JP2020072202A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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秀史 高谷
Hideshi Takatani
秀史 高谷
濱田 公守
Kimimori Hamada
公守 濱田
大西 徹
Toru Onishi
徹 大西
貴也 霜野
Takaya Shimono
貴也 霜野
泰 浦上
Yasushi Uragami
泰 浦上
侑佑 山下
Yusuke Yamashita
侑佑 山下
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Abstract

【課題】 半導体装置のオン抵抗を低減することができる技術を提供する。【解決手段】 半導体装置は、半導体基板と、トレンチと、ゲート絶縁膜と、ゲート電極を備える。半導体基板が、半導体基板の上面に露出しており、ゲート絶縁膜に接しているn型のソース領域と、ソース領域の下側でゲート絶縁膜に接しているp型のボディ領域と、ボディ領域の下側でゲート絶縁膜に接しており、ボディ領域によってソース領域から分離されているn型のドリフト領域と、トレンチの底面においてゲート絶縁膜に接しており、ドリフト領域によってボディ領域から分離されているp型の底部領域を有する。ドリフト領域が、ボディ領域と底部領域の間の範囲でゲート絶縁膜に接している高濃度領域と、底部領域に対して下側から接しており、高濃度領域に接しており、高濃度領域のn型不純物濃度よりも低いn型不純物濃度を有する低濃度領域を有する。【選択図】図2

Description

本明細書に開示の技術は、半導体装置及びその製造方法に関する。
特許文献1には、上面にトレンチが設けられている半導体基板を有する半導体装置が開示されている。この半導体装置では、トレンチ内に、トレンチの内面を覆うゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜によって半導体基板から絶縁されているゲート電極が配置されている。半導体基板は、n型のソース領域と、p型のボディ領域と、n型のドリフト領域を有している。ソース領域は、ゲート絶縁膜に接している。ボディ領域は、ソース領域の下側でゲート絶縁膜に接している。ドリフト領域は、ボディ領域の下側でゲート絶縁膜に接している。また、半導体基板は、トレンチの底面においてゲート絶縁膜に接するp型の底部領域を有する。底部領域は、ドリフト領域に接している。
特許文献1のMOSFETでは、ターンオフ時に、ボディ領域からドリフト領域に空乏層が伸びる。さらに、底部領域からドリフト領域にも空乏層が伸びる。これらの空乏層がゲート絶縁膜の周辺に伸びることによって、ゲート絶縁膜に印加される電界を緩和することができる。したがって、このMOSFETは、耐圧が高い。
特開2005−142243号公報
特許文献1のMOSFETでは、ターンオフ時に、ボディ領域からドリフト領域に伸びる空乏層と、底部領域からドリフト領域に伸びる空乏層とが接続されることで、ゲート絶縁膜の周辺のドリフト領域が空乏化される。このMOSFETがターンオンするときには、ボディ領域からドリフト領域に伸びていた空乏層がボディ領域に向かって収縮し、底部領域からドリフト領域に伸びていた空乏層が底部領域に向かって収縮する。その結果、ボディ領域と底部領域の間のドリフト領域に非空乏化領域(空乏化していない領域)が生じる。また、このMOSFETがターンオンするときに、チャネルによってソース領域とドリフト領域が接続される。このため、電子が、ソース領域からチャネルを通ってドリフト領域の非空乏化領域へ流れる。
特許文献1のMOSFETでは、ボディ領域と底部領域の間のドリフト領域に空乏層が広がりやすいので、この部分のドリフト領域の抵抗が高い。このため、特許文献1のMOSFETは、オン抵抗が高い。本明細書では、オン抵抗を低減することができる技術を提供する。
