JP6468112B2 - Silicon carbide semiconductor device - Google Patents
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Description
本開示は、炭化珪素半導体装置に関する。 The present disclosure relates to a silicon carbide semiconductor device.
特開2013−34007号公報(特許文献1)には、短いステップバンチングがないことを特徴とする炭化珪素エピタキシャルウエハが開示されている。 Japanese Patent Laying-Open No. 2013-340007 (Patent Document 1) discloses a silicon carbide epitaxial wafer characterized by no short step bunching.
本開示の一目的は、長期信頼性が向上した炭化珪素半導体装置を提供することである。 An object of the present disclosure is to provide a silicon carbide semiconductor device with improved long-term reliability.
本開示の一態様に係る炭化珪素半導体装置は、炭化珪素基板と、ゲート絶縁膜とを備えている。炭化珪素基板は、主面を有する。ゲート絶縁膜は、主面上に設けられている。炭化珪素基板は、第1不純物領域と、第1不純物領域と同じ導電型を有しかつ第1不純物領域から物理的に離間されたドリフト領域と、ゲート絶縁膜に対面し、かつ第1不純物領域とドリフト領域との間を電気的に導通可能に構成された第2不純物領域とを含む。第2不純物領域は、第1不純物領域よりも低い格子欠陥密度を有する。主面には、主面に沿って一方向に延びるとともに、一方向における幅が一方向に垂直な方向における幅の2倍以上であり、かつ、主面からの最大深さが10nm以下である溝部が形成されている。 A silicon carbide semiconductor device according to one embodiment of the present disclosure includes a silicon carbide substrate and a gate insulating film. The silicon carbide substrate has a main surface. The gate insulating film is provided on the main surface. The silicon carbide substrate has a first impurity region, a drift region having the same conductivity type as that of the first impurity region and physically separated from the first impurity region, a gate insulating film, and a first impurity region And a second impurity region configured to be electrically conductive between the first region and the drift region. The second impurity region has a lower lattice defect density than the first impurity region. The main surface extends in one direction along the main surface, the width in one direction is at least twice the width in the direction perpendicular to one direction, and the maximum depth from the main surface is 10 nm or less. Grooves are formed.
上記によれば、長期信頼性が向上した炭化珪素半導体装置が提供される。 According to the above, a silicon carbide semiconductor device with improved long-term reliability is provided.
[実施形態の説明]
(1)本開示の一態様に係る炭化珪素半導体装置1は、炭化珪素基板10と、ゲート絶縁膜15とを備えている。炭化珪素基板10は、主面10Aを有する。ゲート絶縁膜15は、主面10A上に設けられている。炭化珪素基板10は、第1不純物領域14と、第1不純物領域14と同じ導電型を有しかつ第1不純物領域14から物理的に離間されたドリフト領域12と、ゲート絶縁膜15に対面し、かつ第1不純物領域14とドリフト領域12との間を電気的に導通可能に構成された第2不純物領域2とを含む。第2不純物領域2は、第1不純物領域14よりも低い格子欠陥密度を有する。主面10Aには、主面10Aに沿って一方向Dに延びるとともに、一方向Dにおける幅W2が一方向Dに垂直な方向における幅W3の2倍以上であり、かつ、主面10Aからの最大深さD2が10nm以下である溝部20が形成されている。
[Description of Embodiment]
(1) Silicon carbide semiconductor device 1 according to one aspect of the present disclosure includes
炭化珪素単結晶基板上において炭化珪素層をエピタキシャル成長により形成する際、当該炭化珪素層の主表面に微小なピット部30(図2および図4参照)が形成される場合がある。当該ピット部は、炭化珪素単結晶基板から炭化珪素層に引き継がれた貫通転位に起因して形成されるものであり、数十nm程度の深さを有する窪みである。本発明者らは、炭化珪素層の表面に形成されるピット部が、表面上に形成されるゲート絶縁膜の膜厚のばらつきを増加させており、この膜厚のばらつきが炭化珪素半導体装置の長期信頼性を低下させていることを知見した。 When a silicon carbide layer is formed by epitaxial growth on a silicon carbide single crystal substrate, a minute pit portion 30 (see FIGS. 2 and 4) may be formed on the main surface of the silicon carbide layer. The pit portion is formed due to threading dislocation inherited from the silicon carbide single crystal substrate to the silicon carbide layer, and is a recess having a depth of about several tens of nm. The inventors have increased the variation in the thickness of the gate insulating film formed on the surface of the pit portion formed on the surface of the silicon carbide layer. It was found that long-term reliability was reduced.
本発明者らは、特定のエピタキシャル成長条件において、ピット部の形成を抑制できることを見出した。当該成長条件によると、ピット部が低減される一方、ピット部に比べて浅くかつ一方向に延びる溝部20(図2および図3参照)が多数形成される。しかし当該溝部は、ピット部に比べて浅いため、ゲート絶縁膜の膜厚のばらつきに与える影響が、ピット部に比べて小さいことが分かった。 The present inventors have found that the formation of pit portions can be suppressed under specific epitaxial growth conditions. According to the growth conditions, while the pit portion is reduced, a large number of groove portions 20 (see FIGS. 2 and 3) that are shallower than the pit portion and extend in one direction are formed. However, since the groove portion is shallower than the pit portion, it has been found that the influence on the variation in the thickness of the gate insulating film is smaller than that of the pit portion.
上記(1)の炭化珪素半導体装置1では、主面10Aには、主面10Aに沿って一方向Dに延びるとともに、一方向Dにおける幅W2が一方向Dに垂直な方向における幅W3の2倍以上であり、かつ、主面10Aからの最大深さD2が10nm以下である溝部20が形成されている。当該溝部20が形成された炭化珪素半導体装置1によれば、ピット部が多数形成された従来の炭化珪素半導体装置に比べて、ゲート絶縁膜15の膜厚のばらつきを少なくすることができる。したがって、上記(1)の炭化珪素半導体装置では、従来の炭化珪素半導体装置よりも長期信頼性が向上することになる。またチャネルとして機能する第2不純物領域2が、エピタキシャル成長法により形成されている場合は、イオン注入により形成されている場合と比べてチャネル移動度が高くなる。
In silicon carbide semiconductor device 1 of (1) above,
上記「溝部」の形状は、所定の欠陥検査装置を用いて第1主面10Aを観察することにより特定することができる。たとえば、ゲート絶縁膜15を第1主面10A上から除去した後、第1主面10Aに形成された溝部20の幅および深さなどの寸法がAFM(Atomic Force Microscope)により測定される。AFM測定が実施されたサンプルを標準試料とし、当該標準試料が複数枚準備される。
The shape of the “groove” can be specified by observing the first
欠陥検査装置としては、たとえばレーザーテック株式会社製のWASAVIシリーズ「SICA 6X」を用いることができる(対物レンズ:×10)。当該欠陥検査装置の検出感度の閾値は、上記標準試料を用いて取り決められる。これにより、当該欠陥検査装置を用いることにより、被測定サンプルに形成された「溝部」の形状を定量的に評価することができる。なお、ゲート絶縁膜は、たとえば純水により希釈したフッ酸、あるいは、フッ化アンモニウムを緩衝液として用いたフッ化アンモニウムとフッ酸の混合液により除去することができる。典型的なフッ酸の濃度範囲は、1%以上55%以下である。 As the defect inspection apparatus, for example, WASAVI series “SICA 6X” manufactured by Lasertec Corporation can be used (objective lens: × 10). The threshold value of the detection sensitivity of the defect inspection apparatus is determined using the standard sample. Thereby, the shape of the “groove part” formed in the sample to be measured can be quantitatively evaluated by using the defect inspection apparatus. Note that the gate insulating film can be removed by, for example, hydrofluoric acid diluted with pure water, or a mixed solution of ammonium fluoride and hydrofluoric acid using ammonium fluoride as a buffer solution. A typical concentration range of hydrofluoric acid is 1% or more and 55% or less.
