炭化珪素半導体装置の製造方法
【課題】本発明は、製造プロセスが煩雑でなく、かつ高い絶縁耐力を有する炭化珪素半導体装置の製造方法の提供を目的とする。
【解決手段】本発明の炭化珪素半導体装置の製造方法は、(a)第1導電型の炭化珪素半導体よりなる下地であるSiC基板1を準備する工程と、(b)SiC基板1上において、素子領域を囲むリセス構造4を、レジストパターン3を用いて形成する工程と、(c)工程(b)の後、レジストパターン3を介した不純物注入により、リセス構造4内のリセス底面及びリセス側面の面内に、第2導電型の不純物層としてのイオン注入層6を形成する工程とを備え、工程(c)は、斜め回転イオン注入により不純物注入を行う工程である。
【解決手段】本発明の炭化珪素半導体装置の製造方法は、(a)第1導電型の炭化珪素半導体よりなる下地であるSiC基板1を準備する工程と、(b)SiC基板1上において、素子領域を囲むリセス構造4を、レジストパターン3を用いて形成する工程と、(c)工程(b)の後、レジストパターン3を介した不純物注入により、リセス構造4内のリセス底面及びリセス側面の面内に、第2導電型の不純物層としてのイオン注入層6を形成する工程とを備え、工程(c)は、斜め回転イオン注入により不純物注入を行う工程である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は炭化珪素半導体装置の製造方法に関し、特に炭化珪素半導体装置の終端構造の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
高耐圧、低損失および高耐熱を実現できる次世代のスイッチング素子として、炭化珪素を用いた半導体素子が有望視されており、インバータなどのパワー半導体装置への適用が期待されている。
【0003】
しかし炭化珪素半導体装置には、多くの解決すべき課題が残されている。その一つは、炭化珪素半導体装置の終端部(例えばショットキー障壁ダイオードのショットキー電極の端部や、pnダイオードやMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)のpn接合の端部)における電界集中により、炭化珪素半導体装置の耐電圧特性が低下する問題である。
【0004】
炭化珪素半導体装置の終端部に生じる電界を緩和する終端構造の代表例としては、ガードリング(GR:Guard Ring)構造や、JTE(Junction Termination Extension)構造、FLR(Field Limiting Ring)構造等がある。これらはいずれも素子領域を囲むように形成される不純物拡散層である。一般に、JTE構造は表面電界を低減する目的で設けられ、炭化珪素半導体装置の終端部から外へ向けて段階的に不純物濃度が低くなる構造を有している。これに対し、FLR構造は同じ濃度の複数の不純物拡散層から成る。
【0005】
例えば下記の特許文献1には、GRとJTEとを組み合わせた終端構造が開示されている。特許文献1の終端構造は、GRの外側に、当該GRよりも不純物濃度を低くしたJTEが配設された構造である。また特許文献1では、GRおよびJTEを、炭化珪素半導体層表面に設けたリセス構造の下に形成することにより、電界集中が生じ易いGRおよびJTEの底端部と炭化珪素半導体層表面との距離を長くし、炭化珪素半導体層表面の電界を更に緩和させる技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】国際公開第2009/116444号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
上記のように、従来の炭化珪素半導体装置においてはGR/JTEの二種類の注入条件を用いることで、耐圧構造を実現していた。
【0008】
ここで、二種類の注入条件でGR/JTE構造を実現するためには、それぞれの該当する位置に不純物を注入するためのマスクを形成する工程が必要となる。また、それらのマスクを形成するためには、それぞれのマスクの位置をアライメントするための基準(アライメントマーク)を、さらにその前工程で形成する必要がある。アライメントマークは、炭化珪素半導体表面をエッチング加工して形成される。
【0009】
以上のように、従来の炭化珪素半導体装置では、少なくとも3つのマスク(アライメントマーク形成用、GR形成用、JTE形成用)が必要になるとともに、異なる条件で不純物注入を行わなければならなかった。このため、工程数が増加すると共に、各工程におけるマスクのばらつきによる特性の悪化、歩留りの低下、コストの増加などの問題が発生していた。
【0010】
これらの問題点を改善する方法として、マスクを1つにすることが考えられる。すなわち、終端構造をGRのみの構造とするかFLR構造にして、注入工程を1つにする。さらに、アライメントマークを形成する工程と上記の注入用マスクを形成する工程とを共通の工程とすることで、1つのマスクで終端構造を形成することが出来る。
【0011】
これらの炭化珪素半導体装置では、一種類の注入条件を適用することにより、リセス構造に、不純物が1種類の濃度で注入された終端構造が備えられている。
【0012】
ここで、炭化珪素半導体装置の場合、注入された不純物はほとんど拡散することなく活性化される。従って、GR構造のみの場合は勿論GR/JTE構造の場合で二種類の注入条件ほどに最適化できない一種類の注入条件を適用した場合には特に、リセス構造の極近傍に高濃度の不純物層が形成されることになる。また、ガードリングの不純物濃度は、素子の耐圧特性を確実なものとするために比較的濃い濃度で形成されている。
【0013】
そのため、高電圧をカソードに印加した場合、不純物層の空乏層の伸びは少なくなり、高電界が発生しやすいという問題があった。
【0014】
特にリセス構造のコーナー部には強い電界が発生し、例えば表面封止材であるポリイミド膜の絶縁破壊強度を超えた場合には、絶縁破壊を引き起こす原因となるという問題があった。また、ポリイミド膜の外部に電荷が蓄積するとリセス部の電界強度が変動し、絶縁破壊を引き起こす要因となっていた。また、デバイスを電力変換用のモジュールに組み込む際には他の絶縁体で被うことが必要となるが、その工程においてポリイミド等の絶縁体表面に電荷が蓄積し絶縁耐力を低下させる原因となっていた。また、注入された不純物の拡散が不十分であり、リセス構造のコーナー部を注入層で覆えない場合もあった。
