JP5907097B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device.
パワーエレクトロニクス分野で用いられる半導体装置には、金属/絶縁体/半導体接合の電界効果型トランジスタであるMOSFET(Metal−Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)やIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などが挙げられるが、半導体装置には、パワーエレクトロニクスへの応用の観点から高信頼性化が求められている。 Examples of semiconductor devices used in the field of power electronics include MOSFETs (Metal-Oxide Semiconductor Field Transistors) and IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), which are field effect transistors of metal / insulator / semiconductor junctions. The device is required to have high reliability from the viewpoint of application to power electronics.
例えば、MOSFETをインバータ回路などに適用して誘導性負荷や抵抗性負荷を動作させているときに、アーム短絡などの負荷短絡が生じて、オン状態のMOSFETのドレイン電極に電源電圧である高電圧が印加されると、当該MOSFETに大電流が流れる状態になる。この状態では、MOSFETには定格電流の数倍から数十倍のドレイン電流が誘起され、適切な保護機能を有していなければMOSFET素子の破壊に至る。 For example, when an inductive load or a resistive load is operated by applying a MOSFET to an inverter circuit or the like, a load short circuit such as an arm short circuit occurs, and a high voltage that is a power supply voltage is applied to the drain electrode of the MOSFET in an on state. Is applied, a large current flows through the MOSFET. In this state, a drain current several times to several tens of times the rated current is induced in the MOSFET, and if the device does not have an appropriate protection function, the MOSFET element is destroyed.
これを未然に防ぐため、素子破壊が発生する前に過剰なドレイン電流(過電流)を検知し、それに応じてゲート電極へのオフ信号を入力してドレイン電流を遮断する方法がある。この場合、MOSFET素子には負荷短絡等の発生から過電流を検知してゲート電極へのオフ信号入力までの時間以上に渡って、素子の破壊が発生しないロバスト性が求められる。すなわち、半導体装置の高信頼性の一つとして、短絡耐量が優れていることが強く望まれる。なお、短絡耐量は、短絡が生じてから素子破壊に至るまでに要する時間で略定義され、短絡耐量が優れているとは、破壊までの時間が長いことを言う。 In order to prevent this, there is a method in which an excessive drain current (overcurrent) is detected before device breakdown occurs, and an off signal is input to the gate electrode accordingly to cut off the drain current. In this case, the MOSFET element is required to have robustness that does not cause destruction of the element over a period of time from the occurrence of a load short circuit or the like until an overcurrent is detected and the off signal is input to the gate electrode. That is, as one of the high reliability of the semiconductor device, it is strongly desired that the short circuit tolerance is excellent. The short-circuit withstand capability is substantially defined by the time required from the occurrence of a short-circuit until the device is destroyed, and the fact that the short-circuit withstand capability is excellent means that the time until breakdown is long.
短絡耐量を向上するため、IGBTのオン電流の経路となるエミッタ層(MOSFETのソース領域に相当)が、高抵抗なエミッタ層(高抵抗領域)と低抵抗なエミッタ層(低抵抗領域)とがエミッタ電極(MOSFETのソース電極に相当)とチャネル領域(MOSFETのウェル領域に相当)との間に互いに並列接続するように交互に配設された構造とする方法が開示されている(例えば、特許文献1参照)。従来の、この構成によれば、負荷短絡が生じたときにエミッタ層の高抵抗領域を流れる電子電流による電圧降下が大きくなり、飽和電流値が下がるため、短絡耐量を向上する。 In order to improve the short-circuit withstand capability, the emitter layer (corresponding to the source region of the MOSFET) serving as the IGBT on-current path has a high-resistance emitter layer (high-resistance region) and a low-resistance emitter layer (low-resistance region). A method is disclosed in which an emitter electrode (corresponding to a source electrode of a MOSFET) and a channel region (corresponding to a well region of a MOSFET) are alternately arranged so as to be connected in parallel with each other (for example, a patent) Reference 1). According to this conventional configuration, when a load short circuit occurs, a voltage drop due to an electron current flowing through the high resistance region of the emitter layer increases, and the saturation current value decreases, so that the short circuit tolerance is improved.
負荷短絡時などで半導体装置に過大な電圧が印加されたとき、過電流によって半導体装置が発熱する。そのため、短絡耐量を向上するためには、高温下のオン抵抗を増大させ、過電流を減少させることが望まれる。従来の構造では、第1導電型のドリフト層に第2導電型の不純物を注入してウェル領域(チャネル領域)を形成した後、第2導電型のウェル領域内に第1導電型の不純物を注入して導電型を反転させ、第1導電型のソース領域(エミッタ層)を形成している。ウェル領域はソース領域より深く形成する必要があるため、注入時のエネルギーも大きくなる。そのため、ソース領域にはウェル領域形成時に不純物が高エネルギー注入されるが、高エネルギー注入された領域には注入欠陥が多く発生してしまう。注入欠陥が多い領域では、伝導キャリアの移動度の温度依存性が小さい。つまり、高温下でのオン抵抗を増大するためにソース抵抗を増やすと、室温でのソース抵抗も大きくなり、オン動作時の素子のオン抵抗が高くなってしまうという問題があった。 When an excessive voltage is applied to the semiconductor device such as when a load is short-circuited, the semiconductor device generates heat due to the overcurrent. Therefore, in order to improve the short-circuit tolerance, it is desired to increase the on-resistance at high temperature and reduce the overcurrent. In the conventional structure, after a second conductivity type impurity is implanted into the first conductivity type drift layer to form a well region (channel region), the first conductivity type impurity is introduced into the second conductivity type well region. The conductivity type is inverted by implantation, and a source region (emitter layer) of the first conductivity type is formed. Since the well region needs to be formed deeper than the source region, the energy during implantation also increases. For this reason, impurities are implanted into the source region with high energy when the well region is formed, but many implantation defects are generated in the region implanted with high energy. In a region where there are many injection defects, the temperature dependence of the mobility of conductive carriers is small. That is, if the source resistance is increased in order to increase the on-resistance at a high temperature, the source resistance at room temperature also increases, resulting in a problem that the on-resistance of the element during the on-operation increases.
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、短絡耐量を向上し、素子動作温度近傍でのオン抵抗の増大を抑制した半導体装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device that improves short-circuit resistance and suppresses an increase in on-resistance near the element operating temperature. .
本発明に係る半導体装置は、半導体基板と、半導体基板上に形成された第1導電型のドリフト層と、ドリフト層の表層部に形成された第2導電型の第1ウェル領域と、ドリフト層の表層部に設けられ、第1ウェル領域に隣接する第1導電型のウェルギャップ領域と、ドリフト層の表層部に、ウェルギャップ領域に隣接して形成された第2導電型の第2ウェル領域と、ウェルギャップ領域内に設けられた第1導電型のソース抵抗制御領域と、第1ウェル領域の表層部の一部からウェルギャップ領域の表層部の一部まで連続的に形成された第1導電型のソースコンタクト領域と、第2ウェル領域の表層部の一部からウェルギャップ領域の表層部の一部まで連続的に形成された第1導電型のソースエクステンション領域と、ソースエクステンション領域とドリフト層との間に位置する第2ウェル領域内に形成されるチャネル領域と、第2ウェル領域とソースエクステンション領域の上方に、ゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、ソースコンタクト領域に接続されたソース電極と、を備えたことを特徴とする。
A semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor substrate, a first conductivity type drift layer formed on the semiconductor substrate, a second conductivity type first well region formed in a surface layer portion of the drift layer, and a drift layer A first conductivity type well gap region adjacent to the first well region, and a second conductivity type second well region formed adjacent to the well gap region in the surface layer portion of the drift layer. A first conductivity type source resistance control region provided in the well gap region, and a first conductive layer formed continuously from a part of the surface layer part of the first well region to a part of the surface layer part of the well gap region. conductive source contact region and a second well region a source extension region of the first conductivity type formed continuously from a portion of the surface portion to a part of the surface layer of the well gap region, source extension A channel region formed in a second well region located between the region and the drift layer, a gate electrode provided above the second well region and the source extension region via a gate insulating film, and a source contact And a source electrode connected to the region .
この発明によれば、第1導電型のウェルギャップ領域内にソース抵抗制御領域を備えたことによって、ソース抵抗制御領域には第2導電型の高エネルギー注入が施されないため、注入欠陥の発生を抑制できる。そのため、ソース抵抗制御領域における伝導キャリアの移動度の温度依存性がウェル領域内にソース抵抗制御領域を形成した場合に比べて大きく、短絡耐量を向上するためにソース抵抗制御領域の高温でのソース抵抗を大きくしても、動作温度におけるソース抵抗をウェル領域内にソース抵抗制御領域を形成した場合に比べて小さくできるので、短絡耐量を向上しながらオン抵抗の増大を抑制することが可能となる。 According to the present invention, since the source resistance control region is provided in the first conductivity type well gap region, high energy injection of the second conductivity type is not performed in the source resistance control region. Can be suppressed. Therefore, the temperature dependence of the mobility of conduction carriers in the source resistance control region is larger than that in the case where the source resistance control region is formed in the well region. Even if the resistance is increased, the source resistance at the operating temperature can be reduced as compared with the case where the source resistance control region is formed in the well region, so that it is possible to suppress an increase in on-resistance while improving the short-circuit resistance. .
実施の形態1.
図1は、本実施の形態1に係る半導体装置を炭化珪素MOSFETとした場合の構成を模式的に示す上面図である。本実施の形態では、半導体素子である炭化珪素MOSFETを狭義の意味で半導体装置と称しているが、例えば、半導体素子と、当該半導体素子に逆並列に接続するフリーホイールダイオードと、当該半導体素子のゲート電極に電圧を印加する制御回路と、をリードフレーム上に搭載して一体的に封止してなるインバータモジュールやパワーモジュール等の半導体モジュールも、広義の意味で半導体装置に含む。
FIG. 1 is a top view schematically showing a configuration when the semiconductor device according to the first embodiment is a silicon carbide MOSFET. In the present embodiment, a silicon carbide MOSFET that is a semiconductor element is referred to as a semiconductor device in a narrow sense. For example, a semiconductor element, a freewheel diode that is connected in antiparallel to the semiconductor element, and the semiconductor element A semiconductor device such as an inverter module or a power module in which a control circuit that applies a voltage to the gate electrode is mounted on a lead frame and integrally sealed is included in the semiconductor device in a broad sense.
また、本実施の形態では半導体素子として炭化珪素MOSFETを用いたが、炭化珪素以外の半導体であっても良いし、MOSFET以外の、例えばIGBTやJFET(Junction Field Effect Transistor)であってもよい。 In this embodiment, a silicon carbide MOSFET is used as the semiconductor element. However, a semiconductor other than silicon carbide may be used, and an IGBT or a JFET (Junction Field Effect Transistor) other than the MOSFET may be used.
図1において、炭化珪素MOSFETの最表面には、ソース電極であるソースパッド41、ゲート配線44及びゲートパッド45が形成されている。ゲート配線44はゲートパッド45に接続しており、ソースパッド41の周囲を囲むように形成される。ゲートパッド45は、ゲート配線44の1辺の中央近傍に配設される。
In FIG. 1, a
図1において、点線で囲まれた領域は能動領域7であり、図2に示すユニットセルが複数並列配置される。図1において、能動領域7の外側は終端領域8であり、本実施の形態における炭化珪素MOSFETは、図1で示す能動領域7と能動領域7の外側の終端領域8とから構成される。
In FIG. 1, an area surrounded by a dotted line is an active area 7, and a plurality of unit cells shown in FIG. 2 are arranged in parallel. In FIG. 1, the outside of active region 7 is
ゲートパッド45には、ゲート配線44を介して、各ユニットセルのゲート電極35(図2で説明する)が接続されており、外部の制御回路(図示せず)からゲートパッド45に印加されたゲート電圧は、各ユニットセルのゲート電極35に印加される。同様に、ソースパッド41には、各ユニットセルのソース領域12(図2で説明する)が接続されている。
A gate electrode 35 (described in FIG. 2) of each unit cell is connected to the
なお、半導体装置の実際の製品では、炭化珪素MOSFETなど半導体素子に、外部の保護回路を動作させるための温度センサや電流センサ用の各電極が配設されることが多いが、それらの電極は本実施の形態との関連が薄いため、本実施の形態では省略している。 In an actual product of a semiconductor device, each electrode for a temperature sensor and a current sensor for operating an external protection circuit is often disposed on a semiconductor element such as a silicon carbide MOSFET. Since the relation with this embodiment is weak, it is omitted in this embodiment.
また、ゲートパッド45、ゲート配線44及びソースパッド41のレイアウトは図1に示したものに限られない。それらの形状、個数等は、製品によって多種多様である。温度センサ及び電流センサ用の電極の有無や、各電極のレイアウトは本実施の形態の効果にあまり影響しないため任意でよい。
The layout of the
本実施の形態の特徴は能動領域7であるため、終端領域8はどのような構造であってもよく、以下では、能動領域7について説明する。
Since the feature of the present embodiment is the active region 7, the
図2は、本実施の形態における半導体装置である炭化珪素MOSFETの能動領域7に配置される1つのユニットセルのうち、右半分を示す断面図である。すなわち、図2はハーフユニットセルの断面図であり、図2を左に折り返した図がユニットセルの断面図となる。 FIG. 2 is a cross-sectional view showing the right half of one unit cell arranged in active region 7 of silicon carbide MOSFET which is the semiconductor device in the present embodiment. That is, FIG. 2 is a cross-sectional view of the half unit cell, and a cross-sectional view of FIG.
図2に示すように、当該炭化珪素MOSFETのハーフユニットセルは、第1導電型の炭化珪素で形成された半導体基板1と、その表面上にエピタキシャル成長させた第1導電型のドリフト層2(炭化珪素半導体層)とから成るエピタキシャル基板を用いて形成されている。半導体基板1の裏面側には、半導体基板1とオーミック接続する裏面オーミック電極42を介して、ドレイン電極43が形成されている。
As shown in FIG. 2, the half unit cell of the silicon carbide MOSFET includes a
ここで、本実施の形態では第1導電型をn型とし、第2導電型をp型とするが、第1導電型をp型にして第2導電型をn型としても良い。 In this embodiment, the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type, but the first conductivity type may be p-type and the second conductivity type may be n-type.
図2において、ドリフト層2の表層部には第2導電型の第1ウェル領域20aと第2導電型の第2ウェル領域20bが離間して配置されている。図2中、一点鎖線で囲まれた領域は、第1ウェル領域20aと第2ウェル領域20bに挟まれたウェルギャップ領域15bである。なお、ウェルギャップ領域15bは第1導電型であり、第2導電型の領域を介さずに第1導電型のドリフト層2と接続されている。
In FIG. 2, the second conductivity type first well region 20 a and the second conductivity type
第1ウェル領域20aの表層部には、第2導電型の第1ウェルコンタクト領域25aが設けられている。さらに、第1ウェルコンタクト領域25aに隣接して、第1ウェル領域20aの表層部には第1導電型のソースコンタクト領域12aが設けられている。第1ウェル領域20aはウェルギャップ領域15bの表層部の一部まで形成されている。つまり、ソースコンタクト領域12aは、第1ウェル領域20aの表層部の一部からウェルギャップ領域15bの表層部の一部まで連続的に形成されている。
A first well contact region 25a of the second conductivity type is provided in the surface layer portion of the first well region 20a. Further, adjacent to the first well contact region 25a, a source contact region 12a of the first conductivity type is provided in the surface layer portion of the first well region 20a. The first well region 20a is formed up to a part of the surface layer portion of the
一方、第2ウェル領域20bの表層部には第1導電型のソースエクステンション領域12bが選択的に形成されている。第2ウェル領域20bはウェルギャップ領域15bの表層部の一部まで形成されている。つまり、ソースエクステンション領域12bは、第2ウェル領域20bの表層部の一部からウェルギャップ領域15bの表層部の一部まで連続的に形成されている。
On the other hand, a source extension region 12b of the first conductivity type is selectively formed in the surface layer portion of the
ソースエクステンション領域12bとソースコンタクト領域12aの間には第1導電型のソース抵抗制御領域15aが存在する。ソース抵抗制御領域15aは、第1ウェル領域20aと第2ウェル領域20bの離間領域であるウェルギャップ領域15bの表層部に設けられている。図2において、ソース抵抗制御領域15aは点線で囲まれた領域である。
A source resistance control region 15a of the first conductivity type exists between the source extension region 12b and the source contact region 12a. The source resistance control region 15a is provided in the surface layer portion of the
図2において、ソース抵抗制御領域15aとソースコンタクト領域12aとは隣接し、ソース抵抗制御領域15aとソースエクステンション領域12bとは隣接している。 In FIG. 2, the source resistance control region 15a and the source contact region 12a are adjacent to each other, and the source resistance control region 15a and the source extension region 12b are adjacent to each other.
