JP2022106161A - 半導体装置 - Google Patents

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Masakazu Baba
信介 原田
Shinsuke Harada
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Abstract

【課題】順方向電圧の劣化やターンオン時の損失を減少できる半導体装置を提供することを目的とする。【解決手段】縦型ＭＯＳＦＥＴは、第１導電型の半導体基板２と、第１導電型の第１半導体層１と、第２導電型の第２半導体層１６と、第１導電型の第１半導体領域１７と、第１トレンチ３１および第２トレンチ３２と、第１トレンチ３１の内部にゲート絶縁膜１９を介して設けられたゲート電極２０と、第２トレンチ３２の内部に設けられたショットキー電極２９と、を備える。第１トレンチ３１は、平面視でストライプ状に設けられ、第２トレンチ３２は、第１トレンチ３１を取り囲んでいる。【選択図】図１

Description

この発明は、半導体装置に関する。
従来、パワー半導体素子においては、素子のオン抵抗の低減を図るため、トレンチ構造を有する縦型ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲート型電解効果トランジスタ）が作製（製造）されている。縦型ＭＯＳＦＥＴでは、チャネルが基板表面に対して平行に形成されるプレーナー構造よりも基板表面に対して垂直に形成されるトレンチ構造の方が単位面積当たりのセル密度を増やすことができるため、単位面積当たりの電流密度を増やすことができ、コスト面において有利である。
縦型ＭＯＳＦＥＴは、ソース・ドレイン間にボディダイオードとしてｐ型ベース層とｎ型ドリフト層とで形成される寄生ｐｎダイオードを内蔵する。このため、インバータに用いる還流ダイオード（ＦＷＤ：Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）を省略することができ、低コスト化および小型化に貢献する。しかしながら、半導体基板として炭化珪素基板を用いる場合、シリコン（Ｓｉ）基板を用いた場合に比べて寄生ｐｎダイオードが高いビルトインポテンシャルを持つため、寄生ｐｎダイオードのオン抵抗が高くなり損失増大を招く。また、寄生ｐｎダイオードがオンして通電した場合、寄生ｐｎダイオードのバイポーラ動作により経時的に特性が変化（経年劣化）し、順方向劣化やターンオン損失の増加が生じる。
この問題について、回路上にショットキーバリアダイオード （ＳＢＤ：Ｓｃｈｏｔｔｋｙ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｄｉｏｄｅ）をＭＯＳＦＥＴと並列に接続し、還流時にはＳＢＤに電流が流れ、寄生ｐｎダイオードに電流が流れないようにすることができる。しかしながら、ＳＢＤのチップがＭＯＳＦＥＴと同数程度必要になるためコスト増になる。
このため、基板表面にｐ型のチャネル部を貫通するコンタクトトレンチを形成し、トレンチ内壁にＳＢＤを内包させ、還流時の電流をＰｉＮダイオードではなく内蔵ＳＢＤに流す技術が提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。
図２４は、従来のＳＢＤ内蔵の炭化珪素半導体装置の構造を示す上面図である。図２５は、従来のＳＢＤ内蔵の炭化珪素半導体装置の構造を示す図２４のＣ－Ｃ’部分の断面図である。図２４に示すように、ＳＢＤ内蔵の炭化珪素半導体装置１５０は、素子構造が形成されオン状態のときに電流が流れる活性領域１４０と、活性領域１４０の周囲を囲んで耐圧を保持するエッジ領域１４２と、活性領域１４０とエッジ領域１４２との間のツナギ領域１４１と、を備える。活性領域１４０は図２４において破線で囲まれた領域である。
また、図２５に示すように、炭化珪素からなる半導体基体（以下、炭化珪素基体とする）のおもて面（後述するｐ型ベース層１１６側の面）側に一般的なトレンチゲート構造のＭＯＳゲートを備える。炭化珪素基体（半導体チップ）は、炭化珪素からなるｎ+型炭化珪素基板（以下、ｎ+型炭化珪素基板とする）１０２上にｎ-型ドリフト層１０１、電流拡散領域であるｎ型領域１１５およびｐ型ベース層１１６となる各炭化珪素層を順にエピタキシャル成長させてなる。
ｎ+型炭化珪素基板１０２上にｎ-型ドリフト層１０１となるｎ-型層をエピタキシャル成長させて、ｎ+型炭化珪素基板１０２のおもて面（ｎ-型ドリフト層１０１側の面）側に、ｐ型ベース層１１６、ｎ+型ソース領域１１７、トレンチゲート１３１、ゲート絶縁膜１１９およびゲート電極１２０からなるＭＯＳゲート構造が設けられている。また、符号１１８、１２１および１２２は、それぞれｐ++型コンタクト領域、層間絶縁膜およびソース電極である。
ｎ型領域１１５には、トレンチゲート１３１の底面全体を覆うように第１ｐ+型領域１０３が選択的に設けられている。また、ｎ型領域１１５には、トレンチＳＢＤ１３２の底面全体を覆うように第１ｐ+型領域１０３が選択的に設けられている。第１ｐ+型領域１０３は、ｎ-型ドリフト層１０１に達しない深さで設けられている。また、エッジ領域１４２では、第１ｐ+型領域１０３の全面上に第２ｐ+型領域１０４が設けられている。
