JP2006344802A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、SiC(炭化シリコン)半導体基板を用いた半導体装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device using a SiC (silicon carbide) semiconductor substrate and a method for manufacturing the same.
家庭用民生機器や電気自動車(たとえばハイブリッド車)の電源(とくにインバータを用いたもの)には、従来から、Si(シリコン)半導体基板を用いたパワーMOSFETが用いられてきた。パワーエレクトロニクスの分野では、電力変換時におけるデバイスでの損失が問題となっており、低損失化が課題となっているが、Si材料を用いたパワーMOSFETでは技術的な限界に近づきつつあると言われており、さらなる高効率化の実現は困難な状況に立ち至っている。 Conventionally, a power MOSFET using a Si (silicon) semiconductor substrate has been used for a power source (especially one using an inverter) of a household consumer device or an electric vehicle (for example, a hybrid vehicle). In the field of power electronics, loss in devices during power conversion is a problem, and low loss is an issue, but it is said that power MOSFETs using Si materials are approaching the technical limits. As a result, it is difficult to achieve higher efficiency.
そこで、SiC半導体のパワーデバイスへの応用についての研究が進められている。SiCは、バンドギャップがSiの3倍、絶縁破壊電界がSiの10倍などといった、優れた物性を持つ化合物であり、パワーデバイスに応用すれば、Si系パワーデバイスよりも低損失なデバイスを実現できる。
しかし、SiC半導体基板を用いたパワーMOSFETでは、活性領域の周囲における電界集中に起因するブレークダウンのために、安定な高耐圧素子の実現が困難であるという問題がある。
そこで、この発明の目的は、SiC半導体基板を用いた高耐圧の半導体装置およびその製造方法を提供することである。
However, the power MOSFET using the SiC semiconductor substrate has a problem that it is difficult to realize a stable high voltage device due to breakdown due to electric field concentration around the active region.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a high breakdown voltage semiconductor device using a SiC semiconductor substrate and a method for manufacturing the same.
上記の目的を達成するための請求項1記載の発明は、第1導電型のSiC半導体基板(5)と、このSiC半導体基板上に形成され、電界効果トランジスタとして機能する活性領域(1)と、前記SiC半導体基板上において前記活性領域を取り囲むリング状の領域に前記第1導電型とは異なる第2導電型の不純物を導入して形成され、電気的に浮遊状態のフローティングリング(2)と、前記SiC半導体基板上において前記フローティングリングから所定の間隔を開けて当該フローティングリングを取り囲むリング状の領域に前記第1導電型の不純物を導入して形成された外側リング(3)とを含むことを特徴とする半導体装置である。なお、括弧内の英数字は後述の実施形態における対応構成要素等を表す。以下、この項において同じ。
In order to achieve the above object, an invention according to
この構成では、SiC半導体基板は電界効果トランジスタのドレインとして機能し、外側リングはSiC半導体基板と同電位に固定されて、活性領域の周囲における電界の安定化に寄与する。そして、この発明では、活性領域と外側リングとの間に設けられたフローティングリングの働きによって、活性領域から広がる空乏層を外側リング側へと広げることができる。これによって、活性領域の周囲での空乏層の曲がりを緩和することができるので、活性領域と外側リングとの間での電界の集中を緩和できる。その結果、安定した高耐圧を得ることができる。達成可能な耐圧は、たとえば、600〜2000Vである。 In this configuration, the SiC semiconductor substrate functions as the drain of the field effect transistor, and the outer ring is fixed at the same potential as the SiC semiconductor substrate, contributing to stabilization of the electric field around the active region. In the present invention, the depletion layer extending from the active region can be expanded to the outer ring side by the action of the floating ring provided between the active region and the outer ring. As a result, the bending of the depletion layer around the active region can be reduced, so that the concentration of the electric field between the active region and the outer ring can be reduced. As a result, a stable high breakdown voltage can be obtained. The achievable withstand voltage is, for example, 600 to 2000V.
