JP2020035807A - Method of manufacturing silicon carbide semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、炭化珪素半導体装置の製造方法に関する。 The present disclosure relates to a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device.
特開2015−072999号公報(特許文献1)には、トレンチゲート構造のMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)が記載されている。当該MOSFETにおいては、トレンチの底部を覆うようにp型ボトム層が形成され、かつp型ベース領域とn型ドリフト層との間にn型電流分散層が形成されている。 JP-A-2015-072999 (Patent Document 1) describes a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) having a trench gate structure. In the MOSFET, a p-type bottom layer is formed so as to cover the bottom of the trench, and an n-type current distribution layer is formed between the p-type base region and the n-type drift layer.
本開示の目的は、アライメントずれの発生を抑制可能な炭化珪素半導体装置の製造方法を提供することである。 An object of the present disclosure is to provide a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device that can suppress occurrence of misalignment.
本開示に係る炭化珪素半導体装置の製造方法は以下の工程を備えている。第1主面と、第1主面と反対側の第2主面とを有する炭化珪素基板が準備される。炭化珪素基板は、第1導電型を有する第1不純物領域と、第1不純物領域上に設けられ、かつ第1導電型と異なる第2導電型を有する第2不純物領域と、第1不純物領域から隔てられるように第2不純物領域上に設けられ、第1主面に接しかつ第1導電型を有する第3不純物領域とを含んでいる。第1不純物領域は、第2不純物領域に接する第1領域と、第1領域に対して第2不純物領域とは反対側に位置する第2領域とを有している。さらに、第1主面上にマスクが形成される。マスクを用いて、第3不純物領域と、第2不純物領域とに対して異方性エッチングを行うことにより、第1主面に第1トレンチが形成される。マスクを用いて、第1トレンチに対してイオン注入を行うことにより、第1不純物領域に接しかつ第2導電型を有する第4不純物領域が形成される。第3不純物領域と、第2不純物領域と、第1領域と、第4不純物領域とに対して、ハロゲンガスを含む雰囲気で熱エッチングを行うことにより、第1トレンチを拡張して第2トレンチが形成される。第2トレンチは、第1主面に連なる側面と、第4不純物領域に位置する底とを有している。第1主面と側面とがなす角度は、90°よりも大きい。 A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present disclosure includes the following steps. A silicon carbide substrate having a first main surface and a second main surface opposite to the first main surface is prepared. The silicon carbide substrate includes a first impurity region having a first conductivity type, a second impurity region provided on the first impurity region and having a second conductivity type different from the first conductivity type, and a first impurity region. A third impurity region is provided on the second impurity region so as to be separated from the first impurity region and is in contact with the first main surface and has the first conductivity type. The first impurity region has a first region in contact with the second impurity region and a second region located on the opposite side of the first region from the second impurity region. Further, a mask is formed on the first main surface. By performing anisotropic etching on the third impurity region and the second impurity region using a mask, a first trench is formed on the first main surface. By performing ion implantation on the first trench using the mask, a fourth impurity region which is in contact with the first impurity region and has the second conductivity type is formed. By performing thermal etching on the third impurity region, the second impurity region, the first region, and the fourth impurity region in an atmosphere containing a halogen gas, the first trench is expanded to form a second trench. It is formed. The second trench has a side surface connected to the first main surface and a bottom located in the fourth impurity region. The angle formed by the first main surface and the side surface is greater than 90 °.
本開示によれば、アライメントずれの発生を抑制可能な炭化珪素半導体装置の製造方法を提供することができる。 According to the present disclosure, it is possible to provide a method of manufacturing a silicon carbide semiconductor device capable of suppressing occurrence of misalignment.
[本開示の実施形態の概要]
まず本開示の実施形態の概要について説明する。本明細書の結晶学的記載においては、個別方位を[]、集合方位を<>、個別面を()、集合面を{}でそれぞれ示す。結晶学上の指数が負であることは、通常、数字の上に”−”(バー)を付すことによって表現されるが、本明細書では数字の前に負の符号を付すことによって結晶学上の負の指数を表現する。
[Overview of Embodiment of the Present Disclosure]
First, an outline of an embodiment of the present disclosure will be described. In the crystallographic description of this specification, [] indicates the individual orientation, <> indicates the collective orientation, () indicates the individual plane, and indicates the collective plane with {}. Negative crystallographic indices are usually represented by a "-" (bar) over the number, but in this specification, a negative sign in front of the number indicates that the crystallographic index is negative. Express the negative exponent above.
(1)本開示に係る炭化珪素半導体装置200の製造方法は以下の工程を備えている。第1主面1と、第1主面1と反対側の第2主面2とを有する炭化珪素基板100が準備される。炭化珪素基板100は、第1導電型を有する第1不純物領域10と、第1不純物領域10上に設けられ、かつ第1導電型と異なる第2導電型を有する第2不純物領域20と、第1不純物領域10から隔てられるように第2不純物領域20上に設けられ、第1主面1に接しかつ第1導電型を有する第3不純物領域30とを含んでいる。第1不純物領域10は、第2不純物領域20に接する第1領域11と、第1領域11に対して第2不純物領域20とは反対側に位置する第2領域12とを有している。さらに、第1主面1上にマスク64が形成される。マスク64を用いて、第3不純物領域30と、第2不純物領域20とに対して異方性エッチングを行うことにより、第1主面1に第1トレンチ70が形成される。マスク64を用いて、第1トレンチ70に対してイオン注入を行うことにより、第1不純物領域10に接しかつ第2導電型を有する第4不純物領域40が形成される。第3不純物領域30と、第2不純物領域20と、第1領域11と、第4不純物領域40とに対して、ハロゲンガスを含む雰囲気で熱エッチングを行うことにより、第1トレンチ70を拡張して第2トレンチ5が形成される。第2トレンチ5は、第1主面1に連なる側面3と、第4不純物領域40に位置する底4とを有している。第1主面1と側面3とがなす角度θは、90°よりも大きい。
(1) The method for manufacturing silicon
(2)上記(1)に係る炭化珪素半導体装置200の製造方法において、マスク64を用いて、第1トレンチ70に対してイオン注入を行うことにより、第4不純物領域40に接し、第1導電型を有し、かつ第1領域11よりも高い不純物濃度を有する第3領域13が形成されてもよい。第3領域13は、側面3に接していてもよい。
(2) In the method for manufacturing silicon
(3)上記(1)または(2)に係る炭化珪素半導体装置200の製造方法において、第1主面1は、(000−1)面または(000−1)面に対して8°以下傾斜した面であってもよい。
(3) In the method for manufacturing silicon
(4)上記(1)〜(3)のいずれかに係る炭化珪素半導体装置200の製造方法において、第2不純物領域20の厚みは、0.3μm以上0.7μm以下であってもよい。
(4) In the method of manufacturing silicon
(5)上記(1)〜(4)のいずれかに係る炭化珪素半導体装置200の製造方法において、第2トレンチ5を形成する工程は、マスク64を用いて行われてもよい。
[本開示の実施形態の詳細]
以下、本開示の実施形態の詳細について説明する。以下の説明では、同一または対応する要素には同一の符号を付し、それらについて同じ説明は繰り返さない。
(5) In the method for manufacturing silicon
[Details of Embodiment of the Present Disclosure]
Hereinafter, details of the embodiment of the present disclosure will be described. In the following description, the same or corresponding elements have the same reference characters allotted, and the same description will not be repeated.
