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JP4627272B2 - 炭化珪素半導体装置および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および炭化珪素半導体装置の製造方法 Download PDF

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Description

この発明は、炭化珪素半導体装置、および炭化珪素半導体装置の製造方法に係る発明であり、特に、ドリフト層の表面上に、濃度の異なる2つのウエル領域が形成される炭化珪素半導体装置および炭化珪素半導体装置の製造方法に関するものである。
次世代の高耐圧低損失スイッチング素子として、縦型高耐圧炭化珪素電界効果型トランジスタが期待されている。本素子は、たとえば特許文献1に示されているように、炭化珪素基板上に存在するドリフト層の基板表面近傍に、高濃度ウエル領域、当該高濃度ウエル領域内に形成されるソース領域、低濃度ウエル領域、および一対の低濃度ウエル領域に挟まれたゲート電極下に存在するJFET領域を具備している。
さらに特許文献1の特徴として、高濃度ウエル領域と低濃度ウエル領域とが基板横方向に並んで形成されており、かつチャネル領域が低濃度ウエル領域に存在する構造が開示されている。
特開2004−146465号公報
しかし、特許文献1の炭化珪素半導体装置では、高濃度ウエル領域がチャネル領域に存在していないので、装置自体を小型化するとリーク電流が増えるという問題があった。
そこで、本発明は、装置自体を小型化してもリーク電流を抑制することが可能な炭化珪素半導体装置、およびその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。
上記の目的を達成するために、本発明に係る請求項1に記載の炭化珪素半導体装置は、第一の導電型である炭化珪素半導体基板と、前記炭化珪素半導体基板上に形成される、第一の導電型である炭化珪素から成るドリフト層と、前記ドリフト層の表面のチャネル領域に形成される、第二の導電型である第1のウエル領域と、前記ドリフト層の表面のチャネル領域に前記第1のウエル領域に隣接して形成され、前記第1のウエル領域の不純物濃度よりも不純物濃度が高い、第二の導電型である第2のウエル領域と、前記第2のウエル領域内に前記チャネル領域に隣接して形成される、第一の導電型であるソース領域と、前記チャネル領域の上面に形成されるゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の上面に形成されるゲート電極と、前記チャネル領域を含む素子形成領域の外周部に設けられた第二の導電型である高耐圧保持可能領域とを備え、前記高耐圧保持可能領域は、前記第1のウエル領域と同じ深さ方向の不純物濃度分布で、1×1017〜1×1019cm-3の不純物濃度であるとしたものである。
また、請求項3に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法は、(A)第一の導電型を有する炭化珪素半導体基板上に、第一の導電型となる炭化珪素から成るドリフト層を形成する工程と、(B)前記ドリフト層の表面に、第二の導電型となる所定の不純物濃度の第1のウエル領域および素子形成領域の外周部に設けられた第二の導電型である高耐圧保持可能領域を同じ深さ方向の不純物濃度分布で1×1017〜1×1019cm-3の不純物濃度になるように同時に形成する工程と、(C)前記ドリフト層の表面の前記第1のウエル領域に隣接するように、第二の導電型となり、かつ、前記第1のウエル領域よりも不純物濃度の高い第2のウエル領域を形成する工程と、(D)前記第2のウエル領域の表面の所定箇所に、第一の導電型となるソース領域を形成する工程と、(E)前記素子形成領域のチャネル領域となる前記第1のウエル領域および前記第2のウエル領域の上面にゲート絶縁膜を形成する工程と、(F)前記ゲート絶縁膜の上面にゲート電極を形成する工程とを備えることとしたものである。
本発明に係る請求項1に記載の炭化珪素半導体装置は、上記のような構成としたので、装置自体を小型化してもリーク電流を抑制することが可能となる。
また、請求項4に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法は、上記のような工程としたので、装置自体を小型化してもリーク電流を抑制することが可能な炭化珪素半導体装置を製造することが可能となる。
以下、この発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。
<実施の形態1>
図1は、本実施の形態に係わる製造方法の結果形成される、炭化珪素電界効果型トランジスタ(以下、炭化珪素半導体装置と称する)の構成を示す断面図である。
図1に示すように、第一の導電型を有する炭化珪素半導体基板1の第一の主面上に、第一の導電型を有するドリフト層2が形成されている。また、ドリフト層2の表面内には、第二の導電型を有する、比較的不純物濃度の高い(つまり、後述する低濃度ウエル領域3a(第1のウエル領域)よりも不純物濃度の高い)高濃度ウエル領域3b(第2のウエル領域)が形成されている。
また、ドリフト層2の表面内には、断面視において高濃度ウエル領域3bに隣接して低濃度ウエル領域3aが形成されている。ここで、当該低濃度ウエル領域3aは、高濃度ウエル領域3bよりも不純物濃度が低い。また、当該低濃度ウエル領域3a内には、チャネルが形成される。なお当該低濃度ウエル領域は、第二の導電型を有する。
また、所定の高濃度ウエル領域3bの上面内には、第一の導電型を有するソース領域5が形成されている。ここで、断面視において、二つのソース領域5の間には、ウエルコンタクト領域6が形成されている。
また、図1に示すように、断面視において、ソース領域5の端部と低濃度ウエル領域3aとの間には、高濃度ウエル領域3bが形成されている。当該構成からも分かるように、チャネルは、低濃度ウエル領域3aと高濃度ウエル領域3bの上面近傍に形成される。なお、後述するように、断面視において、ソース領域5と低濃度ウエル領域3aとが直接接続されている場合には、チャネルは、低濃度ウエル領域3aの上面近傍のみに形成される。
