JP7119922B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、半導体装置の製造方法に関する。

炭化珪素の半導体基板を用いて製造された半導体装置の開発が進められている。この種の半導体装置では、半導体基板の一方の主面に複数のトレンチゲートが形成されている。トレンチゲートは、ｐ型のボディ領域を貫通してｎ型のドリフト領域に侵入するように形成されている。特許文献１は、トレンチゲートの底面の電界を緩和するために、トレンチゲートの底面に接するようにボトムｐ型層を設ける技術を開示する。

特開２０１７－１１７９５１号公報

トレンチゲートの底面の電界を良好に緩和するためには、このようなボトムｐ型層がトレンチゲートの底面から深い位置にまで形成されるのが望ましい。本明細書は、トレンチゲートの底面から深い位置にまでボトムｐ型層を形成する技術を提供することを目的とする。

本明細書は、トレンチゲートの底面に接するボトムｐ型層を備える半導体装置の製造方法を開示する。この製造方法は、基底面に対してオフ角だけ傾いた炭化珪素の半導体基板の一方の主面にトレンチを形成するトレンチ形成工程と、前記トレンチ内に向けてｐ型不純物を照射し、前記ボトムｐ型層を形成するボトムｐ型層形成工程と、を備えることができる。前記ボトムｐ型層形成工程では、前記基底面に対して垂直方向から前記ｐ型不純物が注入されるように、前記ｐ型不純物の注入角が前記オフ角に設定されている。この製造方法によると、チャネリング効果によって前記ｐ型不純物を前記トレンチの底面から深い位置にまで注入することができる。この製造方法によると、前記トレンチゲートの底面から深い位置にまで前記ボトムｐ型層を形成することができる。

上記製造方法の一実施態様によると、前記ボトムｐ型層形成工程では、前記トレンチの短手方向に対向する一対の短手側面のうちの一方の短手側面にも前記ｐ型不純物が注入され、これにより、前記ボトムｐ型層は前記半導体基板の前記一方の主面側に設けられているｐ型のボディ領域に接続するように形成されてもよい。この製造方法によると、前記ボトムｐ型層が前記ボディ領域に接続するための接続領域を同時に形成することができる。このため、前記接続領域を製造するために要する工程数を削減することができるので、製造コストを抑えることができる。また、前記短手側面に形成された前記ボトムｐ型層は、前記トレンチの長手方向に沿って分散して配置されていてもよい。前記短手側面に形成された前記ボトムｐ型層を分散して配置することにより、チャネル抵抗の増加を抑えることができる。

上記製造方法の他の一実施態様によると、前記ボトムｐ型層形成工程では、前記トレンチの長手方向に対向する一対の長手側面のうちの一方の長手側面にも前記ｐ型不純物が注入され、これにより、前記ボトムｐ型層は前記半導体基板の前記一方の主面側に設けられているｐ型のボディ領域に接続するように形成されてもよい。この製造方法によると、前記ボトムｐ型層が前記ボディ領域に接続するための接続領域を同時に形成することができる。このため、前記接続領域を製造するために要する工程数を削減することができるので、製造コストを抑えることができる。

第１実施形態の半導体装置の上面側から見た平面図。 図１のＩＩ－ＩＩ線における半導体装置の断面図。 図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線における半導体装置の断面図。 第１実施形態の半導体装置のボトムｐ型層を形成する一製造工程中の断面図。 第１実施形態の半導体装置のボトムｐ型層を形成する一製造工程中の断面図。 第１実施形態の半導体装置のボトムｐ型層を形成する一製造工程中の断面図。 第２実施形態の半導体装置の上面側から見た平面図。 図７のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線における半導体装置の断面図。 第３実施形態の半導体装置の上面側から見た平面図。 図９のＸ－Ｘ線における半導体装置の断面図。 図１のＸＩ－ＸＩ線における半導体装置の断面図。

（第１実施形態）図１～３に示す第１実施形態の半導体装置１は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）と称される種類の半導体装置である。半導体装置１は、炭化珪素（ＳｉＣ）の半導体基板１２を用いて製造されている。なお、図１では、図の見易さのため、半導体基板１２の上面１２ａ上の電極、絶縁層の図示を省略している。半導体基板１２は、（０００１）面を基底面とする炭化珪素基板であり、（０００１）面に対して［１１－２０］方向にオフ角だけ傾いている。この例では、オフ角が約４°である。

