JP2015032813A - Silicon carbide semiconductor device - Google Patents
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Abstract
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.
炭化珪素半導体装置は、現在主流である珪素半導体装置に比べて、電力損失が少なく、高温動作が可能である等の多くの利点を有しており、次世代の電力用半導体装置として期待されている。現在、炭化珪素半導体装置のさらなる高性能化を追求すべく、装置の構造面から様々なアプローチが行なわれている(たとえば、特許文献1参照。)。 Silicon carbide semiconductor devices have many advantages such as low power loss and high-temperature operation compared to silicon semiconductor devices that are currently mainstream, and are expected as next-generation power semiconductor devices. Yes. At present, various approaches have been made in view of the structure of the device in order to further improve the performance of the silicon carbide semiconductor device (see, for example, Patent Document 1).
プレーナ構造は、最も基本的な構造の一つであり、広く利用されている。プレーナ構造では、チャネル領域が半導体基板に対して平行に形成される。この構造は、高耐圧化に適した構造であるが、JFET(Junction Field Effect Transistor)抵抗と呼ばれる寄生抵抗が存在するため、低オン抵抗化が困難である。 The planar structure is one of the most basic structures and is widely used. In the planar structure, the channel region is formed in parallel to the semiconductor substrate. Although this structure is suitable for increasing the breakdown voltage, there is a parasitic resistance called a JFET (Junction Field Effect Transistor) resistance, which makes it difficult to reduce the on-resistance.
これに対して、トレンチゲート構造は、JFET抵抗成分を含まない構造であるため、低オン抵抗化に適している。しかしながら、トレンチゲート構造では、トレンチの底部でゲート絶縁膜の絶縁破壊が発生しやすく、高耐圧化が困難である。 On the other hand, since the trench gate structure does not include a JFET resistance component, it is suitable for low on-resistance. However, in the trench gate structure, dielectric breakdown of the gate insulating film is likely to occur at the bottom of the trench, and it is difficult to increase the breakdown voltage.
また、電力用半導体装置は、大電流を扱うため、電力損失を低減するとの観点から、閾値電圧が高く、ゲート電圧を印加しない状態で電流を遮断できるノーマリーオフ型であることが求められる。ところが、高い閾値電圧と低オン抵抗とは、一般にトレードオフの関係にあり、これらの両立は容易ではない。 In addition, since a power semiconductor device handles a large current, it is required to be a normally-off type having a high threshold voltage and capable of interrupting a current without applying a gate voltage from the viewpoint of reducing power loss. However, a high threshold voltage and a low on-resistance are generally in a trade-off relationship, and it is not easy to achieve both of them.
このような課題に対応するため、様々な技術が提案されている。たとえば、国際公開第2002/029900号(特許文献1)では、プレーナ構造を有する炭化珪素半導体装置において、n型の蓄積型チャネルを設けることにより、チャネル抵抗成分を低減し、低オン抵抗化を図っている。 Various techniques have been proposed to deal with such problems. For example, in International Publication No. 2002/029900 (Patent Document 1), in a silicon carbide semiconductor device having a planar structure, by providing an n-type storage channel, a channel resistance component is reduced and a low on-resistance is achieved. ing.
特許文献1に開示される半導体装置は、プレーナ構造であるため、比較的高い耐圧を有することができる。しかしながら、特許文献1で用いられているn型の蓄積型チャネルは、p型半導体をチャネルとして用いる場合に比べて、閾値電圧が低いという問題がある。また、プレーナ構造では平面方向の装置サイズの制約から、チャネル長を制御することによって、閾値電圧を調整することも困難である。他方、この構造において、オン抵抗を低減するためにチャネル長を短くすると、短チャネル効果により、閾値電圧が急激に低下し、場合によってはパンチスルーに至るという問題がある。すなわち、この構造では、高耐圧でありながら、高い閾値電圧と低オン抵抗とを両立することは極めて困難である。
Since the semiconductor device disclosed in
本発明は、上記のような課題に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、高耐圧であり、高い閾値電圧と低オン抵抗とを両立した炭化珪素半導体装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a silicon carbide semiconductor device that has a high breakdown voltage and has both a high threshold voltage and a low on-resistance. is there.
本発明の炭化珪素半導体装置は、第1の主面と、第1の主面と反対の第2の主面とを有する炭化珪素層を備える。 A silicon carbide semiconductor device of the present invention includes a silicon carbide layer having a first main surface and a second main surface opposite to the first main surface.
ここで、炭化珪素層は、第1の主面を構成し第1の導電型を有する第1の層と、第1の層内に設けられ第1の導電型と異なる第2の導電型を有する第2の層と、少なくとも第2の層内に設けられ第2の主面の一部を構成しかつ第1の導電型を有する第3の層とを含む。 Here, the silicon carbide layer has a first layer that constitutes the first main surface and has the first conductivity type, and a second conductivity type that is provided in the first layer and is different from the first conductivity type. And a third layer provided in at least the second layer and constituting a part of the second main surface and having the first conductivity type.
そして、炭化珪素層の第2の主面にはトレンチが設けられており、当該トレンチは第2の層と第3の層とが表出する第1の側壁部と第1の側壁部に連なり第2の層内に位置する底部とを有し、さらに上記炭化珪素半導体装置は、第1の側壁部および底部の各々を覆うゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、を備える。 The second main surface of the silicon carbide layer is provided with a trench, and the trench is connected to the first side wall and the first side wall where the second layer and the third layer are exposed. The silicon carbide semiconductor device further comprising: a gate insulating film covering each of the first side wall and the bottom; a gate electrode provided on the gate insulating film; Is provided.
本発明の炭化珪素半導体装置は、高耐圧であり、高い閾値電圧と低オン抵抗とを両立することができる。 The silicon carbide semiconductor device of the present invention has a high breakdown voltage and can achieve both a high threshold voltage and a low on-resistance.
以下、本発明に係わる実施の形態についてさらに詳細に説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照符号を付し、その説明は繰り返さない。また、本明細書中の結晶学的な記載においては、個別方位を[]、集合方位を<>、個別面を()、集合面{}で、それぞれ示すものとする。なおまた、結晶学上の指数が負であることは、通常、”−”(バー)を数字の上に付すことによって表現されるが、本明細書中では数字の前に負の符号を付すことで表現するものとする。 Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in more detail. In the following drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated. In the crystallographic description in the present specification, the individual orientation is indicated by [], the collective orientation is indicated by <>, the individual plane is indicated by (), and the collective plane {}. In addition, a negative crystallographic index is usually expressed by adding “-” (bar) above a number, but in this specification, a negative sign is added before the number. It shall be expressed by
[本願発明の実施形態の説明]
まず、本願発明の実施の形態(以下、「本実施の形態」とも記す)の概要を以下の(1)〜(7)に列記して説明する。
[Description of Embodiment of Present Invention]
First, an outline of an embodiment of the present invention (hereinafter also referred to as “the present embodiment”) will be described in the following (1) to (7).
本発明者は、上記課題を解決するため鋭意研究を行なったところ、プレーナ構造の利点とトレンチゲート構造の利点とを併せ持つ、新規な装置構造を見出した。すなわち、本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置は、以下の構成を備える。 The present inventor conducted intensive studies to solve the above-mentioned problems, and found a novel device structure that combines the advantages of the planar structure and the trench gate structure. That is, the silicon carbide semiconductor device according to the present embodiment has the following configuration.