すなわち、本実施の形態における炭化珪素MOSFETの第1導電型のソース領域12は、ソースコンタクト領域12aとソース抵抗制御領域15aとソースエクステンション領域12bとの少なくとも3つの領域から構成されている。
That is, the first conductivity
また、本実施の形態における炭化珪素MOSFETの第2導電型のウェル領域20は、第1ウェル領域20a及び第2ウェル領域20bから構成される。
In addition, the second conductivity
第2ウェル領域20bにおけるソースエクステンション領域12bとJFET領域11との間の部分はゲート絶縁膜30の直下であり、炭化珪素MOSFETがオン動作するときにMOSチャネルが形成される領域であり、MOSチャネル領域と呼ばれる。図2において、隣り合うユニットセルの第2ウェル領域20b間であるJFET領域11は二点差線で囲まれた領域である。
The portion of the
本実施の形態では、JFET領域11と第2ウェル領域20bの一部の下方との第1導電型の不純物濃度を高濃度化し、電流制御領域14としている。
In the present embodiment, the
電流制御領域14は、隣り合うユニットセルの第2ウェル領域20b間であるJFET領域11及びその下方の第1導電型の不純物濃度を高濃度化した領域である。
The
図2のように、第2ウェル領域20bと第1導電型の電流制御領域14は隣接しているが、隣接していなくても良い。電流制御領域14は、炭化珪素MOSFETのオン動作時の抵抗(オン抵抗)を低減する効果があるが、図2で示された電流制御領域14の領域より小さい領域を電流制御領域14とした場合でも、オン抵抗を低減する効果は得られる。また、図2で示された領域より大きくても良いのは言うまでもない。
As shown in FIG. 2, the
図2に示すように、ソースコンタクト領域12aとソースエクステンション領域12bとソース抵抗制御領域15aとJFET領域11との表面には、ゲート絶縁膜30が設けられている。
As shown in FIG. 2, a
さらに、ゲート電極35が、ゲート絶縁膜30を介してソースエクステンション領域12b、第2ウェル領域20b(MOSチャネル領域)及びJFET領域11に跨って延在する。図2に示すソース領域12を構成する3つの領域のうち、ソースエクステンション領域12bが、ゲート絶縁膜30及びゲート電極35と共にMOS構造を構成する。
Furthermore, the
ソースコンタクト領域12aの一部と第1ウェルコンタクト領域25aとの表面には、ソースコンタクト領域25a及び第1ウェルコンタクト領域25aとオーミック接続するソースオーミック電極40aが形成されている。ソースオーミック電極40aは、ゲート電極35を覆うようにして形成された層間絶縁膜32のソースコンタクトホールを通して、層間絶縁膜32の表面に設けられたソースパッド41と接続している(図示せず)。
A source ohmic electrode 40a that is in ohmic contact with the source contact region 25a and the first well contact region 25a is formed on the surface of a part of the source contact region 12a and the first well contact region 25a. The source ohmic electrode 40a is connected to a
第1ウェルコンタクト領域25aは、ソースコンタクト領域12aを貫通して、第1ウェル領域20aに達しており、ソースパッド41と第1ウェル領域20aとを電気的に接続している。
The first well contact region 25a penetrates the source contact region 12a and reaches the first well region 20a, and electrically connects the
図3は、ユニットセルを上面から見た平面構造を示す上面模式図である。図3では、ソースパッド41と層間絶縁膜32とゲート電極35とゲート絶縁膜30とを省略している。
FIG. 3 is a schematic top view showing a planar structure of the unit cell as viewed from above. In FIG. 3, the
図4は、ユニットセルのドリフト層2の表層部を上面から見た平面構造を模式的に示す上面模式図である。図4では、ドリフト層2の表層部に形成されているソース領域12と第1ウェルコンタクト領域25aと第2ウェルコンタクト領域25bとを省略している。
FIG. 4 is a top schematic view schematically showing a planar structure of the surface layer portion of the
図1の能動領域7には、図3で示すユニットセルが格子状に複数形成されている。 A plurality of unit cells shown in FIG. 3 are formed in a lattice pattern in the active region 7 of FIG.
図4で示すように、上面視において第1ウェル領域20aの周囲に第1導電型のウェルギャップ領域15bを介して第2ウェル領域20bが形成されている。第2導電型の第2ウェル領域20bは、隣接するユニットセルの第2導電型の第2ウェル領域20bと、第2導電型の第3ウェル領域20cにより互いに接続されている。
As shown in FIG. 4, the
本実施の形態では、正方形のユニットセルの4つの角に第3ウェル領域20が配置され、隣接するユニットセルの第2ウェル領域20b同士を接続している。つまり、ユニットセルには、第2導電型の複数の第3ウェル領域20cが選択的に形成されている。
In the present embodiment, third
また、隣接するユニットセルにおいて、第2ウェル領域20b間の第3ウェル領域20cが形成されていない領域は、上述したJFET領域11となる。
In the adjacent unit cell, the region where the
本実施の形態では、JFET領域11に、ドリフト層2の不純物濃度より高い第1導電型の不純物濃度を有する電流制御領域14が形成されているが、電流制御領域14は形成されていなくても良い。すなわち、JFET領域11の第1導電型の不純物濃度はドリフト層2の第1導電型の不純物濃度と同じでも良い。
In the present embodiment, the
図3及び図4には図示されていないが、図2で説明したように、ソース領域12はウェル領域20の表層部に形成される。ソース抵抗制御領域15aは、上面視において第1ウェル領域20aの表層部に形成されたソースコンタクト領域12aの外側を囲むように形成される。
Although not shown in FIGS. 3 and 4, the
さらに、第2ウェル領域20bの表層部に形成されたソースエクステンション領域12bは、上面視においてソース抵抗制御領域15aの外側を囲むように形成される。上面視においてソースエクステンション領域12bはソース領域12の最外周部であり、第2ウェル領域20bのMOSチャネル領域に隣接する。
Further, the source extension region 12b formed in the surface layer portion of the
ソース抵抗制御領域15aは、図4に示されるウェルギャップ領域15bの表層部に配置されている。つまり、ソース抵抗制御領域15aは、第1ウェル領域20a及び第2ウェル領域20bを形成する第2導電型の不純物が直接的にイオン注入されていない。
The source resistance control region 15a is arranged in the surface layer portion of the
なお、ソース抵抗制御領域15aは、ドリフト層2と同じ第1導電型の不純物濃度を有することが望ましい。つまり、ソース抵抗制御領域15aは、ドリフト層2がイオン注入されず、ウェルギャップ領域15b内のソースエクステンション領域12とソースコンタクト領域12aに挟まれた領域として形成されることが望ましい。
Note that the source resistance control region 15 a preferably has the same first conductivity type impurity concentration as the
また、ソース抵抗制御領域15aは、ソースコンタクト領域12aよりも第1導電型の不純物濃度が低い。 The source resistance control region 15a has a lower impurity concentration of the first conductivity type than the source contact region 12a.
ソースコンタクト領域12aとソースエクステンション領域12bのそれぞれの第1導電型の不純物濃度は同程度でよい。後述するように、ソースコンタクト領域12aとソースエクステンション領域12bは、同時に形成することができ、その場合、両者は同じ不純物分布を持つことになる。 The impurity concentration of the first conductivity type in each of the source contact region 12a and the source extension region 12b may be approximately the same. As will be described later, the source contact region 12a and the source extension region 12b can be formed at the same time, and in this case, both have the same impurity distribution.
あるいは、ソースエクステンション領域12bの第1導電型の不純物濃度は、ソースコンタクト領域12aの第1導電型の不純物濃度より低くても良い。 Alternatively, the impurity concentration of the first conductivity type in the source extension region 12b may be lower than the impurity concentration of the first conductivity type in the source contact region 12a.
また、ソース抵抗制御領域15aの下方は、第1ウェル領域20aと第2ウェル領域20bから挟まれたウェルギャップ領域15bとなっており、第1導電型の該ウェルギャップ領域15bは、第2導電型の領域を介さずに第1導電型のドリフト層2と接続されている。
Also, below the source resistance control region 15a is a
図3において一点差線で囲まれた領域で示すように、第3ウェル領域20cの内側には、第2導電型の第2ウェルコンタクト領域25bが形成されている。なお、第2ウェルコンタクト領域25bは、その表面に設けられたウェルオーミック電極40bを介して、ソースパッド41と第3ウェル領域20cとを電気的に接続している。
As shown by a region surrounded by a one-dotted line in FIG. 3, a second conductivity type second well contact region 25b is formed inside the
図2及び図3で説明したように、ソースパッド41は、ソースコンタクト領域12aと接続されると共に、第1ウェルコンタクト領域25aと第2ウェルコンタクト領域25bとを介して、第1ウェル領域20aと第3ウェル領域20cとに電気的に接続される。
As described with reference to FIGS. 2 and 3, the
なお、第1ウェル領域20aと第2ウェル領域20bと第3ウェル領域20cとは同時に形成することができ、その場合、これらは同じ不純物濃度分布を有することになる。
The first well region 20a, the
図2で説明したように、ゲート電極35上は層間絶縁膜32で覆われており、ソースパッド41及びゲート配線44はその上に形成される。そのため、層間絶縁膜32には、ソースパッド41をソースコンタクト領域12aに接続させるソースコンタクトホール以外にも、第1ウェルコンタクト領域25aと第2ウェルコンタクト領域25bとをソースパッド41に接続させるソースコンタクトホール(図示せず)、並びに、ゲート配線44をゲート電極35に接続させるゲートコンタクトホール(図示せず)が形成されている。
As described in FIG. 2, the
図3のソースコンタクト領域12a内に示されている点線は、ソースパッド41をユニットセルに接続させるソースオーミック電極40aの形成領域(ソースコンタクトホール)を示している。ソースオーミック電極40aはソースコンタクト領域12aと第1ウェルコンタクト領域25aに接触している。
A dotted line shown in the source contact region 12a in FIG. 3 indicates a region (source contact hole) where the source ohmic electrode 40a for connecting the
本実施の形態では、ソースオーミック電極40aがソースコンタクト領域12aに接触し、図3のように、ソースコンタクト領域12aの外周がソース抵抗制御領域15a、さらにその外周がソースエクステンション領域12bで配置されることにより、ソースコンタクト領域12a、ソース抵抗制御領域15a及びソースエクステンション領域12bは、ソースオーミック電極40aと第2ウェル領域20bのMOSチャネル領域との間に直列接続されることになる。
In the present embodiment, the source ohmic electrode 40a is in contact with the source contact region 12a, and the outer periphery of the source contact region 12a is arranged as the source resistance control region 15a and the outer periphery thereof is arranged as the source extension region 12b as shown in FIG. Thus, the source contact region 12a, the source resistance control region 15a, and the source extension region 12b are connected in series between the source ohmic electrode 40a and the MOS channel region of the
なお、ソースコンタクト領域12aは、第1導電型の不純物濃度が高いため、オーミック電極40aとの間でコンタクト抵抗の低いオーミック接触を実現できる。 Since the source contact region 12a has a high impurity concentration of the first conductivity type, ohmic contact with low contact resistance can be realized with the ohmic electrode 40a.
図2の断面視において、炭化珪素MOSFETのオン動作時もしくは負荷短絡時には、ドレイン電極43からドリフト層2に流れ込むドレイン電流(オン電流)は、JFET領域11及び第2ウェル領域20bの表面部(表層側の領域)に形成されたMOSチャネル領域を通り、ソースエクステンション領域12b、ソース抵抗制御領域15a及びソースコンタクト領域12aを通ってソースオーミック電極40aからソースパッド41へと抜けるという経路を流れる。
In the cross-sectional view of FIG. 2, when the silicon carbide MOSFET is turned on or when the load is short-circuited, the drain current (on-current) flowing from the
図3で示す各ユニットセルにおいて、ソース抵抗制御領域15aは、オン電流が流れる方向、すなわち上面視におけるソースエクステンション領域12bからソースコンタクト領域12aに向かう方向の長さ(電流の経路長)が均一になるように形成される。 In each unit cell shown in FIG. 3, the source resistance control region 15a has a uniform length (current path length) in the direction in which the on-current flows, that is, in the direction from the source extension region 12b to the source contact region 12a in a top view. Formed to be.
つまり、図3において、ソースエクステンション領域12bとソースコンタクト領域12aの間のソース抵抗制御領域15aの長さは一定となるように形成される。 That is, in FIG. 3, the length of the source resistance control region 15a between the source extension region 12b and the source contact region 12a is formed to be constant.
そのため、図3に示すように、ソースコンタクト領域12aの外周(ソース抵抗制御領域15aの内周)及びソースエクステンション領域12bの内周(ソース抵抗制御領域15aの外周)の各コーナー部がラウンド形状になっており、ソースコンタクト領域12aの外周曲率半径中心と、ソースエクステンション領域12bの内周曲率半径中心とが同じになっている。 Therefore, as shown in FIG. 3, each corner portion of the outer periphery of the source contact region 12a (the inner periphery of the source resistance control region 15a) and the inner periphery of the source extension region 12b (the outer periphery of the source resistance control region 15a) has a round shape. Thus, the center of outer peripheral radius of curvature of the source contact region 12a and the center of inner peripheral radius of curvature of the source extension region 12b are the same.
このように、ユニットセル内でソース抵抗制御領域15aの長さを均一にすると、ユニットセル内でのソース抵抗のバラツキが抑えられる。これにより、短絡電流などの過剰の電流が瞬時に印加されたときに特定の部分に電流が集中することが防止でき、半導体装置の信頼性を高めることができる。 As described above, when the length of the source resistance control region 15a is made uniform in the unit cell, variation in the source resistance in the unit cell can be suppressed. As a result, when an excessive current such as a short-circuit current is instantaneously applied, the current can be prevented from concentrating on a specific portion, and the reliability of the semiconductor device can be improved.
ここで、ユニットセル内のソース抵抗制御領域15aの長さは均一であることが望ましいが、プロセス精度上、誤差が生じる場合がある。ただし、10%程度の誤差が生じても上記の効果は得られる。 Here, it is desirable that the length of the source resistance control region 15a in the unit cell is uniform, but an error may occur in terms of process accuracy. However, even if an error of about 10% occurs, the above effect can be obtained.
また、図3では、ソースエクステンション領域12bの外周コーナー部は直角であるが、ラウンド形状にし、その曲率半径中心を、ソースコンタクト領域12aの外周曲率半径中心及びソースエクステンション領域12bの内周曲率半径中心と同じにしてもよい。 In FIG. 3, the outer peripheral corner portion of the source extension region 12b is a right angle, but is rounded, and the center of curvature radius is the center of the outer periphery radius of curvature of the source contact region 12a and the inner periphery of the radius of curvature of the source extension region 12b. May be the same.
この場合は、ソースエクステンション領域12bの寄生抵抗がユニットセル内で均一化される。そのため、ユニットセル内でソース抵抗のバラツキが抑えられる効果が得られる。これにより、短絡電流などの過剰の電流が瞬時に印加されたときに特定の部分に電流が集中することが防止でき、半導体装置の信頼性を高めることができる。 In this case, the parasitic resistance of the source extension region 12b is made uniform in the unit cell. For this reason, an effect of suppressing variation in source resistance in the unit cell can be obtained. As a result, when an excessive current such as a short-circuit current is instantaneously applied, the current can be prevented from concentrating on a specific portion, and the reliability of the semiconductor device can be improved.