半導体基板１２の上面１２ａには、複数のトレンチＴＲが形成されており、各トレンチＴＲ内にトレンチゲート２２が設けられている。図１に示すように、トレンチゲート２２は、上面１２ａにおいて［１－１００］方向に直線状に長く伸びている。複数のトレンチゲート２２は、［１１－２０］方向に間隔を置いて配列されており、ストライプ状のレイアウトを有している。図２に示すように、トレンチＴＲは、半導体基板１２の上面１２ａに対して垂直方向に伸びている。トレンチＴＲの側面は、半導体基板１２の深さ方向に沿って傾斜しており、半導体基板１２の深部に向けて先細りのテーパ状である。トレンチＴＲの底面は、半導体基板１２の上面１２ａに平行である。

トレンチＴＲの側面及び底面は、ゲート絶縁膜２４によって覆われている。ゲート絶縁膜２４は、トレンチＴＲの側面よりも底面において厚く形成されていてもよい。トレンチＴＲ内には、ゲート電極２６が配置されている。ゲート電極２６は、ゲート絶縁膜２４によって半導体基板１２から絶縁されている。ゲート電極２６の上面は、層間絶縁膜２８によって覆われている。

半導体基板１２の上面１２ａには、ソース電極７０が配置されている。ソース電極７０は、層間絶縁膜２８が設けられていない部分で半導体基板１２の上面１２ａに接している。ソース電極７０は、層間絶縁膜２８によってゲート電極２６から絶縁されている。半導体基板１２の下面１２ｂには、ドレイン電極７２が配置されている。ドレイン電極７２は、半導体基板１２の下面１２ｂに接している。

半導体基板１２の内部には、複数のソース領域３０、ボディ領域３２、ドリフト領域３４、ドレイン領域３５及び複数のボトムｐ型層３６が設けられている。

ソース領域３０は、ｎ型領域である。ソース領域３０は、半導体基板１２の上面１２ａに臨む範囲に配置されており、ソース電極７０にオーミック接触している。また、ソース領域３０は、トレンチゲート２２の短手方向に対向する一対の短手側面Ｓ１（［１－１００］方向に沿って伸びる側面）において、ゲート絶縁膜２４に接している。ソース領域３０は、トレンチゲート２２の上端部においてゲート絶縁膜２４に接している。

ボディ領域３２は、ｐ型領域である。ボディ領域３２は、各ソース領域３０に接している。ボディ領域３２は、２つのソース領域３０に挟まれた範囲から各ソース領域３０の下側まで伸びている。ボディ領域３２は、高濃度ボディ領域３２ａと低濃度ボディ領域３２ｂを有している。高濃度ボディ領域３２ａは、低濃度ボディ領域３２ｂよりも高いｐ型不純物濃度を有している。高濃度ボディ領域３２ａは、２つのソース領域３０に挟まれた範囲に配置されている。高濃度ボディ領域３２ａは、ソース電極７０にオーミック接触している。低濃度ボディ領域３２ｂは、トレンチゲート２２の短手側面において、ゲート絶縁膜２４に接している。低濃度ボディ領域３２ｂは、ソース領域３０の下側でゲート絶縁膜２４に接している。また、図１に示すように、低濃度ボディ領域３２ｂは、トレンチゲート２２の長手方向に対向する一対の長手側面Ｓ２（トレンチゲート２２の長手方向の端部に位置する側面であり、［１１－２０］方向に沿って伸びる側面）に隣接する範囲にも配置されている。

ドリフト領域３４は、ｎ型領域である。ドリフト領域３４は、ボディ領域３２の下側に配置されており、ボディ領域３２によってソース領域３０から分離されている。図２に示すように、ドリフト領域３４は、トレンチゲート２２の一対の短手側面のうちの一方の短手側面において、ゲート絶縁膜２４に接している。

ドレイン領域３５は、ｎ型領域である。ドレイン領域３５は、ドリフト領域３４よりも高いｎ型不純物濃度を有している。ドレイン領域３５は、ドリフト領域３４の下側に配置されている。ドレイン領域３５は、半導体基板１２の下面１２ｂに臨む範囲に配置されている。ドレイン領域３５は、ドレイン電極７２にオーミック接触している。

