JPH11274487A - 炭化珪素半導体装置の製造方法 - Google Patents

炭化珪素半導体装置の製造方法

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JPH11274487A
JPH11274487A JP10077876A JP7787698A JPH11274487A JP H11274487 A JPH11274487 A JP H11274487A JP 10077876 A JP10077876 A JP 10077876A JP 7787698 A JP7787698 A JP 7787698A JP H11274487 A JPH11274487 A JP H11274487A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 炭素含有量が少なく、かつ膜厚が薄いゲート
酸化膜が形成でき、ノーマリオフ型とするのに適した炭
化珪素半導体装置の製造方法を提供する。 【解決手段】 ゲート酸化膜7を形成する前に、まず表
面チャネル層5、p- 型ベース領域3a、3b及びn+
型ソース領域4a、4bの表層部にイオン種をイオン注
入し、珪素と炭素との結合を切っておく。そして、結合
が切れた炭素を酸化して、表面チャネル層5、p- 型ベ
ース領域3a、3b及びn+ 型ソース領域4a、4bか
ら外部に放出させる。その後、熱処理を施して結合が切
れた珪素を酸化してゲート酸化膜7を形成する。これに
より、炭素含有量の少ないシリコンを酸化して形成し
た、炭素含有量の少ないゲート酸化膜を形成することが
できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、炭化珪素半導体装
置の製造方法に関し、特に絶縁ゲート型電界効果トラン
ジスタ、とりわけ大電力用の縦型パワーMOSFETに
関するものである。
【0002】
【従来の技術】本出願人は、プレーナ型MOSFETに
おいて、チャネル移動度を向上させてオン抵抗を低減さ
せたものを、特願平9−259076号で出願してい
る。このプレーナ型MOSFETの断面図を図8に示
し、この図に基づいてプレーナ型MOSFETの構造に
ついて説明する。
【0003】n+ 型炭化珪素半導体基板1は上面を主表
面1aとし、主表面の反対面である下面を裏面1bとし
ている。このn+ 型炭化珪素半導体基板(以下、n+
半導体基板という)1の主表面1a上には、基板1より
も低いドーパント濃度を有するn- 型炭化珪素エピタキ
シャル層(以下、n- 型エピ層という)2が積層されて
いる。
【0004】このとき、n+ 型半導体基板1およびn-
型エピ層2の上面を(0001)Si面としているが、
+ 型半導体基板1およびn- 型エピ層2の上面を(1
12−0)a面としてもよい。つまり、(0001)S
i面を用いると低い表面状態密度が得られ、(112−
0)a面を用いると、低い表面状態密度で、かつ、完全
にらせん転位の無い結晶が得られる。
【0005】n- 型エピ層2の表層部における所定領域
には、所定深さを有するp- 型ベース領域3aおよびp
- 型ベース領域3bが離間して形成されている。また、
-型ベース領域3aの表層部における所定領域には、
ベース領域3aよりも浅いn + 型ソース領域4aが、ま
た、p- 型ベース領域3bの表層部における所定領域に
は、ベース領域3bよりも浅いn+ 型ソース領域4bが
それぞれ形成されている。
【0006】さらに、n+ 型ソース領域4aとn+ 型ソ
ース領域4bとの間におけるn- 型エピ層2およびp-
型ベース領域3a、3bの表面部にはn- 型SiC層5
が延設されている。つまり、p- 型ベース領域3a、3
bの表面部においてソース領域4a、4bとn- 型エピ
層2とを繋ぐようにn- 型SiC層5が配置されてい
る。このn- 型SiC層5は、エピタキシャル成長にて
形成されたものであり、エピタキシャル膜の結晶が4
H、6H、3Cのものを用いる。尚、エピタキシャル層
は下地の基板に関係なく各種の結晶を形成できるもので
ある。デバイスの動作時にデバイス表面においてチャネ
ル形成層として機能する。以下、n- 型SiC層5を表
面チャネル層という。
【0007】表面チャネル層5のドーパント濃度は、1
×1015cm-3〜1×1017cm-3程度の低濃度となっ
ており、かつ、n- 型エピ層2及びp- 型ベース領域3
