JP2020036045A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device.
特許文献1は、n+型のSiC基板と、SiC基板上に形成されたn−型SiCエピ層と、n−型SiCエピ層の表層部に、間隔を空けて複数形成されたp型ベース領域と、各ベース領域の表層部に形成されたN+型ソース領域とを含む半導体装置を開示している。当該半導体装置におけるゲート絶縁膜は、隣り合うベース領域の間に跨って形成されており、このゲート絶縁膜上にゲート電極が形成されている。ゲート電極は、ゲート絶縁膜を挟んで各ボディ領域に対向している。ソース領域には、ソース電極が電気的に接続されている。一方、ドレイン電極は、SiC基板の裏面側に形成されている。これにより、ソース電極およびドレイン電極が、SiC基板の主面に垂直な縦方向に配置された縦型構造のパワーデバイスが構成されている。
ソース電極とドレイン電極との間(ソース−ドレイン間)に電圧を印加した状態で、ゲート電極に閾値以上の電圧が印加されることにより、ゲート電極からの電界によりボディ領域におけるゲート絶縁膜との界面近傍にチャネルが形成される。これにより、ソース電極とドレイン電極との間に電流が流れ、パワーデバイスがオン状態となる。 When a voltage equal to or higher than the threshold is applied to the gate electrode in a state where a voltage is applied between the source electrode and the drain electrode (between the source and the drain), an electric field from the gate electrode causes a contact with the gate insulating film in the body region. A channel is formed near the interface. Accordingly, a current flows between the source electrode and the drain electrode, and the power device is turned on.
特許文献1のような半導体装置では、半導体装置がオフの状態(つまり、ゲート電圧が0Vの状態)において、ソース領域と、ドレインとして機能するSiC基板に当該SiC基板が(+)側となる電圧が印加されると、互いに隣り合うボディ領域の間では、ゲート電極(0V)を基準として、高い電位の等電位面が分布する。
この等電位面は、他の領域における等電位面に比して狭い間隔を有しているので、ゲート電極とSiC基板との間に介在するゲート絶縁膜に大きな電界がかかる。したがって、ソース−ドレイン間にデバイス耐圧ほどの電圧が印加され続けると、ゲート絶縁膜は、電界集中に耐え切れず、絶縁破壊を起こす恐れがある。
In the semiconductor device as disclosed in
Since this equipotential surface has a smaller interval than the equipotential surfaces in other regions, a large electric field is applied to the gate insulating film interposed between the gate electrode and the SiC substrate. Therefore, if a voltage as high as the device withstand voltage is continuously applied between the source and the drain, the gate insulating film cannot withstand the electric field concentration and may cause dielectric breakdown.
また、このような問題は、高温の環境下でデバイス耐圧を検査する高温逆バイアス(HTRB:High Temperature Reverse Bias)試験において、歩留りの低下の原因にもなっている。
本発明の一実施形態は、耐圧に優れた半導体装置を提供する。
Such a problem also causes a decrease in yield in a high temperature reverse bias (HTRB) test for inspecting a device breakdown voltage under a high temperature environment.
One embodiment of the present invention provides a semiconductor device having excellent withstand voltage.
本発明の一実施形態は、主面を有し、ワイドバンドギャップ半導体を含む第1導電型の半導体層と、前記半導体層の前記主面の表層部に、互いに間隔を空けて複数形成された第2導電型のボディ領域と、前記ボディ領域の表層部に形成された第1導電型のソース領域(またはエミッタ領域)と、前記半導体層の前記主面の上に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の上に形成され、前記ソース領域(またはエミッタ領域)の上方と、互いに隣り合う前記第2導電型のボディ領域間の中間領域の上方とに端部を有するゲート電極とを含み、前記ゲート絶縁膜は、前記ゲート電極の前記端部の方が前記ゲート電極下方のチャネル領域に対する膜厚よりもその膜厚が厚い、半導体装置を提供する。 In one embodiment of the present invention, a plurality of semiconductor layers having a main surface and having a first conductivity type including a wide band gap semiconductor and a surface layer portion of the main surface of the semiconductor layer are formed at intervals from each other. A second conductivity type body region, a first conductivity type source region (or emitter region) formed in a surface layer of the body region, and a gate insulating film formed on the main surface of the semiconductor layer. A gate electrode formed on the gate insulating film and having ends above the source region (or the emitter region) and above an intermediate region between the adjacent body regions of the second conductivity type. A semiconductor device, wherein the thickness of the gate insulating film is greater at the end of the gate electrode than at a channel region below the gate electrode.
以下では、本発明の実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置1の模式的な平面図である。
半導体装置1は、ワイドバンドギャップ半導体の一例としてのSiCが採用され、たとえば600V〜10000Vの耐圧を有するプレーナゲート型のVDMISFET(Vertical double diffused Metal Insulator Field effect Transistor)2を含む。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a schematic plan view of a
The
半導体装置1は、図1の平面視において、一対の長辺1aおよび一対の短辺1bを含む略長方形状に形成されている。半導体装置1の長辺1aに沿う長手方向の一端部には平面視略長方形状のゲートパッド3が形成されており、当該ゲートパッド3の周囲を取り囲むようにVDMISFET2を含むアクティブ領域4が形成されている。
ゲートパッド3は、半導体装置1の短辺1bに沿って形成された一対の長辺3a、および半導体装置1の長辺1aに沿って形成された一対の短辺3bを含む。ゲートパッド3には、当該ゲートパッド3の周縁に沿って複数のコンタクト5が互いに間隔を空けて形成されている。コンタクト5は、ゲートパッド3の各長辺3aの長手方向両端部、および各短辺3bの長手方向中央部にそれぞれ形成されており、各コンタクト5にゲート配線6が電気的に接続されている。
The
ゲート配線6は、ゲートパッド3の各長辺3aにおける各コンタクト5と接続された第1配線7と、ゲートパッド3の各短辺3bにおける各コンタクト5と接続された第2配線8とを含む。各第1配線7は、各コンタクト5から半導体装置1の短辺1bに直交する方向に、互いに並走するように形成されている。一方、各第2配線8は、ゲートパッド3の各短辺3bに沿って形成されている。第1配線7および第2配線8には、複数のゲート電極10が一体的に連なるように形成されている。
The
複数のゲート電極10は、ゲート配線6に直交する方向に形成されており、互いに間隔を空けてストライプ状に配列されている。以下では、このゲート電極10が配列されている方向を「ゲート電極10のストライプ方向」ということにする。ゲート電極10には、ゲート電極10のストライプ方向に沿って形成されたVDMISFET2が電気的に接続されている。すなわち、本実施形態では、ストライプ状のVDMISFET2が形成されている。以下、図2および図3を参照して、VDMISFET2の構造について、より具体的に説明する。
The plurality of
図2は、図1に係る半導体装置1のゲート電極10および単位セル11の配列を示す拡大図である。図3(a)は、図2の切断面線IIIa−IIIaから見た断面図であり、図3(b)は、図2の切断面線IIIb−IIIbから見た断面図である。なお、図2では、説明の便宜上、ゲート配線6およびゲート電極10をハッチングで示している。
図3に示すように、半導体装置1は、ワイドバンドギャップ半導体の一例としてのSiCを含むSiC半導体層12を有している。SiC半導体層12は、n+型SiC基板13と、n+型SiC基板13上に積層され、n+型SiC基板13よりも低濃度のSiCエピタキシャル層14とを含む。SiCエピタキシャル層14は、n+型SiC基板13の表面にSiCをエピタキシャル成長させることによって形成されており、半導体装置1のドリフト層(ドレイン層)として機能する。
FIG. 2 is an enlarged view showing an arrangement of the
As shown in FIG. 3, the
n+型SiC基板13の不純物濃度は、たとえば1×1017cm−3〜1×1021cm−3であり、SiCエピタキシャル層14の不純物濃度は、たとえば1×1014cm−3〜1×1017cm−3である。n型の不純物としては、たとえば、N(窒素)、P(リン)、As(ひ素)等を使用できる(以下、同じ)。SiCエピタキシャル層14の表層部には、p−型ボディ接続領域16およびp−型ボディ領域17が一体的に形成されている。
The impurity concentration of n +
