JP2008004726A - Semiconductor device and manufacturing method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体素子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.
耐圧が高く、大電流を流すことができる半導体素子(パワーデバイス)は、様々な分野で使用されている。従来は、シリコン(Si)半導体を用いたSiパワーデバイスが主流であったが、近年、パワーデバイスの低損失化を目的として、炭化珪素(SiC)半導体を用いたSiCパワーデバイスの開発が進められている。「SiC」半導体とは、シリコン(Si)と炭素(C)とが1:1の成分比で結合してなる半導体を指し、一般に「Si:C」で表わされるCを微量(例えば数%以下)含んだSi半導体とは、物理的、化学的性質の異なる材料である。 2. Description of the Related Art Semiconductor elements (power devices) that have a high breakdown voltage and can flow a large current are used in various fields. Conventionally, Si power devices using silicon (Si) semiconductors have been the mainstream, but in recent years, SiC power devices using silicon carbide (SiC) semiconductors have been developed for the purpose of reducing power device loss. ing. The “SiC” semiconductor refers to a semiconductor in which silicon (Si) and carbon (C) are combined at a component ratio of 1: 1. Generally, a small amount of C represented by “Si: C” (for example, several percent or less) The included Si semiconductor is a material having different physical and chemical properties.
SiC半導体は、Si半導体に比べてバンドギャップの大きな半導体材料であり、また、Si半導体よりも1桁高い絶縁破壊電界を有している。そのため、SiC半導体を用いたPN接合やショットキー接合において、SiC半導体層に形成する空乏層を、Si半導体を用いた接合における空乏層より薄くしても、逆耐圧を維持できる。従って、SiC半導体を用いると、デバイスの厚さを小さくし、かつドーピング濃度を高くできるため、オン抵抗が低減され、高耐圧で低損失なパワーデバイスを実現できる。 The SiC semiconductor is a semiconductor material having a larger band gap than the Si semiconductor, and has a dielectric breakdown electric field that is one digit higher than that of the Si semiconductor. Therefore, in a PN junction or a Schottky junction using a SiC semiconductor, the reverse breakdown voltage can be maintained even if the depletion layer formed in the SiC semiconductor layer is thinner than the depletion layer in the junction using the Si semiconductor. Therefore, when the SiC semiconductor is used, the thickness of the device can be reduced and the doping concentration can be increased, so that the on-resistance can be reduced, and a power device with high breakdown voltage and low loss can be realized.
SiCパワーデバイスは、低抵抗のSiCバルク基板を用いて形成され、その多くは、電流がSiCバルク基板に垂直な方向に流れる、いわゆる縦型構造を有している。 The SiC power device is formed using a low-resistance SiC bulk substrate, and many of them have a so-called vertical structure in which current flows in a direction perpendicular to the SiC bulk substrate.
縦型PNダイオードを例に説明すると、SiCバルク基板の主面上には、耐圧を維持するための高抵抗エピタキシャル層が形成され、この高抵抗エピタキシャル層の上にPN接合およびオーミック電極が形成されている。一方、SiCバルク基板の裏面には裏面電極が形成されている。また、縦型MOSFETを例に説明すると、SiCバルク基板の主面上には、高抵抗エピタキシャル層が形成され、この高抵抗エピタキシャル層の上にチャネルを含むMOSFET部分およびソース電極が形成されている。一方、SiCバルク基板の裏面にはドレイン電極が形成されている。 Taking a vertical PN diode as an example, a high resistance epitaxial layer for maintaining a withstand voltage is formed on the main surface of the SiC bulk substrate, and a PN junction and an ohmic electrode are formed on the high resistance epitaxial layer. ing. On the other hand, a back electrode is formed on the back surface of the SiC bulk substrate. Further, a vertical MOSFET will be described as an example. A high resistance epitaxial layer is formed on the main surface of the SiC bulk substrate, and a MOSFET portion including a channel and a source electrode are formed on the high resistance epitaxial layer. . On the other hand, a drain electrode is formed on the back surface of the SiC bulk substrate.
なお、本明細書では、「SiCバルク基板」とは、改良レーリー(Lely)法や昇華法などにより作製された単結晶SiCを所定のサイズに切断・研磨して得られた単結晶基板を指す。また、上記の例を用いて説明すると、SiCバルク基板において、デバイスを構成する高抵抗エピタキシャル層、PN接合、チャネル領域、ソース電極などの素子構成要素が形成される側の面を「主面」、その反対側の面、すなわち基本的には電極のみが形成される側の面を「裏面」と称する。 In the present specification, the term “SiC bulk substrate” refers to a single crystal substrate obtained by cutting and polishing single crystal SiC produced by a modified Lely method or sublimation method to a predetermined size. . Further, using the above example, in the SiC bulk substrate, a surface on which element components such as a high-resistance epitaxial layer, a PN junction, a channel region, and a source electrode constituting a device are formed is a “main surface”. The opposite surface, that is, the surface on which only the electrodes are basically formed is referred to as a “back surface”.
縦型PNダイオードや縦型MOSFETを例に説明したように、縦型構造のSiCパワーデバイスでは、SiCバルク基板の主面側および裏面側に、それぞれ電極が設けられる。以下の説明では、パワーデバイスの機能にかかわらず、SiCバルク基板の主面側に設けられる電極を「上部電極」、裏面側に設けられる電極を「下部電極」と呼んで、両者を区別する。 As described with respect to the vertical PN diode and the vertical MOSFET, in the SiC power device having the vertical structure, electrodes are provided on the main surface side and the back surface side of the SiC bulk substrate, respectively. In the following description, regardless of the function of the power device, an electrode provided on the main surface side of the SiC bulk substrate is referred to as an “upper electrode”, and an electrode provided on the back surface side is referred to as a “lower electrode” to distinguish them.
このようなSiCパワーデバイスの電力損失をさらに低減するためには、SiCパワーデバイスに電流を流した状態(オン状態)で、その電流通路に沿ったオン抵抗を小さく抑える必要がある。オン抵抗を抑える手段の1つとして、SiCバルク基板の裏面側に設けられる下部電極のコンタクト抵抗を小さくすることが考えられる。下部電極は、通常、SiCバルク基板の裏面に接触して設けられるが、SiCバルク基板の不純物濃度が低いために、下部電極とSiCバルク基板裏面との間のコンタクト抵抗が大きくなってしまい、パワーデバイスの電力損失を増大させる要因の1つになっているからである。 In order to further reduce the power loss of such a SiC power device, it is necessary to keep the on-resistance along the current path small in a state in which a current flows through the SiC power device (on state). As one means for suppressing the on-resistance, it is conceivable to reduce the contact resistance of the lower electrode provided on the back side of the SiC bulk substrate. The lower electrode is usually provided in contact with the back surface of the SiC bulk substrate. However, since the impurity concentration of the SiC bulk substrate is low, the contact resistance between the lower electrode and the back surface of the SiC bulk substrate increases, and the power This is because it is one of the factors that increase the power loss of the device.
SiCバルク基板の不純物濃度を高くすれば、SiCバルク基板裏面近傍の不純物濃度も高くなるので、上記コンタクト抵抗を低減することが可能になる。しかし、不純物濃度が高くなるほど、SiCバルク基板の結晶性が低下してしまい、SiCバルク基板上に形成される高抵抗エピタキシャル層により多くの欠陥が生じる。そのため、不純物濃度の高いSiCバルク基板を用いてデバイスを作製すると、高抵抗エピタキシャル層に生じた欠陥に起因してリーク電流が増大し、高い特性が得られない。従って、市販されているSiCバルク基板の不純物濃度は、5×1018cm-3程度以下に抑えられている。 If the impurity concentration of the SiC bulk substrate is increased, the impurity concentration in the vicinity of the back surface of the SiC bulk substrate is also increased, so that the contact resistance can be reduced. However, the higher the impurity concentration, the lower the crystallinity of the SiC bulk substrate, causing more defects in the high resistance epitaxial layer formed on the SiC bulk substrate. Therefore, when a device is manufactured using a SiC bulk substrate having a high impurity concentration, a leakage current increases due to defects generated in the high resistance epitaxial layer, and high characteristics cannot be obtained. Therefore, the impurity concentration of the commercially available SiC bulk substrate is suppressed to about 5 × 10 18 cm −3 or less.
これに対し、本出願人による特許文献1は、SiCバルク基板の裏面に不純物イオンを注入することにより、SiCバルク基板裏面近傍の不純物濃度を高める技術を開示している。
On the other hand,
図8(a)および(b)は、特許文献1に開示された技術を説明するための工程断面図である。まず、図8(a)に示すように、SiCバルク基板111の裏面111rに不純物イオン113を注入した後、活性化アニールを行うことにより、不純物ドープ層112を形成する。次いで、図8(b)に示すように、SiCバルク基板111の主面111pに、エピタキシャル成長により活性層114を形成する。この後、図示しないが、活性層114に拡散領域が形成される。また、活性層114の上には上部電極が設けられ、不純物ドープ層112の上には下部電極が設けられる。
8A and 8B are process cross-sectional views for explaining the technique disclosed in
上記技術によると、高い濃度で不純物を含む不純物ドープ層112を設けることにより、SiCバルク基板111の裏面111rの近傍における不純物濃度を高めることができるので、下部電極と炭化珪素バルク基板111の裏面111rとのコンタクト抵抗を低減できる。
しかしながら、本願発明者らが、特許文献1に開示された技術を検討したところ、以下のような2つの問題があることがわかった。
However, the inventors of the present application have examined the technique disclosed in
第1に、コンタクト抵抗をより確実に低減するためには、SiCバルク基板111に形成された不純物ドープ層112は十分な厚さ(例えば1μm以上)を有することが好ましいが、そのような厚さの不純物ドープ層112をイオン注入によって形成することは難しいという問題がある。第2に、イオン注入を用いて不純物ドープ層112を形成するために、不純物ドープ層112における不純物濃度は深さ方向に分布を有し、その結果、製品間でコンタクト抵抗にばらつきを生じるという問題がある。
First, in order to more reliably reduce the contact resistance, the impurity doped
まず、上記第1の問題について説明する。 First, the first problem will be described.
不純物ドープ層112が形成されたSiCバルク基板111を用いてデバイスを製造する際には、表面清浄化のための犠牲酸化によって、また、MOSFETを製造する場合にはゲート絶縁膜を形成するためのゲート酸化によって、不純物ドープ層112の表面部分が酸化されて熱酸化膜が形成される。このとき、不純物ドープ層112は、形成される熱酸化膜の厚さに応じて薄くなる。SiCの密度および熱酸化膜の密度から算出したところ、厚さtの熱酸化膜が形成されると、不純物ドープ層112の厚さは0.46×t減少する。特に、SiCバルク基板111として4H−SiCあるいは6H−SiC基板を用い、このような基板のC面に不純物ドープ層112を形成し、Si面に活性層114を形成する場合には、C面における熱酸化のレートがSi面における熱酸化のレートに比べて5〜10倍高いことから、不純物ドープ層112には、より厚い酸化膜が形成され、これに伴って不純物ドープ層112の厚さは大きく減少する。例えば、活性層114の表面(Si面)に厚さが数10nmの熱酸化膜を形成するとき、不純物ドープ層112の表面(C面)には厚さが数100nmの熱酸化膜が形成されてしまい、不純物ドープ層112の厚さは大きく目減りする。
When manufacturing a device using the
さらに、SiCバルク基板111の裏面に下部電極を形成する際、良好なオーミック特性を得るためにPost Deposition Annealing(PDA)法を採用すると、不純物ドープ層112の厚さはさらに減少する。PDA法を用いると、下部電極は、不純物ドープ層112の上にニッケルなどの導電体(厚さ:例えば数10nm)を堆積させた後に、1000℃程度のアニールを行うことによって形成できる。このアニールによってニッケルがシリサイド化され、不純物ドープ層112と導電体との界面にニッケルシリサイドが形成されるため、不純物ドープ層112と下部電極との間にオーミック接合が形成される。このとき、不純物ドープ層112における炭化珪素がシリサイド化のために消費されるので、不純物ドープ層112はさらに薄くなる。典型的には、不純物ドープ層112の厚さは、堆積したニッケルの厚さと略同じだけ目減りする。
Furthermore, when forming a lower electrode on the back surface of the
縦型MOSFETを作製する工程を例に、より具体的に説明する。SiCバルク基板111のSi面を主面111pとして用いる場合、SiCバルク基板111の主面111pに形成された活性層1114の表面(Si面)に厚さが80nmのゲート酸化膜を形成すると、不純物ドープ層112の表面(C面)には、厚さが800nmの熱酸化膜が形成される。これにより、不純物ドープ層112の厚さは370nm程度減少する。また、前述したPDA法を用いて下部電極(ドレイン電極)を形成すると、不純物ドープ層112はさらに薄くなる。例えば、厚さが100〜200nmのニッケルを不純物ドープ層112の上に堆積した後、1000℃程度のアニールを行うことによりドレイン電極を形成すると、不純物ドープ層112の厚さは100〜200nm程度目減りする。従って、この例では、ゲート酸化膜およびドレイン電極の形成によって、不純物ドープ層112の厚さは、合わせて470nm〜570nm減少する。
This will be described more specifically by taking a process of manufacturing a vertical MOSFET as an example. When the Si surface of the
よって、コンタクト抵抗を確実に低減するためには、イオン注入によって形成される不純物ドープ層112の厚さは、デバイス製造工程における減少分(目減り量)よりも十分大きいことが必要である。上述した縦型MOSFETの例では、不純物ドープ層112の厚さは、少なくとも600nm以上、好ましくは1μm以上必要である。
Therefore, in order to reliably reduce the contact resistance, it is necessary that the thickness of the impurity doped
しかしながら、このような厚さの不純物ドープ層112を、通常のイオン注入によって形成することは困難である。この理由を以下に説明する。
However, it is difficult to form the impurity doped
本願発明者らは、炭化珪素バルク基板に対して窒素イオン(N+)またはリンイオン(P+)を注入する際のそれぞれのイオンの飛程をシミュレーションによって求めたので、その結果を図9に示す。図9に示すグラフの横軸はイオン注入の際のイオンエネルギー、縦軸はイオンの注入深さを表わしている。通常、デバイスの製造工程で使用されるイオン注入設備の加速エネルギーは400keV以下であるが、図9からわかるように、そのようなイオン注入設備を用いると、窒素イオンは600nm、リンイオンは400nmよりも深い領域に注入できない。従って、窒素イオンを注入する場合には600nm、リンイオンを注入する場合には400nmよりも厚い不純物ドープ層112を形成することができない。
The inventors of the present application determined the range of each ion when nitrogen ions (N + ) or phosphorus ions (P + ) are implanted into the silicon carbide bulk substrate by simulation, and the results are shown in FIG. . The horizontal axis of the graph shown in FIG. 9 represents ion energy during ion implantation, and the vertical axis represents ion implantation depth. Normally, the acceleration energy of an ion implantation facility used in the device manufacturing process is 400 keV or less, but as can be seen from FIG. 9, when such an ion implantation facility is used, nitrogen ions are more than 600 nm and phosphorus ions are more than 400 nm. Cannot be injected into deep areas. Accordingly, the impurity doped
一方、特許文献1では、MeVレベルの高エネルギーでイオン注入を行うことにより、厚さが例えば3μm程度の不純物ドープ層112を形成している。このような高エネルギー注入にはかなり大型の設備が必要であり、また、製造コストの増大を招くため、量産プロセスに適用することは難しい。
On the other hand, in
次に、上記第2の問題について説明する。 Next, the second problem will be described.
