JP2016004955A - Silicon carbide semiconductor device and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、チャネリングを改善すると共にチャネル抵抗を低減するイオン注入方法に関する。 The present invention relates to an ion implantation method for improving channeling and reducing channel resistance.
従来、半導体装置の形成においてイオン注入におけるチャネリングを抑制するため、注入マスクの側壁の法線方向に対して所定の角度からイオン注入を行う方法(例えば特許文献1)、基板の法線方向に対して所定の傾斜角(注入角)を有したまま、法線を軸に回転させながらイオン注入を行う傾斜回転注入法(例えば特許文献2)、所定の注入角を有したままパラレルスキャンする方法(例えば特許文献3)が採用されている。 Conventionally, in order to suppress channeling in ion implantation in the formation of a semiconductor device, a method of performing ion implantation from a predetermined angle with respect to the normal direction of the sidewall of the implantation mask (for example, Patent Document 1), with respect to the normal direction of the substrate An inclined rotation implantation method (for example, Patent Document 2) in which ions are implanted while rotating around a normal line while maintaining a predetermined inclination angle (implantation angle), and a parallel scanning method with a predetermined implantation angle ( For example, Patent Document 3) is adopted.
しかしながら、特許文献1−3のイオン注入方法はいずれも、注入マスクの側壁の法線方向で斜めイオン注入を行っているため、一部のイオンは注入マスクの端部を斜め方向に通過して入射するため、飛程が短くなる。そのため、注入マスク端部の下のSiC基板表面部分において、局所的に不純物濃度が高い領域が形成され、MOSFETのチャネル抵抗が増大するという問題点があった。 However, since all of the ion implantation methods of Patent Documents 1-3 perform oblique ion implantation in the normal direction of the sidewall of the implantation mask, some ions pass through the end of the implantation mask in the oblique direction. The incident range shortens the range. Therefore, there is a problem that a region having a high impurity concentration is locally formed in the surface portion of the SiC substrate under the end portion of the implantation mask, and the channel resistance of the MOSFET is increased.
本発明は上述の問題点に鑑み、チャネル抵抗の低減とJFET抵抗の低減を両立する炭化珪素半導体装置及びその製造方法の提供を目的とする。 In view of the above-described problems, an object of the present invention is to provide a silicon carbide semiconductor device that achieves both a reduction in channel resistance and a reduction in JFET resistance, and a method for manufacturing the same.
本発明に係る炭化珪素半導体装置は、第1導電型の炭化珪素基板と、炭化珪素基板の主面上の第1導電型のドリフト層と、ドリフト層の表層に、互いに離間して設けられた第2導電型のウェル領域と、を備え、ウェル領域は、その第2導電型不純物濃度が、深さ方向に400nm以下の範囲で1×1018cm−3からドリフト層における第1導電型不純物濃度に等しい濃度まで減少するレトログレードプロファイルを有する。 A silicon carbide semiconductor device according to the present invention is provided on a first conductivity type silicon carbide substrate, a first conductivity type drift layer on a main surface of the silicon carbide substrate, and a surface layer of the drift layer so as to be separated from each other. A well region of a second conductivity type, and the well region has a first conductivity type impurity in the drift layer from 1 × 10 18 cm −3 in a range where the second conductivity type impurity concentration is 400 nm or less in the depth direction. It has a retrograde profile that decreases to a concentration equal to the concentration.
本発明に係る炭化珪素半導体装置の製造方法は、第1導電型の炭化珪素基板の主面上に第1導電型のドリフト層を形成し、ドリフト層の表層に、互いに離間して設けられた第2導電型のウェル領域を形成する。そして、ウェル領域は、ドリフト層上に矩形形状の注入マスクを形成し、注入マスクの長手方向の側壁に平行な方向かつドリフト層の注入面に対して斜め方向からイオン注入を行うことにより形成される。 In the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention, the first conductivity type drift layer is formed on the main surface of the first conductivity type silicon carbide substrate, and provided on the surface layer of the drift layer so as to be separated from each other. A second conductivity type well region is formed. The well region is formed by forming a rectangular implantation mask on the drift layer and performing ion implantation in a direction parallel to the longitudinal side wall of the implantation mask and from an oblique direction with respect to the implantation surface of the drift layer. The
本発明に係る炭化珪素半導体装置は、第1導電型の炭化珪素基板と、炭化珪素基板の主面上の第1導電型のドリフト層と、ドリフト層の表層に、互いに離間して設けられた第2導電型のウェル領域と、を備え、ウェル領域は、その第2導電型不純物濃度が、深さ方向に400nm以下の範囲で1×1018cm−3からドリフト層における第1導電型不純物濃度に等しい濃度まで減少するレトログレードプロファイルを有する。ウェル領域の不純物濃度プロファイルを上述のレトログレードとすることにより、チャネル抵抗の低減とJFET抵抗の低減を両立することができる。 A silicon carbide semiconductor device according to the present invention is provided on a first conductivity type silicon carbide substrate, a first conductivity type drift layer on a main surface of the silicon carbide substrate, and a surface layer of the drift layer so as to be separated from each other. A well region of a second conductivity type, and the well region has a first conductivity type impurity in the drift layer from 1 × 10 18 cm −3 in a range where the second conductivity type impurity concentration is 400 nm or less in the depth direction. It has a retrograde profile that decreases to a concentration equal to the concentration. By setting the impurity concentration profile of the well region to the above-mentioned retrograde, it is possible to achieve both a reduction in channel resistance and a reduction in JFET resistance.
