JP2022118464A - Silicon carbide semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、炭化珪素(以下、SiCという)にて半導体素子を構成するSiC半導体装置およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a SiC semiconductor device having a semiconductor element made of silicon carbide (hereinafter referred to as SiC) and a method for manufacturing the same.
従来より、半導体装置を形成する際には、下地となるシリコン基板に対してイオン注入することでシリコン基板に対して所望の導電型の不純物層を形成することが行われているが、横方向への拡がり無く不純物層を形成することが望まれている。このような横方向への拡がりを抑制して不純物層を形成する手法として、例えば特許文献1に示されるイオン注入法がある。このイオン注入法では、シリコン基板の上に開口部を設けたマスクを配置し、所望の条件でマスク上からイオン注入を行うことで、不純物ドーピング領域を形成している。具体的には、シリコン基板を極低温に冷却した状態で、イオンが大部分チャネリングを起すようにイオンビームを垂直に注入させる。これにより、イオンが低次指数面方位中の主結晶軸チャネルに進行方向を固定するように強いられた運動により注入した方向性を保つようにして結晶中に導入される。したがって、イオン注入時にマスクに対しその下部領域にまわりこむこと無く不純物のドーピング領域を形成することが可能となる。
Conventionally, when a semiconductor device is formed, an impurity layer of a desired conductivity type is formed in a silicon substrate by implanting ions into the underlying silicon substrate. It is desired to form an impurity layer without spreading to the inside. As a method of forming an impurity layer while suppressing such lateral expansion, there is an ion implantation method disclosed in
近年、SiCを用いた半導体装置の研究が進められている。SiCはシリコンに比べて硬いことから、高エネルギーでのイオン注入が必要になる。現状では、5MeVまで加速可能、例えばアルミニウム(Al)をドーパントとした場合に~約8μmの深さまで注入可能な設備が存在している。しかしながら、注入時にイオンが格子間のSiやCと衝突を繰り返すことで、深くなるほどドーパントが横拡がりするという課題を発生させる。SiCの場合、ステップフロー成長となるため、結晶成長させる際にオフ角を有するオフ基板が用いられることから、成長させられたSiCの主面もオフ角を有した状態になる。このため、SiCの主面に対して垂直にイオン注入を行っても、注入時にイオンが格子間のSiやCと衝突を繰り返すことになる。そして、ドーパントが横拡がりしてしまうと、イオン注入により形成する不純物層の形成範囲が所望の範囲にならず、半導体特性に影響を与えることになる。 In recent years, researches on semiconductor devices using SiC are progressing. Since SiC is harder than silicon, ion implantation with high energy is required. At present, there are facilities capable of accelerating to 5 MeV, for example, implanting to a depth of ~8 μm when aluminum (Al) is used as a dopant. However, ions repeatedly collide with interstitial Si or C during implantation, which causes the problem that the dopant spreads laterally as the depth increases. In the case of SiC, since step-flow growth is performed, an off-substrate having an off-angle is used for crystal growth, so the main surface of the grown SiC also has an off-angle. Therefore, even if the ion implantation is performed perpendicularly to the main surface of SiC, the ions repeatedly collide with Si or C between the lattices during the implantation. If the dopant spreads laterally, the formation range of the impurity layer formed by ion implantation will not be within the desired range, which will affect the semiconductor characteristics.
例えばスーパージャンクション(以下、SJという)構造であれば、イオン注入によって形成するp型ピラーの下方部分が横へ拡がることでキャリアの流路となるn型ピラーの下方部分の幅を狭めてしまう。 For example, in the case of a superjunction (hereinafter referred to as SJ) structure, the width of the lower portion of the n-type pillar, which serves as a channel for carriers, is narrowed due to the lateral expansion of the lower portion of the p-pillar formed by ion implantation.
また、低オン抵抗を図りつつ低飽和電流を維持するために、異なる導電型のJFET部と電界ブロック層を交互にストライプ状に配置して飽和電流抑制層とする構造がある。この構造の場合であれば、トレンチゲートなどの素子構造の下方においてp型エピタキシャル層にイオン注入を行ってn型不純物層を等間隔に形成する際に、n型不純物層の下方部分が横へ拡がって形成される。このため、p型エピタキシャル層からn型不純物層側に伸びる空乏層の伸び量が足りずにピンチオフしなくなり、飽和電流が増加してしまう。 Also, in order to maintain a low saturation current while achieving a low on-resistance, there is a structure in which JFET portions and electric field blocking layers of different conductivity types are alternately arranged in stripes to form a saturation current suppressing layer. In the case of this structure, when ions are implanted into the p-type epitaxial layer below the device structure such as the trench gate to form the n-type impurity layers at regular intervals, the lower portion of the n-type impurity layer is laterally displaced. It spreads and forms. As a result, the depletion layer extending from the p-type epitaxial layer toward the n-type impurity layer does not stretch enough to pinch off, resulting in an increase in saturation current.
本発明は上記点に鑑みて、イオン注入により形成する不純物層の横方向の拡がりを抑制するSiC半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above points, it is an object of the present invention to provide a SiC semiconductor device and a method of manufacturing the same that suppress lateral expansion of an impurity layer formed by ion implantation.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明は、SiC半導体装置であって、SiC基板(1)と、SiC基板の上に形成されたエピタキシャル成長膜にて構成され、第1導電型と第2導電型の一方で構成された第1不純物層(3)と、第1不純物層の所望位置に形成され、イオン注入層によって構成されると共に第1導電型と第2導電型の他方で構成された第2不純物層(4)と、を有している。そして、第2不純物層は、該第2不純物層のうちSiC基板の厚み方向に対して垂直な方向となる幅方向の両側において、該第2不純物層に含まれる第1導電型と第2導電型の他方の不純物濃度が該第2不純物層のうちの他の領域よりも高くなっていて、該第2不純物層の幅が所定幅とされている。
In order to achieve the above object, the invention according to
このように、第2不純物層の幅方向の両側において、第2不純物層の他の領域よりも不純物濃度が高くなった構造となっている。つまり、第1不純物層に対して第2不純物層をイオン注入によって形成する際に、欠陥導入部(21)を形成しておき、活性化アニールの際にイオン注入部の不純物が欠陥にトラップされるように第2不純物層を形成している。これにより、最終的に形成される第2不純物層を所定幅、例えばほぼ一定幅で形成されたものにできる。 In this way, the structure is such that the impurity concentration is higher on both sides in the width direction of the second impurity layer than in other regions of the second impurity layer. In other words, when the second impurity layer is formed by ion implantation into the first impurity layer, the defect introduced portion (21) is formed, and the impurities in the ion-implanted portion are trapped in the defects during the activation annealing. A second impurity layer is formed as follows. As a result, the finally formed second impurity layer can be formed with a predetermined width, for example, a substantially constant width.
請求項7に記載の発明は、SiC半導体装置の製造方法であって、SiC基板(1)を用意することと、SiC基板の上にエピタキシャル成長により、第1導電型と第2導電型の一方で構成される第1不純物層(3)を形成することと、第1不純物層の所望位置に、イオン注入により第1導電型と第2導電型の他方で構成される第2不純物層(4)を形成することと、を含んでいる。そして、第2不純物層を形成することでは、SiC基板の厚み方向に対して垂直な方向を幅方向として、第2不純物層の形成予定領域に対する幅方向の両側に欠陥が形成された欠陥導入部(21)を形成することと、第2不純物層の形成予定領域に対して不純物のイオン注入を行うことで不純物イオン注入部(20)を形成することと、熱処理による不純物の活性化アニールを行い、欠陥導入部が形成された領域において、欠陥に不純物をトラップさせることで、所定幅の第2不純物層を形成することと、を行う。 According to a seventh aspect of the invention, there is provided a method for manufacturing a SiC semiconductor device, comprising: preparing a SiC substrate (1); forming a first impurity layer (3) composed of a first impurity layer (3); and a second impurity layer (4) composed of the other of the first conductivity type and the second conductivity type at a desired position of the first impurity layer by ion implantation. forming a Then, in forming the second impurity layer, the defect-introduced portion in which defects are formed on both sides in the width direction of the region to be formed of the second impurity layer, with the direction perpendicular to the thickness direction of the SiC substrate being the width direction. (21) is formed, an impurity ion implantation portion (20) is formed by implanting impurity ions into a region where the second impurity layer is to be formed, and activation annealing of the impurity is performed by heat treatment. and forming a second impurity layer having a predetermined width by trapping impurities in the defect in the region where the defect introduced portion is formed.
