JP2019091797A - スイッチング素子の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 エピタキシャル成長によってベース層を形成するスイッチング素子の製造方法において、チャネル長のばらつきを抑制する。【解決手段】 トレンチゲート型のスイッチング素子の製造方法であって、SiC基板のn型のドリフト層上にp型のベース層をエピタキシャル成長させる工程と、n型不純物を注入することによって前記ドリフト層と前記ベース層の界面にn型のチャネル長調整層を形成する工程を有する。前記スイッチング素子において、ソース層がゲート絶縁膜に接しており、前記ベース層が前記ソース層の下側で前記ゲート絶縁膜に接しており、前記チャネル長調整層が前記ベース層の下側で前記ゲート絶縁膜に接しており、前記ドリフト層が前記チャネル長調整層の下側で前記ゲート絶縁膜に接している。【選択図】図1

Description

本明細書に開示の技術は、スイッチング素子の製造方法に関する。
特許文献1には、SiC基板を備えるスイッチング素子が開示されている。このスイッチング素子は、トレンチ内に配置されたゲート絶縁膜とゲート電極を備えている。SiC基板は、n型のソース層、p型のベース層、及び、n型のドリフト層を有している。ソース層は、ゲート絶縁膜に接している。ベース層は、ソース層の下側でゲート絶縁膜に接している。ドリフト層は、ベース層の下側でゲート絶縁膜に接している。ゲート電極に所定の電位を印加すると、ソース層とドリフト層の間のベース層にチャネルが形成される。チャネルを介して、ソース層とドリフト層の間に電流が流れる。また、特許文献1にはスイッチング素子の製造方法が開示されている。この製造方法では、ドリフト層上にベース層をエピタキシャル成長させる。イオン注入ではSiC基板中でp型不純物が拡散し難いので、p型のベース層を厚く形成することは難しい。したがって、特許文献1のようにエピタキシャル成長によってベース層を形成することで、十分な厚さのベース層を容易に形成することができる。
特開平11−17176号公報
エピタキシャル成長によってベース層を形成する場合には、ベース層の厚さの制御が困難である。例えば、エピタキシャル成長によってベース層を形成すると、約10%の範囲でベース層の厚さにばらつきが生じる場合がある。ベース層の厚さにばらつきが生じると、チャネル長(ベース層に形成されるチャネルの長さ)にもばらつきが生じる。このため、特許文献1の製造方法では、スイッチング素子の量産時に、チャネル抵抗に大きいばらつきが生じるという問題がある。したがって、本明細書では、エピタキシャル成長によってベース層を形成するスイッチング素子の製造方法において、チャネル長のばらつきを抑制する技術を提供する。
本明細書が開示する製造方法は、トレンチゲート型のスイッチング素子を製造する。この製造方法は、SiC基板のn型のドリフト層上にp型のベース層をエピタキシャル成長させる工程と、n型不純物を注入することによって前記ドリフト層と前記ベース層の界面にn型のチャネル長調整層を形成する工程を有する。製造される前記スイッチング素子が、トレンチ内に配置されたゲート絶縁膜と、前記トレンチ内に配置されるとともに前記ゲート絶縁膜によって前記SiC基板から絶縁されているゲート電極と、前記ベース層によって前記ドリフト層から分離されているn型のソース層と、前記ベース層と、前記チャネル長調整層と、前記ドリフト層を有する。製造される前記スイッチング素子において、前記ソース層が前記ゲート絶縁膜に接しており、前記ベース層が前記ソース層の下側で前記ゲート絶縁膜に接しており、前記チャネル長調整層が前記ベース層の下側で前記ゲート絶縁膜に接しており、前記ドリフト層が前記チャネル長調整層の下側で前記ゲート絶縁膜に接している。