本明細書が開示する半導体装置は、半導体基板と、トレンチと、ゲート絶縁膜と、ゲート電極を備えている。前記トレンチは、前記半導体基板の上面に設けられている。前記ゲート絶縁膜は、前記トレンチの内面を覆っている。前記ゲート電極は、前記トレンチ内に配置されており、前記ゲート絶縁膜によって前記半導体基板から絶縁されている。前記半導体基板が、ソース領域と、ボディ領域と、ドリフト領域と、底部領域を有している。前記ソース領域は、前記半導体基板の前記上面に露出しており、前記ゲート絶縁膜に接しているn型領域である。前記ボディ領域は、前記ソース領域の下側で前記ゲート絶縁膜に接しているp型領域である。前記ドリフト領域は、前記ボディ領域の下側で前記ゲート絶縁膜に接しており、前記ボディ領域によって前記ソース領域から分離されているn型領域である。前記底部領域は、前記トレンチの底面において前記ゲート絶縁膜に接しており、前記ドリフト領域によって前記ボディ領域から分離されているp型領域である。前記ドリフト領域が、前記ボディ領域と前記底部領域の間の範囲で前記ゲート絶縁膜に接している高濃度領域と、前記底部領域に対して下側から接しており、前記高濃度領域に接しており、前記高濃度領域のn型不純物濃度よりも低いn型不純物濃度を有する低濃度領域を有している。
上記の半導体装置では、ボディ領域と底部領域の間のドリフト領域が、n型不純物濃度が高い高濃度領域を有している。高濃度領域によって、ボディ領域と底部領域の間のドリフト領域の抵抗が低減される。したがって、この構造によれば、MOSFETのオン抵抗を低減することができる。
また、本明細書は上記の半導体装置の製造方法を開示する。製造方法は、前記低濃度領域と、前記低濃度領域上に配置された前記ボディ領域を有する半導体基板を準備する工程と、前記ボディ領域の一部に、複数の前記ソース領域を形成する工程と、前記半導体基板の上面から前記低濃度領域の一部にマスクを介してn型不純物を注入して、前記高濃度領域を形成する工程を有している。前記半導体基板の上面を平面視したときに、複数の前記ソース領域が、前記高濃度領域を形成する工程におけるn型不純物の注入範囲内に位置し、前記注入範囲の輪郭が前記ソース領域の輪郭と重複しない。
なお、ソース領域を形成する工程と高濃度領域を形成する工程は、いずれを先に実施してもよい。
高濃度領域を形成する工程では、マスクを介して低濃度領域の一部にn型不純物を注入する。このとき、マスクの端部において、高濃度領域の深さから半導体基板の上面側に向かって連続的に伸びるn型領域が形成される場合がある。上記の製造方法では、半導体基板の上面を平面視したときに、複数のソース領域が、高濃度領域を形成する工程におけるn型不純物の注入範囲内に位置し、注入範囲の輪郭がソース領域の輪郭と重複しない。このため、マスクの端部において高濃度領域の深さから半導体基板の上面側に向かって連続的に伸びるn型領域が形成されても、このn型領域がソース領域と繋がらない。したがって、この製造方法によれば、ソース領域と高濃度領域とが短絡することを抑制できる。
実施例1のMOSFET10の平面図。 図1のII−II線における縦断面図。 図1のIII−III線における縦断面図。 MOSFET10の製造工程を説明するための図。 MOSFET10の製造工程を説明するための図。 MOSFET10の製造工程を説明するための図。 MOSFET10の製造工程を説明するための図。 MOSFET10の製造工程を説明するための図。 MOSFET10の製造工程を説明するための図。 MOSFET10の製造工程を説明するための図。 MOSFET10の製造工程を説明するための図。 n型領域40が形成される場合のMOSFET10の縦断面図(図3に対応)。 実施例2のMOSFET10aの平面図。
図1〜3は、実施例1のMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)10を示している。MOSFET10は、半導体基板12と、電極、絶縁層等を備えている。なお、図1では、図の見易さのため、半導体基板12の上面12a上の電極、絶縁層等の図示を省略している。以下では、半導体基板12の上面12aと平行な一方向をx方向といい、上面12aに平行でx方向に直交する方向をy方向といい、半導体基板12の厚み方向をz方向という。半導体基板12は、例えば、SiC(炭化シリコン)によって構成されている。