特許文献1の技術を用いてコンタクト抵抗を低減するためには、デバイス製造工程において厚さが目減りした後の不純物ドープ層112は、その表面近傍(すなわち、下部電極が形成される表面の近傍)で高い不純物濃度を有することが必要である。不純物ドープ層112における不純物濃度が深さ方向に一定であれば、デバイスの製造工程における目減り量にかかわらず、下部電極が形成される表面近傍の不純物濃度は一定となるので、コンタクト抵抗を確実に低減できる。しかしながら、イオン注入によって形成された不純物ドープ層112の不純物濃度プロファイルは概ねガウス分布に従う。そのため、上記目減り量を考慮して、不純物ドープ層112を形成する際に、その不純物濃度プロファイルがピークを有する深さを調整しておく必要がある。ところが、不純物ドープ層112の目減り量は、様々な要因によってばらつきやすく、また、デバイスの種類や製造方法によってもそれぞれ異なる。従って、不純物ドープ層112の目減り量によっては、不純物ドープ層112における下部電極が形成される表面において、所定の高い不純物濃度が得られないおそれがある。また、目減り量にばらつきが生じると、不純物ドープ層112における下部電極が形成される表面近傍の不純物濃度が大きくばらつき、その結果、コンタクト抵抗にばらつきが生じて、信頼性が低下するおそれもある。
In order to reduce the contact resistance using the technique of
図10は、炭化珪素層に対して窒素イオンを500keVのエネルギーおよび1×1014cm-2のドーズ量で注入したときの、深さ方向における窒素イオンの濃度プロファイルを示すグラフである。図10に示すグラフの横軸は、炭化珪素層の表面からの深さ、縦軸は窒素イオンの濃度を表わしている。このグラフから、窒素イオンの濃度プロファイルは深さが600nm近辺にピークを有し、深さが600nmから100nmずれると、窒素イオンの濃度は1桁も低下することがわかる。 FIG. 10 is a graph showing a concentration profile of nitrogen ions in the depth direction when nitrogen ions are implanted into the silicon carbide layer at an energy of 500 keV and a dose of 1 × 10 14 cm −2 . The horizontal axis of the graph shown in FIG. 10 represents the depth from the surface of the silicon carbide layer, and the vertical axis represents the concentration of nitrogen ions. From this graph, it can be seen that the concentration profile of nitrogen ions has a peak in the vicinity of 600 nm, and when the depth deviates from 600 nm to 100 nm, the concentration of nitrogen ions decreases by an order of magnitude.
上述した縦型MOSFETの製造工程では、不純物ドープ層112の厚さは、例えば470nm〜570nm程度目減りするが、この目減り量が約600nmであれば、目減りした後の不純物ドープ層112の表面近傍の不純物濃度がピーク値に近くなるので、不純物ドープ層112と下部電極との間のコンタクト抵抗を大幅に低減できる。これに対し、目減り量が100nm程度ばらつくと、コンタクト抵抗を十分に低減できない可能性がある。
In the manufacturing process of the vertical MOSFET described above, the thickness of the impurity doped
特許文献1では、不純物イオンの濃度プロファイルに起因するコンタクト抵抗のばらつきを抑えるために、加速エネルギーを変えながら複数回のイオン注入を行う、いわゆる多段注入を行うことが開示されている。しかしながら、高ドーズで多段注入を行うためには、注入プロセスが複雑になり、また注入プロセスに費やされる時間が大幅に増加するので、量産プロセスに適用することは難しい。さらに、多段注入を行っても、不純物イオンの濃度プロファイルは深さ方向に完全に均一ではなく、各イオン注入に対応した複数のピークを有するので、濃度プロファイルに起因するコンタクト抵抗のばらつきを完全に抑えることは困難である。
このように、従来技術では、量産化に適したプロセスによって、SiCバルク基板111の裏面111rに設けられる電極とSiCバルク基板111とのコンタクト抵抗を低減することは困難であった。
As described above, in the prior art, it is difficult to reduce the contact resistance between the electrode provided on the
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、SiCバルク基板を備えた半導体素子において、SiCバルク基板の裏面側に設けられるオーミック電極のコンタクト抵抗を低減して、電力損失を従来よりも低くすることにある。 The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to reduce the contact resistance of an ohmic electrode provided on the back side of a SiC bulk substrate in a semiconductor element including the SiC bulk substrate. The purpose is to lower the power loss than before.
本発明の半導体素子は、主面および裏面を有する第1導電型の炭化珪素バルク基板と、前記炭化珪素バルク基板の裏面に形成され、前記炭化珪素バルク基板よりも高い濃度で不純物を含む第1導電型の高濃度不純物エピタキシャル層とを備える。 A semiconductor element of the present invention is a first conductivity type silicon carbide bulk substrate having a main surface and a back surface, and a first impurity formed on the back surface of the silicon carbide bulk substrate and containing impurities at a higher concentration than the silicon carbide bulk substrate. A conductive type high concentration impurity epitaxial layer.
ある好ましい実施形態において、前記炭化珪素バルク基板の主面に形成され、前記炭化珪素バルク基板よりも低い濃度で不純物を含む第1導電型の低濃度不純物エピタキシャル層をさらに備える。 In a preferred embodiment, the semiconductor device further includes a first-conductivity-type low-concentration impurity epitaxial layer formed on a main surface of the silicon carbide bulk substrate and containing impurities at a lower concentration than the silicon carbide bulk substrate.
前記炭化珪素バルク基板の主面に設けられた上部電極と、前記高濃度不純物エピタキシャル層を介して前記炭化珪素バルク基板に電気的に接続された下部電極とをさらに備えてもよい。 You may further provide the upper electrode provided in the main surface of the said silicon carbide bulk substrate, and the lower electrode electrically connected to the said silicon carbide bulk substrate through the said high concentration impurity epitaxial layer.
前記高濃度不純物エピタキシャル層における不純物濃度は1×1019cm-3以上であることが好ましい。 The impurity concentration in the high-concentration impurity epitaxial layer is preferably 1 × 10 19 cm −3 or more.
ある好ましい実施形態において、前記高濃度不純物エピタキシャル層における不純物濃度は深さ方向に略一定である。 In a preferred embodiment, the impurity concentration in the high-concentration impurity epitaxial layer is substantially constant in the depth direction.
前記炭化珪素バルク基板の裏面はカーボン面であってもよい。あるいは、前記炭化珪素バルク基板の裏面はシリコン面であってもよい。 The back surface of the silicon carbide bulk substrate may be a carbon surface. Alternatively, the back surface of the silicon carbide bulk substrate may be a silicon surface.
前記半導体素子は縦型MOSFETであってもよい。または、前記半導体素子は縦型PNダイオードであってもよい。あるいは、前記半導体素子は縦型ショットキーダイオードであってもよい。 The semiconductor element may be a vertical MOSFET. Alternatively, the semiconductor element may be a vertical PN diode. Alternatively, the semiconductor element may be a vertical Schottky diode.
本発明の半導体基板は、第1導電型の炭化珪素バルク基板と、前記炭化珪素バルク基板の第1面に形成され、前記炭化珪素バルク基板よりも高い濃度で不純物を含む第1導電型の高濃度不純物エピタキシャル層とを備える。 A semiconductor substrate of the present invention is formed on a first conductivity type silicon carbide bulk substrate and a first conductivity type high-concentration formed on a first surface of the silicon carbide bulk substrate and containing impurities at a higher concentration than the silicon carbide bulk substrate. A concentration impurity epitaxial layer.
ある好ましい実施形態において、前記炭化珪素バルク基板における前記第1面の反対側の第2面に設けられ、前記炭化珪素バルク基板よりも低い濃度で不純物を含む低濃度不純物エピタキシャル層をさらに備える。 In a preferred embodiment, the silicon carbide bulk substrate further includes a low-concentration impurity epitaxial layer provided on a second surface opposite to the first surface and containing impurities at a lower concentration than the silicon carbide bulk substrate.
ある好ましい実施形態において、前記高濃度不純物エピタキシャル層の厚さは300nm以上である。 In a preferred embodiment, the high-concentration impurity epitaxial layer has a thickness of 300 nm or more.
前記高濃度不純物エピタキシャル層における不純物濃度は1×1019cm-3以上であることが好ましい。 The impurity concentration in the high-concentration impurity epitaxial layer is preferably 1 × 10 19 cm −3 or more.
ある好ましい実施形態において、前記高濃度不純物エピタキシャル層における不純物濃度は深さ方向に略一定である。 In a preferred embodiment, the impurity concentration in the high-concentration impurity epitaxial layer is substantially constant in the depth direction.
前記炭化珪素バルク基板における第1面はカーボン面であってもよい。あるいは、前記炭化珪素バルク基板における第1面はシリコン面であってもよい。 The first surface of the silicon carbide bulk substrate may be a carbon surface. Alternatively, the first surface of the silicon carbide bulk substrate may be a silicon surface.
本発明の半導体素子の製造方法は、主面および裏面を有する第1導電型の炭化珪素バルク基板を備えた半導体素子の製造方法であって、(a)前記炭化珪素バルク基板よりも低い濃度で不純物を含む第1導電型の低濃度不純物エピタキシャル層が主面に形成され、かつ、前記炭化珪素バルク基板よりも高い濃度で不純物を含む第1導電型の高濃度不純物エピタキシャル層が裏面に形成された炭化珪素バルク基板を用意する工程と、(b)前記炭化珪素バルク基板の裏面に、前記高濃度不純物エピタキシャル層に接する電極を形成する工程とを包含する。 A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a method of manufacturing a semiconductor device including a silicon carbide bulk substrate of a first conductivity type having a main surface and a back surface, and (a) at a concentration lower than that of the silicon carbide bulk substrate. A first conductivity type low concentration impurity epitaxial layer containing impurities is formed on the main surface, and a first conductivity type high concentration impurity epitaxial layer containing impurities at a higher concentration than the silicon carbide bulk substrate is formed on the back surface. And (b) forming an electrode in contact with the high-concentration impurity epitaxial layer on the back surface of the silicon carbide bulk substrate.
ある好ましい実施形態において、前記工程(a)は、(a1)前記炭化珪素バルク基板の裏面に、前記高濃度不純物エピタキシャル層を形成する工程と、(a2)前記炭化珪素バルク基板の主面に、前記低濃度不純物エピタキシャル層を形成する工程とを含む。 In a preferred embodiment, the step (a) includes (a1) a step of forming the high-concentration impurity epitaxial layer on the back surface of the silicon carbide bulk substrate, and (a2) a main surface of the silicon carbide bulk substrate. Forming the low-concentration impurity epitaxial layer.
前記工程(a2)は、前記工程(a1)の後に行われることが好ましい。 The step (a2) is preferably performed after the step (a1).
