JP4595144B2 - Silicon carbide semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化珪素半導体装置及びその製造方法に関し、特に絶縁ゲート型電界効果トランジスタ、とりわけ大電力用の縦型パワーMOSFETに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、プレーナ型のMOSFETとして特開平10−308510号公報に示されるものが知られている。
【0003】
このプレーナ型MOSFETの断面図を図12に示す。この図に基づいてプレーナ型MOSFETの構造について説明する。
【0004】
n+ 型炭化珪素半導体基板(以下、n+型基板という)1は上面を主表面1aとし、主表面の反対面である下面を裏面1bとしている。このn+ 型基板1の主表面1a上には、基板1よりも低いドーパント濃度を有するn- 型炭化珪素エピタキシャル層(以下、n- 型エピ層という)2が積層されている。
【0005】
n- 型エピ層2の表層部における所定領域には、所定深さを有するp- 型炭化珪素ベース領域3aおよびp- 型炭化珪素ベース領域3b(以下、p-型ベース領域3a、3bという)が離間して形成されている。また、p- 型ベース領域3aの表層部における所定領域には、p- 型ベース領域3aよりも浅いn+ 型ソース領域4aが、また、p- 型ベース領域3bの表層部における所定領域には、p- 型ベース領域3bよりも浅いn+ 型ソース領域4bがそれぞれ形成されている。
【0006】
さらに、n+ 型ソース領域4aとn+ 型ソース領域4bとの間におけるn- 型エピ層2およびp- 型ベース領域3a、3bの表面部にはn- 型SiC層5が延設されている。つまり、p- 型ベース領域3a、3bの表面部においてソース領域4a、4bとn- 型エピ層2とを繋ぐようにn- 型SiC層5が配置されている。このn- 型SiC層5は、エピタキシャル成長にて形成されたものであり、エピタキシャル膜の結晶が4H、6H、3Cのものを用いる。尚、エピタキシャル層は下地の基板に関係なく各種の結晶を形成できるものである。デバイスの動作時にデバイス表面においてチャネル形成層として機能する。以下、n- 型SiC層5を表面チャネル層という。
【0007】
表面チャネル層5のドーパント濃度は、1×1015cm-3〜1×1017cm-3程度の低濃度となっており、かつ、n- 型エピ層2及びp- 型ベース領域3a、3bのドーパント濃度以下となっている。これにより、低オン抵抗化が図られている。
【0008】
また、p- 型ベース領域3a、3b、n+ 型ソース領域4a、4bの表面部には凹部6a、6bが形成されている。
【0009】
表面チャネル層5の上面およびn+ 型ソース領域4a、4bの上面にはゲート絶縁膜(シリコン酸化膜)7が形成されている。さらに、ゲート絶縁膜7の上にはゲート電極8が形成されている。ゲート電極8は絶縁膜9にて覆われている。絶縁膜9としてLTO(Low Temperature Oxide)膜が用いられている。その上にはソース電極10が形成され、ソース電極10はn+ 型ソース領域4a、4bおよびp- 型ベース領域3a、3bと接している。また、n+ 型基板1の裏面1bには、ドレイン電極層11が形成されている。
【0010】
このように構成されたMOSFETにおいては、動作モードをチャネル形成層の導電型を反転させることなくチャネルを誘起する蓄積モードとできるため、導電型を反転させる反転モードのMOSFETに比べ、チャネル移動度を大きくでき、オン抵抗の低減が図れるようになっている。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、蓄積モードのMOSFETを用いることによりオン抵抗の低減を図ることができる。しかしながら、さらなるオン抵抗の低減が望まれている。
【0012】
本発明は上記点に鑑みて成され、MOSFETのさらなるオン抵抗の低減を図ることを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するべく、本発明者らは図12に示す構造のMOSFETのオン抵抗について検討を行った。
【0014】
MOSFETのオン抵抗のうちチャネル抵抗は、チャネル移動度及びチャネル内でのキャリア濃度により決定される。このうち、キャリア濃度については、表面チャネル層5のドーピング濃度とゲート電位によって決定されるため、キャリア濃度を向上させるためには、ドーピング濃度を高くすることが考えられる。
【0015】
しかしながら、単に表面チャネル層5のドーピング濃度を高く設定すると、ゲート電位が零であるときに表面チャネル層5を完全空乏化できないため、耐圧が零になってしまう。図13に、表面チャネル層5のドーピング濃度を従来に対して変化させた場合における耐圧の様子を示す。この図に示されるように、従来と同等の濃度としている場合に対して、1.5倍の濃度にすると大幅に耐圧が低下し、さらに2.0倍の濃度にすると耐圧がほぼ零になってしまう。
【0016】
そこで、上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明においては、表面チャネル層(5)は、半導体層(2)の表面部及びベース領域(3a、3b)の表面部にエピタキシャル成長にて形成され、半導体層よりも不純物濃度が高く、蓄積型チャネルを構成する第1導電型の第1のチャネル層(5a)と、ベース領域の表面部において、ベース領域からゲート絶縁膜(7)に向けて延設された第2導電型、若しくは第1のチャネル層よりも低不純物濃度で、かつ、ゲート電極(8)に対して電圧印加を行っていないときにゲート絶縁膜側およびベース領域から延びる空乏層にてピンチオフされる第1導電型の第2のチャネル層(5b)と、を備えて構成されていることを特徴としている。
【0017】
このように、表面チャネル層を、第1導電型の第1のチャネル層と、第2導電型若しくは第1のチャネル層よりも低不純物濃度となる第2のチャネル層で構成することにより、第2のチャネル層によってノーマリオフとすることができるため、第1のチャネル層を高濃度にしてオン抵抗の低減を図ることができる。
【0018】
また、第1導電型の第1のチャネル層のみでノーマリオフとする場合には、成立する濃度範囲が狭く、濃度制御が難しくなるため、第1のチャネル層のウェハ上のバラツキによりノーマリオンとなる場所ができる。このため、第2の導電型層を設けることにより第1のチャネル層の濃度バラツキに関係なくノーマリオフとできる。そして、第2のチャネル層によりソース領域(4a)と第1のチャネル層(5a)の間にポテンシャル障壁を設けることができ、高耐圧を得ることができる。また、第2のチャネル層を第1のチャネル層よりも低不純物濃度で、かつ、ゲート電極に対して電圧印加を行っていないときにゲート絶縁膜側およびベース領域から延びる空乏層にてピンチオフされる構造としても、第2の導電型層を設ける場合と同様の効果を得ることができる。
【0019】
また、このような構成は、請求項3に示すように、第1、第2のベース領域(3a、3b、100)によって表面チャネル層(5)を挟んだ構成の炭化珪素半導体装置(SIT(静電容量型トランジスタ))にも適用可能である。
【0020】
請求項2に記載の発明においては、第2のチャネル層は、ゲート絶縁膜と接するように構成されていることを特徴としている。
【0021】
このような構成においては、第2のチャネル層を第2導電型で構成する場合には、第2のチャネル層を反転モードとして動作させることができ、第2のチャネル層を第1導電型で構成する場合には、第2のチャネル層をノーマリオフ型の蓄積モードとして動作させることができるため、第1のチャネル層を蓄積モードとして動作させると共に第2のチャネル層を反転モード又はノーマリオフの蓄積モードとして動作させることになる。
【0022】
この場合、請求項5に示すように、ゲート電極(8)に電圧を印加していない状態において、第1のチャネル層が電気的導通が可能な状態、つまりノーマリオン状態となる程度に第1のチャネル層を高濃度としてもよい。
【0023】
請求項4に記載の発明においては、第2のチャネル層は、ソース領域と接するように構成されていることを特徴としている。
【0024】
このような構成においては、第2のチャネル層と半導体層との間における第1のチャネル層の長さを長くできる。この場合、第2のチャネル層から離れるにしたがいチャネル幅が大きくなることから、オン抵抗をもっとも低減することができる。
【0025】
請求項6に記載の発明においては、第2のチャネル層は、ゲート絶縁膜から離間されて形成されており、該第2のチャネル層とゲート絶縁膜との間に位置する第1のチャネル層は、ゲート電極に電圧を印加していない状態において、第2のチャネル層側から伸びる空乏層と前記ゲート絶縁膜側から伸びる空乏層とによってピンチオフしていることを特徴としている。
【0026】
このように、第2のチャネル層をゲート絶縁膜から離間させて構成してもよい。この場合には、第2のチャネル層とゲート絶縁膜との間に位置する第1のチャネル層がノーマリオフとなるように設定されるようにする。
【0027】
請求項7に記載の発明においては、半導体層(2)及びベース領域(3a、3b)の上部に、エピタキシャル成長にて、前記半導体層よりも不純物濃度が高く、蓄積型チャネルを構成する第1導電型の第1のチャネル層(5a)を形成すると共に、該第1のチャネル層の所定領域に、第2導電型不純物をイオン注入してベース領域に接する第2導電型、若しくは第1のチャネル層よりも低不純物濃度で、かつ、ゲート電極(8)に対して電圧印加を行っていないときにゲート絶縁膜側およびベース領域から延びる空乏層にてピンチオフされる第1導電型の第2のチャネル層(5b)を形成することにより、チャネル領域を構成する表面チャネル層(5)を形成する工程を含んでいることを特徴としている。
【0028】
これにより、請求項1に記載の炭化珪素半導体装置を製造することができる。なお、同様に、請求項9に示す工程により、請求項3に示す炭化珪素半導体装置を製造できる。
【0029】
請求項8に記載の発明においては、ベース領域形成工程は、半導体層の表層部に第2導電型不純物をイオン注入することによって該ベース領域を形成する工程であり、かつ、ベース領域とする半導体層の表層部のうちの上部に、第2導電型不純物をイオン注入する前に、不活性なイオン種を注入する工程を含んでいることを特徴としている。
【0030】
このようにすると拡散が抑制される理由を第2導電型不純物としてBを用いた場合を例に挙げて説明する。n型の半導体層(2)をエピタキシャル成長等によって形成するとき、n型の表面チャネル層(5)をエピタキシャル成長等によって形成するとき、さらにp型のベース領域(3)をBのイオン注入によって形成するとき等において、J−FET部、表面チャネル層及びp型ベース領域に炭素サイトの空孔が形成される。この炭素サイトの空孔が形成されるために、ベース領域のBが拡散すると考えられる。
【0031】
そこで、不純物とならないイオン種をイオン注入することにより、半導体層(J−FET部)をエピタキシャル成長等によって形成したときに発生した炭素サイトの空孔内に不純物とならないイオン種が入り込む。そして、不純物でないイオン種のイオン注入量を多くすることにより、炭素サイトの空孔がほぼなくなるのである。
【0032】
このように、ベース領域を形成する際に第2導電型不純物をイオン注入する前に、ベース領域とする部分の上部に不活性なイオン種を注入しておくことにより、その部分において第2導電型不純物の熱拡散を抑制でき、下部においては一部に不活性なイオン種を注入しない領域を設けることによって熱拡散が進行するようにできる。これにより、熱拡散が進んだベース領域の下部によってディープベース層としての役割を果たさせることができる。なお、請求項11においては、第1ベース領域の下部によって、請求項8と同様の効果が得られる。
【0033】
請求項10に記載の発明においては、第2のベース領域形成工程は、表面チャネル層の表層部に第2導電型不純物をイオン注入することによって該第2のベース領域を形成する工程であり、かつ、該第2のベース領域とする表面チャネル層の表層部に、第2導電型不純物をイオン注入する前に、不活性なイオン種を注入する工程を含んでいることを特徴としている。
【0034】
このように、第2のベース領域を形成する際に第2導電型不純物をイオン注入する前に、ベース領域とする部分の上部に不活性なイオン種を注入しておくことにより、第2導電型不純物の熱拡散を抑制できるため、表面チャネル層の幅(厚み)を狭めることなく、第2のベース領域を正確に形成できる。
【0035】
請求項12に記載の発明においては、第2導電型不純物としてBを用いることを特徴としている。
【0036】
炭素サイトの空孔の大きさは炭素原子の大きさと同等であるため、この空孔内には炭素が最も入り込み易く、比較的小さな濃度のイオン注入によて炭素サイトの空孔をほぼ無くすことが可能である。このように、Cをイオン注入することで、SiCの格子間C空孔を同じ原子サイズのCを用いて埋めることができ、Bを注入した場合の拡散原因となる格子置換BとC空孔の組み合わせを無くすことができるため、Bの拡散を他の不活性イオンを用いた場合に比べて効率良く防止することができる。なお、シリコン等の炭素以外のイオン種を用いることも可能だが、これらのイオン種は炭素と比べると炭素サイトの空孔内に入り込みにくいため、炭素をイオン注入する場合に比して、イオン注入量を多くすることが好ましい。
【0037】
請求項13に記載の発明においては、表面チャネル層形成工程及びソース領域形成工程では、第2のチャネル層とソース領域とを同一マスクを用いたイオン注入によって形成することを特徴としている。
【0038】
このように、第2のチャネル層とソース領域を同一マスクで形成することにより、第2のチャネル層及びソース領域の形成位置をセルフアラインで設定することができるため、第2のチャネル層の長さを正確に設定することができる。なお、第2のチャネル層は熱拡散によりマスク開口部よりも内側に形成されるようにできる。
【0039】
請求項14に記載の発明においては、表面チャネル層形成工程では、第2のチャネル層を斜めイオン注入によって形成することを特徴としている。例えば、請求項15に示すように、第2のチャネル層を形成するための不純物として、熱拡散量の大きなBを用いると好適である。
【0040】
このように、斜めイオン注入によって第2のチャネル層を形成するようにすれば、第2のチャネル層がマスク開口部よりも内側にまで注入されるため、容易に第2チャネル層が第1チャネル層よりもマスク開口部よりも内側に形成されるようにすることができる。
【0041】
なお、上記手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示している。
【0042】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。
【0043】
図1に、本実施の形態におけるノーマリオフ型のnチャネルタイププレーナ型MOSFET(縦型パワーMOSFET)の断面図を示す。本デバイスは、インバータや車両用オルタネータのレクチファイヤに適用すると好適なものである。
【0044】
図1に基づいて本MOSFETの構造について説明する。但し、本実施形態におけるMOSFETは、上述した図12に示すMOSFETとほぼ同様の構造を有しているため、異なる部分についてのみ説明する。なお、本実施形態におけるMOSFETのうち、図12に示すMOSFETと同様の部分については同様の符号を付してある。
【0045】
