JP3651449B2 - Silicon carbide semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は炭化珪素を用いた高耐圧の縦形MOSFET(電界効果トランジスタ)に関する。
【0002】
【従来の技術】
炭化珪素(以下SiCと記す)は、バンドギャップが大きく、化学的に安定な材料であるため、シリコン(以下Siと記す)と比較すると高温な環境下でも動作可能であり、各種の半導体デバイスが期待され、研究が行われている。
【0003】
特にパワーエレクトロニクス分野では、電力変換器等の大電力化、高周波化の要求にともない、高耐圧、低損失で高速に動作する半導体スイッチング素子への期待が益々高まってきている。Siを材料とする既存素子の一層の高性能化が進められているが、このような素子は、性能がSiの持つ物理的理論限界の制限を受け、素子性能の大幅な向上は望めない状況になってきている。一方で、SiCを用いてSiの限界をはるかに超えた高性能なパワー半導体素子を実現する研究が行われている。
【0004】
SiCでMOSFETを形成すると、アバランシェ降伏電界をシリコンより10倍高くできるため、素子のドリフト層の抵抗を約2桁小さくできることが知られている。そのため、オン抵抗を下げることが可能となり、電力損失を小さくすることができる。
【0005】
従来のSiデバイスでは、動作時の発生損失による発熱が無視できなかった。前述の電力変換器等においても、これを抑制する冷却機構を備える必要があり、冷却フィンや冷却機構のために装置が大型化してしまっていた。SiCでは、これらの冷却機構の大幅な小型化、簡素化が可能となる。また、自動車用途においては、電力変換機の小型化、軽量化は燃費向上にも結びつき、環境保全の面からも効果が期待されている。
【0006】
縦形MOSFETは、電力用半導体デバイスへのSiC適用を考える上で重要なデバイスである。MOSFETは電圧駆動型デバイスであるため、素子の並列駆動が可能であり、また駆動回路も簡素である。またユニポーラデバイスであるために、高速スイッチングが可能である。
【0007】
従来技術におけるSiCパワーMOSFETとしては、例えば特開2000−200907号公報(以下、従来例という)に記載されたものが知られている。該従来例の特徴としては、N−ドリフト領域の表面でP型ベース領域が形成されていない部分には低濃度(高抵抗)の表面層が形成されている。この表面層上にはゲート絶縁膜を介してゲート電極が形成されている。従来例においてはこの表面層の存在により、ゲート絶縁膜の信頼性向上の効果がある。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ゲート絶縁膜と半導体の界面において、ゲート絶縁膜にかかる電界をEi、半導体にかかる電界をEsとすると、(1)式に示す関係が成り立っている。
【0009】
εi・Ei=εs・Es ・・・(1)
ここで、εiは絶縁膜の誘電率、εsは半導体の誘電率である。
【0010】
(1)式を変形すると、次の(2)式が得られる。
【0011】
Ei/Es=εs/εi ・・・(2)
ここで(2)式をシリコンとSiCの場合で比較してみる。
【0012】
εs=11.7(Si)、εs=10.0(例として4H−SiC)であり、絶縁膜をシリコン酸化膜(以下SiO2)とすると、その誘電率はεi=3.8なので、Ei/Es=3.1 (Si)、Ei/Es=2.6 (SiC)となる。 即ち、従来構造ではゲート絶縁膜に半導体部分よりはるかに大きい電界がかかることになる。
【0013】
更に、半導体の最大電界Esmaxは、Esmax=3×105[V/cm](Si)、Esmax=3×106[V/cm](例えば4H−SiC)であるから、絶縁膜の最大電界Eimaxは、Eimax=約9×105[V/cm](Si)、Eimax=約7×106[V/cm](例えば4H−SiC)となり得る。
【0014】
SiO2の絶縁破壊耐圧は、106[V/cm]台であることを考えると、SiCの場合半導体内部でアバランシェ降伏が起きる前にゲート絶縁膜に絶縁破壊耐圧に近い大きな電界が印加されることになる。または、アバランシェ降伏が起きる以前にゲート絶縁膜(酸化膜)がブレークダウンを起こし、所望の耐圧が得られないという問題点があった。
【0015】
更に、通常パワーデバイスでは、アバランシェ電流が流れた際に、一定電流まで耐えることが要求されるが、従来のSiC−MOSFETではアバランシェ耐量がゲート絶縁膜の絶縁破壊によって規定されてしまい、非常に小さな値となっているという問題があった。
【0016】
本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、絶縁破壊耐圧を向上させ、且つ、アバランシェ耐量を充分に大きな値とすることのできる炭化珪素半導体装置を提供することにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、第一導電型の炭化珪素半導体基体の第一主面上に形成された第二導電型のベース領域と、該ベース領域内に形成された第一導電型のソース領域と、前記炭化珪素半導体基体の一部に形成された第一導電型のドリフト領域を有し、前記ベース領域上にゲート絶縁膜を介してゲート電極が形成されたMOSFETにおいて、