p−型ボディ接続領域16は、図2および図3(a)に示すように、ゲート配線6に沿って形成されている。p−型ボディ接続領域16は、ゲート配線6よりも幅広に形成されており、当該ゲート配線6を下方側から覆うように形成されている。
一方、p−型ボディ領域17は、図2および図3(b)に示すように、ゲート電極10のストライプ方向に沿って互いに間隔を空けて複数形成されている。各p−型ボディ領域17の長手方向における一端部および/または他端部は、図2に示すように、p−型ボディ接続領域16と一体的に連なるように形成されている。互いに隣り合う各p−型ボディ領域17間におけるSiCエピタキシャル層14は、中間領域としてのJFET(Junction Field Effect Transistor)領域18である。
The p − type
On the other hand, as shown in FIGS. 2 and 3B, a plurality of p −
JFET領域18の幅WJは、たとえば0.1μm〜50μm(本実施形態では、2.6μm)であることが好ましい。JFET領域18が広くなるにつれて、ゲート電極10がオフ状態の時、当該JFET領域18に高い電位の等電位面が分布する傾向にある。その一方で、JFET領域18が狭すぎると、JFET領域18の抵抗値が高くなる。したがって、この数値の範囲内であれば、JFET領域18に高い電位の等電位面が分布することを抑制しつつ、良好な抵抗値を実現できる。
The width WJ of the
p−型ボディ接続領域16およびp−型ボディ領域17の深さ(SiCエピタキシャル層14の表面から厚さ方向に向かう深さのことをいう。以下、同じ。)は、たとえば0.1μm〜10μmである。また、p−型ボディ接続領域16およびp−型ボディ領域17の不純物濃度は、たとえば1×1014cm−3〜1×1019cm−3である。p型の不純物としては、たとえば、B(ホウ素)、Al(アルミニウム)等を使用できる(以下、同じ)。p−型ボディ領域17の表層部には、n+型ソース領域19と、p+型ボディコンタクト領域20とが形成されている。
The depths of the p − -type
n+型ソース領域19は、図2および図3(b)に示すように、ゲート電極10のストライプ方向に沿って形成されており、p−型ボディ領域17の周縁から間隔を空けて平面視長方形の環状に形成されている。n+型ソース領域19は、p−型ボディ領域17よりも浅く形成されており、その深さは、たとえば0.05μm〜5μmである。また、n+型ソース領域19の不純物濃度は、たとえば1×1017cm−3〜1×1021cm−3である。
The n +
p+型ボディコンタクト領域20は、図2および図3(b)に示すように、ゲート電極10のストライプ方向に沿って形成されており、n+型ソース領域19に取り囲まれた内方部(p−型ボディ領域17の表層部の中央部)に平面視略長方形状に形成されている。p+型ボディコンタクト領域20は、p−型ボディ領域17よりも浅く、かつn+型ソース領域19よりも深く形成されている。p+型ボディコンタクト領域20の深さは、たとえば0.06μm〜6μmである。また、p+型ボディコンタクト領域20の不純物濃度は、たとえば1×1014cm−3〜1×1021cm−3である。このp+型ボディコンタクト領域20の中心を通る境界線によってゲート電極10のストライプ方向に延びる単位セル11が区画されている。SiCエピタキシャル層14の表面には、p−型ボディ接続領域16、および各単位セル11に沿ってゲート絶縁膜21が形成されている。
p + -type
ゲート絶縁膜21は、本実施形態では、SiO2(酸化シリコン)からなるシリコン酸化膜である。p−型ボディ接続領域16上に形成されたゲート絶縁膜21は、図3(a)に示すように、ゲート配線6よりも幅広に形成されている。つまり、ゲート配線6の全体は、ゲート絶縁膜21を挟んでp−型ボディ接続領域16と対向している。一方、各単位セル11上に形成されたゲート絶縁膜21は、図3(b)に示すように、互いに隣り合うp−型ボディ領域17に跨るように形成されている。より具体的には、ゲート絶縁膜21は、各p−型ボディ領域17におけるn+型ソース領域19を取り囲む部分、およびn+型ソース領域19の外周部を覆うように形成されている。ゲート絶縁膜21は、一様な厚さで形成されており、その膜厚は、たとえば1μm以下であることが好ましい。
In the present embodiment, the
ゲート電極10は、ゲート絶縁膜21を挟んで、チャネル領域22と対向している。より具体的には、ゲート電極10は、ゲート絶縁膜21を挟んで、p−型ボディ領域17外のSiCエピタキシャル層14、p−型ボディ領域17およびn+型ソース領域19に跨がる領域に対向している。平面視において、ゲート電極10は、n+型ソース領域19とp−型ボディ領域17との境界線から、n+型ソース領域19側へはみ出したオーバラップ部を含む。ストライプ方向に直交する方向において、ゲート電極10のオーバラップ部の幅は、たとえば0.05μm〜1μmである。
The
ゲート電極10(およびゲート配線6)は、たとえば2μm以下の膜厚を有している。また、ゲート電極10(およびゲート配線6)は、ポリシリコン、または金属材料からなる電極材料により形成されている。ゲート電極10にポリシリコンが採用される場合、当該ポリシリコンには、B(ホウ素)イオンが含まれていることが好ましい。これにより、チャネルの形成に必要なゲート電圧のしきい電圧(VGS(th))を低くできる。
Gate electrode 10 (and gate wiring 6) has a thickness of, for example, 2 μm or less. Further, the gate electrode 10 (and the gate wiring 6) is formed of an electrode material made of polysilicon or a metal material. When polysilicon is used for the
一方、ゲート電極10に金属材料が採用される場合、当該金属材料は、Al(アルミニウム),Cu(銅)またはAlCu(アルミニウム銅)からなることが好ましい。これらの金属材料によれば、電極材料としてポリシリコンが採用される場合よりも、ゲート電極10の抵抗値を低減できる。そのため、ゲート電極10の膜厚をより一層薄く(たとえば0.1μm〜1μm)できる。互いに隣り合うp−型ボディ領域17間の領域(JFET領域18)上における各ゲート電極10には、空洞部25が形成されている。
On the other hand, when a metal material is used for the
空洞部25は、ゲート電極10の電極材料が取り除かれ、ゲート電極10がゲート絶縁膜21を挟んでJFET領域18と対向しない領域である。各空洞部25は、図2に示すように、ゲート電極10のストライプ方向に沿って略長方形状に形成されている。また、各空洞部25は、当該ストライプ方向に直交する方向において、各p−型ボディ領域17間の中心を通る境界線を横切る位置に形成されている。より具体的に、各空洞部25は、各p−型ボディ領域17とJFET領域18との境界から間隔を隔てて、JFET領域18の内方に収まるように形成されている。各空洞部25は、互いに隣り合うp−型ボディ領域17の中央部上に形成されていることが好ましい。各空洞部25のストライプ方向における一端部および/または他端部は、ゲート配線6に至るように形成されている。
The
各空洞部25は、図3(b)に示すように、JFET領域18の幅WJ(=2.6μm)よりも幅狭に形成されており、その幅WDは、たとえば0.1μm〜2.4μm(本実施形態では、1.6μm)である。この空洞部25により、ゲート電極10は、平面視において、p−型ボディ領域17とJFET領域18との境界線から、JFET領域18側へはみ出したオーバラップ部をさらに含む構成となる。これにより、n+型ソース領域19とJFET領域18との間のp−型ボディ領域17に対してゲート電極10を確実に対向させることができるので、p−型ボディ領域17におけるチャネルの形成を確実に制御できる。すなわち、ゲート電極10がオン状態にされることにより、各単位セル11におけるJFET領域18に電流を流すことができる。より具体的には、SiCエピタキシャル層14からp−型ボディ領域17におけるチャネル領域22を介してn+型ソース領域19に流すことができる。チャネル領域22のチャネル長Lは、ゲート電極10の直下のp−型ボディ領域17の幅によって定義され、たとえば0.05μm〜2μm(本実施形態では、0.65μm)である。
As shown in FIG. 3B, each
SiCエピタキシャル層14上には、この空洞部25をゲート絶縁膜21上から埋め戻して、ゲート電極10を覆うように層間絶縁膜26が形成されている。空洞部25におけるゲート絶縁膜21上に形成された層間絶縁膜26は、ゲート電極10を覆うように形成された層間絶縁膜26と略等しい膜厚を有している。層間絶縁膜26の絶縁材料としては、SiO2またはSiO2よりも誘電率の高い絶縁材料、たとえばAl2O3またはSiNを採用できる。なお、図3では、空洞部25(中間絶縁膜30)の構成をより明確に示す観点から、ゲート絶縁膜21上の層間絶縁膜26の膜厚を大きくして示している。
On the
この空洞部25におけるゲート絶縁膜21と、空洞部25に埋設された層間絶縁膜26との積層構造によって、本発明の中間絶縁膜の一例としての中間絶縁膜30が定義される。
層間絶縁膜26の絶縁材料としてSiO2が採用される場合、層間絶縁膜26は、当該SiO2にP(リン)イオンが含まれるPSG(Phosphorus Silicon Glass)膜であることが好ましい。PSG膜によれば、平坦な表面を有する層間絶縁膜26を形成できる。また、PSG膜は、リフロー(たとえば、1000℃程度)時において良好に溶融する。そのため、空洞部25にPSG膜を良好に埋め込むことができる。また、層間絶縁膜26は、当該SiO2にP(リン)イオンに加えてB(ホウ素)イオンが含まれるBPSG(Boron Phosphorus Silicon Glass)膜であることがより好ましい。BPSG膜は、PSG膜よりも低い温度(たとえば、800℃程度)で溶融する。そのため、空洞部25にBPSG膜をより一層良好に埋め込むことができるとともに、より一層平坦な表面を有する層間絶縁膜26を形成できる。
The intermediate insulating
When SiO 2 is used as the insulating material of the
一方、層間絶縁膜26の絶縁材料としてAl2O3またはSiNが採用される場合、中間絶縁膜30は、ゲート絶縁膜21(SiO2)上にAl2O3またはSiNが積層された積層構造を含む。この構成によれば、SiCエピタキシャル層14と中間絶縁膜30とが接する部分(接続界面)がゲート絶縁膜21で形成されているので、チャネル領域22を流れるキャリアのチャネル移動度を向上できる。その一方で、ゲート絶縁膜21上にはSiO2よりも高い誘電率を有する層間絶縁膜26が形成されているので、当該層間絶縁膜26で中間絶縁膜30の誘電率を高くできる。
On the other hand, when Al 2 O 3 or SiN is used as the insulating material of the
このように形成された中間絶縁膜30は、ゲート絶縁膜21の膜厚の2倍以上(より具体的には、2倍〜25倍以上)の厚さを有しており、これにより、ゲート絶縁膜21の電界がかかり易い部分(すなわち、互いに隣り合うp−型ボディ領域17間の中央部)が、他の部分よりも厚く形成されている。
図4は、SiO2,SiCおよびSiの絶縁破壊時の電界強度の関係を示す表である。
The intermediate insulating
FIG. 4 is a table showing the relationship between the electric field strength at the time of dielectric breakdown of SiO 2 , SiC and Si.
