JP6324425B2 - 六方晶格子を有する半導体ボディにトレンチゲート構造を備えた半導体デバイス - Google Patents
六方晶格子を有する半導体ボディにトレンチゲート構造を備えた半導体デバイス Download PDFInfo
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Description
電力半導体スイッチは、高い定格電流において数１００Ｖの阻止電圧に対する耐性を有している。一般に電力半導体スイッチを流れる負荷電流は、半導体ボディの２つの主平面間を垂直方向に流れる。負荷電流を制御するゲート電極を、これら主平面の一方から半導体ボディ内に延在するトレンチゲート構造として形成することができる。他方、電子回路の基本材料として利用するという点で、炭化ケイ素および窒化ガリウムといった六方晶格子を有する半導体材料に対する関心が高まってきた。
その際、六方晶格子を有する半導体デバイスのデバイス特性およびデバイスの信頼性を向上させることが望まれている。
この課題は、独立請求項に記載された特徴によって達成される。従属請求項には、さらに別の実施形態が記載されている。
１つの実施形態によれば半導体デバイスは、六方結晶格子を有する半導体ボディ内にトレンチゲート構造を含んでいる。第１表面の平均表面は、＜１−１００＞結晶方向に対しオフ角だけ傾斜しており、このオフ角の絶対値は２°〜１２°の範囲にある。トレンチゲート構造（１５０）は、＜１−１００＞結晶方向に沿った向きで延在している。隣り合うトレンチゲート構造間の半導体ボディの一部分によって、トランジスタメサ部が形成されている。トランジスタメサ部の側壁は、平均表面に対する法線から、５°を超えない大きさで偏位している。
当業者であれば、以下の詳細な説明を読み、添付の図面を見ることで、さらに別の特徴および利点を読み取ることができる。
以下の図面は、本発明の理解を深めるために添付されており、本明細書に組み込まれ本発明の一部を成すものである。図面には、本発明の実施形態が描かれており、それらの説明とともに本発明の基本原理が示されている。本発明のその他の実施形態および意図する利点は、以下の詳細な説明を参照することで理解が深まれば、容易に読み取ることができる。
以下の詳細な説明では、本願の一部を成す添付の図面を参照するが、図面には、例示というかたちで、本発明を実施可能な特定の実施形態が示されている。他の実施形態を採用してもよく、本発明の範囲を逸脱することなく、構造的または論理的な変更を加えることができる。たとえば、１つの実施形態のために例示されたまたは説明された特徴を、他の実施形態において、または他の実施形態とともに、用いることができ、それによってさらに別の実施形態が生み出されることになる。本発明はこのような修正や変更を含むことを意図している。特定の用語や言い回しを用いて実施例を説明するが、それによって添付の請求項の範囲が制限されると解されるものではない。図面は原寸どおりではなく、例示目的で示したにすぎない。また、簡潔にするため、特段の記載がないかぎり、異なる図面において同じまたは同様の構成要素には、対応する参照符号が付されている。
用語「有する」、「含有する」、「含む」、「包含する」等は、非限定的であり、これらの用語は、記載した構造、要素または特徴が存在することを表すが、付加的な要素または特徴を排除するものではない。また、冠詞「１つの」および「前記の」は複数も単数も含むことができ、このことは文脈からそうではないことがはっきりと表されていないかぎりあてはまる。
用語「電気的に接続された」は、電気的に接続された要素間の持続的な低オームの接続を表し、たとえば関与する要素間のダイレクトな接触、または金属および／または高濃度にドーピングされた半導体を介した低オームの接続を表す。用語「電気的に結合された」には、信号伝送に適合された１つまたは複数の介在要素を、電気的に結合された要素間に設けてもよい、ということが含まれ、たとえば第１の状態における低オームの接続と第２の状態における高オームの分離を一時的に生じさせるように制御可能な要素を設けてもよい、ということが含まれる。
図面には、ドーピングの型「ｎ」または「ｐ」に続いて、「−」または「＋」で表された相対的なドーピング濃度が示されている。たとえば「ｎ−」は、「ｎ」ドーピング領域のドーピング濃度よりも低いドーピング領域のことを表す一方、「ｎ＋」ドーピング領域は、「ｎ」ドーピング領域よりも高いドーピング濃度を有している。なお、同じ相対的ドーピング濃度のドーピング領域が、必ずしも同じ絶対的なドーピング濃度を有していなくてもよい。たとえば２つの異なる「ｎ」ドーピング領域は、同じ絶対的ドーピング濃度を有していてもよいし、異なる絶対的ドーピング濃度を有していてもよい。
図１Ａ〜図１Ｄには、トランジスタセルＴＣを含む半導体デバイス５００が示されている。この半導体デバイス５００を、ＩＧＦＥＴ（insulated gate field effect transistor絶縁ゲート型電界効果トランジスタ）たとえば一般的な意味では金属ゲートを備えたＦＥＴおよび非金属ゲートを備えたＦＥＴを含むＭＯＳＦＥＴ（metal oxide semiconductor FET金属酸化物半導体ＦＥＴ）、ＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）、またはＭＣＤ（MOS controlled diode ＭＯＳ制御型ダイオード）とすることができ、あるいは半導体デバイス５００はこれらを含むことができる。
