JP4700045B2 - 半導体素子の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、炭化珪素基板上に形成される高耐圧パワーMOSFET等の半導体素子の製造方法に関する。
従来の炭化珪素基板に形成される半導体素子は、炭化珪素からなる種基板上にエピタキシャル成長法により炭化珪素層を形成した炭化珪素基板に、N型不純物を低濃度に拡散させたNドリフト拡散層を形成し、そのNドリフト拡散層上にフォトリソグラフィによりPウェル層の形成領域を露出させたレジストマスクを形成して、アルミニウムからなるP型不純物を低濃度にイオン注入したP低濃度注入層を形成した後に、炭化珪素基板の上面をカーボン膜で覆って、ステップバンチングと呼ばれる凹凸の形成を防止しながら、1600℃以上の高温の熱処理によりP低濃度注入層を活性化させてPウェル層を形成しておき、MOSFETを形成する場合は、カーボン膜の除去後に、炭化珪素基板の上面を熱酸化してゲート酸化膜を形成している(例えば、特許文献1参照。)。
上記のステップバンチングは、炭化珪素基板が1600℃以上の高温に曝された場合に、結晶格子間のシリコンが蒸発して表面に形成される凹凸であって、耐熱温度の高い炭化珪素基板を用いた場合に生ずる特有の現象である。
特開2005−353771号公報(第2頁段落0012、第5頁段落0026−第6頁段落0035、第1図)
しかしながら、上述した従来の技術においては、MOSFETのゲート酸化膜を形成するときに、熱酸化法により熱酸化膜を形成しているため、通常1600℃以上の処理温度を必要とする炭化珪素基板における熱酸化膜の形成においては、熱酸化により形成される酸化シリコンからなるゲート酸化膜と、炭化珪素基板との界面にステップバンチングが形成され、これが形成されると、チャネル領域の電荷の移動度が低下してチャネル抵抗が増大し、半導体素子の素子特性を低下させてしまうという問題がある。
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、ゲート酸化膜と炭化珪素基板との界面の平坦性を確保しながら、炭化珪素基板上に熱酸化膜からなるゲート酸化膜を形成する手段を提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するために、半導体素子の製造方法が、第1の主面および前記第1の主面と反対側の面である第2の主面を有する炭化珪素基板であって、第1導電型不純物を拡散させて前記第2の主面に形成されたドレイン層と、前記ドレイン層が形成された部分以外の前記炭化珪素基板に、前記第1導電型不純物を前記ドレイン層より低濃度に拡散させたドリフト拡散層を有する前記炭化珪素基板と、第3の主面および前記第3の主面と反対側の面である第4の主面を有するシリコン基板であって、前記第1導電型不純物を拡散させたシリコン層、および前記シリコン層の前記第3の主面上に形成された熱酸化膜を有する前記シリコン基板と、を準備する工程と、前記第1の主面に、素子形成領域を設定すると共に、前記素子形成領域の両側の縁部に前記第1導電型不純物とは逆型の第2導電型不純物を注入して、互いに離間した低濃度注入層を形成する工程と、前記両側の低濃度注入層に、第1導電型不純物を前記ドリフト拡散層より高濃度に注入して高濃度注入層を形成する工程と、熱処理により、前記低濃度注入層および前記高濃度注入層を活性化させて、ウェル層および前記ウェル層に取り囲まれたソース層を形成する工程と、前記ウェル層およびソース層が形成された前記炭化珪素基板の第1の主面を、平坦化する工程と、平坦化された前記炭化珪素基板の前記第1の主面に、前記シリコン基板の前記第3の主面上に形成された熱酸化膜を重ね合せて貼合せる工程と、貼合せた前記シリコン基板の前記シリコン層を除去し、前記炭化珪素基板上に前記熱酸化膜からなるゲート酸化膜を形成する工程と、を備えることを特徴とする。
