JP2014090057A - 炭化珪素半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、n型の炭化珪素半導体基板1と、炭化珪素半導体基板1上に形成されたn型のドリフト層2と、ドリフト層2表面に形成されたp型の複数のウェル領域3と、少なくとも一部のウェル領域3表面から少なくともドリフト層2中に達して形成された溝部とを備える。溝部は、ドリフト層2の熱膨張率よりも大きい熱膨張率の絶縁物29で充填されている。
【選択図】図2
Description
<プレーナゲート構造縦型MOSFET>
図1は、本発明の第1実施形態における半導体装置であるプレーナゲート構造の縦型MOSFETの構成を示す平面図である。本実施形態の縦型MOSFET(以下、単に「MOSFET」という場合がある)は、炭化珪素を用いた炭化珪素半導体装置である。
次に、本実施形態の縦型MOSFETの動作を簡単に説明する。縦型MOSFETのゲート電極7に、しきい値電圧(Vth)以上のプラス電圧が印加されると、チャネル部に反転チャネルが形成され、n型のソース領域4とn型のドリフト層2との間に、キャリアである電子が流れる経路が形成される。ゲート絶縁膜6を介してゲート電極7に接しているドリフト層2を特にJFET(Junction FET)と称する。
<溝部の深さ>
第1実施形態では溝部21がドリフト層2を貫通し、炭化珪素半導体基板1まで達していたが、溝部の深さはこれに限られない。
ここでは、第1実施形態のプレーナゲート構造の縦型MOSFETの製造方法について説明する。
本発明に関する実施形態によれば、炭化珪素半導体装置が、第1または第2導電型、本実施形態では第1導電型であるn型の炭化珪素半導体基板1と、炭化珪素半導体基板1上に形成されたn型のドリフト層2と、ドリフト層2表面に形成された第2導電型であるp型の複数のウェル領域3と、少なくとも一部のウェル領域3表面から少なくともドリフト層2中に達して形成された溝部とを備える。溝部は、ドリフト層2の熱膨張率よりも大きい熱膨張率の絶縁物29で充填されている。
<トレンチゲート構造縦型MOSFET>
第1実施形態ではゲート構造がプレーナゲート構造の縦型MOSFETであった。ゲート構造はプレーナ構造に限らない。
<トレンチの長さ>
第2実施形態ではトレンチ23がドリフト層2を貫通し、炭化珪素半導体基板1まで達していた。第1実施形態の変形例と同じく、トレンチの深さはこれに限られない。図7に示されるようにトレンチ24の深さGがドリフト層2の厚さより浅くても良い。図7ではトレンチ24の深さGがドリフト層2の膜厚(図2、3のD)の半分程度になっている。
第2実施形態のトレンチゲート構造の縦型MOSFETの製造方法について、図18〜26を用いて順に説明する。図18〜26は、トレンチゲート構造の縦型MOSFETの各製造工程における構成を示す断面図である。
本発明に関する実施形態によれば、炭化珪素半導体装置が、炭化珪素半導体基板1と、炭化珪素半導体基板1上に形成された第1導電型のドリフト層2と、ドリフト層2表面に形成されたウェル領域3と、ウェル領域3表面から少なくともドリフト層2中に達して形成されたトレンチと、ドリフト層2の熱膨張率よりも大きい熱膨張率のゲート絶縁膜61を介して、トレンチ内に形成されたゲート電極71とを備える。
<トレンチゲート材料>
第2実施形態では、積層欠陥の拡大を抑制するための溝の上部をトレンチゲートとしていた。これはすなわち、トレンチゲートの下部に絶縁体を備えた構造である。トレンチゲートの構造はこれに限らない。
本発明に関する実施形態によれば、ゲート電極73が多結晶珪素を含み、ドリフト層2の熱膨張率をαc、ゲート電極73の熱膨張率をαp、ゲート電極73の形成時の温度と室温との差をΔT、多結晶珪素の密度をρ、600℃で形成された多結晶珪素の密度をρ0とするとき、上記(6)式の左辺が1より小さくなる。
<溝部のあるトレンチゲート>
第2および第3実施形態では、トレンチゲートの溝を利用して積層欠陥の拡大を抑制していた。一方で本実施形態は、積層欠陥の拡大を抑制することに寄与するものはトレンチゲートの溝のみに限定されない。
また、第1〜4実施形態においては、半導体素子が縦型のMOSFETである場合を開示しているが、電子と正孔の両方が伝導に寄与するバイポーラ素子、例えば図2、図5、図6、図7、図8または図9に示す炭化珪素半導体基板1の導電型を第2導電型(p型)にした、IGBTのセル領域を有する半導体素子を構成しても既述した本発明の効果が同様に奏されることは言うまでもない。したがって、本発明の効力が及ぶ範囲は、MOSFETあるいはIGBT等のバイポーラ素子としての半導体素子である。
本発明に関する実施形態によれば、炭化珪素半導体装置が、トレンチに加えて、ウェルコンタクト領域5表面から少なくともドリフト層2中に達して形成された溝部を備える。
Claims (12)
- 第1または第2導電型の炭化珪素半導体基板と、