さらに、第2ウェル領域20bの外周コーナー部も図3では直角であるが、ラウンド形状にし、その曲率半径中心を、ソースコンタクト領域12aの外周曲率半径中心及びソースエクステンション領域12bの内周曲率半径中心と同じにしてもよい。この場合、MOSチャネル長が均一化されるので、MOSチャネル抵抗が均一化され、素子特性及び電流分布のバラツキが抑制され、一層信頼性の高いユニットセル構造となり、半導体装置の信頼性をより高めることができる。
Further, the outer peripheral corner portion of the
なお、ソースコンタクト領域12aの外周曲率半径とソースエクステンション領域12bの内周曲率半径とが同じで、それぞれの曲率半径中心が異なっていてもよい。この場合は、コーナー部におけるソース抵抗制御領域15aの長さが直線部における長さよりも大きくなる。短絡などの高温時におけるソース抵抗制御領域15aの抵抗は、コーナー部で特に高くなるので、短絡電流はコーナー部以外の直線部を主に流れるようになる。すなわち、コーナー部における電流集中による素子劣化を抑止させる効果が得られる。 Note that the outer peripheral radius of curvature of the source contact region 12a and the inner peripheral radius of curvature of the source extension region 12b may be the same, and the respective centers of curvature radius may be different. In this case, the length of the source resistance control region 15a in the corner portion is larger than the length in the straight portion. Since the resistance of the source resistance control region 15a at a high temperature such as a short circuit is particularly high in the corner portion, the short circuit current mainly flows in a straight portion other than the corner portion. That is, an effect of suppressing element deterioration due to current concentration at the corner can be obtained.
なお、図3及び図4では、四角形の平面構造を有するユニットセルを示したが、ユニットセルの形状は任意でよく、例えば、六角形や八角形、円形などでもよい。 3 and 4 show a unit cell having a square planar structure, the unit cell may have any shape, for example, a hexagon, an octagon, or a circle.
また、炭化珪素MOSFETは複数のユニットセルから成るセル構造でなくてもよく、一般的な櫛形の構造であってもよい。櫛形構造は形成が容易であるが、セル構造に比べてMOSチャネル幅密度が低いため、素子のオン抵抗が比較的高くなる。 Further, the silicon carbide MOSFET may not have a cell structure composed of a plurality of unit cells, and may have a general comb-shaped structure. The comb structure is easy to form, but the on-resistance of the element is relatively high because the MOS channel width density is lower than that of the cell structure.
次に、実施の形態1に係る半導体装置(炭化珪素MOSFET)の製造方法を説明する。 Next, a method for manufacturing the semiconductor device (silicon carbide MOSFET) according to the first embodiment will be described.
図5は、本実施の形態に係る炭化珪素MOSFETのハーフユニットセルにおいて、ウェル領域20形成までの製造方法を示す断面図である。図5において、まず、第1導電型の炭化珪素からなる半導体基板1を用意する。半導体基板1には炭化珪素の他、珪素や、珪素に比べてバンドギャップの大きい他のワイドバンドギャップ半導体を用いても良い。ワイドバンドギャップ半導体としては、炭化珪素の他、例えば窒化ガリウム、窒化アルミニューム、ダイヤモンド等がある。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a manufacturing method until formation of
半導体基板1の面方位は任意でよく、例えば、その表面垂直方向がc軸方向に対して8°以下に傾斜されていてもよいし、或いは傾斜されていなくてもよい。半導体基板1の厚みも任意でよく、例えば350μm程度でもよいし、100μm程度でもよい。
The plane orientation of the
続いて、半導体基板1上に、エピタキシャル結晶成長により、第1導電型のドリフト層2を形成する。ドリフト層2の第1導電型の不純物濃度は1×1013cm−3〜1×1017cm−3程度とし、その厚みは3μm〜200μmとする。
Subsequently, the first conductivity
ドリフト層2は半導体基板1上に直接形成されていなくてもよく、バッファ層を介して形成されていても良い。
The
ドリフト層2の第1導電型の不純物濃度分布は厚み方向に一定であることが望ましいが、一定でなくてもよく、例えば表面近傍で不純物濃度を意図的に低くしてもよい。その場合、MOSFET素子に逆バイアスが印加されたときにゲート絶縁膜30に生じる電界が低減され、素子の信頼性が向上する他、素子のしきい値電圧を高く設定することができる。
The impurity concentration distribution of the first conductivity type of the
ドリフト層2の表層部の第1導電型の不純物濃度は、ソース抵抗制御領域15aの第1導電型の不純物濃度を規定する。そのため、ドリフト層2の表層部の第1導電型の不純物濃度を低くすると、後述するように、特に高温下でソース抵抗制御領域15aの抵抗増加が期待され、短絡耐量の向上に寄与できる。
The impurity concentration of the first conductivity type in the surface layer portion of the
次に、図5に示すように、写真製版処理により、例えばフォトレジストやシリコン酸化膜をパターニングして、第1の注入マスク100a及び第2の注入マスク100bを形成する。第1の注入マスク100a及び第2の注入マスク100bは、一度の写真製版処理で同時に形成して良い。 Next, as shown in FIG. 5, for example, a photoresist or a silicon oxide film is patterned by photolithography to form a first implantation mask 100a and a second implantation mask 100b. The first implantation mask 100a and the second implantation mask 100b may be formed simultaneously by a single photolithography process.
そして、第1の注入マスク100a及び第2の100bを用いた選択的な第2導電型不純物のイオン注入により、第1ウェル領域20a及び第2ウェル領域20bを形成する。図5中の矢印は、注入イオンが注入される方向を示している。
Then, the first well region 20a and the
第1の注入マスク100aは、およそその断面視における幅によって、上面視におけるウェルギャップ領域15bの長さを規定し、第2の注入マスク100bは、およそその断面視における幅によって、JFET領域11の上面視における長さを規定する。
The first implantation mask 100a defines the length of the
第1の注入マスク100aと第2の注入マスク100bのそれぞれの幅は同一でも良いし、異なっていても良い。 The widths of the first implantation mask 100a and the second implantation mask 100b may be the same or different.
第1の注入マスク100aは、炭化珪素MOSFETへの逆バイアス印加時にウェルギャップ領域15bを通じてリーク電流が流れない程度の幅であることが好ましい。
First implantation mask 100a is preferably wide enough to prevent leakage current from flowing through
すなわち、炭化珪素MOSFETである素子に逆バイアスが印加されたとき、第1ウェル領域20a及び第2ウェル領域20bから伸びる空乏層によって、ウェルギャップ領域15bが閉塞され、パンチスルーによる耐圧劣化を起こさないように、ウェルギャップ領域15bの長さ及び第1導電型の不純物濃度に決定する必要がある。
That is, when a reverse bias is applied to an element that is a silicon carbide MOSFET, the
従って、第1の注入マスク100aの幅は、例えば図4の上面視の長さで示すように、ユニットセル内において均一、すなわちユニットセルのコーナー部でラウンド形状を有していることが望ましい。また、その幅は0.1〜5μmの範囲内、より好ましくは0.1〜3μmの範囲内であればよい。 Therefore, it is desirable that the width of the first implantation mask 100a is uniform within the unit cell, that is, has a round shape at the corner portion of the unit cell, for example, as shown by the length in a top view of FIG. Moreover, the width | variety should just exist in the range of 0.1-5 micrometers, More preferably, it is in the range of 0.1-3 micrometers.
第1の注入マスク100aの幅が上記範囲内であっても、注入されたイオンは注入方向だけでなく、横方向にも拡散する。つまり、第1の注入マスク100aの下にも注入イオンが入り込む。その結果、ウェルギャップ領域15の上面視方向から見た長さは、深さ方向に最も狭いところで0.01〜1μmとなればよい。このウェルギャップ領域15bの長さが、ソース抵抗制御領域15aの長さを規定する。
Even if the width of the first implantation mask 100a is within the above range, the implanted ions diffuse not only in the implantation direction but also in the lateral direction. That is, the implanted ions also enter under the first implantation mask 100a. As a result, the length of the
図6に、第1ウェル領域20a及び第2ウェル領域20bを同時形成した場合において、注入イオンをAlとし、注入エネルギーを700keVとしたときのウェルギャップ領域長に対するMOSFET素子のドレイン電流−ドレイン電圧特性の計算結果を示す。
In FIG. 6, when the first well region 20a and the
ウェルギャップ領域長を短くすることで素子耐圧は増加する結果が得られ、ウェルギャップ領域長を0.05μm以下にすることによって、900Vを超える素子耐圧が得られることが分かる。なお、図6に示すように、ウェルギャップ領域長が0.02μmのときには1.3kVの高耐圧が得られる。 It can be seen that by reducing the well gap region length, the device breakdown voltage is increased, and by reducing the well gap region length to 0.05 μm or less, an element breakdown voltage exceeding 900 V can be obtained. As shown in FIG. 6, a high breakdown voltage of 1.3 kV is obtained when the well gap region length is 0.02 μm.
特に、炭化珪素における不純物の熱拡散係数は、パワーデバイス用として従来用いられている珪素における不純物の熱拡散係数に比べて非常に小さい。そのため、活性化アニールなどの高温熱処理によっても熱拡散による注入不純物の再分布はほとんど発生せず、注入時の分布をほとんど維持する。従って、第1の注入マスク100aの幅を制御することで、所望のウェルギャップ領域15bの長さを得ることができる。
In particular, the thermal diffusion coefficient of impurities in silicon carbide is much smaller than the thermal diffusion coefficient of impurities in silicon conventionally used for power devices. Therefore, even by high-temperature heat treatment such as activation annealing, redistribution of implanted impurities due to thermal diffusion hardly occurs, and the distribution during implantation is almost maintained. Accordingly, the desired length of the
つまり、第1の注入マスク100aの幅を制御して所望のウェルギャップ領域15bの長さが得られる。所望のウェルギャップ領域15bの長さが得られれば、ウェルギャップ領域15bの内部に形成するソース抵抗制御領域15bの長さは所望の値に制御しやすい。所望のソース抵抗制御領域15bの長さを得ることができれば、ソース抵抗の増加量を所望の値にすることができるので、ソース抵抗制御領域15bによるソース抵抗の増加量を制御しやすい。
That is, a desired length of the
また、第1の注入マスク100a及び第2の注入マスク100bは、その端面においてテーパーを形成せずに垂直に近いことが望ましい。このような形状の注入マスクに対して不純物イオンを垂直方向から注入することによって、ドリフト層2の表面側の領域よりも表面より深い領域において、第1の注入マスク100a及び第2の注入マスク100bよりもウェルギャップ領域15bの長さが狭くなるような不純物分布(例えば図5)を得ることができる。
Further, it is desirable that the first implantation mask 100a and the second implantation mask 100b are nearly perpendicular without forming a taper at their end faces. By implanting impurity ions into the implantation mask having such a shape from the vertical direction, the first implantation mask 100a and the second implantation mask 100b are formed in a region deeper than the region on the surface side of the
このような形状では、特に、ウェルギャップ領域15bにおけるパンチスルーによる耐圧劣化を抑止する効果が大きい。
With such a shape, the effect of suppressing breakdown voltage degradation due to punch-through in the
第1ウェル領域20a及び第2ウェル領域20bの底の深さは、ドリフト層2の底を超えないように設定する必要があり、例えば0.2μm〜2.0μm程度とする。また、第1ウェル領域20a及び第2ウェル領域20bにおける第2導電型不純物濃度の最大値はドリフト層2の第1導電型の不純物濃度の値を超えるものとし、例えば1×1015cm−3〜1×1019cm−3の範囲内に設定される。
The depths of the bottoms of the first well region 20a and the
イオン注入時には、半導体基板1は100℃〜800℃で加熱されることが好ましいが、加熱されていなくてもよい。また、イオン注入する不純物(ドーパント)は、n型の不純物としては窒素やリンが好適であり、p型の不純物としてはアルミニュームや硼素が好適である。
At the time of ion implantation, the
図7は、本実施の形態に係る炭化珪素MOSFETにおいて4つのユニットセルが配置され、第3ウェル領域20c形成までの製造方法を示す上面図である。図7において、写真製版処理により例えばフォトレジストやシリコン酸化膜をパターニングして注入用のマスクを形成し、選択的な第2導電型の不純物のイオン注入により、第3ウェル領域20cを形成する。
FIG. 7 is a top view showing a manufacturing method up to formation of third
第3ウェル領域20cは、図7に示すように上面視で隣接する第2ウェル領域20bの頂点を包含するように配置され、かつ、隣接する第2ウェル領域20bからJFET領域11方向へ最も遠い位置にある箇所をも包含するように配置される。つまり、第3ウェル領域20cは4つのユニットセルを接続する点に配置され、4つの第2ウェル領域20bを接続している。
As shown in FIG. 7, the
第3ウェル領域20cの底の深さは、ドリフト層2の底を超えないように設定する必要があり、例えば0.2μm〜2.0μm程度とする。つまり、第3ウェル領域20cの底はドリフト層2内に位置する。
The depth of the bottom of the
また、第3ウェル領域20cの第2導電型の最大不純物濃度はドリフト層2の第1導電型の不純物濃度を超えるものとし、例えば1×1015cm−3〜1×1019cm−3の範囲内に設定される。
The maximum impurity concentration of the second conductivity type in the
第3ウェル領域20cは、深さ方向に一様な不純物濃度分布を持っていても良いし、表面もしくは表面より深い領域にてピークを持つような濃度分布でも構わない。
The
また、第3ウェル領域20cの底の深さは、第1ウェル領域20a及び第2ウェル領域20bの底面に対しては浅くても、同じ深さでも、深くてもよい。
The depth of the bottom of the
第1ウェル領域20a及び第2ウェル領域20bより浅く形成することによれば、素子のオン動作時にJFET領域11端におけるドレイン電流広がりの効果を得やすく、オン抵抗の低減に繋がる。
By forming it shallower than the first well region 20a and the
さらに、第3ウェル領域20cは、図8に示すように、第1ウェル領域20a及び第2ウェル領域20bと同時に形成されても良い。
Furthermore, as shown in FIG. 8, the
また、図9に示すように、第1ウェルコンタクト領域25aと同時に形成されても良い。図9の場合、第3ウェル領域20cは第2ウェルコンタクト領域25bを兼ねていてよい。つまり、図9の場合、第3ウェル領域20c内に第2ウェル領域25bを形成するのみの工程が省略できる。
Further, as shown in FIG. 9, it may be formed simultaneously with the first well contact region 25a. In the case of FIG. 9, the
これらの手法によれば、第3ウェル領域20cを形成するためだけの注入マスク形成が不要となるため、素子の製造コストを低減することができる。
According to these methods, since it is not necessary to form an implantation mask only for forming the
続いて、図10に示すように、写真製版処理により例えばフォトレジストやシリコン酸化膜をパターニングして第3の注入マスク100cを形成し、第1導電型の不純物の選択的なイオン注入により、第1導電型のソースコンタクト領域12aと、第1導電型のソースエクステンション領域12bを形成する。図10中の矢印は、不純物イオンが注入される方向を示している。 Subsequently, as shown in FIG. 10, a third implantation mask 100c is formed by patterning, for example, a photoresist or a silicon oxide film by photolithography and a first ion implantation of a first conductivity type impurity is performed. A source contact region 12a of one conductivity type and a source extension region 12b of the first conductivity type are formed. The arrows in FIG. 10 indicate the direction in which impurity ions are implanted.
