JP2019207906A - Semiconductor device and manufacturing method therefor, power conversion device, three-phase motor system, vehicle, and railway vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数のパワー半導体デバイスにより構成されるパワー半導体装置およびその製造方法、電力変換装置、3相モータシステム、自動車、ならびに鉄道車両に関する。 The present invention relates to a power semiconductor device including a plurality of power semiconductor devices and a manufacturing method thereof, a power conversion device, a three-phase motor system, an automobile, and a railway vehicle.
パワー半導体デバイスの一つであるパワー金属絶縁膜半導体電界効果トランジスタ(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor:MISFET)において、従来は、珪素(Si)基板を用いたパワーMISFET(以下、SiパワーMISFETと記す)が主流であった。 Conventionally, a power metal insulating film semiconductor field effect transistor (MISFET), which is one of power semiconductor devices, is a power MISFET using a silicon (Si) substrate (hereinafter referred to as Si power MISFET). Was the mainstream.
しかし、炭化珪素(SiC)基板(以下、SiC基板と記す)を用いたパワーMISFET(以下、SiCパワーMISFETと記す)はSiパワーMISFETと比較して、高耐圧化および低損失化が可能である。このため、省電力または環境配慮型のインバータ技術の分野において、特に注目が集まっている。 However, a power MISFET (hereinafter referred to as a SiC power MISFET) using a silicon carbide (SiC) substrate (hereinafter referred to as a SiC substrate) can have a higher breakdown voltage and a lower loss than a Si power MISFET. . For this reason, particular attention has been paid in the field of power-saving or environment-friendly inverter technology.
SiCパワーMISFETは、SiパワーMISFETと比較して、同耐圧ではオン抵抗の低抵抗化が可能である。これは、炭化珪素(SiC)は、珪素(Si)と比較して絶縁破壊電界強度が約7倍と大きく、ドリフト層となるエピタキシャル層を薄くできることに起因する。しかし、炭化珪素(SiC)から得られるべき本来の特性から考えると、未だ十分な特性が得られているとは言えず、エネルギーの高効率利用の観点から、更なるオン抵抗の低減が望まれている。 The SiC power MISFET can reduce the on-resistance at the same breakdown voltage as compared with the Si power MISFET. This is because silicon carbide (SiC) has a dielectric breakdown electric field strength that is about seven times larger than that of silicon (Si), and the epitaxial layer serving as a drift layer can be thinned. However, considering the original characteristics that should be obtained from silicon carbide (SiC), it cannot be said that sufficient characteristics have been obtained yet, and further reduction of the on-resistance is desired from the viewpoint of efficient use of energy. ing.
SiCパワーMISFETにおいて、4H−SiC基板の基板表面をチャネルとして用いるDMOS(Double diffused Metal Oxide Semiconductor)構造が一般的に用いられている(特許文献1)。一般に、SiC DMOSにおいてチャネル面として用いられているSi(0001)面のチャネル移動度は、Si MISFETと比較すると1/5程度と極めて低い。したがって、チャネル寄生抵抗が大きく、大きな課題であった。このチャネル寄生抵抗を下げるための有効な手段として、高チャネル移動度が得られる(11−20)面や(1−100)面の利用が検討されている。(11−20)面や(1−100)面などの高チャネル移動度の面を利用するためには、(0001)面の基板にトレンチ型構造のMOSを形成する必要がある。 In the SiC power MISFET, a DMOS (Double Diffused Metal Oxide Semiconductor) structure using a substrate surface of a 4H-SiC substrate as a channel is generally used (Patent Document 1). In general, the channel mobility of the Si (0001) plane used as the channel plane in SiC DMOS is extremely low, about 1/5, compared with Si MISFET. Therefore, the channel parasitic resistance is large, which is a big problem. As an effective means for reducing this channel parasitic resistance, the use of the (11-20) plane or the (1-100) plane capable of obtaining a high channel mobility has been studied. In order to use a surface with high channel mobility such as the (11-20) plane or the (1-100) plane, it is necessary to form a MOS having a trench structure on the (0001) plane substrate.
特許文献2によれば、耐圧を支えるp+型のボディ層を貫くように、ドリフト層までトレンチを形成し、チャネル電流が基板に対して縦方向に流れる構造が提案されている。ただし、SiCの絶縁破壊強度はSiと比較して約7倍と大きく、ブロッキング時には、トレンチ下部に形成されているゲート絶縁膜に印加される電界もSiの7倍となる。その結果、ゲート絶縁膜の絶縁耐圧を越え、絶縁破壊に至る。このブロッキング時のゲート絶縁膜破壊を回避するため、特許文献2によれば、ゲート絶縁膜電界を緩和するような構造が提案されている。ただし、特許文献2のような構造は、ドレイン電流経路を狭窄するため、寄生抵抗が大きくなり、十分な性能を得ることができない。 According to Patent Document 2, a structure is proposed in which a trench is formed up to a drift layer so as to penetrate a p + type body layer that supports a breakdown voltage, and a channel current flows in a vertical direction with respect to the substrate. However, the dielectric breakdown strength of SiC is about seven times that of Si, and the electric field applied to the gate insulating film formed under the trench is seven times that of Si during blocking. As a result, the breakdown voltage of the gate insulating film is exceeded, leading to dielectric breakdown. In order to avoid the breakdown of the gate insulating film at the time of blocking, Patent Document 2 proposes a structure that relaxes the electric field of the gate insulating film. However, since the structure as in Patent Document 2 narrows the drain current path, the parasitic resistance increases, and sufficient performance cannot be obtained.
そこで、特許文献3では、トレンチがp+型のボディ層から露出することなく、内部に形成する構造が開示されている。この場合、チャネル電流は基板に対して平行に流れる。ただし、ソース電極とつながるn++型の高濃度ソース拡散層がトレンチを挟んでp+型のボディ層からp+型のボディ層外のJFET領域まで同一層として形成されているため、高い静電ポテンシャルが、p+型のボディ層から露出しているJFET領域側のn++型の高濃度ソース拡散層を介して、トレンチ側面まで到達する。その結果、ブロッキング時にトレンチ側のゲート絶縁膜に絶縁破壊を超える高い電界が印加され、破壊に至る。
Therefore,
特許文献4では、特許文献3同様にトレンチがp+型のボディ層から露出することなく、内部に形成する構造が開示されている。ただし、ソース電極とつながるn++型の高濃度ソース拡散層とは別に、トレンチを挟んでp+型のボディ層からp+型のボディ層外のn型のJFET領域まで、高濃度ソース拡散層よりも濃度が薄いn+型の電流拡散層が形成されている。さらに、n+型の電流拡散層上部には、電界を緩和するp+型の電界緩和層がp+型のボディ層をつながるように形成されている。このp+型の電界緩和層により、n+型の電流拡散層が寄生抵抗とならない程度に高濃度化することが可能となる。つまり、このp+型の電界緩和層により、静電ポテンシャルのn+型の電流拡散層内への侵入を抑制し、ブロッキング時にトレンチ側のゲート絶縁膜に印加されるゲート絶縁膜電界を低減することができる。結果として、低オン抵抗と高信頼性を両立することができる。
Patent Document 4 discloses a structure in which a trench is formed inside a p + -type body layer without being exposed from the p + type body layer, as in
特許文献4では、ドレイン端部のn+型の電流拡散層上にp+型の電界緩和層を設置している。一方、特許文献5では、ソース端部でn型のソース拡散層上にp型の層を設置している。しかし、特許文献5では、耐圧を支えるp型のボディ層を貫くように、ドリフト層までトレンチが形成されており、特許文献3および4のようにトレンチをp型のボディ層で覆う構造とはなっておらず、ブロッキング時にドレイン側のトレンチ端部でゲート絶縁膜に絶縁破壊を超える高い電界が印加され、破壊に至る。
In Patent Document 4, a p + type electric field relaxation layer is provided on the n + type current diffusion layer at the drain end. On the other hand, in Patent Document 5, a p-type layer is provided on an n-type source diffusion layer at the source end. However, in Patent Document 5, the trench is formed up to the drift layer so as to penetrate the p-type body layer that supports the withstand voltage. As in
しかしながら、特許文献4に開示されている技術では、チャネル長は、n++型の高濃度ソース拡散層とn+型の電流拡散層の位置で決まり、露光時の2層の合わせずれによるチャネル長のばらつきが問題となる。チャネル長のばらつきは、チップ間のしきい値電圧やオン抵抗のばらつきとなり、パワーモジュール内に設置されるチップ間の性能ばらつきとなる。パワーモジュール内のチップ間で性能がばらついた場合、性能の劣るチップで高負荷が生じ、パワーモジュール内で局所的な発熱が発生し、パワーモジュールの信頼性を損なわせる。 However, in the technique disclosed in Patent Document 4, the channel length is determined by the position of the n ++ type high concentration source diffusion layer and the n + -type current spreading layer, the channel length due to misalignment of two layers at the time of exposure Variations are a problem. The variation in channel length is a variation in threshold voltage and on-resistance between chips, and a variation in performance between chips installed in the power module. When the performance varies between chips in the power module, a high load is generated in the chip with inferior performance, and local heat generation occurs in the power module, thereby impairing the reliability of the power module.
また、露光時の2層の合わせでチャネル長を決めるため、チャネル長に大きなマージンを与える必要がある。その結果、短チャネル化によるチャネル抵抗の低減が困難となる。
さらに、オン時にはソース側のトレンチ上部エッジ部分に電界が集中するため、しきい値電圧が低下し、オフリークの問題が生じる。
そこで本願発明者等は、上記の問題を解決するために、n+型の電流拡散層及びp+型の電界緩和層、さらにはその周辺構造を検討した。
Further, since the channel length is determined by the combination of the two layers at the time of exposure, it is necessary to give a large margin to the channel length. As a result, it becomes difficult to reduce the channel resistance by shortening the channel.
Furthermore, since the electric field concentrates on the trench upper edge portion on the source side when the transistor is on, the threshold voltage is lowered, resulting in an off-leak problem.
In order to solve the above problems, the inventors of the present application have studied an n + type current diffusion layer and a p + type electric field relaxation layer, and further a peripheral structure thereof.
