(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-12-15
(45)【発行日】2023-12-25
(54)【発明の名称】半導体装置
(51)【国際特許分類】
H01L 29/78 20060101AFI20231218BHJP
H01L 29/12 20060101ALI20231218BHJP
H01L 29/739 20060101ALI20231218BHJP
【FI】
H01L29/78 652J
H01L29/78 652T
H01L29/78 652F
H01L29/78 655A
(21)【出願番号】P 2020122515
(22)【出願日】2020-07-17
【審査請求日】2022-07-05
(73)【特許権者】
【識別番号】000003078
【氏名又は名称】株式会社東芝
(73)【特許権者】
【識別番号】317011920
【氏名又は名称】東芝デバイス&ストレージ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100119035
【氏名又は名称】池上 徹真
(74)【代理人】
【識別番号】100141036
【氏名又は名称】須藤 章
(74)【代理人】
【識別番号】100178984
【氏名又は名称】高下 雅弘
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 拓馬
(72)【発明者】
【氏名】蟹江 創造
(72)【発明者】
【氏名】太田 千春
(72)【発明者】
【氏名】小幡 進
(72)【発明者】
【氏名】後藤 和久
【審査官】鈴木 聡一郎
(56)【参考文献】
【文献】特開2015-216348(JP,A)
【文献】特開2015-015493(JP,A)
【文献】特開2018-101789(JP,A)
【文献】特開2020-109793(JP,A)
【文献】特開2012-244083(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01L 29/78
H01L 29/12
H01L 29/739
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1の面と、前記第1の面に対向する第2の面と、を有する炭化珪素層であって、
第1導電形の第1の炭化珪素領域と、
前記第1の炭化珪素領域と前記第1の面との間に位置する第2導電形の第2の炭化珪素領域と、
前記第1の炭化珪素領域と前記第1の面との間に位置し、前記第2の炭化珪素領域との間に前記第1の炭化珪素領域を挟む第2導電形の第3の炭化珪素領域と、
前記第2の炭化珪素領域と前記第1の面との間に位置する第1導電形の第4の炭化珪素領域と、
前記第3の炭化珪素領域と前記第1の面との間に位置する第1導電形の第5の炭化珪素領域と、
前記第1の炭化珪素領域と前記第1の面との間に位置し、前記第2の炭化珪素領域と前記第3の炭化珪素領域との間に位置する第2導電形の第6の炭化珪素領域と、
少なくとも一部が前記第6の炭化珪素領域の中に位置する結晶欠陥と、
を含む炭化珪素層と、
前記炭化珪素層の前記第1の面の側に位置するゲート電極と、
前記第2の炭化珪素領域と前記ゲート電極との間、前記第3の炭化珪素領域と前記ゲート電極との間、及び前記第6の炭化珪素領域と前記ゲート電極との間に位置するゲート絶縁層と、
前記炭化珪素層の前記第1の面の側に位置する第1の電極と、
前記炭化珪素層の前記第2の面の側に位置する第2の電極と、
を備
え、
前記第2の炭化珪素領域及び前記第3の炭化珪素領域を含み前記第1の面に垂直な断面において、前記第6の炭化珪素領域の深さは一定である、半導体装置。
【請求項2】
前記ゲート絶縁層は前記第6の炭化珪素領域に接する請求項1記載の半導体装置。
【請求項3】
前記第6の炭化珪素領域は、前記第2の炭化珪素領域及び前記第3の炭化珪素領域に接する請求項1又は請求項2記載の半導体装置。
【請求項4】
前記第6の炭化珪素領域の深さは、前記第2の炭化珪素領域の深さ及び前記第3の炭化珪素領域の深さよりも浅い請求項1ないし請求項3いずれか一項記載の半導体装置。
【請求項5】
前記第6の炭化珪素領域の第2導電形不純物濃度は、前記第2の炭化珪素領域の第2導電形不純物濃度及び前記第3の炭化珪素領域の第2導電形不純物濃度よりも小さい請求項1ないし請求項4いずれか一項記載の半導体装置。
【請求項6】
前記第6の炭化珪素領域の第2導電形不純物濃度は、1×10
18cm
-3以上である請求項1ないし請求項5いずれか一項記載の半導体装置。
【請求項7】
前記結晶欠陥は前記第1の面に接する請求項1ないし請求項6いずれか一項記載の半導体装置。
【請求項8】
