JP4848607B2

JP4848607B2 - 炭化珪素半導体装置の製造方法

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Publication number: JP4848607B2
Application number: JP2001275204A
Authority: JP
Inventors: 信之加藤; 有一竹内
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-09-11
Filing date: 2001-09-11
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2021-09-11
Also published as: JP2003086802A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化珪素（ＳｉＣ）を用いた半導体装置の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＳｉＣにおいては、移動度が高さを考慮すると、４Ｈや６Ｈの結晶構造を持つ半導体基板上に素子を作り込むのが適している。しかしながら、これらの結晶構造に形成した拡散層に取り出し電極をコンタクトさせた場合、拡散層と取り出し電極とのコンタクト抵抗率が高くなるという問題がある。このため、特開平１１−１２１７４４号公報では、拡散層のうち取り出し電極とのコンタクトが取られる部分を４Ｈや６Ｈよりもバンドギャップが小さくなる３Ｃで構成するようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ＳｉＣを用いた半導体装置の１つとして、特開平１０−３０８５１０号公報に提案されたような蓄積型チャネルを利用したプレーナ型の縦型ＭＯＳＦＥＴがある。ここに示される半導体装置の構成において、従来技術で示されたように、拡散層のうちコンタクトが取られる部分を３Ｃとする場合、図５に示すような製造方法が考えられる。
【０００４】
まず、図５（ａ）に示す工程では、４Ｈ又は６Ｈ−ＳｉＣからなる半導体基板Ｊ１の表面にｎ^-型ドリフト層Ｊ２を成膜したのち、フォト工程を用いた選択的なイオン注入等によりｎ^-型ドリフト層Ｊ２の表層部にｐ^-型ベース領域Ｊ３を形成する。そして、ｐ^-型ベース領域Ｊ３及びｎ^-型ドリフト層Ｊ２の表面に、３Ｃ−ＳｉＣからなるｎ^-型チャネル層Ｊ４を成膜する。
【０００５】
図５（ｂ）に示す工程では、フォト工程を用いた選択的なイオン注入等によりｎ^-型チャネル層Ｊ４及びｐ^-型ベース領域Ｊ３の所定領域にｎ⁺型ソース領域Ｊ５を形成する。次いで、ｎ^-型チャネル層Ｊ４の不要部分を除去してから熱酸化にてゲート酸化膜Ｊ６を形成し、さらに、ゲート酸化膜Ｊ６の表面にＰｏｌｙ−Ｓｉ層を成膜したのち、パターニングしてゲート電極Ｊ７を形成する。そして、ゲート電極Ｊ７を覆うように層間絶縁膜Ｊ８を形成したのち、層間絶縁膜Ｊ８およびゲート酸化膜Ｊ６にコンタクトホールを形成する。
【０００６】
その後、図５（ｃ）に示す工程では、コンタクトホールを通じてｎ⁺型ソース領域Ｊ５およびｐ^-型ベース領域Ｊ３と接するようにソース電極Ｊ９を形成したのち、半導体基板Ｊ１の裏面側にドレイン電極Ｊ１０を形成する。このような方法により拡散層のうちコンタクトが取られる部分を３Ｃとすることが可能となる。
【０００７】
しかしながら、上記方法によると４Ｈや６Ｈで構成されたｐ^-型ベース領域Ｊ３及びｎ^-型ドリフト層Ｊ２の表面に３Ｃのｎ^-型チャネル層Ｊ４を形成することになり、異なる結晶構造のものを成長させることになって、構造歪み等による結晶欠陥を発生させ易い。そして、この結晶欠陥がチャネル設定領域となるｎ^-型チャネル層Ｊ４に形成されることになるため、デバイス特性に影響を及ぼすという問題を発生させる。
【０００８】
