JP2013251494A - Semiconductor device and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technique capable of improving performance of a semiconductor device.SOLUTION: A vertical MISFET50 comprises an ntype SiC substrate 10 in which a drain electrode 11 is formed on a lower surface thereof and an ntype epitaxial layer 12 is formed on an upper surface thereof. A P type body region 13 is formed in an upper layer part of the ntype epitaxial layer 12, and an ntype source region 14 and a ptype body contact region 15 are formed in an upper layer part of the p type body region 13. A first gate electrode 19 is formed on an upper surface of the portion sandwiched between the ntype source region 14 and the ntype epitaxial layer 12 in the p type body region 13 via a first gate insulating film 18. A second gate electrode 22 is formed on an upper surface of the ptype body contact region 15.

Description

本発明は、半導体装置およびその製造技術に関し、特に縦型MISFETを備えた半導体装置および製造に適用して有効な技術に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing technique thereof, and more particularly to a semiconductor device provided with a vertical MISFET and a technique effective when applied to manufacturing.

炭化珪素(SiC)の禁制帯幅は、シリコン(Si)の禁制帯幅に比べて大きい。また、SiCの絶縁破壊電界は、Siの絶縁破壊電界に比べて1桁程度大きい。そのため、SiCからなる半導体素子は、次世代のパワーデバイスとして有望視されている。特に、SiCからなる縦型パワーMISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)は、数百V〜数kVの幅広い使用電圧範囲において、耐圧性に優れている。また、上記した使用電圧範囲において、SiCからなる縦型パワーMISFETのオン状態のときの抵抗(オン抵抗)は、従来のSiからなる半導体素子のオン抵抗よりも大幅に低減できることが見込まれる。   The forbidden band width of silicon carbide (SiC) is larger than the forbidden band width of silicon (Si). Moreover, the dielectric breakdown electric field of SiC is about one digit larger than the dielectric breakdown electric field of Si. Therefore, a semiconductor element made of SiC is considered promising as a next-generation power device. In particular, a vertical power MISFET (Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor) made of SiC is excellent in pressure resistance in a wide operating voltage range of several hundreds V to several kV. Further, in the above-described operating voltage range, it is expected that the resistance (on-resistance) when the vertical power MISFET made of SiC is in the on state can be significantly reduced than the on-resistance of the conventional semiconductor element made of Si.

特開2000−188399号公報(特許文献1)には、半導体領域としてSiCを用いた縦型パワーMISFETについての技術が記載されている。このような縦型パワーMISFETでは、ドレイン電極とソース電極との間に、n型のドレイン領域、p型のベース領域およびn型のソース領域が設けられ、ベース領域の表面にゲート絶縁膜を介してゲート電極が設けられている。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-188399 (Patent Document 1) describes a technique regarding a vertical power MISFET using SiC as a semiconductor region. In such a vertical power MISFET, an n-type drain region, a p-type base region, and an n-type source region are provided between the drain electrode and the source electrode, and a gate insulating film is interposed on the surface of the base region. A gate electrode is provided.

上記した縦型パワーMISFETをオン状態にするオン動作においては、ゲート電極に、ソース電極に対して正の電圧を印加した状態で、ドレイン電極に、ソース電極に対して正の電圧を印加する。このとき、電流は、ドレイン電極から、n型のドレイン領域、p型のベース領域の表層部(チャネル領域)に形成された反転層、および、n型のソース領域を通して、ソース電極に流れる。   In the on operation to turn on the vertical power MISFET, a positive voltage is applied to the drain electrode and the source electrode while a positive voltage is applied to the gate electrode and the source electrode. At this time, current flows from the drain electrode to the source electrode through the n-type drain region, the inversion layer formed in the surface layer portion (channel region) of the p-type base region, and the n-type source region.

一方、縦型パワーMISFETをオフ状態にするオフ動作においては、ゲート電極に、ソース電極に対して負または零の電圧を印加する。このとき、p型のベース領域の表層部(チャネル領域)に形成されていた反転層を消滅させることで、電流が遮断される。   On the other hand, in the off operation for turning off the vertical power MISFET, a negative or zero voltage is applied to the gate electrode with respect to the source electrode. At this time, the current is interrupted by eliminating the inversion layer formed in the surface layer portion (channel region) of the p-type base region.

このような縦型パワーMISFETを構成し、SiCからなる縦型MISFETにおいては、チャネル領域のうちゲート絶縁膜との界面近傍の部分に多量の界面準位が存在するというSiC特有の問題がある。チャネル領域を流れる電子は、界面準位に捕獲または散乱される。そのため、SiCからなる縦型MISFETのチャネル領域における移動度が、SiCにおける本来の移動度よりも大幅に低下し、SiCからなる縦型MISFETのオン抵抗が増加する。   Such a vertical power MISFET, which is composed of SiC, has a problem peculiar to SiC in that a large amount of interface states exist in a portion of the channel region near the interface with the gate insulating film. Electrons flowing through the channel region are trapped or scattered by the interface state. For this reason, the mobility in the channel region of the vertical MISFET made of SiC is significantly lower than the original mobility in SiC, and the on-resistance of the vertical MISFET made of SiC is increased.

上記したSiCからなる縦型MISFETについては、そのオン抵抗を低減するために様々な工夫がなされている。特開2011−254119号公報(特許文献2)には、p型のベース領域の表面にn型不純物を注入(カウンター注入)することで、チャネル領域を、実効的に、p型のベース領域の表層部(上層部)でなく表層部(上層部)よりも内部に形成する埋め込みチャネル技術が記載されている。このような埋め込みチャネル技術によれば、縦型MISFETがオン状態のときに、電子が、ベース領域のうちゲート絶縁膜との界面から離れた部分を通るため、チャネル移動度が向上する。   The vertical MISFET made of SiC has been devised in various ways to reduce its on-resistance. In Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-254119 (Patent Document 2), an n-type impurity is implanted (counter-implanted) into the surface of the p-type base region, so that the channel region is effectively formed in the p-type base region. There is described a buried channel technology that forms inside a surface layer portion (upper layer portion) rather than a surface layer portion (upper layer portion). According to such a buried channel technique, when the vertical MISFET is in the ON state, electrons pass through a portion of the base region that is away from the interface with the gate insulating film, so that the channel mobility is improved.

特開2000−188399号公報JP 2000-188399 A 特開2011−254119号公報JP 2011-254119 A

本発明者の検討によれば、次のことが分かった。   According to the study of the present inventor, the following has been found.

上記した埋め込みチャネル技術を用いた場合でも、ゲート電極にさらに高い電圧を印加したときは、反転層を流れる電子が、ベース領域のうちゲート絶縁膜との界面近傍の部分に引き寄せられ、結果として移動度は低下する。したがって、埋め込みチャネル技術を用いた場合でも、実際には、オン抵抗を低減させることが困難であるという問題がある。   Even when the above-described buried channel technology is used, when a higher voltage is applied to the gate electrode, electrons flowing through the inversion layer are attracted to the portion of the base region near the interface with the gate insulating film, resulting in movement. The degree drops. Therefore, even when the buried channel technique is used, there is a problem that it is actually difficult to reduce the on-resistance.

また、上記した埋め込みチャネル技術を用い、カウンター注入を行うことで、ベース領域のうちゲート絶縁膜との界面近傍の部分における不純物濃度が低下するため、縦型MISFETの閾値電圧が低下する。その結果、ゲート電極にゲート電圧を印加しないときも反転層が形成されやすくなり、ゲート電極にゲート電圧を印加しないときに電流を遮断する動作、いわゆるノーマリオフ動作を確実に行うことが困難になるという問題がある。   Further, by performing the counter implantation using the above-described buried channel technique, the impurity concentration in the vicinity of the interface with the gate insulating film in the base region is lowered, so that the threshold voltage of the vertical MISFET is lowered. As a result, an inversion layer is easily formed even when no gate voltage is applied to the gate electrode, and it is difficult to reliably perform an operation of interrupting current when a gate voltage is not applied to the gate electrode, so-called normally-off operation. There's a problem.

このように、縦型MISFETを備えた半導体装置では、オン抵抗の低減と、確実なノーマリオフの動作とを両立させることができず、半導体装置の性能を低下させる。   Thus, in a semiconductor device provided with a vertical MISFET, it is impossible to achieve both a reduction in on-resistance and a reliable normally-off operation, and the performance of the semiconductor device is degraded.

本発明の目的は、半導体装置の性能を向上させることができる技術を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a technique capable of improving the performance of a semiconductor device.

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。   The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。   Of the inventions disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.

代表的な実施の形態による半導体装置は、下面にドレイン電極が形成され、上面にn型エピタキシャル層が形成されたn型SiC基板を備えた縦型MISFETである。n型エピタキシャル層の上層部にp型ボディ領域が形成され、p型ボディ領域の上層部にn型ソース領域およびp型ボディコンタクト領域が形成されている。p型ボディ領域のうちn型ソース領域とn型エピタキシャル層とに挟まれた部分の上面には、第1ゲート絶縁膜を介して第1ゲート電極が形成されており、p型ボディコンタクト領域の上面には、第2ゲート電極が形成されている。 A semiconductor device according to a typical embodiment is a vertical MISFET including an n + type SiC substrate having a drain electrode formed on the lower surface and an n type epitaxial layer formed on the upper surface. A p-type body region is formed in the upper layer portion of the n -type epitaxial layer, and an n + -type source region and a p + -type body contact region are formed in the upper layer portion of the p-type body region. of the p-type body region n + -type source region and the n - -type epitaxial layer on an upper surface of a portion held with, a first gate electrode via a first gate insulating film is formed, p + -type body A second gate electrode is formed on the upper surface of the contact region.

また、代表的な実施の形態による半導体装置の製造方法は、ドレイン電極、n型エピタキシャル層、ならびに、n型エピタキシャル層の上面に形成された第1ゲート電極、ソース電極および第2ゲート電極を備えた縦型MISFETを形成するものである。まず、n型SiC基板の上面にn型エピタキシャル層を形成し、形成したn型エピタキシャル層の上層部にp型ボディ領域を形成する。次いで、p型ボディ領域の上層部にn型ソース領域およびp型ボディコンタクト領域を形成する。次いで、n型エピタキシャル層上に、絶縁膜および導電膜を順次形成し、形成した導電膜および絶縁膜をパターニングする。これにより、n型ソース領域とn型エピタキシャル層とに挟まれたp型ボディ領域の上面に、第1ゲート絶縁膜を介して第1ゲート電極を形成するとともに、p型ボディコンタクト領域の上面に、第2ゲート絶縁膜を介して第2ゲート電極を形成する。 In addition, a method for manufacturing a semiconductor device according to a representative embodiment includes a drain electrode, an n type epitaxial layer, and a first gate electrode, a source electrode, and a second gate electrode formed on the upper surface of the n type epitaxial layer. A vertical MISFET provided with is formed. First, an n type epitaxial layer is formed on the upper surface of the n + type SiC substrate, and a p type body region is formed in the upper layer portion of the formed n type epitaxial layer. Next, an n + type source region and a p + type body contact region are formed in the upper layer portion of the p type body region. Next, an insulating film and a conductive film are sequentially formed on the n type epitaxial layer, and the formed conductive film and the insulating film are patterned. Thus, the first gate electrode is formed on the upper surface of the p-type body region sandwiched between the n + -type source region and the n -type epitaxial layer via the first gate insulating film, and the p + -type body contact region is formed. A second gate electrode is formed on the upper surface of the substrate via a second gate insulating film.

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。   Among the inventions disclosed in the present application, effects obtained by typical ones will be briefly described as follows.

代表的な実施の形態によれば、半導体装置の性能を向上させることができる。   According to the representative embodiment, the performance of the semiconductor device can be improved.

実施の形態1の半導体装置の要部断面図である。2 is a main-portion cross-sectional view of the semiconductor device of First Embodiment; FIG. 実施の形態1の半導体装置の上面図である。2 is a top view of the semiconductor device of First Embodiment. FIG. 図1において、縦型MISFETがオン状態のときに電子が流れる経路を模式的に示した図である。In FIG. 1, it is the figure which showed typically the path | route through which an electron flows, when a vertical MISFET is an ON state. 実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。7 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of First Embodiment during a manufacturing step thereof; FIG. 実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。7 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of First Embodiment during a manufacturing step thereof; FIG. 実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。7 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of First Embodiment during a manufacturing step thereof; FIG. 実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。7 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of First Embodiment during a manufacturing step thereof; FIG. 実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。7 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of First Embodiment during a manufacturing step thereof; FIG. 実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。7 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of First Embodiment during a manufacturing step thereof; FIG. 実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。7 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of First Embodiment during a manufacturing step thereof; FIG. 実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。7 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of First Embodiment during a manufacturing step thereof; FIG. 実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。7 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of First Embodiment during a manufacturing step thereof; FIG. 実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。7 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of First Embodiment during a manufacturing step thereof; FIG. 実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。7 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of First Embodiment during a manufacturing step thereof; FIG. 比較例1の半導体装置の要部断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view of a principal part of a semiconductor device of Comparative Example 1. 図15において、縦型MISFETがオン状態のときに電子が流れる経路を模式的に示した図である。In FIG. 15, it is the figure which showed typically the path | route through which an electron flows, when vertical MISFET is an ON state. 伝導帯エネルギーの、チャネル領域の表面からの深さに対する依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the dependence with respect to the depth from the surface of a channel region of conduction band energy. 電子移動度の、チャネル領域の表面からの深さに対する依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the dependence of the electron mobility with respect to the depth from the surface of a channel region. 実施の形態1の第1変形例の半導体装置の要部断面図である。FIG. 10 is a main-portion cross-sectional view of the semiconductor device in the first modification example of the first embodiment; 実施の形態1の第2変形例の半導体装置の上面図である。FIG. 10 is a top view of a semiconductor device according to a second modification example of the first embodiment. 実施の形態2の半導体装置の要部断面図である。FIG. 10 is a main-portion cross-sectional view of the semiconductor device of Embodiment 2; 図21において、縦型MISFETがオン状態のときに電子が流れる経路を模式的に示した図である。In FIG. 21, it is the figure which showed typically the path | route through which an electron flows, when vertical MISFET is an ON state. 実施の形態2の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。FIG. 10 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of Second Embodiment during a manufacturing step thereof. 実施の形態2の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。FIG. 10 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of Second Embodiment during a manufacturing step thereof. 実施の形態2の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。FIG. 10 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of Second Embodiment during a manufacturing step thereof. 実施の形態2の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。FIG. 10 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of Second Embodiment during a manufacturing step thereof. 実施の形態2の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。FIG. 10 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of Second Embodiment during a manufacturing step thereof. 実施の形態3の半導体装置の上面図である。FIG. 10 is a top view of the semiconductor device of the third embodiment. 実施の形態3の半導体装置の要部断面図である。FIG. 10 is a main-portion cross-sectional view of the semiconductor device of Embodiment 3; 図29において、縦型MISFETがオン状態のときに電子が流れる経路を模式的に示した図である。In FIG. 29, it is the figure which showed typically the path | route through which an electron flows, when vertical MISFET is an ON state. 実施の形態3の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。FIG. 10 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of Third Embodiment during a manufacturing step thereof. 実施の形態3の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。FIG. 10 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of Third Embodiment during a manufacturing step thereof. 実施の形態3の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。FIG. 10 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of Third Embodiment during a manufacturing step thereof. 実施の形態3の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。FIG. 10 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of Third Embodiment during a manufacturing step thereof. 実施の形態3の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。FIG. 10 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of Third Embodiment during a manufacturing step thereof. 実施の形態3の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。FIG. 10 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of Third Embodiment during a manufacturing step thereof. 実施の形態3の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。FIG. 10 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of Third Embodiment during a manufacturing step thereof.

以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。   In the following embodiments, when it is necessary for the sake of convenience, the description will be divided into a plurality of sections or embodiments. However, unless otherwise specified, they are not irrelevant to each other. There are some or all of the modifications, details, supplementary explanations, and the like.

また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。   Further, in the following embodiments, when referring to the number of elements (including the number, numerical value, quantity, range, etc.), especially when clearly indicated and when clearly limited to a specific number in principle, etc. Except, it is not limited to the specific number, and may be more or less than the specific number.

さらに、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことはいうまでもない。   Further, in the following embodiments, the constituent elements (including element steps and the like) are not necessarily indispensable unless otherwise specified and apparently essential in principle. Needless to say.

同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。   Similarly, in the following embodiments, when referring to the shapes, positional relationships, etc. of the components, etc., the shapes are substantially the same unless otherwise specified, or otherwise apparent in principle. And the like are included. The same applies to the above numerical values and ranges.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiments, and the repetitive description thereof will be omitted. In the following embodiments, the description of the same or similar parts will not be repeated in principle unless particularly necessary.

また、実施の形態で用いる図面においては、断面図であっても図面を見易くするためにハッチングを省略する場合もある。また、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。   In the drawings used in the embodiments, hatching may be omitted even in a cross-sectional view so as to make the drawings easy to see. Further, even a plan view may be hatched to make the drawing easy to see.

(実施の形態1)
<半導体装置>
本発明の一実施の形態である半導体装置を、図面を参照して説明する。本実施の形態の半導体装置は、SiCからなる縦型MISFETを備えたものである。
(Embodiment 1)
<Semiconductor device>
A semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The semiconductor device according to the present embodiment includes a vertical MISFET made of SiC.

図1は、実施の形態1の半導体装置の要部断面図である。図2は、実施の形態1の半導体装置の上面図である。図1は、図2のA−A線に沿った断面図である。なお、図2においては、理解を簡単にするために、ソース電極20(図1参照)および層間絶縁膜23(図1参照)を除去した(透視した)状態を図示している。また、図2においては、理解を簡単にするために、n型エピタキシャル層12、p型ボディ領域13、n型ソース領域14のうち、第1ゲート電極19または第2ゲート電極22に覆われた部分を破線により図示している。さらに、図2においては、理解を簡単にするために、層間絶縁膜23(図1参照)に形成されたソースコンタクト孔(開口部)24の底面の外周を二点鎖線により図示している。 FIG. 1 is a cross-sectional view of a main part of the semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 2 is a top view of the semiconductor device of the first embodiment. 1 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 2 shows a state in which the source electrode 20 (see FIG. 1) and the interlayer insulating film 23 (see FIG. 1) are removed (see through) for easy understanding. In FIG. 2, for easy understanding, the first gate electrode 19 or the second gate electrode 22 of the n type epitaxial layer 12, the p type body region 13, and the n + type source region 14 is covered. The broken portion is shown by a broken line. Further, in FIG. 2, for easy understanding, the outer periphery of the bottom surface of the source contact hole (opening) 24 formed in the interlayer insulating film 23 (see FIG. 1) is illustrated by a two-dot chain line.

図1および図2に示すように、本実施の形態1の半導体装置である縦型MISFET50は、n型SiC基板10、ドレイン電極11、n型エピタキシャル層12、p型ボディ領域13、n型ソース領域14、p型ボディコンタクト領域15を有する。また、縦型MISFET50は、第1ゲート絶縁膜18、第1ゲート電極19、ソース電極20、第2ゲート絶縁膜21および第2ゲート電極22を有する。 As shown in FIGS. 1 and 2, the vertical MISFET 50 that is the semiconductor device of the first embodiment includes an n + type SiC substrate 10, a drain electrode 11, an n type epitaxial layer 12, a p type body region 13, n A + type source region 14 and a p + type body contact region 15 are provided. The vertical MISFET 50 includes a first gate insulating film 18, a first gate electrode 19, a source electrode 20, a second gate insulating film 21 and a second gate electrode 22.

型SiC基板10は、例えば窒素(N)やリン(P)などのn型不純物を導入した炭化珪素(SiC)からなるn型半導体基板(第1導電型の半導体基板)である。n型SiC基板10の不純物濃度は、比較的高濃度であり、例えば1×1018〜1×1021cm−3程度とすることができる。また、n型SiC基板10の厚さを、例えば50〜500μm程度とすることができる。 The n + -type SiC substrate 10 is an n-type semiconductor substrate (first conductivity type semiconductor substrate) made of silicon carbide (SiC) into which an n-type impurity such as nitrogen (N) or phosphorus (P) is introduced. The impurity concentration of the n + -type SiC substrate 10 is relatively high, and can be, for example, about 1 × 10 18 to 1 × 10 21 cm −3 . Moreover, the thickness of the n + -type SiC substrate 10 can be set to, for example, about 50 to 500 μm.

ドレイン電極11は、n型SiC基板10の下面に形成された電極である。ドレイン電極11は、n型SiC基板10と電気的に接続されている。ドレイン電極11として、例えばチタン(Ti)、ニッケル(Ni)、金(Au)などを積層した導電膜を用いることができる。このような導電膜を用いることで、ドレイン電極11とn型SiC基板10とを、低抵抗で電気的に接続することができる。 The drain electrode 11 is an electrode formed on the lower surface of the n + type SiC substrate 10. Drain electrode 11 is electrically connected to n + type SiC substrate 10. As the drain electrode 11, for example, a conductive film in which titanium (Ti), nickel (Ni), gold (Au), or the like is stacked can be used. By using such a conductive film, the drain electrode 11 and the n + -type SiC substrate 10 can be electrically connected with low resistance.

