JPWO2009110229A1 - 炭化珪素半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

[要約][課題]ソース・ドレイン間の耐圧が高く、オン時とオフ時のゲート・ドレイン間容量の差を小さくした炭化珪素MOSFETを提供する。[解決手段] 第1導電型の炭化珪素基板上に設けられた第1導電型の炭化珪素ドリフト層と、炭化珪素ドリフト層の表層部に設けられた第2導電型を示す一対のベース領域と、一対の前記ベース領域の表層部の内側に設けられた第1導電型を示す一対のソース領域と、炭化珪素基板と一対の前記ベース領域との間に設けられた半絶縁領域とを設ける。[選択図] 図1

Description

この発明は、炭化珪素を用いた大電力用の半導体装置、特に炭化珪素を用いたMOSFETおよびその製造方法に係るものである。
MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)などの電力用半導体のスイッチング時にスイッチングノイズが発生する場合がある。このスイッチングノイズの発生を抑制することを目的として、オン時とオフ時のゲート・ドレイン間容量の差を大きくすることによりドレイン電圧のはね上がり電圧を減少させるMOSFET構造が提案されている(例えば特許文献1)。
また、炭化珪素MOSFETにおいては1000V級の電圧に耐えうる耐圧が必要であるため、比較的低濃度のp型ベース層とn型ドリフト層に高電圧が逆バイアス方向に印加される構造を採用し、このpn接合にできる空乏層により前記耐圧が決定されることが示されている(例えば特許文献2)。
さらに、炭化珪素を用いた半導体装置において、プロトンやHe2+などを注入することにより炭化珪素層を半絶縁性にすることが記載されている(例えば特許文献3)。
特開2004−6598号公報(第16〜17頁) 国際公開第2004/36655号公報(第5〜6頁) 特表平9−511103号公報(第13〜15頁)
しかしながら、特許文献1のようなオン時とオフ時のゲート・ドレイン間容量差が大きい従来のMOSFETにおいては、MOSFETがオフ時からオン時に切り替わる時に空乏層により形成される寄生容量に充電電流が流れ込みドレイン電流にオーバーシュートが発生するため、このオーバーシュートがドレイン電流の定格電流を超えてMOSFETが破壊することがあった。
このようなドレイン電流のオーバーシュートは、特許文献1のようにチャネル領域にp層を設けてオン時とオフ時のゲート・ドレイン間容量の差を大きくしたMOSFETに限らず、チャネル領域にp層を設けない一般的なMOSFETにも発生してMOSFETが破壊することがある。
MOSFETにおいて上記のようなドレイン電流のオーバーシュートの発生を抑制するためには、ソース・ドレイン間容量を小さくしp型ベース層とn型ドリフト層との間にできる空乏層の延びを小さくすればよいが、空乏層の延びを小さくするためにp型ベース層とn型ドリフト層との不純物濃度を高濃度にすると、特許文献2に記載されているようにソース・ドレイン間の耐圧の確保が困難になる。
この発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、ソース・ドレイン間耐圧を確保でき、ドレイン電流のオーバーシュートを抑制した炭化珪素MOSFETを提供することを目的とする。
この発明に係る炭化珪素半導体装置は、第1導電型の炭化珪素基板と、前記炭化珪素基板の主面上に設けられた第1導電型の炭化珪素ドリフト層と、前記炭化珪素ドリフト層の表層部に離間して設けられ第2導電型を示す一対のベース領域と、一対の前記ベース領域の表層部の内部に設けられ第1導電型を示す一対のソース領域と、前記炭化珪素基板と一対の前記ベース領域との間に設けられた一対の半絶縁領域と、前記炭化珪素ドリフト層の表面上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、前記ソース領域および前記ベース領域に接して設けられたソース電極と、前記炭化珪素基板の主面の反対側の面上に設けられたドレイン電極とを備えたものである。
この発明に係る炭化珪素半導体装置の製造方法は、炭化珪素基板上に第1導電型の第1炭化珪素ドリフト層を形成する工程と、前記第1炭化珪素ドリフト層の表層の一部に所定の間隔をおいて半絶縁性となる不純物イオンを注入する工程と、前記第1炭化珪素ドリフト層上に第2炭化珪素ドリフト層を形成する工程と、前記第2炭化珪素ドリフト層の表層の一部に第2導電型の不純物をイオン注入する工程と、前記第2炭化珪素ドリフト層の表層の一部に第1導電型の不純物をイオン注入する工程とを備えたものである。
この発明によれば、ソース・ドレイン間の耐圧が高く、オフ時からオン時に切り替わる時のソース・ドレイン間の容量変動を小さくしドレイン電流のオーバーシュートを抑制した炭化珪素半導体装置を得ることができる。
また、この発明によれば、ソース・ドレイン間の耐圧が高く、オフ時からオン時に切り替わる時のソース・ドレイン間の容量変動を小さくしドレイン電流のオーバーシュートを抑制した炭化珪素半導体装置を製造することができる。
実施の形態1.
