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技術 炭化珪素半導体装置の製造方法

出願人 富士電機株式会社
発明者 星保幸原田祐一岩谷将伸後藤雅秀呂民雅酒井善行内海誠
出願日 2016年3月16日 (4年8ヶ月経過) 出願番号 2016-053131
公開日 2017年9月21日 (3年2ヶ月経過) 公開番号 2017-168686
状態 特許登録済
技術分野 半導体のドライエッチング ウェットエッチング 縦型MOSトランジスタ アニール 再結晶化技術
主要キーワード 常圧CVD法 エンドポイントモニター 絶縁破壊電圧特性 耐圧部 n領域 不純物拡散係数 高温雰囲気中 型炭化珪素エピタキシャル層
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年9月21日)のものです。
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図面 (8)

課題

良好なイオン注入領域選択比を実現すると同時に、イオン注入時の基板へのダメージを抑制できること。絶縁破壊耐圧特性に優れること。

解決手段

型炭化珪素基板11の第一の主面に炭化珪素エピタキシャル層12を形成し、その表面に形成した第一無機絶縁膜21上に第一無機絶縁膜21よりエッチングレートが高く膜厚の厚い第二無機絶縁膜22を形成する。第二無機絶縁膜22表面に形成したフォトレジストパターン14を用いて第二無機絶縁膜22にマスク部とイオン注入部を形成し、イオン注入部より炭化珪素エピタキシャル層12にイオン注入を行う。第一無機絶縁膜21を形成する工程が窒素を含む無機膜CVD法により形成する工程からなり、イオン注入部を形成する工程が、フォトレジストパターンを用いて第二無機絶縁膜に対するドライエッチングを行い、イオン注入部の第二無機絶縁膜を除去する工程と、イオン注入部の底部に残った無機絶縁膜をウェットエッチングによって除去する工程と、を含む。

概要

背景

炭化珪素は、シリコンと比較して約3倍の禁制帯幅、約2倍の電子飽和ドリフト速度、約一桁大きい絶縁破壊電圧をもつことから、高温での電気伝導度制御性に優れ高周波かつ大電力の制御が可能な高耐圧パワーデバイス用基板材料として注目されており、ショットキーバリアダイオード絶縁ゲート型電界効果トランジスタなど様々な構造の炭化珪素パワーデバイスが開発されている。

炭化珪素パワーデバイスでは、炭化珪素自身の不純物拡散係数が小さくシリコンのような熱拡散法が適用できないために、第一導電型領域型および第二導電型領域を形成する際にイオン注入法が広く用いられている。

炭化珪素基板上に成長させたドリフト層の表面に形成したフォトレジストドライエッチングすることによって形成したレジストマスクを用いて、150℃以下の温度でイオン注入を行う方法が開示されている(例えば、下記特許文献1参照。)。

一方で、炭化珪素には、150℃以下の低温高濃度のイオン注入を行うと、注入領域の結晶性が悪化してデバイス性能が悪化しやすくなるという問題がある。これを防ぐためには300℃以上の高温雰囲気中でイオン注入を行う必要があるが、樹脂有機溶媒からなるレジスマスクは300℃以上の高温で変質し、寸法制御が難しくなることが考えられる。

概要

良好なイオン注入領域選択比を実現すると同時に、イオン注入時の基板へのダメージを抑制できること。絶縁破壊耐圧特性に優れること。n型炭化珪素基板11の第一の主面に炭化珪素エピタキシャル層12を形成し、その表面に形成した第一無機絶縁膜21上に第一無機絶縁膜21よりエッチングレートが高く膜厚の厚い第二無機絶縁膜22を形成する。第二無機絶縁膜22表面に形成したフォトレジストパターン14を用いて第二無機絶縁膜22にマスク部とイオン注入部を形成し、イオン注入部より炭化珪素エピタキシャル層12にイオン注入を行う。第一無機絶縁膜21を形成する工程が窒素を含む無機膜CVD法により形成する工程からなり、イオン注入部を形成する工程が、フォトレジストパターンを用いて第二無機絶縁膜に対するドライエッチングを行い、イオン注入部の第二無機絶縁膜を除去する工程と、イオン注入部の底部に残った無機絶縁膜をウェットエッチングによって除去する工程と、を含む。