本実施形態に係る炭化珪素半導体装置200としてのMOSFETの構成について説明する。
A configuration of a MOSFET as silicon
図1に示されるように、本実施形態に係る炭化珪素半導体装置200は、炭化珪素基板100と、ゲート電極7と、ゲート絶縁膜6と、層間絶縁膜23と、ソース電極8と、ソース配線21と、ドレイン電極9と、保護膜22とを主に有している。炭化珪素基板100は、第1主面1と、第1主面1と反対側の第2主面2とを有している。炭化珪素基板100は、炭化珪素単結晶基板15と、炭化珪素単結晶基板15上に設けられた炭化珪素エピタキシャル層16とを含んでいる。炭化珪素単結晶基板15は、炭化珪素基板100の第2主面2を構成している。炭化珪素エピタキシャル層16は、炭化珪素基板100の第1主面1を構成している。
As shown in FIG. 1, silicon
炭化珪素単結晶基板15は、たとえばポリタイプ4Hの六方晶炭化珪素から構成されている。炭化珪素基板100の第1主面1の最大径は、たとえば150mmであり、好ましくは150mm以上である。第1主面1は、たとえば(000−1)面または(000−1)面に対して8°以下オフした面であってもよい。炭化珪素単結晶基板15の厚みは、たとえば400μmである。炭化珪素単結晶基板15の抵抗率はたとえば0.017Ωcmである。
Silicon carbide
炭化珪素エピタキシャル層16は、第1不純物領域10と、ベース領域20(第2不純物領域20)と、ソース領域30(第3不純物領域30)と、コンタクト領域42と、第4不純物領域40とを主に有している。第1不純物領域10は、窒素などのn型を付与するためのn型不純物(ドナー)を含むn型(第1導電型)の領域である。
Silicon
第1不純物領域10は、第1領域11と、第2領域12と、第3領域13とを主に有している。第1領域11は、電流拡がり層である。第1領域11は、第2不純物領域20に接している。第1領域11は、第1不純物濃度を有している。第1領域11が含むn型不純物の濃度(第1不純物濃度)は、たとえば3×1016cm-3以上3×1017cm-3以下である。第1領域11の厚みは、たとえば0.2μm以上0.5μm以下である。
The
第2領域12は、ドリフト層である。第2領域12は、第1領域11と第2主面2との間に設けられている。第2領域12は、第1不純物濃度よりも低い第2不純物濃度を有している。第2領域12が含むn型不純物の濃度(第2不純物濃度)は、たとえば8×1015cm-3である。第2領域12の厚みは、第1領域11の厚みよりも大きくてもよい。
The
第3領域13は、局所電流拡がり領域である。第3領域13は、第1領域11に連なっている。第3領域13の厚みは、第1領域11の厚みよりも小さくてもよい。第3領域13は、第1不純物濃度よりも高い第3不純物濃度を有している。第3領域13が含むn型不純物の濃度(第3不純物濃度)は、たとえば2×1016cm-3以上5×1017cm-3以下である。第2領域12が含むn型不純物の濃度(第2不純物濃度)は、炭化珪素単結晶基板が含むn型不純物の濃度よりも低い。第1領域11が含むn型不純物の濃度を高くしすぎると、パンチスルー(リーチスルー)が発生しやすくなる。第1領域11が含むn型不純物の濃度を低く抑えつつ、第3領域13が含むn型不純物の濃度を高くすることで、パンチスルーを抑制しつつ、チャネル出口付近において電流の広がりを確保することができる。そのため、炭化珪素半導体装置200のオン抵抗を低減することができる。
The
ベース領域20は、第1不純物領域10と接している。ベース領域20は、第1不純物領域10上に設けられている。ベース領域20は、n型とは異なるp型(第2導電型)を有する。ベース領域20は、たとえばAl(アルミニウム)またはB(ホウ素)などのp型を付与するためのp型不純物(アクセプタ)を含んでいる。ベース領域20が含むp型不純物の濃度は、たとえば1×1017cm-3以上2×1018cm-3以下である。ベース領域20の厚みは、たとえば0.3μm以上0.7μm以下である。
ソース領域30は、ベース領域20によって第1不純物領域10から隔てられるようにベース領域20上に設けられている。ソース領域30は、リンなどのn型を付与するためのn型不純物を含んでおり、n型を有する。ソース領域30が含むn型不純物の濃度は、第2領域12が含むn型不純物の濃度よりも高い。ソース領域30が含むリンなどのn型不純物の濃度は、たとえば2×1018cm-3以上1×1019cm-3以下である。ソース領域30の厚みは、たとえば0.1μm以上0.2μm以下である。
コンタクト領域42は、たとえばアルミニウムまたはホウ素などのp型不純物を含むp型領域である。コンタクト領域42は、ソース領域30およびベース領域20の各々に接している。コンタクト領域42が含むp型不純物の濃度は、ベース領域20が含むp型不純物の濃度よりも高い。コンタクト領域42が含むアルミニウムなどのp型不純物の濃度は、たとえば2×1018cm-3以上1×1019cm-3以下である。コンタクト領域42の厚みは、たとえば0.1μm以上1.3μm以下である。
Contact
炭化珪素基板100の第1主面1には、トレンチ5(ゲートトレンチ)が設けられている。トレンチ5は、側面3と、底4とを有している。底4は、側面3に連なっている。側面3は、第1主面1の法線に対して傾斜する方向に延在している。トレンチ5の深さは、たとえば0.5μm以上1.0μm以下である。第1主面1と側面3とがなす角度θは、90°よりも大きい。断面視において、トレンチ5は、たとえばV字型である。トレンチ5は、たとえば第2主面2に向かって尖っている。
On first
第4不純物領域40は、第2主面2とトレンチ5の底4との間に設けられている。図1に示されるように、第4不純物領域40は、底4に接していてもよい。第4不純物領域40は、たとえばアルミニウムまたはホウ素などのp型不純物を含み、p型(第2導電型)を有している。第4不純物領域40は、ベース領域20よりも高い不純物濃度を有している。第4不純物領域40は、ソース電極8と電気的に接続されていてもよい。第4不純物領域40が含むアルミニウムなどのp型不純物の濃度は、たとえば1×1018cm-3以上9×1018cm-3以下である。
The
図1に示されるように、トレンチ5の側面3は、第3領域13と、第2不純物領域20と、第3不純物領域30と、第4不純物領域40とに接している。第1領域11は、側面3に接していてもよいし、側面3から離間していてもよい。第2領域12は、側面3から離間している。第3領域13は、第1領域11に接している。第3領域13は、第2不純物領域20に接していてもよい。第3領域13は、側面3に接し、かつ側面3から離れる方向に突出している。第1領域11は、第2領域12に接している。第2領域12は、電気的には第3領域13に接続されているが、物理的に第3領域13から離間していてもよい。
As shown in FIG. 1,
トレンチ5の底4は、第4不純物領域40に接している。図2に示されるように、第1主面1に平行な方向において、トレンチ5の底4から第3領域13の端部までの距離(第1距離111)は、トレンチ5の底4から第4不純物領域40の端部までの距離(第2距離112)よりも短い。
