JP6843561B2 - Semiconductor devices and power converters - Google Patents
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本発明は、パワー半導体デバイスにより構成される半導体装置およびその製造方法、並びに電力変換装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device composed of a power semiconductor device, a method for manufacturing the same, and a power conversion device.
本技術分野の背景技術として、国際特許公開WO 2010/110246号(特許文献1)、特開2015−15464号公報(特許文献2)および国際特許公開WO 2015/177914号(特許文献3)がある。 As background technologies in this technical field, there are International Patent Publication WO 2010/11246 (Patent Document 1), Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-15464 (Patent Document 2), and International Patent Publication WO 2015/177914 (Patent Document 3). ..
国際特許公開WO 2010/110246号(特許文献1)には、半導体層に、その表面から掘り下げることにより、互いに隣り合う2つのソース領域の間に跨るトレンチが形成され、ゲート絶縁膜により、トレンチの内面が被覆され、ゲート電極は、半導体層の表面に対向する表面対向部およびトレンチに埋設された埋設部を有した半導体装置が記載されている。 In International Patent Publication WO 2010/11246 (Patent Document 1), a trench is formed in the semiconductor layer by digging from the surface thereof, and a trench straddling between two source regions adjacent to each other is formed. A semiconductor device having an inner surface coated and a gate electrode having a surface facing portion facing the surface of the semiconductor layer and a buried portion embedded in a trench is described.
特開2015−15464号公報(特許文献2)には、(0001)配向SiC基板上に配置された炭化ケイ素(SiC)ドリフト層を含む半導体素子が記載されている。SiCドリフト層は、半導体素子のチャネル長に対して平行に配向した複数の反復形状を含む非平面の表面を有し、チャネル領域は、SiCドリフト層の特定の結晶面内に配置されている。 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2015-15464 (Patent Document 2) describes a semiconductor device including a silicon carbide (SiC) drift layer arranged on a (0001) oriented SiC substrate. The SiC drift layer has a non-planar surface containing a plurality of repeating shapes oriented parallel to the channel length of the semiconductor device, and the channel region is arranged in a specific crystal plane of the SiC drift layer.
国際特許公開WO 2015/177914号(特許文献3)には、ソース領域とボディ層と電流拡散層とに延在し、ボディ層よりも浅く、底面がボディ層に接しているトレンチと、トレンチの内壁に形成されているゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に形成されているゲート電極と、を有する半導体装置が記載されている。 According to International Patent Publication WO 2015/177914 (Patent Document 3), a trench extending to the source region, the body layer, and the current diffusion layer, shallower than the body layer, and having the bottom surface in contact with the body layer, and a trench. A semiconductor device having a gate insulating film formed on an inner wall and a gate electrode formed on the gate insulating film is described.
パワー半導体デバイスにより構成される半導体装置では、短チャネル効果を抑制しながら、チャネル寄生抵抗を下げる必要がある。その有効な手段としてボディ層の一部にトレンチを形成し、新たに電流拡散層をJFET領域の上部に形成する方法があるが(例えば特許文献3参照)、オフ時にJFET領域において等電位線が歪むなどの問題があり、パワー半導体デバイスにおける更なる改良が必要であった。 In a semiconductor device composed of a power semiconductor device, it is necessary to reduce the channel parasitic resistance while suppressing the short channel effect. As an effective means for this, there is a method in which a trench is formed in a part of the body layer and a new current diffusion layer is formed in the upper part of the JFET region (see, for example, Patent Document 3). There were problems such as distortion, and further improvements in power semiconductor devices were needed.
上記課題を解決するために、本発明の半導体装置は、n−型のエピタキシャル層の上面からn−型のエピタキシャル層に形成されたp型の第1ボディ層と、n−型のエピタキシャル層の上面からp型の第1ボディ層内に形成されたn++型のソース領域と、を有する。さらに、n++型のソース領域と離間し、かつ、n−型のエピタキシャル層とp型の第1ボディ層との界面を跨いでn−型のエピタキシャル層の上面からp型の第1ボディ層よりも浅く形成されたn+型の電流拡散層と、n+型の電流拡散層の直下にp型の第1ボディ層よりも浅く形成されたp型の第2ボディ層と、を有する。さらに、n++型のソース領域、p型の第1ボディ層およびn+型の電流拡散層に亘って延在するトレンチ、を有する。そして、トレンチの深さは、p型の第1ボディ層の深さよりも浅く、トレンチの内部にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極は、平面視においてp型の第1ボディ層およびp型の第2ボディ層からなる領域の内側に設けられている。 In order to solve the above problems, a semiconductor device of the present invention, n - from the upper surface of the mold of the epitaxial layer n - -type and a first body layer p-type formed in the epitaxial layer, the n - -type epitaxial layer of It has an n ++ type source region formed in the p-type first body layer from the upper surface. Moreover, apart from the n ++ -type source region, and, n - across the interface between the type epitaxial layer and the p-type first body layer of the n - -type first body layer of p-type from the upper surface of the epitaxial layer It has an n + type current diffusion layer formed shallower than the n + type current diffusion layer and a p type second body layer formed shallower than the p type first body layer immediately below the n + type current diffusion layer. In addition, it has an n ++ type source region, a p-type first body layer and a trench extending over the n + type current diffusion layer. The depth of the trench is shallower than the depth of the p-type first body layer, and the gate electrode provided inside the trench via the gate insulating film is the p-type first body layer and p in a plan view. It is provided inside the region consisting of the second body layer of the mold.
本発明によれば、高性能で、かつ高信頼性を有する半導体装置を提供することができる。さらに、電力変換装置の高性能化を実現することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device having high performance and high reliability. Further, it is possible to realize high performance of the power conversion device.
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。 Issues, configurations and effects other than those described above will be clarified by the following description of embodiments.
なお、以下の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、断面図および平面図において、各部位の大きさは実デバイスと対応するものではなく、図面を分かりやすくするため、特定の部位を相対的に大きく表示する場合がある。また、断面図と平面図とが対応する場合においても、図面を分かりやすくするため、特定の部位を相対的に大きく表示する場合がある。また、断面図であっても図面を見易くするためにハッチングを省略する場合もあり、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。 In addition, in all the drawings for explaining the following embodiments, those having the same function are, in principle, given the same reference numerals, and the repeated description thereof will be omitted. Further, in the cross-sectional view and the plan view, the size of each part does not correspond to the actual device, and a specific part may be displayed relatively large in order to make the drawing easy to understand. Further, even when the cross-sectional view and the plan view correspond to each other, a specific portion may be displayed in a relatively large size in order to make the drawing easy to understand. Further, even if it is a cross-sectional view, hatching may be omitted to make the drawing easier to see, and even if it is a plan view, hatching may be added to make the drawing easier to see.
まず、本実施の形態による半導体装置の構造が明確となると思われるため、本発明者らが見出した半導体装置において生じる課題について、以下に詳細に説明する。 First, since it is considered that the structure of the semiconductor device according to the present embodiment will be clarified, the problems that occur in the semiconductor device found by the present inventors will be described in detail below.
パワー半導体デバイスの一つであるパワー金属絶縁膜半導体電界効果トランジスタ(MetalInsulator Semiconductor Field Effect Transistor:MISFET)において、従来は、珪素(Si)基板を用いたパワーMISFET(以下、SiパワーMISFETと記す)が主流であった。 In the power metal insulating film semiconductor field effect transistor (MISFET), which is one of the power semiconductor devices, conventionally, a power MISFET using a silicon (Si) substrate (hereinafter referred to as Si power MISFET) has been used. It was mainstream.
しかし、炭化珪素(SiC)基板(以下、SiC基板と記す)を用いたパワーMISFET(以下、SiCパワーMISFETと記す)はSiパワーMISFETと比較して、高耐圧化および低損失化が可能である。このため、省電力または環境配慮型のインバータ技術の分野において、特に注目が集まっている。 However, a power MISFET using a silicon carbide (SiC) substrate (hereinafter referred to as a SiC substrate) (hereinafter referred to as a SiC power MISFET) can have a higher withstand voltage and a lower loss than a Si power MISFET. .. For this reason, particular attention has been paid to the field of power saving or environment-friendly inverter technology.
SiCパワーMISFETは、SiパワーMISFETと比較して、同耐圧ではオン抵抗の低抵抗化が可能である。これは、炭化珪素(SiC)は、珪素(Si)と比較して絶縁破壊電界強度が約7倍と大きく、ドリフト層となるエピタキシャル層を薄くできることに起因する。しかし、炭化珪素(SiC)から得られるべき本来の特性から考えると、未だ十分な特性が得られているとは言えず、エネルギーの高効率利用の観点から、更なるオン抵抗の低減が望まれている。 Compared with the Si power MISFET, the SiC power MISFET can reduce the on-resistance with the same withstand voltage. This is because silicon carbide (SiC) has a dielectric breakdown electric field strength of about 7 times as large as that of silicon (Si), and the epitaxial layer serving as a drift layer can be made thinner. However, considering the original characteristics that should be obtained from silicon carbide (SiC), it cannot be said that sufficient characteristics have been obtained yet, and further reduction of on-resistance is desired from the viewpoint of highly efficient use of energy. ing.
DMOS(Double diffused Metal Oxide Semiconductor)構造のSiCパワーMISFETのオン抵抗に関して解決すべき課題の一つが、チャネル寄生抵抗である。チャネル寄生抵抗を低減するには、チャネル長を短くする短チャネル化が有効である。しかし、短チャネル化が進むと、短チャネル効果によりドレイン電圧に対するドレイン電流が十分に飽和しなくなる。このため、例えば対アームがターンオフ破壊した場合または誤パルスで短絡した場合に、高い飽和電流がSiCパワーMISFETに流れて、SiCパワーMISFETが破壊するという問題が生じる。 One of the problems to be solved regarding the on-resistance of the SiC power MISFET having a DMOS (Double diffused Metal Oxide Semiconductor) structure is the channel parasitic resistance. Shortening the channel length is effective in reducing the channel parasitic resistance. However, as the channel shortening progresses, the drain current with respect to the drain voltage is not sufficiently saturated due to the short channel effect. Therefore, for example, when the anti-arm is turned off or short-circuited due to an erroneous pulse, a high saturation current flows through the SiC power MISFET, causing a problem that the SiC power MISFET is destroyed.
従って、短チャネル効果を抑止しながら、チャネル寄生抵抗を低減する必要がある。有効な手段として、例えば高チャネル移動度化が挙げられる。しかし、DMOS構造のSiCパワーMISFETのチャネル面となるSi(0001)面のチャネル移動度は、SiパワーMISFETと比較すると1/5程度と極めて低い。 Therefore, it is necessary to reduce the channel parasitic resistance while suppressing the short channel effect. As an effective means, for example, high channel mobility can be mentioned. However, the channel mobility of the Si (0001) plane, which is the channel plane of the SiC power MISFET having a DMOS structure, is extremely low, about 1/5 of that of the Si power MISFET.
