JP6855793B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

この発明は、半導体装置に関する。
従来、縦型MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)のMOSゲート構造として、半導体基体上に平板状にMOSゲートを設けたプレーナゲート構造と、半導体基体に形成したトレンチ内にMOSゲートを埋め込んだトレンチゲート構造とが公知である。トレンチゲート構造は、トレンチ側壁に沿って基体おもて面に対して略垂直にチャネルが形成されるため、基体おもて面に平行にチャネルが形成されるプレーナゲート構造よりも単位体積当たりのセル密度を増やすことができる。このため、単位体積当たりの電流密度を増やすことができ、コスト面から有利である。
一方で、トレンチゲート構造では、基体おもて面に対して略垂直にチャネルを形成するために、トレンチの内壁全面に沿ってゲート絶縁膜が設けられ、トレンチ底面で基体裏面のドレイン電極に近くなる。このため、トレンチの底面でゲート絶縁膜に高電界が印加されやすい。この問題を解消するために、シリコン(Si)よりもバンドギャップが広い半導体(以下、ワイドバンドギャップ半導体とする)を用いた半導体装置では、トレンチ底面を覆うp型領域を配置し、トレンチ底面の電界強度を緩和した構造が提案されている。また、トレンチ間(メサ部)に、p型ベース領域に接するp型領域を配置し、当該p型領域とn型ドリフト層とでトレンチ底面よりドレイン側に深い位置にpn接合を形成した構造が提案されている。
また、縦型MOSFETでは、ドリフト層の内部の基体おもて面側に、ドリフト層と同導電型で、かつドリフト層よりも不純物濃度の高いキャリアスプレッド(キャリア拡散(CS:Carrier Spread))領域を設けた構造が公知である。CS領域を設けることで、JFET(Junction FET)抵抗が低減され、低オン抵抗化が図られている。また、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)においては、少数キャリアの障壁となり、CS領域が少数キャリアを蓄積するキャリアストレージ(キャリア蓄積(CS:Carrier Storage))領域として機能する。このため、コレクタ−エミッタ間の電流密度が増大され、伝導度変調効果が高くなる。
従来の半導体装置のエッジ終端領域の構造について、MOSFETを例に説明する。図14は、従来の半導体装置のエッジ終端領域の構造を示す断面図である。図14に示す従来の半導体装置は、半導体基体(半導体チップ)130のおもて面側(p+型ベース領域106側)にMOSゲート(不図示)を備える。半導体基体130は、n+型半導体基板101上にn-型ドリフト領域102およびp+型ベース領域106となる各半導体層131,132を順にエピタキシャル成長させてなる。半導体基体130のおもて面には、活性領域110とエッジ終端領域120との間に段差123が形成されている。活性領域110は、オン状態のときに電流が流れる領域である。エッジ終端領域120は、活性領域110の周囲を囲む。
n型CS領域105は、n-型ドリフト領域102の、p+型ベース領域106側の表面層に設けられている。また、n型CS領域105は、活性領域110からエッジ終端領域120にわたってチップ端部に至るように設けられ、エッジ終端領域120において基体おもて面に露出している。n型CS領域105の基体おもて面に露出する部分には、p+型ベース領域106の外側に隣接して、接合終端(JTE:Junction Termination Extension)構造が設けられている。JTE構造は、p+型ベース領域106よりも不純物濃度の低いp型領域(第1,2JTE領域121,122)からなる。符号108,113,116は、それぞれp++型コンタクト領域、層間絶縁膜およびコレクタ電極である。
CS領域を備えた半導体装置として、ドリフト領域とベース領域との間に、トレンチ底面よりも基体おもて面から浅い深さで、エピタキシャル成長層からなるCS領域を備えた装置が提案されている(例えば、下記特許文献1(第0018〜0019段落、第5図)、下記特許文献2(第0016〜0017段落、第1,2図)および下記特許文献3(第14頁32行目〜第15頁14行目、第20図)参照。)。
特開2008−16747号公報 特許第5444608号公報 特許第5054255号公報
しかしながら、上述した従来構造では、n型CS領域105を設けたことでJTE構造の不純物濃度のプロセスマージンが狭くなり、エッジ終端領域120の耐圧が低下したり、ドレイン−ソース間に電流が流れる時のオン抵抗の特性が悪化するという問題がある。
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、低オン抵抗化を図るとともに、耐圧およびオン抵抗の特性を維持することができる半導体装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、電流が流れる活性領域よりも外側に耐圧構造を備えた半導体装置において、次の特徴を有する。シリコンよりもバンドギャップが広い半導体からなる半導体基板が設けられている。前記半導体基板のおもて面に、シリコンよりもバンドギャップが広い半導体からなる第1導電型の第1半導体層が設けられている。前記活性領域において、前記第1半導体層の、前記半導体基板側に対して反対側の表面に、シリコンよりもバンドギャップが広い半導体からなる第2導電型の第2半導体層が設けられている。前記第1半導体層の、前記半導体基板側に対して反対側の表面層に、前記第2半導体層に接して、前記第2半導体層よりも不純物濃度の高い第2導電型の第1半導体領域が選択的に設けられている。前記第1半導体層の内部に、前記第2半導体層および前記第1半導体領域と離して、前記第2半導体層よりも不純物濃度の高い第2導電型の第2半導体領域が選択的に設けられている。