JP5369464B2 - 炭化珪素mos型半導体装置 - Google Patents
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Description
SiCを用いることでオン抵抗をSiに比べて大幅に低減できる理由は、SiCが高い絶縁破壊電界を有するので、同じ耐圧を実現するために耐圧層をSiに比べて薄くできること、さらに、耐圧層の不純物ドーピング量を高くすることができるので、耐圧層の抵抗をSiに比べて2桁以上低減できることなどのためである。
ところで、pn接合ダイオード、MOSFET、IGBTなどは、第1導電型である耐圧層と第2導電型であるボディ領域とのpn接合によって、耐圧を維持している。例として、図8に一般的なトレンチMOSFETの要部断面構造を示す。低抵抗(高不純物密度)の第1導電型であるSiC基板101の一方の主面上に、エピタキシャル成長により形成された第1導電型の耐圧層103、第2導電型のボディ領域105をこの順に備えている。ボディ領域105の表面層の一部には、イオン注入によって選択的に形成される高不純物密度の第1導電型のソースコンタクト領域106と、選択的イオン注入によってコンタクト性のために高不純物密度にされる第2導電型のボディコンタクト領域107が形成される。表面からソースコンタクト領域106とボディ領域105を貫いて、耐圧層103に達するトレンチ110が設けられる。このトレンチ110内には、内表面に形成されるゲート絶縁膜111を介してゲート電極112が埋設される。ソースコンタクト領域106とボディコンタクト領域107の表面には、ソース電極123がオーミック接触している。さらに、このソース電極123は連続的にゲート電極112の上をも覆っているが、ゲート電極との絶縁は層間絶縁膜121を介在させることにより確保している。SiC基板101の他方の主面には、ドレイン電極122がオーミック接触している。なお、以上の説明ではMOSFETの場合であるが、IGBTの場合には、前記MOSFET構造の内、SiC基板101を第2導電型の基板に換えるだけの構造を基本とする。
また、SiCにあっては、禁制帯幅が広いため、実用的な金属は、ショットキー的な接触を形成してしまう。したがって、良好なオーミック接触を得るためには、SiCの表層部に高不純物密度のイオン注入領域を形成することにより、トンネル電流を用いてオーミック接触を実現する必要がある。表層を高不純物密度の領域とするために、必然的に高ドーズ量のイオン注入が必要となる。前記図8で説明したトレンチMOSFETでは、このオーミック接触を得るために、ソースコンタクト領域106の表面の不純物密度は3×1019cm-3以上の高不純物密度で厚さ0.3μm〜0.4μmにされる。
Siにおいてよく知られているように、高ドーズ量のイオン注入を行うと、結晶が特に大きなダメージ(注入損傷という)を受ける。この注入損傷を回復するための活性化アニールが必要である。Siにあっては、現実的な温度と圧力の条件下における結晶構造が唯一であって結晶変態がないため、ひどい注入損傷に起因してアモルファス化した領域は、活性化アニールによって元の結晶構造を回復する。しかし、このSiの活性化アニールにおいても設計したイオン注入深さよりもやや深い部分(テール部という)においては、その注入損傷が前述より軽い故に、却って充分に回復せず、結晶欠陥を残してしまうことがあった。
SiCにあっては、多様な結晶構造の変態(SiCにあっては、特にポリタイプという)が存在するため、さらに問題は複雑である。たとえば、そのような結晶変態の一種である4H−SiCや6H−SiCといった六方晶SiCのほうが、立方晶SiC(3C−SiC)よりも、絶縁破壊電界が大きいことが知られている。しかし、六方晶SiCに高ドーズ量のイオン注入を行うと、活性化アニールの際に部分的に立方晶SiCを生じてしまい、その周囲に必然的に結晶欠陥を生じる問題があった。一般的に用いられる{0001}面に代えて、これに垂直な面、たとえば{11−20}面などを用いると、この問題は抑制できることが知られている。しかし、六方晶SiCにおいては、<0001>方向の絶縁破壊電界が特異的に高い(たとえば<11−20>方向の絶縁破壊電界は<0001>方向の70〜75%程度しかないとされている)ので、{11−20}面などを用いることは、耐圧とオン抵抗とのトレードオフの点からは不利である。
