.

また本発明の適用はMOSFETに限られるものではなく、活性領域において、逆バイアス時に空乏化される領域(上記の例では第1ウェル領域30)が互いに離間して配設される構成を有する他の半導体装置に広く適用可能である。そのような構成の半導体装置としては、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、JBS(junction barrier Schottky)ダイオード、JFETなどがある。   In addition, the application of the present invention is not limited to MOSFETs, and the active region has a configuration in which regions that are depleted during reverse bias (the first well region 30 in the above example) are arranged apart from each other. The present invention can be widely applied to semiconductor devices. Examples of such a semiconductor device include an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), a JBS (junction barrier Schottky) diode, and a JFET.

さらに本発明は炭化珪素半導体装置への適用に限られるものではなく、基底面欠陥(積層欠陥を含む)が発生し得る他の化合物半導体を用いて形成される半導体装置に対しても広く適用可能である。特に本発明は、高電圧を制御する電力用半導体装置への適用が期待されるため、高耐圧、低損失を実現できるワイドバンドギャップ半導体を用いたデバイスへの適用が考えられる。ワイドバンドギャップ半導体としては、炭化珪素の他、窒化ガリウム、窒化アルミニウム等がある。   Further, the present invention is not limited to application to silicon carbide semiconductor devices, but can be widely applied to semiconductor devices formed using other compound semiconductors that can generate basal plane defects (including stacking faults). It is. In particular, since the present invention is expected to be applied to a power semiconductor device that controls a high voltage, it can be applied to a device using a wide band gap semiconductor capable of realizing a high breakdown voltage and a low loss. Examples of the wide band gap semiconductor include gallium nitride and aluminum nitride in addition to silicon carbide.

10 炭化珪素基板、20 炭化珪素ドリフト層、30 第1ウェル領域、31 第2ウェル領域、32 第3ウェル領域、40 ソース領域、50 ゲート絶縁膜、60 ゲート電極、70 ソース電極、80 ドレイン電極、100〜103 注入マスク。   10 silicon carbide substrate, 20 silicon carbide drift layer, 30 first well region, 31 second well region, 32 third well region, 40 source region, 50 gate insulating film, 60 gate electrode, 70 source electrode, 80 drain electrode, 100-103 implantation mask.

Claims (17)

