JP5676923B2 - Semiconductor device manufacturing method and semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、より詳細には、ゲート電極がトレンチに埋め込まれたトレンチゲート構造を有する絶縁ゲート型半導体装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to an insulated gate semiconductor device having a trench gate structure in which a gate electrode is embedded in a trench and a manufacturing method thereof.
パワーエレクトロニクス機器では、電気モータなどの負荷を駆動するための電力供給の実行と停止とを切り替える手段として、シリコンIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)およびMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)などのスイッチング素子が使用されている。1kV前後からそれ以上の高電圧領域では、炭化珪素MOSFETの適用も検討されている。これらのスイッチング素子は、いずれも、絶縁ゲート型半導体装置である。 In power electronics equipment, switching elements such as silicon IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) and MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) are used as means for switching between execution and stop of power supply for driving a load such as an electric motor. It is used. In the high voltage region from about 1 kV to higher than that, application of silicon carbide MOSFET is also being studied. These switching elements are all insulated gate semiconductor devices.
炭化珪素MOSFETでは、炭化珪素と絶縁膜との界面にチャネルが形成される。炭化珪素MOSFETは、絶縁膜の直上に形成されたゲート電極へ印加する電圧を制御することで、チャネルの導電性を変化させて、チャネルの両端に接続されたソース電極とドレイン電極との間に流れる電流のスイッチング動作を行う。 In silicon carbide MOSFET, a channel is formed at the interface between silicon carbide and the insulating film. The silicon carbide MOSFET changes the conductivity of the channel by controlling the voltage applied to the gate electrode formed immediately above the insulating film, and between the source electrode and the drain electrode connected to both ends of the channel. Performs switching operation of the flowing current.
電力用半導体として使用される炭化珪素MOSFETの中で、特に重要な応用として、縦型MOSFETがある。縦型MOSFETには、ゲート構造の違いによって、プレーナ型およびトレンチ型などの種類が存在する。ここではトレンチ型のMOSFETをトレンチゲート型MOSFETと呼ぶ。 Among silicon carbide MOSFETs used as power semiconductors, vertical MOSFETs are particularly important applications. There are different types of vertical MOSFETs, such as a planar type and a trench type, depending on the gate structure. Here, the trench type MOSFET is referred to as a trench gate type MOSFET.
従来技術のトレンチゲート型MOSFETおよびその製造方法は、たとえば特許文献1および2に開示されている。特許文献1に開示される技術では、トレンチの内壁にエピタキシャル成長法によってn−型エピタキシャル層を形成した後、n−型エピタキシャル層の表面にゲート絶縁膜を形成し、トレンチ内部をゲート電極膜で充填して、ゲート電極が形成される。このような構造とすることで、チャネルを形成するn−型エピタキシャル層の不純物濃度を、トレンチが形成されるn−型エピタキシャル層およびp型エピタキシャル層の不純物濃度とは別個に設計することを可能とし、チャネル部の抵抗を小さくするとともに、しきい値電圧を低くしている。
Prior art trench gate type MOSFETs and their manufacturing methods are disclosed in, for example,
特許文献2に開示される技術では、トレンチの側壁をテーパー形状に形成し、熱酸化して熱酸化膜を形成した後、熱酸化膜をマスクとして、基板の法線方向からn型不純物を注入する。これによって、熱酸化膜が薄くなっているトレンチの側面の部分では、熱酸化膜を通過してn型不純物が注入され、チャネル部に薄膜半導体層が形成される。その後、酸化膜を除去し、特許文献1と同様のプロセスを経て、ゲート電極が形成される。このような構成とすることで、特許文献1のチャネル部のn−型エピタキシャル層に相当する薄膜半導体層をエピタキシャル成長によらずに形成して、チャネル部の抵抗を小さくするとともに、しきい値電圧を低くしている。
In the technique disclosed in
特許文献1に開示されるトレンチゲート型MOSFETは、チャネル部のエピタキシャル層をエピタキシャル成長工程によって形成しており、またトレンチの側面と底面とで、エピタキシャル成長のレート、すなわち成長速度を調整するなどの高度な制御が必要であるので、容易に製造することができない。 In the trench gate type MOSFET disclosed in Patent Document 1, the epitaxial layer of the channel portion is formed by an epitaxial growth process, and the epitaxial growth rate, that is, the growth rate is adjusted between the side surface and the bottom surface of the trench. Since control is required, it cannot be easily manufactured.
特許文献2に開示される技術では、エピタキシャル成長工程を経ずにチャネル部に薄膜半導体層を形成することが可能であるが、薄膜半導体層の厚み寸法は、トレンチのテーパー角度に依存する。トレンチゲート型MOSFETのチャネル移動度は、たとえば「Materials science forum 2007,vol.556-57,p.807-p.810」に記載されるように、結晶面に平行にチャネルが形成された場合に最も特性が良くなることが知られている。特許文献2に開示されるトレンチゲート型MOSFETでは、形成するべき薄膜半導体層の厚み寸法が決まると、その厚み寸法の薄膜半導体層の実現に必要なトレンチのテーパー角度が決まってしまうので、設計可能なテーパー角度が制限されてしまう。
In the technique disclosed in
たとえば、側面が基板の厚み方向に平行な垂直形状のトレンチの場合、法線方向から不純物を注入しても、トレンチの側面に薄膜半導体層を形成することはできない。トレンチの側面に薄膜半導体層を形成するためには、斜め方向から不純物の注入を複数回行う必要があるので、容易に製造することができない。したがって特許文献2に開示される技術では、前述のように結晶面に平行なチャネルを形成することは困難であり、前述の良好なチャネル移動度を実現することは困難である。
For example, in the case of a vertical trench whose side surface is parallel to the thickness direction of the substrate, a thin film semiconductor layer cannot be formed on the side surface of the trench even if impurities are implanted from the normal direction. In order to form the thin film semiconductor layer on the side surface of the trench, it is necessary to perform impurity implantation a plurality of times from an oblique direction, so that it cannot be easily manufactured. Therefore, in the technique disclosed in
また特許文献2に開示される技術では、薄膜半導体層を形成するためには(0001−)カーボン面を使用することが必要であるなど、使用可能な基板が制限されてしまう。
In the technique disclosed in
本発明の目的は、エピタキシャル成長工程を必要とせず、またトレンチのテーパー角度および使用基板に制限されずに、チャネル部の抵抗を小さくするとともに、しきい値電圧を低くすることが可能な半導体装置の製造方法および半導体装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device that does not require an epitaxial growth process and is not limited by the taper angle of the trench and the substrate used, and can reduce the resistance of the channel portion and lower the threshold voltage. A manufacturing method and a semiconductor device are provided.
本発明の半導体装置の製造方法は、第1導電型の半導体基板の厚み方向一方側の表面部に積層して、第1導電型のドリフト層を形成する工程と、前記ドリフト層の厚み方向一方側の表面部に、第2導電型のベース領域を形成する工程と、前記ベース領域の厚み方向一方側の表面部の一部分に、第1導電型のソース領域を形成する工程と、前記ベース領域および前記ソース領域の厚み方向一方側の表面部に積層して、前記ソース領域のトレンチを形成するべく予め定める部分が露出するように開口されたマスクを形成する工程と、前記マスクの開口を通して露出する前記ソース領域を介して、前記ベース領域に第1導電型の不純物をイオン注入することによって、前記マスクの開口よりも径方向外方に広がり、前記ベース領域よりも実効的な第2導電型の不純物の濃度が低いチャネル層を形成する工程と、前記チャネル層を形成した後に、前記マスクを使用して前記ソース領域および前記ベース領域を反応性イオンエッチングすることによって、前記ソース領域、および前記ベース領域に形成された前記チャネル層を貫通するトレンチを形成する工程とを備えることを特徴とする。 The method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes a step of forming a first conductivity type drift layer by laminating on a surface portion on one side in a thickness direction of a first conductivity type semiconductor substrate, and a thickness direction one side of the drift layer. Forming a base region of the second conductivity type on the surface portion on the side, forming a source region of the first conductivity type on a part of the surface portion on one side in the thickness direction of the base region, and the base region And a step of forming a mask that is laminated on a surface portion on one side in the thickness direction of the source region so as to expose a predetermined portion for forming a trench of the source region, and is exposed through the opening of the mask. through the source region, by ion-implanting an impurity of the first conductivity type in the base region, spread radially outward from the opening of the mask, the effective second than the base region A step of concentration of the impurity conductivity type to form a lower channel layer, after forming the channel layer by reactive ion etching said source region and said base region using said mask, said source region, And a step of forming a trench penetrating the channel layer formed in the base region.