なお、本願明細書では、ある基板の下面に、または、ある層の下面に形成されているということは、その基板の下面よりも下側に、または、その層の下面よりも下側に形成されていることを含むものとする。   In the specification of the present application, being formed on the lower surface of a certain substrate or on the lower surface of a certain layer means forming below the lower surface of the substrate or lower than the lower surface of the layer. Is included.

型エピタキシャル層12は、n型SiC基板10の上面に形成されており、例えば窒素(N)やリン(P)などのn型不純物を導入した炭化珪素(SiC)からなるn型半導体層(第1導電型の半導体層)である。n型エピタキシャル層12の不純物濃度は、n型SiC基板10の不純物濃度よりも低濃度であり、例えば1×1014〜1×1017cm−3程度とすることができる。また、n型エピタキシャル層12の厚さを、例えば5〜50μm程度とすることができる。 The n type epitaxial layer 12 is formed on the upper surface of the n + type SiC substrate 10, and is an n type semiconductor made of silicon carbide (SiC) into which an n type impurity such as nitrogen (N) or phosphorus (P) is introduced. A layer (first conductivity type semiconductor layer). The impurity concentration of n type epitaxial layer 12 is lower than the impurity concentration of n + type SiC substrate 10, and can be, for example, about 1 × 10 14 to 1 × 10 17 cm −3 . Further, the thickness of the n type epitaxial layer 12 can be set to about 5 to 50 μm, for example.

型エピタキシャル層12を、例えばエピタキシャル成長法により形成することができる。あるいは、例えばイオン注入法によりアルミニウム(Al)やホウ素(B)などのp型不純物をn型SiC基板10の全面に注入し、n型SiC基板10のn型不純物の不純物濃度を低下させる方法により、n型エピタキシャル層12を形成することもできる(以下の実施の形態においても同様)。 The n type epitaxial layer 12 can be formed by, for example, an epitaxial growth method. Alternatively, for example, a p-type impurity such as aluminum (Al) or boron (B) was injected into the whole surface of the n + -type SiC substrate 10 by ion implantation, to lower the impurity concentration of the n-type impurity in the n + -type SiC substrate 10 The n type epitaxial layer 12 can also be formed by the method (the same applies to the following embodiments).

なお、本願明細書では、ある基板の上面に、または、ある層の上面に形成されているということは、その基板の上面よりも上側に、または、その層の上面よりも上側に形成されていることを含むものとする。   Note that in this specification, being formed on the upper surface of a certain substrate or on the upper surface of a certain layer means being formed above the upper surface of the substrate or above the upper surface of the layer. It is included.

p型ボディ領域13は、n型エピタキシャル層12の上層部に形成されており、例えばアルミニウム(Al)やホウ素(B)などのp型不純物が拡散した炭化珪素(SiC)からなるp型半導体領域(第2導電型の半導体領域)である。p型ボディ領域13の不純物濃度を例えば1×1016〜1×1018cm−3程度とすることができる。また、p型ボディ領域13の厚さを、例えば1〜2μm程度とすることができる。 The p-type body region 13 is formed in the upper layer portion of the n -type epitaxial layer 12 and is a p-type semiconductor made of silicon carbide (SiC) in which p-type impurities such as aluminum (Al) and boron (B) are diffused. This is a region (second conductivity type semiconductor region). The impurity concentration of the p-type body region 13 can be set to, for example, about 1 × 10 16 to 1 × 10 18 cm −3 . Further, the thickness of the p-type body region 13 can be set to, for example, about 1 to 2 μm.

型ソース領域14は、p型ボディ領域13の上層部に形成されており、例えば窒素(N)やリン(P)などのn型不純物を導入した炭化珪素(SiC)からなるn型半導体領域(第1導電型の半導体領域)である。n型ソース領域14の不純物濃度は、n型エピタキシャル層12の不純物濃度よりも高濃度であり、例えば1×1018〜1×1021cm−3程度とすることができる。また、n型ソース領域14の厚さを、例えば100〜500nm程度とすることができる。 The n + -type source region 14 is formed in the upper layer portion of the p-type body region 13, and is an n-type semiconductor made of silicon carbide (SiC) into which an n-type impurity such as nitrogen (N) or phosphorus (P) is introduced. This is a region (first conductivity type semiconductor region). The impurity concentration of the n + -type source region 14 is higher than the impurity concentration of the n -type epitaxial layer 12 and can be, for example, about 1 × 10 18 to 1 × 10 21 cm −3 . Further, the thickness of the n + -type source region 14 can be set to about 100 to 500 nm, for example.

型ボディコンタクト領域15は、p型ボディ領域13の上層部に形成されており、例えばアルミニウム(Al)やホウ素(B)などのp型不純物が拡散した炭化珪素(SiC)からなるp型半導体領域(第2導電型の半導体領域)である。p型ボディコンタクト領域15の不純物濃度は、p型ボディ領域13の不純物濃度よりも高濃度であり、例えば1×1018〜1×1021cm−3程度とすることができる。また、p型ボディコンタクト領域15の厚さを、例えば100〜500nm程度とすることができる。 The p + -type body contact region 15 is formed in the upper layer portion of the p-type body region 13 and is, for example, p-type made of silicon carbide (SiC) in which p-type impurities such as aluminum (Al) and boron (B) are diffused. This is a semiconductor region (second conductivity type semiconductor region). The impurity concentration of the p + -type body contact region 15 is higher than the impurity concentration of the p-type body region 13 and can be, for example, about 1 × 10 18 to 1 × 10 21 cm −3 . Further, the thickness of the p + -type body contact region 15 can be set to about 100 to 500 nm, for example.

型エピタキシャル層12の上層部であって、隣り合う2つのp型ボディ領域13に挟まれた領域はJFET(Junction Field Effect Transistor)領域16である。また、p型ボディ領域13の上層部であって、n型ソース領域14とJFET領域16とに挟まれた部分、すなわち、n型ソース領域14とn型エピタキシャル層12とに挟まれた部分は、チャネル領域17である。 A region above the n -type epitaxial layer 12 and sandwiched between two adjacent p-type body regions 13 is a JFET (Junction Field Effect Transistor) region 16. Further, the upper layer portion of the p-type body region 13 is sandwiched between the n + -type source region 14 and the JFET region 16, that is, sandwiched between the n + -type source region 14 and the n -type epitaxial layer 12. This portion is the channel region 17.

第1ゲート絶縁膜18は、p型ボディ領域13の上層部であって、n型ソース領域14とn型エピタキシャル層12とに挟まれた部分の上面、すなわち、チャネル領域17の上面に、形成された絶縁膜である。第1ゲート絶縁膜18は、例えば酸化シリコン(SiO)、酸窒化シリコン(SiON)、酸化アルミニウム(Al)または酸化ハフニウム(HfO)などからなり、例えば熱酸化法やCVD(Chemical Vapor Deposition)法などにより形成されている。また、第1ゲート絶縁膜18の厚さを、例えば数十nm程度とすることができる。 The first gate insulating film 18 is an upper layer portion of the p-type body region 13 and is formed on the upper surface of the portion sandwiched between the n + -type source region 14 and the n -type epitaxial layer 12, that is, on the upper surface of the channel region 17. The formed insulating film. The first gate insulating film 18 is made of, for example, silicon oxide (SiO 2 ), silicon oxynitride (SiON), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), hafnium oxide (HfO 2 ), or the like, for example, thermal oxidation or CVD (Chemical Vapor Deposition) method or the like. Further, the thickness of the first gate insulating film 18 can be set to, for example, about several tens of nm.

第1ゲート電極19は、第1ゲート絶縁膜18上に形成された電極である。また、第1ゲート電極19は、p型ボディ領域13の上層部であって、n型ソース領域14とn型エピタキシャル層12とに挟まれた部分の上面、すなわち、チャネル領域17の上面に、第1ゲート絶縁膜18を介して形成された電極である。第1ゲート電極19は、例えばポリシリコンなどからなり、例えばCVD法などにより形成された導電膜である。 The first gate electrode 19 is an electrode formed on the first gate insulating film 18. The first gate electrode 19 is an upper layer portion of the p-type body region 13 and is an upper surface of a portion sandwiched between the n + -type source region 14 and the n -type epitaxial layer 12, that is, an upper surface of the channel region 17. And an electrode formed through the first gate insulating film 18. The first gate electrode 19 is a conductive film made of, for example, polysilicon and formed by, for example, a CVD method.

ソース電極20は、n型ソース領域14の上面に形成された電極である。ソース電極20として、例えばチタン(Ti)やアルミニウム(Al)などからなる導電膜を用いることができる。このような導電膜を用いることで、ソース電極20とn型ソース領域14とを、低抵抗で電気的に接続することができる。 The source electrode 20 is an electrode formed on the upper surface of the n + type source region 14. As the source electrode 20, for example, a conductive film made of titanium (Ti), aluminum (Al), or the like can be used. By using such a conductive film, the source electrode 20 and the n + -type source region 14 can be electrically connected with low resistance.

第2ゲート絶縁膜21は、p型ボディコンタクト領域15の上面に形成された絶縁膜である。第2ゲート絶縁膜21は、例えば酸化シリコン(SiO)、酸窒化シリコン(SiON)、酸化アルミニウム(Al)、または、例えば酸化ハフニウム(HfO)などの高誘電率材料からなり、例えば熱酸化法やCVD法などにより形成されている。また、第2ゲート絶縁膜21の厚さを、例えば数十nm程度とすることができる。 The second gate insulating film 21 is an insulating film formed on the upper surface of the p + type body contact region 15. The second gate insulating film 21 is made of a high dielectric constant material such as silicon oxide (SiO 2 ), silicon oxynitride (SiON), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), or hafnium oxide (HfO 2 ), for example. For example, it is formed by a thermal oxidation method or a CVD method. Further, the thickness of the second gate insulating film 21 can be set to, for example, about several tens of nm.

第2ゲート電極22は、第2ゲート絶縁膜21上に形成された電極である。また、第2ゲート電極22は、p型ボディコンタクト領域15の上面に第2ゲート絶縁膜21を介して形成された電極である。第2ゲート電極22は、例えばポリシリコンなどからなり、例えばCVD法などにより形成された導電膜である。 The second gate electrode 22 is an electrode formed on the second gate insulating film 21. The second gate electrode 22 is an electrode formed on the upper surface of the p + type body contact region 15 via the second gate insulating film 21. The second gate electrode 22 is a conductive film made of, for example, polysilicon and formed by, for example, a CVD method.

本実施の形態1では、図2に示すように、第2ゲート電極22は、第1ゲート電極19と電気的に接続されている。なお、第2ゲート電極22は、図1に示す断面よりも奥側(または手前側)の位置で、第1ゲート電極19と接続されている。   In the first embodiment, as shown in FIG. 2, the second gate electrode 22 is electrically connected to the first gate electrode 19. The second gate electrode 22 is connected to the first gate electrode 19 at a position on the back side (or near side) of the cross section shown in FIG.

第1ゲート電極19上および第2ゲート電極22上には、層間絶縁膜23が形成されており、層間絶縁膜23上には、ソース電極20が形成されている。ソース電極20のうち層間絶縁膜23上の部分と、第1ゲート電極19および第2ゲート電極22のうち層間絶縁膜23に覆われた部分とは、直接接していない。層間絶縁膜23の材料として、例えばPSG(Phospho Silicate Glass)または酸化シリコンなどを用いることができる。   An interlayer insulating film 23 is formed on the first gate electrode 19 and the second gate electrode 22, and a source electrode 20 is formed on the interlayer insulating film 23. A portion of the source electrode 20 on the interlayer insulating film 23 is not in direct contact with a portion of the first gate electrode 19 and the second gate electrode 22 that is covered with the interlayer insulating film 23. As a material of the interlayer insulating film 23, for example, PSG (Phospho Silicate Glass) or silicon oxide can be used.

層間絶縁膜23には、n型ソース領域14上の領域に、ソースコンタクト孔(開口部)24が形成されている。ソースコンタクト孔(開口部)24の底面には、n型ソース領域14の上面が露出している。ソース電極20は、層間絶縁膜23上に、および、ソースコンタクト孔(開口部)24の底面および内壁を覆うように、形成されている。このような構造により、ソース電極20は、層間絶縁膜23に形成されたソースコンタクト孔(開口部)24を介して、n型ソース領域14と電気的に接続されている。 In the interlayer insulating film 23, a source contact hole (opening) 24 is formed in a region on the n + type source region 14. On the bottom surface of the source contact hole (opening) 24, the upper surface of the n + -type source region 14 is exposed. The source electrode 20 is formed on the interlayer insulating film 23 so as to cover the bottom and inner walls of the source contact hole (opening) 24. With such a structure, the source electrode 20 is electrically connected to the n + type source region 14 through the source contact hole (opening) 24 formed in the interlayer insulating film 23.

<半導体装置の動作>
続いて、本実施の形態1の半導体装置である縦型MISFET50の動作について説明する。
<Operation of semiconductor device>
Next, the operation of the vertical MISFET 50 that is the semiconductor device of the first embodiment will be described.

図3は、図1において、縦型MISFETがオン状態のときに電子が流れる経路を模式的に示した図である。   FIG. 3 is a diagram schematically showing a path through which electrons flow when the vertical MISFET is in the ON state in FIG.

本実施の形態1の半導体装置である縦型MISFET50をオン状態にするオン動作においては、第1ゲート電極19に、ソース電極20に対して正のゲート電圧VGS(VGS>0V)を印加する。このとき、p型ボディ領域13の上層部であって、n型ソース領域14とn型エピタキシャル層12とに挟まれた部分、すなわち、チャネル領域17には、反転層が形成される。したがって、電子は、図3に経路をPS1として示すように、ソース電極20から、n型ソース領域14、チャネル領域17に形成された反転層、n型エピタキシャル層12、および、n型SiC基板10を通して、ドレイン電極11に流れる。すなわち、電流は、ドレイン電極11から、n型SiC基板10、n型エピタキシャル層12、チャネル領域17に形成された反転層、および、n型ソース領域14を通して、ソース電極20に流れる。 In the on operation for turning on the vertical MISFET 50 which is the semiconductor device of the first embodiment, a positive gate voltage VGS (VGS> 0 V) is applied to the source electrode 20 to the first gate electrode 19. At this time, an inversion layer is formed in the upper layer portion of the p-type body region 13 and the portion sandwiched between the n + -type source region 14 and the n -type epitaxial layer 12, that is, the channel region 17. Therefore, as shown in FIG. 3, the path is indicated by PS < b> 1 from the source electrode 20, the n + type source region 14, the inversion layer formed in the channel region 17, the n type epitaxial layer 12, and the n + type. It flows to the drain electrode 11 through the SiC substrate 10. That is, the current flows from the drain electrode 11 to the source electrode 20 through the n + type SiC substrate 10, the n type epitaxial layer 12, the inversion layer formed in the channel region 17, and the n + type source region 14.

一方、縦型MISFET50をオフ状態にするオフ動作においては、第1ゲート電極19に、ソース電極20に対して負または零のゲート電圧VGS(VGS≦0V)を印加する。このとき、チャネル領域17に形成されていた反転層を消滅させることで、電流が遮断される。   On the other hand, in the off operation for turning off the vertical MISFET 50, a negative or zero gate voltage VGS (VGS ≦ 0 V) is applied to the first gate electrode 19 with respect to the source electrode 20. At this time, the current is interrupted by eliminating the inversion layer formed in the channel region 17.

本実施の形態1では、p型ボディコンタクト領域15の上面に、第2ゲート絶縁膜21を介して第2ゲート電極22が形成されている。また、第2ゲート電極22は、第1ゲート電極19と電気的に接続されている。したがって、オン動作の際に、第1ゲート電極19に、ソース電極20に対して正のゲート電圧VGS(VGS>0V)を印加することで、第2ゲート電極22にも、ソース電極20に対して正のゲート電圧VGSを印加することになる。第2ゲート電極22に正のゲート電圧VGSを印加することで、第2ゲート絶縁膜21およびp型ボディコンタクト領域15を介して、p型ボディ領域13の電位を変調することができる。そのため、オン抵抗の低減と、確実なノーマリオフの動作とを両立させることができる。 In the first embodiment, the second gate electrode 22 is formed on the upper surface of the p + type body contact region 15 via the second gate insulating film 21. The second gate electrode 22 is electrically connected to the first gate electrode 19. Therefore, when the ON operation is performed, a positive gate voltage VGS (VGS> 0 V) is applied to the first gate electrode 19 with respect to the source electrode 20, so that the second gate electrode 22 is also applied to the source electrode 20. Thus, the positive gate voltage VGS is applied. By applying a positive gate voltage VGS to the second gate electrode 22, the potential of the p-type body region 13 can be modulated via the second gate insulating film 21 and the p + -type body contact region 15. Therefore, it is possible to achieve both reduction of on-resistance and reliable normally-off operation.

<半導体装置の製造工程>
次に、本実施の形態1の半導体装置の製造工程の例を、図面を参照して説明する。図4〜図14は、実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
<Manufacturing process of semiconductor device>
Next, an example of a manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment will be described with reference to the drawings. 4 to 14 are main-portion cross-sectional views during the manufacturing process of the semiconductor device of First Embodiment.

まず、n型SiC基板10を用意する。 First, an n + type SiC substrate 10 is prepared.

このn型SiC基板10を用意する工程では、図4に示すように、例えば窒素(N)やリン(P)などのn型不純物を導入した炭化珪素(SiC)からなるn型SiC基板10を用意する。前述したように、n型SiC基板10の不純物濃度は、比較的高濃度であり、例えば1×1018〜1×1021cm−3程度とすることができる。また、n型SiC基板10の厚さを、例えば50〜500μm程度とすることができる。 In the step of preparing the n + type SiC substrate 10, as shown in FIG. 4, for example, an n + type SiC substrate made of silicon carbide (SiC) into which an n type impurity such as nitrogen (N) or phosphorus (P) is introduced. 10 is prepared. As described above, the impurity concentration of the n + -type SiC substrate 10 is relatively high, and can be, for example, about 1 × 10 18 to 1 × 10 21 cm −3 . Moreover, the thickness of the n + -type SiC substrate 10 can be set to, for example, about 50 to 500 μm.

次いで、n型エピタキシャル層12を形成する。 Next, the n type epitaxial layer 12 is formed.

このn型エピタキシャル層12を形成する工程では、図5に示すように、n型SiC基板10の上面に、エピタキシャル成長法によりn型エピタキシャル層12を形成する。具体的には、例えばSi原子含有ガス(SiHガス)、Cl原子含有ガス(HClガス)、C原子含有ガス(Cガス)および還元ガス(Hガス)等を用い、基板温度を例えば1500〜1800℃程度にすることで、炭化珪素(SiC)からなるn型エピタキシャル層12を形成する。 The n - in the step of forming a type epitaxial layer 12, as shown in FIG. 5, the upper surface of the n + -type SiC substrate 10, n by epitaxial growth - -type epitaxial layer 12. Specifically, for example, a Si atom-containing gas (SiH 4 gas), a Cl atom-containing gas (HCl gas), a C atom-containing gas (C 3 H 8 gas), a reducing gas (H 2 gas), or the like is used. By setting the temperature to, for example, about 1500 to 1800 ° C., the n type epitaxial layer 12 made of silicon carbide (SiC) is formed.

型エピタキシャル層12には、例えば窒素(N)、リン(P)または砒素(As)などのn型不純物が導入される。前述したように、n型エピタキシャル層12の不純物濃度を、例えば1×1014〜1×1017cm−3程度とすることができ、n型エピタキシャル層12の厚さを、例えば5〜50μm程度とすることができる。 An n-type impurity such as nitrogen (N), phosphorus (P), or arsenic (As) is introduced into the n -type epitaxial layer 12. As described above, n - impurity concentration type epitaxial layer 12, for example, be a 1 × 10 14 ~1 × 10 17 cm -3 approximately, n - the thickness of the type epitaxial layer 12, for example 5 It can be about 50 μm.

次いで、p型ボディ領域13を形成する。   Next, the p-type body region 13 is formed.

