JP2020191401A - Semiconductor device and method of manufacturing semiconductor device - Google Patents

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Abstract

To provide a semiconductor device that reduces basal surface dislocation in a silicon carbide layer.SOLUTION: A semiconductor device comprises: an electrode layer 20; a first silicon carbide layer 11 of a first conductivity type which is arranged directly on the electrode layer, and has a basal surface dislocation density of 1 piece/cm2 or more; a second silicon carbide layer 12 of a first conductivity type which has a lower impurity concentration than the first silicon carbide layer 11, and is arranged on the first silicon carbide layer 11; and a silicon carbide region 13 of the second conductivity type which is arranged on the second silicon carbide layer 12 or in the second silicon carbide layer 12.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device.

近年、シリコン(Si)に代わる半導体材料の一つとして炭化珪素(SiC)が注目されている。炭化珪素のバンドギャップは、シリコンと比べて約3倍と大きいので、高い耐電圧特性を有する。多数キャリアで動作する半導体装置を用いることにより、オン抵抗を低減すると共に、高温での優れた動作特性が得られる。また、炭化珪素の熱伝導度は、シリコンと比べて大きいので、半導体装置を冷却するための冷却装置を小型にできる。このような特徴を有する炭化珪素は、例えば電力用の半導体装置への応用が期待されている。 In recent years, silicon carbide (SiC) has been attracting attention as one of the semiconductor materials to replace silicon (Si). Since the band gap of silicon carbide is as large as about 3 times that of silicon, it has high withstand voltage characteristics. By using a semiconductor device that operates with a large number of carriers, on-resistance can be reduced and excellent operating characteristics at high temperatures can be obtained. Further, since the thermal conductivity of silicon carbide is higher than that of silicon, the cooling device for cooling the semiconductor device can be made smaller. Silicon carbide having such characteristics is expected to be applied to semiconductor devices for electric power, for example.

単結晶の炭化珪素基板は、例えば昇華法を用いて製造されるが、この昇華法を用いて製造された炭化珪素基板には、基底面転位(Basal Plane Dislocation:BPD)という欠陥が存在することが知られている。 A single crystal silicon carbide substrate is manufactured by using, for example, a sublimation method, and the silicon carbide substrate manufactured by this sublimation method has a defect called basal plane dislocation (BPD). It has been known.

半導体装置の炭化珪素基板が基底面転位を有すると、電気的特性の経時劣化が観測される場合のあることを、図1(A)〜図1(C)を参照しながら、以下に説明する。 It will be described below with reference to FIGS. 1 (A) to 1 (C) that if the silicon carbide substrate of the semiconductor device has a basal plane dislocation, deterioration of electrical characteristics with time may be observed. ..

図1(A)に示すように、半導体装置100は、炭化珪素基板110と、n型ドリフト層111と、p型層112を備える。炭化珪素基板110の表面に基底面転位が存在すると、炭化珪素基板110上にn型ドリフト層111をエピタキシャル成長させている時に、基底面転位BPDがn型ドリフト層111内に伝搬することがある。エピタキシャル成長時に形成された基底面転位BPDは、n型ドリフト層111に残る。 As shown in FIG. 1A, the semiconductor device 100 includes a silicon carbide substrate 110, an n-type drift layer 111, and a p + type layer 112. If basal plane dislocations are present on the surface of the silicon carbide substrate 110, the basal plane dislocations BPD may propagate into the n-type drift layer 111 when the n-type drift layer 111 is epitaxially grown on the silicon carbide substrate 110. The basal plane dislocation BPD formed during epitaxial growth remains in the n-type drift layer 111.

図1(B)に示すように、半導体装置100が少数キャリアを発生するようなバイポーラ動作をすると、正孔hと電子eとの再結合が基底面転位BPDの近傍で生じて、高いエネルギーが発生する。 As shown in FIG. 1 (B), when the semiconductor device 100 performs a bipolar operation such that a small number of carriers are generated, recombination of holes h and electrons e occurs in the vicinity of the basal dislocation BPD, resulting in high energy. Occur.

図1(C)に示すように、高いエネルギーが基底面転位BPDに与えられることによって、BPDを起点として積層欠陥SFが生じる現象がみられる。この積層欠陥は広い範囲でキャリアの移動を阻害するのでオン抵抗を増大させ、半導体装置100の順方向電圧の経時的な上昇が観測される。 As shown in FIG. 1 (C), when high energy is applied to the basal dislocation BPD, a phenomenon is observed in which stacking defect SF occurs starting from the BPD. Since this stacking defect hinders the movement of carriers in a wide range, the on-resistance is increased, and an increase in the forward voltage of the semiconductor device 100 with time is observed.

そこで、図2に示すように、炭化珪素基板110上に、炭化珪素基板の基底面転位を刃状転位に変換する転位変換層113を形成し、転位変換層113上にn型ドリフト層111と及びp型層112を順番にエピタキシャル成長させることが提案されている(例えば、特許文献1)。 Therefore, as shown in FIG. 2, a dislocation conversion layer 113 that converts dislocations of the basal plane of the silicon carbide substrate into blade-shaped dislocations is formed on the silicon carbide substrate 110, and an n-type drift layer 111 is formed on the dislocation conversion layer 113. And it has been proposed to epitaxially grow the p + type layer 112 in order (for example, Patent Document 1).

転位変換層113は、この層が炭化珪素基板110上にエピタキシャル成長している時に、炭化珪素基板110の表面から侵入してきた基底面転位を、刃状転位に変換する。刃状転位は、基底面転位と比べて半導体装置の電気的特性に与える影響の少ないことが確認されている。そのため、刃状転位が、転位変換層113からn型ドリフト層111へ伝搬した場合でも、半導体装置200に対する電気的特性に与える影響は小さいと考えられる。 The dislocation conversion layer 113 converts the basal plane dislocations that have penetrated from the surface of the silicon carbide substrate 110 into blade-shaped dislocations when this layer is epitaxially grown on the silicon carbide substrate 110. It has been confirmed that the blade-shaped dislocations have less influence on the electrical characteristics of the semiconductor device than the basal plane dislocations. Therefore, even when the blade-shaped dislocation propagates from the dislocation conversion layer 113 to the n-type drift layer 111, it is considered that the influence on the electrical characteristics of the semiconductor device 200 is small.

国際公開第2017/199792号International Publication No. 2017/199792

しかしながら、図2に示す半導体装置200においても、半導体装置200の動作中に少数キャリアが炭化珪素基板110の基底面転位に到達した場合、基底面転位を起点とした積層欠陥が生じて、積層欠陥がn型ドリフト層111内まで伝搬するおそれがある。 However, also in the semiconductor device 200 shown in FIG. 2, when a minority carrier reaches the basal plane dislocation of the silicon carbide substrate 110 during the operation of the semiconductor device 200, a stacking defect occurs starting from the basal plane dislocation, resulting in a stacking defect. May propagate into the n-type drift layer 111.

本明細書では、炭化珪素層内の基底面転位を低減する半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供することを課題とする。 An object of the present specification is to provide a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device that reduce dislocations of the basal plane in the silicon carbide layer.

本明細書に開示する半導体装置によれば、電極層と、電極層上に直接配置され、基底面転位密度が、1個/cm以下である第1導電型の第1炭化珪素層と、第1炭化珪素層よりも低い不純物濃度を有し、第1炭化珪素層上に配置される第1導電型の第2炭化珪素層と、第2炭化珪素層上又は第2炭化珪素層内に配置される第2導電型の炭化珪素領域と、を備える。電極層は、金属とシリコンとのシリサイド、または金属、もしくはその両方を含む。 According to the semiconductor device disclosed in the present specification, the electrode layer, the first conductive type first silicon carbide layer arranged directly on the electrode layer and having a basal plane dislocation density of 1 piece / cm 2 or less, and the like. A first conductive type second silicon carbide layer having a lower impurity concentration than the first silicon carbide layer and arranged on the first silicon carbide layer, and on the second silicon carbide layer or in the second silicon carbide layer. It includes a second conductive type silicon carbide region to be arranged. The electrode layer contains metal and silicon silicide, and / or metal.

本明細書に開示する他の半導体装置によれば、電極層と、シリコン及び炭素を含む原料ガスであって、シリコンの原子数に対する炭素の原子数の比が0.7以上、1.1以下の範囲内にある原料ガスを用いて炭化珪素基板上で成長した後当該炭化珪素基板が除去されて形成されており、電極層上に直接配置される第1導電型の第1炭化珪素層と、第1炭化珪素層よりも低い不純物濃度を有し、第1炭化珪素層上に配置される第1導電型の第2炭化珪素層と、第1炭化珪素層上又は第2炭化珪素層内に配置される第2導電型の第3炭化珪素領域と、を備える。 According to other semiconductor devices disclosed in the present specification, the ratio of the number of carbon atoms to the number of silicon atoms in the electrode layer and the raw material gas containing silicon and carbon is 0.7 or more and 1.1 or less. After growing on the silicon carbide substrate using the raw material gas within the range of, the silicon carbide substrate is removed and formed, and the first conductive type first silicon carbide layer is arranged directly on the electrode layer. , A first conductive type second silicon carbide layer having a lower impurity concentration than the first silicon carbide layer and arranged on the first silicon carbide layer, and on the first silicon carbide layer or in the second silicon carbide layer. It is provided with a second conductive type third silicon carbide region arranged in.

これらの半導体装置において、第1炭化珪素層の不純物濃度は、1×1017cm−3以上、2×1019cm−3以下の範囲にあることが好ましい。 In these semiconductor devices, the impurity concentration of the first silicon carbide layer is preferably in the range of 1 × 10 17 cm -3 or more and 2 × 10 19 cm -3 or less.

これらの半導体装置において、第1炭化珪素層における電極層側の領域に、第1導電型の不純物と第2導電型の不純物とを含むことが好ましい。 In these semiconductor devices, it is preferable that the region on the electrode layer side of the first silicon carbide layer contains first conductive type impurities and second conductive type impurities.

これらの半導体装置において、第1炭化珪素層における電極層側の界面はアモルファスであることが好ましい。 In these semiconductor devices, the interface on the electrode layer side of the first silicon carbide layer is preferably amorphous.

これらの半導体装置において、第1炭化珪素層と第2炭化珪素層とをあわせた厚さは、50μm以上であり、第2炭化珪素層の不純物濃度は、3×1015cm−3以下であることが好ましい。 In these semiconductor devices, the total thickness of the first silicon carbide layer and the second silicon carbide layer is 50 μm or more, and the impurity concentration of the second silicon carbide layer is 3 × 10 15 cm -3 or less. Is preferable.

これらの半導体装置において、第2炭化珪素層の基底面転位密度は、第1炭化珪素層よりも低いことが好ましい。 In these semiconductor devices, the basal plane dislocation density of the second silicon carbide layer is preferably lower than that of the first silicon carbide layer.

これらの半導体装置は、MOSFETあるいはIGBTであることが好ましい。 These semiconductor devices are preferably MOSFETs or IGBTs.