前記第1半導体層の、前記半導体基板側に対して反対側の表面層に、前記第1半導体領域および前記第2半導体領域に接して、前記第1半導体層よりも不純物濃度の高い第1導電型の第3半導体領域が選択的に設けられている。前記第2半導体層の内部に、第1導電型の第4半導体領域が選択的に設けられている。前記第2半導体層の内部に、前記第2半導体層よりも不純物濃度の高い第2導電型の第5半導体領域が選択的に設けられている。前記第4半導体領域および前記第2半導体層を貫通して前記第3半導体領域に達するトレンチが設けられている。前記トレンチは、深さ方向に前記第2半導体領域に対向する。前記トレンチの内部に、ゲート絶縁膜を介してゲート電極が設けられている。第1電極は、前記第2半導体層および前記第4半導体領域に接する。第2電極は、前記半導体基板の裏面に設けられている。前記第3半導体領域は、前記活性領域に設けられ、前記第1半導体領域と面一又は当該第1半導体領域よりも内側に延在する。
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第5半導体領域は、前記第1半導体領域と面一又は当該第1半導体領域よりも外側で終端していることを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第3半導体領域は、前記活性領域のみに設けられていることを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第3半導体領域は、前記耐圧構造に接することを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記活性領域よりも外側において、前記第1半導体層の、前記半導体基板側に対して反対側の表面層に、前記第3半導体領域に接して設けられた、前記第3半導体領域よりも不純物濃度の低い第1導電型の第6半導体領域をさらに備える。前記第6半導体領域の内部に前記耐圧構造が設けられていることを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第6半導体領域の不純物濃度は、前記第1半導体層の不純物濃度以下であることを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第3半導体領域は、前記第1半導体層と前記第2半導体層との間に設けられたエピタキシャル成長層である。前記第6半導体領域は、前記エピタキシャル成長層の、前記活性領域よりも外側の部分に設けられ、深さ方向に前記エピタキシャル成長層を貫通することを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記耐圧構造は、前記第1半導体層の、前記半導体基板側に対して反対側の表面層に、前記活性領域の周囲を囲む同心円状に設けられた第2導電型の複数の第7半導体領域で構成される。複数の前記第7半導体領域は、前記活性領域から離れるほど不純物濃度が低く、かつ前記第2半導体層よりも不純物濃度が低い。
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、シリコンよりもバンドギャップが広い半導体は、炭化珪素であることを特徴とする。
本発明にかかる半導体装置によれば、JTE構造のプロセスマージンを広くすることができる。このため、低オン抵抗化を図るとともに、耐圧およびオン抵抗の特性を維持することができるという効果を奏する。
実施の形態1にかかる半導体装置の活性領域の構造を示す断面図である。 実施の形態1にかかる半導体装置のエッジ終端領域の構造を示す断面図である。 実施の形態1にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。 実施の形態1にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。 実施の形態1にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。 実施の形態1にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。 実施の形態1にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。 実施の形態1にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。 実施の形態2にかかる半導体装置のエッジ終端領域の構造を示す断面図である。 実施の形態2にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。 実施の形態2にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。 実施の形態2にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。 実施例にかかる半導体装置の耐圧特性を示す特性図である。 従来の半導体装置のエッジ終端領域の構造を示す断面図である。
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、nまたはpを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、nやpに付す+および−は、それぞれそれが付されていない層や領域よりも高不純物濃度および低不純物濃度であることを意味する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本明細書では、ミラー指数の表記において、“−”はその直後の指数につくバーを意味しており、指数の前に“−”を付けることで負の指数を表している。
(実施の形態1)