本発明に係る炭化珪素半導体装置の製造方法は、第1導電型の炭化珪素基板の主面上に第1導電型のドリフト層を形成し、ドリフト層の表層に、互いに離間して設けられた第2導電型のウェル領域を形成する。そして、ウェル領域は、ドリフト層上に矩形形状の注入マスクを形成し、注入マスクの長手方向の側壁に平行な方向かつドリフト層の注入面に対して斜め方向からイオン注入を行うことにより形成される。これにより、チャネル抵抗が低く、JFET抵抗が低い炭化珪素半導体装置を製造することができる。 In the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention, the first conductivity type drift layer is formed on the main surface of the first conductivity type silicon carbide substrate, and provided on the surface layer of the drift layer so as to be separated from each other. A second conductivity type well region is formed. The well region is formed by forming a rectangular implantation mask on the drift layer and performing ion implantation in a direction parallel to the longitudinal side wall of the implantation mask and from an oblique direction with respect to the implantation surface of the drift layer. The Thereby, a silicon carbide semiconductor device having low channel resistance and low JFET resistance can be manufactured.
<A.実施の形態1>
<A−1.チャネリング>
炭化珪素(SiC)基板を用いたMOSFETの作成において、不純物のドーピングはイオン注入によって行われる。SiCはSiに比べて不純物の熱拡散係数が非常に小さいため、Si基板のように、不純物の熱拡散によって不純物濃度のプロファイルを決定することが出来ない。そのため、SiC基板では、不純物領域における不純物濃度のピーク値や注入深さは、イオン注入の条件によって制御される。
<A.
<A-1. Channeling>
In the fabrication of a MOSFET using a silicon carbide (SiC) substrate, impurities are doped by ion implantation. Since SiC has a much smaller thermal diffusion coefficient of impurities than Si, an impurity concentration profile cannot be determined by thermal diffusion of impurities as in the case of a Si substrate. Therefore, in the SiC substrate, the peak value of the impurity concentration and the implantation depth in the impurity region are controlled by the ion implantation conditions.
イオン注入によって形成されるMOSFETのウェル領域は、チャネル抵抗を低減するために、表面側の不純物濃度を薄くする必要がある一方、表面側以外ではパンチスルーを抑制するため、不純物濃度を1×1018cm−3以上とする必要がある。加えて、耐圧数kVのMOSFETのドリフト層濃度は1×1015cm−3以上であり、JFET抵抗を低減するために、ドリフト層と不純物濃度が等しくなる注入深さは、浅くする必要がある。以上をまとめると、ウェル領域の不純物濃度プロファイルは、表面側で最も小さく、ある深さでピークを持ち、急峻に減少する、レトログレードが必要となる。 In the well region of the MOSFET formed by ion implantation, it is necessary to reduce the impurity concentration on the surface side in order to reduce the channel resistance. On the other hand, the impurity concentration is set to 1 × 10 in order to suppress punch-through except on the surface side. It is necessary to be 18 cm −3 or more. In addition, the drift layer concentration of the MOSFET having a withstand voltage of several kV is 1 × 10 15 cm −3 or more, and in order to reduce the JFET resistance, the implantation depth at which the impurity concentration is equal to the drift layer needs to be shallow. . In summary, the impurity concentration profile in the well region is the smallest on the surface side, has a peak at a certain depth, and requires a retrograde that decreases sharply.
イオン注入において、注入された不純物が原子の隙間を通して基板の奥深くに達する、チャネリングと呼ばれる現象がある。Si基板では、チャネリングを抑制するために基板を7〜8°傾斜させてイオン注入を行っている。一方、SiC基板の場合は、デバイス作製に用いられる基板に4〜8°のオフ角が設けられているため、チャネリングは起こらないと考えられており、チャネリングの抑制の観点からの斜めイオン注入は行われていなかった。 In ion implantation, there is a phenomenon called channeling in which implanted impurities reach deep into the substrate through the gaps between atoms. In the Si substrate, ion implantation is performed by tilting the substrate by 7 to 8 ° in order to suppress channeling. On the other hand, in the case of a SiC substrate, since the substrate used for device fabrication is provided with an off angle of 4 to 8 °, it is considered that channeling does not occur, and oblique ion implantation from the viewpoint of suppressing channeling is performed. It was not done.