以上述べたような従来技術に関連する公知文献には以下のようなものがある。p型ウエルの内方に、イオン注入により形成するN+型ソース層とこのソース層に一部重なる第2N型拡散層を形成することにより、マスクずれによるオン抵抗への影響を少なくしてオン抵抗を効果的に低減するSiC半導体装置についての記述がある(特許文献1)。さらに、トレンチ型SiCMOS半導体素子のトレンチの側面と底面にn型領域を形成する構造について記載されている(特許文献2)。またさらに、炭化ケイ素MOS電界効果トランジスタにおいて、n型ソース領域の下方にp領域を介してn領域を備える構造について記載されている(特許文献3)。
発明者らは、前述のSiCへのイオン注入時に生じるテール部の注入損傷が半導体特性に及ぼす影響について調べた。その結果、通常、良好なオーミック接触を得るために必要な程度の高ドーズ量のイオン注入プロセスが耐圧の良品率に大きな影響を及ぼしていることが判明した。
本発明は、前記新しい知見に基づいてなされたものであり、本発明の目的は、良好なオーミック接触を得るに必要な程度の高ドーズ量のイオン注入によって、高不純物密度表面領域を形成しても、耐圧良品率が低下し難い炭化珪素MOS型半導体装置を提供することである。
また、本発明は、前記耐圧層と前記ボディ領域とのpn接合への逆バイアス時に界面から伸びる空乏層が、前記ボディコンタクト領域下のテール部の注入損傷による欠陥領域に接触する前にアバランシェ降伏電圧に到達するか、あるいは前記空乏層が前記ソース拡張領域と接触することによりパンチスルーするように、前記ボディコンタクト領域の不純物密度および厚さが決められている炭化珪素MOS型半導体装置とすることが好ましい。
なお、前記概ね{0001}面というのは、良好なエピタキシャル成長層を得るために、{0001}面から数度、特に3.5〜8度のオフを設けたウエハが、一般に{0001}面と称して市販されているためであり、本発明における概ね{0001}面というのは、このようなオフを設けた面を含むとして解されるべきものである。
イオン注入にあたっては、高不純物密度のソースコンタクト領域を形成する際に、その下層に必然的に形成されるテール部分よりも明らかに深くまで、ソース拡張領域を形成しなければならない。一般に、注入深さが深くなるほど、投影飛程が大きいイオンを用いると、各加速電圧におけるイオンの深さ方向の分布が大きくなるので、設計が難しくなる。たとえば、トレンチMOSFETのボディ領域をエピタキシャル成長で形成する場合に、そのドーピングのウエハ面内分布によって、第2導電型を維持している長さ、すなわちチャネル長が変化してしまうような影響を受けやすくなる。したがって、深いイオン注入をさせる場合は、平行分散の小さいイオンを用いることが好ましい。
シリコンよりも質量の小さい側には、ネオン(質量数20)、窒素(質量数14)、ホウ素(質量数11)があるが、平行分散はこの順に小さくなる。ただし、より詳細には、質量数が18(酸素の同位体)以下になると、ほぼ一定値(窒素およびホウ素の値の付近)に落ち着く。シリコンに比べて質量が小さくなるほど、弾性衝突による軌道の変化が少なくなるためと考えられる。
シリコンよりも質量の大きい側には、リン(質量数31)、アルゴン(質量数40前後)、ガリウム(質量数69前後)などがあるが、質量が大きくなるほど、平行分散は小さくなる。シリコンに比べて質量が大きくなるほど、弾性衝突による軌道の変化が少なくなるためと考えられる。
可能であれば、ソース拡張領域には質量数18以下の窒素などのイオン種を注入するのが、平行分散を最も低減できるので、さらに好ましい。
以上の説明より、前記組み合わせを実現するためには、前記第1導電型がn型の場合は、ソースコンタクト領域にリン、ソース拡張領域に窒素を用いるのが好ましい。
図1〜図3は本発明の実施例1にかかるそれぞれ異なるトレンチMOSFETの要部断面図である。図4は、各種のイオン注入における、各種イオンの投影飛程と平行分散の関係図である。図5は予備実験において作製したpn接合ダイオードの要部断面図である。図6は予備実験において作製したpn接合ダイオードの逆方向電流電圧特性図である。図7は予備実験において得られた、注入原子密度とリーク欠陥密度の関係図である。