また本発明の半導体装置は、前記の半導体装置の製造方法によって製造される半導体装置であって、第1導電型の半導体基板と、前記半導体基板の厚み方向一方側の表面部に積層して設けられる第1導電型のドリフト層と、前記ドリフト層の厚み方向一方側の表面部に形成された第2導電型のベース領域と、前記ベース領域の厚み方向一方側の表面部の一部分に形成された第1導電型のソース領域と、前記ベース領域および前記ソース領域を厚み方向に貫通するトレンチの側面を構成し、前記トレンチの厚み方向一方側の開口部から底面に向かうにつれて、前記トレンチの径方向外方に広がり、前記ベース領域よりも実効的な第2導電型の不純物の濃度が低いチャネル層と、前記トレンチの側面および底面を含む内壁に沿って設けられるゲート絶縁膜と、前記トレンチの径方向内方側に、前記ゲート絶縁膜に接して設けられるゲート電極と、前記ゲート電極を覆うように設けられ、前記ソース領域および前記ベース領域の厚み方向一方側の表面部の一部分が露出するように開口された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜の開口を通して露出する前記ソース領域と前記ベース領域とを電気的に接続するソース電極と、前記半導体基板の厚み方向他方側の表面部に設けられたドレイン電極とを備えることを特徴とする。
また本発明の半導体装置は、前記の半導体装置の製造方法によって製造される半導体装置であって、第1導電型の半導体基板と、前記半導体基板の厚み方向一方側の表面部に積層して設けられる第1導電型のドリフト層と、前記ドリフト層の厚み方向一方側の表面部に形成された第2導電型のベース領域と、前記ベース領域の厚み方向一方側の表面部の一部分に形成された第1導電型のソース領域と、前記ベース領域および前記ソース領域を厚み方向に貫通するトレンチの側面を構成し、前記トレンチの厚み方向一方側の開口部から底面に向かうにつれて、前記トレンチの径方向外方に広がり、前記ベース領域よりも実効的な第2導電型の不純物の濃度が低いチャネル層と、前記トレンチの側面および底面を含む内壁に沿って設けられるゲート絶縁膜と、前記トレンチの径方向内方側に、前記ゲート絶縁膜に接して設けられるゲート電極と、前記ゲート電極を覆うように設けられ、前記ソース領域および前記ベース領域の厚み方向一方側の表面部の一部分が露出するように開口された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜の開口を通して露出する前記ソース領域と前記ベース領域とを電気的に接続するソース電極と、前記半導体基板の厚み方向他方側の表面部に設けられたドレイン電極とを備え、前記ベース領域のうち、前記ソース領域が形成された部分以外の部分に、前記ベース領域よりも第2導電型の不純物の濃度が高い第2のベース領域をさらに備えることを特徴とする。
また本発明の半導体装置は、前記の半導体装置の製造方法によって製造される半導体装置であって、第1導電型の半導体基板と、前記半導体基板の厚み方向一方側の表面部に積層して設けられる第1導電型のドリフト層と、前記ドリフト層の厚み方向一方側の表面部に形成された第2導電型のベース領域と、前記ベース領域の厚み方向一方側の表面部の一部分に形成された第1導電型のソース領域と、前記ベース領域および前記ソース領域を厚み方向に貫通するトレンチの側面を構成し、前記トレンチの厚み方向一方側の開口部から底面に向かうにつれて、前記トレンチの径方向外方に広がり、前記ベース領域よりも実効的な第2導電型の不純物の濃度が低いチャネル層と、前記トレンチの側面および底面を含む内壁に沿って設けられるゲート絶縁膜と、前記トレンチの径方向内方側に、前記ゲート絶縁膜に接して設けられるゲート電極と、前記ゲート電極を覆うように設けられ、前記ソース領域および前記ベース領域の厚み方向一方側の表面部の一部分が露出するように開口された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜の開口を通して露出する前記ソース領域と前記ベース領域とを電気的に接続するソース電極と、前記半導体基板の厚み方向他方側の表面部に設けられたドレイン電極とを備え、前記トレンチの底面に、第2導電型の半導体層によって構成され、前記ゲート絶縁膜を保護する底面保護層をさらに備えることを特徴とする。
According to another aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device manufactured by the above-described method for manufacturing a semiconductor device, wherein the first conductivity type semiconductor substrate and the semiconductor substrate are stacked on a surface portion on one side in the thickness direction. A drift layer of the first conductivity type, a base region of the second conductivity type formed on the surface portion on one side in the thickness direction of the drift layer, and a portion of the surface portion on the one side in the thickness direction of the base region. A first conductivity type source region, and a side surface of the trench penetrating the base region and the source region in the thickness direction, and the diameter of the trench increases from the opening on one side in the thickness direction of the trench toward the bottom surface. spreads outwardly, is provided along the the concentration is low channel layer of effective second conductivity type impurity than the base region, the inner wall including a side surface and a bottom surface of the trench gate An insulating film, a gate electrode provided in contact with the gate insulating film on a radially inner side of the trench, and a gate electrode provided so as to cover the gate electrode, on one side in the thickness direction of the source region and the base region An interlayer insulating film opened so that a part of the surface portion is exposed; a source electrode electrically connecting the source region exposed through the opening of the interlayer insulating film and the base region; and a thickness direction of the semiconductor substrate And a drain electrode provided on the surface portion on the other side.
According to another aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device manufactured by the above-described method for manufacturing a semiconductor device, wherein the first conductivity type semiconductor substrate and the semiconductor substrate are stacked on a surface portion on one side in the thickness direction. A drift layer of the first conductivity type, a base region of the second conductivity type formed on the surface portion on one side in the thickness direction of the drift layer, and a portion of the surface portion on the one side in the thickness direction of the base region. A first conductivity type source region, and a side surface of the trench penetrating the base region and the source region in the thickness direction, and the diameter of the trench increases from the opening on one side in the thickness direction of the trench toward the bottom surface. A channel layer extending outward in the direction and having an effective second conductivity type impurity concentration lower than that of the base region, and a gate provided along an inner wall including a side surface and a bottom surface of the trench. An insulating film, a gate electrode provided in contact with the gate insulating film on a radially inner side of the trench, and a gate electrode provided so as to cover the gate electrode, on one side in the thickness direction of the source region and the base region An interlayer insulating film opened so that a part of the surface portion is exposed; a source electrode electrically connecting the source region exposed through the opening of the interlayer insulating film and the base region; and a thickness direction of the semiconductor substrate A drain electrode provided on the surface portion on the other side, and a second conductivity type impurity concentration higher than that of the base region in the base region other than the portion where the source region is formed. And further comprising two base regions.
According to another aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device manufactured by the above-described method for manufacturing a semiconductor device, wherein the first conductivity type semiconductor substrate and the semiconductor substrate are stacked on a surface portion on one side in the thickness direction. A drift layer of the first conductivity type, a base region of the second conductivity type formed on the surface portion on one side in the thickness direction of the drift layer, and a portion of the surface portion on the one side in the thickness direction of the base region. A first conductivity type source region, and a side surface of the trench penetrating the base region and the source region in the thickness direction, and the diameter of the trench increases from the opening on one side in the thickness direction of the trench toward the bottom surface. A channel layer extending outward in the direction and having an effective second conductivity type impurity concentration lower than that of the base region, and a gate provided along an inner wall including a side surface and a bottom surface of the trench. An insulating film, a gate electrode provided in contact with the gate insulating film on a radially inner side of the trench, and a gate electrode provided so as to cover the gate electrode, on one side in the thickness direction of the source region and the base region An interlayer insulating film opened so that a part of the surface portion is exposed; a source electrode electrically connecting the source region exposed through the opening of the interlayer insulating film and the base region; and a thickness direction of the semiconductor substrate A drain electrode provided on a surface portion on the other side, and further comprising a bottom surface protective layer formed of a second conductivity type semiconductor layer on the bottom surface of the trench and protecting the gate insulating film. .
本発明の半導体装置の製造方法によれば、第1導電型の半導体基板の厚み方向一方側の表面部に積層して、第1導電型のドリフト層が形成される。ドリフト層の厚み方向一方側の表面部には、第2導電型のベース領域が形成される。ベース領域の厚み方向一方側の表面部の一部分には、第1導電型のソース領域が形成される。ベース領域およびソース領域の厚み方向一方側の表面部に積層して、ソース領域のトレンチを形成するべく予め定める部分が露出するように開口されたマスクが形成される。このマスクの開口を通して露出するソース領域を介して、ベース領域に第1導電型の不純物がイオン注入されて、マスクの開口よりも径方向外方に広がり、ベース領域よりも実効的な第2導電型の不純物の濃度が低いチャネル層が形成される。そのチャネル層が形成された後、マスクを使用してソース領域およびベース領域が反応性イオンエッチングされて、ソース領域、およびベース領域に形成されたチャネル層を貫通するトレンチが形成される。 According to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the first conductivity type drift layer is formed by being laminated on the surface portion on one side in the thickness direction of the first conductivity type semiconductor substrate. A base region of the second conductivity type is formed on the surface portion on one side in the thickness direction of the drift layer. A source region of the first conductivity type is formed on a part of the surface portion on one side in the thickness direction of the base region. A mask is formed which is laminated on the surface portion on one side in the thickness direction of the base region and the source region so as to expose a predetermined portion for forming a trench in the source region. Impurities of the first conductivity type are ion-implanted into the base region through the source region exposed through the mask opening, spread radially outward from the mask opening, and effective second conductivity than the base region. A channel layer having a low type impurity concentration is formed. After the channel layer is formed, the source region and the base region using a mask is reactive ion etching, a trench penetrating the channel layer formed on the source region, and the base region is formed.