半導体デバイス５００は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）または適切なＡIIIＢV半導体たとえば窒化ガリウム（ＧａＮ）など、六方晶格子を有する結晶半導体材料から成る半導体ボディ１００をベースとしている。１つの実施形態によれば、半導体材料は４Ｈポリタイプの炭化ケイ素（４Ｈ−ＳｉＣ）である。
半導体ボディ１００は表側で第１表面１０１を有しており、この面を平面としてもよいし、またはこの面が複数の共面表面セクションを含むようにしてもよい。この場合、平坦な第１表面１０１または複数の共面表面セクションは、主結晶面と一致しているか、または主結晶面に対し所定の軸外し角ないしは所定のオフ角αだけ傾斜させることができ、この角度の絶対値を少なくとも２°、最大で１２°たとえば約４°とすることができる。別の実施形態によれば、第１表面１０１は、ぎざぎざなまたは「波形」の表面であり、この表面は、互いにずらされた平行な複数の第１表面セクション１０１ａを有しており、これら複数の第１表面セクション１０１ａは、最小二乗平均によって求められた面により定めることができる平均表面１０１ｘに対し傾斜している。第１表面セクションに対し傾斜した第２表面セクション１０１ｂによって、複数の第１表面セクション１０１ａが連結されている。ぎざぎざな第１表面１０１の断面のラインは、鋸歯状である。裏側で対向する第２表面１０２を、平均表面１０１ｘと平行に、または平均表面１０１ｘに対し傾斜させて延在させることができ、あるいは対向する第２表面１０２が、第１表面１０１の第１および第２の表面セクション１０１ａ，１０１ｂに平行である、複数の平行な表面セクションを含むようにしてもよい。
表側の第１表面１０１と裏側の第２表面１０２との間の距離は、半導体デバイス５００の仕様である定格阻止電圧に関係している。一般に半導体ボディ１００は、阻止状態において加わる電界に適合された第１垂直方向部分を含み、この第１垂直方向部分の厚さは定格阻止電圧に比例し、電界のブレークダウン強度を規定するものである一方、別の垂直方向部分たとえば基板部分の厚さは、定格阻止電圧には関係しない。
第１表面１０１と第２表面１０２との間の半導体ボディ１００の厚さ全体を、数μｍ〜数１００μｍの範囲とすることができる。平均表面１０１ｘに対する法線によって、垂直方向が規定されている。第１表面１０１に対し平行な方向が、水平方向である。
トレンチゲート構造１５０に沿って、複数のトランジスタセルＴＣが形成されている。第１水平方向に沿ったトレンチゲート構造１５０が長手方向に延在する長さを、第１水平方向と直交する第２水平方向に沿った幅よりも長くすることができる。トレンチゲート構造１５０を、トランジスタセルエリアの一方の側から反対側まで延在する長いストリップとすることができる。別の実施形態によれば、複数の別個のトレンチゲート構造１５０を、トランジスタセルエリアの一方の側から反対側まで延在するラインに沿って配置することができ、または複数のトレンチゲート構造１５０によって、グリッドが形成されるようにしてもよく、この場合、グリッドの網目に半導体ボディ１００の一部分が形成されている。
複数のトレンチゲート構造１５０を等間隔に配置することができ、それらが等しい幅を有することができ、さらにそれらによって規則的なパターンが形成されるようにすることができ、この場合、トレンチゲート構造１５０のピッチ（中央から中央）を、１μｍ〜１０μｍの範囲とすることができ、たとえば２μｍ〜５μｍの範囲とすることができる。トレンチゲート構造１５０が垂直方向に延在する長さを、０．３μｍ〜５μｍの範囲とすることができ、たとえば０．５μｍ〜２μｍの範囲とすることができる。
トレンチゲート構造１５０は、導電性のゲート電極１５５を含んでおり、このゲート電極１５５は、高濃度でドーピングされた多結晶シリコン層または金属含有層を含むことができ、あるいは多結晶シリコン層または金属含有層から成るようにすることができる。トレンチゲート構造１５０はさらに、ゲート電極１５５を半導体ボディ１００から分離するゲート誘電体１５１を含んでいる。ゲート誘電体１５１は、半導体誘電体を含むことができ、または半導体誘電体から成るようにすることができ、半導体誘電体の例を挙げると、熱成長または堆積させた半導体酸化物たとえば酸化ケイ素、半導体窒化物たとえば堆積または熱成長させた窒化ケイ素、半導体酸窒化物たとえば酸窒化ケイ素、他の任意の堆積させた誘電体材料、あるいはこれらの任意の組み合わせである。１．５Ｖ〜６Ｖの範囲のトランジスタセルＴＣの閾値電圧のために、ゲート誘電体１５１を形成することができる。トレンチゲート構造１５０の終端部分では、ゲート誘電体１５１をトランジスタセルの活性部分１７０よりも厚くすることができ、これによってデバイスの信頼性を向上させることができる。１つの実施形態によれば、この終端部分を酸化ケイ素などのような誘電体材料によって完全に充填することができる。
隣り合うトレンチゲート構造１５０間における半導体ボディ１００のメサ部のすべてまたはいくつかによって、トランジスタセルＴＣの半導体部分を含むトランジスタメサ部１７０が形成される。これらのメサ部分には、ボディダイオードの少なくとも一部分を含むダイオードメサ部も含むことができる。