【0015】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、製造プロセスが煩雑でなく、かつ高い絶縁耐力を有する炭化珪素半導体装置の製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0016】
本発明の炭化珪素半導体装置の製造方法は、(a)第1導電型の炭化珪素半導体よりなる下地を準備する工程と、(b)前記下地上において、素子領域を囲むリセス構造を、レジストパターンを用いて形成する工程と、(c)前記工程(b)の後、前記レジストパターンを介した不純物注入により、前記リセス構造内のリセス底面及びリセス側面の面内に、第2導電型の不純物層を形成する工程とを備え、前記工程(c)は、斜め回転イオン注入により前記不純物注入を行う工程である。
【発明の効果】
【0017】
本発明の炭化珪素半導体装置の製造方法は、リセス構造内のリセス底面及びリセス側面の面内に、斜め回転イオン注入により第2導電型の不純物層を形成する工程を備えるので、リセス構造の端部における電界集中が緩和され、簡単な製造プロセスで、高い絶縁耐力を有する炭化珪素半導体装置を製造することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】実施の形態1の炭化珪素半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図2】実施の形態1の炭化珪素半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図3】実施の形態1の炭化珪素半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図4】実施の形態1の炭化珪素半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図5】実施の形態1の炭化珪素半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図6】リセスコーナー部の最大電界強度のシミュレーション結果を示す図である。
【図7】実施の形態2の炭化珪素半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図8】実施の形態2の炭化珪素半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図9】実施の形態2の炭化珪素半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図10】実施の形態2の炭化珪素半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図11】実施の形態2の炭化珪素半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図12】実施の形態2の炭化珪素半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図13】本発明の前提技術に係る炭化珪素半導体装置の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
(前提技術)
図13は、本発明の前提技術となる炭化珪素半導体装置の構成を示す断面図である。
【0020】
本発明の前提技術に係る炭化珪素半導体装置では、SiC基板1の第1主面上にSiCエピタキシャル層2が形成され、SiCエピタキシャル層2の第1主面にはリセス構造4が形成される。また、リセス構造4からAlイオンが注入され、リセス構造4の底面下部はイオン注入層6となる。
【0021】
SiCエピタキシャル層2の表面にはイオン注入層6の一部と重なるようにショットキー電極8が形成され、ショットキー電極8上には表面電極9が形成される。また、イオン注入層6を覆うようにSiCエピタキシャル層2上にはポリイミド膜の保護層10が形成される。
【0022】
SiC基板1の第2主面(裏面)上にはオーミック電極7及び裏面電極11が設けられる。
【0023】
ショットキー電極8はSiCエピタキシャル層2とショットキー接合する。ショットキー電極8の終端領域にイオン注入層6を形成して不純物濃度を滑らかに変化させることにより、終端領域における電界を緩和することを目的としている。
【0024】
しかしながら、SiC中に注入された不純物はSi中とは異なりほとんど拡散することなく活性化されるため、イオン注入層6の特に側面方向では不純物濃度が急激に下がることになる。なおイオン注入層6は、耐圧特性を確実なものとするために不純物濃度を高くして形成されるため、高電圧を裏面電極11と表面電極9間に印加した場合の不純物層における空乏層の伸びは少なく、高電界が発生しやすい。そのため、特にリセス構造4底面のコーナー部には強い電界が発生し、SiC基板1やポリイミド膜などの保護層10の絶縁破壊強度を超えると絶縁破壊が生じる。
【0025】
そのため、本発明の炭化珪素半導体装置では、イオン注入層6の側面方向の不純物濃度を滑らかにすることによって電界緩和を図る。
【0026】
(実施の形態1)
<構成>
図1〜図4は実施の形態1に係る炭化珪素半導体装置であるショットキーバリアダイオード(Schottky Barrier diode:SBD)の製造工程を示す断面図、図5はその構成を示す断面図である。
【0027】
図5に示すように、本実施の形態のSBDでは、SiC基板1の第1主面(表面)にn型のSiCエピタキシャル層2が形成される。SiC基板1は、第1主面が(0001)シリコン面からオフ角を有する4H−SiC基板であり、窒素(N)などの不純物を含むn型の基板である。SiCエピタキシャル層2は窒素(N)などの不純物を含むn型であり、表面にリセス構造4が形成される。
【0028】
