JP2017118139A - Semiconductor device and method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device.
高耐圧半導体装置では、素子構造が形成された活性領域だけでなく、活性領域の周囲を囲むように設けられ耐圧を保持する耐圧構造部にも高電圧が印加され、耐圧構造部に電界が集中する。高耐圧半導体装置の耐圧は、半導体の不純物濃度、厚さおよび電界強度によって決定され(例えば、下記非特許文献1参照。)、このように半導体固有の特長によって決定される破壊耐量は活性領域から耐圧構造部にわたって等しい。このため、耐圧構造部の設計によっては耐圧構造部に電界が集中し、耐圧構造部に破壊耐量を超えた電気的負荷がかかり破壊に至る虞がある。
In a high withstand voltage semiconductor device, a high voltage is applied not only to the active region where the element structure is formed but also to the withstand voltage structure portion provided around the active region to hold the withstand voltage, and the electric field is concentrated on the withstand voltage structure portion. To do. The breakdown voltage of the high breakdown voltage semiconductor device is determined by the impurity concentration, thickness, and electric field strength of the semiconductor (see, for example, Non-Patent
耐圧構造部の電界を緩和または分散させることで高耐圧半導体装置全体の耐圧を向上させた装置として、接合終端(JTE:Junction Termination Extension)構造や、フィールドリミッティングリング(FLR:Field Limiting Ring)構造などの終端構造を耐圧構造部に形成した半導体装置が公知である。また、FLRに接するフローティングの金属電極をフィールドプレート(FP:Field Plate)として配置し、耐圧構造部に生じた電荷を放出させることにより信頼性の向上を図った半導体装置が公知である(例えば、下記特許文献1〜3参照。)。
As a device that improves the withstand voltage of the entire high withstand voltage semiconductor device by relaxing or dispersing the electric field of the withstand voltage structure portion, a junction termination extension (JTE) structure or a field limiting ring (FLR) structure is provided. A semiconductor device in which a termination structure such as the above is formed in a breakdown voltage structure is known. Also known is a semiconductor device in which a floating metal electrode in contact with the FLR is arranged as a field plate (FP) and the charge generated in the breakdown voltage structure is released to improve the reliability (for example, (See the following
しかしながら、上述したJTE構造やFLR構造などの終端構造は、半導体装置の仕様となる初期特性としての耐圧を向上させるための構造であり、半導体装置を使用する環境によっては動作時の耐圧が大きく変動し、半導体装置の信頼性が低下する虞がある。例えば、高電圧を印加した場合に、設計条件によっては耐圧構造の端部(活性領域側に対して反対側の端部、すなわちチップ端部)に電界が集中し耐圧破壊が起こる。この場合、耐圧構造部において半導体基板(チップ)とその上に設けられた酸化膜との界面(以下、酸化膜/半導体界面とする)に大電流が流れることで特性が劣化することが、信頼性低下の原因となる。 However, the above-described termination structure such as the JTE structure or the FLR structure is a structure for improving the breakdown voltage as an initial characteristic that is a specification of the semiconductor device, and the breakdown voltage during operation varies greatly depending on the environment in which the semiconductor device is used. However, the reliability of the semiconductor device may be reduced. For example, when a high voltage is applied, depending on the design conditions, the electric field concentrates at the end of the breakdown voltage structure (the end opposite to the active region side, that is, the chip end), and breakdown voltage breakdown occurs. In this case, it is reliable that the characteristics deteriorate due to a large current flowing in the interface between the semiconductor substrate (chip) and the oxide film provided thereon (hereinafter referred to as oxide film / semiconductor interface) in the breakdown voltage structure. Cause a decline in sex.
上記特許文献2では、不純物濃度の高い炭化珪素(SiC)半導体基板に数μm以上の設計が可能なJTE構造を形成することにより耐圧を維持している。しかしながら、SiC半導体は不純物を活性化させるための熱処理(アニール)に1500℃以上の高温度が必要であり、大口径のウエハでは均一な温度で不純物を活性化させることが難しい。このため、JTE構造を構成する半導体領域の不純物濃度にばらつきが生じる。この不純物濃度のばらつきによる半導体装置の初期特性への悪影響は問題にならない程度に小さいが、活性化率の違いによりJTE構造を構成する半導体領域のドナー(アクセプタ)濃度にばらつきが生じる。
In
JTE構造を構成する半導体領域のドナー(アクセプタ)濃度にばらつきが生じた場合、耐圧構造部の端部(チップ端部)で耐圧破壊が起こり、酸化膜/SiC界面に大電流が流れる。これによって、耐圧構造部の耐圧が低下するため、半導体装置の信頼性が低下するという問題がある。また、同様に上記特許文献3のようにJTE構造の外周にJTE構造の周囲を囲むFLRを配置する構造であっても、JTE構造の幅(活性領域からチップ端部に向かう方向の幅)が長いため、設計条件によってはJTE構造に大電流が流れる構造となり、酸化膜/SiC界面に悪影響が及ぶため、信頼性が低下する。 When variations occur in the donor (acceptor) concentration in the semiconductor region constituting the JTE structure, breakdown voltage breakdown occurs at the end portion (chip end portion) of the breakdown voltage structure portion, and a large current flows through the oxide film / SiC interface. As a result, the breakdown voltage of the breakdown voltage structure portion is lowered, and there is a problem that the reliability of the semiconductor device is lowered. Similarly, even when the FLR surrounding the periphery of the JTE structure is arranged on the outer periphery of the JTE structure as in Patent Document 3, the width of the JTE structure (the width in the direction from the active region toward the chip end) is the same. Due to the long length, depending on the design conditions, a structure in which a large current flows in the JTE structure is adversely affected on the oxide film / SiC interface.
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、高耐圧を維持するとともに、信頼性を向上させることができる半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a semiconductor device and a semiconductor device manufacturing method capable of maintaining a high breakdown voltage and improving reliability in order to solve the above-described problems caused by the prior art.
上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、次の特徴を有する。シリコンよりもバンドギャップの広い半導体からなる第1導電型半導体基板と、前記第1導電型半導体基板のおもて面に設けられた、シリコンよりもバンドギャップの広い半導体からなり、かつ前記第1導電型半導体基板よりも不純物濃度の低い第1導電型半導体堆積層と、前記第1導電型半導体堆積層上に設けられた第2導電型半導体堆積層に接する金属膜を少なくとも有する活性領域と、前記第1導電型半導体堆積層の、前記第1導電型半導体基板側に対して反対側の表面層に選択的に設けられた第1の第2導電型半導体領域と、前記第1の第2導電型半導体領域の外周側に前記第1の第2導電型半導体領域に接して設けられ、前記第1の第2導電型半導体領域の周囲を囲む、前記第1の第2導電型半導体領域よりも不純物濃度の低い第2の第2導電型半導体領域と、前記第2の第2導電型半導体領域の外周側に前記第2の第2導電型半導体領域と離れて設けられ、前記第2の第2導電型半導体領域の周囲を囲む、前記第1の第2導電型半導体領域よりも不純物濃度の低い第3の第2導電型半導体領域と、前記第3の第2導電型半導体領域の外周側に前記第3の第2導電型半導体領域に接して設けられ、前記第3の第2導電型半導体領域の周囲を囲む、前記第3の第2導電型半導体領域よりも不純物濃度の低い第4の第2導電型半導体領域と、前記第3の第2導電型半導体領域および前記第4の第2導電型半導体領域を覆う層間絶縁膜と、を備える。前記活性領域は、前記第1導電型半導体堆積層上に選択的に設けられ、前記第1の第2導電型半導体領域を覆う、前記第1の第2導電型半導体領域よりも不純物濃度が低く、かつシリコンよりもバンドギャップの広い半導体からなる前記第2導電型半導体堆積層と、前記第2導電型半導体堆積層の内部に選択的に設けられた第1導電型ソース領域と、前記第2導電型半導体堆積層を深さ方向に貫通して前記第1導電型半導体堆積層に達する第1導電型ウェル領域と、前記第2導電型半導体堆積層の、前記第1導電型ウェル領域を除いた領域で、かつ前記第2導電型半導体堆積層よりも不純物濃度が高い第2導電型コンタクト領域と、前記第2導電型半導体堆積層の、前記第1導電型ソース領域と前記第1導電型ウェル領域とに挟まれた部分の表面上に、ゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、前記第1導電型ソース領域および前記第2導電型コンタクト領域に接する前記金属膜からなるソース電極と、前記第1導電型半導体基板の裏面に設けられたドレイン電極と、を備え、前記金属膜と前記第2導電型コンタクト領域とのオーミック接合が金属−半導体接合である。 In order to solve the above-described problems and achieve the object of the present invention, a semiconductor device according to the present invention has the following characteristics. A first conductive type semiconductor substrate made of a semiconductor having a wider band gap than silicon; a first conductive type semiconductor substrate having a wider band gap than silicon provided on the front surface of the first conductive type semiconductor substrate; A first conductive type semiconductor deposited layer having an impurity concentration lower than that of the conductive type semiconductor substrate; an active region having at least a metal film in contact with the second conductive type semiconductor deposited layer provided on the first conductive type semiconductor deposited layer; A first second conductivity type semiconductor region selectively provided on a surface layer of the first conductivity type semiconductor deposition layer opposite to the first conductivity type semiconductor substrate; and the first second From the first second conductivity type semiconductor region, which is provided on the outer peripheral side of the conductivity type semiconductor region in contact with the first second conductivity type semiconductor region and surrounds the first second conductivity type semiconductor region Even the low impurity concentration A second conductive type semiconductor region and an outer peripheral side of the second second conductive type semiconductor region, separated from the second second conductive type semiconductor region, and the second conductive type semiconductor region A third second-conductivity-type semiconductor region having a lower impurity concentration than the first second-conductivity-type semiconductor region surrounding the periphery, and the third second-conductivity-type semiconductor region on the outer peripheral side of the third second-conductivity-type semiconductor region A fourth second-conductivity-type semiconductor having a lower impurity concentration than the third second-conductivity-type semiconductor region, provided in contact with the second-conductivity-type semiconductor region and surrounding the third second-conductivity-type semiconductor region; A region, and an interlayer insulating film covering the third second conductivity type semiconductor region and the fourth second conductivity type semiconductor region. The active region is selectively provided on the first conductivity type semiconductor deposition layer and has an impurity concentration lower than that of the first second conductivity type semiconductor region covering the first second conductivity type semiconductor region. And the second conductivity type semiconductor deposition layer made of a semiconductor having a wider bandgap than silicon, the first conductivity type source region selectively provided inside the second conductivity type semiconductor deposition layer, and the second Excluding the first conductivity type well region that penetrates the conductivity type semiconductor deposition layer in the depth direction and reaches the first conductivity type semiconductor deposition layer, and the first conductivity type well region of the second conductivity type semiconductor deposition layer A second conductivity type contact region having a higher impurity concentration than the second conductivity type semiconductor deposition layer, and the first conductivity type source region and the first conductivity type of the second conductivity type semiconductor deposition layer. Of the part sandwiched between the well region A gate electrode provided on a surface via a gate insulating film; a source electrode made of the metal film in contact with the first conductive type source region and the second conductive type contact region; and the first conductive semiconductor substrate A drain electrode provided on the back surface of the metal film, and an ohmic junction between the metal film and the second conductivity type contact region is a metal-semiconductor junction.