本発明の目的は、チャネル長ばらつきを抑制し、短チャネル化が可能な構造とすることで、高性能かつ高信頼性を期待できるパワー半導体装置およびその製造方法を提供することにある。ひいては、当該半導体装置を用いた小型・高性能・高信頼化した電力変換装置、および当該電力変換装置を用いた3相モータシステムを提供する。さらには、当該3相モータシステムを用いた自動車および鉄道車両の軽量・高性能・高信頼化を提供する。 An object of the present invention is to provide a power semiconductor device that can be expected to have high performance and high reliability, and a method for manufacturing the same, by suppressing the variation in channel length and making the channel short. As a result, a compact, high-performance, highly reliable power converter using the semiconductor device, and a three-phase motor system using the power converter are provided. Furthermore, the present invention provides light weight, high performance, and high reliability of automobiles and railway vehicles using the three-phase motor system.
本発明の半導体装置の好ましい例では、第1不純物濃度を有する第1導電型の半導体基板と、前記半導体基板の裏面側に形成されている裏面電極と、前記半導体基板上に形成されている前記第1不純物濃度よりも低い第2不純物濃度の前記第1導電型の第1領域と、前記第1導電型の第1領域内に形成され、前記半導体基板表面側に形成されている前記第1導電型とは反対の第2導電型の第2領域と、隣り合う複数の前記第2領域に挟まれ、前記第1導電型の第3領域と、前記第2導電型の第2領域内に形成されている前記第1導電型の第4領域と、前記第1導電型の第4領域と隣り合い、電気的に接続し、前記第1導電型の第4領域より低濃度の前記第1導電型の第5領域と、前記第3領域と電気的に接続し、前記第1導電型の第5領域と等しい濃度である前記第1導電型の第6領域と、前記第5領域と、前記第2領域と、および前記第6領域とに延在し、前記第2領域よりも浅く、底面が前記第2領域に接しているトレンチと、前記トレンチの内壁に形成されているゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されているゲート電極とを有することを特徴とする。
ここで等しい濃度とは、その差が±10%以内に収まることを言い、第1電流拡散層の濃度と第2電流拡散層の濃度が等しいとは、第1電流拡散層の断面でみた中央の位置における濃度と、第2電流拡散層の断面でみた中央の位置における濃度の差が、±10%以内に収まることを言う
In a preferred example of the semiconductor device of the present invention, a first conductivity type semiconductor substrate having a first impurity concentration, a back electrode formed on the back surface side of the semiconductor substrate, and the semiconductor substrate formed on the semiconductor substrate. The first conductivity type first region having a second impurity concentration lower than the first impurity concentration, and the first conductivity type first region formed in the first conductivity type first region and on the semiconductor substrate surface side. Between the second region of the second conductivity type opposite to the conductivity type and the plurality of adjacent second regions, the third region of the first conductivity type and the second region of the second conductivity type The formed first region of the first conductivity type is adjacent to and electrically connected to the fourth region of the first conductivity type, and the first region having a lower concentration than the fourth region of the first conductivity type. A fifth region of conductivity type, electrically connected to the third region, and a fifth region of first conductivity type; Extending to the first conductivity type sixth region, the fifth region, the second region, and the sixth region having a high concentration, shallower than the second region, and having a bottom surface in the first region. It has a trench in contact with two regions, a gate insulating film formed on the inner wall of the trench, and a gate electrode formed on the gate insulating film.
Here, the equal concentration means that the difference is within ± 10%. The concentration of the first current diffusion layer and the concentration of the second current diffusion layer is equal to the center of the cross section of the first current diffusion layer. The difference between the concentration at the center and the concentration at the center position in the cross section of the second current diffusion layer is within ± 10%.
また、本発明の半導体装置の製造方法の好ましい例では、第1導電型のエピタキシャル層が形成されている前記第1導電型の炭化珪素半導体基板を準備し、前記エピタキシャル層内に前記第1導電型とは反対の第2導電型のボディ層を形成し、隣り合う複数の前記ボディ層に挟まれた前記第1導電型のJFET領域を形成し、前記第2導電型のボディ層内に前記第1導電型のソース領域を形成し、前記第1導電型のソース領域と隣り合い、電気的に接続し、前記第1導電型のソース領域より低濃度に前記第1導電型の第1電流拡散層を形成し、前記JFET領域と電気的に接続し、一のフォトマスクを用いて前記第1導電型の第1電流拡散層と前記第1導電型の第2電流拡散層を形成し、前記ボディ層より浅く、底面が前記ボディ層に接し、前記第1電流拡散層、前記ボディ層、および前記第2電流拡散層に側面が接して延在するトレンチを形成し、前記トレンチの内壁に絶縁膜を形成し、前記絶縁膜上にゲート電極を形成する各工程を有することを特徴とする。 In a preferred example of the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the first conductivity type silicon carbide semiconductor substrate on which a first conductivity type epitaxial layer is formed is prepared, and the first conductivity type is provided in the epitaxial layer. Forming a second conductivity type body layer opposite to the mold, forming the first conductivity type JFET region sandwiched between a plurality of adjacent body layers, and forming the first conductivity type body layer in the second conductivity type body layer; A first conductivity type source region is formed, adjacent to and electrically connected to the first conductivity type source region, and the first conductivity type first current is lower in concentration than the first conductivity type source region. Forming a diffusion layer, electrically connecting to the JFET region, forming a first current diffusion layer of the first conductivity type and a second current diffusion layer of the first conductivity type using one photomask; Shallower than the body layer, the bottom surface is in contact with the body layer, A trench extending in contact with the first current diffusion layer, the body layer, and the second current diffusion layer is formed, an insulating film is formed on an inner wall of the trench, and a gate electrode is formed on the insulating film. It has each process to form, It is characterized by the above-mentioned.
すなわち、製造方法の特徴としては、前記第1導電型の第1電流拡散層と前記第1導電型の第2電流拡散層の形成工程は、同一のフォトマスクで同時に露光して形成したレジストマスクを介して第1導電型不純物をイオン注入して同時に形成する工程である。 That is, the manufacturing method is characterized in that the first conductive type first current diffusion layer and the first conductive type second current diffusion layer are formed by a resist mask formed by simultaneously exposing with the same photomask. The first conductivity type impurity is ion-implanted through the step and formed simultaneously.
本発明によれば、高性能かつ高信頼性のパワー半導体装置を提供することができる。ひいては、電力変換装置、3相モータシステム、自動車、および鉄道車両の高性能化を実現することができる。 According to the present invention, a high-performance and highly reliable power semiconductor device can be provided. As a result, high performance of the power conversion device, the three-phase motor system, the automobile, and the railway vehicle can be realized.
以下の実施の形態において、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。 In the following embodiments, when necessary for the sake of convenience, the description will be divided into a plurality of sections or embodiments. However, unless otherwise specified, they are not irrelevant to each other, and one is the other. There are some or all of the modifications, details, supplementary explanations, and the like.
また、以下の実施の形態で用いる図面においては、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。また、以下の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するもの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。以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。 Further, in the drawings used in the following embodiments, hatching may be added to make the drawings easy to see even if they are plan views. In all the drawings for explaining the following embodiments, components having the same function are denoted by the same reference numerals in principle, and repeated description thereof is omitted. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
≪炭化珪素半導体装置≫
本発明の実施の形態1による炭化珪素半導体装置の構造について図1および図2を用いて説明する。図1は複数のSiCパワーMISFETにより構成される炭化珪素半導体装置が搭載された半導体チップの要部上面図、図2はSiCパワーMISFETの要部鳥瞰図である。炭化珪素半導体装置を構成するのはSiCパワーMISFETである。
≪Silicon carbide semiconductor device≫
The structure of the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a top view of a main part of a semiconductor chip on which a silicon carbide semiconductor device composed of a plurality of SiC power MISFETs is mounted, and FIG. 2 is a bird's eye view of the main parts of the SiC power MISFET. The SiC power MISFET constitutes the silicon carbide semiconductor device.
図1に示すように、炭化珪素半導体装置を搭載する半導体チップ1は、複数のnチャネル型のSiCパワーMISFETが並列接続されたソース配線用電極2の下方に位置するアクティブ領域(SiCパワーMISFET形成領域、素子形成領域)と、平面視において上記アクティブ領域を囲む周辺形成領域とによって構成される。周辺形成領域には、平面視において上記アクティブ領域を囲むように形成された複数のp型のフローティング・フィールド・リミッティング・リング(Floating Field Limited Ring:FLR)3と、さらに平面視において上記複数のp型のフローティング・フィールド・リミッティング・リング3を囲むように形成されたn++型のガードリング4が形成されている。
As shown in FIG. 1, a
n型の炭化珪素(SiC)エピタキシャル基板(以下、SiCエピタキシャル基板と記す)のアクティブ領域の表面側に、SiCパワーMISFETのゲート電極、n++型のソース領域、n+型の第1電流拡散層、p+型の第1電界緩和層、n+型の第2電流拡散層、p+型の第2電界緩和層、p+型のボディ層、トレンチ、およびトレンチ側面のチャネル領域等が形成され、SiCエピタキシャル基板の裏面側に、SiCパワーMISFETのn+型のドレイン領域が形成されている。 On the surface side of the active region of an n-type silicon carbide (SiC) epitaxial substrate (hereinafter referred to as an SiC epitaxial substrate), a gate electrode of an SiC power MISFET, an n ++ type source region, an n + type first current diffusion layer , A p + -type first electric field relaxation layer, an n + -type second current diffusion layer, a p + -type second electric field relaxation layer, a p + -type body layer, a trench, and a channel region on the side surface of the trench. The n + -type drain region of the SiC power MISFET is formed on the back side of the SiC epitaxial substrate.
