JP3893734B2 - Method for manufacturing silicon carbide semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化珪素半導体装置の製造方法に関し、特に絶縁ゲート型電界効果トランジスタ、とりわけ大電力用の縦型パワーMOSFETに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、低いオン抵抗を有し、高温動作可能なパワーデバイスがハイブリッドカー(HEV)や電気自動車(EV)用のインバータとして切望されており、その有望なパワーデバイスとして炭化珪素(SiC)を用いたものが研究・開発されている。
【0003】
炭化珪素を用いてパワーデバイスを製造する場合、炭化珪素中の不純物拡散係数が小さいために、熱拡散による不純物層形成が困難である。従って、多くの場合、イオン注入法によって炭化珪素中に不純物をドーピングし、不純物層を形成する技術が一般化している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、炭化珪素に注入されたイオン種の活性化率が極めて低く(例えば窒素の場合には活性化率が10%以下、ボロンの場合には活性化率が5%以下)、イオン注入によって形成した不純物層の抵抗率が高くなるという問題がある。活性化率向上の為には、1000℃以上での高温イオン注入法、1500℃以上での高温熱処理が有効であるとの報告があるが、活性化率は上記の域をでないものである。
【0005】
また、炭化珪素の場合、シリコンに比してイオン種の拡散係数が2桁程度小さいため、熱拡散工程によるデバイス作製が困難であり、例えば1μm程度の深さの不純物層を形成するために500keV以上という高エネルギーのイオン注入が必要となり、このように高エネルギーのイオン注入を行える装置が必要になるという問題があった。
【0006】
本発明は上記点に鑑みて成され、炭化珪素半導体にイオン注入によって不純物層を形成するに際し、拡散係数が高くでき、かつ活性化率を高くすることができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、以下の技術的手段を採用する。
請求項1に記載の発明においては、所望の不純物濃度よりも低い不純物濃度となる低濃度イオン注入を行う工程と、熱処理温度にて、低濃度イオン注入によって注入されたイオン種を活性化させる熱処理工程とを有し、低濃度イオン注入工程と熱処理工程とを繰り返し行うことによって所望の濃度を有する不純物層を形成することを特徴としている。
【0008】
このように、低濃度のイオン注入を行ったのち、熱処理を行うと、一度に高濃度のイオン注入を行って不純物層を形成する場合に比して、注入されたイオン種が拡散するときの拡散係数を高くすることができ、さらにイオン種の活性化率を高くすることができる。
請求項2に記載の発明においては、ベース領域(3a、3b)を形成する工程は、半導体層の表層部に、所望の不純物濃度よりも低い不純物濃度となる低濃度イオン注入を行う工程と、熱処理温度にて、低濃度イオン注入によって注入されたイオン種を活性化させる熱処理工程とを有し、低濃度イオン注入工程と熱処理工程とを繰り返し行うことによって所望の濃度を有する不純物層を形成することを特徴としている。
【0009】
低濃度イオン注入及び熱処理によって、拡散係数が高く、かつ活性化率が高くできるため、接合深さが深いベース領域を形成する工程を低濃度のイオン注入及び熱処理で行えば、低エネルギーのイオン注入で接合深さを深くできる。
具体的には、請求項3に示すように、熱処理工程は、低濃度イオン注入工程を終えた後に、熱処理温度を所定温度に昇温する工程と、所定温度を所定時間保持する工程と、低濃度イオン注入工程を行う温度に降温する工程とすることができる。
【0010】
請求項4に記載の発明においては、熱処理温度にて注入されたイオン種を活性化させつつ、所望の不純物濃度よりも低い不純物濃度となる低濃度イオン注入を行う工程を有することを特徴としている。
このように、熱処理温度下において、低濃度のイオン注入を行うようにして、低濃度のイオン注入が行われるごとにそのまま熱処理が行われるようにしても請求項1と同様の効果が得られる。
【0011】
また、請求項5に示すように、ベース領域(3a、3b)を形成する工程を、熱処理温度にて注入されたイオン種を活性化させつつ、半導体層の表層部に、所望の不純物濃度よりも低い不純物濃度となる低濃度イオン注入を行うようにすれば、低エネルギーのイオン注入によって接合深さを深くできるため、好適である。
【0012】
なお、低濃度イオン注入は、具体的には、請求項6に示すように、ドーズ量を1×1014cm-2以下とすることができる。
また、熱処理工程における熱処理温度は、具体的には、請求項7に示すように、1000℃以上にしている。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。
本発明の一実施形態を適用した製造したノーマリオフ型のnチャネルタイププレーナ型MOSFETの断面図を図1に示す。本デバイスは、インバータや車両用オルタネータのレクチファイヤに適用すると好適なものである。以下、図1に基づいてプレーナ型MOSFETの構成について説明する。
【0014】
n+ 型炭化珪素半導体基板1は上面を主表面1aとし、主表面の反対面である下面を裏面1bとしている。このn+ 型炭化珪素半導体基板(以下、n+ 型半導体基板という)1の主表面1a上には、基板1よりも低いドーパント濃度を有するn- 型炭化珪素エピタキシャル層(以下、n- 型エピ層という)2が積層されている。
【0015】
本実施形態では、n+ 型半導体基板1およびn- 型エピ層2の上面を(0001)Si面としている。但し、n+ 型半導体基板1およびn- 型エピ層2の上面を(112−0)a面としてもよい。つまり、(0001)Si面を用いると低い表面状態密度が得られ、(112−0)a面を用いると、低い表面状態密度で、かつ、完全にらせん転位の無い結晶が得られる。
【0016】
n- 型エピ層2の表層部における所定領域には、所定深さを有するp- 型ベース領域3aおよびp- 型ベース領域3bが離間して形成されている。また、p- 型ベース領域3aの表層部における所定領域には、ベース領域3aよりも浅いn+ 型ソース領域4aが、また、p- 型ベース領域3bの表層部における所定領域には、ベース領域3bよりも浅いn+ 型ソース領域4bがそれぞれ形成されている。