本発明にかかる半導体装置は、シリコン(Si)よりもバンドギャップが広い半導体(ワイドバンドギャップ半導体)を用いて構成される。ここでは、ワイドバンドギャップ半導体として例えば炭化珪素(SiC)を用いたMOSFETを例に説明する。図1は、実施の形態1にかかる半導体装置の活性領域の構造を示す断面図である。図1には、2つの単位セル(素子の機能単位)のみを示し、これらに隣接する他の単位セルを図示省略する。図2は、実施の形態1にかかる半導体装置のエッジ終端領域の構造を示す断面図である。
図1,2に示す実施の形態1にかかる半導体装置は、炭化珪素からなる半導体基体(炭化珪素基体:半導体チップ)30に、活性領域10およびエッジ終端領域20を備える。活性領域10は、オン状態のときに電流が基体の厚さ方向に流れる領域である。エッジ終端領域20は、活性領域10とチップ端部との間に設けられ、活性領域10の周囲を囲む。エッジ終端領域20は、n-型ドリフト領域2の基体おもて面(炭化珪素基体30のおもて面)側の電界を緩和し耐圧を保持する領域である。
炭化珪素基体30は、炭化珪素からなるn+型支持基板(n+型炭化珪素基板)1上にn-型ドリフト領域2およびp型ベース領域6となる各炭化珪素層(第1,2半導体層)31,32を順にエピタキシャル成長させてなる。活性領域10において、炭化珪素基体30のおもて面(p型ベース領域6側の面)側には、第1,2p+型領域3,4、p型ベース領域6、n+型ソース領域(第4半導体領域)7、p++型コンタクト領域(第5半導体領域)8、トレンチ9、ゲート絶縁膜11およびゲート電極12で構成されるMOSゲートが設けられている。
具体的には、第1,2p+型領域(第1,2半導体領域)3,4は、n-型炭化珪素層31の基体おもて面側にはそれぞれ選択的に設けられている。第1p+型領域3は、隣り合うトレンチ9間(メサ部)に設けられ、p型ベース領域6に接する。第1p+型領域3は、その一部をトレンチ9側に延在させて部分的に第2p+型領域4と接していてもよい。最も外側(チップ端部側)に配置された単位セルの第1p+型領域3(以下、最外第1p+型領域3’とする)は、基体おもて面に平行な方向(以下、横方向とする)に活性領域10とエッジ終端領域20との境界まで設けられている。
第2p+型領域4は、第1p+型領域3およびp型ベース領域6と離して設けられ、かつ深さ方向にトレンチ9の底面および底面コーナー部に対向する。すなわち、第2p+型領域4の幅は、トレンチ9の幅以上である。第2p+型領域4は、ゲート絶縁膜11のトレンチ9の底面および底面コーナー部の部分を覆うように設けられていてもよい。トレンチ9の底面コーナー部とは、トレンチ9の底面と側壁との境界である。図1には、ゲート絶縁膜11のトレンチ9の底面および底面コーナー部の部分を第2p+型領域4で覆った状態を示す。
また、n-型炭化珪素層31の基体おもて面側の表面層には、p型ベース領域6に接するようにn型領域(以下、n型CS領域とする)5が選択的に設けられている。n型CS領域(第3半導体領域)5は、キャリアの広がり抵抗を低減させる電流拡散層(CSL)である。n型CS領域5は、第1,2p+型領域3,4の間に、第1,2p+型領域3,4に接して設けられている。かつ、n型CS領域5は、トレンチ9の側壁においてゲート絶縁膜11を介してゲート電極12と対向する。
また、n型CS領域5は、第1,2p+型領域3,4よりもドレイン側に深い位置に達し、第1,2p+型領域3,4のドレイン側を覆っていてもよい。すなわち、n型CS領域5は、第1,2p+型領域3,4を内包するように設けられていてもよい。これにより、トレンチ9の底面よりもドレイン側に深い位置に、第1,2p+型領域3,4とn型CS領域5との間のpn接合が形成され、このpn接合によりトレンチ9底面においてゲート絶縁膜11に高電界が印加されることを防止することができる。
また、n型CS領域5は、例えば活性領域10の全域にわたって設けられている。n型CS領域5の端部は、活性領域10とエッジ終端領域20との境界に位置する。すなわち、n型CS領域5は、活性領域10にのみ設けられ、p+型領域3の端部と面一かp+型領域3の端部を越えないように設けられている。また、n型CS領域5は、後述する第1JTE領域21の、活性領域10内に延在する部分のドレイン側の面の一部を覆う。n-型炭化珪素層31の、第1,2p+型領域3,4およびn型CS領域5以外の部分がn-型ドリフト領域2である。
+型ソース領域7およびp++型コンタクト領域8は、p型炭化珪素層32の基体おもて面側の表面層に互いに接するようにそれぞれ選択的に設けられている。最も外側に配置された単位セルのp++型コンタクト領域8(以下、最外p++型コンタクト領域8’とする)は、後述する活性領域10とエッジ終端領域20との段差23に沿って設けられ、当該段差23において最外第1p+型領域3’に接する。
また、最外p++型コンタクト領域8’は、活性領域10とエッジ終端領域20との段差23からエッジ終端領域20に延在し、エッジ終端領域20の基体おもて面において第1JTE領域21に接する。すなわち、最外p++型コンタクト領域8’は、n型CS領域5よりも外側に延在している。p型炭化珪素層32の、n+型ソース領域7およびp++型コンタクト領域8以外の部分がp型ベース領域6である。
トレンチ9は、基体おもて面からn+型ソース領域7およびp型ベース領域6を貫通してn型CS領域5に達する。トレンチ9の内部には、トレンチ9の側壁に沿ってゲート絶縁膜11が設けられ、ゲート絶縁膜11の内側にゲート電極12が設けられている。ゲート電極12のソース側端部は、基体おもて面から外側に突出していてもいなくてもよい。層間絶縁膜13は、活性領域10とエッジ終端領域20にわたって基体おもて面全面に設けられ、ゲート電極12を覆う。