前記工程(a)は、前記工程(a1)の前に、前記炭化珪素バルク基板の主面に保護膜を形成する工程、および、前記工程(a1)と前記工程(a2)との間に、前記炭化珪素バルク基板から前記保護膜を除去する工程をさらに含んでもよい。 The step (a) includes a step of forming a protective film on the main surface of the silicon carbide bulk substrate before the step (a1), and between the step (a1) and the step (a2). The method may further include a step of removing the protective film from the silicon carbide bulk substrate.
前記工程(a)は、前記工程(a1)と前記工程(a2)との間に、前記炭化珪素バルク基板の主面を平坦化する工程をさらに含んでもよい。 The step (a) may further include a step of planarizing a main surface of the silicon carbide bulk substrate between the step (a1) and the step (a2).
本発明の半導体基板の製造方法は、第1導電型の炭化珪素バルク基板における第1面に、前記炭化珪素バルク基板よりも高い濃度で不純物を含む第1導電型の高濃度不純物エピタキシャル層を形成する工程を包含する。 According to the method of manufacturing a semiconductor substrate of the present invention, a first conductivity type high concentration impurity epitaxial layer containing impurities at a higher concentration than the silicon carbide bulk substrate is formed on the first surface of the first conductivity type silicon carbide bulk substrate. The process of carrying out is included.
本発明によると、SiCバルク基板を備えた半導体素子において、SiCバルク基板の裏面に高濃度不純物エピタキシャル層を設けることにより、SiCバルク基板の裏面側に設けられる電極のコンタクト抵抗を低減できる。従って、従来よりも電力損失を低くできる。 According to the present invention, in a semiconductor device including a SiC bulk substrate, the contact resistance of an electrode provided on the back surface side of the SiC bulk substrate can be reduced by providing the high concentration impurity epitaxial layer on the back surface of the SiC bulk substrate. Therefore, the power loss can be made lower than before.
また、本発明によると、量産化に適した簡便なプロセスで、上記のような半導体素子を製造できる。 Further, according to the present invention, the semiconductor element as described above can be manufactured by a simple process suitable for mass production.
本発明の半導体素子は、SiCバルク基板の裏面に、SiCバルク基板よりも高い濃度で不純物を含む高濃度不純物エピタキシャル層が形成されていることを特徴とする。 The semiconductor element of the present invention is characterized in that a high-concentration impurity epitaxial layer containing impurities at a higher concentration than the SiC bulk substrate is formed on the back surface of the SiC bulk substrate.
本明細書における「半導体素子」は、半導体層を用いて形成された素子を少なくとも1つ備えていればよく、縦型MOSFET、JFET、ショットキーダイオード、PNダイオードなどの素子の他、これらの素子を備えた装置を広く含むものとする。 The “semiconductor element” in the present specification only needs to include at least one element formed using a semiconductor layer, and other than these elements such as a vertical MOSFET, JFET, Schottky diode, and PN diode, these elements. A wide range of devices including:
本発明によると、SiCバルク基板の裏面に高濃度不純物エピタキシャル層が形成されているので、SiCバルク基板の裏面側に設けられる下部電極のコンタクト抵抗を低減できる。 According to the present invention, since the high-concentration impurity epitaxial layer is formed on the back surface of the SiC bulk substrate, the contact resistance of the lower electrode provided on the back surface side of the SiC bulk substrate can be reduced.
図8を参照しながら上述したように、特許文献1に開示された従来技術では、十分な厚さの不純物ドープ層112を形成できない(第1の問題)、不純物ドープ層112の不純物濃度プロファイルに起因してコンタクト抵抗にばらつきが生じる(第2の問題)といった問題があった。
As described above with reference to FIG. 8, the impurity doped
これに対し、本発明では、エピタキシャル成長の際の成長時間などの条件を制御することにより、SiCバルク基板の裏面に、所望の厚さの高濃度不純物エピタキシャル層を容易に形成できる。従って、デバイスの製造工程において、高濃度不純物エピタキシャル層の厚さが目減りしても、コンタクト抵抗を確実に低減できる。 In contrast, in the present invention, a high-concentration impurity epitaxial layer having a desired thickness can be easily formed on the back surface of the SiC bulk substrate by controlling conditions such as the growth time during epitaxial growth. Therefore, even if the thickness of the high-concentration impurity epitaxial layer decreases in the device manufacturing process, the contact resistance can be reliably reduced.
また、本発明では、高濃度不純物エピタキシャル層の不純物濃度プロファイルを深さ方向に略均一にできる。ここで、「不純物濃度プロファイルが深さ方向に略均一」とは、高濃度不純物層3の深さ方向における不純物濃度プロファイルが、イオン注入による不純物濃度プロファイルのようなピークを有しておらず、不純物濃度の設定値の±10%以内、典型的には設定値の±5%以内であることを意味する。このような高濃度不純物エピタキシャル層を形成すると、デバイスの製造工程において高濃度不純物エピタキシャル層が目減りしても、目減りした後の高濃度不純物層の表面(すなわち、下部電極が形成される面)の不純物濃度を略一定にできる。従って、目減り量にかかわらず、安定してコンタクト抵抗を低減できるので有利である。さらに、目減り量がばらついても、コンタクト抵抗にばらつきが生じることを防止できる。
In the present invention, the impurity concentration profile of the high concentration impurity epitaxial layer can be made substantially uniform in the depth direction. Here, “the impurity concentration profile is substantially uniform in the depth direction” means that the impurity concentration profile in the depth direction of the high
一方、本願発明者らは、上記の半導体素子を製造するプロセスを検討したところ、特許文献1の技術にはなかった新たな問題があることを見出した。一般に、SiCバルク基板を用いてデバイスを形成する際には、SiCバルク基板の主面にエピタキシャル層が形成されるが、上記半導体素子では、SiCバルク基板の裏面にもエピタキシャル層が形成される。従来は、このように、SiCバルク基板の両面(主面および裏面)に対してエピタキシャル層が形成されることは無かったため認識されていなかったが、SiCバルク基板の裏面に対してもエピタキシャル層を形成しようとすると、主面側のエピタキシャル層に悪影響を及ぼし、デバイス特性が低下するという問題がある。この問題については、後で詳述する。また、一方のエピタキシャル層を形成した後、他方のエピタキシャル層を形成する際に、先に形成されたエピタキシャル層に表面荒れが生じてしまい、デバイス特性の低下を引き起こすという問題もある。さらに、六方晶型(4H、6H)の結晶構造を有するSiCバルク基板の場合、Si面だけでなくC面上にもSiCをエピタキシャル成長させる必要があるが、C面に対するエピタキシャル成長のプロセス条件を最適化することが難しいという問題もある。
On the other hand, the inventors of the present application have studied a process for manufacturing the above-described semiconductor element, and found that there is a new problem that was not found in the technique of
本願発明者らは、独自の工夫により上記のようなプロセス上の問題を克服するとともに、先に形成されたエピタキシャル層に生じる表面荒れを積極的に利用することにより、コンタクト抵抗をさらに低減できることを見出した。これについても、後で詳しく述べる。 The inventors of the present invention overcome the above-mentioned process problems by original ideas and can further reduce the contact resistance by actively utilizing the surface roughness generated in the previously formed epitaxial layer. I found it. This will be described in detail later.
(第1の実施形態)
以下、図面を参照しながら、本発明による第1の実施形態の半導体基板を説明する。図1(a)および(b)は、それぞれ、本実施形態の半導体基板を示す断面模式図である。なお、本明細書における「半導体基板」は、半導体バルク基板を用いて形成され、半導体素子の形成に使用される基板を指し、例えば半導体バルク基板の表面にエピタキシャル層が形成されたエピ付き基板など、半導体バルク基板に対して何らかの加工を行って得られた基板を広く含むものとする。
(First embodiment)
Hereinafter, a semiconductor substrate according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. 1A and 1B are schematic cross-sectional views showing the semiconductor substrate of this embodiment, respectively. The “semiconductor substrate” in this specification refers to a substrate that is formed using a semiconductor bulk substrate and is used for forming a semiconductor element, such as an epitaxial substrate having an epitaxial layer formed on the surface of the semiconductor bulk substrate. A wide range of substrates obtained by performing some kind of processing on the semiconductor bulk substrate is included.
半導体基板100は、図1(a)に示すように、SiCを含む第1導電型(例えばn型)のバルク基板1と、バルク基板1の表面1rにエピタキシャル成長によって形成された高濃度不純物層3とを備えている。高濃度不純物層3は、バルク基板1と同じ導電型(例えばn型)であり、バルク基板1よりも高い濃度で不純物を含んでいる。
As shown in FIG. 1A, a
このように、半導体基板100は高濃度不純物層3を備えているので、半導体基板100を用いて縦型の半導体素子を形成する場合に、高濃度不純物層3の上にオーミック電極を設けることにより、オーミック電極のコンタクト抵抗を低減できる。
As described above, since the
本実施形態では、エピタキシャル成長を用いるため、成長時間を制御することにより、特許文献1における不純物ドープ層112よりも厚い高濃度不純物層3を形成できる。また、不純物濃度プロファイルを深さ方向に略均一にできる。よって、SiCデバイスを作製する工程における高濃度不純物層3の目減り量にかかわらず、高濃度不純物層3の表面近傍の不純物濃度を設計値に略等しく(典型的には設計値の±5%以内)できるので、コンタクト抵抗をより確実に低減できる。さらに、製品間のコンタクト抵抗のばらつきが抑制され、信頼性を向上できる。
In this embodiment, since epitaxial growth is used, the high
高濃度不純物層3の厚さは特に限定しないが、半導体基板100を用いてデバイスを形成する際の熱酸化プロセスや電極形成プロセスによる目減り量よりも大きくなるように設定される。バルク基板1として4H−SiCあるいは6H−SiC基板を用い、このような基板のC面に高濃度不純物層3を形成する場合には、C面における熱酸化レートはSi面よりも高いので、熱酸化プロセスによる目減り量が大きくなる。従って、このような場合、高濃度不純物層3の厚さは、好ましくは1μm以上、より好ましくは1.2μm以上である。一方、高濃度不純物層3を4H−SiCあるいは6H−SiC基板のSi面に形成する場合には、熱酸化プロセスによる目減り量は小さく抑えられるため、高濃度不純物層3の厚さは、例えば300nm以上であればよく、好ましくは500nm以上である。なお、C面、Si面のいずれに高濃度不純物層3を形成する場合においても、熱酸化やシリサイドによる目減り量を除いて、少なくとも100nm〜200nm程度が残存するように高濃度不純物層3の厚さを設定することが好ましい。このことは、第2〜第4の実施形態においても同様である。
The thickness of the high-
高濃度不純物層3の不純物濃度は、バルク基板1よりも高ければよく、特に限定しないが、バルク基板1の不純物濃度の10倍以上であれば、コンタクト抵抗をより効果的に改善できるので好ましい。バルク基板1として不純物濃度が1×1018cm-3のSiCバルク基板を用いる場合、高濃度不純物層3の不純物濃度が1×1019cm-3以上、より好ましくは1×1020cm-3以上であれば、バルク基板1の表面1rよりも1桁以上高い濃度で不純物を含むSiC表面に対してオーミック電極を形成できるので、コンタクト抵抗を大幅に低減できる。一方、高濃度不純物層3の不純物濃度は、5×1020cm-3程度以下に設定されることが好ましい。以上のことは、第2〜第4の実施形態においても同様である。
The impurity concentration of the high-
高濃度不純物層3は、深さ方向に略均一な不純物濃度プロファイルを有していなくてもよい。例えば、デバイスの製造工程における目減り量を考慮して、所定の領域(例えば深さが500nm〜1μmの領域)で高い不純物濃度を有するように調整されていれば、コンタクト抵抗を低減する効果が得られる。このような場合、上記所定の領域における不純物濃度が十分に高く、かつ、深さ方向に略一定であれば、より確実にコンタクト抵抗を低減できるので好ましい。
The high
高濃度不純物層3は、バルク基板1におけるいずれか一方の表面に形成される。バルク基板1として4H−SiCあるいは6H−SiC基板を用いる場合、高濃度不純物層3はC面に形成されていることが好ましい。例えばMaterials Science Forum Vols.383−393(2002)pp165−170に記載されているように、Si面に比べてC面には高い濃度で不純物を含むエピタキシャル層をより容易に形成できる。従って、高濃度不純物層3をC面に形成すると、高濃度不純物層3における不純物濃度を高くすることが可能になり、コンタクト抵抗をより低くできる。