また、トレンチＳＢＤ１３２は、内壁がソース電極１２２と接続するショットキーメタル１２９で覆われ、内壁に露出する半導体領域と当該ショットキーメタル１２９とのショットキーを形成したトレンチである。このように、図２４では、ソース・ドレイン間に寄生ｐｎダイオードと並列に寄生ショットキーダイオード（内蔵ＳＢＤ）を設けている。
図２４に示すように、従来のＳＢＤ内蔵の炭化珪素半導体装置では、エッジ領域１４２に設けられたゲートランナー（不図示）にトレンチゲート１３１を接続しやすくするため、トレンチゲート１３１は、トレンチＳＢＤ１３２より長くなっている。
ソース電極１２２に正電圧が印加され、ｎ+型炭化珪素基板１０２の裏面に設けられたドレイン電極（不図示）に負電圧が印加されたとき（ＭＯＳＦＥＴのオフ時）、ｐ型ベース層１１６とｎ-型ドリフト層１０１との間のｐｎ接合が順バイアスされる。図２４において、ＭＯＳＦＥＴのオフ時に寄生ｐｎダイオードがオンする前に寄生ショットキーダイオードがオンするように設計することで、寄生ｐｎダイオードのバイポーラ動作を抑止し、バイポーラ動作による経年劣化を防止することができる。
また、セル部を囲むライン状の枠形状のトレンチ内にエピタキシャル膜を配置して構成したｐ型層からなるリングを複数本備え、そのうちの内周側の一部を覆うようにショットキー電極を配置した構成が公知である（例えば、下記特許文献２参照）。
特開平８－２０４１７９号公報 特開２０１８－００６６３０号公報
ここで、図２６は、従来のＳＢＤ内蔵の炭化珪素半導体装置の構造を示す図２４のＡ－Ａ’部分の断面図である。また、図２７は、従来のＳＢＤ内蔵の炭化珪素半導体装置の構造を示す図２４のＢ－Ｂ’部分の断面図である。図２６および図２７に示すように、ツナギ領域１４１では、第１ｐ+型領域１０３上に第２ｐ+型領域１０４が設けられている。また、ｐ型ベース層１１６の表面層に、トレンチＳＢＤ１３２と接するｐ++型コンタクト領域１１８が設けられている。このため、ツナギ領域１４１において、トレンチＳＢＤ１３２は、周囲がｐ型領域（ｐ型ベース層１１６、ｐ++型コンタクト領域１１８、第１ｐ+型領域１０３および第２ｐ+型領域１０４）で囲まれている構造となっている。
これにより、ツナギ領域１４１では、トレンチＳＢＤ１３２は寄生ショットキーダイオードとして機能せず、寄生ｐｎダイオードのバイポーラ動作を抑止することができない。寄生ｐｎダイオードがオンして通電した場合、寄生ｐｎダイオードのバイポーラ動作により、ホール電流が図２６および図２７の経路Ｄのように流れ、ホール電流と電子電流による再結合により発生するエネルギーにより、積層欠陥が発生・拡張する。
このため、ツナギ領域１４１は、活性領域１４０の内部よりも、寄生ｐｎダイオードのバイポーラ動作により経時的に特性が変化（経年劣化）し、順方向劣化やターンオン損失の増加が生じるという課題がある。
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、順方向電圧の劣化やターンオン時の損失を減少できる半導体装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、次の特徴を有する。第１導電型の半導体基板のおもて面に、前記半導体基板よりも不純物濃度の低い第１導電型の第１半導体層が設けられる。前記第１半導体層の、前記半導体基板側に対して反対側に第２導電型の第２半導体層が設けられる。前記第２半導体層の内部に選択的に、前記半導体基板よりも不純物濃度の高い第１導電型の第１半導体領域が設けられる。前記第１半導体層の内部に、第２導電型の第２半導体領域が設けられる。前記第１半導体層の表面層に、前記第２半導体領域と底面が接する第２導電型の第３半導体領域が設けられる。前記第１半導体領域および前記第２半導体層を貫通して前記第１半導体層に達する第１トレンチおよび第２トレンチが設けられる。前記第１トレンチの内部にゲート絶縁膜を介してゲート電極が設けられる。前記第２トレンチの内部にショットキー電極が設けられる。前記第１トレンチは、平面視でストライプ状に設けられ、前記第２トレンチは、前記第１トレンチを取り囲んでいる。
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、オン状態のときに電流が流れる活性領域の周囲を囲んで耐圧を保持するエッジ領域に、耐圧を向上させるための接合終端構造を備え、前記第２トレンチは、前記第１トレンチと平行なストライプ状の部分と、前記ストライプ状の部分を接続する外周の部分を有し、前記第１トレンチの端と、前記第２トレンチの前記外周の部分との距離は、前記第１トレンチと前記第２トレンチとの間の間隔以上であり、かつ、前記第１トレンチの端は、前記接合終端構造より前記活性領域側に設けられていることを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第２トレンチは、ポリシリコンとのヘテロ接合で構成されていることを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第２トレンチの一部は、前記ゲート電極とゲートランナーとを接続するゲートコンタクト領域と深さ方向に対向する位置に設けられていることを特徴とする。