ソース電極(第1電極)14は、層間絶縁膜13に開口されたコンタクトホールを介してn+型ソース領域7およびp++型コンタクト領域8に接するとともに、層間絶縁膜13によってゲート電極12と電気的に絶縁されている。ソース電極14上には、ソースパッド15が設けられている。炭化珪素基体30の裏面(n+型ドレイン領域となるn+型炭化珪素基板1の裏面)には、ドレイン電極(第2電極)16が設けられている。ドレイン電極16上には、ドレインパッド17が設けられている。
エッジ終端領域20の全域にわたってp型炭化珪素層32が除去され、炭化珪素基体30のおもて面にエッジ終端領域20を活性領域10よりも低くした(ドレイン側に凹ませた)段差23が形成されている。すなわち、エッジ終端領域20において、炭化珪素基体30のおもて面には、n-型炭化珪素層31が露出されている。活性領域10とエッジ終端領域20との基体おもて面(上段と下段)間の連結部(段差23のステア)23aは、基体おもて面に対して斜度を有していてもよい。
エッジ終端領域20において、活性領域10との段差23により基体おもて面に露出するn-型炭化珪素層31にはJTE構造などの耐圧構造が設けられている。上述したように、エッジ終端領域20にはn型CS領域5が設けられていないため、エッジ終端領域20において基体おもて面に露出するn-型炭化珪素層31はn-型ドリフト領域2を構成する。このn-型ドリフト領域2にJTE構造が設けられている。JTE構造は、p型ベース領域6よりも不純物濃度の低いp型領域で構成され、エッジ終端領域20における電界を緩和する機能を有する。
JTE構造は、活性領域10の周囲を囲む同心円状に、外側に配置されるほど不純物濃度の低い複数のp型領域(ここでは2つ。以下、第1,2JTE領域21,22とする)が隣接してなる。第1JTE領域(p型領域)21は、エッジ終端領域20の最も内側(活性領域10側)に設けられ、最外p++型コンタクト領域8’に接する。また、第1JTE領域21は、エッジ終端領域20から活性領域10に延在し、最外第1p+型領域3’に接する。第2JTE領域(p-型領域)22は、第1JTE領域21よりも外側に設けられ、第1JTE領域21に接する。
次に、実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法について説明する。図3〜8は、実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。図4〜6の(a)および7,8には活性領域10を示し、図4〜6の(b)にはエッジ終端領域20を示す。まず、図3に示すように、n+型ドレイン領域となるn+型炭化珪素基板1を用意する。n+型炭化珪素基板1は、例えば、おもて面を(0001)面、いわゆるSi面とした窒素(N)ドープの炭化珪素単結晶基板であってもよい。
次に、n+型炭化珪素基板1のおもて面に、上述したn-型炭化珪素層31となる例えば窒素などのn型不純物をドープしたn-型炭化珪素層31aをエピタキシャル成長させる。n-型炭化珪素層31aの厚さは、例えば30μm程度であってもよい。次に、例えばプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition:化学気相成長)等の堆積法により、n-型炭化珪素層31aの表面に酸化膜(不図示)を形成する。次に、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、活性領域10の形成領域に対応する部分の酸化膜を除去する。
次に、酸化膜の残部をマスク(酸化膜マスク)として例えば窒素などのn型不純物をイオン注入し、図4に示すように、n-型炭化珪素層31aの表面層に、例えば0.6μm程度の厚さでn型領域(以下、n型部分領域とする)5aを形成する。n型部分領域5aの不純物濃度は、例えば1.0×1017/cm3程度であってもよい。n型部分領域5aは活性領域10全体に形成され、その端部は活性領域10とエッジ終端領域20との境界に位置する(図4(b))。このn型部分領域5aは、n型CS領域5の一部である。n-型炭化珪素層31aの、n型部分領域5aよりもドレイン側(n+型炭化珪素基板1側)の部分がn-型ドリフト領域2となる。そして、n型部分領域5aの形成に用いた酸化膜マスクを除去する。
次に、例えば堆積法により、再度、n-型炭化珪素層31aの表面に酸化膜(不図示)を形成する。次に、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、第1,2p+型領域3,4の形成領域に対応する部分の酸化膜を除去する。次に、酸化膜の残部をマスク(酸化膜マスク)として例えばアルミニウム(Al)などのp型不純物をイオン注入し、n-型炭化珪素層31aの表面層(すなわちn型部分領域5aの内部)に、例えば0.5μm程度の厚さでp+型領域(以下、p+型部分領域とする)3aおよび第2p+型領域4をそれぞれ選択的に形成する。p+型部分領域3aおよび第2p+型領域4の不純物濃度は、例えば5.0×1018/cm3程度であってもよい。このp+型部分領域3aは、第1p+型領域3の一部である。
+型部分領域3aと第2p+型領域4とは、横方向に交互に繰り返し配置される(図4(a))。p+型部分領域3aと第2p+型領域4との間隔は、例えば1.5μm程度であってもよい。最も外側のp+型部分領域3a(以下、最外p+型部分領域3a’とする)の端部は、横方向に活性領域10とエッジ終端領域20との境界に達する。(図4(b))。そして、p+型部分領域3aおよび第2p+型領域4の形成に用いた酸化膜マスクを除去する。n型部分領域5aと、p+型部分領域3aおよび第2p+型領域4と、の形成順序を入れ替えてもよい。p+型部分領域3aと第2p+型領域4とを異なる酸化膜マスクを用いて異なるイオン注入工程で形成してもよい。