本発明は上記点に鑑みて、蓄積型チャネルを利用したプレーナ型の縦型ＭＯＳＦＥＴ等を備える炭化珪素半導体装置において、コンタクト抵抗率の低減を図ると共にデバイス特性の安定化を図ることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、主表面及び主表面と反対面である裏面を有し、炭化珪素からなる半導体基板（１）と、半導体基板の主表面上に形成された炭化珪素からなる第１導電型のドリフト層（２）と、ドリフト層の表層部の所定領域に形成され、所定深さを有する第２導電型のベース領域（３）と、ベース領域の表層部または表面の所定領域に形成され、ベース領域の深さよりも浅い炭化珪素からなる第１導電型のソース領域（４）と、ベース領域の表面部上において、ソース領域とドリフト層とを繋ぐように形成された、炭化珪素よりなる第１導電型の表面チャネル層（５）と、表面チャネル層の表面に形成されたゲート絶縁膜（７）と、ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極（８）と、ベース領域及びソース領域に接触するように形成されたソース電極（１０）と、半導体基板の裏面側に形成されたドレイン電極（１１）とを備え、表面チャネル層はドリフト層と同じ結晶構造で構成され、ソース領域のうちソース電極と接触する部位は３Ｃで構成されるようにする。
【００１０】
このように、表面チャネル層はドリフト層と同じ結晶構造で形成されるようにし、ソース電極とコンタクトが取られるソース領域が３Ｃで形成されるようにすれば、コンタクト抵抗率の低減が図れ、かつ、デバイス特性の安定化を図ることができる。
【００１１】
例えば、ドリフト層を４Ｈまたは６Ｈとし、表面チャネル層もそれと同じ結晶構造とすれば、チャネル移動度を高くすることができる。
【００１２】
請求項１または２に記載の発明は、上記炭化珪素半導体装置の製造方法に関する。これらの方法により、上記炭化珪素半導体装置を製造することができる。
【００１３】
請求項１に記載の発明は、ソース領域を形成する工程および表面チャネル層を形成する工程では、ドリフト層およびベース領域の表面にドリフト層と同じ結晶構造で表面チャネル層をエピタキシャル成長させる工程と、表面チャネル層上の所定領域に第１のマスク材（２０）を配置したのち、第１のマスク材をマスクとしたエッチングにより、表面チャネル層の不要部分を除去する工程と、表面チャネル層を除去した部分に３Ｃの半導体層（２２）を選択的エピタキシャル成長させる工程と、半導体層の所定領域に第１導電型不純物をイオン注入することで、第１導電型不純物がイオン注入された３Ｃの半導体層によりソース電極と接触する部位が構成されるソース領域を形成する工程とを行うこと特徴としている。このような工程により、表面チャネル層およびソース領域を形成することができる。
また、請求項１に記載の発明は、半導体層をエピタキシャル成長させる工程では、第１のマスクを熱処理によって焼結させることでカーボン層からなる第２のマスク材（２１）を不要部分が除去された表面チャネル層上に配置したのち、第２のマスク材をマスクとした状態でエピタキシャル成長を行うことにより、表面チャネル層を除去した部分に半導体層（２２）を選択的に形成することを特徴としている。このように、第２のマスク材を用いた選択的エピタキシャル成長によって半導体層を形成することが可能である。そして、第１のマスク材を熱処理することで、第２のマスク材となるカーボン層を形成することができる。この場合、第１のマスク材があった位置に確実にカーボン層を形成することができるため、マスクずれの防止が図れると共に製造工程の簡略化を図ることができる。
【００１４】
また、請求項２に記載の発明は、ソース領域を形成する工程および表面チャネル層を形成する工程では、ドリフト層およびベース領域の表面にドリフト層と同じ結晶構造で表面チャネル層をエピタキシャル成長させる工程と、表面チャネル層上の所定領域に第１のマスク材（２０）を配置したのち、第１のマスク材をマスクとしたエッチングにより、表面チャネル層の不要部分を除去する工程と、表面チャネル層を除去した部分に、３Ｃの第１導電型の半導体層（２２）を選択的エピタキシャル成長させ、半導体層にてソース領域を構成することでソース電極と接触する部位が構成されるソース領域を形成する工程とを行うこと特徴としている。このように、エピタキシャル成長させた第１導電型の半導体層によってソース領域を構成することも可能である。この場合、イオン注入によらずにソース領域を形成することになるため、より結晶欠陥が少なく、活性化率の高いソース領域とすることができる。
【００１８】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態における半導体装置として、蓄積型チャネルを利用したプレーナ型の縦型パワーＭＯＳＦＥＴの断面構成を示す。以下、図１に基づいて縦型パワーＭＯＳＦＥＴの構成の説明を行う。
【００２０】
４Ｈまたは６Ｈ−ＳｉＣからなるｎ⁺型半導体基板（以下、ｎ⁺型基板という）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⁺型基板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し、基板１と同じ結晶構造のＳｉＣからなるｎ^-型ドリフト層２が積層されている。
