JP2023104657A - Silicon carbide semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、炭化珪素半導体装置に関する。 The present disclosure relates to silicon carbide semiconductor devices.
炭化珪素半導体装置の一つとして、ソース領域及びボディ領域を貫通するゲートトレンチを備えたMOS型電界効果トランジスタ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:MOSFET)が開示されている(例えば、特許文献1、2)。 As one of silicon carbide semiconductor devices, a MOS field effect transistor (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor: MOSFET) having a gate trench penetrating a source region and a body region is disclosed (for example, Patent Documents 1 and 2 ).
従来の炭化珪素半導体装置を製造するためには、炭化珪素単結晶基板の上に複数回のエピタキシャル層の形成を行う必要がある。コストの低減のためには、エピタキシャル層の形成回数を低減することが望まれる。 In order to manufacture a conventional silicon carbide semiconductor device, it is necessary to form an epitaxial layer multiple times on a silicon carbide single crystal substrate. For cost reduction, it is desirable to reduce the number of epitaxial layer formations.
本開示は、エピタキシャル層の形成回数を低減できる炭化珪素半導体装置を提供することを目的とする。 An object of the present disclosure is to provide a silicon carbide semiconductor device capable of reducing the number of times epitaxial layers are formed.
本開示の炭化珪素半導体装置は、第1主面と、前記第1主面と反対側の第2主面とを有する炭化珪素基板を備え、前記炭化珪素基板は、第1導電型を有するドリフト領域と、前記ドリフト領域上に設けられ、前記第1導電型と異なる第2導電型を有するボディ領域と、前記ドリフト領域から隔てられるように前記ボディ領域上に設けられ、前記第1導電型を有するソース領域と、を有し、前記第1主面には、前記ソース領域及び前記ボディ領域を貫通して前記ドリフト領域に至る側面と、前記側面と連なる底面とにより規定されるゲートトレンチが設けられており、前記炭化珪素基板は、前記側面との間に前記ソース領域を挟み、前記ボディ領域につながり、前記第2導電型を有する第1コンタクト領域と、前記第1主面に垂直な方向から平面視したときに前記第1コンタクト領域と重なる第1領域を有し、前記ボディ領域の前記第2主面側に設けられ、前記ボディ領域につながり、前記第2導電型を有する第1電界緩和領域と、前記第1主面に垂直な方向から平面視したときに前記第1領域を包囲し、前記第1電界緩和領域よりも前記第2主面側に設けられ、前記第2導電型を有する第2電界緩和領域と、前記ゲートトレンチと前記第2主面との間に設けられ、前記第2導電型を有する第3電界緩和領域と、を更に有し、前記第1主面を基準とした、前記第3電界緩和領域の前記第2導電型の不純物の実効濃度のピーク深さは1.0μm以下である。 A silicon carbide semiconductor device of the present disclosure includes a silicon carbide substrate having a first main surface and a second main surface opposite to the first main surface, the silicon carbide substrate having a first conductivity type drift a body region provided on the drift region and having a second conductivity type different from the first conductivity type; and a body region provided on the body region so as to be separated from the drift region and having the first conductivity type. and a gate trench defined by a side surface penetrating the source region and the body region to reach the drift region and a bottom surface continuous with the side surface is provided in the first main surface. The silicon carbide substrate sandwiches the source region between itself and the side surface, is connected to the body region, and has a first contact region having the second conductivity type, and a direction perpendicular to the first main surface. a first electric field provided on the second main surface side of the body region, connected to the body region, and having the second conductivity type; a relaxation region, which surrounds the first region when viewed in plan from a direction perpendicular to the first main surface, is provided closer to the second main surface than the first electric field relaxation region, and is of the second conductivity type; and a third electric field relaxation region having the second conductivity type provided between the gate trench and the second main surface, the first main surface having As a reference, the peak depth of the effective concentration of the impurity of the second conductivity type in the third electric field relaxation region is 1.0 μm or less.
本開示によれば、エピタキシャル層の形成回数を低減できる。 According to the present disclosure, the number of epitaxial layer formations can be reduced.
実施するための形態について、以下に説明する。 The form for carrying out is demonstrated below.
[本開示の実施形態の説明]
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。以下の説明では、同一又は対応する要素には同一の符号を付し、それらについて同じ説明は繰り返さない。本明細書中の結晶学的記載においては、個別方位を[]、集合方位を<>、個別面を()、集合面を{}でそれぞれ示している。また結晶学上の指数が負であることは、通常、"-"(バー)を数字の上に付すことによって表現されるが、本明細書中では数字の前に負の符号を付している。
[Description of Embodiments of the Present Disclosure]
First, the embodiments of the present disclosure are listed and described. In the following description, the same or corresponding elements are given the same reference numerals and the same descriptions thereof are not repeated. In the crystallographic descriptions in this specification, individual orientations are indicated by [], aggregated orientations by <>, individual planes by (), and aggregated planes by {}. In addition, the fact that the crystallographic index is negative is usually expressed by attaching a "-" (bar) above the number, but in this specification, a negative sign is attached before the number. there is
〔1〕 本開示の一態様に係る炭化珪素半導体装置は、第1主面と、前記第1主面と反対側の第2主面とを有する炭化珪素基板を備え、前記炭化珪素基板は、第1導電型を有するドリフト領域と、前記ドリフト領域上に設けられ、前記第1導電型と異なる第2導電型を有するボディ領域と、前記ドリフト領域から隔てられるように前記ボディ領域上に設けられ、前記第1導電型を有するソース領域と、を有し、前記第1主面には、前記ソース領域及び前記ボディ領域を貫通して前記ドリフト領域に至る側面と、前記側面と連なる底面とにより規定されるゲートトレンチが設けられており、前記炭化珪素基板は、前記側面との間に前記ソース領域を挟み、前記ボディ領域につながり、前記第2導電型を有する第1コンタクト領域と、前記第1主面に垂直な方向から平面視したときに前記第1コンタクト領域と重なる第1領域を有し、前記ボディ領域の前記第2主面側に設けられ、前記ボディ領域につながり、前記第2導電型を有する第1電界緩和領域と、前記第1主面に垂直な方向から平面視したときに前記第1領域を包囲し、前記第1電界緩和領域よりも前記第2主面側に設けられ、前記第2導電型を有する第2電界緩和領域と、前記ゲートトレンチと前記第2主面との間に設けられ、前記第2導電型を有する第3電界緩和領域と、を更に有し、前記第1主面を基準とした、前記第3電界緩和領域の前記第2導電型の不純物の実効濃度のピーク深さは1.0μm以下である。 [1] A silicon carbide semiconductor device according to an aspect of the present disclosure includes a silicon carbide substrate having a first main surface and a second main surface opposite to the first main surface, the silicon carbide substrate comprising: a drift region having a first conductivity type; a body region provided on the drift region and having a second conductivity type different from the first conductivity type; and a body region provided on the body region so as to be separated from the drift region. , a source region having the first conductivity type, and the first main surface includes a side surface extending through the source region and the body region to reach the drift region, and a bottom surface continuous with the side surface. A defined gate trench is provided, and the silicon carbide substrate sandwiches the source region between the side surface and the first contact region connected to the body region and having the second conductivity type; It has a first region that overlaps with the first contact region when viewed in plan from a direction perpendicular to one main surface, is provided on the second main surface side of the body region, is connected to the body region, and is connected to the second contact region. a first electric field relaxation region having a conductivity type; and a first electric field relaxation region surrounding the first region when viewed in plan from a direction perpendicular to the first main surface and provided closer to the second main surface than the first electric field relaxation region. a second electric field relaxation region having the second conductivity type; and a third electric field relaxation region having the second conductivity type provided between the gate trench and the second main surface. and the peak depth of the effective concentration of the impurity of the second conductivity type in the third electric field relaxation region is 1.0 μm or less with respect to the first main surface.
第1主面を基準とした、第1電界緩和領域の第2導電型の不純物の実効濃度のピーク深さは1.0μm以下である。このため、複数回のエピタキシャル層の形成を行わずとも、ソース領域、ボディ領域、ドリフト領域及び第1電界緩和領域を適切に形成できる。また、第1主面に垂直な方向から平面視したときに、第1電界緩和領域が、第1コンタクト領域と重なる第1領域を有し、第2電界緩和領域が第1領域を包囲するため、第1コンタクト領域が多くの結晶欠陥を含んでいたとしても、この結晶欠陥を経路とするドレインリークを抑制できる。 The peak depth of the effective concentration of the impurity of the second conductivity type in the first electric field relaxation region is 1.0 μm or less with respect to the first main surface. Therefore, the source region, the body region, the drift region, and the first electric field relaxation region can be properly formed without forming epitaxial layers multiple times. Further, when viewed from the direction perpendicular to the first main surface, the first electric field relaxation region has a first region overlapping with the first contact region, and the second electric field relaxation region surrounds the first region. , even if the first contact region contains many crystal defects, it is possible to suppress the drain leak through the crystal defects.
