JP5790573B2 - Silicon carbide semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、縦型の半導体スイッチング素子を有する炭化珪素(以下、SiCという)半導体装置およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a silicon carbide (hereinafter referred to as SiC) semiconductor device having a vertical semiconductor switching element and a method for manufacturing the same.

MOS構造の半導体スイッチング素子を備えたSiC半導体装置は、SiCの破壊電界強度がシリコンの10倍あることから、シリコンデバイスの10倍近い電圧をかけた状態で使用される。そのため、ゲート電極の下層に配置されるゲート絶縁膜にもシリコンデバイスの10倍の強度の電界がかかり、絶縁破壊されてしまうという問題がある。この問題は、半導体スイッチング素子として、チャネル密度が高められるトレンチゲート構造のMOSFETが適用される場合に顕著であり、トレンチゲート構造を構成するためのトレンチのコーナー部において、電界集中が生じてゲート絶縁膜が容易に破壊されてしまう。   An SiC semiconductor device having a MOS semiconductor switching element is used in a state where a voltage nearly 10 times that of a silicon device is applied since the breakdown electric field strength of SiC is 10 times that of silicon. Therefore, there is a problem that an electric field having a strength 10 times that of the silicon device is applied to the gate insulating film disposed below the gate electrode, and the dielectric breakdown occurs. This problem is conspicuous when a MOSFET having a trench gate structure with an increased channel density is applied as a semiconductor switching element. Electric field concentration occurs at the corner of the trench for forming the trench gate structure, and gate insulation is caused. The film is easily destroyed.

このような問題を解決するものとして、特許文献1において、トレンチゲート構造を構成するトレンチの底部においてゲート絶縁膜を厚く構成することが提案されている。また、特許文献2において、トレンチゲート構造を構成するトレンチの底部(底面)より下方にp型不純物をイオン注入することでp型層を形成した構造が提案されている。さらに、特許文献2では、トレンチの長手方向に対して交差するようにp型ディープ層を配置し、p型ディープ層の底部がトレンチの底部よりも深い位置となるようにする構造も提案されている。   In order to solve such a problem, Patent Document 1 proposes that the gate insulating film is formed thick at the bottom of the trench constituting the trench gate structure. Patent Document 2 proposes a structure in which a p-type layer is formed by ion-implanting p-type impurities below the bottom (bottom surface) of a trench constituting the trench gate structure. Further, Patent Document 2 proposes a structure in which a p-type deep layer is disposed so as to intersect with the longitudinal direction of the trench so that the bottom of the p-type deep layer is positioned deeper than the bottom of the trench. Yes.

このように、トレンチの底部においてゲート絶縁膜を厚くしたり、トレンチの底部にp型層を形成したり、p型ディープ層を形成することで、トレンチの底部での電界集中を緩和でき、ゲート絶縁膜が破壊されることを防止することが可能となる。   Thus, by thickening the gate insulating film at the bottom of the trench, forming a p-type layer at the bottom of the trench, or forming a p-type deep layer, the electric field concentration at the bottom of the trench can be reduced, and the gate It is possible to prevent the insulating film from being broken.

特開平9−199724号公報JP 9-199724 A 特許第4640439号公報Japanese Patent No. 4640439

しかしながら、上記特許文献1、2で提案されている構造よりもさらに電界集中の緩和が行える構造が要望されている。また、上記のような構造のSiC半導体装置は製造工程が煩雑である。すなわち、特許文献1に示すSiC半導体装置の製造には、ゲート絶縁膜を厚くするためにCVD法などによって酸化膜を堆積する工程が必要となる。また、特許文献2に示すSiC半導体装置の製造には、トレンチの底部にp型層を形成するためにp型不純物をイオン注入したり、p型ディープ層を形成するためにのみp型層をエピタキシャル成長する工程もしくはp型不純物をイオン注入する工程が必要になる。   However, there is a demand for a structure that can further reduce electric field concentration than the structures proposed in Patent Documents 1 and 2 above. Moreover, the manufacturing process of the SiC semiconductor device having the above structure is complicated. In other words, the manufacturing of the SiC semiconductor device disclosed in Patent Document 1 requires a step of depositing an oxide film by a CVD method or the like in order to increase the thickness of the gate insulating film. In addition, in the manufacture of the SiC semiconductor device shown in Patent Document 2, p-type impurities are ion-implanted to form a p-type layer at the bottom of the trench, or a p-type layer is formed only to form a p-type deep layer. A step of epitaxial growth or a step of ion implantation of p-type impurities is required.

本発明は上記点に鑑みて、より電界集中の緩和を行うことが可能な構造の半導体スイッチング素子を備えたSiC半導体装置を提供することを第1の目的とする。また、より簡素な製造方法によって、より電界集中の緩和を行うことが可能な構造の半導体スイッチング素子を備えたSiC半導体装置を製造できるようにすることを第2の目的とする。   In view of the above points, it is a first object of the present invention to provide a SiC semiconductor device including a semiconductor switching element having a structure capable of further reducing electric field concentration. It is a second object of the present invention to make it possible to manufacture a SiC semiconductor device including a semiconductor switching element having a structure capable of further reducing electric field concentration by a simpler manufacturing method.

上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、ゲート電極(8)への印加電圧を制御することでベース領域(3)のうちゲート電極と対向する部分の表面部に反転型のチャネル領域を形成し、ソース領域(4)およびドリフト層(2)を介して、ソース電極(11)およびドレイン電極(12)の間に電流を流すように構成された反転型の半導体スイッチング素子を有してなる炭化珪素半導体装置において、ベース領域よりも深く形成され、かつ、深くなるほど先細り形状とされた第2導電型のディープ層(9)を備えることを特徴とする。   In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, the voltage applied to the gate electrode (8) is controlled so that the surface of the base region (3) facing the gate electrode is inverted. An inversion type semiconductor switching element configured to form a channel region and pass a current between a source electrode (11) and a drain electrode (12) through a source region (4) and a drift layer (2). The silicon carbide semiconductor device is provided with a deep layer (9) of a second conductivity type that is formed deeper than the base region and tapers as the depth increases.

このように、ベース領域よりも深くまで形成されたディープ層の先端が先細り形状となるようにしている。これにより、ブレークダウンが発生する際にはゲート絶縁膜の底部ではなくディープ層の先端位置で発生するようにでき、ゲート絶縁膜が破壊されることを防止することが可能となる。   In this way, the tip of the deep layer formed deeper than the base region is tapered. Thereby, when breakdown occurs, it can be generated not at the bottom of the gate insulating film but at the tip of the deep layer, and it is possible to prevent the gate insulating film from being broken.

このような構造は、請求項に記載したトレンチゲート構造の半導体スイッチング素子が備えられるSiC半導体装置に適用されると好ましく、ディープ層がトレンチ(6)よりも深く形成されるようにすることで、上記効果を得ることができる。 Such a structure, to ensure that preferably when applied to the semiconductor switching element is a SiC semiconductor device provided in the trench gate structures described Motomeko 1, deep layer is formed deeper than the trench (6) Thus, the above effect can be obtained.

請求項に記載の発明では、半導体基板に対してトレンチを形成すると共に、該トレンチの底部の両コーナー部に該トレンチの底部から下方に突き出し、深くなるほど先細りとなるサブトレンチ(6a)を形成する工程と、水素エッチングにより、トレンチの内壁を丸め処理すると共に、ベース領域の表面の第2導電型炭化珪素をマイグレーションさせてサブトレンチ内を埋め込むことで第2導電型のディープ層を形成する工程と、を含んでいることを特徴としている。 According to the invention of claim 5 , a trench is formed in the semiconductor substrate, and a sub-trench (6a) that protrudes downward from the bottom of the trench at both corners of the bottom of the trench and tapers as the depth increases is formed. And a step of rounding the inner wall of the trench by hydrogen etching and forming a second conductivity type deep layer by migrating the second conductivity type silicon carbide on the surface of the base region to fill the sub-trench. It is characterized by including.

このように、トレンチ形成時にサブトレンチを形成しておき、トレンチの内壁を丸め処理する際の水素エッチングによってディープ層が形成されるようにできる。これにより、従来に対して工程追加無しでトレンチの底部の両コーナー部にディープ層が備えられたSiC半導体装置を製造することができる。   In this way, the sub-trench is formed when the trench is formed, and the deep layer can be formed by hydrogen etching when the inner wall of the trench is rounded. Thereby, a SiC semiconductor device in which deep layers are provided at both corners at the bottom of the trench can be manufactured without adding a process compared to the related art.