前記ゲート絶縁膜は、前記第一導電型の炭化珪素半導体基体と接する全体領域のうちの一部の領域が他の領域よりも薄く形成され、且つ、前記一部の領域は前記他の領域よりも面積が小さいことを特徴とする炭化珪素半導体装置。
【0018】
【発明の効果】
本発明によれば、ゲート絶縁膜にかかる電界が最も強くなる点において電界を効果的に弱めることが可能になり、高耐圧な炭化珪素のMOSFETを実現することができる。また、素子の耐圧がベース領域と基体との間のPN接合でのアバランシェ降伏で決まるため、アバランシェ耐量の高い炭化珪素のMOSFETを実現することができるという効果がある。
【0019】
また、第1の実施形態で説明する製造方法を採用することで、効果的に電界緩和を行うことができ、信頼性の高い高耐圧な反転型の炭化珪素パワーMOSFETを実現することができる。更に、第2の実施形態に記載する炭化珪素半導体装置においては、同様な理由により信頼性の高い高耐圧な蓄積型の炭化珪素パワーMOSFETを実現することができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明では、第一導電型を「N型」、第二導電型を「P型」として説明するが、これらは反対であっても良い。
【0021】
(第1の実施形態)
本発明に係る炭化珪素半導体装置の、第1の実施の形態について説明する。図1は、第1の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の、デバイス断面構造を示したものである。同図では、単位セルが2つ並列接続された様子を示している。実際には、単位セルが複数並列接続される。
【0022】
まず、デバイスの構成について説明する。N+型SiC基板1上には、N−型SiCエピ層が形成されている。ここでは、N−型SiCエピ層はデバイスとしてはドリフト層として機能するため、N−型ドリフト層2と呼ぶことにする。N+型SiC基板1と、N−型ドリフト層2とで、請求項に記載した炭化珪素半導体基体が構成される。
【0023】
N−型ドリフト層2の不純物濃度としては、例えば1E14〜1E17cm− 3が当てはまり、厚みとしては、数μmから数十μmが当てはまる。N−型ドリフト層2の表面には、P型ベース領域3a〜3cが形成されている。
【0024】
P型ベース領域3の内部の表面には、N+型ソース領域4a〜4cが形成されている。N−型ドリフト層2の表面、及びP型ベース領域3a〜3cの表面には、ゲート絶縁膜5a、5bを介して、ゲート電極6a、6bが形成されている。N+ソース領域4の表面の一部は、ソース電極8に接続されている。
【0025】
本実施形態の構成における特徴としては、N−型ドリフト層2の表面の一部では、ゲート絶縁膜5が局所的に薄くなっている領域10a、10bが存在する。N+型SiC基板1の裏面側には、ドレイン電極9が形成されている。ゲート電極6とソース電極8とは、層間絶縁膜7a、7bにより、電気的に絶縁されている。
【0026】
また、図示を省略するが、ベース領域3は、紙面奥行き方向の所望の場所で、ソース電極8と接続され、電位がソース電位に固定されている。
【0027】
次に、本実施形態に係るデバイスの、平面レイアウト構造を図7〜図9に基づいて説明する。図7においては、本来であれば全面ソース電極8に覆われるため、紙面奥行き方向内部の様子をうかがい知ることができないが、本発明の特徴であるゲート絶縁膜が薄くなっている領域の位置を表現する目的で、ソース電極8は透視している。
【0028】
図7に示すように、丸型のN+ソース領域4、及びこれと接続するソース電極8を接続する丸型のコンタクトホールからなる丸型のソースセル13が規則正しく並んで配置されている。その他の部分には、紙面奥行き方向にゲート絶縁膜(酸化膜)を挟んでポリシリコンによるゲート電極15が形成されている。ここで、上述のゲート絶縁膜が薄くなっている領域14は、4つの丸型ソースセル13から等距離にある点に配置される。
【0029】
この点は、4つのベース領域から等距離にある点でもあり、このような位置に配置することで、もともとのソースセル13の配置、セルピッチを乱すことなく高密度のままゲート絶縁膜が薄くなっている領域14を配置することができるというという効果がある。
【0030】
また、他の平面レイアウトの例としては、図8に示すように、ソースセル16が角部の取れた四角である場合も考えられる。同図に示す符号17は、ゲート絶縁膜が薄くなっている部分であり、符号18は、ゲート電極である。更に、図9に示すように、六角形のソースセル19が細密配置された場合にも、3つの六角形ソースセルから等距離となる部分にゲート絶縁膜が薄くなっている領域20が配置されるものも考えられる。同図に示す符号21は、ゲート電極である。
【0031】