上述した発明によれば、トレンチゲート（第１トレンチ）をトレンチＳＢＤ（第２トレンチ）が取り囲んでいる。これにより、トレンチゲートのソース電極と接触する部分がトレンチＳＢＤで取り囲まれた領域の内側となる。このため、トレンチＳＢＤで取り囲まれた領域の外側では、ＳＢＤ内蔵の炭化珪素半導体装置のドレイン側に負バイアスがかかった際、寄生ｐｎダイオードがバイポーラ動作することが無くなり、順方向劣化やターンオン損失の増加を抑制できる。
本発明にかかる半導体装置によれば、順方向電圧の劣化やターンオン時の損失を減少できるという効果を奏する。
実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の構造を示す上面図である。 実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の構造を示す図１のＡ－Ａ’部分の断面図である。 実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の構造を示す図１のＢ－Ｂ’部分の断面図である。 実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の構造を示す図１のＣ－Ｃ’部分の断面図である。 実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の構造を示す図１のＤ－Ｄ’部分の断面図である。 実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の外観を示す上面図である。 実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である（その１）。 実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である（その２）。 実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である（その３）。 実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である（その４）。 実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である（その５）。 実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す上面図である（その１）。 実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す図１２のＡ－Ａ’部分の断面図である（その１）。 実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す上面図である（その２）。 実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す図１２のＡ－Ａ’部分の断面図である（その２）。 実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す上面図である（その３）。 実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す図１２のＡ－Ａ’部分の断面図である（その３）。 実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す上面図である（その４）。 実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す図１２のＡ－Ａ’部分の断面図である（その４）。 実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す上面図である（その５）。 実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す図１２のＡ－Ａ’部分の断面図である（その５）。 実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す上面図である（その６）。 実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す図１２のＡ－Ａ’部分の断面図である（その６）。 従来のＳＢＤ内蔵の炭化珪素半導体装置の構造を示す上面図である。 従来のＳＢＤ内蔵の炭化珪素半導体装置の構造を示す図２４のＣ－Ｃ’部分の断面図である。 従来のＳＢＤ内蔵の炭化珪素半導体装置の構造を示す図２４のＡ－Ａ’部分の断面図である。 従来のＳＢＤ内蔵の炭化珪素半導体装置の構造を示す図２４のＢ－Ｂ’部分の断面図である。
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、ｎまたはｐを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、ｎやｐに付す＋および－は、それぞれそれが付されていない層や領域よりも高不純物濃度および低不純物濃度であることを意味する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本明細書では、ミラー指数の表記において、“－”はその直後の指数につくバーを意味しており、指数の前に“－”を付けることで負の指数をあらわしている。
