專利名稱：外延片以及半導(dǎo)體元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及以碳化娃為材料的外延片(Epitaxial wafer)以及使用該外延片形成的半導(dǎo)體元件。
背景技術(shù)：
在使用了碳化硅半導(dǎo)體的半導(dǎo)體元件中，作為元件構(gòu)造，將在低電阻基板上生長(zhǎng)的外延生長(zhǎng)層用作動(dòng)作層的情況較多。在功率半導(dǎo)體元件中外延生長(zhǎng)層作為耐壓層而發(fā)揮功能，但通常外延生長(zhǎng)層由單層形成(例如，參照專利文獻(xiàn)I )，根據(jù)動(dòng)作的電壓，外延生長(zhǎng)層是3 100 u m或者其以上的厚度，其摻雜濃度至多為1016cm —3量級(jí)，是1015cm —3量級(jí)的情況較多。相對(duì)于此，在成為基板的低電阻晶體中摻雜了 1019cm — 3左右的摻雜物的情況較多。 因此，在外延生長(zhǎng)層(耐壓層)與基板中摻雜濃度大不相同，所以兩者的晶格常數(shù)不同，在外延生長(zhǎng)層的厚度厚的情況下，由于晶格常數(shù)差、即與晶格失配相伴的晶體缺陷的導(dǎo)入而使外延生長(zhǎng)層的晶體質(zhì)量變差，其結(jié)果，產(chǎn)生載流子的移動(dòng)性降低而使元件電阻增大這樣的問(wèn)題。因此，為了緩和由于晶格常數(shù)差而產(chǎn)生的向晶體質(zhì)量的影響，針對(duì)(11 一 20)面的碳化硅晶體，公開(kāi)了在基板與外延生長(zhǎng)層之間設(shè)置摻雜濃度為2X IO1卜3X1019cm_3、層厚為0. 3 15 的緩沖層，并公開(kāi)了設(shè)置上述摻雜濃度以及層厚的范圍的單層膜、階段式傾斜構(gòu)造、連續(xù)式傾斜構(gòu)造(例如，參照專利文獻(xiàn)2)。另外，針對(duì)(0001)面以及(000 — I)面的碳化硅晶體，公開(kāi)了如下方案作為設(shè)置于基板與外延生長(zhǎng)層之間的緩沖層，以抑制基面位錯(cuò)被導(dǎo)入外延生長(zhǎng)層為目的，層疊多個(gè)成為基底的基板的摻雜濃度的l/l(Tl/2程度的摻雜濃度的層，設(shè)置摻雜濃度階段狀地變化的階段性的傾斜膜(例如，參照專利文獻(xiàn)3)。專利文獻(xiàn)I :日本特開(kāi)平6 — 268202號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2 :日本特開(kāi)2000 — 319099號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)3 :日本特開(kāi)2008 — 74661號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
在上述那樣的以往的以碳化硅半導(dǎo)體為材料的外延片以及半導(dǎo)體元件中，雖然公開(kāi)了在基板與成為耐壓層的外延生長(zhǎng)層之間設(shè)置單層膜、摻雜濃度階段性或者連續(xù)性地變化的階段式傾斜構(gòu)造或者連續(xù)式傾斜構(gòu)造的緩沖層，但并未公開(kāi)與基板以及外延生長(zhǎng)層的摻雜物的種類、其濃度對(duì)應(yīng)的適合的結(jié)構(gòu)。