図12に示すMOSFETでは、表面チャネル層5を全てn型炭化珪素で形成しているが、本実施形態におけるMOSFETでは表面チャネル層5をn型炭化珪素(以下、n型チャネル層という)5a及びp型炭化珪素(以下、p型チャネル層という)5bで形成している。具体的には、本実施形態におけるMOSFETは、以下のように構成されている。
【0046】
図1に示すように、n型チャネル層5aは、p- 型ベース領域3a、3bの表面部及びn- 型エピ層2の表面部に形成されており、高濃度のn型半導体で構成されている。一方、p型チャネル層5bは、p- 型ベース領域3a、3bの表面部において、n型チャネル層5aと接するように形成されている。すなわち、チャネル領域において、p型チャネル層5bはn型チャネル層5aに直列に配置されている。このp型チャネル層5bは、低濃度のp型半導体で構成されており、n型チャネル層5aと比べて長さが短く形成されている。
【0047】
ところで、MOSFETのオン抵抗Ronは、ソース電極10とn+ 型ソース領域4a、4bとのコンタクト抵抗Rs-cont、n+ 型ソース領域4a、4bに内部抵抗(ドリフト抵抗)Rsource、表面チャネル層5に形成されたチャネル領域における蓄積チャネル抵抗Rchannel 、表面チャネル層5における内部抵抗(蓄積ドリフト抵抗)Racc-drift 、JFET部におけるJFET抵抗RJFET、n+ 型エピ層2における内部抵抗(ドリフト抵抗)Rdrift 、n+ 型基板1の内部抵抗Rsub 、及びn+ 型基板1とドレイン電極11とのコンタクト抵抗Rd-contによって決定される。すなわち、次式で表される。
【0048】
【数1】
このうち、表面チャネル層5における内部抵抗(蓄積ドリフト抵抗)Racc-drift については、上述したように、n型チャネル層5aが高濃度で形成されているため、低濃度で形成されている場合に比して低抵抗となる。
【0049】
また、上記図12に示した従来のMOSFETにおいては、ほぼ表面チャネル層5とゲート酸化膜7の界面にチャネル領域が形成されると共に、このチャネル領域の幅が狭いため、キャリア移動度が比較的低くなっている。特に、チャネル領域の幅が狭いと、エレクトロンが上記界面に衝突して散乱しながら流れるためにキャリア移動度を低下させ、また、ゲート絶縁膜7と表面チャネル層5の界面のラフネス及び残留欠陥によってさらにキャリア移動度を低下させることになる。
【0050】
これに対して、本実施形態のMOSFETでは、p型チャネル層5bの領域においては、p型チャネル層5bとゲート酸化膜7との界面にチャネル領域を形成するが、n型チャネル層5aの領域においては、p型チャネル層5bとゲート酸化膜7との界面よりも深い位置(内側)まで幅広なキャリア領域を形成する。特に、p型チャネル層5bの界面付近に形成されるチャネルからn型チャネル5bへ注入されたキャリアは、深さ方向に広がりながら流れ、n型チャネル層5aのキャリア領域の幅は、p型チャネル層5bから離れるほど大きくなる。
【0051】
従来のMOSFETと本実施形態のMOSFETにおけるキャリア領域の幅を調べた結果を、図2(a)、(b)のそれぞれに示す。なお、この図は、表面チャネル層5の深さに対する電流密度を調べたものである。この図からも判るように、従来のMOSFETよりも本実施形態のMOSFETのほうが深い位置まで電流密度が高くなっており、幅広なキャリア領域を形成している。
【0052】
このため、エレクトロンがn型チャネル層5aとゲート酸化膜7との界面にあまり衝突することなく流れ、また該界面のラフネス及び残留欠陥による影響を抑制することができ、キャリア移動度を向上させることができる。
【0053】
このように、表面チャネル層5の内部抵抗Racc-driftが大幅に低減され、オン抵抗Ronの総和が小さくなり、オン抵抗Ronを低減することができる。
【0054】
また、本実施形態のMOSFETの耐圧について、図3に示す実験結果に基づいて説明する。なお、本実施形態におけるMOSFETに逆バイアスを印加したときの等電位線を調べたものである。
【0055】
この図に示されるように、等電位線は、n-型エピ層2の下部においては、ほぼ基板表面に対して平行になっているが、n-型エピ層2の上方に向かうにつれてJ−FET部に入り込んでいき、n型チャネル層5aに至ると、ほぼ基板表面に対して垂直を成し、横方向(p型チャネル層5bの方向)に細かい間隔になっていることが判る。つまり、p-型ベース領域3a、3b上のn型チャネル層5aにおいては、p型チャネル層5bの方向へのドレイン電圧増大に伴うポテンシャルの侵入を防ぐことができる。また、p型チャネル層5bによりソース領域4aと表面チャネル層5aの間にポテンシャル障壁を作れる。このため、本実施形態の構成により高耐圧なMOSFETとすることができる。
【0056】
次に、図1に示すMOSFETの製造工程を、図4〜図7を用いて説明する。
【0057】
〔図4(a)に示す工程〕
まず、n型4H、6H、3C又は15R−SiC基板、すなわちn+ 型基板1を用意する。ここで、n+ 型基板1はその厚さが400μmであり、主表面1aが(0001)Si面、又は、(112−0)a面である。この基板1の主表面1aに厚さ5μmのn- 型エピ層2をエピタキシャル成長する。本例では、n- 型エピ層2は下地の基板1と同様の結晶が得られ、n型4H、6H、3C又は15R−SiC層となる。
【0058】
〔図4(b)に示す工程〕
n- 型エピ層2の上の所定領域にLTO膜20を配置し、これをマスクとしてB+ (若しくはアルミニウム)をイオン注入して、p- 型ベース領域3a、3bを形成する。このときのイオン注入条件は、温度が700℃で、ドーズ量が1×1016cm-2としている。これにより、p- 型ベース領域3a、3bは、ドーピング濃度が1×1017〜5×1018cm-3程度、厚さが0.5〜3.0μm程度で形成される。
【0059】
このとき、B+の注入前に、p- 型ベース領域3a、3bとする領域に、C等の不活性なイオン種を注入することにより、C等が格子位置に置換されて結晶欠陥(Cの格子間空孔)が補修されるようにできるため、B+の熱拡散を抑制することも可能である。すなわち、以下のようにしてCの格子間空孔の補修が成される。
【0060】
n-型エピ層2をエピタキシャル成長させるとき、n型チャネル層5aをエピタキシャル成長させるとき(この後の図4(b)に示す工程)、さらにp-型ベース領域3a、3bをイオン注入によって形成するとき等において、J−FET部、n型チャネル層5a及びp-型ベース領域3a、3bに炭素サイトの空孔が形成される。この炭素サイトの空孔が形成されるために、p-型ベース領域3a、3bのBが拡散すると考えられる。
【0061】
これに対し、このように不純物とならないイオン種をイオン注入することにより、n-型エピ層2(J−FET部)をエピタキシャル成長させたときに発生した炭素サイトの空孔内に不純物とならないイオン種が入り込む。そして、不純物でないイオン種のイオン注入を多くすることにより、炭素サイトの空孔をほぼなくすことができるのである。
【0062】
なお、炭素サイトの空孔の大きさは炭素原子の大きさと同等であるため、この空港内には炭素が最も入り込みやすく、Cのイオン注入とすれば比較的小さな濃度のイオン注入によって炭素サイトの空孔をほぼなくすことができる。また、シリコン等の炭素以外のイオン種は炭素と比べると炭素サイトの空孔に入り込み難いため、炭素をイオン注入する場合に比してイオン注入量を多くすることが望ましい。
【0063】
さらに、この場合に、p- 型ベース領域3a、3bの上部においては不活性なイオン種を注入しておき、下部の一部においては不活性なイオン種を注入しないようにしておけば、下部においては熱拡散が進行するため、p- 型ベース領域3a、3bをより深くまで形成することができる。このように深くまでp- 型ベース領域3a、3bを形成することにより、後述するディープベース層30a、30bと同様の効果を持たせることも可能である。なお、このように熱拡散させた領域は全体的に丸くなるため、ディープベース層として好適である。
【0064】
〔図4(c)に示す工程〕
LTO膜20を除去した後、LPCVDによりn- 型エピ層2の表面部及びp- 型ベース領域3a、3bの表面部にn型チャネル層5aをエピタキシャル成長させる。このn型チャネル層5aは、ドーピング濃度が1×1016〜1×1018cm-3程度、厚さが0.1〜1.0μm程度としている。
【0065】
〔図5(a)に示す工程〕
表面チャネル層5aの上の所定領域にLTO膜21を配置し、これをマスクとしてB+(ボロン)をイオン注入し、p型層40を形成する。このとき、イオン注入条件を1×1016〜1×1018cm-3、厚さ0.1〜1.0μmのガウシアン分布としている。
【0066】
〔図5(b)に示す工程〕
次に、1600℃程度の熱処理を施し、p型層40におけるp型不純物を拡散させる。このとき、注入されているイオン種に応じて所定量拡散することになる。例えば、1600℃程度の熱処理を0.5時間実施すると、Bが2500nm程度拡散する。これにより、LTO膜21の開口部分よりも所定量内側まで入り込んだp型層41が形成される。このp型層41のうち、n型チャネル層5aに拡散した部分がp型チャネル層5bを構成する。このp型チャネル層5bのドーピング濃度は、1×1016〜1×1018cm-3程度となる。
【0067】
〔図5(c)に示す工程〕
続いて、LTO膜21を再びマスクとしてP+ をイオン注入し、n+ 型ソース領域4a、4bを形成する。このときのイオン注入条件は、700℃、ドーズ量は1×1015cm-2としている。これにより、n+ 型ソース領域4a、4bは、ドーピング濃度が1×1018〜5×1019cm-3、厚さ0.2〜1.0μm程度で形成される。
【0068】
このとき、先の図5(b)で示す工程でp型層41(p型チャネル層5b)を形成するために用いたマスクと、n+ 型ソース領域4a、4bを形成するために用いたマスクとを同一のLTO膜21としてるため、p型層41とn+ 型ソース領域4a、4bとはセルフアラインで形成され、p型チャネル層5bの長さが正確に設定される。なお、本実施形態の場合には、p型チャネル層5bをBで形成しているため、Bの熱拡散量がp型チャネル層5bの長さとなる。
【0069】
〔図6(a)に示す工程〕
LTO膜21を除去した後、フォトレジスト法を用いて表面チャネル層5の上の所定領域にLTO膜22を配置する。
【0070】
〔図6(b)に示す工程〕
LTO膜22をマスクとして、RIEによりp- 型ベース領域3a、3b上の表面チャネル層5を部分的にエッチング除去する。
【0071】
〔図6(c)に示す工程〕
さらに、LTO膜22をマスクにしてB+ をイオン注入し、ディープベース層30a、30bを形成する。これにより、ベース領域3a、3bの一部が厚くなったものとなる。このディープベース層30a、30bは、n+ 型ソース領域4a、4bに重ならない部分に形成されると共に、p- 型ベース領域3a、3bのうちディープベース層30a、30bが形成された厚みが厚くなった部分が、ディープベース層30aが形成されていない厚みの薄い部分よりも不純物濃度が濃く形成される。
【0072】
〔図7(a)に示す工程〕
LTO膜22を除去した後、基板の上にウェット酸化によりゲート酸化膜(ゲート絶縁膜)7を形成する。このとき、雰囲気温度は1080℃とする。
【0073】
その後、ゲート酸化膜7の上にLPCVDによりポリシリコン層を成膜する。
このときの成膜温度は600℃としている。この後、ポリシリコン層をパターニングしてゲート電極8を形成する。
【0074】
〔図7(b)に示す工程〕
引き続き、ゲート酸化膜7の不要部分を除去した後、LTOよりなる絶縁膜9を形成してゲート電極8及びゲート酸化膜7を覆う。より詳しくは、成膜温度は425℃であり、成膜後に1000℃のアニールを行う。
【0075】
〔図7(c)に示す工程〕
そして、室温での金属スパッタリングによりソース電極10及びドレイン電極11を配置する。また、成膜後に1000℃のアニールを行う。
【0076】
このようにして、図1に示すMOSFETが完成する。
【0077】
次に、このMOSFETの作用(動作)を説明する。
【0078】
上述したように、本MOSFETは、表面チャネル層5がn型チャネル層5aとp型チャネル層5bで構成されているため、n型チャネル層5aの領域においては蓄積モードとして動作し、p型チャネル層5bの領域においては反転モードとして動作する。
【0079】
このとき、n型チャネル層5aの領域においては、ゲート電極8に電圧を印加しない場合には、p- 型ベース領域3a、3bとn型チャネル層5との静電ポテンシャルの差、及び、n型チャネル層5aとゲート電極8との間の仕事関数の差により生じた電位によって、空乏層が形成される。しかしながら、n型チャネル層5aが高濃度で形成されているため、n型チャネル層5aが全域空乏化されず、ノーマリオンの状態となる。
【0080】
これに対し、p型チャネル層5bの領域においては、ゲート電極8に電圧を印加しない場合においても導通せず、ノーマリオフの状態となる。このため、本MOSFETは、n型チャネル層5aの領域で蓄積モードとして動作しつつ、p型チャネル層5bの領域でノーマリオフとなるようにできるようにされている。
【0081】
そして、ゲート電極8に正電圧を印加すると、p型チャネル層5bの表層部が反転してチャネル領域を形成し、表面チャネル層5が導通して、ソース電極10とドレイン電極11との間にキャリアが流れる。
【0082】
このように、表面チャネル層5をn型チャネル層5aとp型チャネル層5bを組み合わせることにより、n型チャネル層5aの領域で蓄積モードで動作させると共にn型チャネル層5を高濃度とすることによりノーマリオン特性と同様の低オン抵抗となるようにし、p型チャネル層5bの領域でMOSFETがノーマリオフで動作するようにできる。
【0083】
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態におけるMOSFETの製造工程を変更したものであり、構成については同一であるため、変更部分のみ説明する。
【0084】
図8に、本実施形態におけるMOSFETの製造工程を示し、この図に基づいてMOSFETの製造方法についてて説明する。ただし、第1実施形態と同様の部分については図4〜図7を参照する。
【0085】
まず、図4(a)〜(c)に示す工程を施し、n- 型エピ層2の表面部及びp- 型ベース領域3a、3bの表面部にn型チャネル層5aを形成する。そして、以下に示す図8に示す工程を施す。
【0086】
〔図8(a)に示す工程〕
表面チャネル層5aの上の所定領域にLTO膜21を配置し、これをマスクとしてB(ボロン)を斜めイオン注入し、p型層40を形成する。このとき、イオン注入条件を1×1016〜1×1018cm-3、厚さ0.1〜1.0μmのガウシアン分布としている。これにより、p型層40は、LTO膜21の開口部よりも内側まで注入される。
【0087】
〔図8(b)に示す工程〕
次に、1600℃程度の熱処理を施し、p型層40におけるp型不純物を拡散させる。このとき、注入されているイオン種に応じて所定量拡散することになる。これにより、LTO膜21の開口部分よりも所定量内側まで入り込んだp型層41が形成される。このp型層41のうち、n型チャネル層5aに拡散した部分がp型チャネル層5bを構成する。
【0088】
なお、ここでは注入するイオン種として熱拡散し易いBを用いているが、Al(アルミニウム)を用いる場合にはあまり熱拡散しないため、イオン注入時におけるエネルギーの設定などによって、p型チャネル層5bの長さを正確に設定することが可能である。
【0089】
続いて、LTO膜21を再びマスクとしてP+ (リン)をイオン注入し、n+ 型ソース領域4a、4bを形成する。このときのイオン注入条件は、700℃、ドーズ量は1×1015cm-2としている。
【0090】