【００２１】
ｎ^-型エピ層２の表層部における所定領域には、所定深さを有する複数のｐ^-型ベース領域３が離間して形成されている。また、各ｐ^-型ベース領域３の表層部の所定領域には、ｐ^-型ベース領域３よりも浅いｎ⁺型ソース領域４が形成されている。このｎ⁺型ソース領域４は、上層部が３Ｃ−ＳｉＣで構成され、下層部がｎ^-型エピ層２と同じ結晶構造のＳｉＣで構成されている。
【００２２】
そして、各ｎ⁺型ソース領域４の間におけるｎ^-型エピ層２およびｐ^-型ベース領域３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３の表面部においてｎ⁺型ソース領域４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、エピタキシャル成長にて形成されたものであり、ｎ^-型エピ層２と同じ結晶構造のＳｉＣで構成されている。なお、このｎ^-型ＳｉＣ層５は、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。以下、ｎ^-型ＳｉＣ層５を表面チャネル層という。
【００２３】
ｐ^-型ベース領域３、ｎ⁺型ソース領域４の表面部には凹部６が形成されている。また、表面チャネル層５の上面およびｎ⁺型ソース領域４の上面にはゲート酸化膜（ゲート絶縁膜）７が形成され、このゲート酸化膜７の上にゲート電極８が形成されている。ゲート電極８は、ＬＴＯ（Low Temperature Oxide）等で構成された層間絶縁膜９で覆われ、この層間絶縁膜９の上にｎ⁺型ソース領域４およびｐ^-型ベース領域３と電気的に接続されたソース電極１０が形成されている。そして、ｎ⁺型基板１の裏面１ｂ側にドレイン電極１１が形成され、縦型パワーＭＯＳＦＥＴが構成されている。
【００２４】
続いて、図１に示す縦型パワーＭＯＳＦＥＴの製造方法について、図２、図３に示す製造工程図を用いて説明する。
【００２５】
〔図２（ａ）に示す工程〕
４Ｈ又は６Ｈ−ＳｉＣからなるｎ⁺型基板１を用意する。このｎ⁺型基板１の表面に、ｎ⁺型基板１と同じ結晶構造のＳｉＣからなるｎ^-型ドリフト層２をエピタキシャル成長させたのち、フォト工程を用いた選択的なイオン注入等によりｎ^-型ドリフト層２の表層部にｐ^-型ベース領域３を形成する。そして、ｐ^-型ベース領域３及びｎ^-型ドリフト層２の表面に、ｎ^-型ドリフト層２と同じ結晶構造のＳｉＣからなるｎ^-型の表面チャネル層５をエピタキシャル成長させる。
【００２６】
〔図２（ｂ）に示す工程〕
表面チャネル層５の表面にレジスト２０を成膜したのち、レジスト２０を露光し、レジスト２０の所定領域を開口させる。その後、レジスト２０をマスクとしたエッチングにより、表面チャネル層５の不要部分を除去する。
【００２７】
〔図２（ｃ）に示す工程〕
レジスト２０を除去した後、表面チャネル層５の表面にカーボン層２１を形成する。その後、カーボン層２１をマスクとした状態で、ｐ^-型ベース領域３の表面にノンドープの３Ｃ−ＳｉＣからなる半導体層２２をエピタキシャル成長させる。このとき、マスクとして用いたカーボン層２１にはＳｉＣが成長せず、ｐ^-型ベース領域３の表面にのみ選択的に半導体層２２がエピタキシャル成長する。
【００２８】
〔図３（ａ）に示す工程〕
フォト工程を用いた選択的なイオン注入等により半導体層２２及びｐ^-型ベース領域３の所定領域にｎ⁺型ソース領域４を形成する。次いで、半導体層２２の不要部分を除去することで凹部６を形成したのち、熱酸化にてゲート酸化膜７を形成する。その後、ゲート酸化膜７の表面にＰｏｌｙ−Ｓｉ層を成膜したのち、パターニングしてゲート電極８を形成する。そして、ゲート電極８を覆うように層間絶縁膜９を形成したのち、層間絶縁膜９およびゲート酸化膜７にコンタクトホールを形成する。
【００２９】
〔図３（ｂ）に示す工程〕
層間絶縁膜９上に金属層を配置することにより、コンタクトホールを通じてｎ⁺型ソース領域４およびｐ^-型ベース領域３と接するようにソース電極１０を形成する。このとき、ｎ⁺型ソース領域４が３Ｃ−ＳｉＣで構成されているため、ｎ⁺型ソース領域４とソース電極１０とのコンタクトがオーミック特性となるようにできる。その後、ｎ＋型基板１の裏面側にドレイン電極１１を形成する。これにより、図１に示す縦型パワーＭＯＳＦＥＴが完成する。
【００３０】