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記金属膜は、前記金属−半導体接合をなす接合面から前記層間絶縁膜上にわたって設けられ、前記層間絶縁膜を介して前記第3の第2導電型半導体領域の少なくとも一部を覆うことを特徴とする。 In the semiconductor device according to the present invention as set forth in the invention described above, the metal film is provided from a bonding surface forming the metal-semiconductor junction to the interlayer insulating film, and the third insulating film is interposed through the interlayer insulating film. It covers at least part of the second conductivity type semiconductor region.
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記金属膜の端部は、前記第3の第2導電型半導体領域と前記第4の第2導電型半導体領域との境界で終端していることを特徴とする。 In the semiconductor device according to the present invention, the end portion of the metal film terminates at a boundary between the third second conductivity type semiconductor region and the fourth second conductivity type semiconductor region. It is characterized by.
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記金属膜の端部は、前記層間絶縁膜を介して前記第4の第2導電型半導体領域の上方で終端していることを特徴とする。 In the semiconductor device according to the present invention, the end of the metal film is terminated above the fourth second-conductivity-type semiconductor region via the interlayer insulating film in the above-described invention. And
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第4の第2導電型半導体領域の不純物濃度は、前記第3の第2導電型半導体領域の不純物濃度の0.4倍以上0.7倍以下であることを特徴とする。 In the semiconductor device according to the present invention, the impurity concentration of the fourth second conductivity type semiconductor region is 0.4 times or more of the impurity concentration of the third second conductivity type semiconductor region. .7 or less.
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記金属膜は、IVa族金属、Va族金属、VIa族金属、カーボンまたはシリコン、もしくはこれらの金属のうちの2元素または3元素を含む複合膜であることを特徴とする。 In the semiconductor device according to the present invention, in the above-described invention, the metal film includes a group IVa metal, a group Va metal, a group VIa metal, carbon, silicon, or two or three elements of these metals. It is a composite film.
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、シリコンよりもバンドギャップの広い半導体は、炭化珪素であることを特徴とする。 The semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, the semiconductor having a wider band gap than silicon is silicon carbide.
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第1導電型半導体基板の、前記第1導電型半導体堆積層が設けられた面の結晶学的面指数は、(000−1)に対して平行な面もしくは10度以内に傾いた面であることを特徴とする。 In the semiconductor device according to the present invention, the crystallographic plane index of the surface of the first conductivity type semiconductor substrate on which the first conductivity type semiconductor deposition layer is provided is (000-1). It is a plane parallel to the plane or a plane tilted within 10 degrees.
また、上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、次の特徴を有する。シリコンよりもバンドギャップの広い半導体からなる第1導電型半導体基板の表面に、シリコンよりもバンドギャップの広い半導体からなり、かつ前記第1導電型半導体基板よりも不純物濃度の低い第1導電型半導体堆積層を堆積する工程と、前記第1導電型半導体堆積層の表面層に、第1の第2導電型半導体領域を選択的に形成する工程と、前記第1導電型半導体堆積層上に、前記第1の第2導電型半導体領域を覆う、前記第1の第2導電型半導体領域よりも不純物濃度が低く、かつシリコンよりもバンドギャップの広い半導体からなる第2導電型半導体堆積層を選択的に形成する工程と、前記第2導電型半導体堆積層を深さ方向に貫通して前記第1導電型半導体堆積層に達する第1導電型ウェル領域を形成する工程と、前記第2導電型半導体堆積層の内部に、第1導電型ソース領域を選択的に形成する工程と、前記第1導電型半導体堆積層の、前記第1の第2導電型半導体領域よりも外周側の表面層に、前記第1の第2導電型半導体領域に接して、かつ前記第1の第2導電型半導体領域の周囲を囲むように、前記第1の第2導電型半導体領域よりも不純物濃度の低い第2の第2導電型半導体領域を選択的に形成する工程と、前記第1導電型半導体堆積層の、前記第2の第2導電型半導体領域よりも外周側の表面層に、前記第2の第2導電型半導体領域と離して、かつ前記第2の第2導電型半導体領域の周囲を囲むように、前記第1の第2導電型半導体領域よりも不純物濃度の低い第3の第2導電型半導体領域を選択的に形成する工程と、前記第1導電型半導体堆積層の、前記第3の第2導電型半導体領域よりも外周側の表面層に、前記第3の第2導電型半導体領域に接して、かつ前記第3の第2導電型半導体領域の周囲を囲むように、前記第3の第2導電型半導体領域よりも不純物濃度の低い第4の第2導電型半導体領域を選択的に形成する工程と、前記第1導電型半導体堆積層の表面に、前記第3の第2導電型半導体領域および前記第4の第2導電型半導体領域を覆う層間絶縁膜を形成する工程と、前記第2導電型半導体堆積層の、前記第1導電型ウェル領域を除いた領域で、かつ前記第2導電型半導体堆積層よりも不純物濃度が高い第2導電型コンタクト領域を形成する工程と、前記第1導電型ソース領域と前記第1導電型ウェル領域とに挟まれた部分の表面上に、ゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、前記第1導電型ソース領域および前記第2導電型コンタクト領域に接し、前記第2導電型半導体堆積層と金属−半導体接合をなす金属膜からなるソース電極を形成する工程と、を含むこととする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object of the present invention, a semiconductor device manufacturing method according to the present invention has the following characteristics. A first conductivity type semiconductor made of a semiconductor having a wider band gap than silicon and having an impurity concentration lower than that of the first conductivity type semiconductor substrate on a surface of the first conductivity type semiconductor substrate made of a semiconductor having a wider band gap than silicon. Depositing a deposition layer; selectively forming a first second conductivity type semiconductor region on a surface layer of the first conductivity type semiconductor deposition layer; and on the first conductivity type semiconductor deposition layer, A second conductivity type semiconductor deposition layer made of a semiconductor having an impurity concentration lower than that of the first second conductivity type semiconductor region and having a wider band gap than silicon is selected to cover the first second conductivity type semiconductor region. Forming the first conductivity type well region, penetrating the second conductivity type semiconductor deposition layer in the depth direction and reaching the first conductivity type semiconductor deposition layer, and the second conductivity type. Half A step of selectively forming a first conductivity type source region in the body deposition layer, and a surface layer of the first conductivity type semiconductor deposition layer on the outer peripheral side of the first second conductivity type semiconductor region. , Having a lower impurity concentration than the first second conductivity type semiconductor region so as to be in contact with the first second conductivity type semiconductor region and surround the first second conductivity type semiconductor region. A step of selectively forming a second conductive type semiconductor region, and a surface layer of the first conductive type semiconductor deposition layer on the outer peripheral side of the second conductive type semiconductor region. A third second conductivity having an impurity concentration lower than that of the first second conductivity type semiconductor region so as to be separated from the second conductivity type semiconductor region and surround the periphery of the second second conductivity type semiconductor region. A step of selectively forming a type semiconductor region, and the first conductive type semiconductor deposition layer, The surface layer on the outer peripheral side of the second conductivity type semiconductor region is in contact with the third second conductivity type semiconductor region and surrounds the periphery of the third second conductivity type semiconductor region. A step of selectively forming a fourth second conductivity type semiconductor region having an impurity concentration lower than that of the second second conductivity type semiconductor region, and a surface of the first conductivity type semiconductor deposition layer on the surface of the first conductivity type semiconductor deposition layer. A step of forming an interlayer insulating film covering the conductive type semiconductor region and the fourth second conductive type semiconductor region; a region of the second conductive type semiconductor deposited layer excluding the first conductive type well region; and Forming a second conductivity type contact region having an impurity concentration higher than that of the second conductivity type semiconductor deposition layer, and on a surface of a portion sandwiched between the first conductivity type source region and the first conductivity type well region; Forming a gate electrode through a gate insulating film And forming a source electrode made of a metal film in contact with the first conductivity type source region and the second conductivity type contact region and forming a metal-semiconductor junction with the second conductivity type semiconductor deposition layer. And
上述した発明によれば、活性領域の周囲において素子構造を囲む第2の第2導電型半導体領域と、耐圧構造部において終端構造を構成する第3の第2導電型半導体領域とを離して配置することにより、活性領域と耐圧構造部との境界付近に最も電界が集中するようにすることができるため、耐圧構造部において酸化膜/半導体界面に大電流が流れることを回避することができる。以下、活性領域と耐圧構造部との境界付近に設けられた第2の第2導電型半導体領域と離して終端構造を配置した構造を分離終端(STE:Separation Termination Extension)構造とする。これにより、耐圧構造部の端部(チップ端部)でなく、活性領域と耐圧構造部との境界付近で耐圧破壊を起こす構造とすることができ、耐圧構造部の耐量を向上させることができる。これによって、半導体装置全体の耐量を向上させることができる。また、上述した発明によれば、不純物濃度の異なる2つの第2導電型半導体領域でSTE構造を構成したダブルゾーンSTE構造とすることにより、半導体材料としてワイドバンドギャップ半導体を用いて高耐圧な半導体装置を作製する場合であっても、信頼性の高い半導体装置を作製することができる。 According to the above-described invention, the second second-conductivity-type semiconductor region surrounding the element structure around the active region and the third second-conductivity-type semiconductor region constituting the termination structure in the breakdown voltage structure portion are arranged apart from each other. By doing so, the electric field can be concentrated most in the vicinity of the boundary between the active region and the breakdown voltage structure portion, so that a large current can be avoided from flowing through the oxide film / semiconductor interface in the breakdown voltage structure portion. Hereinafter, a structure in which a termination structure is arranged apart from the second second conductivity type semiconductor region provided in the vicinity of the boundary between the active region and the breakdown voltage structure portion is referred to as a separation termination (STE) structure. Thereby, it can be set as the structure which raise | generates a pressure | voltage resistant breakdown in the vicinity of the boundary of an active region and a pressure | voltage resistant structure part instead of the edge part (chip edge part) of a pressure | voltage resistant structure part, and can improve the withstand amount of a pressure | voltage resistant structure part. . Thereby, the tolerance of the entire semiconductor device can be improved. In addition, according to the above-described invention, a double-zone STE structure in which an STE structure is configured by two second conductivity type semiconductor regions having different impurity concentrations makes it possible to use a wide-bandgap semiconductor as a semiconductor material and a high breakdown voltage semiconductor. Even when a device is manufactured, a highly reliable semiconductor device can be manufactured.
本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法によれば、高耐圧を維持することができるという効果を奏する。また、本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法によれば、半導体装置の信頼性を向上させることができるという効果を奏する。 According to the semiconductor device and the method for manufacturing the semiconductor device of the present invention, there is an effect that a high breakdown voltage can be maintained. In addition, according to the semiconductor device and the method for manufacturing the semiconductor device of the present invention, there is an effect that the reliability of the semiconductor device can be improved.