（実施の形態）
本発明にかかる半導体装置は、シリコンよりもバンドギャップが広い半導体（以下、ワイドバンドギャップ半導体とする）を用いて構成される。ここでは、ワイドバンドギャップ半導体として例えば炭化珪素（ＳｉＣ）を用いた半導体装置（炭化珪素半導体装置）の構造を例に説明する。図１は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の構造を示す上面図である。図２は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の構造を示す図１のＡ－Ａ’部分の断面図である。図３は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の構造を示す図１のＢ－Ｂ’部分の断面図である。図４は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の構造を示す図１のＣ－Ｃ’部分の断面図である。ここで、図５は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の構造を示す図１のＤ－Ｄ’部分の断面図である。図４は、ツナギ領域４１のＣ－Ｃ’断面図であり、図５は、素子構造が形成されオン状態のときに基板の厚さ方向に主電流が流れる活性領域のＤ－Ｄ’断面図である。
図１に示すように、ＳＢＤ内蔵の炭化珪素半導体装置５０は、素子構造が形成されオン状態のときに基板の厚さ方向に主電流が流れる活性領域４０と、活性領域４０の周囲を囲んで耐圧を保持するエッジ領域４２と、活性領域４０とエッジ領域４２との間のツナギ領域４１と、から構成される。活性領域４０は図１で破線で囲まれた領域である。ツナギ領域４１とは、図４に示すように、後述するトレンチゲート３１の側面がｐ型領域で覆われＭＯＳとして機能していない領域である。図１～４に示す実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置は、炭化珪素からなる半導体基体（炭化珪素基体：半導体チップ）のおもて面（後述するｐ型ベース層１６側の面）側にＭＯＳゲートを備えたＳＢＤ内蔵の炭化珪素半導体装置５０である。
炭化珪素基体は、炭化珪素からなるｎ+型炭化珪素基板（第１導電型の半導体基板）２上にｎ-型ドリフト層（第１導電型の第１半導体層）１およびｐ型ベース層（第２導電型の第２半導体層）１６となる各炭化珪素層を順にエピタキシャル成長させてなる。活性領域４０において、ＭＯＳゲートは、ｐ型ベース層１６と、ｎ+型ソース領域（第１導電型の第１半導体領域）１７、ゲート絶縁膜１９およびゲート電極２０で構成される。具体的には、ｎ-型ドリフト層１のソース側（後述するソース電極２２側）の表面層には、ｐ型ベース層１６に接するようにｎ型領域１５が設けられていてもよい。ｎ型領域１５は、キャリアの広がり抵抗を低減させる、いわゆる電流拡散層（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｓｐｒｅａｄｉｎｇ Ｌａｙｅｒ：ＣＳＬ）である。このｎ型領域１５は、例えば、基体おもて面（炭化珪素基体のおもて面）に平行な方向に一様に設けられている。
ｎ型領域１５（ｎ型領域１５が設けられていない場合は、ｎ-型ドリフト層１、以下（１）と称する）の内部には、第１ｐ+型領域（第２導電型の第２半導体領域）３が選択的に設けられている。第１ｐ+型領域３は、後述するトレンチゲート（第１トレンチ）３１の底面および後述するトレンチＳＢＤ（第２トレンチ）３２の底面に接するように設けられている。また、ｎ型領域１５（１）の表面層には、第２ｐ+型領域（第２導電型の第３半導体領域）４が選択的に設けられている。第２ｐ+型領域４は、底面が第１ｐ+型領域３と接するように設けられている。
ｎ型領域１５が設けられている場合、第１ｐ+型領域３は、ｐ型ベース層１６とｎ型領域１５との界面よりもドレイン側に深い位置から、ｎ型領域１５とｎ-型ドリフト層１との界面に達しない深さで設けられている。第１ｐ+型領域３を設けることで、トレンチゲート３１、トレンチＳＢＤ３２の底面付近に、第１ｐ+型領域３とｎ型領域１５（１）との間のｐｎ接合を形成することができる。第１ｐ+型領域３および第２ｐ+型領域４は、ｐ型ベース層１６よりも不純物濃度が高い。
また、ｐ型ベース層１６の内部には、ｎ+型ソース領域１７が選択的に設けられている。互いに接するようにｎ+型ソース領域１７およびｐ++型コンタクト領域（第２導電型の第５半導体領域）（不図示）がそれぞれ選択的に設けられていてもよい。この場合、ｐ++型コンタクト領域の深さは例えばｎ+型ソース領域１７と同じ深さでもよいし、ｎ+型ソース領域１７よりも深くてもよい。
トレンチゲート３１は、基体おもて面からｎ+型ソース領域１７およびｐ型ベース層１６を貫通してｎ型領域１５（１）に達する。トレンチゲート３１の内部には、トレンチゲート３１の側壁に沿ってゲート絶縁膜１９が設けられ、ゲート絶縁膜１９の内側にゲート電極２０が設けられている。ゲート電極２０のソース側端部は、基体おもて面から外側に突出していてもいなくてもよい。ゲート電極２０は、ゲート電極パッド（不図示）に電気的に接続されている。層間絶縁膜２１は、トレンチゲート３１に埋め込まれたゲート電極２０を覆うように基体おもて面に設けられている。層間絶縁膜２１は、ツナギ領域４１で開口され、ゲート電極２０は、開口部においてポリシリコン層のゲートコンタクト領域２６を介して、ゲートランナー２７と接続される。