第2不純物領域2および第1不純物領域14の格子欠陥密度は、たとえばTEM(Transmission Electron Microscope)を用いることにより測定することができる。たとえば第1主面10Aに平行な方向から、第2不純物領域2および第1不純物領域14の断面をTEMで観察することにより、第2不純物領域2および第1不純物領域14の格子欠陥密度を測定することができる。
The lattice defect density of the
(2)上記(1)に係る炭化珪素半導体装置1において、主面10Aにおける溝部20の面密度は、10/mm2以上であってもよい。なお、溝部20の面密度は、上記欠陥検査装置を用いて測定することができる。
(2) In silicon carbide semiconductor device 1 according to (1) above, the surface density of
(3)上記(1)または(2)に係る炭化珪素半導体装置1において、第2不純物領域2の導電型はn型およびp型のいずれかである。導電型がn型の場合、第2不純物領域2は窒素原子を含んでいてもよい。導電型がp型の場合、第2不純物領域2はアルミニウム原子を含んでいてもよい。
(3) In silicon carbide semiconductor device 1 according to (1) or (2) above, the conductivity type of
(4)上記(1)〜(3)のいずれかに係る炭化珪素半導体装置1において、主面10Aに対して垂直な方向における第2不純物領域2の厚みは、0.1μm以上3μm以下であってもよい。
(4) In silicon carbide semiconductor device 1 according to any one of (1) to (3), the thickness of
(5)上記(1)〜(4)のいずれかに係る炭化珪素半導体装置1において、第2不純物領域2の不純物濃度は、1×1016cm-3以上であってもよい。
(5) In silicon carbide semiconductor device 1 according to any of (1) to (4) above, the impurity concentration of
(6)上記(1)〜(5)のいずれかに係る炭化珪素半導体装置1において、ドリフト領域12の不純物濃度は、1×1016cm-3未満であってもよい。
(6) In silicon carbide semiconductor device 1 according to any of (1) to (5) above, the impurity concentration of
(7)上記(1)〜(6)のいずれかに係る炭化珪素半導体装置1において、溝部20は、第1の溝部21と、第1の溝部21に接続された第2の溝部22とを含んでいてもよい。第1の溝部21は、一方向Dにおいて溝部20の一方の端部に形成されていてもよい。第2の溝部22は、第1の溝部21から一方向Dに沿って延びて一方の端部と反対側の他方の端部に至り、かつ、主面10Aからの深さD1が第1の溝部の最大深さよりも小さくてもよい。
(7) In silicon carbide semiconductor device 1 according to any of (1) to (6) above,
[実施形態の詳細]
以下、図面に基づいて実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。また、本明細書中の結晶学的記載においては、個別方位を[]、集合方位を<>、個別面を()、集合面を{}でそれぞれ示している。また、負の指数については、結晶学上、”−”(バー)を数字の上に付けることになっているが、本明細書中では、数字の前に負の符号を付けている。
[Details of the embodiment]
Embodiments will be described below with reference to the drawings. In the following drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated. In the crystallographic description in this specification, the individual orientation is indicated by [], the collective orientation is indicated by <>, the individual plane is indicated by (), and the collective plane is indicated by {}. As for the negative index, “−” (bar) is attached on the number in crystallography, but in this specification, a negative sign is attached before the number.
〔炭化珪素半導体装置〕
まず、本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の一例としてのMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)の構成について説明する。
[Silicon carbide semiconductor device]
First, a configuration of a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) as an example of a silicon carbide semiconductor device according to the present embodiment will be described.
本実施の形態に係るMOSFET1は、炭化珪素基板10と、ゲート絶縁膜15と、ゲート電極27と、ソース電極16と、ドレイン電極3と、ソースパッド電極19と、層間絶縁膜4とを主に有している。炭化珪素基板10は、炭化珪素単結晶基板11と、炭化珪素単結晶基板11上に設けられた炭化珪素層17とを主に含んでいる。炭化珪素基板10は、第1主面10Aと、第1主面10Aと反対側の第2主面11Bとを有する。炭化珪素層17は、第1主面10Aを構成する。炭化珪素単結晶基板11は、第2主面11Bを構成する。炭化珪素単結晶基板11は、第2主面11Bと、第2主面11Bと反対側の第3主面11Aとを有する。炭化珪素層17は、ドリフト領域12と、ボディ領域13と、ソース領域14と、コンタクト領域18とを主に含んでいる。
MOSFET 1 according to the present embodiment mainly includes
ソース領域14は、たとえば窒素(N)またはリン(P)などのn型不純物を含み、n型の導電型を有する。ソース領域14は、たとえば炭化珪素層17の第1主面10Aの一部を構成する。ソース領域14は、ボディ領域13によってドリフト領域12から隔てられていてもよい。ソース領域14の側面および底面の各々は、ボディ領域13に接している。ソース領域14が含むn型不純物の濃度は、ドリフト領域12が含むn型不純物の濃度よりも高くてもよい。
ドリフト領域12は、たとえば窒素(N)またはリン(P)などのn型不純物を含み、n型(第1導電型)の導電型を有する不純物領域である。ドリフト領域12は、ソース領域14と同じ導電型を有する。ドリフト領域12は、ソース領域14から物理的に離間されている。ドリフト領域12のn型不純物の濃度は、たとえば1×1016cm-3未満であり、好ましくは5×1015cm-3未満であり、より好ましくは2×1015cm-3未満である。ドリフト領域12のn型不純物の濃度の下限は、たとえば1×1013cm-3である。
ドリフト領域12は、第3主面11A上に設けられた第1ドリフト領域部12aと、第1ドリフト領域部12a上に設けられ、かつ断面視(第1主面10Aと平行な方向から見た視野)においてボディ領域13に挟まれた第2ドリフト領域部12bとを有する。第1ドリフト領域部12aのn型不純物の濃度は、第2ドリフト領域部12bのn型不純物の濃度と同じであってもよいし、異なっていてもよい。
The
ボディ領域13は、たとえばアルミニウム(Al)またはホウ素(B)などのp型不純物を含み、p型(第2導電型)の導電型を有する不純物領域である。ボディ領域13は、第1ドリフト領域部12aおよび第2ドリフト領域部12bの双方に接している。ボディ領域13は、第1ボディ領域部13aと、第1ボディ領域部13a上に設けられた第2ボディ領域部13bとを有している。第1ボディ領域部13aは、たとえばエピタキシャル成長により形成された領域である。第2ボディ領域部13bは、たとえばイオン注入により形成された領域である。第1ボディ領域部13aの格子欠陥密度は、第2ボディ領域部13bの格子欠陥密度よりも低い。第1ボディ領域部13aは、第1ドリフト領域部12aおよび第2ドリフト領域部12bの双方に接している。第2ボディ領域部13bは、第2ドリフト領域部12bに接している。
第2不純物領域2は、たとえば窒素(N)またはリン(P)などのn型不純物を含み、n型(第1導電型)の導電型を有する不純物領域である。第2不純物領域2は、ゲート絶縁膜15に対面する。第2不純物領域2は、ソース領域14とドリフト領域12との間を電気的に導通可能に構成されている。つまり、第2不純物領域2は、ソース電極16およびドレイン電極3の間に電流が流れる際、ソース領域14とドリフト領域12とを繋ぐチャネルが形成される領域である。ソース領域14は、たとえばイオン注入により形成される。第2不純物領域2は、エピタキシャル成長により形成される。第2不純物領域2は、ソース領域14よりも低い格子欠陥密度を有する。
第2不純物領域2の導電型はn型およびp型のいずれかであればよい。第2不純物領域2の導電型が、ドリフト領域12およびソース領域14の導電型と同じ場合、第2不純物領域2は蓄積型チャネルとなる。反対に、第2不純物領域2の導電型が、ドリフト領域12およびソース領域14の導電型と異なる場合、第2不純物領域2は反転型チャネルとなる。導電型がn型の場合、第2不純物領域2は窒素原子を含んでいてもよい。導電型がp型の場合、第2不純物領域2はアルミニウム原子を含んでいてもよい。第2不純物領域2は、第1主面10Aに対して垂直な方向において、ドリフト領域12とゲート絶縁膜15とに挟まれていてもよい。同様に、第2不純物領域2は、第1主面10Aに対して垂直な方向において、ボディ領域13とゲート絶縁膜15とに挟まれていてもよい。第2不純物領域2は、第1主面10Aに対して平行な方向において、ボディ領域13に挟まれていてもよい。第2不純物領域2は、ソース領域14と、第2ボディ領域部13bと、第2ドリフト領域部12bと、ゲート絶縁膜15とに接している。
The conductivity type of the