図4の表を参照すれば、SiCの半導体絶縁破壊時におけるSiO2の電界(=6.4MV/cm)は、Siの半導体絶縁破壊時におけるSiO2の電界(=0.77MV/cm)と比べてSiO2の絶縁破壊時における電界(=8MV/cm〜11MV/cm)に近い値となっている。このことから、SiC半導体装置の場合、Si半導体装置よりもゲート絶縁膜(SiO2)が破壊し易いことが分かる。したがって、本実施形態のように、電界が最も高くなりやすいJFET領域18の中央部上に空洞部25を形成しつつ、ゲート絶縁膜21よりも厚い中間絶縁膜30を形成することにより、ゲート絶縁膜21(SiO2)が破壊することを効果的に抑制できることが分かる。また、このような中間絶縁膜30は、SiC半導体装置において、特に有効であることが分かる。
Referring to the table of FIG. 4, the electric field of SiO 2 (= 6.4 MV / cm) at the time of semiconductor breakdown of SiC is different from the electric field (= 0.77 MV / cm) of SiO 2 at the time of semiconductor breakdown of Si. In comparison, the value is close to the electric field (= 8 MV / cm to 11 MV / cm) at the time of dielectric breakdown of SiO 2 . This indicates that the gate insulating film (SiO 2 ) is more easily broken in the case of the SiC semiconductor device than in the case of the Si semiconductor device. Therefore, as in the present embodiment, by forming the intermediate insulating
なお、SiC(またはSi)の半導体絶縁破壊時におけるSiO2の電界は、(SiCの比誘電率/SiO2の比誘電率)×SiC(またはSi)の絶縁破壊電圧によって算出される。
再度、図3(a)および図3(b)を参照すれば、層間絶縁膜26には、コンタクトホール33が形成されている。コンタクトホール33内には、p+型ボディコンタクト領域20の全体、およびn+型ソース領域19の内周部が露出している。
The electric field of SiO 2 at the time of semiconductor breakdown of SiC (or Si) is calculated by (dielectric constant of SiC / relative permittivity of SiO 2 ) × dielectric breakdown voltage of SiC (or Si).
Referring again to FIG. 3A and FIG. 3B, a
層間絶縁膜26上には、ソース電極34が形成されている。ソース電極34は、各コンタクトホール33を介して、すべての単位セル11のp+型ボディコンタクト領域20およびn+型ソース領域19に一括して接続されている。つまり、ソース電極34は、すべての単位セル11に対して共通の配線となっている。ソース電極34は、SiCエピタキシャル層14との接触側から順にTi/TiN層35と、Al層とが積層された構造を有していてもよい。Ti/TiN層35は、密着層としてのTi層をSiCエピタキシャル層14側に有し、このTi層にバリア層としてのTiN層を積層した積層膜である。バリア層は、Al層の構成原子(Al原子)がSiCエピタキシャル層14側へと拡散することを防ぐ。ソース電極34上にはパッシベーション膜(図示せず)が部分的に形成されており、そのパッシベーション膜がない箇所がソースパッド(図示せず)となっている。
On the
n+型SiC基板13の裏面には、その全域を覆うようにドレイン電極36が形成されている。このドレイン電極36は、すべての単位セル11に対して共通の配線となっている。ドレイン電極36としては、たとえば、n+型SiC基板13から順にTi、Ni、AuおよびAgが積層された積層構造(Ti/Ni/Au/Ag)を採用できる。
次に、図5〜図7を参照して、n+型SiC基板13のオフ方向と単位セル11形成方向との関係について説明する。図5は、ウエハ状態におけるn+型SiC基板13およびSiCエピタキシャル層14の概略図である。
On the back surface of the n + -
Next, the relationship between the off direction of the n + -
半導体装置1のn+型SiC基板13およびSiCエピタキシャル層14を構成するSiC結晶は、同一の組成で様々な積層構造をとる結晶多形(ポリタイプ)を示す材料であり、数100種類以上のポリタイプが存在する。ポリタイプとして、たとえば、4H−SiC、3CSiC、6H−SiC、15R−SiC等が存在する。これらの中では、4H−SiCが好ましい。以下の説明では、n+型SiC基板13として4H−SiCウエハが使用されていることを前提に説明する。
The SiC crystal forming the n + -
n+型SiC基板13の厚さt1は、たとえば、200μm〜500μmであり、SiCエピタキシャル層14の厚さt2は、n+型SiC基板13よりも薄く、たとえば、5μm〜100μm(一例として10μm程度)である。
n+型SiC基板13は、本実施形態では、2°〜8°(好ましくは、4°程度)のオフ角θを有している。たとえば、n+型SiC基板13の表面は、(0001)面に対して<11−20>方向(オフ方向)にオフ角θで傾斜した面となっている。なお、(0001)、<11−20>などの表現は、いわゆるミラー指数であり、SiC結晶の格子面および格子方向を記述する際に用いられる。ミラー指数については、図6および図7を参照して説明することができる。
The thickness t1 of the n +
In this embodiment, the n +
図6は、4H−SiCの結晶構造のユニットセルを表した模式図である。図7は、図6のユニットセルを(0001)面の真上から見た図である。なお、図6の下部に示したSiC結晶構造の斜視図については、その横に示したSiC積層構造の4層のうち2層のみを抜き出して示している。
図6に示すように、4H−SiCの結晶構造は、六方晶系で近似することができ、1つのシリコン原子に対して4つの炭素原子が結合している。4つの炭素原子は、シリコン原子を中央に配置した正四面体の4つの頂点に位置している。これらの4つの炭素原子は、1つのシリコン原子が炭素原子に対して<0001>方向に位置し、他の3つの炭素原子がシリコン原子に対して<000−1>側に位置している。
FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a unit cell having a 4H—SiC crystal structure. FIG. 7 is a diagram of the unit cell of FIG. 6 as viewed from directly above the (0001) plane. In the perspective view of the SiC crystal structure shown in the lower part of FIG. 6, only two layers out of the four layers of the SiC stacked structure shown on the side are extracted and shown.
As shown in FIG. 6, the crystal structure of 4H—SiC can be approximated in a hexagonal system, and four carbon atoms are bonded to one silicon atom. The four carbon atoms are located at the four vertices of a regular tetrahedron with the silicon atom located in the center. Of these four carbon atoms, one silicon atom is located in the <0001> direction with respect to the carbon atom, and the other three carbon atoms are located on the <000-1> side with respect to the silicon atom.
<0001>および<000−1>は六角柱の軸方向に沿い、この<0001>を法線とする面(六角柱の頂面)が(0001)面(Si面)である。一方、<000−1>を法線とする面(六角柱の下面)が(000−1)面(C面)である。
また、<0001>に垂直であり、かつ(0001)面の真上から見た場合において六角注の互いに隣り合わない頂点を通る方向がそれぞれ、a1軸<2−1−10>、a2軸<−12−10>およびa3軸<−1−120>である。
<0001> and <000-1> are along the axial direction of the hexagonal prism, and a surface (the top surface of the hexagonal prism) having the <0001> as a normal line is a (0001) surface (Si surface). On the other hand, the plane (the lower surface of the hexagonal prism) with <000-1> as the normal line is the (000-1) plane (C plane).
In addition, directions perpendicular to <0001> and passing through non-adjacent vertices of a hexagonal note when viewed from directly above the (0001) plane are a1 axis <2-1-10> and a2 axis <−12−10> and a3-axis <−1−120>.
