JP2024069740A - 炭化珪素半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ボイドの形成を抑制しながら電界集中を緩和できる炭化珪素半導体装置を提供する。【解決手段】炭化珪素半導体装置は、第１主面を有する炭化珪素基板を備える。第１主面には、第１方向に延びるゲートトレンチが設けられている。炭化珪素半導体装置は、ゲートトレンチの一対の側壁面及び底面に接するゲート絶縁膜を有する。前記ゲート絶縁膜は、前記側壁面に接する一対の第１面と、反対側の一対の第２面と、を有し、前記ゲート絶縁膜の、前記第１主面に平行かつ前記第１方向に垂直な第２方向における前記第１面と前記第２面との間の距離は、前記側壁面と前記第１主面との第１境界の前記ゲートトレンチの内側において、前記側壁面上のボディ領域とソース領域との第２境界の前記ゲートトレンチの内側よりも大きく、前記一対の第２面は、前記第１主面に平行な面に対して、前記底面から前記第１主面に近づくに連れて互いから離れるように傾斜する。【選択図】図２
Description
本開示は、炭化珪素半導体装置に関する。
トレンチゲート構造を有する炭化珪素半導体装置に関し、電界集中の緩和のためにゲート絶縁膜にゲートトレンチの内方に張り出したオーバーハング部を設けた構造が提案されている。
ゲート絶縁膜にオーバーハング部が設けられた炭化珪素半導体装置では、ゲート電極の形成の際にオーバーハング部によって成膜が阻害されて、ゲートトレンチ内にボイドが形成されるおそれがある。
本開示は、ボイドの形成を抑制しながら電界集中を緩和できる炭化珪素半導体装置を提供することを目的とする。
本開示の炭化珪素半導体装置は、第１主面を有する炭化珪素基板を備え、前記炭化珪素基板は、第１導電型を有するドリフト領域と、前記ドリフト領域上に設けられ、前記第１導電型と異なる第２導電型を有するボディ領域と、前記ドリフト領域から隔てられるように前記ボディ領域上に設けられ、かつ前記第１導電型を有するソース領域と、を有する。前記第１主面には、前記ソース領域および前記ボディ領域を貫通して前記ドリフト領域に至る一対の側壁面と、前記側壁面に連なる底面とにより規定され、前記第１主面に平行な第１方向に延びるゲートトレンチが設けられている。炭化珪素半導体装置は、前記一対の側壁面及び前記底面に接するゲート絶縁膜を更に有する。前記一対の側壁面は、前記底面に対して、前記底面から前記第１主面に近づくに連れて互いから離れるように傾斜する。前記ゲート絶縁膜は、前記側壁面に接する一対の第１面と、前記第１面とは反対側の一対の第２面と、を有し、前記ゲート絶縁膜の、前記第１主面に平行かつ前記第１方向に垂直な第２方向における前記第１面と前記第２面との間の距離は、前記側壁面と前記第１主面との第１境界の前記ゲートトレンチの内側において、前記側壁面上の前記ボディ領域と前記ソース領域との第２境界の前記ゲートトレンチの内側よりも大きく、前記一対の第２面は、前記第１主面に平行な面に対して、前記底面から前記第１主面に近づくに連れて互いから離れるように傾斜し、前記第２面と前記第１主面に平行な面とのなす角度は、前記第１境界の前記ゲートトレンチの内側において、前記第２境界の前記ゲートトレンチの内側よりも大きい。
本開示によれば、ボイドの形成を抑制しながら電界集中を緩和できる。
実施するための形態について、以下に説明する。
［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。以下の説明では、同一または対応する要素には同一の符号を付し、それらについて同じ説明は繰り返さない。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。また結晶学上の指数が負であることは、通常、"－"（バー）を数字の上に付すことによって表現されるが、本明細書中では数字の前に負の符号を付している。
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。以下の説明では、同一または対応する要素には同一の符号を付し、それらについて同じ説明は繰り返さない。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。また結晶学上の指数が負であることは、通常、"－"（バー）を数字の上に付すことによって表現されるが、本明細書中では数字の前に負の符号を付している。