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、nまたはpを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、nやpに付す+および−は、それぞれそれが付されていない層や領域よりも高不純物濃度および低不純物濃度であることを意味する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本明細書では、ミラー指数(結晶学的面指数)の表記において、“−”はその直後の指数につくバーを意味しており、指数の前に“−”を付けることで負の指数をあらわしている。 Exemplary embodiments of a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device according to the present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying drawings. In the present specification and the accompanying drawings, it means that electrons or holes are majority carriers in layers and regions with n or p, respectively. Further, + and − attached to n and p mean that the impurity concentration is higher and lower than that of the layer or region where it is not attached. Note that, in the following description of the embodiments and the accompanying drawings, the same reference numerals are given to the same components, and duplicate descriptions are omitted. Further, in this specification, in the notation of Miller index (crystallographic plane index), “−” means a bar attached to the index immediately after that, and “−” is added before the index to make it negative. It represents an index.
(参考例1)
本発明にかかる半導体装置は、例えばシリコン(Si)よりもバンドギャップの広い半導体(以下、ワイドバンドギャップ半導体とする)を用いて構成される。参考例1においては、ワイドバンドギャップ半導体として例えば炭化珪素(SiC)を用いて作製(製造)された炭化珪素半導体装置について、接合障壁ショットキー(JBS:Junction Barrier Shottoky)構造のダイオードを例に説明する。図1は、参考例1にかかる炭化珪素半導体装置の構成を示す断面図である。図1に示すように、参考例1にかかる炭化珪素半導体装置は、例えばn+型炭化珪素基板(第1導電型半導体基板)1の主面上にn型炭化珪素エピタキシャル層(第1導電型半導体堆積層)2が堆積されたエピタキシャル基板を備える。
(Reference Example 1)
The semiconductor device according to the present invention is configured using, for example, a semiconductor having a wider band gap than silicon (Si) (hereinafter referred to as a wide band gap semiconductor). In Reference Example 1, a silicon carbide semiconductor device manufactured (manufactured) using, for example, silicon carbide (SiC) as a wide band gap semiconductor will be described using a diode having a junction barrier Schottky (JBS) structure as an example. To do. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a silicon carbide semiconductor device according to Reference Example 1. FIG. As shown in FIG. 1, a silicon carbide semiconductor device according to Reference Example 1 includes, for example, an n-type silicon carbide epitaxial layer (first conductivity type) on a main surface of an n + -type silicon carbide substrate (first conductivity type semiconductor substrate) 1. An epitaxial substrate on which a
n+型炭化珪素基板1は、例えば窒素(N)がドーピングされた炭化珪素単結晶基板である。n型炭化珪素エピタキシャル層2は、n+型炭化珪素基板1よりも低い不純物濃度で例えば窒素がドーピングされてなる低濃度n型ドリフト層である。以下、n+型炭化珪素基板1単体、またはn+型炭化珪素基板1とn型炭化珪素エピタキシャル層2とを併せて炭化珪素半導体基体(半導体チップ)とする。n型炭化珪素エピタキシャル層2のn+型炭化珪素基板1側に対して反対側(炭化珪素半導体基体のおもて面側)の表面層(以下、n型炭化珪素エピタキシャル層2の表面層とする)には、p+型領域(第1の第2導電型半導体領域)3a、p-型領域(第2の第2導電型半導体領域)3b、JBS構造を構成するp+型領域(第5の第2導電型半導体領域)4、終端構造を構成する第1のp-型領域(第3の第2導電型半導体領域)5aおよび第2のp--型領域(第4の第2導電型半導体領域)5bが選択的に設けられている。
The n + type
p+型領域3aは、ダイオードの素子構造が形成された活性領域101の周囲を囲む耐圧構造部102から活性領域101にわたって設けられている。p+型領域3aの活性領域101に設けられた部分は、後述するショットキー電極9に接する。p-型領域3bは、p+型領域3aよりも炭化珪素半導体基体のチップ外周側にp+型領域3aに接して設けられ、当該p+型領域3aの周囲を囲む。活性領域101は、オン状態のときに電流が流れる領域である。耐圧構造部102は、n型ドリフト層の基体おもて面側の電界を緩和し耐圧を保持する領域である。
The p + -
p+型領域3aは、p-型領域3bおよび第1のp-型領域5aおよび第2のp--型領域5bよりも不純物濃度が高く、例えばアルミニウム(Al)がドーピングされてなる。p+型領域3aの不純物濃度は例えば1.0×1018/cm3以上1.0×1020/cm3以下程度であるのが好ましく、p-型領域3bの不純物濃度は例えば1.0×1017/cm3以上1.0×1018/cm3以下程度であるのが好ましい。その理由は、本発明の効果が顕著にあらわれるからである。p+型領域3aおよびp-型領域3bは、n型炭化珪素エピタキシャル層2とショットキー電極9との接合端部の電界集中を回避する機能を有する。すなわち、p+型領域3aおよびp-型領域3bは、n型炭化珪素エピタキシャル層2とショットキー電極9との接合端部にかかる電界を緩和する構造となっている。また、p-型領域3bは、p+型領域3aにかかる電界を緩和する機能を有する。
The p + type region 3a has a higher impurity concentration than the p − type region 3b, the first p − type region 5a, and the second p − type region 5b, and is doped with, for example, aluminum (Al). The impurity concentration of the p + -
p+型領域4は、活性領域101においてn型炭化珪素エピタキシャル層2に所定の間隔で複数設けられ、JBS構造(素子構造部)を構成する(二点鎖線で示す部分)。p+型領域4の不純物濃度は、p+型領域3aの不純物濃度と等しくてもよい。第1のp-型領域5aおよび第2のp--型領域5bは、ダブルゾーン分離終端(STE)構造を構成する。STE構造とは、電界緩和構造を構成するp型領域(p+型領域3aおよびp-型領域3b)と離して終端構造を配置した構造である。ダブルゾーンSTE構造とは、終端構造を構成する不純物濃度の異なる2つのp型領域(第1のp-型領域5aおよび第2のp--型領域5b)を互いに接するように並列に配置した構成のSTE構造である。
A plurality of p + -
具体的には、第1のp-型領域5aは、p-型領域3bよりもチップ外周側にp-型領域3bと離れて設けられ、当該p-型領域3bの周囲を囲む。すなわち、第1のp-型領域5aとp-型領域3bとの間には、炭化珪素半導体基体のおもて面に露出されるようにn型炭化珪素エピタキシャル層2が介在する。第1のp-型領域5aの不純物濃度は、p-型領域3bの不純物濃度と等しくてもよい。第2のp--型領域5bは、第1のp-型領域5aよりもチップ外周側に第1のp-型領域5aに接して設けられ、当該第1のp-型領域5aの周囲を囲む。すなわち、耐圧構造部102には、活性領域101側からチップ外周側へ向かって、p+型領域3a、p-型領域3b、n型炭化珪素エピタキシャル層2の一部、第1のp-型領域5aおよび第2のp--型領域5bが順に並列に配置されている。
Specifically, first p - type region 5a is, p - the chip outer circumferential side than the
p+型領域4、第1のp-型領域5aおよび第2のp--型領域5bは、それぞれ例えばアルミニウムがドーピングされてなる。第1のp−型領域5aの不純物濃度は、例えば1.0×1017/cm3以上1.0×1018/cm3以下程度であるのが好ましい。その理由は、所望の耐圧が得やすくなるとともに、本発明の効果が顕著にあらわれるからである。第2のp--型領域5bの不純物濃度は、第1のp-型領域5aの不純物濃度よりも低い。好ましくは、第2のp--型領域5bの不純物濃度は、例えば第1のp-型領域5aの不純物濃度の0.4倍以上0.7倍以下程度であるのがよい。その理由は、本発明の効果が顕著にあらわれるからである。第1のp-型領域5aおよび第2のp--型領域5bは、活性領域101と耐圧構造部102との境界付近の電界をさらに分散させる機能を有する。
The p + type region 4, the first p − type region 5a, and the second p − type region 5b are each doped with, for example, aluminum. The impurity concentration of the first p −
耐圧構造部102には、p+型領域3aのp-型領域3b側の部分、p-型領域3b、n型炭化珪素エピタキシャル層2の、p-型領域3bと第1のp-型領域5aとに挟まれた部分、および第1,2のp-型領域5a,5bの表面を覆うように層間絶縁膜6が設けられている。STE構造を覆う層間絶縁膜6によって、第1のp-型領域5aおよび第2のp--型領域5bは活性領域101の素子構造部と電気的に絶縁されている。n型炭化珪素エピタキシャル層2の表面(炭化珪素半導体基体のおもて面)には、層間絶縁膜6を貫通するコンタクトホールを介してショットキー電極9が設けられている。ショットキー電極9は、活性領域101から耐圧構造部102の一部にわたって設けられている。
Pressure-
具体的には、ショットキー電極9は、活性領域101において、層間絶縁膜6のコンタクトホールに露出するn型炭化珪素エピタキシャル層2の表面全面を覆い、p+型領域3aの活性領域101に設けられた部分に接する。また、ショットキー電極9は、活性領域101から耐圧構造部102へとわたって設けられ、層間絶縁膜6上に張り出している。ショットキー電極9の端部は、例えばp+型領域3aの上方(層間絶縁膜6の、p+型領域3aを覆う部分上)で終端している。ショットキー電極9は、n型炭化珪素エピタキシャル層2とショットキー接合を形成し、アノード電極を構成する。
Specifically,
ショットキー電極9は、次の材料でできているのがよい。その理由は、本発明の効果が顕著にあらわれるからである。ショットキー電極9は、例えば、IVa族金属、Va族金属、VIa族金属、カーボンまたはシリコンでできているのがよい。または、ショットキー電極9は、IVa族金属、Va族金属、VIa族金属、カーボンおよびシリコンのうちの2元素または3元素を含む複合膜でできているのがよい。特に、ショットキー電極9は、チタン(Ti)、カーボンまたはシリコンでできている、もしくは、チタン、カーボンおよびシリコンのうちの2元素または3元素を含む複合膜であるのが好ましい。さらに好ましくは、ショットキー電極9は、n型炭化珪素エピタキシャル層2とショットキー接合を形成する部分が例えばチタンでできているのがよい。ショットキー電極9とn型炭化珪素エピタキシャル層2とのショットキー障壁高さは、参考例1にかかる炭化珪素半導体装置を高耐圧半導体装置として使用する場合には、例えば1eV以上であるのが好ましい。また、ショットキー電極9のショットキー障壁高さは、参考例1にかかる炭化珪素半導体装置を電源装置として使用する場合には、例えば0.5eV以上1eV未満であるのが好ましい。
The
ショットキー電極9上には、例えばアルミニウムでできた電極パッド10が設けられている。電極パッド10は、活性領域101から耐圧構造部102にわたって設けられている。電極パッド10の端部は、ショットキー電極9上で終端していてもよい。STE構造上には、ショットキー電極9および電極パッド10の各端部を覆うように、例えばポリイミドからなるパッシベーション膜などの保護膜11が設けられている。保護膜11は、放電防止の機能を有する。n+型炭化珪素基板1のn型炭化珪素エピタキシャル層2側に対して反対側の表面(炭化珪素半導体基体の裏面)には、n+型炭化珪素基板1とオーミック接合8を形成する裏面電極(オーミック電極)7が設けられている。裏面電極7は、カソード電極を構成する。
On the
次に、参考例1にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法について、例えば600V以上の耐圧クラスのJBS構造の高耐圧ダイオードを作製する場合を例に説明する。図2〜4は、参考例1にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を模式的に示す断面図である。まず、図2に示すように、例えば1×1018/cm3の不純物濃度で窒素がドーピングされた例えば厚さ300μm程度のn+型炭化珪素基板1を用意する。n+型炭化珪素基板1の主面は、例えば(0001)面であってもよい。次に、n+型炭化珪素基板1の主面上に、1.0×1016/cm3の不純物濃度で窒素がドーピングされた例えば厚さ10μm程度のn型炭化珪素エピタキシャル層2を成長させる。
Next, a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to Reference Example 1 will be described by taking as an example a case where a high breakdown voltage diode having a JBS structure having a breakdown voltage class of 600 V or higher is manufactured. 2 to 4 are cross-sectional views schematically showing a state during the manufacture of the silicon carbide semiconductor device according to Reference Example 1. FIG. First, as shown in FIG. 2, an n + type
