JP2014170886A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の半導体装置は、SiC基板2と、SiC基板上に配されるSiCドリフト層4と、SiCドリフト層4の一部表面に形成されるSiCウェル領域5と、SiCドリフト層4の一部表面に形成され、SiCウェル領域5よりも不純物濃度が高く、SiCウェル領域5とSiCドリフト層4との間に配される第1のSiC高濃度ウェル領域5aと、SiCウェル領域5の一部表面に形成されるSiCソース領域6と、第1のSiC高濃度ウェル領域5aと電気的に接続されるように、SiCソース領域6、SiCウェル領域5及び第1のSiC高濃度ウェル領域5aに隣接して配されるSiCベース領域8と、ゲート絶縁膜9と、ゲート電極10と、層間絶縁膜20と、第1の電極21と、第2の電極22と、を有する。
【選択図】図1
Description
このような、SiCの特性を利用した高耐圧の半導体装置の一つとして、ウェルとソース領域をイオン注入法により形成する、バイポーラ動作の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(Insurated Gate Bipolar Transistor, IGBT)や、ユニポーラ動作のDouble Implantation MOS電界効果トランジスタ(DIMOSFET,縦型のMOS電界効果トランジスタ)が知られている。
図5は、従来の半導体装置に係るp型IGBT300の構成を示す断面図である。このIGBT300は、第1と第2の主面を有するSiC基板302と、SiC基板302の第1の主面上に配されるSiCバッファー層303(p+層)と、SiCバッファー層303上に配される第1導電型のSiCドリフト層304(p−層)と、SiCドリフト層304の一部表面に形成される第2導電型のSiCウェル領域305(n−領域)と、SiCウェル領域305の一部表面に形成される第1導電型のSiCソース領域306(p+領域)と、SiCウェル領域305及びSiCソース領域306に隣接して配される第2導電型のSiCベース領域308(n+層)と、SiCドリフト層304、SiCウェル領域305及びSiCソース領域306の表面上に配されるゲート絶縁膜309と、ゲート絶縁膜309上に配されるゲート電極310と、ゲート電極310を被覆する層間絶縁膜320と、SiCソース領域306及びSiCベース領域308と電気的に接続される第1の電極321と、SiC基板302の第2の主面上に配される第2の電極322と、層間絶縁膜20及び第1の電極21を被覆するように配されるパッド電極323とで構成される。ここに示すIGBTやDIMOSFETは、イオン注入法により精度良くチャネル形成できるプレーナプロセスを用いるため製造が容易である。また、ゲート駆動が電圧制御であるためドライブ回路の電力を小さくでき、並列動作にも適した優れた素子である。
しかしながら、SiCを用いた素子では、SiO2/SiC界面の界面準位によりチャネル移動度が低下するため、MOSFETのチャネル抵抗(オン抵抗)がSiに比較して非常に高いという問題がある。
しかしながら、チャネル長を短くした場合、高温、特に250℃以上の高温になるとソース・ドレイン間のリーク電流が増大し、素子の耐圧が維持できない。そのため、高温動作とチャネルの低抵抗化(低オン抵抗化)の両立が困難となる問題がある。
こうしたことから、チャネル領域の一部に高濃度のチャネルバッファー領域を導入してリーク電流の増大を抑制する方法が提案されている(特許文献1参照)。
しかしながら、この方法によっても、チャネル長を短くして低抵抗化した場合に、高温でのオフ時に高濃度チャネル領域におけるリーク電流の抑制が不十分であり、依然として、安定した高温動作とチャネルの低抵抗化(低オン抵抗化)の両立が困難であった。
また、この方法では、斜めイオン注入という煩雑な工程を用いることから、チャネル領域の一部のみに高濃度チャネル領域を形成することが困難であった。