複数のp型のフローティング・フィールド・リミッティング・リング3をアクティブ領域の周辺に形成することにより、オフ時において、最大電界部分が順次外側のp型のフローティング・フィールド・リミッティング・リング3へ移り、最外周のp型のフローティング・フィールド・リミッティング・リング3で降伏するようになるので、炭化珪素半導体装置を高耐圧とすることが可能となる。図1では、3個のp型のフローティング・フィールド・リミッティング・リング3が形成されている例を図示しているが、これに限定されるものではない。また、n++型のガードリング4は、アクティブ領域に形成されたSiCパワーMISFETを保護する機能を有する。
By forming a plurality of p-type floating
アクティブ領域内に形成された複数のSiCパワーMISFET6は、平面視においてストライプパターンとなっており、それぞれのストライプパターンに接続する引出配線(ゲートバスライン)によって、全てのSiCパワーMISFETのゲート電極はゲート配線用電極8と電気的に接続している。
The plurality of
また、複数のSiCパワーMISFETはソース配線用電極2に覆われており、それぞれのSiCパワーMISFETのソースおよびボディ層の電位固定層はソース配線用電極2に接続されている。ソース配線用電極2は絶縁膜に設けられているソース開口部7を通じて外部配線と接続されている。ゲート配線用電極8は、ソース配線用電極2と離間して形成されており、それぞれのSiCパワーMISFETのゲート電極と接続されている。ゲート配線用電極8は、ゲート開口部5を通じて外部配線と接続されている。また、n型のSiCエピタキシャル基板の裏面側に形成されたn+型のドレイン領域は、n型のSiCエピタキシャル基板の裏面全面に形成されたドレイン配線用電極(図示せず)と電気的に接続している。 The plurality of SiC power MISFETs are covered with the source wiring electrode 2, and the source and body potential fixing layers of the respective SiC power MISFETs are connected to the source wiring electrode 2. The source wiring electrode 2 is connected to an external wiring through a source opening 7 provided in the insulating film. The gate wiring electrode 8 is formed separately from the source wiring electrode 2 and is connected to the gate electrode of each SiC power MISFET. The gate wiring electrode 8 is connected to an external wiring through the gate opening 5. Further, the n + -type drain region formed on the back side of the n-type SiC epitaxial substrate is electrically connected to a drain wiring electrode (not shown) formed on the entire back surface of the n-type SiC epitaxial substrate. doing.
次に、本実施の形態1によるSiCパワーMISFETの構造を、図2を用いて説明する。
図示は省略するが、炭化珪素(SiC)からなるn+型のSiC基板107の表面(第1主面)上に、n+型のSiC基板よりも不純物濃度の低い炭化珪素(SiC)からなるn−型のエピタキシャル層101が形成されている。n−型のエピタキシャル層101はドリフト層として機能する。n−型のエピタキシャル層101の厚さは、例えば5〜50μm程度である。
Next, the structure of the SiC power MISFET according to the first embodiment will be described with reference to FIG.
Although not shown, it consists of a top surface (first main surface) of the n + -
エピタキシャル層101の表面から所定の深さを有して、エピタキシャル層101内にはp+型のボディ層(ウェル領域)102が形成されている。隣接するp+型のボディ層102の間にはn−型のJFET領域124が形成されている。
図示は省略するが、p++型のボディ層電位固定領域109が形成されている。
さらに、エピタキシャル層101の表面から所定の深さを有して、p+型のボディ層102内には窒素を不純物とするn++型のソース領域103が形成されている。
A p + type body layer (well region) 102 is formed in the
Although not shown, a p ++ type body layer
Further, an n ++
p+型のボディ層102には、n+型の第1電流拡散層122と、n+型の第1電流拡散層122と同じ深さを有してn+型の第2電流拡散層105が形成されている。n+型の第1電流拡散層122はn++型のソース領域103と隣接し、n+型の第2電流拡散層105の一部はp+型のボディ層102に隣接するn−型のJFET領域124へ延在している。
The p + -
n+型の第1電流拡散層122上には、p+型の第1電界緩和層123が形成され、n+型の第2電流拡散層105上には、p+型の第2電界緩和層119が形成されている。p+型の第1電界緩和層123とp+型の第2電界緩和層119は同じ深さを有している。
n + -type on the first current spreading
n+型の第1電流拡散層122から、p+型のボディ層102を渡って、n+型の第2電流拡散層105にかかるように延在するトレンチ106が形成されている。トレンチ106の底面はp+型のボディ層102に接している。トレンチ106の表面には、ゲート絶縁膜110(図2では図示せず。)が形成されている。ゲート絶縁膜110上には、ゲート電極111(図2では図示せず。)が形成されている。
A
p+型のボディ層102のエピタキシャル層101の表面からの深さ(第1深さ)は、例えば0.5〜2.0μm程度である。また、n++型のソース領域103のエピタキシャル層101の表面からの深さ(第3深さ)は、例えば0.1〜1μm程度である。n+型の第1電流拡散層122のエピタキシャル層101の表面からの深さ(第4深さ)は、例えば0.1〜1μm程度である。n+型の第2電流拡散層105のエピタキシャル層101の表面からの深さは、n+型の第1電流拡散層122と同一(第4深さ)である。p+型の第1電界緩和層123のエピタキシャル層101の表面からの深さ(第5深さ)は、例えば0.01〜0.5μm程度である。p+型の第2電界緩和層119のエピタキシャル層101の表面からの深さは、p+型の第1電界緩和層123と同一(第5深さ)である。
The depth (first depth) of the p +
トレンチ106のエピタキシャル層101の表面からの深さ(第6深さ)は、p+型のボディ層102のエピタキシャル層101の表面からの深さ(第1深さ)よりも浅く、例えば0.1〜1.5μm程度である。トレンチのチャネル長に並行な方向の長さ(トレンチ長さ)は、例えば1〜3μm程度である。トレンチの基板に平行な方向のチャネル幅に並行な方向の長さ(トレンチ幅)は、例えば0.1〜2μm程度である。前記チャネル幅に並行な方向のトレンチ間隔は、例えば0.1〜2μm程度である。図示は省略するがp++型のボディ層電位固定領域109(図8参照)のエピタキシャル層101の表面からの深さ(第2深さ)は、例えば0.1〜0.5μm程度である。
The depth of the
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。 Note that “ − ” and “ + ” are signs representing the relative impurity concentration of the n-type or p-type conductivity, for example, “n − ”, “n”, “n + ”, “n ++ ”. The impurity concentration of the n-type impurity increases in this order.
図示は省略するが、n+型のSiC基板107の不純物濃度の好ましい範囲は、例えば1×1018〜1×1021cm−3である。n−型のエピタキシャル層101の不純物濃度の好ましい範囲は、例えば1×1014〜1×1017cm−3である。p+型のボディ層102の不純物濃度の好ましい範囲は、例えば1×1016〜1×1019cm−3である。また、n++型のソース領域103の不純物濃度の好ましい範囲は、例えば1×1019〜1×1021cm−3である。n+型の第1電流拡散層122およびn+型の第2電流拡散層105の不純物濃度の好ましい範囲は、例えば5×1016〜5×1018cm−3である。p+型の第1電界緩和層123およびp+型の第2電界緩和層119の不純物濃度の好ましい範囲は、例えば1×1017〜1×1019cm−3である。n−型のJFET領域124の不純物濃度の好ましい範囲は、例えば1×1014〜1×1017cm−3である。図示は省略するがp++型のボディ層電位固定領域109の不純物濃度の好ましい範囲は、例えば1×1019〜1×1021cm−3の範囲である。チャネル領域はトレンチ106の表面およびトレンチ106にはさまれたp+型のボディ層102の表面である。n−型のJFET領域124はn+型の第2電流拡散領域105とp型のボディ層102の各対にはさまれた領域である。
Although not shown, a preferable range of the impurity concentration of the n + -
図示は省略するがチャネル領域上にはゲート絶縁膜110が形成され、ゲート絶縁膜110上にはゲート電極111が形成されている。
Although not shown, a
次に、本実施の形態1によるSiCパワーMISFETの構成の特徴を、前述の図2を用いて説明する。
前述の図2に示すように、トレンチ106の側面がチャネル領域となるため、SiCエピタキシャル層101の表面のチャネル領域と比較して高いチャネル移動度が期待できる。また、チャネル長を同一のマスクを用いて形成するn+型の第1電流拡散層122とn+型の第2電流拡散層105によって決めるため、特許文献4にあるような、n++型の高濃度ソース拡散層と高濃度ソース拡散層よりも濃度が薄いn+型の電流拡散層の位置合わせで決まる構造と比較して、チャネル長のばらつきが小さい。その結果、チップ間のしきい値電圧やオン抵抗のばらつきが小さくすることができる。さらに、チャネル長が1層で決まるため、2層で決まる場合と比較して、チャネル長に大きなマージンを与える必要がない。その結果、短チャネル化によるチャネル抵抗の低減が可能となる。また、n+型の第2電流拡散層105上だけではなく、n+型の第1電流拡散層122上にもp+型の第1電界緩和層123が存在するため、ソース側トレンチ上部のエッジはp+型の第1電界緩和層123で覆われている。したがって、オン時にトレンチ上部エッジ部分に電界が集中しても、しきい値電圧の低下が生じず、オフリークを抑制することが出来る。
Next, features of the configuration of the SiC power MISFET according to the first embodiment will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 2 described above, since the side surface of the
以上より、同一マスクでチャネル長を規定するように、n+型の第1電流拡散層122とn+型の第2電流拡散層105を形成し、さらにp+型の第1電界緩和層123とp+型の第2電界緩和層119を形成することで、チャネル長ばらつきを低減し、短チャネル化することが可能となる。また、オン時にトレンチ上部エッジ部分に電界が集中しても、しきい値電圧の低下が生じず、オフリークの問題が生じない。したがって、特許文献4にある構造と比較して、パワーモジュール内のチップ間性能ばらつきが生じず、パワーモジュール内で局所的な発熱が発生しない。さらには、しきい値電圧を高くすることができるため、スイッチング時に生じる誤点弧の問題も生じない。
As described above, the n + -type first
≪炭化珪素半導体装置の製造方法≫
本発明の実施の形態1による炭化珪素半導体装置の製造方法について図3〜図17を用いて工程順に説明する。図3は実施の形態1における半導体装置の製造方法を説明する工程図である。図4〜図8、図9(b)〜図17は炭化珪素半導体装置のSiCパワーMISFET形成領域(素子形成領域)の一部を拡大して示す要部断面図である。図9(a)はSiCパワーMISFETにより構成される炭化珪素半導体装置が搭載された半導体チップの要部上面図である。
≪Method for manufacturing silicon carbide semiconductor device≫
A method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described in the order of steps with reference to FIGS. FIG. 3 is a process diagram illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. FIGS. 4 to 8 and FIGS. 9B to 17 are cross-sectional views of main parts showing an enlarged part of the SiC power MISFET formation region (element formation region) of the silicon carbide semiconductor device. FIG. 9A is a top view of a principal part of a semiconductor chip on which a silicon carbide semiconductor device constituted by a SiC power MISFET is mounted.
