JP6880637B2 - Semiconductor devices and methods for manufacturing semiconductor devices - Google Patents

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この発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to semiconductor devices and methods for manufacturing semiconductor devices.

従来、高電圧や大電流を制御するパワー半導体装置の構成材料として、シリコン(Si)が用いられている。パワー半導体装置は、バイポーラトランジスタやIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)など複数種類あり、これらは用途に合わせて使い分けられている。 Conventionally, silicon (Si) has been used as a constituent material of a power semiconductor device that controls a high voltage or a large current. There are multiple types of power semiconductor devices, such as bipolar transistors, IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors: Insulated Gate Bipolar Transistors), and MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors: Insulated Gate Field Effect Transistors). Has been done.

例えば、バイポーラトランジスタやIGBTは、MOSFETに比べて電流密度は高く大電流化が可能であるが、高速にスイッチングさせることができない。具体的には、バイポーラトランジスタは数kHz程度のスイッチング周波数での使用が限界であり、IGBTは数十kHz程度のスイッチング周波数での使用が限界である。一方、パワーMOSFETは、バイポーラトランジスタやIGBTに比べて電流密度が低く大電流化が難しいが、数MHz程度までの高速スイッチング動作が可能である。 For example, bipolar transistors and IGBTs have a higher current density than MOSFETs and can increase the current, but they cannot be switched at high speed. Specifically, the bipolar transistor is limited to use at a switching frequency of about several kHz, and the IGBT is limited to use at a switching frequency of about several tens of kHz. On the other hand, the power MOSFET has a lower current density than the bipolar transistor and the IGBT, and it is difficult to increase the current, but high-speed switching operation up to about several MHz is possible.

しかしながら、市場では大電流と高速性とを兼ね備えたパワー半導体装置への要求が強く、IGBTやパワーMOSFETはその改良に力が注がれ、現在ではほぼ材料限界に近いところまで開発が進んでいる。パワー半導体装置の観点からシリコンに代わる半導体料が検討されており、炭化珪素(SiC)が次世代のパワー半導体装置の材料として、低オン電圧、高速・高温特性に優れた材料であることから、最近特に注目を集めている。 However, there is a strong demand in the market for power semiconductor devices that have both large current and high speed, and efforts have been made to improve IGBTs and power MOSFETs, and development is now progressing to near the material limit. .. Silicon carbide alternatives to silicon are being studied from the perspective of power semiconductor devices, and silicon carbide (SiC) is a material with excellent low-on-voltage, high-speed, and high-temperature characteristics as a material for next-generation power semiconductor devices. Recently, it has been receiving particular attention.

その背景には、SiCは化学的に非常に安定な材料であり、バンドギャップが3eVと広く、高温でも半導体として極めて安定的に使用できる。また、最大電界強度もシリコンより1桁以上大きいからである。SiCはシリコンにおける材料限界を超える可能性大であることからパワー半導体用途、特にMOSFETでは今後の伸長が大きく期待される。特にそのオン抵抗が小さいことが期待されているが高耐圧特性を維持したままより一層の低オン抵抗を有する縦型SiC−MOSFETが期待できる。 Behind this, SiC is a chemically stable material, has a wide bandgap of 3 eV, and can be used extremely stably as a semiconductor even at high temperatures. This is also because the maximum electric field strength is more than an order of magnitude higher than that of silicon. Since SiC has a high possibility of exceeding the material limit of silicon, future growth is expected in power semiconductor applications, especially MOSFETs. In particular, it is expected that the on-resistance is small, but a vertical SiC-MOSFET having a lower on-resistance while maintaining high withstand voltage characteristics can be expected.