このように、第2不純物層の形成予定領域に対する幅方向の両側に欠陥導入部を形成している。このため、活性化アニールの際にイオン注入部の不純物が欠陥にトラップされるようにできる。これにより、第2不純物層の横方向の拡がりを抑制でき、第2不純物層を所定幅、例えばほぼ一定幅で形成されたものにできる。 In this manner, defect introduction portions are formed on both sides in the width direction of the region where the second impurity layer is to be formed. Therefore, impurities in the ion-implanted portion can be trapped in the defect during activation annealing. As a result, lateral expansion of the second impurity layer can be suppressed, and the second impurity layer can be formed with a predetermined width, for example, a substantially constant width.
なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。 It should be noted that the reference numerals in parentheses attached to each component etc. indicate an example of the correspondence relationship between the component etc. and specific components etc. described in the embodiments described later.
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, in each of the following embodiments, portions that are the same or equivalent to each other will be described with the same reference numerals.
(第1実施形態)
第1実施形態について説明する。本実施形態にかかるSiC半導体装置は、半導体素子として、図1および図2に示す飽和電流抑制層を有するトレンチゲート構造の反転型の縦型MOSFETが形成されたものである。これらの図に示す縦型MOSFETは、SiC半導体装置のうちのセル領域に形成されており、そのセル領域を囲むように外周耐圧構造が形成されることでSiC半導体装置が構成されているが、ここでは縦型MOSFETのみ図示してある。なお、以下では、図1および図2に示すように、縦型MOSFETの奥行方向をX方向、X方向に対して交差する縦型MOSFETの幅方向をY方向、縦型MOSFETの厚み方向もしくは深さ方向、つまりXY平面に対する法線方向をZ方向として説明する。
(First embodiment)
A first embodiment will be described. In the SiC semiconductor device according to the present embodiment, an inverted vertical MOSFET having a trench gate structure having a saturation current suppressing layer shown in FIGS. 1 and 2 is formed as a semiconductor element. The vertical MOSFETs shown in these figures are formed in the cell region of the SiC semiconductor device, and the SiC semiconductor device is configured by forming the peripheral breakdown voltage structure so as to surround the cell region. Only vertical MOSFETs are shown here. 1 and 2, the depth direction of the vertical MOSFET is the X direction, the width direction of the vertical MOSFET crossing the X direction is the Y direction, and the thickness direction or depth direction of the vertical MOSFET is The horizontal direction, that is, the direction normal to the XY plane will be described as the Z direction.
セル部には、半導体素子として、縦型MOSFETが形成されている。図2は、セル部の一部を切り出して示した斜視断面図であるが、各部のレイアウトを見やすくするために、SiC半導体装置の構成の一部を省略して示してある。 A vertical MOSFET is formed as a semiconductor element in the cell portion. FIG. 2 is a perspective cross-sectional view showing a cut-out part of the cell portion, but the configuration of the SiC semiconductor device is partially omitted in order to make the layout of each portion easier to see.
図1および図2に示されるように、SiC半導体装置には、SiCからなるn+型基板1が半導体基板として用いられている。n+型基板1としては、例えば4H-SiCで、主面が(0001)面に対して所定の傾斜角度のオフ角、本実施形態の場合は[11-20]方向に対してオフ角を有したオフ基板が用いられている。
As shown in FIGS. 1 and 2, an SiC semiconductor device uses an n + -
n+型基板1の主表面上に、ドリフト層の一部を構成するn-型層2が形成されている。n+型基板1は、例えばn型不純物濃度が5.9×1018/cm3とされ、厚さが100μmとされている。n-型層2は、n+型基板1より低不純物濃度のSiCからなるエピタキシャル成長膜により構成されている。n-型層2は、例えばn型不純物濃度が7.0×1015~1.0×1016/cm3とされ、厚さが8.0μmとされている。
An n − -
n-型層2の上には、SiCからなるドリフト層の一部を構成するn型のJFET部3とp型の電界ブロック層4が形成されており、n-型層2は、n+型基板1から離れた位置においてJFET部3と連結されている。
An n-
JFET部3と電界ブロック層4は、飽和電流抑制層を構成するものであり、共に、X方向に延設され、Y方向において交互に繰り返し並べられて配置されている。つまり、n+型基板1の主表面に対する法線方向から見て、JFET部3の少なくとも一部と電界ブロック層4は、それぞれ複数の短冊状、換言すればストライプ状とされ、それぞれが交互に並べられたレイアウトとされている。
The
なお、本実施形態の場合、JFET部3が電界ブロック層4よりも下方まで形成されたものとされている。このため、JFET部3のうちストライプ状とされている部分は電界ブロック層4の下方において連結した状態になっているが、ストライプ状とされている各部はそれぞれ複数の電界ブロック層4の間に配置された状態となっている。
In this embodiment, the
JFET部3のうちストライプ状とされている部分の各部、つまり各短冊状の部分は、幅が例えば0.1~0.6μm、好ましくはより狭い0.1μmとされ、形成間隔となるピッチが例えば0.6~2.0μmとされている。また、JFET部3の厚みは、例えば1.5μmとされており、n型不純物濃度は、n-型層2よりも高くされていて、例えば5.0×1017~2.0×1018/cm3とされている。本実施形態の場合、JFET部3は、深さ方向においてn型不純物濃度が一定とされている。
Each striped portion of the
電界ブロック層4は、p型不純物層によって構成されている。上記したように、電界ブロック層4は、ストライプ状とされており、ストライプ状とされた電界ブロック層4の各短冊状の部分は、幅が例えば0.15~1.4μm、厚みが例えば1.4μmとされている。また、電界ブロック層4は、例えばP型不純物濃度が3.0×1017~1.0×1018/cm3とされている。本実施形態の場合、電界ブロック層4は、深さ方向においてp型不純物濃度が一定とされている。また、電界ブロック層4は、後述するように、JFET部3に対してp型不純物をイオン注入して形成したイオン注入層によって構成されている。また、電界ブロック層4は、図5A等に示すように、p型不純物以外にも横方向への拡がりを抑制するための欠陥が導入された欠陥導入部21が形成されたものとされている。このため、電界ブロック層4は、深さ方向においてほぼ一定幅とされており、下方位置、つまりn-型層2側となる裾の部分も上方位置とほぼ同じ幅とされている。ただし、欠陥導入部21については、電界ブロック層4の形成のために注入されたp型イオンの活性化熱処理によって欠陥が回復されており、SiC半導体装置としては欠陥が残っていない状態もしくはほぼ残っていない状態になっている。また、電界ブロック層4は、n-型層2と反対側の表面がJFET部3の表面と同一平面とされている。
The electric
より詳しくは、飽和電流抑制層は、詳細構造を示すと、図3のような断面形状になっており、各電界ブロック層4は、図中の太線で示したような断面形状が略矩形状の構造になっている。各電界ブロック層4は、p型不純物をイオン注入したのち活性化させられた活性化領域によって構成されており、活性化アニールにより後述する図5Bに示すp型イオン注入部20に含まれるp型不純物を活性化することによって形成される。このとき、p型イオン注入部20に加えて、図5Aに示す欠陥導入部21を形成した状態で活性化アニールを行うことで、活性化領域がほぼ一定幅になるようにしている。なお、このような効果が得られる理由については後述する。
More specifically, the saturation current suppression layer has a cross-sectional shape as shown in FIG. It has a structure of Each electric
さらに、JFET部3および電界ブロック層4の上には、SiCからなるドリフト層の一部を構成するn型電流分散層6が形成されている。n型電流分散層6は、後述するようにチャネルを通じて流れる電流がY方向に拡散できるようにする層であり、例えば、n-型層2よりもn型不純物濃度が高くされている。本実施形態では、n型電流分散層6は、n型不純物濃度がJFET部3と同じかそれよりも高くされ、厚みが0.5μmとされている。