a、3bのドーパント濃度以下となっている。これによ
り、低オン抵抗化が図られている。また、p- 型ベース
領域3a、3b、n+ 型ソース領域4a、4bの表面部
には凹部6a、6bが形成されている。
【0008】表面チャネル層5の上面およびn+ 型ソー
ス領域4a、4bの上面にはゲート絶縁膜(シリコン酸
化膜)7が備えられている。このゲート酸化膜7は、表
面チャネル層5及びn+ 型ソース領域4a、4bを熱酸
化することによって形成されている。さらに、ゲート絶
縁膜7の上にはポリシリコンゲート電極8が形成されて
いる。ポリシリコンゲート電極8は絶縁膜9にて覆われ
ている。絶縁膜9としてLTO(Low Temper
ature Oxide)膜が用いられている。その上
には凹部6a、6bを介してp- 型ベース領域3a、3
b及びn+ 型ソース領域4a、4bと電気的に接続され
たソース電極10が形成され、ソース電極10はn+
ソース領域4a、4bおよびp- 型ベース領域3a、3
bと接している。また、n+ 型半導体基板1の裏面1b
には、ドレイン電極層11が形成されている。
【0009】次に、このパワープレーナ型MOSFET
の作用(動作)を説明する。上記MOSFETは蓄積モ
ードで動作する。表面チャネル層5において、キャリア
はp- 型ベース領域3a、3bと表面チャネル層5との
間の静電ポテンシャルの差、及び表面チャネル層5とポ
リシリコンゲート電極8との間の仕事関数の差により生
じた電位によって空乏化される。このため、ポリシリコ
ンゲート電極8に印加する電圧を調整することにより、
表面チャネル層5とポリシリコンゲート電極8との間の
仕事関数の差と、外部からの印加電圧により生じる電位
差を変化させ、チャネルの状態を制御することでMOS
FETのオン、オフを制御する。
【0010】具体的には、オフ状態において、空乏領域
は、p- 型ベース領域3a、3b及びポリシリコンゲー
ト電極8により作られた電界によって、表面チャネル層
5内に形成されているため、ポリシリコンゲート電極8
に対して正のバイアスを供給することによって、ゲート
絶縁膜(SiO2 )7と表面チャネル層5との間の界面
においてn+ 型ソース領域4a、4bからn- 型ドリフ
ト領域2方向へ延びるチャネル領域を形成し、オン状態
にスイッチングさせる。
【0011】このとき、電子は、n+ 型ソース領域4
a、4bから表面チャネル層5を経由し表面チャネル層
5からJFET部を含むn- 型エピ層2に流れる。そし
て、n - 型エピ層(ドリフト領域)2に達すると、電子
は、n+ 型半導体基板(n+ ドレイン)1へ垂直に流れ
る。このようにゲート電極8に正の電圧を印加すること
により、表面チャネル層5に蓄積型チャネルを誘起さ
せ、ソース電極10とドレイン電極11との間に電流を
流す。
【0012】このように、プレーナ型MOSFETにお
いて、動作モードをチャネル形成層の導電型を反転させ
ることなくチャネルを誘起する蓄積モードとすること
で、導電型を反転させる反転モードのMOSFETに比
べ、チャネル移動度を大きくしてオン抵抗を低減させる
ようにしている。上述したように、ゲート酸化膜7は表
面チャネル層5、n+ 型ソース領域4a、4b及びp-
型ベース領域3a、3bを熱酸化することによって形成
されている。しかしながら、表面チャネル層5、n+
ソース領域4a、4b及びp- 型ベース領域3a、3b
は炭化珪素(SiC)で構成されているため、熱酸化の
際に炭素(C)が残留し、ゲート酸化膜7に結晶欠陥を
発生させてしまう。このため、しきい値電圧を変動させ
たり、耐圧を悪化させたりするという問題がある。
【0013】そこで、ゲート酸化膜7中における炭素を
少なくする方法として、熱酸化の前に、表面チャネル層
5、n+ 型ソース領域4a、4b及びp- 型ベース領域
3a、3b上に炭素が含まれていないシリコン層やポリ
シリコン層を成膜しておき、このシリコン層やポリシリ
コン層を熱酸化するという方法を採用することが考えら
れる(米国特許5,459,107号明細書参照)。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】故障時の安全性を考慮
すると、縦型パワーMOSFETは、ゲート電極8に電
圧を印加していない時には、ゲート酸化膜7側から及び
- 型ベース層3a、3b側から共に表面チャネル層5
