JP2011101036A - Silicon carbide semiconductor device and manufacturing method thereof - 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。
As a solution to such a problem, there is an SiC semiconductor device disclosed in
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であり、かつ、製品特性のバラツキを防止できて歩留まり向上を図ることが可能なSiC半導体装置として、先に、トレンチゲートの長手方向に対する法線方向、かつ、基板平面と平行方向ににp型ディープ層が延設されるようにした構造を出願している(特願2008−31704参照)。この先の出願では、SiC半導体装置のうちMOSFETについて提案しているが、セル領域の外縁部分およびセル領域の外周を囲む外周領域については提案していない。このため、トレンチゲートの長手方向に対する法線方向、かつ、基板平面と平行方向にp型ディープ層が延設されるようにしたSiC半導体装置に対して、一般的な外周領域の構造を適用した場合について検討した。図14は、その場合のSiC半導体装置の上面レイアウトであり、図15(a)、(b)は、図14におけるX−X’断面図およびY−Y’断面図である。なお、図14は断面図ではないが、図を見易くするために、部分的にハッチングを示してある。 Therefore, the present inventors have previously proposed a method for the longitudinal direction of the trench gate as a SiC semiconductor device having a structure capable of further reducing the electric field and capable of preventing a variation in product characteristics and improving the yield. An application has been filed for a structure in which a p-type deep layer extends in the linear direction and in a direction parallel to the substrate plane (see Japanese Patent Application No. 2008-31704). In this earlier application, MOSFETs are proposed among SiC semiconductor devices, but the outer peripheral portion surrounding the outer edge portion of the cell region and the outer periphery of the cell region is not proposed. Therefore, a general peripheral region structure is applied to a SiC semiconductor device in which a p-type deep layer extends in a direction normal to the longitudinal direction of the trench gate and in a direction parallel to the substrate plane. Considered the case. FIG. 14 is a top surface layout of the SiC semiconductor device in that case, and FIGS. 15A and 15B are an X-X ′ sectional view and a Y-Y ′ sectional view in FIG. 14. Although FIG. 14 is not a cross-sectional view, hatching is partially shown for easy understanding of the drawing.
図14に示されるように、トレンチゲート構造を構成するトレンチJ1が複数本ストライプ状に並べられ、各トレンチJ1の長手方向に対する法線方向、かつ、基板平面に平行方向にp型ディープ層J2が複数本ストライプ状に延設されている。そして、図14および図15(a)、(b)に示されるように、外周領域においてp型ベース領域J3およびp+型コンタクト層J4より深く、かつ、n-型ドリフト層J5に達する凹部にて構成されたメサ構造部J6が形成されている。セル領域と外周領域との境界部には、メサ構造部J6の段差部の側壁面から底面に至るようにセル領域の外周を囲むp型リサーフ層J7が形成されている。そして、p型リサーフ層J7の周囲を囲むように複数にp型ガードリング層J8が形成されていると共に、p型リサーフ層J7およびp型ガードリング層J8の周囲を囲むn+型層J9とn+型層J9に電気的に接続された同電位リング電極J10が形成されることで外周耐圧構造が構成されている。 As shown in FIG. 14, a plurality of trenches J1 constituting the trench gate structure are arranged in stripes, and a p-type deep layer J2 is formed in a direction normal to the longitudinal direction of each trench J1 and parallel to the substrate plane. A plurality of stripes are extended. Then, as shown in FIGS. 14 and 15A and 15B, in the outer peripheral region, the recess is deeper than the p-type base region J3 and the p + -type contact layer J4 and reaches the n − -type drift layer J5. A mesa structure portion J6 configured as described above is formed. A p-type RESURF layer J7 is formed at the boundary between the cell region and the outer peripheral region so as to surround the outer periphery of the cell region so as to extend from the side wall surface to the bottom surface of the step portion of the mesa structure portion J6. A plurality of p-type guard ring layers J8 are formed so as to surround the p-type RESURF layer J7, and an n + -type layer J9 surrounding the p-type RESURF layer J7 and the p-type guard ring layer J8. By forming the equipotential ring electrode J10 electrically connected to the n + -type layer J9, an outer peripheral withstand voltage structure is configured.
このような構造のSiC半導体装置についてシミュレーションによる耐圧試験を行った。図16は、耐久試験としてブレイクダウン時のインパクトイオン化率分布を調べた結果を示した断面図であり、図17(a)は、図16における領域R1の等電位線分布を調べた拡大図、図17(b)は、図17(a)における領域R2の拡大図である。 A breakdown voltage test by simulation was performed on the SiC semiconductor device having such a structure. FIG. 16 is a cross-sectional view showing the result of examining the impact ionization rate distribution during breakdown as a durability test, and FIG. 17A is an enlarged view of examining the equipotential line distribution in the region R1 in FIG. FIG. 17B is an enlarged view of the region R2 in FIG.
図16に示されるように、セル領域の外縁部(セル領域のうち外周領域との境界部近辺)におけるp型ディープ層J2aにおいてブレイクダウンが発生し、その付近においてインパクトイオン化率分布が上昇している。つまり、図17(a)、(b)に示されるようにp型ディープ層J2が連続的に形成されている部分では、隣り合うp型ディープ層J2からそれぞれ伸びる空乏層とp型ベース領域J3から延びる空乏層とよって耐圧が持たせられるため、等電位線がp型ベース領域J3側まで入り込む状態を防ぐことができる。ところが、セル領域の外縁部側のp型ディープ層J2aでは、それよりも外周側にp型ディープ層J2が存在しないため、等電位線がp型ベース領域J3側の高い位置まで入り込み、耐圧を持たせることができないのである。 As shown in FIG. 16, breakdown occurs in the p-type deep layer J2a in the outer edge of the cell region (near the boundary of the cell region with the outer peripheral region), and the impact ionization rate distribution increases in the vicinity thereof. Yes. That is, as shown in FIGS. 17A and 17B, in the portion where the p-type deep layer J2 is continuously formed, the depletion layer and the p-type base region J3 extending from the adjacent p-type deep layer J2 respectively. Since the withstand voltage is given by the depletion layer extending from, an equipotential line can be prevented from entering the p-type base region J3 side. However, in the p-type deep layer J2a on the outer edge side of the cell region, since the p-type deep layer J2 does not exist on the outer peripheral side, the equipotential line enters to a higher position on the p-type base region J3 side, and the breakdown voltage is reduced. It cannot be held.
