JP4604241B2 - 炭化ケイ素ｍｏｓ電界効果トランジスタおよびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、炭化珪素を素材とする低オン抵抗、高電圧の縦型ＭＯＳＦＥＴの構造、および製造方法に関する。
炭化硅素（SiC）単結晶は、硅素(Si)単結晶と比較して、バンドギャップが広い、絶縁破壊強度が大きい、電子の飽和ドリフト速度が大きいなど優れた物性を有する。従って、SiCを出発材料として用いることにより、Siの限界を超えた高耐圧で低抵抗の電力用半導体素子が作製できる。またSiCにはSiと同様に熱酸化によって絶縁層を形成できるという特徴がある。これらのことから、SiC単結晶を素材料とした高耐圧で低オン抵抗の縦型ＭＯＳＦＥＴが実現できると考えられ、数多くの研究開発が行われている。
素材料としてSiCを用いた場合、Siで一般に適用されている2重拡散法による縦型ＭＯＳＦＥＴの作製ができない。それは不純物元素の拡散係数がSiC結晶内では極めて小さいためpおよびｎ型不純物の横方向拡散長の差によってチャネル領域を形成できないからである。そのため、SiのＤ−ＭＯＳＦＥＴと類似の縦型ＭＯＳＦＥＴはｐおよびｎ型不純物のイオン注入によって作製される。しかし、この方法では、イオン注入によって誘起された多数の結晶欠陥がチャネル領域に残留し、チャネル内に誘起される伝導電子を散乱するので電子移動度が低下する。２重イオン注入法で作製されたSiC縦型ＭＯＳＦＥＴはチャネル移動度が５cm2/Vs以下とSiのＤ−ＭＯＳＦＥＴの約500cm2/Vsに比して極めて小さくなる。その結果、オン抵抗が理論値よりも遥かに高いという問題を抱えている。
この問題を解決する手段として、チャネル領域をイオン注入ではなく堆積膜によって形成した構造が提案されている。その代表的な例が平成1４年10月18日に出願された特願２００２−３０４５９６に開示されている。図７はその単位セルの断面図である。この構造では、高濃度n型基板１上に低濃度n型ドリフト層２が堆積され、該ｎ型ドリフト層２の表面にイオン注入によって高濃度p型ゲート層31が形成され、さらにその上に低濃度p型層３２が堆積されている。この低濃度p型層３２の表面部分にはイオン注入によって選択的にn型ソース層５が、ゲート酸化膜６を介してゲート電極７が、さらに層間絶縁膜８を介してソース電極９がそれぞれ形成され、チャネル領域１１がゲート酸化膜６直下の低濃度ｐ型堆積層３２内に形成される。そして，該低濃度ｐ型堆積層３２を貫通してn型ドリフト層２に達するn型ベース層４が表面からのn型不純物のイオン注入によって選択的に形成されているのが特徴である（以下、このｎ型ベース層４を「打ち返し層」とも呼ぶ）。この構造では，チャネル領域１１がイオン注入されていない低濃度ｐ型堆積層内に形成されるので伝導電子の高い移動度を得ることができ、オン抵抗の小さな縦型ＭＯＳＦＥＴを作製することができる。また、電圧阻止状態では高濃度ｐ型ゲート層31から低濃度ｎ型ドリフト層２に横方向に広がる空乏層によって縦チャネル部分２４が低い電圧で完全にピンチオフされるので、チャネル領域１１付近のゲート酸化膜などへの電界の漏れを防ぎ、ソース・ドレイン耐電圧を高くできるという特徴がある。
しかしながら、この構造でも以下に述べるようないっそうの高耐圧化や低オン抵抗化を阻害する問題がある。その一つは、電圧阻止状態では高濃度ｐ型ゲート層31から低濃度ｎ型ドリフト層２に横方向に広がる空乏層によって縦チャネル部分２４が完全にピンチオフされるまでは、空乏層は前記したn型ベース層４（打ち返し層）内を上方にも広がる。該打ち返し層の不純物濃度が低く、厚さが薄い場合には、縦チャネル部分が完全にピンチオフするまえに空乏層がゲート酸化膜６との界面に到達し、ゲート電極７とｎ型ベース層４の間に介在するゲート酸化膜に強い電界がかかり、絶縁破壊を引き起こす。また、縦チャネル部分がピンチオフした後も電圧の増加に伴ってこの電界が強くなり、この部分のゲート酸化膜の絶縁破壊によってソース・ドレイン間の耐電圧が低く制限されるという問題がある。