<工程P1>
まず、図4に示すように、n+型の4H−SiC基板107を用意する。n+型のSiC基板107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1×1018〜1×1021cm−3の範囲である。また、n+型のSiC基板107はSi面とC面との両面を有するが、n+型のSiC基板107の表面はSi面またはC面のどちらでもよい。
<Process P1>
First, as shown in FIG. 4, an n + type 4H—
次に、n+型のSiC基板107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(SiC)のn−型のエピタキシャル層101を形成する。n−型のエピタキシャル層101には、n+型のSiC基板107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101の不純物濃度はSiCパワーMISFETの素子定格に依存するが、例えば1×1014〜1×1017cm−3の範囲である。また、n−型のエピタキシャル層101の厚さは、例えば5〜50μmである。以上の工程により、n+型のSiC基板107およびn−型のエピタキシャル層101からなるSiCエピタキシャル基板104が形成される。
Next, an n −
<工程P2>
次に、n+型のSiC基板107の裏面(第2主面)から所定の深さ(第7深さ)を有して、n+型のSiC基板107の裏面にn+型のドレイン領域108を形成する。n+型のドレイン領域108の不純物濃度は、例えば1×1019〜1×1021cm−3の範囲である。
<Process P2>
Next, the n + -type drain region has a predetermined depth (seventh depth) from the back surface (second main surface) of the n + -
次に、図5に示すように、n−型のエピタキシャル層101の表面上に、マスクM11を形成する。マスクM11の厚さは、例えば1.0〜3.0μm程度である。素子形成領域におけるマスクM1の幅は、例えば1.0〜5.0μm程度である。マスク材料としては無機材料のSiO2膜、Si膜、SiN膜や有機材料のレジスト膜、ポリイミド膜を用いることができる。
Next, as shown in FIG. 5, a mask M <b> 11 is formed on the surface of the n −
次に、マスクM11越しに、n−型のエピタキシャル層101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。これにより、n−型のエピタキシャル層101の素子形成領域にp+型のボディ層102を形成する。また、隣接するp+型のボディ層102間にはマスクM11でイオン注入を遮蔽することでJFET領域124を形成する。なお、図示は省略するが、同時に素子形成領域周辺にp+型のフローティング・フィールド・リミッティング・リング3を形成する。終端部の構造としては、これに限定されるものではなく、例えばジャンクション・ターミネーション・エクステンション(Junction Termination Extension:JTE)構造であってもよい。
Next, a p-type impurity, for example, aluminum atoms (Al) is ion-implanted into the n − -
p+型のボディ層102のエピタキシャル層101の表面からの深さ(第1深さ)は、例えば0.5〜2.0μm程度である。また、p+型のボディ層102の不純物濃度は、例えば1×1016〜1×1019cm−3の範囲である。また、p+型のボディ層102の最大不純物濃度は、例えば1×1017〜1×1019cm−3の範囲である。
The depth (first depth) of the p +
次に、図6に示すように、マスクM11を除去した後、マスクM12を形成する。マスクM12は例えば、レジスト膜で形成する。マスクM12は、特に、同一のフォトマスクで各パターンを同時に露光することでレジスト膜に描画して形成する。マスクM12の厚さは、例えば1.0〜3.0μm程度である。マスクM12の長さでチャネル長が決まり、例えば、0.1〜2μm程度である。 Next, as shown in FIG. 6, after removing the mask M11, a mask M12 is formed. For example, the mask M12 is formed of a resist film. In particular, the mask M12 is formed by drawing on a resist film by simultaneously exposing each pattern with the same photomask. The thickness of the mask M12 is, for example, about 1.0 to 3.0 μm. The channel length is determined by the length of the mask M12 and is, for example, about 0.1 to 2 μm.
次に、マスクM12越しに、n−型のエピタキシャル層101およびp+型のボディ層102にn型不純物、例えば窒素原子(N)をイオン注入する。これにより、n−型のエピタキシャル層101の素子形成領域及びp+型のボディ層102にn+型の第1電流拡散層122およびn+型の第2電流拡散層105を形成する。
Next, n-type impurities, for example, nitrogen atoms (N) are ion-implanted into the n − -
n+型の第1電流拡散層122およびn+型の第2電流拡散層105の表面からの深さ(第4深さ)は、例えば0.1〜1.0μm程度である。また、n+型の第1電流拡散層122およびn+型の第2電流拡散層105の不純物濃度は、例えば5×1016〜5×1018cm−3の範囲である。
n + -type first current spreading
続いて、マスクM12越しに、n+型の第1電流拡散層122およびn+型の第2電流拡散層105の表面にp型不純物、例えば、Al原子をイオン注入する。これにより、n+型の第1電流拡散層122およびn+型の第2電流拡散層105表面にp+型の第1電界緩和層123およびp+型の第2電界緩和層119を形成する。
Subsequently, the mask M12 over, p-type impurities on the surface of the n + -type first current spreading
p+型の第1電界緩和層123およびp+型の第2電界緩和層119の表面からの深さ(第5深さ)は、例えば、0.01〜0.5μm程度である。また、p+型の第1電界緩和層123およびp+型の第2電界緩和層119の不純物濃度は、例えば1×1017〜1×1019cm−3の範囲である。
p + -type first electric
次に、図7に示すように、マスクM12を除去した後、マスクM13を形成する。マスクM13は例えば、レジスト膜で形成する。マスクM13の厚さは、例えば、1〜4μm程度である。マスクM13は、n+型の第1電流拡散層122に隣接するn++型のソース領域103形成部を開口する。また、図示は省略するが、マスクM13には、フローティング・フィールド・リミッティング・リング3の外周にガードリング4が形成される領域にも開口部が設けられている。マスクM13越しに、p+型のボディ層102にn型不純物、例えば窒素原子(N)やリン原子(P)をイオン注入して、n++型のソース領域103を形成し、図示は省略するが、周辺形成領域にn++型のガードリング4を形成する。
Next, as shown in FIG. 7, after removing the mask M12, a mask M13 is formed. For example, the mask M13 is formed of a resist film. The thickness of the mask M13 is, for example, about 1 to 4 μm. Mask M13 is open the n ++ -
n++型のソース領域103の表面からの深さ(第3深さ)は、例えば0.1〜1μm程度である。また、n++型のソース領域103の不純物濃度は、例えば1×1019〜1×1021cm−3の範囲である。
The depth (third depth) from the surface of the n ++
次に、図8に示すように、マスクM13を除去し、マスク14を形成する。マスクM14は例えば、レジスト膜で形成する。マスクM14の厚さは、例えば、0.5〜3μm程度である。マスクM14はp++型のボディ層の電位固定領域109形成部のみ開口する。マスクM14越しに、p型のボディ層102にp型不純物をイオン注入して、p++型のボディ層の電位固定領域109を形成する。p++型のボディ層電位固定領域109のp+型のボディ層102の表面からの深さ(第2深さ)は、例えば0.1〜0.5μm程度である。p++型のボディ層の電位固定領域109の不純物濃度は、例えば1×1019〜1×1021cm−3の範囲である。
Next, as shown in FIG. 8, the mask M13 is removed and a mask 14 is formed. For example, the mask M14 is formed of a resist film. The thickness of the mask M14 is, for example, about 0.5 to 3 μm. The mask M14 is opened only in the portion where the
<工程P3>
次に、マスクM14を除去した後、図示は省略するが、SiCエピタキシャル基板104の表面上および裏面上に、例えばプラズマCVD法により炭素(C)膜を堆積する。炭素(C)膜の厚さは、例えば0.03μm程度である。この炭素(C)膜により、SiCエピタキシャル基板104の表面および裏面を被覆した後、SiCエピタキシャル基板104に1500℃以上の温度で2〜3分間程度の熱処理を施す。これにより、SiCエピタキシャル基板104にイオン注入した各不純物の活性化を行う。熱処理後は、炭素(C)膜を、例えば酸素プラズマ処理により除去する。
<Process P3>
Next, after removing the mask M14, although not shown, a carbon (C) film is deposited on the front and back surfaces of the
<工程P4>
次に、図9(a)〜(c)に示すように、トレンチ加工用ハードマスク及びフィールド酸化膜として兼用するマスク125Aを形成する。マスク125Aは例えば、二酸化珪素(SiO2)膜で形成する。
<Process P4>
Next, as shown in FIGS. 9A to 9C, a trench processing hard mask and a
図9(a)は要部上面図、図9(b)は図9(a)の切断線AA’位置の要部断面図、図9(c)は図9(a)の切断線BB’位置の要部断面図である。マスク125Aの厚さは、例えば0.5〜3μm程度である。マスク125Aには、後の工程においてトレンチ106が形成される領域に開口部分が設けられている。
9A is a top view of the main part, FIG. 9B is a cross-sectional view of the main part at the position of the cutting line AA ′ in FIG. 9A, and FIG. 9C is the cutting line BB ′ in FIG. 9A. It is principal part sectional drawing of a position. The thickness of the
次に、図9(c)に示す様に、ドライエッチングプロセスを用いてn+型の第1電流拡散層122とp+型の第1電界緩和層123と、p+型のボディ層102と、n+型の第2電流拡散層105とp+型の第2電界緩和層119と、に延在するトレンチ106を形成する。
形成するトレンチの深さは、p+型のボディ層102の深さよりも浅い。形成するトレンチの深さは、例えば0.1〜1.5μm程度である。トレンチのチャネル長方向に並行な方向の長さX(図9(a)参照)は、例えば1〜3μm程度である。トレンチのチャネル長方向に直交する方向の長さである幅Y1は、例えば0.1〜2μm程度である。チャネル長方向に直交する方向のトレンチ間の間隔Y2は、例えば0.1〜2μm程度である。
Next, as shown in FIG. 9C, using a dry etching process, the n + -type first
The depth of the trench to be formed is shallower than the depth of the p + -
<工程P5>
次に、図10に示すように、フィールド酸化膜125を残したまま、エピタキシャル層101の表面およびトレンチ106表面にゲート絶縁膜110を形成する。ゲート絶縁膜110は、例えば熱CVD法により形成されたSiO2膜からなる。ゲート絶縁膜110の厚さは、例えば0.005〜0.15μm程度である。
<Process P5>
Next, as shown in FIG. 10, the
次に、図11に示すように、ゲート絶縁膜110上に、n型またはp型の多結晶珪素(Si)膜111Aを形成する。n型またはp型の多結晶珪素(Si)膜111Aの厚さは、例えば0.01〜4μm程度である。
Next, as shown in FIG. 11, an n-type or p-type polycrystalline silicon (Si)
次に、図12に示すように、マスクM17(ホトレジスト膜)を用いて、多結晶珪素(Si)膜111Aをドライエッチング法により加工して、ゲート電極111を形成する。
Next, as shown in FIG. 12, using the mask M17 (photoresist film), the polycrystalline silicon (Si)
<工程P6>
次に、図13に示すように、n−型のエピタキシャル層101の表面上に、ゲート電極111およびゲート絶縁膜110を覆うように、例えばプラズマCVD法により層間絶縁膜112を形成する。
<Process P6>
Next, as illustrated in FIG. 13, an
次に、図14に示すように、マスクM18(ホトレジスト膜)を用いて、層間絶縁膜112およびゲート絶縁膜110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103の一部およびp++型のボディ層電位固定領域109に達する開口部CNT_Sを形成する。
Next, as shown in FIG. 14, using the mask M18 (photoresist film), the
次に、図15に示すように、マスクM18を除去した後、開口部CNT_Sの底面に露出しているn++型のソース領域103の一部およびp++型のボディ層電位固定領域109のそれぞれの表面に金属シリサイド層113を形成する。
