JP2011140429A - Epitaxial wafer and semiconductor element - Google Patents
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Abstract
【課題】エピタキシャル成長層の結晶品質を向上させることができ、厚膜のエピタキシャル成長層を形成する場合においてもキャリア移動度の低下が生じず、素子抵抗の低い炭化珪素エピタキシャルウエハおよび炭化珪素半導体素子を提供する。
【解決手段】炭化珪素半導体素子101は、砒素のような、ドーピングにより格子定数が増大するドーパントを濃度C1でドーピングしたn型炭化珪素基板1と、炭化珪素基板1と同じドーパントを炭化珪素基板よりも小さい濃度C2でドーピングしたn型炭化珪素ドリフト層3と、炭化珪素基板1と炭化珪素ドリフト層3との間に、前記ドーパントをドーピングしたn型バッファ層とを有している。バッファ層2は、炭化珪素基板1との界面から炭化珪素ドリフト層3との界面に向かって、ドーピング濃度が前記C1から前記C2まで線形に減少するように構成した。
【選択図】図1Provided are a silicon carbide epitaxial wafer and a silicon carbide semiconductor device which can improve the crystal quality of an epitaxially grown layer and have a low device resistance without causing a decrease in carrier mobility even when a thick epitaxially grown layer is formed. To do.
A silicon carbide semiconductor device includes an n-type silicon carbide substrate doped with a dopant whose lattice constant increases by doping, such as arsenic, at a concentration of C1, and a silicon carbide substrate containing the same dopant as the silicon carbide substrate. The n-type silicon carbide drift layer 3 doped with a lower concentration C2 and the n-type buffer layer doped with the dopant between the silicon carbide substrate 1 and the silicon carbide drift layer 3 are provided. Buffer layer 2 was configured such that the doping concentration decreased linearly from C1 to C2 from the interface with silicon carbide substrate 1 toward the interface with silicon carbide drift layer 3.
[Selection] Figure 1
Description
この発明は、炭化珪素を材料とするエピタキシャルウエハおよびこのエピタキシャルウエハを用いて形成した半導体素子に関するものである。 The present invention relates to an epitaxial wafer made of silicon carbide and a semiconductor element formed using the epitaxial wafer.
炭化珪素半導体を用いた半導体素子では、素子構造として、低抵抗基板上に成長させたエピタキシャル成長層を動作層として用いる場合が多い。パワー半導体素子ではエピタキシャル成長層が耐圧層として機能するが、通常、エピタキシャル成長層は単層で形成され(例えば、特許文献1参照)、動作させる電圧によってはエピタキシャル成長層は3〜100μm、あるいはそれ以上の厚さであり、そのドーピング濃度は高々1016cm−3台で、むしろ1015cm−3台の場合が多い。それに対して、基板となる低抵抗結晶には1019cm−3前後のドーパントがドーピングされている場合が多い。したがって、エピタキシャル成長層(耐圧層)と基板とではドーピング濃度が大きく異なるために、両者の格子定数は異なり、エピタキシャル成長層の厚さが厚い場合には、格子定数差、すなわち格子不整合に伴う結晶欠陥の導入によってエピタキシャル成長層の結晶品質が劣化し、その結果、キャリアの移動度が低下して、素子抵抗が増大するという問題が生じる。 In a semiconductor element using a silicon carbide semiconductor, an epitaxial growth layer grown on a low resistance substrate is often used as an operation layer as an element structure. In a power semiconductor element, the epitaxial growth layer functions as a breakdown voltage layer. However, the epitaxial growth layer is usually formed as a single layer (see, for example, Patent Document 1), and the epitaxial growth layer has a thickness of 3 to 100 μm or more depending on the operating voltage. In addition, the doping concentration is at most 10 16 cm −3, and more often 10 15 cm −3 . On the other hand, the low-resistance crystal serving as the substrate is often doped with a dopant of about 10 19 cm −3 . Therefore, since the doping concentration differs greatly between the epitaxial growth layer (pressure-resistant layer) and the substrate, the lattice constants of the two are different. When the epitaxial growth layer is thick, the lattice constant difference, that is, the crystal defect due to lattice mismatch As a result, the crystal quality of the epitaxially grown layer is deteriorated. As a result, the carrier mobility is lowered and the device resistance is increased.
そこで、格子定数差により生じる結晶品質への影響を緩和するため、基板とエピタキシャル成長層との間にドーピング濃度2×1015〜3×1019cm−3、層厚0.3〜15μmのバッファ層を設けることが(11−20)面の炭化珪素結晶に対して開示されており、上記のドーピング濃度および層厚の範囲の単層膜や、段階的傾斜構造、連続的傾斜構造を設けることが示されている(例えば、特許文献2参照)。 Therefore, in order to mitigate the influence on the crystal quality caused by the lattice constant difference, a buffer layer having a doping concentration of 2 × 10 15 to 3 × 10 19 cm −3 and a layer thickness of 0.3 to 15 μm is formed between the substrate and the epitaxial growth layer. Is provided for a (11-20) -plane silicon carbide crystal, and a single-layer film, a graded graded structure, or a continuously graded structure within the above-described doping concentration and layer thickness ranges can be provided. (For example, refer to Patent Document 2).