しかしながら、出願人は、SiC基板では、結晶格子と衝突し散乱したイオンのランダム成分により二次的なチャネリングが発生し、濃度プロファイルが裾を引き、その結果、深いJFET領域が形成されJFET抵抗の増大が生じることを発見した。そのため、SiC基板においてウェル領域を形成する際も、二次的なチャネリングを避けてレトログレードの急峻な濃度プロファイルを形成するためには、Si基板と同様に基板の注入面に対して斜め方向からイオン注入を行うことが必要である。 However, the applicant has found that, in the SiC substrate, secondary channeling occurs due to the random component of the ions that collide with the crystal lattice and are scattered, resulting in the bottom of the concentration profile, resulting in the formation of a deep JFET region and the JFET resistance. We found that an increase occurred. Therefore, when forming a well region in a SiC substrate, in order to avoid a secondary channeling and to form a retrograde steep concentration profile, as in the case of a Si substrate, the substrate is inclined from an oblique direction. It is necessary to perform ion implantation.
上記の問題を解決するため、イオン注入時にマスクの側壁に対して垂直な方向において、注入面に対して斜め注入を行った場合、マスク端部を斜め方向に通過して入射するイオンによる局所的な高濃度領域が形成されるため、チャネル抵抗が増大してしまう。 In order to solve the above-described problem, when the implantation is performed obliquely with respect to the implantation surface in the direction perpendicular to the side wall of the mask during ion implantation, the ions are locally introduced by passing through the edge of the mask in the oblique direction. Since a high concentration region is formed, channel resistance increases.
そこで、本発明に係る炭化珪素半導体装置は、注入マスクの側壁に対して平行な方向において、注入面に対して斜め方向からイオン注入を行うことにより、ウェル領域を形成する。この方法により作製したpウェル領域の濃度プロファイルは、前述した二次的なチャネリングが抑制されるため、従来と比べて急峻に減少するという特徴を持つ。 Therefore, in the silicon carbide semiconductor device according to the present invention, the well region is formed by performing ion implantation from an oblique direction with respect to the implantation surface in a direction parallel to the sidewall of the implantation mask. The concentration profile of the p-well region manufactured by this method has a feature that it decreases sharply compared to the conventional case because the secondary channeling described above is suppressed.
<A−2.構成>
図1は、本発明の実施の形態1に係る炭化珪素半導体装置である縦型MOSFET100の断面模式図である。以下、本明細書では半導体層の導電型について、第1導電型をn型、第2導電型をp型とするが、逆の導電型であってもよい。
<A-2. Configuration>
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a
縦型MOSFET100は、SiC基板10、ドリフト層20、ウェル領域30、ソース領域40、ゲート絶縁膜50、層間絶縁膜55、ゲート電極60、ソースオーミック電極70、裏面オーミック電極71、ソース電極80及びドレイン電極85を備えている。
The
SiC基板10は、第1導電型で低抵抗の炭化珪素からなり、4Hのポリタイプを有する。そして、その第1主面の面方位は、(0001)面からc軸方向に4°傾斜している。SiC基板10の第1主面上には、第1導電型の炭化珪素からなるドリフト層20が形成される。
ドリフト層20の表層側には、第2導電型の半導体層であるウェル領域30が平面視において離間して複数形成される。ウェル領域30は、アルミニウム(Al)を不純物として含有する第2導電型の半導体層である。ドリフト層20の表層のうち、隣接するウェル領域30の間の領域であって、ドリフト層20の表面からウェル領域30の深さと同じ深さまでの領域を離間領域21とする。
On the surface layer side of the
ウェル領域30の表層には、窒素(N)を不純物として含有する第1導電型の半導体層であるソース領域40が形成される。また、ソース領域40には部分的に、その表層から底面までを貫通する第2導電型のウェルコンタクト領域35が形成される。ウェルコンタクト領域の第2導電型不純物は、アルミニウム(Al)である。
On the surface layer of the
ウェル領域30の表面とソース領域40の一部の表面とに跨って、酸化珪素からなるゲート絶縁膜50が形成される。さらに、ゲート絶縁膜50の表面には、ゲート絶縁膜50を介してウェル領域30及びソース領域40の端部と対向するように、ゲート電極60が形成される。なお、ウェル領域30のうち、ゲート絶縁膜50を介してゲート電極60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領域という。
A