The high
一方、高濃度不純物層3をSi面に形成すると、Si面の熱酸化レートはC面よりも小さいために、高濃度不純物層3の熱酸化プロセスによる目減り量を小さくできるので、高濃度不純物層3の厚さを小さくできるという利点がある。
On the other hand, when the high-
本実施形態における半導体基板の構成は、図1(a)に示す構成に限定されない。例えば、バルク基板1の両面にエピタキシャル層を備えたエピ付き基板であってもよい。図1(b)を参照しながら、本実施形態におけるエピ付き基板の構成を説明する。
The configuration of the semiconductor substrate in the present embodiment is not limited to the configuration shown in FIG. For example, an epitaxial substrate having an epitaxial layer on both sides of the
半導体基板200は、図示するように、バルク基板1における高濃度不純物層3が形成された表面1rの反対側の面1pに、バルク基板1よりも低い濃度で不純物を含むエピタキシャル層5をさらに備えている。エピタキシャル層5は、半導体基板200に形成される縦型パワーデバイスのオフ耐圧を確保する機能を有する。エピタキシャル層5における不純物濃度は、例えば5×1015cm-3以上1×1016cm-3以下である。また、エピタキシャル層5の厚さは、例えば10μm以上15μm以下である。
As illustrated, the
半導体基板100および200における高濃度不純物層3は、図示するように、バルク基板1の表面1rに接することが好ましいが、高濃度不純物層3とバルク基板1との間に他の層(例えば炭化珪素エピタキシャル層など)が設けられていてもよい。
The high-
次に、図面を参照しながら、本実施形態の半導体基板を製造する方法を説明する。ここでは、図1(b)に示す半導体基板200の製造方法を例に説明する。
Next, a method for manufacturing the semiconductor substrate of the present embodiment will be described with reference to the drawings. Here, a method for manufacturing the
まず、図2(a)に示すように、炭化珪素を含むバルク基板1を用意する。バルク基板1としては、例えば、4H−SiC基板(導電型:n型、不純物濃度:1×1018cm-3)を用いる。このバルク基板1の表面1r、1pのうち、一方はシリコン原子のみが露出したSi面であり、他方はカーボン原子のみが露出したC面である。また、バルク基板1は、Si面が(0001)から<112―0>(112バー0)方向に8度のオフ角度を有するオフカット基板である。本実施形態では、バルク基板1における両面1p、1rに対してエピタキシャル成長を行うため、バルク基板1の両面1p、1rを研磨して、それらの表面粗さを同程度にしておくことが好ましい。
First, as shown in FIG. 2A, a
上記のようなバルク基板1を硫酸過水、アンモニア過水、フッ酸などを用いて洗浄した後、図2(b)に示すように、バルク基板1の表面(ここではC面)1rに、CVD法により高濃度不純物層3をエピタキシャル成長させる。これにより、半導体基板100が得られる。
After the
高濃度不純物層3の形成には、特許文献1に開示されている縦型CVD炉を用いることができる。また、本実施形態では、原料ガスとしてモノシラン(SiH4)およびプロパン(C3H8)、キャリアガスとして水素、n型のドーパントガスとして窒素を用いる。
For the formation of the high-
高濃度不純物層3の形成方法を具体的に説明する。まず、縦型CVD炉におけるチャンバー内のサセプタに、高濃度不純物層3を形成しようとする面1rが表になるようにバルク基板1を設置し、チャンバー内の真空度が10-6Pa以下になるまで減圧する。その後、キャリアガスである水素を例えば2L/minの流量でチャンバーに供給してチャンバー内の圧力を1atmに保ちつつ、高周波加熱法によってバルク基板1を成長温度(例えば1600℃)まで加熱する。バルク基板1の温度が成長温度に達すると、原料ガスであるシランおよびプロパンと、ドーパントガスである窒素とをチャンバー内に供給する。ここでは、シランおよびプロパンを、それぞれ10mL/minおよび1mL/minの流量で供給するとともに、ドーパントガスである窒素を10mL/minの流量で供給する。なお、C面にエピタキシャル成長させるためのプロセス条件については、例えばMaterials Science Forum Vols.483−485(2005)pp92−96やMaterials Science Forum Vols.389−393(2002)pp165−170に記載されている。このようにして、高濃度不純物層3が形成される。形成された高濃度不純物層3の厚さは例えば1μmであり、不純物濃度は例えば1×1019cm-3である。
A method for forming the high-
次いで、図2(c)に示すように、チャンバー内のサセプタに設置されたバルク基板1を裏返して、バルク基板1における表面(ここではSi面)1pが表になるように設置し、CVD法により、バルク基板1よりも低い濃度で不純物を含むエピタキシャル層5を表面1pに形成する。これにより、半導体基板200が得られる。
Next, as shown in FIG. 2 (c), the
エピタキシャル層5の形成に用いるCVD炉やガス(原料ガス、キャリアガスおよびn型ドーパントガスなど)の種類は、図2(b)を参照しながら上述したCVD炉やガスと同じであってもよい。好適な成長条件は、エピタキシャル層5を形成しようとするバルク基板の表面1pがC面であるか、Si面であるかによって異なる。ここでは、バルク基板1のSi面にエピタキシャル成長させるため、例えば原料ガス中のC/Si比は、0.3程度になるように調整される。
The types of CVD furnaces and gases (such as source gas, carrier gas and n-type dopant gas) used for forming the
エピタキシャル層5の具体的な形成方法を説明する。まず、チャンバー内を10-6Pa以下の真空度になるまで減圧した後、キャリアガスである水素ガスを例えば2L/minの流量でチャンバーに供給してチャンバー内の圧力を1atmに保ちつつ、高周波加熱法によってバルク基板1を成長温度(例えば1600℃)まで加熱する。バルク基板1の温度が成長温度に達すると、原料ガスであるシランおよびプロパンをそれぞれ10mL/minおよび1mL/minの流量でチャンバーに供給するとともに、ドーパントガスである窒素ガスを3mL/minの流量で供給する。このようにして、エピタキシャル層5が形成される。得られたエピタキシャル層5の厚さは例えば15μm、不純物濃度はバルク基板1の不純物濃度よりも低く、例えば5×1015cm-3である。
A specific method for forming the
上記方法では、高濃度不純物層3の厚さを1μmとしているが、エピタキシャル成長における成長時間を長くすることにより、さらに厚い高濃度不純物層3を形成することが可能である。このように、本実施形態では、イオン注入によって形成する場合のようにイオンの加速エネルギーによって制約を受けないので、作製しようとする半導体素子の構成や半導体素子の作製プロセスに応じて、高濃度不純物層3の厚さを任意に設定できる。
In the above method, the thickness of the high-
なお、上記方法では、両面を研磨したバルク基板1を用いているが、片面のみが研磨されたバルク基板1を用いてもよい。この場合には、研磨された表面、すなわち表面粗さがより小さい表面にエピタキシャル層5を形成し、その反対側の表面に高濃度不純物層3を形成することが好ましい。多くの場合、高濃度不純物層3の上にはオーミック電極が形成されるだけであるのに対し、エピタキシャル層5の表面には拡散領域やゲート構造などが形成されるため、より高い結晶性が要求されるからである。
In the above method, the
また、高濃度不純物層3およびエピタキシャル層5を形成する際の原料ガスの種類や流量、成長温度などのプロセス条件は、上述した条件に限定されず、適宜選択される。
Further, the process conditions such as the type, flow rate, and growth temperature of the source gas when forming the high-
エピタキシャル層5および高濃度不純物層3の形成順序は特に限定されないが、上記方法のように、高濃度不純物層3の後にエピタキシャル層5を形成すると、次のような利点もある。
The order in which the
図2(c)に示す工程で、CVD炉を用いてバルク基板1の表面(例えばSi面)1pにエピタキシャル層5を成長させる際、バルク基板1における反対側の表面(例えばC面)1rに形成された高濃度不純物層3の表面3rは、CVD炉のサセプタに接しているので、原料ガスが供給されない状態で1600℃の高温になる。そのため、表面3rから炭素あるいは珪素が昇華して表面荒れが生じる。この結果、半導体基板200における高濃度不純物層3の表面粗さRaは、例えば10nm以上100nm以下となる。なお、本明細書における「表面粗さRa」は、JISB0601−1994で規格される算術平均粗さRaで定義される。
In the step shown in FIG. 2C, when the
半導体基板200を用いて半導体素子を形成する際には、高濃度不純物層3の上に、Niなどの導電材料を堆積し、必要に応じてPDAを行うことによって電極が形成される。このときに、高濃度不純物層3が上記のような表面荒れを有していると、高濃度不純物層3とその上に形成される電極との抵抗を大幅に低減できる。このように、上記方法によると、バルク基板1の両面にエピタキシャル層を順次形成するにあたって、先に形成されたエピタキシャル層に生じる表面荒れを利用して、半導体素子におけるオン抵抗をさらに低減できる。
When a semiconductor element is formed using the
ところで、本願発明者らは、バルク基板の両面にそれぞれエピタキシャル層を形成しようとすると、次のようなプロセス上の問題があることに気付いた。この問題について、図2(a)〜(c)を参照しながら説明する。 By the way, the present inventors have found that there are the following process problems when an epitaxial layer is formed on both sides of a bulk substrate. This problem will be described with reference to FIGS.
図2(b)に示す工程において、CVD炉のチャンバー内でバルク基板1の表面1rに高濃度不純物層3をエピタキシャル成長させる際に、バルク基板1における反対側の表面1pはチャンバー内のサセプタに接している。従って、バルク基板1の表面1pは、原料ガスが供給されない状態で高温(1600℃)になるので、炭素あるいは珪素が昇華して表面荒れを生じたり、サセプタからの物質が表面1pに付着して表面荒れや汚染が生じる場合がある。このような表面荒れや汚染が生じた表面1pに対して、図2(c)を参照しながら説明した方法でエピタキシャル成長を行うと、得られたエピタキシャル層5の結晶性は、上記表面荒れや汚染に起因して低下するおそれがある。このようなエピタキシャル層5を用いて、例えば縦型MOSFETを作製すると、ゲート絶縁膜の耐圧が劣化したり、チャネル移動度が低下するなどのデバイス特性の劣化を引き起こす可能性がある。
In the step shown in FIG. 2B, when the high
そこで、このようなバルク基板1の表面1pの表面荒れや汚染に起因するデバイス特性の劣化を防ぐために、エピタキシャル層5を形成する前に、バルク基板1における表面1pに平坦化処理を施し、その上に形成されるエピタキシャル層5の結晶性の低下を抑制してもよい。以下、図面を参照しながら、具体的に説明する。
Therefore, in order to prevent the device characteristics from being deteriorated due to the surface roughness or contamination of the
図3(a)〜(c)は、本実施形態における他の半導体基板の製造方法を説明するための工程断面図である。簡単のため、半導体基板100、200と同様の構成要素には同じ参照符号を付し、その説明を省略する。
3A to 3C are process cross-sectional views for explaining another method for manufacturing a semiconductor substrate in the present embodiment. For simplicity, the same components as those of the
まず、図3(a)に示すように、炭化珪素を含むバルク基板1における表面(ここではC面)1rに、エピタキシャル成長により高濃度不純物層3を形成する。バルク基板1として、図2(a)を参照しながら説明した4H−SiC基板を用いる。また、高濃度不純物層3の形成方法は、図2(a)および(b)を参照しながら前述した方法と同様に、CVD炉を用いて行う。この工程によって、高濃度不純物層3が形成されるとともに、バルク基板1における高濃度不純物層3が形成された面1rと反対側の表面(ここではSi面)1p’には、図示するように、表面荒れや汚染が生じる。
First, as shown in FIG. 3A, a high-
次いで、図3(b)に示すように、表面荒れや汚染が生じた表面1p’を、CMP(化学的機械研磨)を用いて平坦化して、表面粗さRaが0.1nm程度に低減された表面1p’’を得る。CMPスラリーとして、例えばコロライドシリカや酸化クロムのスラリーを用いることができる。平坦化された表面1p’’の表面粗さRaは特に限定しないが、好ましくは0.1nm以下である。CMPを行った後は、スラリー残りがないように、バルク基板1の表面1p’’を洗浄する。このようにして、半導体基板300が得られる。
Next, as shown in FIG. 3B, the
この後、図3(c)に示すように、CVD炉のチャンバー内のサセプタに、平坦化された表面1p’’が表になるように半導体基板300を設置し、表面1p’’にエピタキシャル層5を形成する。エピタキシャル層5の形成方法は、図2(c)を参照しながら説明した方法と同様である。これにより、半導体基板(エピ付き基板)400が得られる。
Thereafter, as shown in FIG. 3 (c), the
この方法によると、高濃度不純物層3をバルク基板1の表面(例えばC面)1rにエピタキシャル成長させる際に、バルク基板1における反対側の面(例えばSi面)1pに表面荒れや汚染が生じた場合であっても、そのような表面荒れや汚染に起因するデバイス特性の劣化を抑制できる。
According to this method, when the high-
あるいは、バルク基板1の表面1pにおける表面荒れや汚染に起因するデバイス特性の劣化を防ぐために、バルク基板1の表面1pを保護膜で覆った状態で、バルク基板1の表面1rに高濃度不純物層3をエピタキシャル成長させることもできる。以下、図面を参照しながら具体的に説明する。
Alternatively, a high concentration impurity layer is formed on the
図4(a)〜(d)は、本実施形態における他の半導体基板の製造方法を説明するための工程断面図である。簡単のため、半導体基板100、200と同様の構成要素には同じ参照符号を付し、その説明を省略する。
4A to 4D are process cross-sectional views for explaining another method for manufacturing a semiconductor substrate in the present embodiment. For simplicity, the same components as those of the
まず、図4(a)に示すように、炭化珪素を含むバルク基板1における、高濃度不純物層を形成しようとする面と反対側の面(ここではSi面)1pに、保護膜4を形成する。ここでは、保護膜4として、厚さが0.1μmのカーボン膜を、スパッタ法を用いて形成する。保護膜4の厚さは特に限定しないが、例えば0.05μm以上、好ましくは0.1μm以上である。
First, as shown in FIG. 4A, a protective film 4 is formed on a surface (here, Si surface) 1p opposite to a surface on which a high concentration impurity layer is to be formed in a
なお、保護膜4は、炭化珪素のエピタキシャル成長における成長温度(例えば1600℃)に耐え得る材料から形成されていることが好ましく、カーボン膜に限定されない。保護膜4の材料として、例えば窒化アルミや炭化タンタルを用いてもよい。また、ここでは、スパッタ法を用いて保護膜4を形成しているが、代わりにCVD法を用いてもよい。 The protective film 4 is preferably formed of a material that can withstand the growth temperature (for example, 1600 ° C.) in the epitaxial growth of silicon carbide, and is not limited to the carbon film. As a material of the protective film 4, for example, aluminum nitride or tantalum carbide may be used. Here, the protective film 4 is formed by sputtering, but CVD may be used instead.