また、ドリフト層2の上面内には、高耐圧を保持する領域として、JTE(Junction Termination Extension)またはガードリング(以下、総称して高耐圧保持可能領域4と称する)が、形成されている。ここで、高耐圧保持可能領域4は、第二の導電型を有する。また高耐圧保持可能領域4は、素子(すなわち、炭化珪素半導体装置)の外周部(周縁部)において当該素子を囲繞するように形成されている。
ここで、以下に説明する製造方法を施した結果、低濃度ウエル領域3aと高耐圧保持可能領域4とは、ほぼ同様の不純物分布を有する。より具体的には、低濃度ウエル領域3aの深さ方向の不純物分布は、高耐圧保持可能領域4の深さ方向の不純物分布とほぼ同様である。
なお、ドリフト層2の表面内には、フィールドストッパー領域7も形成されている。また、ドリフト層2の上面には、ゲート絶縁膜8が形成されている。ここで、ゲート絶縁膜の一部は開口しており、当該開口部からは、ウエルコンタクト領域6およびソース領域5の一部が臨まれる。
また、ゲート絶縁膜8上に所望の形状のゲート電極9が形成されている。ここで、当該ゲート電極9は、平面視において、ソース電極の一部、高濃度ウエル領域3b、低濃度ウエル領域3a、およびJFET領域2aに渡って形成されている。
ここで、JFET領域2aは、断面視において低濃度ウエル領域3aに隣接して形成されている。また、当該JFET領域2aは、ゲート絶縁膜8を介してゲート電極9の下方に形成されている。また、当該JFET領域2aに分布している不純物の導電型は、第一の導電型である。つまり、JFET領域2aは、第一の導電型を有する。
また、当該ゲート電極9を覆うように、ゲート絶縁膜8上に層間絶縁膜14が形成されている。ここで、層間絶縁膜14は開口部を有しており、当該開口部からはウエルコンタクト領域6およびソース領域5の一部が臨まれる。そして、当該開口部の底部において、ウエルコンタクト領域6上面およびソース領域5の一部の上面と接するように、ソース電極11が形成されている。なお、炭化珪素半導体基板1の第二の主面上には、ドレイン電極10が形成されている。
次に、本実施の形態に係わる炭化珪素半導体装置の製造方法について、説明する。
まず、図2を参照して、エピタキシャル結晶成長法などにより、第一の導電型を有する炭化珪素半導体基板1上に、第一の導電型を有する炭化珪素から成るドリフト層2を形成する。
ドリフト層2の厚さは5〜50μmあれば良く、第一の導電型の不純物濃度としては、1×1015〜1×1018cm-3あれば良い。こうすることで、数100V〜3kV以上の耐圧を持つ縦型電界効果型トランジスタが実現できる。なお、より好ましくは、ドリフト層2の厚さを10〜20μm、第一の導電型の不純物濃度として1×1015〜5×1016cm-3とする。
また、第一の導電型の炭化珪素半導体基板1としては、n型の導電性を示すことが望ましく、また、その面方位やポリタイプはいかなるものでも構わない。さらに、第一の導電型(ここでは、n型)の不純物濃度が1×1018cm-3以上ドーピングされていることが望ましい。
一方、本実施の形態1で示した手法によらず、予めドリフト層2が形成されている炭化珪素半導体基板1を用いても良い。
また図2と異なるが、ドリフト層2を形成後に、連続して第一の導電型を有するドリフト層(以下、第二のドリフト層2cと称する)をエピタキシャル結晶成長法などにより形成しておいても良い(図3参照)。
当該第二のドリフト層2cの厚さは0.3〜1.0μmあれば良く、第一の導電型の不純物濃度としては、ドリフト層2よりも高濃度であれば良い(この場合、完成品におけるJFET領域2aの不純物濃度は、ドリフト層2の不純物濃度よりも高くなる)。このように設定することで、作製される電界効果型トランジスタのJFET領域2aにおける抵抗が低減される。
なお、当該第二のドリフト層2cは、第一の導電型の不純物が均一に存在していても良く、上記ドリフト層2との界面近傍がより高濃度になっていても良く、さらには第一の導電型の不純物濃度の異なる2層以上の層からなっていても良い。
当該第二のドリフト層2cを形成した場合は、素子外周部に存在する第二のドリフト層2cに対して写真製版と乾式もしくは湿式エッチングなどを施しても良い。つまり当該工程により、当該部分の第二のドリフト層2cを除去しても良い。そして、当該除去された領域の下方に存する上記ドリフト層2の表面内に、後述する第二の導電型を有する高耐圧保持可能領域4を形成する。
こうすることにより、比較的濃度の高い第二のドリフト層2cの不純物濃度に影響されずに、第二導電型を有する高耐圧保持可能領域4の不純物濃度分布を決定(設定)することができる。
さて図2を用いた製造方法の説明に話を戻す。
次に、図2を参照して写真製版とイオン注入(第一のイオン注入と把握できる)によって、前記ドリフト層2の表面内の所定の領域に、第二導電型を有する低濃度ウエル領域3aと第二の導電型を有する高耐圧保持可能領域4とを、同一の工程にて形成する。
低濃度ウエル領域3aの深さおよび高耐圧保持可能領域4の深さは、ドリフト層2の深さを越えないようにし、これらの深さはたとえば0.4〜1.5μmあれば良い。第二の導電型の不純物濃度は、ドリフト層2中の第一の導電型の不純物濃度を超えるようにし、たとえば1×1017〜1×1019cm-3(好ましくは1×1017〜1×1018cm-3、より好ましくは1×1017〜5×1017cm-3)あれば良い。
ここで上述したように、第二導電型を有する低濃度ウエル領域3aの表面近傍には、チャネルが形成される。また、低濃度ウエル領域3aと高耐圧保持可能領域4とが同一の工程にて形成されるので、低濃度ウエル領域3aの不純物分布(不純物濃度分布)と高耐圧保持可能領域4の不純物分布(不純物濃度分布)とは、ほぼ同じとなる。
ここで、低濃度ウエル領域3aは、図2で示したように、比較的広範囲の領域に渡って形成しても良く、図4に示すように、比較的狭い範囲に分割して、低濃度ウエル領域3aを形成しても良い。
