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JP3206727B2 - 炭化けい素縦型mosfetおよびその製造方法 - Google Patents

炭化けい素縦型mosfetおよびその製造方法

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JP3206727B2
JP3206727B2 JP03608097A JP3608097A JP3206727B2 JP 3206727 B2 JP3206727 B2 JP 3206727B2 JP 03608097 A JP03608097 A JP 03608097A JP 3608097 A JP3608097 A JP 3608097A JP 3206727 B2 JP3206727 B2 JP 3206727B2
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Fuji Electric Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体材料として
炭化けい素を用いた、電力用半導体素子、特にMOS型
のゲートをもつ縦型MOSFETおよび、その製造方法
に関する。
【0002】
【従来の技術】炭化けい素(以下SiCと記す)は、バ
ンドギャップが広く、また最大絶縁電界がシリコン(以
下Siと記す)と比較して一桁も大きいことから、次世
代の電力用半導体素子への応用が期待されている材料で
ある。これまでに、ショットキーダイオード、縦形MO
SFET、サイリスタなどの素子が試作され、その特性
から従来のSiと比較して非常に特性が良好なことが確
認されている。本発明は、その中で縦形MOSFETに
かかわるものである。
【0003】図7はSiを用いた電力用半導体素子で、
もっとも普及したプレーナ型の縦形MOSFETの単位
セルの部分断面図である。ゲート絶縁膜5上のゲート電
極層6に電圧を印加することによって、ゲート電極層6
直下のpベース領域3の表面部分にチャネル10が誘起
され、nソース領域4とnドリフト層2とが電気的に短
絡される。その結果nドリフト層2の下のn+ サブスト
レート1の裏面に設けられたドレイン電極8から、nソ
ース領域4表面上に設けられたソース電極7へと電流を
流すことが可能となる。また、ゲート電極層6に印加さ
れた電圧を取り去ることによって、ドレイン電極8とソ
ース電極7との間は電気的に絶縁されて、スイッチング
機能を示すことになる。
【0004】このような構造を実現するウェハプロセス
のフローを図9(a)ないし(f)に工程順の部分断面
図で示した。ここでは全工程ではなく、特に本発明にか
かわる接合形成工程部分についてのみ、記載した。先
ず、n+ サブストレート1上にエピタキシャル成長した
高抵抗のnドリフト層2の表面に、熱酸化により酸化け
い素膜(以下SiO2 膜と記す)のゲート絶縁膜5を形
成し、その後多結晶シリコン層6aを堆積する[図9
(a)]。
【0005】次に、多結晶シリコン層6aをフォトリソ
グラフィによりパターン形成し、ゲート電極層6とする
[同図(b)]。次いで、p型不純物の、例えばほう素
イオン3aをイオン注入し[同図(c)]、注入された
ほう素原子3bを熱処理によって活性化させるとともに
拡散させてpベース領域3を形成する[同図(d)]。
【0006】更に、n型不純物の例えば燐イオン4aを
注入し[同図(e)]、注入された燐原子4bを熱処理
によって活性化させるとともに拡散させてnソース領域
4を形成する[同図(f)]。図示しないが、その後、
減圧CVD法により燐ガラスを堆積して絶縁膜とし、そ
の絶縁膜に窓を開け、nソース領域4に接触するソース
電極を設ける。同時にゲート電極層6に接触するゲート
電極を設け、また、n+ サブストレートの裏面にドレイ
ン電極を設ける。
【0007】上記の工程でもっとも重要であるのは、p
型のほう素イオン3aおよびn型の燐イオン4aのイオ
ン注入工程において、その前の工程でパターン形成した
ゲート電極層6がイオン注入の際のマスクとなってお
り、両者が同一のマスクにより打ち込まれ、その後熱拡
散していることである。そのため、この構造を二重拡散
MOS(D-MOS) 構造と呼んでいる。このことによって、
MOSFETの特性を左右するチャネル領域10の長さ
が、非常に精密に制御可能で、歩留まり良くMOSFE
Tを作ることができる。
【0008】以上のプロセスは、Si半導体でもっとも
普及している方法であるが、残念ながらSiCにそのま
ま適用することのできないプロセスである。その理由
は、SiCではイオン注入した不純物の活性化率が悪
く、これを向上させるために、1000℃以上でのイオ
ン注入、また1600℃以上での活性化熱処理が必要な
こと、およびイオン注入した不純物の拡散がほとんど起
きないことである。
【0009】通常ゲート絶縁膜としてはSiO2 膜が、
