JP2019009357A - Semiconductor device and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

To enhance performance of a semiconductor device including a power transistor arranged by use of silicon carbide by reducing a leak current in the power transistor.SOLUTION: A semiconductor device comprises: a power transistor formed on an epitaxial layer EPI including silicon carbide as a primary component. In the semiconductor device, the power transistor comprises: an insulation film OXF formed over a side wall of a gate electrode GE; and an interlayer insulation film IL formed so as to cover the gate electrode GE and the insulation film OXF. The insulation film OXF is higher, in density, than the interlayer insulation film IL. The insulation film OXF includes conductive type impurities at an impurity density no more than 1/100 of a maximum impurity density of a conductive type impurity included in the gate electrode GE.SELECTED DRAWING: Figure 13

Description

本発明は、例えば、炭化珪素(SiC)を使用した半導体装置およびその製造技術に適用して有効な技術に関する。   The present invention relates to a semiconductor device using, for example, silicon carbide (SiC) and a technology effective when applied to a manufacturing technology thereof.

特開2010−212636号公報(特許文献1)には、ポリシリコン膜からなるゲート電極の中央部にだけ導電型不純物を導入することにより、ゲート電極に正バイアスを印加した際に、ゲート電極の端部に発生する空乏層を延ばして、ゲート電極の端部近傍における電界を緩和する技術が記載されている。   Japanese Patent Laid-Open No. 2010-212636 (Patent Document 1) discloses that when a positive bias is applied to the gate electrode by introducing a conductive impurity only in the central portion of the gate electrode made of a polysilicon film, A technique is described in which a depletion layer generated at an end portion is extended to relax an electric field in the vicinity of the end portion of the gate electrode.

特開2010−212636号公報JP 2010-212636 A

持続可能な社会の実現における最も重要な課題は、エネルギー資源の枯渇と、二酸化炭素等の温室効果ガスの過量排出である。このため、エネルギー効率に優れ、かつ、二酸化炭素の排出量の少ない電力変換装置が重要となってきている。電力変換装置の多くは、スイッチング素子であるパワートランジスタを含む半導体装置で構成されている。このため、半導体装置の損失低減が電力変換装置の省エネルギー化に直結する。   The most important issues in realizing a sustainable society are the depletion of energy resources and excessive emissions of greenhouse gases such as carbon dioxide. For this reason, the power converter device which is excellent in energy efficiency and has little carbon dioxide emission has become important. Many of the power conversion devices are composed of semiconductor devices including power transistors that are switching elements. For this reason, the loss reduction of the semiconductor device is directly linked to the energy saving of the power conversion device.

ここで、半導体装置の損失低減技術として、4H型炭化珪素(4H−SiC、以下ではSiCと記載)でパワートランジスタを形成する方法が注目されている。しかしながら、本発明者が検討したところ、炭化珪素を使用した現状のパワートランジスタにおいては、リーク電流の低減が改善の余地として顕在化することが判明した。このため、炭化珪素を使用したパワートランジスタにおいては、リーク電流を低減することが望まれている。   Here, as a technique for reducing the loss of a semiconductor device, a method of forming a power transistor with 4H-type silicon carbide (4H—SiC, hereinafter referred to as SiC) has attracted attention. However, as a result of studies by the present inventors, it has been found that in current power transistors using silicon carbide, reduction of leakage current becomes apparent as room for improvement. For this reason, in a power transistor using silicon carbide, it is desired to reduce leakage current.

本発明の目的は、炭化珪素を使用したパワートランジスタでのリーク電流を低減することにより、パワートランジスタを含む半導体装置の性能向上を図ることにある。   An object of the present invention is to improve the performance of a semiconductor device including a power transistor by reducing leakage current in the power transistor using silicon carbide.

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。   Other problems and novel features will become apparent from the description of the specification and the accompanying drawings.

一実施の形態における半導体装置は、炭化珪素を主成分とするエピタキシャル層上に形成されたパワートランジスタを含む。このとき、パワートランジスタは、エピタキシャル層上に形成されたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に形成され、かつ、導電型不純物を含有するゲート電極と、ゲート電極の側壁に形成された第1絶縁膜と、ゲート電極および第1絶縁膜を覆うように形成された第2絶縁膜とを備える。そして、第1絶縁膜の密度は、前記第2絶縁膜の密度よりも高い。また、第1絶縁膜は、ゲート電極に含まれる導電型不純物の最大不純物濃度の1/100以下の不純物濃度で導電型不純物を含有する。   A semiconductor device in one embodiment includes a power transistor formed on an epitaxial layer mainly composed of silicon carbide. At this time, the power transistor includes a gate insulating film formed on the epitaxial layer, a gate electrode formed on the gate insulating film and containing a conductive impurity, and a first insulation formed on the sidewall of the gate electrode. A film, and a second insulating film formed to cover the gate electrode and the first insulating film. The density of the first insulating film is higher than the density of the second insulating film. The first insulating film contains the conductive impurity at an impurity concentration of 1/100 or less of the maximum impurity concentration of the conductive impurity contained in the gate electrode.

一実施の形態によれば、炭化珪素を使用したパワートランジスタを含む半導体装置の性能向上を図ることができる。   According to one embodiment, it is possible to improve the performance of a semiconductor device including a power transistor using silicon carbide.

鉄道車両に適用される3相モータシステム(電力変換装置)の一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of the three-phase motor system (power converter device) applied to a railway vehicle. 図1に示すコンバータとインバータの回路構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the circuit structure of the converter and inverter shown in FIG. 3相インバータの一部を取り出した図である。It is the figure which took out some 3 phase inverters. 「誤点孤」のメカニズムを説明する図である。It is a figure explaining the mechanism of "false point arc". 「誤点孤」を説明する図である。It is a figure explaining "false point arc". 「誤点孤」によるショートを説明する図である。It is a figure explaining the short by "false point arc". 「誤点孤」の防止策を説明する図である。It is a figure explaining the preventive measure of "false point arc". 「誤点孤」の防止策を説明する図である。It is a figure explaining the preventive measure of "false point arc". 本発明者が見出した改善の余地を説明する図である。It is a figure explaining the room for improvement which this inventor discovered. ゲート絶縁膜における電界強度が小さい場合において、ゲート絶縁膜によるポテンシャル障壁を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the potential barrier by a gate insulating film, when the electric field strength in a gate insulating film is small. ゲート絶縁膜における電界強度が大きくなる場合において、ゲート絶縁膜によるポテンシャル障壁を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the potential barrier by a gate insulating film, when the electric field strength in a gate insulating film becomes large. 炭化珪素を使用したパワートランジスタにおいて、ゲート電極の端部におけるリーク電流の増加を抑制するデバイス構造を示す図である。It is a figure which shows the device structure which suppresses the increase in the leakage current in the edge part of a gate electrode in the power transistor which uses silicon carbide. 実施の形態におけるSiCパワーMOSFETの要部断面図である。It is principal part sectional drawing of SiC power MOSFET in embodiment. SiCパワーMOSFETの製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of SiC power MOSFET. 図14に続くSiCパワーMOSFETの製造工程を示す断面図である。FIG. 15 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the SiC power MOSFET following FIG. 14. 図15に続くSiCパワーMOSFETの製造工程を示す断面図である。FIG. 16 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the SiC power MOSFET following FIG. 15. 図16に続くSiCパワーMOSFETの製造工程を示す断面図である。FIG. 17 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the SiC power MOSFET following FIG. 16. 図17に続くSiCパワーMOSFETの製造工程を示す断面図である。FIG. 18 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the SiC power MOSFET following FIG. 17. 図18に続くSiCパワーMOSFETの製造工程を示す断面図である。FIG. 19 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the SiC power MOSFET following FIG. 18. 図19に続くSiCパワーMOSFETの製造工程を示す断面図である。FIG. 20 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the SiC power MOSFET following FIG. 19. 図20に続くSiCパワーMOSFETの製造工程を示す断面図である。FIG. 21 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the SiC power MOSFET following FIG. 20. 変形例1を説明する図である。It is a figure explaining the modification 1. FIG. 変形例2を説明する図である。It is a figure explaining the modification 2. FIG.

実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。   In all the drawings for explaining the embodiments, the same members are denoted by the same reference symbols in principle, and the repeated explanation thereof is omitted. In order to make the drawings easy to understand, even a plan view may be hatched.

なお、本明細書において、ワイドバンドギャップ半導体材料とは、珪素のバンドギャップ(1.12eV)よりも大きなバンドギャップを持つ半導体材料を言い、例えば、炭化珪素(2.20〜3.02eV)、窒化ガリウム(3.39eV)、ダイヤモンド(5.47eV)などが含まれる。ワイドバンドギャップ半導体装置とは、このようなワイドバンドギャップ半導体材料を基板とした半導体装置をいうものとする。   In this specification, the wide band gap semiconductor material refers to a semiconductor material having a band gap larger than that of silicon (1.12 eV), for example, silicon carbide (2.20 to 3.02 eV), Examples include gallium nitride (3.39 eV) and diamond (5.47 eV). The wide band gap semiconductor device refers to a semiconductor device using such a wide band gap semiconductor material as a substrate.

<3相モータシステムの構成例>
図1は、例えば、鉄道車両に適用される3相モータシステム(電力変換装置)の一例を示すブロック図である。図1に示すように、鉄道車両には、架線RTからパンタグラフPGを介して電力が供給される。このとき、架線RTから供給される高圧交流電圧は、例えば、25kVまたは15kVである。架線RTからパンタグラフPGを介して鉄道車両に供給される高圧交流電圧は、絶縁型の主変圧器MTRによって、例えば、3.3kVの交流電圧に降圧される。この降圧された交流電圧は、コンバータCONによって直流電圧(3.3kV)に順変換される。その後、コンバータCONによって変換された直流電圧は、キャパシタCLを介してインバータINVによって、それぞれ位相が120度ずれた3相交流電圧に変換される。そして、インバータINVで変換された3相交流電圧は、3相モータMTに供給される。この結果、3相モータMTが駆動することにより、車輪WHLを回転させることができ、これによって、鉄道車両を走行させることができる。
<Configuration example of three-phase motor system>
FIG. 1 is a block diagram illustrating an example of a three-phase motor system (power converter) applied to, for example, a railway vehicle. As shown in FIG. 1, electric power is supplied to the railway vehicle from the overhead line RT via the pantograph PG. At this time, the high-voltage AC voltage supplied from the overhead line RT is, for example, 25 kV or 15 kV. The high-voltage AC voltage supplied to the railway vehicle from the overhead line RT via the pantograph PG is stepped down to an AC voltage of, for example, 3.3 kV by the insulating main transformer MTR. The stepped-down AC voltage is forward converted to a DC voltage (3.3 kV) by the converter CON. Thereafter, the DC voltage converted by the converter CON is converted into a three-phase AC voltage whose phase is shifted by 120 degrees by the inverter INV via the capacitor CL. The three-phase AC voltage converted by the inverter INV is supplied to the three-phase motor MT. As a result, when the three-phase motor MT is driven, the wheel WHL can be rotated, and thereby the railway vehicle can be run.

このように、鉄道車両の3相モータシステムには、コンバータCONやインバータINVが含まれている。図2は、図1に示すコンバータCONとインバータINVの回路構成を示す回路図である。図2に示すように、コンバータCONおよびインバータINVのそれぞれは、6個のパワートランジスタQと6個のフリーホイールダイオードFRDとから構成されている。例えば、インバータINVに着目すると、3相(U相、V相、W相)のそれぞれに対応して、上アーム(ハイサイドスイッチ)と下アーム(ローサイドスイッチ)が設けられており、上アームと下アームのそれぞれは、互いに並列接続された1個のパワートランジスタQと1個のフリーホイールダイオードFRDから構成されていることになる。このとき、パワートランジスタQは、スイッチング素子として機能する一方、フリーホイールダイオードFRDは、例えば、3相モータMTに含まれるインダクタンスに起因する還流電流を流す整流素子として機能する。   As described above, the three-phase motor system of the railway vehicle includes the converter CON and the inverter INV. FIG. 2 is a circuit diagram showing a circuit configuration of converter CON and inverter INV shown in FIG. As shown in FIG. 2, each of the converter CON and the inverter INV includes six power transistors Q and six free wheel diodes FRD. For example, paying attention to the inverter INV, an upper arm (high side switch) and a lower arm (low side switch) are provided corresponding to each of three phases (U phase, V phase, W phase). Each of the lower arms is composed of one power transistor Q and one freewheel diode FRD connected in parallel to each other. At this time, the power transistor Q functions as a switching element, while the free wheel diode FRD functions as a rectifying element that flows a reflux current caused by an inductance included in the three-phase motor MT, for example.

以上のように、インバータINVやコンバータCONなどの電力変換機器の中で、パワートランジスタQやフリーホイールダイオードFRDなどのパワー半導体素子は、スイッチング機能や整流機能を有する主要な構成部品として使用されている。例えば、パワートランジスタQとしては、シリコン(Si)を基板材料として使用したIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)が使用され、フリーホイールダイオードFRDとしては、シリコンを基板材料として使用したpn接合ダイオードが使用されている。   As described above, in power conversion devices such as the inverter INV and the converter CON, power semiconductor elements such as the power transistor Q and the free wheel diode FRD are used as main components having a switching function and a rectifying function. . For example, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) using silicon (Si) as a substrate material is used as the power transistor Q, and a pn junction diode using silicon as a substrate material is used as the free wheel diode FRD. Yes.

この点に関し、近年では、パワー半導体素子の基板材料として、シリコンよりもバンドギャップの大きなワイドバンドギャップ半導体材料を使用することが検討され、このワイドバンドギャップ半導体材料を使用したパワー半導体素子の開発が進められている。なぜなら、ワイドバンドギャップ半導体材料は、シリコンよりもバンドギャップが大きいことに起因して、シリコンよりも絶縁破壊電界強度が高いからである。つまり、ワイドバンドギャップ半導体材料を使用したパワー半導体素子では、シリコンよりも絶縁破壊電界強度が高いことから、シリコンを基板材料として使用したパワー半導体素子よりもドリフト層(エピタキシャル層)の厚さを薄くしても耐圧を確保することができる。さらには、ワイドバンドギャップ半導体材料を使用したパワー半導体素子では、ドリフト層の厚さを薄くすることによって、オン抵抗の低減を図ることができる。すなわち、ワイドバンドギャップ半導体材料を基板材料として使用したパワー半導体素子では、トレードオフの関係にある耐圧の確保とオン抵抗の低減との両立を図ることができる利点が得られるのである。   In this regard, in recent years, the use of a wide band gap semiconductor material having a larger band gap than silicon as a substrate material for power semiconductor elements has been studied, and the development of power semiconductor elements using such wide band gap semiconductor materials has been studied. It is being advanced. This is because a wide band gap semiconductor material has a higher breakdown field strength than silicon due to a larger band gap than silicon. In other words, a power semiconductor element using a wide bandgap semiconductor material has a higher dielectric breakdown field strength than silicon, so the drift layer (epitaxial layer) is thinner than a power semiconductor element using silicon as a substrate material. Even with this, the breakdown voltage can be secured. Furthermore, in a power semiconductor element using a wide band gap semiconductor material, the on-resistance can be reduced by reducing the thickness of the drift layer. That is, in a power semiconductor element using a wide band gap semiconductor material as a substrate material, there can be obtained an advantage that it is possible to achieve both the ensuring of the breakdown voltage and the reduction of the on-resistance in a trade-off relationship.

例えば、ワイドバンドギャップ半導体材料としては、炭化シリコン(SiC)、窒化ガリウム(GaN)、ダイヤモンドなどを挙げることができるが、以下では、特に、SiCに着目して説明することにする。   For example, examples of the wide band gap semiconductor material include silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN), diamond, and the like. In the following, description will be given with particular attention to SiC.

ワイドバンドギャップ半導体材料であるSiCは、シリコンに対して、絶縁破壊電界強度が約一桁高いため、パワー半導体素子の低オン抵抗化が可能である。これは、上述したように、絶縁破壊電界強度が高いと、薄いドリフト層(エピタキシャル層)でも耐圧を確保できる結果、ドリフト層を薄くすることによってオン抵抗の低減を図ることができるからである。さらに、SiCの熱伝導率は、シリコンの熱伝導率の約3倍で、かつ、高温でも半導体物性に優れていることから、高温での使用にも適している。   SiC, which is a wide band gap semiconductor material, has a dielectric breakdown electric field strength that is about an order of magnitude higher than that of silicon, so that the on-resistance of the power semiconductor element can be reduced. This is because, as described above, if the dielectric breakdown electric field strength is high, the breakdown voltage can be ensured even with a thin drift layer (epitaxial layer), and the on-resistance can be reduced by making the drift layer thin. Furthermore, the thermal conductivity of SiC is about three times the thermal conductivity of silicon and is excellent in semiconductor physical properties even at high temperatures, so that it is suitable for use at high temperatures.

