JP2015002277A - Silicon carbide semiconductor device - Google Patents

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貴亮 富永
Takaaki Tominaga
貴亮 富永
裕 福井
Yutaka Fukui
裕 福井
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a silicon carbide semiconductor device capable of suppressing characteristic shift by inhibiting stacking fault extension while suppressing high resistance of on-resistance in forward behavior.SOLUTION: On a surface part on one side in a thickness direction of a semiconductor substrate 21 having an off angle and made of silicon carbide, a drift layer 22 is formed which is made of a first conductivity type silicon carbide crystal. In the inside of the drift layer 22, a plurality of current limitation regions 10 are formed by a material having conductivity. The current limitation region 10 limits the current flowing through between a source electrode 26 and a drain electrode 28. Each current limitation region 10 is formed in a rectangular parallelepiped shape and arranged so as to have a longitudinal direction set to a direction perpendicular to an off direction of the drift layer 22.

Description

本発明は、炭化珪素半導体装置に関する。   The present invention relates to a silicon carbide semiconductor device.

炭化珪素などのワイドギャップ半導体材料は、シリコンと比較して絶縁破壊耐量が高いので、シリコン材料を用いる場合よりも基板の不純物濃度を高めて、基板の抵抗を低減することが可能である。この基板の低抵抗化によって、パワー素子のスイッチング動作における損失を低減することができる。また、ワイドギャップ半導体材料は、シリコンと比較して、熱伝導度が高く、機械的強度にも優れているので、小型で低損失、かつ高効率のパワーデバイスを実現可能な材料として期待されている。   A wide gap semiconductor material such as silicon carbide has a higher dielectric breakdown resistance than silicon, so that it is possible to increase the impurity concentration of the substrate and reduce the resistance of the substrate as compared with the case of using a silicon material. By reducing the resistance of the substrate, loss in the switching operation of the power element can be reduced. In addition, wide gap semiconductor materials have higher thermal conductivity and superior mechanical strength compared to silicon, so they are expected as materials that can realize small, low-loss and high-efficiency power devices. Yes.

しかしながら、半導体材料として炭化珪素を用いた炭化珪素半導体装置では、PNダイオード構造に順方向電流を流し続けると、順方向電圧がシフトするという信頼性上の問題がよく知られている。この問題は、以下のようにして生じる。   However, in a silicon carbide semiconductor device using silicon carbide as a semiconductor material, there is a well-known reliability problem that the forward voltage shifts when a forward current continues to flow through the PN diode structure. This problem occurs as follows.

PNダイオード構造に少数キャリアが注入されると、注入された少数キャリアは、多数キャリアと再結合する。その再結合するときに生じる再結合エネルギーによって、炭化珪素基板に存在する欠陥が、基底面転位などを起点として、面欠陥である積層欠陥に拡張されてしまう。積層欠陥は、抵抗として作用し、電流の流れを阻害するので、積層欠陥によって、流れる電流が減少して、前述の順方向電圧のシフトが生じ、信頼性の低下が引き起こされる。   When minority carriers are injected into the PN diode structure, the injected minority carriers recombine with the majority carriers. Due to the recombination energy generated at the time of recombination, defects existing in the silicon carbide substrate are expanded to stacking faults that are surface defects starting from basal plane dislocations. Since the stacking fault acts as a resistance and inhibits the flow of current, the flowing current decreases due to the stacking fault, causing the above-described forward voltage shift, and lowering the reliability.

積層欠陥は、基底面転位などを起点として、三角形状に拡張したり(たとえば、非特許文献1参照)、くさび状に拡張したりする(たとえば、非特許文献2参照)例が報告されており、エピタキシャル成長方向であるステップフロー成長方向に対して垂直方向に拡張しやすい。   Examples of stacking faults have been reported to expand into a triangular shape (for example, see Non-Patent Document 1) or a wedge shape (for example, see Non-Patent Document 2) starting from a basal plane dislocation. It is easy to expand in the direction perpendicular to the step flow growth direction which is the epitaxial growth direction.

積層欠陥による順方向電圧のシフトは、炭化珪素を用いたMOSFET(以下「炭化珪素MOSFET」という場合がある)でも同様に発生するとの報告がある(たとえば、非特許文献3参照)。MOSFET構造は、ソース−ドレイン間に寄生ダイオード(以下「ボディダイオード」という場合がある)を有しているので、順方向電流がボディダイオードに流れると、PNダイオードと同様の劣化が引き起こされる。   There is a report that a forward voltage shift due to a stacking fault occurs in a similar manner even in a MOSFET using silicon carbide (hereinafter sometimes referred to as “silicon carbide MOSFET”) (for example, see Non-Patent Document 3). Since the MOSFET structure has a parasitic diode (hereinafter sometimes referred to as “body diode”) between the source and the drain, if a forward current flows through the body diode, the same deterioration as that of the PN diode is caused.

スイッチング回路における還流ダイオードとしては、順方向電圧の比較的低いショットキーバリアダイオードが用いられるが、炭化珪素MOSFETのボディダイオードを還流ダイオードとして用いた場合には、MOSFET特性のシフトが引き起こされ、信頼性上の大きな問題となる。   As the freewheeling diode in the switching circuit, a Schottky barrier diode having a relatively low forward voltage is used. However, when the body diode of the silicon carbide MOSFET is used as the freewheeling diode, a MOSFET characteristic shift is caused and reliability is increased. It becomes a big problem on the top.

この問題を解決するための技術が、たとえば特許文献1に開示されている。特許文献1には、デバイス領域内のエピタキシャル層中に、基板まで達する格子状の溝を形成し、形成した溝に絶縁膜を埋め込むことでエピタキシャル層を島状に分離することによって、積層欠陥の拡張を抑制する構造が開示されている。   A technique for solving this problem is disclosed in Patent Document 1, for example. In Patent Document 1, a lattice-shaped groove reaching the substrate is formed in the epitaxial layer in the device region, and the epitaxial layer is separated into islands by embedding an insulating film in the formed groove. A structure for suppressing expansion is disclosed.

また、炭化珪素を用いたデバイスでは、高耐圧化に向けての開発が進んでおり、デバイス動作に必要なエピタキシャル層の厚みも増してきている。エピタキシャル層は、通電時に抵抗成分として働くので、前述の信頼性の問題とは別に、デバイス自体の更なる低抵抗化を実現可能な構造の開発も必要となってきている。   In addition, devices using silicon carbide have been developed for higher breakdown voltage, and the thickness of the epitaxial layer necessary for device operation has also increased. Since the epitaxial layer acts as a resistance component when energized, it is necessary to develop a structure capable of further reducing the resistance of the device itself, in addition to the aforementioned reliability problem.

特許第4100680号公報Japanese Patent No. 4100680

ビン・チェン(Bin Chen)、外6名、「4H−SiCデバイス中の積層欠陥の電気的および光学的性質(Electrical and Optical Properties of Stacking Faults in 4H-SiC Devices)」、ジャーナル・オブ・エレクトロニック・マテリアルズ(Journal of ELECTRONIC MATERIALS)、2010年、第39巻、第6号、p.684−687Bin Chen, 6 others, “Electrical and Optical Properties of Stacking Faults in 4H-SiC Devices”, Journal of Electronic Materials (Journal of ELECTRONIC MATERIALS), 2010, Vol.39, No.6, p.684-687 エス・ハー(S.Ha)、外4名、「SiC p-i-nダイオードにおける積層欠陥形成の原動力(Driving Force of Stacking-Fault Formation in SiC p-i-n Diodes)」、フィジカル・レビュー・レターズ(Physical Review Letters)、2004年、第92巻、p.175504-1−175504-4S. Ha, 4 others, “Driving Force of Stacking-Fault Formation in SiC pin Diodes”, Physical Review Letters, 2004 Year, Volume 92, p.175504-1-175504-4 アナント・アガーワル(Anant Agarwal)、「高電圧SiCパワーMOSFETにおける新しい劣化メカニズム(A New Degradation Mechanism in High-Voltage SiC Power MOSFETs)」、アイトリプルイー・エレクトロン・デバイス・レターズ(IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS)、2007年7月、第28巻、第7号、p.587−589Anant Agarwal, “A New Degradation Mechanism in High-Voltage SiC Power MOSFETs”, IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, 2007 July, Vol. 28, No. 7, p. 587-589

特許文献1に開示される技術では、絶縁膜の埋め込みに煩雑な工程が必要であり、かつ、プロセス上、基板まで達する溝を精度よく形成することが困難であるという問題がある。また、埋め込まれた絶縁膜の存在によって、デバイス領域の有効通電面積が減少し、デバイスのオン抵抗が高抵抗化してしまうという問題がある。   The technique disclosed in Patent Document 1 has a problem that a complicated process is required for embedding an insulating film, and it is difficult to accurately form a groove reaching the substrate in the process. In addition, the presence of the buried insulating film reduces the effective current-carrying area of the device region, and increases the on-resistance of the device.

本発明の目的は、順方向動作において、オン抵抗の高抵抗化を抑制しつつ、積層欠陥の拡張を抑制し、特性シフトを抑制することができる炭化珪素半導体装置を提供することである。   An object of the present invention is to provide a silicon carbide semiconductor device capable of suppressing expansion of stacking faults and suppressing a characteristic shift while suppressing an increase in on-resistance in a forward operation.

本発明の炭化珪素半導体装置は、オフ角を有し、炭化珪素から成る半導体基板と、前記半導体基板の厚み方向一方側の表面部上に形成された第1導電型の炭化珪素結晶から成るドリフト層と、前記ドリフト層の厚み方向一方側の表面部の一部分に形成される第2導電型の半導体領域である接触半導体領域と、前記接触半導体領域に接して、前記ドリフト層の厚み方向一方側の表面部上に設けら*れる一方側電極と、前記半導体基板の厚み方向他方側の表面部上に設けられる他方側電極と、前記ドリフト層の内部に、導電性を有する材料によって形成され、前記一方側電極と前記他方側電極との間に流れる電流を制限する複数の電流制限領域とを備え、各前記電流制限領域は、直方体状に形成され、前記ドリフト層のオフ方向に対して垂直な方向に長手方向を有するように配置されることを特徴とする。   A silicon carbide semiconductor device of the present invention has a semiconductor substrate made of silicon carbide having an off angle and a drift made of a silicon carbide crystal of a first conductivity type formed on a surface portion on one side in the thickness direction of the semiconductor substrate. A contact semiconductor region which is a second conductivity type semiconductor region formed on a part of a surface portion on one side in the thickness direction of the drift layer, and one side in the thickness direction of the drift layer in contact with the contact semiconductor region One side electrode provided on the surface portion of the semiconductor substrate, the other side electrode provided on the surface portion on the other side in the thickness direction of the semiconductor substrate, and the drift layer is formed of a conductive material, A plurality of current limiting regions that limit current flowing between the one side electrode and the other side electrode, and each of the current limiting regions is formed in a rectangular parallelepiped shape and is perpendicular to the off direction of the drift layer Direction It arrange | positions so that it may have a longitudinal direction.

本発明の炭化珪素半導体装置によれば、オフ角を有し、炭化珪素から成る半導体基板の厚み方向一方側の表面部上には、第1導電型の炭化珪素結晶から成るドリフト層が形成される。ドリフト層の厚み方向一方側の表面部の一部分には、第2導電型の半導体領域である接触半導体領域が形成される。この接触半導体領域に接して、ドリフト層の厚み方向一方側の表面部上に一方側電極が設けられる。半導体基板の厚み方向他方側の表面部上には、他方側電極が設けられる。   According to the silicon carbide semiconductor device of the present invention, the drift layer made of the first conductivity type silicon carbide crystal is formed on the surface portion on the one side in the thickness direction of the semiconductor substrate made of silicon carbide having an off angle. The A contact semiconductor region that is a semiconductor region of the second conductivity type is formed in a part of the surface portion on one side in the thickness direction of the drift layer. One side electrode is provided on the surface portion on one side in the thickness direction of the drift layer in contact with the contact semiconductor region. On the surface portion on the other side in the thickness direction of the semiconductor substrate, the other side electrode is provided.