ゲート電極としては多結晶シリコンが使用されるが、S
iO2 膜は1300℃以上で軟化し、また多結晶シリコ
ンは融点が1412℃である。従って、図9(a)〜
(f)のように、ゲート絶縁膜5やゲート電極層6を形
成した後に、このような高温の熱処理は実施できないこ
とになる。
【0010】これを回避するためにSiCではトレンチ
型MOSFETが試作されている。図10はトレンチ型
MOSFETの単位セルの部分断面図である。この構造
ではpベース層13は不純物の拡散ではなく、エピタキ
シャル成長により形成される。燐イオン等の注入により
nソース領域14を形成した後、その表面からnドリフ
ト層12に達するトレンチ19を形成する。そのトレン
チ19の内側にゲート絶縁膜15を形成しゲート電極層
16を充填している。なお、この構造はSi素子でも採
用されている構造である。その理由は、この構造ではチ
ャンネル領域20が縦に形成されるため、稠密にセルを
配置できて面積効率がよいこと、幾何学的にデバイスの
特性が向上することによる。
【0011】しかしながら、SiCの場合には更に別の
問題が存在する。半導体とゲート絶縁膜の界面での電圧
印加時の電界強度の境界条件は、 εiEi=εsEs (1) である。ここでεi 、εs はそれぞれゲート絶縁膜、半
導体の誘電率、Ei、Esはそれぞれゲート絶縁膜、半
導体の電界強度をあらわす。
【0012】従って、ゲート絶縁膜の電界は、 となる。今、Siのεs は11.7であり、SiO2
のεi は3.8であるから、Esに絶縁電界が印加され
たとしても、ゲート絶縁膜にはSiの約3倍の電界が印
加される。これは、ゲート絶縁膜の絶縁電界の30%程
度の電界にあたる。ところがSiCのεs は10.2で
ありSiと余り変わらないが、先に述べたように絶縁電
界がSiより約一桁大きいために、ゲート絶縁膜にはS
iデバイスの時の10倍もの電界が印加されることにな
る。
【0013】さらに、図で示したようにトレンチ構造で
はコーナー部15aが存在する。このコーナー部では電
界が集中することにより、本来のSiCの絶縁電界の利
点を活かすことができないことになる。すなわち、素子
に電圧を印加していくと、半導体が絶縁電界に達する前
に、ゲート絶縁膜が絶縁電界に達し、素子が破壊すると
いう問題が起きる。
【0014】最近、Shenoy, J.N.らは、高耐圧のSiC
縦型MOSFETの試作を報告した[54th Device Reser
ch Conference, Santa Barbara (1996)]。図11は、そ
の部分断面図である。詳しい製造方法の記載は無いが、
二重イオン注入によると記載されている。すなわち、図
11において、pベース領域23と、nソース領域24
とは、イオン注入時の加速電圧を高くすることにより、
不純物を深く注入して形成し、先に述べた不純物の拡散
の問題を解決したと考えられる。このSiC縦型MOS
FETは、ふたたびプレーナ構造とすることにより、ト
レンチ構造での酸化膜の耐圧の問題を解決している。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】しかし、二重イオン注
入法では、次の様な問題が起きる。それは、不純物の拡
散が、ほぼ等方的に起きるのに対し、イオン注入が強い
異方性をもつことである。そのため、マスクを使用した
選択的なイオン注入をおこなうと、マスク端から側方へ
の不純物の侵入量が少なくなる。すなわち、図11にお
いて、pベース領域23の深さ方向の厚さに対して、横
方向の距離すなわちチャネル領域30の長さが小さくな
ってしまうことを意味している。このため、パンチスル
ーが起き、耐圧が高くならない。
【0016】
【課題を解決するための手段】上記課題解決のため本発
明は、その基礎として、第一導電型炭化けい素サブスト
レート上に積層された炭化けい素からなる第一導電型ド
リフト層と、その第一導電型ドリフト層の表面層に選択
的に形成された第二導電型ベース領域と、その第二導電
型ベース領域内に選択的に形成された第一導電型ソース
領域と、第一導電型ソース領域と第一導電型ドリフト層
とに挟まれた第二導電型ベース領域の表面露出部上の少
なくとも一部にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート
電極層と、第一導電型ソース領域と第二導電型ベース領
域との表面に共通に接触するソース電極と、炭化けい素
サブストレートの裏面に設けられたドレイン電極とを有
する縦形MOSFETにおいて、第一導電型不純物の選
択的なイオン注入によって第一導電型ソース領域を形成
するためのマスクの幅が、第二導電型不純物の選択的な
イオン注入によって第二導電型ベース領域を形成するた
めのマスクの幅より、広いものとする。
【0017】そのようにすれば、チャネル領域の長さ
と、第二導電型ベース領域の厚さとをそれぞれ独立に設
計できる。
【0018】しかして、本発明によれば、少なくとも第