トランジスタメサ部１７０には、表側に向いたソースゾーン１１０が含まれており、このゾーンを第１表面１０１とじかに隣接させることができる。各トランジスタメサ部１７０において、１つまたは２つのソースゾーン１１０が、隣り合う２つのトレンチゲート構造１５０とじかに隣接している。たとえば、トランジスタメサ部１７０は、２つの隔てられたソースゾーン１１０を含むことができ、これらのソースゾーン１１０は、間に位置するメサコンタクト構造のそれぞれ反対側において、隣り合うトレンチゲート構造１５０のうちの１つと、メサコンタクト構造との間に延在している。別の実施形態によればソースゾーン１１０を、関与するトランジスタメサ部１７０と隣り合ったトレンチゲート構造１５０の一方から、他方の反対側のトランジスタゲート構造１５０まで、延在させることができる。
トランジスタメサ部１７０にはさらに、ソースゾーン１１０をドリフト構造１２０から分離するボディゾーン１１５が含まれており、この場合、これらのボディゾーン１１５は、ドリフト構造１２０とともに第１ｐｎ接合部ｐｎ１を形成しており、ソースゾーン１１０と第２ｐｎ接合部ｐｎ２を形成している。ボディゾーン１１５が垂直方向に延在する長さは、トランジスタセルＴＣのチャネル長に対応し、０．２μｍ〜１．５μｍの範囲とすることができる。
各ボディゾーン１１５を、関与するトランジスタメサ部１７０と隣接するトレンチゲート構造１５０の一方から、他方の反対側のトレンチゲート構造１５０まで、延在させることができ、または２つのボディゾーン１１５を、介在するメサコンタクト構造のそれぞれ反対側において、このメサコンタクト構造と、隣接するトレンチゲート構造１５０のうちの１つとの間に、延在させることができる。ボディゾーン１１５の一部分は、ゲート誘電体１５１を介してゲート電極１５５と容量結合されている。
第１ｐｎ接合部ｐｎ１と第２ｐｎ接合部ｐｎ２の双方を、トランジスタメサ部１７０の幅全体にわたり、関与するトランジスタメサ部１７０を挟む２つのトレンチゲート構造１５０の間に延在させることができる。ソースゾーン１１０とボディゾーン１１５の双方は、表側で第１負荷電極３１０と電気的に接続されている。
半導体ボディ１００はさらにダイオード領域１１６を含むことができ、この領域はドリフト構造１２０とともに第３ｐｎ接合部ｐｎ３を形成している。ダイオード領域１１６は、第１負荷電極３１０と電気的に接続または結合されており、ダイオード領域１１６の一部分がトレンチゲート構造１５０の垂直方向突出部分に形成されるように、ダイオード領域１１６をトレンチゲート構造１５０とオーバラップさせることができる。隣り合う各ダイオード領域１１６の対向するエッジ間の距離を、一例として２μｍ〜３μｍとすることができる。
ドリフト構造１２０は裏側に向いており、第２表面１０２とじかに隣接させることができ、オーミックコンタクトまたはさらに別のｐｎ接合部を介して、第２負荷電極３２０と電気的に接続または結合させることができる。ドリフト構造１２０は、低濃度でドーピングされたドリフトゾーン１２１を含むことができ、これによって第１ｐｎ接合部ｐｎ１と第３のｐｎ接合部ｐｎ３を形成することができ、さらにドリフト構造１２０は、ドリフトゾーン１２１と第２表面１０２との間に、高濃度でドーピングされたコンタクト層１２９を含むことができる。半導体ボディ１００が炭化ケイ素から成る場合、ドリフトゾーン１２１における正味ドーパント濃度を、１Ｅ１４ｃｍ−３〜３Ｅ１６ｃｍ−３の範囲にすることができる。
コンタクト層１２９における平均ドーパント濃度は、第２表面１０２とじかに隣り合う第２負荷電極３２０とのオーミックコンタクトを保証するのに十分な程度に高い。半導体デバイス５００が半導体ダイオードまたはＩＧＦＥＴである場合、コンタクト層１２９はドリフトゾーン１２１と同じ導電型を有する。半導体デバイス５００がＩＧＢＴである場合、コンタクト層１２９は、ドリフトゾーン１２１と相補的な導電型を有しており、または相補的な導電型のゾーンを含んでいる。
第１および第２の負荷電極３１０，３２０の各々は、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、またはアルミニウムまたは銅の合金たとえばＡｌＳｉ，ＡｌＣｕまたはＡｌＳｉＣｕから成るか、主成分としてこれらを含むことができる。別の実施形態によれば、第１および第２の負荷電極３１０，３２０の少なくとも一方は、主成分として、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、バナジウム（Ｖ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、スズ（Ｓｎ）、白金（Ｐｔ）、および／またはパラジウム（Ｐｄ）を含むことができる。第１および第２の負荷電極３１０，３２０の一方または両方は、２つまたはそれよりも多くの副層を含むことができ、これらの副層各々は、Ｎｉ，Ｔｉ，Ｖ，Ａｇ，Ａｕ，Ｗ，Ｓｎ，Ｐｔ，Ｐｄのうちの１つまたは複数を主成分として含み、たとえばケイ化物、窒化物、および／または合金を含む。
