JP2020077736A - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Description
本明細書が開示する技術は、半導体装置の製造方法に関する。 The technique disclosed in this specification relates to a method for manufacturing a semiconductor device.
炭化珪素の半導体基板を用いて製造された半導体装置の開発が進められている。この種の半導体装置では、半導体基板の一方の主面に複数のトレンチゲートが形成されている。トレンチゲートは、p型のボディ領域を貫通してn型のドリフト領域に侵入するように形成されている。特許文献1は、トレンチゲートの底面の電界を緩和するために、トレンチゲートの底面に接するようにボトムp型層を設ける技術を開示する。
Development of a semiconductor device manufactured using a silicon carbide semiconductor substrate is in progress. In this type of semiconductor device, a plurality of trench gates are formed on one main surface of a semiconductor substrate. The trench gate is formed so as to penetrate the p-type body region and enter the n-type drift region.
トレンチゲートの底面の電界を良好に緩和するためには、このようなボトムp型層がトレンチゲートの底面から深い位置にまで形成されるのが望ましい。本明細書は、トレンチゲートの底面から深い位置にまでボトムp型層を形成する技術を提供することを目的とする。 In order to relax the electric field on the bottom surface of the trench gate well, it is desirable that such a bottom p-type layer is formed deep from the bottom surface of the trench gate. The present specification aims to provide a technique of forming a bottom p-type layer from a bottom surface of a trench gate to a deep position.
本明細書は、トレンチゲートの底面に接するボトムp型層を備える半導体装置の製造方法を開示する。この製造方法は、基底面に対してオフ角だけ傾いた炭化珪素の半導体基板の一方の主面にトレンチを形成するトレンチ形成工程と、前記トレンチ内に向けてp型不純物を照射し、前記ボトムp型層を形成するボトムp型層形成工程と、を備えることができる。前記ボトムp型層形成工程では、前記基底面に対して垂直方向から前記p型不純物が注入されるように、前記p型不純物の注入角が前記オフ角に設定されている。この製造方法によると、チャネリング効果によって前記p型不純物を前記トレンチの底面から深い位置にまで注入することができる。この製造方法によると、前記トレンチゲートの底面から深い位置にまで前記ボトムp型層を形成することができる。 The present specification discloses a method for manufacturing a semiconductor device including a bottom p-type layer in contact with a bottom surface of a trench gate. This manufacturing method comprises a trench forming step of forming a trench on one main surface of a silicon carbide semiconductor substrate inclined by an off-angle with respect to a basal plane, and irradiating a p-type impurity into the trench to form the bottom. a bottom p-type layer forming step of forming a p-type layer. In the bottom p-type layer forming step, the implantation angle of the p-type impurities is set to the off-angle so that the p-type impurities are implanted in a direction perpendicular to the base surface. According to this manufacturing method, the p-type impurity can be implanted from the bottom surface of the trench to a deep position due to the channeling effect. According to this manufacturing method, the bottom p-type layer can be formed deep from the bottom surface of the trench gate.
上記製造方法の一実施態様によると、前記ボトムp型層形成工程では、前記トレンチの短手方向に対向する一対の短手側面のうちの一方の短手側面にも前記p型不純物が注入され、これにより、前記ボトムp型層は前記半導体基板の前記一方の主面側に設けられているp型のボディ領域に接続するように形成されてもよい。この製造方法によると、前記ボトムp型層が前記ボディ領域に接続するための接続領域を同時に形成することができる。このため、前記接続領域を製造するために要する工程数を削減することができるので、製造コストを抑えることができる。また、前記短手側面に形成された前記ボトムp型層は、前記トレンチの長手方向に沿って分散して配置されていてもよい。前記短手側面に形成された前記ボトムp型層を分散して配置することにより、チャネル抵抗の増加を抑えることができる。 According to one embodiment of the above-mentioned manufacturing method, in the bottom p-type layer forming step, the p-type impurity is implanted also into one lateral side of the pair of lateral sides facing each other in the lateral direction of the trench. Thus, the bottom p-type layer may be formed so as to be connected to the p-type body region provided on the one main surface side of the semiconductor substrate. According to this manufacturing method, a connection region for connecting the bottom p-type layer to the body region can be simultaneously formed. Therefore, the number of steps required to manufacture the connection region can be reduced, and the manufacturing cost can be suppressed. Further, the bottom p-type layers formed on the lateral side surfaces may be dispersed and arranged along the longitudinal direction of the trench. By arranging the bottom p-type layers formed on the short side surfaces in a dispersed manner, an increase in channel resistance can be suppressed.