この製造方法では、ドリフト層上にベース層をエピタキシャル成長させた後に、n型不純物を注入することによってドリフト層とベース層の界面にn型のチャネル長調整層を形成する。ベース層の厚さのばらつきが大きいので、SiC基板の表面からドリフト層とベース層の界面までの距離のばらつきは大きい。チャネル長調整層は、ドリフト層とベース層の界面に対して重複するように、深さ方向に一定の広がりを有するように形成される。このようにチャネル長調整層を形成すると、チャネル長は、チャネル長調整層とソース層の間の距離となる。このため、チャネル長は、ベース層の厚さのばらつきの影響を受けない。また、n型不純物の注入によれば、チャネル長調整層の位置を正確に制御することができる。このため、ソース層とチャネル長調整層の間の距離(すなわち、チャネル長)を正確に制御することができる。したがって、この製造方法によれば、製造されるスイッチング素子のチャネル抵抗のばらつきを抑制することができる。
MOSFETの断面図。 MOSFETの製造工程の説明図。 MOSFETの製造工程の説明図。 MOSFETの製造工程の説明図。 MOSFETの製造工程の説明図。 MOSFETの製造工程の説明図。 MOSFETの製造工程の説明図。 MOSFETの製造工程の説明図。 MOSFETの製造工程の説明図。 図1のII−II線における不純物濃度分布を示すグラフ。
図1に示す実施形態のMOSFET10は、SiC基板12を有している。SiC基板12は、SiCにより構成されている。以下では、SiC基板12の上面12aと平行な一方向(図1の左右方向)をx方向といい、上面12aに平行でx方向に直交する方向(図1の紙面に対して垂直な方向)をy方向といい、SiC基板12の厚み方向(図1の上下方向)をz方向という。
SiC基板12の上面12aには、複数のトレンチ22が設けられている。各トレンチ22は、上面12aにおいて、y方向に直線状に長く伸びている。複数のトレンチ22は、x方向に間隔を開けて配列されている。各トレンチ22の内部に、ゲート絶縁層24とゲート電極26が配置されている。
ゲート絶縁層24は、トレンチ22の内面を覆っている。ゲート絶縁層24は、酸化シリコンにより構成されている。ゲート絶縁層24は、底部絶縁層24bと側面絶縁膜24aを有している。底部絶縁層24bは、トレンチ22の底部に配置されている。底部絶縁層24bは、トレンチ22の底面を覆っている。また、底部絶縁層24bは、トレンチ22の底面近傍において、トレンチ22の側面を覆っている。側面絶縁膜24aは、底部絶縁層24bの上部に位置するトレンチ22の側面を覆っている。側面絶縁膜24aの厚みは、底部絶縁層24bの厚みよりも薄い。
ゲート電極26は、底部絶縁層24bの上部に配置されている。ゲート電極26は、側面絶縁膜24aと底部絶縁層24bによってSiC基板12から絶縁されている。ゲート電極26の上面は、層間絶縁膜28によって覆われている。
SiC基板12の上面12aには、上部電極70が配置されている。上部電極70は、層間絶縁膜28を覆っている。上部電極70は、層間絶縁膜28が設けられていない部分でSiC基板12の上面12aに接している。上部電極70は、層間絶縁膜28によってゲート電極26から絶縁されている。
SiC基板12の下面12bには、下部電極72が配置されている。下部電極72は、SiC基板12の下面12bに接している。
SiC基板12の内部には、複数のソース層30、複数のベースコンタクト層32a、ベース層32b、複数の濃度調整層32c、複数のチャネル長調整層33、ドリフト層34、及び、ドレイン層35が設けられている。
各ソース層30は、n型層である。隣り合う2つのトレンチ22の間の各領域に、2つのソース層30が配置されている。各ソース層30は、SiC基板12の上面12aに臨む範囲に配置されており、上部電極70にオーミック接触している。各ソース層30は、トレンチ22の上端部において側面絶縁膜24aに接している。
各ベースコンタクト層32aは、p型層である。各ベースコンタクト層32aは、2つのソース層30の間に配置されている。各ベースコンタクト層32aは、SiC基板12の上面12aに臨む範囲に配置されており、上部電極70にオーミック接触している。
各濃度調整層32cは、p型層である。各濃度調整層32cのp型不純物濃度は、ベースコンタクト層32aのp型不純物濃度よりも低い。各濃度調整層32cは、対応するソース層30の下側に配置されており、下側から対応するソース層30に接している。各濃度調整層32cは、対応するソース層30の下側で側面絶縁膜24aに接している。
