JP5332216B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、より特定的には、炭化ケイ素(SiC)よりなる半導体膜を備えた半導体装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device including a semiconductor film made of silicon carbide (SiC) and a manufacturing method thereof.
SiCは、バンドギャップが広く、また最大絶縁電界がケイ素(Si)と比較して約一桁大きいことから、次世代の電力用半導体素子への応用が期待されている材料である。これまでに、4H−SiCまたは6H−SiCと呼ばれる単結晶ウェハを用いて様々な電子デバイスへ応用されつつあり、特に高温、大電力用素子に適すると考えられている。上記の結晶は閃亜鉛鉱型とウルツ鉱型とを積層した形のアルファ相SiCである。他に3C−SiCと称されるベータ相SiCの結晶でも半導体装置が試作されている。最近では電力用素子としてショットキーダイオード、MOSFET(metal oxide semiconductor field-effect transistor)、サイリスタなどが試作され、その特性から従来のSi半導体装置と比較して非常に特性が良好なことが確認されている。 SiC is a material that is expected to be applied to next-generation power semiconductor devices because it has a wide band gap and a maximum insulation electric field that is about an order of magnitude larger than that of silicon (Si). So far, it is being applied to various electronic devices using a single crystal wafer called 4H—SiC or 6H—SiC, and is considered to be particularly suitable for high-temperature, high-power elements. The above crystal is an alpha phase SiC in which zinc blende type and wurtzite type are laminated. In addition, a semiconductor device is also experimentally manufactured using a beta phase SiC crystal called 3C-SiC. Recently, Schottky diodes, MOSFETs (metal oxide semiconductor field-effect transistors), thyristors, etc. have been prototyped as power elements, and their characteristics have been confirmed to be very good compared to conventional Si semiconductor devices. Yes.
SiCを用いた半導体装置において、特にSiC基板の表面にチャネルが形成される構造のMOSFETでは、従来、高温アニールによって形成された表面がチャネルとして用いられてきた。しかしながら、高温アニールすることによって得られるSiC基板の表面には不規則な凹凸が存在している。このため、界面準位の密度が増加することにより、キャリアの移動度が低下し、半導体装置の特性が劣化するという問題があった。 In a semiconductor device using SiC, in particular, in a MOSFET having a structure in which a channel is formed on the surface of a SiC substrate, a surface formed by high-temperature annealing has been conventionally used as a channel. However, there are irregular irregularities on the surface of the SiC substrate obtained by high-temperature annealing. For this reason, when the density of interface states increases, there is a problem that the mobility of carriers decreases and the characteristics of the semiconductor device deteriorate.
この問題を解決し得る技術が、たとえば特開2006−344942号公報(特許文献1)に開示されている。上記特許文献1では、SiC膜の表面に2つのトレンチを形成し、続いてSiC膜の表面にSiを供給した状態でSiC膜を熱処理する。これにより、一周期の長さが100nm以上のファセット(マクロステップ)がトレンチの間の位置に形成される。次に、マクロステップ上に所定形状の絶縁膜を形成し、この絶縁膜をマスクとしてマクロステップに不純物イオンを注入し、絶縁膜を除去する。これにより、ソースコンタクト領域およびドレインコンタクト領域がマクロステップのテラスを挟むように形成される。その結果、マクロステップのテラスがMOSFETのチャネルとされる。
上述の特許文献1の技術においては、不純物イオンを注入する際に絶縁膜をマスク層としている。このように、従来において不純物領域を所望の位置に形成するためには、マスク層を形成する必要があり、不純物領域の精度がマスク層の精度に依存していた。このため、所望の領域に不純物領域を精度よく形成することが困難であった。この問題は、SiC基板の表面にチャネルが形成されるに限られるものではなく、半導体装置全般において生じうる問題である。
In the technique of
従って、本発明の目的は、所望の位置に不純物領域を精度よく形成することのできる半導体装置およびその製造方法を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor device and a manufacturing method thereof in which an impurity region can be accurately formed at a desired position.
本発明における半導体装置は、SiCよりなる半導体膜を備えている。半導体膜はその表面に、周期方向において互いに隣接するライザ表面およびテラス表面が設けられたマクロステップを有している。この半導体装置は、周期方向に沿った断面による断面視において、マクロステップのライザ表面の全体に形成された第1導電型の不純物領域と、マクロステップのテラス表面の全体に形成された、第2導電型の他の不純物領域とをさらに備えている。不純物領域は窒素原子およびホウ素原子の少なくとも一方を含んでいる。 The semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor film made of SiC. The semiconductor film has on its surface a macro step provided with a riser surface and a terrace surface adjacent to each other in the periodic direction . The semiconductor device includes a first conductivity type impurity region formed on the entire macrostep riser surface and a second surface formed on the entire macrostep terrace surface in a cross-sectional view taken along the periodic direction . And another impurity region of conductivity type . The impurity region includes at least one of a nitrogen atom and a boron atom.
本発明の一の局面に従う半導体装置の製造方法は、SiCよりなる半導体膜を形成する工程と、半導体膜表面に溝を形成する工程と、溝を形成する工程の後で、半導体膜を熱処理することで半導体膜の表面に、周期方向において互いに隣接するライザ表面およびテラス表面が設けられたマクロステップを形成する工程とを備えている。半導体膜表面にSiと、窒素およびホウ素のうち少なくともいずれか一方の不純物とを供給した状態で半導体膜が熱処理されることによって、周期方向に沿った断面による断面視においてテラス表面に比してより高い不純物の濃度を有する第1導電型の不純物領域がライザ表面に形成される。 A method for manufacturing a semiconductor device according to one aspect of the present invention includes a step of forming a semiconductor film made of SiC, a step of forming a groove on a surface of the semiconductor film, and a step of forming the groove, and heat-treating the semiconductor film. In this way, a step of forming a macro step in which a riser surface and a terrace surface adjacent to each other in the periodic direction are provided on the surface of the semiconductor film is provided. And Si in the surface of the semiconductor film by the semiconductor film is Ru is heat treated while supplying at least one of the impurities of the nitrogen and boron, more than the terrace surface in the cross-sectional view according to section along the periodic direction impurity regions of a first conductivity type having a higher concentration of impurities Ru is formed on the riser surface.
本発明の半導体装置および一の局面に従う半導体装置の製造方法によれば、SiCよりなる半導体膜表面にSiを供給した状態で半導体膜を熱処理することにより、半導体膜をエネルギ的に安定な表面状態に再構成させることができる。その結果、半導体膜表面における溝を形成した位置に、一周期が100nm以上のマクロステップが得られ、マクロステップの平坦部分の長さを従来に比べて長くすることができる。 According to the semiconductor device of the present invention and the method of manufacturing a semiconductor device according to one aspect, the semiconductor film is heat-treated in a state where Si is supplied to the surface of the semiconductor film made of SiC. Can be reconfigured. As a result, a macro step having a period of 100 nm or more is obtained at the position where the groove is formed on the surface of the semiconductor film, and the length of the flat portion of the macro step can be made longer than before.
加えて、熱処理の際に窒素またはホウ素がSiを介して半導体膜に侵入し、SiC結晶を構成する炭素(C)原子と置き換わり、不純物領域を形成する。ここで、マクロステップのライザはテラスに比べて不安定な面であるので、ライザにはテラスに比べてより多くの窒素またはホウ素が侵入する。その結果、ライザにはテラスよりも高濃度の不純物領域が形成される。その結果、所望の位置をライザとすることにより、所望の位置に不純物領域を精度よく形成することができる。 In addition, nitrogen or boron penetrates into the semiconductor film through Si during the heat treatment, and is replaced with carbon (C) atoms constituting the SiC crystal, thereby forming an impurity region. Here, since the riser of the macrostep is an unstable surface compared to the terrace, more nitrogen or boron enters the riser than the terrace. As a result, an impurity region having a higher concentration than the terrace is formed in the riser. As a result, the impurity region can be accurately formed at the desired position by using the desired position as the riser.
