JP5119806B2 - Silicon carbide semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

この発明は、炭化珪素半導体装置である炭化珪素縦型電界効果型トランジスタに関し、より詳しくは、オン抵抗の低下を図った大電力用の炭化珪素縦型電界効果型トランジスタおよびその製造方法に係るものである。   The present invention relates to a silicon carbide vertical field effect transistor which is a silicon carbide semiconductor device, and more particularly to a high power silicon carbide vertical field effect transistor with reduced on-resistance and a method for manufacturing the same. It is.

炭化珪素半導体装置の一種である炭化珪素縦型金属−酸化膜−半導体電界効果型トランジスタ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:MOSFET)において、大電力の高速スイッチング用途のためにオン抵抗を低減させることが有効である。オン抵抗の中で最も大きな割合を占めるチャネル抵抗を低減するためには、チャネル領域の幅、すなわち、チャネル長を短くし、チャネル領域を通過するキャリアの移動度、すなわち、チャネル移動度を大きくすることが望ましい。   In a silicon carbide vertical metal-oxide film-semiconductor field effect transistor (MOSFET) which is a kind of silicon carbide semiconductor device, the on-resistance can be reduced for high-power high-speed switching applications. It is valid. In order to reduce the channel resistance that occupies the largest proportion of the on-resistance, the width of the channel region, that is, the channel length is shortened, and the mobility of carriers passing through the channel region, that is, the channel mobility is increased. It is desirable.

チャネル長を短くするためには、自己整合的にチャネル領域を形成する方法が有効である。自己整合的なチャネル領域の形成法は、複数のフォトリソグラフィー工程による寸法精度の制約がないため、チャネル長を精度よく短くすることができる。例えば、同じ注入マスクを使用して拡散係数の小さなn型不純物と拡散係数の大きなp型不純物とをn型の炭化珪素ドリフト層にイオン注入し、p型不純物をアニールにより拡散させることによって、n型の炭化珪素ドリフト層内でp型になった領域をチャネル領域とする、自己整合的なチャネル領域形成法があった(例えば、特許文献1参照)。
また、チャネル長を短くすると、短チャネル効果と呼ばれる閾値電圧の低下やチャネル領域のパンチスルー破壊などの特性劣化が生じる場合があるので、短チャネル効果による特性劣化の発生を防止するためにチャネル領域の不純物濃度をある程度高くする必要があった。
In order to shorten the channel length, a method of forming a channel region in a self-aligned manner is effective. The method for forming a self-aligned channel region does not have dimensional accuracy limitations due to a plurality of photolithography processes, and thus the channel length can be shortened with high accuracy. For example, by using the same implantation mask, an n-type impurity having a small diffusion coefficient and a p-type impurity having a large diffusion coefficient are ion-implanted into an n-type silicon carbide drift layer, and the p-type impurity is diffused by annealing, thereby causing n There has been a self-aligned channel region forming method in which a p-type region in a silicon carbide drift layer is used as a channel region (see, for example, Patent Document 1).
In addition, if the channel length is shortened, characteristic degradation such as a drop in threshold voltage called the short channel effect and punch-through breakdown of the channel region may occur. Therefore, in order to prevent the characteristic degradation due to the short channel effect, It was necessary to increase the impurity concentration of this to some extent.

特表2002−518828号公報(第23〜24頁、図1)JP-T-2002-518828 (pages 23-24, FIG. 1)

しかしながら、特許文献1のような従来の炭化珪素半導体装置においては、拡散させるp型不純物の濃度を増加させると、クーロン散乱のため、キャリアである電子の移動度が低下する問題が発生した。一方、拡散させるp型不純物の濃度を減少させると、キャリアである電子の移動度を高くすることはできるが、短チャネル効果による特性劣化の発生を防止するため、チャネル長をある程度までしか短くすることができなかった。
このように、従来の炭化珪素半導体装置においては、短いチャネル長と高いチャネル領域のキャリアの移動度の両立は困難であった。
However, in the conventional silicon carbide semiconductor device as disclosed in Patent Document 1, when the concentration of the p-type impurity to be diffused is increased, there is a problem that the mobility of electrons as carriers is reduced due to Coulomb scattering. On the other hand, if the concentration of the p-type impurity to be diffused is reduced, the mobility of electrons as carriers can be increased, but the channel length is shortened only to some extent in order to prevent the deterioration of characteristics due to the short channel effect. I couldn't.
Thus, in the conventional silicon carbide semiconductor device, it is difficult to achieve both short channel length and carrier mobility in a high channel region.

この発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、短チャネル効果による特性劣化を発生させることなく、チャネル領域のキャリアの移動度が高くチャネル長が短い炭化珪素半導体装置を得ることを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and provides a silicon carbide semiconductor device having a high channel carrier mobility and a short channel length without causing deterioration of characteristics due to the short channel effect. The purpose is to obtain.

この発明に係る炭化珪素半導体装置は、第1導電型の炭化珪素基板と、前記炭化珪素基板の主面上に設けられた第1導電型の炭化珪素ドリフト層と、前記炭化珪素ドリフト層の表層部に所定の幅だけ離間して設けられた第1導電型の一対のソース領域と、一対の前記ソース領域の間隔方向に向けて前記ソース領域より第1の幅だけ外側の間隔方向まで前記ソース領域より深く設けられ、第2導電型の第1不純物と前記第1不純物より炭化珪素中の拡散係数が大きい第2導電型の第2不純物とを含有する第2導電型の一対の第1ベース領域と、一対の前記第1ベース領域の間隔方向に向けて前記第1ベース領域より第2の幅だけ外側まで、前記第2不純物を拡散させて、設けられ、前記第1ベース領域に含有される第2導電型の不純物の濃度より低い濃度の第2導電型の不純物を含有する一対の第2導電型の第2ベース領域とを備えたものである。

A silicon carbide semiconductor device according to the present invention includes a first conductivity type silicon carbide substrate, a first conductivity type silicon carbide drift layer provided on a main surface of the silicon carbide substrate, and a surface layer of the silicon carbide drift layer. A pair of source regions of a first conductivity type provided at a predetermined distance apart from each other, and a spacing direction outside the source region by a first width toward the spacing direction of the pair of source regions , deeper than the source region, provided, of the pair of second conductivity type containing a second impurity of the second diffusion coefficient of the first impurity and said first impurity than silicon carbide conductivity type is larger second conductivity type second The second impurity is provided by diffusing from the first base region to the outside by a second width in the interval direction between the first base region and the pair of first base regions , and is provided in the first base region. Concentration of impurities of the second conductivity type contained It is obtained by a second base region of the pair of second conductivity type containing a lower concentration second conductivity-type impurity.

また、この発明に係る炭化珪素半導体装置の製造方法は、第1導電型の炭化珪素基板の主面上に第1導電型の炭化珪素ドリフト層を形成する工程と、前記炭化珪素ドリフト層の表面側に所定の幅の第1注入マスクを形成する工程と、前記第1注入マスクを表面に形成した前記炭化珪素ドリフト層に第2導電型の第1不純物をイオン注入して第1ベース領域を形成する工程と、前記第1注入マスクを形成した前記炭化珪素ドリフト層に前記第1不純物より炭化珪素中の拡散係数の大きな第2導電型の第2不純物をイオン注入する工程と、前記第1注入マスクを自己整合的に第1の幅だけ拡幅して第2注入マスクを形成する工程と、前記第2注入マスクを表面に形成した前記炭化珪素ドリフト層に第1導電型の第3不純物をイオン注入して前記第1ベース領域内にソース領域を形成する工程と、前記第2不純物を拡散させて第2の幅の第2ベース領域を形成する工程とを備えたものである。   A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a first conductivity type silicon carbide drift layer on a main surface of a first conductivity type silicon carbide substrate, and a surface of the silicon carbide drift layer. Forming a first implantation mask of a predetermined width on the side, and ion-implanting a first impurity of a second conductivity type into the silicon carbide drift layer having the first implantation mask formed on the surface thereof, thereby forming a first base region A step of ion-implanting a second conductivity type second impurity having a diffusion coefficient in silicon carbide larger than that of the first impurity into the silicon carbide drift layer in which the first implantation mask is formed; Forming a second implantation mask by widening the implantation mask by a first width in a self-aligned manner; and adding a third impurity of the first conductivity type to the silicon carbide drift layer having the second implantation mask formed on a surface thereof. Ion implantation Forming a source region in the base region, in which a step of forming a second base region of the second width to diffuse the second impurities.