図1に示すように、半導体基板12の上面12aには、複数のトレンチ22が設けられている。図1に示すように、各トレンチ22は、y方向に直線状に長く伸びている。複数のトレンチ22は、x方向に間隔を開けて配列されている。図2に示すように、各トレンチ22の内面は、ゲート絶縁膜24によって覆われている。各トレンチ22内には、ゲート電極26が配置されている。各ゲート電極26は、ゲート絶縁膜24によって半導体基板12から絶縁されている。図2に示すように、各ゲート電極26の上面は、層間絶縁膜28によって覆われている。
図2に示すように、半導体基板12の上面12aには、上部電極70が配置されている。上部電極70は、層間絶縁膜28が設けられていない部分で半導体基板12の上面12aに接している。上部電極70は、層間絶縁膜28によってゲート電極26から絶縁されている。半導体基板12の下面12bには、下部電極72が配置されている。下部電極72は、半導体基板12の下面12bに接している。
図2に示すように、半導体基板12の内部には、複数のソース領域30、ボディ領域32、ドリフト領域34、ドレイン領域35及び複数の底部領域36が設けられている。
各ソース領域30は、n型領域である。各ソース領域30は、半導体基板12の上面12aに露出する位置に配置されている。各ソース領域30は、上部電極70にオーミック接触している。また、各ソース領域30は、トレンチ22の側面において、ゲート絶縁膜24に接している。各ソース領域30は、トレンチ22の上端部において、ゲート絶縁膜24に接している。
ボディ領域32は、p型領域である。ボディ領域32は、各ソース領域30に接している。ボディ領域32は、2つのソース領域30に挟まれた範囲から各ソース領域30の下側まで伸びている。ボディ領域32は、コンタクト領域32aとメインボディ領域32bを有している。コンタクト領域32aは、メインボディ領域32bよりも高いp型不純物濃度を有している。コンタクト領域32aは、2つのソース領域30に挟まれた範囲に配置されている。コンタクト領域32aは、上部電極70にオーミック接触している。メインボディ領域32bは、ソース領域30及びコンタクト領域32aの下側に配置されている。メインボディ領域32bは、トレンチ22の側面において、ゲート絶縁膜24に接している。すなわち、メインボディ領域32bは、ソース領域30の下側でゲート絶縁膜24に接している。ボディ領域32の下端(すなわち、メインボディ領域32bの下端)は、ゲート電極26の下端よりも上側に位置している。
各底部領域36は、p型領域である。各底部領域36は、対応するトレンチ22の底面に露出する範囲に配置されている。各底部領域36は、対応するトレンチ22の底面において、ゲート絶縁膜24に接している。各底部領域36の周囲は、後述するドリフト領域34に囲まれている。各底部領域36は、ドリフト領域34によってボディ領域32から分離されている。
ドリフト領域34は、n型領域である。ドリフト領域34は、ボディ領域32の下側に配置されており、ボディ領域32によってソース領域30から分離されている。ドリフト領域34は、高濃度領域34aと低濃度領域34bを有している。高濃度領域34aは、低濃度領域34bよりも高いn型不純物濃度を有している。高濃度領域34aは、メインボディ領域32bの下側に配置されている。高濃度領域34aは、トレンチ22の側面において、ゲート絶縁膜24に接している。すなわち、高濃度領域34aは、メインボディ領域32bの下側でゲート絶縁膜24に接している。低濃度領域34bは、高濃度領域34aの下側に配置されている。低濃度領域34bは、高濃度領域34aの下面に接する位置から各底部領域36の下側まで分布している。低濃度領域34bは、高濃度領域34aの下側でゲート絶縁膜24に接している。低濃度領域34bは、底部領域36の周囲を覆っており、底部領域36に対して側方及び下側から接している。図3に示すように、低濃度領域34bは、高濃度領域34aが形成されていない範囲において、メインボディ領域32bに接している。また、図1及び3に示すように、高濃度領域34aは、各ソース領域30よりも半導体基板12の外周側まで伸びている。すなわち、半導体基板12の平面視において、全てのソース領域30が、高濃度領域34aの形成範囲内に位置している。また、ソース領域30の輪郭は、高濃度領域34aの輪郭と重複していない。半導体基板12の平面視において、高濃度領域34aの輪郭からソース領域30の輪郭までの最短距離は、例えば、1μm以上である。