二導電型ベース領域の表面の一部が第一導電型ソース領
域の表面より突き出したものとする。そのようにすれ
ば、第一導電型ドリフト層の表面露出部と第一導電型ソ
ース領域との間の第二導電型ベース領域の距離を大きく
できる。
【0019】そのような炭化けい素縦型MOSFETの
製造方法としては、第二導電型ベース領域および第一導
電型ソース領域の形成のためマスクを使用した選択的な
イオン注入をおこない、前記マスクを除去して熱処理を
おこなった後、ゲート絶縁膜を形成するものがある。そ
のような方法を取れば、ゲート絶縁膜、ゲート電極層が
イオン注入およびその活性化の後となるため、プレーナ
型縦形MOSFETの製造が可能となる。
【0020】そして、第二導電型ベース領域形成のため
の第二導電型不純物の選択的なイオン注入が、加速電圧
を変えた複数回のイオン注入であるものとする。そのよ
うな方法を取れば、第二導電型ベース領域の厚さを厚く
できる。また、第二導電型ベース領域形成のための第二
導電型不純物の選択的なイオン注入に使用するマスクと
その両側に設けたスペーサとをマスクとした第一導電型
不純物のイオン注入によって第一導電型ソース領域を形
成するものとする。
【0021】そのような方法を取れば、チャネル領域の
長さをスペーサの長さによって制御でき、素子の設計が
容易となる。また、第二導電型ベース領域形成のための
第二導電型不純物の選択的なイオン注入が、加速電圧を
変えた複数回のイオン注入であるものにおいて、第一導
電型ドリフト層の一部を第一のマスクで覆い、所定の深
さまで第一導電型ドリフト層をエッチングして凸部を形
成する工程と、第二導電型ベース領域形成のためのイオ
ン注入をおこなう工程と、上記エッチング工程により生
じた凸部の両側にスペーサを形成する工程と、第一導電
型ソース領域形成のためのイオン注入をおこなう工程
と、エッチングにより生じた凸部の段差を少なくするた
めの平坦化工程とを備えるものとする。
【0022】そのような方法を取れば、炭化けい素基板
の凸部をマスクとするので、高加速電圧での不純物イオ
ン注入のための他の材料で厚いマスクを形成する必要が
無い。しかも、チャネル領域の長さをスペーサの長さに
よって制御でき、素子の設計が容易となる。
【0023】また、第一導電型炭化けい素サブストレー
ト上に積層された炭化けい素からなる第一導電型ドリフ
ト層と、その第一導電型ドリフト層上に形成された第二
導電型ベース層と、その第二導電型ベース層の表面層に
選択的に形成された第一導電型ソース領域と、表面から
第二導電型ベース層を貫通して第一導電型ドリフト層に
達するように形成された第一導電型ウェル領域と、第一
導電型ソース領域と第一導電型ウェル領域とに挟まれた
第二導電型ベース層の表面露出部上の少なくとも一部に
ゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極層と、第一
導電型ソース領域と第二導電型ベース層との表面に共通
に接触するソース電極と、炭化けい素基板の裏面に設け
られたドレイン電極とを有する炭化けい素縦型MOSF
ETの製造方法において、第一導電型炭化けい素サブス
トレート上に、炭化けい素からなる第一導電型ドリフト
層と第二導電型ベース層とがエピタキシャル成長により
積層された基板を用い、その第二導電型ベース層表面上
に第一のマスクを形成する工程と、その第一のマスクと
一部が重なるように第二のマスクを形成する工程と、そ
の第一のマスクと第二のマスクとにより選択的に第二導
電型ベース層の表面層に第一導電型ソース領域形成のた
めのイオン注入をおこなう工程と、第一のマスクと一部
が重なるように第三のマスクを形成する工程と、その第
一のマスクと第三のマスクとにより選択的に第二導電型
ベース層の表面層に第一導電型ウェル領域形成のための
イオン注入をおこなう工程とをおこなってもよい。
【0024】そのような方法を取れば、チャネル領域の
寸法が、ほぼ第一のマスクによって決定されることにな
る。
【0025】
【発明の実施の形態】以下で本発明について、実施例を
示しながら詳細に説明する。ただし、図9と同様に従来
の方法と共通の部分の工程、あるいは本特許とかかわり
のない部分については説明を省略する。 [実施例1] 図1は本発明第一の実施例の炭化けい素MOSFETの
部分断面図である。
【0026】基本的な構造は図5のプレーナー型MOS
FETと同じである。すなわち、n+ サブストレート3
1上にエピタキシャル成長により堆積したnドリフト層
32の表面層にほう素のイオン注入により形成されたp
ウェル領域33およびその内部に燐のイオン注入により
形成されたnソース領域34がある。二つのnソース領
域34間のpベース領域33とその間のnドリフト層3
2の表面露出部上にゲート絶縁膜35を介して多結晶シ
リコンのゲート電極層36が設けられている。nソース
領域34とpベース領域33との表面に共通に接触する
ソース電極37とn+ サブストレート31の裏面に接触