〔2〕 〔1〕において、前記第2電界緩和領域と前記第3電界緩和領域とは、前記第1主面に平行な方向でつながっていてもよい。この場合、第2電界緩和領域と第3電界緩和領域とを同電位にして、ドレインリークを抑制しやすい。 [2] In [1], the second electric field relaxation region and the third electric field relaxation region may be connected in a direction parallel to the first main surface. In this case, the second electric field relaxation region and the third electric field relaxation region are set at the same potential to easily suppress drain leakage.
〔3〕 〔1〕又は〔2〕において、前記第1電界緩和領域及び前記第2電界緩和領域につながり、前記第1電界緩和領域と前記第2電界緩和領域とを電気的に接続する接続領域を有してもよい。この場合、第1電界緩和領域と第2電界緩和領域とを同電位にして、ドレインリークを抑制しやすい。 [3] In [1] or [2], the connection region is connected to the first electric field relaxation region and the second electric field relaxation region and electrically connects the first electric field relaxation region and the second electric field relaxation region. may have In this case, the first electric field relaxation region and the second electric field relaxation region are set at the same potential to easily suppress drain leakage.
〔4〕 〔1〕~〔3〕において、前記第2電界緩和領域は、前記ゲートトレンチの長手方向において周期的に配置されていてもよい。この場合、オン電流の電流経路を十分に確保しながら、ドレインリークを抑制しやすい。 [4] In [1] to [3], the second electric field relaxation regions may be arranged periodically in the longitudinal direction of the gate trench. In this case, it is easy to suppress drain leakage while ensuring a sufficient current path for on-current.
〔5〕 〔4〕において、前記ドリフト領域は、前記長手方向で隣り合う前記第2電界緩和領域の間に第2領域を有し、前記長手方向において、前記第2電界緩和領域の第1長さは、前記第2領域の第2長さ以下であってもよい。この場合、オン電流の電流経路を確保しやすい。 [5] In [4], the drift region has a second region between the second electric field relaxation regions adjacent to each other in the longitudinal direction, and the second electric field relaxation region has a first length in the longitudinal direction. The length may be less than or equal to the second length of the second region. In this case, it is easy to secure a current path for an on-current.
〔6〕 〔5〕において、前記第1長さは、前記第1長さと前記第2長さとの和の20%以上40%以下であってもよい。この場合、オン電流の電流経路の確保とドレインリークの抑制とを特に両立しやすい。 [6] In [5], the first length may be 20% or more and 40% or less of the sum of the first length and the second length. In this case, it is particularly easy to achieve both securing of a current path for on-current and suppression of drain leakage.
〔7〕 〔1〕~〔6〕において、前記第3電界緩和領域は、前記底面よりも前記第2主面側に位置する第3領域と、前記第3領域から前記第1主面側に突出する第4領域と、を有し、前記ドリフト領域の一部が前記第4領域と前記ボディ領域との間にあってもよい。この場合、オフ時に高いドレイン電圧が印加されたとしても、ボディ領域への電界の侵入を抑制し、ドレインリークを抑制しやすい。 [7] In [1] to [6], the third electric field relaxation region includes a third region located closer to the second main surface than the bottom surface, and a third region located closer to the first main surface than the bottom surface. and a protruding fourth region, a portion of the drift region being between the fourth region and the body region. In this case, even if a high drain voltage is applied when the device is turned off, it is easy to suppress penetration of an electric field into the body region and drain leakage.
〔8〕 〔1〕~〔7〕において、前記炭化珪素基板は、前記ソース領域と前記第1コンタクト領域との間に設けられ、前記ソース領域につながり、前記第1導電型を有する第2コンタクト領域を有し、前記第2コンタクト領域は、前記ソース領域よりも厚くてもよい。この場合、コンタクト領域にソース電極をオーミック接合させやすい。 [8] In [1] to [7], the silicon carbide substrate is provided between the source region and the first contact region, is connected to the source region, and has a second contact having the first conductivity type. A region, wherein the second contact region may be thicker than the source region. In this case, it is easy to ohmically contact the source electrode with the contact region.
〔9〕 〔1〕~〔8〕において、前記ゲートトレンチの前記側面は、{0-33-8}面を含んでもよい。側面が{0-33-8}面を含むことで、ゲートトレンチの側面において良好な移動度が得られ、チャネル抵抗を低減することができる。 [9] In [1] to [8], the side surface of the gate trench may include a {0-33-8} plane. Since the side surfaces include the {0-33-8} plane, good mobility can be obtained on the side surfaces of the gate trench, and channel resistance can be reduced.
[本開示の実施形態]
本開示の実施形態は、いわゆる縦型のMOSFET(炭化珪素半導体装置)に関する。図1~図4は、実施形態に係る炭化珪素半導体装置の構成を示す断面図である。図5は、実施形態に係る炭化珪素半導体装置における層間絶縁膜及び第1主面の構成を示す図である。図1は、図5中のI-I線に沿った断面図に相当する。図2は、図5中のII-II線に沿った断面図に相当する。図3は、図5中のIII-III線に沿った断面図に相当する。図4は、図5中のIV-IV線に沿った断面図に相当する。
[Embodiment of the present disclosure]
An embodiment of the present disclosure relates to a so-called vertical MOSFET (silicon carbide semiconductor device). 1 to 4 are cross-sectional views showing the configuration of a silicon carbide semiconductor device according to an embodiment. FIG. 5 is a diagram showing configurations of an interlayer insulating film and a first main surface in the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment. FIG. 1 corresponds to a cross-sectional view taken along line II in FIG. FIG. 2 corresponds to a cross-sectional view taken along line II-II in FIG. FIG. 3 corresponds to a cross-sectional view taken along line III-III in FIG. FIG. 4 corresponds to a cross-sectional view taken along line IV-IV in FIG.
図1~図5に示されるように、本実施形態に係るMOSFET100は、炭化珪素基板10と、ゲート絶縁膜81と、ゲート電極82と、層間絶縁膜83と、ソース電極60と、ドレイン電極70と、バリアメタル膜84と、パッシベーション膜85とを主に有している。炭化珪素基板10は、炭化珪素単結晶基板50と、炭化珪素単結晶基板50上にある炭化珪素エピタキシャル層40とを含む。炭化珪素基板10は、第1主面1と、第1主面1と反対側の第2主面2とを有する。炭化珪素エピタキシャル層40は第1主面1を構成し、炭化珪素単結晶基板50は第2主面2を構成する。炭化珪素単結晶基板50及び炭化珪素エピタキシャル層40は、例えばポリタイプ4Hの六方晶炭化珪素から構成されている。炭化珪素単結晶基板50は、例えば窒素(N)等のn型不純物を含みn型の導電型(第1導電型)を有する。
As shown in FIGS. 1 to 5,
第1主面1は、{0001}面又は{0001}面がオフ方向に8°以下のオフ角だけ傾斜した面である。好ましくは、第1主面1は、(000-1)面又は(000-1)面がオフ方向に8°以下のオフ角だけ傾斜した面である。オフ方向は、例えば<11-20>方向であってもよいし、<1-100>方向であってもよい。オフ角は、例えば1°以上であってもよいし、2°以上であってもよい。オフ角は、6°以下であってもよいし、4°以下であってもよい。 The first main surface 1 is a {0001} plane or a plane in which the {0001} plane is inclined in the off direction by an off angle of 8° or less. Preferably, the first main surface 1 is the (000-1) plane or a plane in which the (000-1) plane is inclined in the off direction by an off angle of 8° or less. The off direction may be, for example, the <11-20> direction or the <1-100> direction. The off angle may be, for example, 1° or more, or may be 2° or more. The off angle may be 6° or less, or may be 4° or less.