ベース層32bは、p型層である。ベース層32bのp型不純物濃度は、各濃度調整層32cのp型不純物濃度よりも低い。ベース層32bは、各濃度調整層32c及び各ベースコンタクト層32aの下側に配置されている。ベース層32bは、各濃度調整層32c及び各ベースコンタクト層32aに対して下側から接している。ベース層32bは、各濃度調整層32cの下側で、側面絶縁膜24aに接している。ベース層32bの下端は、ゲート電極26の下端よりも上側に配置されている。
各チャネル長調整層33は、n型層である。各チャネル長調整層33は、トレンチ22の側面近傍に配置されている。各チャネル長調整層33は、ベース層32bとドリフト層34の間の界面66と重複する深さに配置されている。各チャネル長調整層33は、ベース層32bに対して下側から接している。各チャネル長調整層33は、ベース層32bの下側で側面絶縁膜24aに接している。各チャネル長調整層33は、ベース層32bによってソース層30から分離されている。
ドリフト層34は、n型層である。ドリフト層34のn型不純物濃度は、各チャネル長調整層33のn型不純物濃度よりも低い。ドリフト層34は、ベース層32b及び各チャネル長調整層33の下側に配置されている。ドリフト層34は、トレンチ22の近傍では、各チャネル長調整層33に対して下側から接している。ドリフト層34は、各チャネル長調整層33の下側で側面絶縁膜24aに接している。また、ドリフト層34は、トレンチ22から離れた位置では、ベース層32bに対して下側から接している。ドリフト層34は、ベース層32bによってソース層30から分離されている。
ドレイン層35は、n型層である。ドレイン層35は、ドリフト層34よりも高いn型不純物濃度を有している。ドレイン層35は、ドリフト層34の下側に配置されている。ドレイン層35は、ドリフト層34に対して下側から接している。ドレイン層35は、SiC基板12の下面12bに臨む範囲に設けられており、下部電極72にオーミック接触している。
次に、MOSFET10の動作について説明する。MOSFET10の使用時に、下部電極72が上部電極70よりも高電位となる向きでMOSFET10に電圧が印加される。ゲート電極26の電位がゲート閾値(MOSFET10をオンするのに必要最小限のゲート電極26の電位)よりも低い状態では、MOSFET10はオフしている。ゲート電極26の電位をゲート閾値よりも高い電位に上昇させると、側面絶縁膜24aに接する範囲で濃度調整層32cとベース層32bがn型に反転し、チャネルが形成される。チャネルによって、ソース層30とチャネル長調整層33が接続される。このため、上部電極70から、ソース層30、チャネル、チャネル長調整層33、ドリフト層34及びドレイン層35を介して下部電極72へ電子が流れる。すなわち、MOSFET10がオンする。ゲート電極26の電位をゲート閾値よりも低い電位に低下させると、チャネルが消失し、電子の流れが停止する。すなわち、MOSFET10がオフする。
次に、MOSFET10の製造方法について説明する。図2に示すように、全体がドリフト層34によって構成されているSiC基板12(加工前のSiC基板)を準備する。
まず、図2に示すSiC基板12の上面12a(すなわち、ドリフト層34の上面)に、p型層をエピタキシャル成長させる。これによって、図3に示すように、ドリフト層34上に、p型のベース層32bを形成する。なお、以下では、ベース層32bの上面を、SiC基板12の上面12aと呼ぶ。エピタキシャル成長では、ベース層32bの厚さT1を正確に制御することが困難である。したがって、厚さT1のばらつきは比較的大きい。また、エピタキシャル成長では、ベース層32bのp型不純物濃度を正確に制御することが困難である。したがって、ベース層32bのp型不純物濃度のばらつきは比較的大きい。
次に、図4に示すように、SiC基板12の上面12aに、開口60aを有するマスク60を形成する。マスク60は、酸化膜により構成されている。次に、マスク60を介して上面12aにp型不純物を注入することによって、上面12aに露出する範囲にp型のベースコンタクト層32aを形成する。ベースコンタクト層32aの形成後に、マスク60を除去する。