特に、大口径のSiCウェハを作成し易いなどの理由から主表面がSi面のSiC基板を使用してデバイス作成を行うことが多いが、SiCでは破壊電界強度に面方位依存性があるため、Si面を使用した場合に所望の耐圧が持たせられなくなる。すなわち、Si面のSiC基板の場合、SiC基板の裏面から表面に向かう方向、つまり基板垂直方向が[0001]面の方位となる。このため、等電位線の方向が基板平面方向と一致するような電界の掛かり方であれば、高い破壊電界強度を期待できる。しかし、図17(b)に示すようにセル領域の外縁部側のp型ディープ層J2aでは等電位線の方向が基板平面方向に対して大きく傾斜している。したがって、図中にベクトルで示したように、基板垂直方向に対して30°程度傾いた状態で電界が掛かることになり、破壊電界強度が低下する。具体的には、等電位線の方向が基板平面方向に水平となり、基板垂直方向である[0001]面の方向と電界方向とが一致する場合に対して2割程度破壊電界強度が低下する。 In particular, devices are often created using a SiC substrate having a Si surface as the main surface because it is easy to create a large-diameter SiC wafer, but because SiC has a plane orientation dependency on the breakdown electric field strength, When the Si surface is used, a desired breakdown voltage cannot be provided. That is, in the case of a SiC substrate having a Si surface, the direction from the back surface to the front surface of the SiC substrate, that is, the direction perpendicular to the substrate is the [0001] plane orientation. For this reason, if the electric field is applied such that the direction of the equipotential lines coincides with the substrate plane direction, a high breakdown electric field strength can be expected. However, as shown in FIG. 17B, in the p-type deep layer J2a on the outer edge side of the cell region, the direction of the equipotential lines is greatly inclined with respect to the substrate plane direction. Therefore, as indicated by a vector in the figure, an electric field is applied in a state inclined by about 30 ° with respect to the vertical direction of the substrate, and the breakdown electric field strength is reduced. Specifically, the direction of the equipotential lines is horizontal in the substrate plane direction, and the breakdown electric field strength is reduced by about 20% compared to the case where the direction of the [0001] plane, which is the substrate vertical direction, coincides with the electric field direction.
本発明は上記点に鑑みて、トレンチゲート構造に対して交差するようにディープ層を設けたSiC半導体装置において、ディープ層でブレイクダウンすることを抑制することにより、高耐圧化を図ることを目的とする。 In view of the above points, an object of the present invention is to achieve a high breakdown voltage by suppressing breakdown in a deep layer in an SiC semiconductor device provided with a deep layer so as to intersect the trench gate structure. And
上記目的を達成するため、請求項1または2に記載の発明では、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)の長手方向、かつ、基板平面に平行方向に対して交差する方向に複数本ストライプ状に延設された第2導電型のディープ層(10)を有し、ディープ層(10)は、セル領域の外縁部において、ストライプ状に並べられたトレンチ(6)および該ディープ層(10)のうちストライプ状に配置された部分を囲むように、外周領域に向けて延設されており、外周耐圧構造は、セル領域の外周領域において、ベース領域よりも深い凹部にて構成されたメサ構造部(14)と、メサ構造部(14)を構成する凹部の底面から所定深さとなるように形成され、セル領域を囲むように形成された第2導電型のリサーフ層(15)と、を有し、リサーフ層(15)は、ディープ層(10)と底部の深さが同じであることを特徴としている。
In order to achieve the above object, according to the invention described in
このように、ディープ層(10)をセル領域の外縁部において外周領域に向けて延設されるようにすることにより、少なくともセル領域の外縁部に形成されたディープ層(10)によってブレイクダウンする場所が外周領域に移動させられることになるため、高耐圧化を図ることが可能となる。 In this way, by extending the deep layer (10) toward the outer peripheral region at the outer edge of the cell region, breakdown is caused by at least the deep layer (10) formed at the outer edge of the cell region. Since the place is moved to the outer peripheral region, it is possible to increase the breakdown voltage.
また、メサ構造部(14)にリサーフ層(15)を形成するようにすれば、ディープ層(10)とリサーフ層(15)の間において、等電位線分布は基板平面にほぼ水平となり、電界がほぼ基板垂直方向に掛かるようにできる。これにより、ドレイン電圧が高電圧となった時の電界集中部分がディープ層(10)とリサーフ層(15)の間の下部ではなく、さらに外周側となるようにできる。したがって、トレンチゲート構造に対して交差するようにディープ層(10)を設けたSiC半導体装置において、ディープ層(10)でブレイクダウンすることを抑制することにより、高耐圧化を図ることが可能となる。 Further, if the RESURF layer (15) is formed in the mesa structure (14), the equipotential line distribution is substantially horizontal to the substrate plane between the deep layer (10) and the RESURF layer (15), and the electric field Can be applied substantially in the direction perpendicular to the substrate. As a result, the electric field concentration portion when the drain voltage becomes a high voltage can be arranged not on the lower portion between the deep layer (10) and the RESURF layer (15) but on the outer peripheral side. Therefore, in the SiC semiconductor device in which the deep layer (10) is provided so as to intersect the trench gate structure, it is possible to increase the breakdown voltage by suppressing the breakdown in the deep layer (10). Become.
また、ディープ層(10)とリサーフ層(15)の深さを同じにすることで、ディープ層(10)とドリフト層(2)との接合部分、および、リサーフ層(15)とドリフト層(2)との接合部分に広がる空乏層が容易につながる。同様に、空乏層中の等電位線も、ディープ層(10)とリサーフ層(15)の接合部分においてほとんど段差を作らず、基板平面にほぼ水平となる。このため、電界集中が発生する部分は、ディープ層(10)とリサーフ層(15)の接合部分とはならないようにできる。 Moreover, by making the depth of the deep layer (10) and the RESURF layer (15) the same, the junction between the deep layer (10) and the drift layer (2), and the RESURF layer (15) and the drift layer ( The depletion layer spreading at the junction with 2) is easily connected. Similarly, the equipotential lines in the depletion layer hardly make a step at the junction between the deep layer (10) and the RESURF layer (15), and are almost horizontal to the substrate plane. For this reason, it is possible to prevent the portion where the electric field concentration occurs from being a junction between the deep layer (10) and the RESURF layer (15).
