JP2014060272A - Silicon carbide semiconductor device and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本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、スイッチング特性を向上可能な炭化珪素半導体装置およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a silicon carbide semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a silicon carbide semiconductor device capable of improving switching characteristics and a manufacturing method thereof.
近年、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)などの半導体装置の高耐圧化、低損失化、高温環境下での使用などを可能とするため、半導体装置を構成する材料として炭化珪素の採用が進められつつある。炭化珪素は、従来から半導体装置を構成する材料として広く使用されている珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体である。そのため、半導体装置を構成する材料として炭化珪素を採用することにより、半導体装置の高耐圧化、オン抵抗の低減などを達成することができる。また、炭化珪素を材料として採用した半導体装置は、珪素を材料として採用した半導体装置に比べて、高温環境下で使用された場合の特性の低下が小さいという利点も有している。 2. Description of the Related Art In recent years, silicon carbide has been increasingly used as a material for semiconductor devices in order to enable higher breakdown voltages, lower losses, and use in high-temperature environments for semiconductor devices such as MOSFETs (Metal Oxide Field Effect Transistors). It is being Silicon carbide is a wide band gap semiconductor having a larger band gap than silicon that has been widely used as a material for forming semiconductor devices. Therefore, by adopting silicon carbide as a material constituting the semiconductor device, it is possible to achieve a high breakdown voltage and a low on-resistance of the semiconductor device. In addition, a semiconductor device that employs silicon carbide as a material has an advantage that a decrease in characteristics when used in a high temperature environment is small as compared with a semiconductor device that employs silicon as a material.
たとえば、非特許文献1において、炭化珪素基板上に形成されたn型ドリフト層と、一対のウェル領域と、ゲート絶縁膜とを有するMOSFETが開示されている。非特許文献1によれば、ドレインソース電流が65Aであるオン状態からドレインソース電圧が750Vであるオフ状態にスイッチさせたときのスイッチングエネルギー損失は9mJであるMOSFETが開示されている。
For example, Non-Patent
スイッチング特性を向上させるためには、炭化珪素半導体装置の静電容量を低減することが必要である。静電容量は電極間に挟まれた絶縁体の厚みに反比例する。そのため、ゲート絶縁膜の厚みを大きくすることにより静電容量を低減することができる。しかしながら、ゲート絶縁膜の厚みを大きくするとチャネルを流れるドレイン電流が低減する。 In order to improve the switching characteristics, it is necessary to reduce the capacitance of the silicon carbide semiconductor device. The capacitance is inversely proportional to the thickness of the insulator sandwiched between the electrodes. Therefore, the capacitance can be reduced by increasing the thickness of the gate insulating film. However, increasing the thickness of the gate insulating film reduces the drain current flowing through the channel.
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、ドレイン電流の低減を抑制しつつ、かつスイッチング特性を向上可能な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 such problems, and an object of the present invention is to provide a silicon carbide semiconductor device capable of improving the switching characteristics while suppressing the reduction of the drain current, and a method for manufacturing the same. That is.
発明者らは鋭意研究の結果、以下の知見を得て本発明を想到した。まず、スイッチング特性を向上するためにはデバイスの静電容量を低減することが必要である。デバイスの静電容量の中でも、一対のウェル領域に挟まれたJFET領域とゲート電極とゲート絶縁膜を介して対向する部分の静電容量(帰還容量)を低減することが望ましい。 As a result of intensive studies, the inventors have obtained the following knowledge and have come up with the present invention. First, in order to improve the switching characteristics, it is necessary to reduce the capacitance of the device. Of the capacitance of the device, it is desirable to reduce the capacitance (feedback capacitance) of the JFET region sandwiched between the pair of well regions, the gate electrode, and the portion facing each other through the gate insulating film.
JFET領域とゲート電極との静電容量を低減するためには、JFET領域上のゲート絶縁膜の厚みを大きくすることが有効である。しかしながら、ゲート絶縁膜全体の厚みを大きくすると、チャネルを流れるドレイン電流の値が小さくなってしまう。それゆえ、JFET領域上のゲート絶縁膜の厚みを大きくし、ウェル領域上のゲート絶縁膜の厚みは小さく保つことが望ましい。 In order to reduce the capacitance between the JFET region and the gate electrode, it is effective to increase the thickness of the gate insulating film on the JFET region. However, when the thickness of the entire gate insulating film is increased, the value of the drain current flowing through the channel is decreased. Therefore, it is desirable to increase the thickness of the gate insulating film on the JFET region and keep the thickness of the gate insulating film on the well region small.
発明者らは、JFET領域に高不純物濃度を有するn型領域を形成し、その後JFET領域に接するゲート絶縁膜を形成することにより、JFET領域上のゲート絶縁膜の厚みを大きくし、ウェル領域上のゲート絶縁膜の厚みを小さく保つことができることを見出した。高不純物濃度を有するn型領域は、p型領域や低不純物濃度のn型領域と比較して酸化速度が速くなる。それゆえ、高不純物濃度を有するn型領域をJFET領域に形成することにより、JFET領域上のゲート絶縁膜の厚みを、p型領域や低不純物濃度のn型領域からなるウェル領域上のゲート絶縁膜の厚みよりも大きくすることができる。 The inventors have formed an n-type region having a high impurity concentration in the JFET region, and then formed a gate insulating film in contact with the JFET region, thereby increasing the thickness of the gate insulating film on the JFET region. It was found that the thickness of the gate insulating film can be kept small. An n-type region having a high impurity concentration has a higher oxidation rate than a p-type region or a low impurity concentration n-type region. Therefore, by forming an n-type region having a high impurity concentration in the JFET region, the thickness of the gate insulating film on the JFET region can be changed to a gate insulation on a well region including a p-type region and a low impurity concentration n-type region. It can be larger than the thickness of the film.