次に、図5に示すように、n-型炭化珪素層31a上に、上述したn-型炭化珪素層31となる例えば窒素などのn型不純物をドープしたn-型炭化珪素層31bをエピタキシャル成長させる。n-型炭化珪素層31bの不純物濃度および厚さは、例えば、それぞれ3.0×1015/cm3程度および0.5μm程度であってもよい。次に、例えば堆積法により、n-型炭化珪素層31bの表面に酸化膜(不図示)を形成する。次に、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、第1p+型領域3の形成領域に対応する部分の酸化膜を除去する。
次に、酸化膜の残部をマスク(酸化膜マスク)として例えばアルミニウムなどのp型不純物をイオン注入し、n-型炭化珪素層31bの、p+型部分領域3aに対向する部分に、p+型部分領域3aに達する深さでp+型部分領域3bを選択的に形成する(図5(a))。p+型部分領域3bの幅および不純物濃度は、例えばp+型部分領域3aと略同じであってもよい。最も外側のp+型部分領域3b(最外p+型部分領域3b’)の端部の横方向位置は、最外p+型部分領域3a’と同じである(図5(b))。このp+型部分領域3bは、第1p+型領域3の一部である。p+型部分領域3a,3bが深さ方向(縦方向)に連結されることで、第1p+型領域3が形成される。そして、p+型部分領域3bの形成に用いた酸化膜マスクを除去する。
次に、例えば堆積法により、再度、n-型炭化珪素層31bの表面に酸化膜(不図示)を形成する。次に、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、活性領域10の形成領域に対応する部分の酸化膜を除去する。次に、酸化膜の残部をマスク(酸化膜マスク)として例えば窒素などのn型不純物をイオン注入し、n-型炭化珪素層31bに、n型部分領域5aに達する深さでn型部分領域5bを形成する。n型部分領域5bの不純物濃度は、n型部分領域5aと略同じであってもよい。
n型部分領域5bは、n型部分領域5aと同様に活性領域10全体に形成され、その端部は活性領域10とエッジ終端領域20との境界に位置する(図5(b))。n型部分領域5a,5bが深さ方向に連結されることで、n型CS領域5が形成される。そして、n型部分領域5bの形成に用いた酸化膜マスクを除去する。p+型部分領域3bとn型部分領域5bとの形成順序を入れ替えてもよい。
次に、図6に示すように、n-型炭化珪素層31上に、例えばアルミニウムなどのp型不純物をドープしたp型炭化珪素層32をエピタキシャル成長させる。p型炭化珪素層32の不純物濃度および厚さは、例えば、それぞれ4.0×1017/cm3程度および1.3μm程度であってもよい。ここまでの工程により、n+型炭化珪素基板1上にn-型炭化珪素層31およびp型炭化珪素層32を順に堆積した炭化珪素基体(半導体ウエハ)30が形成される。
次に、例えば堆積法により、p型炭化珪素層32の表面に酸化膜(不図示)を形成する。次に、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、エッジ終端領域20の形成領域に対応する部分の酸化膜を除去する。次に、酸化膜の残部をマスク(酸化膜マスク)としてエッチングを行い、エッジ終端領域20の全域にわたってp型炭化珪素層32を除去する。このとき、p型炭化珪素層32とともにn-型炭化珪素層31の表面層が若干除去されてもよい。
これによって、炭化珪素基体30のおもて面にエッジ終端領域20を活性領域10よりも低くした段差23が形成され、エッジ終端領域20において基体おもて面にn-型炭化珪素層31が露出される。エッジ終端領域20の全域にわたってp型炭化珪素層32を除去する際に、活性領域10の外周部分までp型炭化珪素層32が除去されてもよい。段差23のステア23aは、基体おもて面に対して略垂直であってもよいし、斜度を有していてもよい。
次に、例えば堆積法により、基体おもて面に酸化膜(不図示)を形成する。次に、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、n+型ソース領域7の形成領域に対応する部分の酸化膜を除去する。次に、酸化膜の残部をマスク(酸化膜マスク)として例えばリン(P)などのn型不純物をイオン注入し、p型炭化珪素層32の表面層にn+型ソース領域7を選択的に形成する。n+型ソース領域7の不純物濃度は、第1p+型領域3の不純物濃度よりも高くてもよい。そして、n+型ソース領域7の形成に用いた酸化膜マスクを除去する。
次に、例えば堆積法により、再度、基体おもて面に酸化膜(不図示)を形成する。次に、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、p++型コンタクト領域8の形成領域に対応する部分の酸化膜を除去する。次に、酸化膜の残部をマスク(酸化膜マスク)として例えばアルミニウムなどのp型不純物をイオン注入し、p型炭化珪素層32の表面層にp++型コンタクト領域8を選択的に形成する。p++型コンタクト領域8の不純物濃度は、第2p+型領域4の不純物濃度よりも高くてもよい。
最外p++型コンタクト領域8’は、段差23のステア23aにおいて、p型炭化珪素層32の側面、最外第1p+型領域3’およびn型CS領域5に接し、エッジ終端領域20のn-型炭化珪素層31に延在する。最外p++型コンタクト領域8’の端部は、横方向に活性領域10とエッジ終端領域20との境界よりも外側に延在し、エッジ終端領域20に位置する(図6(b))。そして、p++型コンタクト領域8の形成に用いた酸化膜マスクを除去する。p型炭化珪素層32の、n+型ソース領域7およびp++型コンタクト領域8以外の部分がp型ベース領域6になる。
次に、酸化膜マスクの形成、p型不純物のイオン注入および酸化膜マスクの除去を一組とする工程を異なる条件で繰り返し行い、JTE構造(第1,2JTE領域21,22)を形成する。n+型ソース領域7、p++型コンタクト領域8およびJTE構造の形成順序を入れ替えてもよい。次に、イオン注入により形成した全ての領域を活性化するための熱処理(活性化アニール)を例えば1700℃程度の温度で2分間程度行う。イオン注入を行うごとに活性化アニールを行ってもよい。