(1)本実施の形態の炭化珪素半導体装置201は、第1の主面P1と、第1の主面P1と反対の第2の主面P2とを有する炭化珪素層101を備える。
(1) Silicon
ここで、炭化珪素層101は、第1の主面P1を構成し第1の導電型を有する第1の層81と、第1の層81内に設けられ第1の導電型と異なる第2の導電型を有する第2の層82と、少なくとも第2の層82内に設けられ第2の主面P2の一部を構成しかつ第1の導電型を有する第3の層83とを含む。
Here, the
そして、炭化珪素層101の第2の主面P2にはトレンチTRが設けられており、トレンチTRは第2の層82と第3の層83とが表出する第1の側壁部SW1と第1の側壁部SW1に連なり第2の層82内に位置する底部BTとを有し、さらに炭化珪素半導体装置201は、第1の側壁部SW1および底部BTの各々を覆うゲート絶縁膜91と、ゲート絶縁膜91上に設けられたゲート電極92と、を備える。
The second main surface P2 of the
この炭化珪素半導体装置201によれば、トレンチTRの底部BTが第2の層82内に位置するため、ゲート絶縁膜91に強電界が印加されることがなく、高耐圧を示すことができる。また、トレンチゲート構造の半導体装置と同様に、トレンチTRの側壁に沿ってチャネル領域CHが形成される。したがって、装置の微細化が容易であり、低オン抵抗化が可能である。また、通常のプレーナ構造に比べて、チャネル長が装置サイズに及ぼす影響が小さいため、十分なチャネル長を確保することができる。したがって、高い閾値電圧を有することができる。このように、炭化珪素半導体装置201によれば、高耐圧であり、高い閾値電圧と低オン抵抗とを両立した炭化珪素半導体装置が実現可能である。
According to silicon
(2)第1の側壁部SW1において第2の層82が表出する部分には、面方位{0−33−8}を有する第1の面S1を含む表面が設けられていることが好ましい。
(2) It is preferable that the surface including the first surface S1 having the plane orientation {0-33-8} is provided in a portion where the
閾値電圧をさらに高くするためには、チャネル領域CHを構成する第2の層82における不純物濃度を高くすることが考えられる。しかしながら、通常、第2の層82における不純物濃度を高くすると、ドーパントが増加したことによる不純物の散乱が顕著となるため、チャネル移動度が大幅に低下し、オン抵抗が増大する。しかし、第1の側壁部SW1において第2の層82が表出する部分が、面方位{0−33−8}を有する第1の面S1を含むことにより、第2の層82における不純物濃度を高くしても、チャネル移動度を大きく低下させることがない。したがって、このような構成を採用することにより、高い閾値電圧と低オン抵抗とを高度に両立することができる。
In order to further increase the threshold voltage, it is conceivable to increase the impurity concentration in the
(3)トレンチTRの断面形状は、V字形状であることが好ましい。従来、トレンチTRの断面形状がV字形状であると、ゲート絶縁膜91が底部BTにおいて大きく突出するため、当該部分に電界が集中しやすく、耐圧が低下していた。しかし、炭化珪素半導体装置201によれば、底部BTは第2の層82内に位置し、電界が集中しないため、V字形状としても耐圧が低下することがない。そして、V字形状を採用することにより、トレンチTRの第1の側壁部SW1に、前述の面方位{0−33−8}を有する第1の面S1を容易に含ませることができる。すなわち、高い閾値電圧と低オン抵抗とを高度に両立することができる。
(3) The cross-sectional shape of the trench TR is preferably V-shaped. Conventionally, when the cross-sectional shape of the trench TR is V-shaped, the
(4)トレンチTRは、第1の側壁部SW1と対向配置されるとともに底部BTと連なる第2の側壁部SW2を有し、第2の側壁部SW2では、第2の層82と第3の層83とが表出することが好ましい。
(4) The trench TR has a second side wall part SW2 that is disposed opposite to the first side wall part SW1 and that is continuous with the bottom part BT. In the second side wall part SW2, the
この構成において、チャネル領域CHは、第1の側壁部SW1、底部BTおよび第2の側壁部SW2に沿って形成される。これにより、チャネル長は、実質的にトレンチTRの断面形状に依存して決定されることとなるため、チャネル長の制御が容易になるとともに、チャネル長のばらつきが顕著に低減される。 In this configuration, the channel region CH is formed along the first sidewall portion SW1, the bottom portion BT, and the second sidewall portion SW2. As a result, the channel length is determined substantially depending on the cross-sectional shape of the trench TR, so that the control of the channel length is facilitated and the variation in the channel length is remarkably reduced.
(5)ゲート電極92に電圧を印加したときに、トレンチTRの少なくとも第1の側壁部SW1に表出する第2の層82および底部BTを含む領域はチャネル領域CHとなり、チャネル領域CHのチャネル長は、0.6μm以上であることが好ましい。
(5) When a voltage is applied to the
チャネル長を0.6μm以上とすることにより、閾値電圧をさらにプラス側へシフトさせ、炭化珪素半導体装置201を安定したノーマリーオフ型とすることができる。
By setting the channel length to 0.6 μm or more, the threshold voltage can be further shifted to the positive side, and silicon
(6)第2の層82における不純物濃度は、5×1016cm-3以上であることが好ましい。前述のように、本実施の形態では、第1の側壁部SW1が、面方位{0−33−8}を有する第1の面S1を含むことができるため、第2の層82における不純物濃度を5×1016cm-3以上という高濃度とすることが可能である。これにより、閾値電圧をより一層高くすることができる。
(6) The impurity concentration in the
(7)第1の導電型はn型であり、第2の導電型はp型であることが好ましい。これにより、第2の層82内に形成されたチャネル領域CHがp型半導体となることができるため、閾値電圧をより一層高くすることができる。
(7) It is preferable that the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type. Thereby, since the channel region CH formed in the
[本願発明の実施の形態の詳細]
以下、本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置について、より詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
[Details of the embodiment of the present invention]
Hereinafter, although the silicon carbide semiconductor device which concerns on this Embodiment is demonstrated in detail, this invention is not limited to these.