上記製造方法の他の一実施態様によると、前記ボトムp型層形成工程では、前記トレンチの長手方向に対向する一対の長手側面のうちの一方の長手側面にも前記p型不純物が注入され、これにより、前記ボトムp型層は前記半導体基板の前記一方の主面側に設けられているp型のボディ領域に接続するように形成されてもよい。この製造方法によると、前記ボトムp型層が前記ボディ領域に接続するための接続領域を同時に形成することができる。このため、前記接続領域を製造するために要する工程数を削減することができるので、製造コストを抑えることができる。 According to another embodiment of the above manufacturing method, in the bottom p-type layer forming step, the p-type impurity is implanted into one of the pair of long side surfaces facing each other in the longitudinal direction of the trench. Accordingly, the bottom p-type layer may be formed so as to be connected to the p-type body region provided on the one main surface side of the semiconductor substrate. According to this manufacturing method, a connection region for connecting the bottom p-type layer to the body region can be simultaneously formed. Therefore, the number of steps required to manufacture the connection region can be reduced, and the manufacturing cost can be suppressed.
(第1実施形態)図1〜3に示す第1実施形態の半導体装置1は、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)と称される種類の半導体装置である。半導体装置1は、炭化珪素(SiC)の半導体基板12を用いて製造されている。なお、図1では、図の見易さのため、半導体基板12の上面12a上の電極、絶縁層の図示を省略している。半導体基板12は、(0001)面を基底面とする炭化珪素基板であり、(0001)面に対して[11−20]方向にオフ角だけ傾いている。この例では、オフ角が約4°である。
(First Embodiment) A
半導体基板12の上面12aには、複数のトレンチTRが形成されており、各トレンチTR内にトレンチゲート22が設けられている。図1に示すように、トレンチゲート22は、上面12aにおいて[1−100]方向に直線状に長く伸びている。複数のトレンチゲート22は、[11−20]方向に間隔を置いて配列されており、ストライプ状のレイアウトを有している。図2に示すように、トレンチTRは、半導体基板12の上面12aに対して垂直方向に伸びている。トレンチTRの側面は、半導体基板12の深さ方向に沿って傾斜しており、半導体基板12の深部に向けて先細りのテーパ状である。トレンチTRの底面は、半導体基板12の上面12aに平行である。
A plurality of trenches TR are formed on the
トレンチTRの側面及び底面は、ゲート絶縁膜24によって覆われている。ゲート絶縁膜24は、トレンチTRの側面よりも底面において厚く形成されていてもよい。トレンチTR内には、ゲート電極26が配置されている。ゲート電極26は、ゲート絶縁膜24によって半導体基板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。
The side surface and the bottom surface of the trench TR are covered with the
半導体基板12の上面12aには、ソース電極70が配置されている。ソース電極70は、層間絶縁膜28が設けられていない部分で半導体基板12の上面12aに接している。ソース電極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。半導体基板12の下面12bには、ドレイン電極72が配置されている。ドレイン電極72は、半導体基板12の下面12bに接している。
The
半導体基板12の内部には、複数のソース領域30、ボディ領域32、ドリフト領域34、ドレイン領域35及び複数のボトムp型層36が設けられている。
Inside the
ソース領域30は、n型領域である。ソース領域30は、半導体基板12の上面12aに臨む範囲に配置されており、ソース電極70にオーミック接触している。また、ソース領域30は、トレンチゲート22の短手方向に対向する一対の短手側面S1([1−100]方向に沿って伸びる側面)において、ゲート絶縁膜24に接している。ソース領域30は、トレンチゲート22の上端部においてゲート絶縁膜24に接している。
The