〔１〕 本開示の一態様に係る炭化珪素半導体装置は、第１主面を有する炭化珪素基板を備え、前記炭化珪素基板は、第１導電型を有するドリフト領域と、前記ドリフト領域上に設けられ、前記第１導電型と異なる第２導電型を有するボディ領域と、前記ドリフト領域から隔てられるように前記ボディ領域上に設けられ、かつ前記第１導電型を有するソース領域と、を有し、前記第１主面には、前記ソース領域および前記ボディ領域を貫通して前記ドリフト領域に至る一対の側壁面と、前記側壁面に連なる底面とにより規定され、前記第１主面に平行な第１方向に延びるゲートトレンチが設けられており、前記一対の側壁面及び前記底面に接するゲート絶縁膜を更に有し、前記一対の側壁面は、前記底面に対して、前記底面から前記第１主面に近づくに連れて互いから離れるように傾斜し、前記ゲート絶縁膜は、前記側壁面に接する一対の第１面と、前記第１面とは反対側の一対の第２面と、を有し、前記ゲート絶縁膜の、前記第１主面に平行かつ前記第１方向に垂直な第２方向における前記第１面と前記第２面との間の距離は、前記側壁面と前記第１主面との第１境界の前記ゲートトレンチの内側において、前記側壁面上の前記ボディ領域と前記ソース領域との第２境界の前記ゲートトレンチの内側よりも大きく、前記一対の第２面は、前記第１主面に平行な面に対して、前記底面から前記第１主面に近づくに連れて互いから離れるように傾斜し、前記第２面と前記第１主面に平行な面とのなす角度は、前記第１境界の前記ゲートトレンチの内側において、前記第２境界の前記ゲートトレンチの内側よりも大きい。
ゲート絶縁膜の、第２方向における第１面と第２面との間の距離が、第１境界のゲートトレンチの内側において、第２境界のゲートトレンチの内側よりも大きく、一対の第２面が、第１主面に平行な面に対して、底面から第１主面に近づくに連れて互いから離れるように傾斜する。従って、ゲートトレンチ内にゲート電極を形成する際に、ゲート絶縁膜によるゲートトレンチ内での成膜の阻害が抑制される。このため、ゲートトレンチ内でのボイドの形成を抑制できる。また、第２面と第１主面に平行な面とのなす角度が、第１境界のゲートトレンチの内側において、第２境界のゲートトレンチ５の内側よりも大きい。従って、ソース領域での電界集中を抑制できる。
〔２〕 〔１〕において、前記第１境界の前記ゲートトレンチの内側において、前記第２面と、前記第１主面に平行な面とのなす第１角度は、５５度以上９０度以下であり、前記第２境界の前記ゲートトレンチの内側において、前記第２面と、前記第１主面に平行な面とのなす第２角度は、４０度以上６５度以下であってもよい。第１角度が５５度以上であると、ゲートトレンチを狭くしやすい。第１角度が９０度以下であると、ゲート電極を形成する際の成膜を行いやすい。第２角度が４０度以上６５度以下であると、ボディ領域におけるチャネル抵抗を低減しやすい。
〔３〕 〔１〕又は〔２〕において、前記側壁面は、前記底面に連なり、前記第１主面に平行な面に対して第３角度で傾斜する第３面と、前記第３面と前記第１主面とを繋ぎ、前記第１主面に平行な面に対して前記第３角度よりも小さい第４角度で傾斜する第４面と、を有し、前記第３面と前記第４面との第３境界は前記ソース領域に位置してもよい。この場合、ボディ領域におけるチャネル抵抗を低減しながら、ゲート電極を形成する際の成膜を行いやすい。
〔４〕 〔３〕において、前記第３角度は、４０度以上６５度以下であり、前記第４角度は、１５度以上５５度以下であってもよい。第３角度が４０度以上６５度以下であると、チャネル抵抗を低減しやすい。第４角度が１５度以上であると、ゲートトレンチを狭くしやすい。第４角度が５５度以下であると、ゲート電極を形成する際の成膜を行いやすい。
〔５〕 〔１〕～〔４〕において、前記第１主面に垂直な第３方向からの平面視で、前記第２面同士の重なりがなくてもよい。この場合、ゲート電極を形成する際の成膜を特に行いやすい。
〔６〕 〔１〕～〔５〕において、前記第２面に接するゲート電極を有してもよい。この場合、ゲート電極を形成する際の成膜を行いやすい。
〔７〕 〔１〕～〔６〕において、前記ゲートトレンチの前記側壁面は、｛０－３３－８｝面又は｛１１－２０｝面を含んでもよい。この場合、ゲートトレンチの側面において良好な移動度が得られ、チャネル抵抗を低減しやすい。
［本開示の実施形態の詳細］
以下、本開示の実施形態について詳細に説明するが、本開示はこれらに限定されるものではない。本開示の実施形態は、いわゆる縦型のＭＯＳＦＥＴ（炭化珪素半導体装置）に関する。図１は、実施形態に係る炭化珪素半導体装置を示す断面図である。
以下、本開示の実施形態について詳細に説明するが、本開示はこれらに限定されるものではない。本開示の実施形態は、いわゆる縦型のＭＯＳＦＥＴ（炭化珪素半導体装置）に関する。図１は、実施形態に係る炭化珪素半導体装置を示す断面図である。
図１に示されるように、実施形態に係る炭化珪素半導体装置１００は、炭化珪素基板１０と、ゲート絶縁膜８１と、ゲート電極８２と、層間絶縁膜８３と、ソース電極６０と、ドレイン電極７０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５０と、炭化珪素単結晶基板５０上にある炭化珪素エピタキシャル層４０とを含む。炭化珪素基板１０は、第１主面１と、第１主面１と反対側の第２主面２とを有する。炭化珪素エピタキシャル層４０は第１主面１を構成し、炭化珪素単結晶基板５０は第２主面２を構成する。炭化珪素単結晶基板５０及び炭化珪素エピタキシャル層４０は、例えばポリタイプ４Ｈの六方晶炭化珪素から構成されている。炭化珪素単結晶基板５０は、例えば窒素（Ｎ）等のｎ型不純物を含みｎ型を有する。炭化珪素基板１０に半導体素子が形成されている。
