碳化硅-金属氧化物半导体场效应晶体管的制作方法

1.本发明涉及sic-mosfet。


背景技术：

2.在功率电子设备中，作为对向电动机等负载的电力供给进行控制的开关元件而广泛使用igbt(insulated gate bipolar transistor)或 mosfet(metal oxide semiconductor field effect transistor)等绝缘栅型半导体装置。
3.特别地，使用了碳化硅(sic)等宽带隙半导体的mosfet或igbt 有望作为下一代的开关元件而应用于对1kv左右或更高电压进行处理的技术领域。就宽带隙半导体而言，除了sic以外，例如还存在氮化镓(gan)类材料、金刚石等。
4.就纵型构造的mosfet而言，通过由n型漂移层和p型基极区域构成的pn结而形成被称为体二极管的反向的pn二极管。通过使用该体二极管，从而能够省略与mosfet并联连接的外置二极管，削减电路的元件数量。但是，已知如果在将sic用作半导体材料的mosfet (以下，称为“sic-mosfet”)的体二极管中流过电流(以下，称为“体二极管电流”)，则由于在电子-空穴对复合时产生的能量，晶体中的堆垛层错伸长。堆垛层错作为高电阻层起作用，因此，如果堆垛层错伸长，则使mosfet及体二极管的特性变差。因此，为了使用 sic-mosfet的体二极管，需要抑制堆垛层错的伸长。
5.由于体二极管电流而伸长的堆垛层错几乎都来源于衬底。存在于衬底的缺陷的大于或等于99％在衬底与漂移层之间的界面处变换为无害的缺陷，不会伸长至漂移层之中。但是，如果体二极管电流增加，空穴到达漂移层与衬底之间的界面，则大量的堆垛层错以存在于衬底的缺陷为起点而伸长。堆垛层错作为高电阻层起作用，因此，如果堆垛层错伸长，则使mosfet及体二极管的特性大幅度地变差。此外，被注入至漂移层的空穴在漂移层中表现为少数载流子，因此，其到达的深度取决于少数载流子的寿命。
6.与此相对，已知在mosfet内设置sbd(schottky barrier diode) 而使二极管电流流过sbd的技术。由此，与体二极管并联地设置的sbd 的启动电压比构成体二极管的sic的pn结的启动电压低，因此， mosfet的断开时的二极管电流不流过体二极管而是流过sbd。流过 sbd的电流是没有空穴参与的电子电流，因此，不产生由该电流引起的堆垛层错的伸长，也不产生mosfet等的特性的变差。但是，如果二极管电流以某种程度增加，则体二极管进行动作而流动空穴电流。另外，由于在单位单元(unit cell)内设置sbd而导致mosfet的区域减小。由于这些原因，存在接通电压增加的问题。
7.专利文献1提出了以下结构，即，在mosfet的单位单元内的p 型基极区域之下相邻地设置多个追加的p型区域。根据专利文献1的结构，在被p型区域夹着的漂移层的区域，注入的空穴的寿命变短，所以能够使到达漂移层与衬底之间的界面的空穴的数量变少。
8.专利文献1：日本特开2005-285984号公报
9.在专利文献1的结构中，在p型基极区域的端部之下不存在追加的p型区域(第0045段)，因此，存在耐压下降的课题。这是因为如果与p型基极区域的端部相邻的n型区域的宽
度变宽，则有可能耗尽层无法充分扩展，电场集中，耐压下降。


技术实现要素：

10.本发明就是鉴于上述课题而提出的，其目的在于针对 sic-mosfet，抑制耐压的下降及接通电压的增加，并且使体二极管电流增加。
11.本发明的sic-mosfet具有：第1导电型的sic衬底；第1导电型的漂移层，其形成于sic衬底之上；第2导电型的基极区域，其形成于漂移层的表层；第1导电型的源极区域，其形成于基极区域的表层；栅极电极，其隔着栅极绝缘膜而与被漂移层及源极区域夹着的基极区域的区域即沟道区域相对；源极电极，其与源极区域电接触；以及第2导电型的多个第1填埋区域，它们在基极区域的下表面相邻地形成。多个第1填埋区域至少形成于基极区域的两端部的正下方，彼此分离地形成大于或等于3个。