また、基板とエピタキシャル成長層との間に設けるバッファ層としては、基底面転位がエピタキシャル成長層に導入されるのを抑制することを目的として、下地となる基板のドーピング濃度の1/10〜1/2程度のドーピング濃度の層を複数積層し、ドーピング濃度が階段状に変化する段階的傾斜膜を設けることが、(0001)面および(000−1)面の炭化珪素結晶について示されている(例えば、特許文献3参照)。 In addition, as a buffer layer provided between the substrate and the epitaxial growth layer, for the purpose of suppressing introduction of basal plane dislocations into the epitaxial growth layer, 1/10 to 1/2 of the doping concentration of the underlying substrate. It has been shown for silicon carbide crystals on the (0001) plane and the (000-1) plane that a plurality of layers having a doping concentration of a certain degree are stacked and a graded graded film whose doping concentration changes stepwise is shown (for example, And Patent Document 3).
上述のような従来の炭化珪素半導体を材料とするエピタキシャルウエハおよび半導体素子においては、基板と、耐圧層となるエピタキシャル成長層との間に、単層膜や、ドーピング濃度が段階的または連続的に変化する段階的傾斜構造または連続的傾斜構造のバッファ層を設けることが開示されているが、基板およびエピタキシャル成長層のドーパントの種類やその濃度に応じた適切な構成は示されていなかった。特に段階的傾斜構造のバッファ層や連続的傾斜構造のバッファ層について、添加するドーパントによって生じる格子不整合の向きを考慮したバッファ層の構成は示されていないため、従来の炭化珪素エピタキシャルウエハおよび半導体素子では、エピタキシャル成長層の結晶品質が劣化し、キャリアの移動度が低下する場合があった。 In the above-described conventional epitaxial wafers and semiconductor elements made of silicon carbide semiconductors, the single layer film and the doping concentration change stepwise or continuously between the substrate and the epitaxially grown layer that becomes the breakdown voltage layer. However, it has been disclosed that a buffer layer having a graded structure or a continuously graded structure is provided, but an appropriate configuration according to the type and concentration of the dopant in the substrate and the epitaxial growth layer has not been shown. In particular, for a buffer layer having a graded structure and a buffer layer having a continuously graded structure, the structure of the buffer layer considering the direction of lattice mismatch caused by the added dopant is not shown. In the device, the crystal quality of the epitaxial growth layer is deteriorated, and the carrier mobility may be lowered.
この発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、従来よりもエピタキシャル成長層の結晶品質を向上させることができ、厚膜のエピタキシャル成長層を形成する場合においてもキャリア移動度の低下が生じず、素子抵抗の低いエピタキシャルウエハおよび半導体素子を実現するものである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and can improve the crystal quality of the epitaxially grown layer as compared with the prior art, and the carrier mobility is lowered even when a thick epitaxially grown layer is formed. An epitaxial wafer and a semiconductor element that do not occur and have low element resistance are realized.
この発明に係るエピタキシャルウエハおよび半導体素子は、ドーピングにより格子定数が増加するドーパントをドーピングした第1導電型の炭化珪素基板と、前記炭化珪素基板上に設けられ、前記ドーパントがドーピングされた第1導電型のバッファ層と、前記バッファ層上に設けられ、前記ドーパントが前記炭化珪素基板よりも小さい濃度でドーピングされた第1導電型の炭化珪素エピタキシャル成長層とを有し、前記バッファ層のドーピング濃度は、前記炭化珪素基板との界面から前記炭化珪素エピタキシャル成長層との界面に向かって、前記炭化珪素基板のドーピング濃度から前記炭化珪素エピタキシャル成長層のドーピング濃度まで線形に減少することを特徴とするものである。 An epitaxial wafer and a semiconductor device according to the present invention include a first conductivity type silicon carbide substrate doped with a dopant whose lattice constant increases by doping, and a first conductivity type provided on the silicon carbide substrate and doped with the dopant. Type buffer layer and a first conductivity type silicon carbide epitaxial growth layer provided on the buffer layer and doped with the dopant at a concentration lower than that of the silicon carbide substrate, and the doping concentration of the buffer layer is , Linearly decreasing from the doping concentration of the silicon carbide substrate to the doping concentration of the silicon carbide epitaxial growth layer from the interface with the silicon carbide substrate toward the interface with the silicon carbide epitaxial growth layer. .