Furthermore, on the
なお、本実施形態では、n-型層2とJFET部3およびn型電流分散層6によってドリフト層が構成されているが、ドリフト層の構成については任意であり、例えば、n-型層2とn+型基板1との間にバッファ層を備えた構造とすることもできる。
In this embodiment, the n − -
n型電流分散層6の上にはSiCからなるp型ベース領域7が形成されている。また、p型ベース領域7の上には、SiCからなるn+型ソース領域8が形成されている。n+型ソース領域8は、p型ベース領域7のうちn型電流分散層6と対応する部分の上に形成されている。
A p-
p型ベース領域7は、電界ブロック層4よりも厚みが薄く、かつ、p型不純物濃度が低くされており、例えばp型不純物濃度が3×1017/cm3とされ、厚さが0.3μmとされている。また、n+型ソース領域8は、n型不純物濃度がn型電流分散層6よりも高濃度とされており、例えば厚みが0.5μmとされている。
The p-type base region 7 is thinner than the electric field blocking layer 4 and has a lower p-type impurity concentration. 3 μm. The n + -
また、n+型ソース領域8の表面からp型ベース領域7およびn型電流分散層6を貫通して電界ブロック層4に達するように複数本のp型連結層9が形成されている。本実施形態では、p型連結層9は、JFET部3のうちのストライプ状の部分や電界ブロック層4の長手方向に対して交差する方向、ここではY方向を長手方向とした短冊状とされ、X方向に複数本並べられることでストライプ状にレイアウトされている。このp型連結層9を通じて、p型ベース領域7や電界ブロック層4が電気的に接続されている。本実施形態の場合、n+型ソース領域8の表面からp型ベース領域7およびn型電流分散層6を貫通して電界ブロック層4に達するディープトレンチ9aが形成され、このディープトレンチ9a内に埋め込まれるようにしてp型連結層9が形成されている。p型連結層9の形成ピッチは、後述するトレンチゲート構造の形成間隔となるセルピッチとは無関係に独立して設定されているが、p型連結層9が形成された部分においてチャネル密度を低下させることになるため、それを抑制できるように設定される。本実施形態の場合、各p型連結層9の間の距離を例えば30~100μm、各p型連結層9の幅を例えば0.4~1.0μmとしている。
A plurality of p-
さらに、p型ベース領域7およびn+型ソース領域8を貫通してn型電流分散層6に達するように、例えば幅が0.4μm、深さがp型ベース領域7とn+型ソース領域8の合計膜厚よりも0.2~0.4μm深くされたゲートトレンチ10が形成されている。このゲートトレンチ10の側面と接するように上述したp型ベース領域7およびn+型ソース領域8が配置されている。ゲートトレンチ10は、図2のY方向を幅方向、JFET部3や電界ブロック層4の長手方向と同方向、ここではX方向を長手方向、Z方向を深さ方向とする短冊状のレイアウトで形成されている。そして、図1、図2に示したように、ゲートトレンチ10は、複数本がY方向に等間隔に配置されたストライプ状とされており、それぞれの間にp型ベース領域7およびn+型ソース領域8が配置されている。
Furthermore, the p-
例えば、後述するようにゲートトレンチ10内に形成されるトレンチゲート構造の形成間隔となるセルピッチ、つまり隣り合うゲートトレンチ10の配置間隔となるセルピッチは、0.6~2.0μmとされている。ゲートトレンチ10の幅については任意であるが、セルピッチよりも小さくされている。また、セルピッチに対して、JFET部3の配置間隔となるJFETピッチ、換言すれば電界ブロック層4の配置間隔は、無関係に独立して設定可能であり、後述するようにJFET部3がピンチオフされる条件で設定されていれば良い。本実施形態の場合、図1および図2に示すようにセルピッチとJFETピッチを異ならせているが、これらを等しくしても良い。
For example, as will be described later, the cell pitch, which is the interval between trench gate structures formed in the
p型ベース領域7のうちゲートトレンチ10の側面に位置する部分を、縦型MOSFETの作動時にn+型ソース領域8とn型電流分散層6との間を繋ぐチャネル領域として、チャネル領域を含むゲートトレンチ10の内壁面がゲート絶縁膜11で覆われている。ゲート絶縁膜11の表面にはドープドPoly-Siにて構成されたゲート電極12が形成されており、これらゲート絶縁膜11およびゲート電極12によってゲートトレンチ10内が埋め尽くされ、トレンチゲート構造が構成されている。
The portion of the p-
また、図1に示すように、n+型ソース領域8の表面やゲート電極12の表面には、層間絶縁膜13を介してソース電極14などが形成されている。ソース電極14は、複数の金属、例えばNi/Al等で構成されている。そして、複数の金属のうち少なくともn型SiC、具体的にはn+型ソース領域8やn型ドープの場合のゲート電極12と接触する部分はn型SiCとオーミック接触可能な金属で構成されている。また、複数の金属のうち少なくともp型SiC、具体的にはp型連結層9と接触する部分はp型SiCとオーミック接触可能な金属で構成されている。なお、ソース電極14は、層間絶縁膜13上に形成されることでSiC部分と電気的に絶縁されているが、層間絶縁膜13に形成されたコンタクトホールを通じて、n+型ソース領域8およびp型連結層9と電気的に接触させられている。
Further, as shown in FIG. 1, a
一方、n+型基板1の裏面側にはn+型基板1と電気的に接続されたドレイン電極15が形成されている。このような構造により、nチャネルタイプの反転型のトレンチゲート構造の縦型MOSFETが構成されている。このような縦型MOSFETが複数セル配置されることでセル部が構成されている。
On the other hand, a
このように構成される縦型MOSFETを有するSiC半導体装置は、例えば、ソース電圧Vsを0V、ドレイン電圧Vdを1~1.5Vとした状態で、ゲート電極12に対して20Vのゲート電圧Vgを印加することで動作させられる。すなわち、ゲート電圧Vgが印加されることにより、縦型MOSFETは、ゲートトレンチ10に接する部分のp型ベース領域7にチャネル領域が形成され、ドレイン-ソース間に電流が流れるという動作を行う。
In a SiC semiconductor device having a vertical MOSFET configured in this manner, for example, a gate voltage Vg of 20 V is applied to the
このとき、JFET部3および電界ブロック層4が飽和電流抑制層として機能し、飽和電流抑制効果を発揮することで低オン抵抗を図りつつ、低飽和電流を維持することが可能となっている。具体的には、JFET部3のうちストライプ状とされた部分と電界ブロック層4とが交互に繰り返し形成された構造とされていることから、次に示すような作動を行う。
At this time, the
まず、ドレイン電圧Vdが例えば1~1.5Vのように通常作動時に印加される電圧である場合には、電界ブロック層4側からJFET部3へ伸びる空乏層は、JFET部3のうちストライプ状とされた部分の幅よりも小さい幅しか伸びない。このため、JFET部3内へ空乏層が伸びても電流経路が確保される。そして、JFET部3のn型不純物濃度がn-型層2よりも高くされていて、電流経路を低抵抗に構成できるため、低オン抵抗を図ることが可能となる。
First, when the drain voltage Vd is a voltage applied during normal operation, such as 1 to 1.5 V, the depletion layer extending from the electric
また、負荷短絡などによってドレイン電圧Vdが通常作動時の電圧よりも高くなると、電界ブロック層4側からJFET部3へ伸びる空乏層がJFET部3のうちストライプ状とされた部分の幅よりも伸びる。そして、n型電流分散層6よりも先にJFET部3が即座にピンチオフされる。このとき、JFET部3のうちストライプ状とされた部分の幅およびn型不純物濃度に基づいてドレイン電圧Vdと空乏層の幅との関係が決まる。このため、通常作動時のドレイン電圧Vdよりも少し高い電圧となったときにJFET部3がピンチオフされるように、JFET部3のうちストライプ状とされた部分の幅およびn型不純物濃度を設定する。これにより、低いドレイン電圧VdでもJFET部3をピンチオフすることが可能となる。特に、本実施形態では、ストライプ状とされた各JFET部3の幅が厚み方向においてほぼ一定幅とされており、下方位置でも上方位置とほぼ同じ幅になっている。このため、JFET部3の厚み方向の全域において的確にピンチオフするようにできる。このように、ドレイン電圧Vdが通常作動時の電圧よりも高くなったときにJFET部3が即座にピンチオフされるようにすることで、低飽和電流を維持することができ、負荷短絡等によるSiC半導体装置の耐量を向上することが可能となる。
Further, when the drain voltage Vd becomes higher than the voltage during normal operation due to a load short circuit or the like, the depletion layer extending from the electric
このように、JFET部3および電界ブロック層4が飽和電流抑制層として機能し、飽和電流抑制効果を発揮することで、低オン抵抗と低飽和電流を両立することができるSiC半導体装置とすることが可能となる。
In this way, the
さらに、JFET部3を挟み込むように電界ブロック層4を備えることで、JFET部3のうちストライプ状とされた部分と電界ブロック層4とが交互に繰り返し形成された構造とされている。このため、ドレイン電圧Vdが高電圧になったとしても、下方からn-型層2に伸びてくる空乏層の伸びが電界ブロック層4によって抑えられ、トレンチゲート構造に延伸することを防ぐことができる。したがって、ゲート絶縁膜11に掛かる電界を低下させる電界抑制効果を発揮させられ、ゲート絶縁膜11が破壊されることを抑制できるため、高耐圧化で信頼性の高い素子とすることが可能となる。そして、このようにトレンチゲート構造への空乏層の延伸を防げるため、n-型層2やJFET部3のn型不純物濃度を比較的濃くすることができ、低オン抵抗化を図ることが可能となる。
Furthermore, by providing the electric
よって、低オン抵抗かつ高信頼性の縦型MOSFETを有するSiC半導体装置とすることが可能となる。 Therefore, it is possible to provide a SiC semiconductor device having a vertical MOSFET with low on-resistance and high reliability.
