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JP6341074B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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JP6341074B2 JP2014246956A JP2014246956A JP6341074B2 JP 6341074 B2 JP6341074 B2 JP 6341074B2 JP 2014246956 A JP2014246956 A JP 2014246956A JP 2014246956 A JP2014246956 A JP 2014246956A JP 6341074 B2 JP6341074 B2 JP 6341074B2
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望 赤木
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祥司 水野
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有一 竹内
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克己 鈴木
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Description

本発明は、トレンチゲートを有する半導体装置の製造方法に関するものである。
従来より、縦型MOSFETのオン抵抗を低減するために、セルの狭ピッチ化、つまりチャネルの高密度化を図ったトレンチゲート構造の縦型MOSFETがある。トレンチゲート構造の縦型MOSFETでは、チャネルがトレンチゲートの側面、つまり半導体基板の表面に対する法線方向に形成される。このため、チャネルが半導体基板の表面と平行とされるプレーナ構造の縦型MOSFETよりもセルの狭ピッチ化を図ることができる。ただし、縦型MOSFETでは半導体基板の表面側において、層間絶縁膜に形成したコンタクトホールを介してソース電極を形成するため、ある程度のコンタクト面積が必要とされ、狭ピッチ化には限界がある。
一方、トレンチゲート構造のMOSFETにおいては、トレンチゲート構造を構成するトレンチの底部で電界集中が発生するという問題があり、これを緩和するために、トレンチの底部よりも深いディープ層を形成することが行われている。このような電界緩和構造では、ディープ層の設計において、トレンチからの突出量とトレンチとディープ層との間の距離が設計パラメータとなる。しかしながら、セルの狭ピッチ化を進めると、トレンチとディープ層および層間絶縁膜に形成するコンタクトホールとの形成位置合わせの精度が厳しくなる。特に、シリコンデバイスにおいて、ディープ層を不純物のイオン注入および熱拡散による拡散層によって形成する場合、熱拡散によるディープ層の拡大が生じるため、そのマージンを見込まなければならず、セルの狭ピッチ化が難しい。
これを解消する構造として、例えば、特許文献1に示される縦型MOSFETがある。この縦型MOSFETでは、n型ドリフト層にトレンチを形成し、そのトレンチ内にp型ディープ層をエピタキシャル成長させるようにしている。これにより、トレンチの底部での電界集中を抑制しつつ、熱拡散によるp型ディープ層の拡大マージンを見込まなくても済むようにしている。また、ソース電極と電気的に接続される半導体層のコンタクト部にトレンチを形成し、トレンチ内にソース電極が埋め込まれるようにしている。これにより、ソース電極と半導体層との接触面積を増大させ、コンタクト部が平坦な場合よりも狭ピッチ化が図れるようにしている。
特開2009−260253号公報
しかしながら、上記した特許文献1に記載の縦型MOSFETでは、コンタクト部にトレンチを形成するためのエッチング工程が必要となり、製造工程数が増加するという問題がある。
具体的には、特許文献1に記載の縦型MOSFETは、以下の製造方法によって製造されている。
まず、n型半導体基板の上にn型ドリフト層を形成したのち、n型ドリフト層におけるp型ディープ層の形成予定位置にトレンチを形成する。次に、トレンチ内を埋め込むようにp型層を成膜したのち、p型層をn型ドリフト層が露出するまで平坦化し、p型層およびn型ドリフト層の表面が平坦面となるようにすることで、p型層によってp型ディープ層を構成する。続いて、p型ディープ層およびn型ドリフト層の上にp型チャネル層を形成し、さらにその上にn型ソース領域を形成する。
また、p型ディープ層上においてn型ソース領域およびp型チャネル層をエッチングし、コンタクト部を構成するトレンチを形成する。この後、コンタクト部を構成するトレンチと異なる位置にトレンチゲート構造を形成するためのトレンチを形成したのち、トレンチ内壁面をゲート絶縁膜で覆い、さらにゲート絶縁膜上にゲート電極を配置する。そして、層間絶縁膜を形成すると共に層間絶縁膜にコンタクトホールを形成したのち、コンタクトホールを介してn型ソース領域およびp型ディープ層に接するソース電極を形成する。最後に、n型半導体基板の裏面にドレイン電極を形成することで、縦型MOSFETが完成する。