したがって、近年では、シリコンを基板材料として使用したパワー半導体素子に対し、SiCを基板材料として使用したパワー半導体素子に置き換えることが検討されている。具体的に、インバータINVを例に挙げると、インバータINVの構成部品であるスイッチング素子と整流素子のうち、整流素子であるフリーホイールダイオードFRDとして、シリコンを基板材料として使用したpn接合ダイオードから、SiCを基板材料として使用したpn接合ダイオード(以下、SiC−pn接合ダイオードという)に置き換える開発が先行している。   Therefore, in recent years, it has been studied to replace a power semiconductor element using silicon as a substrate material with a power semiconductor element using SiC as a substrate material. Specifically, taking the inverter INV as an example, among the switching element and the rectifying element that are the components of the inverter INV, as a free wheel diode FRD that is a rectifying element, a pn junction diode that uses silicon as a substrate material is used as an SiC. Development has been advanced to replace pn junction diodes (hereinafter referred to as SiC-pn junction diodes) using as a substrate material.

さらには、スイッチング素子であるパワートランジスタQとして、Si−IGBTから、SiCを基板材料として使用したパワーMOSFET(以下、SiC−MOSFETという)に置き換えることも検討されている。なぜなら、SiC−MOSFETは、Si−IGBTに比べて、1デバイスあたりの耐圧が高いため、部品点数を少なくすることができるからである。この結果、3相モータシステムのサイズ(体積)を小さくすることができる。このことは、例えば、3相モータシステムを含む床下部品の小型化によって、鉄道車両の低床化を図ることができる。また、床下部品の小型化によって、鉄道車両の一部に蓄電池SB(図1参照)を新たに設置できるスペースを確保することができるので、鉄道車両が走行していない場合、車輪WHLを経由して電力を架線RTに戻さずに、蓄電池SBに電力を蓄積することができる。この結果、鉄道車両の回生効率を向上することができる。言い換えれば、鉄道システムのライフサイクルコストを低減することができる。   Furthermore, as a power transistor Q that is a switching element, replacement of the Si-IGBT with a power MOSFET using SiC as a substrate material (hereinafter referred to as SiC-MOSFET) is also under study. This is because the SiC-MOSFET has a higher breakdown voltage per device than the Si-IGBT, so that the number of components can be reduced. As a result, the size (volume) of the three-phase motor system can be reduced. For example, the floor of the railway vehicle can be lowered by downsizing the underfloor parts including the three-phase motor system. In addition, by downsizing the underfloor parts, it is possible to secure a space where a storage battery SB (see FIG. 1) can be newly installed in a part of the railway vehicle. Therefore, when the railway vehicle is not traveling, the wheel WHL is used. Thus, the electric power can be stored in the storage battery SB without returning the electric power to the overhead line RT. As a result, the regeneration efficiency of the railway vehicle can be improved. In other words, the life cycle cost of the railway system can be reduced.

本実施の形態では、特に、パワートランジスタをSiC−MOSFETから構成することを前提として、このSiC−MOSFETの性能向上を図る工夫を施すことにより、インバータINVに代表される電力変換装置の性能向上を図ることを目的としている。以下に、SiC−MOSFETに対する工夫を施した本実施の形態における技術的思想について説明する。まず、本実施の形態における技術的思想を想到する前提となる改善の余地について説明し、その後、本実施の形態における技術的思想について説明する。   In the present embodiment, in particular, on the premise that the power transistor is composed of SiC-MOSFET, by improving the performance of the SiC-MOSFET, the performance of the power converter represented by the inverter INV is improved. The purpose is to plan. Below, the technical idea in this Embodiment which devised the SiC-MOSFET will be described. First, the room for improvement, which is a premise for reaching the technical idea in the present embodiment, will be described, and then the technical idea in the present embodiment will be described.

<改善の検討>
図3は、3相インバータの一部を取り出した図である。図3において、電源端子VTとグランド端子GTとの間には、ハイサイドスイッチ(上アーム)を構成するパワートランジスタQ1とローサイドスイッチ(下アーム)を構成するパワートランジスタQ2とが直列接続された第1レグが図示されている。また、図3においては、ハイサイドスイッチ(上アーム)を構成するパワートランジスタQ3とローサイドスイッチ(下アーム)を構成するパワートランジスタQ4とが直列接続された第2レグも図示されている。
<Examination of improvement>
FIG. 3 is a diagram showing a part of the three-phase inverter. In FIG. 3, a power transistor Q1 constituting a high-side switch (upper arm) and a power transistor Q2 constituting a low-side switch (lower arm) are connected in series between a power supply terminal VT and a ground terminal GT. One leg is shown. FIG. 3 also shows a second leg in which a power transistor Q3 constituting a high-side switch (upper arm) and a power transistor Q4 constituting a low-side switch (lower arm) are connected in series.

図3において、例えば、パワートランジスタQ1とパワートランジスタQ4とをオンする一方、パワートランジスタQ2とパワートランジスタQ3とをオフする。これにより、太い矢印で示すように、電源端子VT→オンしたパワートランジスタQ1→負荷であるモータMT→オンしたパワートランジスタQ4→グランド端子GTの経路で電流を流すことができ、これによって、負荷であるモータMTを駆動することができる。   In FIG. 3, for example, the power transistor Q1 and the power transistor Q4 are turned on, while the power transistor Q2 and the power transistor Q3 are turned off. As a result, as indicated by a thick arrow, a current can flow through the path of the power supply terminal VT → the turned on power transistor Q1 → the load motor MT → the turned on power transistor Q4 → the ground terminal GT. A certain motor MT can be driven.

このとき、図3に示すように、パワートランジスタQ1をオンさせるためには、パワートランジスタQ1のゲート電極に「+15V」を印加する。同様に、パワートランジスタQ4をオンさせるためには、パワートランジスタQ4のゲート電極に「+15V」を印加する。一方、図3に示すように、パワートランジスタQ2をオフさせるためには、パワートランジスタQ2のゲート電極に「−8V」を印加する。同様に、パワートランジスタQ3をオフさせるためには、パワートランジスタQ3のゲート電極に「−8V」を印加する。   At this time, as shown in FIG. 3, in order to turn on the power transistor Q1, “+15 V” is applied to the gate electrode of the power transistor Q1. Similarly, in order to turn on the power transistor Q4, “+15 V” is applied to the gate electrode of the power transistor Q4. On the other hand, as shown in FIG. 3, in order to turn off the power transistor Q2, "-8V" is applied to the gate electrode of the power transistor Q2. Similarly, in order to turn off the power transistor Q3, “−8 V” is applied to the gate electrode of the power transistor Q3.

ここで、図4に示すように、電源端子VTには、「1500V」が供給され、かつ、パワートランジスタQ1がオンしていることから、ノードV1の電位は、「1500V」となる。一方、パワートランジスタQ2には、ドレインとゲート電極との間に寄生容量CPが存在することから、ノードV1の電位が「1500V」になると、寄生容量CPによって、ゲート電極のゲート電圧V2は、「−8V」から上昇する。具体的には、図5に示すように、ノードV1の電位が「1500V」になると、寄生容量CPによる容量カップリングによって、パワートランジスタQ2のゲート電圧V2は、「−8V」から上昇する。このとき、図5に示すように、パワートランジスタQ2のゲート電圧V2が、パワートランジスタQ2のしきい値電圧を超えると、オフしているパワートランジスタQ2が、誤ってオンすることになる。このように、本来、オフしているべきパワートランジスタQ2が、オンする現象は「誤点孤」と呼ばれる。すなわち、パワートランジスタQ2をオフするために、パワートランジスタQ2のゲート電圧V2を「−8V」にする構成では、上述した「誤点孤」生じやすくなるのである。そして、オフすべきパワートランジスタQ2に「誤点孤」が生じると、図6に示すように、パワートランジスタQ1とパワートランジスタQ2とが同時にオンすることになる。この結果、電源端子VTとグランド端子GTとがショートすることになり、これによって、電源端子VTとグランド端子GTとの間に、太い矢印で示す大電流が流れることになる。そして、電源端子VTとグランド端子GTとの間に大電流が流れることにより、3相インバータから構成される電力変換装置が発熱して破壊に至ることになる。以上のことから、3相インバータから構成される電力変換装置の信頼性を向上する観点からは、「誤点孤」を抑制する対策が必要される。   Here, as shown in FIG. 4, since “1500 V” is supplied to the power supply terminal VT and the power transistor Q1 is turned on, the potential of the node V1 becomes “1500 V”. On the other hand, in the power transistor Q2, since the parasitic capacitance CP exists between the drain and the gate electrode, when the potential of the node V1 becomes “1500 V”, the gate voltage V2 of the gate electrode becomes “1500 V” due to the parasitic capacitance CP. It rises from "-8V". Specifically, as shown in FIG. 5, when the potential of the node V1 becomes “1500 V”, the gate voltage V2 of the power transistor Q2 increases from “−8 V” due to capacitive coupling by the parasitic capacitance CP. At this time, as shown in FIG. 5, when the gate voltage V2 of the power transistor Q2 exceeds the threshold voltage of the power transistor Q2, the power transistor Q2 that is turned off is erroneously turned on. As described above, the phenomenon in which the power transistor Q2 that should be turned off is turned on is called “false point arc”. That is, in the configuration in which the gate voltage V2 of the power transistor Q2 is set to “−8 V” in order to turn off the power transistor Q2, the above-mentioned “false spot” tends to occur. Then, when “false point” occurs in the power transistor Q2 to be turned off, the power transistor Q1 and the power transistor Q2 are turned on simultaneously as shown in FIG. As a result, the power supply terminal VT and the ground terminal GT are short-circuited, whereby a large current indicated by a thick arrow flows between the power supply terminal VT and the ground terminal GT. Then, when a large current flows between the power supply terminal VT and the ground terminal GT, the power conversion device including the three-phase inverter generates heat and is destroyed. From the above, from the viewpoint of improving the reliability of the power conversion device constituted by the three-phase inverter, a measure for suppressing “false point arc” is required.

この点に関し、例えば、図7に示すように、オフすべきパワートランジスタQ2のゲート電圧V2を「−8V」から「−15V」にする対策が取られている。すなわち、オフすべきパワートランジスタQのゲート電極に印加する負電圧の絶対値を大きくする対策が取られている。この場合、図8に示すように、オフすべきパワートランジスタQ2のゲート電圧V2が寄生容量による容量カップリングによって上昇しても、しきい値電圧に達するまでのマージンが大きくなる。このことから、パワートランジスタQ2の「誤点孤」が生じにくくなり、電源端子VTとグランド端子GTとの間のショートを抑制することができる。したがって、オフすべきパワートランジスタQ2のゲート電極に印加する負電圧の絶対値を大きくする対策は、「誤点孤」を抑制して、電力変換装置の信頼性を向上する観点から有用である。ところが、「誤点孤」を抑制するために、オフすべきパワートランジスタQ2のゲート電極に印加する負電圧の絶対値を大きくする対策では新たな改善の余地が存在することを本発明者は見出したので、以下では、この点について説明する。   In this regard, for example, as shown in FIG. 7, a measure is taken to change the gate voltage V2 of the power transistor Q2 to be turned off from “−8V” to “−15V”. That is, measures are taken to increase the absolute value of the negative voltage applied to the gate electrode of the power transistor Q to be turned off. In this case, as shown in FIG. 8, even when the gate voltage V2 of the power transistor Q2 to be turned off increases due to capacitive coupling due to parasitic capacitance, the margin until the threshold voltage is reached increases. This makes it difficult for the power transistor Q2 to have a “false point” and suppress a short circuit between the power supply terminal VT and the ground terminal GT. Therefore, a measure for increasing the absolute value of the negative voltage applied to the gate electrode of the power transistor Q2 to be turned off is useful from the viewpoint of suppressing the “false point” and improving the reliability of the power converter. However, the present inventor has found that there is room for new improvement in the measure for increasing the absolute value of the negative voltage applied to the gate electrode of the power transistor Q2 to be turned off in order to suppress the “false point”. Therefore, this point will be described below.

図9は、本発明者が見出した改善の余地を説明する図である。図9においては、いわゆる縦型のパワートランジスタの模式的な断面構造が示されている。図9において、パワートランジスタは、n型半導体層からなるエピタキシャル層EPIに形成されている。   FIG. 9 is a diagram for explaining the room for improvement found by the present inventors. FIG. 9 shows a schematic cross-sectional structure of a so-called vertical power transistor. In FIG. 9, the power transistor is formed in an epitaxial layer EPI made of an n-type semiconductor layer.

具体的に、図9に示すように、エピタキシャル層EPI内には、p型半導体層からなるウェル領域WLが形成されており、このウェル領域WLの表面にソース領域SRとボディコンタクト領域BCとが形成されている。ソース領域は、n型半導体領域から構成される一方、ボディコンタクト領域BCは、ウェル領域WLよりも不純物濃度の高いp型半導体領域から構成されている。   Specifically, as shown in FIG. 9, a well region WL made of a p-type semiconductor layer is formed in the epitaxial layer EPI, and a source region SR and a body contact region BC are formed on the surface of the well region WL. Is formed. The source region is composed of an n-type semiconductor region, while the body contact region BC is composed of a p-type semiconductor region having a higher impurity concentration than the well region WL.

そして、図9に示すように、エピタキシャル層EPIの表面上とウェル領域WLの表面上とソース領域SRの表面上とにわたって、ゲート絶縁膜GOXが形成されている。さらに、ゲート絶縁膜GOX上にゲート電極GEが形成され、かつ、ゲート電極GEを覆い、かつ、ゲート絶縁膜GOX上にわたって、層間絶縁膜ILが形成されている。   As shown in FIG. 9, a gate insulating film GOX is formed over the surface of the epitaxial layer EPI, the surface of the well region WL, and the surface of the source region SR. Further, the gate electrode GE is formed on the gate insulating film GOX, and the interlayer insulating film IL is formed over the gate insulating film GOX and over the gate insulating film GOX.

ここで、図9に示すように、ゲート電極GEに負電圧を印加すると、ゲート電極GEに電子が蓄積される。これにより、エピタキシャル層EPIの表面(反転層)とチャネル層の表面(蓄積層)とソース領域SRの表面(反転層)とに正電荷(正孔)が誘起される。この結果、図9の矢印で示す電界が発生する。特に、図9に示すように、ゲート電極GEの端部においては、電界集中が生じて電界強度が大きくなる。このようにゲート電極GEに負電圧を印加すると、ゲート電極GEの端部で電界強度が大きくなる結果、ゲート電極GEと半導体基板との間に発生するリーク電流が増加することになる。   Here, as shown in FIG. 9, when a negative voltage is applied to the gate electrode GE, electrons are accumulated in the gate electrode GE. Thereby, positive charges (holes) are induced on the surface of the epitaxial layer EPI (inversion layer), the surface of the channel layer (accumulation layer), and the surface of the source region SR (inversion layer). As a result, an electric field indicated by an arrow in FIG. 9 is generated. In particular, as shown in FIG. 9, at the end of the gate electrode GE, electric field concentration occurs and the electric field strength increases. When a negative voltage is applied to the gate electrode GE in this way, the electric field strength increases at the end of the gate electrode GE, resulting in an increase in leakage current generated between the gate electrode GE and the semiconductor substrate.

