JP2009194065A - Silicon carbide semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、トレンチゲートを有する炭化珪素(以下、SiCという)半導体装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a silicon carbide (hereinafter referred to as SiC) semiconductor device having a trench gate and a method for manufacturing the same.
近年、高い電界破壊強度が得られるパワーデバイスの素材としてSiCが注目されている。SiC半導体装置では電界破壊強度が強いため、大電流の制御を行うことができる。そのため、ハイブリットカー用のモーターの制御への活用が期待されている。 In recent years, SiC has attracted attention as a power device material that can provide high electric field breakdown strength. Since the SiC semiconductor device has a high electric field breakdown strength, a large current can be controlled. Therefore, it is expected to be utilized for controlling a hybrid car motor.
SiC半導体装置において、より大電流を流すには、チャネル密度を高くすることが有効である。このため、シリコントランジスタにおいて、トレンチゲート構造のMOSFETが採用され実用化されている。このトレンチゲート構造は当然SiC半導体装置にも適用できる構造であるが、SiCに応用する場合、大きな問題がある。すなわち、SiCは破壊電界強度がシリコンの10倍あるため、SiC半導体装置にはシリコンデバイスの10倍近い電圧をかけた状態で使用される。そのため、SiCの中に入り込んだトレンチ内に形成されたゲート絶縁膜にもシリコンデバイスの10倍強度の電界がかかり、トレンチのコーナー部においてゲート絶縁膜が容易に破壊してしまうという問題がある。これについてシミュレーションで計算したところ、ドレインに650V印加した場合、トレンチ内のゲート絶縁膜には4.9MV/cmの電界が集中していた。実際の使用に耐えるには3MV/cm以下にする必要があり、長期の信頼性まで考えると2MV/cm以下にすることが望まれる。
In the SiC semiconductor device, it is effective to increase the channel density in order to flow a larger current. For this reason, MOSFETs having a trench gate structure are adopted and put into practical use in silicon transistors. This trench gate structure is naturally applicable to a SiC semiconductor device, but there is a big problem when applied to SiC. That is, since SiC has a breakdown
このような問題を解決するものとして、特許文献1に示されるSiC半導体装置がある。このSiC半導体装置では、トレンチゲートの底部を側面より厚くなるように設計することにより、トレンチの底部での電界集中を緩和している。具体的には、4H−SiCの(000−1)c面基板を用いてa(1120)面のトレンチゲート構造を作製する。このようにc面基板を用いてトレンチ側面がa面で底面がc面となるトレンチ内にゲート絶縁膜を熱酸化で作製した場合、c面の酸化レートはa面の5倍であるため、トレンチ底部の酸化膜は側面と比べて、膜厚を5倍にできる。これにより、トレンチ底部での電界集中を緩和することが可能となる。
しかしながら、上記のようにトレンチ底部においてゲート絶縁膜を厚くした構造において、例えば、トレンチ側面の膜厚を40nmとし、トレンチ底部の膜厚を200nmに設計してシミュレーションで計算したところ、ドレインに650V印加した場合、トレンチ内のゲート絶縁膜の電界集中を3.9MV/cmに低減できることが確認できたが、まだ十分ではなく、更なる電界緩和が必要であることが判った。 However, in the structure in which the gate insulating film is thick at the bottom of the trench as described above, for example, when the film thickness on the side surface of the trench is set to 40 nm and the film thickness at the bottom of the trench is designed to 200 nm, calculation is performed by simulation. In this case, it was confirmed that the electric field concentration of the gate insulating film in the trench could be reduced to 3.9 MV / cm. However, it was not yet sufficient, and it was found that further electric field relaxation was necessary.
そこで、本発明者らは更なる電界緩和が行える構造として、先に、トレンチゲートの長手方向に沿って延設され、n+型ソース領域やp型ベース領域を挟んでトレンチゲートとは反対側、つまりp型ベース領域とソース電極との電気的な接続を図るp+型コンタクト領域の下方位置において、トレンチゲートの底面よりも深くなるp型ディープ層を形成するという構造を出願している(特願2007−288545参照)。 Therefore, the present inventors have previously made a structure that can further relax the electric field, extending in the longitudinal direction of the trench gate, and on the opposite side of the trench gate across the n + -type source region and the p-type base region. That is, a structure has been filed in which a p-type deep layer deeper than the bottom surface of the trench gate is formed at a position below the p + -type contact region for electrical connection between the p-type base region and the source electrode ( (See Japanese Patent Application No. 2007-288545).
しかしながら、この構造のSiC半導体装置では、トレンチゲートとp型ディープ層との形成工程が別工程であるため、これらの位置合わせが難しく、トレンチゲートの側面からp型ディープ層までの距離にバラツキが発生する。このため、製品特性にバラツキが生じ、歩留まりが悪いという問題がある。 However, in the SiC semiconductor device having this structure, since the formation process of the trench gate and the p-type deep layer is a separate process, it is difficult to align them, and the distance from the side surface of the trench gate to the p-type deep layer varies. appear. For this reason, there is a problem that the product characteristics vary and the yield is poor.
本発明は上記点に鑑みて、製品特性にバラツキを防止でき、歩留まり向上を図ることができる構造のSiC半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。 In view of the above-described points, an object of the present invention is to provide an SiC semiconductor device having a structure capable of preventing variations in product characteristics and improving yield and a method for manufacturing the same.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、ゲート電極(9)への印加電圧を制御することでチャネル層(7)に形成される蓄積型のチャネルを制御し、ソース領域(4)およびドリフト層(2)を介して、ソース電極(11)およびドレイン電極(13)の間に電流を流す蓄積型のMOSFETを備えたSiC半導体装置において、ベース領域(3)の下方に配置されると共にトレンチ(6)よりも深い位置まで配置され、トレンチ(6)のうちチャネル領域が形成される側面に対する法線方向に延設された第2導電型のディープ層(10)を備えることを特徴としている。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, the storage channel formed in the channel layer (7) is controlled by controlling the voltage applied to the gate electrode (9), and the source region ( 4) In a SiC semiconductor device including a storage type MOSFET that allows current to flow between the source electrode (11) and the drain electrode (13) via the drift layer (2), the SiC semiconductor device is disposed below the base region (3). And a deep layer (10) of a second conductivity type that is disposed up to a position deeper than the trench (6) and extends in a normal direction to the side surface of the trench (6) where the channel region is formed. It is characterized by.
このように、トレンチ(6)よりも深いディープ層(10)を備えた構造としているため、ディープ層(10)とドリフト層(2)とのPN接合部での空乏層がドリフト層(2)側に大きく伸びることになり、ドレイン電圧の影響による高電圧がゲート絶縁膜(8)に入り込み難くなる。このため、ゲート酸化膜(8)内での電界集中、特にゲート酸化膜(8)のうちのトレンチ(6)の底部での電界集中を緩和することが可能となる。これにより、ゲート酸化膜(8)が破壊されることを防止することが可能となる。 As described above, since the deep layer (10) is deeper than the trench (6), the depletion layer at the PN junction between the deep layer (10) and the drift layer (2) is the drift layer (2). The high voltage due to the influence of the drain voltage hardly enters the gate insulating film (8). Therefore, it is possible to alleviate electric field concentration in the gate oxide film (8), particularly electric field concentration at the bottom of the trench (6) in the gate oxide film (8). This can prevent the gate oxide film (8) from being destroyed.
また、トレンチ(6)の長手方向とディープ層(10)の長手方向とが垂直とされているため、これらを形成するためのマスクずれがデバイス特性に影響を与えることはない。これにより、製品特性のバラツキを防止でき、歩留まり向上を図ることができる。 In addition, since the longitudinal direction of the trench (6) and the longitudinal direction of the deep layer (10) are perpendicular to each other, mask displacement for forming these does not affect the device characteristics. As a result, variation in product characteristics can be prevented and yield can be improved.
なお、ここでは蓄積型のMOSFETを有するSiC半導体装置について説明したが、請求項2に記載したように、ゲート電極(9)への印加電圧を制御することでトレンチ(6)の側面に位置するベース領域(3)の表面部にチャネル領域を形成し、ソース領域(4)およびドリフト層(2)を介して、ソース電極(11)およびドレイン電極(13)の間に電流を流す反転型のMOSFETを備えたSiC半導体装置に対しても、上記と同様の構造を採用することができる。
Here, the SiC semiconductor device having the storage type MOSFET has been described. However, as described in
このようなディープ層(10)は、請求項3に記載したように、ベース領域(3)と同じもしくはそれよりも高不純物濃度とされていれば、ドリフト層(2)側に伸びる空乏層の伸び量を大きくできるため、電界緩和効果を高めることが可能となり、よりゲート絶縁膜(8)が破壊されることを防止することが可能となる。 If such a deep layer (10) has the same impurity concentration as that of the base region (3) or a higher impurity concentration than that of the base region (3), a depletion layer extending to the drift layer (2) side is provided. Since the amount of elongation can be increased, the electric field relaxation effect can be enhanced, and the gate insulating film (8) can be further prevented from being destroyed.