不純物がイオン注入されるとき、不純物は、マスクの開口の径方向外方に広がって注入されるので、ベース領域には、マスクの開口よりも広範囲に広がって不純物の注入層が形成される。その後、同じマスクを使用してソース領域およびベース領域を反応性イオンエッチングしてトレンチを形成するので、トレンチの側面のチャネルが形成される部分(以下「チャネル部」という場合がある)には、チャネル層として、不純物の注入層が残る。このチャネル層は、第2導電型のベース領域に第1導電型の不純物がイオン注入されて形成されるので、ベース領域よりも実効的な第2導電型の不純物の濃度が低い。このようなチャネル層を設けることによって、半導体装置のチャネル部の抵抗を小さくするとともに、しきい値電圧を低くすることができる。 When the impurities are ion-implanted, the impurities are implanted so as to spread outward in the radial direction of the opening of the mask, so that an impurity implantation layer is formed in the base region so as to extend over a wider range than the opening of the mask. After that, since the trench is formed by reactive ion etching of the source region and the base region using the same mask, the portion where the channel on the side surface of the trench is formed (hereinafter sometimes referred to as “channel portion”) An impurity implantation layer remains as the channel layer. The channel layer, a first conductivity type impurity in the base region of a second conductivity type so formed is ion-implanted, the low concentration of impurities in the effective second conductivity type than the base region. By providing such a channel layer, the resistance of the channel portion of the semiconductor device can be reduced and the threshold voltage can be lowered.
このチャネル層は、イオン注入のときの不純物の広がりを利用して形成されるので、チャネル層を形成するためにエピタキシャル成長工程は必要でなく、またトレンチのテーパー角度および使用する半導体基板が制限されることもない。またトレンチを形成する前に不純物の注入を行うので、トレンチの形成後に不純物の注入を行う場合とは異なり、トレンチの側面のみに不純物が注入されるように、トレンチの底面に不純物の注入に対する保護層を形成する必要がない。また、チャネル層を形成するための不純物のイオン注入と、トレンチを形成するためのエッチングとを1つのマスクで行うので、マスク合わせの必要がなく、工程数を削減することができる。したがって、前述のように優れた半導体装置を容易に製造することができる。 Since this channel layer is formed by utilizing the spread of impurities during ion implantation, an epitaxial growth process is not required to form the channel layer, and the taper angle of the trench and the semiconductor substrate to be used are limited. There is nothing. Also, since the impurity is implanted before forming the trench, unlike the case where the impurity is implanted after the trench is formed, protection against the impurity implantation on the bottom surface of the trench is performed so that the impurity is implanted only on the side surface of the trench. There is no need to form a layer. Further, since impurity ion implantation for forming the channel layer and etching for forming the trench are performed with one mask, mask alignment is not necessary, and the number of steps can be reduced. Therefore, an excellent semiconductor device can be easily manufactured as described above.
また本発明の半導体装置によれば、ベース領域およびソース領域を厚み方向に貫通するトレンチの側面は、チャネル層で構成される。チャネル層は、トレンチの厚み方向一方側の開口部から底面に向かうにつれて、トレンチの径方向外方に広がっており、ベース領域よりも実効的な第2導電型の不純物の濃度が低くなっている。このようにトレンチの側面のチャネルが形成される部分であるチャネル部に、ベース領域よりも実効的な第2導電型の不純物の濃度が低いチャネル層が設けられるので、チャネル層が無い場合に比べて、チャネル部の抵抗が小さく、かつ、しきい値電圧が低い半導体装置を実現することができる。この半導体装置は、前述の本発明の半導体装置の製造方法によって製造されており、チャネル層は、不純物を注入するときの広がりを利用して形成されるので、チャネル層を形成するためにエピタキシャル成長工程は必要でない。したがって本発明の半導体装置は、容易に製造することができる。
また本発明の半導体装置によれば、ベース領域のうち、ソース領域が形成された部分以外の部分に、ベース領域よりも第2導電型の不純物の濃度が高い第2のベース領域をさらに備える。この本発明の半導体装置は、前述の本発明の半導体装置と同様に、容易に製造することができる。
また本発明の半導体装置によれば、トレンチの底面に、第2導電型の半導体層によって構成され、ゲート絶縁膜を保護する底面保護層をさらに備える。この本発明の半導体装置は、前述の本発明の半導体装置と同様に、容易に製造することができる。
According to the semiconductor device of the present invention, the side surface of the trench that penetrates the base region and the source region in the thickness direction is constituted by the channel layer. Channel layer toward the bottom from the opening of one side in the thickness direction of the trench, which extends radially outward of the trench, the concentration of impurities in the effective second conductivity type is lower than the base region . Thus the channel section is a portion where a channel is formed in the side surface of the trench, the concentration is low channel layer in the effective impurity of the second conductivity type is provided than the base region, than in the case where the channel layer is not Thus, a semiconductor device having a low resistance in the channel portion and a low threshold voltage can be realized. This semiconductor device is manufactured by the above-described method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, and the channel layer is formed by utilizing the spread when the impurity is implanted. Therefore, an epitaxial growth process is performed to form the channel layer. Is not necessary. Therefore, the semiconductor device of the present invention can be easily manufactured.
According to the semiconductor device of the present invention, the base region further includes a second base region having a concentration of the second conductivity type impurity higher than that of the base region in a portion other than the portion where the source region is formed. This semiconductor device of the present invention can be easily manufactured in the same manner as the semiconductor device of the present invention described above.
In addition, according to the semiconductor device of the present invention, the bottom surface of the trench is further provided with the bottom surface protection layer that is configured by the second conductivity type semiconductor layer and protects the gate insulating film. This semiconductor device of the present invention can be easily manufactured in the same manner as the semiconductor device of the present invention described above.