また、この発明に係るエピタキシャルウエハおよび半導体素子は、ドーピングにより格子定数が増加するドーパントをドーピングした第1導電型の炭化珪素基板と、前記炭化珪素基板上に設けられ、Ge、SnまたはPbのいずれがドーピングされた炭化珪素エピタキシャル成長層とを有し、前記炭化珪素基板と前記炭化珪素エピタキシャル成長層の格子定数は、前記エピタキシャル成長層の成長温度において略一致することを特徴とするものである。 In addition, an epitaxial wafer and a semiconductor device according to the present invention are provided on a silicon carbide substrate of a first conductivity type doped with a dopant whose lattice constant increases by doping, and any one of Ge, Sn, or Pb provided on the silicon carbide substrate. And a lattice constant of the silicon carbide substrate and the silicon carbide epitaxial growth layer substantially coincide with each other at a growth temperature of the epitaxial growth layer.
この発明によれば、炭化珪素基板とエピタキシャル成長層との格子不整合を効果的に緩和することができるので、炭化珪素基板とエピタキシャル成長層との格子定数差によって生じる結晶欠陥がエピタキシャル成長層に導入されることを抑制できる。その結果、エピタキシャル成長層の結晶品質劣化を防止でき、厚膜のエピタキシャル成長層を形成してもキャリアの移動度の低下が生じず、素子抵抗の低いエピタキシャルウエハおよび半導体素子を得ることができる。 According to the present invention, since the lattice mismatch between the silicon carbide substrate and the epitaxial growth layer can be effectively reduced, crystal defects caused by the lattice constant difference between the silicon carbide substrate and the epitaxial growth layer are introduced into the epitaxial growth layer. This can be suppressed. As a result, deterioration of the crystal quality of the epitaxial growth layer can be prevented, and even if a thick epitaxial growth layer is formed, the carrier mobility does not decrease, and an epitaxial wafer and a semiconductor device with low device resistance can be obtained.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、結晶面を示すミラー指数の表示法においては、負の指数を表す負号は指数の上に付けるのが一般的であるが、本明細書では、負号を指数の前に付けて示す Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in the Miller index notation indicating the crystal plane, a negative sign representing a negative index is generally added above the index, but in this specification, the negative sign is indicated before the index.
実施の形態1.
図1は本発明の実施の形態1における半導体素子の構成を示す断面図である。また、図2は、本発明の実施の形態1におけるエピタキシャルウエハの構成を示す断面図である。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor element according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of the epitaxial wafer in the first embodiment of the present invention.
図2において、エピタキシャルウエハ100は、(0001)面からオフ角を有する第1導電型であるn型の低抵抗炭化珪素基板1と、この炭化珪素基板1上に形成されたn型バッファ層2と、このバッファ層2上にエピタキシャル成長により形成された、エピタキシャル成長層3とで構成されている。バッファ層2の構成については別途詳述する。
In FIG. 2,
そして、このエピタキシャルウエハ100を用いて、図1に示す半導体素子である炭化珪素ショットキバリアダイオード101が形成される。ショットキバリアダイオード102においては、エピタキシャルウエハ100のエピタキシャル成長層3は耐圧を保持するためのn型ドリフト層となる。このドリフト層3の層厚は3〜150μm程度、ドーピング濃度は0.5〜20×1015cm−3程度であり、炭化珪素基板1のドーピング濃度よりも低いドーピング濃度で形成されている。また、ショットキバリアダイオード102の素子周辺部には、第2導電型であるp型領域4が終端構造として形成されている。このp型領域4は、エピタキシャルウエハ100中のドリフト層3中にイオン注入および活性化熱処理工程によって選択的に形成され、層厚0.5〜2μm程度、ドーピング濃度1〜100×1017cm−3程度で形成される。また、アノード電極5はドリフト層3上に、p型領域4とも接触するように形成されている。さらに、カソード電極6はn型低抵抗炭化珪素基板1の裏面に形成されている。
Then, using this
アノード電極5はドリフト層3に対してはショットキ接触であり、p型領域4に対してはショットキ接触、オーミック接触のいずれであってもよい。アノード電極5が、p型領域4に対してオーミック電極として機能するためには、接触抵抗値として、10−3Ωcm2以下とすればp型領域4を介する電流が流れる際の接触部の影響によるオン電圧の上昇を小さくすることができる。さらに望ましくは10−4Ωcm2以下の接触抵抗値とすれば、接触部の影響による電圧上昇はほぼ無視することができる。
The
炭化珪素基板1は、素子抵抗の増大を招かないように、極力抵抗率が小さいことが望ましく、V族元素を高濃度にドーピングするが、ドーピング濃度が高すぎると結晶欠陥が導入されやすくなるため、通常は1019cm−3前後の濃度になるようにドーピングを行う。本実施の形態では、例えば砒素(As)のような、ドーピング濃度を高くするにつれて炭化珪素結晶の格子定数が大きくなる元素を炭化珪素基板1のドーパントとして用いる。 Silicon carbide substrate 1 desirably has a low resistivity as much as possible so as not to increase device resistance, and is doped with a group V element at a high concentration. However, if the doping concentration is too high, crystal defects are likely to be introduced. In general, doping is performed so that the concentration is about 10 19 cm −3 . In the present embodiment, an element such as arsenic (As) that increases the lattice constant of the silicon carbide crystal as the doping concentration is increased is used as a dopant for silicon carbide substrate 1.