図1に示されるように、第1主面10Aに対して垂直な方向における第2不純物領域2の厚みTは、たとえば0.1μm以上3μm以下である。好ましくは、厚みTは、0.1μm以上1μm以下である。厚みTは、ソース領域14の厚みよりも小さくてもよい。第2不純物領域2は、第1主面10Aの一部を構成する。第2不純物領域2のn型不純物の濃度は、たとえば1×1016cm-3以上であり、好ましくは2×1016cm-3以上であり、より好ましくは5×1016cm-3以上である。第2不純物領域2のn型不純物の濃度の上限は、たとえば1×1019cm-3である。
As shown in FIG. 1, the thickness T of the
コンタクト領域18は、たとえばアルミニウム(Al)やホウ素(B)などのp型不純物を含み、p型を有する。コンタクト領域18は、第1主面10Aの一部を構成する。コンタクト領域18は、ソース領域14を貫通し、ソース電極16とボディ領域13とを繋いでいる。コンタクト領域18が含むp型不純物の濃度は、ボディ領域13が含むp型不純物の濃度よりも高くてもよい。
Contact
ゲート絶縁膜15は、第1主面10A上に設けられている。ゲート絶縁膜15は、第1主面10Aにおいて、第2不純物領域2とソース領域14とに接する。ゲート絶縁膜15は、たとえば二酸化珪素などの材料により構成される酸化膜である。ゲート絶縁膜15の厚みは、たとえば45nm以上65nm以下である。ゲート電極27は、たとえば不純物が添加されたポリシリコンおよびアルミニウムなどの導電体から構成されている。ゲート電極27は、ゲート絶縁膜15上に設けられており、第2不純物領域2とソース領域14とに対面するように配置されている。層間絶縁膜4は、たとえば二酸化珪素を含む材料から構成されており、ゲート電極27を取り囲むように形成されている。層間絶縁膜4は、ゲート電極27とソース電極16とを電気的に絶縁している。
ソース電極16は、第1主面10A上に設けられている。ソース電極16は、第1主面10Aにおいて、ソース領域14およびコンタクト領域18の双方と接している。好ましくは、ソース電極16は、ソース領域14とオーミック接合している。より好ましくは、ソース電極16は、コンタクト領域18とオーミック接合している。ソース電極16は、たとえばニッケルシリコン(NixSiy)、チタンシリコン(TixSiy)、アルミシリコン(AlxSiy)またはチタンアルミシリコン(TixAlySiz)などの材料から構成されている。上記組成式において、x,y,zは0より大きい数である。
The
ソースパッド電極19は、ソース電極16および層間絶縁膜4を覆うように形成されている。ソースパッド電極19は、たとえばアルミニウム(Al)を含む材料から構成されている、ソース電極16を介してソース領域14と電気的に接続されている。
The
ドレイン電極3は、炭化珪素単結晶基板11の第2主面11Bに接して形成されている。ドレイン電極3は、たとえばニッケルシリコンなど、n型を有する炭化珪素とオーミック接合可能な材料から構成されている。ドレイン電極3は、ソース電極16と同様の材料から構成されていてもよい。ドレイン電極3は、炭化珪素単結晶基板11に対して電気的に接続されている。
〔炭化珪素基板〕
次に、本実施形態に係るMOSFET1が含む炭化珪素基板10の構成について説明する。
[Silicon carbide substrate]
Next, the configuration of the
図2は、図1の領域IIの一部の拡大図である。図3および図4は、本実施形態に係る炭化珪素基板10の平面構造を部分的に示している。図2の左側の図は、図3中に示した線分II−IIに沿った断面構造を示している。図2の右側の図は、図4中に示した線分II−IIに沿った断面構造を示している。図2〜4においては、ゲート絶縁膜15およびドレイン電極3は省略されている。
FIG. 2 is an enlarged view of a part of region II in FIG. 3 and 4 partially show a planar structure of
図2に示すように、本実施形態に係る炭化珪素基板10は、炭化珪素単結晶基板11と、炭化珪素層17とを有している。炭化珪素単結晶基板11は、たとえば炭化珪素単結晶から構成されている。炭化珪素単結晶は、たとえば六方晶の結晶構造を有しており、かつポリタイプが4H型である。炭化珪素単結晶基板11は、たとえば窒素(N)等のn型不純物を含むことにより、導電型がn型となっている。炭化珪素層17は、炭化珪素単結晶基板11上に設けられており、第1主面10Aを構成する。
As shown in FIG. 2,
炭化珪素単結晶基板11は、第3主面11Aと、当該第3主面11Aと反対側の第2主面11Bとを有している。炭化珪素単結晶基板11は、第3主面11Aにおいて炭化珪素層17と接する。炭化珪素単結晶基板11の主面11Aの直径は、たとえば100mm以上(4インチ以上)であり、好ましくは150mm以上(6インチ以上)である。第3主面11Aは、図2に示すように、炭化珪素層17が形成される主面である。第3主面11Aは、たとえば(0001)面(以下「シリコン(Si)面」とも称する)に対して±4°以下のオフ角を有している。オフ角のオフ方向は、たとえば<11−20>方向に対して±5°以下の範囲内にあってもよいし、<01−10>方向に対して±5°以下の範囲内にあってもよい。
Silicon carbide
ドリフト領域12は、たとえばCVD(Chemical Vapor Deposition)法により炭化珪素単結晶基板11の第3主面11A上に形成される炭化珪素層である。より具体的には、ドリフト領域12は、シラン(SiH4)およびプロパン(C3H8)を原料ガスとし、窒素(N2)あるいはアンモニア(NH3)をドーパントガスとして用いたCVD法によって形成されたエピタキシャル成長膜である。ドリフト領域12には、上記窒素あるいはアンモニアが熱分解して生成した窒素(N)原子が取り込まれており、これによりドリフト領域12の導電型はn型となっている。好ましくは、ドリフト領域12が含むn型不純物の濃度は、炭化珪素単結晶基板11が含むn型不純物の濃度よりも低くなっている。上記のように第3主面11Aは(0001)面に対してオフしているため、ドリフト領域12はステップフロー成長により形成されている。そのため、ドリフト領域12は炭化珪素単結晶基板11と同様にポリタイプが4H型の炭化珪素からなり、異種ポリタイプの混在が抑制されたものとなっている。ドリフト領域12の厚さは、たとえば5μm以上150μm以下程度である。
図3に示すように、第1主面10Aには、溝部20が形成されている。溝部20は、第1主面10Aの平面視(第1主面10Aに対して垂直な方向に沿って見た視野)において第1主面10Aに沿って一方向に延びている。より具体的には、溝部20は、(0001)面に対するオフ角のオフ方向に沿ったステップフロー成長方向Dに沿って延びている。つまり、溝部20は、<11−20>方向に対して±5°以下の範囲内にある方向、または<01−10>方向に対して±5°以下の範囲内にある方向に沿って延びている。
As shown in FIG. 3, a
溝部20の上記一方向における幅W2は、上記一方向に垂直な方向における幅W3の2倍以上であり、好ましくは5倍以上である。幅W2は15μm以上50μm以下であり、好ましくは25μm以上35μm以下である。幅W3は1μm以上5μm以下であり、好ましくは2μm以上3μm以下である。
The width W2 in the one direction of the
図2に示すように、溝部20は、炭化珪素層17内に存在する貫通転位40からオフ角のオフ方向に沿うステップフロー成長方向Dに沿って延びるように形成されている。より具体的には、溝部20は、貫通転位40上に形成された第1の溝部21と、当該第1の溝部21に接続され、かつ当該第1の溝部21からステップフロー成長方向Dに沿って延びるように形成された第2の溝部22とを含んでいる。
As shown in FIG. 2, groove 20 is formed so as to extend from threading
第1の溝部21は、ステップフロー成長方向Dにおいて溝部20の一方の端部(図2中の左端部)に形成されている。また第1の溝部21は、第1主面10Aからの最大深さD2が10nm以下である。最大深さD2は、図2に示すように溝部20全体における最大深さである。第1の溝部21の幅W1は、好ましくは1μm以下であり、より好ましくは0.5μm以下である。
The
図2に示すように、第2の溝部22は、第1の溝部21との接続部を起点として、上記一方の端部と反対側の他方の端部(図2中の右端部)にまで至るように形成されている。言い換えれば、第2の溝部22は、第1の溝部21から一方向Dに沿って延びて一方の端部と反対側の他方の端部に至るように形成されている。第2の溝部22は、第1主面10Aからの深さD1が第1の溝部21の最大深さD2よりも小さくなるように形成されている。より具体的には、第2の溝部22は、第1の溝部21の最大深さD2よりも浅い深さを維持しながらステップフロー成長方向Dに沿って延びている。深さD1は、好ましくは3nm以下であり、より好ましくは2nm以下であり、さらに好ましくは1nm以下である。また第2の溝部22の幅W4は、たとえば20μm以上であり、好ましくは25μm以上である。
As shown in FIG. 2, the
第1主面10Aにおける溝部20の面密度は、たとえば10/mm2以上である。当該面密度は、100/mm2以上であってもよい。当該面密度の上限は、1000/mm2であってもよい。ゲート絶縁膜15に接する第2不純物領域2の表面2a(図1参照)における面密度が、10/mm2以上であってもよい。
The surface density of the
図1に示すように、ゲート絶縁膜15は、第2不純物領域2と、ソース領域14とに接して設けられている。ゲート絶縁膜15は、第2不純物領域2の表面10Aに設けられた溝部20上に設けられていてもよい。ゲート絶縁膜15は、第1の溝部21上に設けられていてもよい。ゲート絶縁膜15は、第2不純物領域2の表面10Aに設けられた第2の溝部22上に設けられていてもよいし、ピット部30上に設けられていてもよい。図2および図4に示すように、ピット部30が、第2不純物領域2の表面10Aに設けられていてもよい。図2に示すように、ピット部30は、炭化珪素単結晶基板11から炭化珪素層17内に伸展する貫通転位40に由来する。ピット部30の最大深さD3は10nmより大きく、より具体的には20nmよりも大きい。図4に示すように、平面視において、ピット部30は三角形の形状を有していてもよい。ゲート絶縁膜15は、溝部20が有する第1の溝部21および第2の溝部22を埋めるように設けられていてもよい。
As shown in FIG. 1, the
〔炭化珪素半導体装置の製造方法〕
次に、本実施形態に係るMOSFET1の製造方法について説明する。
[Method of Manufacturing Silicon Carbide Semiconductor Device]
Next, a method for manufacturing MOSFET 1 according to this embodiment will be described.