そこで、本発明に係る炭化珪素半導体装置の製造方法は以下の工程を有している。主面を有する炭化珪素基板が準備される。炭化珪素基板は、第1導電型を有する第1導電型領域と、第1導電型とは異なる第2導電型を有しかつ第1導電型領域を挟む一対のウェル領域と、一対のウェル領域の各々の間に配置されかつ第1導電型領域と接するn型領域とを含む。炭化珪素基板に含まれる一対のウェル領域の各々およびn型領域は炭化珪素基板の主面に露出して形成されている。炭化珪素基板の主面を酸化することによりウェル領域および第1導電型領域に接するゲート絶縁膜が形成される。第1導電型がn型の場合、n型領域の不純物濃度は第1導電型領域の不純物濃度よりも高い。第1導電型がp型の場合、n型領域の不純物濃度はウェル領域の不純物濃度よりも高い。 Therefore, a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention includes the following steps. A silicon carbide substrate having a main surface is prepared. The silicon carbide substrate includes a first conductivity type region having a first conductivity type, a pair of well regions having a second conductivity type different from the first conductivity type and sandwiching the first conductivity type region, and a pair of well regions And an n-type region in contact with the first conductivity type region. Each of the pair of well regions and the n-type region included in the silicon carbide substrate are formed exposed to the main surface of the silicon carbide substrate. A gate insulating film in contact with the well region and the first conductivity type region is formed by oxidizing the main surface of the silicon carbide substrate. When the first conductivity type is n-type, the impurity concentration of the n-type region is higher than the impurity concentration of the first conductivity type region. When the first conductivity type is p-type, the impurity concentration of the n-type region is higher than the impurity concentration of the well region.
本発明に係る炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、第1導電型領域に炭化珪素基板の主面を含むn型領域が形成される。第1導電型がn型の場合、n型領域の不純物濃度は第1導電型領域の不純物濃度よりも高い。第1導電型がp型の場合、n型領域の不純物濃度はウェル領域の不純物濃度よりも高い。 According to the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device of the present invention, the n-type region including the main surface of the silicon carbide substrate is formed in the first conductivity type region. When the first conductivity type is n-type, the impurity concentration of the n-type region is higher than the impurity concentration of the first conductivity type region. When the first conductivity type is p-type, the impurity concentration of the n-type region is higher than the impurity concentration of the well region.
第1導電型がn型の場合、ウェル領域はp型である。第1導電型領域よりも高い不純物濃度を有するn型領域の酸化速度は、p型領域であるウェル領域の酸化速度よりも早い。そのため、第1導電型領域上のゲート絶縁膜の厚みが、ウェル領域上のゲート絶縁膜の厚みよりも大きくなる。また第1導電型がp型の場合、ウェル領域はn型である。ウェル領域よりも高い不純物濃度を有するn型領域の酸化速度は、ウェル領域の酸化速度よりも早い。それゆえ、第1導電型領域上に形成されるゲート絶縁膜の厚みが、ウェル領域上のゲート絶縁膜の厚みよりも大きくなる。 When the first conductivity type is n-type, the well region is p-type. The oxidation rate of the n-type region having an impurity concentration higher than that of the first conductivity type region is faster than the oxidation rate of the well region that is the p-type region. Therefore, the thickness of the gate insulating film on the first conductivity type region is larger than the thickness of the gate insulating film on the well region. When the first conductivity type is p-type, the well region is n-type. The oxidation rate of the n-type region having an impurity concentration higher than that of the well region is faster than the oxidation rate of the well region. Therefore, the thickness of the gate insulating film formed on the first conductivity type region is larger than the thickness of the gate insulating film on the well region.
つまり、第1導電型領域がn型およびp型のいずれの場合においても、第1導電型領域上に形成されるゲート絶縁膜の厚みが、ウェル領域上のゲート絶縁膜の厚みよりも大きくなる。それゆえ、ドレイン電流の低減を抑制しつつ、かつ炭化珪素半導体装置の静電容量を低減することができる。結果として、ドレイン電流の低減を抑制しつつ、炭化珪素半導体装置のスイッチング特性を向上することができる。 That is, regardless of whether the first conductivity type region is n-type or p-type, the thickness of the gate insulating film formed on the first conductivity type region is larger than the thickness of the gate insulating film on the well region. . Therefore, it is possible to reduce the capacitance of the silicon carbide semiconductor device while suppressing the reduction of the drain current. As a result, the switching characteristics of the silicon carbide semiconductor device can be improved while suppressing a decrease in drain current.
上記に係る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導電型はn型である。これにより、移動度の大きい炭化珪素半導体装置を得ることができる。 In the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the above, preferably, the first conductivity type is an n-type. Thereby, a silicon carbide semiconductor device with high mobility can be obtained.
上記に係る炭化珪素半導体装置の製造方法において好ましくは、n型領域を形成する工程はイオン注入または拡散により行われる。これにより、効率的にn型領域を形成することができる。 In the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the above, preferably, the step of forming the n-type region is performed by ion implantation or diffusion. Thereby, an n-type region can be formed efficiently.
上記に係る炭化珪素半導体装置の製造方法において好ましくは、n型領域の不純物濃度は1×1017cm-3以上1×1020cm-3以下である。これにより、第1導電型領域上のゲート絶縁膜の厚みを十分大きくすることができる。 In the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the above, preferably, the impurity concentration of the n-type region is not less than 1 × 10 17 cm −3 and not more than 1 × 10 20 cm −3 . Thereby, the thickness of the gate insulating film on the first conductivity type region can be sufficiently increased.