<前提技術>
本発明の半導体装置およびその製造方法を説明する前に、本発明の前提技術となる半導体装置およびその製造方法を説明する。図12は、第1の前提技術の半導体装置であるトレンチゲート型MOSFET50の構成を示す断面図である。第1の前提技術のトレンチゲート型MOSFET(以下、単に「MOSFET」という場合がある)50は、炭化珪素半導体装置である。MOSFET50は、厚み方向一方側の表面、具体的には図12の紙面に向かって上側の面である上面を(0001−)カーボン面としたn+型の炭化珪素半導体基板51に作製される。MOSFET50は、以下のようにして作製される。
<Prerequisite technology>
Before describing the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention, a semiconductor device and a manufacturing method thereof as a prerequisite technology of the present invention will be described. FIG. 12 is a cross-sectional view showing a configuration of a trench
まず、炭化珪素半導体基板51の上面にn−型エピタキシャル層52およびp型エピタキシャル層53を順次成長させた後、p型エピタキシャル層53の所定の領域にn+型ソース領域54を形成する。n+型ソース領域54の所定の領域に、n+型ソース領域54およびp型エピタキシャル層53を貫通してn−型エピタキシャル層52に達するトレンチ55を形成する。その後、トレンチ55の内壁面、具体的にはトレンチ55の内壁を構成するn+型ソース領域54、p型エピタキシャル層53およびn−型エピタキシャル層2の表面に、エピタキシャル成長法によって、第2のn−型エピタキシャル層(以下「第2n−型エピタキシャル層」という)56を形成する。このとき、トレンチ55の内壁面のうち、底面に形成された第2n−型エピタキシャル層56の厚み寸法は、側面に形成された第2n−型エピタキシャル層56の厚み寸法の約10分の1程度となる。
First, n −
次いで、異方性熱酸化法によって熱酸化を行い、第2n−型エピタキシャル層56の表面にゲート絶縁膜57を形成する。このとき、トレンチ55の底面に形成された第2n−型エピタキシャル層56は、全体が酸化されて酸化膜に変化し、ゲート絶縁膜57となる。トレンチ55の側面に形成された第2n−型エピタキシャル層56は、表面が酸化されて、ゲート絶縁膜57となる。次いで、トレンチ55の内部にゲート電極膜58としてのポリシリコン層を充填する。その後、層間絶縁膜59、ソース電極膜60およびドレイン電極膜61を形成し、トレンチゲート型MOSFET50を作製する。
Next, thermal oxidation is performed by an anisotropic thermal oxidation method, and a
第1の前提技術では、このような構造とすることで、チャネルを形成する第2n−型エピタキシャル層56の不純物濃度を、トレンチ55が形成されるn−型エピタキシャル層52およびp型エピタキシャル層53とは別個に設計することを可能とし、チャネル部の抵抗を小さくするとともに、しきい値電圧を低くしている。
In the first prerequisite technology, by adopting such a structure, the impurity concentration of the second n−
図13は、第2の前提技術の半導体装置であるトレンチゲート型MOSFET50Aの構成を示す断面図である。図14は、図13に示すトレンチゲート型MOSFET50Aの製造工程の途中段階における構成を示す断面図である。第2の前提技術のMOSFET50Aは、前述の図12に示す第1の前提技術のMOSFET50と構成が類似しているので、第2の前提技術のMOSFET50Aにおいて、第1の前提技術のMOSFET50と同一の構成については、同一の参照符を付して共通する説明を省略する。
FIG. 13 is a cross-sectional view showing a configuration of a trench
第2の前提技術のMOSFET50Aは、第1の前提技術のMOSFET50と同様に、(0001−)カーボン面を上面として使用した炭化珪素半導体基板51、ならびにn−型エピタキシャル層52、p型エピタキシャル層53およびn+型ソース領域54を備える。以下では、炭化珪素半導体基板51、n−型エピタキシャル層52、p型エピタキシャル層53およびn+型ソース領域54を合わせて、「基板」という場合がある。
Similarly to the
第2の前提技術のMOSFET50Aでは、図14に示すように、トレンチ55Aの側壁を、エッチングガス条件を調整することによって、テーパー形状を成すように形成した後、熱酸化を行うことで熱酸化膜62を形成する。このとき、(0001−)カーボン面を使用していることによって、トレンチ55Aの底面、および基板表面であるn+型ソース領域54およびp型エピタキシャル層53の表面に形成される熱酸化膜62の厚み寸法は、トレンチ55Aの側面に形成される熱酸化膜62の厚み寸法に比べて、5倍程度大きくなる。
In the
その後、熱酸化膜62をマスクとして、基板の法線方向、図14では紙面に向かって上方向からn型不純物を注入する。これによって、熱酸化膜62が薄くなっているトレンチ55Aの側面の部分では、熱酸化膜62を通過してn型不純物が注入され、チャネル部に薄膜半導体層63が形成される。このとき、トレンチ55Aの底面は、底面に形成された酸化膜62によってn型不純物の注入から保護された状態となっている。つまり、トレンチ55Aの底面の部分には、n型不純物が注入されず、薄膜半導体層63は形成されない。その後、酸化膜62の除去を行い、第1の前提技術のMOSFET50と同様のプロセスを経て、トレンチゲート型MOSFET50Aを作製する。
Thereafter, using the
第2の前提技術では、このような構成とすることで、第1の前提技術のMOSFET50における第2n−型エピタキシャル層56に相当するチャネル部の薄膜半導体層63を、エピタキシャル成長によらずに形成して、チャネル部の抵抗を小さくするとともに、しきい値電圧を低くしている。
In the second premise technology, such a configuration makes it possible to form the thin
図12に示す第1の前提技術では、トレンチゲート型MOSFET50のチャネル部を構成する第2n−型エピタキシャル層56を、エピタキシャル成長工程によって形成する必要がある。またトレンチ55の側面のみに第2n−型エピタキシャル層56が残るように形成するためには、トレンチ55の側面と底面とで、エピタキシャル成長のレート、すなわち成長速度を調整するなどの高度な制御が必要である。したがって、第1の前提技術のトレンチゲート型MOSFET50は、容易に製造することができないという問題がある。
In the first prerequisite technique shown in FIG. 12, it is necessary to form the second n−
図13および図14に示す第2の前提技術では、エピタキシャル成長工程を経ることなく、チャネル部に薄膜半導体層63を形成することが可能であるが、薄膜半導体層63の厚み寸法は、トレンチ55Aのテーパー角度に依存する。トレンチゲート型MOSFETのチャネル移動度は、たとえば「Materials science forum 2007,vol.556-57,p.807-p.810」に記載されるように、結晶面に平行にチャネルが形成された場合に最も特性が良くなることが知られている。
In the second prerequisite technique shown in FIGS. 13 and 14, the thin
第2の前提技術のトレンチゲート型MOSFET50Aでは、形成するべき薄膜半導体層63の厚み寸法が決まると、その厚み寸法の薄膜半導体層63の実現に必要なトレンチ55Aのテーパー角度が決まってしまうので、設計可能なテーパー角度が制限されてしまうという問題がある。
In the trench
たとえば、側面が基板の厚み方向に平行な垂直形状のトレンチの場合、図14に示すように基板の法線方向から不純物を注入しても、トレンチの側面に薄膜半導体層63を形成することはできない。トレンチの側面に薄膜半導体層63を形成するためには、斜め方向から不純物の注入を複数回行う必要があるので、容易に製造することができない。したがって第2の前提技術では、前述のように結晶面に平行なチャネルを形成することは困難であり、前述の良好なチャネル移動度を実現することは困難である。
For example, in the case of a vertical trench whose side surface is parallel to the thickness direction of the substrate, even if impurities are implanted from the normal direction of the substrate as shown in FIG. 14, the thin
また第2の前提技術では、薄膜半導体層63を形成するためには(0001−)カーボン面を使用することが必要であるなど、使用可能な基板が制限されてしまうという問題がある。
Further, the second premise technique has a problem that usable substrates are limited, for example, it is necessary to use a (0001-) carbon surface in order to form the thin
以上のように第1および第2の前提技術には種々の問題がある。そこで本発明の半導体装置では、以下に示す各実施の形態の構成を採用している。以下の各実施の形態においては、第1導電型をn型とし、第2導電型をp型としている。 As described above, the first and second base technologies have various problems. Therefore, the semiconductor device of the present invention employs the configurations of the following embodiments. In the following embodiments, the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type.
<第1の実施の形態>
図1は、本発明の第1の実施の形態における半導体装置であるトレンチゲート型MOSFET1の構成を示す断面図である。本実施の形態のトレンチゲート型MOSFET(以下、単に「MOSFET」という場合がある)1は、炭化珪素を用いた炭化珪素半導体装置である。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a trench gate type MOSFET 1 which is a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. A trench gate type MOSFET (hereinafter sometimes simply referred to as “MOSFET”) 1 of the present embodiment is a silicon carbide semiconductor device using silicon carbide.