また、このようなディープ層(10)は、請求項4に記載したように、複数備えられ、各ディープ層(10)同士が所定間隔を空けて並べられて配置されるようにすることができる。
Further, as described in
請求項5に記載の発明では、ドリフト層(2)とベース領域(3)との間には、ドリフト層(2)よりも高不純物濃度で構成された第1導電型のSiCからなる電流分散層(30)が形成されていることを特徴としている。 In the fifth aspect of the present invention, the current distribution is made of SiC of the first conductivity type having a higher impurity concentration than the drift layer (2) between the drift layer (2) and the base region (3). A layer (30) is formed.
このような構成では、オン時にチャネル層(7)を通じて流れる電流が電流分散層(30)にてトレンチ(6)の側面に対する法線方向に拡張されるため、ドリフト層(2)内を広範囲に分散して流れることになる。このため、オン抵抗を低減することが可能となる。 In such a configuration, since the current flowing through the channel layer (7) at the time of ON is expanded in the normal direction to the side surface of the trench (6) in the current spreading layer (30), the inside of the drift layer (2) is widened. It will flow in a distributed manner. For this reason, it becomes possible to reduce on-resistance.
このような電流分散層(30)は、請求項6に記載したように、ドリフト層(2)と同じもしくはそれよりも高不純物濃度とされる。電流分散層(30)とドリフト層(2)とを同じ不純物濃度とした場合、電流分散層(30)にて電流を広範囲に分散する効果は少ないが、少なくとも電流分散層(30)を備えることによりトレンチ(6)の底面に対するディープ層(10)の深さを電流分散層(30)が形成されていない場合と比べて深くできるため、より請求項1に示した効果を得ることが可能となる。また、電流分散層(30)をドリフト層(2)よりも高不純物濃度とした場合には、より電流分散層(30)にて電流を広範囲に分散する効果を得ることができる。
Such a current spreading layer (30) has the same or higher impurity concentration as the drift layer (2), as described in
請求項8に記載の発明では、ディープ層(10)は、電流分散層(30)を貫通してベース領域(3)と接していることを特徴としている。
The invention according to
このように、電流分散層(30)をディープ層(10)と接触するようにすれば、ディープ層(10)をソース電位に固定できる。したがって、ディープ層(10)がフローティング状態とされている場合と比べて電界緩和効果が弱まることを防止することも可能となる。 Thus, if the current spreading layer (30) is in contact with the deep layer (10), the deep layer (10) can be fixed to the source potential. Therefore, it is possible to prevent the electric field relaxation effect from being weakened as compared with the case where the deep layer (10) is in a floating state.
請求項9に記載の発明では、ドリフト層(2)は、基板(1)からベース領域(3)に近づくに連れて不純物濃度が低くされていることを特徴としている。
The invention according to
このようにすれば、ドリフト層(2)の内部抵抗を低減できるため、オン抵抗を低減することが可能となる。 In this way, since the internal resistance of the drift layer (2) can be reduced, the on-resistance can be reduced.
以上のようなSiC半導体装置は、例えば以下に示す製造方法によって製造される。 The SiC semiconductor device as described above is manufactured by, for example, a manufacturing method shown below.
例えば、請求項10に記載したように、SiCからなる第1または第2導電型の基板(1)上に、該基板(1)よりも低不純物濃度とされた第1導電型のSiCからなるドリフト層(2)を形成する工程と、ドリフト層(2)の表面にマスク(20)を配置した後、該マスク(20)を用いたイオン注入を行うことにより、一方向に延設されるように第2導電型のディープ層(10)を形成する工程と、ディープ層(10)およびドリフト層(2)の上に第2導電型のベース領域(3)を形成する工程と、ベース領域(3)内における該ベース領域(3)の表層部に第1導電型不純物をイオン注入することにより、ドリフト層(2)よりも高濃度の第1導電型のSiCにて構成されたソース領域(4)を形成する工程と、ソース領域(4)の表面からベース領域(3)を貫通してドリフト層(2)に達し、かつ、ディープ層(10)よりも浅くなるように、ディープ層(10)が延設された方向と垂直方向を長手方向とするトレンチ(6)を形成する工程と、トレンチ(6)内に、第1導電型のチャネル層(7)を形成する工程と、トレンチ(6)内において、チャネル層(7)の表面にゲート絶縁膜(8)を形成する工程と、トレンチ(5)内において、ゲート絶縁膜(8)の上にゲート電極(9)を形成する工程と、ソース領域(4)およびベース領域(3)に電気的に接続されるソース電極(11)を形成する工程と、基板(1)の裏面側にドレイン電極(13)を形成する工程と、を含んだ製造方法により、上記請求項1に示した蓄積型のSiC半導体装置を製造できる。
For example, as described in
また、請求項11に記載したように、ベース領域(3)を形成する工程の前に、ディープ層(10)およびドリフト層(2)の表面上を含むドリフト層(2)の表面に、ドリフト層(2)よりも高濃度となる第1導電型の電流分散層(30)を形成する工程を行い、ベース領域(3)を形成する工程では、電流分散層(30)の表面にベース領域(3)を形成することにより、該ベース領域(3)をディープ層(10)およびドリフト層(2)の上に形成することにより、電流分散層(30)を備えた構造の蓄積型のSiC半導体装置を製造できる。
In addition, as described in
また、請求項12に記載したように、ドリフト層(2)の表面に、ドリフト層(2)よりも高濃度となる第1導電型の電流分散層(30)を形成したのち、電流分散層(30)の表面にマスク(20)を配置し、該マスク(20)を用いたイオン注入を行うことにより、一方向に延設されるように第2導電型のディープ層(10)を形成し、電流分散層(30)およびディープ層(10)の表面に第2導電型のベース領域(3)を形成するようにすれば、電流分散層(30)を貫通してディープ層(10)とベース領域(3)とが接する構造の蓄積型のSiC半導体装置を製造することもできる。
In addition, as described in
さらに、同様の製造方法により、反転型のSiC半導体装置を製造することもできる。ただし、反転型のSiC半導体装置に関しては、請求項13ないし15に記載したように、トレンチ(6)の表面に直接ゲート絶縁膜(8)を形成する工程を行うことになり、トレンチ(6)の表面にチャネル層(7)を形成する工程に関しては行う必要はない。
Furthermore, an inversion type SiC semiconductor device can also be manufactured by the same manufacturing method. However, with respect to the inversion type SiC semiconductor device, the step of forming the gate insulating film (8) directly on the surface of the trench (6) is performed as described in
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, the same or equivalent parts are denoted by the same reference numerals in the drawings.
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態について説明する。ここではSiC半導体装置に備えられる素子として蓄積型のトレンチゲート構造のMOSFETについて説明する。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described. Here, a storage type trench gate structure MOSFET will be described as an element provided in the SiC semiconductor device.
図1は、本実施形態にかかるトレンチゲート構造のMOSFETの斜視断面図である。この図は、MOSFETの1セル分を抽出したものに相当する。本図ではMOSFETの1セル分しか記載していないが、図1に示すMOSFETと同様の構造のMOSFETが複数列隣り合うように配置されている。また、図2−a〜図2−dは、図1のMOSFETの断面図であり、図2−aは、図1中のA−A線においてxz平面と平行に切断したときの断面、図2−bは、図1中のB−B線においてxz平面と平行に切断したときの断面、図2−cは、図1中のC−C線においてyz平面と平行に切断したときの断面、図2−dは、図1中のD−D線においてyz平面と平行に切断したときの断面である。 FIG. 1 is a perspective sectional view of a MOSFET having a trench gate structure according to the present embodiment. This figure corresponds to the extracted one cell of the MOSFET. Although only one MOSFET cell is shown in the figure, MOSFETs having the same structure as the MOSFET shown in FIG. 1 are arranged so as to be adjacent to each other in a plurality of rows. 2A to 2D are cross-sectional views of the MOSFET of FIG. 1, and FIG. 2-A is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 1 in parallel with the xz plane. 2-b is a section taken along line BB in FIG. 1 when parallel to the xz plane, and FIG. 2-c is a section taken along line CC along line yz in FIG. 2D is a cross section when cut in parallel with the yz plane along the line DD in FIG.