第１主面１は、｛０００１｝面または｛０００１｝面がオフ方向に８°以下のオフ角だけ傾斜した面である。好ましくは、第１主面１は、（０００－１）面又は（０００－１）面がオフ方向に８°以下のオフ角だけ傾斜した面である。オフ方向は、例えば＜１１－２０＞方向であってもよいし、＜１－１００＞方向であってもよい。オフ角は、例えば１°以上であってもよいし、２°以上であってもよい。オフ角は、６°以下であってもよいし、４°以下であってもよい。
本実施形態では、炭化珪素基板１０に半導体素子の一例として電界効果トランジスタが形成されている。炭化珪素エピタキシャル層４０は、ドリフト領域１１と、ボディ領域１２と、ソース領域１３と、コンタクト領域１８とを主に有する。
ドリフト領域１１は、例えば窒素又はリン（Ｐ）等のｎ型不純物が添加されていることでｎ型を有する。ドリフト領域１１へのｎ型不純物の添加は、イオン注入によってではなく、ドリフト領域１１のエピタキシャル成長時の不純物添加によって行われていることが好ましい。ドリフト領域１１のドナー濃度は、炭化珪素単結晶基板５０のドナー濃度よりも低いことが好ましい。ドリフト領域１１のドナー濃度は、好ましくは１×１０１５ｃｍ－３以上５×１０１６ｃｍ－３以下であり、例えば８×１０１５ｃｍ－３程度である。
ボディ領域１２はドリフト領域１１上に設けられている。ボディ領域１２は、例えばアルミニウム（Ａｌ）等のｐ型不純物が添加されていることでｐ型を有する。ボディ領域１２のアクセプタ濃度は、例えば１×１０１８ｃｍ－３程度である。
ソース領域１３は、ボディ領域１２によってドリフト領域１１から隔てられるようにボディ領域１２上に設けられている。ソース領域１３は、例えば窒素又はリン等のｎ型不純物が添加されていることでｎ型を有する。ソース領域１３は、第１主面１を構成している。ソース領域１３のドナー濃度は、例えば１×１０１９ｃｍ－３程度である。
コンタクト領域１８は、例えばアルミニウム等のｐ型不純物が添加されていることでｐ型を有する。コンタクト領域１８は、第１主面１を構成する。コンタクト領域１８は、ソース領域１３を貫通し、ボディ領域１２に接する。コンタクト領域１８のアクセプタ濃度は、例えば１×１０１８ｃｍ－３以上１×１０２０ｃｍ－３以下である。
第１主面１には、複数のゲートトレンチ５が設けられている。ゲートトレンチ５は、例えば第１主面１に平行な第１方向に延びており、複数のゲートトレンチ５が第２方向に並んでいる。ゲートトレンチ５は、ドリフト領域１１からなる底面４を有する。ゲートトレンチ５は、ソース領域１３及びボディ領域１２を貫通して底面４に連なる側壁面３を有する。底面４は、例えば第２主面２と平行な平面である。ゲートトレンチ５の詳細については後述する。
側壁面３及び底面４に接するゲート絶縁膜８１が設けられている。ゲート絶縁膜８１は、例えば酸化膜である。ゲート絶縁膜８１は、例えば二酸化珪素を含む材料により構成されている。ゲート絶縁膜８１は、底面４においてドリフト領域１１と接する。ゲート絶縁膜８１は、側壁面３においてソース領域１３、ボディ領域１２及びドリフト領域１１の各々と接している。ゲート絶縁膜８１は、第１主面１においてソース領域１３と接していてもよい。ゲート絶縁膜８１の詳細については後述する。
ゲート絶縁膜８１上にゲート電極８２が設けられている。ゲート電極８２は、例えば導電性不純物を含むポリシリコン（ポリＳｉ）から構成されている。ゲート電極８２は、ゲートトレンチ５の内部に配置されている。
ゲート電極８２及びゲート絶縁膜８１に接する層間絶縁膜８３が設けられている。層間絶縁膜８３は、例えば二酸化珪素を含む材料から構成されている。層間絶縁膜８３は、ゲート電極８２とソース電極６０とを電気的に絶縁している。
層間絶縁膜８３及びゲート絶縁膜８１には、第２方向に一定の間隔でコンタクトホール９０が形成されている。コンタクトホール９０は、第２方向で隣り合うコンタクトホール９０の間にゲートトレンチ５が位置するように設けられている。コンタクトホール９０は、第１方向に延びる。コンタクトホール９０を通じて、ソース領域１３及びコンタクト領域１８が層間絶縁膜８３及びゲート絶縁膜８１から露出している。
ソース電極６０は、第１主面１に接する。ソース電極６０は、コンタクトホール９０内に設けられたコンタクト電極６１と、ソース配線６２とを有する。コンタクト電極６１は、第１主面１において、ソース領域１３及びコンタクト領域１８に接している。コンタクト電極６１は、例えばニッケルシリサイド（ＮｉＳｉ）を含む材料から構成されている。コンタクト電極６１が、チタン（Ｔｉ）と、アルミニウムと、シリコンとを含む材料から構成されていてもよい。コンタクト電極６１は、ソース領域１３及びコンタクト領域１８とオーミック接合している。ソース配線６２は、層間絶縁膜８３の上面及び側面と、コンタクト電極６１の上面とを覆う。ソース配線６２は、コンタクト電極６１と接している。ソース配線６２は、例えばアルミニウムを含む材料から構成されている。
