(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024142059
(43)【公開日】2024-10-10
(54)【発明の名称】スーパージャンクション構造を有する半導体装置およびその製造方法
(51)【国際特許分類】
H01L 29/78 20060101AFI20241003BHJP
H01L 29/12 20060101ALI20241003BHJP
H01L 21/336 20060101ALI20241003BHJP
【FI】
H01L29/78 652H
H01L29/78 652J
H01L29/78 652T
H01L29/78 658A
H01L29/78 658G
H01L29/78 658F
【審査請求】未請求
【請求項の数】11
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2023054027
(22)【出願日】2023-03-29
(71)【出願人】
【識別番号】518453730
【氏名又は名称】三安ジャパンテクノロジー株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100171077
【弁理士】
【氏名又は名称】佐々木 健
(72)【発明者】
【氏名】綾 淳
(72)【発明者】
【氏名】中村 浩
(72)【発明者】
【氏名】塩井 伸一
(57)【要約】
【課題】安定して作ることができ、オン抵抗特性が改善されたスーパージャンクション構造を有する半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】第1導電型の半導体で形成されたドレイン層と、前記ドレイン層の一面において第1導電型の半導体で形成されたドリフト層と、前記ドリフト層において複数の第1導電型のカラムと複数の第2導電型のカラムとが交互に並んだカラム構造と、を備え、前記第2導電型のカラムは、断面視において多段ののこぎり状の外側部を有し、前記第2導電型のカラムの多段ののこぎり状の外側部は、隣接する他の第2導電型のカラムの多段ののこぎり状の外側部と、嵌合するように配置されているスーパージャンクション構造を有する半導体装置。
【選択図】
図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1導電型の半導体で形成されたドレイン層と、
前記ドレイン層の一面において第1導電型の半導体で形成されたドリフト層と、
前記ドリフト層において複数の第1導電型のカラムと複数の第2導電型のカラムとが交互に並んだカラム構造と、
を備え、
前記第2導電型のカラムは、断面視において多段ののこぎり状の外側部を有し、
前記第2導電型のカラムの多段ののこぎり状の外側部は、隣接する他の第2導電型のカラムの多段ののこぎり状の外側部と、嵌合するように配置されているスーパージャンクション構造を有する半導体装置。
【請求項2】
前記第2導電型のカラムは、
第2導電型の不純物層と、
前記不純物層の内部に形成された充填層と、
を備えた請求項1に記載の半導体装置。
【請求項3】
前記充填層は、絶縁体または半導体で形成された請求項2に記載の半導体装置。
【請求項4】
前記不純物層の不純物濃度は、1.0×1017cm-3以上1.0×1020cm-3以下である請求項2または請求項3に記載の半導体装置。
【請求項5】
隣接する前記第2導電型のカラム間のピッチは4μm以下である請求項1に記載の半導体装置。
【請求項6】
前記第1導電型のカラムは、第1導電型の炭化珪素で形成され、
前記不純物層は、第2導電型の炭化珪素で形成された請求項2または請求項3に記載の半導体装置。
【請求項7】
第1導電型の半導体で形成されたドレイン層にエピタキシャル成長により第1導電型のドリフト層を形成するドリフト層形成工程と、
前記ドリフト層において、断面視が多段ののこぎり状の外側部となるように複数の第2導電型のカラムを形成する第2導電型カラム形成工程と、
を備え、
前記第2導電型カラム形成工程は、
前記複数の第2導電型のカラムのうち、相互に隣接しない複数の第2導電型のカラムが形成される領域に対応する位置に開口部が形成された第1マスクを用いて、エッチングするエッチング工程と
を含む第1ステップと、
前記第1ステップにより形成が開始された前記複数の第2導電型のカラムおよびこれらと隣接する複数の第2導電型のカラムが形成される領域に対応する位置に開口部が形成された第2マスクを用いて、不純物をイオン注入するイオン注入工程と、前記第2マスクをそのまま用いてイオン注入された領域の一部をエッチングするエッチング工程とを含む第2ステップと
を含むスーパージャンクション構造を有する半導体装置の製造方法。
【請求項8】
前記第1ステップにおけるエッチング工程によるエッチングされる深さは、前記第2ステップにおけるエッチング工程によるエッチングされる深さの半分である請求項7に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項9】
前記第2ステップにおけるイオン注入工程と前記エッチング工程とを繰り返すことで、断面視が多段ののこぎり状の外側部となるように複数の第2導電型のカラムを形成する請求項7に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項10】
前記イオン注入工程は、上面視において、前記不純物が存在する領域の一部が前記マスクの開口部よりも外側に広がるようにイオン注入する請求項7または請求項9に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項11】
前記第2ステップにおける前記イオン注入工程と前記エッチング工程とが繰り返された後、前記エッチング工程により形成された溝を絶縁体または半導体で充填する充填工程を含む請求項9または請求項10に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、スーパージャンクション構造を有する半導体装置およびその製造方法に関連する。