図9は、従来の縦型SiC−MOSFETの構成を示す断面図である。n+型炭化珪素基板1のおもて面にn型炭化珪素エピタキシャル層2が堆積され、n型炭化珪素エピタキシャル層2の表面にp型ベース層4が選択的に設けられる。また、p型ベース層4の表面にn+型ソース領域5が選択的に設けられる。 FIG. 9 is a cross-sectional view showing the configuration of a conventional vertical SiC-MOSFET. The n- type silicon carbide epitaxial layer 2 is deposited on the front surface of the n + type silicon carbide substrate 1, and the p-type base layer 4 is selectively provided on the surface of the n-type silicon carbide epitaxial layer 2. Further, an n + type source region 5 is selectively provided on the surface of the p-type base layer 4.

p型ベース層4およびn+型ソース領域5との表面に、ゲート絶縁膜8を介してゲート電極9が設けられている。また、n型炭化珪素エピタキシャル層2、p型ベース層4およびn+型ソース領域5の表面に、ソース電極11が設けられている。また、n+型炭化珪素基板1の裏面には、裏面電極13が設けられている。 A gate electrode 9 is provided on the surface of the p-type base layer 4 and the n + -type source region 5 via a gate insulating film 8. Further, a source electrode 11 is provided on the surfaces of the n-type silicon carbide epitaxial layer 2, the p-type base layer 4, and the n + type source region 5. Further, a back surface electrode 13 is provided on the back surface of the n + type silicon carbide substrate 1.

さらに、p型ベース層4の底部(以下、p+型ベース層3と称する)を高濃度のイオン注入で形成し、上部をエピタキシャル層で形成したIEMOSFET(Implantation and Epitaxial MOSFET)構造も提案されている。 Further, an IE MOSFET (Implantation and Epitaxial MOSFET) structure in which the bottom portion of the p-type base layer 4 (hereinafter referred to as p + type base layer 3) is formed by high-concentration ion implantation and the upper portion is formed by an epitaxial layer has also been proposed. There is.

このようにSiC−MOSFETはスイッチングデバイスとして、低オン抵抗で高速スイッチングが可能な素子としてモータコントロール用インバータや無停電電源装置(UPS:Uninterruptible Power Supply)などの電力変換装置に活用されることが期待されている。SiCはワイドバンドギャップ半導体材料であるために、前述のようにその破壊電界強度がシリコンの約10倍と高くなることから、特に高電圧印加時の酸化膜への電界の負荷もシリコン素子に比べて大きくなる。高電圧印加(デバイスのドレイン−ソース間に電圧印加)時において、シリコンパワーデバイスでは酸化膜に大きな電界が加わる前に、シリコンの破壊電界強度に達するため、問題にならなかったことが、SiCにおいては、半導体の破壊電界強度がきわめて高いことから、酸化膜が先に破壊してしまうということが懸念される。 In this way, SiC-MOSFETs are expected to be used as switching devices in power conversion devices such as motor control inverters and uninterruptible power supplies (UPS) as elements capable of high-speed switching with low on-resistance. Has been done. Since SiC is a wide bandgap semiconductor material, its breaking electric field strength is about 10 times higher than that of silicon as described above. Therefore, the load of the electric field on the oxide film when a high voltage is applied is also higher than that of a silicon element. Will grow. When a high voltage is applied (voltage is applied between the drain and source of the device), the silicon power device reaches the breaking electric field strength of silicon before a large electric field is applied to the oxide film, so this was not a problem in SiC. Since the breaking electric field strength of the semiconductor is extremely high, there is a concern that the oxide film will break first.

具体的には、図9に示すSiC−MOSFETのゲート絶縁膜8に大きな電界強度が印加されることになり、ゲート電極9を形成する酸化膜の破壊や信頼性に大きな問題が生じる可能性がある。これはSiC−MOSFETだけでなく、SiC−IGBTにもいえることである。また、通電時の損失を減らすために、デバイスのオン抵抗の低減も重要である。 Specifically, a large electric field strength is applied to the gate insulating film 8 of the SiC-MOSFET shown in FIG. 9, and there is a possibility that the oxide film forming the gate electrode 9 may be destroyed or a serious problem may occur in reliability. is there. This applies not only to SiC-MOSFETs but also to SiC-IGBTs. It is also important to reduce the on-resistance of the device in order to reduce the loss when energized.