さらに、チャネル領域１１は低濃度ｐ型堆積膜３２内に形成されるのでチャネル内の電子移動度は大きい値になるはずであるが、実際には以下の理由で期待するほど大きくならない。すなわち、低濃度ｐ型堆積膜３２が高濃度にイオン注入されたｐ型ゲート層31上に直接形成されるが、かかる高濃度注入層上の堆積膜の単結晶膜としての物性は著しく損なわれやすくなり、とりわけ、堆積膜の厚さが薄い場合には、下地の影響を顕著にうけて膜中の電子移動度が大きくならない。その結果、オン抵抗が期待したほど小さくならないという問題がある。
このようにチャネル領域を低濃度p型堆積膜内に設け、該堆積膜の部分を選択的なイオン注入によってｎ型に打ち返して電子通路を形成する従来提案された構造のSiCを素材とする縦型ＭＯＳＦＥＴのいっそうの高耐圧化や低オン抵抗化を阻害している問題は、低濃度ｐ型堆積膜３２をある程度以上に厚くすれば回避できると考えられる。該堆積膜を厚くすれば、厚いnベース層４によってゲート酸化膜にかかる電界を下げることができ、また、チャネル領域が高注入層からより離れた高品質の堆積膜内に形成できるようになるからである。
しかしながら、これまで提案された従来の縦型ＭＯＳＦＥＴ構造では、それを製作する際のプロセス的な制約によって、前記した低濃度ｐ型堆積膜を厚く形成することができない。すなわち，［０００４］において述べた通り、従来構造の縦型ＭＯＳＦＥＴの製作方法では、ｎ型ベース層４は、低濃度ｐ型堆積膜３２を表面から貫通するまでのｎ型不純物のイオン注入よって、ｐ型からｎ型へ反転させて（打ち返しさせて）形成される。ところが、イオン注入によって打ち返しできる膜の厚さには制限がある。イオンが注入される深さはイオンの加速電圧に依存するが、通常に使われる加速電圧（数100keV〜1000keV）では深くても1μm程度である。そのため、打ち返し層の厚さ（すなわち、ｐ型堆積膜の厚さに相当する）は通常は0.5〜0.7μm程度に制限され、これ以上厚くすることは困難である。
SiC縦型ＭＯＳＦＥＴは、Si-ＭＯＳＦＥＴに比べてチャネル移動度が小さくオン抵抗が下がらないという問題がある。これに対して、チャネル領域を低濃度のp型堆積膜により形成する構造の縦型ＭＯＳＦＥＴはチャネル移動度が向上するためオン抵抗の低減に効果があると期待される。これまで提案された構造は、低濃度ｐ型堆積膜の伝導型をイオン注入でｐ型からｎ型に打ち返す構造になっている。そのため、打ち返しできる堆積膜の厚さが薄く制限され、チャネル領域の結晶品質が十分高く、かつ電圧阻止状態において電界を緩和するに十分な厚さの堆積膜とすることができなかった。その結果、高い電圧阻止能力を保持することができないという問題と、オン抵抗が期待通りに下がらないという問題があった。
これらの問題に鑑み本発明の目的は、低オン抵抗且つ高耐圧のSiC縦型ＭＯＳＦＥＴを実現することであり、低濃度p型堆積膜により形成したチャネル領域を有するSiC縦型ＭＯＳＦＥＴの新しい構造を提供することである。
本発明の他の目的は、低濃度p型堆積層により形成したチャネル領域を有する高耐圧SiC縦型ＭＯＳＦＥＴの製造方法を提供するものである。
本発明の他の目的は、低濃度p型堆積層により形成したチャネル領域を有する高耐圧SiC縦型ＭＯＳＦＥＴを歩留まりよく製作できる構造および製作方法を提供することである。
上記課題解決のため本発明は、低濃度p型堆積層内に形成した低濃度のチャネル領域を有するSiC縦型ＭＯＳＦＥＴを高耐圧化、低オン抵抗化する手段として、該低濃度ｐ型堆積層とｎ型ドリフト層との間に高濃度p型層ならびに低濃度ｎ型堆積層を介在し，該低濃度ｎ型堆積層は該高濃度p型層に直接接するとともに、該高濃度p型層に具備された部分欠如部において前記ｎ型ドリフト層に直接接する構造とする。
前記構造のSiC縦型ＭＯＳＦＥＴの，前記低濃度ｐ型堆積層と前記低濃度のｎ型堆積層を積層された二つ堆積膜によりそれぞれ形成されたことを特徴とする。