この発明によれば、短チャネル効果による特性劣化を発生させることなく、チャネル長が短くキャリアの移動度が高い炭化珪素半導体装置を得ることができる。   According to the present invention, a silicon carbide semiconductor device having a short channel length and high carrier mobility can be obtained without causing characteristic deterioration due to the short channel effect.

実施の形態1.
図1は、この発明を実施するための実施の形態1における、炭化珪素半導体装置である縦型MOSFETの断面模式図である。本実施の形態においては、第1導電型をn型、第2導電型をp型として説明する。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a vertical MOSFET that is a silicon carbide semiconductor device in the first embodiment for carrying out the present invention. In the present embodiment, the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type.

図1において、第一の主面の面方位が(0001)面であり、4Hのポリタイプを有する、n型で低抵抗の、炭化珪素基板10の第一の主面上に、n型の炭化珪素ドリフト層20が形成されている。炭化珪素ドリフト層20の表面側のある幅だけ離間した部位には、第1不純物であるアルミニウム(Al)と第2不純物であるホウ素(B)とをp型不純物として含有するp型の第1ベース領域30が形成されている。また、第1ベース領域30を取り囲むように、Bをp型不純物として含有するp型の第2ベース領域31が炭化珪素ドリフト層20中に形成されている。ここで、第1ベース領域30のp型不純物濃度、つまり、Alの不純物濃度とBの不純物濃度の合計は、第2ベース領域31のp型不純物濃度、つまり、Bの不純物濃度より多く設定されている。さらに、第1ベース領域30のそれぞれの断面方向の内側の表層部には、第3不純物である窒素(N)をn型不純物として含有する、n型のソース領域40が、第1ベース領域30のより浅く形成されている。   In FIG. 1, the surface orientation of the first main surface is the (0001) plane, and the n-type low resistance silicon carbide substrate 10 having the 4H polytype and having the n-type is formed on the first main surface. A silicon carbide drift layer 20 is formed. The p-type first containing aluminum (Al) as the first impurity and boron (B) as the second impurity as p-type impurities in a portion separated by a certain width on the surface side of the silicon carbide drift layer 20. A base region 30 is formed. A p-type second base region 31 containing B as a p-type impurity is formed in silicon carbide drift layer 20 so as to surround first base region 30. Here, the p-type impurity concentration of the first base region 30, that is, the sum of the Al impurity concentration and the B impurity concentration is set higher than the p-type impurity concentration of the second base region 31, that is, the B impurity concentration. ing. Further, an n-type source region 40 containing nitrogen (N) as a third impurity as an n-type impurity is formed in the surface layer portion inside each cross-sectional direction of the first base region 30. It is formed shallower.

また、第1ベース領域30、第2ベース領域31、および、ソース領域40を含む炭化珪素ドリフト層20の表面側には、ソース領域40の表面側の一部を除き酸化珪素で構成されるゲート絶縁膜50が形成されている。さらに、ゲート絶縁膜50上の、一対のソース領域40間の領域を含む部位に対向する位置にはゲート電極60が形成されている。また、ゲート絶縁膜50が形成されていないソース領域40の表面にはソース電極70が、また、炭化珪素基板10の第一の主面と反対側の第二の主面、すなわち、裏面側にはドレイン電極80がそれぞれ形成されている。   Further, on the surface side of the silicon carbide drift layer 20 including the first base region 30, the second base region 31, and the source region 40, a gate made of silicon oxide except for part of the surface side of the source region 40. An insulating film 50 is formed. Further, a gate electrode 60 is formed on the gate insulating film 50 at a position facing a portion including a region between the pair of source regions 40. Further, source electrode 70 is formed on the surface of source region 40 where gate insulating film 50 is not formed, and on the second main surface opposite to the first main surface of silicon carbide substrate 10, that is, on the back surface side. Each has a drain electrode 80 formed thereon.

ここで、図1において、第1ベース領域30および第2ベース領域31のうちゲート絶縁膜50を介してゲート電極60と対向し、オン動作時に反転層が形成される領域をチャネル領域という。さらに、炭化珪素ドリフト層20の表層部でイオン注入されていない領域とソース領域40との間でチャネル領域を挟む距離をチャネル長という。図1に示す縦型MOSFETにおいては、第1ベース領域30に含まれるチャネル領域である第1のチャネル領域のチャネル長が第1の幅に、また、第2ベース領域31に含まれるチャネル領域である第2のチャネル領域のチャネル長が第2の幅に相当し、全体のチャネル長は第1の幅と第2の幅とを合わせたものになる。   Here, in FIG. 1, a region of the first base region 30 and the second base region 31 that is opposed to the gate electrode 60 through the gate insulating film 50 and in which an inversion layer is formed during the ON operation is referred to as a channel region. Further, the distance between which the channel region is sandwiched between the region where the ion implantation is not performed in the surface layer portion of the silicon carbide drift layer 20 and the source region 40 is referred to as a channel length. In the vertical MOSFET shown in FIG. 1, the channel length of the first channel region, which is the channel region included in the first base region 30, is set to the first width, and the channel region included in the second base region 31. The channel length of a certain second channel region corresponds to the second width, and the total channel length is the sum of the first width and the second width.

次に、本実施の形態における炭化珪素半導体装置である縦型MOSFETの動作を簡単に説明する。図1に示す縦型MOSFETのゲート電極60に閾値電圧以上のプラス電圧が印加されると、チャネル領域に反転チャネルが形成され、n型のソース領域40とn型の炭化珪素ドリフト層20との間にキャリアである電子が流れる経路が形成される。ソース領域40から炭化珪素ドリフト層20へ流れ込む電子は、ドレイン電極80に印加されるプラス電圧により形成される電界に従って炭化珪素ドリフト層20および炭化珪素基板10を経由してドレイン電極80に到達する。したがって、ゲート電極60にプラス電圧を印加することにより、ドレイン電極80からソース電極70に電流が流れる。この状態をオン状態と呼ぶ。オン状態のチャネル領域の抵抗を低下させることにより縦型MOSFETのオン抵抗を低減できるが、チャネル領域の抵抗は、チャネル長が短くチャネル領域の電子の移動度が高いほど低くできる。   Next, the operation of the vertical MOSFET which is the silicon carbide semiconductor device in the present embodiment will be briefly described. When a positive voltage higher than the threshold voltage is applied to the gate electrode 60 of the vertical MOSFET shown in FIG. 1, an inversion channel is formed in the channel region, and the n-type source region 40 and the n-type silicon carbide drift layer 20 A path through which electrons as carriers flow is formed. Electrons flowing from source region 40 into silicon carbide drift layer 20 reach drain electrode 80 via silicon carbide drift layer 20 and silicon carbide substrate 10 in accordance with an electric field formed by a positive voltage applied to drain electrode 80. Therefore, a current flows from the drain electrode 80 to the source electrode 70 by applying a positive voltage to the gate electrode 60. This state is called an on state. Although the on-resistance of the vertical MOSFET can be reduced by reducing the resistance of the channel region in the on state, the resistance of the channel region can be lowered as the channel length is shorter and the mobility of electrons in the channel region is higher.