The
なお、第3領域13の端部とは、第3領域13中におけるn型不純物の濃度の最大値の1/eの濃度を有し、かつトレンチ5の底4から第1主面1に平行な方向に最も離れた位置である。なお、「e」はネイピア数である。第4不純物領域40の端部とは、隣接する第1不純物領域10のn型不純物と第4不純物領域40のp型不純物とが打ち消されることでキャリア濃度が極小値を示し、かつトレンチ5の底4から第1主面1に平行な方向に最も離れた位置である。
Note that the end of the
図2に示されるように、第2主面2に対して垂直な方向から見て、トレンチ5は、実質的に長方形状であってもよい。トレンチ5は、第1方向101と、第2方向102とに沿って延在している。第1方向101は、トレンチ5の短手方向である。第2方向102は、トレンチ5の長手方向である。第1方向101は、たとえば<1−100>方向である。第2方向102は、たとえば<11−20>方向である。第1方向101は、たとえば<1−100>方向を第1主面1に投影した方向であってもよい。第2方向102は、たとえば<11−20>方向を第1主面1に投影した方向であってもよい。
As shown in FIG. 2, when viewed from a direction perpendicular to second
図2に示されるように、第3領域13および第4不純物領域40の各々は、トレンチ5の延在方向に沿って延在している。第3領域13の長手方向は、トレンチ5の長手方向と同じである。第3領域13の短手方向は、トレンチ5の短手方向と同じである。第4不純物領域40の長手方向は、トレンチ5の長手方向と同じである。第4不純物領域40の短手方向は、トレンチ5の短手方向と同じである。図2に示されるように、第2主面2に対して垂直な方向から見て、第4不純物領域40は、トレンチ5の底4と重なっている。トレンチ5の短手方向において、第4不純物領域40の幅は、トレンチ5の開口部の幅よりも小さくてもよい。同様に、トレンチ5の長手方向において、第4不純物領域40の幅は、トレンチ5の開口部の幅よりも小さくてもよい。
As shown in FIG. 2, each of
ゲート絶縁膜6は、たとえば二酸化珪素から構成されている。ゲート絶縁膜6は、トレンチ5の側面3と、底4とに接するように設けられている。ゲート絶縁膜6は、トレンチ5の側面3において、第3領域13と、ベース領域20と、ソース領域30と、第4不純物領域40とに接している。ゲート絶縁膜6は、トレンチ5の底4において、第4不純物領域40に接している。ゲート絶縁膜6に接するベース領域20にチャネル領域が形成可能に構成されている。ゲート絶縁膜6の厚みは、たとえば40nm以上150nm以下である。
ゲート電極7は、ゲート絶縁膜6上に設けられている。ゲート電極7は、ゲート絶縁膜6に接触して配置されている。ゲート電極7は、ゲート絶縁膜6により形成される溝を埋めるように設けられている。ゲート電極7は、たとえば不純物がドーピングされたポリシリコンなどの導電体から構成されている。
The
ソース電極8は、たとえばNi合金により構成されている。ソース電極8は、炭化珪素基板100の第1主面1側においてソース領域30と電気的に接続されている。ソース電極8は、コンタクト領域42と接する。ソース電極8は、ソース領域30とオーミック接合している合金層を含む。合金層は、たとえばソース電極8が含む金属とのシリサイドである。ソース電極8は、Tiと、Alと、Siを含む材料から構成されていてもよい。
層間絶縁膜23は、炭化珪素基板100の第1主面1に対向する位置に設けられている。具体的には、層間絶縁膜23は、ゲート電極7を覆うようにゲート電極7およびゲート絶縁膜6の各々に接して設けられている。層間絶縁膜23は、たとえばNSG(None−doped Silicate Glass)膜と、PSG(Phosphorus Silicate Glass)膜とを含んでいる。NSGは、PSG上に設けられていてもよい。層間絶縁膜23は、ゲート電極7とソース電極8とを電気的に絶縁している。ソース配線21は、層間絶縁膜23を覆い、かつソース電極8に接するように設けられている。ソース配線21は、ソース電極8を介してソース領域30と電気的に接続されている。ソース配線21は、たとえばAlSiCuを含む材料から構成されている。保護膜22は、ソース配線21を覆うように、ソース配線21上に設けられている。保護膜22は、たとえば窒化膜とポリイミドとを含んでいる。
ドレイン電極9は、炭化珪素基板100の第2主面2に接して設けられている。ドレイン電極9は、第2主面2側において、第1不純物領域10と電気的に接続されている。ドレイン電極9は、たとえばNiSi(ニッケルシリサイド)など、n型の炭化珪素単結晶基板15とオーミック接合可能な材料から構成されている。ドレイン電極9は炭化珪素単結晶基板15と電気的に接続されている。
次に、本実施形態に係るMOSFET200の動作について説明する。ゲート電極7に印加された電圧が閾値電圧未満の状態、すなわちオフ状態では、ソース電極8とドレイン電極9との間に電圧が印加されても、ベース領域20と第1不純物領域10との間に形成されるpn接合が逆バイアスとなり、非導通状態となる。一方、ゲート電極7に閾値電圧以上の電圧が印加されると、ベース領域20のゲート絶縁膜6と接触する付近であるチャネル領域において反転層が形成される。その結果、ソース領域30と第1不純物領域10とが電気的に接続され、ソース電極8とドレイン電極9との間に電流が流れる。以上のようにして、MOSFET200は動作する。
Next, the operation of the
次に、本実施形態に係る炭化珪素半導体装置200の製造方法について説明する。図3は、本実施形態に係る炭化珪素半導体装置200の製造方法を概略的に示すフローチャートである。
Next, a method for manufacturing silicon
まず、炭化珪素基板を準備する工程(図3:S10)が実施される。たとえば改良レーリー法により成長させた炭化珪素単結晶インゴットをスライスして基板を切り出し、基板の表面に対して鏡面研磨を行うことにより、炭化珪素単結晶基板15が準備される(図4参照)。炭化珪素単結晶基板15は、たとえばポリタイプ4Hの六方晶炭化珪素である。炭化珪素単結晶基板15は、第3主面51と、第3主面51の反対側の第2主面2とを有している。第3主面51の直径は、たとえば150mmである。第3主面51は、たとえば(000−1)面または(000−1)面から8°以下程度オフした面である。炭化珪素単結晶基板15の厚みは、たとえば400μmである。
First, a step of preparing a silicon carbide substrate (FIG. 3: S10) is performed. For example, a silicon carbide single crystal ingot grown by the improved Rayleigh method is sliced to cut out a substrate, and the surface of the substrate is mirror-polished to prepare a silicon carbide single crystal substrate 15 (see FIG. 4). Silicon carbide