このような製造工程において、コンタクト部にトレンチを形成するために、p型ディープ層上においてn型ソース領域およびp型チャネル層をエッチングしている。このため、上記したように製造工程数が増加している。
本発明は上記点に鑑みて、トレンチゲート構造を構成するトレンチの底部での電界緩和を行えるディープ層を形成しつつ、コンタクト部にトレンチを形成してセルの狭ピッチ化を可能とする縦型MOSFETを有する半導体装置の製造方法において、コンタクト部のトレンチを形成するためのエッチング工程を行わなくても済むようにすることを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、ドリフト層(2)の表面にマスク(20)を配置した後、該マスクを用いてエッチングを行うことで、ドリフト層を部分的に除去した第1凹部(2a)を半導体基板の表面と平行な断面において複数離間させて形成する工程と、マスクを除去したのち、第1凹部内において第2導電型のディープ層(3b)を構成すると共に、ドリフト層の表面において第2導電型のチャネル層(3a)を構成する第2導電型不純物層(3)を形成する工程と、複数のディープ層の間において、第2導電型不純物層の表面からチャネルを貫通してドリフト層に達し、かつ、ディープ層よりも浅いトレンチ(6)を形成したのち、トレンチの表面にゲート絶縁膜(7)を形成し、さらにトレンチ内において、ゲート絶縁膜の上にゲート電極(8)を形成することでトレンチゲート構造を形成する工程と、を含み、第2導電型不純物層を形成する工程では、第2導電型不純物層のうち第1凹部の中央位置に対応する部分の表面に、窪みにて構成されるコンタクトトレンチ(3c)が形成されるエピタキシャル成長条件とし、コンタクト領域を形成する工程では、コンタクトトレンチの底部にコンタクト領域を形成することを特徴としている。
このように、第2導電型不純物層を形成する際に、第2導電型不純物層のうち第1凹部内に形成された部分の中央部に窪みが残るようにしている。そして、この窪みによってコンタクトトレンチを構成している。このため、コンタクトトレンチを形成するためのエッチングを行う必要が無く、製造工程数を増加しなくても済むのに加えてディープ層とセルフアラインで形成するようにできる。
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。
本発明の第1実施形態にかかる反転型のトレンチゲート構造の縦型MOSFETを有するSiC半導体装置の断面図である。 図1に示すSiC半導体装置の製造工程を示した断面図である。 図2−1に続くSiC半導体装置の製造工程を示した断面図である。 本発明の第2実施形態にかかる反転型のトレンチゲート構造の縦型MOSFETを有するSiC半導体装置の断面図である。 図3に示すSiC半導体装置の製造工程を示した断面図である。 図4−1に続くSiC半導体装置の製造工程を示した断面図である。 本発明の第3実施形態にかかる反転型のトレンチゲート構造の縦型MOSFETを有するSiC半導体装置の製造工程を示した断面図である。 本発明の第4実施形態にかかる反転型のトレンチゲート構造の縦型MOSFETを有するSiC半導体装置の断面図である。 本発明の第4実施形態にかかる反転型のトレンチゲート構造の縦型MOSFETを有するSiC半導体装置の断面図である。 本発明の第4実施形態にかかる反転型のトレンチゲート構造の縦型MOSFETを有するSiC半導体装置の断面図である。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態について説明する。まず、本実施形態にかかる製造方法により製造される反転型のトレンチゲート構造の縦型MOSFETを有するSiC半導体装置の構造について図1を参照して説明する。なお、図1では、縦型MOSFETの2セル分しか記載していないが、図1に示す縦型MOSFETと同様の構造のものが複数セル隣り合うように配置されている。
図1に示すように、n型不純物(窒素など)が高濃度にドープされたSiC単結晶からなるn+型半導体基板1を用いている。このn+型半導体基板1の上に、n型不純物がドープされたSiCからなるn型ドリフト層2が形成されている。
また、n型ドリフト層2には部分的に凹まされた凹部(第1凹部)2aが形成されている。この凹部2aの内部を含めてn型ドリフト層2の表面にp型不純物がドープされたSiCからなるp型不純物層3が形成されることにより、p型チャネル層3aおよびp型ディープ層3bが形成されている。本実施形態では、p型不純物層3は深さ方向において一様な不純物濃度とされており、例えば1×1017〜1×1018cm-3の不純物濃度とされている。
p型チャネル層3aは、縦型MOSFETのチャネルを構成する層であり、後述するトレンチゲート構造を構成するトレンチ6の両側において、トレンチ6の側面に接するように形成されている。
