JP2013080763A - Silicon carbide semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、炭化珪素半導体装置およびその製造方法に関し、より特定的には、横型接合型電界効果トランジスタである炭化珪素半導体装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a silicon carbide semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more specifically to a silicon carbide semiconductor device which is a lateral junction field effect transistor and a manufacturing method thereof.
高速なスイッチングが期待できるSiC(炭化珪素)トランジスタとして、RESURF−JFET(REduced SURface Field−Junction Field Effect Transistor:表面電界緩和接合型電界効果トランジスタ)が知られている(たとえば、非特許文献1参照)。 A RESURF-JFET (Reduced SURface Field-Junction Field Effect Transistor) is known as a SiC (silicon carbide) transistor that can be expected to be switched at high speed (for example, see Non-Patent Document 1). .
上記RESURF−JFETでは、ゲート領域はイオン注入により形成される。この場合、イオン注入の深さの制御が難しいため、ゲート領域直下のチャネル層の厚みのばらつきや、ゲート領域とチャネル層との境界領域での不純物濃度のばらつきが大きくなる。そのため、閾値電圧が大きくばらついてしまう。 In the RESURF-JFET, the gate region is formed by ion implantation. In this case, since it is difficult to control the depth of ion implantation, the variation in the thickness of the channel layer immediately below the gate region and the variation in the impurity concentration in the boundary region between the gate region and the channel layer become large. Therefore, the threshold voltage varies greatly.
この発明は、上記のような課題を解決するために成されたものであり、閾値電圧のばらつきを低減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ことである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and it is an object of the present invention to provide a silicon carbide semiconductor device capable of reducing variations in threshold voltage and a method for manufacturing the same.
本発明に係る炭化珪素半導体装置は、基板と、基板上に設けられ、主表面と、主表面と交差する厚さ方向とを有する炭化珪素層とを含む。炭化珪素層は、第1の導電型を有するチャネル層と、第1の導電型を有し、主表面から厚さ方向に沿ってチャネル層中へ延びているソース領域と、第1の導電型を有し、主表面から厚さ方向に沿ってチャネル層中へ延びており、厚さ方向と交差する対向方向においてソース領域との間にチャネル層を挟んでいるドレイン領域と、ソース領域とドレイン領域との間において、厚さ方向に沿って主表面からチャネル層中に突き出るように延びるゲート領域とを含む。ゲート領域はチャネル層に対して、第1の導電型と異なる第2の導電型を有するようにエピタキシャル成長されている。 A silicon carbide semiconductor device according to the present invention includes a substrate, a silicon carbide layer provided on the substrate, and having a main surface and a thickness direction intersecting the main surface. The silicon carbide layer includes a channel layer having the first conductivity type, a source region having the first conductivity type and extending from the main surface into the channel layer along the thickness direction, and the first conductivity type A drain region that extends from the main surface along the thickness direction into the channel layer and sandwiches the channel layer between the source region in the opposite direction intersecting the thickness direction, and the source region and the drain And a gate region extending from the main surface into the channel layer along the thickness direction. The gate region is epitaxially grown with respect to the channel layer so as to have a second conductivity type different from the first conductivity type.
ここで「基板上に設けられ」とは、基板上に直接設けられている場合と、基板上に他の層を介して設けられている場合とのいずれであってもよい。 Here, “provided on the substrate” may be either directly provided on the substrate or provided on the substrate via another layer.
仮にイオン注入によってゲート領域を作製するとすると、イオン注入の深さの制御が難しいため、ゲート領域直下のチャネル層の厚みのばらつきや、ゲート領域とチャネル層との境界領域での不純物濃度のばらつきが大きくなる。それゆえ、半導体装置の閾値電圧がばらついてしまう。一方、本発明に係る炭化珪素半導体装置によれば、ゲート領域はイオン注入ではなくエピタキシャル膜によって形成される。それゆえ、イオン注入に起因したばらつきが発生しないため、閾値電圧のばらつきを低減することができる。 If the gate region is formed by ion implantation, it is difficult to control the depth of ion implantation. Therefore, variations in the thickness of the channel layer immediately below the gate region and variations in the impurity concentration in the boundary region between the gate region and the channel layer occur. growing. Therefore, the threshold voltage of the semiconductor device varies. On the other hand, according to the silicon carbide semiconductor device of the present invention, the gate region is formed not by ion implantation but by an epitaxial film. Therefore, since variations due to ion implantation do not occur, variations in threshold voltage can be reduced.
上記の炭化珪素半導体装置において好ましくは、第1の導電型はn型である。
これによりチャネル層の導電型がn型となる。よって、チャネル層中を流れる主キャリアとして、正孔に比して高い移動度を有する電子を用いることができる。そのため、オン抵抗が低減する。
In the silicon carbide semiconductor device described above, the first conductivity type is preferably n-type.
As a result, the conductivity type of the channel layer becomes n-type. Therefore, electrons having a higher mobility than holes can be used as main carriers flowing in the channel layer. Therefore, the on-resistance is reduced.
上記の炭化珪素半導体装置において好ましくは、ゲート領域が設けられたチャネル層上において、対向方向に沿ってソース領域およびドレイン領域の間をつなぎ、かつ第2導電型を有するエピタキシャル層をさらに含む。 Preferably, the silicon carbide semiconductor device further includes an epitaxial layer that connects the source region and the drain region along the opposing direction on the channel layer provided with the gate region, and that has the second conductivity type.
これにより、エピタキシャル層によってチャネル層上にRESURF構造が設けられるので、RESURF構造がない場合に比して、耐圧が高くなる。よって、チャネル層の不純物濃度を比較的高くすることができる。これにより、オン抵抗をより低減することができる。 Thereby, since the RESURF structure is provided on the channel layer by the epitaxial layer, the breakdown voltage is higher than that in the case where there is no RESURF structure. Therefore, the impurity concentration of the channel layer can be made relatively high. Thereby, the on-resistance can be further reduced.
