JP2013110331A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】高い集積度および高い耐圧を有する半導体装置を得ることが可能な半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体装置100の製造方法は以下の工程を有する。第1導電型の炭化珪素層122を有する基板が準備される。炭化珪素層122上にマスク層1が形成される。マスク層1上からイオン注入することにより、炭化珪素層122に第2導電型のウェル領域123が形成される。マスク層1を形成する工程において、マスク層1の底面と傾斜面によって挟まれた角度であるテーパー角が60°よりも大きく80°以下の開口を有するマスク層1が形成される。
【選択図】図10

Description

この発明は、半導体装置の製造方法に関し、より特定的には、炭化珪素層を有する半導体装置の製造方法に関する。
近年、炭化珪素を用いたMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)の製造方法の検討が行われている。MOSFETのウェル領域は、たとえば不純物イオンを炭化珪素層に注入することにより形成される。特開平6−151860号公報(特許文献1)に開示された方法によれば、傾斜面を有するゲート電極をマスクとして炭化珪素基板にイオン注入が行われ、p領域(ウェル領域)が形成される。また、特開2004−39744号公報(特許文献2)に開示された方法によれば、エピタキシャル膜上に傾斜面を有するマスクが形成された後、マスクの上方からエピタキシャル膜中に不純物イオンが注入されることでベース領域(ウェル領域)が形成される。
特開平6−151860号公報 特開2004−39744号公報
マスクのテーパー角が90°の場合、不純物イオンが高いエネルギーで炭化珪素層に注入されると、不純物イオンは炭化珪素層の厚み方向に深く注入されると同時に、炭化珪素層の厚み方向に対して垂直な方向(以降、横方向とも称す)にも広がってしまう。その結果、イオンが注入されたウェル領域の最深部付近には横方向に突出した突出部が形成される。この突出部には電界集中が発生しやすいため、このような構造を有するMOSFETの耐圧は低くなるおそれがある。
一方、特許文献1に記載の方法によると、マスクのテーパー角が60°と緩やかであるためにイオン注入により形成されたp領域(ウェル領域)が横方向に広がってしまう。そのため、p領域の横方向の幅を小さくすることが難しく半導体装置の集積度を上げることが困難となる。また、特許文献2に記載の方法によると、たとえば10〜60°程度のテーパー角を有するマスクの上から不純物イオンが斜め方向に注入される。そのため、ベース領域(ウェル領域)が最深部付近で幅方向に広がってしまうために突出部が形成される。この突出部では電界集中が発生しやすくなり半導体装置の耐圧が低くなるおそれがある。
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、高い集積度および高い耐圧を有する半導体装置の製造方法を提供することである。
本発明に係る半導体装置の製造方法は以下の工程を有する。第1導電型の炭化珪素層を有する基板が準備される。炭化珪素層上にマスク層が形成される。マスク層上からイオン注入することにより、炭化珪素層に第2導電型のウェル領域が形成される。マスク層を形成する工程において、マスク層の底面と傾斜面によって挟まれた角度であるテーパー角が60°よりも大きく80°以下の開口を有するマスク層が形成される。
本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、テーパー角が60°よりも大きく80°以下の開口を有するマスク層が形成され、マスク層上から炭化珪素層にイオン注入される。テーパー角が60°よりも大きくされるため、ウェル領域が炭化珪素層の厚み方向に対して垂直な方向に広がりすぎることがなく、高い集積度で半導体装置を製造することができる。また、テーパー角が80°以下とすることにより、ウェル領域の最深部付近での横方向の突出を抑制することができる。それゆえ、ウェル領域の最深部付近での電界集中の発生を抑制することできるので、高い耐圧を有する半導体装置が得られる。
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、マスク層を形成する工程は、炭化珪素層上に注入阻止層を形成する工程と、注入阻止層に開口を形成する工程とを含む。ここで、「炭化珪素層上に注入阻止層を形成する」とは、炭化珪素層上に他の層を形成し、当該他の層の上に注入阻止層を形成する場合も含む。