図7に示すように、a1軸とa2軸との間の頂点を通る方向が<11−20>であり、a2軸とa3軸との間の頂点を通る方向が<−2110>であり、a3軸とa1軸との間の頂点を通る方向が<1−210>である。
六角注の各頂点を通る上記6本の軸の各間において、その両側の各軸に対して30°の角度で傾斜していて、六角注の各側面の法線となる軸がそれぞれ、a1軸と<11−20>との間から時計回りに順に、<10−10>、<1−100>、<0−110>、<−1010>、<−1100>および<01−10>である。これらの軸を法線とする各面(六角柱の側面)は、(0001)面および(000−1)面に対して直角な結晶面である。
As shown in FIG. 7, the direction passing through the vertex between the a1 axis and the a2 axis is <11-20>, the direction passing through the vertex between the a2 axis and the a3 axis is <−2110>, The direction passing through the vertex between the a3 axis and the a1 axis is <1-210>.
Between each of the six axes passing through the vertices of the hexagonal note, the axis that is inclined at an angle of 30 ° with respect to each of the axes on both sides of the hexagonal note is a1 From <10-10>, <1-100>, <0-110>, <-1010>, <-1100> and <01-10> in the clockwise order from between the axis and <11-20>. is there. Each plane (the side surface of the hexagonal prism) having these axes as normals is a crystal plane perpendicular to the (0001) plane and the (000-1) plane.
ここで、n+型SiC基板13(4H−SiCウエハ)には、<0001>軸方向に垂直な面である(0001)面(Si面)上に基底面転位が存在していることがある。基底面転位とは、(0001)面上の転位であり、<11−20>軸方向にバーガースベクトル(Burgers vector)を有する完全転位である。前述のように、n+型SiC基板13には、SiCエピタキシャル層14を良好に成長させる観点から、所定のオフ角が付与されている。したがって、n+型SiC基板13において基底面転位が存在すると、SiCエピタキシャル層14とn+型SiC基板13との界面付近で当該基底面転位が貫通刃状転位に構造変換し、そのままSiCエピタキシャル層14の成長方向であるステップフロー方向(すなわち、<11−20>軸方向)に従って引き継がれて行く。
Here, in the n + -type SiC substrate 13 (4H-SiC wafer), basal plane dislocation may exist on the (0001) plane (Si plane) which is a plane perpendicular to the <0001> axis direction. . The basal plane dislocation is a dislocation on the (0001) plane and is a complete dislocation having a Burgers vector in the <11-20> axis direction. As described above, the n + -
このような基底面転位は、特にpn接合を含むデバイスにおいて、順方向動作時(すなわち、オン状態時)に<11−20>軸方向に沿って面状の積層欠陥を発生させて、順方向特性の劣化(順方向通電劣化)を招く恐れがある。また、この面状の積層欠陥に垂直な方向に電流を流す場合には、当該積層欠陥によって順方向電流の流れが阻害される。その結果、デバイスのオン動作時における電気抵抗が増加し、消費電力が増大する。したがって、半導体装置の信頼性を向上させるには、このような欠陥を低減する必要がある。 Such a basal plane dislocation causes a planar stacking fault along the <11-20> axis direction during a forward operation (that is, in an ON state), particularly in a device including a pn junction, thereby causing a forward direction dislocation. There is a possibility that the characteristics may be deteriorated (forward-direction energization deterioration). When a current flows in a direction perpendicular to the planar stacking fault, the stacking fault impedes the flow of a forward current. As a result, the electric resistance at the time of the ON operation of the device increases, and the power consumption increases. Therefore, it is necessary to reduce such defects in order to improve the reliability of the semiconductor device.
半導体装置1におけるVDMISFET2は、ソース電極34とドレイン電極36との間(ソース−ドレイン間)にボディダイオード(寄生ダイオード)を有している。たとえば、<0001>軸方向に沿って単位セル11が形成されている場合、ボディダイオードに順方向電流が流れると、基底面転位によって積層欠陥が発生し、当該積層欠陥によって順方向電流の流れが阻害される。その結果、ボディダイオードの特性が変動し、信頼性の低下につながる。
The
したがって、単位セル11は、<11−20>軸方向(SiCエピタキシャル層14の成長方向であるステップフロー方向)に沿って形成されているのが好ましい。この構成によれば、基底面転位による積層欠陥の発生を抑制できる。また、たとえ積層欠陥が発生したとしても当該積層欠陥に沿う方向(すなわち、<11−20>軸方向)に順方向電流を流すことができるので、ボディダイオードの劣化を抑制できる。よって、良好な順方向特性を示す半導体装置を提供できる。
Therefore, the
以上のように、半導体装置1によれば、n+型ソース領域19と、SiCエピタキシャル層14とが、p−型ボディ領域17を挟んで縦方向に配置された縦型構造を有している。また、半導体装置1におけるゲート電極10は空洞部25によって分断されており、空洞部25にゲート絶縁膜21よりも厚い中間絶縁膜30が形成されている。
そのため、半導体装置1がオフの状態(つまり、ゲート電極10が0Vの状態)において、n+型ソース領域19と、SiCエピタキシャル層14が(+)側となる電圧(たとえば、1200V)が印加されたとしても、ゲート絶縁膜21を挟んでゲート電極10とJFET領域18とが対向することがないので、当該空洞部25が等電位面の基準位置となることはない。そのため、空洞部25直下におけるJFET領域18において、比較的に高い電位の等電位面が分布することを効果的に抑制できる。特に、この電位の等電位面は、JFET領域18の中央部が最も高くなるように分布し易いので、半導体装置1のように、JFET領域18の中央部上に空洞部25(中間絶縁膜30)を形成することにより、JFET領域18に高い電界がかかることを効果的に緩和できる。
As described above, according to the
Therefore, when the
さらに、電界を緩和できる領域上に、ゲート絶縁膜21に加えて当該ゲート絶縁膜21よりも厚い中間絶縁膜30が形成されているので、JFET領域18における絶縁破壊を効果的に抑制できる。その結果、耐圧性に優れ、歩留まりよく製造することができる半導体装置1を提供できる。
また、この構成によれば、チャネル領域22上にゲート電極10が形成されているので、VDMISFET2のオン動作に支障をきたすことはない。さらに、空洞部25によりゲート電極10の面積(より具体的には、ゲート電極10の表面とSiCエピタキシャル層14の表面とが対向する対向面積)を小さくできる。これにより、ゲート電極10およびSiCエピタキシャル層14間の容量を低減できる。
Further, since the intermediate insulating
Further, according to this configuration, since the
次に、図8を参照して、半導体装置1の製造方法について説明する。図8は、図1に示す半導体装置1の製造工程の一例を説明するためのフローチャートである。
半導体装置1を製造するには、まず、n+型SiC基板13が用意される。n+型SiC基板13は、所定のオフ角が付与された4H−SiCウエハである。次に、たとえば、CVD(Chemical Vapor Deposition:化学気相成長)法、LPE(Liquid Phase Epitaxy:液相エピタキシ)法などのエピタキシャル成長法により、n+型SiC基板13の表面(Si面)上に、n型不純物(たとえば、N(窒素))を導入しながらSiC結晶が成長させられる(ステップS1)。これにより、n+型SiC基板13上に、n−型のSiCエピタキシャル層14が形成される。
Next, a method for manufacturing the
To manufacture the
次に、p−型ボディ領域17(p−型ボディ接続領域16)を形成すべき部分に開口を有するマスクを用いて、p型不純物(たとえばAl(アルミニウム))が、SiCエピタキシャル層14の表面に注入される(ステップS2)。これにより、SiCエピタキシャル層14の表層部に、p−型ボディ領域17(p−型ボディ接続領域16)が形成される。また、SiCエピタキシャル層14の基層部には、エピタキシャル成長後のままの状態を維持するドリフト領域が形成される。
Next, using a mask having an opening in a portion where p − type body region 17 (p − type body connection region 16) is to be formed, p type impurities (for example, Al (aluminum)) are deposited on the surface of
次に、n+型ソース領域19を形成すべき領域に開口を有するマスクを用いて、n型不純物(たとえばP(リン))が、p−型ボディ領域17に注入される(ステップS3)。これにより、p−型ボディ領域17の表層部に、n+型ソース領域19が形成される。次に、p+型ボディコンタクト領域20を形成すべき領域に開口を有するマスクを用いて、p型不純物(たとえばAl)が、p−型ボディ領域17に注入される(ステップS4)。これにより、p+型ボディコンタクト領域20が形成される。