ドリフト層の内部には、導電性を有する材料によって、複数の電流制限領域が形成される。電流制限領域によって、一方側電極と他方側電極との間に流れる電流が制限される。各電流制限領域は、直方体状に形成され、ドリフト層のオフ方向に対して垂直な方向に長手方向を有するように配置される。これによって、電流制限領域は、ドリフト層が形成されるときに順次形成される炭化珪素結晶層の厚み方向一方側の表面に対して、平行に配置されることになる。このように電流制限領域を配置することによって、一方側電極と他方側電極との間に順方向電流を流す順方向動作において、ドリフト層に生じる積層欠陥の拡張を抑制し、特性シフトを抑制することができる。また、電流制限領域は、導電性を有する材料によって形成されるので、オン抵抗の高抵抗化を抑制することができる。したがって、順方向動作において、オン抵抗の高抵抗化を抑制しつつ、積層欠陥の拡張を抑制し、特性シフトを抑制することができる炭化珪素半導体装置を実現することができる。   Inside the drift layer, a plurality of current limiting regions are formed of a conductive material. The current flowing between the one side electrode and the other side electrode is limited by the current limiting region. Each current limiting region is formed in a rectangular parallelepiped shape, and is arranged to have a longitudinal direction in a direction perpendicular to the off direction of the drift layer. Thus, the current limiting region is arranged in parallel to the surface on one side in the thickness direction of the silicon carbide crystal layers that are sequentially formed when the drift layer is formed. By disposing the current limiting region in this way, in the forward operation in which a forward current flows between the one side electrode and the other side electrode, the extension of stacking faults generated in the drift layer is suppressed, and the characteristic shift is suppressed. be able to. In addition, since the current limiting region is formed of a conductive material, it is possible to suppress an increase in on-resistance. Therefore, it is possible to realize a silicon carbide semiconductor device capable of suppressing an increase in stacking faults and suppressing a characteristic shift while suppressing an increase in on-resistance during forward operation.

本発明の第1の実施の形態である炭化珪素半導体装置1の構成を示す平面図である。1 is a plan view showing a configuration of a silicon carbide semiconductor device 1 according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施の形態である炭化珪素半導体装置1の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the silicon carbide semiconductor device 1 which is the 1st Embodiment of this invention. ドリフト層22中における積層欠陥14の拡張の仕方を示す斜視図である。3 is a perspective view showing how to extend stacking faults 14 in the drift layer 22. FIG. 電流制限領域10を第2導電型半導体で形成した場合の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure at the time of forming the current limiting area | region 10 with a 2nd conductivity type semiconductor. 図4に示す構成におけるドリフト層22の内部の電界分布を示すグラフである。5 is a graph showing an electric field distribution inside a drift layer 22 in the configuration shown in FIG. 4. 本発明の第1の実施の形態における電流制限領域10の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the current limiting area | region 10 in the 1st Embodiment of this invention. 下部電流制限領域10の形成が終了した段階の構成を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration at a stage where the formation of the lower current limiting region 10 is completed. 本発明の第2の実施の形態である炭化珪素半導体装置2の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the silicon carbide semiconductor device 2 which is the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態における電流制限領域10の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the current limiting area | region 10 in the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施の形態である炭化珪素半導体装置3の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the silicon carbide semiconductor device 3 which is the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施の形態における電流制限領域50の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the current limiting area | region 50 in the 3rd Embodiment of this invention.

<第1の実施の形態>
図1は、本発明の第1の実施の形態である炭化珪素半導体装置1の構成を示す平面図である。図2は、本発明の第1の実施の形態である炭化珪素半導体装置1の構成を示す断面図である。図2は、図1の切断面線A−Aから見た断面図に相当する。図1では、理解を容易にするために、図2に示すウエル領域23、ソース領域24、ウエルコンタクト領域25、ゲート電極26およびゲート絶縁膜27の記載を省略する。本実施の形態の炭化珪素半導体装置1は、炭化珪素MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)である。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a plan view showing a configuration of a silicon carbide semiconductor device 1 according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration of silicon carbide semiconductor device 1 according to the first embodiment of the present invention. 2 corresponds to a cross-sectional view taken along the section line AA of FIG. In FIG. 1, the description of the well region 23, the source region 24, the well contact region 25, the gate electrode 26, and the gate insulating film 27 shown in FIG. Silicon carbide semiconductor device 1 of the present embodiment is a silicon carbide MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor).

本実施の形態では、不純物の導電型に関して、n型を「第1導電型」とし、p型を「第2導電型」とする。   In the present embodiment, regarding the conductivity type of the impurity, the n-type is defined as “first conductivity type” and the p-type is defined as “second conductivity type”.

炭化珪素半導体装置1は、電流制限領域10、ソースパッド11、ゲート配線12、ゲートパッド13、半導体基板21、ドリフト層22、ウエル領域23、ソース領域24、ウエルコンタクト領域25、ゲート電極26、ゲート絶縁膜27およびドレイン電極28を備えて構成される。ソースパッド11は、不図示のコンタクトホールによって、ソース領域24に電気的に接続される。ソースパッド11は、一方側電極に相当する。ウエル領域23は、接触半導体領域に相当する。ドレイン電極28は、他方側電極に相当する。   Silicon carbide semiconductor device 1 includes current limiting region 10, source pad 11, gate wiring 12, gate pad 13, semiconductor substrate 21, drift layer 22, well region 23, source region 24, well contact region 25, gate electrode 26, and gate. An insulating film 27 and a drain electrode 28 are provided. The source pad 11 is electrically connected to the source region 24 through a contact hole (not shown). The source pad 11 corresponds to one side electrode. The well region 23 corresponds to a contact semiconductor region. The drain electrode 28 corresponds to the other side electrode.

半導体基板21は、本実施の形態では、第1導電型、具体的にはn型の炭化珪素から成る半導体基板(以下「炭化珪素基板」という場合がある)21である。炭化珪素基板21は、オフ角を有する。具体的には、炭化珪素基板21は、c軸方向に対して、1°以上12°以下、より好適には4°以上8°以下のオフ角を有する。   In the present embodiment, semiconductor substrate 21 is a semiconductor substrate (hereinafter sometimes referred to as a “silicon carbide substrate”) 21 made of silicon carbide of the first conductivity type, specifically, n-type. Silicon carbide substrate 21 has an off angle. Specifically, silicon carbide substrate 21 has an off angle of 1 ° to 12 °, and more preferably 4 ° to 8 ° with respect to the c-axis direction.

ここで、「オフ角」とは、炭化珪素(SiC)基板21において、シリコン(Si)原子が最表面にあるSi面の、結晶軸方向に対する傾斜角度をいい、「オフ角を有する」とは、炭化珪素(SiC)基板21において、Si面が、結晶軸方向に対して傾斜していることを意味する。オフ角は、前述の範囲に制限されなくてもよい。炭化珪素基板21は、オフ角を有していればよく、オフ角の値は、どのような面方位に対しても、本実施の形態の効果に関して影響を及ぼさない。   Here, the “off angle” refers to the inclination angle of the Si surface having silicon (Si) atoms on the outermost surface with respect to the crystal axis direction in the silicon carbide (SiC) substrate 21. In the silicon carbide (SiC) substrate 21, it means that the Si surface is inclined with respect to the crystal axis direction. The off angle may not be limited to the above range. Silicon carbide substrate 21 only needs to have an off-angle, and the value of off-angle does not affect the effect of the present embodiment for any plane orientation.

本実施の形態では、一例として、(0001)面であるSi面が、<11−20>方向に4°以上8°以下のオフ角で傾斜した炭化珪素基板21を用いて、炭化珪素半導体装置1として、炭化珪素MOSFETを作製した場合について説明する。ここで、ミラー指数の表記において、「−」は、その直後の指数の上に付くバーを意味する。たとえば、<11−20>は、「2」の上にバーが付くことを表す。また、ミラー指数の表記において、記号「< >」で括られたミラー指数は、等価な方向をまとめて表したものであり、そのうちの特定のミラー指数を表す場合には、記号「[ ]」で括って表す。   In the present embodiment, as an example, a silicon carbide semiconductor device using silicon carbide substrate 21 in which the (0001) plane Si plane is inclined at an off angle of 4 ° or more and 8 ° or less in the <11-20> direction. 1, a case where a silicon carbide MOSFET is manufactured will be described. Here, in the notation of the Miller index, “−” means a bar attached on the index immediately after that. For example, <11-20> indicates that a bar is added on “2”. In the Miller index notation, the Miller index surrounded by the symbol “<>” is a summary of equivalent directions, and the symbol “[]” is used to indicate a specific Miller index. Enclosed with

ドリフト層22は、半導体基板21の厚み方向一方側の表面部に設けられる。ドリフト層22は、第1導電型、具体的にはn型の導電性を有する。ドリフト層22は、本実施の形態では、エピタキシャル結晶成長層によって構成される。ドリフト層22の不純物濃度は、たとえば、1×1013cm−3以上1×1018cm−3以下の範囲内である。ドリフト層22の厚み方向における寸法(以下「厚み寸法」という場合がある)は、たとえば、4μm以上200μm以下である。ドリフト層22の不純物濃度および厚み寸法は、これに限定されない。 The drift layer 22 is provided on the surface portion on one side in the thickness direction of the semiconductor substrate 21. The drift layer 22 has first conductivity type, specifically, n-type conductivity. In the present embodiment, drift layer 22 is formed of an epitaxial crystal growth layer. The impurity concentration of the drift layer 22 is, for example, in the range of 1 × 10 13 cm −3 to 1 × 10 18 cm −3 . The dimension in the thickness direction of drift layer 22 (hereinafter sometimes referred to as “thickness dimension”) is, for example, not less than 4 μm and not more than 200 μm. The impurity concentration and thickness dimension of the drift layer 22 are not limited to this.

電流制限領域10は、ドリフト層22の内部に形成される。電流制限領域10は、導電性を有する材料によって形成される。本実施の形態では、電流制限領域10は、第2導電型の半導体材料、具体的にはp型の炭化珪素によって形成される。電流制限領域10は、半導体基板21の厚み方向に垂直な方向に延びる直方体形状を有する。   The current limiting region 10 is formed inside the drift layer 22. The current limiting region 10 is formed of a conductive material. In the present embodiment, current limiting region 10 is formed of a second conductivity type semiconductor material, specifically, p-type silicon carbide. The current limiting region 10 has a rectangular parallelepiped shape extending in a direction perpendicular to the thickness direction of the semiconductor substrate 21.

本実施の形態では、複数の電流制限領域10が、ドリフト層22の内部に形成される。複数の電流制限領域10は、ドリフト層22の厚み方向一方側の表面からの距離が異なる2種類の電流制限領域10を含む。以下の説明において、2種類の電流制限領域10を区別して示す場合、2種類の電流制限領域10のうち、半導体基板21に近い方を「下部電流制限領域」と言い、半導体基板21から遠い方を「上部電流制限領域」という。電流制限領域10を設けることによって、バイポーラ電流値を、積層欠陥を拡張しない値まで低減させることができる。   In the present embodiment, a plurality of current limiting regions 10 are formed inside the drift layer 22. The plurality of current limiting regions 10 include two types of current limiting regions 10 having different distances from the surface on one side in the thickness direction of the drift layer 22. In the following description, when the two types of current limiting regions 10 are distinguished from each other, one of the two types of current limiting regions 10 that is closer to the semiconductor substrate 21 is referred to as a “lower current limiting region” and that is farther from the semiconductor substrate 21. Is referred to as the “upper current limiting region”. By providing the current limiting region 10, the bipolar current value can be reduced to a value that does not expand the stacking fault.