特に、ゲート電極GEに負電圧を印加すると、ゲート電極GEの端部におけるリーク電流の増加が顕在化する。例えば、ゲート電極GEに正電圧を印加する場合、ゲート電極GEがn型不純物を導入したポリシリコン膜から構成されていることを考慮すると、ゲート電極GEとゲート絶縁膜GOXとの間の界面からゲート電極GE側に形成される空乏層が延びる。そして、空乏層自体は、絶縁層として機能することを考慮すると、ゲート電極GEに正電圧を印加する場合には、実質的にゲート絶縁膜GOXの厚さが厚くなることを意味する。この結果、ゲート電極GEに正電圧を印加する場合には、ゲート電極GEの端部における電界集中が緩和されて、電界集中に起因するリーク電流の増加は顕在化しにくくなるのである。これに対し、ゲート電極GEに負電圧を印加する場合には、ゲート電極GEに正電圧を印加する場合のような空乏層は生じないため、空乏層による電界集中の緩和効果も期待できない。したがって、ゲート電極GEと半導体基板との間のリーク電流は、特に、ゲート電極GEに負電圧を印加する場合に顕在化するのである。そして、「誤点孤」を抑制するためにゲート電極GEに印加する負電圧の絶対値を大きくすると、さらに、ゲート電極GEの端部における電界集中が生じやすくなり、これによって、ゲート電極GEと半導体基板との間のリーク電流の増加が顕在化するのである。つまり、「誤点孤」を抑制して電力変換装置の信頼性を向上する対策として、オフすべきパワートランジスタのゲート電極に印加する負電圧の絶対値を大きくする対策を採用すると、ゲート電極GEの端部における電界集中が増大するという副作用が顕在化するのである。   In particular, when a negative voltage is applied to the gate electrode GE, an increase in leakage current at the end of the gate electrode GE becomes obvious. For example, when a positive voltage is applied to the gate electrode GE, considering that the gate electrode GE is composed of a polysilicon film into which an n-type impurity is introduced, the interface between the gate electrode GE and the gate insulating film GOX is used. A depletion layer formed on the gate electrode GE side extends. In consideration of the function of the depletion layer itself as an insulating layer, when a positive voltage is applied to the gate electrode GE, it means that the thickness of the gate insulating film GOX is substantially increased. As a result, when a positive voltage is applied to the gate electrode GE, the electric field concentration at the end of the gate electrode GE is alleviated, and an increase in leakage current due to the electric field concentration becomes difficult to manifest. On the other hand, when a negative voltage is applied to the gate electrode GE, a depletion layer as in the case where a positive voltage is applied to the gate electrode GE does not occur, and therefore the effect of reducing the electric field concentration by the depletion layer cannot be expected. Therefore, the leakage current between the gate electrode GE and the semiconductor substrate becomes apparent particularly when a negative voltage is applied to the gate electrode GE. Further, if the absolute value of the negative voltage applied to the gate electrode GE is increased in order to suppress the “false spot”, electric field concentration at the end of the gate electrode GE is more likely to occur, An increase in leakage current with the semiconductor substrate becomes apparent. In other words, as a measure for suppressing the “false point” and improving the reliability of the power converter, if a measure for increasing the absolute value of the negative voltage applied to the gate electrode of the power transistor to be turned off is adopted, the gate electrode GE The side effect of increasing the electric field concentration at the edge of the surface becomes obvious.

そこで、以下では、まず、電界集中によって電界強度が増加すると、ゲート電極GEと半導体基板との間を流れるリーク電流が増加するメカニズムについて説明する。   Therefore, in the following, a mechanism in which a leakage current flowing between the gate electrode GE and the semiconductor substrate increases when the electric field strength increases due to electric field concentration will be described.

<<電界集中によってリーク電流が増加するメカニズム>>
図10は、ゲート絶縁膜における電界強度が小さい場合において、ゲート絶縁膜によるポテンシャル障壁を模式的に示す図である。図10において、ゲート電極に負電圧を印加すると、ゲート電極に電子が蓄積される。そして、ゲート電極に存在する電子が基板側に抜けるとリーク電流が発生することになるが、この場合、ゲート電極に存在する電子は、幅が「L1」のポテンシャル障壁をトンネルする必要がある。ただし、ゲート絶縁膜によるポテンシャル障壁の傾きは、電界強度が小さい場合には緩やかである。このため、ポテンシャル障壁の幅「L1」は大きく、ゲート電極に存在する電子がゲート絶縁膜によるポテンシャル障壁をトンネルする確率は低くなる。このことは、ゲート電極から基板に流れる電子電流(FNトンネル電流)が少なくなることを意味し、言い換えれば、基板からゲート電極に流れるリーク電流が少なくなることを意味する。
<< Mechanism of leakage current increase due to electric field concentration >>
FIG. 10 is a diagram schematically showing a potential barrier due to the gate insulating film when the electric field strength in the gate insulating film is small. In FIG. 10, when a negative voltage is applied to the gate electrode, electrons are accumulated in the gate electrode. When electrons existing in the gate electrode escape to the substrate side, a leakage current is generated. In this case, electrons existing in the gate electrode need to tunnel through the potential barrier having the width “L1”. However, the slope of the potential barrier due to the gate insulating film is gentle when the electric field strength is small. Therefore, the potential barrier width “L1” is large, and the probability that electrons existing in the gate electrode tunnel through the potential barrier formed by the gate insulating film is low. This means that the electron current (FN tunnel current) flowing from the gate electrode to the substrate decreases, in other words, the leak current flowing from the substrate to the gate electrode decreases.

これに対し、図11は、ゲート絶縁膜における電界強度が大きくなる場合において、ゲート絶縁膜によるポテンシャル障壁を模式的に示す図である。図11において、ゲート電極に存在する電子が基板側に抜けるとリーク電流が発生することになるが、この場合、ゲート電極に存在する電子は、幅が「L2」のポテンシャル障壁をトンネルする必要がある。ここで、ゲート絶縁膜によるポテンシャル障壁の傾きは、電界強度が大きくなる場合には急峻となる。このため、ポテンシャル障壁の幅「L2」は、図10におけるポテンシャル障壁の幅「L1」より小さくなる。この結果、ゲート電極に存在する電子がゲート絶縁膜によるポテンシャル障壁をトンネルする確率は高くなる。このことは、ゲート電極から基板に流れる電子電流(FNトンネル電流)が多くなることを意味し、言い換えれば、基板からゲート電極に流れるリーク電流が多くなることを意味する。   On the other hand, FIG. 11 is a diagram schematically showing a potential barrier due to the gate insulating film when the electric field strength in the gate insulating film increases. In FIG. 11, when electrons existing in the gate electrode escape to the substrate side, a leakage current is generated. In this case, electrons existing in the gate electrode need to tunnel through a potential barrier having a width of “L2”. is there. Here, the gradient of the potential barrier due to the gate insulating film becomes steep when the electric field strength increases. Therefore, the potential barrier width “L2” is smaller than the potential barrier width “L1” in FIG. As a result, the probability that electrons existing in the gate electrode tunnel through the potential barrier formed by the gate insulating film is increased. This means that the electron current (FN tunnel current) flowing from the gate electrode to the substrate increases, in other words, the leak current flowing from the substrate to the gate electrode increases.

以上のようなメカニズムによって、ゲート絶縁膜の内部に存在する電界強度が大きくなると、基板からゲート電極に流れるリーク電流が増加することになるのである。すなわち、「誤点孤」を抑制する対策として、オフすべきパワートランジスタのゲート電極に印加する負電圧の絶対値を大きくすると、ゲート電極の端部における電界強度が増大する結果、リーク電流が増加することになるのである。   With the above mechanism, when the electric field strength existing inside the gate insulating film increases, the leak current flowing from the substrate to the gate electrode increases. In other words, as a measure to suppress “false spot”, increasing the absolute value of the negative voltage applied to the gate electrode of the power transistor to be turned off increases the electric field strength at the end of the gate electrode, resulting in an increase in leakage current. It will be done.

<<炭化珪素を使用したパワートランジスタに特有の事情>>
上述したように、ゲート電極の端部における電界強度が増大すると、リーク電流が増加することになる。この点に関し、炭化珪素を使用したパワートランジスタでは、シリコンを使用したパワートランジスタよりも、ゲート電極の端部における電界強度が増大する結果、リーク電流の増加が顕在化しやすくなる。以下に、この点について説明する。
<< Situations peculiar to power transistors using silicon carbide >>
As described above, when the electric field strength at the end of the gate electrode increases, the leakage current increases. In this regard, in a power transistor using silicon carbide, an increase in leakage current is more likely to be manifested as a result of an increase in electric field strength at the end of the gate electrode than in a power transistor using silicon. This point will be described below.

まず、炭化珪素からなるエピタキシャル層は、酸化されにくいため、ゲート電極を形成した後のライト酸化を使用することが困難な事情が存在する。例えば、シリコンからなるエピタキシャル層においては、エピタキシャル層上にゲート絶縁膜を形成し、その後、ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成した後にライト酸化が実施される。このライト酸化により、ゲート電極の端部に酸化シリコン膜が形成されるため、ゲート電極の端部における実質的なゲート絶縁膜の厚さが厚くなる結果、ゲート電極の端部における電界集中を抑制できる。このライト酸化によって、ゲート電極の端部における実質的なゲート絶縁膜の厚さが厚くなるのは、ゲート絶縁膜を酸素分子や酸素を含む分子が通り抜けて、シリコンからなるエピタキシャル層が酸化されるからである。ところが、炭化珪素からなるエピタキシャル層を使用する場合においては、ライト酸化によって、ゲート絶縁膜を酸素分子や酸素を含む分子が通り抜けても、炭化珪素からなるエピタキシャル層は酸化されないため、ゲート電極の端部における実質的なゲート絶縁膜の厚さが厚くならないのである。つまり、シリコンを使用したパワートランジスタでは、ライト酸化を実施することにより、ゲート電極の端部における実質的なゲート絶縁膜の厚さを厚くできる結果、ゲート電極の端部における電界集中を抑制できる。これに対し、炭化珪素を使用したパワートランジスタでは、ライト酸化を実施しても、炭化珪素が酸化されにくい性質を有していることに起因して、ゲート電極の端部における実質的なゲート絶縁膜の厚さを厚くできない結果、ゲート電極の端部における電界集中を抑制することが困難となるのである。したがって、炭化珪素を使用したパワートランジスタでは、ゲート電極の端部における電界集中を抑制するためにライト酸化を使用するという対策が有効ではない事情が存在する。   First, since an epitaxial layer made of silicon carbide is difficult to be oxidized, there is a situation in which it is difficult to use light oxidation after forming a gate electrode. For example, in an epitaxial layer made of silicon, a gate insulating film is formed on the epitaxial layer, and then light oxidation is performed after forming a gate electrode on the gate insulating film. This light oxidation forms a silicon oxide film at the edge of the gate electrode, resulting in a substantial increase in the thickness of the gate insulating film at the edge of the gate electrode, thereby suppressing electric field concentration at the edge of the gate electrode. it can. This light oxidation increases the substantial thickness of the gate insulating film at the end of the gate electrode because oxygen molecules and oxygen-containing molecules pass through the gate insulating film, and the epitaxial layer made of silicon is oxidized. Because. However, when an epitaxial layer made of silicon carbide is used, even if oxygen molecules or molecules containing oxygen pass through the gate insulating film by light oxidation, the epitaxial layer made of silicon carbide is not oxidized. Therefore, the substantial thickness of the gate insulating film in the portion does not increase. That is, in the power transistor using silicon, by performing the light oxidation, the substantial thickness of the gate insulating film at the end portion of the gate electrode can be increased, so that electric field concentration at the end portion of the gate electrode can be suppressed. On the other hand, in a power transistor using silicon carbide, even if light oxidation is performed, silicon carbide is not easily oxidized. As a result, it is difficult to suppress electric field concentration at the end of the gate electrode. Therefore, in a power transistor using silicon carbide, there is a situation where the countermeasure of using light oxidation is not effective in order to suppress electric field concentration at the end of the gate electrode.

次に、炭化珪素を使用したパワートランジスタにおいては、炭化珪素からなるエピタキシャル層の表面に存在する「ステップバンチング」に起因して、この「ステップバンチング」とゲート電極の端部との交点でリーク電流が増加するという事情が存在する。ここでいう「ステップバンチング」とは、炭化珪素をエピタキシャル成長する際に生じる段差をいう。具体的に、炭化珪素のエピタキシャル成長技術として、ステップフロー成長法が使用される。このステップフロー成長法とは、良好なエピタキシャル成長を実現するために、例えば、{0001}面から数度(例えば、4度や8度)のオフセット角(オフ角)を導入した面に対して、エピタキシャル成長を実施する方法である。ステップフロー成長法を使用して形成されたエピタキシャル層には、原理的にオフ角が存在しており、{0001}面は、水平面に対してオフ角の分だけ傾いた左右非対称な結晶構造をしている。この結果、エピタキシャル層の表面には、オフ角に起因する段差が存在し、この段差が「ステップバンチング」と呼ばれるものである。そして、本発明者の検討の結果、炭化珪素を使用したパワートランジスタにおいては、「ステップバンチング」とゲート電極の端部との交点でリーク電流が増加することが突き止められた。したがって、パワートランジスタの信頼性を向上する観点から、炭化珪素を使用したパワートランジスタでは、シリコンを使用したパワートランジスタに比べて、ゲート電極の端部におけるリーク電流を抑制することが極めて重要であるという事情が存在する。   Next, in a power transistor using silicon carbide, leakage current at the intersection of this “step bunching” and the end of the gate electrode due to “step bunching” existing on the surface of the epitaxial layer made of silicon carbide. There is a circumstance that increases. Here, “step bunching” refers to a step generated when silicon carbide is epitaxially grown. Specifically, a step flow growth method is used as an epitaxial growth technique for silicon carbide. With this step flow growth method, in order to realize good epitaxial growth, for example, with respect to a surface into which an offset angle (off angle) of several degrees (for example, 4 degrees or 8 degrees) is introduced from the {0001} plane, This is a method of performing epitaxial growth. The epitaxial layer formed using the step flow growth method has an off-angle in principle, and the {0001} plane has a left-right asymmetric crystal structure inclined by the off-angle with respect to the horizontal plane. doing. As a result, a step due to the off-angle exists on the surface of the epitaxial layer, and this step is called “step bunching”. As a result of the study by the present inventor, it was found that in the power transistor using silicon carbide, the leakage current increases at the intersection of “step bunching” and the end of the gate electrode. Therefore, from the viewpoint of improving the reliability of the power transistor, it is extremely important for the power transistor using silicon carbide to suppress the leakage current at the end of the gate electrode as compared with the power transistor using silicon. There are circumstances.

さらに、炭化珪素を使用したパワートランジスタでは、シリコンを使用したパワートランジスタよりもゲート絶縁膜の厚さが薄くなる傾向があり、ゲート絶縁膜の薄厚化によって、ゲート絶縁膜の内部に加わる電界強度が大きくなる。例えば、炭化珪素からなるエピタキシャル層の表面には、「ステップバンチング」と呼ばれる微細な段差が存在するとともに、未結合手やゲート絶縁膜中に残存する炭素原子に起因して、炭化珪素を使用したパワートランジスタでは、シリコンを使用したパワートランジスタに比べて、チャネルの電子移動度が低下する。したがって、炭化珪素を使用したパワートランジスタでは、シリコンを使用したパワートランジスタに比べて、チャネル抵抗が大きくなる。このことから、炭化珪素を使用したパワートランジスタでは、ゲート絶縁膜の厚さを薄くすることにより、ゲート容量を増加させて、チャネルに発生させる電子密度を増加させることにより、チャネル抵抗を低減することが行なわれている。このような理由から、炭化珪素を使用したパワートランジスタでは、シリコンを使用したパワートランジスタよりもゲート絶縁膜の厚さが薄くなる傾向がある。この結果、ゲート絶縁膜の内部における電界強度が大きくなる結果、特に、ゲート電極の端部におけるリーク電流の増加が顕在化するのである。   Furthermore, in a power transistor using silicon carbide, the thickness of the gate insulating film tends to be thinner than that of a power transistor using silicon, and the electric field strength applied to the inside of the gate insulating film is reduced by thinning the gate insulating film. growing. For example, on the surface of the epitaxial layer made of silicon carbide, there is a fine step called “step bunching” and silicon carbide is used due to dangling bonds and carbon atoms remaining in the gate insulating film. In the power transistor, the electron mobility of the channel is lower than that of a power transistor using silicon. Therefore, a power transistor using silicon carbide has a higher channel resistance than a power transistor using silicon. Therefore, in a power transistor using silicon carbide, the channel resistance can be reduced by increasing the gate capacitance and increasing the electron density generated in the channel by reducing the thickness of the gate insulating film. Has been done. For this reason, the power transistor using silicon carbide tends to have a thinner gate insulating film than the power transistor using silicon. As a result, the electric field strength inside the gate insulating film increases, and in particular, an increase in leakage current at the end of the gate electrode becomes apparent.

以上のことから、上述した複数の事情によって、炭化珪素を使用したパワートランジスタでは、シリコンを使用したパワートランジスタよりも、ゲート電極の端部におけるリーク電流の増加が問題点として顕在化しやすくなるのである。   From the above, due to a plurality of circumstances described above, in a power transistor using silicon carbide, an increase in leakage current at the end of the gate electrode is more likely to be manifested as a problem than in a power transistor using silicon. .