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、開口を形成する工程は、注入阻止層がエッチングされることにより行われる。これにより、開口を効率的に形成することができる。
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、注入阻止層を形成する前に、炭化珪素層上にスルーマスク層を形成する工程をさらに有する。
これにより、スルーマスク層上に注入阻止層が形成されるので、注入阻止層をエッチングする際に、スルーマスク層の下にある炭化珪素層がエッチングされることを防止することができる。
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、開口を形成する工程では、スルーマスク層と注入阻止層との選択比が2以上の条件で注入阻止層がエッチングされる。これにより、炭化珪素層にダメージを与えることを抑制しつつ注入阻止層が効率的にエッチングされる。
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、注入阻止層の膜厚をスルーマスク層の膜厚で除した比が10以上50以下である。これにより、必要かつ十分な厚みのスルーマスク層を形成することができる。
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、開口を形成する工程は、テーパー角が90°となるように開口を形成する工程と、開口のテーパー角が60°よりも大きく80°以下となるようにテーパー角を調整する工程とを含む。これにより、テーパー角を精度よく制御することができる。
本発明の製造方法によれば、高い集積度および高い耐圧を有する半導体装置を得ることができる。
本発明の一実施の形態における半導体装置を概略的に示す断面模式図である。 本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法を概略的に示すフロー図である。 本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法の第1の工程を概略的に示す断面模式図である。 本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法の第2の工程を概略的に示す断面模式図である。 本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法の第3の工程を概略的に示す断面模式図である。 本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法の第4の工程を概略的に示す断面模式図である。 本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法の第5の工程を概略的に示す断面模式図である。 本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法の第6の工程を概略的に示す断面模式図である。 本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法の第7の工程を概略的に示す断面模式図である。 本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法の第8の工程を概略的に示す断面模式図である。 本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法の第9の工程を概略的に示す断面模式図である。 本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法の第10の工程を概略的に示す断面模式図である。 本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法の第11の工程を概略的に示す断面模式図である。 本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法の第12の工程を概略的に示す断面模式図である。 ウェル領域の深さ方向と不純物濃度との関係を示す図である。 マスク層のテーパー角が90°の場合における、ウェル領域の断面形状を示す模式図である。 本発明の一実施の形態におけるウェル領域の断面形状を示す模式図である。
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。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。