【0017】
さらに、n+ 型ソース領域4aとn+ 型ソース領域4bとの間におけるn- 型エピ層2およびp- 型ベース領域3a、3bの表面部にはn- 型SiC層5が延設されている。つまり、p- 型ベース領域3a、3bの表面部においてソース領域4a、4bとn- 型エピ層2とを繋ぐようにn型SiC層5が配置されている。このn型SiC層5は、n- 型層5aとn+ 型層5bによって構成されている。そして、n- 型層5aがデバイスの動作時にデバイス表面においてチャネル形成層として機能する。また、チャネル形成層として機能しない部分を高濃度なn+ 型層5bとしているため、この部分における抵抗値を低くでき、オン抵抗の低減を図っている。以下、n型SiC層5を表面チャネル層という。
【0018】
表面チャネル層5のドーパント濃度は、1×1015cm-3〜1×1017cm-3程度の低濃度となっており、かつ、n- 型エピ層2及びp- 型ベース領域3a、3bのドーパント濃度以下となっている。これにより、低オン抵抗化が図られている。
表面チャネル層5の上面およびn+ 型ソース領域4a、4bの上面にはゲート酸化膜(ゲート絶縁膜)7が備えられている。
【0019】
さらに、ゲート絶縁膜7の上にはポリシリコンゲート電極8が形成されている。このポリシリコンゲート電極8は、LTO(Low TemperatureOxide)膜よりなる絶縁膜9にて覆われている。その上にはp- 型ベース領域3a、3b及びn+ 型ソース領域4a、4bと電気的に接続されたソース電極10が形成され、ソース電極10はn+ 型ソース領域4a、4bおよびp- 型ベース領域3a、3bと接している。また、n+ 型半導体基板1の裏面1bには、ドレイン電極層11が形成されている。
【0020】
なお、ベース領域3a、3bにおいて、一部厚さが厚くなったディープベース層30a、30bが形成されている。このディープベース層30a、30bは、n+ 型ソース領域に重ならない部分に形成されており、p- 型ベース領域3a、3bのうちディープベース層30a、30bが形成された厚みが厚くなった部分が、ディープベース層30aが形成されていない厚みの薄い部分よりも不純物濃度が濃くなっている。このようなディープベース層30a、30bによって、ディープベース層30a、30b下のn- 型エピ層2における厚さが薄くなり(n+ 型半導体基板1とディープベース層30a、30bとの距離が短くなり)電界強度を高くすることができ、アバランシェブレークダウン(以下、ブレークダウンと略す)し易くなる。なお、ディープベース層30a、30bはn+ 型ソース領域4a、4bと重ならないように形成しているため、寄生NPNトランジスタを動作させにくくすることができる。
【0021】
次に、図1に示す縦型パワーMOSFETの製造工程を、図2〜図5を用いて説明する。
〔図2(a)に示す工程〕
まず、n型4Hまたは6Hまたは3C−SiC基板、すなわちn+ 型半導体基板1を用意する。ここで、n+ 型半導体基板1はその厚さが400μmであり、主表面1aが(0001)Si面、又は、(112−0)a面である。この基板1の主表面1aに厚さ5μmのn- 型エピ層2をエピタキシャル成長する。本例では、n- 型エピ層2は下地の基板1と同様の結晶が得られ、n型4Hまたは6Hまたは3C−SiC層となる。
【0022】
〔図2(b)に示す工程〕
n- 型エピ層2の上の所定領域にLTO膜20を配置し、これをマスクとしてボロン(若しくはアルミニウム)をイオン注入することで、p- 型ベース領域3a、3bを形成する。
具体的には、まず、温度を700℃、加速度電圧を100keVとした上で、ドーズ量を1×1014cm-2として、ボロンをイオン注入する。このイオン注入の後、基板温度を1300℃に上昇して30分間の熱処理を行う。そして、基板温度を700℃に降温する。
【0023】
続いて、上記と同様に、上記条件でイオン注入を行たのち、基板温度を1300℃以上に上昇させて30分間の熱処理を行い、その後基板温度を700℃に降温する。
そして、このようなイオン注入及び熱処理を繰り返し、上記p- 型ベース領域3a、3bが所望のドーズ量となるようにする。例えば、10回の繰り返しにより1×1015cm-2となり拡散長を1μmとなるように制御することにより、1×1019cm-3の濃度でドーピングができる。また、加速度電圧を50keV、100keV、200keV、400keVと変えた上で、上記イオン注入法を繰り返すことにより、より正確な位置に正確な濃度の不純物層を形成できる。
【0024】
これにより、所望の不純物濃度を有するp- 型ベース領域3a、3bが形成される。
ここで、低濃度のイオン注入を行った後に、熱処理を行った場合について説明する。
低濃度のイオン注入を行い熱処理を行った場合、高濃度のイオン注入を行って熱処理を行った場合に比して、熱拡散における拡散係数が高くなり、活性化率も高くなることが判った。
【0025】
このような現象が生じる具体的な理由は解明されていないが、本発明者らの検討によると、例えば拡散係数が高くなる理由の1つとして、高濃度のイオン注入を行った場合、多数の結晶欠陥が形成されるため熱拡散係数が小さくなると考えられる。
例えば、ドーズ量を1×1014cm-2とした低濃度のイオン注入でベース領域3a、3bを形成した場合には、ドーズ量を1×1015cm-2とした場合に比して結晶欠陥を数桁少なくすることができるのである。
【0026】
また、もう1つの理由として、高濃度のイオン注入を行った場合には、注入されたイオン種の密度が高すぎて、熱拡散時に近傍のイオン種が邪魔になって拡散できないということが考えられる。
この様子を図5(a)、(b)に示す比較図に基づいて説明する。図5(a)は炭化珪素半導体基板50に低濃度(ドーズ量:1×1014cm-2)のイオン注入を行い、さらに1300℃で30分間の熱処理を行うという工程を4回行った場合を示し、(b)は炭化珪素半導体基板50に高濃度(ドーズ量:1×1015cm-2)のイオン注入を行い、さらに1700℃で1時間の熱処理を行った場合を示している。なお、図5(a)、(b)の紙面右側に示す特性図は炭化珪素半導体基板50の深さに対するドーパント濃度を示しており、図5(a)において示されている数字は何回目のイオン注入かを示している。
【0027】
これらの図からも判るように、低濃度のイオン注入を行った後に熱処理を行った場合には、注入されたイオン種が十分に熱拡散して不純物層51が広がっており、高濃度のイオン注入を行った後に熱処理を行った場合には、ほとんど熱拡散していず不純物層51が広がっていない。