ボディ領域32は、p型領域である。ボディ領域32は、各ソース領域30に接している。ボディ領域32は、2つのソース領域30に挟まれた範囲から各ソース領域30の下側まで伸びている。ボディ領域32は、高濃度ボディ領域32aと低濃度ボディ領域32bを有している。高濃度ボディ領域32aは、低濃度ボディ領域32bよりも高いp型不純物濃度を有している。高濃度ボディ領域32aは、2つのソース領域30に挟まれた範囲に配置されている。高濃度ボディ領域32aは、ソース電極70にオーミック接触している。低濃度ボディ領域32bは、トレンチゲート22の短手側面において、ゲート絶縁膜24に接している。低濃度ボディ領域32bは、ソース領域30の下側でゲート絶縁膜24に接している。また、図1に示すように、低濃度ボディ領域32bは、トレンチゲート22の長手方向に対向する一対の長手側面S2(トレンチゲート22の長手方向の端部に位置する側面であり、[11−20]方向に沿って伸びる側面)に隣接する範囲にも配置されている。
The
ドリフト領域34は、n型領域である。ドリフト領域34は、ボディ領域32の下側に配置されており、ボディ領域32によってソース領域30から分離されている。図2に示すように、ドリフト領域34は、トレンチゲート22の一対の短手側面のうちの一方の短手側面において、ゲート絶縁膜24に接している。
The
ドレイン領域35は、n型領域である。ドレイン領域35は、ドリフト領域34よりも高いn型不純物濃度を有している。ドレイン領域35は、ドリフト領域34の下側に配置されている。ドレイン領域35は、半導体基板12の下面12bに臨む範囲に配置されている。ドレイン領域35は、ドレイン電極72にオーミック接触している。
The
ボトムp型層36は、p型領域である。ボトムp型層36は、トレンチゲート22の底面において、ゲート絶縁膜24に接している。ボトムp型層36は、トレンチゲート22の底面に沿って[1−100]方向に長く伸びている。また、ボトムp型層36の一部は、トレンチゲート22の一対の短手側面のうちの一方の短手側面において、ゲート絶縁膜24に接している。ここで、ボトムp型層36のうちのトレンチゲート22の側面に接する部分を特に接続領域36aという。ボトムp型層36の接続領域36aは、トレンチゲート22の一方の短手側面S1に沿って[1−100]方向に長く伸びている。ボトムp型層36は、接続領域36aを介してボディ領域32に接触しており、ボディ領域32に電気的に接続されている。
The bottom p-
次に、半導体装置1の動作について説明する。半導体装置1の使用時には、半導体装置1と負荷(例えば、モータ)と電源が直列に接続される。半導体装置1と負荷の直列回路に対して、電源電圧(本実施形態では、約800V)が印加される。半導体装置1のドレイン側(ドレイン電極72)がソース側(ソース電極70)よりも高電位となる向きで、電源電圧が印加される。ゲート電極26にゲートオン電位(ゲート閾値よりも高い電位)を印加すると、ゲート絶縁膜24に接する範囲のボディ領域32(低濃度ボディ領域32b)にチャネル(反転層)が形成され、半導体装置1がオンする。半導体装置1では、トレンチゲート22の一対の短手側面S1のうちのドリフト領域34が接する側の短手側面S1において、ボディ領域32に形成されたチャネルを介して電流が流れる。ゲート電極26にゲートオフ電位(ゲート閾値以下の電位)を印加すると、チャネルが消滅し、半導体装置1がオフする。このとき、ドリフト領域34とボトムp型層36のpn接合から伸びる空乏層がトレンチゲート22の底面近傍に形成され、トレンチゲート22の底面近傍の電界が緩和される。これにより、半導体装置1は、高耐圧な特性を有することができる。また、半導体装置1では、ボトムp型層36が接続領域36aを介してボディ領域32に電気的に接続されていることから、ターンオンするときに、ボディ領域32から接続領域36aを介してボトムp型層36に正孔が注入される。この正孔注入により、ボトムp型層36の帯電が抑制されるので、ターンオフ時に形成された空乏層がすぐに消失し、JFET効果によるオン抵抗の増加が抑えられる。
Next, the operation of the
次に、図4〜6を参照し、半導体装置1の製造方法のうちのボトムp型層36を形成する工程について説明する。まず、図4に示すように、半導体基板12の上面12a上に酸化シリコンのマスク82を形成する。次に、ドライエッチング技術を利用して、そのマスク82の開口から露出する半導体基板12をエッチングし、トレンチTRを形成する。トレンチTRの底面は、半導体基板12の上面12aに平行であり、その上面12aと同様に、基底面の(0001)面に対して[11−20]方向にオフ角だけ傾いている。
Next, the step of forming the bottom p-
次に、図5に示すように、トレンチTRの底面及び側面に酸化シリコンの保護膜84を成膜する。この保護膜84は、後述のイオン注入工程において、チャネルが形成される側の低濃度ボディ領域32bにまで意図しない不純物が導入されるのを抑える目的で形成される。なお、必要に応じて、保護膜84のうちのトレンチTRの底面を被膜する部分のみを除去してもよい。
Next, as shown in FIG. 5, a
次に、図6に示すように、イオン注入技術を利用して、トレンチTR内に向けてp型不純物を照射し、ボトムp型層36を形成する。このとき、p型不純物の注入角が、基底面の(0001)面に対して垂直となるように、オフ角に設定されている。この例では、半導体基板12が(0001)面に対して[11−20]方向にオフ角だけ傾いているので、p型不純物の注入角は、半導体基板12の上面12aの垂直方向に対して[11−20]方向にオフ角だけ傾いている。p型不純物の注入角がオフ角に設定されていると、照射されたp型不純物は、チャネリング効果によってトレンチTRの底面から深い位置にまで到達することができる。これにより、ボトムp型層36は、トレンチTRの底面から深い位置にまで形成される。また、このイオン注入工程では、トレンチTRの短手方向に対向する一対の短手側面S1のうちの一方の短手側面S1にもp型不純物が注入され、これにより、ボトムp型層36の接続領域36aも同時に形成される。