そのようなSiC縦型ＭＯＳＦＥＴを作製する方法として、n型ドリフト層上に部分的に高濃度p型層を形成する工程と、高濃度p型層上、ならびに前記部分欠如部において露出しているn型ドリフト層上に低濃度ｎ型堆積膜を、つづいてその上に低濃度p型堆積膜を形成する工程と、さらに、該部分欠如部の厚さ方向に投影された付近とその周辺の領域において前記低濃度ｐ型堆積膜を貫通して前記低濃度ｎ型堆積膜に達する選択的なやや高濃度のn型不純物イオン注入を行い、前記低濃度ｐ型堆積膜の部分をｎ型に反転（打ち返し）てｎ型ベース領域を形成する工程を備えたものとする。このようにすれば、イオン注入によって貫通してｎ型に打ち返さなければならない領域は前記の低濃度ｐ型堆積膜だけでよい。したがって、該低濃度ｐ型堆積膜と、前記高濃度ｐ型層および前記部分欠如部のｎ型ドリフト層との間に介在させた低濃度ｎ型堆積膜の厚さにはプロセス上の厚さ制限はなく、これを十分な厚さにすることができる。その結果、前記した縦チャネル部分が完全にピンチオフするまえに空乏層がゲート酸化膜６との界面に到達し、ゲート電極７とｎ型ベース領域４の間に介在するゲート酸化膜に強い電界がかかり、絶縁破壊を引き起こす問題（［０００５］記載の問題）や、堆積膜の厚さが薄い場合に下地の影響を顕著にうけて膜中の電子移動度が大きくならないという問題（［０００６］記載の問題）が解消できる。
以上記述したように本発明によれば、以下のような効果を奏する。
請求項１、２に記載の発明では、低濃度p型堆積層内に形成した低濃度のチャネル領域を有し、かつゲート酸化膜と高濃度ゲート層との間に比較的厚い堆積膜を介在させることによって、低オン抵抗且つ高耐圧のSiC縦型ＭＯＳＦＥＴの実現が可能となった。介在するｎ型堆積層(33)の不純物濃度ならびに厚さを適当に選択すれば１５００Ｖ以上の高耐圧縦型ＭＯＳＦＥＴが実現できる。
請求項３および請求項６に記載の発明では、第２伝導型の高濃度ゲート層を高い精度で形成できるのでセルの微細化が容易になりSiC縦型ＭＯＳＦＥＴを高耐圧化および低損失化することができた。
請求項４および請求項６に記載の発明では、すべて堆積膜の上に堆積膜を積層する構造ならびに製造方法なのでチャネル領域の結晶品質を高くでき、そのSiC縦型ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗を低減することができた。
請求項５に記載の発明では、高耐圧且つ低オン抵抗のSiC縦型ＭＯＳＦＥＴを容易に製作することができる。
請求項８に記載の発明では、オン時に流れる電流の均一性が改善されるとともに、一種のセルフアライメント作用の効果によってセルサイズを約15μm程度に微細化することができるので縦型ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗の大幅な低減が可能になった。
請求項９および請求項１０に記載の発明では、オフ状態の電流のリークパスを除去することによって漏れ電流の低減された高耐圧のSiC縦型ＭＯＳＦＥＴが実現できた。
請求項１１に記載の記載の発明では、オン時の抵抗が小さく、かつ高い耐電圧のSiC縦型ＭＯＳＦＥＴが実現できた。
以下の本発明について具体的実施形態を示しながら詳細に説明する。
[実施形態１]
図１は本発明第１の実施形態のSiC縦型ＭＯＳＦＥＴの単位セルの断面図である。この構造では、5x1018 cm-3の窒素がドーピングされた厚さ約300umのn型SiC基板１上に、5x1015cm-3の窒素がドーピングされた厚さ15umのn型ドリフト層２が堆積されている。その表面から深さ0.5umに渡って２x1018cm-3のアルミニウムがドーピングされたp型層３１が形成され、該ｐ型層３１には幅約2.0μmの部分欠如部２４が設けられる。該ｐ型層３１の表面ならびに該部分欠如部２４のｎ型ドリフト層2の表面には1x1016cm-3の窒素がドーピングされた厚さ1.0μmのｎ型層３３が堆積され、その表面上に5x1015cm-3のアルミニウムがドーピングされた厚さ0.5μmのｐ型層３２が堆積されている。このｐ型層３２の表面部分には選択的に約1x1020cm-3のリンがドーピングされたｎ型ソース層５が形成されている。