ボトムｐ型層３６は、ｐ型領域である。ボトムｐ型層３６は、トレンチゲート２２の底面において、ゲート絶縁膜２４に接している。ボトムｐ型層３６は、トレンチゲート２２の底面に沿って［１－１００］方向に長く伸びている。また、ボトムｐ型層３６の一部は、トレンチゲート２２の一対の短手側面のうちの一方の短手側面において、ゲート絶縁膜２４に接している。ここで、ボトムｐ型層３６のうちのトレンチゲート２２の側面に接する部分を特に接続領域３６ａという。ボトムｐ型層３６の接続領域３６ａは、トレンチゲート２２の一方の短手側面Ｓ１に沿って［１－１００］方向に長く伸びている。ボトムｐ型層３６は、接続領域３６ａを介してボディ領域３２に接触しており、ボディ領域３２に電気的に接続されている。

次に、半導体装置１の動作について説明する。半導体装置１の使用時には、半導体装置１と負荷（例えば、モータ）と電源が直列に接続される。半導体装置１と負荷の直列回路に対して、電源電圧（本実施形態では、約８００Ｖ）が印加される。半導体装置１のドレイン側（ドレイン電極７２）がソース側（ソース電極７０）よりも高電位となる向きで、電源電圧が印加される。ゲート電極２６にゲートオン電位（ゲート閾値よりも高い電位）を印加すると、ゲート絶縁膜２４に接する範囲のボディ領域３２（低濃度ボディ領域３２ｂ）にチャネル（反転層）が形成され、半導体装置１がオンする。半導体装置１では、トレンチゲート２２の一対の短手側面Ｓ１のうちのドリフト領域３４が接する側の短手側面Ｓ１において、ボディ領域３２に形成されたチャネルを介して電流が流れる。ゲート電極２６にゲートオフ電位（ゲート閾値以下の電位）を印加すると、チャネルが消滅し、半導体装置１がオフする。このとき、ドリフト領域３４とボトムｐ型層３６のｐｎ接合から伸びる空乏層がトレンチゲート２２の底面近傍に形成され、トレンチゲート２２の底面近傍の電界が緩和される。これにより、半導体装置１は、高耐圧な特性を有することができる。また、半導体装置１では、ボトムｐ型層３６が接続領域３６ａを介してボディ領域３２に電気的に接続されていることから、ターンオンするときに、ボディ領域３２から接続領域３６ａを介してボトムｐ型層３６に正孔が注入される。この正孔注入により、ボトムｐ型層３６の帯電が抑制されるので、ターンオフ時に形成された空乏層がすぐに消失し、ＪＦＥＴ効果によるオン抵抗の増加が抑えられる。

次に、図４～６を参照し、半導体装置１の製造方法のうちのボトムｐ型層３６を形成する工程について説明する。まず、図４に示すように、半導体基板１２の上面１２ａ上に酸化シリコンのマスク８２を形成する。次に、ドライエッチング技術を利用して、そのマスク８２の開口から露出する半導体基板１２をエッチングし、トレンチＴＲを形成する。トレンチＴＲの底面は、半導体基板１２の上面１２ａに平行であり、その上面１２ａと同様に、基底面の（０００１）面に対して［１１－２０］方向にオフ角だけ傾いている。

次に、図５に示すように、トレンチＴＲの底面及び側面に酸化シリコンの保護膜８４を成膜する。この保護膜８４は、後述のイオン注入工程において、チャネルが形成される側の低濃度ボディ領域３２ｂにまで意図しない不純物が導入されるのを抑える目的で形成される。なお、必要に応じて、保護膜８４のうちのトレンチＴＲの底面を被膜する部分のみを除去してもよい。