上記に係る炭化珪素半導体装置の製造方法において好ましくは、n型領域の厚みは10nm以上50nm以下である。n型領域の厚みが10nm未満であれば第1導電型領域上のゲート絶縁膜の厚みが十分大きくならない。n型領域の厚みが50nmよりも大きいとゲート絶縁膜形成後も第1導電型領域に高不純物濃度のn型領域が残るため耐圧が下がる。n型領域の厚みを10nm以上50nm以下にすることにより、耐圧低下を抑制しつつゲート絶縁膜の厚みを十分大きくすることができる。 Preferably in the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the above, the thickness of the n-type region is not less than 10 nm and not more than 50 nm. If the thickness of the n-type region is less than 10 nm, the thickness of the gate insulating film on the first conductivity type region will not be sufficiently large. When the thickness of the n-type region is larger than 50 nm, the breakdown voltage is lowered because the n-type region having a high impurity concentration remains in the first conductivity type region even after the gate insulating film is formed. By setting the thickness of the n-type region to not less than 10 nm and not more than 50 nm, the thickness of the gate insulating film can be sufficiently increased while suppressing a decrease in breakdown voltage.
上記に係る炭化珪素半導体装置の製造方法において好ましくは、ゲート絶縁膜は、第1導電型領域に接する第1領域と、一対のウェル領域に接する第2領域とを含む。第1領域の膜厚は第2領域の膜厚より大きい。これにより、ドレイン電流の低減を抑制しつつ、炭化珪素半導体装置の静電容量を低減することができる。 Preferably, in the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the above, the gate insulating film includes a first region in contact with the first conductivity type region and a second region in contact with the pair of well regions. The film thickness of the first region is larger than the film thickness of the second region. Thereby, the electrostatic capacitance of the silicon carbide semiconductor device can be reduced while suppressing the reduction of the drain current.
上記に係る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領域の膜厚は第2領域の膜厚より3nm以上大きい。これにより、効率的にドレイン電流の低減を抑制しつつ、炭化珪素半導体装置の静電容量を低減することができる。 In the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the above, preferably, the film thickness of the first region is 3 nm or more larger than the film thickness of the second region. Thereby, the electrostatic capacitance of the silicon carbide semiconductor device can be reduced while efficiently suppressing the drain current.
本発明に係る炭化珪素半導体装置は、炭化珪素基板と、ゲート絶縁膜とを有している。炭化珪素基板は、主面を有しかつ第1導電型を有する第1導電型領域を含む。ゲート絶縁膜は、炭化珪素基板の主面に接する。炭化珪素基板は、第1導電型とは異なる第2導電型を有しかつ第1導電型領域を挟むように配置された一対のウェル領域を含む。ゲート絶縁膜は、第1導電型領域に接する第1領域と、一対のウェル領域の各々に接する第2領域とを含む。第1領域の膜厚は、第2領域の膜厚よりも大きい。 A silicon carbide semiconductor device according to the present invention has a silicon carbide substrate and a gate insulating film. The silicon carbide substrate includes a first conductivity type region having a main surface and having a first conductivity type. The gate insulating film is in contact with the main surface of the silicon carbide substrate. The silicon carbide substrate includes a pair of well regions having a second conductivity type different from the first conductivity type and arranged so as to sandwich the first conductivity type region. The gate insulating film includes a first region in contact with the first conductivity type region and a second region in contact with each of the pair of well regions. The film thickness of the first region is larger than the film thickness of the second region.
本発明に係る炭化珪素半導体装置によれば、ゲート絶縁膜は、第1導電型領域に接する第1領域と、一対のウェル領域に接する第2領域とを含み、第1領域の膜厚は、第2領域の膜厚よりも大きい。これにより、ドレイン電流の低減を抑制しつつ、炭化珪素半導体装置の静電容量を低減することができる。結果として、ドレイン電流の低減を抑制しつつ、炭化珪素半導体装置のスイッチング特性を向上することができる。 According to the silicon carbide semiconductor device of the present invention, the gate insulating film includes the first region in contact with the first conductivity type region and the second region in contact with the pair of well regions, and the film thickness of the first region is It is larger than the film thickness of the second region. Thereby, the electrostatic capacitance of the silicon carbide semiconductor device can be reduced while suppressing the reduction of the drain current. As a result, the switching characteristics of the silicon carbide semiconductor device can be improved while suppressing a decrease in drain current.
上記に係る炭化珪素半導体装置において好ましくは、炭化珪素基板は、主面と反対側の第2の主面を有する。炭化珪素基板の主面は、第1領域に接する第1領域主面と、第2領域に接する第2領域主面とを含む。第1領域主面は、第2領域主面より第2の主面の近くに位置している。これにより、第1領域の厚みを大きくすることにより、炭化珪素半導体装置の静電容量を低減することができる。 In the silicon carbide semiconductor device according to the above, preferably, the silicon carbide substrate has a second main surface opposite to the main surface. The main surface of the silicon carbide substrate includes a first region main surface in contact with the first region and a second region main surface in contact with the second region. The first region main surface is located closer to the second main surface than the second region main surface. Thereby, the capacitance of the silicon carbide semiconductor device can be reduced by increasing the thickness of the first region.
上記に係る炭化珪素半導体装置において好ましくは、第1領域の膜厚は第2領域の膜厚より3nm以上大きい。これにより、効率的にドレイン電流の低減を抑制しつつ、炭化珪素半導体装置の静電容量を低減することができる。 In the silicon carbide semiconductor device according to the above, preferably, the thickness of the first region is 3 nm or more larger than the thickness of the second region. Thereby, the electrostatic capacitance of the silicon carbide semiconductor device can be reduced while efficiently suppressing the drain current.
上記に係る炭化珪素半導体装置において好ましくは、第1領域の膜厚は45nm以上70nm以下である。第1領域の膜厚が45nm未満の場合、膜厚が薄いのでリーク電流が発生しやすくなる。第1領域の膜厚が70nm超の場合、第1領域の膜厚と第2領域の膜厚との差が大きくなり、第1領域と第2領域との間に大きな段差ができる。当該段差の角部には電界が集中してリーク電流が発生しやすくなる。それゆえ、第1領域の膜厚を45nm以上70nm以下とすることにより、リーク電流の発生を抑制することができる。 In the silicon carbide semiconductor device according to the above, preferably, the thickness of the first region is not less than 45 nm and not more than 70 nm. When the thickness of the first region is less than 45 nm, the leakage current is likely to occur because the thickness is small. When the film thickness of the first region is more than 70 nm, the difference between the film thickness of the first region and the film thickness of the second region becomes large, and a large step is formed between the first region and the second region. The electric field concentrates at the corner of the step, and a leak current is likely to occur. Therefore, the occurrence of leakage current can be suppressed by setting the film thickness of the first region to 45 nm or more and 70 nm or less.