前記結晶欠陥の一部は前記第1の炭化珪素領域の中に位置する請求項1ないし請求項7いずれか一項記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【0002】
次世代の半導体デバイス用の材料として炭化珪素(SiC)が期待されている。炭化珪素はシリコン(Si)と比較して、バンドギャップが3倍、破壊電界強度が約10倍、熱伝導率が約3倍と優れた物性を有する。この特性を活用すれば高耐圧、低損失かつ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】
炭化珪素を用いたMetal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor(MOSFET)では、高い信頼性を備えたゲート絶縁層が要求される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明が解決しようとする課題は、ゲート絶縁層の信頼性の向上が可能な半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
実施形態の半導体装置は、第1の面と、前記第1の面に対向する第2の面と、を有する炭化珪素層であって、第1導電形の第1の炭化珪素領域と、前記第1の炭化珪素領域と前記第1の面との間に位置する第2導電形の第2の炭化珪素領域と、前記第1の炭化珪素領域と前記第1の面との間に位置し、前記第2の炭化珪素領域との間に前記第1の炭化珪素領域を挟む第2導電形の第3の炭化珪素領域と、前記第2の炭化珪素領域と前記第1の面との間に位置する第1導電形の第4の炭化珪素領域と、前記第3の炭化珪素領域と前記第1の面との間に位置する第1導電形の第5の炭化珪素領域と、前記第1の炭化珪素領域と前記第1の面との間に位置し、前記第2の炭化珪素領域と前記第3の炭化珪素領域との間に位置する第2導電形の第6の炭化珪素領域と、少なくとも一部が前記第6の炭化珪素領域の中に位置する結晶欠陥と、を含む炭化珪素層と、前記炭化珪素層の前記第1の面の側に位置するゲート電極と、前記第2の炭化珪素領域と前記ゲート電極との間、前記第3の炭化珪素領域と前記ゲート電極との間、及び前記第6の炭化珪素領域と前記ゲート電極との間に位置するゲート絶縁層と、前記炭化珪素層の前記第1の面の側に位置する第1の電極と、前記炭化珪素層の前記第2の面の側に位置する第2の電極と、を備え、前記第2の炭化珪素領域及び前記第3の炭化珪素領域を含み前記第1の面に垂直な断面において、前記第6の炭化珪素領域の深さは一定である。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【
図6】第1の実施形態の半導体装置の作用及び効果の説明図。
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明では、同一又は類似の部材などには同一の符号を付し、一度説明した部材などについては適宜その説明を省略する。
【0009】
また、以下の説明において、n+、n、n-及び、p+、p、p-の表記がある場合は、各導電形における不純物濃度の相対的な高低を表す。すなわちn+はnよりもn形不純物濃度が相対的に高く、n-はnよりもn形不純物濃度が相対的に低いことを示す。また、p+はpよりもp形不純物濃度が相対的に高く、p-はpよりもp形不純物濃度が相対的に低いことを示す。なお、n+形、n-形を単にn形、p+形、p-形を単にp形と記載する場合もある。
【0010】
不純物濃度は、例えば、Secondary Ion Mass Spectrometry(SIMS)により測定することが可能である。また、不純物濃度の相対的な高低は、例えば、Scanning Capacitance Microscopy(SCM)で求められるキャリア濃度の高低から判断することも可能である。また、不純物領域の幅や深さ等の距離は、例えば、SIMSで求めることが可能である。また。不純物領域の幅や深さ等の距離は、例えば、SCM像から求めることが可能である。また、不純物領域の幅や深さ等の距離の大小関係は、例えば、Scanning Electron Microscope(SEM)の画像から求めることが可能である。
【0011】
絶縁層の厚さ等は、例えば、SIMSやTransmission Electron Microscope(TEM)の画像上で計測することが可能である。
【0012】
なお、本明細書中でp形の炭化珪素領域の「p形不純物濃度」とは、当該領域のp形不純物濃度から当該領域のn形不純物濃度を引いた正味(net)のp形不純物濃度を意味する。また、n形の炭化珪素領域の「n形不純物濃度」とは、当該領域のn形不純物濃度から当該領域のp形不純物濃度を引いた正味(net)のn形不純物濃度を意味する。