特別是對(duì)于階段式傾斜構(gòu)造的緩沖層、連續(xù)式傾斜構(gòu)造的緩沖層，由于未公開(kāi)考慮了由于所添加的摻雜物而產(chǎn)生的晶格失配的朝向的緩沖層的結(jié)構(gòu)，所以在以往的碳化硅外延片以及半導(dǎo)體元件中，存在外延生長(zhǎng)層的晶體質(zhì)量變差、載流子的移動(dòng)性降低的情況。本發(fā)明是為了解決上述那樣的問(wèn)題而完成的，實(shí)現(xiàn)能夠比以往提高外延生長(zhǎng)層的晶體質(zhì)量、即使在形成厚膜的外延生長(zhǎng)層的情況下也不會(huì)使載流子移動(dòng)性降低、且元件電阻低的外延片以及半導(dǎo)體元件。本發(fā)明的外延片以及半導(dǎo)體元件的特征在于，具有第I導(dǎo)電類型的碳化硅基板，以濃度C摻雜了通過(guò)摻雜會(huì)使晶格常數(shù)減小的摻雜物；第I導(dǎo)電類型的緩沖層，設(shè)置在所述碳化硅基板上，并摻雜了所述摻雜物；以及第I導(dǎo)電類型的碳化硅外延生長(zhǎng)層，設(shè)置在所述緩沖層上，以比所述碳化硅基板小的濃度摻雜了所述摻雜物，其中，以層疊了 2層以上的厚度大致相同的層而成的多層構(gòu)造來(lái)形成所述緩沖層，所述緩沖層相對(duì)所述多層構(gòu)造的層數(shù)N，從所述碳化硅外延生長(zhǎng)層側(cè)起第K個(gè)層的摻雜濃度是OK/ (N+1)。根據(jù)本發(fā)明，能夠有效地緩和碳化硅基板與外延生長(zhǎng)的晶格失配，所以能夠抑制由于碳化硅基板與外延生長(zhǎng)層的晶格常數(shù)差而產(chǎn)生的晶體缺陷被導(dǎo)入到外延生長(zhǎng)層。其結(jié)果，能夠得到可防止外延生長(zhǎng)層的晶體質(zhì)量變差、即使形成厚膜的外延生長(zhǎng)層也不會(huì)使載流子的移動(dòng)性降低、且元件電阻低的外延片以及半導(dǎo)體元件。



圖I是示出本發(fā)明的實(shí)施方式I中的半導(dǎo)體元件的構(gòu)造的截面圖。圖2是示出本發(fā)明的實(shí)施方式I中的外延片的構(gòu)造的截面圖。圖3是示出本發(fā)明的實(shí)施方式2中的半導(dǎo)體元件的構(gòu)造的截面圖。(符號(hào)說(shuō)明)I :碳化娃基板；2 :緩沖層；3 :漂移層(外延生長(zhǎng)層)；100 :外延片；101 :肖特基勢(shì)壘ニ極管；102 =MOSFETo
具體實(shí)施例方式以下，參照附圖，說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。另外，在表示晶體面的密勒指數(shù)的顯示方法中，一般在指數(shù)的上面附加表示負(fù)的指數(shù)的負(fù)號(hào)，但在本說(shuō)明書(shū)中，在指數(shù)的前面附加負(fù)號(hào)而示出。實(shí)施方式I.圖I是示出本發(fā)明的實(shí)施方式I中的半導(dǎo)體元件的結(jié)構(gòu)的截面圖。另外，圖2是示出本發(fā)明的實(shí)施方式I中的外延片的結(jié)構(gòu)的截面圖。在圖2中，外延片100包括從(0001)面具有傾斜角(off-angle)的作為第I導(dǎo)電類型的n型的低電阻碳化硅基板I、在該碳化硅基板I上形成的n型緩沖層2、以及在該緩沖層2上通過(guò)外延生長(zhǎng)而形成的外延生長(zhǎng)層3。關(guān)于緩沖層2的結(jié)構(gòu)，另行詳細(xì)敘述。然后，使用該外延片100，形成圖I所示的作為半導(dǎo)體元件的碳化硅肖特基勢(shì)壘ニ極管101。