例えば50keV程度の低エネルギーのイオン注入を行った場合に、1300℃で30分程度の熱処理を行ったところ、1μm程度の深さまで不純物が熱拡散した。このように、低濃度のイオン注入を行ったのち熱処理層を行うと、広範囲領域への不純物のドーピングが可能となる。
【0028】
また、イオン注入初期のイオン種濃度が低い場合には、格子置換されたイオン種が形成する不純物準位が浅く形成される。例えば、ボロンの場合には300meVに形成される。このため、低濃度のイオン注入を行った場合には活性化率が非常に向上されるといえる。
このように、低濃度のイオン注入を行う工程及び熱処理を行う工程を繰り返すことで、一度の高濃度のイオン注入によってベース領域3a、3bを形成する場合に比して拡散係数や活性化率を高くすることができる。
【0029】
そして、このような低濃度のイオン注入によると、低エネルギーのイオン注入によってベース領域3a、3bを形成することができる。つまり、一度のイオン注入によって接合深さが深いベース領域3a、3bを形成するためには、高エネルギーのイオン注入が行えるイオン注入装置が必要とされ、コスト的な問題があるがこのような問題を解消することができる。
【0030】
〔図2(c)に示す工程〕
LTO膜20を除去した後、基板1の上面から窒素をイオン注入して、n- 型エピ層2の表層部及びp- 型ベース領域3a、3bの表面部(表層部)に表面チャネル層5を形成する。このときのイオン注入条件は、温度が700℃、ドーズ量が1×1015cm-2としている。これにより、表面チャネル層5は、p- 型ベース領域3a、3bの表面部では補償されてn型の不純物濃度が薄いn- 型層5aとして形成され、n- 型エピ層2の表面部ではn型の不純物濃度が濃いn+ 型層5bとして形成される。従って、不純物濃度が高くなったn+ 型層5bによってオン抵抗が低減される。
【0031】
また、縦型パワーMOSFETをノーマリオフ型にするために、表面チャネル層5の厚み(膜厚)は、ゲート電極8に電圧を印加していない時におけるp- 型ベース領域3a、3bから表面チャネル層5に広がる空乏層の伸び量と、ゲート絶縁膜7から表面チャネル層5に広がる空乏層の伸び量との和よりも小さくなるようになっている。
【0032】
具体的には、p- 型ベース領域3a、3bから表面チャネル層5に広がる空乏層の伸び量は、表面チャネル層5とp- 型ベース領域3a、3bとのPN接合のビルトイン電圧によって決定され、ゲート絶縁膜7から表面チャネル層5に広がる空乏層の伸び量は、ゲート絶縁膜7の電荷及びゲート電極8(金属)と表面チャネル層5(半導体)との仕事関数差によって決定されるため、これらに基づいて表面チャネル層5の膜厚を決定している。
【0033】
このようなノーマリオフ型の縦型パワーMOSFETは、故障などによってゲート電極に電圧が印加できないような状態となっても、電流が流れないようにすることができるため、ノーマリオン型のものと比べて安全性を確保することができる。
また、図1に示すように、p- 型ベース領域3a、3bは、ソース電極10と接触していて接地状態となっている。このため、表面チャネル層5とp- 型ベース領域3a、3bとのPN接合のビルトイン電圧を利用して表面チャネル層5をピンチオフすることができる。例えば、p- 型ベース領域3a、3bが接地されてなくてフローティング状態となっている場合には、ビルトイン電圧を利用してp- 型ベース領域3a、3bから空乏層を延ばすということができないため、p- 型ベース領域3a、3bをソース電極10と接触させることは、表面チャネル層5をピンチオフするのに有効な構造であるといえる。
【0034】
なお、本実施形態では、不純物濃度が低いものでp- 型ベース領域3a、3bを形成しているが、不純物濃度を高くすることによりビルトイン電圧をより大きく利用することができる。
また、本実施形態では炭化珪素によって縦型パワーMOSFETを製造しているが、これをシリコンを用いて製造しようとすると、p- 型ベース領域3a、3bや表面チャネル層5等の不純物層を形成する際における熱拡散の拡散量の制御が困難であるため、上記構成と同様のノーマリオフ型のMOSFETを製造することが困難となる。このため、本実施形態のようにSiCを用いることにより、シリコンを用いた場合と比べて精度良く縦型パワーMOSFETを製造することができる。
【0035】
また、ノーマリオフ型の縦型パワーMOSFETにするためには、上記条件を満たすように表面チャネル層5の厚みを設定する必要があるが、シリコンを用いた場合にはビルトイン電圧が低いため、表面チャネル層5の厚みを薄くしたり不純物濃度を薄くして形成しなければならず、不純物イオンの拡散量の制御が困難なことを考慮すると、非常に製造が困難であるといえる。しかしながら、SiCを用いた場合にはビルトイン電圧がシリコンの約3倍と高く、表面チャネル層5の厚みを厚くしたり不純物濃度を濃くして形成できるため、ノーマリオフ型の蓄積型MOSFETを製造することが容易であるといえる。
【0036】
〔図3(a)に示す工程〕
表面チャネル層5の上の所定領域にLTO膜21を配置し、これをマスクとしてN+ をイオン注入し、n+ 型ソース領域4a、4bを形成する。このときのイオン注入条件は、温度が700℃、ドーズ量が1×1015cm-2としている。
〔図3(b)に示す工程〕
そして、LTO膜21を除去した後、フォトレジスト法を用いて表面チャネル層5の上の所定領域にLTO膜22を配置し、これをマスクとしてRIEによりp- 型ベース領域3a、3b上の表面チャネル層5を部分的にエッチング除去する。
【0037】
〔図3(c)に示す工程〕
さらに、LTO膜22をマスクにしてボロンをイオン注入し、ディープベース層30a、30bを形成する。
このとき、上述したp- 型ベース領域を形成するときと同様に、まず、温度を700℃、加速度電圧を400keVとした上で、ドーズ量が1×1014cm-2の条件でボロンをイオン注入したのち、基板温度を1300℃に上昇して30分間の熱処理を行い、さらに基板温度を700℃に降温するというイオン注入工程を繰り返して、所望の不純物濃度になるようにディープベース層30a、30bを形成する。
【0038】
このとき、加速度電圧を400keVとすることにより、注入深さは0.5〜1μm程度となり、上記繰り返しイオン注入法によって注入されたイオン種を拡散させることで、ディープベース層30a、30bとn- 型エピ層2との接合位置は1.5〜2μmとすることできる。