Next, an n-type impurity (for example, P (phosphorus)) is implanted into the p − -
次に、たとえば、1400℃〜2000℃で2〜10分間、SiCエピタキシャル層14がアニール処理(熱処理)される(ステップS5)。これにより、SiCエピタキシャル層14の表層部に注入されたn型不純物およびp型不純物のイオンが活性化する。SiCエピタキシャル層14のアニール処理は、たとえば、抵抗加熱炉、高周波誘導加熱炉を適当な温度で制御することによって行うことができる。
Next, for example, the
次に、SiCエピタキシャル層14の表面が熱酸化されることにより、SiCエピタキシャル層14の表面全域を覆うゲート絶縁膜21が形成される(ステップS6)。次に、CVD法により、p型不純物(たとえばB(ホウ素))を導入しながらポリシリコン材料がSiCエピタキシャル層14上に堆積される(ステップS7)。むろん、ポリシリコン材料のへの不純物の導入は、イオン注入により行ってもよい。次に、堆積したポリシリコン材料の不要部分がドライエッチングにより除去される(ステップS8)。これにより、空洞部25を有するゲート電極10が形成される。
Next, the surface of
次に、たとえばP(リン)イオンを含むSiO2、またはP(リン)イオンおよびB(ホウ素)イオンを含むSiO2をSiCエピタキシャル層14上に堆積させる(ステップS9)。次に、SiO2をリフロー(たとえば800℃〜1000℃)により溶融させることにより(ステップS10)、ゲート電極10の空洞部25を埋め戻して、ゲート電極10の表面を覆う層間絶縁膜26(PSG膜またはBPSG膜)が形成される。
Then, for example, depositing a SiO 2 containing SiO 2 or P (phosphorus) ions and B (boron) ions, including P (phosphorus) ions on the SiC epitaxial layer 14 (step S9). Next, SiO 2 is melted by reflow (for example, 800 ° C. to 1000 ° C.) (Step S10) to fill back the
次に、層間絶縁膜26およびゲート絶縁膜21が連続してパターニングされることにより、コンタクトホール33が形成される(ステップS11)。次に、たとえば、層間絶縁膜26上に、Ti、TiNおよびAlが順にスパッタされて、ソース電極34が形成される(ステップS12)。また、SiC基板の裏面に、Ti、Ni、AuおよびAgが順にスパッタされて、ドレイン電極36が形成される。その後、ゲートパッド3などが形成されることにより、図1に示す半導体装置1が得られる。
Next, a
図9は、本発明の第2実施形態に係る半導体装置51の模式的な断面図である。
第2実施形態に係る半導体装置51が、前述の第1実施形態に係る半導体装置1と異なる点は、n+型ソース領域19に代えてn+型ソース領域59が形成されている点、互いに隣り合うp−型ボディ領域17の間にn+型不純物領域52が形成されている点、ゲート絶縁膜21に代えて、ゲート絶縁膜50が形成されている点である。その他の構成は、前述の第1実施形態に係る半導体装置1の構成と同等である。図9において、前述の図1〜図8に示された各部と対応する部分には同一の参照符号を付して、説明を省略する。
FIG. 9 is a schematic sectional view of a
The
第2実施形態に係るn+型ソース領域59は、前述の第1実施形態に係るn+型ソース領域19と同一の形状および深さで形成されている。n+型ソース領域59のn型不純物濃度は、たとえば、1×1019cm−3〜1×1022cm−3、より好ましくは1×1020cm−3〜1×1022cm−3である。
n+型不純物領域52は、JFET領域18の表層部に形成されている。より具体的には、n+型不純物領域52は、JFET領域18の中央部において、ゲート電極10のストライプ方向に沿って、略長方形状に形成されている。n+型不純物領域52は、p−型ボディ領域17とJFET領域18との境界から間隔を空けた位置に形成されている。n+型不純物領域52は、n+型ソース領域59と同一の深さおよび濃度で形成されている。
The n +
The n +
第2実施形態に係るゲート絶縁膜50は、JFET領域18の全域を覆う第1領域53と、各p−型ボディ領域17におけるn+型ソース領域59を取り囲む部分およびn+型ソース領域59の外周部を覆う第2領域54とを含む。ゲート絶縁膜50の第1および第2領域53,54は、いずれも高濃度の不純物が注入された領域上が選択的に厚く形成されている。すなわち、ゲート絶縁膜50は、n+型不純物領域52に接する第1部分50a、p−型ボディ領域17に接する第2部分50b、およびn+型ソース領域59に接する第3部分50cを含む。
The
第1部分50aの下側界面(n+型不純物領域52との界面)および第3部分50cの下側界面(n+型ソース領域59との界面)は、いずれも第2部分50bの下側界面(p−型ボディ領域17との界面)よりも下側(n+型SiC基板13側。SiCエピタキシャル層14の表面からより深い位置)に位置している。また、第1部分50aの上側界面(層間絶縁膜26との界面)および第3部分50cの上側界面(ゲート電極10との界面)は、いずれも第2部分50bの上側界面(ゲート電極10との界面)よりも上側(ゲート電極10側。SiCエピタキシャル層14の表面からより遠い位置)に位置している。
The lower interface of the
これにより、ゲート絶縁膜50における第1部分50aの膜厚T1および第3部分50cの膜厚T3は、いずれも第2部分50bの膜厚T2よりも大きい。より具体的には、第2部分50bの膜厚T2は、たとえば、30nm以上(たとえば40nm程度)である。これに対して、第1部分50aおよび第3部分50cの膜厚T1,T3は、たとえば、第2部分50bの膜厚T2の2.03倍以上であることが好ましく、たとえば、90nm程度である。本実施形態では、ゲート絶縁膜50は、窒素を含有する酸化膜、たとえば、窒素および酸素を含有するガスを用いた熱酸化により形成される窒化酸化シリコン膜からなっている。
Thus, the thickness T1 of the
ゲート電極10のストライプ方向に直交する方向において、第1部分50aの両端部、および第3部分50cのJFET領域18側の端部には、それぞれバーズビークが形成されている。一方、当該ストライプ方向に直交する方向における第3部分50cのJFET領域18側と反対側の端部には、バーズビークが形成されておらず、厚い部分が層間絶縁膜26の側面と面一となって、コンタクトホール33から露出している。層間絶縁膜26が第3部分50cに接する部分は、n+型ソース領域59に対向している。
Bird's beaks are formed at both ends of the
このようなゲート絶縁膜50は、ステップS3の工程を次のように変更すれば良い。すなわち、n+型ソース領域19を形成すべき領域に開口を有するマスクを、n+型ソース領域59およびn+型不純物領域52を形成すべき領域に開口を有するマスクに変更する。次に、n型不純物(たとえばP(リン))をSiCエピタキシャル層14に注入する際に、SiCエピタキシャル層14の温度を150℃以下(たとえば室温)に保つ。イオン注入時にSiCエピタキシャル層14の温度を150℃以下に保持するのは、n+型ソース領域59およびn+型不純物領域52が結晶化しないようにするためである。これにより、ステップS6の熱酸化処理時において、n+型ソース領域59およびn+型不純物領域52上に厚いゲート絶縁膜50を形成できる。
Such a
つまり、ステップS6の熱酸化工程では、窒素および酸素を含有する雰囲気中での熱酸化(たとえば、1200℃程度で半日〜2日)によって、窒化酸化シリコン(SiN)膜からなるゲート絶縁膜50が形成される。前述のとおり、n+型ソース領域59およびn+型不純物領域52には、1×1019cm−3以上の濃度となるようにn型不純物イオンが注入されており、かつ、そのイオン注入は、n+型ソース領域59およびn+型不純物領域52が結晶化しない低温(150℃以下)で行われる。そのため、熱酸化処理によってゲート絶縁膜50を形成すると、n+型ソース領域59およびn+型不純物領域52に接する第1部分50aおよび第3部分50cの膜厚T1,T3が局所的に大きくなる。これにより、第1部分50aおよび第3部分50cの膜厚T1,T3は、p−型ボディ領域17に接する第2部分50bの膜厚T2よりも大きくなる。
That is, in the thermal oxidation step of step S6, the
以上のように、半導体装置51では、ゲート絶縁膜50においてn+型不純物領域52に接する第1部分50a、およびn+型ソース領域59に接する第3部分50cの膜厚T1,T3は、p−型ボディ領域17に接する第2部分50bの膜厚T2よりも大きい。これにより、中間絶縁膜30の膜厚をより一層厚く形成できるので、JFET領域18における絶縁破壊をより一層抑制できる。
As described above, in the
また、半導体装置51では、ゲート絶縁膜50に電界がかかったときに、n+型ソース領域59に接する第3部分50cにおける電界も緩和できるから、第3部分50cでのリーク電流を抑制できる。したがって、n+型ソース領域59に接する第3部分50cでの絶縁破壊を抑制できるから、ゲート絶縁膜50全体の長期信頼性を容易に確保できる。これにより、半導体装置全体の信頼性を容易に確保できる。
Further, in the
また、半導体装置51によれば、ゲート絶縁膜50は、SiO2よりも誘電率の高いSiNを含む。したがって、Al2O3またはSiNを含む中間絶縁膜30を形成できる。この構成によれば、中間絶縁膜30がSiO2を含む場合よりも、誘電率は高くなるので、ゲート絶縁膜21に高い電界がかかることをより一層緩和できる。
また、マスクのレイアウトを工夫するだけでこのようなゲート絶縁膜50を形成できるので、製造工程が煩雑化することがない。
Further, according to the
Further, since such a
図10は、本発明の第3実施形態に係る半導体装置61の模式的な断面図である。
第3実施形態に係る半導体装置61が、前述の第1実施形態に係る半導体装置1と異なる点は、ゲート電極10に代えて、ゲート電極60が採用されている点である。その他の構成は、前述の第1実施形態に係る半導体装置1の構成と同等である。図10において、前述の図1〜図9に示された各部と対応する部分には同一の参照符号を付して、説明を省略する。
FIG. 10 is a schematic sectional view of a
The
第3実施形態に係るゲート電極60は、その上端における角部が面取りされており、5度以上のテーパ角が形成されている。このようなテーパ角は、ステップS8において、エッチング方法を変更するだけで形成できる。これにより、ステップS9において、ゲート電極60の空洞部25に層間絶縁膜26をより一層良好に埋め込むことができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はさらに他の形態で実施することもできる。
The
As described above, the embodiments of the present invention have been described, but the present invention can be embodied in other forms.