これにより、本発明は、熱酸化膜からなるゲート酸化膜の形成を比較的低温の熱処理により行うことができ、ゲート酸化膜と炭化珪素基板との界面に生ずるステップバンチングの形成を防止して、界面の平坦性を確保しながら、炭化珪素基板上に熱酸化膜からなるゲート酸化膜を形成することができるという効果が得られる。
以下に、図面を参照して本発明による半導体素子の製造方法の実施例について説明する。
図1は実施例1の半導体素子の断面を示す説明図、図2、図3は実施例1の半導体素子の製造方法を示す説明図である。
図1において、1は半導体素子としてのMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)である。本実施例では、高耐圧のNチャネルMOSFETである。
2は、第1の主面としての上面および第1の主面の反対側の面である第2の主面としての下面を有する炭化珪素基板であり、炭化珪素(SiC)からなる種基板上に、エピタキシャル成長法により、炭化珪素からなる炭化珪素層を成長させて形成される。
また、炭化珪素基板2の下面は、本実施例の第1導電型不純物である窒素(N)等のN型不純物を高濃度に拡散させたドレイン層3が形成されており、炭化珪素基板2のドレイン層3を除く窒素(N)等のN型不純物をドレイン層3より低濃度に拡散させた部位が、本実施例のMOSFET1のドリフト拡散層4(以下、Nドリフト拡散層4という。)として機能する。
本実施例の炭化珪素基板2には、MOSFET1を形成するための、素子形成領域5が設定されている。
6は低濃度拡散層としてのウェル層であり、素子形成領域5の縁部の領域の炭化珪素基板2の上面に、N型とは逆型の本実施例の第2導電型不純物であるアルミニウム(Al)等のP型不純物を低濃度に注入して形成された低濃度注入層6a(以下、P低濃度注入層6aという。)のP型不純物を1600℃以上の高温の熱処理により拡散させて形成された拡散層(以下、Pウェル層6という。)である。
8はソース層であり、素子形成領域5の端部の領域のP低濃度注入層6aの表層に、リン(P)等のN型不純物をNドリフト層4より高濃度に注入して形成された高濃度注入層8a(以下、N高濃度注入層8aという。)のN型不純物を1600℃以上の高温の熱処理により拡散させて形成された拡散層である。
本実施例のソース層8は、素子形成領域5の両側にPウェル層6に取り囲まれた状態で形成され、これらのPウェル層6は、Nドリフト拡散層4を挟んで、互いに離間して配置されている。
10はゲート電極であり、N型不純物を比較的高濃度に含有するポリシリコン等の電極材料からなる電極であって、炭化珪素基板2上のソース層8を除く領域、つまりソース層8の間のPウェル層6およびNドリフト拡散層4が形成された領域上に形成され、ゲート酸化膜11を挟んで炭化珪素基板2に対向配置されている。
本実施例のゲート酸化膜11は、図3に示すように、シリコン(Si)で形成されたシリコン層からなる、第3の主面としての一の面および第3の主面の反対側の面である第4の主面としての他の面を有するシリコン基板13の一の面に、熱酸化法により、酸化シリコン(SiO)からなる熱酸化膜11aを形成しておき、その熱酸化膜11aを、貼合せ法により、炭化珪素基板2の上面に貼合せて形成された薄い膜厚の絶縁膜であって、炭化珪素基板2のPウェル層6およびNドリフト拡散層4と、ゲート電極10との間に配置される。
上記の構成のMOSFET1のチャネルは、ゲート酸化膜11を挟んでゲート電極10と対向するPウェル層6の表層に形成される。
以下に、図2、図3にPで示す工程に従って、本実施例の半導体素子の製造方法について説明する。
P1(図2)、下面にN型不純物(本実施例では、窒素)を高濃度に拡散させたドレイン層3、およびドレイン層3が形成された部分以外の炭化珪素基板2に、N型不純物(本実施例では、窒素)をドレイン層3より低濃度に拡散させたNドリフト拡散層4を有する炭化珪素基板2と、シリコン層の一の面に熱酸化法により形成された熱酸化膜11aを有するシリコン基板13(図3参照)とを準備し、その炭化珪素基板2に素子形成領域5を設定する。