まず、炭化珪素基板準備工程(S30:図5)が実施される。たとえば炭化珪素単結晶基板を準備する工程(S31:図6)が実施される。たとえば昇華再結晶法を用いて結晶成長させたポリタイプ4H型の炭化珪素インゴット(図示しない)を所定の厚みにスライスすることにより、炭化珪素単結晶基板11が準備される(図9参照)。炭化珪素単結晶基板11は、第3主面11Aと、当該第3主面11Aと反対側の第2主面11Bとを有している。第3主面11Aは、炭化珪素層17が形成される主面である。第3主面11Aは、たとえば(0001)面に対して±4°以下のオフ角を有している。オフ角のオフ方向は、たとえば<11−20>方向に対して±5°以下の範囲内にあってもよいし、<01−10>方向に対して±5°以下の範囲内にあってもよい。
First, a silicon carbide substrate preparation step (S30: FIG. 5) is performed. For example, a step of preparing a silicon carbide single crystal substrate (S31: FIG. 6) is performed. For example, a silicon carbide
次に、エピタキシャル成長装置41の構成について、図7および図8を参照しながら説明する。図7は、エピタキシャル成長装置41の側面図である。図8は、図7中の線分VIII−VIIIに沿ったエピタキシャル成長装置41の断面図である。
Next, the configuration of the
図7および図8に示すように、エピタキシャル成長装置41は、発熱体46と、断熱材45と、石英管44と、誘導加熱コイル43とを有している。発熱体46は、たとえばカーボン材料からなる。発熱体46は、図8に示すように、曲面部46Aおよび平坦部46Bを含む半円筒状の中空構造を有している。発熱体46は二つ設けられており、平坦部46B同士が互いに対向するように配置されている。平坦部46Bにより囲まれた空間が、炭化珪素単結晶基板11の処理を行うための空間であるチャネル1Aである。
As shown in FIGS. 7 and 8, the
断熱材45は、チャネル1Aをエピタキシャル成長装置41の外部から断熱するための部材である。断熱材45は、発熱体46の外周部を取り囲むように配置されている。石英管44は、断熱材45の外周部を取り囲むように配置されている。誘導加熱コイル43は、石英管44の外周部において巻回されている。
The
次に、上記エピタキシャル成長装置41を用いた結晶成長プロセスについて説明する。まず、炭化珪素単結晶基板を準備する工程(S31:図6)において準備された炭化珪素単結晶基板11が、エピタキシャル成長装置41のチャネル1A内に配置される。より具体的には、一方の発熱体46上に設けられたサセプタ(図示しない)上に、炭化珪素単結晶基板11が載置される。
Next, a crystal growth process using the
次に、第1のn型炭化珪素層をエピタキシャル形成する工程(S32:図6)が実施される。たとえばC/Si比が1未満の原料ガスを用いて、炭化珪素単結晶基板11の第3主面11A上に第1のn型炭化珪素層12aが形成される(図9参照)。まず、チャネル1A内をガス置換した後、キャリアガスを流しながら、チャネル1A内を所定の圧力、たとえば60mbar〜100mbar(6kPa〜10kPa)に調整する。キャリアガスは、たとえば水素(H2)ガス、アルゴン(Ar)ガス、ヘリウム(He)ガス等であってもよい。キャリアガス流量は、たとえば50slm〜200slm程度でよい。ここで流量の単位「slm(Standard Liter per Minute)」は、標準状態(0℃、101.3kPa)における「L/min」を示している。
Next, a step of epitaxially forming the first n-type silicon carbide layer (S32: FIG. 6) is performed. For example, the first n-type
次に、誘導加熱コイル43に所定の交流電流を供給することにより、発熱体46が誘導加熱される。これにより、チャネル1Aおよび炭化珪素単結晶基板11が載置されるサセプタが所定の反応温度にまで加熱される。このときサセプタは、たとえば1500℃〜1750℃程度まで加熱される。
Next, the
次に、原料ガスがチャネル1Aに供給される。原料ガスは、Si源ガスとC源ガスとを含む。Si源ガスとしては、たとえばシラン(SiH4)ガス、ジシラン(Si2H6)ガス、ジクロロシラン(SiH2Cl2)ガス、トリクロロシラン(SiHCl3)ガス、四塩化珪素(SiCl4)ガス等が挙げられる。すなわちSi源ガスは、シランガス、ジシランガス、ジクロロシランガス、トリクロロシランガスおよび四塩化珪素ガスからなる群より選択される少なくとも1種でもよい。
Next, the source gas is supplied to the
C源ガスとしては、たとえば、メタン(CH4)ガス、エタン(C2H6)ガス、プロパン(C3H8)ガス、アセチレン(C2H2)ガス等が挙げられる。すなわちC源ガスは、メタンガス、エタンガス、プロパンガスおよびアセチレンガスからなる群より選択される少なくとも1種でもよい。 Examples of the C source gas include methane (CH 4 ) gas, ethane (C 2 H 6 ) gas, propane (C 3 H 8 ) gas, acetylene (C 2 H 2 ) gas, and the like. That is, the C source gas may be at least one selected from the group consisting of methane gas, ethane gas, propane gas, and acetylene gas.
原料ガスは、ドーパントガスを含んでいてもよい。ドーパントガスとしては、たとえば、窒素ガス、アンモニアガス等が挙げられる。 The source gas may contain a dopant gas. Examples of the dopant gas include nitrogen gas and ammonia gas.
第1のn型炭化珪素層をエピタキシャル形成する工程(S32:図6)における原料ガスは、たとえばシランガスとプロパンガスとの混合ガスでもよい。第1のエピタキシャル層を形成する工程では、原料ガスのC/Si比が1未満に調整される。C/Si比は、1未満である限り、たとえば0.5以上でもよいし、0.6以上でもよいし、0.7以上でもよい。またC/Si比は、たとえば0.95以下でもよいし、0.9以下でもよいし、0.8以下でもよい。シランガス流量およびプロパンガス流量は、たとえば10〜100sccm程度の範囲で、所望のC/Si比となるように適宜調整すればよい。ここで流量の単位「sccm(Standard Cubic Centimeter per Minute)」は、標準状態(0℃、101.3kPa)における「mL/min」を示している。 The source gas in the step of epitaxially forming the first n-type silicon carbide layer (S32: FIG. 6) may be, for example, a mixed gas of silane gas and propane gas. In the step of forming the first epitaxial layer, the C / Si ratio of the source gas is adjusted to less than 1. As long as the C / Si ratio is less than 1, it may be, for example, 0.5 or more, 0.6 or more, or 0.7 or more. The C / Si ratio may be, for example, 0.95 or less, 0.9 or less, or 0.8 or less. The silane gas flow rate and the propane gas flow rate may be appropriately adjusted in a range of, for example, about 10 to 100 sccm so as to obtain a desired C / Si ratio. Here, the unit of flow rate “sccm (Standard Cubic Centimeter per Minute)” indicates “mL / min” in the standard state (0 ° C., 101.3 kPa).