本発明の半導体装置において好ましくは、マクロステップは複数であり、かつ互いに等しい周期である。不純物領域は複数のマクロステップの各々のライザ表面に形成されている。これにより、周期的な不純物領域を精度よく形成することができる。 In the semiconductor device of the present invention, preferably, the macro steps are plural and have the same period. The impurity region is formed on the riser surface of each of the plurality of macro steps. Thereby, a periodic impurity region can be formed with high accuracy.
本発明の半導体装置において好ましくは、複数のマクロステップの各々のテラス表面に形成され、かつ不純物領域と隣接する第2導電型の他の不純物領域をさらに備える。これにより、不純物領域と他の不純物領域とでpn接合を形成することができる。 Preferably, the semiconductor device of the present invention further includes another impurity region of the second conductivity type formed on the terrace surface of each of the plurality of macro steps and adjacent to the impurity region. Thereby, a pn junction can be formed by the impurity region and other impurity regions.
本発明の半導体装置において好ましくは、半導体膜の表面側に形成されたショットキー電極と、半導体膜の表面とは反対側に形成されたオーミック電極とをさらに備えている。ショットキー電極からオーミック電極へ流れる電流がショットキー電極とオーミック電極との電位差によって制御される。 Preferably, the semiconductor device of the present invention further includes a Schottky electrode formed on the surface side of the semiconductor film and an ohmic electrode formed on the side opposite to the surface of the semiconductor film. The current flowing from the Schottky electrode to the ohmic electrode is controlled by the potential difference between the Schottky electrode and the ohmic electrode.
これにより、半導体装置がショットキーダイオードとして機能し、不純物領域と他の不純物領域とで構成されるpn接合によってショットキーダイオードの耐圧を向上することができる。 Thereby, the semiconductor device functions as a Schottky diode, and the breakdown voltage of the Schottky diode can be improved by the pn junction formed by the impurity region and the other impurity regions.
本発明の半導体装置において好ましくは、半導体膜の表面側に形成されたソース電極およびゲート電極と、半導体膜の裏面側に形成されたドレイン電極とをさらに備えている。ドレイン電極からソース電極へ流れる電流がゲート電極に印加される電圧によって制御される。 Preferably, the semiconductor device of the present invention further includes a source electrode and a gate electrode formed on the front surface side of the semiconductor film, and a drain electrode formed on the back surface side of the semiconductor film. The current flowing from the drain electrode to the source electrode is controlled by the voltage applied to the gate electrode.
これにより、半導体装置が縦型MOSFETとして機能し、不純物領域と他の不純物領域とで構成されるpn接合によって縦型MOSFETの耐圧を向上することができる。 Thereby, the semiconductor device functions as a vertical MOSFET, and the breakdown voltage of the vertical MOSFET can be improved by the pn junction formed by the impurity region and the other impurity regions.
本発明の半導体装置において好ましくは、半導体膜表面上に形成されたソース電極、ゲート電極、およびドレイン電極をさらに備えている。ドレイン電極からソース電極へ流れる電流がゲート電極に印加される電圧によって制御される。半導体装置は、半導体膜表面に形成され、かつドレイン電極に接触する第1導電型のドレイン領域をさらに備えている。不純物領域はドレイン領域に隣接して形成されており、かつドレイン領域の不純物濃度よりも低い不純物濃度を有している。 The semiconductor device of the present invention preferably further includes a source electrode, a gate electrode, and a drain electrode formed on the surface of the semiconductor film. The current flowing from the drain electrode to the source electrode is controlled by the voltage applied to the gate electrode. The semiconductor device further includes a first conductivity type drain region formed on the surface of the semiconductor film and in contact with the drain electrode. The impurity region is formed adjacent to the drain region, and has an impurity concentration lower than that of the drain region.
これにより、不純物領域が横型MOSFETのLDD(Lightly Doped Drain)領域としての役割を果たし、ホットキャリアの発生を抑えることができる。 Thereby, the impurity region serves as an LDD (Lightly Doped Drain) region of the lateral MOSFET, and generation of hot carriers can be suppressed.
本発明の半導体装置において好ましくは、半導体膜表面に形成されたソース電極、ゲート電極、およびドレイン電極をさらに備えている。ドレイン電極からソース電極へ流れる電流がゲート電極に印加される電圧によって制御される。ドレイン電極と半導体膜とは不純物領域を通じて電気的に接続される。 The semiconductor device of the present invention preferably further includes a source electrode, a gate electrode, and a drain electrode formed on the surface of the semiconductor film. The current flowing from the drain electrode to the source electrode is controlled by the voltage applied to the gate electrode. The drain electrode and the semiconductor film are electrically connected through the impurity region.
これにより、半導体膜にチャネルが形成される際に、不純物領域から半導体膜へ少数キャリアが供給される。その結果、横型MOSFETの閾値電圧を低下することができる。 Thus, minority carriers are supplied from the impurity region to the semiconductor film when a channel is formed in the semiconductor film. As a result, the threshold voltage of the lateral MOSFET can be lowered.
上記製造方法において好ましくは、半導体膜を熱処理する工程は、ケイ素を主な構成元素とする被覆膜を半導体膜の表面に形成する工程と、被覆膜を形成する工程の後で、窒素およびホウ素のうち少なくともいずれか一方を含む雰囲気で半導体膜を熱処理する工程とを含んでいる。 Preferably, in the manufacturing method, the step of heat-treating the semiconductor film includes the steps of forming a coating film containing silicon as a main constituent element on the surface of the semiconductor film, and forming the coating film with nitrogen and Heat-treating the semiconductor film in an atmosphere containing at least one of boron.
これにより、SiCよりなる半導体膜の表面にSiを供給した状態を、上記被覆膜によって実現することができる。半導体膜における被覆膜が形成された箇所では、テラス面に対して垂直な方向の成長が抑制されるので、テラス面に沿った半導体膜の再構成を促進することができる。 Thereby, the state which supplied Si to the surface of the semiconductor film which consists of SiC is realizable with the said coating film. Since the growth in the direction perpendicular to the terrace surface is suppressed at the portion of the semiconductor film where the coating film is formed, the reconfiguration of the semiconductor film along the terrace surface can be promoted.
本発明の他の局面に従う半導体装置の製造方法は、SiCよりなる半導体膜を形成する工程と、半導体膜表面に溝を形成する工程と、溝を形成する工程の後で、半導体膜を熱処理することで半導体膜の表面に、周期方向において互いに隣接するライザ表面およびテラス表面が設けられたマクロステップを形成する工程と、半導体膜を熱処理する工程の後で、半導体膜表面に窒素およびホウ素のうち少なくともいずれか一方を注入することによって、周期方向に沿った断面による断面視においてテラス表面に比してより高い前記不純物の濃度を有する第1導電型の不純物領域をライザ表面に形成する工程とを備えている。 A method of manufacturing a semiconductor device according to another aspect of the present invention includes a step of forming a semiconductor film made of SiC, a step of forming a groove on a surface of the semiconductor film, and a step of forming the groove, and heat-treating the semiconductor film. Thus, after the step of forming the macro step in which the riser surface and the terrace surface adjacent to each other in the periodic direction are provided on the surface of the semiconductor film and the step of heat treating the semiconductor film, Forming at least one of the first conductivity type impurity region on the riser surface having a higher concentration of the impurity than the terrace surface in a cross-sectional view taken along a section along the periodic direction by injecting at least one of them. I have.
本発明の他の局面に従う半導体装置の製造方法によれば、SiCよりなる半導体膜表面にケイ素を供給した状態で半導体膜を熱処理することにより、半導体膜をエネルギ的に安定な表面状態に再構成させることができる。その結果、半導体膜表面における溝を形成した位置に、一周期が100nm以上のマクロステップが得られ、マクロステップの平坦部分の長さを従来に比べて長くすることができる。 According to the method of manufacturing a semiconductor device according to another aspect of the present invention, the semiconductor film is heat-treated in a state where silicon is supplied to the surface of the semiconductor film made of SiC, thereby reconfiguring the semiconductor film into an energetically stable surface state. Can be made. As a result, a macro step having a period of 100 nm or more is obtained at the position where the groove is formed on the surface of the semiconductor film, and the length of the flat portion of the macro step can be made longer than before.