次に、炭化珪素エピタキシャル層を形成する工程が実施される。たとえば、炭化珪素単結晶基板15上に、水素を含むキャリアガスと、シラン、プロパンを含む原料ガスと、窒素を含むドーパントガスが供給され、100mbar(10kPa)の圧力下、炭化珪素単結晶基板15が、たとえば1550℃程度に加熱される。これにより、図5に示されるように、n型を有する炭化珪素エピタキシャル層16が炭化珪素単結晶基板15上に形成される。炭化珪素エピタキシャル層16にはn型不純物としての窒素がドーピングされている。n型不純物の濃度は、たとえば8.0×1015cm-3である。炭化珪素エピタキシャル層16の厚みは、たとえば10μmである。
Next, a step of forming a silicon carbide epitaxial layer is performed. For example, a carrier gas containing hydrogen, a source gas containing silane and propane, and a dopant gas containing nitrogen are supplied onto silicon carbide
次に、イオン注入スルーマスク60が形成される。イオン注入スルーマスク60は、たとえば熱酸化膜と堆積酸化膜とを組み合わせて形成される。イオン注入スルーマスク60の厚みは、たとえば50nm程度である。次に、炭化珪素エピタキシャル層16に対してイオン注入が実施される。たとえばN(窒素)イオンが、イオン注入スルーマスク60を通して炭化珪素エピタキシャル層16内に対して矢印の方向(第3主面51に対して垂直な方向)にイオン注入される。これにより、n型を有する第1領域11が形成される。第1領域11が含むn型不純物の濃度は、たとえば3×1016cm-3以上3×1017cm-3以下である。第1領域11の厚みは、たとえば0.2μm以上0.5μm以下である。
Next, an ion implantation through
次に、たとえばAl(アルミニウム)イオンが、イオン注入スルーマスク60を通して炭化珪素エピタキシャル層16の第1領域11の一部に対して矢印の方向にイオン注入される。これにより、p型を有する第2不純物領域20が形成される。第2不純物領域20が含むp型不純物の濃度は、たとえば5×1016cm-3以上2×1018cm-3以下である。第2不純物領域20の厚みは、たとえば0.3μm以上0.7μm以下である。第2不純物領域20の厚みは、たとえば0.5μm以下であってもよいし、0.4μm以下であってもよい。
Next, for example, Al (aluminum) ions are ion-implanted in the direction of the arrow into a part of
次に、たとえばP(リン)イオンが、イオン注入スルーマスク60を通して炭化珪素エピタキシャル層16の第2不純物領域20の一部に対して矢印の方向にイオン注入される。これにより、n型を有する第3不純物領域30が形成される(図7参照)。第3不純物領域30が含むn型不純物の濃度は、たとえば2×1018cm-3以上1×1019cm-3以下である。第3不純物領域30の厚みは、たとえば0.1μm以上0.2μm以下である。
Next, for example, P (phosphorus) ions are ion-implanted into a part of
次に、イオン注入スルーマスク60が、たとえばウェットエッチングにより除去される。イオン注入スルーマスク60が除去された後、酸化膜マスク63が形成される。酸化膜マスク63は、第1部分61と、第2部分62とを有する。第2部分62の厚みは、第1部分61の厚みよりも大きい。たとえばAl(アルミニウム)イオンが、酸化膜マスク63を通して炭化珪素エピタキシャル層16の第2不純物領域20の一部および第3不純物領域30の一部に対してイオン注入される。これにより、p型を有するコンタクト領域42が形成される(図8参照)。コンタクト領域42が含むp型不純物の濃度は、たとえば2×1018cm-3以上1×1019cm-3以下である。コンタクト領域42の厚みは、たとえば0.1μm以上0.3μm以下である。コンタクト領域42は、第3不純物領域30を貫通し、第2不純物領域20に達している。
Next, ion implantation through
以上により、第1主面1と、第1主面1と反対側の第2主面2とを有する炭化珪素基板100が準備される。炭化珪素基板100は、第1導電型を有する第1不純物領域10と、第1不純物領域10上に設けられ、かつ第1導電型と異なる第2導電型を有する第2不純物領域20と、第1不純物領域10から隔てられるように第2不純物領域20上に設けられ、第1主面1に接しかつ第1導電型を有する第3不純物領域30とを含んでいる。第1不純物領域10は、第2不純物領域20に接する第1領域11と、第1領域11に対して第2不純物領域20とは反対側に位置する第2領域12とを有している。第1主面1は、たとえば(000−1)面または(000−1)面から8°以下程度オフした面である。
Thus,
次に、第1主面上にマスクを形成する工程(S20:図3)が実施される。具体的には、第1主面1上にマスク64が形成される。マスク64は、エッチングマスクとして機能する。マスク64は、たとえば堆積酸化膜を含む材料から構成されている。マスク64の厚みは、たとえば1μmである。次に、CHF3およびO2を用いて、第1トレンチ70が形成される領域上のマスク64に対してRFエッチングが行われることにより、マスク64に開口が形成される。
Next, a step of forming a mask on the first main surface (S20: FIG. 3) is performed. Specifically,
次に、第1トレンチを形成する工程(S30:図3)が実施される。第1トレンチ70が形成される領域上に開口が形成されたマスク64を用いて、炭化珪素基板100に対してエッチングが行われる。たとえば、マスク64を用いた状態で、SF6およびO2雰囲気下において、第3不純物領域30と第2不純物領域20とに対して異方性エッチングが行われる。異方性エッチングは、たとえばECR(Electron Cyclotron Resonance)プラズマエッチングである。これにより、炭化珪素基板100の第1主面1に第1トレンチ70が形成される。
Next, a step of forming the first trench (S30: FIG. 3) is performed. Etching is performed on
図9に示されるように、第1トレンチ70は、第1側面71と、第1底面72とを有している。第1側面71は、第2不純物領域20と、第3不純物領域30とに接している。第1底面72は、第1領域11に接している。第1トレンチ70の深さは、たとえば0.2μm以上0.7μm以下である。第1トレンチ70の幅は、たとえば0.7μm以上1μm以下である。