次に、図3に示すように、フォトリソグラフィおよび第1イオン注入によって、n型炭化珪素エピタキシャル層2の表面層に、終端構造を構成するp+型領域3aおよびJBS構造を構成するp+型領域4を選択的に形成する。p+型領域3a,4は、例えばアルミニウムなどのp型不純物を第1イオン注入し、例えばn型炭化珪素エピタキシャル層2の表面(炭化珪素半導体基体のおもて面)から0.5μm程度の深さまでのボックスプロファイルの不純物濃度が3×1019/cm3程度になるように形成する。
Next, as shown in FIG. 3, by photolithography and the first ion implantation, the surface layer of the n-type silicon
p+型領域3a,4を形成するための第1イオン注入は、加速エネルギーおよびドーピング濃度を例えば5段階に変化させて行う多段イオン注入としてもよい。この場合、例えば、第1〜第5段のイオン注入の加速エネルギーおよびドーピング濃度は、それぞれ、300keVおよび5×1014個/cm2、200keVおよび3×1014個/cm2、150keVおよび3×1014個/cm2、100keVおよび2×1014個/cm2、50keVおよび3×1014個/cm2であってもよい。
The first ion implantation for forming the p + -
次に、図4に示すように、フォトリソグラフィおよび第2イオン注入によって、n型炭化珪素エピタキシャル層2の表面層に、電界緩和構造を構成するp-型領域3bを選択的に形成する。フォトリソグラフィおよび第3イオン注入によって、n型炭化珪素エピタキシャル層2の表面層に、STE構造を構成する第1のp-型領域5aを選択的に形成する。フォトリソグラフィおよび第4イオン注入によって、n型炭化珪素エピタキシャル層2の表面層に、STE構造を構成する第2のp--型領域5bを選択的に形成する。この第2、第3、第4イオン注入では、p-型領域3b、第1のp-型領域5aおよび第2のp--型領域5bを形成するための各イオン注入を順に行う。これら各イオン注入の順序は種々変更可能である。p-型領域3b、第1のp-型領域5aおよび第2のp--型領域5bを形成するための各イオン注入のドーパントおよびドーパント濃度は例えば次の値をとる。
Next, as shown in FIG. 4, p − type region 3b constituting the electric field relaxation structure is selectively formed on the surface layer of n type silicon
p-型領域3bおよび第1のp-型領域5aの形成領域に対応する部分には、例えばアルミニウムなどのp型不純物を3×1017/cm3のドーパント濃度で注入する。第2のp--型領域5bの形成領域に対応する部分には、例えばアルミニウムなどのp型不純物を1.5×1017/cm3のドーパント濃度で注入する。これらのイオン注入後に、例えばアルゴン(Ar)雰囲気中において1650℃の温度で不純物を活性化させるための熱処理(アニール)を240秒間行い、n型炭化珪素エピタキシャル層2に注入されたp型不純物を活性化させる。
A p-type impurity such as aluminum is implanted at a dopant concentration of 3 × 10 17 / cm 3 into portions corresponding to the formation regions of the p − -
次に、n型炭化珪素エピタキシャル層2の表面(炭化珪素半導体基体のおもて面)全体に、層間絶縁膜6として例えば0.5μmの厚さの酸化膜を形成する。次に、層間絶縁膜6をパターニングして選択的に除去することで層間絶縁膜6を貫通するコンタクトホールを形成し、活性領域101におけるn型炭化珪素エピタキシャル層2およびp+型領域3aの活性領域101側を露出させる。これにより、p+型領域3aのp-型領域3b側の部分、p-型領域3b、n型炭化珪素エピタキシャル層2の、p-型領域3bと第1のp-型領域5aとに挟まれた部分、第1のp-型領域5aおよび第2のp--型領域5bの表面を覆うように層間絶縁膜6が形成される。
Next, an oxide film having a thickness of, for example, 0.5 μm is formed as interlayer insulating
次に、n+型炭化珪素基板1の表面(炭化珪素半導体基体の裏面)に、裏面電極7として例えばニッケル(Ni)膜を例えば50nmの厚さで成膜(形成)する。次に、例えばアルゴン雰囲気中において1100℃の温度で2分間の熱処理を行う。この熱処理により、n+型炭化珪素基板1と裏面電極7とのオーミック接合8が形成される。次に、炭化珪素半導体基体のおもて面側の全面に、層間絶縁膜6を貫通するコンタクトホールを埋め込むように、ショットキー電極9として例えばチタン膜を100nmの厚さで成膜する。次に、ショットキー電極9の端部がp+型領域3aの上方で終端するように、耐圧構造部102上のショットキー電極9を選択的に除去する。
Next, a nickel (Ni) film, for example, is formed (formed) with a thickness of, for example, 50 nm as the
次に、アルゴン雰囲気中において500℃の温度で5分間の熱処理を行う。この熱処理により、n型炭化珪素エピタキシャル層2とショットキー電極9とのショットキー接合が形成される。次に、炭化珪素半導体基体のおもて面の全面に、ショットキー電極9を覆うように、電極パッド10として例えばアルミニウム膜を5μmの厚さで堆積する。次に、電極パッド10の端部がショットキー電極9上で終端するように、電極パッド10を選択的に除去する。その後、電極パッド10上に、放電防止のためのポリイミドからなる保護膜11を例えば8μmの厚さで形成することにより、図1に示すJBS構造のダイオードが完成する。
Next, heat treatment is performed for 5 minutes at a temperature of 500 ° C. in an argon atmosphere. By this heat treatment, a Schottky junction between n-type silicon
以上、説明したように、参考例1によれば、活性領域と耐圧構造部との境界付近において電界緩和構造を構成するp型領域と、耐圧構造部において終端構造を構成するp型領域とを離して配置したSTE構造とすることで、活性領域と耐圧構造部との境界付近に最も電界が集中するようにすることができる。このため、耐圧構造部において層間絶縁膜と炭化珪素半導体基体との界面(酸化膜/SiC界面)に大電流が流れることを回避することができる。これにより、耐圧構造部の端部(チップ端部)でなく、活性領域と耐圧構造部との境界付近で耐圧破壊を起こす構造とすることができ、耐圧構造部の耐量を向上させることができる。これによって、装置全体の耐量を向上させることができるため、半導体装置の信頼性を向上させることができる。また、参考例1によれば、ダブルゾーンSTE構造とすることにより、半導体材料としてワイドバンドギャップ半導体を用いて高耐圧半導体装置を作製する場合であっても、信頼性の高い高耐圧半導体装置を作製することができる。 As described above, according to Reference Example 1, the p-type region constituting the electric field relaxation structure in the vicinity of the boundary between the active region and the withstand voltage structure portion and the p-type region constituting the termination structure in the withstand voltage structure portion are provided. By adopting the STE structure arranged separately, the electric field can be concentrated most in the vicinity of the boundary between the active region and the breakdown voltage structure. For this reason, it can be avoided that a large current flows through the interface (oxide film / SiC interface) between the interlayer insulating film and the silicon carbide semiconductor substrate in the breakdown voltage structure. Thereby, it can be set as the structure which raise | generates a pressure | voltage resistant breakdown in the vicinity of the boundary of an active region and a pressure | voltage resistant structure part instead of the edge part (chip edge part) of a pressure | voltage resistant structure part, and can improve the withstand amount of a pressure | voltage resistant structure part. . As a result, the tolerance of the entire device can be improved, and the reliability of the semiconductor device can be improved. In addition, according to Reference Example 1, a high-voltage semiconductor device with high reliability can be obtained even when a high-voltage semiconductor device is manufactured using a wide band gap semiconductor as a semiconductor material by adopting a double zone STE structure. Can be produced.
(参考例2)
次に、参考例2にかかる炭化珪素半導体装置の構成について説明する。図5は、参考例2にかかる炭化珪素半導体装置の構成を示す断面図である。参考例2にかかる炭化珪素半導体装置が参考例1にかかる炭化珪素半導体装置と異なる点は、ショットキー電極9がSTE構造を覆う層間絶縁膜6上にまで張り出している点である。図5には、ショットキー電極9の端部が、STE構造を構成する第1のp-型領域5aの上方(層間絶縁膜6の、第1のp-型領域5aを覆う部分上)で終端している場合を図示している。
(Reference Example 2)
Next, the structure of the silicon carbide semiconductor device concerning the reference example 2 is demonstrated. FIG. 5 is a cross-sectional view showing a configuration of the silicon carbide semiconductor device according to Reference Example 2. The silicon carbide semiconductor device according to the reference example 2 is different from the silicon carbide semiconductor device according to the reference example 1 in that the
ショットキー電極9は、層間絶縁膜6を介して第1のp-型領域5aの少なくとも一部を覆っていればよく、層間絶縁膜6を介して第1のp-型領域5aの全体を覆っていてもよい。すなわち、ショットキー電極9の端部は、第1のp-型領域5aと第2のp--型領域5bとの境界(第1のp-型領域5aの外周上)まで延在していてもよいし、第2のp--型領域5bの上方まで延在していてもよい。参考例2にかかる炭化珪素半導体装置のショットキー電極9の端部の配置以外の構成は、参考例1と同様である。
以上、説明したように、参考例2によれば、参考例1と同様の効果を得ることができる。また、参考例2によれば、ショットキー電極の層間絶縁膜上に張り出させた部分をフィールドプレートとして機能させることができる。このため、ショットキー電極の層間絶縁膜上に張り出させた部分によって半導体装置の動作時に耐圧構造部に生じる電界を分散させることができ、より耐量を向上させることができる。また、参考例2によれば、ショットキー電極の層間絶縁膜上に張り出させた部分によって、半導体装置の動作時に耐圧構造部に生じる電荷を外部へ放出させることができる。このため、半導体装置の動作時に耐圧が変動することを抑制することができ、半導体装置の信頼性をさらに向上させることができる。 As described above, according to the reference example 2, the same effect as the reference example 1 can be obtained. Further, according to the reference example 2, the portion of the Schottky electrode protruding on the interlayer insulating film can function as a field plate. For this reason, the electric field generated in the breakdown voltage structure portion during the operation of the semiconductor device can be dispersed by the portion of the Schottky electrode protruding on the interlayer insulating film, and the withstand capability can be further improved. Further, according to the reference example 2, the portion of the Schottky electrode protruding on the interlayer insulating film can discharge the charge generated in the breakdown voltage structure portion during the operation of the semiconductor device to the outside. For this reason, it can suppress that a proof pressure fluctuates at the time of operation of a semiconductor device, and can further improve the reliability of a semiconductor device.