請求項に記載の発明では、半導体基板に対してトレンチを深くなるほど先細りとなる先細り形状で形成する工程と、水素エッチングにより、トレンチの内壁を丸め処理すると共に、ベース領域の表面の第2導電型炭化珪素をマイグレーションさせてトレンチの先端を埋め込むことで第2導電型のディープ層を形成する工程と、を含んでいることを特徴としている。 According to the sixth aspect of the present invention, the inner wall of the trench is rounded by a step of forming a taper shape that tapers as the trench becomes deeper with respect to the semiconductor substrate, and the second conductivity of the surface of the base region is formed by hydrogen etching. And a step of forming a second conductivity type deep layer by embedding type silicon carbide and embedding the tips of the trenches.

このように、トレンチ形成時にトレンチが先細り形状となるようにしておき、トレンチの内壁を丸め処理する際の水素エッチングによってディープ層が形成されるようにできる。これにより、従来に対して工程追加無しでトレンチの底部の両コーナー部にディープ層が備えられたSiC半導体装置を製造することができる。   In this way, the trench can be tapered when the trench is formed, and the deep layer can be formed by hydrogen etching when the inner wall of the trench is rounded. Thereby, a SiC semiconductor device in which deep layers are provided at both corners at the bottom of the trench can be manufactured without adding a process compared to the related art.

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。   In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.

本発明の第1実施形態にかかるトレンチゲート構造のnチャネルタイプの反転型のMOSFETを備えたSiC半導体装置の斜視断面図である。1 is a perspective sectional view of a SiC semiconductor device including an n-channel type inversion MOSFET having a trench gate structure according to a first embodiment of the present invention. 図1に示すSiC半導体装置に備えられたMOSFETにおけるp型ディープ層9の頂点角度を示した断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing the apex angle of p-type deep layer 9 in a MOSFET provided in the SiC semiconductor device shown in FIG. 1. ドレイン電圧として1200Vを印加したときの頂点角度と電界強度との関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the vertex angle when applying 1200V as a drain voltage, and electric field strength. 図1に示すSiC半導体装置の製造工程を示した断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the SiC semiconductor device shown in FIG. 1. 本発明の第2実施形態にかかるトレンチゲート構造のnチャネルタイプの反転型のMOSFETを備えたSiC半導体装置の斜視断面図である。It is a perspective sectional view of a SiC semiconductor device provided with n channel type inversion type MOSFET of a trench gate structure concerning a 2nd embodiment of the present invention. 図5に示すSiC半導体装置の製造工程を示した断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the SiC semiconductor device shown in FIG. 5. 本発明の第2実施形態にかかるトレンチゲート構造のnチャネルタイプの反転型のMOSFETを備えたSiC半導体装置の斜視断面図である。It is a perspective sectional view of a SiC semiconductor device provided with n channel type inversion type MOSFET of a trench gate structure concerning a 2nd embodiment of the present invention. 図7に示すSiC半導体装置の製造工程を示した断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the SiC semiconductor device shown in FIG. 7.

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, the same or equivalent parts are denoted by the same reference numerals in the drawings.

(第1実施形態)
本発明の第1実施形態について説明する。ここではSiC半導体装置に備えられる半導体スイッチング素子として、トレンチゲート構造のnチャネルタイプの反転型のMOSFETについて説明する。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described. Here, an n-channel type inversion MOSFET having a trench gate structure will be described as a semiconductor switching element provided in the SiC semiconductor device.

図1に示すように、SiC半導体装置には反転型のMOSFETを形成してある。この図に示すMOSFETと同様の構造のMOSFETが複数列隣り合うように配置されることで、複数セルのMOSFETが構成されている。具体的には、半導体基板にはSiCからなるn+型基板1が用いられており、このn+型基板1に対してMOSFETの各構成要素が形成されることでMOSFETが構成されている。 As shown in FIG. 1, an inverted MOSFET is formed in the SiC semiconductor device. A MOSFET having a plurality of cells is configured by arranging MOSFETs having the same structure as the MOSFET shown in FIG. Specifically, an n + type substrate 1 made of SiC is used as the semiconductor substrate, and MOSFETs are configured by forming each component of the MOSFET on the n + type substrate 1.

+型基板1は、窒素等のn型不純物濃度が例えば1.0×1019/cm3とされ、厚さが300μm程度とされている。このn+型基板1の表面には、窒素等のn型不純物濃度が例えば3.0×1015〜2.0×1016/cm3で厚さ10〜15μm程度のSiCからなるn-型ドリフト層2が形成されている。このn-型ドリフト層2の不純物濃度は深さ方向において一定であっても良いが、濃度分布に傾斜を付け、n-型ドリフト層2のうちn+型基板1側の方がn+型基板1から離れる側よりも高濃度となるようにすることもできる。このようにすると、n-型ドリフト層2の内部抵抗を低減できるため、オン抵抗を低減することが可能となる。 The n + -type substrate 1 has an n-type impurity concentration such as nitrogen of 1.0 × 10 19 / cm 3 and a thickness of about 300 μm. On the surface of the n + type substrate 1, an n type made of SiC having an n type impurity concentration of, eg, nitrogen of 3.0 × 10 15 to 2.0 × 10 16 / cm 3 and a thickness of about 10 to 15 μm. A drift layer 2 is formed. The impurity concentration of the n type drift layer 2 may be constant in the depth direction, but the concentration distribution is inclined, and the n + type substrate 1 side of the n type drift layer 2 is n + type. It is also possible to make the concentration higher than the side away from the substrate 1. In this way, since the internal resistance of the n type drift layer 2 can be reduced, the on-resistance can be reduced.

このn-型ドリフト層2の表層部にはp型ベース領域3が形成されており、さらに、p型ベース領域3の上層部分にはn+型ソース領域4およびp+型コンタクト層5が形成されている。 A p-type base region 3 is formed in the surface layer portion of the n -type drift layer 2, and an n + -type source region 4 and a p + -type contact layer 5 are formed in an upper layer portion of the p-type base region 3. Has been.

p型ベース領域3は、ボロンもしくはアルミニウム等のp型不純物濃度が例えば1.0×1016〜2.0×1019/cm3、厚さ2.0μm程度で構成されている。n+型ソース領域4は、表層部における窒素等のn型不純物濃度(表面濃度)が例えば1.0×1021/cm3、厚さ0.3μm程度で構成されている。p+型コンタクト層5は、例えば表層部におけるボロンもしくはアルミニウム等のp型不純物濃度(表面濃度)が例えば1.0×1021/cm3、厚さ0.3μm程度で構成されている。n+型ソース領域4は、後述するトレンチゲート構造の両側に配置されており、p+型コンタクト層5は、n+型ソース領域4を挟んでトレンチゲート構造と反対側に備えられている。 The p-type base region 3 has a p-type impurity concentration such as boron or aluminum of, for example, 1.0 × 10 16 to 2.0 × 10 19 / cm 3 and a thickness of about 2.0 μm. The n + -type source region 4 is configured such that the n-type impurity concentration (surface concentration) such as nitrogen in the surface layer portion is, for example, 1.0 × 10 21 / cm 3 and the thickness is about 0.3 μm. The p + -type contact layer 5 has a p-type impurity concentration (surface concentration) such as boron or aluminum in the surface layer portion of, for example, 1.0 × 10 21 / cm 3 and a thickness of about 0.3 μm. The n + -type source region 4 is disposed on both sides of a trench gate structure described later, and the p + -type contact layer 5 is provided on the opposite side of the trench gate structure with the n + -type source region 4 interposed therebetween.

また、p型ベース領域3およびn+型ソース領域4を貫通してn-型ドリフト層2に達するように、一方向を長手方向とし、例えば幅が0.5〜2.0μm、深さが2.0μm以上(例えば2.4μm)とされたトレンチ6が形成されている。このトレンチ6の側面と接するように上述したp型ベース領域3およびn+型ソース領域4が配置されており、n+型ソース領域4およびp+型コンタクト層5はトレンチ6の長手方向に沿って延設されている。 One direction is a longitudinal direction so as to penetrate the p-type base region 3 and the n + -type source region 4 and reach the n -type drift layer 2, for example, a width of 0.5 to 2.0 μm and a depth of A trench 6 having a thickness of 2.0 μm or more (for example, 2.4 μm) is formed. The p-type base region 3 and the n + -type source region 4 described above are arranged so as to be in contact with the side surface of the trench 6, and the n + -type source region 4 and the p + -type contact layer 5 extend along the longitudinal direction of the trench 6. It is extended.