この問題を解決するために、特許文献1,2には、DMOS構造のSiCパワーMISFETにおいて、ボディ層の一部およびボディ層の外部にトレンチを形成し、実効的なチャネル幅を広くする方法が開示されている。また、チャネル寄生抵抗を低減するために、高チャネル移動度が得られる(11−20)面または(1−100)面の利用が検討されている。(11−20)面または(1−100)面などの高チャネル移動度が得られる面を利用するには、(0001)面のSiC基板にトレンチ型構造のMISFETを形成する必要がある。しかし、トレンチは、ゲート絶縁膜およびゲート電極の一部が耐圧を支えるボディ層だけではなく、ボディ層を貫通してドリフト層にも形成されるため、ゲート絶縁膜に絶縁耐圧を越える電界が印加されて、ゲート絶縁膜が絶縁破壊に至る虞がある。
In order to solve this problem,
特許文献3には、トレンチをボディ層の内部に形成し、新たに電流拡散層をJFET領域の上部に形成することで、オフ時にゲート絶縁膜に印加される電界を下げる方法が開示されている。また、JFET領域より不純物濃度が高い電流拡散層の一部が、SiC基板の裏面に形成されたドレイン電極と直接対向することから、オフ時にボディ層の下部においてSiC基板の主面に沿って水平になだらかに変化する等電位線は、JFET領域において大きく歪み、特許文献1,2に開示されたSiCパワーMISFETよりゲート絶縁膜に印加される電界を低減することができる。しかし、その電界の低減は十分とは言えない。さらに、JFET領域より不純物濃度が高い電流拡散層が不用意に広いため、オフ時に空乏層が伸びにくく、スイッチング速度の低下または誤点弧を引き起こす可能性がある。
Patent Document 3 discloses a method of lowering the electric field applied to the gate insulating film at the time of off by forming a trench inside the body layer and newly forming a current diffusion layer in the upper part of the JFET region. .. Further, since a part of the current diffusion layer having a higher impurity concentration than the JFET region directly faces the drain electrode formed on the back surface of the SiC substrate, it is horizontal along the main surface of the SiC substrate at the lower part of the body layer when it is off. The gently changing equipotential line is greatly distorted in the JFET region, and the electric field applied to the gate insulating film can be reduced from the SiC power MISFET disclosed in
そこで、本発明者らは、上記の問題を解決するために、電流拡散層およびその周辺構造を検討した。本発明の目的は、DMOS構造のSiCパワーMISFETにおいて、高チャネル移動度が期待できるトレンチ構造を用い、さらにJFET領域における等電位線の歪みを抑えることにより、高性能および高信頼性を有する半導体装置およびその製造方法を提供することにある。さらに、当該半導体装置を用いた小型、高性能および高信頼性を有する電力変換装置、並びに当該電力変換装置を用いた3相モータシステムを提供する。さらには、当該3相モータシステムを用いた軽量、高性能および高信頼性を有する自動車および鉄道車両を提供する。 Therefore, in order to solve the above problems, the present inventors have examined the current diffusion layer and its peripheral structure. An object of the present invention is a semiconductor device having high performance and high reliability by using a trench structure that can be expected to have high channel mobility in a SiC power MISFET having a DMOS structure and further suppressing distortion of equipotential lines in the JFET region. And its manufacturing method. Further, a compact, high-performance and highly reliable power conversion device using the semiconductor device, and a three-phase motor system using the power conversion device are provided. Furthermore, a lightweight, high-performance and highly reliable automobile and railroad vehicle using the three-phase motor system will be provided.
≪半導体装置≫
本実施例1によるSiCパワーMISFETにより構成される半導体装置が搭載された半導体チップについて、図1を用いて説明する。図1は、本実施例1によるSiCパワーMISFETにより構成される半導体装置が搭載された半導体チップの平面図である。
≪Semiconductor device≫
The semiconductor chip on which the semiconductor device configured by the SiC power MISFET according to the first embodiment is mounted will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a plan view of a semiconductor chip on which a semiconductor device configured by a SiC power MISFET according to the first embodiment is mounted.
図1に示すように、半導体装置を搭載する半導体チップ1は、複数のnチャネル型のSiCパワーMISFETが並列接続されたソース配線用電極2の下方に位置するアクティブ領域(SiCパワーMISFET形成領域、素子形成領域)と、平面視において上記アクティブ領域を囲む周辺形成領域とによって構成される。周辺形成領域には、平面視において上記アクティブ領域を囲むように形成された複数のp型のフローティング・フィールド・リミッティング・リング(Floating Field Limiting Ring:FLR)3と、さらに平面視において上記複数のp型のフローティング・フィールド・リミッティング・リング3を囲むように形成されたn++型のガードリング4が形成されている。
As shown in FIG. 1, the
n型の炭化珪素(SiC)エピタキシャル基板(以下、SiCエピタキシャル基板と記す)のアクティブ領域の表面側に、SiCパワーMISFETのゲート電極、n++型のソース領域およびチャネル領域などが形成され、SiCエピタキシャル基板の裏面側に、SiCパワーMISFETのn+型のドレイン領域が形成されている。 A gate electrode of a SiC power MISFET, an n ++ type source region, a channel region, and the like are formed on the surface side of an active region of an n-type silicon carbide (SiC) epitaxial substrate (hereinafter referred to as a SiC epitaxial substrate), and SiC epitaxial. An n + type drain region of the SiC power MISFET is formed on the back surface side of the substrate.
複数のp型のフローティング・フィールド・リミッティング・リング3をアクティブ領域の周辺に形成することにより、オフ時において、最大電界部分が順次外側のp型のフローティング・フィールド・リミッティング・リング3へ移り、最外周のp型のフローティング・フィールド・リミッティング・リング3で降伏するようになるので、半導体装置を高耐圧とすることが可能となる。図1では、3個のp型のフローティング・フィールド・リミッティング・リング3が形成されている例を図示しているが、これに限定されるものではない。また、n++型のガードリング4は、アクティブ領域に形成されたSiCパワーMISFETを保護する機能を有する。 By forming a plurality of p-type floating field limiting rings 3 around the active region, the maximum electric field portion sequentially shifts to the outer p-type floating field limiting ring 3 when off. Since the yield is achieved by the p-type floating field limiting ring 3 on the outermost circumference, the semiconductor device can have a high withstand voltage. FIG. 1 illustrates an example in which three p-shaped floating field limiting rings 3 are formed, but the present invention is not limited to this. Further, the n ++ type guard ring 4 has a function of protecting the SiC power MISFET formed in the active region.
アクティブ領域内に形成された複数のSiCパワーMISFETは、平面視においてストライプパターンとなっており、それぞれのストライプパターンに接続する引出配線(ゲートバスライン)によって、全てのSiCパワーMISFETのゲート電極はゲート配線用電極8と電気的に接続している。 The plurality of SiC power MISFETs formed in the active region have a stripe pattern in a plan view, and the gate electrodes of all the SiC power MISFETs are gated by the lead wiring (gate bus line) connected to each stripe pattern. It is electrically connected to the wiring electrode 8.
また、複数のSiCパワーMISFETはソース配線用電極2に覆われており、それぞれのSiCパワーMISFETのn++型のソース領域およびボディ層電位固定領域はソース配線用電極2に接続されている。ソース配線用電極2は絶縁膜に設けられたソース開口部7を通じて外部配線と接続されている。ゲート配線用電極8は、ソース配線用電極2と離間して形成されており、それぞれのSiCパワーMISFETのゲート電極と接続されている。ゲート配線用電極8は絶縁膜に設けられたゲート開口部5を通じて外部配線と接続されている。また、SiCエピタキシャル基板の裏面側に形成されたn+型のドレイン領域は、SiCエピタキシャル基板の裏面全面に形成されたドレイン配線用電極(図示せず)と電気的に接続している。
Further, the plurality of SiC power MISFETs are covered with the
次に、本実施例1によるSiCパワーMISFETの構造を、図2〜図5を用いて説明する。図2は、本実施例1によるSiCパワーMISFETの平面図である。図3は、本実施例1によるSiCパワーMISFETの鳥瞰図である。図4は、本実施例1によるSiCパワーMISFETのチャネル長に並行な方向の断面図(図2のA−A線に沿った断面図)である。図5は、本実施例1によるSiCパワーMISFETのチャネル幅に並行な方向の断面図(図2のB−B線に沿った断面図)である。 Next, the structure of the SiC power MISFET according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 2 to 5. FIG. 2 is a plan view of the SiC power MISFET according to the first embodiment. FIG. 3 is a bird's-eye view of the SiC power MOSFET according to the first embodiment. FIG. 4 is a cross-sectional view (cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 2) in the direction parallel to the channel length of the SiC power MISFET according to the first embodiment. FIG. 5 is a cross-sectional view (cross-sectional view taken along line BB of FIG. 2) in a direction parallel to the channel width of the SiC power MISFET according to the first embodiment.
炭化珪素(SiC)からなるn+型のSiC基板107の表面(第1主面)上に、n+型のSiC基板107よりも不純物濃度の低い炭化珪素(SiC)からなるn−型のエピタキシャル層101が形成されており、n+型のSiC基板107とn−型のエピタキシャル層101とからSiCエピタキシャル基板100が構成されている。n−型のエピタキシャル層101はドリフト層として機能する。n−型のエピタキシャル層101の厚さは、例えば5〜50μm程度である。
An n- type epitaxial made of silicon carbide (SiC) having a lower impurity concentration than the n +
n−型のエピタキシャル層101の上面から所定の深さを有して、n−型のエピタキシャル層101内には、y方向(チャネル幅に並行な方向、チャネル幅に沿った方向)に延在するp型の第1ボディ層(ウェル領域)102が形成されている。
the n - has the epitaxial layer from the top surface of a
また、p型の第1ボディ層102内には、n−型のエピタキシャル層101の上面から所定の深さを有し、p型の第1ボディ層102の端部から離間して、y方向に延在するn++型のソース領域103が形成されている。
Further, the p-type first body layer 102 has a predetermined depth from the upper surface of the n − -
また、p型の第1ボディ層102内には、n−型のエピタキシャル層101の上面から所定の深さを有して、p型の第1ボディ層102の電位を固定するp++型のボディ層電位固定領域109が形成されている。
Further, the p-type
また、n++型のソース領域103とx方向(チャネル長に並行な方向、チャネル長に沿った方向)に離間し、n−型のエピタキシャル層101とp型の第1ボディ層102とに跨り、さらに、n−型のエピタキシャル層101の上面から所定の深さを有して、y方向に延在するn+型の電流拡散層105が形成されている。また、n+型の電流拡散層105の直下に、y方向に延在するp型の第2ボディ層104が形成されている。n+型の電流拡散層105のn−型のエピタキシャル層101の上面からの深さおよびp型の第2ボディ層103のn−型のエピタキシャル層101の上面からの深さは、p型の第1ボディ層102のn−型のエピタキシャル層101の上面からの深さよりも浅い。
Further, the n ++
x方向に互いに向かい合うp型の第1ボディ層102の間隔は、x方向に互いに向かい合うn+型の電流拡散層105の間隔およびp型の第2ボディ層104の間隔よりも大きく、平面視においてn+型の電流拡散層105がp型の第1ボディ層102と重なっていない領域およびp型の第2ボディ層104がp型の第1ボディ層102と重なっていない領域がある。
The distance between the p-type first body layers 102 facing each other in the x direction is larger than the distance between the n + type current diffusion layers 105 facing each other in the x direction and the distance between the p-type second body layers 104, and in a plan view. There is a region where the n + type
さらに、n++型のソース領域103から、p型の第1ボディ層102を亘って、n+型の電流拡散層105にかかるようにx方向に延在するトレンチ106が形成されている。トレンチ106の底面はp型の第1ボディ層102に接している。トレンチ106の内壁(側面および底面)には、ゲート絶縁膜110が形成され、ゲート絶縁膜110上には、ゲート電極111が形成されている。但し、ゲート電極111は、x方向に互いに向かい合うn+型の電流拡散層105に挟まれたn−型のエピタキシャル層101の上方には形成されておらず、ゲート電極111のx方向の端部は、n+型の電流拡散層105またはp型の第2ボディ層104の上方に位置している。すなわち、ゲート電極111は、平面視においてp型の第1ボディ層102およびp型の第2ボディ層104からなる領域の内側に形成されている。
Further, a trench 106 extending from the n ++ type
p型の第1ボディ層102のn−型のエピタキシャル層101の上面からの深さは、例えば0.5〜2μm程度である。n++型のソース領域103のn−型のエピタキシャル層101の上面からの深さは、例えば0.1〜1μm程度である。p++型のボディ層電位固定領域109のn−型のエピタキシャル層101の上面からの深さは、例えば0.1〜0.5μm程度である。
The depth of the p-type
n+型の電流拡散層105のn−型のエピタキシャル層101の上面からの深さは、例えば0.1〜1μm程度である。p型の第2ボディ層104のn−型のエピタキシャル層101の上面からの深さは、例えば0.1〜1.5μm程度である。p型の第2ボディ層104がp型の第1ボディ層102と重なっていない領域の幅W1は、例えば0.1〜2μm程度である。
The depth of the n + type
トレンチ106のn−型のエピタキシャル層101の上面からの深さは、p型の第1ボディ層102のn−型のエピタキシャル層101の上面からの深さよりも浅く、例えば0.1〜1.5μm程度である。トレンチ106のx方向の長さは、例えば1〜3μm程度である。トレンチ106のy方向の長さは、例えば0.1〜2μm程度であり、トレンチ106のy方向の間隔は、例えば0.1〜2μm程度である。
なお、「−」および「+」は、導電型がn型またはp型の相対的な不純物濃度を表記した符号であり、例えば「n−」、「n」、「n+」、「n++」の順にn型不純物の不純物濃度は高くなり、同様に、「p−」、「p」、「p+」、「p++」の順にp型不純物の不純物濃度は高くなる。 Incidentally, "-" and "+" is a code conductivity type expressed relative impurity concentrations of the n-type or p-type, for example, "n -", "n", "n +", "n ++ the impurity concentration of the n-type impurity in this order "is increased, similarly," p - "," p "," p + ", the impurity concentration of the p-type impurity in the order of" p ++ "increases.