これにより、ベース領域3a、3bの一部が厚くなったものとなる。このディープベース層30a、30bは、n+ 型ソース領域4a、4bに重ならない部分に形成されると共に、p- 型ベース領域3a、3bのうちディープベース層30a、30bが形成された厚みが厚くなった部分が、ディープベース層30a、30bが形成されていない厚みの薄い部分よりも不純物濃度が濃く形成される。
【0039】
このように、接合深さが深くなるディープベース層30a、30bを、低濃度のイオン注入及び熱処理を繰り返すことで形成することにより、ベース領域3a、3bを形成するときと同様の効果が得られる。
〔図4(a)に示す工程〕
LTO膜22を除去した後、基板上にウェット酸化によってゲート酸化膜(ゲート絶縁膜)7を形成する。このとき、雰囲気温度は1080℃とする。
【0040】
その後、ゲート酸化膜7の上にポリシリコンゲート電極8をLPCVDにより堆積する。このときの成膜温度は600℃とする。
〔図4(b)に示す工程〕
引き続き、ゲート絶縁膜7の不要部分を除去した後、LTOよりなる絶縁膜9を形成しゲート絶縁膜7を覆う。より詳しくは、成膜温度は425℃であり、成膜後に1000℃のアニールを行う。
【0041】
〔図4(c)に示す工程〕
そして、室温での金属スパッタリングによりソース電極10及びドレイン電極11を配置する。また、成膜後に1000℃のアニールを行う。
このようにして、図1に示す縦型パワーMOSFETが完成する。
次に、この縦型パワーMOSFETの作用(動作)を説明する。
【0042】
本MOSFETはノーマリオフ型の蓄積モードで動作するものであって、ポリシリコンゲート電極に電圧を印加しない場合は、表面チャネル層5においてキャリアは、p- 型ベース領域3a、3bと表面チャネル層5との間の静電ポテンシャルの差、及び表面チャネル層5とポリシリコンゲート電極8との間の仕事関数の差により生じた電位によって全域空乏化される。ポリシリコンゲート電極8に電圧を印加することにより、表面チャネル層5とポリシリコンゲート電極8との間の仕事関数の差と外部からの印加電圧の和により生じる電位差を変化させる。このことにより、チャネルの状態を制御することができる。
【0043】
つまり、ポリシリコンゲート電極8の仕事関数を第1の仕事関数とし、p- 型ベース領域3a、3bの仕事関数を第2の仕事関数とし、表面チャネル層5の仕事関数を第3の仕事関数としたとき、第1〜第3の仕事関数の差を利用して、表面チャネル層5のn型のキャリアを空乏化する様に第1〜第3の仕事関数と表面チャネル層5の不純物濃度及び膜厚を設定することができる。
【0044】
また、オフ状態において、空乏領域は、p- 型ベース領域3a、3b及びポリシリコンゲート電極8により作られた電界によって、表面チャネル層5内に形成される。この状態からポリシリコンゲート電極8に対して正のバイアスを供給すると、ゲート絶縁膜(SiO2 )7と表面チャネル層5との間の界面においてn+ 型ソース領域4a、4bからn- 型ドリフト領域2方向へ延びるチャネル領域が形成され、オン状態にスイッチングされる。このとき、電子は、n+ 型ソース領域4a、4bから表面チャネル層5を経由し表面チャネル層5からn- 型エピ層2に流れる。そして、n- 型エピ層2(ドリフト領域)に達すると、電子は、n+ 型半導体基板1(n+ ドレイン)へ垂直に流れる。
【0045】
このようにゲート電極8に正の電圧を印加することにより、表面チャネル層5に蓄積型チャネルを誘起させ、ソース電極10とドレイン電極11との間にキャリアが流れる。
(他の実施形態)
上記実施形態では、接合深さが深くなるベース領域3a、3bやディープベース層30a、30bを低濃度のイオン注入及び熱処理工程を施すことによって形成したが、イオン注入によって不純物層を形成する場合、例えば表面チャネル層5やソース領域4a、4bを形成する場合にも、このような低濃度のイオン注入及び熱処理工程によって形成することができる。
【0046】
また、上記低濃度イオン注入及び熱処理工程は、基板温度を1300℃に保持したままイオン注入を断続的に行うことによって行ってもよい。
さらに、イオン注入速度(電流量)を低速として、イオン注入と同時に熱処理を行っても、上記と同様の効果が得られる。
例えば、100keV電圧において、1×1014cm-2を5分間で実施している場合では、その後のアニール時間30分を含めて35分間の工程にて所望の濃度の不純物層を形成することができるのであるが、この場合に対してドーズ量を1/7程度に減少させ、3×1013cm-2の条件にて35分間でイオン注入を行うようにしても、同様の効果が得られる。このように、ドーズ量を減少させイオン注入量を小さくするようにした場合、結晶欠陥をさらに少なくすることができる。また、昇温、降温工程を省くことができ、短時間で有効に所望の濃度の不純物層を形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態における縦型パワーMOSFETの断面図である。
【図2】図1に示す縦型パワーMOSFETの製造工程を示す図である。
【図3】図2に続く縦型パワーMOSFETの製造工程を示す図である。
【図4】図3に続く縦型パワーMOSFETの製造工程を示す図である。
【図5】イオン注入における熱拡散の様子を示す図であり、(a)は低濃度イオン注入の場合を示す図であり、(b)は高濃度イオン注入の場合を示す図である。
【符号の説明】
1…n+ 型半導体基板、2…n- 型エピ層、3a、3b…p- 型ベース領域、
4a、4b…n+ 型ソース領域、5…表面チャネル層(n- 型SiC層)、
5a…n- 型層の部分、5b…n+ 型層の部分、7…ゲート絶縁膜、
8…ゲート電極、9…絶縁膜、10…ソース電極、11…ドレイン電極層。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, and more particularly to an insulated gate field effect transistor, particularly a vertical power MOSFET for high power.
[0002]
[Prior art]
In recent years, power devices having low on-resistance and capable of operating at high temperatures have been eagerly desired as inverters for hybrid cars (HEV) and electric vehicles (EV), and silicon carbide (SiC) was used as the promising power device. Things are being researched and developed.