また、活性領域と外側リングとの間にフローティングリングが設けられているため、活性領域と外側リングとの間の距離を短くしても、安定した高耐圧が得られる。これにより、半導体装置の小型化を図ることができるという利点もある。たとえば、活性領域と外側リングとの間隔は、たとえば、30μm以上150μm以下とすることができる。
前記フローティングリングと外側リングとは、全周にわたって、いたるところで間隔がほぼ一定であるように形成されていることが好ましい。
In addition, since the floating ring is provided between the active region and the outer ring, a stable high breakdown voltage can be obtained even if the distance between the active region and the outer ring is shortened. This also has the advantage that the semiconductor device can be reduced in size. For example, the distance between the active region and the outer ring can be, for example, 30 μm or more and 150 μm or less.
The floating ring and the outer ring are preferably formed so that the distance between them is almost constant over the entire circumference.
また、前記フローティングリングは、間隔をあけて配置された複数本の多重リングからなっていてもよい。
請求項2記載の発明は、前記SiC半導体基板上において、前記活性領域の周縁部のリング状の領域に前記第2の導電型の不純物を導入して形成された内側リング(16)をさらに含むことを特徴とする請求項1記載の半導体装置である。この構成によれば、活性領域の周囲における空乏層の曲がりをより一層緩和できるので、さらに安定した高耐圧化が可能となる。
The floating ring may be composed of a plurality of multiple rings arranged at intervals.
The invention according to
前記内側リングとフローティングリングとは、全周にわたっていたるところでほぼ等しい間隔に形成されていることが好ましい。さらに、前記内側リングと外側リングとは、全周にわたっていたるところでほぼ等間隔に形成されていることが好ましい。
前記内側リングは、電気的に浮遊状態(フローティング)とされていてもよいが、請求項3に記載されているように、前記内側リングを前記電界効果トランジスタのソースと同電位とする配線部材(14)をさらに含むことが好ましい。これにより、活性部材の周囲の電界をより一層安定化することができるので、より安定した高耐圧化が可能となる。
The inner ring and the floating ring are preferably formed at almost equal intervals throughout the entire circumference. Furthermore, it is preferable that the inner ring and the outer ring are formed at almost equal intervals throughout the entire circumference.
Although the inner ring may be in an electrically floating state (floating), as described in
前記配線部材は、前記電界効果トランジスタに接続されたソース電極と一体化されていてもよい。
請求項4記載の発明は、第1導電型のSiC半導体基板(5)上に、電界効果トランジスタとして機能する活性領域(1)を形成する工程と、前記SiC半導体基板上において前記活性領域を取り囲むリング状の領域に前記第1導電型とは異なる第2導電型の不純物を導入することにより、電気的に浮遊状態のフローティングリング(2)を形成する工程と、前記SiC半導体基板上において前記フローティングリングから所定の間隔を開けて当該フローティングリングを取り囲むリング状の領域に、前記第1導電型の不純物を導入することにより、外側リング(3)を形成する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法である。
The wiring member may be integrated with a source electrode connected to the field effect transistor.
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a step of forming an active region (1) functioning as a field effect transistor on a first conductivity type SiC semiconductor substrate (5), and surrounding the active region on the SiC semiconductor substrate. A step of forming an electrically floating floating ring (2) by introducing an impurity of a second conductivity type different from the first conductivity type into the ring-shaped region, and the floating on the SiC semiconductor substrate Forming an outer ring (3) by introducing the first conductivity type impurity into a ring-shaped region surrounding the floating ring at a predetermined distance from the ring. It is a manufacturing method of an apparatus.
この方法により、請求項1の構成の半導体装置を製造することができる。
請求項5記載の発明は、前記活性領域を形成する工程は、前記第2導電型のウェル(6)を形成する工程を含み、前記フローティングリングを形成する工程は、前記ウェルを形成する工程と同時に行われることを特徴とする請求項4記載の半導体装置の製造方法である。
By this method, the semiconductor device having the configuration of
According to a fifth aspect of the present invention, the step of forming the active region includes a step of forming the second conductivity type well (6), and the step of forming the floating ring includes the step of forming the well; 5. The method of manufacturing a semiconductor device according to
この方法では、ウェルの形成と同時にフローティングリングを形成できるので、工程数を増やすことなく、安定した高耐圧化を実現した半導体装置を製造できる。 In this method, since the floating ring can be formed simultaneously with the formation of the well, a semiconductor device that realizes a stable high breakdown voltage can be manufactured without increasing the number of steps.