図1および図2−a〜図2−dに示すMOSFETは、リン等のn型不純物濃度が例えば1.0×1019/cm3で厚さ300μm程度のSiCからなるn+型基板1が半導体基板として用いられており、このn+型基板1の表面にリン等のn型不純物濃度が例えば3.0〜7.0×1015/cm3で厚さ10〜15μm程度のSiCからなるn-型ドリフト層2が形成されている。このn-型ドリフト層2の不純物濃度は深さ方向において一定であっても良いが、濃度分布に傾斜を付け、n-型ドリフト層2のうちn+型基板1側の方がn+型基板1から離れる側よりも高濃度となるようにすると好ましい。例えば、n-型ドリフト層2のうちn+型基板1の表面から3〜5μm程度の部分の不純物濃度が2.0×1015/cm3程度他の部分よりも高くなるようにすると良い。このようにすると、n-型ドリフト層2の内部抵抗を低減できるため、オン抵抗を低減することが可能となる。
The MOSFET shown in FIGS. 1 and 2-a to 2-d has an n + -
このn-型ドリフト層2の表層部にはp型ベース領域3が形成されていると共に、このp型ベース領域3の上層部分にn+型ソース領域4およびp+型ボディ層5が形成されている。
A p-
p型ベース領域3は、ボロンもしくはアルミニウム等のp型不純物濃度が例えば5.0×1016〜2.0×1019/cm3、厚さ2.0μm程度で構成されている。n+型ソース領域4は、表層部におけるリン等のn型不純物濃度(表面濃度)が例えば1.0×1021/cm3、厚さ0.3μm程度で構成されている。p+型ボディ層5は、例えば表層部におけるボロンもしくはアルミニウム等のp型不純物濃度(表面濃度)が例えば1.0×1021/cm3、厚さ0.3μm程度で構成されている。n+型ソース領域4は、後述するトレンチゲート構造の両側に配置されており、p+型ボディ層5は、n+型ソース領域4を挟んでトレンチゲート構造と反対側に備えられている。
The p-
また、p型ベース領域3およびn+型ソース領域4を貫通してn-型ドリフト層2に達するように、例えば幅が1.4〜2.0μm、深さが2.0μm以上(例えば2.4μm)のトレンチ6が形成されている。このトレンチ6の側面と接するように上述したp型ベース領域3およびn+型ソース領域4が配置されている。また、トレンチ6の内壁面には、リン等のn型不純物濃度が例えば1.0×1016/cm3とされたn型チャネル層7が形成されている。n型チャネル層7はチャネル領域を構成するためのものであり、ノーマリオフ型となる厚さに設定され、例えばトレンチ6の底面上で0.3〜1.0μm、トレンチ6の側面上で0.1〜0.3μmとされている。
For example, the width is 1.4 to 2.0 μm and the depth is 2.0 μm or more (for example, 2 μm) so as to penetrate the p-
さらに、n型チャネル層7の表面はゲート酸化膜8にて覆われており、ゲート酸化膜8の表面に形成されたドープトPoly−Siにて構成されたゲート電極9により、トレンチ6内が埋め尽くされている。ゲート酸化膜8は、n型チャネル層7の表面を熱酸化することで形成されており、ゲート酸化膜8の厚みはトレンチ6の側面側と底部側共に100nm程度となっている。
Further, the surface of the n-
このようにして、トレンチゲート構造が構成されている。このトレンチゲート構造は、図1中のy方向を長手方向として延設されている。そして、複数のトレンチゲート構造が図1中のx方向に平行に並べられた構造とされている。また、上述したn+型ソース領域4およびp+型ボディ層5もトレンチゲート構造の長手方向に沿って延設された構造とされている。
In this way, a trench gate structure is configured. This trench gate structure is extended with the y direction in FIG. 1 as the longitudinal direction. A plurality of trench gate structures are arranged in parallel in the x direction in FIG. In addition, the n +
さらに、n-型ドリフト層2のうちp型ベース領域3よりも下方位置において、トレンチゲート構造におけるトレンチ6の側面のうちチャネル領域が構成される部分に対する法線方向(図1中のx方向)、つまりトレンチ6の長手方向に対する垂直方向に延設されたp型ディープ層10が備えられている。p型ディープ層10は、トレンチ6の底部、つまりn型チャネル層7の底部よりも深くされており、n-型ドリフト層2の表面からの深さが例えば2.6〜3.0μm程度(p型ベース領域3の底部からの深さが例えば0.6〜1.0μm)とされている。また、p型ディープ層10の幅(図1中のy方向寸法)は、0.6〜1.0μmとされている。このp型ディープ層10におけるボロンもしくはアルミニウム等のp型不純物濃度は、例えば1.0×1017/cm3〜1.0×1019/cm3とされている。このp型ディープ層10は、トレンチゲート構造の長手方向に沿って複数本平行に並べられており、隣り合うp型ディープ層10同士の間隔は、例えば2〜3μmとされている。
Further, in the n −
また、n+型ソース領域4およびp+型ボディ層5の表面やゲート電極9の表面には、ソース電極11やゲート配線(図示せず)が形成されている。ソース電極11およびゲート配線は、複数の金属(例えばNi/Al等)にて構成されており、少なくともn型SiC(具体的にはn+型ソース領域4やnドープの場合のゲート電極9)と接触する部分はn型SiCとオーミック接触可能な金属で構成され、少なくともp型SiC(具体的にはp+型ボディ層5やpドープの場合のゲート電極9)と接触する部分はp型SiCとオーミック接触可能な金属で構成されている。なお、これらソース電極11およびゲート配線は、層間絶縁膜12上に形成されることで電気的に絶縁されており、層間絶縁膜12に形成されたコンタクトホールを通じてソース電極11はn+型ソース領域4およびp+型ボディ層5と電気的に接触させられ、ゲート配線はゲート電極9と電気的に接触させられている。
A
そして、n+型基板1の裏面側にはn+型基板1と電気的に接続されたドレイン電極13が形成されている。このような構造により、nチャネルタイプの蓄積型のトレンチゲート構造のMOSFETが構成されている。
Then, on the back side of the n + -type substrate 1 n + -
このような蓄積型のトレンチゲート構造のMOSFETは、以下のように動作する。 Such an accumulation type MOSFET having a trench gate structure operates as follows.
まず、ゲート電極9にゲート電圧を印加する前の状態では、SiCは不純物濃度が1.0×1019/cm3のように高い場合、約3Vの内在電位を有しているため、ソース電極11が0Vであってもp型ベース領域3は−3Vのように振舞う。このため、p型ベース領域3から空乏層が広がり、p型ベース領域3の近傍は絶縁体のように振舞う。したがって、ドレイン電極13に正の電圧を加えたとしても、n型チャネル層7は絶縁体のように振舞うため、電子はn型チャネル層7に到達することはできず、ソース電極11とドレイン電極13との間に電流が流れない。
First, in a state before applying a gate voltage to the
次に、オフ時(ゲート電圧=0V、ドレイン電圧=650V、ソース電圧=0V)には、ドレイン電極13に電圧を加えるても逆バイアスになるため、p型ベース領域3とn-型ドリフト層2(n型チャネル層7を含む)の間より、空乏層が広がる。このとき、p型ベース領域3の濃度がn-型ドリフト層2より、遥かに高いので、空乏層はほとんどn-型ドリフト層2側に広がる。例えば、本実施形態のように、p型ベース領域3の不純物濃度をn-型ドリフト層2の不純物濃度の10倍とした場合、p型ベース領域3側に約0.7μm伸び、n-型ドリフト層2側に約7.0μm伸びるが、p型ベース領域3の厚みを2.0μmと空乏層の伸び量よりも大きくしてあるため、パンチスルーしないようにできる。そして、ドレイン0Vの場合より空乏層が広がっているため、絶縁体として振舞う領域は更に広がっているので、ソース電極11とドレイン電極13との間に電流が流れない。
Next, when off (gate voltage = 0 V, drain voltage = 650 V, source voltage = 0 V), since a reverse bias is applied even if a voltage is applied to the
また、ゲート電圧が0Vになっているため、ドレイン−ゲート間にも電界がかかる。このため、ゲート酸化膜8の底部にも電界集中が発生し得る。しかしながら、トレンチ6よりも深いp型ディープ層10を備えた構造としているため、p型ディープ層10とn-型ドリフト層2とのPN接合部での空乏層がn-型ドリフト層2側に大きく伸びることになり、ドレイン電圧の影響による高電圧がゲート酸化膜8に入り込み難くなる。特に、p型ディープ層10の不純物濃度をp型ベース領域3よりも高濃度とすれば、よりn-型ドリフト層2側への空乏層の伸び量が大きくなる。これにより、ゲート酸化膜8内での電界集中、特にゲート酸化膜8のうちのトレンチ6の底部での電界集中を緩和することが可能となり、ゲート酸化膜8が破壊されることを防止することが可能となる。
In addition, since the gate voltage is 0 V, an electric field is also applied between the drain and the gate. For this reason, electric field concentration can also occur at the bottom of the
シミュレーションにより確認したところ、ドレイン電極13に650Vを印加した場合において、ゲート酸化膜8のうちのトレンチ6の底部での電界強度が2.0MV/cmであった。この電界強度はゲート酸化膜8が電界集中で破壊されないレベルである。このため、ドレイン電極13に650Vを印加してもゲート酸化膜8は破壊されず、耐圧650Vを達成できる。
When confirmed by simulation, when 650 V was applied to the
一方、オン時(ゲート電圧=20V、ドレイン電圧=1V、ソース電圧=0V)には、ゲート電極9にゲート電圧として20Vが印加されるため、n型チャネル層7が蓄積型チャネルとして機能する。このため、ソース電極11から注入された電子はn+型ソース領域4からn型チャネル層7を通った後、n-型ドリフト層2に到達する。これにより、ソース電極11とドレイン電極13との間に電流を流すことができる。
On the other hand, when ON (gate voltage = 20V, drain voltage = 1V, source voltage = 0V), 20V is applied to the
なお、この場合のオン抵抗を計算したところ、4.9mΩ・cm2になっており、本実施形態のような構造のp型ディープ層10を形成しない場合のオン抵抗4.3mΩ・cm2に対してオン抵抗が15%増大していた。これは、p型ディープ層10が形成された位置において、トレンチゲート構造の側面にチャネルが形成されないためである。しかしながら、オン抵抗の増加は大きくなく、かつ、p型ディープ層10の幅や間隔に応じて調整可能なものであるため、問題になるものではない。
The on-resistance in this case is calculated to be 4.9 mΩ · cm 2 , and the on-resistance when the p-type