たとえば、前述の各実施形態では、ゲート電極10,60のストライプ方向に沿って空洞部25がゲート電極10,60に形成されている例を示したが、平面視四角形状の複数の空洞部25が互いに間隔を空けて当該ストライプ方向に形成されている例を採用してもよい。また、ストライプ状の空洞部25を互いに間隔を空けて当該ストライプ方向に沿って複数形成してもよい。
For example, in each of the above-described embodiments, the example in which the
また、前述の各実施形態では、ゲート電極10,60がストライプ状に形成された例を示したが、ゲート電極10,60は、図11に示すように、格子状(梯子状)に配列されていてもよい。
図11は、変形例に係る半導体装置81の模式的な拡大平面図である。
変形例に係る半導体装置81が、前述の第1実施形態に係る半導体装置1と異なる点は、ストライプ状のVDMISFET2に代えて、行列状(格子状)のVDMISFET72が形成されている点、およびストライプ状のゲート電極10に代えて、格子状(梯子状)のゲート電極70が形成されている点である。
Further, in each of the above-described embodiments, an example in which the
FIG. 11 is a schematic enlarged plan view of a
The
なお、半導体装置81は、図3に示した断面構造と同等の断面構造を有しているので、図11では、ゲート電極70、およびVDMISFET72を構成するp−型ボディ領域77の配置のみを示すものとし、その他の構成については、その図示および説明を省略する。
図11に示すように、SiCエピタキシャル層14の表層部には、複数のp−型ボディ領域77が形成されている。複数のp−型ボディ領域77は、行方向および列方向に互いに等しい間隔を空けて、正方行列状に配列して形成されている。
Since
As shown in FIG. 11, a plurality of p − -
ゲート電極70は、各p−型ボディ領域77とSiCエピタキシャル層14の境界線を跨ぐように形成されている。行方向に互いに隣り合うp−型ボディ領域77間におけるゲート電極70には、列方向に当該ゲート電極70を分断する第1空洞部75が形成されている。一方、列方向に互いに隣り合うp−型ボディ領域77間におけるゲート電極70には、行方向に当該ゲート電極70を分断する第2空洞部76が選択的に形成されている。これにより、ゲート電極70は、平面視略四角環状に形成された構成となっている。列方向に互いに隣り合うゲート電極70は、ゲート電極接続部70aを介して互いに電気的に接続されている。
ゲート電極接続部70aは、第2空洞部76が行方向に延びる長手方向両端部の位置において、列方向に隣り合う各ゲート電極70と一体的に連なって形成されている。これにより、梯子状のゲート電極70が列方向に沿って形成されている。ゲート電極70の長手方向の一端部および/または他端部は、前述の第1実施形態と同様に、ゲート配線6(図1参照)に接続されている。また、第1および第2空洞部75,76には、前述の第1実施形態と同様の構成で、中間絶縁膜30が形成されている。
The gate
なお、本変形例では、第2空洞部76の長手方向両端部の位置にゲート電極接続部70aが形成されている例を示しているが、第2空洞部76を形成しないで、列方向に隣り合うゲート電極70同士を直接接続するようにしてもよい。また、本変形例では、列方向に当該ゲート電極70を分断する第1空洞部75が形成されている例を示しているが、第1空洞部75を第2空洞部76の構成と同様の構成で形成することにより、格子状のゲート電極70を形成してもよい。
In this modification, the example in which the gate
ここで、ゲート電極接続部70aを形成せずに、行方向および列方向の全域に延びるように第1および第2空洞部75,76を形成すると、閉環状のゲート電極70が形成される。そのため、ゲート電極70と、ゲート配線6とが電気的に分離される結果、VDMISET72は動作し得ない。これに対して、本変形例の半導体装置81によれば、各環状のゲート電極70は、ゲート電極接続部70aを介して、ゲート配線6に電気的に接続されている。したがって、前述の第1実施形態の場合と異なり、行方向および列方向に互いに隣り合うp−型ボディ領域77間(すなわち、JFET領域18(図3参照))の全域において電界を緩和することはできないが、列方向の全域および行方向の一部におけるJFET領域18において電界を緩和できる。すなわち、ゲート電極70とゲート配線6とが電気的に接続される態様において、電界がかかり易いJFET領域18に第1および第2空洞部75,76(中間絶縁膜30)が形成されていれば、JFET領域18における絶縁破壊を抑制できる。
Here, when the first and
また、前述の第1および第3実施形態では、シリコン酸化膜(SiO2)からなるゲート絶縁膜21が形成された例を示したが、ゲート絶縁膜21を、SiO2に代えてAl2O3またはSiNにより形成してもよい。ゲート絶縁膜21が、Al2O3またはSiNからなる場合、中間絶縁膜30をAl2O3またはSiNによって形成できる。この構成によれば、中間絶縁膜30がSiO2からなる場合よりも、誘電率が高くなるので、JFET領域18における電界をより効果的に緩和できる。
Further, in the first and third embodiments described above, the example in which the
また、前述の第1および第3実施形態において、中間絶縁膜30をゲート絶縁膜21と切り離して形成してもよい。すなわち、ゲート電極10の空洞部25外の領域におけるゲート絶縁膜21をSiO2で形成する一方で、中間絶縁膜30におけるJFET領域18との接続部分をAl2O3またはSiNにより形成してもよい。
また、前述の第1および第3実施形態において、中間絶縁膜30におけるJFET領域18との接続部分をゲート絶縁膜21により形成する一方で、ゲート電極10の空洞部25をSiO2、Al2O3、またはSiNで埋め戻した後、さらに層間絶縁膜26を形成するようにしてもよい。
In the first and third embodiments, the intermediate insulating
Further, in the first and third embodiments described above, while the connection portion between the intermediate insulating
また、前述の各実施形態では、1層のみからなる層間絶縁膜26が形成された例について説明したが、層間絶縁膜26は、むろん、複数の絶縁材料膜(SiO2、Al2O3、またはSiN)が複数周期に亘って積層された積層構造を有していてもよい。
また、前述の各実施形態では、空洞部25におけるゲート絶縁膜21上に形成された層間絶縁膜26は、ゲート電極10を覆うように形成された層間絶縁膜26と略等しい膜厚を有している例について説明したが、異なる厚さで形成されていてもよい。
Further, in each of the above-described embodiments, an example in which the
In each of the above-described embodiments, the
また、前述の各実施形態において、半導体装置1の各半導体部分の導電型を反転して、p型のVDMISFETを構成することもできる。すなわち、半導体装置1において、p型の部分をn型とし、n型の部分をp型としてもよい。
また、前述の各実施形態では、アクティブ領域4にVDMISFET2が形成された例について説明したが、n+型SiC基板13(ドレイン領域)に代えてp+型SiC基板(p+型コレクタ領域)を採用することによりIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を形成してもよい。この場合、VDMISFET2のソース電極34がIGBTのエミッタ電極に対応する。
Further, in each of the above-described embodiments, the conductivity type of each semiconductor portion of the
Further, in each of the embodiments described above, the example in which the
本発明の半導体装置1,51,61,81は、たとえば、電気自動車(ハイブリッド車を含む)、電車、産業用ロボットなどの動力源として利用される電動モータを駆動するための駆動回路を構成するインバータ回路に用いられるパワーモジュールに組み込むことができる。また、太陽電池、風力発電機その他の発電装置(とくに自家発電装置)が発生する電力を商用電源の電力と整合するように変換するインバータ回路に用いられるパワーモジュールにも組み込むことができる。
The
以下、この明細書および図面から抽出される特徴の例を示す。
[項1]第1導電型のSiC半導体層と、前記SiC半導体層の表層部に互いに間隔を空けて形成された第2導電型の複数のボディ領域と、各前記ボディ領域の表層部に前記ボディ領域の周縁から間隔を空けて形成された第1導電型のソース領域と、前記複数のボディ領域に跨って形成され、各前記ボディ領域の周縁と前記ソース領域との間のチャネル領域にゲート絶縁膜を挟んで対向し、隣り合う前記ボディ領域の間の中間領域で空洞部によって選択的に分断されたゲート電極と、前記空洞部に形成され、前記ゲート絶縁膜よりも厚い中間絶縁膜とを含む、半導体装置。
Hereinafter, examples of features extracted from the specification and the drawings will be described.