また、本明細書に開示する半導体装置の製造方法によれば、シリコン及び炭素を含む原料ガスであって、シリコンの原子数に対する炭素の原子数の比が0.7以上、1.1以下の範囲内にある原料ガスを用いて、炭化珪素基板上に第1導電型の第1炭化珪素層を形成する第1工程と、第1炭化珪素層よりも低い不純物濃度を有する第1導電型の第2炭化珪素層を、第1炭化珪素層上に形成する第2工程と、第2導電型の炭化珪素領域を、第1炭化珪素層上に形成するか又は第1炭化珪素層内に形成する第3工程と、炭化珪素基板を除去して、第1炭化珪素層を露出させる第4工程と、第1炭化珪素層の露出した面上に、電極層を形成する第5工程と、を含む。 Further, according to the method for manufacturing a semiconductor device disclosed in the present specification, the ratio of the number of carbon atoms to the number of silicon atoms in the raw material gas containing silicon and carbon is 0.7 or more and 1.1 or less. The first step of forming the first conductive type first silicon carbide layer on the silicon carbide substrate using the raw material gas within the range, and the first conductive type having an impurity concentration lower than that of the first silicon carbide layer. The second step of forming the second silicon carbide layer on the first silicon carbide layer and the second conductive type silicon carbide region are formed on the first silicon carbide layer or formed in the first silicon carbide layer. A third step of removing the silicon carbide substrate to expose the first silicon carbide layer, and a fifth step of forming an electrode layer on the exposed surface of the first silicon carbide layer. Including.

この半導体装置の製造方法において、第1工程では、第1炭化珪素層を形成するのに用いる原料ガスにおけるシリコンの原子数に対する炭素の原子数の比R1であり、第2工程では、シリコン及び炭素を含む原料ガスであって、シリコンの原子数に対する炭素の原子数の比R2の原料ガスを用いて、第2炭化珪素層を形成しており、比R2に対する比R1の比R1/R2は、0.46〜0.99の範囲内にあることが好ましい。 In the method for manufacturing this semiconductor device, in the first step, the ratio R1 of the number of carbon atoms to the number of silicon atoms in the raw material gas used to form the first silicon carbide layer is R1, and in the second step, silicon and carbon. A second silicon carbide layer is formed by using a raw material gas having a ratio R2 of carbon atoms to the number of silicon atoms, and the ratio R1 / R2 of the ratio R1 to the ratio R2 is It is preferably in the range of 0.46 to 0.99.

この半導体装置の製造方法において、第1工程では、原料ガスとして、第1導電型の導電性を与える不純物を含むガスと第2導電型の導電性を与える不純物を含むガスとを添加することが好ましい。 In the method for manufacturing a semiconductor device, in the first step, a gas containing an impurity that gives conductivity of the first conductive type and a gas containing an impurity that gives conductivity of the second conductive type can be added as a raw material gas. preferable.

この半導体装置の製造方法において、第4工程では、ドライエッチング又は化学機械研磨を用いることが好ましい。 In the method for manufacturing this semiconductor device, it is preferable to use dry etching or chemical mechanical polishing in the fourth step.

上述した本明細書に開示する半導体装置によれば、炭化珪素層内の基底面転位を低減できる。 According to the semiconductor device disclosed in the present specification described above, dislocations of the basal plane in the silicon carbide layer can be reduced.

また、上述した本明細書に開示する半導体装置の製造方法によれば、炭化珪素層内の基底面転位が低減した半導体装置が得られる。 Further, according to the method for manufacturing a semiconductor device disclosed in the present specification described above, a semiconductor device in which dislocations of the basal plane in the silicon carbide layer are reduced can be obtained.

(A)〜(C)は、従来例の半導体装置を説明する図である。(A) to (C) are diagrams for explaining a conventional semiconductor device. 従来例の他の半導体装置を説明する図である。It is a figure explaining another semiconductor device of the prior art. 本明細書に開示する半導体装置の第1実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the 1st Embodiment of the semiconductor device disclosed in this specification. 第1実施形態の半導体装置の変型例1を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the modification 1 of the semiconductor device of 1st Embodiment. 第1実施形態の半導体装置の変型例2を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the modification 2 of the semiconductor device of 1st Embodiment. 第1実施形態の半導体装置の変型例3を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the modification 3 of the semiconductor device of 1st Embodiment. 第1実施形態の半導体装置の変型例4を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the modification 4 of the semiconductor device of 1st Embodiment. 本明細書に開示する半導体装置の第2実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the 2nd Embodiment of the semiconductor device disclosed in this specification. 本明細書に開示する半導体装置の製造方法の一実施形態の工程を説明する図(その1)である。It is a figure (the 1) explaining the process of one Embodiment of the manufacturing method of the semiconductor device disclosed in this specification. 本明細書に開示する半導体装置の製造方法の一実施形態の工程を説明する図(その2)である。It is a figure (the 2) explaining the process of one Embodiment of the manufacturing method of the semiconductor device disclosed in this specification. 本明細書に開示する半導体装置の製造方法の一実施形態の工程を説明する図(その3)である。It is a figure (the 3) explaining the process of one Embodiment of the manufacturing method of the semiconductor device disclosed in this specification. 本明細書に開示する半導体装置の製造方法の一実施形態の工程を説明する図(その4)である。It is a figure (the 4) explaining the process of one Embodiment of the manufacturing method of the semiconductor device disclosed in this specification. 本明細書に開示する半導体装置の製造方法の一実施形態の工程を説明する図(その5)である。It is a figure (the 5) explaining the process of one Embodiment of the manufacturing method of the semiconductor device disclosed in this specification. 本明細書に開示する半導体装置の製造方法の一実施形態の工程を説明する図(その6)である。It is a figure (the 6) explaining the process of one Embodiment of the manufacturing method of the semiconductor device disclosed in this specification.

以下、本明細書で開示する半導体装置の好ましい一実施形態を、図を参照して説明する。但し、本発明の技術範囲はそれらの実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶものである。 Hereinafter, a preferred embodiment of the semiconductor device disclosed in the present specification will be described with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention is not limited to those embodiments, but extends to the inventions described in the claims and their equivalents.

本明細書及び添付の図面においては、nを付した層又は領域では、電子が多数キャリアであることを意味し、pを付した層又は領域では、正孔が多数キャリアであることを意味する。また、n又はpに付す+は、それが付されていない層又は領域よりも不純物濃度が高いことを意味し、n又はpに付す−は、それが付されていない層や領域よりも不純物濃度が低いことを意味する。以下の実施形態では第1導電型をn型とし、第2導電型をp型として説明する。 In the present specification and the accompanying drawings, the layer or region labeled n means that the electrons are multi-carriers, and the layer or region labeled p means that the holes are multi-carriers. .. Further, + attached to n or p means that the impurity concentration is higher than that of the layer or region without it, and-attached to n or p means that the impurity concentration is higher than that of the layer or region without it. It means that the concentration is low. In the following embodiments, the first conductive type will be referred to as n type, and the second conductive type will be referred to as p type.

また、ミラー指数の表記において、「−」はその直後の指数に付すバーを意味しており、ミラー指数の前に「−」を付けることで負の指数を表す。 Further, in the notation of the Miller index, "-" means a bar attached to the index immediately after that, and adding "-" in front of the Miller index indicates a negative index.

図3は、本明細書に開示する半導体装置の第1実施形態を示す断面図である。本実施形態の半導体装置10は、第1導電型の炭化珪素層及び第2導電型の炭化珪素層を有する半導体装置である。具体的には、半導体装置10は、トレンチ型のゲート電極を有する縦型のMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)である。 FIG. 3 is a cross-sectional view showing a first embodiment of the semiconductor device disclosed in the present specification. The semiconductor device 10 of the present embodiment is a semiconductor device having a first conductive type silicon carbide layer and a second conductive type silicon carbide layer. Specifically, the semiconductor device 10 is a vertical MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) having a trench-type gate electrode.

半導体装置10は、第1導電型の炭化珪素エピタキシャル層であるn型転位変換層11と、炭化珪素エピタキシャル層12と、第2導電型のp型炭化珪素エピタキシャル層13と、第1導電型のソース領域14と、第2導電型のコンタクト領域15を備える。また、半導体装置10は、ゲート絶縁膜16と、ゲート電極17と、層間絶縁膜18と、ソース電極19と、ドレイン電極20を備える。 The semiconductor device 10 includes an n + type rearrangement conversion layer 11 which is a first conductive type silicon carbide epitaxial layer, a silicon carbide epitaxial layer 12, a second conductive type p-type silicon carbide epitaxial layer 13, and a first conductive type. The source region 14 and the second conductive type contact region 15 are provided. Further, the semiconductor device 10 includes a gate insulating film 16, a gate electrode 17, an interlayer insulating film 18, a source electrode 19, and a drain electrode 20.

まず、n型転位変換層11について、以下に説明する。n型転位変換層11は、第1導電型の極性を与える不純物、例えば、窒素が添加された炭化珪素エピタキシャル層である。n型転位変換層11は、半導体装置10の製造工程において、単結晶の炭化珪素基板上に形成されたものである(図9参照)。n型転位変換層11は、半導体装置10の製造工程において、炭化珪素基板からn型転位変換層11内へ侵入した基底面転位を刃状転位に変換して、炭化珪素エピタキシャル層12上に配置される他の層又は領域内に基底面転位が伝搬することを抑制する。半導体装置10の製造工程では、n型転位変換層11上に炭化珪素エピタキシャル層12等の他の構成要素が形成された後、n型転位変換層11の下面から炭化珪素基板が取り除かれて、ドレイン電極20が形成される。 First, the n + type dislocation conversion layer 11 will be described below. The n + type dislocation conversion layer 11 is a silicon carbide epitaxial layer to which impurities giving the polarity of the first conductive type, for example, nitrogen are added. The n + type dislocation conversion layer 11 is formed on a single crystal silicon carbide substrate in the manufacturing process of the semiconductor device 10 (see FIG. 9). n + -type dislocation conversion layer 11, in the manufacturing process of the semiconductor device 10, the basal plane dislocations penetrated from the silicon carbide substrate to the n + type dislocation conversion layer 11 converts the edge dislocations, the silicon carbide epitaxial layer 12 on Suppresses the propagation of basal dislocations into other layers or regions located in. In the manufacturing process of the semiconductor device 10, after the other components, such as silicon carbide epitaxial layer 12 is formed, the lower surface of the silicon carbide substrate of n + -type dislocation conversion layer 11 is removed on the n + -type dislocation conversion layer 11 The drain electrode 20 is formed.

半導体装置10は、炭化珪素基板が取り除かれているので、動作中に少数キャリアがn型転位変換層11を通過してドレイン電極20へ到達しても、炭化珪素基板内に存在する基底面転位を起因とした積層欠陥が生じることはない。 Since the silicon carbide substrate is removed from the semiconductor device 10, even if a minority carrier passes through the n + type dislocation conversion layer 11 and reaches the drain electrode 20 during operation, the basal plane existing in the silicon carbide substrate is present. Stacking defects due to dislocations do not occur.

型転位変換層11は、シリコン及び炭素を含む原料ガスであって、シリコンの原子数に対する炭素の原子数のC/Si比が0.7以上、1.1以下の範囲内にある原料ガスを用いて形成される。原料ガスにおけるC/Si比が大きい程、形成されるn型転位変換層11は、炭化珪素基板の基底面転位を刃状転位に変換する作用を有すると考えられる。n型転位変換層11は、原料ガスにおけるC/Si比が0.7以上であることにより、炭化珪素基板上において成長する時に炭化珪素基板の基底面転位を刃状転位に変換して、基底面転位がn型転位変換層11を貫通して伝搬することを十分に抑制できる。一方、原料ガスにおけるC/Si比が1.1よりも大きいと、n型転位変換層11においてC/Si比に起因した欠陥が生じるおそれがある。原料ガスにおけるC/Si比は、例えば、n型転位変換層11の製造時におけるシリコンを含むガスと炭素を含むガスとの流量比により決定することができる。 The n + type dislocation conversion layer 11 is a raw material gas containing silicon and carbon, and the C / Si ratio of the number of carbon atoms to the number of silicon atoms is in the range of 0.7 or more and 1.1 or less. Formed using gas. It is considered that the larger the C / Si ratio in the raw material gas, the more the n + type dislocation conversion layer 11 formed has an action of converting the basal plane dislocations of the silicon carbide substrate into blade-shaped dislocations. Since the n + type dislocation conversion layer 11 has a C / Si ratio of 0.7 or more in the raw material gas, when it grows on the silicon carbide substrate, the basal plane dislocation of the silicon carbide substrate is converted into blade-shaped dislocations. It is possible to sufficiently suppress the dislocation of the basal plane from propagating through the n + type dislocation conversion layer 11. On the other hand, if the C / Si ratio in the raw material gas is larger than 1.1, defects due to the C / Si ratio may occur in the n + type dislocation conversion layer 11. The C / Si ratio in the raw material gas can be determined, for example, by the flow rate ratio of the gas containing silicon and the gas containing carbon at the time of manufacturing the n + type dislocation conversion layer 11.