リセス構造4の側面、底面の近傍には、アルミニウム(Al)などのp型不純物が注入されて活性化されたイオン注入領域6が形成される。
【0029】
イオン注入領域6にかかるように、SiCエピタキシャル層2の表面にはSiCエピタキシャル層2とショットキー接合するショットキー電極8が形成され、ショットキー電極8の表面には表面電極9が形成される。イオン注入領域6はショットキー電極8の終端領域である。
【0030】
SiCエピタキシャル層2及びショットキー電極8の上部には、表面封止材としてポリイミド膜などの保護層10が設けられる。
【0031】
SiC基板1の第2主面(裏面)上にはオーミック電極7及び裏面電極11が設けられる。
【0032】
<製造工程>
図1〜図4に沿って、本実施の形態のSBDの製造工程を説明する。
【0033】
まず、SiC基板1(下地)の第1主面にSiCエピタキシャル層2をエピタキシャル成長させる。例えば、ドーピング濃度は5×1015/cm3、膜厚は10μmである。次いで、SiCエピタキシャル層2上に酸化膜(図示せず)を形成し、さらに、p型終端構造を形成するためのレジストパターン3を形成する(図1)。
【0034】
レジストパターン3には、後の不純物注入工程で使用するアライメントマーク(図示せず)の形成パターンも含まれており、エッチングによりSiCエピタキシャル層2にアライメントマークとリセス構造4を同時に形成する(図2)。これにより、レジストパターンの形成回数を少なくすることが出来る。当該リセス構造4は、後述する不純物層を注入することによって終端構造を形成するものであるので、素子領域を囲むように形成される。
【0035】
その後、平面視正方形状のSBD素子の4方向の終端部に対して、p型不純物となるAlイオンを例えば加速電圧700kV、注入角度55°で斜め注入し、リセス構造4の底面と側面の面内にイオン注入層6(不純物層)を形成する(図3)。すなわち、ウエハ(下地)を間欠的に90°ずつ回転させながら、4辺の終端部の夫々に斜め回転イオン注入を行う。ここでは素子領域が正方形状であることを前提として説明しているが、素子領域を任意の形状としても、素子領域の各辺に対応してウエハを適宜回転させながら同様の斜めイオン注入を行う。
【0036】
その後、注入したAlイオンを活性化させるために、1500℃以上でSiC基板1とSiCエピタキシャル層2を加熱する(図4)。
【0037】
次に、SiC基板1の裏面に例えばニッケル(Ni)膜を形成し、RTA(Rapid Thermal Annealing)を用いた加熱によりNiSi化させてオーミック電極7とする。次に、SiCエピタキシャル層2の表面に例えばチタン(Ti)によるショットキー電極8を形成する。ショットキー電極8は、リセス構造4の一部を覆うようにして形成する。その後、Al膜を形成し、電極のパターン形成をレジストパターンとウェットエッチングにより行い、表面電極9を形成する。
【0038】
次に、SiCエピタキシャル層2とショットキー電極8上にポリイミドなどの表面封止材料を塗布して焼成し、保護層10を形成する。
【0039】
最後に、オーミック電極7上に裏面電極11を形成する。例えば裏面電極としてNi層とAu層を成膜することにより、素子の裏面を半田によりダイボンドする際、半田の濡れ性を良好にすることができる。こうして、図5に示す本実施の形態のSBDを形成する。
【0040】
なお、斜め回転イオン注入ではウエハを間欠的に回転させながらイオン注入を行うとしたが、ウエハを連続的に回転させながらイオン注入を行っても、全てのリセス構造4の側面にイオン注入を行う事が可能である。いずれの方法にせよ、斜め回転イオン注入ではリセス端部から約0.3〜0.5μmイオン注入層6を拡げることが出来る。これにより、リセス構造4端部における最大電界強度を緩和することができる。
【0041】
図6はその効果を示すシミュレーション結果の図であり、横軸はリセス構造4端部とイオン注入層6端部との位置ずれ量を、縦軸はリセス構造4端部における最大電界強度を示している。図6(a)はショットキー界面側のリセス構造4端部について、図6(b)はショットキー界面側とは反対側のリセス構造4端部についての図である。SiCとポリイミドの絶縁破壊強度はそれぞれ3MV/cm、2MV/cmであるところ、図6によれば、イオン注入層6端部をリセス構造4端部から0.3μm程度拡げることにより、素子内部の最大電界強度をそれらの絶縁破壊強度より下げることが出来る。
【0042】
<効果>
本発明に係る実施の形態1によれば、炭化珪素半導体装置の製造方法において、(a)第1導電型の炭化珪素半導体よりなる下地としてのSiC基板1を準備する工程と、(b)SiC基板1上において、素子領域を囲むリセス構造4を、レジストパターン3を用いて形成する工程と、(c)工程(b)の後、レジストパターン3を介した不純物注入により、リセス構造4内のリセス底面及びリセス側面の面内に、第2導電型の不純物層としてのイオン注入層6を形成する工程とを備え、工程(c)は、斜め回転イオン注入により不純物注入を行う工程であるので、注入する不純物の拡散がほとんど起こらないSiC基板を用いる場合であっても、リセス構造4の側面にイオン注入層6を確実に形成することができる。そのため、リセス構造4の側面付近の電界集中を緩和し、炭化珪素半導体装置の安定した耐圧の確保を実現することができる。
【0043】
また、本発明に係る実施の形態1によれば、炭化珪素半導体装置の製造方法において、工程(c)における斜め回転イオン注入の回転は、素子領域の各辺に対応したSiC基板1の間欠的回転、またはSiC基板1の連続的回転を含むので、素子領域の周囲に形成された全てのリセス構造4の側面にイオン注入層6を確実に形成することができる。そのため、リセス構造4の側面付近の電界集中を緩和し、炭化珪素半導体装置の安定した耐圧の確保を実現することができる。
【0044】
また、本発明に係る実施の形態1によれば、炭化珪素半導体装置の製造方法において、工程(b)は、工程(c)の不純物注入において用いるアライメントマークを、レジストパターン3を用いてリセス構造4と同時に形成する工程であるので、レジストパターンの形成回数を1回省略することができると共に、複数のレジストパターンのばらつきによる特性の悪化や歩留りの低下を抑制する。