以上説明した工程においては、表面チャネル層５を４Ｈまたは６Ｈ−ＳｉＣで形成し、ｎ⁺型ソース領域４となる半導体層２２を３Ｃ−ＳｉＣで形成するようにしている。つまり、ソース電極１０とコンタクトが取られるｎ⁺型ソース領域４のみが３Ｃ−ＳｉＣで構成されるようにしている。従って、４Ｈまたは６Ｈ−ＳｉＣで構成されるｎ^-型ドリフト層２及びｐ^-型ベース領域３の上に、同じ結晶構造となる４Ｈまたは６Ｈ−ＳｉＣでチャネル設定領域となる表面チャネル層５を形成することができ、表面チャネル層５に結晶欠陥が形成されることを防止することができる。
【００３１】
このため、ｎ⁺型ソース領域４を３Ｃ−ＳｉＣで構成することによるコンタクト抵抗率の低減が図れ、かつ、表面チャネル層５を４Ｈまたは６Ｈ−ＳｉＣで構成することによるデバイス特性の安定化を図れるようにできる。また、チャネル設定領域となる表面チャネル層５を４Ｈまたは６Ｈ−ＳｉＣで構成しているため、チャネル移動度も高くできる。
【００３２】
（第２実施形態）
上記第１実施形態では、レジスト２０を一度除去してからカーボン層２１を成膜するようにしているが、レジスト２０を熱処理することでカーボン層２１を形成することも可能である。この場合、レジスト２０があった位置に確実にカーボン層２１を形成することができるため、マスクずれの防止が図れると共に製造工程の簡略化を図ることができる。
【００３３】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して縦型パワーＭＯＳＦＥＴの製造方法を変えたものであり、縦型パワーＭＯＳＦＥＴの構成については同様であるため、製造方法のうちの異なる部分のみを図４に示す。
【００３４】
まず、第１実施形態における図２（ａ）、（ｂ）と同様の工程を行い、レジスト２０をマスクとして表面チャネル層５の不要部分を除去する工程まで行う。続いて、図４（ａ）に示す工程では、レジスト２０を除去した後、表面チャネル層５の表面にカーボン層２１を成膜する。そして、カーボン層２１をマスクとした状態で、ｐ^-型ベース領域３の表面に３Ｃ−ＳｉＣからなるｎ⁺型の半導体層２２をエピタキシャル成長させ、この半導体層２２にてｎ⁺型ソース領域４を構成する。
【００３５】
次いで、図４（ｂ）に示す工程では、ｎ⁺型ソース領域４（半導体層２２）の不要部分を除去することで凹部６を形成したのち、第１実施形態の図３（ａ）におけるゲート酸化膜７の形成工程以降および図３（ｂ）の工程を行う。
【００３６】
以上の製造工程によれば、ｎ⁺型ソース領域４をエピタキシャル成長によって形成することができる。第１、第２実施形態に示したように、ｎ⁺型ソース領域４をイオン注入によって形成しても良いが、イオン注入の場合、注入後にアニールを行っても結晶欠陥があまり緩和されなかったり、活性化率が低くなったりするという問題がある。このため、ｎ⁺型ソース領域４をエピタキシャル成長によって形成することで、そのような問題をなくすことができる。また、イオン注入よりもエピタキシャル成長による方が高濃度にｎ⁺型ソース領域４を形成できるため、よりｎ⁺型ソース領域４とソース電極１０とのコンタクト抵抗の低減を図ることができる。
【００３７】
（他の実施形態）
上記第１〜第３実施形態では表面チャネル層５やｎ⁺型ソース領域４に凹部６を形成することで、ソース電極１０とｐ^-型ベース領域３との電気的接続を図っているが、表面チャネル層５やｎ⁺型ソース領域４にｐ型不純物をイオン注入することでｐ型コンタクト領域を形成し、ｐ型コンタクト領域を介してｐ^-型ベース領域３とソース電極１０との電気的接続を図るようにしても良い。
【００３８】
また、ここではプレーナ形の縦型パワーＭＯＳＦＥＴを例に挙げて説明したが、ｎ⁺型基板１の導電型をｐ⁺型としたＩＧＢＴについても上記各実施形態を適用することが可能である。
【００３９】
なお、上記説明では、ｎチャネルタイプの炭化珪素半導体装置を例に挙げたが、言うまでもなく、各構成要素の導電型を反転させたｐチャネルタイプの炭化珪素半導体装置についても本発明を適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における縦型パワーＭＯＳＦＥＴの断面構成を示す図である。
【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】本発明の第３実施形態における縦型パワーＭＯＳＦＥＴの製造工程を示す図である。
【図５】本発明者らが検討した縦型パワーＭＯＳＦＥＴの製造工程を示す図である。
【符号の説明】
１…ｎ⁺型基板、２…ｎ^-型ドリフト層、３…ｐ^-型ベース領域、４…ｎ⁺型ソース領域、５…表面チャネル層、７…ゲート酸化膜、８…ゲート電極、１０…ソース電極、１１…ドレイン電極。

Claims

主表面及び主表面と反対面である裏面を有し、結晶構造が４Ｈまたは６Ｈの炭化珪素からなる半導体基板（１）を用意する工程と、