原料ガスにおけるC/Si比は、特に、0.8以上、1.0以下であることが、炭化珪素基板とn型転位変換層11との界面において、炭化珪素基板の基底面転位を刃状転位に変換して、基底面転位をn型転位変換層11内に侵入させない観点から好ましい。 The C / Si ratio in the raw material gas is 0.8 or more and 1.0 or less, in particular, at the interface between the silicon carbide substrate and the n + type dislocation conversion layer 11, the basal dislocation of the silicon carbide substrate is cut. It is preferable from the viewpoint of converting to a state dislocation and preventing the basal plane dislocation from entering the n + type dislocation conversion layer 11.

なお、通常、半導体装置の炭化珪素層を形成するのに使用される原料ガスのC/Si比は、1.1以上、1.5以下の範囲にあるので、上述したn型転位変換層11を形成するのに使用される原料ガスのC/Si比は、炭化珪素層を形成するのに通常使用される範囲とは異なっている。 Normally, the C / Si ratio of the raw material gas used to form the silicon carbide layer of the semiconductor device is in the range of 1.1 or more and 1.5 or less, so that the n + type dislocation conversion layer described above is used. The C / Si ratio of the source gas used to form 11 is different from the range normally used to form the silicon carbide layer.

本実施形態の半導体装置のn型転位変換層11は、上述したように、シリコン及び炭素を含む原料ガスであって、シリコンの原子数に対する炭素の原子数のC/Si比が0.7以上、1.1以下の範囲内にある原料ガスを用いて形成される。このように、本実施形態の半導体装置は、製造工程を構成要素の一部として有する。以下、本実施形態の半導体装置が、製造工程を特徴の一部として有することの理由を説明する。本実施形態の半導体装置と従来技術との差は、炭化珪素層であるn型転位変換層が、炭化珪素基板上で成長して形成される時に炭化珪素基板の基底面転位を刃状転位に変換する作用を有し且つ不要な欠陥を多くは含まないことであるが、n型転位変換層の不均一性に照らすと、そのような作用を有さない炭化珪素層と、n型転位変換層11との違いに係る構造又は特性を文言により一概に特定することは非常に困難である。一方、n型転位変換層の構成は、電子顕微鏡による観察及び元素分析等を用いて原理的には可能であるかもしれないが、本実施形態の半導体装置と従来技術の半導体装置とをそれぞれ統計上有意となる数だけ製造し、電子顕微鏡による観察及び元素分析の結果を求め、その統計的処理をした上で、本実施形態と従来技術を区別する有意義な指標とその値を見出さなければならず、膨大な時間とコストがかかることになる。しかも、従来技術については膨大な可能性があるため、統計上有意となる数を一義的に決めることも困難である。従って、上記のような指標とその値を見いだし、本実施形態の半導体装置の特徴を物の構造又は特性のみにより直接特定することは、およそ現実的ではない。以上の考えに基づいて、炭化珪素基板上で成長して形成される時に炭化珪素基板の基底面転位を刃状転位に変換する作用を有し且つ不要な欠陥を多くは含まないことという特徴を規定するために、本実施形態の半導体装置の構成の一部には、製造工程が含まれている。 As described above, the n + type dislocation conversion layer 11 of the semiconductor device of the present embodiment is a raw material gas containing silicon and carbon, and the C / Si ratio of the number of carbon atoms to the number of silicon atoms is 0.7. As described above, it is formed by using a raw material gas in the range of 1.1 or less. As described above, the semiconductor device of the present embodiment has a manufacturing process as a part of the components. Hereinafter, the reason why the semiconductor device of the present embodiment has a manufacturing process as a part of its features will be described. The difference between the semiconductor device of the present embodiment and the prior art is that when the n + type dislocation conversion layer, which is a silicon carbide layer, grows and is formed on the silicon carbide substrate, the basal plane dislocation of the silicon carbide substrate is blade-shaped dislocation. Although it has an action of converting to and does not contain many unnecessary defects, in light of the non-uniformity of the n + type dislocation conversion layer, a silicon carbide layer having no such action and n + It is very difficult to unequivocally specify the structure or characteristics related to the difference from the type dislocation conversion layer 11 by wording. On the other hand, the configuration of the n + type dislocation conversion layer may be possible in principle by using observation with an electron microscope, elemental analysis, etc., but the semiconductor device of the present embodiment and the semiconductor device of the prior art are used, respectively. Only a number that is statistically significant must be manufactured, the results of electron microscope observation and element analysis must be obtained, and after statistical processing, a meaningful index and its value that distinguish the present embodiment from the prior art must be found. However, it will take a huge amount of time and cost. Moreover, since there are enormous possibilities for the prior art, it is difficult to uniquely determine a statistically significant number. Therefore, it is not practical to find the above-mentioned index and its value and directly specify the characteristics of the semiconductor device of the present embodiment only by the structure or characteristics of the object. Based on the above idea, it is characterized by having the effect of converting the basal plane dislocations of the silicon carbide substrate into blade-shaped dislocations when grown and formed on the silicon carbide substrate and not containing many unnecessary defects. For the sake of specification, a manufacturing process is included as part of the configuration of the semiconductor device of the present embodiment.

型転位変換層11は、炭化珪素基板の基底面転位を、主に炭化珪素基板とn型転位変換層11との界面において刃状転位に変換するので、n型転位変換層11の基底面転位密度が、1個/cm以下となり、好ましくは0.1個/cm以下となる。n型転位変換層11に含まれる基底面転位は少ない程好ましいが、n型転位変換層11には、通常、少なくとも100個/cm程度の基底面転位密度が存在する。n型転位変換層11の基底面転位密度は、例えば、X線トポグラフィ法を用いて測定することができる。 Since the n + type dislocation conversion layer 11 converts the basal plane dislocations of the silicon carbide substrate into blade-shaped dislocations mainly at the interface between the silicon carbide substrate and the n + type dislocation conversion layer 11, the n + type dislocation conversion layer 11 The dislocation density of the basal plane is 1 piece / cm 2 or less, preferably 0.1 piece / cm 2 or less. The smaller the number of basal dislocations contained in the n + type dislocation conversion layer 11, the more preferable it is. However, the n + type dislocation conversion layer 11 usually has a basal dislocation density of at least 100 pieces / cm 2 . The basal dislocation density of the n + type dislocation conversion layer 11 can be measured using, for example, an X-ray topography method.

型転位変換層11の厚さ方向において、n型転位変換層11に含まれる基底面転位は、ドレイン電極20側から炭化珪素エピタキシャル層12側に向かう方向において、n型転位変換層11を貫通するように存在する場合と、途中の深さで刃状転位に変換される場合と、途中の深さまで侵入して停止する場合があり得る。本明細書において、n型転位変換層11の基底面転位密度は、n型転位変換層11の厚さ方向において、基底面転位の数が最大となる深さにおける密度を意味する。 in the thickness direction of the n + -type dislocation conversion layer 11, the basal plane dislocations contained in the n + -type dislocation conversion layer 11, in the direction from the drain electrode 20 side to the silicon carbide epitaxial layer 12 side, an n + -type dislocation conversion layer There may be a case where it exists so as to penetrate the eleven, a case where it is converted into a blade-shaped dislocation at an intermediate depth, and a case where it penetrates to an intermediate depth and stops. In this specification, the basal plane dislocation density of the n + -type dislocation conversion layer 11 in the thickness direction of the n + -type dislocation conversion layer 11, the number of basal plane dislocations is meant the density at a depth of maximum.

なお、炭化珪素基板の基底面転位が、炭化珪素基板とn型転位変換層11との界面において刃状転位に変換される場合には、この炭化珪素基板の基底面転位は、n型転位変換層11内には侵入していないので、n型転位変換層11の基底面転位密度には含まれない。 When the basal plane dislocation of the silicon carbide substrate is converted into a blade dislocation at the interface between the silicon carbide substrate and the n + type dislocation conversion layer 11, the basal plane dislocation of the silicon carbide substrate is n + type. Since it does not penetrate into the dislocation conversion layer 11, it is not included in the dislocation density of the basal plane of the n + type dislocation conversion layer 11.

また、n型転位変換層11に添加される第1導電型の不純物濃度は、1×1017cm−3以上、2×1019cm−3以下の範囲にあることが好ましい。不純物濃度が1×1017cm−3以上であることにより、炭化珪素基板の基底面転位を十分に刃状転位に変換できる。一方、不純物濃度が2×1019cm−3以上であると、ダブルショックレー型の積層欠陥等の欠陥がn型転位変換層11内に生じるおそれがある。 Further, the concentration of impurities of the first conductive type added to the n + type dislocation conversion layer 11 is preferably in the range of 1 × 10 17 cm -3 or more and 2 × 10 19 cm -3 or less. When the impurity concentration is 1 × 10 17 cm -3 or more, the basal plane dislocations of the silicon carbide substrate can be sufficiently converted into blade-shaped dislocations. On the other hand, if the impurity concentration is 2 × 10 19 cm -3 or more, defects such as double shockley type stacking defects may occur in the n + type dislocation conversion layer 11.

型転位変換層11とドレイン電極20とは、オーミック接合していることが、電気抵抗を低減する観点から好ましい。この観点から、例えば、n型転位変換層11におけるドレイン電極20側の界面は、アモルファスの状態にあることが好ましい。n型転位変換層11におけるドレイン電極20側の界面において、10%以上、特に50%以上の領域がアモルファスであることが、オーミック接合を得る観点から好ましい。 It is preferable that the n + type dislocation conversion layer 11 and the drain electrode 20 are ohmic-bonded from the viewpoint of reducing electrical resistance. From this point of view, for example, the interface on the drain electrode 20 side of the n + type dislocation conversion layer 11 is preferably in an amorphous state. At the interface on the drain electrode 20 side of the n + type dislocation conversion layer 11, it is preferable that a region of 10% or more, particularly 50% or more, is amorphous from the viewpoint of obtaining ohmic contact.

また、n型転位変換層11におけるドレイン電極20側の界面近傍の領域では、第1導電型の不純物濃度が、1×1018cm−3以上であることが、オーミック接合を得る観点から好ましい。n型転位変換層11におけるドレイン電極20側の界面近傍の領域は、例えば、ドレイン電極20側の界面から0.3μmまでの深さ、特に0.05μmまでの深さの範囲とすることができる。 Further, in the region near the interface on the drain electrode 20 side of the n + type dislocation conversion layer 11, it is preferable that the impurity concentration of the first conductive type is 1 × 10 18 cm -3 or more from the viewpoint of obtaining ohmic contact. .. The region of the n + type dislocation conversion layer 11 near the interface on the drain electrode 20 side may be, for example, in the range of a depth of up to 0.3 μm from the interface on the drain electrode 20 side, particularly up to 0.05 μm. it can.