例えば、請求項3に記載したように、ディープ層(10)をセル領域の外縁部全域に形成し、外周領域に形成されたリサーフ層(15)に連結されるようにすることができる。
For example, as described in
また、請求項4に記載したように、セル領域の外縁部において、外周領域に形成されたリサーフ層(15)から所定距離離れるようにディープ層(10)を形成することもできる。この場合、該ディープ層(10)とリサーフ層(15)との間の間隔が該ディープ層(10)におけるストライプ状に配置されているもの同士の間の間隔よりも狭くされるようにすれば、ストライプ状に並べられた隣り合うディープ層(10)同士の間よりもディープ層(10)とリサーフ層(15)との間において、等電位線がベース領域(3)側に入り込む量が小さくなる。したがって、上記のように高耐圧化を図ることが可能となる。
Further, as described in
例えば、請求項5に記載したように、ディープ層(10)をセル領域の外縁部全域に形成することができる。また、請求項6に記載したように、セル領域の外縁部において、外周領域から所定距離離れるようにディープ層(10)を形成することもできる。この場合、ディープ層(10)から外周領域までの間の間隔がディープ層(10)におけるストライプ状に配置されているもの同士の間の間隔よりも狭くされるようにすれば良い。さらに、請求項7に記載したように、セル領域の外縁部において、ディープ層(10)に、該ディープ層(10)が部分的に形成されていない隙間部(10a)を備え、MOSFETのゲート電極(9)への電圧印加を行っていないオフ時に、ディープ層(10)から隙間部(10a)に伸びる空乏層によって該隙間部(10a)が埋め尽くされるようにしても構わない。
For example, as described in
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。例えば、請求項8に記載したように、炭化珪素からなる第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導電型の炭化珪素からなるドリフト層(2)を形成する工程と、セル領域において、ドリフト層(2)の表層部に、一方向に延設されたストライプ状に並べられた部分と、該セル領域の外縁部においてストライプ状に並べられた部分を囲む部分とを有し、セル領域の周囲を囲む外周領域に向けて延設される第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導電型の炭化珪素からなるベース領域(3)を形成する工程と、外周領域において、ベース領域(3)を除去してドリフト層(2)を露出させる凹部にて構成されるメサ構造部(14)を形成する工程と、メサ構造部(14)における側壁面から凹部の底面に至る第2導電型のリサーフ層(15)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、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交差する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)内にゲート絶縁膜(8)を形成する工程と、トレンチ(6)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、請求項1または2に記載したSiC半導体装置を製造できる。
The SiC semiconductor device as described above is manufactured by, for example, a manufacturing method shown below. For example, as described in
また、請求項9に記載の発明のように、ドリフト層(2)の表層部において、セル領域に、一方向に延設されたストライプ状に並べられた部分と、該セル領域の外縁部においてストライプ状に並べられた部分を囲む部分とを有し、セル領域の周囲を囲む外周領域に向けて延設される第2導電型のディープ層(10)を形成する工程と、外周領域に、ディープ層(10)に連結されるように、セル領域の周囲を囲む第2導電型のリサーフ層(15)を形成する工程と、を同時に行うこともできる。
Further, as in the invention according to
このように、リサーフ層(15)をディープ層(10)と同時に形成すれば、リサーフ層(15)およびディープ層(10)の製造工程の簡略化を図ることが可能となる。また、リサーフ層(15)とディープ層(10)が重なることによって高濃度になり等電位線が歪んで電界集中してしまうことを抑制できる。 Thus, if the RESURF layer (15) is formed simultaneously with the deep layer (10), the manufacturing process of the RESURF layer (15) and the deep layer (10) can be simplified. Further, the RESURF layer (15) and the deep layer (10) are superposed to increase the concentration, and the equipotential lines can be prevented from being distorted and the electric field concentration.
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)
図1は、本実施形態にかかる反転型のトレンチゲート構造のMOSFETを備えたSiC半導体装置の正面レイアウト図である。なお、図1は断面図ではないが、図を見易くするために、部分的にハッチングを示してある。
(First embodiment)
FIG. 1 is a front layout view of an SiC semiconductor device including a MOSFET having an inverted trench gate structure according to the present embodiment. Although FIG. 1 is not a cross-sectional view, hatching is partially shown for easy understanding of the drawing.
また、図2は、図1の破線で囲んだ領域RaにおいてMOSFETの1セル分を抽出した斜視断面図である。また、図3−a〜図3−dは、図2のMOSFETの断面図であり、図3−aは、図2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3−bは、図2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3−cは、図2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3−dは、図2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. 2 is a perspective sectional view of one MOSFET extracted in a region Ra surrounded by a broken line in FIG. 3A to 3D are cross-sectional views of the MOSFET of FIG. 2, and FIG. 3-A is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 2 parallel to the xz plane. 3-b is a cross section when cut in parallel to the xz plane along the line BB in FIG. 2, and FIG. 3-c is a cross section when cut along the line CC in FIG. 2 in parallel with the yz plane. 3D is a cross section when cut in parallel with the yz plane along the line DD in FIG.
図1に示されるように、SiC半導体装置は、MOSFETが形成されたセル領域と、セル領域を囲むように外周耐圧構造が形成された外周領域とを有して構成されている。 As shown in FIG. 1, the SiC semiconductor device includes a cell region in which a MOSFET is formed and an outer peripheral region in which an outer peripheral withstand voltage structure is formed so as to surround the cell region.
図2および図3−a〜図3−dに示すように、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、かつ、主表面がSi面(つまり基板垂直方向が[0001]面の方位)のSiCからなるn+型基板1が半導体基板として用いられいる。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。
As shown in FIG. 2 and FIGS. 3A to 3D, the n-type impurity concentration of phosphorus or the like is, for example, 1.0 × 10 19 / cm 3 and the thickness is about 300 μm, and the main surface is an Si plane (that is, An n + type substrate 1 made of SiC with the substrate vertical direction being the [0001] plane orientation) is used as a semiconductor substrate. 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+型コンタクト層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5.0×1015〜5.0×1016/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+型コンタクト層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。
The p-
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+型コンタクト層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 n + -
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に達し、例えば幅が1.4〜2.0μm、深さが2.0μm以上(例えば2.4μm)となるようにトレンチ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。
Further, it penetrates the p-
さらに、トレンチ6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、トレンチ6の内壁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例えば100nm程度となっている。
Further, the surface of the
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2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2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+型コンタクト層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 extends with the y direction in FIG. 2 as the longitudinal direction. A plurality of trench gate structures are arranged in parallel in the x direction in FIG. Further, 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2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、かつ、基板平面に平行方向に延設された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2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、1.0×1017/cm3〜1.0×1019/cm3、例えば5.0×1017/cm3とされている。このp型ディープ層10は、セル領域の内周部で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ることでストライプ状に配置されており、隣り合うp型ディープ層10同士の間隔は、例えば1.5〜3μmとされている。そして、p型ディープ層10は、セル領域の外縁部では、トレンチ6の外周領域に至るまで全域形成されている。
Further, in the n −
なお、セル領域の外縁部、つまりアクティブではない部分までp型ディープ層10の上方にp型ベース領域3およびp+型コンタクト層5が形成されており、そのアクティブでない部分においてもp+型コンタクト層5にソース電極11が電気的に接続された構造とされている。
Incidentally, the outer edge, i.e. have p-
また、n+型ソース領域4およびp+型コンタクト層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+型コンタクト層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+型コンタクト層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 + -
一方、セル領域のうちMOSFETを囲んでいる外縁部や外周領域は、以下のように構成されている。図4(a)は、図1のE−E断面図、図4(b)は、図1のF−F断面図である。 On the other hand, the outer edge and the outer peripheral region surrounding the MOSFET in the cell region are configured as follows. 4A is a cross-sectional view taken along line EE in FIG. 1, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line FF in FIG.