p型ディープ層3bは、トレンチ6の両側において、トレンチ6の側面から離間して配置されている。また、p型ディープ層3bからトレンチ6の側面までの距離は、空乏層が広がったときにトレンチ6とp型ディープ層3bの間に位置するn型ドリフト層2ができるだけ空乏化して、かつ、電界緩和効果が発揮できる距離に設定されている。p型ディープ層3bの底部は、トレンチ6の底部よりも深く、トレンチ6の底部よりもn+型半導体基板1寄りの位置まで形成されている。
また、p型チャネル層3aの表面のうち、p型ディープ層3bの中心位置と対応する位置にはコンタクトトレンチ3cが形成されている。本実施形態のコンタクトトレンチ3cは、底面と側面とを含めた複数の面を有する形状で形成されており、底面がn+型半導体基板1の表面と平行な平面とされ、側面が底面に対して垂直な平面とされている。本実施形態の場合、コンタクトトレンチ3cは、トレンチ6よりも浅い構造とされ、かつ、p型チャネル層3aよりも浅い構造とされている。
そして、p型チャネル層3aの表層部のうち、コンタクトトレンチ3c以外の部分にはn型不純物が高濃度にドープされたn+型ソース領域4が形成されており、コンタクトトレンチ3cの底部にはp型不純物が高濃度にドープされたp+型コンタクト領域5が形成されている。
さらに、図1の断面において隣り合って配置されたp型ディープ層3bの中央位置において、p型チャネル層3aおよびn+型ソース領域4を貫通してn型ドリフト層2に達し、かつ、p型ディープ層3bよりも浅いトレンチ6が形成されている。このトレンチ6の側面と接するようにp型チャネル層3aおよびn+型ソース領域4が配置されている。トレンチ6の内壁面は酸化膜などによって構成されたゲート絶縁膜7で覆われており、ゲート絶縁膜7の表面に形成されたドープトPoly−Siにて構成されたゲート電極8により、トレンチ6内が埋め尽くされている。このように、トレンチ6内にゲート絶縁膜7およびゲート電極8を備えた構造により、トレンチゲート構造が構成されている。
なお、図1では示されていないが、トレンチゲート構造は、例えば紙面垂直方向を長手方向とした短冊状とされており、複数本のトレンチゲート構造が紙面左右方向に等間隔にストライプ状に並べられることで複数セルが備えられた構造とされている。
また、n+型ソース領域4およびp+型コンタクト領域5の表面には、ソース電極9が形成されている。ソース電極9は、複数の金属(例えばNi/Al等)にて構成されている。具体的には、n+型ソース領域4に接続される部分はn型SiCとオーミック接触可能な金属で構成され、p+型コンタクト領域5を介してp型チャネル層3aに接続される部分はp型SiCとオーミック接触可能な金属で構成されている。なお、ソース電極9は、層間絶縁膜10上において、ゲート電極8に電気的に接続される図示しないゲート配線と電気的に分離されている。そして、層間絶縁膜10に形成されたコンタクトホールを通じて、ソース電極9はn+型ソース領域4およびp+型コンタクト領域5と電気的に接触させられている。
さらに、n+型半導体基板1の裏面側にはn+型半導体基板1と電気的に接続されたドレイン電極11が形成されている。このような構造により、nチャネルタイプの反転型のトレンチゲート構造の縦型MOSFETが構成されている。
このように構成された縦型MOSFETは、ゲート電極8に対してゲート電圧を印加すると、p型チャネル層3aのうちトレンチ6の側面に接する部分が反転型チャネルとなり、ソース電極9とドレイン電極11との間に電流を流す。
一方、ゲート電圧を印加しない場合はドレイン電圧として高電圧(例えば1200V)が印加される。シリコンデバイスの10倍近い電界破壊強度を有するSiCでは、この電圧の影響によりゲート絶縁膜7にもシリコンデバイスの10倍近い電界がかかり、ゲート絶縁膜7(特に、ゲート絶縁膜7のうちのトレンチ6の底部において)に電界集中が発生し得る。しかしながら、本実施形態では、トレンチ6よりも深いp型ディープ層3bを備えた構造としている。このため、p型ディープ層3bとn型ドリフト層2とのPN接合部での空乏層がn型ドリフト層2側に大きく伸びることになり、ドレイン電圧の影響による高電圧がゲート絶縁膜7に入り込み難くなる。
したがって、ゲート絶縁膜7内での電界集中、特にゲート絶縁膜7のうちのトレンチ6の底部での電界集中を緩和することが可能となる。これにより、ゲート絶縁膜7が破壊されることを防止することが可能となる。
また、ソース電極9とのコンタクト部にコンタクトトレンチ3cを形成し、このコンタクトトレンチ3cの底部にp+型コンタクト領域5を形成して、ソース電極9とn+型ソース領域4およびp+型コンタクト領域5とを電気的に接続している。これにより、コンタクトトレンチ3cを形成していない場合と比較して、ソース電極9とn+型ソース領域4およびp+型コンタクト領域5との接触面積を増大させられ、セルの狭ピッチ化を図ることが可能となる。特に、コンタクトとレンチ3cを複数の面を有した構造としていることから、ソース電極9とn+型ソース領域4およびp+型コンタクト領域5との接触面積をより広面積化でき、低コンタクト抵抗化を実現することが可能となる。
また、縦型MOSFETのダイオード動作時やアバランシェ動作時には、平面状の底面において広い面積で電流を流すことができる。したがって、電流集中を緩和でき、高破壊耐量の縦型MOSFETを実現することが可能となる。
