JP5692145B2 - 炭化珪素半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、トレンチ構造のJFETを備えた炭化珪素(以下、SiCという)半導体装置の製造方法に関するものである。
従来、トレンチ構造のJFETを備えたSiC半導体装置が特許文献1に開示されている。この特許文献1に示されるJFETは、次のような構成とされている。すなわち、n+型SiC基板上に、n-型ドリフト層とp+型の第1ゲート領域およびn+型ソース領域を順に形成したのち、これらを貫通するトレンチを形成し、このトレンチ内にn-型チャネル層およびp+型の第2ゲート領域を形成している。そして、第2ゲート領域の表面上にゲート電極が形成され、その上に層間絶縁膜を介してソース電極が形成されていると共に、n+型SiC基板の裏面にドレイン電極が形成されている。このような構成により、JFETが構成されている。
このような構成のJFETでは、トレンチを短冊状にレイアウトした構造としているが、n-型チャネル層をエピタキシャル成長させる場合、トレンチの両先端においてトレンチの長辺を構成する側壁面上よりも膜厚が厚くなり、閾値変動を起こす。このため、特許文献1に示すJFETでは、トレンチの両先端部において、n+型ソース領域よりも深い凹部を形成し、n+型ソース領域を無くした構造とすることで、トレンチの両先端部ではJFETが構成されないようにしている。これにより、トレンチの長辺の内側位置のみでJFETが構成され、閾値変動が生じないようにすることができ、この閾値変動に起因してゲート電圧が閾値に近づくときに過剰なドレイン電流が発生することを抑制することができる。
特開2011−134970号公報
上記従来のSiC半導体装置に対して外周耐圧構造を備える場合、JFETが構成された領域をセル領域として、そのセル領域の外周を囲むようにp型リサーフ層やp型ガードリング層を形成することが考えられる。例えば、p+型の第1ゲート領域よりも深い凹部を形成することでメサ構造とし、そのメサ構造を構成する凹部の側壁から底面、すなわち凹部によって露出させられたn-型ドリフト層の表層部にわたってp型リサーフ層を形成することができる。
このようなp型リサーフ層やp型ガードリング層は、例えばp型不純物をイオン注入した後、活性化アニールを行うことによって形成される。しかしながら、活性化アニールを行うことで、トレンチの両先端に形成した凹部やメサ構造を構成する凹部の角部にn型層が形成され、このn型層が要因となって特性悪化を発生させることが確認された。この現象について、図7に示す従来のJFETを備えたSiC半導体装置の製造工程を参照して具体的に説明する。
図7(a)に示すように、n+型SiC基板J1上に、n-型ドリフト層J2やp+型の第1ゲート領域J3およびn+型ソース領域J4を順にエピタキシャル成長などによって形成したのち、これらを貫通するトレンチJ5を形成する。また、このトレンチJ5内にn-型チャネル層J6およびp+型の第2ゲート領域J7を形成した構造とする。そして、表面を平坦化する。
続いて、図7(b)に示すように、トレンチJ5の先端においてn+型ソース領域J4の厚みよりも深い凹部J8を形成すると共に、外周耐圧部を構成するための凹部J9を形成する。そして、図7(c)に示すように、p型不純物のイオン注入によって凹部J9の側面から底面にかけてp型リサーフ層J10や図示しないがコンタクト用のp型層などを形成したのち、例えばAr雰囲気において1600℃程度の活性化アニール処理を行う。
このようなアニール処理を行ったところ、図7(d)に示すように、凹部J8のコーナ部においてn+型層J11が形成され、このn+型層J11とp+型の第1ゲート領域J3もしくは第2ゲート領域J7との高濃度接合が構成されることが確認された。これにより、ドレイン電位が第1ゲート領域J3上に表出し、ゲート−ドレイン間耐圧が低下して、高濃度接合リーク(ゲートリークやドレインリーク)が発生するという問題を発生させることが判った。
