JP4948784B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、金属−酸化膜−シリコン構造のゲートを有する電界効果トランジスタ(以降MOSFETと称す)に関し、より詳しくは、オン抵抗及び降伏電圧の改善を図った大電力用のMOSFETとその製造方法に関するものである。
近年、自動車の制御装置の電子化、ディジタル家電の普及、白物家電の省エネルギー対策に伴うインバータ化等により、IGBT(Insulated gate bipolar transistor)、パワーMOSFET等の電力半導体の市場規模は拡大している。この電力半導体の特性改善は省エネルギーの観点から研究されており、中でも炭化珪素(以降SiCと称す)は、シリコン(以降Siと称す)と比較し約10倍の絶縁破壊電界強度を持つため低オン抵抗化が可能であり、また3eV以上の広いバンド幅を持つため高温動作が可能である。それにより、SiCを用いた金属−酸化物−半導体構造のMOSFETは、次世代の高耐圧低損失スイッチング素子として有望視されている。
前記のMOS構造はSiではよく知られた構成であるが、SiCでは酸化物として熱酸化膜を用いた場合の酸化物−半導体界面の準位密度が大きい為、チャネル移動度が低下するという問題があった。そこで、特許文献1には、SiC基板上にドリフト層を形成し、写真製版技術とイオン注入技術により、p型ベース領域とn型ソース領域を形成したのち、チャネル層としてn型層を形成してから、熱酸化膜等のゲート絶縁膜やゲート電極からなるゲート構造を形成し、MOSFETを製造する構成が示されている。それにより、チャネル層のキャリアへの酸化物−半導体界面の準位の影響を低減することを可能としている。
また、電力半導体としては、システムの安全動作の為にゲート電圧がゼロのときにソース−ドレイン間に電流が流れないノーマリオフ動作が要求される。しかし、上記のようにチャネル層としてn型層を用いた場合にはノーマリオフとなるような条件を制御性良く得ることが困難な場合がある。そのため、特許文献2には、通常のp型層を反転させて動作させる構成(反転MOS)について、チャネル層となるp型領域の濃度を1x1016/cm以下にすることで酸化物−半導体界面の準位の影響を低減することができるとされている。
一方、電力素子の性能指標であるオン抵抗の低減、降伏電圧の向上を実現する為には、素子寸法を縮小し、単位面積あたりの素子数を増やすことが有効である。その為、MOSFETのp型ベース領域とn型ソース領域の寸法により決まるチャネル長を制御性良く実現出来る自己整合的な製造手法が考えられている。例えば特許文献3に示されているように、イオン注入マスクを2層構造として、イオン注入の際の注入拡がりを利用することで、2つの独立な注入マスクを用いるのではなく1つの注入マスクとした工程とし、チャネル長が1μm程度以下まで微細な寸法となっても寸法制御を可能としている。
特開平10−308510号公報(5〜6頁、図1) 特開2000−150866号公報(3〜4頁、図1) 特開2004−363515号公報(4頁、図1)
しかし、p型ベース領域とn型ソース領域とを自己整合的に形成する場合には、p型ベース領域のうち、チャネル層直下の領域のp型不純物濃度が、ソース領域下のp型不純物濃度に比べると小さい値になる場合が多い。このような場合には、ソース−ドレイン間に高電圧が印加されると、チャネル層直下のp型領域が空乏化してしまうために降伏電圧が低下する可能性がある。特に特許文献1のように、チャネル層をn型層とした場合には、チャネル層直下のp型領域が上側のチャネル層との間で空乏化するために、さらに特性が悪化するという課題があった。
本発明に係る半導体装置は、第1導電型の半導体基板と、前記半導体基板の主表面上に形成された第1導電型のドリフト層と、前記ドリフト層の表層部の所定箇所に形成され、所定深さを有する第2導電型のベース領域と、前記ベース領域の表層部の所定箇所に形成され、前記ベース領域の深さよりも浅い第1導電型のソース領域と、前記ソース領域と前記ドリフト層の表面上に形成され、前記ソース領域と前記ドリフト層とを接続する、前記ドリフト層と同じ半導体材料である第2導電型のチャネル層と、前記チャネル層の表面上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜の表面上に形成されたゲート電極と、前記ベース領域と前記ソース領域の表面上に形成されたソース電極と、前記半導体基板の下面に形成されたドレイン電極とより構成され 前記チャネル層がエピタキシャル成長により形成され、その表面が平坦となることを特徴とするものである。
自己整合的に素子を形成した場合においても、チャネル層と、その直下のベース領域とを同一導電型で構成する為、チャネル層直下のベース領域に発生する空乏層が少なくなり、高い降伏電圧を得ることができる。また、自己整合的に素子を形成することが可能となることにより、素子を小型化出来、それにより一定面積に入る素子数が増え、オン抵抗を減少することが出来る。
実施の形態1.