前述のように、エピタキシャル成長方向であるステップフロー成長方向に対して、垂直な方向、すなわち<11−20>方向に、(0001)面が4°以上8°以下のオフ角で傾斜した半導体基板21を用いて、炭化珪素半導体装置1として炭化珪素MOSFETを作製した場合、電流制限領域10は、その長手方向が[11−20]方向と垂直な方向になるように形成される。ここで、ステップフロー成長方向とは、原子ステップからの1次元的横方向成長の方向をいう。ステップフロー成長方向は、結晶成長方向であり、ドリフト層22のオフ方向に相当する。   As described above, the semiconductor substrate 21 in which the (0001) plane is inclined at an off angle of 4 ° or more and 8 ° or less in a direction perpendicular to the step flow growth direction that is the epitaxial growth direction, that is, the <11-20> direction. When silicon carbide MOSFET is produced as silicon carbide semiconductor device 1 using current, current limiting region 10 is formed such that its longitudinal direction is perpendicular to [11-20] direction. Here, the step flow growth direction refers to the direction of one-dimensional lateral growth from the atomic step. The step flow growth direction is the crystal growth direction and corresponds to the off direction of the drift layer 22.

図1では、ドリフト層22のオフ方向である[11−20]方向を矢印Bで表し、電流制限領域10の長手方向を矢印Dで表している。電流制限領域10は、図1のように、炭化珪素半導体装置1の厚み方向一方側から見た平面視において、オフ方向Bと垂直な方向に長手方向Dを有するように形成されている。   In FIG. 1, the [11-20] direction that is the off direction of the drift layer 22 is represented by an arrow B, and the longitudinal direction of the current limiting region 10 is represented by an arrow D. As shown in FIG. 1, current limiting region 10 is formed to have a longitudinal direction D in a direction perpendicular to off direction B in a plan view as viewed from one side in the thickness direction of silicon carbide semiconductor device 1.

炭化珪素半導体装置1には、半導体スイッチング素子として、PNダイオード構造が形成されている。半導体スイッチング素子の順方向動作において、PNダイオード構造に順方向電流を流し続けると、半導体基板21に存在する欠陥が、図2に示すように積層欠陥14に拡張されてしまうおそれがある。   Silicon carbide semiconductor device 1 has a PN diode structure as a semiconductor switching element. In the forward operation of the semiconductor switching element, if a forward current continues to flow through the PN diode structure, a defect existing in the semiconductor substrate 21 may be expanded to the stacking fault 14 as shown in FIG.

図3は、ドリフト層22中における積層欠陥14の拡張の仕方を示す斜視図である。図3では、オフ角を記号「θ」で表し、ドリフト層22のオフ方向である[11−20]方向を矢印Bで表し、電流制限領域10の長手方向を矢印Dで表している。また、ドリフト層22の厚み方向一方側の表面を参照符号「22a」で示し、(0001)面を参照符号「32」で示している。   FIG. 3 is a perspective view showing how to extend the stacking fault 14 in the drift layer 22. In FIG. 3, the off angle is represented by the symbol “θ”, the [11-20] direction that is the off direction of the drift layer 22 is represented by arrow B, and the longitudinal direction of the current limiting region 10 is represented by arrow D. Further, the surface on one side in the thickness direction of the drift layer 22 is indicated by reference numeral “22a”, and the (0001) plane is indicated by reference numeral “32”.

図3に示すように、積層欠陥14の拡張は、主に、半導体基板21とドリフト層22との界面31に存在する基底面転移(Basal Plane Dislocation;略称:BPD)33などを拡張起点Cとして、ステップフロー成長方向に対して垂直な方向34,35に伸展する。   As shown in FIG. 3, the stacking fault 14 is expanded mainly by using a basal plane dislocation (abbreviation: BPD) 33 existing at the interface 31 between the semiconductor substrate 21 and the drift layer 22 as an expansion starting point C. , Extending in directions 34 and 35 perpendicular to the step flow growth direction.

本実施の形態では、図1および図2に示すように、電流制限領域10が形成されている。したがって、順方向電流ストレスによって積層欠陥14がステップフロー成長方向に対して垂直な方向に拡張していくとき、積層欠陥14が電流制限領域10に到達したところで、再結合エネルギーの供給がストップし、それ以上拡張しなくなる。   In the present embodiment, a current limiting region 10 is formed as shown in FIGS. Therefore, when the stacking fault 14 expands in a direction perpendicular to the step flow growth direction due to the forward current stress, the supply of recombination energy stops when the stacking fault 14 reaches the current limiting region 10, No further expansion.

このように、電流制限領域10を、その長手方向が、ステップフロー成長方向に対して垂直になるように配置することによって、積層欠陥14の拡張を抑制することができる。これによって、順方向電圧のシフトなどの特性シフトを抑制することができる。   In this way, by disposing the current limiting region 10 so that its longitudinal direction is perpendicular to the step flow growth direction, expansion of the stacking fault 14 can be suppressed. As a result, a characteristic shift such as a forward voltage shift can be suppressed.

本実施の形態のように、ドリフト層22が第1導電型半導体で構成される場合、電流制限領域10は、第2導電型半導体領域で構成すればよい。電流制限領域10を第2導電型半導体領域で構成することによって、ドリフト層22の内部の電界強度分布を制御することが可能となる。本実施の形態では、ドリフト層22は、n型半導体で構成されるので、電流制限領域10は、p型半導体領域で構成すればよい。   As in the present embodiment, when the drift layer 22 is composed of the first conductivity type semiconductor, the current limiting region 10 may be composed of the second conductivity type semiconductor region. By configuring the current limiting region 10 with the second conductivity type semiconductor region, the electric field strength distribution inside the drift layer 22 can be controlled. In the present embodiment, since drift layer 22 is formed of an n-type semiconductor, current limiting region 10 may be formed of a p-type semiconductor region.

図4は、電流制限領域10を第2導電型半導体で形成した場合の構成を示す断面図である。図4では、炭化珪素基板21としてn型基板を用い、ドリフト層22をn型半導体で構成し、電流制限領域10を構成する第2導電型半導体領域として、p型半導体領域を用いた場合を示す。電流制限領域10を構成するp型半導体領域は、ドリフト層22のn型不純物の濃度よりもp型不純物の濃度が高くなるように形成される。したがって、図4では、電流制限領域10の導電性を「p」で表している。 FIG. 4 is a cross-sectional view showing a configuration when the current limiting region 10 is formed of a second conductivity type semiconductor. In FIG. 4, a case where an n-type substrate is used as the silicon carbide substrate 21, the drift layer 22 is configured by an n-type semiconductor, and a p-type semiconductor region is used as the second conductivity type semiconductor region configuring the current limiting region 10. Show. The p-type semiconductor region constituting the current limiting region 10 is formed so that the concentration of the p-type impurity is higher than the concentration of the n-type impurity of the drift layer 22. Therefore, in FIG. 4, the conductivity of the current limiting region 10 is represented by “p + ”.

図4では、理解を容易にするために、説明に必要な項目以外は、記載を省略している。図4では、前述の図2に示すウエル領域23、ソース領域24およびウエルコンタクト領域25をまとめて、p半導体領域30として表している。 In FIG. 4, in order to facilitate understanding, description is omitted except for items necessary for explanation. In FIG. 4, the well region 23, the source region 24, and the well contact region 25 shown in FIG. 2 are collectively represented as a p + semiconductor region 30.

図5は、図4に示す構成におけるドリフト層22の内部の電界分布を示すグラフである。図5の縦軸は、電界強度を示し、横軸は、ドリフト層22の表面からの深さを示す。   FIG. 5 is a graph showing the electric field distribution inside the drift layer 22 in the configuration shown in FIG. The vertical axis in FIG. 5 indicates the electric field strength, and the horizontal axis indicates the depth from the surface of the drift layer 22.

図5から明らかなように、電流制限領域10として、第2導電型半導体領域を用いることによって、同耐圧の素子を作製する場合に、電界強度の変化の深さ方向に対する傾きを大きくすることができる。換言すれば、エピタキシャル成長のときの不純物ドープ濃度を増加させることができる。したがって、本実施の形態では、積層欠陥14の拡張を抑制するとともに、デバイスのオン抵抗の高抵抗化を抑制して、オン抵抗の低ン抵抗化を実現することが可能となる。   As can be seen from FIG. 5, by using the second conductivity type semiconductor region as the current limiting region 10, the slope of the change in the electric field strength with respect to the depth direction can be increased when an element with the same breakdown voltage is manufactured. it can. In other words, the impurity doping concentration during epitaxial growth can be increased. Therefore, in the present embodiment, it is possible to suppress the expansion of the stacking fault 14 and to suppress the increase in the on-resistance of the device, thereby realizing a low on-resistance.

以上のように本実施の形態によれば、順方向電流ストレスによって積層欠陥14がステップフロー成長方向に対して垂直な方向に拡張していくとき、電流制限領域10に到達したところで再結合エネルギーの供給がストップし、それ以上積層欠陥14が拡張しなくなる。積層欠陥14は、半導体基板21のオフ角によって図2の紙面縦方向への拡張角度が決まるので、電流制限領域10は、積層欠陥14の拡張を漏れなくストップできる箇所に配置されることが好適である。   As described above, according to the present embodiment, when the stacking fault 14 expands in the direction perpendicular to the step flow growth direction due to the forward current stress, the recombination energy is reached when it reaches the current limiting region 10. The supply is stopped and the stacking fault 14 does not expand any more. The stacking fault 14 has an extension angle in the vertical direction in FIG. 2 determined by the off-angle of the semiconductor substrate 21. Therefore, it is preferable that the current limiting region 10 is disposed at a position where the extension of the stacking fault 14 can be stopped without omission. It is.

電流制限領域10の好適な構成を具体的に説明する。図6は、本発明の第1の実施の形態における電流制限領域10の構成を示す断面図である。図6は、前述の図1の切断面線A−Aから見た断面図に相当する。図6は、前述の図2を簡略化したものであり、理解を容易にするために、説明に必要な情報以外は記載を省略している。   A preferred configuration of the current limiting region 10 will be specifically described. FIG. 6 is a sectional view showing the configuration of the current limiting region 10 in the first embodiment of the present invention. FIG. 6 corresponds to a cross-sectional view taken along the section line AA of FIG. 1 described above. FIG. 6 is a simplified version of FIG. 2 described above, and is omitted except for information necessary for explanation in order to facilitate understanding.

図6では、半導体基板11のオフ角を「α1」で表し、電流制限領域10の幅方向における寸法(以下「幅」という場合がある)を「w1」で表し、電流制限領域10の高さ方向における寸法(以下「高さ」という場合がある)を「h1」で表し、隣合う電流制限領域10同士間の間隔(以下「制限領域間隔」という場合がある)を「w2」で表す。ここで、電流制限領域10の幅方向とは、半導体基板21の厚み方向に垂直な一方向をいう。また、電流制限領域10の高さ方向とは、半導体基板21の厚み方向に平行な一方向をいう。   In FIG. 6, the off-angle of the semiconductor substrate 11 is represented by “α1”, the dimension in the width direction of the current limiting region 10 (hereinafter sometimes referred to as “width”) is represented by “w1”, and the height of the current limiting region 10 A dimension in the direction (hereinafter may be referred to as “height”) is represented by “h1”, and an interval between adjacent current limiting regions 10 (hereinafter also referred to as “restricted region spacing”) is represented by “w2”. Here, the width direction of the current limiting region 10 refers to one direction perpendicular to the thickness direction of the semiconductor substrate 21. Further, the height direction of the current limiting region 10 refers to one direction parallel to the thickness direction of the semiconductor substrate 21.

電流制限領域10の高さh1は、0.2μm以上4μm以下とすることが好ましく、0.2μm以上2μm以下とすることがさらに好ましい。特に、後述するように、埋め込みエピタキシャル成長を用いて電流制限領域10を形成する場合には、電流制限領域10の高さh1を、前述のように0.2μm以上4μm以下とすることが好ましく、0.2μm以上2μm以下とすることがさらに好ましい。   The height h1 of the current limiting region 10 is preferably 0.2 μm or more and 4 μm or less, and more preferably 0.2 μm or more and 2 μm or less. In particular, as will be described later, when the current limiting region 10 is formed using buried epitaxial growth, the height h1 of the current limiting region 10 is preferably 0.2 μm or more and 4 μm or less as described above. More preferably, it is 2 μm or more and 2 μm or less.