[0003]
When manufacturing a power device using silicon carbide, it is difficult to form an impurity layer by thermal diffusion because the impurity diffusion coefficient in silicon carbide is small. Therefore, in many cases, a technique for doping impurities into silicon carbide by an ion implantation method to form an impurity layer has become common.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the activation rate of ion species implanted into silicon carbide is extremely low (for example, the activation rate is 10% or less in the case of nitrogen and 5% or less in the case of boron), and is formed by ion implantation. There is a problem that the resistivity of the impurity layer is increased. In order to improve the activation rate, it has been reported that a high temperature ion implantation method at 1000 ° C. or higher and a high temperature heat treatment at 1500 ° C. or higher are effective, but the activation rate does not fall within the above range.
[0005]
In the case of silicon carbide, since the diffusion coefficient of ion species is about two orders of magnitude smaller than that of silicon, it is difficult to manufacture a device by a thermal diffusion process. For example, 500 keV is required to form an impurity layer having a depth of about 1 μm. There is a problem in that high energy ion implantation as described above is required, and thus a device capable of performing high energy ion implantation is required.
[0006]
The present invention has been made in view of the above points, and provides a method for manufacturing a semiconductor device capable of increasing a diffusion coefficient and increasing an activation rate when forming an impurity layer in a silicon carbide semiconductor by ion implantation. With the goal.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the following technical means are adopted.
In the first aspect of the present invention, a step of performing low concentration ion implantation with an impurity concentration lower than a desired impurity concentration, and a heat treatment for activating ion species implanted by the low concentration ion implantation at a heat treatment temperature And an impurity layer having a desired concentration is formed by repeatedly performing a low concentration ion implantation step and a heat treatment step.
[0008]
As described above, when the heat treatment is performed after the low-concentration ion implantation is performed, when the implanted ion species is diffused as compared with the case where the impurity layer is formed by performing the high-concentration ion implantation at a time. The diffusion coefficient can be increased, and the activation rate of ionic species can be increased.