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、ドレイン電流の低減を抑制しつつ、かつスイッチング特性を向上可能な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ができる。 As is apparent from the above description, according to the present invention, it is possible to provide a silicon carbide semiconductor device capable of improving the switching characteristics while suppressing a decrease in drain current and a method for manufacturing the same.
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。また、本明細書中の結晶学的記載においては、個別方位を[]、集合方位を<>、個別面を()、集合面を{}でそれぞれ示している。また、負の指数については、結晶学上、”−”(バー)を数字の上に付けることになっているが、本明細書中では、数字の前に負の符号を付けている。また角度の記載には、全方位角を360度とする系を用いている。 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. In the crystallographic description in this specification, the individual orientation is indicated by [], the collective orientation is indicated by <>, the individual plane is indicated by (), and the collective plane is indicated by {}. As for the negative index, “−” (bar) is attached on the number in crystallography, but in this specification, a negative sign is attached before the number. The angle is described using a system in which the omnidirectional angle is 360 degrees.
図1を参照して、本実施の形態における炭化珪素半導体装置であるMOSFET1は、炭化珪素基板10と、ゲート絶縁膜15と、ゲート電極27と、ソースコンタクト電極16と、ドレイン電極20とを主に有している。
Referring to FIG. 1,
炭化珪素基板10は、たとえばポリタイプ4Hの六方晶炭化珪素からなる。炭化珪素基板10の主面10aは、たとえば(0001)面から8°以下程度オフした面であってもよく、(0−33−8)面であってもよい。好ましくは、主面10aは、{000−1}面に対して、巨視的に62°±10°のオフ角を有する面である。
炭化珪素基板10は、ベース基板11と、ドリフト層12と、ウェル領域13と、n+領域14と、p+領域18とを主に含む。ベース基板は、炭化珪素からなり導電型がn型(第1導電型)を有するエピタキシャル層である。ドリフト層12は、ベース基板11上に配置されており、導電型がn型である。ドリフト層12に含まれる不純物はたとえば窒素(N)である。ドリフト層12に含まれている窒素濃度はたとえば5×1015cm-3程度である。ドリフト層12は第1導電型領域17を含む。第1導電型領域17は、ドリフト層12の一部であって後述する一対のウェル領域13によって挟まれたJFET領域である。ドリフト層12と第1導電型領域17とは同じ導電型を有する。
一対のウェル領域13は、第1導電型領域17を挟むように配置されており、導電型がn型(第1導電型)とは異なるp型(第2導電型)を有する領域である。一対のウェル領域13の各々に含まれる不純物は、たとえばアルミニウム(Al)、ホウ素(B)などである。ウェル領域13におけるアルミニウムやホウ素の濃度は、たとえば1×1017cm-3程度である。
The pair of
n+領域14は、上記主面10aを含み、かつウェル領域13に取り囲まれるように、一対のウェル領域13の各々の内部に形成されている。n+領域14は、たとえばリン(P)などの不純物をドリフト層12に含まれる不純物よりも高い濃度(密度)で含んでいる。n+領域14におけるリンの濃度は、たとえば1×1020cm-3程度である。
The n +
p+領域18は、上記主面10aを含み、かつウェル領域13に取り囲まれるとともに、n+領域14に隣接するように一対のウェル領域13の各々の内部に形成されている。p+領域18は、ソースコンタクト電極16、n+領域14およびウェル領域13に接して配置されている。p+領域18は、たとえばAlなどの不純物をウェル領域13に含まれる不純物よりも高い濃度(密度)で含んでいる。p+領域18における、Alの濃度はたとえば1×1020cm-3程度である。
The p +
ゲート絶縁膜15は、炭化珪素基板10の主面10aに接して配置されている。ゲート絶縁膜15はたとえば二酸化珪素からなっている。ゲート絶縁膜15は、第1導電型領域17に接する第1領域15aと、ウェル領域13に接する第2領域15bとを含んでいる。第1導電型領域17に接する第1領域15aとは、第1導電型領域17が後述するn型領域3を介して第1領域15aに接する場合も含む。第1領域15aの膜厚T1は第2領域15bの膜厚T2よりも大きい。第1導電型領域17上の第1領域15aの厚みはたとえば55nm程度であり、ウェル領域13上の第2領域15bの厚みはたとえば40nm程度である。
好ましくは、第1領域15aの膜厚T1は第2領域15bの膜厚T2よりも3nm以上大きく、さらに好ましくは5nm以上大きい。好ましくは、第1領域15aの膜厚T1は45nm以上70nm以下である。
Preferably, the film thickness T1 of the
第1領域15aは第1導電型領域17および一対のウェル領域13の各々に接している。炭化珪素基板10の主面10aは、第1領域15aに接する第1領域主面10cと、第2領域15bに接する第2領域主面10dとを含む。第1領域主面10cは、第2領域主面10dより炭化珪素基板10の第2の主面10bの近くに位置している。
The
第1領域15aは、第1領域主面10cに対向しかつゲート電極27に接する面15cを有している。第2領域15bは、第2領域主面10dに対向しかつゲート電極27に接する面15dを有している。第1領域15aの面15cは、第2領域15bの面15dより炭化珪素基板10の第2の主面10bから遠くに位置している。
The
ゲート電極27は、一方のn+領域14上から他方のn+領域14上にまで延在するように、ゲート絶縁膜15に接触して配置されている。ゲート電極27は、炭化珪素基板10との間にゲート絶縁膜15を挟むようにゲート絶縁膜15と接して配置されている。また、ゲート電極27は、不純物が添加されたポリシリコン、Alなどの導電体からなっている。
ソースコンタクト電極16は、n+領域14と、p+領域18と、ゲート絶縁膜15とに接触して配置されている。また、ソースコンタクト電極16は、たとえばNiSi(ニッケルシリサイド)など、n+領域14とオーミックコンタクト可能な材料からなっている。