Next, as shown in FIG. 15, after removing the mask M18, a part of the n ++
まず、図示は省略するが、エピタキシャル層101の表面上に、層間絶縁膜112および開口部CNT_S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第1金属膜として、例えばニッケル(Ni)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。続いて、600〜1000℃のシリサイド化熱処理を施すことにより、開口部CNT_Sの底面において第1金属膜とエピタキシャル層101とを反応させて、金属シリサイド層113として、例えばニッケルシリサイド(NiSi)層を開口部CNT_Sの底面に露出しているn++型のソース領域103の一部およびp++型のボディ層電位固定領域109のそれぞれの表面に形成する。続いて、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。
First, although not shown in the drawing, for example, nickel (Ni) is used as the first metal film by sputtering, for example, so as to cover the inside (side surface and bottom surface) of the
次に、図示は省略するが、マスク(ホトレジスト膜)を用いて、層間絶縁膜112を加工して、ゲート電極111に達する開口部CNT_Gを形成する。
Next, although not shown, the
次に、図16に示すように、n++型のソース領域103の一部およびp++型のボディ層電位固定領域109のそれぞれの表面に形成された金属シリサイド層113に達する開口部CNT_S、ならびにゲート電極111に達する開口部CNT_G(図示は省略)の内部を含む層間絶縁膜112上に第3金属膜114、例えばチタン(Ti)膜と窒化チタン(TiN)膜とアルミニウム(Al)膜とからなる積層膜を堆積する。アルミニウム(Al)膜の厚さは、例えば2.0μm以上が好ましい。続いて、第3金属膜114を加工することにより、CNT_S内の金属シリサイド層113を介してn++型のソース領域103の一部およびp++型のボディ層電位固定領域109と電気的に接続するソース配線用電極2と、ゲート電極111と開口部CNT_Gを通して電気的に接続するゲート配線用電極8と、を形成する。
Next, as shown in FIG. 16, an opening CNT_S reaching the
次に、図示は省略するが、SiO2膜もしくはポリイミド膜をパッシベーション膜としてゲート配線用電極8およびソース配線用電極2を覆うように堆積させる。 Next, although not shown, an SiO 2 film or a polyimide film is deposited as a passivation film so as to cover the gate wiring electrode 8 and the source wiring electrode 2.
次に、図示は省略するが、パッシベーション膜を加工してパッシベーションを形成する。その際に、ソース電極開口部7とゲート電極開口部5を形成する。 Next, although illustration is omitted, the passivation film is processed to form a passivation. At that time, the source electrode opening 7 and the gate electrode opening 5 are formed.
次に、図示は省略するが、n+型のドレイン領域108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。
Next, although not shown, a second metal film is deposited on the n + -
次に、図17に示すように、レーザーシリサイド化熱処理を施すことにより、第2金属膜とn+型のドレイン領域108と反応させて、n+型のドレイン領域108を覆うように金属シリサイド層115を形成する。続いて、金属シリサイド層115を覆うように、ドレイン配線用電極116を形成する。ドレイン配線用電極116にはTi膜とNi膜と金(Au)膜の積層膜を0.5〜1μm堆積させて形成する。
Next, as shown in FIG. 17, by applying a laser silicidation heat treatment, it is reacted with a second metal film and the n + -
その後、ソース配線用電極2、ゲート配線用電極8、およびドレイン配線用電極116に、それぞれ外部配線が電気的に接続される。
Thereafter, external wirings are electrically connected to the source wiring electrode 2, the gate wiring electrode 8, and the
このように、本実施の形態1によれば、図6に示すように、マスクM12で形成したn+型の第1電流拡散層122とn+型の第2電流拡散層105間でチャネル長を規定している。したがって、特許文献4にある構造と比較して、チャネル長ばらつきを低減し、短チャネル化することが可能となる。また、図6に示すように、マスクM12でn+型の第1電流拡散層122とn+型の第2電流拡散層105表面にp+型の第1電界緩和層123とp+型の第2電界緩和層119を形成している。したがって、ソース側トレンチ上部エッジはp+型の第1電界緩和層123となるため、オン時にトレンチ上部エッジ部分に電界が集中しても、しきい値電圧の低下が生じず、オフリークの問題が生じない。したがって、パワーモジュール内のチップ間性能ばらつきが生じず、パワーモジュール内で局所的な発熱が発生しない。さらには、しきい値電圧を高くすることができるため、スイッチング時に生じる誤点弧の問題も生じない。
Thus, according to the first embodiment, as shown in FIG. 6, the channel length between the first current spreading
本実施の形態2と前述した実施の形態1との相違点は、図18のSiCパワーMISFETの要部鳥瞰図に示すように、n型のJFET領域224を高濃度化し、p+型の第2電界緩和層をJFET領域224の上部まで延在させたp+型の第2電界緩和層219を形成している点である。n型のJFET領域224の濃度を高濃度化することにより、寄生抵抗となるJFET抵抗を下げることができる。ただし、JFET領域224の濃度を高濃度化させると、JFET上部の電界が高くなる。そこで、p+型の第2電界緩和層をJFET領域224の上部まで延在させたp+型の第2電界緩和層219を形成することにより、JFET領域224上部の酸化膜を保護する。その結果、オン抵抗を低減しながら、高い信頼性を得ることが可能となる。
The difference between the second embodiment and the first embodiment described above is that, as shown in the bird's-eye view of the main part of the SiC power MISFET of FIG. 18, the n-
≪炭化珪素半導体装置の製造方法≫
本実施の形態2による炭化珪素半導体装置の製造方法について図19及び20を用いて説明する。図19及び20に、本実施の形態の炭化珪素半導体装置のSiCパワーMISFET形成領域(素子形成領域)の一部を拡大して示す。
≪Method for manufacturing silicon carbide semiconductor device≫
A method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. 19 and 20 show an enlarged part of the SiC power MISFET formation region (element formation region) of the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment.
前述した実施の形態1とp++型のボディ層電位固定領域209形成工程までは同様である。図19は、n型のJFET領域224とp+型の第2電界緩和層をJFET領域224の上部まで延在させたp+型の第2電界緩和層219の形成工程である。図19に示すように、マスクM20を形成する。マスクM20は例えば、レジスト膜で形成する。マスクM20の厚さは、例えば、1〜4μm程度である。マスクM20はn型のJFET領域形成部を開口する。マスクM20越しに、n−型のエピタキシャル層201にn型不純物、例えば窒素原子(N)やリン原子(P)をイオン注入して、n型のJFET領域224を形成する。
The process up to the first embodiment described above is the same up to the formation process of the p ++ type body layer
n型のJFET領域224の表面からの深さ(第7深さ)は、例えば0.5〜2.0μm程度である。また、n型のJFET領域224の不純物濃度は、例えば1×1014〜1×1017cm−3の範囲である。
The depth from the surface of the n-type JFET region 224 (seventh depth) is, for example, about 0.5 to 2.0 μm. The impurity concentration of the n-
次にマスクM20越しにn型のJFET領域224の表面にp型不純物、例えばAl原子をイオン注入する。これにより、n型のJFET領域224表面にp+型の第2電界緩和層をJFET領域224の上部まで延在させたp+型の第2電界緩和層219を形成する。
Next, p-type impurities, for example, Al atoms are ion-implanted into the surface of the n-
p+型の第2電界緩和層219の表面からの深さ(第7深さ)は、例えば、0.01〜0.5μm程度である。また、p+型の第2電界緩和層219の不純物濃度は、例えば1×1017〜1×1019cm−3の範囲である。
The depth (seventh depth) from the surface of the p + -type second electric
残りの工程は前述した実施の形態1と同様であり、残りの工程を行うことで、図20の要部断面図に示す本実施の形態2が完成する。 The remaining steps are the same as those in the first embodiment described above. By performing the remaining steps, the second embodiment shown in the cross-sectional view of the main part in FIG. 20 is completed.
このように、本実施の形態2によれば、実施の形態1と同様に、特許文献4にある構造と比較して、チャネル長ばらつきを低減し、短チャネル化することが可能となる。また、ソース側トレンチ上部エッジはp+型の第1電界緩和層223となるため、オン時にトレンチ上部エッジ部分に電界が集中しても、しきい値電圧の低下が生じず、オフリークの問題が生じない。したがって、パワーモジュール内のチップ間性能ばらつきが生じず、パワーモジュール内で局所的な発熱が発生しない。さらには、しきい値電圧を高くすることができるため、スイッチング時に生じる誤点弧の問題も生じない。加えて、n型のJFET領域224が高濃度であるため、寄生抵抗であるJFET抵抗を低減することができる。また、p+型の第2電界緩和層をJFET領域224の上部まで延在させたp+型の第2電界緩和層219があるため、n型のJFET領域224が高濃度であっても、ブロッキング時にJFET上部のフィールド酸化膜225に絶縁破壊に至る高電界が印加されることはない。したがって、より高性能で高信頼な炭化珪素半導体装置を提供することができる。
As described above, according to the second embodiment, as in the first embodiment, it is possible to reduce channel length variation and shorten the channel as compared with the structure disclosed in Patent Document 4. Further, since the source-side trench upper edge becomes the p + -type first electric
本実施の形態3と前述した実施の形態1との相違点は、図21のSiCパワーMISFETの要部鳥瞰図に示すように、トレンチ306がn+型の第1電流拡散層322とp+型の第1電界緩和層323を貫いてn++型の高濃度ソース領域303まで届いている点である。トレンチ306がn++型の高濃度ソース領域303まで届いていることにより、SiCパワーMISFETがオン状態のときには、n+型の第1電流拡散層322表面が蓄積層となり、高濃度ソース領域303より低濃度なn+型の第1電流拡散層322の寄生抵抗が無視できるほど小さくなる。したがって、よりオン抵抗を低減することが可能となる。
The difference between the third embodiment and the first embodiment described above is that, as shown in the bird's-eye view of the main part of the SiC power MISFET of FIG. 21, the
≪炭化珪素半導体装置の製造方法≫
本実施の形態3による炭化珪素半導体装置の製造方法について図22(a)〜図23(b)を用いて説明する。図22、23に、本実施の形態の炭化珪素半導体装置のSiCパワーMISFET形成領域(素子形成領域)の一部を拡大して示す。
≪Method for manufacturing silicon carbide semiconductor device≫
A method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the third embodiment will be described with reference to FIGS. 22 (a) to 23 (b). 22 and 23 are enlarged views of a part of the SiC power MISFET formation region (element formation region) of the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment.