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図1は、この発明の一実施形態に係る半導体装置の拡大平面図である。この半導体装置は、SiC(炭化シリコン)を用いたパワーMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)素子(個別素子)であり、たとえば、図1の紙面における上下方向の長さは1mm程度である。このパワーMOSFETは、SiC半導体基板上の中央部に配置され、電界効果トランジスタとして機能する活性領域1を備えている。この活性領域1を取り囲むように、この活性領域1から間隔を開けてフローティングリング2が形成されており、さらにこのフローティングリング2を取り囲むように外側リング3が形成されている。活性領域1とフローティングリング2との間隔は、全周にわたっていたるところでほぼ一定である。また、フローティングリング2と外側リング3との間隔も、全周にわたっていたるところでほぼ一定である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is an enlarged plan view of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. This semiconductor device is a power MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) element (individual element) using SiC (silicon carbide). For example, the length in the vertical direction in FIG. 1 is about 1 mm. . This power MOSFET is provided in the central part on the SiC semiconductor substrate, and includes an
図2は、図1に示す切断面線II−IIにおける拡大断面図である。このパワーMOSFETは、いわゆるDMOS(Double-Diffusion Metal-Oxide-Semiconductor)構造を有している。ただし、SiCプロセスでは、二重拡散技術を応用することはできず、二重イオン注入(Double-Implantation)によってDMOS構造のデバイスが作製される。
SiC半導体基板5は、この実施形態では、N型であり、電界効果トランジスタのドレイン領域として機能する。このSiC半導体基板5の表面側には、複数のP型ウェル6が格子配列されて多数形成されていて、活性領域1を形成している。また、SiC半導体基板5の裏面には、たとえば、ニッケル金属膜からなるドレイン電極4が形成されている。
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view taken along section line II-II shown in FIG. This power MOSFET has a so-called DMOS (Double-Diffusion Metal-Oxide-Semiconductor) structure. However, in the SiC process, the double diffusion technique cannot be applied, and a device having a DMOS structure is manufactured by double-implantation.
In this embodiment, the SiC semiconductor substrate 5 is N-type and functions as the drain region of the field effect transistor. On the surface side of the SiC semiconductor substrate 5, a plurality of P-type wells 6 are formed in a lattice arrangement to form an
個々のP型ウェル6内には、N+型ソース領域7と、このN+型ソース領域7に取り囲まれたP+型領域8とが形成されている。そして、隣接するP型ウェル6に跨るようにゲート電極9が形成されており、このゲート電極9とSiC半導体基板5との間にゲート絶縁膜10が介在されている。ゲート電極9は、N+型ソース領域7とドレイン領域としてのSiC半導体基板5(P型ウェル6の間の領域)との間に跨っていて、P型ウェル6の表面における反転層(チャネル)の形成を制御する。
In each P type well 6, an N + type source region 7 and a P + type region 8 surrounded by the N + type source region 7 are formed. A
さらに、ゲート電極9を覆うように、たとえば酸化シリコンからなる層間膜(絶縁膜)11が形成されている。この層間膜11は、さらに活性領域1から外側リング3に至る領域をも覆っている。層間膜11には、P型ウェル6の中央領域にコンタクト孔12が形成されている。このコンタクト孔12は、P+型領域8およびその周囲のN+型ソース領域7の一部を露出させることができる領域に形成されている。コンタクト孔12内には、たとえば、ニッケルからなるコンタクトメタル層13が形成されている。このコンタクトメタル層13に接触するように、基板上の大部分を覆うソース電極14(たとえばアルミニウムからなるもの)が形成されている。したがって、N+型ソース領域7は、ソース電極14と同電位となる。また、P型ウェル6は、P+型領域8を介してソース電極14に接続されるので、このソース電極14と同電位となる。
Further, an interlayer film (insulating film) 11 made of, for example, silicon oxide is formed so as to cover the