トレンチ6の内壁面はゲート絶縁膜7にて覆われており、ゲート絶縁膜7の表面に形成されたドープドPoly−Siにて構成されたゲート電極8により、トレンチ6内が埋め尽くされている。ゲート絶縁膜7は、トレンチ6の内壁面を熱酸化することで形成されており、p型ベース領域3のうちn+型ソース領域4とn-型ドリフト層2の間に挟まれた部分の表面を含むトレンチ6の内壁面全面に形成され、その上にゲート電極8が配置されている。例えば、ゲート絶縁膜7の厚みはトレンチ6の側面側と底部側共に100nm程度となっている。このようにして、トレンチゲート構造が構成されている。 The inner wall surface of the trench 6 is covered with a gate insulating film 7, and the inside of the trench 6 is filled with the gate electrode 8 made of doped Poly-Si formed on the surface of the gate insulating film 7. . The gate insulating film 7 is formed by thermally oxidizing the inner wall surface of the trench 6, and is a portion of the p-type base region 3 sandwiched between the n + -type source region 4 and the n -type drift layer 2. Formed on the entire inner wall surface of the trench 6 including the surface, the gate electrode 8 is disposed thereon. For example, the thickness of the gate insulating film 7 is about 100 nm on both the side surface side and the bottom side of the trench 6. In this way, a trench gate structure is configured.

さらに、n-型ドリフト層2のうちp型ベース領域3よりも下方位置において、p型ディープ層9が形成されている。本実施形態の場合、p型ディープ層9はトレンチ6から離間した位置に形成されており、深くなるほど先細りとなる尖った形状とされ、p型ベース領域3と接続されることでp型ベース領域3と同電位に固定されている。 Further, a p-type deep layer 9 is formed at a position below the p-type base region 3 in the n -type drift layer 2. In the case of the present embodiment, the p-type deep layer 9 is formed at a position away from the trench 6, has a sharp shape that tapers off as it becomes deeper, and is connected to the p-type base region 3 to thereby form the p-type base region. 3 is fixed at the same potential.

本実施形態の場合、p型ディープ層9は、トレンチゲート構造の長手方向と同方向を長手方向とするライン状で断面三角形状とされ、トレンチゲート構造と平行に複数本が並べられることでストライプ状にレイアウトされている。このp型ディープ層9は、トレンチ6の底部よりも深く形成されており、n-型ドリフト層2の表面からの深さが例えば2.6〜3.0μm程度(p型ベース領域3の底部からの深さが例えば0.6〜1.0μm)とされ、ボロンもしくはアルミニウム等のp型不純物濃度が例えば1.0×1016/cm3〜2.0×1019/cm3とされている。 In the case of the present embodiment, the p-type deep layer 9 has a triangular shape with a line shape having the same direction as the longitudinal direction of the trench gate structure as a longitudinal direction, and a plurality of the p-type deep layers 9 are arranged in parallel with the trench gate structure. Are laid out. The p-type deep layer 9 is formed deeper than the bottom of the trench 6, and the depth from the surface of the n -type drift layer 2 is about 2.6 to 3.0 μm, for example (the bottom of the p-type base region 3 And the p-type impurity concentration of boron or aluminum is, for example, 1.0 × 10 16 / cm 3 to 2.0 × 10 19 / cm 3. Yes.

また、n+型ソース領域4およびp+型コンタクト層5の表面やゲート電極8の表面には、層間絶縁膜10を介してソース電極11やゲート配線(図示せず)が形成されている。ソース電極11およびゲート配線は、複数の金属(例えばNi/Al等)にて構成されており、少なくともn型SiC(具体的にはn+型ソース領域4やnドープの場合のゲート電極8)と接触する部分はn型SiCとオーミック接触可能な金属で構成され、少なくともp型SiC(具体的にはp+型コンタクト層5やpドープの場合のゲート電極8)と接触する部分はp型SiCとオーミック接触可能な金属で構成されている。なお、これらソース電極11およびゲート配線は、層間絶縁膜10上に形成されることで電気的に絶縁されており、層間絶縁膜10に形成されたコンタクトホールを通じてソース電極11はn+型ソース領域4およびp+型コンタクト層5と電気的に接触させられ、ゲート配線はゲート電極8と電気的に接触させられている。 A source electrode 11 and a gate wiring (not shown) are formed on the surface of the n + -type source region 4 and the p + -type contact layer 5 and the surface of the gate electrode 8 via an interlayer insulating film 10. The source electrode 11 and the gate wiring are composed of a plurality of metals (for example, Ni / Al, etc.), and at least n-type SiC (specifically, the n + -type source region 4 and the gate electrode 8 in the case of n doping) The portion in contact with n-type SiC is made of a metal capable of ohmic contact with n-type SiC, and the portion in contact with at least p-type SiC (specifically, p + -type contact layer 5 or gate electrode 8 in the case of p-doping) is p-type. It is made of a metal capable of ohmic contact with SiC. The source electrode 11 and the gate wiring are electrically insulated by being formed on the interlayer insulating film 10, and the source electrode 11 is connected to the n + type source region through the contact hole formed in the interlayer insulating film 10. 4 and the p + -type contact layer 5 are in electrical contact, and the gate wiring is in electrical contact with the gate electrode 8.

そして、n+型基板1の裏面側にはn+型基板1と電気的に接続されたドレイン電極12が形成されている。このような構造により、nチャネルタイプの反転型のトレンチゲート構造のMOSFETが構成されている。 Then, on the back side of the n + -type substrate 1 n + -type substrate 1 and electrically connected to the drain electrode 12 are formed. With such a structure, an n-channel inversion type MOSFET having a trench gate structure is formed.

このような反転型のトレンチゲート構造のMOSFETは、以下のように動作する。まず、ゲート電極8にゲート電圧を印加する前の状態では、p型ベース領域3に反転層が形成されない。したがって、ドレイン電極12に正の電圧を加えたとしても、n型ソース領域4から電子はp型ベース領域3内に到達することはできず、ソース電極11とドレイン電極12との間に電流が流れない。   Such an inverted MOSFET having a trench gate structure operates as follows. First, in the state before the gate voltage is applied to the gate electrode 8, the inversion layer is not formed in the p-type base region 3. Therefore, even if a positive voltage is applied to the drain electrode 12, electrons cannot reach the p-type base region 3 from the n-type source region 4, and no current flows between the source electrode 11 and the drain electrode 12. Not flowing.

次に、オフ時(ゲート電圧=0V、ドレイン電圧=650V、ソース電圧=0V)には、ドレイン電極12に電圧を加えても逆バイアスになるため、p型ベース領域3とn-型ドリフト層2の間より空乏層が広がる。このとき、p型ベース領域3の濃度がn-型ドリフト層2より高いので、空乏層はほとんどn-型ドリフト層2側に広がる。例えば、p型ベース領域3の不純物濃度をn-型ドリフト層2の不純物濃度の10倍とした場合、p型ベース領域3側に約0.7μm伸び、n-型ドリフト層2側に約7.0μm伸びるが、p型ベース領域3の厚みを2.0μmと空乏層の伸び量よりも大きくしてあるため、パンチスルーしないようにできる。そして、ドレイン0Vの場合より空乏層が広がっているため、絶縁体として振舞う領域は更に広がっているので、ソース電極11とドレイン電極12との間に電流が流れない。 Next, when off (gate voltage = 0 V, drain voltage = 650 V, source voltage = 0 V), a reverse bias is applied even if a voltage is applied to the drain electrode 12, so the p-type base region 3 and the n -type drift layer A depletion layer spreads between two. At this time, since the concentration of the p-type base region 3 is higher than that of the n -type drift layer 2, the depletion layer extends almost to the n -type drift layer 2 side. For example, when the impurity concentration of the p-type base region 3 is 10 times the impurity concentration of the n -type drift layer 2, the p-type base region 3 extends about 0.7 μm to the p-type base region 3 side and about 7 to the n -type drift layer 2 side. Although it extends by 0.0 μm, since the thickness of the p-type base region 3 is 2.0 μm, which is larger than the extension amount of the depletion layer, punch-through can be prevented. Since the depletion layer is wider than in the case of the drain 0 V, the region that behaves as an insulator further spreads, so that no current flows between the source electrode 11 and the drain electrode 12.

また、ゲート電圧が0Vになっているため、ドレイン−ゲート間にも電界がかかる。このため、ゲート絶縁膜7の底部にも電界集中が発生し得る。しかしながら、トレンチ6よりも深いp型ディープ層9を備えた構造としているため、p型ディープ層9とn-型ドリフト層2とのPN接合部での空乏層がn-型ドリフト層2側に大きく伸びることになり、ドレイン電圧の影響による高電圧がゲート絶縁膜7に入り込み難くなる。そして、仮にブレークダウンが生じるとしても、p型ディープ層9の最も深い先端位置において電界強度が最も高くなり、その場所で優先的にブレークダウンが生じるようにできる。したがって、ゲート絶縁膜7内での電界集中、特にゲート絶縁膜7のうちのトレンチ6の底部での電界集中を緩和することが可能になると共に、ブレークダウンが発生するとしてもゲート絶縁膜7の底部ではなくp型ディープ層9の先端位置で発生するようにできる。これにより、ゲート絶縁膜7が破壊されることを防止することが可能となる。 In addition, since the gate voltage is 0 V, an electric field is also applied between the drain and the gate. For this reason, electric field concentration can also occur at the bottom of the gate insulating film 7. However, since the p-type deep layer 9 is deeper than the trench 6, the depletion layer at the PN junction between the p-type deep layer 9 and the n -type drift layer 2 is on the n -type drift layer 2 side. As a result, the high voltage due to the influence of the drain voltage hardly enters the gate insulating film 7. Even if breakdown occurs, the electric field strength is highest at the deepest tip position of the p-type deep layer 9, and breakdown can be preferentially generated at that position. Therefore, it is possible to alleviate the electric field concentration in the gate insulating film 7, particularly the electric field concentration at the bottom of the trench 6 in the gate insulating film 7, and even if breakdown occurs, the gate insulating film 7 It can be generated not at the bottom but at the tip of the p-type deep layer 9. This can prevent the gate insulating film 7 from being broken.