更に、n型転位変換層11におけるドレイン電極20側の界面近傍の領域に金属とシリコンとのシリサイド領域を形成して、ドレイン電極20とオーミック接合するようにしてもよい。金属としては、例えば、ニッケルを用いることができる。 Further, a silicide region of metal and silicon may be formed in a region near the interface on the drain electrode 20 side of the n + type dislocation conversion layer 11 to make ohmic contact with the drain electrode 20. As the metal, for example, nickel can be used.

また、n型転位変換層11におけるドレイン電極20側の界面近傍の領域に、第2導電型の不純物、例えばホウ素を添加してもよい。ホウ素は、n型転位変換層11において深いアクセプタ準位を形成して正孔をトラップするので、n型転位変換層11における正孔密度を低減する。また、ホウ素にトラップされた正孔が熱励起された場合でも、n型転位変換層11は第1導電型の不純物濃度が高いので、電子と再結合するため、少数キャリアである正孔の寿命を低減することができる。ここで、界面近傍の領域とは、界面から1μmの領域である。n型転位変換層11におけるドレイン電極20側の界面近傍の領域において、例えば、ホウ素の濃度を、1×1014cm−3以上、1×1017cm−3以下の範囲にすることができる。以上が、n型転位変換層11に関する説明である。 Further, a second conductive type impurity such as boron may be added to the region near the interface on the drain electrode 20 side of the n + type dislocation conversion layer 11. Boron, so to form a deep acceptor level in the n + -type dislocation conversion layer 11 to trap positive holes, to reduce the hole density in the n + -type dislocation conversion layer 11. Further, even when the holes trapped in boron are thermally excited, the n + type dislocation conversion layer 11 has a high concentration of impurities of the first conductive type, so that it recombines with electrons, so that the holes, which are minority carriers, The life can be reduced. Here, the region near the interface is a region 1 μm from the interface. In the region near the interface on the drain electrode 20 side of the n + type dislocation conversion layer 11, for example, the concentration of boron can be in the range of 1 × 10 14 cm -3 or more and 1 × 10 17 cm -3 or less. .. The above is the description of the n + type dislocation conversion layer 11.

炭化珪素エピタキシャル層12は、n型転位変換層11上に配置される。炭化珪素エピタキシャル層12は、第1導電型のn型領域12aと、第1導電型のn+型領域12b
と、第2導電型の第1p+ベース領域12cと、第2導電型の第2p+ベース領域12dを有する。
The silicon carbide epitaxial layer 12 is arranged on the n + type dislocation conversion layer 11. The silicon carbide epitaxial layer 12 has a first conductive type n-type region 12a and a first conductive type n + type region 12b.
It has a second conductive type first p + base region 12c and a second conductive type second p + base region 12d.

n型領域12aは、n型転位変換層11上に配置される。n型領域12aは、n型転位変換層11よりも低い不純物濃度で、第1導電型の極性を与える不純物、例えば窒素が炭化珪素エピタキシャル層に添加されているn型ドリフト層である。 The n-type region 12a is arranged on the n + -type dislocation conversion layer 11. The n-type region 12a is an n-type drift layer in which impurities that give the polarity of the first conductive type, for example, nitrogen, are added to the silicon carbide epitaxial layer at an impurity concentration lower than that of the n + type dislocation conversion layer 11.

n型領域12aとn型転位変換層11をあわせた厚さは、50μm以上であることが、半導体装置10の機械的強度を確保する上で好ましい。例えば、n型転位変換層11の厚さを20μmとした場合、n型領域12aの厚さは、少なくとも30μmであることが好ましい。ここで、半導体装置10の耐電圧を3300ボルトとする観点から、n型領域12aの不純物濃度は、3×1015cm−3以下とすることが好ましい。また、n型領域12aの不純物濃度を3×1015cm−3以下として、n型領域12aの厚さを60μmとすれば、半導体装置10の耐電圧を6500ボルトまで増大することができる。n型領域12aの不純物濃度の下限値及びn型領域12aとn型転位変換層11をあわせた厚さの上限値は、半導体装置10のオン抵抗等の電気的特性及び耐電圧の観点から適宜決定される。n型領域12aの不純物濃度の下限値は、通常、1×1013cm−3程度である。 The total thickness of the n-type region 12a and the n + -type dislocation conversion layer 11 is preferably 50 μm or more in order to secure the mechanical strength of the semiconductor device 10. For example, when the thickness of the n + type dislocation conversion layer 11 is 20 μm, the thickness of the n-type region 12a is preferably at least 30 μm. Here, from the viewpoint of setting the withstand voltage of the semiconductor device 10 to 3300 volts, the impurity concentration in the n-type region 12a is preferably 3 × 10 15 cm -3 or less. Further, if the impurity concentration of the n-type region 12a is 3 × 10 15 cm -3 or less and the thickness of the n-type region 12a is 60 μm, the withstand voltage of the semiconductor device 10 can be increased to 6500 volts. The lower limit of the impurity concentration in the n-type region 12a and the upper limit of the thickness of the n-type region 12a and the n + type dislocation conversion layer 11 are determined from the viewpoint of electrical characteristics such as on-resistance of the semiconductor device 10 and withstand voltage. It will be decided as appropriate. The lower limit of the impurity concentration in the n-type region 12a is usually about 1 × 10 13 cm -3 .

n型領域12aは、シリコン及び炭素を含む原料ガスであって、シリコンの原子数に対する炭素の原子数のC/Si比が1.1以上、1.5以下の範囲内にある原料ガスを用いて形成されることが好ましい。原料ガスにおけるC/Si比が1.1以上であることにより、n型の導電性を与える不純物である窒素の取り込み量を安定させることができる。また、n型領域12aの基底面転位密度は、n型転位変換層11よりも低いことが好ましい。一方、原料ガスにおけるC/Si比が1.5以上であると、形成されるn型領域12aにC/Si比に起因する欠陥が生じるおそれがある。原料ガスにおけるC/Si比は、例えば、n型領域12aの製造時におけるシリコンを含むガスと炭素を含むガスとの流量比により決定することができる。 The n-type region 12a is a raw material gas containing silicon and carbon, and uses a raw material gas in which the C / Si ratio of the number of carbon atoms to the number of silicon atoms is in the range of 1.1 or more and 1.5 or less. Is preferably formed. When the C / Si ratio in the raw material gas is 1.1 or more, the uptake amount of nitrogen, which is an impurity giving n-type conductivity, can be stabilized. Further, the basal dislocation density of the n-type region 12a is preferably lower than that of the n + -type dislocation conversion layer 11. On the other hand, if the C / Si ratio in the raw material gas is 1.5 or more, defects due to the C / Si ratio may occur in the formed n-type region 12a. The C / Si ratio in the raw material gas can be determined, for example, by the flow rate ratio of the gas containing silicon and the gas containing carbon at the time of manufacturing the n-type region 12a.

n型領域12aを形成するのに用いる原料ガスにおけるシリコンの原子数に対する炭素の原子数の比R1(C/Si比)に対する、n型転位変換層11を形成するのに用いる原料ガスにおけるシリコンの原子数に対する炭素の原子数の比R2(C/Si比)の比R2/R1は、0.46〜0.99の範囲にあることが好ましい。 Silicon in the raw material gas used to form the n + type rearrangement conversion layer 11 with respect to the ratio R1 (C / Si ratio) of the number of carbon atoms to the number of silicon atoms in the raw material gas used to form the n-type region 12a. The ratio R2 / R1 of the number of carbon atoms to the number of atoms of carbon R2 (C / Si ratio) is preferably in the range of 0.46 to 0.99.

+型領域12bは、n型領域12a上に配置される。n+型領域12bは、n型領域12aよりも高い不純物濃度で、第1導電型の極性を与える不純物、例えば窒素が炭化珪素エピタキシャル層に添加されて形成される。 The n + type region 12b is arranged on the n type region 12a. The n + type region 12b is formed by adding an impurity that gives the polarity of the first conductive type, for example, nitrogen, to the silicon carbide epitaxial layer at a higher impurity concentration than the n-type region 12a.

第1p+ベース領域12c及び第2p+ベース領域12dは、n+型領域12b内に選択的に配置される。第1p+ベース領域12c及び第2p+ベース領域12dは、第2導電型の極性を与える不純物、例えばアルミニウムが炭化珪素エピタキシャル層に添加されて形成される。 The first p + base region 12c and the second p + base region 12d are selectively arranged in the n + type region 12b. The first p + base region 12c and the second p + base region 12d are formed by adding an impurity giving the polarity of the second conductive type, for example, aluminum to the silicon carbide epitaxial layer.

p型炭化珪素エピタキシャル層13は、炭化珪素エピタキシャル層12上に配置される。p型炭化珪素エピタキシャル層13は、第1p+ベース領域12c及び第2p+ベース領域12dよりも低い不純物濃度で、第2導電型の極性を与える不純物、例えばアルミニウムが炭化珪素エピタキシャル層に添加されて形成される。p型炭化珪素エピタキシャル層13とn型領域12a及びn+型領域12bは、内部PNダイオードを形成する。また、第1p+ベース領域12c及び第2p+ベース領域12dと、n型領域12a及びn+型領域12bは、内部PNダイオードを形成する。内部PNダイオードを有するMOSFETは、ユニポーラデバイスではあるが、少数キャリアが発生するようなバイポーラ動作を行う場合がある。 The p-type silicon carbide epitaxial layer 13 is arranged on the silicon carbide epitaxial layer 12. In the p-type silicon carbide epitaxial layer 13, impurities giving the polarity of the second conductive type, for example, aluminum, are added to the silicon carbide epitaxial layer at an impurity concentration lower than that of the first p + base region 12c and the second p + base region 12d. It is formed. p-type silicon carbide epitaxial layer 13 and the n-type region 12a and the n + -type region 12b forms the inner PN diode. Further, the 1p + base region 12c and the 2p + base region 12d and, n-type region 12a and the n + -type region 12b forms the inner PN diode. Although the MOSFET having an internal PN diode is a unipolar device, it may perform a bipolar operation in which a small number of carriers are generated.

p型炭化珪素エピタキシャル層13を貫通して、炭化珪素エピタキシャル層12まで達するようにトレンチ10aが配置される。トレンチ10aの内部には、ゲート絶縁膜16及びゲート電極17が配置される。ゲート絶縁膜16は、トレンチ10aの内面に沿って、トレンチ10aの底部及び側部に配置される。ゲート電極17は、ゲート絶縁膜16の内側に配置される。なお、ゲート電極17の一部は、トレンチ10aから上方に突出していてもよい。図3に示す例では、半導体装置10は、2つのトレンチ10a(ゲート絶縁膜16及びゲート電極17)を有しているが、半導体装置10は、更に多くのトレンチを有していてもよい。 The trench 10a is arranged so as to penetrate the p-type silicon carbide epitaxial layer 13 and reach the silicon carbide epitaxial layer 12. A gate insulating film 16 and a gate electrode 17 are arranged inside the trench 10a. The gate insulating film 16 is arranged at the bottom and sides of the trench 10a along the inner surface of the trench 10a. The gate electrode 17 is arranged inside the gate insulating film 16. A part of the gate electrode 17 may protrude upward from the trench 10a. In the example shown in FIG. 3, the semiconductor device 10 has two trenches 10a (gate insulating film 16 and gate electrode 17), but the semiconductor device 10 may have more trenches.

ゲート絶縁膜16の近傍のp型炭化珪素エピタキシャル層13の部分は、チャネル領域を形成する。半導体装置10の動作時には、ソース電極19とドレイン電極20との間の電流が、チャネル領域を通過する。 The portion of the p-type silicon carbide epitaxial layer 13 in the vicinity of the gate insulating film 16 forms a channel region. During operation of the semiconductor device 10, the current between the source electrode 19 and the drain electrode 20 passes through the channel region.