ソースコンタクト領域12a及びソースエクステンション領域12bは、それぞれウェルギャップ領域15bと接続するように、おのおの第1ウェル領域20a及び第2ウェル領域20bからせり出すように形成されている。このように形成されることによって、ソース領域12は、第2導電型の領域を含まず、第1導電型の領域のみで構成される。
The source contact region 12a and the source extension region 12b are formed so as to protrude from the first well region 20a and the
図10において点線で囲まれる領域は、ソースコンタクト領域12aとソースエクステンション領域12bの間に形成される第1導電型のソース抵抗制御領域15aである。ウェルギャップ領域15b内に存在する第1導電型のソース抵抗制御領域15aは、ドリフト層2の不純物濃度を有している。
In FIG. 10, a region surrounded by a dotted line is a first conductivity type source resistance control region 15a formed between the source contact region 12a and the source extension region 12b. The first conductivity type source resistance control region 15 a existing in the
また、ソース抵抗制御領域15aは、ウェル領域20を形成するための第2導電型(p型)の高エネルギー注入がされていないウェルギャップ領域15b内に位置する。また、ソース抵抗制御領域15aは、ドリフト層2と同じ不純物濃度を有し、ソースコンタクト領域12aを形成するための第1導電型(n型)のイオン注入されていない。そのため、注入欠陥の発生していない、ドリフト層2と同じ高品質な結晶性を維持している。
The source resistance control region 15a is located in the
ここで、ソース抵抗制御領域15aは、ソース領域12の抵抗(ソース抵抗)を高くすることによって短絡時の過電流を小さくし、短絡耐量を向上するために設けられている。
Here, the source resistance control region 15a is provided to increase the resistance (source resistance) of the
しかしながら、ソース領域12全体の抵抗を高くするとソース抵抗が過大に大きくなり過ぎ、定格のオン動作時における導通損失を増大させることになり好ましくない。
However, if the resistance of the
さらに、従来のMOSFET素子のように、ソース領域12における第1導電型の不純物濃度が横方向に略一様である場合、ソース抵抗を高くすると、ソース領域12全体の不純物濃度を低減することになる。その場合、ソース領域12とソースパッド41(ソースオーミック電極)とのコンタクト抵抗が増大することになり、素子の損失がさらに増大する。
Further, when the impurity concentration of the first conductivity type in the
本実施の形態では、ソースパッド41に接続するソースオーミック電極40aは、低抵抗なソースコンタクト領域12aに接触し、高抵抗なソース抵抗制御領域15aとは接触しない。よって、オーミック電極40とソース領域12とのコンタクト抵抗を低く維持される。従って、オン抵抗の過大な増大を抑えつつ、飽和電流が小さくなるようにソース抵抗を設計することができる。
In the present embodiment, the source ohmic electrode 40a connected to the
本実施の形態では、ソース領域12の一部の領域のみをソース抵抗制御領域15aとして、ソース抵抗を高くしていることによって上記の効果が得られる。しかしながら、例えソース領域12の一部の領域による増加であっても、ソース抵抗の増加は、そのままオン抵抗の増加につながるため、MOSFET素子の低損失化という点からは望ましくない。つまり、ソース抵抗制御領域15aによるオン抵抗の増加と短絡耐量の向上には、トレードオフの関係がある。
In the present embodiment, only the partial region of the
ここで、オン抵抗が問題となるのは、MOSFET素子が動作する温度においてであり、オン時の動作温度においてのソース領域12のソース抵抗はできるだけ小さいことが望ましい。一方、短絡耐量に関しては、短絡時の過電流に起因する発熱により動作温度よりも高温となるので、短絡耐量の観点では高温でのソース抵抗が大きいことが望ましい。
Here, the on-resistance becomes a problem at a temperature at which the MOSFET element operates, and it is desirable that the source resistance of the
素子短絡時には、高ドレイン電流による発熱(ジュール熱)によって破壊直前には1000Kにも及ぶことを本発明者らは確認している。 The present inventors have confirmed that when the element is short-circuited, it reaches 1000 K immediately before the destruction due to heat generation (Joule heat) due to a high drain current.
すなわち、トレードオフ関係を改善するためには、室温から500K付近などの素子の動作温度において、ソース領域12のソース抵抗は低く、動作温度より高温になるほどソース抵抗の増加が大きくなることが望ましい。つまり、ソース抵抗の温度依存性が高い、温度感度の良いソース抵抗特性が望まれる。
That is, in order to improve the trade-off relationship, it is desirable that the source resistance of the
図11に、伝導キャリアの移動度の温度依存性を示す。図11において、実線は注入欠陥の少ない場合、点線は注入欠陥の多い場合の特性をそれぞれ示している。ここでは、不純物濃度は一定としている。なお、移動度が高いほど抵抗率が低い、つまり、ソース抵抗制御領域15aの抵抗が小さいことを示す。 FIG. 11 shows the temperature dependence of the mobility of conductive carriers. In FIG. 11, the solid line indicates the characteristics when there are few implantation defects, and the dotted line indicates the characteristics when there are many implantation defects. Here, the impurity concentration is constant. The higher the mobility, the lower the resistivity, that is, the lower the resistance of the source resistance control region 15a.
ここで、伝導キャリアの移動度に関与する散乱機構には、イオン化不純物の散乱と、格子散乱とがある。このうち、イオン化不純物の散乱は、室温付近より低温における温度依存性で支配的であり、格子散乱は室温付近より高温における温度依存性で支配的となる。いずれも、温度が上がると散乱が増えるので、温度が高くなるほど伝導キャリアの移動度は小さくなる。 Here, the scattering mechanism involved in the mobility of conductive carriers includes scattering of ionized impurities and lattice scattering. Among these, scattering of ionized impurities is dominant due to temperature dependence at a temperature lower than near room temperature, and lattice scattering is dominant due to temperature dependence at a temperature higher than near room temperature. In any case, since scattering increases as the temperature increases, the mobility of conductive carriers decreases as the temperature increases.
イオン注入が施されると、結晶中にトラップなどの注入欠陥が発生する。ある程度の深さのエネルギー準位に形成されたトラップは、伝導キャリアを捕獲するので伝導に寄与する伝導キャリアの実効的な濃度が減少し、移動度が下がる。トラップに捕獲された伝導キャリアは、トラップのエネルギー準位のエネルギーより大きいエネルギーを得たとき、つまり、ある温度まで高くなるとトラップから放出されて伝導に寄与する。すなわち、注入欠陥が多いと低温側では注入欠陥であるトラップに伝導キャリアが捕獲される分、注入欠陥が少ない場合より移動度が減少し、高温になって伝導キャリアが放出されると移動度に寄与するので、注入欠陥が少ない場合の移動度に近付く。 When ion implantation is performed, implantation defects such as traps are generated in the crystal. A trap formed at an energy level of a certain depth captures a conduction carrier, so that an effective concentration of the conduction carrier contributing to conduction is reduced and mobility is lowered. The conduction carriers trapped in the trap are emitted from the trap and contribute to conduction when energy larger than the energy level of the trap is obtained, that is, when the temperature rises to a certain temperature. That is, when there are many injection defects, the mobility is reduced compared to the case where there are few injection defects because the conduction carriers are trapped in the trap that is the injection defect on the low temperature side. Because it contributes, it approaches the mobility when there are few implantation defects.
イオン注入のエネルギーが大きい場合、つまり、高エネルギーによるイオン注入が施された領域には、注入欠陥がより多く発生する。そのため、トラップに捕獲されるキャリアが多くなり、低温での移動度の減少度も大きい。 When the energy of ion implantation is large, that is, more implantation defects are generated in a region where ion implantation with high energy is performed. For this reason, more carriers are trapped in the trap, and the degree of mobility decrease at a low temperature is large.
図11において、曲線の接線の傾きが大きいほど、移動度の温度依存性が大きいと言える。図11から分かるように、温度が高くなるほど移動度が小さくなるが、注入欠陥が少ない場合の方が、注入欠陥が多い場合より接線の傾きが大きく、移動度の温度依存性が大きい。特に、室温より低い領域からある程度の高温に至るまで、注入欠陥の量によって温度依存性が大きく異なる様子が分かる。 In FIG. 11, it can be said that the greater the slope of the tangent of the curve, the greater the temperature dependence of the mobility. As can be seen from FIG. 11, the higher the temperature, the smaller the mobility, but the smaller the number of implantation defects, the larger the slope of the tangent line and the greater the temperature dependence of the mobility. In particular, it can be seen that the temperature dependence varies greatly depending on the amount of implantation defects, from a region lower than room temperature to a certain high temperature.
すなわち、イオン注入欠陥が少ないほど、室温での抵抗に対して高温での抵抗が大きくなり、温度感度のよい特性が得られる。つまり、高温での抵抗増大が要求される場合に、抵抗の温度感度が高ければ、室温でのソース抵抗をそれほど増大させずに、高温でのソース抵抗を増大することができる。従って、1000K程度まで温度が上昇するまでの時間を伸ばすことができ、短絡耐量を大幅に向上できる。 That is, the smaller the number of ion implantation defects, the higher the resistance at room temperature and the higher the temperature sensitivity. That is, when resistance increase at high temperature is required, if the temperature sensitivity of the resistance is high, the source resistance at high temperature can be increased without increasing the source resistance at room temperature. Therefore, the time until the temperature rises to about 1000 K can be extended, and the short circuit resistance can be greatly improved.
図12に本実施の形態を用いた半導体装置の短絡電流波形を説明するための模式図を示す。図12において、本実施の形態を用いた場合は注入欠陥が少ない場合である実線であり、比較例として注入欠陥が多い場合である点線を示している。 FIG. 12 is a schematic diagram for explaining a short-circuit current waveform of a semiconductor device using this embodiment. In FIG. 12, when this embodiment is used, a solid line when there are few implantation defects is shown, and a dotted line when there are many implantation defects is shown as a comparative example.
素子が破壊するまでに許容できるエネルギー(短絡エネルギー)は半導体の物性でほぼ決まると考えられるので、注入欠陥の量にはあまり依存せず、ほぼ同じと考えられる。ここで、短絡エネルギーは破壊までの短絡電流の時間積分値で与えられる。つまり、図12において実線と点線の破壊までの短絡電流の時間積分値である短絡エネルギーはほぼ等しい。 The energy that can be tolerated until the device breaks down (short-circuit energy) is considered to be substantially determined by the physical properties of the semiconductor, so it is considered that the energy is not substantially dependent on the amount of implanted defects and is almost the same. Here, the short-circuit energy is given by the time integral value of the short-circuit current until breakdown. That is, the short-circuit energy, which is the time integral value of the short-circuit current until the breakdown of the solid line and the dotted line in FIG.
図12において、素子が破壊する前の短絡電流のピークは、破線より実線のほうが大きい。短絡電流のピークは、短絡などが生じて比較的初期に現れる。そのため、注入欠陥が多くても少なくても、短絡電流のピークが現れる領域の素子温度は、動作温度と同程度である。このような温度で、注入欠陥が少ない場合、注入欠陥が多い場合より短絡電流のピークが大きいのは、動作温度付近において素子のソース抵抗が小さいことを示している。つまり、注入欠陥が少ないと電子の移動度が大きいことを示す。 In FIG. 12, the peak of the short-circuit current before the element breaks is larger on the solid line than on the broken line. The peak of the short circuit current appears relatively early due to a short circuit. Therefore, the element temperature in the region where the short-circuit current peak appears is almost the same as the operating temperature, regardless of whether there are many injection defects or not. When the number of injection defects is small at such a temperature, the peak of the short-circuit current is larger than when there are many injection defects, indicating that the source resistance of the element is small near the operating temperature. That is, when there are few injection | pouring defects, it shows that the mobility of an electron is large.
短絡電流のピークが過ぎると短絡電流は小さくなるが、これは、素子の温度が短絡電流によって高くなるために電子の移動度が小さくなることを示している。素子の温度は短絡電流のピークの辺りから急激に上昇し、素子が破壊するときには1000K程度に達する。ここで、実線は破線に比べて短絡電流の減少率が大きい。これは、注入欠陥が少ない場合は移動度の温度感度が高く、素子の温度が高くなるにつれてソース抵抗が大きくなるためである。 When the peak of the short-circuit current passes, the short-circuit current decreases, which indicates that the electron mobility decreases because the temperature of the element increases due to the short-circuit current. The temperature of the element rises rapidly from around the peak of the short-circuit current, and reaches about 1000K when the element breaks down. Here, the reduction rate of the short circuit current is larger in the solid line than in the broken line. This is because the temperature sensitivity of mobility is high when the number of injection defects is small, and the source resistance increases as the temperature of the element increases.
図12において、短絡電流の時間積分である短絡エネルギーは、上述したように、注入欠陥の量には依存しないので、移動度、つまり、ソース抵抗の温度感度の低い注入欠陥が多い場合が先に破壊する。短絡耐量としては、破壊するまでの時間が長いことが望まれるので、注入欠陥が少ない方が良好と言える。 In FIG. 12, the short-circuit energy, which is the time integral of the short-circuit current, does not depend on the amount of injection defects, as described above. Therefore, the mobility, that is, the case where there are many injection defects with low temperature sensitivity of the source resistance is first. Destroy. As the short-circuit tolerance, it is desired that the time until destruction is long, so it can be said that it is preferable that the number of implantation defects is small.
このように、本実施の形態におけるソース抵抗制御領域15aの抵抗は温度依存性が大きいため、400K程度の実動作温度では大きなオン抵抗の増加を抑えつつ、短絡時などの1000K程度で大きなソース抵抗(例えば温度の2.7乗に比例する場合、1000Kでの抵抗は室温時の28倍の抵抗になる)を示すことができる。すなわち、注入欠陥の多い場合である温度依存性の少ないソース抵抗制御領域15aと比較して、同程度、もしくはより良好な短絡耐量を得るための、室温でのオン抵抗を低くできるという特徴を有する。換言すれば、本実施の形態によれば、ウェル領域20内にソース抵抗制御領域15aを形成する従来と比べて、良好な短絡耐量を実現しつつ、オン動作時に低オン抵抗特性を示す素子を実現することができる。
Thus, since the resistance of the source resistance control region 15a in this embodiment has a large temperature dependency, a large source resistance at about 1000K such as during a short circuit is suppressed while suppressing a large increase in on-resistance at an actual operating temperature of about 400K. (For example, when the temperature is proportional to the power of 2.7, the resistance at 1000 K is 28 times the resistance at room temperature). That is, the on-resistance at room temperature can be lowered to obtain the same or better short-circuit withstand capability as compared with the source resistance control region 15a having a small temperature dependency, which is a case where there are many injection defects. . In other words, according to the present embodiment, an element exhibiting a low on-resistance characteristic at the time of an on-operation while realizing a better short-circuit withstand capability as compared with the conventional case in which the source resistance control region 15a is formed in the
本実施の形態では、ソース抵抗制御領域15aは、第1導電型や第2導電型の不純物イオンの注入の影響を受けていないため、注入欠陥の発生していない高品質な結晶性を維持している。そのため、抵抗の温度感度の高い領域として機能するために、室温でのオン抵抗の増大を抑止しつつ、MOSFET素子の短絡耐量向上に寄与する。 In the present embodiment, the source resistance control region 15a is not affected by the implantation of impurity ions of the first conductivity type or the second conductivity type, and therefore maintains high quality crystallinity free from implantation defects. ing. Therefore, in order to function as a region where the temperature sensitivity of the resistor is high, an increase in the on-resistance at room temperature is suppressed, and the short-circuit withstand capability of the MOSFET element is improved.
図10において、ソースコンタクト領域12a及びソースエクステンション領域12bの底の深さは、第1ウェル領域20a及び第2ウェル領域20bの底の深さを超えないように設定される。
In FIG. 10, the bottom depths of the source contact region 12a and the source extension region 12b are set so as not to exceed the bottom depths of the first well region 20a and the
また、ソースコンタクト領域12a及びソースエクステンション領域12bの第1導電型の不純物濃度は、各領域内でそれぞれ第1ウェル領域20a及び第2ウェル領域20bの第2導電型の不純物濃度を超えており、例えば、その最大不純物濃度は1×1018cm−3〜1×1021cm−3程度に設定される。
In addition, the first conductivity type impurity concentration of the source contact region 12a and the source extension region 12b exceeds the second conductivity type impurity concentration of the first well region 20a and the
図13は、本実施の形態に係る炭化珪素MOSFETにおいて4つのユニットセルが配置され、ソース抵抗制御領域15a形成までの製造方法を示す上面図である。 FIG. 13 is a top view showing a manufacturing method up to formation of source resistance control region 15a in which four unit cells are arranged in silicon carbide MOSFET according to the present embodiment.