n+型のSiC基板107の不純物濃度の好ましい範囲は、例えば1×1018〜1×1021cm−3である。n−型のエピタキシャル層101の不純物濃度の好ましい範囲は、例えば1×1014〜1×1017cm−3である。p型の第1ボディ層102の不純物濃度の好ましい範囲は、例えば1×1016〜1×1019cm−3であり、p型の第1ボディ層102の最大不純物濃度の好ましい範囲は、例えば1×1017〜1×1019cm−3である。
The preferable range of the impurity concentration of the n +
また、n++型のソース領域103の不純物濃度の好ましい範囲は、例えば1×1019〜1×1021cm−3である。n+型の電流拡散層105の不純物濃度の好ましい範囲は、例えば5×1016〜5×1018cm−3である。p型の第2ボディ層104の不純物濃度の好ましい範囲は、例えば1×1016〜1×1019cm−3であり、p型の第2ボディ層104の最大不純物濃度の好ましい範囲は、例えば1×1017〜1×1019cm−3である。p++型のボディ層電位固定領域109の不純物濃度の好ましい範囲は、例えば1×1019〜1×1021cm−3の範囲である。
The preferable range of the impurity concentration in the n ++
チャネル領域は、トレンチ106のx方向に沿った側面および底面に露出するp型の第1ボディ層102の表面である。また、JFET領域10は、x方向に互いに向かい合うp型の第2ボディ層104に挟まれたn−型のエピタキシャル層101およびx方向に互いに向かい合うp型の第1ボディ層102に挟まれたn−型のエピタキシャル層101である。
The channel region is the surface of the p-shaped
チャネル領域上にはゲート絶縁膜110が形成され、ゲート絶縁膜110上にはゲート電極111が形成されている。但し、前述したように、ゲート電極111は、x方向に互いに向かい合うn+型の電流拡散層105に挟まれたn−型のエピタキシャル層101の上方には形成されず、ゲート電極111のJFET領域10側の端部は、ゲート絶縁膜110を介してn+型の電流拡散層105上にある。なお、図4および図5に示す符号108はドレイン領域、符号112は層間絶縁膜、符号113は金属シリサイド層、符号114はソース配線用電極、符号115は金属シリサイド層、符号116はドレイン配線用電極であり、これらについては、後述する半導体装置の製造方法において説明する。
A
次に、本実施例1によるSiCパワーMISFETの構成の特徴について、図3を用いて説明する。 Next, the features of the configuration of the SiC power MISFET according to the first embodiment will be described with reference to FIG.
図3に示すように、本実施例1によるSiCパワーMISFETでは、トレンチ106のx方向に沿った側面および底面に露出するp型の第1ボディ層102の表面がチャネル領域となる。これにより、例えば4°オフSi(0001)面の基板を用いた場合、(11−2)面または(1−100)面をチャネル面として利用することができる。従って、本実施例1によるSiCパワーMISFETでは、n−型のエピタキシャル層101の上面、すなわち、(0001)面をチャネル面とするSiCパワーMISFETと比較して、高いチャネル移動度が期待できる。
As shown in FIG. 3, in the SiC power MISFET according to the first embodiment, the surface of the p-shaped
また、本実施例1によるSiCパワーMISFETでは、トレンチ106を形成することによって、トレンチ106を形成しないSiCパワーMISFETと比較して、チャネル幅が大きくなり、高い電流密度が期待できる。また、トレンチ106はp型の第1ボディ層102の深さよりも浅い範囲内に形成され、トレンチ106の底面はp型の第1ボディ層102に囲まれている。従って、本実施例1によるSiCパワーMISFETでは、p型の第1ボディ層102から露出したトレンチ部分があるトレンチ型のSiCパワーMISFETと比較して、耐圧保持時にトレンチ106の内壁に形成されたゲート絶縁膜110にかかる電界を緩和することができる。
Further, in the SiC power MISFET according to the first embodiment, by forming the
また、本実施例1によるSiCパワーMISFETでは、n+型の電流拡散層105の不純物濃度は、n−型のエピタキシャル層101からなるJFET領域10の不純物濃度よりも高い。しかし、n+型の電流拡散層105の直下にp型の第2ボディ層104が形成されているので、等電位線は、n+型の電流拡散層105の影響を受けず、オフ時にp型の第1ボディ層102の下部からp型の第2ボディ層104の下部まで、n+型のSiC基板107の主面に沿って水平になだらに変化する。従って、ゲート絶縁膜110に印加される電界を十分に低減することができる。さらに、n+型の電流拡散層105は、オフ時に空乏層が伸びにくい高い不純物濃度を有するが、p型の第2ボディ層104の直上のみに形成し、その面積を必要最小限に抑えていることから帰還容量を小さくすることができる。従って、スイッチング速度が向上し、誤点弧を防止することができる。
Further, in the SiC power MISFET according to the first embodiment, the impurity concentration of the n + type
このように、本実施例1によるSiCパワーMISFETでは、高いチャネル移動度および広いチャネル幅を有することから高い電流密度が得られ、かつ、ゲート絶縁膜110の高い信頼性が得られる。さらに、n+型の電流拡散層105の面積を必要最小限に抑えることにより、スイッチング時に生じるミラー効果が低減して、スイッチング損失を下げることが可能である。また、誤点弧を防止することができる。これらのことから、高性能で、かつ高信頼性を有する、SiCパワーMISFETにより構成される半導体装置を提供することができる。
As described above, the SiC power MISFET according to the first embodiment has a high channel mobility and a wide channel width, so that a high current density can be obtained and a high reliability of the
≪半導体装置の製造方法≫
本実施例1による半導体装置の製造方法について、図6〜図23を用いて工程順に説明する。図6は、本実施例1による半導体装置の製造方法を説明する工程図である。図7〜図12は、本実施例1による半導体装置の製造工程におけるSiCパワーMISFETのチャネル長に並行な方向の断面図である。図13は、本実施例1による半導体装置の製造工程におけるSiCパワーMISFETの平面図である。図14〜図23は、本実施例1による半導体装置の製造工程におけるSiCパワーMISFETのチャネル長に並行な方向の断面図であり、図14は、図13のC−C線に沿った断面図、図15は、図13のD−D線に沿った断面図である。
≪Manufacturing method of semiconductor devices≫
The method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment will be described in order of steps with reference to FIGS. 6 to 23. FIG. 6 is a process diagram illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment. 7 to 12 are cross-sectional views in a direction parallel to the channel length of the SiC power MISFET in the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 13 is a plan view of the SiC power MISFET in the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment. 14 to 23 are cross-sectional views in a direction parallel to the channel length of the SiC power MISFET in the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment, and FIG. 14 is a cross-sectional view taken along the line CC of FIG. , FIG. 15 is a cross-sectional view taken along the line DD of FIG.