内に空乏層が伸びて電流が流れないようになっているノ
ーマリオフ型であることが望ましい。
【0015】しかしながら、上述のような方法でゲート
絶縁膜を形成する場合、バラツキを小さくするために、
ある程度の膜厚でシリコン層やポリシリコン層を成膜し
なければならず、その結果ゲート酸化膜7の膜厚が厚く
なってしまって(具体的には200nm以上の膜厚とな
る)、ノーマリオフ型の縦型パワーMOSFETにする
のが困難であるという問題がある。つまり、ゲート酸化
膜7の膜厚が厚いと、ゲート電極8の仕事関数の影響を
あまり与えることができないため、ゲート酸化膜7側か
ら表面チャネル層5に向かって伸びる空乏層の伸びが小
さくなり、p-型ベース領域3a、3b側から伸びる空
乏層と接触しなくなるのである。
【0016】本発明は上記点に鑑みて成され、炭素含有
量が少なく、かつ膜厚が薄いゲート絶縁膜が形成でき、
ノーマリオフ型とするのに適した炭化珪素半導体装置の
製造方法を提供することを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、以下の技術的手段を採用する。請求項1乃至6に記
載の発明においては、表面チャネル層(5)、ベース領
域(3a、3b)及びソース領域(4a、4b)の表層
部にイオン種をイオン注入し、珪素と炭素との結合を切
る工程と、結合が切れた炭素を酸化して、表面チャネル
層、ベース領域及びソース領域から外部に放出させる工
程と、熱処理を施して前記結合が切れた珪素を酸化して
ゲート酸化膜(7)を形成する工程と、を備えているこ
とを特徴としている。
【0018】このように、ゲート酸化膜が形成される表
面となる表面チャネル層、ベース領域及びソース領域の
表層部における珪素と炭素の結合を、イオン注入によっ
て切ったのち、炭素を酸化させて外部に放出させ、その
後熱酸化によってゲート酸化膜を形成することにより、
炭素含有量の少ないシリコンを酸化して形成した、炭素
含有量の少ないゲート酸化膜を形成することができる。
また、熱酸化の場合には、シリコン層やポリシリコン層
を成膜する場合とは異なり、ゲート酸化膜を制御性よく
薄く形成することも可能にすることができる。これによ
り、例えば、ノーマリオフ型の炭化珪素半導体装置を好
適に製造することができる。
【0019】なお、炭素を外部に放出させるには、請求
項4に示すように、酸素プラズマで炭素を酸化させれば
よい。請求項2に記載の発明においては、珪素と炭素と
の結合を切る工程では、イオン種として珪素を用いたイ
オン注入を行うことを特徴としている。このように、イ
オン主として珪素を用いれば、珪素以外の不純物がほと
んど含まれていないゲート酸化膜を形成することができ
る。
【0020】請求項3に記載の発明においては、珪素と
炭素との結合を切る工程では、イオン種として酸素を用
いたイオン注入を行うことを特徴としている。このよう
に、酸素をイオン注入するようにすれば、該酸素によっ
て結合が切られた炭素を酸化させることができ、そのま
ま外部に放出されるようにすることができる。
【0021】請求項5に記載の発明においては、ゲート
酸化膜を形成する工程では、熱処理の温度を1000℃
以下で行うことを特徴としている。温度が1000℃以
下のような比較的低温度で熱酸化を行った場合、珪素は
酸化されるが、炭化珪素は酸化されない。このため、こ
の程度の温度でゲート酸化膜を形成することにより炭素
が外部に放出された部分のみ酸化されるようにでき、よ
り炭素含有量の少ないゲート酸化膜とすることができ
る。
【0022】従って、請求項6に記載の発明のように、
イオン注入の深さを制御することによって、ゲート酸化
膜の膜厚を制御することができ、これにより炭化珪素半
導体装置をノーマリオフ型にするのに適した膜厚、例え
ば100μmでゲート酸化膜を形成することができる。
【0023】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施形態
について説明する。図1に、本実施の形態におけるノー
マリオフ型のnチャネルタイププレーナ型MOSFET
(縦型パワーMOSFET)の断面図を示す。本デバイ
スは、インバータや車両用オルタネータのレクチファイ
ヤに適用すると好適なものである。
【0024】図1に基づいて縦型パワーMOSFETの
構造について説明する。但し、本実施形態における縦型
パワーMOSFETは、上述した図8に示すMOSFE