加えて、窒素およびホウ素のうち少なくともいずれか一方を注入する際に、窒素またはホウ素がケイ素を介して半導体膜に侵入し、SiC結晶を構成する炭素原子と置き換わり、不純物領域を形成する。ここで、マクロステップのライザはテラスに比べて不安定な面であるので、ライザにはテラスに比べてより多くの窒素またはホウ素が侵入する。その結果、ライザにはテラスよりも高濃度の不純物領域が形成される。その結果、所望の位置をライザとすることにより、所望の位置に不純物領域を精度よく形成することができる。 In addition, when at least one of nitrogen and boron is implanted, nitrogen or boron penetrates into the semiconductor film through silicon, and is replaced with carbon atoms constituting the SiC crystal, thereby forming an impurity region. Here, since the riser of the macrostep is an unstable surface compared to the terrace, more nitrogen or boron enters the riser than the terrace. As a result, an impurity region having a higher concentration than the terrace is formed in the riser. As a result, the impurity region can be accurately formed at the desired position by using the desired position as the riser.
上記製造方法において好ましくは、溝を形成する工程において、半導体膜表面に3つ以上の溝を互いに等しい周期で形成する。これにより、複数の同じ周期のマクロステップを得ることができる。 Preferably, in the manufacturing method, in the step of forming the grooves, three or more grooves are formed on the surface of the semiconductor film at equal intervals. Thereby, a plurality of macro steps having the same cycle can be obtained.
なお、本発明において、マクロステップのテラスとは{0001}面を意味しており、マクロステップのライザとは{0001}面以外の面を意味している。 In the present invention, the macro step terrace means the {0001} plane, and the macro step riser means a plane other than the {0001} plane.
本発明の半導体装置およびその製造方法によれば、所望の位置に不純物領域を容易に形成することができる。 According to the semiconductor device and the manufacturing method thereof of the present invention, an impurity region can be easily formed at a desired position.
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1におけるショットキーバリアダイオード(SBD)の構成を示す断面図である。図1を参照して、本実施の形態における半導体装置としてのSBD110は、n型SiC基板9と、半導体膜としてのn型SiC層10と、n型エピタキシャル層12と、不純物領域としてのn型不純物領域11a〜11cと、他の不純物領域としてのp型不純物領域21a〜21cと、ショットキー電極41と、オーミック電極42とを備えている。n型SiC基板9上にはn型SiC層10が形成されており、n型SiC層10上にはn型エピタキシャル層12が形成されている。n型SiC層10とn型エピタキシャル層12との境界面、言い換えればn型SiC層10の表面10aには、n型不純物領域11a〜11cおよびp型不純物領域21a〜21cが形成されている。n型SiC層10の表面10a側であるn型エピタキシャル層12上にはショットキー電極41が形成されており、n型SiC層10の裏面10b側であるn型SiC基板9の裏面46にはオーミック電極42が形成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a Schottky barrier diode (SBD) according to
n型SiC基板9を構成するSiC結晶は、たとえば(0001)面または(000−1)が[1−100]方向に−30°〜+30°の範囲で傾斜するように(つまり、−30°〜+30°の範囲のオフ角を有するように)形成されている。または、n型SiC基板9の面方位は、(0001)面または(000−1)面に対して0.5°以上56°以下傾斜している。
The SiC crystal constituting the n-
n型SiC層10は、n型SiC基板9上にホモエピタキシャル成長した層であり、n型SiC基板9の結晶構造を引き継いでいる。n型SiC層10はその表面10aに複数のマクロステップ1を有している。図2は、図1のn型SiC層における2つのマクロステップを拡大して示す斜視図である。図2を参照して、ミクロな視点で見ると、n型SiC層10の表面10aは平らではなく凹凸があり、複数のマクロステップ1が一定の周期で形成されている。マクロステップ1の各々は結晶面(ライザ)2と、結晶面2よりも広い結晶面である結晶面3(テラス)とにより構成されている。結晶面3はたとえば{0001}面であり、図2中横方向に対する結晶面3の傾斜角度がSiC層10のオフ角αとなっている。結晶面2は{0001}面以外の任意の面で構成されている。マクロステップ1の各々の長さ(一周期の長さ)Lはたとえば100nm以上であり、結晶面3の長さはたとえば2μmである。
The n-
ここで、マクロステップの一周期の長さとは、マクロな視点で見た場合のn型SiC層10の表面に沿った方向(図2中横方向)におけるマクロステップ1の長さである。同様に、結晶面の長さとは、マクロな視点で見た場合のn型SiC層10の表面に沿った方向における結晶面の長さである。
Here, the length of one cycle of the macro step is the length of the
結晶面2の表面にはn型不純物領域11a〜11cの各々が形成されており、結晶面3の表面にはp型不純物領域21a〜21cの各々が形成されている。n型不純物領域11a〜11cの各々とp型不純物領域21a〜21cの各々とは隣接しており、マクロステップ1の表面に沿って交互に形成されている。n型不純物領域11a〜11cの各々は、不純物として窒素原子を含んでいる。n型不純物領域11a〜11cの各々に含まれるn型不純物原子(窒素原子)の濃度と、p型不純物領域21a〜21cの各々に含まれるp型不純物原子の濃度との関係は、一方が他方の10分の1以上かつ10倍以下であることが好ましい。また、n型不純物領域11a〜11cの各々の幅(図2中横方向の長さ)と、p型不純物領域21a〜21cの各々の幅(図2中横方向の長さ)との関係は、一方が他方の10分の1以上かつ10倍以下であることが好ましい。
Each of n-
図1を参照して、n型エピタキシャル層12は、たとえばSiCよりなっており、n型SiC層10の表面10aを覆うように形成されている。ここで、SiC層10とn型エピタキシャル層12とは互いに異なる工程で形成されるため、SiC結晶は、n型SiC層10とn型エピタキシャル層12との境界面(n型SiC層10の表面10a)において不連続となっている。このSiC結晶の不連続性に基づいて、n型SiC層10の表面10aを特定することができる。
Referring to FIG. 1, n
ショットキー電極41は、n型エピタキシャル層12とショットキー接触する材料よりなっており、たとえばクロム(Cr)、鉄(Fe)、銅(Cu)、モリブデン(Mo)、またはタングステン(W)などよりなっている。オーミック電極42はSiC基板9とオーミック接触する材料よりなっており、たとえばニッケル(Ni)よりなっている。
The
図3は、本発明の実施の形態1におけるSBDの動作を説明するための図である。図3を参照して、SBD110においては、ショットキー電極41からオーミック電極42へ流れる電流がショットキー電極41とオーミック電極42との電位差によって制御される。具体的には、ショットキー電極41の電位がオーミック電極42の電位よりも高いと(順方向電圧が印加されると)、ショットキー電極41とオーミック電極42との間に電流I110が流れる。このとき、電流I110はn型エピタキシャル層12、n型不純物領域11a〜11c、n型SiC層10、およびn型SiC基板9を通って流れる。
FIG. 3 is a diagram for explaining the operation of the SBD in the first embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, in
一方、ショットキー電極41の電位がオーミック電極42の電位よりも低いと(逆方向電圧が印加されると)、ショットキー電極41とn型エピタキシャル層12との境界部からn型エピタキシャル層12の内部に空乏層D41が延びる。同時に、p型不純物領域21a〜21cの各々からn型不純物領域11a〜11cの各々の内部に空乏層Da〜Dcが延び、空乏層Da〜Dcが一体化する。その結果、空乏層D41およびDa〜Dcによって電流I110の経路が遮断され、ショットキー電極41とオーミック電極42との間には電流は流れない。つまり、空乏層D41とともに空乏層Da〜Dcが逆方向電流を遮断する機能を果たすので、耐圧が向上される。
On the other hand, when the potential of the
なお、図1に示すSBD110の構造は一例であり、SiCよりなる半導体膜の表面側に形成されたショットキー電極と、半導体膜の表面とは反対側に形成されたオーミック電極との電位差によって、ショットキー電極からオーミック電極へ流れる電流が制御される構造であれば、SBDは他の構造であってもよい。
The structure of the
