JP5358926B2 - 炭化珪素トレンチmos型半導体装置 - Google Patents
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Description
一方、パワー半導体装置の電気特性の改良については、半導体結晶材料の見直しという観点からの検討もされるようになった。ShenaiらがIEEE Transaction on Electron Devices(Vol.36,No.9p.1811−1823,September 1989)に報告しているように、SiCがシリコンよりも、次世代パワー半導体装置に関して、低オン電圧、高速・高温特性を得るための優れた半導体材料であるとして、最近、特に注目を集めている。さらには、SiCは化学的に非常に安定な材料であり、バンドギャップが3eVとシリコンより広く、高温でも半導体として極めて安定的に使用できる材料という極めて優れた特長を有している。またさらに、最大電界強度もシリコンより1桁以上大きい材料である点も注目される。たとえば、SiCのアバランシェ降伏時の臨界電界強度は、2.5MV/cmから3MV/cm程度ある。このように、SiCはシリコンの物性的限界を超える可能性大であることからパワー半導体材料の用途として、今後の伸長が大きく期待される。
図9〜図10は、そのような従来のトレンチゲート型MOSFETを製造する際の主要なウエハ工程を示す断面図である。n+ドレイン基板(n+sub)1上にエピタキシャル成長またはその後の不純物拡散によって、順次、n-ベース層2、pベース領域3を形成する(図9(a))。pベース領域3の表面層にイオン注入によってn+ソース領域4とp+コンタクト領域5を形成する(図9(b))。n+ソース領域4の表面からシリコン酸化膜をマスクとして、n+ソース領域4とpベース領域3とを貫通してn-ベース領域2に達するトレンチ8を形成する(図9(c))。次いで、シリコン酸化膜マスクを除去し(図10(d))、順次、ゲート絶縁膜6−3とゲート材料となる導電性ポリシリコン層を成膜し、導電性ポリシリコン層をトレンチ8内に残すように選択的にエッチングする。トレンチ8内の導電性ポリシリコン層はゲート電極7となる。この後、層間絶縁膜6−4を所定のパターンに形成してゲート電極7上を被覆した後、ソース電極9を構成するニッケル(Ni)膜9−1をn+ソース領域4表面およびp+コンタクト領域5表面とに共通に接触するように形成し、さらにその上にAl膜9−2を積層する。n+ドレイン基板(n+sub)1の裏面側にニッケル(Ni)膜などのドレイン電極10を形成する。(図10(e))。
この問題を解決する方法として、トレンチゲートの底部にp領域を形成して酸化膜を保護する方法が提案されている(I.A.Khan et al, IEEE ISPSD 2002, pp.157, 2002)。しかし、トレンチ底部にp領域を設けることは、MOSFET導通時にその電流に寄与すべき蓄積層の消滅を意味し、その結果、オン抵抗が非常に高くなるというデメリットも有する。さらには、トレンチ底部に精度よくp領域を形成することはプロセス上非常に困難である。たとえば、1μm未満のp領域の位置ずれでも、トレンチゲート部の反転層が消滅することもあり、その結果オン抵抗が非常に高くなるという惧れもある。
特許請求の範囲の請求項2記載の発明によれば、前記高不純物濃度の炭化珪素半導体基板が一導電型である特許請求の範囲の請求項1記載の炭化珪素トレンチMOS型半導体装置とする。
特許請求の範囲の請求項3記載の発明によれば、前記高不純物濃度の炭化珪素半導体基板が他導電型である特許請求の範囲の請求項1記載の炭化珪素トレンチMOS型半導体装置とする。