P2(図2)、炭化珪素基板2のNドリフト拡散層4の上面に、フォトリソグラフィにより、素子形成領域5の縁部のP低濃度拡散層6aの形成領域のNドリフト拡散層4を露出させたレジストマスクを形成し、これをマスクとして、P型不純物(本実施例では、アルミニウム)を低濃度に注入してP低濃度注入層6aを形成する。
そして、前記のレジストマスクの除去後に、フォトリソグラフィにより、素子形成領域5のP低濃度拡散層6aの端部のN高濃度注入層8aの形成領域のP低濃度拡散層6aを露出させたレジストマスクを形成し、これをマスクとして、N型不純物(本実施例では、リン)を炭化珪素基板2より高濃度に注入してN高濃度注入層8aを形成し、前記のレジストマスクを除去する。
P3(図2)、1600℃以上(本実施例では1600〜1800℃)の高温の熱処理により、P低濃度注入層6aおよびN高濃度注入層8aのそれぞれの不純物を活性化させて、P型不純物を低濃度に拡散させたPウェル層6と、N型不純物を高濃度に拡散させたソース層8とを形成する。
そして、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法により、Pウェル層6およびソース層8が形成された炭化珪素基板2の上面を研磨して、高温の熱処理により炭化珪素基板2の上面に形成されたステップバンチングを除去し平坦化する。
P4(図3)、予め準備したシリコン基板13の一の面に形成された熱酸化膜11aを、平坦化された炭化珪素基板2の上面に重ね合せ、シリコン基板13の他の面を押圧して仮接合し、その後に比較的低温(本実施例では、1100〜1300℃)の熱処理を施して強固に接合させる貼合せ法により、炭化珪素基板2の上面に熱酸化膜11aを貼合せる。
P5(図3)、シリコン基板13と炭化珪素基板2の貼合せ後に、ウェットエッチングによりシリコン基板13のシリコン層を除去し、熱酸化膜11aを露出させて、炭化珪素基板2上の全面に熱酸化膜11aからなるゲート酸化膜11を形成する。
P6(図3)、CVD(Chemical Vapor Deposition)法により、ゲート酸化膜11上の全面に、N型不純物(本実施例では、リン)を高濃度に含有したポリシリコンを比較的厚く堆積して電極材料層を形成し、フォトリソグラフィにより電極材料層上に、素子形成領域5のソース層8の間のゲート電極10の形成領域を覆うレジストマスクを形成し、これをマスクとして、電極材料層およびゲート酸化膜11を異方性エッチングにより除去し、炭化珪素基板2のソース層8の上面を露出させてゲート電極10を形成する。
その後に、アルミニウム等の導電材料により、ソース層8およびゲート電極10に電気的に接続する図示しないソースコンタクトおよびゲートコンタクト等を形成して、図1に示す本実施例のMOSFET1が形成される。
このように、本実施例の炭化珪素基板2を用いたMOSFET1の製造方法においては、炭化珪素基板2に、ドレイン層3、Pウェル層6、ソース層8等の1600℃以上の高温の熱処理を要する拡散層を予め形成しておき、これによりステップバンチングが生じた炭化珪素基板2の上面をCMP法により研磨して平坦化し、その後に炭化珪素基板2の上面に、シリコン基板13に熱酸化法により形成しておいた熱酸化膜11aを1200℃程度の低温の熱処理により貼合せて熱酸化膜11aからなるゲート酸化膜11を形成するので、ゲート酸化膜11の形成時に、ゲート酸化膜11と炭化珪素基板2との界面にステップバンチングが生じることはなく、界面の平坦性を確保しながら、炭化珪素基板2上に熱酸化膜11aからなるゲート酸化膜11を形成することが可能になり、チャネル領域における電荷の移動度の低下を防止してチャネル抵抗を低減することができ、MOSFET1の素子特性を向上させることができる。
また、ゲート酸化膜11の形成前に、高温の熱処理を要する工程を全て終えておくので、ゲート酸化膜11の形成後に、炭化珪素基板2との界面にステップバンチングによる欠陥が生じることはなく、素子特性に優れたMOSFET1を形成することができる。