上記の炭化珪素半導体装置において好ましくは、チャネル層は、第1の不純物濃度を有する第1の層と、第1の層の上に設けられ、ゲート領域によって貫通され、第2の不純物濃度を有する第2の層とを含む。第2の不純物濃度は第1の不純物濃度に比して高い。 Preferably, in the above silicon carbide semiconductor device, the channel layer is provided on the first layer with the first impurity concentration, penetrated by the gate region, and has the second impurity concentration. And a second layer. The second impurity concentration is higher than the first impurity concentration.
閾値電圧は主に第1の層の第1の不純物濃度で決定されるため、第1の不純物濃度は要求される閾値電圧により決定される。一方、第2の層の第2の不純物濃度は、第1の層の第1の不純物濃度と比較して、閾値電圧に与える影響は小さい。そのため、第2の不純物濃度を第1の不純物濃度より高くすることで、閾値電圧に大きな影響を与えることなくオン抵抗を低くすることができる。 Since the threshold voltage is mainly determined by the first impurity concentration of the first layer, the first impurity concentration is determined by the required threshold voltage. On the other hand, the second impurity concentration of the second layer has a smaller influence on the threshold voltage than the first impurity concentration of the first layer. Therefore, by making the second impurity concentration higher than the first impurity concentration, the on-resistance can be lowered without significantly affecting the threshold voltage.
上記の炭化珪素半導体装置において好ましくは、厚さ方向および対向方向を含む断面視において、ゲート領域の対向方向に沿った寸法は、主表面から離れるにつれて小さくなっている。 Preferably, in the silicon carbide semiconductor device described above, in a cross-sectional view including the thickness direction and the facing direction, the dimension along the facing direction of the gate region decreases as the distance from the main surface increases.
これにより、ゲート領域近傍のチャネル部分の抵抗が低減するので、オン抵抗を低くすることができる。 As a result, the resistance of the channel portion in the vicinity of the gate region is reduced, so that the on-resistance can be lowered.
本発明に係る炭化珪素半導体装置の製造方法は次の工程を有する。基板上に、第1の導電型を有する第1の層がエピタキシャルに形成される。第1の層の上に、第1の導電型と異なる第2の導電型を有するゲート層がエピタキシャルに形成される。ゲート層をパターニングすることによって、第1の層の一部の上にゲート領域が形成される。ゲート領域が設けられた第1の層上に、第1の導電型を有する第2の層がエピタキシャルに形成される。第2の層のうちゲート領域上に位置する部分を除去することによって基板上に、第1および第2の層を有するチャネル層と、第2の層を貫通するゲート領域とを有し、主表面と、主表面と交差する厚さ方向とを有する炭化珪素層が形成される。炭化珪素層にソース領域およびドレイン領域が設けられる。ソース領域およびドレイン領域を設ける工程は、ソース領域およびドレイン領域の各々が第1の導電型を有しかつ主表面から厚さ方向に沿ってチャネル層中へ延びるように行われ、かつ、ソース領域およびドレイン領域が、厚さ方向と交差する対向方向においてソース領域とドレイン領域との間に、チャネル層中に突き出るように延びるゲート領域を挟むように行われる。 The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention includes the following steps. A first layer having the first conductivity type is epitaxially formed on the substrate. A gate layer having a second conductivity type different from the first conductivity type is epitaxially formed on the first layer. By patterning the gate layer, a gate region is formed on a portion of the first layer. A second layer having the first conductivity type is epitaxially formed on the first layer provided with the gate region. By removing a portion of the second layer located on the gate region, a channel layer having the first and second layers and a gate region penetrating the second layer are formed on the substrate. A silicon carbide layer having a surface and a thickness direction intersecting with the main surface is formed. A source region and a drain region are provided in the silicon carbide layer. The step of providing the source region and the drain region is performed such that each of the source region and the drain region has the first conductivity type and extends from the main surface along the thickness direction into the channel layer, and the source region The drain region is formed so as to sandwich a gate region extending so as to protrude into the channel layer between the source region and the drain region in the opposite direction intersecting the thickness direction.
ここで「基板上に」とは、基板上に直接、という場合と、基板上に他の層を介して、という場合とのいずれであってもよい。 Here, “on the substrate” may be either directly on the substrate or via another layer on the substrate.
仮にイオン注入によってゲート領域を作製するとすると、イオン注入の深さの制御が難しいため、ゲート領域直下のチャネル層の厚みのばらつきや、ゲート領域とチャネル層との境界領域での不純物濃度のばらつきが大きくなる。それゆえ、半導体装置の閾値電圧がばらついてしまう。一方、本発明に係る炭化珪素半導体装置によれば、ゲート領域はイオン注入ではなくエピタキシャル膜によって形成される。それゆえ、イオン注入に起因したばらつきが発生しないため、閾値電圧のばらつきを低減することができる。 If the gate region is formed by ion implantation, it is difficult to control the depth of ion implantation. Therefore, variations in the thickness of the channel layer immediately below the gate region and variations in the impurity concentration in the boundary region between the gate region and the channel layer occur. growing. Therefore, the threshold voltage of the semiconductor device varies. On the other hand, according to the silicon carbide semiconductor device of the present invention, the gate region is formed not by ion implantation but by an epitaxial film. Therefore, since variations due to ion implantation do not occur, variations in threshold voltage can be reduced.
上記の炭化珪素半導体装置の製造方法において好ましくは、第1の導電型はn型である。 In the above method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, preferably, the first conductivity type is n-type.