前記炭化珪素半導体基板上に形成された第1導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層表面に形成された第2導電型の複数のウェル領域と、
少なくとも一部の前記ウェル領域表面から少なくとも前記ドリフト層中に達して形成された溝部とを備え、
前記溝部が、前記ドリフト層の熱膨張率よりも大きい熱膨張率の絶縁物で充填されていることを特徴とする、
炭化珪素半導体装置。 - 前記ウェル領域表面に部分的に形成された第1導電型のソース領域と、
前記ウェル領域表面において前記ソース領域に挟まれて形成された第2導電型のウェルコンタクト領域と、
ゲート絶縁膜を介し、前記ソース領域上から前記ドリフト層上に亘って形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極を覆い、前記ウェルコンタクト領域表面および一部の前記ソース領域表面が露出するように形成された層間絶縁膜と、
露出した前記ウェルコンタクト領域および露出した前記ソース領域と電気的に接続して形成されたソース電極と、
前記炭化珪素半導体基板裏面側に形成されたドレイン電極とをさらに備え、
前記溝部が、前記ウェルコンタクト領域表面から少なくとも前記ドリフト層中に達して形成されることを特徴とする、
請求項1に記載の炭化珪素半導体装置。 - 前記溝部が、前記ウェル領域表面から前記炭化珪素半導体基板中に達して形成されていることを特徴とする、
請求項1または2に記載の炭化珪素半導体装置。 - 前記炭化珪素半導体基板が、(0001)Si面から<11−20>方向にオフ角がついた主面を有する基板であり、
前記溝部の長手方向が<11−20>方向と平行で、<1−100>方向と垂直であることを特徴とする、
請求項1〜3のいずれかに記載の炭化珪素半導体装置。 - 第1または第2導電型の炭化珪素半導体基板と、
前記炭化珪素半導体基板上に形成された第1導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層表面に形成された第2導電型のウェル領域と、
前記ウェル領域表面から少なくとも前記ドリフト層中に達して形成されたトレンチと、
前記ドリフト層の熱膨張率よりも大きい熱膨張率の絶縁膜を介して、前記トレンチ内に形成されたゲート電極とを備えることを特徴とする、
炭化珪素半導体装置。 - 前記ウェル領域表面に前記トレンチに隣接して部分的に形成された第1導電型のソース領域と、
前記ウェル領域表面において前記ソース領域に挟まれて形成された第2導電型のウェルコンタクト領域と、
前記ゲート電極を覆い、一部の前記ソース領域表面が露出するように形成された層間絶縁膜と、
露出した前記ソース領域と電気的に接続して形成されたソース電極と、
前記炭化珪素半導体基板裏面側に形成されたドレイン電極とをさらに備え、
前記トレンチが、前記ソース領域表面から少なくとも前記ドリフト層中に達して形成され、
前記ゲート電極が、前記トレンチ内において前記ウェル領域および前記ソース領域に対向する位置に配置されることを特徴とする、
請求項5に記載の炭化珪素半導体装置。 - 前記トレンチが、前記ウェル領域表面から前記炭化珪素半導体基板中に達して形成されていることを特徴とする、
請求項5〜7のいずれかに記載の炭化珪素半導体装置。 - 前記炭化珪素半導体基板が、(0001)Si面から<11−20>方向にオフ角がついた主面を有する基板であり、
前記トレンチの長手方向が<11−20>方向と平行で、<1−100>方向と垂直であることを特徴とする、
請求項5〜8のいずれかに記載の炭化珪素半導体装置。 - 前記ウェルコンタクト領域表面から少なくとも前記ドリフト層中に達して形成された溝部をさらに備えることを特徴とする、
請求項6〜9のいずれかに記載の炭化珪素半導体装置。 - 第1または第2導電型の炭化珪素半導体基板と、
前記炭化珪素半導体基板上に形成された第1導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層表面に形成された第2導電型のウェル領域と、
前記ウェル領域表面から前記ドリフト層中に達して形成されたトレンチと、
前記トレンチ内に形成されたゲート電極とを備え、
前記トレンチが、前記ウェル領域と前記ドリフト層との界面近傍の深さまで達して形成されており、
前記ゲート電極が多結晶珪素を含み、前記ドリフト層の熱膨張率をαc、前記ゲート電極の熱膨張率をαp、前記ゲート電極の形成時の温度と室温との差をΔT、前記多結晶珪素の密度をρ、600℃で形成された多結晶珪素の密度をρ0とするとき、
炭化珪素半導体装置。 - 前記炭化珪素半導体基板が、(0001)Si面から<11−20>方向にオフ角がついた主面を有する基板であり、
前記トレンチの長手方向が<11−20>方向と平行で、<1−100>方向と垂直であることを特徴とする、
請求項11に記載の炭化珪素半導体装置。
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