<炭化珪素半導体装置>
図1に示す実施の形態に係る炭化珪素半導体装置201は、縦型MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)として構成されている。炭化珪素半導体装置201は、単結晶基板80と、炭化珪素層101(エピタキシャル層)と、ゲート絶縁膜91、ゲート電極92、層間絶縁膜93と、ソース電極94と、ソース配線層95と、ドレイン電極98とを有する。単結晶基板80は、炭化珪素からなり、n型(第1の導電型)を有する。単結晶基板80上には、炭化珪素層101が設けられている。
<Silicon carbide semiconductor device>
A silicon
炭化珪素層101は、単結晶基板80上にエピタキシャルに成長させられた炭化珪素層である。炭化珪素層101は、ポリタイプ4Hの六方晶の結晶構造を有する。かかる結晶構造を採用することにより、炭化珪素半導体装置201のオン抵抗を低くすることができる。炭化珪素層101は、単結晶基板80に面する下面P1(第1の主面)と、下面P1と反対の上面P2(第2の主面)とを有する。炭化珪素層101は、nドリフト層81(第1の層)と、pボディ層82(第2の層)と、n+層83(第3の層)と、pコンタクト領域84とを有する。
nドリフト層81は、n型を有する。nドリフト層81は、炭化珪素層101の下面P1を構成している。nドリフト層81の不純物濃度は、単結晶基板80の不純物濃度よりも低いことが好ましい。ここで、nドリフト層81の不純物濃度は、好ましくは1×1015cm-3以上5×1016cm-3以下である。
pボディ層82は、p型(第1の導電型と異なる第2の導電型)を有する。pボディ層82は、nドリフト層81内に設けられている。pボディ層82の不純物濃度は、5×1016cm-3以上2×1018cm-3以下であることが好ましい。
n+層83は、n型を有する。n+層83は、nドリフト層81およびpボディ層82内に設けられており、pコンタクト領域84とともに炭化珪素層101の上面P2を構成している。すなわち、n+層83は、pボディ層82内からnドリフト層81にまで延びるように形成され、炭化珪素層101の上面の一部を構成している。
N +
炭化珪素層101の上面P2には、トレンチTRが設けられている。トレンチTRは、平面視(図2)において、pコンタクト領域84およびn+層83の一部を取り囲むように六角形状に形成されている。トレンチTRは、第1の側壁部SW1と、第1の側壁部SW1と連なる底部BTと、第1の側壁部SW1と対向配置されるとともに底部BTと連なる第2の側壁部SW2とを有している。第1の側壁部SW1および第2の側壁部SW2には、各々pボディ層82とn+層83とが表出している。また、底部BTはpボディ層82内に位置している。なお、本明細書では、第1の側壁部SW1および第2の側壁部SW2を総称して、単に「側壁部SW」と記すことがある。すなわち、「側壁部SW」は、第1の側壁部SW1および第2の側壁部SW2の少なくともいずれかを示す。
Trench TR is provided on upper surface P2 of
ゲート絶縁膜91は、トレンチTR上に形成されており、トレンチTRの第1の側壁部SW1、底部BTおよび第2の側壁部SW2の各々を覆っている。ゲート絶縁膜91は酸化珪素膜であることが好適である。そして、ゲート絶縁膜91上には、ゲート電極92が設けられている。層間絶縁膜93はゲート電極92上に設けられ、ゲート電極92とソース電極94との間を絶縁している。ソース配線層95は、層間絶縁膜93およびソース電極94に接している。ソース配線層95は、たとえばアルミニウム層である。ドレイン電極98は、炭化珪素層101の下面P1上に単結晶基板80を介して設けられている。
以上の構成を有する炭化珪素半導体装置201では、トレンチTRの底部BTがpボディ層82内に位置している。したがって、ゲート絶縁膜91に強電界が印加されることがなく、極めて高い耐圧を実現することが可能である。
In silicon
また、炭化珪素半導体装置201は、nドリフト層81内に、1対のpボディ層82に挟まれたJFET領域85を有する。JFET領域85は、nドリフト層81の一部であり、n型の導電型を有する。本実施の形態では、JFET領域85は、nドリフト層81よりも不純物濃度が高いことが好ましい。JFET領域85の不純物濃度は、たとえば、n型の不純物をnドリフト層81にイオン注入することによって、nドリフト層81のうちJFET領域85を除く部分よりも高くすることができる。なお、より好ましくは、JFET領域85は、n+層83よりも不純物濃度が低い。
Silicon
通常のプレーナ構造では、装置の耐圧を確保するため、JFET領域の不純物濃度は低く設定される。そのため、装置のオン抵抗は高くならざるを得ない。これに対して、炭化珪素半導体装置201では、トレンチTRの底部BTがpボディ層82内に位置することにより、十分な耐圧が確保されているため、JFET領域85の不純物濃度を高めることができ、半導体装置のさらなる低オン抵抗化が可能である。
In a normal planar structure, the impurity concentration in the JFET region is set low in order to ensure the breakdown voltage of the device. Therefore, the on-resistance of the device must be high. On the other hand, in silicon
すなわち、本実施の形態の炭化珪素半導体装置201は、第1の層81内に1対の第2の層82に挟まれた第1の導電型を有するJFET領域85を含み、JFET領域85は第1の層81よりも不純物濃度が高いことが好ましい。
That is, silicon
また、第1の側壁部SW1に表出するpボディ層82の部分、第2の側壁部SW2に表出するpボディ層82の部分、および底部BTを含む領域は、ゲート電極92にゲート電圧を印加したときに、チャネル領域CHを構成する。すなわち、チャネル領域CHは、トレンチTRの第1の側壁部SW1から、底部BTを通って、第2の側壁部SW2に到るように形成される。つまり、チャネル領域CHは、第1の側壁部SW1に連なるn+層83とnドリフト層81とを電気的に接続可能に形成される。このように、本実施の形態では、チャネル領域CHを装置の縦方向に形成するため、装置の微細化が容易であり、オン抵抗を低減することができる。また、この構造において、チャネル長は、主にトレンチTRの深さおよび側壁部SWの傾斜角度によって、容易に制御することができる。よって、チャネル長を制御することにより、高い閾値電圧を得ることも可能である。
Further, the region including the portion of the
図1に示すように、炭化珪素半導体装置201では、トレンチTRの断面形状はV字形状を有している。V字形状は、製造プロセスを簡略化できるため好適である。なおここで、トレンチTRの断面形状は、V字形状に限定されるものではなく、たとえば、図5に示すような台形状であってもよいし、図6に示すような矩形状であってもよいが、トレンチTRの第1の側壁部SW1および第2の側壁部SW2は、炭化珪素層101の上面P2に対して傾斜していることが好ましい。トレンチTRの側壁が傾斜することにより、チャネル長を減少させたとき、短チャネル効果の発現が緩やかとなり、高い閾値電圧を維持しながら低オン抵抗化が可能である。
As shown in FIG. 1, in silicon
ここで、短チャネル効果は、主に、pn接合による空乏層がチャネル領域CHにまで広がることによって発現する。一般に、短チャネル効果の抑制には、チャネル領域CHの不純物濃度を高くして、空乏層の広がりを抑制することが有効である。したがって、p型半導体層をチャネル領域CHに用いる場合、p型半導体層におけるアクセプタ数(Np)を、n型半導体層におけるドナー数(Nn)に対して多くする(すなわちNp/Nnを大きくする)ことが有効である。炭化珪素半導体装置201では、n+層83およびpボディ層82の一部が除去されることにより、上面P2に向かってテーパ状に開口するトレンチTRが形成されている。そのため、トレンチTRの形成によって、n+層83からは、pボディ層82に比べてより多くの体積が除去されている。これにより、トレンチTRの形成前に比べて、NpをNnで除した値(Np/Nn)を増加させることができている。よって、炭化珪素半導体装置201のように、側壁部SWが傾斜したトレンチを設けることにより短チャネル効果を抑制することができる。
Here, the short channel effect is manifested mainly when a depletion layer due to a pn junction extends to the channel region CH. In general, to suppress the short channel effect, it is effective to increase the impurity concentration of the channel region CH to suppress the spread of the depletion layer. Therefore, when the p-type semiconductor layer is used for the channel region CH, the number of acceptors (Np) in the p-type semiconductor layer is increased with respect to the number of donors (Nn) in the n-type semiconductor layer (that is, Np / Nn is increased). It is effective. In silicon
ここで、トレンチTRにおける側壁部SWの傾斜は、具体的には次のような態様であることが好ましい。すなわち、側壁部SWの面方位は、{0001}面に対して50°以上65°以下傾斜していることが好ましく、(000−1)面に対して50°以上65°以下傾斜していることが好ましい。このような傾斜を有する側壁部SWにチャネル領域CHを形成することにより、チャネル領域CHを構成するpボディ層82における不純物濃度を高くしても、チャネル移動度が低下することがない。したがって、pボディ層82の不純物濃度を高くすることができ、以って高い閾値電圧を得ることができる。ここで、pボディ層82における不純物濃度は5×1016cm-3以上であることが好ましい。不純物濃度が5×1016cm-3以上であることにより、半導体装置をノーマリーオフ型に近付けることができる。より安定したノーマリーオフ型とするとの観点から、pボディ層82における不純物濃度は、より好ましくは1×1017cm-3以上であり、特に好ましくは5×1017cm-3以上であり、さらに好ましくは1×1018cm-3以上である。
Here, the inclination of the side wall SW in the trench TR is preferably in the following manner. In other words, the plane orientation of the side wall SW is preferably inclined by 50 ° or more and 65 ° or less with respect to the {0001} plane, and is inclined by 50 ° or more and 65 ° or less with respect to the (000-1) plane. It is preferable. By forming the channel region CH in the sidewall portion SW having such an inclination, the channel mobility does not decrease even if the impurity concentration in the
≪特殊面≫
側壁部SWが、上面P2に対して傾斜している場合、側壁部SWは、特にpボディ層82上の部分において、所定の結晶面(以下、「特殊面」と称する)を有することが好ましい。チャネル領域CHを構成している側壁部SWに表出したpボディ層82が、特殊面を有することにより、半導体装置のオン抵抗のうちチャネル抵抗成分が低減される。すなわち、半導体装置の低オン抵抗化が可能である。
≪Special surface≫
When sidewall portion SW is inclined with respect to upper surface P2, sidewall portion SW preferably has a predetermined crystal plane (hereinafter referred to as “special plane”), particularly in a portion on
特殊面が設けられた側壁部SWは、図11に示すように、面方位{0−33−8}を有する面S1(第1の面)を含む。換言すれば、トレンチTRの側壁部SWのpボディ層82には、面S1を含む表面が設けられている。面S1は好ましくは面方位(0−33−8)を有する。
As shown in FIG. 11, the side wall part SW provided with the special surface includes a surface S1 (first surface) having a surface orientation {0-33-8}. In other words, the
さらに、より好ましくは、側壁部SWは、面S1を微視的に含み、側壁部SWは、面方位{0−11−1}を有する面S2(第2の面)を微視的に含む。ここで、「微視的」とは、「原子間隔の2倍程度の寸法を少なくとも考慮する程度に詳細に」ということを意味している。このように微視的な構造の観察方法としては、たとえばTEM(Transmission Electron Microscope)を用いることができる。なお、面S2は好ましくは面方位(0−11−1)を有する。 More preferably, the side wall part SW microscopically includes a surface S1, and the side wall part SW microscopically includes a surface S2 (second surface) having a surface orientation {0-11-1}. . Here, “microscopic” means “detailed to such an extent that at least a dimension of about twice the atomic spacing is taken into consideration”. As a microscopic structure observation method, for example, a TEM (Transmission Electron Microscope) can be used. The plane S2 preferably has a plane orientation (0-11-1).