このp型ボディ領域13を形成する工程では、n型エピタキシャル層12上にレジスト膜R1を塗布する。そして、塗布されたレジスト膜R1に対してフォトリソグラフィ技術を用いて露光・現像処理を施すことにより、図6に示すように、レジスト膜R1をパターニングする。レジスト膜R1のパターニングは、n型エピタキシャル層12のうち、p型ボディ領域13が形成される領域が露出するように行われる。そして、パターニングされたレジスト膜R1をマスクにしたイオン注入法により、n型エピタキシャル層12に例えばアルミニウム(Al)やホウ素(B)などのp型不純物を導入する。これにより、n型エピタキシャル層12の上層部に、p型ボディ領域13が形成される。p型ボディ領域13の不純物濃度については、前述したように、例えば1×1016〜1×1018cm−3程度とすることができる。また、p型ボディ領域13の厚さを、例えば1〜2μm程度とすることができる。 In the step of forming the p-type body region 13, a resist film R 1 is applied on the n -type epitaxial layer 12. Then, the resist film R1 is subjected to exposure / development processing using a photolithography technique to pattern the resist film R1 as shown in FIG. The patterning of the resist film R1 is performed so that the region where the p-type body region 13 is formed in the n -type epitaxial layer 12 is exposed. Then, a p-type impurity such as aluminum (Al) or boron (B) is introduced into the n -type epitaxial layer 12 by an ion implantation method using the patterned resist film R1 as a mask. Thereby, p-type body region 13 is formed in the upper layer portion of n -type epitaxial layer 12. As described above, the impurity concentration of the p-type body region 13 can be, for example, about 1 × 10 16 to 1 × 10 18 cm −3 . Further, the thickness of the p-type body region 13 can be set to, for example, about 1 to 2 μm.

なお、p型ボディ領域13を形成する工程については、その工程の後、例えば1700℃程度で熱処理を行い、注入した不純物を活性化させることができる。   In addition, about the process of forming the p-type body area | region 13, it can heat-process, for example at about 1700 degreeC after the process, and can implant | stimulate the implanted impurity.

次いで、n型ソース領域14を形成する。 Next, the n + type source region 14 is formed.

このn型ソース領域14を形成する工程では、パターニングされたレジスト膜R1を除去した後、n型エピタキシャル層12上にレジスト膜R2を塗布する。そして、塗布されたレジスト膜R2に対してフォトリソグラフィ技術を用いて露光・現像処理を施すことにより、図7に示すように、レジスト膜R2をパターニングする。レジスト膜R2のパターニングは、p型ボディ領域13のうち、n型ソース領域14が形成される領域が露出するように行われる。そして、パターニングされたレジスト膜R2をマスクにしたイオン注入法により、p型ボディ領域13に例えば窒素(N)やリン(P)などのn型不純物を導入する。これにより、p型ボディ領域13の上層部に、n型ソース領域14が形成される。n型ソース領域14の不純物濃度については、前述したように、例えば1×1018〜1×1021cm−3程度とすることができる。また、n型ソース領域14の厚さを、例えば100〜500nm程度とすることができる。 In the step of forming the n + type source region 14, after removing the patterned resist film R 1, a resist film R 2 is applied on the n type epitaxial layer 12. Then, the resist film R2 is subjected to exposure / development processing using a photolithography technique to pattern the resist film R2 as shown in FIG. The patterning of the resist film R2 is performed so that the region where the n + -type source region 14 is formed in the p-type body region 13 is exposed. Then, an n-type impurity such as nitrogen (N) or phosphorus (P) is introduced into the p-type body region 13 by an ion implantation method using the patterned resist film R2 as a mask. As a result, an n + type source region 14 is formed in the upper layer portion of the p type body region 13. As described above, the impurity concentration of the n + -type source region 14 can be, for example, about 1 × 10 18 to 1 × 10 21 cm −3 . Further, the thickness of the n + -type source region 14 can be set to about 100 to 500 nm, for example.

次いで、p型ボディコンタクト領域15を形成する。 Next, a p + type body contact region 15 is formed.

このp型ボディコンタクト領域15を形成する工程では、パターニングされたレジスト膜R2を除去した後、n型エピタキシャル層12上にレジスト膜R3を塗布する。そして、塗布されたレジスト膜R3に対してフォトリソグラフィ技術を用いて露光・現像処理を施すことにより、図8に示すように、レジスト膜R3をパターニングする。レジスト膜R3のパターニングは、p型ボディ領域13またはn型ソース領域14のうち、p型ボディコンタクト領域15が形成される領域が露出するように行われる。そして、パターニングされたレジスト膜R3をマスクにしたイオン注入法により、p型ボディ領域13またはn型ソース領域14に、例えばアルミニウム(Al)やホウ素(B)からなるp型不純物を導入する。これにより、p型ボディ領域13の上層部に、p型ボディコンタクト領域15が形成される。p型ボディコンタクト領域15の不純物濃度については、前述したように、例えば1×1018〜1×1021cm−3程度とすることができる。また、p型ボディコンタクト領域15の厚さを、例えば100〜500nm程度とすることができる。 In the step of forming the p + type body contact region 15, after removing the patterned resist film R 2, a resist film R 3 is applied on the n type epitaxial layer 12. Then, the resist film R3 is subjected to exposure / development processing using a photolithography technique to pattern the resist film R3 as shown in FIG. The patterning of the resist film R3 is performed so that a region where the p + type body contact region 15 is formed in the p type body region 13 or the n + type source region 14 is exposed. Then, a p-type impurity made of, for example, aluminum (Al) or boron (B) is introduced into the p-type body region 13 or the n + -type source region 14 by ion implantation using the patterned resist film R3 as a mask. As a result, the p + type body contact region 15 is formed in the upper layer portion of the p type body region 13. As described above, the impurity concentration of the p + -type body contact region 15 can be, for example, about 1 × 10 18 to 1 × 10 21 cm −3 . Further, the thickness of the p + -type body contact region 15 can be set to about 100 to 500 nm, for example.

なお、n型ソース領域14およびp型ボディコンタクト領域15を形成する工程については、上記した順番で行う場合に限られず、適切にパターニングされたレジスト膜をマスクに用いるものであれば、いずれの順番で行ってもよい。また、n型ソース領域14およびp型ボディコンタクト領域15を形成する工程については、各工程の後、または、全ての工程が終わった後、例えば1700℃程度で熱処理を行い、注入した不純物を活性化させることができる。 Note that the step of forming the n + -type source region 14 and the p + -type body contact region 15 is not limited to the above-described order, and any process can be used as long as a resist film that is appropriately patterned is used as a mask. You may carry out in order. In addition, with respect to the process of forming the n + -type source region 14 and the p + -type body contact region 15, after each process or after all the processes are completed, a heat treatment is performed at, for example, about 1700 ° C. Can be activated.

次いで、絶縁膜31を形成する。   Next, the insulating film 31 is formed.

この絶縁膜31を形成する工程では、図9に示すように、n型エピタキシャル層12上に、すなわち、p型ボディ領域13、n型ソース領域14およびp型ボディコンタクト領域15が形成されたn型エピタキシャル層12の上面に、絶縁膜31を形成する。絶縁膜31は、例えば酸化シリコン(SiO)、酸窒化シリコン(SiON)、酸化アルミニウム(Al)または酸化ハフニウム(HfO)などからなり、例えば熱酸化法やCVD法により形成することができる。また、絶縁膜31の厚さを、例えば数十nm程度とすることができる。 In the step of forming the insulating film 31, as shown in FIG. 9, the p-type body region 13, the n + -type source region 14 and the p + -type body contact region 15 are formed on the n -type epitaxial layer 12. An insulating film 31 is formed on the upper surface of the n -type epitaxial layer 12. The insulating film 31 is made of, for example, silicon oxide (SiO 2 ), silicon oxynitride (SiON), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), or hafnium oxide (HfO 2 ), and is formed by, for example, a thermal oxidation method or a CVD method. Can do. Further, the thickness of the insulating film 31 can be set to, for example, about several tens of nm.

なお、このとき、図9に示すように、絶縁膜31は、n型ソース領域14およびp型ボディコンタクト領域15の上面に形成される。また、絶縁膜31は、p型ボディ領域13のうちn型ソース領域14およびp型ボディコンタクト領域15のいずれも形成されていない部分の上面に形成される。さらに、絶縁膜31は、n型エピタキシャル層12のうちp型ボディ領域13、n型ソース領域14およびp型ボディコンタクト領域15のいずれも形成されていない部分の上面に形成される。 At this time, as shown in FIG. 9, the insulating film 31 is formed on the upper surfaces of the n + -type source region 14 and the p + -type body contact region 15. The insulating film 31 is formed on the upper surface of the p-type body region 13 where neither the n + -type source region 14 nor the p + -type body contact region 15 is formed. Furthermore, the insulating film 31 is formed on the upper surface of the n type epitaxial layer 12 where none of the p type body region 13, the n + type source region 14 and the p + type body contact region 15 is formed.

次いで、導電膜32を形成する。   Next, the conductive film 32 is formed.

この導電膜32を形成する工程では、図10に示すように、絶縁膜31上に導電膜32を形成する。導電膜32は、例えばリン(P)や砒素(As)などのn型不純物が高濃度で拡散したポリシリコンなどからなり、例えばCVD法などにより形成することができる。   In the step of forming the conductive film 32, the conductive film 32 is formed on the insulating film 31, as shown in FIG. The conductive film 32 is made of polysilicon or the like in which an n-type impurity such as phosphorus (P) or arsenic (As) is diffused at a high concentration, and can be formed by, for example, a CVD method.

次いで、第1ゲート絶縁膜18、第1ゲート電極19、第2ゲート絶縁膜21および第2ゲート電極22を形成する。   Next, the first gate insulating film 18, the first gate electrode 19, the second gate insulating film 21, and the second gate electrode 22 are formed.

この第1ゲート絶縁膜18、第1ゲート電極19、第2ゲート絶縁膜21および第2ゲート電極22を形成する工程では、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術により、導電膜32および絶縁膜31を加工(パターニング)する。例えばフォトリソグラフィ技術によりパターニングされたレジスト膜をマスクにしたドライエッチング技術により加工(パターニング)することで、図11に示すように、第1ゲート絶縁膜18、第1ゲート電極19、第2ゲート絶縁膜21および第2ゲート電極22を形成する。第1ゲート絶縁膜18および第2ゲート絶縁膜21は、絶縁膜31(図10参照)からなり、第1ゲート電極19および第2ゲート電極22は、導電膜32(図10参照)からなる。   In the step of forming the first gate insulating film 18, the first gate electrode 19, the second gate insulating film 21 and the second gate electrode 22, the conductive film 32 and the insulating film 31 are processed by a photolithography technique and a dry etching technique. (Patterning). For example, the first gate insulating film 18, the first gate electrode 19, and the second gate insulating film are processed (patterned) by a dry etching technique using a resist film patterned by a photolithography technique as a mask, as shown in FIG. A film 21 and a second gate electrode 22 are formed. The first gate insulating film 18 and the second gate insulating film 21 are made of an insulating film 31 (see FIG. 10), and the first gate electrode 19 and the second gate electrode 22 are made of a conductive film 32 (see FIG. 10).

このとき、形成されるレジスト膜のパターンについては、第1ゲート絶縁膜18および第1ゲート電極19を形成するためのライン部のパターンが、p型ボディ領域13の上層部であって、n型ソース領域14とn型エピタキシャル層12とに挟まれた部分上に形成されたものとする。また、形成されるレジスト膜のパターンについては、第2ゲート絶縁膜21および第2ゲート電極22を形成するためのライン部のパターンが、p型ボディコンタクト領域15上に形成されたものとする。これにより、第2ゲート絶縁膜21および第2ゲート電極22を、第1ゲート絶縁膜18および第1ゲート電極19と同時に形成することができ、工程を簡略化することができる。このとき、第1ゲート絶縁膜18と第2ゲート絶縁膜21は、同じ材料からなり、同じ厚さを有する。また、第1ゲート電極19と第2ゲート電極22とは、同じ材料からなり、同じ厚さを有する。 At this time, regarding the pattern of the resist film to be formed, the pattern of the line part for forming the first gate insulating film 18 and the first gate electrode 19 is the upper layer part of the p-type body region 13, and n + It is assumed that it is formed on a portion sandwiched between the type source region 14 and the n type epitaxial layer 12. As for the pattern of the resist film to be formed, it is assumed that the pattern of the line portion for forming the second gate insulating film 21 and the second gate electrode 22 is formed on the p + type body contact region 15. . Thereby, the second gate insulating film 21 and the second gate electrode 22 can be formed simultaneously with the first gate insulating film 18 and the first gate electrode 19, and the process can be simplified. At this time, the first gate insulating film 18 and the second gate insulating film 21 are made of the same material and have the same thickness. The first gate electrode 19 and the second gate electrode 22 are made of the same material and have the same thickness.

上記した工程を行うことにより、p型ボディ領域13の上面に、第1ゲート絶縁膜18を介して第1ゲート電極19が形成される。そして、p型ボディ領域13の上層部であって、n型ソース領域14とJFET領域16とに挟まれた部分、すなわち、n型ソース領域14とn型エピタキシャル層12とに挟まれた部分が、チャネル領域17となる。また、n型エピタキシャル層12の上層部であって、隣り合う2つのp型ボディ領域13に挟まれた領域は、JFET領域16となる。 By performing the above-described steps, a first gate electrode 19 is formed on the upper surface of the p-type body region 13 via the first gate insulating film 18. The upper layer portion of the p-type body region 13 is sandwiched between the n + -type source region 14 and the JFET region 16, that is, between the n + -type source region 14 and the n -type epitaxial layer 12. This portion becomes the channel region 17. In addition, a region sandwiched between two adjacent p-type body regions 13 in the upper layer portion of the n -type epitaxial layer 12 becomes a JFET region 16.

また、上記した工程を行うことにより、p型ボディコンタクト領域15の上面に、第2ゲート絶縁膜21を介して第2ゲート電極22が形成される。 Further, by performing the above-described steps, the second gate electrode 22 is formed on the upper surface of the p + type body contact region 15 with the second gate insulating film 21 interposed therebetween.

なお、第1ゲート絶縁膜18および第1ゲート電極19を形成した後に、第2ゲート絶縁膜21および第2ゲート電極22を形成することもできる。このときは、最初に、絶縁膜31および導電膜32を加工(パターニング)することで、第1ゲート絶縁膜18および第1ゲート電極19を形成する。次いで、絶縁膜31および導電膜32とは、それぞれ材料や厚さが異なる絶縁膜および導電膜を形成し、形成した導電膜および絶縁膜を加工(パターニング)することで、第2ゲート絶縁膜21および第2ゲート電極22を形成する。   Note that the second gate insulating film 21 and the second gate electrode 22 can be formed after the first gate insulating film 18 and the first gate electrode 19 are formed. At this time, first, the first gate insulating film 18 and the first gate electrode 19 are formed by processing (patterning) the insulating film 31 and the conductive film 32. Next, the insulating film 31 and the conductive film 32 are formed of an insulating film and a conductive film having different materials and thicknesses, respectively, and the formed conductive film and the insulating film are processed (patterned), whereby the second gate insulating film 21 is formed. Then, the second gate electrode 22 is formed.

次いで、層間絶縁膜23を形成する。   Next, an interlayer insulating film 23 is formed.

この層間絶縁膜23を形成する工程では、図12に示すように、n型エピタキシャル層12上に、すなわち、第1ゲート絶縁膜18、第1ゲート電極19、第2ゲート絶縁膜21および第2ゲート電極22が形成されたn型エピタキシャル層12の上面に、層間絶縁膜23を形成する。層間絶縁膜23として、例えば酸化シリコン膜を用いることができ、例えばCVD法により形成することができる。 In the step of forming the interlayer insulating film 23, as shown in FIG. 12, the first gate insulating film 18, the first gate electrode 19, the second gate insulating film 21 and the second gate insulating film 21 are formed on the n type epitaxial layer 12. An interlayer insulating film 23 is formed on the upper surface of the n type epitaxial layer 12 on which the two-gate electrode 22 is formed. For example, a silicon oxide film can be used as the interlayer insulating film 23 and can be formed by, for example, a CVD method.

次いで、ソースコンタクト孔(開口部)24を形成する。   Next, a source contact hole (opening) 24 is formed.

このソースコンタクト孔(開口部)24を形成する工程では、図13に示すように、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用することにより、層間絶縁膜23にソースコンタクト孔(開口部)24を形成する。ソースコンタクト孔(開口部)24は、n型ソース領域14上の領域に形成される。ソースコンタクト孔(開口部)24の底面には、n型ソース領域14の上面が露出する。 In the step of forming the source contact hole (opening) 24, as shown in FIG. 13, the source contact hole (opening) 24 is formed in the interlayer insulating film 23 by using a photolithography technique and an etching technique. . The source contact hole (opening) 24 is formed in a region on the n + type source region 14. The upper surface of the n + -type source region 14 is exposed at the bottom surface of the source contact hole (opening) 24.

次いで、ソース電極20を形成する。   Next, the source electrode 20 is formed.

このソース電極20を形成する工程では、図14に示すように、層間絶縁膜23上に、および、ソースコンタクト孔(開口部)24の底面および内壁を覆うように、例えばアルミニウム(Al)などからなる導電膜を、例えば蒸着法やスパッタ法などにより堆積することで、ソース電極20を形成する。   In the step of forming the source electrode 20, as shown in FIG. 14, for example, from aluminum (Al) or the like so as to cover the interlayer insulating film 23 and the bottom and inner walls of the source contact hole (opening) 24. A source electrode 20 is formed by depositing a conductive film to be formed by, for example, vapor deposition or sputtering.

次いで、ドレイン電極11を形成する。   Next, the drain electrode 11 is formed.

このドレイン電極11を形成する工程では、n型SiC基板10の下面に、例えばチタン(Ti)と金(Au)とを積層した導電膜を、例えば蒸着法またはスパッタ法などにより堆積することで、ドレイン電極11を形成する。これにより、図1に示したような、縦型MISFET50を製造することができる。 In the step of forming the drain electrode 11, a conductive film in which, for example, titanium (Ti) and gold (Au) are stacked is deposited on the lower surface of the n + -type SiC substrate 10 by, for example, vapor deposition or sputtering. The drain electrode 11 is formed. Thereby, the vertical MISFET 50 as shown in FIG. 1 can be manufactured.

なお、図1では図示を省略するが、ドレイン電極11を形成した後、縦型MISFET50の上面および下面にパッシベーション膜を形成することができる。次いで、形成されたパッシベーション膜のうち、ドレイン電極11、第1ゲート電極19、ソース電極20および第2ゲート電極22の各電極を外部と電気的に接続するためのパッド領域となる部分に開口部を形成することができる。   Although not shown in FIG. 1, after forming the drain electrode 11, a passivation film can be formed on the upper and lower surfaces of the vertical MISFET 50. Next, an opening is formed in a portion of the formed passivation film that becomes a pad region for electrically connecting the drain electrode 11, the first gate electrode 19, the source electrode 20, and the second gate electrode 22 to the outside. Can be formed.

<縦型MISFETにおけるオン抵抗と閾値電圧について>
続いて、縦型MISFETにおけるオン抵抗と閾値電圧の関係について、比較例1の半導体装置と比較しながら説明する。
<On-resistance and threshold voltage in vertical MISFET>
Next, the relationship between the on-resistance and the threshold voltage in the vertical MISFET will be described in comparison with the semiconductor device of Comparative Example 1.

図15は、比較例1の半導体装置の要部断面図である。図16は、図15において、縦型MISFETがオン状態のときに電子が流れる経路を模式的に示した図である。   FIG. 15 is a cross-sectional view of main parts of the semiconductor device of Comparative Example 1. FIG. 16 is a diagram schematically showing a path through which electrons flow when the vertical MISFET is in the ON state in FIG.

図15において、比較例1の半導体装置である縦型MISFET150のn型SiC基板10、ドレイン電極11、n型エピタキシャル層12は、それぞれ上記縦型MISFET50のn型SiC基板10、ドレイン電極11、n型エピタキシャル層12に相当するものである(図1参照)。また、縦型MISFET150のp型ボディ領域13、n型ソース領域14、p型ボディコンタクト領域15は、それぞれ上記縦型MISFET50のp型ボディ領域13、n型ソース領域14、p型ボディコンタクト領域15に相当するものである(図1参照)。また、縦型MISFET150のJFET領域16、チャネル領域17は、それぞれ上記縦型MISFET50のJFET領域16、チャネル領域17に相当するものである(図1参照)。また、縦型MISFET150の第1ゲート絶縁膜18、第1ゲート電極19、ソース電極20、層間絶縁膜23は、それぞれ上記縦型MISFET50の第1ゲート絶縁膜18、第1ゲート電極19、ソース電極20、層間絶縁膜23に相当するものである(図1参照)。 In FIG. 15, the n + type SiC substrate 10 and drain electrode 11 of the vertical MISFET 150, which is the semiconductor device of Comparative Example 1, and the n type epitaxial layer 12 are the n + type SiC substrate 10 and drain electrode of the vertical MISFET 50, respectively. 11, which corresponds to the n type epitaxial layer 12 (see FIG. 1). Further, the p-type body region 13, the n + -type source region 14 and the p + -type body contact region 15 of the vertical MISFET 150 are respectively the p-type body region 13, the n + -type source region 14 and the p + -type of the vertical MISFET 50. This corresponds to the body contact region 15 (see FIG. 1). The JFET region 16 and the channel region 17 of the vertical MISFET 150 correspond to the JFET region 16 and the channel region 17 of the vertical MISFET 50, respectively (see FIG. 1). The first gate insulating film 18, the first gate electrode 19, the source electrode 20, and the interlayer insulating film 23 of the vertical MISFET 150 are respectively the first gate insulating film 18, the first gate electrode 19, and the source electrode of the vertical MISFET 50. 20 corresponds to the interlayer insulating film 23 (see FIG. 1).