第1のn型炭化珪素層をエピタキシャル形成する工程(S32:図6)における成膜速度は、たとえば5μm/h以上50μm/h以下程度でもよい。第1のn型炭化珪素層12aの厚さは、たとえば1μm以上150μm以下である。第1のn型炭化珪素層12aの厚さは、5μm以上でもよいし、10μm以上でもよいし、15μm以上でもよい。第1のn型炭化珪素層12aの厚さは、100μm以下でもよいし、75μm以下でもよいし、50μm以下でもよい。
The film formation rate in the step of epitaxially forming the first n-type silicon carbide layer (S32: FIG. 6) may be, for example, about 5 μm / h or more and 50 μm / h or less. The thickness of the first n-type
次に、第1のp型炭化珪素層をエピタキシャル形成する工程(S33:図6)が実施される。第1のn型炭化珪素層12a上に、第1のp型炭化珪素層13aがエピタキシャル成長により形成される(図10参照)。エピタキシャル成長の際、第1のp型炭化珪素層13aには、たとえばアルミニウムまたはホウ素などのp型不純物がドーピングされる。次に、第1のp型炭化珪素層13a上に開口部を有するマスク層31が形成される。マスク層31を用いて、第1のp型炭化珪素層13aの一部がエッチングされることにより、第1のn型炭化珪素層12aの一部が、第1のp型炭化珪素層13aから露出する(図11参照)。エッチングされずに残った第1のp型炭化珪素層13aは、第1ボディ領域部13aである。
Next, a step of epitaxially forming the first p-type silicon carbide layer (S33: FIG. 6) is performed. First p-type
次に、第2のn型炭化珪素層をエピタキシャル形成する工程(S34:図6)が実施される。具体的には、第2のn型炭化珪素層12bが、第1のp型炭化珪素層13aおよび第1のn型炭化珪素層12a上に形成される。第2のn型炭化珪素層12bは、第1のp型炭化珪素層13aに形成された開口部を埋めるように形成される。第2のn型炭化珪素層12bの厚みは、第1のp型炭化珪素層13aの厚み以上であることが好ましい。第2のn型炭化珪素層12bは、第1のn型炭化珪素層12aを形成する方法と同様の方法を用いて、エピタキシャル成長により形成される。
Next, a step of epitaxially forming the second n-type silicon carbide layer (S34: FIG. 6) is performed. Specifically, second n-type
次に、第2のn型炭化珪素層に対して化学的機械研磨を行う工程(S35:図6)が実施される。具体的には、CMP(Chemical Mechanical Polishing)により、第2のn型炭化珪素層12bの表面が平坦化される(図13参照)。たとえば、第1のp型炭化珪素層13a上の第2のn型炭化珪素層12bの部分の厚みが、第1のp型炭化珪素層13aの厚みと同程度になるまで、第2のn型炭化珪素層12bに対してCMPが行われる。
Next, a step of performing chemical mechanical polishing on the second n-type silicon carbide layer (S35: FIG. 6) is performed. Specifically, the surface of second n-type
次に、第1のp型不純物をイオン注入する工程(S36:図6)が実施される。p型不純物がイオン注入される領域に開口部を有するマスク層32が第2のn型炭化珪素層12b上に形成される。マスク層32を用いて、たとえばアルミニウムまたはホウ素などのp型不純物が、第2のn型炭化珪素層12bの表面にイオン注入される(図14参照)。これにより、第1ボディ領域部13aと接する第2ボディ領域部13bが形成される。次に、マスク層32が除去される。
Next, a step of ion-implanting the first p-type impurity (S36: FIG. 6) is performed.
次に、第2のn型炭化珪素層の表面を再構成する工程(S37:図6)が実施される。表面を再構成する工程では、第1のn型炭化珪素層をエピタキシャル形成する工程(S32:図6)および第2のn型炭化珪素層をエピタキシャル形成する工程(S34:図6)におけるサセプタの温度よりも、サセプタの温度を10〜30℃程度上昇させてもよい。 Next, a step of reconfiguring the surface of the second n-type silicon carbide layer (S37: FIG. 6) is performed. In the step of reconfiguring the surface, the susceptor in the step of epitaxially forming the first n-type silicon carbide layer (S32: FIG. 6) and the step of epitaxially forming the second n-type silicon carbide layer (S34: FIG. 6) You may raise the temperature of a susceptor about 10-30 degreeC rather than temperature.
表面を再構成する工程では、C/Si比が1未満の原料ガスと、水素ガスとを含む混合ガスが用いられる。原料ガスのC/Si比は、第1のn型炭化珪素層をエピタキシャル形成する工程(S32:図6)および第2のn型炭化珪素層をエピタキシャル形成する工程(S34:図6)におけるC/Si比より低くてもよい。C/Si比は、1未満である限り、0.5以上でもよいし、0.6以上でもよいし、0.7以上でもよい。またC/Si比は、たとえば0.95以下でもよいし、0.9以下でもよいし、0.8以下でもよい。ここで、「C/Si比」とは、原料ガス中の珪素(Si)原子数に対する炭素(C)原子数の比を示す。「表面を再構成する」とは、水素ガスによるエッチング、および原料ガスによるエピタキシャル成長により、第1のエピタキシャル層の表面性状を変化させることを示す。再構成する工程を経ることにより、第1のエピタキシャル層の厚さは、減少することもあるし、増加することもあるし、あるいは実質的に変化しないこともある。 In the step of restructuring the surface, a mixed gas containing a source gas having a C / Si ratio of less than 1 and hydrogen gas is used. The C / Si ratio of the source gas is such that C in the step of epitaxially forming the first n-type silicon carbide layer (S32: FIG. 6) and the step of epitaxially forming the second n-type silicon carbide layer (S34: FIG. 6). / Si ratio may be lower. As long as the C / Si ratio is less than 1, it may be 0.5 or more, 0.6 or more, or 0.7 or more. The C / Si ratio may be, for example, 0.95 or less, 0.9 or less, or 0.8 or less. Here, the “C / Si ratio” indicates the ratio of the number of carbon (C) atoms to the number of silicon (Si) atoms in the raw material gas. “Restructuring the surface” means changing the surface properties of the first epitaxial layer by etching with hydrogen gas and epitaxial growth with a source gas. Through the reconfiguration step, the thickness of the first epitaxial layer may decrease, increase, or not substantially change.
表面を再構成する工程では、第1のn型炭化珪素層をエピタキシャル形成する工程(S32:図6)、第2のn型炭化珪素層をエピタキシャル形成する工程(S34:図6)および後述の第3のn型炭化珪素層をエピタキシャル形成する工程(S38:図6)における原料ガスと異なる原料ガスを用いてもよい。こうした態様により、ピット部形成の抑制効果が大きくなることが期待される。たとえば第2のn型炭化珪素層をエピタキシャル形成する工程(S34:図6)および後述の第3のn型炭化珪素層をエピタキシャル形成する工程(S38:図6)では、シランガスおよびプロパンガスを用い、表面を再構成する工程では、ジクロロシランおよびアセチレンを用いる等の態様が考えられる。 In the step of reconfiguring the surface, the step of epitaxially forming the first n-type silicon carbide layer (S32: FIG. 6), the step of epitaxially forming the second n-type silicon carbide layer (S34: FIG. 6), and A source gas different from the source gas in the step of epitaxially forming the third n-type silicon carbide layer (S38: FIG. 6) may be used. Such an aspect is expected to increase the effect of suppressing the formation of the pit portion. For example, in the step of epitaxially forming the second n-type silicon carbide layer (S34: FIG. 6) and the step of epitaxially forming the third n-type silicon carbide layer described later (S38: FIG. 6), silane gas and propane gas are used. In the step of reconstituting the surface, an embodiment such as using dichlorosilane and acetylene is conceivable.