次に、本実施形態に係る炭化珪素半導体装置の、動作について説明する。図1のデバイスの基本構造は縦形のパワーMOSFETであり、裏面のドレイン、表面のソースの両電極間に電圧が印加された状態で、ゲート電極6にしきい値電圧以上の電圧が印加されると、P型ベース領域3の表面でゲート電極下のゲート絶縁膜界面にチャネルが形成され、電流はドレイン電極9、N+SiC基板1、N−型ドリフト層2、チャネル、ソース領域4、ソース電極8と流れる。
【0032】
ドレイン電極9とソース電極8間は低抵抗で接続され、ドレイン電極9の電位が下がる(素子がオンする)。
【0033】
次に、ドレイン電極9とソース電極8との間に電圧が印加された状態でゲート電極6の電位をしきい値電圧以下にすると、チャネルが消失し、電流通路が遮断される。ドレイン電極9とソース電極8間の電圧が上昇していくと、ベース領域3とN−型ドリフト層2で形成するPN接合に逆バイアスがかかり、空乏層がN−型ドリフト層2へ伸張する。
【0034】
図2、及び図3は、ベース領域3a、及びこれと隣り合うベース領域3bとの間において、素子のオフ時に空乏層11が伸張する様子を模式的に示したものである。図2が本発明の構成によるものであり、図3が従来例によるものである。図3の従来例においてはベース領域3a、3bに沿って空乏層が伸張していく。さらに高電圧が印加されると両側の空乏層が交差し繋がる。
【0035】
このような状態では、ベース領域3aと、ベース領域3bとのちょうど中間の部分では、N−型ドリフト層2の表面から広がる空乏層11の距離が比較的近くなるため、ゲート電極6とN−型ドリフト層間にあるゲート絶縁膜にかかる電界が局所的に強くなる。
【0036】
これに対し、図2に示す本発明の構成においては、ベース領域3aと、ベース領域3bのちょうど中間の部分で局所的にゲート絶縁膜が薄くなっているため、ゲート電極6のフィールドプレート効果により、空乏層11がこの部分でより伸びやすくなっている。図2に示すように、空乏層11は、ベース領域3に沿って伸張することに加え、この部分でもより深く伸張することになる。
【0037】
すると、この部分においては、ゲート絶縁膜5にかかる電界が緩和される。そのため、SiCの半導体内部でアバランシェ降伏が起きる前にゲート絶縁膜に絶縁破壊耐圧に近い大きな電界が印加されることを防ぎ、また、アバランシェ降伏が起きる以前にゲート絶縁膜がブレークダウンを起こすことを防止できるので、所望の高耐圧が得られるという効果がある。
【0038】
更に、アバランシェ耐量がゲート絶縁膜の絶縁破壊によって規定されることが無く、一定電流まで耐えることができ、アバランシェ耐量を充分に大きな値にすることが可能となる。
【0039】
次に、本実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法について説明する。図5、図6は、製造方法の流れを示すデバイス断面構造図である。図5(a)においては、N+型SiC基板1の上に、N−エピタキシャル層(N−型ドリフト層)2を成長させている。
【0040】
同図(b)では、N−エピタキシャル層2の表面にイオン注入等の手段を用いて、所望の位置に不純物が導入された後、1600℃前後の熱処理を得て、P型ベース領域3a〜3c、及びN+型ソース領域4a〜4cが形成される。
【0041】
同図(c)では、N−エピタキシャル層2の表面に酸化膜が熱酸化等により形成される。ここで、ベース領域3aと隣り合うベース領域3bとのちょうど中心の位置で、上記酸化膜が表面よりエッチングされ、部分的に薄くなっている。このように、一度形成した熱酸化膜を表面側より、ウエット・エッチング等で薄くすることで、本実施形態に係る炭化珪素半導体装置の構成を形成可能である。
【0042】
この場合、ゲート絶縁膜5が薄くなった領域10a、10bは、曲率をもった形状(半円形状)を持ち、その上にポリシリコンを堆積した時にポリシリコンには角がなく、従って角部への電界集中が起こらない。
【0043】
本製造方法では、電界緩和を有効に行えるという特別の効果がある。別の製造方法としては、一旦、熱酸化等により薄い酸化膜を全面に形成し、その上にベース領域3aと、ベース領域3bとのちょうど中心の位置以外の領域に、選択的に2度目の酸化膜を堆積することでも作成可能である。
【0044】
同図(d)では、ゲート電極6となるポリシリコンをゲート絶縁膜5上の全面に堆積し、フォトリソグラフィーとエッチングにより所望の形状にパターニングする処理が行われる。同図(e)では、層間絶縁膜7がゲート電極6a〜6bの上の全面に堆積された後、下地のゲート絶縁膜5と共に、その一部にはソース領域4a〜4cに接続するための開口部(コンタクトホール)が形成される。同図(f)では、表面側でソース領域4a〜4cに接続するソース電極8となる金属が形成され、裏面側では、ドレイン電極9となる金属がN+炭化珪素基板1と全面で接続されるように形成される。
【0045】
こうして、本実施形態に係る炭化珪素半導体装置を構成することが可能であり、特に難易な工程を必要とせず安価に製造可能である。
【0046】
このようにして、第1の実施形態に係る炭化珪素半導体装置においては、ゲート絶縁膜にかかる電界を局所的に弱めることが可能になり、高耐圧な炭化珪素のMOSFETを実現することができる。また、素子の耐圧がベース領域と基体との間のPN接合でのアバランシェ降伏で決まるため、アバランシェ耐量の高い炭化珪素のMOSFETを実現できる。(請求項1の効果)