【0013】
また、明細書中に別段の記述がない限り特定の領域の不純物濃度とは、当該領域の最大不純物濃度を意味するものとする。
【0014】
(第1の実施形態)
第1の実施形態の半導体装置は、第1の面と、第1の面に対向する第2の面と、を有する炭化珪素層であって、第1導電形の第1の炭化珪素領域と、第1の炭化珪素領域と第1の面との間に位置する第2導電形の第2の炭化珪素領域と、第1の炭化珪素領域と第1の面との間に位置し、第2の炭化珪素領域との間に第1の炭化珪素領域を挟む第2導電形の第3の炭化珪素領域と、第2の炭化珪素領域と第1の面との間に位置する第1導電形の第4の炭化珪素領域と、第3の炭化珪素領域と第1の面との間に位置する第1導電形の第5の炭化珪素領域と、第1の炭化珪素領域と第1の面との間に位置し、第2の炭化珪素領域と第3の炭化珪素領域との間に位置する第2導電形の第6の炭化珪素領域と、少なくとも一部が第6の炭化珪素領域の中に位置する結晶欠陥と、を含む炭化珪素層と、炭化珪素層の第1の面の側に位置するゲート電極と、第2の炭化珪素領域とゲート電極との間、第3の炭化珪素領域とゲート電極との間、及び第6の炭化珪素領域とゲート電極との間に位置するゲート絶縁層と、炭化珪素層の第1の面の側に位置する第1の電極と、炭化珪素層の第2の面の側に位置する第2の電極と、を備える
【0015】
第1の実施形態の半導体装置は、MOSFET100である。MOSFET100は、ベース領域とソース領域をイオン注入で形成する、Double Implantation MOSFET(DIMOSFET)である。また、MOSFET100は、電子をキャリアとするnチャネル型のMOSFETである。以下、第1導電形がn形、第2導電形がp形である場合を例に説明する。
【0016】
図1は、第1の実施形態の半導体装置の模式断面図である。
図2は、第1の実施形態の半導体装置の模式上面図である。
図3は、第1の実施形態の半導体装置の模式断面図である。
【0017】
【0018】
MOSFET100は、炭化珪素層10、ソース電極12(第1の電極)、ドレイン電極14(第2の電極)、ゲート電極16、ゲート絶縁層18、層間絶縁層20を備える。
【0019】
炭化珪素層10は、n+形のドレイン領域22、n-形のドリフト領域24(第1の炭化珪素領域)、p形の第1のボディ領域26a(第2の炭化珪素領域)、p形の第2のボディ領域26b(第3の炭化珪素領域)、n+形の第1のソース領域28a(第4の炭化珪素領域)、n+形の第2のソース領域28b(第5の炭化珪素領域)、p+形の第1のコンタクト領域30a、p+形の第2のコンタクト領域30b、p形のパッチ領域32(第6の炭化珪素領域)、及び、結晶欠陥34を含む。
【0020】
炭化珪素層10は、ソース電極12とドレイン電極14との間に位置する。炭化珪素層10は、第1の面(
図1中“P1”)と第2の面(
図1中“P2”)とを備える。
【0021】
第2の面P2は、第1の面P1に対向する。第2の面P2は、第1の面P1に対して平行である。
【0022】
第1の方向及び第2の方向は第1の面P1に対して平行な方向である。また、第2の方向は第1の方向に直交する方向である。また、第3の方向は第1の面P1に対して垂直な方向である。第3の方向は第1の方向及び第2の方向に対して垂直な方向である。
【0023】
以下、「深さ」とは、第1の面P1を基準とする深さを意味する。「深さ」とは、第1の面P1を基準とする第3の方向の距離である。
【0024】
炭化珪素層10は、単結晶のSiCである。炭化珪素層10は、例えば、4H-SiCである。炭化珪素層10の第1の面P1は、例えば、シリコン面に対し0度以上8度以下傾斜した面である。シリコン面は、(0001)面である。炭化珪素層10の第3の方向の厚さは、例えば、5μm以上500μm以下である。
【0025】
ソース電極12は、炭化珪素層10の第1の面P1側に位置する。ソース電極12は、炭化珪素層10の第1の面P1の上に設けられる。ソース電極12は、第1の面P1に接する。
【0026】
ソース電極12は、金属を含む。ソース電極12は、例えば、アルミニウム(Al)又はチタン(Ti)を含む。ソース電極12は、例えば、第1の面P1と接する部分にシリサイド領域を含んでも構わない。
【0027】
ソース電極12は、第1のソース領域28a、第2のソース領域28b、第1のコンタクト領域30a、及び第2のコンタクト領域30bに電気的に接続される。ソース電極12は、例えば、第1のソース領域28a、第2のソース領域28b、第1のコンタクト領域30a、及び第2のコンタクト領域30bに接する。
【0028】