12.发明的效果
13.根据本发明的sic-mosfet，在第1填埋区域之间的漂移层的区域，空穴的寿命下降，因此，能够减少到达漂移层与衬底之间的界面的空穴的数量，抑制堆垛层错的伸长。由此，能够使体二极管电流增加。另外，第1填埋区域形成于基极区域的两端部的正下方，因此，耐压的下降受到抑制。另外，即使设置第1填埋区域，mosfet的通电路径也不会发生变化，因此，不会发生接通电压的上升。
附图说明
14.图1是实施方式1的第1对比例的sic-mosfet的剖视图。
15.图2是实施方式1的第2对比例的sic-mosfet的剖视图。
16.图3是实施方式1的sic-mosfet的剖视图。
17.图4是实施方式1的变形例的sic-mosfet的剖视图。
18.图5是实施方式2的对比例的sic-mosfet的剖视图。
19.图6是实施方式2的sic-mosfet的剖视图。
20.图7是实施方式2的第1变形例的sic-mosfet的剖视图。
21.图8是实施方式2的第2变形例的sic-mosfet的剖视图。
具体实施方式
22.以下，对各种sic-mosfet的结构进行说明，但各sic-mosfet 的结构要素中的n型或p型可以是相反的导电型。
23.＜a.实施方式1＞
24.＜a-1.对比例＞
25.图1是实施方式1的第1对比例的sic-mosfet 151的剖视图。 sic-mosfet 151是纵型构造的mosfet。sic-mosfet 151构成为具有n型的sic衬底1、n型的漂移层2、p型的基极区域3、n型的源极区域4、栅极绝缘膜5、栅极电极6、层间绝缘膜7、源极电极8及漏极电极9。在sic衬底1的上表面形成n型的漂移层2。在漂移层2的表层形成p型的基极区域3。在基极区域3的表层形成n型的源极区域 4。基极区域3的表层中的被漂移层2与源极区域4夹着的部分成为沟道区域。在该沟道区域之上形成栅极绝缘膜5，在栅极绝缘膜5之上形成栅极电极6。
即，栅极电极6形成于隔着栅极绝缘膜5而与沟道区域相对的位置。栅极电极6的侧面及上表面被层间绝缘膜7覆盖。以将源极区域4、基极区域3、层间绝缘膜7覆盖的方式形成源极电极8。源极电极8与基极区域3中的除沟道区域以外的未形成源极区域4的上表面接触。在sic衬底1的下表面形成漏极电极9。
26.就sic-mosfet 151而言，通过由n型的漂移层2和p型的基极区域3构成的pn结而形成被称为体二极管的反向的pn二极管。通过使用该体二极管，从而能够省略与sic-mosfet 151并联连接的外置二极管，削减电路的元件数量。但是，如果在sic-mosfet中流过体二极管电流，则由于在电子-空穴对复合时产生的能量而使晶体中的堆垛层错伸长，使mosfet及体二极管的特性变差。因此，为了使用 sic-mosfet的体二极管，需要抑制堆垛层错的伸长。
27.图2是实施方式1的第2对比例2的sic-mosfet 152的剖视图。 sic-mosfet 152与第1对比例的sic-mosfet 151的不同点在于，p 型的多个第1填埋区域10在基极区域3的下表面相邻地设置。针对1 个基极区域3而设置多个第1填埋区域10。将被相邻的2个第1填埋区域10夹着的漂移层2的区域称为n型区域11。根据sic-mosfet 152，在n型区域11注入的空穴的寿命变短，因此，到达漂移层2与sic衬底1之间的界面的空穴的数量变少。但是，第1填埋区域10未设置于基极区域3的端部之下，因此，存在耐压下降的课题。这是因为如果与基极区域3的端部相邻的n型区域的宽度变宽，则有可能耗尽层无法充分扩展，电场集中，耐压下降。