MOSFET1は、炭化珪素半導体基板(以下「炭化珪素基板」という場合がある)11と、n型の炭化珪素ドリフト層12と、p型のベース領域13と、n型のソース領域14と、チャネル層16と、ゲート絶縁膜17と、ゲート電極18と、層間絶縁膜19と、ソース電極20とドレイン電極21とを備えて構成される。
MOSFET 1 includes a silicon carbide semiconductor substrate (hereinafter also referred to as a “silicon carbide substrate”) 11, an n-type silicon
炭化珪素基板11は、n型の低抵抗の炭化珪素基板であり、たとえば4Hのポリタイプを有する炭化珪素基板で実現される。炭化珪素ドリフト層12は、炭化珪素基板11の厚み方向一方側の表面部に積層されて形成されている。ベース領域13は、炭化珪素ドリフト層12の厚み方向一方側の表面部に形成されている。ベース領域13は、第2導電型の不純物であるp型不純物、たとえばアルミニウム(Al)を含有する。ソース領域14は、ベース領域13の厚み方向一方側の表面部の一部分に、ベース領域13よりも浅く形成されている。ソース領域14は、第1導電型の不純物であるn型不純物、たとえば窒素(N)を含有する。
ベース領域13およびソース領域14には、ベース領域13およびソース領域14を厚み方向に貫通するようにトレンチ15が形成されている。本実施の形態では、トレンチ15は、ソース領域14およびベース領域13を貫通して、炭化珪素ドリフト層12の内部に達するように形成されている。
A
ゲート絶縁膜17は、トレンチ15の側面および底面を含む内壁に沿って形成されている。ゲート絶縁膜17は、本実施の形態では、酸化珪素で構成される。
The
ゲート電極18は、ゲート絶縁膜17を含むトレンチ15の内部を充填するように形成される。換言すれば、ゲート電極18は、トレンチ15の径方向内方側に、ゲート絶縁膜17に接して設けられる。
The
層間絶縁膜19は、ゲート電極18を覆うように形成されている。より詳細には、層間絶縁膜19は、ゲート電極18と、ソース領域14のゲート電極18寄りの部分を覆うように設けられている。また層間絶縁膜19は、ソース領域14と、ベース領域13のソース領域14寄りの部分、すなわちゲート電極18寄りの部分を除く残余の部分とが露出するように開口されており、この部分には層間絶縁膜19は形成されていない。
The
ソース電極20は、層間絶縁膜9が形成されていない部分のソース領域14およびベース領域13の厚み方向一方側の表面部に形成されている。ソース電極20は、層間絶縁膜19の開口を通して露出するソース領域14とベース領域13とを電気的に接続する。ドレイン電極21は、炭化珪素基板11の厚み方向一方側の表面部と反対側の表面部、すなわち炭化珪素基板11の厚み方向他方側の表面部に形成されている。
The
MOSFET1において、トレンチ15の側面を構成するベース領域13のうち、ゲート絶縁膜17を介してゲート電極18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部という。またベース領域13の炭化珪素ドリフト層12とソース領域14とで挟まれる部分のうち、チャネル部を含む部分における炭化珪素ドリフト層12とソース領域14との間の距離をチャネル長という。
In the MOSFET 1, a region of the
本実施の形態では、チャネル部には、チャネル層16が形成されている。チャネル層16は、より詳細には、ベース領域13のチャネル部と、炭化珪素ドリフト層12の厚み方向一方側の表面部のチャネル部に連なる部分とにわたって形成されている。チャネル層16は、トレンチ15の厚み方向一方側の開口部から底面に向かうにつれて、トレンチ15の径方向外方に広がって形成されている。チャネル層16は、ベース領域13よりも第2導電型の不純物濃度、すなわちp型不純物の濃度が低くなっている。チャネル層16は、n型不純物、たとえば窒素(N)を、p型のベース領域13にイオン注入することで形成される。
In the present embodiment, a
次に、本実施の形態のトレンチゲート型MOSFET1の動作を簡単に説明する。トレンチゲート型MOSFET1のゲート電極18に、しきい値電圧以上のプラス電圧が印加されると、チャネル部に反転チャネルが形成され、n型のソース領域14とn型の炭化珪素ドリフト層12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14から炭化珪素ドリフト層12へ流れ込む電子は、ドレイン電極21に印加されるプラス電圧によって形成される電界に従って、炭化珪素ドリフト層12および炭化珪素基板11を経由してドレイン電極21に到達する。したがって、ゲート電極18にプラス電圧を印加することによって、ドレイン電極21からソース電極20に電流が流れる。この状態をオン状態と呼ぶ。
Next, the operation of the trench gate type MOSFET 1 of the present embodiment will be briefly described. When a positive voltage equal to or higher than the threshold voltage is applied to
オン状態のチャネル部の抵抗を低下させることによってトレンチゲート型MOSFET1のオン抵抗を低減できるが、チャネル部の抵抗は、チャネル長が短く、チャネル部の電子の移動度が高いほど低くできる。ここで、チャネル部の実効的なアクセプタ濃度が低ければ、不純物散乱による影響が小さくなるので、チャネル部の電子の移動度は、チャネル部の実効的なアクセプタ濃度を低くするほど、高くすることができる。また、しきい値電圧についても、チャネル部の実効アクセプタ濃度が低いほど低くなる。 The on-resistance of the trench gate type MOSFET 1 can be reduced by reducing the resistance of the channel portion in the on state, but the resistance of the channel portion can be lowered as the channel length is shorter and the electron mobility in the channel portion is higher. Here, if the effective acceptor concentration in the channel portion is low, the influence of impurity scattering is reduced. Therefore, the mobility of electrons in the channel portion can be increased as the effective acceptor concentration in the channel portion is decreased. it can. The threshold voltage also decreases as the effective acceptor concentration in the channel portion decreases.
オン状態とは異なり、ゲート電極18にしきい値電圧未満の電圧が印加されると、チャネル部に反転チャネルが形成されないので、ドレイン電極21からソース電極20に電流が流れない。この状態をオフ状態と呼ぶ。
Unlike the ON state, when a voltage lower than the threshold voltage is applied to the
オフ状態では、ドレイン電極21に印加されるプラスの電圧によって、炭化珪素ドリフト層12とベース領域13との間のpn接合から空乏層が延びる。このpn接合からベース領域13側に向けて延びた空乏層がソース領域14に達すると、パンチスルー破壊が発生する。
In the off state, a depletion layer extends from the pn junction between silicon
本実施の形態では、パンチスルー破壊が発生しないように、ベース領域13のp型不純物の濃度(以下、単に「不純物濃度」という場合がある)の下限を、1×1017cm-3以上にしている。またベース領域13の不純物濃度の上限は、窒素(N)などのn型不純物のイオン注入を行うことによってベース領域13のチャネル部の実効アクセプタ濃度を低減し、チャネル層16を形成することができるように、5×1017cm-3以下にしている。すなわち本実施の形態では、ベース領域13の不純物濃度を、1×1017cm-3以上、5×1017cm-3以下としている。
In this embodiment, the lower limit of the p-type impurity concentration in the base region 13 (hereinafter sometimes simply referred to as “impurity concentration”) is set to 1 × 10 17 cm −3 or more so that punch-through breakdown does not occur. ing. The upper limit of the impurity concentration of the
続いて、本実施の形態の半導体装置であるトレンチゲート型MOSFET1の製造方法について、図2〜図7を用いて順に説明する。図2〜図7は、トレンチゲート型MOSFET1の各製造工程における構成を示す断面図である。 Subsequently, a method for manufacturing the trench gate type MOSFET 1 which is the semiconductor device of the present embodiment will be described in order with reference to FIGS. 2-7 is sectional drawing which shows the structure in each manufacturing process of trench gate type | mold MOSFET1.
図2は、ソース領域14の形成が終了した段階における構成を示す断面図である。まず、図2に示すように、炭化珪素基板11の厚み方向一方側の表面部に、化学気相堆積(Chemical Vapor Deposition;略称:CVD)法によって、n型の炭化珪素ドリフト層12をエピタキシャル成長する。炭化珪素基板11としては、4Hのポリタイプを有する、n型で低抵抗の炭化珪素基板を用いる。炭化珪素ドリフト層12におけるn型不純物の濃度(以下「n型不純物濃度」という場合がある)は、1×1015cm-3〜1×1017cm-3の範囲に選ばれる。炭化珪素ドリフト層12の厚み寸法は、5μm〜50μmの範囲に選ばれる。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration at the stage where the formation of the
次に、炭化珪素ドリフト層12の厚み方向一方側の表面部に、p型不純物、たとえばAlをイオン注入して、p型のベース領域13を形成する。このとき、p型不純物のイオン注入の深さは、炭化珪素ドリフト層12の厚み寸法を超えない深さ、具体的には0.5μm〜3μm程度とする。また、イオン注入されたp型不純物の濃度(以下「p型不純物濃度」という場合がある)、すなわちベース領域13のp型不純物濃度は、1×1017cm-3〜5×1017cm-3の範囲で、炭化珪素ドリフト層12のn型不純物濃度よりも高いものとする。炭化珪素ドリフト層12のうち、p型不純物がイオン注入された領域でp型になる領域が、ベース領域13となる。ベース領域13は、エピタキシャル成長によって形成してもよい。その場合も、ベース領域13のp型不純物濃度および厚み寸法は、イオン注入によって形成する場合と同等とする。
Next, a p-
次に、炭化珪素ドリフト層12の厚み方向一方側の表面部に、図示しない注入マスクを介して、n型不純物、たとえばNをイオン注入して、n型のソース領域14を形成する。具体的には、炭化珪素ドリフト層12のうちでベース領域13となった部分、すなわちベース領域13の厚み方向一方側の表面部の一部分に、n型不純物をイオン注入して、n型のソース領域14を形成する。n型不純物のイオン注入の深さは、ベース領域13の厚み寸法よりも浅いものとする。また、イオン注入したn型不純物の濃度、すなわちソース領域14のn型不純物濃度は、1×1018cm-3〜1×1021cm-3の範囲で、ベース領域13のp型不純物濃度を超えるものとする。炭化珪素ドリフト層12のベース領域13内のn型不純物が注入された領域のうちのn型を示す領域が、ソース領域14となる。