ドレイン電極14は、炭化珪素層10の第2の面P2側に位置する。ドレイン電極14は、炭化珪素層10の第2の面P2上に設けられる。ドレイン電極14は、第2の面P2に接する。
【0029】
ドレイン電極14は、例えば、金属又は金属半導体化合物である。ドレイン電極14は、例えば、ニッケルシリサイド、チタン(Ti)、ニッケル(Ni)、銀(Ag)及び金(Au)から成る群から選ばれる少なくとも一つの材料を含む。
【0030】
ドレイン電極14は、ドレイン領域22に電気的に接続される。ドレイン電極14は、例えば、ドレイン領域22に接する。
【0031】
ゲート電極16は、炭化珪素層10の第1の面P1側に位置する。ゲート電極16は、例えば、第1の方向に延びる。
【0032】
ゲート電極16は、導電層である。ゲート電極16は、例えば、p形不純物又はn形不純物を含む多結晶質シリコンである。
【0033】
ゲート絶縁層18は、ゲート電極16と炭化珪素層10との間に位置する。ゲート絶縁層18は、第1のボディ領域26aとゲート電極16との間、第2のボディ領域26bとゲート電極16との間、及びパッチ領域32とゲート電極16との間に位置する。
【0034】
ゲート絶縁層18は、例えば、シリコン酸化膜である。ゲート絶縁層18には、例えば、高誘電率絶縁膜を適用することも可能である。また、ゲート絶縁層18には、例えば、シリコン酸化膜と高誘電率絶縁膜との積層膜を適用することも可能である。
【0035】
ゲート絶縁層18の第3の方向の厚さは、例えば、30nm以上100nm以下である。
【0036】
層間絶縁層20は、ゲート電極16上に設けられる。層間絶縁層20は、ゲート電極16とソース電極12との間に設けられる。
【0037】
層間絶縁層20の第3の方向の厚さは、例えば、ゲート絶縁層18の第3の方向の厚さよりも厚い。層間絶縁層20は、例えば、シリコン酸化膜である。層間絶縁層20は、ゲート電極16とソース電極12を電気的に分離する。
【0038】
n+形のドレイン領域22は、炭化珪素層10の第2の面P2側に設けられる。ドレイン領域22は、例えば、窒素(N)をn形不純物として含む。ドレイン領域22のn形不純物濃度は、例えば、1×1018cm-3以上1×1021cm-3以下である。
【0039】
n-形のドリフト領域24は、ドレイン領域22上に設けられる。ドリフト領域24は、ドレイン領域22と第1の面P1との間に位置する。
【0040】
ドリフト領域24の一部は、第1の面P1に接する。ドリフト領域24の一部は、ゲート絶縁層18に接する。
【0041】
ドリフト領域26は、例えば、窒素(N)をn形不純物として含む。ドリフト領域24のn形不純物濃度は、ドレイン領域22のn形不純物濃度よりも低い。ドリフト領域24のn形不純物濃度は、例えば、4×1014cm-3以上1×1018cm-3以下である。
【0042】
ドリフト領域24は、例えば、ドレイン領域22の上にエピタキシャル成長により形成されたSiCのエピタキシャル成長層である。ドリフト領域24の第2の方向の厚さは、例えば、5μm以上500μm以下である。
【0043】
p形の第1のボディ領域26aは、ドリフト領域24と第1の面P1との間に位置する。第1のボディ領域26aは、第1の面P1に接する。第1のボディ領域26aは、ゲート絶縁層18と接する。第1のボディ領域26aは、例えば、第1の方向に延びる。
【0044】
第1のボディ領域26aは、MOSFET100のチャネル形成領域として機能する。例えば、MOSFET100のオン動作時に、第1のボディ領域26aのゲート絶縁層18と接する領域に電子が流れるチャネルが形成される。第1のボディ領域26aのゲート絶縁層18と接する領域が、チャネル形成領域となる。
【0045】
第1のボディ領域26aは、例えば、アルミニウム(Al)をp形不純物として含む。第1のボディ領域26aのp形不純物濃度は、例えば、5×1016cm-3以上5×1019cm-3以下である。
【0046】
第1のボディ領域26aの深さは、例えば、0.4μm以上0.8μm以下である。第1のボディ領域26aの第3の方向の厚さは、例えば、0.1μm以上0.3μm以下である。
【0047】
p形の第2のボディ領域26bは、ドリフト領域24と第1の面P1との間に位置する。第2のボディ領域26bは、第1の面P1に接する。第2のボディ領域26bは、ゲート絶縁層18と接する。第2のボディ領域26bと第1のボディ領域26aとの間に、ドリフト領域24の一部が挟まれる。第2のボディ領域26bは、例えば、第1の方向に延びる。
【0048】
第2のボディ領域26bは、MOSFET100のチャネル形成領域として機能する。例えば、MOSFET100のオン動作時に、第2のボディ領域26bのゲート絶縁層18と接する領域に電子が流れるチャネルが形成される。第2のボディ領域26bのゲート絶縁層18と接する領域が、チャネル形成領域となる。