するドレイン電極38が設けられている。
【0027】図11のプレーナー型MOSFETと違っ
ている点は、nソース領域34とpベース領域33と
が、同じマスクで選択形成されていない点である。特
に、pベース領域33を選択形成するためのマスクのパ
ターンの幅が、nソース領域34を選択形成するための
マスクのそれより狭くなっている。その結果、nソース
領域34と、nドリフト層32とに挟まれたpベース領
域33の表面露出部であるチャネル領域40の長さは、
同じマスクを用いてイオン注入により選択形成した場合
より広くなっている。
【0028】図2(a)ないし(f)は、図1の第一の
実施例の炭化けい素MOSFETの製造工程順の部分断
面図である。図9と同様に接合構造の形成工程を示し
た。以下順に工程について説明する。先ず、n+ サブス
トレート31上にnドリフト層32をエピタキシャル成
長により積層した炭化けい素基板の表面上に、多結晶シ
リコン層36aを減圧CVD法により堆積し、フォトリ
ソグラフィでパターンを形成して、イオン注入のマスク
とする[図2(a)]。多結晶シリコン層36aの厚さ
は5μmとした。マスク材は、高温でイオン注入をする
場合には、多結晶シリコンなどの高温に絶える材料を用
いる必要がある。
【0029】これをマスクにnソース領域形成のための
燐イオン注入を実施する[同図(b)]。加速電圧は、
20keVと140keV、ドーズ量は全部で3×10
15cm-2、注入温度は1000℃とした。次に、多結晶
シリコン層36aを再度フォトリソグラフィによりパタ
ーン形成して、pベース領域を形成するためのほう素イ
オン33aの注入を行う[同図(c)]。注入条件は、
加速電圧が40keV、120keV、400keVと
1MeV、ドーズ量は全部で3×1013cm-2、注入温
度は1000℃とした。
【0030】四フッ化炭素(CF4 )と酸素(O2 )と
の混合ガスを用いたドライエッチングでマスク材の多結
晶シリコン層36aを除去した後、1600℃、2時間
の熱処理を行い、不純物を活性化してpベース領域33
およびnソース領域34を形成する[同図(d)]。先
に述べたようにSiCでは不純物の拡散が殆ど起きない
が、加速電圧を高くしたことにより、pベース領域33
の接合深さは約2μmで、nソース領域34の接合深さ
は約0.2μmである。
【0031】その後、1200℃、2時間の熱酸化によ
り厚さ50nmのゲート絶縁膜35を形成し、その上に
減圧CVD法により電極ゲート電極層となる多結晶シリ
コン層36cを約1μm堆積する[同図(e)]。多結
晶シリコン層36cをフォトリソグラフィによりパター
ン形成し、ゲート電極層36とする[同図(f)]。
【0032】更に、ゲート電極層36を燐ガラス等の絶
縁保護膜で覆った後、その絶縁保護膜に窓開けをし、ア
ルミニウム合金を蒸着し、パターン形成して、ソース電
極、ゲート電極とし、n+ サブストレート31の裏面に
もドレイン電極を設けてプロセスを完了する。再び図1
の炭化けい素MOSFETに戻って、ゲート絶縁膜35
上のゲート電極層36に電圧を印加することによって、
pベース領域33の表面部分にチャネル40が誘起さ
れ、nソース領域34とnドリフト層32とが電気的に
短絡される。その結果ドレイン電極38からソース電極
37へと電流が流れる動作は、基本的には、図11の従
来のものと変わらない。
【0033】しかし、本実施例1の炭化けい素たて型M
OSFETの特徴はpベース領域33の深さを深くも、
浅くも設定可能であり、自由度の高い設計が可能なこと
である。例えば、同じマスクを使用して、pベース領域
とnソース領域とをイオン注入した場合のチャネル領域
は0.3ミクロンになるのに対し、本実施例では、別の
マスクを使用しているため、チャネル長は1.0μmに
なっている。その結果、チャネル領域でのパンチスルー
が回避され、約1000Vの高耐圧素子が実現できる。
【0034】また、上記のような製造方法をとり、プレ
ーナ型のデバイスとすることにより、従来のトレンチ型
の炭化けい素MOSFETの問題であったゲート絶縁膜
への電界のストレスの問題は無く、破壊しにくい素子と
することができる。図9(a)ないし(f)のシリコン
MOSFETの製造方法と異なる点として、ゲート電極
層がnソース領域やpベース領域とセルフアラインで形
成されていないという点があるが、高周波の動作が必要
無い高耐圧の応用では、何ら問題は無い。マスクを別に
したイオン注入としたことにより、nソース領域および
pベース領域が自由度の高い設計が可能になり、チャネ
ル領域の長さが精度よく形成され、安定した特性が歩留
まりよく得られる。
【0035】ほう素イオン注入時のマスクは、燐イオン
注入時のマスクより小さいので、実施例のように燐イオ
ン注入を先にすれば、マスク材の形成は一度ですむ。マ
スク材の形成を二度おこなうのであればpベース領域用
のイオン注入を先に実施しても良い。 [実施例2] 図3(a)ないし(g)は、本発明にかかる炭化けい素