反対に、ゲート電極60に閾値電圧以下の電圧が印加されると、チャネル領域に反転チャネルが形成されないため、ドレイン電極80からソース電極70に電流が流れない。この状態をオフ状態と呼ぶ。このとき、ドレイン電極80に印加されるプラスの電圧のために、炭化珪素ドリフト層20と第2ベース領域31との間のpn接合から空乏層が伸びる。このpn接合から第2ベース領域31側に向けて伸びた空乏層がソース領域40に達するとパンチスルー破壊が発生する。しかし、本実施の形態においては、第1ベース領域30の不純物濃度をパンチスルー破壊が発生しないように1×1017cm-3以上と高めに設定しているため、パンチスルー破壊が発生しない。ただし、第1ベース領域30の不純物濃度は、イオン注入による炭化珪素結晶の品質低下を招くほど高くないように1×1019cm-3以下に設定している。 On the other hand, when a voltage equal to or lower than the threshold voltage is applied to the gate electrode 60, an inversion channel is not formed in the channel region, so that no current flows from the drain electrode 80 to the source electrode 70. This state is called an off state. At this time, the depletion layer extends from the pn junction between the silicon carbide drift layer 20 and the second base region 31 due to the positive voltage applied to the drain electrode 80. When the depletion layer extending from the pn junction toward the second base region 31 reaches the source region 40, punch-through breakdown occurs. However, in the present embodiment, since the impurity concentration of the first base region 30 is set to a high value of 1 × 10 17 cm −3 or more so that punch-through breakdown does not occur, punch-through breakdown does not occur. However, the impurity concentration of the first base region 30 is set to 1 × 10 19 cm −3 or less so as not to cause a high quality deterioration of the silicon carbide crystal due to ion implantation.

つづいて、実施の形態1の炭化珪素半導体装置である縦型MOSFETの製造方法について、図2〜図11を用いて順に説明する。図2〜図11は、縦型MOSFETの各製造工程における断面模式図である。   Next, a method for manufacturing a vertical MOSFET that is the silicon carbide semiconductor device of the first embodiment will be described in sequence with reference to FIGS. 2 to 11 are schematic cross-sectional views in each manufacturing process of the vertical MOSFET.

まず、図2に示すように、炭化珪素基板10の表面上に化学気相堆積(Chemical Vapor Deposition:CVD)法により、1×1015cm-3〜1×1017cm-3のn型の不純物濃度、5〜50μmの厚さの炭化珪素ドリフト層20をエピタキシャル成長する。
次に、図3に示すように、炭化珪素ドリフト層20の表面に多結晶珪素で構成される第1注入マスク100を形成し、表面に第1注入マスク100が形成された炭化珪素ドリフト層20にp型の第1不純物であるAlをイオン注入する。このとき、Alのイオン注入の深さは炭化珪素ドリフト層20の厚さを超えない0.5〜3μm程度とする。また、イオン注入されたAlの不純物濃度は、1×1017cm-3〜1×1019cm-3の範囲で炭化珪素ドリフト層20のn型不純物濃度より多いものとする。ここで、炭化珪素ドリフト層20のAlがイオン注入された領域でp型になる領域が第1ベース領域30となる。
First, as illustrated in FIG. 2, an n-type layer having a size of 1 × 10 15 cm −3 to 1 × 10 17 cm −3 is formed on the surface of the silicon carbide substrate 10 by a chemical vapor deposition (CVD) method. Silicon carbide drift layer 20 having an impurity concentration of 5 to 50 μm is epitaxially grown.
Next, as shown in FIG. 3, a silicon carbide drift layer 20 in which first implantation mask 100 made of polycrystalline silicon is formed on the surface of silicon carbide drift layer 20 and first implantation mask 100 is formed on the surface. Then, Al, which is a p-type first impurity, is ion-implanted. At this time, the depth of Al ion implantation is about 0.5 to 3 μm which does not exceed the thickness of the silicon carbide drift layer 20. The impurity concentration of ion-implanted Al is higher than the n-type impurity concentration of silicon carbide drift layer 20 in the range of 1 × 10 17 cm −3 to 1 × 10 19 cm −3 . Here, the first base region 30 is a p-type region in the silicon carbide drift layer 20 in which Al is ion-implanted.

つづいて、図4に示すように、Alのイオン注入に用いた第1注入マスク100を表面に形成した炭化珪素ドリフト層20に、p型の第2不純物であるBをイオン注入する。ここでも、炭化珪素ドリフト層20の厚さを超えない0.5〜3μm程度の深さに、第1不純物であるAlのイオン注入の深さと同程度にBを注入する。また、イオン注入したBの不純物濃度は、1×1016cm-3〜1×1018cm-3の範囲で炭化珪素ドリフト層20のn型不純物濃度より多いものとする。 Next, as shown in FIG. 4, B, which is a p-type second impurity, is ion-implanted into the silicon carbide drift layer 20 having the first implantation mask 100 used for Al ion implantation formed on the surface thereof. Also here, B is implanted to a depth of about 0.5 to 3 μm that does not exceed the thickness of the silicon carbide drift layer 20 to the same extent as the ion implantation depth of Al as the first impurity. The impurity concentration of ion-implanted B is higher than the n-type impurity concentration of the silicon carbide drift layer 20 in the range of 1 × 10 16 cm −3 to 1 × 10 18 cm −3 .

次に、図5に示すように、多結晶珪素で構成される第1注入マスク100を熱酸化することにより第1注入マスク100を拡幅した第2注入マスク110を形成する。この熱酸化工程は、第1注入マスク100の多結晶珪素が熱酸化され炭化珪素ドリフト層20がほとんど熱酸化されない条件で行う。このとき、図5に示す拡幅幅Lch1は、短チャネル効果による特性劣化を抑制するのに必要な0.01μm以上で、チャネル移動度を低下させない程度の0.5μm以下とする。 Next, as shown in FIG. 5, the first implantation mask 100 made of polycrystalline silicon is thermally oxidized to form a second implantation mask 110 in which the first implantation mask 100 is widened. This thermal oxidation process is performed under the condition that the polycrystalline silicon of the first implantation mask 100 is thermally oxidized and the silicon carbide drift layer 20 is hardly thermally oxidized. At this time, the widening width L ch1 shown in FIG. 5 is 0.01 μm or more necessary for suppressing characteristic deterioration due to the short channel effect, and 0.5 μm or less that does not decrease the channel mobility.

つづいて、図6に示すように、第2注入マスク110が形成された炭化珪素ドリフト層20の表面に、n型の第3不純物であるNをイオン注入する。Nのイオン注入深さは第1ベース領域30の厚さより浅いものとする。また、イオン注入したNの不純物濃度は、1×1018cm-3〜1×1021cm-3の範囲で第1ベース領域30のp型不純物濃度を超えるものとする。炭化珪素ドリフト層20内のNが注入された領域のうちn型を示す領域がソース領域40となる。 Subsequently, as shown in FIG. 6, N, which is an n-type third impurity, is ion-implanted into the surface of the silicon carbide drift layer 20 on which the second implantation mask 110 is formed. The N ion implantation depth is shallower than the thickness of the first base region 30. Further, the impurity concentration of the ion-implanted N exceeds the p-type impurity concentration of the first base region 30 in the range of 1 × 10 18 cm −3 to 1 × 10 21 cm −3 . Of the region into which N is implanted in silicon carbide drift layer 20, a region showing n-type serves as source region 40.