ドレイン領域35は、n型領域である。ドレイン領域35は、ドリフト領域34よりも高いn型不純物濃度を有している。ドレイン領域35は、ドリフト領域34(すなわち、低濃度領域34b)の下側に配置されている。ドレイン領域35は、半導体基板12の下面12bに露出している。ドレイン領域35は、下部電極72にオーミック接触している。
次に、MOSFET10の動作について説明する。MOSFET10の使用時には、MOSFET10と負荷(例えば、モータ)と電源が直列に接続される。MOSFET10と負荷の直列回路に対して、電源電圧(本実施例では、約800V)が印加される。MOSFET10のドレイン側(下部電極72)がソース側(上部電極70)よりも高電位となる向きで、電源電圧が印加される。ゲート電極26にゲートオン電位(ゲート閾値よりも高い電位)を印加すると、ゲート絶縁膜24に接する範囲のメインボディ領域32bにチャネル(反転層)が形成され、MOSFET10がオンする。ゲート電極26にゲートオフ電位(ゲート閾値以下の電位)を印加すると、チャネルが消滅し、MOSFET10がオフする。以下に、MOSFET10のターンオフ時とターンオン時の動作について、詳細に説明する。
MOSFET10をターンオフさせる場合には、ゲート電極26の電位をオン電位からオフ電位に引き下げる。すると、チャネルが消滅し、下部電極72の電位が上昇する。下部電極72の電位は、上部電極70に対して電源電圧分(すなわち、約800V)だけ高い電位まで上昇する。
下部電極72の電位の上昇に伴って、ドレイン領域35及びドリフト領域34の電位も上昇する。すなわち、高濃度領域34aと低濃度領域34bの電位が上昇する。高濃度領域34aの電位が上昇すると、メインボディ領域32bと高濃度領域34aの界面のpn接合に逆電圧が印加される。したがって、メインボディ領域32bから高濃度領域34aに空乏層が広がる。また、低濃度領域34bの電位が上昇すると、底部領域36と低濃度領域34bの界面のpn接合に逆電圧が印加される。したがって、底部領域36から低濃度領域34bに空乏層が広がる。このようにメインボディ領域32bと底部領域36からドリフト領域34内に空乏層が広がるので、トレンチの近傍における電界集中が抑制される。
MOSFET10をターンオンさせる場合には、ゲート電極26の電位をオフ電位からオン電位に引き上げる。すると、トレンチ22の側面においてゲート絶縁膜24に接している範囲のメインボディ領域32bに電子が引き寄せられる。これによって、この範囲のメインボディ領域32bがp型からn型に反転し、チャネルが形成される。チャネルによって、ソース領域30とドリフト領域34が接続される。これによって、ドリフト領域34、ドレイン領域35及び下部電極72の電位が低下する。ドリフト領域34の電位が低下すると、メインボディ領域32bと高濃度領域34aの界面のpn接合に印加されていた逆電圧が低下する。このため、メインボディ領域32bから高濃度領域34aに伸びていた空乏層が、メインボディ領域32bに向かって収縮する。これにより、上部電極70から、ソース領域30、チャネル、ドリフト領域34、ドレイン領域35を経由して下部電極72へ電子が流れるようになる。すなわち、MOSFET10がオンする。
また、ドリフト領域34の電位が低下する過程において、底部領域36から低濃度領域34bに広がっていた空乏層が底部領域36に向かって収縮する。このため、低濃度領域34bの抵抗が低下し、上部電極70から下部電極72に向かって電子が流れ易くなる。
MOSFET10では、メインボディ領域32bと底部領域36の間に位置する範囲で、ドリフト領域34が、メインボディ領域32bから伸びる空乏層と底部領域36から伸びる空乏層によって空乏化される。したがって、この範囲のドリフト領域34の抵抗が高くなり易い。しかしながら、この範囲のドリフト領域34にn型不純物濃度が高い高濃度領域34aが設けられていることで、この範囲のドリフト領域34の抵抗が高くなることが抑制される。したがって、MOSFET10は、低いオン抵抗を有する。