しかし、比較例1の半導体装置である縦型MISFET150には、上記縦型MISFET50に形成されていた第2ゲート絶縁膜21(図1参照)および第2ゲート電極22(図1参照)が形成されていない。   However, in the vertical MISFET 150 which is the semiconductor device of Comparative Example 1, the second gate insulating film 21 (see FIG. 1) and the second gate electrode 22 (see FIG. 1) formed in the vertical MISFET 50 are formed. Not.

また、縦型MISFET150では、層間絶縁膜23には、n型ソース領域14上およびp型ボディコンタクト領域15上の領域に、ソースコンタクト孔(開口部)24が形成されている。ソースコンタクト孔(開口部)24の底面には、n型ソース領域14の上面およびp型ボディコンタクト領域15の上面が露出している。ソース電極20は、層間絶縁膜23上およびソースコンタクト孔(開口部)24の底面および内壁を覆うように形成されている。また、このような構造により、ソース電極20は、層間絶縁膜23に形成されたソースコンタクト孔(開口部)24を介して、n型ソース領域14およびp型ボディコンタクト領域15と電気的に接続されている。 In the vertical MISFET 150, source contact holes (openings) 24 are formed in the interlayer insulating film 23 in regions on the n + type source region 14 and the p + type body contact region 15. On the bottom surface of the source contact hole (opening) 24, the upper surface of the n + -type source region 14 and the upper surface of the p + -type body contact region 15 are exposed. The source electrode 20 is formed so as to cover the interlayer insulating film 23 and the bottom and inner walls of the source contact hole (opening) 24. With such a structure, the source electrode 20 is electrically connected to the n + -type source region 14 and the p + -type body contact region 15 via the source contact hole (opening) 24 formed in the interlayer insulating film 23. It is connected to the.

比較例1の半導体装置である縦型MISFET150をオン状態にするオン動作においては、第1ゲート電極19に、ソース電極20に対して正のゲート電圧VGS(VGS>0V)を印加する。   In the on operation for turning on the vertical MISFET 150 that is the semiconductor device of Comparative Example 1, a positive gate voltage VGS (VGS> 0 V) is applied to the first gate electrode 19 with respect to the source electrode 20.

このとき、n型ソース領域14とn型エピタキシャル層12とに挟まれた部分、すなわち、チャネル領域17には、反転層が形成される。したがって、電子は、図16に経路をPS2として示すように、ソース電極20から、n型ソース領域14、チャネル領域17に形成された反転層、n型エピタキシャル層12、および、n型SiC基板10を通して、ドレイン電極11に流れる。すなわち、電流は、ドレイン電極11から、n型SiC基板10、n型エピタキシャル層12、チャネル領域17に形成された反転層、および、n型ソース領域14を通して、ソース電極20に流れる。 At this time, an inversion layer is formed in a portion sandwiched between the n + -type source region 14 and the n -type epitaxial layer 12, that is, in the channel region 17. Therefore, as shown in FIG. 16 with the path indicated by PS2, electrons are supplied from the source electrode 20 to the n + -type source region 14, the inversion layer formed in the channel region 17, the n -type epitaxial layer 12, and the n + -type. It flows to the drain electrode 11 through the SiC substrate 10. That is, the current flows from the drain electrode 11 to the source electrode 20 through the n + type SiC substrate 10, the n type epitaxial layer 12, the inversion layer formed in the channel region 17, and the n + type source region 14.

一方、縦型MISFET150をオフ状態にするオフ動作においては、第1ゲート電極19に、ソース電極20に対して負または零のゲート電圧VGS(VGS≦0V)を印加する。このとき、チャネル領域17に形成されていた反転層を消滅させることで、電流が遮断される。   On the other hand, in the off operation for turning off the vertical MISFET 150, a negative or zero gate voltage VGS (VGS ≦ 0 V) is applied to the first gate electrode 19 with respect to the source electrode 20. At this time, the current is interrupted by eliminating the inversion layer formed in the channel region 17.

ここで、本実施の形態1の縦型MISFET50を実施例1とする。このとき、比較例1の縦型MISFET150と、実施例1の縦型MISFET50のそれぞれについて、オン状態において、伝導帯エネルギーおよび電子移動度の、チャネル領域17の表面からの深さに対する依存性を、シミュレーションにより計算した。伝導帯エネルギーおよび電子移動度について得られたシミュレーションの結果を、それぞれ図17および図18に示す。   Here, the vertical MISFET 50 of the first embodiment is referred to as Example 1. At this time, for each of the vertical MISFET 150 of Comparative Example 1 and the vertical MISFET 50 of Example 1, the dependence of the conduction band energy and the electron mobility on the depth from the surface of the channel region 17 in the on state is Calculated by simulation. The simulation results obtained for the conduction band energy and the electron mobility are shown in FIGS. 17 and 18, respectively.

図17および図18では、比較例1の縦型MISFET150についての結果を点線で示し、実施例1の縦型MISFET50についての結果を実線で示している。また、図17および図18では、縦軸は、それぞれ伝導帯エネルギー、電子移動度を表し、横軸は、ともにチャネル領域17の表面からの深さを表している。ここで、チャネル領域17の表面とは、チャネル領域17と第1ゲート絶縁膜18との界面を意味するものとする。そして、チャネル領域17の表面、すなわち、チャネル領域17と第1ゲート絶縁膜18との界面において、深さを0とする。   In FIGS. 17 and 18, the result for the vertical MISFET 150 of Comparative Example 1 is indicated by a dotted line, and the result for the vertical MISFET 50 of Example 1 is indicated by a solid line. In FIGS. 17 and 18, the vertical axis represents conduction band energy and electron mobility, respectively, and the horizontal axis represents the depth from the surface of the channel region 17. Here, the surface of the channel region 17 means the interface between the channel region 17 and the first gate insulating film 18. The depth is set to 0 at the surface of the channel region 17, that is, at the interface between the channel region 17 and the first gate insulating film 18.

図17の点線に示すように、比較例1の縦型MISFET150がオン状態のときは、チャネル領域17の表面からの深さが所定の値以上の領域(図17に示す例では深さが0.15μm程度以上の領域)では、深さに関わらず伝導帯エネルギーは略一定である。また、チャネル領域17の表面からの深さが所定の値未満の領域(図17に示す例では深さが0.15μm程度未満の領域)では、深さが小さくなるほど伝導帯エネルギーが低下し、伝導帯エネルギーに比較的大きな勾配が発生する。これは、第1ゲート電極19に印加されたゲート電圧VGS(VGS>0V)により、p型ボディ領域13の上層部であるチャネル領域17のうち、第1ゲート絶縁膜18との界面近傍の部分に、キャリアとなる電子が蓄積した反転層が形成されることに相当する。   As shown by the dotted line in FIG. 17, when the vertical MISFET 150 of Comparative Example 1 is in the on state, the depth from the surface of the channel region 17 is a predetermined value or more (the depth is 0 in the example shown in FIG. 17). In a region of about .15 μm), the conduction band energy is substantially constant regardless of the depth. In addition, in the region where the depth from the surface of the channel region 17 is less than a predetermined value (in the example shown in FIG. 17, the depth is less than about 0.15 μm), the conduction band energy decreases as the depth decreases, A relatively large gradient occurs in the conduction band energy. This is due to the gate voltage VGS (VGS> 0V) applied to the first gate electrode 19 in the channel region 17 that is the upper layer portion of the p-type body region 13 and in the vicinity of the interface with the first gate insulating film 18. This corresponds to the formation of an inversion layer in which electrons serving as carriers are accumulated.

その結果、図18の点線に示すように、比較例1の縦型MISFET150がオン状態のときは、チャネル領域17を流れる電子の電子移動度の分布は、チャネル領域17のうち第1ゲート絶縁膜18との界面近傍の部分に集中し、深さ方向にあまり広がらないことが分かる。すなわち、比較例1の縦型MISFET150がオン状態のときは、チャネル領域17を流れる電子の深さ方向の分布は、チャネル領域17のうち第1ゲート絶縁膜18との界面近傍の部分に集中し、深さ方向にあまり広がらない。   As a result, as shown by the dotted line in FIG. 18, when the vertical MISFET 150 of Comparative Example 1 is in the on state, the electron mobility distribution of the electrons flowing through the channel region 17 is the first gate insulating film in the channel region 17. It can be seen that it concentrates in the vicinity of the interface with No. 18 and does not spread so much in the depth direction. That is, when the vertical MISFET 150 of Comparative Example 1 is in the on state, the distribution of electrons flowing in the channel region 17 in the depth direction is concentrated in a portion of the channel region 17 near the interface with the first gate insulating film 18. It does not spread much in the depth direction.

ところがSiCからなる縦型MISFETにおいては、チャネル領域のうちゲート絶縁膜との界面近傍の部分に、多量の界面準位が存在するというSiC特有の問題がある。そのため、比較例1の縦型MISFET150においては、チャネル領域17を流れる電子が、界面準位に捕獲または散乱されることで電子移動度(移動度)が低下し、オン抵抗が増加してしまうという問題がある。   However, in the vertical MISFET made of SiC, there is a problem peculiar to SiC in that a large amount of interface states exist in the vicinity of the interface with the gate insulating film in the channel region. For this reason, in the vertical MISFET 150 of Comparative Example 1, electrons flowing through the channel region 17 are trapped or scattered by the interface states, thereby reducing the electron mobility (mobility) and increasing the on-resistance. There's a problem.

このようなオン抵抗の増加の問題を解決し、さらにオン抵抗を低減するために、チャネル領域のうちゲート絶縁膜との界面近傍の部分にn型不純物を注入(カウンター注入)する埋め込みチャネル技術を用いることも考えられる。しかし、埋め込みチャネル技術を用い、カウンター注入を行うことで、チャネル領域のうちゲート絶縁膜との界面近傍の部分におけるp型不純物の不純物濃度が低下するため、縦型MISFETの閾値電圧が低下する。その結果、ゲート電極に正のゲート電圧を印加しないときも反転層が形成されやすくなり、ゲート電極に正のゲート電圧を印加しないときに電流を遮断する動作、いわゆるノーマリオフ動作を確実に行うことが困難になるという問題がある。   In order to solve such a problem of increasing the on-resistance and further reduce the on-resistance, a buried channel technique in which an n-type impurity is implanted (counter implantation) in a portion of the channel region in the vicinity of the interface with the gate insulating film. It can also be used. However, by performing the counter implantation using the buried channel technique, the impurity concentration of the p-type impurity in the channel region in the vicinity of the interface with the gate insulating film is lowered, so that the threshold voltage of the vertical MISFET is lowered. As a result, an inversion layer is easily formed even when a positive gate voltage is not applied to the gate electrode, and an operation of interrupting current when a positive gate voltage is not applied to the gate electrode, that is, a so-called normally-off operation can be reliably performed. There is a problem that it becomes difficult.

また、比較例1の縦型MISFET150がオフ状態のときであっても、ドレイン電極11に高い電圧が印加されたときに、その高い電圧によりチャネル領域17に電流が流れてしまい、いわゆるパンチスルー耐性が低下するという問題がある。   Even when the vertical MISFET 150 of the comparative example 1 is in the OFF state, when a high voltage is applied to the drain electrode 11, a current flows through the channel region 17 due to the high voltage, so-called punch-through resistance. There is a problem that decreases.

さらに、比較例1の縦型MISFET150において、ドレイン電極11に、ソース電極20に対して負の電圧VDS(VDS<0V)を印加した場合に、p型ボディ領域13とn型エピタキシャル層12とで構成されたpnダイオードに順方向のバイアス(電圧)が印加されることとなる。そのため、第1ゲート電極19に、ソース電極20に対して負のゲート電圧VGS(VGS<0V)を印加してチャネル領域17を流れる電流を遮断していても、ソース電極20からp型ボディコンタクト領域15を通してドレイン電極11に電流が流れてしまうという問題がある。 Furthermore, in the vertical MISFET 150 of Comparative Example 1, when a negative voltage VDS (VDS <0 V) is applied to the drain electrode 11 with respect to the source electrode 20, the p-type body region 13 and the n -type epitaxial layer 12 A forward bias (voltage) is applied to the pn diode constituted by Therefore, even if a negative gate voltage VGS (VGS <0 V) is applied to the first gate electrode 19 with respect to the source electrode 20 to cut off the current flowing through the channel region 17, the p + -type body is removed from the source electrode 20. There is a problem that current flows through the contact region 15 to the drain electrode 11.

<本実施の形態の主要な特徴と効果>
一方、本実施の形態1(実施例1)の半導体装置である縦型MISFET50(図1参照)では、p型ボディコンタクト領域15の上面に、第2ゲート絶縁膜21を介して第2ゲート電極22が形成されている。
<Main features and effects of the present embodiment>
On the other hand, in the vertical MISFET 50 (see FIG. 1) which is the semiconductor device of the first embodiment (Example 1), the second gate is formed on the upper surface of the p + -type body contact region 15 via the second gate insulating film 21. An electrode 22 is formed.

また、縦型MISFET50では、層間絶縁膜23には、n型ソース領域14上の領域にソースコンタクト孔(開口部)24が形成されている。ソースコンタクト孔(開口部)24の底面には、n型ソース領域14の上面が露出している。ソース電極20は、層間絶縁膜23上に、および、ソースコンタクト孔(開口部)24の底面および内壁を覆うように、形成されている。このような構造により、ソース電極20は、層間絶縁膜23に形成されたソースコンタクト孔(開口部)24を介して、n型ソース領域14と電気的に接続されている。 In the vertical MISFET 50, a source contact hole (opening) 24 is formed in a region on the n + -type source region 14 in the interlayer insulating film 23. On the bottom surface of the source contact hole (opening) 24, the upper surface of the n + -type source region 14 is exposed. The source electrode 20 is formed on the interlayer insulating film 23 so as to cover the bottom and inner walls of the source contact hole (opening) 24. With such a structure, the source electrode 20 is electrically connected to the n + type source region 14 through the source contact hole (opening) 24 formed in the interlayer insulating film 23.

図17の実線に示すように、本実施の形態1(実施例1)の縦型MISFET50がオン状態のときも、チャネル領域17の表面からの深さが所定の値以上の領域(図17に示す例では深さが0.1μm程度以上の領域)では、深さに関わらず伝導帯エネルギーは略一定である。また、チャネル領域17の表面からの深さが所定の値未満の領域(図17に示す例では深さが0.1μm程度未満のとき)では、深さが小さくなるほど伝導帯エネルギーが低下し、伝導帯エネルギーに勾配が発生する。これは、第1ゲート電極19に印加されたゲート電圧VGS(VGS>0V)により、p型ボディ領域13の上層部であるチャネル領域17のうち、第1ゲート絶縁膜18との界面近傍の部分に、キャリアとなる電子が蓄積した反転層が形成されることに相当する。   As shown by the solid line in FIG. 17, even when the vertical MISFET 50 of the first embodiment (Example 1) is in the ON state, the depth from the surface of the channel region 17 is a region having a predetermined value or more (see FIG. 17). In the example shown, in the region where the depth is about 0.1 μm or more), the conduction band energy is substantially constant regardless of the depth. In the region where the depth from the surface of the channel region 17 is less than a predetermined value (in the example shown in FIG. 17, when the depth is less than about 0.1 μm), the conduction band energy decreases as the depth decreases, A gradient occurs in the conduction band energy. This is due to the gate voltage VGS (VGS> 0V) applied to the first gate electrode 19 in the channel region 17 that is the upper layer portion of the p-type body region 13 and in the vicinity of the interface with the first gate insulating film 18. This corresponds to the formation of an inversion layer in which electrons serving as carriers are accumulated.

しかし、本実施の形態1(実施例1)の縦型MISFET50がオン状態のときは、第1ゲート電極19と電気的に接続されている第2ゲート電極22にも、ソース電極20に対して正のゲート電圧VGS(VGS>0V)を印加することになる。第2ゲート電極22にゲート電圧を印加することで、第2ゲート絶縁膜21およびp型ボディコンタクト領域15を介して、p型ボディ領域13の電位、特にp型ボディ領域13の上層部であるチャネル領域17のうち、第1ゲート絶縁膜18との界面から少し離れた部分における電位が変調される。そのため、本実施の形態1(実施例1)の縦型MISFET50がオン状態のときは、比較例1の縦型MISFET150がオン状態のときに比べ、特にチャネル領域17の表面からの深さが所定の値以上の領域(図17に示す例では深さが0.1μm程度以上の領域)で、伝導帯エネルギーが大幅に引き下げられる(変調される)。 However, when the vertical MISFET 50 of the first embodiment (Example 1) is in the on state, the second gate electrode 22 electrically connected to the first gate electrode 19 is also connected to the source electrode 20. A positive gate voltage VGS (VGS> 0 V) is applied. By applying a gate voltage to the second gate electrode 22, the potential of the p-type body region 13, particularly the upper layer portion of the p-type body region 13, via the second gate insulating film 21 and the p + -type body contact region 15. In a certain channel region 17, the potential is modulated at a portion slightly away from the interface with the first gate insulating film 18. Therefore, when the vertical MISFET 50 of the first embodiment (Example 1) is in the on state, the depth from the surface of the channel region 17 is particularly predetermined compared to when the vertical MISFET 150 of the comparative example 1 is in the on state. The conduction band energy is greatly reduced (modulated) in a region equal to or greater than the value (in the example shown in FIG. 17, a region having a depth of about 0.1 μm or more).

その結果、本実施の形態1(実施例1)において、チャネル領域17の表面からの深さが所定の値未満の領域(図17に示す例では深さが0.1μm程度未満の領域)で伝導帯エネルギーに発生する勾配は、比較例1において伝導帯エネルギーに発生する勾配に比べて小さい。   As a result, in the first embodiment (Example 1), the depth from the surface of the channel region 17 is less than a predetermined value (in the example shown in FIG. 17, the depth is less than about 0.1 μm). The gradient generated in the conduction band energy is smaller than the gradient generated in the conduction band energy in Comparative Example 1.

また、図18の実線に示すように、本実施の形態1(実施例1)の縦型MISFET50がオン状態のときは、チャネル領域17を流れる電子の電子移動度の分布は、チャネル領域17のうち第1ゲート絶縁膜18との界面近傍の部分には集中しないことが分かる。すなわち、本実施の形態1(実施例1)の縦型MISFET50がオン状態のときは、チャネル領域17を流れる電子の深さ方向の分布は、比較例1の縦型MISFET150がオン状態のときに比べ、チャネル領域17の深さ方向に広がる。そのため、本実施の形態1の縦型MISFET50においては、比較例1の縦型MISFET150に比べ、チャネル領域17を流れる電子が、界面準位に捕獲または散乱されにくくなり、電子移動度(移動度)が低下しにくくなるため、オン抵抗を低減することができる。   As shown by the solid line in FIG. 18, when the vertical MISFET 50 of the first embodiment (Example 1) is in the on state, the electron mobility distribution of electrons flowing through the channel region 17 is It can be seen that the concentration is not concentrated in the vicinity of the interface with the first gate insulating film 18. That is, when the vertical MISFET 50 of the first embodiment (Example 1) is in the on state, the distribution of electrons flowing in the channel region 17 in the depth direction is as follows when the vertical MISFET 150 of the comparative example 1 is in the on state. In comparison, the channel region 17 extends in the depth direction. Therefore, in the vertical MISFET 50 according to the first embodiment, electrons flowing through the channel region 17 are less likely to be captured or scattered by the interface state as compared with the vertical MISFET 150 of the comparative example 1, and the electron mobility (mobility). Is less likely to decrease, and the on-resistance can be reduced.

したがって、オン抵抗を低減するために、埋め込みチャネル技術を用いる必要がないため、縦型MISFETの閾値電圧が低下するおそれがなく、オン抵抗の低減と、確実なノーマリオフの動作とを両立させることができる。   Therefore, since it is not necessary to use a buried channel technique in order to reduce the on-resistance, there is no possibility that the threshold voltage of the vertical MISFET is lowered, and it is possible to achieve both the reduction of the on-resistance and the reliable normally-off operation. it can.

また、上記したようなチャネル領域17における伝導帯エネルギーの引き下げ(変調)の効果、および、チャネル領域17を流れる電子の電子移動度の分布を深さ方向に広げる効果を考慮した上で、p型ボディ領域13の不純物濃度がより高濃度になるように、構造を設計することも可能である。p型ボディ領域13の不純物濃度をより高濃度にすることで、本実施の形態1の縦型MISFET50のオン抵抗を増加させることなく、閾値電圧が高くなるように、構造を設計することができる。   In consideration of the effect of lowering (modulating) the conduction band energy in the channel region 17 and the effect of expanding the electron mobility distribution of electrons flowing through the channel region 17 in the depth direction, the p-type is considered. It is also possible to design the structure so that the impurity concentration of the body region 13 is higher. By making the impurity concentration of the p-type body region 13 higher, the structure can be designed such that the threshold voltage is increased without increasing the on-resistance of the vertical MISFET 50 of the first embodiment. .