28.＜a-2.结构＞
29.图3是实施方式1的sic-mosfet 101的剖视图。sic-mosfet 101与第2对比例的sic-mosfet 102的不同点在于，第1填埋区域 10也设置于基极区域3的端部的正下方。
30.就第1对比例的sic-mosfet 151而言，体二极管电流从包含位于源极区域4之下的部分在内的基极区域3的整体向漂移层2流动。漂移层2中的空穴的寿命是恒定的。
31.与此相对，就sic-mosfet 101而言，在第1填埋区域10的周围，空穴的寿命下降。因此，即使在sic-mosfet 101流过与第1对比例的sic-mosfet 151相同的体二极管电流，从基极区域3流入至n型区域11的空穴的一部分也会在n型区域11复合。其结果，到达漂移层2与sic衬底1之间的界面的空穴变少。即，sic-mosfet 101与第 1对比例的sic-mosfet 151相比，不产生缺陷伸长，能够流动的体二极管电流大。
32.空穴的寿命下降的效果是在第1填埋区域10的周围产生的。这是因为，由于空穴在被第1填埋区域10夹着的n型区域11复合，因此难以到达更下方的漂移层2。因此，优选相邻的第1填埋区域10的间隔即n型区域11的宽度窄。但是，如果n型区域11相对于基极区域3 的面积比变小，则与从n型区域11流向漂移层2的空穴相比，从第1 填埋区域10流向漂移层2的空穴占支配地位，因此，n型区域11需要具有一定程度的宽度。因此，优选n型区域11的宽度大于或等于0.4μm 且小于或等于4.0μm。另一方面，如果第1填埋区域10的宽度变大，则从第1填埋区域10流向漂移层2的空穴增加。因此，第1填埋区域 10的宽度优选大于或等于n型区域11的宽度的0.5倍且小于或等于2 倍。
33.另外，尽管也取决于基极区域3的宽度，但优选针对1个基极区域3而设置大于或等于2个n型区域11。换言之，优选针对1个基极区域3而设置大于或等于3个第1填埋区域10。此时，第1填埋区域 10与n型区域11的宽度也可以不同。因此，也可以如图3所示，位于基极区域3的两端部正下方的第1填埋区域10的宽度比不位于基极区域3的两端部正下方的第1填
埋区域10的宽度宽。
34.将基极区域3或源极区域4中的与源极电极8接触的部分称为源极接触区域。在源极接触区域的正下方，特别是其中央处，空穴的流入量多。因此，就源极接触区域的正下方的第1填埋区域10而言，也可以通过使位于中央的第1填埋区域10的宽度最窄而提高空穴的消除效果，第1填埋区域10的宽度随着从中央向外侧而变宽。另外，也可以针对1个基极区域3而等间隔地配置第1填埋区域10。通过等间隔地配置第1填埋区域10，从而体二极管电流均等地从第1填埋区域10 流过，具有电流特性稳定的效果。
35.n型区域11越深，则空穴在寿命低的区域中移动的距离越长。因此，第1填埋区域10的深度与基极区域3的深度之比至少大于或等于 1.2，优选大于或等于1.5。通过使位于基极区域3的端部正下方的第1 填埋区域10的深度与其它第1填埋区域10的深度相同，从而耐压提高。
36.如图3所示，在n型区域11还形成于源极区域4的正下方的情况下，如果n型区域11的宽度变宽，则有可能耗尽层无法充分扩展而电场集中，耐压下降。因此，优选n型区域11的宽度窄。在这种情况下， n型区域11的宽度也可以比上述的“大于或等于0.4μm且小于或等于 4.0μm”窄。这种情况下的第1填埋区域10的深度也与上述相同，相对于基极区域3的深度之比大于或等于1.2，优选大于或等于1.5。
37.第1填埋区域10的杂质浓度越高，则使空穴的寿命下降的效果越大。但是，如果第1填埋区域10的杂质浓度变高，则在sic-mosfet101成为断开状态而保持高电压时，施加于第1填埋区域10的下部的电场变高，因此，在使杂质浓度高浓度化时需要注意。