さらに、好ましくは側壁部SWにおける面S1および面S2は、面方位{0−11−2}を有する複合面SRを構成している。すなわち複合面SRは、面S1およびS2が周期的に繰り返されることによって構成されている。このような周期的構造は、たとえばTEMまたはAFM(Atomic Force Microscopy)により観察することができる。この場合、複合面SRは{000−1}面に対して巨視的に62°のオフ角を有する。ここで、「巨視的」とは、原子間隔程度の寸法を有する微細構造を無視することを意味している。このように、巨視的なオフ角の測定方法としては、たとえば一般的なX線回折を用いた方法を挙げることができる。また、複合面SRは、面方位(0−11−2)を有することが好ましい。この場合、複合面SRは(000−1)面に対して巨視的に62°のオフ角を有する。 Further, preferably, the surface S1 and the surface S2 in the side wall portion SW constitute a composite surface SR having a surface orientation {0-11-2}. That is, the composite surface SR is configured by periodically repeating the surfaces S1 and S2. Such a periodic structure can be observed by, for example, TEM or AFM (Atomic Force Microscopy). In this case, the composite surface SR has an off angle of 62 ° macroscopically with respect to the {000-1} plane. Here, “macroscopic” means ignoring a fine structure having a dimension on the order of atomic spacing. Thus, as a macroscopic off angle measurement method, for example, a method using general X-ray diffraction can be cited. Moreover, it is preferable that the composite surface SR has a plane orientation (0-11-2). In this case, the composite surface SR has an off angle of 62 ° macroscopically with respect to the (000-1) plane.
また、好ましくは、チャネル面上においてキャリアが流れる方向(すなわち、MOSFETの厚さ方向(図1などにおける縦方向))であるチャネル方向CDは、上述した周期的繰り返しが行なわれる方向に沿っている。次に複合面SRの詳細な構造について説明する。 Preferably, the channel direction CD, which is the direction in which carriers flow on the channel surface (that is, the thickness direction of the MOSFET (vertical direction in FIG. 1 and the like)) is along the direction in which the above-described periodic repetition is performed. . Next, the detailed structure of the composite surface SR will be described.
一般に、ポリタイプ4Hの炭化珪素単結晶を(000−1)面から見ると、図12に示すように、Si原子(またはC原子)は、A層の原子(図中の実線)と、この下に位置するB層の原子(図中の破線)と、この下に位置するC層の原子(図中の一点鎖線)と、この下に位置するB層の原子(図示せず)とが繰り返し設けられている。つまり4つの層ABCBを1周期としてABCBABCBABCB・・・のような周期的な積層構造が設けられている。 Generally, when a silicon carbide single crystal of polytype 4H is viewed from the (000-1) plane, as shown in FIG. 12, Si atoms (or C atoms) are atoms of the A layer (solid line in the figure), B layer atoms (broken line in the figure) located below, C layer atoms (dotted line in the figure) located below, and B layer atoms (not shown) located below this It is provided repeatedly. That is, a periodic laminated structure such as ABCBABCBABCB... Is provided with four layers ABCB as one period.
図13に示すように、(11−20)面(図12の線XVIII−XVIIIの断面)において、上述した1周期を構成する4つの層ABCBの各層の原子は、(0−11−2)面に完全に沿うようには配列されていない。図13においてはB層の原子の位置を通るように(0−11−2)面が示されており、この場合、A層およびC層の各々の原子は(0−11−2)面からずれていることがわかる。このため、炭化珪素単結晶の表面の巨視的な面方位、すなわち原子レベルの構造を無視した場合の面方位が(0−11−2)に限定されたとしても、この表面は、微視的には様々な構造をとり得る。 As shown in FIG. 13, in the (11-20) plane (cross section taken along line XVIII-XVIII in FIG. 12), the atoms in each of the four layers ABCB constituting one cycle described above are (0-11-2). It is not arranged to be completely along the plane. In FIG. 13, the (0-11-2) plane is shown so as to pass through the position of the atoms in the B layer. In this case, the atoms in the A layer and the C layer are separated from the (0-11-2) plane. You can see that it is shifted. For this reason, even if the macroscopic plane orientation of the surface of the silicon carbide single crystal, that is, the plane orientation when the atomic level structure is ignored is limited to (0-11-2), this surface is microscopic. Can take various structures.
図14に示すように、複合面SRは、面方位(0−33−8)を有する面S1と、面S1につながりかつ面S1の面方位と異なる面方位を有する面S2とが交互に設けられることによって構成されている。面S1および面S2の各々の長さは、Si原子(またはC原子)の原子間隔の2倍である。なお面S1および面S2が平均化された面は、(0−11−2)面に対応する。 As shown in FIG. 14, the composite surface SR is alternately provided with a surface S1 having a surface orientation (0-33-8) and a surface S2 connected to the surface S1 and having a surface orientation different from the surface orientation of the surface S1. It is configured by being. The length of each of the surface S1 and the surface S2 is twice the atomic spacing of Si atoms (or C atoms). Note that the surface on which the surface S1 and the surface S2 are averaged corresponds to the (0-11-2) surface.