(実施の形態1)
次に、実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置の構成について説明する。図6は、実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置の構成を示す断面図である。実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置が参考例1にかかる炭化珪素半導体装置と異なる点は、ダイオードの素子構造に代えて、絶縁ゲート型電界効果トランジスタ(MOSFET:Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)の素子構造を形成した点である。実施の形態1においては、縦型プレーナーゲート構造のMOSFETを例に説明する。また、n+型炭化珪素基板1、n型炭化珪素エピタキシャル層2および後述するp型炭化珪素エピタキシャル層13を併せて炭化珪素半導体基体とする。
(Embodiment 1)
Next, the structure of the silicon carbide semiconductor
図6に示すように、実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置は、ドレイン領域となるn+型炭化珪素基板1の主面上に、n型炭化珪素エピタキシャル層2が堆積されている。n+型炭化珪素基板1およびn型炭化珪素エピタキシャル層2は、参考例1のn+型炭化珪素基板およびn型炭化珪素エピタキシャル層と同様である。n+型炭化珪素基板1のn型炭化珪素エピタキシャル層2側に対して反対側の表面(炭化珪素半導体基体の裏面)には、参考例1と同様に裏面電極7が設けられている。裏面電極7は、ドレイン電極を構成する。
As shown in FIG. 6, in the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment, n-type silicon
活性領域101において、炭化珪素半導体基体のおもて面側には、MOS(金属−酸化膜−半導体からなる絶縁ゲート)構造(素子構造部)が形成されている。具体的には、活性領域101において、n型炭化珪素エピタキシャル層2のn+型炭化珪素基板1側に対して反対側(炭化珪素半導体基体のおもて面側)の表面層には、p+型領域(以下、第1のp+型ベース領域(第1の第2導電型半導体領域)とする)12が選択的に設けられている。第1のp+型ベース領域12は、例えばアルミニウムがドーピングされてなる。
In
第1のp+型ベース領域12の表面、およびn型炭化珪素エピタキシャル層2の、隣り合う第1のp+型ベース領域12に挟まれた部分の表面上には、p型炭化珪素エピタキシャル層(第2導電型半導体堆積層)13が選択的に堆積されている。p型炭化珪素エピタキシャル層13は、活性領域101にのみ堆積されている。p型炭化珪素エピタキシャル層13の不純物濃度は、第1のp+型ベース領域12の不純物濃度よりも低い。p型炭化珪素エピタキシャル層13は、例えばアルミニウムがドーピングされてなる。
A p-type silicon carbide epitaxial layer is formed on the surface of first p + -
p型炭化珪素エピタキシャル層13の第1のp+型ベース領域12上の部分には、n+型ソース領域14およびp+型コンタクト領域15が設けられている。n+型ソース領域14およびp+型コンタクト領域15は互いに接する。p+型コンタクト領域15は、n+型ソース領域14よりも耐圧構造部102側に配置されている。また、p+型コンタクト領域15は、p型炭化珪素エピタキシャル層13を深さ方向に貫通して第1のp+型ベース領域12に達する。
An n +
p型炭化珪素エピタキシャル層13のn型炭化珪素エピタキシャル層2上の部分には、p型炭化珪素エピタキシャル層13を深さ方向に貫通してn型炭化珪素エピタキシャル層2に達するn型ウェル領域16が設けられている。n型ウェル領域16は、n型炭化珪素エピタキシャル層2とともにドリフト領域として機能する。p型炭化珪素エピタキシャル層13の、n型ウェル領域16を除いた領域(以下、第2のp型ベース領域(第2導電型ベース領域)13とする)は、第1のp+型ベース領域12とともにベース領域として機能する。
In the portion of p-type silicon
第2のp型ベース領域13の、n+型ソース領域14とn型ウェル領域16とに挟まれた部分の表面上には、ゲート絶縁膜17を介してゲート電極18が設けられている。ゲート電極18は、ゲート絶縁膜17を介して、n型ウェル領域16の表面上に設けられていてもよい。層間絶縁膜20は、ゲート電極18を覆うように、炭化珪素半導体基体のおもて面側の全面に設けられている。ソース電極19は、層間絶縁膜20を貫通するコンタクトホールを介して、n+型ソース領域14およびp+型コンタクト領域15に接しており、炭化珪素半導体基体とのオーミック接合を形成している。
On the surface of the second p-
また、ソース電極19は、層間絶縁膜20によってゲート電極18と電気的に絶縁されている。ソース電極19の端部は、層間絶縁膜20上に延在しており、第1のp+型ベース領域12の上方(層間絶縁膜20の、第1のp+型ベース領域12を覆う部分上)で終端している。ソース電極19上には、電極パッド21が設けられている。電極パッド21の端部は、ソース電極19上で終端している。耐圧構造部102上には、ソース電極19および電極パッド21の各端部を覆うように、例えばポリイミドからなるパッシベーション膜などの保護膜22が設けられている。保護膜22は、放電防止の機能を有する。
The
耐圧構造部102には、第1のp+型ベース領域12よりもチップ外周側に第1のp+型ベース領域12に接し、かつ第1のp+型ベース領域12の周囲を囲むp-型領域3bが設けられている。p-型領域3bよりも外周側には、参考例1と同様に、第1のp-型領域5aおよび第2のp--型領域5bが設けられている。すなわち、実施の形態1においては、耐圧構造部102に、活性領域101側からチップ外周側へ向かって、第1のp+型ベース領域12、p-型領域3b、n型炭化珪素エピタキシャル層2の一部、第1のp-型領域5aおよび第2のp--型領域5bが順に並列に配置されている。
Pressure-
p-型領域3bの不純物濃度は、第1のp+型ベース領域12の不純物濃度よりも低い。第1のp-型領域5aの不純物濃度は、第1のp+型ベース領域12の不純物濃度よりも低い。STE構造を構成する第1のp-型領域5aおよび第2のp--型領域5bは、層間絶縁膜20に覆われており、層間絶縁膜20によって活性領域の素子構造部と電気的に絶縁されている。図6には、活性領域101に1つのMOS構造のみを図示しているが、活性領域101に複数のMOS構造が並列に配置されていてもよい。
The impurity concentration of the p − type region 3 b is lower than the impurity concentration of the first p +
次に、実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法について、例えば1200Vの耐圧クラスのMOSFETを作成する場合を例に説明する。まず、例えば2×1019/cm3程度の不純物濃度で窒素がドーピングされたn+型炭化珪素基板1を用意する。n+型炭化珪素基板1は、主面が例えば<11−20>方向に4度程度のオフ角を有する(000−1)面であってもよい。次に、n+型炭化珪素基板1の主面上に、1.0×1016/cm3の不純物濃度で窒素がドーピングされた厚さ10μmのn型炭化珪素エピタキシャル層2を成長させる。
Next, the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment will be described by taking as an example the case of creating a MOSFET having a breakdown voltage class of 1200 V, for example. First, an n + type
次に、フォトリソグラフィおよび第1イオン注入によって、n型炭化珪素エピタキシャル層2の表面層に、第1のp+型ベース領域12を選択的に形成する。この第1イオン注入では、例えば、アルミニウムをドーパントとし、第1のp+型ベース領域12の不純物濃度が1.0×1018/cm3程度となるようにドーズ量を設定してもよい。第1のp+型ベース領域12の幅および深さは、それぞれ13μmおよび0.5μmであってもよい。隣り合う第1のp+型ベース領域12間の距離は、例えば2μmであってもよい。
Next, first p + -
次に、n型炭化珪素エピタキシャル層2の表面に、第2のp型ベース領域13となるp型炭化珪素エピタキシャル層を例えば0.5μmの厚さで成長させる。このとき、例えば、第2のp型ベース領域13の不純物濃度が1.0×1016/cm3となるようにアルミニウムがドーピングされたp型炭化珪素エピタキシャル層を成長させてもよい。
Next, a p-type silicon carbide epitaxial layer to be the second p-
次に、フォトリソグラフィおよび第2イオン注入によって、第2のp型ベース領域13のn型炭化珪素エピタキシャル層2上の部分の導電型を反転させて、n型ウェル領域16を選択的に形成する。この第2イオン注入では、例えば、窒素などのn型不純物をドーパントとして用いることで、n型炭化珪素エピタキシャル層2の導電型を反転させる。第2イオン注入のドーズ量は、例えばn型ウェル領域16の不純物濃度が5.0×1016/cm3となるように設定してもよい。n型ウェル領域16の幅および深さは、それぞれ2.0μmおよび0.6μmであってもよい。
Next, the conductivity type of the portion of the second p-
次に、フォトリソグラフィおよび第3イオン注入によって、第2のp型ベース領域13の第1のp+型ベース領域12上の部分の表面層に、n+型ソース領域14を選択的に形成する。次に、フォトリソグラフィおよび第4イオン注入によって、第2のp型ベース領域13の第1のp+型ベース領域12上の部分の表面層に、p+型コンタクト領域15を選択的に形成する。次に、エッチングによって、第2のp型ベース領域13の、耐圧構造部102上の部分を例えば0.7μmの深さでn型炭化珪素エピタキシャル層2の表面層ごと除去することで、耐圧構造部102におけるn型炭化珪素エピタキシャル層2を露出させる。
Next, an n +
次に、フォトリソグラフィおよび第5イオン注入によって、耐圧構造部102におけるn型炭化珪素エピタキシャル層2のエッチングによる露出部分の表面層に、p-型領域3bおよび第1のp-型領域5aを選択的に形成する。この第5イオン注入では、例えば、アルミニウムをドーパントとし、ドーズ量を2.0×1013/cm2としてもよい。次に、フォトリソグラフィおよび第6イオン注入を行い、耐圧構造部102におけるn型炭化珪素エピタキシャル層2のエッチングによる露出部分の表面層に、第2のp--型領域5bを選択的に形成する。この第6イオン注入では、例えば、アルミニウムをドーパントとし、ドーズ量を1.0×1013/cm2としてもよい。
Next, the p − type region 3b and the first p − type region 5a are selected as the surface layer of the exposed portion of the n-type silicon
次に、n+型ソース領域14、p+型コンタクト領域15、n型ウェル領域16、第1のp-型領域5aおよび第2のp--型領域5bを形成するために注入した不純物を活性化させるための熱処理(アニール)を行う。このとき、熱処理温度および熱処理時間は、例えば、それぞれ1620℃および2分間であってもよい。n+型ソース領域14、p+型コンタクト領域15、n型ウェル領域16、第1のp-型領域5aおよび第2のp--型領域5bを形成する順序は種々変更可能である。
Next, impurities implanted to form the n + -
次に、炭化珪素半導体基体のおもて面側を熱酸化し、例えば100nmの厚さでゲート絶縁膜17を形成する。この熱酸化は、例えば、酸素雰囲気中において1000℃程度の温度の熱処理によって行ってもよい。これにより、活性領域101から耐圧構造部102にわたって、第2のp型ベース領域13およびn型炭化珪素エピタキシャル層2の表面層に形成された各領域がゲート絶縁膜17で覆われる。次に、ゲート絶縁膜17上に、ゲート電極18として、例えばリン(P)がドープされた多結晶シリコン層を形成する。
Next, the front surface side of the silicon carbide semiconductor substrate is thermally oxidized to form a
次に、多結晶シリコン層をパターニングして選択的に除去し、第2のp型ベース領域13の、n+型ソース領域14とn型ウェル領域16とに挟まれた部分上に多結晶シリコン層を残す。このとき、n型ウェル領域16上に多結晶シリコン層を残してもよい。次に、ゲート絶縁膜17を覆うように、層間絶縁膜20として例えばリンガラス(PSG:Phospho Silicate Glass)を1.0μmの厚さで成膜(形成)する。次に、層間絶縁膜20およびゲート絶縁膜17をパターニングして選択的に除去して、層間絶縁膜20およびゲート絶縁膜17を貫通するコンタクトホールを形成し、n+型ソース領域14およびp+型コンタクト領域15を露出させる。次に、層間絶縁膜20を平坦化するための熱処理(リフロー)を行う。
Next, the polycrystalline silicon layer is selectively removed by patterning, and polycrystalline silicon is formed on the portion of the second p-
次に、層間絶縁膜20の表面に、ソース電極19を形成する。このとき、層間絶縁膜20のコンタクトホールの内部にソース電極19を埋め込み、n+型ソース領域14およびp+型コンタクト領域15とソース電極19とを接触させる。次に、ソース電極19の端部が第1のp+型ベース領域12の上方で終端するように、耐圧構造部102上のソース電極19を選択的に除去する。次に、n+型炭化珪素基板1の表面(炭化珪素半導体基体の裏面)に、裏面電極7として例えばニッケル膜を成膜する。次に、例えば970℃の温度で熱処理し、n+型炭化珪素基板1と裏面電極7とのオーミック接合8を形成する。
Next, the
次に、例えばスパッタリング法によって、炭化珪素半導体基体のおもて面の全面にソース電極19を覆うように、電極パッド21を堆積する。電極パッド21の層間絶縁膜20上の部分の厚さは、例えば5μmであってもよい。電極パッド21は、例えば、1%の割合でシリコンを含んだアルミニウム(Al−Si)で形成してもよい。次に、電極パッド21の端部がソース電極19上で終端するように、電極パッド21を選択的に除去する。次に、炭化珪素半導体基体のおもて面側に、ソース電極19および電極パッド21の各端部を覆うように保護膜22を形成する。そして、ニッケル膜の表面に、裏面電極7として例えばチタン、ニッケルおよび金(Au)をこの順に成膜することにより、図6に示すMOSFETが完成する。
Next, an
以上、説明したように、実施の形態1によれば、MOSFETの素子構成を形成した場合においても参考例1と同様の効果を得ることができる。 As described above, according to the first embodiment, the same effect as that of the reference example 1 can be obtained even when the element configuration of the MOSFET is formed.