Tとほぼ同様の構造を有しているため、異なる部分につ
いてのみ説明する。なお、本実施形態における縦型パワ
ーMOSFETのうち、図8に示すMOSFETと同様
の部分については同様の符号を付してある。
【0025】図1に示す縦型パワーMOSFETでは、
炭素がほとんど含まれていない、結晶欠陥の少ないシリ
コン酸化膜でゲート酸化膜7が構成されている点におい
て、図8に示すMOSFETと異なる。このため、ゲー
ト酸化膜7は、しきい値電圧の変動が少なく、耐圧に優
れたものとなっている。また、本実施形態ではゲート酸
化膜7の膜厚を100nm以下に設定している。このよ
うに、薄い膜厚でゲート酸化膜7を形成することによ
り、ゲート電極8の仕事関数の影響がゲート酸化膜7か
ら表面チャネル層5に伸びる空乏層の伸びに十分に与え
られるようになっている。これにより、縦型パワーMO
SFETが効果的にノーマリオフ型になるようにしてい
る。
【0026】図8に示すMOSFETでは、 表面チャ
ネル層5を全てn- 型層で形成しているが、本実施形態
における縦型パワーMOSFETでは表面チャネル層の
うちチャネル領域となる部分5aをn- 型層で形成し、
チャネル領域となる部分以外の部分5bをn+ 型層で形
成している。すなわち、表面チャネル層5は、p- 型ベ
ース領域3a、3bの表面部及びn - 型エピ層2の表層
部においてソース領域4a、4bとn- 型エピ層2とを
繋ぐように形成されているが、このうちp- 型ベース領
域3a、3bの表面部をn-型層とし、n- 型エピ層2
の表面部をn+ 型層としている。これにより、n+ 型層
となる部分5bの抵抗値が小さくなって、オン抵抗を低
減するができる。
【0027】また、ベース領域3a、3bにおいて、一
部厚さが厚くなったディープベース層30a、30bが
形成されている。このディープベース層30a、30b
は、n+ 型ソース領域に重ならない部分に形成されてお
り、p- 型ベース領域3a、3bのうちディープベース
層30a、30bが形成された厚みが厚くなった部分
が、ディープベース層30aが形成されていない厚みの
薄い部分よりも不純物濃度が濃くなっている。
【0028】このようなディープベース層30a、30
bによって、ディープベース層30a、30b下のn-
型エピ層2における厚さが薄くなり(n+ 型半導体基板
1とディープベース層30a、30bとの距離が短くな
り)電界強度を高くすることができ、アバランシェブレ
ークダウン(以下、ブレークダウンと略す)し易くな
る。なお、ディープベース層30a、30bはn+ 型ソ
ース領域4a、4bと重ならないように形成しているた
め、寄生NPNトランジスタを動作させにくくすること
ができる。
【0029】次に、図1に示す縦型パワーMOSFET
の製造工程を、図2〜図5を用いて説明する。 〔図2(a)に示す工程〕まず、n型4Hまたは6Hま
たは3C−SiC基板、すなわちn+ 型半導体基板1を
用意する。ここで、n+ 型半導体基板1はその厚さが4
00μmであり、主表面1aが(0001)Si面、又
は、(112−0)a面である。この基板1の主表面1
aに厚さ5μmのn- 型エピ層2をエピタキシャル成長
する。本例では、n- 型エピ層2は下地の基板1と同様
の結晶が得られ、n型4Hまたは6Hまたは3C−Si
C層となる。
【0030】〔図2(b)に示す工程〕n- 型エピ層2
の上の所定領域にLTO膜20を配置し、これをマスク
としてB+ (若しくはアルミニウム)をイオン注入し
て、p- 型ベース領域3a、3bを形成する。このとき
のイオン注入条件は、温度が700℃で、ドーズ量が1
×1016cm-2としている。
【0031】〔図2(c)に示す工程〕LTO膜20を
除去した後、基板1の上面からN+ をイオン注入して、
- 型エピ層2の表層部及びp- 型ベース領域3a、3
bの表面部(表層部)に表面チャネル層5を形成する。
このときのイオン注入条件は、温度が700℃、ドーズ
量が1×1016cm-2としている。これにより、表面チ
ャネル層5は、p- 型ベース領域3a、3bの表面部で
は補償されてn型の不純物濃度が薄いn- 型層として形
成され、n- 型エピ層2の表面部ではn型の不純物濃度
が濃いn+ 型層として形成される。
【0032】また、縦型パワーMOSFETをノーマリ
オフ型にするために、表面チャネル層5の厚み(膜厚)