ドレイン電極20は、炭化珪素基板10においてドリフト層12が形成される側とは反対側の第2の主面10bに接触して形成されている。このドレイン電極20は、たとえばNiSiなど、n型のベース基板11とオーミックコンタクト可能な材料からなっており、ベース基板11と電気的に接続されている。ドレイン電極20に接してパッド電極23が配置されている。ソースコンタクト電極16およびドレイン電極20は、ゲート電極27に印加されるゲート電極27により、ソースコンタクト電極16およびドレイン電極20の間に流れる電流が制御可能に構成されている。
層間絶縁膜21は、ゲート絶縁膜15と接し、ゲート電極27を取り囲むように形成されている。層間絶縁膜21は、たとえば絶縁体である二酸化珪素からなっている。ソース配線19は、炭化珪素基板10の主面10a上において、層間絶縁膜21を取り囲み、かつソースコンタクト電極16の上部表面上にまで延在している。また、ソース配線19は、たとえばAlなどの導電体からなり、ソースコンタクト電極16を介してn+領域14と電気的に接続されている。
The
次に、MOSFET1の動作について説明する。図1を参照して、ゲート電極27の電圧が閾値電圧未満の状態、すなわちオフ状態では、ゲート絶縁膜15の直下に位置するウェル領域13と第1導電型領域17との間のpn接合が逆バイアスとなり非導通状態となる。一方、ゲート電極27に閾値電圧以上の電圧を印加すると、ウェル領域13のゲート絶縁膜15と接触する付近であるチャネル領域において反転層が形成される。その結果、n+領域14と第1導電型領域17とが電気的に接続され、ソース配線19とドレイン電極20との間に電流が流れる。
Next, the operation of
次に、本実施の形態におけるMOSFET1の製造方法の一例について、図2〜図9を参照して説明する。
Next, an example of a method for manufacturing
まず基板準備工程(S10:図2)が実施される。具体的には、図3を参照して、単結晶炭化珪素からなるベース基板11が準備され、ベース基板11上にエピタキシャル成長によりn型(第1導電型)のドリフト層12が形成される。ドリフト層12にはたとえばN(窒素)イオンなどの不純物が含まれている。以上により、主面を10aを有しかつ第1導電型を有するドリフト層12を含む炭化珪素基板10が準備される。
First, a substrate preparation step (S10: FIG. 2) is performed. Specifically, referring to FIG. 3,
次にウェル領域形成工程(S20:図2)が実施される。具体的には、図4を参照して、たとえばAl(アルミニウム)イオンがドリフト層12にイオン注入されることによりウェル領域13が形成される。次に、n+領域14を形成するためのイオン注入が実施される。具体的には、たとえばP(リン)イオンがウェル領域13に注入されることにより、ウェル領域13内にn+領域14が形成される。さらに、p+領域18を形成するためのイオン注入が実施される。具体的には、たとえばAlイオンがウェル領域13に注入されることにより、ウェル領域13内であって、n+領域14と接するp+領域18が形成される。上記イオン注入は、たとえばドリフト層12の主面10a上に二酸化珪素からなり、イオン注入を実施すべき所望の領域に開口を有するマスク層を形成して実施することができる。
Next, a well region forming step (S20: FIG. 2) is performed. Specifically, referring to FIG. 4, for example, Al (aluminum) ions are implanted into
次にn型領域形成工程(S30:図2)が実施される。具体的には、図5を参照して、一対のウェル領域13に挟まれ、かつ炭化珪素基板10の主面10aに接する第1導電型領域17に、たとえばP(リン)イオンがイオン注入されることによりn型領域3が形成される。第1導電型領域17はJFET領域である。n型領域3は、炭化珪素基板10の主面10aから、主面10aと反対の第2の主面10bに向かって伸びるように形成される。
Next, an n-type region forming step (S30: FIG. 2) is performed. Specifically, referring to FIG. 5, for example, P (phosphorus) ions are implanted into first
n型領域3の形成は、好ましくはイオン注入または拡散により行われる。n型領域3の形成がイオン注入により行われる場合、たとえば15keV以上25ekV以下のエネルギーで1×1012cm-2程度のドーズ量のリンイオンが第1導電型領域17に注入される。n型領域3の形成が拡散により行われる場合、たとえばスピンオングラスなどのリンの供給源が炭化珪素基板10の第1導電型領域17に接して塗布などの方法で配置される。その後、たとえば1300℃の不活性ガス中でスピンオングラスが配置された炭化珪素基板10を10時間程度加熱することで、炭化珪素基板10の第1導電型領域17にリンを拡散することでn型領域3が形成される。
The n-
図8を参照して、第1導電型領域17がp型である場合、ウェル領域13はn型である。一対のウェル領域13に挟まれた第1導電型領域17はp型である。n型領域3は、n型の一対のウェル領域13に挟まれかつp型の第1導電型領域17に接して形成される。第1導電型領域17がp型である場合、n型領域3の不純物濃度はウェル領域13の不純物濃度よりも高い。
Referring to FIG. 8, when first
図9を参照して、第1導電型領域17がn型である場合、ウェル領域13はp型である。n型領域3は、p型の一対のウェル領域13に挟まれかつn型の第1導電型領域17に接して形成される。第1導電型領域17がn型である場合、n型領域3の不純物濃度は第1導電型領域17の不純物濃度よりも高い。第1導電型領域17は第1導電型領域17の中で一対のウェル領域13に挟まれた部分である。n型領域3の不純物濃度は第1導電型領域17の不純物濃度よりも低い。
Referring to FIG. 9, when first
第1導電型領域がp型およびn型のいずれの場合においても、好ましくは、n型領域3の不純物濃度は1×1017cm-3以上1×1020cm-3以下である。より好ましくは、n型領域3の不純物濃度は1×1018cm-3以上1×1020cm-3以下である。n型領域3の厚みT3はたとえば100nmであり、好ましくは10nm以上50nm以下である。
In both cases where the first conductivity type region is p-type or n-type, the impurity concentration of the n-
以上により、第1導電型を有する第1導電型領域17と、第1導電型とは異なる第2導電型を有しかつ第1導電型領域17を挟む一対のウェル領域13と、一対のウェル領域13の各々の間に配置されかつ第1導電型領域17と接するn型領域3とを含む炭化珪素基板10が準備される。なお、炭化珪素基板10に含まれる一対のウェル領域13の各々およびn型領域3は炭化珪素基板10の主面10aに露出して形成されている。炭化珪素基板10の主面10aは、たとえば8°程度以下オフした(0001)面である。