[Item 1] An SiC semiconductor layer of a first conductivity type, a plurality of body regions of a second conductivity type formed at intervals in a surface layer portion of the SiC semiconductor layer, and a surface layer portion of each of the body regions. A first conductivity type source region formed at an interval from the periphery of the body region; and a gate formed at a channel region formed over the plurality of body regions and between the periphery of each body region and the source region. A gate electrode opposing the insulating film and selectively separated by a cavity in an intermediate region between the adjacent body regions; and an intermediate insulating film formed in the cavity and having a thickness greater than the gate insulating film. And a semiconductor device.
この半導体装置によれば、ソース領域と、SiC半導体層におけるドレインとして機能し得る領域とが、ボディ領域を挟んで縦方向に配置された縦型構造を有している。また、ゲート電極は、空洞部によって分断されており、当該空洞部にゲート絶縁膜よりも厚い中間絶縁膜が形成されている。
そのため、半導体装置がオフの状態(つまり、ゲート電極が0Vの状態)において、ソース領域と、SiC半導体層が(+)側となる電圧(たとえば、1200V)が印加されたとしても、空洞部にはゲート電極が存在しないので、当該空洞部が等電位面の基準位置となることはない。
According to this semiconductor device, the source region and the region that can function as the drain in the SiC semiconductor layer have a vertical structure in which the body region is interposed in the vertical direction. Further, the gate electrode is divided by a cavity, and an intermediate insulating film thicker than the gate insulating film is formed in the cavity.
Therefore, even when a voltage (for example, 1200 V) that causes the source region and the SiC semiconductor layer to be on the (+) side is applied in a state where the semiconductor device is off (that is, a state where the gate electrode is at 0 V), the cavity portion is Since there is no gate electrode, the cavity does not become a reference position on the equipotential surface.
これにより、中間領域における電位の等電位面の分布を変えることができる。その結果、当該中間領域に高い電界がかかることを緩和できる。さらに、電界を緩和できる領域に厚い中間絶縁膜が形成されているので、中間領域における絶縁破壊を効果的に抑制できる。その結果、耐圧性に優れ、歩留まりよく製造することができる半導体装置を提供できる。 Thereby, the distribution of the equipotential surface of the potential in the intermediate region can be changed. As a result, the application of a high electric field to the intermediate region can be reduced. Further, since the thick intermediate insulating film is formed in the region where the electric field can be reduced, dielectric breakdown in the intermediate region can be effectively suppressed. As a result, it is possible to provide a semiconductor device which has excellent withstand voltage and can be manufactured with high yield.
また、この半導体装置によれば、チャネル領域上にゲート電極が形成されているので、MISFET(Metal Insulator Field effect Transistor)のオン動作に支障をきたすことはない。さらに、空洞部によりゲート電極の面積(より具体的には、ゲート電極の表面とSiC半導体層の表面とが対向する対向面積)を小さくできる。これにより、SiC半導体層およびゲート電極間の容量を低減できる。 Further, according to this semiconductor device, since the gate electrode is formed on the channel region, the ON operation of the MISFET (Metal Insulator Field Effect Transistor) is not hindered. Furthermore, the area of the gate electrode (more specifically, the facing area where the surface of the gate electrode faces the surface of the SiC semiconductor layer) can be reduced by the cavity. Thereby, the capacitance between the SiC semiconductor layer and the gate electrode can be reduced.
[項2]前記ゲート電極の前記空洞部は、前記中間領域の中央部上に形成されている、項1に記載の半導体装置。
この半導体装置によれば、中間領域の中央部上に中間絶縁膜が形成されている。電位の等電位面は、中間領域の中央部が最も高くなり易い。したがって、電界が最も高くなり易い中間領域の中央部上に中間絶縁膜を形成することにより、当該中間領域における絶縁破壊を効果的に抑制できる。
[Item 2] The semiconductor device according to
According to this semiconductor device, the intermediate insulating film is formed on the central portion of the intermediate region. The equipotential surface of the potential tends to be highest at the center of the intermediate region. Therefore, by forming the intermediate insulating film on the central portion of the intermediate region where the electric field is most likely to be highest, dielectric breakdown in the intermediate region can be effectively suppressed.
[項3]前記複数のボディ領域は、一端および他端を有するストライプ状に形成されており、前記ゲート電極は、前記ボディ領域の前記一端および/または前記他端において、隣り合う前記ボディ領域に跨っている、項1または2に記載の半導体装置。
この半導体装置によれば、中間絶縁膜は、ボディ領域(中間領域)のストライプ方向に沿って形成されている。したがって、中間領域のストライプ方向に沿って、当該中間領域における電位の等電位面の分布を変えることができる。これにより、中間領域のストライプ方向に沿う広い範囲で電界がかかることを緩和できる。その結果、中間領域における絶縁破壊をより一層抑制できる。
[Claim 3] The plurality of body regions are formed in a stripe shape having one end and the other end, and the gate electrode is connected to the adjacent body region at the one end and / or the other end of the body region. 3. The semiconductor device according to
According to this semiconductor device, the intermediate insulating film is formed along the stripe direction of the body region (intermediate region). Therefore, the distribution of the equipotential surface of the potential in the intermediate region can be changed along the stripe direction of the intermediate region. This can reduce the application of an electric field over a wide range along the stripe direction in the intermediate region. As a result, dielectric breakdown in the intermediate region can be further suppressed.
[項4]前記ゲート電極の前記空洞部は、各前記ボディ領域と前記中間領域との境界から間隔を隔てて、前記中間領域の内方に収まるように形成されている、項1〜3のいずれか一項に記載の半導体装置。
この半導体装置によれば、ゲート電極を、ソース領域、ボディ領域およびSiC半導体層と確実に対向させることができる。よって、ゲート電極とチャネル領域とを確実に対向させることができるので、MISFETのオン動作をより良好にすることができる。
[Item 4] The method according to any one of
According to this semiconductor device, the gate electrode can reliably face the source region, the body region, and the SiC semiconductor layer. Therefore, the gate electrode and the channel region can be surely opposed to each other, and the ON operation of the MISFET can be further improved.
[項5]前記中間領域は、0.1μm〜50μmの幅を有している、項1〜4のいずれか一項に記載の半導体装置。
この半導体装置によれば、中間領域に高い電位の等電位面が分布することを抑制しつつ、良好な抵抗値を実現できる。中間領域の幅が広くなるにつれて、当該中間領域に高い電位の等電位面が分布する傾向がある。その一方で、中間領域が狭すぎると、当該中間領域の抵抗値が高くなる。したがって、0.1μm〜50μmの幅を有する中間領域を形成することにより、中間領域に高い電位の等電位面が分布することを抑制しつつ、良好な抵抗値を実現できる。
[Item 5] The semiconductor device according to any one of
According to this semiconductor device, it is possible to realize a good resistance value while suppressing distribution of a high potential equipotential surface in the intermediate region. As the width of the intermediate region increases, equipotential surfaces having a higher potential tend to be distributed in the intermediate region. On the other hand, if the intermediate region is too narrow, the resistance value of the intermediate region increases. Therefore, by forming the intermediate region having a width of 0.1 μm to 50 μm, a good resistance value can be realized while suppressing the distribution of the high potential equipotential surface in the intermediate region.
[項6]前記中間絶縁膜は、前記ゲート絶縁膜の2倍以上の厚さを有している、項1〜5のいずれか一項に記載の半導体装置。この半導体装置によれば、中間領域における絶縁破壊をより一層抑制できる。
[項7]前記中間絶縁膜は、SiO2膜を含む、項1〜6のいずれか一項に記載の半導体装置。この半導体装置によれば、SiO2膜はリフロー時において良好に溶融するので、空洞部にSiO2膜を良好に埋め込むことができる。
[Item 6] The semiconductor device according to any one of
[Item 7] The semiconductor device according to any one of
[項8]前記SiO2膜は、P(リン)イオンを含む、項7に記載の半導体装置。この半導体装置によれば、中間絶縁膜は、PSG(Phosphorus Silicon Glass)膜を含む。PSG膜は、リフロー(たとえば、1000℃程度)時において良好に溶融する。よって、空洞部にPSG膜を良好に埋め込むことができる。
[項9]前記SiO2膜は、B(ホウ素)イオンをさらに含む、項8に記載の半導体装置。この半導体装置によれば、中間絶縁膜は、BPSG(Boron Phosphorus Silicon Glass)膜を含む。BPSG膜は、PSG膜よりも低い温度(たとえば、800℃程度)で溶融する。よって、空洞部にBPSG膜をより一層良好に埋め込むことができる。
[Item 8] The semiconductor device according to
[Item 9] The semiconductor device according to
[項10]前記中間絶縁膜は、SiO2よりも誘電率の高い絶縁材料膜を含む、項1〜6のいずれか一項に記載の半導体装置。この半導体装置によれば、中間領域における絶縁破壊をより一層抑制できる。
[項11]前記絶縁材料膜は、Al2O3またはSiNからなる、項10記載の半導体装置。
[Claim 10] The intermediate insulating film includes a high dielectric material film dielectric constant than SiO 2, the semiconductor device according to any one of
[Item 11] The semiconductor device according to
[項12]前記絶縁材料膜は、SiO2膜およびAl2O3膜がこの順で積層された積層構造を含む、項1〜6のいずれか一項に記載の半導体装置。
この構成によれば、SiC半導体層と中間絶縁膜とが接する部分(接続界面)はSiO2膜で形成されているので、チャネル領域を流れるキャリアのチャネル移動度を向上できる。その一方で、SiO2膜上には当該SiO2膜よりも高い誘電率を有するAl2O3膜が形成されているので、当該Al2O3膜で高誘電率を確保できる。これにより、中間領域における絶縁破壊をより一層抑制できる。なお、SiO2膜およびAl2O3膜は、複数周期に亘って積層されていてもよい。
[Item 12] The semiconductor device according to any one of
According to this configuration, since the portion (connection interface) where the SiC semiconductor layer and the intermediate insulating film are in contact with each other is formed of the SiO 2 film, the channel mobility of carriers flowing through the channel region can be improved. Meanwhile, since the on the SiO 2 film an Al 2 O 3 film having a dielectric constant higher than that of the SiO 2 film is formed, a high dielectric constant can be secured in the the Al 2 O 3 film. Thereby, dielectric breakdown in the intermediate region can be further suppressed. Note that the SiO 2 film and the Al 2 O 3 film may be stacked over a plurality of cycles.