図13の上面視で示すように、ソースコンタクト領域12a及びソースエクステンション領域12bの配置によって規定されるソース抵抗制御領域15aは、ウェルギャップ領域15b内にて一定の長さを保つよう形成される。一定の長さであることから、ソース抵抗制御領域15aの抵抗分布が一様となり、素子を流れる電流分布が均一化され、さらに短絡時などの大電流通電時における発熱による温度分布も均一化されて、信頼性に富む素子を得ることができる。
As shown in the top view of FIG. 13, the source resistance control region 15a defined by the arrangement of the source contact region 12a and the source extension region 12b is formed so as to maintain a certain length in the
図10で示すソース抵抗制御領域15aの長さLN0は、0.1〜4μm、より好ましくは0.1〜1μmであればよい。 The length L N0 of the source resistance control region 15a shown in FIG. 10 may be 0.1 to 4 μm, more preferably 0.1 to 1 μm.
ソース抵抗制御領域15aの長さLNOは長すぎると、ソース抵抗制御領域15aの不純物濃度がソースコンタクト領域12aより不純物濃度が低いため、MOSFET素子のオン抵抗が高くなる。 When the source length L NO resistor control area 15a is too long, the impurity concentration of the source resistance control region 15a is due to the low impurity concentration than the source contact region 12a, the on-resistance of the MOSFET device increases.
また、LNOを長くするためには、ウェルギャップ領域15bの長さも長くする必要があるが、ウェルギャップ領域15bの長さを長くしすぎると上述したようにパンチスルーにより耐圧が低下してしまう。
Further, in order to increase the L NO, it is necessary to increase the length of the
一方、LNOを短くすると短絡耐量向上の効果が小さくなる。 On the other hand, if LNO is shortened, the effect of improving the short-circuit resistance is reduced.
そのため、LN0は、0.1〜4μmの範囲内が望ましい。 Therefore, L N0 is preferably in the range of 0.1 to 4 μm.
図14は、本実施の形態に係る炭化珪素MOSFETのハーフユニットセルにおいて、第1ウェルコンタクト領域25a形成までの製造方法を説明するための断面図である。 FIG. 14 is a cross-sectional view for describing the manufacturing method up to the formation of first well contact region 25a in the half unit cell of the silicon carbide MOSFET according to the present embodiment.
図15は、本実施の形態に係る炭化珪素MOSFETにおいて4つのユニットセルが配置され、第1ウェルコンタクト領域25a形成までの製造方法を示す上面図である。 FIG. 15 is a top view showing a manufacturing method up to formation of first well contact region 25a in which four unit cells are arranged in silicon carbide MOSFET according to the present embodiment.
さらに、図16は、本実施の形態に係る炭化珪素MOSFETにおいて4つのユニットセルが配置され、第1ウェルコンタクト領域25a形成までの別の製造方法を示す上面図である。図16は、図8と同様に、第2ウェル領域20bと第3ウェル領域20cを同時にイオン注入で形成した場合の、第1ウェルコンタクト領域25a形成までの製造方法を示す上面図である。
Further, FIG. 16 is a top view showing another manufacturing method up to the formation of first well contact region 25a in which four unit cells are arranged in silicon carbide MOSFET according to the present embodiment. FIG. 16 is a top view showing the manufacturing method up to the formation of the first well contact region 25a when the
図14、15、16に示すように、第1ウェル領域20a及び第3ウェル領域20cと、後述するソースパッド41との間の良好な接続を得るために、第1ウェル領域20a及び第3ウェル領域20cよりも第2導電型の不純物濃度が高い第1ウェルコンタクト領域25a及び第2ウェルコンタクト領域25bが選択的なイオン注入により形成される。
As shown in FIGS. 14, 15 and 16, in order to obtain a good connection between the first well region 20a and the
このイオン注入は、半導体基板1が150℃以上となる温度で実行されることが望ましい。そうすることで、シート抵抗が低く、低コンタクト抵抗を実現する第1ウェルコンタクト領域25a及び第2ウェルコンタクト領域25bを形成できる。
This ion implantation is desirably performed at a temperature at which the
図14のように、第1ウェルコンタクト領域25aはソースコンタクト領域12aを貫通し、その底が第1ウェル領域20aに達するように形成される。また、第1ウェルコンタクト領域25aの第2導電型の不純物濃度は、第1ウェル領域20aの第2導電型の不純物濃度を超えており、例えばその最大不純物濃度は1×1019cm−3〜1×1021cm−3程度に設定される。 As shown in FIG. 14, the first well contact region 25a penetrates the source contact region 12a and is formed so that the bottom reaches the first well region 20a. In addition, the second conductivity type impurity concentration of the first well contact region 25a exceeds the second conductivity type impurity concentration of the first well region 20a. For example, the maximum impurity concentration is 1 × 10 19 cm −3 to. It is set to about 1 × 10 21 cm −3 .
また、第2ウェルコンタクト領域25bは、第3ウェル領域20cに達するように形成され(図示せず)、第2ウェルコンタクト領域25bの第2導電型の不純物濃度は、第3ウェル領域20cの第2導電型不純物濃度を超えており、例えばその最大不純物濃度は1×1019cm−3〜1×1021cm−3程度に設定される。
The second well contact region 25b is formed so as to reach the
図17は、図9で示したように、第3ウェル領域20cが第2ウェルコンタクト領域25bを兼ねる場合の、第1ウェルコンタクト領域25a形成までの製造方法を示す上面図である。図17の場合は、第2ウェルコンタクト領域25bの深さと不純物濃度の条件は上述の限りではなく、第2ウェルコンタクト領域25bの深さは第3ウェル領域20cの深さと等しく、第2ウェルコンタクト領域25bの不純物濃度は第3ウェル領域20cの不純物濃度と等しい。
FIG. 17 is a top view showing the manufacturing method up to the formation of the first well contact region 25a when the
なお、図15、図16及び図17において、第1ウェルコンタクト領域25aと第2ウェルコンタクト領域25bとを同時に形成しても良いことは言うまでもなく、このようにすることでマスク枚数や製造プロセスの削減が可能となり低コスト化が図れる。 In FIGS. 15, 16 and 17, it goes without saying that the first well contact region 25a and the second well contact region 25b may be formed at the same time. Reduction is possible, and cost can be reduced.
図18は、本実施の形態に係る炭化珪素MOSFETのハーフユニットセルにおいて、電流制御領域14形成までの製造方法を説明するための断面図である。図18に示すように、JFET領域11における抵抗を低減させるために、第4の注入マスク100dを用いてJFET領域11に第1導電型の不純物のイオン注入を行って、第1導電型の電流制御領域14を形成する。
FIG. 18 is a cross-sectional view for illustrating the manufacturing method until formation of
本実施の形態では電流制御領域14を形成したが、形成しなくても良い。
Although the
図19は、本実施の形態に係る炭化珪素MOSFETのハーフユニットセルにおいて、電流制御領域14の変形例を説明するための断面図である。電流制御領域14は、少なくともJFET領域11内に形成されていればよいが、図19のように、第2ウェル領域20bよりも深く、さらに第2ウェル領域20bの下面の一部を包含するように形成されているとより好ましい。この場合、JFET領域11からドリフト層2に広がる、広がり抵抗を低減できる。
FIG. 19 is a cross sectional view for illustrating a modification of
一方、JFET領域11内の表面側の領域においては電流制御領域14を形成しなくても良い。このようにすることで、ゲート絶縁膜30に印加される電界を低減でき、信頼性に優れた素子を得ることができる。
On the other hand, the
すなわち、電流制御領域14が形成される場合、JFET領域11の全てに形成されても良いし、表面より深い領域のみに形成されても良い。また、第2ウェル領域20bの下方の一部に形成されていても良い。
That is, when the
また、JFET領域11の表面側の領域にのみ形成されていたとしても、オン抵抗低減のための一定の効果は得られる。
Even if it is formed only in the region on the surface side of the
また、図19に示すように、電流制御領域14はウェルギャップ領域15bを包含するように横に延伸していても良い。この場合、素子の能動領域7の全面または能動領域7と終端領域8との全面にドリフト層2の第1導電型の不純物濃度よりも濃度の高い第1導電型の高濃度層16が形成され、そのうちの一部、つまりJFET領域11と第2ウェル領域20bの下部とに設けられた高濃度層16が電流制御領域14となる。
Further, as shown in FIG. 19, the
高濃度層16は、エピタキシャル成長によって形成されていれば良い。すなわち、ドリフト層2のエピタキシャル成長を行う際に、ドリフト層2より第1導電型の不純物濃度を高くして高濃度層16を形成する。このようにすることで、JFET領域11の不純物濃度をドリフト層2より高くすることができ、JFET領域11の抵抗及び広がり抵抗の低減による素子のオン抵抗の低減が行える。一方で、ウェルギャップ領域15bに注入欠陥が発生せず、本実施の形態の効果である良好な短絡耐量が得られる。
The
高濃度層16をエピタキシャル成長する際、高濃度層16のうち、一部の領域のみの第1導電型の不純物濃度をドリフト層2の不純物濃度より高くしても良い。すなわち、高濃度層16には濃度分布が設けられていても良い。
When epitaxially growing the
例えば、高濃度層16の表面から深い領域、つまりドリフト層2と接する領域の第1導電型の不純物濃度を高くし、表面側の濃度を低くしても良い。このような場合、JFET領域11の表面側の領域の不純物濃度を低くできるのでゲート酸化膜30に印加される電界を低減し、表面より深い領域を高濃度とすることでJFET領域11の抵抗を下げられるので、オン抵抗を低減する効果が得られる。さらに、ウェルギャップ領域15b内のソース抵抗制御領域15aの不純物濃度が低いのでソース抵抗が大きくなり、ウェルギャップ領域15b全体の不純物濃度を高くするよりも短絡耐量を改善する効果が大きい。
For example, the first conductivity type impurity concentration in a region deep from the surface of the
エピタキシャル成長によって図19の構造が形成される場合、図10においてソースコンタクト領域12a及びソースエクステンション領域20bが形成されるより前に高濃度層16が形成される。
When the structure of FIG. 19 is formed by epitaxial growth, the
また、高濃度層16領域内で、第1導電型の不純物濃度が最も大きい領域の不純物濃度は、ソースコンタクト領域12aの不純物濃度より小さい。ソース抵抗制御領域15aは、高濃度層16内に位置するので、このようにすることで、ソース抵抗制御領域15aの不純物濃度をソースコンタクト領域12aより小さくできる。
In the
図19において、高濃度層16の表面側の不純物濃度をドリフト層2の不純物濃度よりも高くした場合、高濃度層16のない図18の場合に比べてソース抵抗制御領域15aの不純物濃度は高くなる。そのため、ソース抵抗制御領域15aの、短絡耐量を向上するための温度感度は劣化するが、高濃度層16をエピタキシャル成長で形成することで、温度感度の劣化度は小さくなる。つまり、不純物濃度が高くなると、室温付近より低温側でのイオン化不純物による散乱の影響を受けて、移動度が小さくなって温度感度が劣化する。しかしながら、MOSFET素子のオン時は、JFET領域11の抵抗低減効果に加えて、ソース抵抗制御領域15aの抵抗低減効果も得られるので、オン抵抗の低減効果が大きい。
19, when the impurity concentration on the surface side of the
また、上述したように高濃度層16に濃度分布を設けて、表面より深い領域のみ高濃度とし、ソース抵抗制御領域15aが形成される表面側の濃度を低くすれば、JFET領域11の抵抗低減効果と、ゲート酸化膜30の印加電界増加を抑制する効果とが得られる。
As described above, if the concentration distribution is provided in the
高濃度層16は、図19に示すように第1ウェル領域20a及び第2ウェル領域20bより深く形成しても良いし、浅く形成しても良い。深く形成した場合、JFET領域11の広がり抵抗を低減する効果が大きい。浅く形成する場合、エピタキシャル成長ではなくイオン注入で形成することもできる。
As shown in FIG. 19, the
図19の高濃度層16を、第1ウェル領域20a及び第2ウェル領域20bより浅くしてイオン注入により形成する場合、ウェルギャップ領域15bにもイオン注入が施されることになる。つまり、ソース抵抗制御領域15aにもイオン注入が実施される。そのため、ソース抵抗制御領域15aにもイオン注入による注入欠陥が発生し、ソース抵抗の温度感度は劣化するが、第1ウェル領域20a及び第2ウェル領域20bより浅い注入であるので、高濃度層16の注入エネルギーは第1ウェル領域20a及び第2ウェル領域20bの注入エネルギーより低い。注入エネルギーが低いと発生する注入欠陥の量も少なく、ソース抵抗の温度感度の劣化は小さい。
When the high-
すなわち、ソース抵抗制御領域15aを従来のように注入エネルギーの高いイオン注入が施されたウェル領域20内に形成するよりも、注入エネルギーの低いイオン注入が施された高濃度層16に形成するので、ソース抵抗制御領域15a内の注入欠陥量が少ない分、短絡耐量向上の効果が得られる。
That is, the source resistance control region 15a is formed in the high-
ここで、ソース抵抗制御領域15aの長さ(LN0)及びウェルギャップ15bの長さ及び高濃度層16の不純物濃度の耐圧への影響について説明する。
Here, the influence of the length (L N0 ) of the source resistance control region 15a, the length of the
素子のオフ耐圧、すなわちアバランシェ耐圧は、第2導電型の第1ウェル領域20aと第2ウェル領域20bと第3ウェル領域20cと終端領域8とにおけるそれぞれの電界や、MOS構造におけるゲート酸化膜30の電界などによって決定される。
The off-breakdown voltage of the element, that is, the avalanche breakdown voltage, depends on the respective electric fields in the second conductivity type first well region 20a,
これらの電界は、それぞれの不純物濃度やその濃度分布、JFET長(JFET領域11の幅)やソース抵抗制御領域15aの長さ(LN0)に影響される。 These electric fields are affected by the respective impurity concentrations, their concentration distributions, the JFET length (the width of the JFET region 11), and the length (L N0 ) of the source resistance control region 15a.
半導体素子の限界特性の指標の一つであるアバランシェ耐量を向上させるためには、アバランシェ電流によるゲート絶縁膜30の破壊を抑制することが重要であるため、ゲート絶縁膜30がその表面上に形成され、MOS構造を有している第2ウェル領域20b及び第3ウェル領域20cにはアバランシェ電流が流れないようにするとより好ましい。
In order to improve the avalanche resistance, which is one of the indicators of the critical characteristics of the semiconductor element, it is important to suppress the breakdown of the
従って、第1ウェル領域20aとドリフト層2(または高濃度層16)との間でアバランシェ降伏が発生するように、該領域の電界値が他の領域の電界値より高くなるようにソース抵抗制御領域15aの長さ(LN0)及びウェルギャップ15bの長さ及び高濃度層16の不純物濃度を決定してもよい。
Therefore, the source resistance control is performed so that the electric field value of the region becomes higher than the electric field value of the other region so that the avalanche breakdown occurs between the first well region 20a and the drift layer 2 (or the high concentration layer 16). The length of the region 15a (L N0 ), the length of the
図14または図18または図19でイオン注入処理が全て完了した後、ドリフト層2に注入した不純物を電気的に活性化させるための熱処理を行う。この熱処理は、アルゴンもしくは窒素等の不活性ガス雰囲気、または真空中で、1500℃〜2200℃の温度、0.5分〜60分の時間で行うとよい。
After all the ion implantation processes in FIG. 14, FIG. 18, or FIG. 19 are completed, a heat treatment for electrically activating the impurities implanted into the
この熱処理時では、ドリフト層2の表面を炭素からなる膜で覆った状態、若しくは、ドリフト層2の表面、半導体基板1の裏面、並びに半導体基板1及びドリフト層2の各端面を炭素からなる膜で覆った状態で行っても良い。それにより、熱処理時における装置内の残留水分や残留酸素との反応によるエッチングでドリフト層2の表面が荒れることを抑止できる。
In this heat treatment, the surface of the
図20は、本実施の形態に係る炭化珪素MOSFETの製造方法において完成までを説明するための、ハーフユニットセルの断面図である。図20において、まず、ドリフト層2の表面上に例えばシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜30を形成する。ゲート絶縁膜30の形成手法としては、例えば、熱酸化法や堆積法が挙げられる。
FIG. 20 is a cross-sectional view of the half unit cell for explaining the completion of the silicon carbide MOSFET manufacturing method according to the present embodiment. In FIG. 20, first, a
また、熱酸化法や堆積法によりシリコン酸化膜を形成した後に、窒化酸化ガス(NOやN2Oなど)雰囲気やアンモニア雰囲気での熱処理や、不活性ガス(アルゴンなど)雰囲気での熱処理を行ってもよい。窒化酸化ガス雰囲気での熱処理によれば、MOS界面への窒素のパイルアップとパッシベーション効果によって、界面準位密度の低い良質なMOS界面が形成できる。 In addition, after a silicon oxide film is formed by a thermal oxidation method or a deposition method, a heat treatment in a nitriding oxide gas (NO, N 2 O, etc.) atmosphere or an ammonia atmosphere, or a heat treatment in an inert gas (argon, etc.) atmosphere is performed. May be. According to the heat treatment in the nitriding gas atmosphere, a high-quality MOS interface having a low interface state density can be formed by nitrogen pileup and passivation effect on the MOS interface.