<1> 第1と第2の主面を有するSiC基板と、前記SiC基板の前記第1の主面上に配される第1導電型のSiCドリフト層と、前記SiCドリフト層の一部表面に形成される第2導電型のSiCウェル領域と、前記SiCドリフト層の一部表面に形成され、前記SiCウェル領域よりも不純物濃度が高く、前記SiCウェル領域と前記SiCドリフト層との間に配される第2導電型の第1のSiC高濃度ウェル領域と、前記SiCウェル領域の一部表面に形成される第1導電型のSiCソース領域と、前記第1のSiC高濃度ウェル領域と電気的に接続されるように、前記SiCソース領域、前記SiCウェル領域及び前記第1のSiC高濃度ウェル領域に隣接して配される第2導電型のSiCベース領域と、前記SiCドリフト層、前記SiCソース領域、前記SiCウェル領域及び前記第1のSiC高濃度ウェル領域の表面上に配されるゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に配されるゲート電極と、前記ゲート電極を被覆する層間絶縁膜と、前記SiCソース領域及び前記SiCベース領域と電気的に接続される第1の電極と、前記SiC基板の前記第2の主面上に配される第2の電極と、を有することを特徴とする半導体装置。
<2> 第1と第2の主面を有するSiC基板と、前記SiC基板の前記第1の主面上に配される第1導電型のSiCドリフト層と、前記SiCドリフト層の一部表面に形成される第2導電型のSiCウェル領域と、前記SiCウェル領域の一部表面に形成される第1導電型のSiCソース領域と、前記SiCウェル領域の一部表面に形成され、前記SiCウェル領域よりも不純物濃度が高く、前記SiCソース領域と前記SiCウェル領域との間に配される第2導電型の第2のSiC高濃度ウェル領域と、前記第2のSiC高濃度ウェル領域と電気的に接続されるように、前記SiCソース領域、前記第2のSiC高濃度ウェル領域及び前記SiCウェル領域に隣接して配される第2導電型のSiCベース領域と、前記SiCドリフト層、前記SiCソース領域、前記SiCウェル領域及び前記第2のSiC高濃度ウェル領域の表面上に配されるゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に配されるゲート電極と、前記ゲート電極を被覆する層間絶縁膜と、前記SiCソース領域及び前記SiCベース領域と電気的に接続される第1の電極と、前記SiC基板の前記第2の主面上に配される第2の電極と、を有することを特徴とする半導体装置。
<3> 第1と第2の主面を有するSiC基板と、前記SiC基板の前記第1の主面上に配される第1導電型のSiCドリフト層と、前記SiCドリフト層の一部表面に形成される第2導電型のSiCウェル領域と、前記SiCドリフト層の一部表面に形成され、前記SiCウェル領域よりも不純物濃度が高く、前記SiCウェル領域と前記SiCドリフト層との間に配される第2導電型の第1のSiC高濃度ウェル領域と、前記SiCウェル領域の一部表面に形成される第1導電型のSiCソース領域と、前記SiCウェル領域の一部表面に形成され、前記SiCウェル領域よりも不純物濃度が高く、前記SiCソース領域と前記SiCウェル領域との間に配される第2導電型の第2のSiC高濃度ウェル領域と、前記第1のSiC高濃度ウェル領域及び前記第2のSiC高濃度ウェル領域と電気的に接続されるように、前記SiCソース領域、前記第1のSiC高濃度ウェル領域及び前記第2のSiC高濃度ウェル領域に隣接して配される第2導電型のSiCベース領域と、前記SiCドリフト層、前記SiCソース領域、前記SiCウェル領域、前記第1のSiC高濃度ウェル領域及び前記第2のSiC高濃度ウェル領域の表面上に配されるゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に配されるゲート電極と、前記ゲート電極を被覆する層間絶縁膜と、前記SiCソース領域及び前記SiCベース領域と電気的に接続される第1の電極と、前記SiC基板の前記第2の主面上に配される第2の電極と、を有することを特徴とする半導体装置。
<4> SiC基板が第2導電型であり、絶縁ゲートバイポーラトランジスタを構成する前記<1>から<3>のいずれかに記載の半導体装置。
<5> SiC基板が第1導電型であり、縦型のMOS電界効果トランジスタを構成する前記<1>から<3>のいずれかに記載の半導体装置。
<6> 前記<1>に記載の半導体装置の製造方法であって、第1のSiC高濃度ウェル領域をイオン注入方向に対して側面が斜めに傾斜した形状のマスク材を用いたイオン注入法によりレトログレードウェルで形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