前記半導体基板の主表面上に、４Ｈまたは６Ｈの炭化珪素からなる第１導電型のドリフト層（２）を形成する工程と、
前記ドリフト層の表層部の所定領域に、所定深さを有する炭化珪素からなる第２導電型のベース領域（３）を形成する工程と、
前記ベース領域の表層部または表面の所定領域に、該ベース領域の深さよりも浅い炭化珪素からなる第１導電型のソース領域（４）を形成する工程と、
前記ベース領域の表面部上において、前記ソース領域と前記ドリフト層とを繋ぐように、炭化珪素よりなる第１導電型の表面チャネル層（５）を形成する工程と、
前記表面チャネル層の表面にゲート絶縁膜（７）を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜の上にゲート電極（８）を形成する工程と、
前記ベース領域及び前記ソース領域に接触するようにソース電極（１０）を形成する工程と、
前記半導体基板の裏面側にドレイン電極（１１）を形成する工程とを備え、
前記ソース領域を形成する工程および前記表面チャネル層を形成する工程では、
前記ドリフト層および前記ベース領域の表面に前記ドリフト層と同じ結晶構造で前記表面チャネル層をエピタキシャル成長させる工程と、
前記表面チャネル層上の所定領域に第１のマスク材（２０）を配置したのち、前記第１のマスク材をマスクとしたエッチングにより、前記表面チャネル層の不要部分を除去する工程と、
前記表面チャネル層を除去した部分に３Ｃの半導体層（２２）を選択的エピタキシャル成長させる工程と、
前記半導体層の所定領域に第１導電型不純物をイオン注入することで、第１導電型不純物がイオン注入された３Ｃの前記半導体層により前記ソース電極と接触する部位が構成される前記ソース領域を形成する工程とを行い、
前記半導体層をエピタキシャル成長させる工程では、前記第１のマスクを熱処理によって焼結させることでカーボン層からなる第２のマスク材（２１）を前記不要部分が除去された表面チャネル層上に配置したのち、前記第２のマスク材をマスクとした状態でエピタキシャル成長を行うことにより、前記表面チャネル層を除去した部分に半導体層（２２）を選択的に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。
主表面及び主表面と反対面である裏面を有し、結晶構造が４Ｈまたは６Ｈの炭化珪素からなる半導体基板（１）を用意する工程と、
前記半導体基板の主表面上に、４Ｈまたは６Ｈの炭化珪素からなる第１導電型のドリフト層（２）を形成する工程と、
前記ドリフト層の表層部の所定領域に、所定深さを有する炭化珪素からなる第２導電型のベース領域（３）を形成する工程と、
前記ベース領域の表層部または表面の所定領域に、該ベース領域の深さよりも浅い炭化珪素からなる第１導電型のソース領域（４）を形成する工程と、
前記ベース領域の表面部上において、前記ソース領域と前記ドリフト層とを繋ぐように、炭化珪素よりなる第１導電型の表面チャネル層（５）を形成する工程と、
前記表面チャネル層の表面にゲート絶縁膜（７）を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜の上にゲート電極（８）を形成する工程と、
前記ベース領域及び前記ソース領域に接触するようにソース電極（１０）を形成する工程と、
前記半導体基板の裏面側にドレイン電極（１１）を形成する工程とを備え、
前記ソース領域を形成する工程および前記表面チャネル層を形成する工程では、
前記ドリフト層および前記ベース領域の表面に前記ドリフト層と同じ結晶構造で前記表面チャネル層をエピタキシャル成長させる工程と、
前記表面チャネル層上の所定領域に第１のマスク材（２０）を配置したのち、前記第１のマスク材をマスクとしたエッチングにより、前記表面チャネル層の不要部分を除去する工程と、
前記表面チャネル層を除去した部分に、３Ｃの第１導電型の半導体層（２２）を選択的エピタキシャル成長させ、該半導体層にて前記ソース領域を構成することで前記ソース電極と接触する部位が構成される前記ソース領域を形成する工程とを行い、
前記半導体層をエピタキシャル成長させる工程では、前記第１のマスクを熱処理によって焼結させることでカーボン層からなる第２のマスク材（２１）を前記不要部分が除去された表面チャネル層上に配置したのち、前記第２のマスク材をマスクとした状態でエピタキシャル成長を行うことにより、前記表面チャネル層を除去した部分に半導体層（２２）を選択的に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。