図1を参照して、本実施の形態の半導体装置100は、縦型DiMOSFET(Double Implanted Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)であって、基板10、バッファ層121、耐圧保持層122、ウェル領域123、n+領域124、p+領域125、酸化膜126、ソース電極111、上部ソース電極127、ゲート電極110、およびドレイン電極112を有する。
基板10は、たとえばn型の導電型を有する炭化珪素からなる。バッファ層121は、たとえばn型の導電型を有する炭化珪素からなり、その厚さはたとえば0.5μmである。またバッファ層121におけるn型の導電性不純物の濃度は、たとえば5×1017cm-3である。バッファ層121の不純物濃度は基板10の不純物濃度よりも小さい。
耐圧保持層122は、バッファ層121上に形成されており、また導電型がn型の炭化珪素からなる。たとえば、耐圧保持層122の厚さは10μmであり、そのn型の導電性不純物の濃度は5×1015cm-3である。耐圧保持層122の厚みはバッファ層121の厚みより大きく、耐圧保持層122の不純物濃度はバッファ層121の不純物濃度よりも小さい。
この耐圧保持層122の表面を含む領域には、導電型がp型である複数のウェル領域123が互いに間隔を隔てて形成されている。ウェル領域123の幅は、ウェル領域123の底部(基板側)に向かうに従って小さくなっている。言い換えれば、2つのウェル領域123に挟まれたJFET領域5の幅は、炭化珪素層122の表面から基板10の方向に向かうに従って広くなっている。
ウェル領域123の内部において、ウェル領域123の表面層にn+領域124が形成されている。また、このn+領域124に隣接する位置には、p+領域125が形成されている。隣接する一対のウェル領域123のうち、一方のウェル領域123におけるn+領域124上から、ウェル領域123、2つのウェル領域123の間において露出する耐圧保持層122、他方のウェル領域123および当該他方のウェル領域123におけるn+領域124上にまで延在するように、酸化膜126が形成されている。酸化膜126上にはゲート電極110が形成されている。また、n+領域124およびp+領域125上にはソース電極111が形成されている。このソース電極111上には上部ソース電極127が形成されている。
次に半導体装置100の製造方法について説明する。
図3を参照して、まず基板準備工程(ステップS10:図2)にて、炭化珪素からなる基板10が準備される。基板10の導電型は、たとえばn型(第1導電型)とされる。
次に、エピタキシャル層形成工程(ステップS20:図2)により、バッファ層121および耐圧保持層122が、以下のように形成される。
まず基板10の表面上にバッファ層121が形成される。バッファ層121は、導電型がn型(第1導電型)の炭化珪素からなり、たとえば厚さ0.5μmのエピタキシャル層である。またバッファ層121におけるn型の導電性不純物の濃度は、たとえば5×1017cm-3とされる。
次にバッファ層121上に耐圧保持層122が形成される。具体的には、導電型がn型(第1導電型)の炭化珪素からなる層が、エピタキシャル成長法によって形成される。耐圧保持層122の厚さは、たとえば10μmとされる。また耐圧保持層122におけるn型の導電性不純物の濃度は、たとえば5×1015cm-3である。
図4を参照して、スルーマスク層形成工程(ステップS30:図2)により、耐圧保持層122の上にスルーマスク層2が形成される。スルーマスク層2の材料は、たとえばポリシリコンである。スルーマスク層2は、たとえばCVD(Chemical Vapor Deposition)法により耐圧保持層122上に形成される。
後述するイオン注入工程において、不純物イオンはスルーマスク層2を通して炭化珪素層122に注入される。スルーマスク層2の膜厚が大きい場合、イオン注入の際に不純物イオンの通過がスルーマスク層2によって妨げられる。それゆえ、イオン注入効率の観点からは、スルーマスク層2の膜厚は小さい方が好ましい。
一方、スルーマスク層2は、後述するマスク層1をエッチングする工程において、スルーマスク層2の下に形成された炭化珪素層122がエッチングされること防止する、いわゆるエッチストップ層としての機能も有する。スルーマスク層2の膜厚が小さい場合、スルーマスク層2が全てエッチングされてしまい、エッチストップ層としての機能を果たすことができない。それゆえ、エッチストップ層としての機能を考慮すると、スルーマスク層2の膜厚は大きい方が好ましい。
不純物イオン注入効率とエッチストップ層との機能との両方を考慮すると、スルーマスク層2の膜厚は、0.02μm以上程度0.2μm以下程度であることが好ましい。