また、本実施の形態1の縦型MISFET50をオフ状態にするオフ動作においては、第1ゲート電極19に、ソース電極20に対して負または零のゲート電圧VGS(VGS≦0V)を印加する。このとき、第1ゲート電極19に電気的に接続された第2ゲート電極22にも、第1ゲート電極19と等しいゲート電圧VGS(VGS≦0V)が印加されることになる。そして、縦型MISFET50がオフ状態のときは、チャネル領域17の伝導帯エネルギーは、比較例1のMISFET150がオフ状態のときに比べて引き上げられる(変調される)。したがって、チャネル領域17を流れる電流の遮断性が高くなり、ドレイン電極11に高い電圧が印加されたときに、その高い電圧によりチャネル領域17に電流が流れることを防止でき、パンチスルー耐性を向上させることができる。   In the off operation for turning off the vertical MISFET 50 of the first embodiment, a negative or zero gate voltage VGS (VGS ≦ 0 V) is applied to the source electrode 20 to the first gate electrode 19. At this time, the gate voltage VGS (VGS ≦ 0V) equal to the first gate electrode 19 is also applied to the second gate electrode 22 electrically connected to the first gate electrode 19. When the vertical MISFET 50 is in the off state, the conduction band energy of the channel region 17 is raised (modulated) compared to when the MISFET 150 of the comparative example 1 is in the off state. Therefore, the current flowing through the channel region 17 is highly blocked, and when a high voltage is applied to the drain electrode 11, it is possible to prevent the current from flowing through the channel region 17 due to the high voltage, thereby improving punch-through resistance. be able to.

上記したように、本実施の形態1の縦型MISFET50においては、第2ゲート電極22にゲート電圧を印加し、p型ボディ領域13の電位を変調することで、チャネル領域17を流れる電流の制御性が高くなる。そのため、縦型MISFETのオン状態とオフ状態とを切り替えるスイッチング動作をさらに高速化することができる。あるいは、ゲート電圧の切り替え幅(振幅)をより小さくした場合でも確実に縦型MISFETを制御することができる。   As described above, in the vertical MISFET 50 of the first embodiment, the gate voltage is applied to the second gate electrode 22 and the potential of the p-type body region 13 is modulated to control the current flowing through the channel region 17. Increases nature. Therefore, the switching operation for switching between the on state and the off state of the vertical MISFET can be further accelerated. Alternatively, the vertical MISFET can be reliably controlled even when the gate voltage switching width (amplitude) is further reduced.

さらに、本実施の形態1の縦型MISFET50では、ソース電極20とp型ボディコンタクト領域15が直接接していない。このため、ドレイン電極11に、ソース電極20に対して負の電圧VDS(VDS<0V)を印加した場合にも、ソース電極20からp型ボディコンタクト領域15を通してドレイン電極11に電流が流れることを防止または抑制することができる。 Furthermore, in the vertical MISFET 50 of the first embodiment, the source electrode 20 and the p + type body contact region 15 are not in direct contact. For this reason, even when a negative voltage VDS (VDS <0 V) is applied to the drain electrode 11 with respect to the source electrode 20, a current flows from the source electrode 20 to the drain electrode 11 through the p + -type body contact region 15. Can be prevented or suppressed.

<実施の形態1の第1変形例>
図19は、実施の形態1の第1変形例の半導体装置の要部断面図である。
<First Modification of First Embodiment>
FIG. 19 is a main-portion cross-sectional view of the semiconductor device of the first modification example of the first embodiment.

実施の形態1では、第2ゲート電極22が、p型ボディコンタクト領域15の上面に、第2ゲート絶縁膜21を介して形成されている例について説明した。しかし、実施の形態1は、第2ゲート電極22が、p型ボディコンタクト領域15の上面に、第2ゲート絶縁膜21を介して形成されている場合には限定されない。したがって、第2ゲート電極22が、p型ボディコンタクト領域15の上面に、直接形成されていてもよい。このような構造を有する縦型MISFET50aを、実施の形態1の第1変形例として、図19に示す。 In the first embodiment, the example in which the second gate electrode 22 is formed on the upper surface of the p + type body contact region 15 via the second gate insulating film 21 has been described. However, the first embodiment is not limited to the case where the second gate electrode 22 is formed on the upper surface of the p + type body contact region 15 via the second gate insulating film 21. Therefore, the second gate electrode 22 may be directly formed on the upper surface of the p + type body contact region 15. FIG. 19 shows a vertical MISFET 50a having such a structure as a first modification of the first embodiment.

第2ゲート電極22が、p型ボディコンタクト領域15の上面に直接形成されていること、および、第2ゲート絶縁膜21(図1参照)が形成されていないことを除き、図19に示す縦型MISFET50aは、図1に示す縦型MISFET50の構造と同様の構造を有している。 The second gate electrode 22 is shown in FIG. 19 except that the second gate electrode 22 is formed directly on the upper surface of the p + -type body contact region 15 and the second gate insulating film 21 (see FIG. 1) is not formed. The vertical MISFET 50a has the same structure as that of the vertical MISFET 50 shown in FIG.

このように、第2ゲート電極22がp型ボディコンタクト領域15の上面に直接形成されている場合でも、第2ゲート電極22にゲート電圧を印加することで、p型ボディコンタクト領域15を介して、p型ボディ領域13の電位を変調することができる。そのため、オン抵抗の低減と、確実なノーマリオフの動作とを両立させることができる。 As described above, even when the second gate electrode 22 is formed directly on the upper surface of the p + -type body contact region 15, the gate voltage is applied to the second gate electrode 22, whereby the p + -type body contact region 15 is formed. Thus, the potential of the p-type body region 13 can be modulated. Therefore, it is possible to achieve both reduction of on-resistance and reliable normally-off operation.

<実施の形態1の第2変形例>
図20は、実施の形態1の第2変形例の半導体装置の上面図である。なお、図20においては、理解を簡単にするために、ソース電極20(図1参照)および層間絶縁膜23(図1参照)を除去した(透視した)状態を図示している。また、図20においては、理解を簡単にするために、n型エピタキシャル層12、p型ボディ領域13、n型ソース領域14のうち、第1ゲート電極19または第2ゲート電極22に覆われた部分を破線により図示している。さらに、図20においては、理解を簡単にするために、層間絶縁膜23(図1参照)に形成されたソースコンタクト孔(開口部)24の底面の外周を二点鎖線により図示している。
<Second Modification of First Embodiment>
FIG. 20 is a top view of the semiconductor device of the second modification example of the first embodiment. Note that FIG. 20 illustrates a state in which the source electrode 20 (see FIG. 1) and the interlayer insulating film 23 (see FIG. 1) are removed (see through) for easy understanding. In FIG. 20, for easy understanding, the first gate electrode 19 or the second gate electrode 22 of the n type epitaxial layer 12, the p type body region 13, and the n + type source region 14 is covered. The broken portion is shown by a broken line. Further, in FIG. 20, for easy understanding, the outer periphery of the bottom surface of the source contact hole (opening) 24 formed in the interlayer insulating film 23 (see FIG. 1) is illustrated by a two-dot chain line.

実施の形態1では、第2ゲート電極22が第1ゲート電極19と電気的に接続されている例について説明した。しかし、実施の形態1は、第2ゲート電極22が第1ゲート電極19と電気的に接続されている場合には限定されない。したがって、第2ゲート電極22が第1ゲート電極19と電気的に接続されておらず、各々に印加されるゲート電圧が独立して制御されるものであってもよい。このような構造を有する縦型MISFET50bを、実施の形態1の第2変形例として、図20に示す。   In the first embodiment, the example in which the second gate electrode 22 is electrically connected to the first gate electrode 19 has been described. However, the first embodiment is not limited to the case where the second gate electrode 22 is electrically connected to the first gate electrode 19. Therefore, the second gate electrode 22 may not be electrically connected to the first gate electrode 19, and the gate voltage applied to each may be controlled independently. A vertical MISFET 50b having such a structure is shown in FIG. 20 as a second modification of the first embodiment.

第1ゲート電極19と第2ゲート電極22が電気的に接続されておらず、各々に印加されるゲート電圧が独立して制御されることを除き、図20に示す縦型MISFET50bは、図1に示す縦型MISFET50の構造と同様の構造を有している。   The vertical MISFET 50b shown in FIG. 20 is the same as that shown in FIG. 1 except that the first gate electrode 19 and the second gate electrode 22 are not electrically connected and the gate voltage applied to each is controlled independently. The structure is the same as that of the vertical MISFET 50 shown in FIG.

なお、図示を省略するが、各第1ゲート電極19は、ソースコンタクト孔(開口部)24とは別に層間絶縁膜23に形成されたコンタクト孔(開口部)の底面に露出しており、そのコンタクト孔(開口部)に形成された導電膜を介して、互いに電気的に接続されている。また、各第2ゲート電極22についても同様である。   Although not shown, each first gate electrode 19 is exposed on the bottom surface of a contact hole (opening) formed in the interlayer insulating film 23 separately from the source contact hole (opening) 24. They are electrically connected to each other through a conductive film formed in the contact hole (opening). The same applies to each second gate electrode 22.

このように、第2ゲート電極22が第1ゲート電極19と電気的に接続されていない場合でも、第2ゲート電極22にゲート電圧を印加することで、第2ゲート絶縁膜21およびp型ボディコンタクト領域15を介して、p型ボディ領域13の電位を変調することができる。そのため、オン抵抗の低減と、確実なノーマリオフの動作とを両立させることができる。また、第2ゲート電極22に印加されるゲート電圧を、第1ゲート電極19に印加されるゲート電圧と独立して制御することができる。そのため、例えば第2ゲート電極22に第1ゲート電極19に印加されるゲート電圧よりも高いゲート電圧を印加することにより、さらなるオン抵抗の低減を実現することができる。 As described above, even when the second gate electrode 22 is not electrically connected to the first gate electrode 19, by applying a gate voltage to the second gate electrode 22, the second gate insulating film 21 and the p + type are applied. The potential of the p-type body region 13 can be modulated via the body contact region 15. Therefore, it is possible to achieve both reduction of on-resistance and reliable normally-off operation. In addition, the gate voltage applied to the second gate electrode 22 can be controlled independently of the gate voltage applied to the first gate electrode 19. Therefore, for example, by applying a gate voltage higher than the gate voltage applied to the first gate electrode 19 to the second gate electrode 22, a further reduction in on-resistance can be realized.

また、好適には、各第2ゲート電極22に印加されるゲート電圧を個別に調整することができる。例えば一対の第1ゲート電極19と第2ゲート電極22を含む素子を複数並列に配置して動作させる場合には、各素子の製造後における特性がばらついていると、均一に動作しないおそれがある。しかし、各素子の特性にばらつきが存在する場合でも、各素子に含まれる第2ゲート電極22に印加されるゲート電圧を個別に調整することで、製造後にばらついていた各素子の特性を、電気的に均一に揃えることができる。さらに、各素子に対して、配線レイアウトや各素子の発熱状態の違いに対応して、第2ゲート電極22に印加されるゲート電圧を個別に調整することにより、半導体装置としての特性をさらに向上させることができる。   Preferably, the gate voltage applied to each second gate electrode 22 can be individually adjusted. For example, when a plurality of elements including a pair of the first gate electrode 19 and the second gate electrode 22 are arranged and operated in operation, there is a possibility that the elements do not operate uniformly if the characteristics after the manufacture of each element vary. . However, even when there is variation in the characteristics of each element, the characteristics of each element that has been varied after manufacture can be obtained by adjusting the gate voltage applied to the second gate electrode 22 included in each element individually. Can be evenly aligned. Furthermore, the characteristics as a semiconductor device are further improved by individually adjusting the gate voltage applied to the second gate electrode 22 corresponding to the difference in the wiring layout and the heat generation state of each element. Can be made.

(実施の形態2)
<半導体装置>
次に、本発明の実施の形態2の半導体装置について説明する。前述した実施の形態1では、第1ゲート絶縁膜および第1ゲート電極がn型エピタキシャル層の上面に形成されている。それに対して、実施の形態2では、第1ゲート絶縁膜および第1ゲート電極がn型エピタキシャル層に形成されたトレンチ(溝部)の内部に形成されている。
(Embodiment 2)
<Semiconductor device>
Next, a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described. In the first embodiment described above, the first gate insulating film and the first gate electrode are formed on the upper surface of the n type epitaxial layer. On the other hand, in the second embodiment, the first gate insulating film and the first gate electrode are formed inside a trench (groove) formed in the n type epitaxial layer.

図21は、実施の形態2の半導体装置の要部断面図である。   FIG. 21 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of Second Embodiment.

図21に示すように、本実施の形態2の半導体装置である縦型MISFET50cは、実施の形態1の半導体装置である縦型MISFET50と同様の構造を有する。すなわち、縦型MISFET50cは、縦型MISFET50と同様に、n型SiC基板10、ドレイン電極11、n型エピタキシャル層12、p型ボディ領域13、n型ソース領域14およびp型ボディコンタクト領域15を有する。また、縦型MISFET50cは、縦型MISFET50と同様に、ソース電極20、第2ゲート絶縁膜21および第2ゲート電極22を有する。 As shown in FIG. 21, the vertical MISFET 50c that is the semiconductor device of the second embodiment has the same structure as the vertical MISFET 50 that is the semiconductor device of the first embodiment. That is, the vertical MISFET 50 c is similar to the vertical MISFET 50 in that the n + type SiC substrate 10, the drain electrode 11, the n type epitaxial layer 12, the p type body region 13, the n + type source region 14, and the p + type body contact. It has a region 15. Similarly to the vertical MISFET 50, the vertical MISFET 50c includes the source electrode 20, the second gate insulating film 21, and the second gate electrode 22.

ただし、本実施の形態2の半導体装置である縦型MISFET50cでは、実施の形態1の半導体装置である縦型MISFET50と異なり、n型エピタキシャル層12の上層部にトレンチ(溝部)25が形成されている。 However, in the vertical MISFET 50c which is the semiconductor device of the second embodiment, unlike the vertical MISFET 50 which is the semiconductor device of the first embodiment, a trench (groove portion) 25 is formed in the upper layer portion of the n -type epitaxial layer 12. ing.

トレンチ(溝部)25は、p型ボディ領域13、n型ソース領域14を貫通するように形成されており、トレンチ(溝部)25の内壁には、p型ボディ領域13の側面およびn型ソース領域14の側面が露出している。トレンチ(溝部)25の内壁には、第1ゲート絶縁膜18cが形成されている。すなわち、第1ゲート絶縁膜18cは、トレンチ(溝部)25の内壁に露出したp型ボディ領域13の側面およびn型ソース領域14の側面に形成されている。また、内壁に第1ゲート絶縁膜18cが形成されたトレンチ(溝部)25を埋め込むように、第1ゲート電極19cが形成されている。すなわち、第1ゲート電極19cは、トレンチ(溝部)25の内壁に露出したp型ボディ領域13の側面およびn型ソース領域14の側面に、第1ゲート絶縁膜18cを介して形成されている。 The trench (groove) 25 is formed so as to penetrate the p-type body region 13 and the n + -type source region 14, and the inner wall of the trench (groove) 25 has side surfaces of the p-type body region 13 and the n + -type. The side surface of the source region 14 is exposed. A first gate insulating film 18 c is formed on the inner wall of the trench (groove part) 25. That is, the first gate insulating film 18 c is formed on the side surface of the p-type body region 13 and the side surface of the n + -type source region 14 exposed on the inner wall of the trench (groove part) 25. In addition, a first gate electrode 19c is formed so as to fill a trench (groove portion) 25 in which the first gate insulating film 18c is formed on the inner wall. That is, the first gate electrode 19 c is formed on the side surface of the p-type body region 13 and the side surface of the n + -type source region 14 exposed on the inner wall of the trench (groove) 25 via the first gate insulating film 18 c. .

さらに、本実施の形態2の半導体装置である縦型MISFET50cには、実施の形態1の半導体装置である縦型MISFET50と異なり、n型エピタキシャル層12の上層部であって、隣り合う2つのp型ボディ領域13に挟まれた領域が存在しない。したがって、本実施の形態2の半導体装置である縦型MISFET50cは、JFET領域16(図1参照)を有しない。また、本実施の形態2では、チャネル領域17cは、p型ボディ領域13のうちトレンチ(溝部)25の内壁に露出した側面部であって、n型ソース領域14とn型エピタキシャル層12とに挟まれた部分である。 Further, unlike the vertical MISFET 50 which is the semiconductor device of the first embodiment, the vertical MISFET 50c which is the semiconductor device of the second embodiment is an upper layer portion of the n type epitaxial layer 12 and includes two adjacent MISFETs 50c. There is no region sandwiched between the p-type body regions 13. Therefore, the vertical MISFET 50c, which is the semiconductor device of the second embodiment, does not have the JFET region 16 (see FIG. 1). In the second embodiment, the channel region 17 c is a side surface portion exposed on the inner wall of the trench (groove portion) 25 in the p-type body region 13, and includes the n + -type source region 14 and the n -type epitaxial layer 12. It is the part sandwiched between.

<半導体装置の動作>
続いて、本実施の形態2の半導体装置である縦型MISFET50cの動作について説明する。
<Operation of semiconductor device>
Next, the operation of the vertical MISFET 50c that is the semiconductor device of the second embodiment will be described.

図22は、図21において、縦型MISFETがオン状態のときに電子が流れる経路を模式的に示した図である。   FIG. 22 is a diagram schematically showing a path through which electrons flow when the vertical MISFET is in the ON state in FIG.

本実施の形態2の半導体装置である縦型MISFET50cをオン状態にするオン動作においても、実施の形態1と同様に、第1ゲート電極19cに、ソース電極20に対して正のゲート電圧VGS(VGS>0V)を印加する。このとき、p型ボディ領域13のうちトレンチ(溝部)25に露出した側面部であって、n型ソース領域14とn型エピタキシャル層12とに挟まれた部分、すなわち、チャネル領域17cには、反転層が形成される。したがって、電子は、図22に経路をPS3として示すように、ソース電極20から、n型ソース領域14、チャネル領域17cに形成された反転層、n型エピタキシャル層12、および、n型SiC基板10を通して、ドレイン電極11に流れる。すなわち、電流は、ドレイン電極11から、n型SiC基板10、n型エピタキシャル層12、チャネル領域17cに形成された反転層、および、n型ソース領域14を通して、ソース電極20に流れる。 Also in the on operation for turning on the vertical MISFET 50c, which is the semiconductor device of the second embodiment, the positive gate voltage VGS (with respect to the source electrode 20) is applied to the first gate electrode 19c as in the first embodiment. VGS> 0V) is applied. At this time, in the p-type body region 13, the side surface portion exposed to the trench (groove portion) 25, the portion sandwiched between the n + -type source region 14 and the n -type epitaxial layer 12, that is, the channel region 17 c. An inversion layer is formed. Therefore, as shown by the path PS3 in FIG. 22, electrons pass from the source electrode 20 to the n + type source region 14, the inversion layer formed in the channel region 17c, the n type epitaxial layer 12, and the n + type. It flows to the drain electrode 11 through the SiC substrate 10. That is, current flows from the drain electrode 11 to the source electrode 20 through the n + type SiC substrate 10, the n type epitaxial layer 12, the inversion layer formed in the channel region 17 c, and the n + type source region 14.

また、縦型MISFET50cをオフ状態にするオフ動作においても、実施の形態1と同様に、第1ゲート電極19cに、ソース電極20に対して負または零のゲート電圧VGS(VGS≦0V)を印加する。このとき、チャネル領域17cに形成されていた反転層を消滅させることで、電流が遮断される。   Further, also in the off operation for turning off the vertical MISFET 50c, a negative or zero gate voltage VGS (VGS ≦ 0V) is applied to the first gate electrode 19c with respect to the source electrode 20, as in the first embodiment. To do. At this time, the current is interrupted by eliminating the inversion layer formed in the channel region 17c.

本実施の形態2でも、実施の形態1と同様に、p型ボディコンタクト領域15の上面に、第2ゲート絶縁膜21を介して第2ゲート電極22が形成されている。また、第2ゲート電極22は、第1ゲート電極19cと電気的に接続されている。したがって、オン動作の際に、第1ゲート電極19cに、ソース電極20に対して正のゲート電圧VGS(VGS>0V)を印加することで、第2ゲート電極22にも、ソース電極20に対して正のゲート電圧VGS(VGS>0V)を印加することになる。第2ゲート電極22にゲート電圧を印加することで、第2ゲート絶縁膜21およびp型ボディコンタクト領域15を介して、p型ボディ領域13の電位を変調することができる。そのため、オン抵抗の低減と、確実なノーマリオフの動作とを両立させることができる。 Also in the second embodiment, as in the first embodiment, the second gate electrode 22 is formed on the upper surface of the p + -type body contact region 15 with the second gate insulating film 21 interposed therebetween. The second gate electrode 22 is electrically connected to the first gate electrode 19c. Therefore, in the ON operation, by applying a positive gate voltage VGS (VGS> 0 V) to the source electrode 20 to the first gate electrode 19 c, the second gate electrode 22 and the source electrode 20 are also applied. Thus, a positive gate voltage VGS (VGS> 0 V) is applied. By applying a gate voltage to the second gate electrode 22, the potential of the p-type body region 13 can be modulated via the second gate insulating film 21 and the p + -type body contact region 15. Therefore, it is possible to achieve both reduction of on-resistance and reliable normally-off operation.