[項13]前記中間絶縁膜は、SiO2膜およびSiN膜がこの順で積層された積層構造を含む、項1〜6のいずれか一項に記載の半導体装置。
この構成によれば、SiC半導体層と中間絶縁膜とが接する部分(接続界面)はSiO2膜で形成されているので、チャネル領域を流れるキャリアのチャネル移動度を向上できる。その一方で、SiO2膜上には当該SiO2膜よりも高い誘電率を有するSiN膜が形成されているので、当該SiN膜で高誘電率を確保できる。これにより、中間領域における絶縁破壊をより一層抑制できる。なお、SiO2膜およびSiN膜は、複数周期に亘って積層されていてもよい。
[Item 13] The semiconductor device according to any one of
According to this configuration, since the portion (connection interface) where the SiC semiconductor layer and the intermediate insulating film are in contact with each other is formed of the SiO 2 film, the channel mobility of carriers flowing through the channel region can be improved. Meanwhile, since the on SiO 2 film are formed SiN film having a dielectric constant higher than that of the SiO 2 film can ensure a high dielectric constant in the SiN film. Thereby, dielectric breakdown in the intermediate region can be further suppressed. Note that the SiO 2 film and the SiN film may be stacked over a plurality of cycles.
[項14]前記ゲート電極は、ポリシリコンからなる、項1〜13のいずれか一項に記載の半導体装置。
[項15]前記ポリシリコンは、B(ホウ素)イオンを含む、項14に記載の半導体装置。この半導体装置によれば、チャネルの形成に必要なゲート電圧のしきい電圧(VGS(th))を低くできる。
[Item 14] The semiconductor device according to any one of
[Item 15] The semiconductor device according to
[項16]前記ゲート電極は、金属材料からなる、項1〜13のいずれか一項に記載の半導体装置。この半導体装置によれば、ポリシリコンを用いてゲート電極を形成するよりもゲート電極の抵抗値を小さくできる。これにより、ゲート電極の膜厚をより一層薄くできるので、空洞部に中間絶縁膜を良好に埋め込むことができる。
[項17]前記金属材料は、Al,Cu,またはAlCuからなる、項16に記載の半導体装置。
[Item 16] The semiconductor device according to any one of
[Item 17] The semiconductor device according to
[項18]前記ゲート電極は、2μm以下の厚さを有している、項1〜17のいずれか一項に記載の半導体装置。この半導体装置によれば、空洞部に中間絶縁膜を良好に埋め込むことができる。
[項19]各前記ボディ領域は、<11−20>軸方向に沿って形成されている、項1〜18のいずれか一項に記載の半導体装置。
[Item 18] The semiconductor device according to any one of
[Item 19] The semiconductor device according to any one of
[項20]前記ゲート絶縁膜は、前記チャネル領域上に第1の厚さを有し、前記第1の厚さよりも厚い第2の厚さを前記ソース領域上に有している、項1〜19のいずれか一項に記載の半導体装置。
この半導体装置によれば、ゲート絶縁膜に電界がかかったときに、ソース領域に接するゲート絶縁膜における電界を効果的に緩和できる。これにより、ソース領域上におけるゲート絶縁膜の絶縁破壊を効果的に抑制できる。
[Item 20] The gate insulating film has a first thickness on the channel region, and has a second thickness on the source region larger than the first thickness. 20. The semiconductor device according to any one of
According to this semiconductor device, when an electric field is applied to the gate insulating film, the electric field in the gate insulating film in contact with the source region can be effectively reduced. Thereby, dielectric breakdown of the gate insulating film on the source region can be effectively suppressed.
[項21]前記ゲート絶縁膜の前記第2の厚さは、前記第1の厚さの2.03倍以上である、項20に記載の半導体装置。
この半導体装置によれば、ソース領域に接するゲート絶縁膜の長期信頼性を向上させることができる。これにより、ソース領域に接するゲート絶縁膜の長期信頼性によって、ゲート絶縁膜全体の長期信頼性をより一層向上できる。
[Item 21] The semiconductor device according to
According to this semiconductor device, long-term reliability of the gate insulating film in contact with the source region can be improved. Thus, the long-term reliability of the entire gate insulating film can be further improved by the long-term reliability of the gate insulating film in contact with the source region.
[項22]前記ゲート絶縁膜は、前記チャネル領域上に1μm以下の厚さを有している、項1〜21のいずれか一項に記載の半導体装置。
[項23]前記ゲート電極を覆うように前記SiC半導体層上に形成され、前記空洞部に埋め込まれた層間絶縁膜をさらに含み、前記中間絶縁膜は、前記層間絶縁膜の埋め込み部分を利用して形成されている、項1〜22のいずれか一項に記載の半導体装置。
[Item 22] The semiconductor device according to any one of
[Item 23] The semiconductor device further includes an interlayer insulating film formed on the SiC semiconductor layer so as to cover the gate electrode and buried in the cavity, and the intermediate insulating film uses a buried portion of the interlayer insulating film. 23. The semiconductor device according to any one of
この半導体装置によれば、層間絶縁膜を形成する工程を利用して中間絶縁膜を形成できる。よって、製造容易な半導体装置を提供できる。
[項24]前記層間絶縁膜の前記空洞部への埋め込み量は、前記層間絶縁膜の前記ゲート電極上の部分の厚さと略等しい、項23に記載の半導体装置。
[項25]前記ゲート電極の上端部には、5度以上のテーパ角が形成されている、項1〜24のいずれか一項に記載の半導体装置。この半導体装置によれば、空洞部に絶縁膜を良好に埋め込むことができる。
According to this semiconductor device, the intermediate insulating film can be formed using the step of forming the interlayer insulating film. Therefore, a semiconductor device that can be easily manufactured can be provided.
[Item 24] The semiconductor device according to item 23, wherein a filling amount of the interlayer insulating film in the cavity is substantially equal to a thickness of a portion of the interlayer insulating film on the gate electrode.
[Item 25] The semiconductor device according to any one of
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。 In addition, various design changes can be made within the scope of the matters described in the claims.
1 半導体装置
10 ゲート電極
12 SiC半導体層
17 p−型ボディ領域
18 JFET領域
19 n+型ソース型領域
21 ゲート絶縁膜
22 チャネル領域
25 空洞部
26 層間絶縁膜
30 中間絶縁膜
50 ゲート絶縁膜
51 半導体装置
59 n+型ソース型領域
60 ゲート電極
61 半導体装置
70 ゲート電極
75 第1空洞部
76 第2空洞部
77 p−型ボディ領域
81 半導体装置
L チャネル長
T1 膜厚
T2 膜厚
T3 膜厚
WD 幅
WJ 幅
θ オフ角
REFERENCE SIGNS
Claims (10)
前記半導体層の前記主面の表層部に、互いに間隔を空けて複数形成された第2導電型の
ボディ領域と、
前記ボディ領域の表層部に形成された第1導電型のソース領域(またはエミッタ領域)と、
前記半導体層の前記主面の上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜の上に形成され、前記ソース領域(またはエミッタ領域)の上方と、互いに隣り合う前記第2導電型のボディ領域間の中間領域の上方とに端部を有するゲート電極とを含み、
前記ゲート絶縁膜は、前記ゲート電極の前記端部の方が前記ゲート電極下方のチャネル領域に対する膜厚よりもその膜厚が厚い、半導体装置。 A first conductivity type semiconductor layer having a main surface and including a wide band gap semiconductor;
A plurality of second conductivity type body regions formed at intervals on the surface layer portion of the main surface of the semiconductor layer;
A first conductivity type source region (or emitter region) formed in a surface layer of the body region;
A gate insulating film formed on the main surface of the semiconductor layer;
A gate electrode formed on the gate insulating film and having an end above the source region (or the emitter region) and above an intermediate region between the body regions of the second conductivity type adjacent to each other; ,
The semiconductor device, wherein the gate insulating film has a greater thickness at the end of the gate electrode than at a channel region below the gate electrode.
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