As shown in FIG. 9, the
次に、イオン注入により第4不純物領域を形成する工程(S40:図3)が実施される。具体的には、マスク64を用いて、第1トレンチ70に対してイオン注入が行われる。この工程では、マスク64は、イオン注入マスクとして機能する。具体的には、マスク64が第1主面1に設けられた状態で、Al(アルミニウム)イオンが、第1領域11の一部および第2領域12の一部に対してイオン注入される。イオン注入エネルギーは、たとえば700keV以上である。これにより、p型を有する第4不純物領域40が形成される。
Next, a step of forming a fourth impurity region by ion implantation (S40: FIG. 3) is performed. Specifically, ion implantation is performed on the
第4不純物領域40は、第1不純物領域10に接している。具体的には、第4不純物領域40は、第1領域11および第2領域12の各々に接している。第1主面1に平行な方向において、第4不純物領域40の幅は、第1トレンチ70の第1底面72の幅よりも大きい。第4不純物領域40は、第1トレンチ70の一対の第1側面71の各々から0.2μm程度広がっている。第4不純物領域40が含むp型不純物の濃度は、たとえば1×1018cm-3以上9×1018cm-3以下である。第4不純物領域40の厚みは、たとえば0.5μm以上1.5μm以下である。
The
次に、イオン注入により第3領域を形成する工程(S50:図3)が実施される。具体的には、マスク64を用いて、第1トレンチ70に対してイオン注入が行われる。この工程では、マスク64は、イオン注入マスクとして機能する。具体的には、マスク64が第1主面1に設けられた状態で、N(窒素)イオンが、第1領域11の一部と、第2不純物領域20の一部と、第4不純物領域40の一部とに対してイオン注入される。イオン注入エネルギーは、たとえば400keV以上である。これにより、n型を有する第3領域13が形成される。イオン注入により第3領域を形成する工程(S50:図3)のイオン注入エネルギーは、イオン注入により第4不純物領域を形成する工程(S40:図3)のイオン注入エネルギーよりも小さい。第3領域13は、第4不純物領域40に対して第1主面1側に形成される。
Next, a step of forming a third region by ion implantation (S50: FIG. 3) is performed. Specifically, ion implantation is performed on the
図10に示されるように、第3領域13は、第4不純物領域40に接している。具体的には、第3領域13は、第1領域11および第4不純物領域40の各々に接している。第1主面1に平行な方向において、第3領域13の幅は、第1トレンチ70の第1底面72の幅よりも大きく、かつ第4不純物領域40の幅よりも小さい。第3領域13は、第1トレンチ70の一対の第1側面71の各々から0.1μm程度広がっている。第3領域13の不純物濃度は、第1領域11の不純物濃度よりも高い。第3領域13が含むn型不純物の濃度は、たとえば2×1016cm-3以上5×1017cm-3以下である。第3領域13の厚みは、たとえば0.3μm以上1μm以下である。
As shown in FIG. 10, the
なお、第1主面1が(000−1)面に対して傾斜している炭化珪素基板100(オフ基板)を用いる場合には、チャネリングを抑制することができる。これにより、第1主面1に対して垂直な方向に効果的にイオン注入を行うことが可能である。第1主面1の法線に対して傾斜した方向にイオン注入を行う場合には、横方向の広がりを促進することができる。
When silicon carbide substrate 100 (off substrate) having first
次に、第1トレンチを拡張して第2トレンチを形成する工程(S60:図3)が実施される。具体的には、たとえばマスク64を用いた状態で、第3不純物領域30と、第2不純物領域20と、第1領域11と、第4不純物領域40とに対して、ハロゲンガスを含む雰囲気で熱エッチングが行われる。熱エッチングは、少なくとも1種類以上のハロゲン原子を有する反応性ガスを含む雰囲気中で行われる。少なくとも1種類以上のハロゲン原子は、たとえば塩素(Cl)原子およびフッ素(F)原子の少なくともいずれかを含む。当該雰囲気は、たとえば、塩素(Cl2)、三塩化ホウ素(BCl3)、六フッ化硫黄(SF6)または四フッ化炭素(CF4)を含む。たとえば、塩素ガスと酸素ガスとの混合ガスを反応ガスとして用い、熱処理温度を、たとえば800℃以上900℃以下として、熱エッチングが行われる。なお、反応ガスは、上述した塩素ガスと酸素ガスとに加えて、キャリアガスを含んでいてもよい。キャリアガスとしては、たとえば窒素ガス、アルゴンガスまたはヘリウムガスなどを用いることができる。これにより、第1トレンチ70が拡張されて第2トレンチ5が形成される。第1トレンチ70は、深さ方向および幅方向の各々において拡張される。
Next, a step of forming the second trench by expanding the first trench (S60: FIG. 3) is performed. Specifically, for example, with the
図11に示されるように、断面視において、第2トレンチ5は、たとえばV字型である。第2トレンチ5は、たとえば第2主面2に向かって尖っている。第2トレンチ5は、第2側面3と、第2底4とを有している。第2側面3は、第3領域13と、第2不純物領域20と、第3不純物領域30と、第4不純物領域40とに接している。第2側面3は、第1主面1に連なっている。第2底4は、第4不純物領域40に接している。別の観点から言えば、第2底4は、第4不純物領域40に位置している。第2トレンチ5の深さは、第1トレンチ70の深さよりも大きい。第2トレンチ5の深さは、たとえば0.5μm以上1.0μm以下である。第2トレンチ5の開口部の幅は、第1トレンチ70の開口部の幅よりも大きい。第1主面1と第2側面とがなす角度θは、90°よりも大きい。第1主面1と第2側面とがなす角度θは、たとえば115°以上135°以下である。角度θは、120°以上であってもよい。角度θは、130°以下であってもよい。
As shown in FIG. 11, the
次に、炭化珪素基板をアニールする工程(S70:図3)が実施される。まず、マスク64が、炭化珪素基板100の第1主面1から除去される。次に、炭化珪素基板100が、炭化珪素製のケース80内に配置される(図12参照)。ケース80は、収容部81と蓋部82とを有している。炭化珪素基板100は、収容部81に配置される。収容部81上には蓋部82が配置される。これにより、炭化珪素基板100は、ケース80内に密閉される。
Next, a step of annealing the silicon carbide substrate (S70: FIG. 3) is performed. First,