このとき、先の図5(b)で示す工程でp型層41(p型チャネル層5b)を形成するために用いたマスクと、n+ 型ソース領域4a、4bを形成するために用いたマスクとを同一のLTO膜21としてるため、p型層41とn+ 型ソース領域4a、4bとはセルフアラインで形成され、p型チャネル層の長さが正確に設定される。
【0091】
このように、p型チャネル層5bを斜めイオン注入によって形成すれば、n+ 型ソース領域4a、4bの端部よりも内側までイオンが注入されるため、長時間熱拡散しなくてもp型チャネル層5bが所望の位置に形成されるようにできる。
【0092】
(第3実施形態)
図9に本実施形態におけるMOSFETの断面構成を示す。上記第1、第2実施形態においては、p型チャネル層5bをn+ 型ソース領域4a、4bと接するように形成しているが、本実施形態においては、p型チャネル層5bをn+ 型ソース領域4a、4bから離間させて形成している。
【0093】
このように、p型チャネル層5bをn+ 型ソース領域4a、4bから離間させて形成しても第1実施形態と同様の動作をし、第1実施形態と同様にMOSFETのオン抵抗のさらなる低減を図ることができる。
【0094】
なお、本実施形態の場合には、p型チャネル層5bを形成するマスクをn+ 型ソース領域4a、4bを形成するためのマスクと別に配置し、n型チャネル層5aにイオン注入を行うことによって、p型チャネル層5bを形成することができる。
【0095】
(第4実施形態)
図10に本実施形態におけるMOSFETの断面構成を示す。上記各実施形態では、p型チャネル層5bをp-型ベース領域3a、3bの表面部とゲート酸化膜7とに接するように形成しているが、本実施形態では、p型チャネル層5bがゲート酸化膜7とは接しないように離間させて配置している。
【0096】
この場合、p型チャネル層5bとゲート絶縁膜7との挟まれている領域においてのみn型チャネル層5aの幅が狭くなるため、従来ではp- 型ベース領域3a、3bから伸びる空乏層によってチャネル領域をピンチオフしていたものが、本実施形態ではp型チャネル層5bから伸びる空乏層によってチャネル領域をピンチオフすることができる。
【0097】
このため、n型チャネル層5aを高濃度とした場合において、ゲート電位が零である場合においてもチャネル領域をオフできるノーマリオフ型とすることができ、オン抵抗の低減を図ることができる。
【0098】
なお、本実施形態の場合には、第3実施形態と同様に、p型チャネル層5bを形成するためのマスクを設け、イオン注入のエネルギーを調整することで注入表面から所定深さの位置にイオンが注入されるようにすれば、p型チャネル層5bを形成することができる。
【0099】
(第5実施形態)
上記各実施形態では、MOSFETに本発明を適用した場合について説明したが、SIT(静電容量型トランジスタ)にも本発明を適用可能である。
【0100】
図11に、本実施形態におけるSITの断面図を示し、SITについて説明する。ただし、SITの構造は概ねMOSFETの構造と同じであるため、同様の構成の部分については図1と同じ符号を付し、異なる部分についてのみ説明する。
【0101】
図11に示すように、SITは、n型チャネル層5a及びp型チャネル層5bの表面部の上にさらに第2のベース領域としてのp型層100が形成された構成となっている。つまり、第1のベース領域としてのp- 型ベース領域3a、3bとp型層100によって表面チャネル層5を挟み込んだ構成となっている。そして、このp型層100の上に直接(図1に示すゲート酸化膜7を介さないで)、p型層100及びp- 型ベース領域3a、3bに電気的に接続されるゲート電極8が形成されている。
【0102】
このように構成されたSITは、ゲート電極8に電圧を印加していない時にはp-型ベース領域3a、3bのそれぞれから伸びる空乏層によってn型チャネル層5aはピンチオフされる。n-型エピ層2に比べ、n型チャネル層5aを高濃度にした場合にはピンチオフしないが、p型チャネル層5bによりn+型ソース領域4aとn型チャネル層5aの間にポテンシャル障壁を形成できるため、ノーマリオフとすることができる。そして、ゲート電極8に正電圧を印加すると、p-型ベース領域3a、3bのそれぞれからの空乏層の伸びが少なくなり、表面チャネル層5にチャネル領域が形成され、ソース電極10とドレイン電極11の間にキャリアが流れる。
【0103】
このように構成されるSITにおいても、p型チャネル層5bを備えることによりn型チャネル層5aを高濃度で形成でき、オン抵抗の低減を図れると共に、p型チャネル層5bとn型チャネル層5aとのPN接合によって逆バイアス時における空乏層の伸びを押さえることができるため、高耐圧とすることができる。
【0104】
本実施形態におけるSITは、第1実施形態に示したMOSFETとほぼ同様に製造することができる。具体的には、、図4(a)〜(c)に示す工程を行った後、n型チャネル層5a上にp型層100をエピタキシャル成長させ、この後、p型層100が形成された状態で図5(a)〜(c)、図6(a)〜(c)に示す工程を施し、さらに図7(a)、に示す工程を省略して、最後に図7(b)、(c)に示す工程を施すことにより本実施形態におけるSITを製造できる。ただし、図7(b)に示す工程では、層間絶縁膜9を基板表面全面に形成したのち、所望の位置にコンタクトホールを形成し、その後、図7(c)の工程にて、ソース電極10と同時にゲート電極8もパターニングするようにしている。
【0105】
なお、上記したように、p型層100をn型チャネル層5の形成後にエピタキシャル成長により形成しているが、n型チャネル層5を厚めに形成しておき、n型チャネル層5にp型不純物をイオン注入することによって形成してもよい。この場合、p型不純物の注入前に、p型不純物を注入する領域にC等の不活性なイオン種を注入しておけば、熱処理時においてp型不純物の拡散を抑制することができるため、n型チャネル層5の厚みを狭めることなくp型層100を容易に形成することができる。
【0106】
この様に、上面のp型層100と下面のp-型ベース領域3aを同じBの注入により形成することができ、Bの活性化率を合わせることができるため、p型層100とp-型ベース領域3a、3bのフェルミレベルを合わせることができる。従って、両者に挟まれたn型チャネル層5a内の深さ方向のポテンシャルバランスを取ることができる。その結果、ゲート電極8にバイアス電圧を印加した場合にn型チャネル層5a内全面にキャリアを流すことができる。
【0107】
(他の実施形態)
以上の第1乃至第5実施形態では、n型チャネル層5aにp型チャネル層5bを組み合わせた場合について述べたが、p型チャネル層5bの部分をn型チャネル層5aよりも低濃度のn型低濃度チャネル層としても同様の効果を得ることができる。
【0108】
この場合、第1、第2実施形態において、p型層40を形成する条件を1014〜1016cm-3、厚さ0.1〜1.0μmのガウシアン分布とし、拡散量を第1、第2実施形態より少なくし、n型チャネル層5aをp型に反転させず、低濃度n型チャネル層5bを形成することができる。
【0109】
また、第3、第4実施形態のp型チャネル層5bを形成するマスクを使用し、注入濃度を少なくすることで、n型チャネル層5aを反転させず低濃度n型チャネル層5bを形成することができる。
【0110】
なお、上記実施形態では、n-型エピ層2にイオン注入を行うことによりp-型ベース領域3a、3bを形成するようにしているが、n-型エピ層2の表面全面にp型層が配置された基板を用い、J−FET部形成領域においてp型層を貫通する溝を形成した後、この溝をn型層で埋め込むことでJ−FET部を形成すると共にp型層にてp-型ベース領域3a、3bを形成するようにしてもよい。この場合には、p-型ベース領域3a、3b形成をイオン注入によって行っていないため、p-型ベース領域3a、3bの表面にイオン注入ダメージが形成されず、その上に形成される表面チャネル層5の結晶性を良好なものにすることができる。これにより、オン抵抗低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態におけるMOSFETの断面図である。
【図2】(a)は、従来のMOSFETにおけるチャネル領域の深さに対する電流密度の関係を示す図であり、(b)は、第1実施形態のMOSFETにおけるチャネル領域の深さに対する電流密度の関係を示す図である。
【図3】図1に示すMOSFETに逆バイアスを印加したときの等電位線を示した図である。
【図4】図1に示すMOSFETの製造工程を示す図である。
【図5】図4に続くMOSFETの製造工程を示す図である。
【図6】図5に続くMOSFETの製造工程を示す図である。
【図7】図6に続くMOSFETの製造工程を示す図である。
【図8】第2実施形態におけるMOSFETの製造工程を示す図である。
【図9】第3実施形態におけるMOSFETの断面図である。
【図10】第4実施形態におけるMOSFETの断面図である。
【図11】第5実施形態におけるSITの断面図である。
【図12】従来のMOSFETの断面図である。
【図13】図11に示すMOSFETの耐圧を説明するための図である。
【符号の説明】
1…n+ 型基板、2…n- 型炭化珪素エピタキシャル層、
3a、3b…p- 型ベース領域、4a、4b…n+ 型ソース領域、
5…表面チャネル層(n- 型SiC層)、
5a…n型チャネル層、5b…p型チャネル層、7…ゲート酸化膜、
8…ゲート電極、10…ソース電極、11…ドレイン電極。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a silicon carbide semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more particularly to an insulated gate field effect transistor, particularly a vertical power MOSFET for high power.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a planar type MOSFET disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-308510 is known.
[0003]
A cross-sectional view of this planar MOSFET is shown in FIG. The structure of the planar MOSFET will be described with reference to this figure.
[0004]
n+Type silicon carbide semiconductor substrate (hereinafter n+The mold substrate 1) has an upper surface as a main surface 1a and a lower surface opposite to the main surface as a back surface 1b. This n+On the main surface 1 a of the mold substrate 1, n having a lower dopant concentration than the substrate 1-Type silicon carbide epitaxial layer (hereinafter n-2) (referred to as a type epi layer).
[0005]
n-The predetermined region in the surface layer portion of the type epi layer 2 has a predetermined depth p-Type silicon carbide base regions 3a and p-Type silicon carbide base region 3b (hereinafter, p-Mold base regions 3a and 3b) are formed apart from each other. P-The predetermined region in the surface layer portion of the mold base region 3a includes p-Shallower than the mold base region 3a+The type source region 4a is also p-The predetermined region in the surface layer portion of the mold base region 3b includes p-Shallower than the mold base region 3b+Each of the mold source regions 4b is formed.
[0006]
And n+Type source regions 4a and n+N with the source region 4b-Type epi layer 2 and p-N on the surface of the mold base regions 3a and 3b-A type SiC layer 5 is extended. That is, p-Source regions 4a, 4b and n on the surface of the mold base regions 3a, 3b-N so as to connect to the epitaxial layer 2-A type SiC layer 5 is arranged. This n-The type SiC layer 5 is formed by epitaxial growth, and the epitaxial film crystal is 4H, 6H, or 3C. The epitaxial layer can form various crystals regardless of the underlying substrate. It functions as a channel formation layer on the device surface during device operation. N-The type SiC layer 5 is referred to as a surface channel layer.
[0007]
The dopant concentration of the surface channel layer 5 is 1 × 1015cm-3~ 1x1017cm-3Low concentration, and n-Type epi layer 2 and p-It is below the dopant concentration of the mold base regions 3a and 3b. Thereby, low on-resistance is achieved.
[0008]
P-Mold base regions 3a, 3b, n+Concave portions 6a and 6b are formed in the surface portions of the mold source regions 4a and 4b.
[0009]
