JP6708530B2 - 炭化珪素半導体装置 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、炭化珪素半導体装置に関する。

特許文献１は、オフ角を有する炭化珪素の半導体基板を備える炭化珪素半導体装置を開示する。特許文献１に開示されるように、この種の炭化珪素半導体装置では、動作したときに半導体基板内に注入されたキャリアの再結合エネルギーによって、積層欠陥（ＳＳＦ）が基底面転位（ＢＰＤ）から基底面内を拡張して形成されることが知られている。

特開２０１５−２２７７号公報

炭化珪素半導体装置は、半導体基板の表面から深部に向けて伸びる複数の絶縁トレンチゲートを備えることが多い。このような絶縁トレンチゲートでは、ゲート電極が存在する深さに対応した側方の部分に反転層が形成される。積層欠陥が、このような反転層が形成される部分にまで拡張すると、炭化珪素半導体装置の電気的特性が大きく変動してしまう。このため、このような事態に対策する技術が必要とされている。

本明細書が開示する炭化珪素半導体装置は、オフ角を有する炭化珪素の半導体基板と、半導体基板の表面から深部に向けて伸びる複数の絶縁トレンチゲートと、を備える。本明細書が開示する炭化珪素半導体装置としては、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）及びＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が例示される。絶縁トレンチゲートは、ゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜を介して半導体基板に対向するゲート電極と、を有する。絶縁トレンチゲートは、半導体基板の表面に対して直交する方向から見たときに、半導体基板の基底面に対して平行な方向が長手方向となるように伸びている。隣り合う絶縁トレンチゲートの側面間の距離をＤ１とし、ゲート電極の底面から絶縁トレンチゲートの底面までの距離をＤ２とし、オフ角をθとしたときに、Ｄ１×tanθ＜Ｄ２の関係が成立する。

上記関係が成立する炭化珪素半導体装置では、積層欠陥が基底面を拡張して形成されたとしても、ゲート電極の底面から絶縁トレンチゲートの底面までに存在するゲート絶縁膜によって積層欠陥が遮られることにより、絶縁トレンチゲートのうちのゲート電極が存在する深さまで積層欠陥が拡張することが抑えられる。このため、上記関係が成立する炭化珪素半導体装置では、積層欠陥によって電気的特性が大きく変動することが抑えられる。

本明細書が開示する炭化珪素半導体装置の半導体基板の要部断面図を模式的に示しており、図２のI-I線に対応した断面図である。 本明細書が開示する炭化珪素半導体装置の半導体基板の要部断面図を模式的に示しており、図１のII-II線に対応した断面図である。 半導体基板内に形成される基底面転位（ＢＰＤ）と積層欠陥（ＳＳＦ）を説明する図である。 本明細書が開示する炭化珪素半導体装置のレイアウトの特徴を説明する図である。 本明細書が開示する変形例の炭化珪素半導体装置の半導体基板の要部断面図を模式的に示しており、図６のV-V線に対応した断面図である。 本明細書が開示する変形例の炭化珪素半導体装置の半導体基板の要部断面図を模式的に示しており、図５のVI-VI線に対応した断面図である。 本明細書が開示する変形例の炭化珪素半導体装置のレイアウトの特徴を説明する図である。

図１及び図２に、炭化珪素半導体装置１の要部断面図を模式的に示す。以下では、半導体基板１０の厚み方向をｚ方向といい、半導体基板１０の表面１０ａに平行な一方向をｘ方向といい、ｘ方向とｚ方向に対して直交する方向をｙ方向という。

図１に示されるように、炭化珪素半導体装置１は、ＭＯＳＦＥＴと称されるパワー半導体素子であり、半導体基板１０、半導体基板１０の裏面１０ｂを被覆するドレイン電極２２、半導体基板１０の表面１０ａを被覆するソース電極２４及び半導体基板１０の表面から深部に向けて伸びるトレンチ内に設けられている複数の絶縁トレンチゲート３０を備える。図２に示されるように、絶縁トレンチゲート３０は、半導体基板１０の表面１０ａに対して直交する方向（ｚ方向）から見たときに（以下、「平面視したときに」という）、ｙ方向が長手方向となるように伸びている。複数の絶縁トレンチゲート３０は、ｘ方向に並んでストライプ状に配置されている。

半導体基板１０は、４Ｈの炭化珪素を材料とする炭化珪素基板であり、表面１０ａの結晶面が（０００１）のＳｉ面に対してオフ角だけ傾斜している。オフ角は、例えば４°である。半導体基板１０は、ｎ⁺型のドレイン領域１１、ｎ^-型のドリフト領域１２、ｐ型のボディ領域１３、ｐ⁺型のボディコンタクト領域１４及びｎ⁺型のソース領域１５を有する。