図1は、この発明を実施するための実施の形態1における、炭化珪素半導体装置である炭化珪素MOSFETを示す断面模式図である。本実施の形態においては、第1導電型をn型、第2導電型をp型として説明する。
図1において、第一の主面の面方位が(0001)面であり4Hのポリタイプを有しn型で低抵抗の炭化珪素基板10の第一の主面上に、n型の炭化珪素ドリフト層20が形成されている。炭化珪素ドリフト層20の表面側のある幅だけ離間した部位には、アルミニウム(Al)をp型不純物として含有する一対のp型のベース領域30が形成されている。また、一対のベース領域30のそれぞれの断面方向の内側の表層部には、窒素(N)をn型不純物として含有する一対のn型のソース領域40が、ベース領域30のより浅く形成されている。さらに、p型のベース領域30と炭化珪素基板10との間の炭化珪素ドリフト層20には、ベース領域30の間隔より大きくソース領域40の間隔より小さな間隔に離間してベース領域30に接して設けられ、バナジウム(V)を不純物として含有する、一対の半絶縁領域90が形成されている。炭化珪素ドリフト層20のうち、ベース領域30、ソース領域40、半絶縁領域90でない領域をJFET領域201と呼ぶことにする。
また、ベース領域30およびソース領域40を含む炭化珪素ドリフト層20の表面側には、ベース領域30およびソース領域40の表面側の一部を除き酸化珪素で構成される絶縁膜50が形成されている。さらに、一対のソース領域40間の領域を含む部位に対向する位置の絶縁膜50の断面内部にはゲート電極60が形成されている。また、絶縁膜50が形成されていないベース領域30およびソース領域40の表面にはソース電極70が、また、炭化珪素基板10の第一の主面と反対側の第二の主面、すなわち、裏面側にはドレイン電極80がそれぞれ形成されている。
図1において、ベース領域30のうち絶縁膜50を介してゲート電極60と対向しオン動作時に反転層が形成される領域をチャネル領域という。本実施の形態の炭化珪素半導体装置においては、一対の半絶縁領域90の間隔を一対のベース領域30の間隔より大きくしているため、一対のベース領域30の間のJFET領域201の直下から広がりを持ちチャネル領域から炭化珪素ドリフト層20のJFET領域201と炭化珪素基板10とを経由してドレイン電極80につながるオン電流の経路が半絶縁性にならず、十分なオン電流を流すことができる。また、一対の半絶縁領域90の間隔を一対のソース領域40の間隔より小さくしているため、少なくともオフ時に高電圧が印加されるソース領域40直下に半絶縁領域90を設けられ、ソース・ドレイン間の耐圧を高くすることができる。
ここで、半絶縁領域90について詳しく説明しておく。炭化珪素層にVなどの遷移金属を添加すると、導電帯から0.2〜1.0eV程度の深い準位が形成される。この深い準位にキャリアがトラップされるため、炭化珪素層は1×108Ωcm程度の半絶縁性になる。
次に、本実施の形態における炭化珪素半導体装置であるMOSFETの動作を簡単に説明する。図1に示すMOSFETのゲート電極60に閾値電圧以上のプラス電圧が印加されると、チャネル領域に反転チャネルが形成され、n型のソース領域40とn型の炭化珪素ドリフト層20との間にキャリアである電子が流れる経路が形成される。ソース領域40から炭化珪素ドリフト層20へ流れ込む電子は、ドレイン電極80に印加されるプラス電圧により形成される電界に従って炭化珪素ドリフト層20および炭化珪素基板10を経由してドレイン電極80に到達する。したがって、ゲート電極60にプラス電圧を印加することにより、ドレイン電極80からソース電極70に電流が流れる。この状態をオン状態と呼ぶ。
オン状態の場合には、ソース電極70とドレイン電極80との間には高電圧はかからない。また、本実施の形態によるベース領域30下方に隣接する領域が半絶縁領域90であるので、ベース領域30と炭化珪素基板10の間に容量が発生する。
反対に、ゲート電極60に閾値電圧以下の電圧が印加されると、チャネル領域に反転チャネルが形成されないため、ドレイン電極80からソース電極70に電流が流れない。この状態をオフ状態と呼ぶ。このとき、ドレイン電極80にプラスの電圧が印加されるが、本実施の形態によるベース領域30下方に隣接する領域が半絶縁領域90であるので、オフ時に発生する容量は、半絶縁領域90とベース領域30内に延びる空乏層をあわせたものになる。また、ベース領域30と炭化珪素基板10の間に印加される高電圧は主に半絶縁領域90に印加されるが、半絶縁領域90が半絶縁性の性質を有するため耐圧が高くなり絶縁破壊が生じない。
このように、この発明の実施の形態1に係る炭化珪素半導体装置であるMOSFETは、オフ時からオン時に切り替わる時のソース・ドレイン間の容量差がオフ時に発生するベース領域30内に延びる空乏層に相当する容量となり、容量変動を小さくできドレイン電流のオーバーシュートを抑制することができる。したがって、オン/オフ切り替え時に定格を超えたドレイン電流が流れることを防ぐことができ、信頼性を高めることができる。また、半絶縁領域90を設けているため、オフ時に十分大きなドレイン−ソース間の耐圧を確保できる。
