半導(dǎo)體器件的制作方法
【專利摘要】MOSFET（1）包括碳化硅襯底（10）、有源層（20）、柵氧化物膜（30）和柵電極（40）。有源層（20）包括當(dāng)向柵電極（40）供給電壓時在其中形成反型層的p型體區(qū)（22）。反型層的電子遷移率μ，與和受主濃度Na的倒數(shù)成比例的電子遷移率μ的依賴關(guān)系相比，更強(qiáng)地依賴于p型體區(qū)（22）的溝道區(qū)（29）中的受主濃度Na。p型體區(qū)（22）的溝道區(qū)（29）中的受主濃度Na不小于1×1016cm-3且不大于2×1018cm-3。溝道長度（L）等于或小于0.43μm。溝道長度（L）等于或長于溝道區(qū)（29）中的耗盡層的擴(kuò)展寬度d。用d=D·Na-C表示擴(kuò)展寬度d。
【專利說明】半導(dǎo)體器件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件，更具體地，涉及允許溝道電阻減小的半導(dǎo)體器件。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，為了實(shí)現(xiàn)高擊穿電壓、低損耗以及在高溫環(huán)境下的半導(dǎo)體器件的使用，已經(jīng)開始采用碳化硅作為半導(dǎo)體器件的材料。碳化硅是具有比硅的帶隙大的帶隙的寬帶隙半導(dǎo)體，傳統(tǒng)上是將硅廣泛用作半導(dǎo)體器件的材料。因此，通過此碳化硅作為半導(dǎo)體器件的材料，半導(dǎo)體器件可以具有高擊穿電壓、減小的導(dǎo)通電阻等。另外，與采用硅作為其材料的半導(dǎo)體器件的特性相比，采用碳化硅作為其材料的半導(dǎo)體器件的優(yōu)勢在于即使在高溫環(huán)境下特性也不太會降低。
[0003]已經(jīng)進(jìn)行各種研究以在半導(dǎo)體器件中實(shí)現(xiàn)提高的溝道遷移率和減小的導(dǎo)通電阻，這些半導(dǎo)體器件中的每個如上所述采用碳化硅作為其材料并且根據(jù)預(yù)定的閾值電壓控制溝道區(qū)中是否存在反型層，以便傳導(dǎo)和中斷電流。這類半導(dǎo)體器件的示例包括MOSFET (金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)和IGBT (絕緣柵雙極晶體管)(參見例如日本專利特許公開 N0.2000-150866 (專利文獻(xiàn) I) ;Fujihira 等人的 “Realization of LowOn-Resistance4H-SiC power MOSFETs by Using Retrograde Profile in P-Body (通過使用P本體中的逆轉(zhuǎn)輪廓來實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻4H-SiC功率M0SFET)”，材料科學(xué)論壇，第556-557卷，碳化硅和相關(guān)材料2006，2006，第827-830頁(非專利文獻(xiàn)I);和Se1-HyungRyu等人的 “Critical Issues for MOS Based Power Device in4H_SiC (米用 4H_SiC 的基于MOS的功率器件的關(guān)鍵問題)”，材料科學(xué)論壇，第615-617卷，2009，第743-748頁(非專利文獻(xiàn) 2))。
[0004]引用列表
[0005]專利文獻(xiàn)
[0006]PTLl:日本專利特許公開 N0.2000-150866
[0007]非專利文獻(xiàn)
[0008]NPLl:Fujihira 等人的 “Realization of Low On-Resistance4H-SiC powerMOSFETs by Using Retrograde Profile in P-Body(通過使用p本體中的逆轉(zhuǎn)輪廓來實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻4H-SiC功率M0SFET)”，材料科學(xué)論壇，第556-557卷，碳化硅和相關(guān)材料2006，2006，第 827-830 頁