また、ベース領域3aと、ベース領域3b(3aと3bは互いに隣り合う)との間において、ゲート絶縁膜が薄く形成されるので、ゲート絶縁膜にかかる電界が最も強くなる点において電界を効果的に弱めることが可能になり、高耐圧な炭化珪素のMOSFETを実現することができる。また、素子の耐圧がベース領域と、基体との間のPN接合でのアバランシェ降伏で決まるため、アバランシェ耐量の高い炭化珪素のMOSFETを実現することができる。(請求項2の効果)更に、図7〜図9に示した如くの平面レイアウト構造とすることにより、素子密度の低下を最低限に抑え、面積効率の良い低オン抵抗なMOSFETを実現することができる。(請求項3の効果)
(第2の実施形態)
次に、本発明に係る炭化珪素半導体装置の、第2の実施形態にについて、図4に基づいて説明する。構成については、第1の実施形態で示した図1記載のものと基本的には同じであるので、相違する部分についてのみ説明する。
【0047】
本実施形態においては、N−型ドリフト層2の表面で、ベース領域3内部のN+型ソース領域4から、隣り合うベース領域3のN+型ソース領域4に繋がるように、N型チャネル領域12a、12bが形成される。所謂蓄積型のチャネルを形成する縦型のパワーMOSFETになっている。
【0048】
本実施形態の動作は、基本的には前述した第1の実施形態と同一であり、ベース領域3aと隣り合うベース領域3bの、ちょうど中間の部分で局所的にゲート絶縁膜が薄くなっているため、ゲート電極6のフィールドプレート効果により、空乏層11がこの部分でより伸びやすくなっている。
【0049】
図2に示すように、空乏層11は、ベース領域3に沿って伸張することに加え、この部分でもより深く伸張することになる。すると、この部分においては、ゲート絶縁膜5にかかる電界が緩和される。そのため、SiCの半導体内部でアバランシェ降伏が起きる前に、ゲート絶縁膜に絶縁破壊耐圧に近い大きな電界が印加されることを防ぎ、また、アバランシェ降伏が起きる以前に、ゲート絶縁膜がブレークダウンを起こすことを防止することができるので、所望の高耐圧が得られるという効果がある。
【0050】
更に、アバランシェ耐量がゲート絶縁膜の絶縁破壊によって規定されることが無く、一定電流まで耐えることができ、アバランシェ耐量を充分に大きな値にすることが可能となる。
【0051】
本実施形態の構成においては、蓄積型チャネルを用いているため、MOS界面の界面準位の影響を受けにくく、チャネル抵抗の低減が容易であり、低オン抵抗の素子を得やすいという、蓄積型チャネルのパワーMOSFETがもともと持っている有利な特性を合わせて実現できるという独特の効果を発揮することができる。本実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法については、N型チャネル領域12をイオン注入等により作成する工程が付加されるが、基本的には第1の実施形態で説明した製造方法を適用することができる。
【0052】
(第3の実施形態)
本発明に係る炭化珪素半導体装置の第3の実施形態について、以下に記述する。本実施形態は、本発明におけるゲート絶縁膜の厚みと、部分的にゲート絶縁膜が薄くなっている部分の厚みについて説明を加えるものである。
【0053】
ゲート絶縁膜の厚みとしては、数10Å〜数1000Å程度が考えられるが、例えば、500Åのゲート絶縁膜で構わない。本発明におけるゲート絶縁膜が薄くなっている部分とは、例えば部分的に半分の厚みである250Å程度になっているとしても、フィールドプレート効果により絶縁膜を高電界から保護することが可能である。
【0054】
フィールドプレート効果については、残された薄い絶縁膜の部分が薄ければ薄い程、効果が高くなると言える。このことを発展的に解釈すると、ゲート絶縁膜が部分的に無くなり、ゲート電極が直接炭化珪素であるドリフト領域に接してしまうことも考えられるが、その場合には、ゲート電極とドリフト領域がショットキー接続となり、ゲート電極にはソース電位に対してショットキー接合の順方向電圧Vf以上の電圧を印加することができなくなるため、現実的な構成では無い。
【0055】
よって、本発明においては、そのような構成は含めないものとする。薄い酸化膜の下限値については、以下のような制限がある。
【0056】
即ち、素子が低オン抵抗で導通するように、ゲート電極には十分に高いゲート電圧を印加する必要がる。例えば、ゲート電圧として20V程度まで印加する必要がある場合には、絶縁膜の絶縁破壊電界が10[MV/cm]と仮定すると、200Å以上にしておく必要があり、30V程度まで印加する必要がある場合には、300Å以上にしておく必要がある。このようにゲートに印加される電圧に応じて、ゲート絶縁膜の薄い部分の厚みの最小値が規定され、その規定以上でなるべく薄くするのが最も望ましい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の、デバイス断面構造図である。
