[发明专利]立式耐高压半导体装置及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及在碳化硅(SiC)基板上制成的碳化硅半导体装置及其制造方法，涉及能够控制耐高压大电流的功率半导体装置，特别涉及将作为宽带隙材料之一的碳化硅设为半导体而使用的立式耐高压半导体装置和IGBT以及它们的制造方法。

背景技术

作为控制耐高压、大电流的功率半导体元件的材料，现有技术使用了硅单晶。现状是：功率半导体元件具有若干种类，按照用途来分别使用它们。例如双极性晶体管或者IGBT(绝缘栅型双极性晶体管)，虽然能够取得大电流密度，但是不能够为高速下的开关，双极性晶体管为数kHz，但对于IGBT而言，20kHz左右的频率是其使用极限。另一方面，对于功率MOSFET，虽然不能够取得大电流，但是却能够在数MHz为止的高速下使用。

但是，市场对大电流和高速性兼备的功率器件的需求强烈，特别是IGBT或者功率MOSFET的改良力度愈来愈大，现在，几乎接近材料极限的程度在进行开发。

图12示出现有技术的MOSFET的剖面结构。在n+基板(sub)301上设置n-漂移层302，在n-漂移层302之上层叠p基极层303，在p基极层303的表面层选择性地形成n+源极层304，在n-漂移层302和p基极层303以及n+源极层304之上，隔着源极电极305和栅极绝缘膜306形成了栅电极307。308是漏极电极。

最近，超连接型MOSFET正受到关注。关于超连接型MOSFET，已知藤平等在1997年发表了该理论(参考非专利文献1)，1998年由Deboy等制造成为CoolMOSFET(参考非专利文献2)。它们的特征在于，通过在n-漂移层在纵向方向上将P层形成为柱状结构，从而不会使源极-漏极间的耐压特性变差，能够显著地提高通态电阻。

此外，从功率半导体元件的观点出发还进行了材料研讨，如Shenai等在文献(参考非专利文献3)中报道的那样，SiC作为下一代功率半导体元件，由于是低通态电压、高速-高温特性优良的元件，因此最近特别地受到关注。这是因为，SiC是化学上非常稳定的材料，带隙宽达3eV，即使在高温下也能够作为半导体而极其稳定地使用。此外，最大电场强度也比硅大1位数以上。由于SiC超过硅的材料极限的可能性大，因此在功率半导体用途中，特别在MOSFET中，期待今后有大的增长。尽管特别期待其通态电阻小，但是能够期待一种立式SiC-MOSFET，其原样维持耐高压特性且具有更低一级的低通态电阻。

与硅的情况同样，前述的图12示出了一般的SiC-MOSFET的剖面结构。在n-漂移层302之上层叠p基极层303，在p基极层303的表面层选择性地形成n+源极层304，在n-漂移层302和p基极层303以及n+源极层304之上，隔着栅极绝缘膜306形成了栅电极307，在基板301的背面形成了漏极电极308。

这样形成的SiC-MOSFET，作为开关转换器件，并且作为低通态电阻且能够高速开关转换的元件，而期待被应用于电动机控制用逆变器或者不间断电源装置(UPS)等的电力变换装置中。SiC由于是宽带隙半导体材料，因此如前述那样，期待其击穿电场强度高达硅的大约10倍，且通态电阻变得充分小，但是其另一方面，由于半导体的击穿电场强度变成高达10倍，因此特别地，在施加高电压时向氧化膜的电场的集中负荷与硅元件相比也变大。因此，在硅功率器件中，会担心：本来由于在将大的电场施加到氧化膜之前会达到硅的击穿电场强度因而不会成为问题，但是由于变成SiC而会使氧化膜击穿。具体地，存在下述可能性：通过在图12所示的SiC-MOSFET的栅极氧化膜上施加大的电场强度，栅极氧化膜击穿或者可靠性产生大的问题。这不仅对SiC-MOSFET而言，对SiC-IGBT而言也是这样。

以与图12的结构关联的图13的另一个例子来详述上述问题点。

图13是其单位单元的剖面图。

在该结构中，在高浓度n型基板201上堆积了低浓度n型漂移层202，在n型漂移层202的表面通过离子注入形成了高浓度p型栅极层231，还在其上堆积了低浓度p型层232。在该低浓度p型层232的表面部分通过离子注入而选择性地形成了n型源极层205，并隔着栅极氧化膜206而形成栅极电极207，还隔着层间绝缘膜208而形成源极电极209，沟道区域211被形成在栅极氧化膜206正下方的低浓度p型堆积层232内。贯通低浓度p型堆积层232而到达n型漂移层202的n型基极层204被选择性地形成为由来自表面的n型杂质的离子注入所实现的翻转层。210为漏极电极。