は、ゲート電極8に電圧を印加していない時におけるp
- 型ベース領域3a、3bから表面チャネル層5に広が
る空乏層の伸び量と、ゲート絶縁膜7から表面チャネル
層5に広がる空乏層の伸び量との和よりも小さくなるよ
うになっている。
【0033】具体的には、p- 型ベース領域3a、3b
から表面チャネル層5に広がる空乏層の伸び量は、表面
チャネル層5とp- 型ベース領域3a、3bとのPN接
合のビルトイン電圧によって決定され、ゲート絶縁膜7
から表面チャネル層5に広がる空乏層の伸び量は、ゲー
ト絶縁膜7の電荷及びゲート電極8(金属)と表面チャ
ネル層5(半導体)との仕事関数差によって決定される
ため、これらに基づいて表面チャネル層5の膜厚を決定
している。
【0034】このようなノーマリオフ型の縦型パワーM
OSFETは、故障などによってゲート電極に電圧が印
加できないような状態となっても、電流が流れないよう
にすることができるため、ノーマリオン型のものと比べ
て安全性を確保することができる。また、図1に示すよ
うに、p- 型ベース領域3a、3bは、ソース電極10
と接触していて接地状態となっている。このため、表面
チャネル層5とp- 型ベース領域3a、3bとのPN接
合のビルトイン電圧を利用して表面チャネル層5をピン
チオフすることができる。例えば、p- 型ベース領域3
a、3bが接地されてなくてフローティング状態となっ
ている場合には、ビルトイン電圧を利用してp- 型ベー
ス領域3a、3bから空乏層を延ばすということができ
ないため、p - 型ベース領域3a、3bをソース電極1
0と接触させることは、表面チャネル層5をピンチオフ
するのに有効な構造であるといえる。
【0035】なお、本実施形態では、不純物濃度が低い
ものでp- 型ベース領域3a、3bを形成しているが、
不純物濃度を高くすることによりビルトイン電圧をより
大きく利用することができる。また、本実施形態では炭
化珪素によって縦型パワーMOSFETを製造している
が、これをシリコンを用いて製造しようとすると、p-
型ベース領域3a、3bや表面チャネル層5等の不純物
層を形成する際における熱拡散の拡散量の制御が困難で
あるため、上記構成と同様のノーマリオフ型のMOSF
ETを製造することが困難となる。このため、本実施形
態のようにSiCを用いることにより、シリコンを用い
た場合と比べて精度良く縦型パワーMOSFETを製造
することができる。
【0036】また、ノーマリオフ型の縦型パワーMOS
FETにするためには、上記条件を満たすように表面チ
ャネル層5の厚みを設定する必要があるが、シリコンを
用いた場合にはビルトイン電圧が低いため、表面チャネ
ル層5の厚みを薄くしたり不純物濃度を薄くして形成し
なければならず、不純物イオンの拡散量の制御が困難な
ことを考慮すると、非常に製造が困難であるといえる。
しかしながら、SiCを用いた場合にはビルトイン電圧
がシリコンの約3倍と高く、表面チャネル層5の厚みを
厚くしたり不純物濃度を濃くして形成できるため、ノー
マリオフ型の蓄積型MOSFETを製造することが容易
であるといえる。
【0037】〔図3(a)に示す工程〕表面チャネル層
5の上の所定領域にLTO膜21を配置し、これをマス
クとしてN+ をイオン注入し、n+ 型ソース領域4a、
4bを形成する。このときのイオン注入条件は、700
℃、ドーズ量は1×1015cm-2としている。 〔図3(b)に示す工程〕そして、LTO膜21を除去
した後、フォトレジスト法を用いて表面チャネル層5の
上の所定領域にLTO膜22を配置し、これをマスクと
してRIEによりp- 型ベース領域3a、3b上の表面
チャネル層5を部分的にエッチング除去する。
【0038】〔図3(c)に示す工程〕さらに、LTO
膜22をマスクにしてB+ をイオン注入し、ディープベ
ース層30a、30bを形成する。これにより、ベース
領域3a、3bの一部が厚くなったものとなる。このデ
ィープベース層30a、30bは、n+ 型ソース領域4
a、4bに重ならない部分に形成されると共に、p-
ベース領域3a、3bのうちディープベース層30a、
30bが形成された厚みが厚くなった部分が、ディープ
ベース層30aが形成されていない厚みの薄い部分より
も不純物濃度が濃く形成される。
【0039】〔図4(a)に示す工程〕LTO膜22を
除去した後、全面にシリコン(Si)をイオン注入す
る。この場合のシリコンの打ち込み深さは、表面チャネ