Next, an n-type impurity, for example, N is ion-implanted into a surface portion on one side in the thickness direction of silicon
図3は、エッチングマスク26の形成が終了した段階における構成を示す断面図である。次に、図3に示すように、炭化珪素ドリフト層12の厚み方向一方側の表面部に、酸化珪素層25を1μm〜2μm程度堆積する。具体的には、ベース領域13の厚み方向一方側の表面部のうちでソース領域14が形成されていない部分、およびソース領域14の厚み方向一方側の表面部に、酸化珪素層25を形成する。その後、酸化珪素層25の厚み方向一方側の表面部に積層して、レジスト材からなるエッチングマスク26を形成し、トレンチ15を形成する部分で開口する。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration at the stage where the formation of the
図4は、酸化珪素層25のエッチングが終了した段階における構成を示す断面図である。前述のようにしてエッチングマスク26を形成した後、図4に示すように、表面部にエッチングマスク26が形成された酸化珪素層25を、反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching;略称:RIE)処理によってエッチングし、酸化珪素層25を開口する。これによって、酸化珪素層25は、ソース領域14のトレンチ15を形成するべく予め定める部分が露出するように開口された状態となる。ここでエッチングされた酸化珪素層25が、後述する工程で用いる注入マスクおよびエッチングマスクとなる。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration at the stage where the etching of the
図5は、チャネル層16の形成が終了した段階における構成を示す断面図である。次に、図5に示すように、エッチングマスク26および、残存する酸化珪素層25を注入マスクとして用いて、n型不純物、たとえばNをイオン注入し、チャネル層16を形成する。具体的には、エッチングマスク26および酸化珪素層25の開口を通して露出するソース領域14を介して、ベース領域13にn型不純物をイオン注入して、チャネル層16を形成する。本実施の形態では、ベース領域13だけでなく、炭化珪素ドリフト層12の一部分にまでn型不純物が注入されて、チャネル層16が形成される。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing the configuration at the stage where the formation of the
チャネル層16を形成するためのn型不純物のイオン注入の深さは、ベース領域13の厚み寸法よりも深いものとする。また、イオン注入したn型不純物の濃度、すなわちチャネル層16のn型不純物濃度は、ベース領域13のp型不純物濃度と同等程度とし、具体的には1×1017cm−3〜6×1017cm−3程度とする。イオン注入を行った場合、横方向への注入広がりがあることが知られており、注入マスクの開口よりも径方向外方に0.1μm〜0.3μm程度広がってチャネル層16が形成される。注入広がりは、不純物濃度が大きいほど、また注入エネルギーが大きいほど、大きな広がりを持つ。
The depth of ion implantation of n-type impurities for forming the
図6は、トレンチ15の形成が終了した段階における構成を示す断面図である。続いて、チャネル層16を形成するためのn型不純物のイオン注入に用いたものと同じマスクである酸化珪素層25を用いて、RIEによって、図6に示すように炭化珪素のエッチングを行い、ソース領域14とベース領域13とを貫通するトレンチ15を形成する。トレンチ15の深さは、0.5μm〜3μm程度とし、ベース領域13の深さ以上となるようにする。本実施の形態では、トレンチ15は、ソース領域14およびベース領域13を貫通して、炭化珪素ドリフト層12の内部に達するように、より詳細には、チャネル層16を貫通して、炭化珪素ドリフト層12の内部に達するように形成される。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the configuration at the stage where the formation of the
次に、マスクとして使用した酸化珪素層25を除去した後、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。このアニールによって、イオン注入されたn型不純物およびp型不純物、たとえばNおよびAlを活性化させる。
Next, after removing the
図7は、層間絶縁膜19の形成が終了した段階の構成を示す断面図である。続いて、図7に示すように、ソース領域14およびベース領域13を含む炭化珪素ドリフト層12の表面部を熱酸化することで、所望の厚み寸法のゲート絶縁膜17をトレンチ15の内側、具体的には内壁に形成する。ゲート絶縁膜17は、熱酸化に限定されず、たとえば酸化珪素層を堆積することで形成されてもよい。
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a configuration at a stage where the formation of the
次に、トレンチ15の内側でゲート絶縁膜17に接するように、ゲート電極膜、たとえば、導電性を有する多結晶珪素膜を、減圧CVD法によって形成する。形成したゲート電極膜をパターニングすることによって、ゲート電極18を形成する。次いで、ゲート電極18、ゲート絶縁膜17、ソース領域14およびベース領域13の厚み方向一方側の表面部を覆うように層間絶縁膜19を形成する。その後、図7に示すように、ベース領域13および、ソース領域14のベース領域13寄りの部分が露出するように、層間絶縁膜19を開口する。
Next, a gate electrode film, for example, a polycrystalline silicon film having conductivity, is formed by a low pressure CVD method so as to be in contact with the
最後に、ソース領域14およびベース領域13の露出する部分に電気的に接続されるソース電極10を形成し、また、炭化珪素基板11の厚み方向他方側の表面部にドレイン電極11を積層して形成する。これによって、前述の図1に示す縦型MOSFET1が完成する。ここで、ソース電極10およびドレイン電極11となる材料としては、Al合金などが挙げられる。
Finally, source electrode 10 electrically connected to exposed portions of
以上のように本実施の形態によれば、図5に示すように、注入マスクとして使用される酸化珪素層25の開口を通して露出するソース領域14を介して、ベース領域13にn型不純物がイオン注入されてチャネル層16が形成される。注入マスクを介して不純物がイオン注入されるとき、不純物は、注入マスクの開口の径方向外方に広がって注入される。この現象を「注入広がり」という。ベース領域13には、n型不純物をイオン注入したときの注入広がりによって、注入マスクである酸化珪素層25の開口よりも広範囲に広がって、不純物の注入層が形成される。この不純物の注入層がチャネル層14となる。酸化珪素層25は、トレンチ15を形成するためのエッチングマスクとしても使用されるので、チャネル層16は、エッチングマスクの開口よりも広範囲に広がって形成されることになる。
As described above, according to the present embodiment, as shown in FIG. 5, n-type impurities are ionized in
次いで、イオン注入に用いたマスクと同じマスク、すなわち酸化珪素層25を使用して、ソース領域14およびベース領域13をエッチングしてトレンチ15を形成するので、トレンチ15の側面のチャネルが形成される部分であるチャネル部には、チャネル層16として、n型不純物の注入層が残る。
Next, using the same mask as that used for ion implantation, that is, the
このチャネル層16は、p型のベース領域13にn型不純物がイオン注入されて形成されるので、ベース領域13よりも実効的なp型不純物濃度、すなわち実効的なアクセプタ濃度が低い。このようなチャネル層16が形成されるので、チャネル部の抵抗を小さくするとともに、しきい値電圧を低くすることができる。
Since the
また本実施の形態では、イオン注入のときの不純物の広がりである注入広がりを利用して、実効的にアクセプタ濃度の低いチャネル層16を形成するので、チャネル層16を形成するためにエピタキシャル成長工程が必要ない。またトレンチのテーパー角度および使用する半導体基板が制限されることもない。またトレンチ15を形成する前にn型不純物の注入を行うので、トレンチの形成後にn型不純物の注入を行う場合とは異なり、トレンチの側面のみにn型不純物が注入されるように、トレンチ15の底面に、n型不純物の注入に対する保護層、すなわちn型不純物が底面に注入されないように保護する保護層を形成する必要がない。したがって、保護層として機能させるために、トレンチ15の底面のゲート絶縁膜である酸化膜を厚くするなどの処理は必要でない。
In the present embodiment, since the
また本実施の形態では、トレンチ15形成用のエッチングマスクである酸化珪素層25を利用してn型不純物の注入を行っており、チャネル層16を形成するためのn型不純物の注入と、トレンチ15を形成するためのエッチングとが1つのマスクで実現される。このようにチャネル層16を形成するための不純物イオンの注入と、トレンチ15を形成するためのエッチングとを1つのマスクで行うので、マスク合わせの必要がなく、工程数を削減することができる。以上のことから、本実施の形態では、前述のように優れたMOSFET1を容易に製造することができる。
In the present embodiment, the n-type impurity is implanted using the
<第2の実施の形態>
図8は、本発明の第2の実施の形態における半導体装置であるトレンチゲート型MOSFET2の構成を示す断面図である。本実施の形態のMOSFET2は、第1の実施の形態のMOSFET1と同様に、炭化珪素半導体装置である。本実施の形態のMOSFET2は、第1の実施の形態のMOSFET1と構成が類似しているので、本実施の形態のMOSFET2において、第1の実施の形態のMOSFET1と同一の構成については、同一の参照符を付して共通する説明を省略する。
<Second Embodiment>
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a configuration of a trench
本実施の形態のMOSFET2は、p型のベース領域13の一部分、具体的には、n型のソース領域14が形成された部分以外の部分に、ベース領域13よりもp型不純物濃度が高い第2のベース領域30を備える。
The
次に、本実施の形態のMOSFET2の製造方法について、図9を用いて説明する。図9は、第2のベース領域30の形成が終了した段階の構成を示す断面図である。本実施の形態のMOSFET2の製造方法は、第1の実施の形態のMOSFET1の製造方法と類似するので、同一の工程については説明を省略し、異なる工程について説明する。
Next, a method for manufacturing
本実施の形態では、第1の実施の形態における前述の図2に示すソース領域14を形成する工程の後、図9に示すように、炭化珪素ドリフト層12の厚み方向一方側の表面部に積層して注入マスク31を形成する。注入マスク31は、第2のベース領域30を形成するべく予め定める部分のベース領域13が露出するように開口されて形成される。本実施の形態では、注入マスク31は、炭化珪素ドリフト層12のうち、ソース領域14の厚み方向一方側の表面部に積層して、炭化珪素ドリフト層12の厚み方向一方側の表面部を構成するベース領域13が露出するように開口して形成される。
In the present embodiment, after the step of forming
次いで、表面部に注入マスク31が形成された炭化珪素ドリフト層12に、p型不純物、たとえばAlをイオン注入する。このとき、p型不純物のイオン注入の深さは、ベース領域13と同等程度、具体的には0.5μm〜3μm程度とする。また、イオン注入されたp型不純物の濃度、すなわち第2のベース領域30のp型不純物濃度は、ベース領域13よりも高い範囲、具体的には5×1017cm-3〜1×1019cm-3の範囲で、かつ炭化珪素ドリフト層12のn型不純物濃度よりも高いものとする。ここで、炭化珪素ドリフト層12のp型不純物がイオン注入された領域でp型になる領域が、第2のベース領域30となる。