一方、オン時(ゲート電圧=20V、ドレイン電圧=1V、ソース電圧=0V)には、ゲート電極8にゲート電圧として20Vが印加されるため、p型ベース領域3のうちトレンチ6に接している表面にチャネルが形成される。このため、ソース電極11から注入された電子はn+型ソース領域4からp型ベース領域3に形成されたチャネルを通った後、n-型ドリフト層2に到達する。これにより、ソース電極11とドレイン電極12との間に電流を流すことができる。 On the other hand, when ON (gate voltage = 20 V, drain voltage = 1 V, source voltage = 0 V), 20 V is applied as the gate voltage to the gate electrode 8, so that it is in contact with the trench 6 in the p-type base region 3. A channel is formed on the surface. For this reason, electrons injected from the source electrode 11 pass through the channel formed in the p-type base region 3 from the n + -type source region 4 and then reach the n -type drift layer 2. As a result, a current can flow between the source electrode 11 and the drain electrode 12.

以上説明したように、本実施形態のトレンチゲート構造のMOSFETを備えたSiC半導体装置では、トレンチ6よりも深くまで形成されたp型ディープ層9の先端が先細り形状となるようにしている。これにより、ブレークダウンが発生する際にはゲート絶縁膜7の底部ではなくp型ディープ層9の先端位置で発生するようにでき、ゲート絶縁膜7が破壊されることを防止することが可能となる。   As described above, in the SiC semiconductor device including the MOSFET having the trench gate structure according to this embodiment, the tip of the p-type deep layer 9 formed deeper than the trench 6 has a tapered shape. Thereby, when breakdown occurs, it can be generated not at the bottom of the gate insulating film 7 but at the tip position of the p-type deep layer 9, and it is possible to prevent the gate insulating film 7 from being broken. Become.

p型ディープ層9の先端形状については、先細り形状になっていれば良いが、その先細りとなっている部分の頂点角度が90°以下となるようにすると好ましい。すなわち、図2に示すようにp型ディープ層9の長手方向に対する垂直方向に切断したときのp型ディープ層9の両辺が成す角度を頂点角度としたときに、その角度と電界強度の関係を実験により調べたところ図3に示す結果となった。なお、この実験では、p型ディープ層9の底部の曲率半径を5nmとして計算している。

この図に示されるように、頂点角度が90°以下のときにはドレイン電圧として1200Vを印加したときのp型ディープ層9の先端位置での電界強度が4.0MV/cmと高くなっていることが分かる。そして、頂点角度が90°を超えると徐々にp型ディープ層9の先端位置での電界強度が低下していく。したがって、p型ディープ層9の頂点角度が90°以下となるようにすることで、p型ディープ層9の先端位置での電界強度をより高くすることが可能となり、より確実にその場所でブレークダウンを生じさせることが可能となる。よって、より確実にゲート絶縁膜7が破壊されることを防止することが可能となる。
The tip shape of the p-type deep layer 9 may be a tapered shape, but it is preferable that the apex angle of the tapered portion is 90 ° or less. That is, when the angle formed by both sides of the p-type deep layer 9 when cut in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the p-type deep layer 9 is a vertex angle as shown in FIG. When examined by experiment, the result shown in FIG. 3 was obtained. In this experiment, the curvature radius at the bottom of the p-type deep layer 9 is calculated as 5 nm.

As shown in this figure, when the vertex angle is 90 ° or less, the electric field strength at the tip position of the p-type deep layer 9 when the drain voltage is 1200 V is as high as 4.0 MV / cm. I understand. When the vertex angle exceeds 90 °, the electric field strength at the tip position of the p-type deep layer 9 gradually decreases. Therefore, by setting the apex angle of the p-type deep layer 9 to be 90 ° or less, the electric field strength at the tip position of the p-type deep layer 9 can be increased, and the break can be more reliably performed at that position. It becomes possible to cause down. Therefore, it becomes possible to prevent the gate insulating film 7 from being destroyed more reliably.

次に、図1に示すトレンチゲート構造のMOSFETの製造方法について、図4を参照して説明する。   Next, a manufacturing method of the MOSFET having the trench gate structure shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG.

〔図4(a)に示す工程〕
まず、窒素等のn型不純物濃度が例えば1.0×1019/cm3で厚さ300μm程度のn+型基板1を用意する。このn+型基板1の表面に窒素等のn型不純物濃度が例えば3.0×1015〜2.0×1016/cm3で厚さ10〜15μm程度のSiCからなるn-型ドリフト層2をエピタキシャル成長させる。
[Step shown in FIG. 4 (a)]
First, an n + -type substrate 1 having an n-type impurity concentration such as nitrogen of 1.0 × 10 19 / cm 3 and a thickness of about 300 μm is prepared. On the surface of the n + type substrate 1, an n type drift layer made of SiC having an n type impurity concentration such as nitrogen of 3.0 × 10 15 to 2.0 × 10 16 / cm 3 and a thickness of about 10 to 15 μm. 2 is grown epitaxially.

〔図4(b)、(c)に示す工程〕
-型ドリフト層2の表面に例えば酸化膜などで構成されるマスク20を形成したのち、フォトリソグラフィ工程を経て、p型ディープ層9の形成予定領域においてマスク20を開口させるもしくは凹ませる。このとき、マスク20の開口部もしくは凹部の側面がテーパ形状となるようにする。凹部の側面がテーパ形状となるようにするには、異方性を落として等方的なエッチングによってマスク20のパターニングを行えばよい。そして、このマスク20を用いてエッチングを行い、n-型ドリフト層2の表面に凹部2aを形成する。このとき、凹部2aはp型ディープ層9と同じように、深くなるほど先細りとなる尖った形状で形成される。
[Steps shown in FIGS. 4B and 4C]
After a mask 20 made of, for example, an oxide film is formed on the surface of the n type drift layer 2, the mask 20 is opened or recessed in a region where the p-type deep layer 9 is to be formed through a photolithography process. At this time, the side surface of the opening or the recess of the mask 20 is tapered. In order to make the side surface of the concave portion have a tapered shape, the mask 20 may be patterned by isotropic etching with reduced anisotropy. Then, etching is performed using this mask 20 to form a recess 2 a on the surface of the n -type drift layer 2. At this time, like the p-type deep layer 9, the recess 2 a is formed in a sharp shape that tapers as the depth increases.

すなわち、エッチングによりマスク20もSiCに対して所定の選択比で除去されていくことになるが、マスク20の開口部もしくは凹部の側面をテーパ形状としていることから、エッチングが進むに連れて開口面積が徐々に大きくなっていく。このため、エッチング初期にはエッチング面積が小さい状態になっているものの、エッチングが進むに連れてエッチング面積が大きくなり、最終的に本図に示されるように凹部2aの形状は深くなるほど先細りとなる尖った形状になる。   That is, the mask 20 is also removed by etching at a predetermined selection ratio with respect to SiC. However, since the side surface of the opening or recess of the mask 20 has a tapered shape, the opening area increases as etching proceeds. Gradually increases. For this reason, although the etching area is in a small state at the initial stage of etching, the etching area becomes larger as the etching progresses, and finally, as the shape of the recess 2a becomes deeper as shown in FIG. It becomes a pointed shape.

なお、凹部2aの先端ができるだけ尖った形状となるように、マスク20の開口部を小さくするか、マスク20に断面三角形状の凹部を形成しておくのが好ましい。しかしながら、凹部2aの先端がある程度平面となって断面台形状となっていても、ブレークダウンが優先的にp型ディープ層9の先端位置において発生するようにできるため、上記効果を得ることができる。   In addition, it is preferable to make the opening of the mask 20 small or to form a concave portion having a triangular cross section in the mask 20 so that the tip of the concave portion 2a is as sharp as possible. However, even if the tip of the recess 2a is flat to some extent and has a trapezoidal cross section, the breakdown can be preferentially generated at the tip of the p-type deep layer 9, so that the above effect can be obtained. .