これによりチャネル層の導電型がn型となる。よって、チャネル層中を流れる主キャリアとして、正孔に比して高い移動度を有する電子を用いることができる。そのため、オン抵抗が低減する。 As a result, the conductivity type of the channel layer becomes n-type. Therefore, electrons having a higher mobility than holes can be used as main carriers flowing in the channel layer. Therefore, the on-resistance is reduced.
上記の炭化珪素半導体装置の製造方法において好ましくは、炭化珪素層上に第2導電型を有するエピタキシャル層が形成される。ソース領域およびドレイン領域を設ける工程はソース領域およびドレイン領域の各々がエピタキシャル層を貫通するように行われる。 In the above method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, an epitaxial layer having the second conductivity type is preferably formed on the silicon carbide layer. The step of providing the source region and the drain region is performed so that each of the source region and the drain region penetrates the epitaxial layer.
これにより、エピタキシャル層によってチャネル層上にRESURF構造が設けられるので、RESURF構造がない場合に比して、耐圧が高くなる。よって、チャネル層の不純物濃度を比較的高くすることができる。これにより、オン抵抗をより低減することができる。 Thereby, since the RESURF structure is provided on the channel layer by the epitaxial layer, the breakdown voltage is higher than that in the case where there is no RESURF structure. Therefore, the impurity concentration of the channel layer can be made relatively high. Thereby, the on-resistance can be further reduced.
上記の炭化珪素半導体装置の製造方法において好ましくは、第1および第2の層のそれぞれは第1および第2の不純物濃度を有する。第2の不純物濃度は第1の不純物濃度に比して高い。 Preferably, in the above method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, each of the first and second layers has first and second impurity concentrations. The second impurity concentration is higher than the first impurity concentration.
閾値電圧は主に第1の層の第1の不純物濃度で決定されるため、第1の不純物濃度は要求される閾値電圧により決定される。一方、第2の層の第2の不純物濃度は、第1の層の第1の不純物濃度と比較して、閾値電圧に与える影響は小さい。そのため、第2の不純物濃度を第1の不純物濃度より高くすることで、閾値電圧に大きな影響を与えることなくオン抵抗を低くすることができる。 Since the threshold voltage is mainly determined by the first impurity concentration of the first layer, the first impurity concentration is determined by the required threshold voltage. On the other hand, the second impurity concentration of the second layer has a smaller influence on the threshold voltage than the first impurity concentration of the first layer. Therefore, by making the second impurity concentration higher than the first impurity concentration, the on-resistance can be lowered without significantly affecting the threshold voltage.
上記の炭化珪素半導体装置の製造方法において好ましくは、ゲート領域を形成する工程は、厚さ方向および対向方向を含む断面視において、ゲート領域の対向方向に沿った寸法が、主表面から離れるにつれて小さくなるように行われる。 Preferably, in the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device described above, the step of forming the gate region is such that the dimension along the facing direction of the gate region decreases as the distance from the main surface increases in a cross-sectional view including the thickness direction and the facing direction. To be done.
これにより、ゲート領域近傍のチャネル部分の抵抗が低減するので、オン抵抗を低くすることができる。 As a result, the resistance of the channel portion in the vicinity of the gate region is reduced, so that the on-resistance can be lowered.
上記のように本発明によれば、ゲート領域をエピタキシャル膜によって形成することで、閾値電圧のばらつきを低減することができる。 As described above, according to the present invention, variations in threshold voltage can be reduced by forming the gate region from an epitaxial film.
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.
(実施の形態1)
図1に示すように、本実施の形態における炭化珪素半導体装置はn型JFET(Junction Field Effect Transistor;接合型電界効果トランジスタ)10である。JFET10は、基板11と、p型層2および12と、炭化珪素層4とを主に有している。基板11は、上部表面11Aを有し、炭化珪素からなり、n型(第1の導電型)を有する。炭化珪素層4は、p型層2および12を介して基板11の上部表面11A上に設けられ、主表面13Aと、主表面13Aと交差する厚さ方向(図中、縦方向)とを有している。p型層2は、電界緩和層である。p型層12は、p型層2上に形成された耐圧保持層である。p型層2、12はp型であるSiCからなる。p型層2、p型層12の厚みは、たとえば、それぞれ0.5μm、10μmである。また、p型層2、p型層12の不純物濃度は、たとえば、それぞれ5×1016、1×1016原子/cm3である。
(Embodiment 1)
As shown in FIG. 1, the silicon carbide semiconductor device in the present embodiment is an n-type JFET (Junction Field Effect Transistor) 10.