[0009]NPL2:Se1-Hyung Ryu 等人的 “Critical Issues for MOS Based Power Devicein4H-SiC (采用4H-SiC的基于MOS的功率器件的關(guān)鍵問題)”，材料科學(xué)論壇，第615-617卷，2009，第 743-748 頁

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]技術(shù)問題
[0011]然而，采用碳化硅作為其材料的上述半導(dǎo)體器件如MOSFET和IGBT需要具有進(jìn)一步減小的溝道電阻和進(jìn)一步抑制的導(dǎo)通電阻。
[0012]據(jù)此，本發(fā)明的目的在于提供一種允許溝道電阻減小的半導(dǎo)體器件。
[0013]問題的解決方法
[0014]本發(fā)明的第一方面中的一種半導(dǎo)體器件包括:襯底，其由碳化娃制成；外延生長層，其由碳化硅制成并且形成在所述襯底上；柵絕緣膜，其由絕緣體制成并且被設(shè)置成接觸所述外延生長層；以及柵電極，其被設(shè)置成接觸所述柵絕緣膜。所述外延生長層包括P型體區(qū)，所述P型體區(qū)具有P型導(dǎo)電性并且具有接觸所述柵絕緣膜且當(dāng)向所述柵電極供給電壓時在其中形成反型層的區(qū)域。所述反型層的電子遷移率μ，與和受主濃度Na的倒數(shù)成比例的電子遷移率μ的依賴關(guān)系相比，更強(qiáng)地依賴于其中將形成所述反型層的所述P型體區(qū)的區(qū)域中的受主濃度Na。其中將形成所述反型層的所述P型體區(qū)的區(qū)域中的受主濃度Na不小于1父1016(^_3且不大于2\1018(^_3。所述反型層的溝道長度為0.43 μ m或更小，所述溝道長度是電子在所述反型層中移動的方向上的長度。所述溝道長度等于或長于其中將形成所述反型層的所述P型體區(qū)的區(qū)域中的耗盡層的擴(kuò)展寬度d，用d=D.N；c表示所述擴(kuò)展寬度d，其中，C和D代表常數(shù)。
[0015]本發(fā)明的第二方面中的一種半導(dǎo)體器件包括:襯底，其由碳化硅制成；外延生長層，其由碳化硅制成并且形成在所述襯底上；柵絕緣膜，其由絕緣體制成并且被設(shè)置成接觸所述外延生長層；以及柵電極，其被設(shè)置成接觸所述柵絕緣膜。所述外延生長層包括具有P型導(dǎo)電性的P型體區(qū)并且具有接觸所述柵絕緣膜并且當(dāng)向所述柵電極供給電壓時在其中形成反型層的區(qū)域。所述外延生長層具有表面，所述表面面對所述柵電極使所述柵絕緣膜置于其間并且相對于構(gòu)成所述外延生長層的碳化硅的(0001)面形成8°或更小的角度。其中將形成所述反型層的所述P型體區(qū)的區(qū)域中的受主濃度Na不小于I X IO16CnT3且不大于
2X IO18Cm-30所述反型層的溝道長度為0.43 μ m或更小，所述溝道長度是電子在所述反型層中移動的方向上的長度。所述溝道長度等于或長于其中將形成所述反型層的所述P型體區(qū)的區(qū)域中的耗盡層的擴(kuò)展寬度d，用d=D.N,表示所述擴(kuò)展寬度d，其中，C和D代表常數(shù)。
[0016]本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)進(jìn)行下述詳細(xì)研究來實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體器件中的溝道電阻減小，并且基于由此得到的發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
[0017]具體地講，在采用碳化硅作為其材料的半導(dǎo)體器件中，溝道電阻在導(dǎo)通電阻中所占的比率大。另外，溝道電阻與溝道遷移率的倒數(shù)和溝道長度的乘積成比例。因此，為了實(shí)現(xiàn)減小的溝道電阻，重要的是提高溝道遷移率并且縮短溝道長度。
[0018]通常，遷移率μ主要受離子散射影響，并且與受主濃度(離子濃度)Na的倒數(shù)成比例(參見公式(1))。
[0019]μ oc Na-1...(1)