<7> 前記<2>に記載の半導体装置の製造方法であって、第2のSiC高濃度ウェル領域をイオン注入方向に対して側面が斜めに傾斜した形状のマスク材を用いたイオン注入法によりレトログレードで形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
<8> 前記<3>に記載の半導体装置の製造方法であって、第1のSiC高濃度ウェル領域及び第2のSiC高濃度ウェル領域をイオン注入方向に対して側面が斜めに傾斜した形状のマスク材を用いたイオン注入法によりレトログレードで形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
<9> マスク材側面の傾斜角度が79°〜87°である前記<6>から<8>のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
先ず、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置について説明する。図1は、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置としてのp型IGBTの構成を示す断面図である。
SiCウェル領域5の一部表面には、p型不純物の不純物濃度1×1020程度のp+型のSiCソース領域6(p+層)が形成されている。SiCソース領域6におけるイオン注入前のSiCドリフト層4表面からのイオン注入深さは、n型のSiCウェル領域5の前記深さよりも浅く、例えば、0.3μm程度である。
ゲート電極10上には、例えば、シリコン酸化膜で形成される層間絶縁膜20が形成される。
ゲート電極10下のSiCソース領域6とSiCドリフト層4とで挟まれるSiCウェル領域5及び第1の高濃度ウェル領域5aがチャネル領域となる。
SiCウェル領域5の不純物濃度が上記範囲を逸脱すると適切なMOSFET部分のしきい値電圧の設定が困難になることがある。また、第1のSiC高濃度ウェル領域5aの不純物濃度が上記範囲を逸脱して低くなると、動作時にパンチスルーを引き起こすことやチャネル長Lch1が1.0μm以下と小さくなってきた場合に高温にてオフ時のリーク電流が抑制されないことがあり、不純物濃度が上記範囲を逸脱して上回ると、しきい値電圧の設定が困難になることがある。
なお、チャネル長Lch1は、断面視において、ゲート絶縁膜9直下におけるSiCドリフト層4と第1のSiC高濃度ウェル領域5aの境界と、SiCソース領域6と第1のSiC高濃度ウェル領域5aとの境界との距離を示す(図1参照)。
第1のSiC高濃度ウェル領域5aの表面層における長さL1が上記範囲を下回ると、高温でのオフ時のリーク電流が抑制できないことがあり、また、上記範囲を上回ると、しきい値電圧の上昇やオン抵抗が高くなることがある。
なお、長さL1は、断面視において、ゲート絶縁膜9直下におけるゲート絶縁膜9堆積面の面内方向での第1のSiC高濃度ウェル領域5aの厚みを示し、SiCウェル領域5よりも不純物濃度が一桁以上高い領域として決定される領域の厚みとする(図1参照)。
従来の半導体装置では、チャネル長が0.5μm未満になるとオフ時のリーク電流が増大し、オフせずIGBTのMOS領域が動作しない。また、チャネル長が0.3μm以下となると、オフ時のリーク電流が極端に増大する。
しかしながら、本実施形態に係るIGBT1おいては、チャネル長Lch1=0.2μmの場合においても、第1のSiC高濃度ウェル領域5aを設けることにより、250℃の高温においてもオフ時のリーク電流が低減される。第1のSiC高濃度ウェル領域5aの長さL1を0.1×Lch1に相当する0.02μm以上とすると耐圧が向上し、0.15×Lch1に相当する0.03μm以上とすると、250℃の高温においても13,000V以上の耐圧を確保でき、0.03μm以上では、耐圧を一定に確保できる。また、0.2×Lch1に相当する0.04μmでは、250℃の高温において20mΩcm−2以下の低いオン抵抗が実現できる。