なお、上記工程P5においては、シリコン基板13のシリコン層をウェットエッチングにより除去するとして説明したが、シリコン基板13に熱酸化膜11aを形成した後に、熱酸化膜11aから離間した位置に水素イオンを注入して水素注入層を形成しておき、炭化珪素基板2と熱酸化膜11aとの仮接合後に、500℃程度の熱処理によって水素注入層を剥離させ、熱酸化膜11a上に残留したシリコン層を、ドライエッチングまたはCMP法により除去して熱酸化膜11aを露出させた後に、1200℃程度の低温の熱処理により熱酸化膜を強固に接合するようにしてもよい。このようにすれば、シリコン基板13のシリコン層の除去時間の短縮化を図ることができる。
以上説明したように、本実施例では、第1の主面(上面)および第1の主面と反対側の面である第2の主面(下面)を有し、N型不純物を拡散させた炭化珪素基板であって、第1の主面に、前記N型不純物を拡散させたソース層、および前記ソース層を取り囲みかつ前記N型不純物とは逆型のP型不純物を拡散させたPウェル層が形成された炭化珪素基板を準備すると共に、第3の主面(一の面)および第3の主面と反対側の面である第4の主面(他の面)を有するシリコン基板であって、第3の主面に熱酸化膜が形成されたシリコン基板を準備し、第1の主面と第3の主面を貼合せるようにしたことによって、熱酸化膜からなるゲート酸化膜の形成を比較的低温の熱処理により行うことができ、ゲート酸化膜と炭化珪素基板との界面に生ずるステップバンチングの形成を防止して、界面の平坦性を確保しながら、炭化珪素基板上に熱酸化膜からなるゲート酸化膜を形成することが可能になり、チャネル領域における電荷の移動度の低下を防止してチャネル抵抗を低減することができ、MOSFETの素子特性を向上させることができる。
図4、図5は実施例1の半導体素子の製造方法を示す説明図である。
なお、上記実施例1と同様の部分は、同一の符号を付してその説明を省略する。
本実施例の予め準備するシリコン基板21(図5参照)には、シリコン層の一の面に、上記実施例1のシリコン基板13と同様の熱酸化膜11aが形成され、そのシリコン層には、N型不純物(本実施例では、リン)が予め高濃度(本実施例では、1×1020/cm以上)に拡散されており、このシリコン層を用いてゲート電極22が形成される。
以下に、図4、図5にPAで示す工程に従って、本実施例の半導体素子の製造方法について説明する。
PA1(図5)、上記実施例1と同様のドレイン層3およびNドリフト拡散層4を有する炭化珪素基板2と、N型不純物を高濃度に拡散させたシリコン層の一の面に熱酸化法により形成された熱酸化膜11aを有するシリコン基板21(図5参照)とを準備し、その炭化珪素基板2に素子形成領域5を設定する。
その後の工程PA2(図4)〜PA4(図5)の作動は、上記実施例1の工程P2(図2)〜P4(図3)の作動と同様であるので、その説明を省略する。
この場合に、工程PA4においては、炭化珪素基板2の上面にシリコン基板21を重ね合せて、炭化珪素基板2の上面に熱酸化膜11aを貼合せる。
PA5(図5)、シリコン基板21と炭化珪素基板2の貼合せ後に、フォトリソグラフィによりシリコン基板21の他の面上に、素子形成領域5のソース層8の間のゲート電極22の形成領域を覆うレジストマスクを形成し、これをマスクとして、シリコン基板21のシリコン層および熱酸化膜11aを異方性エッチングにより除去し、炭化珪素基板2のソース層8の上面を露出させ、熱酸化膜11aからなるゲート酸化膜11を挟んで、炭化珪素基板2のPウェル層6およびNドリフト拡散層4に対向するゲート電極22を形成する。
その後に、上記実施例1と同様にして、図示しないソースコンタクトおよびゲートコンタクト等を形成して、本実施例のMOSFET1が形成される。
上記のように、本実施例のゲート電極22は、予めN型不純物を高濃度に拡散させたシリコン基板21のシリコン層をエッチングして形成するので、実施例1におけるゲート電極10を形成するためのポリシリコンの堆積工程を省略することが可能になり、工程数を削減してMOSFET1の製造方法の簡素化を図ることができる。
