JP2014216444A - Silicon carbide semiconductor device and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、炭化珪素を使用した半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device using silicon carbide.
パワーエレクトロニクス機器では、電気モータ等の負荷を駆動するための電力供給の実行と停止とを切り替える手段として、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor)またはMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)等のスイッチング素子が使用されている。 In power electronics equipment, an insulated gate bipolar transistor (IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor) or a MOSFET (Metal Oxide Field Transistor Transistor) is used as a means for switching between execution and stop of power supply for driving a load such as an electric motor. Switching elements such as these are used.
半導体素子は、通電時に電子あるいは正孔のみが伝導に作用するユニポーラ素子と、電子および正孔の両者が伝導に作用するバイポーラ素子とに大別される。 Semiconductor elements are broadly classified into unipolar elements in which only electrons or holes act on conduction when energized, and bipolar elements in which both electrons and holes act on conduction.
ユニポーラ素子には、ショットキーバリヤダイオード(SBD:Schottky Barrier Diode)またはMOSFET等が属する。 The unipolar element includes a Schottky barrier diode (SBD) or a MOSFET.
バイポーラ素子には、pnダイオード、バイポーラ接合トランジスタ(BJT:Bipola Junction Transistor)、サイリスタ、GTO(Gate Turn Off)サイリスタまたはIGBT等が属する。 Examples of the bipolar element include a pn diode, a bipolar junction transistor (BJT), a thyristor, a GTO (Gate Turn Off) thyristor, or an IGBT.
炭化珪素(SiC)半導体を用いた半導体装置は、シリコン(Si)半導体を用いたものと比較して、高電圧、大電流および高温動作に優れている。したがって、炭化珪素半導体を用いた半導体装置は、次世代の電力用半導体装置として開発が進められている。 A semiconductor device using a silicon carbide (SiC) semiconductor is superior in high voltage, large current, and high temperature operation as compared with a semiconductor device using a silicon (Si) semiconductor. Accordingly, semiconductor devices using silicon carbide semiconductors are being developed as next-generation power semiconductor devices.
電力用半導体として使用される炭化珪素MOSFETの中で、特に重要な応用として、縦型MOSFETがある。縦型MOSFETには、ゲート構造の違いによって、プレーナ型およびトレンチ型等の種類が存在する。 Among silicon carbide MOSFETs used as power semiconductors, vertical MOSFETs are particularly important applications. There are different types of vertical MOSFETs, such as a planar type and a trench type, depending on the gate structure.
ゲート構造がプレーナ型の電力用縦型MOSFETは、SiC表面にゲート絶縁膜およびゲート電極が形成されている。ゲート電極に電圧を印加することによりSiC表面に形成されたp型のSiC(Pウェル)を反転させ、SiC表面に形成された高濃度のn型のソース電極とPウェルの下側に存在するn型のSiCからなるNドリフト層とを接続する。ゲート電極の下部のPウェルは、チャネルとなる。 In a power vertical MOSFET having a planar gate structure, a gate insulating film and a gate electrode are formed on the SiC surface. By applying a voltage to the gate electrode, the p-type SiC (P well) formed on the SiC surface is inverted, and is present under the high-concentration n-type source electrode and P well formed on the SiC surface. An N drift layer made of n-type SiC is connected. The P well below the gate electrode becomes a channel.
n型のソース電極は、ソース配線と接続されている。またPウェルも、Pウェル中に設けられた高濃度のp型のコンタクトを介してソース配線と接続されている。 The n-type source electrode is connected to the source wiring. The P well is also connected to the source wiring through a high-concentration p-type contact provided in the P well.
基板裏面側には高濃度のn型のSiC(ドレイン電極)が形成されている。 High-concentration n-type SiC (drain electrode) is formed on the back side of the substrate.
ゲート構造がトレンチ型の電力用縦型MOSFETでは、SiC基板内にトレンチと呼ばれる溝が形成されており、このトレンチ内にゲート絶縁膜とゲート電極とが埋め込まれている。 In a power vertical MOSFET having a trench structure, a trench called a trench is formed in an SiC substrate, and a gate insulating film and a gate electrode are embedded in the trench.
このMOSFETでは、ゲート電極に電圧が印加されることによりトレンチのゲート絶縁膜の側壁に接したPウェル(チャネル)を反転させ、SiC表面に形成されたソース電極と、Pウェルの下側に存在するn型のSiCからなるドリフト層とを接続する。 In this MOSFET, when a voltage is applied to the gate electrode, the P well (channel) in contact with the side wall of the gate insulating film of the trench is inverted, and the source electrode formed on the SiC surface and the lower side of the P well are present. To the drift layer made of n-type SiC.
大電流動作を実現するために、電力用縦型MOSFETは、多数のMOSFETの単位セル(ユニットセル)を並列に接続した素子構造から構成されている。大電力の半導体装置を実現するためには、オン抵抗を十分に低減することが必要である。 In order to realize a large current operation, the vertical MOSFET for power is composed of an element structure in which a large number of MOSFET unit cells (unit cells) are connected in parallel. In order to realize a high-power semiconductor device, it is necessary to sufficiently reduce the on-resistance.
さらに、この電力用縦型MOSFETを、モータ等の負荷を駆動制御する電力変換器に使用する場合には、電力用縦型MOSFETの閾値電圧(Vth)を5V程度に設定する必要があり、比較的大きな値の閾値電圧となる。 Further, when this power vertical MOSFET is used in a power converter that drives and controls a load such as a motor, it is necessary to set the threshold voltage (Vth) of the power vertical MOSFET to about 5 V. The threshold voltage is a large value.
電力変換器を使用すると流れる電流により発熱し、電力用縦型MOSFETの温度が上昇する。一般的にMOSFETは、その温度が上昇すると閾値電圧(Vth)は低下する。 When the power converter is used, heat is generated by the flowing current, and the temperature of the power vertical MOSFET rises. In general, the threshold voltage (Vth) of a MOSFET decreases as its temperature increases.
電力変換器は、電力用縦型MOSFETと、電力用縦型MOSFETのゲート電極に制御信号を印加するゲート駆動回路とからなる。このゲート駆動回路に何らかの問題が生じて、ゲート駆動回路が制御信号を出さなくなった場合、すなわち、ゲート駆動回路の出力が0Vになった場合に問題が生じる。 The power converter includes a power vertical MOSFET and a gate drive circuit that applies a control signal to the gate electrode of the power vertical MOSFET. When a problem occurs in the gate drive circuit and the gate drive circuit stops outputting a control signal, that is, when the output of the gate drive circuit becomes 0V, a problem occurs.
温度上昇により電力用縦型MOSFETの閾値電圧(Vth)が0V以下(負電圧)に低下していると、電力用縦型MOSFETがノーマリーオン(normally on)状態となり、電流が連続的に流れるのでさらにその温度が上昇する。そして、最終的に素子が破壊される。したがって、電力用縦型MOSFETの閾値電圧(Vth)は、電力用縦型MOSFETの温度が高温となった場合でも0Vより大きくなければならない。 When the threshold voltage (Vth) of the power vertical MOSFET is reduced to 0 V or less (negative voltage) due to temperature rise, the power vertical MOSFET is in a normally on state, and current flows continuously. So the temperature rises further. Finally, the element is destroyed. Therefore, the threshold voltage (Vth) of the power vertical MOSFET must be greater than 0 V even when the temperature of the power vertical MOSFET becomes high.
通常、チャネル部におけるPウェルのp型不純物濃度を上げれば閾値電圧(Vth)は上昇する。しかしこの方法では、p型不純物が増えることでチャネル抵抗が増大する。このため、電力用縦型MOSFETのオン抵抗が増大してしまうというトレードオフの関係がある。 Normally, the threshold voltage (Vth) increases as the p-type impurity concentration in the P-well in the channel portion is increased. However, in this method, the channel resistance increases as the p-type impurity increases. For this reason, there is a trade-off relationship that the on-resistance of the power vertical MOSFET increases.
電力用縦型MOSFETのオン抵抗を増大させずに閾値電圧(Vth)を高く設定する技術の1つとして、p型ゲート電極を採用するものがある。この技術は、通常はn型の不純物を含んだ多結晶シリコンをゲート電極に用いるところを、その代わりにp型不純物を含んだ多結晶シリコンをゲート電極に用いる技術である。 One technique for setting the threshold voltage (Vth) high without increasing the on-resistance of the power vertical MOSFET is to employ a p-type gate electrode. In this technique, polycrystalline silicon containing n-type impurities is usually used for the gate electrode, and polycrystalline silicon containing p-type impurities is used instead for the gate electrode.
電力用縦型MOSFETはNMOSである。電力用縦型MOSFETのチャネルはp型のため、ゲート電極がp型の場合、ゲート電極およびチャネルのフェルミレベルはほぼ同じ値となる。フェルミレベルが近いほどゲート絶縁膜とチャネルとの界面の伝導帯、価電子帯の曲がりが少なくなる。このため、チャネルを反転させるのに大きなゲート電圧が必要になる、すなわち閾値電圧(Vth)が高くなる。 The power vertical MOSFET is an NMOS. Since the channel of the vertical MOSFET for power is p-type, when the gate electrode is p-type, the Fermi levels of the gate electrode and the channel are almost the same value. The closer the Fermi level, the less the conduction band and valence band bending at the interface between the gate insulating film and the channel. For this reason, a large gate voltage is required to invert the channel, that is, the threshold voltage (Vth) increases.
ゲート電極のp型不純物には、例えば硼素(ボロン:B)が使用される。ところがBは、拡散係数が大きいため、製造工程中の熱処理によってゲート電極からゲート絶縁膜中を拡散し、チャネルにまで到達するということが、半導体にSiを使用したMOSFETで報告されている(例えば特許文献1〜4)。
For example, boron (boron: B) is used as the p-type impurity of the gate electrode. However, since B has a large diffusion coefficient, it has been reported in a MOSFET using Si as a semiconductor that it diffuses from the gate electrode into the gate insulating film by heat treatment during the manufacturing process and reaches the channel (for example, B).
このBのチャネルへの拡散を防止するために、ゲート電極中に窒素(N)を導入することが行われている。窒素はBの拡散を抑制するので、Bのチャネルへの拡散が防止できる。 In order to prevent the diffusion of B into the channel, nitrogen (N) is introduced into the gate electrode. Since nitrogen suppresses the diffusion of B, the diffusion of B into the channel can be prevented.
なお、Siを使用したMOSFETでは、p型ゲート電極は通常PMOSに使用される。p型ゲート電極は、PMOSの閾値電圧(Vth)の絶対値を小さくするために用いられる(エンハンスメント型PMOSの閾値電圧(Vth)は負)。これは、上述したNMOSの場合とは反対に、PMOSのチャネルはn型であるため、p型ゲート電極およびチャネルのフェルミレベルは大きく異なった値となる。フェルミレベルが異なっているほどゲート絶縁膜とチャネルとの界面の伝導帯、価電子帯の曲がりが大きくなる。このため、小さなゲート電圧でチャネルを反転させることができる、すなわち閾値電圧(Vth)の絶対値が小さくなる。 In a MOSFET using Si, the p-type gate electrode is usually used for PMOS. The p-type gate electrode is used to reduce the absolute value of the PMOS threshold voltage (Vth) (the enhancement-type PMOS threshold voltage (Vth) is negative). Contrary to the case of the NMOS described above, since the PMOS channel is n-type, the Fermi levels of the p-type gate electrode and the channel are greatly different values. As the Fermi level is different, the bending of the conduction band and the valence band at the interface between the gate insulating film and the channel increases. Therefore, the channel can be inverted with a small gate voltage, that is, the absolute value of the threshold voltage (Vth) becomes small.
特許文献1に開示される技術では、ゲート電極は2層からなり、下層側ゲート電極は、酸化窒素(NOまたはN2O)雰囲気中で熱処理されることで窒素が導入されている。その後、上層側ゲート電極が形成され、Bがイオン注入される。
In the technique disclosed in
特許文献2に開示される技術でも、ゲート電極は2層であり、下層側ゲート電極は、アンモニア(NH3)ガスを含む化学的気相成長法(CVD:Chemical Vapor Deposition)で、上層側ゲート電極は、ジボラン(B2H6)ガスを含むCVD法でそれぞれ形成されている。
Also in the technique disclosed in
特許文献3に開示される技術でも、ゲート電極は2層であるが、下層側ゲート電極への窒素導入、上層側ゲート電極へのB導入は、ともにイオン注入で行われている。
Even in the technique disclosed in
特許文献4に開示される技術では、ゲート電極は1層であり、CVD法を用いて、ゲート絶縁膜内に窒素が導入されている。
In the technique disclosed in
特許文献1〜4に開示されるMOSFETは、いずれもSiに形成されたものであり、その目的はチャネル部に第2導電型の不純物であるBが導入されないようにして閾値電圧(Vth)の変動を防止することであった。
The MOSFETs disclosed in
ところが、半導体にSiCを使用した縦型MOSFETにおいては、新たな問題が発生することが判明した。それは、第2導電型の不純物であるBがゲート絶縁膜中に混入しただけで電気特性が劣化するという問題である。 However, it has been found that a new problem occurs in a vertical MOSFET using SiC as a semiconductor. This is a problem that electrical characteristics are deteriorated only by mixing B, which is an impurity of the second conductivity type, into the gate insulating film.
SiCを使用した縦型MOSFETでは、ゲート絶縁膜は、SiCを酸化してSiO2とすることで形成されている。このゲート絶縁膜中には、SiCの構成元素であるCが不純物として含まれ、ゲート絶縁膜の特性を劣化させている。 In a vertical MOSFET using SiC, the gate insulating film is formed by oxidizing SiC to SiO 2 . In this gate insulating film, C, which is a constituent element of SiC, is contained as an impurity, which deteriorates the characteristics of the gate insulating film.