さて次に、図5に示すように、写真製版とイオン注入(第二のイオン注入および第三のイオン注入等を含む)によって、第二の導電型を有する高濃度ウエル領域3b、ウエルコンタクト領域6、第一の導電型を有するソース領域5、フィールドストッパー領域7を、各々所望の領域に形成する。
低濃度ウエル領域3aの所定の箇所に対して、イオン注入処理(第二のイオン注入処理)を施すことにより、高濃度ウエル領域3bを形成する。ここで上述の通り、高濃度ウエル領域3bは、第二の導電型を有している。また、高濃度ウエル領域3bの不純物濃度は、低濃度ウエル領域3aの不純物濃度よりも高い。
また、高濃度ウエル領域3bの所定の箇所に対して、イオン注入処理(第三のイオン注入処理)を施すことにより、第一の導電型を有するソース領域5を形成する。
図5から分かるように、平面視した場合、高濃度ウエル領域3bは、低濃度ウエル領域3aの形成領域内に含まれている。
当該高濃度ウエル領域3bの深さは、ドリフト層2の深さを越えないようにし、当該高濃度ウエル領域3bの深さは、たとえば0.4〜2.0μmあれば良い。また高濃度ウエル領域3bの深さは、低濃度ウエル領域3aの深さを超えることが望ましい。
さらに、第二の導電型の不純物濃度は、低濃度ウエル領域3a中の第二の導電型の不純物濃度を超えるようにし、たとえば2×1017〜2×1019cm-3あれば良い。また当該第二の導電型の不純物濃度は、基板表面側に向かって不純物濃度が減少するように分布していても良い。
ここで、図4に示す態様にて低濃度ウエル領域3aを形成した場合には、図4の点線にて示されているように、高濃度ウエル領域3bを形成すれば良い。ここで、図4において、低濃度ウエル領域3aと高濃度ウエル領域3bとは、50nm〜5um程度重なるように形成しても良い。
また、ソース領域5の深さは、高濃度ウエル領域3bの深さを超えないようにし、その深さはたとえば10nm〜0.5μmあれば良い。また、ソース領域5中の第一の導電型の不純物濃度は、高濃度ウエル領域3bの第二の導電型の不純物濃度を超えるようにし、たとえば1×1018〜1×1021cm-3あれば良い。
さらに、ソース領域5は、図5に示すように高濃度ウエル領域3bの内部に含まれるように形成することが望ましい。つまり、上述したように、図5の断面視において、ソース領域5の端部と低濃度ウエル領域3aとの間に、高濃度ウエル領域3bが形成されていることが望ましい。
なお、上記のように、ソース領域5の端部と低濃度ウエル領域3aとの間に、高濃度ウエル領域3bが形成されている場合には、チャネルは、ソース領域5の端部から高濃度ウエル領域3b、低濃度ウエル領域3aの各表面部分に渡って形成される。当該場合において、たとえば微細なチャネル長を持つ素子を作製するとき、図5の断面視における低濃度ウエル領域3aの幅は(より具体的には、表面近傍の当該低濃度ウエル領域3aの幅は)、0.1〜2.0um(より好ましくは0.3〜1.0um)であることが望ましい。また、図5の断面視におけるソース領域5と低濃度ウエル領域3aとの間に存する、高濃度ウエル領域3bの幅は(より具体的には、表面近傍の当該高濃度ウエル領域3bの幅は)、1.0um以下(より好ましくは0.5um以下)であることが望ましい。
図5を用いて説明した工程終了後、続いて、当該図5に示した基板を洗浄する。そして当該洗浄を施した後に、熱処理装置を用いて当該基板に対して熱処理を施す。ここで、当該熱処理は、たとえば1400〜1800℃程度の温度で、たとえば30秒〜1時間程度行われる。当該熱処理の結果、上記までの各イオン注入工程により注入されたイオンが、電気的に活性化される。
当該熱処理以降は、通常の手法に基づいて、酸化珪素や酸化窒化珪素や金属酸化膜や金属窒化膜などからなるゲート絶縁膜8形成、多結晶珪素や高融点金属からなるゲート電極9形成、酸化珪素や窒化珪素からなる層間絶縁膜14堆積、ニッケルやチタン、アルミニウムの珪化物からなるソース電極11とドレイン電極10の形成等を形成した後、保護膜を形成するなどによって、図1に示した炭化珪素半導体装置が完成する。
なお、上記炭化珪素半導体装置の完成までの工程において、ゲート絶縁膜8形成前に、エピタキシャルチャネル領域12を形成する工程を追加しても良い。これにより、図6に示す構造(つまり、図1の構成にエピタキシャルチャネル領域12が別途設けられた構成)の炭化珪素半導体装置が形成される。
ここで、エピタキシャルチャネル領域12は、第一または第二の導電型の炭化珪素から構成される。また、当該エピタキシャルチャネル領域12の膜厚は、10〜1000nm程度である。また、断面視において当該エピタキシャルチャネル領域12は、ソース領域5の一部上、高濃度ウエル領域3b上、低濃度ウエル領域3a上、およびJFET領域2a上に渡って形成される。
また、図3を示して説明したように、第二のドリフト層2cを形成した場合には、炭化珪素半導体装置は、たとえば、図7,8のような構成となる。ここで、図1の構成に対して第二のドリフト層2cの構成を付加した場合が、図7である。また、図6の構成に対して第二のドリフト層2cの構成を付加した場合が、図8である。
なお、図7、8から分かるように、JFET領域2aは、断面視において、低濃度ウエル領域に隣接して形成されており、ゲート絶縁膜8等を介してゲート電極9の下方に存する。また、図7,8では、JFET領域2a(第二のドリフト層2cと把握できる)の不純物濃度は、ドリフト層2の不純物濃度よりも高い。
以上のように、本実施の形態に係わる炭化珪素半導体装置の製造方法では、低濃度ウエル領域3aと高耐圧保持可能領域4とが同一の工程にて形成している。したがって、一の工程で、低濃度ウエル領域3aおよび高耐圧保持可能領域4を効率良く形成できる。よって、低濃度ウエル領域3aと高耐圧保持可能領域4とを別々に形成する場合よりも、本実施の形態に係わる方法の方が製造コストの削減を図ることができる。
なお、低濃度ウエル領域3aと高耐圧保持可能領域4とが同一の工程にて形成されるので、低濃度ウエル領域3aの不純物分布(不純物濃度分布)と高耐圧保持可能領域4の不純物分布(不純物濃度分布)とは、ほぼ同じとなる(より具体的には、深さ方向の分布がほぼ同一となる)。