【背景技術】
【0002】
特許文献1および特許文献2は、スーパージャンクション構造を有する半導体装置を開示する。特許文献1に記載された半導体装置においては、第1導電型の半導体に対し、エッチングにより溝が形成される。当該溝に対し、第2導電型の層がエピタキシャル成長により形成される。その結果、スーパージャンクションSJ構造が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2013-102087号公報
【特許文献2】米国特許第8476698号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、特許文献1に記載の半導体装置においては、当該溝に対し、第2導電型の層がエピタキシャル成長により形成される際、当該溝の開口部が塞がりやすい。このため、溝の内部にボイドが残留しやすく、安定して作ることができない。
【0005】
また、特許文献2に記載の半導体装置においては、断面視において、スーパージャンクション構造における、隣接する第1導電型同士の距離および隣接する第2導電型同士の距離が厚み方向の位置によって異なる。このため、不純物濃度を上げることができず、オン抵抗が増加する。
【0006】
本開示は、上述の課題を解決するためになされた。本開示の目的は、安定して作ることができ、オン抵抗特性が改善されたスーパージャンクション構造を有する半導体装置およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本開示に係るスーパージャンクション構造を有する半導体装置は、
第1導電型の半導体で形成されたドレイン層と、
前記ドレイン層の一面において第1導電型の半導体で形成されたドリフト層と、
前記ドリフト層において複数の第1導電型のカラムと複数の第2導電型のカラムとが交互に並んだカラム構造と、
を備え、
前記第2導電型のカラムは、断面視において多段ののこぎり状の外側部を有し、
前記第2導電型のカラムの多段ののこぎり状の外側部は、隣接する他の第2導電型のカラムの多段ののこぎり状の外側部と、嵌合するように配置されているスーパージャンクション構造を有する半導体装置である。
【0008】
前記第2導電型のカラムは、
第2導電型の不純物層と、
前記不純物層の内部に形成された充填層と、
を備えたことが、本開示の一形態とされる。
【0009】
前記充填層は、絶縁体または半導体で形成されたことが、本開示の一形態とされる。
【0010】
前記不純物層の不純物濃度は、1.0×1017cm-3以上1.0×1020cm-3以下であることが、本開示の一形態とされる。
【0011】
隣接する前記第2導電型のカラム間のピッチは4μm以下であることが、本発明の一形態とされる。
【0012】
前記第1導電型のカラムは、第1導電型の炭化珪素で形成され、
前記不純物層は、第2導電型の炭化珪素で形成されたことが、本発明の一形態とされる。
【0013】
本開示に係るスーパージャンクション構造を有する半導体装置の製造方法は、
第1導電型の半導体で形成されたドレイン層にエピタキシャル成長により第1導電型のドリフト層を形成するドリフト層形成工程と、
前記ドリフト層において、断面視が多段ののこぎり状の外側部となるように複数の第2導電型のカラムを形成する第2導電型カラム形成工程と、
を備え、
前記第2導電型カラム形成工程は、
前記複数の第2導電型のカラムのうち、相互に隣接しない複数の第2導電型のカラムが形成される領域に対応する位置に開口部が形成された第1マスクを用いて、エッチングするエッチング工程と
を含む第1ステップと、
前記第1ステップにより形成が開始された前記複数の第2導電型のカラムおよびこれらと隣接する複数の第2導電型のカラムが形成される領域に対応する位置に開口部が形成された第2マスクを用いて、不純物をイオン注入するイオン注入工程と、前記第2マスクをそのまま用いてイオン注入された領域の一部をエッチングするエッチング工程とを含む第2ステップと
を含むスーパージャンクション構造を有する半導体装置の製造方法とした。
【0014】
前記第1ステップにおけるエッチング工程によるエッチングされる深さは、前記第2ステップにおけるエッチング工程によるエッチングされる深さの半分であることが、本開示の一形態とされる。
【0015】
前記第2ステップにおけるイオン注入工程と前記エッチング工程とを繰り返すことで、断面視が多段ののこぎり状の外側部となるように複数の第2導電型のカラムを形成することが、本開示の一形態とされる。
【0016】
前記イオン注入工程は、上面視において、前記不純物が存在する領域の一部が前記マスクの開口部よりも外側に広がるようにイオン注入することが、本開示の一形態とされる。
【0017】
前記第2ステップにおける前記イオン注入工程と前記エッチング工程とが繰り返された後、前記エッチング工程により形成された溝を絶縁体または半導体で充填する充填工程を含むことが、本開示の一形態とされる。
【発明の効果】
【0018】
本開示によれば、オン抵抗特性が改善されたスーパージャンクション構造を有する半導体素子を安定して作ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【
図1】
図1は、実施の形態1における半導体装置の断面図である。
【
図3】
図3は、SJピッチPとオン抵抗の関係を示す図である。
【
図4】
図4は、実施の形態1における半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【
図5】
図5は、実施の形態1における半導体装置の第2導電型の不純物層の形成方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
実施の形態について添付の図面に従って説明する。なお、各図中、同一または相当する部分には同一の符号が付される。当該部分の重複説明は適宜に簡略化ないし省略される。
【0021】
実施の形態1.