活性化アニール処理は、ステップバンチングの発生等を防止するために、若干ながらSiCの成長雰囲気を使って行われる。このため、基板表面にSiCが成長することを抑制するために、成長レートが遅くなる条件で活性化アニール処理を行うことになるが、成長レートを遅くしているために、雰囲気中に自然に存在している微量の窒素(N)が成長したSiCに取り込まれ易くなって、n+型層J11となって現れると考えられる。
また、活性化アニール処理の際に、p型リサーフ層J10を形成するための凹部J9のコーナ部においても、n+型層J12が形成される。このn+型層J12により、p型リサーフ層J10とn+型層J12とによるPN接合が形成されてしまうために、ドレイン耐圧が低下するという問題も発生する。
本発明は上記点に鑑みて、ゲート領域が備えられるトレンチの先端部においてJFET構造が形成されないように凹部を形成する構造において、高濃度接合リークが発生することを抑制することを第1の目的とする。また、リサーフ層を形成するための凹部を形成する場合に、ドレイン耐圧が低下することを抑制することを第2の目的とする。
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、第1導電型基板(1)の上にドリフト層(2)と第1ゲート領域(3)およびソース領域(4)とを形成した半導体基板(5)を用意したのち、ソース領域および第1ゲート領域を貫通してドリフト層まで達し、一方向を長手方向とした短冊状のトレンチ(6)を形成する工程と、トレンチの内壁上にエピタキシャル成長によって第1導電型のチャネル層(7)を形成する工程と、チャネル層の上に第2導電型の第2ゲート領域(8)を形成する工程と、チャネル層および第2ゲート領域をソース領域が露出するまで平坦化する工程とを行う。そして、平坦化の後に、選択エッチングを行うことで少なくとも短冊状とされたトレンチにおける長手方向の両先端部のソース領域とチャネル層および第2ゲート領域を除去し、トレンチにおける長手方向の両先端部にソース領域の厚みよりも深く、かつ、第1ゲート領域よりも浅い第1凹部(13)を形成する工程と、第1凹部の形成後に、不活性ガス雰囲気において1300℃以上の活性化アニール処理を行う工程とを行った後、さらに、アニール処理により、第1凹部の底面と側面との境界部となる角部を覆うように形成される第1導電型層(16)を除去する工程を行うことを特徴としている。
このように、第2ゲート領域が備えられるトレンチの両先端部においてJFET構造が形成されないように第1凹部を形成する構造としている。そして、このような構造において、アニール処理時に第1凹部の底面と側面との境界部となる角部に形成される第1導電型層(16)を除去するようにしている。このため、第1導電型層(16)が残されている場合のように、異なる導電型である第1導電型層と第1ゲート領域もしくは第2ゲート領域との間に形成されていた高濃度接合が形成されないようにできる。したがって、ドレイン電位が第1ゲート領域上に表出して、ゲート−ドレイン間耐圧を低下させてしまうことを防止でき、高濃度接合リーク(ゲートリークやドレインリーク)が発生することを防止することができる。
請求項4に記載の発明では、JFETのセルが形成されたセル領域を囲む外周領域に、第1ゲート領域よりも深くドリフト層に達する第2凹部(14)を形成する工程と、第2凹部の側面から底面に至るようにドリフト層内に第2導電型のリサーフ層(15)を形成する工程とを含み、リサーフ層を形成する工程の後に、活性化アニール処理を行うと共に、該活性化アニール処理の後に第1導電型層(16)を除去する際に、活性化アニール処理によって第2凹部の底面と側面との境界となる角部を覆うように形成される第1導電型層(17)についても除去することを特徴としている。
このように、アニール処理時に第2凹部の角部に形成される第1導電型層についても除去するようにしている。このため、異なる導電型である第1導電型層とリサーフ層との間に形成されていたPN接合が形成されないようにできる。このため、ドレイン耐圧が低下することを防止することも可能となる。