以下、本発明の実施の形態1におけるSiCを用いたMOSFETと、その製造方法について説明する。図1は実施の形態1におけるMOSFETの断面図である。実際のMOSFETの構成は、図1の断面構造の右側辺を軸にして左右対称に折り返した構造を複数個横に並べて、同種類の電極を並列に接続した構成となる。
まず、図1によりMOSFETの素子構造について説明する。第1導電型の半導体基板であるn型SiC基板1の主表面上には、MOSFETのソース−ドレイン間に電圧を印加した場合に、耐圧を保持するための第1導電型のドリフト層であるn型SiCドリフト層2がエピタキシャル成長されている。このn型SiCドリフト層2の表層部の所定個所には、所定の深さを有する第2導電型のベース領域であるp型SiCベース領域3が形成される。そして、このp型SiCベース領域3の表層部の所定箇所には、このp型SiCベース領域3の深さよりも浅い第1導電型のソース領域であるn型SiCソース領域4が形成されている。
このn型SiCソース領域4の表面上の一部には、前記n型SiCソース領域4と前記n型SiCドリフト層2とを接続する第2導電型のチャネル層であるp型SiCチャネル層5がエピタキシャル成長により形成されている。このp型SiCチャネル層5の表面上には、シリコン酸化膜もしくはシリコン酸化窒化膜等を、熱酸化、窒化、絶縁膜のデポ形成、あるいはこれらの併用により絶縁膜6が形成されている。そして、この絶縁膜6の上には、ゲート電極7が形成され、前記n型SiCソース領域4の他の表面上に、ソース電極8が形成され、さらにn型SiC基板1の裏面には、ドレイン電極9が形成されることにより、MOSFET10が構成されている。
前記p型SiCベース領域3は、ソース電極8の下部にあり少なくとも表面上では高濃度化されたp型SiC領域3aと、n型SiCソース領域4の直下にあり、前記p型SiC領域3aよりも不純物の注入濃度を低くするp型SiC領域3bと、チャネル層直下にあり、前記p型SiC領域3bよりも不純物の注入濃度を低くするp型SiC領域3cとより構成されている。
次に、実施の形態1のMOSFET10の動作を簡単に説明する。図1において、ゲート電極7に正電圧を印加すると、p型SiCチャネル層5の表面が反転してチャネルが形成され、ここに電流通路が出来る。この結果、ソース電極8とドレイン電極9との間に電圧を印加することにより、n型SiCソース領域4と、n型SiCドリフト層2とが導通し、ソース電極8とドレイン電極9との間に電流が流れる。従って、ゲート電極7の電圧をオン/オフすることにより、このMOSFET10のスイッチング動作が可能となる。
続いて、実施の形態1のMOSFET10の製造方法について、図2〜8に基づいて説明する。まず、n型SiC基板1の主表面上に、CVD結晶成長法等により、例えば1x1015〜2x1016/cmのドーピング濃度、4〜15μmの層厚でエピタキシャル成長によりn型SiCドリフト層2を形成させる(図2)。次に、n型SiCドリフト層2の表層部の所定個所に、5x1017〜2x1018/cmのドーピング濃度、0.7〜1μm程度の層厚にp型SiCベース領域3のうちのp型SiC領域3b及び3cを形成する(図3)。
次に、前記p型SiC領域3bの表層部に、1x1019〜3x1019/cmのドーピング濃度、0.2〜0.4μm程度の層厚になるようにn型SiCソース領域4を形成する(図4)。次に、前記p型SiCベース領域3bに隣接する領域に5x1018〜1x1020/cmのドーピング濃度、0.7〜1μm程度の層厚となるようにp型SiCベース領域3のうちソース電極8と接触するp型SiC領域3aを形成する(図5)。これらのp型SiCベース領域3aおよび3b、3c、n型SiCソース領域4はイオン注入および活性化熱処理により形成する。
前記のp型SiC領域3b、3c及びn型SiCソース領域4の形成は、それぞれ別の注入マスクを用いて形成してもよいが、2層構造の注入マスクや斜め方向のイオン注入などを用いることによって、1つのマスクあるいは1つのマスクに加工を加えた構成によって自己整合的に形成することが可能である。特に、図1に示すチャネル長Aが1μm程度以下のときはこれらの領域を自己整合的に形成する方が精度良く形成できるためより望ましい。この場合にはp型SiCベース領域3のうちのp型SiC領域3cはp型SiC領域3bのドーピング濃度よりも低い濃度、あるいは薄い層厚となるように形成される。