<<本発明者が見出した新たな知見>>
そこで、炭化珪素を使用したパワートランジスタでは、ゲート電極の端部におけるリーク電流の増加を抑制する対策が取られている。具体的に、図12は、炭化珪素を使用したパワートランジスタにおいて、ゲート電極の端部におけるリーク電流の増加を抑制するデバイス構造を示す図である。図12において、ゲート電極GEを覆うように、絶縁膜OXFが設けられている、この絶縁膜OXFは、例えば、熱酸化法により形成された酸化シリコン膜から構成されており、CVD(Chemical Vapor Deposition)法によって形成された酸化シリコン膜からなる層間絶縁膜ILよりも密度の高い膜である。このような絶縁膜OXFをゲート電極GEの側壁に形成することにより、ゲート電極GEの端部におけるリーク電流の発生を抑制することができる。つまり、ゲート電極GEの側壁に緻密で絶縁耐性の高い絶縁膜OXFを形成している結果、ゲート電極GEの端部におけるリーク電流の発生を抑制することができると考えられる。
<< New knowledge discovered by the inventor >>
Therefore, in power transistors using silicon carbide, measures are taken to suppress an increase in leakage current at the end of the gate electrode. Specifically, FIG. 12 is a diagram showing a device structure that suppresses an increase in leakage current at the end of the gate electrode in a power transistor using silicon carbide. In FIG. 12, an insulating film OXF is provided so as to cover the gate electrode GE. This insulating film OXF is made of, for example, a silicon oxide film formed by a thermal oxidation method, and is formed by CVD (Chemical Vapor Deposition). ) Film having a higher density than the interlayer insulating film IL made of a silicon oxide film formed by the method. By forming such an insulating film OXF on the side wall of the gate electrode GE, it is possible to suppress the occurrence of leakage current at the end of the gate electrode GE. That is, as a result of forming the dense insulating film OXF having high insulation resistance on the side wall of the gate electrode GE, it is considered that the generation of leakage current at the end of the gate electrode GE can be suppressed.

ところが、本発明者は、ゲート電極GEの端部におけるリーク電流を低減するためには、ゲート電極GEの側壁に緻密で絶縁耐性の高い絶縁膜OXFを形成するだけでは十分ではないことを見出した。すなわち、ゲート電極GEに負電圧を印加した際のリーク電流は、ゲート電極GEの側壁に形成された絶縁膜OXFの膜質に強く依存することを本発明者は新たに見出したのである。具体的には、ゲート電極GEの側壁に形成された絶縁膜OXFの内部にn型不純物であるリンが高濃度に含まれていると、ゲート電極GEの側壁に絶縁膜OXFを形成しても、ゲート電極GEの端部におけるリーク電流の低減を充分に図ることができないという新たな知見を本発明者は見出したのである。   However, the present inventor has found that it is not sufficient to form a dense insulating film OXF having high insulation resistance on the side wall of the gate electrode GE in order to reduce the leakage current at the end of the gate electrode GE. . That is, the present inventor newly found that the leakage current when a negative voltage is applied to the gate electrode GE strongly depends on the film quality of the insulating film OXF formed on the side wall of the gate electrode GE. Specifically, if the insulating film OXF formed on the side wall of the gate electrode GE contains phosphorus as an n-type impurity in a high concentration, the insulating film OXF is formed on the side wall of the gate electrode GE. The present inventor has found a new finding that the leakage current at the end of the gate electrode GE cannot be sufficiently reduced.

ここで、絶縁膜OXFの内部にn型不純物が導入される理由は、以下の通りである。すなわち、ゲート電極GEは、ポリシリコン膜から形成されているが、ゲート電極GEの低抵抗化を図るため、ポリシリコン膜の内部には、高濃度のn型不純物が導入されている。したがって、例えば、ポリシリコン膜に導入されたn型不純物を活性化させるための熱処理によって、ポリシリコン膜の内部からゲート電極GEの側壁に形成されている絶縁膜OXFの内部にn型不純物が拡散する。この結果、絶縁膜OXFの内部にもn型不純物が導入されてしまうのである。   Here, the reason why the n-type impurity is introduced into the insulating film OXF is as follows. That is, although the gate electrode GE is formed of a polysilicon film, a high concentration n-type impurity is introduced into the polysilicon film in order to reduce the resistance of the gate electrode GE. Therefore, for example, the n-type impurity diffuses from the inside of the polysilicon film into the insulating film OXF formed on the side wall of the gate electrode GE by the heat treatment for activating the n-type impurity introduced into the polysilicon film. To do. As a result, n-type impurities are also introduced into the insulating film OXF.

この点に関し、絶縁膜OXFの内部にn型不純物であるリンが高濃度に含まれていると、ゲート電極GEの側壁に絶縁膜OXFを形成しても、ゲート電極GEの端部におけるリーク電流の低減を充分に図ることができないメカニズムについて説明する。具体的には、以下に示す2つのメカニズムによって、ゲート電極GEの側壁に絶縁膜OXFを形成しても、ゲート電極GEの端部におけるリーク電流が増加するのである。   In this regard, if phosphorus, which is an n-type impurity, is contained in the insulating film OXF in a high concentration, even if the insulating film OXF is formed on the sidewall of the gate electrode GE, the leakage current at the end of the gate electrode GE A mechanism that cannot sufficiently reduce the above will be described. Specifically, even if the insulating film OXF is formed on the side wall of the gate electrode GE by the following two mechanisms, the leakage current at the end portion of the gate electrode GE increases.

まず、第1メカニズムについて説明する。例えば、シリコンにn型不純物を導入すると、シリコンの伝導帯の直下近傍にn型不純物によるドナー準位が形成される。これに対し、絶縁膜OXFにn型不純物が導入された場合においても、上述したドナー準位と同じエネルギーレベルにn型不純物に起因したトラップ準位(ミッドギャップ準位)が形成される。なぜなら、絶縁膜OXFのバンドギャップは、シリコンのバンドギャップに比べて遥かに大きいことから、シリコンでは、伝導帯の直下近傍に形成されるエネルギー準位は、絶縁膜OXFでは、バンドギャップの中央付近のエネルギー準位となるからである。この結果、絶縁膜OXFの内部にn型不純物が高濃度に導入されていると、絶縁膜OXFのバンドギャップの中間付近に多量のトラップ準位が形成され、このトラップ準位を介して、絶縁膜OXFにおいても、価電子帯から伝導帯への電子の励起が可能となる。この結果、さらに、伝導帯に励起された電子が価電子帯の正孔と再結合することによって、絶縁膜OXFにおいてリーク電流が増加することになるのである。   First, the first mechanism will be described. For example, when an n-type impurity is introduced into silicon, a donor level due to the n-type impurity is formed immediately below the conduction band of silicon. On the other hand, even when an n-type impurity is introduced into the insulating film OXF, a trap level (midgap level) caused by the n-type impurity is formed at the same energy level as the above-described donor level. Because the band gap of the insulating film OXF is much larger than the band gap of silicon, the energy level formed in the vicinity of the conduction band in silicon is near the center of the band gap in the insulating film OXF. This is because the energy level becomes. As a result, when an n-type impurity is introduced at a high concentration inside the insulating film OXF, a large amount of trap levels are formed near the middle of the band gap of the insulating film OXF. Also in the film OXF, electrons can be excited from the valence band to the conduction band. As a result, the electrons excited in the conduction band recombine with the holes in the valence band, thereby increasing the leakage current in the insulating film OXF.

続いて、第2メカニズムについて説明する。例えば、絶縁膜OXFに導入されたn型不純物はイオン化している場合がある。この場合、n型不純物は正電荷を有し、かつ、ゲート電極GEには負電圧が印加されることにより電子が蓄積されていることから、ゲート電極GEと絶縁膜OXFとの界面には、例えば、図11に示すゲート絶縁膜と同様に急峻なポテンシャル障壁が生じることになる。このような急峻なポテンシャル障壁では、例えば、図11に示すように、ポテンシャル障壁の幅「L2」が小さくなることから、FNトンネル電流が流れやすくなり、このFNトンネル電流がリーク電流となるのである。特に、絶縁膜OXF中に含まれるn型不純物の濃度が高濃度になることは、それだけ、イオン化したn型不純物が多くなることを意味する。したがって、絶縁膜OXF内にn型不純物が高濃度に導入されると、ゲート電極GEと絶縁膜OXFとの界面には、さらに急峻なポテンシャル障壁が生じることになり、これによって、FNトンネル電流(リーク電流)が増加するのである。   Next, the second mechanism will be described. For example, the n-type impurity introduced into the insulating film OXF may be ionized. In this case, since the n-type impurity has a positive charge and electrons are accumulated by applying a negative voltage to the gate electrode GE, the interface between the gate electrode GE and the insulating film OXF is For example, a steep potential barrier is generated as in the gate insulating film shown in FIG. In such a steep potential barrier, for example, as shown in FIG. 11, since the potential barrier width “L2” becomes small, an FN tunnel current easily flows, and this FN tunnel current becomes a leak current. . In particular, a high concentration of n-type impurities contained in the insulating film OXF means that the number of ionized n-type impurities increases accordingly. Therefore, when an n-type impurity is introduced into the insulating film OXF at a high concentration, a steeper potential barrier is generated at the interface between the gate electrode GE and the insulating film OXF, and thereby the FN tunnel current ( (Leakage current) increases.

以上のことから、n型不純物のエネルギー準位に起因した第1メカニズムと、n型不純物のイオン化に起因した第2メカニズムによって、ゲート電極GEの側壁に形成された絶縁膜OXFの内部にn型不純物であるリンが高濃度に含まれていると、ゲート電極GEの端部におけるリーク電流の低減を図ることができなくなるのである。   From the above, the n-type impurity is formed inside the insulating film OXF formed on the side wall of the gate electrode GE by the first mechanism caused by the energy level of the n-type impurity and the second mechanism caused by ionization of the n-type impurity. If phosphorus, which is an impurity, is contained in a high concentration, it becomes impossible to reduce the leakage current at the end of the gate electrode GE.

そこで、本実施の形態では、上述した新たな知見に基づいて、ゲート電極GEの端部におけるリーク電流を低減する工夫を施している。以下に、この工夫を施した本実施の形態における技術的思想について説明することにする。   Therefore, in the present embodiment, a device for reducing the leakage current at the end portion of the gate electrode GE is taken based on the new knowledge described above. In the following, the technical idea in the present embodiment in which this device is applied will be described.

<SiCパワーMOSFETの構成>
本実施の形態によるワイドバンドギャップ半導体装置を構成するnチャネル型のSiCパワーMOSFETの構造について図13を用いて説明する。
<Configuration of SiC power MOSFET>
The structure of an n-channel SiC power MOSFET constituting the wide band gap semiconductor device according to the present embodiment will be described with reference to FIG.

図13は、本実施の形態におけるSiCパワーMOSFETの要部断面図である。図13に示すように、炭化珪素(SiC)を主成分とするn型のSiCからなる基板1Sの表面(第1主面)上に、n型のSiCを主成分とする基板1Sよりも不純物濃度の低い炭化珪素(SiC)を主成分とするn型のエピタキシャル層EPI(ドリフト層)が形成されている。このn型のエピタキシャル層EPIの厚さは、例えば5μm〜20μm程度であり、例えば4度や8度のオフセット角(オフ角)を有する。 FIG. 13 is a cross-sectional view of a main part of the SiC power MOSFET in the present embodiment. As shown in FIG. 13, on the surface (first main surface) of a substrate 1S made of n + type SiC containing silicon carbide (SiC) as a main component, from the substrate 1S containing n + type SiC as a main component. An n type epitaxial layer EPI (drift layer) mainly composed of silicon carbide (SiC) having a low impurity concentration is also formed. The thickness of the n type epitaxial layer EPI is, for example, about 5 μm to 20 μm, and has an offset angle (off angle) of 4 degrees or 8 degrees, for example.

ここで、本明細書でいう「主成分」とは、部材を構成する構成材料のうち、最も多く含まれている材料成分のことをいい、例えば、「炭化珪素を主成分とするエピタキシャル層」とは、エピタキシャル層が炭化珪素を最も多く含んでいることを意味している。本明細書で「主成分」という言葉を使用する意図は、例えば、エピタキシャル層が基本的に炭化珪素から構成されているが、その他に不純物を含む場合を排除するものではないことを表現するために使用している。   Here, the “main component” as used in the present specification refers to a material component that is contained most among the constituent materials constituting the member. For example, “epitaxial layer containing silicon carbide as a main component”. The term “epitaxial layer” means that the epitaxial layer contains the most silicon carbide. The intent of using the term “main component” in this specification is to express that, for example, the epitaxial layer is basically composed of silicon carbide, but does not exclude the case where impurities are included. It is used for.

型のエピタキシャル層EPI内には、n型のエピタキシャル層EPIの表面から所定の深さを有するp型のウェル領域(ボディ領域)WLが形成されている。さらに、p型のウェル領域WL内には、n型のエピタキシャル層EPIの表面から所定の深さを有し、p型のウェル領域WLの端部と離間するようにn型のソース領域SRが形成されている。このソース領域SRは、LDD構造とは異なる構造を有する。p型のウェル領域WLのエピタキシャル層EPIの表面からの深さは、例えば、0.5μm〜2.0μm程度である。また、n型のソース領域SRのエピタキシャル層EPIの表面からの深さは、例えば0.1μm〜0.4μm程度である。 the n - -type epitaxial layer EPI, n - -type p-type well region (body region) WL having a predetermined depth from the surface of the epitaxial layer EPI is formed. Further, in the p-type well region WL, the n + -type source region has a predetermined depth from the surface of the n -type epitaxial layer EPI and is separated from the end of the p-type well region WL. SR is formed. This source region SR has a structure different from the LDD structure. The depth of the p-type well region WL from the surface of the epitaxial layer EPI is, for example, about 0.5 μm to 2.0 μm. In addition, the depth of the n + -type source region SR from the surface of the epitaxial layer EPI is, for example, about 0.1 μm to 0.4 μm.

さらに、n型のエピタキシャル層EPIの表面から所定の深さを有し、かつ、p型のウェル領域WL内に、p型のウェル領域WLの電位を固定するp++型のボディコンタクト領域BCが形成されている。p++型のボディコンタクト領域BCのエピタキシャル層EPIの表面からの深さは、例えば、0.05μm〜0.2μm程度である。 Further, the p ++ type body contact region BC has a predetermined depth from the surface of the n type epitaxial layer EPI and fixes the potential of the p type well region WL in the p type well region WL. Is formed. The depth of the p ++ type body contact region BC from the surface of the epitaxial layer EPI is, for example, about 0.05 μm to 0.2 μm.

さらに、基板1Sの裏面(第2主面)には、裏面シリサイド層BSLが形成され、この裏面シリサイド層BSLと接触するように裏面電極BEが形成されている。   Further, a back surface silicide layer BSL is formed on the back surface (second main surface) of the substrate 1S, and a back electrode BE is formed so as to be in contact with the back surface silicide layer BSL.

なお、「」および「」は、導電型がn型またはp型の相対的な不純物濃度を表記した符号であり、例えば「n」、「n」、「n」、「n++」の順にn型不純物の不純物濃度は高くなることを示している。 Note that “ ” and “ + ” are signs representing the relative impurity concentration of the n-type or p-type conductivity, for example, “n ”, “n”, “n + ”, “n ++ ”. ”Indicates that the impurity concentration of the n-type impurity increases.

型のSiCからなる基板1Sの不純物濃度の好ましい範囲は、例えば、1×1018cm−3〜1×1021cm−3、n型のエピタキシャル層EPIの不純物濃度の好ましい範囲は、例えば、1×1014cm−3〜1×1017cm−3である。また、p++型のボディコンタクト領域BCの不純物濃度の好ましい範囲は、例えば、1×1019cm−3〜1×1021cm−3、p型のウェル領域WLの不純物濃度の好ましい範囲は、例えば、1×1016cm−3〜1×1019cm−3である。また、n型のソース領域SRの不純物濃度の好ましい範囲は、例えば、1×1017cm−3〜1×1021cm−3である。さらに、ゲート電極GEに含まれるn型不純物(リン)の不純物濃度は、1020/cm以上である。 The preferable range of the impurity concentration of the substrate 1S made of n + type SiC is, for example, 1 × 10 18 cm −3 to 1 × 10 21 cm −3 , and the preferable range of the impurity concentration of the n type epitaxial layer EPI is For example, it is 1 × 10 14 cm −3 to 1 × 10 17 cm −3 . The preferable range of the impurity concentration of the p ++ type body contact region BC is, for example, 1 × 10 19 cm −3 to 1 × 10 21 cm −3 , and the preferable range of the impurity concentration of the p-type well region WL is For example, it is 1 × 10 16 cm −3 to 1 × 10 19 cm −3 . A preferable range of the impurity concentration of the n + -type source region SR is, for example, 1 × 10 17 cm −3 to 1 × 10 21 cm −3 . Further, the n-type impurity (phosphorus) contained in the gate electrode GE has an impurity concentration of 10 20 / cm 3 or more.