図15に示すように、複合面SRを(01−10)面から見て単結晶構造は、部分的に見て立方晶と等価な構造(面S1の部分)を周期的に含んでいる。具体的には複合面SRは、上述した立方晶と等価な構造における面方位(001)を有する面S1と、面S1につながりかつ面S1の面方位と異なる面方位を有する面S2とが交互に設けられることによって構成されている。このように、立方晶と等価な構造における面方位(001)を有する面(図15においては面S1)と、この面につながりかつこの面方位と異なる面方位を有する面(図15においては面S2)とによって表面を構成することは4H以外のポリタイプにおいても可能である。ポリタイプは、たとえば6Hまたは15Rであってもよい。 As shown in FIG. 15, the single crystal structure when the composite surface SR is viewed from the (01-10) plane periodically includes a structure (part of the surface S1) equivalent to a cubic crystal when viewed partially. Specifically, in the composite surface SR, a surface S1 having a surface orientation (001) in a structure equivalent to the above-described cubic crystal and a surface S2 connected to the surface S1 and having a surface orientation different from the surface orientation of the surface S1 are alternated. It is comprised by being provided in. Thus, a plane having a plane orientation (001) in the structure equivalent to a cubic crystal (plane S1 in FIG. 15) and a plane connected to this plane and having a plane orientation different from this plane orientation (plane in FIG. 15) It is also possible for polytypes other than 4H to constitute the surface according to S2). The polytype may be 6H or 15R, for example.
次に図16を参照して、側壁部SWの結晶面と、チャネル面の移動度MBとの関係について説明する。図16のグラフにおいて、横軸は、チャネル面を有する側壁部SWの巨視的な面方位と(000−1)面とのなす角度D1(°)を示し、縦軸は移動度MBを示す。プロット群CMは側壁部SWが熱エッチングによる特殊面として仕上げられた場合に対応し、プロット群MCはそのような熱エッチングがなされない場合に対応する。なお、熱エッチング等の製造方法については後述する。 Next, the relationship between the crystal plane of the sidewall portion SW and the mobility MB of the channel surface will be described with reference to FIG. In the graph of FIG. 16, the horizontal axis indicates the angle D1 (°) between the macroscopic plane orientation of the side wall portion SW having the channel surface and the (000-1) plane, and the vertical axis indicates the mobility MB. The plot group CM corresponds to the case where the side wall SW is finished as a special surface by thermal etching, and the plot group MC corresponds to the case where such thermal etching is not performed. A manufacturing method such as thermal etching will be described later.
プロット群MCにおける移動度MBは、チャネル面の表面の巨視的な面方位が(0−33−8)のときに最大となった。この理由は、熱エッチングが行われない場合、すなわち、チャネル表面の微視的な構造が特に制御されない場合においては、巨視的な面方位が(0−33−8)とされることによって、微視的な面方位(0−33−8)、つまり原子レベルまで考慮した場合の面方位(0−33−8)が形成される割合が確率的に高くなったためと考えられる。 The mobility MB in the plot group MC was maximized when the macroscopic plane orientation of the surface of the channel surface was (0-33-8). This is because when the thermal etching is not performed, that is, when the microscopic structure of the channel surface is not particularly controlled, the microscopic plane orientation is set to (0-33-8). This is probably because the ratio of the formation of the visual plane orientation (0-33-8), that is, the plane orientation (0-33-8) when considering even the atomic level is stochastically increased.
一方、プロット群CMにおける移動度MBは、チャネル面の表面の巨視的な面方位が(0−11−2)のとき(矢印EX)に最大となった。この理由は、図14および図15に示すように、面方位(0−33−8)を有する多数の面S1が面S2を介して規則正しく稠密に配置されることで、チャネル面の表面において微視的な面方位(0−33−8)が占める割合が高くなったためと考えられる。 On the other hand, the mobility MB in the plot group CM is maximized when the macroscopic surface orientation of the channel surface is (0-11-2) (arrow EX). The reason for this is that, as shown in FIGS. 14 and 15, a large number of surfaces S1 having a plane orientation (0-33-8) are regularly and densely arranged via the surface S2, so that the surface of the channel surface is fine. This is probably because the ratio of the visual plane orientation (0-33-8) is increased.
なお移動度MBは複合面SR上において方位依存性を有する。図17に示すグラフにおいて、横軸はチャネル方向と<0−11−2>方向との間の角度D2(°)を示し、縦軸はチャネル面の移動度MB(任意単位)を示す。破線はグラフを見やすくするために補助的に付してある。このグラフから、チャネル移動度MBを大きくするには、チャネル方向CD(図11)が有する角度D2(°)は、0°以上60°以下であることが好ましく、ほぼ0°であることがより好ましいことがわかった。 The mobility MB has orientation dependency on the composite surface SR. In the graph shown in FIG. 17, the horizontal axis indicates the angle D2 (°) between the channel direction and the <0-11-2> direction, and the vertical axis indicates the mobility MB (arbitrary unit) of the channel surface. A broken line is added to make the graph easier to see. From this graph, in order to increase the channel mobility MB, the angle D2 (°) of the channel direction CD (FIG. 11) is preferably 0 ° or more and 60 ° or less, and more preferably approximately 0 °. It turned out to be preferable.
図18に示すように、側壁部SWは、複合面SRに加えてさらに面S3(第3の面)を含んでもよい。より具体的には、面S3および複合面SRが周期的に繰り返されることによって構成された複合面SQを側壁部SWが含んでもよい。この場合、側壁部SWの{000−1}面に対するオフ角は、理想的な複合面SRのオフ角である62°からずれる。このずれは小さいことが好ましく、±10°の範囲内であることが好ましい。このような角度範囲に含まれる表面としては、たとえば、巨視的な面方位が{0−33−8}面となる表面がある。より好ましくは、側壁部SWの(000−1)面に対するオフ角は、理想的な複合面SRのオフ角である62°からずれる。このずれは小さいことが好ましく、±10°の範囲内であることが好ましい。このような角度範囲に含まれる表面としては、たとえば、巨視的な面方位が(0−33−8)面となる表面がある。このような周期的構造は、たとえば、TEMまたはAFMにより観察し得る。 As shown in FIG. 18, the sidewall portion SW may further include a surface S3 (third surface) in addition to the composite surface SR. More specifically, the sidewall portion SW may include a composite surface SQ configured by periodically repeating the surface S3 and the composite surface SR. In this case, the off angle of the side wall portion SW with respect to the {000-1} plane deviates from 62 ° which is the ideal off angle of the composite surface SR. This deviation is preferably small and preferably within a range of ± 10 °. As a surface included in such an angle range, for example, there is a surface whose macroscopic plane orientation is a {0-33-8} plane. More preferably, the off angle with respect to the (000-1) plane of the side wall portion SW deviates from 62 ° that is the ideal off angle of the composite surface SR. This deviation is preferably small and preferably within a range of ± 10 °. As a surface included in such an angle range, for example, there is a surface whose macroscopic plane orientation is a (0-33-8) plane. Such a periodic structure can be observed, for example, by TEM or AFM.
上述した理由により、トレンチTRの第1の側壁部SW1(図1)上においてpボディ層82には、面方位{0−33−8}を有する面S1(図11)を含む表面が設けられていることが好ましい。また、より好ましくは第1の側壁部SW1および第2の側壁部SW2上においてpボディ層82には、面方位{0−33−8}を有する面S1(図11)を含む表面が設けられていることが好適である。これにより、炭化珪素半導体装置201のオン抵抗のうち、pボディ層82によって構成されるチャネル部分の抵抗を小さくすることができる。よってnドリフト層81の抵抗がより大きくても許容される。よってnドリフト層81の不純物濃度をより小さくすることができる。これにより炭化珪素半導体装置のさらなる高耐圧化が可能となる。
For the reason described above, the surface including the surface S1 (FIG. 11) having the plane orientation {0-33-8} is provided on the
なお、この表面は面S1を微視的に含んでもよく、表面はさらに、面方位{0−11−1}を有する面S2(図11)を微視的に含んでもよい。この表面の面S1およびS2は、面方位{0−11−2}を有する複合面SR(図11)を構成することが好ましい。またこの表面は{000−1}面に対して、巨視的に62°±10°のオフ角を有することがより好ましい。これによりチャネル部分の抵抗をより小さくすることができる。 This surface may include the surface S1 microscopically, and the surface may further include the surface S2 (FIG. 11) having the surface orientation {0-11-1} microscopically. The surface surfaces S1 and S2 preferably constitute a composite surface SR (FIG. 11) having a surface orientation {0-11-2}. More preferably, this surface has an off angle of 62 ° ± 10 ° macroscopically with respect to the {000-1} plane. As a result, the resistance of the channel portion can be further reduced.