第2p+ベース領域12dは、トレンチ10aの下方に配置される。第1p+ベース領域12cは、隣接する2つのトレンチ10aの間に配置される。第1p+ベース領域12cの一部をトレンチ10a側に延出させて第2p+ベース領域12dと接続してもよい。 The second p + base region 12d is located below the trench 10a. The first p + base region 12c is arranged between two adjacent trenches 10a. A part of the first p + base region 12c may be extended toward the trench 10a and connected to the second p + base region 12d.

ソース領域14及びコンタクト領域15は、p型炭化珪素エピタキシャル層13の上部に選択的に配置される。 The source region 14 and the contact region 15 are selectively arranged on the upper part of the p-type silicon carbide epitaxial layer 13.

ソース領域14は、平面視で、トレンチ10aを囲むように配置される。ソース領域14は、n型領域12aよりも高い不純物濃度で、第1導電型の極性を与える不純物、例えば窒素が炭化珪素エピタキシャル層に添加されて形成される。 The source region 14 is arranged so as to surround the trench 10a in a plan view. The source region 14 is formed by adding an impurity giving the polarity of the first conductive type, for example, nitrogen, to the silicon carbide epitaxial layer at an impurity concentration higher than that of the n-type region 12a.

コンタクト領域15は、隣接する2つのソース領域14の間に配置される。コンタクト領域15は、第1p+ベース領域12c及び第2p+ベース領域12dよりも高い不純物濃度で、第2導電型の極性を与える不純物、例えばアルミニウムが炭化珪素エピタキシャル層に添加されて形成される。 The contact region 15 is arranged between two adjacent source regions 14. The contact region 15 is formed by adding impurities that give a second conductive type polarity, such as aluminum, to the silicon carbide epitaxial layer at an impurity concentration higher than that of the first p + base region 12c and the second p + base region 12d.

層間絶縁膜18は、ゲート電極17を覆うようにゲート電極17上に配置される。層間絶縁膜18は、隣接する2つのゲート電極17の間にソース電極19が露出する開口部を有する。 The interlayer insulating film 18 is arranged on the gate electrode 17 so as to cover the gate electrode 17. The interlayer insulating film 18 has an opening in which the source electrode 19 is exposed between two adjacent gate electrodes 17.

ソース電極19は、ソース領域14及びコンタクト領域15と電気的に接続する。ソース電極19は、層間絶縁膜18及びゲート絶縁膜16によって、ゲート電極17と電気的に絶縁される。 The source electrode 19 is electrically connected to the source region 14 and the contact region 15. The source electrode 19 is electrically insulated from the gate electrode 17 by the interlayer insulating film 18 and the gate insulating film 16.

型転位変換層11の下面上(図3において、n型転位変換層11の下側)には、ドレイン電極20が配置される。ドレイン電極20は、例えば、n型転位変換層11側からチタン、ニッケル及び金の各層が順番に積層されて形成される。 (3, lower n + -type dislocation conversion layer 11) lower surface on the n + -type dislocation conversion layer 11, the drain electrode 20 are disposed. The drain electrode 20 is formed by, for example, laminating titanium, nickel, and gold layers in order from the n + type dislocation conversion layer 11 side.

半導体装置10は、ゲート電極17に対して、しきい値以上の電圧を印加することにより、ソース電極19とドレイン電極20との間のチャネル領域を導通状態にすることが可能なスイッチング素子である。導通状態においてソース電極19とドレイン電極20との間を流れる多数キャリアは電子であるので、半導体装置10は、第1導電型(n型)のMOSFETである。 The semiconductor device 10 is a switching element capable of making the channel region between the source electrode 19 and the drain electrode 20 conductive by applying a voltage equal to or higher than the threshold value to the gate electrode 17. .. Since the majority carriers flowing between the source electrode 19 and the drain electrode 20 in the conductive state are electrons, the semiconductor device 10 is a first conductive type (n type) MOSFET.

上述した本実施形態の半導体装置によれば、炭化珪素層内の基底面転位を低減できる。 According to the semiconductor device of the present embodiment described above, dislocations of the basal plane in the silicon carbide layer can be reduced.

次に、上述した本実施形態の半導体装置の変型例1〜変型例4を、図4〜図7を参照しながら、以下に説明する。 Next, the above-mentioned modified examples 1 to 4 of the semiconductor device of the present embodiment will be described below with reference to FIGS. 4 to 7.

図4は、第1実施形態の半導体装置の変型例1を示す断面図である。本変型例の半導体装置10は、n型転位変換層11とn型領域12aとの間に、n++型再結合促進層21が配置される。 FIG. 4 is a cross-sectional view showing a modified example 1 of the semiconductor device of the first embodiment. In the semiconductor device 10 of this modified example, the n ++ type recombination promoting layer 21 is arranged between the n + type dislocation conversion layer 11 and the n-type region 12a.

型転位変換層11は、少ないながらも基底面転位を有している場合もあるので、少数キャリアがn型転位変換層11内の基底面転位の近傍で再結合することにより、半導体装置10内に積層欠陥が生じるおそれがある。 Since the n + type dislocation conversion layer 11 may have a small number of basal dislocations, a minority carrier recombines in the vicinity of the basal dislocation in the n + type dislocation conversion layer 11 to form a semiconductor. Stacking defects may occur in the device 10.

++型再結合促進層21は、ソース電極19側からドレイン電極20側へ移動する少数キャリアである正孔と再結合する欠陥準位を有しており、正孔がn型転位変換層11へ移動することを抑制する。 The n ++ type recombination promoting layer 21 has a defect level that recombines with holes, which are minority carriers that move from the source electrode 19 side to the drain electrode 20 side, and the holes are n + type dislocation conversion layers. Suppress moving to 11.

++型再結合促進層21は、n型転位変換層11よりも高い不純物濃度で、第1導電型の極性を与える不純物、例えば窒素が炭化珪素エピタキシャル層に添加されて形成される。 The n ++ type recombination promoting layer 21 is formed by adding an impurity giving the polarity of the first conductive type, for example, nitrogen, to the silicon carbide epitaxial layer at an impurity concentration higher than that of the n + type dislocation conversion layer 11.

++型再結合促進層21の不純物濃度は、1×1017cm−3以上、2×1019cm−3以下の範囲にすることができる。 The impurity concentration of the n ++ type recombination promoting layer 21 can be in the range of 1 × 10 17 cm -3 or more and 2 × 10 19 cm -3 or less.

図5は、第1実施形態の半導体装置の変型例2を示す断面図である。本変型例の半導体装置10は、トレンチ型のゲート電極を有する縦型のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)である。 FIG. 5 is a cross-sectional view showing a modified example 2 of the semiconductor device of the first embodiment. The semiconductor device 10 of this modified example is a vertical IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) having a trench-type gate electrode.

型転位変換層11は、n型領域12a側に配置される第1導電型のn型層11aと、コレクタ電極20a側に配置される第2導電型のp型層11bを有する。 The n + type dislocation conversion layer 11 has a first conductive type n + type layer 11a arranged on the n-type region 12a side and a second conductive type p-type layer 11b arranged on the collector electrode 20a side.

型転位変換層11は、厚さ方向において、2つの極性を有する層を有している点が、上述した第1実施形態とは異なるが、原料ガスにおけるC/Si比、基底面転位密度の説明は、n型層11a及びp型層11bのそれぞれに対しても適宜適用される。 The n + type dislocation conversion layer 11 is different from the first embodiment described above in that it has layers having two polarities in the thickness direction, but the C / Si ratio in the raw material gas and the basal plane dislocation The description of the density is appropriately applied to each of the n + type layer 11a and the p type layer 11b.

また、半導体装置10は、エミッタ電極19aを有する。半導体装置10の他の構成は、上述した第1実施形態と同様である。 Further, the semiconductor device 10 has an emitter electrode 19a. The other configuration of the semiconductor device 10 is the same as that of the first embodiment described above.

図6は、第1実施形態の半導体装置の変型例3を示す断面図である。本変型例の半導体装置10は、トレンチ型のゲート電極を有する縦型のRC−IGBT(Reverse Conducting Insulated Gate Bipolar Transistor)である。 FIG. 6 is a cross-sectional view showing a modified example 3 of the semiconductor device of the first embodiment. The semiconductor device 10 of this modified example is a vertical RC-IGBT (Reverse Conducting Insulated Gate Bipolar Transistor) having a trench-type gate electrode.

型転位変換層11におけるコレクタ電極20a側の部分には、第2導電型の複数のp型領域22が選択的に配置される。p型領域22は、n型領域12a等のn型領域と共に、エミッタ電極19aとコレクタ電極20aとの間にフリーホイールダイオードを形成する。半導体装置10の他の構成は、上述した第1実施形態と同様である。 A plurality of second conductive type p-type regions 22 are selectively arranged on the portion of the n + type dislocation conversion layer 11 on the collector electrode 20a side. The p-type region 22 forms a freewheel diode between the emitter electrode 19a and the collector electrode 20a together with the n-type region such as the n-type region 12a. The other configuration of the semiconductor device 10 is the same as that of the first embodiment described above.

図7は、第1実施形態の半導体装置の変型例4を示す断面図である。本変型例の半導体装置10は、トレンチ型のゲート電極を有する縦型のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)である。 FIG. 7 is a cross-sectional view showing a modified example 4 of the semiconductor device of the first embodiment. The semiconductor device 10 of this modified example is a vertical IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) having a trench-type gate electrode.

型転位変換層11cは、第2導電型の極性を与える不純物、例えば、アルミニウムが添加されたp型炭化珪素エピタキシャル層であり、n型領域12aとは極性が異なっている。半導体装置10の他の構成は、上述した第1実施形態と同様である。 The p + type dislocation conversion layer 11c is a p-type silicon carbide epitaxial layer to which impurities giving the polarity of the second conductive type, for example, aluminum, are added, and the polarity is different from that of the n-type region 12a. The other configuration of the semiconductor device 10 is the same as that of the first embodiment described above.

次に、上述した半導体装置の第2実施形態を、図8を参照しながら以下に説明する。他の実施形態について特に説明しない点については、上述の第1実施形態に関して詳述した説明が適宜適用される。また、同一の構成要素には同一の符号を付してある。 Next, a second embodiment of the above-mentioned semiconductor device will be described below with reference to FIG. The detailed description of the first embodiment described above is appropriately applied to the points not particularly described with respect to the other embodiments. Further, the same components are designated by the same reference numerals.

図8は、本明細書に開示する半導体装置の第2実施形態を示す断面図である。本実施形態の半導体装置30は、炭化珪素層を有する半導体装置である。具体的には、半導体装置30は、縦型のショットキー障壁型のダイオードである。 FIG. 8 is a cross-sectional view showing a second embodiment of the semiconductor device disclosed in the present specification. The semiconductor device 30 of the present embodiment is a semiconductor device having a silicon carbide layer. Specifically, the semiconductor device 30 is a vertical Schottky barrier type diode.

半導体装置30は、第1導電型のn+型転位変換層31と、第1導電型の炭化珪素エピタキシャル層32と、第2導電型のp型領域33と、第2導電型のp-型領域34と、第2導電型のp+型領域35と、アノード電極36と、層間絶縁膜37と、カソード電極38を備える。 The semiconductor device 30 includes a first conductive type n + type rearrangement conversion layer 31, a first conductive type silicon carbide epitaxial layer 32, a second conductive type p-type region 33, and a second conductive type p - type. A region 34, a second conductive type p + type region 35, an anode electrode 36, an interlayer insulating film 37, and a cathode electrode 38 are provided.