図1は実施の形態1における半導体装置1の断面図である。
【0022】
図1において、半導体装置1は、スーパージャンクション構造を有する炭化珪素のプレーナー型MOSFETである。半導体装置1は、ドレイン層2とドリフト層3と複数のボディ層4と複数のソース層5と複数のボディコンタクト層6と複数のゲート絶縁層7と複数のゲート電極層8と複数の層間絶縁層9と複数のソース電極層10と配線電極層11とドレイン電極層12と複数の不純物層13と複数の充填層14とを備える。
【0023】
ドレイン層2は、第1導電型の炭化珪素で形成される。例えば、ドレイン層2は、n
+型の4Hの炭化珪素で形成される。例えば、ドレイン層2は、窒素を不純物として形成される。ドリフト層3は、ドレイン層2の第1面(
図1においては上面)に形成される。ドリフト層3は、ドレイン層2よりも低不純物濃度の第1導電型の炭化珪素で形成される。例えば、ドリフト層3は、n
-型の層である。例えば、ドリフト層3は、エピタキシャル成長によりドレイン層2の上に形成される。
【0024】
複数のボディ層4は、ドリフト層3に形成される。複数のボディ層4は、第2導電型の炭化珪素で形成される。例えば、複数のボディ層4は、p型の層である。例えば、複数のボディ層4は、アルミニウムを不純物としてイオン注入法により形成される。複数のソース層5は、複数のボディ層4のそれぞれに形成される。複数のソース層5は、ドリフト層3よりも高不純物濃度の第1導電型の炭化珪素で形成される。例えば、複数のソース層5は、n+型の層である。例えば、複数のソース層5は、窒素を不純物としてイオン注入法により形成される。複数のボディコンタクト層6は、複数のボディ層4のそれぞれに形成される。複数のボディ層4のそれぞれにおいて、ボディコンタクト層6は、ソース層5に囲まれる。複数のボディコンタクト層6は、複数のボディ層4よりも高不純物濃度の第2導電型の炭化珪素で形成される。例えば、複数のボディコンタクト層6は、p+型の層である。例えば、複数のボディコンタクト層6は、アルミニウムを不純物としてイオン注入法により形成される。
【0025】
複数のゲート絶縁層7は、隣接したボディ層4のそれぞれのソース層5と接触するように形成される。具体的には、複数のゲート絶縁層7は、ドリフト層3と隣接したボディ層4と、その内側に存在するそれぞれのソース層5にまたがるように形成される。例えば、複数のゲート絶縁層7は、熱酸化により二酸化珪素層が形成される。複数のゲート電極層8は、複数のゲート絶縁層7の上にそれぞれ形成される。例えば、複数のゲート電極層8は、CVD法によりポリシリコンで形成される。
【0026】
複数の層間絶縁層9は、複数のゲート電極層8をそれぞれ覆うように形成される。例えば、複数の層間絶縁層9は、CVD法により二酸化珪素で形成される。複数のソース電極層10は、複数のボディ層4のそれぞれに対応して形成される。ソース電極層10は、ソース層5と接触するように形成される。ソース電極層10は、ボディコンタクト層6にまたがるように形成されてもよい。例えば、複数のソース電極層10は、スパッタ法などによりNiなどを成膜し、熱処理して形成される。配線電極層11は、複数のソース電極層10を覆うように形成される。例えば、配線電極層11は、スパッタ法などによりアルミニウム合金などで形成される。
【0027】
ドレイン電極層12は、ドレイン層2の第2面(
図1においては下面)に形成される。例えば、ドレイン電極層12は、スパッタ法などによりNiなどを成膜し、熱処理して形成される。
【0028】
本実施の形態では、カラム構造Cがドリフト層3に形成される。カラム構造Cにおいては、複数の第1導電型のカラムC1と複数の第2導電型のカラムC2とが交互に並ぶ。複数の第1導電型のカラムC1は、ドリフト層3として形成された層の一部である。複数の第2導電型のカラムC2は、ドリフト層3として形成された層と別に形成される。
【0029】
複数の第2導電型のカラムC2の各々は、ソース電極層10の下方に形成される。複数の第2導電型のカラムC2の各々において、上部は、ボディ層4とソース層5とボディコンタクト層6とに囲まれる。複数の第2導電型のカラムC2の各々は、断面視において多段ののこぎり状の外側部を有する。具体的には、複数の第2導電型のカラムC2の各々においては、複数の第1傾斜部A1と複数の第2傾斜部A2とがドリフト層3の厚み方向に交互に並ぶ。第1傾斜部A1は、ドレイン層2の一面(