ドレイン領域１１は、半導体基板１０の裏層部に配置されており、半導体基板１０の裏面１０ｂに露出する。ドレイン領域１１は、後述するドリフト領域１２がエピタキシャル成長するための下地基板でもある。ドレイン領域１１は、半導体基板１０の裏面１０ｂを被膜するドレイン電極２２にオーミック接触する。

ドリフト領域１２は、ドレイン領域１１上に設けられている。ドリフト領域１２は、エピタキシャル成長技術を利用して、ドレイン領域１１の表面から結晶成長して形成される。ドリフト領域１２の不純物濃度は、半導体基板１０の厚み方向に一定である。

ボディ領域１３は、ドリフト領域１２上に設けられており、半導体基板１０の表層部に配置されている。ボディ領域１３は、イオン注入技術を利用して、半導体基板１０の表層部にアルミニウムを導入して形成される。

ボディコンタクト領域１４は、ボディ領域１３上に設けられており、半導体基板１０の表層部に配置されており、半導体基板１０の表面１０ａに露出する。ボディコンタクト領域１４は、イオン注入技術を利用して、半導体基板１０の表層部にアルミニウムを導入して形成される。ボディコンタクト領域１４は、半導体基板１０の表面１０ａを被膜するソース電極２４にオーミック接触する。

ソース領域１５は、ボディ領域１３上に設けられており、半導体基板１０の表層部に配置されており、半導体基板１０の表面１０ａに露出する。ソース領域１５は、ボディ領域１３によってドリフト領域１２から隔てられている。ソース領域１５は、絶縁トレンチゲート３０の側面に接する。ソース領域１５は、イオン注入技術を利用して、半導体基板１０の表層部に窒素又はリンを導入して形成される。ソース領域１５は、半導体基板１０の表面１０ａを被膜するソース電極２４にオーミック接触する。

絶縁トレンチゲート３０は、半導体基板１０の表層部に形成されているトレンチ内に充填されており、ソース領域１５とボディ領域１３を貫通してドリフト領域１２に達する。絶縁トレンチゲート３０は、側部ゲート絶縁膜３２、底部ゲート絶縁膜３４及びゲート電極３６を有する。側部ゲート絶縁膜３２は、ゲート電極３６の側方に配置されており、ゲート絶縁膜のうちのゲート電極３６が存在する深さに対応して配置されている部分をいう。底部ゲート絶縁膜３４は、ゲート電極の下方に配置されており、ゲート絶縁膜のうちのゲート電極３６よりも深い位置に対応して配置されている部分をいう。側部ゲート絶縁膜３２及び底部ゲート絶縁膜３４は、酸化シリコンである。ゲート電極３６は、側部ゲート絶縁膜３２と底部ゲート絶縁膜３４を介して半導体基板１０に対向する。ゲート電極３６は、不純物を含むポリシリコンである。なお、絶縁トレンチゲート３０の底面に接するように、電界緩和用のｐ型の半導体領域が形成されていてもよい。

次に、図１を参照し、炭化珪素半導体装置１の動作を説明する。ドレイン電極２２に正電圧が印加され、ソース電極２４が接地され、絶縁トレンチゲート３０のゲート電極３６にソース電極２４よりも正となる電圧が印加されていると、炭化珪素半導体装置１はオンである。このとき、ソース領域１５とドリフト領域１２を隔てるボディ領域１３のうちの絶縁トレンチゲート３０の側面、即ち、側部ゲート絶縁膜３２の側方の部分に反転層が形成される。ソース領域１５から供給される電子は、その反転層を経由してドリフト領域１２に達する。ドリフト領域１２に達した電子は、ドリフト領域１２を経由してドレイン領域１１に流れる。ドレイン電極２２に正電圧が印加され、ソース電極２４が接地され、絶縁トレンチゲート３０のゲート電極３６が接地されていると、炭化珪素半導体装置１はオフである。なお、炭化珪素半導体装置１は、ボディ領域１３とドリフト領域１２で構成されるｐｎダイオード構造を有する。炭化珪素半導体装置１は、このｐｎダイオード構造を還流ダイオードとして動作させるように構成されている。このｐｎダイオード構造が動作するモードでは、ドリフト領域１２内に電子と正孔が注入される。

図３に、半導体基板１０内に形成される基底面転位（ＢＰＤ）と積層欠陥（ＳＳＦ）を示す。図３では、基底面である（０００１）面を露出して図示している。基底面である（０００１）面は、オフ角θだけ半導体基板１０の表面に対して傾斜している。ここで、絶縁トレンチゲート３０の長手方向（ｙ方向）は、基底面である（０００１）面に対して平行に伸びている。より具体的には、絶縁トレンチゲート３０の長手方向（ｙ方向）は、基底面である（０００１）面と絶縁トレンチゲート３０の側面の交差線３０ａに対して平行である。