<工程P1>
まず、図7に示すように、n+型の4H−SiC基板107を用意する。n+型のSiC基板107には、n型不純物が導入されている。このn型不純物は、例えば窒素(N)であり、このn型不純物の不純物濃度は、例えば1×1018〜1×1021cm−3の範囲である。また、n+型のSiC基板107はSi面とC面との両面を有するが、n+型のSiC基板107の表面はSi面またはC面のどちらでもよい。
<Process P1>
First, as shown in FIG. 7, an n + type 4H-
次に、n+型のSiC基板107の表面(第1主面)にエピタキシャル成長法により炭化珪素(SiC)のn−型のエピタキシャル層101を形成する。n−型のエピタキシャル層101には、n+型のSiC基板107の不純物濃度よりも低いn型不純物が導入されている。n−型のエピタキシャル層101の不純物濃度はSiCパワーMISFETの素子定格に依存するが、例えば1×1014〜1×1017cm−3の範囲である。また、n−型のエピタキシャル層101の厚さは、例えば5〜50μmである。以上の工程により、n+型のSiC基板107とn−型のエピタキシャル層101とから構成されるSiCエピタキシャル基板100が形成される。
Next, an n- type
<工程P2>
次に、n+型のSiC基板107の裏面(第2主面)から所定の深さを有して、n+型のSiC基板107の裏面にn+型のドレイン領域108を形成する。n+型のドレイン領域108の不純物濃度は、例えば1×1019〜1×1021cm−3の範囲である。
<Process P2>
Next, an n +
次に、図8に示すように、SiCエピタキシャル基板100の表面上にマスクM11を形成する。マスクM11の厚さは、例えば1〜3μm程度である。素子形成領域におけるマスクM11の幅は、例えば1〜5μm程度である。マスク材料としては無機材料の酸化珪素(SiO2)膜、珪素(Si)膜または窒化珪素(SiN)膜、あるいは有機材料のレジスト膜またはポリイミド膜を用いることができる。
Next, as shown in FIG. 8, a mask M11 is formed on the surface of the
次に、マスクM11越しに、n−型のエピタキシャル層101にp型不純物、例えばアルミニウム(Al)原子をイオン注入する。これにより、n−型のエピタキシャル層101の素子形成領域にp型の第1ボディ層102を形成する。なお、同時に周辺形成領域にp型のフローティング・フィールド・リミッティング・リング(図示は省略)を形成する。終端部の構造としては、これに限定されるものではなく、例えばジャンクション・ターミネーション・エクステンション(Junction Termination Extension:JTE)構造であってもよい。
Next, a p-type impurity, for example, an aluminum (Al) atom, is ion-implanted into the n-
p型の第1ボディ層102のn−型のエピタキシャル層101の上面からの深さは、例えば0.5〜2μm程度である。また、p型の第1ボディ層102の不純物濃度は、例えば1×1016〜1×1019cm−3の範囲である。また、p型の第1ボディ層102の最大不純物濃度は、例えば1×1017〜1×1019cm−3の範囲である。
The depth of the p-type
次に、図9に示すように、マスクM11を除去した後、SiCエピタキシャル基板100の表面上にマスクM12を形成する。マスクM12は、例えば酸化珪素(SiO2)膜で形成する。マスクM12の厚さは、例えば0.5〜3μm程度である。マスクM12の寸法でチャネル長が決まり、チャネル長となる方向のマスクM12の幅は、例えば0.1〜2μm程度である。
Next, as shown in FIG. 9, after removing the mask M11, the mask M12 is formed on the surface of the
次に、図10に示すように、マスクM12を残したまま、SiCエピタキシャル基板100の表面上にマスクM13を形成する。マスクM13は、例えばレジスト膜で形成する。マスクM13の厚さは、例えば1〜4μm程度である。マスクM13の開口部分は、n++型のソース領域103形成部およびマスクM12の一部に設けられている。なお、マスクM13には、p型のフローティング・フィールド・リミッティング・リングの外周であって、n++型のガードリングが形成される領域にも開口部分が設けられている。
Next, as shown in FIG. 10, the mask M13 is formed on the surface of the
次に、マスクM12およびマスクM13越しに、p型の第1ボディ層102にn型不純物、例えば窒素(N)原子またはリン(P)原子をイオン注入する。これにより、p型の第1ボディ層102内にn++型のソース領域103を形成し、周辺形成領域にn++型のガードリング(図示は省略)を形成する。
Next, n-type impurities such as nitrogen (N) atoms or phosphorus (P) atoms are ion-implanted into the p-type
次に、図11に示すように、マスクM13を除去した後、マスクM12を残したまま、SiCエピタキシャル基板100の表面上にマスクM14を形成する。マスクM14は、例えばレジスト膜で形成する。マスクM14の厚さは、例えば1〜4μm程度である。マスクM14の開口部分は、n+型の電流拡散層105形成部、p型の第2ボディ層104形成部およびマスクM12の一部に設けられている。
Next, as shown in FIG. 11, after removing the mask M13, the mask M14 is formed on the surface of the
次に、マスクM12およびマスクM14越しに、n−型のエピタキシャル層101およびp型の第1ボディ層102にp型不純物をイオン注入して、p型の第2ボディ層104を形成する。続いて、n型不純物をイオン注入して、n+型の電流拡散層105を形成する。
Next, p-type impurities are ion-implanted into the n-
次に、図12に示すように、マスクM12およびマスクM14を除去する。続いて、SiCエピタキシャル基板100の表面上にマスクM15を形成する。マスクM15は、例えばレジスト膜で形成する。マスクM15の厚さは、例えば0.5〜3μm程度である。マスクM15の開口部分は、p++型のボディ層電位固定領域109形成部に設けられている。
Next, as shown in FIG. 12, the mask M12 and the mask M14 are removed. Subsequently, the mask M15 is formed on the surface of the
次に、マスクM15越しに、p型の第1ボディ層102にp型不純物をイオン注入して、p++型のボディ層電位固定領域109を形成する。p++型のボディ層電位固定領域109のn−型のエピタキシャル層101の上面からの深さは、例えば0.1〜0.5μm程度である。p++型のボディ層電位固定領域109の不純物濃度は、例えば1×1019〜1×1021cm−3の範囲である。
Next, p-type impurities are ionically injected into the p-type
<工程P3>
次に、マスクM15を除去した後、図示は省略するが、SiCエピタキシャル基板100の表面および裏面に、例えばプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法により炭素(C)膜を堆積する。炭素(C)膜の厚さは、例えば0.03μm程度である。この炭素(C)膜により、SiCエピタキシャル基板100の表面および裏面を被覆した後、SiCエピタキシャル基板100に、例えば1500℃以上の温度で2〜3分程度の熱処理を施す。これにより、SiCエピタキシャル基板100にイオン注入した各不純物の活性化を行う。熱処理後は、炭素(C)膜を、例えば酸素プラズマ処理により除去する。
<Process P3>
Next, after removing the mask M15, although not shown, a carbon (C) film is deposited on the front surface and the back surface of the
<工程P4>
次に、図13、図14および図15に示すように、SiCエピタキシャル基板100の表面上にマスクM16を形成する。マスクM16は、例えばレジスト膜で形成する。図14は、図13のC−C線に沿った断面図であり、図15は、図13のD−D線に沿った断面図である。マスクM16の厚さは、例えば0.5〜3μm程度である。マスクM16の開口部分は、トレンチ106形成部に設けられている。
<Process P4>
Next, as shown in FIGS. 13, 14 and 15, a mask M16 is formed on the surface of the
次に、ドライエッチング法によりn−型のエピタキシャル層101を加工して、n++型のソース領域103から、p型の第1ボディ層102を亘って、n+型の電流拡散層105にかかるように延在するトレンチ106を形成する。トレンチ106は、p型の第1ボディ層102の深さよりも浅く形成される。トレンチ106の深さは、例えば0.1〜1.5μm程度である。トレンチ106のチャネル長に並行な方向の長さは、例えば1〜3μm程度である。トレンチ106のチャネル幅に並行な方向の長さは、例えば0.1〜2μm程度である。トレンチ106のチャネル幅に並行な方向の間隔は、例えば0.1〜2μm程度である。
Next, the n −
<工程P5>
次に、図16に示すように、マスクM16を除去した後、n−型のエピタキシャル層101の上面およびトレンチ106の内壁(側面および底面)にゲート絶縁膜110を形成する。ゲート絶縁膜110は、例えば熱CVD法を用いて形成され、例えば酸化珪素(SiO2)膜からなる。ゲート絶縁膜110の厚さは、例えば0.005〜0.15μm程度である。
<Process P5>
Next, as shown in FIG. 16, after removing the mask M16, n - to form the
次に、図17に示すように、ゲート絶縁膜110上に、n型の多結晶珪素(Si)膜111Aを形成する。n型の多結晶珪素(Si)膜111Aの厚さは、例えば0.01〜4μm程度である。
Next, as shown in FIG. 17, an n-type polycrystalline silicon (Si)
次に、図18に示すように、SiCエピタキシャル基板100の表面上にマスクM17を形成する。マスクM17は、例えばレジスト膜で形成する。マスクM17の開口部分は、ゲート電極111形成部以外の領域に設けられている。次に、ドライエッチング法により多結晶珪素(Si)膜111Aを加工して、ゲート電極111を形成する。この時、互いに向かい合うp型の第1ボディ層102に挟まれたJFET領域の上方の多結晶珪素(Si)膜111Aは除去する。
Next, as shown in FIG. 18, a mask M17 is formed on the surface of the
次に、マスクM17を除去した後、例えば900℃の温度で30分程度のドライ酸化熱処理を施して、ゲート電極111をライト酸化する。
Next, after removing the mask M17, a dry oxidation heat treatment is performed at a temperature of, for example, 900 ° C. for about 30 minutes to light-oxidize the
<工程P6>
次に、図19に示すように、ゲート電極111およびゲート絶縁膜110を覆うように、n−型のエピタキシャル層101の上面に、例えばプラズマCVD法により層間絶縁膜112を形成する。
<Process P6>
Next, as shown in FIG. 19, so as to cover the
次に、図20に示すように、SiCエピタキシャル基板100の表面上にマスクM18を形成する。マスクM18は、例えばレジスト膜で形成される。マスクM18の開口部分は、n++型のソース領域103の一部およびp++型のボディ層電位固定領域109に設けられている。次に、ドライエッチング法により層間絶縁膜112およびゲート絶縁膜110を加工して、n++型のソース領域103の一部およびp++型のボディ層電位固定領域109に達する開口部CNTを形成する。
Next, as shown in FIG. 20, a mask M18 is formed on the surface of the
次に、図21に示すように、マスクM18を除去した後、開口部CNTの底面に露出しているn++型のソース領域103の一部およびp++型のボディ層電位固定領域109のそれぞれの表面に金属シリサイド層113を形成する。
Next, as shown in FIG. 21, after removing the mask M18, a part of the n ++
金属シリサイド層113は、例えば以下の手順により形成することができる。まず、層間絶縁膜112および開口部CNTの内壁(側面および底面)を覆うように、n−型のエピタキシャル層101の上面に、例えばスパッタリング法により第1金属膜を堆積する。第1金属膜は、例えばニッケル(Ni)である。第1金属膜の厚さは、例えば0.05μm程度である。続いて、600〜1000℃程度のシリサイド化熱処理を施すことにより、開口部CNTの底面において第1金属膜とn−型のエピタキシャル層101とを反応させて、開口部CNTの底面に露出しているn++型のソース領域103の一部およびp++型のボディ層電位固定領域109のそれぞれの表面に金属シリサイド層113を形成する。金属シリサイド層113は、例えばニッケルシリサイド(NiSi)層である。続いて、未反応の第1金属膜をウェットエッチング法により除去する。ウェットエッチング法には、例えば硫酸過水が用いられる。
The
次に、マスクを用いたドライエッチング法により層間絶縁膜112を加工して、ゲート電極111に達する開口部(図示は省略)を形成する。
Next, the
次に、図22に示すように、n++型のソース領域103の一部およびp++型のボディ層電位固定領域109のそれぞれの表面に形成された金属シリサイド膜113に達する開口部CNT、並びにゲート電極111に達する開口部(図示は省略)の内部を含む層間絶縁膜112上に第2金属膜を堆積する。第2金属膜は、例えばチタン(Ti)膜と窒化チタン(TiN)膜とアルミニウム(Al)膜とからなる積層膜である。アルミニウム(Al)膜の厚さは、例えば2.0μm以上が好ましい。
Next, as shown in FIG. 22, an opening CNT reaching a part of the n ++
次に、マスクを用いたトライエッチング法により第2金属膜を加工して、開口部CNT内の金属シリサイド層113を介してn++型のソース領域103の一部およびp++型のボディ層電位固定領域109と電気的に接続するソース配線用電極114、並びにゲート電極111と開口部(図示は省略)を通して電気的に接続するゲート配線用電極(図示は省略)を形成する。
Next, the second metal film is processed by a tri-etching method using a mask, and a part of the n ++
次に、ソース配線用電極114およびゲート配線用電極を覆うように、パッシベーション膜(図示は省略)を形成する。パッシベーション膜は、例えば酸化珪素(SiO2)膜またはポリイミド膜からなる。
Next, a passivation film (not shown) is formed so as to cover the
次に、パッシベーション膜を加工して、ソース配線用電極114の上面を露出するソース開口部(図示は省略)およびゲート配線用電極の上面を露出するゲート開口部(図示は省略)を形成する(図1参照)。
Next, the passivation film is processed to form a source opening (not shown) that exposes the upper surface of the
次に、SiCエピタキシャル基板100の裏面(n+型のドレイン領域108)に、例えばスパッタリング法により第3金属膜を堆積する。第3金属膜の厚さは、例えば0.1μm程度である。
Next, a third metal film is deposited on the back surface (n + type drain region 108) of the
次に、図23に示すように、レーザーシリサイド化熱処理を施すことにより、第3金属膜とn+型のドレイン領域108と反応させて、n+型のドレイン領域108を覆うように金属シリサイド層115を形成する。続いて、金属シリサイド層115を覆うように、ドレイン配線用電極116を形成する。ドレイン配線用電極116は、例えばチタン(Ti)膜とニッケル(Ni)膜と金(Au)膜とからなる積層膜からなり、その厚さは、例えば0.5〜1μm程度である。
Next, as shown in FIG. 23, a laser silicidizing heat treatment is performed to react the third metal film with the n + type
その後、ソース配線用電極114、ゲート配線用電極およびドレイン配線用電極116に、それぞれ外部配線が電気的に接続される。
After that, external wiring is electrically connected to the
このように、本実施例1によれば、SiCパワーMISFETにおいて、高い電流密度が得られ、かつ、ゲート絶縁膜の高い信頼性が得られる。さらに、スイッチング時に生じるミラー効果が低減して、スイッチング損失を下げることが可能である。また、誤点弧を防止することができる。これらのことから、高性能で、かつ高信頼性を有する、複数のSiCパワーMISFETにより構成される半導体装置を提供することができる。 As described above, according to the first embodiment, a high current density can be obtained in the SiC power MISFET, and a high reliability of the gate insulating film can be obtained. Further, the Miller effect generated during switching can be reduced, and the switching loss can be reduced. In addition, it is possible to prevent an erroneous arc. From these facts, it is possible to provide a semiconductor device composed of a plurality of SiC power MISFETs having high performance and high reliability.