ソース領域SRからウェル領域WLを介してエピタキシャル層EPIへと連なる領域の基板1S表面には、ゲート絶縁膜GOXが形成されており、このゲート絶縁膜GOXと接するように、ポリシリコン膜からなるゲート電極GEが形成されている。ゲート電極GEを構成するポリシリコン膜の導電型は、例えば、n型である。ゲート電極GEは、例えば、熱酸化法で形成された酸化シリコン膜からなる絶縁膜OXFで覆われている。そして、絶縁膜OXFと接触するように、例えば、CVD法で形成された酸化シリコン膜からなる層間絶縁膜ILが形成されている。このとき、絶縁膜OXFの密度は、層間絶縁膜ILの密度よりも高くなっている。また、絶縁膜OXFの膜厚は、層間絶縁膜ILの膜厚よりも薄くなっている。絶縁膜OXFは、ゲート電極GEの側壁に形成されるが、この絶縁膜OXFは、ソース領域SRをいわゆるLDD構造とするためのサイドウォールスペーサではなく、ゲート電極GEの端部におけるリーク電流を低減する機能を有する膜である。特に、本実施の形態におけるSiCパワーMOSFETにおいては、ソース領域SRは、LDD構造をしていないため、サイドウォールスペーサは設けられていない。本実施の形態における絶縁膜OXFは、一般的なサイドウォールスペーサに比べて、緻密で絶縁耐性の高い膜である。具体的に、本実施の形態における絶縁膜OXFは、熱酸化法で形成される酸化シリコン膜であるのに対し、例えば、一般的なサイドウォールスペーサは、CVD法に形成された酸化シリコン膜である点で相違する。そして、絶縁膜OXFの膜厚は、ゲート絶縁膜GOXの膜厚よりも厚い。なお、本実施の形態におけるSiCパワーMOSFETにおいて、ゲート絶縁膜GOXの膜厚は、80nm以下である。 A gate insulating film GOX is formed on the surface of the substrate 1S in a region continuing from the source region SR to the epitaxial layer EPI through the well region WL, and a gate made of a polysilicon film is in contact with the gate insulating film GOX. An electrode GE is formed. The conductivity type of the polysilicon film constituting the gate electrode GE is, for example, n + type. The gate electrode GE is covered with an insulating film OXF made of, for example, a silicon oxide film formed by a thermal oxidation method. Then, an interlayer insulating film IL made of, for example, a silicon oxide film formed by a CVD method is formed so as to be in contact with the insulating film OXF. At this time, the density of the insulating film OXF is higher than the density of the interlayer insulating film IL. The insulating film OXF is thinner than the interlayer insulating film IL. The insulating film OXF is formed on the side wall of the gate electrode GE, but this insulating film OXF is not a side wall spacer for making the source region SR a so-called LDD structure, and reduces the leakage current at the end of the gate electrode GE. It is a film | membrane which has a function to do. In particular, in the SiC power MOSFET in the present embodiment, the source region SR does not have an LDD structure, and therefore no sidewall spacer is provided. The insulating film OXF in the present embodiment is a dense film having higher insulation resistance than a general sidewall spacer. Specifically, the insulating film OXF in this embodiment is a silicon oxide film formed by a thermal oxidation method, whereas a general sidewall spacer is a silicon oxide film formed by a CVD method, for example. There are some differences. The insulating film OXF is thicker than the gate insulating film GOX. In the SiC power MOSFET in the present embodiment, the thickness of the gate insulating film GOX is 80 nm or less.

さらに、層間絶縁膜ILに形成された開口部OPの底面においては、n型のソース領域SRの一部およびp++型のボディコンタクト領域BCが露出し、これらの表面に金属シリサイド層SLが形成されている。そして、n型のソース領域SRの一部およびp++型のボディコンタクト領域BCは、金属シリサイド層SLを介して、ソース電極SEと電気的に接続されている。また、基板1Sは、裏面シリサイド層BSLを介して、裏面電極(ドレイン電極)BEと電気的に接続されている。 Further, at the bottom surface of the opening OP formed in the interlayer insulating film IL, a part of the n + -type source region SR and the p + + -type body contact region BC are exposed, and the metal silicide layer SL is formed on these surfaces. Is formed. A part of the n + type source region SR and the p + + type body contact region BC are electrically connected to the source electrode SE through the metal silicide layer SL. The substrate 1S is electrically connected to the back electrode (drain electrode) BE via the back silicide layer BSL.

ここで、ゲート電極GEには外部からゲート電位が印加され、ソース電極SEには外部からソース電位が印加され、ドレイン電極DEには外部からドレイン電位が印加される。   Here, the gate potential is applied to the gate electrode GE from the outside, the source potential is applied to the source electrode SE from the outside, and the drain potential is applied to the drain electrode DE from the outside.

このように構成されているSiCパワーMOSFETは、例えば、図7に示すパワートランジスタQ1〜Q4として使用される。図7に示すように、SiCパワーMOSFETをオンする際には、SiCパワーMOSFETのゲート電極に、しきい値電圧以上の第1電圧(+15V)が印加される。一方、SiCパワーMOSFETをオフする際には、SiCパワーMOSFETのゲート電極に、絶対値が第1電圧と同じで、かつ、第1電圧とは極性が反対の第2電圧(−15V)が印加される。   The SiC power MOSFET configured as described above is used, for example, as power transistors Q1 to Q4 shown in FIG. As shown in FIG. 7, when the SiC power MOSFET is turned on, a first voltage (+15 V) equal to or higher than the threshold voltage is applied to the gate electrode of the SiC power MOSFET. On the other hand, when turning off the SiC power MOSFET, a second voltage (−15V) having the same absolute value as that of the first voltage and opposite in polarity to the first voltage is applied to the gate electrode of the SiC power MOSFET. Is done.

本実施の形態における半導体装置は、炭化珪素(SiC)を主成分とするエピタキシャル層EPI上に形成されたSiCパワーMOSFETを含む。このとき、SiCパワートランジスタは、エピタキシャル層EPI上に形成されたゲート絶縁膜GOXと、ゲート絶縁膜GOX上に形成され、かつ、n型不純物(導電型不純物)を含有するゲート電極GEと、ゲート電極GEの側壁に形成された絶縁膜OXFと、ゲート電極GEおよび絶縁膜OXFを覆うように形成された層間絶縁膜ILとを備える。ここで、絶縁膜OXFの密度は、層間絶縁膜ILの密度よりも高い。また、絶縁膜OXFは、ゲート電極GEに含まれるn型不純物(導電型不純物)の最大不純物濃度の1/100以下の不純物濃度でn型不純物(導電型不純物)を含有する。   The semiconductor device in the present embodiment includes a SiC power MOSFET formed on an epitaxial layer EPI mainly composed of silicon carbide (SiC). At this time, the SiC power transistor includes a gate insulating film GOX formed on the epitaxial layer EPI, a gate electrode GE formed on the gate insulating film GOX and containing an n-type impurity (conductive impurity), a gate An insulating film OXF formed on the side wall of the electrode GE and an interlayer insulating film IL formed so as to cover the gate electrode GE and the insulating film OXF are provided. Here, the density of the insulating film OXF is higher than the density of the interlayer insulating film IL. The insulating film OXF contains an n-type impurity (conductivity type impurity) at an impurity concentration of 1/100 or less of the maximum impurity concentration of the n-type impurity (conductivity type impurity) contained in the gate electrode GE.

<実施の形態における構造上の特徴>
次に、本実施の形態における構造上の特徴点について説明する。本実施の形態における構造上の特徴点は、例えば、図13において、ゲート電極GEの側壁に形成されている絶縁膜OXFに導入されているn型不純物(リン)の不純物濃度が、ゲート電極GEに含有されているn型不純物(リン)の最大不純物濃度の1/100以下である点にある。具体的に、ゲート電極GEに含有されているn型不純物の最大不純物濃度は、1020/cm以上のオーダーであるのに対し、絶縁膜OXFに含有されているn型不純物(リン)の不純物濃度は、1018/cm以下のオーダーである。これにより、本実施の形態におけるSiCパワーMOSFETによれば、クリティカルポイントであるゲート電極GEの端部におけるリーク電流を低減することができる。この結果、本実施の形態におけるSiCパワーMOSFETを使用した電力変換装置の信頼性を向上することができる。
<Structural Features in Embodiment>
Next, structural features in the present embodiment will be described. The structural feature of the present embodiment is that, for example, in FIG. 13, the impurity concentration of the n-type impurity (phosphorus) introduced into the insulating film OXF formed on the side wall of the gate electrode GE is different from that of the gate electrode GE. Is 1/100 or less of the maximum impurity concentration of the n-type impurity (phosphorus) contained in. Specifically, the maximum impurity concentration of the n-type impurity contained in the gate electrode GE is on the order of 10 20 / cm 3 or more, whereas the n-type impurity (phosphorus) contained in the insulating film OXF is The impurity concentration is on the order of 10 18 / cm 3 or less. Thereby, according to the SiC power MOSFET in the present embodiment, it is possible to reduce the leakage current at the end of the gate electrode GE which is a critical point. As a result, the reliability of the power conversion device using the SiC power MOSFET in the present embodiment can be improved.

特に、本実施の形態における絶縁膜OXFは、熱酸化法で形成された酸化シリコン膜から構成されており、例えば、CVD法で形成された酸化シリコン膜である層間絶縁膜ILよりも緻密で絶縁耐性の高い膜である。このため、本実施の形態におけるSiCパワーMOSFETによれば、ゲート電極GEの端部におけるリーク電流を低減することができると考えられる。ところが、n型不純物のエネルギー準位に起因した第1メカニズムと、n型不純物のイオン化に起因した第2メカニズムによって、ゲート電極GEの側壁に形成された絶縁膜OXFの内部にn型不純物であるリンが高濃度に含まれていると、ゲート電極GEの端部におけるリーク電流の低減を図ることができなくなる。この点に関し、本実施の形態における構造上の特徴点によれば、ゲート電極GEの側壁に形成されている絶縁膜OXFに導入されているn型不純物(リン)の不純物濃度は、ゲート電極GEに含有されているn型不純物(リン)の最大不純物濃度の1/100以下である。これにより、本実施の形態におけるSiCパワーMOSFETによれば、ゲート電極GEの側壁に形成されている絶縁膜OXFに導入されているn型不純物(リン)の不純物濃度が低いため、緻密で絶縁耐性に優れた膜という熱酸化法で形成された酸化シリコン膜の利点を最大限に発揮することができる。したがって、本実施の形態におけるSiCパワーMOSFETによれば、ゲート電極GEの端部におけるリーク電流を低減することができる。   In particular, the insulating film OXF in the present embodiment is composed of a silicon oxide film formed by a thermal oxidation method. For example, the insulating film OXF is more densely insulated than the interlayer insulating film IL which is a silicon oxide film formed by a CVD method. It is a highly resistant film. For this reason, according to the SiC power MOSFET in the present embodiment, it is considered that the leakage current at the end of the gate electrode GE can be reduced. However, there is an n-type impurity in the insulating film OXF formed on the side wall of the gate electrode GE by the first mechanism caused by the energy level of the n-type impurity and the second mechanism caused by ionization of the n-type impurity. When phosphorus is contained in a high concentration, it becomes impossible to reduce the leakage current at the end of the gate electrode GE. In this regard, according to the structural feature in the present embodiment, the impurity concentration of the n-type impurity (phosphorus) introduced into the insulating film OXF formed on the side wall of the gate electrode GE is equal to the gate electrode GE. 1/100 or less of the maximum impurity concentration of the n-type impurity (phosphorus) contained in. Thereby, according to the SiC power MOSFET in the present embodiment, since the impurity concentration of the n-type impurity (phosphorus) introduced into the insulating film OXF formed on the side wall of the gate electrode GE is low, it is dense and has insulation resistance. The advantages of a silicon oxide film formed by a thermal oxidation method, which is an excellent film, can be maximized. Therefore, according to the SiC power MOSFET in the present embodiment, the leakage current at the end of gate electrode GE can be reduced.

一方、本実施の形態におけるSiCパワーMOSFETでは、ゲート電極GEに含有されているn型不純物の最大不純物濃度は、1020/cm以上のオーダーであることから、ゲート電極GEの低抵抗化を図ることができる。したがって、本実施の形態におけるSiCパワーMOSFETによれば、ゲート電極GEの側壁に形成されている絶縁膜OXFに導入されているn型不純物(リン)の不純物濃度が、ゲート電極GEに含有されているn型不純物(リン)の最大不純物濃度の1/100以下であるという特徴点によって、ゲート電極GEの低抵抗化を確保しながら、ゲート電極GEの端部におけるリーク電流の低減を図ることができる。すなわち、本実施の形態における特徴点は、ゲート電極GEにおける低抵抗化とゲート電極GEの端部におけるリーク電流の低減とを両立できる点で優れた技術的思想であることがわかる。このように、本実施の形態における構造上の特徴点によれば、電力変換装置の信頼性向上と性能向上とを両立できる点で大きな有用性を有する。 On the other hand, in the SiC power MOSFET in the present embodiment, since the maximum impurity concentration of the n-type impurity contained in the gate electrode GE is on the order of 10 20 / cm 3 or more, the resistance of the gate electrode GE is reduced. Can be planned. Therefore, according to the SiC power MOSFET in the present embodiment, the impurity concentration of the n-type impurity (phosphorus) introduced into the insulating film OXF formed on the side wall of the gate electrode GE is contained in the gate electrode GE. Due to the feature that it is 1/100 or less of the maximum impurity concentration of the n-type impurity (phosphorus), it is possible to reduce the leakage current at the end of the gate electrode GE while ensuring the low resistance of the gate electrode GE. it can. That is, it can be seen that the feature point in the present embodiment is an excellent technical idea in that both reduction in resistance in the gate electrode GE and reduction in leakage current at the end of the gate electrode GE can be achieved. Thus, according to the structural features in the present embodiment, it has great utility in that it is possible to achieve both improved reliability and improved performance of the power conversion device.

<SiCパワーMOSFETの製造方法>
本実施の形態におけるSiCパワーMOSFETは、上記のように構成されており、以下に、その製造方法について図面を参照しながら説明する。
<Manufacturing method of SiC power MOSFET>
The SiC power MOSFET in the present embodiment is configured as described above, and the manufacturing method thereof will be described below with reference to the drawings.

まず、図14に示すように、n型の4H−SiC基板を主成分とする基板1Sを用意する。基板1Sには、n型不純物が導入されている、このn型不純物は、例えば、窒素(N)であり、このn型不純物の不純物濃度は、例えば1×1018cm−3〜1×1021cm−3の範囲である。また、n型のSiC基板からなる基板1Sは、Si面とC面との両面を有するが、基板1Sの表面はSi面またはC面のどちらであってもよい。 First, as illustrated in FIG. 14, a substrate 1 </ b > S mainly including an n + -type 4H—SiC substrate is prepared. An n-type impurity is introduced into the substrate 1S. The n-type impurity is, for example, nitrogen (N), and the impurity concentration of the n-type impurity is, for example, 1 × 10 18 cm −3 to 1 × 10. The range is 21 cm −3 . The substrate 1S made of an n + -type SiC substrate has both a Si surface and a C surface, but the surface of the substrate 1S may be either the Si surface or the C surface.

次に、基板1Sの表面(第1主面)にエピタキシャル成長法により炭化珪素を主成分とするn型のエピタキシャル層EPIを形成する。このとき、エピタキシャル成長法に替えて、イオン注入法によりn型のエピタキシャル層EPIを形成してもよい。n型のエピタキシャル層EPIには、基板1Sの不純物濃度よりも低いn型不純物が導入されている。n型のエピタキシャル層EPIの不純物濃度は、SiCパワーMOSFETの素子定格に依存するが、例えば、1×1014cm−3〜1×1017cm−3の範囲である。また、n型のエピタキシャル層EPIの厚さは、例えば、5μm〜20μmである。 Next, an n type epitaxial layer EPI mainly composed of silicon carbide is formed on the surface (first main surface) of the substrate 1S by an epitaxial growth method. At this time, the n -type epitaxial layer EPI may be formed by ion implantation instead of the epitaxial growth method. An n-type impurity lower than the impurity concentration of the substrate 1S is introduced into the n type epitaxial layer EPI. The impurity concentration of the n -type epitaxial layer EPI depends on the element rating of the SiC power MOSFET, but is, for example, in the range of 1 × 10 14 cm −3 to 1 × 10 17 cm −3 . The thickness of the n type epitaxial layer EPI is, for example, 5 μm to 20 μm.