ゲート絶縁膜50上には、ゲート電極60を覆うように酸化珪素で構成される層間絶縁膜55が形成される。ソース領域40のうちゲート絶縁膜50で覆われていない領域の表面と、ウェルコンタクト領域35のうちソース領域40と接する側の一部の表面とには、炭化珪素との接触抵抗を低減するためのソースオーミック電極70が形成される。なお、ウェル領域30は、低抵抗のウェルコンタクト領域35を介して、ソースオーミック電極70と電子の授受を容易に行うことが可能である。
An interlayer insulating
ソースオーミック電極70及び層間絶縁膜55上には、ソース電極80が形成されている。SiC基板10の第1主面と反対側の第2主面、すなわち裏面側には、裏面オーミック電極71を介してドレイン電極85が形成される。また、図示しないが、半導体装置内のユニットセルが存在しない領域の一部において、ゲート電極60は層間絶縁膜55に開けられたゲートコンタクトホールを介してゲートパッド及びゲート配線と電気的に短絡している。
A
<A−3.製造工程>
MOSFET100の製造方法について説明する。まず、4Hのポリタイプを有するSiC基板10を準備し、SiC基板10の(0001)面から[11−20]方向にオフ角だけ傾斜した第1主面上に、化学気相堆積(Chemical Vapor Deposition:CVD)法により、5〜50μmの厚さの炭化珪素からなるドリフト層20をエピタキシャル成長する。ドリフト層20の第1導電型不純物濃度は1×1015cm−3〜1×1017cm−3とする。
<A-3. Manufacturing process>
A method for manufacturing
次に、ドリフト層20の表面にフォトレジストなどにより注入マスク31を形成し、Alを第2導電型不純物としてイオン注入する。このイオン注入領域がウェル領域30となる。ここで、図2に示すようにSiC基板10を上面から見たときに、注入マスク31とウェル領域30が平行かつ交互に繰り返すストライプ形状となるようにする。また、ストライプの方向はSiC基板10のオフ角方向と平行になるようにする。
Next, an
図3は図2のa−a´断面図であり、注入マスク31の側壁に対して垂直な方向からみた断面図を示している。また、図4は図2のb−b´断面図であり、注入マスクの側壁に対して平行な方向からみた断面図を示している。Alイオンの注入方向は、図3に示すように注入マスク31の側壁に対して垂直な方向からみると、注入面に対して垂直であり、かつ図4に示すように注入マスク31の側壁に対して平行な方向からみると、注入面に対して斜め方向である。
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line aa ′ of FIG. 2 and is a cross-sectional view seen from a direction perpendicular to the sidewall of the
また、Alイオンの注入深さは、ドリフト層20の厚さを超えない0.5〜3μm程度とする。また、上述したように、ウェル領域30の不純物濃度は、パンチスルー抑制のために必要な1×1018cm−3から、ドリフト層20の第1導電型不純物濃度に等しい1×1016cm−3まで深さ方向に急峻に減少することが必要である。この点、上述の通りSiC基板10の注入面に対して斜め方向からイオン注入を行うことにより、不純物濃度が1×1018cm−3から1×1016cm−3までの400nm以下の範囲で急峻に減少する不純物濃度プロファイルが得られる。従って、JFET長が短くなり、JFET長を低減することができる。また、注入マスク31の側壁に垂直な方向からみると注入面に対して垂直にイオン注入を行うことにより、注入したイオンが注入マスク31の端部を斜め方向に通過して入射することがないため、注入マスク31の端部下において、ウェル領域30の表面の不純物濃度が局所的に高くなることを避けることができ、MOSFETのチャネル抵抗の増大を避けることができる。その後、注入マスク31を除去する。本工程によりAlがイオン注入された領域がウェル領域30となる。
Also, the Al ion implantation depth is about 0.5 to 3 μm which does not exceed the thickness of the
次に、ドリフト層20の表面にフォトレジストなどにより注入マスクを形成し、ウェル領域30の外周に隣接して、p型不純物であるAlをイオン注入する。このとき、Alのイオン注入の深さはドリフト層20の厚さを超えない0.5〜3μm程度とする。また、イオン注入されたAlの不純物濃度は、1×1016cm−3〜1×1018cm−3の範囲でドリフト層20の第1導電型不純物濃度より高く、かつウェル領域30のAl濃度より低くする。その後、注入マスクを除去する。本工程によりAlがイオン注入された領域がJTE領域となる(図示せず)。
Next, an implantation mask is formed on the surface of the
次に、ドリフト層20の表面にフォトレジストなどにより注入マスクを形成し、n型不純物であるNをイオン注入する。Nのイオン注入深さはウェル領域30の厚さより浅いものとする。また、イオン注入したNの不純物濃度は、1×1018cm−3〜1×1021cm−3の範囲でウェル領域30の第2導電型不純物濃度を超えるものとする。本工程でNが注入された領域のうち第1導電型を示す領域がソース領域40となる。
Next, an implantation mask is formed on the surface of the
次に、ドリフト層20の表面にフォトレジストなどにより注入マスクを形成し、ソース領域40の中央に第2導電型不純物であるAlをイオン注入し、注入マスクを除去する。本工程によってAlが注入された領域がウェルコンタクト領域35となる。ウェルコンタクト領域35は、ウェル領域30とソースオーミック電極70との良好な電気的接触を得るために設けるもので、ウェルコンタクト領域35の第2導電型不純物濃度は、ウェル領域30の第2導電型不純物濃度より高濃度に設定することが望ましい。本工程でp型不純物をイオン注入する際には、ウェルコンタクト領域35を低抵抗化する目的で、SiC基板10もしくはドリフト層20を150℃以上に加熱してイオン注入することが望ましい。
Next, an implantation mask is formed on the surface of the
次に、熱処理装置によって、アルゴン(Ar)ガスなどの不活性ガス雰囲気中で1300〜1900℃、30秒〜1時間のアニールを行う。このアニールにより、イオン注入したN及びAlを電気的に活性化させる。 Next, annealing is performed at 1300 to 1900 ° C. for 30 seconds to 1 hour in an inert gas atmosphere such as argon (Ar) gas by a heat treatment apparatus. By this annealing, ion-implanted N and Al are electrically activated.