〔図4(d)に示す工程〕
-型ドリフト層2の表面に、ボロンもしくはアルミニウム等のp型不純物濃度が例えば1.0×1016〜2.0×1019/cm3、厚さ2.0μm程度となるp型不純物層をエピタキシャル成長させることにより、p型ディープ層9を形成すると共にp型ベース領域3を形成する。
[Step shown in FIG. 4 (d)]
A p-type impurity layer having a p-type impurity concentration such as boron or aluminum of about 1.0 × 10 16 to 2.0 × 10 19 / cm 3 and a thickness of about 2.0 μm is formed on the surface of the n type drift layer 2. Are epitaxially grown to form the p-type deep layer 9 and the p-type base region 3.

〔図4(e)に示す工程〕
続いて、p型ベース領域3の上に、n+型ソース領域4をエピタキシャル成長させたのち、LTO等で構成されるマスク(図示せず)を成膜したのち、フォトリソグラフィ工程を経て、p+型コンタクト層5の形成予定領域上においてマスクを開口させる。その後、p型不純物(例えばボロンやアルミニウム)をイオン注入する。
[Step shown in FIG. 4 (e)]
Subsequently, after the n + type source region 4 is epitaxially grown on the p type base region 3, a mask (not shown) made of LTO or the like is formed, and then through a photolithography process, p + A mask is opened on a region where the mold contact layer 5 is to be formed. Thereafter, p-type impurities (for example, boron and aluminum) are ion-implanted.

または、例えばLTO等で構成されるマスク(図示せず)を成膜したのち、フォトリソグラフィ工程を経て、n+型ソース領域4の形成予定領域上においてマスク(図示せず)を開口させる。その後、n型不純物(例えば窒素)をイオン注入する。さらに、先程使用したマスクを除去した後、再びマスク(図示せず)を成膜し、フォトリソグラフィ工程を経て、p+型コンタクト層5の形成予定領域上においてマスクを開口させる。その後、p型不純物(例えばボロンやアルミニウム)をイオン注入する。 Alternatively, after forming a mask (not shown) made of LTO or the like, for example, a mask (not shown) is opened on a region where the n + -type source region 4 is to be formed through a photolithography process. Thereafter, n-type impurities (for example, nitrogen) are ion-implanted. Further, after removing the previously used mask, a mask (not shown) is formed again, and the mask is opened on a region where the p + -type contact layer 5 is to be formed through a photolithography process. Thereafter, p-type impurities (for example, boron and aluminum) are ion-implanted.

そして、注入されたイオンを活性化することで、窒素等のn型不純物濃度(表面濃度)が例えば1.0×1021/cm3、厚さ0.3μm程度のn+型ソース領域4を形成すると共に、ボロンもしくはアルミニウム等のp型不純物濃度(表面濃度)が例えば1.0×1021/cm3、厚さ0.3μm程度のp+型コンタクト層5を形成する。その後、マスクを除去する。 Then, by activating the implanted ions, the n + -type source region 4 having an n-type impurity concentration (surface concentration) such as nitrogen of 1.0 × 10 21 / cm 3 and a thickness of about 0.3 μm is formed. At the same time, the p + -type contact layer 5 having a p-type impurity concentration (surface concentration) such as boron or aluminum of 1.0 × 10 21 / cm 3 and a thickness of about 0.3 μm is formed. Thereafter, the mask is removed.

〔図4(f)に示す工程〕
p型ベース領域3、n+型ソース領域4およびp+型コンタクト層5の上に、エッチングマスク(図示せず)を成膜したのち、トレンチ6の形成予定領域においてエッチングマスクを開口させる。そして、エッチングマスクを用いたエッチングを行ったのち、必要に応じて犠牲酸化工程を行ったり、水素エッチング工程を行うことで、例えば幅が0.5〜2.0μm、深さが2.0μm以上(例えば2.4μm)のトレンチ6を形成する。この後、エッチングマスクを除去する。
[Step shown in FIG. 4 (f)]
After forming an etching mask (not shown) on the p-type base region 3, the n + -type source region 4 and the p + -type contact layer 5, the etching mask is opened in a region where the trench 6 is to be formed. Then, after performing etching using an etching mask, a sacrificial oxidation process or a hydrogen etching process is performed as necessary, for example, a width of 0.5 to 2.0 μm and a depth of 2.0 μm or more. A trench 6 (for example, 2.4 μm) is formed. Thereafter, the etching mask is removed.

〔図4(g)に示す工程〕
ゲート絶縁膜形成工程を行うことにより、トレンチ6内を含む基板表面全面にゲート絶縁膜7を形成する。具体的には、ウェット雰囲気を用いたパイロジェニック法によるゲート酸化(熱酸化)によりゲート絶縁膜7を形成する。続いて、ゲート絶縁膜7の表面にn型不純物をドーピングしたポリシリコン層を例えば600℃の温度下で440nm程度成膜したのち、エッチバック工程等を行うことにより、トレンチ6内にゲート絶縁膜7およびゲート電極8を残す。
[Step shown in FIG. 4 (g)]
By performing the gate insulating film forming step, the gate insulating film 7 is formed on the entire surface of the substrate including the inside of the trench 6. Specifically, the gate insulating film 7 is formed by gate oxidation (thermal oxidation) by a pyrogenic method using a wet atmosphere. Subsequently, a polysilicon layer doped with an n-type impurity is formed on the surface of the gate insulating film 7 at a temperature of about 440 nm, for example, at a temperature of 600.degree. 7 and the gate electrode 8 are left.

この後の工程に関しては、従来と同様であるため図示しないが、層間絶縁膜10を成膜したのち、層間絶縁膜10をパターニングしてn+型ソース領域4やp+型コンタクト層5に繋がるコンタクトホールを形成すると共に、ゲート電極8に繋がるコンタクトホールを別断面に形成する。続いて、コンタクトホール内を埋め込むように電極材料を成膜したのち、これをパターニングすることでソース電極11やゲート配線を形成する。また、n+型基板1の裏面側にドレイン電極12を形成する。これにより、図1に示したMOSFETが完成する。 Although the subsequent steps are the same as in the prior art and are not shown, after the interlayer insulating film 10 is formed, the interlayer insulating film 10 is patterned to be connected to the n + type source region 4 and the p + type contact layer 5. A contact hole is formed and a contact hole connected to the gate electrode 8 is formed in another cross section. Subsequently, after depositing an electrode material so as to fill the contact hole, the source electrode 11 and the gate wiring are formed by patterning the electrode material. Further, the drain electrode 12 is formed on the back surface side of the n + type substrate 1. Thereby, the MOSFET shown in FIG. 1 is completed.

以上説明したように、p型ディープ層9については、先にn-型ドリフト層2の表面に凹部2aを形成しておいてからp型ベース層3をエピタキシャル成長させることで、p型ベース層3の形成工程の際に同時に形成することができる。このため、p型ベース領域3とp型ディープ層9の形成工程を共通化することが可能となり、製造工程の簡略化を図ることが可能となる。 As described above, the p-type deep layer 9 is formed by epitaxially growing the p-type base layer 3 after forming the recess 2a on the surface of the n -type drift layer 2 first. It can be formed simultaneously with the forming process. For this reason, it becomes possible to make the formation process of the p-type base region 3 and the p-type deep layer 9 common, and it becomes possible to simplify the manufacturing process.

(第2実施形態)
本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態のSiC半導体装置は、第1実施形態に対してp型ディープ層9の構成を変更したものであり、その他に関しては第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention will be described. The SiC semiconductor device of the present embodiment is obtained by changing the configuration of the p-type deep layer 9 with respect to the first embodiment, and is otherwise the same as that of the first embodiment, and therefore different from the first embodiment. Only will be described.

図5に示すように、本実施形態では、トレンチゲート構造の下部において、トレンチ6の底面より下方に向かってp型ディープ層9が形成されるようにしている。p型ディープ層9は、トレンチ6の両コーナー部に形成されており、深くなるほど先細りとなる尖った形状とされている。このような構造のp型ディープ層9としても、ブレークダウンが発生する際にはp型ディープ層9の先端において優先的にブレークダウンが発生するようにできる。このため、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。   As shown in FIG. 5, in this embodiment, the p-type deep layer 9 is formed below the bottom surface of the trench 6 in the lower part of the trench gate structure. The p-type deep layer 9 is formed at both corners of the trench 6 and has a sharp shape that tapers as the depth increases. Even with the p-type deep layer 9 having such a structure, when breakdown occurs, breakdown can be preferentially generated at the tip of the p-type deep layer 9. For this reason, the effect similar to 1st Embodiment can be acquired.

次に、図5に示すトレンチゲート構造のMOSFETの製造方法について、図6を参照して説明する。ただし、この製造方法は、p型ベース領域9の形成工程以外については、第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分のみ図6中に示してある。   Next, a manufacturing method of the MOSFET having the trench gate structure shown in FIG. 5 will be described with reference to FIG. However, since this manufacturing method is the same as that of the first embodiment except for the step of forming the p-type base region 9, only the parts different from the first embodiment are shown in FIG.