つづいて、実施の形態1の炭化珪素半導体装置であるMOSFETの製造方法について、図2〜図9を用いて順に説明する。図2〜図9は、MOSFETの各製造工程における断面模式図である。
まず、図2に示すように、炭化珪素基板10の表面上に化学蒸着堆積(Chemical Vapor Deposition:CVD)法により、1×1015cm―3〜1×1017cm―3のn型の不純物濃度、5〜30μmの厚さの第1炭化珪素ドリフト層21をエピタキシャル成長する。
次に、図3に示すように、炭化珪素ドリフト層20の表面に多結晶珪素で構成される第1注入マスク100を形成し、表面に第1注入マスク100が形成された炭化珪素ドリフト層21に不純物である遷移金属のVをイオン注入する。このとき、Vのイオン注入の深さは炭化珪素ドリフト層21の厚さ程度とする。また、イオン注入されたVの不純物濃度は、4×1015cm―3程度とする。第1炭化珪素ドリフト層21のうちVがイオン注入された領域が半絶縁領域90となる。
つづいて、図4に示すように第1注入マスク100を除去する。
次に、図5に示すように、Vがイオン注入された半絶縁領域90およびVがイオン注入されていない炭化珪素ドリフト層21の表面上に、第1炭化珪素ドリフト層21と同じ不純物濃度の第2炭化珪素ドリフト層22をCVD法によりエピタキシャル成長する。第2炭化珪素ドリフト層22の厚さは1〜5μm程度とする。
つづいて、第2炭化珪素ドリフト層22表面に第2注入マスク101を形成後、図6に示すように、第2炭化珪素ドリフト層22に濃度がおよそ2×1018cm-3になるようにp型不純物であるAlイオンを注入する。注入の深さは、第2炭化珪素ドリフト層22程度とし、ボックスプロファイルとなるように注入する。第2炭化珪素ドリフト層22内のAlイオンが注入された領域のうちp型を示す領域がベース領域30となる。ここで、第1炭化珪素ドリフト層21と第2炭化珪素ドリフト層22とをあわせて炭化珪素ドリフト層20とする。
次に、第2注入マスク101を除去後、ベース領域30の一部の表面に開口するように、第2炭化珪素ドリフト層22およびベース領域30の表面に第3注入マスク102を形成する。つづいて、図7に示すように、ベース領域30にn型不純物であるNイオンを濃度がおよそ3×1019cm-3になるように注入する。注入の深さはベース領域30より浅いものとし、ボックスプロファイルとなるように注入する。ベース領域30内のNが注入された領域のうちn型を示す領域がソース領域40となる。
次に、第3注入マスク102を除去後、熱処理装置によって、アルゴン(Ar)ガスなどの不活性ガス雰囲気中で1300〜1900℃、30秒〜1時間のアニールを行う。このアニールにより、イオン注入されたV、N、Alが活性化する。
つづいて、図8に示すように、ソース領域40およびベース領域30を含む炭化珪素ドリフト層20の表面を熱酸化して所望の厚みのゲート絶縁膜51を形成する。
次に、ゲート絶縁膜51の上に、導電性を有する多結晶珪素膜を減圧CVD法により形成し、これをパターニングすることによりゲート電極60を形成する。その後、図9に示すように、ゲート絶縁膜51およびゲート電極60の上に二酸化珪素で構成される層間絶縁膜52を形成し、ゲート絶縁膜51およびに層間絶縁膜52に開口する。
最後に、ソース領域40およびベース領域30に電気的に接続されるソース電極70を形成し、また、炭化珪素基板10の裏面側にドレイン電極80を形成して、MOSFET(図1)が完成する。ここで、ソース電極70およびドレイン電極80となる材料としてはAl合金などが挙げられる。
なお、本実施の形態においては、図1に示したように、ベース領域30と炭化珪素基板10との間の炭化珪素ドリフト層20の厚さ方向の全体にわたって半絶縁性領域90を設けた例を示したが、半絶縁性領域90は、ソース・ドレイン間の耐圧を確保できる厚さがあれば、図10に示すようにベース領域30と炭化珪素基板10との間の炭化珪素ドリフト層20の上部のみに設けてもよい。
また、本実施の形態においては、半絶縁性領域90に注入する不純物をVとし、その注入濃度として4×1015cm―3程度としたが、不純物は炭化珪素層を半絶縁性にできるものであればVに限るものではなく、クロミウム(Cr)、チタニウム(Ti)などの遷移金属であってもよく、プロトンなどであってもよい。また、その不純物濃度は炭化珪素層が半絶縁性になる濃度であれば不純物の種類に応じて選択すればよい。
さらに、ベース領域30を形成するために注入する不純物は、p型不純物であればよく、Alイオン以外に硼素(B)イオンなどであってもよい。ソース領域を形成するために注入する不純物は、p型不純物であればよく、Nイオン以外の燐(P)イオンなどであってもよい。また、注入不純物濃度は例示でありここに示した濃度に限るものではない。