ドレイン電極７０は、第２主面２に接する。ドレイン電極７０は、第２主面２において炭化珪素単結晶基板５０と接している。ドレイン電極７０は、ドリフト領域１１と電気的に接続されている。ドレイン電極７０は、例えばニッケルシリサイドを含む材料から構成されている。ドレイン電極７０がチタンと、アルミニウムと、シリコンとを含む材料から構成されていてもよい。ドレイン電極７０は、炭化珪素単結晶基板５０とオーミック接合している。
なお、上記各不純物領域におけるアクセプタの濃度及びドナーの濃度は、例えば走査型静電容量顕微鏡（scanning capacitance microscope：ＳＣＭ）を用いた測定又は二次イオン質量分析（secondary ion mass spectrometry：ＳＩＭＳ）等により測定できる。
ここで、ゲートトレンチ５及びゲート絶縁膜８１について詳細に説明する。図２は、ゲートトレンチ及びゲート絶縁膜を示す断面図である。図２では、ゲート電極８２及び層間絶縁膜８３が省略されている。
底面４は、炭化珪素基板１０の第１主面１にほぼ平行な面である。ゲートトレンチ５の側壁面３は、底面４に連なり、第１主面１に平行な面に対して第３角度θ３で傾斜する第３面３３と、第３面３３と第１主面１とを繋ぎ、第１主面１に平行な面に対して第３角度θ３よりも小さい第４角度θ４で傾斜する第４面３４とを有する。第３面３３は、ソース領域１３と、ボディ領域１２と、ドリフト領域１１とにより形成される。第４面３４は、ソース領域１３により形成される。
第３面３３と第４面３４との第３境界７３は、ソース領域１３に位置する。言い換えれば、第３境界７３は、ボディ領域１２と第１主面１との間に位置する。第３角度θ３は、例えば、ドリフト領域１１とボディ領域１２との境界１５と、第３面３３とのなす角度でもある。第４角度θ４は、第３境界７３を通り、かつ炭化珪素基板１０の第１主面１に平行な面と、第４面３４とのなす角度でもある。
例えば、第３面３３は、好ましくは、｛０－３３－８｝面又は｛１１－２０｝面を有する。｛０－３３－８｝面及び｛１１－２０｝面は、優れた移動度が得られる結晶面である。
ゲート絶縁膜８１は、側壁面３に接する一対の第１面２１と、第１面２１とは反対側の一対の第２面２２とを有する。ゲート絶縁膜８１は、側壁面３と第１主面１との一対の第１境界７１のゲートトレンチ５の内側において、第２方向における第１面２１と第２面２２との間の距離Ｌ１を有する。第２方向は、第１主面１に平行かつ第１方向に垂直な方向である。ゲート絶縁膜８１は、更に、側壁面３上のボディ領域１２とソース領域１３との一対の第２境界７２のゲートトレンチ５の内側において、第２方向における第１面２１と第２面２２との間の距離Ｌ２を有する。距離Ｌ１は距離Ｌ２よりも大きい。つまり、ゲート絶縁膜８１の第２方向における第１面２１と第２面２２との間の距離は、第１境界７１のゲートトレンチ５の内側において、第２境界７２のゲートトレンチ５の内側よりも大きい。例えば、距離Ｌ１は、４５ｎｍ以上９０ｎｍ以下であり、好ましくは５５ｎｍ以上８０ｎｍ以下である。例えば、距離Ｌ２は、９５ｎｍ以上４００ｎｍ以下であり、好ましくは１５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。
例えば、ゲート絶縁膜８１のボディ領域１２上の部分の厚さをｔ０とすると、距離Ｌ１は１．３ｔ以上であり、距離Ｌ２は１．２ｔ程度である。ここで、厚さｔ０は、第３面３３のボディ領域１２により形成される部分に対して垂直な方向における、ゲート絶縁膜８１のボディ領域１２上の部分の厚さである。例えば、厚さｔ０は、４０ｎｍ以上８０ｎｍ以下であり、好ましくは４５ｎｍ以上６５ｎｍ以下である。
また、一対の第２面２２は、第１主面１に平行な面に対して、底面４から第１主面１に近づくにつれて互いから離れるように傾斜する。すなわち、第１主面１に垂直な第３方向からの平面視で、第２面２２同士の重なりがない。第２面２２は、第１境界７１のゲートトレンチ５の内側において、第１主面１に平行な面に対して第１角度θ１で傾斜し、第２境界７２のゲートトレンチ５の内側において、第１主面１に平行な面に対して第２角度θ２で傾斜する。つまり、第１境界７１のゲートトレンチ５の内側において、第２面２２と第１主面１に平行な面とのなす角度は第１角度θ１であり、第２境界７２のゲートトレンチ５の内側において、第２面２２と第１主面１に平行な面とのなす角度は第２角度θ２である。