次に、図7に示すように第2注入マスク110を除去後、熱処理装置によって、アルゴン(Ar)ガスなどの不活性ガス雰囲気中で1300〜1900℃、30秒〜1時間のアニールを行う。このアニールにより、イオン注入されたN、Al、Bが活性化するとともに、炭化珪素中の拡散係数の大きなBが炭化珪素ドリフト層20内に拡散し、図8に示すように、p型の第2ベース領域31が形成される。AlおよびNの炭化珪素中の拡散係数は小さいため、AlおよびNの拡散は無視できる。Bが拡散してp型になった第2ベース領域31の幅Lch2は、チャネル長が長くなりチャネル領域の抵抗が増加しすぎないように2μm以下、例えば0.8μmとする。また、拡散後の第2ベース領域31中のBの不純物濃度は、クーロン散乱によるチャネル領域の電子の移動度の低下を防止するため、5×1017cm-3以下とする。 Next, as shown in FIG. 7, after removing the second implantation mask 110, annealing is performed by a heat treatment apparatus in an inert gas atmosphere such as argon (Ar) gas at 1300 to 1900 ° C. for 30 seconds to 1 hour. By this annealing, N, Al, and B ion-implanted are activated, and B having a large diffusion coefficient in the silicon carbide diffuses into the silicon carbide drift layer 20, and as shown in FIG. Two base regions 31 are formed. Since the diffusion coefficients of Al and N in silicon carbide are small, the diffusion of Al and N is negligible. The width L ch2 of the second base region 31 in which B is diffused and becomes p-type is set to 2 μm or less, for example, 0.8 μm, so that the channel length is not increased and the resistance of the channel region is not increased excessively. The impurity concentration of B in the second base region 31 after diffusion is set to 5 × 10 17 cm −3 or less in order to prevent a decrease in electron mobility in the channel region due to Coulomb scattering.

つづいて、図9に示すように、ソース領域40、第1ベース領域30、および、第2ベース領域31を含む炭化珪素ドリフト層20の表面を熱酸化して所望の厚みのゲート絶縁膜50を形成する。次に、図10に示すように、ゲート絶縁膜50の上に、導電性を有する多結晶珪素膜を減圧CVD法により形成し、これをパターニングすることによりゲート電極60を形成する。その後、図11に示すように、ゲート絶縁膜50に開口する。最後に、ソース領域40に電気的に接続されるソース電極70を形成し、また、炭化珪素基板10の裏面側にドレイン電極80を形成して、図1に示す縦型MOSFETが完成する。ここで、ソース電極70およびドレイン電極80となる材料としてはAl合金などが挙げられる。   Subsequently, as shown in FIG. 9, the surface of silicon carbide drift layer 20 including source region 40, first base region 30, and second base region 31 is thermally oxidized to form gate insulating film 50 having a desired thickness. Form. Next, as shown in FIG. 10, a polycrystalline silicon film having conductivity is formed on the gate insulating film 50 by a low pressure CVD method, and the gate electrode 60 is formed by patterning the film. Thereafter, as shown in FIG. 11, the gate insulating film 50 is opened. Finally, source electrode 70 electrically connected to source region 40 is formed, and drain electrode 80 is formed on the back side of silicon carbide substrate 10 to complete the vertical MOSFET shown in FIG. Here, examples of a material for the source electrode 70 and the drain electrode 80 include an Al alloy.

以上のように、この発明の実施の形態1に係る炭化珪素半導体装置である縦型MOSFETは、チャネル領域に、第1ベース領域30内に形成された比較的高濃度の不純物を含有する第1のチャネル領域と、第2ベース領域31内に形成された低濃度の不純物を含有する第2のチャネル領域と有するため、第1のチャネル領域があるために短チャネル効果の発生を抑制でき、第2のチャネル領域があるためにキャリアの移動度を高くすることができる。したがって、本実施の形態における炭化珪素半導体装置および炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、キャリアの移動度が高く、チャネル長が短い縦型MOSFET、つまり、オン抵抗の低い縦型MOSFETを得ることができる。さらに、高濃度のp型不純物を有する第1ベース領域30を備えているため、パンチスルー破壊の発生を抑制でき、高耐圧の縦型MOSFETを実現できる。   As described above, the vertical MOSFET that is the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment of the present invention includes the first high-concentration impurity formed in the first base region 30 in the channel region. And the second channel region containing the low-concentration impurity formed in the second base region 31, the first channel region is present, so that the occurrence of the short channel effect can be suppressed. Since there are two channel regions, carrier mobility can be increased. Therefore, according to the silicon carbide semiconductor device and the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device in the present embodiment, a vertical MOSFET having a high carrier mobility and a short channel length, that is, a vertical MOSFET having a low on-resistance is obtained. Can do. Furthermore, since the first base region 30 having a high-concentration p-type impurity is provided, the occurrence of punch-through breakdown can be suppressed, and a high breakdown voltage vertical MOSFET can be realized.

なお、ここまで、イオン注入によって形成する第1ベース領域30のAlの深さ方向の不純物濃度分布は深さ方向に一定として説明したが、Alの深さ方向の不純物濃度分布は深さ方向に一定でなくてもよい。図12は、第1ベース領域30のAlの深さ方向の不純物濃度分布の2つの例を示す、不純物濃度と炭化珪素ドリフト層表面からの距離との関係図である。図12の第1プロファイルでは、第1ベース領域30のAlの不純物濃度が深さ1μm程度まで2×1018cm-3程度で一定である。一方、第2プロファイルでは、第1ベース領域30のAlの不純物濃度は、深い領域ではおおよそ2×1018cm-3であるのに対して、浅い領域で2×1017cm-3程度と低い値を示しており、深さ方向に増加する不純物濃度分布を有している。第2のプロファイルのように第1ベース領域30のAlをイオン注入することにより、深い領域ではパンチスルー破壊を起こさせない高い不純物濃度とし、浅い領域では短チャネル効果を生じさせない範囲で、チャネル領域で移動度低下を生じさせない程度の低めの不純物濃度とすることができる。このように、第1ベース領域30のAlの深さ方向の不純物濃度を調整することにより、より一層の低オン抵抗化、高耐圧化を実現できる。 Heretofore, the impurity concentration distribution in the depth direction of Al in the first base region 30 formed by ion implantation has been described as being constant in the depth direction, but the impurity concentration distribution in the depth direction of Al is in the depth direction. It may not be constant. FIG. 12 is a relationship diagram between the impurity concentration and the distance from the surface of the silicon carbide drift layer, showing two examples of the impurity concentration distribution in the depth direction of Al in the first base region 30. In the first profile of FIG. 12, the Al impurity concentration in the first base region 30 is constant at about 2 × 10 18 cm −3 up to a depth of about 1 μm. On the other hand, in the second profile, the Al impurity concentration of the first base region 30 is as low as about 2 × 10 17 cm −3 in the shallow region, while it is approximately 2 × 10 18 cm −3 in the deep region. This value shows an impurity concentration distribution that increases in the depth direction. By ion-implanting Al in the first base region 30 as in the second profile, a high impurity concentration that does not cause punch-through breakdown in a deep region, and a short channel effect in a shallow region is not generated in the channel region. The impurity concentration can be lowered to a level that does not cause a decrease in mobility. As described above, by adjusting the impurity concentration in the depth direction of Al in the first base region 30, it is possible to realize further lower ON resistance and higher breakdown voltage.

また、第2ベース領域31のBの不純物濃度は、注入されるBの不純物濃度およびアニール温度、アニール時間によって調整できる。Bの拡散と第2ベース領域31の不純物濃度の関係について以下に詳しく説明する。
図13は、Bを炭化珪素膜に1×1016cm-3注入した後、1600℃、30秒、および、1900℃、30秒のアニールをした場合の<0001>軸に平行方向へのBの拡散分布を示す、不純物濃度と拡散距離の関係図である。図13に示すように、B注入後のアニールを1600℃で行うより1900℃で行う方がBの拡散量が多くなる。また、図13中に点線で示したBの不純物濃度2×1016cm-3のレベルは、炭化珪素ドリフト層20のn型の不純物濃度が例えば2×1016cm-3であった場合に、Bの不純物濃度がこのレベルを超えた部分だけがp型になり第2ベース領域31になることを説明するためのものである。図13の例では、1600℃、1900℃のアニールの場合の第2ベース領域31の幅Lch2はそれぞれ、約0.5μm、約0.8μmとなる。
このように、Bのイオン注入量および注入後のアニール条件を調整することによって、所望のチャネル領域の不純物濃度とチャネル長を得ることができる。また、Lch2を2μm以下とすることにより、チャネル領域の抵抗を低減することができ、オン抵抗を下げることができる。
The impurity concentration of B in the second base region 31 can be adjusted by the impurity concentration of B to be implanted, the annealing temperature, and the annealing time. The relationship between the diffusion of B and the impurity concentration of the second base region 31 will be described in detail below.
FIG. 13 shows B in the direction parallel to the <0001> axis when 1 × 10 16 cm −3 is implanted into the silicon carbide film and then annealed at 1600 ° C. for 30 seconds and 1900 ° C. for 30 seconds. FIG. 6 is a relational diagram between impurity concentration and diffusion distance showing a diffusion distribution of γ. As shown in FIG. 13, the diffusion amount of B increases when annealing after B implantation is performed at 1900 ° C. rather than annealing at 1600 ° C. Further, the B impurity concentration level of 2 × 10 16 cm −3 indicated by the dotted line in FIG. 13 is obtained when the n-type impurity concentration of the silicon carbide drift layer 20 is 2 × 10 16 cm −3 , for example. , B is for explaining that only the portion where the impurity concentration exceeds this level becomes p-type and becomes the second base region 31. In the example of FIG. 13, the width L ch2 of the second base region 31 in the case of annealing at 1600 ° C. and 1900 ° C. is about 0.5 μm and about 0.8 μm, respectively.
Thus, by adjusting the amount of ion implantation of B and the annealing conditions after the implantation, a desired impurity concentration and channel length of the channel region can be obtained. Further, by setting L ch2 to 2 μm or less, the resistance of the channel region can be reduced, and the on-resistance can be lowered.