また、スルーマスク層2と耐圧保持層122との間に酸化膜(保護膜)が設けられていてもよい。
図5を参照して、マスク層形成工程(ステップS40:図2)が実施される。マスク層1を形成する工程は、炭化珪素層122上に注入阻止層4を形成する工程と、注入阻止層4に開口を形成する工程とを有している。まず、炭化珪素層122上に設けられたスルーマスク層2上に注入阻止層4が形成される。注入阻止層4の材料は、たとえば二酸化珪素(SiO2)である。注入阻止層4は、たとえばCVD法により形成される。注入阻止層4の膜厚は、たとえば2μmである。
注入阻止層4は、後述するイオン注入工程において、炭化珪素層122にイオンが注入されることを阻止する機能を有する。炭化珪素層122上に注入阻止層4がある部分と注入阻止層4がない部分がある場合、注入阻止層4がある炭化珪素層122の部分にはイオンがほとんど注入されず、注入阻止層4がない炭化珪素層122の部分にはイオンが注入される。注入阻止層4の膜厚は、たとえば1.5μm以上程度20μm以下程度であることが好ましい。また、注入阻止層4の厚みをスルーマスク層2の厚みで除した膜厚比は、10以上程度50以下程度であることが好ましい。
図6を参照して、注入阻止層4上にフォトレジストパターン3が形成される。このフォトレジストパターン3は、後述するイオン注入工程において、ウェル領域123が形成される部分の位置に開口部を有するように形成される。フォトレジストパターン3は、たとえば注入阻止層4の表面の全面にフォトレジストを塗布した後に、開口部に対応する部分以外の部分を硬化し、開口部に対応する未硬化部分を除去するなどによって形成することができる。
図7を参照して、フォトレジストパターン3をマスクとしたエッチングが行われる。エッチングは、たとえばCHF3を含むガスを用いたRIE(Reactive Ion Etching)により行われる。これにより、フォトレジストパターン3の開口部に位置する注入阻止層4の一部がその厚さ方向(図中縦方向)にエッチングされることで、注入阻止層4に開口(図中、マスク層1の左右の部分)が形成される。このようにして、テーパー角が90°程度であるマスク層1が形成される。
なお、上記エッチングによってスルーマスク層2の一部が除去されてもよい。また、スルーマスク層2と注入阻止層4とのエッチング選択比が2以上であることが好ましい。より好ましくは、スルーマスク層2と注入阻止層4とのエッチング選択比が2以上10以下である。
図8を参照して、マスク層1上に残留したフォトレジストパターン3が除去される。
図9を参照して、マスク層1のショルダー部分をエッチングすることにより、マスク層1にテーパー角θを設ける。エッチングには、たとえばCF4とO2との混合ガスが用いられ、圧力は1Paである。マイクロ波のパワーは、たとえば900Wである。これにより、テーパー角が60°よりも大きく80°以下の開口を有するマスク層1が形成されるように、テーパー角が調整される。
エッチングに用いられる混合ガスの組成比(O2/(CF4+O2))は、好ましくは10%以上50%以下である。たとえば、組成比(O2/(CF4+O2))が15%、20%、25%、30%、35%、40%の場合、テーパー角はそれぞれ、84°、80°、76°、73°、70°、64°程度となる。
なお、テーパー角θとは、マスク層1の底面(図中下側の面)と傾斜面とによって挟まれた角度のことである。
図10を参照して、注入工程(ステップS50:図2)により、ウェル領域123が、以下のように形成される。
まず、マスク層1上からp型(第2導電型)不純物のイオンを炭化珪素層122に注入することにより、炭化珪素層122にウェル領域123が形成される。ここで、イオン注入Jは、たとえばマスク層1の開口部からスルーマスク層2を通して炭化珪素層122にp型(第2導電型)不純物のイオンを注入することにより行われる。p型不純物としては、たとえばアルミニウムなどを用いることができる。なお、イオン注入Jは炭化珪素層122の厚み方向に行われる。
イオン注入Jは、異なる注入エネルギーを有する不純物イオンを何段階かに分けて注入することにより行われてもよい(多段注入)。注入エネルギーが高い場合、不純物イオンは炭化珪素層122の深くまで注入され、注入エネルギーが低い場合、不純物イオンは炭化珪素層122の浅い位置に注入される。
図15は、ウェル領域123の深さ方向における不純物イオンの濃度を示している。たとえば、上述した多段注入によって、図15のように不純物イオンの濃度が深さ方向に変化したウェル領域123が形成される。
図16は、マスク層1のテーパー角が90°の場合における、ウェル領域123の断面形状を示している。図16に見られるように、ウェル領域123の最深部付近においてウェル領域123が横方向に突き出るように広がっている。この横方向に突出した突出部は電界集中が発生しやすいため、半導体装置100の耐圧を下げる原因になる。