The upper surface of the surface channel layer 5 and n+A gate insulating film (silicon oxide film) 7 is formed on the upper surfaces of the mold source regions 4a and 4b. Further, a gate electrode 8 is formed on the gate insulating film 7. The gate electrode 8 is covered with an insulating film 9. As the insulating film 9, an LTO (Low Temperature Oxide) film is used. A source electrode 10 is formed thereon, and the source electrode 10 is n+Type source regions 4a, 4b and p-It is in contact with the mold base regions 3a and 3b. N+A drain electrode layer 11 is formed on the back surface 1 b of the mold substrate 1.
[0010]
In the MOSFET configured as described above, since the operation mode can be an accumulation mode that induces a channel without inverting the conductivity type of the channel formation layer, the channel mobility is higher than that of an inversion mode MOSFET that inverts the conductivity type. The on-resistance can be reduced.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the on-resistance can be reduced by using the accumulation mode MOSFET. However, further reduction of on-resistance is desired.
[0012]
The present invention has been made in view of the above points, and an object thereof is to further reduce the on-resistance of a MOSFET.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present inventors examined the on-resistance of the MOSFET having the structure shown in FIG.
[0014]
Of the on-resistance of the MOSFET, the channel resistance is determined by the channel mobility and the carrier concentration in the channel. Among these, since the carrier concentration is determined by the doping concentration of the surface channel layer 5 and the gate potential, it is conceivable to increase the doping concentration in order to improve the carrier concentration.
[0015]
However, if the doping concentration of the surface channel layer 5 is simply set high, the surface channel layer 5 cannot be completely depleted when the gate potential is zero, so that the breakdown voltage becomes zero. FIG. 13 shows the withstand voltage when the doping concentration of the surface channel layer 5 is changed from the conventional one. As shown in this figure, the withstand voltage is drastically reduced when the concentration is 1.5 times that of the conventional case, and the withstand voltage is almost zero when the concentration is 2.0 times higher. End up.
[0016]
Therefore, in order to achieve the above object, in the invention according to claim 1, the surface channel layer (5) is formed on the surface portion of the semiconductor layer (2) and the surface portion of the base region (3a, 3b).Epitaxial growthFormedThe impurity concentration is higher than that of the semiconductor layer and constitutes a storage channelFrom the first conductivity type first channel layer (5a) and the second conductivity type extending from the base region toward the gate insulating film (7) in the surface portion of the base region, or from the first channel layer Low impurity concentrationIn addition, when no voltage is applied to the gate electrode (8), the gate electrode is pinched off by a depletion layer extending from the gate insulating film side and the base region.And a second channel layer (5b) of the first conductivity type.
[0017]
As described above, the surface channel layer includes the first conductivity type first channel layer and the second conductivity type or the second channel layer having a lower impurity concentration than the first channel layer. Since the two channel layers can be normally off, it is possible to reduce the on-resistance by increasing the concentration of the first channel layer..
[0018]
Further, when the first channel layer of the first conductivity type is normally off, the concentration range to be established is narrow and it is difficult to control the concentration, so that the first channel layer becomes normally on due to variations on the wafer. There is a place. For this reason, by providing the second conductivity type layer, normally-off can be achieved regardless of the concentration variation of the first channel layer. A potential barrier can be provided between the source region (4a) and the first channel layer (5a) by the second channel layer, and a high breakdown voltage can be obtained.Further, the second channel layer is pinched off by a depletion layer extending from the gate insulating film side and the base region when the impurity concentration is lower than that of the first channel layer and no voltage is applied to the gate electrode. Even with this structure, it is possible to obtain the same effect as in the case where the second conductivity type layer is provided.
[0019]
In addition, as described in claim 3, such a configuration has a silicon carbide semiconductor device (SIT () with a surface channel layer (5) sandwiched between first and second base regions (3a, 3b, 100). It can also be applied to a capacitive transistor)).
[0020]
The invention according to claim 2 is characterized in that the second channel layer is configured to be in contact with the gate insulating film.
[0021]
In such a configuration, when the second channel layer is configured with the second conductivity type, the second channel layer can be operated in the inversion mode, and the second channel layer is configured with the first conductivity type. In the case of the configuration, the second channel layer can be operated as a normally-off type accumulation mode, so that the first channel layer is operated as an accumulation mode and the second channel layer is operated in an inversion mode or a normally-off accumulation mode. Will be operated as.
[0022]
In this case, the claim5As shown in FIG. 2, the first channel layer is highly concentrated to such an extent that the first channel layer is in an electrically conductive state, that is, in a normally-on state when no voltage is applied to the gate electrode (8). It is good.
[0023]
Claim4The second channel layer is configured so as to be in contact with the source region.
[0024]
In such a configuration, the length of the first channel layer between the second channel layer and the semiconductor layer can be increased. In this case, since the channel width increases with distance from the second channel layer, the on-resistance can be reduced most.
[0025]
Claim6In the invention described in (1), the second channel layer is formed to be separated from the gate insulating film, and the first channel layer located between the second channel layer and the gate insulating film is the gate. In a state where no voltage is applied to the electrode, pinch-off is caused by a depletion layer extending from the second channel layer side and a depletion layer extending from the gate insulating film side.
[0026]
As described above, the second channel layer may be configured to be separated from the gate insulating film. In this case, the first channel layer located between the second channel layer and the gate insulating film is set to be normally off.