続いて、CVD法、フォトリソグラフィー技術などを用いて、上述の活性領域にほぼ対応した位置以外の領域に膜厚が0.5〜2μm程度の二酸化珪素膜からなるフィールド絶縁膜を形成する。このとき、例えば、フィールド絶縁膜を全面に形成した後、セル領域にほぼ対応した位置のフィールド絶縁膜をフォトリソグラフィー技術、エッチングなどで除去すればよい。 Subsequently, a field insulating film made of a silicon dioxide film having a thickness of about 0.5 to 2 μm is formed in a region other than the position substantially corresponding to the above-described active region by using a CVD method, a photolithography technique, or the like. At this time, for example, after the field insulating film is formed on the entire surface, the field insulating film at a position substantially corresponding to the cell region may be removed by photolithography, etching, or the like.
続いて、フィールド絶縁膜に覆われていない炭化珪素表面を熱酸化して所望の厚みのゲート絶縁膜50である酸化珪素を形成する。次に、ゲート絶縁膜50の上に、導電性を有する多結晶珪素膜を減圧CVD法により形成し、これをパターニングすることによりゲート電極60を形成する。続いて、層間絶縁膜55を減圧CVD法により形成する。続いて、層間絶縁膜55とゲート絶縁膜50を貫き、ユニットセルのウェルコンタクト領域35とソース領域40に到達するコンタクトホールを形成し、同時にMOSFETのユニットセルの外周に位置するウェルコンタクトホール(図示せず)を形成する。
Subsequently, the silicon carbide surface not covered with the field insulating film is thermally oxidized to form silicon oxide as the
次に、スパッタ法などによるNiを主成分とする金属膜を形成した後、600〜1100℃の温度の熱処理を行ない、Niを主成分とする金属膜と、コンタクトホール内の炭化珪素層とを反応させて、炭化珪素層と金属膜との間にシリサイドを形成する。続いて、層間絶縁膜55上に残留した金属膜を、硫酸、硝酸、塩酸のいずれか、またはこれらと過酸化水素水との混合液などによるウェットエッチングにより除去する。これにより、ソースオーミック電極70が形成される。
Next, after forming a metal film containing Ni as a main component by sputtering or the like, heat treatment is performed at a temperature of 600 to 1100 ° C. to form a metal film containing Ni as a main component and a silicon carbide layer in the contact hole. By reacting, silicide is formed between the silicon carbide layer and the metal film. Subsequently, the metal film remaining on the
続いて、SiC基板10の裏面(第2主面)にNiを主成分とする金属を形成し、熱処理することにより、第2主面に裏面オーミック電極71を形成する。
Subsequently, a back
次に、フォトレジストなどによるパターニングを用いて、ゲートコンタクトホール(図示せず)となる位置の層間絶縁膜55を除去する。
Next, the
その後、SiC基板10の表面にスパッタ法または蒸着法によりAl等の配線金属を形成し、フォトリソグラフィー技術により所定の形状に加工することで、ソース電極80を形成する。さらに、SiC基板10の第2主面に形成された裏面オーミック電極71の表面上に金属膜であるドレイン電極85を形成し、図1に示したMOSFETが完成する。
Thereafter, a wiring metal such as Al is formed on the surface of the
<A−4.シミュレーション結果>
次に、MOSFETのウェル領域を形成するにあたり、注入面に対して斜め方向からのイオン注入を行うことの効果について、シミュレーションによる検証結果を説明する。
<A-4. Simulation results>
Next, the verification result by simulation about the effect of performing ion implantation from an oblique direction with respect to the implantation surface in forming the well region of the MOSFET will be described.