次に、図5に示すように、SiC基板12の上面12aに、開口62aを有するマスク62を形成する。マスク62は、酸化膜により構成されている。マスク62は、ベースコンタクト層32aとその周辺部を覆い、ベースコンタクト層32aから離れた位置に開口62aが配置されるように形成される。次に、マスク62を介して上面12aにn型不純物を注入する。ここでは、比較的深い位置にn型不純物を注入する。より詳細には、ベース層32bとドリフト層34の界面66を含む深さ範囲にn型不純物を注入する。これによって、界面66の深さにn型のチャネル長調整層33を形成する。なお、上述したように、ベース層32bの厚さT1のばらつきが大きいので、界面66の深さ(z方向の位置)のばらつきが大きい。言い換えると、界面66の深さは製造時毎に変化する。したがって、ここでは、界面66の深さのばらつきが生じる範囲全体を含むように、z方向の比較的広い範囲にチャネル長調整層33を形成する。これによって、確実に界面66と重複するようにチャネル長調整層33を形成することができる。また、チャネル長調整層33はイオン注入によって形成されるので、チャネル長調整層33の深さ方向の位置を正確に制御することができる。したがって、上面12aからチャネル長調整層33の上端までの距離T2を正確に制御することができる。チャネル長調整層33の形成後に、マスク62を除去する。
次に、図6に示すように、SiC基板12の上面12aに、開口64aを有するマスク64を形成する。マスク64は、酸化膜により構成されている。マスク64は、ベースコンタクト層32aを覆い、その他の範囲(図5においてベース層32bが露出している範囲)に開口64aが配置されるように形成される。次に、マスク64を介して上面12aにp型不純物を注入する。ここでは、ベースコンタクト層32aの下端よりも深い位置から上面12aまでp型不純物が分布するようにp型不純物を注入する。これによって、ベース層32bよりもp型不純物濃度が高い濃度調整層32cを形成する。なお、濃度調整層32cはイオン注入によって形成されるので、濃度調整層32cのp型不純物濃度を正確に制御することができる。したがって、濃度調整層32cのp型不純物濃度のばらつきは小さい。
次に、図7に示すように、マスク64を介して上面12aにn型不純物を注入する。ここでは、濃度調整層32cの下端よりも浅い範囲にn型不純物を注入する。これによって、上面12aに露出する範囲に、n型のソース層30を形成する。ソース層30の下側には、濃度調整層32cが残存する。なお、ソース層30はイオン注入によって形成されるので、ソース層30の深さ方向の位置を正確に制御することができる。したがって、上面12aからソース層30の下端までの距離T3を正確に制御することができる。ソース層30の形成後に、マスク64を除去する。
次に、図8に示すように、SiC基板12の上面12aを選択的にエッチングすることによって、上面12aにトレンチ22を形成する。ここでは、ソース層30、濃度調整層32c、ベース層32b、及び、チャネル長調整層33を貫通してドリフト層34に達するようにトレンチ22を形成する。このため、トレンチ22の側面に、ソース層30、濃度調整層32c、ベース層32b、チャネル長調整層33、及び、ドリフト層34が露出する。
次に、図9に示すように、トレンチ22内にゲート絶縁層24とゲート電極26を形成する。ここでは、ソース層30、濃度調整層32c、ベース層32b、チャネル長調整層33、及び、ドリフト層34が側面絶縁膜24aに接するように、側面絶縁膜24aを形成する。
次に、SiC基板12の上面12aに、層間絶縁膜28と上部電極70が形成される。次に、SiC基板12の下面12bにn型不純物を注入することによって、ドレイン層35が形成される。次に、下面12bに下部電極72が形成される。その後、SiC基板12が複数のチップに分割される。これによって、図1に示すMOSFET10が完成する。