38.由于在第1填埋区域10之间夹着n型区域11这样的构造，需要在基极区域3的正下方设置多个第1填埋区域10。单位单元的平面形状举出了由四边、六边或圆等构成的格子型或条带型等。在单位单元的平面形状为格子型的情况下，第1填埋区域10的平面形状可以是同心圆状也可以是条带状。在单位单元的平面形状为条带型的情况下，第1填埋区域10的配置可以与单位单元的条带的长边方向平行也可以垂直。另外，第1填埋区域10的配置也可以是同心圆状的图案沿着单位单元的条带的长边方向而周期性地重复的图案。
39.＜a-3.变形例＞
40.图4是实施方式1的变形例的sic-mosfet 102的剖视图。就 sic-mosfet 102而言，在源极区域4的上表面及基极区域3的源极接触部形成有凹部12，源极电极8进入至凹部12。并且，第1填埋区域 10形成于基极区域3的端部之下和凹部12之下。根据具有凹部12的 sic-mosfet 102的结构，能够使用形成基极区域3时的掩模而形成第 1填埋区域10，因此具有削减掩模的效果。
41.根据凹部12的深度与第1填埋区域10的深度之间的关系，存在第1填埋区域10与基极区域3分离的可能性，即使在这样的情况下，也优选第1填埋区域10接地。如果如图4所示将源极电极8埋入凹部 12内，则能够使第1填埋区域10接地。或者也可以将凹部12的侧壁的一部分或全部设为p型而将基极区域3与第1填埋区域10连接。
42.＜a-4.效果＞
43.实施方式1的sic-mosfet 101具有：第1导电型的sic衬底1；第1导电型的漂移层2，其形成于sic衬底1之上；第2导电型的基极区域3，其形成于漂移层2的表层；第1导电型的源极区域4，其形成于基极区域3的表层；栅极电极6，其隔着栅极绝缘膜5而与被漂移层 2及源
极区域4夹着的基极区域3的区域即沟道区域相对；源极电极8，其与源极区域4电接触；以及第2导电型的多个第1填埋区域10，它们在基极区域3的下表面相邻地形成。并且，多个第1填埋区域10至少形成于基极区域3的两端部的正下方，彼此分离地形成大于或等于3 个。在第1填埋区域10之间的漂移层2的区域，空穴的寿命下降，因此，能够使到达漂移层2与sic衬底1之间的界面的空穴的数量减少，抑制堆垛层错的伸长。由此，能够使体二极管电流增加。另外，第1 填埋区域10形成于基极区域3的两端部的正下方，因此，耐压的下降受到抑制。另外，即使设置第1填埋区域10，mosfet的通电路径也不会发生变化，因此，不会产生接通电压的上升。
44.＜b.实施方式2＞
45.＜b-1.对比例＞
46.图5是实施方式2的对比例的sic-mosfet 251的剖视图。sic-mosfet 251构成为具有有源区域14和比有源区域14更靠外侧的外周区域13，该有源区域14具有作为mosfet而进行动作的单位单元。sic-mosfet 251的有源区域14的结构与实施方式1的第1对比例的sic-mosfet 151的结构相同。另外，sic衬底1、漂移层2、源极电极8及漏极电极9在有源区域14和外周区域13是共通的。
47.在外周区域13，在漂移层2的表层设置有多个保护环15。保护环 15是p型的区域，以将有源区域14包围的方式配置为同心圆状。各保护环15的宽度随着从外周区域13的内侧向外侧而逐渐变小。另外，根据sic-mosfet的结构，有时在外周区域13设置栅极电极6及栅极焊盘或场氧化膜等。
48.就sic-mosfet 251而言，在通断动作时伴随在漂移层2中及保护环15处产生的耗尽层的伸缩而产生被称为位移电流的电流。如果由于该电流而使保护环15内的电位变高，则与源极电极8或栅极电极6 之间的电位差变大，设置于它们之间的场绝缘膜、层间绝缘膜7或栅极绝缘膜5被破坏。因此，在最内周的保护环15即保护环15a设置与源极电极8电接触的部分即源极接触部16。具有该源极接触部16的保护环15a还作为体二极管而进行动作，因此，由体二极管电流引起的堆垛层错的伸长成为问题。