バッファ層2には、炭化珪素基板1と同じドーパントがドーピングされており、そのドーピング濃度は、図1に示すように、炭化珪素基板1との界面では炭化珪素基板1のドーピング濃度C1に等しく、ドリフト層3との界面ではドリフト層3のドーピング濃度C2に等しい。そして、バッファ層2の内部では、炭化珪素基板1との界面からドリフト層3との界面に向かって、ドーピング濃度がC2からC1まで線形(リニア)に減少するような連続的傾斜組成で形成されている。
The buffer layer 2 is doped with the same dopant as that of the silicon carbide substrate 1, and the doping concentration is equal to the doping concentration C1 of the silicon carbide substrate 1 at the interface with the silicon carbide substrate 1, as shown in FIG. At the interface with the
このように、ドーピング濃度を高くするにつれて炭化珪素結晶の格子定数が大きくなる元素をドーパントとして炭化珪素基板1およびバッファ層2にドーピングすることにより、エピタキシャル成長層であるドリフト層3の格子定数は炭化珪素基板1よりも小さくなる。したがって、バッファ層2においては、水平方向に引張、エピタキシャル成長層の成長方向すなわち厚み方向に圧縮の応力がかかっている。成長方向においてエピタキシャル成長後の室温への冷却時の収縮と圧縮応力とが相乗されるためにクラックが生じやすくなるが、このように、バッファ層2の不純物濃度を、段階的に格子定数をリニアスケールでほぼ同じ変化量で変化させた構成にすることによって、結晶欠陥が成長方向に伸びることを抑制することができて、結晶欠陥が生成されてもバッファ層2を構成する各層あるいは炭化珪素基板1、ドリフト層3とのいずれかの界面に平行な方向に伸びるために、エピタキシャル成長層内に生成されるのを防止することができ、キャリアの移動度の低下が生じることがなく、素子抵抗の低いデバイスを実現することができる。
In this way, by doping the silicon carbide substrate 1 and the buffer layer 2 with an element that increases the lattice constant of the silicon carbide crystal as the doping concentration is increased as a dopant, the lattice constant of the
また、バッファ層2を構成する各層の厚さを100nm以下とし、ドリフト層3の厚さより極めて小さい値とすることで、バッファ層2を導入することによって生じる素子抵抗の上昇を抑えることができる。
Further, by setting the thickness of each layer constituting the buffer layer 2 to 100 nm or less and a value extremely smaller than the thickness of the
実施の形態2.
図3は本発明の実施の形態2における半導体素子の構成を示す断面図である。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor element according to the second embodiment of the present invention.
図3において半導体素子である炭化珪素MOSFET102は、実施の形態1と同様に、(0001)面からオフ角を有するn型低抵抗炭化珪素基板1と、この炭化珪素基板1上に形成されたバッファ層2と、このバッファ層2上にエピタキシャル成長により形成された、耐圧を保持するためのn型炭化珪素ドリフト層(エピタキシャル成長層)3とを有するエピタキシャルウエハ100を用いて形成されている。なお、バッファ層2の構成については実施の形態1と同様である。
In FIG. 3,
p型炭化珪素ボディ領域14およびn型炭化珪素ソース領域15は、n型ドリフト層3中にイオン注入および活性化熱処理工程によって選択的に形成される。ボディ領域14は、層厚が0.5〜2μm程度、ドーピング濃度が3〜20×1017cm−3程度であって、チャネルが形成されることになる、あるいはチャネルと近接することになる最表面においてはドーピング濃度を下げた構成とすることもできる。最表面のドーピング濃度を下げることで、不純物による散乱が低減されて、チャネルにおけるキャリア移動度が増加して素子抵抗を下げることができる。ボディ領域14のうちコンタクト領域24の最表面領域のみは5〜50×1018cm−3程度と、他の部分より高濃度のドーピングとなるように別途選択的にイオン注入を行ってもよい。ソース領域15としては層厚0.3〜1μm程度、ドーピング濃度5〜50×1018cm−3程度である。
P-type silicon
この層構造の上にゲート絶縁膜17、ゲート電極18を形成してゲート部を作製する。図3に示したMOSFET102にはチャネル層が設けられていないが、別途チャネル層を設けてもよい。チャネル層を設ける場合、その導電型はn型でもp型でもよく、イオン注入種の活性化熱処理によって生じた表面荒れを改善するには、例えばエピタキシャル成長による形成が望ましいが、活性化熱処理によって生じる表面荒れが少なければ選択的なイオン注入によってチャネル層を形成した構造としてもよい。
A
イオン注入種の活性化熱処理は一括して行ってもよいし、それぞれの注入工程ごとに活性化熱処理を行ってもよい。 The activation heat treatment of the ion implantation species may be performed at once, or the activation heat treatment may be performed for each implantation step.