[0027]
Claim7In the invention described in (1) above the semiconductor layer (2) and the base regions (3a, 3b).In the epitaxial growth, the impurity concentration is higher than that of the semiconductor layer and constitutes a storage channelA first channel layer (5a) of the first conductivity type is formed, and in a predetermined region of the first channel layer,Ion implantation of second conductivity type impuritiesSecond conductivity type in contact with the base region or lower impurity concentration than the first channel layerIn addition, when no voltage is applied to the gate electrode (8), the gate electrode is pinched off by a depletion layer extending from the gate insulating film side and the base region.A step of forming the surface channel layer (5) constituting the channel region by forming the second channel layer (5b) of the first conductivity type is characterized.
[0028]
Thereby, the silicon carbide semiconductor device according to claim 1 can be manufactured. Similarly, the claims9The silicon carbide semiconductor device shown in claim 3 can be manufactured by the steps shown in FIG.
[0029]
Claim8In the present invention, the base region forming step is a step of forming the base region by ion-implanting a second conductivity type impurity into the surface layer portion of the semiconductor layer, and the surface layer of the semiconductor layer serving as the base region The method includes a step of implanting an inactive ion species before the second conductivity type impurity is ion-implanted into an upper portion of the portion.
[0030]
The reason why the diffusion is suppressed in this way will be described by taking as an example the case where B is used as the second conductivity type impurity. When the n-type semiconductor layer (2) is formed by epitaxial growth or the like, when the n-type surface channel layer (5) is formed by epitaxial growth or the like, the p-type base region (3) is further formed by B ion implantation. Occasionally, carbon site vacancies are formed in the J-FET portion, the surface channel layer, and the p-type base region. It is considered that B in the base region diffuses due to the formation of vacancies in this carbon site.
[0031]
Therefore, by ion-implanting ion species that do not become impurities, ion species that do not become impurities enter into the vacancies of the carbon sites generated when the semiconductor layer (J-FET portion) is formed by epitaxial growth or the like. Then, by increasing the ion implantation amount of ionic species that are not impurities, the vacancy at the carbon site is almost eliminated.
[0032]
In this way, before ion implantation of the second conductivity type impurity when forming the base region, an inactive ion species is implanted into the upper portion of the portion to be the base region, so that the second conductivity is formed in that portion. The thermal diffusion of the type impurities can be suppressed, and the thermal diffusion can be advanced by providing a region where an inactive ion species is not implanted in part in the lower part. As a result, the lower portion of the base region where thermal diffusion has advanced can serve as a deep base layer. Claims11In the lower part of the first base region,8The same effect can be obtained.
[0033]
Claim10In the invention described in (2), the second base region forming step is a step of forming the second base region by ion-implanting a second conductivity type impurity into the surface layer portion of the surface channel layer, and A feature is that an inert ion species is implanted into the surface layer portion of the surface channel layer serving as the second base region before ion implantation of the second conductivity type impurity.
[0034]
As described above, before the second conductivity type impurity is ion-implanted when the second base region is formed, an inactive ion species is implanted into the upper portion of the portion to be the base region. Since the thermal diffusion of the type impurities can be suppressed, the second base region can be accurately formed without reducing the width (thickness) of the surface channel layer.
[0035]
Claim12In the invention described in (2), B is used as the second conductivity type impurity.
[0036]
Since the size of the vacancies in the carbon site is the same as the size of the carbon atoms, carbon is most likely to enter the vacancies, and the vacancies in the carbon sites are almost eliminated by ion implantation at a relatively low concentration. Is possible. Thus, by ion implantation of C, the interstitial C vacancies in SiC can be filled with C having the same atomic size, and lattice substitution B and C vacancies that cause diffusion when B is implanted. Therefore, the diffusion of B can be efficiently prevented as compared with the case where other inert ions are used. It is also possible to use ion species other than carbon, such as silicon, but these ion species are less likely to enter the vacancy of the carbon site compared to carbon, so that ion implantation is performed compared to carbon ion implantation. It is preferable to increase the amount.
[0037]
Claim13The surface channel layer forming step and the source region forming step are characterized in that the second channel layer and the source region are formed by ion implantation using the same mask.
[0038]
In this manner, by forming the second channel layer and the source region with the same mask, the formation positions of the second channel layer and the source region can be set by self-alignment. Can be set accurately. The second channel layer can be formed inside the mask opening by thermal diffusion.
[0039]
Claim14The surface channel layer forming step is characterized in that the second channel layer is formed by oblique ion implantation. For example, claims15As shown in FIG. 4, it is preferable to use B having a large thermal diffusion amount as an impurity for forming the second channel layer.
[0040]
In this way, if the second channel layer is formed by oblique ion implantation, the second channel layer is implanted to the inside of the mask opening, so that the second channel layer can be easily formed into the first channel. It can be formed inside the mask opening than the layer.
[0041]
In addition, the code | symbol in the parenthesis of the said means has shown the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
[0042]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments shown in the drawings will be described below.
[0043]
FIG. 1 shows a cross-sectional view of a normally-off n-channel type planar MOSFET (vertical power MOSFET) in the present embodiment. This device is suitable when applied to a rectifier for an inverter or an alternator for a vehicle.
[0044]
The structure of this MOSFET will be described with reference to FIG. However, since the MOSFET in the present embodiment has substantially the same structure as the MOSFET shown in FIG. 12 described above, only different parts will be described. Note that, in the MOSFET in this embodiment, the same reference numerals are given to the same parts as those of the MOSFET shown in FIG.
[0045]
In the MOSFET shown in FIG. 12, the surface channel layer 5 is entirely formed of n-type silicon carbide. However, in the MOSFET according to this embodiment, the surface channel layer 5 is formed of n-type silicon carbide (hereinafter referred to as n-type channel layer) 5a and The p-type silicon carbide (hereinafter referred to as p-type channel layer) 5b is used. Specifically, the MOSFET in this embodiment is configured as follows.
[0046]
As shown in FIG. 1, the n-type channel layer 5a is formed of p-Surface portions of the mold base regions 3a and 3b and n-It is formed in the surface part of the type | mold epilayer 2, and is comprised with a high concentration n-type semiconductor. On the other hand, the p-type channel layer 5b has p-In the surface portions of the type base regions 3a and 3b, the n type channel layer 5a is formed so as to be in contact therewith. That is, in the channel region, the p-type channel layer 5b is arranged in series with the n-type channel layer 5a. The p-type channel layer 5b is made of a low-concentration p-type semiconductor and has a shorter length than the n-type channel layer 5a.
[0047]
By the way, the on-resistance Ron of the MOSFET depends on the source electrode 10 and n.+Resistance Rs-cont, n with the source region 4a, 4b+Type source regions 4a and 4b have internal resistance (drift resistance) Rsource, accumulated channel resistance Rchannel in the channel region formed in the surface channel layer 5, internal resistance (accumulated drift resistance) Racc-drift in the surface channel layer 5, and in the JFET portion JFET resistance RJFET, n+Type internal resistance (drift resistance) Rdrift, n+Internal resistance Rsub of mold substrate 1 and n+It is determined by the contact resistance Rd-cont between the mold substrate 1 and the drain electrode 11. That is, it is expressed by the following formula.
[0048]
[Expression 1]
Among these, the internal resistance (accumulation drift resistance) Racc-drift in the surface channel layer 5 is formed when the n-type channel layer 5a is formed at a low concentration because it is formed at a high concentration as described above. Compared to low resistance.
[0049]
In the conventional MOSFET shown in FIG. 12, a channel region is formed almost at the interface between the surface channel layer 5 and the gate oxide film 7, and the width of the channel region is narrow, so that the carrier mobility is relatively low. It is low. In particular, if the width of the channel region is narrow, electrons collide with the interface and flow while being scattered, thereby lowering the carrier mobility, and also due to roughness and residual defects at the interface between the gate insulating film 7 and the surface channel layer 5. Furthermore, the carrier mobility is lowered.
[0050]
On the other hand, in the MOSFET of this embodiment, in the region of the p-type channel layer 5b, a channel region is formed at the interface between the p-type channel layer 5b and the gate oxide film 7, but the region of the n-type channel layer 5a. InpA wide carrier region is formed to a position deeper (inside) than the interface between the mold channel layer 5b and the gate oxide film 7. In particular, carriers injected from the channel formed near the interface of the p-type channel layer 5b into the n-type channel 5b flow while spreading in the depth direction, and the width of the carrier region of the n-type channel layer 5a is p-type channel The distance from the layer 5b increases.
[0051]
The results of examining the width of the carrier region in the conventional MOSFET and the MOSFET of this embodiment are shown in FIGS. In this figure, the current density with respect to the depth of the surface channel layer 5 is examined. As can be seen from this figure, the current density is higher up to a deeper position in the MOSFET of this embodiment than in the conventional MOSFET, and a wide carrier region is formed.
[0052]
Therefore, electrons flow without much collision with the interface between the n-type channel layer 5a and the gate oxide film 7, and the influence of roughness and residual defects at the interface can be suppressed, and carrier mobility is improved. Can do.
[0053]
Thus, the internal resistance Racc-drift of the surface channel layer 5 is greatly reduced, the sum of the on-resistance Ron is reduced, and the on-resistance Ron can be reduced.
[0054]
Further, the breakdown voltage of the MOSFET of this embodiment will be described based on the experimental results shown in FIG. The equipotential lines when a reverse bias is applied to the MOSFET in this embodiment are examined.
[0055]
As shown in this figure, the equipotential lines are n-In the lower part of the type epi layer 2, it is substantially parallel to the substrate surface, but n-As it goes upward of the type epi layer 2, it enters the J-FET portion, and when it reaches the n-type channel layer 5a, it is substantially perpendicular to the substrate surface and in the lateral direction (direction of the p-type channel layer 5b). It can be seen that the intervals are fine. That is, p-In the n-type channel layer 5a on the type base regions 3a and 3b, it is possible to prevent potential intrusion due to an increase in drain voltage in the direction of the p-type channel layer 5b. Further, a potential barrier can be created between the source region 4a and the surface channel layer 5a by the p-type channel layer 5b. For this reason, it can be set as MOSFET with a high pressure | voltage resistance by the structure of this embodiment.
[0056]
Next, the manufacturing process of the MOSFET shown in FIG. 1 will be described with reference to FIGS.
[0057]
[Step shown in FIG. 4 (a)]
First, an n-type 4H, 6H, 3C or 15R-SiC substrate, that is, n+A mold substrate 1 is prepared. Where n+The mold substrate 1 has a thickness of 400 μm, and the main surface 1a is a (0001) Si plane or a (112-0) a plane. The main surface 1a of the substrate 1 has an n thickness of 5 μm.-The epitaxial epitaxial layer 2 is epitaxially grown. In this example, n-A crystal similar to that of the underlying substrate 1 is obtained from the type epi layer 2 and becomes an n-type 4H, 6H, 3C or 15R—SiC layer.
[0058]
[Step shown in FIG. 4B]
n-An LTO film 20 is arranged in a predetermined region on the type epi layer 2 and is used as a mask for B+(Or aluminum) ion implantation, p-Mold base regions 3a and 3b are formed. The ion implantation conditions at this time are a temperature of 700 ° C. and a dose of 1 × 10 6.16cm-2It is said. As a result, p-The mold base regions 3a and 3b have a doping concentration of 1 × 1017~ 5x1018cm-3The thickness is about 0.5 to 3.0 μm.
[0059]
At this time, B+Before the injection of p-By injecting an inert ion species such as C into the regions to be the mold base regions 3a and 3b, C and the like are replaced by lattice positions so that crystal defects (interstitial holes of C) are repaired. B+It is also possible to suppress thermal diffusion. That is, repair of C interstitial vacancies is performed as follows.
[0060]
n-When the epitaxial layer 2 is epitaxially grown, when the n-type channel layer 5a is epitaxially grown (the process shown in FIG. 4B), p-For example, when the type base regions 3a and 3b are formed by ion implantation, the J-FET portion, the n-type channel layer 5a and the p-type base region 3b-Carbon site vacancies are formed in the mold base regions 3a and 3b. Because of the formation of vacancies in this carbon site, p-It is considered that B in the mold base regions 3a and 3b diffuses.