次いで、図4(b)に示すように、保護膜4の形成されたバルク基板1を、高濃度不純物層を形成しようとする表面1rが表になるようにCVD炉のサセプタに設置し、高濃度不純物層3をエピタキシャル成長させる。エピタキシャル成長を行う際の原料ガスの種類や流量、成長温度などの条件については、図2(b)を参照しながら前述した条件と同様である。得られた高濃度不純物層3の厚さは1μm以上、n型不純物(窒素)の濃度は1×1019cm-3以上であることが好ましい。
Next, as shown in FIG. 4B, the
この後、図4(c)に示すように、保護膜4をバルク基板1から除去し、半導体基板500を得る。保護膜4の除去方法は特に限定しないが、例えばバルク基板1を高温に保ちながら、水素ガスに暴露することによって行うことが好ましい。
Thereafter, as shown in FIG. 4C, the protective film 4 is removed from the
保護膜4を除去する方法をより具体的に説明する。まず、CVD炉のチャンバー内のサセプタに、保護膜4が形成された面1pが表になるように、バルク基板1を設置する。次に、チャンバー内の真空度が10-6Pa以下になるまで減圧した後、水素を例えば2L/minの流量でチャンバーに供給し、チャンバー内の圧力を1atmに保ちながら、高周波加熱法によってバルク基板1を例えば1600℃に加熱する。これにより、保護膜4の材料であるカーボンが水素と反応して炭化水素となり、バルク基板1の表面1pから離脱する。このようにして、バルク基板1の表面1pにダメージを与えることなく、保護膜4を略完全に除去することができる。なお、この方法によると、CVD炉を用いて保護膜4を除去できるので、バルク基板1をCVD炉に設置した状態で、保護膜4の除去と、その後の工程であるエピタキシャル層5の形成とを連続して行うことが可能になるので有利である。
A method for removing the protective film 4 will be described more specifically. First, the
続いて、図4(d)に示すように、半導体基板500をCVD炉から取り出すことなく、サセプタに設置したままの状態で、バルク基板1の表面1pにエピタキシャル層5を形成する。エピタキシャル層5の形成条件は、図2(c)を参照しながら前述した条件と同様である。このようにして、エピ付き基板である半導体基板600が得られる。
Subsequently, as shown in FIG. 4D, the
この方法によると、高濃度不純物層3をバルク基板1の表面(例えばC面)1rにエピタキシャル成長させる際に、バルク基板1における反対側の表面(例えばSi面)1pは保護膜4によって覆われているので、バルク基板1の表面1pに表面荒れや汚染が生じることを防止できる。従って、バルク基板1の表面1pに結晶性に優れたエピタキシャル層5を形成できるので、高いデバイス特性が得られる。
According to this method, when the high-
(第2の実施形態)
以下、図面を参照しながら、本発明による第2の実施形態の半導体素子を説明する。本実施形態の半導体素子は、SiCバルク基板を用いて形成された縦型のPNダイオードであり、SiCバルク基板における主面側には、PN接合やオーミック電極が形成され、裏面側には、高濃度不純物層を介してバルク基板と電気的に接続された裏面電極が形成された構造を有している。
(Second Embodiment)
Hereinafter, a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The semiconductor element of this embodiment is a vertical PN diode formed using a SiC bulk substrate. A PN junction or an ohmic electrode is formed on the main surface side of the SiC bulk substrate, and a high-side is formed on the back surface side. A back electrode electrically connected to the bulk substrate through a concentration impurity layer is formed.
本実施形態の半導体素子を製造する方法を説明する。図5(a)〜(k)は、本実施形態の半導体素子の製造方法を例示する工程断面図である。簡単のため、半導体基板100、200と同様の構成要素には同じ参照符号を付し、その説明を省略する。
A method for manufacturing the semiconductor device of this embodiment will be described. 5A to 5K are process cross-sectional views illustrating the method for manufacturing a semiconductor element of this embodiment. For simplicity, the same components as those of the
図5(a)に示すように、炭化珪素を含むバルク基板1の表面1rに高濃度不純物層3をエピタキシャル成長させることにより、半導体基板100を得る。本実施形態では、バルク基板1として、図2(a)を参照しながら説明した4H−SiC基板を用い、この4H−SiC基板におけるC面を表面1rとする。本実施形態における半導体基板100は、図2(a)〜(c)を参照しながら前述した方法と同様の方法で作製される。高濃度不純物層3の厚さは1μm以上(例えば1.1μm)、n型不純物の濃度は1×1019cm-3以上(例えば2×1019cm-3)である。
As shown in FIG. 5A, the
次いで、図5(b)に示すように、バルク基板1における高濃度不純物層3を形成した面1rの反対側の表面(Si面)1pに、エピタキシャル層5を形成する。エピタキシャル層5の形成方法は、図2(c)を参照しながら前述した方法と同様である。このエピタキシャル層5は、PNダイオードの活性領域を構成する活性層となり、PNダイオードのオフ耐圧を確保する機能を有する。例えば1000Vの耐圧を有するPNダイオードを作製する場合、エピタキシャル層5の厚さは10μm以上15μm以下、不純物濃度は5×1015cm-3以上1×1016cm-3以下に設定される。
Next, as shown in FIG. 5B, the
この後、図5(c)に示すように、イオン注入法を用いて、エピタキシャル層5の表面に、P型ウェル領域、終端構造となるフィールドリミッティングリング、およびP型コンタクト領域をそれぞれ規定する注入層7’、9’、11’を形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 5C, a P-type well region, a field limiting ring serving as a termination structure, and a P-type contact region are respectively defined on the surface of the
これらの注入層7’、9’、11’の形成方法を具体的に説明する。まず、エピタキシャル層5にP型不純物(ここではAl)をイオン注入することにより、P型ウェル領域およびフィールドリミッティングリングをそれぞれ規定する注入層7’、9’を形成する(第1の注入工程)。フィールドリミッティングリングを規定する注入層9’は、エピタキシャル層5の表面において、P型ウェル領域を規定する注入層7’を包囲するように配置される。ここでは、第1の注入工程として、30keV〜350keVの範囲から選択された4種類の加速電圧で、4段の多段注入を行う。多段注入におけるトータルドーズ量は1×1014cm-2程度とする。続いて、P型ウェル領域を規定する注入層7’の内部にP型コンタクト領域を規定する注入層11’を形成する(第2の注入工程)。P型コンタクト領域を規定する注入層11’は、P型ウェル領域を規定する注入層7’よりも高い濃度でP型不純物を含み、かつ、P型ウェル領域を規定する注入層7’よりも浅い。ここでは、第2の注入工程として、30keV〜150keVの範囲から選択された3種類の加速電圧で、3段の多段注入を行う。多段注入におけるトータルドーズ量は1×1015cm-2程度とする。第1および第2の注入工程は、何れも、500℃の高温で行う。炭化珪素に対するイオン注入では、注入時に炭化珪素の結晶性が崩れると、注入後に高温のアニールを施しても結晶性が回復しないが、そのような高温で注入を行うことにより、注入時にも結晶性を維持できるからである。
A method for forming these
第1および第2の注入工程の後、アルゴンなどの不活性雰囲気中、1700℃の温度で30分間のアニールを行い、Alイオンを活性化させる。これにより、図5(d)に示すように、注入層7’、9’、11’は、それぞれ、P型ウェル領域7、フィールドリミッティングリング9、およびP型コンタクト領域11となる。得られたP型ウェル領域7およびフィールドリミッティングリング9の深さは約0.4μmであり、不純物濃度は2×1018cm-3程度である。P型コンタクト領域11の深さは約0.2μmであり、不純物濃度は5×1019cm-3程度である。
After the first and second implantation steps, annealing is performed for 30 minutes at a temperature of 1700 ° C. in an inert atmosphere such as argon to activate Al ions. Thereby, as shown in FIG. 5D, the implantation layers 7 ′, 9 ′, and 11 ′ become the P-
上記の注入工程により、エピタキシャル層5および高濃度不純物層3の表面にはダメージ層が生じるので、これを除去するために、これらの表面に対して熱酸化処理(第1の熱酸化処理)を行う。これにより、図5(e)に示すように、エピタキシャル層5および高濃度不純物層3の表面が酸化されて犠牲酸化膜13、15が形成される。本実施形態では、第1の熱酸化処理は、熱酸化炉を用いて、乾燥酸素雰囲気中、1200℃の温度で3時間行う。このような熱酸化処理によって、Si面であるエピタキシャル層5の表面には厚さが約80nmの犠牲酸化膜13、C面である高濃度不純物層3の表面には厚さが約800nmの犠牲酸化膜15がそれぞれ形成される。
As a result of the above implantation process, damaged layers are formed on the surfaces of the
続いて、図5(f)に示すように、犠牲酸化膜13、15を除去する。犠牲酸化膜13、15は、例えば10:1のバッファードフッ酸をエッチング液として用い、30分間のウェットエッチングを行うことにより除去できる。
Subsequently, as shown in FIG. 5F, the
上述したように、SiC表面に厚さがtの熱酸化膜を形成すると、消費されるSiCの厚さは0.46×tである。従って、犠牲酸化膜15を除去した後の高濃度不純物層3の厚さは、犠牲酸化膜15を形成する前と比べて、約400nm程度目減りする。
As described above, when a thermal oxide film having a thickness t is formed on the SiC surface, the thickness of consumed SiC is 0.46 × t. Therefore, the thickness of the high-
次いで、図5(g)に示すように、エピタキシャル層5および高濃度不純物層3に対して熱酸化処理(第2の熱酸化処理)を行い、これらの層5、3の表面に、表面保護膜として、新たな酸化膜17、19を形成する。本実施形態では、第2の熱酸化処理は、熱酸化炉を用いて、乾燥酸素雰囲気中、1200℃の温度で3時間行う。このような熱酸化処理によって、エピタキシャル層5の表面に厚さが80nmの酸化膜17が形成されるとともに、高濃度不純物層3の表面に厚さが800nmの酸化膜19が形成される。
Next, as shown in FIG. 5G, the
酸化膜19を形成するために、高濃度不純物層3の厚さは、さらに約400nm目減りする。従って、第1および第2の熱酸化処理によって、高濃度不純物層3の厚さは、合わせて約800nm程度目減りする。
In order to form the
この後、図5(h)に示すように、P型コンタクト領域11の上に位置する酸化膜17の一部を除去した後、P型コンタクト領域11に接するオーミック電極21を形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 5H, after removing a part of the
オーミック電極21は、例えばリフトオフ法を用いて形成できる。まず、酸化膜17における所定の領域上に、公知のフォトリソグラフィーによりレジスト層(図示せず)を形成する。この後、バッファードフッ酸をエッチング液として用いてウェットエッチングを行い、酸化膜17のうちレジスト層によって覆われていない部分を除去する。これによって、P型コンタクト領域11の表面が露出する。続いて、P型コンタクト領域11の露出表面およびレジスト層の上に、EB蒸着法により、例えば厚さが100nmのニッケル膜を堆積する。その後、レジスト層を除去することにより、ニッケル膜がパターニングされ(リフトオフ法)、オーミック電極21が形成される。
The
続いて、図5(i)に示すように、バルク基板1の裏面側に、高濃度不純物層3に接する裏面電極23を形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 5I, a
裏面電極23を形成する方法を説明する。まず,バルク基板1の主面側の表面を保護するために、フォトレジスト(図示せず)を塗布する。この状態で、バルク基板1の裏面側に形成された酸化膜19を除去して、高濃度不純物層3を露出する。酸化膜19は、エッチング液としてバッファードフッ酸を用い、30分間のエッチングを行うことによって除去できる。エッチングで露出した高濃度不純物層3の上に、例えば厚さが200nm程度のニッケルをEB蒸着法によって堆積する。この後、バルク基板1の主面側の表面を保護するためのフォトレジストを除去し、続いて、アルゴンなどの不活性雰囲気中、約1000℃の温度で約2分のアニールを行う。このようにして、裏面電極23が得られる。
A method for forming the
上記アニールによって、裏面電極23と高濃度不純物層3との界面には、ニッケルシリサイドが形成されるので、良好なオーミック特性が得られる。ニッケルシリサイドの形成には、堆積されたニッケルと同程度の厚さ(200nm)の高濃度不純物層3が消費されるため、高濃度不純物層3の厚さはさらに200nm程度目減りし、例えば100nm以上500nm以下になる。なお、このアニールにより、オーミック電極21とP型コンタクト領域11との界面にも、ニッケルシリサイドが形成される。
By the annealing, nickel silicide is formed at the interface between the
この後、図5(j)に示すように、オーミック電極21および酸化膜17を覆うように、層間絶縁膜25を形成する。層間絶縁膜25は、例えば酸化シリコンなどの絶縁材料をプラズマCVD法によって堆積することによって形成される。層間絶縁膜25の厚さは例えば1μm程度である。