ゲート絶縁膜17はシリコン酸化膜もしくはシリコン酸化窒化膜等を、炭化珪素半導体の熱酸化や窒化、または絶縁膜を堆積成膜することによる形成、あるいはこれらの併用によってボディ領域のうちチャネルとなる領域34と対向する部分において10〜100nm程度の厚さに形成する。
The
ゲート電極18は多結晶シリコン膜や金属膜の成膜によって形成する。ゲート部以外の領域について、チャネル層16、ゲート絶縁膜17、ゲート電極18を除去する。チャネル層16についてはゲート絶縁膜17の形成前にゲート部以外の領域を除去してもよい。
層間絶縁膜19を形成したのち、ソース電極20の接触部となる領域の層間絶縁膜を除去してから、ソース電極20を形成する。さらにドレイン電極21をn型基板1の裏面に、ソース電極20および層間絶縁膜19上に配線22を形成する。図示しないが、ゲート電極パッドが形成される素子外周部の一部領域においては層間絶縁膜上の配線22は除去された構成となる。
The
After forming the
バッファ層2は図1に示すような実施の形態1と同様の構成であって、バッファ層2を、炭化珪素基板1との界面から炭化珪素エピタキシャル成長層3側に向かって、ドーピング濃度が炭化珪素基板1の濃度C1から炭化珪素エピタキシャル層の濃度C2まで線形に減少するように形成したことにより、炭化珪素基板1とエピタキシャル成長層3との格子不整合を効果的に緩和することができるので、エピタキシャル成長層であるドリフト層3への結晶欠陥の導入を防止することができ、キャリアの移動度の低下が生じることがなく、素子抵抗の上昇を抑えることができる。
The buffer layer 2 has the same configuration as that of the first embodiment as shown in FIG. 1, and the doping concentration of the buffer layer 2 is silicon carbide from the interface with the silicon carbide substrate 1 toward the silicon carbide
また、バッファ層2を構成する各層の厚さを100nm以下とし、ドリフト層3の厚さより極めて小さい値とすることで、バッファ層2を導入することによって生じる素子抵抗の上昇を抑えることができる。
Further, by setting the thickness of each layer constituting the buffer layer 2 to 100 nm or less and a value extremely smaller than the thickness of the
上記の実施の形態1,2では、炭化珪素基板1の面方位を(0001)面からオフ角を有した面としているが、オフ角を有さない(0001)面や(000−1)面、(11−20)面、(03−38)面など、いずれの結晶面方位においても、図1に示した構成のバッファ層は結晶欠陥のエピタキシャル成長層への導入を防止することができるとともに、素子抵抗の上昇を抑えることができる。 In the first and second embodiments described above, the plane orientation of silicon carbide substrate 1 is the plane having an off angle from the (0001) plane, but the (0001) plane and (000-1) plane having no off angle. In any crystal plane orientation such as (11-20) plane, (03-38) plane, etc., the buffer layer having the configuration shown in FIG. 1 can prevent the introduction of crystal defects into the epitaxial growth layer, An increase in element resistance can be suppressed.
また、実施の形態1、2では、ドーパントとして砒素の例を示したが、砒素以外であっても、ドーピングにより炭化珪素結晶の格子定数が増大するドーパントであれば、バッファ層を図1で示した構成とすることにより、エピタキシャル成長層への結晶欠陥の導入を防止することができるとともに、素子抵抗の上昇を抑えることができる。 In Embodiments 1 and 2, an example of arsenic is shown as a dopant. However, even if it is other than arsenic, a buffer layer is shown in FIG. 1 as long as the dopant increases the lattice constant of the silicon carbide crystal by doping. By adopting such a configuration, it is possible to prevent the introduction of crystal defects into the epitaxial growth layer and to suppress the increase in element resistance.
実施の形態3.
図4は本発明の実施の形態3における半導体素子の構成を示す断面図である。また、図5は、本発明の実施の形態3におけるエピタキシャルウエハの構成を示す断面図である。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor element according to the third embodiment of the present invention. FIG. 5 is a cross-sectional view showing the structure of the epitaxial wafer in the third embodiment of the present invention.