続いて、本実施の形態におけるSBDの製造方法について、図4〜図11を用いて説明する。始めに図4を参照して、SiCよりなるn型SiC基板9を準備する。そして、n型SiC基板9上にn型SiC層10をエピタキシャル成長させる。n型SiC層10の成長は、たとえばCVD(Chemical Vapor Deposition)法によって行なわれ、原料ガスとしてSiH4とC3H8とを用い、不純物ガスとして窒素ガスを用いて行なわれる。このとき、n型SiC層10の表面10aには不規則な凹凸(ステップ)が数多く存在している。
Subsequently, a method of manufacturing the SBD in the present embodiment will be described with reference to FIGS. First, referring to FIG. 4, n-
続いて、所定形状を有するレジストR1をn型SiC層10上に形成し、レジストR1をマスクとしてn型SiC層10をエッチングする。これにより、n型SiC層10の表面10aに同じ深さを有するトレンチ30(溝)の各々が互いに等しい周期で形成され、トレンチ30同士の間にメサ部分31が形成される。トレンチ30は3つ以上形成されることが好ましい。その後、レジストR1を除去する。
Subsequently, a resist R1 having a predetermined shape is formed on the n-
次に図5を参照して、n型SiC層10を覆うようにケイ素よりなる被覆膜32を形成する。被覆膜32はトレンチ30を埋めるように、たとえば0.1μmの厚さで形成される。次に、窒素雰囲気において、たとえば約1500℃の温度でn型SiC層10を熱処理する。これによって、ケイ素と窒素とをn型SiC層10の表面10aに供給した状態でn型SiC層10が熱処理される。その結果、n型SiC層10の表面10a(被覆膜32とn型SiC層10との境界面)が再構成され、図10に示すように、n型SiC層10の表面10aには複数の同じ長さのマクロステップ1が形成される。同時に、マクロステップ1の各々の結晶面2にn型不純物領域11a〜11cが形成される。
Next, referring to FIG. 5, a
なお、本実施の形態ではケイ素よりなる被覆膜32を形成する場合について示したが、被覆膜32を形成する代わりに、Si(ケイ素)系のガスをSiC層10の表面に導入することで、SiC層10の表面にケイ素を供給してもよい。また、ケイ素を含む液体をSiC層10の表面に塗布することで、SiC層10の表面にケイ素を供給してもよい。また、本実施の形態では窒素雰囲気でn型SiC層10を熱処理する場合について示したが、少なくともn型SiC層10の表面10aに窒素を供給した状態でn型SiC層10を熱処理すればよい。
In the present embodiment, the case where the
ここで、熱処理によってSiC層10の表面にマクロステップ1およびn型不純物領域11a〜11cが形成される様子を、図6〜図9を用いて説明する。なお、図6〜図9は図5のA部を拡大して示した図である。図6を参照して、熱処理前のn型SiC層10の表面には、多数のバンチングステップ1aが存在している。バンチングステップ1aの各々は、結晶面2aと結晶面3aとにより構成されている。結晶面3aは結晶面2aよりも長い平坦部分を有しており、たとえば{0001}面である。結晶面3aはバンチングステップ1aのテラスとなっている。結晶面2aは{0001}面以外の面方位を有している。バンチングステップ1aにおける結晶面3aの図中横方向の長さP1は10nm程度である。
Here, how
n型SiC層10の表面にケイ素を供給した状態でn型SiC層10を熱処理すると、n型SiC層10は、結晶面3aに垂直な方向へは成長せず、図6中実線矢印で示すように、結晶面2aを起点として結晶面3aに沿う方向へ成長する。同時に、図6中点線矢印で示すように、メサ部分31の上面のケイ素原子および炭素原子がトレンチ30の底面に拡散する。その結果、バンチングステップ1aの各々が集束し、図7に示すように、バンチングステップ1aの結晶面3aよりも広い結晶面3bを有するマクロステップ1bとなり、またトレンチ30の底面とメサ部分31の上面との高低差(トレンチ20の深さ)が小さくなる。
When the n-
マクロステップ1bは、結晶面2bを起点として結晶面3bに沿う方向へさらに成長する。また、メサ部分31の上面のケイ素原子および炭素原子がトレンチ30の底面に拡散する。その結果、マクロステップ1bの各々が集束し、図8に示すように、マクロステップ1bの結晶面3bよりも広い結晶面3cを有するマクロステップ1cとなり、またトレンチ30が消滅する。
The
マクロステップ1cは、結晶面2cを起点として結晶面3cに沿う方向へさらに成長する。その結果、マクロステップ1cの各々が集束し、図9に示すように、マクロステップ1cの結晶面3cよりも広い結晶面3を有するマクロステップ1が最終的に得られる。トレンチ30の各々は等間隔で形成されるので、得られるマクロステップ1の各々は同じ長さ(一周期の長さ)を有している。
The macro step 1c further grows in the direction along the
一方、図6〜図9において一点鎖線で示したように、熱処理によって窒素雰囲気中の窒素は被覆膜32を介してn型SiC層10に取りこまれ、n型SiC層10の結晶面2にn型不純物領域11a〜11cを形成する。すなわち、被覆膜32を構成するケイ素結晶は窒素を取り込みやすい性質を有しているので、窒素雰囲気中の窒素は始めに被覆膜32中に取り込まれる。これによって、n型SiC層10の表面10aに窒素が供給された状態になる。そして、窒素の原子サイズは炭素の原子サイズに近いので、窒素はSiC結晶における炭素のサイトを置き換える。加えてSiC結晶において結晶面2a、2b、2c(すなわち結晶面2)は結晶面3a、3b、3c(すなわち結晶面3)に比べて不安定な面である。このため、被覆膜32中の窒素は結晶面2a、2b、2cからさらにn型SiC層10に取り込まれる。その結果、n型SiC層10の結晶面2に窒素が偏在し、n型不純物領域11a〜11cが形成される。
On the other hand, as indicated by the alternate long and short dash line in FIGS. 6 to 9, nitrogen in the nitrogen atmosphere is taken into the n-
なお、上記においては1500℃でn型SiC層10を熱処理する場合について示したが、n型SiC層10の熱処理温度は以下の範囲であることが好ましい。SiCが昇華して完全に分解することを抑止するためには、2545℃以下であることが好ましい。またSiC2、Si、またはSi2Cなどの状態でSiCが昇華することをある程度抑止するためには、2000℃以下であることが好ましい。またSiC2、Si、またはSi2Cなどの状態でSiCが昇華することを十分抑止し、n型SiC層10の表面モフォロジの制御を容易にするためには、1800℃以下であることが好ましい。さらにn型SiC層10の表面モフォロジを良好にするためには、1600℃以下であることが好ましい。一方、SiCを成長させマクロステップの形成を促進するためには、1300℃以上であることが好ましい。またn型SiC層10の表面モフォロジを良好にするためには、1400℃以上であることが好ましい。
In the above description, the case where the n-
また、n型SiC層10の熱処理時間は0より長い時間であればよく、以下の範囲であることが好ましい。比較的大きいマクロステップを形成するためには、10分以上であることが好ましい。また一周期の長さが0.5μm以上のマクロステップを形成するためには、30分以上であることが好ましい。一方、半導体装置の生産性を考慮すると、4時間以下であることが好ましい。また一周期の長さが1.0μm以上のマクロステップを効率よく形成するためには、2時間以下であることが好ましい。なお、「熱処理時間」とはSiCよりなる半導体膜を所定の温度に保持する時間を意味しており、「熱処理時間」に昇温時間および降温時間は含まれない。
Further, the heat treatment time of n-
さらに、上記においては、SiCよりなる半導体膜表面にケイ素と窒素とを供給した状態で半導体膜を熱処理し、n型不純物領域を形成する場合について示した。しかし、本発明においては、半導体膜表面にケイ素とホウ素とを供給した状態で半導体膜を熱処理し、p型不純物領域を形成してもよい。ホウ素の原子サイズは炭素の原子サイズに近いので、半導体膜表面にホウ素を供給した状態で半導体膜を熱処理すると、ホウ素はSiC結晶における炭素のサイトを置き換える。加えて半導体膜のマクロステップにおけるライザはテラスに比べて不安定な面である。このため、ホウ素は、窒素と同様に半導体膜に取り込まれ、マクロステップのライザに偏在する。その結果、ライザにp型不純物領域が形成される。 Furthermore, in the above description, the case where the n-type impurity region is formed by heat-treating the semiconductor film with silicon and nitrogen supplied to the surface of the semiconductor film made of SiC has been shown. However, in the present invention, the p-type impurity region may be formed by heat-treating the semiconductor film with silicon and boron supplied to the surface of the semiconductor film. Since the atomic size of boron is close to the atomic size of carbon, when the semiconductor film is heat-treated with boron supplied to the surface of the semiconductor film, the boron replaces the carbon site in the SiC crystal. In addition, the riser in the macro step of the semiconductor film is an unstable surface compared to the terrace. For this reason, boron is taken into the semiconductor film like nitrogen, and is unevenly distributed in the macro step riser. As a result, a p-type impurity region is formed in the riser.