なお、図12および図13に示したp型不純物の深さ方向のプロファイルは、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectroscopy)や荷電粒子放射化分析法(CPAA:Charged−Particle Activation Analysis)により測定することができる。   The depth profile of the p-type impurity shown in FIG. 12 and FIG. 13 is obtained by secondary ion mass spectrometry (SIMS) or charged particle activation analysis (CPAA). ).

また、本実施の形態においては、第1注入マスク100を拡幅して第2注入マスク110を形成する方法として、多結晶珪素を熱酸化する例を示したが、マスク材料および拡幅の方法はこれに限るものではない。例えば、第1注入マスク100の上にCVD法により無機膜をソース領域40の表面を含む全面に形成し、無機膜越しにNのイオン注入を行ってもよい。図14と図15を用いて、無機膜形成による第1注入マスク100の拡幅方法について説明する。   Further, in the present embodiment, as an example of the method of widening the first implantation mask 100 and forming the second implantation mask 110, an example of thermally oxidizing polycrystalline silicon has been shown. It is not limited to. For example, an inorganic film may be formed on the entire surface including the surface of the source region 40 on the first implantation mask 100 by the CVD method, and N ions may be implanted through the inorganic film. A method for widening the first implantation mask 100 by forming an inorganic film will be described with reference to FIGS.

図4に示したように、第1注入マスク100を介して炭化珪素ドリフト層20にp型不純物であるBをイオン注入後、図14に示すように、第1注入マスク100および炭化珪素ドリフト層20の表面に、CVD法により酸化珪素膜などの無機膜111を形成する。無機膜111は第1注入マスク100および炭化珪素ドリフト層20の表面に均一な膜厚Lch1で形成される。ここでは、第1注入マスク100とこの周囲に形成された無機膜111とをあわせたものが第2注入マスクとなる。つづいて、図15に示すように、第2注入マスクが形成された炭化珪素ドリフト層20の表面に、n型不純物であるNをイオン注入する。Nイオンは無機膜111を通して注入されるが、無機膜111の膜厚Lch1は0.01μm以上、0.5μm以下と小さいので、Nイオンは無機膜111を透過して炭化珪素ドリフト層20に注入され、ソース領域40が形成される。
また、第1注入マスク100を拡幅させる別の方法として、第1注入マスク100をレジスト材料などで形成しこれを熱処理することによって膨張させ拡幅させてもよい。
As shown in FIG. 4, after ion implantation of B, which is a p-type impurity, into silicon carbide drift layer 20 through first implantation mask 100, first implantation mask 100 and silicon carbide drift layer are formed as shown in FIG. 14. An inorganic film 111 such as a silicon oxide film is formed on the surface 20 by a CVD method. Inorganic film 111 is formed with a uniform film thickness L ch1 on the surface of first implantation mask 100 and silicon carbide drift layer 20. Here, a combination of the first implantation mask 100 and the inorganic film 111 formed around this becomes the second implantation mask. Subsequently, as shown in FIG. 15, N, which is an n-type impurity, is ion-implanted into the surface of the silicon carbide drift layer 20 on which the second implantation mask is formed. N ions are implanted through the inorganic film 111. Since the film thickness L ch1 of the inorganic film 111 is as small as 0.01 μm or more and 0.5 μm or less, the N ions pass through the inorganic film 111 and enter the silicon carbide drift layer 20. Implanted, a source region 40 is formed.
As another method for widening the first implantation mask 100, the first implantation mask 100 may be formed of a resist material and the like, and may be expanded and widened by heat treatment.

また、図1の縦型MOSFETにおいて、一対の第2ベース領域31の下端にはさまれた炭化珪素ドリフト層20内の領域近傍をJFET領域というが、このJFET領域に比較的高濃度のn型不純物を注入してもよい。JFET領域に比較的高濃度のn型不純物を注入することにより、オン状態の場合に炭化珪素ドリフト層20内部にチャネル領域から炭化珪素基板10に向けて形成される電流経路の抵抗値を低減することができ、縦型MOSFET全体のオン抵抗を低減できる。   Further, in the vertical MOSFET of FIG. 1, a region in the silicon carbide drift layer 20 sandwiched between the lower ends of the pair of second base regions 31 is referred to as a JFET region. Impurities may be implanted. By implanting a relatively high concentration of n-type impurity into the JFET region, the resistance value of the current path formed from the channel region toward the silicon carbide substrate 10 in the silicon carbide drift layer 20 in the ON state is reduced. Therefore, the on-resistance of the entire vertical MOSFET can be reduced.

また、炭化珪素ドリフト層20のn型の不純物濃度を断面深さ方向に一定にするのではなく、炭化珪素ドリフト層20の表面側を高濃度にしてもよい。つまり、エピタキシャル成長する際に、炭化珪素ドリフト層20の表面からある深さまでの領域のn型不純物の濃度を高くしておく。このようにすると、JFET領域の不純物濃度が高くなり、イオン注入によってJFET領域を高濃度化するよりも、結晶の品質を損なうことなくJFET抵抗を低減できる。   Further, the n-type impurity concentration of silicon carbide drift layer 20 may not be made constant in the cross-sectional depth direction, but the surface side of silicon carbide drift layer 20 may be made high in concentration. In other words, the concentration of the n-type impurity in the region from the surface of silicon carbide drift layer 20 to a certain depth is increased during epitaxial growth. In this way, the impurity concentration of the JFET region becomes high, and the JFET resistance can be reduced without deteriorating the quality of the crystal as compared with increasing the concentration of the JFET region by ion implantation.

なお、Bのイオン注入は、図6に示したNのイオン注入の前後に、第2注入マスク110が形成された炭化珪素ドリフト層20に行ってもよい。この場合、Bはソース領域40から拡散するため、さらにチャネル長を短くでき、チャネル抵抗を低減することができる。   The B ion implantation may be performed on the silicon carbide drift layer 20 on which the second implantation mask 110 is formed before and after the N ion implantation shown in FIG. In this case, since B diffuses from the source region 40, the channel length can be further shortened and the channel resistance can be reduced.

さらに、本実施の形態においては、n型の不純物としてNを用いた例を示したが、これに限るものではなく燐(P)などの他の不純物であってもよい。また、p型の不純物として炭化珪素中の拡散係数の大きなBと、拡散係数の小さなAlの例を示したが、両者はこれに限るものではなく、B、Alおよびベリリウム(Be)などの他のp型不純物の中から選択された拡散係数が大きなものと小さなものと組み合わせであればどの組み合わせであってもよい。   Furthermore, in the present embodiment, an example in which N is used as an n-type impurity is shown, but the present invention is not limited to this, and other impurities such as phosphorus (P) may be used. Moreover, although the example of B with a large diffusion coefficient in silicon carbide and Al with a small diffusion coefficient were shown as p-type impurities, both are not limited to this, and other elements such as B, Al, beryllium (Be), etc. Any combination may be used as long as the diffusion coefficient selected from the p-type impurities is a combination of a large diffusion coefficient and a small diffusion coefficient.