図4(a)、(b)に示されるように、外周領域では、セル領域に形成されていたp型ベース領域3およびp+型コンタクト層5より深く、かつ、n-型ドリフト層2に達する深さ2.1〜2.5μm程度の凹部にて構成されたメサ構造部14が形成されている。セル領域と外周領域との境界部には、メサ構造部14の段差部の側壁面から底面に至るようにセル領域の外周を囲むp型リサーフ層15が形成されていると共に、p型リサーフ層15の周囲を囲むように複数にp型ガードリング層16が形成されている。そして、p型リサーフ層15およびp型ガードリング層16の周囲を囲むようにn+型層17およびn+型層17に電気的に接続された同電位リング電極18が形成されることで外周耐圧構造が構成されている。
As shown in FIGS. 4A and 4B, the outer peripheral region is deeper than the p-
p型リサーフ層15は、セル領域と外周領域との境界部からセル領域外側に向かって例えば20μm程度張り出すように形成されている。そして、p型リサーフ層15のうち、メサ構造部14の段差部の側壁面に形成された部分は、基板水平方向の厚みが0.7μm、p型不純物濃度が1×1017/cm3程度とされ、メサ構造部14を構成する凹部の底面に形成された部分は、凹部の底面からの深さが0.7μm程度、4×1017/cm3程度とされている。そして、上述したように、p型ディープ層10がn-型ドリフト層2の表面からの深さが例えば2.6〜3.0μm程度とされているため、メサ構造部14を構成する凹部の底面からのp型ディープ層10とp型リサーフ層15の深さがほぼ同じになる。
The p-
また、上述したように、セル領域の外縁部において、p型ディープ層10を外周領域に至るまで全域形成している。このため、複数本並んだトレンチゲート構造やp型ディープ層10のうちのストライプ状に配置された部分がp型ディープ層10のうちセル領域の外縁部に形成された部分によって囲まれ、かつ、p型ディープ層10がセル領域と外周領域との境界部においてp型ディープ層10の外縁がp型リサーフ層15と連結された構造となる。
Further, as described above, the p-type
p型ガードリング層16は、最も内周側に位置するものがp型リサーフ層15から例えば0.5μm離れて形成され、径方向の幅が2μm、間隔が1μmとされて例えば6層が順に形成されている。これにより、ガードリング部が構成されている。各p型ガードリング層16の深さは、例えば0.7μmとされ、p型不純物濃度は例えば1×1018/cm3程度とされている。このような構造により、本実施形態にかかるSiC半導体装置が構成されている。
The p-type
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、p型ベース領域3のうちトレンチ6の側面に位置する部分にチャネル領域が形成されない。このため、ドレイン電極13に正の電圧を加えたとしても、n-型ドリフト層2とp型ベース領域3およびn+型ソース領域4によるPNP接合構造によって電子が移動できず、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 the state before the gate voltage is applied to the
次に、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、トレンチ6の側面においてp型ベース領域3が反転してチャネル領域が形成される。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p型ベース領域3におけるチャネル領域を通った後、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。
Next, when on (gate voltage = 20 V, drain voltage = 1 V, source voltage = 0 V), 20 V is applied as the gate voltage to the
そして、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に電圧を加えても逆バイアスになるため、p型ディープ層10とn-型ドリフト層2との接合部分、および、p型リサーフ層15とn-型ドリフト層2との接合部分等に、空乏層が広がる。このとき、本実施形態では、p型ディープ層10の不純物濃度が例えば5.0×1017/cm3とされ、p型リサーフ層15の不純物濃度が例えば4.0×1017/cm3とされているため、n-型ドリフト層2の不純物濃度に対して約100倍の濃度を有している。このため、空乏層はほとんどn-型ドリフト層2側に伸びる。
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、p型ディープ層10とp型リサーフ層15の深さがほぼ同じになっているため、p型ディープ層10とn-型ドリフト層2との接合部分、および、p型リサーフ層15とn-型ドリフト層2との接合部分に広がる空乏層が容易につながり、p型ガードリング層16まで伸びていく。同様に、空乏層中の等電位線も、p型ディープ層10とp型リサーフ層15の接合部分においてほとんど段差を作らず、基板平面にほぼ水平となる。このため、電界集中が発生する部分は、p型ディープ層10とp型リサーフ層15の接合部分とはならず、p型ガードリング層16の近傍となる。
Further, since the depths of the p-type
図5(a)〜(e)は、p型ディープ層10とp型リサーフ層15の接合部分における等電位線分布や耐久試験としてブレイクダウン時のインパクトイオン化率分布を調べた結果を示した断面図である。具体的には、図5(a)は、実験対象となる本実施形態のSiC半導体装置のp型ディープ層10とp型リサーフ層15の接合部分近傍の断面図であり、図5(b)〜(d)は、ドレイン電圧(Vd)を200V、400V、1200Vとしたときの図5(a)に示す断面における等電位分布、図5(e)は、ブレイクダウン時のインパクトイオン化率分布を示した図である。
5 (a) to 5 (e) are cross-sectional views showing the results of examining the equipotential line distribution at the junction between the p-type
図5(b)〜(d)に示すように、p型ディープ層10とp型リサーフ層15の接合部分において、等電位線分布は基板平面にほぼ水平となっている。そして、電界は等電位線の垂直方向に掛かるため、p型ディープ層10とp型リサーフ層15の接合部分の下部では電界がほぼ基板垂直方向、つまり[0001]面の方位に掛かる。また、p型ガードリング層16において十分に広がりを見せて等電位線が終端していることから、ガードリング部によって電界が十分緩和されながらも、ドレイン電圧が高電圧となった時の電界集中部分はp型ディープ層10とp型リサーフ層15の接合部分の下部ではなくガードリング部となるようにできる。
As shown in FIGS. 5B to 5D, the equipotential line distribution is substantially horizontal to the substrate plane at the junction between the p-type
このように、p型ディープ層10とp型リサーフ層15の接合部分の下部において、電界が破壊電界強度の最も高くなる[0001]面の方位に掛かるようにできる。これにより、図5(e)に示すように、ブレイクダウンする場所が最も外縁側のp型ディープ層10ではなく、ガードリング部となる。シミュレーションで確認したところ、従来構造の場合には耐圧が1100Vであったが、本実施形態の構造とすることで耐圧が1450Vまで向上した。したがって、本実施形態のようにトレンチゲート構造に対して交差するようにp型ディープ層10を設けたSiC半導体装置において、p型ディープ層10でブレイクダウンすることを抑制することにより、高耐圧化を図ることが可能となる。
As described above, the electric field can be applied to the direction of the [0001] plane where the breakdown electric field intensity is highest at the lower part of the junction between the p-type
次に、本実施形態にかかる反転型のトレンチゲート構造のMOSFETを備えたSiC半導体装置の製造方法について説明する。図6は、本実施形態のSiC半導体装置の製造工程を示した断面図である。この図に示す断面は、図1のF−F’断面に相当する。以下、この図を参照して説明する。 Next, a manufacturing method of the SiC semiconductor device including the MOSFET having the inverted trench gate structure according to the present embodiment will be described. FIG. 6 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the SiC semiconductor device of the present embodiment. The cross section shown in this figure corresponds to the F-F 'cross section of FIG. Hereinafter, a description will be given with reference to this figure.