[0061]
On the other hand, by ion-implanting ion species that do not become impurities in this way, n-Ion species that do not become impurities enter the vacancies of the carbon sites generated when the epitaxial epitaxial layer 2 (J-FET portion) is epitaxially grown. And by increasing the number of ion implantations of ionic species that are not impurities, the vacancies in the carbon sites can be almost eliminated.
[0062]
Since the size of the vacancies at the carbon site is the same as the size of the carbon atom, carbon is the most entering the airport.OnlyEasily, if C ion implantation is used, vacancies in the carbon site can be almost eliminated by ion implantation at a relatively small concentration. Further, since ion species other than carbon such as silicon are less likely to enter the vacancy of the carbon site compared to carbon, it is desirable to increase the ion implantation amount as compared with the case of ion implantation of carbon.
[0063]
Furthermore, in this case, p-If inactive ion species are implanted in the upper part of the mold base regions 3a and 3b and inactive ion species are not implanted in a part of the lower part, thermal diffusion proceeds in the lower part. , P-The mold base regions 3a and 3b can be formed deeper. P deep like this-By forming the mold base regions 3a and 3b, it is possible to have the same effect as the deep base layers 30a and 30b described later. In addition, since the area | region thermally diffused in this way becomes round as a whole, it is suitable as a deep base layer.
[0064]
[Step shown in FIG. 4 (c)]
After removing the LTO film 20, n is formed by LPCVD.-Surface portion of the epitaxial layer 2 and p-N-type channel layer 5a is epitaxially grown on the surface portions of type base regions 3a and 3b. The n-type channel layer 5a has a doping concentration of 1 × 1016~ 1x1018cm-3The thickness is about 0.1 to 1.0 μm.
[0065]
[Step shown in FIG. 5A]
An LTO film 21 is arranged in a predetermined region on the surface channel layer 5a, and B is used as a mask.+(Boron) is ion-implanted to form the p-type layer 40. At this time, the ion implantation condition is 1 × 10.16~ 1x1018cm-3The Gaussian distribution has a thickness of 0.1 to 1.0 μm.
[0066]
[Step shown in FIG. 5B]
Next, heat treatment at about 1600 ° C. is performed to diffuse the p-type impurities in the p-type layer 40. At this time, a predetermined amount is diffused according to the implanted ion species. For example, when heat treatment at about 1600 ° C. is performed for 0.5 hour, B diffuses by about 2500 nm. As a result, a p-type layer 41 is formed which enters a predetermined amount inside the opening of the LTO film 21. Of this p-type layer 41, the portion diffused into the n-type channel layer 5a constitutes the p-type channel layer 5b. The doping concentration of the p-type channel layer 5b is 1 × 1016~ 1x1018cm-3It will be about.
[0067]
[Step shown in FIG. 5 (c)]
Subsequently, using the LTO film 21 as a mask again, P+Ion implantation, and n+Mold source regions 4a and 4b are formed. The ion implantation conditions at this time are 700 ° C., and the dose is 1 × 10.15cm-2It is said. As a result, n+The type source regions 4a and 4b have a doping concentration of 1 × 1018~ 5x1019cm-3And a thickness of about 0.2 to 1.0 μm.
[0068]
At this time, the mask used for forming the p-type layer 41 (p-type channel layer 5b) in the step shown in FIG.+In order to use the same LTO film 21 as the mask used to form the type source regions 4a and 4b, the p type layer 41 and the n type+The type source regions 4a and 4b are formed by self-alignment, and the length of the p-type channel layer 5b is accurately set. In the present embodiment, since the p-type channel layer 5b is formed of B, the thermal diffusion amount of B is the length of the p-type channel layer 5b.
[0069]
[Step shown in FIG. 6A]
After removing the LTO film 21, the LTO film 22 is disposed in a predetermined region on the surface channel layer 5 using a photoresist method.
[0070]
[Step shown in FIG. 6B]
Using the LTO film 22 as a mask, p is performed by RIE.-The surface channel layer 5 on the mold base regions 3a and 3b is partially etched away.
[0071]
[Step shown in FIG. 6 (c)]
Further, B is used with the LTO film 22 as a mask.+Are implanted to form deep base layers 30a and 30b. Thereby, a part of base region 3a, 3b becomes thick. The deep base layers 30a and 30b are n+The p-type source regions 4a and 4b are not overlapped with each other, and p-Of the mold base regions 3a and 3b, the portion where the deep base layers 30a and 30b are formed is thicker than the thin portion where the deep base layer 30a is not formed.
[0072]
[Step shown in FIG. 7A]
After removing the LTO film 22, a gate oxide film (gate insulating film) 7 is formed on the substrate by wet oxidation. At this time, the ambient temperature is set to 1080 ° C.
[0073]
Thereafter, a polysilicon layer is formed on the gate oxide film 7 by LPCVD.
The film forming temperature at this time is 600 ° C. Thereafter, the polysilicon layer is patterned to form the gate electrode 8.
[0074]
[Step shown in FIG. 7B]
Subsequently, after unnecessary portions of the gate oxide film 7 are removed, an insulating film 9 made of LTO is formed to cover the gate electrode 8 and the gate oxide film 7. More specifically, the film formation temperature is 425 ° C., and 1000 ° C. annealing is performed after the film formation.
[0075]
[Step shown in FIG. 7C]
Then, the source electrode 10 and the drain electrode 11 are arranged by metal sputtering at room temperature. Further, annealing at 1000 ° C. is performed after film formation.
[0076]
In this way, the MOSFET shown in FIG. 1 is completed.
[0077]
Next, the operation (operation) of this MOSFET will be described.
[0078]
As described above, since the surface channel layer 5 is composed of the n-type channel layer 5a and the p-type channel layer 5b, this MOSFET operates as an accumulation mode in the region of the n-type channel layer 5a. In the region of the layer 5b, it operates as an inversion mode.
[0079]
At this time, in the region of the n-type channel layer 5a, when no voltage is applied to the gate electrode 8, p-A depletion layer is formed by the difference in electrostatic potential between the n-type channel regions 5a and 3b and the n-type channel layer 5 and the potential generated by the difference in work function between the n-type channel layer 5a and the gate electrode 8. The However, since the n-type channel layer 5a is formed at a high concentration, the entire region of the n-type channel layer 5a is not depleted and is in a normally-on state.
[0080]
On the other hand, in the region of the p-type channel layer 5b, even when no voltage is applied to the gate electrode 8, it is not conductive and is normally off. For this reason, this MOSFET can be normally off in the region of the p-type channel layer 5b while operating in the accumulation mode in the region of the n-type channel layer 5a.
[0081]
Then, when a positive voltage is applied to the gate electrode 8, the surface layer portion of the p-type channel layer 5 b is inverted to form a channel region, the surface channel layer 5 becomes conductive, and the source electrode 10 and the drain electrode 11 are connected. A career flows.
[0082]
Thus, by combining the surface channel layer 5 with the n-type channel layer 5a and the p-type channel layer 5b, the surface channel layer 5 is operated in the accumulation mode in the region of the n-type channel layer 5a and the n-type channel layer 5 has a high concentration. Thus, the low on-resistance similar to the normally-on characteristic can be obtained, and the MOSFET can be operated normally off in the region of the p-type channel layer 5b.
[0083]
(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, the manufacturing process of the MOSFET in the first embodiment is changed, and the configuration is the same, so only the changed portion will be described.
[0084]
FIG. 8 shows a manufacturing process of the MOSFET in this embodiment, and a manufacturing method of the MOSFET will be described based on this figure. However, FIGS. 4 to 7 are referred to for the same parts as in the first embodiment.
[0085]
First, the steps shown in FIGS. 4A to 4C are performed, and n-Surface portion of the epitaxial layer 2 and p-An n-type channel layer 5a is formed on the surface portions of the mold base regions 3a and 3b. Then, the following process shown in FIG. 8 is performed.
[0086]
[Step shown in FIG. 8 (a)]
An LTO film 21 is disposed in a predetermined region on the surface channel layer 5a, and B (boron) is ion-implanted using this as a mask to form the p-type layer 40. At this time, the ion implantation condition is 1 × 10.16~ 1x1018cm-3The Gaussian distribution has a thickness of 0.1 to 1.0 μm. As a result, the p-type layer 40 is implanted to the inside of the opening of the LTO film 21.
[0087]
[Step shown in FIG. 8B]
Next, heat treatment at about 1600 ° C. is performed to diffuse the p-type impurities in the p-type layer 40. At this time, a predetermined amount is diffused according to the implanted ion species. As a result, a p-type layer 41 is formed which enters a predetermined amount inside the opening of the LTO film 21. Of this p-type layer 41, the portion diffused into the n-type channel layer 5a constitutes the p-type channel layer 5b.
[0088]
Here, B which is easily thermally diffused is used as an ion species to be implanted. However, when Al (aluminum) is used, thermal diffusion is not so much, so that the p-type channel layer 5b depends on the energy setting at the time of ion implantation. It is possible to set the length of.
[0089]
Subsequently, using the LTO film 21 as a mask again, P+(Phosphorus) is ion-implanted and n+Mold source regions 4a and 4b are formed. The ion implantation conditions at this time are 700 ° C., and the dose is 1 × 10.15cm-2It is said.
[0090]
At this time, the mask used for forming the p-type layer 41 (p-type channel layer 5b) in the step shown in FIG.+In order to use the same LTO film 21 as the mask used to form the type source regions 4a and 4b, the p type layer 41 and the n type+The type source regions 4a and 4b are formed by self-alignment, and the length of the p-type channel layer is accurately set.
[0091]
Thus, if the p-type channel layer 5b is formed by oblique ion implantation, n+Since ions are implanted to the inside of the end portions of the type source regions 4a and 4b, the p-type channel layer 5b can be formed at a desired position without thermal diffusion for a long time.
[0092]
(Third embodiment)
FIG. 9 shows a cross-sectional configuration of the MOSFET in this embodiment. In the first and second embodiments, the p-type channel layer 5b is n+In this embodiment, the p-type channel layer 5b is made to be in contact with the n-type source regions 4a and 4b.+The mold source regions 4a and 4b are formed apart from each other.
[0093]
In this way, the p-type channel layer 5b is made n+Even if formed apart from the mold source regions 4a and 4b, the same operation as in the first embodiment can be performed, and the on-resistance of the MOSFET can be further reduced as in the first embodiment.
[0094]
In the present embodiment, the mask for forming the p-type channel layer 5b is n+The p-type channel layer 5b can be formed by arranging the source regions 4a and 4b separately from the mask for forming the source regions 4a and 4b and implanting ions into the n-type channel layer 5a.
[0095]
(Fourth embodiment)
FIG. 10 shows a cross-sectional configuration of the MOSFET in this embodiment. In each of the above embodiments, the p-type channel layer 5b is replaced with p.-In this embodiment, the p-type channel layer 5b is arranged so as not to be in contact with the gate oxide film 7, but is formed so as to be in contact with the surface portions of the type base regions 3a and 3b and the gate oxide film 7. is doing.
[0096]
In this case, the width of the n-type channel layer 5a is narrowed only in the region where the p-type channel layer 5b and the gate insulating film 7 are sandwiched.-Although the channel region is pinched off by the depletion layer extending from the type base regions 3a and 3b, the channel region can be pinched off by the depletion layer extending from the p-type channel layer 5b in this embodiment.
[0097]
Therefore, when the n-type channel layer 5a is highly concentrated, the channel region can be turned off even when the gate potential is zero, and the on-resistance can be reduced.
[0098]
In the case of this embodiment, similarly to the third embodiment, a mask for forming the p-type channel layer 5b is provided, and the ion implantation energy is adjusted so that it is positioned at a predetermined depth from the implantation surface. If ions are implanted, the p-type channel layer 5b can be formed.