前述の図3に示すように、半導体基板21とドリフト層22との界面31に存在する基底面転移33などから拡張する積層欠陥14は、オフ角θの方向に伸展する。図6の断面図では、オフ角θは「α1」で表され、積層欠陥14は、太線で表されている。したがって、図6に示すように、断面構成では、積層欠陥14は、オフ角α1の方向に伸展する。   As shown in FIG. 3 described above, the stacking fault 14 extending from the basal plane transition 33 or the like existing at the interface 31 between the semiconductor substrate 21 and the drift layer 22 extends in the direction of the off angle θ. In the cross-sectional view of FIG. 6, the off angle θ is represented by “α1”, and the stacking fault 14 is represented by a thick line. Therefore, as shown in FIG. 6, in the cross-sectional configuration, the stacking fault 14 extends in the direction of the off angle α1.

電流制限領域10は、積層欠陥14の伸展を阻止する箇所に配置される必要がある。具体的には、電流制限領域10は、制限領域間隔w2および高さh1が、以下の式(1)を満たすように構成されることが好ましい。
tanα1≦h1/w2 …(1)
The current limiting region 10 needs to be arranged at a location that prevents the stacking fault 14 from extending. Specifically, the current limiting region 10 is preferably configured such that the limiting region interval w2 and the height h1 satisfy the following formula (1).
tan α1 ≦ h1 / w2 (1)

電流制限領域10は、制限領域間隔w2およびh1が、以下の式(1a)を満たすように構成されることが、より好ましい。
tanα1=h1/w2 …(1a)
The current limiting region 10 is more preferably configured such that the limiting region intervals w2 and h1 satisfy the following formula (1a).
tan α1 = h1 / w2 (1a)

電流制限領域10の幅w1と制限領域間隔w2との比、具体的には制限領域間隔w2に対する電流制限領域10の幅w1の比率w1/w2は、前述の式(1)、より好ましくは式(1a)を満たした上で、電流制限領域10を構成する第2導電型半導体のアクセプタ濃度が、周囲のドリフト層22を構成する第1導電型半導体のドナー濃度を十分補償するように構成されることが好ましい。具体的には、電流制限領域10の幅w1が、1μm以上5μm以下であり、制限領域間隔w2が、4μm以上20μm以下であることが好ましい。   The ratio of the width w1 of the current limiting region 10 to the limiting region spacing w2, specifically, the ratio w1 / w2 of the width w1 of the current limiting region 10 to the limiting region spacing w2 is the above formula (1), more preferably the formula After satisfying (1a), the acceptor concentration of the second conductivity type semiconductor constituting the current limiting region 10 is configured to sufficiently compensate the donor concentration of the first conductivity type semiconductor constituting the surrounding drift layer 22. It is preferable. Specifically, the width w1 of the current limiting region 10 is preferably 1 μm or more and 5 μm or less, and the limiting region interval w2 is preferably 4 μm or more and 20 μm or less.

本実施の形態の炭化珪素半導体装置1は、以下のようにして製造される。まず、第1導電型の炭化珪素からなる半導体基板21、具体的にはn型の炭化珪素基板が用意される。半導体基板21の厚み方向一方側の表面部に、エピタキシャル成長層からなる第1導電型のドリフト層22、具体的にはn型の炭化珪素から成るドリフト層22を形成する。ドリフト層22は、たとえば以下の方法によって形成される。   Silicon carbide semiconductor device 1 of the present embodiment is manufactured as follows. First, a semiconductor substrate 21 made of silicon carbide of the first conductivity type, specifically, an n-type silicon carbide substrate is prepared. A first conductivity type drift layer 22 made of an epitaxial growth layer, specifically, a drift layer 22 made of n-type silicon carbide is formed on the surface portion on one side in the thickness direction of the semiconductor substrate 21. Drift layer 22 is formed by the following method, for example.

図7は、下部電流制限領域10の形成が終了した段階の構成を示す断面図である。半導体基板21の厚み方向一方側の表面部上に、ドリフト層22の下部を構成する第1導電型のエピタキシャル成長層(以下「下部エピタキシャル層」という場合がある)、具体的にはn型の下部エピタキシャル層22Aをエピタキシャル成長させる。下部エピタキシャル層22Aは、下部電流制限領域10を形成する位置まで成長される。下部エピタキシャル層22Aの厚み寸法は、たとえば2μm以上100μm以下である。   FIG. 7 is a cross-sectional view showing a configuration at a stage where the formation of the lower current limiting region 10 is completed. A first conductivity type epitaxial growth layer (hereinafter sometimes referred to as a “lower epitaxial layer”) constituting the lower portion of the drift layer 22 on the surface portion on one side in the thickness direction of the semiconductor substrate 21, specifically an n-type lower portion Epitaxial layer 22A is epitaxially grown. The lower epitaxial layer 22A is grown to a position where the lower current limiting region 10 is formed. The thickness dimension of the lower epitaxial layer 22A is, for example, not less than 2 μm and not more than 100 μm.

下部エピタキシャル層22Aが所望の厚み寸法まで成長すると、そこで成長を中断させ、下部エピタキシャル層22Aが形成された半導体基板21(以下、単に「基板」という場合がある)を、一旦、炉から取り出す。   When the lower epitaxial layer 22A grows to a desired thickness dimension, the growth is interrupted there, and the semiconductor substrate 21 on which the lower epitaxial layer 22A is formed (hereinafter sometimes simply referred to as “substrate”) is once removed from the furnace.

次に、下部エピタキシャル層22Aの厚み方向一方側の表面部上に、フォトリソグラフィーによって加工されたレジストマスクまたは酸化膜マスクなどの不図示のエッチングマスクを形成する。エッチングマスクは、電流制限領域10が形成される部分に対応する部分に開口部を有するように形成される。   Next, an etching mask (not shown) such as a resist mask or an oxide film mask processed by photolithography is formed on the surface portion on one side in the thickness direction of the lower epitaxial layer 22A. The etching mask is formed so as to have an opening in a portion corresponding to the portion where the current limiting region 10 is formed.

形成したエッチングマスクを利用して、エッチングマスクの開口部に対応する部分の下部エピタキシャル層22Aのドライエッチングを行い、下部エピタキシャル層22Aの厚み方向一方側の表面部に、複数の加工溝40を形成する。各加工溝40は、半導体基板21の厚み方向に垂直な一方向に延びて形成される。複数の加工溝40は、前記一方向である各加工溝40の延在方向に垂直な方向に並んで形成される。   Using the formed etching mask, dry etching of the lower epitaxial layer 22A corresponding to the opening of the etching mask is performed, and a plurality of processed grooves 40 are formed on the surface portion on one side in the thickness direction of the lower epitaxial layer 22A. To do. Each processed groove 40 is formed to extend in one direction perpendicular to the thickness direction of the semiconductor substrate 21. The plurality of processed grooves 40 are formed side by side in a direction perpendicular to the extending direction of each processed groove 40 which is the one direction.

次に、基板を熱酸化することによってシリコン酸化膜を形成した後、形成したシリコン酸化膜をフッ酸によって除去する。これによって、基板に形成された表面変質層を除去して、清浄な面を得る。その後、加工溝40が形成された下部エピタキシャル層22Aの厚み方向一方側の表面部上に、第2導電型のエピタキシャル成長層(以下「第2導電型エピタキシャル層」という場合がある)、具体的にはp型のエピタキシャル成長層を加工溝44が埋まるまで成長させる。このエピタキシャル成長を、以下の説明では「埋め込みエピタキシャル成長」という場合がある。   Next, after a silicon oxide film is formed by thermally oxidizing the substrate, the formed silicon oxide film is removed with hydrofluoric acid. As a result, the surface-modified layer formed on the substrate is removed to obtain a clean surface. Thereafter, a second conductivity type epitaxial growth layer (hereinafter also referred to as “second conductivity type epitaxial layer”) is specifically formed on the surface portion on one side in the thickness direction of the lower epitaxial layer 22A in which the processed groove 40 is formed, specifically Grows a p-type epitaxial growth layer until the processing groove 44 is filled. This epitaxial growth may be referred to as “buried epitaxial growth” in the following description.

その後、第2導電型エピタキシャル層に対して、先に成長が中断されたドリフト層22、すなわち下部エピタキシャル層22Aが露出するまで化学的機械的研磨(Chemical Mechanical Polishing;略称:CMP)処理を行う。これによって、第2導電型エピタキシャル層が加工溝40内のみに残存する状態となる。この加工溝40内に残存する第2導電型エピタキシャル層が、電流制限領域10、具体的には下部電流制限領域10となる。このようにして、電流制限領域10が形成される。   Thereafter, chemical mechanical polishing (abbreviation: CMP) processing is performed on the second conductivity type epitaxial layer until the drift layer 22 whose growth has been interrupted, that is, the lower epitaxial layer 22A is exposed. As a result, the second conductivity type epitaxial layer remains in the processed groove 40 only. The second conductivity type epitaxial layer remaining in the processed groove 40 becomes the current limiting region 10, specifically, the lower current limiting region 10. In this way, the current limiting region 10 is formed.

電流制限領域10の不純物としては、アルミニウムまたは硼素が好適である。電流制限領域10には、アルミニウムおよび硼素のいずれか一方が含まれていてもよいし、両方が含まれていてもよい。電流制限領域10の不純物濃度は、ドリフト層22の不純物濃度を超えており、かつ、1×1015cm−3以上1×1019cm−3以下の範囲内に設定される。 As the impurity of the current limiting region 10, aluminum or boron is preferable. The current limiting region 10 may contain one of aluminum and boron, or may contain both. The impurity concentration of the current limiting region 10 exceeds the impurity concentration of the drift layer 22 and is set within a range of 1 × 10 15 cm −3 to 1 × 10 19 cm −3 .

次いで、下部電流制限領域10が形成された下部エピタキシャル層22Aの厚み方向一方側の表面部上に、ドリフト層22の一部となる第1導電型のエピタキシャル成長層(以下「内部エピタキシャル層」という場合がある)、具体的にはn型のエピタキシャル成長層をエピタキシャル成長させる。内部エピタキシャル層は、下部エピタキシャル層22Aの成長中断の前と同じ厚み寸法分、すなわち2μm以上100μm以下の厚み寸法分、成長される。   Next, a first conductivity type epitaxial growth layer (hereinafter referred to as an “internal epitaxial layer”) which becomes a part of the drift layer 22 on the surface portion on one side in the thickness direction of the lower epitaxial layer 22A where the lower current limiting region 10 is formed. Specifically, an n-type epitaxial growth layer is epitaxially grown. The internal epitaxial layer is grown by the same thickness dimension as that before the interruption of the growth of the lower epitaxial layer 22A, that is, by a thickness dimension of 2 μm or more and 100 μm or less.

次いで、下部電流制限領域10を形成する場合と同様にして、内部エピタキシャル層への加工溝の形成、表面変質層の除去、第2導電型エピタキシャル層の形成、およびCMP処理を行い、上部電流制限領域10を形成する。その後、ドリフト層22の上部を構成する第1導電型のエピタキシャル成長層、具体的にはn型のエピタキシャル成長層を、所望の厚み寸法になるまで成長させる。これによって、ドリフト層22が形成される。   Next, in the same manner as when the lower current limiting region 10 is formed, the processing groove is formed in the internal epitaxial layer, the surface-modified layer is removed, the second conductivity type epitaxial layer is formed, and the CMP process is performed, so that the upper current limiting is performed. Region 10 is formed. Thereafter, a first conductivity type epitaxial growth layer, specifically, an n-type epitaxial growth layer constituting the upper portion of the drift layer 22 is grown until a desired thickness dimension is obtained. Thereby, the drift layer 22 is formed.