次に、図６に示すように、イオン注入技術を利用して、トレンチＴＲ内に向けてｐ型不純物を照射し、ボトムｐ型層３６を形成する。このとき、ｐ型不純物の注入角が、基底面の（０００１）面に対して垂直となるように、オフ角に設定されている。この例では、半導体基板１２が（０００１）面に対して［１１－２０］方向にオフ角だけ傾いているので、ｐ型不純物の注入角は、半導体基板１２の上面１２ａの垂直方向に対して［１１－２０］方向にオフ角だけ傾いている。ｐ型不純物の注入角がオフ角に設定されていると、照射されたｐ型不純物は、チャネリング効果によってトレンチＴＲの底面から深い位置にまで到達することができる。これにより、ボトムｐ型層３６は、トレンチＴＲの底面から深い位置にまで形成される。また、このイオン注入工程では、トレンチＴＲの短手方向に対向する一対の短手側面Ｓ１のうちの一方の短手側面Ｓ１にもｐ型不純物が注入され、これにより、ボトムｐ型層３６の接続領域３６ａも同時に形成される。

上記製造方法及び上記製造方法によって製造された半導体装置１は、以下の特徴を有することができる。
（１）上記製造方法によると、ボトムｐ型層３６をトレンチゲート２２の底面から深い位置にまで形成することができる。このような深いボトムｐ型層３６は、トレンチゲート２２の底面の電界を良好に緩和することができる。このため、半導体装置１は、高耐圧な特性を有することができる。
（２）チャネリング効果を利用しないイオン注入では、深いボトムｐ型層３６を形成するためには、複数回のイオン注入が必要である。一方、上記製造方法のように、チャネリング効果を利用するイオン注入では、少ないイオン注入の回数（例えば、１回のイオン注入でも）深いボトムｐ型層３６を形成することができる。このため、イオン注入に要する工程数が削減されるので、製造コストを抑えることができる。
（３）上記製造方法によると、深いボトムｐ型層３６を形成することができるので、ボトムｐ型層３６を深い位置にまで熱拡散させる必要がなく、熱拡散を抑えることができる。このため、ボトムｐ型層３６の横方向への熱拡散も抑えられる。横方向への熱拡散が抑えられるので、特に半導体装置１では、トレンチゲート２２の短手側面Ｓ１のうちのチャネルが形成される側の短手側面Ｓ１の下方の電流経路に対して、ボトムｐ型層３６が離れた位置に形成される。このため、ボトムｐ型層３６から伸びてくる空乏層によるＪＦＥＴ抵抗の増大が抑えられる。
（４）上記製造方法によると、照射されたｐ型不純物は、チャネリング効果によって格子間を通り抜ける。このため、結晶欠陥密度を抑えながら高濃度なボトムｐ型層３６を形成することができる。結晶欠陥密度を抑えることができるので、ドレイン・ソース間のリークが抑えられる。また、高濃度なボトムｐ型層３６により、トレンチゲート２２の底面の電界を良好に緩和することができる。
（５）上記製造方法によると、ボトムｐ型層３６をボディ領域３２に接続する接続領域３６ａを同時に形成することができる。このため、接続領域３６ａを形成するために要する工程数を削減できるので、製造コストを抑えることができる。

（第２実施形態）図７及び図８に、第２実施形態の半導体装置２を示す。なお、第１実施形態の半導体装置１と共通する構成要素については共通の符号を付し、その説明を省略する。この半導体装置２は、ボトムｐ型層１３６が、トレンチゲート２２の長手方向（［１－１００］方向）に沿って分散して配置されていることを特徴とする。これにより、ボトムｐ型層１３６のうちの接続領域（トレンチゲート２２の一方の短手側面Ｓ１に接して形成される部分）も、トレンチゲート２２の長手方向に沿って分散して配置されている。これにより、第１実施形態の半導体装置１と比較すると、半導体装置２は、トレンチゲート２２の短手側面Ｓ１に形成されるチャネルの面積が大きくなるので、低いチャネル抵抗という特性を有することができる。

半導体装置２は、トレンチＴＲ内に向けてｐ型不純物を照射してボトムｐ型層１３６を形成するのに先立って、長手方向に沿って分散したパターンのレジストをトレンチＴＲ内に形成して置くことで製造することができる。