49.＜b-2.结构＞
50.图6是实施方式2的sic-mosfet 201的剖视图。sic-mosfet201的有源区域14具有与实施方式1的sic-mosfet 101相同的结构。 sic-mosfet 201的外周区域13与对比例的sic-mosfet 251的外周区域13的不同点在于，在最内周的保护环15a之下相邻地设置多个p 型的第2填埋区域20。将被相邻的第2填埋区域20夹着的漂移层2的区域称为n型区域21。
51.在图6中，第2填埋区域20不仅形成于源极接触部16的正下方还形成于保护环15a的两端部之下。但是，第2填埋区域20也可以仅设置于源极接触部16的正下方。如在实施方式1中关于第1填埋区域 10和n型区域11所说明的那样，能够通过设置第2填埋区域20而使 n型区域21的空穴的寿命下降。
52.第2填埋区域20的宽度、深度及杂质浓度与第1填埋区域10的宽度、深度及杂质浓度相同。另外，优选针对保护环15a而设置大于或等于2个n型区域21。换言之，优选针对保护环15a而设置大于或等于3个第2填埋区域20。
53.此外，外周区域13的第2填埋区域20也可以是与有源区域14 的第1填埋区域10相同的深度。两者的深度相同，由此耐压提高。另外，外周区域13的第2填埋区域20也可以从外
侧朝向有源区域14侧而逐渐变深。
54.＜b-3.变形例＞
55.图7是实施方式2的第1变形例的sic-mosfet 202的剖视图。 sic-mosfet 202与实施方式2的sic-mosfet 201的不同点在于，在有源区域14，在源极区域4的上表面及基极区域3的源极接触部形成凹部12，在外周区域13，在最内周的保护环15a的上表面形成凹部 22。sic-mosfet 202的有源区域14是与实施方式1的变形例的 sic-mosfet 102相同的结构。栅极绝缘膜5、层间绝缘膜7或源极电极8进入至凹部22。
56.图8是实施方式2的第2变形例的sic-mosfet 203的剖视图。 sic-mosfet 203使凹部22的宽度比sic-mosfet 202的凹部22的宽度大，使保护环15a的外侧端部的上表面和比保护环15a更靠外侧的保护环15的上表面与凹部22的底面的高度对齐。
57.此外，就上述的sic-mosfet 101、102、201、202、203而言，使用了平面型的单位单元，但也可以使用沟槽型的单位单元。
58.＜b-4.效果＞
59.实施方式2的sic-mosfet 201具有有源区域14和将有源区域 14包围的外周区域13，该有源区域14配置有多个由栅极电极6、基极区域3及源极区域4构成的单位单元。外周区域13具有：第2导电型的多个保护环15，其形成于漂移层2的表层；以及第2导电型的多个第2填埋区域20，它们在多个保护环15中的最内周的保护环15a的下表面相邻地形成。多个第2填埋区域20至少与最内周的保护环15a的两端部的下表面相邻，彼此分离地形成大于或等于3个。因此，根据sic-mosfet 201，在外周区域13也能够实现如下效果，即，不产生层错伸长，使能够流动的体二极管电流增加。
60.此外，能够对各实施方式自由地进行组合，或对各实施方式适当地进行变形、省略。
61.标号的说明
62.1sic衬底，2漂移层，3基极区域，4源极区域，5栅极绝缘膜，6栅极电极，7层间绝缘膜，8源极电极，9漏极电极，10第1 填埋区域，11、21n型区域，12、22凹部，13外周区域，14有源区域，15、15a保护环，16源极接触部，20第2填埋区域。