図1においては上面)から他面(
図1においては下面)に向かうにつれて横方向に広がるように形成される。第2傾斜部A2は、ドレイン層2の一面から他面に向かうにつれて横方向につぼまるように形成される。この際、第2傾斜部A2は、第1傾斜部A1が広がり具合よりも急激な具合でつぼまるように形成される。
【0030】
より具体的には、複数の第2導電型のカラムC2の各々は、不純物層13と充填層14とを備える。不純物層13は、第2導電型のカラムC2の外側部を形成する。不純物層13は、第2導電型の炭化珪素で形成される。不純物層13は、p型の層である。例えば、不純物層13は、アルミニウムを不純物としてイオン注入法により形成される。不純物層13の不純物濃度は、1.0×1017cm-3以上1.0×1020cm-3以下である。充填層14は、不純物層13の内部に形成される。充填層14は、絶縁体または半導体で形成される。例えば、充填層14は、二酸化珪素で形成される。
【0031】
このように、本実施の形態では、ドリフト層3において、複数の第1導電型のカラムC1と複数の第2導電型のカラムC2とが交互に並んで、溝構造が形成される。この構造に、逆方向電圧が印加されると、空乏層が横方向に広がる。その結果、溝の深さ分の空乏層が形成される。この際、溝の間隔の半分だけ空乏層が広がるだけで、溝の深さ分の厚みの空乏層が形成される。
【0032】
スーパージャンクション構造では、溝、溝の間隔は可能な限り細くかつ深くすることが好ましい。
図1に示すカラムCは、ドリフト層3の途中まで形成されていることを示しているが、ドリフト層3全部に亘って形成されてもよい。これにより、オン抵抗をより下げることができる。ドリフト層3の不純物濃度は、スーパージャンクション構造でない場合に比べて5倍程度にまで上げ得る。前記したようにスーパージャンクション構造では、従来のMOSFETとは異なるメカニズムで耐圧が確保される。このため、いわゆるシリコンリミット、SiCのリミットを超える性能が引き出され、オン抵抗を小さくできる。
【0033】
ここで、
図1に示すように、隣接する第2導電型のカラムC2同士は、それぞれの多段ののこぎり状の外側部が、嵌合するように配置されている。すなわち、隣接する第2導電型のカラムC2同士は、深さ方向にのこぎり状外側部の1段分の半分だけずらして配置されている。いいかえれば、断面視において、隣接する第2導電型のカラムC2同士の不純物層13の横方向に広がっている部分と、つぼまっている部分とがほぼ対応する位置関係に配置されている。
【0034】
図1に示す不純物層13の断面視における最大幅13MaxWは0.3μmである。また、
図1に示す不純物層13の断面視における最小幅13MinWは0.1μmである。
【0035】
ここで、
図1に示すスーパージャンクション構造ピッチ(以下「SJピッチ」という。)Pは、隣接する第2導電型のカラムC2同士が配置される間隔を示す。
図1に示す距離L1は、対応する位置関係に配置された、
図1に向かって左側の第2導電型のカラムC2の横方向に広がっている部分と、
図1に向かって右側の第2導電型のカラムC2のつぼまっている部分との距離を示す。
【0036】
図1に示す距離L2は、対応する位置関係に配置された、
図1に向かって左側の第2導電型のカラムC2のつぼまっている部分と、
図1に向かって右側の第2導電型のカラムC2の横方向に広がっている部分との距離を示す。SJピッチPが4μm、充填層14の溝幅Wが1μmのとき、距離L1および距離L2は、いずれも2.6μmになる。これらの距離が最大カラム間距離となる。
【0037】
次に、比較例について説明する。
図2は、比較例の断面図である。
図2に示すように、比較例は、隣接する第2導電型のカラムC2同士は、それぞれの多段ののこぎり状の外側部が、嵌合するように配置されていない。すなわち、隣接する第2導電型のカラムC2同士は、深さ方向にのこぎり状外側部の1段分の半分だけずらして配置されていない。いいかえれば、断面視において、距離L5に示されるように隣接する第2導電型のカラムC2同士の不純物層13の横方向に広がっている部分同士が対応する位置関係に配置され、距離L4に示されるように不純物層13のつぼまっている部分同士が対応する位置関係に配置されている。比較例において、SJピッチPが4μm、充填層14の溝幅Wが1μmのとき、隣接する第2導電型のカラムC2同士の不純物層13のつぼまっている部分同士の距離、すなわち、カラム間の最大距離L4は、2.8μmである。また、隣接する第2導電型のカラムC2同士の不純物層13の広がっている部分同士の距離、L5は、2.4μmである。