在肖特基勢(shì)壘ニ極管101中，外延片100的外延生長(zhǎng)層3成為用于保持耐壓的n型漂移層。該漂移層3的層厚是3 150 u m程度，摻雜濃度是0. 5^20 X IO15Cm —3程度，形成為比碳化硅基板I的摻雜濃度低。另外，在肖特基勢(shì)壘ニ極管101的元件周邊部，形成有第2導(dǎo)電類型的p型區(qū)域4而作為終端構(gòu)造。在外延片100中的外延生長(zhǎng)層3中通過(guò)離子注入以及活性化熱處理工序而選擇性地形成該P(yáng)型區(qū)域4，以層厚為0. Slum程度、摻雜濃度為f 100X IO17CnT3程度來(lái)形成該p型區(qū)域4。另外，在漂移層3上，以與p型區(qū)域4也接觸的方式形成有陽(yáng)極電極5。而且，陰極電極6形成于n型低電阻碳化硅基板I的背面。陽(yáng)極電極5對(duì)于漂移層3是肖特基接觸，對(duì)于p型區(qū)域4可以是肖特基接觸、歐姆接觸中的任ー個(gè)。為了使陽(yáng)極電極5針對(duì)p型區(qū)域4作為歐姆電極發(fā)揮功能，作為接觸電阻值，如果設(shè)為10 一3Qcm2以下，則能夠減小經(jīng)由p型區(qū)域4的電流流過(guò)時(shí)的接觸部的影響所致的導(dǎo)通電壓的上升。更優(yōu)選為，如果設(shè)為KT4Qcm2以下的接觸電阻值，則能夠幾乎忽略接觸部的影響所致的電壓上升。關(guān)于碳化硅基板1，優(yōu)選以不會(huì)導(dǎo)致元件電阻増大的方式使電阻率盡量小，高濃度地?fù)诫sV族元素，但如果摻雜濃度過(guò)高，則易于導(dǎo)入晶體缺陷，所以通常以使成為IO19Cm一3左右的濃度的方式進(jìn)行摻雜。在本實(shí)施方式中，將例如氮那樣的隨著摻雜為高濃度而使碳化硅晶體的晶格常數(shù)變小的元素用作碳化硅基板I的摻雜物。緩沖層2成為圖I的(a) (C)所示那樣的結(jié)構(gòu)。另外，在圖I的(a) (C)所示的圖中，縱軸表示厚度方向的距離，橫軸表示氮濃度。以層疊了 2層以上的摻雜的濃度不同且厚度大致相同的層而得到的多層構(gòu)造來(lái)形成緩沖層2，緩沖層2的摻雜物與碳化硅基板I 的摻雜物相同。另外，“厚度大致相同的層”是指，如果是起到本發(fā)明的效果的范圍，則允許制造上的誤差。另外，相對(duì)于構(gòu)成緩沖層2的層的數(shù)量N、碳化硅基板I的氮的摻雜濃度C，以使從漂移層3的一側(cè)起第K個(gè)層的摻雜濃度成為!( (/ (N+1)的方式，層疊了各層。另夕卜，K可取的范圍是I彡K彡N。圖I的(a)是示出以2層來(lái)構(gòu)成緩沖層2時(shí)的緩沖層2的濃度分布的圖。在該情況下，緩沖層2由漂移層側(cè)層2a和基板側(cè)層2b這2層構(gòu)成，如果碳化硅基板I的氮濃度是IO19CnT3,則漂移層側(cè)層2a和基板側(cè)層2b的摻雜濃度分別成為3. 3 X 1018cnT3、6. 7 X IO18Cm'圖I的(b)是示出以3層來(lái)構(gòu)成緩沖層2時(shí)的緩沖層2的濃度分布的圖。在該情況下，緩沖層2由漂移層側(cè)層2c、中間層2d以及基板側(cè)層2e這3層構(gòu)成，如果碳化硅基板I的氮濃度是1019cm_3，則漂移層側(cè)層2c、中間層2d以及基板側(cè)層2e的各摻雜濃度分別成為 2. 5X1018cm_3、5X1018cm — 3 以及 7. 5X1018cnT3。圖I的(C)是示出以4層來(lái)構(gòu)成緩沖層2時(shí)的緩沖層2的濃度分布的圖。