また、前記部分欠如部２４の厚さ方向に投影された付近のｐ型層３２の部分にはイオン注入によって1x1016cm-3以上の窒素がドーピングされた深さ約0.7μmのn型ベース領域４がｐ型層３２を貫通してｎ型層３３に達する深さにまで形成されている。該ｎ型ベース領域4と前記ｎ型ソース層５の中間部分のp型層３２の表面層にチャネル領域１１が形成される。チャネル領域１１上，ｎ型ベース領域４およびｎ型ソース層５の表面上の部分にはゲート絶縁膜６を介してゲート電極７が設けられ、ゲート電極７上には層間絶縁膜８を介してn型ソース層５の表面に低抵抗接続されたソース電極９が形成される。また、該ソース電極９は、前記ｎ型層との間にｐｎ接合を構成し、かつ前記ｐ型層３２と前記ｐ型層３１にわたって形成された1x1019cm-3程度の高濃度にアルミニウムがドーピングされたp+層３４の表面にも低抵抗接続されている。高濃度ｎ型基板１の裏面にはドレイン電極１０が低抵抗接続で形成されている。なお、n型ベース領域４の表面に形成されているゲート酸化膜６およびゲート電極７は削除されることもある。
このSiC縦型ＭＯＳＦＥＴの動作は基本的には一般のSi縦型ＭＯＳＦＥＴと同様である。即ち、オン状態では、ゲート電極７にしきい値電圧以上のゲート電圧が印加されると、p型層３２の表面に電子が誘起されチャネル領域１１が形成される。これによってn型ソース層５とn型ドリフト層２が、チャネル領域１１、n型ベース領域４およびｎ型層３３、部分欠如部２４を通る電子の通電路によって繋がり、ドレイン電極１０からソース電極９へ電流が流れる。この構造では、チャネル領域１１が5x1015cm-3の低濃度のp型堆積膜内に形成され、かつ高濃度のｐ型層3１との間に1.0μmの厚さに堆積されたｎ型層３３および0.5μmの厚さに堆積されたp型層３2を介し、ｐ型層3１より1μ以上離隔した表面層に形成されている。そのため、該ｐ型層3１が高濃度のイオン注入によって形成されて結晶欠陥が多く含まれた層であっても、その上に厚く堆積した部分の膜の結晶品質が十分高く、数10cm2/Vsの高いチャネル移動度が得られ、オン抵抗を低減することができた。
また、オフ状態では、ドレイン・ソース電極間の印加電圧は高濃度のｐ型層3１とｎ型ドリフト層２との間に構成されるｐｎ接合によって阻止されるが、ｐ型層3１の部分欠如部２４が両側の該ｐｎ接合からのびる空乏層によって完全にピンチオフされるまではn型ベース領域４，ｐ型層３２、ｎ型ソース層５、ゲート酸化膜６およびゲート電極７からなる横方向のＭＯＳＦＥＴ部分で電圧を阻止する。ｐ型層3１の部分欠如部２４の幅が2μmであり、ｎ型ドリフト層２のドーピング濃度が5x1015cm-3なのでピンチオフ電圧は30〜50Vとなり、横方向のＭＯＳＦＥＴ部分はかかる低い電圧に耐えることができる。部分欠如部２４でのピンチオフが終わったあとであっても、より高い電圧が印加されたとき、漏れ電界によって横方向のＭＯＳＦＥＴのゲート酸化膜が絶縁破壊を起こすという従来の問題は、部分欠如部２４とｎ型ベース領域４の間に介在するｎ型層３３によって電界が緩和されることにより解消でき、本実施形態では１５００Ｖの阻止電圧を得ることができた。なお、該ｎ型層３３の不純物濃度や厚さは、本実施形態の値に制限されることはなく、設計されるSiC縦型ＭＯＳＦＥＴの阻止電圧によっていかようにも調整されうる。
図２aの(a)ないし(f)、および図2bの(g)ないし(k)は、本発明第1の実施形態のSiC縦型ＭＯＳＦＥＴの製造工程を示す図である。それぞれ単位セルの断面図を示す。まず高濃度n型基板１上に5x1015cm-3の窒素をドーピングした低濃度n型ドリフト層２を15umの厚さに堆積する(a)。次いで高濃度p型層３１を形成するために、マスク１５を使用したp型不純物イオン注入3aを行う(b)。マスク１５は、表面上に減圧CVD法により堆積した厚さ1um