【0038】
半導体素子耐圧1200V程度にしたときのSJピッチPを2μm、4μm、10μmとした、本発明と比較例のパラメータを表1に示す。
【0039】
【0040】
表1に示すように、本発明と比較例では、いずれのSJピッチPにおいても、本発明のカラム間の距離のほうが、比較例のカラム間の距離L4よりも最大カラム間距離が小さくなっている。同じ逆方向電圧を印加した場合、本発明によれば、不純物層13の濃度を上げて、空乏層の広がりが少なくしても、隣接するカラムC2間の空乏層をピンチオフ状態にすることができる。不純物層13の濃度を上げることで、オン抵抗がより低減できる。
【0041】
図3は、SJピッチPとオン抵抗の関係を示す図である。実線は本発明の各SJピッチPにおけるオン抵抗値を、破線は比較例の各SJピッチPにおけるオン抵抗値を、それぞれ示している。
図3に示すように、いずれのSJピッチPにおいても、比較例よりも本発明のほうが、オン抵抗値が低い。ここで、一点鎖線は比較例に対する本発明のオン抵抗値の改善割合を示す。
図3に示すように、SJピッチPが小さいほど、改善割合が高いことがわかる。すなわち、本発明は、半導体装置の微細化が進むほど、より高い効果が得られると言える。
【0042】
次に、
図1に示す半導体装置1の製造方法を説明する。
まず、ドリフト層形成工程が行われる。ドリフト層形成工程においては、ドリフト層3がドレイン層2の上に形成される。その後、3種のイオン注入工程が行われる。3種のイオン注入の各々においては、まず、レジストパターンが形成される。その後、イオン注入が行われる。その後、レジストパターンが除去される。その結果、p型のイオン注入部とn
+型のイオン注入部とp
+型のイオン注入部が形成される。p型のイオン注入部は、ボディ層4となる。n
+型のイオン注入部は、ソース層5となる。p
+型のイオン注入部は、ボディコンタクト層6となる。
【0043】
その後、マスクパターン形成工程が行われる。マスクパターン形成工程以降の工程は
図4を用いて説明する。
図4は、半導体装置1の製造方法を説明するための断面図である。なお、第2導電型のカラムはボディ層4とソース層5とボディコンタクト層6が形成された領域に形成されるが、説明の便宜のため
図4においてこれらは省略している。
【0044】
図4(a)に示すように、マスクパターン形成工程においては、ドリフト層3上に二酸化珪素層が形成される。その後、レジストパターンが形成される。その後、ドライエッチングが行われる。その後、レジストパターンが除去される。その結果、二酸化珪素の第1マスクパターン15が形成される。
【0045】
第1マスクパターン15は、後の工程で形成される複数の第2導電型のカラムのうち、相互に隣接しない複数の第2導電型のカラムが形成される領域に対応する位置に開口部が形成されている。
【0046】
ここで、
図4(a)に示すように、ドリフト層3の一部をエッチングする。このときのエッチング量は、後の工程により形成される第2導電型のカラムの断面視における外側部の多段ののこぎり状の形状を形成する一段の半分の量である。例えば、エッチング量は、0.25μmとすることができる。図示しないが、第1マスクパターン15を用いて、ドリフト層3をエッチングする前に、不純物をイオン注入してもよい。その後、第1マスクパターン15を除去する。
【0047】
つぎに、
図4(b)に示すように、二酸化珪素の第2マスクパターン16を形成する。第2マスクパターン16は、第1マスクパターン15よりも厚く形成される。
【0048】