前述した実施の形態1と不純物の活性化工程P3までは同様である。次に、図22(a)〜(c)に示すように、トレンチ加工用ハードマスク及びフィールド酸化膜として兼用するマスク325Aを形成する。マスク325Aは例えば、二酸化珪素(SiO2)膜で形成する。
The steps up to the first embodiment described above are the same up to the impurity activation step P3. Next, as shown in FIGS. 22A to 22C, a
図22(a)は要部上面図、図22(b)は図22(a)の切断線AA’位置の要部断面図、図22(c)は図22(a)の切断線BB’位置の要部断面図である。マスク325Aの厚さは、例えば0.5〜3μm程度である。マスク325Aには、後の工程においてトレンチ306が形成される領域に開口部分が設けられている。実施の形態1との違いは、図22(c)に示すように、開口部分がn+型の第1電流拡散層322とp+型の第1電界緩和層323を貫いてn++型の高濃度ソース領域303まで届いている点である。
22A is a top view of the main part, FIG. 22B is a cross-sectional view of the main part at the position of the cutting line AA ′ in FIG. 22A, and FIG. 22C is the cutting line BB ′ in FIG. It is principal part sectional drawing of a position. The thickness of the
次にドライエッチングプロセスを用いてトレンチ306が、n+型の第1電流拡散層322とp+型の第1電界緩和層323とを貫きn++型の高濃度ソース領域303まで延在し、さらに、p+型のボディ層302と、n+型の第2電流拡散層305とp+型の第2電界緩和層319とまで延在する。
Next, using a dry etching process, the
形成するトレンチの深さは、p+型のボディ層302の深さよりも浅い。形成するトレンチの深さは、例えば0.1〜1.5μm程度である。トレンチのチャネル長方向に並行な方向の長さX(トレンチ長さ)は、例えば1〜4μm程度である。トレンチの基板に平行なチャネル幅方向に並行な方向の長さY1(トレンチ幅)は、例えば0.1〜2μm程度である。基板に平行なチャネル幅方向に並行な方向のトレンチ間隔Y2は、例えば0.1〜2μm程度である。
The depth of the trench to be formed is shallower than the depth of the p +
残りの工程は前述した実施の形態1と同様であり、残りの工程を行うことで、図22(a)の切断線AA’位置に対応する図23(a)および、図22(a)の切断線BB’位置に対応する図23(b)の要部断面図に示す本実施の形態3が完成する。 The remaining steps are the same as those in the first embodiment described above. By performing the remaining steps, FIG. 23A and FIG. 22A corresponding to the position of the cutting line AA ′ in FIG. The third embodiment shown in the cross-sectional view of the relevant part in FIG. 23B corresponding to the position of the cutting line BB ′ is completed.
このように、本実施の形態3によれば、実施の形態1と同様に、特許文献4にある構造と比較して、チャネル長ばらつきを低減し、短チャネル化することが可能となる。また、ソース側トレンチ上部エッジはp+型の第1電界緩和層323となるため、オン時にトレンチ上部エッジ部分に電界が集中しても、しきい値電圧の低下が生じず、オフリークの問題が生じない。したがって、パワーモジュール内のチップ間性能ばらつきが生じず、パワーモジュール内で局所的な発熱が発生しない。さらには、しきい値電圧を高くすることができるため、スイッチング時に生じる誤点弧の問題も生じない。加えて、図23(b)に示すように、トレンチ306がn++型の高濃度ソース領域303まで届いていることにより、SiCパワーMISFETがオン状態のときには、高濃度ソース領域303より低濃度なn+型の第1電流拡散層322表面が蓄積層となり、n+型の第1電流拡散層322の寄生抵抗が無視できるほど小さくなる。したがって、より高性能な炭化珪素半導体装置を提供することができる。
Thus, according to the third embodiment, as in the first embodiment, the channel length variation can be reduced and the channel length can be reduced as compared with the structure disclosed in Patent Document 4. In addition, since the source-side trench upper edge becomes the p + -type first electric
前述の実施の形態1から3において説明したSiCパワーMISFETを有する半導体装置は電力変換装置に用いることができる。実施の形態4における電力変換装置について図24を用いて説明する。図24は実施の形態4における電力変換装置(インバータ)の一例を示す回路図である。 The semiconductor device having the SiC power MISFET described in the first to third embodiments can be used for a power conversion device. A power conversion apparatus according to Embodiment 4 will be described with reference to FIG. FIG. 24 is a circuit diagram showing an example of a power converter (inverter) in the fourth embodiment.
図24に示すように、インバータ802はスイッチング素子であるSiCパワーMISFET804と、ダイオード805とを有する。各単相において、電源電圧(Vcc)と負荷(例えばモータ)801の入力電位との間にSiCパワーMISFET804とダイオード805とが逆並列に接続されており(上アーム)、負荷801の入力電位と接地電位(GND)との間にもSiCパワーMISFET素子804とダイオード805とが逆並列に接続されている(下アーム)。つまり、負荷801では各単相に2つのSiCパワーMISFET804と2つのダイオード805が設けられており、3相で6つのスイッチング素子804と6つのダイオード805が設けられている。そして、個々のSiCパワーMISFET804のゲート電極には制御回路803が接続されており、この制御回路803によってSiCパワーMISFET804が制御されている。従って、制御回路803でインバータ802を構成するSiCパワーMISFET804を流れる電流を制御することにより、負荷801を駆動することができる。
As shown in FIG. 24, the
インバータ802を構成するSiCパワーMISFET804の機能について以下に説明する。負荷801、例えばモータを制御駆動させるためには所望の電圧の正弦波を負荷801に入力する必要がある。制御回路803はSiCパワーMISFET804を制御し、矩形波のパルス幅を動的に変化させるパルス幅変調動作を行っている。出力された矩形波はインダクタを経ることで、平滑化され、擬似的な所望の正弦波となる。SiCパワーMISFET804は、このパルス幅変調動作を行うための矩形波を作り出す機能を有している。
The function of the
このように、実施の形態4によれば、SiCパワーMISFET804に、前述の実施の形態1から実施の形態3において説明した半導体装置を用いることにより、例えば、SiCパワーMISFET804が高性能な分、インバータなどの電力変換装置を高性能化することができる。また、SiCパワーMISFET804に長期信頼性があるので、インバータなどの電力変換装置の使用年数を長期化できる。
As described above, according to the fourth embodiment, by using the semiconductor device described in the first to third embodiments for the
また、電力変換装置は、3相モータシステムを用いることができる。前述の図24に示した負荷801は3相モータであり、インバータ802に、前述の実施の形態1から実施の形態3において説明した半導体装置を備えた電力変換装置を用いることにより、3相モータシステムの高性能化、使用年数の長期化を実現することができる。
The power conversion device can use a three-phase motor system. The
前述の実施の形態1から3において説明したSiCパワーMISFETを有する半導体装置は、電力変換装置に用いることができる。実施の形態5における電力変換装置について図25を用いて説明する。図25は実施の形態5における電力変換装置(インバータ)の一例を示す回路図である。 The semiconductor device having the SiC power MISFET described in the first to third embodiments can be used for a power conversion device. A power conversion apparatus according to Embodiment 5 will be described with reference to FIG. FIG. 25 is a circuit diagram showing an example of a power converter (inverter) in the fifth embodiment.