次に、図4〜12を参照して、MOSFET10の製造方法について説明する。なお、図4〜12は、MOSFET10の製造過程における半導体基板の断面図である。また、図4以降において、2つの断面が描かれている図では、左側の断面がトレンチ22の短手方向に沿った断面(図2に相当する断面)を示しており、右側の断面がトレンチ22の長手方向に沿った断面(図3に相当する断面)を示している。
まず、図4に示すように、低濃度領域34bと、低濃度領域34b上に配置されたp型のメインボディ領域32bを有する半導体基板12xを準備する。メインボディ領域32bは、イオン注入やエピタキシャル成長等の従来公知の方法によって形成することができる。次に、図5に示すように、複数のソース領域30及び複数のコンタクト領域32aをイオン注入やエピタキシャル成長等によって形成する。
次に、図6、7に示すように、半導体基板12xの上面12a上に酸化膜等によってマスク60を形成する。マスク60は、開口部60bを有している。図7に示すように、半導体基板12xの上面12aを平面視したときに、複数のソース領域30が開口部60b内に位置するように、マスク60が形成される。開口部60bの輪郭は、複数のソース領域30それぞれの輪郭と重複しない。半導体基板12xの上面12a上の全域を覆うようにマスク60が形成され、その後、マスク60をエッチングすることで開口部60bが形成される。エッチングにより開口部60bを形成するので、開口部60b近傍に、開口部60bに向かうにしたがってマスク60の厚みが薄くなる傾斜部60aが形成される。次に、図8に示すように、マスク60を介してn型不純物を注入する。このとき、低濃度領域34bの上端部分でn型不純物が停止するように、n型不純物の照射エネルギーを調整する。マスク60に覆われている範囲では、マスク60によって遮られることで、半導体基板12xにn型不純物が注入されない。半導体基板12xの上面12aを平面視したときに、複数のソース領域30が開口部60b内に位置しているので、複数のソース領域30の下側の範囲にn型不純物が注入される。その後、半導体基板12xを熱処理する。すると、図9に示すように、半導体基板12xに注入されたn型不純物が活性化する。これによって、低濃度領域34bよりも高いn型不純物濃度を有する高濃度領域34aが形成される。
次に、図10に示すように、半導体基板12xの上面12aを部分的にエッチングすることによって、ソース領域30とメインボディ領域32bと高濃度領域34aを貫通して低濃度領域34bに達するトレンチ22を形成する。次に、図11に示すように、トレンチ22の底部にp型不純物を注入する。そして、半導体基板12xを熱処理することによってp型不純物を活性化させ、底部領域36を形成する。
その後、従来公知の方法によって、ゲート絶縁膜24、ゲート電極26、層間絶縁膜28、上部電極70、ドレイン領域35及び下部電極72が形成される。これにより、図1〜図3に示すMOSFET10が完成する。
上述したように、高濃度領域34aを形成する工程において、マスク60をエッチングする際に、マスク60に傾斜部60aが形成される。このため、図8に示すように、n型不純物を注入するときに、マスク60の傾斜部60aを貫通して半導体基板12xに注入される。この範囲では、開口部60b内よりも浅い領域(図8の領域61)にn型不純物が注入される。半導体基板12xの上面12aを平面視したときに複数のソース領域30が開口部60b内に位置しているので、領域61はソース領域30の外側に位置する。その後の熱処理によって、領域61内に注入されたn型不純物が活性化して、図12に示すように高濃度領域34aの輪郭付近から半導体基板12xの上面側に向かって伸びるn型領域40が形成される場合がある。このようにn型領域40が形成されたとしても、図8に示すように領域61がソース領域30の外側に位置しているので、図12に示すようにn型領域40がソース領域30の外側に形成される。したがって、n型領域40が形成された場合であっても、n型領域40がソース領域30と繋がることを抑制できる。すなわち、高濃度領域34aがn型領域40を介してソース領域30と繋がることを抑制できる。したがって、この製造方法では、ソース領域30と高濃度領域34aが短絡することを抑制できる。
なお、上述した製造方法において、ソース領域30を形成する工程、コンタクト領域32aを形成する工程及び高濃度領域34aを形成する工程は、いずれを先に実施してもよい。また、トレンチ22を形成した後に、上記の各工程を実施してもよい。