As described above, the first
なお上記では、ウェル領域形成工程(S20)の後にn型領域形成工程(S30)を行う場合について説明したが、n型領域形成工程(S30)の後にウェル領域形成工程(S20)が行われても構わない。この場合、たとえば第1導電型領域17にn型領域3を形成し、その後、当該n型領域3を間に挟むように一対のウェル領域13が形成される。
In the above description, the n-type region forming step (S30) is performed after the well region forming step (S20). However, the well region forming step (S20) is performed after the n-type region forming step (S30). It doesn't matter. In this case, for example, the n-
次に、活性化アニール工程が実施される。具体的には、たとえばアルゴンなどの不活性ガス雰囲気中において、炭化珪素基板10をたとえば1700℃程度に加熱して、30分間程度保持する熱処理が実施される。これにより注入された不純物が活性化する。
Next, an activation annealing step is performed. Specifically, heat treatment is performed in which the
次に、ゲート絶縁膜形成工程(S40:図2)が実施される。具体的には、たとえば酸素雰囲気中において炭化珪素基板10の主面10aをたとえば1200℃以上程度1300℃以下程度に加熱して60分間程度保持する熱処理が実施される。これにより、炭化珪素基板10のウェル領域13および第1導電型領域17に接する二酸化珪素からなるゲート絶縁膜15が形成される。
Next, a gate insulating film formation step (S40: FIG. 2) is performed. Specifically, for example, heat treatment is performed in which
図6を参照して、炭化珪素基板10の主面10aに接して形成されたゲート絶縁膜15は、第1導電型領域17上に接して形成された第1領域15aと、一対のウェル領域13の各々に接して形成された第2領域15bとを有している。第1領域15aの膜厚T1は第2領域15bの膜厚T2よりも大きい。たとえば、n型領域3の不純物濃度が1×1017cm-3程度である場合、炭化珪素基板10を1300℃で50分間、酸素雰囲気中で熱処理することにより、n型の第1導電型領域17上の第1領域15aの膜厚T1は55nm程度となり、p型のウェル領域上の第2領域15bの厚みは40nm程度となる。
Referring to FIG. 6,
好ましくは、第1領域15aの膜厚T1は第2領域15bの膜厚T2よりも3nm以上大きく、さらに好ましくは5nm以上大きい。好ましくは、第1領域15aの厚みは45nm以上70nm以下である。ゲート絶縁膜形成工程(S40)において、好ましくは第1導電型領域17に形成されたn型領域3が完全に酸化される。第1領域15aと第1導電型領域17との間にn型領域3が一部残っていても構わない。
Preferably, the film thickness T1 of the
なお、炭化珪素基板10の主面10aが酸化されてゲート絶縁膜15が形成される場合、炭化珪素基板10の主面10aから一定の深さの領域が酸化されて二酸化珪素となる。このとき、二酸化珪素の厚みは酸化された炭化珪素基板10の領域の厚みの2倍程度である。
When
その後、窒素アニール工程が実施される。具体的には、一酸化窒素雰囲気中において、炭化珪素基板10が1300℃以上1500℃以下の温度でたとえば1時間程度保持される。その後、アルゴンや窒素などの不活性ガス中において、炭化珪素基板10を加熱する熱処理が実施される。当該熱処理において、炭化珪素基板10は1100℃以上1500℃以下の温度で1時間程度保持される。
Thereafter, a nitrogen annealing step is performed. Specifically,
次に、ゲート電極形成工程(S50:図2)が実施される。具体的には、図7を参照して、たとえばCVD法、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、高濃度に不純物が添加された導電体であるポリシリコンからなるゲート電極27が形成される。その後、たとえばCVD法により、絶縁体である二酸化珪素からなる層間絶縁膜21が、ゲート電極27を取り囲むように形成される。次に、フォトリソグラフィおよびエッチングによりソースコンタクト電極16を形成する領域の層間絶縁膜21とゲート絶縁膜15が除去される。
Next, a gate electrode formation step (S50: FIG. 2) is performed. Specifically, referring to FIG. 7,
次に、オーミック電極形成工程(S60:図2)が実施される。具体的には、炭化珪素基板10の主面10aにおいてn+領域14およびp+領域18と接するように、たとえば蒸着法により形成された金属膜が形成される。金属膜はたとえばNi(ニッケル)である。金属膜はたとえばTi(チタン)原子およびAl(アルミニウム)原子を含んでいてもよい。金属膜はたとえばNi原子およびSi(シリコン)原子を含んでいてもよい。金属膜が形成された後、当該金属膜をたとえば1000℃程度で加熱することにより、ニッケル膜が加熱されてシリサイド化されることにより、炭化珪素基板10のn+領域14とオーミック接触するソースコンタクト電極16が形成される。同様に、炭化珪素基板10の第2の主面10bに接して、Niなどの金属膜が形成され、当該金属膜を加熱することによりドレイン電極20が形成される。
Next, an ohmic electrode formation step (S60: FIG. 2) is performed. Specifically, for example, a metal film formed by vapor deposition is formed on
次に、たとえば蒸着法により、導電体であるAlからなるソース配線19が、層間絶縁膜21を取り囲み、かつソースコンタクト電極16と接するように形成される。また、たとえばAlからなるパッド電極23がドレイン電極20と接して形成される。以上の手順により、本実施の形態に係るMOSFET1(図1参照)が完成する。
Next, the
なお、本実施の形態においては、第1導電型がn型であり、第2導電型がp型である場合について説明したが本発明はこの形態に限定されない。たとえば、第1導電型がp型であり、第2導電型がn型であっても構わない。 In the present embodiment, the case where the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type has been described, but the present invention is not limited to this embodiment. For example, the first conductivity type may be p-type and the second conductivity type may be n-type.