上記したように、ドリフト領域１２は、結晶成長技術を利用してドレイン領域１１上に成長して形成される。このとき、基底面内を伸びる基底面転位（ＢＰＤ）が形成される。さらに、炭化珪素半導体装置１のｐｎダイオード構造を動作させたときに、半導体基板１０内に注入されたキャリアの再結合エネルギーによって、基底面転位（ＢＰＤ）から積層欠陥（ＳＳＦ）が基底面内を拡張する。

次に、図４を参照して、炭化珪素半導体装置１のレイアウトの特徴を示す。ここで、隣り合う絶縁トレンチゲート３０の側面間のｘ方向に沿った距離をＤ１とし、ゲート電極３６の底面に対応する深さから絶縁トレンチゲート３０の底面に対応する深さまでｚ方向に沿った距離をＤ２とし、半導体基板１０のオフ角をθとする。炭化珪素半導体装置１では、Ｄ１×tanθ＜Ｄ２の関係が成立するように構成されている。

前記したように、積層欠陥（ＳＳＦ）は、基底面内を拡張して形成される。このため、Ｄ１×tanθ＜Ｄ２の関係が成立していると、積層欠陥（ＳＳＦ）は、ゲート電極３６の底面から絶縁トレンチゲート３０の底面までに存在する底部ゲート絶縁膜３４によって遮られることにより、ゲート電極３６が存在する深さ、即ち側部ゲート絶縁膜３２にまで達することが抑えられる。このため、Ｄ１×tanθ＜Ｄ２が成立する炭化珪素半導体装置１では、積層欠陥（ＳＳＦ）が反転層にまで達することが抑えられるので、電気的特性が大きく変動することが抑えられる。

（変形例）
図５及び図６に、変形例の炭化珪素半導体装置２の断面図を模式的に示す。なお、上記した炭化珪素半導体装置１と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

炭化珪素半導体装置２は、絶縁トレンチ４０をさらに備えることを特徴とする。絶縁トレンチ４０は、半導体基板１０の表層部に形成されているトレンチ内に充填されており、隣り合う絶縁トレンチゲート３０の間に配置されている。絶縁トレンチ４０は、ボディコンタクト領域１４とボディ領域１３を貫通してドリフト領域１２に達する。絶縁トレンチ４０は、酸化シリコンである。なお、絶縁トレンチ４０の底面に接するように、電界緩和用のｐ型の半導体領域が形成されていてもよい。

次に、図７を参照して、炭化珪素半導体装置２のレイアウトの特徴を示す。ここで、絶縁トレンチ４０の側面と絶縁トレンチゲート３０の側面の間のｘ方向に沿った距離をＤ３とし、ゲート電極３６の底面に対応する深さから絶縁トレンチ４０の底面に対応する深さまでのｚ方向に沿った距離をＤ４とし、半導体基板１０のオフ角をθとする。炭化珪素半導体装置２では、Ｄ３×tanθ＜Ｄ４の関係が成立するように構成されている。

Ｄ３×tanθ＜Ｄ４の関係が成立していると、積層欠陥（ＳＳＦ）は、絶縁トレンチ４０によって遮られることにより、ゲート電極３６が存在する深さ、即ち側部ゲート絶縁膜３２にまで達することが抑えられる。このため、Ｄ３×tanθ＜Ｄ４が成立する炭化珪素半導体装置２では、積層欠陥（ＳＳＦ）が反転層にまで達することが抑えられるので、電気的特性が大きく変動することが抑えられる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１：炭化珪素半導体装置
１０：半導体基板
１１：ドレイン領域
１２：ドリフト領域
１３：ボディ領域
１４：ボディコンタクト領域
１５：ソース領域
２２：ドレイン電極
２４：ソース電極
３０：絶縁トレンチゲート
３２：側部ゲート絶縁膜
３４：底部ゲート絶縁膜
３６：ゲート電極

Claims (1)

1. オフ角を有する炭化珪素の半導体基板と、
   前記半導体基板の表面から深部に向けて伸びる複数の絶縁トレンチゲートと、を備えており、
   前記絶縁トレンチゲートは、
   ゲート絶縁膜と、
   前記ゲート絶縁膜を介して前記半導体基板に対向するゲート電極と、を有しており、
   前記半導体基板の前記表面に対して直交する方向から見たときの前記絶縁トレンチゲートの長手方向は、前記半導体基板の基底面に対して平行な方向に伸びており、
   隣り合う前記絶縁トレンチゲートの側面間の距離をＤ１とし、前記ゲート電極の底面から前記絶縁トレンチゲートの底面までの距離をＤ２とし、前記オフ角をθとしたときに、Ｄ１×tanθ＜Ｄ２の関係が成立する、炭化珪素半導体装置。