また、本実施の形態に係わる炭化珪素半導体装置では、図1に示すように、断面視において、ソース領域5と低濃度ウエル領域3aとの間には、高濃度ウエル領域3bが形成されている。したがって、当該炭化珪素半導体装置の短チャネル化を図ったとしても、リーク電流が抑制されるので、短チャネル効果を抑制することができる。
なお、上記では、低濃度ウエル領域3aの不純物濃度分布と高耐圧保持可能領域4の不純物濃度分布とがほぼ同じとなる構成(第一の構成と称する)と、断面視においてソース領域5と低濃度ウエル領域3aとの間に高濃度ウエル領域3bが形成される構成(第二の構成と称する)とを含む、炭化珪素半導体装置について言及した。しかし、以下の構成の炭化珪素半導体装置であっても良い。
つまり、第一の構成と、ソース領域5の端部が、断面視において低濃度ウエル領域3aと直接接している構成(つまり、断面視において領域5と領域3aとの間に高濃度ウエル領域3bが形成されていない構成)とを含む、炭化珪素半導体装置であっても良い。この場合には、上述した効果の内、製造コストの削減の効果のみを奏する。なお、当該構成の場合には、チャネルは、ソース領域5の端部から低濃度ウエル領域3aの表面を通って、JFET領域2aに到達する範囲に渡って形成される。また、当該場合には、ON閾値の低い炭化珪素半導体装置を提供することができる。
これに対して、低濃度ウエル領域3aの不純物濃度分布と高耐圧保持可能領域4の不純物濃度分布とが異なるとなる構成(つまり、領域3aと領域4とが別途独立に実施されることにより形成される構成と把握できる)と、第二の構成とを含む、炭化珪素半導体装置であっても良い。この場合には、上述した効果の内、短チャネル効果の抑制のみを図ることができる。
さらに、上記した各構成の炭化珪素半導体装置に共通して、以下の効果も奏する。
つまり、チャネルが形成される領域に低濃度ウエル領域3aが形成されているので、高耐圧を保持する高濃度ウエル領域3b中のみにチャネルが形成される場合よりも、チャネル移動度が増加する。したがって、上記各構成の炭化珪素半導体装置は、オン抵抗の低減を図ることができる。
また、当該低濃度ウエル領域3aは、その深さ方向に渡って低濃度である。したがって、チャネルとなる部分を通過する注入イオンが少なくて済む。これにより、当該チャネルとなる部分の注入ダメージ(注入欠陥発生)を抑制することができる。よって、チャネル移動度の増加や、その上に形成されるゲート絶縁膜8の欠陥やMOS界面の欠陥の発生を抑制できる。
また、JFET領域2aに隣接している低濃度ウエル領域3aの不純物濃度が低いので、当該JFET領域2aへの空乏層の広がりを抑制できる。したがって、JFET抵抗の低減を図ることができる。
また、図7,8の構成では、JFET領域2a(第二のドリフト層2cと把握できる)の不純物濃度は、ドリフト層2の不純物濃度よりも高い。したがって、JFET領域2aにおける抵抗をより低減することができる。
<実施の形態2>
本実施の形態は、実施の形態1で説明した各構成(断面視において、低濃度ウエル領域3aとソース領域5とが接している構成は除く)に係わる炭化珪素半導体装置の製造方法に適用できる。
当該本実施の形態に係わる製造方法は、実施の形態1に係わる方法において、高濃度ウエル領域3bに形成されるチャネル長の寸法を精密に制御することができる方法に関するものである。以下、本実施の形態に係わる製造方法について説明する。
まず、図2を用いて説明した各工程を実施する。ここで、実施の形態1の他の構成例の炭化珪素半導体装置でも言及したように、低濃度ウエル領域3aと高耐圧保持可能領域4とを別工程で形成しても良い。
さて次に、ドリフト層2上に、所定の形状にパターニングされたマスク材(第一の膜と把握できる)20aを形成する。ここで、当該マスク材20aとして、フォトレジストでも良いが、好ましくは多結晶珪素、非晶質珪素、酸化珪素、および窒化珪素のいずれかから構成されているものであっても良い。
次に、当該マスク材20aをマスクとして用いて、イオン注入処理(第二のイオン注入処理と把握できる)を施す。ここで、当該イオン注入処理では、アルミニウム(Al)イオンまたはホウ素(B)イオン等が注入される。当該イオン注入処理により、図9に示すように、ドリフト層2の表面内の所定の領域に、高濃度ウエル領域3bが形成される。
次に、当該マスク材20aを覆うように、ドリフト層2上に所定の膜(第二の膜と把握できる)21を形成する(図10)。当該所定の膜21として、フォトレジスト、多結晶珪素、非晶質珪素、酸化珪素、および窒化珪素のいずれかから構成されるものを採用することができる。また、所定の膜21の形成方法として、たとえば塗布法や化学的気相成長法等を採用することができる。
当該所定の膜21の形成後、当該所定の膜21に対して、反応性イオンエッチングなどの異方性エッチング処理を施す。これにより、図11に示すように、マスク材20aの側壁に、自己整合的にサイドウォール21aを形成する。ここで、当該サイドウォール21aの最も膜厚の厚い部分は、所定の膜(第二の膜と把握できる)21の成膜時の膜厚に相当する幅の膜厚を有する。
次に、図12を参照して、素子形成領域外においてチャネルが形成される必要のない領域に、フォトレジストなどのマスク材20dを形成する。その後、図12に示すように、サイドウォール21aが形成されたマスク材20a、およびマスク材20dをマスクとして使用して、不純物イオン注入処理(第三のイオン注入処理と把握できる)を実施する。ここで、注入される不純物イオンは、第一の導電型を有する。当該不純物イオンとして、たとえばn型である窒素(N)イオンやリン(P)イオン等を採用することができる。
当該イオン注入処理により、図12に示すように、ソース領域5が形成される。当該ソース領域5の深さは、高濃度ウエル領域3bの深さを超えないようにし、その深さはたとえば10nm〜0.5μmあれば良い。また、ソース領域5中の第一の導電型の不純物濃度は、高濃度ウエル領域3b中の第二の導電型の不純物濃度を超えるようにし、たとえば1×1018〜1×1021cm-3あれば良い。