具体的には、縦型MOSFETにゲート電圧を印加してドレイン電流を測定した場合、ゲート電圧を印加する方向によってドレイン電流が異なる現象(いわゆるヒステリシス現象)が発生する。すなわち、ゲート電圧を負電圧から正電圧に掃引する場合と、ゲート電圧を正電圧から負電圧に掃引する場合とで、測定されるドレイン電流が異なる。これは、ゲート絶縁膜であるSiO2中の不純物Cに基因する欠陥にBが捕捉され、正孔が充放電する準位が形成されるためである。 Specifically, when the gate voltage is applied to the vertical MOSFET and the drain current is measured, a phenomenon in which the drain current varies depending on the direction in which the gate voltage is applied (so-called hysteresis phenomenon) occurs. That is, the measured drain current differs between when the gate voltage is swept from a negative voltage to a positive voltage and when the gate voltage is swept from a positive voltage to a negative voltage. This is because B is trapped by defects caused by the impurities C in the SiO 2 that is the gate insulating film, and a level at which holes are charged and discharged is formed.
さらに、特許文献1〜3に開示されるMOSFETではゲート電極が2層となっているが、各層の多結晶シリコンの結晶粒径を変える等、製造プロセスが複雑なものになっている。特許文献4では、ゲート絶縁膜であるSiO2膜がNH3を含んだガスを用いたCVD法で形成されており、SiO2膜に含まれる窒素の量を精密に制御することが困難になっている。
Furthermore, in the MOSFETs disclosed in
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、複雑なゲート電極構造を必要とせず、ヒステリシス現象の発生を抑制することができる炭化珪素半導体装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a silicon carbide semiconductor device that does not require a complicated gate electrode structure and can suppress the occurrence of a hysteresis phenomenon. And
本発明の一態様に関する炭化珪素半導体装置は、第1導電型の炭化珪素半導体基板と、前記炭化珪素半導体基板の表面上に形成された第1導電型のドリフト層と、前記ドリフト層の表層部に形成された第2導電型のウェル領域と、前記ウェル領域の表層部の一部分に形成された第1導電型のソース領域と、前記ウェル領域の一部、前記ドリフト層の一部および前記ソース領域の一部の、表面上に設けられたゲート絶縁膜と、前記ウェル領域の一部、前記ドリフト層の一部および前記ソース領域の一部の上部に前記ゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極とを備え、前記ゲート電極が半導体材料に第2導電型の不純物がドープされた導電層からなり、当該導電層中には窒素がさらにドープされ、前記ゲート電極の前記ゲート絶縁膜と接する側において、前記窒素の濃度が前記不純物の濃度より高いことを特徴とする。 A silicon carbide semiconductor device according to an aspect of the present invention includes a first conductivity type silicon carbide semiconductor substrate, a first conductivity type drift layer formed on a surface of the silicon carbide semiconductor substrate, and a surface layer portion of the drift layer. A second conductivity type well region formed in the well region, a first conductivity type source region formed in a part of a surface layer portion of the well region, a part of the well region, a part of the drift layer, and the source A gate insulating film provided on the surface of a part of the region, and a part of the well region, a part of the drift layer, and a part of the source region are provided via the gate insulating film. A gate electrode comprising a conductive layer in which a semiconductor material is doped with an impurity of a second conductivity type, wherein the conductive layer is further doped with nitrogen and is in contact with the gate insulating film of the gate electrode In the concentration of the nitrogen may be higher than the concentration of the impurity.
本発明の別の態様に関する炭化珪素半導体装置は、第1導電型の炭化珪素半導体基板と、前記炭化珪素半導体基板の表面上に形成された第1導電型のドリフト層と、前記ドリフト層の表層部に形成された第2導電型のウェル領域と、前記ウェル領域の表層部の一部分に形成された第1導電型のソース領域と、前記ウェル領域が形成されていない前記ドリフト層の表面に形成されたトレンチと、前記トレンチ内壁を含む、前記ウェル領域の一部、前記ドリフト層の一部および前記ソース領域の一部の、表面上に設けられたゲート絶縁膜と、前記トレンチ内に設けられ、前記ウェル領域の一部、前記ドリフト層の一部および前記ソース領域の一部に前記ゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極とを備え、前記ゲート電極が、窒素がドープされた第1半導体層と、前記第1半導体層上に形成され、第2導電型の不純物がドープされた第2半導体層とからなり、前記第1半導体層中に前記不純物が拡散していることを特徴とする。 A silicon carbide semiconductor device according to another aspect of the present invention includes a first conductivity type silicon carbide semiconductor substrate, a first conductivity type drift layer formed on a surface of the silicon carbide semiconductor substrate, and a surface layer of the drift layer. A second conductivity type well region formed in a portion, a first conductivity type source region formed in a portion of a surface layer portion of the well region, and a surface of the drift layer where the well region is not formed. And a gate insulating film provided on a surface of a part of the well region, a part of the drift layer, and a part of the source region including the trench inner wall, and the trench is provided in the trench. A gate electrode provided on a part of the well region, a part of the drift layer, and a part of the source region via the gate insulating film, and the gate electrode is doped with nitrogen A first semiconductor layer; and a second semiconductor layer formed on the first semiconductor layer and doped with an impurity of a second conductivity type, wherein the impurity is diffused in the first semiconductor layer. Features.
本発明の一態様に関する炭化珪素半導体装置の製造方法は、(a)第1導電型の炭化珪素半導体基板の表面上に積層して、第1導電型のドリフト層を形成する工程と、(b)前記ドリフト層の表層部に、第2導電型のウェル領域を形成する工程と、(c)前記ウェル領域の表層部の一部分に、第1導電型のソース領域を形成する工程と、(d)前記ウェル領域の一部、前記ドリフト層の一部および前記ソース領域の一部の、表面上にゲート絶縁膜を形成する工程と、(e)前記ゲート絶縁膜の表面上に導電層を形成する工程と、(f)前記導電層に窒素をイオン注入する工程と、(g)前記導電層に第2導電型の不純物をイオン注入する工程とを備え、前記導電層の前記ゲート絶縁膜と接する側において、前記窒素の濃度が前記不純物の濃度より高いことを特徴とする。 A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to one aspect of the present invention includes: (a) stacking on a surface of a first conductivity type silicon carbide semiconductor substrate to form a first conductivity type drift layer; ) A step of forming a second conductivity type well region in the surface layer portion of the drift layer; and (c) a step of forming a first conductivity type source region in a portion of the surface layer portion of the well region; ) Forming a gate insulating film on a surface of a part of the well region, a part of the drift layer, and a part of the source region; and (e) forming a conductive layer on the surface of the gate insulating film. And (f) a step of ion-implanting nitrogen into the conductive layer; and (g) a step of ion-implanting a second conductivity type impurity into the conductive layer, and the gate insulating film of the conductive layer; On the contact side, the nitrogen concentration is the impurity concentration. And wherein the high Ri.
本発明の別の態様に関する炭化珪素半導体装置の製造方法は、(a)第1導電型の炭化珪素半導体基板の表面上に積層して、第1導電型のドリフト層を形成する工程と、(b)前記ドリフト層の表層部に、第2導電型のウェル領域を形成する工程と、(c)前記ウェル領域の表層部の一部分に、第1導電型のソース領域を形成する工程と、(d)前記ウェル領域が形成されていない前記ドリフト層の表面に、トレンチを形成する工程と、(e)前記トレンチ内壁を含む、前記ウェル領域の一部、前記ドリフト層の一部および前記ソース領域の一部の表面上に、前記ゲート絶縁膜を形成する工程と、(f)前記トレンチ側壁に形成された前記ゲート絶縁膜に、窒素をイオン注入する工程と、(g)前記トレンチ内に、導電層を形成する工程と、(h)前記導電層に第2導電型の不純物をイオン注入する工程と、(i)前記ゲート絶縁膜に注入された前記窒素、および、前記導電層に注入された前記不純物を拡散させる工程とを備えることを特徴とする。 A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to another aspect of the present invention includes: (a) stacking on a surface of a first conductivity type silicon carbide semiconductor substrate to form a first conductivity type drift layer; (b) forming a second conductivity type well region in a surface layer portion of the drift layer; (c) forming a first conductivity type source region in a part of the surface layer portion of the well region; d) forming a trench in the surface of the drift layer in which the well region is not formed; and (e) a part of the well region, a part of the drift layer, and the source region including the inner wall of the trench. A step of forming the gate insulating film on a part of the surface, (f) a step of ion-implanting nitrogen into the gate insulating film formed on the sidewall of the trench, and (g) in the trench. Forming a conductive layer; h) a step of ion-implanting a second conductivity type impurity into the conductive layer; and (i) a step of diffusing the nitrogen implanted into the gate insulating film and the impurity implanted into the conductive layer. It is characterized by providing.
本発明の別の態様に関する炭化珪素半導体装置の製造方法は、(a)第1導電型の炭化珪素半導体基板の表面上に積層して、第1導電型のドリフト層を形成する工程と、(b)前記ドリフト層の表層部に、第2導電型のウェル領域を形成する工程と、(c)前記ウェル領域の表層部の一部分に、第1導電型のソース領域を形成する工程と、(d)前記ウェル領域が形成されていない前記ドリフト層の表面に、トレンチを形成する工程と、(e)前記トレンチ内壁を含む、前記ウェル領域の一部、前記ドリフト層の一部および前記ソース領域の一部の表面上に、前記ゲート絶縁膜を形成する工程と、(f)前記ゲート絶縁膜に沿って形成され、前記トレンチを部分的に埋める第1半導体層を形成する工程と、(g)前記トレンチ側壁に形成された前記第1半導体層に、窒素をイオン注入する工程と、(h)前記トレンチ内を埋める、第2半導体層を形成する工程と、(i)前記第2半導体層に第2導電型の不純物をイオン注入する工程とを備えることを特徴とする。 A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to another aspect of the present invention includes: (a) stacking on a surface of a first conductivity type silicon carbide semiconductor substrate to form a first conductivity type drift layer; (b) forming a second conductivity type well region in a surface layer portion of the drift layer; (c) forming a first conductivity type source region in a part of the surface layer portion of the well region; d) forming a trench in the surface of the drift layer in which the well region is not formed; and (e) a part of the well region, a part of the drift layer, and the source region including the inner wall of the trench. Forming a gate insulating film on a part of the surface of the semiconductor substrate; and (f) forming a first semiconductor layer formed along the gate insulating film and partially filling the trench; ) Formed on the trench sidewall A step of ion-implanting nitrogen into the first semiconductor layer; (h) a step of forming a second semiconductor layer filling the trench; and (i) a second conductivity type impurity in the second semiconductor layer. And a step of ion implantation.
本発明の上記態様によれば、ゲート電極下部に窒素が第2導電型の不純物より多くドープされているため、第2導電型の不純物がゲート絶縁膜に拡散することを抑制できる。よって、ヒステリシス現象の発生を抑制することができる。 According to the above aspect of the present invention, since nitrogen is more doped in the lower portion of the gate electrode than the second conductivity type impurity, the diffusion of the second conductivity type impurity into the gate insulating film can be suppressed. Therefore, the occurrence of the hysteresis phenomenon can be suppressed.
以下、添付の図面を参照しながら実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the accompanying drawings.
なお、本実施形態において、側面または底面等の用語が用いられるが、これらの用語は、各面を便宜上区別するために用いられているものであり、実際の上下左右の方向とは関係しない。 In the present embodiment, terms such as a side surface or a bottom surface are used, but these terms are used for distinguishing each surface for the sake of convenience, and are not related to the actual vertical and horizontal directions.
<第1実施形態>
<プレーナゲート構造縦型MOSFET>
図1は、本実施形態に関する炭化珪素半導体装置、具体的には、セル構造からなるMOS構造を備えたスイッチング素子を有する炭化珪素MOSFETの上面構成を模式的に示す上面図である。
<First Embodiment>
<Planar gate structure vertical MOSFET>
FIG. 1 is a top view schematically showing a top structure of a silicon carbide semiconductor device according to the present embodiment, specifically, a silicon carbide MOSFET having a switching element having a MOS structure having a cell structure.
図1に示されたMOSFET40の4つの側面のうち、一側面の中央部には、外部の制御回路(図示せず)からゲート電圧が印加される外部出力ゲート電極15が形成されている。また、MOSFETの最小単位構造であるユニットセルが複数個並列に配置されたセル配列領域20に、ユニットセルのソース電極を並列接続した外部出力ソース電極10が形成されている(図1には図示せず)。
Of the four side surfaces of the
そして、外部出力ソース電極10の周囲には、外部出力ゲート電極15と接続されたゲート配線15aが形成されている。各ユニットセルのゲート電極(図示せず)には、外部出力ゲート電極15に印加されるゲート電圧が、外部出力ゲート電極15およびゲート配線15aを通じて供給される。
A
なお、通常の製品では、温度センサー用および電流センサー用の電極が半導体素子に形成されている場合が多いが、それらの電極を形成するか否かは、後述する本素子の効果に何らの影響をおよぼすものではない。加えて、外部出力ゲート電極15の位置および個数、ゲート配線15aの形状、外部出力ソース電極10の形状および個数等も、MOSFETによっては多種多様のケースがあり得るが、それらも、上記と同様に、後述する本装置の効果に何らの影響をおよぼすものではない。
In normal products, electrodes for temperature sensors and current sensors are often formed on semiconductor elements, but whether or not these electrodes are formed has an effect on the effect of the element described later. It does not affect. In addition, the position and number of the external
図2は、本実施形態に関する炭化珪素MOSFETの、炭化珪素内部の最表面近傍を模式的に示す上面図である。簡単のために、層間絶縁膜およびゲート電極は省略して記載している。図2は、図1のA−A’線近傍の上面図に対応する。 FIG. 2 is a top view schematically showing the vicinity of the outermost surface inside the silicon carbide of the silicon carbide MOSFET according to the present embodiment. For simplicity, the interlayer insulating film and the gate electrode are omitted. FIG. 2 corresponds to a top view in the vicinity of the line A-A ′ of FIG. 1.