在該情況下，緩沖層2由漂移層側(cè)層2f、漂移層側(cè)中間層2g、基板側(cè)中間層2h以及基板側(cè)層2i構(gòu)成，如果碳化硅基板I的氮濃度是1019cm_3，則漂移層側(cè)層2f、漂移層側(cè)中間層2g、基板側(cè)中間層2h以及基板側(cè)層2i的摻雜濃度分別成為2X1018Cm-3、4X1018CnT3、6X1018Cm —3以及8 X IO18Cm 3O以上示出了構(gòu)成緩沖層2的層數(shù)N是N=2、3、4這3種情況的例子，但也可以是成為這以外的值的結(jié)構(gòu)。這樣，通過(guò)將緩沖層2設(shè)為摻雜濃度以線性標(biāo)度(Linear scale)大致等間隔地階段性地減小的層厚大致相同的多層構(gòu)造，碳化硅基板I與漂移層3之間的晶格常數(shù)差被大致等分割為N+1級(jí)。其結(jié)果，緩沖層2的晶格常數(shù)從碳化硅基板I朝向漂移層3以大致相同的晶格常數(shù)差而減小，所以能夠有效地緩和與碳化硅基板I和漂移層3的晶格常數(shù)差相伴的晶格失配的影響。另外，在摻雜物是氮的情況下，如果增大摻雜濃度，則碳化硅的晶格常數(shù)會(huì)變小，所以作為外延生長(zhǎng)層的漂移層3的晶格常數(shù)會(huì)大于碳化硅基板I。因此，在緩沖層2中，在水平方向上施加壓縮的應(yīng)カ，在外延生長(zhǎng)層的生長(zhǎng)方向即厚度方向上施加拉伸的應(yīng)カ。這樣，關(guān)于緩沖層2的雜質(zhì)濃度，階段性地使晶格常數(shù)以線性標(biāo)度按照大致相同的變化量變化，由此，在晶體的生長(zhǎng)方向上外延生長(zhǎng)之后向室溫進(jìn)行冷卻時(shí)的收縮和拉伸應(yīng)カ變得平衡，晶體缺陷不會(huì)在生長(zhǎng)方向上延伸，即使生成了晶體缺陷，也會(huì)在與和構(gòu)成緩沖層2的各層或者碳化硅基板I、漂移層3之間的某ー個(gè)界面平行的方向上延伸，所以能夠防止在外延生長(zhǎng)層內(nèi)生成，不會(huì)使載流子的移動(dòng)性降低而能夠?qū)崿F(xiàn)元件電阻低的半導(dǎo)體元件。另外，通過(guò)將構(gòu)成緩沖層2的各層的厚度設(shè)為IOOnm以下而設(shè)為與漂移層3的厚度相比極其小的值，能夠抑制由于導(dǎo)入緩沖層2而產(chǎn)生的元件電阻的上升。實(shí)施方式2.圖3是示出本發(fā)明的實(shí)施方式2中的半導(dǎo)體元件的結(jié)構(gòu)的截面圖。在圖3中，作為半導(dǎo)體元件的碳化硅MOSFET 102與實(shí)施方式I同樣地，使用如下外延片100來(lái)形成，其中，該外延片100具有從(0001)面具有傾斜角的n型低電阻碳化硅基板I、在該碳化硅基板I上形成的n型緩沖層2、以及在該緩沖層2上通過(guò)外延生長(zhǎng)而形成的外延生長(zhǎng)層3。另外，緩沖層2的結(jié)構(gòu)與實(shí)施方式I相同，外延生長(zhǎng)層3作為用于保持耐壓的n型碳化硅漂移層而發(fā)揮功能的情形也與實(shí)施方式I相同。 在n型漂移層3中通過(guò)離子注入以及活性化熱處理工序，選擇性地形成P型碳化硅體區(qū)域14以及n型碳化硅源區(qū)域15。體區(qū)域14的層厚為0. 5^2 u m程度、摻雜濃度為3^20 X IO17Cm-3程度，體區(qū)域14也可以是在形成溝道而成或者接近溝道而成的最表面降低了摻雜濃度的結(jié)構(gòu)。