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。
本発明の第1実施形態にかかるJFETを備えたSiC半導体装置の平面部分レイアウト図である。 図1のII−II線上での断面図である。 図1のIII−III線上での断面図である。 図1のIV−IV線上での断面図である。 図1〜図4に示すSiC半導体装置の製造工程を示した断面図である。 図5に続くSiC半導体装置の製造工程を示した斜視断面図である。 従来のJFETを備えたSiC半導体装置の製造工程を示した斜視断面図である。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態にかかるJFETを備えたSiC半導体装置について説明する。図1〜図4に示すJFETを備えたSiC半導体装置は、n+型SiC基板1を用いて構成されている。n+型SiC基板1としては、例えばオフ基板を用いることができるが、n+型SiC基板1に形成されるJFETのセルのレイアウトとオフ方向については無関係であり、JFETのセルのレイアウトをオフ方向に合わせる必要はない。
まず、JFETの基本構造について説明する。JFETの基本構造は、図2に示される構造とされている。具体的には、n+型SiC基板1の上に、n-型ドリフト層2、p+型の第1ゲート領域3、n+型ソース領域4が順に形成された半導体基板5にトレンチ6が形成されており、トレンチ6の内壁上から半導体基板5の表面上にかけて、n-型チャネル層7が形成されている。このn-型チャネル層7の表面上には、トレンチ6の内部を完全に埋め込むようにp+型の第2ゲート領域8が形成されている。そして、第2ゲート領域8の表面上にはゲート電極9が形成されており、その上には層間絶縁膜10を介してソース電極11が形成されている。ソース電極11は、層間絶縁膜10に形成されたコンタクトホールを介してn+型ソース領域4に電気的に接続されている。さらに、n+型SiC基板1の裏面にはドレイン電極12が形成されており、ドレイン領域となるn+型SiC基板1に対して電気的に接続されている。このような構造により、JFETの基本構造が構成されている。
また、図1に示されるように、トレンチ6の開口形状は短冊状とされており、このような開口形状である複数のトレンチ6が平行に並べられることでストライプ状に配置されている。そして、図2〜図4に示されるように、トレンチ6の両先端部の周辺を含めてn+型SiC基板1の外縁部において凹部(第1凹部)13が形成されることで凹形状とされている。これにより、n+型ソース領域4が除去されたメサ構造とされていると共に、トレンチ6の両先端部においてn-型チャネル層7および第2ゲート領域8が除去された形状とされている。このため、n+型ソース領域4は、各トレンチ6の長辺に隣接する位置のみが残された状態となり、その領域のみにJFET構造が構成された状態となっている。
このように構成されたJFETを備えるSiC半導体装置では、トレンチ6の両先端部に形成されたn-型チャネル層7がトレンチ6の長辺に位置する部分よりも膜厚が厚くなっていたとしても、そのトレンチ6の両先端部においてJFET構造が構成されないようにできる。このため、トレンチ6の両先端部にJFET構造が構成される構造のように、その両先端部のJFET構造の閾値がトレンチ6の長辺に位置する部分のJFET構造の閾値からずれることはなく、それによる影響を受けることがない。したがって、ゲート電圧が閾値近傍に近づくときに発生する過剰なドレイン電流を抑制できる構造のSiC半導体装置とすることが可能となる。
特に、トレンチ6の両先端部において、凹部13がn-型チャネル層7のうちトレンチ6の長辺部に形成される部分よりも厚くなっている領域およびその領域から第1ゲート領域3の厚さよりも長い領域が除去された形状とされるようにすると良い。このようにすることで、膜厚が増大したチャネル部とn+型ソース領域4の距離がチャネル長以上となり、閾値電圧付近のオフ時においても、ドレイン電流が完全にカットされ、過剰ドレイン電流の発生を防止することができる。