目的

本発明は上記課題に鑑み、良好なイオン注入領域の選択比を実現すると同時に、イオン注入時の基板へのダメージを抑制できることを目的とする

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

一導電型炭化珪素基板の第一の主面に炭化珪素エピタキシャル層を形成する工程と、前記炭化珪素エピタキシャル層の表面に第一無機絶縁膜を形成する工程と、前記第一無機絶縁膜上に前記第一無機絶縁膜よりエッチングレートが高く膜厚の厚い第二無機絶縁膜を形成する工程と、前記第二無機絶縁膜表面にフォトレジストパターンを形成する工程と、前記フォトレジストパターンを用いて前記第一無機絶縁膜にマスク部とイオン注入部を形成する工程と、前記イオン注入部より前記炭化珪素エピタキシャル層にイオン注入を行う工程と、を含む炭化珪素半導体装置の製造方法であって、前記第一無機絶縁膜を形成する工程が窒素を含む無機膜CVD法により形成する工程からなり、前記イオン注入部を形成する工程が、前記フォトレジストパターンを用いて前記第二無機絶縁膜に対するドライエッチングを行い、前記イオン注入部の前記第二無機絶縁膜を除去する工程と、前記イオン注入部の底部に残った前記第一無機絶縁膜をウェットエッチングによって除去する工程と、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。

請求項2

前記第一無機絶縁膜の膜厚を50nm以上120nm以下としたことを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。

請求項3

第一導電型の炭化珪素基板の第一の主面に炭化珪素エピタキシャル層を形成する工程と、前記炭化珪素エピタキシャル層の表面に第一無機絶縁膜を形成する工程と、前記第一無機絶縁膜上に前記第一無機絶縁膜よりエッチングレートが高く膜厚の厚い第二無機絶縁膜を形成する工程と、前記第二無機絶縁膜表面にフォトレジストパターンを形成する工程と、前記フォトレジストパターンを用いて前記第一無機絶縁膜にマスク部とイオン注入部を形成する工程と、前記イオン注入部より前記炭化珪素エピタキシャル層にイオン注入を行う工程と、を含む炭化珪素半導体装置の製造方法であって、前記第一無機絶縁膜を形成する工程がシリコン膜をCVD法により形成する工程からなり、前記イオン注入部を形成する工程が、前記フォトレジストパターンを用いて前記第二無機絶縁膜に対するドライエッチングを行い、前記イオン注入部の前記第二無機絶縁膜を除去する工程と、前記イオン注入部の底部に残った前記第一無機絶縁膜をウェットエッチングによって除去する工程と、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。

請求項4

前記第一無機絶縁膜の膜厚を50nm以上200nm以下としたことを特徴とする請求項3に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。

技術分野

0001

この発明は、炭化珪素基板を用い、特に絶縁破壊電圧特性に優れた縦型MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)の炭化珪素半導体装置の製造方法に関する。

背景技術

0002

炭化珪素は、シリコンと比較して約3倍の禁制帯幅、約2倍の電子飽和ドリフト速度、約一桁大きい絶縁破壊電圧をもつことから、高温での電気伝導度制御性に優れ高周波かつ大電力の制御が可能な高耐圧パワーデバイス用基板材料として注目されており、ショットキーバリアダイオード絶縁ゲート型電界効果トランジスタなど様々な構造の炭化珪素パワーデバイスが開発されている。

0003

炭化珪素パワーデバイスでは、炭化珪素自身の不純物拡散係数が小さくシリコンのような熱拡散法が適用できないために、第一導電型領域型および第二導電型領域を形成する際にイオン注入法が広く用いられている。

0004

炭化珪素基板上に成長させたドリフト層の表面に形成したフォトレジストドライエッチングすることによって形成したレジストマスクを用いて、150℃以下の温度でイオン注入を行う方法が開示されている(例えば、下記特許文献1参照。)。

0005

一方で、炭化珪素には、150℃以下の低温高濃度のイオン注入を行うと、注入領域の結晶性が悪化してデバイス性能が悪化しやすくなるという問題がある。これを防ぐためには300℃以上の高温雰囲気中でイオン注入を行う必要があるが、樹脂有機溶媒からなるレジスマスクは300℃以上の高温で変質し、寸法制御が難しくなることが考えられる。

先行技術

0006

特開2009−49363号公報

発明が解決しようとする課題

0007

比較的高温の条件に対して安定なSiO2膜などの無機絶縁膜イオン注入用マスクとして適用できることが知られており、無機絶縁膜にサブミクロン数ミクロン幅のイオン注入領域を開口する方法として非等方エッチングが可能なドライエッチング法が広く用いられている。しかし、ドライエッチングの際に生じるプラズマ活性種によりイオン注入領域の表面が過度にエッチング(オーバーエッチ)され、凹みを生じるという問題がある。例えば、SiC−MOSFETのソース領域をイオン注入によって形成する際にこのような凹みが生じた場合、その後にソース領域の表面に形成するゲート酸化膜膜厚が不均一となり、高電圧印加時絶縁破壊が発生する原因となる。