【0049】
第2のボディ領域26bは、例えば、アルミニウム(Al)をp形不純物として含む。第2のボディ領域26bのp形不純物濃度は、例えば、5×1016cm-3以上5×1019cm-3以下である。
【0050】
第2のボディ領域26bの深さは、例えば、0.4μm以上0.8μm以下である。第2のボディ領域26bの第3の方向の厚さは、例えば、0.1μm以上0.3μm以下である。
【0051】
n+形の第1のソース領域28aは、第1のボディ領域26aと第1の面P1との間に位置する。第1のソース領域28aは、第1の面P1に接する。第1のソース領域28aは、例えば、ソース電極12に接する。第1のソース領域28aは、例えば、第1の方向に延びる。
【0052】
第1のソース領域28aは、例えば、リン(P)をn形不純物として含む。第1のソース領域28aのn形不純物濃度は、ドリフト領域24のn形不純物濃度よりも高い。第1のソース領域28aのn形不純物濃度は、例えば、1×1019cm-3以上1×1021cm-3以下である。
【0053】
第1のソース領域28aの深さは、第1のボディ領域26aの深さよりも浅い。第1のソース領域28aの深さは、例えば、0.1μm以上0.4μm以下である。
【0054】
n+形の第2のソース領域28bは、第2のボディ領域26bと第1の面P1との間に位置する。第2のソース領域28bは、第1の面P1に接する。第2のソース領域28bは、例えば、ソース電極12に接する。第2のソース領域28bは、例えば、第1の方向に延びる。
【0055】
第2のソース領域28bは、例えば、リン(P)をn形不純物として含む。第2のソース領域28bのn形不純物濃度は、ドリフト領域24のn形不純物濃度よりも高い。第2のソース領域28bのn形不純物濃度は、例えば、1×1019cm-3以上1×1021cm-3以下である。
【0056】
第2のソース領域28bの深さは、第2のボディ領域26bの深さよりも浅い。第2のソース領域28bの深さは、例えば、0.1μm以上0.4μm以下である。
【0057】
p+形の第1のコンタクト領域30aは、第1のボディ領域26aと第1の面P1との間に位置する。第1のコンタクト領域30aは、第1のソース領域28aに隣り合う。第1のコンタクト領域30aは、第1の面P1に接する。第1のコンタクト領域30aは、例えば、ソース電極12に接する。第1のコンタクト領域30aは、例えば、第1の方向に延びる。
【0058】
第1のコンタクト領域30aは、ソース電極12のコンタクト抵抗を低減する機能を有する。第1のコンタクト領域30aを設けることにより、ソース電極12と第1のボディ領域26aとの間の電気抵抗が低減する。
【0059】
第1のコンタクト領域30aは、例えば、アルミニウム(Al)をp形不純物として含む。第1のコンタクト領域30aのp形不純物濃度は、第1のボディ領域26aのp形不純物濃度よりも高い。
【0060】
第1のコンタクト領域30aのp形不純物濃度は、例えば、1×1019cm-3以上1×1021cm-3以下である。第1のコンタクト領域30aの深さは、例えば、第1のボディ領域26aの深さよりも浅い。
【0061】
p+形の第2のコンタクト領域30bは、第2のボディ領域26bと第1の面P1との間に位置する。第2のコンタクト領域30bは、第2のソース領域28bに隣り合う。第2のコンタクト領域30bは、第1の面P1に接する。第2のコンタクト領域30bは、例えば、ソース電極12に接する。第2のコンタクト領域30bは、例えば、第1の方向に延びる。
【0062】
第2のコンタクト領域30bは、ソース電極12のコンタクト抵抗を低減する機能を有する。第2のコンタクト領域30bを設けることにより、ソース電極12と第2のボディ領域26bとの間の電気抵抗が低減する。
【0063】
第2のコンタクト領域30bは、例えば、アルミニウム(Al)をp形不純物として含む。第2のコンタクト領域30bのp形不純物濃度は、第2のボディ領域26bのp形不純物濃度よりも高い。
【0064】
第2のコンタクト領域30bのp形不純物濃度は、例えば、1×1019cm-3以上1×1021cm-3以下である。第2のコンタクト領域30bの深さは、例えば、第2のボディ領域26bの深さよりも浅い。
【0065】
p形のパッチ領域32は、ドリフト領域24と第1の面P1との間に位置する。パッチ領域32は、第1の面P1に接する。パッチ領域32は、ゲート絶縁層18と接する。パッチ領域32は、ドリフト領域24と接する。
【0066】