特許請求の範囲の請求項5記載の発明によれば、前記ゲート電極に前記アノードが接続される特許請求の範囲の請求項2または3に記載の炭化珪素トレンチMOS型半導体装置とする。
図1〜図6は実施例1のSiC−トレンチMOSFETの製造工程を説明するための要部断面図である。図7は実施例3、4のSiC−トレンチIGBTの活性領域の要部断面図である。図8は実施例1のSiC−トレンチMOSFETと従来ベベル構造の周辺耐圧領域を有するSiC−トレンチMOSFETのTHB試験結果図である。図12は実施例1のSiC−トレンチMOSFETの平面図である。
まず、十分に高濃度のn型SiC半導体基板1を用意する。ここでは、不純物として窒素を2×1018cm-3程度含むSiC半導体基板を用いる。この基板1上に、窒素を1.0×1016cm-3程度の濃度で含むn-型SiC層(n-ベース層)2を厚さ10μm程度、さらに、アルミ二ウムを2.1×1017cm-3程度の濃度で含むp型SiC層(pベース層)3を2.5μmエピタキシャル成長させる。この製造工程までは、図1の(a)と(b)は同じである(図1)。
MOSFETの活性領域となるpベース層3の表面層に、p+コンタクト領域5とn+ソース領域4をイオン注入法と熱処理で形成する(図2(a))。MOSFETの前記活性領域を取り囲む環状の周辺耐圧領域となるpベース層3の表面層にはp+コンタクト領域5を形成する(図2(b))。p+コンタクト領域5を形成するための不純物としてはアルミ二ウムを、またn+ソース領域4の不純物としてはリンを用いた。熱処理温度と時間は1700℃と1分である。
シリコン酸化膜6−2を付け直すか、付け増しして、活性領域上のシリコン酸化膜6−2部分に、5μmおきに1.2μm幅のストライプ状酸化膜マスクパターンを形成した後、n+ソース領域4の表面からのRIE(Reactive Ion Etching)などによる異方性の強いトレンチエッチングによりpベース層3を貫通しn-ベース層2に達するトレンチ8を形成する(図4(a))。なお、このときのトレンチ深さは3μmとした。シリコン酸化膜マスク6−2を除去する(図5)。
活性領域では、トレンチ8内部に厚さ100nmのゲート酸化膜6−3の成長後に、n型に高濃度ドープされたポリシリコン層からなるゲート電極7をトレンチ8に埋め込む。ゲート電極7上に層間絶縁膜6−4を形成する。層間絶縁膜6−4にp+コンタクト領域5とn+ソース領域4とに共通にソース電極9を表面接触させるための窓明けを形成した後、ソース電極9を被覆する。n型SiC半導体基板1の裏面側にドレイン電極10を形成する。ソース電極9としては、p+コンタクト領域5とn+ソース領域4とに接触するニッケル(Ni)膜9−1を介してその上にアルミニウム(Al)膜9−2が形成される(図6(a))。
本実施例1のトレンチMOSFETでは、n+ソース領域4およびn+半導体基板1との良好なコンタクト特性を確保するため、活性領域の表面側で接触するソース電極9および裏面に接触するドレイン電極10のコンタクトメタルとしてはNi(ニッケル)膜を電極として用いた。さらに前記ポリシリコンダイオードのカソード側に接触する、周辺耐圧領域の端部に設けられるドレイン電極10−1についても、コンタクトメタルはNi(ニッケル)膜が好ましく、その上にAl(アルミニウム)膜が積層される。アノード側のコンタクトメタルはソース電極と同じNi(ニッケル)膜となる。ソース電極のNi膜の上にはさらにAl膜が積層される。
またアバランシェ突入後に流れるアバランシェ電流も、すべてのトレンチMOSFETで測定器の限界20mA以上流れることを確認した。これは、ドレイン電極10に高電圧が印加されると、ソース・ドレイン間に内蔵する前記ポリシリコン層からなる多段ダイオード100が、メインのMOSFETが活性領域内でアバランシェ降伏を起こす前に、先にアバランシェ降伏を起こし、それによって生じたアバランシェ電流を流すため、ドレイン電極10に印加された高電圧のエネルギーをポリシリコン多段ダイオード100で電流を流すことにより吸収できるため、メインのMOSFETの活性領域にダメージを与えることが避けられることを意味している。