例えば、SF6-O2-Ar雰囲気のICP-RIEによる炭化珪素エッチングでは、第1マスクパターン15と第2マスクパターン16の素材である二酸化珪素との選択比は8にできる。この場合、エッチング工程において第2マスクパターン16が目減りするとしても、同じマスクパターンを使って、イオン注入工程とエッチング工程とを複数回繰り返すことができる。例えば、第2マスクパターン16の膜厚を2μmにした場合、選択比が8であることから、炭化珪素層の膜厚16μmまでエッチング可能となる。このことは、スーパージャンクション構造を有しない耐圧1200V程度の炭化珪素半導体装置のドリフト層3の厚み(10μm前後)より深くエッチングできることを意味する。ここで、エッチングの選択比だけでなく、イオン注入による第2マスクパターン16への不純物の侵入深さも考慮し、不純物が第2マスクパターン16を突き抜けてドリフト層3に侵入しないように、適宜第2マスクパターン16の厚みを設定する必要がある。例えば、選択比が8の第2マスクパターン16を用いて、ドリフト層3を10μmエッチングすると、第2マスクパターン16の目減り量は1.25μmとなる。また、イオン注入時に第2マスクパターン16がマスクとして機能する必要厚みは、マスク材が二酸化珪素の場合、1μm程度となる。この場合、第2マスクパターン16の厚みは少なくとも2.25μm必要である。製造マージンを考慮して、第2マスクパターン16の厚みは、例えば、2.5μmとすることが好適である。ドリフト層3が10μmの場合には、第2マスクパターン16の膜厚を例えば、2.5μmとすることができ、オン抵抗特性が改善された半導体装置1をより安定的に製造することができる。
【0049】
第2マスクパターン16は、第1マスクパターン15により形成が開始された複数の第2導電型のカラムおよびこれらと隣接する複数の第2導電型のカラムが形成される領域に対応する位置に開口部が形成されている。
【0050】
つぎに、
図4(c)に示すように、イオン注入工程を行う。具体的には、イオン注入工程においては、第2マスクパターン16の開口部に対応した位置でアルミニウム等の不純物がドリフト層3にイオン注入される。この際、上面視において、不純物が存在する領域の一部がマスクパターンの開口部よりも外側に広がるようにイオン注入が行われる。その結果、p型の不純物層13が形成される。
【0051】
つぎに、
図4(d)に示すように、第2マスクパターン16をそのまま用いて、エッチング工程を行う。エッチング工程においては、第2マスクパターン16の開口部に対応した位置で、不純物層13がエッチングされる。この際、第2マスクパターン16もエッチングの選択比に応じて目減りする。
【0052】
つぎに、
図4(e)に示すように、第2マスクパターン16をそのまま用いて、再度イオン注入工程を行う。再度のイオン注入工程においては、
図4(c)で説明した内容と同様である。その後、図示しないが、
図4(d)で説明した内容と同様に、エッチング工程を行う。
【0053】
その後、
図4(c)で説明したイオン注入工程と
図4(d)で説明したエッチング工程を所望の回数繰り返す。このように、イオン注入工程とエッチング工程とが交互に複数回行われる。
図4(d)で説明した、最後のエッチング工程が終了すると、
図1に示すように、多段ののこぎり状の不純物層13が形成される。その後、第2マスクパターン16の除去工程が行われる。マスクパターン除去工程においては、第2マスクパターン16が除去される。
【0054】
その後、カーボンキャップ形成工程が行われる。カーボンキャップ形成工程においては、カーボンキャップ層が形成される。その後、アニール工程が行われる。アニール工程においては、イオン注入された不純物元素(ドーパント)を活性化させるために、アニール処理が高温の雰囲気の中で行われる。その後、カーボンキャップ除去工程が行われる。カーボンキャップ除去工程においては、カーボンキャップ層が除去される。
【0055】
その後、充填工程が行われる。充填工程においては、例えば、CVD法などにより二酸化珪素を用いて、エッチング工程により形成された溝に充填する。その後、エッチバック工程が行われる。エッチバック工程においては、二酸化珪素がドリフト層3の上面まで除去される。その結果、充填層14が形成される。
【0056】
その後、ゲート絶縁層形成工程が行われる。ゲート絶縁層形成工程においては、熱酸化法などによりゲート絶縁膜が形成される。その後、レジストパターンが形成される。その後、ゲート絶縁膜がエッチングされる。その後、レジストパターンが除去される。その結果、ゲート絶縁層7が形成される。
【0057】