参考として、上記したようにドレイン電極13に650Vを印加したと想定した場合の電位分布についてシミュレーションした。その結果を図3および図4に示す。図3(a)、(b)は、それぞれ、図2−aに対応する断面において、本実施形態に示したp型ディープ層10を有するSiC半導体装置とp型ディープ層10を有しないSiC半導体装置の電位分布を示した図であり、p型ベース領域3およびp型ディープ層10の表面(最上部)を0Vとして10V間隔で等電位線を示してある。また、図4は、本実施形態に示したp型ディープ層10を有するSiC半導体装置に関して、図3(a)とは別断面、具体的には図2−dに対応する断面での電位分布を示した図である。
As a reference, a potential distribution was simulated when it was assumed that 650 V was applied to the
図3(b)に示すように、p型ディープ層10を形成しない場合には、ゲート酸化膜8内、特にトレンチ底部において等電位線の間隔が非常に狭くなっていることが判る。このときのゲート酸化膜8内での電界は4.9MV/cmであった。これに対し、本実施形態のように構成されたp型ディープ層10を形成した場合、図4に示すように、p型ディープ層10によって等電位線が押し下げられるため、図3(a)に示すように、ゲート酸化膜8内の等電位線がトレンチ側面と底部双方において、p型ディープ層10の間隔を広げることが可能となる。そして、このときのゲート酸化膜8内での電界は上述したように2.0MV/cmとなり、p型ディープ層10を形成していないときの半分以下に低減されていることが判る。したがって、本実施形態のような構造のp型ディープ層10を形成することにより、ゲート酸化膜8内の電界集中を十分に緩和することが可能となる。
As shown in FIG. 3B, it can be seen that when the p-type
次に、図1に示すトレンチゲート型のMOSFETの製造方法について説明する。図5〜図6は、図1に示すトレンチゲート型のMOSFETの製造工程を示した断面図である。図5および図6中、左側に図1中のA−A線においてxz平面と平行に切断した断面図(図2−aと対応する場所)を示してあり、右側に図1中のD−D線においてyz平面と平行に切断した断面図(図2−dと対応する場所)を示してある。以下、これらの図を参照して説明する。 Next, a method for manufacturing the trench gate type MOSFET shown in FIG. 1 will be described. 5 to 6 are cross-sectional views showing a manufacturing process of the trench gate type MOSFET shown in FIG. 5 and 6, the left side is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 1 in parallel with the xz plane (the location corresponding to FIG. 2-a), and the right side is D- in FIG. A cross-sectional view taken along line D and parallel to the yz plane (a place corresponding to FIG. 2D) is shown. Hereinafter, description will be given with reference to these drawings.
〔図5(a)に示す工程〕
まず、リン等のn型不純物濃度が例えば1.0×1019/cm3で厚さ300μm程度のn+型基板1を用意する。このn+型基板1の裏面側にドレイン電極13を形成したのち、n+型基板1の表面にリン等のn型不純物濃度が例えば3.0〜7.0×1015/cm3で厚さ15μm程度のSiCからなるn-型ドリフト層2をエピタキシャル成長させる。
[Step shown in FIG. 5A]
First, an n + -
〔図5(b)に示す工程〕
n-型ドリフト層2の表面にLTOなどで構成されるマスク20を形成したのち、フォトリソグラフィ工程を経て、p型ディープ層10の形成予定領域においてマスク20を開口させる。そして、マスク20上からp型不純物(例えばボロンやアルミニウム)のイオン注入および活性化を行うことで、例えばボロンもしくはアルミニウム濃度が1.0×1017/cm3〜1.0×1019/cm3、厚さが0.6〜1.0μm程度、幅が0.6〜1.0μm程度となるp型ディープ層10を形成する。その後、マスク20を除去する。
[Step shown in FIG. 5B]
After the
〔図5(c)に示す工程〕
n-型ドリフト層2の表面に、ボロンもしくはアルミニウム等のp型不純物濃度が例えば5.0×1016〜2.0×1019/cm3、厚さ2.0μm程度となるp型不純物層をエピタキシャル成長させることにより、p型ベース領域3を形成する。
[Step shown in FIG. 5 (c)]
A p-type impurity layer having a p-type impurity concentration such as boron or aluminum of about 5.0 × 10 16 to 2.0 × 10 19 / cm 3 and a thickness of about 2.0 μm is formed on the surface of the n − -
〔図6(a)に示す工程〕
p型ベース領域3の上に、例えばLTO等で構成されるマスク(図示せず)を成膜し、フォトリソグラフィ工程を経て、n+型ソース領域4の形成予定領域上においてマスクを開口させる。その後、n型不純物(例えば窒素)をイオン注入する。続いて、先程使用したマスクを除去した後、再びマスク(図示せず)を成膜し、フォトリソグラフィ工程を経て、p+型ボディ層5の形成予定領域上においてマスクを開口させる。その後、p型不純物(例えば窒素)をイオン注入する。そして、注入されたイオンを活性化することで、リン等のn型不純物濃度(表面濃度)が例えば1.0×1021/cm3、厚さ0.3μm程度のn+型ソース領域4を形成すると共に、ボロンもしくはアルミニウム等のp型不純物濃度(表面濃度)が例えば1.0×1021/cm3、厚さ0.3μm程度のp+型ボディ層5を形成する。その後、マスクを除去する。
[Step shown in FIG. 6A]
A mask (not shown) made of, for example, LTO is formed on the p-
〔図6(b)に示す工程〕
p型ベース領域3、n+型ソース領域4およびp+型ボディ層5の上に、図示しないエッチングマスクを成膜したのち、トレンチ6の形成予定領域の形成予定領域においてエッチングマスクを開口させる。そして、エッチングマスクを用いた異方性エッチングを行ったのち、必要に応じて等方性エッチングや犠牲酸化工程を行うことで、トレンチ6を形成する。この後、エッチングマスクを除去する。
[Step shown in FIG. 6B]
After forming an etching mask (not shown) on the p-
〔図6(c)に示す工程〕
トレンチ6内を含む基板表面全面に、リン等のn型不純物濃度が例えば1.0×1016/cm3のn型チャネル層7をエピタキシャル成長させる。このとき、エピタキシャル成長の面方位依存性などにより、n型チャネル層7はトレンチ6の底面の方が側面よりも暑く形成される。続いてn型チャネル層7のうちの不要部分、つまりp型ベース領域3、n+型ソース領域4およびp+型ボディ層5の上に形成された部分を除去した後、ゲート酸化膜形成工程を行うことでゲート酸化膜8を形成する。具体的には、ウェット雰囲気を用いたパイロジェニック法によるゲート酸化(熱酸化)によりゲート酸化膜8を形成する。
[Step shown in FIG. 6 (c)]
An n-
続いて、ゲート酸化膜8の表面にn型不純物をドーピングしたポリシリコン層を例えば600℃の温度下で440nm程度成膜したのち、エッチバック工程等を行うことにより、トレンチ6内にゲート酸化膜8およびゲート電極9を残す。
Subsequently, a polysilicon layer doped with n-type impurities is formed on the surface of the
この後の工程に関しては、従来と同様であるため図示しないが、層間絶縁膜12を成膜したのち、層間絶縁膜をパターニングしてn+型ソース領域4やp+型ボディ層5に繋がるコンタクトホールを形成すると共に、ゲート電極9に繋がるコンタクトホールを別断面に形成する。続いて、コンタクトホール内を埋め込むように電極材料を成膜したのち、これをパターニングすることでソース電極11やゲート配線を形成する。これにより、図1に示したMOSFETが完成する。
Although the subsequent steps are the same as in the prior art and are not shown in the figure, after the
以上説明した製造方法によれば、トレンチを掘ってp型層をエピタキシャル成長させて埋め込むというようなトレンチ埋込によってp型ディープ層10を形成していないため、トレンチ内を埋め込んだ後の平坦化工程によって結晶欠陥が発生することを防止することができる。
According to the manufacturing method described above, since the p-type
また、p型ベース層3の表面からイオン注入することでp型ディープ層10を形成することもできるが、p型ディープ層10の形成するためのイオン注入をnー型ドリフト層2の表面から行うようにしている。このため、高いエネルギーによる高速イオン注入にてp型ディープ層10を形成しなくても済み、高速イオン注入による欠陥発生を抑制することが可能となる。
The p-type
さらに、トレンチ6の長手方向とp型ディープ層10の長手方向とを平行にした場合、これらの間隔が一定にならないとデバイス特性に影響を与えることになるため、トレンチ6の形成の際に用いられるマスクとp型ディープ層10の形成の際に用いられるマスクの位置合わせが重要になる。しかしながら、一定量のマスクずれは必然的に発生するため、完全にマスクずれによるデバイス特性の影響を排除することはできない。これに対し、本実施形態のSiC半導体装置によれば、トレンチ6の長手方向とp型ディープ層10の長手方向とが垂直とされているため、これらを形成するためのマスクずれがデバイス特性に影響を与えることはない。これにより、製品特性のバラツキを防止でき、歩留まり向上を図ることができる。したがって、本実施形態のような構造とすることにより、製品特性のバラツキを防止でき、歩留まり向上を図ることができる構造のSiC半導体装置とすることが可能となる。
Further, when the longitudinal direction of the
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態のSiC半導体装置は、第1実施形態に対してオン抵抗の低減を図ったものであり、基本構造に関しては第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なっている部分に関してのみ説明する。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention will be described. The SiC semiconductor device of this embodiment is intended to reduce the on-resistance compared to the first embodiment, and the basic structure is the same as that of the first embodiment. Only will be described.