≪チャネル長≫
チャネル長は、0.6μm以上であることが好ましい。これにより、炭化珪素半導体装置を、ノーマリーオフ型とすることができる。図19は、炭化珪素半導体装置において、pボディ層における不純物濃度を3×1017cm-3に固定し、チャネル長(Lch)を変化させたときの、弱反転領域における閾値電圧と特性オン抵抗(オン抵抗×装置活性領域の面積)との関係を示す図である。図19中、縦軸は特性オン抵抗(単位:mΩ・cm2)を示し、横軸は弱反転領域における閾値電圧(単位:V)を示す。
≪Channel length≫
The channel length is preferably 0.6 μm or more. Thereby, a silicon carbide semiconductor device can be made into a normally-off type. FIG. 19 shows the threshold voltage and the characteristic on in the weak inversion region when the impurity concentration in the p body layer is fixed to 3 × 10 17 cm −3 and the channel length (L ch ) is changed in the silicon carbide semiconductor device. It is a figure which shows the relationship with resistance (ON resistance x area of a device active region). In FIG. 19, the vertical axis represents the characteristic on-resistance (unit: mΩ · cm 2 ), and the horizontal axis represents the threshold voltage (unit: V) in the weak inversion region.
ここで、図19および後述する図20におけるチャネル長(Lch)は、不純物注入時のマスク寸法から求めた値である。半導体装置における実際のチャネル長(実効的なチャネル長)は、このLchに0.2μmを加えた値となる。このように、実際のチャネル長が、マスク寸法から求めたチャネル長より0.2μm長いことは、たとえば、SCM(Scanning Capacitance Microscopy)法によって、pn接合の界面近傍におけるキャリア分布を観察することにより確かめることができる。 Here, the channel length (L ch ) in FIG. 19 and FIG. 20 described later is a value obtained from the mask dimension at the time of impurity implantation. The actual channel length (effective channel length) in the semiconductor device is a value obtained by adding 0.2 μm to this L ch . Thus, the fact that the actual channel length is 0.2 μm longer than the channel length obtained from the mask dimension is confirmed by, for example, observing the carrier distribution near the interface of the pn junction by the SCM (Scanning Capacitance Microscopy) method. be able to.
図19に示すように、チャネル長(Lch)が増加するに従って、閾値電圧と特性オン抵抗は緩やかに増加していく。そして、チャネル長(Lch)が0.6μmでは、閾値電圧は完全にプラスの値を示している。すなわち、ノーマリーオフ型となっている。チャネル長(Lch)が、0.8μm、1.2μmとさらに増加すると特性オン抵抗は急激に増加していく。したがって、高い閾値電圧と低オン抵抗を両立するとの観点から、チャネル長は好ましくは1.2μm以下であり、より好ましくは0.8μm以下である。すなわち、半導体装置における実際のチャネル長は、0.8μm以上1.4μm以下であることが好ましく、0.8μm以上1.0μm以下であることがより好ましい。 As shown in FIG. 19, the threshold voltage and the characteristic on-resistance gradually increase as the channel length (L ch ) increases. When the channel length (L ch ) is 0.6 μm, the threshold voltage is completely positive. That is, it is a normally-off type. When the channel length (L ch ) further increases to 0.8 μm and 1.2 μm, the characteristic on-resistance increases rapidly. Therefore, from the viewpoint of achieving both a high threshold voltage and a low on-resistance, the channel length is preferably 1.2 μm or less, and more preferably 0.8 μm or less. That is, the actual channel length in the semiconductor device is preferably 0.8 μm or more and 1.4 μm or less, and more preferably 0.8 μm or more and 1.0 μm or less.
図20は、pボディ層における不純物濃度を4×1016cm-3に固定し、チャネル長(Lch)を変化させたときの、弱反転領域における閾値電圧と特性オン抵抗との関係を示す図である。図20に示すように、この場合も、チャネル長(Lch)が増加するに従って、閾値電圧と特性オン抵抗は緩やかに増加していき、チャネル長(Lch)が0.6μmとなる付近から閾値電圧はプラス側へ転じ、その後は特性オン抵抗が急激に上昇していく。したがって、この場合も、炭化珪素半導体装置をノーマリーオフ型とするためには、チャネル長(Lch)は0.6μm以上であることが好ましい。また、高い閾値電圧と低オン抵抗を両立するとの観点から、チャネル長は好ましくは1.2μm以下であり、より好ましくは0.8μm以下である。すなわち、半導体装置における実際のチャネル長は、0.8μm以上1.4μm以下であることが好ましく、0.8μm以上1.0μm以下であることがより好ましい。 FIG. 20 shows the relationship between the threshold voltage and the characteristic on-resistance in the weak inversion region when the impurity concentration in the p body layer is fixed to 4 × 10 16 cm −3 and the channel length (L ch ) is changed. FIG. As shown in FIG. 20, also in this case, as the channel length (L ch ) increases, the threshold voltage and the characteristic on-resistance gradually increase, from the vicinity where the channel length (L ch ) becomes 0.6 μm. The threshold voltage turns to the positive side, and thereafter the characteristic on-resistance increases rapidly. Therefore, also in this case, in order to make the silicon carbide semiconductor device normally-off type, the channel length (L ch ) is preferably 0.6 μm or more. From the viewpoint of achieving both a high threshold voltage and a low on-resistance, the channel length is preferably 1.2 μm or less, and more preferably 0.8 μm or less. That is, the actual channel length in the semiconductor device is preferably 0.8 μm or more and 1.4 μm or less, and more preferably 0.8 μm or more and 1.0 μm or less.
また、図19と図20とを比較すると、不純物濃度が低い場合(図20)の方が、チャネル長(Lch)を増加させていったとき、特性オン抵抗が急激に上昇し始める閾値電圧が低い。したがって、低オン抵抗と高い閾値電圧を両立するためには、pボディ層82の不純物濃度は高い方が好ましい。しかし、pボディ層82の不純物濃度が高くなると、通常は不純物の散乱が顕著となりチャネル移動度が低下し、オン抵抗が増大する。上述のように、本実施の形態では、少なくとも第1の側壁部SW1が特殊面を含むことにより、不純物濃度を高めても、チャネル移動度が低下しないため、高い閾値電圧と低オン抵抗とを両立することが可能である。
Further, comparing FIG. 19 and FIG. 20, when the impurity concentration is low (FIG. 20), the threshold voltage at which the characteristic on-resistance starts to increase more rapidly when the channel length (L ch ) is increased. Is low. Therefore, in order to achieve both a low on-resistance and a high threshold voltage, the
<炭化珪素半導体装置の製造方法>
次に本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法について説明する。図3は、本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の概略を示すフローチャートである。図3に示すように、ステップ1(S1)〜ステップ7(S7)を実行することにより、本実施の形態の炭化珪素半導体装置を製造することができる。
<Method for Manufacturing Silicon Carbide Semiconductor Device>
Next, a method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the present embodiment will be described. FIG. 3 is a flowchart schematically showing a method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the present embodiment. As shown in FIG. 3, the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment can be manufactured by executing Step 1 (S1) to Step 7 (S7).