次に図11(a)を参照して、n型SiC層10の表面10a全面にたとえばAl(アルミニウム)などの不純物イオンを注入する。これにより、結晶面3にp型不純物領域21a〜21cが形成される。このとき、n型不純物領域11a〜11cの窒素原子の濃度よりもp型不純物領域21a〜21cのp型不純物の濃度を低く調節すれば、不純物イオンを注後もn型不純物領域11a〜11cはn型の領域として維持される。その後、n型SiC層10をアニールしてp型不純物領域21a〜21cを活性化する。
Next, referring to FIG. 11A, impurity ions such as Al (aluminum) are implanted into the
また、図11(a)に示す工程の代わりに、図11(b)に示す工程を行なってもよい。図11(b)を参照して、n型不純物領域11a〜11cの各々を覆うようにレジストR2を形成し、レジストR2をマスクとしてたとえばAlなどの不純物イオンを注入する。その後、レジストR2を除去し、n型SiC層10をアニールしてp型不純物領域21a〜21cを活性化する。この方法によれば、結晶面3にのみp型の不純物イオンを注入することができる。
Moreover, you may perform the process shown to FIG.11 (b) instead of the process shown to Fig.11 (a). Referring to FIG. 11B, a resist R2 is formed so as to cover each of n-
次に図1を参照して、n型SiC層10の表面10a上にn型エピタキシャル層12を形成する。その後、たとえば蒸着法などを用いて、n型エピタキシャル層12上にショットキー電極41を形成し、n型SiC基板9の裏面46にオーミック電極42を形成する。以上の工程により、本実施の形態におけるSBD110が完成する。
Next, referring to FIG. 1, n-
本実施の形態におけるSBD110およびその製造方法によれば、n型SiC層10の表面10aにケイ素を供給した状態でn型SiC層10を熱処理することにより、n型SiC層10をエネルギ的に安定な表面状態に再構成させることができる。その結果、n型SiC層10の表面10aにおけるトレンチ30を形成した位置に、一周期が100nm以上のマクロステップ1が得られ、マクロステップ1の平坦部分の長さを従来に比べて長くすることができる。
According to
加えて、熱処理の際に窒素がケイ素を介してn型SiC層10に侵入し、SiC結晶を構成する炭素と置き換わり、不純物領域を形成する。ここで、マクロステップ1のライザである結晶面2はテラスである結晶面3に比べて不安定な面であるので、結晶面3には結晶面2に比べてより多くの窒素が侵入する。その結果、結晶面2には結晶面3よりも高濃度のn型不純物領域11a〜11cが形成される。その結果、所望の位置をライザとすることにより、所望の位置にn型不純物領域を精度よく形成することができる。
In addition, during the heat treatment, nitrogen enters the n-
また、複数のマクロステップ1を互いに等しい周期で形成し、かつn型不純物領域11a〜11cの各々を複数のマクロステップ1の各々の結晶面2に形成することにより、周期的なn型不純物領域を精度よく形成することができる。
In addition, by forming the plurality of
また、複数のマクロステップ1の各々の結晶面3に形成され、かつn型不純物領域11a〜11cの各々と隣接するp型不純物領域21a〜21cをSBD110がさらに備えることにより、n型不純物領域11a〜11cの各々とp型不純物領域21a〜21cの各々とでpn接合を形成することができる。
Further, the
また、n型SiC層10の表面10a側に形成されたショットキー電極41と、n型SiC層10の裏面10b側に形成されたオーミック電極42とをSBD110が備え、ショットキー電極41からオーミック電極42へ流れる電流I110がショットキー電極41とオーミック電極42との電位差によって制御される。これにより、n型不純物領域11a〜11cの各々とp型不純物領域21a〜21cの各々とで構成されるpn接合によってSBD110の耐圧を向上することができる。
Further, the
また、本実施の形態の製造方法において、n型SiC層10を熱処理する工程は、ケイ素よりなる被覆膜32をn型SiC層10の表面10aに形成する工程と、被覆膜32を形成する工程の後で、窒素を含む雰囲気でn型SiC層を熱処理する工程とを含んでいる。これにより、n型SiC層10の表面10aにケイ素を供給した状態を、被覆膜32によって実現することができる。n型SiC層10における被覆膜32が形成された箇所では、テラス面に対して垂直な方向の成長が抑制されるので、テラス面に沿った半導体膜の再構成を促進することができる。
In the manufacturing method of the present embodiment, the step of heat-treating n-
さらに、本実施の形態の製造方法においては、n型SiC層10の表面10aに3つ以上のトレンチ30を互いに等しい周期で形成する。これにより、複数の同じ周期のマクロステップ1を得ることができる。
Furthermore, in the manufacturing method of the present embodiment, three or
(実施の形態2)
図12は、本発明の実施の形態2における縦型MOSFETの構成を示す断面図である。図12を参照して、本実施の形態における半導体装置としての縦型MOSFET120は、実施の形態1におけるSBDと以下の点において異なっている。n型エピタキシャル層12の表面には、p型不純物領域24a、24bと、n型不純物領域16a、16bと、p-不純物領域23a、23bとが形成されている。n型エピタキシャル層12の両端部にはp-不純物領域23a、23bの各々が形成されており、p-不純物領域23a、23bの各々の内部にはp型不純物領域24a、24bと、n型不純物領域16a、16bとが形成されている。p型不純物領域24a、24bの各々は、n型不純物領域16a、16bの各々よりも図中外側に形成されている。n型エピタキシャル層12上にはソース電極S1およびS2と、ゲート絶縁層44とが形成されている。ソース電極S1は、図中左側に形成されており、p型不純物領域24aおよびn型不純物領域16aと接触している。ソース電極S2は、図中右側に形成されており、p型不純物領域24bおよびn型不純物領域16bと接触している。ゲート絶縁層44は、ソース電極S1とソース電極S2との間に形成されており、ゲート絶縁層44上にはゲート電極Gが形成されている。ゲート電極Gは、ゲート絶縁層44を挟んでp-不純物領域23a、23bおよびn型エピタキシャル層12と対向している。n型SiC基板9の裏面46にはドレイン電極Dが形成されている。
(Embodiment 2)
FIG. 12 is a cross-sectional view showing the configuration of the vertical MOSFET in the second embodiment of the present invention. Referring to FIG. 12,
なお、これ以外の縦型MOSFETの構成は、実施の形態1におけるSBDの構成と同様であるので、同一の部材には同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。 Since the configuration of the vertical MOSFET other than this is the same as the configuration of the SBD in the first embodiment, the same members are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.