[0099]
(Fifth embodiment)
In each of the above embodiments, the case where the present invention is applied to the MOSFET has been described. However, the present invention can also be applied to an SIT (capacitance transistor).
[0100]
FIG. 11 shows a cross-sectional view of the SIT in the present embodiment, and the SIT will be described. However, since the structure of the SIT is generally the same as that of the MOSFET, the same reference numerals as those in FIG.
[0101]
As shown in FIG. 11, the SIT has a configuration in which a p-type layer 100 as a second base region is further formed on the surface portions of the n-type channel layer 5a and the p-type channel layer 5b. That is, p as the first base region-The surface channel layer 5 is sandwiched between the mold base regions 3 a and 3 b and the p-type layer 100. Then, directly on the p-type layer 100 (without the gate oxide film 7 shown in FIG. 1), the p-type layer 100 and p-A gate electrode 8 electrically connected to the mold base regions 3a and 3b is formed.
[0102]
The SIT configured in this way is p when no voltage is applied to the gate electrode 8.-The n-type channel layer 5a is pinched off by a depletion layer extending from each of the type base regions 3a and 3b. n-When the n-type channel layer 5a is made higher in concentration than the p-type epi layer 2, it is not pinched off.+Since a potential barrier can be formed between the type source region 4a and the n-type channel layer 5a, it can be normally off. When a positive voltage is applied to the gate electrode 8, p-The extension of the depletion layer from each of the mold base regions 3 a and 3 b is reduced, a channel region is formed in the surface channel layer 5, and carriers flow between the source electrode 10 and the drain electrode 11.
[0103]
Also in the SIT configured as described above, by providing the p-type channel layer 5b, the n-type channel layer 5a can be formed at a high concentration, the on-resistance can be reduced, and the p-type channel layer 5b and the n-type channel layer 5a can be reduced. The PN junction can suppress the growth of the depletion layer at the time of reverse bias, so that a high breakdown voltage can be achieved.
[0104]
The SIT in this embodiment can be manufactured in substantially the same manner as the MOSFET shown in the first embodiment. Specifically, after performing the steps shown in FIGS. 4A to 4C, the p-type layer 100 is epitaxially grown on the n-type channel layer 5a, and then the p-type layer 100 is formed. 5 (a) to 5 (c) and FIGS. 6 (a) to 6 (c), and the process shown in FIG. 7 (a) is omitted. Finally, FIGS. The SIT in this embodiment can be manufactured by performing the process shown in c). However, in the step shown in FIG. 7B, after the interlayer insulating film 9 is formed on the entire surface of the substrate, a contact hole is formed at a desired position. Thereafter, in the step of FIG. At the same time, the gate electrode 8 is also patterned.
[0105]
As described above, the p-type layer 100 is formed by epitaxial growth after the n-type channel layer 5 is formed. However, the n-type channel layer 5 is formed thicker and the p-type impurity is added to the n-type channel layer 5. May be formed by ion implantation. In this case, if an inert ion species such as C is implanted in the region where the p-type impurity is implanted before the p-type impurity is implanted, the diffusion of the p-type impurity can be suppressed during the heat treatment. The p-type layer 100 can be easily formed without reducing the thickness of the n-type channel layer 5.
[0106]
Thus, the p-type layer 100 on the upper surface and the p-type layer on the lower surface.-Since the type base region 3a can be formed by the same B implantation, and the activation rate of B can be matched, the p type layer 100 and the p type layer 100 can be formed.-The Fermi levels of the mold base regions 3a and 3b can be matched. Therefore, the potential balance in the depth direction in the n-type channel layer 5a sandwiched between the two can be achieved. As a result, when a bias voltage is applied to the gate electrode 8, carriers can flow over the entire surface of the n-type channel layer 5a.
[0107]
(Other embodiments)
In the above first to fifth embodiments, the case where the p-type channel layer 5b is combined with the n-type channel layer 5a has been described. However, the portion of the p-type channel layer 5b is n having a lower concentration than the n-type channel layer 5a. The same effect can be obtained also for the type low concentration channel layer.
[0108]
In this case, in the first and second embodiments, the conditions for forming the p-type layer 40 are 1014-1016cm-3The Gaussian distribution has a thickness of 0.1 to 1.0 μm, the diffusion amount is smaller than those in the first and second embodiments, the n-type channel layer 5a is not inverted to the p-type, and the low-concentration n-type channel layer 5b is formed. Can be formed.
[0109]
Further, by using the mask for forming the p-type channel layer 5b of the third and fourth embodiments and reducing the implantation concentration, the low-concentration n-type channel layer 5b is formed without inverting the n-type channel layer 5a. be able to.
[0110]
In the above embodiment, n-By implanting ions into the type epi layer 2-The mold base regions 3a and 3b are formed, but n-Using a substrate in which a p-type layer is disposed on the entire surface of the p-type epi layer 2, a groove penetrating the p-type layer is formed in the J-FET portion formation region, and then the groove is embedded with an n-type layer. P-type layer and p-type layer-The mold base regions 3a and 3b may be formed. In this case, p-Since the mold base regions 3a and 3b are not formed by ion implantation, p-Ion implantation damage is not formed on the surfaces of the mold base regions 3a and 3b, and the crystallinity of the surface channel layer 5 formed thereon can be improved. Thereby, ON resistance reduction can be aimed at.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a MOSFET according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2A is a diagram showing a relationship of current density with respect to channel region depth in a conventional MOSFET, and FIG. 2B is a diagram showing current density with respect to channel region depth in the MOSFET of the first embodiment; It is a figure which shows a relationship.
FIG. 3 is a diagram showing equipotential lines when a reverse bias is applied to the MOSFET shown in FIG. 1;
4 is a diagram showing a manufacturing process of the MOSFET shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 5 is a diagram showing a manufacturing step of the MOSFET that follows the manufacturing step of FIG. 4;
6 is a diagram showing the manufacturing process of the MOSFET, following FIG. 5. FIG.
7 is a diagram showing a manufacturing step of the MOSFET that follows the manufacturing step of FIG. 6; FIG.
FIG. 8 is a diagram showing manufacturing steps of the MOSFET in the second embodiment.
FIG. 9 is a cross-sectional view of a MOSFET in a third embodiment.
FIG. 10 is a cross-sectional view of a MOSFET in a fourth embodiment.
FIG. 11 is a cross-sectional view of an SIT according to a fifth embodiment.
FIG. 12 is a cross-sectional view of a conventional MOSFET.
13 is a diagram for explaining the withstand voltage of the MOSFET shown in FIG. 11. FIG.
[Explanation of symbols]
1 ... n+Mold substrate, 2 ... n-Type silicon carbide epitaxial layer,
3a, 3b ... p-Mold base region, 4a, 4b ... n+Type source area,
5 ... surface channel layer (n-Type SiC layer),
5a ... n-type channel layer, 5b ... p-type channel layer, 7 ... gate oxide film,
8 ... gate electrode, 10 ... source electrode, 11 ... drain electrode.
Claims (15)
前記半導体基板の主表面上に形成され、前記半導体基板よりも高抵抗な炭化珪素よりなる第1導電型の半導体層(2)と、
前記半導体層の表層部の所定領域に形成され、所定深さを有する第2導電型のベース領域(3a、3b)と、
前記ベース領域の表層部の所定領域に形成され、該ベース領域の深さよりも浅い第1導電型のソース領域(4a、4b)と、
前記ベース領域及び前記半導体層の表面部の表面部上において、前記ソース領域と前記半導体層とを繋ぐように形成された、炭化珪素よりなる表面チャネル層(5)と、
前記表面チャネル層の表面に形成されたゲート絶縁膜(7)と、
前記ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極(8)と、
前記ベース領域及び前記ソース領域に接触するように形成されたソース電極(10)と、
前記半導体基板の裏面に形成されたドレイン電極(11)とを備え、
前記表面チャネル層は、
前記半導体層の表面部及び前記ベース領域の表面部にエピタキシャル成長にて形成され、前記半導体層よりも不純物濃度が高く、蓄積型チャネルを構成する第1導電型の第1のチャネル層(5a)と、
前記ベース領域の表面部において、前記ベース領域から前記ゲート絶縁膜に向けて延設された第2導電型、若しくは前記第1のチャネル層よりも低不純物濃度で、かつ、前記ゲート電極(8)に対して電圧印加を行っていないときに前記ゲート絶縁膜側および前記ベース領域から延びる空乏層にてピンチオフされる第1導電型の第2のチャネル層(5b)と、
を備えて構成されていることを特徴とする炭化珪素半導体装置。A first conductivity type semiconductor substrate (1) having a main surface and a back surface opposite to the main surface and made of silicon carbide;
A first conductivity type semiconductor layer (2) made of silicon carbide formed on the main surface of the semiconductor substrate and having a higher resistance than the semiconductor substrate;
A second conductivity type base region (3a, 3b) formed in a predetermined region of the surface layer portion of the semiconductor layer and having a predetermined depth;
A first conductivity type source region (4a, 4b) formed in a predetermined region of a surface layer portion of the base region and shallower than a depth of the base region;
A surface channel layer (5) made of silicon carbide formed on the base region and the surface portion of the surface portion of the semiconductor layer so as to connect the source region and the semiconductor layer;
A gate insulating film (7) formed on the surface of the surface channel layer;
A gate electrode (8) formed on the gate insulating film;
A source electrode (10) formed in contact with the base region and the source region;
A drain electrode (11) formed on the back surface of the semiconductor substrate;
The surface channel layer is
A first channel layer (5a) of a first conductivity type formed by epitaxial growth on a surface portion of the semiconductor layer and a surface portion of the base region and having a higher impurity concentration than the semiconductor layer and constituting a storage channel ; ,
In the surface portion of the base region , the gate electrode (8) has a lower impurity concentration than the second conductivity type or the first channel layer extending from the base region toward the gate insulating film. A second channel layer (5b) of the first conductivity type that is pinched off by a depletion layer extending from the gate insulating film side and the base region when no voltage is applied to
A silicon carbide semiconductor device comprising:
前記半導体基板の主表面上に形成され、前記半導体基板よりも高抵抗な炭化珪素よりなる第1導電型の半導体層(2)と、
前記半導体層の表層部の所定領域に形成され、所定深さを有する第2導電型の第1のベース領域(3a、3b)と、
前記第1のベース領域の表層部の所定領域に形成され、該第1のベース領域の深さよりも浅い第1導電型のソース領域(4a、4b)と、
前記第1のベース領域及び前記半導体層の表面部の表面部上において、前記ソース領域と前記半導体層とを繋ぐように形成された、炭化珪素よりなる表面チャネル層(5)と、
前記表面チャネル層の表面に形成された第2導電型の第2のベース領域(100)と、
前記第1のベース領域に接触すると共に、前記第2のベース領域の上に形成されたゲート電極(8)と、
前記ソース領域に接触するように形成されたソース電極(10)と、
前記半導体基板の裏面に形成されたドレイン電極(11)とを備え、
前記表面チャネル層は、
前記半導体層の表面部及び前記第1のベース領域の表面部にエピタキシャル成長にて形成され、前記半導体層よりも不純物濃度が高く、蓄積型チャネルを構成する第1導電型の第1のチャネル層(5a)と、
前記第1のベース領域の表面部において、前記第1のベース領域から前記第2のベース領域に向けて延設された第2導電型、若しくは前記第1のチャネル層よりも低不純物濃度で、かつ、前記ゲート電極(8)に対して電圧印加を行っていないときに前記第1のベース領域および前記第2のベース領域から延びる空乏層にてピンチオフされる第1導電型の第2のチャネル層(5b)と、
を備えて構成されていることを特徴とする炭化珪素半導体装置。A first conductivity type semiconductor substrate (1) having a main surface and a back surface opposite to the main surface and made of silicon carbide;
A first conductivity type semiconductor layer (2) made of silicon carbide formed on the main surface of the semiconductor substrate and having a higher resistance than the semiconductor substrate;