トレンチＳＢＤ３２は、基体おもて面からｎ+型ソース領域１７およびｐ型ベース層１６を貫通してｎ型領域１５（１）に達する。トレンチＳＢＤ３２の内部には、トレンチＳＢＤ３２の側壁に沿って、ソース電極２２と接続するショットキーメタル２９で覆われ、内壁に露出する半導体領域と当該ショットキーメタル２９とのショットキー接合を形成する。また、ショットキーメタル２９の内側には酸化膜、例えば、二酸化珪素（ＳｉＯ2）が設けられてもよい。
図１に示すように、実施の形態では、トレンチゲート３１をトレンチＳＢＤ３２が取り囲んでいる。後述の図６のように、取り囲むとは、平面視でトレンチゲート３１の任意の箇所からエッジ領域４２に達するには、トレンチＳＢＤ３２を横切る必要があることである。例えば、トレンチゲート３１は平面視でストライプ状に設けられ、トレンチＳＢＤ３２は、トレンチゲート３１と平行に設けられ、トレンチゲート３１より長いストライプ状の部分Ｐ１と、ストライプ状の部分を接続する外周の部分Ｐ２とを有する。これにより、トレンチゲート３１のソース電極２２と接触する部分がトレンチＳＢＤ３２で取り囲まれた領域の内側となる。このため、トレンチＳＢＤ３２で取り囲まれた領域の外側では、ＳＢＤ内蔵の炭化珪素半導体装置のドレイン側に負バイアスがかかった際、寄生ｐｎダイオードがバイポーラ動作することが無くなり、順方向劣化やターンオン損失の増加を抑制できる。
また、図４に示すように、ツナギ領域４１において、トレンチＳＢＤ３２の側壁は、第２ｐ+型領域４と接していない。つまり、従来のＳＢＤ内蔵の炭化珪素半導体装置において、トレンチＳＢＤ１３２の周囲を埋めているｐ型領域（第１、第２ｐ+型領域１０３、１０４）の一部を開口させることで、実施の形態のトレンチＳＢＤ３２では、側壁がｎ型領域１５（１）と接するようにしている。これにより、ツナギ領域４１でも、トレンチＳＢＤ３２を寄生ショットキーダイオードとして機能させるようにすることができる。このため、ＳＢＤ内蔵の炭化珪素半導体装置のドレイン側に負バイアスがかかった際、ツナギ領域４１でも寄生ショットキーダイオードを動作させることによって寄生ｐｎダイオードのバイポーラ動作を抑止することができ、順方向劣化やターンオン損失の増加を抑制できる。
図６は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の外観を示す上面図である。図６に示すように、トレンチゲート３１は、ｎ+型炭化珪素基板１の結晶方向が＜１１－２０＞である方向にストライプ状に設けられている。活性領域４０の周囲を囲んで耐圧を保持するエッジ領域４２には、電界を緩和または分散させることで高耐圧半導体装置全体の耐圧を向上させるため、接合終端（ＪＴＥ：Ｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ Ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ）構造として、ＪＴＥ領域４３が設けられている。ＪＴＥ領域４３の外側に、チャネルストッパとして機能するｎ+型半導体領域(不図示）が設けられている。
実施の形態では、トレンチゲート３１の端Ｔと、トレンチＳＢＤ３２の外周の部分Ｐ２との距離Ｗ１は、トレンチゲート３１とトレンチＳＢＤ３２との間の間隔Ｗ２以上であることが好ましい。距離Ｗ１が間隔Ｗ２より短いと、トレンチＳＢＤ３２の電流経路で抵抗が増加して耐量が落ちる可能性があるためである。さらに、トレンチゲート３１の端Ｔは、ＪＴＥ領域４３より内側（活性領域４０側）に設けられていることが好ましい。このため、トレンチＳＢＤ３２の外周の部分Ｐ２は、ゲートコンタクト領域２６と深さ方向に対向する位置に設けられている。
ソース電極２２は、層間絶縁膜２１に開口されたコンタクトホールを介してｎ+型ソース領域１７に接するとともに、層間絶縁膜２１によってゲート電極２０と電気的に絶縁されている。ｐ++型コンタクト領域が設けられている場合、ソース電極２２は、ｐ++型コンタクト領域とも接する。ソース電極２２と層間絶縁膜２１との間に、例えばソース電極２２からゲート電極２０側への金属原子の拡散を防止するバリアメタルを設けてもよい。ソース電極２２上には、ソース電極パッド（不図示）が設けられている。炭化珪素基体の裏面（ｎ+型ドレイン領域となるｎ+型炭化珪素基板１の裏面）には、ドレイン電極（不図示）が設けられている。
（実施の形態にかかる半導体装置の製造方法）
次に、実施の形態にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図７～図１１は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。図１２、図１４、図１６、図１８、図２０および図２２は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す上面図である。また、図１３、図１５、図１７、図１９、図２１および図２３は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す図１２のＡ－Ａ’部分の断面図である。