図7は、本実施形態にかかるSiC半導体装置に備えられるトレンチゲート構造のMOSFETの斜視断面図である。また、図8−a〜図8−dは、図7のMOSFETの断面図であり、図8−aは、図7中のE−E線においてxz平面と平行に切断したときの断面、図8−bは、図7中のF−F線においてxz平面と平行に切断したときの断面、図8−cは、図7中のG−G線においてyz平面と平行に切断したときの断面、図8−dは、図7中のH−H線においてyz平面と平行に切断したときの断面である。 FIG. 7 is a perspective sectional view of a trench gate structure MOSFET provided in the SiC semiconductor device according to the present embodiment. 8A to 8D are cross-sectional views of the MOSFET of FIG. 7, and FIG. 8-A is a cross-sectional view taken along the line EE in FIG. 8-b is a cross section when cut in parallel with the xz plane at the line FF in FIG. 7, and FIG. 8-c is a cross section when cut in parallel with the yz plane at the line GG in FIG. 8D is a cross-sectional view taken along line HH in FIG. 7 in parallel with the yz plane.
図7に示すように、本実施形態のSiC半導体装置に備えられるMOSFETでは、n-型ドリフト層2とp型ベース領域3の間に、n型チャネル層7と接するようにn型電流分散層30が備えられている。n型電流分散層30は、リン等のn型不純物濃度がn-型ドリフト層2よりも高濃度、好ましくはn型チャネル層7よりも高濃度とされ、例えば2.0×1015/cm3〜1.0×1017/cm3とされている。n型電流分散層30の厚さに関しては任意であるが、本実施形態ではトレンチ6がn型電流分散層30を貫通する程度の厚みとされており、例えば0.3μm程度とすることができる。このn型電流分散層30の下方にp型ディープ層10が形成され、n型電流分散層30によりp型ディープ層10とp型ベース領域3とが分断された構造とされている。なお、本実施形態では、p型ディープ層10は、n型電流分散層30の下面からの深さが例えば0.6〜1.0μmとなるように形成されているが、不純物濃度、幅および間隔に関しては第1実施形態と同様とされている。
As shown in FIG. 7, in the MOSFET provided in the SiC semiconductor device of this embodiment, the n-type current distribution layer is in contact with the n-
このように構成されたMOSFETでは、基本的には第1実施形態と同様の作動を行うが、オン時にn型チャネル層7を通じて流れる電流がn型電流分散層30にてトレンチ6の側面に対する法線方向に拡張されるため、n-型ドリフト層2内を広範囲に分散して流れることになる。このため、第1実施形態と比べてオン抵抗を低減することが可能となる。
The MOSFET configured as described above basically operates in the same manner as in the first embodiment, but the current flowing through the n-
次に、図7に示すトレンチゲート型のMOSFETの製造方法について説明する。図9〜図10は、図7に示すトレンチゲート型のMOSFETの製造工程を示した断面図である。図9および図10中、左側に図7中のE−E線においてxz平面と平行に切断した断面図(図8−aと対応する場所)を示してあり、右側に図7中のH−H線においてyz平面と平行に切断した断面図(図8−dと対応する場所)を示してある。以下、これらの図を参照して説明する。 Next, a method for manufacturing the trench gate type MOSFET shown in FIG. 7 will be described. 9 to 10 are cross-sectional views showing a manufacturing process of the trench gate type MOSFET shown in FIG. 9 and 10, the left side is a cross-sectional view taken along the line EE in FIG. 7 in parallel with the xz plane (the place corresponding to FIG. 8A), and the right side is H- in FIG. 7. A sectional view taken along line H in parallel with the yz plane (location corresponding to FIG. 8D) is shown. Hereinafter, description will be given with reference to these drawings.
まず、図9(a)、(b)に示す工程において、第1実施形態で説明した図5(a)、(b)と同様の工程を行うことで、n+型基板1の裏面側にドレイン電極13、表面側にn-型ドリフト層2を形成すると共に、p型ディープ層10を形成する。そして、図9(c)に示す工程において、n-型ドリフト層2およびp型ディープ層10の表面にn型電流分散層30をエピタキシャル成長させたのち、n型電流分散層30の表面にp型ベース領域3をエピタキシャル成長させる。この後、図10(a)〜(c)に示す工程において、図6(a)〜(c)と同様の工程を行い、さらに層間絶縁膜12の成膜工程、コンタクトホール形成工程、ソース電極11およびゲート配線の形成工程等を行うことにより、図7に示したMOSFETが完成する。
First, in the steps shown in FIGS. 9A and 9B, the same steps as those shown in FIGS. 5A and 5B described in the first embodiment are performed, so that the n + type substrate 1 has a back surface. The
(第3実施形態)
本発明の第3実施形態について説明する。本実施形態のSiC半導体装置は、第2実施形態と同様、第1実施形態に対してオン抵抗の低減を図ったものであり、基本構造に関しては第2実施形態と同様であるため、第2実施形態と異なっている部分に関してのみ説明する。
(Third embodiment)
A third embodiment of the present invention will be described. The SiC semiconductor device of the present embodiment is similar to the second embodiment in that the on-resistance is reduced compared to the first embodiment, and the basic structure is the same as that of the second embodiment. Only the parts different from the embodiment will be described.
上述したように、第2実施形態では、n型電流分散層30を形成したが、n型電流分散層30にてp型ディープ層10がp型ベース領域3から分離された構造となるため、p型ディープ層10がフローティング状態になる。このため、p型ディープ層10がp型ベース領域3に接してソース電位に固定されている場合と比べると、電界緩和効果が弱まることになる。本実施形態は、この問題を解決しつつ、第2実施形態と同様にオン抵抗の低減が図れる構造としたものである。
As described above, in the second embodiment, the n-type
図11は、本実施形態にかかるSiC半導体装置に備えられるトレンチゲート構造のMOSFETの斜視断面図である。また、図12−a〜図12−dは、図11のMOSFETの断面図であり、図12−aは、図11中のI−I線においてxz平面と平行に切断したときの断面、図12−bは、図11中のJ−J線においてxz平面と平行に切断したときの断面、図12−cは、図11中のK−K線においてyz平面と平行に切断したときの断面、図12−dは、図11中のL−L線においてyz平面と平行に切断したときの断面である。 FIG. 11 is a perspective sectional view of a MOSFET having a trench gate structure provided in the SiC semiconductor device according to the present embodiment. 12A to 12D are cross-sectional views of the MOSFET of FIG. 11, and FIG. 12A is a cross-sectional view taken along the line I-I in FIG. 11 parallel to the xz plane. 12-b is a cross section when cut in parallel with the xz plane in the line JJ in FIG. 11, and FIG. 12-c is a cross section when cut in parallel with the yz plane in the line KK in FIG. 12D is a cross-sectional view taken along line LL in FIG. 11 in parallel with the yz plane.
図11に示すように、本実施形態のSiC半導体装置に備えられるMOSFETにも、n-型ドリフト層2とp型ベース領域3の間に、n型チャネル層7と接するようにn型電流分散層30が備えられている。ただし、本実施形態では、このn型電流分散層30の表面からp型ディープ層10が形成されており、n型電流分散層30を貫通してp型ディープ層10とp型ベース領域3とが接触した構造とされている。p型ディープ層10は、n型電流分散層30の表面からの深さが例えば0.6〜1.0μmとなるように形成されており、不純物濃度、幅および間隔に関しては第1実施形態と同様とされている。
As shown in FIG. 11, the MOSFET provided in the SiC semiconductor device of this embodiment also has an n-type current distribution so as to be in contact with the n-
このように構成されたMOSFETでは、基本的には第1実施形態と同様の作動を行いつつ、第2実施形態と同様、オン時にn型チャネル層7を通じて流れる電流がn型電流分散層30にてトレンチ6の側面に対する法線方向に拡張されるため、n-型ドリフト層2内を広範囲に分散して流れ、オン抵抗を低減を図ることが可能となる。そして、p型ディープ層10がp型ベース領域3と接触した構造とされているため、p型ディープ層10をソース電位に固定できる。したがって、電界緩和効果が弱まることを防止することも可能となる。
In the MOSFET configured as described above, basically, the same operation as that of the first embodiment is performed, and the current flowing through the n-
次に、図11に示すトレンチゲート型のMOSFETの製造方法について説明する。図13〜図14は、図11に示すトレンチゲート型のMOSFETの製造工程を示した断面図である。図13および図14中、左側に図11中のI−I線においてxz平面と平行に切断した断面図(図12−aと対応する場所)を示してあり、右側に図11中のL−L線においてyz平面と平行に切断した断面図(図12−dと対応する場所)を示してある。以下、これらの図を参照して説明する。 Next, a manufacturing method of the trench gate type MOSFET shown in FIG. 11 will be described. 13 to 14 are cross-sectional views showing a manufacturing process of the trench gate type MOSFET shown in FIG. 13 and 14, the left side shows a cross-sectional view taken along the line I-I in FIG. 11 in parallel with the xz plane (place corresponding to FIG. 12-a), and the right side shows L- in FIG. A cross-sectional view (a place corresponding to FIG. 12-d) cut in parallel with the yz plane in the L line is shown. Hereinafter, description will be given with reference to these drawings.