【図2】本発明の第1の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の、オフ時における空乏層の広がりを示す説明図である。
【図3】従来技術における半導体装置の、オフ時における空乏層の広がりを示す説明図である。
【図4】本発明の第2の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の、デバイス断面構造図である。
【図5】本発明の第1の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の、製造工程を示す説明図の、第1の分図である。
【図6】本発明の第1の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の、製造工程を示す説明図の、第2の分図である。
【図7】本発明の第1の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の、平面レイアウト図である。
【図8】本発明に係る炭化珪素半導体装置の、その他の平面レイアウト図である。
【図9】本発明に係る炭化珪素半導体装置の、その他の平面レイアウト図である。
【符号の説明】
1 N+型炭化珪素半導体基板
2 N−型ドリフト層
3a〜3c P型ベース領域
4a〜4c N+型ソース領域
5a、5b ゲート絶縁膜
6a、6b ゲート電極
7a、7b 層間絶縁膜
8 ソース電極
9 ドレイン電極
10a、10b ゲート絶縁膜が薄くなっている部分
11 空乏層
12a、12b N型チャネル領域
13 丸型ソースセル
14 ゲート絶縁膜が薄くなっている部分
15 ゲート電極
16 角部の取れた四角ソースセル
17 ゲート絶縁膜が薄くなっている部分
18 ゲート電極
19 六角形ソースセル
20 ゲート絶縁膜が薄くなっている部分
21 ゲート電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a high breakdown voltage vertical MOSFET (field effect transistor) using silicon carbide.
[0002]
[Prior art]
Silicon carbide (hereinafter referred to as SiC) has a large band gap and is a chemically stable material. Therefore, silicon carbide can operate in a higher temperature environment than silicon (hereinafter referred to as Si). Expected and research is underway.
[0003]
Particularly in the power electronics field, with the demand for higher power and higher frequency of power converters and the like, expectations for semiconductor switching elements that operate at high speed with high breakdown voltage and low loss are increasing. Although the performance of existing devices made of Si is being further improved, the performance of such devices is limited by the physical theoretical limits of Si, and no significant improvement in device performance can be expected. It is becoming. On the other hand, research is being conducted to realize a high-performance power semiconductor element that far exceeds the limit of Si using SiC.
[0004]
It is known that when the MOSFET is formed of SiC, the avalanche breakdown electric field can be made ten times higher than that of silicon, so that the resistance of the drift layer of the element can be reduced by about two orders of magnitude. As a result, the on-resistance can be lowered and the power loss can be reduced.