実施例2のMOSFET10aでは、図13に示すように、x方向における最も外側に位置するトレンチ22において、トレンチ22の一方の側面(すなわち、半導体基板の中央側の側面)に接する位置のみにソース領域30が配置されている。すなわち、本実施例のMOSFET10aは、x方向における両端に形成されていたソース領域30を有さない点が実施例1のMOSFET10と異なっており、その他の構成は実施例1のMOSFET10と同様である。
本実施例のMOSFET10aでは、x方向において、最も外側に位置するソース領域30の外側にトレンチ22が形成されている。したがって、MOSFET10aを製造する過程において、実施例1で述べたn型領域40が形成された場合であっても、x方向においてn型領域40とソース領域30とがトレンチ22によって分離される。このため、MOSFET10aでは、ソース領域30と高濃度領域34aが短絡することをより抑制することができる。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
10:MOSFET、12:半導体基板、12a:上面、12b:下面、22:トレンチ、24:ゲート絶縁膜、26:ゲート電極、28:層間絶縁膜、30:ソース領域、32、ボディ領域、32a:コンタクト領域、32b:メインボディ領域、34:ドリフト領域、34a:高濃度領域、34b:低濃度領域、35:ドレイン領域、36:底部領域、40:n型領域、70:上部電極、72:下部電極

Claims (2)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板の上面に設けられたトレンチと、
    前記トレンチの内面を覆っているゲート絶縁膜と、
    前記トレンチ内に配置されており、前記ゲート絶縁膜によって前記半導体基板から絶縁されているゲート電極、
    を備えており、
    前記半導体基板が、
    前記半導体基板の前記上面に露出しており、前記ゲート絶縁膜に接しているn型のソース領域と、
    前記ソース領域の下側で前記ゲート絶縁膜に接しているp型のボディ領域と、
    前記ボディ領域の下側で前記ゲート絶縁膜に接しており、前記ボディ領域によって前記ソース領域から分離されているn型のドリフト領域と、
    前記トレンチの底面において前記ゲート絶縁膜に接しており、前記ドリフト領域によって前記ボディ領域から分離されているp型の底部領域、
    を有しており、
    前記ドリフト領域が、
    前記ボディ領域と前記底部領域の間の範囲で前記ゲート絶縁膜に接している高濃度領域と、
    前記底部領域に対して下側から接しており、前記高濃度領域に接しており、前記高濃度領域のn型不純物濃度よりも低いn型不純物濃度を有する低濃度領域、
    を有している、
    半導体装置。
  2. 請求項1の半導体装置の製造方法であって、
    前記低濃度領域と、前記低濃度領域上に配置された前記ボディ領域を有する半導体基板を準備する工程と、
    前記ボディ領域の一部に、複数の前記ソース領域を形成する工程と、
    前記半導体基板の上面から前記低濃度領域の一部にマスクを介してn型不純物を注入して、前記高濃度領域を形成する工程、
    を有しており、
    前記半導体基板の上面を平面視したときに、複数の前記ソース領域が、前記高濃度領域を形成する工程におけるn型不純物の注入範囲内に位置し、前記注入範囲の輪郭が前記ソース領域の輪郭と重複しない、
    製造方法。
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Citations (2)

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WO2015049815A1 (ja) * 2013-10-04 2015-04-09 三菱電機株式会社 炭化珪素半導体装置およびその製造方法
WO2018074425A1 (ja) * 2016-10-17 2018-04-26 富士電機株式会社 半導体装置

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