〔図6(a)に示す工程〕
まず、主表面がSi面(つまり基板垂直方向が[0001]面の方位)のSiCからなるn+型基板1を用意したのち、このn+型基板1の裏面側にドレイン電極13を形成する。そして、n+型基板1の表面に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. 6A]
First, after preparing an n + type substrate 1 made of SiC whose main surface is an Si plane (that is, the orientation of the substrate perpendicular direction is the [0001] plane), a
〔図6(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(図示せず)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やp型ガードリング層16の形成予定領域においてマスクを開口させる。そして、マスク上から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、p型ディープ層10およびp型ガードリング層16を形成する。その後、マスクを除去する。
[Step shown in FIG. 6B]
After a mask (not shown) made of LTO or the like is formed on the surface of n −
〔図6(c)に示す工程〕
n-型ドリフト層2の表面に、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. 6 (c)]
A p-
〔図6(d)に示す工程〕
p型ベース領域3の上にエッチングマスク(図示せず)を配置した後、外周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て外周領域をエッチングし、p型ベース領域3よりも深く、かつ、n-型ドリフト層2に達することでp型ガードリング層16を露出させる凹部を形成することにより、メサ構造部14を形成する。そして、エッチングマスクを除去した後、再びLTO等で構成されるマスク(図示せず)を成膜し、p型リサーフ層15の形成予定領域においてマスクを開口させる。そして、マスク上からp型不純物のイオン注入および活性化を行うことで、p型リサーフ層15を形成する。その後、マスクを除去する。
[Step shown in FIG. 6 (d)]
After disposing an etching mask (not shown) on the p-
〔図6(e)に示す工程〕
p型ベース領域3等の上に、例えばLTO等で構成されるマスク(図示せず)を成膜したのち、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。さらに、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+型コンタクト層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、n+型ソース領域4を形成すると共に、p+型コンタクト層5を形成する。
[Step shown in FIG. 6 (e)]
After forming a mask (not shown) made of, for example, LTO on the p-
さらに、p型ベース領域3、n+型ソース領域4およびp+型コンタクト層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。
Further, after forming an etching mask (not shown) on the p-
続いて、ゲート酸化膜形成工程を行うことにより、トレンチ6内を含む基板表面全面にゲート酸化膜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。さらに、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
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+型コンタクト層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SiC半導体装置が完成する。
The subsequent steps are the same as in the prior art and are not shown. However, after the
以上説明したように、本実施形態のSiC半導体装置によれば、セル領域の外縁部において、p型ディープ層10が外周領域に至るまで全域形成された構造としている。このため、p型ディープ層10とp型リサーフ層15の接合部分において、等電位線分布は基板平面にほぼ水平となり、電界がほぼ基板垂直方向、つまり[0001]面の方位に掛かるようにできる。これにより、ドレイン電圧が高電圧となった時の電界集中部分がp型ディープ層10とp型リサーフ層15の接合部分の下部ではなくガードリング部となるようにできる。
As described above, the SiC semiconductor device according to the present embodiment has a structure in which the p-type
このため、ブレイクダウンする場所が最も外縁側のp型ディープ層10ではなく、ガードリング部となる。したがって、トレンチゲート構造に対して交差するようにp型ディープ層10を設けたSiC半導体装置において、p型ディープ層10でブレイクダウンすることを抑制することにより、高耐圧化を図ることが可能となる。
For this reason, the place to break down is not the outermost p-type
(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p型ディープ層10の構造を変更したものであり、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 according to the present embodiment is obtained by changing the structure of the p-type
図7は、本実施形態にかかる反転型のトレンチゲート構造のMOSFETを備えたSiC半導体装置の正面レイアウト図である。なお、図7は断面図ではないが、図を見易くするために、部分的にハッチングを示してある。また、図8(a)は、図7のG−G’断面図、図8(b)は、図7のH−H’断面図である。 FIG. 7 is a front layout view of the SiC semiconductor device including the MOSFET having the inverted trench gate structure according to the present embodiment. Although FIG. 7 is not a cross-sectional view, hatching is partially shown for easy understanding of the drawing. 8A is a cross-sectional view taken along the line G-G ′ in FIG. 7, and FIG. 8B is a cross-sectional view taken along the line H-H ′ in FIG. 7.