In the invention according to
[0009]
Since the diffusion coefficient and the activation rate can be increased by the low concentration ion implantation and heat treatment, the low energy ion implantation can be performed by performing the step of forming the base region having a deep junction depth by the low concentration ion implantation and heat treatment. Can increase the junction depth.
Specifically, as shown in claim 3, the heat treatment step includes a step of raising the heat treatment temperature to a predetermined temperature after the low-concentration ion implantation step, a step of holding the predetermined temperature for a predetermined time, The temperature can be lowered to a temperature at which the concentration ion implantation step is performed.
[0010]
The invention according to claim 4 is characterized in that it includes a step of performing low-concentration ion implantation with an impurity concentration lower than a desired impurity concentration while activating the ion species implanted at the heat treatment temperature. .
As described above, the same effect as in the first aspect can be obtained even if the low concentration ion implantation is performed at the heat treatment temperature and the heat treatment is performed as it is every time the low concentration ion implantation is performed.
[0011]
According to a fifth aspect of the present invention, in the step of forming the base region (3a, 3b), a desired impurity concentration is applied to the surface layer portion of the semiconductor layer while activating the ion species implanted at the heat treatment temperature. In particular, it is preferable to perform low-concentration ion implantation with a low impurity concentration because the junction depth can be increased by low-energy ion implantation.
[0012]
Specifically, in the low-concentration ion implantation, as shown in claim 6, the dose can be set to 1 × 10 14 cm −2 or less.
Further, the heat treatment temperature in the heat treatment step is specifically set to 1000 ° C. or more as shown in
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments shown in the drawings will be described below.
A cross-sectional view of a normally-off type n-channel type planar MOSFET manufactured by applying an embodiment of the present invention is shown in FIG. This device is suitable when applied to a rectifier for an inverter or an alternator for a vehicle. Hereinafter, the structure of the planar MOSFET will be described with reference to FIG.
[0014]
N + type silicon
[0015]
In the present embodiment, the upper surfaces of the n +
[0016]
A p −
[0017]
Further, n −
[0018]
The dopant concentration of the
A gate oxide film (gate insulating film) 7 is provided on the upper surface of the
[0019]
Further, a
[0020]
In the
[0021]
Next, the manufacturing process of the vertical power MOSFET shown in FIG. 1 will be described with reference to FIGS.
[Step shown in FIG. 2 (a)]
First, an n-type 4H or 6H or 3C—SiC substrate, that is, an n + -
[0022]
[Step shown in FIG. 2 (b)]
An
Specifically, first, after setting the temperature to 700 ° C. and the acceleration voltage to 100 keV, the dose is set to 1 × 10 14 cm −2 and boron is ion-implanted. After this ion implantation, the substrate temperature is raised to 1300 ° C. and heat treatment is performed for 30 minutes. Then, the substrate temperature is lowered to 700 ° C.
[0023]
Subsequently, as described above, after ion implantation is performed under the above conditions, the substrate temperature is raised to 1300 ° C. or higher, heat treatment is performed for 30 minutes, and then the substrate temperature is lowered to 700 ° C.
Such ion implantation and heat treatment are repeated until the p −
[0024]
Thereby, p −
Here, a case where heat treatment is performed after low-concentration ion implantation is described.
It was found that when heat treatment was performed with low concentration ion implantation, the diffusion coefficient in thermal diffusion was higher and the activation rate was higher than when heat treatment was performed with high concentration ion implantation. .
[0025]
The specific reason why such a phenomenon occurs has not been elucidated. However, according to the study by the present inventors, for example, as one of the reasons that the diffusion coefficient becomes high, when high-concentration ion implantation is performed, many It is considered that the thermal diffusion coefficient becomes small because crystal defects are formed.
For example, when the
[0026]
Another reason is that when high-concentration ion implantation is performed, the density of the implanted ion species is too high, and the nearby ion species cannot be diffused during thermal diffusion. It is done.
This will be described with reference to the comparative diagrams shown in FIGS. FIG. 5 (a) shows a case in which a low concentration (dose amount: 1 × 10 14 cm −2 ) ion implantation is performed on the silicon
[0027]
As can be seen from these figures, when the heat treatment is performed after the low-concentration ion implantation, the implanted ion species are sufficiently thermally diffused to spread the
For example, when low-energy ion implantation of about 50 keV is performed, a heat treatment is performed at 1300 ° C. for about 30 minutes, and impurities are thermally diffused to a depth of about 1 μm. In this manner, when a heat treatment layer is performed after ion implantation at a low concentration, it is possible to dope impurities into a wide area.
[0028]
Further, when the ion species concentration at the initial stage of ion implantation is low, impurity levels formed by lattice-substituted ion species are formed shallow. For example, in the case of boron, it is formed at 300 meV. For this reason, it can be said that the activation rate is greatly improved when low concentration ion implantation is performed.
Thus, by repeating the step of performing low concentration ion implantation and the step of performing heat treatment, the diffusion coefficient and the activation rate can be increased as compared with the case where the
[0029]
According to such low concentration ion implantation, the
[0030]
[Step shown in FIG. 2 (c)]
After removing the
[0031]
Further, in order to make the vertical power MOSFET normally-off type, the thickness (film thickness) of the
[0032]
Specifically, the extension amount of the depletion layer extending from the p −
[0033]
Such a normally-off type vertical power MOSFET can prevent current from flowing even when a voltage cannot be applied to the gate electrode due to a failure or the like. Safety can be ensured.