図4において、エピタキシャルウエハ200は、(0001)面からオフ角を有する第1導電型であるn型の低抵抗炭化珪素基板51と、この炭化珪素基板51上に形成され、ドーパントとしてGe、SnまたはPbのいずれかがドーピングされたエピタキシャル成長層53とで構成されている。
In FIG. 4, an
そして、このエピタキシャルウエハ200を用いて、図4に示す半導体素子である炭化珪素ショットキバリアダイオード201が形成される。ショットキバリアダイオード201においては、エピタキシャルウエハ200のエピタキシャル成長層53が耐圧を保持するためのn型ドリフト層となる。このドリフト層53としては層厚3〜150μm程度、ドーピング濃度は0.5〜20×1015cm−3程度である。
Then, using this
また、ショットキバリアダイオード201の素子周辺部には、第2導電型のp型領域54が終端構造として形成されている。このp型領域4は、エピタキシャルウエハ200のエピタキシャル成長層53中にイオン注入および活性化熱処理工程によって形成され、層厚0.5〜2μm程度、ドーピング濃度1〜100×1017cm−3程度で形成される。また、アノード電極55はドリフト層53上に、p型領域54とも接触するように形成されている。さらに、カソード電極56が炭化珪素基板51の裏面に形成されている。
Further, a p-
アノード電極55はドリフト層53に対してはショットキ接触であり、p型領域54に対してはショットキ接触、オーミック電極のいずれであってもよい。アノード電極55が、オーミック電極として機能するためには、接触抵抗値として、10−3Ωcm2以下とすればp型領域54を介する電流が流れる際の接触部の影響によるオン電圧の上昇を小さくすることができ、さらに望ましくは10−4Ωcm2以下とすれば、接触部の影響による電圧上昇はほとんど無視できる。
The
炭化珪素基板51は、素子抵抗の増大を招かないように、極力抵抗率が小さいことが望ましく、V族元素を高濃度にドーピングするが、ドーピング濃度が高すぎると結晶欠陥が導入されるため、通常は1019cm−3前後の濃度になるようにドーピングを行う。本実施の形態では、例えば砒素(As)のような、ドーピング濃度を大きくするにつれて格子定数が大きくなる元素を炭化珪素基板51のドーパントとして用いる。
このように、ドーパントとして砒素を用いた場合、ドーピング濃度を大きくするとともに格子定数が大きくなるため、ドーピング濃度の小さいエピタキシャル成長層の格子定数は、ドーピング濃度の大きい基板より小さくなる。そこで、炭化珪素を構成する元素であるCおよびSiと同じIV族で、かつ原子数の大きいGe、SnまたはPbのいずれかをエピタキシャル成長層53にドーピングすることによって、エピタキシャル成長層53の格子定数を炭化珪素基板51と略同じ格子定数のエピタキシャル成長層とすることができる。炭化珪素と、Ge、SnまたはPbのいずれかをドーピングした炭化珪素とでは、熱膨張係数が異なる可能性があるが、エピタキシャル成長層53の成長温度において格子定数が略一致するように、Ge、SnまたはPbのいずれかのドーピング量を調整する。このような構成とすることで、エピタキシャル成長層53に格子定数差によって導入される結晶欠陥の発生を防止することができ、厚い耐圧層においてもキャリアの移動度の低下が生じず、素子抵抗の低い半導体素子を実現することができる。
As described above, when arsenic is used as the dopant, the lattice constant increases as the doping concentration increases, so that the lattice constant of the epitaxial growth layer having a low doping concentration is smaller than that of the substrate having a high doping concentration. Therefore, the
なお、炭化珪素基板51の格子定数とエピタキシャル成長53の格子定数が「略一致する」とは、本願発明の効果を奏する程度であれば、両者の格子定数が完全に一致していなくてもよいことを意味する。
It should be noted that the lattice constant of
実施の形態4.
図6は本発明の実施の形態4における半導体素子の構成を示す断面図である。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor element according to the fourth embodiment of the present invention.