SiCエピタキシャル層への高ドーズ量イオン注入の場合、この注入領域の下層に形成されるテール部の注入損傷が半導体特性にどのような影響を及ぼすかについての知見を得るべく、次のような実験を行った。作製したのは、図5に要部断面構造を示すSiC−pn接合ダイオードである。高不純物密度のn型SiC基板201の一方の主面(おもて面という)上に、n型である耐圧層(ドリフト層)203と、p型層(アノード層)であるボディ層を、エピタキシャル成長により順次成長する。作製するのはpn接合ダイオードであるが、MOSFETに倣って、p型層(アノード層)をボディ層等と称することにする。この段階を終えた基板を以降ウエハと記す。次に、このウエハの前記おもて面側の表面から前記ボディ層と耐圧層203をエッチングして、メサ構造とする。メサ構造にした後のボディ層を図5に示すボディ領域205とする。この際、アバランシェ降伏電圧に到達する印加電圧においても、ボディ領域205と耐圧層203との境界となるpn接合から伸びる空乏層がメサ底部よりも深い位置まで及ばないように、耐圧層203のドーピング量(不純物密度)およびメサ構造の深さを選定する。その後、このウエハをたとえば500℃に加熱した後、ウエハ内の一部のpn接合ダイオードには、ボディ領域205の表層部にイオン注入を行って、高不純物密度のp型であるボディコンタクト領域(図示せず)を形成する。その後、すべてのpn接合ダイオードにSiO2膜などの表面保護膜229を形成し、表面保護膜229の一部にコンタクトホールを形成して、アノード電極224を形成する。
以上の仕様により完成したpn接合ダイオードの逆方向電流電圧特性を測定すると、図6に示すような、大きく分けてA、B、C波形の3類型の特性が見られた。なお、図6では、横軸は印加電圧、縦軸は電流値をデバイス面積で除した電流密度で示してある。縦軸に1E−2のように記載される記号は1×10-2A/cm-2を表す。同様なその他の記号も同様である。
図6におけるA波形のような、アバランシェ降伏電圧付近まで逆方向電流がノイズレベル以下であるような特性が、本来pn接合ダイオードとして期待されるものである。しかし、このような特性は、高不純物密度表面を有する前記ボディコンタクト領域を形成しなかったpn接合ダイオードのみに出現した。図6におけるB波形のような、ある程度の電圧から逆方向電流が流れ始めるものの、最終的にアバランシェ降伏電圧に到達するような特性は、このような特性が安定的に得られるのであれば、まだしも許容できる場合が少なくない。(図6においては、A波形とB波形が交差しているが、これは耐圧層203のドーピングのばらつきによるものであって、本質的ではない。)一方、図6におけるC波形のような、アバランシェ降伏電圧に到達する前に大きな逆方向電流が流れてしまうような特性は、高不純物密度表面を有する前記ボディコンタクト領域を有するpn接合ダイオードに出現した。このC波形は、もはや所定の耐圧を達し得ないのであるから、許容されない。
図7によれば、1019cm-3台の注入原子密度でもリーク欠陥を生じていることから、注入原子間の相互作用によってリーク欠陥を生じているとは考えにくい。結晶SiC中の母体の原子密度は1023cm-3程度であるのに対して、前記注入原子密度はこれよりも3〜4桁も小さいためである。注入原子間の相互作用に起因するものではないとすると、注入原子の化学的な性質によりリーク欠陥の生成確率が大幅に変化するとは考えにくい。
活性化アニールを行っても、なお、リーク欠陥を生じていることの背景には、SiCに特有の現象を伴っている可能性が高い。たとえば、イオン注入によって注入原子密度に比例した数の原子空孔と格子間原子が生成され、これらが再結合する際に余ったエネルギーにより、一定の確率で、SiCにおいて特に顕著に見られる原子面のすべりを生じ(原子面のすべりは活性化アニールによっては回復できない)、これが原因となってリーク欠陥を生ずる、というようなモデルであれば、リーク欠陥密度は注入原子密度の2乗に比例することになり、なおかつSiCに特有の現象を伴っている。
前記ボディコンタクト領域を形成しなかったSiC−pn接合ダイオードの歩留まりから求めたイオン注入以外の外来の要因によるリーク欠陥密度は、2個/cm2程度であった。図7における2個/cm2で一定のリーク欠陥密度を示す破線は、当該イオン注入以外の要因によるリーク欠陥密度を示す。図7で得られた結果を外挿すると、注入原子密度が3×1019cm-3程度以下になれば、現在の発明者らの製造技術においては、イオン注入によるリーク欠陥密度は、外来の要因によるリーク欠陥密度(2個/cm2)よりも少なくなることが分かる。従って、注入原子密度が3×1019cm-3程度以下では実質的に、リーク欠陥は問題とならない。