のSiO2膜をフォトリソグラフィによりパターン加工して形成した。p型不純物イオン注入３aはアルミニウムイオンを基板温度500 ℃、加速エネルギー40 keV〜250keV、注入量2x1018 cm-3として実施した。マスクを除去した後、表面に1x1016cm-3のリンがドープされた低濃度ｎ型層３３を1.0 umの厚さ堆積し、引き続き5x1015 cm-3のアルミニウムがドープされた低濃度p型層３2を0.5umの厚さ堆積する(c)。その後、n型ソース領域５を形成するためにマスク１３を使用したn型不純物イオン注入4aを行う(d)。n型不純物イオン注入4aは燐イオンを基板温度500℃、加速エネルギー40 keV〜250 keV、注入量2x1020 cm-3にして実施した。マスク１３を除去した後、n型ベース領域４を形成するために、マスク１４を使用したn型不純物イオン注入5aを行う(e)。n型不純物イオン注入5aは、窒素イオンを室温にて加速エネルギー40keV〜250 keV、注入量1x1016 cm-3として実施した。マスク１４を除去した後、アルゴン雰囲気中にて1500℃で30分間にわたる活性化アニールを行う(f)。これによってp型層３２、n+ベース層４およびn型ソース層５が形成される。次いで、ｎ型ソース層５からｐ型層３１に届く溝５０をドライ選択エッチングにて形成したあと(g)、マスク１６を使用したｐ型不純物イオン注入を行う。p型不純物イオン注入6aはアルミニウムイオンを基板温度500℃、加速エネルギー40 keV〜250 keV、注入量2x1018 cm-3として実施した。これによって、1x1019cm-3程度の高濃度にアルミニウムがドーピングされたp+層３４が形成される(h)。次いで、1200℃、140分の熱酸化をして厚さ40nmのゲート絶縁膜６を形成し、その上に減圧CVD法によって堆積した0.3umの多結晶シリコンをフォトリソグラフィによりパターン加工してゲート電極７を形成する(i)。さらに、減圧CVD法により表面上に0.5umの層間絶縁膜８を堆積し、その層間絶縁膜８に窓を開け(j)、n型ソース層５と高濃度のp+層３４に共通のソース電極９を形成してデバイスを完成する。
[実施形態２]
図３は本発明第２の実施形態のSiC縦型ＭＯＳＦＥＴの単位セルの断面図である。この構造では、5x1018 cm-3の窒素がドーピングされた厚さ約300umの基板１上に、5x1015cm-3の窒素がドーピングされた厚さ15umのn型ドリフト層２が堆積されている。その表面上に２x1018 cm-3のアルミニウムがドーピングされた厚さ0.5umのp型層３１が堆積され、該ｐ型層３１には幅約2.0μmの部分欠如部２４が設けられる。該ｐ型層３１の表面ならびに該部分欠如部２４のｎ型ドリフト層2の表面には1x1016cm-3の窒素がドーピングされた厚さ1.0μmのｎ型層３３が堆積され、さらにその表面上に5x1015cm-3のアルミニウムがドーピングされた厚さ0.5μmのｐ型層３２が堆積されている。p型層３２の表面部分には選択的に約1x1020 cm-3のリンがドーピングされたn型ソース層５が形成されている。また、前記部分欠如部２４の厚さ方向に投影された付近のｐ型層３２の部分にはイオン注入によって1x1016cm-3以上の窒素がドーピングされた深さ約0.7μmのn型ベース領域４がｐ型層３２を貫通してｎ型層３３に達する深さにまで形成されている。該ｎ型ベース領域4と前記ｎ型ソース層５の中間部分のp型層３２の表面層にチャネル領域１１が形成される。チャネル領域１１上，ｎ型ベース領域４およびｎ型ソース層５の表面上の部分にはゲート絶縁膜６を介してゲート電極７が設けられ、ゲート電極７上には層間絶縁膜８を介してn型ソース層５の表面に低抵抗接続されたソース電極９が形成される。また、該ソース電極９は、前記ｎ型層との間にｐｎ接合を構成し、かつ前記ｐ型層と前記ｐ型層にわたって形成された1x1019cm-3程度の高濃度にアルミニウムがドーピングされたp+層３４の表面にも低抵抗接続されている。高濃度ｎ型基板１の裏面にはドレイン電極１０が低抵抗接続で形成されている。なお、n型ベース領域４の表面に形成されているゲート酸化膜６およびゲート電極７は削除されることもある。