本実施例2と前述の実施例1との相違点は、トレンチ106を形成する際に用いるハードマスクをフィールド酸化膜として残している点である。
The difference between the second embodiment and the first embodiment is that the hard mask used when forming the
≪半導体装置≫
本実施例2によるSiCパワーMISFETの構造について、図24を用いて説明する。図24は、本実施例2によるSiCパワーMISFETのチャネル長に並行な方向の断面図である。
≪Semiconductor device≫
The structure of the SiC power MISFET according to the second embodiment will be described with reference to FIG. 24. FIG. 24 is a cross-sectional view in a direction parallel to the channel length of the SiC power MISFET according to the second embodiment.
図24に示すように、トレンチ106を形成した際に用いたハードマスクをフィールド酸化膜117として残すことによって、n+型の電流拡散層105と、n+型の電流拡散層105の上方に位置するゲート電極111との間にフィールド酸化膜117とゲート絶縁膜110とが挟まれるので、両者間の絶縁性の高い構造が得られる。その結果、本実施例2によるSiCパワーMISFETでは、前述の実施例1に示したSiCパワーMISFETよりも、オフ時にゲート絶縁膜110にかかる電界を低減することが可能となる。さらに、ゲート電極111とn+型の電流拡散層105との間の電気的な容量が減少するので、スイッチング損失を低減し、誤点弧を防止することが可能となる。
As shown in FIG. 24, by leaving the hard mask used when forming the
≪半導体装置の製造方法≫
本実施例2による半導体装置の製造方法について、図25〜図28を用いて説明する。図25は、本実施例2による半導体装置の製造工程におけるSiCパワーMISFETの平面図である。図26〜図28は、本実施例2による半導体装置の製造工程におけるSiCパワーMISFETのチャネル長に並行な方向の断面図であり、図26は、図25のE−E線に沿った断面図、図27は、図25のF−F線に沿った断面図である。
≪Manufacturing method of semiconductor devices≫
The method of manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. 25 to 28. FIG. 25 is a plan view of the SiC power MISFET in the manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment. 26 to 28 are cross-sectional views in a direction parallel to the channel length of the SiC power MISFET in the manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment, and FIG. 26 is a cross-sectional view taken along the line EE of FIG. 27 is a cross-sectional view taken along the line FF of FIG. 25.
なお、トレンチ106を形成するまでの工程(図7〜図12を用いて説明した製造過程)は、前述の実施例1と同様であるため、その説明を省略する。 Since the step of forming the trench 106 (the manufacturing process described with reference to FIGS. 7 to 12) is the same as that of the first embodiment, the description thereof will be omitted.
図25〜図27に示すように、トレンチ106を形成するためのハードマスクとフィールド酸化膜を兼用するフィールド酸化膜117を形成する。フィールド酸化膜117には、例えば酸化珪素(SiO2)膜を用いる。フィールド酸化膜117の厚さは、例えば0.1〜1μm程度である。フィールド酸化膜117には、後の工程においてトレンチ106が形成される領域に開口部が設けられている。
As shown in FIGS. 25 to 27, a
次に、ドライエッチング法によりn−型のエピタキシャル層101を加工して、n++型のソース領域103から、p型の第1ボディ層102を亘って、n+型の電流拡散層105にかかるように延在するトレンチ106を形成する。トレンチ106は、p型の第1ボディ層102の深さよりも浅く形成される。トレンチ106の深さは、例えば0.1〜1.5μm程度である。トレンチ106のチャネル長に並行な方向の長さは、例えば1〜3μm程度である。トレンチ106のチャネル幅に並行な方向の長さは、例えば0.1〜2μm程度である。トレンチ106のチャネル幅に並行な方向のトレンチ間隔は、例えば0.1〜2μm程度である。
Next, the n −
次に、図28に示すように、フィールド酸化膜117を除去することなくフィールド酸化膜117の上面およびトレンチ106の内壁(側面および底面)にゲート絶縁膜110を形成する。ゲート絶縁膜110は、例えば熱CVD法により形成された酸化珪素(SiO2)膜からなる。ゲート絶縁膜110の厚さは、例えば0.005〜0.15μm程度である。
Next, as shown in FIG. 28, the
その後は、前述の実施例1と同様の製造過程により、図24に示す本実施例2によるSiCパワーMISFETが略完成する。 After that, the SiC power MISFET according to the second embodiment shown in FIG. 24 is substantially completed by the same manufacturing process as the first embodiment described above.
このように、本実施例2によるSiCパワーMISFETは、トレンチ106の上部角部とゲート電極111との間に、相対的に厚い絶縁膜が挟まれた構造を有するので、前述の実施例1に示したSiCパワーMISFETよりも、オフ時にゲート絶縁膜110にかかる電界を低減することが可能となる。さらに、ゲート電極111とn+型の電流拡散層105との間の電気的な容量が減少するので、スイッチング損失を低減し、誤点弧を防止することが可能となる。
As described above, the SiC power MISFET according to the second embodiment has a structure in which a relatively thick insulating film is sandwiched between the upper corner portion of the
本実施例3と前述の実施例1との相違点は、n+型の電流拡散層105の上部にp型の電界緩和層を形成している点である。 The difference between the third embodiment and the first embodiment is that a p-type electric field relaxation layer is formed on the n + type current diffusion layer 105.
≪半導体装置≫
本実施例3によるSiCパワーMISFETの構造について、図29を用いて説明する。図29は、本実施例3によるSiCパワーMISFETの鳥瞰図である。
≪Semiconductor device≫
The structure of the SiC power MISFET according to the third embodiment will be described with reference to FIG. 29. FIG. 29 is a bird's-eye view of the SiC power MOSFET according to the third embodiment.
図29に示すように、n+型の電流拡散層105の上部にp型の電界緩和層118が設けられている。p型の電界緩和層118を形成することによって、前述の実施例1に示したSiCパワーMISFETよりも、オフ時にゲート絶縁膜110にかかる電界を低減することが可能となる。さらに、ゲート電極111とn+型の電流拡散層105との間の電気的な容量が減少するので、スイッチング損失を低減し、誤点弧を防止することが可能となる。
As shown in FIG. 29, a p-type electric
≪半導体装置の製造方法≫
本実施例3による半導体装置の製造方法について、図30および図31を用いて説明する。図30および図31は、本実施例3による半導体装置の製造工程におけるSiCパワーMISFETのチャネル長に並行な方向の断面図である。
≪Manufacturing method of semiconductor devices≫
The method of manufacturing the semiconductor device according to the third embodiment will be described with reference to FIGS. 30 and 31. 30 and 31 are cross-sectional views in a direction parallel to the channel length of the SiC power MISFET in the manufacturing process of the semiconductor device according to the third embodiment.
なお、n+型の電流拡散層105およびp型の第2ボディ層104を形成するまでの工程(図7〜図11を用いて説明した製造過程)は、前述の実施例1と同様であるため、その説明を省略する。
The steps (manufacturing process described with reference to FIGS. 7 to 11) until the n + type
図30に示すように、前述の実施例1と同様に、マスクM12を残したまま、マスクM14を形成する。マスクM14は、例えばレジスト膜で形成する。マスクM14の厚さは、例えば1〜4μm程度である。マスクM14の開口部分は、p型の電界緩和層118形成部、n+型の電流拡散層105形成部、p型の第2ボディ層104形成部およびマスクM12の一部に設けられている。
As shown in FIG. 30, the mask M14 is formed while leaving the mask M12 in the same manner as in the first embodiment. The mask M14 is formed of, for example, a resist film. The thickness of the mask M14 is, for example, about 1 to 4 μm. The opening portion of the mask M14 is provided in a p-type electric
次に、マスクM12およびマスクM14越しに、n−型のエピタキシャル層101およびp型の第1ボディ層102にp型不純物をイオン注入して、p型の第2ボディ層104を形成する。続いて、n型不純物をイオン注入して、n+型の電流拡散層105を形成する。続いて、p型不純物をイオン注入して、p型の電界緩和層118を形成する。p型の電界緩和層118の不純物濃度は、例えば1×1016〜1×1019cm−3の範囲である。また、n+型の電流拡散層105を挟むp型の電界緩和層118とp型の第2ボディ層104との距離は、0.1〜1μm程度である。
Next, p-type impurities are ion-implanted into the n-
その後は、前述の実施例1と同様の製造過程により、図31に示す本実施例3によるSiCパワーMISFETが略完成する。 After that, the SiC power MISFET according to the third embodiment shown in FIG. 31 is substantially completed by the same manufacturing process as the first embodiment described above.
このように、本実施例3によるSiCパワーMISFETは、p型の第1ボディ層102と電気的につながるp型の電界緩和層118をn+型の電流拡散層105の上部に有しているので、前述の実施例1に示したSiCパワーMISFETよりも、オフ時にゲート絶縁膜110にかかる電界を低減することが可能となる。さらに、ゲート電極111とn+型の電流拡散層105との間の電気的な容量が減少するので、スイッチング損失を低減し、誤点弧を防止することが可能となる。
As described above, the SiC power MISFET according to the third embodiment has the p-type electric
本実施例4と前述の実施例1との相違点は、n+型の電流拡散層105の上部および互いに向かい合うn+型の電流拡散層105の間のn−型のエピタキシャル層101の上部にp型の電界緩和層を形成している点である。
The difference between this Example 4 and the above-mentioned Example 1 is that the upper part of the n + type
≪半導体装置≫
本実施例4によるSiCパワーMISFETの構造について、図32を用いて説明する。図32は、本実施例4によるのSiCパワーMISFETの鳥瞰図である。
≪Semiconductor device≫
The structure of the SiC power MISFET according to the fourth embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 32 is a bird's-eye view of the SiC power MISFET according to the fourth embodiment.
図32に示すように、n+型の電流拡散層105の上部および互いに向かい合うn+型の電流拡散層105の間のn−型のエピタキシャル層101の上部にp型の電界緩和層119が設けられている。p型の電界緩和層119を形成することによって、前述の実施例1に示したSiCパワーMISFETよりも、オフ時にゲート絶縁膜110にかかる電界を低減することが可能となる。さらに、ゲート電極111とn+型の電流拡散層105との間の電気的な容量が減少するので、スイッチング損失を低減し、誤点弧を防止することが可能となる。
As shown in FIG. 32, n between the n + -type current spreading layer top and facing each other n + -type current spreading
≪半導体装置の製造方法≫
本実施例4による半導体装置の製造方法について、図33および図34を用いて説明する。図33および図34は、本実施例4による半導体装置の製造工程におけるSiCパワーMISFETのチャネル長に並行な方向の断面図である。
≪Manufacturing method of semiconductor devices≫
The method of manufacturing the semiconductor device according to the fourth embodiment will be described with reference to FIGS. 33 and 34. 33 and 34 are cross-sectional views in a direction parallel to the channel length of the SiC power MISFET in the manufacturing process of the semiconductor device according to the fourth embodiment.