+型転位変換層31は、第1導電型の極性を与える不純物、例えば、窒素がドーピングされた単結晶の炭化珪素エピタキシャル層である。n+型転位変換層31に対しては、上述した第1実施形態の転位変換層に対する説明が適宜適用される。 The n + type dislocation conversion layer 31 is a single crystal silicon carbide epitaxial layer doped with impurities that give the polarity of the first conductive type, for example, nitrogen. The above description for the dislocation conversion layer of the first embodiment is appropriately applied to the n + type dislocation conversion layer 31.

炭化珪素エピタキシャル層32は、n+型炭化珪素層31上に配置される。炭化珪素エピタキシャル層32は、転位変換層31よりも低い不純物濃度で、第1導電型の極性を与える不純物、例えば窒素が炭化珪素エピタキシャル層にドーピングされているn型ドリフト層である。 The silicon carbide epitaxial layer 32 is arranged on the n + type silicon carbide layer 31. The silicon carbide epitaxial layer 32 is an n-type drift layer in which impurities that give the polarity of the first conductive type, for example, nitrogen, are doped into the silicon carbide epitaxial layer at a lower impurity concentration than the dislocation conversion layer 31.

p型領域33及びp-型領域34は、炭化珪素エピタキシャル層32の上部に選択的に配置される。 The p-type region 33 and the p - type region 34 are selectively arranged on the upper part of the silicon carbide epitaxial layer 32.

p型領域33及びp-型領域34は、平面視でリング状の形状を有する。p-型領域34は、p型領域33の外側にp型領域33と隣接して配置される。 The p-type region 33 and the p - type region 34 have a ring-shaped shape in a plan view. The p - type region 34 is arranged outside the p-type region 33 adjacent to the p-type region 33.

p型領域33は、第2導電型の極性を与える不純物、例えばアルミニウムが炭化珪素エピタキシャル層にドーピングされて形成される。 The p-type region 33 is formed by doping the silicon carbide epitaxial layer with impurities that give the polarity of the second conductive type, such as aluminum.

-型領域34は、p型領域33よりも低い不純物濃度で、第2導電型の極性を与える不純物、例えばアルミニウムが炭化珪素エピタキシャル層にドーピングされて形成される。 The p - type region 34 is formed by doping the silicon carbide epitaxial layer with impurities that give the polarity of the second conductive type, for example, aluminum, at an impurity concentration lower than that of the p-type region 33.

+型領域35は、p型領域33の内側にp型領域33とは離間して配置される。p+型領域35は、p型領域33よりも高い不純物濃度で、第2導電型の極性を与える不純物、例えばアルミニウムが炭化珪素エピタキシャル層にドーピングされて形成される。p+型領域35と炭化珪素エピタキシャル層32は、内部PNダイオードを形成する。内部PNダイオードを有するショットキバリアダイオードは、ユニポーラデバイスではあるが、少数キャリアが発生するようなバイポーラ動作を行う場合がある。 The p + type region 35 is arranged inside the p-type region 33 at a distance from the p-type region 33. The p + type region 35 is formed by doping the silicon carbide epitaxial layer with impurities that give the polarity of the second conductive type, for example, aluminum, at a higher impurity concentration than the p-type region 33. The p + type region 35 and the silicon carbide epitaxial layer 32 form an internal PN diode. Although a Schottky barrier diode having an internal PN diode is a unipolar device, it may perform a bipolar operation in which a small number of carriers are generated.

アノード電極36は、p+型領域35及びp型領域33の一部を覆うように、炭化珪素エピタキシャル層32上に配置される。 The anode electrode 36 is arranged on the silicon carbide epitaxial layer 32 so as to cover a part of the p + type region 35 and the p type region 33.

アノード電極36と炭化珪素エピタキシャル層32との接合部分には、ショットキー障壁を有する活性領域30aが形成される。 An active region 30a having a Schottky barrier is formed at the joint portion between the anode electrode 36 and the silicon carbide epitaxial layer 32.

活性領域30aには、複数のp+型領域35が所定の間隔で配置されており、JBS(Junction Barrier Schottky)構造を形成する。複数のp+型領域35とアノード電極36との間の接合は、オーミック接合でもよいし、またショットキー接合となっていてもよい。 A plurality of p + type regions 35 are arranged at predetermined intervals in the active region 30a to form a JBS (Junction Barrier Schottky) structure. The junction between the plurality of p + type regions 35 and the anode electrode 36 may be an ohmic junction or a Schottky junction.

活性領域30aの周囲には、終端領域30bが形成される。終端領域30bには、平面視で、アノード電極36を囲むようにリング状のp-型領域34が配置される。また、活性領域30aの端部から終端領域30bまでまたがるように、p型領域33が配置される。 A terminal region 30b is formed around the active region 30a. In the terminal region 30b, a ring-shaped p - shaped region 34 is arranged so as to surround the anode electrode 36 in a plan view. Further, the p-type region 33 is arranged so as to extend from the end portion of the active region 30a to the terminal region 30b.

p型領域33及びp-型領域34は、終端領域30bにおいて、電界を緩和させて半導体装置30の耐圧劣化を防ぐ耐圧構造を形成する。具体的には、p型領域33は、炭化珪素エピタキシャル層32とアノード電極36との接合端部に電界が集中することを回避する機能を有する。また、p-型領域34は、活性領域30aの周辺部において更に電界を分散させる機能を有する。 The p-type region 33 and the p - type region 34 form a pressure-resistant structure in the terminal region 30b that relaxes the electric field and prevents deterioration of the withstand voltage of the semiconductor device 30. Specifically, the p-type region 33 has a function of avoiding concentration of an electric field at the junction end portion between the silicon carbide epitaxial layer 32 and the anode electrode 36. Further, the p-type region 34 has a function of further dispersing the electric field in the peripheral portion of the active region 30a.

層間絶縁膜37は、終端領域30bにおいて、p型領域33及びp-型領域34の上を覆うように、炭化珪素エピタキシャル層32上に配置される。 The interlayer insulating film 37 is arranged on the silicon carbide epitaxial layer 32 so as to cover the p-type region 33 and the p - type region 34 in the terminal region 30b.

アノード電極36は、活性領域30aにおいて露出する炭化珪素エピタキシャル層32の表面を覆い、活性領域30aの周辺部においてp型領域33と接する。アノード電極36は、活性領域30aから終端領域30bの途中まで延在しており、アノード電極36の終端領域30bの端部は、p型領域33上まで延びている。また、アノード電極36は、層間絶縁膜37を介してp型領域33を覆う。 The anode electrode 36 covers the surface of the silicon carbide epitaxial layer 32 exposed in the active region 30a and is in contact with the p-type region 33 in the peripheral portion of the active region 30a. The anode electrode 36 extends from the active region 30a to the middle of the terminal region 30b, and the end of the terminal region 30b of the anode electrode 36 extends over the p-type region 33. Further, the anode electrode 36 covers the p-type region 33 via the interlayer insulating film 37.

アノード電極36は、例えば、IVa族金属、Va族金属、VIa族金属、アルミニウム又はシリコンを用いて形成されることが好ましい。また、アノード電極36は、IVa族金属、Va族金属、VIa族金属、アルミニウム及びシリコンの中の2元素又は3元素を含む材料を用いて形成されることが好ましい。 The anode electrode 36 is preferably formed by using, for example, a group IVa metal, a group Va metal, a group VIa metal, aluminum or silicon. Further, the anode electrode 36 is preferably formed by using a material containing two or three elements in IVa group metal, Va group metal, VIa group metal, aluminum and silicon.

アノード電極36と炭化珪素エピタキシャル層32とのショットキー障壁高さは、半導体装置30が高耐圧型の半導体装置として使用する場合には、例えば1eV以上であることが好ましい。また、アノード電極36のショットキー障壁高さは、半導体装置30が電源装置として使用する場合には、例えば0.5eV以上1eV未満であることが好ましい。 The Schottky barrier height between the anode electrode 36 and the silicon carbide epitaxial layer 32 is preferably 1 eV or more, for example, when the semiconductor device 30 is used as a high withstand voltage type semiconductor device. Further, the Schottky barrier height of the anode electrode 36 is preferably, for example, 0.5 eV or more and less than 1 eV when the semiconductor device 30 is used as a power supply device.

+型転位変換層31の下には、カソード電極38が配置される。半導体装置30は、アノード電極36に正、カソード電極38に負の順方向の電圧が印加されると、電子がカソード電極38側からアノード電極36側に流れる順方向導通状態となる。逆に、半導体装置30は、アノード電極36に負、カソード電極38に正の逆方向の電圧が印加されると、逆方向阻止状態となる。順方向導通状態においてアノード電極36とカソード電極38との間を流れる多数キャリアは電子であるので、半導体装置10は、第1導電型(n型)のダイオードである。 A cathode electrode 38 is arranged under the n + type dislocation conversion layer 31. When a positive forward voltage is applied to the anode electrode 36 and a negative forward voltage is applied to the cathode electrode 38, the semiconductor device 30 is in a forward conduction state in which electrons flow from the cathode electrode 38 side to the anode electrode 36 side. On the contrary, when a negative voltage is applied to the anode electrode 36 and a positive reverse voltage is applied to the cathode electrode 38, the semiconductor device 30 is in the reverse direction blocking state. Since the majority carriers flowing between the anode electrode 36 and the cathode electrode 38 in the forward conduction state are electrons, the semiconductor device 10 is a first conductive type (n type) diode.

上述した本実施形態の半導体装置によれば、第1実施形態と同様の効果が奏される。 According to the semiconductor device of the present embodiment described above, the same effect as that of the first embodiment is obtained.

次に、本明細書に開示する半導体装置の製造方法の好ましい一実施形態を、図9〜図14を参照しながら、以下に説明する。本実施形態の半導体装置の製造方法は、上述した半導体装置の第1実施形態を製造するものである。 Next, a preferred embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device disclosed in the present specification will be described below with reference to FIGS. 9 to 14. The method for manufacturing a semiconductor device of this embodiment is for manufacturing the first embodiment of the semiconductor device described above.

まず、図9に示すように、n+型炭化珪素基板40が準備される。n+型炭化珪素基板40は、第1導電型の極性を与える不純物、例えば、窒素が添加された単結晶の4H型の炭化珪素基板である。n+型炭化珪素基板40は、第1面40a及び第2面40bを有する。n+型炭化珪素基板40の第1面40a及び第2面40bは、(0001)面(Si面)である。なお、第1面40a及び第2面40bは、(000−1)面(C面)であってもよい。 First, as shown in FIG. 9, an n + type silicon carbide substrate 40 is prepared. The n + type silicon carbide substrate 40 is a single crystal 4H type silicon carbide substrate to which impurities giving the polarity of the first conductive type, for example, nitrogen are added. The n + type silicon carbide substrate 40 has a first surface 40a and a second surface 40b. The first surface 40a and the second surface 40b of the n + type silicon carbide substrate 40 are (0001) surfaces (Si surfaces). The first surface 40a and the second surface 40b may be the (000-1) surface (C surface).

第1面40aは、0.05度〜8度程度の範囲のオフ角を有することが、第1面40a上に(0001)面(Si面)を有するエピタキシャル層を成長させる観点から好ましい。一方、第1面40aがオフ角を有することにより、第1面40aが基底面転位を有する場合、第1面40a上に成長するエピタキシャル層にも基底面転位が伝搬するおそれがある。 It is preferable that the first surface 40a has an off angle in the range of about 0.05 degrees to 8 degrees from the viewpoint of growing an epitaxial layer having a (0001) surface (Si surface) on the first surface 40a. On the other hand, since the first surface 40a has an off angle, when the first surface 40a has a basal plane dislocation, the basal plane dislocation may propagate to the epitaxial layer growing on the first surface 40a.