一方、本実施形態のSiC半導体装置は、ゲート電圧Vgを印加していないときには、チャネル領域が形成されていないため、ドレイン-ソース間に電流が流れないノーマリオフ型の半導体素子となる。また、JFET部3については、ゲート電圧Vgを印加していないときでもドレイン電圧Vdが通常作動時の電圧よりも高くならないとピンチオフしないため、ノーマリオン型となる。
On the other hand, the SiC semiconductor device of this embodiment is a normally-off semiconductor element in which no current flows between the drain and the source because the channel region is not formed when the gate voltage Vg is not applied. Further, the
なお、縦型MOSFETの各構成要素の厚みや深さ、不純物濃度の一例について説明したが、これらについては一例を示したに過ぎず、上記のような動作が行われる限り、他の厚みや深さ、不純物濃度とされていても良い。 An example of the thickness, depth, and impurity concentration of each component of the vertical MOSFET has been described, but these are only examples, and other thicknesses and depths can be used as long as the above operations are performed. Alternatively, it may be the impurity concentration.
例えば、JFET部3の幅、つまりJFET部3が複数本並べられた配列方向における寸法については、飽和電流抑制効果が得られるように設定されていればよい。
For example, the width of the
また、電界ブロック層4の幅、つまり電界ブロック層4が複数本並べられた配列方向における寸法については、低オン抵抗と電界抑制効果とを考慮して設定されていればよい。電界ブロック層4の幅を大きくすると、相対的にJFET部3の形成割合が少なくなり、JFET抵抗を増大させる要因となるため小さい方が有利であるが、小さ過ぎると、オフ時に電界ブロック層4の側面からも空乏層が広がったときに電界抑制効果が低減する。このため、JFET抵抗の低減による低オン抵抗の実現と、電界抑制効果を考慮して電界ブロック層4の幅を設定すれば良い。
Further, the width of the electric
次に、本実施形態にかかるnチャネルタイプの反転型のトレンチゲート構造の縦型MOSFETを備えたSiC半導体装置の製造方法について、図4A~図4Gに示す製造工程中の断面図を参照して説明する。 Next, a method for manufacturing a SiC semiconductor device having a vertical MOSFET having an n-channel type inverted trench gate structure according to the present embodiment will be described with reference to cross-sectional views during manufacturing steps shown in FIGS. 4A to 4G. explain.
〔図4Aに示す工程〕
まず、半導体基板として、例えば4H-SiCで構成され、表面が(0001)Si面とされていると共に[11-20]方向に対して4°のオフ角を有するn+型基板1を用意する。そして、図示しないCVD(chemical vapor deposition)装置を用いたエピタキシャル成長により、n+型基板1の主表面上にSiCからなるn-型層2を形成する。このとき、n+型基板1の主表面上に予めn-型層2を成長させてある所謂エピ基板を用いても良い。そして、n-型層2の上にSiCからなるJFET部3をエピタキシャル成長させる。
[Steps shown in FIG. 4A]
First, as a semiconductor substrate, an n + -
なお、エピタキシャル成長については、SiCの原料ガスとなるシランやプロパンに加えて、n型ドーパント、例えば窒素(N2)を導入することで行っている。 Epitaxial growth is performed by introducing an n-type dopant such as nitrogen (N 2 ) in addition to silane and propane, which are source gases for SiC.
〔図4Bに示す工程〕
JFET部3の所定領域に電界ブロック層4を形成する。このとき、電界ブロック層4の横方向の拡がりが抑制されるような手法により、電界ブロック層4を形成する。これについて、図5A~図5Cを参照して説明する。
[Steps shown in FIG. 4B]
An electric
まず、図5Aに示す工程として欠陥導入部21の形成工程を行う。酸化膜などで構成されるマスク16を配置したのち、マスク16の所望位置を開口させる。具体的には、図中に太破線で示した領域が電界ブロック層4の形成予定領域の狙い幅であるとすると、マスク16のうちの電界ブロック層4の形成予定領域の両側を開口させる。
First, the step of forming the defect introduced
そして、マスク16の上から欠陥形成用の物質照射を行う。例えば、電子線照射、サイクロトロンなどを用いたイオン照射(イオン注入)などを行う。この物質注入により、マスク16が開口している電界ブロック層4の形成予定領域の両側に欠陥が導入された欠陥導入部21が形成される。電子線照射を行う場合における電子線の照射量を多くしたり、イオン注入を行う場合におけるイオンのドーズ量を多くしたハイドーズとしつつ、加速エネルギーを調整することで所望深さの位置に欠陥を形成できる。イオン注入の場合には、不純物にならないイオン、例えばシリコン(Si)や炭素(C)などを用いることができる。
Then, irradiation of a substance for defect formation is performed from above the
また、ここではマスク16を用いて物質照射を行っているが、レーザ照射によって熱を加えることでも欠陥を形成できる。レーザ照射の場合、照射したい場所にレーザを走査し、照射エネルギーと焦点位置を調整することで所望深さの位置に欠陥を形成できる。
Further, here, although the
欠陥導入部21の欠陥密度については任意であるが、例えばp型イオン注入部20に注入するp型不純物と同量にすると好ましく、異なる量としても良い。例えば、p型イオン注入部20を形成する際のp型不純物量よりも欠陥導入部21における欠陥密度の方が高い方が望ましい。
続いて、図5Bに示すように、マスク16を除去したのち、改めてマスク17を配置し、マスク17のうち電界ブロック層4の形成予定領域を開口させる。そして、p型不純物として例えばAlをイオン注入することで、不純物イオン注入部に相当するp型イオン注入部20を形成する。その後、マスク17を除去してから図5Cに示すように、例えばカーボン膜18で表面を覆った状態で熱処理を行うことによって注入されたp型不純物を活性化させることで、電界ブロック層4を形成する。
Although the defect density of the defect introduced
Subsequently, as shown in FIG. 5B, after the
このとき、p型イオン注入部20のうちn+型基板1の厚み方向(Z方向)に対して垂直な方向となる幅方向の両側に欠陥導入部21が形成された状態で活性化アニールが行われる。このため、p型イオン注入部20のうち欠陥導入部21が形成されている領域については、p型不純物の横方向への拡がりが抑制される。すなわち、p型不純物を注入する際に、格子間のSiやCと衝突を繰り返すことで横拡がりしてしまい、特に深い位置、例えばJFET部3の厚みの中心よりもn-型層2側ではp型不純物が狙い幅よりも外側にも分布した状態になる。しかしながら、欠陥導入部21が形成された状態で活性化アニールを行うようにすれば、欠陥導入部21に含まれる欠陥に横拡がりしていたp型不純物がトラップされ、p型不純物の横拡がりが抑制される。これにより、p型イオン注入部20のうち活性化した部分によって構成される電界ブロック層4は、図5Cの太線で示されるように、ほぼ幅が一定なものになり、YZ平面において矩形状となる。
At this time, activation annealing is performed in a state in which the defect-introduced
シミュレーションにより、加速エネルギーを変えて単にAlをSiCに対してイオン注入を行い、欠陥導入部21については形成せずに横方向の拡がり方について確認したところ、図6A~図6Dに示す結果が得られた。図6A~図6Dは、加速エネルギーを500eV、1000eV、2000eV、3000eVに変えて、ウェハの主面の法線方向とイオン注入方向が一致するようにしてイオン注入した場合でのシミュレーションである。シミュレーションでは、マスクを配置して注入位置を限定した上でSiCに対してAlのイオン注入を行っている。図6A~図6Dのいずれの場合も、ドーズ量については2.5×1015cm-2としている。各図の縦軸Xは、イオン注入を行った表面からの深さを示し、横軸Yは、イオン注入の横拡がり量を示している。また、イオン注入後の不純物濃度については、各図の右側に記載した通りハッチングの濃淡で示した大小関係となっている。
By simulation, Al was simply ion-implanted into SiC by changing the acceleration energy, and the lateral spread was confirmed without forming the defect-introduced
図6A~図6Dから分かるように、欠陥導入部21を形成せずに活性化アニールを行った場合、Alイオンが横方向に拡がっており、加速エネルギーを増加させて深くまで注入しようとするほど、より横方向の拡がり量が大きくなっている。これは、イオンが深く注入される前にSiCを構成する格子間原子と衝突し、イオンが横方向に拡がるためである。
As can be seen from FIGS. 6A to 6D, when the activation annealing is performed without forming the defect introduced