まず、ｎ+型ドレイン領域となるｎ+型炭化珪素基板２を用意する。次に、ｎ+型炭化珪素基板２のおもて面に、上述したｎ-型ドリフト層１をエピタキシャル成長させる。例えば、ｎ-型ドリフト層１を形成するためのエピタキシャル成長の条件を、ｎ-型ドリフト層１の不純物濃度が３×１０15／ｃｍ3程度となるように設定してもよい。ここまでの状態が図７に記載される。
次に、ｎ-型ドリフト層１の上に、下側ｎ型領域１５ａ（ｎ型領域１５を形成しない場合、ｎ-型ドリフト層１と同程度の不純物のｎ型層、以下ｎ型層と略する）をエピタキシャル成長させる。例えば、下側ｎ型領域１５ａを形成するためのエピタキシャル成長の条件を、下側ｎ型領域１５ａの不純物濃度が１×１０17／ｃｍ3程度となるように設定してもよい。この下側ｎ型領域１５ａは、ｎ型領域１５の一部である。次に、フォトリソグラフィおよびｐ型不純物のイオン注入により、下側ｎ型領域１５ａ（ｎ型層）の表面層に、第１ｐ+型領域３を選択的に形成する。例えば、第１ｐ+型領域３を形成するためのイオン注入時のドーズ量を、不純物濃度が５×１０18／ｃｍ3程度となるように設定してもよい。ここまでの状態が図８に記載される。
次に、下側ｎ型領域１５ａ（ｎ型層）、第１ｐ+型領域３の上に、上側ｎ型領域１５ｂ（ｎ型層）をエピタキシャル成長させる。例えば、上側ｎ型領域１５ｂを形成するためのエピタキシャル成長の条件を、下側ｎ型領域１５ａの不純物濃度と同程度となるように設定してもよい。この上側ｎ型領域１５ｂは、ｎ型領域１５の一部であり、下側ｎ型領域１５ａと上側ｎ型領域１５ｂを合わせて、ｎ型領域１５となる。次に、フォトリソグラフィおよびｐ型不純物のイオン注入により、上側ｎ型領域１５ｂ（ｎ型層）の表面層に、第２ｐ+型領域４を選択的に形成する。例えば、第２ｐ+型領域４を形成するためのイオン注入時のドーズ量を、不純物濃度が第１ｐ+型領域３と同程度となるように設定してもよい。第１ｐ+型領域３と第２ｐ+型領域４とをあわせた領域を第１、第２ｐ+型領域３、４と称する。ここで、第２ｐ+型領域４を形成する際に、ツナギ領域４１でトレンチＳＢＤ３２の側壁が第２ｐ+型領域４と接しないように形成する。ここまでの状態が図９に記載される。
次に、上側ｎ型領域１５ｂおよび第２ｐ+型領域４の上に、ｐ型ベース層１６をエピタキシャル成長させる。例えば、ｐ型ベース層１６を形成するためのエピタキシャル成長の条件を、ｐ型ベース層１６の不純物濃度が４×１０17／ｃｍ3程度となるように設定してもよい。
次に、フォトリソグラフィおよびｎ型不純物のイオン注入により、ｐ型ベース層１６の表面層にｎ+型ソース領域１７を選択的に形成する。例えば、ｎ+型ソース領域１７を形成するためのイオン注入時のドーズ量を、不純物濃度が３×１０20／ｃｍ3程度となるように設定してもよい。
次に、フォトリソグラフィおよびｐ型不純物のイオン注入により、ｐ型ベース層１６の表面層に、ｎ+型ソース領域１７に接するようにｐ++型コンタクト領域を選択的に形成してもよい。例えば、ｐ++型コンタクト領域を形成するためのイオン注入時のドーズ量を、不純物濃度が３×１０20／ｃｍ3程度となるように設定してもよい。ｎ+型ソース領域１７とｐ++型コンタクト領域との形成順序を入れ替えてもよい。次に、フォトリソグラフィおよびｐ型不純物のイオン注入により、エッジ領域４２にＪＴＥ領域４３を形成する。イオン注入が全て終わった後に、活性化アニールを施す。ここまでの状態が図１０に記載される。
次に、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、ｎ+型ソース領域１７およびｐ型ベース層１６を貫通して、ｎ型領域１５（１）に達するトレンチゲート３１を形成する。トレンチゲート３１の底部は、第１ｐ+型領域３に達してもよいし、ｐ型ベース層１６と第１ｐ+型領域３に挟まれたｎ型領域１５（１）内に位置していてもよい。続いて、トレンチゲート３１を形成するために用いたマスクを除去する。また、トレンチ形成時のマスクには酸化膜を用いる。また、トレンチエッチング後に、トレンチゲート３１のダメージを除去するための等方性エッチングや、トレンチゲート３１の底部およびトレンチゲート３１の開口部の角を丸めるための水素アニールを施してもよい。等方性エッチングと水素アニールはどちらか一方のみを行ってもよい。また、等方性エッチングを行った後に水素アニールを行ってもよい。
次に、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、ｎ+型ソース領域１７およびｐ型ベース層１６を貫通して、ｎ型領域１５（１）に達するトレンチＳＢＤ３２を形成する。トレンチＳＢＤ３２の底部は、第１ｐ+型領域３に達してもよいし、ｐ型ベース層１６と第１ｐ+型領域３に挟まれたｎ型領域１５（１）内に位置していてもよい。続いて、トレンチＳＢＤ３２を形成するために用いたマスクを除去する。この際、トレンチゲート３１の端Ｔと、トレンチＳＢＤ３２の外周の部分Ｐ２との距離Ｗ１は、トレンチゲート３１とトレンチＳＢＤ３２との間の間隔Ｗ２以上となり、トレンチゲート３１の端は、ＪＴＥ領域４２より活性領域４０側になるように形成する。ここまでの状態が図１１に記載される。