続いて、n型のエピタキシャル層EPIの表面上に第1レジストパターンを形成する。そして、第1レジストパターンをマスクとして、n型のエピタキシャル層EPIにp型不純物、例えば、アルミニウム原子(Al)をイオン注入することにより、n型のエピタキシャル層EPI内にp型のウェル領域WLを形成する。p型のウェル領域WLのエピタキシャル層EPIの表面からの深さは、例えば、0.5μm〜2.0μm程度である。また、p型のウェル領域WLの不純物濃度は、例えば、1×1016cm−3〜1×1019cm−3の範囲である。次に、第1レジストパターンを除去した後、n型のエピタキシャル層EPIの表面上に第2レジストパターンを形成する。続いて、第2レジストパターンをマスクとして、p型のウェル領域WLにn型不純物、例えば、窒素原子(N)またはリン原子(P)をイオン注入することにより、p型のウェル領域WL内にn型のソース領域SRを形成する。n型のソース領域SRのエピタキシャル層EPIの表面からの深さは、例えば、0.1μm〜0.4μm程度である。 Subsequently, a first resist pattern is formed on the surface of the n type epitaxial layer EPI. Then, the first resist pattern as a mask, n - -type epitaxial layer p-type impurities in EPI, for example, by aluminum atoms to (Al) ion implantation, n - p-type well region -type epitaxial layer EPI WL is formed. The depth of the p-type well region WL from the surface of the epitaxial layer EPI is, for example, about 0.5 μm to 2.0 μm. The impurity concentration of the p-type well region WL is, for example, in the range of 1 × 10 16 cm −3 to 1 × 10 19 cm −3 . Next, after removing the first resist pattern, a second resist pattern is formed on the surface of the n type epitaxial layer EPI. Subsequently, by using the second resist pattern as a mask, an n-type impurity, for example, a nitrogen atom (N) or a phosphorus atom (P) is ion-implanted into the p-type well region WL, whereby the p-type well region WL is implanted. An n + type source region SR is formed. The depth of the n + -type source region SR from the surface of the epitaxial layer EPI is, for example, about 0.1 μm to 0.4 μm.

p型のウェル領域WLにイオン注入されるn型不純物として、窒素原子(N)またはリン原子(P)を例示したが、n型のソース領域SRのエピタキシャル層EPIの表面からの深さを浅くするために、浅い接合を形成することが容易であるn型不純物であればよい。例えば、窒素分子(N)、フッ化窒素(NF)、二フッ化窒素(NF)、三フッ化窒素(NF)、リン分子(P)、ホスフィン(PH)、フッ化リン(PF)、二フッ化リン(PF)、または三フッ化リン(PF)、あるいは、上述したガス種の混合ガスを用いてもよい。なお、n型のソース領域SRの不純物濃度は、例えば、1×1017cm−3〜1×1021cm−3の範囲である。 Nitrogen atoms (N) or phosphorus atoms (P) are exemplified as n-type impurities ion-implanted into the p-type well region WL. However, the depth from the surface of the epitaxial layer EPI of the n + -type source region SR is set as follows. In order to make it shallow, any n-type impurity that can easily form a shallow junction may be used. For example, nitrogen molecule (N 2 ), nitrogen fluoride (NF), nitrogen difluoride (NF 2 ), nitrogen trifluoride (NF 3 ), phosphorus molecule (P 2 ), phosphine (PH 3 ), phosphorus fluoride (PF), phosphorus difluoride (PF 2 ), phosphorus trifluoride (PF 3 ), or a mixed gas of the above gas species may be used. Note that the impurity concentration of the n + -type source region SR is, for example, in the range of 1 × 10 17 cm −3 to 1 × 10 21 cm −3 .

続いて、第2レジストパターンを除去した後、n型のエピタキシャル層EPIの表面上に第3レジストパターンを形成する。第3レジストパターンには、続く工程においてp++型のボディコンタクト領域BCが形成される領域のみに開口領域が設けられている。そして、第3レジストパターンをマスクとして、p型のウェル領域WLにp型不純物、例えば、アルミニウム原子(Al)をイオン注入することにより、p型のウェル領域WL内にp++型のボディコンタクト領域BCを形成する。 Subsequently, after removing the second resist pattern, a third resist pattern is formed on the surface of the n -type epitaxial layer EPI. In the third resist pattern, an opening region is provided only in a region where the p ++ type body contact region BC is formed in the subsequent process. Then, using the third resist pattern as a mask, a p-type impurity, for example, an aluminum atom (Al) is ion-implanted into the p-type well region WL, whereby a p ++- type body contact region is formed in the p-type well region WL. BC is formed.

++型のボディコンタクト領域BCのエピタキシャル層EPIの表面からの深さは、例えば、0.05〜μm0.2μm程度である。p++型のボディコンタクト領域BCの不純物濃度は、例えば、1×1019cm−3〜1×1021cm−3の範囲である。 The depth of the p ++ type body contact region BC from the surface of the epitaxial layer EPI is, for example, about 0.05 to 0.2 μm. The impurity concentration of the p ++ type body contact region BC is, for example, in the range of 1 × 10 19 cm −3 to 1 × 10 21 cm −3 .

次に、第3レジストパターンを除去した後、n型のエピタキシャル層EPIの表面にゲート絶縁膜GOXを形成する。ゲート絶縁膜GOXは、例えば、基板1Sを熱酸化することで形成された酸化珪素膜(SiO膜)、もしくは、熱CVD(Chemical Vapor Deposition)法により形成された酸化珪素膜、または、窒化珪素膜(SiN膜)、酸窒化珪素膜(SiON膜)からなる。ゲート絶縁膜GOXの厚さは、例えば、0.01μm〜0.10μm程度である。 Next, after removing the third resist pattern, a gate insulating film GOX is formed on the surface of the n type epitaxial layer EPI. The gate insulating film GOX is, for example, a silicon oxide film (SiO 2 film) formed by thermally oxidizing the substrate 1S, a silicon oxide film formed by a thermal CVD (Chemical Vapor Deposition) method, or silicon nitride It consists of a film (SiN film) and a silicon oxynitride film (SiON film). The thickness of the gate insulating film GOX is, for example, about 0.01 μm to 0.10 μm.

その後、図15に示すように、ゲート絶縁膜GOX上に、導電型不純物が導入されていないノンドープのポリシリコン膜PFを形成する。ポリシリコン膜PFは、多結晶状態でCVD法により成膜するか、もしくは、アモルファス状態でCVD法により成膜し、この膜を700〜900℃程度の温度でアニールして結晶化させることで形成する。   Thereafter, as shown in FIG. 15, a non-doped polysilicon film PF into which no conductivity type impurity is introduced is formed on the gate insulating film GOX. The polysilicon film PF is formed by CVD in a polycrystalline state or by CVD in an amorphous state, and this film is annealed at a temperature of about 700 to 900 ° C. and crystallized. To do.

次に、図16に示すように、ポリシリコン膜PF上に第4レジストパターンを形成する。そして、第4レジストパターンをマスクとして、ポリシリコン膜PFをドライエッチング法により加工することで、ポリシリコン膜PFからなるゲート電極GEを形成する。   Next, as shown in FIG. 16, a fourth resist pattern is formed on the polysilicon film PF. Then, by using the fourth resist pattern as a mask, the polysilicon film PF is processed by a dry etching method, thereby forming the gate electrode GE made of the polysilicon film PF.

続いて、図17に示すように、例えば、基板1Sを1000℃程度で加熱する熱酸化法により、ポリシリコン膜からなるゲート電極GEの表面に酸化シリコン膜からなる絶縁膜OXFを形成する。そして、図18に示すように、ゲート電極GEの端部とゲート電極GEの側壁に形成された絶縁膜OXFとを覆い、かつ、ゲート電極GEの上部に形成された絶縁膜OXFの一部領域を開口する開口部OPを有するレジストパターンPRを形成する。その後,レジストパターンPRをマスクとしたイオン注入法により、ゲート電極GEの内部にn型不純物(リン)を導入する。その後、基板1Sを800℃程度に加熱することにより、ゲート電極GEに導入したn型不純物(リン)の活性化を行なう。   Subsequently, as shown in FIG. 17, an insulating film OXF made of a silicon oxide film is formed on the surface of the gate electrode GE made of a polysilicon film, for example, by a thermal oxidation method in which the substrate 1S is heated at about 1000 ° C. Then, as shown in FIG. 18, a partial region of the insulating film OXF that covers the end portion of the gate electrode GE and the insulating film OXF formed on the side wall of the gate electrode GE and is formed on the upper portion of the gate electrode GE. A resist pattern PR having an opening OP that opens is formed. Thereafter, an n-type impurity (phosphorus) is introduced into the gate electrode GE by ion implantation using the resist pattern PR as a mask. Thereafter, the substrate 1S is heated to about 800 ° C. to activate the n-type impurity (phosphorus) introduced into the gate electrode GE.

その後、図19に示すように、レジストパターンPRを除去した後、ゲート絶縁膜GOXおよび絶縁膜OXFを覆うように、n型のエピタキシャル層EPIの表面上に、例えば、プラズマCVD法により、酸化シリコン膜からなる層間絶縁膜ILを形成する。 Thereafter, as shown in FIG. 19, after removing the resist pattern PR, the surface of the n type epitaxial layer EPI is oxidized by, for example, plasma CVD so as to cover the gate insulating film GOX and the insulating film OXF. An interlayer insulating film IL made of a silicon film is formed.

続いて、図20に示すように、層間絶縁膜IL上に第5レジストパターンを形成する。そして、第5レジストパターンをマスクとして、層間絶縁膜ILおよびゲート絶縁膜GOXをドライエッチング法により加工して、n型のソース領域SRの一部およびp++型のボディコンタクト領域BCに達するコンタクトホールCNTを形成する。 Subsequently, as shown in FIG. 20, a fifth resist pattern is formed on the interlayer insulating film IL. Then, using the fifth resist pattern as a mask, the interlayer insulating film IL and the gate insulating film GOX are processed by the dry etching method, and a contact reaching a part of the n + type source region SR and the p + + type body contact region BC. Hole CNT is formed.

次に、図21に示すように、第5レジストパターンを除去した後、コンタクトホールCNTの底面に露出しているn型のソース領域SRの一部およびp++型のボディコンタクト領域BCのそれぞれの表面に金属シリサイド層SLを形成する。 Next, as shown in FIG. 21, after removing the fifth resist pattern, a part of the n + -type source region SR and the p ++ -type body contact region BC exposed on the bottom surface of the contact hole CNT, respectively. A metal silicide layer SL is formed on the surface.

金属シリサイド層SLを形成する工程では、まず、図示は省略するが、n型のエピタキシャル層EPIの表面上に層間絶縁膜ILおよびコンタクトホールCNTの内部(側面および底面)を覆うように、例えば、スパッタリング法により、例えば、ニッケル膜(Ni膜)からなる第1金属膜を堆積する。この第1金属膜の厚さは、例えば0.05μm程度である。その後、500〜900℃の熱処理を施すことにより、コンタクトホールCNTの底面において、第1金属膜とn型のエピタキシャル層EPIとを反応させて、例えば、ニッケルシリサイド層(NiSi層)からなる金属シリサイド層SLをコンタクトホールCNTの底面に露出しているn型のソース領域SRの一部およびp++型のボディコンタクト領域BCのそれぞれの表面に形成する。そして、未反応の第1金属膜をウェットエッチング法により除去する。ウェットエッチング法には、例えば硫酸過水が用いられる。 In the step of forming the metal silicide layer SL, first, although not shown, for example, the interlayer insulating film IL and the inside of the contact hole CNT (side surface and bottom surface) are covered on the surface of the n type epitaxial layer EPI, for example A first metal film made of, for example, a nickel film (Ni film) is deposited by sputtering. The thickness of the first metal film is, for example, about 0.05 μm. Thereafter, by performing a heat treatment at 500 to 900 ° C., the first metal film and the n type epitaxial layer EPI are reacted at the bottom surface of the contact hole CNT, for example, a metal made of a nickel silicide layer (NiSi layer). Silicide layer SL is formed on a part of n + type source region SR exposed on the bottom surface of contact hole CNT and on the surface of p ++ type body contact region BC. Then, the unreacted first metal film is removed by a wet etching method. In the wet etching method, for example, sulfuric acid / hydrogen peroxide is used.

続いて、図示は省略するが、基板1Sの裏面に、例えば、スパッタリング法により第2金属膜を堆積する。この第2金属膜の厚さは、例えば、0.1μm程度である。   Subsequently, although not shown, a second metal film is deposited on the back surface of the substrate 1S by, for example, a sputtering method. The thickness of the second metal film is, for example, about 0.1 μm.

そして、図13に示すように、800〜1200℃の熱処理を施すことにより、第2金属膜と基板1Sとを反応させて、基板1Sの裏面側に裏面シリサイド層BSLを形成する。その後、裏面シリサイド層BSLを覆うように、裏面電極BE(ドレイン電極)を形成する。裏面電極BEの厚さは、例えば、0.4μm程度である。   And as shown in FIG. 13, the 2nd metal film and the board | substrate 1S are made to react by performing heat processing at 800-1200 degreeC, and the back surface silicide layer BSL is formed in the back surface side of the board | substrate 1S. Thereafter, a back electrode BE (drain electrode) is formed so as to cover the back silicide layer BSL. The thickness of the back electrode BE is, for example, about 0.4 μm.

次に、図示は省略するが、レジストパターンをマスクとしたドライエッチング法により層間絶縁膜ILを加工して、ゲート電極GEに達する開口部を形成する。   Next, although not shown, the interlayer insulating film IL is processed by a dry etching method using a resist pattern as a mask to form an opening reaching the gate electrode GE.

そして、図13に示すように、n型のソース領域SRの一部およびp++型のボディコンタクト領域BCのそれぞれの表面に形成された金属シリサイド層SLに達するコンタクトホールCNT、ならびに、ゲート電極GEに達する開口部(図示は省略)の内部を含む層間絶縁膜IL上に第3金属膜を堆積する。この第3金属膜は、例えばチタン膜(Ti膜)と窒化チタン膜(TiN膜)とアルミニウム膜(Al膜)との積層膜から構成される。アルミニウム膜の厚さは、例えば、2.0μm以上が望ましい。続いて、第3金属膜を加工することにより、金属シリサイド層SLを介してn型のソース領域SRの一部と電気的に接続するソース電極SE、およびゲート電極GEと電気的に接続するゲート電極用配線(図示は省略)を形成する。その後、ゲート電極GE、ソース電極SE、および、裏面電極BE(ドレイン電極)にそれぞれ外部配線が電気的に接続される。以上のようにして、本実施の形態におけるSiCパワーMIOSFETを製造することができる。 Then, as shown in FIG. 13, a contact hole CNT reaching a metal silicide layer SL formed on the surface of a part of the n + -type source region SR and the p + + -type body contact region BC, and the gate electrode A third metal film is deposited on the interlayer insulating film IL including the inside of the opening (not shown) reaching the GE. The third metal film is composed of, for example, a laminated film of a titanium film (Ti film), a titanium nitride film (TiN film), and an aluminum film (Al film). The thickness of the aluminum film is desirably 2.0 μm or more, for example. Subsequently, the third metal film is processed to be electrically connected to the source electrode SE and the gate electrode GE that are electrically connected to a part of the n + -type source region SR via the metal silicide layer SL. Gate electrode wiring (not shown) is formed. Thereafter, external wirings are electrically connected to the gate electrode GE, the source electrode SE, and the back electrode BE (drain electrode), respectively. As described above, the SiC power MIOSFET in the present embodiment can be manufactured.

<実施の形態における製法上の特徴>
続いて、本実施の形態における製法上の特徴点について説明する。本実施の形態における製法上の第1特徴点は、例えば、図17において、熱酸化法を使用することにより、ゲート電極GEを構成するn型不純物が導入されていないノンドープのポリシリコン膜の表面に、酸化シリコン膜からなる絶縁膜OXFを形成する点にある。これにより、本実施の形態では、ノンドープのポリシリコン膜を使用しているため、熱酸化法で形成される絶縁膜OXFの内部にn型不純物が導入されることはない。これにより、本実施の形態における製法上の第1特徴点によれば、ゲート電極GEの端部におけるリーク電流の増加の原因となる絶縁膜OXFへの高濃度のn型不純物の混入を防止できる。
<Characteristics of the manufacturing method in the embodiment>
Next, feature points on the manufacturing method in the present embodiment will be described. The first feature point in the manufacturing method according to the present embodiment is that, for example, in FIG. 17, by using a thermal oxidation method, the surface of the non-doped polysilicon film into which the n-type impurity constituting the gate electrode GE is not introduced In addition, an insulating film OXF made of a silicon oxide film is formed. Thereby, in the present embodiment, since a non-doped polysilicon film is used, n-type impurities are not introduced into the insulating film OXF formed by the thermal oxidation method. As a result, according to the first feature point in the manufacturing method of the present embodiment, it is possible to prevent high-concentration n-type impurities from being mixed into the insulating film OXF, which causes an increase in leakage current at the end of the gate electrode GE. .