このSiC縦型ＭＯＳＦＥＴと図１の実施形態１との相違点は、p型層３１がn型ドリフト層２の中にイオン注入によって形成されているのではなく、n型ドリフト層２の表面に堆積膜として形成されていることであり、該p型層３１の一部をエッチングで除去することによって部分欠如部２４が設けられている点である。p型層３１がイオン注入ではなく、エピタキシャル成長などの堆積膜により形成されているので、その上に堆積されるｎ型層３３やｐ型層３２の結晶膜の品質が著しく損なわれることがないので、実施形態２に比べ高い電子移動度が得られやすいという利点がある。
[実施形態３]
図４は本発明第３の実施形態のSiC縦型ＭＯＳＦＥＴの断面図である。図中前記した図１と同じ番号の部位は同じ部分を指し、ｎ型ベース領域４の両サイドの高濃度のｎ型層４１が追加されている点を除けば基本的な構造は実施形態１の図１と同じである。該高濃度のn型層４１は、ｎ型ソース層５と同時に形成されて不純物濃度や表面からの深さなどは同じで、前記部分欠如部２４とほぼ等しい長さである。この層を具備することによって、単位セル中にある２つのチャネル領域１１の長さを等しくし、かつ、それらの相対的な位置を所定の関係とすることができるので、セルの微細化や電流集中を防止する上で効果がある。この作用効果は、以下に説明する製作方法によって、さらによく理解されよう。
図５の(d)ないし(f)は、本発明第３の実施形態のSiC縦型ＭＯＳＦＥＴの製造工程の一部を示す図である。図２aの(a)ないし(f)、および図2bの(g)ないし(k)で示した本発明第1の実施形態のSiC縦型ＭＯＳＦＥＴの製造工程のうち、図２aの(d)ないし(f)の工程に代えて本図の(d)ないし(f)の工程としたもので、他の工程は同じである。すなわち、工程(d)において、n型不純物イオン注入4aによってn型ソース領域５を形成するためのマスク１３に、前記したp型層３１の部分欠如部２４の垂直投影された付近の位置に該部分欠如部２４とにぼぼ等しい幅に、マスクの窓４０を開けてイオン注入する(d)。n型不純物イオン注入4aは燐イオンを基板温度500 ℃、加速エネルギー40 keV〜250 keV、注入量2x1020 cm-3にて実施した。マスク１３を除去した後、n型ベース領域４を形成するために、マスク１４を使用したn型不純物イオン注入5aを行う(e)。n型不純物イオン注入5aは、窒素イオンを室温にて加速エネルギー40keV〜250 keV、注入量1x1016 cm-3として実施した。マスク１４を除去した後、アルゴン雰囲気中にて1500℃で30分間にわたる活性化アニールを行う(f)。(f)図に示す通り、低濃度ｐ型堆積膜３２の部分をｎ型に反転（打ち返し）して形成されるｎ型ベース領域４の両サイドに少しはみ出す形で高濃度のn型層４１が形成される。同じイオン注入によって形成されるので、不純物濃度や表面からの深さなどはｎ型ソース層５と同じである。図による説明は省略したが、以降の製作工程（図２bの(g)ないし(k)に相当する工程）ではすべて該ｎ型層４１があることになる。
前記ｎ型層４１とｎ型カソード層５が同じホトマスクを使用して、同時のイオン注入で形成されるので、両層の間にできる単位セル中の２つのチャネル領域１１は、その長さ（いわゆるゲート長に相当する）を等しく、かつ、それらの相対的な位置関係を予め設計された通りに形成できる。したがって、オン時に流れる電流の均一性が改善されるとともに、一種のセルフアライメント作用の効果によってセルを微細化することができるので縦型ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗の低減が可能になる。
[実施形態４]
図６は本発明第４の実施形態のSiC縦型ＭＯＳＦＥＴの断面図である。図中前記した図１と同じ番号の部位は同部分を指す。セルの基本的な構造は図１の実施形態１と同じである。実施形態１と異なる点は、図1のｎ型層３３との間にｐｎ接合を構成し、かつｐ型層３２とｐ型層３１にわたって形成された1x1019cm-3程度の高濃度にアルミニウムがドーピングされたp+層３４に代わって、絶縁膜５１がｎ型層３３とカソード電極９との間に介在された点である。これによってｎ型層とカソード電極の短絡を防止し、電圧阻止状態における電流のリークパスをなくする。この構造は前記実施形態２や実施形態３のセル構造にも適用できる。