次に、この構成の上に1x1015〜5x1016/cmのドーピング濃度、0.1〜1μm程度の層厚としてエピタキシャル成長によりp型チャネル層5を形成する。この表面はエピタキシャル成長により形成されることにより、粗さ2nm未満に平坦化される(図6)。次に、このp型チャネル層5の上に、シリコン酸化膜もしくはシリコン酸化窒化膜等を熱酸化、窒化、絶縁膜のデポ形成、あるいはこれらの併用によってゲート絶縁膜6を形成し、さらにその上にゲート電極7を形成する(図7)。さらに前記n型SiCソース領域4の他の表面上にソース電極8を形成し、n型SiC基板1の裏面にドレイン電極9を形成することにより、MOSFET10が完成する(図8)。
なお、図9に示すように、n型SiCドリフト層2のうち、p型SiCべース領域3が形成されない領域であるn型デプレッション領域11のドーピング濃度をそのままとしても良いが、別途イオン注入を施すことによってn型ドーピング濃度を高めたn型デプレッション領域11とすることが可能である。
通常の反転MOSとの比較において、絶縁膜6の端部Cと、p型SiC領域3cとn型SiCドリフト層2からなるpn接合端Bとの距離を大きくして絶縁膜6の端部Cの電界値を下げるという観点から、p型SiCべース領域3の深さを本実施の形態1のチャネル層5の層厚分だけ深くするという構成も考えられるが、その場合にはデプレッション領域の抵抗成分がp型SiCべース領域3の深さが深い分だけ大きくなって素子抵抗、すなわち定常損失が増加することになる。また、p型SiCべース領域3の厚さを1μmよりも深くする場合においては、イオン注入においてMeV級の加速電圧が必要となって、イオン注入マスクの材料の変更や厚膜化にともない自己整合的な工程とするための加工工程が複雑化してしまう為好ましくない。
以上のように、実施の形態1のMOSFET10においては、チャネル層5直下のp型領域3cの濃度が、p型SiC領域3bの濃度の5〜20%程度の1x1017/cm程度以上であれば、n型SiCドリフト層2の層厚とドーピングによって決まる理想耐圧(500−2000V程度)近くまで電圧を印加させても、空乏化することなく理想耐圧に近い降伏電圧を得ることができる。一方、特許文献1では、チャネル層5を実施の形態1とは異なりn型としている為、チャネル層直下のp型SiC領域3cの濃度がn型SiCソース領域4の下部のp型SiC領域3bの濃度の15〜50%程度である3x1017/cm程度以上必要となるために、自己整合的なp型SiCベース領域3とn型SiCソース領域4の形成におけるマスク形状やイオン注入角度の範囲を厳密に制御する必要が生じ、製造上のコストが高くなってしまう。
また、実施の形態1のMOSFET10においては、ゲート構造を形成する前に、p型チャネル層5をエピタキシャル成長させて半導体表面を平坦化させているので、SiC表面近傍の荒れにより引き起こされる散乱などでチャネル層の電子移動度が低下させられる事がなく、良好な反転チャネルが形成できるMOS構造が得られ、充分低抵抗なチャネル特性を得ることができる。しかも反転チャネルであるため、ゲート電圧がゼロのときにソース−ドレイン間の電流の流れないノーマリオフ動作を得やすいという効果も得られる。
さらにまた、ソース−ドレイン間に高電圧が印加されている状況では、素子中の電界分布としてp型SiCベース領域3とn型SiCドリフト層2とからなるpn接合の端部Bと、絶縁膜6の端部Cとが高電界になる。そのうち、絶縁膜6の端部Cの電界値はチャネル層がn型の場合は、チャネル層を有しない通常の反転MOSの構成と比べて、pn接合端Bから絶縁膜6の端部Cの距離が大きくなる為、およそ70%程度に軽減される。一方、実施の形態1のようにチャネル層5とその直下のp型SiCベース領域とを同一導電型で構成した場合においては、絶縁膜6の端部Cの電界値がさらに軽減され、チャネル層を有しない通常の反転MOSの60%となるため、絶縁膜6の信頼性をさらに向上させることが可能となる。
さらにまた、n型デプレッション領域11のドーピング濃度を高めたことにより、素子寸法を微細化して単位面積あたりのMOSFETの数を増やした場合においても、n型デプレッション領域11の素子抵抗が低減でき、全体としての素子抵抗を低減させることが可能となる。
実施の形態2.