〔図6(a)に示す工程〕
まず、第1実施形態に示した図4(a)に示す工程を行ったのち、図4(b)、(c)に示すようなn-型ドリフト層2の表面に凹部2aを形成する工程を行うことなく、図4(d)に示す工程のようにn-型ドリフト層2の上にp型ベース領域3を形成する。このとき、p型ベース領域3をエピタキシャル成長によって形成することができるが、p型不純物のイオン注入によって形成しても良い。続いて、図4(e)に示す工程のように、n+型ソース領域4を形成すると共にp+型コンタクト層5を形成する。
[Step shown in FIG. 6A]
First, after performing the step shown in FIG. 4A shown in the first embodiment, the step of forming the recess 2a on the surface of the n type drift layer 2 as shown in FIGS. 4B and 4C. The p-type base region 3 is formed on the n -type drift layer 2 as in the step shown in FIG. At this time, the p-type base region 3 can be formed by epitaxial growth, but may be formed by ion implantation of p-type impurities. Subsequently, as in the step shown in FIG. 4E, an n + type source region 4 and a p + type contact layer 5 are formed.

〔図6(b)に示す工程〕
図4(f)に示す工程のようにトレンチエッチングによってトレンチ6を形成する。このとき、トレンチ6の両コーナー部に例えば深さ0.1μmのサブトレンチ6aが形成されるようにする。トレンチエッチングにおいてサブトレンチ6aが形成されることは一般的によく知られているため、そのようなエッチング条件を適用することで、サブトレンチ6aを形成することができる。そして、トレンチ6のうち側壁近傍においてトレンチ6の中央位置よりもよりエッチング速度が大きくなるようなエッチング条件を採用すれば、よりサブトレンチ6aが深く形成されるようにできる。
[Step shown in FIG. 6B]
A trench 6 is formed by trench etching as in the step shown in FIG. At this time, for example, sub-trench 6 a having a depth of 0.1 μm is formed at both corners of trench 6. Since it is generally well known that the sub-trench 6a is formed in the trench etching, the sub-trench 6a can be formed by applying such etching conditions. If the etching conditions are employed such that the etching rate is higher in the vicinity of the side wall of the trench 6 than in the central position of the trench 6, the sub-trench 6a can be formed deeper.

〔図6(c)に示す工程〕
1600度以上の減圧下における水素雰囲気、例えば1625℃、2.7×104Pa(200Torr)の高温水素雰囲気での熱処理による水素エッチングを実施する。この水素エッチングによってトレンチ6の内壁面の丸め処理が行われ、トレンチ6の開口入口やコーナー部を丸められると共に、トレンチエッチングのダメージ除去が行われる。また、このときp型ベース領域3の表面のp型SiCがトレンチ6の底部にマイグレーションさせられる。これにより、サブトレンチ6a内にp型SiCが入り込み、トレンチ6の底部にp型ディープ層9が構成される。
[Step shown in FIG. 6 (c)]
Hydrogen etching is performed by heat treatment in a hydrogen atmosphere under a reduced pressure of 1600 ° C. or more, for example, a high temperature hydrogen atmosphere at 1625 ° C. and 2.7 × 10 4 Pa (200 Torr). By this hydrogen etching, the inner wall surface of the trench 6 is rounded, and the opening entrance and corner of the trench 6 are rounded and the damage of the trench etching is removed. At this time, the p-type SiC on the surface of the p-type base region 3 is migrated to the bottom of the trench 6. As a result, p-type SiC enters the sub-trench 6 a and the p-type deep layer 9 is formed at the bottom of the trench 6.

この後は、第1実施形態で説明した図4(g)以降の工程を行うことにより、図5に示したMOSFETが完成する。このように、トレンチ6の形成時にサブトレンチ6aが形成される条件で行った後、トレンチ6の内壁の丸め処理を兼ねた水素エッチングによってサブトレンチ6aをp型SiCで埋め込んでp型ディープ層9を形成することができる。これにより、従来に対して工程追加無しで本実施形態にかかるSiC半導体装置を製造することができる。   After this, the MOSFET shown in FIG. 5 is completed by performing the steps after FIG. 4G described in the first embodiment. As described above, after the trench 6 is formed under the condition that the sub-trench 6a is formed, the sub-trench 6a is filled with p-type SiC by hydrogen etching that also serves as a rounding process for the inner wall of the trench 6 to form the p-type deep layer 9. Can be formed. Thereby, the SiC semiconductor device concerning this embodiment can be manufactured without an additional process compared with the past.

(第3実施形態)
本発明の第3実施形態について説明する。本実施形態のSiC半導体装置も、第1実施形態に対してp型ディープ層9の構成を変更したものであり、その他に関しては第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
(Third embodiment)
A third embodiment of the present invention will be described. The SiC semiconductor device of the present embodiment is also the same as the first embodiment except that the configuration of the p-type deep layer 9 is changed with respect to the first embodiment. Only will be described.

図7に示すように、本実施形態でも、トレンチゲート構造の下部において、トレンチ6の底面より下方に向かってp型ディープ層9が形成されるようにしている。p型ディープ層9は、トレンチ6の中央部に形成されており、深くなるほど先細りとなる尖った形状とされている。このような構造のp型ディープ層9としても、ブレークダウンが発生する際にはp型ディープ層9の先端において優先的にブレークダウンが発生するようにできる。このため、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。   As shown in FIG. 7, also in this embodiment, the p-type deep layer 9 is formed below the bottom surface of the trench 6 in the lower part of the trench gate structure. The p-type deep layer 9 is formed at the center of the trench 6 and has a sharp shape that tapers as the depth increases. Even with the p-type deep layer 9 having such a structure, when breakdown occurs, breakdown can be preferentially generated at the tip of the p-type deep layer 9. For this reason, the effect similar to 1st Embodiment can be acquired.

次に、図7に示すトレンチゲート構造のMOSFETの製造方法について、図8を参照して説明する。ただし、この製造方法は、p型ベース領域9の形成工程以外については、第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分のみ図8中に示してある。   Next, a manufacturing method of the MOSFET having the trench gate structure shown in FIG. 7 will be described with reference to FIG. However, since this manufacturing method is the same as that of the first embodiment except for the step of forming the p-type base region 9, only the parts different from the first embodiment are shown in FIG.

〔図8(a)に示す工程〕
まず、第2実施形態に示した図6(a)と同様の工程を行うことで、n+型基板1の表面にn-型ドリフト層2およびp型ベース領域3を形成し、さらにn+型ソース領域4およびp+型コンタクト層5を形成する。
[Step shown in FIG. 8 (a)]
First, by performing the same steps as FIG. 6 shown in the second embodiment (a), n on the surface of the n + -type substrate 1 - -type drift layer 2 and the p-type base region 3, further n + A type source region 4 and a p + type contact layer 5 are formed.

〔図8(b)に示す工程〕
図4(f)に示す工程のようにトレンチエッチングによってトレンチ6を形成する。このとき、トレンチ6の先端が先細り形状となるようにする。トレンチ6の先端が先細りとなるようにするには、トレンチエッチング時に、エッチング初期のときには異方性を落として等方的にエッチングを行い、その後は異方性を高めてエッチングを行うなどの手法を採用すれば良い。
[Step shown in FIG. 8B]
A trench 6 is formed by trench etching as in the step shown in FIG. At this time, the tip of the trench 6 is tapered. In order to make the tip of the trench 6 taper, a method of performing isotropic etching while reducing anisotropy at the beginning of etching, and then performing etching while increasing the anisotropy is performed. Should be adopted.

〔図8(c)に示す工程〕
1600度以上の減圧下における水素雰囲気、例えば1625℃、2.7×104Pa(200Torr)の高温水素雰囲気での熱処理による水素エッチングを実施する。この水素エッチングによってトレンチ6の内壁面の丸め処理が行われ、トレンチ6の開口入口やコーナー部を丸められると共に、トレンチエッチングのダメージ除去が行われる。また、このときp型ベース領域3の表面のp型SiCがトレンチ6の底部にマイグレーションさせられる。これにより、トレンチ6の底部の先端の先細りとなった部分にp型SiCが入り込み、トレンチ6の底部にp型ディープ層9が構成される。
[Step shown in FIG. 8C]
Hydrogen etching is performed by heat treatment in a hydrogen atmosphere under a reduced pressure of 1600 ° C. or more, for example, a high temperature hydrogen atmosphere at 1625 ° C. and 2.7 × 10 4 Pa (200 Torr). By this hydrogen etching, the inner wall surface of the trench 6 is rounded, and the opening entrance and corner of the trench 6 are rounded and the damage of the trench etching is removed. At this time, the p-type SiC on the surface of the p-type base region 3 is migrated to the bottom of the trench 6. Thereby, p-type SiC enters the tapered portion at the tip of the bottom of the trench 6, and the p-type deep layer 9 is formed at the bottom of the trench 6.