Next, a p-type impurity such as Al is ion-implanted into the silicon
以上のように本実施の形態によれば、ベース領域13のうち、ソース領域14が形成された部分以外の部分には、ベース領域13よりもp型不純物濃度が高い第2のベース領域30が形成される。これによって、ベース領域13のp型不純物濃度を低くした場合であっても、第2のベース領域39から延びる空乏層によって、p型のベース領域13からn型のソース領域14に向けて延びる空乏層を抑えることができる。したがって、パンチスルーが起きにくくなるので、ベース領域13のp型不純物濃度をさらに低くしたり、ベース領域13の深さを浅くしたりすることができる。
As described above, according to the present embodiment, the
<第3の実施の形態>
図10は、本発明の第3の実施の形態における半導体装置であるトレンチゲート型MOSFET3の構成を示す断面図である。本実施の形態のMOSFET3は、第1の実施の形態のMOSFET1と同様に、炭化珪素半導体装置である。本実施の形態のMOSFET3は、第1の実施の形態のMOSFET1と構成が類似しているので、本実施の形態のMOSFET3において、第1の実施の形態のMOSFET1と同一の構成については、同一の参照符を付して共通する説明を省略する。
<Third Embodiment>
FIG. 10 is a sectional view showing a configuration of a trench gate type MOSFET 3 which is a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. MOSFET 3 of the present embodiment is a silicon carbide semiconductor device, similarly to MOSFET 1 of the first embodiment. Since the MOSFET 3 of the present embodiment is similar in configuration to the MOSFET 1 of the first embodiment, the same configuration as the MOSFET 1 of the first embodiment is the same in the MOSFET 3 of the present embodiment. A common description is omitted with reference numerals.
本実施の形態のMOSFET3は、トレンチ15の底面に、p型の半導体層によって構成される底面保護層35を備える。底面保護層35は、ゲート絶縁膜17を保護する。
The MOSFET 3 according to the present embodiment includes a bottom
次に、本実施の形態のMOSFET3の製造方法について、図11を用いて説明する。図11は、底面保護層35の形成が終了した段階における構成を示す断面図である。本実施の形態のMOSFET3の製造方法は、第1の実施の形態のMOSFET1の製造方法と類似するので、同一の工程については説明を省略し、異なる工程について説明する。
Next, a method for manufacturing MOSFET 3 of the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 11 is a cross-sectional view showing the configuration at the stage where the formation of the bottom
本実施の形態では、第1の実施の形態における前述の図6に示すトレンチ15を形成する工程の後には、トレンチ15を形成するときに使用した酸化珪素層25からなるエッチングマスクを残す。そして、このエッチングマスクである酸化珪素層25を用いて、図11に示すように、トレンチ15の底面に、p型不純物、たとえばAlをイオン注入して、底面保護層35を形成する。このとき、イオン注入されたp型不純物の濃度、すなわち底面保護層35のp型不純物濃度は、p型のベース領域13と同等程度、具体的には1×1017cm-3〜5×1017cm-3の範囲で、炭化珪素ドリフト層12のn型不純物濃度よりも高いものとする。ここで、炭化珪素ドリフト層12のp型不純物がイオン注入された領域でp型になる領域が底面保護層35となる。
In this embodiment, after the step of forming the
以上のように本実施の形態によれば、トレンチ15の底面には、p型の半導体層によって構成される底面保護層35が形成される。これによって、ゲート絶縁膜17のうち、トレンチ15の底面に形成された部分の電界強度は、p型の底面保護層35から炭化珪素ドリフト層12に向けて延びる空乏層によって緩和されるので、電界集中を防ぐことができる。したがって、ゲート絶縁膜17の信頼性を向上させることができる。
As described above, according to the present embodiment, the bottom surface
また本実施の形態では、トレンチ15を形成するときに使用したマスクを使用して底面保護層35を形成するので、マスク合わせの必要がなく、工程数を削減することができる。
In the present embodiment, since the bottom
本実施の形態のMOSFET3の底面保護層35以外の構成は、第1の実施の形態のMOSFET1と同様に構成されるが、第2の実施の形態のMOSFET2と同様に構成されてもよい。
The configuration other than the bottom
以上の各実施の形態では、第1導電型をn型とし、第2導電型をp型としているが、本発明の他の実施の形態では、第1導電型をp型とし、第2導電型をn型としてもよい。 In each of the above embodiments, the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type. However, in other embodiments of the present invention, the first conductivity type is p-type and the second conductivity type is the second conductivity type. The type may be n-type.
1,2,3,50,50A トレンチゲート型MOSFET、11,51 炭化珪素半導体基板、12 炭化珪素ドリフト層、13 ベース領域、14 ソース領域、15,55,55A トレンチ、16 チャネル層、17,57,57A ゲート絶縁膜、18 ゲート電極、19,59,59A 層間絶縁膜、20 ソース電極、21 ドレイン電極、25 酸化珪素層、26 エッチングマスク、30 第2のベース領域、31 注入マスク、35 底面保護層、52 n−型エピタキシャル層、53 p型エピタキシャル層、54 n+型ソース領域、56 第2n−型エピタキシャル層、58,58A ゲート電極膜(ポリシリコン層)、60 ソース電極膜、61 ドレイン電極膜、62 熱酸化膜、63 薄膜半導体層。
1, 2, 3, 50, 50A trench gate type MOSFET, 11, 51 silicon carbide semiconductor substrate, 12 silicon carbide drift layer, 13 base region, 14 source region, 15, 55, 55A trench, 16 channel layer, 17, 57 , 57A gate insulating film, 18 gate electrode, 19, 59, 59A interlayer insulating film, 20 source electrode, 21 drain electrode, 25 silicon oxide layer, 26 etching mask, 30 second base region, 31 implantation mask, 35 bottom surface protection Layer, 52 n− type epitaxial layer, 53 p type epitaxial layer, 54 n + type source region, 56 second n− type epitaxial layer, 58, 58A gate electrode film (polysilicon layer), 60 source electrode film, 61
Claims (8)
前記ドリフト層の厚み方向一方側の表面部に、第2導電型のベース領域を形成する工程と、
前記ベース領域の厚み方向一方側の表面部の一部分に、第1導電型のソース領域を形成する工程と、
前記ベース領域および前記ソース領域の厚み方向一方側の表面部に積層して、前記ソース領域のトレンチを形成するべく予め定める部分が露出するように開口されたマスクを形成する工程と、
前記マスクの開口を通して露出する前記ソース領域を介して、前記ベース領域に第1導電型の不純物をイオン注入することによって、前記マスクの開口よりも径方向外方に広がり、前記ベース領域よりも実効的な第2導電型の不純物の濃度が低いチャネル層を形成する工程と、
前記チャネル層を形成した後に、前記マスクを使用して前記ソース領域および前記ベース領域を反応性イオンエッチングすることによって、前記ソース領域、および前記ベース領域に形成された前記チャネル層を貫通するトレンチを形成する工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 Laminating on a surface portion on one side in the thickness direction of the first conductivity type semiconductor substrate to form a drift layer of the first conductivity type;
Forming a second conductivity type base region on a surface portion on one side in the thickness direction of the drift layer;
Forming a first conductivity type source region on a portion of the surface portion on one side in the thickness direction of the base region;
Forming a mask that is laminated on a surface portion on one side in the thickness direction of the base region and the source region, so that a predetermined portion is exposed to form a trench of the source region; and
By implanting ions of the first conductivity type into the base region through the source region exposed through the opening of the mask, the base region is spread radially outward from the opening of the mask and is more effective than the base region. Forming a channel layer having a low concentration of typical second conductivity type impurities ;
After forming the channel layer by reactive ion etching said source region and said base region using said mask, a trench penetrating the channel layer formed on the source region, and said base region And a step of forming the semiconductor device.