【0045】
また、本発明に係る実施の形態1によれば、(d)工程(c)の後、リセス構造4の一部を覆うようにショットキー電極8を形成する工程をさらに備えるので、ショットキー電極8の終端部に形成されたイオン注入層6によりリセス構造4の側面付近の電界集中を緩和し、炭化珪素半導体装置の安定した耐圧の確保を実現することができる。
【0046】
(実施の形態2)
<構成>
図7〜図11は実施の形態2に係る炭化珪素半導体装置であるSBDの製造工程を示す断面図、図12はその構成を示す断面図である。図12は図5の再掲であり、本実施の形態のSBDの構成は実施の形態1と同様であるため、説明を省略する。
【0047】
<製造工程>
図7〜図11に沿って本実施の形態のSBDの製造工程を説明する。
【0048】
まず、SiC基板1(下地)の第1主面にSiCエピタキシャル層2をエピタキシャル成長させる。例えば、ドーピング濃度は5×1015/cm3、膜厚は10μmである。次いで、SiCエピタキシャル層2上に酸化膜(図示せず)を形成し、さらに、p型終端構造を形成するためのレジストパターン3を形成する(図7)。
【0049】
レジストパターン3には、これ以降の工程で使用するマークパターンの形成パターンも含まれており、エッチングによりSiCエピタキシャル層2にマークパターンとリセス構造4を同時に形成する(図8)。当該リセス構造4は、後述する不純物層を注入することによって終端構造を形成するものであるので、素子領域を囲むように形成される。
【0050】
その後、SiC基板1と共にレジストパターン3を加熱すると、過熱によりレジストパターン3が収縮して端部がテーパー形状となる(図9)。
【0051】
次に、収縮したレジストパターン3を用いてAlイオン5をリセス構造4の底面に対して垂直に注入すると、レジストパターン3の厚みが小さくなる開口部付近でもAlイオン5がSiCエピタキシャル層2に注入される。そのため、斜め注入をすることなく、リセス構造4の側面にまでイオン注入層6を形成することが可能である(図10)。
【0052】
そして、注入したAlイオンを活性化させるために、1500℃以上でSiC基板1とSiCエピタキシャル層2を加熱する(図11)。
【0053】
その後は、実施の形態1と同様にオーミック電極7、表面電極8、保護層10、裏面電極11を形成し、図12に示す本実施の形態のSBDを形成する。
【0054】
なお、イオン注入工程では垂直注入を行ったが、収縮したレジストパターン3を用いて斜め回転注入を行っても良い。この場合には、より一層リセス構造4の側面にまでイオン注入層6を形成することが可能である。
【0055】
<効果>
本発明の実施の形態2に係る炭化珪素半導体装置の製造方法は、(a)第1導電型の炭化珪素半導体よりなる下地としてのSiC基板1を準備する工程と、(b)SiC基板1上において、素子領域を囲むリセス構造4を、レジストパターン3を用いて形成する工程と、(b´)工程(b)の後、SiC基板1を加熱してレジストパターン3の開口をテーパー形状にする工程と、(c)工程(b´)の後、レジストパターン3を介した不純物注入により、リセス構造4内のリセス底面及びリセス側面の面内に、第2導電型の不純物層としてイオン注入層6を形成する工程とを備えるので、レジストパターン3のテーパー形状で厚みが小さくなった部分を通過してリセス側面の面内にもイオン注入層6が形成される。そのため、リセス構造4の側面付近の電界集中を緩和し、炭化珪素半導体装置の安定した耐圧の確保を実現することができる。
【0056】
また、工程(c)は、リセス構造4の底面に対して垂直に不純物注入を行う工程であるので、斜めイオン注入を行うことなく簡単な方法で、リセス側面の面内にもイオン注入層6を形成することが可能である。
【符号の説明】
【0057】
1 SiC基板、2 SiCエピタキシャル層、3 レジストパターン、4 リセス構造、5 イオンビーム、6 イオン注入層、7 オーミック電極、8 ショットキー電極、9 表面電極、10 保護層、11 裏面電極。
【技術分野】
【0001】
本発明は炭化珪素半導体装置の製造方法に関し、特に炭化珪素半導体装置の終端構造の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
高耐圧、低損失および高耐熱を実現できる次世代のスイッチング素子として、炭化珪素を用いた半導体素子が有望視されており、インバータなどのパワー半導体装置への適用が期待されている。
【0003】
しかし炭化珪素半導体装置には、多くの解決すべき課題が残されている。その一つは、炭化珪素半導体装置の終端部(例えばショットキー障壁ダイオードのショットキー電極の端部や、pnダイオードやMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)のpn接合の端部)における電界集中により、炭化珪素半導体装置の耐電圧特性が低下する問題である。
【0004】
炭化珪素半導体装置の終端部に生じる電界を緩和する終端構造の代表例としては、ガードリング(GR:Guard Ring)構造や、JTE(Junction Termination Extension)構造、FLR(Field Limiting Ring)構造等がある。これらはいずれも素子領域を囲むように形成される不純物拡散層である。一般に、JTE構造は表面電界を低減する目的で設けられ、炭化珪素半導体装置の終端部から外へ向けて段階的に不純物濃度が低くなる構造を有している。これに対し、FLR構造は同じ濃度の複数の不純物拡散層から成る。
【0005】
例えば下記の特許文献1には、GRとJTEとを組み合わせた終端構造が開示されている。特許文献1の終端構造は、GRの外側に、当該GRよりも不純物濃度を低くしたJTEが配設された構造である。また特許文献1では、GRおよびJTEを、炭化珪素半導体層表面に設けたリセス構造の下に形成することにより、電界集中が生じ易いGRおよびJTEの底端部と炭化珪素半導体層表面との距離を長くし、炭化珪素半導体層表面の電界を更に緩和させる技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】国際公開第2009/116444号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