さらに、本実施形態にかかるSiC半導体装置では、JFETのセルが形成されたセル領域を囲む外周領域に第1ゲート領域3よりも深く、n-型ドリフト層2に達する凹部(第2凹部)14が形成されることでメサ構造とされている。この凹部14は、セル領域を囲むように形成されており、この凹部14の側面から底面にかけてp型リサーフ層15が形成されている。このp型リサーフ層15により、セル領域の外周において等電位線が偏りなく広範囲に伸びるようにでき、電界集中が緩和できるため、耐圧向上を図ることが可能となる。なお、ここでは図示していないが、p型リサーフ層15のさらに外周にp型ガードリング層などを形成することもできる。これらp型リサーフ層15やp型ガードリング層などによって外周耐圧構造を構成することができ、SiC半導体装置の耐圧向上を図ることが可能となる。
このように構成された本実施形態にかかるSiC半導体装置では、凹部13や凹部14の角部にn型層が形成されていない構造となっている。このため、凹部13の角部にn型層が形成されている場合のような、高濃度接合リークが発生することを抑制することが可能となっている。また、凹部14の角部にn型層が形成されている場合のような、ドレイン耐圧が低下することを抑制することも可能となっている。
次に、本実施形態にかかるSiC半導体装置の製造方法について、図5および図6を参照して説明する。図5の紙面左側は図2に相当する断面、紙面右側は図4に相当する断面の製造工程中の様子を示している。また、図6は、図5(c)以降のSiC半導体装置の製造工程を示している。
まず、図5(a)に示す工程では、n+型SiC基板1の表面上にn-型ドリフト層2とp+型の第1ゲート領域3とn+型ソース領域4を順にエピタキシャル成長させることで、半導体基板5を構成する。
続いて、図5(b)に示す工程では、トレンチ6の形成予定領域が開口する図示しないマスクを配置したのち、RIE(Reactive Ion Etching)等の異方性エッチングを行うことでトレンチ6を形成する。そして、エピタキシャル成長により、n-型チャネル層7を形成する。このとき、n-型チャネル層7のマイグレーションにより、トレンチ6の底部および両先端部では、トレンチ6の長辺側の側壁表面よりもn-型チャネル層7の膜厚が厚く形成される。
また、図5(c)に示す工程では、n-型チャネル層7の表面上にp+型層からなる第2ゲート領域8をエピタキシャル成長させたのち、研削もしくはCMP(Chemical Mechanical Polishing)などによってn+型ソース領域4が露出するまで第2ゲート領域8およびn-型チャネル層7を平坦化し、これらがトレンチ6の内部にのみ残るようにする。これにより、図6(a)に示す斜視断面構造が構成される。
続いて、図6(b)に示す工程では、セル領域の外縁部を選択エッチングすることでメサ構造を構成するが、2段階のエッチングを行うことにより、凹部13、14を順に形成する。
まず、RIE等の異方性エッチングにより、セル領域の外縁部において、n+型ソース領域4よりも深い位置まで選択エッチングしてn+型ソース領域4を除去すると共に、同時にトレンチ6の両先端部近辺においてn+型ソース領域4とn-型チャネル層7および第2ゲート領域8を部分的に除去して凹部13を形成する。具体的には、凹部13の形成予定領域(セル領域の外縁部やn+型ソース領域4とn-型チャネル層7および第2ゲート領域8のうち部分的に除去する部分)が開口するマスクを配置した後、異方性エッチングを行うことで凹部13を形成する。
続いて、先ほど使用したマスクとは異なるマスクを用いて、再びRIE等の異方性エッチングにより、セル領域の外縁部における凹部13内において、p+型の第1ゲート領域3よりも深い位置まで選択エッチングして第1ゲート領域3を除去することで凹部14を形成する。具体的には、凹部14の形成予定領域(セル領域の外縁部のうちp型リサーフ層15が配置される部分から外周側)が開口するマスクを配置した後、異方性エッチングを行うことで凹部14を形成する。