実施の形態1においては、n型SiCドリフト層2にp型SiCベース領域3とn型SiCソース領域4とをイオン注入によってMOSFETを製造する方法を示した。実施の形態2では、MOSFETの別な製造方法について、図10〜16に基づいて説明する。
n型SiC基板1の主表面上に、エピタキシャル成長によりn型SiCドリフト層2を形成させる工程までは実施の形態1と同様である。次に、n型SiCドリフト層2の表層部の全面に渡り、1x1017/cm程度以上のドーピング濃度でp型SiC層20を成長させる(図10)。
次に、前記p型SiC層20の表層部の所定個所に、5x1017〜2x1018/cmのドーピング濃度、0.7〜1μm程度の層厚に、p型SiCベース領域21のうちのp型SiC領域21bを形成する。p型ベース領域21のうちのp型SiC領域21cはもとのp型SiC層20のドーピングのままなのでp型SiC領域21bよりは低濃度となる(図11)。次に、前記p型SiC領域21bの表層部に、前記p型SiC領域21bを形成した時に用いたイオン注入マスクを用いて、1x1019〜3x1019/cmのドーピング濃度、0.2〜0.4μm程度の層厚になるようにn型SiCソース領域23を形成する(図12)。
次に、前記p型SiC層20の表層部の所定個所にドリフト層2に到達するようにn型SiCデプレッション領域22を形成する(図13)。次に、前記n型ソース領域23に隣接した領域に5x1018〜1x1020/cmのドーピング濃度、0.7〜1μm程度の層厚となるようにイオン注入および活性化熱処理を行い、p型ベース領域21のうちソース電極8と接触するp型SiC領域21aを形成する(図14)。これらのベース領域21aおよび21b、ソース領域23、n型SiCデプレッション領域22はイオン注入および活性化熱処理により形成する。
次に、この構成の上に1x1015〜5x1016/cmのドーピング濃度、0.1〜1μm程度の層厚としてエピタキシャル成長によりp型チャネル層5を形成する。この表面は粗さ2nm未満に平坦化される(図15)。次に、このp型チャネル層5の上に、シリコン酸化膜もしくはシリコン酸化窒化膜等を熱酸化、窒化、絶縁膜のデポ形成、あるいはこれらの併用によって絶縁膜6を形成し、さらにその上にゲート電極7を形成する。さらに前記n型SiCソース領域23の他の表面上にソース電極8を形成し、n型SiC基板1の裏面にドレイン電極9を形成することにより、MOSFET24が完成する(図16)。
以上のように、n型SiCデプレッション領域22を、もとのドリフト層2のドーピング濃度より高くする為に、(1)p型SiCベース領域およびn型SiCソース領域、(2)p型SiCベース領域のうちのコンタクト領域、(3)n型SiCデプレッション領域の各領域に対してイオン注入を行う工程が必要であるが、実施の形態1では(1)の工程が自己整合的でない場合は、(1)のマスク形成工程を2回行う必要があり、注入マスク形成の写真製版工程の回数が3ないし4回必要であった。これに対して、実施の形態2のMOSFET24の製造方法によれば、(1)の工程において、p型SiCベース領域とn型SiCソース領域とを別にする必要がないために注入マスク形成の写真製版工程の回数が必ず3となり、かつ自己整合的なプロセスを必要としないという効果が得られる。また、実施の形態2で説明した製造方法により製造したMOSFET24は、実施の形態1で説明したMOSFET10と同様の特性を得られる。
尚、実施の形態1及び2にて説明したMOSFETにおいて、p型SiCとn型SiCとを入れ替えた構成としてもよい。また、実施の形態1及び2にて説明したMOSFETはSiC半導体により構成しているが、バンドギャップが2eV程度以上のワイドバンドギャップ半導体材料であるGaN、ZnO、ダイヤモンドなどを用いても同様の効果が期待でき、半導体装置の性能改善が可能である。
本発明の実施の形態1によるMOSFETの断面図である。 本発明の実施の形態1によるMOSFETの製造方法の一部を示す図である。 本発明の実施の形態1によるMOSFETの製造方法の一部を示す図である。 本発明の実施の形態1によるMOSFETの製造方法の一部を示す図である。 本発明の実施の形態1によるMOSFETの製造方法の一部を示す図である。 本発明の実施の形態1によるMOSFETの製造方法の一部を示す図である。 本発明の実施の形態1によるMOSFETの製造方法の一部を示す図である。 本発明の実施の形態1によるMOSFETの製造方法の一部を示す図である。 本発明の実施の形態1によるMOSFETの断面図である。 本発明の実施の形態2によるMOSFETの製造方法の一部を示す図である。 本発明の実施の形態2によるMOSFETの製造方法の一部を示す図である。 本発明の実施の形態2によるMOSFETの製造方法の一部を示す図である。 本発明の実施の形態2によるMOSFETの製造方法の一部を示す図である。 本発明の実施の形態2によるMOSFETの製造方法の一部を示す図である。 本発明の実施の形態2によるMOSFETの製造方法の一部を示す図である。 本発明の実施の形態2によるMOSFETの製造方法の一部を示す図である。