[0005]
In the conventional Si device, heat generation due to generated loss during operation cannot be ignored. Also in the above-described power converter and the like, it is necessary to provide a cooling mechanism for suppressing this, and the apparatus has been enlarged due to the cooling fins and the cooling mechanism. In SiC, these cooling mechanisms can be greatly reduced in size and simplified. In automotive applications, the reduction in size and weight of power converters also leads to improved fuel efficiency, and is expected to be effective in terms of environmental conservation.
[0006]
The vertical MOSFET is an important device in considering application of SiC to a power semiconductor device. Since the MOSFET is a voltage-driven device, the elements can be driven in parallel and the drive circuit is simple. Moreover, since it is a unipolar device, high-speed switching is possible.
[0007]
As a SiC power MOSFET in the prior art, for example, one described in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-200907 (hereinafter referred to as a conventional example) is known. As a feature of the conventional example, a low concentration (high resistance) surface layer is formed on the surface of the N-drift region where the P-type base region is not formed. A gate electrode is formed on the surface layer via a gate insulating film. In the conventional example, the presence of this surface layer has the effect of improving the reliability of the gate insulating film.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
When the electric field applied to the gate insulating film is Ei and the electric field applied to the semiconductor is Es at the interface between the gate insulating film and the semiconductor, the relationship shown in the equation (1) is established.
[0009]
εi · Ei = εs · Es (1)
Here, εi is the dielectric constant of the insulating film, and εs is the dielectric constant of the semiconductor.
[0010]
When the equation (1) is modified, the following equation (2) is obtained.
[0011]
Ei / Es = εs / εi (2)
Here, the expression (2) is compared in the case of silicon and SiC.
[0012]
If εs = 11.7 (Si) and εs = 10.0 (4H—SiC as an example) and the insulating film is a silicon oxide film (hereinafter referred to as SiO 2 ), the dielectric constant is εi = 3.8. /Es=3.1 (Si), Ei / Es = 2.6 (SiC). That is, in the conventional structure, a much larger electric field is applied to the gate insulating film than the semiconductor portion.
[0013]
Furthermore, since the maximum electric field Esmax of the semiconductor is Esmax = 3 × 10 5 [V / cm] (Si) and Esmax = 3 × 10 6 [V / cm] (for example, 4H—SiC), the maximum electric field of the insulating film Eimax may be Eimax = about 9 × 10 5 [V / cm] (Si), Eimax = about 7 × 10 6 [V / cm] (for example, 4H—SiC).
[0014]
Considering that the dielectric breakdown voltage of SiO 2 is on the order of 10 6 [V / cm], in SiC, a large electric field close to the dielectric breakdown voltage is applied to the gate insulating film before the avalanche breakdown occurs inside the semiconductor. It will be. Alternatively, before the avalanche breakdown occurs, the gate insulating film (oxide film) breaks down, and a desired breakdown voltage cannot be obtained.
[0015]
Furthermore, in a normal power device, when an avalanche current flows, it is required to withstand a constant current. However, in a conventional SiC-MOSFET, the avalanche resistance is defined by the dielectric breakdown of the gate insulating film, which is very small. There was a problem that it was value.
[0016]
The present invention has been made in order to solve such a conventional problem, and an object of the present invention is to improve silicon breakdown voltage and to make avalanche resistance sufficiently large. It is to provide a semiconductor device.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above object, the present invention provides a second conductivity type base region formed on a first main surface of a first conductivity type silicon carbide semiconductor substrate, and a first conductivity type formed in the base region. In a MOSFET having a type source region and a drift region of a first conductivity type formed in a part of the silicon carbide semiconductor substrate, and a gate electrode formed on the base region via a gate insulating film,
The gate insulating film is formed such that a part of the entire region in contact with the silicon carbide semiconductor substrate of the first conductivity type is thinner than the other region, and the part of the region is smaller than the other region. A silicon carbide semiconductor device characterized by having a small area .
[0018]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to effectively weaken the electric field at the point where the electric field applied to the gate insulating film becomes the strongest, and it is possible to realize a silicon carbide MOSFET having a high withstand voltage. Further, since the breakdown voltage of the element is determined by the avalanche breakdown at the PN junction between the base region and the substrate, there is an effect that a silicon carbide MOSFET having a high avalanche resistance can be realized.