次いで、デバイス構造の設計に従って、通常のMOSFET構造の作製のプロセスを行う。具体的には、前述の図2に示すように、ドリフト層22の厚み方向一方側の表面部の一部分に、イオン注入法によって、第2導電型、具体的にはp型のウエル領域23を形成する。さらに、ウエル領域23の厚み方向一方側の表面部の一部分に、第1導電型、具体的にはn型のソース領域24およびウエルコンタクト領域25を形成する。   Then, according to the design of the device structure, a normal MOSFET structure fabrication process is performed. Specifically, as shown in FIG. 2 described above, a second conductivity type, specifically, a p-type well region 23 is formed on a part of the surface portion on one side in the thickness direction of the drift layer 22 by ion implantation. Form. Further, a first conductivity type, specifically, an n-type source region 24 and a well contact region 25 are formed on a portion of the surface portion of one side in the thickness direction of the well region 23.

次いで、ウエル領域23、ソース領域24およびウエルコンタクト領域25が形成されたドリフト層22の厚み方向一方側の表面部上に、二酸化珪素などによって、ゲート絶縁膜27を形成する。形成したゲート絶縁膜27の厚み方向一方側の表面部上に、アルミニウムなどによって、ゲート電極26を形成する。次いで、半導体基板21の厚み方向他方側の表面部上に、アルミニウムなどによって、ドレイン電極28を形成する。このようにして、炭化珪素半導体装置1として、炭化珪素MOSFETが製造される。   Next, a gate insulating film 27 is formed of silicon dioxide or the like on the surface portion on one side in the thickness direction of the drift layer 22 in which the well region 23, the source region 24, and the well contact region 25 are formed. A gate electrode 26 is formed of aluminum or the like on the surface portion on one side in the thickness direction of the formed gate insulating film 27. Next, the drain electrode 28 is formed of aluminum or the like on the surface portion on the other side in the thickness direction of the semiconductor substrate 21. Thus, silicon carbide MOSFET is manufactured as silicon carbide semiconductor device 1.

本実施の形態の炭化珪素半導体装置1は、以下のようにして製造されてもよい。まず、前述の図7に示す場合と同様にして、半導体基板21の厚み方向一方側の表面部上に、下部エピタキシャル層22Aを、たとえば2μm以上100μm以下の厚み寸法になるまで成長させ、そこで成長を中断させ、一旦、炉から取り出す。   Silicon carbide semiconductor device 1 of the present embodiment may be manufactured as follows. First, in the same manner as shown in FIG. 7, the lower epitaxial layer 22A is grown on the surface portion on one side in the thickness direction of the semiconductor substrate 21 until the thickness becomes, for example, 2 μm or more and 100 μm or less. Is removed and once removed from the furnace.

次に、成長が中断されたエピタキシャル成長層、すなわち下部エピタキシャル層22Aの厚み方向一方側の表面部上に、フォトリソグラフィーによって加工されたレジストマスクまたは酸化膜マスクなどのマスクを形成する。形成したマスク利用して、下部エピタキシャル層22Aの厚み方向一方側の表面部の一部分、具体的には電流制限領域10を形成する部分に、不純物のイオン注入を行い、第2導電型の電流制限領域10、具体的にはp型の電流制限領域10を形成する。形成された電流制限領域10は、下部電流制限領域10となる。   Next, a mask such as a resist mask or an oxide film mask processed by photolithography is formed on the epitaxial growth layer in which the growth is interrupted, that is, on the surface portion on one side in the thickness direction of the lower epitaxial layer 22A. Using the formed mask, impurity ions are implanted into a portion of the surface portion on one side in the thickness direction of the lower epitaxial layer 22A, specifically, the portion where the current limiting region 10 is to be formed, thereby limiting the current of the second conductivity type. Region 10, specifically, p-type current limiting region 10 is formed. The formed current limiting region 10 becomes the lower current limiting region 10.

電流制限領域10を形成するためのイオン注入のとき、半導体基板21に対しては、積極的に加熱を行わなくてもよいし、たとえば200℃以上800℃以下の温度で加熱を行ってもよい。電流制限領域10となる部分に注入される不純物(以下「注入不純物」という場合がある)としては、アルミニウムまたは硼素が好適である。電流制限領域10には、アルミニウムおよび硼素のいずれか一方が含まれていてもよいし、両方が含まれていてもよい。電流制限領域10の不純物濃度は、ドリフト層22の不純物濃度を超えており、かつ、1×1015cm−3以上1×1019cm−3以下の範囲内に設定される。 At the time of ion implantation for forming the current limiting region 10, the semiconductor substrate 21 may not be actively heated, and may be heated at a temperature of 200 ° C. or higher and 800 ° C. or lower, for example. . Aluminum or boron is suitable as an impurity to be implanted into a portion to be the current limiting region 10 (hereinafter sometimes referred to as “implanted impurity”). The current limiting region 10 may contain one of aluminum and boron, or may contain both. The impurity concentration of the current limiting region 10 exceeds the impurity concentration of the drift layer 22 and is set within a range of 1 × 10 15 cm −3 to 1 × 10 19 cm −3 .

その後、アルゴンもしくは窒素などの不活性ガス雰囲気中、または、真空中において、たとえば1500℃以上2200℃以下の範囲内の温度で0.5分以上60分以下の範囲内の時間で熱処理を行う。これによって、注入された不純物が電気的に活性化する。この熱処理は、ドリフト層22の表面、またはドリフト層22の表面および半導体基板21の裏面を、炭素からなる膜で覆った状態で行うことが好ましい。このようにすることによって、熱処理時における装置内の残留水分および残留酸素などによるエッチングによって、ドリフト層22の表面に荒れが発生することを防ぐことができる。   Thereafter, heat treatment is performed in an inert gas atmosphere such as argon or nitrogen or in a vacuum at a temperature in the range of 1500 ° C. to 2200 ° C. for a time in the range of 0.5 minutes to 60 minutes. Thereby, the implanted impurities are electrically activated. This heat treatment is preferably performed in a state where the surface of the drift layer 22 or the surface of the drift layer 22 and the back surface of the semiconductor substrate 21 are covered with a film made of carbon. By doing so, it is possible to prevent the surface of the drift layer 22 from being roughened by etching with residual moisture and residual oxygen in the apparatus during the heat treatment.

次に、前述の図7に示す場合と同様にして、熱酸化によるシリコン酸化膜の形成、およびフッ酸によるシリコン酸化膜の除去を行うことによって、表面変質層を除去して清浄な面を得る。次いで、下部電流制限領域10が形成された下部エピタキシャル層22Aの厚み方向一方側の表面部上に、内部エピタキシャル層として、更にエピタキシャル成長層を成長させる。内部エピタキシャル層は、下部エピタキシャル層22Aの成長中断の前と同じ厚み寸法分、すなわち2μm以上100μm以下の厚み寸法分、成長される。その後、デバイス構造設計に従って通常のMOSFET構造作製のプロセスを行う。これによって、炭化珪素半導体装置1として、炭化珪素MOSFETが製造される。   Next, similarly to the case shown in FIG. 7 described above, a silicon oxide film is formed by thermal oxidation and a silicon oxide film is removed by hydrofluoric acid, thereby removing the surface-modified layer and obtaining a clean surface. . Next, an epitaxial growth layer is further grown as an internal epitaxial layer on the surface portion on one side in the thickness direction of the lower epitaxial layer 22A where the lower current limiting region 10 is formed. The internal epitaxial layer is grown by the same thickness dimension as that before the interruption of the growth of the lower epitaxial layer 22A, that is, by a thickness dimension of 2 μm or more and 100 μm or less. Thereafter, a normal MOSFET structure fabrication process is performed according to the device structure design. Thereby, silicon carbide MOSFET is manufactured as silicon carbide semiconductor device 1.

本実施の形態において、電流制限領域10の形成方法として埋め込みエピタキシャル成長方法を用いる場合は、イオン注入を用いて形成する場合に比べ、精度の高い設計が可能となる。また埋め込みエピタキシャル成長方法を用いる場合、電流制限領域10は、ドライエッチングで加工された加工溝40内に形成されており、イオン注入を用いて作製する場合に比べて、電流制限領域10の高さh1を大きくことができる。したがって、設計の裕度を上げることが可能となる。   In the present embodiment, when a buried epitaxial growth method is used as a method for forming the current limiting region 10, a highly accurate design can be achieved as compared with the case where the current limiting region 10 is formed using ion implantation. When the buried epitaxial growth method is used, the current limiting region 10 is formed in the processing groove 40 processed by dry etching, and the height h1 of the current limiting region 10 is higher than that in the case of manufacturing using ion implantation. Can be increased. Therefore, the design margin can be increased.

以上のように本実施の形態によれば、ドリフト層22の内部には、導電性を有する材料によって、複数の電流制限領域10が形成される。電流制限領域10によって、ソース電極26とドレイン電極28との間に流れる電流が制限される。各電流制限領域10は、直方体状に形成され、ドリフト層22のオフ方向であるステップフロー成長方向に対して垂直な方向に長手方向を有するように配置される。これによって、電流制限領域10は、ドリフト層が形成されるときに順次形成される炭化珪素結晶層、すなわちドリフト層22のエピタキシャル成長時に順次形成される成長層の厚み方向一方側の表面に対して、平行に配置されることになる。   As described above, according to the present embodiment, a plurality of current limiting regions 10 are formed in the drift layer 22 from a conductive material. The current limiting region 10 limits the current flowing between the source electrode 26 and the drain electrode 28. Each current limiting region 10 is formed in a rectangular parallelepiped shape, and is arranged so as to have a longitudinal direction in a direction perpendicular to the step flow growth direction which is the off direction of drift layer 22. Thus, current limiting region 10 is formed with respect to the surface of one side in the thickness direction of the silicon carbide crystal layer that is sequentially formed when the drift layer is formed, that is, the growth layer that is sequentially formed during the epitaxial growth of drift layer 22. It will be arranged in parallel.

このように電流制限領域10を配置することによって、ソース電極26とドレイン電極28との間に順方向電流を流す順方向動作において、ドリフト層22に生じる積層欠陥14の拡張を抑制し、特性シフトを抑制することができる。また、電流制限領域10は、導電性を有する材料によって形成されるので、オン抵抗の高抵抗化を抑制することができる。したがって、順方向動作において、オン抵抗の高抵抗化を抑制しつつ、積層欠陥14の拡張を抑制し、特性シフトを抑制することができる炭化珪素半導体装置1を実現することができる。   By disposing the current limiting region 10 in this way, in the forward operation in which a forward current flows between the source electrode 26 and the drain electrode 28, the expansion of the stacking fault 14 generated in the drift layer 22 is suppressed, and the characteristic shift is performed. Can be suppressed. Further, since the current limiting region 10 is formed of a conductive material, it is possible to suppress an increase in on-resistance. Therefore, in forward operation, silicon carbide semiconductor device 1 capable of suppressing expansion of stacking fault 14 and suppressing characteristic shift while suppressing increase in on-resistance can be realized.

また前述のように、電流制限領域10は、制限領域間隔w2および高さh1が、前述の式(1)を満たすように構成されることが好ましい。電流制限領域10を、このように構成することによって、半導体基板21とドリフト層22との界面からの積層欠陥14の拡張を、全て、ドリフト層22中で停止可能な場所に、電流制限領域10を配置することができる。これによって、順方向電圧のシフトをより確実に抑制することができる。   Further, as described above, the current limiting region 10 is preferably configured such that the limiting region interval w2 and the height h1 satisfy the above-described formula (1). By configuring the current limiting region 10 in this way, all the expansion of the stacking faults 14 from the interface between the semiconductor substrate 21 and the drift layer 22 can be stopped at a place where the current can be stopped in the drift layer 22. Can be arranged. As a result, the forward voltage shift can be more reliably suppressed.