縦型MOSFETの、別の製造方法による製造工程順の
部分断面図である。以下順に工程について説明する。
【0036】先ず、n+ サブストレート41上にnドリ
フト層42をエピタキシャル成長により積層した炭化け
い素基板の表面上に、多結晶シリコン層46aを減圧C
VD法により堆積し、フォトリソグラフィでパターンを
形成して、イオン注入のマスクとする[図3(a)]。
多結晶シリコン層46aの厚さは5μmとした。ほう素
イオン43aの注入を行う[同図(b)]。加速電圧
は、加速電圧は40keV、120keV、400ke
Vと1MeV、ドーズ量は全部で3×1013cm-2、注
入温度は1000℃とした。43bは注入されたほう素
原子である。
【0037】次に、常圧CVD法により酸化けい素膜4
5aを堆積する[同図(c)]。その酸化けい素膜45
aを、四フッ化炭素と水素の混合ガスを用いた反応性イ
オンエッチングによりエッチングする。反応性イオンエ
ッチングは異方性エッチングであり、多結晶シリコン層
46aのマスクの側方に、厚さ約0.5μmのスペーサ
45bが形成される。さらに、これをマスクとして、燐
イオン44aの注入を実施する[同図(d)]。加速電
圧は、20keVと140keV、ドーズ量は全部で3
×1015cm-2とした。44bは注入された燐原子であ
る。
【0038】四フッ化炭素と酸素との混合ガスを用いた
ドライエッチングにより、マスク材の多結晶シリコン層
46aおよびスペーサ45bを除去した後、1600
℃、2時間の熱処理を行い、不純物を活性化してpベー
ス領域43およびnソース領域44を形成する[同図
(e)]。pベース領域43の接合深さは約2μmで、
nソース領域44の接合深さは約0.2μmである。p
ベース領域43とnソース領域44との寸法差を、多結
晶シリコン層46aの側部のスペーサ45bで規定して
いるので、チャネル領域50の長さが精度よくまた均一
に形成され、安定した特性が歩留まりよく得られる。
【0039】その後以降の工程は、図2の実施例1と同
様であり、熱酸化によりゲート酸化膜45を形成し、減
圧CVD法により、厚さ約1μmの多結晶シリコン層4
6bを堆積する[同図(f)]。フォトリソグラフィに
よりパターン形成をし、ゲート電極層46を形成する
[同図(g)]。
【0040】この炭化けい素たて型MOSFETは、実
施例1のものと製造方法がやや異なるが、構造はほぼ同
じとなり、動作も同じとなる。また、特徴も同じくpベ
ース領域43とnソース領域44との深さおよび第一導
電型ソース領域関係について、自由度の高い設計が可能
となる。例えば、同じマスクを使用して、pベース領域
とnソース領域とをイオン注入した場合のチャネル領域
は0.3ミクロンになるのに対し、本実施例では、スペ
ーサ45bで規定しているため、チャネル領域50の長
さは1.0μmになっている。その結果、チャネル領域
でのパンチスルーが回避され、約1000Vの高耐圧素
子が実現できる。
【0041】スペーサ45bを形成してnソース領域4
4のための燐イオン注入を先にし、スペーサ45bを除
去してpベース領域43用のほう素イオン注入を後から
おこなってもよい。 [実施例3] 図4(a)ないし(f)および図5(a)ないし(d)
は、本発明第三の実施例の炭化けい素MOSFETの製
造工程順の部分断面図である。
【0042】まず、n+ サブストレート51上にnドリ
フト層52をエピタキシャル成長により積層したSiC
基板の表面上に、エッチング用マスクとして、プラズマ
CVD法により窒化けい素膜56aを堆積し、フォトリ
ソグラフィによりパターン形成する[図4(a)]。次
に、これをマスクに、四フッ化炭素と酸素の混合ガスを
用いた反応性イオンエッチングで、SiC基板の表面層
を約5μmエッチングし、凸部52aを形成する[同図
(b)]。
【0043】さらに、窒化けい素膜56aのパターンを
残したままでほう素イオン53aの注入を行う[同図
(c)]。加速電圧と、ドーズ量は実施例1と同程度で
よい。53bは注入されたほう素原子である。凸部52
aにも多少注入されても良い。次に、上記の窒化けい素
膜56aを取り除いた後、常圧CVD法により酸化けい
素膜55aを堆積する[同図(d)]。
【0044】続いて、堆積した酸化けい素膜55aを、
四フッ化炭素と水素の混合ガスを用いた反応性イオンエ
ッチングで全面エッチングし、凸部52aの側方に厚さ
0.5μmのスペーサ55bを形成する。さらに、これ
をマスクに燐イオン54aの注入を実施する[同図
(e)]。加速電圧と、ドーズ量は実施例1と同程度で
よい。54bは注入された燐原子である。凸部52aの
表面層にも注入されても良い。
【0045】この後、スペーサ55bを取り除き、フォ
トレジスト55cを表面に塗布する[同図(f)]。す
ると、凸部では薄く、また凹部では厚く塗布される。こ
れを四フッ化炭素と酸素の混合ガスを用いた反応性イオ
ンエッチングで、塗布したフォトレジスト55cとSi