次に、図7に示すように、例えば堆積法により、再度、基体おもて面に酸化膜(不図示)を形成する。次に、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、トレンチ9の形成領域に対応する部分の酸化膜を除去する。次に、酸化膜の残部をマスク(酸化膜マスク)としてエッチングを行い、n+型ソース領域7およびp型ベース領域6を貫通してn型CS領域5に達するトレンチ9を形成する。トレンチ9は、n型CS領域5の内部の第2p+型領域4に達していてもよい。
次に、図8に示すように、炭化珪素基体30のおもて面(p型炭化珪素層32の表面)およびトレンチ9の内壁に沿ってゲート絶縁膜11を形成する。ゲート絶縁膜11は、例えば、酸素(O2)雰囲気において1000℃程度の温度の熱処理による熱酸化により形成してもよいし、高温酸化(HTO:High Temperature Oxide)等の化学反応によって堆積してもよい。
次に、トレンチ9に埋め込むように、ゲート絶縁膜11上に例えばリンドープのポリシリコン(poly−Si)を堆積してパターニングすることで、トレンチ9の内部にゲート電極12となるポリシリコンを残す。その際、エッチバックしてポリシリコンを基体表部より内側に残すようにエッチングしてもよく、パターニングとエッチングを施すことでポリシリコンが基体表部より外側に突出していてもよい。
次に、ゲート電極12を覆うように、炭化珪素基体30のおもて面全面に例えば1μm程度の厚さで層間絶縁膜13を形成する。層間絶縁膜13は、例えば、PSG(Phospho Silicate Glass)であってもよい。次に、層間絶縁膜13およびゲート絶縁膜11をパターニングしてコンタクトホールを形成し、n+型ソース領域7およびp++型コンタクト領域8を露出させる。次に、熱処理(リフロー)により層間絶縁膜13を平坦化する。
次に、コンタクトホールの内壁から層間絶縁膜13上にわたって、n+型ソース領域7およびp++型コンタクト領域8に接する導電性膜を形成する。そして、この導電性膜をパターニングしてコンタクトホール内にのみソース電極14として残す。次に、炭化珪素基体30の裏面(n+型炭化珪素基板1の裏面)に、ドレイン電極16として例えばニッケル(Ni)膜を形成する。次に、例えば970℃程度の温度の熱処理によりニッケル膜をシリサイド化して、炭化珪素基体30とドレイン電極16とのオーミックコンタクトを形成する。
次に、例えばスパッタリングにより、コンタクトホールを埋め込むように層間絶縁膜13上に、例えば5μm程度の厚さのアルミニウム膜を堆積する。そして、このアルミニウム膜をパターニングして活性領域10にソースパッド15として残す。次に、ドレイン電極16上に、例えば、チタン(Ti)膜、ニッケル膜および金(Au)膜を順に積層してドレインパッド17を形成する。その後、半導体ウェハを切断してチップ状に個片化することで、図1,2に示すMOSFETが完成する。
以上、説明したように、実施の形態1によれば、n型CS領域を活性領域のみに配置し、最外p++型コンタクト領域をエッジ終端領域に延在させることで、JTE構造を構成するp型領域の不純物濃度のプロセスマージンを広くすることができる。これにより、n型CS領域を設けて低オン抵抗化を図ったとしても、JTE構造を構成するp型領域を変更することでエッジ終端領域の所定耐圧を確保することができる。また、n-型ドリフト領域2よりも高不純物濃度のn型CS領域5により電流が流れる時のオン抵抗を下げることができる。
(実施の形態2)
次に、実施の形態2にかかる半導体装置の構造について説明する。図9は、実施の形態2にかかる半導体装置のエッジ終端領域の構造を示す断面図である。実施の形態2にかかる半導体装置の活性領域10の構成は、実施の形態1と同様である(図1参照)。実施の形態2にかかる半導体装置が実施の形態1にかかる半導体装置と異なる点は、次の2点である。1つ目の相違点は、完成後のn型CS領域5と同じ不純物濃度でエピタキシャル成長させたn型炭化珪素層でn型CS領域5が構成されている。
2つ目の相違点は、エッジ終端領域20全域にわたってn-型領域(第6半導体領域)24が設けられている。n-型領域24は、エッジ終端領域20において基体おもて面に露出する。JTE構造(第1,2JTE領域21,22)は、n-型領域24の内部に設けられている。n-型領域24とn-型ドリフト領域2との界面の深さは、n型CS領域5とn-型ドリフト領域2との界面の深さとほぼ等しいか、若干ドレイン側に位置する。n-型領域24の不純物濃度は、n型CS領域5の不純物濃度よりも低く、好ましくはn-型ドリフト領域2の不純物濃度以下であることがよい。
次に、実施の形態2にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図10〜12は、実施の形態2にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。図10〜12にはエッジ終端領域20を示す。まず、実施の形態1と同様にn+型炭化珪素基板1を用意する。次に、図10に示すように、n+型炭化珪素基板1のおもて面に、n-型ドリフト領域2であるn-型炭化珪素層31cと、n型部分領域5aとなるn型炭化珪素層31dと、を順にエピタキシャル成長させる。
次に、活性領域10におけるn型炭化珪素層31dの内部に、実施の形態1と同様にp+型部分領域3aおよび第2p+型領域4をそれぞれ選択的に形成する。この時点での活性領域10の断面構造は、図4(a)の符号31aを、n-型炭化珪素層31cおよびn型炭化珪素層31dの積層構造とした断面図と同様である。この時点において、エッジ終端領域20において基体おもて面にはn型炭化珪素層31eが露出されている。このため、エッジ終端領域20における基体おもて面側のn型不純物濃度はn型CS領域5と等しい。そこで、エッジ終端領域20におけるn型炭化珪素層31dをp型不純物のイオン注入により打ちかえしてn型不純物濃度を低下させる。