そして、ゲート絶縁膜30上に多結晶シリコンや多結晶炭化珪素をCVD法により堆積し、写真製版処理及びエッチングによるパターニングを行うことにより、ゲート電極35を形成する。
Then, polycrystalline silicon or polycrystalline silicon carbide is deposited on the
ゲート電極35に用いる多結晶シリコンや多結晶炭化珪素は、リンや硼素やアルミニュームなどを含み、n形もしくはp形の低シート抵抗を有するものであることが望ましい。多結晶シリコンや多結晶炭化珪素に含ませるリンや硼素やアルミニュームは、その成膜中に取り込ませてもよいし、成膜後にイオン注入して活性化熱処理を行ってもよい。さらに、ゲート電極35の材料は、金属や金属間化合物またはそれらの多層膜であってもよい。
The polycrystalline silicon or polycrystalline silicon carbide used for the
次に、ドリフト層2上にCVD法などによって層間絶縁膜32を形成する。そして、例えばドライエッチング法により、ソースパッド41をソースコンタクト領域12aと第1ウェルコンタクト領域25aと第2ウェルコンタクト領域25bとに接続させるためのコンタクトホール(ソースコンタクトホール)を、層間絶縁膜32に形成する。
Next, an
また、ゲート配線44をゲート電極35に接続させるためのコンタクトホール(ゲートコンタクトホール)をこれと同時に形成してもよい。それにより、プロセス工程が簡略化され、製造コストを削減できる。
Further, a contact hole (gate contact hole) for connecting the
続いて、ソースコンタクトホールの底に露出したドリフト層2の表面にソースオーミック電極40a及びウェルオーミック電極40b(図20では示さず、図3で示す。)を形成する。ソースオーミック電極40aは、ソースコンタクト領域12a及び第1ウェルコンタクト領域25aとのオーミック接触を実現する。また、ウェルオーミック電極40bは、第2ウェルコンタクト領域25bとのオーミック接触を実現する。
Subsequently, a source ohmic electrode 40a and a well ohmic electrode 40b (not shown in FIG. 20 but shown in FIG. 3) are formed on the surface of the
ソースオーミック電極40a及びウェルオーミック電極40bの形成方法としては、まず、ソースコンタクトホール内を含むドリフト層2の全面にニッケルを主成分とする金属膜を成膜する。次に、600〜1100℃の熱処理により、炭化珪素であるドリフト層2のソースコンタクト領域12a、第1ウェルコンタクト領域25a及び第2ウェルコンタクト領域25bと反応させてソースオーミック電極40a及びウェルオーミック電極40bとなるシリサイド膜を形成する。その後、層間絶縁膜32上に残留した未反応の金属膜を、硝酸、硫酸または塩酸あるいはそれらの過酸化水素水との混合液などを用いたウェットエッチングにより除去する、という方法が挙げられる。
As a method of forming the source ohmic electrode 40a and the well ohmic electrode 40b, first, a metal film containing nickel as a main component is formed on the entire surface of the
層間絶縁膜32上に残留した金属膜を除去した後に、再度熱処理を行っても良い。この場合は、先の熱処理よりも高温で行うことで、コンタクト抵抗のより低いオーミック接触が形成される。
After removing the metal film remaining on the
なお、先の工程でゲートコンタクトホールが形成されていれば、ゲートコンタクトホール底にもシリサイドによるオーミック接触が形成される。先の工程でゲートコンタクトホールが形成されていなければ、引き続いて写真製版処理とエッチングによって、ゲート配線44によりその後に充填されるべきゲートコンタクトホールを形成する。
If a gate contact hole is formed in the previous step, an ohmic contact with silicide is also formed at the bottom of the gate contact hole. If the gate contact hole is not formed in the previous step, the gate contact hole to be filled later by the
ソースオーミック電極40a及びウェルコンタクト領域40bは、同時に形成されるが、全体が同一の金属間化合物からなっていてもよいし、p型領域に接続する部分とn型領域に接続する部分とが、それぞれに適した別々の金属間化合物からなっていてもよい。 The source ohmic electrode 40a and the well contact region 40b are formed at the same time, but the whole may be made of the same intermetallic compound, and the portion connected to the p-type region and the portion connected to the n-type region are It may consist of separate intermetallic compounds suitable for each.
ソースオーミック電極40aが第1導電型のソースコンタクト領域12aに対して十分低いオーミックコンタクト抵抗を有することがMOSFET素子のオン抵抗低減に重要である。 It is important for reducing the on-resistance of the MOSFET element that the source ohmic electrode 40a has a sufficiently low ohmic contact resistance with respect to the source contact region 12a of the first conductivity type.
一方、ソースオーミック電極40aが第2導電型の第1ウェルコンタクト領域25aに対して、さらに、ウェルオーミック電極40bが第2ウェルコンタクト領域25bに対して充分低いオーミックコンタクト抵抗を有することは、第1ウェルコンタクト領域25a及び第2ウェルコンタクト領域25bのソース電位(アース)の固定や、MOSFETに内蔵されるボディーダイオードの順方向特性改善や低スイッチング損失の実現などの観点から好ましい。 On the other hand, the source ohmic electrode 40a has a sufficiently low ohmic contact resistance with respect to the second conductivity type first well contact region 25a, and the well ohmic electrode 40b has a sufficiently low ohmic contact resistance with respect to the second well contact region 25b. This is preferable from the viewpoints of fixing the source potential (ground) of the well contact region 25a and the second well contact region 25b, improving the forward characteristics of the body diode built in the MOSFET, and realizing low switching loss.
ソースオーミック電極40a及びウェルオーミック電極40bにおいてp型領域に接続する部分とn型領域に接続する部分を作り分けることにより、n型領域とp型領域へのコンタクト抵抗低減の両方をより効果的に実現できる。これは、写真製版処理を用いて、シリサイド膜を形成するための金属膜のパターニングをそれぞれで行うことで実現可能である。 In the source ohmic electrode 40a and the well ohmic electrode 40b, by separately forming a portion connected to the p-type region and a portion connected to the n-type region, it is possible to more effectively reduce both the contact resistance to the n-type region and the p-type region. realizable. This can be realized by performing patterning of the metal film for forming the silicide film by using photolithography.
第2ウェルコンタクト領域25bとウェルオーミック電極40bの形成によって第2ウェル領域20bが後述するソースパッド41と電気的に接続される。このようにすることで、MOSチャネル領域を有する第2ウェル領域20bがソース電位に固定されるために、素子のしきい値電圧変動が抑制されると共に、素子への逆バイアス印加時に高電界となる領域を消失させることで、高電界に対する信頼性にも富む素子が得られる。
By forming the second well contact region 25b and the well ohmic electrode 40b, the
また、ドリフト層2の表面上にソースオーミック電極40a及びウェルオーミック電極40bを形成する過程で、半導体基板1の裏面にも同様の手法で、裏面オーミック電極42となるシリサイド膜を形成する。オーミック電極42は半導体基板1の裏面にオーミック接触し、この後形成するドレイン電極43と半導体基板1との間で良好な電気的接続を実現する。
Further, in the process of forming the source ohmic electrode 40 a and the well ohmic electrode 40 b on the surface of the
続いて、スパッタ法や蒸着法により所定の金属膜を形成し、それをパターニングすることによって、層間絶縁膜32上にソースパッド41、ゲート配線44およびゲートパッド45を形成する。
Subsequently, a predetermined metal film is formed by sputtering or vapor deposition, and patterned to form a
上記金属膜としては、Al、Ag、Cu、Ti、Ni、Mo、W、Ta、あるいはそれらの窒化物、またはそれらの積層膜、またはそれらの合金膜などが考えられる。さらに、半導体基板1の裏面に形成された裏面オーミック電極42上に、Ti、Ni、AgまたはAuなどの金属膜を形成してドレイン電極43を形成することにより、図20にユニットセルの右半分が示される構成の炭化珪素MOSFETが完成する。
As the metal film, Al, Ag, Cu, Ti, Ni, Mo, W, Ta, nitrides thereof, a laminated film thereof, or an alloy film thereof can be considered. Further, by forming a
図20のように作製された炭化珪素MOSFETは、その表面をシリコン窒化膜やポリイミドなどの保護膜(図示せず)で覆っていてもよい。この保護膜には、ゲートパッド45及びソースパッド41上に開口が設けられ、ゲートパッド45及びソースパッド41と外部の制御回路とが接続可能なようにされる。
The surface of the silicon carbide MOSFET manufactured as shown in FIG. 20 may be covered with a protective film (not shown) such as a silicon nitride film or polyimide. This protective film has openings on the
本実施の形態によれば、ソース抵抗制御領域15aにより、ソース領域12のソース抵抗を高くすることによって、短絡時の素子破壊までの時間を長くできるので、短絡耐量が向上する効果が得られる。
According to the present embodiment, by increasing the source resistance of the
また、本実施の形態では、ソース抵抗制御領域15aにウェル領域20を形成するための第2導電型の高エネルギー注入が行われていないので注入欠陥が発生しない。本実施の形態におけるソース抵抗制御領域15aには不純物が直接的にイオン注入されておらず、せいぜいソースコンタクト領域12a及びソースエクステンション領域12b形成のイオン注入における第1導電型の不純物の横方向散乱によって非常に少ない量が若干浸入している程度である。
Further, in the present embodiment, since the second conductivity type high energy implantation for forming the
ソース抵抗制御領域15aには直接的な注入による半導体結晶へのダメージや注入欠陥が存在せず(または非常に少なく)、せいぜい非常に少ない量が横方向散乱によって若干浸入しているのみであるため、ドリフト層2と同様な抵抗の温度感度を持つ層が得られる一方、短絡などの過電流が印加されたときの高電流ストレスや熱ストレスなどに対する結晶としてのロバスト性が維持され、信頼性の高い素子を実現することが可能となる。
In the source resistance control region 15a, there is no damage (or very little) to the semiconductor crystal due to direct implantation (or very little), and at most, a very small amount is slightly infiltrated by lateral scattering. While a layer having the same temperature sensitivity as the
つまり、ソース抵抗制御領域15aよりソース抵抗の温度感度が高い。そのため、オン時の動作温度におけるオン抵抗の増大を抑制しながら、短絡耐量を向上する効果を大きくすることができる。 That is, the temperature sensitivity of the source resistance is higher than that of the source resistance control region 15a. Therefore, it is possible to increase the effect of improving the short-circuit tolerance while suppressing an increase in the on-resistance at the operating temperature at the on-time.
さらに、本実施の形態では、ソース抵抗制御領域15aにウェル領域20を形成するための第2導電型の高エネルギー注入が行われていないので、ソース抵抗制御領域15aを形成するための第1導電型の注入(反転注入)を行う必要がない。したがって、注入欠陥が発生しないので、ソース抵抗制御領域15aにおける抵抗の温度感度が高いため、オン時の動作温度におけるオン抵抗の増大を抑制しながら、短絡耐量を向上する効果を大きくすることができる。
Furthermore, in the present embodiment, since the second conductivity type high energy injection for forming the
なお、本実施の形態で、ウェルギャップ領域15b内のソース抵抗制御領域15aに第1導電型の注入を行ったとしても、反転注入を行う必要がないだけでなく、ソースコンタクト領域12aより不純物濃度を低くしているので、注入量は比較的少ない。そのため、ウェル領域20形成のための第2導電型の注入がされた領域に反転注入を行う場合に比べると、本実施の形態においてソース抵抗制御領域15aに第1導電型の注入を行って、ドリフト層2の不純物濃度よりソース抵抗制御領域15aの不純物濃度を高くしたとしても、第1導電型の注入エネルギーがウェル領域20の注入エネルギーより小さければ、本実施の形態の効果は、小さくなるものの少なからず得られる。
In the present embodiment, even if the first conductivity type implantation is performed in the source resistance control region 15a in the
また、ソース抵抗制御領域15aにウェル領域20を形成するための第2導電型の高エネルギー注入が行われていないので、ソース抵抗制御領域15aを形成するための第1導電型の注入(反転注入)を行う必要がない。したがって、ドリフト層2と同程度の不純物濃度の小さいソース抵抗制御領域15aを容易に形成することができる。
In addition, since the second conductivity type high energy implantation for forming the
ここで、ソース抵抗制御領域15aにおける伝導キャリア(電子または正孔)の移動度は高温ほど低くなり、高温ほどソース抵抗は大きくなる。ソース抵抗制御領域15aは、ソースコンタクト領域12aよりも第1導電型の不純物濃度が低いので、高温での抵抗の増加率はそれらよりも大きくなることが分かっている。 Here, the mobility of conduction carriers (electrons or holes) in the source resistance control region 15a decreases as the temperature increases, and the source resistance increases as the temperature increases. Since the source resistance control region 15a has a lower impurity concentration of the first conductivity type than the source contact region 12a, it is known that the rate of increase in resistance at a high temperature is higher than those.
図21に、伝導キャリアの移動度の温度依存性を模式的に示す。図21では、実線は不純物濃度が低い場合、点線は高い場合を示し、注入欠陥量はそれぞれ等しいと仮定している。 FIG. 21 schematically shows the temperature dependence of the mobility of conductive carriers. In FIG. 21, the solid line indicates that the impurity concentration is low, and the dotted line indicates that the impurity concentration is high.
図11で述べたように、伝導キャリアの移動度の温度依存性の散乱機構は、イオン化不純物の散乱と格子散乱とがあるが、移動度の温度依存性に影響を与えるパラメータとしてさらに、不純物濃度があげられる。上述したように、イオン化不純物の散乱は、低温における温度依存性で支配的となる。ここで、不純物濃度が高い場合にはイオン化不純物の散乱が大きくなるので、図21に示されるように低温における移動度が小さくなる。 As described with reference to FIG. 11, the temperature-dependent scattering mechanism of conduction carrier mobility includes ionized impurity scattering and lattice scattering. As a parameter affecting the temperature dependence of mobility, the impurity concentration is further increased. Can be given. As described above, scattering of ionized impurities is dominant due to temperature dependence at low temperatures. Here, when the impurity concentration is high, scattering of ionized impurities increases, so that the mobility at a low temperature decreases as shown in FIG.