図7および図8に示したように、本実施形態では、セル領域の外縁部において、p型ディープ層10を外周領域に至るまで全域形成しているのではなく、p型リサーフ層15から所定距離離れた位置まで形成した構造としている。p型ディープ層10からp型リサーフ層15までの距離は、セル領域内においてp型ディープ層10のうちストライプ状に並べられた各部の間隔よりも狭くされている。
As shown in FIGS. 7 and 8, in the present embodiment, the p-type
このような構造とされる場合、p型ディープ層10のうちストライプ状に並べられた部分の間隔よりもp型ディープ層10からp型リサーフ層15までの距離の方が狭くされているため、p型ディープ層10とp型リサーフ層15との間に広がる空乏層がつながる。そして、ストライプ状に並べられた隣り合うp型ディープ層10同士の間よりもp型ディープ層10とp型リサーフ層15との間において、等電位線がp型ベース領域3側に入り込む量が小さくなる。
In the case of such a structure, since the distance from the p-type
このため、第1実施形態と同様に、p型ディープ層10とp型リサーフ層15の間において、等電位線分布は基板平面にほぼ水平となり、電界がほぼ基板垂直方向、つまり[0001]面の方位に掛かるようにできる。したがって、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
Therefore, as in the first embodiment, the equipotential line distribution is substantially horizontal to the substrate plane between the p-type
さらに、本実施形態のSiC半導体装置の場合、p型ディープ層10とp型リサーフ層15の間に隙間が空けられているため、p型ディープ層10とp型リサーフ層15が重なって形成されることを抑制することも可能となる。すなわち、p型ディープ層10の形成工程とp型リサーフ層15の形成工程が別工程とされているため、マスクズレによってこれらの形成位置がずれる可能性がある。しかしながら、p型ディープ層10とp型リサーフ層15との間に隙間を設けておけば、マスクズレによってこれらが重なることを抑制することが可能となる。そして、マスクズレによりp型ディープ層10とp型リサーフ層15とが重なって高濃度になった場合、等電位線が歪んで電界集中する可能性があるが、本実施形態のようにこれらの間に隙間を設ければ、電界集中が発生することも抑制することができる。
Furthermore, in the case of the SiC semiconductor device of the present embodiment, since the gap is formed between the p-type
(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半導体装置も、第1実施形態に対してp型ディープ層10の構造を変更したものであり、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。
(Third embodiment)
A third embodiment of the present invention will be described. The SiC semiconductor device of the present embodiment is also a modification of the structure of the p-type
図9は、本実施形態にかかる反転型のトレンチゲート構造のMOSFETを備えたSiC半導体装置の正面レイアウト図である。なお、図9は断面図ではないが、図を見易くするために、部分的にハッチングを示してある。また、図10(a)は、図9のI−I’断面図、図10(b)は、図9のJ−J’断面図である。 FIG. 9 is a front layout view of the SiC semiconductor device including the MOSFET having the inverted trench gate structure according to the present embodiment. Although FIG. 9 is not a cross-sectional view, hatching is partially shown for easy understanding of the drawing. 10A is a cross-sectional view taken along the line I-I ′ of FIG. 9, and FIG. 10B is a cross-sectional view taken along the line J-J ′ of FIG. 9.
図9および図10に示したように、本実施形態も、セル領域の外縁部において、p型ディープ層10を外周領域に至るまで全域形成しているのではなく、p型リサーフ層15に至る位置まで形成してあるものの、外縁部の各所にp型ディープ層10が形成されていない隙間部10aが形成された構造としている。隙間部10aの寸法は、セル領域内においてp型ディープ層10のうちストライプ状に並べられた各部の間隔よりも狭くされている。図9では、隙間部10aを正方形状としているため、その各辺の長さがp型ディープ層10のうちストライプ状に並べられた各部の間隔よりも狭くされているが、他の形状、例えば隙間部10aを円形状とする場合には、その直径がp型ディープ層10のうちストライプ状に並べられた各部の間隔よりも狭くされていれば良い。
As shown in FIGS. 9 and 10, this embodiment also reaches the p-
このように、セル領域の外縁部においてp型ディープ層10に隙間部10aを形成しても構わない。このような隙間部10aが形成されていても、隙間部10aの寸法がp型ディープ層10のうちストライプ状に並べられた各部の間隔よりも狭くされているため、隙間部10aの周囲のp型ディープ層10から空乏層が伸びれば、その空乏層によって隙間部10aも埋め尽くされる。このため、このような構造とされていても、第1実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。
Thus, 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実施形態に対してp型ディープ層10やp型リサーフ層15の形成工程を変更したものであり、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。
(Fourth embodiment)
A fourth embodiment of the present invention will be described. The SiC semiconductor device of this embodiment is obtained by changing the formation process of the p-type
本実施形態のSiC半導体装置は、正面レイアウトは、第1実施形態と同様、つまり図1と同様である。ただし、本実施形態では、第1実施形態に対してp型ディープ層10やp型リサーフ層15の形成工程を変更しているため、p型ディープ層10やp型リサーフ層15の構造が第1実施形態と若干異なっている。図11を参照して、その相違について説明する。
The SiC semiconductor device of this embodiment has the same front layout as that of the first embodiment, that is, the same as that of FIG. However, in this embodiment, since the formation process of the p-type
図11(a)、(b)は、本実施形態のSiC半導体装置の断面図であり、それぞれ図1のE−E’断面とF−F’断面に相当する図である。 FIGS. 11A and 11B are cross-sectional views of the SiC semiconductor device of the present embodiment, corresponding to the E-E ′ cross section and the F-F ′ cross section of FIG. 1, respectively.