上記のように、従来の炭化珪素半導体装置においてはGR/JTEの二種類の注入条件を用いることで、耐圧構造を実現していた。
【0008】
ここで、二種類の注入条件でGR/JTE構造を実現するためには、それぞれの該当する位置に不純物を注入するためのマスクを形成する工程が必要となる。また、それらのマスクを形成するためには、それぞれのマスクの位置をアライメントするための基準(アライメントマーク)を、さらにその前工程で形成する必要がある。アライメントマークは、炭化珪素半導体表面をエッチング加工して形成される。
【0009】
以上のように、従来の炭化珪素半導体装置では、少なくとも3つのマスク(アライメントマーク形成用、GR形成用、JTE形成用)が必要になるとともに、異なる条件で不純物注入を行わなければならなかった。このため、工程数が増加すると共に、各工程におけるマスクのばらつきによる特性の悪化、歩留りの低下、コストの増加などの問題が発生していた。
【0010】
これらの問題点を改善する方法として、マスクを1つにすることが考えられる。すなわち、終端構造をGRのみの構造とするかFLR構造にして、注入工程を1つにする。さらに、アライメントマークを形成する工程と上記の注入用マスクを形成する工程とを共通の工程とすることで、1つのマスクで終端構造を形成することが出来る。
【0011】
これらの炭化珪素半導体装置では、一種類の注入条件を適用することにより、リセス構造に、不純物が1種類の濃度で注入された終端構造が備えられている。
【0012】
ここで、炭化珪素半導体装置の場合、注入された不純物はほとんど拡散することなく活性化される。従って、GR構造のみの場合は勿論GR/JTE構造の場合で二種類の注入条件ほどに最適化できない一種類の注入条件を適用した場合には特に、リセス構造の極近傍に高濃度の不純物層が形成されることになる。また、ガードリングの不純物濃度は、素子の耐圧特性を確実なものとするために比較的濃い濃度で形成されている。
【0013】
そのため、高電圧をカソードに印加した場合、不純物層の空乏層の伸びは少なくなり、高電界が発生しやすいという問題があった。
【0014】
特にリセス構造のコーナー部には強い電界が発生し、例えば表面封止材であるポリイミド膜の絶縁破壊強度を超えた場合には、絶縁破壊を引き起こす原因となるという問題があった。また、ポリイミド膜の外部に電荷が蓄積するとリセス部の電界強度が変動し、絶縁破壊を引き起こす要因となっていた。また、デバイスを電力変換用のモジュールに組み込む際には他の絶縁体で被うことが必要となるが、その工程においてポリイミド等の絶縁体表面に電荷が蓄積し絶縁耐力を低下させる原因となっていた。また、注入された不純物の拡散が不十分であり、リセス構造のコーナー部を注入層で覆えない場合もあった。
【0015】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、製造プロセスが煩雑でなく、かつ高い絶縁耐力を有する炭化珪素半導体装置の製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0016】
本発明の炭化珪素半導体装置の製造方法は、(a)第1導電型の炭化珪素半導体よりなる下地を準備する工程と、(b)前記下地上において、素子領域を囲むリセス構造を、レジストパターンを用いて形成する工程と、(c)前記工程(b)の後、前記レジストパターンを介した不純物注入により、前記リセス構造内のリセス底面及びリセス側面の面内に、第2導電型の不純物層を形成する工程とを備え、前記工程(c)は、斜め回転イオン注入により前記不純物注入を行う工程である。
【発明の効果】
【0017】
本発明の炭化珪素半導体装置の製造方法は、リセス構造内のリセス底面及びリセス側面の面内に、斜め回転イオン注入により第2導電型の不純物層を形成する工程を備えるので、リセス構造の端部における電界集中が緩和され、簡単な製造プロセスで、高い絶縁耐力を有する炭化珪素半導体装置を製造することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】実施の形態1の炭化珪素半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図2】実施の形態1の炭化珪素半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図3】実施の形態1の炭化珪素半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図4】実施の形態1の炭化珪素半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図5】実施の形態1の炭化珪素半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図6】リセスコーナー部の最大電界強度のシミュレーション結果を示す図である。
【図7】実施の形態2の炭化珪素半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図8】実施の形態2の炭化珪素半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図9】実施の形態2の炭化珪素半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図10】実施の形態2の炭化珪素半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図11】実施の形態2の炭化珪素半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図12】実施の形態2の炭化珪素半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図13】本発明の前提技術に係る炭化珪素半導体装置の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