図6において半導体素子である炭化珪素MOSFET202は、実施の形態3と同様に、(0001)面からオフ角を有したn型低抵抗炭化珪素基板51と、この炭化珪素基板51上に形成されGe、SnまたはPbのいずれかがドーピングされたエピタキシャル成長層53とを有するエピタキシャルウエハ200を用いて形成されている。また、エピタキシャル成長層53が、耐圧を保持するためのn型炭化ドリフト層として機能することも実施の形態3と同様である。
In FIG. 6,
p型炭化珪素ボディ領域64およびn型炭化珪素ソース領域65は、n型ドリフト層53中にイオン注入および活性化熱処理工程によって選択的に形成される。ボディ領域64は、層厚0.5〜2μm程度、ドーピング濃度が3〜20×1017cm−3程度であって、チャネルが形成されることになる、あるいはチャネルと近接することになる最表面においてはドーピング濃度を下げた構成とすることもできる。最表面のドーピング濃度を下げることで、不純物による散乱が低減されて、チャネルにおけるキャリアの移動度が増加して素子抵抗を下げることができる。ボディ領域の64うちコンタクト領域74の最表面領域のみは5〜50×1018cm−3程度と、他の部分より高濃度のドーピングとなるように別途選択的にイオン注入を行ってもよい。ソース領域55としては層厚0.3〜1μm程度、ドーピング濃度5〜50×1018cm−3程度である。
P-type silicon
この層構造の上にゲート絶縁膜67、およびゲート電極68を形成してゲート部を作製する。図6に示したMOSFET202にはチャネル層が設けられていないが、別途チャネル層を設けてもよい。チャネル層を設ける場合、その導電型はn型でもp型でもよく、イオン注入種の活性化熱処理によって生じた表面荒れを改善するには、例えばエピタキシャル成長による形成が望ましいが、活性化熱処理によって生じる表面荒れが少なければ選択的なイオン注入によってチャネル層を形成した構造としてもよい。
A
イオン注入種の活性化熱処理は一括して行ってもよいし、それぞれの注入工程ごとに活性化熱処理を行ってもよい。 The activation heat treatment of the ion implantation species may be performed at once, or the activation heat treatment may be performed for each implantation step.
ゲート絶縁膜67はシリコン酸化膜もしくはシリコン酸化窒化膜等を、炭化珪素半導体の熱酸化や窒化、絶縁膜を堆積成膜することによる形成、あるいはこれらの併用によってボディ領域のうちチャネルとなる領域84と対向する部分において10〜100nm程度の厚さに形成する。
The
ゲート電極68は多結晶シリコン膜や金属膜の成膜によって形成する。ゲート部以外の領域について、チャネル層(図示せず)、ゲート絶縁膜67、ゲート電極68を除去する。チャネル層(図示せず)についてはゲート絶縁膜67の形成前にゲート部以外の領域を除去してもよい。
The
層間絶縁膜69を形成したのち、ソース電極70の接触部となる領域の層間絶縁膜を除去してから、ソース電極70を形成する。さらにドレイン電極71を炭化珪素基板51の裏面に、ソース電極70および層間絶縁膜69上に配線72を形成する。図示しないが、ゲート電極パッドが形成される素子外周部の一部領域においては層間絶縁膜上の配線72は除去された構成となる。
After the
炭化珪素基板51のドーパントが砒素の場合、ドーピング濃度を大きくするとともに格子定数が大きくなるため、ドーピング濃度の小さいエピタキシャル成長層の格子定数は、ドーピング濃度の大きい基板より小さくなるが、炭化珪素を構成する元素であるCおよびSiと同じIV族で、かつ原子数の大きいGe、Sn、Pbのいずれかをエピタキシャル成長層53にドーピングすることによって、基板と同じ格子定数のエピタキシャル成長層とすることができる。炭化珪素と、Ge、SnまたはPbのいずれかをドーピングした炭化珪素とでは、熱膨張係数が異なる可能性があるが、エピタキシャル成長温度において格子定数が一致するように、Ge、SnまたはPbのいずれかのドーピング量を調整する。このような構成とすることで、エピタキシャル成長層に格子定数差によって導入される結晶欠陥の発生を防止することができ、厚い耐圧層においてもキャリアの移動度の低下が生じず、素子抵抗の低い半導体素子を実現することができる。
When the dopant of the
上記の実施の形態3,4では、炭化珪素基板51の面方位を(0001)面からオフ角を有した面としているが、オフ角を有さない(0001)面や(000−1)面、(11−20)面、(03−38)面など、いずれの結晶面方位においても、結晶欠陥のエピタキシャル成長層への導入を防止することができるとともに、素子抵抗の上昇を抑えることができる。
In
なお、上記の実施の形態3、4では、ドーパントとして砒素の場合を示したが、ドーピングにより炭化珪素結晶の格子定数が増加するドーパントであれば、エピタキシャル成長層に炭化珪素を構成する元素であるCおよびSiと同じIV族で、かつ原子数の大きいGe、SnまたはPbのいずれかをドーピングすることで、炭化珪素基板とエピタキシャル成長層との格子定数を略一致させることができて、結晶欠陥のエピタキシャル成長層への導入を防止することができるとともに、素子抵抗の上昇を抑えることができる。 In the third and fourth embodiments, arsenic is shown as the dopant. However, if the dopant increases the lattice constant of the silicon carbide crystal by doping, C is an element constituting silicon carbide in the epitaxial growth layer. Further, by doping any of Ge, Sn, or Pb, which is the same group IV as Si and Si with a large number of atoms, the lattice constants of the silicon carbide substrate and the epitaxial growth layer can be made to substantially match, and the epitaxial growth of crystal defects can be achieved. Introduction into the layer can be prevented, and an increase in element resistance can be suppressed.