C基板の凸部52aとがほぼ同じエッチングレートにな
るようなエッチング条件で、エッチングすることによっ
て凸部52aを平坦化する[図5(a)]。凹凸は出来
るだけ小さく、例えば0.1〜0.2μmになるように
する。あるいは、機械的な研磨でおこなっても良い。
【0046】塗布したフォトレジスト55cを取り除
き、1600℃2時間の熱処理を施す[同図(b)]。
以降は実施例1と同様であり、熱酸化によりゲート酸化
膜55dを形成し、減圧CVD法によりゲート電極層と
なる多結晶シリコン層56bを堆積する[同図
(c)]。
【0047】更に、ゲート電極層56のパターン形成を
する[同図(d)]。この実施例3の特徴は実施例1、
実施例2と同様に、pベース領域53およびnソース領
域54の深さおよび寸法関係について、自由度の高い設
計が可能である点ばかりなく、更に、pベース領域の選
択形成のためのマスクとして、炭化ケイ素基板自体を使
用している点である。
【0048】実施例1、実施例2では、マスク材料とし
て、適当な材料が中々なく、しかも注入イオンが突き抜
けるほど深くイオンを導入することができない。炭化ケ
イ素基板自体であれば、安定性も厚さ限界の問題も無
い。 [実施例4] 図6は炭化けい素MOSFETの部分断面図である。
【0049】n+ サブストレート61上にエピタキシャ
ル成長によりnドリフト層62およびpベース層63を
積層した炭化けい素基板の表面層に、燐のイオン注入に
よりnソース領域64が形成されている。nソース領域
64の形成されていない表面層に、pベース層63を貫
通してnドリフト層62に達するnウェル領域71が形
成されている。そしてnウェル領域71とnソース領域
64とに挟まれたpベース層63の表面上にゲート絶縁
膜65を介して多結晶シリコンのゲート電極層66が設
けられている。nソース領域64とpベース層63との
表面に共通に接触するソース電極67とn+ サブストレ
ート61の裏面に接触するドレイン電極68が設けられ
ている。
【0050】図8(a)ないし(g)は実施例4の炭化
けい素MOSFETの製造工程順の部分断面図である。
先ず、基板としてn+ サブストレート61上に厚さ10
μmのnドリフト層62、厚さ2μmのpベース層63
をエピタキシャル成長により積層した炭化けい素基板を
用意する[図8(a)]。
【0051】炭化けい素基板表面上に減圧CVD法によ
り厚さ4μmの多結晶シリコン層を堆積し、フォトリソ
グラフィにより第一のマスク66aのパターン形成する
[同図(b)]。このマスクはnソース領域とnウェル
領域の双方のイオン注入において共通に使用される。次
に、さきのマスク66aを残したまま、CVD法により
酸化膜を堆積し、フォトリソグラフィにより第二のマス
ク65aをパターン形成し、nソース領域形成のための
燐イオン64aの注入をおこなう[同図(c)]。マス
ク端は第一のマスク66aで規定されるので、第二マス
ク65aのパターニングの精度は緩和される。イオン注
入の条件は、実施例1のnソース領域と同様でよい。6
4bは注入された燐原子である。
【0052】燐イオン注入後、第二のマスク65aを除
去して、再度減圧CVD法により多結晶シリコンを堆積
し、フォトリソグラフィにより第三のマスク66bを形
成し、pベース層63を貫通するnウェル領域を形成す
るための燐イオン71aの注入をおこなう[同図
(d)]。マスク端は第一のマスク66aで規定される
ので、第三マスク66bのパターニングの精度は緩和さ
れる。イオン注入の条件は、加速電圧が40keV、1
20keV、400keVと1MeV、ドーズ量は全部
で3×1013cm-2、注入温度は1000℃とした。7
1bは注入された燐原子である。
【0053】四フッ化炭素(CF4 )と酸素(O2 )と
の混合ガスを用いたドライエッチングで第一、および第
三のマスク66a、66bを除去した後、1600℃、
2時間の熱処理を行い、不純物を活性化してnソース領
域64およびnウェル領域71を形成する[同図
(e)]。nソース領域34の接合深さは約0.2μm
である。
【0054】その後、熱酸化により厚さ60nmのゲー
ト絶縁膜65の形成をし、その上に減圧CVD法により
多結晶シリコンを堆積し、フォトリソグラフィによりパ
ターン形成して電極ゲート電極層66とする[同図
(f)]。図示しないが、その後、減圧CVD法により
燐ガラスを堆積して絶縁膜とし、その絶縁膜に窓を開
け、nソース領域34に接触するソース電極を設ける。
同時にゲート電極層66に接触するゲート電極を設け、
また、n+ サブストレートの裏面にドレイン電極を設け
る。
【0055】この炭化けい素MOSFETにおいても、
nソース領域64とnウェル領域71とに挟まれたpベ
ース層の幅すなわちチャネル領域70は、第一マスク6
6aの幅によって自由にかつ、精度良く決められ、しか
も均一性がよい。従って、特に不純物の拡散がしにくい
炭化けい素MOSFETにおいては、同じマスク端を用