炭化珪素エピタキシャル層40は、ドリフト領域11と、ボディ領域12と、ソース領域13と、電流拡散領域14と、第3電界緩和領域16と、第1電界緩和領域17と、第1コンタクト領域18と、第2コンタクト領域19と、第2電界緩和領域31と、接続領域32とを主に有する。
Silicon
ドリフト領域11は、例えば窒素又はリン(P)等のn型不純物を含み、n型の導電型を有する。ドリフト領域11は、例えば第5領域11Cと、第2領域11Dと、第6領域11Eとを主に有している。
The
電流拡散領域14はドリフト領域11上に設けられている。電流拡散領域14は、例えばリン等のn型不純物を含み、n型の導電型を有する。電流拡散領域14は、第2主面2に対して垂直な方向において、ボディ領域12と第5領域11Cとの間にある。電流拡散領域14は、ボディ領域12及び第5領域11Cに接している。電流拡散領域14は、ボディ領域12よりも第2主面2側にある。電流拡散領域14は、第5領域11Cよりも第1主面1側にある。電流拡散領域14は、側面3にも接している。電流拡散領域14のn型不純物の実効濃度のピーク値は、短絡電流の抑制のために、好ましくは5×1017cm-3以下である。電流拡散領域14のn型不純物の実効濃度のピーク値は、オン抵抗の抑制のために、好ましくは2×1017cm-3以上である。電流拡散領域14はドリフト領域の一部を構成する。
A current spreading
ボディ領域12は電流拡散領域14上に設けられている。ボディ領域12は、例えばアルミニウム(Al)等のp型不純物を含み、p型の導電型(第2導電型)を有する。ボディ領域12は、第2主面2に対して垂直な方向において、ソース領域13と電流拡散領域14との間にある。ボディ領域12は、ソース領域13及び電流拡散領域14に接している。ボディ領域12は、ソース領域13よりも第2主面2側にある。ボディ領域12は、電流拡散領域14よりも第1主面1側にある。ボディ領域12は、側面3にも接している。ボディ領域12は、側面3につながる下端面94を備える。下端面94は、電流拡散領域14の上端面に接する。第1主面1を基準とした下端面94の深さD2は、例えば0.2μm以上0.5μm以下である。ボディ領域12のp型不純物の実効濃度は、例えば5×1017cm-3以上5×1018cm-3以下である。ボディ領域12のp型不純物の実効濃度のピーク値は、好ましくは2×1018cm-3以上である。短チャネル効果(パンチスルー)は、pn接合領域からチャネル領域内に空乏層が広がってチャネル領域全体が空乏層になることによって発生し得る。ボディ領域12のp型不純物の実効濃度を高くすることによって、チャネル領域に形成される空乏層の広がりを低減することができる。
ソース領域13は、第2主面2に対して垂直な方向において、ボディ領域12上にある。ソース領域13は、ボディ領域12に接している。ソース領域13は、ボディ領域12によって電流拡散領域14から隔てられるようにボディ領域12上に設けられている。ソース領域13は、ボディ領域12よりも第1主面1側にある。ソース領域13は、側面3にも接している。ソース領域13は、側面3につながる下端面97を備える。下端面97は、ボディ領域12の上端面に接する。ソース領域13は、第1厚さT1を備えている。第1厚さT1は、例えば0.1μm以上0.3μm以下である。ソース領域13はゲート絶縁膜81に覆われている。ソース領域13はゲート絶縁膜81に直接接している。ソース領域13は、例えば窒素又はリン等のn型不純物を含み、n型の導電型を有する。ソース領域13は、第1主面1を構成する。ソース領域13のn型不純物の実効濃度は、例えば5×1018cm-3以上5×1019cm-3以下である。ソース領域13の第1主面1におけるn型不純物の実効濃度は、シート抵抗の低減のために、好ましくは1×1019cm-3以上である。
第2コンタクト領域19は、例えば窒素又はリン等のn型不純物を含み、n型の導電型を有する。第2コンタクト領域19は、側面3との間にソース領域13を挟む。つまり、ソース領域13は、第1主面1と平行な方向において、側面3と第2コンタクト領域19との間にある。第2コンタクト領域19は、ソース領域13よりもゲートトレンチ5から離間する側にある。第2コンタクト領域19はソース領域13につながる。第2コンタクト領域19は、第1主面1を構成する。第2コンタクト領域19の下端面96は、ソース領域13の下端面97よりも第2主面2側にある。第2コンタクト領域19はソース領域13よりも厚い。第2コンタクト領域19は、第1厚さT1より大きい第2厚さT2を備えている。第2厚さT2は、第1厚さT1の1.1倍以上5.0倍以下であってもよい。第2厚さT2は、例えば0.2μm以上である。第2厚さT2は、0.2μm以上0.5μm以下であってもよい。第2コンタクト領域19のn型不純物の実効濃度は、ソース領域13のn型不純物の実効濃度とほぼ同じであってもよい。第2コンタクト領域19のn型不純物の実効濃度は、例えば5×1018cm-3以上5×1019cm-3以下である。第2コンタクト領域19は、第1導電型を有するコンタクト領域の一例である。
The
第1コンタクト領域18は、例えばアルミニウム等のp型不純物を含み、p型の導電型を有する。第1コンタクト領域18のp型不純物の実効濃度は、例えばボディ領域12のp型不純物の実効濃度よりも高い。第1コンタクト領域18は、第2コンタクト領域19を貫通し、ボディ領域12に接する。第1コンタクト領域18は、第1主面1を構成する。第1コンタクト領域18のp型不純物の実効濃度は、例えば1×1018cm-3以上1×1020cm-3以下である。
The
第1主面1には、側面3と底面4とにより規定されるゲートトレンチ5が設けられている。側面3は、ソース領域13、ボディ領域12、電流拡散領域14及びドリフト領域11を貫通して第3電界緩和領域16に至る。底面4は、側面3と連なる。底面4は、第3電界緩和領域16に位置する。底面4は、例えば第2主面2と平行な平面である。底面4を含む平面に対する側面3の角度θ1は、例えば45°以上65°以下である。角度θ1は、例えば50°以上であってもよい。角度θ1は、例えば60°以下であってもよい。側面3は、好ましくは、{0-33-8}面を有する。{0-33-8}面は、優れた移動度が得られる結晶面である。ゲートトレンチ5は、例えば第1主面1と平行な第1方向に沿ってストライプ状に伸長している。第1主面1に垂直な方向から平面視したときに、複数のゲートトレンチ5が、第1方向に垂直な第2方向に一定の間隔で設けられている。複数のゲートトレンチ5が、例えばアレイ状に設けられていてもよい。
A
第3電界緩和領域16は、例えばアルミニウム等のp型不純物を含み、p型の導電型を有する。第3電界緩和領域16は、電流拡散領域14と第2主面2との間にある。第1主面1に垂直な方向から平面視したときに、第3電界緩和領域16はゲートトレンチ5と重なる部分を含む。例えば、第3電界緩和領域16は、ゲートトレンチ5の底面4と第2主面2との間にあり、第3電界緩和領域16の上端面は、例えばゲートトレンチ5の底面4を含む。第3電界緩和領域16の上端面の一部は、電流拡散領域14の下端面の一部に対向している。第3電界緩和領域16は、第1主面1に垂直な方向から平面視したときに、電流拡散領域14とボディ領域12と側面3とが互いに接する第1位置91よりもゲートトレンチ5から離間する側に側端面92を有する。第3電界緩和領域16は、ソース電極60に電気的に接続されていてもよい。第3電界緩和領域16のp型不純物の実効濃度は、例えば5×1017cm-3以上5×1018cm-3以下である。第1主面1を基準とした、第3電界緩和領域16のp型不純物の実効濃度のピーク深さD1は、例えば1.0μm以下である。ピーク深さD1は、0.8μm以上1.0μm以下であってもよい。第1主面1に垂直な方向における第3電界緩和領域16の厚さは、0.4μm以上0.6μm以下であってもよい。
The third electric
また、第3電界緩和領域16は、第3領域16Aと、第4領域16Bとを有する。第3領域16Aは、ゲートトレンチ5の底面4よりも第2主面2側に位置する。第4領域16Bは、第3領域16Aから第1主面1側に突出する。第4領域16Bは、第1主面1に垂直な方向から平面視したときに、第1位置91と側端面92との間にある。電流拡散領域14の下端面は、第4領域16Bにならって第1主面1側に凹状に窪んだ部分を含む。第4領域16Bは、例えば、側端面92のうちでドリフト領域11の第2領域11Dに接する部分の近傍に設けられ、側端面92のうちで第2電界緩和領域31に接する部分の近傍には設けられていなくてもよい(図24参照)。
Also, the third electric
第1電界緩和領域17は、例えばアルミニウム等のp型不純物を含み、p型の導電型を有する。第1電界緩和領域17は、側面3との間にボディ領域12を挟む。つまり、ボディ領域12は、第1主面1と平行な方向において、側面3と第1電界緩和領域17との間にある。第1電界緩和領域17は、ボディ領域12よりもゲートトレンチ5から離間する側にある。第1電界緩和領域17はボディ領域12につながる。第1電界緩和領域17は、第1コンタクト領域18及び第2コンタクト領域19よりも第2主面2側にある。第1電界緩和領域17は、第1主面1に垂直な方向から平面視したときに第1コンタクト領域18と重なる第1領域15を有する。第1電界緩和領域17は、第1主面1に垂直な方向から平面視したときに第2コンタクト領域19にも重なってよい。
The first electric
第1電界緩和領域17の下端面93は、ボディ領域12の下端面94よりも第2主面2側にある。つまり、第1主面1を基準とした下端面93の深さD3は、下端面94の深さD2よりも大きい。第1電界緩和領域17の下端面93は、第3電界緩和領域16の第3領域16Aの上端面95よりも第1主面1側にある。つまり、第1電界緩和領域17の下端面93は、ゲートトレンチ5の底面4よりも第1主面1側にある。第1電界緩和領域17が電流拡散領域14を貫通していてもよい。第1電界緩和領域17のp型不純物の実効濃度は、好ましくは1×1018cm-3以上2×1019cm-3以下である。これは、良好な耐圧及び短絡耐量を得るためである。また、第1電界緩和領域17のp型不純物の実効濃度が1×1018cm-3以上2×1019cm-3以下であると、電流拡散領域14を確保しやすい。