第１負荷電極３１０によって第１負荷端子Ｌ１を形成することができ、または第１負荷電極３１０を、第１負荷端子Ｌ１と電気的に接続または結合することができ、この端子をＭＣＤのアノード端子、ＩＧＦＥＴのソース端子、またはＩＧＢＴのエミッタ端子とすることができる。第２負荷電極３２０によって第２負荷端子Ｌ２を形成することができ、または第２負荷電極３２０を、第２負荷端子Ｌ２と電気的に接続または結合することができ、この端子をＭＣＤのカソード端子、ＩＧＦＥＴのドレイン端子、またはＩＧＢＴのコレクタ端子とすることができる。
１つの実施形態によれば、トランジスタセルＴＣは、ｐ型にドーピングされたボディゾーン１１５とｎ型にドーピングされたソースゾーン１１０とを有するｎチャネルＦＥＴセルであり、この場合、ダイオード領域１１６はｐ型にドーピングされ、ドリフトゾーン１２１はｎ型にドーピングされる。別の実施形態によれば、トランジスタセルＴＣは、ｎ型にドーピングされたボディゾーン１１５とｐ型にドーピングされたソースゾーン１１０とを有するｐチャネルＦＥＴセルであり、この場合、ダイオード領域１１６はｎ型にドーピングされ、ドリフトゾーン１２１はｐ型にドーピングされる。
ゲート電極１５５における電位が、半導体デバイス５００の閾値電圧を超えるか、または閾値電圧を下回ったならば、ボディゾーン１１５における小数電荷キャリアによって、ソースゾーン１１０をドリフトゾーン１２０と結合する反転チャネルが形成され、これによって半導体デバイス５００がターンオンする。オン状態の場合には負荷電流が半導体ボディ１００を、第１負荷電極３１０と第２負荷電極３２０との間でほぼ垂直方向に流れる。
図１Ａおよび図１Ｃに示されているように、第１表面１０１を、（０００１）結晶面であり長く平坦な第１表面セクション１０１ａと、短く急勾配の第２表面セクション１０１ｂとを有する、鋸歯状の表面とすることができ、第２表面セクション１０１ｂは、第１表面セクション１０１ａに対し０°よりも大きい角度たとえば約９０°で傾けられて、複数の第１表面セクション１０１ａを連結している。第２表面セクション１０１ｂを、＜１−１００＞結晶面とすることができる。第１表面セクション１０１ａと第２表面セクション１０１ｂとの間のエッジに沿って形成された段差１０８は、図１Ａに示されているように、＜１１―２０＞結晶方向に平行に延在している。
別の実施形態によれば、第１表面１０１を平坦にし、かつ主結晶面たとえば（０００１）結晶面に対し、少なくとも２°たとえば約４°または少なくとも−２°たとえば約−４°の軸外し角ないしはオフ角だけ、傾斜させることができる。この場合、最小二乗平均により求められた面によって規定された平均表面１０１ｘは、第１表面１０１と一致している。
鋸歯状の第１表面１０１は、＜１−１００＞結晶方向に対しオフ角αで結晶インゴットを切断することによって形成される。切断面と＜１−１００＞結晶方向との間のオフ角αを、２〜１２°または−２〜−１２°の範囲とすることができ、たとえば３〜８°または−３〜−８°の範囲とすることができる。１つの実施形態によれば、オフ角αは約４°または約−４°である。切断面を、第１表面１０１の平均表面１０１ｘと一致させることができ、または平均表面１０１ｘと平行である。段差１０８が等距離の場合、最小二乗平均により求められた面によって規定された平均表面１０１ｘは、第１表面セクション１０１ａおよび第２表面セクション１０１ｂと、それらの段差の半分の高さのところで交差している。
鋸歯状の基板表面によってステップ制御エピタキシーが促進され、このステップ制御エピタキシー中、ケイ素と炭素の原子が鋸歯状の基板表面に衝突し、各段差のところで順序に従い結晶成長が始まる。このエピタキシーのための基板として用いられる４Ｈ−ＳｉＣウェハの鋸歯状の基板表面に成長させたエピタキシャル層の最上面は、４Ｈ−ＳｉＣウェハ基板の鋸歯状の基板表面と同じような形状になっている。化学機械的研磨によって、鋸歯状の表面を平坦化することができ、パッシベーション層たとえば炭素層によって、後続の加熱プロセス中、ケイ素と炭素の原子が主結晶面に沿って再堆積するのを抑制することができる。
半導体ボディ１００の平均表面１０１ｘを、＜１１−２０＞結晶方向に対して傾斜させるのではなく、＜１−１００＞結晶方向に対して傾斜させることによって、およびトレンチゲート構造１５０を、＜１−１００＞結晶方向に沿った向きで延在させることによって、トレンチゲート構造１５０の長手方向軸は、平均表面１０１ｘ上への＜１−１００＞結晶方向の垂直方向投影に対し平行であり、かつ、＜１−１００＞結晶方向の垂直方向投影から５°を超えない程度にずれており、または最大で２°だけずれている。段差１０８と直交して延在するトレンチゲート構造１５０の側壁は、（１１−２０）および（−１１−１２０）結晶面であり、平均表面１０１ｘに対する法線すなわち垂直方向から、５°を超えない程度にずらされている。１つの実施形態によれば、図１Ｂに示されているように、側壁は平均表面１０１ｘに対し垂直に延在している。
両方の側壁に沿って電荷キャリア移動度は等しいので、ボディゾーン１１５を貫通するＭＯＳゲートチャネルを形成するために、対称のトランジスタセルのレイアウトとすることによって、トレンチゲート構造１５０の両側を利用することができる。プロセスが変動した結果、トレンチゲート構造１５０が僅かにテーパ状になって、５°に至るまで垂直方向からずれた側壁を有することになったとしても、トランジスタメサ部１７０の側壁と（１１−２０），（−１−１２０）結晶面との間に結果として生じた角度のずれは、電子の移動度と閾値電圧がトレンチゲート構造１５０の両側で同じである程度に、ほぼ等しい。その結果、トランジスタセルＴＣがターンオンしたとき、電流分布は半導体ボディ１００全体にわたって均一である。