MOSFETの最小単位構造であるユニットセルが複数個並列に配置されたセル配列領域20と、周辺領域(外部出力ゲート電極領域)21とが示されている。ここで、セル配列領域20とは、複数のトランジスタセル(縦型MOSFETのユニットセル)がマトリクス状に配列されている領域である。これに対して、周辺領域21とは、セル配列領域20周辺において設けられた、トランジスタセルが形成されていない領域である。図2においては、セル配列領域20と周辺領域21との間には、酸化膜14およびゲート絶縁膜6が形成されている。周辺領域21においては、ゲートコンタクトホール13が形成され、また、外部出力ゲート電極15によって全体が覆われている。
A
図2に示されるように各トランジスタセルは、p+コンタクト部5と、p+コンタクト部5を平面視上囲むように形成されたソースコンタクトホール12と、ソースコンタクトホール12を平面視上囲むソース領域3と、ソース領域3を平面視上囲むウェル領域4とを備えている。また各トランジスタセルは、外部出力ソース電極10に覆われている。
As shown in FIG. 2, each transistor cell includes a p +
ここで図2では、セル配列領域20において、上記トランジスタセルは図面左右上下に3×3だけ配列されている。しかしながら、当該配列に限定されるわけでなく、実際には、より多くのトランジスタセルが配列される。
Here, in FIG. 2, in the
図3は、図2のB−B’線上の断面図である。図2および図3を参照すると、半導体装置(MOSFET)は、炭化珪素(SiC)半導体基板1と、ドリフト層2と、ソース領域3と、ウェル領域4と、p+コンタクト部5(ウェルコンタクト領域)と、ゲート絶縁膜6と、ゲート電極7と、ウェル領域4に囲まれたJFET(Junction Field Effect Transistor)領域16と、層間絶縁膜8と、ドレイン電極9と、外部出力ソース電極10と、裏面接続ドレイン電極11と、ソースコンタクトホール12と、ゲートコンタクトホール13と、酸化膜14と、外部出力ゲート電極15と、シリサイド膜18とを備えることがわかる。なお、ゲート絶縁膜6と酸化膜14とを含めた構成を、「絶縁膜」と称することとする。
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line B-B ′ of FIG. 2. 2 and 3, a semiconductor device (MOSFET) includes a silicon carbide (SiC)
炭化珪素半導体基板1は、例えば、高濃度のn型(以下、単にn+と記す場合がある)の半導体基板である。炭化珪素半導体基板1は、炭化珪素からなり、シリコンより広いバンドギャップを有する半導体基板である。なお本実施形態では、n型を第1導電型とする。
Silicon
炭化珪素半導体基板1上には、低濃度のn型(以下、単にn−と記す場合もある)の半導体層であるドリフト層2が形成されている。ドリフト層2は、炭化珪素半導体基板1上に、たとえばエピタキシャル成長して形成される。
On silicon
セル配列領域20に着目して、ドリフト層2表面の一部の領域には、n+型のソース領域3(電流出力領域)と、p型のウェル領域4と、高濃度のp型(以下、単にp+と記す場合がある)のp+コンタクト部5とが各々形成されている。ここで本実施形態では、p型を第2導電型とする。
Focusing on the
p型のウェル領域4は、ドリフト層2表面において選択的に形成されており、平面視においてソース領域3を囲繞(イニョウ)している。ウェル領域4のドリフト層2表面からの深さは、ソース領域3のドリフト層2表面からの深さよりも深く形成される。
The p-
n+型のソース領域3は、ウェル領域4表面において選択的に形成されており、平面視においてp+コンタクト部5を囲繞している。例えば、平面視において、ソース領域3の中央にp+コンタクト部5が形成される。p+コンタクト部5は、外部出力ソース電極10とp型のウェル領域4との電気的なコンタクトを取るために設けられている。
The n +
セル配列領域20において、ドリフト層2の上には、ゲート絶縁膜6が選択的に形成されている。また、周辺領域21において、ドリフト層2の上には、ゲート絶縁膜6よりも厚い酸化膜14が形成されている。
In the
また、ゲート絶縁膜6および酸化膜14の上(上記した絶縁膜の上と把握できる)には、窒素およびボロンを含んだ多結晶シリコン膜71と、ボロンを含んだ多結晶シリコン膜72とからなるゲート電極7が形成されている。つまり、ゲート電極7は、図2に示されるように、セル配列領域20から周辺領域21に亘って延設されている。
On the
本実施形態では、ゲート電極7は下部、すなわち、ゲート電極7のゲート絶縁膜6近傍側で、窒素濃度がボロン濃度よりも高くなるよう形成されている。図3以下では、このような構成のゲート電極7を2層膜であるように図示することにする。詳細は後述する。
In this embodiment, the
なお以下では、簡単のため、ソース領域3、ウェル領域4およびp+コンタクト部5からなる領域をSiC領域3〜5と記すこともある。同様に、ドリフト層2、ソース領域3、ウェル領域4およびp+コンタクト部5からなる領域をSiC領域2〜5と記すこともある。
In the following, for simplicity, a region composed of the
ゲート電極7を覆うように、例えば酸化シリコン膜(SiO2)からなる層間絶縁膜8が形成されている。セル配列領域20において、SiC領域3〜5と外部出力ソース電極10とのコンタクトを取るため、ソースコンタクトホール12が開口されている。これに対して、周辺領域21において、ゲート電極7と外部出力ゲート電極15とのコンタクトを取るため、ゲートコンタクトホール13が開口されている。
An interlayer insulating
セル配列領域20において、ソースコンタクトホール12を充填するように、層間絶縁膜8上には、例えばアルミニウム(Al)膜からなる外部出力ソース電極10が形成されている。ソースコンタクトホール12内で、外部出力ソース電極10とn+型のソース領域3とp+コンタクト部5との間には、ニッケルシリサイド(NiSi2)からなるシリサイド膜18が形成されている。外部出力ソース電極10は、ソースコンタクトホール12内で、n+型のソース領域3とp+コンタクト部5とに電気的に接続されている。
In the
これに対して、周辺領域21において、ゲートコンタクトホール13を充填するように、層間絶縁膜8上には、例えばAl膜からなる外部出力ゲート電極15が形成されている。外部出力ゲート電極15は、ゲートコンタクトホール13内で、ゲート電極7に電気的に接続されている。
In contrast, an external
炭化珪素半導体基板1の裏面上には、金属膜およびシリサイド膜からなる積層構造のドレイン電極9が形成されている(図3では、簡略化のため単層構造のように図示されている)。本実施形態では、ドレイン電極9の金属膜はNi膜であり、ドレイン電極9のシリサイド膜はNiSi膜である。ドレイン電極9上(図3においては下側)には、例えばNi/Auの積層膜からなる裏面接続ドレイン電極11が形成されている(図3では、簡略化のため単層構造のように図示されている)。
On the back surface of silicon
外部出力ソース電極10と裏面接続ドレイン電極11との間に高電圧が印加されても、ゲート電極7に電圧が印加されてない場合には、ゲート電極7直下のウェル領域4にはチャネルが形成されない。つまり、当該電圧印加状況の場合には、MOSFETは電子が流れないオフ状態となる。
Even when a high voltage is applied between the external
これに対して、外部出力ソース電極10と裏面接続ドレイン電極11との間に高電圧が印加され、さらにゲート電極7に正電圧が印加されると、ゲート電極7直下のウェル領域4上側にチャネルが形成される。ソース領域3からチャネル領域(ウェル領域4)、JFET領域16、ドリフト層2、炭化珪素半導体基板1、ドレイン電極9という経路で電子が流れる。つまり、ゲート電極7の電圧印加状況においては、MOSFETは電子が流れるオン状態となる。
On the other hand, when a high voltage is applied between the external
このように、ゲート電極7に印加するゲート電圧により、電流のオンまたはオフが制御できる。
In this way, the on / off state of the current can be controlled by the gate voltage applied to the
<プレーナゲート構造縦型MOSFETの製造方法>
次に、図4〜図15に示された工程別断面図を用いて、本実施形態に関する半導体装置の製造方法について説明する。
<Manufacturing Method of Planar Gate Structure Vertical MOSFET>
Next, the manufacturing method of the semiconductor device according to this embodiment will be described with reference to cross-sectional views according to processes shown in FIGS.
まず、図4に示された構成が形成されるまでの工程について説明する。 First, steps required until the structure shown in FIG. 4 is formed will be described.
例えば、炭化珪素半導体基板1の表面上に、CVD法によって、n型のドリフト層2をエピタキシャル成長させる。炭化珪素半導体基板1としては、例えば、4Hのポリタイプを有する、n型で低抵抗の炭化珪素基板を用いる。炭化珪素半導体基板1は、例えば、主面が(0001)Si面から<11−20>方向に4°のオフ角を有する基板である。
For example, n
本実施形態では、ドリフト層2におけるn型不純物の濃度は、1×1015〜1×1017cm−3の範囲に選ばれる。ドリフト層2の厚み寸法は、5〜50μmの範囲に選ばれる。ドリフト層2は、炭化珪素からなる半導体層である。
In the present embodiment, the concentration of the n-type impurity in the
セル配列領域20において、ドリフト層2表面内に、p型のウェル領域4が選択的に形成される。さらに、ウェル領域4の表面内において、n+型のソース領域3およびp型のウェルコンタクト領域であるp+コンタクト部5が選択的に形成される。
In
ここで、n型の領域は、例えば窒素(N)イオンを注入し、p型の領域は、例えばAlイオンを注入して形成する。本実施形態において、窒素イオンの加速電圧は、50〜200kVの範囲内で選択される。n型不純物のイオン注入の深さは、ウェル領域4の厚さの寸法よりも浅いものとする。また本実施形態において、イオン注入したn型不純物の濃度、すなわちソース領域3のn型不純物濃度は、1×1018〜1×1021cm−3の範囲内で選択され、Alイオンの加速電圧は100〜500kVの範囲から選択される。
Here, the n-type region is formed by implanting nitrogen (N) ions, for example, and the p-type region is formed by implanting Al ions, for example. In this embodiment, the acceleration voltage of nitrogen ions is selected within a range of 50 to 200 kV. The n-type impurity ion implantation depth is shallower than the thickness of the
また本実施形態において、イオン注入されたp型不純物の濃度、すなわちウェル領域4のp型不純物濃度は、1×1017〜5×1017cm−3の範囲であり、ドリフト層2のn型不純物濃度よりも高いものとする。ウェル領域4は一回のイオン注入で形成されてもよいし、加速電圧を変えて数回イオン注入が行われることによって形成されてもよい。
In this embodiment, the concentration of the ion-implanted p-type impurity, that is, the p-type impurity concentration in the
本実施形態において、p+コンタクト部5のAlイオンの加速電圧は100〜200kVの範囲内で選択される。また、p型不純物のイオン注入の深さは、ウェル領域4の厚さの寸法よりも浅いものとする。また本実施形態において、イオン注入されるp型不純物の濃度、すなわちp+コンタクト部5のp型不純物濃度は、1×1018〜1×1021cm−3の範囲内で選択される。n型の領域およびp型の領域は、1500℃以上の高温アニール処理を施すことにより活性化される。ウェル領域4に囲まれた領域がJFET領域16である。
In the present embodiment, the acceleration voltage of Al ions in the p +
次に、例えば、CVD法により、ドリフト層2上に1μm程度の膜厚の酸化膜(SiO2)が形成される。その後、写真製版とエッチングとにより、セル配列領域20側の当該酸化膜が除去される。これにより、周辺領域21のドリフト層2上に、酸化膜14が形成される。
Next, an oxide film (SiO 2 ) having a thickness of about 1 μm is formed on the
その後、図5に示されるように、酸素および水蒸気を含む雰囲気の1000℃程度の温度下で、セル配列領域20のSiC領域2〜5の上部を酸化する。このような工程を経て、セル配列領域20におけるSiC領域2〜5上に、熱酸化膜(SiO2)のゲート絶縁膜6が形成される。ゲート絶縁膜の膜厚は、例えば50nmである。酸化膜14およびゲート絶縁膜6の形成工程が、セル配列領域20および周辺領域21のドリフト層2の上面に、「絶縁膜」を形成する工程となる。
Thereafter, as shown in FIG. 5, the upper portions of
なお、本実施形態では、ゲート絶縁膜6は、熱酸化膜であるものとして説明するが、これに限ったものでない。ゲート絶縁膜6は、CVD法で形成した酸化膜でもよいし、熱酸化膜とのCVD法で形成した酸化膜との積層膜であってもよい。
In the present embodiment, the
次に、CVD法を用いて、絶縁膜6および酸化膜14上に、不純物を含まない単層の多結晶シリコン膜73を形成する。多結晶シリコン膜73の膜厚250〜600nmの範囲から選ばれる。本実施形態では500nmとした。
Next, a single-layer
次に、多結晶シリコン膜73に対し窒素イオン51を注入する。窒素イオン51の加速電圧は、多結晶シリコン膜73の下部(ゲート絶縁膜6の近傍)にピークを持ち、SiC領域2〜5に注入されないように選ばれる。本実施形態では80kVとした。イオンの注入量は5×1014〜1×1016/cm2の範囲が望ましい。本実施形態では4×1015/cm2とした。以上の工程を経て、図5に示めされた構造体が形成される。
Next,
さらに、窒素イオン51が注入された多結晶シリコン膜73に対して、ボロンイオン52(第2導電型の不純物)を注入する。ボロンイオン52の加速電圧は多結晶シリコン膜73の内部にピークを持ち、多結晶シリコン膜73の下部(ゲート絶縁膜6と接する側)において、ボロンの濃度が窒素の濃度より低くなるように選ばれる。本実施形態では30kVとした。イオンの注入量は1×1015〜2×1016/cm2の範囲が望ましい。本実施形態では5×1015/cm2とした。以上の工程を経て、図6に示された構造体が形成される。
Further, boron ions 52 (second conductivity type impurities) are implanted into the
上述したように、多結晶シリコン膜73は窒素およびボロンを含み、多結晶シリコン膜73の下部すなわちゲート絶縁膜6に接する位置では、窒素の濃度がボロンの濃度よりも高くなっている。
As described above, the
これを図7に示されるように、窒素およびボロンを含んだ多結晶シリコン膜71と、ボロンを含んだ多結晶シリコン膜72とからなるゲート電極7と表記することにする。図5および図6における説明から明らかなように、ゲート電極7は多結晶シリコン膜73を2度以上積層して形成したものではない。
As shown in FIG. 7, this is expressed as a
次に、ゲート電極7に対して、写真製版処理とエッチング処理とを施す。これにより、図8に示されるように、ソース領域3の上方およびp+コンタクト部5の上方に存在するゲート電極7を除去し、ウェル領域4、JFET領域16および周辺領域21の上にゲート電極7が形成される。
Next, photolithography and etching are performed on the
次に、基板全面に、CVD法を用いて膜厚1μmの酸化膜を形成し、層間絶縁膜8とする(図9)。 Next, an oxide film having a thickness of 1 μm is formed on the entire surface of the substrate by using the CVD method to form an interlayer insulating film 8 (FIG. 9).