以上に述べた本実施の形態では、一例として、ドリフト層22の成長中断を2回実施し、電流制限領域を2層設ける構成について説明したが、図6のように電流制限領域10を1層のみ設ける構成としてもよく、3層以上の層数設ける構成としてもよい。いずれの構成においても、本実施の形態と同様に、積層欠陥14のジャンクションFET(以下「JFET」という場合がある)領域への拡張抑制などの、積層欠陥14の拡張抑制を実現することができる。また、本実施の形態の構成は、その意図を逸脱しない範囲で、どのようなオフ角を有する半導体基板21に対しても適用可能である。   In the present embodiment described above, as an example, the structure in which the growth of the drift layer 22 is interrupted twice and two current limiting regions are provided has been described. However, as shown in FIG. It is good also as a structure provided only for 3 layers or more. In any of the configurations, the expansion suppression of the stacking fault 14 such as the expansion suppression of the stacking fault 14 to the junction FET (hereinafter sometimes referred to as “JFET”) region can be realized as in the present embodiment. . Further, the configuration of the present embodiment can be applied to the semiconductor substrate 21 having any off-angle within a range not departing from the intention.

なお、本実施の形態では、半導体基板21の導電型として第1導電型を用いた場合について説明したが、半導体基板21の導電型としては、第2導電型を用いてもよい。   In the present embodiment, the case where the first conductivity type is used as the conductivity type of the semiconductor substrate 21 has been described, but the second conductivity type may be used as the conductivity type of the semiconductor substrate 21.

<第2の実施の形態>
図8は、本発明の第2の実施の形態である炭化珪素半導体装置2の構成を示す断面図である。本実施の形態の炭化珪素半導体装置2は、第1の実施の形態の炭化珪素半導体装置1と構成が類似しているので、同一の構成については、同一の参照符号を付して説明を省略する。図8は、図1に示す切断面線A−Aから見た断面図に相当する。
<Second Embodiment>
FIG. 8 is a cross sectional view showing a configuration of silicon carbide semiconductor device 2 according to the second embodiment of the present invention. Since silicon carbide semiconductor device 2 of the present embodiment has a configuration similar to that of silicon carbide semiconductor device 1 of the first embodiment, the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. To do. FIG. 8 corresponds to a cross-sectional view taken along the section line AA shown in FIG.

本実施の形態の炭化珪素半導体装置2は、電流制限領域10の構成が異なる以外は、第1の実施の形態の炭化珪素半導体装置1と同様の構成を有する。本実施の形態の炭化珪素半導体装置2は、第1の実施の形態の炭化珪素半導体装置1と同様に、炭化珪素MOSFETである。   Silicon carbide semiconductor device 2 of the present embodiment has a configuration similar to that of silicon carbide semiconductor device 1 of the first embodiment except that current limiting region 10 has a different configuration. Silicon carbide semiconductor device 2 of the present embodiment is a silicon carbide MOSFET, similarly to silicon carbide semiconductor device 1 of the first embodiment.

MOSFETにおいて、積層欠陥の拡張による順方向動作時のオン抵抗の増大は、主にJFET領域へ伸展した積層欠陥によって生ずると考えられる。なぜなら、MOSFETへの順方向電流通電時には、JFET領域に電流が集中するためである。   In the MOSFET, it is considered that the increase in on-resistance during forward operation due to the expansion of stacking faults is mainly caused by stacking faults extending to the JFET region. This is because the current concentrates in the JFET region when the forward current is supplied to the MOSFET.

本実施の形態では、半導体基板21とドリフト層22との界面からJFET領域へ伸展する積層欠陥14を選択的に停止させるように、電流制限領域10を形成する。これによって、電流制限領域10を設けることによるエピタキシャル層内、すなわちドリフト層22内での電流通電面積の減少を最低限に抑えている。また、電流制限領域10の形成位置を、JFET領域へ伸展する積層欠陥14を停止可能な場所に絞ることによって、電流制限領域10を構成する第2導電型半導体領域を形成したことによるドリフト層22へのダメージを最小限にとどめている。   In the present embodiment, the current limiting region 10 is formed so as to selectively stop the stacking fault 14 extending from the interface between the semiconductor substrate 21 and the drift layer 22 to the JFET region. As a result, the reduction of the current conduction area in the epitaxial layer, that is, in the drift layer 22 due to the provision of the current limiting region 10 is minimized. Also, the drift layer 22 formed by forming the second conductivity type semiconductor region constituting the current limiting region 10 by narrowing the formation position of the current limiting region 10 to a place where the stacking fault 14 extending to the JFET region can be stopped. The damage to the is minimized.

本実施の形態における電流制限領域10の好適な構成を具体的に説明する。図9は、本発明の第2の実施の形態における電流制限領域10の構成を示す断面図である。図9は、前述の図1の切断面線A−Aから見た断面図に相当する。図9は、前述の図8を簡略化したものであり、理解を容易にするために、説明に必要な情報以外は記載を省略している。本実施の形態では、図8に示すように、ドリフト層22の表面からの位置が異なる2層の電流制限領域10が形成されているが、図9では、理解を容易にするために、2層のうちの1層の電流制限領域10のみを記載している。   A preferred configuration of the current limiting region 10 in the present embodiment will be specifically described. FIG. 9 is a cross-sectional view showing the configuration of the current limiting region 10 in the second embodiment of the present invention. FIG. 9 corresponds to a cross-sectional view taken along the section line AA of FIG. FIG. 9 is a simplified version of FIG. 8 described above, and description is omitted except for information necessary for explanation in order to facilitate understanding. In the present embodiment, as shown in FIG. 8, two layers of current limiting regions 10 having different positions from the surface of the drift layer 22 are formed. However, in FIG. Only one current limiting region 10 of the layers is shown.

図9では、半導体基板21のオフ角を「α2」で表し、電流制限領域10の幅を「w1」で表し、電流制限領域10の高さを「h1」で表し、隣合う電流制限領域同士間の間隔である制限領域間隔を「w2」で表す。   In FIG. 9, the off angle of the semiconductor substrate 21 is represented by “α2”, the width of the current limiting region 10 is represented by “w1”, the height of the current limiting region 10 is represented by “h1”, and the adjacent current limiting regions are adjacent to each other. A limited area interval that is an interval between them is represented by “w2”.

電流制限領域10の高さh1は、0.2μm以上4μm以下とすることが好ましく、0.2μm以上2μm以下とすることがさらに好ましい。特に、前述の埋め込みエピタキシャル成長を用いて電流制限領域10を形成する場合には、電流制限領域10の高さh1を、前述のように0.2μm以上4μm以下とすることが好ましく、0.2μm以上2μm以下とすることがさらに好ましい。   The height h1 of the current limiting region 10 is preferably 0.2 μm or more and 4 μm or less, and more preferably 0.2 μm or more and 2 μm or less. In particular, when the current limiting region 10 is formed by using the above-described buried epitaxial growth, the height h1 of the current limiting region 10 is preferably 0.2 μm or more and 4 μm or less as described above, and is 0.2 μm or more. More preferably, it is 2 μm or less.

また、図9では、炭化珪素MOSFET2のセルピッチを「a1」で表し、JFET領域41の幅を「b1」で表し、図9の紙面に向かって、電流制限領域10の上端からJFET領域41の下端までの幅を「c1」で表し、JFET領域41の左端から1つの電流制限領域10の左端までの幅を「d1」で表す。   In FIG. 9, the cell pitch of the silicon carbide MOSFET 2 is represented by “a1”, the width of the JFET region 41 is represented by “b1”, and toward the paper surface of FIG. 9, from the upper end of the current limiting region 10 to the lower end of the JFET region 41. The width from the left end of the JFET region 41 to the left end of one current limiting region 10 is represented by “d1”.

図9に示すように、半導体基板21とドリフト層22との界面に存在する基底面転移などから拡張する積層欠陥14は、オフ角α2で規定される方向に伸展する。図9中の積層欠陥14のうち、破線で示されている部分は、積層欠陥14が拡張したときの仮想延長線を示している。   As shown in FIG. 9, the stacking fault 14 expanding from the basal plane transition existing at the interface between the semiconductor substrate 21 and the drift layer 22 extends in the direction defined by the off angle α2. A portion indicated by a broken line in the stacking fault 14 in FIG. 9 indicates a virtual extension line when the stacking fault 14 is expanded.

電流制限領域10は、積層欠陥14のJFET領域41への伸展を阻止する箇所に配置される必要がある。具体的には、電流制限領域10は、JFET領域41の幅b1、電流制限領域10の幅w1、および電流制限領域10の高さh1が、以下の式(2a)を満たし、かつ、電流制限領域10の上端からJFET領域41の下端までの幅c1、およびJFET領域41の左端から1つの電流制限領域10の左端までの幅d1が、以下の式(2b)を満たし、炭化珪素MOSFET2のセルピッチa1および制限領域間隔w2が、以下の式(2c)を満たすように構成されることが好ましい。   The current limiting region 10 needs to be arranged at a location that prevents the stacking fault 14 from extending to the JFET region 41. Specifically, the current limiting region 10 has a width b1 of the JFET region 41, a width w1 of the current limiting region 10 and a height h1 of the current limiting region 10 satisfying the following expression (2a) and the current limiting The width c1 from the upper end of region 10 to the lower end of JFET region 41 and the width d1 from the left end of JFET region 41 to the left end of one current limiting region 10 satisfy the following expression (2b), and the cell pitch of silicon carbide MOSFET 2 It is preferable that a1 and the limited region interval w2 are configured to satisfy the following expression (2c).

tanα2=h1/(b1−w1) …(2a)
d1=c1/tanα2 …(2b)
a1=w2 …(2c)
tan α2 = h1 / (b1-w1) (2a)
d1 = c1 / tan α2 (2b)
a1 = w2 (2c)

電流制限領域10は、これらの式(2a)〜(2c)を満たした上で、電流制限領域10を構成する第2導電型半導体のアクセプタ濃度が、周囲のドリフト層22を構成する第1導電型半導体のドナー濃度を十分補償するように構成されることが好ましい。具体的には、電流制限領域10の幅w1が、1μm以上5μm以下であり、制限領域間隔w2が、4μm以上20μm以下であることが好ましい。   The current limiting region 10 satisfies the equations (2a) to (2c), and the acceptor concentration of the second conductivity type semiconductor constituting the current limiting region 10 is the first conductivity constituting the surrounding drift layer 22. It is preferable to be configured to sufficiently compensate the donor concentration of the type semiconductor. Specifically, the width w1 of the current limiting region 10 is preferably 1 μm or more and 5 μm or less, and the limiting region interval w2 is preferably 4 μm or more and 20 μm or less.

本実施の形態の炭化珪素半導体装置2は、第1の実施の形態の炭化珪素半導体装置1と同様にして製造することができる。本実施の形態においても、電流制限領域10の形成方法として、埋め込みエピタキシャル成長方法を用いる場合は、イオン注入を用いて形成する場合に比べ、精度の高い設計が可能となる。また埋め込みエピタキシャル成長方法を用いる場合、電流制限領域10は、ドライエッチングで加工された加工溝40内に形成されており、イオン注入を用いて形成する場合に比べて、電流制限領域10の高さh1を大きくすることができる。したがって、設計の裕度を上げることが可能となる。   Silicon carbide semiconductor device 2 of the present embodiment can be manufactured in the same manner as silicon carbide semiconductor device 1 of the first embodiment. Also in the present embodiment, when a buried epitaxial growth method is used as a method for forming the current limiting region 10, it is possible to design with higher accuracy than in the case of using ion implantation. When the buried epitaxial growth method is used, the current limiting region 10 is formed in the processing groove 40 processed by dry etching, and the height h1 of the current limiting region 10 is higher than that formed by ion implantation. Can be increased. Therefore, the design margin can be increased.

以上に述べたように本実施の形態によれば、第1の実施の形態と同様に、順方向動作において、オン抵抗の高抵抗化を抑制しつつ、積層欠陥14の拡張を抑制し、特性シフトを抑制することができる炭化珪素半導体装置2を実現することができる。   As described above, according to the present embodiment, as in the first embodiment, in the forward operation, the increase of the on-resistance is suppressed and the expansion of the stacking fault 14 is suppressed, and the characteristics are reduced. Silicon carbide semiconductor device 2 capable of suppressing the shift can be realized.