Next, as shown in FIG. 6, the bottom p-
上記製造方法及び上記製造方法によって製造された半導体装置1は、以下の特徴を有することができる。
(1)上記製造方法によると、ボトムp型層36をトレンチゲート22の底面から深い位置にまで形成することができる。このような深いボトムp型層36は、トレンチゲート22の底面の電界を良好に緩和することができる。このため、半導体装置1は、高耐圧な特性を有することができる。
(2)チャネリング効果を利用しないイオン注入では、深いボトムp型層36を形成するためには、複数回のイオン注入が必要である。一方、上記製造方法のように、チャネリング効果を利用するイオン注入では、少ないイオン注入の回数(例えば、1回のイオン注入でも)深いボトムp型層36を形成することができる。このため、イオン注入に要する工程数が削減されるので、製造コストを抑えることができる。
(3)上記製造方法によると、深いボトムp型層36を形成することができるので、ボトムp型層36を深い位置にまで熱拡散させる必要がなく、熱拡散を抑えることができる。このため、ボトムp型層36の横方向への熱拡散も抑えられる。横方向への熱拡散が抑えられるので、特に半導体装置1では、トレンチゲート22の短手側面S1のうちのチャネルが形成される側の短手側面S1の下方の電流経路に対して、ボトムp型層36が離れた位置に形成される。このため、ボトムp型層36から伸びてくる空乏層によるJFET抵抗の増大が抑えられる。
(4)上記製造方法によると、照射されたp型不純物は、チャネリング効果によって格子間を通り抜ける。このため、結晶欠陥密度を抑えながら高濃度なボトムp型層36を形成することができる。結晶欠陥密度を抑えることができるので、ドレイン・ソース間のリークが抑えられる。また、高濃度なボトムp型層36により、トレンチゲート22の底面の電界を良好に緩和することができる。
(5)上記製造方法によると、ボトムp型層36をボディ領域32に接続する接続領域36aを同時に形成することができる。このため、接続領域36aを形成するために要する工程数を削減できるので、製造コストを抑えることができる。
The above manufacturing method and the
(1) According to the above manufacturing method, the bottom p-
(2) In ion implantation that does not utilize the channeling effect, a plurality of ion implantations are required to form the deep bottom p-
(3) According to the manufacturing method described above, since the deep bottom p-
(4) According to the above manufacturing method, the irradiated p-type impurities pass through the interstitial spaces due to the channeling effect. Therefore, it is possible to form the high-concentration bottom p-
(5) According to the above manufacturing method, the
(第2実施形態)図7及び図8に、第2実施形態の半導体装置2を示す。なお、第1実施形態の半導体装置1と共通する構成要素については共通の符号を付し、その説明を省略する。この半導体装置2は、ボトムp型層136が、トレンチゲート22の長手方向([1−100]方向)に沿って分散して配置されていることを特徴とする。これにより、ボトムp型層136のうちの接続領域(トレンチゲート22の一方の短手側面S1に接して形成される部分)も、トレンチゲート22の長手方向に沿って分散して配置されている。これにより、第1実施形態の半導体装置1と比較すると、半導体装置2は、トレンチゲート22の短手側面S1に形成されるチャネルの面積が大きくなるので、低いチャネル抵抗という特性を有することができる。
(Second Embodiment) FIGS. 7 and 8 show a
半導体装置2は、トレンチTR内に向けてp型不純物を照射してボトムp型層136を形成するのに先立って、長手方向に沿って分散したパターンのレジストをトレンチTR内に形成して置くことで製造することができる。
In the
(第3実施形態)図9〜11に、第3実施形態の半導体装置3を示す。なお、第1実施形態の半導体装置1と共通する構成要素については共通の符号を付し、その説明を省略する。半導体装置3では、半導体基板12のオフ方向が半導体装置1の場合と異なっている。半導体装置3では、半導体基板12が基底面の(0001)面に対して[1−100]方向にオフ角だけ傾いている。この例では、オフ角が約4°である。また、図11に示すように、ボトムp型層236の接続領域236aは、トレンチゲート22の長手方向に対向する一対の長手側面S2のうちの一方の長手側面S2において、ゲート絶縁膜24に接している。ボトムp型層236は、接続領域236aを介してボディ領域32に接触しており、ボディ領域32に電気的に接続されている。半導体装置3は、トレンチゲート22の側面の全体にチャネルが形成されるので、第1実施形態の半導体装置1及び第2実施形態の半導体装置2と比較して、低いチャネル抵抗という特性を有することができる。