続いて、図10に示されるように、写真製版処理およびRIE(Reactive Ion Etching)エッチング処理によって、セル配列領域20におけるソース領域3の一部とp+コンタクト部5の上部とにソースコンタクトホール12が形成される。当該エッチングにより、ソースコンタクトホール12の底面からは、ソース領域3の一部およびp+コンタクト部5が露出する。
Subsequently, as shown in FIG. 10, the
次に、図11に示されるように、基板全面に、Ni(ニッケル)膜17を形成する。また、Ni膜17は、例えばスパッタ法により作成される。また、Ni膜17の膜厚は、例えば50nm程度とする。
Next, as shown in FIG. 11, a Ni (nickel)
その後、図11に示された構造体に対して、第1のアニール処理を施す。この処理を経て、図12に示されるように、ソースコンタクトホール12の底面の、ソース領域3上部およびp+コンタクト部5上部に、シリサイド膜18(本実施形態では、NiSi2膜)が形成される。
Thereafter, a first annealing treatment is performed on the structure shown in FIG. Through this process, as shown in FIG. 12, a silicide film 18 (NiSi 2 film in this embodiment) is formed on the bottom surface of the
当該第1のアニール処理は、例えば、RTA(Rapid Thermal Annealing)法により、温度300〜800℃で行う。当該温度における加熱で、Ni膜17のNiと、これに接するp+コンタクト部5およびソース領域3を構成するSiCとが反応して、シリサイド膜18(NiSi2膜)が形成される。
The first annealing treatment is performed at a temperature of 300 to 800 ° C. by, for example, an RTA (Rapid Thermal Annealing) method. By heating at the temperature, Ni of the
シリサイド膜18(NiSi2膜)が形成された後、例えば、硫酸および塩酸を含む酸系の薬液で、シリサイド膜18(NiSi2膜)が形成された構造を洗浄する。当該洗浄により、上記シリサイド化反応において未反応となったNi膜17が除去される。当該未反応のNi膜17除去後の様子を、図13に図示する。
After being silicide film 18 (NiSi 2 film) is formed, for example, an acid-based chemical solution containing sulfuric acid and hydrochloric acid, the silicide film 18 (NiSi 2 film) washing the formed structure. By the cleaning, the
次に、図14に示されるように、写真製版処理とRIE(Reactive Ion Etching)エッチング処理により、周辺領域21のゲート電極7上部にゲートコンタクトホール13が形成される。当該エッチングにより、ゲートコンタクトホール13の底面からは、ゲート電極7が露出する。
Next, as shown in FIG. 14, a
その後、炭化珪素半導体基板1の裏面にドレイン電極9が形成される(図14参照)。当該ドレイン電極9の形成は、次の手順によって行う。
Thereafter,
まず、炭化珪素半導体基板1の裏面に対してスパッタ法を施し、厚さが300nmのNi膜を成膜する。次に、例えばRTA法で1000℃の第2のアニール処理を実施する。
First, a sputtering method is performed on the back surface of the silicon
このように、本実施形態では、上記未反応のNi膜17を除去した後、第1のアニール処理の温度(300〜800℃)よりも高温である第2のアニール処理を行う。第2のアニール処理の時間は短い方が好ましい。これは、処理時間が短い方がボロンの拡散を抑制できるためである。本実施形態では、第2のアニール処理を30秒間行った。これにより、ソースコンタクトホール12内のシリサイド膜18(NiSi2膜)のコンタクト抵抗をさらに低下させることができる。
As described above, in this embodiment, after the
さらに、炭化珪素半導体基板1の裏面に形成した上述のNi膜が、炭化珪素半導体基板1裏面と反応してNiSi2膜も同時に形成され、これらの間にも低抵抗のオーミックコンタクトが実現される。こうして、炭化珪素半導体基板1の裏面に、Ni膜とNiSi2膜とからなるドレイン電極9が形成される(図14参照)。
Further, the Ni film formed on the back surface of the silicon
次に、ソースコンタクトホール12およびゲートコンタクトホール13を充填するように、層間絶縁膜8上に、電極膜が形成される。当該電極膜は、例えば、膜厚が3μmのAl膜を採用することができ、たとえばスパッタ法により形成される。
Next, an electrode film is formed on
その後、当該電極膜に対して、写真製版とエッチング処理とを施す。これにより、電極膜がパターニングされ、図15に示されるような、外部出力ソース電極10と外部出力ゲート電極15とが形成される。
Thereafter, photolithography and etching are performed on the electrode film. As a result, the electrode film is patterned to form the external
ここで、当該パターニングにより、外部出力ソース電極10と外部出力ゲート電極15とは、電気的に分離される。また、外部出力ソース電極10は、セル配列領域20に形成され、シリサイド膜18(NiSi2膜)を介して、ソース領域3上部およびp+コンタクト部5上部と電気的に接続される。これに対して、外部出力ゲート電極15は、周辺領域21に形成され、ゲート電極7と電気的に接続される。
Here, the external
最後に、スパッタ法等により、ドレイン電極9上に裏面接続ドレイン電極11を形成する。裏面接続ドレイン電極11は例えば、膜厚が150nmの金(Au)膜を使用することができる。このようにして、図3に示された炭化珪素半導体装置が完成する。
Finally, the back surface
以上のように、本実施形態に関する炭化珪素半導体装置では、ゲート電極7にp型不純物であるボロンを導入しているため、通常のn型不純物である燐(リン)をドープしたn型ゲート電極を有する縦型MOSFETよりも閾値電圧(Vth)が高くなる。
As described above, in the silicon carbide semiconductor device according to the present embodiment, boron, which is a p-type impurity, is introduced into the
閾値電圧(Vth)を高めるためにウェル領域4のp型不純物濃度を高くしているわけではないので、オン抵抗が増大することがない。さらに、ゲート電極7は窒素およびボロンを含み、ゲート電極7の下部では窒素の濃度がボロンの濃度より高くなっている。このため、ゲート電極7形成後の製造工程の熱処理、すなわちシリサイド膜18およびドレイン電極9を形成するアニール処理(300〜1000℃の加熱)による、ボロンのゲート絶縁膜6中への拡散が窒素により抑制される。
Since the p-type impurity concentration of the
窒素の導入による効果を調査するため、MOSキャパシタでの評価を行った。MOSFETと同じ工程で、上記と同様の構造であるMOSキャパシタを作成し、そのヒステリシスを評価した。 In order to investigate the effect of introducing nitrogen, evaluation was performed with a MOS capacitor. In the same process as the MOSFET, a MOS capacitor having the same structure as described above was prepared, and its hysteresis was evaluated.
図32は、窒素を含まないゲート電極7からなるMOSキャパシタのC−V(容量−電圧)特性の測定結果(例)を示す図である。図30において、縦軸が容量(任意目盛)、横軸が電圧(V)を示している。
FIG. 32 is a diagram showing a measurement result (example) of CV (capacitance-voltage) characteristics of a MOS capacitor including the
ゲート電圧の掃引方向(図中点線の矢印で示す)を変えると、ヒステリシス現象が発生する。掃引方向によって変化する、同じ容量値を示すゲート電圧の差をVthシフトとしてヒステリシス現象の指標とする。 When the gate voltage sweep direction (indicated by a dotted arrow in the figure) is changed, a hysteresis phenomenon occurs. A difference in gate voltage showing the same capacitance value, which changes depending on the sweep direction, is used as an index of the hysteresis phenomenon as a Vth shift.
図33は、窒素(N)、ボロン(B)およびBF2の各注入電圧における射影飛程Rp(不純物の注入深さのピーク)と、深さ400nmの位置における不純物濃度と、MOSキャパシタのVthシフトとを示す図である。 FIG. 33 shows a projection range Rp (impurity implantation depth peak) at each implantation voltage of nitrogen (N), boron (B), and BF 2 , impurity concentration at a depth of 400 nm, and Vth of the MOS capacitor. It is a figure which shows a shift.
図33に示されるように、窒素は加速電圧80kVで4×1015/cm2注入されている。BおよびBF2の注入量はいずれも5×1015/cm2である。 As shown in FIG. 33, nitrogen is implanted at 4 × 10 15 / cm 2 at an acceleration voltage of 80 kV. The injection amounts of B and BF 2 are both 5 × 10 15 / cm 2 .
図33に示されるように、イオン注入種がBである場合は、その射影飛程Rpが窒素である場合の射影飛程Rpより小さくても、Bの注入量が多いために、ゲート絶縁膜近傍すなわちゲート電極7の下部でのボロンの濃度が窒素の濃度より高くなる場合がある。
As shown in FIG. 33, when the ion implantation species is B, the amount of B implanted is large even if the projection range Rp is smaller than the projection range Rp when nitrogen is used. The boron concentration in the vicinity, that is, the lower portion of the
ボロンを50kVで注入すると、深さ400nmの位置で、その濃度が窒素を80kVで注入した場合の窒素の濃度と等しくなり、一般に、深さ400nmを超えるとボロンの濃度の方が高くなる。この場合は、ヒステリシス現象が発生していることがわかる。これは、ボロンの射影飛程Rpが窒素の射影飛程Rpより小さくても、ボロンの注入量が多いためにゲート電極7の下部でボロンの濃度が窒素の濃度より高くなるためである。
When boron is implanted at 50 kV, the concentration is equal to the concentration of nitrogen when nitrogen is implanted at 80 kV at a depth of 400 nm. Generally, when the depth exceeds 400 nm, the concentration of boron becomes higher. In this case, it can be seen that a hysteresis phenomenon occurs. This is because even if the projected range Rp of boron is smaller than the projected range Rp of nitrogen, the boron concentration is higher than the nitrogen concentration under the
ゲート電極7の下部でボロンの濃度を窒素の濃度より小さくすれば、ヒステリシス現象が十分に抑制できることがわかる。
It can be seen that the hysteresis phenomenon can be sufficiently suppressed by making the boron concentration below the nitrogen concentration below the
本実施形態では、ゲート電極の導電型がp型なのでMOSFETの閾値電圧(Vth)をn型のゲート電極の場合よりも2V増加させることができた。 In this embodiment, since the conductivity type of the gate electrode is p-type, the threshold voltage (Vth) of the MOSFET can be increased by 2 V compared to the case of the n-type gate electrode.
また、ゲート電極におけるゲート絶縁膜近傍の窒素の濃度を、Bの濃度より高くしたので、Bのゲート絶縁膜中への拡散が防止される。よって、MOSFETのヒステリシス現象が抑制される。 Further, since the concentration of nitrogen in the gate electrode near the gate insulating film is higher than the concentration of B, diffusion of B into the gate insulating film is prevented. Therefore, the hysteresis phenomenon of the MOSFET is suppressed.
さらに、p型のゲート電極を2回のイオン注入で形成できるため、ゲート電極を多層化する場合に比べて製造工程が少なく、製造コストを抑えることができる。 Furthermore, since the p-type gate electrode can be formed by two ion implantations, the number of manufacturing steps is smaller than when the gate electrode is multilayered, and the manufacturing cost can be reduced.
なお、本実施形態ではゲート絶縁膜6として熱酸化膜を使用したが、CVD法によるSiO2膜を使用しても、ゲート電極におけるゲート絶縁膜近傍の窒素の濃度を、Bの濃度より高くしないとヒステリシス現象が発生する。これは、CVD法によるSiO2膜が熱酸化膜と同程度に欠陥を含むこと、および、ゲート電極形成後の熱処理温度が1000℃と、半導体にSiを使用したMOSFETの製造プロセスにおける熱処理温度よりも高いためである。
Although a thermal oxide film is used as the
特許文献1〜4において、本実施形態のように、ゲート電極におけるゲート絶縁膜近傍の窒素の濃度を、イオン注入によってBの濃度より高くできないのは、ゲート電極(多結晶シリコン)が50nm程度と薄いためである。
In
注入量が多いため、量産に適用可能な最小の加速電圧である20kVでイオン注入を行うことを想定する。そして、BイオンおよびBF2イオンの射影飛程Rpと、その分散ΔRpとによりRp+5ΔRpを求めると、Bイオンで208nm、BF2イオンで53nmとなる。これでは、ゲート電極を突き抜けてゲート絶縁膜まで達してしまう。 Since the implantation amount is large, it is assumed that ion implantation is performed at 20 kV, which is the minimum acceleration voltage applicable to mass production. Then, when Rp + 5ΔRp is obtained from the projected range Rp of B ions and BF 2 ions and its dispersion ΔRp, it is 208 nm for B ions and 53 nm for BF 2 ions. This penetrates the gate electrode and reaches the gate insulating film.