また前述のように、電流制限領域10は、前述の式(2a)〜(2c)を満たすように構成されることが好ましい。電流制限領域10を、このように構成することによって、半導体基板21とドリフト層22との界面から拡張する積層欠陥14のうち、JFET領域41へ拡張するもの全てをドリフト層22中で停止可能な場所に、電流制限領域50を配置することができる。これによって、順方向電圧のシフトをより確実に抑制することができる。   Further, as described above, the current limiting region 10 is preferably configured to satisfy the above-described formulas (2a) to (2c). By configuring the current limiting region 10 in this way, all of the stacking faults 14 extending from the interface between the semiconductor substrate 21 and the drift layer 22 to the JFET region 41 can be stopped in the drift layer 22. The current limiting region 50 can be arranged at the place. As a result, the forward voltage shift can be more reliably suppressed.

以上に述べた本実施の形態では、一例として、第1の実施の形態と同様に、2層の電流制限領域10を設ける構成について説明したが、図9に示すように電流制限領域10を1層のみ設ける構成としてもよいし、3層以上の層数を設ける構成としてもよい。いずれの構成においても、本実施の形態と同様に、積層欠陥14のJFET領域41への拡張を抑制することができる。また、本実施の形態の構成は、その意図を逸脱しない範囲で、他のオフ角を有する半導体基板21に対しても適用可能である。   In the present embodiment described above, as an example, the configuration in which the two-layer current limiting region 10 is provided as in the first embodiment has been described. However, as shown in FIG. Only a layer may be provided, or three or more layers may be provided. In any configuration, the extension of the stacking fault 14 to the JFET region 41 can be suppressed as in the present embodiment. The configuration of the present embodiment can also be applied to the semiconductor substrate 21 having other off-angles without departing from the intention.

<第3の実施の形態>
図10は、本発明の第3の実施の形態である炭化珪素半導体装置3の構成を示す断面図である。本実施の形態の炭化珪素半導体装置3は、第1の実施の形態の炭化珪素半導体装置1と構成が類似しているので、同一の構成については、同一の参照符号を付して説明を省略する。図10は、図1に示す切断面線A−Aから見た断面図に相当する。
<Third Embodiment>
FIG. 10 is a cross sectional view showing a configuration of silicon carbide semiconductor device 3 according to the third embodiment of the present invention. Since silicon carbide semiconductor device 3 of the present embodiment has a configuration similar to that of silicon carbide semiconductor device 1 of the first embodiment, the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. To do. 10 corresponds to a cross-sectional view taken along the section line AA shown in FIG.

本実施の形態の炭化珪素半導体装置3は、電流制限領域50の構成が異なる以外は、第1の実施の形態の炭化珪素半導体装置1と同様の構成を有する。本実施の形態の炭化珪素半導体装置3は、第1の実施の形態の炭化珪素半導体装置1と同様に、炭化珪素MOSFETである。   Silicon carbide semiconductor device 3 of the present embodiment has a configuration similar to that of silicon carbide semiconductor device 1 of the first embodiment except that current limiting region 50 has a different configuration. Silicon carbide semiconductor device 3 of the present embodiment is a silicon carbide MOSFET, similarly to silicon carbide semiconductor device 1 of the first embodiment.

MOSFETにおいて、積層欠陥の拡張による順方向動作時のオン抵抗の増大は、主にJFET領域へ伸展した積層欠陥によって生ずると考えられる。なぜなら、MOSFETへの順方向電流通電時には、JFET領域に電流が集中するためである。   In the MOSFET, it is considered that the increase in on-resistance during forward operation due to the expansion of stacking faults is mainly caused by stacking faults extending to the JFET region. This is because the current concentrates in the JFET region when the forward current is supplied to the MOSFET.

本実施の形態では、半導体基板21とドリフト層22との界面からの積層欠陥14の拡張を抑制するために、半導体基板21とドリフト層22との界面において、JFET領域へと積層欠陥14が伸展する起点となる基底面転移などを内部に含むように、電流制限領域50を形成する。これによって、積層欠陥14の拡張を抑制し、特性シフトを抑えることを可能にしている。   In the present embodiment, in order to suppress the extension of the stacking fault 14 from the interface between the semiconductor substrate 21 and the drift layer 22, the stacking fault 14 extends to the JFET region at the interface between the semiconductor substrate 21 and the drift layer 22. The current limiting region 50 is formed so as to include a basal plane transition or the like serving as a starting point. As a result, the expansion of the stacking fault 14 can be suppressed and the characteristic shift can be suppressed.

電流制限領域50は、半導体基板21とドリフト層22との界面を下端として形成されてもよいし、半導体基板21とドリフト層22とにまたがるように形成されてもよい。   The current limiting region 50 may be formed with the interface between the semiconductor substrate 21 and the drift layer 22 as a lower end, or may be formed so as to straddle the semiconductor substrate 21 and the drift layer 22.

また、本実施の形態では、半導体基板21とドリフト層22との界面からJFET領域へ伸展する積層欠陥14を選択的に停止させるように、電流制限領域50を形成する。これによって、電流制限領域50を設けることによるエピタキシャル層内、すなわちドリフト層22内での電流通電面積の減少を最低限に抑えている。また、電流制限領域50の形成位置を、JFET領域へ伸展する積層欠陥14を停止可能な場所に絞ることによって、電流制限領域50を構成する第2導電型半導体領域を形成したことによるドリフト層22へのダメージを最小限にとどめている。   In the present embodiment, the current limiting region 50 is formed so as to selectively stop the stacking fault 14 extending from the interface between the semiconductor substrate 21 and the drift layer 22 to the JFET region. As a result, the reduction of the current carrying area in the epitaxial layer, that is, in the drift layer 22 due to the provision of the current limiting region 50 is minimized. Further, the drift layer 22 formed by forming the second conductivity type semiconductor region constituting the current limiting region 50 by narrowing the formation position of the current limiting region 50 to a place where the stacking fault 14 extending to the JFET region can be stopped. The damage to the is minimized.

本実施の形態における電流制限領域50の好適な構成を具体的に説明する。図11は、本発明の第3の実施の形態における電流制限領域50の構成を示す断面図である。図11は、前述の図1の切断面線A−Aから見た断面図に相当する。図11は、前述の図9を簡略化したものであり、理解を容易にするために、説明に必要な情報以外は記載を省略している。   A preferred configuration of the current limiting region 50 in the present embodiment will be specifically described. FIG. 11 is a cross-sectional view showing the configuration of the current limiting region 50 in the third embodiment of the present invention. FIG. 11 corresponds to a cross-sectional view taken along the section line AA of FIG. FIG. 11 is a simplified version of FIG. 9 described above, and is omitted except for information necessary for explanation in order to facilitate understanding.

図11では、半導体基板21のオフ角を「α3」で表し、電流制限領域50の幅を「w11」で表し、電流制限領域50の高さを「h11」で表し、隣合う電流制限領域50同士間の間隔である制限領域間隔を「w12」で表す。   In FIG. 11, the off angle of the semiconductor substrate 21 is represented by “α3”, the width of the current limiting region 50 is represented by “w11”, the height of the current limiting region 50 is represented by “h11”, and the adjacent current limiting regions 50 A restricted area interval which is an interval between each other is represented by “w12”.

電流制限領域50の高さh11は、0.2μm以上4μm以下とすることが好ましく、0.2μm以上2μm以下とすることがさらに好ましい。特に、前述の埋め込みエピタキシャル成長を用いて電流制限領域50を形成する場合には、電流制限領域50の高さh11を、前述のように0.2μm以上4μm以下とすることが好ましく、0.2μm以上2μm以下とすることがさらに好ましい。   The height h11 of the current limiting region 50 is preferably 0.2 μm or more and 4 μm or less, and more preferably 0.2 μm or more and 2 μm or less. In particular, when the current limiting region 50 is formed using the above-described buried epitaxial growth, the height h11 of the current limiting region 50 is preferably 0.2 μm or more and 4 μm or less as described above, and is 0.2 μm or more. More preferably, it is 2 μm or less.

また、図11では、炭化珪素MOSFET3のセルピッチを「a12」で表し、JFET領域41の幅を「b11」で表し、図11の紙面に向かって、電流制限領域50の上端からJFET領域41の下端までの幅を「c11」で表し、JFET領域41の左端から1つの電流制限領域50の左端までの幅を「d11」で表す。   In FIG. 11, the cell pitch of the silicon carbide MOSFET 3 is represented by “a12”, the width of the JFET region 41 is represented by “b11”, and from the top of the current limiting region 50 toward the bottom of the JFET region 41 toward the paper surface of FIG. The width from the left end of the JFET region 41 to the left end of one current limiting region 50 is represented by “d11”.

図11に示すように、半導体基板21とドリフト層22との界面に存在する基底面転移などから拡張する積層欠陥14は、オフ角α3で規定される方向に伸展する。図11中の積層欠陥14のうち、破線で示されている部分は、積層欠陥14が拡張した場合の仮想延長線を示している。   As shown in FIG. 11, the stacking fault 14 expanding from the basal plane transition existing at the interface between the semiconductor substrate 21 and the drift layer 22 extends in the direction defined by the off angle α <b> 3. A portion indicated by a broken line in the stacking fault 14 in FIG. 11 indicates a virtual extension line when the stacking fault 14 is expanded.

電流制限領域50は、積層欠陥14のJFET領域41への伸展を阻止する箇所に配置される必要がある。具体的には、電流制限領域50は、JFET領域41の幅b11および電流制限領域50の幅w11が、以下の式(3a)を満たし、かつ、電流制限領域50の上端からJFET領域41の下端までの幅c11、およびJFET領域41の左端から1つの電流制限領域50の左端までの幅d11が、以下の式(3b)を満たし、かつ、炭化珪素MOSFET3のセルピッチa11および制限領域間隔w12が、以下の式(3c)を満たすように構成されることが好ましい。   The current limiting region 50 needs to be disposed at a location that prevents the stacking fault 14 from extending to the JFET region 41. Specifically, in the current limiting region 50, the width b11 of the JFET region 41 and the width w11 of the current limiting region 50 satisfy the following expression (3a), and the lower end of the JFET region 41 extends from the upper end of the current limiting region 50. And the width d11 from the left end of the JFET region 41 to the left end of one current limiting region 50 satisfy the following expression (3b), and the cell pitch a11 and the limiting region interval w12 of the silicon carbide MOSFET 3 are: It is preferable to be configured to satisfy the following formula (3c).

b11=w11 …(3a)
d11=c11/tanα3 …(3b)
a11=w12 …(3c)
b11 = w11 (3a)
d11 = c11 / tan α3 (3b)
a11 = w12 (3c)

電流制限領域50の高さh11は、電子と正孔との再結合を抑制するために十分な任意の値にとることができ、0.05μm以上0.5μm以下の範囲が好適である。   The height h11 of the current limiting region 50 can be set to an arbitrary value sufficient to suppress recombination of electrons and holes, and a range of 0.05 μm to 0.5 μm is preferable.

電流制限領域50は、前述の式(3a)〜(3c)を満たした上で、電流制限領域50を構成する第2導電型半導体のアクセプタ濃度が、周囲のドリフト層22を構成する第1導電型半導体のドナー濃度を十分補償するように構成されることが好ましい。具体的には、電流制限領域50の幅w11が、1μm以上5μm以下であり、制限領域間隔w12が、4μm以上20μm以下であることが好ましい。   The current limiting region 50 satisfies the above-described equations (3a) to (3c), and the acceptor concentration of the second conductivity type semiconductor constituting the current limiting region 50 is the first conductivity constituting the surrounding drift layer 22. It is preferable to be configured to sufficiently compensate the donor concentration of the type semiconductor. Specifically, the width w11 of the current limiting region 50 is preferably 1 μm or more and 5 μm or less, and the limiting region interval w12 is preferably 4 μm or more and 20 μm or less.