（第３実施形態）図９～１１に、第３実施形態の半導体装置３を示す。なお、第１実施形態の半導体装置１と共通する構成要素については共通の符号を付し、その説明を省略する。半導体装置３では、半導体基板１２のオフ方向が半導体装置１の場合と異なっている。半導体装置３では、半導体基板１２が基底面の（０００１）面に対して［１－１００］方向にオフ角だけ傾いている。この例では、オフ角が約４°である。また、図１１に示すように、ボトムｐ型層２３６の接続領域２３６ａは、トレンチゲート２２の長手方向に対向する一対の長手側面Ｓ２のうちの一方の長手側面Ｓ２において、ゲート絶縁膜２４に接している。ボトムｐ型層２３６は、接続領域２３６ａを介してボディ領域３２に接触しており、ボディ領域３２に電気的に接続されている。半導体装置３は、トレンチゲート２２の側面の全体にチャネルが形成されるので、第１実施形態の半導体装置１及び第２実施形態の半導体装置２と比較して、低いチャネル抵抗という特性を有することができる。

半導体装置３は、半導体装置２は、トレンチＴＲ内に向けてｐ型不純物を照射してボトムｐ型層３６を形成するときに、ｐ型不純物の注入角が、基底面の（０００１）面に対して垂直となるように、オフ角に設定されている。この例では、半導体基板１２が（０００１）面に対して［１－１００］方向にオフ角だけ傾いているので、ｐ型不純物の注入角は、半導体基板１２の上面１２ａの垂直方向に対して［１－１００］方向にオフ角だけ傾いている。ｐ型不純物の注入角がオフ角に設定されていると、チャネリング効果によってｐ型不純物をトレンチＴＲの底面から深い位置にまで注入することができる。これにより、ボトムｐ型層３６は、トレンチＴＲの底面から深い位置にまで形成される。また、このイオン注入工程では、トレンチＴＲの長手方向に対向する一対の長手側面Ｓ２のうちの一方の長手側面Ｓ２にもｐ型不純物が注入され、これにより、ボトムｐ型層２３６の接続領域２３６ａも同時に形成される。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１，２，３：半導体装置
１２ ：半導体基板
２２ ：トレンチゲート
２４ ：ゲート絶縁膜
２６ ：ゲート電極
２８ ：層間絶縁膜
３０ ：ソース領域
３２ ：ボディ領域
３４ ：ドリフト領域
３５ ：ドレイン領域
３６ ：ボトムｐ型層
３６ａ ：接続領域
７０ ：ソース電極
７２ ：ドレイン電極
Ｓ１ ：短手側面
Ｓ２ ：長手側面
ＴＲ ：トレンチ

Claims (3)

1. トレンチゲートの底面に接するボトムｐ型層を備える半導体装置の製造方法であって、
   基底面に対してオフ角だけ傾いた炭化珪素の半導体基板の一方の主面にトレンチを形成するトレンチ形成工程と、
   前記トレンチ内に向けてｐ型不純物を照射し、前記ボトムｐ型層を形成するボトムｐ型層形成工程と、を備えており、
   前記ボトムｐ型層形成工程では、前記基底面に対して垂直方向から前記ｐ型不純物が注入されるように、前記ｐ型不純物の注入角が前記オフ角に設定されており、
   前記ボトムｐ型層形成工程では、前記トレンチの短手方向に対向する一対の短手側面のうちの一方の短手側面にも前記ｐ型不純物が注入され、これにより、前記ボトムｐ型層は前記半導体基板の前記一方の主面側に設けられているｐ型のボディ領域に接続するように形成される、半導体装置の製造方法。
2. 前記短手側面に形成された前記ボトムｐ型層は、前記トレンチの長手方向に沿って分散して配置されている、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. トレンチゲートの底面に接するボトムｐ型層を備える半導体装置の製造方法であって、
   基底面に対してオフ角だけ傾いた炭化珪素の半導体基板の一方の主面にトレンチを形成するトレンチ形成工程と、
   前記トレンチ内に向けてｐ型不純物を照射し、前記ボトムｐ型層を形成するボトムｐ型層形成工程と、を備えており、
   前記ボトムｐ型層形成工程では、前記基底面に対して垂直方向から前記ｐ型不純物が注入されるように、前記ｐ型不純物の注入角が前記オフ角に設定されており、
   前記ボトムｐ型層形成工程では、前記トレンチの長手方向に対向する一対の長手側面のうちの一方の長手側面にも前記ｐ型不純物が注入され、これにより、前記ボトムｐ型層は前記半導体基板の前記一方の主面側に設けられているｐ型のボディ領域に接続するように形成される、半導体装置の製造方法。

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