そして、エッチング時に用いたマスクを除去したのち、p型リサーフ層15や図示しないp型ガードリング層の形成予定領域が開口するマスクを配置し、その上からp型不純物をイオン注入することにより、図6(c)に示すように、p型リサーフ層15などを形成する。この後、Arなどの不活性ガス雰囲気において1300℃以上、例えば1600℃で活性化アニール処理を行う。これにより、p型リサーフ層15など、各種不純物層にドーピングされた不純物が活性化されると共に、凹部13、14の角部が曲率半径が100nm以上となる程度に丸められる。
また、これと同時に、凹部13の底面と側面との境界部となる角部にn型層16が形成されると共に、凹部14の底面と側面との境界部となる角部にn型層17が形成される。これらn型層16、17は、不活性ガス雰囲気中に自然に存在している微量の窒素に起因して形成され、そのn型不純物濃度は1×1017〜1×1018cm-3程度となる。
この後、基板表面全面をエッチングする。例えば、RIE等の異方性エッチングなどによって表面エッチングを行い、n型層16、17の膜厚以上の深さエッチングしつつ、凹部13の底面において第1ゲート領域3が除去されてなくならないエッチング量に留める。これにより、凹部13および凹部14の角部に形成されたn型層16、17が除去される。
この後の工程については図示していないが、ゲート電極9の形成工程、層間絶縁膜10の形成工程、コンタクトホール形成工程、ソース電極11の形成工程およびドレイン電極12の形成工程等、従来と同様の製造工程を施すことで、図1に示したSiC半導体装置が完成する。なお、n型層16、17を除去した後に層間絶縁膜10を形成する工程を行うことになるが、活性化アニール処理によって凹部13、14の角部が丸められた状態になっていることから、凹部13、14上に形成される層間絶縁膜10にクラックが発生することを防止でき、クラックに起因するゲート−ソース間リークを防止できる。
以上説明したように、本実施形態では、第2ゲート領域8が備えられるトレンチ6の両先端部においてJFET構造が形成されないように凹部13を形成する構造としている。そして、このような構造において、アニール処理時に凹部13の底面と側面との境界部となる角部に形成されるn型層16を除去するようにしている。このため、n型層16が残されている場合のように、異なる導電型であるn型層16とp+型の第1ゲート領域3もしくは第2ゲート領域8との間に形成されていた高濃度接合が形成されないようにできる。したがって、ドレイン電位が第1ゲート領域3上に表出して、ゲート−ドレイン間耐圧を低下させてしまうことを防止でき、高濃度接合リーク(ゲートリークやドレインリーク)が発生することを防止することができる。
参考として、ゲート−ドレイン間耐圧について調べたところ、従来のようにn型層16が形成された状態のものではゲート−ドレイン耐圧が50V程度になっていたものが、本実施形態の構造とすることで1100V以上に向上することが確認された。このことからも、n型層16を除去することで、ゲート−ドレイン間耐圧の低下を防止することができていることが判る。
また、アニール処理時に凹部14の角部に形成されるn型層17についても除去するようにしている。このため、異なる導電型であるn型層16とp型リサーフ層15との間に形成されていたPN接合が形成されないようにできる。このため、ドレイン耐圧が低下することを防止することも可能となる。
(他の実施形態)
上記各実施形態では、n-型チャネル層7にチャネル領域が設定されるnチャネルタイプのJFETを例に挙げて説明したが、各構成要素の導電型を逆にしたpチャネルタイプのJFETに対しても本発明を適用することができる。
さらに、上記実施形態では、n+型ソース領域4をエピタキシャル成長させたものについて説明したが、第1ゲート領域3に対してn型不純物をイオン注入することによってn+型ソース領域4を形成しても良い。この場合にも、n+型ソース領域4がトレンチ6の両先端部にまで形成されるようなイオン注入を行うようにした場合に、凹部13を形成することで、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