はじめに、4°オフ及び8°オフのSiC基板のそれぞれに対し、−30°〜30°の注入角度でイオン注入を行ったときの、ウェル領域の濃度プロファイルを計算した。ここで、注入角度がマイナスとなるときは、基板のオフ方向、すなわち<11−20>方向(c軸方向)に注入方向を傾けたときであり、注入角度がプラスとなるときは、オフ方向と反対方向、すなわち<−1−120>方向に注入方向を傾けたときである。得られた濃度プロファイルについて、ドリフト層の第1導電型不純物濃度と同一濃度の第2導電型不純物濃度となるウェル領域の深さを濃度プロファイルの裾の引き具合とし、この値を注入角度0°を基準として相対的に表し、注入角度との関係を示したものが図5、6である。図5は、4°オフのSiC基板を、図6は8°オフのSiC基板における結果を示している。 First, the concentration profile of the well region was calculated when ion implantation was performed at an implantation angle of −30 ° to 30 ° for each of the 4 ° off and 8 ° off SiC substrates. Here, when the implantation angle is negative, it is when the implantation direction is tilted in the off direction of the substrate, that is, in the <11-20> direction (c-axis direction), and when the implantation angle is positive, the off direction. When the injection direction is tilted in the opposite direction, that is, in the <-1-120> direction. With respect to the obtained concentration profile, the depth of the well region having the second conductivity type impurity concentration of the same concentration as the first conductivity type impurity concentration of the drift layer is defined as the tail of the concentration profile, and this value is set as an implantation angle of 0 °. FIG. 5 and FIG. 6 show the relationship with the injection angle relative to the reference. FIG. 5 shows the results for the SiC substrate with 4 ° off, and FIG. 6 shows the results for the SiC substrate with 8 ° off.
図5、6に示す結果より、4°オフのSiC基板に対しては、注入角度を4°、−11°〜−15°、19°〜23°とするとチャネリングによる濃度プロファイルの裾引きが大きくなる。また、8°オフのSiC基板に対しては、注入角度を8°、−7°〜−11°、23°〜27°とすると、チャネリングによる濃度プロファイルの裾引きが大きくなる。すなわち、注入面となる結晶面のc軸からの角度が0°、±17°の場合にチャネリングが顕著に表れている。よって、注入角度をつけない場合と比較して、濃度プロファイルの裾引きを小さくするためには、4°オフのSiC基板に対しては、−18°以下すなわちc軸方向に18°以上、8°オフのSiC基板に対しては−14°以下すなわちc軸方向に14°以上の注入角度をつけることが望ましい。4°、8°以外のオフ角を持つ基板に対しても、c軸からの角度が22°以上の注入角度とすることにより、濃度プロファイルの裾引きを小さくすることができる。 From the results shown in FIGS. 5 and 6, when the implantation angle is set to 4 °, −11 ° to −15 °, and 19 ° to 23 °, the tailing of the concentration profile due to channeling is large for a 4 ° off SiC substrate. Become. For an SiC substrate that is 8 ° off, if the implantation angle is 8 °, −7 ° to −11 °, or 23 ° to 27 °, the tailing of the concentration profile due to channeling increases. That is, channeling is noticeable when the angle from the c-axis of the crystal plane serving as the implantation surface is 0 ° and ± 17 °. Therefore, in order to reduce the tail of the concentration profile as compared with the case where the implantation angle is not set, for a SiC substrate with 4 ° off, −18 ° or less, that is, 18 ° or more in the c-axis direction, 8 It is desirable to set an implantation angle of -14 ° or less, that is, 14 ° or more in the c-axis direction for a SiC substrate that is off. Even for substrates having off-angles other than 4 ° and 8 °, tailing of the concentration profile can be reduced by setting the implantation angle to be 22 ° or more from the c-axis.
