(57)【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、
（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２】
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１に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
【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、（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。
【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、（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ので、レジストパターン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が形成される。そのため、リセス構造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。
【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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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