図10は、上述した製造方法によって製造されたMOSFET10内の不純物濃度分布を示している。図10は、図1のA−A線の位置(すなわち、トレンチ22の側面近傍の位置)における不純物濃度分布を示している。図10のグラフN1は、ソース層30に対するイオン注入工程(図7の工程)で注入されたn型不純物の分布を示している。図10のグラフP1は、濃度調整層32cに対するイオン注入工程(図6の工程)で注入されたp型不純物の分布を示している。図10のグラフP2は、ベース層32bのエピタキシャル成長工程(図3の工程)でベース層32bに導入されたp型不純物の分布を示している。図10のグラフN2は、チャネル長調整層33に対するイオン注入工程(図5の工程)で注入されたn型不純物の分布を示している。図10のグラフN3は、加工前のSiC基板12(図2)が元から含有していたn型不純物の分布を示している。図10において、グラフN1が最も高い値となっている範囲がソース層30であり、グラフP1が最も高い値となっている範囲が濃度調整層32cであり、グラフP2が最も高い値となっている範囲がベース層32bであり、グラフN2が最も高い値となっている範囲がチャネル長調整層33であり、グラフN3が最も高い値となっている範囲がドリフト層34である。
上述したように、エピタキシャル成長では、ベース層32bのp型不純物濃度を正確に制御することができない。すなわち、図10において、ベース層32bのp型不純物濃度pb1のばらつきは大きい。しかしながら、上述したように、MOSFET10では、ベース層32bと濃度調整層32cにチャネルが形成される。濃度調整層32cはベース層32bよりも高いp型不純物濃度を有するので、ゲート電極26の電位を上昇させるときに、ベース層32bに先にチャネルが形成され、その後に濃度調整層32cにチャネルが形成される。したがって、濃度調整層32cにチャネルが形成された段階で、MOSFET10がオンする。このため、MOSFET10のゲート閾値は、濃度調整層32cのp型不純物濃度によって定まる。上述したように、濃度調整層32cはイオン注入によって形成されるので、濃度調整層32cのp型不純物濃度pc1のばらつきは小さい。したがって、MOSFET10のゲート閾値のばらつきは小さい。このように、上述した製造方法によれば、MOSFET10の量産時に、ゲート閾値のばらつきを抑制することができる。
また、上述したように、エピタキシャル成長では、ベース層32bの厚さT1(図9、10参照)を正確に制御することができない。しかしながら、上述したように、MOSFET10では、トレンチ22の側面近傍において、ベース層32bとドリフト層34の界面66に重複するように、チャネル長調整層33が形成される。チャネルは、チャネル長調整層33よりも上側のベース層32bと濃度調整層32cに形成される。したがって、ベース層32bの厚さT1(すなわち、界面66の深さ)にばらつきが生じても、チャネル長に影響はない。また、上述したように、チャネル長調整層33はイオン注入によって形成されるので、チャネル長調整層33の上端の深さT2のばらつきは小さい。また、ソース層30はイオン注入によって形成されるので、ソース層30の下端の深さT3のばらつきは小さい。したがって、ソース層30の下端からチャネル長調整層33の上端までの距離(T2−T3)のばらつきも小さい。チャネル長は、距離(T2−T3)と略等しい。したがって、チャネル長のばらつきは小さい。このように、この製造方法によれば、MOSFET10の量産時に、チャネル長のばらつきを抑制することができる。これによって、チャネル抵抗のばらつきを抑制することができる。
なお、上述した実施形態では、チャネル長調整層33と濃度調整層32cの両方を形成した。しかしながら、これらのうちの一方のみを形成してもよい。チャネル長調整層33を形成することで、チャネル長のばらつきを抑制することができる。濃度調整層32cを形成することで、ゲート閾値のばらつきを抑制することができる。