他方で、SiC、とりわけp型SiCに対しては、前述のような低いドーピング量(不純物密度)では、リーク欠陥密度は低くなり耐圧歩留まりは高くなるが、良好なオーミック接触を得るのは、きわめて難しい。発明者らの実験した範囲内では、アルミニウムのドーピング量が3×1019cm-3未満では、オーミック接触が得られなかった。
したがって、良好なオーミック接触を実現するような高不純物密度のp型領域をイオン注入によって形成しつつ、イオン注入によりリーク欠陥を生成する現象の影響を受けないようにするためには、本発明にかかるデバイス構造によらなければならない。その具体的なデバイス構造について、下記実施例で詳細に説明する。
ソースコンタクト領域6の表面から、ソースコンタクト領域6、その下層のソース拡張領域6−1、ボディ領域5、電流広がり層4を貫いて、ドリフト層3に達するトレンチ10が形成される。形成されたトレンチ10内には、その内壁面のうち、ボディ領域5およびボディ領域5に近接するソース拡張領域6−1ならびに電流広がり層4に接する部分にゲート酸化膜11を介して、ゲート電極12が埋設されている。ソース拡張領域6−1と電流広がり層4に挟まれるボディ領域5であって、前記ゲート酸化膜11に接する表面層には前記ゲート電極12によって制御可能な主電流が流れるチャネル13が形成される。トレンチ10のうち、ゲート電極12より上方ならびにソースコンタクト領域6の表面の一部には、層間絶縁膜21が覆っている。ソースコンタクト領域6の残りの表面は、ソース電極23と接している。さらにソース電極23は、層間絶縁膜21の上を覆うように跨って隣接するセルのソースコンタクト領域6の表面に接触している。ソース電極23のうち一部は、ボディ領域5の表面に形成された高不純物密度のp型であるボディコンタクト領域7の表面にも共通に接触している。SiC基板1の反対側の裏面には、ドレイン電極22が設けられている。
図1では、ボディコンタクト領域7の厚さはソースコンタクト領域6の厚さと同程度に描いてあるが、ソース拡張領域6−1をイオン注入で形成する際に、隣接するソース拡張領域6−1にはさまれたボディ領域5の抵抗が増加し、ボディ領域5の電位が不安定になる場合がある。そこで、可能であれば、ボディコンタクト領域7の下に、ソース拡張領域6−1と領域7の下層のテール部6−2とが同程度の深さとなるように、アルミニウムまたはホウ素をイオン注入して、抵抗を低減しておくのが好ましい。ソース拡張領域6−1に窒素を注入する場合は、領域7の下層へのイオン注入にホウ素を用いると、平行分散がほとんど同じであるので、設計が簡単になる。この場合でも、このボディコンタクト領域7の下層のアルミニウムまたはホウ素のドーピング量は、3×1019cm-3未満が好ましく、5×1018cm-3以下とするのがさらに好ましい。(ただし、ホウ素の場合は、1018cm-3台の中間以上の不純物密度では偏析するので、5×1018cm-3以下とするべきである。)
各領域の厚さおよびドーピング量(不純物密度)は、所要の電気特性に応じて、適宜決定すべきものである。耐圧1.2kVの場合、たとえば、フィールドストッピング層2はドナー密度0.5〜10×1017cm-3で厚さ約2μm、ドリフト層3はドナー密度1×1016cm-3で厚さ13μm、電流広がり層4はドナー密度1×1017cm-3で厚さ0.4μm、p型ボディ領域5はアクセプタ密度2×1017cm-3で厚さ2.3μm(表面からボディ領域5の下端までの深さが2.3μmという意味である)とする。
セルピッチおよびトレンチの幅は、製造時の各種精度にも依存するが、たとえば、セルピッチが8μm、トレンチ幅が1μmである。フィールドストッピング層2および電流広がり層4は、必ずしも存在しなくてもよい。SiC基板1の品質は必ずしも十分ではないので、フィールドストッピング層2が存在すれば、逆方向電圧印加時に空乏層がドリフト層3全体に広がっても、その空乏層端部での高電界がSiC基板1に印加されないので、基板品質の低さに起因して絶縁破壊するのを抑制できて、好ましい。
なお、フィールドストッピング層2が存在しない場合は、以下の説明でフィールドストッピング層2とあるのは、SiC基板1の上端部分と読み替えればよい。ドリフト層3は比較的高抵抗であるので、オン状態において、トレンチ10の側壁面である、ボディ領域5とゲート絶縁膜11の界面のチャネル13を流れる電流が、ドリフト層3のうちトレンチ10の付近のみを流れることで、電流集中によるオン抵抗の増大を招く可能性がある。しかし、電流広がり層4が存在すれば、電流はドリフト層3の広い領域に広がって流れるので、電流集中によるオン抵抗の増大を抑制できて、好ましい。なお、電流広がり層4が存在しない場合は、以下の説明で電流広がり層4とあるのは、ドリフト層3の上端部分と読み替えればよい。