The
ドリフト領域11の第5領域11Cは、電流拡散領域14と第3電界緩和領域16との間にある。第5領域11Cは、電流拡散領域14及び第3電界緩和領域16に接している。第5領域11Cは、電流拡散領域14よりも第2主面2側にある。第5領域11Cは、第3電界緩和領域16よりも第1主面1側にある。第5領域11Cのn型不純物の実効濃度は、例えば5×1015cm-3以上5×1016cm-3以下である。
A
第2領域11Dは、第5領域11Cよりも第2主面2側にある。第2領域11Dは、第5領域11Cと連なっている。第2領域11Dは、第2主面2と平行な方向において第3電界緩和領域16と接している。第2領域11Dと第3電界緩和領域16とは、第2主面2と平行な同一平面に位置していてもよい。第2領域11Dのn型不純物の実効濃度は、第5領域11Cのn型不純物の実効濃度よりも高くてもよい。第2領域11Dのn型不純物の実効濃度は、例えば5×1016cm-3以上5×1017cm-3以下である。
The
第6領域11Eは、第2領域11Dよりも第2主面2側にある。第6領域11Eは、第2領域11Dと連なっている。第6領域11Eは、第3電界緩和領域16と接している。第6領域11Eは、第3電界緩和領域16よりも第2主面2側にある。第6領域11Eは、第2領域11Dと炭化珪素単結晶基板50との間にあってもよい。第6領域11Eは、炭化珪素単結晶基板50に連なっていてもよい。第6領域11Eのn型不純物の実効濃度は、第2領域11Dのn型不純物の実効濃度よりも低くてもよい。第6領域11Eのn型不純物の実効濃度は、例えば5×1015cm-3以上5×1016cm-3以下である。
The
ゲート絶縁膜81は、例えば酸化膜である。ゲート絶縁膜81は、例えば二酸化珪素を含む材料により構成されている。ゲート絶縁膜81は、側面3及び底面4に接する。ゲート絶縁膜81は、底面4において第3電界緩和領域16と接する。ゲート絶縁膜81は、側面3においてソース領域13、ボディ領域12、電流拡散領域14及び第5領域11Cの各々と接している。ゲート絶縁膜81は、第1主面1においてソース領域13と接していてもよい。
The
ゲート電極82は、ゲート絶縁膜81上に設けられている。ゲート電極82は、例えば導電性不純物を含むポリシリコン(ポリSi)から構成されている。ゲート電極82は、ゲートトレンチ5の内部に配置されている。ゲート電極82の一部は、第1主面1上に配置されていてもよい。
A
層間絶縁膜83は、ゲート電極82及びゲート絶縁膜81に接して設けられている。層間絶縁膜83は、例えば二酸化珪素を含む材料から構成されている。層間絶縁膜83は、ゲート電極82とソース電極60とを電気的に絶縁している。層間絶縁膜83の一部は、ゲートトレンチ5の内部に設けられていてもよい。
The
層間絶縁膜83及びゲート絶縁膜81には、第2方向に一定の間隔でコンタクトホール86が形成されている。コンタクトホール86は、第1主面1に垂直な方向から平面視したときに、第2方向で隣り合うコンタクトホール86の間にゲートトレンチ5が位置するように設けられている。コンタクトホール86は、第1方向に延びる。コンタクトホール86を通じて、ソース領域13、第1コンタクト領域18及び第2コンタクト領域19が層間絶縁膜83及びゲート絶縁膜81から露出している。第1コンタクト領域18は、第1方向(ゲートトレンチ5の長手方向)において、全体にわたって配置されている必要はなく、例えば、図4及び図5に示されるように、周期的に配置されていてよい。
Contact holes 86 are formed in the
第2電界緩和領域31は、例えばアルミニウム等のp型不純物を含み、p型の導電型を有する。第2電界緩和領域31は、第1電界緩和領域17よりも第2主面2側に設けられている。第2電界緩和領域31は、第2方向で隣り合う第3電界緩和領域16の間にあり、これら第2方向で隣り合う第3電界緩和領域16の両方に接している。第2電界緩和領域31と第3電界緩和領域16とは、第2主面2と平行な同一平面に位置していてもよい。第2電界緩和領域31は、第1方向において周期的に配置されている。第2電界緩和領域31は、例えば、第1方向において第1コンタクト領域18と同じ周期で配置されている。第2電界緩和領域31は、第1主面1に垂直な方向から平面視したときに第1領域15を包囲する。第2電界緩和領域31のp型不純物の実効濃度は、第3電界緩和領域16のp型不純物の実効濃度とほぼ同じであってもよい。第2電界緩和領域31のp型不純物の実効濃度は、例えば1×1017cm-3以上5×1018cm-3以下である。
The second electric
接続領域32は、例えばアルミニウム等のp型不純物を含み、p型の導電型を有する。接続領域32は、第2主面2に対して垂直な方向において、第2電界緩和領域31と第1電界緩和領域17との間にあり、第2電界緩和領域31及び第1電界緩和領域17に接している。接続領域32は、第1電界緩和領域17の第2主面2側にある。接続領域32は、第2電界緩和領域31の第1主面1側にある。接続領域32は、第2電界緩和領域31と同様に、第1方向において周期的に配置されている。接続領域32は、第1方向において第2電界緩和領域31と同じ周期で配置されている。第1主面1に垂直な方向から平面視したときに、第1方向では、接続領域32の2つの縁が第1コンタクト領域18の2つの縁の間に位置してもよい。第1主面1に垂直な方向から平面視したときに、第2方向では、接続領域32の2つの縁が第2コンタクト領域19の2つの縁と重なっていてもよい。接続領域32のp型不純物の実効濃度は、例えば1×1017cm-3以上5×1018cm-3以下である。
The
第1コンタクト領域18がボディ領域12に接し、ボディ領域12が第1電界緩和領域17に接し、第1電界緩和領域17が接続領域32に接し、接続領域32が第2電界緩和領域31に接し、接続領域32が第3電界緩和領域16に接する。このように、第3電界緩和領域16は電気的に第1コンタクト領域18に接続されている。
The
バリアメタル膜84は、層間絶縁膜83の上面及び側面と、ゲート絶縁膜81の側面とを覆う。バリアメタル膜84は、層間絶縁膜83及びゲート絶縁膜81の各々と接している。バリアメタル膜84は、例えば窒化チタン(TiN)を含む材料から構成されている。
The
ソース電極60は、第1主面1に接する。ソース電極60は、コンタクト電極61と、ソース配線62とを有する。コンタクト電極61は、第1主面1において、ソース領域13、第1コンタクト領域18及び第2コンタクト領域19に接していてもよい。コンタクト電極61は、例えばニッケルシリサイド(NiSi)を含む材料から構成されている。コンタクト電極61が、チタンと、アルミニウムと、シリコンとを含む材料から構成されていてもよい。コンタクト電極61は、第2コンタクト領域19とオーミック接合している。コンタクト電極61は、第1コンタクト領域18とオーミック接合していてもよい。ソース配線62は、バリアメタル膜84の上面及び側面と、コンタクト電極61の上面とを覆う。ソース配線62は、バリアメタル膜84及びコンタクト電極61の各々と接している。ソース配線62は、例えばアルミニウムを含む材料から構成されている。
パッシベーション膜85は、ソース配線62の上面を覆う。パッシベーション膜85は、ソース配線62と接している。パッシベーション膜85は、例えばポリイミドを含む材料から構成されている。
A
ドレイン電極70は、第2主面2に接する。ドレイン電極70は、第2主面2において炭化珪素単結晶基板50と接している。ドレイン電極70は、ドリフト領域11と電気的に接続されている。ドレイン電極70は、例えばニッケルシリサイドを含む材料から構成されている。ドレイン電極70がチタンと、アルミニウムと、シリコンとを含む材料から構成されていてもよい。ドレイン電極70は、炭化珪素単結晶基板50とオーミック接合している。
第2主面2に対して垂直な方向において、第3電界緩和領域16の上端面が底面4から離間していてもよい。この場合、例えば、底面4がドリフト領域11に位置してもよく、側面3が、ソース領域13、ボディ領域12及び電流拡散領域14を貫通してドリフト領域11に至ってもよい。例えば、第3電界緩和領域16の上端面と底面4との間に、第5領域11Cがあってもよい。
The top surface of the third electric
炭化珪素単結晶基板50と第6領域11Eとの間に、例えば窒素等のn型不純物を含み、n型の導電型を有するバッファ層が設けられていてもよい。バッファ層のn型不純物の実効濃度は、第6領域11Eのn型不純物の実効濃度よりも高くてもよい。
A buffer layer containing n-type impurities such as nitrogen and having n-type conductivity may be provided between silicon carbide single-
本開示において、p型不純物の実効濃度とは、p型不純物の濃度とn型不純物の濃度との差分であり、n型不純物の実効濃度とは、n型不純物の濃度とp型不純物の濃度との差分である。実効濃度は、例えば以下の手順1~手順4で測定することができる。 In the present disclosure, the effective concentration of p-type impurities is the difference between the concentration of p-type impurities and the concentration of n-type impurities, and the effective concentration of n-type impurities is the concentration of n-type impurities and the concentration of p-type impurities. is the difference between The effective concentration can be measured, for example, by procedures 1 to 4 below.