Thereafter, an
次いで、図5(k)に示すように、公知のドライエッチング技術を用いて、層間絶縁膜25にオーミック電極21に達するコンタクトホールを形成した後、コンタクトホール内部および層間絶縁膜25の上に電極パッド27を設ける。電極パッド27は、例えばアルミニウムなどの導電材料をコンタクトホール内部および層間絶縁膜25の表面全体に堆積することにより導電膜(厚さ:例えば3μm)を形成し、この導電膜に対して、公知のフォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いてパターニングを行うことによって形成できる。このようにして、半導体素子700が得られる。
Next, as shown in FIG. 5 (k), a contact hole reaching the
上記方法で得られた半導体素子700は、バルク基板1の主面側に、N型のエピタキシャル層5とP型ウェル領域7およびP型コンタクト領域11とから構成されたPN接合を有している。また、P型コンタクト領域11に対してオーミック接合されたオーミック電極21を有している。一方、バルク基板1の裏面側に、高濃度不純物層3と、高濃度不純物層3を介してバルク基板1に電気的に接続された裏面電極23とを有している。裏面電極23は、バルク基板1よりも高い不純物濃度を有する高濃度不純物層3に接しているので、バルク基板1の裏面1rに接する従来の構成に比べて、コンタクト抵抗を低減できる。
The
本実施形態によると、高濃度不純物層3をエピタキシャル成長によって形成するので、成長時間を調整することによって、高濃度不純物層3の厚さを容易に制御できる。そのため、PNダイオードを形成するプロセスで行われる熱酸化処理に応じて、十分な厚さの高濃度不純物層3を形成できるという利点がある。
According to the present embodiment, since the high
具体的に説明すると、上記方法では、活性層となるエピタキシャル層5の表面清浄化および表面保護のために、2回の熱酸化処理(第1および第2の熱酸化処理)を行っている。何れの熱酸化処理でも、Si面であるエピタキシャル層5の表面に、厚さが80nmの熱酸化膜を形成するが、このとき、C面である高濃度不純物層3の表面には、厚さが800nmの熱酸化膜が形成される。従って、これらの熱酸化処理によって消費される高濃度不純物層3の厚さを合わせると、少なくとも約700nm以上(例えば800nm程度)となる。よって、エピタキシャル成長によって形成される高濃度不純物層3の厚さは、少なくとも700nm以上であることが好ましい。なお、裏面電極23を形成する際にPDAを行う場合、裏面電極23を構成する導電材料(ニッケルなど)のシリサイド化に100〜200nm程度の厚さの高濃度不純物層3が消費されるため、エピタキシャル成長によって形成される高濃度不純物層3の厚さは、例えば900nm以上であることが好ましい。より好ましくは1μm以上、さらに好ましくは1.1μm以上である。
More specifically, in the above method, two thermal oxidation treatments (first and second thermal oxidation treatments) are performed for surface cleaning and surface protection of the
ここで、特許文献1のようにバルク基板1に対するイオン注入によって不純物ドープ層112を形成する場合を考えると、厚さが700nm以上の不純物ドープ層112を得るためには、極めて高い加速電圧が必要となる。図9に示すグラフから、より深い注入を行うために、注入種として窒素を選択したとしても、イオン注入の際に必要な加速電圧は600keVとなる。半導体素子の製造で通常使用されるイオン注入設備の加速電圧は500keV以下であり、600keVの加速電圧でイオン注入を行うためには、特殊な大型設備が必要となり、製造コストの増大を招く。
Here, considering the case where the impurity doped
これに対し、本実施形態では、エピタキシャル成長を行う際の成長時間を長くすることにより、容易に700nm以上の厚さを有する高濃度不純物層3を形成できるので有利である。
On the other hand, in the present embodiment, it is advantageous that the high
また、本実施形態では、エピタキシャル成長によって高濃度不純物層3を形成するため、高濃度不純物層3の不純物濃度プロファイルは深さ方向に略均一である。従って、半導体素子700を形成するプロセスにおける高濃度不純物層3の目減り量がばらついても、得られた半導体素子700の高濃度不純物層3における裏面電極23に接する表面近傍の不純物濃度は一定である。よって、製品間におけるオン抵抗のばらつきが低減され、信頼性を向上できる。
In this embodiment, since the high
本実施形態の製造方法は、図5(a)〜(k)を参照しながら説明した方法に限定されない。図3(b)を参照しながら説明したように、バルク基板1の表面1rに高濃度不純物層3を形成した後に、バルク基板1における表面1pに対する平坦化処理を行ってもよいし、図4(b)を参照しながら説明したように、バルク基板1における表面1pに保護膜を形成した状態で、バルク基板1の表面1rに高濃度不純物層3を形成してもよい。これにより、バルク基板1の表面1pに高品質なエピタキシャル層(活性層)5を形成できるので、デバイス特性を向上できる。
The manufacturing method of the present embodiment is not limited to the method described with reference to FIGS. As described with reference to FIG. 3B, after the high-
また、上記方法では、バルク基板1におけるSi面を主面として用いたが、C面を主面としてもよい。その場合、高濃度不純物層3はSi面に形成されるため、C面に形成される場合よりも、熱酸化処理による目減り量が少なくなる。従って、エピタキシャル成長させる高濃度不純物層3の厚さを小さくできる。
Moreover, in the said method, although Si surface in the
(第3の実施形態)
以下、図面を参照しながら、本発明による第3の実施形態の半導体素子を説明する。本実施形態の半導体素子は、SiCバルク基板を用いて形成された縦型のショットキーダイオードであり、SiCバルク基板における主面側にはショットキー電極が形成され、裏面側には、高濃度不純物層を介してSiCバルク基板と電気的に接続された裏面電極が形成された構造を有している。
(Third embodiment)
Hereinafter, a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The semiconductor element of the present embodiment is a vertical Schottky diode formed using a SiC bulk substrate. A Schottky electrode is formed on the main surface side of the SiC bulk substrate, and a high-concentration impurity is formed on the back surface side. It has a structure in which a back electrode electrically connected to the SiC bulk substrate through a layer is formed.
本実施形態の半導体素子は、例えば次のような方法で製造できる。図6(a)〜(j)は、本実施形態の半導体素子の製造方法を例示する工程断面図である。簡単のため、半導体基板100、200と同様の構成要素には同じ参照符号を付し、その説明を省略する。なお、次に説明する方法では、前述の第2の実施形態と異なり、バルク基板1のC面を主面として用い、Si面に高濃度不純物層3を形成する。
The semiconductor element of this embodiment can be manufactured by the following method, for example. 6A to 6J are process cross-sectional views illustrating the method for manufacturing a semiconductor element of this embodiment. For simplicity, the same components as those of the
まず、図6(a)に示すように、炭化珪素を含むバルク基板1の表面(ここではSi面)1rに高濃度不純物層3をエピタキシャル成長させることにより、半導体基板100’を得る。バルク基板1としては、図2(a)を参照しながら説明した4H−SiC基板を用いることができる。ここでは、バルク基板1における両面1r、1pに対してエピタキシャル成長を行うため、バルク基板1の両面1r、1pを研磨して、それらの表面粗さを同程度にしておくことが好ましい。高濃度不純物層3の形成には、図2(b)で説明した方法と同様のCVD炉や原料ガスを用いることができるが、本実施形態では、バルク基板1のSi面にエピタキシャル成長させるため、好適なプロセス条件は異なる。
First, as shown in FIG. 6A, a semiconductor substrate 100 'is obtained by epitaxially growing a high
高濃度不純物層3の具体的な形成方法を説明する。まず、バルク基板1を硫酸過水、アンモニア過水、フッ酸などを用いて洗浄した後、表面1rが表になるようにして、CVD炉のチャンバー内に設けられたサセプタに設置する。次いで、チャンバー内を10-6Pa以下の真空度になるまで減圧する。この後、キャリアガスである水素ガスを例えば2L/minの流量でチャンバーに供給してチャンバー内の圧力を1atmに保ちつつ、高周波加熱法によってバルク基板1を成長温度(例えば1600℃)まで加熱する。バルク基板1の温度が成長温度に達すると、原料ガスであるシランおよびプロパンと、ドーパントガスである窒素をチャンバーに供給する。シランおよびプロパンの流量は、C/Si比が0.3程度になるように調整されることが好ましく、それぞれ、例えば3mL/minおよび2mL/minである。ドーパントガスである窒素の流量は例えば10mL/minである。
A specific method for forming the high
このようにして形成された高濃度不純物層3の厚さは300nm以上(例えば400nm)であり、高濃度不純物層3の不純物濃度は1×1019cm-3(例えば2×1019cm-3)である。
The thickness of the high-
次いで、図6(b)に示すように、チャンバー内のサセプタに設置されたバルク基板1を裏返して、バルク基板1における高濃度不純物層3が形成された面1rと反対側の表面(ここではC面)1pが表になるように設置し、バルク基板1における表面1pにエピタキシャル層5を形成する。エピタキシャル層5の形成方法は、図2(c)を参照しながら前述した方法と同様であるが、本実施形態では、バルク基板1のC面にエピタキシャル層5を形成するため、好適なプロセス条件は異なる。
Next, as shown in FIG. 6B, the
エピタキシャル層5の具体的な形成方法を説明する。まず、チャンバー内を10-6Pa以下の真空度になるまで減圧した後、キャリアガスである水素ガスを例えば2L/minの流量でチャンバーに供給してチャンバー内の圧力を1atmに保ちつつ、高周波加熱法によってバルク基板1を成長温度(例えば1600℃)まで加熱する。バルク基板1の温度が成長温度に達すると、原料ガスであるシランおよびプロパンと、ドーパントガスである窒素ガスをチャンバーに供給する。シランおよびプロパンの流量は、それぞれ、例えば10mL/minおよび1mL/minである。ドーパントガスである窒素ガスの流量は例えば0.1mL/minである。このようにして、エピタキシャル層5が得られる。
A specific method for forming the
エピタキシャル層5は、ショットキーダイオードの活性領域を構成する活性層となり、ショットキーダイオードのオフ耐圧を確保する機能を有する。例えば1000Vの耐圧を有するショットキーダイオードを作製する場合、エピタキシャル層5の厚さは10μm以上15μm以下、不純物濃度は5×1015cm-3以上1×1016cm-3以下に設定される。
The
この後、図6(c)に示すように、エピタキシャル層5の表面のうちショットキー電極を形成しようとする領域の周辺に、イオン注入法を用いて、終端構造となるガードリング31を形成する。本実施形態では、エピタキシャル層5にP型不純物(ここではボロン)を、30kVの加速電圧でイオン注入する。ドーズ量は1×1015cm-2とする。イオン注入後、アルゴンなどの不活性雰囲気中で、1700℃の温度で30分間の活性化アニールを行い、P型のガードリング31を得る。得られたガードリング31の不純物濃度は2×1020cm-3であり、その深さは0.08μmである。
Thereafter, as shown in FIG. 6C, a
上記の注入工程により、エピタキシャル層5および高濃度不純物層3の表面にはダメージ層が生じるので、これを除去するために、これらの表面に対して熱酸化処理(第1の熱酸化処理)を行う。これにより、図6(d)に示すように、エピタキシャル層5および高濃度不純物層3の表面が酸化されて犠牲酸化膜33、35が形成される。本実施形態では、第1の熱酸化処理は、熱酸化炉を用いて、乾燥酸素雰囲気中、1200℃の温度で0.5時間行う。このような熱酸化処理によって、C面であるエピタキシャル層5の表面には、厚さが約80nmの犠牲酸化膜33が形成される。一方、Si面である高濃度不純物層3の表面は熱酸化レートが小さいため、犠牲酸化膜33よりも薄い犠牲酸化膜(厚さ:例えば約8nm)35が形成される。
As a result of the above implantation process, damaged layers are formed on the surfaces of the
続いて、図6(e)に示すように、例えば10:1のバッファードフッ酸をエッチング液として用い、10分間程度のウェットエッチングを行うことにより、犠牲酸化膜33、35を除去する。
Subsequently, as shown in FIG. 6E, the
次いで、図6(f)に示すように、エピタキシャル層5および高濃度不純物層3に対して熱酸化処理(第2の熱酸化処理)を行い、これらの層5、3の表面に、表面保護膜として、新たな酸化膜37、39を形成する。本実施形態では、第2の熱酸化処理は、熱酸化炉を用いて、乾燥酸素雰囲気中、1200℃の温度で0.5時間行う。このような熱酸化処理によって、エピタキシャル層5の表面に厚さが80nmの酸化膜37が形成されるとともに、高濃度不純物層3の表面に厚さが8nm程度の酸化膜39が形成される。
Next, as shown in FIG. 6 (f), thermal oxidation treatment (second thermal oxidation treatment) is performed on the