一方、本実施の形態2の半導体装置(縦型MISFET50c)は、実施の形態1の半導体装置(縦型MISFET50)に形成されていたJFET領域16(図1参照)を有しない。縦型MISFET50では、オン状態のときに、チャネル領域17(図1参照)を通過した電子は、隣り合うp型ボディ領域13に挟まれた狭い領域であるJFET領域16を通過しなくてはならない。したがって、JFET領域16における抵抗が比較的高い場合には、縦型MISFETのオン抵抗を低減することが困難になることがある。   On the other hand, the semiconductor device (vertical MISFET 50c) of the second embodiment does not have the JFET region 16 (see FIG. 1) formed in the semiconductor device (vertical MISFET 50) of the first embodiment. In the vertical MISFET 50, electrons that have passed through the channel region 17 (see FIG. 1) when in the on state must pass through the JFET region 16, which is a narrow region sandwiched between adjacent p-type body regions 13. . Therefore, when the resistance in the JFET region 16 is relatively high, it may be difficult to reduce the on-resistance of the vertical MISFET.

しかし、本実施の形態2の半導体装置(縦型MISFET50c)では、チャネル領域17cを通過した電子がJFET領域16(図1参照)のような狭い領域を通ることがないため、実施の形態1に比べ、縦型MISFETのオン抵抗を低減することが容易になる。   However, in the semiconductor device of the second embodiment (vertical MISFET 50c), electrons that have passed through the channel region 17c do not pass through a narrow region such as the JFET region 16 (see FIG. 1). In comparison, it becomes easier to reduce the on-resistance of the vertical MISFET.

また、縦型MISFET50cをオフ状態にするオフ動作においても、第1ゲート電極19cに、ソース電極20に対して負または零のゲート電圧VGS(VGS≦0V)を印加することで、第2ゲート電極22にも、ソース電極20に対して負または零のゲート電圧VGS(VGS≦0V)を印加することになる。縦型MISFET50cがオフ状態のときは、チャネル領域17cの伝導帯エネルギーは、第2ゲート電極22にゲート電圧を印加しないときに比べて引き上げられる(変調される)。したがって、チャネル領域17cを流れる電流の遮断性が高くなり、ドレイン電極11に高い電圧が印加されたときに、その高い電圧によりチャネル領域17cに電流が流れることを防止でき、パンチスルー耐性を向上させることができる。   Also in the off operation for turning off the vertical MISFET 50c, the second gate electrode 19c is applied with a negative or zero gate voltage VGS (VGS ≦ 0V) with respect to the source electrode 20 to the second gate electrode 19c. 22 also applies a negative or zero gate voltage VGS (VGS ≦ 0 V) to the source electrode 20. When the vertical MISFET 50c is in the OFF state, the conduction band energy of the channel region 17c is raised (modulated) compared to when the gate voltage is not applied to the second gate electrode 22. Therefore, the blocking property of the current flowing through the channel region 17c is enhanced, and when a high voltage is applied to the drain electrode 11, it is possible to prevent the current from flowing through the channel region 17c due to the high voltage, thereby improving punch-through resistance. be able to.

<半導体装置の製造工程>
次に、本実施の形態2の半導体装置の製造工程の例を、図面を参照して説明する。図23〜図27は、実施の形態2の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
<Manufacturing process of semiconductor device>
Next, an example of a manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment will be described with reference to the drawings. 23 to 27 are fragmentary cross-sectional views of the semiconductor device of the second embodiment during the manufacturing process thereof.

本実施の形態2の半導体装置(縦型MISFET50c)の製造工程については、n型SiC基板10を用意する工程からp型ボディコンタクト領域15を形成する工程までの各工程については、実施の形態1の半導体装置(縦型MISFET50)の製造工程における各工程と同様であり、その説明を省略する。また、p型ボディコンタクト領域15を形成する工程まで行われた状態の半導体装置の要部断面図を、図23に示す。 As for the manufacturing process of the semiconductor device (vertical MISFET 50c) of the second embodiment, each process from the process of preparing the n + type SiC substrate 10 to the process of forming the p + type body contact region 15 is performed as This is the same as each step in the manufacturing process of the semiconductor device of Embodiment 1 (vertical MISFET 50), and the description thereof is omitted. FIG. 23 is a cross-sectional view of the main part of the semiconductor device in a state where the process up to the step of forming the p + type body contact region 15 is performed.

ただし、本実施の形態2では、p型ボディ領域13を形成する工程において、n型エピタキシャル層12の全面にp型不純物を導入し、n型ソース領域14を形成する工程において、p型ボディ領域13の全面にn型不純物を導入する。 However, in the second embodiment, in the step of forming the p-type body region 13, p-type impurities are introduced into the entire surface of the n -type epitaxial layer 12, and in the step of forming the n + -type source region 14, the p-type body region 13 is formed. An n-type impurity is introduced into the entire surface of the body region 13.

なお、実施の形態1と同様に、n型ソース領域14およびp型ボディコンタクト領域15を形成する工程については、いずれの順番で行ってもよい。また、p型ボディ領域13を形成する工程、n型ソース領域14およびp型ボディコンタクト領域15を形成する工程については、各工程の後、または、全ての工程が終わった後、例えば1700℃程度で熱処理を行い、注入した不純物を活性化させることができる。 As in the first embodiment, the steps of forming n + type source region 14 and p + type body contact region 15 may be performed in any order. The step of forming the p-type body region 13 and the step of forming the n + -type source region 14 and the p + -type body contact region 15 are performed after each step or after all steps, for example, 1700 The implanted impurity can be activated by performing a heat treatment at about ° C.

次いで、トレンチ(溝部)25を形成する。   Next, a trench (groove) 25 is formed.

このトレンチ(溝部)25を形成する工程では、n型エピタキシャル層12上に、すなわち、n型ソース領域14およびp型ボディコンタクト領域15の上面に、レジスト膜R4を塗布する。そして、塗布されたレジスト膜R4に対してフォトリソグラフィ技術を用いて露光・現像処理を施すことにより、図24に示すように、レジスト膜R4をパターニングする。レジスト膜R4のパターニングは、n型ソース領域14の上面のうちトレンチ(溝部)25が形成される部分が露出するように行われる。そして、パターニングされたレジスト膜R4をマスクとし、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いることにより、トレンチ(溝部)25を形成する。 In the step of forming the trench (groove portion) 25, a resist film R4 is applied on the n type epitaxial layer 12, that is, on the upper surfaces of the n + type source region 14 and the p + type body contact region 15. Then, the resist film R4 is subjected to exposure / development processing using a photolithography technique to pattern the resist film R4 as shown in FIG. The patterning of the resist film R4 is performed so that a portion of the upper surface of the n + -type source region 14 where the trench (groove portion) 25 is formed is exposed. Then, trenches (grooves) 25 are formed by using the patterned resist film R4 as a mask and using a photolithography technique and an etching technique.

トレンチ(溝部)25は、n型ソース領域14およびp型ボディ領域13を貫通するように、形成される。トレンチ(溝部)25の内壁には、p型ボディ領域13の側面およびn型ソース領域14の側面が露出する。 Trench (groove) 25 is formed so as to penetrate n + -type source region 14 and p-type body region 13. The side surface of the p-type body region 13 and the side surface of the n + -type source region 14 are exposed on the inner wall of the trench (groove portion) 25.

次いで、絶縁膜31cを形成する。   Next, an insulating film 31c is formed.

この絶縁膜31cを形成する工程では、パターニングされたレジスト膜R4を除去した後、図25に示すように、n型エピタキシャル層12上に、および、トレンチ(溝部)25の内壁に、絶縁膜31cを形成する。絶縁膜31cは、実施の形態1における絶縁膜31(図9参照)と同様に、例えば酸化シリコン(SiO)、酸窒化シリコン(SiON)、酸化アルミニウム(Al)または酸化ハフニウム(HfO)などからなり、例えば熱酸化法やCVD法により形成することができる。また、絶縁膜31cの厚さを、例えば数十nm程度とすることができる。 In the step of forming the insulating film 31c, after removing the patterned resist film R4, the insulating film is formed on the n type epitaxial layer 12 and on the inner wall of the trench (groove) 25 as shown in FIG. 31c is formed. The insulating film 31c is, for example, silicon oxide (SiO 2 ), silicon oxynitride (SiON), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), or hafnium oxide (HfO), as with the insulating film 31 (see FIG. 9) in the first embodiment. 2 ), and can be formed by, for example, a thermal oxidation method or a CVD method. In addition, the thickness of the insulating film 31c can be set to, for example, about several tens of nm.

なお、このとき、図25に示すように、絶縁膜31cは、n型ソース領域14およびp型ボディコンタクト領域15の上面に形成される。また、絶縁膜31cは、トレンチ(溝部)25の内壁に露出したn型ソース領域14の側面に形成され、トレンチ(溝部)25の内壁に露出したp型ボディ領域13の側面に形成される。また、絶縁膜31cは、トレンチ(溝部)25の内壁および底面に露出したn型エピタキシャル層12の表面に形成される。 At this time, as shown in FIG. 25, the insulating film 31 c is formed on the upper surfaces of the n + type source region 14 and the p + type body contact region 15. The insulating film 31 c is formed on the side surface of the n + -type source region 14 exposed on the inner wall of the trench (groove portion) 25, and is formed on the side surface of the p-type body region 13 exposed on the inner wall of the trench (groove portion) 25. . The insulating film 31 c is formed on the surface of the n type epitaxial layer 12 exposed on the inner wall and bottom surface of the trench (groove) 25.

次いで、導電膜32cを形成する。   Next, a conductive film 32c is formed.

この導電膜32cを形成する工程では、図26に示すように、絶縁膜31c上に導電膜32cを形成する。このとき、内壁および底面に絶縁膜31cが形成されたトレンチ(溝部)25では、トレンチ(溝部)25を埋め込むように、導電膜32cを形成する。導電膜32cは、実施の形態1における導電膜32と同様に、例えばリン(P)や砒素(As)などのn型不純物が高濃度で拡散したポリシリコンなどからなり、例えばCVD法などにより形成することができる。   In the step of forming the conductive film 32c, as shown in FIG. 26, the conductive film 32c is formed on the insulating film 31c. At this time, in the trench (groove portion) 25 in which the insulating film 31c is formed on the inner wall and the bottom surface, the conductive film 32c is formed so as to fill the trench (groove portion) 25. Similar to the conductive film 32 in the first embodiment, the conductive film 32c is made of, for example, polysilicon in which n-type impurities such as phosphorus (P) and arsenic (As) are diffused at a high concentration, and is formed by, for example, the CVD method. can do.

次いで、第1ゲート絶縁膜18c、第1ゲート電極19c、第2ゲート絶縁膜21および第2ゲート電極22を形成する。   Next, the first gate insulating film 18c, the first gate electrode 19c, the second gate insulating film 21 and the second gate electrode 22 are formed.

この第1ゲート絶縁膜18c、第1ゲート電極19c、第2ゲート絶縁膜21および第2ゲート電極22を形成する工程では、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術により、導電膜32cおよび絶縁膜31cを加工(パターニング)する。例えばフォトリソグラフィ技術によりパターニングされたレジスト膜をマスクにしたドライエッチング技術により加工(パターニング)することで、図27に示すように、第1ゲート絶縁膜18c、第1ゲート電極19c、第2ゲート絶縁膜21および第2ゲート電極22を形成する。第1ゲート絶縁膜18cおよび第2ゲート絶縁膜21は、絶縁膜31c(図26参照)からなり、第1ゲート電極19cおよび第2ゲート電極22は、導電膜32c(図26参照)からなる。   In the step of forming the first gate insulating film 18c, the first gate electrode 19c, the second gate insulating film 21 and the second gate electrode 22, the conductive film 32c and the insulating film 31c are processed by a photolithography technique and a dry etching technique. (Patterning). For example, as shown in FIG. 27, the first gate insulating film 18c, the first gate electrode 19c, and the second gate insulating film are processed (patterned) by a dry etching technique using a resist film patterned by a photolithography technique as a mask. A film 21 and a second gate electrode 22 are formed. The first gate insulating film 18c and the second gate insulating film 21 are made of an insulating film 31c (see FIG. 26), and the first gate electrode 19c and the second gate electrode 22 are made of a conductive film 32c (see FIG. 26).

上記した工程を行うことにより、p型ボディ領域13の側面に、第1ゲート絶縁膜18cを介して第1ゲート電極19cが形成される。そして、p型ボディ領域13の側面部であって、n型ソース領域14とn型エピタキシャル層12とに挟まれた部分が、チャネル領域17cとなる。 By performing the above-described steps, the first gate electrode 19c is formed on the side surface of the p-type body region 13 via the first gate insulating film 18c. A portion of the side surface portion of the p-type body region 13 sandwiched between the n + -type source region 14 and the n -type epitaxial layer 12 becomes a channel region 17 c.

また、上記した工程を行うことにより、p型ボディコンタクト領域15の上面に、第2ゲート絶縁膜21を介して第2ゲート電極22が形成される。 Further, by performing the above-described steps, the second gate electrode 22 is formed on the upper surface of the p + type body contact region 15 with the second gate insulating film 21 interposed therebetween.

その後、実施の形態1と同様の工程を行うことにより、層間絶縁膜23を形成し、層間絶縁膜23にソースコンタクト孔(開口部)24を形成し、層間絶縁膜23上に、および、ソースコンタクト孔(開口部)24の底面および内壁を覆うように、ソース電極20を形成する。また、実施の形態1と同様の工程を行うことにより、n型SiC基板10の下面に、ドレイン電極11を形成する。これにより、図21に示したような、本実施の形態2における半導体装置である縦型MISFET50cを製造することができる。 Thereafter, by performing the same process as in the first embodiment, the interlayer insulating film 23 is formed, the source contact hole (opening) 24 is formed in the interlayer insulating film 23, the interlayer insulating film 23, and the source The source electrode 20 is formed so as to cover the bottom surface and inner wall of the contact hole (opening) 24. Further, the drain electrode 11 is formed on the lower surface of the n + -type SiC substrate 10 by performing the same process as in the first embodiment. Thereby, the vertical MISFET 50c, which is the semiconductor device according to the second embodiment, as shown in FIG. 21 can be manufactured.

なお、トレンチ(溝部)25を形成した後、隣り合うトレンチ(溝部)25に挟まれたn型エピタキシャル層12にイオン注入法により不純物を導入することで、p型ボディ領域13、n型ソース領域14およびp型ボディコンタクト領域15を形成することもできる。 In addition, after forming the trench (groove part) 25, by introducing an impurity into the n type epitaxial layer 12 sandwiched between adjacent trenches (groove parts) 25 by the ion implantation method, the p-type body region 13 and the n + type are formed. The source region 14 and the p + type body contact region 15 can also be formed.

<本実施の形態の主要な特徴と効果>
本実施の形態2の半導体装置である縦型MISFET50cも、実施の形態1の半導体装置である縦型MISFET50と同様に、p型ボディコンタクト領域15の上面に、第2ゲート絶縁膜21を介して第2ゲート電極22が形成されている。また、縦型MISFET50cがオン状態のときに、第2ゲート電極22にゲート電圧を印加することで、第2ゲート絶縁膜21およびp型ボディコンタクト領域15を介して、p型ボディ領域13の電位、特にp型ボディ領域13のうち第1ゲート絶縁膜18cとの界面から少し離れた部分における電位が変調される。その結果、縦型MISFET50cがオン状態のときは、チャネル領域17cを流れる電子の深さ方向の分布が、第1ゲート絶縁膜18cとの界面から離れた方向に広がる。そのため、チャネル領域17cを流れる電子が、界面準位に捕獲または散乱されにくくなり、電子移動度(移動度)が低下しにくくなるため、オン抵抗を低減することができる。
<Main features and effects of the present embodiment>
Similarly to the vertical MISFET 50 which is the semiconductor device of the first embodiment, the vertical MISFET 50c which is the semiconductor device of the second embodiment also has a second gate insulating film 21 interposed on the upper surface of the p + type body contact region 15. Thus, the second gate electrode 22 is formed. In addition, when the vertical MISFET 50c is in the ON state, a gate voltage is applied to the second gate electrode 22 so that the p-type body region 13 is connected to the p-type body region 13 via the second gate insulating film 21 and the p + -type body contact region 15. The potential, in particular, the potential in the portion of the p-type body region 13 that is slightly away from the interface with the first gate insulating film 18c is modulated. As a result, when the vertical MISFET 50c is in the ON state, the distribution in the depth direction of electrons flowing through the channel region 17c spreads away from the interface with the first gate insulating film 18c. Therefore, electrons flowing through the channel region 17c are not easily captured or scattered by the interface state, and the electron mobility (mobility) is hardly lowered, so that the on-resistance can be reduced.

また、オン抵抗を低減するために、埋め込みチャネル技術を用いる必要がないため、オン抵抗の低減と、確実なノーマリオフの動作とを両立させることができる。   In addition, since it is not necessary to use a buried channel technique in order to reduce the on-resistance, it is possible to achieve both a reduction in on-resistance and a reliable normally-off operation.

さらに、本実施の形態2では、第1ゲート電極19cは、トレンチ(溝部)25の内壁に露出したp型ボディ領域13の側面およびn型ソース領域14の側面に、第1ゲート絶縁膜18cを介して形成されている。そのため、縦型MISFET50cは、JFET領域16(図1参照)を有しない。したがって、縦型MISFET50cがオン状態のときに、チャネル領域17cを通過した電子がJFET領域16(図1参照)のような狭い領域を通ることがないため、実施の形態1に比べ、縦型MISFETのオン抵抗を低減することが容易になる。 Further, in the second embodiment, the first gate electrode 19 c is formed on the side surface of the p-type body region 13 and the side surface of the n + -type source region 14 exposed on the inner wall of the trench (groove part) 25. Is formed through. Therefore, the vertical MISFET 50c does not have the JFET region 16 (see FIG. 1). Therefore, when the vertical MISFET 50c is in the ON state, electrons that have passed through the channel region 17c do not pass through a narrow region such as the JFET region 16 (see FIG. 1). Therefore, compared to the first embodiment, the vertical MISFET It becomes easy to reduce the on-resistance.

なお、本実施の形態2でも、実施の形態1の第1変形例と同様に、第2ゲート絶縁膜21が形成されておらず、第2ゲート電極22が、p型ボディコンタクト領域15の上面に直接形成されていてもよい。このような構造を有する場合でも、第2ゲート電極22にゲート電圧を印加することで、p型ボディコンタクト領域15を介して、p型ボディ領域13の電位を変調することができる。そのため、オン抵抗の低減と、確実なノーマリオフの動作とを両立させることができる。 In the second embodiment, as in the first modification of the first embodiment, the second gate insulating film 21 is not formed, and the second gate electrode 22 is formed of the p + -type body contact region 15. It may be formed directly on the upper surface. Even in such a structure, the potential of the p-type body region 13 can be modulated via the p + -type body contact region 15 by applying a gate voltage to the second gate electrode 22. Therefore, it is possible to achieve both reduction of on-resistance and reliable normally-off operation.

(実施の形態3)
<半導体装置>
次に、本発明の実施の形態3の半導体装置について説明する。実施の形態3では、第2ゲート電極は、縦型MISFETの各素子が配置される領域の外部の領域に形成されている。
(Embodiment 3)
<Semiconductor device>
Next, a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention will be described. In the third embodiment, the second gate electrode is formed in a region outside the region where each element of the vertical MISFET is disposed.

図28は、実施の形態3の半導体装置の上面図である。図29は、実施の形態3の半導体装置の要部断面図である。図29は、図28のA−A線に沿った断面図である。なお、図28においては、理解を簡単にするために、ソース電極20(図29参照)および層間絶縁膜23(図29参照)を除去した(透視した)状態を図示している。また、図28においては、理解を簡単にするために、n型エピタキシャル層12、p型ボディ領域13、n型ソース領域14のうち、第1ゲート電極19または第2ゲート電極22dに覆われた部分を破線により図示している。さらに、図28においては、理解を簡単にするために、層間絶縁膜23(図29参照)に形成されたソースコンタクト孔(開口部)24の底面の外周を二点鎖線により図示している。 FIG. 28 is a top view of the semiconductor device of the third embodiment. FIG. 29 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of Third Embodiment. 29 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. FIG. 28 shows a state in which the source electrode 20 (see FIG. 29) and the interlayer insulating film 23 (see FIG. 29) are removed (see through) for easy understanding. In FIG. 28, for easy understanding, the first gate electrode 19 or the second gate electrode 22d of the n type epitaxial layer 12, the p type body region 13, and the n + type source region 14 is covered. The broken portion is shown by a broken line. Further, in FIG. 28, for easy understanding, the outer periphery of the bottom surface of the source contact hole (opening) 24 formed in the interlayer insulating film 23 (see FIG. 29) is illustrated by a two-dot chain line.