図25に示すように、インバータ902はスイッチング素子であるSiCパワーMISFET904を有する。各単相において、電源電圧(Vcc)と負荷(例えばモータ)901の入力電位との間にSiCパワーMISFET904が接続されており(上アーム)、負荷901の入力電位と接地電位(GND)との間にもSiCパワーMISFET素子904が接続されている(下アーム)。つまり、負荷901では各単相に2つのSiCパワーMISFET904が設けられており、3相で6つのスイッチング素子904が設けられている。そして、個々のSiCパワーMISFET904のゲート電極には制御回路903が接続されており、この制御回路903によってSiCパワーMISFET904が制御されている。従って、制御回路903でインバータ902を構成するSiCパワーMISFET904を流れる電流を制御することにより、負荷901を駆動することができる。
As shown in FIG. 25, the
インバータ902を構成するSiCパワーMISFET904の機能について以下に説明する。本実施の形態でも、SiCパワーMISFETの機能の1つとして、実施の形態4と同様にパルス幅変調動作を行うための矩形波を作り出す機能を有している。さらに、本実施の形態では、SiCパワーMISFETは実施の形態4のダイオード805の役割も担う。インバータ902において、例えばモータのように負荷901にインダクタンスを含む場合、SiCパワーMISFET904をオフしたとき、インダクタンスに蓄えられたエネルギーを必ず放出しなければならない(還流電流)。実施の形態4ではダイオード805がこの役割を担う。一方、実施の形態5ではこの役割をSiCパワーMISFET904が担う。すなわち、同期整流駆動が用いられる。ここで、同期整流駆動とは、還流時にSiCパワーMISFET904のゲートをオンし、SiCパワーMISFET904を逆導通させる方法である。
The function of the
したがって、還流時導通損失はダイオードの特性ではなく、SiCパワーMISFET904の特性で決まる。また、同期整流駆動を行う場合、上下アームが短絡することを防ぐため、上下のSiCパワーMISFETが共にオフとなる不動作時間が必要となる。この不動作時間の間はSiCパワーMISFET904のドリフト層とp型ボディ層によって形成される内蔵PNダイオードが駆動する。ただし、SiCはキャリアの走行距離がSiより短く、不動作時間の間の損失は小さい。例えば、実施の形態4のダイオード805をSiCショットキーバリアダイオードとした場合と、同等である。
Therefore, the conduction loss during reflux is determined not by the characteristics of the diode but by the characteristics of the
このように、実施の形態5によれば、SiCパワーMISFET904に、前述の実施の形態1から実施の形態3において説明した半導体装置を用いることにより、例えば、SiCパワーMISFET904が高性能な分、還流時の損失も小さくできる。また、ダイオードを使わないため、インバータなどの電力変換装置を小型化することができる。さらに、SiCパワーMISFET904に長期信頼性があるので、インバータなどの電力変換装置の使用年数を長期化できる。
As described above, according to the fifth embodiment, by using the semiconductor device described in the first to third embodiments for the
また、電力変換装置は、3相モータシステムに用いることができる。前述の図25に示した負荷901は3相モータであり、インバータ902に、前述の実施の形態1から実施の形態3において説明した半導体装置を備えた電力変換装置を用いることにより、3相モータシステムの高性能化、使用年数の長期化を実現することができる。
The power converter can be used for a three-phase motor system. The
前述の実施の形態4または前述の実施の形態5において説明した3相モータシステムはハイブリット自動車、電気自動車、燃料電池自動車などの自動車に用いることができる。実施の形態6における3相モータシステムを用いた自動車を図26および図27を用いて説明する。図26は、実施の形態6における電気自動車の構成の一例を示す概略図であり、図27は、実施の形態6における昇圧コンバータの一例を示す回路図である。 The three-phase motor system described in the fourth embodiment or the fifth embodiment can be used for vehicles such as hybrid vehicles, electric vehicles, and fuel cell vehicles. An automobile using the three-phase motor system in the sixth embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 26 is a schematic diagram showing an example of the configuration of the electric vehicle in the sixth embodiment, and FIG. 27 is a circuit diagram showing an example of the boost converter in the sixth embodiment.
図26に示すように、電気自動車は、駆動輪1001aおよび駆動輪1001bが接続された駆動軸1002に動力を入出力可能とする3相モータ1003と、3相モータ1003を駆動するためのインバータ1004と、バッテリ1005と、を備える。さらに、該電気自動車は、昇圧コンバータ1008と、リレー1009と、電子制御ユニット1010と、を備え、昇圧コンバータ1008は、インバータ1004が接続された電力ライン1006と、バッテリ1005が接続された電力ライン1007とに接続されている。
As shown in FIG. 26, the electric vehicle includes a three-
3相モータ1003は、永久磁石が埋め込まれたロータと、3相コイルが巻回されたステータとを備えた同期発電電動機である。インバータ1004には、前述の実施の形態4または前述の実施の形態5において説明したインバータを用いることができる。
The three-
昇圧コンバータ1008は、図27に示すように、インバータ1013に、リアクトル1011および平滑用コンデンサ1012が接続された構成からなる。インバータ1013は、例えば、前述の実施の形態5において説明したインバータと同様であり、インバータ内の素子構成も同じである。実施の形態6では、例えば実施の形態5と同じようにSiCパワーMISFET1014で構成された図で示している。
As shown in FIG. 27,
図26の電子制御ユニット1010は、マイクロプロセッサと、記憶装置と、入出力ポートとを備えており、3相モータ1003のロータ位置を検出するセンサからの信号、またはバッテリ1005の充放電値などを受信する。そして、インバータ1004、昇圧コンバータ1008、およびリレー1009を制御するための信号を出力する。
The
このように、実施の形態6によれば、電力変換装置であるインバータ1004および昇圧コンバータ1008に、前述の実施の形態4および前述の実施の形態5において説明した電力変換装置を用いることができる。また、3相モータ1003、およびインバータ1004などからなる3相モータシステムに、前述の実施の形態4または前述の実施の形態5において説明した3相モータシステムを用いることができる。これにより、電気自動車の省エネルギー化、小型化、軽量化、省スペース化を図ることができる。
Thus, according to the sixth embodiment, the power conversion device described in the above-described fourth embodiment and the above-described fifth embodiment can be used for
なお、実施の形態6では、電気自動車について説明したが、エンジンも併用するハイブリット自動車、バッテリ1005が燃料電池スタックとなった燃料電池自動車にも同様に、上述の各実施の形態の3相モータシステムを適用することができる。
Although the electric vehicle has been described in the sixth embodiment, the three-phase motor system of each of the above-described embodiments is similarly applied to a hybrid vehicle that also uses an engine and a fuel cell vehicle in which the
前述の実施の形態4および前述の実施の形態5において説明した3相モータシステムは、鉄道車両に用いることができる。実施の形態7における3相モータシステムを用いた鉄道車両を図28を用いて説明する。図28は、実施の形態7における鉄道車両に備えられるコンバータおよびインバータの一例を示す回路図である。 The three-phase motor system described in the fourth embodiment and the fifth embodiment can be used for a railway vehicle. A railway vehicle using the three-phase motor system in the seventh embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 28 is a circuit diagram showing an example of a converter and an inverter provided in the railway vehicle in the seventh embodiment.
図28に示すように、鉄道車両には架線OW(例えば25kV)からパンタグラフPGを介して電力が供給される。トランス1109を介して電圧が1.5kVまで降圧され、コンバータ1107で交流から直流に変換される。さらに、キャパシタ1108を介してインバータ1102で直流から交流に変換されて、負荷1101である3相モータを駆動する。コンバータ1107内の素子構成は前述の実施の形態4のようにSiCパワーMISFETおよびダイオードを併用してもよく、また前述の実施の形態5のようにSiCパワーMISFET単独でもよい。実施の形態7では、例えば、実施の形態5のようにSiCパワーMISFET1104で構成された図を示している。なお、図28では、前述の実施の形態4または前述の実施の形態5において説明した制御回路は省略している。また、図中、符号RTは線路、符号WHは車輪を示す。
As shown in FIG. 28, electric power is supplied to the railway vehicle from an overhead line OW (for example, 25 kV) via a pantograph PG. The voltage is stepped down to 1.5 kV via the
このように実施の形態7によればコンバータ1107に、前述の実施の形態4または前述の実施の形態5において説明した電力変換装置を用いることができる。また、負荷1101、インバータ1102、および制御回路からなる3相モータシステムに、前述の実施の形態4または前述の実施の形態5において説明した3相モータシステムを用いることができる。これにより、鉄道車両の省エネルギー化、床下部品の小型化および軽量化を図ることができる。
As described above, according to the seventh embodiment, the
以上、本発明者によってなされた発明を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いうまでもない。 As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.
例えば、各部の材質、導電型、および製造条件等は前述した実施の形態の記載に限定されるものではなく、各々多くの変形が可能であることは言うまでもない。ここで、説明の都合上、半導体基板および半導体膜の導電型を固定して説明したが、前述した実施の形態に記載した導電型には限定されない。 For example, the material, conductivity type, manufacturing conditions, etc. of each part are not limited to those described in the above-described embodiments, and it goes without saying that many modifications can be made. Here, for convenience of explanation, the description has been made with the conductivity types of the semiconductor substrate and the semiconductor film being fixed, but it is not limited to the conductivity types described in the above embodiments.
1:半導体チップ、2:ソース配線用電極(SiCパワーMISFET形成領域、素子形成領域)、3:p型のフローティング・フィールド・リミッティング・リング、4:n++型のガードリング、5:ゲート開口部、6:SiCパワーMISFET、7:ソース開口部、8:ゲート配線用電極、101,201,301:n−型のエピタキシャル層、102,202,302:p+型のボディ層、103,203,303:n++型のソース領域、122,222,322:n+型の第1電流拡散層、123,223,323:p+型の第1電界緩和層、119,219,319:p+型の第2電界緩和層、105,205,305:n+型の第2電流拡散層、124,224,324:n−型のJFET領域、106,206,306:トレンチ、107,207,307:n+型のSiC基板、108,208,308:n+型のドレイン領域、109,209,309:p++型のボディ層電位固定領域、110,210,310:ゲート絶縁膜、111,211,311:ゲート電極、112,212,312:層間絶縁膜、113,213,313:金属シリサイド層、114,214,314:第3金属膜、115,215,315:金属シリサイド層、116,216,316:ドレイン配線用電極、801:負荷、802:インバータ、803:制御回路、804:SiCMISFET、805:ダイオード、901:負荷、902:インバータ、903:制御回路、904:SiCMISFET、905:、1001a,1001b:駆動輪、1002:駆動軸、1003:3相モータ、1004:インバータ、1005:バッテリ、1006:電力ライン、1007:電力ライン、1008:昇圧コンバータ、1009:リレー、1010:電子制御ユニット、1011:リアクトル、1012:平滑用コンデンサ、1013:インバータ、1014:SiCMISFET、1101:負荷、1102:インバータ、1104:SiCMISFET、1107:コンバータ、1108:キャパシタ、1109:トランス、OW:架線OW、RT:線路、WH:車輪、Vcc:電源電圧、GND:接地電位。 1: Semiconductor chip, 2: Source wiring electrode (SiC power MISFET forming region, element forming region), 3: p-type floating field limiting ring, 4: n ++ type guard ring, 5: gate opening Part: 6: SiC power MISFET, 7: source opening, 8: gate wiring electrode, 101, 201, 301: n − type epitaxial layer, 102, 202, 302: p + type body layer, 103, 203 , 303: n ++ type source region, 122, 222, 322: n + type first current diffusion layer, 123, 223, 323: p + type first electric field relaxation layer, 119, 219, 319: p +. the second electric field relaxation layer type, 105, 205, 305: n + -type second current diffusion layer, 124,224,324: n - -type JFET region, 106, 206, 06: trench, 107, 207, 307: n + -type SiC substrate, 108, 208, 308: n + -type drain region, 109,209,309: p ++ type body layer potential fixing region, 110 and 210, 310: gate insulating film, 111, 211, 311: gate electrode, 112, 212, 312: interlayer insulating film, 113, 213, 313: metal silicide layer, 114, 214, 314: third metal film, 115, 215 315: metal silicide layer, 116, 216, 316: drain wiring electrode, 801: load, 802: inverter, 803: control circuit, 804: SiCMISFET, 805: diode, 901: load, 902: inverter, 903: control circuit 904: SiCMISFET 905: 1001a, 1001b: driving wheel, 10 2: drive shaft, 1003: three-phase motor, 1004: inverter, 1005: battery, 1006: power line, 1007: power line, 1008: boost converter, 1009: relay, 1010: electronic control unit, 1011: reactor, 1012: Smoothing capacitor, 1013: inverter, 1014: SiCIMSFET, 1101: load, 1102: inverter, 1104: SiCIMSFET, 1107: converter, 1108: capacitor, 1109: transformer, OW: overhead line OW, RT: track, WH: wheel, Vcc : Power supply voltage, GND: Ground potential.