炭化珪素基板100は、ケース80内に密閉された状態で、炭化珪素基板100が加熱される。炭化珪素基板100は炭化珪素製のケース80内に配置されているため、炭化珪素基板100は、炭化珪素雰囲気において加熱される。これにより、炭化珪素の熱平衡状態が維持される。炭化珪素雰囲気において、炭化珪素基板100が1400°以上1900°以下でアニールされる。好ましくは、炭化珪素基板100が1500°以上1800°以下でアニールされる。炭化珪素基板100のアニール温度は、たとえば1700°である。アニール時間は、たとえば10分である。
以上により、第2トレンチ5の熱エッチングと、イオン注入された不純物の活性化とが同時に行われる。熱エッチングにより、第2トレンチ5の第2側面3および第2底4の各々におけるダメージ層が除去される。
As described above, the thermal etching of the
次に、ゲート絶縁膜を形成する工程(S80:図3)が実施される。具体的には、第1主面1と、第2側面3と、第2底4とに接するゲート絶縁膜6が形成される。ゲート絶縁膜6は、たとえば堆積酸化膜である。ゲート絶縁膜6は、第2側面3において、第3領域13と、第4不純物領域40と、ベース領域20と、ソース領域30とに接している。ゲート絶縁膜6は、第2底4において、第4不純物領域40と接している。ゲート絶縁膜6は、第1主面1において、ソース領域30に接している。ゲート絶縁膜6の厚みは、たとえば40nm以上150nm以下である。
Next, a step of forming a gate insulating film (S80: FIG. 3) is performed. Specifically, a
次に、NOアニール工程が実施される。具体的には、窒素を含む雰囲気中において第1主面1においてゲート絶縁膜6が形成された炭化珪素基板100が、たとえば1100℃以上1300℃以下の温度で熱処理される。窒素を含む気体とは、たとえば窒素で10%希釈された一酸化窒素などである。炭化珪素基板100が、窒素を含む気体中において、たとえば30分以上360分以下の間アニールされる。
Next, a NO annealing step is performed. Specifically,
次に、ゲート電極を形成する工程(S90:図3)が実施される。具体的には、ゲート絶縁膜6により形成された溝を埋めるようにゲート絶縁膜6上にゲート電極7が形成される。ゲート電極7は、たとえば不純物を含むポリシリコンを含む材料から構成される。次に、ゲート電極7を覆うように層間絶縁膜23が形成される。層間絶縁膜23は、たとえばNSG膜と、PSG膜とを含んでいる。
Next, a step of forming a gate electrode (S90: FIG. 3) is performed. Specifically, a
次に、ソース電極を形成する工程(S100:図3)が実施される。具体的には、ソース電極8が形成される予定の領域において層間絶縁膜23およびゲート絶縁膜6が除去されることにより、ソース領域30およびコンタクト領域42の各々が、層間絶縁膜23から露出する。次に、ソース電極8が、第1主面1において、ソース領域30およびコンタクト領域42の双方と接するように、たとえばスパッタリングにより形成される。ソース電極8は、たとえばNi合金を含んでいる。ソース電極8は、TiAlSiを含む材料から構成されていてもよい。次に、ソース電極8が形成された炭化珪素基板100に対して、たとえば900℃以上1100℃以下のRTA(Rapid Thermal Anneal)が2分程度実施される。これにより、ソース電極8の少なくとも一部が、炭化珪素基板100が含む珪素と反応してシリサイド化する。これにより、ソース領域30とオーミック接合するソース電極8が形成される。好ましくは、ソース電極8は、ソース領域30およびコンタクト領域42の各々とオーミック接合する。
Next, a step of forming a source electrode (S100: FIG. 3) is performed. Specifically, by removing
次に、ソース電極8に接し、かつ層間絶縁膜23を覆うようにソース配線21が形成される。ソース配線21は、好ましくはAlを含む材料からなり、たとえばAlSiCuを含む材料からなる。次に、ソース配線21を覆うように保護膜22が形成される。保護膜22は、たとえば窒化膜とポリイミドとを含む材料からなる。
Next,
次に、ドレイン電極を形成する工程(S110:図3)が実施される。具体的には、炭化珪素基板100の第2主面2と接して、たとえばNiSiからなるドレイン電極9が形成される。ドレイン電極9は、たとえばTiAlSiなどであっても構わない。ドレイン電極9の形成は、好ましくはスパッタリング法により実施されるが、蒸着により実施されても構わない。当該ドレイン電極9が形成された後、当該ドレイン電極9がたとえばレーザーアニールにより加熱される。これにより、当該ドレイン電極9の少なくとも一部がシリサイド化し、炭化珪素単結晶基板15とオーミック接合する。以上のように、図1に示すMOSFET200が製造される。
Next, a step of forming a drain electrode (S110: FIG. 3) is performed. Specifically,
なお、図10に示されるように、マスク64が第1主面1に設けられた状態で、第4不純物領域40および第3領域13の各々がイオン注入により形成された後、マスク64が除去されてもよい。次に、マスク64とは異なるマスク65が第1主面1上に形成されてもよい(図13)。マスク65の開口部の幅は、マスク64の開口部の幅よりも大きい。マスク65は、第1主面1において、ソース領域30およびコンタクト領域42の各々に接して形成される。第1主面1の一部は、マスク65から露出している。
As shown in FIG. 10, after each of
次に、第1トレンチを拡張して第2トレンチを形成する工程(S60:図3)が実施される。具体的には、たとえばマスク64を用いた状態で、第3不純物領域30と、第2不純物領域20と、第1領域11と、第4不純物領域40とに対して、ハロゲンガスを含む雰囲気で熱エッチングが行われる。ハロゲンガスの種類および熱エッチングの温度は、上述の通りである。これにより、第1トレンチ70が拡張されて第2トレンチ5が形成される(図14参照)。図14に示されるように、第2トレンチ5の開口部の幅は、マスク65の幅とほぼ同じであってもよい。
Next, a step of forming the second trench by expanding the first trench (S60: FIG. 3) is performed. Specifically, for example, with the