[0020]然而，在外延生長層的面對柵電極的使柵絕緣膜置于其間的表面對應(yīng)于與構(gòu)成外延生長層的碳化硅的(0001)面接近的面的情況下，更具體地講，在外延生長層的面對柵電極的使柵絕緣膜置于其間的表面相對于構(gòu)成外延生長層的碳化硅的(0001)面形成8°或更小角度的情況下，除了離子散射之外，遷移率μ還受用于形成P型體區(qū)等的離子注入和離子注入的后續(xù)處理中產(chǎn)生的缺陷和陷阱影響。在這種情況下，遷移率μ因此更強(qiáng)地受受主濃度影響。在離子注入及其后續(xù)過程期間產(chǎn)生的缺陷和陷阱的密度取決于所注入的離子量，并且可以用受主濃度Na的函數(shù)表示。根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明人的研究，不僅受離子散射影響而且受缺陷和陷阱影響的遷移率μ可以用以下的公式(2)表示:
[0021]I/ μ =Aexp (B.Na)...(2)
[0022]在公式(2)中，A和B代表實(shí)數(shù)的系數(shù)。
[0023]同時，溝道電阻與溝道長度成比例。因此，通過縮短溝道長度，可以減小溝道電阻。然而，當(dāng)溝道長度縮短時，將產(chǎn)生短溝道效應(yīng)(穿通)，從而導(dǎo)致諸如擊穿電壓降低并且截止特性劣化的問題。短溝道效應(yīng)是因耗盡層從形成在溝道區(qū)端部的pn結(jié)區(qū)擴(kuò)展到溝道區(qū)中以使整個溝道區(qū)形成在耗盡層中造成的。然而，為了抑制出現(xiàn)短溝道效應(yīng)，必須確保溝道長度大于從pn結(jié)區(qū)域擴(kuò)展的耗盡層的寬度。當(dāng)溝道區(qū)端部的pn結(jié)區(qū)外部的雜質(zhì)濃度恒定時，耗盡層以擴(kuò)展寬度d擴(kuò)展到溝道區(qū)中，擴(kuò)展寬度d滿足以下的公式(3)’:
[0024]
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體器件(1)，包括: 襯底(10),所述襯底(10)由碳化娃制成； 外延生長層(20)，所述外延生長層(20)由碳化硅制成并且形成在所述襯底(10)上；柵絕緣膜(30)，所述柵絕緣膜(30)由絕緣體制成并且被設(shè)置成與所述外延生長層(20)接觸；以及 柵電極(40 )，所述柵電極(40 )被設(shè)置成與所述柵絕緣膜(30 )接觸，所述外延生長層(20)包括P型體區(qū)(22)，所述P型體區(qū)(22)具有P型導(dǎo)電性并且具有與所述柵絕緣膜(30)接觸且當(dāng)向所述柵電極(40)供給電壓時在其中形成反型層的區(qū)域，所述反型層的電子遷移率μ，與和受主濃度Na的倒數(shù)成比例的電子遷移率μ的依賴關(guān)系相比，更強(qiáng)地依賴于在其中將形成所述反型層的所述P型體區(qū)(22)的區(qū)域(29)中的所述受主濃度Na， 在其中將形成所述反型層的所述P型體區(qū)(22)的區(qū)域(29)中的受主濃度Na不小于1X 1O16Cm-3 且不大于 2 X 1O18cm-3, 所述反型層具有0.43 μ m或更小的溝道長度(L)，所述溝道長度(L)是電子在所述反型層中移動的方向上的所述反型層的長度， 所述溝道長度(L)等于或長于在其中將形成所述反型層的所述P型體區(qū)(22)的區(qū)域(29)中的耗盡層的擴(kuò)展寬度d，所述擴(kuò)展寬度d表示為:d=D.N:c， 其中，C和D代表常數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件(1)，其中所述反型層中的電子遷移率μ和在其中將形成所述反型層的所述P型體區(qū)(22)的區(qū)域(29)中的受主濃度Na之間的關(guān)系能夠近似用以下公式表示:
1/ μ =Aexp (B.Na)， 其中，A和B代表實(shí)數(shù)常數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件(1)，其中B的值大于1XlO-19且小于1X10_16。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件(1)，其中A的值大于O且小于2。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件(1)，其中C和D的值分別滿足0.5〈C〈1.0和1X1014〈D〈1X1016。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件(1)，其中: 所述P型體區(qū)(22)包括: 高濃度區(qū)(22A)，所述高濃度區(qū)(22A)被設(shè)置成包括在其中將形成所述反型層的區(qū)域(29)，并且具有高受主濃度Na，以及 低濃度區(qū)(22B)，所述低濃度區(qū)(22B)被設(shè)置成在電子在所述反型層中移動的方向上與所述高濃度區(qū)(22A)相鄰，從而包括在其中將形成所述反型層的區(qū)域(29)，所述低濃度區(qū)(22B)具有比所述高濃度區(qū)(22A)的受主濃度低的受主濃度Na。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體器件(1)，其中在所述低濃度區(qū)(22B)中的受主濃度Na是在所述高濃度區(qū)(22A)中的受主濃度Na的1/2或更少。
8.一種半導(dǎo)體器件(1)，包括: 襯底(10),所述襯底(10)由碳化娃制成；外延生長層(20)，所述外延生長層(20)由碳化硅制成并且形成在所述襯底(10)上；柵絕緣膜(30)，所述柵絕緣膜(30)由絕緣體制成并且被設(shè)置成與所述外延生長層(20)接觸；以及 柵電極(40 )，所述柵電極(40 )被設(shè)置成與所述柵絕緣膜(30 )接觸，所述外延生長層(20)包括P型體區(qū)(22)，所述P型體區(qū)(22)具有P型導(dǎo)電性并且具有與所述柵絕緣膜(30)接觸且當(dāng)向所述柵電極(40)供給電壓時在其中形成反型層的區(qū)域，所述外延生長層(20 )具有表面(22S )，所述表面(22S )面對所述柵電極(40 )且所述柵絕緣膜(30)介于所述柵電極(40)和所述表面(22S)之間、并且所述表面(22S)相對于構(gòu)成所述外延生長層(20)的碳化硅的(0001)面形成8°或更小的角度， 在其中將形成所述反型層的所述P型體區(qū)(22)的區(qū)域(29)中的受主濃度Na不小于I X IO16CnT3 且不大于 2 X IO1W3, 所述反型層具有0.43 μ m或更小的溝道長度(L)，所述溝道長度(L)是電子在所述反型層中移動的方向上的所述反型層的長度， 所述溝道長度(L)等于或長于在其中將形成所述反型層的所述P型體區(qū)(22)的區(qū)域中的耗盡層的擴(kuò)展寬度d，所述擴(kuò)展寬度d表示為:d=D.N:c， 其中，C和D代表常數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所 述的半導(dǎo)體器件(1)，其中C和D的值分別滿足0.5〈C〈1.0和1X1014〈D〈1X1016。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體器件(I)，其中: 所述P型體區(qū)(22)包括: 高濃度區(qū)(22A)，所述高濃度區(qū)(22A)被設(shè)置成包括在其中將形成所述反型層的區(qū)域(29)并且具有高受主濃度Na，以及 低濃度區(qū)(22B)，所述低濃度區(qū)(22B)被設(shè)置成在電子在所述反型層中移動的方向上與所述高濃度區(qū)(22A)相鄰，從而包括在其中將形成所述反型層的區(qū)域(29)，所述低濃度區(qū)(22B)具有比所述高濃度區(qū)(22A)的受主濃度低的受主濃度Na。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體器件(I)，其中所述低濃度區(qū)(22B)中的受主濃度Na是所述高濃度區(qū)(22A)中的受主濃度Na的1/2或更少。
【文檔編號】H01L29/78GK103843141SQ201180063838
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2011年10月5日 優(yōu)先權(quán)日:2011年2月1日
【發(fā)明者】增田健良, 日吉透, 和田圭司 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社