ル層5を超えないようにし、少なくともn- 型層5aの
厚さを超えないようにする。例えば、n- 型層5aの厚
さを0.3μmとした場合には、エネルギーが30ke
V、ドーズ量が1×1015cm-2とすると良い。
【0040】また、このときイオン注入を、基板法線方
向に対して10°程度の角度以下とするように斜めに行
うことによって、注入されるイオンの深さを浅くするこ
とができる。このため、後に形成するゲート酸化膜7の
膜厚をより薄くすることができる。また、イオン注入
は、深さ方向に均一にイオン種が注入されるように、ボ
ックスプロファイルを形成する様に注入エネルギー、ド
ーズ量を変えて行っている。
【0041】〔図4(b)に示す工程〕シリコンのイオ
ン注入後、低温O2 プラズマ(例えば500℃程度又は
それ以上の温度)による表面処理を行い、シリコンのイ
オン注入により生じた格子間炭素を酸化する。これによ
り、結合が切れた炭素は効果的に酸化炭素(CO又はC
2 )となって外部に放出される。
【0042】このとき、低温O2 プラズマという比較的
低温の条件で酸化を行っているため、イオン注入によっ
て結合が切れた部分(以下、イオン注入層という)の炭
素が酸化され、この下に位置する炭化シリコン(Si
C)中の炭素は酸化されない。このため、イオン注入層
の炭素のみが外部に放出される。このように、炭素が外
部に放出されたイオン注入層は、図4(c)に示すよう
にシリコン層30となる。このシリコン層30は、O2
プラズマ時の温度条件により異なるが、シリコン結晶や
アモルファスシリコンで構成されている。
【0043】〔図5(a)に示す工程〕このシリコン層
をウェット酸化によってゲート酸化膜とする。このとき
の雰囲気温度は、1000℃以下の低温度(例えば、8
50℃)としている。この程度の温度によって酸化を行
った場合、イオン注入層におけるシリコンの部分は酸化
されるが、この下部における炭化珪素は酸化が進行しな
い。このため、上記ウェット酸化は、イオン注入層にお
けるシリコンの酸化が完了したら、即座に終了する。そ
して、上述したようにイオン注入の深さを制御している
ことから、ゲート酸化膜7は膜厚が100nm以下で形
成が可能となる。なお、イオン注入の深さを制御するこ
とによってゲート酸化膜7の膜厚は任意に設定すること
ができる。
【0044】また、ゲート酸化膜と表面チャネル層5と
の界面における界面準位密度の更なる低減のために、上
記ウェット酸化の後、不活性ガス中にて熱処理を行い、
さらに再酸化処理を行う。熱処理は、不活性ガスとして
2 、Ar、H2 、NO、N 2 Oを用いており、温度を
1080℃としている。また、再酸化は950℃でのウ
ェット酸化としている。
【0045】その後、ゲート絶縁膜7の上にポリシリコ
ンゲート電極8をLPCVDにより堆積する。このとき
の成膜温度は600℃とする。 〔図5(b)に示す工程〕引き続き、ゲート絶縁膜7の
不要部分を除去した後、LTOよりなる絶縁膜9を形成
しゲート絶縁膜7を覆う。より詳しくは、成膜温度は4
25℃であり、成膜後に1000℃のアニールを行う。
【0046】〔図5(c)に示す工程〕そして、室温で
の金属スパッタリングによりソース電極10及びドレイ
ン電極11を配置する。また、成膜後に1000℃のア
ニールを行う。このようにして、図1に示す縦型パワー
MOSFETが完成する。次に、この縦型パワーMOS
FETの作用(動作)を説明する。
【0047】本MOSFETはノーマリオフ型の蓄積モ
ードで動作するものであって、ポリシリコンゲート電極
に電圧を印加しない場合は、表面チャネル層5において
キャリアは、p- 型ベース領域3a、3bと表面チャネ
ル層5との間の静電ポテンシャルの差、及び表面チャネ
ル層5とポリシリコンゲート電極8との間の仕事関数の
差により生じた電位によって全域空乏化される。ポリシ
リコンゲート電極8に電圧を印加することにより、表面
チャネル層5とポリシリコンゲート電極8との間の仕事
関数の差と外部からの印加電圧の和により生じる電位差
を変化させる。このことにより、チャネルの状態を制御
することができる。
【0048】つまり、ポリシリコンゲート電極8の仕事
関数を第1の仕事関数とし、p- 型ベース領域3a、3
bの仕事関数を第2の仕事関数とし、表面チャネル層5
の仕事関数を第3の仕事関数としたとき、第1〜第3の
仕事関数の差を利用して、表面チャネル層5のn型のキ