なお、n+型の電流拡散層105およびp型の第2ボディ層104を形成するまでの工程(図7〜図11を用いて説明した製造過程)は、前述の実施例1と同様であるため、その説明を省略する。
The steps (manufacturing process described with reference to FIGS. 7 to 11) until the n + type
まず、前述の実施例1と同様に、マスクM12を残したまま、マスクM14を形成する(図11参照)。マスクM14は、例えばレジスト膜で形成する。マスクM14の厚さは、例えば、1〜4μm程度である。マスクM14の開口部分は、p型の電界緩和層118形成部、n+型の電流拡散層105形成部、p型の第2ボディ層104形成部およびマスクM12の一部に設けられている。
First, in the same manner as in Example 1 described above, the mask M14 is formed while leaving the mask M12 (see FIG. 11). The mask M14 is formed of, for example, a resist film. The thickness of the mask M14 is, for example, about 1 to 4 μm. The opening portion of the mask M14 is provided in a p-type electric
次に、マスクM12およびマスクM14越しに、n−型のエピタキシャル層101およびp型の第1ボディ層102にp型不純物をイオン注入して、p型の第2ボディ層104を形成する。続いて、n型不純物をイオン注入して、n+型の電流拡散層105を形成する。続いて、p型不純物をイオン注入して、n+型の電流拡散層105の上部にp型の電界緩和層118を形成する(図30参照)。p型の電界緩和層118の不純物濃度は、例えば1×1016〜1×1019cm−3の範囲である。
Next, p-type impurities are ion-implanted into the n-
次に、図33に示すように、マスクM12およびマスクM14を除去する。続いて、SiCエピタキシャル基板100の表面上にマスクM19を形成する。マスクM19は、例えばレジスト膜で形成する。マスクM19の厚さは、例えば1〜4μm程度である。マスクM19の開口部分は、互いに向かい合うp型の第1ボディ層102の間に位置するJFET領域の上方に設けられている。
Next, as shown in FIG. 33, the mask M12 and the mask M14 are removed. Subsequently, the mask M19 is formed on the surface of the
次に、マスクM19越しに、互いに向かい合うn+型の電流拡散層105の間のn−型のエピタキシャル層101の上部にp型不純物をイオン注入して、p型の電界緩和層118Aを形成する。p型の電界緩和層118Aの不純物濃度は、例えば1×1016〜1×1019cm−3の範囲である。これにより、n+型の電流拡散層105の上部に形成されたp型の電界緩和層118と、互いに向かい合うn+型の電流拡散層105の間のn−型のエピタキシャル層101の上部に形成されたp型の電界緩和層118Aと、からなるp型の電界緩和層119が形成される。
Next, a p-type impurity is ion-implanted into the upper part of the n − -type epitaxial layer 101 between the n + -type current diffusion layers 105 facing each other through the mask M19 to form the p-type electric
その後は、前述の実施例1と同様の製造過程により、図34に示す本実施例4によるSiCパワーMISFETが略完成する。 After that, the SiC power MISFET according to the fourth embodiment shown in FIG. 34 is substantially completed by the same manufacturing process as the first embodiment described above.
このように、本実施の形態4によるSiCパワーMISFETは、p型の第1ボディ層102と電気的につながるp型の電界緩和層119を、n+型の電流拡散層105の上部および互いに向かい合うn+型の電流拡散層105の間のn−型のエピタキシャル層101の上部(JFET領域の上方)に有している。これにより、前述の実施例1に示したSiCパワーMISFETよりも、オフ時にゲート絶縁膜110にかかる電界を低減することが可能となる。さらに、ゲート電極111とn+型の電流拡散層105との間の電気的な容量が減少するので、スイッチング損失を低減し、誤点弧を防止することが可能となる。
As described above, in the SiC power MISFET according to the fourth embodiment, the p-type electric
本実施の形態5と前述の実施例1との相違点は、n+型の電流拡散層105の上部および互いに向かい合うn+型の電流拡散層105の間のn−型のエピタキシャル層101の上部にp型の電界緩和層を形成している点である。さらに、これに加えて、互いに向かい合うp型の第1ボディ層102の間、互いに向かい合うp型の第2ボディ層104の間および互いに向かい合うn+型の電流拡散層105の間であってp型の電界緩和層が形成されていないn−型のエピタキシャル層101に、n型の高濃度領域を形成している点である。
The difference between the fifth embodiment and the first embodiment is that the upper part of the n + type
≪半導体装置≫
本実施例5によるSiCパワーMISFETの構造について、図35を用いて説明する。図35は、本実施例5によるSiCパワーMISFETの鳥瞰図である。
≪Semiconductor device≫
The structure of the SiC power MISFET according to the fifth embodiment will be described with reference to FIG. 35. FIG. 35 is a bird's-eye view of the SiC power MOSFET according to the fifth embodiment.
図35に示すように、n+型の電流拡散層105の上部および互いに向かい合うn+型の電流拡散層105の間のn−型のエピタキシャル層101の上部にp型の電界緩和層119が設けられている。p型の電界緩和層119を形成することによって、前述の実施例1に示したSiCパワーMISFETよりも、オフ時にゲート絶縁膜110にかかる電界を低減することが可能となる。さらに、ゲート電極111とn+型の電流拡散層105との間の電気的な容量が減少するので、スイッチング損失を低減し、誤点弧を防止することが可能となる。
As shown in FIG. 35, n between the n + -type current spreading layer top and facing each other n + -type current spreading
さらに、互いに向かい合うp型の第1ボディ層102の間、互いに向かい合うp型の第2ボディ層104の間および互いに向かい合うn+型の電流拡散層105の間であってp型の電界緩和層119が形成されていないn−型のエピタキシャル層101に、n型の高濃度領域120が設けられている。n型の高濃度領域120の不純物濃度は、n−型のエピタキシャル層101の不純物濃度よりも高く、例えば1×1015〜1×1018cm−3の範囲である。また、n型の高濃度領域120のn−型のエピタキシャル層101の上面からの深さは、p型の第1ボディ層102のn−型のエピタキシャル層101の上面からの深さと同じか、またはそれよりも深い。
Further, between the p-type first body layers 102 facing each other, between the p-type second body layers 104 facing each other, and between the n + -type current diffusion layers 105 facing each other, the p-type electric
n型の高濃度領域120を形成することによって、寄生抵抗の一つであるJFET抵抗を低減することが可能となる。一般に、n型の高濃度領域120の不純物濃度が高い場合には、ゲート絶縁膜110にかかる電界が高くなる傾向にある。しかし、本実施例5では、p型の第2ボディ層104およびn型の高濃度領域120の上部にp型の電界緩和層119が形成されていることから、ゲート絶縁膜110にかかる電界を低減することができる。
By forming the n-type
≪半導体装置の製造方法≫
本実施例5による半導体装置の製造方法について、図36および図37を用いて説明する。図36および図37は、本実施例5による半導体装置の製造工程におけるSiCパワーMISFETのチャネル長に並行な方向の断面図である。
≪Manufacturing method of semiconductor devices≫
The method of manufacturing the semiconductor device according to the fifth embodiment will be described with reference to FIGS. 36 and 37. 36 and 37 are cross-sectional views in a direction parallel to the channel length of the SiC power MISFET in the manufacturing process of the semiconductor device according to the fifth embodiment.
なお、n+型の電流拡散層105およびp型の第2ボディ層104を形成するまでの工程(図7〜図11)は、前述の実施例1と同様であるため、その説明を省略する。
Since the steps (FIGS. 7 to 11) until the n + type
まず、前述の実施例1と同様に、マスクM12を残したまま、マスクM14を形成する(図11参照)。マスクM14は、例えばレジスト膜で形成する。マスクM14の厚さは、例えば、1〜4μm程度である。マスクM14の開口部分は、p型の電界緩和層118形成部、n+型の電流拡散層105形成部、p型の第2ボディ層104形成部およびマスクM12の一部に設けられている。
First, in the same manner as in Example 1 described above, the mask M14 is formed while leaving the mask M12 (see FIG. 11). The mask M14 is formed of, for example, a resist film. The thickness of the mask M14 is, for example, about 1 to 4 μm. The opening portion of the mask M14 is provided in a p-type electric
次に、マスクM12およびマスクM14越しに、n−型のエピタキシャル層101およびp型の第1ボディ層102にp型不純物をイオン注入して、p型の第2ボディ層104を形成する。続いて、n型不純物をイオン注入して、n+型の電流拡散層105を形成する。続いて、p型不純物をイオン注入して、n+型の電流拡散層105の上部にp型の電界緩和層118を形成する(図30参照)。p型の電界緩和層118の不純物濃度は、例えば1×1016〜1×1019cm−3の範囲である。
Next, p-type impurities are ion-implanted into the n-
次に、図36に示すように、マスクM12およびマスクM14を除去する。続いて、SiCエピタキシャル基板100の表面上にマスクM20を形成する。マスクM20は、例えばレジスト膜で形成する。マスクM20の厚さは、例えば1〜4μm程度である。マスクM20の開口部分は、互いに向かい合うp型の第1ボディ層102の間に位置するJFET領域の上方に設けられている。
Next, as shown in FIG. 36, the mask M12 and the mask M14 are removed. Subsequently, the mask M20 is formed on the surface of the
次に、マスクM20越しに、n−型のエピタキシャル層101にn型不純物をイオン注入して、n型の高濃度領域120を形成する。n型の高濃度領域120の不純物濃度は、例えば1×1015〜1×1018cm−3の範囲である。また、n型の高濃度領域120のn−型のエピタキシャル層101の上面からの深さは、p型の第1ボディ層102のn−型のエピタキシャル層101の上面からの深さよりも深い。
Next, the mask M20 over, n - and ion-implanting an n-type impurity into the -
続いて、互いに向かい合うn+型の電流拡散層105の間のn−型のエピタキシャル層101の上部にp型不純物をイオン注入して、p型の電界緩和層118Aを形成する(図33参照)。p型の界緩和層118Aの不純物濃度は、例えば1×1016〜1×1019cm−3の範囲である。これにより、n+型の電流拡散層105の上部に形成されたp型の電界緩和層118と、互いに向かい合うn+型の電流拡散層105の間のn−型のエピタキシャル層101の上部に形成されたp型の電界緩和層118Aと、からなるp型の電界緩和層119が形成される。
Subsequently, p-type impurities are ion-implanted into the upper part of the n- type epitaxial layer 101 between the n + type current diffusion layers 105 facing each other to form the p-type electric
その後は、前述の実施例1と同様の製造過程により、図37に示す本実施例5によるSiCパワーMISFETが略完成する。 After that, the SiC power MISFET according to the fifth embodiment shown in FIG. 37 is substantially completed by the same manufacturing process as the first embodiment described above.
このように、本実施の形態5によるSiCパワーMISFETは、p型の第1ボディ層102と電気的につながるp型の電界緩和層119を、n+型の電流拡散層105の上部および互いに向かい合うn+型の電流拡散層105の間のn−型のエピタキシャル層101の上部(JFET領域の上方)に有している。これにより、前述の実施例1に示したSiCパワーMISFETよりも、オフ時にゲート絶縁膜110にかかる電界を低減することが可能となる。さらに、ゲート電極111とn+型の電流拡散層105との間の電気的な容量が減少するので、スイッチング損失を低減し、誤点弧を防止することが可能となる。これに加えて、n−型のエピタキシャル層101よりも不純物濃度が高いn型の高濃度領域120を形成することによって、寄生抵抗の一つであるJFET抵抗を低減することが可能となる。
As described above, in the SiC power MISFET according to the fifth embodiment, the p-type electric
(実施例5の第1変形例)
本実施例5の第1変形例によるSiCパワーMISFETについて、図38および図39を用いて説明する。図38は、本実施例5の第1変形例によるSiCパワーMISFETの鳥瞰図である。図39は、本実施例5の第1変形例によるSiCパワーMISFETのチャネル長に並行な方向の断面図である。
(First modification of Example 5)
The SiC power MISFET according to the first modification of the fifth embodiment will be described with reference to FIGS. 38 and 39. FIG. 38 is a bird's-eye view of the SiC power MISFET according to the first modification of the fifth embodiment. FIG. 39 is a cross-sectional view in a direction parallel to the channel length of the SiC power MISFET according to the first modification of the fifth embodiment.