ここで、断面視における、形成されたソース電極5と低濃度ウエル領域3aとの間に存在する高濃度ウエル領域3bの幅(図13の幅L)は、サイドウォール21aの最も膜厚の厚い箇所の膜厚に相当する。つまり、当該高濃度ウエル領域3bの幅(図13の幅L)は、上記所定の膜(第二の膜と把握できる)21の成膜時の膜厚に相当する。
なお、図13の幅Lの長さは、10nmから1um(より好ましくは10〜500nm)あれば良い。
ソース領域5形成後、次に、写真製版とイオン注入によって、第二の導電型を有するウエルコンタクト領域、第一の導電型を有するフィールドストッパー領域を形成する。ここで、ウエルコンタクト領域の深さは、ソース領域5を越えて、さらに高濃度ウエル領域3bを超えないようにする。また、第二の導電型の不純物濃度は、ソース領域5中の第一の導電型の不純物濃度を越えるようにし、たとえば1×1018〜1×1021cm-3あれば良い。
なお、注入イオンを活性化させるための熱処理以降の工程は、実施の形態1と同様である。したがって、ここでの詳細な説明は省略する。
以上のように、本実施の形態に係わる炭化珪素半導体装置の製造方法は、マスク材(第一の膜と把握できる)20aをマスクとして使用してイオン注入処理(第二のイオン注入処理と把握できる)を実施することにより、高濃度ウエル領域3bを形成している。その後、当該マスク材20aの側面にサイドウォール21aを自己整合的に形成し、当該サイドウォール21aが形成されたマスク材20aをマスクとして使用してイオン注入処理(第三のイオン注入処理と把握できる)を実施することにより、ソース領域5を形成している。
したがって、高濃度ウエル領域3bの表面近傍に形成されるチャネルの長さを、自己整合的に精密に制御することが可能となる。なお、上述したように、当該チャネルの長さ(図13の幅L)は、サイドウォール21aの膜厚(つまり、所定の膜の成膜時の膜厚)にほぼ相当する。また、上記工程からも分かるように、サイドウォール21の膜厚は、どの方向にも対称な厚さで作製可能となる。したがって、高濃度ウエル領域3bの表面近傍に形成されるチャネルの長さは、どの方向にも同じ長さとなる。
なお、高濃度ウエル領域3bの表面近傍は、低濃度ウエル領域3aの表面近傍よりも第二の導電型の不純物濃度が高い。したがって、当該高濃度ウエル領域3bでは、より不純物散乱の影響を受けやすく、チャネル移動度が減少する。よって、高濃度ウエル領域3bにおけるチャネル長は、チャネル移動度の観点からは短いほうが望ましい。
しかしながら、高濃度ウエル領域3bにおけるチャネル長が縮小すると、短チャネル効果が発現して素子のオフ時のリーク電流が増加する。したがって、ソース領域5から当該チャネル領域に延びる空乏層を抑えるために、高濃度ウエル領域3bに形成されるチャネル長は適度な長さを持つことが望ましい(つまり、上述のように、図13の幅Lの長さは、10nmから1um(より好ましくは10〜500nm)あれば良い)。
そして、本実施の形態に係わる製造方法を採用することにより、当該高濃度ウエル領域3bの表面近傍に形成されるチャネルの長さを、精密に制御できる。
なお、本実施の形態に係わる製造方法を採用することにより、ソース領域5は低濃度ウエル領域3aと直接、接していない。したがって、実施の形態1でも述べたように、短チャネル効果が抑制できて素子の短チャネル長化に有利である。
なお、上述したように、実施の形態1と同様に低濃度ウエル領域3aと高耐圧保持可能領域4とを、同一の工程にて形成しても、別工程で形成しても良い。もし、低濃度ウエル領域3aおよび高耐圧保持可能領域4を同一の工程にて形成した場合には、実施の形態1でも説明したように、別々に形成する場合よりも製造コストを下げることができる。
<実施の形態3>
本実施の形態は、実施の形態1で説明した各構成に係わる炭化珪素半導体装置の製造方法に適用できる。
当該本実施の形態に係わる製造方法は、実施の形態1に係わる方法において、低濃度ウエル領域3aに形成されるチャネル長の寸法を精密に制御することができる方法に関するものである。以下、本実施の形態に係わる製造方法について説明する。
まず、実施の形態1で説明したように、炭化珪素半導体基板1の第一の主面上にドリフト層2を形成する。ここで、予めドリフト層が形成されている炭化珪素半導体基板1を用意しても良い。なお、実施の形態1で示したように、第一の導電型を有する第二のドリフト層2cを形成しても良い(図3参照)。
次に、図14に示すように、ドリフト層2上に、所定のパターン形状を有する、多結晶珪素または非晶質珪素(以下、マスク材30aと称する)を形成する。ここで、写真製版工程を実施することにより、所定のパターン形状を有する当該マスク材30aは形成される。
次に、当該マスク材30aをマスクとして用いて、第二の導電型の不純物イオンを注入するイオン注入処理(第一のイオン注入処理であると把握できる)を施す。ここで、当該イオン注入処理では、p型の不純物イオンである、アルミニウム(Al)イオンまたはホウ素(B)イオン等が注入される。当該イオン注入処理により、図14に示すように、ドリフト層2の表面内の所定の領域に、低濃度ウエル領域3aと高耐圧保持可能領域4とが同一の工程にて形成される。
ここで、図14に示すように、低濃度ウエル領域3aと高耐圧保持可能領域4とを同一の工程にて形成しても良く、また、低濃度ウエル領域3aと高耐圧保持可能領域4とを別々に形成しても良い。両ケースに対して共通することは、マスク材20aは、低濃度ウエル領域3aを形成するためのものであると把握できる。
さて、低濃度ウエル領域3aの形成後、次に、上記マスク材30aに対して熱酸化処理を施す。当該熱酸化処理により、図15に示すように、マスク材30aの側面および上面は酸化され、当該各面上に(各面内も含む)酸化珪素等の酸化膜30bが、自己整合的に形成される。
ここで、当該熱酸化処理は、炭化珪素がほとんど酸化されない温度範囲(たとえば800〜1000℃)で施される。
次に、高耐圧保持可能領域4が形成された領域上方に、フォトレジスト30cを形成する。後述する高濃度ウエル領域3bの形成の際に実施されるイオン注入処理(第二のイオン注入処理と把握できる)の際に、当該フォトレジスト30cの形成により、高耐圧保持可能領域4には当該イオン注入はされない。