この図に示されるように、本実施形態では、p型ディープ層10やp型リサーフ層15は連結され、同じ深さかつ同じ不純物濃度で形成されている。そして、本実施形態では、p型リサーフ層15は、メサ構造部14の段差部の側壁面には形成されていないが、セル領域の外縁部においてp型ベース領域3がセル領域と外周領域との境界部まで形成された状態となっている。
As shown in this figure, in this embodiment, the p-type
このような構造とされた本実施形態のSiC半導体装置は、以下のようにして製造される。図12は、本実施形態のSiC半導体装置の製造工程を示した断面図である。この図に示すように、図12(a)に示す工程では図6(a)と同様の工程を行い、その後、図12(b)に示す工程では、断面は図6(b)と同様の工程を行う。ただし、このときにp型ディープ層10とp型ガードリング層16に加えて、p型リサーフ層15もn-型ドリフト層2の表層部にp型ディープ層10と連結されるように形成する。そして、図12(c)に示す工程で図6(c)と同様の工程を行ったのち、図12(d)に示す工程において図6(d)に示す工程におけるメサ構造部14を形成した後、p型リサーフ層15の形成工程を行うことなく図12(e)の工程において図6(e)と同様の工程を行うことにより、本実施形態のSiC半導体装置が完成する。
The SiC semiconductor device of this embodiment having such a structure is manufactured as follows. FIG. 12 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the SiC semiconductor device of this embodiment. As shown in this figure, in the process shown in FIG. 12A, the same process as in FIG. 6A is performed, and in the process shown in FIG. 12B, the cross section is the same as that in FIG. 6B. Perform the process. However, at this time, in addition to the p-type
このように、p型リサーフ層15をp型ディープ層10と同時に形成することもできる。このようにしても、第1実施形態と同様の効果を得ることができると共に、p型リサーフ層15およびp型ディープ層10の製造工程の簡略化を図ることが可能となる。また、p型リサーフ層15とp型ディープ層10が重なることによって高濃度になり等電位線が歪んで電界集中してしまうことを抑制できる。したがって、第2実施形態と同様の効果も得ることができる。
Thus, the p-
(他の実施形態)
(1)上記第1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実施形態と同様である。
(Other embodiments)
(1) In the first embodiment, 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. However, the conductivity type of each component is reversed. The present invention can also be applied to p-channel type MOSFETs. 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)上記第1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、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。
(2) The structure shown in the first embodiment is merely an example, and settings can be changed as appropriate. For example, the
(3)上記第1実施形態では、p型ディープ層10がトレンチ6の側面の法線方向に伸びる形態について説明したが、トレンチ6の側面に対して一方向に傾斜させたp型ディープ層10を複数本並べた構造、もしくは、トレンチ6の側面の法線方向を中心として一方向に傾斜させたp型ディープ層10を複数本並べたストライプ状にすると共に、その反対方向に傾斜させたp型ディープ層10を複数本並べてストライプ状にし、各ストライプが交差することで格子状とした構造としても構わない。すなわち、少なくともトレンチ6の長手方向に対してp型ディープ層10の長手方向が交差する関係となっていれば良い。その場合、第2実施形態で説明したp型ディープ層10とp型リサーフ層15の間の隙間や、第3実施形態で説明した隙間部10aの寸法がストライプを構成する各p型ディープ層10同士の間の隙間よりも狭くなるようにすれば良い。
(3) Although the p-type
(4)上記各実施形態では、外周領域に備えられた外周耐圧構造をp型リサーフ層15やp型ガードリング層16などで構成した場合について説明したが、必ずしもこれらが必要なわけではない。すなわち、一般的に外周耐圧構造として用いられているものであれば、どのような構造のものであっても構わない。その場合にも、第1実施形態に示したように、p型ディープ層10をセル領域の外縁部全域を埋め尽くすように形成したり、第2実施形態に示したように、p型ディープ層10をセル領域の外縁部において外周領域側に向けて延設すると共に、外周領域から所定距離離間するように形成したり、第3実施形態に示したように、p型ディープ層10を隙間部10aが備えられた構造で形成したりすることができる。これにより、少なくともセル領域の外縁部に形成されたp型ディープ層10によってブレイクダウンする場所が外周領域に移動させられることになるため、高耐圧化を図ることが可能となる。
(4) In each of the above embodiments, the case where the outer peripheral withstand voltage structure provided in the outer peripheral region is configured by the p-
(5)また、上記各実施形態では、反転型のトレンチゲート構造のMOSFETを備えたSiC半導体装置に対して本発明を適用した場合について説明した。しかしながら、蓄積型のトレンチゲート構造のMOSFETに対しても本発明を適用することができる。図13に、蓄積型のトレンチゲート構造のMOSFETの1セル分の斜視断面図を示す。この図に示すように、トレンチ6内にn-型チャネル層20を備え、n-型チャネル層20の表面にゲート酸化膜8を介してゲート電極9が形成された構造として、蓄積型のトレンチゲート構造のMOSFETが構成される。このような蓄積型のトレンチゲート構造のMOSFETを備えたSiC半導体装置に対しても本発明を適用することができる。この場合、上記各実施形態におけるMOSFETを反転型から蓄積型に置き換えればよい。
(5) In each of the above embodiments, the case where the present invention is applied to an SiC semiconductor device including a MOSFET having an inverted trench gate structure has been described. However, the present invention can also be applied to a MOSFET having a storage type trench gate structure. FIG. 13 is a perspective cross-sectional view of one cell of a storage type trench gate structure MOSFET. As shown in this figure, an accumulation-type trench has a structure in which an n − -
(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+型コンタクト層
6 トレンチ
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
14 メサ構造部
15 p型リサーフ層
16 p型ガードリング層
1 n + type substrate 2 n − type drift layer 3 p type base region 4 n + type source region 5 p +
Claims (9)
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、
セル領域において、前記ドリフト層(2)の上に形成された第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)の上に形成され、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、
前記ソース領域(4)と前記ベース領域(3)よりも深く、かつ、前記ドリフト層(3)まで達し、前記ソース領域(4)および前記ベース領域(3)が両側に配置されるように形成され、一方向を長手方向とするトレンチ(6)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、
前記トレンチ(6)がストライプ状に複数本延設されると共に、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と、
前記セル領域を囲む外周領域に形成された外周耐圧部と、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)の長手方向に対して交差する方向、かつ、基板平面に平行方向に複数本ストライプ状に延設された第2導電型のディープ層(10)を有し、
前記ディープ層(10)は、前記セル領域の外縁部において、ストライプ状に並べられた前記トレンチ(6)および該ディープ層(10)のうちストライプ状に配置された部分を囲むように、前記外周領域に向けて延設されており、
前記外周耐圧構造は、
前記セル領域の外周領域において、前記ベース領域よりも深い凹部にて構成されたメサ構造部(14)と、
前記メサ構造部(14)を構成する前記凹部の底面から所定深さとなるように形成され、前記セル領域を囲むように形成された第2導電型のリサーフ層(15)と、を有し、
前記リサーフ層(15)は、前記ディープ層(10)と底部の深さが同じであ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 base region (3) made of silicon carbide of the second conductivity type formed on the drift layer (2) in the cell region;
A source region (4) formed on the base region (3) and made of silicon carbide of the first conductivity type having a higher concentration than the drift layer (2);
Deeper than the source region (4) and the base region (3) and reaches the drift layer (3), and the source region (4) and the base region (3) are disposed on both sides. A trench (6) having one direction as a longitudinal direction;
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),
A plurality of the trenches (6) are extended in stripes, and the surface of the base region (3) located on the side surface of the trench (6) by controlling the voltage applied to the gate electrode (9) An inversion type channel region is formed in the inversion type, and an electric current is passed between the source electrode (11) and the drain electrode (13) through the source region (4) and the drift layer (2). MOSFET,
A silicon carbide semiconductor device comprising an outer peripheral pressure-resistant portion formed in an outer peripheral region surrounding the cell region,
Arranged below the base region (3) and at a position deeper than the trench (6), and in a direction intersecting the longitudinal direction of the trench (6) and parallel to the substrate plane A deep layer (10) of the second conductivity type extending in a stripe shape;
The outer periphery of the deep layer (10) surrounds the trench (6) arranged in a stripe shape and a portion of the deep layer (10) arranged in a stripe shape at the outer edge of the cell region. Extended towards the area,
The outer pressure resistance structure is
A mesa structure (14) formed of a recess deeper than the base region in the outer peripheral region of the cell region;
A second conductivity type RESURF layer (15) formed so as to have a predetermined depth from the bottom surface of the recess constituting the mesa structure (14) and surrounding the cell region;
The RESURF layer (15) has the same bottom depth as the deep layer (10).