本実施形態では、第１角度θ１は第２角度θ２よりも大きい。つまり、第２面２２と第１主面１に平行な面とのなす角度は、第１境界７１のゲートトレンチ５の内側において、第２境界７２のゲートトレンチ５の内側よりも大きい。
次に、実施形態に係る炭化珪素半導体装置１００の製造方法について説明する。図３～図１２は、実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面図である。
まず、図３に示されるように、炭化珪素単結晶基板５０を準備する。次に、炭化珪素単結晶基板５０の上に炭化珪素エピタキシャル層４０を形成する。例えば、炭化珪素単結晶基板５０は、窒素等のｎ型不純物を含み、ｎ型を有する。例えば、炭化珪素エピタキシャル層４０は窒素等のｎ型不純物を添加したエピタキシャル成長により形成できる。このようにして、第１主面１と、第２主面２とを有する炭化珪素基板１０が得られる。
次に、図４に示されるように、炭化珪素エピタキシャル層４０へのイオン注入を行う。例えば、イオン注入により、ボディ領域１２、ソース領域１３及びコンタクト領域１８が形成される。炭化珪素エピタキシャル層４０の残部がドリフト領域１１として機能する。ボディ領域１２又はコンタクト領域１８を形成するためのイオン注入においては、例えばアルミニウム等のｐ型不純物をイオン注入する。ソース領域１３を形成するためのイオン注入においては、例えばリン等のｎ型不純物をイオン注入する。
次に、図５に示されるように、第１主面１の上に、開口部１０１Ｘを有するエッチングマスク１０１を形成する。開口部１０１Ｘはゲートトレンチ５（図１参照）の位置に対応して形成される。エッチングマスク１０１は、第１主面１においてコンタクト領域１８と、ソース領域１３とに接して形成される。エッチングマスク１０１は、例えば第１主面１を熱酸化することによりシリコン酸化膜を形成した後、当該シリコン酸化膜をパターニングすることにより形成され得る。
次に、エッチングマスク１０１が設けられた第１主面１に対して、物理的作用を有するエッチングを行う。このエッチングにより、エッチングマスク１０１の開口部において、ソース領域１３と、ボディ領域１２と、ドリフト領域１１の一部とが除去され、図６に示されるように、第１主面１に凹部１０２が形成される。凹部１０２は第１主面１に対してほぼ垂直な側壁面を有する。物理的作用を有するエッチングとしては、反応性イオンエッチング（reactive ion etching：ＲＩＥ）が好ましく、誘導結合プラズマ（inductively coupled plasma：ＩＣＰ）ＲＩＥがより好ましい。ＲＩＥの反応ガスとしては、六フッ化硫黄（ＳＦ６）又は六フッ化硫黄と酸素（Ｏ２）との混合ガスを用いることができる。
次に、エッチングマスク１０１が設けられ、かつ凹部１０２が形成された第１主面１に対して、熱エッチングを行う。例えば、少なくとも塩素（Ｃｌ）を含む第１ガスを用いて第１主面１をエッチングする。塩素を含む第１ガスは、例えば塩素及びインターハロゲン化合物などである。インターハロゲン化合物は、例えばＣｌＦｘ、ＢｒＦｘ及びＩＦｘ（ここで、Ｘは、１、３等の奇数）等である。第１ガスは、塩素に加えて、キャリアガスを含んでいてもよい。キャリアガスとしては、例えば窒素（Ｎ２）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス、ヘリウム（Ｈｅ）ガス等を用いることができる。例えば、まず、第１ガスと、酸素（Ｏ）、フッ素（Ｆ）及び水素（Ｈ）の少なくともいずれかを含む第２ガスとを用いて第１主面１がエッチングされる（第１エッチング工程）。酸素、フッ素及び水素の少なくともいずれかを含む第２ガスとは、例えば酸素、フッ素、水素、六フッ化硫黄、四フッ化炭素（ＣＦ４）及び塩化水素（ＨＣｌ）、一酸化塩素（ＣｌＯ－）、二酸化塩素（ＣｌＯ２）、一酸化二塩素（Ｃｌ２Ｏ）、七酸化二塩素（Ｃｌ２Ｏ７）等である。具体的には、塩素ガスと酸素ガスとの混合ガスを用いて第１主面１が、例えば８００℃で熱エッチングされる。酸素の体積濃度は、例えば１０％以上２０％以下程度である。混合ガスにおいて、塩素ガスの濃度が高いと炭化珪素がエッチングされやすくなる。具体的には、炭化珪素は塩素と反応することで四塩化珪素と炭素とになる。つまり、珪素は四塩化珪素になりガスとして除去されることにより、ゲートトレンチ５の側壁面３及び底面４において炭素が残存する。炭素は、酸素と反応することで二酸化炭素になりガスとして除去される。以上のように、珪素及び炭素が第１主面１から除去され、第１主面１にゲートトレンチ５が形成される。
次に、第２ガスの流量を低減させる。具体的には、酸素ガスの流量を低減させることで塩素ガスの濃度を高める。第２ガスの流量を減少させた後、第１ガスと、第２ガスとを用いて第１主面１がエッチングされる（第２エッチング工程）。好ましくは、第２エッチング工程において、第２ガスの導入が停止されてもよい。第２ガスの導入が停止された後、第１ガスを用いて第１主面１がエッチングされる。具体的には、塩素ガスと酸素ガスとを用いて第１主面１がエッチングされた（第１エッチング工程）後、酸素ガスの導入が停止される。酸素ガスの導入が停止された後、塩素ガスを用いて第１主面１がエッチングされる（第２エッチング工程）。その後、エッチングマスク１０１が除去される。