以上説明したように、本実施例では、上記実施例1と同様の効果に加えて、N型不純物を高濃度に拡散させたシリコン層の一の面に熱酸化膜が形成されたシリコン基板を準備しておき、このシリコン基板の熱酸化膜を炭化珪素基板の上面に貼合せた後に、シリコン基板のシリコン層および炭化珪素基板上に貼合された熱酸化膜をエッチングして、炭化珪素基板上のソース層間に、熱酸化膜からなるゲート酸化膜を挟んで炭化珪素基板に対向するゲート電極を形成するようにしたことによって、ゲート電極を形成するためのポリシリコンの堆積工程を省略することが可能になり、工程数を削減してMOSFETの製造方法の簡素化を図ることができる。
なお、本実施例においては、炭化珪素基板に貼合せる基板として、N型不純物を高濃度に拡散させたシリコン層を有するシリコン基板を用いるとして説明したが、一の面を酸化させた金属アルミニウムからなるアルミニウム基板を用いるようにしてもよい。このようにしても、アルミニウム基板をエッチングして、アルミニウムからなるゲート電極を形成することができ、ポリシリコンの堆積工程を省略することが可能になる。
上記各実施例においては、半導体素子はNチャネルMOSFETであるとして説明したが、半導体素子は前記に限らず、上記の各拡散層の極性を逆にしたPチャネルMOSFETに本発明を適用しても、上記と同様の効果を得ることができる。
実施例1の半導体素子の断面を示す説明図 実施例1の半導体素子の製造方法を示す説明図 実施例1の半導体素子の製造方法を示す説明図 実施例2の半導体素子の製造方法を示す説明図 実施例2の半導体素子の製造方法を示す説明図
符号の説明
1 MOSFET
2 炭化珪素基板
3 ドレイン層
4 ドリフト層
5 素子形成領域
6 ウェル層
6a 低濃度注入層
8 ソース層
8a 高濃度注入層
10、22 ゲート電極
11 ゲート酸化膜
11a 熱酸化膜
13、21 シリコン基板

Claims (2)

  1. 第1の主面および前記第1の主面と反対側の面である第2の主面を有する炭化珪素基板であって、第1導電型不純物を拡散させて前記第2の主面に形成されたドレイン層と、前記ドレイン層が形成された部分以外の前記炭化珪素基板に、前記第1導電型不純物を前記ドレイン層より低濃度に拡散させたドリフト拡散層を有する前記炭化珪素基板と、第3の主面および前記第3の主面と反対側の面である第4の主面を有するシリコン基板であって、前記第1導電型不純物を拡散させたシリコン層、および前記シリコン層の前記第3の主面上に形成された熱酸化膜を有する前記シリコン基板と、を準備する工程と、
    前記第1の主面に、素子形成領域を設定すると共に、前記素子形成領域の両側の縁部に前記第1導電型不純物とは逆型の第2導電型不純物を注入して、互いに離間した低濃度注入層を形成する工程と、
    前記両側の低濃度注入層に、第1導電型不純物を前記ドリフト拡散層より高濃度に注入して高濃度注入層を形成する工程と、
    熱処理により、前記低濃度注入層および前記高濃度注入層を活性化させて、ウェル層および前記ウェル層に取り囲まれたソース層を形成する工程と、
    前記ウェル層およびソース層が形成された前記炭化珪素基板の第1の主面を、平坦化する工程と、
    平坦化された前記炭化珪素基板の前記第1の主面に、前記シリコン基板の前記第3の主面上に形成された熱酸化膜を重ね合せて貼合せる工程と、
    貼合せた前記シリコン基板の前記シリコン層を除去し、前記炭化珪素基板上に前記熱酸化膜からなるゲート酸化膜を形成する工程と、を備えることを特徴とする半導体素子の製造方法。
  2. 請求項1に記載の半導体素子の製造方法において、
    貼合せた前記シリコン基板の前記シリコン層を除去し、前記炭化珪素基板上に前記熱酸化膜からなるゲート酸化膜を形成する工程に替えて、
    貼合せた前記シリコン基板の前記シリコン層および前記熱酸化膜を除去して前記ソース層を露出させ、前記熱酸化膜からなるゲート酸化膜を挟んで前記炭化珪素基板に対向するゲート電極を形成する工程を備えることを特徴とする半導体素子の製造方法。
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