表面を再構成する工程では、第2のn型炭化珪素層をエピタキシャル形成する工程(S34:図6)および後述の第3のn型炭化珪素層をエピタキシャル形成する工程(S38:図6)と比較して、水素ガス流量に対する原料ガス流量の比率を低下させてもよい。これにより、ピット部を浅くする効果が大きくなることが期待される。 In the step of reconfiguring the surface, a step of epitaxially forming a second n-type silicon carbide layer (S34: FIG. 6) and a step of epitaxially forming a third n-type silicon carbide layer described later (S38: FIG. 6) In comparison, the ratio of the raw material gas flow rate to the hydrogen gas flow rate may be reduced. This is expected to increase the effect of shallowing the pit portion.
混合ガスにおける水素ガス流量は、たとえば100slm以上150slm以下程度でよい。水素ガス流量は、たとえば120slm程度でもよい。混合ガスにおけるSi源ガス流量は、たとえば1sccm以上5sccm以下でもよい。Si源ガス流量の下限は、2sccmでもよい。Si源ガス流量の上限は、4sccmでもよい。混合ガスにおけるC源ガス流量は、たとえば0.3sccm以上1.6sccm以下でもよい。C源ガス流量の下限は、0.5sccmでもよいし、0.7sccmでもよい。C源ガス流量の上限は、1.4sccmでもよいし、1.2sccmでもよい。 The hydrogen gas flow rate in the mixed gas may be about 100 slm or more and 150 slm or less, for example. The hydrogen gas flow rate may be about 120 slm, for example. The Si source gas flow rate in the mixed gas may be, for example, 1 sccm or more and 5 sccm or less. The lower limit of the Si source gas flow rate may be 2 sccm. The upper limit of the Si source gas flow rate may be 4 sccm. The C source gas flow rate in the mixed gas may be, for example, 0.3 sccm or more and 1.6 sccm or less. The lower limit of the C source gas flow rate may be 0.5 sccm or 0.7 sccm. The upper limit of the C source gas flow rate may be 1.4 sccm or 1.2 sccm.
表面を再構成する工程では、通常のエピタキシャル成長と比べて、水素ガス流量に対する原料ガス流量の比率を低下させ、水素ガスによるエッチングと、原料ガスによるエピタキシャル成長とが拮抗した状態となるように、各種条件を調整することが望ましい。たとえば成膜速度が0±0.5μm/h程度となるように、水素ガス流量および原料ガス流量を調整することが考えられる。成膜速度は、0±0.4μm/h程度に調整してもよいし、0±0.3μm/h程度に調整してもよいし、0±0.2μm/h程度に調整してもよいし、0±0.1μm/h程度に調整してもよい。これにより、ピット部を浅くする効果が大きくなることが期待される。 In the process of reconfiguring the surface, various conditions are set so that the ratio of the raw material gas flow rate to the hydrogen gas flow rate is reduced compared with normal epitaxial growth, and the etching with hydrogen gas and the epitaxial growth with the raw material gas are in an antagonistic state. It is desirable to adjust. For example, it is conceivable to adjust the hydrogen gas flow rate and the raw material gas flow rate so that the film formation rate is about 0 ± 0.5 μm / h. The film formation rate may be adjusted to about 0 ± 0.4 μm / h, may be adjusted to about 0 ± 0.3 μm / h, or may be adjusted to about 0 ± 0.2 μm / h. It may be adjusted to about 0 ± 0.1 μm / h. This is expected to increase the effect of shallowing the pit portion.
表面を再構成する工程における処理時間は、たとえば30分以上10時間以下程度である。処理時間は、8時間以下でもよいし、6時間以下でもよいし、4時間以下でもよいし、2時間以下でもよい。 The processing time in the process of reconstructing the surface is, for example, about 30 minutes to 10 hours. The treatment time may be 8 hours or less, 6 hours or less, 4 hours or less, or 2 hours or less.
前述の貫通転位には、貫通らせん転位、貫通刃状転位およびこれらの転位が混合した混合転位が含まれる。各転位をバーガースベクトルbで表現すると、貫通らせん転位(b=<0001>)、貫通刃状転位(b=1/3<11−20>)、混合転位(b=<0001>+1/3<11−20>)となる。ゲート絶縁膜の膜厚のばらつきに影響を及ぼすピット部は、貫通らせん転位、貫通刃状転位および混合転位に起因して形成されると考えられる。転位周辺の歪が比較的大きい、貫通らせん転位および混合転位に起因して形成されるピット部は深さが深い。 The threading dislocations described above include threading screw dislocations, threading edge dislocations, and mixed dislocations in which these dislocations are mixed. When each dislocation is expressed by Burgers vector b, threading screw dislocation (b = <0001>), threading edge dislocation (b = 1/3 <11-20>), mixed dislocation (b = <0001> +1/3 < 11-20>). It is considered that the pit portion that affects the variation in the film thickness of the gate insulating film is formed due to threading screw dislocation, threading edge dislocation, and mixed dislocation. The pits formed due to threading screw dislocations and mixed dislocations with relatively large distortion around the dislocations are deep.
第2のn型炭化珪素層12bの表面を再構成することにより、貫通らせん転位および混合転位に起因して形成されるピット部を浅くする効果が期待できる。その上で、原料ガスのC/Si比を1未満の値から1より大きい値に変更し、後述するように第3のn型炭化珪素層2を成長させる。これにより、貫通らせん転位および混合転位に起因するピット部を浅くする効果が大きくなると考えられる。
By reconstructing the surface of the second n-type
次に、第3のn型炭化珪素層をエピタキシャル形成する工程(S38:図6)が実施される。第2のn型炭化珪素層12bの表面を再構成した後、当該表面上に第3のn型炭化珪素層2が形成される。第3のn型炭化珪素層2(図2を参照)は、C/Si比が1より大きい原料ガスを用いて形成される。C/Si比は、1より大きい限り、たとえば1.05以上でもよいし、1.1以上でもよいし、1.2以上でもよいし、1.3以上でもよいし、1.4以上でもよい。またC/Si比は、2.0以下でもよいし、1.8以下でもよいし、1.6以下でもよい。これにより、第2のn型炭化珪素層12bおよび第2ボディ領域部13b上に、第3のn型炭化珪素層2が形成される(図15参照)。
Next, a step of epitaxially forming the third n-type silicon carbide layer (S38: FIG. 6) is performed. After reconfiguring the surface of second n-type
第3のn型炭化珪素層をエピタキシャル形成する工程(S38:図6)における原料ガスは、第1のn型炭化珪素層をエピタキシャル形成する工程(S32:図6)および第2のn型炭化珪素層をエピタキシャル形成する工程(S34:図6)で用いた原料ガスと同じでもよいし、異なっていてもよい。原料ガスは、たとえばシランガスおよびプロパンガスでもよい。シランガス流量およびプロパンガス流量は、たとえば10〜100sccm程度の範囲で、所望のC/Si比となるように適宜調整すればよい。キャリアガス流量は、たとえば50slm〜200slm程度でよい。 The source gas in the step of epitaxially forming the third n-type silicon carbide layer (S38: FIG. 6) is the same as the step of epitaxially forming the first n-type silicon carbide layer (S32: FIG. 6) and the second n-type carbonization. The raw material gas used in the step of epitaxially forming the silicon layer (S34: FIG. 6) may be the same or different. The source gas may be, for example, silane gas and propane gas. The silane gas flow rate and the propane gas flow rate may be appropriately adjusted in a range of, for example, about 10 to 100 sccm so as to obtain a desired C / Si ratio. The carrier gas flow rate may be, for example, about 50 slm to 200 slm.