(手順1) 半導体装置の表面を観察することにより素子領域を特定する。 (Procedure 1) Identify the element region by observing the surface of the semiconductor device.
(手順2) 図2に示す半導領域の断面が現れるように半導体装置を加工する。例えば、集束イオンビーム(Focused Ion Beam:FIB)装置を用いて半導体装置の断面加工を行う。 (Procedure 2) The semiconductor device is processed so that the cross section of the semiconductor region shown in FIG. 2 appears. For example, a focused ion beam (FIB) device is used to process a cross section of a semiconductor device.
(手順3) 走査電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)を用いて、不純物が注入された領域の導電型がp型かn型かの判定を行う。例えば加速電圧が3kV、倍率が10000倍の条件でSEM観察を行った場合、明るい領域がp型領域であり、暗い領域がn型領域である。 (Procedure 3) Using a scanning electron microscope (SEM), it is determined whether the conductivity type of the impurity-implanted region is p-type or n-type. For example, when SEM observation is performed under the conditions of an acceleration voltage of 3 kV and a magnification of 10000 times, the bright region is the p-type region and the dark region is the n-type region.
(手順4) 上記の断面におけるp型領域及びn型領域について走査型拡がり抵抗顕微鏡(Scanning Spreading Resistance Microscopy:SSRM)を用いて不純物濃度を測定する。p型領域の濃度がp型不純物の実効濃度であり、n型領域の濃度がn型不純物の実効濃度である。 (Procedure 4) The impurity concentration of the p-type region and the n-type region in the cross section is measured using a scanning spreading resistance microscopy (SSRM). The concentration of the p-type region is the effective concentration of p-type impurities, and the concentration of the n-type region is the effective concentration of n-type impurities.
次に、実施形態に係るMOSFET100の製造方法について説明する。図6~図23は、実施形態に係るMOSFET100の製造方法を示す断面図である。図6~図8、図10~図12、図15~図16、図18~図23は、図1と同様に、図5中のI-I線に沿った断面図に相当する。図9、図13及び図17は、図2と同様に、図5中のII-II線に沿った断面図に相当する。図14は、図4と同様に、図5中のIV-IV線に沿った断面図に相当する。
Next, a method for manufacturing the
まず、図6に示されるように、炭化珪素単結晶基板50が準備される。例えば昇華法によって製造された炭化珪素インゴット(図示せず)がスライスされることにより、炭化珪素単結晶基板50が準備される。炭化珪素単結晶基板50上にバッファ層(図示せず)が形成されてもよい。バッファ層は、例えば原料ガスとしてシラン(SiH4)とプロパン(C3H8)との混合ガスを用い、キャリアガスとして例えば水素(H2)を用いた化学気相成長(Chemical Vapor Deposition:CVD)法により形成することができる。バッファ層のエピタキシャル成長の際に、例えば窒素等のn型不純物がバッファ層に導入されてもよい。
First, as shown in FIG. 6, silicon carbide
次に、同じく図6に示されるように、エピタキシャル層21が形成される。例えば原料ガスとしてシランとプロパンとの混合ガスを用い、キャリアガスとして例えば水素を用いたCVD法により、炭化珪素単結晶基板50上にエピタキシャル層21が形成される。エピタキシャル成長の際、例えば窒素等のn型不純物がエピタキシャル層21に導入される。エピタキシャル層21は、n型の導電型を有する。エピタキシャル層21のn型不純物の実効濃度は、バッファ層のn型不純物の実効濃度よりも低くてもよい。
Next, as also shown in FIG. 6, an
次に、図7に示されるように、第3電界緩和領域16及び第2電界緩和領域31の各々が形成される領域上に開口部151を有するマスク層150が形成される。マスク層150は、例えば二酸化珪素を含む材料により構成される。マスク層150の形成では、二酸化珪素膜の形成後、フォトレジストのマスクを用いた二酸化珪素膜のエッチングが行われる。このエッチングは、開口部151の下端において上端よりも開口面積が小さくなる条件で行われる。
Next, as shown in FIG. 7, a
次に、図8及び図9に示されるように、例えばアルミニウムイオン等のp型を付与可能なp型不純物イオンがエピタキシャル層21に注入される。これにより、第3電界緩和領域16及び第2電界緩和領域31が形成される。第3電界緩和領域16及び第2電界緩和領域31の各々は、エピタキシャル層21の表面に露出しないように、エピタキシャル層21の内部に形成される。第3電界緩和領域16及び第2電界緩和領域31は、同時に形成されてもよいし、別々に形成されてもよい。第3電界緩和領域16及び第2電界緩和領域31の形成の際のp型不純物イオンの注入エネルギは、700keV以上1200keV以下とされてもよい。第1主面1を基準とした、第3電界緩和領域16及び第2電界緩和領域31のp型不純物の実効濃度のピーク深さは、例えば0.8μm以上1.0μm以下とされてもよい。
Next, as shown in FIGS. 8 and 9, p-type impurity ions capable of imparting p-type, such as aluminum ions, are implanted into the
第3電界緩和領域16及び第2電界緩和領域31の形成に用いられるマスク層150の開口部151の開口面積は、下端において上端よりも小さくなっている。このため、第3電界緩和領域16は、開口部151の側壁面の第2主面2側において開口部151の中央よりも浅く形成されやすく、第3領域16A及び第4領域16Bを備えるように形成される。
The opening area of the
次に、図10に示されるように、ボディ領域12が形成される。例えばアルミニウムイオン等のp型を付与可能なp型不純物イオンがエピタキシャル層21の表面全体に対して注入される。これにより、ボディ領域12が形成される。ボディ領域12の形成の際のp型不純物イオンの注入エネルギは、200keV以上400keV以下とされてもよい。ボディ領域12の厚さは、例えば0.2μm以上0.5μm以下である。
Next, as shown in FIG. 10,
次に、図11に示されるように、電流拡散領域14が形成される。例えばリンイオン等のn型を付与可能なn型不純物イオンがエピタキシャル層21の表面全体に対して注入される。これにより、電流拡散領域14が形成される。電流拡散領域14の形成の際のn型不純物イオンの注入エネルギは、300keV以上800keV以下とされてもよい。