一方、SIMS(二次イオン質量分析法)により、欠陥導入部21を形成した場合のイオン注入後の活性化アニール前と活性化アニール後でのp型不純物濃度プロファイルについて調べた。ここでは、0.2μm程度の深さの位置に欠陥導入部21を形成し、表面から深さ0.2μmの位置までを飛程としたイオン注入を行って、p型不純物濃度が1×1020cm-3のp型不純物層を形成することを想定したシミュレーションを行った。所定深さの位置に欠陥導入部21を形成しているが、欠陥にp型不純物がトラップされる状態を確認するという意味では、p型不純物の横拡がりを調べるのと同様と考えて良い。図7は、その結果を示している。
On the other hand, SIMS (secondary ion mass spectroscopy) was used to examine the p-type impurity concentration profile before and after the activation annealing after the ion implantation when the defect introduced
図中に破線で囲んだように、イオン注入後の活性化アニール前と比較して、活性化アニール後では、深さ0.2μm程度の位置においてp型不純物の不純物濃度が高くなっている。これは、欠陥導入部21に含まれた欠陥にp型不純物がトラップされて偏析していることを意味している。
As shown by the dashed line in the figure, the impurity concentration of the p-type impurity is higher at a depth of about 0.2 μm after activation annealing than before activation annealing after ion implantation. This means that the p-type impurities are trapped and segregated in the defects included in the defect introduced
この結果より、本実施形態のように、p型イオン注入部20の両側に欠陥導入部21を形成した状態で活性化アニールを行うことで、p型不純物の横方向への拡がりを抑制することが可能となることが判る。そして、このことからも、本実施形態のように欠陥導入部21を形成した状態で活性化アニールを行って電界ブロック層4を形成すれば、電界ブロック層4をほぼ一定幅で形成することが可能となると言える。本実施形態のように、電界ブロック層4の形成の際に欠陥導入部21を形成しておけば、電界ブロック層4の幅方向の両側において、p型不純物濃度が電界ブロック層4の他の領域よりも高くなった構造としつつ、電界ブロック層4を一定幅で形成することができる。
From this result, it can be seen that the lateral spread of the p-type impurity can be suppressed by performing the activation annealing with the defect introduced
なお、活性化アニール時に欠陥が修復されて結晶性が回復されるが、欠陥密度が濃いと結晶性が完全には回復せず、欠陥導入部21が一部残存した状態になる。
Although the defects are repaired and the crystallinity is recovered during the activation annealing, if the defect density is high, the crystallinity is not completely recovered and the defect-introduced
〔図4Cに示す工程〕
引き続き、図示しないCVD装置を用いて、JFET部3および電界ブロック層4の上にn型SiCをエピタキシャル成長させることで、n型電流分散層6を形成する。
[Steps shown in FIG. 4C]
Subsequently, an n-type current spreading
〔図4Dに示す工程〕
さらに、n型電流分散層6の上にp型ベース領域7およびn+型ソース領域8をエピタキシャル成長させる。
[Steps shown in FIG. 4D]
Furthermore, a p-
〔図4Eに示す工程〕
n+型ソース領域8の上にp型連結層9と対応する位置を開口させた図示しないマスクを形成する。そして、そのマスクを用いてRIE(Reactive Ion Etching)等の異方性エッチングを行うことで、n+型ソース領域8、p型ベース領域7およびn型電流分散層6を順に除去し、JFET部3および電界ブロック層4に達するディープトレンチ9aを形成する。そして、マスクを除去する。
[Steps shown in FIG. 4E]
A mask (not shown) having an opening corresponding to the p-
〔図4Fに示す工程〕
図示しないCVD装置を用いて、ディープトレンチ9a内を埋め込むようにp型SiCをエピタキシャル成長させる。そして、エッチバックによりディープトレンチ9a内にのみp型SiCを残すことでp型連結層9を形成する。
[Steps shown in FIG. 4F]
Using a CVD apparatus (not shown), p-type SiC is epitaxially grown so as to fill the
〔図4Gに示す工程〕
n+型ソース領域8などの上に図示しないマスクを形成したのち、マスクのうちのゲートトレンチ10の形成予定領域を開口させる。そして、マスクを用いてRIE等の異方性エッチングを行うことで、ゲートトレンチ10を形成する。
[Steps shown in FIG. 4G]
After forming a mask (not shown) on the n + -
その後、マスクを除去してから例えば熱酸化を行うことによって、ゲート絶縁膜11を形成し、ゲート絶縁膜11によってゲートトレンチ10の内壁面上およびn+型ソース領域8の表面上を覆う。そして、p型不純物もしくはn型不純物がドープされたPoly-Siをデポジションした後、これをエッチバックし、少なくともゲートトレンチ10内にPoly-Siを残すことでゲート電極12を形成する。これにより、トレンチゲート構造が完成する。
Thereafter, after removing the mask, a
この後の工程については図示しないが、以下のような工程を行う。すなわち、ゲート電極12およびゲート絶縁膜11の表面を覆うように、例えば酸化膜などによって構成される層間絶縁膜13を形成する。また、図示しないマスクを用いて層間絶縁膜13にn+型ソース領域8およびp型連結層9を露出させるコンタクトホールを形成する。そして、層間絶縁膜13の表面上に例えば複数の金属の積層構造により構成される電極材料を形成したのち、電極材料をパターニングすることでソース電極14を形成する。さらに、n+型基板1の裏面側にドレイン電極15を形成する。このようにして、本実施形態にかかるSiC半導体装置が完成する。
Although not shown, the following steps are performed. That is, an
以上説明したように、本実施形態のSiC半導体装置では、JFET部3に対して電界ブロック層4をイオン注入によって形成する際に、欠陥導入部21を形成しているため活性化アニールの際にp型イオン注入部20のp型不純物が欠陥にトラップされるようにできる。これにより、最終的に形成される電界ブロック層4をほぼ一定幅で構成することが可能となる。したがって、飽和電流抑制層を備えた構造において、電界ブロック層4が横方向に拡がってしまうことによるJFET部3の幅の縮小化を抑制することが可能になる。よって、JFET部3の幅が縮小されることによるオン抵抗の増加を抑制することが可能となる。
As described above, in the SiC semiconductor device of the present embodiment, when the electric
(第1実施形態の変形例)
(1)上記第1実施形態では、電界ブロック層4をイオン注入層で構成するように、つまりJFET部3を形成してからp型不純物をイオン注入することで電界ブロック層4を形成するようにした。これに対して、JFET部3をイオン注入層で構成するように、つまり電界ブロック層4をn-型層2の上にエピタキシャル成長させたのち、n型不純物をイオン注入することでJFET部3を形成しても良い。
(Modified example of the first embodiment)
(1) In the first embodiment, the electric
その場合、電界ブロック層4に対してn型イオン注入部を形成する際に、n型イオン注入部の幅方向両側に欠陥導入部21を形成しておくことで、JFET部3の横方向の拡がりを抑制でき、JFET部3をほぼ一定幅で形成できる。
In that case, when forming the n-type ion implanted portion for the electric
このように電界ブロック層4を先に形成しておき、JFET部3をイオン注入によって形成するような構造とすることもできる。この場合には、JFET部3の幅がほぼ一定となるようにできるため、JFET部3の幅が下方位置で拡がってしまうことによる電界ブロック層4の幅の縮小化を抑制することが可能になる。したがって、電界ブロック層4からJFET部3側への空乏層の伸び量が足りないためにピンチオフしなくなって飽和電流が増加してしまうことなどを抑制することが可能となる。
As described above, the electric
(2)第1実施形態では、一方向を長手方向とするJFET部3および電界ブロック層4の長手方向とトレンチゲート構造の長手方向が同方向となるようにしたが、これらが異なる方向、つまり交差する方向となっていても良い。
(2) In the first embodiment, the longitudinal direction of the
(第2実施形態)
第2実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対してSJ構造を備えたものであり、その他については第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
(Second embodiment)
A second embodiment will be described. The present embodiment has an SJ structure in comparison with the first embodiment, and is otherwise the same as the first embodiment, so only the parts different from the first embodiment will be described.