本発明の実施形態1ないし実施形態４で示した縦型ＭＯＳＦＥＴの単位セルの構造では、ソース電極９はゲート電極７との間に層間絶縁膜８を介してセル表面をスパンした構造としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、ソース電極がそれぞれのソース層５、ｐ型層３２およびｐ型層３１の表面露出部に低抵抗接触されたものであればよい。また、すべての実施形態において、ゲート酸化膜６とゲート電極７がイオン注入によってｐ型からｎ型に打ち返して形成されたｎ型ベース領域４の表面のすべてを被覆する構造を示したが、この部分のゲート酸化膜とゲート電極が一部またはすべてが削除された構造や、ゲート酸化膜の厚さがチャネル領域１１の表面部分より厚くした構造であっても発明の作用効果は失われない。さらにまた、該チャネル領域１１となるｐ型層３２の表面に薄くｎ型不純物をイオン注入してチャネル伝導を高めるいわゆる埋め込みチャネル構造のＭＯＳＦＥＴにも本発明は適用できる。
上記した本発明の実施形態に示したSiC縦型ＭＯＳＦＥＴでは、SiC結晶基板１の結晶面の方位について規定はしていないが、通常広く適用されている｛０００１｝面（シリコン面と呼ばれる）基板や｛１１２０｝面基板、あるいは｛０００１｝面（カーボン面と呼ばれる）基板、およびこれらの面にわずかのオフ角を付けた面に平行な表面を持つ基板のいずれにも適用できるものであるが、｛０００１｝面（カーボン面）基板およびこの面にわずかのオフ角を付けた面に平行な表面基板を適用すると、電圧阻止接合付近の破壊電界強度が高く、かつチャネル領域内の電子移動度が高い性質があり、高電圧、低オン抵抗の縦型ＭＯＳＦＥＴを得るのにもっとも優れている。
本発明第１の実施形態のSiC縦型ＭＯＳＦＥＴの単位セルの断面図 (a)〜(f)は本発明第１の実施形態のSiC縦型ＭＯＳＦＥＴの製造工程のセル断面図 (g)〜(k)は本発明第１の実施形態のSiC縦型ＭＯＳＦＥＴの製造工程のセル断面図 本発明第２の実施形態のSiC縦型ＭＯＳＦＥＴの単位セルの断面図 本発明第３の実施形態のSiC縦型ＭＯＳＦＥＴの単位セルの断面図 (d)〜(f)は本発明第3の実施形態のSiC縦型ＭＯＳＦＥＴの製造工程の一部の断面図 本発明第４の実施形態のSiC縦型ＭＯＳＦＥＴの単位セルの断面図 従来例を示すSiC縦型ＭＯＳＦＥＴの単位セルの断面図
符号の説明
１． 高濃度n型基板
２． 低濃度n型ドリフト層
３． ｐウエル層
３a. p型不純物イオン注入
４． n型ベース領域
４a. n型不純物イオン注入
５． ｎ型ソース層
５a. n型不純物イオン注入
６． ゲート絶縁膜
６a. p型不純物イオン注入
７． ゲート電極
８． 層間絶縁膜
９． ソース電極
１０． ドレイン電極
１１． チャネル領域
１３．イオン注入マスク
１４．イオン注入マスク
１６．イオン注入マスク
２４．ｐ型層の部分欠如部
３１．高濃度p型層
３２．低濃度p型層
３３．低濃度ｎ型層
３４．高濃度ｐ型層
４０．イオン注入マスクの窓
４１．高濃度ｎ型層
５０．溝
５１．絶縁膜

Claims (10)

  1. 第１伝導型炭化ケイ素基板(1)上に第１伝導型炭化ケイ素からなる第１の堆積膜(2)が形成されており、
    その上に第１伝導型炭化ケイ素からなる第２の堆積膜(33)が形成されており、
    さらにその上に第2伝導型炭化ケイ素からなる第３の堆積膜(32)が形成されており、該第３の堆積膜内には選択的に第１伝導型のベース領域(4)と第２伝導型のゲート領域(11)が形成されており、
    少なくとも該第２伝導型のゲート領域の表面上にはゲート絶縁膜(6)を介してゲート電極(7)が設けられており、
    前記第２伝導型のゲート領域(11)内には選択的に第１伝導型の高濃度ソース領域(5)が形成されており、
    前記第１伝導型炭化ケイ素基板(1)の表面にドレイン電極(10)が低抵抗接続され、
    前記第１の堆積膜(2)と前記第２の堆積膜(33)の間には第２伝導型の高濃度ゲート層(31)が介在し、