高温においては格子散乱が支配的となるが、格子散乱自体は不純物濃度には依存しない。しかしながら、低温では伝導キャリアを放出していなかったドナーやアクセプタなどの不純物が、高温で活性化エネルギー以上の熱エネルギーを得て伝導キャリアを放出する。不純物濃度が高いと、高温で放出される伝導キャリア濃度が高くなる。放出された伝導キャリアは、伝導に寄与するため、移動度が高くなる。そのため、不純物濃度が高い場合には高温での移動度の低下が小さくなり、つまり、移動度の温度依存性が小さくなる。 Although lattice scattering becomes dominant at high temperatures, lattice scattering itself does not depend on the impurity concentration. However, impurities such as donors and acceptors that have not released conductive carriers at low temperatures obtain thermal energy that is equal to or higher than the activation energy at high temperatures and release conductive carriers. If the impurity concentration is high, the concentration of conductive carriers emitted at a high temperature increases. The emitted conduction carrier contributes to conduction and thus has high mobility. Therefore, when the impurity concentration is high, the decrease in mobility at high temperatures is small, that is, the temperature dependence of mobility is small.
移動度の温度依存性が不純物濃度で異なるという特徴は、ドナーやアクセプタなど不純物の活性化エネルギーが大きいほど顕著になる。つまり、格子散乱が支配的になる低い温度において、多くの伝導キャリアが放出されていない様な大きい活性化エネルギーを有し、さらに、当該温度において放出されていないキャリアの濃度が高いほど、この特徴は顕著になる。高温になるほど放出されるキャリアが多くなるためである。 The feature that the temperature dependence of the mobility varies depending on the impurity concentration becomes more significant as the activation energy of impurities such as donors and acceptors increases. In other words, at a low temperature at which lattice scattering becomes dominant, it has a large activation energy such that many conduction carriers are not emitted, and the higher the concentration of carriers not emitted at that temperature, the higher this characteristic. Becomes prominent. This is because more carriers are released at higher temperatures.
炭化珪素などのワイドバンドギャップ半導体では、ドナーやアクセプタの活性化エネルギーが大きいため、上記の特徴が顕著に現れる。すなわち、炭化珪素などのワイドバンドギャップ半導体では、図21のような移動度の温度依存性が不純物濃度によって大きく異なる。 In the wide band gap semiconductor such as silicon carbide, the activation energy of the donor and acceptor is large, and thus the above-mentioned feature appears remarkably. That is, in a wide band gap semiconductor such as silicon carbide, the temperature dependence of mobility as shown in FIG. 21 varies greatly depending on the impurity concentration.
本発明者らの実験によれば、1×1019cm−3程度のn型の不純物濃度を有する炭化珪素層の抵抗は、温度の約0.6乗に比例して増加する一方、5×1015cm−3程度のn型の不純物濃度を有する炭化珪素層の抵抗は、温度の約2.7乗に比例して増加する結果を得た。 According to the experiments by the present inventors, the resistance of the silicon carbide layer having an n-type impurity concentration of about 1 × 10 19 cm −3 increases in proportion to about 0.6 of the temperature, while 5 × As a result, the resistance of the silicon carbide layer having an n-type impurity concentration of about 10 15 cm −3 increased in proportion to the power of about 2.7.
すなわち、前者はソースエクステンション領域12bやソースコンタクト領域12aを想定した不純物濃度、後者はソース抵抗制御領域15aやドリフト層2を想定した不純物濃度である。炭化珪素半導体では、ドナーやアクセプタの活性化エネルギーが大きいために、電子(正孔)濃度は温度と共に増加するため、抵抗の温度依存性は高ドナー(アクセプタ)濃度ほど小さくなると考えられる。
That is, the former is an impurity concentration assuming the source extension region 12b and the source contact region 12a, and the latter is an impurity concentration assuming the source resistance control region 15a and the
本実施の形態では、ソース抵抗制御領域15a内には注入欠陥が少ないので、抵抗の温度依存性が大きい上に、さらに、ソース抵抗制御領域15aはドリフト層2と同程度の第1導電型の不純物濃度を有するため、ソース抵抗制御領域15aの抵抗の温度依存性がより一層大きい。
In this embodiment, since there are few implantation defects in the source resistance control region 15a, the temperature dependency of the resistance is large, and the source resistance control region 15a has the first conductivity type similar to that of the
そのため、高温になるにつれてソース抵抗制御領域15aの抵抗が大きくなり、MOSチャネル領域に印加される実効的なゲート電圧が徐々に減少してドレイン電流を低減させる、いわば負帰還の機能が働く。従って、短絡時に1000K程度まで温度が上昇するまでの時間を伸ばすことができ、短絡耐量を大幅に向上できる。 Therefore, the resistance of the source resistance control region 15a increases as the temperature rises, and the effective gate voltage applied to the MOS channel region gradually decreases to reduce the drain current. Therefore, the time until the temperature rises to about 1000 K at the time of short circuit can be extended, and the short circuit tolerance can be greatly improved.
すなわち、本実施の形態では、ソース抵抗制御領域15aの不純物濃度を小さくすることによって、抵抗の温度感度のより高いソース抵抗制御領域15aが得られる。 That is, in this embodiment, the source resistance control region 15a having higher resistance temperature sensitivity can be obtained by reducing the impurity concentration of the source resistance control region 15a.
ところで、実効的な第1導電型の不純物濃度を下げる手法としては、第2導電型の不純物を注入して補償(反転注入)することが考えられる。しかし、例えばドリフト層2として想定する1×1013cm−3〜1×1017cm−3程度の第1導電型の不純物濃度に対して、第1導電型及び第2導電型の不純物の共注入によって、実効的に第1導電型を示す低不純物濃度を実現することは、注入種の活性化率や深さ方向分布、極めて緻密なドーズ量の注入制御などの観点から極めて困難である。
By the way, as an effective technique for reducing the impurity concentration of the first conductivity type, it is conceivable to inject and compensate (invert implantation) the second conductivity type impurity. However, for example, the impurity concentration of the first conductivity type and that of the second conductivity type are different from the impurity concentration of the first conductivity type of about 1 × 10 13 cm −3 to 1 × 10 17 cm −3 assumed as the
それに対し本実施の形態では、ソース抵抗制御領域15aとしてエピタキシャル成長によるエピタキシャル層(領域)をそのまま用いることにより、ソースコンタクト領域12aにおける第1導電型の不純物濃度よりも、十分小さく設定することができる。 On the other hand, in the present embodiment, by using an epitaxial layer (region) by epitaxial growth as it is as the source resistance control region 15a, the impurity concentration of the first conductivity type in the source contact region 12a can be set sufficiently lower.
なお、本実施の形態ではソースコンタクト領域12aとソースエクステンション領域12bの濃度は同じとしたが、異なっていても良い。さらに、ソースエクステンション領域12bとソース抵抗制御領域15aの不純物濃度は同じでも良い。 In this embodiment, the concentration of the source contact region 12a and the source extension region 12b is the same, but they may be different. Further, the impurity concentration of the source extension region 12b and the source resistance control region 15a may be the same.
本実施の形態によれば、第2ウェル領域20bの表面に形成されるMOSチャネル領域から、ソース領域12,ソースオーミック電極40a及びソースパッド41に至る経路に、ソースコンタクト領域12aよりも低い第1導電型の不純物濃度(ドリフト層2と同程度の不純物濃度)のソース抵抗制御領域15aが直列に挿入されるので、素子のオン抵抗に影響を及ぼすほどの実効的なソース抵抗を実現することができる。
According to the present embodiment, the first channel lower than the source contact region 12a in the path from the MOS channel region formed on the surface of the
つまり、本実施の形態に係る半導体装置によれば、ソース領域12が、ソースパッド41に接続するオーミック電極40aに接触するソースコンタクト領域12aと、MOSチャネル領域に隣接するソースエクステンション領域12bと、その間のソース抵抗制御領域15aとが直列に接続した構造を有するため、ソース抵抗制御領域15aのシート抵抗に応じた抵抗によって飽和電流を制御することができる。ソース抵抗制御領域15aは、不純物のイオン注入が直接的になされていないドリフト層表面の一部からなっているため、負荷短絡時などの高温発熱環境下における抵抗増加が大きくなり、実効的なゲート電圧が減少して飽和電流が減少することで、短絡耐量が向上する。
That is, according to the semiconductor device according to the present embodiment, the
すなわち、短絡耐量に影響を及ぼすドレイン飽和電流は、MOSチャネルに印加されるゲート/ソース間電圧の2乗に比例するが、本発明のように有意なソース抵抗が存在する場合、実効的なゲート/ソース間電圧は、ソース抵抗とドレイン電流の積の分だけ減じたものとなる。そのため、ソース抵抗を大きくすれば、飽和電流は小さくなり、短絡耐量を向上できる。 That is, the drain saturation current that affects the short-circuit tolerance is proportional to the square of the gate-source voltage applied to the MOS channel, but if there is a significant source resistance as in the present invention, an effective gate / The source-to-source voltage is reduced by the product of the source resistance and the drain current. Therefore, if the source resistance is increased, the saturation current is reduced and the short-circuit resistance can be improved.
本実施の形態では、ソース抵抗制御領域15aをソース領域12においてソースオーミック電極40aとMOSチャネル領域の間に直列に設けた。つまり、電流経路に対してソースコンタクト領域12aとソース抵抗制御領域15aとソースエクステンション領域12bとを直列に接続したが、たとえば、ソース領域を電流経路に対してソースコンタクト領域12aとソース抵抗制御領域15aを並列に接続した構成にしても良い。
In the present embodiment, the source resistance control region 15a is provided in series in the
本実施の形態では、図2及び図3に示すように、ソース抵抗制御領域15aを直列に設けるために、ウェルギャップ領域15bを第1ウェル領域20aの周囲に連続して設け、その周囲に第2ウェル領域20bを配置している。つまり、第1ウェル領域20aと第2ウェル領域20bがウェルギャップ領域15bを介して離間している。ソース抵抗制御領域15aを並列に設けるためには、上面視において、ウェルギャップ領域15bを第2ウェル領域20aの周囲に断続的に設け、ウェルギャップ領域15b内をソース抵抗制御領域15aとし、ウェルギャップ領域15bが断続している箇所は第1ウェル領域20aあるいは第2ウェル領域20bとすればよい。つまり、上面視において第1ウェル領域20aと第2ウェル領域20bと隣接している領域を設ける。
In the present embodiment, as shown in FIGS. 2 and 3, in order to provide the source resistance control region 15a in series, the
このような構成の場合、上面視でウェルギャップ領域15bが断続している領域が、例えばソースコンタクト領域12aとなる。つまり、ソース抵抗制御領域15aを介さずにソースコンタクト領域12aとソースエクステンション領域12bが隣接する領域が生じる。オン時の電流はソース抵抗制御領域15aを介さないソース抵抗が小さくなる領域を優先的に流れるので、オン抵抗の増加を抑制し、短絡時にはソース抵抗制御領域15aによる電圧効果で短絡電流を低減するので短絡耐量を向上する効果が得られる。
In the case of such a configuration, a region where the
ソース抵抗制御領域15a内の抵抗の温度感度は高く、該領域によって短絡耐量を向上する本実施の形態の効果は得られるが、短絡時にはソースコンタクト領域12aにも短絡電流が流れるため、ソースコンタクト領域12aに短絡電流が集中する分、本実施の形態の効果は小さくなる。 Although the temperature sensitivity of the resistance in the source resistance control region 15a is high and the effect of the present embodiment for improving the short-circuit tolerance is obtained by this region, a short-circuit current also flows in the source contact region 12a at the time of a short-circuit. The effect of this embodiment is reduced by the amount of short circuit current concentrated on 12a.
また、第1ウェル領域20a及び第3ウェル領域20cはソースパッド41に電気的に接続されているため、それぞれソース電位(アース)に固定されることから、素子のしきい値電圧変動などへの影響を抑えることができる。
In addition, since the first well region 20a and the
また、本実施の形態では、ソース抵抗制御領域15a内の第1導電型の不純物濃度を、ソースコンタクト領域12a内の第1導電型の最大不純物濃度よりも3桁以上小さく(1/1000以下に)している。より具体的には、ソース抵抗制御領域15aにおける第1導電型の不純物濃度を1×1013cm−3〜1×1017cm−3とした。これにより、負荷短絡時などの高温発熱環境下におけるソース抵抗制御領域15aの抵抗増加が大きくなることで実効的なゲート電圧が減少して飽和電流が減少することで、短絡耐量が向上する。 In the present embodiment, the impurity concentration of the first conductivity type in the source resistance control region 15a is smaller than the maximum impurity concentration of the first conductivity type in the source contact region 12a by at least three orders of magnitude (1/1000 or less). )doing. More specifically, the impurity concentration of the first conductivity type in the source resistance control region 15a is 1 × 10 13 cm −3 to 1 × 10 17 cm −3 . As a result, the increase in resistance of the source resistance control region 15a in a high-temperature heat generation environment such as when a load is short-circuited increases, whereby the effective gate voltage decreases and the saturation current decreases, thereby improving the short-circuit tolerance.
また、本実施の形態においては、ソース抵抗制御領域15aは、ソースエクステンション領域12bからソースコンタクト領域12aに向かう方向の距離(長さ)がユニットセル内で均一にしている。より具体的には、0.1〜1μmの範囲とした。これにより、ユニットセル内における電流分布及び負荷短絡時における発熱分布が一様となり、負荷短絡時などの発熱を伴う素子破壊に対する信頼性が向上する。 In the present embodiment, the source resistance control region 15a has a uniform distance (length) in the direction from the source extension region 12b to the source contact region 12a in the unit cell. More specifically, the range was 0.1 to 1 μm. Thereby, the current distribution in the unit cell and the heat generation distribution when the load is short-circuited become uniform, and the reliability against element destruction accompanied by heat generation such as when the load is short-circuited is improved.
また、JFET領域11にドリフト層2よりも第1導電型の不純物濃度が高い電流制御領域14や高濃度層16を形成すれば、上記の効果を得ながら、JFET領域11のJFET抵抗を減少し、オン抵抗を低減させることができる。
Further, if the
図22は、本実施の形態に係る炭化珪素MOSFETのハーフユニットセルにおいて、第2ウェルコンタクト領域25aの変形例を示す断面図である。図22に示すように、第1ウェルコンタクト領域25aを第1ウェル領域20aよりも深く形成してもよい。これは、第1ウェルコンタクト領域25aと第2ウェルコンタクト領域25bの形成を別々の工程で行うことで形成することができる。 FIG. 22 is a cross-sectional view showing a modification of second well contact region 25a in the half unit cell of the silicon carbide MOSFET according to the present embodiment. As shown in FIG. 22, the first well contact region 25a may be formed deeper than the first well region 20a. This can be formed by forming the first well contact region 25a and the second well contact region 25b in separate steps.