(前提技術)
図13は、本発明の前提技術となる炭化珪素半導体装置の構成を示す断面図である。
【0020】
本発明の前提技術に係る炭化珪素半導体装置では、SiC基板1の第1主面上にSiCエピタキシャル層2が形成され、SiCエピタキシャル層2の第1主面にはリセス構造4が形成される。また、リセス構造4からAlイオンが注入され、リセス構造4の底面下部はイオン注入層6となる。
【0021】
SiCエピタキシャル層2の表面にはイオン注入層6の一部と重なるようにショットキー電極8が形成され、ショットキー電極8上には表面電極9が形成される。また、イオン注入層6を覆うようにSiCエピタキシャル層2上にはポリイミド膜の保護層10が形成される。
【0022】
SiC基板1の第2主面(裏面)上にはオーミック電極7及び裏面電極11が設けられる。
【0023】
ショットキー電極8はSiCエピタキシャル層2とショットキー接合する。ショットキー電極8の終端領域にイオン注入層6を形成して不純物濃度を滑らかに変化させることにより、終端領域における電界を緩和することを目的としている。
【0024】
しかしながら、SiC中に注入された不純物はSi中とは異なりほとんど拡散することなく活性化されるため、イオン注入層6の特に側面方向では不純物濃度が急激に下がることになる。なおイオン注入層6は、耐圧特性を確実なものとするために不純物濃度を高くして形成されるため、高電圧を裏面電極11と表面電極9間に印加した場合の不純物層における空乏層の伸びは少なく、高電界が発生しやすい。そのため、特にリセス構造4底面のコーナー部には強い電界が発生し、SiC基板1やポリイミド膜などの保護層10の絶縁破壊強度を超えると絶縁破壊が生じる。
【0025】
そのため、本発明の炭化珪素半導体装置では、イオン注入層6の側面方向の不純物濃度を滑らかにすることによって電界緩和を図る。
【0026】
(実施の形態1)
<構成>
図1〜図4は実施の形態1に係る炭化珪素半導体装置であるショットキーバリアダイオード(Schottky Barrier diode:SBD)の製造工程を示す断面図、図5はその構成を示す断面図である。
【0027】
図5に示すように、本実施の形態のSBDでは、SiC基板1の第1主面(表面)にn型のSiCエピタキシャル層2が形成される。SiC基板1は、第1主面が(0001)シリコン面からオフ角を有する4H−SiC基板であり、窒素(N)などの不純物を含むn型の基板である。SiCエピタキシャル層2は窒素(N)などの不純物を含むn型であり、表面にリセス構造4が形成される。
【0028】
リセス構造4の側面、底面の近傍には、アルミニウム(Al)などのp型不純物が注入されて活性化されたイオン注入領域6が形成される。
【0029】
イオン注入領域6にかかるように、SiCエピタキシャル層2の表面にはSiCエピタキシャル層2とショットキー接合するショットキー電極8が形成され、ショットキー電極8の表面には表面電極9が形成される。イオン注入領域6はショットキー電極8の終端領域である。
【0030】
SiCエピタキシャル層2及びショットキー電極8の上部には、表面封止材としてポリイミド膜などの保護層10が設けられる。
【0031】
SiC基板1の第2主面(裏面)上にはオーミック電極7及び裏面電極11が設けられる。
【0032】
<製造工程>
図1〜図4に沿って、本実施の形態のSBDの製造工程を説明する。
【0033】
まず、SiC基板1(下地)の第1主面にSiCエピタキシャル層2をエピタキシャル成長させる。例えば、ドーピング濃度は5×1015/cm3、膜厚は10μmである。次いで、SiCエピタキシャル層2上に酸化膜(図示せず)を形成し、さらに、p型終端構造を形成するためのレジストパターン3を形成する(図1)。
【0034】
レジストパターン3には、後の不純物注入工程で使用するアライメントマーク(図示せず)の形成パターンも含まれており、エッチングによりSiCエピタキシャル層2にアライメントマークとリセス構造4を同時に形成する(図2)。これにより、レジストパターンの形成回数を少なくすることが出来る。当該リセス構造4は、後述する不純物層を注入することによって終端構造を形成するものであるので、素子領域を囲むように形成される。
【0035】
その後、平面視正方形状のSBD素子の4方向の終端部に対して、p型不純物となるAlイオンを例えば加速電圧700kV、注入角度55°で斜め注入し、リセス構造4の底面と側面の面内にイオン注入層6(不純物層)を形成する(図3)。すなわち、ウエハ(下地)を間欠的に90°ずつ回転させながら、4辺の終端部の夫々に斜め回転イオン注入を行う。ここでは素子領域が正方形状であることを前提として説明しているが、素子領域を任意の形状としても、素子領域の各辺に対応してウエハを適宜回転させながら同様の斜めイオン注入を行う。
【0036】
その後、注入したAlイオンを活性化させるために、1500℃以上でSiC基板1とSiCエピタキシャル層2を加熱する(図4)。
【0037】
次に、SiC基板1の裏面に例えばニッケル(Ni)膜を形成し、RTA(Rapid Thermal Annealing)を用いた加熱によりNiSi化させてオーミック電極7とする。次に、SiCエピタキシャル層2の表面に例えばチタン(Ti)によるショットキー電極8を形成する。ショットキー電極8は、リセス構造4の一部を覆うようにして形成する。その後、Al膜を形成し、電極のパターン形成をレジストパターンとウェットエッチングにより行い、表面電極9を形成する。
【0038】
次に、SiCエピタキシャル層2とショットキー電極8上にポリイミドなどの表面封止材料を塗布して焼成し、保護層10を形成する。
【0039】
最後に、オーミック電極7上に裏面電極11を形成する。例えば裏面電極としてNi層とAu層を成膜することにより、素子の裏面を半田によりダイボンドする際、半田の濡れ性を良好にすることができる。こうして、図5に示す本実施の形態のSBDを形成する。
【0040】