図8に示すように、n-型層2の上にSJ構造を構成するn型ピラー50とp型ピラー51とが形成されている。n型ピラー50とp型ピラー51は、共に、Y方向に延設され、X方向において交互に繰り返し並べられて配置されている。つまり、n+型基板1の主表面に対する法線方向から見て、n型ピラー50とp型ピラー51は、それぞれ複数の短冊状、換言すればストライプ状とされ、それぞれが交互に並べられたレイアウトとされている。n型ピラー50およびp型ピラー51の幅および不純物濃度はチャージバランスが取られた設定とされている。
As shown in FIG. 8, an n-
そして、SJ構造の上にJFET部3および電界ブロック層4で構成された飽和電流抑制層が形成され、さらに第1実施形態で説明した縦型MOSFETを構成する各部が形成されている。
A saturation current suppressing layer composed of a
このように、第1実施形態に対して、n-型層2と飽和電流抑制層との間にSJ構造を備えた構成としている。このようなSJ構造を備えることで、n型ピラー50およびp型ピラー51の間において空乏層を広げることができ、耐圧を確保できるため、n型ピラー50の不純物濃度を高くできて、オン抵抗を低減することが可能となる。
In this way, unlike the first embodiment, the SJ structure is provided between the n − -
なお、SJ構造は、例えばn-型層2の上にn型ピラー50もしくはp型ピラー51のいずれかをエピタキシャル成長させたのち、他方をイオン注入することによって形成することができる。この場合にも、エピタキシャル成長させた不純物層に対してn型もしくはp型不純物を注入する際に、イオン注入部の幅方向両側に欠陥導入部21を形成しておく。これにより、n型ピラー50やp型ピラー51の横方向の拡がりを抑制でき、n型ピラー50やp型ピラー51をほぼ一定幅で形成できる。
The SJ structure can be formed, for example, by epitaxially growing either the n-
(第2実施形態の変形例)
(1)第2実施形態のようにSJ構造を備える場合、SJ構造を構成するn型ピラー50およびp型ピラー51の配列方向がオフ方向、つまり主面と(0001)面とにオフ角が設けられた方向に沿う方向となるようにしても良い。
(Modification of Second Embodiment)
(1) When the SJ structure is provided as in the second embodiment, the arrangement direction of the n-
(2)第2実施形態において、SJ構造を構成するn型ピラー50およびp型ピラー51の長手方向は、飽和電流抑制層を構成するJFET部3および電界ブロック層4の長手方向と垂直な方向に限らない。つまり、垂直以外に交差する方向や同方向といった異なる方向であっても良い。同方向とする場合には、例えば、n型ピラー50とJFET部3のピッチを合わせ、n型ピラー50の上方にJFET部3が配置されるようにする。また、p型ピラー51と電界ブロック層4のピッチを合わせ、p型ピラー51の上方に電界ブロック層4が形成されるようにする。n型ピラー50およびp型ピラー51の幅についてはSJ構造を構成するのに適したチャージバランスを考慮したものとし、JFET部3および電界ブロック層4の幅については飽和電流抑制層を構成するのに適したものとする。
(2) In the second embodiment, the longitudinal direction of the n-
このような構成とする場合、SJ構造についてはn型ピラー50とp型ピラー51のいずれか一方をエピタキシャル成長により形成し、他方をエピタキシャル成長させた方に対してイオン注入することで形成する。同様に、飽和電流抑制層についても、JFET部3と電界ブロック層4のいずれか一方をエピタキシャル成長により形成し、他方をエピタキシャル成長させた方に対してイオン注入することで形成する。その場合に、SJ構造を形成するためのイオン注入の際や飽和電流抑制層を形成するためのイオン注入の際に、欠陥導入部21を形成しておくことで、第1実施形態の効果が得られる。
In such a configuration, the SJ structure is formed by epitaxially growing one of the n-
なお、ここでは、n型ピラー50とJFET部3が繋がり、p型ピラー51と電界ブロック層4が繋がって形成される形態として説明しているため、n型ピラー50とJFET部3のピッチを合わせるようにしている。しかしながら、JFET部3が電界ブロック層4よりも下方まで形成されていて、電界ブロック層4とp型ピラー51が繋がらない構造になっている場合には、必ずしもn型ピラー50とJFET部3のピッチを合わせなくても良い。
Here, since the n-
(3)第2実施形態では、SJ構造と飽和電流抑制層の双方を備えた構造としているが、飽和電流抑制層を無くしてSJ構造のみを備える構造としても良い。 (3) In the second embodiment, the structure includes both the SJ structure and the saturation current suppressing layer, but the structure may include only the SJ structure without the saturation current suppressing layer.
(第3実施形態)
第3実施形態について説明する。本実施形態は、第1、第2実施形態に対してイオン注入方法を変更したものであり、その他については第1、第2実施形態と同様であるため、第1、第2実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
(Third embodiment)
A third embodiment will be described. This embodiment differs from the first and second embodiments in that the ion implantation method is different from that of the first and second embodiments, and the rest is the same as in the first and second embodiments. Only part will be explained.
本実施形態では、イオン注入によって不純物層を形成する際に、不純物層の幅方向の両側に形成する欠陥導入部21の形成位置と不純物層の形成位置との関係が自己整合的に設定されるようにする。具体的には、第1、第2実施形態において、不純物層を形成するためのイオン注入を図9A~図9Dのようにして行う。なお、ここではJFET部3に対して電界ブロック層4を形成する際のイオン注入を行う場合を例に挙げて説明するが、JFET部3、n型ピラー50、p型ピラー51などの不純物層をイオン注入で形成する場合も同様である。
In the present embodiment, when the impurity layer is formed by ion implantation, the relationship between the formation positions of the
まず、図9Aに示すように、酸化膜などで第1マスクに相当するマスク40を配置したのち、マスク40の所望位置を開口させる。具体的には、マスク40のうち第1実施形態で説明したp型イオン注入部20の形成予定領域に第1開口部に相当する開口部40aを形成すると共に、欠陥導入部21の形成予定領域に第2開口部に相当する開口部40bを形成する。このとき、マスク40への開口の形成を同時に行っていることから、開口部40aと開口部40bを一定の間隔で位置ズレすることなく形成することが可能となる。
First, as shown in FIG. 9A, after disposing a
そして、図9Bに示すように、マスク40および開口部40a、40bを覆うように第2マスクに相当するレジスト41を塗布したのち、露光現像により、レジスト41のうち開口部40aの上に形成された部分などを残し、開口部40bを露出させる。そして、マスク40およびレジスト41の上から欠陥形成用の物質照射を行うことで欠陥導入部21を形成する。
Then, as shown in FIG. 9B, after applying a resist 41 corresponding to a second mask so as to cover the
続いて、レジスト41を除去したのち、図9Cに示すように改めて第3マスクに相当するレジスト42を塗布し、露光現像により、レジスト42のうち開口部40bの上に形成された部分などを残し、開口部40aを露出させる。そして、図9Dに示すように、p型不純物として例えばAlをイオン注入することでp型イオン注入部20を形成する。その後、熱処理によって注入されたイオンを活性化させることで、電界ブロック層4を形成する。
Subsequently, after removing the resist 41, a resist 42 corresponding to a third mask is applied again as shown in FIG. , to expose the
このときも、p型イオン注入部20における幅方向の両側に欠陥導入部21が形成された状態で活性化を行うようにしているため、p型イオン注入部20のうち欠陥導入部21の近傍については、p型不純物の横方向への拡がりが抑制される。これにより、p型イオン注入部20のうち活性化した部分によって構成される電界ブロック層4は、第1実施形態で説明した図5Cに示されるように、ほぼ幅が一定なものになる。
At this time as well, since the activation is performed in a state in which the defect introduced
このようにして電界ブロック層4を形成する場合、開口部40aと開口部40bが位置ずれすることなく形成された状態になっていることから、p型イオン注入部20と欠陥導入部21が位置ずれなく正確な位置関係で形成できる。すなわち、p型イオン注入部20と欠陥導入部21とを自己整合的に形成することができる。したがって、電界ブロック層4をより精度良く形成することが可能となる。
When the electric
(他の実施形態)
本開示は、上記した実施形態に準拠して記述されたが、当該実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。
(Other embodiments)
Although the present disclosure has been described based on the above embodiment, it is not limited to the embodiment, and includes various modifications and modifications within the equivalent range. In addition, various combinations and configurations, as well as other combinations and configurations, including single elements, more, or less, are within the scope and spirit of this disclosure.