なお、本実施例1の発明にかかる炭化珪素トレンチMOSFETの場合は、環状に形成された凹部に形成される周辺耐圧領域の表面に形成される酸化膜6−3上に前記ポリシリコンダイオード100を堆積形成し、なおかつそのダイオードの両端がソース・ドレイン電極に電気的に接続されているため、本体のMOSFETの耐圧構造領域上に設けられるフィールドプレートとしても動作する。そのため、トレンチ底部にp領域を形成する必要がそもそも無い。
後者の従来耐圧構造にかかる保護ダイオードなしのトレンチMOSFETは、活性領域のトレンチゲートの底部に電界緩和のためのp領域を形成したMOSFETである。作成方法は本実施例1のMOSFETと類似しているが、活性領域内のトレンチゲート内部に熱酸化膜を形成後パターニングしトレンチ底部にアルミニウムを2.0×1019cm-3程度の濃度になるようにイオン注入し、1700℃で1分間活性化することで、トレンチ底部にp領域を形成する。これはソース・ドレイン間に高電圧が印加された際、トレンチ底部に電界集中しその結果、トレンチゲート底部の酸化膜破壊を防ぐためである。その後、上記熱酸化膜を除去する。この後者の保護ダイオードなしのトレンチMOSFETの素子耐圧は平均値1252V、最大値1272V、最小値1241Vと1200VのMOSFETとして十分良好な特性を示している。1200VのMOSFETとして十分な値を示すだけでなく、アバランシェ突入後の電流も測定器の限界20mA以上流れることを確認した。しかしながら、オン抵抗は平均値6.25mΩcm2と本実施例1のトレンチMOSFETに比べて高く、またMOSFETによっては20mΩcm2以上の高いオン抵抗を示すものもあるようにバラツキも大きい。
実施例1と同様に、周辺耐圧領域において、ゲート用トレンチ形成時に同時にポリシリコンダイオードの配置用の環状トレンチを形成し、該環状トレンチ側壁部ならびに底部表面に前記ゲート酸化膜と同時作成の酸化膜を形成する。その後、前記n型にドープされたゲートポリシリコン層を環状トレンチ内にも環状ポリシリコン層として充填する。そして該ポリシリコン層の一部にマスキングをしてボロンをイオン注入することで、複数の狭い環状p層を形成する。イオン注入した前記p層は環状ポリシリコン層上に積層される絶縁層の形成時の熱処理で活性化される。そして複数の狭い環状p層のうち、一方の最終端のアノード側p層をゲート電極に、また他方の最終端のカソード側n層をドレイン電極にそれぞれ電気的に接続させる。こうして、サージ電圧に対する保護用ダイオードを備えるトレンチMOSFETが完成する。
実施例2の保護ダイオードを備えた炭化珪素トレンチMOSFETではチップサイズを3mm角とし、活性領域の面積を7.85mm2とした。この炭化珪素トレンチMOSFETチップのオン抵抗と耐圧を測定したところ、測定素子数は50個におけるオン抵抗(RonA)は平均値2.50mΩcm2、最大値2.79mΩcm2、最小値2.39mΩcm2であり、また素子耐圧は平均1252Vと最大値1270V、最小値1243Vであった。これらの測定結果は優れた低オン抵抗特性と1200VのMOSFETとして十分良好な耐圧特性を示している。
また実施例2の炭化珪素トレンチMOSFETでも、図8に示すように、85℃、85%RH雰囲気中にて印加試験(THB試験)を行ったところ、3000時間経過後も、耐圧変動はほとんど観測されず、高信頼性が確認できた。