(実施の形態2)
次に、実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置の構成について説明する。図7は、実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置の構成を示す断面図である。実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置が実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置と異なる点は、ソース電極19がSTE構造を覆う層間絶縁膜20上にまで張り出している点である。具体的には、ソース電極19の端部は、STE構造を構成する第1のp-型領域5aの上方(層間絶縁膜20の、第1のp-型領域5aを覆う部分上)で終端している。
(Embodiment 2)
Next, the structure of the silicon carbide semiconductor
ソース電極19は、層間絶縁膜20を介して第1のp-型領域5aの少なくとも一部を覆っていればよく、層間絶縁膜20を介して第1のp-型領域5aの全体を覆っていてもよい。すなわち、ソース電極19の端部は、第1のp-型領域5aと第2のp--型領域5bとの境界(第1のp-型領域5aの外周上)まで延在していてもよいし、第2のp--型領域5bの上方まで延在していてもよい。電極パッド21の端部は、ソース電極19の端部と同程度の位置まで延在していてもよい。実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置のソース電極19および電極パッド21の各端部の配置以外の構成は、実施の形態1と同様である。
The
以上、説明したように、実施の形態2によれば、実施の形態1と同様の効果を得ることができる。また、実施の形態2によれば、ソース電極および電極パッドの層間絶縁膜上に張り出させた部分をフィールドプレートとして機能させることができる。このため、ソース電極および電極パッドの層間絶縁膜上に張り出させた部分によって半導体装置の動作時に耐圧構造部に生じる電界を分散させることができ、より耐量を向上させることができる。また、実施の形態2によれば、ソース電極および電極パッドの層間絶縁膜上に張り出させた部分によって、半導体装置の動作時に耐圧構造部に生じる電荷を外部へ放出させることができる。このため、半導体装置の動作時に耐圧が変動することを抑制することができ、半導体装置の信頼性をさらに向上させることができる。 As described above, according to the second embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained. Further, according to the second embodiment, the portion of the source electrode and the electrode pad that protrudes from the interlayer insulating film can function as a field plate. For this reason, the electric field generated in the breakdown voltage structure portion during the operation of the semiconductor device can be dispersed by the portion of the source electrode and the electrode pad that protrudes over the interlayer insulating film, and the resistance can be further improved. Further, according to the second embodiment, charges generated in the breakdown voltage structure portion during the operation of the semiconductor device can be discharged to the outside by the portion of the source electrode and the electrode pad that protrudes from the interlayer insulating film. For this reason, it can suppress that a proof pressure fluctuates at the time of operation of a semiconductor device, and can further improve the reliability of a semiconductor device.
(実施例)
次に、本発明にかかる炭化珪素半導体装置の耐圧特性について検証した。図8Aは、実施例にかかる炭化珪素半導体装置の耐圧構造部の構成を示す断面図である。図8Bは、比較例の炭化珪素半導体装置の耐圧構造部の構成を示す断面図である。図8A,8Bでは、電極パッドおよび保護膜を図示省略する。まず、参考例2にしたがい、炭化珪素半導体からなるJBS構造のダイオード(以下、実施例とする)を作製した。具体的には、図8Aに示すように、実施例においては、活性領域101と耐圧構造部102との境界付近において電界緩和構造を構成する耐圧構造部102側のp-型領域3bと、耐圧構造部102において終端構造を構成する活性領域101側の第1のp-型領域5aとをn型炭化珪素エピタキシャル層2の一部で分離したSTE構造としている。また、耐圧構造部102の層間絶縁膜6上にショットキー電極9を張り出させて、ショットキー電極9の層間絶縁膜6上の部分をフィールドプレートとした(符号Aで示す部分)。
(Example)
Next, the breakdown voltage characteristics of the silicon carbide semiconductor device according to the present invention were verified. FIG. 8A is a cross-sectional view showing the configuration of the breakdown voltage structure portion of the silicon carbide semiconductor device according to the example. FIG. 8B is a cross sectional view showing a configuration of the breakdown voltage structure portion of the silicon carbide semiconductor device of the comparative example. 8A and 8B, an electrode pad and a protective film are not shown. First, according to Reference Example 2, a diode having a JBS structure made of a silicon carbide semiconductor (hereinafter referred to as an example) was manufactured. Specifically, as shown in FIG. 8A, in the embodiment, the p − -
比較として、図8Bに示すように、電界緩和構造をp+型領域3aのみで構成し、このp+型領域3aに接するように、終端構造を構成する活性領域101側の第1のp-型領域5aを設けた従来のJBS構造のダイオード(以下、比較例とする)を作製した。比較例は、耐圧構造部102の層間絶縁膜6上にショットキー電極9を張り出させない構成とした(符号Bで示す部分)。比較例の、ショットキー電極9の端部の配置および第1のp-型領域5aの配置以外の構成は実施例と同様である。このため、図8Bでは、実施例と同様の構成に同一の符号を付している。また、実施例および比較例ともに、層間絶縁膜6の厚さを0.5μmとした。n型炭化珪素エピタキシャル層2の不純物濃度を1×1016/cm3とし、その厚さを10μmとした。第1のp-型領域5aおよび第2のp--型領域5bはともに、幅および深さをそれぞれ30μmおよび0.5μmとした。
As a comparison, as shown in FIG 8B, an electric field relaxation structure constituted of only the p + -
これら実施例および比較例について、第1のp-型領域5aの不純物濃度を2×1017/cm3〜7×1017/cm3の範囲で変化させたときの耐圧特性のシミュレーション結果を図9に示す。図9は、実施例にかかる炭化珪素半導体装置の耐圧特性を示す特性図である。図9には、第1のp-型領域5aの不純物濃度を横軸に示し、耐圧を縦軸に示す。第2のp--型領域5bの不純物濃度は、第1のp-型領域5aの不純物濃度の半分の不純物濃度としている。また、実施例は、p-型領域3bの幅および深さをそれぞれ4μmおよび0.5μmとし、p-型領域3bと第1のp-型領域5aとの間隔を3μmとしている。図9に示す結果より、実施例は比較例と同等以上の耐圧特性が得られることが確認された。すなわち、本発明のように電界緩和構造と終端構造とを離して配置したSTE構造とした場合においても、電界緩和構造と終端構造とが接触している構成の従来構造と同等以上の耐圧特性が得られることが確認された。
For these examples and comparative examples, the simulation results of the withstand voltage characteristics when the impurity concentration of the first p − type region 5a is changed in the range of 2 × 10 17 /
次に、上述した実施例および比較例の耐圧構造部102における電界分布をシミュレーションした結果をそれぞれ図10A,10Bに示す。図10Aは、実施例にかかる炭化珪素半導体装置の電界分布を示す特性図である。図10Bは、比較例の炭化珪素半導体装置の電界分布を示す特性図である。図10A,10Bには、電界の集中する層間絶縁膜6と炭化珪素半導体基体との界面(酸化膜/SiC界面)から0.5μmの深さのpn接合部分の電界強度を、第1のp-型領域5aの不純物濃度ごとに示す。pn接合部分とは、電界緩和構造および終端構造を構成するp型領域と、n型炭化珪素エピタキシャル層2との間のpn接合である。また、図10A,10Bには、活性領域101と耐圧構造部102との境界、すなわち層間絶縁膜6の活性領域101側の端部の位置(以下、原点X=0μmとする)から耐圧構造部102側(外周側)へ向かって所定距離の位置における電界分布を示す。
Next, the simulation results of the electric field distribution in the
図10Bに示す結果より、比較例では、原点Xから外周側に3μm離れた位置にあるp+型領域3aと第1のp-型領域5aとの境界b1、原点Xから外周側に33μm離れた位置にある第1のp-型領域5aと第2のp--型領域5bとの境界b2、および、原点Xから外周側に63μm離れた位置にある第2のp--型領域5bの外周側の端部b3で電界集中が起こっていることが確認された。また、第1のp-型領域5aの不純物濃度が3.0×1017/cm3以下の場合には、p+型領域3aと第1のp-型領域5aの境界b1での電界集中が最大となり、酸化膜/SiC界面に大電流は流れなかった。しかし、第1のp-型領域5aの不純物濃度が4.0×1017/cm3以上では第1のp-型領域5aと第2のp--型領域5bの境界b2での電界集中が最大となり、第1のp-型領域5aの不純物濃度が6.0×1017/cm3以上では第2のp--型領域5bの外周側の端部b3での電界集中が最大となることで酸化膜/SiC界面に大電流が流れ、装置の信頼性が低下することが確認された。 From the result shown in FIG. 10B, in the comparative example, the boundary b1 between the p + type region 3a and the first p − type region 5a located 3 μm away from the origin X on the outer peripheral side, and 33 μm away from the origin X on the outer peripheral side. A boundary b2 between the first p − type region 5a and the second p − type region 5b at a certain position, and a second p − type region 5b located 63 μm away from the origin X on the outer peripheral side. It was confirmed that electric field concentration occurred at the end b3 on the outer peripheral side. Further, when the impurity concentration of the first p − type region 5a is 3.0 × 10 17 / cm 3 or less, the electric field concentration at the boundary b1 between the p + type region 3a and the first p − type region 5a. Was the maximum, and a large current did not flow at the oxide film / SiC interface. However, when the impurity concentration of the first p − type region 5a is 4.0 × 10 17 / cm 3 or more, the electric field concentration at the boundary b2 between the first p − type region 5a and the second p − type region 5b. When the impurity concentration of the first p − type region 5a is 6.0 × 10 17 / cm 3 or more, the electric field concentration at the outer end b3 of the second p − type region 5b is maximum. As a result, it was confirmed that a large current flows at the oxide film / SiC interface, and the reliability of the device is lowered.