ャリアを空乏化する様に第1〜第3の仕事関数と表面チ
ャネル層5の不純物濃度及び膜厚を設定することができ
る。
【0049】また、オフ状態において、空乏領域は、p
- 型ベース領域3a、3b及びポリシリコンゲート電極
8により作られた電界によって、表面チャネル層5内に
形成される。この状態からポリシリコンゲート電極8に
対して正のバイアスを供給すると、ゲート絶縁膜(Si
2 )7と表面チャネル層5との間の界面においてn +
型ソース領域4a、4bからn- 型ドリフト領域2方向
へ延びるチャネル領域が形成され、オン状態にスイッチ
ングされる。このとき、電子は、n+ 型ソース領域4
a、4bから表面チャネル層5を経由し表面チャネル層
5からn- 型エピ層2に流れる。そして、n- 型エピ層
2(ドリフト領域)に達すると、電子は、n+ 型半導体
基板1(n+ ドレイン)へ垂直に流れる。
【0050】このようにゲート電極8に正の電圧を印加
することにより、表面チャネル層5に蓄積型チャネルを
誘起させ、ソース電極10とドレイン電極11との間に
キャリアが流れる。 (他の実施形態)上記実施形態では、シリコンと炭素の
結合を切るためのイオン注入に、イオン注入種としてシ
リコンを用いているが、シリコン以外のイオン注入種を
用いてもよい。つまり、イオン注入時の衝撃によってシ
リコンと酸素の結合を切ることができるため、このよう
な効果が得られればイオン注入種に何を用いても良い。
【0051】例えば、イオン注入種としてシリコンに代
えて酸素を用いることができる。この場合、注入された
酸素によって結合が切れた炭素を酸化し、酸化炭素とし
て外部に放出させることができるという効果が得られ
る。但し、シリコンを用いた場合には、シリコン層30
内に他の不純物が混入しないため、イオン種としてシリ
コンを用いるのが好ましい。
【0052】また、ゲート酸化膜7をウェット酸化によ
って形成したが、酸化速度が速いためウェット酸化を選
択したのであり、選択したい酸化速度に応じてドライ酸
化としても構わない。さらに、上記実施形態では、イオ
ン注入によって炭化珪素における炭素と珪素の結合を切
り、炭素を外部に放出させるようにしてゲート酸化膜7
の中に炭素が含まれないようにしているが、ゲート酸化
膜7を形成する前に、表面チャネル層5上にアモルファ
スシリコンを成膜しておき、このアモルファスシリコン
を熱酸化することによってゲート酸化膜7を形成するよ
うにしてもよい。
【0053】このアモルファスシリコンは、室温程度の
低温で成膜できることから、成長速度を小さくすること
ができるため、制御性よく膜厚を薄くすることができ、
また膜厚を薄くしても(例えば10nm程度)均一性よ
く成膜することができるため、バラツキなくゲート酸化
膜7の膜厚を薄くすることができる。これに比して、ポ
リシリコン等は高温度で成膜しなければならないことか
ら、成長速度が大きくなり、制御性良く膜厚を薄くでき
ないこと、さらに膜厚を薄くするとバラツキが大きくな
ることからアモルファスシリコンを用いてゲート酸化膜
7を形成するということは有効であるといえる。
【0054】また、上記実施形態では、n- 型エピ層2
の表層部及びp- 型ベース領域3a、3bの表面部(表
層部)に直接イオン注入を行うことにより表面チャネル
層5を形成しているが、図6に示すようにこれらの上に
- 型の表面チャネル層5をエピタキシャル成長させる
ようにし、その後フォト工程、イオン注入によって表面
チャネル層5のうちチャネル領域以外の部分のn型不純
物濃度を選択的に濃くするようにしてもよい。但し、こ
のように行った場合には製造工程が増加するため、上記
実施形態の方法で縦型パワーMOSFETを製造するの
が好ましい。
【0055】また、図7に示すように、n+ 型ソース領
域4a、4bを形成しておいた後に、n+ 型ソース領域
4a、4bやp- 型ベース領域3a、3b及びn- 型エ
ピ層2の表面上に表面チャネル層40をエピタキシャル
成長させるようにしたものにおいて、チャネル領域以外
の部分をn+ 型層として形成するようにしてもよい。但
し、この場合においても表面チャネル層40をエピタキ
シャル成長させ、その後さらに図6に示すものと同様に
イオン注入を行わなければならず、製造工程が増加する
ため、上記実施形態に示す方法がより効果的であるとい
える。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態における縦型パワーMOS