通過(guò)降低最表面的摻雜濃度，雜質(zhì)所致的散射(scattering)被降低，溝道中的載流子移動(dòng)性增加而能夠降低元件電阻。也可以另行選擇性地進(jìn)行離子注入，以使體區(qū)域14中的僅接觸區(qū)域24的最表面區(qū)域成為5 50 X IO18CnT3程度而成為濃度比其他部分高的摻雜。源區(qū)域15的層厚為0. 3^1 U m程度、摻雜濃度為5 50X 1018cm —3程度。在該層構(gòu)造上形成柵絕緣膜17、柵電極18而制作柵部。雖然在圖3所示的MOSFET102中沒(méi)有設(shè)置溝道層，但也可以另行設(shè)置溝道層。在設(shè)置溝道層的情況下，其導(dǎo)電類型既可以是n型也可以是p型，為了改善由于離子注入核素(ion implantation species)的活性化熱處理而發(fā)生的表面粗糙，優(yōu)選例如通過(guò)外延生長(zhǎng)來(lái)形成，但如果由于活性化熱處理而發(fā)生的表面粗糙少，則也可以是通過(guò)選擇性的離子注入而形成了溝道層的構(gòu)造。既可以一井進(jìn)行離子注入核素的活性化熱處理，也可以針對(duì)各個(gè)注入エ序的每ー個(gè)進(jìn)行活性化熱處理。關(guān)于柵絕緣膜17，通過(guò)碳化硅半導(dǎo)體的熱氧化、氮化、或者將絕緣膜進(jìn)行堆積沉積來(lái)形成氧化硅膜或者氮氧化硅膜等，或者通過(guò)ー并使用它們而在體區(qū)域中的與成為溝道的區(qū)域34相対的部分中形成為KTlOOnm程度的厚度。柵電極18是通過(guò)多晶硅膜、金屬膜的沉積而形成的。對(duì)于柵部以外的區(qū)域，去除溝道層(未圖示)、柵絕緣膜17、柵電極18。關(guān)于溝道層，也可以在形成柵絕緣膜17之前除去柵部以外的區(qū)域。在形成了層間絕緣膜19之后，在除去成為源電極20的接觸部的區(qū)域的層間絕緣膜之后形成源電極20。而且，在n型基板I的背面形成漏電極21，在源電極20以及層間絕緣膜19上形成布線22。雖然未圖示，但成為在形成柵電極焊盤的元件外周部的一部分區(qū)域中層間絕緣膜上的布線22被除去了的結(jié)構(gòu)。緩沖層2是與圖I所示那樣的實(shí)施方式I同樣的結(jié)構(gòu)，通過(guò)將緩沖層2設(shè)為使摻雜濃度以線性標(biāo)度大致等間隔地階段性地減小的大致相同層厚的多層構(gòu)造，能夠防止晶體缺陷導(dǎo)入到作為外延生長(zhǎng)層的漂移層3，不會(huì)使載流子的移動(dòng)性降低而能夠抑制元件電阻的上升。另外，通過(guò)將構(gòu)成緩沖層2的各層的厚度設(shè)為IOOnm以下而成為與漂移層3的厚度相比極其小的值，能夠抑制由于導(dǎo)入緩沖層2而發(fā)生的元件電阻的上升。在上述實(shí)施方式1、2中，將碳化硅基板I的面方位設(shè)為從(0001)面具有傾斜角的面，但在不具有傾斜角的(0001)面、(000 — I)面、(11 一 20)面、(03 — 38)面等任ー個(gè)晶體面方位中，圖I所示的結(jié)構(gòu)的緩沖層也能夠防止晶體缺陷導(dǎo)入到外延生長(zhǎng)層，并且能夠抑制元件電阻的上升。另外，在實(shí)施方式1、2中，作為摻雜物示出了氮的例子，但即使是氮以外，只要是通過(guò)摻雜會(huì)使碳化硅晶體的晶格常數(shù)減小的摻雜物，通過(guò)將緩沖層設(shè)為圖I所示的結(jié)構(gòu)，就能夠防止晶體缺陷導(dǎo)入到外延生長(zhǎng)層，并且能夠抑制元件電阻的上升。
權(quán)利要求