Further, as shown in FIG. 1, the p −
[0034]
In this embodiment, the p − -
In the present embodiment, the vertical power MOSFET is manufactured using silicon carbide. However, if an attempt is made to manufacture the vertical power MOSFET using silicon, impurity layers such as p −
[0035]
In order to obtain a normally-off type vertical power MOSFET, it is necessary to set the thickness of the
[0036]
[Step shown in FIG. 3 (a)]
An
[Step shown in FIG. 3B]
Then, after removing the
[0037]
[Step shown in FIG. 3 (c)]
Further, boron is ion-implanted using the
At this time, as in the case of forming the p − type base region described above, first, boron is ionized under the conditions of a temperature of 700 ° C. and an acceleration voltage of 400 keV and a dose of 1 × 10 14 cm −2. After the implantation, an ion implantation process is repeated in which the substrate temperature is raised to 1300 ° C., heat treatment is performed for 30 minutes, and the substrate temperature is further lowered to 700 ° C., so that the
[0038]
At this time, by setting the acceleration voltage to 400 keV, the implantation depth becomes about 0.5 to 1 μm. By diffusing the ion species implanted by the repetitive ion implantation method, the
Thereby, a part of
[0039]
In this way, by forming the
[Step shown in FIG. 4 (a)]
After removing the
[0040]
Thereafter, a
[Step shown in FIG. 4B]
Subsequently, after unnecessary portions of the
[0041]
[Step shown in FIG. 4 (c)]
Then, the
In this way, the vertical power MOSFET shown in FIG. 1 is completed.
Next, the operation (operation) of this vertical power MOSFET will be described.
[0042]
This MOSFET operates in a normally-off type accumulation mode, and when no voltage is applied to the polysilicon gate electrode, carriers in the
[0043]
That is, the work function of the
[0044]
In the off state, the depletion region is formed in the
[0045]
Thus, by applying a positive voltage to the
(Other embodiments)
In the above embodiment, the
[0046]
The low concentration ion implantation and heat treatment step may be performed by intermittently performing ion implantation while maintaining the substrate temperature at 1300 ° C.
Furthermore, even if the ion implantation speed (current amount) is set to a low speed and the heat treatment is performed simultaneously with the ion implantation, the same effect as described above can be obtained.
For example, when 1 × 10 14 cm −2 is performed for 5 minutes at a voltage of 100 keV, an impurity layer having a desired concentration can be formed in a process of 35 minutes including a subsequent annealing time of 30 minutes. However, in this case, the same effect can be obtained by reducing the dose amount to about 1/7 and performing ion implantation for 35 minutes under the condition of 3 × 10 13 cm −2. . As described above, when the dose amount is reduced to reduce the ion implantation amount, crystal defects can be further reduced. Further, the temperature raising and lowering steps can be omitted, and an impurity layer having a desired concentration can be effectively formed in a short time.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a vertical power MOSFET according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram showing a manufacturing process of the vertical power MOSFET shown in FIG. 1. FIG.
3 is a diagram showing manufacturing steps of the vertical power MOSFET subsequent to FIG. 2. FIG.
4 is a diagram showing manufacturing steps of the vertical power MOSFET subsequent to FIG. 3. FIG.
5A and 5B are diagrams showing a state of thermal diffusion in ion implantation, where FIG. 5A is a diagram showing a case of low-concentration ion implantation, and FIG. 5B is a diagram showing a case of high-concentration ion implantation.
[Explanation of symbols]
1 ... n + -type semiconductor substrate, 2 ... n - -type epitaxial layer, 3a, 3b ... p - type base region,
4a, 4b... N + type source region, 5... Surface channel layer (n − type SiC layer),
5a ... n - type layer part, 5b ... n + type layer part, 7 ... gate insulating film,
8 ... Gate electrode, 9 ... Insulating film, 10 ... Source electrode, 11 ... Drain electrode layer.
Claims (7)
前記所望の不純物濃度よりも低い不純物濃度となる低濃度イオン注入を行う工程と、
熱処理温度にて、前記低濃度イオン注入によって注入されたイオン種を活性化させる熱処理工程とを有し、
前記低濃度イオン注入工程と前記熱処理工程とを繰り返し行うことによって前記所望の濃度を有する不純物層を形成することを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。In a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device in which an impurity layer having a desired impurity concentration is formed by ion implantation into a semiconductor layer made of silicon carbide.
Performing a low concentration ion implantation that results in an impurity concentration lower than the desired impurity concentration;
A heat treatment step of activating the ion species implanted by the low-concentration ion implantation at a heat treatment temperature,
A method of manufacturing a silicon carbide semiconductor device, wherein the impurity layer having the desired concentration is formed by repeatedly performing the low concentration ion implantation step and the heat treatment step.