なお、本実施の形態においては、図3および図4に示したように、AlとBとのイオン注入はAlの注入を先に行った例を示したが、この順序は逆であってもよい。また、ここまでは、炭化珪素半導体装置がnチャネル型のMOSFETの例で説明したが、pチャネル型のMOSFETであっても、拡散係数の大きなn型不純物と拡散係数の小さなn型不純物を用いれば、同様の効果を得ることができる。   In the present embodiment, as shown in FIGS. 3 and 4, the example in which the ion implantation of Al and B is performed first is performed, but this order may be reversed. Good. In the above description, the silicon carbide semiconductor device is described as an example of an n-channel MOSFET. However, even if a p-channel MOSFET is used, an n-type impurity having a large diffusion coefficient and an n-type impurity having a small diffusion coefficient are used. The same effect can be obtained.

また、本実施の形態においては、炭化珪素基板10の第一の主面の面方位は(0001)面の例を示したが、第一の主面の面方位は、(000−1)面、(11−20)面、または、これらにオフ角のついた面であってもよい。第一の主面の面方位が異なると不純物の拡散が異なるので、拡散のためのアニールの条件は、各面方位に合わせて調整すればよい。また、炭化珪素基板10のポリタイプは4Hとしたが、ポリタイプは4H、6H、3Cのいずれのポリタイプであってもよい。   In the present embodiment, the plane orientation of the first main surface of silicon carbide substrate 10 is an example of (0001) plane, but the plane orientation of the first main surface is (000-1) plane. , The (11-20) plane, or a plane with an off angle. Since the diffusion of impurities is different when the plane orientation of the first main surface is different, the annealing conditions for diffusion may be adjusted according to each plane orientation. In addition, although the polytype of silicon carbide substrate 10 is 4H, the polytype may be any polytype of 4H, 6H, and 3C.

さらに、本実施の形態においては、図1のソース電極70およびドレイン電極80となる材料としてAl合金の例を示したが、ソース電極70およびドレイン電極80となる材料としては、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)、金(Au)やこれらの化合物であってもよい。また、ソース領域40とソース電極70との間、および、炭化珪素基板10とドレイン電極80との間の接触抵抗を低減するために、ソース電極70およびドレイン電極80を形成した後に1000℃程度の熱処理を行ってもよい。
また、ゲート電極60となる材料としては、n型またはp型の多結晶珪素でもよいし、n型またはp型の多結晶炭化珪素、あるいは、Al、Ni、Ti、モリブデン(Mb)、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)、タングステン(W)などの金属やその窒化物であってもよい。
さらに、ゲート絶縁膜50の材料としては熱酸化法で形成した酸化珪素の例を示したが、これに限るものではなく、CVD法や物理気相堆積(Physical Vapor Deposition:PVD)法により形成された窒化珪素、酸化窒化珪素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウムなどであってもよい。また、ゲート絶縁膜50形成後にArや窒素、一酸化窒素、二酸化窒素などのガス雰囲気中で熱処理してもよい。
Further, in the present embodiment, an example of an Al alloy is shown as the material that becomes the source electrode 70 and the drain electrode 80 in FIG. 1, but the material that becomes the source electrode 70 and the drain electrode 80 is nickel (Ni), Titanium (Ti), gold (Au), and these compounds may be sufficient. Further, in order to reduce the contact resistance between the source region 40 and the source electrode 70 and between the silicon carbide substrate 10 and the drain electrode 80, the source electrode 70 and the drain electrode 80 are formed at about 1000 ° C. Heat treatment may be performed.
The material for forming the gate electrode 60 may be n-type or p-type polycrystalline silicon, n-type or p-type polycrystalline silicon carbide, Al, Ni, Ti, molybdenum (Mb), tantalum ( It may be a metal such as Ta), niobium (Nb), tungsten (W), or a nitride thereof.
Furthermore, although the example of the silicon oxide formed by the thermal oxidation method was shown as a material of the gate insulating film 50, it is not restricted to this, It forms by the CVD method and the physical vapor deposition (PVD) method. It may be silicon nitride, silicon oxynitride, aluminum oxide, aluminum nitride, hafnium oxide, zirconium oxide, or the like. Further, after the gate insulating film 50 is formed, heat treatment may be performed in a gas atmosphere such as Ar, nitrogen, nitric oxide, nitrogen dioxide or the like.

また、本実施の形態における炭化珪素半導体装置の製造方法においては、第1注入マスク100を形成してのAlおよびBのイオン注入を行う際に、図16に示すようにイオン注入される第1ベース領域30の表面にゴミやレジスト残などの不本意なマイクロマスク120があった場合であっても、マイクロマスク120の径によってはソース電極70とドレイン電極80との間が導通状態になることを回避できる効果もある。
不本意なマイクロマスク120の径が第2ベース領域31の幅Lch2の2倍以下であれば、図16に示したように、本来p型の第1ベース領域30になるべき部位でマイクロマスク120のためにn型になっているところが、アニールによるBの拡散により、図17に示すようにp型になるため、ドレイン電極80につながる炭化珪素ドリフト層20とソース電極70につながるソース領域40とが導通状態になることを回避できる。
したがって、本実施の形態における炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、不本意なマイクロマスク120による不良の発生を低減できる。
In the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device in the present embodiment, when Al and B ions are implanted by forming first implantation mask 100, the first ion implantation is performed as shown in FIG. Even if there is an unintentional micromask 120 such as dust or resist residue on the surface of the base region 30, depending on the diameter of the micromask 120, the source electrode 70 and the drain electrode 80 may become conductive. There is also an effect that can be avoided.
If the diameter of the unintentional micromask 120 is less than or equal to twice the width L ch2 of the second base region 31, as shown in FIG. Since the n-type due to 120 becomes p-type as shown in FIG. 17 due to the diffusion of B by annealing, the silicon carbide drift layer 20 connected to the drain electrode 80 and the source region 40 connected to the source electrode 70. Can be prevented from becoming conductive.
Therefore, according to the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device in the present embodiment, it is possible to reduce the occurrence of defects due to unintentional micromask 120.

実施の形態2.
図18は、この発明を実施するための実施の形態2における、炭化珪素半導体装置である縦型MOSFETの断面模式図である。本実施の形態においても、第1導電型をn型、第2導電型をp型として説明する。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 18 is a schematic cross-sectional view of a vertical MOSFET that is a silicon carbide semiconductor device in the second embodiment for carrying out the present invention. Also in this embodiment, the first conductivity type is described as n-type and the second conductivity type is described as p-type.

図18において、第2ベース領域31が第1ベース領域30の断面横方向にのみ形成されていること以外は実施の形態1の縦型MOSFETと同様である。その製造方法は、実施の形態1におけるBのイオン注入の深さをAlのイオン注入の深さより浅くすること以外は、実施の形態1における製造方法と同様である。   In FIG. 18, the second base region 31 is the same as the vertical MOSFET of the first embodiment except that the second base region 31 is formed only in the lateral direction of the cross section of the first base region 30. The manufacturing method is the same as the manufacturing method in the first embodiment, except that the depth of B ion implantation in the first embodiment is made shallower than the depth of Al ion implantation.

本実施の形態の縦型MOSFETを実施の形態1の縦型MOSFETと比較すると、本実施の形態の縦型MOSFETにおいては、オン状態の場合にチャネル領域から炭化珪素基板10に向けて炭化珪素ドリフト層20に形成される電流経路であるn型のJFET領域の断面方向の幅がより大きくなるため、JFET領域の抵抗が低下し、オン抵抗をさらに小さくすることができる。   When the vertical MOSFET according to the present embodiment is compared with the vertical MOSFET according to the first embodiment, the vertical MOSFET according to the present embodiment has a silicon carbide drift from the channel region toward the silicon carbide substrate 10 in the ON state. Since the width in the cross-sectional direction of the n-type JFET region which is a current path formed in the layer 20 becomes larger, the resistance of the JFET region is lowered, and the on-resistance can be further reduced.