この後は、第1実施形態で説明した図4(g)以降の工程を行うことにより、図7に示したMOSFETが完成する。このように、トレンチ6の形成時にトレンチ6が先細り形状となる条件で行った後、トレンチ6の内壁の丸め処理を兼ねた水素エッチングによってトレンチ6の先端の先細りとなった部分にp型SiCで埋め込んでp型ディープ層9を形成することができる。これにより、従来に対して工程追加無しで本実施形態にかかるSiC半導体装置を製造することができる。   After this, the MOSFET shown in FIG. 7 is completed by performing the steps after FIG. 4G described in the first embodiment. As described above, after the trench 6 is formed in a tapered shape at the time of forming the trench 6, p-type SiC is formed on the tapered portion at the tip of the trench 6 by hydrogen etching that also serves as a rounding process for the inner wall of the trench 6. The p-type deep layer 9 can be formed by embedding. Thereby, the SiC semiconductor device concerning this embodiment can be manufactured without an additional process compared with the past.

(他の実施形態)
上記各実施形態では、本発明を適用した場合の一例について説明したが、適宜設計変更などを行うことができる。例えば、上記各実施形態では、ゲート絶縁膜8の例として熱酸化による酸化膜を挙げたが熱酸化によらない酸化膜もしくは窒化膜などを含むものであっても構わない。また、ドレイン電極12の形成工程に関しても、ソース電極11の形成前などとしても構わない。
(Other embodiments)
In each of the above-described embodiments, an example in which the present invention is applied has been described. However, a design change or the like can be made as appropriate. For example, in each of the above-described embodiments, an oxide film by thermal oxidation is given as an example of the gate insulating film 8, but an oxide film or nitride film not by thermal oxidation may be included. Further, the process of forming the drain electrode 12 may be performed before the source electrode 11 is formed.

また、上記各実施形態において、p型ディープ層9を断面三角形でトレンチゲート構造の長手方向と同方向を長手方向とするライン状に形成する場合について説明したが、必ずしもライン状である必要はない。例えば、p型ディープ層9が三角錐、四角錐、六角錐のような多角錐形状であったり円錐形状であっても良いし、先端が平面となった三角錐台、四角錐台、六角錐台のような多角錐台形状であったり、円錐台形状であっても良い。その場合、凹部2aを形成する際のマスク20の開口部もしくは凹部を形成したいp型ディープ層9の形状に合わせた形(例えば三角錐であれば三角形)とし、各辺を構成する側面がテーパ状となるようにすればよい。   Further, in each of the embodiments described above, the case where the p-type deep layer 9 is formed in a line shape having a triangular cross section and having the longitudinal direction as the longitudinal direction of the trench gate structure is not necessarily a linear shape. . For example, the p-type deep layer 9 may be a polygonal pyramid shape such as a triangular pyramid, a quadrangular pyramid, or a hexagonal pyramid, or a conical shape. It may be a polygonal frustum shape such as a table or a truncated cone shape. In that case, the shape or the shape of the p-type deep layer 9 in which the opening or recess of the mask 20 for forming the recess 2a is to be formed (for example, a triangle is a triangular pyramid), and the side surfaces constituting each side are tapered. What is necessary is just to make it.

また、上記第1実施形態では、トレンチゲート構造の反転型のMOSFETを例に挙げて説明したが、プレーナ型の反転型のMOSFETに対しても上記第1実施形態の構造のp型ディープ層9を備えることができる。プレーナ型の反転型MOSFETの場合、n+型ソース領域4とn-型ドリフト層2の間に挟まれた部分におけるp型ベース領域3の表面にゲート絶縁膜7が形成され、その上にゲート電極8が形成された構造となる。その場合、p型ディープ層9がp型ベース領域3よりも深く形成され、かつ、深くなるほど先細りとなる形状になっていれば良い。 In the first embodiment, the inversion type MOSFET having the trench gate structure has been described as an example. However, the p type deep layer 9 having the structure of the first embodiment is also applied to the planar inversion type MOSFET. Can be provided. In the case of a planar inverting MOSFET, a gate insulating film 7 is formed on the surface of the p-type base region 3 in a portion sandwiched between the n + -type source region 4 and the n -type drift layer 2, and a gate is formed thereon. The electrode 8 is formed. In that case, the p-type deep layer 9 may be formed deeper than the p-type base region 3 and have a shape that tapers as the depth increases.

また、上記各実施形態では、第1導電型をn型、第2導電型をp型としたnチャネルタイプのMOSFETを例に挙げて説明したが、各構成要素の導電型を反転させたpチャネルタイプのMOSFETに対しても本発明を適用することができる。また、上記説明では、MOSFETを例に挙げて説明したが、同様の構造のIGBTに対しても本発明を適用することができる。IGBTは、上記各実施形態に対して基板1の導電型をn型からp型に変更するだけであり、その他の構造や製造方法に関しては上記各実施形態と同様である。   In each of the above-described embodiments, an n-channel type MOSFET in which the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type has been described as an example. The present invention can also be applied to a channel type MOSFET. In the above description, the MOSFET has been described as an example. However, the present invention can be applied to an IGBT having a similar structure. The IGBT only changes the conductivity type of the substrate 1 from the n-type to the p-type with respect to the above-described embodiments, and the other structures and manufacturing methods are the same as those of the above-described embodiments.

1 n+型基板
2 n-型ドリフト層
3 p型ベース領域
4 n+型ソース領域
5 p+型コンタクト層
6 トレンチ
7 ゲート絶縁膜
8 ゲート電極
9 p型ディープ層
11 ソース電極
12 ドレイン電極
1 n + type substrate 2 n type drift layer 3 p type base region 4 n + type source region 5 p + type contact layer 6 trench 7 gate insulating film 8 gate electrode 9 p type deep layer 11 source electrode 12 drain electrode

Claims (6)