次に、炭化珪素基体のおもて面およびトレンチゲート３１の内壁に沿ってゲート絶縁膜１９を形成する。次に、トレンチＳＢＤ３２の内壁に沿って金属膜を、例えばチタン（Ｔｉ）で形成する。次に、例えば５００℃以下程度の温度の窒素（Ｎ2）雰囲気で熱処理（アニール）することで、トレンチＳＢＤ３２の内壁に金属膜と半導体領域とのショットキー接合を形成する。
次に、トレンチゲート３１およびトレンチＳＢＤ３２に埋め込むようにポリシリコンを堆積しエッチングすることで、トレンチゲート３１の内部にゲート電極２０となるポリシリコンおよびトレンチＳＢＤ３２の内部にポリシリコンを残す。その際、エッチバックしてポリシリコンを基体表部より内側に残すようにエッチングしてもよい。このように、トレンチＳＢＤ３２にポリシリコンを埋め込むことで、トレンチＳＢＤ３２は、金属膜とポリシリコンとのヘテロ接合で形成される。ここまで状態の上面図は図１２に記載され、図１２のＡ－Ａ’断面は図１３に記載される。
次に、ゲート電極２０を覆うように、炭化珪素基体のおもて面全面に層間絶縁膜２１を形成する。層間絶縁膜２１は、例えば、ＮＳＧ（Ｎｏｎｅ－ｄｏｐｅｄ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ：ノンドープシリケートガラス）、ＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）、ＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏ Ｐｈｏｓｐｈｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）、ＨＴＯ（Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｏｘｉｄｅ）、あるいはそれらの組み合わせで形成される。次に、層間絶縁膜２１およびゲート絶縁膜１９をパターニングしてコンタクトホールを形成し、ｎ+型ソース領域１７を露出させる。ｐ++型コンタクト領域を形成した場合、ｎ+型ソース領域１７およびｐ++型コンタクト領域を露出させる。トレンチゲート３１はツナギ領域４１でのみ層間絶縁膜２１を開口する。ここまでの状態の上面図は図１４に記載され、この状態での図１２のＡ－Ａ’断面は図１５に記載される。
次に、層間絶縁膜２１を覆うようにバリアメタルを形成してパターニングし、ｎ+型ソース領域１７およびｐ++型コンタクト領域を再度露出させる。次に、ｎ+型ソース領域１７およびトレンチＳＢＤ３２内に埋め込まれたポリシリコンに接するように、ソース電極２２を形成する。ソース電極２２は、バリアメタルを覆うように形成されてもよいし、コンタクトホール内にのみ残してもよい。
次に、炭化珪素基体のおもて面全面にポリシリコン（Ｐｏｌｙ－Ｓｉ）を堆積させる。ここまでの状態の上面図は図１６に記載され、この状態での図１２のＡ－Ａ’断面は図１７に記載される。次に、ポリシリコンをエッチングでパターニングし、ゲートランナー方向のみに残すことにより、ゲートコンタクト領域２６を形成する。ここまでの状態の上面図は図１８に記載され、この状態での図１２のＡ－Ａ’断面は図１９に記載される。このように、ポリシリコンの堆積をトレンチＳＢＤ３２に埋める場合と、ゲートコンタクト領域２６を形成する場合の２回に分けることで、トレンチＳＢＤ３２の上部にゲートコンタクト領域２６を広く形成することができる。
次に、炭化珪素基体のおもて面全面に層間絶縁膜２１を形成する。層間絶縁膜２１は、例えば、ＮＳＧ、ＰＳＧ、ＨＴＯあるいはそれらの組み合わせで形成される。ここまでの状態の上面図は図２０に記載され、この状態での図１２のＡ－Ａ’断面は図２１に記載される。次に、層間絶縁膜２１をパターニングしてコンタクトホールを形成し、ゲートコンタクト領域２６を露出させる。
次に、コンタクトホールを埋め込むようにソース電極パッド２８およびゲートランナー２７を形成する。ソース電極パッド２８を形成するために堆積した金属層の一部をゲート電極パッドとしてもよい。ここまでの状態の上面図は図２２に記載され、この状態での図１２のＡ－Ａ’断面は図２３に記載される。ｎ+型炭化珪素基板２の裏面には、ドレイン電極のコンタクト部にスパッタ蒸着などを用いてニッケル（Ｎｉ）膜、チタン（Ｔｉ）膜などの金属膜を形成する。この金属膜は、Ｎｉ膜、Ｔｉ膜を複数組み合わせて積層してもよい。その後、金属膜がシリサイド化してオーミックコンタクトを形成するように、高速熱処理（ＲＴＡ：Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）などのアニールを施す。その後、例えばＴｉ膜、Ｎｉ膜、金（Ａｕ）を順に積層した積層膜などの厚い膜を電子ビーム（ＥＢ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ）蒸着などで形成し、ドレイン電極を形成する。