[0019]
Further, by adopting the manufacturing method described in the first embodiment, the electric field can be effectively relaxed, and a highly reliable inversion type silicon carbide power MOSFET with high breakdown voltage can be realized. Furthermore, in the silicon carbide semiconductor device described in the second embodiment, a storage silicon carbide power MOSFET with high reliability and high breakdown voltage can be realized for the same reason.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, the first conductivity type is described as “N type”, and the second conductivity type is described as “P type”, but these may be reversed.
[0021]
(First embodiment)
A silicon carbide semiconductor device according to a first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 shows a device cross-sectional structure of the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment. In the figure, a state in which two unit cells are connected in parallel is shown. Actually, a plurality of unit cells are connected in parallel.
[0022]
First, the configuration of the device will be described. An N− type SiC epi layer is formed on the N +
[0023]
The impurity concentration of the N-
[0024]
On the inner surface of the P-type base region 3, N +
[0025]
As a feature of the configuration of the present embodiment,
[0026]
Although not shown, the base region 3 is connected to the
[0027]
Next, the planar layout structure of the device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. In FIG. 7, since the entire surface is covered with the
[0028]
As shown in FIG. 7,
[0029]
This point is also a point equidistant from the four base regions, and by disposing at such a position, the gate insulating film becomes thin while maintaining a high density without disturbing the original arrangement of the
[0030]
Further, as another example of the planar layout, as shown in FIG. 8, the
[0031]
Next, the operation of the silicon carbide semiconductor device according to this embodiment will be described. The basic structure of the device shown in FIG. 1 is a vertical power MOSFET. When a voltage higher than the threshold voltage is applied to the
[0032]
The
[0033]
Next, when the potential of the
[0034]
2 and 3 schematically show how the
[0035]
In such a state, the distance between the
[0036]
On the other hand, in the configuration of the present invention shown in FIG. 2, since the gate insulating film is locally thinned at an intermediate portion between the
[0037]
Then, in this portion, the electric field applied to the
[0038]
Furthermore, the avalanche resistance is not defined by the dielectric breakdown of the gate insulating film, can withstand a constant current, and the avalanche resistance can be made sufficiently large.
[0039]
Next, a method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to this embodiment will be described. 5 and 6 are device cross-sectional structure diagrams showing the flow of the manufacturing method. In FIG. 5A, an N− epitaxial layer (N− type drift layer) 2 is grown on an N +
[0040]
In FIG. 6B, after introducing impurities into a desired position using means such as ion implantation on the surface of the N-
[0041]
In FIG. 2C, an oxide film is formed on the surface of the N−
[0042]
In this case, the
[0043]
This manufacturing method has a special effect that electric field relaxation can be performed effectively. As another manufacturing method, a thin oxide film is once formed on the entire surface by thermal oxidation or the like, and a second region is selectively applied to a region other than the central position between the
[0044]
In FIG. 4D, polysilicon to be the
[0045]
Thus, the silicon carbide semiconductor device according to the present embodiment can be configured, and can be manufactured at low cost without requiring a particularly difficult process.
[0046]
In this manner, in the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment, the electric field applied to the gate insulating film can be locally weakened, and a high-breakdown-voltage silicon carbide MOSFET can be realized. In addition, since the breakdown voltage of the element is determined by the avalanche breakdown at the PN junction between the base region and the substrate, a silicon carbide MOSFET having a high avalanche resistance can be realized. (Effect of Claim 1)
In addition, since the gate insulating film is thinly formed between the
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the silicon carbide semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIG. Since the configuration is basically the same as that shown in FIG. 1 shown in the first embodiment, only the differences will be described.
[0047]
In the present embodiment, on the surface of the N −
[0048]
The operation of the present embodiment is basically the same as that of the first embodiment described above, and the gate insulating film is locally thin just in the middle of the
[0049]
As shown in FIG. 2, the
[0050]
Furthermore, the avalanche resistance is not defined by the dielectric breakdown of the gate insulating film, can withstand a constant current, and the avalanche resistance can be made sufficiently large.
[0051]
In the configuration of the present embodiment, an accumulation type channel is used, so that it is not easily affected by the interface state of the MOS interface, the channel resistance can be easily reduced, and a low on-resistance element can be easily obtained. A unique effect that the advantageous characteristics inherent in the power MOSFET of the channel can be realized together can be exhibited. In the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the present embodiment, a process for forming the N-type channel region 12 by ion implantation or the like is added. can do.
[0052]
(Third embodiment)
A third embodiment of the silicon carbide semiconductor device according to the present invention will be described below. In the present embodiment, the thickness of the gate insulating film in the present invention and the thickness of the part where the gate insulating film is partially thinned will be described.