第１エッチング工程及び第２エッチング工程の各々において、例えば７００℃以上１０００℃以下で第１主面１が熱エッチングされ、好ましくは８００℃以上９００℃以下で第１主面１が熱エッチングされる。第２エッチング工程における炭化珪素基板１０の温度は、第１エッチング工程における炭化珪素基板１０の温度よりも低くてもよい。炭化珪素基板１０の温度を低減させることにより、炭化珪素のエッチングレートが低くなるので、第１主面１に形成されるゲートトレンチ５の形状を精度よく制御しやすくできる。
このようにして、ソース領域１３と、ボディ領域１２とを貫通してドリフト領域１１に至る側壁面３と、ドリフト領域１１に位置する底面４とを有するゲートトレンチ５が第１主面１に形成される。図７に示されるように、ゲートトレンチ５の側壁面３は、第３面３３と、第４面３４とを有する。熱エッチングの際、第３面３３に｛０－３３－８｝面又は｛１１－２０｝面が自己形成される。
次に、図８に示されるように、ソース領域１３と、ボディ領域１２と、ドリフト領域１１と、コンタクト領域１８とに接するゲート絶縁膜８１を形成する。ゲート絶縁膜８１の形成方法の詳細については後述する。ゲート絶縁膜８１が熱酸化により形成された場合、厳密には、炭化珪素基板１０の一部がゲート絶縁膜８１に取り込まれる。このため、以降の処理では、熱酸化後のゲート絶縁膜８１と炭化珪素基板１０との間の界面に第１主面１、側壁面３及び底面４が若干移動したものとする。
次に、一酸化窒素（ＮＯ）ガス雰囲気中において炭化珪素基板１０に対して熱処理（ＮＯアニール）を行ってもよい。ＮＯアニールにおいて、炭化珪素基板１０が、例えば１１００℃以上１４００℃以下の条件下で１時間程度保持される。これにより、ゲート絶縁膜８１とボディ領域１２との界面領域に窒素原子が導入される。その結果、界面領域における界面準位の形成が抑制されることで、チャネル移動度を向上させることができる。
次に、図９に示されるように、ゲート電極８２を形成する。ゲート電極８２は、ゲート絶縁膜８１上に形成される。ゲート電極８２は、例えば減圧ＣＶＤ（low pressure - chemical vapor deposition：ＬＰ－ＣＶＤ）法により形成される。ゲート電極８２は、ソース領域１３と、ボディ領域１２と、ドリフト領域１１との各々に対面するように形成される。
次に、図１０に示されるように、層間絶縁膜８３を形成する。具体的には、ゲート電極８２を覆い、かつゲート絶縁膜８１と接するように層間絶縁膜８３が形成される。層間絶縁膜８３は、例えば、ＣＶＤ法により形成される。層間絶縁膜８３は、例えば二酸化珪素を含む材料から構成される。層間絶縁膜８３の一部がゲートトレンチ５の内部に形成されてもよい。
次に、図１１に示されるように、層間絶縁膜８３及びゲート絶縁膜８１のエッチングを行うことで、層間絶縁膜８３及びゲート絶縁膜８１にコンタクトホール９０を形成する。この結果、ソース領域１３及びコンタクト領域１８が層間絶縁膜８３及びゲート絶縁膜８１から露出する。次に、第１主面１においてソース領域１３及びコンタクト領域１８に接するコンタクト電極６１用の金属膜（図示せず）を形成する。コンタクト電極６１用の金属膜は、例えばスパッタリング法により形成される。コンタクト電極６１用の金属膜は、例えばニッケルを含む材料から構成される。次に、合金化アニールを行う。コンタクト電極６１用の金属膜が、例えば９００℃以上１１００℃以下の温度で５分間程度保持される。これにより、コンタクト電極６１用の金属膜の少なくとも一部が、炭化珪素基板１０が含む珪素と反応してシリサイド化する。これにより、ソース領域１３及びコンタクト領域１８とオーミック接合するコンタクト電極６１が形成される。コンタクト電極６１が、チタンと、アルミニウムと、シリコンとを含む材料から構成されてもよい。
次に、図１２に示されるように、ソース配線６２を形成する。具体的には、コンタクト電極６１及び層間絶縁膜８３を覆うソース配線６２が形成される。ソース配線６２の上面には、コンタクトホール９０を反映した凹凸が形成される。ソース配線６２は、例えばスパッタリング法により形成される。ソース配線６２は、例えばアルミニウム又は銅を含む材料から構成される。ソース配線６２がアルミニウム及び銅を含む材料から構成されてもよい。このようにして、コンタクト電極６１とソース配線６２とを有するソース電極６０が形成される。また、第２主面２において炭化珪素単結晶基板５０に接するドレイン電極７０を形成する。
ここで、ゲート絶縁膜８１の形成方法について詳細に説明する。図１３～図１６は、ゲート絶縁膜の形成方法を示す断面図である。