一方、図10Aに示すように、実施例においては、原点Xから外周側に4μm離れた位置にあるp-型領域3bとn型炭化珪素エピタキシャル層2との境界a1、原点Xから外周側に20μm離れた位置にあるショットキー電極9の端部a2、原点Xから外周側に34μm離れた位置にある第1のp-型領域5aと第2のp--型領域5bの境界a3、および、原点Xから外周側に64μm離れた位置にある第2のp--型領域5bの外周側の端部a4で電界集中が起こっていることが確認された。また、第1のp-型領域5aの不純物濃度が1.0×1017/cm3〜7.0×1017/cm3のすべての範囲において、p-型領域3bとn型炭化珪素エピタキシャル層2との境界a1での電界集中が最大となった。そして、ショットキー電極9から炭化珪素半導体基体に直接大電流が流れ、酸化膜/SiC界面に流れないことが確認された。このため、実施例においては、耐圧構造部102において例えば終端構造(STE構造)を構成するp型領域に活性化率などにむらが生じても、酸化膜/SiC界面に大電流が流れない構造の、信頼性の高い耐圧構造部102を備えた装置を提供することができることが確認された。
On the other hand, as shown in FIG. 10A, in the embodiment, the boundary a1 between the p − type region 3b and the n-type silicon
また、上記非特許文献1に開示されるように、活性化率は温度に依存し、100℃の温度変動で90%近くの差が生じる。このため、比較例のように電界緩和構造と終端構造とが接触している構成の従来構造では、第1のp-型領域5aの不純物濃度を2×1017/cm3とするためにp型不純物を注入したとしても、活性化のための熱処理の温度差により活性化率が低くなり1400V以下の耐圧となってしまう。また、耐圧を向上させるために第1のp-型領域5aの不純物濃度を高くしたとしても、第1のp-型領域5a付近での耐圧破壊が生じ、半導体装置の信頼性が低下する。それに対して、実施例においては、図9に示す結果より、第1のp-型領域5aと第2のp--型領域5bとの不純物濃度の比率を1:0.5としたときに、耐圧1400V以上を維持するには、第1のp-型領域5aの不純物濃度を例えば2×1017/cm3以上7×1017/cm3以下程度の範囲にすればよいことがわかる。また、図10Aに示す結果より、活性領域101と耐圧構造部102との境界付近に電界を集中させるためには、第1のp-型領域5aの不純物濃度を例えば1.0×1017/cm3以上7.0×1017/cm3以下の範囲が好ましいことがわかる。
Further, as disclosed in
また、図示省略するが、参考例1のようにショットキー電極9の層間絶縁膜上に張り出させた部分が短くフィールドプレートとしての効果が低い場合や、実施の形態1,4のように活性領域101にMOSFETの素子構造を形成した場合においても、実施例と同様にp-型領域3bと第1のp-型領域5aとをn型炭化珪素エピタキシャル層2の一部で分離したSTE構造の終端構造を設けているため、実施例と同様の効果が得られる。
Although not shown in the drawings, when the portion of the
以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、上述した実施の形態では、JBS構造のダイオードや縦型MOSFETを例に説明しているが、本発明は、活性領域を囲む耐圧構造部を備えたさまざまな構成の半導体装置に適用することが可能である。したがって、活性領域の素子構造を構成する各領域とワイドバンドギャップ半導体基体との接合は、金属−半導体接合を備えた構成や、絶縁体−半導体接合を備えた構成、またはその両方を備えた構成であってもよい。金属−半導体接合のみを備えた素子構造とは、例えばダイオードの素子構造である。金属−半導体接合と絶縁体−半導体接合とを備えた素子構造とは、例えばMOSFETの素子構造などである。 As described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, in the above-described embodiments, a JBS structure diode or vertical MOSFET is described as an example. However, the present invention is applied to semiconductor devices having various structures including a breakdown voltage structure portion surrounding an active region. Is possible. Therefore, the junction between each region constituting the element structure of the active region and the wide band gap semiconductor substrate is a configuration provided with a metal-semiconductor junction, a configuration provided with an insulator-semiconductor junction, or a configuration provided with both. It may be. The element structure having only the metal-semiconductor junction is, for example, an element structure of a diode. The element structure including the metal-semiconductor junction and the insulator-semiconductor junction is, for example, a MOSFET element structure.
また、上述した実施の形態では、炭化珪素半導体基体とショットキー接合を形成する金属材料としてチタンを例に説明しているが、炭化珪素半導体基体とのショットキー接合を形成することができればよく、他の材料を用いてショットキー電極を形成してもよい。また、STE構造の構成例としてダブルゾーンSTE構造について説明しているが、さらに、不純物濃度の異なる3つ以上のp型領域が接するように並列に配置された構成のマルチゾーンSTE構造としてもよい。また、上述した実施の形態では、耐圧構造部にSTE構造の終端構造を設けた場合を例に説明しているが、FLR構造のように複数のp型領域が所定間隔を空けて配置された構成のSTE構造としてもよい。 In the above-described embodiment, titanium is described as an example of a metal material that forms a Schottky junction with a silicon carbide semiconductor substrate, but it is sufficient that a Schottky junction with a silicon carbide semiconductor substrate can be formed. The Schottky electrode may be formed using other materials. Further, although the double zone STE structure has been described as a configuration example of the STE structure, a multi-zone STE structure having a configuration in which three or more p-type regions having different impurity concentrations are arranged in parallel so as to be in contact with each other may be used. . In the above-described embodiment, the case where an STE structure termination structure is provided in the breakdown voltage structure is described as an example. However, a plurality of p-type regions are arranged at predetermined intervals as in the FLR structure. The STE structure may be a configuration.
また、上述した実施の形態では、炭化珪素でできた炭化珪素基板の(0001)面を主面とした場合を例に説明したが、これに限らず、基板主面の面方位や、基板を構成するワイドバンドギャップ半導体材料などを種々変更可能である。例えば、基板主面を(000−1)面としてもよいし、窒化ガリウム(GaN)などのワイドバンドギャップ半導体でできた半導体基板を用いてもよい。また、上述した実施の形態では、ショットキー電極やソース電極などのおもて面電極を用いてフィールドプレートを構成しているが、電極パッドやゲート電極、またはその他の金属電極を新たに設けるなど、おもて面電極以外の電極を用いてフィールドプレートを構成してもよい。また、各実施の形態では第1導電型をn型とし、第2導電型をp型としたが、本発明は第1導電型をp型とし、第2導電型をn型としても同様に成り立つ。 In the above-described embodiment, the case where the main surface is the (0001) surface of the silicon carbide substrate made of silicon carbide has been described as an example. Various wide band gap semiconductor materials can be changed. For example, the substrate main surface may be a (000-1) plane, or a semiconductor substrate made of a wide band gap semiconductor such as gallium nitride (GaN) may be used. In the above-described embodiment, the field plate is formed using the front surface electrode such as the Schottky electrode or the source electrode. However, an electrode pad, a gate electrode, or another metal electrode is newly provided. The field plate may be formed using an electrode other than the front surface electrode. In each embodiment, the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type. However, in the present invention, the first conductivity type is p-type and the second conductivity type is n-type. It holds.
以上のように、本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法は、電力変換装置や種々の産業用機械などの電源装置などに使用される高耐圧半導体装置に有用である。 As described above, the semiconductor device and the method for manufacturing the semiconductor device according to the present invention are useful for a high voltage semiconductor device used for a power conversion device and a power supply device such as various industrial machines.