半導体基板と、
前記半導体基板の主面上に形成された第1導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層の上面部に選択的に離間して形成された第2導電型の複数の第1ウェル領域と、
前記ドリフト層の結晶欠陥が存在する領域において、前記結晶欠陥を平面視で包含して当該ドリフト層の上面部に離間せず一体的に形成された第2導電型の第2ウェル領域とを備える
ことを特徴とする半導体装置。
A semiconductor substrate;
A drift layer of a first conductivity type formed on the main surface of the semiconductor substrate;
A plurality of first well regions of a second conductivity type that are selectively spaced apart from each other on the upper surface of the drift layer;
A region of the drift layer where crystal defects are present; and a second well region of a second conductivity type which is formed integrally with the upper surface of the drift layer so as to include the crystal defects in a plan view. A semiconductor device.
前記第2ウェル領域は、前記複数の第1ウェル領域のうちの1つ以上に重ねて形成されている
請求項1記載の半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1, wherein the second well region is formed so as to overlap one or more of the plurality of first well regions.
前記第2ウェル領域の底は、前記複数の第1ウェル領域の底よりも前記ドリフト層の表面から深い位置にある
請求項2記載の半導体装置。
3. The semiconductor device according to claim 2, wherein a bottom of the second well region is located deeper from a surface of the drift layer than a bottom of the plurality of first well regions.
前記第2ウェル領域は、前記複数の第1ウェル領域のうちの2つ以上に跨っている
請求項2または請求項3記載の半導体装置。
4. The semiconductor device according to claim 2, wherein the second well region extends over two or more of the plurality of first well regions. 5.
前記第2ウェル領域は、前記複数の第1ウェル領域と厚さおよび不純物濃度が同じである
請求項1記載の半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1, wherein the second well region has the same thickness and impurity concentration as the plurality of first well regions.
前記結晶欠陥は基底面欠陥である
請求項1から請求項5のいずれか一項記載の半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1, wherein the crystal defect is a basal plane defect.
前記基底面欠陥は積層欠陥である
請求項6記載の半導体装置。
The semiconductor device according to claim 6, wherein the basal plane defect is a stacking fault.
前記半導体基板および前記ドリフト層は、化合物半導体である
請求項1から請求項7のいずれか一項記載の半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor substrate and the drift layer are compound semiconductors.
前記化合物半導体は、炭化珪素である
請求項1から請求項8のいずれか一項記載の半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1, wherein the compound semiconductor is silicon carbide.
前記半導体基板の前記主面は、c面から8°以内で傾斜している
請求項1から請求項9のいずれか一項記載の半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1, wherein the main surface of the semiconductor substrate is inclined within 8 ° from the c-plane.
MOSFET、IGBT、JBS、JFETのいずれかである
請求項1から請求項10のいずれか一項記載の半導体装置。
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 10, wherein the semiconductor device is any one of a MOSFET, an IGBT, a JBS, and a JFET.
(a)主面上に第1導電型のドリフト層を備える半導体基板を用意する工程と
(b)前記ドリフト層内の結晶欠陥を検出してその位置を特定する結晶欠陥検査を行う工程と、
(c)前記ドリフト層の上面部に、第2導電型の第1ウェル領域を離間して複数個形成する工程と、
(d)特定された前記結晶欠陥の位置を含む領域における前記ドリフト層の上面部に、前記結晶欠陥を平面視で包含して離間せず一体的な第2導電型の第2ウェル領域を形成する工程とを備える
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
(A) preparing a semiconductor substrate having a first conductivity type drift layer on the main surface; (b) performing a crystal defect inspection for detecting a crystal defect in the drift layer and specifying its position;
(C) forming a plurality of second-conductivity-type first well regions on the top surface of the drift layer apart from each other;
(D) A second well region of the second conductivity type is formed on the upper surface portion of the drift layer in the region including the position of the identified crystal defect so as to include the crystal defect in a plan view without being separated. A method of manufacturing a semiconductor device.
前記工程(c)は、前記第1ウェル領域の形成領域が開口された注入マスクを用いた第1のイオン注入によって行われ、
前記工程(d)は、前記第2ウェル領域の形成領域が開口された注入マスクを用いた第2のイオン注入によって行われる
請求項12記載の半導体装置の製造方法。
The step (c) is performed by first ion implantation using an implantation mask in which a formation region of the first well region is opened.
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 12, wherein the step (d) is performed by second ion implantation using an implantation mask in which a formation region of the second well region is opened.
前記第2のイオン注入では、前記第1のイオン注入よりも第2導電型の不純物を深く注入する
請求項13記載の半導体装置の製造方法。
14. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 13, wherein in the second ion implantation, an impurity of a second conductivity type is implanted deeper than in the first ion implantation.
前記工程(c)および(d)は、前記第1ウェル領域の形成領域および前記第2ウェル領域の形成領域の両方が開口された注入マスクを用いたイオン注入によって同時に行われる
請求項12記載の半導体装置の製造方法。
13. The steps (c) and (d) are simultaneously performed by ion implantation using an implantation mask in which both the formation region of the first well region and the formation region of the second well region are opened. A method for manufacturing a semiconductor device.
前記工程(b)で検出する前記結晶欠陥は基底面欠陥である
請求項12から請求項15のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 12, wherein the crystal defect detected in the step (b) is a basal plane defect.
前記基底面欠陥は積層欠陥である
請求項16記載の半導体装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 16, wherein the basal plane defect is a stacking fault.
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