(1)例えば、上記各実施形態では、飽和電流抑制層を有する構造やSJ構造を形成するためのイオン注入において欠陥導入部21を形成することで、イオン注入により形成する不純物層の幅がほぼ一定となるようにする例を挙げて説明した。しかしながら、これは一例を挙げたに過ぎず、SiC基板に対してエピタキシャル成長膜で構成される一方の導電型の第1不純物層を形成し、第1不純物層に対して他方の導電型の第2不純物層をイオン注入層によって所定幅で構成するものに本発明を適用できる。すなわち、第1不純物層に対して第2不純物層をイオン注入によって形成する際に、第2不純物層の幅方向の両側に欠陥導入部21を形成すれば良い。そして、上記各実施形態では、第2不純物層がほぼ一定幅で構成されるようにしているが、第2不純物層の幅を所望する所定幅に制御したい場合に、欠陥導入部21を形成するすれば良い。
(1) For example, in each of the above-described embodiments, the width of the impurity layer formed by ion implantation is reduced to approximately An example of making it constant has been given and explained. However, this is only an example, and a first impurity layer of one conductivity type composed of an epitaxially grown film is formed on the SiC substrate, and a second impurity layer of the other conductivity type is formed on the first impurity layer. The present invention can be applied to a device in which an impurity layer is formed of an ion-implanted layer with a predetermined width. That is, when the second impurity layer is formed by ion implantation into the first impurity layer, the defect-introducing
そして、このような条件で第2不純物層を形成することで、第2不純物層が下方位置において横方向に拡がることを抑制でき、第2不純物層の幅をほぼ一定にすることができて、デバイス特性を安定化することが可能となる。 By forming the second impurity layer under such conditions, the lateral expansion of the second impurity layer at the lower position can be suppressed, and the width of the second impurity layer can be made substantially constant. Device characteristics can be stabilized.
なお、上記各実施形態では、欠陥導入部21を形成してから不純物イオン注入部に相当するp型イオン注入部20を形成しているが、順序が逆であっても構わない。
In each of the above embodiments, the p-type ion-implanted
(2)また、第1実施形態の変形例や第2実施形態の変形例においても、JFET部3が電界ブロック層4よりも深くなるような構造としても良い。つまり。電界ブロック層4を形成しておいてから、イオン注入によってJFET部3を形成するような製造方法とする場合においても、JFET部3を電界ブロック層4と同じ深さにすることもできるし、JFET部3が電界ブロック層4よりも深くなるようにすることもできる。
(2) Also in the modified example of the first embodiment and the modified example of the second embodiment, the structure may be such that the
このように、JFET部3を電界ブロック層4よりも深くすると、電界ブロック層4からn-型層2側に2次元的に伸びる2次元空乏層の伸び量を抑制することが可能なる。つまり、電界ブロック層4側からn-型層2内に伸びる空乏層がJFET部3の下方に入り込むことを更に抑制できる。このため、JFET部3における電流の出口の狭窄を抑制することができ、低オン抵抗とすることが可能となる。
By making the
(3)また、上記各実施形態で示したSiC半導体装置を構成する各部の不純物濃度や厚み、幅等の各種寸法については一例を示したに過ぎない。さらに、結晶多形として4Hを例に挙げたが、他の結晶多形、例えば6H等のSiC基板を用いても良い。 (3) Further, various dimensions such as the impurity concentration, thickness, and width of each portion constituting the SiC semiconductor device shown in each of the above embodiments are merely examples. Furthermore, although 4H was mentioned as an example of the crystal polymorph, SiC substrates of other crystal polymorphs, such as 6H, may also be used.
(4)また、上記各実施形態では、第1導電型をn型、第2導電型をp型としたnチャネルタイプの縦型MOSFETを例に挙げて説明したが、各構成要素の導電型を反転させたpチャネルタイプの縦型MOSFETとしても良い。また、上記説明では、半導体素子として縦型MOSFETを例に挙げて説明したが、同様の構造のIGBTに対しても本発明を適用することができる。nチャネルタイプのIGBTの場合、上記各実施形態に対してn+型基板1の導電型をn型からp型に変更するだけであり、その他の構造や製造方法に関しては上記各実施形態と同様である。また、トレンチゲート構造を例に挙げたが、プレーナ型のMOSFETやIGBTであっても良いし、MOSFETやIGBT以外の素子であっても良い。
(4) In each of the above-described embodiments, an n-channel type vertical MOSFET in which the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type has been described as an example. may be a p-channel type vertical MOSFET obtained by inverting . Further, in the above description, a vertical MOSFET is used as an example of a semiconductor element, but the present invention can also be applied to an IGBT having a similar structure. In the case of an n-channel type IGBT, the conductivity type of the n + -
(5)なお、結晶の方位等を示す場合、本来ならば所望の数字の上にバー(-)を付すべきであるが、電子出願に基づく表現上の制限が存在するため、本明細書においては、所望の数字の前にバーを付すものとする。 (5) In addition, when indicating crystal orientation etc., a bar (-) should be attached above the desired number, but since there are restrictions on expression based on electronic filing, in this specification shall precede the desired number with a bar.
1 n+型基板
3 JFET部
4 電界ブロック層
20 p型イオン注入部
21 欠陥導入部
40 マスク
40a、40b 開口部
41、42 レジスト
50 n型ピラー
51 p型ピラー
Reference Signs List 1 n + type substrate 3
Claims (8)
炭化珪素基板(1)と、
前記炭化珪素基板の上に形成されたエピタキシャル成長膜にて構成され、第1導電型と第2導電型の一方で構成された第1不純物層(3)と、
前記第1不純物層の所望位置に形成され、イオン注入層によって構成されると共に第1導電型と第2導電型の他方で構成された第2不純物層(4)と、を有し、
前記第2不純物層は、該第2不純物層のうち前記炭化珪素基板の厚み方向に対して垂直な方向となる幅方向の両側において、該第2不純物層に含まれる第1導電型と第2導電型の他方の不純物濃度が該第2不純物層のうちの他の領域よりも高くなっていて、該第2不純物層の幅が所定幅とされている、炭化珪素半導体装置。 A silicon carbide semiconductor device,
a silicon carbide substrate (1);
a first impurity layer (3) composed of an epitaxially grown film formed on the silicon carbide substrate and composed of one of a first conductivity type and a second conductivity type;
a second impurity layer (4) formed at a desired position of the first impurity layer, composed of an ion-implanted layer and composed of the other of a first conductivity type and a second conductivity type;
The second impurity layer has a first conductivity type and a second The silicon carbide semiconductor device, wherein the impurity concentration of the other conductivity type is higher than that of the other region of the second impurity layer, and the width of the second impurity layer is set to a predetermined width.