0008

本発明は上記課題に鑑み、良好なイオン注入領域の選択比を実現すると同時に、イオン注入時の基板へのダメージを抑制できることを目的とする。また、絶縁破壊耐圧特性に優れた炭化珪素半導体装置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

0009

上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するために、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、第一導電型の炭化珪素基板の第一の主面に炭化珪素エピタキシャル層を形成する工程と、前記炭化珪素エピタキシャル層の表面に第一無機絶縁膜を形成する工程と、前記第一無機絶縁膜上に前記第一無機絶縁膜よりエッチングレートが高く膜厚の厚い第二無機絶縁膜を形成する工程と、前記第二無機絶縁膜表面にフォトレジストパターンを形成する工程と、前記フォトレジストパターンを用いて前記第一無機絶縁膜にマスク部とイオン注入部を形成する工程と、前記イオン注入部より前記炭化珪素エピタキシャル層にイオン注入を行う工程と、を含む炭化珪素半導体装置の製造方法であって、前記第一無機絶縁膜を形成する工程が窒素を含む無機膜CVD法により形成する工程からなり、前記イオン注入部を形成する工程が、前記フォトレジストパターンを用いて前記第二無機絶縁膜に対するドライエッチングを行い、前記イオン注入部の前記第二無機絶縁膜を除去する工程と、前記イオン注入部の底部に残った前記第一無機絶縁膜をウェットエッチングによって除去する工程と、を含むことを特徴とする。

0010

また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、上記の発明において、前記第一無機絶縁膜の膜厚を50nm以上120nm以下としたことを特徴とする。

0011

また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、第一導電型の炭化珪素基板の第一の主面に炭化珪素エピタキシャル層を形成する工程と、前記炭化珪素エピタキシャル層の表面に第一無機絶縁膜を形成する工程と、前記第一無機絶縁膜上に前記第一無機絶縁膜よりエッチングレートが高く膜厚の厚い第二無機絶縁膜を形成する工程と、前記第二無機絶縁膜表面にフォトレジストパターンを形成する工程と、前記フォトレジストパターンを用いて前記第一無機絶縁膜にマスク部とイオン注入部を形成する工程と、前記イオン注入部より前記炭化珪素エピタキシャル層にイオン注入を行う工程と、を含む炭化珪素半導体装置の製造方法であって、前記第一無機絶縁膜を形成する工程がシリコン膜をCVD法により形成する工程からなり、前記イオン注入部を形成する工程が、前記フォトレジストパターンを用いて前記第二無機絶縁膜に対するドライエッチングを行い、前記イオン注入部の前記第二無機絶縁膜を除去する工程と、前記イオン注入部の底部に残った前記第一無機絶縁膜をウェットエッチングによって除去する工程と、を含むことを特徴とする。

0012

また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、上記の発明において、前記第一無機絶縁膜の膜厚を50nm以上200nm以下としたことを特徴とする。

0013

上述した発明によれば、第一無機絶縁膜を所定の膜厚にし、イオン注入マスクイオン遮蔽性を高めることができ、第一無機絶縁膜を開口部底面に安定して残すことができる。これにより、確実に開口部底部のドライエッチングによるダメージを抑制することができると共に、イオン注入マスクの開口寸法を高精度に制御することができる。

発明の効果

0014

本発明によれば、良好なイオン注入領域の選択比を実現すると同時に、イオン注入時の基板へのダメージを抑制できる。また、絶縁破壊耐圧特性に優れた炭化珪素半導体装置を提供できる。

図面の簡単な説明

0015

図1は、本発明の実施の形態1,2にかかる炭化珪素半導体装置の製造工程を示す断面図である。(その1)
図2は、本発明の実施の形態1,2にかかる炭化珪素半導体装置の製造工程を示す断面図である。(その2)
図3は、本発明の実施の形態1,2にかかる炭化珪素半導体装置の製造工程を示す断面図である。(その3)
図4は、本発明の実施の形態1,2にかかる炭化珪素半導体装置の製造工程を示す断面図である。(その4)
図5は、本発明の実施の形態1,2にかかる炭化珪素半導体装置の製造工程を示す断面図である。(その5)
図6は、本発明の実施の形態1,2にかかる炭化珪素半導体装置の製造工程を示す断面図である。(その6)
図7は、本発明の実施例にかかる炭化珪素半導体装置の構造を示す断面図である。