例えば、図15において、ゲート絶縁膜GOX上にポリシリコン膜PFを形成する際に、n型不純物を導入したポリシリコン膜PFを形成することも考えられる。この場合、図16に示すゲート電極GEには、既に、この高濃度の不純物濃度でn型不純物が導入されている。このため、ゲート電極GEの内部にn型不純物を導入する工程を新たに追加することなく、ゲート電極GEの内部に高濃度の不純物濃度でn型不純物を導入することができ、これによって、ゲート電極GEの低抵抗化を図ることができる。ただし、この場合、ゲート電極GEの側壁に絶縁膜OXFを形成する際に実施される高温の熱処理で、ゲート電極GEの内部に導入されているn型不純物が、絶縁膜OXFの内部にまで拡散してしまう。この結果、絶縁膜OXFの内部に高濃度のn型不純物が導入されることになり、これによって、ゲート電極GEの端部におけるリーク電流の増加が顕在化してしまう。   For example, in FIG. 15, when the polysilicon film PF is formed on the gate insulating film GOX, it may be possible to form the polysilicon film PF into which an n-type impurity is introduced. In this case, n-type impurities have already been introduced into the gate electrode GE shown in FIG. 16 at this high impurity concentration. Therefore, the n-type impurity can be introduced into the gate electrode GE at a high impurity concentration without newly adding a process for introducing the n-type impurity into the gate electrode GE. The resistance of the electrode GE can be reduced. However, in this case, the n-type impurity introduced into the gate electrode GE is diffused into the insulating film OXF by the high-temperature heat treatment performed when the insulating film OXF is formed on the sidewall of the gate electrode GE. Resulting in. As a result, high-concentration n-type impurities are introduced into the insulating film OXF, thereby increasing the leakage current at the end of the gate electrode GE.

これに対し、本実施の形態では、図15において、予めn型不純物が導入されたポリシリコン膜PFを形成するのではなく、n型不純物の導入されていないノンドープのポリシリコン膜PFを形成している。そして、本実施の形態では、熱酸化法による高温の熱処理によって、このノンドープのポリシリコン膜PFの表面に酸化シリコン膜からなる絶縁膜OXFを形成している。この場合、そもそも、ノンドープのポリシリコン膜PFの内部には、n型不純物が導入されていないため、その後の高温の熱処理によっても、ポリシリコン膜PFからn型不純物が拡散して絶縁膜OXFの内部にまでn型不純物が導入されることを効果的に抑制することができる。この結果、本実施の形態では、ゲート電極GEの端部におけるリーク電流の増加の原因となる絶縁膜OXFへの高濃度のn型不純物の混入を防止できる。ただし、この場合、ゲート電極GEには、n型不純物が導入されていないため、現状のままでは、ゲート電極GEの抵抗が高抵抗となってしまう。そこで、本実施の形態では、ポリシリコン膜の成膜工程とは別のイオン注入工程で、ゲート電極GEの内部に高濃度の不純物濃度でn型不純物を導入している。このとき、ゲート電極GEの全体にn型不純物を導入すると、その後のn型不純物を活性化するための熱処理で、ゲート電極GEからゲート電極GEの側壁に形成されている絶縁膜OXFの内部にn型不純物が拡散しやすくなり、これによって、絶縁膜OXFの内部に高濃度の不純物濃度でn型不純物が混入してしまうことになる。このことから、本実施の形態では、絶縁膜OXFの内部にn型不純物が混入することを抑制する工夫を施しており、この工夫点が本実施の形態における製法上の第2特徴点である。以下では、本実施の形態における製法上の第2特徴点について説明することにする。   On the other hand, in the present embodiment, in FIG. 15, a polysilicon film PF into which n-type impurities are not introduced is not formed, but a non-doped polysilicon film PF into which n-type impurities are not introduced is formed. ing. In this embodiment, the insulating film OXF made of a silicon oxide film is formed on the surface of the non-doped polysilicon film PF by high-temperature heat treatment using a thermal oxidation method. In this case, since the n-type impurity is not introduced into the non-doped polysilicon film PF in the first place, the n-type impurity is diffused from the polysilicon film PF by the subsequent high-temperature heat treatment, so that the insulating film OXF It is possible to effectively suppress the introduction of n-type impurities into the inside. As a result, in the present embodiment, it is possible to prevent high-concentration n-type impurities from being mixed into the insulating film OXF, which causes an increase in leakage current at the end of the gate electrode GE. However, in this case, since the n-type impurity is not introduced into the gate electrode GE, the resistance of the gate electrode GE becomes high as it is. Therefore, in the present embodiment, n-type impurities are introduced into the gate electrode GE with a high impurity concentration in an ion implantation process different from the polysilicon film forming process. At this time, when an n-type impurity is introduced into the entire gate electrode GE, a heat treatment for activating the n-type impurity is performed to form an insulating film OXF formed on the side wall of the gate electrode GE from the gate electrode GE. The n-type impurities are easily diffused, and accordingly, the n-type impurities are mixed in the insulating film OXF with a high impurity concentration. For this reason, in the present embodiment, a contrivance is made to suppress the mixing of n-type impurities into the insulating film OXF, and this contrivance point is the second feature point in the manufacturing method in the present embodiment. . Below, the 2nd feature point on the manufacturing method in this Embodiment is demonstrated.

本実施の形態における製法上の第2特徴点は、例えば、図18に示すように、ゲート電極GEの端部とゲート電極GEの側壁に形成された絶縁膜OXFとを覆い、かつ、ゲート電極GEの上部に形成された絶縁膜OXFの一部領域を開口する開口部OPを有するマスク(レジストパターンPR)を使用したイオン注入法により、ゲート電極GEの内部にn型不純物を導入する点にある。これにより、本実施の形態によれば、ゲート電極GEのうちn型不純物が導入される部位と、ゲート電極GEの側壁に形成された絶縁膜OXFとが離間していることから、イオン注入工程において、絶縁膜OXFの内部にn型不純物が導入されてしまうことを抑制することができる。そして、ゲート電極GEのうちn型不純物が導入される部位と、ゲート電極GEの側壁に形成された絶縁膜OXFとが離間していることから、イオン注入工程後に実施されるn型不純物を活性化させるための熱処理によるn型不純物の拡散が生じても、ゲート電極GEの側壁に形成された絶縁膜OXFへの高濃度の不純物濃度でのn型不純物の混入が抑制される。したがって、本実施の形態における製法上の第2特徴点によれば、ゲート電極GEの側壁に形成された絶縁膜OXFに導入されるn型不純物の不純物濃度を、ゲート電極GEに含まれるn型不純物の最大不純物濃度の1/100以下にすることができる。この結果、本実施の形態における製法上の第2特徴点によれば、ゲート電極GEの低抵抗化を実現するために充分な不純物濃度でn型不純物をゲート電極GEの内部に導入することができる一方で、ゲート電極GEの側壁に形成されている絶縁膜OXFへの高濃度の不純物濃度でのn型不純物の混入を抑制することができる。したがって、本実施の形態によれば、ゲート電極GEの低抵抗化と、ゲート電極GEの端部におけるリーク電流の抑制とを両立することができる。これにより、本実施の形態によれば、半導体装置の性能向上を図りながら、半導体装置の信頼性向上を図ることができるという顕著な効果を得ることができる。   The second feature point in the manufacturing method according to the present embodiment is, for example, as shown in FIG. 18, covering the end portion of the gate electrode GE and the insulating film OXF formed on the side wall of the gate electrode GE, and the gate electrode An n-type impurity is introduced into the gate electrode GE by an ion implantation method using a mask (resist pattern PR) having an opening OP that opens a partial region of the insulating film OXF formed above the GE. is there. Thereby, according to the present embodiment, the portion of the gate electrode GE into which the n-type impurity is introduced is separated from the insulating film OXF formed on the side wall of the gate electrode GE. In this case, the introduction of n-type impurities into the insulating film OXF can be suppressed. Since the portion of the gate electrode GE into which the n-type impurity is introduced is separated from the insulating film OXF formed on the side wall of the gate electrode GE, the n-type impurity performed after the ion implantation step is activated. Even if the n-type impurity is diffused by the heat treatment for forming the n-type impurity, mixing of the n-type impurity at a high impurity concentration into the insulating film OXF formed on the sidewall of the gate electrode GE is suppressed. Therefore, according to the second feature point in the manufacturing method in the present embodiment, the impurity concentration of the n-type impurity introduced into the insulating film OXF formed on the side wall of the gate electrode GE is set to the n-type impurity contained in the gate electrode GE. The maximum impurity concentration of impurities can be reduced to 1/100 or less. As a result, according to the second feature point in the manufacturing method according to the present embodiment, the n-type impurity can be introduced into the gate electrode GE at a sufficient impurity concentration in order to reduce the resistance of the gate electrode GE. On the other hand, mixing of n-type impurities at a high impurity concentration into the insulating film OXF formed on the sidewall of the gate electrode GE can be suppressed. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to achieve both reduction in resistance of the gate electrode GE and suppression of leakage current at the end of the gate electrode GE. Thus, according to the present embodiment, it is possible to obtain a remarkable effect that the reliability of the semiconductor device can be improved while improving the performance of the semiconductor device.

<変形例1>
前記実施の形態では、例えば、図18に示すように、ゲート電極GEの端部とゲート電極GEの側壁に形成された絶縁膜OXFとを覆い、かつ、ゲート電極GEの上部に形成された絶縁膜OXFの一部領域を開口する開口部OPを有するマスクとして、レジストパターンPRを使用する例について説明した。ただし、前記実施の形態における技術的思想は、これに限らず、例えば、図22に示すように、ゲート電極GEの端部とゲート電極GEの側壁に形成された絶縁膜OXFとを覆い、かつ、ゲート電極GEの上面の一部領域を開口する開口部OPを有するマスクとして、酸化シリコン膜からなるハードマスクHMを使用してもよい。この場合、開口部OPから露出する絶縁膜OXFは、ハードマスクHMと同じ酸化シリコン膜から形成されているため、図22に示すように、ハードマスクHMに開口部OPを形成する際、開口部OPの底面から露出する絶縁膜OXFも除去される。
<Modification 1>
In the above-described embodiment, for example, as shown in FIG. 18, the insulating film OXF formed on the gate electrode GE and covering the end portion of the gate electrode GE and the insulating film OXF formed on the side wall of the gate electrode GE is formed. The example in which the resist pattern PR is used as the mask having the opening OP that opens a partial region of the film OXF has been described. However, the technical idea in the above embodiment is not limited to this. For example, as shown in FIG. 22, the edge of the gate electrode GE and the insulating film OXF formed on the side wall of the gate electrode GE are covered. A hard mask HM made of a silicon oxide film may be used as a mask having an opening OP that opens a partial region of the upper surface of the gate electrode GE. In this case, since the insulating film OXF exposed from the opening OP is formed of the same silicon oxide film as the hard mask HM, when the opening OP is formed in the hard mask HM, as shown in FIG. The insulating film OXF exposed from the bottom surface of OP is also removed.

<変形例2>
前記変形例1では、ハードマスクHMを使用したイオン注入法によって、ゲート電極GEの内部にn型不純物を導入する例について説明した。ただし、前記実施の形態における技術的思想は、これに限らず、例えば、図23に示すように、開口部OPを有するハードマスクHMを形成した後、ハードマスクHMから露出するゲート電極GEに、n型不純物純物を含有する膜であるPSG膜を接触させ、その後、例えば、熱処理を施すことにより、BPSG膜からn型不純物をゲート電極の内部に拡散させるようにしてもよい。この場合の熱処理は、イオン注入後に実施される活性化アニールに比べて低温である。このため、ゲート電極GEの側壁に形成されている絶縁膜OXFにまでリン(P)が拡散することを抑制することができる点で有用である。
<Modification 2>
In the first modification, the example in which the n-type impurity is introduced into the gate electrode GE by the ion implantation method using the hard mask HM has been described. However, the technical idea in the embodiment is not limited to this. For example, as shown in FIG. 23, after forming the hard mask HM having the opening OP, the gate electrode GE exposed from the hard mask HM The PSG film, which is a film containing n-type impurity pure material, is brought into contact, and thereafter, for example, heat treatment may be performed to diffuse the n-type impurity from the BPSG film into the gate electrode. The heat treatment in this case is at a lower temperature than the activation annealing performed after ion implantation. Therefore, it is useful in that phosphorus (P) can be prevented from diffusing into the insulating film OXF formed on the side wall of the gate electrode GE.

<変形例3>
前記実施の形態では、例えば、図15〜図17に示すように、n型不純物が導入されていないノンドープのポリシリコン膜PFを加工してゲート電極GEを形成した後、ノンドープのポリシリコン膜PFからなるゲート電極GEの表面に絶縁膜OXFを形成する例について説明した。ただし、前記実施の形態における技術的思想は、これに限らず、例えば、n型不純物が低濃度の不純物濃度で導入されているポリシリコン膜PFを加工してゲート電極GEを形成した後、ゲート電極GEの表面に絶縁膜OXFを形成するようにしてもよい。この場合においても、ノンドープのポリシリコン膜PFを使用する場合には及ばないが、n型不純物が高濃度の不純物濃度で導入されているポリシリコン膜PFを使用する場合に比べて、絶縁膜OXFへのn型不純物の混入を抑制することができる。
<Modification 3>
In the above embodiment, for example, as shown in FIGS. 15 to 17, after processing the non-doped polysilicon film PF into which n-type impurities are not introduced to form the gate electrode GE, the non-doped polysilicon film PF is formed. The example in which the insulating film OXF is formed on the surface of the gate electrode GE made of has been described. However, the technical idea in the embodiment is not limited to this. For example, after forming the gate electrode GE by processing the polysilicon film PF into which the n-type impurity is introduced at a low impurity concentration, the gate is formed. An insulating film OXF may be formed on the surface of the electrode GE. Even in this case, it is not possible to use the non-doped polysilicon film PF, but compared to the case where the polysilicon film PF into which n-type impurities are introduced at a high impurity concentration is used, the insulating film OXF. N-type impurities can be prevented from being mixed in.

ノンドープのポリシリコン膜PFを使用する場合には、熱酸化法によるゲート電極GEの表面への絶縁膜OXFの形成レートが小さくなるのに対し、n型不純物が低濃度の不純物濃度で導入されているポリシリコン膜PFを使用する場合には、熱酸化法によるゲート電極GEの表面への絶縁膜OXFの形成レートを大きくすることができる。ただし、本変形例3の場合には、その後、例えば、図18に示す工程を追加して、ゲート電極GEの低抵抗化を図るため、ゲート電極GEの内部にn型不純物を導入する必要がある。   When the non-doped polysilicon film PF is used, the formation rate of the insulating film OXF on the surface of the gate electrode GE by the thermal oxidation method is reduced, whereas the n-type impurity is introduced at a low impurity concentration. When the polysilicon film PF is used, the formation rate of the insulating film OXF on the surface of the gate electrode GE by the thermal oxidation method can be increased. However, in the case of Modification 3, for example, in order to reduce the resistance of the gate electrode GE by adding a process shown in FIG. 18, for example, it is necessary to introduce an n-type impurity into the gate electrode GE. is there.

<変形例4>
さらに、前記実施の形態におけるSiCパワーMOSFETの構造に加えて、ゲート電極GEの角部をラウンド形状にするように構成してもよい。これにより、ゲート電極GEの端部における電界集中を緩和することができる。このことから、本変形例4によれば、ゲート電極GEの側壁に形成された絶縁膜OXFに導入されるn型不純物の不純物濃度を、ゲート電極GEに含まれるn型不純物の最大不純物濃度の1/100以下にする構成と、ゲート電極GEの角部をラウンド形状にする構成との相乗効果によって、ゲート電極GEの端部におけるリーク電流の増加を抑制することができる。
<Modification 4>
Furthermore, in addition to the structure of the SiC power MOSFET in the above embodiment, the corner of the gate electrode GE may be configured to have a round shape. Thereby, the electric field concentration at the end of the gate electrode GE can be relaxed. Therefore, according to the fourth modification, the impurity concentration of the n-type impurity introduced into the insulating film OXF formed on the sidewall of the gate electrode GE is set to the maximum impurity concentration of the n-type impurity contained in the gate electrode GE. A synergistic effect between the configuration of 1/100 or less and the configuration in which the corners of the gate electrode GE have a round shape can suppress an increase in leakage current at the end of the gate electrode GE.

<変形例5>
前記実施の形態では、n型不純物の一例として、リン(P)を取り上げて、前記実施の形態における技術的思想を説明したが、前記実施の形態における技術的思想は、これに限らず、n型不純物にも幅広く適用することができる。例えば、リン以外のn型不純物としては、砒素(As)を挙げることができる。特に、砒素は、リンに比べて重いため、拡散しにくいことから、前記実施の形態における技術的思想を適用すると、絶縁膜OXFに混入するn型不純物(砒素)の不純物濃度をさらに低くすることができる。つまり、n型不純物として砒素を採用することは、ゲート電極GEの側壁に形成される絶縁膜OXFに混入するn型不純物の量を低減して、ゲート電極GEの端部におけるリーク電流の発生を抑制する観点から有用である。
<Modification 5>
In the embodiment described above, phosphorus (P) is taken as an example of the n-type impurity, and the technical idea in the embodiment has been described. However, the technical idea in the embodiment is not limited to this, and n Widely applicable to type impurities. For example, n-type impurities other than phosphorus can include arsenic (As). In particular, since arsenic is heavier than phosphorus and difficult to diffuse, applying the technical idea in the above embodiment further reduces the impurity concentration of n-type impurities (arsenic) mixed in the insulating film OXF. Can do. That is, adopting arsenic as the n-type impurity reduces the amount of n-type impurity mixed in the insulating film OXF formed on the side wall of the gate electrode GE, thereby reducing leakage current at the end of the gate electrode GE. It is useful from the viewpoint of suppression.