図38および図39に示すように、本実施例5の第1変形例によるSiCパワーMISFETでは、n型の高濃度領域120Aのn−型のエピタキシャル層101の上面からの深さが、p型の第1ボディ層102のn−型のエピタキシャル層101の上面からの深さよりも浅く、かつ、p型の第2ボディ層104のn−型のエピタキシャル層101の上面からの深さと同じか、またはそれよりも深い。高耐圧素子の場合、n−型のエピタキシャル層101の不純物濃度が低く、p型の第1ボディ層102が深く形成されやすい。従って、n型の高濃度領域120Aの深さを、p型の第1ボディ層102の深さよりも浅くすることにより、プロセスが容易となり、また、製造価格を下げることが可能となる。
As shown in FIGS. 38 and 39, in the SiC power MISFET according to the first modification of the fifth embodiment, the depth from the upper surface of the n-type epitaxial layer 101 of the n-type high concentration region 120A is p-type. Is shallower than the depth from the upper surface of the n-
(実施例5の第2変形例)
本実施例5の第2変形例によるSiCパワーMISFETについて、図40および図41を用いて説明する。図40は、本実施例5の第2変形例によるSiCパワーMISFETの鳥瞰図である。図41は、本実施例5の第2変形例によるSiCパワーMISFETのチャネル長に並行な方向の断面図である。
(Second modification of Example 5)
The SiC power MISFET according to the second modification of the fifth embodiment will be described with reference to FIGS. 40 and 41. FIG. 40 is a bird's-eye view of the SiC power MISFET according to the second modification of the fifth embodiment. FIG. 41 is a cross-sectional view in a direction parallel to the channel length of the SiC power MISFET according to the second modification of the fifth embodiment.
図40および図41に示すように、本実施例5の第2変形例によるSiCパワーMISFETでは、n型の高濃度領域120Bのn−型のエピタキシャル層101の上面からの深さが、p型の第2ボディ層104のn−型のエピタキシャル層101の上面からの深さよりも浅い。高耐圧素子の場合、n−型のエピタキシャル層101の不純物濃度が低く、p型の第1ボディ層102が深く形成されやすい。従って、n型の高濃度領域120Bの深さを、p型の第2ボディ層104の深さよりも浅くすることにより、プロセスが容易となり、また、製造価格を下げることが可能となる。
As shown in FIGS. 40 and 41, in the SiC power MISFET according to the second modification of the fifth embodiment, the depth from the upper surface of the n-type epitaxial layer 101 of the n-type high concentration region 120B is p-type. It is shallower than the depth from the upper surface of the n-
前述の実施例1から実施例5において説明した複数のSiCパワーMISFETにより構成される半導体装置は、電力変換装置に用いることができる。 The semiconductor device composed of the plurality of SiC power MISFETs described in Examples 1 to 5 described above can be used as a power conversion device.
本実施例6による電力変換装置について、図42を用いて説明する。図42は、本実施例6による電力変換装置(インバータ)の一例を示す回路図である。 The power conversion device according to the sixth embodiment will be described with reference to FIG. 42. FIG. 42 is a circuit diagram showing an example of the power conversion device (inverter) according to the sixth embodiment.
図42に示すように、インバータ802は、スイッチング素子であるSiCパワーMISFET804とダイオード805とを有する。各単相において、電源電圧(Vcc)と負荷(例えばモータ)801の入力電位との間に、SiCパワーMISFET804とダイオード805とが逆並列に接続されており(上アーム)、負荷801の入力電位と接地電位(GND)との間にも、SiCパワーMISFET素子804とダイオード805とが逆並列に接続されている(下アーム)。
As shown in FIG. 42, the
つまり、負荷801では各単相に2つのSiCパワーMISFET804と2つのダイオード805とが設けられており、3相で6つのSiCパワーMISFET804と6つのダイオード805とが設けられている。そして、個々のSiCパワーMISFET804のゲート電極には制御回路803が接続されており、この制御回路803によってSiCパワーMISFET804が制御されている。従って、インバータ802を構成するSiCパワーMISFET804を流れる電流を制御回路803で制御することにより、負荷801を駆動することができる。
That is, in the
インバータ802を構成するSiCパワーMISFET804の機能について以下に説明する。
The functions of the
負荷801、例えばモータを制御駆動させるためには、所望の電圧の正弦波を負荷801に入力する必要がある。制御回路803はSiCパワーMISFET804を制御し、矩形波のパルス幅を動的に変化させるパルス幅変調動作を行っている。出力された矩形波はインダクタを経ることで、平滑化され、擬似的な所望の正弦波となる。SiCパワーMISFET804は、このパルス幅変調動作を行うための矩形波を作り出す機能を有している。
In order to control and drive the
このように、本実施例6によれば、SiCパワーMISFET804に、前述の実施例1から実施例5において説明した半導体装置を用いることにより、SiCパワーMISFET804が高性能な分、例えばインバータ802などの電力変換装置を高性能化することができる。また、SiCパワーMISFET804は長期の信頼性を有することから、インバータ802などの電力変換装置の使用年数を長期化することができる。
As described above, according to the sixth embodiment, by using the semiconductor device described in the first to fifth embodiments described above for the
また、電力変換装置は、3相モータシステムに用いることができる。図42に示した負荷801は3相モータであり、インバータ802に、前述の実施例1から実施例5において説明した半導体装置を備えた電力変換装置を用いることにより、3相モータシステムの高性能化および使用年数の長期化を実現することができる。
Further, the power conversion device can be used for a three-phase motor system. The
前述の実施例1から実施例5において説明した複数のSiCパワーMISFETにより構成される半導体装置は、電力変換装置に用いることができる。 The semiconductor device composed of the plurality of SiC power MISFETs described in Examples 1 to 5 described above can be used as a power conversion device.
本実施例7による電力変換装置について、図43を用いて説明する。図43は、本実施例7による電力変換装置(インバータ)の一例を示す回路図である。 The power conversion device according to the seventh embodiment will be described with reference to FIG. 43. FIG. 43 is a circuit diagram showing an example of the power conversion device (inverter) according to the seventh embodiment.
図43に示すように、インバータ902は、スイッチング素子であるSiCパワーMISFET904を有する。各単相において、電源電圧(Vcc)と負荷(例えばモータ)901の入力電位との間に、SiCパワーMISFET904が接続されており(上アーム)、負荷901の入力電位と接地電位(GND)との間にも、SiCパワーMISFET素子904が接続されている(下アーム)。
As shown in FIG. 43, the
つまり、負荷901では各単相に2つのSiCパワーMISFET904が設けられており、3相で6つのSiCパワーMISFET904が設けられている。そして、個々のSiCパワーMISFET904のゲート電極には制御回路903が接続されており、この制御回路903によってSiCパワーMISFET904が制御されている。従って、インバータ902を構成するSiCパワーMISFET904を流れる電流を制御回路903で制御することにより、負荷901を駆動することができる。
That is, in the
インバータ902を構成するSiCパワーMISFET904の機能について以下に説明する。
The functions of the
本実施例7でも、SiCパワーMISFET904の機能の1つとして、前述の実施例6と同様に、パルス幅変調動作を行うための矩形波を作り出す機能を有している。さらに、本実施例7では、SiCパワーMISFET904は、前述の実施例6で説明したダイオード805の役割も担う。インバータ902において、例えばモータのように、負荷901にインダクタンスを含む場合、SiCパワーMISFET904をオフしたとき、インダクタンスに蓄えられたエネルギーを必ず放出しなければならない(還流電流)。前述の実施例6では、この役割をダイオード805が担う。一方、本実施例7では、この役割をSiCパワーMISFET904が担う。すなわち、同期整流駆動が用いられる。ここで、同期整流駆動とは、還流時にSiCパワーMISFET904のゲートをオンし、SiCパワーMISFET904を逆導通させる方法である。
Also in the seventh embodiment, as one of the functions of the
従って、還流時の導通損失は、ダイオードの特性ではなく、SiCパワーMISFET904の特性で決まる。また、同期整流駆動を行う場合、上下アームが短絡することを防ぐため、上下のSiCパワーMISFET904が共にオフとなる不動作時間が必要となる。この不動作時間の間はSiCパワーMISFET904のドリフト層とp型のボディ層によって形成される内蔵PNダイオードが駆動する。但し、炭化珪素(SiC)のキャリアの走行距離は珪素(Si)のキャリアの走行距離より短く、不動作時間の間の損失は小さい。例えば前述の実施例6のダイオード805をSiCショットキーバリアダイオードとした場合と、同等である。
Therefore, the conduction loss at reflux is determined not by the characteristics of the diode but by the characteristics of the
このように、本実施例7によれば、SiCパワーMISFET904に、前述の実施例1から実施例5において説明した半導体装置を用いることにより、SiCパワーMISFET904が高性能な分、例えば還流時の損失も小さくできる。また、ダイオードを使わないため、インバータ902などの電力変換装置を小型化することができる。さらに、SiCパワーMISFET904は長期の信頼性を有することから、インバータ902などの電力変換装置の使用年数を長期化することができる。
As described above, according to the seventh embodiment, by using the semiconductor device described in the above-mentioned Examples 1 to 5 for the
また、電力変換装置は、3相モータシステムに用いることができる。図43に示した負荷901は3相モータであり、インバータ902に、前述の実施例1から実施例5において説明した半導体装置を備えた電力変換装置を用いることにより、3相モータシステムの高性能化および使用年数の長期化を実現することができる。
Further, the power conversion device can be used for a three-phase motor system. The
前述の実施例6または実施例7において説明した電力変換装置(3相モータシステム)は、ハイブリット自動車、電気自動車または燃料電池自動車などの自動車に用いることができる。 The power conversion device (three-phase motor system) described in the sixth or seventh embodiment can be used in an automobile such as a hybrid automobile, an electric vehicle, or a fuel cell vehicle.
本実施例8による自動車について、図44および図45を用いて説明する。図44は、本実施例8による電気自動車の構成の一例を示す概略図である。図45は、本実施例8による昇圧コンバータの一例を示す回路図である。 The automobile according to the eighth embodiment will be described with reference to FIGS. 44 and 45. FIG. 44 is a schematic view showing an example of the configuration of the electric vehicle according to the eighth embodiment. FIG. 45 is a circuit diagram showing an example of a boost converter according to the eighth embodiment.
図44に示すように、電気自動車は、駆動輪1001aおよび駆動輪1001bが接続された駆動軸1002に動力を入出力可能とする3相モータ1003と、3相モータ1003を駆動するためのインバータ1004と、バッテリ1005と、を備える。さらに、この電気自動車は、昇圧コンバータ1008と、リレー1009と、電子制御ユニット1010と、を備え、昇圧コンバータ1008は、インバータ1004が接続された電力ライン1006と、バッテリ1005が接続された電力ライン1007と、に接続されている。
As shown in FIG. 44, the electric vehicle has a three-
3相モータ1003は、永久磁石が埋め込まれたロータと、3相コイルが巻回されたステータとを備えた同期発電電動機である。インバータ1004には、前述の実施例6または実施例7において説明したインバータを用いることができる。
The three-
図45に示すように、昇圧コンバータ1008は、インバータ1013に、リアクトル1011および平滑用コンデンサ1012が接続された構成からなる。インバータ1013は、例えば前述の実施例7において説明したインバータと同様であり、インバータ1013内の素子構成も同じである。図45では、例えば前述の実施例7のようにSiCパワーMISFET1014で構成された回路図を示している。
As shown in FIG. 45, the
図44に示した電子制御ユニット1010は、マイクロプロセッサと、記憶装置と、入出力ポートと、を備えており、3相モータ1003のロータ位置を検出するセンサからの信号、またはバッテリ1005の充放電値などを受信する。そして、インバータ1004、昇圧コンバータ1008およびリレー1009を制御するための信号を出力する。
The
このように、本実施例8によれば、インバータ1004および昇圧コンバータ1008に、前述の実施例6または実施例7において説明した3相モータシステムを用いることができる。また、3相モータ1003およびインバータ1004などからなる3相モータシステムに、前述の実施例6または実施例7において説明した3相モータシステムを用いることができる。これにより、電気自動車の省エネルギー化、小型化、軽量化および省スペース化を図ることができる。
As described above, according to the eighth embodiment, the three-phase motor system described in the sixth or seventh embodiment can be used for the
なお、本実施例8では、電気自動車について説明したが、エンジンも併用するハイブリット自動車、バッテリ1005が燃料電池スタックとなった燃料電池自動車にも、前述の実施例6または実施例7において説明した3相モータシステムを適用することができる。
Although the electric vehicle has been described in the eighth embodiment, the hybrid vehicle that also uses the engine and the fuel cell vehicle in which the
前述の実施例6または実施例7において説明した電力変換装置(3相モータシステム)は、鉄道車両に用いることができる。 The power conversion device (three-phase motor system) described in the sixth or seventh embodiment can be used for a railway vehicle.