具体的には、例えば堆積法により、基体おもて面に酸化膜(不図示)を形成する。次に、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、エッジ終端領域20の形成領域に対応する部分の酸化膜を除去する。次に、酸化膜の残部をマスク(酸化膜マスク)としてp型不純物をイオン注入し、エッジ終端領域20におけるn型炭化珪素層31d全体を打ち返して、n型炭化珪素層31dよりも不純物濃度の低いn-型領域(以下、n-型部分領域とする)24aを形成する。このn-型部分領域24aは、n-型領域24の一部である。p+型部分領域3a、第2p+型領域4およびn-型部分領域24aの形成順序を入れ替えてもよい。そして、n-型部分領域24aの形成に用いた酸化膜マスクを除去する。
次に、図12に示すように、n型炭化珪素層31dの表面に、n型部分領域5bとなるn型炭化珪素層31eをエピタキシャル成長させる。これらn-型炭化珪素層31cおよびn型炭化珪素層31d,31eで図9の炭化珪素層31が構成される。次に、活性領域10におけるn型炭化珪素層31eの内部に、実施の形態1と同様にp+型部分領域3bを選択的に形成する。この時点での活性領域10の断面構造は、図5(a)の符号31bを31eに代えた断面図と同様である。
また、例えば堆積法により、基体おもて面に酸化膜(不図示)を形成する。次に、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、エッジ終端領域20の形成領域に対応する部分の酸化膜を除去する。次に、酸化膜の残部をマスク(酸化膜マスク)としてp型不純物をイオン注入し、エッジ終端領域20におけるn型炭化珪素層31e全体を打ち返して、n型炭化珪素層31eよりも不純物濃度の低いn-型部分領域24bを形成する。このn-型部分領域24bは、n-型領域24の一部である。n-型部分領域24a,24bが深さ方向に連結されることで、n-型領域24が形成される。p+型部分領域3bおよびn-型部分領域24bの形成順序を入れ替えてもよい。
その後、実施の形態1と同様に、p型炭化珪素層32の堆積から、JTE構造の形成までの工程を順に行う。JTE構造は、n-型領域24の内部に形成すればよい。これによって、図1,9に示すMOSFETが完成する。
また、実施の形態2にかかる半導体装置の製造方法に限らず、エッジ終端領域20における基板おもて面のn型不純物濃度を低下させることができればよく、その方法は種々変更可能である。例えば、n-型部分領域24a,24bを個別に形成せずに、n型炭化珪素層31eをエピタキシャル成長させた後に、1回のp型不純物のイオン注入による打ち返しによりn-型領域24を形成してもよい。また、炭化珪素基体30のおもて面に段差23を形成した後に、1回のp型不純物のイオン注入による打ち返しによりn-型領域24を形成してもよい。この場合、n-型領域24、n+型ソース領域7、p++型コンタクト領域8およびJTE構造の形成順序を入れ替えてもよい。
また、n型炭化珪素層31dのみにn-型領域24を形成し、活性領域10とエッジ終端領域20との段差23を形成する際に、エッジ終端領域20においてp型炭化珪素層32とともにn型炭化珪素層31eを除去してn-型領域24を露出させてもよい。また、n-型領域24を形成せずに、活性領域10とエッジ終端領域20との段差23を形成する際に、エッジ終端領域20においてp型炭化珪素層32とともにn型炭化珪素層31e,31dを除去し、n-型炭化珪素層31cを露出させてもよい。
以上、説明したように、実施の形態2によれば、n型CS領域をエピタキシャル成長層で構成した場合においても、エッジ終端領域において当該エピタキシャル成長層のn型不純物濃度を低下させることで、実施の形態1と同様の効果を得ることができる。
(実施例)
エッジ終端領域20の耐圧について検証した。図13は、実施例にかかる半導体装置の耐圧特性を示す特性図である。図13の横軸は第1JTE領域の不純物濃度(JTE1濃度)であり、縦軸はエッジ終端領域の耐圧である。上述した実施の形態1を適用したMOSFETにおいて(以下、実施例とする)、第1JTE領域21の不純物濃度を種々変更して得られたエッジ終端領域20の耐圧特性を図13に示す。実施例においては、n型CS領域5が活性領域10のみに設けられ、最外p++型コンタクト領域8’がエッジ終端領域20に延在している。
また、図13には、従来例(図14参照)のエッジ終端領域120の耐圧特性も示す。従来例では、n型CS領域105がチップ端部まで延在し、最外p++型コンタクト領域108’が活性領域110で終端している。従来例のn型CS領域105および最外p++型コンタクト領域108’以外の構成および条件は実施例と同様である。図13に示すように、従来例では、3500V以上の耐圧を確保するために、第1JTE領域121の不純物濃度を4×1017/cm3付近の狭い範囲に設定する必要があり、JTE構造の設計の自由度が低いことがわかる。
一方、図13に示す結果より、実施例においては、3500V以上の耐圧を確保するにあたって、2.0×1017/cm3以上5.5×1017/cm3以下程度の範囲内で第1JTE領域21の不純物濃度を設定することができ、従来例に比べて第1JTE領域21のプロセスマージンが広いことが確認された。したがって、本発明は、n型CS領域5を配置して低オン抵抗化を図った場合においても、JTE構造の設計の自由度が高く、エッジ終端領域20の耐圧を維持することができる。