次に、4°オフのSiC基板に対して、基板のオフ方向に27°の注入角度による斜め注入を行ってウェル領域を形成した場合と、斜め注入を行わず(注入角度0°)にウェル領域を形成した場合のそれぞれについて、シミュレーションを用いてMOSFETのオン抵抗Ronを計算した。図7は、ウェル領域の不純物濃度プロファイルを示している。図7において、横軸はイオンの注入深さを、縦軸はウェル領域の不純物濃度をそれぞれ示している。図8は、オン状態における電流−電圧特性を示している。図8において、横軸はドレイン電圧を、縦軸はドレイン電流密度をそれぞれ示している。図9は、図8の電流−電圧特性から計算したオン抵抗Ronを示している。図9において、横軸がイオン注入角度を、縦軸がオン抵抗Ronをそれぞれ示している。なお、ウェル領域30のイオン注入は、加速エネルギーを1000keV、注入量を1×1014cm−3とし、その他のパラメータは車載用や一般産業用に用いられているMOSFET素子を仮定している。
Next, with respect to a SiC substrate that is 4 ° off, the well region is formed by performing oblique implantation at an implantation angle of 27 ° in the off direction of the substrate, and when the well region is formed without performing oblique implantation (
図7の結果から、斜めイオン注入を行うことにより、ウェル領域の不純物濃度プロファイルの変化が急峻となり、JFET長が短くなることが分かる。これは、二次的なチャネリングが抑制されることによる。また、図8,9の結果から、斜めイオン注入を行うことにより、オン抵抗が小さくなることが分かる。これは、注入マスクの側壁に対して平行な方向に斜めイオン注入を行うことにより、チャネル抵抗を増大させることなくJFET長が短くなるため、JFET抵抗が低減することによる。 From the results of FIG. 7, it can be seen that by performing oblique ion implantation, the change in the impurity concentration profile of the well region becomes steep and the JFET length is shortened. This is because secondary channeling is suppressed. Further, from the results of FIGS. 8 and 9, it can be seen that the on-resistance is reduced by performing the oblique ion implantation. This is because by performing oblique ion implantation in a direction parallel to the sidewall of the implantation mask, the JFET length is shortened without increasing the channel resistance, and thus the JFET resistance is reduced.
<A−5.変形例>
なお、上記の説明では、ウェル領域30を形成するための注入マスク31は、基板10のオフ方向と平行にストライプ状に形成することとした(図2)。しかし、注入マスク31は必ずしもストライプ状でなくても良く、図10に示すように、複数の長方形によって形成されても良い。この場合、注入マスク31の長手方向は基板10のオフ方向と平行であり、イオン注入方向は、注入マスク31の長手方向の側壁と平行になるようにする。この方向で斜めイオン注入を行うことにより、チャネル抵抗とJFET長を共に小さくすることができる。
<A-5. Modification>
In the above description, the
また、本実施の形態の炭化珪素半導体装置をMOSFETとして説明したが、IGBT等、絶縁ゲート構造を備えた他の半導体装置であっても良い。 Moreover, although the silicon carbide semiconductor device of this Embodiment was demonstrated as MOSFET, other semiconductor devices provided with insulated gate structures, such as IGBT, may be sufficient.
<A−6.効果>
実施の形態1に係る炭化珪素半導体装置は、第1導電型のSiC基板10と、SiC基板10の主面上の第1導電型のドリフト層20と、ドリフト層20の表層に、互いに離間して設けられた第2導電型のウェル領域30と、を備え、ウェル領域30は、その第2導電型不純物濃度が深さ方向に400nm以下の範囲で1×1018cm−3からドリフト層20における第1導電型不純物濃度に等しい濃度まで減少するレトログレードプロファイルを有する。ウェル領域30の不純物濃度が、その表面では低いことによりチャネル抵抗が小さくなり、ある深さで1×1018cm−3以上となることによりパンチスルーが抑制され、その後400nm以下の範囲で急峻に減少することにより、JFET長が小さくなるためJFET抵抗が小さくなる。従って、チャネル抵抗の低減とJFET抵抗の低減を両立することができる。
<A-6. Effect>
The silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment is separated from the first conductivity
なお、SiC基板10は、主面の面方位が(0001)面に対してオフ角を有し、ポリタイプが4Hである。また、ウェル領域30はストライプ状に設けられる。また、炭化珪素半導体装置はMOSFET又はIGBTである。
実施の形態1に係る炭化珪素半導体装置の製造方法は、第1導電型のSiC基板10の主面上に第1導電型のドリフト層20を形成し、ドリフト層20の表層に、互いに離間して設けられた第2導電型のウェル領域30を形成する。ウェル領域30は、ドリフト層20上に矩形形状の注入マスク31を形成し、注入マスク31の長手方向の側壁に平行な方向かつドリフト層20の注入面に対して斜め方向からイオン注入を行うことにより形成されるため、ウェル領域において不純物濃度プロファイルの変化が急峻となり、チャネル抵抗の低減とJFET長の低減を両立することができる。
In the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment, first conductivity
また、SiC基板10の主面は(0001)面に対してオフ方向にオフ角を有し、ウェル領域30を形成する際のイオン注入は、オフ方向と平行な方向に行われるため、チャネル抵抗の低減とJFET長の低減を両立することができる。
Further, the main surface of
また、ウェル領域30を形成する際のイオン注入の注入面に対する角度は、注入面の法線からオフ方向に22°からオフ角を差し引いた角度以上とする。これにより、イオン注入による不純物濃度のプロファイルの裾の引き具合を小さくすることができ、ウェル領域を浅く形成できるため、JFET抵抗を小さくすることができる。
The angle of the ion implantation with respect to the implantation surface when forming the
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。 It should be noted that the present invention can be freely combined with each other within the scope of the invention, and each embodiment can be appropriately modified or omitted.