次に、図1に示すトレンチゲート型の縦型MOSFETの製造方法について、図2−1〜図2−2を参照して説明する。
〔図2−1(a)に示す工程〕
まず、高濃度にn型不純物がドープされたSiC単結晶からなるn+型半導体基板1の表面にn型ドリフト層2がエピタキシャル成長させられたエピ基板を用意する。
〔図2−1(b)に示す工程〕
n型ドリフト層2の上に、酸化膜などのマスク材料をデポジションしたのち、これをパターニングすることで、凹部2aの形成予定領域、つまりp型ディープ層3bの形成予定領域が開口するマスク20を形成する。そして、このマスク20を用いて、RIE(Reactive Ion Etching)などの異方性エッチングを行う。これにより、マスク20の開口部においてn型ドリフト層2の表層部を除去し、凹部2aを形成する。凹部2aの深さおよび幅については、この後に行われる各工程による熱拡散を考慮して、最終的なp型ディープ層3bの出来上がりの深さおよび幅が狙い値となるように設定している。
〔図2−1(c)に示す工程〕
凹部2aの形成に用いたマスク20を除去したのち、凹部2a内を含むp型ドリフト層2の表面に、p型チャネル層3aおよびp型ディープ層3bを構成するp型不純物層3をエピタキシャル成長させる。例えば、CVD(Chemical Vapor Deposition)装置を用いて、雰囲気中に例えばシラン(SiH4)ガスとプロパン(C38)ガスを同時に導入しつつ、そのガス中にドーパントを含むガスを導入しながらエピタキシャル成長を行うことで、p型不純物層3を形成できる。このとき、p型不純物層3のうち凹部2a内に形成された部分の表面の中央部に窪みが残るようにし、この窪みによってコンタクトトレンチ3cが構成されるようにしている。
例えば、p型不純物層3の成長レートは面方位依存性を有しており、面方位依存性はエピタキシャル成長の際の成長温度やガス流量、雰囲気圧力などの成長パラメータによって変化する。このため、面方位依存性、つまりp型不純物層3のうち、n型ドリフト層2のうち凹部2a以外の表面および凹部2aの底面上に形成される縦方向成長レートと、凹部2aの側面上に形成される部分の横方向成長レートの比を成長パラメータに基づいて制御できる。したがって、凹部2aの深さおよび幅や、成長パラメータを調整することで、p型不純物層3における縦方向成長レートが横方向成長レートよりも大きくなるようにすることで、p型不純物層3の表面にコンタクトトレンチ3cが形成されるようにできる。
また、このとき、複数のp型ディープ層3bが並ぶ方向におけるコンタクトトレンチ3cの幅、つまり両側面間の距離がp型ディープ層3bの同方向の幅よりも小さくなるようにしている。すなわち、本実施形態の縦型MOSFETにおいては、トレンチ6とp型ディープ層3bとの間におけるp型チャネル層3aの長さを短くすることで、電界緩和効果が効果的に得られるようにしている。このため、設計時には、p型チャネル層3aの長さに主眼を置いた設計を行うのが好ましい。しかしながら、コンタクトトレンチ3cの幅がp型ディープ層3bの同方向の幅よりも大きくなると、トレンチ6からコンタクトトレンチ3cの距離の方がトレンチ6とp型ディープ層3bとの間におけるp型チャネル層3の長さよりも短くなる。この場合、トレンチ6からコンタクトトレンチ3cまでの距離によって加工上の制約を受けることになり、上記のようにp型チャネル層3aの長さに主眼を置いた設計を行うことができなくなる。
よって、本実施形態のように、コンタクトトレンチ3cの幅がp型ディープ層3bの同方向の幅よりも小さくなるようにすることで、トレンチ6からコンタクトトレンチ3cまでの距離による加工上の制約を受けないようにできる。したがって、p型チャネル層3aの長さに主眼を置いた設計を行うことが可能となる。
さらに、本実施形態の場合、コンタクトトレンチ3cがトレンチ6よりも浅く、かつ、p型チャネル層3aよりも浅い構造になる。コンタクトトレンチ3cを深い構造とする場合、エッチングによってコンタクトトレンチ3cを形成することになる。その場合、安定して深くするために、ある程度のアスペクト比に留めることが必要になり、その為にある程度のトレンチ幅が必要になるため、微細化の妨げになる。したがって、本実施形態のようにコンタクトトレンチ3cを浅い構造とすることで、微細化が可能になる。
〔図2−1(d)に示す工程〕
p型不純物層3の表面を覆いつつ、トレンチ6の形成予定領域が開口する図示しないエッチングマスクを配置する。そして、エッチングマスクを用いた異方性エッチングを行ったのち、必要に応じて等方性エッチングや犠牲酸化工程を行うことでトレンチ6を形成する。これにより、p型チャネル層3aを貫通してn型ドリフト層2に達しつつ、p型ディープ層3bよりも浅く、かつ、隣り合うp型ディープ層3bの間において、p型ディープ層3bから離間するように配置されたトレンチ6を形成することができる。
次に、エッチングマスク21を除去してからゲート酸化工程を行うことでゲート絶縁膜7を形成する。また、ゲート絶縁膜7の表面に不純物をドーピングしたポリシリコン層を成膜したのち、これをパターニングすることでゲート電極8を形成する。これにより、トレンチゲート構造が形成される。
