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公開番号2021111764
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210802
出願番号2020004803
出願日20200116
発明の名称炭化珪素半導体装置の製造方法
出願人新日本無線株式会社
代理人個人
主分類H01L 21/336 20060101AFI20210705BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】イオン注入のマスク膜として電極を使用し、不純物イオンの注入領域および不純物領域を自己整合的に形成することができる炭化珪素半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】MOSFETの製造において、高温の熱処理に耐える金属からなる電極膜4をイオン注入のためのマスク膜として使用して不純物イオンを注入してウエル領域5(第1の注入領域)を形成する。その後電極膜4の側壁に高温の熱処理に耐える金属からなるサイドウォール6を形成してイオン注入のためのマスク膜として使用して、別の不純物イオンを注入してソース領域8(第2の注入領域)を形成した後、電極膜4およびサイドウォール6を除去することなく、注入した不純物イオンの活性化のための熱処理を行う。
【選択図】図5
特許請求の範囲【請求項1】
炭化珪素半導体領域上に絶縁膜を形成し、該絶縁膜上に導電性材料からなる電極を形成する工程と、
前記炭化珪素半導体領域に、前記電極をマスク膜として使用して一導電型の不純物イオンを注入し、第1の注入領域を形成する工程と、
前記電極の側壁に、導電性材料からなるサイドウォールを形成する工程と、
前記第1の不純物領域中に、前記電極および前記サイドウォールをマスク膜として使用して逆導電型の不純物イオンを注入し、第2の注入領域を形成する工程と、
前記電極及び前記サイドウォールを除去することなく、注入した前記不純物イオンの活性化のための熱処理を行う工程と、を含むことを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
続きを表示(約 250 文字)【請求項2】
請求項1記載の炭化珪素半導体装置の製造方法において、
前記電極を形成する工程と前記サイドウォールを形成する工程は、前記電極および前記サイドウォールからなるゲート電極を形成する工程であり、
前記第2の注入領域を形成する工程は、前記ゲート電極および前記サイドウォール直下の前記第1の注入領域の一部をチャネル領域として残し、MOSFETのソース領域を形成する工程あるいはIGBTのエミッタ領域を形成する工程であることを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、炭化珪素(SiC)からなる半導体装置の製造方法に関する。
続きを表示(約 7,700 文字)【背景技術】
【0002】
炭化珪素は、半導体装置の主たる半導体材料として広く用いられているシリコン(Si)と比べて3倍の熱伝導率を有するとともに、約2倍の飽和電子ドリフト速度を有するという優れた物性を有し、低損失で、高温動作可能なパワー半導体デバイスを実現することができる。
【0003】
一方、炭化珪素半導体装置を製造する際には、一般的なシリコン半導体装置の製造方法をそのまま採用することができない。例えば炭化珪素半導体では、注入した不純物イオンを熱拡散させて、所望の不純物領域を形成することが難しかった。
【0004】
そのため、例えばSiCパワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)を製造する場合、ソース領域等を形成するため所望の形状にパターニングしたマスク膜を用いて不純物イオンを注入して所望の注入領域を形成した後、注入した不純物イオンを活性化するため高温(例えば、1600℃)の熱処理を行い、その後、ゲート酸化膜とゲート電極を形成していた。この種の炭化珪素半導体装置は、例えば特許文献1に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
特開2011−211232号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
従来の炭化珪素半導体装置の製造工程では、シリコン半導体装置の製造方法で広く採用されている不純物イオンを注入し熱拡散させる方法を採用することができず、イオン注入のためのマスク膜として電極を使用して電極と不純物イオンの注入領域を自己整合的に形成することができなかった。本発明はこのような実状に鑑み、イオン注入のマスク膜として電極を使用して所望の不純物イオンの注入領域を形成し、さらに注入された不純物イオンを活性化させて形成される不純物領域を自己整合的に形成することができる炭化珪素半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記目的を達成するため、本願請求項1に係る発明は、炭化珪素半導体領域上に絶縁膜を形成し、該絶縁膜上に導電性材料からなる電極を形成する工程と、前記炭化珪素半導体領域に、前記電極をマスク膜として使用して一導電型の不純物イオンを注入し、第1の注入領域を形成する工程と、前記電極の側壁に、導電性材料からなるサイドウォールを形成する工程と、前記第1の不純物領域中に、前記電極および前記サイドウォールをマスク膜として使用して逆導電型の不純物イオンを注入し、第2の注入領域を形成する工程と、前記電極及び前記サイドウォールを除去することなく、注入した前記不純物イオンの活性化のための熱処理を行う工程と、を含むことを特徴とする。