なお、斜め回転イオン注入ではウエハを間欠的に回転させながらイオン注入を行うとしたが、ウエハを連続的に回転させながらイオン注入を行っても、全てのリセス構造4の側面にイオン注入を行う事が可能である。いずれの方法にせよ、斜め回転イオン注入ではリセス端部から約0.3〜0.5μmイオン注入層6を拡げることが出来る。これにより、リセス構造4端部における最大電界強度を緩和することができる。
【0041】
図6はその効果を示すシミュレーション結果の図であり、横軸はリセス構造4端部とイオン注入層6端部との位置ずれ量を、縦軸はリセス構造4端部における最大電界強度を示している。図6(a)はショットキー界面側のリセス構造4端部について、図6(b)はショットキー界面側とは反対側のリセス構造4端部についての図である。SiCとポリイミドの絶縁破壊強度はそれぞれ3MV/cm、2MV/cmであるところ、図6によれば、イオン注入層6端部をリセス構造4端部から0.3μm程度拡げることにより、素子内部の最大電界強度をそれらの絶縁破壊強度より下げることが出来る。
【0042】
<効果>
本発明に係る実施の形態1によれば、炭化珪素半導体装置の製造方法において、(a)第1導電型の炭化珪素半導体よりなる下地としてのSiC基板1を準備する工程と、(b)SiC基板1上において、素子領域を囲むリセス構造4を、レジストパターン3を用いて形成する工程と、(c)工程(b)の後、レジストパターン3を介した不純物注入により、リセス構造4内のリセス底面及びリセス側面の面内に、第2導電型の不純物層としてのイオン注入層6を形成する工程とを備え、工程(c)は、斜め回転イオン注入により不純物注入を行う工程であるので、注入する不純物の拡散がほとんど起こらないSiC基板を用いる場合であっても、リセス構造4の側面にイオン注入層6を確実に形成することができる。そのため、リセス構造4の側面付近の電界集中を緩和し、炭化珪素半導体装置の安定した耐圧の確保を実現することができる。
【0043】
また、本発明に係る実施の形態1によれば、炭化珪素半導体装置の製造方法において、工程(c)における斜め回転イオン注入の回転は、素子領域の各辺に対応したSiC基板1の間欠的回転、またはSiC基板1の連続的回転を含むので、素子領域の周囲に形成された全てのリセス構造4の側面にイオン注入層6を確実に形成することができる。そのため、リセス構造4の側面付近の電界集中を緩和し、炭化珪素半導体装置の安定した耐圧の確保を実現することができる。
【0044】
また、本発明に係る実施の形態1によれば、炭化珪素半導体装置の製造方法において、工程(b)は、工程(c)の不純物注入において用いるアライメントマークを、レジストパターン3を用いてリセス構造4と同時に形成する工程であるので、レジストパターンの形成回数を1回省略することができると共に、複数のレジストパターンのばらつきによる特性の悪化や歩留りの低下を抑制する。
【0045】
また、本発明に係る実施の形態1によれば、(d)工程(c)の後、リセス構造4の一部を覆うようにショットキー電極8を形成する工程をさらに備えるので、ショットキー電極8の終端部に形成されたイオン注入層6によりリセス構造4の側面付近の電界集中を緩和し、炭化珪素半導体装置の安定した耐圧の確保を実現することができる。
【0046】
(実施の形態2)
<構成>
図7〜図11は実施の形態2に係る炭化珪素半導体装置であるSBDの製造工程を示す断面図、図12はその構成を示す断面図である。図12は図5の再掲であり、本実施の形態のSBDの構成は実施の形態1と同様であるため、説明を省略する。
【0047】
<製造工程>
図7〜図11に沿って本実施の形態のSBDの製造工程を説明する。
【0048】
まず、SiC基板1(下地)の第1主面にSiCエピタキシャル層2をエピタキシャル成長させる。例えば、ドーピング濃度は5×1015/cm3、膜厚は10μmである。次いで、SiCエピタキシャル層2上に酸化膜(図示せず)を形成し、さらに、p型終端構造を形成するためのレジストパターン3を形成する(図7)。
【0049】
レジストパターン3には、これ以降の工程で使用するマークパターンの形成パターンも含まれており、エッチングによりSiCエピタキシャル層2にマークパターンとリセス構造4を同時に形成する(図8)。当該リセス構造4は、後述する不純物層を注入することによって終端構造を形成するものであるので、素子領域を囲むように形成される。
【0050】
その後、SiC基板1と共にレジストパターン3を加熱すると、過熱によりレジストパターン3が収縮して端部がテーパー形状となる(図9)。
【0051】
次に、収縮したレジストパターン3を用いてAlイオン5をリセス構造4の底面に対して垂直に注入すると、レジストパターン3の厚みが小さくなる開口部付近でもAlイオン5がSiCエピタキシャル層2に注入される。そのため、斜め注入をすることなく、リセス構造4の側面にまでイオン注入層6を形成することが可能である(図10)。
【0052】
そして、注入したAlイオンを活性化させるために、1500℃以上でSiC基板1とSiCエピタキシャル層2を加熱する(図11)。
【0053】
その後は、実施の形態1と同様にオーミック電極7、表面電極8、保護層10、裏面電極11を形成し、図12に示す本実施の形態のSBDを形成する。
【0054】
なお、イオン注入工程では垂直注入を行ったが、収縮したレジストパターン3を用いて斜め回転注入を行っても良い。この場合には、より一層リセス構造4の側面にまでイオン注入層6を形成することが可能である。
【0055】
<効果>
本発明の実施の形態2に係る炭化珪素半導体装置の製造方法は、(a)第1導電型の炭化珪素半導体よりなる下地としてのSiC基板1を準備する工程と、(b)SiC基板1上において、素子領域を囲むリセス構造4を、レジストパターン3を用いて形成する工程と、(b´)工程(b)の後、SiC基板1を加熱してレジストパターン3の開口をテーパー形状にする工程と、(c)工程(b´)の後、レジストパターン3を介した不純物注入により、リセス構造4内のリセス底面及びリセス側面の面内に、第2導電型の不純物層としてイオン注入層6を形成する工程とを備えるので、レジストパターン3のテーパー形状で厚みが小さくなった部分を通過してリセス側面の面内にもイオン注入層6が形成される。そのため、リセス構造4の側面付近の電界集中を緩和し、炭化珪素半導体装置の安定した耐圧の確保を実現することができる。