〔図2−2(a)に示す工程〕
p型不純物層3の表面にn+型ソース領域4の形成予定領域が開口するマスク(図示せず)を形成したのち、この上からn型不純物を高濃度にイオン注入することでn+型ソース領域4を形成する。同様に、p型不純物層3の表面にp+型コンタクト領域5の形成予定領域が開口するマスク(図示せず)を形成したのち、この上からp型不純物を高濃度にイオン注入することでp+型コンタクト領域5を形成する。
〔図2−2(b)に示す工程〕
層間絶縁膜10を成膜したのち、層間絶縁膜10をパターニングしてn+型ソース領域4やp型不純物層3を露出させるコンタクトホールを形成すると共に、ゲート電極8を露出させるコンタクトホールを別断面に形成する。
〔図2−2(c)に示す工程〕
コンタクトホール内を埋め込むように電極材料を成膜したのち、これをパターニングすることでソース電極9や図示しないゲート配線を形成する。そして、n+型半導体基板1の裏面側にドレイン電極11を形成することで、図1に示した縦型MOSFETが完成する。
以上説明したように、本実施形態では、p型不純物層3を形成する際に、p型不純物層3のうち凹部2a内に形成された部分の中央部に窪みが残るようにしている。そして、この窪みによってコンタクトトレンチ3cを構成している。このため、コンタクトトレンチ3cを形成するためのエッチングを行う必要が無く、製造工程数を増加しなくても済むのに加えてp型ディープ層3bとセルフアラインで形成するようにできる。
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対してp型不純物層3の形成工程を変更したものであり、その他については第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
上記第1実施形態ではp型チャネル層3aおよびp型ディープ層3bを同時に形成したが、本実施形態では、図3に示すようにp型チャネル層3aおよびp型ディープ層3bを別々に形成することで異なる不純物濃度となるようにしている。具体的には、本実施形態では、以下の製造方法によって図3に示すトレンチゲート型の縦型MOSFETを製造している。
まず、図4−1(a)〜(c)に示す工程として、上記した図2−1(a)〜(c)と同様の工程を行う。ただし、図4−1(c)に示す工程においては、p型不純物層3のうちp型ディープ層3bを構成する部分についてのみ形成し、凹部2aの中央部においてp型ディープ層3bに窪みが残るようにしている。そして、この窪みの底部がn型ドリフト層2の表面よりも深い位置(n+型半導体基板1寄りの位置)となるようにしている。
続いて、図4−1(d)に示す工程として、例えばCMP(Chemical Mechanical Polishing)によってp型ディープ層3bのうちn型ドリフト層2の表面上に形成された部分を取り除き、n型ドリフト層2の表面を露出させる。このとき、上記したように、凹部2aの中央部に残されたp型ディープ層3bの窪みがn型ドリフト層2の表面よりも深い位置まで形成されるようにしているため、n型ドリフト層2の表面を露出させたときにも窪みが残った状態になる。
その後、図4−2(a)に示す工程として、n型ドリフト層2およびp型ディープ層3bの上にp型チャネル層3aをエピタキシャル成長させる。このとき、下地となるp型ディープ層3bに窪みが残っているため、p型チャネル層3aにも凹部2aの中央部と対応する位置に窪みが残った状態となり、この窪みによってコンタクトトレンチ3cが構成される。この後は、図4−2(b)〜(d)に示す工程として、上記した図2−1(d)、図2−2(a)、(b)と同様の工程を行い、さらに図示しないが、図2−2(c)と同様の工程を行うことで、図3に示した縦型MOSFETが完成する。
以上説明したように、p型チャネル層3aとp型ディープ層3bとを別々の工程によって形成することもできる。その場合、これらを独立した不純物濃度に設定することができる。これにより、p型チャネル層3aについては閾値設定に応じた不純物濃度、例えば1×1016〜1×1017cm-3とし、p型ディープ層3bについては耐圧設計に応じた不純物濃度、例えば1×1017〜1×1018cm-3とすることができる。
(第3実施形態)
本発明の第3実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対してアライメントマーク部の形成工程を加えたものであり、その他については第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
図5(a)〜(c)に示す工程において、基本的には上記した図2−1(a)〜(c)に示す工程と同様の工程を行う。
このとき、チップ単位に分割する際にダイシングカットされるスクライブエリアもしくはチップ形成領域の外周部となる不要領域にマスク合わせ用のアライメントマーク部を設け、アライメントマーク部の凹凸をキーとしてマスク合わせが行えるようにしている。