【0008】
本願請求項2に係る発明は、請求項1記載の炭化珪素半導体装置の製造方法において、前記電極を形成する工程と前記サイドウォールを形成する工程は、前記電極および前記サイドウォールからなるゲート電極を形成する工程であり、前記第2の注入領域を形成する工程は、前記ゲート電極および前記サイドウォール直下の前記第1の注入領域の一部をチャネル領域として残し、MOSFETのソース領域を形成する工程あるいはIGBTのエミッタ領域を形成する工程であることを特徴とする。
【発明の効果】
【0009】
本発明の製造方法によれば、不純物イオンの注入領域を電極、あるいは電極およびサイドウォールに対して自己整合的に形成することが可能となる。本発明の製造方法により形成される炭化珪素半導体装置は、注入した不純物イオンが熱拡散しないにもかかわらず、不純物の熱拡散により形成される構造と同様の形状を形成することができる。
【0010】
特に、サイドウォールを導電性材料で構成することで、電極と一体となり、サイドウォール直下の炭化珪素半導体領域をチャネル領域とすることができる。本発明によれば、電極と第1の注入領域との重なり、サイドウォールと第2の注入領域との重なりを容易に制御することができ、炭化珪素半導体装置の高速化や、オン抵抗の低減を図ることが可能となる。また所望の耐圧の炭化珪素半導体装置とすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
本発明の第1の実施例のMOSFETの製造工程を説明する図である。
本発明の第1の実施例のMOSFETの製造工程を説明する図である。
本発明の第1の実施例のMOSFETの製造工程を説明する図である。
本発明の第1の実施例のMOSFETの製造工程を説明する図である。
本発明の第1の実施例のMOSFETの製造工程を説明する図である。
本発明の第2の実施例のIGBTの製造工程を説明する図である。
本発明の第2の実施例のIGBTの製造工程を説明する図である。
本発明の第2の実施例のIGBTの製造工程を説明する図である。
本発明の第2の実施例のIGBTの製造工程を説明する図である。
本発明の第2の実施例のIGBTの製造工程を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
本発明の炭化珪素半導体装置の製造方法は、高温の熱処理に耐える金属からなる電極、あるいは電極およびサイドウォールをイオン注入のためのマスク膜として使用して不純物イオンを注入して注入領域を形成した後、電極およびサイドウォールを残したまま、注入した不純物イオンの活性化のための熱処理を行うので、不純物イオンの注入領域を電極およびサイドウォールに対して自己整合的に形成することを可能となる。本発明の製造方法によれば、注入した不純物が熱拡散しにくい炭化珪素であっても、シリコン半導体装置と同様に炭化珪素半導体装置の所望の不純物領域を自己整合的に形成することが可能となる。以下、本発明の実施例について詳細に説明する。
【実施例】
【0013】
第1の実施例について、縦型のMOSFET(シリコンで形成するDMOSFET:Double Diffused Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistorに相当)の製造工程に本発明を適用した場合を例にとり説明する。まず、炭化珪素からなるn+型の基板1上に炭化珪素からなるn型のエピタキシャル層からなる半導体層2(炭化珪素半導体領域に相当)を形成する。その後、半導体層2上にゲート酸化膜3を積層形成し、さらに導電性材料からなる膜(例えば厚さ0.5μm)を形成し、通常のフォトリソグラフ法によりパターニングして電極膜4(電極に相当)を形成する(図1)。ここで、本実施例では後述する高温の熱処理を行うため、ゲート酸化膜3と電極膜4はそれぞれ高融点の材料から選択する。具体的には、ゲート酸化膜3として窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウムから選択することができる。また電極膜4としてタングステン、タンタル、モリブデン、ハフニウム、あるいはこれらの合金から選択することができる。
【0014】
その後、図示しないマスク膜と電極膜4とをマスク膜として使用して、半導体層2の表面に、ゲート酸化膜3を通してp型不純物(例えばアルミニウム)をイオン注入し、p型のウエル領域5(第1の注入領域に相当)を形成する。このイオン注入は、半導体層2表面に対して斜め方向から不純物イオンを注入する工程を複数回繰り返して行うことにより、電極膜4の端部と一部が重なり(電極膜4の直下に入り込むように)、所望の深さとなるように形成することができる(図2)。
【0015】
具体的には、第1のイオン注入として、加速エネルギー550keV、注入角度0度、ドーズ量2.0×10
12
/cm