本実施の形態の炭化珪素半導体装置3は、第1の実施の形態の炭化珪素半導体装置1と同様にして製造することができる。本実施の形態においても、電流制限領域50の形成方法として、埋め込みエピタキシャル成長方法を用いる場合は、イオン注入を用いて形成する場合に比べ、精度の高い設計が可能となる。また埋め込みエピタキシャル成長方法を用いる場合、電流制限領域50は、ドライエッチングで加工された加工溝40内に形成されており、イオン注入を用いて形成する場合に比べて、電流制限領域50の高さh11を大きくすることができる。したがって、設計の裕度を上げることが可能となる。   Silicon carbide semiconductor device 3 of the present embodiment can be manufactured in the same manner as silicon carbide semiconductor device 1 of the first embodiment. Also in the present embodiment, when a buried epitaxial growth method is used as a method for forming the current limiting region 50, it is possible to design with higher accuracy than in the case of using ion implantation. In the case of using the buried epitaxial growth method, the current limiting region 50 is formed in the processed groove 40 processed by dry etching, and the height h11 of the current limiting region 50 is higher than that in the case of using ion implantation. Can be increased. Therefore, the design margin can be increased.

以上に述べたように本実施の形態によれば、第1の実施の形態と同様に、順方向動作において、オン抵抗の高抵抗化を抑制しつつ、積層欠陥14の拡張を抑制し、特性シフトを抑制することができる炭化珪素半導体装置3を実現することができる。   As described above, according to the present embodiment, as in the first embodiment, in the forward operation, the increase of the on-resistance is suppressed and the expansion of the stacking fault 14 is suppressed, and the characteristics are reduced. Silicon carbide semiconductor device 3 capable of suppressing the shift can be realized.

また前述のように、電流制限領域50は、前述の式(3a)〜(3c)を満たすように構成されることが好ましい。電流制限領域50を、このように構成することによって、半導体基板21とドリフト層22との界面から拡張する積層欠陥14のうち、JFET領域41へ拡張するものの、半導体基板21とドリフト層22との界面における拡張起点を含むように電流制限領域50を配置することができる。これによって、順方向電圧のシフトをより確実に抑制することができる。   Further, as described above, the current limiting region 50 is preferably configured to satisfy the above-described formulas (3a) to (3c). By configuring the current limiting region 50 in this way, among the stacking faults 14 that extend from the interface between the semiconductor substrate 21 and the drift layer 22, the stacking fault 14 extends to the JFET region 41, but between the semiconductor substrate 21 and the drift layer 22. The current limiting region 50 can be arranged so as to include the expansion starting point at the interface. As a result, the forward voltage shift can be more reliably suppressed.

以上に述べた本実施の形態では、一例として、第1の実施の形態と同様に、電流制限領域50を半導体基板21とドリフト層22との界面付近に1層のみ設ける構成について説明したが、電流制限領域50を別途ドリフト層22の内部に設けて、2層を設けた構成としてもよいし、3層以上の層数を設けた構成としてもよい。いずれの構成においても、本実施の形態と同様に、積層欠陥14のJFET領域41への拡張を抑制することができる。また、本実施の形態の構成は、その意図を逸脱しない範囲で、他のオフ角を有する半導体基板21に対しても適用可能である。   In the present embodiment described above, as an example, as in the first embodiment, a configuration in which only one current limiting region 50 is provided near the interface between the semiconductor substrate 21 and the drift layer 22 has been described. The current limiting region 50 may be separately provided inside the drift layer 22 so that two layers are provided, or the number of layers of three or more layers may be provided. In any configuration, the extension of the stacking fault 14 to the JFET region 41 can be suppressed as in the present embodiment. The configuration of the present embodiment can also be applied to the semiconductor substrate 21 having other off-angles without departing from the intention.

以上に述べた各実施の形態では、電流制限領域10,50は、炭化珪素で形成される第2導電型の半導体領域、具体的には、p型半導体領域によって構成される。これによって、炭化珪素半導体装置1〜3のオン抵抗の高抵抗化を、より確実に抑制することができる。   In each of the embodiments described above, current limiting regions 10 and 50 are configured by a second conductivity type semiconductor region formed of silicon carbide, specifically, a p-type semiconductor region. Thereby, the increase in the on-resistance of silicon carbide semiconductor devices 1 to 3 can be more reliably suppressed.

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせることが可能である。また、各実施の形態の任意の構成要素を適宜、変更または省略することが可能である。たとえば、前述の各実施の形態の炭化珪素半導体装置1〜3は、MOSFETであるが、これに限定されない。   The present invention can be freely combined with each embodiment within the scope of the invention. In addition, any component in each embodiment can be changed or omitted as appropriate. For example, silicon carbide semiconductor devices 1 to 3 according to the above-described embodiments are MOSFETs, but are not limited thereto.

本発明の各実施の形態の炭化珪素半導体装置1〜3の構成は、PNダイオード、PiNダイオード、MPS(Merged PiN Schottky)ダイオード、還流端子付き絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor;略称:IGBT)など、MOSFETと同様にPN接合を有しており、積層欠陥の拡張が懸念される他のデバイスに対しても適用可能である。本発明の各実施の形態の構成を適用することによって、各実施の形態と同様の効果を得ることができる。たとえば、PNダイオードに適用される場合、コンタクト領域が接触半導体領域に相当し、アノード電極が一方側電極に相当し、カソード電極が他方側電極に相当する。   The configurations of silicon carbide semiconductor devices 1 to 3 according to the embodiments of the present invention include a PN diode, a PiN diode, an MPS (Merged PiN Schottky) diode, and an insulated gate bipolar transistor (Insulated Gate Bipolar Transistor; abbreviated as IGBT). It is applicable to other devices that have a PN junction similar to a MOSFET and are concerned about expansion of stacking faults. By applying the configuration of each embodiment of the present invention, an effect similar to that of each embodiment can be obtained. For example, when applied to a PN diode, the contact region corresponds to a contact semiconductor region, the anode electrode corresponds to one side electrode, and the cathode electrode corresponds to the other side electrode.

前述の各実施の形態では、不純物の導電型に関して、n型を「第1導電型」とし、p型を「第2導電型」とした場合について説明したが、本発明の他の実施の形態では、p型を「第1導電型」とし、n型を「第2導電型」としてもよい。   In each of the above-described embodiments, the case where the n-type is the “first conductivity type” and the p-type is the “second conductivity type” has been described with respect to the impurity conductivity type. Then, the p-type may be the “first conductivity type” and the n-type may be the “second conductivity type”.

1,2,3 炭化珪素半導体装置、10,50 電流制限領域、11 ソースパッド、12 ゲート配線、13 ゲートパッド、14 積層欠陥、21 半導体基板(炭化珪素基板)、22 ドリフト層、23 ウエル領域、24 ソース領域、25 ウエルコンタクト領域、26 ゲート電極、27 ゲート絶縁膜、28 ドレイン電極、30 p半導体領域。 1, 2, 3 Silicon carbide semiconductor device, 10, 50 Current limiting region, 11 source pad, 12 gate wiring, 13 gate pad, 14 stacking fault, 21 semiconductor substrate (silicon carbide substrate), 22 drift layer, 23 well region, 24 source region, 25 well contact region, 26 gate electrode, 27 gate insulating film, 28 drain electrode, 30 p + semiconductor region.

Claims (5)

オフ角を有し、炭化珪素から成る半導体基板と、
前記半導体基板の厚み方向一方側の表面部上に形成された第1導電型の炭化珪素結晶から成るドリフト層と、
前記ドリフト層の厚み方向一方側の表面部の一部分に形成される第2導電型の半導体領域である接触半導体領域と、
前記接触半導体領域に接して、前記ドリフト層の厚み方向一方側の表面部上に設けられる一方側電極と、
前記半導体基板の厚み方向他方側の表面部上に設けられる他方側電極と、
前記ドリフト層の内部に、導電性を有する材料によって形成され、前記一方側電極と前記他方側電極との間に流れる電流を制限する複数の電流制限領域とを備え、
各前記電流制限領域は、直方体状に形成され、前記ドリフト層のオフ方向に対して垂直な方向に長手方向を有するように配置されることを特徴とする炭化珪素半導体装置。
A semiconductor substrate having an off angle and made of silicon carbide;
A drift layer made of a silicon carbide crystal of a first conductivity type formed on a surface portion on one side in the thickness direction of the semiconductor substrate;
A contact semiconductor region which is a semiconductor region of a second conductivity type formed in a part of the surface portion on one side in the thickness direction of the drift layer;
One side electrode provided on a surface portion on one side in the thickness direction of the drift layer in contact with the contact semiconductor region;
The other side electrode provided on the surface portion on the other side in the thickness direction of the semiconductor substrate;
A plurality of current limiting regions that are formed of a conductive material inside the drift layer and limit a current flowing between the one side electrode and the other side electrode,
Each said current limiting area | region is formed in a rectangular parallelepiped shape, and is arrange | positioned so that it may have a longitudinal direction in the direction perpendicular | vertical with respect to the off direction of the said drift layer.
前記導電性を有する材料は、炭化珪素であり、
前記電流制限領域は、前記炭化珪素で形成される第2導電型の半導体領域によって構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。
The material having conductivity is silicon carbide,
The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the current limiting region is configured by a semiconductor region of a second conductivity type formed of the silicon carbide.
前記半導体基板のオフ角をα1とし、隣合う前記電流制限領域同士間の間隔である制限領域間隔をw2とし、各前記電流制限領域の高さをh1とするとき、前記電流制限領域は、
tanα1≦h1/w2 …(1)
を満たすように構成され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。
When the off angle of the semiconductor substrate is α1, the limit region interval that is an interval between adjacent current limit regions is w2, and the height of each current limit region is h1, the current limit region is:
tan α1 ≦ h1 / w2 (1)
The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the silicon carbide semiconductor device is configured to satisfy
前記半導体基板のオフ角をα2とし、前記電流制限領域の幅をw1とし、隣合う前記電流制限領域同士間の間隔である制限領域間隔をw2とし、各前記電流制限領域の高さをh1とし、前記接触半導体領域のピッチをa1とし、前記接触半導体領域同士間の間隔をb1とし、前記厚み方向における前記接触半導体領域と前記電流制限領域との間隔をc1とし、前記厚み方向から見て前記接触半導体領域と前記電流制限領域とが重複する領域の幅をd1とするとき、前記電流制限領域は、
tanα2=h1/(b1−w1) …(2a)
d1=c1/tanα2 …(2b)
a1=w2 …(2c)
を満たすように構成され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。
The off angle of the semiconductor substrate is α2, the width of the current limiting region is w1, the limiting region interval that is the interval between the adjacent current limiting regions is w2, and the height of each current limiting region is h1. The pitch between the contact semiconductor regions is a1, the interval between the contact semiconductor regions is b1, the interval between the contact semiconductor region and the current limiting region in the thickness direction is c1, and the pitch is viewed from the thickness direction. When the width of the region where the contact semiconductor region and the current limiting region overlap is defined as d1, the current limiting region is
tan α2 = h1 / (b1-w1) (2a)
d1 = c1 / tan α2 (2b)
a1 = w2 (2c)
The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the silicon carbide semiconductor device is configured to satisfy
前記半導体基板のオフ角をα3とし、前記電流制限領域の幅をw11とし、隣合う前記電流制限領域同士間の間隔である制限領域間隔をw12とし、前記接触半導体領域のピッチをa11とし、前記接触半導体領域同士間の間隔をb11とし、前記厚み方向における前記接触半導体領域と前記電流制限領域との間隔をc11とし、前記厚み方向から見て前記接触半導体領域と前記電流制限領域とが重複する領域の幅をd11とするとき、前記電流制限領域は、
b11=w11 …(3a)
d11=c11/tanα3 …(3b)
a11=w12 …(3c)
を満たすように構成され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。
The off-angle of the semiconductor substrate is α3, the width of the current limiting region is w11, the limiting region interval which is the interval between the adjacent current limiting regions is w12, the pitch of the contact semiconductor region is a11, The distance between the contact semiconductor regions is b11, the distance between the contact semiconductor region and the current limiting region in the thickness direction is c11, and the contact semiconductor region and the current limiting region overlap when viewed from the thickness direction. When the width of the region is d11, the current limiting region is
b11 = w11 (3a)
d11 = c11 / tan α3 (3b)
a11 = w12 (3c)
The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the silicon carbide semiconductor device is configured to satisfy
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