(Third Embodiment) FIGS. 9 to 11 show a
半導体装置3は、半導体装置2は、トレンチTR内に向けてp型不純物を照射してボトムp型層36を形成するときに、p型不純物の注入角が、基底面の(0001)面に対して垂直となるように、オフ角に設定されている。この例では、半導体基板12が(0001)面に対して[1−100]方向にオフ角だけ傾いているので、p型不純物の注入角は、半導体基板12の上面12aの垂直方向に対して[1−100]方向にオフ角だけ傾いている。p型不純物の注入角がオフ角に設定されていると、チャネリング効果によってp型不純物をトレンチTRの底面から深い位置にまで注入することができる。これにより、ボトムp型層36は、トレンチTRの底面から深い位置にまで形成される。また、このイオン注入工程では、トレンチTRの長手方向に対向する一対の長手側面S2のうちの一方の長手側面S2にもp型不純物が注入され、これにより、ボトムp型層236の接続領域236aも同時に形成される。
In the
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、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、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的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、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Specific examples of the present invention have been described above in detail, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. The technical elements described in the present specification or the drawings exert technical utility alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. Further, the technique illustrated in the present specification or the drawings achieves a plurality of purposes at the same time, and achieving one of the purposes has technical utility.
1,2,3:半導体装置
12 :半導体基板
22 :トレンチゲート
24 :ゲート絶縁膜
26 :ゲート電極
28 :層間絶縁膜
30 :ソース領域
32 :ボディ領域
34 :ドリフト領域
35 :ドレイン領域
36 :ボトムp型層
36a :接続領域
70 :ソース電極
72 :ドレイン電極
S1 :短手側面
S2 :長手側面
TR :トレンチ
1, 2 and 3: semiconductor device 12: semiconductor substrate 22: trench gate 24: gate insulating film 26: gate electrode 28: interlayer insulating film 30: source region 32: body region 34: drift region 35: drain region 36: bottom
Claims (4)
基底面に対してオフ角だけ傾いた炭化珪素の半導体基板の一方の主面にトレンチを形成するトレンチ形成工程と、
前記トレンチ内に向けてp型不純物を照射し、前記ボトムp型層を形成するボトムp型層形成工程と、を備えており、
前記ボトムp型層形成工程では、前記基底面に対して垂直方向から前記p型不純物が注入されるように、前記p型不純物の注入角が前記オフ角に設定されている、半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device comprising a bottom p-type layer in contact with a bottom surface of a trench gate, comprising:
A trench forming step of forming a trench on one main surface of the semiconductor substrate of silicon carbide inclined by an off-angle with respect to the base surface;
A bottom p-type layer forming step of irradiating a p-type impurity toward the inside of the trench to form the bottom p-type layer,
In the bottom p-type layer formation step, a p-type impurity implantation angle is set to the off-angle so that the p-type impurity is implanted in a direction perpendicular to the base surface. Method.
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