一方、図17は、マスク層1のテーパー角が60°よりも大きく80°以下である場合における、ウェル領域123の断面形状を示している。図17に見られるように、ウェル領域123の横方向(幅方向)の広がりはウェル領域123の底側(基板側)に向かって狭くなる。また、テーパー角が60°よりも大きく80°以下の場合は、テーパー角が90°の場合に見られたようなウェル領域123の最深部付近における横方向(幅方向)に広がった突出部が形成されない。そのため、ウェル領域123の最深部付近において、電界集中が発生することを抑制することができる。また、ウェル領域123の最深部付近に形成される突出部によってJFET領域5が狭窄することを抑制することができる。
図11を参照して、マスク層1およびスルーマスク層2が除去される。マスク層1およびスルーマスク層2の除去は、たとえばフッ酸を用いてエッチングすることにより行われる。
図12を参照して、n+領域124と、p+領域125とが、以下のように形成される。n型の導電性不純物を所定の領域に選択的に注入することによってn+領域124が形成され、また導電型がp型の導電性不純物を所定の領域に選択的に注入することによってp+領域125が形成される。なお不純物の選択的な注入は、たとえば酸化膜からなるマスクを用いて行われる。
このような注入工程の後、活性化アニール工程(ステップS60:図2)が実施される。たとえば、アルゴン雰囲気中、加熱温度1700℃で30分間のアニールが行われる。
図13を参照して、ゲート絶縁膜形成工程(ステップS70:図2)が行われる。具体的には、耐圧保持層122と、ウェル領域123と、n+領域124と、p+領域125との上を覆うように、酸化膜126が形成される。この形成はドライ酸化(熱酸化)により行われてもよい。ドライ酸化の条件は、たとえば、加熱温度が1200℃であり、また加熱時間が30分である。
その後、窒素アニール工程(ステップS80:図2)が行われる。具体的には、一酸化窒素(NO)雰囲気中でのアニール処理が行われる。この処理の条件は、たとえば加熱温度が1100℃であり、加熱時間が120分である。この結果、耐圧保持層122、ウェル領域123、n+領域124、およびp+領域125の各々と、酸化膜126との界面近傍に、窒素原子が導入される。
なおこの一酸化窒素を用いたアニール工程の後、さらに不活性ガスであるアルゴン(Ar)ガスを用いたアニール処理が行われてもよい。この処理の条件は、たとえば、加熱温度が1100℃であり、加熱時間が60分である。
図14を参照して、電極形成工程(ステップS90:図2)により、ソース電極111およびドレイン電極112が、以下のように形成される。
まず酸化膜126上に、フォトリソグラフィ法を用いて、パターンを有するレジスト膜が形成される。このレジスト膜をマスクとして用いて、酸化膜126のうちn+領域124およびp+領域125上に位置する部分がエッチングにより除去される。これにより酸化膜126に開口部が形成される。次に、この開口部においてn+領域124およびp+領域125の各々と接触するように導電体膜が形成される。次にレジスト膜を除去することにより、上記導体膜のうちレジスト膜上に位置していた部分の除去(リフトオフ)が行われる。この導体膜は、金属膜であってもよく、たとえばニッケル(Ni)からなる。このリフトオフの結果、ソース電極111が形成される。また、基板10の裏面上にドレイン電極112が形成される。
なお、ここでアロイ化のための熱処理が行なわれることが好ましい。たとえば、不活性ガスであるアルゴン(Ar)ガスの雰囲気中、加熱温度950℃で2分の熱処理が行なわれる。
再び図1を参照して、ソース電極111上に上部ソース電極127が形成される。以上により、半導体装置100が得られる。
なお本実施の形態における導電型が入れ替えられた構成、すなわちp型とn型とが入れ替えられた構成を用いることもできる。また、本実施の形態では、半導体装置100の例としてDiMOSFETについて説明したが、たとえば半導体装置100はトレンチ型MOSFETであってもよい。また、上記製造方法は、MOSFET以外のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、ダイオードなど種々の半導体デバイスの作製に用いることができる。
また、本実施の形態では、マスク層1(注入阻止層4)の材料として二酸化珪素が用いられ、スルーマスク層2としてポリシリコンが用いられる場合を説明したが、マスク層1(注入阻止層4)の材料としてポリシリコンが用いられ、スルーマスク層2の材料として二酸化珪素が用いられてもよい。