上述したエピタキシャル成長およびイオン注入においては、ｎ型不純物（ｎ型ドーパント）として、例えば、炭化珪素に対してｎ型となる窒素（Ｎ）やリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）などを用いればよい。ｐ型不純物（ｐ型ドーパント）として、例えば、炭化珪素に対してｐ型となるホウ素（Ｂ）やアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、タリウム（Ｔｌ）などを用いればよい。このようにして、図１～図４に示すＭＯＳＦＥＴが完成する。
以上、説明したように、実施の形態によれば、トレンチゲートをトレンチＳＢＤが取り囲んでいる。これにより、トレンチゲートのソース電極と接触する部分がトレンチＳＢＤで取り囲まれた領域の内側となる。このため、トレンチＳＢＤで取り囲まれた領域の外側では、ＳＢＤ内蔵の炭化珪素半導体装置のドレイン側に負バイアスがかかった際、寄生ｐｎダイオードがバイポーラ動作することが無くなり、順方向劣化やターンオン損失の増加を抑制できる。
以上において本発明は本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であり、上述した各実施の形態において、例えば各部の寸法や不純物濃度等は要求される仕様等に応じて種々設定される。また、上述した各実施の形態では、ＭＯＳＦＥＴを例に説明しているが、これに限らず、所定のゲート閾値電圧に基づいてゲート駆動制御されることで電流を導通および遮断する種々な炭化珪素半導体装置にも広く適用可能である。ゲート駆動制御される炭化珪素半導体装置として、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などが挙げられる。また、上述した各実施の形態では、ワイドバンドギャップ半導体として炭化珪素を用いた場合を例に説明しているが、炭化珪素以外の例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）などのワイドバンドギャップ半導体にも適用可能である。また、各実施の形態では第１導電型をｎ型とし、第２導電型をｐ型としたが、本発明は第１導電型をｐ型とし、第２導電型をｎ型としても同様に成り立つ。
以上のように、本発明にかかる半導体装置は、電力変換装置や種々の産業用機械などの電源装置などに使用されるパワー半導体装置に有用であり、特にトレンチゲート構造の炭化珪素半導体装置に適している。
１、１０１ ｎ-型ドリフト層
２、１０２ ｎ+型炭化珪素基板
３、１０３ 第１ｐ+型領域
４、１０４ 第２ｐ+型領域
５、１０５ ｐ+型領域
１５、１１５ ｎ型領域
１５ａ 下側ｎ型領域
１５ｂ 上側ｎ型領域
１６、１１６ ｐ型ベース層
１７、１１７ ｎ+型ソース領域
１８、１１８ ｐ++型コンタクト領域
１９、１１９ ゲート絶縁膜
２０、１２０ ゲート電極
２１、１２１ 層間絶縁膜
２２、１２２ ソース電極
２５ 層間絶縁膜
２６ ゲートコンタクト領域
２７ ゲートランナー
２８ ソース電極パッド
２９、１２９ ショットキーメタル
３１、１３１ トレンチゲート
３２、１３２ トレンチＳＢＤ
４０、１４０ 活性領域
４１、１４１ ツナギ領域
４２、１４２ エッジ領域
４３ ＪＴＥ領域
５０、１５０ ＳＢＤ内蔵の炭化珪素半導体装置

Claims (4)

  1. 第１導電型の半導体基板と、
    前記半導体基板のおもて面に設けられた、前記半導体基板よりも不純物濃度の低い第１導電型の第１半導体層と、
    前記第１半導体層の、前記半導体基板側に対して反対側に設けられた第２導電型の第２半導体層と、
    前記第２半導体層の内部に選択的に設けられた、前記半導体基板よりも不純物濃度の高い第１導電型の第１半導体領域と、
    前記第１半導体領域および前記第２半導体層を貫通して前記第１半導体層に達する第１トレンチおよび第２トレンチと、
    前記第１トレンチの内部にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、
    前記第２トレンチの内部に設けられたショットキー電極と、
    を備え、
    前記第１トレンチは、平面視でストライプ状に設けられ、
    前記第２トレンチは、前記第１トレンチを取り囲んでいることを特徴とする半導体装置。
  2. オン状態のときに電流が流れる活性領域の周囲を囲んで耐圧を保持するエッジ領域に、耐圧を向上させるための接合終端構造を備え、
    前記第２トレンチは、前記第１トレンチと平行なストライプ状の部分と、前記ストライプ状の部分を接続する外周の部分を有し、
    前記第１トレンチの端と、前記第２トレンチの前記外周の部分との距離は、前記第１トレンチと前記第２トレンチとの間の間隔以上であり、かつ、前記第１トレンチの端は、前記接合終端構造より前記活性領域側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記第２トレンチは、ポリシリコンとのヘテロ接合で構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
  4. 前記第２トレンチの一部は、前記ゲート電極とゲートランナーとを接続するゲートコンタクト領域と深さ方向に対向する位置に設けられていることを特徴とする請求項１～３のいずれか一つに記載の半導体装置。
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