図２には、（０００１）基底面またはＣ面に対し垂直な基本＜０００１＞結晶方向を有する、４Ｈ−ＳｉＣの六方晶の格子セルにおける結晶面と結晶方向が示されている。高い電荷キャリア移動度を有する結晶面は、｛１―１００｝結晶面またはＭ面と、｛１１―２０｝結晶面またはＡ面であり、この場合、｛１１―２０｝結晶面における電荷キャリア移動度は、｛１―１００｝結晶面の場合よりも約２０％高い。Ａ面は、（１１−２０），（１−２１０），（−２１１０），（２−１−１０），（−１２−１０）および（−１−１２０）結晶面を含む複数の面の集合の要素であり、以下の説明では、Ａ面のうち任意の１つの面として（１１−２０）結晶面を挙げることにする。
図３Ａおよび図３Ｂには、慣用の炭化ケイ素デバイスが示されている。一般にＳｉＣ半導体デバイスの表面は、＜１１―２０＞結晶方向に対し４°のオフ角αを有している。
たとえば４Ｈ−ＳｉＣ結晶インゴットは、ウェハ基板を得るために、＜１１−２０＞結晶方向に対し２°〜８°の範囲のオフ角で切断される。ウェハ基板の熱処理中、鋸歯状の表面が＜１１―２０＞結晶方向に平行な長い平坦な第１表面セクションによって形成されるように、ケイ素と炭素の原子が結晶方向に沿って再配列される。（１１−２０）結晶面とすることのできる短い急傾斜の第２表面セクションによって、第１表面セクション同士が連結されている。ステップ制御エピタキシーによって、エピタキシャル層が鋸歯状のウェハ表面で成長すると、第１表面セクションと第２表面セクションとの間の段差の周縁部によって、成長したエピタキシャル層が４Ｈ−ＳｉＣ結晶構造を維持し続けるように、衝突するケイ素と炭素の原子が整列させられる。
図３Ａには、上述のような処理により得られた半導体ボディにおいて、結果として生じた格子セルの配向が示されている。＜０００１＞結晶方向は、（１１−２０）結晶面の方向に傾いており、これらは両方とも水平線に対して傾斜している。
図３Ｂには、表側から半導体ボディ１００中に延在するトレンチゲート構造１５０が示されている。半導体ボディ１００の鋸歯状の第１表面１０１は、＜１１−２０＞結晶方向に平行な長く平坦な第１表面セクション１０１ａを含んでいる。（１１−２０）結晶面とすることのできる短い急傾斜の第２表面セクション１０１ｂによって、第１表面セクション１０１ａ同士が連結されている。第１表面１０１における段差を、＜１１−２０＞結晶方向に対しオフ角αだけ傾斜している平均表面１０１ｘに関して、ほぼ対称にすることができる。
トレンチゲート構造１５０は、最上面１０１ａまでの距離が増すにつれて、垂直方向に対しテーパ角βで先細りしている。テーパ角βとオフ角αが等しければ、トレンチゲート構造１５０の第１側壁１０４は（１１−２０）結晶面であるのに対し、反対側の第２側壁１０５は、（１１−２０）結晶面に対し角度のずれγ＝α＋βだけ、（１１−２０）結晶面に対し傾斜している。電子移動度と閾値電圧は、結晶の配向に大きく左右されるので、第２側壁１０５に沿って形成される反転チャネルは、第１側壁１０４に沿って形成される反転チャネルよりも、著しく作用が小さい。
これに加え、第１側壁１０４と第２側壁１０５が、段差がなく滑らであるのは、これらの側壁が延在する方向である水平方向が、（１１−２０）結晶面に対し完全に平行である場合だけである。この結晶面とトレンチゲート構造１５０の長手方向軸との間で僅かに角度がずれている個所では、第１側壁１０４と第２側壁１０５が（１１−２０）結晶面と交差する。トレンチ形成後に実施される高温のアニールによって、（１１−２０）結晶面からのトレンチ長手方向軸の偏差を補償する段差を形成することができる。他方、これらの段差によって、反転チャネルの特性が局所的に変化して、デバイスの信頼性が低下する可能性がある。
図４Ａ〜図４Ｃには、実施形態による結晶方向に対するトレンチゲート構造の配向が示されている。この場合、＜１１−２０＞結晶方向に対しオフ角αで傾斜させてウェハを切断するのではなく、＜１１−２０＞結晶方向と直交する＜１−１００＞結晶方向に対し所定のオフ角で傾斜させて、ウェハが切断される。換言すれば、従来では＜０００１＞結晶方向は、（１１−２０）結晶面の方向に傾斜していたのに対し、この実施形態は、＜１−１００＞結晶面の方向に傾斜した＜０００１＞結晶方向を有する結晶をベースとしている。
図４Ａには、上述のような処理により得られた半導体ボディにおいて、結果として生じた格子セルの配向が示されている。この格子セルは、見る側に向かって傾斜軸１０９を中心に傾斜しており、＜０００１＞結晶方向も（１―１００）結晶面も、見る側の方向へ図平面の外側に向かって傾斜している。（１１−２０）結晶面の配向は、図平面に直交したままである。
図４Ｂおよび図４Ｃに描かれているように、図１Ａ〜図１Ｄで示したようなトレンチゲート構造１５０とトランジスタメサ部１７０とを備えた半導体ボディ１００は、六方晶構造を有する単一の結晶材料のウェハから得られる。この場合、鋸歯状の第１表面１０１の平均表面１０１ｘは、＜１−１００＞結晶方向に対しオフ角αを有している。トレンチゲート構造１５０は、トランジスタメサ部１７０の垂直方向側壁が｛１１−２０｝結晶面たとえば（１１−２０）および（−１−１２０）結晶面であるように、＜１−１００＞結晶方向に沿って延在している。両方のトレンチゲートの側壁１０４，１０５が電荷キャリア移動度に関して同一であるように、側壁１０４，１０５は双方とも同じ表面特性を備えている。両方の側壁１０４，１０５に沿って電流密度は等しく、電流分布全体はいっそう均一である。トレンチゲート構造１５０に僅かなテーパがあるにせよ、先細りの作用は両方の側壁１０４，１０５において同じであり、プロセスの変動に起因して側壁１０４，１０５が僅かにテーパ状になったとしても、均一な電流分布を達成することができる。