いたセルフアラインのものに比べ、高耐圧化に適する構
造といえる。
【0056】また、図1の第一の実施例の炭化ケイ素M
OSFETと違っている点は、pベース層63がエピタ
キシャル成長によって形成されており、そのpベース層
63を貫通してnウェル領域71がイオン注入で形成さ
れている点である。この実施例4の方法ではSiCでは
イオン注入および活性化が困難なp型不純物のイオン注
入を実施しなくて済むことが特徴であり、非常に量産性
がある。
【0057】以上の説明ではnチャネル型のMOSFE
Tの例を示したが、逆の導電型のMOSFETにも本発
明が適応可能なことは勿論である。なお、n型、p型の
不純物としては、燐、ほう素を用いたが、他にn型では
窒素、砒素など、p型ではアルミニウムなどを用いるこ
ともできる。
【0058】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、そ
の基礎として、第一導電型不純物の選択的なイオン注入
によって第一導電型ソース領域を形成するためのマスク
の幅が、第二導電型不純物の選択的なイオン注入によっ
て第二導電型ベース領域を形成するためのマスクの幅よ
り、広い炭化けい素縦型MOSFETとすることによっ
て、チャネル領域の長さと、第二導電型ベース領域の厚
さとをそれぞれ独立に設計でき、例えばチャネル領域で
のパンチスルーが避けられる高耐圧に適する構造とする
ことができる。しかして、本発明によれば、少なくとも
第二導電型ベース領域の表面の一部が第一導電型ソース
領域の表面より突き出したものとしたことにより、第一
導電型ドリフト層の表面露出部と第一導電型ソース領域
との間の第二導電型ベース領域の距離を大きくできる。
【0059】製造方法としては、第二導電型ベース領域
および第一導電型ソース領域の形成のためそれぞれ幅の
異なるマスクを使用した選択的なイオン注入をおこな
い、前記マスクを除去して熱処理をおこなった後、ゲー
ト絶縁膜を形成するとともに、第二導電型ベース領域形
成のための第二導電型不純物の選択的なイオン注入を、
加速電圧を変えた複数回のイオン注入であるものとする
ことによって、ゲート絶縁膜への電界のストレスを緩和
し、炭化けい素縦型MOSFETの高耐圧化を容易にし
た。
【0060】特に、スペーサを利用して、チャネル領域
の長さが精度よく形成され、安定した特性が歩留まりよ
く得られる。また、第二導電型ベース層の表面から第一
導電型ドリフト層に達するように形成された第一導電型
ウェル領域と、第二導電型ベース層の表面層に選択的に
形成された第一導電型ソース領域とをイオン注入により
形成することによって、第二導電型不純物のイオン注入
を不要にし、量産に適した構造の炭化けい素縦型MOS
FETを示した。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明第一の実施例の炭化けい素縦型MOSF
ETの断面図
【図2】(a)〜(f)は本発明第一の実施例の炭化け
い素縦型MOSFETの製造方法を説明するための製造
工程順の断面図
【図3】(a)〜(g)は本発明の別の製造方法を説明
するための炭化けい素縦型MOSFETの製造工程順の
断面図
【図4】(a)〜(f)は本発明第三の実施例の炭化け
い素縦型MOSFETの製造方法を説明するための製造
工程順の断面図
【図5】(a)〜(d)は図4(f)に続く炭化けい素
縦型MOSFETの製造工程順の断面図
【図6】化けい素縦型MOSFETの断面図
【図7】シリコン縦型MOSFETの断面図
【図8】(a)〜(g)は本発明第四の実施例の炭化け
い素縦型MOSFETの製造方法を説明するための製造
工程順の断面図
【図9】(a)〜(f)はシリコン縦型MOSFETの
製造工程順の断面図
【図10】トレンチ型炭化けい素MOSFETの断面図
【図11】従来のプレーナ型炭化けい素MOSFETの
断面図
【符号の説明】
1、21、31、41、51、61 n+ サブストレー
ト 2、12、32、42、52、62 nドリフト層 3、23、33、43、53 pベース領域 3a、33a、43a、53a ほう素イオン 3b、33b、43b、53b ほう素原子 4、14、24、44、54、64 nソース領域 4a、34a、44a、54a、64a、71a 燐イ
オン 4b、34b、44b、54b、64b、71b 燐原
子 5、15、35、45c、55d、65b ゲート絶縁
膜 6、16、36、46、56、66 ゲート電極層 6a、36c、46b、56b、66c 多結晶シリコ
ン層 7、37、67 ソース電極 8、38、68 ドレイン電極 9、39、69 絶縁膜 10、20、30、40、60、70 チャネル領域 13、63 pベース層 15a コーナー部 19 トレンチ 36a、36b、46a、66a、66b 多結晶シリ
コンマスク 45a、55a CVDSiO2 膜 45b、55b スペーサ 52a 凸部 55c フォトレジスト 56a 窒化膜 65a CVDSiO2 マスク 71 nウェル領域