具体的には、図5(b)に示す工程として、凹部2aを形成する際に同時にアライメントマーク部にも凹部(第2凹部)30を形成する。これにより、図5(c)に示す工程の際にp型不純物層3を形成したときに、アライメントマーク部に形成されたp型不純物層3に窪みが残り、これがアライメントマーク31となる。この後は、アライメントマーク31を基準としたマスク合わせによって各工程を行うことで、図5(d)に示すように縦型MOSFETの各部を形成する。すなわち、図2−1(d)に示すトレンチゲート構造の形成工程および図2−2(a)〜(c)に示すn+型ソース領域4およびp+型コンタクト領域5の形成工程や層間絶縁膜10のパターニング工程、ソース電極9の形成工程やドレイン電極11の形成工程を行う。これにより、アライメントマーク31を基準としてすべてのマスク合わせを行うことが可能となるため、各部のマスクズレを最小限に留めることが可能となる。
(第4実施形態)
本発明の第4実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対してコンタクト領域5を構成するためのコンタクトトレンチ3cの形状を変更したものであり、その他については第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
図6に示すように、本実施形態では、コンタクトトレンチ3cを平面状の底面と平面状の側面とを有した構成としつつ、底面側からトレンチ入口側に向かって徐々に開口寸法が大きくなるように側面を傾斜面としたテーパ形状としている。
このように、コンタクトトレンチ3cの側面を傾斜面としたテーパ形状としても、上記各実施形態と同様の効果を得ることができる。また、縦型MOSFETのダイオード動作時やアバランシェ動作時には、平面状の底面において広い面積で電流を流すことができる。したがって、電流集中を緩和でき、高破壊耐量の縦型MOSFETを実現することが可能となる。
なお、p型チャネル層3aを形成する際に用いるシランガスやプロパンガスの混合比、つまりC/Si比を調整することによって、コンタクトトレンチ3cの側面を傾斜面とすることができる。
(第5実施形態)
本発明の第5実施形態について説明する。本実施形態も、第1実施形態に対してコンタクト領域5を構成するためのコンタクトトレンチ3cの形状を変更したものであり、その他については第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
図7に示すように、本実施形態では、コンタクトトレンチ3cの底面と側面とを有した構成としつつ、底面を丸みの帯びた曲面形状としている。これに伴って、p+型コンタクト領域5も上面および下面がコンタクトトレンチ3cの底面と同様に丸みの帯びた曲面形状とされている。
このように、コンタクトトレンチ3cの底面が丸みの帯びた曲面形状とされていても、上記各実施形態と同様の効果を得ることができる。また、底面を丸めることによって、底面と側面との境界位置が丸められていることから、縦型MOSFETのダイオード動作時やアバランシェ動作時に底面と側面との境界位置での電流集中を緩和できる。したがって、高破壊耐量の縦型MOSFETを実現することが可能となる。
なお、p型チャネル層3aを形成する際のCVD装置の雰囲気温度を高い温度(例えば1600℃以上)にすると、コンタクトトレンチ3cの底面を丸みの帯びた形状にできる。
(第6実施形態)
本発明の第6実施形態について説明する。本実施形態も、第1実施形態に対してコンタクト領域5を構成するためのコンタクトトレンチ3cの形状を変更したものであり、その他については第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
図8に示すように、本実施形態では、コンタクトトレンチ3cの底面と側面とを有した構成としつつ、底面と側面との境界部を丸みの帯びた曲面形状としている。これに伴って、p+型コンタクト領域5も上面および下面のうちの図8中の左右方向両端も、コンタクトトレンチ3cの底面と側面との境界部と同様に、丸みの帯びた曲面形状とされている。
このように、コンタクトトレンチ3cの底面と側面との境界部が丸みの帯びた曲面形状とされていても、上記各実施形態と同様の効果を得ることができる。また、底面と側面との境界部を丸めることによって、縦型MOSFETのダイオード動作時やアバランシェ動作時に底面と側面との境界位置での電流集中を緩和できる。したがって、高破壊耐量の縦型MOSFETを実現することが可能となる。
なお、p型チャネル層3aを形成する際のCVD装置の雰囲気温度を高い温度(例えば1600℃以上)にすると、コンタクトトレンチ3cの底面と側面との境界部を丸みの帯びた形状にできる。
(他の実施形態)
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