また、本実施の形態において、炭化珪素半導体装置として縦型MOSFETを例に挙げて説明したが本発明はこの形態に限定されない。たとえば、炭化珪素半導体装置は、たとえば横型MOSFETでも構わない。また、MOSFETはプレナー型であってよいし、トレンチ型であってもよい。さらに、炭化珪素半導体装置はIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などであっても構わない。 In the present embodiment, the vertical MOSFET has been described as an example of the silicon carbide semiconductor device, but the present invention is not limited to this embodiment. For example, the silicon carbide semiconductor device may be a lateral MOSFET, for example. The MOSFET may be a planar type or a trench type. Further, the silicon carbide semiconductor device may be an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or the like.
次に、本実施の形態に係るMOSFET1およびその製造方法の作用効果について説明する。
Next, the function and effect of
本実施の形態に係るMOSFET1の製造方法によれば、第1導電型領域17に炭化珪素基板10の主面10aを含むn型領域3が形成される。第1導電型がn型の場合、n型領域3の不純物濃度は第1導電型領域17の不純物濃度よりも高い。第1導電型がp型の場合、n型領域3の不純物濃度はウェル領域13の不純物濃度よりも高い。
According to the method for manufacturing
第1導電型がn型の場合、ウェル領域13はp型である。第1導電型領域17よりも高い不純物濃度を有するn型領域3の酸化速度は、p型領域であるウェル領域13の酸化速度よりも早い。そのため、第1導電型領域17上のゲート絶縁膜15の厚みが、ウェル領域13上のゲート絶縁膜15の厚みよりも大きくなる。また第1導電型がp型の場合、ウェル領域13はn型である。ウェル領域13よりも高い不純物濃度を有するn型領域3の酸化速度は、ウェル領域13の酸化速度よりも早い。それゆえ、第1導電型領域17上に形成されるゲート絶縁膜15の厚みが、ウェル領域13上のゲート絶縁膜15の厚みよりも大きくなる。
When the first conductivity type is n-type, the
つまり、第1導電型領域17がn型およびp型のいずれの場合においても、第1導電型領域17上に形成されるゲート絶縁膜15の厚みが、ウェル領域13上のゲート絶縁膜15の厚みよりも大きくなる。それゆえ、ドレイン電流の低減を抑制しつつ、かつMOSFET1の静電容量を低減することができる。結果として、ドレイン電流の低減を抑制しつつ、MOSFET1のスイッチング特性を向上することができる。
That is, regardless of whether the first
また本実施の形態に係るMOSFET1の製造方法によれば、第1導電型はn型である。これにより、移動度の大きいMOSFET1を得ることができる。
Further, according to the method for manufacturing
さらに本実施の形態に係るMOSFET1の製造方法によれば、n型領域3を形成する工程はイオン注入または拡散により行われる。これにより、効率的にn型領域3を形成することができる。
Furthermore, according to the method for manufacturing
さらに本実施の形態に係るMOSFET1の製造方法によれば、n型領域3の不純物濃度は1×1017cm-3以上1×1020cm-3以下である。これにより、第1導電型領域17上のゲート絶縁膜15の厚みを十分大きくすることができる。
Furthermore, according to the method for manufacturing
さらに本実施の形態に係るMOSFET1の製造方法によれば、n型領域3の厚みは10nm以上50nm以下である。n型領域3の厚みが10nm未満であれば第1導電型領域17上のゲート絶縁膜15の厚みが十分大きくならない。n型領域3の厚みが50nmよりも大きいとゲート絶縁膜15形成後も第1導電型領域17に高不純物濃度のn型領域3が残るため耐圧が下がる。n型領域3の厚みを10nm以上50nm以下にすることにより、耐圧低下を抑制しつつゲート絶縁膜15の厚みを十分大きくすることができる。
Furthermore, according to the method for manufacturing
さらに本実施の形態に係るMOSFET1の製造方法によれば、ゲート絶縁膜15は、第1導電型領域17に接する第1領域15aと、一対のウェル領域13の各々に接する第2領域15bとを含む。第1領域の膜厚は第2領域の膜厚より大きい。これにより、ドレイン電流の低減を抑制しつつ、炭化珪素半導体装置の静電容量を低減することができる。
Furthermore, according to the method of
さらに本実施の形態に係るMOSFET1の製造方法によれば、第1領域15aの膜厚T1は第2領域15bの膜厚T2より3nm以上大きい。これにより、効率的にドレイン電流の低減を抑制しつつ、MOSFET1の静電容量を低減することができる。
Furthermore, according to the method for manufacturing
本実施の形態に係るMOSFET1によれば、ゲート絶縁膜15は、第1導電型領域17に接する第1領域15aと、一対のウェル領域13の各々に接する第2領域15bとを含み、第1領域15aの膜厚T1は、第2領域15bの膜厚T2よりも大きい。これにより、ドレイン電流の低減を抑制しつつ、MOSFET1の静電容量を低減することができる。結果として、ドレイン電流の低減を抑制しつつ、MOSFET1のスイッチング特性を向上することができる。
According to the
また本実施の形態に係るMOSFET1によれば、炭化珪素基板10は、主面10aと反対側の第2の主面10bを有する。炭化珪素基板10の主面10aは、第1領域15aに接する第1領域主面10cと、第2領域15bに接する第2領域主面10dとを含む。第1領域主面10cは、第2領域主面10dより第2の主面10bの近くに位置している。これにより、第1領域15aの厚みを大きくすることにより、MOSFET1の静電容量を低減することができる。
Further, according to
さらに本実施の形態に係るMOSFET1によれば、第1領域15aの膜厚T1は第2領域15bの膜厚T2より3nm以上大きい。これにより、効率的にドレイン電流の低減を抑制しつつ、MOSFET1の静電容量を低減することができる。
Furthermore, according to
さらに本実施の形態に係るMOSFET1によれば、第1領域15aの膜厚T1は45nm以上70nm以下である。第1領域15aの膜厚T1が45nm未満の場合、膜厚が薄いのでリーク電流が発生しやすくなる。第1領域15aの膜厚が70nm超の場合、第1領域15aの膜厚T1と第2領域15bの膜厚T2との差が大きくなり、第1領域15aと第2領域15bとの大きな段差ができる。当該段差の角部には電界が集中してリーク電流が発生しやすくなる。それゆえ、第1領域の膜厚を45nm以上70nm以下とすることにより、リーク電流の発生を抑制することができる。
Furthermore, according to
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。 The embodiment disclosed this time is to be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1 MOSFET、3 n型領域、10 炭化珪素基板、10a 主面、10b 第2の主面、10c 第1領域主面、10d 第2領域主面、11 ベース基板、12 ドリフト層、13 ウェル領域、14 n+領域、15 ゲート絶縁膜、15a 第1領域、15b 第2領域、15c,15d 面、16 ソースコンタクト電極、17 第1導電型領域(JFET領域)、18 p+領域、19 ソース配線、20 ドレイン電極、21 層間絶縁膜、23 パッド電極、27 ゲート電極。 1 MOSFET, 3 n-type region, 10 silicon carbide substrate, 10a main surface, 10b second main surface, 10c first region main surface, 10d second region main surface, 11 base substrate, 12 drift layer, 13 well region, 14 n + region, 15 gate insulating film, 15a first region, 15b second region, 15c, 15d surface, 16 source contact electrode, 17 first conductivity type region (JFET region), 18 p + region, 19 source wiring, 20 drain electrode, 21 interlayer insulating film, 23 pad electrode, 27 gate electrode.