第1または第2導電型とされた前記炭化珪素基板と、
前記炭化珪素基板の上に形成され、前記炭化珪素基板よりも低不純物濃度とされた第1導電型の炭化珪素で構成された第1導電型層(2)と、
前記第1導電型層の上に形成され、一方向を長手方向として複数本がストライプ状に並べられた第2導電型の炭化珪素からなる電界ブロック層(4)、および、前記一方向を長手方向として前記電界ブロック層と交互に複数本がストライプ状に並べられた部分を有する第1導電型の炭化珪素からなるJFET部(3)を備えた飽和電流抑制層(3、4)と、
前記飽和電流抑制層の上に形成され、前記第1導電型層よりも第1導電型不純物濃度が高くされた第1導電型の炭化珪素からなる電流分散層(6)と、
前記電流分散層の上に形成された第2導電型の炭化珪素からなるベース領域(7)と、
前記ベース領域の上に形成され、前記第1導電型層よりも第1導電型不純物濃度が高くされた第1導電型の炭化珪素からなるソース領域(8)と、
前記ソース領域と前記電流分散層との間における前記ベース領域の表面に形成されたゲート絶縁膜(11)と、
前記ゲート絶縁膜の上に配置され、一方向を長手方向として形成されたゲート電極(12)と、
前記ゲート電極および前記ゲート絶縁膜を覆うと共にコンタクトホールが形成された層間絶縁膜(13)と、
前記コンタクトホールを通じて、前記ソース領域に電気的に接続されたソース電極(14)と、
前記炭化珪素基板の裏面側に形成されたドレイン電極(15)と、を含み、
前記JFET部および前記電界ブロック層のいずれか一方が前記第1不純物層で他方が前記第2不純物層である、請求項1ないし3のいずれか1つに記載の炭化珪素半導体装置。 having an inverted semiconductor element,
the silicon carbide substrate of the first or second conductivity type;
a first conductivity type layer (2) formed on the silicon carbide substrate and made of first conductivity type silicon carbide having an impurity concentration lower than that of the silicon carbide substrate;
an electric field blocking layer (4) formed on the first conductivity type layer and made of silicon carbide of the second conductivity type in which a plurality of layers are arranged in a stripe shape with one direction being the longitudinal direction; and saturation current suppression layers (3, 4) comprising a JFET portion (3) made of silicon carbide of the first conductivity type and having portions in which a plurality of stripes are arranged alternately with the electric field blocking layers in a direction;
a current spreading layer (6) formed on the saturation current suppression layer and made of first conductivity type silicon carbide having a first conductivity type impurity concentration higher than that of the first conductivity type layer;
a base region (7) made of second conductivity type silicon carbide formed on the current spreading layer;
a source region (8) formed on the base region and made of first conductivity type silicon carbide having a first conductivity type impurity concentration higher than that of the first conductivity type layer;
a gate insulating film (11) formed on the surface of the base region between the source region and the current spreading layer;
a gate electrode (12) disposed on the gate insulating film and formed with one direction as a longitudinal direction;
an interlayer insulating film (13) covering the gate electrode and the gate insulating film and having a contact hole formed therein;
a source electrode (14) electrically connected to the source region through the contact hole;
a drain electrode (15) formed on the back surface side of the silicon carbide substrate,
4. The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein one of said JFET portion and said electric field blocking layer is said first impurity layer and the other is said second impurity layer.
第1または第2導電型とされた前記炭化珪素基板と、
前記炭化珪素基板の上に形成され、前記炭化珪素基板よりも低不純物濃度とされた第1導電型の炭化珪素で構成された第1導電型層(2)と、
前記第1導電型層の上に形成され、一方向を長手方向として延設された第1導電型ピラー(50)と第2導電型ピラー(51)が交互に複数本ストライプ状に並べられることで構成されたスーパージャンクション構造(50、51)と、
前記スーパージャンクション構造の上に形成され、前記第1導電型層よりも第1導電型不純物濃度が高くされた第1導電型の炭化珪素からなる電流分散層(6)と、
前記電流分散層の上に形成された第2導電型の炭化珪素からなるベース領域(7)と、
前記ベース領域の上に形成され、前記第1導電型層よりも第1導電型不純物濃度が高くされた第1導電型の炭化珪素からなるソース領域(8)と、
前記ソース領域と前記電流分散層との間における前記ベース領域の表面に形成されたゲート絶縁膜(11)と、
前記ゲート絶縁膜の上に配置され、一方向を長手方向として形成されたゲート電極(12)と、
前記ゲート電極および前記ゲート絶縁膜を覆うと共にコンタクトホールが形成された層間絶縁膜(13)と、
前記コンタクトホールを通じて、前記ソース領域に電気的に接続されたソース電極(14)と、
前記炭化珪素基板の裏面側に形成されたドレイン電極(15)と、を含み、
前記第1導電型ピラーおよび前記第2導電型ピラーのいずれか一方が前記第1不純物層で他方が前記第2不純物層である、請求項1ないし3のいずれか1つに記載の炭化珪素半導体装置。 having an inverted semiconductor element,
the silicon carbide substrate of the first or second conductivity type;
a first conductivity type layer (2) formed on the silicon carbide substrate and made of first conductivity type silicon carbide having an impurity concentration lower than that of the silicon carbide substrate;
A plurality of first-conductivity-type pillars (50) and second-conductivity-type pillars (51) formed on the first-conductivity-type layer and extending with one direction as a longitudinal direction are alternately arranged in stripes. a superjunction structure (50, 51) composed of
a current spreading layer (6) formed on the superjunction structure and made of first conductivity type silicon carbide having a first conductivity type impurity concentration higher than that of the first conductivity type layer;
a base region (7) made of second conductivity type silicon carbide formed on the current spreading layer;
a source region (8) formed on the base region and made of first conductivity type silicon carbide having a first conductivity type impurity concentration higher than that of the first conductivity type layer;
a gate insulating film (11) formed on the surface of the base region between the source region and the current spreading layer;
a gate electrode (12) disposed on the gate insulating film and formed with one direction as a longitudinal direction;
an interlayer insulating film (13) covering the gate electrode and the gate insulating film and having a contact hole formed therein;
a source electrode (14) electrically connected to the source region through the contact hole;
a drain electrode (15) formed on the back surface side of the silicon carbide substrate,
4. The silicon carbide semiconductor according to claim 1, wherein one of said first conductivity type pillar and said second conductivity type pillar is said first impurity layer and the other is said second impurity layer. Device.
炭化珪素基板(1)を用意することと、
前記炭化珪素基板の上にエピタキシャル成長により、第1導電型と第2導電型の一方で構成される第1不純物層(3)を形成することと、
前記第1不純物層の所望位置に、イオン注入により第1導電型と第2導電型の他方で構成される第2不純物層(4)を形成することと、を含み、
前記第2不純物層を形成することでは、
前記炭化珪素基板の厚み方向に対して垂直な方向を幅方向として、前記第2不純物層の形成予定領域に対する前記幅方向の両側に欠陥が形成された欠陥導入部(21)を形成することと、
前記第2不純物層の形成予定領域に対して不純物のイオン注入を行うことで不純物イオン注入部(20)を形成することと、
熱処理による前記不純物の活性化アニールを行い、前記欠陥導入部が形成された領域において、前記欠陥に前記不純物をトラップさせることで、所定幅の前記第2不純物層を形成することと、を含む炭化珪素半導体装置の製造方法。 A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device,
preparing a silicon carbide substrate (1);
forming a first impurity layer (3) composed of one of a first conductivity type and a second conductivity type by epitaxial growth on the silicon carbide substrate;
forming a second impurity layer (4) composed of the other of the first conductivity type and the second conductivity type at a desired position of the first impurity layer by ion implantation;
By forming the second impurity layer,
forming a defect introduction portion (21) in which defects are formed on both sides of the region in which the second impurity layer is to be formed in the width direction, with the direction perpendicular to the thickness direction of the silicon carbide substrate being the width direction; ,
forming an impurity ion-implanted portion (20) by implanting impurity ions into the region where the second impurity layer is to be formed;
performing activation annealing of the impurity by heat treatment to trap the impurity in the defect in the region where the defect introduced portion is formed, thereby forming the second impurity layer having a predetermined width. A method for manufacturing a silicon semiconductor device.
前記第1不純物層の上に第1マスク(40)を形成することと、
前記第1マスクのうちの前記不純物イオン注入部の形成予定領域に第1開口部(40a)を形成すると共に前記欠陥導入部の形成予定領域に第2開口部(40b)を形成することと、
前記第1開口部を覆いつつ前記第2開口部を露出させる第2マスク(41)を配置し、前記第1マスクおよび前記第2マスクの上から物質照射を行うことで前記欠陥導入部を形成することと、
前記第2開口部を覆いつつ前記第1開口部を露出させる第3マスク(42)を配置し、前記第1マスクおよび前記第3マスクの上から不純物のイオン注入を行うことで前記不純物イオン注入部を形成することと、を含む、請求項7に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 Forming the defect introduction portion and forming the impurity ion implantation portion include:
forming a first mask (40) on the first impurity layer;
Forming a first opening (40a) in the formation scheduled region of the impurity ion implantation portion of the first mask and forming a second opening (40b) in the formation scheduled region of the defect introduction portion;
A second mask (41) is placed to cover the first opening while exposing the second opening, and the defect introduced portion is formed by irradiating a substance from above the first mask and the second mask. and
A third mask (42) is placed to expose the first opening while covering the second opening, and impurity ions are implanted from above the first mask and the third mask, thereby implanting the impurity ions. 8. The method of manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 7, comprising forming a portion.
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