Claims (16)
前記半導体基板の裏面側に形成されている裏面電極と、
前記半導体基板上に形成されている前記第1不純物濃度よりも低い第2不純物濃度の前記第1導電型の第1領域と、
前記第1導電型の第1領域内に形成され、前記半導体基板表面側に形成されている前記第1導電型とは反対の第2導電型の第2領域と、
隣り合う複数の前記第2領域に挟まれ、前記第1導電型の第3領域と、
前記第2導電型の第2領域内に形成されている前記第1導電型の第4領域と、
前記第1導電型の第4領域と隣り合い、電気的に接続し、前記第1導電型の第4領域より低濃度の前記第1導電型の第5領域と、
前記第3領域と電気的に接続し、前記第1導電型の第5領域と等しい濃度である前記第1導電型の第6領域と、
前記第5領域と、前記第2領域と、および前記第6領域とに延在し、前記第2領域よりも浅く、底面が前記第2領域に接しているトレンチと、
前記トレンチの内壁に形成されているゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されているゲート電極とを有することを特徴とする半導体装置。 A first conductivity type semiconductor substrate having a first impurity concentration;
A back electrode formed on the back side of the semiconductor substrate;
A first region of the first conductivity type having a second impurity concentration lower than the first impurity concentration formed on the semiconductor substrate;
A second region of a second conductivity type formed in the first region of the first conductivity type and opposite to the first conductivity type formed on the semiconductor substrate surface side;
Sandwiched between a plurality of adjacent second regions, the third region of the first conductivity type,
A fourth region of the first conductivity type formed in the second region of the second conductivity type;
A fifth region of the first conductivity type adjacent to and electrically connected to the fourth region of the first conductivity type and having a lower concentration than the fourth region of the first conductivity type;
A sixth region of the first conductivity type electrically connected to the third region and having a concentration equal to that of the fifth region of the first conductivity type;
A trench extending to the fifth region, the second region, and the sixth region, shallower than the second region and having a bottom surface in contact with the second region;
A gate insulating film formed on the inner wall of the trench;
And a gate electrode formed on the gate insulating film.
前記第1導電型の第5領域上に形成され、前記第2導電型の第2領域と電気的に接続している前記第2導電型の第7領域と、
前記第1導電型の第6領域上に形成され、前記第2導電型の第2領域と電気的に接続し、前記第7領域と等しい濃度である前記第2導電型の第8領域とを更に有することを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
A seventh region of the second conductivity type formed on the fifth region of the first conductivity type and electrically connected to the second region of the second conductivity type;
An eighth region of the second conductivity type formed on the sixth region of the first conductivity type, electrically connected to the second region of the second conductivity type, and having the same concentration as the seventh region; A semiconductor device, further comprising:
前記第1導電型の第4領域の不純物濃度が1×1019cm−3から1×1021cm−3の範囲であり、
前記第1導電型の第5領域と前記第1導電型の第6領域の不純物濃度が等しく、該不純物濃度が5×1016cm−3から5×1018cm−3の範囲であることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The impurity concentration of the fourth region of the first conductivity type is in the range of 1 × 10 19 cm −3 to 1 × 10 21 cm −3 ;
The impurity concentration of the fifth region of the first conductivity type and the sixth region of the first conductivity type are equal, and the impurity concentration is in the range of 5 × 10 16 cm −3 to 5 × 10 18 cm −3. A featured semiconductor device.
前記第2導電型の第7領域と、前記第2導電型の第8領域の不純物濃度が等しく、該不純物濃度が1×1017cm−3から1×1019cm−3の範囲であることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 2,
The impurity concentration of the seventh region of the second conductivity type and the eighth region of the second conductivity type are equal, and the impurity concentration is in the range of 1 × 10 17 cm −3 to 1 × 10 19 cm −3. A semiconductor device characterized by the above.
前記エピタキシャル層内に前記第1導電型とは反対の第2導電型のボディ層を形成し、
隣り合う複数の前記ボディ層に挟まれた前記第1導電型のJFET領域を形成し、
前記第2導電型のボディ層内に前記第1導電型のソース領域を形成し、
前記第1導電型のソース領域と隣り合い、電気的に接続し、前記第1導電型のソース領域より低濃度に前記第1導電型の第1電流拡散層を形成し、
前記JFET領域と電気的に接続し、一のマスクを用いて前記第1導電型の第1電流拡散層と前記第1導電型の第2電流拡散層を形成し、
前記ボディ層より浅く、底面が前記ボディ層に接し、前記第1電流拡散層、前記ボディ層、および前記第2電流拡散層に側面が接して延在するトレンチを形成し、
前記トレンチの内壁に絶縁膜を形成し、
前記絶縁膜上にゲート電極を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 Preparing the first conductivity type silicon carbide semiconductor substrate on which the first conductivity type epitaxial layer is formed;
Forming a body layer of a second conductivity type opposite to the first conductivity type in the epitaxial layer;
Forming the first conductivity type JFET region sandwiched between a plurality of adjacent body layers;
Forming a source region of the first conductivity type in the body layer of the second conductivity type;
Forming a first current diffusion layer of the first conductivity type adjacent to and electrically connected to the source region of the first conductivity type and having a lower concentration than the source region of the first conductivity type;
Electrically connecting to the JFET region, forming a first current diffusion layer of the first conductivity type and a second current diffusion layer of the first conductivity type using a mask;
Forming a trench that is shallower than the body layer, has a bottom surface in contact with the body layer, and a side surface extending in contact with the first current diffusion layer, the body layer, and the second current diffusion layer;
Forming an insulating film on the inner wall of the trench;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising forming a gate electrode on the insulating film.
前記第1導電型の第1電流拡散層と前記第1導電型の第2電流拡散層の形成工程は、同一のフォトマスクで同時に露光して形成したレジストマスクを介して第1導電型不純物をイオン注入して同時に形成する工程であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 5,
The step of forming the first current diffusion layer of the first conductivity type and the second current diffusion layer of the first conductivity type includes the step of exposing the first conductivity type impurity through a resist mask formed by simultaneous exposure with the same photomask. A method of manufacturing a semiconductor device, characterized by being a step of forming ions simultaneously.
前記第1導電型の第1電流拡散層上に、前記第2導電型のボディ層と電気的に接続するように前記第2導電型の第1電界緩和層を形成し、
前記第1導電型の第2電流拡散層上に、前記第2導電型のボディ層と電気的に接続し、前記第1電界緩和層と等しい濃度に、前記第2導電型の第2電界緩和層を更に形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 5,
Forming a first electric field relaxation layer of the second conductivity type on the first current diffusion layer of the first conductivity type so as to be electrically connected to the body layer of the second conductivity type;
The second conductivity type second electric field relaxation layer is electrically connected to the second conductivity type body layer on the first conductivity type second current diffusion layer and has the same concentration as the first electric field relaxation layer. A method of manufacturing a semiconductor device, further comprising forming a layer.
前記第2導電型の第1電界緩和層と前記第2導電型の第2電界緩和層の形成工程は、同一のフォトマスクで同時に露光して形成したレジストマスクを介して第1導電型不純物をイオン注入して、同時に前記第1電流拡散層と前記第2電流拡散層を形成した後、前記レジストマスクを介して第2導電型不純物をイオン注入して、同時に前記第1電界緩和層と前記第2電界緩和層を形成する工程であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 7,
The step of forming the second electric conductivity type first electric field relaxation layer and the second electric conductivity type second electric field relaxation layer includes the steps of exposing the first electric conductivity type impurity through a resist mask formed by simultaneous exposure with the same photomask. After ion implantation and simultaneously forming the first current diffusion layer and the second current diffusion layer, a second conductivity type impurity is ion-implanted through the resist mask and simultaneously the first electric field relaxation layer and the A method for manufacturing a semiconductor device, comprising forming a second electric field relaxation layer.
前記第1導電型の第3領域が、前記第1導電型の第1領域の不純物濃度より高濃度に形成された前記第1導電型の第9領域であり、
前記第2導電型の第8領域が、前記第1導電型の第6領域から前記第1導電型の第3領域に延在するように形成され、前記第2導電型の第2領域と電気的に接続した前記第2導電型の第10領域であることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 2,
The third region of the first conductivity type is a ninth region of the first conductivity type formed at a higher concentration than the impurity concentration of the first region of the first conductivity type;
The eighth region of the second conductivity type is formed to extend from the sixth region of the first conductivity type to the third region of the first conductivity type, and is electrically connected to the second region of the second conductivity type. A semiconductor device characterized in that it is the tenth region of the second conductivity type that is connected electrically.
前記トレンチが、前記第5領域と、前記第2領域と、および前記第6領域とに加えて、前記第4領域までに延在し、前記第2領域よりも浅く、底面が前記第2領域に接しているトレンチであることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The trench extends to the fourth region in addition to the fifth region, the second region, and the sixth region, is shallower than the second region, and has a bottom surface that is the second region. A semiconductor device characterized by being a trench in contact with the semiconductor device.
前記第1導電型の第5領域上に形成され、前記第2導電型の第2領域と電気的に接続している前記第2導電型の第7領域と、
前記第1導電型の第6領域上に形成され、前記第2導電型の第2領域と電気的に接続し、前記第7領域と等しい濃度である前記第2導電型の第8領域とを更に有することを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 10.
A seventh region of the second conductivity type formed on the fifth region of the first conductivity type and electrically connected to the second region of the second conductivity type;
An eighth region of the second conductivity type formed on the sixth region of the first conductivity type, electrically connected to the second region of the second conductivity type, and having the same concentration as the seventh region; A semiconductor device, further comprising:
前記半導体基板の材質は炭化珪素であることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device is characterized in that a material of the semiconductor substrate is silicon carbide.
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