したがって、本実施の形態における炭化珪素半導体装置および炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、オン抵抗がさらに低い縦型MOSFETである炭化珪素半導体装置を得ることができる。   Therefore, according to the silicon carbide semiconductor device and the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device in the present embodiment, a silicon carbide semiconductor device that is a vertical MOSFET having a lower on-resistance can be obtained.

実施の形態3.
本実施の形態における炭化珪素半導体装置である縦型MOSFETの製造方法においては、実施の形態1で第1イオン注入マスク100を拡幅させて第2イオン注入マスク110を形成したところを、先に実施の形態1の第2イオン注入マスク110に相当するマスクを形成し、このマスクの幅を縮小することにより実施の形態1の第1イオン注入マスク100に相当するマスクを形成するものである。また、これに伴い、n型不純物のイオン注入、p型不純物のイオン注入の順序も変更している。
Embodiment 3 FIG.
In the method for manufacturing a vertical MOSFET that is a silicon carbide semiconductor device in the present embodiment, the first ion implantation mask 100 is widened and the second ion implantation mask 110 is formed first in the first embodiment. A mask corresponding to the second ion implantation mask 110 of the first embodiment is formed, and a mask corresponding to the first ion implantation mask 100 of the first embodiment is formed by reducing the width of the mask. Along with this, the order of n-type impurity ion implantation and p-type impurity ion implantation is also changed.

以下、図19〜図22を用いて、実施の形態1の図3〜図7に対応する工程を順に説明する。その他の工程については、実施の形態1と同様とする。
実施の形態1と同様に、炭化珪素基板10の表面上に炭化珪素ドリフト層20をエピタキシャル成長した後、図19に示すように、炭化珪素ドリフト層20の表面にレジスト材料で構成される第3注入マスク130を形成し、n型不純物であるNをイオン注入する。つづいて、図20に示すように、第3注入マスク130を酸素ガスなどを使用したプラズマ処理により第3注入マスク130の周囲を厚さLch1分除去して幅を縮小した第4注入マスク140を形成する。次に、図21、図22に示すように、第4注入マスク140を形成した炭化珪素ドリフト層20にp型不純物であるAlとBとを順にイオン注入する。このとき、AlとBのイオン注入の順序は、どちらが先であってもよい。これらのイオン注入後に第4注入マスク140を除去した後は、実施の形態1と同様となる。
Hereinafter, the steps corresponding to FIGS. 3 to 7 of the first embodiment will be described in order with reference to FIGS. Other steps are the same as those in the first embodiment.
As in the first embodiment, after silicon carbide drift layer 20 is epitaxially grown on the surface of silicon carbide substrate 10, a third implantation made of a resist material is formed on the surface of silicon carbide drift layer 20 as shown in FIG. A mask 130 is formed, and N which is an n-type impurity is ion-implanted. Subsequently, as shown in FIG. 20, the fourth implantation mask 140 is reduced in width by removing the periphery of the third implantation mask 130 by a thickness L ch1 by plasma treatment using oxygen gas or the like. Form. Next, as shown in FIGS. 21 and 22, ions of Al and B, which are p-type impurities, are sequentially implanted into the silicon carbide drift layer 20 on which the fourth implantation mask 140 is formed. At this time, the order of ion implantation of Al and B may be either. After removing the fourth implantation mask 140 after these ion implantations, the process is the same as in the first embodiment.

なお、本実施の形態においては、第3注入マスク130の材料としてレジスト材料の例を示したが、第3注入マスク130の材料は酸化珪素、窒化珪素、多結晶珪素などであってもよく、その幅の縮小はそれぞれの材料に適したウエットエッチングなどの方法で行えばよい。   In the present embodiment, an example of the resist material is shown as the material of the third implantation mask 130, but the material of the third implantation mask 130 may be silicon oxide, silicon nitride, polycrystalline silicon, or the like. The width may be reduced by a method such as wet etching suitable for each material.

本実施の形態における炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、実施の形態1の炭化珪素半導体装置と同様の炭化珪素半導体装置を得ることができ、同様の効果を奏する。また、実施の形態1の炭化珪素半導体装置の製造方法と比較して、無機膜の形成や除去を行う工程数を減らし、形成および除去が容易なイオン注入のマスクを用いることができるため、製造工程を簡略化できる。   According to the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device in the present embodiment, a silicon carbide semiconductor device similar to the silicon carbide semiconductor device in the first embodiment can be obtained, and similar effects are obtained. Compared with the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device of Embodiment 1, the number of steps for forming and removing the inorganic film can be reduced, and an ion implantation mask that can be easily formed and removed can be used. The process can be simplified.

実施の形態4.
本実施の形態における炭化珪素半導体装置である縦型MOSFETの製造方法は、実施の形態4の第3イオン注入マスク130に相当するマスクの幅を減少させず、第3イオン注入マスク130に相当するマスクを使用してAlイオンを斜め方向からイオン注入するものである。
Embodiment 4 FIG.
The method for manufacturing the vertical MOSFET that is the silicon carbide semiconductor device in the present embodiment corresponds to the third ion implantation mask 130 without reducing the width of the mask corresponding to the third ion implantation mask 130 of the fourth embodiment. Al ions are implanted from an oblique direction using a mask.

以下、図23〜図25を用いて、実施の形態3の図19〜図22に対応する工程を順に説明する。その他の工程については、実施の形態3と同様とする。
実施の形態3と同様に、炭化珪素基板10の表面上に炭化珪素ドリフト層20をエピタキシャル成長した後、図23に示すように、炭化珪素ドリフト層20の表面にレジスト材料で構成される第5注入マスク150を形成し、n型不純物であるNをイオン注入する。つづいて、図24に示すように、第5注入マスク150を表面に形成した炭化珪素ドリフト層20にp型不純物であるAlを斜め方向からイオン注入する。次に、図25に示すように、Alのイオン注入と同様にBを斜め方向からイオン注入する。また、AlおよびBのイオン注入は、炭化珪素基板10ごと回転させながら行うものとする。ここで、Al、BおよびNのイオン注入の順序は、どの順番であってもよい。これらのイオン注入後に第5注入マスク150を除去した後は、実施の形態3と同様となる。
Hereinafter, steps corresponding to FIGS. 19 to 22 of the third embodiment will be described in order with reference to FIGS. 23 to 25. Other steps are the same as those in the third embodiment.
As in the third embodiment, after silicon carbide drift layer 20 is epitaxially grown on the surface of silicon carbide substrate 10, as shown in FIG. 23, the fifth implantation made of a resist material is formed on the surface of silicon carbide drift layer 20. A mask 150 is formed, and N which is an n-type impurity is ion-implanted. Subsequently, as shown in FIG. 24, Al, which is a p-type impurity, is ion-implanted from an oblique direction into the silicon carbide drift layer 20 on which the fifth implantation mask 150 is formed. Next, as shown in FIG. 25, B is ion-implanted from an oblique direction in the same manner as Al ion implantation. In addition, ion implantation of Al and B is performed while rotating the silicon carbide substrate 10 together. Here, the order of ion implantation of Al, B, and N may be any order. After removing the fifth implantation mask 150 after these ion implantations, it is the same as in the third embodiment.

なお、本実施の形態においては、Bのイオン注入は斜め方向から行う例を示したが、Bのイオン注入は斜め方向からではなく垂直方向からであっても、アニールによるBの拡散距離がAlの斜め注入による断面横方向の進入幅より大きければよい。   In this embodiment, an example is shown in which B ion implantation is performed from an oblique direction. However, even if B ion implantation is performed from a vertical direction instead of an oblique direction, the diffusion distance of B by annealing is Al. It is sufficient that the width is larger than the approach width in the lateral direction of the cross section by the oblique injection.