一方、活性領域1の周縁部には、P型不純物を導入して形成された内側リング16が形成されている。この内側リング16は、活性領域1の全周に渡って形成されている。内側リング16の内方の領域には、P+型領域17が形成されている。そして、層間膜11には、P+型領域17に対応するコンタクト孔18が形成されており、このコンタクト孔18内には、コンタクトメタル層19が配置されている。このコンタクトメタル層19には、ソース電極14が接している。これにより、内側リング16は、ソース電位(たとえば0V)に固定されることになる。
On the other hand, an
活性領域1の周囲におけるSiC半導体基板5の表面には、内側リング16から一定距離D1を開けた領域にP型不純物を導入して形成されたフローティングリング2が形成されている。このフローティングリング2は、SiC半導体基板5の表面を覆う前記層間膜11によって覆われており、電気的に浮遊状態に保持されるようになっている。内側リング16とフローティングリング2との間の距離D1は、全周に渡っていたるところでほぼ一定に保持されている。距離D1は、たとえば、10μm程度である。
A floating
さらに、内側リング16よりも外方には、一定距離D2をあけて、SiC半導体基板5の周縁部(エッジ部)に、外側リング3が形成されている。この外側リング3は、SiC半導体基板5にN型不純物を高濃度に導入して形成されたN+型領域である。したがって、外側リング3は、ドレイン領域としてのSiC半導体基板5と同電位(たとえば、1000V)に固定されることになる。距離D2は、全周に渡ってほぼ一定に保持されている。この距離D2は、この実施形態では、前述の距離D1よりも長く、たとえば、50μm程度である。また、内側リング16と外側リング3との間の距離Dもまた、全周に渡ってほぼ一定に保持されている。この距離Dは、たとえば、30〜150μm程度である。
Further, outside
外側リング3上には、その一部を露出させるコンタクト孔23が層間膜11に形成されている。このコンタクト孔23内にはコンタクトメタル層24が配置されている。さらに、SiC半導体基板5の周縁部には、コンタクトメタル層24に接する配線部材25が全周に渡って形成されている。したがって、この配線部材25の電位は、SiC半導体基板5と同電位に固定されることになる。
On the
このような構成によれば、内側リング16をソースと同電位に固定し、外側リング3をドレインと同電位に固定することで、活性領域1の周囲領域における電界分布を均一化および安定化することができる。さらに、P型ウェル6から広がる空乏層30は、フローティングリング2を超えて外側リング3に向かって延び、急激な曲がりを生じない。これにより、電界の集中をさらに効果的に緩和することができる。もしも、フローティングリング2が設けられていなければ、P型ウェル6から広がる空乏層は、参照符号30Aで示すように、活性領域1の近傍で急激な曲がりを生じ、これに伴う電界集中が避けられない。フローティングリング2を設けた本実施形態の構成では、このような電界集中を効果的に緩和することができる。
According to such a configuration, the
こうして、この実施形態の構成によれば、活性領域1の周囲における電界集中を効果的に緩和でき、その結果、安定した高耐圧のパワーMOSFETを実現することができる。
図3は、前述のパワーMOSFETの製造工程を説明するためのフローチャートである。まず、P型不純物イオン(たとえば、アルミニウムイオン)が、たとえば室温雰囲気中で、SiC半導体基板5に選択的に注入され、P型ウェル6、内側リング16およびフローティングリング2が同時に形成される(ステップS1)。
Thus, according to the configuration of this embodiment, the electric field concentration around the
FIG. 3 is a flowchart for explaining the manufacturing process of the power MOSFET. First, P-type impurity ions (for example, aluminum ions) are selectively implanted into SiC semiconductor substrate 5 in a room temperature atmosphere, for example, and P-type well 6,
さらに、室温雰囲気中において、P型ウェル6および内側リング16の内方の領域にP型不純物イオン(たとえばアルミニウムイオン)が選択的に注入されることにより、P+型領域8,17が同時に形成される(ステップS2)。
そして、たとえば、400℃の雰囲気中における選択的なN型不純物イオン(たとえばリンイオン)の注入によって、N+型ソース領域7および外側リング3が同時に形成される(ステップS3)。
Furthermore, P + -
Then, for example, N + -type source region 7 and
その後、注入された不純物イオンを活性化するためのアニール(熱処理)が行われる(ステップS4)。このアニールは、たとえば、アルゴンガス雰囲気中における、1725℃、数分の熱処理である。
次いで、ゲート絶縁膜10が、たとえば、熱酸化法によって形成される(ステップS5)。ゲート絶縁膜10の膜厚は、たとえば、数百Å程度である。
Thereafter, annealing (heat treatment) for activating the implanted impurity ions is performed (step S4). This annealing is, for example, heat treatment at 1725 ° C. for several minutes in an argon gas atmosphere.