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第一導電型炭化けい素サブストレート上に
    積層された炭化けい素からなる第一導電型ドリフト層
    と、その第一導電型ドリフト層の表面層に選択的に形成
    された第二導電型ベース領域と、その第二導電型ベース
    領域内に選択的に形成された第一導電型ソース領域と、
    第一導電型ソース領域と第一導電型ドリフト層とに挟ま
    れた第二導電型ベース領域の表面露出部上の少なくとも
    一部にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極層
    と、第一導電型ソース領域と第二導電型ベース領域との
    表面に共通に接触するソース電極と、炭化けい素サブス
    トレートの裏面に設けられたドレイン電極とを有する縦
    形MOSFETにおいて、第一導電型不純物の選択的な
    イオン注入によって第一導電型ソース領域を形成するた
    めのマスクの幅が、第二導電型不純物の選択的なイオン
    注入によって第二導電型ベース領域を形成するためのマ
    スクの幅より広く、かつ、少なくとも第二導電型ベース
    領域の表面の一部が第一導電型ソース領域の表面より突
    き出していることを特徴とする炭化けい素縦型MOSF
    ET。
  2. 【請求項2】第二導電型ベース領域および第一導電型ソ
    ース領域の形成のためそれぞれ幅の異なるマスクを使用
    した選択的なイオン注入をおこない、前記マスクを除去
    して熱処理をおこなった後、ゲート絶縁膜を形成すると
    ともに、第二導電型ベース領域形成のための第二導電型
    不純物の選択的なイオン注入が、加速電圧を変えた複数
    回のイオン注入であることを特徴とする請求項1記載の
    炭化けい素縦型MOSFETの製造方法。
  3. 【請求項3】第二導電型ベース領域形成のための第二導
    電型不純物の選択的なイオン注入に使用するマスクとそ
    の両側に設けたスペーサとをマスクとした第一導電型不
    純物のイオン注入によって第一導電型ソース領域を形成
    することを特徴とする請求項2記載の炭化けい素縦型M
    OSFETの製造方法。
  4. 【請求項4】第一導電型ドリフト層の一部を第一のマス
    クで覆い、所定の深さまで第一導電型ドリフト層をエッ
    チングして凸部を形成する工程と、第二導電型ベース領
    域形成のためのイオン注入をおこなう工程と、上記エッ
    チング工程により生じた凸部の両側にスペーサを形成す
    る工程と、第一導電型ソース領域形成のためのイオン注
    入をおこなう工程と、エッチングにより生じた凸部の段
    差を少なくするための平坦化工程とを備えたことを特徴
    とする請求項2記載の炭化けい素縦型MOSFETの製
    造方法。
  5. 【請求項5】第一導電型炭化けい素サブストレート上に
    積層された炭化けい素からなる第一導電型ドリフト層
    と、その第一導電型ドリフト層上に形成された第二導電
    型ベース層と、その第二導電型ベース層の表面層に選択
    的に形成された第一導電型ソース領域と、表面から第二
    導電型ベース層を貫通して第一導電型ドリフト層に達す
    るように形成された第一導電型ウェル領域と、第一導電
    型ソース領域と第一導電型ウェル領域とに挟まれた第二
    導電型ベース層の表面露出部上の少なくとも一部にゲー
    ト絶縁膜を介して設けられたゲート電極層と、第一導電
    型ソース領域と第二導電型ベース層との表面に共通に接
    触するソース電極と、炭化けい素基板の裏面に設けられ
    たドレイン電極とを有する炭化けい素縦型MOSFET
    の製造方法であって、 第一導電型炭化けい素サブストレート上に、炭化けい素
    からなる第一導電型ドリフト層と第二導電型ベース層と
    がエピタキシャル成長により積層された基板を用い、そ
    の第二導電型ベース層表面上に第一のマスクを形成する
    工程と、その第一のマスクと一部が重なるように第二の
    マスクを形成する工程と、その第一のマスクと第二のマ
    スクとにより選択的に第二導電型ベース層の表面層に第
    一導電型ソース領域形成のためのイオン注入をおこなう
    工程と、第一のマスクと一部が重なるように第三のマス
    クを形成する工程と、その第一のマスクと第三のマスク
    とにより選択的に第二導電型ベース層の表面層に第一導
    電型ウェル領域形成のためのイオン注入をおこなう工程
    とを備えたことを特徴とする炭化けい素縦型MOSFE
    Tの製造方法。
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