なお、図1ではp型層2とp型層12とが形成されているが、n型基板11の上部表面11A上に直接p型層12を形成してもよい。
Although the p-
炭化珪素層4は、チャネル層7と、ゲート領域16Rと、ソース領域15と、ドレイン領域17とを有する。
Silicon carbide layer 4 has
チャネル層7は、n型層である第1の層6とn型層である第2の層13とを有している。第2の層13の不純物濃度(第2の不純物濃度)は、第1の層6の不純物濃度(第1の不純物濃度)よりも高い。たとえば、第1の層6と第2の層13の不純物濃度は、それぞれ1×1017原子/cm3および2×1017原子/cm3である。また、第1の層6と第2の層13の膜厚は、たとえば、0.1μmおよび0.2μmである。
The
ソース領域15およびドレイン領域17の各々は、主表面13Aから厚さ方向に沿ってチャネル層7中へ延びている。厚さ方向と交差する対向方向(図中、横方向)においてソース領域15とドレイン領域17との間にチャネル層7の一部が挟まれている。
Each of
ゲート領域16Rは、ソース領域15とドレイン領域17との間において、厚さ方向に沿って主表面13Aからチャネル層7中に突き出るように延びている。本実施の形態においては、ゲート領域16Rは第2の層13を貫通して第1の層6上にまで延びている。ゲート領域16Rはチャネル層7に対して、p型(第2の導電型)を有するようにエピタキシャル成長されている。ゲート領域16Rの厚みは、たとえば、0.4μmである。また、ゲート領域16Rの不純物濃度は、たとえば、1×1018原子/cm3である。
炭化珪素層4上には、p型(第2の導電型)を有するエピタキシャル層14が形成されている。エピタキシャル層14は、チャネル層7上において、図中、横方向に沿ってソース領域15およびドレイン領域17の間をつないでいる。エピタキシャル層14の厚みは、たとえば、0.2μmである。また、エピタキシャル層14の不純物濃度は、たとえば、1×1017原子/cm3である。
An
エピタキシャル層14およびチャネル層7には、導電型がn型である不純物(n型不純物)をチャネル層7よりも高濃度に含むソース領域15およびドレイン領域17が形成されるとともに、ソース領域15およびドレイン領域17に挟まれるように、導電型がp型である不純物(p型不純物)をp型層12およびエピタキシャル層14よりも高濃度に含むゲート領域16Rが形成されている。すなわち、ソース領域15、ゲート領域16Rおよびドレイン領域17は、それぞれエピタキシャル層14を貫通してチャネル層7に至るように形成されている。また、ソース領域15、ゲート領域16Rおよびドレイン領域17の底部は、チャネル層7の内部において、p型層12の上部表面(p型層12とチャネル層7との境界部)から間隔を隔てて配置されている。
In the
また、ソース領域15から見てゲート領域16Rとは反対側には、エピタキシャル層14の上部表面(チャネル層7の側とは反対側の主面)からエピタキシャル層14を貫通してチャネル層7に至るように、溝部31が形成されている。つまり、溝部31の底壁は、p型層12とチャネル層7との界面から間隔を隔て、チャネル層7の内部に位置している。さらに、溝部31の底壁からチャネル層7を貫通し、p型層12に至るように、p型層12およびエピタキシャル層14よりも高濃度のp型不純物を含む電位保持領域23が形成されている。この電位保持領域23の底部は、n型基板11の上部表面(n型基板11とp型層2との境界部)から間隔を隔てて(より具体的には、p型層2とp型層12との境界部からから間隔を隔ててp型層12の内部に)配置されている。
Further, on the side opposite to the
さらに、ソース領域15、ゲート領域16R、ドレイン領域17および電位保持領域23のそれぞれの上部表面に接触するように、コンタクト電極19が形成されている。コンタクト電極19は、ソース領域15、ゲート領域16R、ドレイン領域17および電位保持領域23とオーミック接触可能な材料、たとえばNiSi(ニッケルシリサイド)からなっている。
Further, a
そして、隣接するコンタクト電極19同士の間には、酸化膜18が形成されている。より具体的には、絶縁層としての酸化膜18が、エピタキシャル層14の上部表面、溝部31の底壁および側壁において、コンタクト電極19が形成されている領域以外の領域全体を覆うように形成されている。これにより、隣り合うコンタクト電極19同士の間が絶縁されている。
An
さらに、ソース領域15、ゲート領域16Rおよびドレイン領域17上のコンタクト電極19の上部表面に接触するように、ソース電極25、ゲート電極26およびドレイン電極27がそれぞれ形成されている。これにより、ソース電極25、ゲート電極26およびドレイン電極27は、コンタクト電極19を介して、それぞれソース領域15、ゲート領域16Rおよびドレイン領域17と電気的に接続されている。また、ソース電極25は、電位保持領域23上のコンタクト電極19の上部表面にも接触し、コンタクト電極19を介して電位保持領域23とも電気的に接続されている。つまり、ソース電極25は、ソース領域15上のコンタクト電極19の上部表面上から電位保持領域23上のコンタクト電極19の上部表面上にまで延在するように形成されている。これにより、電位保持領域23上のコンタクト電極19は、ソース領域15上のコンタクト電極19と同電位に保持されている。ソース電極25、ゲート電極26およびドレイン電極27は、たとえばアルミニウム(Al)などの導電体から構成されている。
Furthermore, a
また、図1に示したJFET10では、酸化膜18およびゲート電極26を覆うと共に、ソース電極25とドレイン電極27との間の領域を充填するように、絶縁体からなる絶縁保護膜28が形成されている。絶縁保護膜28においては、ソース領域15および電位保持領域23上の領域と、ドレイン領域17上の領域とにそれぞれ開口部33、34が形成されている。開口部33、34の内部に、上記ソース電極25およびドレイン電極27が配置されている。ソース電極25およびドレイン電極27の上部表面は絶縁保護膜28の上部表面より上に位置している(つまり、ソース電極25とドレイン電極27とはそれぞれその上部が絶縁保護膜28の上部表面より突出している)。
In the
次に、JFET10が、たとえばノーマリーオン型である場合について、その動作を説明する。図1を参照して、ゲート電極26の電位が0Vの状態では、チャネル層7において、ドレイン領域17とゲート領域16Rとで挟まれた領域および当該挟まれた領域とp型層12とで挟まれた領域、ならびにゲート領域16Rとp型層12とで挟まれた領域は空乏化されておらず、ソース領域15とドレイン領域17とはチャネル層7を介して電気的に接続された状態となっている。そのため、ソース電極25とドレイン電極27との間に電界が印加されると、ソース領域15とドレイン領域17との間を電子が移動することにより、ソース電極25とドレイン電極27との間に電流が流れる(オン状態)。
Next, the operation of the case where the
一方、ゲート電極26に負の電圧を印加していくと、上記電子が移動すべきドリフト領域(ゲート領域16Rとドレイン領域17との間に位置するチャネル層7)の空乏化が進行し、その結果、ソース領域15とドレイン領域17とは電気的に遮断された状態となる。そのため、ソース領域15とドレイン領域17との間を電子が移動することができず、電流は流れない(オフ状態)。ここで、本実施の形態におけるJFET10は、チャネル層7上に接するようにエピタキシャル層14(リサーフ層)が形成されたRESURF型JFETとなっている。そのため、上記オフ状態においては、チャネル層7とエピタキシャル層14との界面から上下方向(厚み方向)に空乏層が伸張する。その結果、ドリフト領域内の電界分布が均一となり、ゲート領域16R付近の電界集中が緩和され、耐圧が向上している。
On the other hand, when a negative voltage is applied to the
次に、図2〜図14を参照して、実施の形態1における炭化珪素半導体装置であるJFET10の製造方法について説明する。 Next, with reference to FIGS. 2-14, the manufacturing method of JFET10 which is the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 1 is demonstrated.