パッチ領域32は、第1のボディ領域26aと第2のボディ領域26bとの間に位置する。パッチ領域32は、第1の面P1において、第1のボディ領域26aと第2のボディ領域26bとの間に位置する。パッチ領域32は、第1の面P1において、第1のボディ領域26aと第2のボディ領域26bとの間に挟まれる。パッチ領域32は、例えば、第1のボディ領域26a及び第2のボディ領域26bに接する。
【0067】
パッチ領域32は、第1の面P1において、ドリフト領域24の一部と、ドリフト領域24の別の一部との間に挟まれる。
【0068】
パッチ領域32は、例えば、アルミニウム(Al)をp形不純物として含む。パッチ領域32のp形不純物濃度は、例えば、第1のボディ領域26aのp形不純物濃度及び第2のボディ領域26bのp形不純物濃度よりも低い。パッチ領域32のp形不純物濃度は、例えば、1×1018cm-3以上1×1019cm-3以下である。
【0069】
パッチ領域32の深さ(
図1中のd1)は、例えば、第1のボディ領域26aの深さ(
図1中のd2)よりも浅い。パッチ領域32の深さは、例えば、第2のボディ領域26bの深さ(
図1中のd3)よりも浅い。
【0070】
パッチ領域32の深さd1は、例えば、第1のボディ領域26aの深さd2の50%以上90%以下である。パッチ領域32の深さは、例えば、第2のボディ領域26bの深さd3の50%以上90%以下である。
【0071】
パッチ領域32の深さは、例えば、0.05μm以上0.35μm以下である。
【0072】
結晶欠陥34は、少なくとも一部がパッチ領域32の中に位置する。結晶欠陥34は、例えば、一部がドリフト領域24に位置する。
【0073】
結晶欠陥34は、例えば、炭化珪素層10を貫通する。結晶欠陥34は、例えば、一端が第1の面P1に接する。結晶欠陥34は、例えば、
図2に示すように、一端が第1の面P1に露出する。結晶欠陥34は、例えば、他端が第2の面P2に接する。結晶欠陥34は、例えば、他端が第2の面P2に露出する。
【0074】
結晶欠陥34は、例えば、線欠陥又は面欠陥である。結晶欠陥34は、例えば、貫通転位である。結晶欠陥34は、例えば、らせん転位又は刃状転位である。結晶欠陥34は、例えば、積層欠陥である。
【0075】
図1及び
図2は、結晶欠陥34が線欠陥である場合を示す。結晶欠陥34が線欠陥であるため、
図2に示すように、第1の面P1に露出する結晶欠陥34は点形状である。
【0076】
第1の面P1に露出する結晶欠陥34は、第1の面P1において、パッチ領域32に囲まれる。
【0077】
次に、第1の実施形態の半導体装置の製造方法の一例について説明する。
【0078】
最初に、ドレイン領域22の上にエピタキシャル成長により形成されたドリフト領域24を有する炭化珪素層10を準備する。次に、炭化珪素層10の第1の面P1に露出する結晶欠陥34の位置を特定する。結晶欠陥34の位置は、例えば、フォトルミネッサンスを用いた欠陥検査装置により特定できる。
【0079】
次に、炭化珪素層10の第1の面P1側から不純物のイオン注入を行い、n+形のドレイン領域22、n-形のドリフト領域24、p形の第1のボディ領域26a、p形の第2のボディ領域26b、n+形の第1のソース領域28a、n+形の第2のソース領域28b、p+形の第1のコンタクト領域30a、及びp+形の第2のコンタクト領域30bを形成する。
【0080】
次に、事前に位置が特定された結晶欠陥34を含む領域(
図2中の実線及び点線で囲まれたX)に、p形不純物をイオン注入する。p形不純物は、例えば、アルミニウムである。
【0081】
例えば、マスクを用いないマスクレス露光装置を用いて、レジストの領域Xに対応する部分に開口部を設ける。開口部が設けられたレジストをマスクにp形不純物をイオン注入することで、パッチ領域32が形成される。
【0082】
次に、炭化珪素層10の中にイオン注入された不純物を活性化する熱処理を行う。
【0083】
その後、公知のプロセス技術を用いて、ゲート絶縁層18、ゲート電極16、層間絶縁層20、ソース電極12、及びドレイン電極14を形成する。
【0084】
以上の製造方法により、
図1ないし
図3に示すMOSFET100が製造される。
【0085】
次に、第1の実施形態の半導体装置の作用及び効果について説明する。
【0086】
炭化珪素を用いたMOSFETでは、高い信頼性を備えたゲート絶縁層が要求される。
【0087】
図4は、比較例の半導体装置の模式断面図である。
図4は、
図1に相当する断面図である。
【0088】
比較例のMOSFET900は、炭化珪素層10がパッチ領域32を含まない点で第1の実施形態と異なる。
【0089】
図5は、比較例の半導体装置の課題の説明図である。
図5は、MOSFET900のオフ状態でのバイアス条件を示す。
【0090】