ここで、Rp+5ΔRpは、注入されたイオンの99.9999713%が含まれる深さであり、実質的にRp+5ΔRp以上の深さにはイオンは存在しないと仮定できる。 Here, Rp + 5ΔRp is a depth that includes 99.9999713% of the implanted ions, and it can be assumed that ions do not exist at a depth substantially equal to or higher than Rp + 5ΔRp.
このため、特許文献1〜4では、1層のゲート電極に2回のイオン注入を行い、p型ゲート電極を形成することはできないのである。ボロンの射影飛程Rpを窒素の射影飛程Rpより小さく設定しても、ゲート電極の膜厚が薄いため、ゲート絶縁膜近傍の窒素の濃度をボロンの濃度より高くすることができない。なお、イオン注入は加速電圧10kVでも行うことが可能であるが、加速電圧が小さいとビーム電流が小さくなり、5×1015〜1×1016/cm2のような高濃度注入に長時間を要するため量産には適用できない。
For this reason, in
<多結晶シリコン膜の膜厚下限>
本実施の形態では、ゲート絶縁膜近傍の窒素の濃度がボロンの濃度より高くなるようなイオン注入の条件で、加速電圧、注入量およびゲート電極の膜厚を決定すればよい。たとえば、多結晶シリコン(ゲート電極)の膜厚が300nmの場合、窒素イオンの加速電圧を50kV、BF2の加速電圧を20kVに設定すれば、窒素のRpとRp+5ΔRpはそれぞれ112、297nmになる。BF2のRpとRp+5ΔRpはそれぞれ15、53nmになるのでゲート絶縁膜近傍の窒素の濃度がボロンの濃度より高くなる。また、多結晶シリコンの膜厚が250nmの場合、窒素イオンの加速電圧を40kV、BF2の加速電圧を20kVに設定すれば、窒素のRpとRp+5ΔRpはそれぞれ89、245nmになる。BF2のRpとRp+5ΔRpはそれぞれ15、53nmになるのでゲート絶縁膜近傍の窒素の濃度がボロンの濃度より高くなる。いずれの場合も窒素およびBF2のRp+5ΔRpが多結晶シリコンの膜厚より小さくなっているので、窒素およびBがゲート絶縁膜やその下部のSiC領域に注入されることはない。以上にように量産に適した20kV以上の加速電圧を考慮すれば、本実施の形態の多結晶シリコン膜の膜厚の下限は250nmである。
<Lower film thickness of polycrystalline silicon film>
In this embodiment mode, the acceleration voltage, the implantation amount, and the thickness of the gate electrode may be determined under the ion implantation conditions in which the nitrogen concentration in the vicinity of the gate insulating film is higher than the boron concentration. For example, when the film thickness of polycrystalline silicon (gate electrode) is 300 nm, if the acceleration voltage of nitrogen ions is set to 50 kV and the acceleration voltage of BF 2 is set to 20 kV, Rp and Rp + 5ΔRp of nitrogen become 112 and 297 nm, respectively. Since BF 2 Rp and Rp + 5ΔRp are 15 and 53 nm, respectively, the concentration of nitrogen in the vicinity of the gate insulating film is higher than the concentration of boron. When the polysilicon film thickness is 250 nm and the nitrogen ion acceleration voltage is set to 40 kV and the BF 2 acceleration voltage is set to 20 kV, the nitrogen Rp and Rp + 5ΔRp are 89 and 245 nm, respectively. Since BF 2 Rp and Rp + 5ΔRp are 15 and 53 nm, respectively, the concentration of nitrogen in the vicinity of the gate insulating film is higher than the concentration of boron. In any case, since Rp + 5ΔRp of nitrogen and BF 2 is smaller than the thickness of the polycrystalline silicon, nitrogen and B are not implanted into the gate insulating film or the SiC region below the gate insulating film. Considering an acceleration voltage of 20 kV or more suitable for mass production as described above, the lower limit of the thickness of the polycrystalline silicon film of this embodiment is 250 nm.
<効果>
本実施形態によれば、炭化珪素半導体装置が、第1導電型の炭化珪素半導体基板1と、第1導電型のドリフト層2と、第2導電型のウェル領域4と、第1導電型のソース領域3と、ゲート絶縁膜6と、ゲート電極7とを備える。
<Effect>
According to the present embodiment, a silicon carbide semiconductor device includes a first conductivity type silicon
ドリフト層2は、炭化珪素半導体基板1の表面上に形成されている。
ウェル領域4は、ドリフト層2の表層部に形成されている。
The
ソース領域3は、ウェル領域4の表層部の一部分に形成されている。
The
ゲート絶縁膜6は、ウェル領域4の一部、ドリフト層2の一部およびソース領域3の一部の、表面上に設けられている。
The
ゲート電極7は、ゲート絶縁膜6の上部に設けられ、ウェル領域4の一部、ドリフト層2の一部およびソース領域3の一部にゲート絶縁膜6を介して設けられている。
The
ゲート電極7は、第2導電型の不純物がドープされた導電層からなる。また、ゲート電極7は、当該導電層中には窒素がさらにドープされている。また、ゲート電極7は、ゲート電極7のゲート絶縁膜6と接する側(多結晶シリコン膜71)において、窒素の濃度が不純物の濃度より高い。
The
このような構成によれば、ゲート電極7下部(多結晶シリコン膜71)において窒素が第2導電型の不純物よりも多くドープされているため、第2導電型の不純物がゲート絶縁膜6に拡散することを抑制できる。よって、2層構造等の複雑なゲート電極構造を必要とせず、ヒステリシス現象の発生を抑制することができる。
According to such a configuration, since nitrogen is more doped than the second conductivity type impurity below the gate electrode 7 (polycrystalline silicon film 71), the second conductivity type impurity diffuses into the
また、ゲート電極7が第2導電型であるため、オン抵抗の増大を招かずに閾値電圧(Vth)を増大させることができる。
Further, since the
また、本実施形態によれば、ゲート電極7が、250nm以上の厚みを有する。
Further, according to the present embodiment, the
このような構成によれば、ゲート電極7が十分な厚さを有するため、ゲート電極7に対して複数回のイオン注入を適切な加速電圧で行い、ゲート電極7の上層(多結晶シリコン膜72)および下層(多結晶シリコン膜71)におけるイオン濃度を制御することができる。
According to such a configuration, since the
また、本実施形態によれば、ゲート電極7が、多結晶珪素からなる。
Further, according to the present embodiment, the
このような構成によれば、低コストで量産実績のあるゲート電極7が形成できる。
According to such a configuration, it is possible to form the
また、本実施形態によれば、炭化珪素半導体装置の製造方法が、(a)第1導電型のドリフト層2を形成する工程と、(b)第2導電型のウェル領域4を形成する工程と、(c)第1導電型のソース領域3を形成する工程と、(d)ゲート絶縁膜6を形成する工程と、(e)導電層としての多結晶シリコン膜73を形成する工程と、(f)多結晶シリコン膜73に窒素イオン51を注入する工程と、(g)多結晶シリコン膜73に第2導電型の不純物(ボロンイオン52)イオンを注入する工程とを備える。
Further, according to the present embodiment, the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device includes (a) a step of forming the first conductivity
工程(a)は、第1導電型の炭化珪素半導体基板1の表面上に積層して、第1導電型のドリフト層2を形成する工程である。
Step (a) is a step of forming the first conductivity
工程(b)は、ドリフト層2の表層部に、第2導電型のウェル領域4を形成する工程である。
Step (b) is a step of forming the second conductivity
工程(c)は、ウェル領域4の表層部の一部分に、第1導電型のソース領域3を形成する工程である。
Step (c) is a step of forming the
工程(d)は、ウェル領域4の一部、ドリフト層2の一部およびソース領域3の一部の、表面上にゲート絶縁膜6を形成する工程である。
Step (d) is a step of forming a
工程(e)は、ゲート絶縁膜6の表面上に多結晶シリコン膜73を形成する工程である。
Step (e) is a step of forming a
そして、多結晶シリコン膜73のゲート絶縁膜6と接する側(多結晶シリコン膜71)において、窒素の濃度が不純物の濃度より高い。
Then, on the side of the
このような構成によれば、ゲート電極7下部(多結晶シリコン膜71)において窒素が第2導電型の不純物よりも多くドープされているため、第2導電型の不純物がゲート絶縁膜6に拡散することを抑制できる。よって、2層構造等の複雑なゲート電極構造を必要とせず、ヒステリシス現象の発生を抑制することができる。
According to such a configuration, since nitrogen is more doped than the second conductivity type impurity below the gate electrode 7 (polycrystalline silicon film 71), the second conductivity type impurity diffuses into the
また、窒素および第2導電型の不純物がイオン注入で導入されているため、比較的低い製造コストで製造することができる。 In addition, since nitrogen and second conductivity type impurities are introduced by ion implantation, it can be manufactured at a relatively low manufacturing cost.
<第2実施形態>
<トレンチゲート構造縦型MOSFET>
第1実施形態におけるSiCを基板に用いたMOSFETでは、ドレイン電流は、ソース領域3からチャネル部分(図3におけるウェル領域4のゲート電極7直下部分)、およびJFET領域16を通って流れる(電子の流れを表している)。
Second Embodiment
<Vertical MOSFET with trench gate structure>
In the MOSFET using SiC as the substrate in the first embodiment, the drain current flows from the
JFET領域16の不純物濃度は低濃度のため抵抗が高い。このオン抵抗を低減する、すなわちドレイン電流を増大させるために、JFET領域16をゲート電極構造にした、いわゆるトレンチ構造MOSFETがある。
Since the impurity concentration of the
本実施形態では、トレンチ構造をゲート電極に用いた炭化珪素半導体装置およびその製造方法について説明する。本実施形態において、第1実施形態と同じまたは同等である部分に関しては、簡略のためその説明を省略する。 In the present embodiment, a silicon carbide semiconductor device using a trench structure as a gate electrode and a manufacturing method thereof will be described. In the present embodiment, portions that are the same as or equivalent to those in the first embodiment will not be described for the sake of brevity.
図26は、ゲート電極がトレンチ構造である縦型MOSFETの断面図であり、図27は、ゲート電極がトレンチ構造である縦型MOSFETの平面図である。図27のC−C’線上の断面図が図26に相当する。 FIG. 26 is a cross-sectional view of a vertical MOSFET whose gate electrode has a trench structure, and FIG. 27 is a plan view of the vertical MOSFET whose gate electrode has a trench structure. A cross-sectional view taken along line C-C ′ of FIG. 27 corresponds to FIG. 26.
図26において、ウェル領域4を貫通して炭化珪素半導体基板1の厚さ方向に垂直にゲート絶縁膜6が形成されている。ゲート絶縁膜6はソース領域3およびウェル領域4に接し、その内側にゲート電極7が形成されている。
In FIG. 26,
ゲート電極7は、p型の不純物がドープされた多結晶シリコンで構成される。多結晶シリコンには窒素も導入されており、多結晶シリコンにおけるゲート絶縁膜近傍の窒素の濃度は、ボロンの濃度より高く設定されている。
The
またゲート電極7は、ウェル領域4より深くなるよう形成されている。ウェル領域4の上部にはn型のソース領域3と、p型のp+コンタクト部5とが設けられている。
The
ゲート電極7の上部には層間絶縁膜8が設けられ、外部出力ソース電極10とゲート電極7とを電気的に分離している。
An interlayer insulating
外部出力ソース電極10は、層間絶縁膜8が形成されていない部分の、ソース領域3およびp+コンタクト部5の表面上に形成されている。外部出力ソース電極10は、ソース領域3の一部とp+コンタクト部5とを電気的に接続する。
The external
ソース領域3およびp+コンタクト部5には、外部出力ソース電極10との接触抵抗を低減するために、それぞれn型およびp型の不純物が高濃度で導入されている。
In the
ドレイン電極9は、炭化珪素半導体基板1の厚み方向一方側の表面部と反対側の表面部、すなわち炭化珪素半導体基板1の厚み方向他方側(裏面側)の表面部に形成されている。
トレンチ構造のMOSFETにおいて、ウェル領域4のうち、ゲート絶縁膜6を介してゲート電極7と対向し、オン動作時に反転層が形成される領域をチャネル部という。プレーナ構造と異なり、チャネル部は炭化珪素半導体基板1の表面に対し垂直な方向に形成される。トレンチ構造のMOSFETには、プレーナ構造のMOSFETに存在するJFET部が存在しない。JFET部は、濃度の低いn型のSICで構成されており抵抗が高い。トレンチ構造のMOSFETでは、抵抗の高いJFET部が存在しないので、プレーナ構造のMOSFETよりオン抵抗を低くすることができる。また、ゲート電極7がp型不純物を含むため、MOSFETの閾値電圧(Vth)を高く維持することができる。
In the MOSFET having a trench structure, a region of the
<トレンチゲート構造縦型MOSFET製造方法>
次に、トレンチゲート構造の縦型MOSFETの製造方法について説明する。
<Trench gate structure vertical MOSFET manufacturing method>
Next, a method for manufacturing a vertical MOSFET having a trench gate structure will be described.