図2を参照して、実施の形態1におけるJFET10の製造方法においては、まず、工程(S10)として、基板準備工程が実施される。本実施の形態においては、n型基板11が使用される。
Referring to FIG. 2, in the method of manufacturing
次に、図2および図3を参照して、工程(S20)として第1の層形成工程が実施される。具体的には、n型基板11の上部表面11Aに、たとえば気相エピタキシャル成長によりSiCからなる、p型層2、p型層12が順次形成される。気相エピタキシャル成長においては、たとえば材料ガスとしてシラン(SiH4)ガスおよびプロパン(C3H8)ガスを用い、キャリアガスとして水素(H2)ガスを採用することができる。また、p型層を形成するためのp型不純物源としては、たとえばジボラン(B2H6)やトリメチルアルミニウム(TMA)を採用することができる。
Next, with reference to FIG. 2 and FIG. 3, a 1st layer formation process is implemented as process (S20). Specifically, the p-
p型層12の上に、たとえば気相エピタキシャル成長によりSiCからなるn型(第1の導電型)の第1の層6が形成される。第1の層6を形成するためのn型不純物としては、たとえば窒素(N2)を採用することができる。
An n-type (first conductivity type)
次に、図2を参照して、工程(S30)としてゲート層形成工程が実施される。この工程では、図3を参照して、第1の層6の上に、たとえば気相エピタキシャル成長によりSiCからなるゲート層16が形成される。気相エピタキシャル成長においては、たとえば材料ガスとしてシラン(SiH4)ガスおよびプロパン(C3H8)ガスを用い、キャリアガスとして水素(H2)ガスを採用することができる。また、p型層を形成するためのp型不純物源としては、たとえばジボラン(B2H6)やトリメチルアルミニウム(TMA)を採用することができる。
Next, with reference to FIG. 2, a gate layer formation process is implemented as process (S30). In this step, referring to FIG. 3,
次に、図2を参照して、工程(S35)としてゲート領域形成工程が実施される。
まず、図4を参照して、ゲート層16の上のゲート領域16R(図1)が形成されることになる位置にマスク5を形成する。マスク5は、たとえばレジストからなる。次に、ゲート層16をパターニングすることによって、第1の層6の一部の上にゲート領域16Rを形成する。具体的には、図5を参照して、マスク5を用いたドライエッチングにより、ゲート領域16Rが形成される。ドライエッチングは、たとえばSF6を用いて行うことができる。このときゲート領域16R以外にゲート層16が確実に残らないようにするために、図5に示す破線の様に、オーバーエッチングを行ってもよい。すなわち、第1の層6の表面の一部が除去されてもよい。
Next, referring to FIG. 2, a gate region forming step is performed as a step (S35).
First, referring to FIG. 4, mask 5 is formed at a position where
次に、図2を参照して、工程(S40)として第2の層形成工程が実施される。この工程では、ゲート領域16Rが設けられた第1の層6の上に、n型(第1の導電型)を有する第2の層13をエピタキシャルに形成する。具体的には、図6を参照して、ゲート領域16Rを覆うように、たとえば気相エピタキシャル成長によりSiCからなるn型層(第2の層13)が形成される。第2の層13は、ゲート領域16Rの上面および側面を覆うように形成される。また、第2の層13は、第1の層6の上面にも形成される。
Next, with reference to FIG. 2, a 2nd layer formation process is implemented as process (S40). In this step, the
次に、図2を参照して、工程(S45)として、炭化珪素層形成工程が実施される。具体的には、図7に示すように、ゲート領域16R上に位置する第2の層13が除去されて、ゲート領域16Rの上部が露出される。このとき、ゲート領域16Rの上部以外の第2の層13の一部も同時に除去されてもよい。第2の層13の除去は、たとえばエッチバックにより行うことができる。上記のようにして、主表面13Aと第1の層6との間で第2の層13を貫通するゲート領域16Rを有する炭化珪素層4が形成される。
Next, with reference to FIG. 2, a silicon carbide layer formation process is implemented as process (S45). Specifically, as shown in FIG. 7, the
次に、図8に示すように、炭化珪素層4上にp型(第2の導電型)を有するエピタキシャル層14が形成される。具体的には、ゲート領域16Rおよび第2の層13上にエピタキシャル層14が形成される。
Next, as shown in FIG. 8,
次に、図2を参照して、工程(S50)として、溝部形成工程が実施される。具体的には、図9に示すように、エピタキシャル層14の上部表面14Aからエピタキシャル層14を貫通してチャネル層7に至るように、溝部31が形成される。溝部31の形成は、たとえば所望の溝部31の形成位置に開口を有するマスク層をエピタキシャル層14の上部表面上に形成した後、たとえばSF6ガスを用いたドライエッチングにより実施することができる。
Next, with reference to FIG. 2, a groove part formation process is implemented as process (S50). Specifically, as shown in FIG. 9, the
次に、工程(S60)として、第1イオン注入工程が実施される。この工程では、高濃度のp型不純物を含む領域である電位保持領域(ベースコンタクト領域)が形成される。具体的には、図9を参照して、まず、エピタキシャル層14の上部表面上および溝部31の内壁にレジストが塗布された後、露光および現像が行なわれ、所望のゲート領域16Rおよび電位保持領域23の平面形状に応じた領域に開口を有するレジスト膜(図示せず)が形成される。そして、このレジスト膜をマスクとして用いて、Al(アルミニウム)、B(ホウ素)などのp型不純物がイオン注入によりチャネル層7およびp型層12に導入される。これにより、電位保持領域23が形成される。