ここで、第1のマスク材31の側面が傾斜しているために、一部のイオンは、SiO2マスク材31を通したスルー注入となり、本来であれば、SiCドリフト層4の表面からの深さ0.5μm付近のみで濃度が最大1×1019cm−3になるところが、SiCウェル領域5とSiCドリフト領域4の間においても高濃度となった第1のSiC高濃度ウェル領域5aが形成できる。
したがって、ウェル領域を形成する際に斜めイオン注入等の複雑な工程を経ることなく、SiCウェル領域5と、不純物濃度が高い第1のSiC高濃度ウェル領域5aを同時に形成することができる。
なお、最終的なSiCウェル領域5の表面濃度を調整するために、p型不純物であるAlを追加してイオン注入してもよい。
なお、これら第1及び第2のマスク材32、33における側面は、イオン注入方向に対して垂直形状である。
なお、本実施形態において、SiCのn型不純物は、例えば、N(窒素)やP(リン)が好ましいが、As(ヒ素)等を適用することも可能である。また、p型不純物は、例えば、Al(アルミニウム)が好ましいが、B(ボロン)等を適用することも可能である。
次いで、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置について説明する。図3は、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置としてのp型IGBT100の構成を示す断面図である。
このIGBT100は、第1と第2の主面を有するSiC基板102と、SiC基板102の第1の主面上に配される第1導電型のSiCバッファー層103と、SiCバッファー層103上に配される第1導電型のSiCドリフト層104と、SiCドリフト層104の一部表面に形成される第2導電型のSiCウェル領域105と、SiCウェル領域105の一部表面に形成される第1導電型のSiCソース領域106と、SiCウェル領域105の一部表面に形成され、SiCウェル領域105よりも不純物濃度が高く、SiCソース領域106とSiCウェル領域105との間に配される第2導電型の第2のSiC高濃度ウェル領域107と、第2のSiC高濃度ウェル領域107と電気的に接続されるように、SiCソース領域106、第2のSiC高濃度ウェル領域105及びSiCウェル領域107に隣接して配される第2導電型のSiCベース領域108と、SiCドリフト層104、SiCソース領域106、SiCウェル領域105及び第2のSiC高濃度ウェル領域107の表面上に配されるゲート絶縁膜109と、ゲート絶縁膜109上に配されるゲート電極110と、ゲート電極110を被覆する層間絶縁膜120と、SiCソース領域106及びSiCベース領域108と電気的に接続される第1の電極121と、SiC基板102の第2の主面上に配される第2の電極122と、層間絶縁膜120及び第1の電極121を被覆するように配されるパッド電極123で構成される。
先ず、フォトリソグラフィーとエッチングによるパターニングにより、SiO2の第1のマスク材を形成する際、第1の実施形態のマスク材32のように側面を垂直に形成する。この第1のマスク材をイオン注入マスクとして用いて、n型不純物であるNをSiCドリフト層104に最大加速エネルギー400keVで表面濃度を1×1016cm−3〜1×1017cm−3とするプロファイルとなるようにイオン注入し、SiCウェル領域105を形成する。
次いで、本発明の第3の実施形態に係る半導体装置について説明する。
図4は、本発明の第3の実施形態に係る半導体装置としてのp型IGBT200の構成を示す断面図である。
このIGBT200は、第1と第2の主面を有するSiC基板202と、SiC基板202の第1の主面上に配されるSiCバッファー層203と、SiCバッファー層203の表面上に配される第1導電型のSiCドリフト層204と、SiCドリフト層204の一部表面に形成される第2導電型のSiCウェル領域205と、SiCドリフト層204の一部表面に形成され、SiCウェル領域205よりも不純物濃度が高く、SiCウェル領域205とSiCドリフト層204との間に配される第2導電型の第1のSiC高濃度ウェル領域205aと、SiCウェル領域205の一部表面に形成される第1導電型のSiCソース領域206と、SiCウェル領域205の一部表面に形成され、SiCウェル領域205よりも不純物濃度が高く、SiCソース領域206とSiCウェル領域205との間に配される第2導