まず、第1実施形態に示された工程と同様の工程で、ドリフト層2、ソース領域3、ウェル領域4、p+コンタクト部5および酸化膜14を作製する。
First, the
次に、図16に示されるように、写真製版およびエッチング処理により、各ウェル領域4の間(第1実施形態の図3のJFET領域16の部分、すなわち、ウェル領域4が形成されていないドリフト層2表面)のドリフト層2が除去されてトレンチ19が形成される。トレンチ19の深さはウェル領域4よりも深くなるように設定される。トレンチ19の幅(図16中Dで表示された長さ)は例えば0.6μmとする。
Next, as shown in FIG. 16, the drift between the well regions 4 (the portion of the
次に、図17に示されるように、酸素や水蒸気を含む雰囲気の1000℃程度の温度下で、セル配列領域20表面を酸化する。このような処理を経て、セル配列領域20におけるウェル領域4、ソース領域3、p+コンタクト部5およびトレンチ19の底面および側壁(内壁)に、熱酸化膜(SiO2)のゲート絶縁膜6が形成される。ゲート絶縁膜の膜厚は、例えば50nmである。
Next, as shown in FIG. 17, the surface of the
次に、図17に示された構造に対し、窒素イオン53がゲート絶縁膜6に斜めに注入される(図18参照)。窒素イオン53のイオン濃度は、ゲート絶縁膜6の表面近傍にピークを持ちウェル領域4に注入されないようにする。例えば、イオン注入量1×1014〜1×1016/cm2の範囲が望ましい。本実施形態では1×1015/cm2とした。本実施形態では、窒素イオン53の加速電圧は20kV、窒素イオン53の注入角度Eは30°とした。
Next,
上記の斜めイオン注入工程について、詳細に説明する。 The oblique ion implantation process will be described in detail.
炭化珪素半導体基板1をイオン注入角度Eまで傾ける。図18では窒素イオン53のビームを傾けて表示しているが、実際には炭化珪素半導体基板1を角度Eまで傾けている。注入イオンの加速電圧は10〜50kVの範囲から選択される。
Silicon
図27は、炭化珪素MOSFETの、炭化珪素内部の最表面近傍を模式的に示す上面図である。図27に示されるように、チャネル(ゲート絶縁膜6を介してゲート電極7と接しているウェル領域4)は、各ユニットセルの正方形の4つの辺に存在する。従って斜めイオン注入は、正方形の4つの辺それぞれに行われなければならない。
FIG. 27 is a top view schematically showing the vicinity of the outermost surface inside silicon carbide of the silicon carbide MOSFET. As shown in FIG. 27, the channel (
具体的には、図27中の実線の矢印で示されるように、正方形の右斜め下の注入57を行った後、炭化珪素半導体基板1を90°回転させて右斜め上の注入54を行う。同様に炭化珪素半導体基板1をそれぞれ90°回転させて左斜め上の注入55と左斜め下の注入56とを行う。これら4回の注入で、窒素イオンが正方形の4辺全てに形成される。なお、図18においては、図27で示した右斜め下の注入(窒素イオン53のビーム)のみを表示している。また、窒素イオンの注入時には、図27で示された外部出力ソース電極10および外部出力ゲート電極15は存在しない。
Specifically, as shown by the solid arrow in FIG. 27, after performing
この窒素イオン注入は、トレンチ19の底部には行われない。すなわち、窒素イオン53は、トレンチ19側壁に形成されたゲート絶縁膜6に注入される。厳密に言えば、トレンチ19の深さF(図示せず)=トレンチ19の幅D/(tan(注入角度)×sin(45))で示されるF以上あれば、トレンチ19の底面にはイオンは注入されない。
This nitrogen ion implantation is not performed at the bottom of the
トレンチ19の幅Dおよびトレンチ19の深さFを上式で決定する必要がある。本実施形態では、幅Dは0.6μm、注入角度は30°なので、深さFは1.47μm以上に設定した。
It is necessary to determine the width D of the
本実施形態では、窒素の注入角は30°であり、加速電圧は20kVであった。このときのゲート絶縁膜6への射影飛程RpおよびRp+5×ΔRpは、側壁においては、射影飛程Rpが15.3nmであり、Rp+5×ΔRpが47.7nm(垂直注入の深さ×sin(30)×cos(45))である。表面においては、射影飛程Rpが37.6nmであり、Rp+5×ΔRpが116.8nm(垂直注入の深さ×cos(30))である。
In this embodiment, the nitrogen implantation angle was 30 ° and the acceleration voltage was 20 kV. At this time, the projection range Rp and Rp + 5 × ΔRp on the
側壁におけるゲート絶縁膜6の膜厚は50nmであるため、注入のピークはゲート絶縁膜6の表面側(ウェル領域4の反対側)に存在する。またイオンは、側壁のウェル領域4には全く注入されない。上述したように、イオンは、トレンチ底面にも注入されない。イオンは、表面のソース領域3およびp+コンタクト部5には若干注入されるが、ソース領域3およびp+コンタクト部5には高濃度のn型不純物またはp型不純物が導入されているので、問題にならない。
Since the thickness of the
なお、図27中の点線の矢印で示されるように、窒素イオン注入を正方形の辺に垂直または平行な方向に斜め注入する(注入57a、注入54a、注入55aおよび注入56a)と、トレンチ19の底面に窒素が注入され、底面のドリフト層2の濃度が上昇するので好ましくない。この場合は、トレンチ19形成後に、窒素の斜めイオン注入と同量のp型不純物を垂直にイオン注入し、トレンチ19底面において増加する量のn型不純物を相殺する必要がある。
As shown by the dotted arrow in FIG. 27, when nitrogen ion implantation is obliquely implanted in a direction perpendicular to or parallel to the side of the square (
続いて、図19に示されるように、CVD法により、ゲート絶縁膜6および酸化膜14上に、導電層である多結晶シリコン膜73が形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 19, a
多結晶シリコン膜73の膜厚は、トレンチ19を完全に埋め込むような厚さに設定される。本実施形態では0.4μmとした。この場合、トレンチ19の幅Dは0.6μmであるため、トレンチ19内は多結晶シリコン膜73によって完全には充填され、表面すなわちソース領域3、p+コンタクト部5および酸化膜14上には、多結晶シリコン膜73が0.4μmの厚さで堆積されることになる。
The thickness of the
次に、図20に示されるように、多結晶シリコン膜73にボロン(第2導電型の不純物)が注入される。ボロンイオン58の加速電圧は、多結晶シリコン膜73の内部にピークを持ち、ソース領域3およびp+コンタクト部5には到達しないように選ばれる。本実施形態では40kVとした。ボロンイオン58の注入角度は0°(垂直)である。
Next, as shown in FIG. 20, boron (second conductivity type impurity) is implanted into the
この場合の多結晶シリコン膜73への射影飛程RpおよびRp+5×ΔRpは、射影飛程Rpが130.2nmであり、Rp+5×ΔRpが351.7nmである。多結晶シリコン膜73の膜厚は0.4μm(400nm)であるため、ボロンイオンは、トレンチ19内部の多結晶シリコン膜73には注入されない。注入量は1×1015〜2×1016/cm2の範囲が望ましい。本実施形態では5×1015/cm2とした。
In this case, the projection ranges Rp and Rp + 5 × ΔRp to the
その後、図示はしないが、窒素雰囲気中、700〜900℃の温度下で、30分の熱処理を行う。 Thereafter, although not shown, heat treatment is performed for 30 minutes at a temperature of 700 to 900 ° C. in a nitrogen atmosphere.
この熱処理によりゲート絶縁膜6へ注入された窒素が、多結晶シリコン膜73に拡散する。また表面側から、ボロンイオンがトレンチ19内の多結晶シリコン膜73へ拡散する。この熱処理の温度および時間は、上記の窒素とボロンとがトレンチ19内の多結晶シリコン膜73に拡散するように決定すればよい。
Nitrogen implanted into the
次に、図21に示されるように、写真製版により周辺領域21上にレジスト30を形成する。その後エッチング処理により、セル配列領域20上の多結晶シリコン膜73を除去する(トレンチ19内に形成された多結晶シリコン膜73を除く)。
Next, as shown in FIG. 21, a resist 30 is formed on the
図22に、上記工程によりトレンチ19内を除く多結晶シリコン膜73が除去された構造を示す。図22では、窒素およびボロンを含んだ多結晶シリコン膜74と、ボロンを含んだ多結晶シリコン膜75とからなるゲート電極7と表記することにする。
FIG. 22 shows a structure in which the
図18〜図21の説明で明らかなように、ゲート電極7は多結晶シリコン膜73を2度以上積層して形成したものではない。ここまでの工程を経て、ゲート絶縁膜6近傍の多結晶シリコン膜74には、窒素がボロンより多く含まれる。
As apparent from the description of FIGS. 18 to 21, the
この工程以降は第1実施形態に示された工程と同様の工程によってMOSFETを作製する。具体的には、基板全面に層間絶縁膜8が形成され(図23)、さらに、写真製版処理とRIEエッチング処理とにより、セル配列領域20のソース領域3の一部とp+コンタクト部5の上部とにソースコンタクトホール12が形成される(図24)。
After this step, the MOSFET is manufactured by the same steps as those shown in the first embodiment. Specifically, an
次に、基板全面において、スパッタ法によりNi膜を形成し第1のアニール処理を施す。硫酸および塩酸を含む酸系の薬液で、未反応となったNi膜を除去する。これにより、図24に示されるように、ソースコンタクトホール12の底面から露出した、ソース領域3上部およびp+コンタクト部5上部に、シリサイド膜18(NiSi2膜)が形成される。
Next, a Ni film is formed on the entire surface of the substrate by sputtering, and a first annealing process is performed. The unreacted Ni film is removed with an acid chemical solution containing sulfuric acid and hydrochloric acid. As a result, as shown in FIG. 24, a silicide film 18 (NiSi 2 film) is formed on the upper portion of the
その後、図25に示されるように、周辺領域21のゲート電極7上部にゲートコンタクトホール13が形成される。続いて、炭化珪素半導体基板1の裏面にドレイン電極9が形成される。RTA法で1000℃程度の第2のアニール処理を実施する。当該第2のアニール処理後でも、ゲート絶縁膜6近傍の多結晶シリコン膜74には窒素がボロンより多く含まれる。これは、窒素がボロンの拡散を抑制したためである。
Thereafter, as shown in FIG. 25, a
まず、炭化珪素半導体基板1の裏面に対してスパッタ法を施し、厚さが例えば300nmのNi膜を成膜する。次に、例えばRTA法で1000℃程度の第2のアニール処理を実施する。前述した理由により、第2のアニール処理の時間は短い方が好ましい。第2のアニール処理により、ソースコンタクトホール12内のシリサイド膜18(NiSi2膜)のコンタクト抵抗をさらに低下させることができる。さらに、炭化珪素半導体基板1の裏面に形成した上述のNi膜が、炭化珪素半導体基板1裏面と反応してNiSi2膜も同時に形成され、これらの間にも低抵抗のオーミックコンタクトが実現される。こうして、炭化珪素半導体基板1の裏面に、Ni膜とNiSi2膜とからなるドレイン電極9が形成される(図25)。
First, a sputtering method is performed on the back surface of the silicon
最後に、ソースコンタクトホール12およびゲートコンタクトホール13を充填するように、層間絶縁膜8上に、膜厚が3μmのAl膜が形成される(図26参照)。その後、当該Al膜に対して、写真製版とエッチング処理とを施す。
Finally, an Al film having a thickness of 3 μm is formed on the
これにより、電極膜がパターニングされ、外部出力ソース電極10と外部出力ゲート電極15とが形成される。スパッタ法により、ドレイン電極9上に膜厚が150nmの金(Au)膜を形成し、裏面接続ドレイン電極11とする。
Thereby, the electrode film is patterned, and the external
ここで、当該パターニングにより、外部出力ソース電極10と外部出力ゲート電極15とは、電気的に分離される。また外部出力ソース電極10は、セル配列領域20に形成され、シリサイド膜18(NiSi2膜)を介して、ソース領域3上部およびp+コンタクト部5上部と電気的に接続される。これに対して、外部出力ゲート電極15は、周辺領域21に形成され、ゲート電極7と電気的に接続される。これらの工程により、トレンチゲート構造縦型MOSFETが製造される。
Here, the external
本実施形態におけるトレンチゲート構造縦型MOSFETでは、ゲート電極の導電型がp型なのでMOSFETの閾値電圧(Vth)をn型のゲート電極の場合よりも2V増加させることができる。 In the trench gate structure vertical MOSFET according to the present embodiment, since the gate electrode has a p-type conductivity, the threshold voltage (Vth) of the MOSFET can be increased by 2 V compared to the n-type gate electrode.
製造工程が完了した後の時点で、ゲート電極におけるゲート絶縁膜近傍の窒素濃度をB濃度よりも高くしたので、Bのゲート絶縁膜中への拡散が防止でき、MOSFETのヒステリシス現象が抑制される。 Since the nitrogen concentration in the vicinity of the gate insulating film in the gate electrode is made higher than the B concentration at the time after the manufacturing process is completed, diffusion of B into the gate insulating film can be prevented, and the hysteresis phenomenon of the MOSFET is suppressed. .
p型ゲート電極を2回のイオン注入で形成できるため、ゲート電極を多層化する場合に比べて製造工程が少なく、製造コストを抑えることができる。 Since the p-type gate electrode can be formed by two ion implantations, the number of manufacturing steps is less than that in the case where the gate electrode is multilayered, and the manufacturing cost can be suppressed.
さらに、トレンチゲート構造を採用したので、第1実施形態に示されたプレーナゲート構造縦型MOSFETよりもオン抵抗を低減することができる。なお、トレンチ19底面のゲート絶縁膜6へは窒素は注入されていない。このため、ボロンは若干トレンチ19底面のゲート絶縁膜6に拡散する。しかし、トレンチ19の底面にはチャネルが形成されないため、トレンチゲート構造縦型MOSFETの動作に影響を与えることはない。
Furthermore, since the trench gate structure is adopted, the on-resistance can be reduced as compared with the planar gate structure vertical MOSFET shown in the first embodiment. Note that nitrogen is not implanted into the
<効果>
本実施形態によれば、ウェル領域4が形成されていないドリフト層2の表面にトレンチ19が形成され、ゲート絶縁膜6が、トレンチ19内壁を含む、ウェル領域4の一部、ドリフト層2の一部およびソース領域3の一部の、表面上に設けられ、ゲート電極7が、トレンチ19内に設けられている。
<Effect>
According to the present embodiment, the
このような構成によれば、トレンチゲート構造を採用しているので、オン抵抗を低減することができる。 According to such a configuration, since the trench gate structure is adopted, the on-resistance can be reduced.