0016

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる実施の形態を詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、nまたはpを記した層や領域では、それぞれ電子または正孔多数キャリアであることを意味する。また、nやpに付す+および−は、それぞれそれが付されていない層や領域よりも高不純物濃度のおよび低不純物濃度のであることを意味する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。なお、本明細書では、ミラー指数表記において、“−”はその直後の指数につくバーを意味しており、指数の前に“−”を付けることで負の指数を表している。

0017

(実施の形態1)
図1図6は、本発明の実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置の製造工程を示す断面図である。はじめに図1に示すように、炭化珪素基板11の一方の主面に、第一導電型のn-型炭化珪素エピタキシャル層12を積層する。

0018

次に、n-型炭化珪素エピタキシャル層12の表面に第一無機絶縁膜21を形成する。第一無機絶縁膜21としてはSiH4、N2OおよびNH3ガスを用いてプラズマCVD法製膜されるSiON膜などが適用できる。

0019

次に、n-型炭化珪素エピタキシャル層12の表面に第一無機絶縁膜21よりエッチングレートが高く、膜厚の厚い第二無機絶縁膜22を形成する。第二無機絶縁膜22としてはプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法または減圧CVD法による酸化シリコン膜常圧CVD法によるNSG(None−doped Silicon Glass)、PSG(Phosphorus Silicon Glass)、FSG(Fluorine Silicon Glass)の各膜等が適用できる。

0020

次に、図2に示すように、第二無機絶縁膜22の表面にフォトレジストを塗布し、露光および現像によりフォトレジストをパターニングし、レジストパターン14を形成する。

0021

次に、図3に示すように、レジストパターン14をマスクとして四フッ化メタン(CF4)とアルゴン(Ar)を用いて第二無機絶縁膜22に対するドライエッチングを行う。SiONと酸化シリコンではエッチングレートがおよそ1.5倍程度違うことから、エンドポイントモニターにてCO結合を示す約310nmの発光強度が低下し始める点をエンドポイントとしてエッチングを終了する。

0022

次に、図4に示すように、レジストパターン14の開口部の第一無機絶縁膜21をウェットエッチングにより除去し、レジストパターン14の開口部の炭化珪素基板(n-型炭化珪素エピタキシャル層12)を露出させる。ウェットエッチにはバッファードフッ酸フッ化水素水溶液などを用いることができる。

0023

次に、図5に示すように、レジストパターン14を灰化アッシング)により除去する。上記の工程により、イオン注入部とマスク部からなるイオン注入用マスク24が形成される。

0024

次に、図6に示すように、イオン注入用マスク24を用いて、n型であれば燐イオンまたは窒素イオン、p型であればアルミニウムイオン等を注入する。イオン注入用マスク24の開口部に、n領域またはp領域17が形成される。

0025

ここで、第一無機絶縁膜21の膜厚を50nm以上120nm以下とすることで、イオン注入マスク24のイオン遮蔽性を高めると共に、第一無機絶縁膜21を開口部底面に安定して残すことができる。これにより、確実に開口部底部のドライエッチングによるダメージを抑制することができると共に、イオン注入用マスク24の開口寸法を高精度に制御することができる。

0026

(実施の形態2)
次に、本発明の実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法について説明する。実施の形態2においても図1図6を用いて説明する。

0027

はじめに、図1に示すように、炭化珪素基板11の一方の主面にn-型炭化珪素エピタキシャル層12を積層する。次に、n-型炭化珪素エピタキシャル層12の表面に第一無機絶縁膜21を形成する。第一無機絶縁膜としてはSiH4およびArガスを用いたプラズマCVD法で製膜されるポリシリコン膜およびアモルファスシリコン膜などが適用できる。

0028

次に、n-型炭化珪素エピタキシャル層12の表面に第一無機絶縁膜21よりエッチングレートが高く、膜厚の厚い第二無機絶縁膜22を形成する。第二無機絶縁膜22としてはプラズマCVD法または減圧CVD法による酸化シリコン膜、常圧CVD法によるNSG、PSG、FSG等が適用できる。

0029

次に、図2に示すように、酸化シリコン膜22の表面にフォトレジストを塗布し、露光および現像によりフォトレジストをパターニングし、レジストパターン14を形成する。

0030

次に、図3に示すように、レジストパターン14をマスクとしてCF4とArを用いてドライエッチングを行う。実施の形態1と同様に、シリコンと酸化シリコンのエッチングレートの違いを利用して、エンドポイントモニターにてCO結合を示す約310nmの発光強度が低下し始める点をエンドポイントとしてエッチングを終了する。