次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
本実施の形態に係る半導体装置100の製造方法によれば、テーパー角が60°よりも大きく80°以下の開口を有するマスク層1上から炭化珪素層122にイオン注入されることでウェル領域123が形成される。それゆえ、ウェル領域123が炭化珪素層122の厚み方向に対して垂直な方向に広がりすぎることがなく、高い集積度で半導体装置100を製造することができる。また、ウェル領域123の広がりによりJFET領域5が狭窄されることがないので、低いオン抵抗を実現することができる。さらに、ウェル領域123の最深部付近において横方向に広がる突出部の形成を抑制することができる。それゆえ、ウェル領域123の最深部付近での電界集中の発生を抑制することできるので、高い耐圧を有する半導体装置100が得られる。
また、集積度を向上させる観点からは、テーパー角が65°以上であることがより好ましく、電界集中抑制の観点からは、テーパー角が75°以下であることがより好ましい。
また、本実施の形態の製造方法では、注入阻止層4を形成する前に、炭化珪素層122上にスルーマスク層2が形成される。それゆえ、注入阻止層4をエッチングして開口を形成する際に、スルーマスク層2の下にある炭化珪素層122がエッチングされることを防止することができる。
さらに、本実施の形態の製造方法では、テーパー角が90°となるように開口を形成する工程を実施し、その後、開口のテーパー角が60°よりも大きく80°以下となるようにテーパー角を調整する。そのため、テーパー角を精度よく制御することができる。
さらに、本実施の形態の製造方法では、マスク層1(注入阻止層4)やスルーマスク層2の材料として、二酸化珪素やポリシリコンが使用される。これらの材料は非金属であるために、金属汚染を防ぐことができる。
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説明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。
1 マスク層、2 スルーマスク層、3 レジストパターン、4 注入阻止層、5 JFET領域、10 基板、100 半導体装置、110 ゲート電極、111 ソース電極、112 ドレイン電極、121 バッファ層、122 炭化珪素層(耐圧保持層)、123 ウェル領域、124 n+領域、125 p+領域、126 酸化膜、127 上部ソース電極。

Claims (7)

  1. 第1導電型の炭化珪素層を有する基板を準備する工程と、
    前記炭化珪素層上にマスク層を形成する工程と、
    前記マスク層上からイオン注入することにより、前記炭化珪素層に第2導電型のウェル領域を形成する工程とを備え、
    前記マスク層を形成する工程において、前記マスク層の底面と傾斜面とによって挟まれた角度であるテーパー角が60°よりも大きく80°以下の開口を有する前記マスク層が形成される、半導体装置の製造方法。
  2. 前記マスク層を形成する工程は、前記炭化珪素層上に注入阻止層を形成する工程と、前記注入阻止層に前記開口を形成する工程とを含む、請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記開口を形成する工程は、前記注入阻止層がエッチングされることにより行われる、請求項2に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記注入阻止層を形成する前に、前記炭化珪素層上にスルーマスク層を形成する工程をさらに備える、請求項3に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記開口を形成する工程では、前記スルーマスク層と前記注入阻止層との選択比が2以上の条件で前記注入阻止層がエッチングされる、請求項4に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記注入阻止層の膜厚を前記スルーマスク層の膜厚で除した比が10以上50以下である、請求項4または5に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記開口を形成する工程は、前記テーパー角が90°となるように前記開口を形成する工程と、前記開口の前記テーパー角が60°よりも大きく80°以下となるように前記テーパー角を調整する工程とを含む、請求項2〜6のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
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