また、本実施形態によれば、炭化珪素半導体装置の製造方法が、(a)第1導電型のドリフト層2を形成する工程と、(b)第2導電型のウェル領域4を形成する工程と、(c)第1導電型のソース領域3を形成する工程と、(d)トレンチ19を形成する工程と、(e)ゲート絶縁膜6を形成する工程と、(f)トレンチ19側壁に形成されたゲート絶縁膜6に、窒素イオン53を注入する工程と、(g)トレンチ19内に、導電層としての多結晶シリコン膜73を形成する工程と、(h)多結晶シリコン膜73に第2導電型の不純物(ボロンイオン58)イオンを注入する工程と、(i)ゲート絶縁膜6に注入された窒素、および、多結晶シリコン膜73に注入された不純物を拡散させる工程とを備える。
Further, according to the present embodiment, the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device includes (a) a step of forming the first conductivity
工程(a)は、第1導電型の炭化珪素半導体基板1の表面上に積層して、第1導電型のドリフト層2を形成する工程である。
Step (a) is a step of forming the first conductivity
工程(b)は、ドリフト層2の表層部に、第2導電型のウェル領域4を形成する工程である。
Step (b) is a step of forming the second conductivity
工程(c)は、ウェル領域4の表層部の一部分に、第1導電型のソース領域3を形成する工程である。
Step (c) is a step of forming the
工程(d)は、ウェル領域4が形成されていないドリフト層2の表面に、トレンチ19を形成する工程である。
Step (d) is a step of forming a
工程(e)は、トレンチ19内壁を含む、ウェル領域4の一部、ドリフト層2の一部およびソース領域3の一部の表面上に、ゲート絶縁膜6を形成する工程である。
Step (e) is a step of forming the
このような構成によれば、トレンチゲート構造を採用しているので、オン抵抗を低減することができる。 According to such a configuration, since the trench gate structure is adopted, the on-resistance can be reduced.
また、窒素および第2導電型の不純物がイオン注入で導入されているため、比較的低い製造コストで製造することができる。 In addition, since nitrogen and second conductivity type impurities are introduced by ion implantation, it can be manufactured at a relatively low manufacturing cost.
<第3実施形態>
<2層ゲート>
第2実施形態では、ゲート絶縁膜6への注入およびその後の熱処理により、窒素をゲート絶縁膜6近傍のゲート電極7に導入していた。しかし、上記構造の製造方法はこれに限られるものではない。
<Third Embodiment>
<Double-layer gate>
In the second embodiment, nitrogen is introduced into the
第3実施形態に関するトレンチゲート構造の縦型MOSFETの製造方法について説明する。 A method for manufacturing a vertical MOSFET having a trench gate structure according to the third embodiment will be described.
まず、第2実施形態に示された工程と同じ工程で、ドリフト層2、ソース領域3、ウェル領域4、p+コンタクト部5、酸化膜14およびゲート絶縁膜6を作製する。作製後の断面は図17と同じである。
First, the
次に、図28に示されるように、CVD法により、ゲート絶縁膜6、酸化膜14上に、第1半導体層としての多結晶シリコン膜76を形成する。多結晶シリコン膜76の膜厚はトレンチ19を埋め込まないような値に設定する。
Next, as shown in FIG. 28, a
第2実施形態では、トレンチ19を埋め込まない多結晶シリコン膜76の膜厚として0.2μmを設定した。この場合、トレンチ19の幅Dは0.6μmであるため、トレンチ19は多結晶シリコン膜76によって完全には充填されず、中央部に0.2μmの空隙が存在することになる。
In the second embodiment, the film thickness of the
図28に示された構造における多結晶シリコン膜76に対して、窒素イオン59を斜めイオン注入する(図29)。窒素イオン59の加速電圧および注入角度Eaは、窒素イオン濃度が多結晶シリコン膜76内にピークを持ち、窒素イオンがウェル領域4に注入されないように選ばれる。また、注入角度Eaは、トレンチ19側壁の多結晶シリコン膜76にイオンが均一に注入されるようにも選ぶ必要がある。
本実施形態では加速電圧を30kVとし、注入角度を11°とした。また、注入の方向は、図27中の注入57、注入54、注入55および注入56の方向に従って設定される。注入角度は一般的に、tan−1(トレンチ空隙/トレンチ深さ)で求められる。
In this embodiment, the acceleration voltage is 30 kV and the implantation angle is 11 °. Also, the injection direction is set according to the directions of
本実施形態ではトレンチ空隙が0.2μm、注入の方向が図27中の注入57、注入54、注入55および注入56の方向なので、トレンチ空隙は実質的に0.2/cos(45)=0.28μmになる。イオンの注入量は、1×1014〜1×1016/cm2の範囲が望ましい。本実施形態では4×1015/cm2とした。
In this embodiment, the trench gap is 0.2 μm, and the direction of implantation is the direction of
このときの多結晶シリコン膜76への射影飛程RpおよびRp+5×ΔRpは、側壁においては、射影飛程Rpが8.8nmであり、Rp+5×ΔRpが25.8nm(垂直注入の深さ×sin(11)×cos(45))である。表面においては、射影飛程Rpが64.3nmであり、Rp+5×ΔRpが187.5nm(垂直注入の深さ×cos(11))である。
At this time, the projection ranges Rp and Rp + 5 × ΔRp to the
側壁における多結晶シリコン膜76の膜厚は200nmであるため、側壁のウェル領域4にはイオンは全く注入されない。またイオンは、表面側すなわちソース領域3およびp+コンタクト部5にも全く注入されない。図29に示されるように、窒素イオン59の注入が終了した後、多結晶シリコン膜76は窒素を含んだ第1半導体層としての多結晶シリコン膜77となる。
Since the thickness of the
次に、図30に示されるように、CVD法により、多結晶シリコン膜77上に、不純物を含まない第2半導体層としての多結晶シリコン膜78が形成される。多結晶シリコン膜78の膜厚は、トレンチ19を完全に埋め込むような値に設定する。本実施形態では0.2μmとした。
Next, as shown in FIG. 30, a
次に、図31に示されるように、多結晶シリコン膜78にボロンが注入される。ボロンイオン58の加速電圧は、イオン濃度が多結晶シリコン膜78の内部にピークを持ち、ソース領域3およびp+コンタクト部5にはイオンが到達しないように選ばれる。本実施形態では40kVとした。ボロンの射影飛程RpおよびRp+ΔRpの値は、第2実施形態における場合と同じである。イオン注入量は1×1015〜2×1016/cm2の範囲が望ましい。本実施形態では5×1015/cm2とした。図31に示されるように、ボロンイオン58の注入が終了した後、多結晶シリコン膜78は第2導電型の不純物を含んだ第2半導体層としての多結晶シリコン膜79となる。
Next, as shown in FIG. 31, boron is implanted into the
その後は第2実施形態における場合と同じ工程により、縦型MOSFETが完成する。 Thereafter, the vertical MOSFET is completed by the same process as in the second embodiment.
なお、本実施形態においても、第2実施形態のボロン注入後の熱処理と同じ工程、すなわち窒素雰囲気中、700〜900℃での30分の熱処理を行う。この熱処理により多結晶シリコン膜79へ注入されたボロンが、多結晶シリコン膜77に拡散する。この熱処理の温度および時間は、全工程終了後に多結晶シリコン膜77のゲート絶縁膜近傍の窒素濃度がB濃度よりも高くなるように決定すればよい。
Also in this embodiment, the same heat treatment as that after the boron implantation in the second embodiment, that is, a heat treatment for 30 minutes at 700 to 900 ° C. is performed in a nitrogen atmosphere. Boron implanted into the
<効果>
本実施形態によれば、炭化珪素半導体装置が、第1導電型の炭化珪素半導体基板1と、第1導電型のドリフト層2と、第2導電型のウェル領域4と、第1導電型のソース領域3と、トレンチ19と、ゲート絶縁膜6と、ゲート電極とを備える。
<Effect>
According to the present embodiment, a silicon carbide semiconductor device includes a first conductivity type silicon
ドリフト層2は、炭化珪素半導体基板1の表面上に形成されている。
ウェル領域4は、ドリフト層2の表層部に形成されている。
The
ソース領域3は、ウェル領域4の表層部の一部分に形成されている。
The
トレンチ19は、ウェル領域4が形成されていないドリフト層2の表面に形成されている。
The
ゲート絶縁膜6は、トレンチ19内壁を含む、ウェル領域4の一部、ドリフト層2の一部およびソース領域3の一部の、表面上に設けられている。
The
ゲート電極は、トレンチ19内に設けられ、ウェル領域4の一部、ドリフト層2の一部およびソース領域3の一部にゲート絶縁膜6を介して設けられている。
The gate electrode is provided in the
ゲート電極は、窒素がドープされた第1半導体層としての多結晶シリコン膜77と、第1半導体層(多結晶シリコン膜77)上に形成され、第2導電型の不純物がドープされた第2半導体層としての多結晶シリコン膜79とからなる。
The gate electrode is formed on the
このような構成によれば、工程数は増えるものの、窒素イオンがゲート絶縁膜6へ注入されないので、トレンチゲート構造縦型MOSFETにおけるゲート絶縁膜6の信頼性が向上する。
According to such a configuration, although the number of processes is increased, since nitrogen ions are not implanted into the
また、本実施形態によれば、炭化珪素半導体装置の製造方法が、(a)第1導電型のドリフト層2を形成する工程と、(b)第2導電型のウェル領域4を形成する工程と、(c)第1導電型のソース領域3を形成する工程と、(d)トレンチ19を形成する工程と、(e)ゲート絶縁膜6を形成する工程と、(f)第1半導体層としての多結晶シリコン膜76を形成する工程と、(g)トレンチ19側壁に形成された第1半導体層(多結晶シリコン膜76)に、窒素イオン59を注入する工程と、(h)トレンチ19内を埋める、第2半導体層としての多結晶シリコン膜78を形成する工程と、(i)第2半導体層(多結晶シリコン膜78)に第2導電型の不純物イオン(ボロンイオン58)を注入する工程とを備える。
Further, according to the present embodiment, the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device includes (a) a step of forming the first conductivity
工程(a)は、第1導電型の炭化珪素半導体基板1の表面上に積層して、第1導電型のドリフト層2を形成する工程である。
Step (a) is a step of forming the first conductivity
工程(b)は、ドリフト層2の表層部に、第2導電型のウェル領域4を形成する工程である。
Step (b) is a step of forming the second conductivity
工程(c)は、ウェル領域4の表層部の一部分に、第1導電型のソース領域3を形成する工程である。
Step (c) is a step of forming the
工程(d)は、ウェル領域4が形成されていないドリフト層2の表面に、トレンチ19を形成する工程である。
Step (d) is a step of forming a
工程(e)は、トレンチ19内壁を含む、ウェル領域4の一部、ドリフト層2の一部およびソース領域3の一部の表面上に、ゲート絶縁膜6を形成する工程である。
Step (e) is a step of forming the
工程(f)は、ゲート絶縁膜6に沿って形成され、トレンチ19を部分的に埋める第1半導体層(多結晶シリコン膜76)を形成する工程である。
Step (f) is a step of forming a first semiconductor layer (polycrystalline silicon film 76) formed along the
このような構成によれば、工程数は増えるものの、窒素イオン59がゲート絶縁膜6へ注入されないので、トレンチゲート構造縦型MOSFETにおけるゲート絶縁膜6の信頼性が向上する。
According to such a configuration, although the number of steps is increased,
<変形例>
上記の実施形態では、ゲート電極はp型の多結晶シリコンで形成されている。しかし、電力用縦型MOSFETをより高速でスイッチングするためには、ゲート電極の抵抗を下げる必要が生ずる場合もある。その場合は、p型の多結晶シリコン膜の上に多結晶シリコン膜より抵抗の低い金属シリサイド、具体的にはタングステンシリサイド(WSi2)またはチタンシリサイド(TiSi2)等を形成してもよい。
<Modification>
In the above embodiment, the gate electrode is formed of p-type polycrystalline silicon. However, in order to switch the power vertical MOSFET at a higher speed, it may be necessary to lower the resistance of the gate electrode. In that case, a metal silicide having a lower resistance than the polycrystalline silicon film, specifically, tungsten silicide (WSi 2 ) or titanium silicide (TiSi 2 ) may be formed on the p-type polycrystalline silicon film.
また、上記の実施形態ではセンス用縦型MOSFETが存在しない例を示している。上記の実施形態の縦型MOSFETをメイン用縦型MOSFETと称する。センス用縦型MOSFETが内蔵された電力用縦型MOSFETもまったく同一の工程により作成することができる。 In the above embodiment, an example in which the sense vertical MOSFET does not exist is shown. The vertical MOSFET of the above embodiment is referred to as a main vertical MOSFET. A power vertical MOSFET incorporating a sense vertical MOSFET can also be fabricated in exactly the same process.