さらに、図23及び図24は、本実施の形態に係る炭化珪素MOSFETのハーフユニットセルにおいて、ウェル領域20の変形例を示す断面図であり、図23のように第2ウェル領域20bを形成した後、図24のように第1ウェル領域20aを形成する。このように、第2ウェル領域20bの形成と第1ウェル領域20aの形成を別々の工程で行うことで形成できる。第2ウェル領域20bと第1ウェル領域20aの形成は、どちらを先に行っても良い。図23では、第5の注入マスク100eと、第2の注入マスク100bを用いて、第2ウェル領域20bのイオン注入を行う。図24では、第6の注入マスク100fを用いて、第1ウェル領域20aのイオン注入を行う。図23及び図24において、矢印はイオン注入が注入される方向を示している。
Further, FIG. 23 and FIG. 24 are cross-sectional views showing modifications of the
この時、図24のように第1ウェル領域20aは第2ウェル領域20bよりも深くしてもよい。また、第1ウェル領域20aの不純物濃度が第2ウェル領域20bの不純物濃度よりも高くなるように形成してもよい。
At this time, the first well region 20a may be deeper than the
図25は、本実施の形態に係る炭化珪素MOSFETのハーフユニットセルにおいて、ウェル領域20の変形例の製造方法を示す上面図である。図24のようなウェル領域20構造を得るために、図25(a)において、第2ウェル領域20bを形成したあと、図25(b)において、第1ウェル領域20aを形成し、さらに図25(c)で第3ウェル領域20cを形成する。なお、形成順はどのようであっても構わない。
FIG. 25 is a top view showing a manufacturing method of a modified example of
図26は、本実施の形態に係る炭化珪素MOSFETのハーフユニットセルにおいて、第1ウェル領域20aを第2ウェル領域20bより深くした場合を示す断面図である。図23、図24及び図25で説明した方法を用いれば、図26の構造の炭化珪素MOSFETが得られる。
FIG. 26 is a cross sectional view showing a case where first well region 20a is deeper than second
図27は、本実施の形態に係る炭化珪素MOSFETに第4ウェル領域20dを形成した場合の製造方法を説明するための、ハーフユニットセルを示す断面図である。図28は、本実施の形態に係る炭化珪素MOSFETに第4ウェル領域20dを形成した場合のハーフユニットセルを示す断面図である。
FIG. 27 is a cross-sectional view showing a half unit cell for describing a manufacturing method in the case where
図27中の矢印は、第4ウェル領域20dの形成のためのイオン注入の方向を示している。図27に示すように、第1ウェル領域20aと第2ウェル領域20bを形成した後に、第5の注入マスク100gを用いた第2導電型の不純物のイオン注入によって、第1ウェル領域20aよりも深い第4ウェル領域20dを形成することもできる。図27のようにして、第4ウェル領域20dを形成すれば、図28で示す構造の炭化珪素MOSFETが作製できる。
The arrows in FIG. 27 indicate the direction of ion implantation for forming the
第1ウェルコンタクト領域25aを第1ウェル領域20aよりも深く形成することや、第1ウェル領域20aを第2ウェル領域20bや第3ウェル領域20cよりも深く形成することや、第1ウェル領域20a内にそれよりも深い第4ウェル領域20dを形成することなどで、第1ウェル領域20aの端部におけるpn接合電界を、第2ウェル領域20bや第3ウェル領域20cの端部よりも大きくすることができ、MOSチャネル領域を有しない第1ウェル領域20a及び第1ウェルコンタクト領域25aへアバランシェ電流を流すことが可能となるので、素子のアバランシェ耐量を向上させることができる。
The first well contact region 25a is formed deeper than the first well region 20a, the first well region 20a is formed deeper than the
また、第1ウェル領域20aと第2ウェル領域20bと第3ウェル領域20cとにおける深さ方向への第2導電型の不純物濃度分布を互いに同じにすれば、一度のイオン注入で同時に作製することが可能となるので、製造コストを低減することができる。
In addition, if the second conductivity type impurity concentration distributions in the depth direction in the first well region 20a, the
また、ウェルギャップ領域15bの長さを0.01〜1umの範囲にすることや、表面側よりも半導体基板1側で幅が狭くなるようにすることで、素子の耐圧劣化を抑止することができる。
In addition, by reducing the length of the
本実施の形態において、ウェルギャップ領域15bを設けた構造では、ソースコンタクト領域12a、ソース抵抗制御領域15a、ウェルギャップ領域15b、ドリフト層2、半導体基板1が全て第1導電型であるので、ソースオーミック電極40aと裏面オーミック電極42との間で還流ダイオードを構成する。
In the present embodiment, in the structure in which the
モーターなどの誘導性負荷をインバータで駆動すると、スイッチング時などの電流遮断時に大きなサージ電流が発生するが、これを負荷に並列かつ入出力方向とは逆方向に接続された還流ダイオードに流す(逃がす)ことで、負荷側にサージ電流が流れることを防止し、機器の損傷を防ぐことができる。 When an inductive load such as a motor is driven by an inverter, a large surge current is generated when the current is interrupted during switching, etc., but this is passed through a free-wheeling diode connected in parallel to the load and in the opposite direction to the input / output direction. Therefore, surge current can be prevented from flowing to the load side, and damage to the equipment can be prevented.
一般的には、還流ダイオードとなるSBD(Schottky Barrier Diode)をMOSFET等のスイッチング素子の外付け素子として配置するが、MOSFETの場合、内蔵されているpnダイオードを還流ダイオードとして用いることが可能である。内蔵ダイオードを用いることで、外付けSBDを必要としないことから、モジュールの小型化や低コスト化が図られる。 Generally, an SBD (Schottky Barrier Diode) serving as a free-wheeling diode is arranged as an external element of a switching element such as a MOSFET. In the case of a MOSFET, a built-in pn diode can be used as the free-wheeling diode. . By using the built-in diode, an external SBD is not required, so that the module can be reduced in size and cost.
外付けSBDを用いた場合に比べて、本実施の形態では内蔵された還流ダイオードを用いることができるので、モジュールの小型化や低コスト化が図られる。 Compared with the case where an external SBD is used, the built-in free-wheeling diode can be used in this embodiment, so that the module can be reduced in size and cost.
また、外付けSBDや内蔵pnダイオードを用いた場合には、前者では半導体とショットキー金属との仕事関数差、後者では半導体のビルトイン電圧などの物性によって立ち上がり電圧がほぼ決定され、これらをより小さくすることは限界がある。一方、本実施の形態の内蔵還流ダイオードは、ショットキー接合を有さないユニポーラ動作によるダイオードであるので、還流ダイオードを構成する半導体層のドーピング濃度や還流ダイオード近傍に存在するpn接合からの空乏層設計によって立ち上がり電圧をより小さくすることができ、スイッチング損の低減効果が期待される。 Also, when an external SBD or built-in pn diode is used, the rise voltage is almost determined by the physical function difference between the semiconductor and the Schottky metal in the former, and the built-in voltage of the semiconductor in the latter. There is a limit to doing it. On the other hand, since the built-in freewheeling diode of this embodiment is a diode with a unipolar operation that does not have a Schottky junction, the doping concentration of the semiconductor layer constituting the freewheeling diode and the depletion layer from the pn junction existing in the vicinity of the freewheeling diode The rise voltage can be made smaller by design, and an effect of reducing the switching loss is expected.
また、SiCのpnダイオードに順方向電流(バイポーラ電流)を流すと、電子と正孔の再結合過程において放出されるエネルギーによって結晶欠陥(積層欠陥)を生じさせる場合がある。積層欠陥は電気伝導における高抵抗層として機能するために、pnダイオード特性やMOSFETのオン特性を劣化させ、モジュールの損失を増大させる。従って、積層欠陥生成の起点となるような転位を含まない高品質な結晶が必須となっている。 In addition, when a forward current (bipolar current) is passed through a SiC pn diode, crystal defects (stacking defects) may be caused by energy released in the recombination process of electrons and holes. Since the stacking fault functions as a high resistance layer in electrical conduction, the pn diode characteristics and the on-characteristics of the MOSFET are deteriorated and the module loss is increased. Therefore, high-quality crystals that do not contain dislocations that are the starting point for stacking fault generation are essential.
本実施の形態では、還流動作時にウェルギャップ領域15bを通じてユニポーラ電流が流れるようにすることで、pn接合を流れるバイポーラ電流による積層欠陥の発生を抑止することができる。
In the present embodiment, the generation of stacking faults due to the bipolar current flowing through the pn junction can be suppressed by allowing the unipolar current to flow through the
本実施の形態1では、本実施の形態に係る半導体装置の例として、炭化珪素MOSFETについて説明したが、半導体基板1の導電型を第2導電型に変更した構造を持つIGBTに対しても適用可能である。
In the first embodiment, the silicon carbide MOSFET has been described as an example of the semiconductor device according to the present embodiment. However, the present invention is also applicable to an IGBT having a structure in which the conductivity type of the
本実施の形態を用いたIGBTにおいては、ソース領域12は「エミッタ領域」、ウェル領域20は「ベース領域」、半導体基板1は「コレクタ領域」となる。エミッタ領域(ソース領域12)内に、高抵抗な抵抗制御領域(ソース抵抗制御領域15a)を設けることにより、エミッタ抵抗を高くすることができるため、エミッタ領域(ソース領域12)、ベース領域(ウェル領域20)およびドリフト層2からなる寄生トランジスタにおける電流利得を小さくすることができ、その結果、IGBTの寄生サイリスタが動作することによるラッチアップを防止できるという効果も得られる。
In the IGBT using this embodiment, the
また、本実施の形態1では、本実施の形態に係る半導体装置の例として、縦型の炭化珪素MOSFETについて説明したが、横型の、たとえばRESURF(REduced SURface Field)構造のMOSFETであってもよい。 In the first embodiment, the vertical silicon carbide MOSFET has been described as an example of the semiconductor device according to the present embodiment. However, a horizontal MOSFET having a RESURF (REduced SURface Field) structure, for example, may be used. .
なお、本実施の形態に示した半導体装置の構造から得られる効果は、その構造を有する限り、他の製造方法で形成されたとしても同様に得られる。 Note that the effects obtained from the structure of the semiconductor device described in this embodiment can be obtained in the same manner even if the semiconductor device is formed by another manufacturing method as long as the structure is provided.
また、本実施の形態は、その発明の範囲内において、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。 Further, in the present embodiment, each embodiment can be appropriately modified or omitted within the scope of the invention.
実施の形態2.
図29は、本実施の形態2に係る半導体装置である炭化珪素MOSFETのユニットセルの右半分を模式的に示す断面図である。本実施の形態における半導体装置においては、ソース抵抗制御領域15aの直上にフィールド酸化膜31が形成されており、さらにソース抵抗制御領域15aとフィールド酸化膜31とのMOS界面において、窒素がパイルアップしていないことを特徴としている。それ以外については、実施の形態1と同様である。本実施の形態によれば、ソース抵抗制御領域15aの表面への窒素ドーピングを抑止することができ、ソース領域12の移動度の温度依存性を維持したソース抵抗制御領域15aを形成できる。
FIG. 29 is a cross sectional view schematically showing a right half of a unit cell of a silicon carbide MOSFET which is a semiconductor device according to the second embodiment. In the semiconductor device in the present embodiment,
実施の形態1で示した半導体装置である炭化珪素MOSFETにおいては、図2に示すように、ソース抵抗制御領域15aの直上にはゲート絶縁膜30が形成されている。ゲート絶縁膜30の形成において、酸化シリコンからなるゲート絶縁膜30をウェット酸化やドライ酸化や堆積法などによって形成した後に、界面準位を低減させるためにNOやN2O雰囲気での熱処理を行うことが知られている。
In the silicon carbide MOSFET which is the semiconductor device shown in the first embodiment, as shown in FIG. 2, a
このNOやN2O雰囲気での熱処理を行う手法によれば、炭化珪素とゲート絶縁膜30からなるMOS構造において、窒素が高濃度でMOS界面まで拡散してパイルアップしていることが知られており、一部は炭化珪素の極表面まで拡散していることが知られている。これは、ゲート絶縁膜30が薄いため、熱処理中に窒素がゲート絶縁膜30を通って炭化珪素の表面まで到達するからである。
According to the method of performing the heat treatment in the NO or N 2 O atmosphere, it is known that nitrogen is diffused and piled up to the MOS interface at a high concentration in the MOS structure composed of silicon carbide and the
この極表面の窒素拡散層は、面密度でドリフト層2よりも高不純物濃度となっている可能性があり、すなわち、伝導キャリアの温度依存性が小さくなる可能性がある。これは、本願発明の効果を減ずる方向となるため、好ましくない。
The nitrogen diffusion layer on the extreme surface may have a higher surface area density than the
本実施の形態2においては、図29に示すように、ゲート絶縁膜30をソース抵抗制御領域15aの直上に形成しないようにし、ゲート絶縁膜30より膜厚の厚いフィールド酸化膜31をソース抵抗制御領域15aの直上に予めパターニングして形成しておく。
In the present second embodiment, as shown in FIG. 29, the
このようにしておくことで、膜厚の厚いフィールド酸化膜31が形成されている領域では、ゲート絶縁膜30形成のNOやN2O雰囲気での熱処理を経ても、窒素がフィールド酸化膜31の表面からフィールド酸化膜31を通ってソース抵抗制御領域15aの表面まで拡散することは難しい。従って、ソース抵抗制御領域15aの表面への窒素ドーピングを抑止することができ、移動度の温度依存性を高く維持したソース抵抗制御領域15aを形成できる。
By doing in this way, in the region where the thick
尚、本発明の実施の形態2では本発明の実施の形態1と相違する部分について説明し、同一または対応する部分についての説明は省略した。 In the second embodiment of the present invention, portions different from the first embodiment of the present invention are described, and descriptions of the same or corresponding portions are omitted.
1 半導体基板、2 ドリフト層、7 能動領域、8 終端領域、10 ユニットセル、11 JFET領域、12 ソース領域、12a ソースコンタクト領域、12b ソースエクステンション領域、14 電流制御領域、15a ソース抵抗制御領域、15b ウェルギャップ領域、16 高濃度層、20 ウェル領域、20a 第1ウェル領域、20b 第2ウェル領域、20c 第3ウェル領域、20d 第4ウェル領域、25a 第1ウェルコンタクト領域、25b 第2ウェルコンタクト領域、30 ゲート絶縁膜、31 フィールド酸化膜、32 層間絶縁膜、35 ゲート電極、40a ソースオーミック電極、40b ウェルオーミック電極、41 ソースパッド、42 裏面オーミック電極、43 ドレイン電極、44 ゲート配線、45 ゲートパッド、100a 第1の注入マスク,100b 第2の注入マスク,100c 第3の注入マスク、100d 第4の注入マスク、100e 第5の注入マスク、100f 第6の注入マスク、100g 第7の注入マスク。
1 semiconductor substrate, 2 drift layer, 7 active region, 8 termination region, 10 unit cell, 11 JFET region, 12 source region, 12a source contact region, 12b source extension region, 14 current control region, 15a source resistance control region, 15b Well gap region, 16 high concentration layer, 20 well region, 20a first well region, 20b second well region, 20c third well region, 20d fourth well region, 25a first well contact region, 25b second well contact
Claims (14)
前記半導体基板上に形成された第1導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層の表層部に形成された第2導電型の第1ウェル領域と、
前記ドリフト層の表層部に設けられ、前記第1ウェル領域に隣接する第1導電型のウェルギャップ領域と、
前記ドリフト層の表層部に、前記ウェルギャップ領域に隣接して形成された第2導電型の第2ウェル領域と、
前記ウェルギャップ領域内に設けられた第1導電型のソース抵抗制御領域と、
前記第1ウェル領域の表層部の一部から前記ウェルギャップ領域の表層部の一部まで連続的に形成された第1導電型のソースコンタクト領域と、
前記第2ウェル領域の表層部の一部から前記ウェルギャップ領域の表層部の一部まで連続的に形成された第1導電型のソースエクステンション領域と、
前記ソースエクステンション領域と前記ドリフト層との間に位置する前記第2ウェル領域内に形成されるMOSチャネル領域と、
前記第2ウェル領域と前記ソースエクステンション領域の上方に、ゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、
前記ソースコンタクト領域に接続されたソース電極と、
を備えた半導体装置。 A semiconductor substrate;
A first conductivity type drift layer formed on the semiconductor substrate;
A first well region of a second conductivity type formed in a surface layer portion of the drift layer;
A well gap region of a first conductivity type provided in a surface layer portion of the drift layer and adjacent to the first well region;
A second well region of a second conductivity type formed adjacent to the well gap region in a surface layer portion of the drift layer;
A source resistance control region of a first conductivity type provided in the well gap region;
A source contact region of a first conductivity type continuously formed from a part of a surface layer part of the first well region to a part of a surface layer part of the well gap region;
A first extension type source extension region continuously formed from a part of a surface layer part of the second well region to a part of a surface layer part of the well gap region;
A MOS channel region formed in the second well region located between the source extension region and the drift layer;
A gate electrode provided above the second well region and the source extension region via a gate insulating film;
A source electrode connected to the source contact region;
A semiconductor device comprising:
を特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1.
を特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 or 2.
を特徴とする請求項3に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 3.
を特徴とする請求項3又は4に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 3, wherein:
を特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein:
を特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein:
を特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein:
を特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein:
を特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein:
を特徴とする請求項10に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 10.
を特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein:
を特徴とする請求項1乃至12のいずれか1項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein:
を特徴とする請求項1乃至13のいずれか1項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein:
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