なお、上述した第1および第2の熱酸化処理では、犠牲酸化膜35および酸化膜39を形成するために、高濃度不純物層3の表面部分が消費される。本実施形態では、これらの酸化膜35、39の厚さは何れも8nm程度であるので、消費される高濃度不純物層3の厚さは、合わせて約7nm程度(0.46×8(nm)+0.46×8(nm))になる。
In the first and second thermal oxidation processes described above, the surface portion of the high-
続いて、図6(g)に示すように、バルク基板1の裏面側に、高濃度不純物層3に接する裏面電極41を形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 6G, a
裏面電極41は、例えば次のような方法で形成できる。まず,バルク基板1の主面側の表面を保護するために、主面側の表面にフォトレジスト(図示せず)を塗布する。この状態で、バルク基板1の裏面側に形成された酸化膜39を除去して、高濃度不純物層3を露出する。酸化膜39は、エッチング液としてバッファードフッ酸を用い、3分間のエッチングを行うことによって除去できる。エッチングによって露出した高濃度不純物層3の上に、例えばニッケル(厚さ:200nm程度)をEB蒸着法で堆積する。この後、主面側の表面を保護するためのフォトレジストを除去し、続いて、アルゴンなどの不活性雰囲気中、約1000℃の温度で約2分のアニールを行う。これにより、ニッケルと高濃度不純物層3におけるSiとが反応してニッケルシリサイド(図示せず)となる。このようにして、裏面電極41が得られる。
The
裏面電極41と高濃度不純物層3との界面には、ニッケルシリサイドが形成されているため、良好なオーミック特性を実現できる。なお、ニッケルシリサイドの形成には、堆積されたニッケルと同程度の厚さ(200nm)の高濃度不純物層3がさらに消費される。
Since nickel silicide is formed at the interface between the
この後、図6(h)に示すように、酸化膜37の一部を除去して、エピタキシャル層5に接するショットキー電極43を形成する。ショットキー電極43は、エピタキシャル層5の表面のうちガードリング31に包囲された領域、および、ガードリング31の表面における内縁部に接するように設けられる。
Thereafter, as shown in FIG. 6H, a part of the
ショットキー電極43は、例えば次のような方法で形成できる。まず、酸化膜37における所定の領域上に、公知のフォトリソグラフィーによりレジスト層(図示せず)を形成する。この後、バッファードフッ酸をエッチング液として用いてウェットエッチングを行い、酸化膜37のうちレジスト層によって覆われていない部分を除去する。これによって、エピタキシャル層5の表面が露出する。続いて、エピタキシャル層5の露出表面およびレジスト層の上に、EB蒸着法により、厚さが100nmのニッケル膜を堆積する。その後、レジスト層を除去することにより、ニッケル膜がパターニングされ(リフトオフ法)、ショットキー電極43が形成される。なお、本実施形態では、ショットキー電極43とエピタキシャル層5との密着性を強化するために、レジスト層を除去した後に、アルゴンなどの不活性雰囲気中、400℃程度の温度で30分間のアニールを行う。ここでは、ニッケルを用いてショットキー電極43を形成しているが、ショットキー電極43の材料は特に限定されず、例えばチタンであってもよい。
The
次いで、図6(i)に示すように、ショットキー電極43を覆うように層間絶縁膜45を形成する。層間絶縁膜45は、CVD法を用いて、酸化シリコンなどの絶縁材料を堆積させることによって形成できる。層間絶縁膜45の厚さは例えば1μm程度である。
Next, as illustrated in FIG. 6I, an
続いて、図6(j)に示すように、公知のドライエッチング技術を用いて、層間絶縁膜45にショットキー電極43に達するコンタクトホールを形成した後、コンタクトホール内部および層間絶縁膜45の上に電極パッド47を設ける。電極パッド47は、例えばアルミニウムなどの導電材料をコンタクトホール内部および層間絶縁膜45の表面全体に堆積させて導電膜(厚さ:例えば3μm)を形成し、この導電膜に対して、公知のフォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いてパターニングすることによって形成できる。このようにして、半導体素子800が得られる。
Subsequently, as shown in FIG. 6J, a contact hole reaching the
上記方法で得られた半導体素子800では、裏面電極41は高濃度不純物層3を介してバルク基板1に電気的に接続されている。従って、裏面電極41とバルク基板1の裏面とが接する従来の構成に比べて、コンタクト抵抗を低減できる。
In the
上記方法では、前述の実施形態と異なり、バルク基板1におけるSi面に高濃度不純物層3を形成し、C面にエピタキシャル層5を形成している。そのため、第1および第2の熱酸化処理によって高濃度不純物層3の表面に形成される酸化膜35、39の厚さは、エピタキシャル層5の表面に形成される酸化膜33、37の1/10程度に抑えられる。従って、酸化膜35、39の形成によって消費される高濃度不純物層3の厚さを小さくできるので、エピタキシャル成長によってバルク基板1に形成する高濃度不純物層3の厚さを小さくできる。
In the above method, unlike the embodiment described above, the high
具体的には、第1および第2の熱酸化処理および裏面電極41の形成によって消費される高濃度不純物層3の厚さは合わせて約207nmである。従って、エピタキシャル成長によって形成される高濃度不純物層3の厚さは、300nm以上であることが好ましく、より好ましくは400nm以上である。これにより、より確実に、裏面電極23とバルク基板1との間のオン抵抗を低減できる。
Specifically, the total thickness of the high-
本実施形態における高濃度不純物層3は、エピタキシャル成長によって形成され、その不純物濃度プロファイルは深さ方向に略均一である。そのため、半導体素子800を形成するプロセスにおける高濃度不純物層3の目減り量がばらついても、得られた半導体素子800の高濃度不純物層3における裏面電極23に接する表面近傍の不純物濃度は一定となる。従って、製品間におけるオン抵抗のばらつきが低減されるので、信頼性を高めることができる。
The high
本実施形態の製造方法は、図6(a)〜(j)を参照しながら説明した方法に限定されない。図3(b)を参照しながら説明したように、バルク基板1の表面1rに高濃度不純物層3を形成した後に、バルク基板1における表面1pに対する平坦化処理を行ってもよいし、図4(b)を参照しながら説明したように、バルク基板1における表面1pに保護膜を形成した状態で、バルク基板1の表面1rに高濃度不純物層3を形成してもよい。これにより、バルク基板1の表面1pに高品質なエピタキシャル層(活性層)5を形成できるので、デバイス特性を向上できる。
The manufacturing method of the present embodiment is not limited to the method described with reference to FIGS. As described with reference to FIG. 3B, after the high-
また、本実施形態では、バルク基板1におけるC面を主面として用いたが、Si面を主面として用いて、ショットキーダイオードを構成してもよい。その場合、高濃度不純物層3はC面に形成されるため、熱酸化処理などによる目減り量を考慮して、エピタキシャル成長させる高濃度不純物層3を厚く(例えば1μm以上)する必要がある。
In the present embodiment, the C plane of the
(第4の実施形態)
以下、図面を参照しながら、本発明による第4の実施形態の半導体素子を説明する。本実施形態の半導体素子は、SiCバルク基板を用いて形成された縦型MOSFETであり、SiCバルク基板における主面側には、ゲートによってオンオフされるチャネルを含むMOSFET部分やソース電極などが形成され、裏面側には、高濃度不純物層を介してSiCバルク基板と電気的に接続されたドレイン電極が形成された構造を有している。
(Fourth embodiment)
Hereinafter, a semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The semiconductor element of this embodiment is a vertical MOSFET formed using a SiC bulk substrate, and a MOSFET portion including a channel that is turned on and off by a gate, a source electrode, and the like are formed on the main surface side of the SiC bulk substrate. On the back surface side, a drain electrode electrically connected to the SiC bulk substrate through a high concentration impurity layer is formed.
本実施形態の半導体素子を製造する方法を説明する。図7(a)〜(k)は、本実施形態の半導体素子の製造方法を例示する工程断面図である。簡単のため、半導体基板100、200と同様の構成要素には同じ参照符号を付し、その説明を省略する。
A method for manufacturing the semiconductor device of this embodiment will be described. 7A to 7K are process cross-sectional views illustrating the method for manufacturing a semiconductor element of this embodiment. For simplicity, the same components as those of the
図7(a)に示すように、炭化珪素を含むバルク基板1の表面1rに高濃度不純物層3をエピタキシャル成長させることにより、半導体基板100を得る。本実施形態では、バルク基板1として、図2(a)を参照しながら説明した4H−SiC基板を用い、この4H−SiC基板におけるSi面を表面1rとする。高濃度不純物層3は、図2(b)を参照しながら前述した方法と同様の方法で作製される。高濃度不純物層3の厚さは1μm以上(例えば1.2μm)、n型不純物の濃度は1×1019cm-3以上(例えば2×1019cm-3)である。
As shown in FIG. 7A, the
次いで、図7(b)に示すように、バルク基板1における第1表面1rと反対側の第2表面(すなわちSi面)1pに、エピタキシャル層5を形成する。エピタキシャル層5の形成方法は、図2(c)を参照しながら前述した方法と同様である。このエピタキシャル層5は、MOSFETの活性領域を構成する活性層となり、MOSFETのオフ耐圧を確保する機能を有する。例えば1000Vの耐圧を有するMOSFETを作製する場合、エピタキシャル層5の厚さは10μm以上15μm以下、不純物濃度は5×1015cm-3以上1×1016cm-3以下に設定される。
Next, as shown in FIG. 7B, the
この後、図7(c)に示すように、イオン注入法を用いてエピタキシャル層5の表面に、フィールドリミッティングリング、P型ウェル領域、ソース領域、およびP型コンタクト領域をそれぞれ規定する注入層51’、52’、53’、55’を形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 7C, an implantation layer for defining a field limiting ring, a P-type well region, a source region, and a P-type contact region on the surface of the
これらの注入層51’、52’、53’、55’の形成方法を具体的に説明する。まず、エピタキシャル層5にP型不純物(例えばAl)をイオン注入することにより、フィールドリミッティングリングおよび複数のP型ウェル領域をそれぞれ規定する注入層51’、52’を形成する(第1の注入工程)。フィールドリミッティングリングを規定する注入層51’は、エピタキシャル層5の表面において、P型ウェル領域を規定する注入層52’を包囲するように配置される。ここでは、第1の注入工程として、30keV〜350keVの範囲から選択された4種類の加速電圧で、4段の多段注入を行う。多段注入におけるトータルドーズ量は1×1014cm-2程度とする。続いて、イオン注入法により、P型ウェル領域を規定する注入層52’の内部にP型コンタクト領域を規定する注入層55’を形成する(第2の注入工程)。P型コンタクト領域を規定する注入層55’は、P型ウェル領域を規定する注入層52’よりも高い濃度でP型不純物を含み、かつ、P型ウェル領域を規定する注入層52’よりも浅い。ここでは、第2の注入工程として、30keV〜150keVの範囲から選択された3種類の加速電圧で、3段の多段注入を行う。多段注入におけるトータルドーズ量は1×1015cm-2程度とする。同様に、P型ウェル領域を規定する注入層52’の内部にN型ソース領域を規定する注入層53’を形成するために、N型不純物(例えば窒素)をイオン注入する(第3の注入工程)。ここでは、第3の注入工程として、30keV〜180keVの範囲から選択された4種類の加速電圧で、4段の多段注入を行う。多段注入におけるトータルドーズ量は1.7×1015cm-2程度とする。
A method of forming these injection layers 51 ′, 52 ′, 53 ′, and 55 ′ will be specifically described. First, a P-type impurity (for example, Al) is ion-implanted into the
第1、第2および第3の注入工程は、何れも、500℃の高温で行う。炭化珪素に対するイオン注入では、注入時に炭化珪素の結晶性が崩れると、注入後に高温のアニールを施しても結晶性が回復しないが、そのような高温で注入を行うことにより、注入時にも結晶性を維持できるからである。 The first, second, and third implantation steps are all performed at a high temperature of 500 ° C. In the case of ion implantation for silicon carbide, if the crystallinity of silicon carbide collapses during implantation, the crystallinity does not recover even if high-temperature annealing is performed after the implantation. It is because it can maintain.