まず、図１３に示されるように、ＣＶＤ法等の堆積法によりシリコン酸化膜９１を、第１主面１の上と、側壁面３の上と、底面４の上とに形成する。
次に、図１４に示されるように、第１主面１の上に、開口部９２Ｘを有するエッチングマスク９２を形成する。開口部９２Ｘは、例えば、開口部９２Ｘの縁が平面視で第１境界７１と第２境界７２との間の領域と重なるように形成される。エッチングマスク９２は、例えばフォトレジストマスクである。
次に、エッチングマスク９２が設けられた第１主面１に対してウェットエッチングを行い、図１５に示すように、シリコン酸化膜９１のエッチングマスク９２から露出している部分を除去する。その後、エッチングマスク９２が除去される。
次に、図１６に示すように、シリコン酸化膜９１を取り込むようにしてゲート絶縁膜８１を形成する。具体的には、炭化珪素基板１０を、酸素を含む雰囲気中において、例えば１３００℃以上１４００℃以下の温度で加熱する。このようにして、ゲート絶縁膜８１が形成される。底面４と側壁面３との境界が湾曲してもよい。ゲート絶縁膜８１のシリコン酸化膜９１以外の部分を、ＣＶＤ法等の堆積法により形成してもよい。
このようにして、電界効果トランジスタを含む炭化珪素半導体装置１００を製造できる。
本実施形態に係る炭化珪素半導体装置１００では、ゲート絶縁膜８１の、第２方向における第１面２１と第２面２２との間の距離が、第１境界７１のゲートトレンチ５の内側において、第２境界７２のゲートトレンチ５の内側よりも大きい。一対の第２面２２は、第１主面１に平行な面に対して、底面４から第１主面１に近づくに連れて互いから離れるように傾斜する。すなわち、第３方向からの平面視で、第２面２２同士の重なりがない。従って、ゲート電極８２を形成する際に、ゲート絶縁膜８１によるゲートトレンチ５内での成膜の阻害が抑制される。このため、ゲートトレンチ５内でのボイドの形成を抑制できる。
また、第２面２２と第１主面１に平行な面とのなす角度は、第１境界７１のゲートトレンチ５の内側において、第２境界７２のゲートトレンチ５の内側よりも大きい。従って、ソース領域１３での電界集中を抑制できる。更に、ソース領域１３とゲート電極８２との間の距離が大きくなるため、ゲートリーク及び寄生容量を低減できる。
側壁面３が第３面３３と、第３角度θ３よりも小さい第４角度θ４で傾斜する第４面と、を有し、第３面３３と第４面３４との第３境界７３がソース領域１３に位置するため、ボディ領域１２におけるチャネル抵抗を低減しながら、ゲート電極８２を形成する際の成膜を行いやすい。
第１角度θ１は、好ましくは５５度以上９０度以下であり、より好ましくは６０度以上８５度以下である。第１角度θ１が５５度以上であると、ゲートトレンチ５を狭くしやすく、省面積化に好適である。第１角度θ１が９０度以下であると、ゲート電極８２を形成する際の成膜を行いやすい。第２角度θ２は、好ましくは４０度以上６５度以下であり、より好ましくは４５度以上６０度以下である。第２角度θ２が４０度以上６５度以下であると、チャネル抵抗を低減しやすい。
第３角度θ３は、好ましくは４０度以上６５度以下であり、より好ましくは４５度以上６０度以下である。第４角度θ４は、好ましくは１５度以上５５度以下であり、より好ましくは２０度以上５０度以下である。第３角度θ３が４０度以上６５度以下であると、ボディ領域１２におけるチャネル抵抗を低減しやすい。第４角度θ４が１５度以上であると、ゲートトレンチ５を狭くしやすく、省面積化に好適である。第４角度θ４が５５度以下であると、ゲート電極８２を形成する際の成膜を行いやすい。
なお、側壁面３は第４面３４を含まなくてもよい。図１７は、実施形態の変形例に係る半導体装置におけるゲートトレンチ及びゲート絶縁膜を示す断面図である。図１７では、ゲート電極８２及び層間絶縁膜８３が省略されている。
図１７に示すように、ゲートトレンチ５の側壁面３が第３面３３を含み、第４面３４を含まなくてもよい。この場合、第３面が底面４と第１主面１とを繋ぐ。他の構成は実施形態と同様である。
以上、実施形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。
１ 第１主面
２ 第２主面
３ 側壁面
４ 底面
５ ゲートトレンチ
１０ 炭化珪素基板
１１ ドリフト領域
１２ ボディ領域
１３ ソース領域
１５ 境界
１８ コンタクト領域
２１ 第１面
２２ 第２面
３３ 第３面
３４ 第４面
４０ 炭化珪素エピタキシャル層
５０ 炭化珪素単結晶基板
６０ ソース電極
６１ コンタクト電極
６２ ソース配線
７０ ドレイン電極
７１ 第１境界
７２ 第２境界
７３ 第３境界
８１ ゲート絶縁膜
８２ ゲート電極
８３ 層間絶縁膜
９０ コンタクトホール
９１ シリコン酸化膜
９２ エッチングマスク
９２Ｘ 開口部
１００ 炭化珪素半導体装置
１０１ エッチングマスク
１０１Ｘ 開口部
１０２ 凹部
２ 第２主面