1 n+型炭化珪素基板
2 n型炭化珪素エピタキシャル層
3a 電界緩和構造を構成するp+型領域
3b 電界緩和構造を構成するp-型領域
4 JBS構造を構成するp+型領域
5a STE構造を構成する第1のp-型領域
5b STE構造を構成する第2のp--型領域
6 層間絶縁膜
7 裏面電極
8 オーミック接合
9 ショットキー電極
10 電極パッド
11 保護膜
12 第1p+型ベース領域
13 第2p型ベース領域
14 n+型ソース領域
15 p+型コンタクト領域
16 n型ウェル領域
17 ゲート絶縁膜
18 ゲート電極
19 ソース電極
20 層間絶縁膜
21 電極バッド
22 保護膜
101 活性領域
102 耐圧構造部
1 n + type silicon carbide substrate 2 n type silicon
Claims (9)
前記第1導電型半導体基板のおもて面に設けられた、シリコンよりもバンドギャップの広い半導体からなり、かつ前記第1導電型半導体基板よりも不純物濃度の低い第1導電型半導体堆積層と、
前記第1導電型半導体堆積層上に設けられた第2導電型半導体堆積層に接する金属膜を少なくとも有する活性領域と、
前記第1導電型半導体堆積層の、前記第1導電型半導体基板側に対して反対側の表面層に選択的に設けられた第1の第2導電型半導体領域と、
前記第1の第2導電型半導体領域の外周側に前記第1の第2導電型半導体領域に接して設けられ、前記第1の第2導電型半導体領域の周囲を囲む、前記第1の第2導電型半導体領域よりも不純物濃度の低い第2の第2導電型半導体領域と、
前記第2の第2導電型半導体領域の外周側に前記第2の第2導電型半導体領域と離れて設けられ、前記第2の第2導電型半導体領域の周囲を囲む、前記第1の第2導電型半導体領域よりも不純物濃度の低い第3の第2導電型半導体領域と、
前記第3の第2導電型半導体領域の外周側に前記第3の第2導電型半導体領域に接して設けられ、前記第3の第2導電型半導体領域の周囲を囲む、前記第3の第2導電型半導体領域よりも不純物濃度の低い第4の第2導電型半導体領域と、
前記第3の第2導電型半導体領域および前記第4の第2導電型半導体領域を覆う層間絶縁膜と、
を備え、
前記活性領域は、
前記第1導電型半導体堆積層上に選択的に設けられ、前記第1の第2導電型半導体領域を覆う、前記第1の第2導電型半導体領域よりも不純物濃度が低く、かつシリコンよりもバンドギャップの広い半導体からなる前記第2導電型半導体堆積層と、
前記第2導電型半導体堆積層の内部に選択的に設けられた第1導電型ソース領域と、
前記第2導電型半導体堆積層を深さ方向に貫通して前記第1導電型半導体堆積層に達する第1導電型ウェル領域と、
前記第2導電型半導体堆積層の、前記第1導電型ウェル領域を除いた領域で、かつ前記第2導電型半導体堆積層よりも不純物濃度が高い第2導電型コンタクト領域と、
前記第2導電型半導体堆積層の、前記第1導電型ソース領域と前記第1導電型ウェル領域とに挟まれた部分の表面上に、ゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、
前記第1導電型ソース領域および前記第2導電型コンタクト領域に接する前記金属膜からなるソース電極と、
前記第1導電型半導体基板の裏面に設けられたドレイン電極と、を備え、
前記金属膜と前記第2導電型コンタクト領域とのオーミック接合が金属−半導体接合であることを特徴とする半導体装置。 A first conductivity type semiconductor substrate made of a semiconductor having a wider band gap than silicon;
A first conductive type semiconductor deposited layer formed on a front surface of the first conductive type semiconductor substrate and made of a semiconductor having a wider band gap than silicon and having a lower impurity concentration than the first conductive type semiconductor substrate; ,
An active region having at least a metal film in contact with the second conductive type semiconductor deposited layer provided on the first conductive type semiconductor deposited layer;
A first second conductivity type semiconductor region selectively provided on a surface layer opposite to the first conductivity type semiconductor substrate side of the first conductivity type semiconductor deposition layer;
The first second conductivity type semiconductor region is provided on the outer peripheral side of the first second conductivity type semiconductor region so as to be in contact with the first second conductivity type semiconductor region, and surrounds the first second conductivity type semiconductor region. A second second conductivity type semiconductor region having a lower impurity concentration than the two conductivity type semiconductor region;
The first second conductivity type semiconductor region is provided on the outer peripheral side of the second second conductivity type semiconductor region, separated from the second second conductivity type semiconductor region, and surrounding the second second conductivity type semiconductor region. A third second conductivity type semiconductor region having an impurity concentration lower than that of the two conductivity type semiconductor region;
The third second conductivity type semiconductor region is provided on the outer peripheral side of the third second conductivity type semiconductor region so as to be in contact with the third second conductivity type semiconductor region and surrounds the periphery of the third second conductivity type semiconductor region. A fourth second conductivity type semiconductor region having an impurity concentration lower than that of the two conductivity type semiconductor region;
An interlayer insulating film covering the third second conductivity type semiconductor region and the fourth second conductivity type semiconductor region;
With
The active region is
An impurity concentration lower than that of the first second conductivity type semiconductor region, which is selectively provided on the first conductivity type semiconductor deposition layer and covers the first second conductivity type semiconductor region, and is lower than that of silicon. The second conductivity type semiconductor deposition layer made of a semiconductor having a wide band gap;
A first conductivity type source region selectively provided inside the second conductivity type semiconductor deposition layer;
A first conductivity type well region that penetrates the second conductivity type semiconductor deposition layer in a depth direction and reaches the first conductivity type semiconductor deposition layer;
A second conductivity type contact region of the second conductivity type semiconductor deposition layer excluding the first conductivity type well region and having a higher impurity concentration than the second conductivity type semiconductor deposition layer;
A gate electrode provided on a surface of a portion of the second conductivity type semiconductor deposition layer sandwiched between the first conductivity type source region and the first conductivity type well region via a gate insulating film;
A source electrode made of the metal film in contact with the first conductivity type source region and the second conductivity type contact region;
A drain electrode provided on the back surface of the first conductivity type semiconductor substrate,
An ohmic junction between the metal film and the second conductivity type contact region is a metal-semiconductor junction.
前記第1導電型半導体堆積層の表面層に、第1の第2導電型半導体領域を選択的に形成する工程と、
前記第1導電型半導体堆積層上に、前記第1の第2導電型半導体領域を覆う、前記第1の第2導電型半導体領域よりも不純物濃度が低く、かつシリコンよりもバンドギャップの広い半導体からなる第2導電型半導体堆積層を選択的に形成する工程と、
前記第2導電型半導体堆積層を深さ方向に貫通して前記第1導電型半導体堆積層に達する第1導電型ウェル領域を形成する工程と、
前記第2導電型半導体堆積層の内部に、第1導電型ソース領域を選択的に形成する工程と、
前記第1導電型半導体堆積層の、前記第1の第2導電型半導体領域よりも外周側の表面層に、前記第1の第2導電型半導体領域に接して、かつ前記第1の第2導電型半導体領域の周囲を囲むように、前記第1の第2導電型半導体領域よりも不純物濃度の低い第2の第2導電型半導体領域を選択的に形成する工程と、
前記第1導電型半導体堆積層の、前記第2の第2導電型半導体領域よりも外周側の表面層に、前記第2の第2導電型半導体領域と離して、かつ前記第2の第2導電型半導体領域の周囲を囲むように、前記第1の第2導電型半導体領域よりも不純物濃度の低い第3の第2導電型半導体領域を選択的に形成する工程と、
前記第1導電型半導体堆積層の、前記第3の第2導電型半導体領域よりも外周側の表面層に、前記第3の第2導電型半導体領域に接して、かつ前記第3の第2導電型半導体領域の周囲を囲むように、前記第3の第2導電型半導体領域よりも不純物濃度の低い第4の第2導電型半導体領域を選択的に形成する工程と、
前記第1導電型半導体堆積層の表面に、前記第3の第2導電型半導体領域および前記第4の第2導電型半導体領域を覆う層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第2導電型半導体堆積層の、前記第1導電型ウェル領域を除いた領域で、かつ前記第2導電型半導体堆積層よりも不純物濃度が高い第2導電型コンタクト領域を形成する工程と、
前記第1導電型ソース領域と前記第1導電型ウェル領域とに挟まれた部分の表面上に、ゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、
前記第1導電型ソース領域および前記第2導電型コンタクト領域に接し、前記第2導電型半導体堆積層と金属−半導体接合をなす金属膜からなるソース電極を形成する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 A first conductivity type semiconductor made of a semiconductor having a wider band gap than silicon and having an impurity concentration lower than that of the first conductivity type semiconductor substrate on a surface of the first conductivity type semiconductor substrate made of a semiconductor having a wider band gap than silicon. Depositing a deposition layer;
Selectively forming a first second conductivity type semiconductor region on a surface layer of the first conductivity type semiconductor deposition layer;
A semiconductor having an impurity concentration lower than that of the first second conductivity type semiconductor region and a band gap wider than that of silicon covering the first second conductivity type semiconductor region on the first conductivity type semiconductor deposition layer. Selectively forming a second conductivity type semiconductor deposition layer comprising:
Forming a first conductivity type well region that penetrates the second conductivity type semiconductor deposition layer in a depth direction and reaches the first conductivity type semiconductor deposition layer;
Selectively forming a first conductivity type source region in the second conductivity type semiconductor deposition layer;
The first conductivity type semiconductor deposition layer is in contact with the first second conductivity type semiconductor region on a surface layer on the outer peripheral side of the first second conductivity type semiconductor region, and the first second conductivity type semiconductor region. Selectively forming a second second conductivity type semiconductor region having an impurity concentration lower than that of the first second conductivity type semiconductor region so as to surround the periphery of the conductivity type semiconductor region;
In the surface layer of the first conductivity type semiconductor deposition layer on the outer peripheral side of the second second conductivity type semiconductor region, the second second conductivity type semiconductor region is separated from the second second conductivity type semiconductor region. Selectively forming a third second conductivity type semiconductor region having an impurity concentration lower than that of the first second conductivity type semiconductor region so as to surround the periphery of the conductivity type semiconductor region;
The surface layer of the first conductivity type semiconductor deposition layer on the outer peripheral side of the third second conductivity type semiconductor region is in contact with the third second conductivity type semiconductor region and the third second type. Selectively forming a fourth second conductivity type semiconductor region having an impurity concentration lower than that of the third second conductivity type semiconductor region so as to surround the periphery of the conductivity type semiconductor region;
Forming an interlayer insulating film covering the third second conductivity type semiconductor region and the fourth second conductivity type semiconductor region on the surface of the first conductivity type semiconductor deposition layer;
Forming a second conductivity type contact region of the second conductivity type semiconductor deposition layer excluding the first conductivity type well region and having a higher impurity concentration than the second conductivity type semiconductor deposition layer;
Forming a gate electrode on a surface of a portion sandwiched between the first conductivity type source region and the first conductivity type well region via a gate insulating film;
Forming a source electrode made of a metal film in contact with the first conductivity type source region and the second conductivity type contact region and forming a metal-semiconductor junction with the second conductivity type semiconductor deposition layer;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
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JP2002507325A (en) * | 1997-06-26 | 2002-03-05 | エービービー リサーチ リミテッド | SiC semiconductor device having pn junction |
JP2011514674A (en) * | 2008-02-26 | 2011-05-06 | クリー インコーポレイテッド | Dual guard ring end termination for silicon carbide devices and method of manufacturing silicon carbide devices incorporating the same |
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