符号の説明
1 n型SiC基板、2 n型SiCドリフト層、3 p型SiCベース領域、3a p型SiC領域、3b p型SiC領域、3c p型SiC領域、4 n型SiCソース領域、5 p型SiCチャネル層、6 絶縁膜、7 ゲート電極、8 ソース電極、9 ドレイン電極、10 MOSFET、11 n型SiCデプレッション領域

Claims (7)

  1. 第1導電型の半導体基板と、
    前記半導体基板の主表面上に形成された第1導電型のドリフト層と、
    前記ドリフト層の表層部の所定箇所に形成され、所定深さを有する第2導電型のベース領域と、
    前記ベース領域の表層部の所定箇所に形成され、前記ベース領域の深さよりも浅い第1導電型のソース領域と、
    前記ソース領域と前記ドリフト層の表面上に形成され、前記ソース領域と前記ドリフト層とを接続する、前記ドリフト層と同じ半導体材料である第2導電型のチャネル層と、
    前記チャネル層の表面上に形成された絶縁膜と、
    前記絶縁膜の表面上に形成されたゲート電極と、
    前記ベース領域と前記ソース領域の表面上に形成されたソース電極と、
    前記半導体基板の下面に形成されたドレイン電極とより構成され
    前記チャネル層がエピタキシャル成長により形成され、その表面が平坦となることを特徴とする
    半導体装置。
  2. 第1導電型がn型半導体であり、第2導電型がp型半導体であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  3. 第2導電型のベース領域と、第1導電型のソース領域とが自己整合的に形成されたことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  4. 第1導電型のドリフト層のうち、第2導電型のべース領域が形成されない第1導電型のデプレッション領域の不純物濃度を前記ドリフト層よりも高めたことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  5. 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置を複数個備え、前記複数個の半導体装置の各同一電極が並列に接続されたことを特徴とする半導体装置。
  6. 第1導電型の半導体基板の主表面上に第1導電型のドリフト層を形成する工程と、
    前記ドリフト層の表層部の所定箇所に、所定深さを有する第2導電型のベース領域を形成する工程と、
    前記ベース領域の表層部の所定箇所に、前記ベース領域の深さよりも浅い第1導電型のソース領域を形成する工程と、
    前記ソース領域と前記ドリフト層との表面上に、前記ドリフト層と同じ半導体材料である第2導電型のチャネル層をエピタキシャル成長により形成する工程とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  7. 第1導電型の半導体基板の主表面上に第1導電型のドリフト層を形成する工程と、
    前記ドリフト層の全面に第2導電型の層を形成する工程と、
    前記第2導電型の層の表層部の所定箇所に、所定深さを有し、前記第2導電型の層よりも高濃度の第2導電型のベース領域を形成する工程と、
    前記ベース領域の表層部の所定箇所に、前記ベース領域の深さよりも浅い第1導電型のソース領域を形成する工程と、
    前記第2導電型の層の表層部の所定箇所に、不純物濃度を高めた第1導電型のデプレッション領域を形成する工程と、
    前記第2導電型の層の表層部の前記デプレッション領域と前記ソース領域とが形成されていない所定箇所に、ソース電極と接触し、前記ベース領域よりも不純物濃度を高めた領域を形成する工程と、
    前記ソース領域と前記デプレッション領域との表面上に、前記ドリフト層と同じ半導体材料である第2導電型のチャネル層をエピタキシャル成長により形成する工程とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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