図５Ａおよび図５Ｂの半導体デバイス５００は、図１Ａ〜図１Ｄの半導体デバイス５００をベースとする炭化ケイ素ＩＧＦＥＴであり、この場合、第１負荷電極３１０によってソース端子Ｓが形成されており、または第１負荷電極３１０は、ソース端子Ｓと電気的に接続または結合されており、第２負荷電極３２０によってドレイン端子Ｄが形成されており、または第２負荷電極３２０は、ドレイン端子Ｄと電気的に接続されている。
図５Ａによれば、基本＜０００１＞結晶方向は、図平面に対する垂線に対し僅かに傾斜している。＜１−１００＞結晶方向は、トレンチゲート構造１５０に平行に延在しており、オフ角αによって図平面に対し僅かに傾斜している。トランジスタメサ部１７０の垂直方向側壁は、（１１−２０）および（−１−１２０）結晶面のような｛１１−２０｝結晶面である。
図５Ｂによれば、＜０００１＞結晶方向は、図平面に対しオフ角αだけ傾斜しており、＜１−１００＞結晶方向は、図平面に対する垂線に対しオフ角αだけ傾斜している。
トレンチゲート構造１５０はストリップであり、それらのトレンチゲート構造１５０を、第１表面１０１における鋸歯状の各表面セクション間に形成可能な段差と、直交するように交差させることができる。別の実施形態によれば、第１表面１０１が平面であってもよい。トレンチゲート構造１５０を、互いに等間隔で配置することができ、均一な幅をもたせることができ、トランジスタセルエリアの一方の側から他方の側まで延在させることができる。メサコンタクト構造３０５は、第１表面１０１からトランジスタメサ部１７０まで延在している。図示の実施形態によれば、メサコンタクト構造３０５が垂直方向に延在する長さは、トレンチゲート構造１５０よりも長く、ダイオード領域１１６とじかに隣接している。この場合、ダイオード領域１１６は、トランジスタメサ部１７０と第２表面１０２との間において、トランジスタメサ部１７０の少なくとも垂直方向突出部分に形成されている。ダイオード領域１１６は、ドリフト構造１２０とともに第３ｐｎ接合部ｐｎ３を形成しており、半導体デバイス５００に機能的に組み込まれたフライバックダイオードを形成している。ダイオード領域１１６の一部分を、トレンチゲート構造１５０の垂直方向突出部分とオーバラップさせることができ、半導体デバイス５００の阻止状態において、第２負荷電極３２０の高い電位に対し、ゲート誘電体１５１の活性部分を遮蔽することができる。
ドリフト構造１２０は、電流拡散ゾーン１２２を含むことができ、このゾーンをボディゾーン１１５とじかに隣り合わせることができる。電流拡散ゾーン１２２を、隣接するダイオード領域１１６の間に延在させることができる。電流拡散ゾーン１２２とドリフトゾーン１２１との間のユニポーラホモ接合部は、ダイオード領域１１６とドリフトゾーン１２１との間に形成された第３ｐｎ接合部ｐｎ３よりも、第１表面まで長い距離を有することができる。電流拡散ゾーン１２２における平均正味ドーパント濃度は、ドリフトゾーン１２１における平均正味ドーパント濃度よりも、少なくとも１０倍高い。電流拡散ゾーン１２２の一部分を、ダイオード領域１１６の垂直方向突出部分とオーバラップさせることができ、隣り合うダイオード領域１１６の間に延在させることができる。
メサコンタクト構造３０５によってトランジスタメサ部１７０が、間に位置するメサコンタクト構造３０５の両側で２つの部分に分割され、この場合、各部分はトランジスタセルＴＣの半導体部分を含むことができる。別の実施形態によれば、メサコンタクト構造３０５が垂直方向に延在する長さを、メサコンタクト構造３０５がボディゾーン１１５を完全には分割しないように、トレンチゲート構造１５０が垂直方向に延在する長さよりも短くしてもよい。このようにした場合、ダイオード領域１１６の導電型の高濃度にドーピングされたコンタクト領域を、メサコンタクト構造３０５の垂直方向突出部分に形成することができ、これによって関与するダイオード領域１１６がメサコンタクト構造３０５を介して第１負荷電極３１０と電気的に接続されるようになる。
第１負荷電極３１０とゲート電極１５５との間に挟まれた中間層誘電体２１０によって、第１負荷電極３１０がゲート電極１５５から誘電的に絶縁される。たとえば中間層誘電体２１０は、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、ドーピングされたまたはドーピングされていないケイ酸ガラス、たとえばＢＳＧ（ホウケイ酸ガラス）、ＰＳＧ（リンケイ酸ガラス）、またはＢＰＳＧ（ホウリンケイ酸ガラス）から成る１つまたは複数の誘電層を含むことができる。その他の詳細な点については、先に挙げた図面の説明を参照されたい。
図６Ａの場合、結晶方向は図５Ａと同じであり、図６Ｂの場合には図５Ｂと同じである。