Next, the
さらに、たとえば、ポリシリコン膜その他の導電膜によって、ゲート絶縁膜10上にゲート電極9のパターンが形成される(ステップS6)。
次いで、N+型ソース領域7およびP+型領域8に接合されるコンタクトメタル層13,19,24(たとえば、ニッケル金属膜からなるもの)が形成される(ステップS7)。これらのコンタクトメタル層13,19,24は、たとえば、膜厚600Åのニッケル金属膜をスパッタ法によって形成した後に、これをリフトオフによりパターニングすることによって同時に形成できる。
Further, for example, a pattern of the
Next, contact metal layers 13, 19, and 24 (for example, made of a nickel metal film) joined to N + type source region 7 and P + type region 8 are formed (step S7). These contact metal layers 13, 19, and 24 can be formed simultaneously by, for example, forming a nickel metal film having a thickness of 600 mm by sputtering and then patterning it by lift-off.
次に、SiC半導体基板5の裏面に、ドレイン電極4としてのニッケル金属膜を、たとえばスパッタ法によって形成する(ステップS8)。
つづいて、合金化処理(メタルアロイ)が行われる(ステップS9)。この合金化処理は、たとえば、1000℃、2分のラピッドサーマルアニール(RTA)によって行われる。このような合金化処理によって、コンタクトメタル層13,19,24およびドレイン電極4の接合界面が合金化し、オーミック接合を形成できる。
Next, a nickel metal film as
Subsequently, an alloying process (metal alloy) is performed (step S9). This alloying treatment is performed, for example, by rapid thermal annealing (RTA) at 1000 ° C. for 2 minutes. By such alloying treatment, the contact interfaces of the contact metal layers 13, 19, 24 and the
次に、たとえば、膜厚8000Å程度の酸化シリコン膜からなる層間膜11が全面に形成され(ステップS10)、ドライエッチングその他のエッチング法によって、コンタクト孔12,18,23が形成される(ステップS11)。
そして、たとえばアルニミウム金属膜からなるソース電極14が形成されることにより(ステップS12)、図1および図2に示す構造のパワーMOSFETが得られる。
Next, for example, an
Then, by forming
この製造方法では、P型ウェル6の形成のためのイオン注入工程において、フローティングリング2を同時に形成できる。また、N+型ソース領域7の形成のためのイオン注入工程において、外側リング3を同時に形成できる。したがって、工程数を増やすことなく、安定な高耐圧構造を形成することができる。
以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明は、さらに他の形態で実施することも可能である。たとえば、前述の実施形態では、内側リング16の電位をソース電極14と同電位に固定するようにしているが、この内側リング16を、電気的に浮遊状態のリング(フローティングリング)としてもよい。この場合にも、P型ウェル6から広がる空乏層30を外側リング3に向かって長く延びた形状とすることができ、空乏層の曲がりに起因する電界集中を緩和できる。
In this manufacturing method, the floating
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, this invention can also be implemented with another form. For example, in the above-described embodiment, the potential of the
さらに、前述の実施形態では、活性領域1と外側リング3との間に1つのフローティングリング2を配置しているが、2つ以上のフローティングリングを間隔を開けて複数個配置して、フローティングリングの多重構造を形成してもよい。これにより、空乏層30をより効果的に外側リング3に向かって延ばすことができるので、電界の集中をより一層緩和することができる。
Further, in the above-described embodiment, one floating
さらに、前述の実施形態では、N型のSiC半導体基板5を用いてNチャンネル型のMOSFETを形成した例について説明したが、この発明は、P型のSiC半導体基板を用いたPチャンネル型のMOSFETにも適用することができる。この場合には、図2の構成における各部の導電型を反対にすればよい。
さらに、前述の実施形態では、この発明をパワーMOSFETに適用した例について説明したが、この発明は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、JFET(Junction Field Effect Transistor)その他の構造のSiC FETデバイスにも同様に適用することができる。
Further, in the above-described embodiment, the example in which the N-channel type MOSFET is formed by using the N-type SiC semiconductor substrate 5 has been described. However, the present invention relates to the P-channel type MOSFET using the P-type SiC semiconductor substrate. It can also be applied to. In this case, the conductivity type of each part in the configuration of FIG. 2 may be reversed.
