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JP5182359B2 - 炭化珪素半導体装置 - Google Patents

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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、一対の前記半絶縁領域の間隔は、上端より下端で大きいものである。
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。

Claims (2)

  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、
    一対の前記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炭化珪素半導体装置。
  2. 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に記載の炭化珪素半導体装置。
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