ソース電極12とドレイン電極14との間には、正の高電圧、例えば、1500Vが印加される。また、ソース電極12とゲート電極16との間には、負の電圧、例えば、-6Vが印加される。
【0091】
結晶欠陥34は、例えば、SiCのバンドギャップ内に準位を形成する。バンドギャップ内の準位に起因して、電子正孔対(electron hole pair)が生成される。
【0092】
生成された電子正孔対の正孔は、
図5に示すように、ドリフト領域内の電界によりゲート電極16側に移動する。移動した正孔がゲート絶縁層18に注入される。正孔がゲート絶縁層18に注入されると炭化珪素層10とゲート電極16との間に流れるリーク電流量が大きくなる。リーク電流量が大きくなることで、ゲート絶縁層18の絶縁破壊が生じやすくなる。よって、ゲート絶縁層18の信頼性が低下するおそれがある。
【0093】
また、結晶欠陥34が第1の面P1に露出すると、第1の面P1に凹部が形成される。例えば、凹部の上のゲート絶縁層18には、形状に起因して電界集中が生じやすくなる。したがって、凹部の上のゲート絶縁層18の絶縁破壊が生じやすくなる。よって、ゲート絶縁層18の信頼性が低下するおそれがある。
【0094】
図6は、第1の実施形態の半導体装置の作用及び効果の説明図である。
図6は、MOSFET100のオフ状態でのバイアス条件を示す。
図5と同様のバイアスが、ソース電極12とドレイン電極14との間、及び、ソース電極12とゲート電極16との間に印加される。
【0095】
第1の実施形態のMOSFET100は、炭化珪素層10がパッチ領域32を含む。パッチ領域32は、結晶欠陥34の第1の面P1側の端部を囲む。
【0096】
結晶欠陥34に起因して発生した正孔は、
図6に示すように、パッチ領域32を通ってソース電極12に流れる。したがって、ゲート絶縁層18に注入される正孔の量が比較例の場合に比べ低減する。よって、ゲート絶縁層18の信頼性が向上する。
【0097】
また、MOSFET100では、パッチ領域32が空乏化することにより、ゲート絶縁層18に印加される電界の強度が低下する。したがって、第1の面P1に凹部が存在していても、凹部の上のゲート絶縁層18の電界集中が緩和される。よって、ゲート絶縁層18の信頼性が向上する。
【0098】
パッチ領域32の深さd1は、第1のボディ領域26aの深さd2及び第2のボディ領域26bの深さd3よりも浅いことが好ましい。パッチ領域32の深さd1は、第1のボディ領域26aの深さd2の90%以下であることが好ましく、80%以下であることがより好ましい。パッチ領域32の深さd1は、第2のボディ領域26bの深さd3の90%以下であることが好ましく、80%以下であることがより好ましい。
【0099】
パッチ領域32の深さd1を、第1のボディ領域26aの深さd2及び第2のボディ領域26bの深さd3よりも浅くすることで、MOSFET100のオフ状態で、パッチ領域32とドリフト領域24との間でアバランシェ降伏が生じることを抑制できる。したがって、パッチ領域32を設けることによるMOSFET100の降伏電圧(breakdown voltage)の低下が抑制できる。
【0100】
パッチ領域32の深さd1は、第1のボディ領域26aの深さd2の50%以上であることが好ましく、60%以下であることがより好ましい。パッチ領域32の深さd1は、第2のボディ領域26bの深さd3の50%以上であることが好ましく、60%以下であることがより好ましい。
【0101】
パッチ領域32の深さd1を深くすることで、MOSFET100のオフ状態でパッチ領域32に形成される空乏層がゲート絶縁層18に到達することが抑制できる。したがって、ゲート絶縁層18に印加される電界の強度が増加することが抑制できる。よって、ゲート絶縁層18の信頼性が向上する。
【0102】
また、パッチ領域32の深さd1を深くすることで、パッチ領域32を通ってソース電極12に流れる正孔の量が多くなる。したがって、ゲート絶縁層18に注入される正孔の量が比較例の場合に比べ低減する。よって、ゲート絶縁層18の信頼性が向上する。
【0103】
パッチ領域32のp形不純物濃度は、第1のボディ領域26aのp形不純物濃度及び第2のボディ領域26bのp形不純物濃度よりも低いことが好ましい。パッチ領域32のp形不純物濃度は、1×1019cm-3以下であることが好ましい。
【0104】
パッチ領域32のp形不純物濃度が低くなることで、MOSFET100のオフ状態で、パッチ領域32とドリフト領域24との間でアバランシェ降伏が生じることを抑制できる。したがって、パッチ領域32を設けることによるMOSFET100の降伏電圧の低下が抑制できる。
【0105】
パッチ領域32のp形不純物濃度は、1×1018cm-3以上であることが好ましく、3×1018cm-3以上であることがより好ましい。