、第2のイオン注入として、加速エネルギー300keV、注入角度10度、ドーズ量2.0×10
12
/cm

、第3のイオン注入として、加速エネルギー250keV、注入角度15度、ドーズ量2.0×10
12
/cm

、第4のイオン注入として、加速エネルギー170keV、注入角度20度、ドーズ量2.0×10
12
/cm

、第5のイオン注入として、加速エネルギー80keV、注入角度25度、ドーズ量2.0×10
12
/cm

、第6のイオン注入として、加速エネルギー30keV、注入角度30度、ドーズ量2.0×10
12
/cm

のように多段のイオン注入を行う。その結果、電極膜4に0.5μm程度重なるウエル領域5を形成することができる。
【0016】
電極膜4とウエル領域5の重なりは、イオン注入条件(注入角度、注入深さ等)を適宜制御することで、図面左右方向から同じ寸法だけ均一に形成することができる。ウエル領域5は、後述するチャネル領域を構成する領域となるため、所望のチャネル長となるように電極膜4と重なる寸法を調整すればよい。
【0017】
全面に導電性材料からなる膜を、例えば厚さ1.0μm程度形成する。この膜は、先に形成した電極膜4同様、タングステン、タンタル、モリブデン、ハフニウム、あるいはこれらの合金から選択することができる。その後、全面に形成した導電性材料からなる膜の厚さ程度エッチバックすることにより、電極膜4の側壁に0.7μm程度延出した導電性材料からなるサイドウォール6を形成する。このサイドウォール6は、先に形成した電極膜4と同じ導電性材料を選択すると、エッチバックの際エッチングレートが同じとなり、制御性良く形成することができる。なおサイドウォール6が形成可能であれば、必ずしも電極膜4と同じ導電性材料とする必要はないが、形成されたサイドウォール6が電極膜4と一体となりゲート電極として機能する導電性材料を選択する必要がある。
【0018】
その後、ウエル領域5の一部を酸化膜等からなるマスク膜7で被覆し、マスク膜7、電極膜4およびサイドウォール6をマスク膜として使用して、露出するウエル領域5の表面にn型不純物(例えばリン)をイオン注入し、n型のソース領域8(第2の注入領域に相当)を形成する。このイオン注入も、ウエル領域5(半導体層2)表面に対して斜め方向から不純物イオンを注入することにより、サイドウォール6の端部と一部が重なるように形成することができる(図3)。
【0019】
具体的には、第1のイオン注入として、加速エネルギー150keV、注入角度0度、ドーズ量2.0×10
14
/cm