【0056】
また、工程(c)は、リセス構造4の底面に対して垂直に不純物注入を行う工程であるので、斜めイオン注入を行うことなく簡単な方法で、リセス側面の面内にもイオン注入層6を形成することが可能である。
【符号の説明】
【0057】
1 SiC基板、2 SiCエピタキシャル層、3 レジストパターン、4 リセス構造、5 イオンビーム、6 イオン注入層、7 オーミック電極、8 ショットキー電極、9 表面電極、10 保護層、11 裏面電極。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
(a)第1導電型の炭化珪素半導体よりなる下地を準備する工程と、
(b)前記下地上において、素子領域を囲むリセス構造を、レジストパターンを用いて形成する工程と、
(c)前記工程(b)の後、前記レジストパターンを介した不純物注入により、前記リセス構造内のリセス底面及びリセス側面の面内に、第2導電型の不純物層を形成する工程とを備え、
前記工程(c)は、斜め回転イオン注入により前記不純物注入を行う工程である、
炭化珪素半導体装置の製造方法。
【請求項2】
前記工程(c)における前記斜め回転イオン注入の回転は、前記素子領域の各辺に対応した前記下地の間欠的回転、または前記下地の連続的回転を含む、
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】
前記工程(b)は、前記レジストパターンを用いて、前記工程(c)の不純物注入において用いるアライメントマークを前記リセス構造と同時に形成する工程である、
請求項1又は2に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
【請求項4】
(d)前記工程(c)の後、前記リセス構造の一部を覆うようにショットキー電極を形成する工程をさらに備える、
請求項1〜3のいずれかに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
【請求項5】
(a)第1導電型の炭化珪素半導体よりなる下地を準備する工程と、
(b)前記下地上において、素子領域を囲むリセス構造を、レジストパターンを用いて形成する工程と、
(b´)前記工程(b)の後、前記下地を加熱して前記レジストパターンの開口をテーパー形状にする工程と、
(c)前記工程(b´)の後、前記レジストパターンを介した不純物注入により、前記リセス構造内のリセス底面及びリセス側面の面内に、第2導電型の不純物層を形成する工程とを備える、
炭化珪素半導体装置の製造方法。
【請求項6】
前記工程(c)は、前記リセス底面に対して垂直に不純物注入を行う工程である、
請求項5に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
【請求項1】
(a)第1導電型の炭化珪素半導体よりなる下地を準備する工程と、
(b)前記下地上において、素子領域を囲むリセス構造を、レジストパターンを用いて形成する工程と、
(c)前記工程(b)の後、前記レジストパターンを介した不純物注入により、前記リセス構造内のリセス底面及びリセス側面の面内に、第2導電型の不純物層を形成する工程とを備え、
前記工程(c)は、斜め回転イオン注入により前記不純物注入を行う工程である、
炭化珪素半導体装置の製造方法。
【請求項2】
前記工程(c)における前記斜め回転イオン注入の回転は、前記素子領域の各辺に対応した前記下地の間欠的回転、または前記下地の連続的回転を含む、
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】
前記工程(b)は、前記レジストパターンを用いて、前記工程(c)の不純物注入において用いるアライメントマークを前記リセス構造と同時に形成する工程である、
請求項1又は2に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
【請求項4】
(d)前記工程(c)の後、前記リセス構造の一部を覆うようにショットキー電極を形成する工程をさらに備える、
請求項1〜3のいずれかに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
【請求項5】
(a)第1導電型の炭化珪素半導体よりなる下地を準備する工程と、
(b)前記下地上において、素子領域を囲むリセス構造を、レジストパターンを用いて形成する工程と、
(b´)前記工程(b)の後、前記下地を加熱して前記レジストパターンの開口をテーパー形状にする工程と、
(c)前記工程(b´)の後、前記レジストパターンを介した不純物注入により、前記リセス構造内のリセス底面及びリセス側面の面内に、第2導電型の不純物層を形成する工程とを備える、
炭化珪素半導体装置の製造方法。
【請求項6】
前記工程(c)は、前記リセス底面に対して垂直に不純物注入を行う工程である、
請求項5に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【公開番号】特開2012−169317(P2012−169317A)
【公開日】平成24年9月6日(2012.9.6)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−26721(P2011−26721)
【出願日】平成23年2月10日(2011.2.10)
【出願人】(000006013)三菱電機株式会社 (33,312)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成24年9月6日(2012.9.6)
【国際特許分類】
【出願日】平成23年2月10日(2011.2.10)
【出願人】(000006013)三菱電機株式会社 (33,312)
【Fターム(参考)】
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