≪ステップ1(S1)≫
ステップ1(S1)では炭化珪素の単結晶基板80を準備する。
<< Step 1 (S1) >>
In step 1 (S1), a silicon carbide
≪ステップ2(S2)≫
ステップ2(S2)では、上記で準備された単結晶基板80上に、エピタキシャル成長によって、nドリフト層81を形成する。このエピタキシャル成長は、たとえば原料ガスとしてシラン(SiH4)とプロパン(C3H8)との混合ガスを用い、キャリアガスとしてたとえば水素ガス(H2)を用いたCVD(Chemical Vapor Deposition)法により行うことができる。この際、不純物として、たとえば窒素(N)やリン(P)を導入することが好ましい。
<< Step 2 (S2) >>
In step 2 (S2),
≪ステップ3(S3)≫
ステップ3(S3)では、イオン注入によって、図7に示すように、nドリフト層81内にpボディ層82、n+層83およびpコンタクト領域84を形成する。これらの形成は、たとえば、nドリフト層81へのイオン注入により行なうことができる。pボディ層82およびpコンタクト領域84を形成するためのイオン注入においては、たとえばアルミニウム(Al)などの、p型を付与するための不純物を用いることができる。またn+層83を形成するためのイオン注入においては、たとえばリン(P)などの、n型を付与するための不純物を用いることができる。イオン注入によって形成されるpボディ層82の深さは、たとえば、深さ0.7〜0.8μm程度とすることができる。なお、このとき、1対のpボディ層82に挟まれたJFET領域85に、n型の不純物を注入し、JFET領域85の不純物濃度を、nドリフト層81のうちJFET領域85を除く部分よりも高くすることもできる。
<< Step 3 (S3) >>
In step 3 (S3),
また、イオン注入の代わりに、不純物の添加をともなうにエピタキシャル成長を行なってもよい。 Further, instead of ion implantation, epitaxial growth may be performed with addition of impurities.
次に、不純物を活性化するための熱処理を行なう。この熱処理の温度は、好ましくは1500℃以上1900℃以下であり、たとえば1700℃程度である。熱処理の時間は、たとえば30分程度である。熱処理の雰囲気は、好ましくは不活性ガス雰囲気であり、たとえばAr雰囲気である。 Next, heat treatment is performed to activate the impurities. The temperature of this heat treatment is preferably 1500 ° C. or higher and 1900 ° C. or lower, for example, about 1700 ° C. The heat treatment time is, for example, about 30 minutes. The atmosphere of the heat treatment is preferably an inert gas atmosphere, for example, an Ar atmosphere.
≪ステップ4(S4)≫
ステップ4(S4)では、図8に示すように、上面P2にトレンチTRを形成する。図8に示すようなV字形状の断面形状を有するトレンチTRは、たとえば、少なくとも1種以上のハロゲン原子を有する反応性ガスを含む雰囲気中での加熱、すなわち熱エッチングによって、形成することができる。
<< Step 4 (S4) >>
In step 4 (S4), as shown in FIG. 8, trench TR is formed in upper surface P2. The trench TR having a V-shaped cross section as shown in FIG. 8 can be formed by, for example, heating in an atmosphere containing a reactive gas having at least one halogen atom, that is, thermal etching. .
エッチング箇所の特定は、マスク層により行なう。マスク層としては、たとえば、酸化珪素膜を使用することができる。酸化珪素膜は、上面P2を熱酸化することにより容易に形成できるため好適である。 The etching location is specified by a mask layer. As the mask layer, for example, a silicon oxide film can be used. The silicon oxide film is preferable because it can be easily formed by thermally oxidizing the upper surface P2.
ここで、少なくとも1種以上のハロゲン原子は、塩素(Cl)原子およびフッ素(F)原子の少なくともいずれかを含むことが好ましい。この雰囲気は、たとえば、Cl2、BCL3、SF6、またはCF4である。また、たとえば、塩素ガスと酸素ガスとの混合ガスを反応ガスとして用い、熱処理温度を、700℃以上1000℃以下とすることもできる。 Here, it is preferable that at least one or more halogen atoms include at least one of a chlorine (Cl) atom and a fluorine (F) atom. This atmosphere is, for example, Cl 2 , BCL 3 , SF 6 , or CF 4 . Further, for example, a mixed gas of chlorine gas and oxygen gas can be used as a reaction gas, and the heat treatment temperature can be set to 700 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower.
また、反応ガスは、上述した塩素ガスと酸素ガスとに加えて、キャリアガスを含んでいてもよい。キャリアガスとしては、たとえば窒素(N2)ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスなどを用いることができる。そして、上述のように熱処理温度を700℃以上1000℃以下とした場合、炭化珪素のエッチング速度はたとえば約70μm/時になる。また、この場合に、酸化珪素から作られたマスク層は、炭化珪素に対する選択比が極めて大きいので、炭化珪素のエッチング中に実質的にエッチングされない。そして、これにより、第1の側壁部SW1および第2の側壁部SW2上、特にpボディ層82上において、特殊面が自己形成される。なお、ここで用いたマスク層はエッチングなど任意の方法により除去することができる。また、炭化珪素半導体装置201のチャネル長が実質的に0.6μm以上となるようにトレンチTRの深さを調整することが好ましい。トレンチTRの深さは、たとえばエッチング時間により、調整することができる。
Further, the reaction gas may contain a carrier gas in addition to the above-described chlorine gas and oxygen gas. As the carrier gas, for example, nitrogen (N 2 ) gas, argon gas, helium gas or the like can be used. When the heat treatment temperature is set to 700 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower as described above, the etching rate of silicon carbide is about 70 μm / hour, for example. Further, in this case, the mask layer made of silicon oxide has a very high selectivity with respect to silicon carbide, and therefore is not substantially etched during the etching of silicon carbide. Thus, a special surface is self-formed on the first sidewall portion SW1 and the second sidewall portion SW2, particularly on the
また、図6に示すように、トレンチTRの断面形状を矩形状とするためには(すなわち垂直トレンチを形成するためには)、たとえば反応性イオンエッチング(RIE)や誘導結合プラズマ(ICP)RIEを用いることができる。具体的には、たとえば反応ガスとしてSF6またはSF6とO2との混合ガスを用いたICP−RIEを用いることができる。 Also, as shown in FIG. 6, in order to make the cross-sectional shape of the trench TR rectangular (that is, to form a vertical trench), for example, reactive ion etching (RIE) or inductively coupled plasma (ICP) RIE. Can be used. Specifically, for example, ICP-RIE using SF 6 or a mixed gas of SF 6 and O 2 as a reaction gas can be used.