【0106】
パッチ領域32のp形不純物濃度を高くすることで、MOSFET100のオフ状態で、パッチ領域32に形成される空乏層がゲート絶縁層18に到達することが抑制できる。したがって、ゲート絶縁層18に印加される電界の強度が増加することが抑制できる。よって、ゲート絶縁層18の信頼性が向上する。
【0107】
また、パッチ領域32のp形不純物濃度を高くすることで、MOSFET100のオフ状態でパッチ領域32を通ってソース電極12に流れる正孔の量が多くなる。したがって、ゲート絶縁層18に注入される正孔の量が低減する。よって、ゲート絶縁層18の信頼性が向上する。
【0108】
パッチ領域32は、第1のボディ領域26a及び第2のボディ領域26bの両方に接することが好ましい。第1のボディ領域26a及び第2のボディ領域26bの両方を、正孔をソース電極12に流す経路として機能させることができる。したがって、ゲート絶縁層18に注入される正孔の量が低減する。よって、ゲート絶縁層18の信頼性が向上する。
【0109】
以上、第1の実施形態によれば、ゲート絶縁層の信頼性の向上が可能なMOSFETが実現できる。
【0110】
(第2の実施形態)
第2の実施形態の半導体装置は、結晶欠陥が面欠陥である点以外は、第1の実施形態と同様である。以下、第1の実施形態と重複する内容については一部記述を省略する。
【0111】
図7は、第2の実施形態の半導体装置の模式上面図である。
図7は、第1の実施形態の
図2に対応する図である。
【0112】
第2の実施形態のMOSFE200では、炭化珪素層10に含まれる結晶欠陥34が面欠陥である。結晶欠陥34は、例えば、積層欠陥である。
【0113】
結晶欠陥34が面欠陥であるため、
図7に示すように、第1の面P1に露出する結晶欠陥34は線形状である。パッチ領域32は、第1の面P1において線形状の結晶欠陥34をすべて囲む。
【0114】
以上、第2の実施形態によれば、第1の実施形態と同様、ゲート絶縁層の信頼性の向上が可能なMOSFETが実現できる。
【0115】
(第3の実施形態)
第3の実施形態の半導体装置は、第6の炭化珪素領域が第3の炭化珪素領域と離間する点で、第1の実施形態と異なる。以下、第1の実施形態と重複する内容については一部記述を省略する。
【0116】
図8は、第3の実施形態の半導体装置の模式断面図である。
図8は、第1の実施形態の
図1に対応する図である。
【0117】
第3の実施形態のMOSFE300は、パッチ領域32と第2のボディ領域26bが離間する。パッチ領域32と第2のボディ領域26bの間にドリフト領域24の一部が挟まれる。
【0118】
以上、第3の実施形態によれば、第1の実施形態と同様、ゲート絶縁層の信頼性の向上が可能なMOSFETが実現できる。
【0119】
以上、第1ないし第3の実施形態では、炭化珪素の結晶構造として4H-SiCの場合を例に説明したが、本発明は6H-SiC、3C-SiCなど、その他の結晶構造の炭化珪素に適用することも可能である。
【0120】
また、第1ないし第3の実施形態では、炭化珪素層のシリコン面にゲート絶縁層を設ける場合を例に説明したが、炭化珪素のその他の面、例えば、カーボン面、m面、a面、(0-33-8)面などにゲート絶縁層を設ける場合にも本発明を適用することは可能である。
【0121】
また、第1ないし第3の実施形態では、第1導電形がn形、第2導電形がp形の場合を例に説明したが、第1導電形をp形、第2導電形をn形とすることも可能である。この場合、MOSFETはpチャネル型となる。
【0122】
また、Insulated Gate Bipolar Transistor(IGBT)に本発明を適用することは可能である。
【0123】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、一実施形態の構成要素を他の実施形態の構成要素と置き換え又は変更してもよい。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0124】
10 炭化珪素層
12 ソース電極(第1の電極)
14 ドレイン電極(第2の電極)
16 ゲート電極
18 ゲート絶縁層
24 ドリフト領域(第1の炭化珪素領域)
26a 第1のボディ領域(第2の炭化珪素領域)
26b 第2のボディ領域(第3の炭化珪素領域)
28a 第1のソース領域(第4の炭化珪素領域)
28b 第2のソース領域(第5の炭化珪素領域)
32 パッチ領域(第6の炭化珪素領域)
34 結晶欠陥
100 MOSFET(半導体装置)
200 MOSFET(半導体装置)
300 MOSFET(半導体装置)
P1 第1の面
P2 第2の面