Next, a first ion implantation step is performed as a step (S60). In this step, a potential holding region (base contact region) that is a region containing a high concentration p-type impurity is formed. Specifically, referring to FIG. 9, first, a resist is applied on the upper surface of
次に、工程(S70)として、第2イオン注入工程が実施される。この工程では、高濃度のn型不純物を含む領域であるソース領域15およびドレイン領域17が形成される。具体的には、図10を参照して、まず、工程(S60)と同様の手順で、所望のソース領域15およびドレイン領域17の平面形状に応じた領域に開口を有するレジスト膜(図示せず)が形成される。そして、このレジスト膜をマスクとして用いて、P(リン)、N(窒素)などのn型不純物がイオン注入によりエピタキシャル層14およびチャネル層7に導入される。これにより、ソース領域15およびドレイン領域17が形成される。なお、本実施の形態において、ソース領域15とドレイン領域17は、エピタキシャル層14に接するように形成される。言い換えれば、エピタキシャル層14は、チャネル層7上において図中、横方向に沿ってソース領域15およびドレイン領域17の間をつなぐように形成される。
Next, a second ion implantation step is performed as a step (S70). In this step, a
次に、図2を参照して、工程(S80)として活性化アニール工程が実施される。この工程では、工程(S70)において形成されたレジスト膜が除去された後、工程(S60)および工程(S70)においてイオン注入が実施されたエピタキシャル層14、チャネル層7およびp型層12が加熱されることにより、上記イオン注入によって導入された不純物を活性化させる熱処理である活性化アニールが実施される。活性化アニールは、たとえばアルゴンガス雰囲気中において、1700℃程度の温度に30分間程度保持する熱処理を実施することにより行なうことができる。
Next, referring to FIG. 2, an activation annealing step is performed as a step (S80). In this step, after the resist film formed in the step (S70) is removed, the
次に、工程(S90)として、酸化膜形成工程が実施される。この工程(S90)では、図11を参照して、工程(S10)〜工程(S80)までが実施されて所望のイオン注入層を含むエピタキシャル層14、チャネル層7、p型層12およびp型層2が形成されたn型基板11が熱酸化される。これにより、二酸化珪素(SiO2)からなる酸化膜18が、エピタキシャル層14の上部表面14Aおよび溝部31の内壁を覆うように形成される。
Next, as a step (S90), an oxide film forming step is performed. In this step (S90), referring to FIG. 11, steps (S10) to (S80) are performed, and
次に、図2を参照して、工程(S100)としてコンタクト電極形成工程が実施される。この工程では、図12を参照して、ソース領域15、ゲート領域16R、ドレイン領域17および電位保持領域23のそれぞれの上部表面に接触するように、たとえばNiSiからなるコンタクト電極19が形成される。具体的には、まず、工程(S60)と同様の手順で所望のコンタクト電極19の平面形状に応じた領域に開口を有するレジスト膜(図示せず)が形成される。そして、当該レジスト膜をマスクとして用いて、たとえばRIE(Reactive Ion Etching;反応性イオンエッチング)により、ソース領域15、ゲート領域16R、ドレイン領域17および電位保持領域23上の酸化膜18が除去される。
Next, with reference to FIG. 2, a contact electrode formation process is implemented as process (S100). In this step, referring to FIG. 12,
その後、たとえばNi(ニッケル)が蒸着されることにより、酸化膜18から露出したソース領域15、ゲート領域16R、ドレイン領域17および電位保持領域23上、およびレジスト膜上にニッケル層が形成される。さらに、レジスト膜が除去されることにより、レジスト膜上のニッケル層が除去(リフトオフ)されて、酸化膜18から露出したソース領域15、ゲート領域16R、ドレイン領域17および電位保持領域23上にニッケル層が残存する。そして、たとえば900°以上1000℃以下といった温度範囲の所定温度(たとえば950℃)に加熱する熱処理が実施されることにより、ニッケル層がシリサイド化する。これにより、図12に示すように、ソース領域15、ゲート領域16R、ドレイン領域17および電位保持領域23にオーミック接触可能なNiSiからなるオーミック電極であるコンタクト電極19が形成される。
Thereafter, for example, Ni (nickel) is deposited, thereby forming a nickel layer on the
次に、図2を参照して、工程(S110)として、電極形成工程が実施される。この工程では、まず図13を参照して、ゲート領域16R上のコンタクト電極19の上部表面に接触するゲート電極26が形成される。たとえばゲート電極26を形成すべき所望の領域に開口を有するレジスト膜(図示せず)を形成し、Alを蒸着した後、レジスト膜とともにレジスト膜上のAlが除去される(リフトオフ)。
Next, with reference to FIG. 2, an electrode formation process is implemented as process (S110). In this step, first, referring to FIG. 13, a
次に、図14を参照して、ゲート電極26、コンタクト電極19および酸化膜18を覆い、たとえばSiO2などの絶縁体からなる絶縁保護膜28が形成される。具体的には、たとえばCVD法(Chemical Vapor Deposition;化学蒸着法)により、ゲート電極26、ソース領域15とドレイン領域17と電位保持領域23との上にそれぞれ配置されたコンタクト電極19、および酸化膜18を覆うSiO2膜からなる絶縁保護膜28(図14参照)が形成される。
Next, referring to FIG. 14, an insulating
次に、再び図1を参照して、ソース領域15および電位保持領域23上のコンタクト電極19の上部表面に接触するソース電極25、およびドレイン領域17上のコンタクト電極19の上部表面に接触するドレイン電極27が形成される。