Next, as shown in FIG. 11, current spreading
次に、図12に示されるように、ソース領域13が形成される。例えば、リンイオン等のn型を付与可能なn型不純物イオンがエピタキシャル層21の表面全体に対して注入される。これにより、ソース領域13が形成される。ソース領域13の形成の際のn型不純物イオンの注入エネルギは、50keV以上150keV以下とされてもよい。ソース領域13の厚さは、例えば0.1μm以上0.3μm以下である。
Next, as shown in FIG. 12,
次に、図13、図14及び図24に示されるように、接続領域32が形成される。例えば、接続領域32が形成される領域上に開口部を有するマスク層(図示せず)が形成される。次に、例えばアルミニウムイオン等のp型を付与可能なp型不純物イオンがドリフト領域11に注入される。これにより、接続領域32が形成される。接続領域32の形成の際のp型不純物イオンの注入エネルギは、400keV以上900keV以下とされてもよい。図24は、接続領域32、第2電界緩和領域31、第3電界緩和領域16、第1コンタクト領域18及び第2コンタクト領域19の間の位置関係を示す模式図である。図13は、図24中のXIII-XIII線に沿った断面図に相当する。図14は、図24中のXIV-XIV線に沿った断面図に相当する。
Next, as shown in FIGS. 13, 14 and 24,
次に、図15に示されるように、第1電界緩和領域17が形成される。例えば、第1電界緩和領域17が形成される領域上に開口部を有するマスク層(図示せず)が形成される。次に、例えばアルミニウムイオン等のp型を付与可能なp型不純物イオンがエピタキシャル層21に注入される。これにより、第1電界緩和領域17が形成される。第1電界緩和領域17の形成の際のp型不純物イオンの注入エネルギは、300keV以上800keV以下とされてもよい。
Next, as shown in FIG. 15, a first electric
次に、図16に示されるように、第2コンタクト領域19が形成される。例えば、第2コンタクト領域19が形成される領域上に開口部を有するマスク層(図示せず)が形成される。次に、例えばリンイオン等のn型を付与可能なn型不純物イオンがエピタキシャル層21に注入される。これにより、第2コンタクト領域19が形成される。第2コンタクト領域19の形成の際のn型不純物イオンの注入エネルギは、100keV以上300keV以下とされてもよい。第1電界緩和領域17の形成に用いたマスク層を、そのまま第2コンタクト領域19の形成に用いてもよい。
Next, as shown in FIG. 16,
次に、図17に示されるように、第1コンタクト領域18が形成される。例えば、第1コンタクト領域18が形成される領域上に開口部を有するマスク層(図示せず)が形成される。次に、例えばアルミニウムイオン等のp型を付与可能なp型不純物イオンが第2コンタクト領域19及びボディ領域12に注入される。これにより、ボディ領域12と接する第1コンタクト領域18が形成される。第1コンタクト領域18の形成の際のp型不純物イオンの注入エネルギは、50keV以上300keV以下とされてもよい。エピタキシャル層21のうち、エピタキシャル層21の形成後に不純物イオンの注入が行われていない部分からドリフト領域11が構成される。
Next, as shown in FIG. 17,
次に、炭化珪素基板10に注入された不純物イオンを活性化するために活性化アニールが実施される。活性化アニールの温度は、好ましくは1500℃以上1900℃以下であり、例えば1700℃程度である。活性化アニールの時間は、例えば30分程度である。活性化アニールの雰囲気は、好ましくは不活性ガス雰囲気であり、例えばアルゴン(Ar)雰囲気である。
Activation annealing is then performed to activate the impurity ions implanted into
次に、図18に示されるように、ゲートトレンチ5が形成される。例えば、第1主面1上に、ゲートトレンチ5が形成される位置上に開口を有するマスク層(図示せず)が形成される。マスク層を用いて、ソース領域13の一部と、ボディ領域12の一部と、電流拡散領域14の一部と、ドリフト領域11の一部とがエッチングにより除去される。エッチングの方法としては、例えば反応性イオンエッチング、特に誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングを用いることができる。具体的には、例えば反応ガスとして六フッ化硫黄(SF6)又はSF6と酸素(O2)との混合ガスを用いた誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングを用いることができる。エッチングにより、ゲートトレンチ5が形成されるべき領域に、第1主面1に対してほぼ垂直な側部と、側部と連続的に設けられ、かつ第1主面1とほぼ平行な底部とを有する凹部(図示せず)が形成される。
Next, as shown in FIG. 18,
次に、凹部において熱エッチングが行われる。熱エッチングは、第1主面1上にマスク層が形成された状態で、例えば、少なくとも1種類以上のハロゲン原子を有する反応性ガスを含む雰囲気中での加熱によって行い得る。少なくとも1種類以上のハロゲン原子は、塩素(Cl)原子及びフッ素(F)原子の少なくともいずれかを含む。当該雰囲気は、例えば、塩素(Cl2)、三塩化ホウ素(BCl3)、SF6又は四フッ化炭素(CF4)を含む。例えば、塩素ガスと酸素ガスとの混合ガスを反応ガスとして用い、熱処理温度を、例えば800℃以上900℃以下として、熱エッチングが行われる。なお、反応ガスは、上述した塩素ガスと酸素ガスとに加えて、キャリアガスを含んでいてもよい。キャリアガスとしては、例えば窒素ガス、アルゴンガス又はヘリウムガス等を用いることができる。 A thermal etch is then performed in the recess. Thermal etching can be performed, for example, by heating in an atmosphere containing a reactive gas having at least one type of halogen atom while the mask layer is formed on the first main surface 1 . The at least one halogen atom includes at least one of chlorine (Cl) and fluorine (F) atoms. The atmosphere includes, for example, chlorine (Cl 2 ), boron trichloride (BCl 3 ), SF 6 or carbon tetrafluoride (CF 4 ). For example, a mixed gas of chlorine gas and oxygen gas is used as a reaction gas, and thermal etching is performed at a heat treatment temperature of, for example, 800° C. or higher and 900° C. or lower. Note that the reaction gas may contain a carrier gas in addition to the chlorine gas and the oxygen gas described above. As the carrier gas, for example, nitrogen gas, argon gas, helium gas, or the like can be used.