第3のn型炭化珪素層をエピタキシャル形成する工程(S38:図6)における成膜速度は、たとえば5μm/h以上50μm/h以下程度でもよい。第3のn型炭化珪素層2の厚さは、たとえば0.1μm以上3μm以下であり、好ましくは0.1μm以上1μm以下である。
The film formation rate in the step of epitaxially forming the third n-type silicon carbide layer (S38: FIG. 6) may be, for example, about 5 μm / h or more and 50 μm / h or less. The thickness of the third n-type
第3のn型炭化珪素層2の厚さは、第1のn型炭化珪素層12aおよび第2のn型炭化珪素層12bの厚さの合計よりも小さくてもよい。たとえば、第1のn型炭化珪素層12aおよび第2のn型炭化珪素層12bの厚さの合計に対する第3のn型炭化珪素層2の厚さの比は、0.01以上0.9以下程度でもよい。ここで同厚さの比は、第3のn型炭化珪素層2の厚さを、表面を再構成する工程を経た第1のn型炭化珪素層12aおよび第2のn型炭化珪素層12bの厚さの合計で除した値を示している。同厚さの比は、0.8以下でもよいし、0.7以下でもよいし、0.6以下でもよいし、0.5以下でもよいし、0.4以下でもよいし、0.3以下でもよいし、0.2以下でもよいし、0.1以下でもよい。これにより、ピット部を浅くする効果が大きくなることが期待される。
The thickness of third n-type
以上より、図2に示すように、第1のn型炭化珪素層12aと第2のn型炭化珪素層12bと第3のn型炭化珪素層2と含む炭化珪素層17が形成される。炭化珪素層17において、第1のn型炭化珪素層12aと第2のn型炭化珪素層12bと第3のn型炭化珪素層2とは、渾然一体となり区別できない場合もある。
As described above,
図3に示すように、炭化珪素層17の第1主面10Aには、溝部20が形成されている。溝部20は、第1主面10Aの平面視において第1主面10Aに沿って一方向に延びている。より具体的には、溝部20は、(0001)面に対するオフ角のオフ方向に沿ったステップフロー成長方向Dに沿って延びている。つまり、溝部20は、<11−20>方向に対して±5°以下の範囲内にある方向、または<01−10>方向に対して±5°以下の範囲内にある方向に沿って延びている。
As shown in FIG. 3,
溝部20の上記一方向における幅W2は、上記一方向に垂直な方向における幅W3の2倍以上であり、好ましくは5倍以上である。幅W2は15μm以上50μm以下であり、好ましくは25μm以上35μm以下である。幅W3は1μm以上5μm以下であり、好ましくは2μm以上3μm以下である。
The width W2 in the one direction of the
図2に示すように、溝部20は、炭化珪素層17内に存在する貫通転位40からステップフロー成長方向Dに沿って延びるように形成されている。より具体的には、溝部20は、貫通転位40上に形成された第1の溝部21と、当該第1の溝部21に接続され、かつ当該第1の溝部21からステップフロー成長方向Dに沿って延びるように形成された第2の溝部22とを含んでいる。
As shown in FIG. 2, groove 20 is formed to extend along threading
第1の溝部21は、ステップフロー成長方向Dにおいて溝部20の一方の端部(図2中の左端部)に形成されている。また第1の溝部21は、第1主面10Aからの最大深さD2が10nm以下である。この最大深さD2は、図2に示すように溝部20全体における最大深さである。また第1の溝部21の幅W1は、好ましくは1μm以下であり、より好ましくは0.5μm以下である。
The
図2に示すように、第2の溝部22は、第1の溝部21との接続部を起点として、上記一方の端部と反対側の他方の端部(図2中の右端部)にまで至るように形成されている。また第2の溝部22は、第1主面10Aからの深さD1が第1の溝部21の最大深さD2よりも小さくなるように形成されている。より具体的には、第2の溝部22は、第1の溝部21の最大深さD2よりも浅い一定の深さを維持しながらステップフロー成長方向Dに沿って延びている。深さD1は、好ましくは3nm以下であり、より好ましくは2nm以下であり、さらに好ましくは1nm以下である。また第2の溝部22の幅W4は、たとえば20μm以上であり、好ましくは25μm以上である。
As shown in FIG. 2, the
次に、n型不純物をイオン注入する工程(S39:図6)が実施される。たとえば、ソース領域14が形成される領域上に開口部を有するマスク層33が形成される。マスク層33を用いて、第3のn型炭化珪素層2の表面に対して、リンなどのn型不純物がイオン注入される。これにより、n型の導電型を有するソース領域14が形成される(図16参照)。ソース領域14のn型不純物の濃度は、第3のn型炭化珪素層2のn型不純物の濃度よりも高くなる。ソース領域14がイオン注入により形成されるため、ソース領域14の格子欠陥密度は、第2不純物領域2の格子欠陥密度よりも高くなる。
Next, a step of ion-implanting n-type impurities (S39: FIG. 6) is performed. For example, a
次に、第2のp型不純物をイオン注入する工程(S40:図6)が実施される。たとえば、コンタクト領域18が形成される領域上に開口部を有するマスク層(図示せず)が形成される。当該マスク層を用いて、ソース領域14の表面に対して、アルミニウムなどのp型不純物がイオン注入される。これにより、p型の導電型を有するコンタクト領域18が形成される。コンタクト領域18のp型不純物の濃度は、ボディ領域13のp型不純物の濃度よりも高くてもよい。次に、マスク層が除去される。以上により、ドリフト領域12と、ボディ領域13と、ソース領域14と、コンタクト領域18と、第2不純物領域2とを含む炭化珪素層17と、炭化珪素単結晶基板11とを有する炭化珪素基板10が準備される(図17参照)。
Next, a step of ion-implanting the second p-type impurity (S40: FIG. 6) is performed. For example, a mask layer (not shown) having an opening is formed on a region where the
次に、活性化アニール工程(S50:図5)が実施される。たとえば、炭化珪素層17が、たとえばアルゴン雰囲気中において1800℃程度に加熱されることにより、当該炭化珪素層17内にイオン注入されたn型不純物およびp型不純物が活性化する。これにより、炭化珪素層17内のボディ領域13、ソース領域14およびコンタクト領域18において所望のキャリアが発生する。
Next, an activation annealing step (S50: FIG. 5) is performed. For example,
次に、ゲート絶縁膜形成工程(S60:図5)が実施される。たとえば、酸素(O2)を含む雰囲気中において炭化珪素基板10を熱酸化することにより、第1主面10A上に二酸化珪素(SiO2)を含む材料からなるゲート絶縁膜15が形成される(図18参照)。ゲート絶縁膜15は、第2不純物領域2とソース領域14とコンタクト領域18とに接して形成される。第1主面10Aには、第1主面10Aに沿って一方向に延びるとともに、一方向における幅W2が一方向に垂直な方向における幅W3の2倍以上であり、かつ、第1主面10Aからの最大深さD2が10nm以下である溝部20(図2参照)が形成されている。つまり、第1主面10Aにおいて、ピット部30の形成が抑制されているため(図2)、第1主面10A上に形成されたゲート絶縁膜15の厚みのばらつきが低減される。
Next, a gate insulating film formation step (S60: FIG. 5) is performed. For example, by thermally oxidizing
次に、窒素アニール工程(S65:図5)が実施される。たとえば、窒素原子を含む雰囲気において、1100℃以上の温度で、炭化珪素基板10およびゲート絶縁膜15が加熱される。窒素を含む雰囲気とは、たとえば一酸化窒素(NO)、一酸化二窒素(N2O)、二酸化窒素(NO2)およびアンモニア等である。好ましくは、ゲート絶縁膜15が形成された炭化珪素基板10が、窒素を含む気体中において、1100℃以上1400℃以下の温度で、1時間程度保持される。
Next, a nitrogen annealing step (S65: FIG. 5) is performed. For example,
次に、ゲート電極形成工程(S70:図5)が実施される。たとえば、LP(Low Pressure)CVD法により、不純物添加されたポリシリコンを含む導電性材料からなるゲート電極27がゲート絶縁膜15上に形成される。ゲート電極27は、ゲート絶縁膜15上において、第2不純物領域2とソース領域14とに対面する位置に形成される。
Next, a gate electrode formation step (S70: FIG. 5) is performed. For example, the
次に、層間絶縁膜形成工程(S80:図5)が実施される。たとえば、CVD法によりゲート絶縁膜15上に形成され、かつゲート電極27を覆うように層間絶縁膜4が形成される。層間絶縁膜4は、たとえば二酸化珪素を含む材料からなる。
Next, an interlayer insulating film forming step (S80: FIG. 5) is performed. For example, the
次に、オーミック電極形成工程(S90:図5)が実施される。たとえば、ソース電極16が形成される領域におけるゲート絶縁膜15および層間絶縁膜4がエッチングにより除去される。これにより、ソース領域14およびコンタクト領域18が露出した領域が形成される(図19参照)。次に、当該領域において、ソース領域14およびコンタクト領域18の双方に接するように、たとえばTiとAlとSiとを含む金属膜が形成される。次に、金属膜が加熱されることにより上記金属膜の少なくとも一部がシリサイド化する。これにより、第1主面10A上において、ソース領域14およびコンタクト領域18の双方に接するソース電極16が形成される。
Next, an ohmic electrode formation step (S90: FIG. 5) is performed. For example, the
次に、パッド電極形成工程(S100:図5)が実施される。たとえば蒸着法によりアルミニウムを含む導電体から構成されるソースパッド電極19が、ソース電極16および層間絶縁膜4を覆うように形成される。次に、炭化珪素単結晶基板11の第2主面11Bに接するドレイン電極3が形成される。次に、たとえばダイシングブレードにより、炭化珪素基板10が複数のチップに分割される。以上より、図1に示すMOSFET1が完成する。
Next, a pad electrode forming step (S100: FIG. 5) is performed. For example, a
上記実施の形態においては、第1導電型をn型とし、かつ第2導電型をp型として説明したが、第1導電型をp型とし、かつ第2導電型をn型としてもよい。また本実施形態においては、炭化珪素半導体装置がプレーナ型のMOSFETである場合について説明したが、炭化珪素半導体装置はIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であってもよい。 In the above embodiment, the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type. However, the first conductivity type may be p-type and the second conductivity type may be n-type. In the present embodiment, the case where the silicon carbide semiconductor device is a planar MOSFET has been described. However, the silicon carbide semiconductor device may be an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).