さらに、図5に示すように、トレンチTRの断面形状を台形状とするためには、一旦、断面形状が矩形状である垂直トレンチを形成した後、上述の熱エッチングを行なうことができる。熱エッチングにより、トレンチTRの側壁部SWが選択的にエッチングされ、第1の側壁部SW1および第2の側壁部SW2上、特にpボディ層82上に特殊面を有するトレンチTRが形成される。
Further, as shown in FIG. 5, in order to make the cross-sectional shape of the trench TR trapezoidal, the above-described thermal etching can be performed once a vertical trench having a rectangular cross-sectional shape is formed. By thermal etching, side wall portion SW of trench TR is selectively etched, and trench TR having a special surface is formed on first side wall portion SW1 and second side wall portion SW2, particularly on
≪ステップ5(S5)≫
ステップ5(S5)では、図9に示すように、トレンチTRの第1の側壁部SW1、第2の側壁部SW2および底部BTの各々を覆うように、ゲート絶縁膜91を形成する。ゲート絶縁膜91は、たとえば熱酸化により形成することができる。
<< Step 5 (S5) >>
In step 5 (S5), as shown in FIG. 9,
ゲート絶縁膜91が形成した後に、雰囲気ガスとして一酸化窒素(NO)ガスを用いるNOアニールを行なってもよい。温度プロファイルは、たとえば、温度1100℃以上1300℃以下、保持時間1時間程度の条件とすることができる。これにより、ゲート絶縁膜91とpボディ層82との界面領域に窒素原子が導入される。その結果、界面領域における界面準位の形成が抑制されることで、チャネル移動度を向上させることができる。なお、このような窒素原子の導入が可能であれば、NOガス以外のガスが雰囲気ガスとして用いてもよい。
After the
このNOアニールの後にさらに、雰囲気ガスとしてアルゴン(Ar)を用いるArアニールを行なってもよい。Arアニールの加熱温度は、上記NOアニールの加熱温度よりも高く、ゲート絶縁膜91の融点よりも低いことが好ましい。この加熱温度が保持される時間は、たとえば1時間程度とすることができる。これにより、ゲート絶縁膜91とpボディ層82との界面領域における界面準位の形成がさらに抑制される。なお、雰囲気ガスとして、Arガスに代えて窒素ガスなどの他の不活性ガスを用いてもよい。
Ar annealing using argon (Ar) as an atmospheric gas may be further performed after the NO annealing. The heating temperature for Ar annealing is preferably higher than the heating temperature for NO annealing and lower than the melting point of the
≪ステップ6(S6)≫
ステップ6(S6)では、図10に示すように、ゲート絶縁膜91上にゲート電極92を形成する。具体的には、トレンチTRの内部の領域をゲート絶縁膜91を介して埋めるように、ゲート絶縁膜91上にゲート電極92を形成する。ゲート電極92の形成方法は、たとえば、導体またはドープトポリシリコンの成膜とCMP(Chemical Mechanical Polishing)またはRIEとによって行なうことができる。
<< Step 6 (S6) >>
In step 6 (S6), a
≪ステップ7(S7)≫
ステップ7(S7)では、ソース電極94およびドレイン電極98等を形成する後工程が実行され、図1に示す炭化珪素半導体装置201が製造される。具体的には、ゲート電極92の露出面を覆うように、ゲート電極92およびゲート絶縁膜91上に層間絶縁膜93を形成した後、層間絶縁膜93およびゲート絶縁膜91に開口部が形成されるようにエッチングを行なう。これにより、当該開口部から、上面P2上にn+層83およびpコンタクト領域84の各々が露出する。次に上面P2上においてn+層83およびnコンタクト領域84の各々に接するソース電極94を形成する。そして、nドリフト層81からなる下面P1上に単結晶基板80を介してドレイン電極98を形成する。
<< Step 7 (S7) >>
In step 7 (S7), a post-process for forming
<変形例>
次に、図4Aおよび図4Bを参照して、本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の変形例について説明する。
<Modification>
Next, a modification of the silicon carbide semiconductor device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 4A and 4B.
図4Aに示す炭化珪素半導体装置301は、トレンチTRの第2の側壁部SW2には、n+層83が表出していない点で、図1に示す炭化珪素半導体装置201と相違する。
Silicon
この構成では、図1に示す炭化珪素半導体装置201と同様に、トレンチTRの側壁部SWに沿ってチャネル領域CHが形成されているため、短チャネル効果の発現を抑制し、高い閾値電圧と低オン抵抗とを両立することができる。また、トレンチTRの底部BTがpボディ層82内に位置しているため、トレンチTRの底部BTを覆うゲート絶縁膜91の部分に電界が集中しない。さらに、トレンチTRの第2の側壁部SW2をpボディ層82内に形成するという制約がないため、pボディ層82を小さくすることも可能である。すなわち、トレンチTRの底部BTにおける電界集中を回避した上で、半導体装置のさらなる微細化が可能となる。
In this configuration, similarly to silicon
図4Aに示す炭化珪素半導体装置301では、第2の側壁部SW2にはn+層83が表出していない。この構造では、たとえば、図4Bに示す炭化珪素半導体装置401ように、トレンチTRの形成位置(底部BTの位置)が、図4Bの平面方向へずれた場合、チャネル長が変化することになる。これに対して図1に示す炭化珪素半導体装置201では、第1の側壁部SW1および第2の側壁部SW2の両方にn+層83が表出するように、トレンチTRが形成されている。したがって、チャネル長は、トレンチTRの平面方向の位置に影響されない。よって、図1に示す炭化珪素半導体装置201は、チャネル長のばらつきが極めて小さく、性能の安定した炭化珪素半導体装置となることができる。
In silicon
以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、上述した各実施の形態の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。 Although the embodiments of the present invention have been described as described above, it is also planned from the beginning to appropriately combine the configurations of the respective embodiments described above.
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと解されるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be understood that the embodiments disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
80 単結晶基板
81 nドリフト層(第1の層)
82 pボディ層(第2の層)
83 n+層(第3の層)
84 pコンタクト層
85 JFET領域
91 ゲート絶縁膜
92 ゲート電極
93 層間絶縁膜
94 ソース電極
95 ソース配線層
98 ドレイン電極
101 炭化珪素層
201,301,401 炭化珪素半導体装置
TR トレンチ
BT 底部
SW 側壁部
SW1 第1の側壁部
SW2 第2の側壁部
CD チャネル方向
CH チャネル領域
P1 下面(第1の主面)
P2 上面(第2の主面)
S1 第1の面
S2 第2の面
SQ,SR 複合面
80 single crystal substrate 81 n drift layer (first layer)
82 p body layer (second layer)
83 n + layer (third layer)
84
P2 upper surface (second main surface)
S1 First surface S2 Second surface SQ, SR Composite surface
Claims (7)
前記炭化珪素層は、前記第1の主面を構成し第1の導電型を有する第1の層と、
前記第1の層内に設けられ前記第1の導電型と異なる第2の導電型を有する第2の層と、
少なくとも前記第2の層内に設けられ前記第2の主面の一部を構成しかつ前記第1の導電型を有する第3の層と、を含み、
前記炭化珪素層の前記第2の主面にはトレンチが設けられており、
前記トレンチは前記第2の層と前記第3の層とが表出する第1の側壁部と前記第1の側壁部に連なり前記第2の層内に位置する底部とを有し、さらに、
前記第1の側壁部および前記底部の各々を覆うゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、を備える、炭化珪素半導体装置。 A silicon carbide layer having a first main surface and a second main surface opposite to the first main surface;
The silicon carbide layer includes a first layer constituting the first main surface and having a first conductivity type;
A second layer provided in the first layer and having a second conductivity type different from the first conductivity type;
A third layer provided in at least the second layer and constituting a part of the second main surface and having the first conductivity type,
A trench is provided in the second main surface of the silicon carbide layer,
The trench has a first side wall portion where the second layer and the third layer are exposed, and a bottom portion which is connected to the first side wall portion and located in the second layer, and
A gate insulating film covering each of the first side wall and the bottom;
A silicon carbide semiconductor device comprising: a gate electrode provided on the gate insulating film.
前記第2の側壁部では、前記第2の層と前記第3の層とが表出する、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。 The trench has a second side wall portion arranged opposite to the first side wall portion and continuous with the bottom portion,
4. The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein at the second side wall portion, the second layer and the third layer are exposed. 5.
前記チャネル領域のチャネル長は、0.6μm以上である、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。 When a voltage is applied to the gate electrode, a region including at least the second layer and the bottom portion exposed on the first side wall portion of the trench is a channel region,
The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein a channel length of the channel region is 0.6 μm or more.
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