上記熱エッチングにより、炭化珪素基板10の第1主面1にゲートトレンチ5が形成される。ゲートトレンチ5は、側面3と、底面4とにより規定される。側面3は、ソース領域13と、ボディ領域12と、電流拡散領域14と、ドリフト領域11とにより構成される。底面4は、第3電界緩和領域16により構成される。側面3と、底面4を含む平面との間の角度θ1は、例えば45°以上65°以下である。次に、マスク層が第1主面1から除去される。
次に、図19に示されるように、ゲート絶縁膜81が形成される。例えば炭化珪素基板10を熱酸化することにより、ソース領域13と、ボディ領域12と、電流拡散領域14と、ドリフト領域11と、第3電界緩和領域16と、第1コンタクト領域18と、第2コンタクト領域19とに接するゲート絶縁膜81が形成される。具体的には、炭化珪素基板10が、酸素を含む雰囲気中において、例えば1300℃以上1400℃以下の温度で加熱される。これにより、第1主面1と、側面3及び底面4に接するゲート絶縁膜81が形成される。なお、ゲート絶縁膜81が熱酸化により形成された場合、厳密には、炭化珪素基板10の一部がゲート絶縁膜81に取り込まれる。このため、以降の処理では、熱酸化後のゲート絶縁膜81と炭化珪素基板10との間の界面に第1主面1、側面3及び底面4が若干移動したものとする。
Next, as shown in FIG. 19,
次に、一酸化窒素(NO)ガス雰囲気中において炭化珪素基板10に対して熱処理(NOアニール)が行われてもよい。NOアニールにおいて、炭化珪素基板10が、例えば1100℃以上1400℃以下の条件下で1時間程度保持される。これにより、ゲート絶縁膜81とボディ領域12との界面領域に窒素原子が導入される。その結果、界面領域における界面準位の形成が抑制されることで、チャネル移動度を向上させることができる。
Next, heat treatment (NO annealing) may be performed on
NOアニール後、雰囲気ガスとしてアルゴン(Ar)を用いるArアニールが行われてもよい。Arアニールの加熱温度は、例えば上記NOアニールの加熱温度以上である。Arアニールの時間は、例えば1時間程度である。これにより、ゲート絶縁膜81とボディ領域12との界面領域における界面準位の形成がさらに抑制される。なお、雰囲気ガスとして、Arガスに代えて窒素ガス等の他の不活性ガスが用いられてもよい。
After the NO anneal, Ar anneal using argon (Ar) as the ambient gas may be performed. The heating temperature for Ar annealing is, for example, higher than the heating temperature for NO annealing. The Ar annealing time is, for example, about one hour. This further suppresses the formation of an interface state in the interface region between
次に、図20に示されるように、ゲート電極82が形成される。ゲート電極82は、ゲート絶縁膜81上に形成される。ゲート電極82は、例えば減圧CVD(Low Pressure - Chemical Vapor Deposition:LP-CVD)法により形成される。ゲート電極82は、ソース領域13と、ボディ領域12と、電流拡散領域14と、ドリフト領域11との各々に対面するように形成される。
Next, as shown in FIG. 20,
次に、図21に示されるように、層間絶縁膜83が形成される。具体的には、ゲート電極82を覆い、かつゲート絶縁膜81と接するように層間絶縁膜83が形成される。層間絶縁膜83は、例えば、CVD法により形成される。層間絶縁膜83は、例えば二酸化珪素を含む材料から構成される。層間絶縁膜83の一部は、ゲートトレンチ5の内部に形成されてもよい。
Next, as shown in FIG. 21, an
次に、図22に示されるように、層間絶縁膜83及びゲート絶縁膜81にコンタクトホール86が形成される。コンタクトホール86に第1コンタクト領域18及び第2コンタクト領域19が層間絶縁膜83及びゲート絶縁膜81から露出する。ソース領域13は、好ましくは、ゲート絶縁膜81及び層間絶縁膜83に覆われたままとする。
Next, as shown in FIG. 22, contact holes 86 are formed in the
次に、図23に示されるように、バリアメタル膜84、コンタクト電極61及びドレイン電極70が形成される。例えば、層間絶縁膜83の上面及び側面と、ゲート絶縁膜81の側面とを覆うバリアメタル膜84が形成される。第1主面1に垂直な方向から平面視したときに、ソース領域13はバリアメタル膜84の側端面の内側にあることが好ましい。バリアメタル膜84は、例えば窒化チタンを含む材料から構成される。バリアメタル膜84は、例えばスパッタリング法による成膜及び反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching:RIE)より形成される。次に、第1主面1において第1コンタクト領域18及び第2コンタクト領域19に接するコンタクト電極61用の金属膜(図示せず)が形成される。コンタクト電極61用の金属膜は、例えばスパッタリング法により形成される。コンタクト電極61用の金属膜は、例えばニッケルを含む材料から構成される。次に、第2主面2において炭化珪素単結晶基板50に接するドレイン電極70用の金属膜(図示せず)が形成される。ドレイン電極70用の金属膜は、例えばスパッタリング法により形成される。ドレイン電極70用の金属膜は、例えばニッケルを含む材料から構成される。
Next, as shown in FIG. 23,
次に、合金化アニールが実施される。コンタクト電極61用の金属膜及びドレイン電極70用の金属膜が、例えば900℃以上1100℃以下の温度で5分程度保持される。これにより、コンタクト電極61用の金属膜の少なくとも一部及びドレイン電極70用の金属膜の少なくとも一部が、炭化珪素基板10が含む珪素と反応してシリサイド化する。これにより、第2コンタクト領域19とオーミック接合するコンタクト電極61と、炭化珪素単結晶基板50とオーミック接合するドレイン電極70とが形成される。第1主面1に垂直な方向から平面視したときに、ソース領域13がバリアメタル膜84の側端面の内側にあれば、コンタクト電極61は、コンタクト電極61の側端面がソース領域13と第2コンタクト領域19との境界面よりもゲートトレンチ5から離間するように形成される。シリサイド化に第2コンタクト領域19の一部が消費されるが、ソース領域13はゲート絶縁膜81及び層間絶縁膜83に覆われているため、ソース領域13は消費されない。コンタクト電極61は、第1コンタクト領域18とオーミック接合してもよい。コンタクト電極61が、チタンと、アルミニウムと、シリコンとを含む材料から構成されてもよい。ドレイン電極70が、チタンと、アルミニウムと、シリコンとを含む材料から構成されてもよい。
An alloying anneal is then performed. The metal film for the
次に、ソース配線62が形成される。具体的には、コンタクト電極61及びバリアメタル膜84を覆うソース配線62が形成される。ソース配線62は、例えばスパッタリング法による成膜及びRIEより形成される。ソース配線62は、例えばアルミニウムを含む材料から構成される。このようにして、コンタクト電極61とソース配線62とを有するソース電極60が形成される。
Next,
次に、パッシベーション膜85が形成される。具体的には、ソース配線62を覆うパッシベーション膜85が形成される。パッシベーション膜85は、例えばポリイミドを含む材料から構成される。パッシベーション膜85は、例えば塗布法により形成される。
Next, a
このようにして、実施形態に係るMOSFET100が完成する。
Thus, the
次に、本実施形態に係るMOSFETの作用効果について説明する。 Next, the effects of the MOSFET according to this embodiment will be described.
本実施形態に係るMOSFET100では、第1主面1を基準とした、第3電界緩和領域16のp型不純物の実効濃度のピーク深さが1.0μm以下である。このため、複数回のエピタキシャル層の形成を行わずとも、ソース領域13、ボディ領域12、電流拡散領域14、ドリフト領域11及び第3電界緩和領域16をイオン注入により適切に形成できる。また、第1主面1に垂直な方向から平面視したときに、第1電界緩和領域17が、第1コンタクト領域18と重なる第1領域15を有し、第2電界緩和領域31が第1領域15を包囲する。このため、第1コンタクト領域18が高濃度のイオン注入等により多くの結晶欠陥を含んでいたとしても、この結晶欠陥を経路とするドレインリークを抑制できる。
In the
ピーク深さD1が小さい場合には、上記の製造方法のように、第3電界緩和領域16の形成後にエピタキシャル層の再成長が必要とされない。このため、エピタキシャル層の再成長に伴うコストを低減することができる。また、第3電界緩和領域16の形成の際にも、高エネルギのイオン注入は必要とされない。このため、高エネルギのイオン注入に伴うコストの上昇を回避することができる。
When the peak depth D1 is small, it is not necessary to regrow the epitaxial layer after forming the third electric
また、ソース領域13の第1厚さT1が小さいほど、短絡時のドレイン電流が低減され、短絡耐量を向上することができる。その一方で、第2コンタクト領域19の第2厚さT2が第1厚さT1よりも大きいため、コンタクト電極61の形成時に第2コンタクト領域19の一部が消費されたとしても、コンタクト電極61を含むソース電極60を第2コンタクト領域19にオーミック接合させやすい。
Also, the smaller the first thickness T1 of the
第3電界緩和領域16とボディ領域12とが、第2電界緩和領域31、接続領域32及び第1電界緩和領域17を介して互いに電気的に接続されている。このため、第3電界緩和領域16とボディ領域12とを同電位にしてドレインリークを抑制しやすい。また、第2電界緩和領域31及び接続領域32が第1方向で周期的に配置されている。このため、オン電流の電流経路を十分に確保しながら、ドレインリークを抑制しやすい。
The third electric
なお、第1方向において、第2電界緩和領域31の第1長さL1はドリフト領域11の第2領域11Dの第2長さL2以下であることが好ましい。オン電流の電流経路を確保しやすいためである。また、第1長さL1は、第1長さL1と第2長さL2との和の、好ましくは20%以上40%以下であり、より好ましくは25%以上35%以下である。オン電流の電流経路の確保とドレインリークの抑制とを特に両立しやすいためである。
In addition, in the first direction, the first length L1 of the second electric
本実施形態では、第3電界緩和領域16が第4領域16Bを含む。このため、オフ時に高いドレイン電圧が印加されたとしても、ボディ領域12への電界の侵入を抑制し、ドレインリークを抑制しやすい。
In this embodiment, the third electric
第1電界緩和領域17の下端面93が第3電界緩和領域16の第3領域16Aの上端面95よりも第1主面1側にあってもよい。このため、第3電界緩和領域16の第4領域16Bと第1電界緩和領域17との間で電流拡散領域14及びドリフト領域11の第5領域11Cが挟まれ、ドレインリークを抑制しやすい。
The
第3電界緩和領域16と第1電界緩和領域17とが、第2電界緩和領域31及び接続領域32を介して互いに電気的に接続されている。このため、第3電界緩和領域16と第1電界緩和領域17とを同電位にしてドレインリークを抑制しやすい。
The third electric
また、電流拡散領域14のn型不純物の実効濃度を高くすることで、第4領域16Bが設けられていても、オン抵抗の上昇を抑制できる。
Further, by increasing the effective concentration of the n-type impurity in the
[変形例]
次に、実施形態の変形例について説明する。変形例は、主にゲートトレンチの形状の点で実施形態と相違する。図25は、実施形態の変形例に係るMOSFET(炭化珪素半導体装置)の構成を示す断面図である。図25は、図5中のI-I線に沿った断面と同様の断面を示す。
[Modification]
Next, modifications of the embodiment will be described. The modification differs from the embodiment mainly in the shape of the gate trench. FIG. 25 is a cross-sectional view showing the configuration of a MOSFET (silicon carbide semiconductor device) according to a modification of the embodiment. FIG. 25 shows a section similar to the section along line II in FIG.