図28および図29に示すように、本実施の形態3の半導体装置である縦型MISFET50dは、実施の形態1の半導体装置である縦型MISFET50と同様の構造を有する。すなわち、縦型MISFET50dは、縦型MISFET50と同様に、n型SiC基板10、ドレイン電極11、n型エピタキシャル層12、p型ボディ領域13およびn型ソース領域14を有する。また、縦型MISFET50dは、縦型MISFET50と同様に、第1ゲート絶縁膜18、第1ゲート電極19およびソース電極20を有する。 As shown in FIGS. 28 and 29, the vertical MISFET 50d that is the semiconductor device of the third embodiment has the same structure as the vertical MISFET 50 that is the semiconductor device of the first embodiment. That is, the vertical MISFET 50 d includes the n + type SiC substrate 10, the drain electrode 11, the n type epitaxial layer 12, the p type body region 13, and the n + type source region 14, similarly to the vertical MISFET 50. Similarly to the vertical MISFET 50, the vertical MISFET 50d includes a first gate insulating film 18, a first gate electrode 19, and a source electrode 20.

ただし、本実施の形態3では、実施の形態1と異なり、p型ボディコンタクト領域15dが、縦型MISFET50dの各素子(ユニットセル)が複数配置される領域AR1の外部の領域において、p型ボディ領域13の上層部に形成されている。また、p型ボディコンタクト領域15dの上面には、第2ゲート電極22dが、第2ゲート絶縁膜21dを介して形成されている。すなわち、第2ゲート絶縁膜21dおよび第2ゲート電極22dは、領域AR1の外部の領域に形成されている。 However, in the third embodiment, unlike the first embodiment, the p + -type body contact region 15d is a p-type in a region outside the region AR1 where a plurality of elements (unit cells) of the vertical MISFET 50d are arranged. It is formed in the upper layer part of body region 13. A second gate electrode 22d is formed on the upper surface of the p + type body contact region 15d via a second gate insulating film 21d. That is, the second gate insulating film 21d and the second gate electrode 22d are formed in a region outside the region AR1.

p型ボディ領域13は、領域AR1の内部の領域に形成されたn型ソース領域14、および、領域AR1の外部の領域に形成されたp型ボディコンタクト領域15dのいずれにも接するように形成されている。また、実施の形態1と同様に、p型ボディ領域13の上層部であって、n型ソース領域14とn型エピタキシャル層12とに挟まれた部分には、チャネル領域17が形成されている。したがって、本実施の形態3でも、第2ゲート電極22dにゲート電圧を印加することで、第2ゲート絶縁膜21dおよびp型ボディコンタクト領域15dを介して、p型ボディ領域13の電位を変調することができる。そのため、実施の形態1と同様に、オン抵抗の低減と、確実なノーマリオフの動作とを両立させることができる。 P type body region 13 is in contact with both n + type source region 14 formed in a region inside region AR1 and p + type body contact region 15d formed in a region outside region AR1. Is formed. Similarly to the first embodiment, a channel region 17 is formed in the upper layer portion of the p-type body region 13 and between the n + -type source region 14 and the n -type epitaxial layer 12. ing. Therefore, also in the third embodiment, by applying a gate voltage to the second gate electrode 22d, the potential of the p-type body region 13 is modulated via the second gate insulating film 21d and the p + -type body contact region 15d. can do. Therefore, similarly to the first embodiment, it is possible to achieve both reduction of on-resistance and reliable normally-off operation.

また、本実施の形態3では、p型ボディコンタクト領域15dが各素子(ユニットセル)が形成される領域AR1の内部の領域に形成されないため、各素子(ユニットセル)の一辺の長さを小さくすることができ、単位面積当たりのオン抵抗(RonA)を低減することができる。 In the third embodiment, since the p + type body contact region 15d is not formed in the region AR1 in which each element (unit cell) is formed, the length of one side of each element (unit cell) is reduced. The on-resistance (RonA) per unit area can be reduced.

さらに、好適には、第1ゲート絶縁膜18と第2ゲート絶縁膜21dとの間で、材料および厚さが異なる。例えば、第1ゲート絶縁膜18を酸化シリコン(SiO)からなるものとし、第2ゲート絶縁膜21dを例えば酸化ハフニウム(HfO)などの高誘電率材料からなるものとし、第2ゲート絶縁膜21dの厚さを第1ゲート絶縁膜18の厚さよりも薄くすることができる。このような構成により、第2ゲート電極22dとp型ボディ領域13との容量性結合を強めることができ、オン状態のときのチャネル領域17における伝導帯エネルギーをより大きく引き下げる(変調する)ことで、さらにオン抵抗を低減することができる。 Further, preferably, the material and the thickness are different between the first gate insulating film 18 and the second gate insulating film 21d. For example, the first gate insulating film 18 is made of silicon oxide (SiO 2 ), the second gate insulating film 21 d is made of a high dielectric constant material such as hafnium oxide (HfO 2 ), and the second gate insulating film The thickness of 21 d can be made thinner than the thickness of the first gate insulating film 18. With such a configuration, the capacitive coupling between the second gate electrode 22d and the p-type body region 13 can be strengthened, and the conduction band energy in the channel region 17 in the ON state can be greatly reduced (modulated). Further, the on-resistance can be reduced.

また、好適には、第1ゲート電極19と第2ゲート電極22dとの間で、材料および厚さが異なる。例えば第1ゲート電極19をポリシリコンからなるものとし、第2ゲート電極22dをアルミニウム(Al)からなるものとすることができる。このような構成により、第2ゲート電極22dの仕事関数を調節することで、第2ゲート電極22dにゲート電圧を印加しない場合におけるp型ボディ領域13の電位自体を変調することができる。したがって、縦型MISFETがオン状態のときに、チャネル領域17における伝導帯エネルギーをより広範な範囲で引き下げる(変調する)ことができ、オン抵抗が低減される量を容易に最適化することができる。   Further, preferably, the material and the thickness are different between the first gate electrode 19 and the second gate electrode 22d. For example, the first gate electrode 19 can be made of polysilicon, and the second gate electrode 22d can be made of aluminum (Al). With such a configuration, by adjusting the work function of the second gate electrode 22d, the potential of the p-type body region 13 when the gate voltage is not applied to the second gate electrode 22d can be modulated. Therefore, when the vertical MISFET is in the on state, the conduction band energy in the channel region 17 can be lowered (modulated) over a wider range, and the amount by which the on-resistance is reduced can be easily optimized. .

<半導体装置の動作>
続いて、本実施の形態3の半導体装置である縦型MISFET50dの動作について説明する。
<Operation of semiconductor device>
Next, the operation of the vertical MISFET 50d that is the semiconductor device of the third embodiment will be described.

図30は、図29において、縦型MISFETがオン状態のときに電子が流れる経路を模式的に示した図である。   FIG. 30 is a diagram schematically showing a path through which electrons flow when the vertical MISFET is in the ON state in FIG.

本実施の形態3の半導体装置である縦型MISFET50dをオン状態にするオン動作においても、実施の形態1と同様に、第1ゲート電極19に、ソース電極20に対して正のゲート電圧VGS1(VGS1>0V)を印加する。このとき、p型ボディ領域13の上層部であって、n型ソース領域14とn型エピタキシャル層12とに挟まれた部分、すなわち、チャネル領域17には、反転層が形成される。したがって、電子は、図30に経路をPS4として示すように、ソース電極20から、n型ソース領域14、チャネル領域17に形成された反転層、n型エピタキシャル層12、および、n型SiC基板10を通して、ドレイン電極11に流れる。すなわち、電流は、ドレイン電極11から、n型SiC基板10、n型エピタキシャル層12、チャネル領域17に形成された反転層、および、n型ソース領域14を通して、ソース電極20に流れる。 Also in the on operation for turning on the vertical MISFET 50d which is the semiconductor device of the third embodiment, the first gate electrode 19 has a positive gate voltage VGS1 (with respect to the source electrode 20) as in the first embodiment. VGS1> 0V) is applied. At this time, an inversion layer is formed in the upper layer portion of the p-type body region 13 and the portion sandwiched between the n + -type source region 14 and the n -type epitaxial layer 12, that is, the channel region 17. Accordingly, as shown in FIG. 30, the path is indicated by PS 4, and electrons are supplied from the source electrode 20 to the n + type source region 14, the inversion layer formed in the channel region 17, the n type epitaxial layer 12, and the n + type. It flows to the drain electrode 11 through the SiC substrate 10. That is, the current flows from the drain electrode 11 to the source electrode 20 through the n + type SiC substrate 10, the n type epitaxial layer 12, the inversion layer formed in the channel region 17, and the n + type source region 14.

また、縦型MISFET50dをオフ状態にするオフ動作においても、実施の形態1と同様に、第1ゲート電極19に、ソース電極20に対して負または零のゲート電圧VGS1(VGS1≦0V)を印加する。このとき、チャネル領域17に形成されていた反転層を消滅させることで、電流が遮断される。   Further, also in the off operation for turning off the vertical MISFET 50d, the negative or zero gate voltage VGS1 (VGS1 ≦ 0V) is applied to the first gate electrode 19 with respect to the source electrode 20, as in the first embodiment. To do. At this time, the current is interrupted by eliminating the inversion layer formed in the channel region 17.

本実施の形態3でも、実施の形態1と同様に、オン動作の際に、第1ゲート電極19に、ソース電極20に対して正のゲート電圧VGS1(VGS1>0V)を印加するとともに、第2ゲート電極22dに、ソース電極20に対して正のゲート電圧VGS2(VGS2>0V)を印加する。第2ゲート電極22dにゲート電圧を印加することで、第2ゲート絶縁膜21dおよびp型ボディコンタクト領域15dを介して、p型ボディ領域13の電位を変調することができる。そのため、オン抵抗の低減と、確実なノーマリオフの動作とを両立させることができる。 In the third embodiment, as in the first embodiment, the positive gate voltage VGS1 (VGS1> 0V) is applied to the first gate electrode 19 with respect to the source electrode 20 in the ON operation. A positive gate voltage VGS2 (VGS2> 0V) is applied to the two gate electrode 22d with respect to the source electrode 20. By applying a gate voltage to the second gate electrode 22d, the potential of the p-type body region 13 can be modulated via the second gate insulating film 21d and the p + -type body contact region 15d. Therefore, it is possible to achieve both reduction of on-resistance and reliable normally-off operation.

一方、本実施の形態3では、オン動作において、第2ゲート電極22dに印加されるゲート電圧VGS2を、第1ゲート電極19に印加されるゲート電圧VGS1と独立して制御することができる。そのため、第2ゲート電極22dに、例えば第1ゲート電極19に印加されるゲート電圧よりも高いゲート電圧を印加することにより、さらなるオン抵抗の低減を実現することができる。   On the other hand, in the third embodiment, the gate voltage VGS2 applied to the second gate electrode 22d can be controlled independently of the gate voltage VGS1 applied to the first gate electrode 19 in the on operation. Therefore, further reduction of the on-resistance can be realized by applying a gate voltage higher than the gate voltage applied to the first gate electrode 19 to the second gate electrode 22d, for example.

また、縦型MISFET50dをオフ状態にするオフ動作においても、第1ゲート電極19に、ソース電極20に対して負または零のゲート電圧VGS1(VGS1≦0V)を印加するとともに、第2ゲート電極22dにも、ソース電極20に対して負または零のゲート電圧VGS2(VGS2≦0V)を印加する。縦型MISFET50dがオフ状態のときは、チャネル領域17の伝導帯エネルギーは、第2ゲート電極22dにゲート電圧を印加しないときに比べて引き上げられる(変調される)。したがって、チャネル領域17を流れる電流の遮断性が高くなり、ドレイン電極11に高い電圧が印加されたときに、その高い電圧によりチャネル領域17に電流が流れることを防止でき、パンチスルー耐性を向上させることができる。   Also in the off operation for turning off the vertical MISFET 50d, a negative or zero gate voltage VGS1 (VGS1 ≦ 0V) is applied to the source electrode 20 to the first gate electrode 19, and the second gate electrode 22d. In addition, a negative or zero gate voltage VGS2 (VGS2 ≦ 0 V) is applied to the source electrode 20. When the vertical MISFET 50d is in the OFF state, the conduction band energy of the channel region 17 is raised (modulated) compared to when the gate voltage is not applied to the second gate electrode 22d. Therefore, the current flowing through the channel region 17 is highly blocked, and when a high voltage is applied to the drain electrode 11, it is possible to prevent the current from flowing through the channel region 17 due to the high voltage, thereby improving punch-through resistance. be able to.

また、オフ動作においても、第2ゲート電極22dに印加されるゲート電圧VGS2を、第1ゲート電極19に印加されるゲート電圧VGS1と独立して制御することができる。そのため、第2ゲート電極22dに、例えば第1ゲート電極19に印加されるゲート電圧よりも低いゲート電圧(絶対値が大きい負のゲート電圧)を印加することにより、さらにパンチスルー耐性を向上させることができる。   Also in the off operation, the gate voltage VGS2 applied to the second gate electrode 22d can be controlled independently of the gate voltage VGS1 applied to the first gate electrode 19. Therefore, for example, by applying a gate voltage (a negative gate voltage having a large absolute value) lower than the gate voltage applied to the first gate electrode 19 to the second gate electrode 22d, punch-through resistance is further improved. Can do.

<半導体装置の製造工程>
次に、本実施の形態3の半導体装置の製造工程の例を、図面を参照して説明する。図31〜図37は、実施の形態3の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。なお、図31〜図37も、図29と同様に、図28のA−A線に沿った断面図である。
<Manufacturing process of semiconductor device>
Next, an example of a manufacturing process of the semiconductor device according to the third embodiment will be described with reference to the drawings. 31 to 37 are cross-sectional views of relevant parts in the manufacturing process of the semiconductor device of the third embodiment. 31 to 37 are also cross-sectional views taken along the line AA in FIG. 28, similarly to FIG.

本実施の形態3の半導体装置(縦型MISFET50d)の製造工程については、第1ゲート絶縁膜18と第2ゲート絶縁膜21dとの間で、材料および厚さが異なり、第1ゲート電極19と第2ゲート電極22dとの間で、材料および厚さが異なる場合について、説明する。   Regarding the manufacturing process of the semiconductor device (vertical MISFET 50d) of the third embodiment, the material and thickness are different between the first gate insulating film 18 and the second gate insulating film 21d, and the first gate electrode 19 A case where the material and the thickness are different from those of the second gate electrode 22d will be described.

本実施の形態3の半導体装置(縦型MISFET50d)の製造工程については、n型SiC基板10を用意する工程からp型ボディコンタクト領域15dを形成する工程までの各工程については、実施の形態1の半導体装置(縦型MISFET50)の製造工程における各工程と同様であり、その説明を省略する。また、p型ボディコンタクト領域15dを形成する工程まで行われた状態の半導体装置の要部断面図を、図31に示す。 As for the manufacturing process of the semiconductor device (vertical MISFET 50d) of the third embodiment, each process from the process of preparing the n + type SiC substrate 10 to the process of forming the p + type body contact region 15d This is the same as each step in the manufacturing process of the semiconductor device of Embodiment 1 (vertical MISFET 50), and the description thereof is omitted. FIG. 31 is a cross-sectional view of the main part of the semiconductor device in a state where the process up to the step of forming the p + -type body contact region 15d is performed.

ただし、本実施の形態3では、p型ボディコンタクト領域15dを形成する工程において、p型ボディコンタクト領域15dは、各素子(ユニットセル)が形成される領域AR1(図28参照)の外部の領域に形成される。したがって、イオン注入を行うためのマスクとして用いるレジスト膜のパターニングは、p型ボディ領域13のうち、n型ソース領域14が形成される領域と離れた領域において、p型ボディコンタクト領域15dが形成される領域が露出するように行われる。 However, in the third embodiment, in the step of forming the p + -type body contact region 15d, p + -type body contact region 15d is outside the area AR1 where each element (unit cell) is formed (see FIG. 28) Formed in the region. Therefore, the patterning of the resist film used as a mask for performing ion implantation is such that the p + type body contact region 15d is located in the p type body region 13 away from the region where the n + type source region 14 is formed. This is performed so that the region to be formed is exposed.

なお、実施の形態1と同様に、n型ソース領域14およびp型ボディコンタクト領域15dを形成する工程については、いずれの順番で行ってもよい。また、p型ボディ領域13を形成する工程、n型ソース領域14およびp型ボディコンタクト領域15dを形成する工程については、各工程の後、または、全ての工程が終わった後、例えば1700℃程度で熱処理を行い、注入した不純物を活性化させることができる。 As in the first embodiment, the steps of forming n + type source region 14 and p + type body contact region 15d may be performed in any order. The step of forming the p-type body region 13 and the step of forming the n + -type source region 14 and the p + -type body contact region 15 d are performed after each step or after all the steps are completed, for example, 1700 The implanted impurity can be activated by performing a heat treatment at about ° C.

次いで、絶縁膜31を形成する。   Next, the insulating film 31 is formed.

この絶縁膜31を形成する工程では、図32に示すように、n型エピタキシャル層12上に、すなわち、p型ボディ領域13、n型ソース領域14およびp型ボディコンタクト領域15dが形成されたn型エピタキシャル層12の上面に、絶縁膜31を形成する。絶縁膜31は、実施の形態1における絶縁膜31(図9参照)と同様に、例えば酸化シリコン(SiO)、酸窒化シリコン(SiON)、酸化アルミニウム(Al)または酸化ハフニウム(HfO)などからなり、例えば熱酸化法やCVD法により形成することができる。また、絶縁膜31の厚さを、例えば数十nm程度とすることができる。 In the step of forming the insulating film 31, as shown in FIG. 32, the p-type body region 13, the n + -type source region 14 and the p + -type body contact region 15d are formed on the n -type epitaxial layer 12. An insulating film 31 is formed on the upper surface of the n -type epitaxial layer 12. The insulating film 31 is, for example, silicon oxide (SiO 2 ), silicon oxynitride (SiON), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), or hafnium oxide (HfO) in the same manner as the insulating film 31 (see FIG. 9) in the first embodiment. 2 ), and can be formed by, for example, a thermal oxidation method or a CVD method. Further, the thickness of the insulating film 31 can be set to, for example, about several tens of nm.

なお、このとき、図32に示すように、絶縁膜31は、n型ソース領域14およびp型ボディコンタクト領域15dの上面に形成される。また、絶縁膜31は、p型ボディ領域13のうちn型ソース領域14およびp型ボディコンタクト領域15dのいずれも形成されていない部分の上面に形成される。さらに、絶縁膜31は、n型エピタキシャル層12のうちp型ボディ領域13、n型ソース領域14およびp型ボディコンタクト領域15dのいずれも形成されていない部分の上面に形成される。 At this time, as shown in FIG. 32, the insulating film 31 is formed on the upper surfaces of the n + type source region 14 and the p + type body contact region 15d. The insulating film 31 is formed on the upper surface of the p-type body region 13 where neither the n + -type source region 14 nor the p + -type body contact region 15 d is formed. Furthermore, the insulating film 31 is formed on the upper surface of the n type epitaxial layer 12 where none of the p type body region 13, the n + type source region 14 and the p + type body contact region 15 d is formed.

次いで、導電膜32を形成する。   Next, the conductive film 32 is formed.

この導電膜32を形成する工程では、図33に示すように、絶縁膜31上に導電膜32を形成する。導電膜32は、実施の形態1における導電膜32(図10参照)と同様に、例えばリン(P)や砒素(As)などのn型不純物が高濃度で拡散したポリシリコンなどからなり、例えばCVD法などにより形成することができる。   In the step of forming the conductive film 32, the conductive film 32 is formed on the insulating film 31, as shown in FIG. The conductive film 32 is made of polysilicon or the like in which n-type impurities such as phosphorus (P) and arsenic (As) are diffused at a high concentration, for example, like the conductive film 32 (see FIG. 10) in the first embodiment. It can be formed by a CVD method or the like.

次いで、第1ゲート絶縁膜18および第1ゲート電極19を形成する。   Next, the first gate insulating film 18 and the first gate electrode 19 are formed.