FETの断面図である。
【図2】図1に示す縦型パワーMOSFETの製造工程
を示す図である。
【図3】図2に続く縦型パワーMOSFETの製造工程
を示す図である。
【図4】図3に続く縦型パワーMOSFETの製造工程
を示す図である。
【図5】図4に続く縦型パワーMOSFETの製造工程
を示す図である。
【図6】他の実施形態における縦型パワーMOSFET
を説明するための断面図である。
【図7】他の実施形態における縦型パワーMOSFET
を説明するための断面図である。
【図8】本出願人が先に出願した縦型パワーMOSFE
Tの構成を示す断面図である。
【符号の説明】
1…n+ 型半導体基板、2…n- 型エピ層、3a、3b
…p- 型ベース領域、4a、4b…n+ 型ソース領域、
5…表面チャネル層(n- 型SiC層)、5a…n-
層の部分、5b…n+ 型層の部分、7…ゲート絶縁膜、
8…ゲート電極、9…絶縁膜、10…ソース電極、11
…ドレイン電極層、30…シリコン層。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1導電型の半導体基板(1)の主表面
    上に、この半導体基板よりも高抵抗な炭化珪素よりなる
    第1導電型の半導体層(2)を形成する工程と、 前記半導体層の表層部の所定領域に、所定深さを有する
    第2導電型のベース領域(3a、3b)を形成する工程
    と、 前記ベース領域の表層部の所定領域に、該ベース領域の
    深さよりも浅い第1導電型のソース領域(4a、4b)
    を形成する工程と、 前記半導体層と前記ソース領域とを繋ぐように、前記ベ
    ース領域の上部にチャネル形成領域となる表面チャネル
    層(5)を形成する工程と、 前記表面チャネル層、前記ベース領域及び前記ソース領
    域の表層部にイオン種をイオン注入し、珪素と炭素との
    結合を切る工程と、 前記結合が切れた炭素を酸化して、前記表面チャネル
    層、前記ベース領域及び前記ソース領域から外部に放出
    させる工程と、 熱処理を施して前記結合が切れた珪素を酸化し、ゲート
    酸化膜(7)を形成する工程と、 前記表面チャネル層をチャネル領域として、少なくも該
    表面チャネル層上に前記ゲート酸化膜を介してゲート電
    極(8)を形成する工程と、 前記ソース領域及び前記ベース領域と接触するソース電
    極(10)を形成する工程と、 前記半導体基板のうち前記主表面とは反対側にドレイン
    電極(11)を形成する工程と、を含むことを特徴とす
    る炭化珪素半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記珪素と前記炭素との結合を切る工程
    では、イオン種として珪素を用いたイオン注入を行うこ
    とを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素半導体装置の
    製造方法。
  3. 【請求項3】 前記珪素と前記炭素との結合を切る工程
    では、イオン種として酸素を用いたイオン注入を行うこ
    とを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素半導体装置の
    製造方法。
  4. 【請求項4】 前記炭素を外部に放出させる工程では、
    酸素プラズマでの酸化によって行っていることを特徴と
    する請求項1乃至3のいずれか1つに記載の炭化珪素半
    導体装置の製造方法。
  5. 【請求項5】 前記ゲート酸化膜を形成する工程では、
    前記熱処理の温度を1000℃以下で行うことを特徴と
    する請求項1乃至4のいずれか1つに記載の炭化珪素半
    導体装置の製造方法。
  6. 【請求項6】 前記珪素と前記炭素との結合を切る工程
    における前記イオン注入の深さを制御することによっ
    て、前記ゲート酸化膜が100μm以下の膜厚で形成さ
    れるようにすることを特徴とする請求項1乃至5のいず
    れか1つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
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