次に、マスク材30aと酸化膜30bとから成る複合マスク(つまり、酸化膜30bが形成された、多結晶珪素もしくは非晶質珪素から成るマスクである。当該複合マスクの体積は、自己整合的に、マスク材30aの体積よりも大きくなっている)と、フォトレジスト等のマスク材30cとをマスクとして用いて、第二の導電型の不純物イオンを注入するイオン注入処理(第二のイオン注入処理と把握できる)を実施する。
ここで、当該イオン注入処理では、p型の不純物イオンである、アルミニウム(Al)イオンまたはホウ素(B)イオン等が注入される。当該イオン注入処理により、図15に示すように、ドリフト層2の表面内の所定の領域に(つまり、低濃度ウエル領域3aと一部において重複するように)、高濃度ウエル領域3bが形成される。
なお、高濃度ウエル領域3bが形成された結果、断面視において当該高濃度ウエル領域3bの両脇に低濃度ウエル領域3aが存する。ここで、当該低濃度ウエル領域3aの断面視の幅(これは、低濃度ウエル領域3aに形成されるチャネル長と把握できる)は、10nm〜1.0um(好ましくは10〜500nm)であれば良い。
次に、実施の形態2と同様な方法により、マスク材30aと酸化膜30bとから成る複合マスクの側面にサイドウォール21aを形成する(図16)。そして、図16を参照して、素子形成領域外においてチャネルが形成される必要のない領域に、フォトレジストなどのマスク材30dを形成する。
その後、実施の形態2と同様に、サイドウォール21aが形成された複合マスク(マスク材30a+酸化膜30b)、およびマスク材30dをマスクとして使用して、不純物イオン注入処理(第三のイオン注入処理と把握できる)を実施する。ここで、注入される不純物イオンは、第一の導電型を有する。当該不純物イオンとして、たとえばn型である窒素(N)イオンやリン(P)イオン等を採用することができる。
当該イオン注入処理により、実施の形態2と同様に、ソース領域5が形成される(図16)。ここで、断面視においてソース領域5と低濃度ウエル領域3aとの間に形成される高濃度ウエル領域3bの幅(つまり、高濃度ウエル領域3bに形成されるチャネル長は)は、10nmから1um(より好ましくは10〜500nm)あれば良い。
ソース領域5形成後、実施の形態2と同様に、写真製版とイオン注入によって、第二の導電型を有するウエルコンタクト領域、第一の導電型を有するフィールドストッパー領域を形成する。
なお、注入イオンを活性化させるための熱処理以降の工程は、実施の形態1と同様である。したがって、ここでの詳細な説明は省略する。
以上のように、本実施の形態に係わる炭化珪素半導体装置の製造方法は、多結晶珪素または非晶質珪素から成るマスク材30aをマスクとして使用してイオン注入処理(第一のイオン注入処理と把握できる)を実施することにより、低濃度ウエル領域3aを形成している。その後、当該マスク材30aに対して熱酸化処理を施すことにより酸化膜30bを形成し、当該酸化膜30bが形成されたマスク材30aをマスクとして使用して(つまり、上記複合マスクをマスクとして使用して)イオン注入処理(第二のイオン注入処理と把握できる)を実施することにより、高濃度ウエル領域3bを形成している。
したがって、低濃度ウエル領域3aの表面近傍に形成されるチャネルの長さを、自己整合的に精密に制御することが可能となる。ここで、当該チャネルの長さは、マスク材30aの酸化速度から、時間制御によって精密に所望の寸法で形成される。
ここで、上記工程からも分かるように、マスク材30aに対して酸化膜30bは、どの方向にも対称な体積で作製可能となる。したがって、低濃度ウエル領域3aの表面近傍に形成されるチャネルの長さは、どの方向にも同じ長さとなる。
なお、本実施の形態に係わる製造方法を採用することにより、ソース領域5の端部は低濃度ウエル領域3aと直接、接していない。したがって、実施の形態1でも述べたように、短チャネル効果が抑制できて素子の短チャネル長化に有利である。
ここで、上記では実施の形態2と同様に、断面視において、ソース領域5と低濃度ウエル領域3aとの間に、高濃度ウエル領域3bが形成される方法について言及した。しかし、たとえば、ソース領域5と低濃度ウエル領域3aとが接する構造を有する炭化珪素半導体装置を製造する場合には、上記サイドウォール21aを形成する工程を省略しても良い。しかし、この場合には、素子の短チャネル長化に有利でなくなる。
また、上述したように、実施の形態1と同様に低濃度ウエル領域3aと高耐圧保持可能領域4とを、同一の工程にて形成しても、別工程で形成しても良い。もし、低濃度ウエル領域3aおよび高耐圧保持可能領域4を同一の工程にて形成した場合には、実施の形態1でも説明したように、別々に形成する場合よりも製造コストを下げることができる。
<実施の形態4>
本実施の形態は、実施の形態1で説明した各構成に係わる炭化珪素半導体装置の製造方法に適用できる。
当該本実施の形態に係わる製造方法は、実施の形態3に係わる製造方法と同様に、低濃度ウエル領域3aに形成されるチャネル長の寸法を精密に制御することができる方法に関するものである。
実施の形態3に係わる製造方法では、多結晶珪素または非晶質珪素から成るマスク材30aをマスクとして用いて、低濃度ウエル領域3a形成のためのイオン注入処理を実行した。その後、当該マスク材30aを熱酸化処理することにより、マスク材30aに酸化膜30bを形成させ、自己整合的に複合マスクを作成した。そして、当該複合マスクを用いて、高濃度ウエル領域3b形成のためのイオン注入処理を施した。
これに対して、本実施の形態4に係わる製造方法では、フォトレジスト等のマスクを用いて、低濃度ウエル領域3a形成のためのイオン注入処理を実行する。その後、実施の形態2で説明した方法を習い、フォトレジスト等のマスクの側面にサイドウォールを自己整合的に形成する。そして、サイドウォールが形成されたマスクを用いて、高濃度ウエル領域3b形成のためのイオン注入処理を施す。
以下、本実施の形態に係わる製造方法について説明する。
まず、実施の形態1で説明したように、炭化珪素半導体基板1の第一の主面上にドリフト層2を形成する。ここで、予めドリフト層が形成されている炭化珪素半導体基板1を用意しても良い。なお、実施の形態1で示したように、第一の導電型を有する第二のドリフト層2cを形成しても良い(図3参照)。