前記半導体層の表層部の所定領域に、所望の不純物濃度を有する不純物層として、所定深さを有する第2導電型のベース領域(3a、3b)を形成する工程と、
前記半導体層および前記ベース領域の上部にチャネル形成領域となる表面チャネル層(5)を形成する工程と、
前記ベース領域の表層部の所定領域に、該ベース領域の深さよりも浅く、前記表面チャネル層を介して前記半導体層と接続される第1導電型のソース領域(4a、4b)を形成する工程と、
前記表面チャネル層をチャネル領域として、少なくも該表面チャネル層上にゲート絶縁膜(7)を介してゲート電極(8)を形成する工程と、
前記ソース領域及び前記ベース領域と接触するソース電極(10)を形成する工程と、
前記半導体基板のうち前記主表面とは反対側に形成されたドレイン電極(11)を形成する工程と、を備えた炭化珪素半導体装置の製造方法において、
前記ベース領域を形成する工程は、
前記半導体層の表層部に、前記所望の不純物濃度よりも低い不純物濃度となる低濃度イオン注入を行う工程と、
熱処理温度にて、前記低濃度イオン注入によって注入されたイオン種を活性化させる熱処理工程とを有し、
前記低濃度イオン注入工程と前記熱処理工程とを繰り返し行うことによって前記所望の濃度を有する不純物層を形成することを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。Forming a first conductivity type semiconductor layer (2) made of silicon carbide having a higher resistance than the semiconductor substrate on the main surface of the first conductivity type semiconductor substrate (1);
Forming a second conductivity type base region (3a, 3b) having a predetermined depth as an impurity layer having a desired impurity concentration in a predetermined region of a surface layer portion of the semiconductor layer;
Forming a surface channel layer (5) serving as the semiconductor layer and an upper channel formation region before Symbol base region,
Forming a first conductivity type source region (4a, 4b) in a predetermined region of a surface layer portion of the base region, which is shallower than the depth of the base region and connected to the semiconductor layer via the surface channel layer; When,
Forming a gate electrode (8) via a gate insulating film (7) on at least the surface channel layer using the surface channel layer as a channel region;
Forming a source electrode (10) in contact with the source region and the base region;
Forming a drain electrode (11) formed on the opposite side of the main surface of the semiconductor substrate, and a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device comprising:
The step of forming the base region includes:
A step of performing low-concentration ion implantation in the surface layer portion of the semiconductor layer to achieve an impurity concentration lower than the desired impurity concentration;
A heat treatment step of activating the ion species implanted by the low-concentration ion implantation at a heat treatment temperature,
A method of manufacturing a silicon carbide semiconductor device, wherein the impurity layer having the desired concentration is formed by repeatedly performing the low concentration ion implantation step and the heat treatment step.
前記低濃度イオン注入工程を終えた後に、熱処理温度を所定温度に昇温する工程と、
前記所定温度を所定時間保持する工程と、
前記低濃度イオン注入工程を行う温度に降温する工程とからなることを特徴とする請求項1又は2に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。The heat treatment step includes
After finishing the low-concentration ion implantation step, raising the heat treatment temperature to a predetermined temperature;
Holding the predetermined temperature for a predetermined time;
The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, further comprising a step of lowering the temperature to a temperature at which the low concentration ion implantation step is performed.
熱処理温度にて注入されたイオン種を活性化させつつ、前記所望の不純物濃度よりも低い不純物濃度となる低濃度イオン注入を行う工程を有することを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。In a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device in which an impurity layer having a desired impurity concentration is formed by ion implantation into a semiconductor layer made of silicon carbide.
A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, comprising activating ion species implanted at a heat treatment temperature and performing low-concentration ion implantation with an impurity concentration lower than the desired impurity concentration.
前記半導体層の表層部の所定領域に、所望の不純物濃度を有する不純物層として、所定深さを有する第2導電型のベース領域(3a、3b)を形成する工程と、
前記半導体層および前記ベース領域の上部にチャネル形成領域となる表面チャネル層(5)を形成する工程と、
前記ベース領域の表層部の所定領域に、該ベース領域の深さよりも浅く、前記表面チャネル層を介して前記半導体層と接続される第1導電型のソース領域(4a、4b)を形成する工程と、
前記表面チャネル層をチャネル領域として、少なくも該表面チャネル層上にゲート絶縁膜(7)を介してゲート電極(8)を形成する工程と、
前記ソース領域及び前記ベース領域と接触するソース電極(10)を形成する工程と、
前記半導体基板のうち前記主表面とは反対側に形成されたドレイン電極(11)を形成する工程と、を備えた炭化珪素半導体装置の製造方法において、
前記ベース領域を形成する工程は、熱処理温度にて注入されたイオン種を活性化させつつ、前記半導体層の表層部に、前記所望の不純物濃度よりも低い不純物濃度となる低濃度イオン注入を行う工程を有することを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。Forming a first conductivity type semiconductor layer (2) made of silicon carbide having a higher resistance than the semiconductor substrate on the main surface of the first conductivity type semiconductor substrate (1);
Forming a second conductivity type base region (3a, 3b) having a predetermined depth as an impurity layer having a desired impurity concentration in a predetermined region of a surface layer portion of the semiconductor layer;
Forming a surface channel layer (5) serving as the semiconductor layer and an upper channel formation region before Symbol base region,
Forming a first conductivity type source region (4a, 4b) in a predetermined region of a surface layer portion of the base region, which is shallower than the depth of the base region and connected to the semiconductor layer via the surface channel layer; When,
Forming a gate electrode (8) via a gate insulating film (7) on at least the surface channel layer using the surface channel layer as a channel region;
Forming a source electrode (10) in contact with the source region and the base region;
Forming a drain electrode (11) formed on the opposite side of the main surface of the semiconductor substrate, and a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device comprising:
The step of forming the base region performs low-concentration ion implantation with an impurity concentration lower than the desired impurity concentration in the surface layer portion of the semiconductor layer while activating ion species implanted at a heat treatment temperature. The manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device characterized by having a process.
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