<変形例6>
前記実施の形態では、SiCパワーMOSFETのゲート電極GEにリンに代表されるn型不純物を導入する形態について説明したが、前記実施の形態における技術的思想は、これに限らず、SiCパワーMOSFETのゲート電極GEにボロン(B)に代表されるp型不純物を導入する形態にも適用することができる。
<Modification 6>
In the above-described embodiment, an embodiment in which an n-type impurity typified by phosphorus is introduced into the gate electrode GE of the SiC power MOSFET has been described. However, the technical idea in the above-described embodiment is not limited thereto, and the SiC power MOSFET is not limited thereto. The present invention can also be applied to a mode in which a p-type impurity typified by boron (B) is introduced into the gate electrode GE.

特に、nチャネル型のSiCパワーMOSFETにおいては、ゲート電極GEにp型不純物を導入することにより、しきい値電圧を上昇させることができる。このことは、「誤点孤」を抑制できることを意味する。なぜなら、例えば、図5からもわかるように、容量カップリングによって、オフすべきSiCパワートランジスタのゲート電圧V2がしきい値電圧を超えると「誤点孤」が生じることから、しきい値電圧が高ければ、オフすべきSiCパワートランジスタのゲート電圧V2がしきい値電圧を超えにくくなるからである。   In particular, in an n-channel SiC power MOSFET, the threshold voltage can be increased by introducing a p-type impurity into the gate electrode GE. This means that "false point" can be suppressed. This is because, for example, as can be seen from FIG. 5, when the gate voltage V2 of the SiC power transistor to be turned off exceeds the threshold voltage due to capacitive coupling, a “false point arc” occurs. This is because if it is high, the gate voltage V2 of the SiC power transistor to be turned off hardly exceeds the threshold voltage.

そして、nチャネル型のSiCパワーMOSFETにおいて、ゲート電極GEにp型不純物を導入する構成では、ゲート電極GEに負電圧を印加すると、ゲート電極GEとゲート絶縁膜GOXとの界面近傍のゲート電極GEに空乏層が形成される。この空乏層は、絶縁層として機能することを考慮すると、ゲート電極GEの端部において、実質的に、ゲート絶縁膜GOXの厚さが厚くなることになる。このことは、ゲート電極GEの端部における電界強度が緩和されることを意味する。この結果、本変形例6の構成では、ゲート電極GEに負電圧を印加した場合において、ゲート電極GEの端部におけるリーク電流の増加を抑制することができるのである。   In a configuration in which a p-type impurity is introduced into the gate electrode GE in the n-channel SiC power MOSFET, when a negative voltage is applied to the gate electrode GE, the gate electrode GE in the vicinity of the interface between the gate electrode GE and the gate insulating film GOX. A depletion layer is formed. Considering that this depletion layer functions as an insulating layer, the thickness of the gate insulating film GOX is substantially increased at the end of the gate electrode GE. This means that the electric field strength at the end of the gate electrode GE is relaxed. As a result, in the configuration of Modification 6, when a negative voltage is applied to the gate electrode GE, an increase in leakage current at the end of the gate electrode GE can be suppressed.

一方、nチャネル型のSiCパワーMOSFETにおいて、ゲート電極GEにp型不純物を導入する構成では、ゲート電極GEに正電圧を印加する場合に、ゲート電極GEに空乏層ができないことから、ゲート電極GEに負電圧を印加する場合のように、実質的なゲート絶縁膜GOXの厚膜化によるリーク電流の低減効果は得られないと考えられる。その上、前記実施の形態からの類推により、ゲート電極GEの側壁に形成されている絶縁膜OXFに混入するp型不純物によって、ゲート電極GEの端部におけるリーク電流の増加が懸念される。   On the other hand, in a configuration in which a p-type impurity is introduced into the gate electrode GE in the n-channel SiC power MOSFET, a depletion layer cannot be formed in the gate electrode GE when a positive voltage is applied to the gate electrode GE. It is considered that the effect of reducing the leakage current due to the increase in the thickness of the gate insulating film GOX cannot be obtained as in the case of applying a negative voltage to. In addition, by analogy with the above embodiment, there is a concern about increase in leakage current at the end of the gate electrode GE due to p-type impurities mixed in the insulating film OXF formed on the sidewall of the gate electrode GE.

この点に関し、「<<本発明者が見出した新たな知見>>」の欄で説明した第1メカニズムについては、以下に示すことが推察される。すなわち、n型不純物の準位(ドナー準位)よりもp型不純物の準位(アクセプタ準位)は、エネルギー準位の低い位置にある。このことは、絶縁膜OXFのバンドギャップ内において、n型不純物に起因するトラップ準位よりもエネルギー準位の低い位置にp型不純物に起因するトラップ準位が形成されることを意味する。そして、このことは、絶縁膜OXFにp型不純物が混入されている構成の方が、絶縁膜OXFにn型不純物が混入されている構成よりも、トラップ準位を介した価電子帯から伝導帯への電子の励起が起こりにくくなることを意味する。したがって、上述した第1メカニズムによるリーク電流の増加は、絶縁膜OXFにn型不純物が混入される構成よりも、絶縁膜OXFにp型不純物が混入される構成の方が顕在化しにくくなると考えられる。   In this regard, it is surmised that the first mechanism described in the column of “<< new knowledge found by the inventor >>” is shown below. That is, the p-type impurity level (acceptor level) is lower than the n-type impurity level (donor level). This means that in the band gap of the insulating film OXF, a trap level caused by the p-type impurity is formed at a position lower in energy level than the trap level caused by the n-type impurity. This is because the structure in which the p-type impurity is mixed in the insulating film OXF is conducted from the valence band through the trap level than the structure in which the n-type impurity is mixed in the insulating film OXF. This means that the excitation of electrons to the band is less likely to occur. Therefore, it is considered that the increase in leakage current due to the first mechanism described above is less obvious in the configuration in which the p-type impurity is mixed in the insulating film OXF than in the configuration in which the n-type impurity is mixed in the insulating film OXF. .

さらに、「<<本発明者が見出した新たな知見>>」の欄で説明した第1メカニズムについては、以下に示すことが推察される。すなわち、n型不純物は正電荷を有し、かつ、ゲート電極GEには負電圧が印加されることにより電子が蓄積されていることから、ゲート電極GEと絶縁膜OXFとの界面には、例えば、図11に示すゲート絶縁膜と同様に急峻なポテンシャル障壁が生じることになる。このような急峻なポテンシャル障壁では、例えば、図11に示すように、ポテンシャル障壁の幅「L2」が小さくなることから、FNトンネル電流が流れやすくなり、このFNトンネル電流がリーク電流となるのである。   Furthermore, it is speculated that the first mechanism described in the column of “<< the new knowledge found by the inventor >>” is shown below. That is, since the n-type impurity has a positive charge and electrons are accumulated by applying a negative voltage to the gate electrode GE, the interface between the gate electrode GE and the insulating film OXF is, for example, As with the gate insulating film shown in FIG. 11, a steep potential barrier is generated. In such a steep potential barrier, for example, as shown in FIG. 11, since the potential barrier width “L2” becomes small, an FN tunnel current easily flows, and this FN tunnel current becomes a leak current. .

これに対し、n型不純物とは異なり、p型不純物は負電荷を有することから、ゲート電極GEと絶縁膜OXFとの界面に形成されるポテンシャル障壁の傾斜は逆に緩やかになる。そして、ゲート電極GEには正電圧が印加されることにより電子が蓄積されていないことから、FNトンネル電流は流れにくくなる。   On the other hand, unlike the n-type impurity, the p-type impurity has a negative charge, so that the slope of the potential barrier formed at the interface between the gate electrode GE and the insulating film OXF becomes gentler. Further, since electrons are not accumulated by applying a positive voltage to the gate electrode GE, it is difficult for the FN tunnel current to flow.

以上のことから、上述した第1メカニズムおよび第2メカニズムに起因するリーク電流の増加は、絶縁膜OXFにn型不純物が混入される構成よりも、絶縁膜OXFにp型不純物が混入される構成では顕在化しにくくなる。したがって、例えば、絶縁膜OXFにp型不純物が混入される本変形例6の構成において、絶縁膜OXFに含まれるp型不純物の不純物濃度は、ゲート電極GEに含まれるp型不純物の最大不純物濃度の1/10以下であるという構成においても、充分に、ゲート電極GEの端部におけるリーク電流の増加を抑制することができる。   From the above, the increase in leakage current due to the first mechanism and the second mechanism described above is a configuration in which the p-type impurity is mixed in the insulating film OXF rather than the configuration in which the n-type impurity is mixed in the insulating film OXF. Then, it becomes difficult to manifest. Therefore, for example, in the configuration of Modification 6 in which the p-type impurity is mixed into the insulating film OXF, the impurity concentration of the p-type impurity contained in the insulating film OXF is the maximum impurity concentration of the p-type impurity contained in the gate electrode GE. Even in the configuration of 1/10 or less, it is possible to sufficiently suppress an increase in leakage current at the end of the gate electrode GE.

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

(付記1)
炭化珪素を主成分とするエピタキシャル層上に形成されたパワートランジスタを含み、
前記パワートランジスタは、
前記エピタキシャル層上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成され、かつ、p型不純物を含有するゲート電極と、
前記ゲート電極の側壁に形成された第1絶縁膜と、
前記ゲート電極および前記第1絶縁膜を覆うように形成された第2絶縁膜と、
を備え、
前記第1絶縁膜の密度は、前記第2絶縁膜の密度よりも高く、
前記第1絶縁膜は、前記ゲート電極に含まれる前記p型不純物の最大不純物濃度の1/10以下の不純物濃度でp型不純物を含有する、半導体装置。
(Appendix 1)
Including a power transistor formed on an epitaxial layer mainly composed of silicon carbide;
The power transistor is
A gate insulating film formed on the epitaxial layer;
A gate electrode formed on the gate insulating film and containing a p-type impurity;
A first insulating film formed on a sidewall of the gate electrode;
A second insulating film formed to cover the gate electrode and the first insulating film;
With
The density of the first insulating film is higher than the density of the second insulating film,
The semiconductor device, wherein the first insulating film contains a p-type impurity at an impurity concentration of 1/10 or less of a maximum impurity concentration of the p-type impurity contained in the gate electrode.

(付記2)
付記1に記載の半導体装置において、
前記p型不純物は、ボロンである、半導体装置。
(Appendix 2)
In the semiconductor device according to attachment 1,
The semiconductor device, wherein the p-type impurity is boron.

EPI エピタキシャル層
GE ゲート電極
GOX ゲート絶縁膜
IL 層間絶縁膜
OXF 絶縁膜
SR ソース領域
EPI epitaxial layer GE gate electrode GOX gate insulating film IL interlayer insulating film OXF insulating film SR source region

Claims (14)

炭化珪素を主成分とするエピタキシャル層上に形成されたパワートランジスタを含み、
前記パワートランジスタは、
前記エピタキシャル層上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成され、かつ、導電型不純物を含有するゲート電極と、
前記ゲート電極の側壁に形成された第1絶縁膜と、
前記ゲート電極および前記第1絶縁膜を覆うように形成された第2絶縁膜と、
を備え、
前記第1絶縁膜の密度は、前記第2絶縁膜の密度よりも高く、
前記第1絶縁膜は、前記ゲート電極に含まれる前記導電型不純物の最大不純物濃度の1/100以下の不純物濃度で導電型不純物を含有する、半導体装置。
Including a power transistor formed on an epitaxial layer mainly composed of silicon carbide;
The power transistor is
A gate insulating film formed on the epitaxial layer;
A gate electrode formed on the gate insulating film and containing a conductive impurity;
A first insulating film formed on a sidewall of the gate electrode;
A second insulating film formed to cover the gate electrode and the first insulating film;
With
The density of the first insulating film is higher than the density of the second insulating film,
The first insulating film contains a conductive impurity at an impurity concentration of 1/100 or less of the maximum impurity concentration of the conductive impurity contained in the gate electrode.
請求項1に記載の半導体装置において、
前記第1絶縁膜は、酸化シリコン膜である、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device, wherein the first insulating film is a silicon oxide film.
請求項1に記載の半導体装置において、
前記ゲート電極に含まれる前記導電型不純物の不純物濃度は、1020/cm以上である、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device, wherein an impurity concentration of the conductive impurity contained in the gate electrode is 10 20 / cm 3 or more.
請求項1に記載の半導体装置において、
前記第1絶縁膜の膜厚は、前記ゲート絶縁膜の膜厚よりも厚い、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the first insulating film is thicker than the gate insulating film.
請求項1に記載の半導体装置において、
前記ゲート絶縁膜の膜厚は、80nm以下である、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The gate insulating film has a thickness of 80 nm or less.
請求項1に記載の半導体装置において、
前記パワートランジスタは、LDD構造とは異なるソース領域を有する、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The power transistor is a semiconductor device having a source region different from the LDD structure.
請求項1に記載の半導体装置において、
前記エピタキシャル層は、オフ角を有する、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The epitaxial device has a semiconductor device having an off angle.
請求項1に記載の半導体装置において、
前記第1絶縁膜の膜厚は、前記第2絶縁膜の膜厚よりも薄い、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device, wherein the first insulating film is thinner than the second insulating film.
請求項1に記載の半導体装置において、
前記ゲート電極の角部は、ラウンド形状をしている、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The corner of the gate electrode is a semiconductor device having a round shape.
請求項1に記載の半導体装置において、
前記パワートランジスタをオンする際、前記ゲート電極には、しきい値電圧以上の第1電圧が印加され、
前記パワートランジスタをオフする際、前記ゲート電極には、絶対値が前記第1電圧と同じで、かつ、前記第1電圧とは極性が反対の第2電圧が印加される、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
When turning on the power transistor, a first voltage equal to or higher than a threshold voltage is applied to the gate electrode;
The semiconductor device, wherein when the power transistor is turned off, a second voltage having the same absolute value as the first voltage and opposite in polarity to the first voltage is applied to the gate electrode.
炭化珪素を主成分とするエピタキシャル層に形成されたパワートランジスタを含む、半導体装置の製造方法であって、
(a)ゲート絶縁膜を形成する工程、
(b)前記ゲート絶縁膜上にポリシリコン膜を形成する工程、
(c)前記ポリシリコン膜をパターニングして、ゲート電極を形成する工程、
(d)熱酸化法を使用して、前記ゲート電極の表面に第1絶縁膜を形成する工程、
(e)前記ゲート電極の内部に導電型不純物を導入する工程、
を備え、
前記(e)工程では、前記ゲート電極の端部と前記ゲート電極の側壁に形成された前記第1絶縁膜とを覆うマスクを使用する、半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device including a power transistor formed in an epitaxial layer mainly composed of silicon carbide,
(A) forming a gate insulating film;
(B) forming a polysilicon film on the gate insulating film;
(C) patterning the polysilicon film to form a gate electrode;
(D) forming a first insulating film on the surface of the gate electrode using a thermal oxidation method;
(E) introducing a conductive impurity into the gate electrode;
With
In the step (e), a semiconductor device manufacturing method using a mask that covers an end portion of the gate electrode and the first insulating film formed on a side wall of the gate electrode.
請求項11に記載の半導体装置の製造方法において、
前記(b)工程では、導電型不純物が導入されていないノンドープの前記ポリシリコン膜を形成する、半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 11,
In the step (b), the non-doped polysilicon film into which the conductive impurity is not introduced is formed.
請求項11に記載の半導体装置の製造方法において、
前記(e)工程では、イオン注入法を使用する、半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 11,
In the step (e), a semiconductor device manufacturing method using an ion implantation method.
請求項11に記載の半導体装置の製造方法において、
前記(e)工程は、
(e1)前記マスクから露出する前記ゲート電極に、導電型不純物を含有する膜を接触させる工程、
(e2)前記膜から前記導電型不純物を前記ゲート電極の内部に拡散させる工程、
を有する、半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 11,
The step (e)
(E1) contacting the gate electrode exposed from the mask with a film containing a conductive impurity;
(E2) diffusing the conductive impurities from the film into the gate electrode;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
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