次に、図17に示すように、ドリフト層2上に、所定の形状にパターニングされたマスク材(第一の膜と把握できる)40aを形成する。ここで、当該マスク材40aとして、フォトレジストでも良いが、好ましくは多結晶珪素、非晶質珪素、酸化珪素、および窒化珪素のいずれかから構成されているものであっても良い。
次に、当該マスク材40aをマスクとして用いて、第二の導電型の不純物イオンを注入するイオン注入処理(第一のイオン注入処理であると把握できる)を施す。ここで、当該イオン注入処理では、p型の不純物イオンである、アルミニウム(Al)イオンまたはホウ素(B)イオン等が注入される。
当該イオン注入処理により、図17に示すように、ドリフト層2の表面内の所定の領域に、低濃度ウエル領域3aが形成される。なお、図17では、低濃度ウエル領域3aと同一の工程にて高耐圧保持可能領域4を形成されている。しかし、両領域3a,4を別工程にて形成しても良い。
次に、当該マスク材40aを覆うように、ドリフト層2上に所定の膜(第二の膜と把握できる)を形成する(図示せず)。当該所定の膜として、フォトレジスト、多結晶珪素、非晶質珪素、酸化珪素、および窒化珪素のいずれかから構成されるものを採用することができる。また、所定の膜の形成方法として、たとえば塗布法や化学的気相成長法等を採用することができる。
当該所定の膜の形成後、当該所定の膜に対して、反応性イオンエッチングなどの異方性エッチング処理を施す。これにより、図18に示すように、マスク材40aの側壁にサイドウォール41aを自己整合的に形成する。ここで、当該サイドウォール41aの最も膜厚の厚い部分は、所定の膜(第二の膜と把握できる)の成膜時の膜厚に相当する幅の膜厚を有する。
次に、図18を参照して、素子形成領域外においてチャネルが形成される必要のない領域に、フォトレジストなどのマスク材44を形成する。その後、図18に示すように、サイドウォール41aが形成されたマスク材40a、およびマスク材44をマスクとして使用して、第二の導電型の不純物イオンを注入するイオン注入処理(第二のイオン注入処理と把握できる)を実施する。
ここで、当該イオン注入処理では、p型の不純物イオンである、アルミニウム(Al)イオンまたはホウ素(B)イオン等が注入される。当該イオン注入処理により、図18に示すように、ドリフト層2の表面内の所定の領域に(つまり、低濃度ウエル領域3aと一部において重複するように)、高濃度ウエル領域3bが形成される。
また、高濃度ウエル3bが形成された結果の断面視における低濃度ウエル領域3aの幅は、サイドウォール41aの最も膜厚の厚い箇所の膜厚に相当する。つまり、当該低濃度ウエル領域3aの幅は、上記所定の膜(第二の膜と把握できる)の成膜時の膜厚に相当する。
その後、もし、断面視においてソース領域5と低濃度ウエル領域3aとの間に高濃度ウエル領域が存するように、当該ソース領域5を形成する場合には、実施の形態2に係わる方法を実施する。
また、ソース領域5形成後の工程は、実施の形態3と同様であるので、ここでの説明は省略する。
以上のように、本実施の形態に係わる炭化珪素半導体装置の製造方法は、マスク材40aをマスクとして使用してイオン注入処理(第一のイオン注入処理と把握できる)を実施することにより、低濃度ウエル領域3aを形成している。その後、当該マスク材40aの側面に対して自己整合的にサイドウォール41aを形成し、当該サイドウォール41aが形成されたマスク材40aをマスクとして使用して、イオン注入処理(第二のイオン注入処理と把握できる)を実施することにより、高濃度ウエル領域3bを形成している。
したがって、低濃度ウエル領域3aの表面近傍に形成されるチャネルの長さを、自己整合的に精密に制御することが可能となる。ここで、当該チャネルの長さは、上記所定の膜(第二の膜と把握できる)の成膜時の膜厚に相当する。
ここで、上記工程からも分かるように、マスク材40aに対してサイドウォール41aは、どの方向にも対称的に作製可能となる。したがって、低濃度ウエル領域3aの表面近傍に形成されるチャネルの長さは、どの方向にも同じ長さとなる。
なお、本実施の形態に係わる製造方法を採用することにより、ソース領域5の端部は低濃度ウエル領域3aと直接、接していない。したがって、実施の形態1でも述べたように、短チャネル効果が抑制できて素子の短チャネル長化に有利である。
ここで、上記では実施の形態2と同様に、断面視において、ソース領域5と低濃度ウエル領域3aとの間に、高濃度ウエル領域3bが形成される方法について言及した。しかし、たとえば、ソース領域5と低濃度ウエル領域3aとが接する構造を有する炭化珪素半導体装置を製造する場合には、上記サイドウォール21aを形成する工程を省略しても良い。しかし、この場合には、素子の短チャネル長化に有利でなくなる。
また、上述したように、実施の形態1と同様に低濃度ウエル領域3aと高耐圧保持可能領域4とを、同一の工程にて形成しても、別工程で形成しても良い。もし、両領域3a,4を同一の工程にて形成した場合には、実施の形態1でも説明したように、別々に形成する場合よりも製造コストを下げることができる。
また、図7,8では、断面視においてソース領域5と低濃度ウエル領域3aとの間に高濃度ウエル領域3bが形成されている場合であって、JFET領域2aの不純物濃度が、ドリフト層2の不純物濃度よりも高い場合の構成を図示した。
しかし、図19,20に示すように、断面視においてソース領域5の端部と低濃度ウエル領域3aとが直接接している場合であって、JFET領域2aの不純物濃度が、ドリフト層2の不純物濃度よりも高い場合の構成を採用することも可能である。なお、図19は、エピタキシャルチャネル領域が形成されない構成であり、図20は、エピタキシャルチャネル領域が形成される構成である。
また、高耐圧保持可能領域4の形状、構成等は、上記各実施の形態に記載したものに限定され無い。たとえば、上記各実施の形態では、断面視における高耐圧保持可能領域4の数は、3つである。しかし、当該数は単数であっても、3未満または3より大きくても良い。