0031

次に、図4に示すように、レジストパターン14の開口部の第一無機絶縁膜21をウェットエッチングにより除去し、レジストパターン14の開口部の炭化珪素基板(n-型炭化珪素エピタキシャル層12)を露出させる。ウェットエッチにはフッ化水素酸硝酸を混合した水溶液などを用いることができる。

0032

次に、図5に示すように、レジストパターン14を灰化(アッシング)により除去する。上記の工程により、イオン注入部とマスク部からなるイオン注入用マスク24が形成される。

0033

次に、図6に示すように、イオン注入用マスク24を用いて、n型であれば燐イオンまたは窒素イオン、p型であればアルミニウムイオン等を注入する。イオン注入用マスク24の開口部に、n領域またはp領域17が形成される。

0034

ここで、第一無機絶縁膜21の膜厚を50nm以上200nm以下とすることで、イオン注入マスクのイオン遮蔽性を高めると共に、第一無機絶縁膜21を開口部底面に安定して残すことができる。これにより、確実に開口部底部のドライエッチングによるダメージを抑制することができると共に、イオン注入用マスクの開口寸法を高精度に制御することができる。

0035

本発明の実施の形態1にかかる製造方法によって製造された炭化珪素半導体装置のイオン注入部の表面形状について検証した。図7は、本発明の実施例にかかるMOSFETの構造を示す断面図である。

0036

まず、4H−SiC炭化珪素基板11の(0001)面上に形成された第一導電型のn-型炭化珪素エピタキシャル層12の表面に、プラズマCVD法を用いて膜厚100nmのSiON膜を形成した。次に、SiON膜の表面に常圧CVD法を用いて膜厚1200nmのNSG膜を形成した。次に、実施の形態1にしたがいイオン注入用マスクを形成し、Alイオンを注入することにより第2導電型のp+ベース領域31を形成した。

0037

次に、n-型炭化珪素エピタキシャル層12の表面にp-型炭化珪素エピタキシャル層32を成長させた。次に、実施の形態1にしたがい、p-型炭化珪素エピタキシャル層32にpイオンを注入しn型ソース領域33を、Alイオンを注入しp型ソースコンタクト領域34を、窒素イオンを注入しJFET領域35形成した。

0038

外周のp型耐圧部を形成した後に、およそ1600℃程度で活性化アニールを行った後に、ゲート酸化膜36、ゲート電極37、ソースコンタクト電極38を形成することによりMOSFETを作製した。

0039

また、比較例として、従来の製造方法により、常圧CVD法を用いて製膜された膜厚1200nmのNSG膜に対しイオン注入部の酸化膜をドライエッチングにより十分に除去したイオン注入用マスクを用いて、MOSFETを作製した。

0040

その結果、比較例ではイオン注入を行ったソースコンタクト部端部に約5nmの段差が形成されていたが、実施例ではイオン注入部全体が平坦になっていた。このように、実施例によれば、比較例よりも平坦化されたことによって、実施例の素子耐圧は、従来例の約460Vから720Vへと大きく向上することができた。

0041

また、実施の形態2にしたがって形成したイオン注入用マスクを用いたMOSFETにおいても、上記実施例と同様の効果を得ることができることが確認された。

実施例

0042

以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であり、イオン注入法を用いて製造される種々の炭化珪素半導体装置の製造方法に対して有効である。例えば、本発明は、p型とn型とを入れ替えた場合や、炭化珪素基板と炭化珪素基板主表面に成長させるエピタキシャル層とを同導電型とした場合も同様に成り立つ。また、基板として4H−SiC以外の結晶多形を有する炭化珪素基板を用いた場合にも同様に成り立つ。

0043

以上のように、本発明にかかる炭化珪素半導装置の製造方法は、半導体材料として炭化珪素を用いた炭化珪素半導体装置の製造に有用である。特に、半特に絶縁破壊電圧特性に優れた縦型MOSFETの製造に有効である。

0044

11炭化珪素基板
12 n-型炭化珪素エピタキシャル層
13無機絶縁膜
14レジストパターン
15 開口部の底部に残留させたSiO2膜
16イオン注入マスク
17イオン注入領域
21 第一無機絶縁膜
22 第二無機絶縁膜
31 p+ベース領域
32 p-型炭化珪素エピタキシャル層
33 n+型ソース領域
34 p+型ソースコンタクト領域
35JFET領域
36ゲート絶縁膜
37ゲート電極
38 ソースコンタクト電極

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