Next, referring again to FIG. 1,
具体的には、まず絶縁保護膜28においてソース領域15、ドレイン領域17および電位保持領域23上に位置する領域に、フォトリソグラフィ法を用いて開口部33、34が形成される。開口部33、34の形成方法としては、たとえば絶縁保護膜28の主表面上に、開口部33、34の平面形状と同様の開口を有するレジスト膜(図示せず)を形成し、このレジスト膜をマスクとして用いて絶縁保護膜28の一部をエッチングなどにより除去する。このようにして、図14に示すように絶縁保護膜28において上記開口部33、34が形成される。次に、上記レジスト膜(図示せず)を従来周知の任意の方法により除去する。
Specifically, first,
そして、ソース電極25およびドレイン電極27が形成される。たとえば、ソース電極25およびドレイン電極27を形成すべき所望の領域(上記開口部33、34が形成された領域)に開口を有するレジスト膜(図示せず)を形成し、Alを蒸着した後、レジスト膜とともにレジスト膜上のAlが除去される(リフトオフ)。
Then, the
なお、ソース電極25およびドレイン電極27を形成するために用いる上記レジスト膜として、上記開口部33、34を形成するために用いたレジスト膜を流用してもよい。すなわち、上記のように開口部33、34を、レジスト膜をマスクとしてエッチングにより形成した後、当該レジスト膜を除去することなく、上記のようにAlなどの電極を構成する導電体膜を形成してから、リフトオフにより開口部33、34内部にソース電極25およびドレイン電極27を形成してもよい。
Note that as the resist film used for forming the
以上の工程により、本実施の形態におけるJFET10は完成する。
次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
The
Next, the effect of this Embodiment is demonstrated.
仮にイオン注入によってゲート領域16Rを作製するとすると、イオン注入の深さの制御が難しいため、ゲート領域16R直下のチャネル層7の厚みのばらつきや、ゲート領域16Rとチャネル層7との境界領域での不純物濃度のばらつきが大きくなる。それゆえ、閾値電圧が大きくばらついてしまう。一方、本実施の形態によれば、ゲート領域16Rはイオン注入ではなくエピタキシャル膜によって形成される。それゆえ、イオン注入に起因した上記ばらつきが発生しない。よって、閾値電圧のばらつきを低減することができる。これによりゲート電圧が0のときに電流が流れない、所謂ノーマリオフ動作するトランジスタを作製することも可能となる。
If the
また、仮にゲート領域16Rをイオン注入で作製するとすると、ゲート領域16Rとチャネル層7との境界領域における不純物濃度が緩やかに変化する。一方、本実施の形態によれば、ゲート領域16Rをエピタキシャル膜によって形成するため、ゲート領域16Rとチャネル層7との境界領域における不純物濃度の変化を急峻にすることができる。
If the
また、チャネル層7はn型を有している。よって、チャネル層中を流れる主キャリアとして、正孔に比して高い移動度を有する電子を用いることができる。そのため、オン抵抗が低減する。
The
また、ゲート領域16Rが設けられたチャネル層7上において、対向方向(図中、横方向)に沿ってソース領域15およびドレイン領域17の間がエピタキシャル層14によってつながれている。これにより、エピタキシャル層14によってチャネル層7上にRESURF構造が設けられるので、RESURF構造がない場合に比して、耐圧が高くなる。よって、チャネル層の不純物濃度を比較的高くすることができる。これにより、オン抵抗をより低減することができる。
Further, on the
また、第2の層13の不純物濃度(第2の不純物濃度)は、第1の層6の不純物濃度(第1の不純物濃度)と比して高い。閾値電圧は主に第1の層6の不純物濃度(第1の不純物濃度)で決定されるため、第1の不純物濃度は要求される閾値電圧により決定される。一方、第2の層13の不純物濃度は、第1の不純物濃度と比較して、閾値電圧に与える影響は小さい。そのため、第2の不純物濃度を第1の不純物濃度より高くすることで、閾値電圧に大きな影響を与えることなくオン抵抗を低くすることができる。
In addition, the impurity concentration (second impurity concentration) of the
(実施の形態2)
図15を参照して、本発明の実施の形態2のJFET20は、JFET10(図1)とほぼ同様の構造を有するが、長方形状のゲート領域16R(図1)の代わりに逆台形状のゲート領域16S(図15)を有する。逆台形とは、チャネル層7の主表面13Aから基板11へ向かってゲート領域16Sの幅が小さくなっており、ゲート領域16Sの最も基板11に近い側においてゲート領域16Sが有限の幅を有していることである。
(Embodiment 2)
Referring to FIG. 15, the
また、ゲート領域16Sの形状は、厚さ方向および対向方向を含む断面視(図15の視野)において、ゲート領域16Sの対向方向(図中、横方向)に沿った寸法が、主表面13Aから離れるにつれて小さくなるように形成されていればよく、逆台形に限られない。たとえば、ゲート領域16Sの基板11側の形状が丸くなっていてもよい。
The shape of the
JFET20の製造方法は、図2〜14(実施の形態1)に示した製造方法とほぼ同様である。実施の形態1の製造方法と異なる点は、図5の工程の代わりに、図16に示すように、逆台形状のゲート領域16Sを形成することである。このような形状は、たとえばイオンミリングによって形成することができる。
The manufacturing method of
本実施の形態によれば、ゲート領域16Sの対向方向(図中、横方向)に沿った寸法は、主表面13Aから離れるにつれて小さくなっている。これにより、ゲート領域16S近傍のチャネル部分の抵抗が低減するので、オン抵抗を低くすることができる。
According to the present embodiment, the dimension along the facing direction (lateral direction in the figure) of
なお、上記各実施の形態におけるn型とp型とが入れ替えられた形態が用いられてもよい。この場合、n型JFETに代わってp型JFETが構成される。 Note that a form in which the n-type and the p-type in each of the above embodiments are interchanged may be used. In this case, a p-type JFET is configured instead of the n-type JFET.