例えば、上記実施形態では、半導体材料としてSiCを用いる場合について説明したが、SiCに限らず、Siなど他の半導体材料を用いた半導体装置についても、本発明を適用できる。ただし、SiCの場合、ドレイン電圧としてシリコンデバイスの10倍近い高電圧が使用され、破壊電界強度が大きいため、より深い位置までp型ディープ層3bを形成することが必要となる。そして、SiCの場合、材料が非常に硬いことから、イオン注入によってp型ディープ層3bを形成することが難しく、凹部2a内へのエピタキシャル成長によってp型ディープ層3bを形成するという方法が有効となる。このため、p型ディープ層3bの形成をエピタキシャル成長によって行うことが求められるSiCを用いる場合において、本発明を適用すると特に好適である。なお、半導体材料としてSiを用いる場合、SiCと比較して不純物の熱拡散が容易であることから、p型不純物層3を形成する工程として、例えばPoly−Siを成膜したのち、p型不純物(ボロン)を気相拡散させることでp型不純物層3を形成しても良い。
また、上記各実施形態では、トレンチゲート構造の形成工程をn+型ソース領域4およびp+型コンタクト領域5の形成工程の前に行ったが、これらの順番を逆にしても構わない。
また、上記実施形態では、図1、図3に示す断面、つまり基板表面に対して平行な一断面において、p型ディープ層3bが複数互いに離間して配置された構造とされている。これは、少なくとも図1、図3に示す断面においてp型ディープ層3bが互いに分離されていれば良いことを示しており、異なる断面において部分的に繋がっていても良い。例えば、トレンチゲート構造が紙面垂直方向に延設されるようなストライプ状である場合、p型ディープ層3bは互いに分離した複数個の構造となる。これに対して、トレンチゲート構造が例えば四角形状などで、その周囲にp型ディープ層3bが配置されるような場合や、トレンチ6がストライプ状であっても、p型ディープ層3bが格子状とされるような場合には、図1、図3とは異なる断面で部分的に接続される。
また、上記各実施形態では、第1導電型をn型、第2導電型をp型としたnチャネルタイプの縦型MOSFETを例に挙げて説明したが、各構成要素の導電型を反転させたpチャネルタイプの縦型MOSFETに対しても本発明を適用することができる。また、縦型MOSFETに限らず、IGBTに対しても適用することができる。IGBTの場合、縦型MOSFETに対してSiC基板の導電型を第1導電型から第2導電型に変えた構造となり、他の部分については同じ導電型で良い。
1 n+型半導体基板
2 n型ドリフト層
2a 凹部
3a p型チャネル層
3b p型ディープ層
3c コンタクトトレンチ
4 n+型ソース領域
5 p+型コンタクト領域
6 トレンチ
8 ゲート電極
9 ソース電極
11 ドレイン電極
31 アライメントマーク

Claims (10)

  1. 第1または第2導電型の半導体基板(1)上に、該半導体基板よりも低不純物濃度とされた第1導電型のドリフト層(2)を形成する工程と、
    前記ドリフト層の表面にマスク(20)を配置した後、該マスクを用いてエッチングを行うことで、前記ドリフト層を部分的に除去した第1凹部(2a)を前記半導体基板の表面と平行な断面において複数離間させて形成する工程と、
    前記マスクを除去したのち、前記第1凹部内において第2導電型のディープ層(3b)を構成すると共に、前記ドリフト層の表面において第2導電型のチャネル層(3a)を構成する第2導電型不純物層(3)を形成する工程と、
    複数の前記ディープ層の間において、前記第2導電型不純物層の表面から前記チャネルを貫通して前記ドリフト層に達し、かつ、前記ディープ層よりも浅いトレンチ(6)を形成したのち、前記トレンチの表面にゲート絶縁膜(7)を形成し、さらに前記トレンチ内において、前記ゲート絶縁膜の上にゲート電極(8)を形成することでトレンチゲート構造を形成する工程と、
    前記チャネル層の表層部に第1導電型不純物をイオン注入することにより、前記ドリフト層よりも高濃度の第1導電型のソース領域(4)を形成する工程と、
    前記チャネル層のうち前記第1凹部の中央位置に対応する部分の表層部に第2導電型不純物をイオン注入することにより、前記チャネル層よりも高濃度の第2導電型のコンタクト領域(5)を形成する工程と、
    前記ソース領域および前記コンタクト領域に電気的に接続されるソース電極(9)を形成する工程と、
    前記半導体基板の裏面側にドレイン電極(11)を形成する工程と、を含み、
    前記第2導電型不純物層を形成する工程では、前記第2導電型不純物層のうち前記第1凹部の中央位置に対応する部分の表面に、窪みにて構成されるコンタクトトレンチ(3c)が形成されるエピタキシャル成長条件とし、
    前記コンタクト領域を形成する工程では、前記コンタクトトレンチの底部に前記コンタクト領域を形成し、
    前記第2導電型不純物層を形成する工程は、
    前記第2導電型不純物層のうちの前記ディープ層となる部分の形成工程として、前記第1凹部の中央部に対応する位置に前記ドリフト層の表面よりも深い窪みが残るように前記ディープ層となる部分を形成する工程と、
    前記第2導電型不純物層のうちの前記チャネル層となる部分の形成工程として、前記チャネル層の表面に前記コンタクトトレンチが残るように、前記窪み内を含めて前記ドリフト層の表面に、前記チャネル層となる部分を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記半導体基板の半導体材料として炭化珪素を用い、前記ドリフト層および前記第2導電型不純物層を炭化珪素で構成していることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記マスクを用いて前記第1凹部を形成する際に、同時に、該マスクを用いて前記第1凹部とは異なる部分に第2凹部(30)を形成し、