第1、第2および第3の注入工程の後、アルゴンなどの不活性雰囲気中、1700℃の温度で30分間のアニールを行い、Alイオンおよび窒素イオンを活性化させる。これにより、図7(d)に示すように、注入層51’、52’、53’、55’は、それぞれ、フィールドリミッティングリング51、P型ウェル領域52、ソース領域53、およびP型コンタクト領域55となる。得られたフィールドリミッティングリング51およびP型ウェル領域52の深さは約0.4μmであり、不純物濃度は2×1018cm-3程度である。
After the first, second, and third implantation steps, annealing is performed for 30 minutes at a temperature of 1700 ° C. in an inert atmosphere such as argon to activate Al ions and nitrogen ions. As a result, as shown in FIG. 7D, the implantation layers 51 ′, 52 ′, 53 ′, and 55 ′ include the
上記の注入工程により、エピタキシャル層5および高濃度不純物層3の表面にはダメージ層が生じるので、これを除去するために、これらの表面に対して熱酸化処理(第1の熱酸化処理)を行う。これにより、図7(e)に示すように、エピタキシャル層5および高濃度不純物層3の表面が酸化されて犠牲酸化膜57、59が形成される。本実施形態では、第1の熱酸化処理は、熱酸化炉を用いて、乾燥酸素雰囲気中、1200℃の温度で3時間行う。このような熱酸化処理によって、Si面であるエピタキシャル層5の表面には、厚さが約80nmの犠牲酸化膜57が形成され、C面である高濃度不純物層3の表面には、厚さが約800nmの犠牲酸化膜59が形成される。
As a result of the above implantation process, damaged layers are formed on the surfaces of the
続いて、図7(f)に示すように、例えば10:1のバッファードフッ酸をエッチング液として用いて、30分間程度のウェットエッチングを行うことにより、犠牲酸化膜57、59を除去する。
Subsequently, as shown in FIG. 7F, the
次いで、図7(g)に示すように、熱酸化処理(第2の熱酸化処理)を行い、エピタキシャル層5の表面に、表面保護膜として新たな酸化膜61を形成する。このとき、高濃度不純物層3の表面にも、酸化膜63が形成される。本実施形態における第2の熱酸化処理は、熱酸化炉を用いて、乾燥酸素雰囲気中、1200℃の温度で3時間行う。このような条件で熱酸化処理を行うと、エピタキシャル層5の表面に厚さが80nmの酸化膜61が形成されるとともに、高濃度不純物層3の表面に厚さが800nmの酸化膜63が形成される。
Next, as shown in FIG. 7G, a thermal oxidation process (second thermal oxidation process) is performed to form a
なお、上述した第1および第2の熱酸化処理では、犠牲酸化膜59および酸化膜63を形成するために、高濃度不純物層3の表面部分におけるSiCが消費される。本実施形態では、これらの酸化膜59、63の厚さは何れも800nm程度であるので、消費される高濃度不純物層3の厚さは、合わせて約800nm程度(0.46×800(nm)+0.46×800(nm))になる。
In the first and second thermal oxidation processes described above, SiC is consumed on the surface portion of the high-
この後、図7(h)に示すように、酸化膜61の上にゲート電極65を形成する。ゲート電極65は、エピタキシャル層5におけるチャネルとなる部分を覆うように配置される。ゲート電極65は、例えば高濃度にN型不純物がドープされたN型の多結晶シリコンを用いて形成される。具体的には、7×1020cm-3の濃度でリンを含む多結晶シリコンを酸化膜61の上に堆積させて、厚さが例えば400nmの多結晶シリコン膜を形成する。この後、公知のフォトリソグラフィーおよびドライエッチングを用いて、多結晶シリコン膜のパターニングを行うことによって、ゲート電極65が形成される。
Thereafter, a
続いて、図7(i)に示すように、層間絶縁膜67およびソース電極69を形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 7I, an
層間絶縁膜67は、例えばプラズマCVD法によって、酸化シリコンなどの絶縁材料を酸化膜61およびゲート電極65の上に堆積させることによって形成される。層間絶縁膜67の厚さは例えば1μm程度である。
The
ソース電極69は、層間絶縁膜67に設けたコンタクトホールの内部に形成され、N型ソース領域53の一部およびP型コンタクト領域55に対してオーミック接合を形成する。このようなソース電極69は、例えば次のようにして形成される。まず、公知のフォトリソグラフィーおよびドライエッチングを用いて、層間絶縁膜67に、N型ソース領域53の一部およびP型コンタクト領域55に達するコンタクトホールを形成する。続いて、コンタクトホール内部および層間絶縁膜67の上にニッケル(厚さ:例えば100nm)を蒸着した後、600℃の温度でRTA(Rapid Thermal Annealing)を行い、コンタクトホール内部に堆積したニッケルを炭化珪素と反応させる。これにより、ソース電極69を得る。次いで、層間絶縁膜67の上に堆積した未反応のニッケルをウェットエッチングによって除去する。その後、さらに1000℃の温度で2分間のRTAを施すことにより、ソース電極69とN型ソース領域53およびP型コンタクト領域55との間に良好なオーミック特性が得られる。
The
次いで、図7(j)に示すように、ソース電極69と電気的に接続された電極パッド71を設ける。電極パッド71は、例えばEB蒸着によって、層間絶縁膜67のコンタクトホール内部および層間絶縁膜67の上にアルミニウムなどの導電材料を堆積して導電膜(厚さ:例えば3μm)を形成し、公知のフォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて、この導電膜のパターニングを行うことによって形成できる。
Next, as shown in FIG. 7J, an
この後、図7(k)に示すように、バルク基板1の裏面側に、高濃度不純物層3に接するドレイン電極73を形成する。このようにして、半導体素子900が得られる。
Thereafter, as shown in FIG. 7 (k), a
ドレイン電極73は、例えば次のような方法で形成できる。まず,バルク基板1の裏面側に形成された酸化膜63を除去して、高濃度不純物層3を露出する。酸化膜63は、バッファードフッ酸を用いて、30分間のウェットエッチングを行うことによって除去できる。エッチングにより露出した高濃度不純物層3の上に、例えばニッケル(厚さ:100nm程度)をEB蒸着法によって堆積する。この後、良好なオーミック特性を得るために、必要に応じて、アルゴンなどの不活性雰囲気中、約1000℃の温度で約2分のアニールを行い、ドレイン電極73を得る。なお、上記アニールを行う場合には、堆積されたニッケルと同程度の厚さ(100nm)の高濃度不純物層3が消費される。
The
上記方法で得られた半導体素子900では、ドレイン電極73は高濃度不純物層3を介してバルク基板1に電気的に接続されている。従って、ドレイン電極73とバルク基板1の裏面とが接する従来の構成に比べて、コンタクト抵抗を低減できる。
In the
本実施形態によると、高濃度不純物層3をエピタキシャル成長によって形成するので、成長時間を調整することによって、高濃度不純物層3の厚さを容易に制御できる。そのため、MOSFETを製造する際に行われる熱酸化処理や電極形成プロセスに応じて、十分な厚さの高濃度不純物層3を形成できるという利点がある。上記方法では、2回の熱酸化処理(第1および第2の熱酸化処理)によって消費される高濃度不純物層3の厚さは、少なくとも約700nm以上(例えば800nm)となる。よって、エピタキシャル成長によって形成される高濃度不純物層3の厚さは、少なくとも700nm以上であることが好ましい。なお、ドレイン電極73を形成する際にPDAを行う場合、高濃度不純物層3がさらに消費されるため、エピタキシャル成長によって形成される高濃度不純物層3の厚さは、例えば900nm以上であることが好ましい。より好ましくは1μm以上、さらに好ましくは1.1μm以上である。これにより、より確実に、ドレイン電極73とバルク基板1との間のオン抵抗を低減できる。
According to the present embodiment, since the high
また、エピタキシャル成長によって形成された高濃度不純物層3の不純物濃度プロファイルは深さ方向に略均一である。そのため、半導体素子900を形成するプロセスにおける高濃度不純物層3の目減り量がばらついても、得られた半導体素子900の高濃度不純物層3におけるドレイン電極73に接する表面近傍の不純物濃度は一定である。従って、製品間におけるオン抵抗のばらつきが抑えられるので、信頼性を高めることができる。
Further, the impurity concentration profile of the high
本実施形態の製造方法は、図7(a)〜(k)を参照しながら説明した方法に限定されない。上記方法では、バルク基板1におけるSi面を主面として用いたが、C面を主面としてもよい。また、図3(b)を参照しながら説明したように、バルク基板1の表面1rに高濃度不純物層3を形成した後に、バルク基板1における表面1pに対する平坦化処理を行ってもよいし、図4(b)を参照しながら説明したように、バルク基板1における表面1pに保護膜を形成した状態で、バルク基板1の表面1rに高濃度不純物層3を形成してもよい。これにより、バルク基板1の表面1pに高品質なエピタキシャル層(活性層)5を形成できるので、デバイス特性を向上できる。
The manufacturing method of the present embodiment is not limited to the method described with reference to FIGS. In the above method, the Si surface of the
本発明によると、SiCバルク基板を備えた半導体素子において、SiCバルク基板の裏面側に設けられる電極のコンタクト抵抗を低減できるので、電力損失を小さく抑えることが可能になる。また、本発明によると、量産化に適した簡便なプロセスで、上記のような半導体素子を製造できる。 According to the present invention, in a semiconductor element provided with a SiC bulk substrate, the contact resistance of an electrode provided on the back side of the SiC bulk substrate can be reduced, so that the power loss can be kept small. Further, according to the present invention, the semiconductor element as described above can be manufactured by a simple process suitable for mass production.
本発明は、SiCバルク基板を用いて形成された縦型PNダイオード、縦型ショットキーダイオード、縦型MOSFETなどの縦型の半導体素子、およびそのような半導体素子を含む装置に広く適用できる。 The present invention can be widely applied to vertical semiconductor elements such as vertical PN diodes, vertical Schottky diodes, and vertical MOSFETs formed using a SiC bulk substrate, and devices including such semiconductor elements.
1 バルク基板
1r、1p バルク基板の表面
3 高濃度不純物層
4 保護膜
5 エピタキシャル層
7、52 P型ウェル領域
9、51 フィールドリミッティングリング
11、55 P型コンタクト領域
13、15、17、19、33、35、37、39、57、59、61,63 酸化膜
21 オーミック電極
23、41 裏面電極
25、45、67 層間絶縁膜
27、47、71 電極パッド
31 ガードリング
43 ショットキー電極
53 ソース領域
65 ゲート電極
69 ソース電極
73 ドレイン電極
100、100’、200、300、400、500、600 半導体基板
700、800、900 半導体素子
DESCRIPTION OF
Claims (23)
前記炭化珪素バルク基板の裏面に形成され、前記炭化珪素バルク基板よりも高い濃度で不純物を含む第1導電型の高濃度不純物エピタキシャル層と
を備えた半導体素子。 A first conductivity type silicon carbide bulk substrate having a main surface and a back surface;
A semiconductor device comprising: a first conductivity type high concentration impurity epitaxial layer formed on a back surface of the silicon carbide bulk substrate and containing impurities at a higher concentration than the silicon carbide bulk substrate.
前記高濃度不純物エピタキシャル層を介して前記炭化珪素バルク基板に電気的に接続された下部電極と
をさらに備えた請求項1または2に記載の半導体素子。 An upper electrode provided on a main surface of the silicon carbide bulk substrate;
The semiconductor element according to claim 1, further comprising: a lower electrode electrically connected to the silicon carbide bulk substrate through the high-concentration impurity epitaxial layer.
前記炭化珪素バルク基板の第1面に形成され、前記炭化珪素バルク基板よりも高い濃度で不純物を含む第1導電型の高濃度不純物エピタキシャル層と
を備えた半導体基板。 A silicon carbide bulk substrate of a first conductivity type;
A semiconductor substrate comprising: a first conductivity type high concentration impurity epitaxial layer formed on a first surface of the silicon carbide bulk substrate and containing impurities at a higher concentration than the silicon carbide bulk substrate.
(a)前記炭化珪素バルク基板よりも低い濃度で不純物を含む第1導電型の低濃度不純物エピタキシャル層が主面に形成され、かつ、前記炭化珪素バルク基板よりも高い濃度で不純物を含む第1導電型の高濃度不純物エピタキシャル層が裏面に形成された炭化珪素バルク基板を用意する工程と、
(b)前記炭化珪素バルク基板の裏面に、前記高濃度不純物エピタキシャル層に接する電極を形成する工程と
を包含する半導体素子の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device comprising a silicon carbide bulk substrate of a first conductivity type having a main surface and a back surface,
(A) A first conductivity type low-concentration impurity epitaxial layer containing impurities at a lower concentration than the silicon carbide bulk substrate is formed on the main surface, and the first conductivity type contains impurities at a higher concentration than the silicon carbide bulk substrate. Preparing a silicon carbide bulk substrate having a conductive type high-concentration impurity epitaxial layer formed on the back surface;
(B) forming an electrode in contact with the high-concentration impurity epitaxial layer on the back surface of the silicon carbide bulk substrate.
(a1)前記炭化珪素バルク基板の裏面に、前記高濃度不純物エピタキシャル層を形成する工程と、
(a2)前記炭化珪素バルク基板の主面に、前記低濃度不純物エピタキシャル層を形成する工程と
を含む請求項18に記載の半導体素子の製造方法。 The step (a)
(A1) forming the high-concentration impurity epitaxial layer on the back surface of the silicon carbide bulk substrate;
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 18, further comprising: (a2) forming the low-concentration impurity epitaxial layer on a main surface of the silicon carbide bulk substrate.
を包含する半導体基板の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor substrate, comprising: forming a first conductivity type high concentration impurity epitaxial layer containing impurities at a higher concentration than the silicon carbide bulk substrate on a first surface of the first conductivity type silicon carbide bulk substrate. .
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