図25に示されるように、変形例に係るMOSFET200では、ゲートトレンチ5が垂直トレンチである。つまり、底面4を含む平面に対する側面3の角度θ1は、90°であってもよい。他の構成は実施形態と同様である。
As shown in FIG. 25, in the
このような変形例によっても実施形態と同様の効果を得ることができる。 Such a modified example can also provide the same effects as the embodiment.
上記実施形態及び参考例では、n型を第1導電型とし、かつp型を第2導電型して説明したが、p型を第1導電型とし、かつn型を第2導電型としてもよい。上記実施形態及び参考例では、炭化珪素半導体装置としてMOSFETを例に挙げて説明したが、炭化珪素半導体装置は、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor:IGBT)等であってもよい。上記各不純物領域におけるp型不純物の実効濃度及びn型不純物の実効濃度は、例えば走査型静電容量顕微鏡(Scanning Capacitance Microscope:SCM)法又は二次イオン質量分析(Secondary Ion Mass Spectrometry:SIMS)法等により測定可能である。p型領域とn型領域との境界面(つまりpn接合界面)の位置は、例えばSCM法又はSIMS法等により特定できる。電流拡散領域中の多数キャリアの実効濃度の分布は、実効濃度を測定せずとも、例えば電流拡散領域とボディ領域とのpn接合により生成される空乏層の厚さの分布に基づいて特定できる。空乏層の厚さは、例えばSCM法又はSIMS法等により特定できる。 In the above embodiments and reference examples, the n-type is the first conductivity type and the p-type is the second conductivity type. good. In the above embodiments and reference examples, a MOSFET is described as an example of a silicon carbide semiconductor device, but the silicon carbide semiconductor device may be, for example, an insulated gate bipolar transistor (IGBT) or the like. The effective concentration of the p-type impurity and the effective concentration of the n-type impurity in each of the impurity regions can be determined, for example, by a scanning capacitance microscope (SCM) method or a secondary ion mass spectrometry (SIMS) method. etc., can be measured. The position of the interface between the p-type region and the n-type region (that is, the pn junction interface) can be specified by, for example, the SCM method or the SIMS method. The distribution of the effective concentration of majority carriers in the current diffusion region can be identified, for example, based on the thickness distribution of the depletion layer generated by the pn junction between the current diffusion region and the body region without measuring the effective concentration. The thickness of the depletion layer can be specified by, for example, the SCM method or the SIMS method.
なお、ゲートトレンチは、ハニカム状に伸長していてもよいし、アイランド状に点在していてもよい。 The gate trenches may extend in a honeycomb shape, or may be scattered like islands.
以上、実施形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。 Although the embodiment has been described in detail above, it is not limited to a specific embodiment, and various modifications and changes are possible within the scope described in the claims.
1 第1主面
2 第2主面
3 側面
4 底面
5 ゲートトレンチ
10 炭化珪素基板
11 ドリフト領域
11C 第5領域
11D 第2領域
11E 第6領域
12 ボディ領域
13 ソース領域
14 電流拡散領域
15 第1領域
16 第3電界緩和領域
16A 第3領域
16B 第4領域
17 第1電界緩和領域
18 第1コンタクト領域
19 第2コンタクト領域
21 エピタキシャル層
31 第2電界緩和領域
32 接続領域
40 炭化珪素エピタキシャル層
50 炭化珪素単結晶基板
60 ソース電極
61 コンタクト電極
62 ソース配線
70 ドレイン電極
81 ゲート絶縁膜
82 ゲート電極
83 層間絶縁膜
84 バリアメタル膜
85 パッシベーション膜
86 コンタクトホール
91 第1位置
92 側端面
93、94、96、97 下端面
95 上端面
100、200 MOSFET
150 マスク層
151 開口部
Reference Signs List 1 first
150
Claims (9)
前記炭化珪素基板は、
第1導電型を有するドリフト領域と、
前記ドリフト領域上に設けられ、前記第1導電型と異なる第2導電型を有するボディ領域と、
前記ドリフト領域から隔てられるように前記ボディ領域上に設けられ、前記第1導電型を有するソース領域と、
を有し、
前記第1主面には、前記ソース領域及び前記ボディ領域を貫通して前記ドリフト領域に至る側面と、前記側面と連なる底面とにより規定されるゲートトレンチが設けられており、
前記炭化珪素基板は、
前記側面との間に前記ソース領域を挟み、前記ボディ領域につながり、前記第2導電型を有する第1コンタクト領域と、
前記第1主面に垂直な方向から平面視したときに前記第1コンタクト領域と重なる第1領域を有し、前記ボディ領域の前記第2主面側に設けられ、前記ボディ領域につながり、前記第2導電型を有する第1電界緩和領域と、
前記第1主面に垂直な方向から平面視したときに前記第1領域を包囲し、前記第1電界緩和領域よりも前記第2主面側に設けられ、前記第2導電型を有する第2電界緩和領域と、
前記ゲートトレンチと前記第2主面との間に設けられ、前記第2導電型を有する第3電界緩和領域と、
を更に有し、
前記第1主面を基準とした、前記第3電界緩和領域の前記第2導電型の不純物の実効濃度のピーク深さは1.0μm以下である炭化珪素半導体装置。 A silicon carbide substrate having a first main surface and a second main surface opposite to the first main surface,
The silicon carbide substrate is
a drift region having a first conductivity type;
a body region provided on the drift region and having a second conductivity type different from the first conductivity type;
a source region having the first conductivity type provided on the body region so as to be separated from the drift region;
has
The first main surface is provided with a gate trench defined by a side surface extending through the source region and the body region to the drift region and a bottom surface continuous with the side surface,
The silicon carbide substrate is
a first contact region that sandwiches the source region between itself and the side surface, is connected to the body region, and has the second conductivity type;
a first region overlapping with the first contact region when viewed in plan from a direction perpendicular to the first main surface; provided on the second main surface side of the body region; connected to the body region; a first electric field relaxation region having a second conductivity type;
A second conductive-type second semiconductor device surrounding the first region when viewed in plan from a direction perpendicular to the first main surface, provided closer to the second main surface than the first electric field relaxation region, and having the second conductivity type an electric field relaxation region;
a third electric field relaxation region provided between the gate trench and the second main surface and having the second conductivity type;
further having
The silicon carbide semiconductor device, wherein the peak depth of the effective concentration of the impurity of the second conductivity type in the third electric field relaxation region is 1.0 μm or less with respect to the first main surface.
前記長手方向において、前記第2電界緩和領域の第1長さは、前記第2領域の第2長さ以下である請求項4に記載の炭化珪素半導体装置。 the drift region has a second region between the second electric field relaxation regions adjacent to each other in the longitudinal direction;
5. The silicon carbide semiconductor device according to claim 4, wherein a first length of said second electric field relaxation region in said longitudinal direction is equal to or less than a second length of said second region.
前記底面よりも前記第2主面側に位置する第3領域と、
前記第3領域から前記第1主面側に突出する第4領域と、
を有し、
前記ドリフト領域の一部が前記第4領域と前記ボディ領域との間にある請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。 The third electric field relaxation region is
a third region located closer to the second main surface than the bottom surface;
a fourth region protruding from the third region toward the first main surface;
has
The silicon carbide semiconductor device according to any one of claims 1 to 6, wherein a portion of said drift region is between said fourth region and said body region.
前記第2コンタクト領域は、前記ソース領域よりも厚い請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。 The silicon carbide substrate has a second contact region provided between the source region and the first contact region, connected to the source region, and having the first conductivity type,
The silicon carbide semiconductor device according to any one of claims 1 to 7, wherein said second contact region is thicker than said source region.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2022005786A JP2023104657A (en) | 2022-01-18 | 2022-01-18 | Silicon carbide semiconductor device |
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JP (1) | JP2023104657A (en) |
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2022
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