図13は、本発明の実施の形態2における縦型MOSFETの動作を説明するための図である。図13を参照して、縦型MOSFET120においては、ドレイン電極Dからソース電極S1およびS2へ流れる電流がゲート電極Gに印加される電圧によって制御される。具体的には、ゲート電極Gに閾値電圧以上の電圧が印加されると、p-不純物領域23a、23bの表面に少数キャリアによるチャネルが形成され、このチャネルを通じてドレイン電極Dからソース電極S1およびS2へ電流I120が流れる。電流I120はn型SiC基板9、n型SiC層10、n型不純物領域11a〜11c、n型エピタキシャル層12、p-不純物領域23a、23b、およびn型不純物領域16a、16bを通って流れる。一方、ゲート電極Gに印加される電圧が閾値電圧を下回ると、p-不純物領域23a、23bにチャネルは形成されなくなり、電流I120は遮断される。同時に、p型不純物領域21a〜21cの各々からn型不純物領域11a〜11cの各々の内部に空乏層Da〜Dcが延び、空乏層Da〜Dcが一体化する。その結果、空乏層Da〜Dcとによって電流I120の経路が遮断される。つまり、空乏層Da〜Dcが逆方向電流を遮断する機能を果たすので、耐圧が向上される。
FIG. 13 is a diagram for explaining the operation of the vertical MOSFET according to the second embodiment of the present invention. Referring to FIG. 13, in
なお、図12に示す縦型MOSFETの構造は一例であり、SiCよりなる半導体膜の裏面側に形成されたドレイン電極から半導体膜の表面側に形成されたソース電極へ流れる電流が、半導体膜の表面側に形成されたゲート電極に印加される電圧によって制御される構造であれば、縦型MOSFETは他の構造であってもよい。 Note that the structure of the vertical MOSFET shown in FIG. 12 is an example, and the current flowing from the drain electrode formed on the back surface side of the semiconductor film made of SiC to the source electrode formed on the front surface side of the semiconductor film is As long as the structure is controlled by the voltage applied to the gate electrode formed on the surface side, the vertical MOSFET may have another structure.
続いて、本実施の形態における縦型MOSFETの製造方法について説明する。始めに、図4〜図11に示す実施の形態1の製造工程と同様の製造工程を経る。続いて、n型SiC層10の表面10a上にn型エピタキシャル層12を形成する。次に、イオン注入法などを用いてp-不純物領域23a、23b、p型不純物領域24a、24b、およびn型不純物領域16a、16bを形成する。その後、ソース電極S1、S2、ゲート絶縁層44、ゲート電極G、およびドレイン電極Dを形成し、本実施の形態における縦型MOSFET120が完成する。
Next, a method for manufacturing the vertical MOSFET in the present embodiment will be described. First, the same manufacturing process as that of the first embodiment shown in FIGS. 4 to 11 is performed. Subsequently, n
本実施の形態における縦型MOSFET120およびその製造方法によれば、実施の形態1と同様の効果を得ることができる。加えて、n型SiC層10の表面10a側に形成されたソース電極S1、S2およびゲート電極Gと、n型SiC層10の裏面側に形成されたドレイン電極とをMOSFET120が備え、ドレイン電極Dからソース電極S1、S2へ流れる電流I120がゲート電極Gに印加される電圧によって制御される。これにより、n型不純物領域11a〜11cの各々とp型不純物領域21a〜21cの各々とで構成されるpn接合によって縦型MOSFET120の耐圧を向上することができる。
According to the
(実施の形態3)
図14〜図16は、本発明の実施の形態3における横型MOSFETの構成を示す図である。図14は上面斜視図であり、図15は図14のXV−XV線に沿った断面図であり、図16は図14のXVI−XVI線に沿った断面図である。図14〜図16を参照して、本実施の形態における半導体装置としての横型MOSFET130は、p型SiC基板9と、半導体膜としてのp型SiC層10と、ドレイン領域としてのn+不純物領域13と、不純物領域としてのn型不純物領域14と、n型不純物領域15と、ゲート絶縁層44と、ゲート電極Gと、ソース電極Sと、ドレイン電極Dとを備えている。
(Embodiment 3)
14-16 is a figure which shows the structure of horizontal type | mold MOSFET in
p型SiC基板9上にはp型SiC層10が形成されており、p型SiC層10の表面10a上にはソース電極S、ゲート絶縁層44、およびドレイン電極Dが形成されている。特に図14を参照して、ソース電極S、ゲート絶縁層44、およびドレイン電極Dの各々は、図14中手前側から奥側に向かってこの順序で横方向に延在している。ゲート絶縁層44上にはゲート電極Gが形成されている。ゲート電極Gは、ゲート絶縁層44の一部を覆うように図14中横方向に延在している。
A p-
p型SiC層10は、実施の形態1におけるn型SiC層と逆の導電型を有している以外は、n型SiC層10と同様の構成を有している。p型SiC層10の表面10aには複数のマクロステップ1が一定の周期で形成されており、マクロステップ1の各々は結晶面2と結晶面3とにより構成されている。n型不純物領域14は、ゲート電極Gとソース電極Sとの間における結晶面2に周期的に形成されている。
P-
p型SiC層10の表面10aにはn+不純物領域13、n型不純物領域14、およびn型不純物領域15が形成されている。n+不純物領域13はソース電極Sの真下において図14中横方向に延在しており、ソース電極Sと接触している。n型不純物領域15はドレイン電極Dの真下において図14中横方向に延在しており、ドレイン電極Dと接触している。n型不純物領域14はn+不純物領域13に隣接しており、かつn+不純物領域13の不純物濃度よりも低い不純物濃度を有している。
N + impurity region 13, n
なお、これ以外の横型MOSFETの構成は、実施の形態1におけるSBDの構成と同様であるので、同一の部材には同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。 Since the configuration of the other lateral MOSFET is the same as that of the SBD in the first embodiment, the same reference numerals are given to the same members, and description thereof will not be repeated.
図15を参照して、MOSFET130においては、ゲート電極Gに閾値電圧以上の電圧が印加されると、p型SiC層10の表面10aに少数キャリアによるチャネル(反転層)が形成され、このチャネルを通じてドレイン電極Dからソース電極Sへ電流I130が流れる。チャネルの厚みはゲート電極Gに印加される電圧に比例して増加するため、ゲート電極Gに印加される電圧の増加に従ってドレイン電極Dからソース電極Sへ流れる電流は増加する。一方、ゲート電極Gに印加される電圧が閾値電圧を下回ると、p型SiC層10にチャネルは形成されなくなり、電流I130は遮断される。これによって、電流I130がゲート電極Gに印加される電圧によって制御される。
Referring to FIG. 15, in
ここで、ドレイン電極Dからソース電極Sへ電流が流れる際に、p型SiC層10中には、大きなエネルギを得た電子や正孔(ホットエレクトロン)が発生しやすく、このホットエレクトロンは、ゲート絶縁層44に入り込み、閾値電圧などを変化させるなど特性の不安定要因となる。そこで、低濃度の不純物領域であるn型不純物領域14を結晶面2に形成することにより、このn型不純物領域14が横型MOSFET130のLDD領域としての役割を果たす。
Here, when a current flows from the drain electrode D to the source electrode S, electrons and holes (hot electrons) with large energy are easily generated in the p-
なお、図13に示す横型MOSFET130の構造は一例であり、他の構造であってもよい。
Note that the structure of the
続いて、本実施の形態におけるMOSFETの製造方法について説明する。始めに、図4および図5に示す実施の形態1とほぼ同様の製造方法を用いて、p型SiC基板9上にp型SiC層10を形成し、p型SiC層10の表面10aにトレンチ30およびメサ部分31を形成する。p型SiC層10の成長の際の不純物ガスとしては、窒素ガスの代わりにホウ素ガスなどを用いる。そして、p型SiC層10を覆うように被覆膜32を形成する。次に、たとえば約1500℃の温度でp型SiC層10を熱処理する。これによって、ケイ素をp型SiC層10の表面10aに供給した状態でn型SiC層10が熱処理される。その結果、図10に示すように、p型SiC層10の表面10aには複数の同じ長さのマクロステップ1が形成される。なお、本実施の形態においては窒素雰囲気で熱処理していないので、n型不純物領域11a〜11cは形成されない。
Next, a method for manufacturing the MOSFET in the present embodiment will be described. First, p-
次に図17および図18を参照して、p型SiC層10上にレジストR3を形成する。レジストR3は、図17に示すように、結晶面2に沿った断面(図14におけるXV−XV線に沿った断面)で見た場合にn型不純物領域14を形成する領域以外の領域を覆っている。また、図18に示すように、結晶面3に沿った断面(図14におけるXVI−XVI線に沿った断面)で見た場合にn型不純物領域14に対応する領域(図14においてn型不純物領域14から横方向に延在する領域)以外の領域を覆っている。そして、レジストR3をマスクとしてp型SiC層10に窒素イオンを注入する。その結果、実施の形態1において説明した原理と同様の原理により、p型SiC層10の結晶面2に窒素が偏在し、n型不純物領域14が形成される。その後、レジストR3を除去する。