なお比較用のIGBTとして、n+型基板をp+型基板に代えたことと、前記実施例1と同様に内蔵ポリシリコンダイオードを備えないことと、トレンチ底部に電界緩和用のp領域を有しない他は、前述の実施例1のトレンチMOSFETとほぼ同じ構造の比較用トレンチIGBT(その1)と、さらに前記比較用トレンチIGBTに、トレンチ底部の電界緩和用のp領域を有する比較用IGBT(その2)とを作成した。その結果、内蔵ポリシリコンダイオードが無く活性領域内のトレンチ底部にp領域を形成していない比較用IGBT(その1)は、素子耐圧が1000V程度しかないものがほとんどであった。またトレンチ底部にp領域を形成した比較用IGBT(その2)に関しては、オン電圧が高めにばらつく素子が多く、最大でオン電圧が9.2V、平均でも6.4Vとなった。
以上、説明したように、本発明の実施例1、2、3にかかる、それぞれ保護ダイオードを有するSiCトレンチMOSFETおよびSiCトレンチIGBTは、たとえば、サージ電圧がソース・ドレイン間に印加されるとアバランシェ降伏現象が、前記内蔵されたpn接合ダイオードで発生する。このpn接合ダイオードは十分大きなアバランシェ破壊耐量を示すので、素子を破壊することなくサージ電圧のエネルギーを消費できるのである。
また前記内蔵されたpn接合ダイオードのアノード側をゲート電極に、カソード側をドレイン電極に接続することもできる。こうすることで、アバランシェをゲート・ドレイン間で生じさせることで、アバランシェ電流がゲート電極に流れゲート電圧が上昇し、一時的にMOSFETのゲートをオンさせる。これによりMOSFETが導通状態になり、アバランシェエネルギーを素子破壊させること無く消費させることができる。
2 n-ベース層
3 p-ベース層
4 n+ソース領域
5 p+コンタクト領域
6−1 シリコン酸化膜マスク
6−2 シリコン酸化膜マスク
6−3 ゲート酸化膜
6−4 層間絶縁膜
7 ゲート電極
8 トレンチ
9 ソース電極
9−1 Ni膜
9−2 Al膜
10、10−1、10−2 ドレイン電極。
Claims (5)
- 高不純物濃度の炭化珪素半導体基板の一方の主面に、該基板よりも低不純物濃度の一導電型ベース層と、他導電型ベース層との積層をこの順に備え、前記他導電型ベース層の表面に選択的に形成される一導電型のソース領域と、該ソース領域と前記他導電型ベース層の表面に共通に接触する第一主電極と、前記基板の他方の主面に接触する第二主電極と、前記ソース領域の表面から前記第一導電型ベース層に達する深さのトレンチと、該トレンチ内面にゲート絶縁膜を介して制御電極と、からなる活性領域と、該活性領域を囲む環状の周辺耐圧領域とを有する炭化珪素トレンチMOS型半導体装置において、前記環状の周辺耐圧領域は、前記活性領域からチップの端部にかけて前記第一導電型ベース層に達する深さの凹部であり、前記周辺耐圧領域の凹部表面に絶縁膜を介して、前記第二主電極にカソードが接続され、前記表面に垂直の環状pn接合が複数形成されるダイオードを前記周辺耐圧領域の全面に備え、該ダイオードの耐圧が前記MOS型半導体装置の耐圧よりも低いことを特徴とする炭化珪素トレンチMOS型半導体装置。
- 前記高不純物濃度の炭化珪素半導体基板が一導電型であることを特徴とする請求項1記載の炭化珪素トレンチMOS型半導体装置。
- 前記高不純物濃度の炭化珪素半導体基板が他導電型であることを特徴とする請求項1記載の炭化珪素トレンチMOS型半導体装置。
- 前記第一主電極に前記アノードが接続されることを特徴とする請求項2または3に記載の炭化珪素トレンチMOS型半導体装置。
- 前記ゲート電極に前記アノードが接続されることを特徴とする請求項2または3に記載の炭化珪素トレンチMOS型半導体装置。
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