そこで、図9に示すように、n型転位変換層11が、n+型炭化珪素基板40の第1面40a上にエピタキシャル成長により形成されて、基板構造体50が得られる。n型転位変換層11は、例えば、CVD法を用いて形成される。n型転位変換層11の厚さは、例えば、0.5μm〜20μmとすることができる。 Therefore, as shown in FIG. 9, the n + type dislocation conversion layer 11 is formed on the first surface 40a of the n + type silicon carbide substrate 40 by epitaxial growth to obtain the substrate structure 50. The n + type dislocation conversion layer 11 is formed, for example, by using a CVD method. The thickness of the n + type dislocation conversion layer 11 can be, for example, 0.5 μm to 20 μm.

型転位変換層11を形成する原料ガスとして、例えば、シリコンを含むガス及び炭素を含むガスを用いることができる。シリコンを含むガスとして、例えば、シラン(SiH4)を用いることができる。炭素を含むガスとして、例えば、プロパン(C3H8)を用いることができる。また、不純物ガスとして、窒素を含むガス又はアルミニウムを含むガスを用いることができる。窒素を含むガスとして、例えば、窒素(N2)を用いることができる。アルミニウムを含むガスとして、例えば、トリメチルアルミニウム(Al(CH3)3)を用いることができる。シリコンを含むガス及び炭素を含むガスの流量比を調整することにより、原料ガスにおけるC/Si比を、0.7以上、1.1以下、特に0.8以上、1.0以下の範囲内にすることが好ましい。また、不純物ガスの流量を調整することにより、n型転位変換層11の不純物濃度を、1×1017cm−3以上、2×1019cm−3以下の範囲にすることが好ましい。 As the raw material gas for forming the n + type dislocation conversion layer 11, for example, a gas containing silicon and a gas containing carbon can be used. As the gas containing silicon, for example, silane (SiH 4 ) can be used. For example, propane (C 3 H 8 ) can be used as the gas containing carbon. Further, as the impurity gas, a gas containing nitrogen or a gas containing aluminum can be used. As the gas containing nitrogen, for example, nitrogen (N 2 ) can be used. As the gas containing aluminum, for example, trimethylaluminum (Al (CH 3 ) 3 ) can be used. By adjusting the flow rate ratio of the gas containing silicon and the gas containing carbon, the C / Si ratio in the raw material gas is within the range of 0.7 or more and 1.1 or less, especially 0.8 or more and 1.0 or less. Is preferable. Further, it is preferable that the impurity concentration of the n + type dislocation conversion layer 11 is in the range of 1 × 10 17 cm -3 or more and 2 × 10 19 cm -3 or less by adjusting the flow rate of the impurity gas.

ここで、n型転位変換層11の成長の初期段階において、n型転位変換層11の不純物濃度が1×1018cm−3以上となるように不純物ガスの流量を調整してもよい。ここで、成長の初期段階とは、1μm成長するまでの段階である。また、n型転位変換層11の成長の初期段階において、n型転位変換層11のホウ素の濃度が、1×1014cm−3以上、1×1017cm−3以下の範囲になるように、例えば、三フッ化ホウ素(BF3)ガスを添加してもよい。 Here, in the early stages of growth of the n + -type dislocation conversion layer 11, the impurity concentration of the n + -type dislocation conversion layer 11 may adjust the flow rate of the impurity gas to be lower than 1 × 10 18 cm -3 .. Here, the initial stage of growth is a stage until the growth of 1 μm. Further, in the initial stage of growth of the n + -type dislocation conversion layer 11, the concentration of boron in n + -type dislocation conversion layer 11, 1 × 10 14 cm -3 or higher, in the range of 1 × 10 17 cm -3 or less As such, for example, boron trifluoride (BF 3 ) gas may be added.

次に、図10に示すように、基板構造体50のn型転位変換層11上に炭化珪素エピタキシャル層12が形成される。炭化珪素エピタキシャル層12は、例えば、CVD法を用いて形成される。炭化珪素エピタキシャル層12は、上述した半導体装置10の第1実施形態のn型領域12aと同じ組成となるように形成される。 Next, as shown in FIG. 10, the silicon carbide epitaxial layer 12 is formed on the n + type dislocation conversion layer 11 of the substrate structure 50. The silicon carbide epitaxial layer 12 is formed by, for example, a CVD method. The silicon carbide epitaxial layer 12 is formed so as to have the same composition as the n-type region 12a of the first embodiment of the semiconductor device 10 described above.

炭化珪素エピタキシャル層12を形成する原料ガスとして、例えば、シリコンを含むガス及び炭素を含むガスを用いることができる。シリコンを含むガスとして、例えば、シラン(SiH4)を用いることができる。炭素を含むガスとして、例えば、プロパン(C3H8)を用いることができる。また、不純物ガスとして、窒素を含むガス又はアルミニウムを含むガスを用いることができる。窒素を含むガスとして、例えば、窒素(N2)を用いることができる。アルミニウムを含むガスとして、例えば、トリメチルアルミニウム(Al(CH3)3)を用いることができる。シリコンを含むガス及び炭素を含むガスの流量比を調整することにより、原料ガスにおけるC/Si比を、1.1以上、1.5以下の範囲内にすることが好ましい。また、不純物ガスの流量を調整することにより、炭化珪素エピタキシャル層12の不純物濃度を、3×1015cm−3以下の範囲にすることが好ましい。 As the raw material gas for forming the silicon carbide epitaxial layer 12, for example, a gas containing silicon and a gas containing carbon can be used. As the gas containing silicon, for example, silane (SiH 4 ) can be used. For example, propane (C 3 H 8 ) can be used as the gas containing carbon. Further, as the impurity gas, a gas containing nitrogen or a gas containing aluminum can be used. As the gas containing nitrogen, for example, nitrogen (N 2 ) can be used. As the gas containing aluminum, for example, trimethylaluminum (Al (CH 3 ) 3 ) can be used. It is preferable that the C / Si ratio in the raw material gas is within the range of 1.1 or more and 1.5 or less by adjusting the flow rate ratio of the gas containing silicon and the gas containing carbon. Further, it is preferable that the impurity concentration of the silicon carbide epitaxial layer 12 is set in the range of 3 × 10 15 cm -3 or less by adjusting the flow rate of the impurity gas.

次に、図11に示すように、基板構造体50の炭化珪素エピタキシャル層12内にn型領域12aと、n+型領域12bと、第1p+ベース領域12cと、第2p+ベース領域12dが形成される。また、炭化珪素エピタキシャル層12上に、p型炭化珪素エピタキシャル層13と、ソース領域14と、コンタクト領域15と、ゲート絶縁膜16と、ゲート電極17と、層間絶縁膜18と、ソース電極19が形成される。 Next, as shown in FIG. 11, an n-type region 12a, an n + type region 12b, a first p + base region 12c, and a second p + base region 12d are formed in the silicon carbide epitaxial layer 12 of the substrate structure 50. It is formed. Further, on the silicon carbide epitaxial layer 12, a p-type silicon carbide epitaxial layer 13, a source region 14, a contact region 15, a gate insulating film 16, a gate electrode 17, an interlayer insulating film 18, and a source electrode 19 are formed. It is formed.

ここで、n型領域12aは、炭化珪素エピタキシャル層12と同じ組成を有する。n型領域12aを形成するのに用いる原料ガスにおけるシリコンの原子数に対する炭素の原子数の比R2(C/Si比)に対する、n型転位変換層11を形成するのに用いる原料ガスにおけるシリコンの原子数に対する炭素の原子数の比R1(C/Si比)の比R1/R2は、0.46〜0.99の範囲にあることが好ましい。 Here, the n-type region 12a has the same composition as the silicon carbide epitaxial layer 12. Silicon in the raw material gas used to form the n + type rearrangement conversion layer 11 with respect to the ratio R2 (C / Si ratio) of the number of carbon atoms to the number of silicon atoms in the raw material gas used to form the n-type region 12a. The ratio R1 (C / Si ratio) of the number of carbon atoms to the number of atoms of R1 / R2 is preferably in the range of 0.46 to 0.99.

次に、図12に示すように、基板構造体50のn+型炭化珪素基板40が除去されてn型転位変換層11が露出する。n+型炭化珪素基板40は、例えば、基板構造体50の裏面側が、ダイヤモンドラッピング等の研削技術を用いて除去される。n+型炭化珪素基板40が研削により除去されて露出したn型転位変換層11の表面は、アモルファスの状態となっている。 Next, as shown in FIG. 12, the n + type silicon carbide substrate 40 of the substrate structure 50 is removed to expose the n + type dislocation conversion layer 11. In the n + type silicon carbide substrate 40, for example, the back surface side of the substrate structure 50 is removed by using a grinding technique such as diamond lapping. The surface of the n + type dislocation conversion layer 11 exposed by removing the n + type silicon carbide substrate 40 by grinding is in an amorphous state.

また、n+型炭化珪素基板40は、途中の深さまで研削された後、残りの部分が、プラズマエッチング等のドライエッチング技術を用いて除去されてもよい。この場合、ドライエッチングの終点検出を、プラズマの発光色の変化により行ってもよい。 Further, the n + type silicon carbide substrate 40 may be ground to a depth in the middle, and then the remaining portion may be removed by using a dry etching technique such as plasma etching. In this case, the end point of the dry etching may be detected by changing the emission color of the plasma.

次に、図13に示すように、基板構造体50におけるn型転位変換層11の表面の結晶構造が損傷した領域を、化学機械研磨等の研磨技術を用いて研磨して取り除いてもよい。また、基板構造体50におけるn型転位変換層11の表面の結晶構造が損傷した領域を、ウエットエッチング又はドライエッチング技術を用いて取り除いてもよい。 Next, as shown in FIG. 13, the region where the crystal structure on the surface of the n + type dislocation conversion layer 11 in the substrate structure 50 is damaged may be removed by polishing using a polishing technique such as chemical mechanical polishing. .. Further, the region where the crystal structure on the surface of the n + type dislocation conversion layer 11 in the substrate structure 50 is damaged may be removed by using wet etching or dry etching technology.

また、基板構造体50を加熱して、n型転位変換層11の表面を再配列させることにより、n型転位変換層11の表面の欠陥数を低減してもよい。加熱後のn型転位変換層11の表面には、ステップバンチングが形成されるので、表面の算術平均粗さは、例えば、10nm以上となり得る。表面の算術平均粗さの上限は、通常、100nm程度である。基板構造体50を加熱する温度として、1500℃〜1800℃の範囲とすることができる。なお、図13に示す工程は、省略してもよい。 Further, by heating the substrate structure 50, by rearranging the surface of the n + -type dislocation conversion layer 11 may reduce the number of defects on the surface of the n + -type dislocation conversion layer 11. Since step bunching is formed on the surface of the n + type dislocation conversion layer 11 after heating, the arithmetic mean roughness of the surface can be, for example, 10 nm or more. The upper limit of the arithmetic mean roughness of the surface is usually about 100 nm. The temperature for heating the substrate structure 50 can be in the range of 1500 ° C to 1800 ° C. The step shown in FIG. 13 may be omitted.

次に、図14に示すように、基板構造体50のn型転位変換層11の露出している表面上にドレイン電極20が形成されて、半導体装置10が得られる。なお、ドレイン電極20は、アモルファスの状態を有するn型転位変換層11の表面上に直接形成してもよい。 Next, as shown in FIG. 14, the drain electrode 20 is formed on the exposed surface of the n + type dislocation conversion layer 11 of the substrate structure 50, and the semiconductor device 10 is obtained. The drain electrode 20 may be formed directly on the surface of the n + type dislocation conversion layer 11 having an amorphous state.