本実施例9による鉄道車両について、図46を用いて説明する。図46は、本実施例9による鉄道車両に備わるコンバータおよびインバータの一例を示す回路図である。 The railway vehicle according to the ninth embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 46 is a circuit diagram showing an example of a converter and an inverter provided in a railway vehicle according to the ninth embodiment.
図46に示すように、鉄道車両には、架線OW(例えば25kV)からパンタグラフPGを介して電力が供給される。トランス1109を介して電圧が1.5kVまで降圧され、コンバータ1107で交流から直流に変換される。さらに、キャパシタ1108を介してインバータ1102で直流から交流に変換されて、負荷1101である3相モータを駆動する。
As shown in FIG. 46, electric power is supplied to the railroad vehicle from the overhead wire OW (for example, 25 kV) via the pantograph PG. The voltage is stepped down to 1.5 kV via the
コンバータ1107内の素子構成は、前述の実施例6のようにSiCパワーMISFETおよびダイオードを併用してもよく、または、前述の実施例7のようにSiCパワーMISFET単独でもよい。図46では、例えば前述の実施例7のようにSiCパワーMISFET1104単独で構成された回路図を示している。また、図46では、前述の実施例6または実施例7において説明した制御回路は省略している。また、図46中、符号RTは線路、符号WHは車輪を示す。
The element configuration in the
このように、本実施例9によれば、コンバータ1107に、前述の実施例6または実施例7において説明した3相モータシステムを用いることができる。また、負荷1101、インバータ1102および制御回路からなる3相モータシステムに、前述の実施例6または実施例7において説明した3相モータシステムを用いることができる。これにより、鉄道車両の省エネルギー化、並びに床下部品の小型化および軽量化を図ることができる。
As described above, according to the ninth embodiment, the three-phase motor system described in the sixth or seventh embodiment can be used for the
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。 Although the invention made by the present inventor has been specifically described above based on the embodiment, the present invention is not limited to the above embodiment and can be variously modified without departing from the gist thereof. Needless to say.
例えば、各部の材質、導電型、および製造条件等は前述した実施の形態の記載に限定されるものではなく、各々多くの変形が可能であることは言うまでもない。ここで、説明の都合上、半導体基板および半導体膜の導電型を固定して説明したが、前述した実施の形態に記載した導電型には限定されない。 For example, the material, conductive type, manufacturing conditions, etc. of each part are not limited to the description of the above-described embodiment, and it goes without saying that many modifications can be made. Here, for convenience of explanation, the conductive type of the semiconductor substrate and the semiconductor film has been fixed and described, but the present invention is not limited to the conductive type described in the above-described embodiment.
1 半導体チップ
2 ソース配線用電極
3 フローティング・フィールド・リミッティング・リング
4 ガードリング
5 ゲート開口部
7 ソース開口部
8 ゲート配線用電極
10 JFET領域
100 SiCエピタキシャル基板
101 エピタキシャル層
102 第1ボディ層
103 ソース領域
104 第2ボディ層
105 電流拡散層
106 トレンチ
107 SiC基板
108 ドレイン領域
109 ボディ層電位固定領域
110 ゲート絶縁膜
111 ゲート電極
111A 多結晶珪素膜
112 層間絶縁膜
113 金属シリサイド層
114 ソース配線用電極
115 金属シリサイド層
116 ドレイン配線用電極
117 フィールド酸化膜
118,118A,119 電界緩和層
120,120A,120B 高濃度領域
801 負荷
802 インバータ
803 制御回路
804 SiCパワーMISFET
805 ダイオード
901 負荷
902 インバータ
903 制御回路
904 SiCパワーMISFET
1001a,1001b 駆動輪
1002 駆動軸
1003 3相モータ
1004 インバータ
1005 バッテリ
1006,1007 電力ライン
1008 昇圧コンバータ
1009 リレー
1010 電子制御ユニット
1011 リアクトル
1012 平滑用コンデンサ
1013 インバータ
1014 SiCパワーMISFET
1101 負荷
1102 インバータ
1104 SiCパワーMISFET
1107 コンバータ
1108 キャパシタ
1109 トランス
CNT 開口部
M11〜M20 マスク
OW 架線
PG パンタグラフ
RT 線路
WH 車輪
1001a,
1101
1107
Claims (11)
前記第1主面上に形成された前記第1導電型のエピタキシャル層と、
前記エピタキシャル層の上面から前記エピタキシャル層に、前記第1主面に沿う第1方向に互いに離間して形成された、前記第1主面に沿って前記第1方向と直交する第2方向に延在する前記第1導電型と異なる第2導電型の複数の第1ボディ層と、
前記エピタキシャル層の上面から前記第1ボディ層内に、前記第1ボディ層の端部と離間して形成された、前記第2方向に延在する前記第1導電型のソース領域と、
前記ソース領域と離間し、かつ、前記エピタキシャル層と前記第1ボディ層との界面を跨いで前記エピタキシャル層の上面から前記第1ボディ層よりも浅く形成された、前記第2方向に延在する前記第1導電型の電流拡散層と、
前記電流拡散層の直下に前記第1ボディ層よりも浅く形成された、前記第2方向に延在する前記第2導電型の第2ボディ層と、
前記ソース領域、前記第1ボディ層および前記電流拡散層に亘って前記第1方向に延在し、前記第2方向に互いに離間して形成された複数のトレンチと、
前記トレンチの内壁に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
前記第2主面から前記基板内に形成された前記第1導電型のドレイン領域と、
を有し、
前記トレンチの前記エピタキシャル層の上面からの深さは、前記第1ボディ層の前記エピタキシャル層の上面からの第1深さよりも浅く、
前記ゲート電極は、平面視において前記第1ボディ層および前記第2ボディ層からなる領域の内側に設けられ、
前記電流拡散層の上部および互いに向かい合う前記電流拡散層の間の前記エピタキシャル層の上部に、前記第2導電型の電界緩和層を有する、半導体装置。 A first conductive type substrate having a first main surface and a second main surface opposite to the first main surface,
The first conductive type epitaxial layer formed on the first main surface and
Extending from the upper surface of the epitaxial layer to the epitaxial layer in a second direction orthogonal to the first direction along the first main surface, formed so as to be separated from each other in the first direction along the first main surface. A plurality of first body layers of the second conductive type different from the existing first conductive type, and
A source region of the first conductive type extending in the second direction formed in the first body layer from the upper surface of the epitaxial layer and separated from the end portion of the first body layer.
It extends in the second direction, which is separated from the source region and is formed shallower than the first body layer from the upper surface of the epitaxial layer across the interface between the epitaxial layer and the first body layer. The first conductive type current diffusion layer and
The second conductive type second body layer extending in the second direction, which is formed shallower than the first body layer immediately below the current diffusion layer,
A plurality of trenches extending in the first direction over the source region, the first body layer and the current diffusion layer, and formed apart from each other in the second direction.
The gate insulating film formed on the inner wall of the trench and
The gate electrode formed on the gate insulating film and
The first conductive type drain region formed in the substrate from the second main surface, and
Have,
The depth of the trench from the upper surface of the epitaxial layer is shallower than the first depth of the first body layer from the upper surface of the epitaxial layer.
The gate electrode is provided inside a region composed of the first body layer and the second body layer in a plan view.
A semiconductor device having the second conductive type electric field relaxation layer on the upper part of the current diffusion layer and the upper part of the epitaxial layer between the current diffusion layers facing each other.
前記第2ボディ層の一部であって、平面視において前記第1ボディ層と重ならない部分の前記第1方向の幅は、0.1μm以上、2μm以下である、半導体装置。 In the semiconductor device according to claim 1,
A semiconductor device having a width of a portion of the second body layer that does not overlap with the first body layer in a plan view in the first direction of 0.1 μm or more and 2 μm or less.
前記第2ボディ層の最大不純物濃度は、1×1017cm−3以上、かつ、1×1019cm−3以下である、半導体装置。 In the semiconductor device according to claim 1,
A semiconductor device having a maximum impurity concentration of the second body layer of 1 × 10 17 cm -3 or more and 1 × 10 19 cm -3 or less.
前記第1方向と前記第2方向とからなる水平面に直交する第3方向において、前記電流拡散層を挟む前記電界緩和層と前記第2ボディ層との距離は、0.1μm以上、1μm以下である、半導体装置。 In the semiconductor device according to claim 1,
In the third direction orthogonal to the horizontal plane composed of the first direction and the second direction, the distance between the electric field relaxation layer sandwiching the current diffusion layer and the second body layer is 0.1 μm or more and 1 μm or less. There is a semiconductor device.
前記電界緩和層および前記電流拡散層に接し、互いに向かい合う前記電流拡散層の間の前記エピタキシャル層に形成された、前記第1導電型の半導体領域と、
を有し、
前記半導体領域の不純物濃度は、前記エピタキシャル層の不純物濃度よりも高く、前記ソース領域の不純物濃度よりも低い、半導体装置。 In the semiconductor device according to claim 1,
The first conductive type semiconductor region formed in the epitaxial layer between the current diffusion layers which are in contact with the electric field relaxation layer and the current diffusion layer and face each other.
Have,
A semiconductor device in which the impurity concentration in the semiconductor region is higher than the impurity concentration in the epitaxial layer and lower than the impurity concentration in the source region.
前記半導体領域の不純物濃度は、1×1015cm−3以上、かつ、1×1018cm−3以下である、半導体装置。 In the semiconductor device according to claim 5,
A semiconductor device having an impurity concentration in the semiconductor region of 1 × 10 15 cm -3 or more and 1 × 10 18 cm -3 or less.
前記半導体領域の前記エピタキシャル層の上面からの深さは、前記第1ボディ層の前記第1深さと同じか、または前記第1深さよりも深い、半導体装置。 In the semiconductor device according to claim 5,
A semiconductor device in which the depth of the semiconductor region from the upper surface of the epitaxial layer is the same as or deeper than the first depth of the first body layer.
前記半導体領域の前記エピタキシャル層の上面からの深さは、前記第1ボディ層の前記第1深さよりも浅く、かつ、前記第2ボディ層の前記エピタキシャル層の上面からの第2深さと同じか、または前記第2深さよりも深い、半導体装置。 In the semiconductor device according to claim 5,
Is the depth of the semiconductor region from the upper surface of the epitaxial layer shallower than the first depth of the first body layer and the same as the second depth of the second body layer from the upper surface of the epitaxial layer? , Or a semiconductor device deeper than the second depth.
前記半導体領域の前記エピタキシャル層の上面からの深さは、前記第2ボディ層の前記エピタキシャル層の上面からの深さよりも浅い、半導体装置。 In the semiconductor device according to claim 5,
A semiconductor device in which the depth of the semiconductor region from the upper surface of the epitaxial layer is shallower than the depth of the second body layer from the upper surface of the epitaxial layer.
前記基板は、炭化珪素を材質とする、半導体装置。 In the semiconductor device according to claim 1,
The substrate is a semiconductor device made of silicon carbide.
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