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、
セル領域において、前記ドリフト層(2)の上に形成された第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)の上に形成され、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、
前記ソース領域(4)と前記ベース領域(3)よりも深く、かつ、前記ドリフト層(3)まで達し、前記ソース領域(4)および前記ベース領域(3)が両側に配置されるように形成され、一方向を長手方向とするトレンチ(6)と、
前記トレンチ(6)の表面に、前記ソース領域よりも低濃度とされた第1導電型のチャネル層(20)と、
前記トレンチ(6)内において、前記チャネル層(20)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、
前記トレンチ(6)がストライプ状に複数本延設されると共に、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(20)内に蓄積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)の間に電流を流す蓄積型のMOSFETと、
前記セル領域を囲む外周領域に形成された外周耐圧部と、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)の長手方向に対して交差する方向、かつ、基板平面に平行方向に複数本ストライプ状に延設された第2導電型のディープ層(10)を有し、
前記ディープ層(10)は、前記セル領域の外縁部において、ストライプ状に並べられた前記トレンチ(6)および該ディープ層(10)のうちストライプ状に配置された部分を囲むように、前記外周領域に向けて延設されており、
前記外周耐圧構造は、
前記セル領域の外周領域において、前記ベース領域よりも深い凹部にて構成されたメサ構造部(14)と、
前記メサ構造部(14)を構成する前記凹部の底面から所定深さとなるように形成され、前記セル領域を囲むように形成された第2導電型のリサーフ層(15)と、を有し、
前記リサーフ層(15)は、前記ディープ層(10)と底部の深さが同じであ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 base region (3) made of silicon carbide of the second conductivity type formed on the drift layer (2) in the cell region;
A source region (4) formed on the base region (3) and made of silicon carbide of the first conductivity type having a higher concentration than the drift layer (2);
Deeper than the source region (4) and the base region (3) and reaches the drift layer (3), and the source region (4) and the base region (3) are disposed on both sides. A trench (6) having one direction as a longitudinal direction;
A channel layer (20) of a first conductivity type having a lower concentration than the source region on the surface of the trench (6);
A gate insulating film (8) formed on the surface of the channel layer (20) in 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),
A plurality of the trenches (6) are extended in stripes, and a storage channel region is formed in the channel layer (20) by controlling a voltage applied to the gate electrode (9), A storage-type MOSFET for passing a current between the source electrode (11) and the drain electrode (13) via the source region (4) and the drift layer (2);
A silicon carbide semiconductor device comprising an outer peripheral pressure-resistant portion formed in an outer peripheral region surrounding the cell region,
Arranged below the base region (3) and at a position deeper than the trench (6), and in a direction intersecting the longitudinal direction of the trench (6) and parallel to the substrate plane A deep layer (10) of the second conductivity type extending in a stripe shape;
The outer periphery of the deep layer (10) surrounds the trench (6) arranged in a stripe shape and a portion of the deep layer (10) arranged in a stripe shape at the outer edge of the cell region. Extended towards the area,
The outer pressure resistance structure is
A mesa structure (14) formed of a recess deeper than the base region in the outer peripheral region of the cell region;
A second conductivity type RESURF layer (15) formed so as to have a predetermined depth from the bottom surface of the recess constituting the mesa structure (14) and surrounding the cell region;
The RESURF layer (15) has the same bottom depth as the deep layer (10).
セル領域において、前記ドリフト層(2)の表層部に、一方向に延設されたストライプ状に並べられた部分と、該セル領域の外縁部において前記ストライプ状に並べられた部分を囲む部分とを有し、前記セル領域の周囲を囲む外周領域に向けて延設される第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、
前記外周領域において、前記ベース領域(3)を除去して前記ドリフト層(2)を露出させる凹部にて構成されるメサ構造部(14)を形成する工程と、
前記メサ構造部(14)における側壁面から前記凹部の底面に至る第2導電型のリサーフ層(15)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交差する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)内にゲート絶縁膜(8)を形成する工程と、
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,
In the cell region, on the surface layer portion of the drift layer (2), a portion arranged in a stripe extending in one direction, and a portion surrounding the portion arranged in the stripe at the outer edge of the cell region Forming a second conductivity type deep layer (10) extending toward an outer peripheral region surrounding the periphery of the cell region;
Forming a base region (3) made of silicon carbide of the second conductivity type on the deep layer (10) and the drift layer (2);
Forming a mesa structure (14) composed of a recess that removes the base region (3) and exposes the drift layer (2) in the outer peripheral region;
Forming a second conductivity type RESURF layer (15) from the side wall surface in the mesa structure portion (14) to the bottom surface of the recess;
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 in a direction intersecting with the extending direction;
Forming a gate insulating film (8) in the trench (6);
Forming a gate electrode (9) on the gate insulating film (8) in the trench (6);
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)の表層部において、セル領域に、一方向に延設されたストライプ状に並べられた部分と、該セル領域の外縁部において前記ストライプ状に並べられた部分を囲む部分とを有し、前記セル領域の周囲を囲む外周領域に向けて延設される第2導電型のディープ層(10)を形成する工程と、前記外周領域に、前記ディープ層(10)に連結されるように、前記セル領域の周囲を囲む第2導電型のリサーフ層(15)を形成する工程と、を同時に行う工程と、
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、
前記外周領域において、前記ベース領域(3)を除去して前記ドリフト層(2)を露出させる凹部にて構成されるメサ構造部(14)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交差する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)内にゲート絶縁膜(8)を形成する工程と、
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,
In the surface layer portion of the drift layer (2), in the cell region, a portion arranged in a stripe extending in one direction, and a portion surrounding the portion arranged in the stripe in the outer edge portion of the cell region; And forming a second conductivity type deep layer (10) extending toward an outer peripheral region surrounding the periphery of the cell region, and being connected to the deep layer (10) in the outer peripheral region. Forming the second conductivity type RESURF layer (15) surrounding the cell region at the same time,
Forming a base region (3) made of silicon carbide of the second conductivity type on the deep layer (10) and the drift layer (2);
Forming a mesa structure (14) composed of a recess that removes the base region (3) and exposes the drift layer (2) in the outer peripheral region;
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 in a direction intersecting with the extending direction;
Forming a gate insulating film (8) in the trench (6);
Forming a gate electrode (9) on the gate insulating film (8) in the trench (6);
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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