本実施の形態における炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、実施の形態1の炭化珪素半導体装置と同様の炭化珪素半導体装置を得ることができ、同様の効果を奏する。また、実施の形態3の炭化珪素半導体装置の製造方法と比較して、イオン注入のマスクの断面形状を変更する工程が必要なくなり、製造工程を簡略化できる。   According to the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device in the present embodiment, a silicon carbide semiconductor device similar to the silicon carbide semiconductor device in the first embodiment can be obtained, and similar effects are obtained. Further, as compared with the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device of the third embodiment, it is not necessary to change the cross-sectional shape of the mask for ion implantation, and the manufacturing process can be simplified.

この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置であるMOSFETの製造方法を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the manufacturing method of MOSFET which is a silicon carbide semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1におけるAlの深さ方向の不純物濃度分布例を示す、不純物濃度と炭化珪素ドリフト層表面からの距離との関係図である。It is a relationship diagram between the impurity concentration and the distance from the silicon carbide drift layer surface, showing an example of the impurity concentration distribution in the depth direction of Al in the first embodiment of the present invention. この発明の実施の形態1におけるBのイオン注入後のアニールによる拡散の様子を示す不純物濃度と拡散距離の関係図である。FIG. 6 is a relationship diagram between an impurity concentration and a diffusion distance showing a state of diffusion by annealing after ion implantation of B in Embodiment 1 of the present invention. この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態2における炭化珪素半導体装置の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 2 of this invention. この発明の実施の形態3における炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 3 of this invention. この発明の実施の形態3における炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 3 of this invention. この発明の実施の形態3における炭化珪素半導体装置製造方法を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the silicon carbide semiconductor device manufacturing method in Embodiment 3 of this invention. この発明の実施の形態3における炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 3 of this invention. この発明の実施の形態4における炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 4 of this invention. この発明の実施の形態4における炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 4 of this invention. この発明の実施の形態4における炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 4 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10 炭化珪素基板、20 炭化珪素ドリフト層、30 第1ベース領域、31 第2ベース領域、40 ソース領域、50 ゲート絶縁膜、60 ゲート電極、70 ソース電極、80 ドレイン電極、100 第1注入マスク、110 第2注入マスク、111 無機膜、120 マイクロマスク、130 第3注入マスク、140 第4注入マスク、150 第5注入マスク。   10 silicon carbide substrate, 20 silicon carbide drift layer, 30 first base region, 31 second base region, 40 source region, 50 gate insulating film, 60 gate electrode, 70 source electrode, 80 drain electrode, 100 first implantation mask, 110 second implantation mask, 111 inorganic film, 120 micromask, 130 third implantation mask, 140 fourth implantation mask, 150 fifth implantation mask.

Claims (9)

第1導電型の炭化珪素基板と、
前記炭化珪素基板の主面上に設けられた第1導電型の炭化珪素ドリフト層と、
前記炭化珪素ドリフト層の表層部に所定の幅だけ離間して設けられた第1導電型の一対のソース領域と、
一対の前記ソース領域の間隔方向に向けて前記ソース領域より第1の幅だけ外側の間隔方向まで、前記ソース領域より深く、設けられ、第2導電型の第1不純物と前記第1不純物より炭化珪素中の拡散係数が大きい第2導電型の第2不純物とを含有する第2導電型の一対の第1ベース領域と、
一対の前記第1ベース領域の間隔方向に向けて前記第1ベース領域より第2の幅だけ外側まで、前記第2不純物を拡散させて、設けられ、前記第1ベース領域に含有される第2導電型の不純物の濃度より低い濃度の第2導電型の不純物を含有する一対の第2導電型の第2ベース領域と
を備えたことを特徴とする炭化珪素半導体装置。
A first conductivity type silicon carbide substrate;
A silicon carbide drift layer of a first conductivity type provided on the main surface of the silicon carbide substrate;
A pair of source regions of the first conductivity type provided in a surface layer portion of the silicon carbide drift layer and spaced apart by a predetermined width;
The second conductivity type first impurity and the first impurity are carbonized more deeply than the source region in the interval direction between the pair of source regions and in the interval direction outside the source region by a first width. A pair of first base regions of a second conductivity type containing second impurities of a second conductivity type having a large diffusion coefficient in silicon;
A second impurity that is provided by diffusing the second impurity to the outside by a second width from the first base region toward the interval between the pair of first base regions, and is contained in the first base region. A silicon carbide semiconductor device comprising: a pair of second conductivity type second base regions containing a second conductivity type impurity having a concentration lower than that of the conductivity type impurity.
前記第1不純物はアルミニウムであり、前記第2不純物はホウ素であることを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素半導体装置。 Wherein the first impurity is aluminum, the silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the second impurity is boron. 前記第1ベース領域の前記第1不純物の不純物濃度は、深さ方向に増大していることを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素半導体装置。 2. The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein an impurity concentration of the first impurity in the first base region increases in a depth direction. 前記第2ベース領域は、炭化珪素の前記ドリフト層の表層部において前記第1ベース領域から離間するに従って前記第2不純物の不純物濃度が徐々に減少することを特徴とする
請求項1に記載の炭化珪素半導体装置。
The second base region, carbide of claim 1, wherein the impurity concentration of said second impurity as the distance from said first base region at the surface layer portion of the drift layer of the silicon carbide gradually decreases Silicon semiconductor device.
前記第1ベース領域の前記第1不純物の不純物濃度は、1×1017cm−3以上1×1019cm−3以下であることを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素半導体装置。 2. The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein an impurity concentration of the first impurity in the first base region is not less than 1 × 10 17 cm −3 and not more than 1 × 10 19 cm −3 . 前記第2ベース領域の前記第2不純物の不純物濃度は、5×1017cm−3以下であることを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素半導体装置。 The impurity concentration of the second impurity in the second base region, the silicon carbide semiconductor device according to claim 1, characterized in that 5 × 10 17 cm -3 or less. 前記第1の幅が0.01μm以上0.5μm以下であることを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素半導体装置。 The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the first width is not less than 0.01 μm and not more than 0.5 μm. 前記第2の幅が2μm以下であることを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素半導体装置。 The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the second width is 2 μm or less. 第1導電型の炭化珪素基板の主面上に第1導電型の炭化珪素ドリフト層を形成する工程と、前記炭化珪素ドリフト層の表面側に所定の幅の第1注入マスクを形成する工程と、
前記第1注入マスクを表面に形成した前記炭化珪素ドリフト層に第2導電型の第1不純物をイオン注入して第1ベース領域を形成する工程と、
前記第1注入マスクを形成した前記炭化珪素ドリフト層に前記第1不純物より炭化珪素中の拡散係数の大きな第2導電型の第2不純物をイオン注入する工程と、
前記第1注入マスクを自己整合的に第1の幅だけ拡幅して第2注入マスクを形成する工程と、
前記第2注入マスクを表面に形成した前記炭化珪素ドリフト層に第1導電型の第3不純物をイオン注入して前記第1ベース領域内にソース領域を形成する工程と、
前記第2不純物を拡散させて第2の幅の第2ベース領域を形成する工程とを備えた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 silicon carbide drift layer on a main surface of a first conductivity type silicon carbide substrate; and forming a first implantation mask having a predetermined width on a surface side of the silicon carbide drift layer; ,
Forming a first base region by ion-implanting a second impurity of a first conductivity type into the silicon carbide drift layer having the first implantation mask formed on the surface;
Ion-implanting a second conductivity type second impurity having a diffusion coefficient in silicon carbide larger than that of the first impurity into the silicon carbide drift layer formed with the first implantation mask;
Widening the first implantation mask by a first width in a self-aligned manner to form a second implantation mask;
A step of forming a source region in the first base region by ion-implanting a third impurity of a first conductivity type into the silicon carbide drift layer having the second implantation mask formed on a surface thereof;
And a step of diffusing the second impurity to form a second base region having a second width.
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