本発明では、上述した実施形態の半導体装置及び半導体装置の製造方法は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更が可能である。また、一の実施形態が有する構成要件は、他の実施形態にも適宜適用することができる。 In the present invention, the semiconductor device of the above-described embodiment and the method for manufacturing the semiconductor device can be appropriately changed as long as the gist of the present invention is not deviated. Further, the constituent requirements of one embodiment can be appropriately applied to other embodiments.

例えば、上述した第1実施形態の半導体装置は、トレンチ型のゲート電極を有する縦型のMOSFETであったが、半導体装置は、プレーナ型のゲート電極を有する縦型のMOSFETであってもよい。 For example, the semiconductor device of the first embodiment described above was a vertical MOSFET having a trench type gate electrode, but the semiconductor device may be a vertical MOSFET having a planar type gate electrode.

また、上述した第2実施形態の半導体装置は、ショットキー障壁型のダイオードであったが、半導体装置は、PN型又はPIN型のダイオードであってもよい。 Further, although the semiconductor device of the second embodiment described above is a Schottky barrier type diode, the semiconductor device may be a PN type or a PIN type diode.

また、上述した実施形態の半導体装置は、多数キャリアが電子であったが、多数キャリが正孔の半導体装置であってもよい。この場合、転位変換層は、p型の炭化珪素エピタキシャル層となる。 Further, in the semiconductor device of the above-described embodiment, the majority carrier is an electron, but a semiconductor device having a large number of carriers may be a hole. In this case, the dislocation conversion layer is a p-type silicon carbide epitaxial layer.

10 半導体装置
11 n+型転位変換層(第1炭化珪素層)
11a n+型層
11b p型層
12 炭化珪素エピタキシャル層
12a n型領域(第2炭化珪素層)
12b n+型領域
12c 第1p+ベース領域
12d 第2p+ベース領域
13 p型炭化珪素エピタキシャル層(第3炭化珪素領域)
14 ソース領域
15 コンタクト領域
16 ゲート絶縁膜
17 ゲート電極
18 層間絶縁膜
19 ソース電極
19a エミッタ電極
20 ドレイン電極
20a コレクタ電極
21 n++型再結合促進層
22 p型領域
30 半導体装置
31 n+型転位変換層(第1炭化珪素層)
32 炭化珪素エピタキシャル層(第2炭化珪素層)
33 p型領域
34 p-型領域
35 p+型領域(第3炭化珪素領域)
36 アノード電極
37 層間絶縁膜
38 カソード電極
40 n+型炭化珪素基板
40a 第1面
40b 第2面
50 基板構造体
10 Semiconductor device 11 n + type dislocation conversion layer (first silicon carbide layer)
11an + type layer 11bp type layer 12 Silicon carbide epitaxial layer 12an type region (second silicon carbide layer)
12b n + -type region 12c third 1p + base region 12d first 2p + base region 13 p-type silicon carbide epitaxial layer (third silicon carbide region)
14 Source region 15 Contact region 16 Gate insulating film 17 Gate electrode 18 Interlayer insulating film 19 Source electrode 19a Emitter electrode 20 Drain electrode 20a Collector electrode 21 n ++ type recombination promoting layer 22 p type region 30 Semiconductor device 31 n + type rearrangement conversion Layer (first silicon carbide layer)
32 Silicon Carbide epitaxial layer (second silicon carbide layer)
33 p-type region 34 p - type region 35 p + type region (third silicon carbide region)
36 Anodic electrode 37 Interlayer insulating film 38 Cathode electrode 40 n + type silicon carbide substrate 40a 1st surface 40b 2nd surface 50 Substrate structure

Claims (12)

電極層と、
前記電極層上に直接配置され、基底面転位密度が、1個/cm以下である第1導電型の第1炭化珪素層と、
前記第1炭化珪素層よりも低い不純物濃度を有し、前記第1炭化珪素層上に配置される前記第1導電型の第2炭化珪素層と、
前記第2炭化珪素層上又は前記第2炭化珪素層内に配置される第2導電型の炭化珪素領域と、
を備える半導体装置。
With the electrode layer
A first conductive type first silicon carbide layer which is directly arranged on the electrode layer and has a basal plane dislocation density of 1 piece / cm 2 or less.
The first conductive type second silicon carbide layer, which has a lower impurity concentration than the first silicon carbide layer and is arranged on the first silicon carbide layer,
A second conductive type silicon carbide region arranged on the second silicon carbide layer or in the second silicon carbide layer, and
A semiconductor device equipped with.
電極層と、
シリコン及び炭素を含む原料ガスであって、シリコンの原子数に対する炭素の原子数の比が0.7以上、1.1以下の範囲内にある原料ガスを用いて炭化珪素基板上で成長した後当該炭化珪素基板が除去されて形成されており、前記電極層上に直接配置される第1導電型の第1炭化珪素層と、
前記第1炭化珪素層よりも低い不純物濃度を有し、前記第1炭化珪素層上に配置される前記第1導電型の第2炭化珪素層と、
前記第2炭化珪素層上又は前記第2炭化珪素層内に配置される第2導電型の第3炭化珪素領域と、
を備える半導体装置。
With the electrode layer
After growing on a silicon carbide substrate using a raw material gas containing silicon and carbon in which the ratio of the number of carbon atoms to the number of silicon atoms is in the range of 0.7 or more and 1.1 or less. A first conductive type first silicon carbide layer, which is formed by removing the silicon carbide substrate and is arranged directly on the electrode layer,
The first conductive type second silicon carbide layer, which has a lower impurity concentration than the first silicon carbide layer and is arranged on the first silicon carbide layer,
A second conductive type third silicon carbide region arranged on the second silicon carbide layer or in the second silicon carbide layer, and
A semiconductor device equipped with.
前記第1炭化珪素層の不純物濃度は、1×1017cm−3以上、2×1019cm−3以下の範囲にある請求項1又は2に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 or 2, wherein the impurity concentration of the first silicon carbide layer is in the range of 1 × 10 17 cm -3 or more and 2 × 10 19 cm -3 or less. 前記第1炭化珪素層における前記電極層側の界面はアモルファスである請求項1〜3の何れか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 3, wherein the interface on the electrode layer side of the first silicon carbide layer is amorphous. 前記第1炭化珪素層における前記電極層側の領域に、前記第1導電型の不純物と前記第2導電型の不純物とを含む請求項1〜4の何れか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 4, wherein the region on the electrode layer side of the first silicon carbide layer contains the first conductive type impurities and the second conductive type impurities. 前記第1炭化珪素層と前記第2炭化珪素層とをあわせた厚さは、50μm以上であり、前記第2炭化珪素層の不純物濃度は、3×1015cm−3以下である請求項1〜4の何れか一項に記載の半導体装置。 The total thickness of the first silicon carbide layer and the second silicon carbide layer is 50 μm or more, and the impurity concentration of the second silicon carbide layer is 3 × 10 15 cm -3 or less. The semiconductor device according to any one of the items to 4. 前記第2炭化珪素層の基底面転位密度は、前記第1炭化珪素層よりも低い請求項1〜5の何れか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 5, wherein the dislocation density of the basal plane of the second silicon carbide layer is lower than that of the first silicon carbide layer. 前記半導体装置は、MOSFETあるいはIGBTである請求項1〜6の何れか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 6, wherein the semiconductor device is a MOSFET or an IGBT. シリコン及び炭素を含む原料ガスであって、シリコンの原子数に対する炭素の原子数の比が0.7以上、1.1以下の範囲内にある原料ガスを用いて、炭化珪素基板上に第1導電型の第1炭化珪素層を形成する第1工程と、
前記第1炭化珪素層よりも低い不純物濃度を有する前記第1導電型の第2炭化珪素層を、前記第1炭化珪素層上に形成する第2工程と、
第2導電型の炭化珪素領域を、前記第1炭化珪素層上に形成するか又は前記第1炭化珪素層内に形成する第3工程と、
前記炭化珪素基板を除去して、前記第1炭化珪素層を露出させる第4工程と、
前記第1炭化珪素層の露出した面上に、電極層を形成する第5工程と、
を含む半導体装置の製造方法。
A raw material gas containing silicon and carbon, wherein the ratio of the atomic number of carbon to the atomic number of silicon is in the range of 0.7 or more and 1.1 or less, is used on the first silicon carbide substrate. The first step of forming the conductive first silicon carbide layer and
A second step of forming the first conductive type second silicon carbide layer on the first silicon carbide layer, which has a lower impurity concentration than the first silicon carbide layer.
A third step of forming the second conductive type silicon carbide region on the first silicon carbide layer or in the first silicon carbide layer.
The fourth step of removing the silicon carbide substrate to expose the first silicon carbide layer, and
The fifth step of forming the electrode layer on the exposed surface of the first silicon carbide layer, and
A method for manufacturing a semiconductor device including.
前記第1工程では、前記第1炭化珪素層を形成するのに用いる原料ガスにおけるシリコンの原子数に対する炭素の原子数の比R1であり、
前記第2工程では、シリコン及び炭素を含む原料ガスであって、シリコンの原子数に対する炭素の原子数の比R2の原料ガスを用いて、前記第2炭化珪素層を形成しており、
前記比R2に対する前記比R1の比R1/R2は、0.46〜0.99の範囲内にある請求項9に記載の半導体装置の製造方法。
In the first step, the ratio R1 of the number of carbon atoms to the number of silicon atoms in the raw material gas used to form the first silicon carbide layer is R1.
In the second step, the second silicon carbide layer is formed by using a raw material gas containing silicon and carbon and having a ratio R2 of the number of carbon atoms to the number of silicon atoms.
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 9, wherein the ratio R1 / R2 of the ratio R1 to the ratio R2 is in the range of 0.46 to 0.99.
前記第1工程では、原料ガスとして、前記第1導電型の導電性を与える不純物を含むガスと前記第2導電型の導電性を与える不純物を含むガスとを添加する請求項9又は10に記載の半導体装置の製造方法。 The 9 or 10 according to claim 9 or 10, wherein in the first step, a gas containing an impurity giving conductivity of the first conductive type and a gas containing an impurity giving conductivity of the second conductive type are added as a raw material gas. Manufacturing method of semiconductor equipment. 前記第4工程では、ドライエッチング又は化学機械研磨を用いる請求項9〜11の何れか一項に記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 9 to 11, which uses dry etching or chemical mechanical polishing in the fourth step.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2021019044A (en) * 2019-07-18 2021-02-15 株式会社デンソー Switching element
CN115274840A (en) * 2022-09-29 2022-11-01 深圳芯能半导体技术有限公司 RC-IGBT device structure and preparation method thereof
WO2022259593A1 (en) * 2021-06-11 2022-12-15 株式会社デンソー Field-effect transistor and method for manufacturing same

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6122704B2 (en) 2013-06-13 2017-04-26 昭和電工株式会社 SiC epitaxial wafer and manufacturing method thereof
JP5735077B2 (en) 2013-10-09 2015-06-17 株式会社東芝 Manufacturing method of semiconductor device
CN106537568B (en) 2014-07-30 2019-07-12 三菱电机株式会社 The manufacturing method and semiconductor device of semiconductor device

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2021019044A (en) * 2019-07-18 2021-02-15 株式会社デンソー Switching element
WO2022259593A1 (en) * 2021-06-11 2022-12-15 株式会社デンソー Field-effect transistor and method for manufacturing same
CN115274840A (en) * 2022-09-29 2022-11-01 深圳芯能半导体技术有限公司 RC-IGBT device structure and preparation method thereof

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