まず、図13(a)に示す工程において、第1実施形態で説明した図5(a)と同様の工程を行うことで、n+型基板1の裏面側にドレイン電極13、表面側にn-型ドリフト層2を形成したのち、n-型ドリフト層2の表面にn-型ドリフト層2よりも高不純物濃度となるようにn型電流分散層30をエピタキシャル成長させる。そして、図13(b)に示す工程において、n型電流分散層30の表面にマスク20を形成し、図5(b)と同様の工程を行うことでp型ディープ層10を形成する。この後は、図13(c)および図14(a)〜(c)に示す工程において、図5(c)および図6(a)〜(c)と同様の工程を行い、さらに層間絶縁膜12の成膜工程、コンタクトホール形成工程、ソース電極11およびゲート配線の形成工程等を行うことにより、図11に示したMOSFETが完成する。
First, in the step shown in FIG. 13A, the
(第4実施形態)
本発明の第4実施形態について説明する。本実施形態のSiC半導体装置は、第1〜第3実施形態と同様の構造のMOSFETを反転型としたものであり、基本構造に関しては第1〜第3実施形態と同様であるため、第1〜第3実施形態と異なっている部分に関してのみ説明する。
(Fourth embodiment)
A fourth embodiment of the present invention will be described. The SiC semiconductor device of the present embodiment is an inversion type MOSFET having the same structure as in the first to third embodiments, and the basic structure is the same as in the first to third embodiments. Only the parts different from the third embodiment will be described.
図15は、本実施形態にかかるSiC半導体装置に備えられるトレンチゲート構造のMOSFETの斜視断面図である。なお、図15は、第1実施形態の構造に対してMOSFETを反転型とする構造について示してあるが、第2、第3実施形態の構造に対してもMOSFETを反転型にできる。 FIG. 15 is a perspective sectional view of a trench gate structure MOSFET provided in the SiC semiconductor device according to the present embodiment. Although FIG. 15 shows a structure in which the MOSFET is an inversion type with respect to the structure of the first embodiment, the MOSFET can also be an inversion type for the structures of the second and third embodiments.
図15に示されるように、本実施形態では、トレンチ6の表面にゲート酸化膜8が形成されており、第1〜第3実施形態で示したn型チャネル層7は形成されていない構造とされている。このため、トレンチ6の側壁において、ゲート酸化膜8とp型ベース領域3およびn+型ソース領域4が接触した構造となっている。
As shown in FIG. 15, in this embodiment, the
このように構成されたMOSFETは、ゲート電極9に対してゲート電圧を印加すると、p型ベース領域3のうちトレンチ6の側面に配置されたゲート酸化膜8と接する部分が反転型チャネルとなり、ソース電極11とドレイン電極13との間に電流を流すという動作を行う。
In the MOSFET configured as described above, when a gate voltage is applied to the
このような反転型のMOSFETについても、上述したようにp型ディープ層10を形成しているため、第1〜第3実施形態と同様に、ドレイン電圧として高電圧が印加される時には、p型ディープ層10とn-型ドリフト層2とのPN接合部での空乏層がn-型ドリフト層2側に大きく伸びることになり、ドレイン電圧の影響による高電圧がゲート酸化膜8に入り込み難くなる。このため、ゲート酸化膜8内での電界集中、特にゲート酸化膜8のうちのトレンチ6の底部での電界集中を緩和することが可能となる。これにより、ゲート酸化膜8が破壊されることを防止することが可能となる。
Since the p-type
なお、このような反転型のMOSFETの製造方法に関しては、基本的に第1〜第3実施形態と同様であり、第1〜第3実施形態に示した製造方法に対してn型チャネル層7の形成工程をなくし、トレンチ6の表面に直接ゲート酸化膜8を形成すればよい。
Note that the manufacturing method of such an inversion type MOSFET is basically the same as in the first to third embodiments, and the n-
(他の実施形態)
(1)上記各実施形態では、第1導電型をn型、第2導電型をp型としたnチャネルタイプのMOSFETを例に挙げて説明したが、各構成要素の導電型を反転させたpチャネルタイプのMOSFETに対しても本発明を適用することができる。また、上記説明では、トレンチゲート構造のMOSFETを例に挙げて説明したが、同様のトレンチゲート構造のIGBTに対しても本発明を適用することができる。IGBTは、第1〜第4実施形態に対して基板1の導電型をn型からp型に変更するだけであり、その他の構造や製造方法に関しては第1〜第4実施形態と同様である。
(Other embodiments)
(1) In each of the above embodiments, an n-channel type MOSFET in which the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type has been described as an example, but the conductivity type of each component is reversed. The present invention can also be applied to a p-channel type MOSFET. In the above description, a MOSFET having a trench gate structure has been described as an example. However, the present invention can also be applied to an IGBT having a similar trench gate structure. The IGBT only changes the conductivity type of the
(2)また、第1〜第4実施形態では、トレンチ6を形成する前にp型ベース領域3やn+型ソース領域4等を形成したが、トレンチ6を形成した後にp型ベース領域3やn+型ソース領域4等をイオン注入にて形成しても良い。また、第1〜第3実施形態においてn+型ソース領域4をイオン注入にて形成するのであれば、n+型ソース領域4がゲート酸化膜8と接する状態であっても構わない。さらに、p型ベース領域3をイオン注入で形成するのであれば、トレンチ6の側面からp型ベース領域3を離間させることができるため、トレンチ6の側面からp型ベース領域3の間に残るn-型ドリフト層2をn型チャネル層7として機能させることも可能である。勿論、この場合にも、p型ベース領域3やn+型ソース領域4等をトレンチ6の形成前後のいずれで形成しても構わない。
(2) In the first to fourth embodiments, the p-
(3)上記各実施形態では、n+型ソース領域4およびn+型ボディ層5をイオン注入にて形成する場合について説明したが、これらのうちのいずれか一方をエピタキシャル成長させることにより形成することもできる。
(3) In each of the above embodiments, the case where the n +
(4)上記各実施形態に示した構造は単なる一例を示したものであり、適宜設定変更などが可能である。例えば、p+型ボディ層5を介してp型ベース領域3がソース電極11に電気的に接続される構造としたが、p+型ボディ層5を単なるコンタクト部としてp型ベース領域3がソース電極11に電気的に接続される構造であっても構わない。また、ゲート絶縁膜として熱酸化によるゲート酸化膜8を例に挙げて説明したが熱酸化によらない酸化膜もしくは窒化膜などを含むものであっても構わない。また、ドレイン電極13の形成工程に関しても、ソース電極11の形成後などとしても構わない。
(4) The structures shown in the above embodiments are merely examples, and settings can be changed as appropriate. For example, the p-
(5)上記第2実施形態では、電流分散層30をn-型ドリフト層2よりも高濃度となる場合について説明したが、n-型ドリフト層と同じ濃度であっても構わない。電流分散層30の形成後にトレンチ6を形成することになるが、少なくとも電流分散層30が形成された分、トレンチ6の底面の位置が電流分散層30を形成していない場合と比べて高くなる。このため、トレンチ6の底面の位置と比べてp型ディープ層10の位置がより深い位置となり、第1実施形態と比べればトレンチ6の底面に対する電界緩和効果を高められるという効果に関しては、少なくとも得ることができる。
(5) In the second embodiment, the case where the
(6)なお、結晶の方位を示す場合、本来ならば所望の数字の上にバー(−)を付すべきであるが、パソコン出願に基づく表現上の制限が存在するため、本明細書においては、所望の数字の前にバーを付すものとする。 (6) In addition, when indicating the orientation of a crystal, a bar (-) should be attached above a desired number, but in this specification, there is a limitation in expression based on a personal computer application. , And a bar before the desired number.