A first base region (3a, 3b) of a second conductivity type formed in a predetermined region of the surface layer portion of the semiconductor layer and having a predetermined depth;
A source region (4a, 4b) of a first conductivity type formed in a predetermined region of a surface layer portion of the first base region and shallower than a depth of the first base region;
On the surface portion of the first base region and the surface portion of the semiconductor layer, a surface channel layer (5) made of silicon carbide formed to connect the source region and the semiconductor layer;
A second base region (100) of the second conductivity type formed on the surface of the surface channel layer;
A gate electrode (8) in contact with the first base region and formed on the second base region;
A source electrode (10) formed in contact with the source region;
A drain electrode (11) formed on the back surface of the semiconductor substrate;
The surface channel layer is
A first channel layer of a first conductivity type that is formed by epitaxial growth on the surface portion of the semiconductor layer and the surface portion of the first base region, has a higher impurity concentration than the semiconductor layer, and constitutes a storage channel. 5a)
In the surface portion of the first base region, a second conductivity type extending from the first base region toward the second base region, or a lower impurity concentration than the first channel layer, The second channel of the first conductivity type is pinched off by a depletion layer extending from the first base region and the second base region when no voltage is applied to the gate electrode (8). Layer (5b);
A silicon carbide semiconductor device comprising:
前記半導体基板の主表面上に形成され、前記半導体基板よりも高抵抗な炭化珪素よりなる第1導電型の半導体層(2)と、
前記半導体層の表層部の所定領域に形成され、所定深さを有する第2導電型のベース領域(3a、3b)と、
前記ベース領域の表層部の所定領域に形成され、該ベース領域の深さよりも浅い第1導電型のソース領域(4a、4b)と、
前記ベース領域及び前記半導体層の表面部の表面部上において、前記ソース領域と前記半導体層とを繋ぐように形成された、炭化珪素よりなる表面チャネル層(5)と、
前記表面チャネル層の表面に形成されたゲート絶縁膜(7)と、
前記ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極(8)と、
前記ベース領域及び前記ソース領域に接触するように形成されたソース電極(10)と、
前記半導体基板の裏面に形成されたドレイン電極(11)とを備えてなる炭化珪素半導体装置の製造方法であって、
前記半導体基板(1)の主表面上に、この半導体基板よりも高抵抗な炭化珪素よりなる前記半導体層(2)を形成する工程と、
前記半導体層の表層部の所定領域に、所定深さを有する前記ベース領域(3a、3b)を形成する工程と、
前記半導体層及び前記ベース領域の上部に、エピタキシャル成長にて、前記半導体層よりも不純物濃度が高く、蓄積型チャネルを構成する第1導電型の第1のチャネル層(5a)を形成すると共に、該第1のチャネル層の所定領域に、第2導電型不純物をイオン注入して前記ベース領域に接する第2導電型、若しくは前記第1のチャネル層よりも低不純物濃度で、かつ、前記ゲート電極(8)に対して電圧印加を行っていないときに前記ゲート絶縁膜側および前記ベース領域から延びる空乏層にてピンチオフされる第1導電型の第2のチャネル層(5b)を形成することにより、チャネル領域を構成する前記表面チャネル層(5)を形成する工程と、
前記ベース領域の表層部の所定領域に、前記表面チャネル層に接すると共に該ベース領域の深さよりも浅い前記ソース領域(4a、4b)を形成する工程と、を備えていることを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。 A first conductivity type semiconductor substrate (1) having a main surface and a back surface opposite to the main surface and made of silicon carbide;
A first conductivity type semiconductor layer (2) made of silicon carbide formed on the main surface of the semiconductor substrate and having a higher resistance than the semiconductor substrate;
A second conductivity type base region (3a, 3b) formed in a predetermined region of the surface layer portion of the semiconductor layer and having a predetermined depth;
A first conductivity type source region (4a, 4b) formed in a predetermined region of a surface layer portion of the base region and shallower than a depth of the base region;
A surface channel layer (5) made of silicon carbide formed on the base region and the surface portion of the surface portion of the semiconductor layer so as to connect the source region and the semiconductor layer;
A gate insulating film (7) formed on the surface of the surface channel layer;
A gate electrode (8) formed on the gate insulating film;
A source electrode (10) formed in contact with the base region and the source region;
A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device comprising a drain electrode (11) formed on the back surface of the semiconductor substrate,
On the main surface of the semiconductor substrate (1), and forming the semiconductor layer also made of a high-resistance silicon carbide from the semiconductor substrate (2),
In a predetermined region of the surface layer portion of the semiconductor layer, and forming the base region having a predetermined depth (3a, 3b),
A first channel layer (5a) of a first conductivity type having an impurity concentration higher than that of the semiconductor layer and forming a storage channel is formed on the semiconductor layer and the base region by epitaxial growth. A second conductivity type impurity is ion-implanted into a predetermined region of the first channel layer to be in contact with the base region, or the impurity concentration is lower than that of the first channel layer , and the gate electrode ( By forming a second channel layer ( 5b ) of the first conductivity type that is pinched off at the depletion layer extending from the gate insulating film side and the base region when no voltage is applied to 8) , forming the surface channel layer for forming a channel region (5),
Carbide wherein a predetermined region of the surface layer portion of the base region, characterized in that it comprises a step of forming a shallow said source region than the depth of said base regions (4a, 4b) with is in contact with the surface channel layer A method for manufacturing a silicon semiconductor device.
前記半導体層の表層部に第2導電型不純物をイオン注入することによって該ベース領域を形成する工程であり、
かつ、前記ベース領域とする前記半導体層の表層部のうちの上部に、前記第2導電型不純物をイオン注入する前に、不活性なイオン種を注入する工程を含んでいることを特徴とする請求項7に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。The base region forming step includes
A step of forming the base region by ion-implanting a second conductivity type impurity into a surface layer portion of the semiconductor layer;
In addition, the method includes a step of implanting an inactive ion species into the upper portion of the surface layer portion of the semiconductor layer serving as the base region before ion implantation of the second conductivity type impurity. A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 7 .
前記半導体基板の主表面上に形成され、前記半導体基板よりも高抵抗な炭化珪素よりなる第1導電型の半導体層(2)と、
前記半導体層の表層部の所定領域に形成され、所定深さを有する第2導電型の第1のベース領域(3a、3b)と、
前記第1のベース領域の表層部の所定領域に形成され、該第1のベース領域の深さよりも浅い第1導電型のソース領域(4a、4b)と、
前記第1のベース領域及び前記半導体層の表面部の表面部上において、前記ソース領域と前記半導体層とを繋ぐように形成された、炭化珪素よりなる表面チャネル層(5)と、
前記表面チャネル層の表面に形成された第2導電型の第2のベース領域(100)と、
前記第1のベース領域に接触すると共に、前記第2のベース領域の上に形成されたゲート電極(8)と、
前記ソース領域に接触するように形成されたソース電極(10)と、
前記半導体基板の裏面に形成されたドレイン電極(11)とを備えてなる炭化珪素半導体装置の製造方法であって、
前記半導体基板(1)の主表面上に、この半導体基板よりも高抵抗な炭化珪素よりなる前記半導体層(2)を形成する工程と、
前記半導体層の表層部の所定領域に、所定深さを有する前記第1のベース領域(3a、3b)を形成する工程と、
前記半導体層及び前記第1のベース領域の上部に、エピタキシャル成長にて、前記半導体層よりも不純物濃度が高く、蓄積型チャネルを構成する第1導電型の第1のチャネル層(5a)を形成すると共に、該第1のチャネル層の所定領域に、第2導電型不純物をイオン注入して前記第1のベース領域に接する第2導電型、若しくは前記第1のチャネル層よりも低不純物濃度で、かつ、前記ゲート電極(8)に対して電圧印加を行っていないときに前記第1のベース領域および前記第2のベース領域から延びる空乏層にてピンチオフされる第1導電型の第2のチャネル層(5b)を形成することにより、チャネル領域を構成する表面チャネル層(5)を形成する工程と、
前記第1のベース領域の表層部の所定領域に、前記表面チャネル層に接すると共に該ベース領域の深さよりも浅い第1導電型のソース領域(4a、4b)を形成する工程と、
前記表面チャネル層の上面に第2導電型の第2のベース領域(100)を形成する工程と、
前記第1のベース領域及び前記第2のベース領域と接するゲート電極を形成する工程と、
を備えていることを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。A first conductivity type semiconductor substrate (1) having a main surface and a back surface opposite to the main surface and made of silicon carbide;
A first conductivity type semiconductor layer (2) made of silicon carbide formed on the main surface of the semiconductor substrate and having a higher resistance than the semiconductor substrate;
A first base region (3a, 3b) of a second conductivity type formed in a predetermined region of the surface layer portion of the semiconductor layer and having a predetermined depth;
A source region (4a, 4b) of a first conductivity type formed in a predetermined region of a surface layer portion of the first base region and shallower than a depth of the first base region;
On the surface portion of the first base region and the surface portion of the semiconductor layer, a surface channel layer (5) made of silicon carbide formed to connect the source region and the semiconductor layer;
A second base region (100) of the second conductivity type formed on the surface of the surface channel layer;
A gate electrode (8) in contact with the first base region and formed on the second base region;
A source electrode (10) formed in contact with the source region;
A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device comprising a drain electrode (11) formed on the back surface of the semiconductor substrate,
Forming on the main surface of the semiconductor substrate (1) the semiconductor layer (2) made of silicon carbide having a higher resistance than the semiconductor substrate;
Forming the first base region (3a, 3b) having a predetermined depth in a predetermined region of a surface layer portion of the semiconductor layer;
A first conductivity type first channel layer (5a) having an impurity concentration higher than that of the semiconductor layer and constituting an accumulation type channel is formed by epitaxial growth on the semiconductor layer and the first base region. In addition, the second conductivity type impurity is ion-implanted into a predetermined region of the first channel layer to be in contact with the first base region, or at a lower impurity concentration than the first channel layer, The second channel of the first conductivity type is pinched off by a depletion layer extending from the first base region and the second base region when no voltage is applied to the gate electrode (8). Forming a surface channel layer (5) constituting a channel region by forming a layer (5b);
Forming a first conductivity type source region (4a, 4b) in contact with the surface channel layer and shallower than a depth of the base region in a predetermined region of a surface layer portion of the first base region;
Forming a second conductivity type second base region (100) on the upper surface of the surface channel layer;
Forming a gate electrode in contact with the first base region and the second base region;
The manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device characterized by the above-mentioned.
前記表面チャネル層の表層部に第2導電型不純物をイオン注入することによって該第2のベース領域を形成する工程であり、
かつ、該第2のベース領域とする前記表面チャネル層の表層部に、前記第2導電型不純物をイオン注入する前に、不活性なイオン種を注入する工程を含んでいることを特徴とする請求項9に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。The second base region forming step includes
A step of forming the second base region by ion-implanting a second conductivity type impurity into a surface layer portion of the surface channel layer;
In addition, an inert ion species is implanted into the surface layer portion of the surface channel layer serving as the second base region before ion implantation of the second conductivity type impurity. A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 9 .
前記半導体層の表層部に第2導電型不純物をイオン注入することによって該第1のベース領域を形成する工程であり、
かつ、前記第1のベース領域とする前記半導体層の表層部のうちの上部に、前記第2導電型不純物をイオン注入する前に、不活性なイオン種を注入する工程を含んでいることを特徴とする請求項9又は10に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。The first base region forming step includes
A step of forming the first base region by ion-implanting a second conductivity type impurity into a surface layer portion of the semiconductor layer;
In addition, the method includes a step of implanting an inactive ion species into the upper portion of the surface layer portion of the semiconductor layer serving as the first base region before ion-implanting the second conductivity type impurity. The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 9 or 10 , wherein the silicon carbide semiconductor device is manufactured.
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