この場合、ディープトレンチコンタクト構造３０６が、第１負荷電極３１０からトレンチゲート構造１５０を通って延在しており、トレンチゲート構造１５０の垂直方向突出部分に形成されたダイオード領域１１６とじかに隣接している。トレンチコンタクト構造３０６はトレンチゲート構造１５０を、間に位置するトレンチコンタクト構造３０６のそれぞれ反対側で、複数のスペーサ部分に分割している。トレンチコンタクト構造３０６と、ゲート電極１５５の隣接するスペーサ部分１５５ａ，１５５ｂとの間に、コンタクト絶縁構造２２０が挟まれている。これに加え、メサコンタクト構造３０５が、第１表面からトランジスタメサ部１７０まで延在しており、これはソースゾーン１１０と電気的に接続されており、さらに高濃度にドーピングされたコンタクトゾーン１１５ａを通って、ボディゾーン１１５まで延在している。
図７Ａ〜図７Ｄには、ダイオード領域１１６の遮蔽部分１１６ｂを備えた半導体デバイス５００が示されている。この遮蔽部分１１６ｂは、トランジスタメサ部１７０に対しセンタリングされた点対称の開口部を備えた層を形成しており、トランジスタメサ部１７０は、少なくとも第１水平方向に沿って、ダイオードメサ部１８０と交互に配置されている。
図７Ａの結晶方向の配向は、図５Ａおよび図６Ａと同じであり、図７Ｂの場合には図５Ｂおよび図６Ｂと同じである。
トランジスタメサ部１７０に加えて、半導体ボディ１００にはダイオードメサ部１８０が含まれており、この場合、各ダイオードメサ部には、ダイオード領域１１６の少なくとも一部分が含まれている。ダイオードメサ部１８０のダイオード領域１１６は、隣り合うトレンチゲート構造１５０の一方の側から他方の側まで延在している。ダイオード領域１１６は、隣り合う各トレンチゲート構造１５０の間に形成されたメサ部の外側の部分を含むことができ、この場合、ダイオード領域１１６が垂直方向に延在する長さは、トレンチゲート構造１５０が垂直方向に延在する長さよりも長い。ダイオード領域１１６を、垂直方向でトレンチゲート構造１５０とオーバラップさせることができ、これによればダイオード領域１１６の遮蔽部分１１６ｂが、トレンチゲート構造１５０の垂直方向突出部分に形成され、水平方向に沿ってトランジスタメサ部１７０から間隔をおいて配置されている。トランジスタメサ部１７０において、ソースゾーン１１０とボディゾーン１１５を両方とも、隣り合う１つのトレンチゲート構造１５０から反対側のトレンチゲート構造１５０まで、延在させることができる。
トランジスタメサ部１７０とダイオードメサ部１８０は、第１水平方向に沿って交互に配置されており、または図示されているように第１水平方向と第２水平方向の双方に沿って、交互に配置されている。隣り合うトランジスタとダイオードのメサ部１７０，１８０は、第１水平方向に沿って互いにじかに隣り合っており、第２水平方向に沿って間に位置するトレンチゲート構造１５０によって互いに隔てられている。
ダイオード領域１１６の遮蔽部分１１６ｂは、トレンチゲート構造１５０の底部と第２表面１０２との間で、１つの連続的な層を形成することができる。この連続的な層は、トランジスタメサ部１７０に対してセンタリングされた開口部１１７を有している。第１水平方向と直交する開口部１１７の幅ｚ１を、第１水平方向に沿った開口部１１７の幅ｚ２と等しくすることができる。
阻止モードの場合、４つの水平方向すべてからトランジスタメサ部１７０の方向に空乏ゾーンが広がり、これによって、阻止電圧に起因する高い電界からゲート誘電体１５１の活性部分が、効果的に遮蔽される。開口部を点対称とすることができ、たとえば正方形、八角形、または他の正多角形、または円とすることができる。さらに詳細な点に関しては、先に挙げた図面の説明を参照されたい。
これまで特定の実施形態について例示し説明してきたが、当業者であれば、本発明の範囲を逸脱することなく、ここで示し説明してきた特定の実施形態の代わりに、種々の択一的なおよび／または等価の実施形態を採用することができる。本明細書は、ここで説明した特定の実施形態のどのような適合化または変形であってもカバーすることを意図している。したがって本発明は、特許請求の範囲およびそれらと同等の事項によってのみ限定されることを意図している。
Claims (21)
- 半導体デバイスにおいて、
六方晶格子を有する半導体ボディ（１００）にトレンチゲート構造（１５０）が設けられており、
第１表面（１０１）の平均表面（１０１ｘ）は、＜１−１００＞結晶方向に対し所定のオフ角（α）だけ傾斜しており、
前記オフ角（α）の絶対値は、２°〜１２°の範囲にあり、前記トレンチゲート構造（１５０）は、前記＜１−１００＞結晶方向に沿った向きで延在しており、
隣り合ったトレンチゲート構造（１５０）の間に、前記半導体ボディ（１００）の一部分から成るトランジスタメサ部（１７０）が形成されており、
前記トランジスタメサ部（１７０）の側壁は、前記平均表面（１０１ｘ）に対する法線から、５°を超えない大きさで偏位し、
前記第１表面（１０１）は、（０００１）結晶面により形成された第１表面セクション（１０１ａ）と、（１−１００）結晶面により形成された第２表面セクション（１０１ｂ）であって、前記第１表面セクション（１０１ａ）に対し傾斜した第２表面セクション（１０１ｂ）と、から成る、
半導体デバイス。 - 前記第１表面（１０１）は、鋸歯状の面であり、前記鋸歯状の面は、前記第１表面セクション（１０１ａ）と、前記第２表面セクション（１０１ｂ）と、から成り、前記第２表面セクション（１０１ｂ）によって、前記第１表面セクション（１０１ａ）が互いに連結されている、