10 SiC基板、20 ドリフト層、21 離間領域、30 ウェル領域、31 注入マスク、35 ウェルコンタクト領域、40 ソース領域、50 ゲート絶縁膜、55 層間絶縁膜、60 ゲート電極、70 ソースオーミック電極、71 裏面オーミック電極、80 ソース電極、85 ドレイン電極、100 MOSFET。 10 SiC substrate, 20 drift layer, 21 separation region, 30 well region, 31 implantation mask, 35 well contact region, 40 source region, 50 gate insulating film, 55 interlayer insulating film, 60 gate electrode, 70 source ohmic electrode, 71 back surface Ohmic electrode, 80 source electrode, 85 drain electrode, 100 MOSFET.
Claims (7)
前記炭化珪素基板の主面上の第1導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層の表層に、互いに離間して設けられた第2導電型のウェル領域と、を備え、
前記ウェル領域は、その第2導電型不純物濃度が深さ方向に400nm以下の範囲で1×1018cm−3から前記ドリフト層における第1導電型不純物濃度に等しい濃度まで減少するレトログレードプロファイルを有する、
炭化珪素半導体装置。 A first conductivity type silicon carbide substrate;
A first conductivity type drift layer on a main surface of the silicon carbide substrate;
A second conductivity type well region provided on a surface layer of the drift layer so as to be spaced apart from each other;
The well region has a retrograde profile in which the second conductivity type impurity concentration decreases from 1 × 10 18 cm −3 to a concentration equal to the first conductivity type impurity concentration in the drift layer in a depth direction of 400 nm or less. Have
Silicon carbide semiconductor device.
請求項1に記載の炭化珪素半導体装置。 In the silicon carbide substrate, the plane orientation of the main surface has an off angle with respect to the (0001) plane, and the polytype is 4H.
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 well region is provided in a stripe shape,
The silicon carbide semiconductor device according to claim 1 or 2.
請求項1から3のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。 The silicon carbide semiconductor device is a MOSFET or an IGBT,
The silicon carbide semiconductor device according to claim 1.
前記ドリフト層の表層に、互いに離間して設けられた第2導電型のウェル領域を形成する、
炭化珪素半導体装置の製造方法であって、
前記ウェル領域は、前記ドリフト層上に矩形形状の注入マスクを形成し、前記注入マスクの長手方向の側壁に平行な方向かつ前記ドリフト層の注入面に対して斜め方向からイオン注入を行うことにより形成される、
炭化珪素半導体装置の製造方法。 Forming a first conductivity type drift layer on a main surface of the first conductivity type silicon carbide substrate;
Forming a second conductivity type well region spaced apart from each other on a surface layer of the drift layer;
A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, comprising:
The well region is formed by forming a rectangular implantation mask on the drift layer, and performing ion implantation in a direction parallel to a longitudinal side wall of the implantation mask and from an oblique direction with respect to the implantation surface of the drift layer. It is formed,
A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device.
前記イオン注入は、前記オフ方向と平行な方向に行われる、
請求項5に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 The main surface of the silicon carbide substrate has an off angle in the off direction with respect to the (0001) plane,
The ion implantation is performed in a direction parallel to the off direction.
A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 5.
請求項6に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 An angle of the ion implantation with respect to the implantation surface is equal to or more than an angle obtained by subtracting the off angle from 22 ° in the off direction from a normal line of the implantation surface.
A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 6.
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Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1999048153A1 (en) * | 1998-03-19 | 1999-09-23 | Hitachi, Ltd. | Silicon carbide semiconductor switching device |
JP2001144288A (en) * | 1999-11-17 | 2001-05-25 | Denso Corp | Silicon carbide semiconductor device |
JP2009182271A (en) * | 2008-01-31 | 2009-08-13 | Toshiba Corp | Silicon carbide semiconductor device |
JP2011049267A (en) * | 2009-08-26 | 2011-03-10 | Mitsubishi Electric Corp | Semiconductor device, and method of manufacturing the same |
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Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1999048153A1 (en) * | 1998-03-19 | 1999-09-23 | Hitachi, Ltd. | Silicon carbide semiconductor switching device |
JP2001144288A (en) * | 1999-11-17 | 2001-05-25 | Denso Corp | Silicon carbide semiconductor device |
JP2009182271A (en) * | 2008-01-31 | 2009-08-13 | Toshiba Corp | Silicon carbide semiconductor device |
JP2011049267A (en) * | 2009-08-26 | 2011-03-10 | Mitsubishi Electric Corp | Semiconductor device, and method of manufacturing the same |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP7440861B2 (en) | 2020-02-20 | 2024-02-29 | 国立大学法人広島大学 | Silicon carbide semiconductor device and its manufacturing method |
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