また上記においては、トレンチ5を有するMOSFETを例示して、本開示に係る炭化珪素半導体装置200を説明したが、本開示に係る炭化珪素半導体装置200はこれに限定されない。本開示に係る炭化珪素半導体装置200は、たとえばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等であってもよい。また上記においては、n型を第1導電型とし、かつp型を第2導電型して説明したが、p型を第1導電型とし、かつn型を第2導電型としてもよい。また上記各不純物領域におけるp型不純物の濃度およびn型不純物の濃度は、たとえばSCM(Scanning Capacitance Microscope)またはSIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)などにより測定可能である。
Further, in the above description, silicon
次に、上記実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の作用効果について説明する。 Next, the function and effect of the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the above embodiment will be described.
上記実施形態に係る炭化珪素半導体装置200の製造方法によれば、マスクを用いて、第3不純物領域30と、第2不純物領域20とに対して異方性エッチングを行うことにより、第1主面1に第1トレンチ70が形成される。マスクを用いて、第1トレンチ70に対してイオン注入を行うことにより、第1不純物領域10に接しかつ第2導電型を有する第4不純物領域40が形成される。上記のように、同じマスク64を用いてエッチングおよびイオン注入を行うこと(セルフアライン)により、アライメントずれの発生を抑制することができる。そのため、精度良く、第4不純物領域40を形成することができる。また工程数を低減することで、プロセスコストを低減することができる。
According to the method for manufacturing silicon
さらに上記実施形態に係る炭化珪素半導体装置200の製造方法によれば、第2トレンチ5の側面と第1主面1とがなす角度は、90°よりも大きい。これにより、ベース領域20の厚みが薄い場合であっても、長いチャネル長を確保することができる。そのため、ベース領域20を形成するためにエピタキシャル成長を使用する必要がなくなる。結果として、プロセスコストを低減することができる。さらに上記実施形態に係る炭化珪素半導体装置200によれば、第4不純物領域40は、第2トレンチ5の底に位置している。これにより、底4付近のゲート絶縁膜6に高電界が印加されることで、ゲート絶縁膜6が破壊されることを抑制することができる。結果として、炭化珪素半導体装置200の耐圧を高く維持することができる。
Further, according to the method for manufacturing silicon
また上記実施形態に係る炭化珪素半導体装置200の製造方法によれば、マスクを用いて、第1トレンチ70に対してイオン注入を行うことにより、第1不純物領域10に接しかつ第1導電型を有する第3領域13が形成されてもよい。第3領域13は、側面に接していてもよい。第1領域11よりも高い不純物濃度を有する第3領域13を設けることで、チャネル出口付近における電流の狭窄を抑制することができる。そのため、炭化珪素半導体装置200のオン抵抗を低減することができる。
According to the method for manufacturing silicon
さらに上記実施形態に係る炭化珪素半導体装置200の製造方法によれば、第2トレンチ5を形成する工程は、マスクを用いて行われてもよい。同じマスク64を用いて第1トレンチ70および第2トレンチ5の各々を形成することにより、アライメントずれの発生をさらに抑制することができる。
Further, according to the method for manufacturing silicon
本実施形態に係るMOSFET(図1参照)における第1距離111(第2主面2に対して平行な方向における、トレンチ5の底4から第3領域13の端部までの距離)を変化させた場合におけるMOSFETの特性オン抵抗および耐圧をシミュレーションによって計算した結果について説明する。第1距離111の値を0μmから0.7μmまで変化させながら、MOSFETの特性オン抵抗および耐圧を計算した。第1領域11のn型不純物濃度を1×1017cm-3とした。第2領域12のn型不純物濃度を8×1015cm-3とした。第3領域13のn型不純物濃度を2×1017cm-3とした。第4不純物領域40のp型不純物濃度を3×1018cm-3とした。
The first distance 111 (the distance from the
図15を参照しながら、トレンチ5の底4からの距離(第1距離111)と特性オン抵抗との関係およびトレンチ5の底4からの距離(第1距離111)と耐圧との関係について説明する。図中において横軸はトレンチ5の底4からの距離(μm)を示し、左側縦軸がMOSFETの特性オン抵抗(mΩcm2)を示し、かつ右側縦軸はMOSFETの耐圧(V)を示している。図中において白丸は耐圧の値を示しており、白三角は特性オン抵抗の値を示している。なお、耐圧のスペックは、1200Vである。
The relationship between the distance from the
トレンチ5の底4からの距離が0μm以上0.4μm未満の範囲においては、特性オン抵抗は徐々に低下する。しかしながら、トレンチ5の底4からの距離が0.4μm以上になると特性オン抵抗はほぼ一定の値を維持する。耐圧に関しては、全ての範囲においてスペックを満たしている。トレンチ5の底4からの距離が0μm以上0.3μm以下の範囲においては、耐圧は特に高い値を示している。しかしながら、トレンチ5の底4からの距離が0.3μmを超えると、耐圧が徐々に低下する。以上の結果より、第3領域13が設けられていないMOSFETと比較して、第3領域13が設けられているMOSFETは、耐圧を高く維持しつつ、特性オン抵抗を低減可能であることが確認された。
In a range where the distance from the
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed this time are illustrative in all aspects and are not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1 第1主面
2 第2主面
3 第2側面(側面)
4 第2底(底)
5 第2トレンチ(トレンチ)
6 ゲート絶縁膜
7 ゲート電極
8 ソース電極
9 ドレイン電極
10 第1不純物領域
11 第1領域
12 第2領域
13 第3領域
15 炭化珪素単結晶基板
16 炭化珪素エピタキシャル層
20 ベース領域(第2不純物領域)
21 ソース配線
22 保護膜
23 層間絶縁膜
30 ソース領域(第3不純物領域)
40 第4不純物領域
42 コンタクト領域
51 第3主面
60 イオン注入スルーマスク
61 第1部分
62 第2部分
63 酸化膜マスク
64,65 マスク
70 第1トレンチ
71 第1側面