電型の第2のSiC高濃度ウェル領域207と、第1のSiC高濃度ウェル領域205a及び第2のSiC高濃度ウェル領域207と電気的に接続されるように、SiCソース領域206、第1のSiC高濃度ウェル領域205a及び第2のSiC高濃度ウェル領域207に隣接して配される第2導電型のSiCベース領域208と、SiCドリフト層204、SiCソース領域206、SiCウェル領域205、第1のSiC高濃度ウェル領域205a及び第2のSiC高濃度ウェル領域207の表面上に配されるゲート絶縁膜209と、ゲート絶縁膜209上に配されるゲート電極210と、ゲート電極210を被覆する層間絶縁膜220と、SiCソース領域206及びSiCベース領域208と電気的に接続される第1の電極221と、SiC基板202の第2の主面上に配される第2の電極222と、層間絶縁膜220及び第1の電極221を被覆するように配されるパッド電極223で構成される。
なお、本実施形態に係るIGBT200では、第1の実施形態に係るIGBT1及び第2の実施形態に係るIGBT100と同じ条件で製造すると、オン電圧が上がりやすくなるため、第1及び第2のマスク材のエッチング形成条件やイオン注入条件を適宜調整し、長さL1と長さL2の合計長さを、チャネル長Lch3の10%から20%とすることが好ましい。
即ち、p型のSiC−DIMOSFETの場合、p型SiC基板を用い、SiCの各SiC層や各SiC領域を、前記各実施形態における導電性と同じ導電性を持つように形成すればよい。また、n型のSiC−DIMOSFETの場合、n型SiC基板を用い、n型IGBTの場合、薄層化したp型SiC基板を用いたうえで、SiCの各SiC層や各SiC領域を、前記各実施形態における導電性と反対の導電性を持つように形成すればよい。
2,102,202,302 SiC基板(n+炭化珪素基板)
3,103,203,303 SiCバッファー層(p+層)
4,104,204,304 SiCドリフト層(p−層)
5,105,205,305 SiCウェル領域(n−領域)
5a,205a 第1のSiC高濃度ウェル領域(n+領域)
6,106,206,306 SiCソース領域(p+領域)
8,108,208,308 SiCベース領域(n+領域)
9,109,209,309 ゲート絶縁膜
10,110,210,310 ゲート電極
20,120,220,320 層間絶縁膜
21,121,221,321 第1の電極(ソース・ベース共通電極)
22,122,222,322 第2の電極(コレクタ電極)
23,123,223,323 パッド電極
31 第1のマスク材
32 第2のマスク材
33 第3のマスク材
107,207 第2のSiC高濃度ウェル領域(n+領域)
Lch1,Lch2,Lch3 チャネル長
L1,L2 長さ
θ マスク材の傾斜角度
Claims (9)
- 第1と第2の主面を有するSiC基板と、
前記SiC基板の前記第1の主面上に配される第1導電型のSiCドリフト層と、
前記SiCドリフト層の一部表面に形成される第2導電型のSiCウェル領域と、
前記SiCドリフト層の一部表面に形成され、前記SiCウェル領域よりも不純物濃度が高く、前記SiCウェル領域と前記SiCドリフト層との間に配される第2導電型の第1のSiC高濃度ウェル領域と、
前記SiCウェル領域の一部表面に形成される第1導電型のSiCソース領域と、
前記第1のSiC高濃度ウェル領域と電気的に接続されるように、前記SiCソース領域、前記SiCウェル領域及び前記第1のSiC高濃度ウェル領域に隣接して配される第2導電型のSiCベース領域と、
前記SiCドリフト層、前記SiCソース領域、前記SiCウェル領域及び前記第1のSiC高濃度ウェル領域の表面上に配されるゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に配されるゲート電極と、
前記ゲート電極を被覆する層間絶縁膜と、
前記SiCソース領域及び前記SiCベース領域と電気的に接続される第1の電極と、
前記SiC基板の前記第2の主面上に配される第2の電極と、
を有することを特徴とする半導体装置。 - 第1と第2の主面を有するSiC基板と、
前記SiC基板の前記第1の主面上に配される第1導電型のSiCドリフト層と、
前記SiCドリフト層の一部表面に形成される第2導電型のSiCウェル領域と、