３ 側壁面
４ 底面
５ ゲートトレンチ
１０ 炭化珪素基板
１１ ドリフト領域
１２ ボディ領域
１３ ソース領域
１５ 境界
１８ コンタクト領域
２１ 第１面
２２ 第２面
３３ 第３面
３４ 第４面
４０ 炭化珪素エピタキシャル層
５０ 炭化珪素単結晶基板
６０ ソース電極
６１ コンタクト電極
６２ ソース配線
７０ ドレイン電極
７１ 第１境界
７２ 第２境界
７３ 第３境界
８１ ゲート絶縁膜
８２ ゲート電極
８３ 層間絶縁膜
９０ コンタクトホール
９１ シリコン酸化膜
９２ エッチングマスク
９２Ｘ 開口部
１００ 炭化珪素半導体装置
１０１ エッチングマスク
１０１Ｘ 開口部
１０２ 凹部
Claims (7)
- 第１主面を有する炭化珪素基板を備え、
前記炭化珪素基板は、
第１導電型を有するドリフト領域と、
前記ドリフト領域上に設けられ、前記第１導電型と異なる第２導電型を有するボディ領域と、
前記ドリフト領域から隔てられるように前記ボディ領域上に設けられ、かつ前記第１導電型を有するソース領域と、
を有し、
前記第１主面には、前記ソース領域および前記ボディ領域を貫通して前記ドリフト領域に至る一対の側壁面と、前記側壁面に連なる底面とにより規定され、前記第１主面に平行な第１方向に延びるゲートトレンチが設けられており、
前記一対の側壁面及び前記底面に接するゲート絶縁膜を更に有し、
前記一対の側壁面は、前記底面に対して、前記底面から前記第１主面に近づくに連れて互いから離れるように傾斜し、
前記ゲート絶縁膜は、
前記側壁面に接する一対の第１面と、
前記第１面とは反対側の一対の第２面と、
を有し、
前記ゲート絶縁膜の、前記第１主面に平行かつ前記第１方向に垂直な第２方向における前記第１面と前記第２面との間の距離は、前記側壁面と前記第１主面との第１境界の前記ゲートトレンチの内側において、前記側壁面上の前記ボディ領域と前記ソース領域との第２境界の前記ゲートトレンチの内側よりも大きく、
前記一対の第２面は、前記第１主面に平行な面に対して、前記底面から前記第１主面に近づくに連れて互いから離れるように傾斜し、
前記第２面と前記第１主面に平行な面とのなす角度は、前記第１境界の前記ゲートトレンチの内側において、前記第２境界の前記ゲートトレンチの内側よりも大きい炭化珪素半導体装置。 - 前記第１境界の前記ゲートトレンチの内側において、前記第２面と、前記第１主面に平行な面とのなす第１角度は、５５度以上９０度以下であり、
前記第２境界の前記ゲートトレンチの内側において、前記第２面と、前記第１主面に平行な面とのなす第２角度は、４０度以上６５度以下である請求項１に記載の炭化珪素半導体装置。 - 前記側壁面は、
前記底面に連なり、前記第１主面に平行な面に対して第３角度で傾斜する第３面と、
前記第３面と前記第１主面とを繋ぎ、前記第１主面に平行な面に対して前記第３角度よりも小さい第４角度で傾斜する第４面と、
を有し、
前記第３面と前記第４面との第３境界は前記ソース領域に位置する請求項１または請求項２に記載の炭化珪素半導体装置。 - 前記第３角度は、４０度以上６５度以下であり、
前記第４角度は、１５度以上５５度以下である請求項３に記載の炭化珪素半導体装置。 - 前記第１主面に垂直な第３方向からの平面視で、前記第２面同士の重なりがない請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記第２面に接するゲート電極を有する請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記ゲートトレンチの前記側壁面は、｛０－３３－８｝面又は｛１１－２０｝面を含む請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。
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Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP2021055490A JP2024069740A (ja) | 2021-03-29 | 2021-03-29 | 炭化珪素半導体装置 |
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Family Applications (1)
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| Publication number | Publication date |
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| WO2022209089A1 (ja) | 2022-10-06 |
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