1 n+型基板
2 n-型ドリフト層
3 p型ベース領域
4 n+型ソース領域
5 p+型ボディ層
6 トレンチ
7 n型チャネル層
8 ゲート酸化膜
9 ゲート電極
10 p型ディープ層
11 ソース電極
12 層間絶縁膜
13 ドレイン電極
20 マスク
30 n型電流分散層
1 n + type substrate 2 n − type drift layer 3 p type base region 4 n + type source region 5 p +
Claims (15)
前記基板(1)の上に形成され、前記基板(1)よりも低不純物濃度とされた第1導電型の炭化珪素からなるドリフト層(2)と、
前記ドリフト領域(2)の表面から形成されたトレンチ(6)と、
前記トレンチ(6)内に形成されたゲート絶縁膜(8)と、
前記トレンチ(6)の側面に位置する前記ゲート絶縁膜(8)から所定距離離間するように形成されると共に、前記トレンチ(6)を挟んだ両側に形成された第2導電型の炭化珪素からなるベース領域(3)と、
前記ベース領域(3)と前記ゲート絶縁膜(8)との間に形成された炭化珪素からなる第1導電型のチャネル層(7)と、
前記ベース領域(3)の上層部に形成され、前記チャネル層(7)と接し、かつ、前記トレンチ(6)を挟んだ両側に形成された、前記ドリフト層(2)よりも高濃度の第1導電型の炭化珪素からなるソース領域(4)と、
前記トレンチ(6)内において、前記ゲート絶縁膜(8)の上に形成されたゲート電極(9)と、
前記ソース領域(4)および前記ベース領域(3)に電気的に接続されたソース電極(11)と、
前記基板(1)の裏面側に形成されたドレイン電極(13)とを備え、
前記ゲート電極(9)への印加電圧を制御することで前記チャネル層(7)に形成される蓄積型のチャネルを制御し、前記ソース領域(4)および前記ドリフト層(2)を介して、前記ソース電極(11)および前記ドレイン電極(13)の間に電流を流す蓄積型のMOSFETを備えた炭化珪素半導体装置であって、
前記ベース領域(3)の下方に配置されると共に前記トレンチ(6)よりも深い位置まで配置され、前記トレンチ(6)のうち前記チャネル領域が形成される側面に対する法線方向に延設された第2導電型のディープ層(10)が備えられていることを特徴とする炭化珪素半導体装置。 A first or second conductivity type substrate (1) made of silicon carbide;
A drift layer (2) made of silicon carbide of the first conductivity type formed on the substrate (1) and having a lower impurity concentration than the substrate (1);
A trench (6) formed from the surface of the drift region (2);
A gate insulating film (8) formed in the trench (6);
The second conductivity type silicon carbide formed on both sides of the trench (6) and spaced apart from the gate insulating film (8) located on the side surface of the trench (6). A base region (3)
A channel layer (7) of a first conductivity type made of silicon carbide formed between the base region (3) and the gate insulating film (8);
A first layer having a higher concentration than that of the drift layer (2) formed in the upper layer portion of the base region (3), in contact with the channel layer (7) and on both sides of the trench (6). A source region (4) made of silicon carbide of one conductivity type;
A gate electrode (9) formed on the gate insulating film (8) in the trench (6);
A source electrode (11) electrically connected to the source region (4) and the base region (3);
A drain electrode (13) formed on the back side of the substrate (1),
By controlling the voltage applied to the gate electrode (9), the storage channel formed in the channel layer (7) is controlled, and through the source region (4) and the drift layer (2), A silicon carbide semiconductor device comprising a storage MOSFET that allows current to flow between the source electrode (11) and the drain electrode (13),
The trench is disposed below the base region (3) and deeper than the trench (6), and extends in a direction normal to the side surface of the trench (6) where the channel region is formed. A silicon carbide semiconductor device comprising a deep layer (10) of the second conductivity type.
前記基板(1)の上に形成され、前記基板(1)よりも低不純物濃度とされた第1導電型の炭化珪素からなるドリフト層(2)と、
前記ドリフト領域(2)の表面から形成されたトレンチ(6)と、
前記トレンチ(6)の側面に接するように、前記トレンチ(6)を挟んだ両側に形成された第2導電型の炭化珪素からなるベース領域(3)と、
前記ベース領域(3)の上層部に形成され、前記トレンチ(6)の側面と接し、かつ、前記トレンチ(6)を挟んだ両側に形成された、前記ドリフト層(2)よりも高濃度の第1導電型の炭化珪素にて構成されたソース領域(4)と、
前記トレンチ(6)の表面に形成されたゲート絶縁膜(8)と、
前記トレンチ(6)内において、前記ゲート絶縁膜(8)の上に形成されたゲート電極(9)と、
前記ソース領域(4)および前記ベース領域(3)に電気的に接続されたソース電極(11)と、
前記基板(1)の裏面側に形成されたドレイン電極(13)とを備え、
前記ゲート電極(9)への印加電圧を制御することで前記トレンチ(6)の側面に位置する前記ベース領域(3)の表面部に反転型のチャネル領域を形成し、前記ソース領域(4)および前記ドリフト層(2)を介して、前記ソース電極(11)および前記ドレイン電極(13)の間に電流を流す反転型のMOSFETを備えた炭化珪素半導体装置であって、
前記ベース領域(3)の下方に配置されると共に前記トレンチ(6)よりも深い位置まで配置され、前記トレンチ(6)のうち前記チャネル領域が形成される側面に対する法線方向に延設された第2導電型のディープ層(10)が備えられていることを特徴とする炭化珪素半導体装置。 A first or second conductivity type substrate (1) made of silicon carbide;
A drift layer (2) made of silicon carbide of the first conductivity type formed on the substrate (1) and having a lower impurity concentration than the substrate (1);
A trench (6) formed from the surface of the drift region (2);
A base region (3) made of silicon carbide of the second conductivity type formed on both sides of the trench (6) so as to be in contact with the side surface of the trench (6);
Higher concentration than the drift layer (2) formed in the upper layer part of the base region (3), in contact with the side surface of the trench (6) and on both sides of the trench (6) A source region (4) composed of silicon carbide of the first conductivity type;
A gate insulating film (8) formed on the surface of the trench (6);
A gate electrode (9) formed on the gate insulating film (8) in the trench (6);
A source electrode (11) electrically connected to the source region (4) and the base region (3);
A drain electrode (13) formed on the back side of the substrate (1),
By controlling the voltage applied to the gate electrode (9), an inversion channel region is formed on the surface of the base region (3) located on the side surface of the trench (6), and the source region (4) And a silicon carbide semiconductor device comprising an inversion type MOSFET for passing a current between the source electrode (11) and the drain electrode (13) via the drift layer (2),
The trench is disposed below the base region (3) and deeper than the trench (6), and extends in a direction normal to the side surface of the trench (6) where the channel region is formed. A silicon carbide semiconductor device comprising a deep layer (10) of the second conductivity type.
前記ドリフト層(2)の表面にマスク(20)を配置した後、該マスク(20)を用いたイオン注入を行うことにより、一方向に延設されるように第2導電型のディープ層(10)を形成する工程と、
前記ディープ層(10)および前記ドリフト層(2)の上に第2導電型のベース領域(3)を形成する工程と、
前記ベース領域(3)内における該ベース領域(3)の表層部に第1導電型不純物をイオン注入することにより、前記ドリフト層(2)よりも高濃度の第1導電型の炭化珪素にて構成されたソース領域(4)を形成する工程と、
前記ソース領域(4)の表面から前記ベース領域(3)を貫通して前記ドリフト層(2)に達し、かつ、前記ディープ層(10)よりも浅くなるように、前記ディープ層(10)が延設された方向と垂直方向を長手方向とするトレンチ(6)を形成する工程と、
前記トレンチ(6)内に、第1導電型の炭化珪素からなるチャネル層(7)を形成する工程と、
前記トレンチ(6)内において、前記チャネル層(7)の表面にゲート絶縁膜(8)を形成する工程と、
前記トレンチ(5)内において、前記ゲート絶縁膜(8)の上にゲート電極(9)を形成する工程と、
前記ソース領域(4)および前記ベース領域(3)に電気的に接続されるソース電極(11)を形成する工程と、
前記基板(1)の裏面側にドレイン電極(13)を形成する工程と、を含んでいることを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。 Forming a drift layer (2) made of silicon carbide of the first conductivity type having a lower impurity concentration than that of the substrate (1) on the first or second conductivity type substrate (1) made of silicon carbide; When,
After the mask (20) is disposed on the surface of the drift layer (2), ion implantation using the mask (20) is performed, so that the second conductivity type deep layer ( 10) forming,
Forming a second conductivity type base region (3) on the deep layer (10) and the drift layer (2);
By ion-implanting the first conductivity type impurity into the surface layer portion of the base region (3) in the base region (3), the first conductivity type silicon carbide having a higher concentration than the drift layer (2) is obtained. Forming a configured source region (4);
The deep layer (10) extends from the surface of the source region (4) to the drift layer (2) through the base region (3) and shallower than the deep layer (10). Forming a trench (6) having a longitudinal direction perpendicular to the extending direction;
Forming a channel layer (7) made of silicon carbide of the first conductivity type in the trench (6);
Forming a gate insulating film (8) on the surface of the channel layer (7) in the trench (6);
Forming a gate electrode (9) on the gate insulating film (8) in the trench (5);
Forming a source electrode (11) electrically connected to the source region (4) and the base region (3);
Forming a drain electrode (13) on the back side of the substrate (1). A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, comprising:
前記ベース領域(3)を形成する工程では、前記電流分散層(30)の表面に前記ベース領域(3)を形成することにより、該ベース領域(3)を前記ディープ層(10)および前記ドリフト層(2)の上に形成することを特徴とする請求項10に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 Before the step of forming the base region (3), the surface of the drift layer (2) including the surfaces of the deep layer (10) and the drift layer (2) is more than the drift layer (2). Forming a current spreading layer (30) made of silicon carbide of the first conductivity type having a high concentration,
In the step of forming the base region (3), the base region (3) is formed on the surface of the current spreading layer (30), thereby forming the base region (3) into the deep layer (10) and the drift layer. The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 10, wherein the method is formed on the layer (2).