Next, referring to FIGS. 17 and 18, a resist R <b> 3 is formed on p-
次に図15を参照して、所定の位置にn型の不純物イオンを注入する。これにより、n+不純物領域13およびn型不純物領域15が形成される。その後、ソース電極S、ドレイン電極D、ゲート絶縁層44、およびゲート電極Gを形成し、本実施の形態における横型MOSFET130が完成する。
Next, referring to FIG. 15, n-type impurity ions are implanted at a predetermined position. Thereby, n + impurity region 13 and n-
本実施の形態における横型MOSFET130およびその製造方法によれば、実施の形態1と同様の効果を得ることができる。加えて、p型SiC層10の表面10aにケイ素を供給した状態でp型SiC層10を熱処理することにより、p型SiC層10をエネルギ的に安定な表面状態に再構成させることができる。その結果、p型SiC層10の表面10aにおけるトレンチ30を形成した位置に、一周期が100nm以上のマクロステップ1が得られ、マクロステップ1の平坦部分の長さを従来に比べて長くすることができる。
According to the
加えて、窒素を注入する際に、窒素がケイ素を介してp型SiC層10に侵入し、SiC結晶を構成する炭素原子と置き換わり、n型不純物領域14を形成する。ここで、マクロステップ1のライザである結晶面2はテラスである結晶面3に比べて不安定な面であるので、結晶面2には結晶面3に比べてより多くの窒素またはホウ素が侵入する。その結果、結晶面2には結晶面3よりも高濃度のn型不純物領域14が形成される。その結果、所望の位置をライザとすることにより、所望の位置に不純物領域を精度よく形成することができる。
In addition, when nitrogen is implanted, nitrogen enters the p-
また、横型MOSFET130は、p型SiC層10の表面10a上に形成されたソース電極S、ゲート電極G、およびドレイン電極Dを備えている。ドレイン電極Dからソース電極Sへ流れる電流I130がゲート電極Gに印加される電圧によって制御される。横型MOSFET130は、p型SiC層10の表面10aに形成され、かつドレイン電極Dに接触するn+不純物領域13をさらに備えている。n型不純物領域14はドレイン電極Dに隣接して形成されており、かつn+不純物領域13の不純物濃度よりも低い不純物濃度を有している。これにより、n型不純物領域14が横型MOSFET130のLDD領域としての役割を果たし、ホットキャリアの発生を抑えることができる。
The
(実施の形態4)
図19〜図21は、本発明の実施の形態4における横型MOSFETの構成を示す図である。図19は上面斜視図であり、図20は図19のXX−XX線に沿った断面図であり、図21は図19のXXI−XXI線に沿った断面図である。図19〜図21を参照して、本実施の形態における横型MOSFET140は、p型SiC基板9と、半導体膜としてのp型SiC層10と、n型不純物領域17と、n型不純物領域18と、不純物領域としてのp型不純物領域25と、ゲート絶縁層44と、ゲート電極Gと、ソース電極Sと、ドレイン電極Dとを備えている。
(Embodiment 4)
FIGS. 19-21 is a figure which shows the structure of the horizontal MOSFET in Embodiment 4 of this invention. 19 is a top perspective view, FIG. 20 is a cross-sectional view taken along line XX-XX in FIG. 19, and FIG. 21 is a cross-sectional view taken along line XXI-XXI in FIG. Referring to FIGS. 19 to 21,
p型SiC基板9上にはp型SiC層10が形成されており、p型SiC層10の表面10a上にはソース電極S、ゲート絶縁層44、およびドレイン電極Dが形成されている。特に図19を参照して、ソース電極S、ゲート絶縁層44、およびドレイン電極Dの各々は、図19中手前側から奥側に向かってこの順序で横方向に延在している。ゲート絶縁層44上にはゲート電極Gが形成されおり、図19中横方向に延在している。
A p-
p型SiC層10の表面10aには複数のマクロステップ1が一定の周期で形成されており、マクロステップ1の各々は結晶面2と結晶面3とにより構成されている。p型不純物領域25は、図20に示すように、結晶面2の各々におけるソース電極Sの真下からゲート電極Gの真下までの領域に形成されている。またp型不純物領域25は、図21に示すように、結晶面3におけるソース電極Sの真下の領域の一部にも形成されており、これによって、各結晶面2のp型不純物領域25は電気的に接続されており、一体化している。n型不純物領域17は結晶面3におけるp型SiC層10の表面10aに形成されており、ソース電極Sに接触している。n型不純物領域18はドレイン領域の真下におけるp型SiC層10の表面10aに形成されており、ドレイン電極Dに接触している。型不純物領域18は、ドレイン電極Dとともに図14中横方向に延在している。
A plurality of
なお、これ以外の横型MOSFETの構成は、実施の形態1におけるSBDの構成と同様であるので、同一の部材には同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。 Since the configuration of the other lateral MOSFET is the same as that of the SBD in the first embodiment, the same reference numerals are given to the same members, and description thereof will not be repeated.
本実施の形態における横型MOSFET140は、実施の形態3における横型MOSFETと同様に動作し、ドレイン電極Dからソース電極Sへ流れる電流I140がゲート電極Gに印加される電圧によって制御される。ここで、横型MOSFET140においては、ドレイン電極Dとp型SiC層10とがp型不純物領域25を通じて電気的に接続されている。このため、ゲート電極Gに閾値電圧以上の電圧が印加されると、ドレイン電極Dからp型SiC層10の表面10aに少数キャリアが供給される。これにより、チャネルが形成されやすくなり、閾値電圧を低下することができる。
The
なお、図10〜図21に示す横型MOSFET140の構造は一例であり、他の構造であってもよい。
The structure of the
続いて、本実施の形態におけるMOSFETの製造方法について説明する。始めに、図4および図5に示す実施の形態1とほぼ同様の製造方法を用いて、p型SiC基板9上にp型SiC層10を形成し、p型SiC層10の表面10aにトレンチ30およびメサ部分31を形成する。そして、p型SiC層10を覆うように被覆膜32を形成する。次に、たとえば約1500℃の温度でp型SiC層10を熱処理する。これによって、ケイ素をp型SiC層10の表面10aに供給した状態でn型SiC層10が熱処理される。その結果、p型SiC層10の表面10aには複数の同じ長さのマクロステップ1が形成される。一方、本実施の形態においては窒素雰囲気で熱処理していないので、n型不純物領域は形成されない。
Next, a method for manufacturing the MOSFET in the present embodiment will be described. First, p-
次に図22および図23を参照して、p型SiC層10上にレジストR4を形成する。レジストR4は、図22に示すように、結晶面2に沿った断面(図19におけるXX−XX線に沿った断面)で見た場合にp型不純物領域25を形成する領域以外の領域を覆っている。また、図23に示すように、結晶面3に沿った断面(図19におけるXXI−XXI線に沿った断面)で見た場合にp型不純物領域25に対応する領域以外の領域を覆っている。そして、レジストR3をマスクとしてp型SiC層10にホウ素イオンを注入する。その結果、実施の形態1において説明した原理と同様の原理により、p型SiC層10の結晶面2にホウ素が偏在し、p型不純物領域25aが形成される。その後、レジストR4を除去する。
Next, referring to FIGS. 22 and 23, a resist R4 is formed on p-
次に図20を参照して、結晶面3の所定の位置にホウ素イオンを注入する。これにより、結晶面2の各々に形成されたp型不純物領域同士が一体化し、p型不純物領域25が形成される。その後、n型不純物領域17、n型不純物領域18、ソース電極S、ドレイン電極D、ゲート絶縁層44、およびゲート電極Gを形成し、本実施の形態における横型MOSFET140が完成する。
Next, referring to FIG. 20, boron ions are implanted into a predetermined position of
本実施の形態における横型MOSFET140およびその製造方法によれば、実施の形態1と同様の効果を得ることができる。加えて、横型MOSFET140は、p型SiC層10の表面10aに形成されたソース電極S、ゲート電極G、およびドレイン電極Dをさらに備えている。ドレイン電極Dからソース電極Sへ流れる電流I140がゲート電極Gに印加される電圧によって制御される。ドレイン電極Dとp型SiC層10とはp型不純物領域25を通じて電気的に接続される。これにより、p型SiC層10にチャネルが形成される際に、p型不純物領域25からp型SiC層10へ少数キャリアが供給される。その結果、横型MOSFET140の閾値電圧を低下することができる。
According to the
以上に開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含むものと意図される。 The embodiment disclosed above should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above embodiments but by the scope of claims, and is intended to include all modifications and variations within the scope and meaning equivalent to the scope of claims.