[0053]
The thickness of the gate insulating film may be about several tens to several thousand, but for example, a gate insulating film of 500 mm may be used. In the present invention, the thinned portion of the gate insulating film means that the insulating film can be protected from a high electric field by the field plate effect even if it is about 250 mm, which is a half thickness. .
[0054]
Regarding the field plate effect, it can be said that the thinner the remaining thin insulating film portion, the higher the effect. Interpreting this in a developmental manner, it is conceivable that the gate insulating film is partially lost and the gate electrode is in direct contact with the drift region that is silicon carbide. Since the key connection is established and a voltage higher than the Schottky junction forward voltage Vf with respect to the source potential cannot be applied to the gate electrode, this is not a realistic configuration.
[0055]
Therefore, in the present invention, such a configuration is not included. The lower limit of the thin oxide film has the following limitations.
[0056]
That is, it is necessary to apply a sufficiently high gate voltage to the gate electrode so that the element conducts with a low on-resistance. For example, when it is necessary to apply up to about 20 V as the gate voltage, assuming that the dielectric breakdown electric field of the insulating film is 10 [MV / cm], it is necessary to set the voltage to 200 V or more, and it is necessary to apply up to about 30 V. In some cases, it is necessary to keep it at least 300 mm. As described above, the minimum value of the thickness of the thin portion of the gate insulating film is defined according to the voltage applied to the gate, and it is most desirable to make the thickness as thin as possible.
[Brief description of the drawings]
1 is a device cross-sectional structure diagram of a silicon carbide semiconductor device according to a first embodiment of the present invention;
FIG. 2 is an explanatory diagram showing the spread of a depletion layer when the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment of the present invention is turned off.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing the spread of a depletion layer when the semiconductor device according to the prior art is off.
FIG. 4 is a device cross-sectional structure diagram of a silicon carbide semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a first partial diagram of an explanatory diagram showing a manufacturing step of the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment of the invention.
FIG. 6 is a second partial view of the explanatory view showing the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment of the invention.
FIG. 7 is a plan layout view of the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 8 is another planar layout diagram of the silicon carbide semiconductor device according to the present invention.
FIG. 9 is another planar layout diagram of the silicon carbide semiconductor device according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 N + type silicon carbide semiconductor substrate 2 N− type drift layers 3a to 3c P
Claims (3)
前記ゲート絶縁膜は、前記第一導電型の炭化珪素半導体基体と接する全体領域のうちの一部の領域が他の領域よりも薄く形成され、且つ、前記一部の領域は前記他の領域よりも面積が小さいことを特徴とする炭化珪素半導体装置。A second conductivity type base region formed on the first main surface of the first conductivity type silicon carbide semiconductor substrate, a first conductivity type source region formed in the base region, and the silicon carbide semiconductor substrate In a MOSFET having a drift region of a first conductivity type formed in a part of the gate electrode and a gate electrode formed on the base region via a gate insulating film,
The gate insulating film is formed such that a part of the entire region in contact with the silicon carbide semiconductor substrate of the first conductivity type is thinner than the other region, and the part of the region is smaller than the other region. A silicon carbide semiconductor device characterized by having a small area .
前記MOSFETは、前記ゲート絶縁膜、及び前記ゲート電極が前記炭化珪素半導体基体上に平面的に形成されたMOSFETであり、ゲート絶縁膜が薄く形成される部分は、前記ベース領域と、当該ベース領域と隣り合うベース領域と、の間であることを特徴とする炭化珪素半導体装置。The silicon carbide semiconductor device according to claim 1,
The MOSFET is a MOSFET in which the gate insulating film and the gate electrode are planarly formed on the silicon carbide semiconductor substrate, and a portion where the gate insulating film is formed thinly includes the base region and the base region. And a base region adjacent to the silicon carbide semiconductor device.
前記ベース領域は、平面的に四角形、もしくは角部の取れた四角形、もしくは円であるセル構造を有し、該ベース領域は、平面的には等間隔で規則的に配置され、前記ゲート絶縁膜が薄く形成される部分は、規則的に配置された互いに隣接する複数の前記セルから等距離にある位置に点状に配置されることを特徴とする炭化珪素半導体装置。In the silicon carbide semiconductor device according to claim 1 or 2,
The base region has a cell structure that is a quadrangle in a plan view, a quadrangle with a rounded corner, or a circle, and the base regions are regularly arranged at regular intervals in a plan view, and the gate insulating film The thinly formed portions are arranged in the form of dots at positions equidistant from a plurality of the regularly arranged cells adjacent to each other.
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