前記ドリフト層(2)の表面に、前記ドリフト層(2)よりも高濃度となる第1導電型の電流分散層(30)を形成する工程と、
前記電流分散層(30)の表面にマスク(20)を配置した後、該マスク(20)を用いたイオン注入を行うことにより、一方向に延設されるように第2導電型のディープ層(10)を形成する工程と、
前記電流分散層(30)および前記ディープ層(10)の表面に第2導電型の炭化珪素からなるベース領域(3)を形成する工程と、
前記ベース領域(3)内における該ベース領域(3)の表層部に第1導電型不純物をイオン注入することにより、前記ドリフト層(2)よりも高濃度の第1導電型の炭化珪素にて構成されたソース領域(4)を形成する工程と、
前記ソース領域(4)の表面から前記ベース領域(3)を貫通して前記電流分散層(30)もしくは前記ドリフト層(2)に達し、かつ、前記ディープ層(10)よりも浅くなるように、前記ディープ層(10)が延設された方向と垂直方向を長手方向とするトレンチ(6)を形成する工程と、
前記トレンチ(6)内に、第1導電型のチャネル層(7)を形成する工程と、
前記トレンチ(6)内において、前記チャネル層(7)の表面にゲート絶縁膜(8)を形成する工程と、
前記トレンチ(5)内において、前記ゲート絶縁膜(8)の上にゲート電極(9)を形成する工程と、
前記ソース領域(4)および前記ベース領域(3)に電気的に接続されるソース電極(11)を形成する工程と、
前記基板(1)の裏面側にドレイン電極(13)を形成する工程と、を含んでいることを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。 Forming a drift layer (2) made of silicon carbide of the first conductivity type having a lower impurity concentration than the substrate (1) on the first or second conductivity type substrate (1) made of silicon carbide; When,
Forming a first conductivity type current spreading layer (30) having a higher concentration than the drift layer (2) on the surface of the drift layer (2);
After disposing a mask (20) on the surface of the current spreading layer (30), ion implantation using the mask (20) is performed, so that the second conductivity type deep layer extends in one direction. Forming (10);
Forming a base region (3) made of silicon carbide of the second conductivity type on the surfaces of the current spreading layer (30) and the deep layer (10);
By ion-implanting the first conductivity type impurity into the surface layer portion of the base region (3) in the base region (3), the first conductivity type silicon carbide having a higher concentration than the drift layer (2) is obtained. Forming a configured source region (4);
From the surface of the source region (4) through the base region (3) to the current spreading layer (30) or the drift layer (2), and shallower than the deep layer (10) Forming a trench (6) having a longitudinal direction perpendicular to the direction in which the deep layer (10) is extended;
Forming a first conductivity type channel layer (7) in the trench (6);
Forming a gate insulating film (8) on the surface of the channel layer (7) in the trench (6);
Forming a gate electrode (9) on the gate insulating film (8) in the trench (5);
Forming a source electrode (11) electrically connected to the source region (4) and the base region (3);
Forming a drain electrode (13) on the back side of the substrate (1). A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, comprising:
前記ドリフト層(2)の表面にマスク(20)を配置した後、該マスク(20)を用いたイオン注入を行うことにより、一方向に延設されるように第2導電型のディープ層(10)を形成する工程と、
前記ディープ層(10)および前記ドリフト層(2)の上に第2導電型の炭化珪素からなるベース領域(3)を形成する工程と、
前記ベース領域(3)内における該ベース領域(3)の表層部に第1導電型不純物をイオン注入することにより、前記ドリフト層(2)よりも高濃度の第1導電型の炭化珪素にて構成されたソース領域(4)を形成する工程と、
前記ソース領域(4)の表面から前記ベース領域(3)を貫通して前記ドリフト層(2)に達し、かつ、前記ディープ層(10)よりも浅くなるように、前記ディープ層(10)が延設された方向と垂直方向を長手方向とするトレンチ(6)を形成する工程と、
前記トレンチ(6)の表面にゲート絶縁膜(8)を形成する工程と、
前記トレンチ(5)内において、前記ゲート絶縁膜(8)の上にゲート電極(9)を形成する工程と、
前記ソース領域(4)および前記ベース領域(3)に電気的に接続されるソース電極(11)を形成する工程と、
前記基板(1)の裏面側にドレイン電極(13)を形成する工程と、を含んでいることを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。 Forming a drift layer (2) made of silicon carbide of the first conductivity type having a lower impurity concentration than that of the substrate (1) on the first or second conductivity type substrate (1) made of silicon carbide; When,
After the mask (20) is disposed on the surface of the drift layer (2), ion implantation using the mask (20) is performed, so that the second conductivity type deep layer ( 10) forming,
Forming a base region (3) made of silicon carbide of the second conductivity type on the deep layer (10) and the drift layer (2);
By ion-implanting the first conductivity type impurity into the surface layer portion of the base region (3) in the base region (3), the first conductivity type silicon carbide having a higher concentration than the drift layer (2) is obtained. Forming a configured source region (4);
The deep layer (10) extends from the surface of the source region (4) through the base region (3) to the drift layer (2) and shallower than the deep layer (10). Forming a trench (6) having a longitudinal direction perpendicular to the extending direction;
Forming a gate insulating film (8) on the surface of the trench (6);
Forming a gate electrode (9) on the gate insulating film (8) in the trench (5);
Forming a source electrode (11) electrically connected to the source region (4) and the base region (3);
Forming a drain electrode (13) on the back side of the substrate (1). A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, comprising:
前記ベース領域(3)を形成する工程では、前記電流分散層(30)の表面に前記ベース領域(3)を形成することにより、該ベース領域(3)を前記ディープ層(10)および前記ドリフト層(2)の上に形成することを特徴とする請求項13に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 Before the step of forming the base region (3), the surface of the drift layer (2) including the surfaces of the deep layer (10) and the drift layer (2) is more than the drift layer (2). Forming a current spreading layer (30) made of silicon carbide of the first conductivity type having a high concentration,
In the step of forming the base region (3), the base region (3) is formed on the surface of the current spreading layer (30), thereby forming the base region (3) into the deep layer (10) and the drift layer. The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 13, wherein the method is formed on the layer (2).
前記ドリフト層(2)の表面に、前記ドリフト層(2)よりも高濃度となる第1導電型の電流分散層(30)を形成する工程と、
前記電流分散層(30)の表面にマスク(20)を配置した後、該マスク(20)を用いたイオン注入を行うことにより、一方向に延設されるように第2導電型のディープ層(10)を形成する工程と、
前記電流分散層(30)および前記ディープ層(10)の表面に第2導電型の炭化珪素からなるベース領域(3)を形成する工程と、
前記ベース領域(3)内における該ベース領域(3)の表層部に第1導電型不純物をイオン注入することにより、前記ドリフト層(2)よりも高濃度の第1導電型の炭化珪素にて構成されたソース領域(4)を形成する工程と、
前記ソース領域(4)の表面から前記ベース領域(3)を貫通して前記電流分散層(30)もしくは前記ドリフト層(2)に達し、かつ、前記ディープ層(10)よりも浅くなるように、前記ディープ層(10)が延設された方向と垂直方向を長手方向とするトレンチ(6)を形成する工程と、
前記トレンチ(6)の表面にゲート絶縁膜(8)を形成する工程と、
前記トレンチ(5)内において、前記ゲート絶縁膜(8)の上にゲート電極(9)を形成する工程と、
前記ソース領域(4)および前記ベース領域(3)に電気的に接続されるソース電極(11)を形成する工程と、
前記基板(1)の裏面側にドレイン電極(13)を形成する工程と、を含んでいることを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。 Forming a drift layer (2) made of silicon carbide of the first conductivity type having a lower impurity concentration than the substrate (1) on the first or second conductivity type substrate (1) made of silicon carbide; When,
Forming a first conductivity type current spreading layer (30) having a higher concentration than the drift layer (2) on the surface of the drift layer (2);
After disposing a mask (20) on the surface of the current spreading layer (30), ion implantation using the mask (20) is performed, so that the second conductivity type deep layer extends in one direction. Forming (10);
Forming a base region (3) made of silicon carbide of the second conductivity type on the surfaces of the current spreading layer (30) and the deep layer (10);
By ion-implanting the first conductivity type impurity into the surface layer portion of the base region (3) in the base region (3), the first conductivity type silicon carbide having a higher concentration than the drift layer (2) is obtained. Forming a configured source region (4);
From the surface of the source region (4) through the base region (3) to the current spreading layer (30) or the drift layer (2), and shallower than the deep layer (10) Forming a trench (6) having a longitudinal direction perpendicular to the direction in which the deep layer (10) is extended;
Forming a gate insulating film (8) on the surface of the trench (6);
Forming a gate electrode (9) on the gate insulating film (8) in the trench (5);
Forming a source electrode (11) electrically connected to the source region (4) and the base region (3);
Forming a drain electrode (13) on the back side of the substrate (1). A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, comprising:
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