前記ベース領域のうち、前記ソース領域が形成された部分以外の部分に、前記ベース領域よりも第2導電型の不純物の濃度が高い第2のベース領域を形成する工程をさらに備えることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。 After the step of forming the source region and before the step of forming the mask,
The method further comprises forming a second base region having a second conductivity type impurity concentration higher than that of the base region in a portion of the base region other than the portion where the source region is formed. the method of manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 1 to 3.
前記トレンチを形成するときに使用したマスクを用いて、前記トレンチの底面に第2導電型の不純物をイオン注入することによって、前記トレンチの内壁に形成されるゲート絶縁膜を保護する底面保護層を形成する工程をさらに備えることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。 After the step of forming the trench,
A bottom protective layer that protects the gate insulating film formed on the inner wall of the trench by ion-implanting a second conductivity type impurity into the bottom of the trench using the mask used when forming the trench. the method of manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 1-4, characterized by further comprising the step of forming.
第1導電型の半導体基板と、
前記半導体基板の厚み方向一方側の表面部に積層して設けられる第1導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層の厚み方向一方側の表面部に形成された第2導電型のベース領域と、
前記ベース領域の厚み方向一方側の表面部の一部分に形成された第1導電型のソース領域と、
前記ベース領域および前記ソース領域を厚み方向に貫通するトレンチの側面を構成し、前記トレンチの厚み方向一方側の開口部から底面に向かうにつれて、前記トレンチの径方向外方に広がり、前記ベース領域よりも実効的な第2導電型の不純物の濃度が低いチャネル層と、
前記トレンチの側面および底面を含む内壁に沿って設けられるゲート絶縁膜と、
前記トレンチの径方向内方側に、前記ゲート絶縁膜に接して設けられるゲート電極と、
前記ゲート電極を覆うように設けられ、前記ソース領域および前記ベース領域の厚み方向一方側の表面部の一部分が露出するように開口された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜の開口を通して露出する前記ソース領域と前記ベース領域とを電気的に接続するソース電極と、
前記半導体基板の厚み方向他方側の表面部に設けられたドレイン電極とを備えることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device manufactured by the method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1,
A first conductivity type semiconductor substrate;
A drift layer of a first conductivity type provided by being laminated on a surface portion on one side in the thickness direction of the semiconductor substrate;
A base region of a second conductivity type formed on a surface portion on one side in the thickness direction of the drift layer;
A source region of a first conductivity type formed on a portion of the surface portion on one side in the thickness direction of the base region;
The side surface of the trench that penetrates the base region and the source region in the thickness direction is configured, and spreads outward in the radial direction of the trench from the opening on one side in the thickness direction of the trench toward the bottom surface. A channel layer having a low concentration of effective second conductivity type impurities,
A gate insulating film provided along an inner wall including a side surface and a bottom surface of the trench;
A gate electrode provided in contact with the gate insulating film on the radially inner side of the trench;
An interlayer insulating film provided so as to cover the gate electrode and opened so as to expose part of the surface portion on one side in the thickness direction of the source region and the base region;
A source electrode that electrically connects the source region exposed through the opening of the interlayer insulating film and the base region;
Semi conductor arrangement characterized by obtaining Bei and drain electrodes provided on a surface portion of the thickness direction other side of the semiconductor substrate.
第1導電型の半導体基板と、A first conductivity type semiconductor substrate;
前記半導体基板の厚み方向一方側の表面部に積層して設けられる第1導電型のドリフト層と、A drift layer of a first conductivity type provided by being laminated on a surface portion on one side in the thickness direction of the semiconductor substrate;
前記ドリフト層の厚み方向一方側の表面部に形成された第2導電型のベース領域と、A base region of a second conductivity type formed on a surface portion on one side in the thickness direction of the drift layer;
前記ベース領域の厚み方向一方側の表面部の一部分に形成された第1導電型のソース領域と、A source region of a first conductivity type formed on a portion of the surface portion on one side in the thickness direction of the base region;
前記ベース領域および前記ソース領域を厚み方向に貫通するトレンチの側面を構成し、前記トレンチの厚み方向一方側の開口部から底面に向かうにつれて、前記トレンチの径方向外方に広がり、前記ベース領域よりも実効的な第2導電型の不純物の濃度が低いチャネル層と、The side surface of the trench that penetrates the base region and the source region in the thickness direction is configured, and spreads outward in the radial direction of the trench from the opening on one side in the thickness direction of the trench toward the bottom surface. A channel layer having a low concentration of effective second conductivity type impurities,
前記トレンチの側面および底面を含む内壁に沿って設けられるゲート絶縁膜と、A gate insulating film provided along an inner wall including a side surface and a bottom surface of the trench;
前記トレンチの径方向内方側に、前記ゲート絶縁膜に接して設けられるゲート電極と、A gate electrode provided in contact with the gate insulating film on the radially inner side of the trench;
前記ゲート電極を覆うように設けられ、前記ソース領域および前記ベース領域の厚み方向一方側の表面部の一部分が露出するように開口された層間絶縁膜と、An interlayer insulating film provided so as to cover the gate electrode and opened so as to expose part of the surface portion on one side in the thickness direction of the source region and the base region;
前記層間絶縁膜の開口を通して露出する前記ソース領域と前記ベース領域とを電気的に接続するソース電極と、A source electrode that electrically connects the source region exposed through the opening of the interlayer insulating film and the base region;
前記半導体基板の厚み方向他方側の表面部に設けられたドレイン電極とを備え、A drain electrode provided on the surface portion on the other side in the thickness direction of the semiconductor substrate,
前記ベース領域のうち、前記ソース領域が形成された部分以外の部分に、前記ベース領域よりも第2導電型の不純物の濃度が高い第2のベース領域をさらに備えることを特徴とする半導体装置。A semiconductor device, further comprising a second base region having a concentration of a second conductivity type impurity higher than that of the base region in a portion of the base region other than the portion where the source region is formed.
第1導電型の半導体基板と、A first conductivity type semiconductor substrate;
前記半導体基板の厚み方向一方側の表面部に積層して設けられる第1導電型のドリフト層と、A drift layer of a first conductivity type provided by being laminated on a surface portion on one side in the thickness direction of the semiconductor substrate;
前記ドリフト層の厚み方向一方側の表面部に形成された第2導電型のベース領域と、A base region of a second conductivity type formed on a surface portion on one side in the thickness direction of the drift layer;
前記ベース領域の厚み方向一方側の表面部の一部分に形成された第1導電型のソース領域と、A source region of a first conductivity type formed on a portion of the surface portion on one side in the thickness direction of the base region;
前記ベース領域および前記ソース領域を厚み方向に貫通するトレンチの側面を構成し、前記トレンチの厚み方向一方側の開口部から底面に向かうにつれて、前記トレンチの径方向外方に広がり、前記ベース領域よりも実効的な第2導電型の不純物の濃度が低いチャネル層と、A side surface of the trench that penetrates the base region and the source region in the thickness direction is configured, and spreads outward in the radial direction of the trench from the opening on one side in the thickness direction of the trench toward the bottom surface. A channel layer having a low concentration of effective second conductivity type impurities,
前記トレンチの側面および底面を含む内壁に沿って設けられるゲート絶縁膜と、A gate insulating film provided along an inner wall including a side surface and a bottom surface of the trench;
前記トレンチの径方向内方側に、前記ゲート絶縁膜に接して設けられるゲート電極と、A gate electrode provided in contact with the gate insulating film on the radially inner side of the trench;
前記ゲート電極を覆うように設けられ、前記ソース領域および前記ベース領域の厚み方向一方側の表面部の一部分が露出するように開口された層間絶縁膜と、An interlayer insulating film provided so as to cover the gate electrode and opened so as to expose part of the surface portion on one side in the thickness direction of the source region and the base region;
前記層間絶縁膜の開口を通して露出する前記ソース領域と前記ベース領域とを電気的に接続するソース電極と、A source electrode that electrically connects the source region exposed through the opening of the interlayer insulating film and the base region;
前記半導体基板の厚み方向他方側の表面部に設けられたドレイン電極とを備え、A drain electrode provided on the surface portion on the other side in the thickness direction of the semiconductor substrate,
前記トレンチの底面に、第2導電型の半導体層によって構成され、前記ゲート絶縁膜を保護する底面保護層をさらに備えることを特徴とする半導体装置。A semiconductor device, further comprising a bottom surface protection layer that is formed of a second conductivity type semiconductor layer on the bottom surface of the trench and protects the gate insulating film.
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