    前記第2導電型不純物層を形成したときに、前記第2凹部にも窪みを残し、該窪みをアライメントマーク(31)として、前記トレンチゲート構造を形成する工程、前記ソース領域を形成する工程および前記コンタクト領域を形成する工程のマスク合わせを行うことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記第2導電型不純物層を形成する工程では、前記コンタクトトレンチを底面と側面を含む複数の面を持つ形状で形成することを特徴とする請求項1ないしのいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。
  5. 第1または第2導電型の半導体基板(1)上に、該半導体基板よりも低不純物濃度とされた第1導電型のドリフト層(2)を形成する工程と、
    前記ドリフト層の表面にマスク(20)を配置した後、該マスクを用いてエッチングを行うことで、前記ドリフト層を部分的に除去した第1凹部(2a)を前記半導体基板の表面と平行な断面において複数離間させて形成する工程と、
    前記マスクを除去したのち、前記第1凹部内において第2導電型のディープ層(3b)を構成すると共に、前記ドリフト層の表面において第2導電型のチャネル層(3a)を構成する第2導電型不純物層(3)を形成する工程と、
    複数の前記ディープ層の間において、前記第2導電型不純物層の表面から前記チャネル層を貫通して前記ドリフト層に達し、かつ、前記ディープ層よりも浅いトレンチ(6)を形成したのち、前記トレンチの表面にゲート絶縁膜(7)を形成し、さらに前記トレンチ内において、前記ゲート絶縁膜の上にゲート電極(8)を形成することでトレンチゲート構造を形成する工程と、
    前記チャネル層の表層部に第1導電型不純物をイオン注入することにより、前記ドリフト層よりも高濃度の第1導電型のソース領域(4)を形成する工程と、
    前記チャネル層のうち前記第1凹部の中央位置に対応する部分の表層部に第2導電型不純物をイオン注入することにより、前記チャネル層よりも高濃度の第2導電型のコンタクト領域(5)を形成する工程と、
    前記ソース領域および前記コンタクト領域に電気的に接続されるソース電極(9)を形成する工程と、
    前記半導体基板の裏面側にドレイン電極(11)を形成する工程と、を含み、
    前記第2導電型不純物層を形成する工程では、前記第2導電型不純物層のうち前記第1凹部の中央位置に対応する部分の表面に、窪みにて構成されるコンタクトトレンチ(3c)が形成されるエピタキシャル成長条件とし、
    前記コンタクト領域を形成する工程では、前記コンタクトトレンチの底部に前記コンタクト領域を形成し、
    前記第2導電型不純物層を形成する工程では、前記コンタクトトレンチを底面と側面を含む複数の面を持つ形状で形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  6. 前記第2導電型不純物層を形成する工程は、
    前記第2導電型不純物層のうち、前記ディープ層となる部分と前記チャネル層となる部分を同じエピタキシャル成長によって同時に形成することを特徴とする請求項5に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記第2導電型不純物層を形成する工程では、前記コンタクトトレンチの前記底面を平面で形成することを特徴とする請求項4ないし6のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記第2導電型不純物層を形成する工程では、前記コンタクトトレンチの前記底面もしくは前記底面と前記側面との境界部を丸みの帯びた形状で形成することを特徴とする請求項4ないし6のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。
  9. 前記第2導電型不純物層を形成する工程では、前記第2導電型不純物層のうち前記第1凹部の側面上に形成される部分の成長レートとなる横方向成長レートよりも前記第1凹部の底面上に形成される部分の成長レートとなる縦方向成長レートの方が大きくなるようにすることを特徴とする請求項ないし8のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。
  10. 前記第2導電型不純物層を形成する工程では、複数の前記ディープ層が並ぶ方向における前記コンタクトトレンチの幅を同方向における前記第1凹部の幅よりも小さくすることを特徴とする請求項1ないし9のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。
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