炭化珪素からなる第1または第2導電型の基板(1)と、
前記基板の上に形成され、前記基板よりも低不純物濃度とされた第1導電型の炭化珪素からなるドリフト層(2)と、
前記ドリフト層の上に形成された第2導電型の炭化珪素からなるベース領域(3)と、
前記ベース領域の上層部に形成され、前記ドリフト層よりも高不純物濃度とされた第1導電型の炭化珪素からなるソース領域(4)と、
前記ベース領域の上層部に形成され、前記ベース層よりも高濃度の第2導電型の炭化珪素にて構成されたコンタクト領域(5)と、
前記ソース領域と前記ドリフト層との間に挟まれた前記ベース領域の表面に形成されたゲート絶縁膜(7)と、前記ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極(8)と、
前記ベース領域よりも深く形成され、かつ、深くなるほど先細り形状とされた第2導電型のディープ層(9)と、
前記ソース領域および前記コンタクト領域を介して前記ベース領域に電気的に接続されたソース電極(11)と、
前記基板の裏面側に形成されたドレイン電極(12)と、を備え、
前記ゲート電極への印加電圧を制御することで前記ベース領域のうち前記ゲート電極と対向する部分の表面部に反転型のチャネル領域を形成し、前記ソース領域および前記ドリフト層を介して、前記ソース電極および前記ドレイン電極の間に電流を流すように構成された反転型の半導体スイッチング素子を有し
前記ゲート絶縁膜および前記ゲート電極は、前記ソース領域の表面から前記ベース領域よりも深くまで形成され、トレンチ(6)内に形成されることでトレンチゲート構造を構成しており、
前記ディープ層は、前記トレンチよりも深く形成されていると共に前記トレンチの底部の両コーナー部に形成され、該ディープ層の断面の頂点角度が90°以下であることを特徴とする炭化珪素半導体装置。
A first or second conductivity type substrate (1) made of silicon carbide;
A drift layer (2) made of silicon carbide of the first conductivity type formed on the substrate and having a lower impurity concentration than the substrate;
A base region (3) made of silicon carbide of the second conductivity type formed on the drift layer;
A source region (4) made of silicon carbide of the first conductivity type formed in the upper layer portion of the base region and having a higher impurity concentration than the drift layer;
A contact region (5) formed of an upper layer portion of the base region and made of silicon carbide of the second conductivity type having a higher concentration than the base layer;
A gate insulating film (7) formed on the surface of the base region sandwiched between the source region and the drift layer; a gate electrode (8) formed on the gate insulating film;
A deep layer (9) of the second conductivity type formed deeper than the base region and tapered toward the depth;
A source electrode (11) electrically connected to the base region via the source region and the contact region;
A drain electrode ( 12 ) formed on the back side of the substrate,
By controlling the voltage applied to the gate electrode, an inversion channel region is formed on the surface portion of the base region facing the gate electrode, and the source region is provided via the source region and the drift layer. An inversion type semiconductor switching element configured to pass a current between an electrode and the drain electrode ,
The gate insulating film and the gate electrode are formed from the surface of the source region to deeper than the base region, and are formed in the trench (6) to constitute a trench gate structure.
The deep layer is formed deeper than the trench and is formed at both corners of the bottom of the trench, and the vertex angle of the cross section of the deep layer is 90 ° or less. .
炭化珪素からなる第1または第2導電型の基板(1)と、
前記基板の上に形成され、前記基板よりも低不純物濃度とされた第1導電型の炭化珪素からなるドリフト層(2)と、
前記ドリフト層の上に形成された第2導電型の炭化珪素からなるベース領域(3)と、
前記ベース領域の上層部に形成され、前記ドリフト層よりも高不純物濃度とされた第1導電型の炭化珪素からなるソース領域(4)と、
前記ベース領域の上層部に形成され、前記ベース層よりも高濃度の第2導電型の炭化珪素にて構成されたコンタクト領域(5)と、
前記ソース領域と前記ドリフト層との間に挟まれた前記ベース領域の表面に形成されたゲート絶縁膜(7)と、前記ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極(8)と、
前記ベース領域よりも深く形成され、かつ、深くなるほど先細り形状とされた第2導電型のディープ層(9)と、
前記ソース領域および前記コンタクト領域を介して前記ベース領域に電気的に接続されたソース電極(11)と、
前記基板の裏面側に形成されたドレイン電極(12)と、を備え、
前記ゲート電極への印加電圧を制御することで前記ベース領域のうち前記ゲート電極と対向する部分の表面部に反転型のチャネル領域を形成し、前記ソース領域および前記ドリフト層を介して、前記ソース電極および前記ドレイン電極の間に電流を流すように構成された反転型の半導体スイッチング素子を有し
前記ゲート絶縁膜および前記ゲート電極は、前記ソース領域の表面から前記ベース領域よりも深くまで形成され、トレンチ(6)内に形成されることでトレンチゲート構造を構成しており、
前記ディープ層は、前記トレンチよりも深く形成されていると共に前記トレンチの底部の中央部に形成され、該ディープ層の断面の頂点角度が90°以下であることを特徴とする炭化珪素半導体装置。
A first or second conductivity type substrate (1) made of silicon carbide;
A drift layer (2) made of silicon carbide of the first conductivity type formed on the substrate and having a lower impurity concentration than the substrate;
A base region (3) made of silicon carbide of the second conductivity type formed on the drift layer;
A source region (4) made of silicon carbide of the first conductivity type formed in the upper layer portion of the base region and having a higher impurity concentration than the drift layer;
A contact region (5) formed of an upper layer portion of the base region and made of silicon carbide of the second conductivity type having a higher concentration than the base layer;
A gate insulating film (7) formed on the surface of the base region sandwiched between the source region and the drift layer; a gate electrode (8) formed on the gate insulating film;
A deep layer (9) of the second conductivity type formed deeper than the base region and tapered toward the depth;
A source electrode (11) electrically connected to the base region via the source region and the contact region;
A drain electrode ( 12 ) formed on the back side of the substrate,
By controlling the voltage applied to the gate electrode, an inversion channel region is formed on the surface portion of the base region facing the gate electrode, and the source region is provided via the source region and the drift layer. An inversion type semiconductor switching element configured to pass a current between an electrode and the drain electrode ,
The gate insulating film and the gate electrode are formed from the surface of the source region to deeper than the base region, and are formed in the trench (6) to constitute a trench gate structure.
The deep layer is formed deeper than the trench and is formed at the center of the bottom of the trench, and the vertex angle of the cross section of the deep layer is 90 ° or less .
前記ディープ層は、断面三角形状もしくは台形状で、前記トレンチゲート構造の長手方向と同方向を長手方向とするライン状に形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の炭化珪素半導体装置。 The deep layer is a cross-sectional triangular or trapezoidal, silicon carbide according to claim 1 or 2, characterized in that the longitudinal direction in the same direction of the trench gate structure is formed in a line shape whose longitudinal direction Semiconductor device. 前記ディープ層は、多角錐、多角錐台、円錐もしくは円錐台形状のいずれかであることを特徴とする請求項1または2に記載の炭化珪素半導体装置。 The deep layer, pyramid, truncated pyramid, the silicon carbide semiconductor device according to claim 1 or 2, characterized in that either a conical or frustoconical. 第1または第2導電型の炭化珪素基板(1)の主表面上に形成された炭化珪素からなる第1導電型のドリフト層(2)上に、炭化珪素からなる第2導電型のベース領域(3)が形成されていると共に、前記ベース領域の上に炭化珪素からなる第1導電型のソース領域(4)が形成された半導体基板が用いられており、
前記ベース領域よりも深いトレンチ(6)内にゲート絶縁膜(7)が形成されていると共に該ゲート絶縁膜上にゲート電極(8)が形成されることでトレンチゲート構造が構成され、
前記ソース領域や前記第2導電型領域を介して前記ベース領域に対して電気的に接続されたソース電極(11)および前記炭化珪素基板の裏面に電気的に接続されたドレイン電極(12)を有する半導体スイッチング素子を備えた炭化珪素半導体装置の製造方法であって、
前記半導体基板に対して前記トレンチを形成すると共に、該トレンチの底部の両コーナー部に該トレンチの底部から下方に突き出し、深くなるほど先細りとなるサブトレンチ(6a)を形成する工程と、
水素エッチングにより、前記トレンチの内壁を丸め処理すると共に、前記ベース領域の表面の第2導電型炭化珪素をマイグレーションさせて前記サブトレンチ内を埋め込むことで第2導電型のディープ層(9)を形成する工程と、を含んでいることを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
A base region of the second conductivity type made of silicon carbide on the drift layer (2) made of silicon carbide formed on the main surface of the silicon carbide substrate (1) of the first or second conductivity type. (3) is used, and a semiconductor substrate in which a source region (4) of the first conductivity type made of silicon carbide is formed on the base region is used,
A gate insulating film (7) is formed in the trench (6) deeper than the base region and a gate electrode (8) is formed on the gate insulating film, thereby forming a trench gate structure.
A source electrode (11) electrically connected to the base region via the source region or the second conductivity type region and a drain electrode (12) electrically connected to the back surface of the silicon carbide substrate; A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device comprising a semiconductor switching element having:
Forming the trench with respect to the semiconductor substrate, and forming a sub-trench (6a) that protrudes downward from the bottom of the trench at both corners of the bottom of the trench and tapers as the depth increases.
The inner wall of the trench is rounded by hydrogen etching, and the second conductivity type silicon carbide on the surface of the base region is migrated to fill the sub-trench to form the second conductivity type deep layer (9). And a process for manufacturing the silicon carbide semiconductor device.
第1または第2導電型の炭化珪素基板(1)の主表面上に形成された炭化珪素からなる第1導電型のドリフト層(2)上に、炭化珪素からなる第2導電型のベース領域(3)が形成されていると共に、前記ベース領域の上に炭化珪素からなる第1導電型のソース領域(4)が形成された半導体基板が用いられており、
前記ベース領域よりも深いトレンチ(6)内にゲート絶縁膜(7)が形成されていると共に該ゲート絶縁膜上にゲート電極(8)が形成されることでトレンチゲート構造が構成され、
前記ソース領域や前記第2導電型領域を介して前記ベース領域に対して電気的に接続されたソース電極(11)および前記炭化珪素基板の裏面に電気的に接続されたドレイン電極(12)を有する半導体スイッチング素子を備えた炭化珪素半導体装置の製造方法であって、
前記半導体基板に対して前記トレンチを深くなるほど先細りとなる先細り形状で形成する工程と、
水素エッチングにより、前記トレンチの内壁を丸め処理すると共に、前記ベース領域の表面の第2導電型炭化珪素をマイグレーションさせて前記トレンチの先端を埋め込むことで第2導電型のディープ層(9)を形成する工程と、を含んでいることを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
A base region of the second conductivity type made of silicon carbide on the drift layer (2) made of silicon carbide formed on the main surface of the silicon carbide substrate (1) of the first or second conductivity type. (3) is used, and a semiconductor substrate in which a source region (4) of the first conductivity type made of silicon carbide is formed on the base region is used,
A gate insulating film (7) is formed in the trench (6) deeper than the base region and a gate electrode (8) is formed on the gate insulating film, thereby forming a trench gate structure.
A source electrode (11) electrically connected to the base region via the source region or the second conductivity type region and a drain electrode (12) electrically connected to the back surface of the silicon carbide substrate; A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device comprising a semiconductor switching element having:
Forming the taper shape to be tapered as the trench becomes deeper with respect to the semiconductor substrate;
The inner wall of the trench is rounded by hydrogen etching, and the second conductivity type silicon carbide on the surface of the base region is migrated to bury the tip of the trench, thereby forming a second conductivity type deep layer (9). And a process for manufacturing the silicon carbide semiconductor device.
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