前記SiCウェル領域の一部表面に形成される第1導電型のSiCソース領域と、
前記SiCウェル領域の一部表面に形成され、前記SiCウェル領域よりも不純物濃度が高く、前記SiCソース領域と前記SiCウェル領域との間に配される第2導電型の第2のSiC高濃度ウェル領域と、
前記第2のSiC高濃度ウェル領域と電気的に接続されるように、前記SiCソース領域、前記第2のSiC高濃度ウェル領域及び前記SiCウェル領域に隣接して配される第2導電型のSiCベース領域と、
前記SiCドリフト層、前記SiCソース領域、前記SiCウェル領域及び前記第2のSiC高濃度ウェル領域の表面上に配されるゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に配されるゲート電極と、
前記ゲート電極を被覆する層間絶縁膜と、
前記SiCソース領域及び前記SiCベース領域と電気的に接続される第1の電極と、
前記SiC基板の前記第2の主面上に配される第2の電極と、
を有することを特徴とする半導体装置。 - 第1と第2の主面を有するSiC基板と、
前記SiC基板の前記第1の主面上に配される第1導電型のSiCドリフト層と、
前記SiCドリフト層の一部表面に形成される第2導電型のSiCウェル領域と、
前記SiCドリフト層の一部表面に形成され、前記SiCウェル領域よりも不純物濃度が高く、前記SiCウェル領域と前記SiCドリフト層との間に配される第2導電型の第1のSiC高濃度ウェル領域と、
前記SiCウェル領域の一部表面に形成される第1導電型のSiCソース領域と、
前記SiCウェル領域の一部表面に形成され、前記SiCウェル領域よりも不純物濃度が高く、前記SiCソース領域と前記SiCウェル領域との間に配される第2導電型の第2のSiC高濃度ウェル領域と、
前記第1のSiC高濃度ウェル領域及び前記第2のSiC高濃度ウェル領域と電気的に接続されるように、前記SiCソース領域、前記第1のSiC高濃度ウェル領域及び前記第2のSiC高濃度ウェル領域に隣接して配される第2導電型のSiCベース領域と、
前記SiCドリフト層、前記SiCソース領域、前記SiCウェル領域、前記第1のSiC高濃度ウェル領域及び前記第2のSiC高濃度ウェル領域の表面上に配されるゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に配されるゲート電極と、
前記ゲート電極を被覆する層間絶縁膜と、
前記SiCソース領域及び前記SiCベース領域と電気的に接続される第1の電極と、
前記SiC基板の前記第2の主面上に配される第2の電極と、
を有することを特徴とする半導体装置。 - SiC基板が第2導電型であり、絶縁ゲートバイポーラトランジスタを構成する請求項1から3のいずれかに記載の半導体装置。
- SiC基板が第1導電型であり、縦型のMOS電界効果トランジスタを構成する請求項1から3のいずれかに記載の半導体装置。
- 請求項1に記載の半導体装置の製造方法であって、第1のSiC高濃度ウェル領域をイオン注入方向に対して側面が斜めに傾斜した形状のマスク材を用いたイオン注入法によりレトログレードウェルで形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 請求項2に記載の半導体装置の製造方法であって、第2のSiC高濃度ウェル領域をイオン注入方向に対して側面が斜めに傾斜した形状のマスク材を用いたイオン注入法によりレトログレードで形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 請求項3に記載の半導体装置の製造方法であって、第1のSiC高濃度ウェル領域及び第2のSiC高濃度ウェル領域をイオン注入方向に対して側面が斜めに傾斜した形状のマスク材を用いたイオン注入法によりレトログレードで形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
- マスク材側面の傾斜角度が79°〜87°である請求項6から8のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
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