以上において本発明は本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であり、上述した各実施の形態において、たとえば各部の寸法や不純物濃度等は要求される仕様等に応じて種々設定される。また、本発明は、MOSFETに限らず、IGBTなどのMOS型半導体装置に適用可能である。また、本発明を炭化珪素以外のワイドバンドギャップ半導体を用いた場合においても同様の効果を奏する。本発明は、シリコンを用いた半導体装置にも適用可能である。また、各実施の形態では第1導電型をn型とし、第2導電型をp型としたが、本発明は第1導電型をp型とし、第2導電型をn型としても同様に成り立つ。
以上のように、本発明にかかる半導体装置は、エッジ終端領域にJTE構造を備えた半導体装置に有用であり、特にワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体装置に適している。
1 n+型炭化珪素基板
2 n-型ドリフト領域
3,3’ 第1p+型領域
3a,3a',3b,3b' p+型部分領域
4 第2p+型領域
5 n型CS領域
5a,5b n型部分領域
6 p型ベース領域
7 n+型ソース領域
8,8' p++型コンタクト領域
9 トレンチ
10 活性領域
11 ゲート絶縁膜
12 ゲート電極
13 層間絶縁膜
14 ソース電極
15 ソースパッド
16 ドレイン電極
17 ドレインパッド
20 エッジ終端領域
21,22 JTE領域
23 活性領域とエッジ終端領域との段差
23a 活性領域とエッジ終端領域との段差のステア
24 n-型領域
30 炭化珪素基体
31,31a〜31e,32 エピタキシャル成長による炭化珪素層

Claims (8)

  1. 電流が流れる活性領域よりも外側に耐圧構造を備えた半導体装置において、
    シリコンよりもバンドギャップが広い半導体からなる半導体基板と、
    前記半導体基板のおもて面に設けられた、シリコンよりもバンドギャップが広い半導体からなる第1導電型の第1半導体層と、
    前記活性領域において、前記第1半導体層の、前記半導体基板側に対して反対側の表面に設けられた、シリコンよりもバンドギャップが広い半導体からなる第2導電型の第2半導体層と、
    前記第1半導体層の、前記半導体基板側に対して反対側の表面層に、前記第2半導体層に接して選択的に設けられた、前記第2半導体層よりも不純物濃度の高い第2導電型の第1半導体領域と、
    前記第1半導体層の内部に、前記第2半導体層および前記第1半導体領域と離して選択的に設けられた、前記第2半導体層よりも不純物濃度の高い第2導電型の第2半導体領域と、
    前記第1半導体層の、前記半導体基板側に対して反対側の表面層に、前記第1半導体領域および前記第2半導体領域に接して選択的に設けられた、前記第1半導体層よりも不純物濃度の高い第1導電型の第3半導体領域と、
    前記第2半導体層の内部に選択的に設けられた第1導電型の第4半導体領域と、
    前記第2半導体層の内部に選択的に設けられた、前記第2半導体層よりも不純物濃度の高い第2導電型の第5半導体領域と、
    前記第4半導体領域および前記第2半導体層を貫通して前記第3半導体領域に達し、深さ方向に前記第2半導体領域に対向するトレンチと、
    前記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と、
    前記第2半導体層および前記第4半導体領域に接する第1電極と、
    前記半導体基板の裏面に設けられた第2電極と、
    を備え、
    前記第3半導体領域は、前記活性領域に設けられ、前第1半導体領域と面一又は当該第1半導体領域よりも内側に延在し、
    前記第5半導体領域は、前記第1半導体領域と面一又は当該第1半導体領域よりも外側で終端していることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記第3半導体領域は、前記活性領域のみに設けられていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記第3半導体領域は、前記耐圧構造に接することを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。
  4. 前記活性領域よりも外側において、前記第1半導体層の、前記半導体基板側に対して反対側の表面層に、前記第3半導体領域に接して設けられた、前記第3半導体領域よりも不純物濃度の低い第1導電型の第6半導体領域をさらに備え、
    前記第6半導体領域の内部に前記耐圧構造が設けられていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の半導体装置。
  5. 前記第6半導体領域の不純物濃度は、前記第1半導体層の不純物濃度以下であることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置。
  6. 前記第3半導体領域は、前記第1半導体層と前記第2半導体層との間に設けられたエピタキシャル成長層であり、
    前記第6半導体領域は、前記エピタキシャル成長層の、前記活性領域よりも外側の部分に設けられ、深さ方向に前記エピタキシャル成長層を貫通することを特徴とする請求項4または5に記載の半導体装置。
  7. 前記耐圧構造は、前記第1半導体層の、前記半導体基板側に対して反対側の表面層に、前記活性領域の周囲を囲む同心円状に設けられた、前記活性領域から離れるほど不純物濃度が低く、かつ前記第2半導体層よりも不純物濃度の低い第2導電型の複数の第7半導体領域で構成されることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一つに記載の半導体装置。
  8. シリコンよりもバンドギャップが広い半導体は、炭化珪素であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一つに記載の半導体装置。
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