請求項１記載の半導体デバイス。 - 前記オフ角（α）は、３°〜８°または−３°〜−８°の範囲にある、
請求項１または２記載の半導体デバイス。 - 前記トレンチゲート構造（１５０）は、前記平均表面上への＜１−１００＞結晶方向の投影に平行な長手方向軸を有するストリップ形状である、
請求項１から３のいずれか１項記載の半導体デバイス。 - 前記半導体ボディ（１００）は、４Ｈポリタイプの炭化ケイ素を有する、
請求項１から４のいずれか１項記載の半導体デバイス。 - 前記トランジスタメサ部（１７０）は、ボディゾーン（１１５）を有しており、
前記ボディゾーン（１１５）は、ドリフト構造（１２０）とともに第１ｐｎ接合部（ｐｎ１）を形成し、ソースゾーン（１１０）とともに第２ｐｎ接合部（ｐｎ２）を形成し、
前記ソースゾーン（１１０）は、前記ボディゾーン（１１５）と前記第１表面（１０１）との間に形成されている、
請求項１から５のいずれか１項記載の半導体デバイス。 - ダイオード領域（１１６）が設けられており、前記ダイオード領域（１１６）は、前記ドリフト構造（１２０）とともに第３ｐｎ接合部（ｐｎ３）を形成しており、前記平均表面（１０１ｘ）と直交する垂直方向突出部分において隣り合うトレンチゲート構造（１５０）とオーバラップしている、
請求項６記載の半導体デバイス。 - メサコンタクト構造（３０５）が設けられており、前記メサコンタクト構造（３０５）は、前記平均表面（１０１ｘ）から前記トランジスタメサ部（１７０）内に延在し、前記ソースゾーン（１１０）および前記ボディゾーン（１１５）にじかに隣接している、
請求項６または７記載の半導体デバイス。 - 前記半導体ボディ（１００）における前記メサコンタクト構造（３０５）が垂直方向に延在する長さは、前記トレンチゲート構造（１５０）が垂直方向に延在する長さと等しいか、または前記長さよりも長い、
請求項８記載の半導体デバイス。 - トレンチコンタクト構造（３０６）が設けられており、前記トレンチコンタクト構造（３０６）は、前記第１表面（１０１）から前記トレンチゲート構造（１５０）を通って、前記ダイオード領域（１１６）にじかに隣接している、
請求項７記載の半導体デバイス。 - 前記トレンチコンタクト構造（３０６）が垂直方向に延在する長さは、前記トレンチゲート構造（１５０）が垂直方向に延在する長さと等しいか、または前記長さよりも長い、
請求項１０記載の半導体デバイス。 - 前記トレンチゲート構造（１５０）は、個々のトレンチコンタクト構造（３０６）のそれぞれ反対側に、ゲート電極の第１スペーサ部分（１５５ａ）と第２スペーサ部分（１５５ｂ）とを含んでいる、
請求項１０または１１記載の半導体デバイス。 - メサコンタクト構造（３０５）が設けられており、前記メサコンタクト構造（３０５）は、前記平均表面（１０１ｘ）から前記トランジスタメサ部（１７０）内に延在し、前記ソースゾーン（１１０）および前記ボディゾーン（１１５）にじかに隣接している、
請求項１０から１２のいずれか１項記載の半導体デバイス。 - ダイオードメサ部（１８０）が設けられており、前記ダイオードメサ部（１８０）は、少なくとも、前記ドリフト構造（１２０）とともに第３ｐｎ接合部（ｐｎ３）を形成し、隣り合う２つのトレンチゲート構造（１５０）とそれぞれじかに隣接しているダイオード領域（１１６）の部分を含んでおり、
前記トランジスタメサ部（１７０）と前記ダイオードメサ部（１８０）とは、前記トレンチゲート構造（１５０）の長手方向軸に平行な第１水平方向に少なくとも沿って、交互に配置されている、
請求項６項記載の半導体デバイス。 - 前記第１表面（１０１）と前記第３ｐｎ接合部（ｐｎ３）との間の距離は、前記第１表面（１０１）に対し垂直な前記トレンチゲート構造（１５０）が垂直方向に延在する長さよりも長い、
請求項１４記載の半導体デバイス。 - 前記ダイオード領域（１１６）は、前記トレンチゲート構造（１５０）の、前記第１表面（１０１）に対し垂直な突出部分に、遮蔽部分（１１６ｂ）を含んでいる、
請求項１４または１５記載の半導体デバイス。 - 前記遮蔽部分（１１６ｂ）は、前記トランジスタメサ部（１７０）とオーバラップしていない、
請求項１６記載の半導体デバイス。 - 前記トランジスタメサ部（１７０）と前記ダイオードメサ部（１８０）とはさらに、前記第１水平方向と直交する第２水平方向に沿って、前記トレンチゲート構造（１５０）により隔てられて、交互に配置されている、
請求項１４から１７のいずれか１項記載の半導体デバイス。 - 前記ドリフト構造（１２０）は、低濃度でドーピングされたドリフトゾーン（１２１）と、前記ドリフトゾーン（１２１）と前記ボディゾーン（１１５）との間に配置された電流拡散ゾーン（１２２）と、を有しており、前記電流拡散ゾーン（１２２）の平均正味ドーパント濃度は、前記ドリフトゾーン（１２１）の平均正味ドーパント濃度の少なくとも２倍高い、
請求項６から１８のいずれか１項記載の半導体デバイス。 - 前記トランジスタメサ部（１７０）の側壁は、（１１−２０）結晶面である、
請求項１から１９のいずれか１項記載の半導体デバイス。 - 前記第１表面（１０１）は、平坦である、
請求項１記載の半導体デバイス。
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