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態および実施例ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the embodiments and examples described above but by the scope of claims for patent, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims for patent.
2,12 p型層、4 炭化珪素層、5 マスク、6 第1の層、7 チャネル層、10 JFET、11 n型基板(基板)、11A 上部表面、13 第2の層、13A 主表面、14 エピタキシャル層、14A 上部表面、15 ソース領域、16R,16S ゲート領域、17 ドレイン領域、18 酸化膜、19 コンタクト電極、23 電位保持領域、25 ソース電極、26 ゲート電極、27 ドレイン電極、28 絶縁保護膜、31 溝部、33,34 開口部。 2, 12 p-type layer, 4 silicon carbide layer, 5 mask, 6 first layer, 7 channel layer, 10 JFET, 11 n-type substrate (substrate), 11A upper surface, 13 second layer, 13A main surface, 14 epitaxial layer, 14A upper surface, 15 source region, 16R, 16S gate region, 17 drain region, 18 oxide film, 19 contact electrode, 23 potential holding region, 25 source electrode, 26 gate electrode, 27 drain electrode, 28 insulation protection Membrane, 31 groove, 33, 34 opening.
Claims (10)
前記基板上に設けられ、主表面と、前記主表面と交差する厚さ方向とを有する炭化珪素層とを備え、
前記炭化珪素層は、
第1の導電型を有するチャネル層と、
前記第1の導電型を有し、前記主表面から前記厚さ方向に沿って前記チャネル層中へ延びているソース領域と、
前記第1の導電型を有し、前記主表面から前記厚さ方向に沿って前記チャネル層中へ延びており、前記厚さ方向と交差する対向方向において前記ソース領域との間に前記チャネル層を挟んでいるドレイン領域と、
前記ソース領域と前記ドレイン領域との間において、前記厚さ方向に沿って前記主表面から前記チャネル層中に突き出るように延びるゲート領域とを含み、
前記ゲート領域は前記チャネル層に対して、前記第1の導電型と異なる第2の導電型を有するようにエピタキシャル成長されている、炭化珪素半導体装置。 A substrate,
A silicon carbide layer provided on the substrate and having a main surface and a thickness direction intersecting the main surface;
The silicon carbide layer is
A channel layer having a first conductivity type;
A source region having the first conductivity type and extending from the main surface along the thickness direction into the channel layer;
The channel layer having the first conductivity type, extending from the main surface along the thickness direction into the channel layer, and between the source region in an opposing direction intersecting the thickness direction A drain region sandwiching
A gate region extending between the source region and the drain region so as to protrude from the main surface into the channel layer along the thickness direction;
The silicon carbide semiconductor device, wherein the gate region is epitaxially grown with respect to the channel layer so as to have a second conductivity type different from the first conductivity type.
前記第1の層の上に、前記第1の導電型と異なる第2の導電型を有するゲート層をエピタキシャルに形成する工程と、
前記ゲート層をパターニングすることによって、前記第1の層の一部の上にゲート領域を形成する工程と、
前記ゲート領域が設けられた前記第1の層上に、前記第1の導電型を有する第2の層をエピタキシャルに形成する工程と、
前記第2の層のうち前記ゲート領域上に位置する部分を除去することによって前記基板上に、前記第1および第2の層を有するチャネル層と、前記第2の層を貫通する前記ゲート領域とを有し、主表面と、前記主表面と交差する厚さ方向とを有する炭化珪素層を形成する工程と、
前記炭化珪素層にソース領域およびドレイン領域を設ける工程とを備え、
前記ソース領域および前記ドレイン領域を設ける工程は、前記ソース領域および前記ドレイン領域の各々が前記第1の導電型を有しかつ前記主表面から前記厚さ方向に沿って前記チャネル層中へ延びるように行われ、かつ、前記ソース領域および前記ドレイン領域が、前記厚さ方向と交差する対向方向において前記ソース領域と前記ドレイン領域との間に、前記チャネル層中に突き出るように延びる前記ゲート領域を挟むように行われる、炭化珪素半導体装置の製造方法。 Epitaxially forming a first layer having a first conductivity type on a substrate;
Epitaxially forming a gate layer having a second conductivity type different from the first conductivity type on the first layer;
Forming a gate region on a portion of the first layer by patterning the gate layer;
Epitaxially forming a second layer having the first conductivity type on the first layer provided with the gate region;
A channel layer having the first and second layers on the substrate by removing a portion of the second layer located on the gate region, and the gate region penetrating the second layer And forming a silicon carbide layer having a main surface and a thickness direction intersecting the main surface;
Providing a source region and a drain region in the silicon carbide layer,
The step of providing the source region and the drain region is such that each of the source region and the drain region has the first conductivity type and extends from the main surface into the channel layer along the thickness direction. And the source region and the drain region extend between the source region and the drain region so as to protrude into the channel layer in a facing direction intersecting the thickness direction. A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, wherein the silicon carbide semiconductor device is sandwiched.
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