    前記高濃度ソース領域(5)ならびに前記高濃度ゲート層(31)の表面にソース電極(9)が低抵抗接続されており，
    該第２伝導型の高濃度ゲート層は部分欠如部(24)を有し、該部分欠如部(24)において前記第２の堆積膜(33)が前記第1の堆積膜(2)に直接接し、さらに該部分欠如部(24)が投影される領域において前記第３の堆積膜(32)内の前記第１伝導型のベース領域(4)が前記第２の堆積膜(33)に直接接することを特徴とした半導体装置。
  2. 請求項１に記載の半導体装置において、前記第２伝導型層の高濃度のゲート層(31)を前記第１の堆積膜(2)内に形成したことを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項１に記載の半導体装置において、前記第２伝導型層の高濃度ゲート層(31)を第１の堆積膜(2)上に形成した高濃度の第２伝導型炭化ケイ素からなる第４の堆積膜としたことを特徴とする半導体装置。
  4. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法として、前記第１の堆積膜(2)上に部分的に前記第２伝導型の高濃度ゲート層(31)を形成する工程と、該第２伝導型の高濃度ゲート層(31)上、ならびに前記部分欠如部(24)において露出している前記第１の堆積膜(2)上に第１伝導型の前記第２の堆積膜(33)を形成する工程と、さらにその上に、前記第２伝導型の第３の堆積膜(32)を形成する工程と、さらに、該第３の堆積膜(32)の前記部分欠如部が投影される領域の表面から前記第２の堆積膜(33)に達する選択的な第１伝導型不純物イオン注入を行い、前記第１伝導型のベース領域(4)を形成する工程を有することを特徴とした半導体装置の製造方法。
  5. 請求項４に記載の製造方法において、前記第2伝導型の高濃度ゲート層(31)を前記第１の堆積膜(2)表面に選択的に高濃度の第２伝導型不純物イオン注入により形成し，その上に第２の堆積膜(33)を形成する工程と、さらにその上に前記第２伝導型の第３の堆積膜(32)を形成する工程と、該第３の堆積膜内に前記第１伝導型のベース領域(4)を形成するために選択的に第１伝導型不純物イオン注入を行う工程を有することを特徴とした半導体装置の製造方法。
  6. 請求項４に記載の製造方法において、前記第１の堆積膜(2)上に前記第４の堆積膜(31)を形成する工程と、該第４の堆積膜表面から前記第１の堆積膜(2)に達するトレンチ溝を形成する工程と、前記第４の堆積膜(31)および前記トレンチ膜の上に第２の堆積膜(33)を形成する工程と、さらにその上に前記第２伝導型の第３の堆積膜(32)を形成する工程と、該第３の堆積膜内に前記第１伝導型のベース領域(4)を形成するために選択的に第１伝導型不純物イオン注入を行う工程を有する半導体装置の製造方法。
  7. 請求項１に記載の半導体装置において、前記第３の堆積膜(32)内の前記部分欠如部(24)が投影される領域で前記第１伝導型のベース領域(4)およびその周辺部分に、前記第1伝導型の高濃度ソース領域(5)と同じ不純物濃度、同じ深さで、同時のイオン注入によって選択的に形成された第１伝導型の高濃度層(41)が具備されたことを特徴とした半導体装置。
  8. 請求項１に記載の半導体装置において、前記第２の堆積膜(33)と前記ソース電極(9)との間に高濃度の第2伝導型のイオン注入で形成された領域(34)が介在し、その表面において前記ソース電極(9)に低抵抗接触したことを特徴とした半導体装置。
  9. 請求項１に記載の半導体装置において、前記第２の堆積膜(33)と前記ソース電極(9)との間に絶縁膜(51)が介在したことを特徴とした半導体装置。
  10. 請求項１に記載の半導体装置において、前記第１伝導型炭化ケイ素基板(1)の表面の結晶学的面指標が｛０００１｝（カーボン面）面に対して略平行な面であることを特徴とした半導体装置。
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