この第1ゲート絶縁膜18および第1ゲート電極19を形成する工程では、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術により、導電膜32および絶縁膜31を加工(パターニング)する。例えばフォトリソグラフィ技術によりパターニングされたレジスト膜をマスクにしたドライエッチング技術により加工(パターニング)することで、図34に示すように、第1ゲート絶縁膜18および第1ゲート電極19を形成する。このとき、p型ボディ領域13の上面に、第1ゲート絶縁膜18を介して第1ゲート電極19が形成される。また、第1ゲート絶縁膜18は、絶縁膜31(図33参照)からなり、第1ゲート電極19は、導電膜32(図33参照)からなる。   In the step of forming the first gate insulating film 18 and the first gate electrode 19, the conductive film 32 and the insulating film 31 are processed (patterned) by a photolithography technique and a dry etching technique. For example, the first gate insulating film 18 and the first gate electrode 19 are formed by processing (patterning) by a dry etching technique using a resist film patterned by a photolithography technique as a mask, as shown in FIG. At this time, the first gate electrode 19 is formed on the upper surface of the p-type body region 13 via the first gate insulating film 18. The first gate insulating film 18 is made of an insulating film 31 (see FIG. 33), and the first gate electrode 19 is made of a conductive film 32 (see FIG. 33).

次いで、絶縁膜31dを形成する。   Next, an insulating film 31d is formed.

この絶縁膜31dを形成する工程では、図35に示すように、n型エピタキシャル層12上に、すなわち、p型ボディ領域13、n型ソース領域14、p型ボディコンタクト領域15d、第1ゲート絶縁膜18および第1ゲート電極19が形成されたn型エピタキシャル層12の上面に、絶縁膜31dを形成する。絶縁膜31dの材料および厚さは、好適には、絶縁膜31(図32参照)の材料および厚さと異なる。絶縁膜31dは、例えば酸化ハフニウム(HfO)などの高誘電率材料からからなり、例えば熱酸化法やCVD法により形成することができる。また、絶縁膜31dの厚さを、絶縁膜31(図32参照)の厚さと異なる厚さ、例えば数nm程度とすることができる。 In the step of forming the insulating film 31d, as shown in FIG. 35, on the n type epitaxial layer 12, that is, the p type body region 13, the n + type source region 14, the p + type body contact region 15d, An insulating film 31d is formed on the upper surface of the n type epitaxial layer 12 on which the one gate insulating film 18 and the first gate electrode 19 are formed. The material and thickness of the insulating film 31d are preferably different from the material and thickness of the insulating film 31 (see FIG. 32). The insulating film 31d is made of a high dielectric constant material such as hafnium oxide (HfO 2 ), and can be formed by, for example, a thermal oxidation method or a CVD method. Further, the thickness of the insulating film 31d can be set to a thickness different from the thickness of the insulating film 31 (see FIG. 32), for example, about several nm.

次いで、導電膜32dを形成する。   Next, a conductive film 32d is formed.

この導電膜32dを形成する工程では、図36に示すように、絶縁膜31d上に導電膜32dを形成する。導電膜32dの材料および厚さは、好適には、導電膜32(図33参照)の材料および厚さと異なる。導電膜32dは、例えばアルミニウム(Al)などからなり、例えば蒸着法やスパッタ法などにより形成することができる。また、導電膜32dの厚さを、導電膜32(図33参照)の厚さと異なる厚さとすることができる。   In the step of forming the conductive film 32d, as shown in FIG. 36, the conductive film 32d is formed on the insulating film 31d. The material and thickness of the conductive film 32d are preferably different from the material and thickness of the conductive film 32 (see FIG. 33). The conductive film 32d is made of, for example, aluminum (Al), and can be formed by, for example, vapor deposition or sputtering. In addition, the thickness of the conductive film 32d can be different from the thickness of the conductive film 32 (see FIG. 33).

次いで、第2ゲート絶縁膜21dおよび第2ゲート電極22dを形成する。   Next, a second gate insulating film 21d and a second gate electrode 22d are formed.

この第2ゲート絶縁膜21dおよび第2ゲート電極22dを形成する工程では、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術により、導電膜32dおよび絶縁膜31dを加工(パターニング)する。例えばフォトリソグラフィ技術によりパターニングされたレジスト膜をマスクにしたドライエッチング技術により加工(パターニング)することで、図37に示すように、第2ゲート絶縁膜21dおよび第2ゲート電極22dを形成する。第2ゲート絶縁膜21dは、絶縁膜31d(図36参照)からなり、第2ゲート電極22dは、導電膜32d(図36参照)からなる。   In the step of forming the second gate insulating film 21d and the second gate electrode 22d, the conductive film 32d and the insulating film 31d are processed (patterned) by a photolithography technique and a dry etching technique. For example, the second gate insulating film 21d and the second gate electrode 22d are formed by processing (patterning) by a dry etching technique using a resist film patterned by a photolithography technique as a mask, as shown in FIG. The second gate insulating film 21d is made of an insulating film 31d (see FIG. 36), and the second gate electrode 22d is made of a conductive film 32d (see FIG. 36).

上記した工程を行うことにより、前述したように、p型ボディ領域13の上面に、第1ゲート絶縁膜18を介して第1ゲート電極19が形成される。そして、p型ボディ領域13の上層部であって、n型ソース領域14とn型エピタキシャル層12とに挟まれた部分が、チャネル領域17となる。 By performing the above steps, as described above, the first gate electrode 19 is formed on the upper surface of the p-type body region 13 with the first gate insulating film 18 interposed therebetween. The upper layer portion of the p-type body region 13 and the portion sandwiched between the n + -type source region 14 and the n -type epitaxial layer 12 becomes the channel region 17.

また、上記した工程を行うことにより、p型ボディコンタクト領域15dの上面に、第2ゲート絶縁膜21dを介して第2ゲート電極22dが形成される。したがって、第2ゲート絶縁膜21dおよび第2ゲート電極22dは、各素子(ユニットセル)が形成される領域AR1(図28参照)の外部の領域に形成される。 Further, by performing the above-described steps, the second gate electrode 22d is formed on the upper surface of the p + type body contact region 15d via the second gate insulating film 21d. Therefore, the second gate insulating film 21d and the second gate electrode 22d are formed in a region outside the region AR1 (see FIG. 28) where each element (unit cell) is formed.

その後、実施の形態1と同様の工程を行うことにより、層間絶縁膜23を形成し、層間絶縁膜23にソースコンタクト孔(開口部)24を形成し、層間絶縁膜23上に、および、ソースコンタクト孔(開口部)24の底面および内壁を覆うように、ソース電極20を形成する。また、実施の形態1と同様の工程を行うことにより、n型SiC基板10の下面に、ドレイン電極11を形成する。これにより、図29に示したような、本実施の形態3における半導体装置である縦型MISFET50dを製造することができる。 Thereafter, by performing the same process as in the first embodiment, the interlayer insulating film 23 is formed, the source contact hole (opening) 24 is formed in the interlayer insulating film 23, the interlayer insulating film 23, and the source The source electrode 20 is formed so as to cover the bottom surface and inner wall of the contact hole (opening) 24. Further, the drain electrode 11 is formed on the lower surface of the n + -type SiC substrate 10 by performing the same process as in the first embodiment. Thereby, the vertical MISFET 50d, which is the semiconductor device according to the third embodiment, as shown in FIG. 29 can be manufactured.

なお、第2ゲート絶縁膜21dおよび第2ゲート電極22dの各々の材料および厚さを、第1ゲート絶縁膜18および第1ゲート電極19の各々の材料および厚さと同一とすることもできる。このときは、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術により、導電膜32(図33参照)および絶縁膜31(図33参照)を加工(パターニング)して第1ゲート絶縁膜18および第1ゲート電極19を形成する際に、同時に、第2ゲート絶縁膜21dおよび第2ゲート電極22dを形成する。   The materials and thicknesses of the second gate insulating film 21d and the second gate electrode 22d can be the same as the materials and thicknesses of the first gate insulating film 18 and the first gate electrode 19, respectively. At this time, the conductive film 32 (see FIG. 33) and the insulating film 31 (see FIG. 33) are processed (patterned) by the photolithography technique and the dry etching technique to form the first gate insulating film 18 and the first gate electrode 19. At the same time, the second gate insulating film 21d and the second gate electrode 22d are formed.

<本実施の形態の主要な特徴と効果>
本実施の形態3の半導体装置である縦型MISFET50dも、実施の形態1の半導体装置である縦型MISFET50と同様に、p型ボディコンタクト領域15dの上面に、第2ゲート絶縁膜21dを介して第2ゲート電極22dが形成されている。また、縦型MISFET50dがオン状態のときに、第2ゲート電極22dにゲート電圧を印加することで、第2ゲート絶縁膜21dおよびp型ボディコンタクト領域15dを介して、p型ボディ領域13の電位、特にp型ボディ領域13のうち第1ゲート絶縁膜18との界面から少し離れた部分における電位が変調される。その結果、縦型MISFET50dがオン状態のときは、チャネル領域17を流れる電子の深さ方向の分布が、第1ゲート絶縁膜18との界面から離れ、深さ方向に広がる。そのため、チャネル領域17を流れる電子が、界面準位に捕獲または散乱されにくくなり、電子移動度(移動度)が低下しにくくなるため、オン抵抗を低減することができる。
<Main features and effects of the present embodiment>
Similarly to the vertical MISFET 50 which is the semiconductor device of the first embodiment, the vertical MISFET 50d which is the semiconductor device of the third embodiment also has an upper surface of the p + type body contact region 15d via the second gate insulating film 21d. A second gate electrode 22d is thus formed. In addition, when the vertical MISFET 50d is in the ON state, a gate voltage is applied to the second gate electrode 22d, whereby the p-type body region 13 is formed via the second gate insulating film 21d and the p + -type body contact region 15d. The potential, in particular, the potential in the portion of the p-type body region 13 that is slightly away from the interface with the first gate insulating film 18 is modulated. As a result, when the vertical MISFET 50d is in the ON state, the distribution in the depth direction of electrons flowing through the channel region 17 is separated from the interface with the first gate insulating film 18 and spreads in the depth direction. Therefore, the electrons flowing through the channel region 17 are not easily captured or scattered by the interface state, and the electron mobility (mobility) is hardly lowered, so that the on-resistance can be reduced.

また、オン抵抗を低減するために、埋め込みチャネル技術を用いる必要がないため、オン抵抗の低減と、確実なノーマリオフの動作とを両立させることができる。   In addition, since it is not necessary to use a buried channel technique in order to reduce the on-resistance, it is possible to achieve both a reduction in on-resistance and a reliable normally-off operation.

さらに、本実施の形態3では、第2ゲート電極22dに印加されるゲート電圧VGS2を、第1ゲート電極19に印加されるゲート電圧VGS1と独立して制御することができる。そのため、例えば第2ゲート電極22dに第1ゲート電極19に印加されるゲート電圧VGS1よりも高いゲート電圧VGS2を印加することにより、実施の形態1に比べ、縦型MISFETのオン抵抗を低減することが容易になる。   Furthermore, in the third embodiment, the gate voltage VGS2 applied to the second gate electrode 22d can be controlled independently of the gate voltage VGS1 applied to the first gate electrode 19. Therefore, for example, by applying a gate voltage VGS2 higher than the gate voltage VGS1 applied to the first gate electrode 19 to the second gate electrode 22d, the on-resistance of the vertical MISFET can be reduced compared to the first embodiment. Becomes easier.

なお、本実施の形態3でも、実施の形態1の第1変形例と同様に、第2ゲート絶縁膜21dが形成されておらず、第2ゲート電極22dが、p型ボディコンタクト領域15dの上面に直接形成されていてもよい。このような構造を有する場合でも、第2ゲート電極22dにゲート電圧を印加することで、p型ボディコンタクト領域15dを介して、p型ボディ領域13の電位を変調することができる。そのため、オン抵抗の低減と、確実なノーマリオフの動作とを両立させることができる。 In the third embodiment, as in the first modification of the first embodiment, the second gate insulating film 21d is not formed, and the second gate electrode 22d is formed of the p + type body contact region 15d. It may be formed directly on the upper surface. Even in such a structure, the potential of the p-type body region 13 can be modulated through the p + -type body contact region 15d by applying a gate voltage to the second gate electrode 22d. Therefore, it is possible to achieve both reduction of on-resistance and reliable normally-off operation.

以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。   As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.

例えば、前記実施の形態では、n型SiC基板として炭化珪素(SiC)からなる半導体基板を用い、n型エピタキシャル層としてSiCからなる半導体層を用いた例について説明した。しかし、本発明は、n型SiC基板に代え、例えばシリコン(Si)など各種の半導体材料からなる半導体基板を用い、n型エピタキシャル層として例えばSiなど各種の半導体材料からなる半導体層を用いた場合にも適用可能である。このような場合でも、SiCを用いた場合に比べれば効果は少なくなるものの、オン抵抗の低減と、確実なノーマリオフの動作とを両立することができる。 For example, in the above-described embodiment, an example in which a semiconductor substrate made of silicon carbide (SiC) is used as the n + type SiC substrate and a semiconductor layer made of SiC is used as the n type epitaxial layer has been described. However, the present invention uses a semiconductor substrate made of various semiconductor materials such as silicon (Si) instead of the n + type SiC substrate, and uses a semiconductor layer made of various semiconductor materials such as Si as the n type epitaxial layer. It is also applicable when Even in such a case, although the effect is reduced as compared with the case where SiC is used, it is possible to achieve both reduction of on-resistance and reliable normally-off operation.

本発明は、半導体装置およびその製造方法に適用して有効である。   The present invention is effective when applied to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.

10 n型SiC基板
11 ドレイン電極
12 n型エピタキシャル層
13 p型ボディ領域
14 n型ソース領域
15、15d p型ボディコンタクト領域
16 JFET領域
17、17c チャネル領域
18、18c 第1ゲート絶縁膜
19、19c 第1ゲート電極
20 ソース電極
21、21d 第2ゲート絶縁膜
22、22d 第2ゲート電極
23 層間絶縁膜
24 ソースコンタクト孔(開口部)
25 トレンチ(溝部)
31、31c、31d 絶縁膜
32、32c、32d 導電膜
50、50a〜50d 縦型MISFET
AR1 領域
PS1〜PS4 経路
R1〜R4 レジスト膜
10 n + type SiC substrate 11 Drain electrode 12 n type epitaxial layer 13 p type body region 14 n + type source region 15, 15 d p + type body contact region 16 JFET region 17, 17 c Channel region 18, 18 c First gate insulation Films 19 and 19c First gate electrode 20 Source electrodes 21 and 21d Second gate insulating film 22 and 22d Second gate electrode 23 Interlayer insulating film 24 Source contact hole (opening)
25 trench
31, 31c, 31d Insulating film 32, 32c, 32d Conductive film 50, 50a-50d Vertical MISFET
AR1 region PS1 to PS4 route R1 to R4 resist film

Claims (8)

第1導電型の半導体基板と、
前記半導体基板の下面に形成されたドレイン電極と、
前記半導体基板の上面に形成された前記第1導電型の半導体層と、
前記半導体層の上層部に形成された第2導電型の第1半導体領域と、
前記第1半導体領域の上層部に形成された前記第1導電型の第2半導体領域と、
前記第1半導体領域の上層部に形成された前記第2導電型の第3半導体領域と、
前記第2半導体領域と前記半導体層とに挟まれた前記第1半導体領域の上面または側面に、第1ゲート絶縁膜を介して形成された第1ゲート電極と、
前記第2半導体領域の上面に形成されたソース電極と、
前記第3半導体領域の上面に形成された第2ゲート電極と、
を有する半導体装置。
A first conductivity type semiconductor substrate;
A drain electrode formed on the lower surface of the semiconductor substrate;
The first conductivity type semiconductor layer formed on the upper surface of the semiconductor substrate;
A first semiconductor region of a second conductivity type formed in an upper layer portion of the semiconductor layer;
A second semiconductor region of the first conductivity type formed in an upper layer portion of the first semiconductor region;
A third semiconductor region of the second conductivity type formed in an upper layer portion of the first semiconductor region;
A first gate electrode formed on a top surface or a side surface of the first semiconductor region sandwiched between the second semiconductor region and the semiconductor layer via a first gate insulating film;
A source electrode formed on an upper surface of the second semiconductor region;
A second gate electrode formed on an upper surface of the third semiconductor region;
A semiconductor device.
請求項1記載の半導体装置であって、
前記第2ゲート電極は、前記第3半導体領域の前記上面に、第2ゲート絶縁膜を介して形成されたことを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device, wherein the second gate electrode is formed on the upper surface of the third semiconductor region via a second gate insulating film.
請求項1記載の半導体装置であって、
前記半導体層の上層部に形成され、内壁に前記第1半導体領域の前記側面および前記第2半導体領域の側面が露出した溝部を有し、
前記第1ゲート電極は、前記内壁に露出した前記第1半導体領域の前記側面に、前記第1ゲート絶縁膜を介して形成されたことを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
Formed in an upper layer part of the semiconductor layer, and having a groove part in which an inner wall of the side surface of the first semiconductor region and a side surface of the second semiconductor region are exposed;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the first gate electrode is formed on the side surface of the first semiconductor region exposed on the inner wall through the first gate insulating film.
請求項1記載の半導体装置であって、
前記第1ゲート電極と前記第2ゲート電極は、電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device, wherein the first gate electrode and the second gate electrode are electrically connected.
請求項1記載の半導体装置であって、
前記半導体基板および前記半導体層は、炭化珪素からなることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device, wherein the semiconductor substrate and the semiconductor layer are made of silicon carbide.
(a)第1導電型の半導体基板の上面に前記第1導電型の半導体層を形成する工程、
(b)前記半導体層の上層部に第2導電型の第1半導体領域を形成する工程、
(c)前記第1半導体領域の上層部に前記第1導電型の第2半導体領域を形成する工程、
(d)前記第1半導体領域の上層部に前記第2導電型の第3半導体領域を形成する工程、
(e)前記(c)工程および前記(d)工程の後、前記半導体層上に、絶縁膜および導電膜を順次形成する工程、
(f)前記導電膜および前記絶縁膜をパターニングすることで、前記第2半導体領域と前記半導体層とに挟まれた前記第1半導体領域の上面または側面に、前記絶縁膜からなる第1ゲート絶縁膜を介して前記導電膜からなる第1ゲート電極を形成するとともに、前記第3半導体領域の上面に、前記絶縁膜からなる第2ゲート絶縁膜を介して前記導電膜からなる第2ゲート電極を形成する工程、
(g)前記第2半導体領域の上面にソース電極を形成する工程、
(h)前記半導体基板の下面にドレイン電極を形成する工程、
を有する半導体装置の製造方法。
(A) forming a first conductive type semiconductor layer on an upper surface of a first conductive type semiconductor substrate;
(B) forming a second conductive type first semiconductor region in an upper layer portion of the semiconductor layer;
(C) forming a second semiconductor region of the first conductivity type in an upper layer portion of the first semiconductor region;
(D) forming a third semiconductor region of the second conductivity type in an upper layer portion of the first semiconductor region;
(E) a step of sequentially forming an insulating film and a conductive film on the semiconductor layer after the step (c) and the step (d);
(F) patterning the conductive film and the insulating film to form a first gate insulation made of the insulating film on an upper surface or a side surface of the first semiconductor region sandwiched between the second semiconductor region and the semiconductor layer; A first gate electrode made of the conductive film is formed through a film, and a second gate electrode made of the conductive film is formed on the upper surface of the third semiconductor region through the second gate insulating film made of the insulating film. Forming step,
(G) forming a source electrode on the upper surface of the second semiconductor region;
(H) forming a drain electrode on the lower surface of the semiconductor substrate;
A method for manufacturing a semiconductor device comprising:
請求項6記載の半導体装置の製造方法であって、
(i)前記(c)工程および前記(d)工程の後、前記半導体層の上層部に、内壁に前記第1半導体領域の前記側面および前記第2半導体領域の側面が露出するように、溝部を形成する工程、
を有し、
前記(e)工程において、前記(i)工程の後、前記半導体層上に、および、前記溝部の内壁に、前記絶縁膜および前記導電膜を順次形成し、
前記(f)工程において、前記導電膜および前記絶縁膜をパターニングすることで、前記内壁に露出した前記第1半導体領域の前記側面に、前記第1ゲート絶縁膜を介して前記第1ゲート電極を形成するとともに、前記第3半導体領域の前記上面に、前記第2ゲート絶縁膜を介して前記第2ゲート電極を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6,
(I) After the step (c) and the step (d), the groove portion is exposed in the upper layer portion of the semiconductor layer so that the side surface of the first semiconductor region and the side surface of the second semiconductor region are exposed on the inner wall. Forming a process,
Have
In the step (e), after the step (i), the insulating film and the conductive film are sequentially formed on the semiconductor layer and on the inner wall of the groove,
In the step (f), the first gate electrode is formed on the side surface of the first semiconductor region exposed on the inner wall by patterning the conductive film and the insulating film via the first gate insulating film. And forming the second gate electrode on the upper surface of the third semiconductor region with the second gate insulating film interposed therebetween.
請求項6記載の半導体装置の製造方法であって、
前記半導体基板および前記半導体層は、炭化珪素からなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the semiconductor substrate and the semiconductor layer are made of silicon carbide.
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