1.一種外延片，其特征在于，具有 第I導(dǎo)電類型的碳化硅基板，以濃度C摻雜了通過(guò)摻雜會(huì)使晶格常數(shù)減小的摻雜物；第I導(dǎo)電類型的緩沖層，設(shè)置在所述碳化硅基板上，并摻雜了所述摻雜物；以及第I導(dǎo)電類型的碳化硅外延生長(zhǎng)層，設(shè)置在所述緩沖層上，以比所述碳化硅基板小的濃度摻雜了所述摻雜物，其中， 以層疊了 2層以上的厚度大致相同的層而成的多層構(gòu)造來(lái)形成所述緩沖層，所述緩沖層相對(duì)所述多層構(gòu)造的層數(shù)N，從所述碳化硅外延生長(zhǎng)層側(cè)起第K個(gè)層的摻雜濃度是C -K/(N+1)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的外延片，其特征在于， 所述摻雜物是氮。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或者2所述的外延片，其特征在于， 所述緩沖層的層厚是IOOnm以下。
4.一種半導(dǎo)體元件，其特征在于，具有 第I導(dǎo)電類型的碳化硅基板，以濃度C摻雜了通過(guò)摻雜會(huì)使晶格常數(shù)減小的摻雜物；第I導(dǎo)電類型的緩沖層，設(shè)置在所述碳化硅基板上，并摻雜了所述摻雜物；以及第I導(dǎo)電類型的碳化硅外延生長(zhǎng)層，設(shè)置在所述緩沖層上，以比所述碳化硅基板小的濃度摻雜了所述摻雜物，其中， 以層疊了 2層以上的厚度大致相同的層而成的多層構(gòu)造來(lái)形成所述緩沖層，所述緩沖層相對(duì)所述多層構(gòu)造的層數(shù)N，從所述碳化硅外延生長(zhǎng)層側(cè)起第K個(gè)層的摻雜濃度是C -K/(N+1), 所述碳化硅外延生長(zhǎng)層是漂移層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體元件，其特征在于， 所述摻雜物是氮。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或者5所述的半導(dǎo)體元件，其特征在于， 所述緩沖層的層厚是IOOnm以下。
全文摘要
提供一種碳化硅外延片以及碳化硅半導(dǎo)體元件，可提高外延生長(zhǎng)層的晶體質(zhì)量，在形成厚膜的外延生長(zhǎng)層時(shí)也不會(huì)使載流子移動(dòng)性降低，且元件電阻低。碳化硅半導(dǎo)體元件(101)具有n型碳化硅基板(1)，以濃度C摻雜了氮那樣的通過(guò)摻雜會(huì)使晶格常數(shù)減小的摻雜物；n型碳化硅外延生長(zhǎng)層(3)，以比碳化硅基板小的濃度摻雜了與碳化硅基板(1)相同的摻雜物；和n型緩沖層，在碳化硅基板(1)與碳化硅外延層(3)之間摻雜了所述摻雜物。緩沖層(2)以層疊了2層以上的相同厚度的層而成的多層構(gòu)造形成，相對(duì)多層構(gòu)造的層數(shù)N，從碳化硅外延層(3)側(cè)起第K個(gè)層的摻雜濃度成為C·K/(N+1)。
文檔編號(hào)H01L21/205GK102714143SQ201080060769
公開(kāi)日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2010年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月8日
發(fā)明者大塚健一, 油谷直毅, 渡邊寬, 炭谷博昭, 黑田研一 申請(qǐng)人:三菱電機(jī)株式會(huì)社