また、上述した実施形態において、ソース層30、ベースコンタクト層32a、濃度調整層32c及びチャネル長調整層33に対するイオン注入工程の順序を適宜変更することができる。また、上述した実施形態では、ソース層30、ベースコンタクト層32a、濃度調整層32c及びチャネル長調整層33に対するイオン注入工程をトレンチ22の形成前に行った。しかしながら、これらのイオン注入工程の一部または全部を、トレンチ22、ゲート絶縁層24及びゲート電極26の形成後に行ってもよい。このように、図1に示す構造が得られる限り、各工程の実施順序を適宜変更することができる。
本明細書が開示する技術要素について、以下に列記する。なお、以下の各技術要素は、それぞれ独立して有用なものである。
本明細書が開示する一例の製造方法では、トレンチゲート型のスイッチング素子を製造する。この製造方法は、SiC基板のn型のドリフト層上にp型のベース層をエピタキシャル成長させる工程と、p型不純物を注入することによって前記ベース層内に前記ベース層によって前記ドリフト層から分離されているとともに前記ベース層よりもp型不純物濃度が高いp型の濃度調整層を形成する工程を有する。製造される前記スイッチング素子が、トレンチ内に配置されたゲート絶縁膜と、前記トレンチ内に配置されるとともに前記ゲート絶縁膜によって前記SiC基板から絶縁されているゲート電極と、前記ベース層によって前記ドリフト層から分離されているn型のソース層と、前記濃度調整層と、前記ベース層と、前記ドリフト層を有する。製造される前記スイッチング素子において、前記ソース層が前記ゲート絶縁膜に接しており、前記濃度調整層が前記ソース層の下側で前記ゲート絶縁膜に接しており、前記ベース層が前記濃度調整層の下側で前記ゲート絶縁膜に接しており、前記ドリフト層が前記ベース層の下側で前記ゲート絶縁膜に接している。
この製造方法で製造されたスイッチング素子は、ソース層とドリフト層の間に濃度調整層とベース層が存在する。したがって、チャネルが、濃度調整層とベース層に形成される。濃度調整層のp型不純物濃度がベース層のp型不純物濃度よりも高いので、スイッチング素子のゲート閾値(スイッチング素子をオンするために必要なゲート電位)は、濃度調整層のp型不純物濃度によって定まる。濃度調整層はp型不純物の注入によって形成されるので、濃度調整層のp型不純物濃度を正確に制御することができる。したがって、この製造方法によれば、スイッチング素子のゲート閾値のばらつきを抑制することができる。
以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの1つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。
10 :MOSFET
12 :SiC基板
22 :トレンチ
24 :ゲート絶縁層
26 :ゲート電極
28 :層間絶縁膜
30 :ソース層
32a:ベースコンタクト層
32b:ベース層
32c:濃度調整層
33 :チャネル長調整層
34 :ドリフト層
35 :ドレイン層
70 :上部電極
72 :下部電極

Claims (1)

  1. トレンチゲート型のスイッチング素子の製造方法であって、
    SiC基板のn型のドリフト層上に、p型のベース層をエピタキシャル成長させる工程と、
    n型不純物を注入することによって、前記ドリフト層と前記ベース層の界面にn型のチャネル長調整層を形成する工程、
    を有し、
    前記スイッチング素子が、
    トレンチ内に配置されたゲート絶縁膜と、
    前記トレンチ内に配置されるとともに前記ゲート絶縁膜によって前記SiC基板から絶縁されているゲート電極と、
    前記ベース層によって前記ドリフト層から分離されているn型のソース層と、
    前記ベース層と、
    前記チャネル長調整層と、
    前記ドリフト層、
    を有し、
    前記スイッチング素子において、
    前記ソース層が、前記ゲート絶縁膜に接しており、
    前記ベース層が、前記ソース層の下側で前記ゲート絶縁膜に接しており、
    前記チャネル長調整層が、前記ベース層の下側で前記ゲート絶縁膜に接しており、
    前記ドリフト層が、前記チャネル長調整層に接している、
    ことを特徴とする製造方法。
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