さらに、レジストマスクによりセンス用とメイン用の縦型MOSFETのゲート電極に注入されるボロンの濃度を変えてセンス用とメイン用の縦型MOSFETのVthを変えてもよい。センス用縦型MOSFETのボロンの濃度をメイン用縦型MOSFETの濃度より低く設定するとセンス用縦型MOSFETのVthがメイン用より低くなる。ボロンの濃度が低いとバンドの曲がりがより大きくなり、少ないゲート電圧でチャネルが反転するからである。センス用縦型MOSFETのゲート電極にリン(P)を注入してn型にしても同様にセンス用縦型MOSFETのVthが低くなる。Vthの低い縦型MOSFETの電流密度はVthの高い縦型MOSFETの電流密度より大きくなる。以上のようにセンス用縦型MOSFETのVthをメイン用より低くなるように設定すると、レジストマスク形成工程およびイオン注入工程が増えるものの、縦型MOSFETの電流を、より早い時間で検知できるので、許容電流値に達する前に充分なマージンを持って縦型MOSFETの電流をオフできる。このためセンス用縦型MOSFETを内蔵した縦型MOSFETの過電流による破壊を防止する効果がある。 Further, the Vth of the sense and main vertical MOSFETs may be changed by changing the concentration of boron implanted into the gate electrodes of the sense and main vertical MOSFETs using a resist mask. If the boron concentration of the sense vertical MOSFET is set lower than that of the main vertical MOSFET, the Vth of the sense vertical MOSFET becomes lower than that of the main. This is because when the concentration of boron is low, the bending of the band becomes larger and the channel is inverted with a small gate voltage. Even if phosphorus (P) is implanted into the gate electrode of the sense vertical MOSFET to make it n-type, Vth of the sense vertical MOSFET is similarly lowered. The current density of the vertical MOSFET having a low Vth is larger than the current density of the vertical MOSFET having a high Vth. As described above, if the Vth of the vertical MOSFET for sensing is set to be lower than that for the main MOSFET, the resist mask forming process and the ion implantation process are increased, but the current of the vertical MOSFET can be detected in an earlier time. Before reaching the current value, the current of the vertical MOSFET can be turned off with a sufficient margin. For this reason, there is an effect of preventing the vertical MOSFET incorporating the sense vertical MOSFET from being destroyed by overcurrent.
第2実施形態および第3実施形態では、低抵抗の金属シリサイドをトレンチ内部に設けなければならない。その場合はトレンチ内が多結晶シリコン膜で完全に埋め込まれないようにトレンチの幅および多結晶シリコン膜の膜厚を調整し、トレンチ内の空隙に金属シリサイドを形成すればよい。 In the second and third embodiments, low resistance metal silicide must be provided inside the trench. In that case, the width of the trench and the thickness of the polycrystalline silicon film may be adjusted so that the trench is not completely filled with the polycrystalline silicon film, and metal silicide may be formed in the gap in the trench.
また、上記の実施形態においては、半導体素子が縦型のMOSFETである場合を開示しているが、電子および正孔の両方が伝導に寄与するバイポーラ素子、例えば図3、図26または図31に示された炭化珪素半導体基板1の導電型を第2導電型(p型)にした、IGBTのセル領域を有する半導体素子を構成しても、既述した本発明の効果が同様に奏されることは言うまでもない。したがって、本発明の効力が及ぶ範囲は、MOSFETまたはIGBT等のバイポーラ素子としての半導体素子を含む。
In the above embodiment, the case where the semiconductor element is a vertical MOSFET is disclosed, but a bipolar element in which both electrons and holes contribute to conduction, for example, FIG. 3, FIG. 26 or FIG. Even if a semiconductor element having an IGBT cell region in which the conductivity type of the silicon
以上の各実施形態では、第1導電型をn型とし、第2導電型をp型としているが、第1導電型をp型とし、第2導電型をn型としてもよい。第1導電型がp型の場合は、ゲート電極の導電型はn型にする必要がある。また、本明細書中の角度の単位は度(degree)である。 In each of the above embodiments, the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type. However, the first conductivity type may be p-type and the second conductivity type may be n-type. When the first conductivity type is p-type, the conductivity type of the gate electrode needs to be n-type. Moreover, the unit of the angle in this specification is degree (degree).
上記実施形態では、各構成要素の材質、材料、実施の条件等についても記載しているが、これらは例示であって記載したものに限られるものではない。 In the said embodiment, although the material of each component, material, the conditions of implementation, etc. are described, these are illustrations and are not restricted to what was described.
なお本発明は、その発明の範囲内において、各実施形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施形態において任意の構成要素の省略が可能である。 In addition, within the scope of the present invention, the present invention can be freely combined with each embodiment, modified with any component in each embodiment, or omitted with any component in each embodiment.
本発明は、例えばインバータのような電力変換器に適用して好適である。 The present invention is suitable for application to a power converter such as an inverter.
1 炭化珪素半導体基板、2 ドリフト層、3 ソース領域、4 ウェル領域、5 p+コンタクト部、6 ゲート絶縁膜、7 ゲート電極、8 層間絶縁膜、9 ドレイン電極、10 外部出力ソース電極、11 裏面接続ドレイン電極、12 ソースコンタクトホール、13 ゲートコンタクトホール、14 酸化膜、15 外部出力ゲート電極、15a ゲート配線、16 JFET領域、17 Ni膜、18 シリサイド膜、19 トレンチ、20 セル配列領域、21 周辺領域、30 レジスト、40 MOSFET、51,53,59 窒素イオン、52,58 ボロンイオン、54〜57,54a〜57a 注入、71〜79 多結晶シリコン膜。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記炭化珪素半導体基板の表面上に形成された第1導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層の表層部に形成された第2導電型のウェル領域と、
前記ウェル領域の表層部の一部分に形成された第1導電型のソース領域と、
前記ウェル領域の一部、前記ドリフト層の一部および前記ソース領域の一部の、表面上に設けられたゲート絶縁膜と、
前記ウェル領域の一部、前記ドリフト層の一部および前記ソース領域の一部の上部に前記ゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極とを備え、
前記ゲート電極が半導体材料に第2導電型の不純物がドープされた導電層からなり、当該導電層中には窒素がさらにドープされ、
前記ゲート電極の前記ゲート絶縁膜と接する側において、前記窒素の濃度が前記不純物の濃度より高いことを特徴とする、
炭化珪素半導体装置。 A first conductivity type silicon carbide semiconductor substrate;
A drift layer of a first conductivity type formed on the surface of the silicon carbide semiconductor substrate;
A second conductivity type well region formed in a surface layer portion of the drift layer;
A source region of a first conductivity type formed in a part of a surface layer portion of the well region;
A gate insulating film provided on a surface of a part of the well region, a part of the drift layer, and a part of the source region;
A gate electrode provided on a part of the well region, a part of the drift layer and a part of the source region via the gate insulating film;
The gate electrode is made of a conductive layer in which a semiconductor material is doped with a second conductivity type impurity, and the conductive layer is further doped with nitrogen,
The nitrogen concentration is higher than the impurity concentration on the side of the gate electrode in contact with the gate insulating film,
Silicon carbide semiconductor device.
請求項1に記載の炭化珪素半導体装置。 The gate electrode is composed of a single layer,
The silicon carbide semiconductor device according to claim 1.
請求項1または2に記載の炭化珪素半導体装置。 The conductive layer has a thickness of 250 nm or more,
The silicon carbide semiconductor device according to claim 1 or 2.
請求項1〜3のいずれかに記載の炭化珪素半導体装置。 The gate electrode is made of polycrystalline silicon,
The silicon carbide semiconductor device in any one of Claims 1-3.
前記ゲート絶縁膜が、前記トレンチ内壁を含む、前記ウェル領域の一部、前記ドリフト層の一部および前記ソース領域の一部の表面上に設けられ、
前記ゲート電極が、前記トレンチ内に設けられていることを特徴とする、
請求項1〜4のいずれかに記載の炭化珪素半導体装置。 A trench is further formed on the surface of the drift layer where the well region is not formed;
The gate insulating film is provided on a surface of a part of the well region, a part of the drift layer, and a part of the source region including the inner wall of the trench;
The gate electrode is provided in the trench,
The silicon carbide semiconductor device in any one of Claims 1-4.
前記炭化珪素半導体基板の表面上に形成された第1導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層の表層部に形成された第2導電型のウェル領域と、
前記ウェル領域の表層部の一部分に形成された第1導電型のソース領域と、
前記ウェル領域が形成されていない前記ドリフト層の表面に形成されたトレンチと、
前記トレンチ内壁を含む、前記ウェル領域の一部、前記ドリフト層の一部および前記ソース領域の一部の、表面上に設けられたゲート絶縁膜と、
前記トレンチ内に設けられ、前記ウェル領域の一部、前記ドリフト層の一部および前記ソース領域の一部に前記ゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極とを備え、
前記ゲート電極が、
窒素がドープされた第1半導体層と、
前記第1半導体層上に形成され、第2導電型の不純物がドープされた第2半導体層とからなり、
前記第1半導体層中に前記不純物が拡散していることを特徴とする、
炭化珪素半導体装置。 A first conductivity type silicon carbide semiconductor substrate;
A drift layer of a first conductivity type formed on the surface of the silicon carbide semiconductor substrate;
A second conductivity type well region formed in a surface layer portion of the drift layer;
A source region of a first conductivity type formed in a part of a surface layer portion of the well region;
A trench formed in the surface of the drift layer in which the well region is not formed;
A gate insulating film provided on a surface of a part of the well region, a part of the drift layer and a part of the source region, including the inner wall of the trench;
A gate electrode provided in the trench and provided in part of the well region, part of the drift layer and part of the source region via the gate insulating film;
The gate electrode is
A first semiconductor layer doped with nitrogen;
A second semiconductor layer formed on the first semiconductor layer and doped with an impurity of a second conductivity type;
The impurity is diffused in the first semiconductor layer,
Silicon carbide semiconductor device.
(b)前記ドリフト層の表層部に、第2導電型のウェル領域を形成する工程と、
(c)前記ウェル領域の表層部の一部分に、第1導電型のソース領域を形成する工程と、
(d)前記ウェル領域の一部、前記ドリフト層の一部および前記ソース領域の一部の、表面上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
(e)前記ゲート絶縁膜の表面上に導電層を形成する工程と、
(f)前記導電層に窒素をイオン注入する工程と、
(g)前記導電層に第2導電型の不純物をイオン注入する工程とを備え、
前記導電層の前記ゲート絶縁膜と接する側において、前記窒素の濃度が前記不純物の濃度より高いことを特徴とする、
炭化珪素半導体装置の製造方法。 (A) forming a first conductivity type drift layer by stacking on a surface of a first conductivity type silicon carbide semiconductor substrate;
(B) forming a second conductivity type well region in a surface layer portion of the drift layer;
(C) forming a first conductivity type source region in a portion of the surface layer of the well region;
(D) forming a gate insulating film on a surface of a part of the well region, a part of the drift layer, and a part of the source region;
(E) forming a conductive layer on the surface of the gate insulating film;
(F) a step of ion-implanting nitrogen into the conductive layer;
(G) ion-implanting a second conductivity type impurity into the conductive layer,
On the side of the conductive layer in contact with the gate insulating film, the nitrogen concentration is higher than the impurity concentration.
A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device.
(b)前記ドリフト層の表層部に、第2導電型のウェル領域を形成する工程と、
(c)前記ウェル領域の表層部の一部分に、第1導電型のソース領域を形成する工程と、
(d)前記ウェル領域が形成されていない前記ドリフト層の表面に、トレンチを形成する工程と、
(e)前記トレンチ内壁を含む、前記ウェル領域の一部、前記ドリフト層の一部および前記ソース領域の一部の表面上に、前記ゲート絶縁膜を形成する工程と、
(f)前記トレンチ側壁に形成された前記ゲート絶縁膜に、窒素をイオン注入する工程と、
(g)前記トレンチ内に、導電層を形成する工程と、
(h)前記導電層に第2導電型の不純物をイオン注入する工程と、
(i)前記ゲート絶縁膜に注入された前記窒素、および、前記導電層に注入された前記不純物を拡散させる工程とを備えることを特徴とする、
炭化珪素半導体装置の製造方法。 (A) forming a first conductivity type drift layer by stacking on a surface of a first conductivity type silicon carbide semiconductor substrate;
(B) forming a second conductivity type well region in a surface layer portion of the drift layer;
(C) forming a first conductivity type source region in a portion of the surface layer of the well region;
(D) forming a trench in the surface of the drift layer where the well region is not formed;
(E) forming the gate insulating film on the surface of a part of the well region, a part of the drift layer, and a part of the source region, including the trench inner wall;
(F) a step of ion-implanting nitrogen into the gate insulating film formed on the trench sidewall;
(G) forming a conductive layer in the trench;
(H) ion-implanting a second conductivity type impurity into the conductive layer;
(I) diffusing the nitrogen implanted into the gate insulating film and the impurities implanted into the conductive layer,
A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device.
(b)前記ドリフト層の表層部に、第2導電型のウェル領域を形成する工程と、
(c)前記ウェル領域の表層部の一部分に、第1導電型のソース領域を形成する工程と、
(d)前記ウェル領域が形成されていない前記ドリフト層の表面に、トレンチを形成する工程と、
(e)前記トレンチ内壁を含む、前記ウェル領域の一部、前記ドリフト層の一部および前記ソース領域の一部の表面上に、前記ゲート絶縁膜を形成する工程と、
(f)前記ゲート絶縁膜に沿って形成され、前記トレンチを部分的に埋める第1半導体層を形成する工程と、
(g)前記トレンチ側壁に形成された前記第1半導体層に、窒素をイオン注入する工程と、
(h)前記トレンチ内を埋める、第2半導体層を形成する工程と、
(i)前記第2半導体層に第2導電型の不純物をイオン注入する工程とを備えることを特徴とする、
炭化珪素半導体装置の製造方法。 (A) forming a first conductivity type drift layer by stacking on a surface of a first conductivity type silicon carbide semiconductor substrate;
(B) forming a second conductivity type well region in a surface layer portion of the drift layer;
(C) forming a first conductivity type source region in a portion of the surface layer of the well region;
(D) forming a trench in the surface of the drift layer where the well region is not formed;
(E) forming the gate insulating film on the surface of a part of the well region, a part of the drift layer, and a part of the source region, including the trench inner wall;
(F) forming a first semiconductor layer formed along the gate insulating film and partially filling the trench;
(G) a step of ion-implanting nitrogen into the first semiconductor layer formed on the trench sidewall;
(H) forming a second semiconductor layer filling the trench;
(I) a step of ion-implanting a second conductivity type impurity into the second semiconductor layer.
A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device.
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