その後、ゲート電極層形成工程が行われる。ゲート電極層形成工程においては、CVD法などによりポリシリコン膜が形成される。その後、レジストパターンが形成される。その後、ポリシリコン膜がエッチングされる。その後、レジストパターンが除去される。その結果、ゲート電極層8が形成される。その後、ソース電極層形成工程が行われる。ソース電極層形成工程においては、スパッタ法などによりNiなどの金属膜が形成される。その後、レジストパターンが形成される。その後、金属膜がエッチングされる。その後、レジストパターンが除去される。その後、メタルシンターなどの熱処理が行われる。その結果、ソース電極層10が形成される。
【0058】
その後、層間絶縁層形成工程が行われる。層間絶縁層形成工程においては、CVD法などにより二酸化珪素などの層間絶縁層9が形成される。その後、配線電極層形成工程が行われる。配線電極層形成工程においては、スパッタ法などによりアルミ合金などの配線電極層11が形成される。その後、ドレイン電極層形成工程が行われる。ドレイン電極層形成工程においては、スパッタ法などによりNiなどの金属膜が形成される。その後、レーザーアニールなどの熱処理が行われる。その結果、ドレイン電極層12が形成される。
【0059】
次に、
図5を用いて、第2導電型の不純物層13の形成方法を説明する。
図5は実施の形態1における半導体装置の第2導電型の不純物層の形成方法を説明するための図である。
【0060】
図5は、アルミニウムを不純物として炭化珪素のドリフト層3の中央一点に図の上からイオン注入した際のプロファイルを示す。
図5に示されるように、各イオン注入工程においては、不純物は、炭化珪素のドリフト層3内に放射状に広がる。この際、不純物は、例えば0.5μmから0.7μm程度の深さまで到達する。また、不純物の横方向の広がりは、例えば0.2μm~0.3μmである。
図5においては示されないが、このようなイオン注入を前記したように炭化珪素のドリフト層3のエッチングにより深さを変えて繰り返すことで、複数の第2導電型のカラムC2の各々において、外側部は、複数の第1傾斜部A1と複数の第2傾斜部A2とがドリフト層3の厚み方向に交互に並び、多段ののこぎり状に形成される。
【0061】
以上で説明された実施の形態1によれば、複数の第2導電型のカラムC2は、断面視において多段ののこぎり状の外側部を有し、複数の第2導電型のカラムC2の多段ののこぎり状の外側部は、隣接する他の第2導電型のカラムの多段ののこぎり状の外側部と、嵌合するように配置されている。すなわち、隣接する第2導電型のカラムC2同士は、深さ方向にのこぎり状外側部の1段分の半分だけずらして配置されている。第2導電型のカラムC2は、不純物層13と充填層14とで形成される。このため、オン抵抗特性が改善されたスーパージャンクション構造を有する半導体装置1を容易に製造することができる。
【0062】
なお、複数の第2導電型のカラムC2の断面視において、ボディ層4またはボディコンタクト層6よりも上の不純物層13はなくてもよい。この場合、イオン注入工程の回数が減り、オン抵抗特性が改善された半導体装置1をより安価に製造することができる。
【0063】
また、充填層14は、絶縁体または半導体で形成される。このため、オン抵抗特性が改善された半導体装置1をより容易に製造することができる。
【0064】
また、不純物層13の不純物濃度は、1.0×1017cm-3以上1.0×1020cm-3以下である。このため、改善されたオン抵抗特性をより確実に得ることができる。
【0065】
また、第1導電型のカラムC1は、第1導電型の炭化珪素で形成される。不純物層13は、第2導電型の炭化珪素で形成される。このため、炭化珪素の半導体装置1において、オン抵抗特性が改善され、安定して作ることができる。
【0066】
また、ドリフト層3において、断面視が多段ののこぎり状の外側部となるように複数の第2導電型のカラムC2が形成される。このため、オン抵抗特性が改善された半導体装置1を容易に製造することができる。
【0067】
また、エッチング工程とイオン注入工程とが繰り返されることで、断面視が多段ののこぎり状の外側部となるように複数の第2導電型のカラムC2が形成される。エッチング工程において、マスクパターンは、繰り返し用いられる。このため、各段毎のマスク用二酸化珪素層の成膜や、フォトリソグラフィや、エッチングや、レジスト除去やマスク除去が不要となる。
【0068】