また、以上の説明での第一の導電型と第二の導電型の組み合わせは、n型とp型、もしくはその逆でも良い。第一の導電型をn型とするとnチャネルの電界効果型トランジスタが実現され、第一の導電型をp型とするとpチャネルの電界効果型トランジスタが実現される。
実施の形態1に係わる炭化珪素半導体装置の要部構成を示す断面図である。 実施の形態1に係わる炭化珪素半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。 実施の形態1に係わる炭化珪素半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。 実施の形態1に係わる炭化珪素半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。 実施の形態1に係わる炭化珪素半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。 実施の形態1に係わる炭化珪素半導体装置の他の構成を示す断面図である。 実施の形態1に係わる炭化珪素半導体装置の他の構成を示す断面図である。 実施の形態1に係わる炭化珪素半導体装置の他の構成を示す断面図である。 実施の形態2に係わる炭化珪素半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。 実施の形態2に係わる炭化珪素半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。 実施の形態2に係わる炭化珪素半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。 実施の形態2に係わる炭化珪素半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。 断面視における高濃度ウエル領域の幅について説明するための拡大断面図である。 実施の形態3に係わる炭化珪素半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。 実施の形態3に係わる炭化珪素半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。 実施の形態3に係わる炭化珪素半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。 実施の形態4に係わる炭化珪素半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。 実施の形態4に係わる炭化珪素半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。 本発明に係わる炭化珪素半導体装置の他の構成を示す断面図である。 本発明に係わる炭化珪素半導体装置の他の構成を示す断面図である。
符号の説明
1 炭化珪素半導体基板、2 ドリフト層、2a JFET領域、2c 第二のドリフト層、3a 低濃度ウエル領域、3b 高濃度ウエル領域、4 高耐圧保持可能領域(JTEまたはガードリング)、5 ソース領域、6 ウエルコンタクト領域、7 フィールドストッパー領域、8 ゲート絶縁膜、9 ゲート電極、10 ドレイン電極、11 ソース電極、12 エピタキシャルチャネル領域、14 層間絶縁膜、20a,40a マスク材(第一の膜)、21 所定の膜(第二の膜)、21a,41a サイドウォール、30a マスク材(多結晶珪素または非晶質珪素)、30b 酸化膜、20d,30c,30d,44 マスク材(フォトレジスト)。

Claims (3)

  1. 第一の導電型である炭化珪素半導体基板と、
    前記炭化珪素半導体基板上に形成される、第一の導電型である炭化珪素から成るドリフト層と、
    前記ドリフト層の表面のチャネル領域に形成される、第二の導電型である第1のウエル領域と、
    前記ドリフト層の表面のチャネル領域に前記第1のウエル領域に隣接して形成され、前記第1のウエル領域の不純物濃度よりも不純物濃度が高い、第二の導電型である第2のウエル領域と、
    前記第2のウエル領域内に前記チャネル領域に隣接して形成される、第一の導電型であるソース領域と、
    前記チャネル領域の上面に形成されるゲート絶縁膜と、
    前記ゲート絶縁膜の上面に形成されるゲート電極と、
    前記チャネル領域を含む素子形成領域の外周部に設けられた第二の導電型である高耐圧保持可能領域と
    を備え、
    前記高耐圧保持可能領域は、前記第1のウエル領域と同じ深さ方向の不純物濃度分布で、1×1017〜1×1019cm-3の不純物濃度であること
    を特徴とする炭化珪素半導体装置。
  2. 前記ドリフト層の表面近傍に前記第1のウエル領域に隣接して形成され、前記ゲート絶縁膜を介して前記ゲート電極の下方に位置するJFET領域の不純物濃度は、前記ドリフト層の不純物濃度より高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. (A)第一の導電型を有する炭化珪素半導体基板上に、第一の導電型となる炭化珪素から成るドリフト層を形成する工程と、
    (B)前記ドリフト層の表面に、第二の導電型となる所定の不純物濃度の第1のウエル領域および素子形成領域の外周部に設けられた第二の導電型である高耐圧保持可能領域を同じ深さ方向の不純物濃度分布で1×1017〜1×1019cm-3の不純物濃度になるように同時に形成する工程と、
    (C)前記ドリフト層の表面の前記第1のウエル領域に隣接するように、第二の導電型となり、かつ、前記第1のウエル領域よりも不純物濃度の高い第2のウエル領域を形成する工程と、
    (D)前記第2のウエル領域の表面の所定箇所に、第一の導電型となるソース領域を形成する工程と、
    (E)前記素子形成領域のチャネル領域となる前記第1のウエル領域および前記第2のウエル領域の上面にゲート絶縁膜を形成する工程と、
    (F)前記ゲート絶縁膜の上面にゲート電極を形成する工程と
    を備える炭化珪素半導体装置の製造方法。
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