実用上では図1のままでは、トレンチ10の底部の絶縁膜11に過大な電界が印加されて、絶縁破壊し易いという現象が知られており、問題とされている。そこで、トレンチ底を、絶縁破壊が起き難いように、適切に保護する必要がある。よく知られているのは、図2に示すように、トレンチ10の底部に、埋め込みp型領域8を設けるものであるが、この場合、埋め込みp型領域8の周りに、DMOSFETのJFET領域と同様の部分が生ずるので、JFET効果により抵抗が大きくなって導通損失が増大する問題が新たに生じることがある。
この問題に対する対策としては、図3に示すように、トレンチ10を少なくともドリフト層3の下層のフィールドストッピング層2に達する深さにすると共に、ゲート電極12より下方には埋め込み絶縁物15を埋め込む構造が知られている。この埋め込み絶縁膜構造であれば、JFET領域は生じず、なおかつ、電磁気学的法則によって、埋め込み絶縁物15にはドリフト層3と同程度の電界しか印加されないので、過大な電界によって埋め込み絶縁物15が絶縁破壊する惧れは小さい。
2 フィールドストッピング層
3 耐圧層、ドリフト層
4 電流広がり層
5 ボディ領域
6 ソースコンタクト領域
6−1 ソース拡張領域
7 ボディコンタクト領域
8 埋め込みp型領域
10 トレンチ
11 ゲート酸化膜
12 ゲート電極
13 チャネル
15 埋め込み絶縁物
21 層間絶縁膜
22 ドレイン電極
23 ソース電極
24 アノード電極
29 表面保護膜。
Claims (9)
- 炭化珪素半導体基板上に順に積層される第1導電型の耐圧層と、第2導電型のボディ領域と、該ボディ領域の表面層にそれぞれ選択的なイオン注入により形成される第2導電型のボディコンタクト領域と第1導電型のソースコンタクト領域と、前記ソースコンタクト領域の表面から該領域と前記ボディ領域とを貫通するトレンチを有し、該トレンチの内表面に絶縁膜を介して埋設されるゲート電極を備え、前記ソースコンタクト領域は不純物密度が3×10 19 cm -3 以上で厚さ0.3μm〜0.4μmであり、該ソースコンタクト領域の下に当該ソースコンタクト領域のイオン注入深さよりも深いテール部を備え、該テール部の下に、さらに選択的イオン注入により不純物密度が3×10 19 cm -3 未満で表面からの深さが1μm以下であるソース拡張領域を有し、前記埋設されるゲート電極の上端が前記ソースコンタクト領域の下端より上であることを特徴とする炭化珪素MOS型半導体装置。
- 前記耐圧層と前記ボディ領域とのpn接合への逆バイアス時に界面から伸びる空乏層が、前記ボディコンタクト領域下のテール部の注入損傷による欠陥領域に接触する前にアバランシェ降伏電圧に到達するか、あるいは前記空乏層が前記ソース拡張領域と接触することによりパンチスルーするように、前記ボディコンタクト領域の不純物密度および厚さが決められていることを特徴とする請求項1記載の炭化珪素MOS型半導体装置。
- 前記ソース拡張領域の不純物密度が5×1018cm-3以下であることを特徴とする請求項1記載の炭化珪素MOS型半導体装置。
- ソースコンタクト領域形成用注入イオン種よりも、シリコンに対する質量比の小さいイオン種が、ソース拡張領域形成用の注入イオン種とされてなることを特徴とする、請求項1記載の炭化珪素MOS型半導体装置。
- 前記ソース拡張領域形成用の注入イオン種の質量数が18以下あることを特徴とする請求項1記載の炭化珪素MOS型半導体装置。
- 第1導電型がn型であって、ソースコンタクト領域形成用イオン種が主としてリンであり、ソース拡張領域形成用イオン種が主として窒素であることを特徴とする請求項1記載の炭化珪素MOS型半導体装置。
- 第1導電型がp型であって、ソースコンタクト領域形成用イオン種が主としてアルミニウムであり、ソース拡張領域形成用イオン種が主としてホウ素であることを特徴とする請求項1記載の炭化珪素MOS型半導体装置。
- 炭化珪素半導体の結晶型が六方晶であることを特徴とする請求項1記載の炭化珪素MOS型半導体装置。
- 炭化珪素半導体基板の主要な主面が{0001}面であることを特徴とする請求項1記載の炭化珪素MOS型半導体装置。
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