Further, in the above-described embodiment, the example in which the present invention is applied to the power MOSFET has been described. However, the present invention is also applied to an SiC FET device having an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), JFET (Junction Field Effect Transistor), or other structure. The same can be applied.
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。 In addition, various design changes can be made within the scope of the matters described in the claims.
1 活性領域
2 フローティングリング
3 外側リング
4 ドレイン電極
5 SiC半導体基板
6 P型ウェル
7 N+型ソース領域
8 P+型領域
9 ゲート電極
10 ゲート絶縁膜
11 層間膜
12 コンタクト孔
13 コンタクトメタル層
14 ソース電極
16 内側リング
17 P+型領域
18 コンタクト孔
19 コンタクトメタル層
23 コンタクト孔
24 コンタクトメタル層
25 配線部材
30 空乏層
DESCRIPTION OF
Claims (5)
このSiC半導体基板上に形成され、電界効果トランジスタとして機能する活性領域と、
前記SiC半導体基板上において前記活性領域を取り囲むリング状の領域に前記第1導電型とは異なる第2導電型の不純物を導入して形成され、電気的に浮遊状態のフローティングリングと、
前記SiC半導体基板上において前記フローティングリングから所定の間隔を開けて当該フローティングリングを取り囲むリング状の領域に前記第1導電型の不純物を導入して形成された外側リングとを含むことを特徴とする半導体装置。 A first conductivity type SiC semiconductor substrate;
An active region formed on the SiC semiconductor substrate and functioning as a field effect transistor;
An electrically floating floating ring formed by introducing an impurity of a second conductivity type different from the first conductivity type into a ring-shaped region surrounding the active region on the SiC semiconductor substrate;
And an outer ring formed by introducing the first conductivity type impurity into a ring-shaped region surrounding the floating ring at a predetermined interval from the floating ring on the SiC semiconductor substrate. Semiconductor device.
前記SiC半導体基板上において前記活性領域を取り囲むリング状の領域に前記第1導電型とは異なる第2導電型の不純物を導入することにより、電気的に浮遊状態のフローティングリングを形成する工程と、
前記SiC半導体基板上において前記フローティングリングから所定の間隔を開けて当該フローティングリングを取り囲むリング状の領域に、前記第1導電型の不純物を導入して、外側リングを形成する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming an active region functioning as a field effect transistor on a first conductivity type SiC semiconductor substrate;
Forming an electrically floating floating ring by introducing an impurity of a second conductivity type different from the first conductivity type into a ring-shaped region surrounding the active region on the SiC semiconductor substrate;
And introducing an impurity of the first conductivity type into a ring-shaped region surrounding the floating ring at a predetermined interval from the floating ring on the SiC semiconductor substrate, and forming an outer ring. A method of manufacturing a semiconductor device.
前記フローティングリングを形成する工程は、前記ウェルを形成する工程と同時に行われることを特徴とする請求項4記載の半導体装置の製造方法。 Forming the active region includes forming a well of the second conductivity type;
5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the step of forming the floating ring is performed simultaneously with the step of forming the well.
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