Claims (11)
前記炭化珪素基板は、第1導電型を有する第1導電型領域と、前記第1導電型とは異なる第2導電型を有しかつ前記第1導電型領域を挟む一対のウェル領域と、前記一対のウェル領域の各々の間に配置されかつ前記第1導電型領域と接するn型領域とを含み、かつ前記炭化珪素基板に含まれる前記一対のウェル領域の各々および前記n型領域は前記炭化珪素基板の前記主面に露出して形成されており、さらに、
前記炭化珪素基板の前記主面を酸化することにより前記ウェル領域および前記第1導電型領域に接するゲート絶縁膜を形成する工程を備え、
前記第1導電型がn型の場合、前記n型領域の不純物濃度は前記第1導電型領域の不純物濃度よりも高く、
前記第1導電型がp型の場合、前記n型領域の不純物濃度は前記ウェル領域の不純物濃度よりも高い、炭化珪素半導体装置の製造方法。 Providing a silicon carbide substrate having a main surface;
The silicon carbide substrate includes a first conductivity type region having a first conductivity type, a pair of well regions having a second conductivity type different from the first conductivity type and sandwiching the first conductivity type region, An n-type region disposed between each of the pair of well regions and in contact with the first conductivity type region, and each of the pair of well regions and the n-type region included in the silicon carbide substrate includes the carbonized region. Formed exposed on the main surface of the silicon substrate, and
Forming a gate insulating film in contact with the well region and the first conductivity type region by oxidizing the main surface of the silicon carbide substrate;
When the first conductivity type is n-type, the impurity concentration of the n-type region is higher than the impurity concentration of the first conductivity type region,
A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, wherein when the first conductivity type is p-type, the impurity concentration of the n-type region is higher than the impurity concentration of the well region.
前記第1領域の膜厚は前記第2領域の膜厚より大きい、請求項1〜5のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 The gate insulating film includes a first region in contact with the first conductivity type region, and a second region in contact with the pair of well regions,
The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the film thickness of the first region is larger than the film thickness of the second region.
前記炭化珪素基板の前記主面に接するゲート絶縁膜とを備え、
前記炭化珪素基板は、前記第1導電型とは異なる第2導電型を有しかつ前記第1導電型領域を挟むように配置された一対のウェル領域を含み、
前記ゲート絶縁膜は、前記第1導電型領域に接する第1領域と、前記一対のウェル領域の各々に接する第2領域とを含み、
前記第1領域の膜厚は、前記第2領域の膜厚よりも大きい、炭化珪素半導体装置。 A silicon carbide substrate including a first conductivity type region having a main surface and having a first conductivity type;
A gate insulating film in contact with the main surface of the silicon carbide substrate,
The silicon carbide substrate includes a pair of well regions having a second conductivity type different from the first conductivity type and arranged to sandwich the first conductivity type region,
The gate insulating film includes a first region in contact with the first conductivity type region, and a second region in contact with each of the pair of well regions,
The silicon carbide semiconductor device, wherein the film thickness of the first region is larger than the film thickness of the second region.
前記炭化珪素基板の前記主面は、前記第1領域に接する第1領域主面と、前記第2領域に接する第2領域主面とを含み、
前記第1領域主面は、前記第2領域主面より前記第2の主面の近くに位置している、請求項8に記載の炭化珪素半導体装置。 The silicon carbide substrate has a second main surface opposite to the main surface,
The main surface of the silicon carbide substrate includes a first region main surface in contact with the first region and a second region main surface in contact with the second region,
The silicon carbide semiconductor device according to claim 8, wherein the first region main surface is located closer to the second main surface than the second region main surface.
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