なお、ゲート絶縁膜51としては炭化珪素ドリフト層を熱酸化したものを示したが、これに限るものではなく、酸化珪素堆積膜や他の堆積膜であってもよい。また、ゲート電極60の材料は、スパッタ法などで形成されたアルミニウムやチタンなどの金属であってもよい。また、ソース電極70およびドレイン電極80の材料としては、チタン、金などであってもよい。
実施の形態2.
図11は、この発明を実施するための実施の形態2における、炭化珪素半導体装置である炭化珪素MOSFETを示す断面模式図である。本実施の形態においても、第1導電型をn型、第2導電型をp型として説明する。
図11において、一対の半絶縁領域90の間隔が上端より下端で大きく、半絶縁領域90の横端が炭化珪素基板10の表面に対して傾斜して形成されており、一対の半絶縁領域90の上端の間隔は一対のベース領域30の間隔より大きく設定されていること以外は、実施の形態1における炭化珪素半導体装置と同様であるので説明を省略する。
次に、本実施の形態における炭化珪素半導体装置の製造方法について説明する。本実施の形態における炭化珪素半導体装置であるMOSFETの製造方法は、実施の形態1において第1注入マスク100を形成した状態でVをほぼ垂直にイオン注入するところを、第1注入マスク100に換えて第1注入マスク100より幅の狭い第4注入マスク110を形成し、斜め方向からVイオンを注入する以外は、実施の形態1のMOSFETの製造方法と同じである。以下、実施の形態1と異なる工程を説明する。
実施の形態1の図2と同様に、炭化珪素基板10の表面上に第1炭化珪素ドリフト層21をエピタキシャル成長した後、図12に示すように、炭化珪素ドリフト層20の表面に多結晶珪素で構成される第4注入マスク110を形成し、表面に第4注入マスク110が形成された炭化珪素ドリフト層20に不純物であるVを30°の斜め方向からイオン注入する。このとき、第4注入マスク110の形成位置は、イオン注入の傾斜角度と第4注入マスク110の厚さとを考慮して決定する。つづいて、第4注入マスク110を除去する。
次に、図13に示すように、第5注入マスク111を形成後、基板を180°回転させて30°の斜め方向からVイオンを斜め注入する。第5注入マスク111を除去後は、実施の形態1の図4から図10に示した工程と同様である。
図12および図13に示した工程を上面から見た模式図をそれぞれ図14および図15に示す。図14および図15に示すように、ゲート電極60が長方形である場合、ゲート電極60の2つの長辺の下部にそれぞれ半絶縁領域90を設けることになる。
なお、ゲート電極60の縦横の長さがほぼ同じ場合には、図16に示すように基板を90°ずつ回転させた4方向からVイオンを注入してもよい。この場合、オン電流が流れる炭化珪素ドリフト層内の経路を十分に確保できるため、よりオン電流を大きくすることができる。
なお、本実施の形態においては、Vイオンを30°の斜め方向からイオン注入する例を示したが、この角度は30°に限るものではなく15°〜60°であってもよい。
また、本実施の形態においては、半絶縁領域90が炭化珪素基板10にまで達するように形成した場合を示したが、半絶縁領域90は図17に示すように炭化珪素基板10にまで達しないで、炭化珪素ドリフト層20内に全て形成されていても同様の効果を奏する。
なお、実施の形態1および実施の形態2において、第1導電型をn型、第2導電型をp型としたが、これらの導電型は逆であってもよい。
この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置を示す断面模式図である。 この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面模式図である。 この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面模式図である。 この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面模式図である。 この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面模式図である。 この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面模式図である。 この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面模式図である。 この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面模式図である。 この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面模式図である。 この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面模式図である。 