また、上記実施形態では、凹部13のみでなく凹部14も形成される構造のSiC半導体装置について本発明を適用した場合について説明したが、凹部13と凹部14の少なくとも一方が備えられる構造について本発明を適用することができる。
なお、上記各実施形態では、一方向を長手方向とする短冊状のトレンチ6として、長方形を例に挙げて説明したが、必ずしも長方形である必要はなく、平行四辺形や両先端部の中心部を尖らせた六角形状(例えば正六角形の相対する二辺のみ長くした形状)などの短冊状としても構わない。
1 n+型SiC基板
2 n-型ドリフト層
3 第1ゲート領域
4 n+型ソース領域
5 半導体基板
6 トレンチ
7 n-型チャネル層
8 第2ゲート領域
9 ゲート電極
11 ソース電極
12 ドレイン電極
13、14 凹部(第1、第2凹部)
16、17 n型層

Claims (4)

  1. 炭化珪素からなる第1導電型基板(1)と、前記第1導電型基板上にエピタキシャル成長によって形成された第1導電型のドリフト層(2)と、前記ドリフト層上にエピタキシャル成長によって形成された第2導電型の第1ゲート領域(3)と、前記第1ゲート領域上にエピタキシャル成長もしくはイオン注入により形成された第1導電型のソース領域(4)とを有する半導体基板(5)を用意する工程と、
    前記ソース領域および前記第1ゲート領域を貫通して前記ドリフト層まで達し、一方向を長手方向とした短冊状のトレンチ(6)を形成する工程と、
    前記トレンチの内壁上にエピタキシャル成長によって第1導電型のチャネル層(7)を形成する工程と、
    前記チャネル層の上に第2導電型の第2ゲート領域(8)を形成する工程と、
    前記チャネル層および前記第2ゲート領域を前記ソース領域が露出するまで平坦化する工程と、
    前記平坦化の後に、選択エッチングを行うことで少なくとも短冊状とされた前記トレンチにおける長手方向の両先端部の前記ソース領域と前記チャネル層および前記第2ゲート領域を除去し、前記トレンチにおける長手方向の両先端部に前記ソース領域の厚みよりも深く、かつ、前記第1ゲート領域よりも浅い第1凹部(13)を形成する工程と、
    前記第1凹部の形成後に、不活性ガス雰囲気において1300℃以上の活性化アニール処理を行う工程と、
    前記アニール処理によって前記第1凹部の底面と側面との境界部となる角部を覆うように形成される第1導電型層(16)を除去する工程と、を含むことを特徴とするJFETを備える炭化珪素半導体装置の製造方法。
  2. 前記第1導電型層(16)を除去する工程は、前記第1凹部の内部を含む前記半導体基板の表面全面を前記第1導電型層(16)の膜厚以上の深さエッチングしつつ、前記第1凹部の底面において前記第1ゲート領域が除去されてなくならない深さエッチングを行う表面エッチング工程であることを特徴とする請求項1に記載のJFETを備える炭化珪素半導体装置の製造方法。
  3. 前記第1導電型層(16)を除去する工程を行った後、前記第1凹部内を含めて層間絶縁膜(10)を形成する工程を含んでいることを特徴とする請求項1または2に記載のJFETを備える炭化珪素半導体装置の製造方法。
  4. 前記JFETのセルが形成されたセル領域を囲む外周領域に、前記第1ゲート領域よりも深く前記ドリフト層に達する第2凹部(14)を形成する工程と、
    前記第2凹部の側面から底面に至るように前記ドリフト層内に第2導電型のリサーフ層(15)を形成する工程とを含み、
    前記リサーフ層を形成する工程の後に、前記活性化アニール処理を行うと共に、該活性化アニール処理の後に前記第1導電型層(16)を除去する際に、前記活性化アニール処理によって前記第2凹部の底面と側面との境界となる角部を覆うように形成される第1導電型層(17)についても除去することを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載のJFETを備える炭化珪素半導体装置の製造方法。
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