72 第1底面
80 ケース
81 収容部
82 蓋部
100 炭化珪素基板
101 第1方向
102 第2方向
111 第1距離
112 第2距離
200 炭化珪素半導体装置(MOSFET)
1 1st
4 2nd bottom (bottom)
5 Second trench (trench)
DESCRIPTION OF
40
Claims (5)
前記炭化珪素基板は、
第1導電型を有する第1不純物領域と、
前記第1不純物領域上に設けられ、かつ前記第1導電型と異なる第2導電型を有する第2不純物領域と、
前記第1不純物領域から隔てられるように前記第2不純物領域上に設けられ、前記第1主面に接しかつ前記第1導電型を有する第3不純物領域とを含み、
前記第1不純物領域は、前記第2不純物領域に接する第1領域と、前記第1領域に対して前記第2不純物領域とは反対側に位置する第2領域とを有し、さらに、
前記第1主面上にマスクを形成する工程と、
前記マスクを用いて、前記第3不純物領域と、前記第2不純物領域とに対して異方性エッチングを行うことにより、前記第1主面に第1トレンチを形成する工程と、
前記マスクを用いて、前記第1トレンチに対してイオン注入を行うことにより、前記第1不純物領域に接しかつ前記第2導電型を有する第4不純物領域を形成する工程と、
前記第3不純物領域と、前記第2不純物領域と、前記第1領域と、前記第4不純物領域とに対して、ハロゲンガスを含む雰囲気で熱エッチングを行うことにより、前記第1トレンチを拡張して第2トレンチを形成する工程とを備え、
前記第2トレンチは、前記第1主面に連なる側面と、前記第4不純物領域に位置する底とを有し、前記第1主面と前記側面とがなす角度は、90°よりも大きい、炭化珪素半導体装置の製造方法。 Providing a silicon carbide substrate having a first main surface and a second main surface opposite to the first main surface,
The silicon carbide substrate,
A first impurity region having a first conductivity type;
A second impurity region provided on the first impurity region and having a second conductivity type different from the first conductivity type;
A third impurity region provided on the second impurity region so as to be separated from the first impurity region and in contact with the first main surface and having the first conductivity type;
The first impurity region has a first region in contact with the second impurity region, and a second region located on the opposite side of the first region from the second impurity region,
Forming a mask on the first main surface;
Forming a first trench in the first main surface by performing anisotropic etching on the third impurity region and the second impurity region using the mask;
Forming a fourth impurity region in contact with the first impurity region and having the second conductivity type by performing ion implantation on the first trench using the mask;
The first trench is expanded by performing thermal etching on the third impurity region, the second impurity region, the first region, and the fourth impurity region in an atmosphere containing a halogen gas. Forming a second trench by using
The second trench has a side surface connected to the first main surface and a bottom located in the fourth impurity region, and an angle formed by the first main surface and the side surface is larger than 90 °. A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device.
前記第3領域は、前記側面に接する、請求項1に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 By performing ion implantation on the first trench using the mask, the first trench is in contact with the fourth impurity region, has the first conductivity type, and has a higher impurity concentration than the first region. Further comprising a step of forming three regions,
The method of manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein said third region is in contact with said side surface.
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2018
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2022131084A1 (en) * | 2020-12-18 | 2022-06-23 | 住友電気工業株式会社 | Silicon carbide semiconductor device |
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