1,51 炭化珪素基板、 2 バッファ層、 3,53 ドリフト層(炭化珪素エピタキシャル層)、 100,200 エピタキシャルウエハ、 101,201 ショットキバリアダイオード、 102,202 MOSFET。 1,51 Silicon carbide substrate, 2 buffer layer, 3,53 drift layer (silicon carbide epitaxial layer), 100,200 epitaxial wafer, 101,201 Schottky barrier diode, 102,202 MOSFET.
Claims (8)
前記炭化珪素基板上に設けられ、前記ドーパントがドーピングされた第1導電型のバッファ層と、
前記バッファ層上に設けられ、前記ドーパントが前記炭化珪素基板よりも小さい濃度でドーピングされた第1導電型の炭化珪素エピタキシャル成長層とを有し、
前記バッファ層のドーピング濃度は、前記炭化珪素基板との界面から前記炭化珪素エピタキシャル成長層との界面に向かって、前記炭化珪素基板のドーピング濃度から前記炭化珪素エピタキシャル成長層のドーピング濃度まで線形に減少することを特徴とするエピタキシャルウエハ。 A silicon carbide substrate of the first conductivity type doped with a dopant whose lattice constant increases by doping;
A buffer layer of a first conductivity type provided on the silicon carbide substrate and doped with the dopant;
A silicon carbide epitaxial growth layer of a first conductivity type provided on the buffer layer and doped with the dopant at a concentration lower than that of the silicon carbide substrate;
The doping concentration of the buffer layer decreases linearly from the doping concentration of the silicon carbide substrate to the doping concentration of the silicon carbide epitaxial growth layer from the interface with the silicon carbide substrate toward the interface with the silicon carbide epitaxial growth layer. An epitaxial wafer characterized by
前記炭化珪素基板上に設けられ、Ge、SnまたはPbのいずれがドーピングされた炭化珪素エピタキシャル成長層とを有し、
前記炭化珪素基板と前記炭化珪素エピタキシャル成長層の格子定数は、前記炭化珪素エピタキシャル成長層の成長温度において略一致することを特徴とするエピタキシャルウエハ。 A silicon carbide substrate of the first conductivity type doped with a dopant whose lattice constant increases by doping;
A silicon carbide epitaxial growth layer provided on the silicon carbide substrate and doped with any of Ge, Sn, or Pb;
An epitaxial wafer characterized in that lattice constants of the silicon carbide substrate and the silicon carbide epitaxial growth layer substantially coincide with each other at a growth temperature of the silicon carbide epitaxial growth layer.
前記炭化珪素基板上に設けられ、前記ドーパントがドーピングされた第1導電型のバッファ層と、
前記バッファ層上に設けられ、前記ドーパントが前記炭化珪素基板よりも小さい濃度でドーピングされた第1導電型の炭化珪素エピタキシャル成長層とを有し、
前記バッファ層のドーピング濃度は、前記炭化珪素基板との界面から前記炭化珪素エピタキシャル成長層との界面に向かって、前記炭化珪素基板のドーピング濃度から前記炭化珪素エピタキシャル成長層のドーピング濃度まで線形に減少するとともに、
前記炭化珪素エピタキシャル成長層がドリフト層であることを特徴とする半導体素子。 A silicon carbide substrate of the first conductivity type doped with a dopant whose lattice constant increases by doping;
A buffer layer of a first conductivity type provided on the silicon carbide substrate and doped with the dopant;
A silicon carbide epitaxial growth layer of a first conductivity type provided on the buffer layer and doped with the dopant at a concentration lower than that of the silicon carbide substrate;
The doping concentration of the buffer layer decreases linearly from the doping concentration of the silicon carbide substrate to the doping concentration of the silicon carbide epitaxial growth layer from the interface with the silicon carbide substrate toward the interface with the silicon carbide epitaxial growth layer. ,
The semiconductor element, wherein the silicon carbide epitaxial growth layer is a drift layer.
前記炭化珪素基板上に設けられ、Ge、SnまたはPbのいずれがドーピングされた炭化珪素エピタキシャル成長層とを有し、
前記炭化珪素基板と前記炭化珪素エピタキシャル成長層の格子定数は、前記炭化珪素エピタキシャル成長層の成長温度において略一致するとともに、
前記炭化珪素エピタキシャル成長層がドリフト層であることを特徴とする半導体素子。 A silicon carbide substrate of the first conductivity type doped with a dopant whose lattice constant increases by doping;
A silicon carbide epitaxial growth layer provided on the silicon carbide substrate and doped with any of Ge, Sn, or Pb;
The lattice constants of the silicon carbide substrate and the silicon carbide epitaxial growth layer substantially coincide with each other at the growth temperature of the silicon carbide epitaxial growth layer, and
The semiconductor element, wherein the silicon carbide epitaxial growth layer is a drift layer.
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