この発明の実施の形態2における炭化珪素半導体装置を示す断面模式図である。 この発明の実施の形態2における炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面模式図である。 この発明の実施の形態2における炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面模式図である。 この発明の実施の形態2における炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面模式図である。 この発明の実施の形態2における炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面模式図である。 この発明の実施の形態2における炭化珪素半導体装置の製造方法を示す上面から見た平面模式図である。 この発明の実施の形態2における炭化珪素半導体装置を示す断面模式図である。
符号の説明
10 炭化珪素基板、20 炭化珪素ドリフト層、30 ベース領域、40 ソース領域、50 絶縁膜、60 ゲート電極、70 ソース電極、80 ドレイン電極、100〜111 注入マスク。
この発明に係る炭化珪素半導体装置は、第1導電型の炭化珪素基板と、前記炭化珪素基板の主面上に設けられた第1導電型の炭化珪素ドリフト層と、前記炭化珪素ドリフト層の表層部に離間して設けられ第2導電型を示す一対のベース領域と、一対の前記ベース領域の表層部の内部に設けられ第1導電型を示す一対のソース領域と、前記炭化珪素基板と一対の前記ベース領域との間に設けられた一対の炭化珪素の半絶縁領域と、前記炭化珪素ドリフト層の表面上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、前記ソース領域および前記ベース領域に接して設けられたソース電極と、前記炭化珪素基板の主面の反対側の面上に設けられたドレイン電極とを備えたものである。
この発明に係る炭化珪素半導体装置の製造方法は、炭化珪素基板上に第1導電型の第1炭化珪素ドリフト層を形成する工程と、前記第1炭化珪素ドリフト層の表層の一部に所定の間隔をおいて半絶縁性となる不純物イオンを注入する工程と、半絶縁性となる前記不純物イオンを注入された前記第1炭化珪素ドリフト層および半絶縁性となる前記不純物イオンを注入されていない前記第1炭化珪素ドリフト層上に第2炭化珪素ドリフト層をエピタキシャル成長する工程、前記第2炭化珪素ドリフト層の表層の一部に第2導電型の不純物をイオン注入する工程と、前記第2炭化珪素ドリフト層の表層の一部に第1導電型の不純物をイオン注入する工程とを備えたものである。

Claims (5)

  1. 第1導電型の炭化珪素基板と、
    前記炭化珪素基板の主面上に設けられた第1導電型の炭化珪素ドリフト層と、
    前記炭化珪素ドリフト層の表層部に離間して設けられ第2導電型を示す一対のベース領域と、
    一対の前記ベース領域の表層部の内部に設けられ第1導電型を示す一対のソース領域と、
    前記炭化珪素基板と一対の前記ベース領域との間に設けられた一対の半絶縁領域と、
    前記炭化珪素ドリフト層の表面上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、
    前記ソース領域および前記ベース領域に接して設けられたソース電極と、
    前記炭化珪素基板の主面の反対側の面上に設けられたドレイン電極と
    を備えたことを特徴とする炭化珪素半導体装置。
  2. 一対の半絶縁領域の間隔は、上端より下端で大きい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。
  3. 一対の半絶縁領域の上端の間隔は、一対のベース領域の間隔より大きく一対のソース領域の間隔より小さいことを特徴とする請求項1または2に記載の炭化珪素半導体装置。
  4. 炭化珪素基板上に第1導電型の第1炭化珪素ドリフト層を形成する工程と、
    前記第1炭化珪素ドリフト層の表層の一部に所定の間隔をおいて半絶縁性となる不純物イオンを注入する工程と、
    前記第1炭化珪素ドリフト層上に第2炭化珪素ドリフト層を形成する工程と、
    前記第2炭化珪素ドリフト層の表層の一部に第2導電型の不純物をイオン注入する工程と、
    前記第2炭化珪素ドリフト層の表層の一部に第1導電型の不純物をイオン注入する工程とを備えたことを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
  5. 半絶縁性となる不純物イオンを注入する工程は、前記不純物イオンを炭化珪素基板表面に対して傾斜して注入することを特徴とする請求項4に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
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