次に、本実施の形態に係るMOSFETの作用効果について説明する。
本実施の形態に係るMOSFET1によれば、主面10Aには、主面10Aに沿って一方向Dに延びるとともに、一方向Dにおける幅W2が一方向Dに垂直な方向における幅W3の2倍以上であり、かつ、主面10Aからの最大深さD2が10nm以下である溝部20が形成されている。すなわち、本実施形態に係るMOSFET1によれば、炭化珪素層17のエピタキシャル成長の条件等が制御されることにより、数十nmの深さを有する上記ピット部30に比べて上記溝部20がより多数形成されたものになっている。したがって、本実施形態に係るMOSFET1は、上記ピット部30が多数形成された従来のMOSFETに比べて、ゲート絶縁膜15の膜厚のばらつきを少なくすることができる。結果として、MOSFET1の長期信頼性が向上する。またチャネルとして機能する第2不純物領域2が、エピタキシャル成長法により形成されている。そのため、第2不純物領域2がイオン注入により形成されている場合と比べてチャネル移動度が高くなる。
Next, the function and effect of the MOSFET according to the present embodiment will be described.
According to MOSFET 1 according to the present embodiment,
また本実施の形態に係るMOSFET1によれば、主面10Aにおける溝部20の面密度は、10/mm2以上である。
Further, according to MOSFET 1 according to the present embodiment, the surface density of
さらに本実施の形態に係るMOSFET1によれば、第2不純物領域2の導電型はn型およびp型のいずれかである。導電型がn型の場合、第2不純物領域2は窒素原子を含んでいる。導電型がp型の場合、第2不純物領域2はアルミニウム原子を含んでいる。
Furthermore, according to MOSFET 1 according to the present embodiment, the conductivity type of
さらに本実施の形態に係るMOSFET1によれば、主面10Aに対して垂直な方向における第2不純物領域2の厚みは、0.1μm以上3μm以下である。
Furthermore, according to MOSFET 1 according to the present embodiment, the thickness of
さらに本実施の形態に係るMOSFET1によれば、第2不純物領域2の不純物濃度は、1×1016cm-3以上である。
Furthermore, according to MOSFET 1 according to the present embodiment, the impurity concentration of
さらに本実施の形態に係るMOSFET1によれば、ドリフト領域12の不純物濃度は、1×1016cm-3未満である。
Furthermore, according to MOSFET 1 according to the present embodiment, the impurity concentration of
さらに本実施の形態に係るMOSFET1によれば、溝部20は、第1の溝部21と、第1の溝部21に接続された第2の溝部22とを含んでいる。第1の溝部21は、一方向Dにおいて溝部20の一方の端部に形成され、かつ、主面10Aからの最大深さD2が10nm以下である。第2の溝部22は、第1の溝部21から一方向Dに沿って延びて一方の端部と反対側の他方の端部に至るように形成され、かつ、主面10Aからの深さD1が第1の溝部の最大深さよりも小さくなるように形成されている。
Furthermore, according to MOSFET 1 according to the present embodiment,
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施形態ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time is to be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the embodiments described above but by the scope of claims, and is intended to include meanings equivalent to the scope of claims and all modifications within the scope.
1 炭化珪素半導体装置(MOSFET)
1A チャネル
2 第2不純物領域(第3のn型炭化珪素層)
2a 表面
3 ドレイン電極
4 層間絶縁膜
10 炭化珪素基板
10A 第1主面(主面、表面)
11 炭化珪素単結晶基板
11A 第3主面(主面)
11B 第2主面
12 ドリフト領域
12a 第1ドリフト領域部(第1のn型炭化珪素層)
12b 第2ドリフト領域部(第2のn型炭化珪素層)
13 ボディ領域
13a 第1ボディ領域部(第1のp型炭化珪素層)
13b 第2ボディ領域部
14 第1不純物領域(ソース領域)
15 ゲート絶縁膜
16 ソース電極
17 炭化珪素層
18 コンタクト領域
19 ソースパッド電極
20 溝部
21 第1の溝部
22 第2の溝部
27 ゲート電極
30 ピット部
31,32,33 マスク層
40 貫通転位
41 エピタキシャル成長装置
43 誘導加熱コイル
44 石英管
45 断熱材
46 発熱体
46A 曲面部
46B 平坦部
D 一方向(ステップフロー成長方向)
D1,D2,D3 深さ
T 厚み
W1,W2,W3,W4 幅
1 Silicon carbide semiconductor device (MOSFET)
11 Silicon carbide
11B
12b Second drift region (second n-type silicon carbide layer)
13
13b Second
15
D1, D2, D3 depth T thickness W1, W2, W3, W4 width
Claims (6)
前記主面上に設けられたゲート絶縁膜とを備え、
前記炭化珪素基板は、第1不純物領域と、前記第1不純物領域と同じ導電型を有しかつ前記第1不純物領域から物理的に離間されたドリフト領域と、前記ゲート絶縁膜に対面し、かつ前記第1不純物領域と前記ドリフト領域との間を電気的に導通可能に構成された第2不純物領域とを含み、
前記第2不純物領域は、前記第1不純物領域よりも低い格子欠陥密度を有し、
前記主面には、前記主面に沿って一方向に延びるとともに、前記一方向における幅が前記一方向に垂直な方向における幅の2倍以上であり、かつ、前記主面からの最大深さが10nm以下である溝部が形成されており、
前記溝部は、第1の溝部と、前記第1の溝部に接続された第2の溝部とを含み、
前記第1の溝部は、前記一方向において前記溝部の一方の端部に形成され、
前記第2の溝部は、前記第1の溝部から前記一方向に沿って延びて前記一方の端部と反対側の他方の端部に至り、かつ、前記主面からの深さが前記第1の溝部の最大深さよりも小さい、炭化珪素半導体装置。 A silicon carbide substrate having a main surface;
A gate insulating film provided on the main surface,
The silicon carbide substrate faces a first impurity region, a drift region having the same conductivity type as the first impurity region and physically separated from the first impurity region, the gate insulating film, and A second impurity region configured to be electrically conductive between the first impurity region and the drift region;
The second impurity region has a lower lattice defect density than the first impurity region;
The main surface extends in one direction along the main surface, the width in the one direction is at least twice the width in the direction perpendicular to the one direction, and the maximum depth from the main surface Is formed with a groove portion of 10 nm or less ,
The groove part includes a first groove part and a second groove part connected to the first groove part,
The first groove is formed at one end of the groove in the one direction,
The second groove extends from the first groove along the one direction to the other end opposite to the one end, and the depth from the main surface is the first A silicon carbide semiconductor device that is smaller than the maximum depth of the groove .
前記導電型がn型の場合、前記第2不純物領域は窒素原子を含み、
前記導電型がp型の場合、前記第2不純物領域はアルミニウム原子を含む、請求項1または請求項2に記載の炭化珪素半導体装置。 The conductivity type of the second impurity region is either n-type or p-type,
When the conductivity type is n-type, the second impurity region includes a nitrogen atom,
The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein when the conductivity type is p-type, the second impurity region contains an aluminum atom.
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