、第2のイオン注入として、加速エネルギー80keV、注入角度30度、ドーズ量3.5×10
14
/cm

、第3のイオン注入として、加速エネルギー30keV、注入角度45度、ドーズ量1.0×10
15
/cm

のように多段のイオン注入を行う。その結果、サイドウォール6に0.2μm程度重なり、電極膜4とサイドウォール6の直下に1.0μm程度のウエル領域5を残したソース領域8を形成することができる。
【0020】
後述するようにウエル領域5の一部がチャネル領域となるため、電極膜4に自己整合的にウエル領域5を形成し、その後電極膜4およびサイドウォール6に自己整合的にソース領域8を形成することで、所望のチャネル長(上記実施例ではチャネル長は1.0μm)をばらつきなく形成することができる。
【0021】
マスク膜7を除去し、珪素の蒸発を防ぐためグラファイトをスパッタして形成した炭素膜からなる表面保護膜9で全面を被覆する。その後、注入した不純物イオンを活性化するため熱処理を行う。この熱処理温度は、1600℃〜1700℃となるが、上述の通り、電極膜4、サイドウォール6およびゲート酸化膜3は、高融点の材料で構成されているため何ら問題はない(図4)。
【0022】
表面保護膜9とゲート酸化膜3の一部とを除去し、全面に層間絶縁膜10を形成する。その後層間絶縁膜10の一部を除去し、露出するソース領域8に接触するソース電極11と、基板1の裏面に接触するドレイン電極12を形成する(図5)。
【0023】
このように形成した炭化珪素半導体装置は、電極4およびサイドウォール6からなるゲート電極とゲート酸化膜3直下のウエル領域5にチャネル領域13が形成される。このチャネル領域13は、電極膜4に対して自己整合的に形成されたウエル領域5の端部と、サイドウォール6に対して自己整合的に形成されたソース領域8の端部との間に形成されるため、制御性良く形成することができる。その結果、MOSFETのオン抵抗のばらつきが少ない製造方法となる。また、ゲート電極とウエル領域5およびソース領域8との重なりも所望の寸法に制御することで寄生容量の増加が抑えられ、スイッチング特性の優れたMOSFETを形成することが可能となる。さらにまた、所望の耐圧のMOSFETを形成することが可能となる。
【0024】
以下、通常の炭化珪素半導体装置の製造方法同様、配線金属、表面保護膜等を形成し、炭化珪素半導体装置を完成させることができる。
【実施例】
【0025】
次に第2の実施例について、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)の製造工程に本発明を適用した場合を例にとり説明する。まず、炭化珪素からなるp+型の基板1a上に炭化珪素からなるn+型のバッファー層2aを介してn型のエピタキシャル層からなる半導体層2b(炭化珪素半導体領域に相当)を形成する。その後、半導体層2b上にゲート酸化膜3を積層形成し、さらに導電性材料からなる膜(例えば厚さ0.5μm)を形成し、通常のフォトリソグラフ法によりパターニングして電極膜4(電極に相当)を形成する(図6)。ここで、本実施例でも後述する高温の熱処理を行うため、ゲート酸化膜3と電極膜4はそれぞれ高融点の材料から選択する。具体的には、ゲート酸化膜3として窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウムから選択することができる。また電極膜4としてタングステン、タンタル、モリブデン、ハフニウム、あるいはこれらの合金から選択することができる。
【0026】
その後、図示しないマスク膜と電極膜4とをマスク膜として使用して、半導体層2bの表面に、ゲート酸化膜3を通してp型不純物(例えばアルミニウム)をイオン注入し、p型のベース領域14(第1の注入領域に相当)を形成する。このイオン注入は、半導体層2b表面に対して斜め方向から不純物イオンを注入する工程を複数回繰り返すことにより、電極膜4の端部と一部が重なり(電極膜4の直下に入り込むように)、所望の深さとなるように形成することができる(図7)。
【0027】
具体的には、第1のイオン注入として、加速エネルギー550keV、注入角度0度、ドーズ量2.0×10
12
/cm

、第2のイオン注入として、加速エネルギー300keV、注入角度10度、ドーズ量2.0×10
12
/cm

、第3のイオン注入として、加速エネルギー250keV、注入角度15度、ドーズ量2.0×10
12
/cm

、第4のイオン注入として、加速エネルギー170keV、注入角度20度、ドーズ量2.0×10
12
/cm

、第5のイオン注入として、加速エネルギー80keV、注入角度25度、ドーズ量2.0×10
12
/cm

、第6のイオン注入として、加速エネルギー30keV、注入角度30度、ドーズ量2.0×10
12
/cm

のように多段のイオン注入を行う。その結果、電極膜4に0.5μm程度重なるベース領域14を形成することができる。
【0028】
電極膜4とベース領域14の重なりは、イオン注入条件(注入角度、注入深さ等)を適宜制御することで、図面左右方向から同じ寸法だけ均一に形成することができる。ベース領域14は、後述するチャネル領域を構成する領域となるため、所望のチャネル長となるように電極膜4と重なる寸法を調整すればよい。
【0029】
全面に導電性材料からなる膜を、例えば厚さ1.0μm程度形成する。この膜は、先に形成した電極膜4同様、タングステン、タンタル、モリブデン、ハフニウム、あるいはこれらの合金から選択することができる。その後、全面に形成した導電性材料からなる膜の厚さ程度エッチバックすることにより、電極膜4の側壁に0.7μm程度延出した導電性材料からなるサイドウォール6を形成する。このサイドウォール6は、先に形成した電極膜4と同じ導電性材料を選択すると、エッチバックの際エッチングレートが同じとなり、制御性良く形成することができる。なおサイドウォール6が形成可能であれば、必ずしも電極膜4と同じ導電性材料とする必要はないが、形成されるサイドウォール6が電極膜4と一体となりゲート電極として機能する導電性材料を選択する必要がある。
【0030】
その後、ベース領域14の一部を酸化膜等からなるマスク膜7で被覆し、マスク膜7、電極膜4およびサイドウォール6をマスク膜として使用して、露出するベース領域14の表面にn型不純物(例えばリン)をイオン注入し、n型のエミッタ領域15(第2の注入領域に相当)を形成する。このイオン注入も、ベース領域14(半導体層2b)表面に対して斜め方向から不純物イオンを注入することにより、サイドウォール6の端部と一部が重なるように形成することができる(図8)。
(【0031】以降は省略されています)

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