本発明を使わずに、高アスペクト比での深い領域のカラムC2の溝側壁部に不純物層を形成する方法の一つに、開口部より斜めにイオン注入する方法がある。溝が高アスペクトになるほど、イオン注入角度が注入面であるカラムC2の溝側壁に垂直な方向から水平に近づく。その場合、イオンは、表面で反射し、溝側壁内に侵入しにくくなり、イオン注入の効率が悪い。不純物層13に必要な不純物濃度にするために、垂直にイオン注入するよりもドーズ量を多くする必要があり、長時間を要することになり、生産性が低下する。また、カラムC2の上部と下部で不純物層13の濃度を均等にすることが困難となる。
【0069】
本発明のイオン注入方式では、垂直イオン注入による炭化珪素ドリフト層3内の横広がりを利用することができる。このため、前記のようなイオン注入プロセスの困難さが軽減される。その結果、オン抵抗特性が改善された半導体装置1を容易に製造することができる。
【0070】
また、イオン注入工程では、上面視において、不純物が存在する領域の一部がマスクパターンの開口部よりも外側に広がるようにイオン注入が行われる。このため、オン抵抗特性が改善された半導体装置1を容易に製造することができる。
【0071】
また、イオン注入工程とエッチング工程とが繰り返された後、エッチング工程により形成された溝は、絶縁体または半導体で充填される。このため、エピタキシャル法により第2導電型の炭化珪素で充填されるよりもボイドを発生しにくい。その結果、オン抵抗特性が改善された半導体装置1を容易に製造することができる。
【0072】
また、半導体装置1は、スーパージャンクション構造を有する炭化珪素のトレンチ型MOSFETとすることもできる。トレンチ型MOSFET半導体装置1においても、複数の第2導電型のカラムC2は、断面視において多段ののこぎり状の外側部を有し、複数の第2導電型のカラムC2の多段ののこぎり状の外側部は、隣接する他の第2導電型のカラムの多段ののこぎり状の外側部と、嵌合するように配置されている。すなわち、隣接する第2導電型のカラムC2同士は、深さ方向にのこぎり状外側部の1段分の半分だけずらして配置されている。第2導電型のカラムC2は、不純物層13と充填層14とで形成される。このため、オン抵抗特性が改善されたスーパージャンクション構造を有するトレンチ型MOSFET半導体装置1を容易に製造することができる。
【0073】
なお、実施の形態1の半導体装置1において、第1導電型をp型とし、第2導電型をn型としてもよい。この場合も、改善されたオン抵抗特性を得ることができる。
【0074】
また、実施の形態1の構成を珪素を主成分とする半導体装置1に適用してもよい。この場合も、改善されたオン抵抗特性を得ることができる。
【0075】
少なくとも一つの実施形態のいくつかの側面が説明されたが、様々な改変、修正および改善が当業者にとって容易に想起されることを理解されたい。かかる改変、修正および改善は、本開示の一部となることが意図され、かつ、本開示の範囲内にあることが意図される。
【0076】
理解するべきことだが、ここで述べられた方法および装置の実施形態は、上記説明に記載され又は添付図面に例示された構成要素の構造および配列の詳細への適用に限られない。方法および装置は、他の実施形態で実装し、様々な態様で実施又は実行することができる。
【0077】
特定の実装例は、例示のみを目的としてここに与えられ、限定されることを意図しない。
【0078】
本開示で使用される表現および用語は、説明目的であって、限定としてみなすべきではない。ここでの「含む」、「備える」、「有する」、「包含する」およびこれらの変形の使用は、以降に列挙される項目およびその均等物並びに付加項目の包括を意味する。
【0079】
「又は(若しくは)」の言及は、「又は(若しくは)」を使用して記載される任意の用語が、当該記載の用語の一つの、一つを超える、およびすべてのものを示すように解釈され得る。
【0080】
前後左右、頂底上下、横縦、表裏への言及は、いずれも、記載の便宜を意図する。当該言及は、本開示の構成要素がいずれか一つの位置的又は空間的配向に限られるものではない。したがって、上記説明および図面は、例示にすぎない。
【符号の説明】
【0081】
1 半導体装置、 2 ドレイン層、 3 ドリフト層、 4 ボディ層、 5 ソース層、 6 ボディコンタクト層、 7 ゲート絶縁層、 8 ゲート電極層、 9 層間絶縁層、 10 ソース電極層、 11 配線電極層、 12 ドレイン電極層、 13 不純物層、 14 充填層、 15、16 二酸化珪素層