本発明は、SiCよりなる半導体膜を備えた半導体装置およびその製造方法に適している。 The present invention is suitable for a semiconductor device including a semiconductor film made of SiC and a manufacturing method thereof.
1,1b,1c マクロステップ、1a バンチングステップ、2,2a〜2c,3,3a〜3c 結晶面、9 SiC基板、10 SiC層、10a SiC層表面、10b SiC層裏面、11a〜11c,14,15,16a,16b,17,18 n型不純物領域、12 n型エピタキシャル層、13 n+不純物領域、20 トレンチ、21 メサ部分、21a〜21c,24a,24b,25,25a p型不純物領域、23a,23b p-不純物領域、30 トレンチ、31 メサ部分、32 被覆膜、41 ショットキー電極、42 オーミック電極、44 ゲート絶縁層、46 SiC基板裏面、110 SBD、120 縦型MOSFET、130,140 横型MOSFET、D ドレイン電極、D41 空乏層、Da〜Dc 空乏層、G ゲート電極、I110,I120,I130,I140 電流、R1〜R4 レジスト、S,S1,S2 ソース電極、α オフ角。
1, 1b, 1c macro step, 1a bunching step, 2, 2a-2c, 3, 3a-3c crystal plane, 9 SiC substrate, 10 SiC layer, 10a SiC layer surface, 10b SiC layer back surface, 11a-11c, 14, 15, 16a, 16b, 17, 18 n-type impurity region, 12 n-type epitaxial layer, 13 n + impurity region, 20 trench, 21 mesa portion, 21a-21c, 24a, 24b, 25, 25a p-type impurity region, 23a , 23b p - impurity region 30
Claims (11)
前記半導体膜はその表面に、周期方向において互いに隣接するライザ表面およびテラス表面が設けられたマクロステップを有し、
前記周期方向に沿った断面による断面視において、前記マクロステップのライザ表面の全体に形成された第1導電型の不純物領域と、前記マクロステップのテラス表面の全体に形成された、第2導電型の他の不純物領域とをさらに備え、
前記不純物領域は窒素原子およびホウ素原子の少なくとも一方を含む、半導体装置。 Comprising a semiconductor film made of silicon carbide,
The semiconductor film has a macro step provided on the surface thereof with a riser surface and a terrace surface adjacent to each other in the periodic direction ,
In a cross-sectional view by a cross section along the periodic direction, the first conductivity type impurity region formed on the entire riser surface of the macro step and the second conductivity type formed on the entire terrace surface of the macro step. And other impurity regions ,
The semiconductor device, wherein the impurity region includes at least one of a nitrogen atom and a boron atom.
前記半導体膜の前記表面とは反対側に形成されたオーミック電極とをさらに備え、
前記ショットキー電極から前記オーミック電極へ流れる電流が前記ショットキー電極と前記オーミック電極との電位差によって制御される、請求項3に記載の半導体装置。 A Schottky electrode formed on the surface side of the semiconductor film;
An ohmic electrode formed on the opposite side of the semiconductor film from the surface;
The semiconductor device according to claim 3, wherein a current flowing from the Schottky electrode to the ohmic electrode is controlled by a potential difference between the Schottky electrode and the ohmic electrode.
前記半導体膜の裏面側に形成されたドレイン電極とをさらに備え、
前記ドレイン電極から前記ソース電極へ流れる電流が前記ゲート電極に印加される電圧によって制御される、請求項3に記載の半導体装置。 A source electrode and a gate electrode formed on the surface side of the semiconductor film;
A drain electrode formed on the back side of the semiconductor film;
The semiconductor device according to claim 3, wherein a current flowing from the drain electrode to the source electrode is controlled by a voltage applied to the gate electrode.
前記ドレイン電極から前記ソース電極へ流れる電流が前記ゲート電極に印加される電圧によって制御され、
前記半導体膜表面に形成され、かつ前記ドレイン電極に接触する第1導電型のドレイン領域をさらに備え、
前記不純物領域は前記ドレイン領域に隣接して形成され、かつ前記ドレイン領域の不純物濃度よりも低い不純物濃度を有する、請求項1に記載の半導体装置。 Further comprising a source electrode, a gate electrode, and a drain electrode formed on the semiconductor film surface;
A current flowing from the drain electrode to the source electrode is controlled by a voltage applied to the gate electrode;
A drain region of a first conductivity type formed on the surface of the semiconductor film and in contact with the drain electrode;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the impurity region is formed adjacent to the drain region and has an impurity concentration lower than that of the drain region.
前記ドレイン電極から前記ソース電極へ流れる電流が前記ゲート電極に印加される電圧によって制御され、
前記ドレイン電極と前記半導体膜とは前記不純物領域を通じて電気的に接続される、請求項1に記載の半導体装置。 A source electrode, a gate electrode, and a drain electrode formed on the semiconductor film surface;
A current flowing from the drain electrode to the source electrode is controlled by a voltage applied to the gate electrode;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the drain electrode and the semiconductor film are electrically connected through the impurity region.
前記半導体膜表面に溝を形成する工程と、
前記溝を形成する工程の後で、前記半導体膜を熱処理することで前記半導体膜の表面に、周期方向において互いに隣接するライザ表面およびテラス表面が設けられたマクロステップを形成する工程とを備え、
前記半導体膜表面にケイ素と、窒素およびホウ素のうち少なくともいずれか一方の不純物とを供給した状態で前記半導体膜が熱処理されることによって、前記周期方向に沿った断面による断面視において前記テラス表面に比してより高い前記不純物の濃度を有する第1導電型の不純物領域が前記ライザ表面に形成される、半導体装置の製造方法。 Forming a semiconductor film made of silicon carbide;
Forming a groove in the semiconductor film surface;
After the step of forming the groove, a step of forming a macro step in which a surface of the semiconductor film is provided with a riser surface and a terrace surface adjacent to each other in a periodic direction by heat-treating the semiconductor film,
And silicon in the surface of the semiconductor film, by which the semiconductor film is Ru is heat treated while supplying at least one of the impurities of the nitrogen and boron, the terrace surface in the cross-sectional view according to a section along the periodic direction A method of manufacturing a semiconductor device, wherein a first conductivity type impurity region having a higher impurity concentration is formed on the riser surface .
前記半導体膜表面に溝を形成する工程と、
前記溝を形成する工程の後で、前記半導体膜を熱処理することで前記半導体膜の表面に、周期方向において互いに隣接するライザ表面およびテラス表面が設けられたマクロステップを形成する工程と、
前記半導体膜を熱処理する工程の後で、前記半導体膜表面に窒素およびホウ素のうち少なくともいずれか一方を注入することによって、前記周期方向に沿った断面による断面視において前記テラス表面に比してより高い前記不純物の濃度を有する第1導電型の不純物領域を前記ライザ表面に形成する工程とを備えた、半導体装置の製造方法。 Forming a semiconductor film made of silicon carbide;
Forming a groove in the semiconductor film surface;
After the step of forming the groove, a step of forming a macro step in which a surface of the semiconductor film is provided with a riser surface and a terrace surface adjacent to each other in a periodic direction by heat-treating the semiconductor film ;
After the step of heat-treating the semiconductor film, by injecting at least one of nitrogen and boron into the surface of the semiconductor film , compared to the terrace surface in a cross-sectional view by a section along the periodic direction Forming a first conductivity type impurity region having a high concentration of the impurity on the surface of the riser .
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