図10A〜図10Dは、従来のIEMOSFETの構成を示す上面図である(例えば、特許文献1参照)。従来のIEMOSFETでは、p+型ベース層3の平面形状は六角形セルの形状を有している。この場合、デバイスのドレイン−ソース間耐圧を確保する上で、p+型ベース層3間の間隔(図10Aでの幅W)が重要である。間隔Wが広すぎると、ドレイン−ソース間耐圧が低下する。一方、間隔Wが狭すぎると、p+型ベース層3間が狭くなり、電流経路であるn型炭化珪素エピタキシャル層2の領域が減るため、オン抵抗が増大する。 10A to 10D are top views showing the configuration of a conventional IE MOSFET (see, for example, Patent Document 1). In the conventional IE MOSFET, the planar shape of the p + type base layer 3 has the shape of a hexagonal cell. In this case, the distance between the p + type base layers 3 (width W in FIG. 10A) is important for ensuring the withstand voltage between the drain and the source of the device. If the interval W is too wide, the withstand voltage between the drain and the source will decrease. On the other hand, if the interval W is too narrow, the space between the p + type base layers 3 becomes narrow and the region of the n-type silicon carbide epitaxial layer 2 which is the current path decreases, so that the on-resistance increases.

図10Aに示す従来のType−Aの場合、A点(以下、三重点と称する)が六角形セルのp+型ベース層3端から最も遠い(W/2より大きい)ため、p+型ベース層3間隔Wが大きくなると、三重点での電界が強くなり、ドレイン−ソース間耐圧が低下する。 In the case of the conventional Type-A shown in FIG. 10A, the point A (hereinafter referred to as the triple point) is the farthest from the three ends of the p + type base layer of the hexagonal cell (greater than W / 2), so that the p + type base When the layer 3 interval W becomes large, the electric field at the triple point becomes strong, and the withstand voltage between the drain and the source decreases.

この耐圧低下をなくすために、例えば、図10Bに示す従来のType−Bや図10Cに示す従来のType−Cのように、三重点部分にp+型ベース層3を形成して、p+型ベース層3間が広い部分をなくすことがある。また、例えば、図10Dに示す従来のType−Dのように、三重点部分にp+型領域を形成することもある。 In order to eliminate this decrease in pressure resistance, for example, as in the conventional Type-B shown in FIG. 10B and the conventional Type-C shown in FIG. 10C, a p + type base layer 3 is formed at the triple point portion to p +. The wide portion between the mold base layers 3 may be eliminated. Further, for example, as in the conventional Type-D shown in FIG. 10D, a p + type region may be formed at the triple point portion.

国際公開2011/135995号公報International Publication 2011/135995

しかしながら、上述したType−BやType−Cでは、三重点部分のp+型ベース層3により、耐圧が低下することはないが、p+型ベース層3間の導通領域が減るため、オン抵抗が増大するという課題がある。また、上述したType−Dでは、三重点部分のp+型領域が小さいため、通常用いられるフォトプロセスのデザインルール以下の微細化が必要となり、p+型領域の形成が困難になるという課題がある。 However, in the above-mentioned Type-B and Type-C, the withstand voltage does not decrease due to the p + type base layer 3 at the triple point portion, but the conduction region between the p + type base layers 3 decreases, so that the on-resistance is turned on. There is a problem that the number increases. Further, in the above-mentioned Type-D, since the p + type region of the triple point portion is small, it is necessary to make the p + type region smaller than the design rule of the photo process that is usually used, and there is a problem that it becomes difficult to form the p + type region. is there.

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、ドレイン−ソース間耐圧を確保しつつ、オン抵抗を低減できる半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device and a method for manufacturing a semiconductor device capable of reducing on-resistance while ensuring a withstand voltage between a drain and a source in order to solve the above-mentioned problems caused by the prior art.

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、次の特徴を有する。第1導電型の半導体基板のおもて面に、前記半導体基板より低不純物濃度の第1導電型の第1半導体層が設けられる。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選択的に第2導電型の第2半導体層が設けられる。前記第1半導体層および前記第2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半導体層より低不純物濃度の第2導電型の第3半導体層が設けられる。前記第3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選択的に第1導電型の第1半導体領域が設けられる。前記第3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選択的に、前記第1半導体領域と接する第2導電型の第3半導体領域が設けられる。前記第3半導体層を貫通して前記第1半導体層に達する第1導電型の第2半導体領域が設けられる。前記第1半導体領域と前記第2半導体領域とに挟まれた前記第3半導体層の表面上にゲート絶縁膜を介してゲート電極が設けられる。前記ゲート電極上に層間絶縁膜が設けられる。前記第1半導体領域と前記第3半導体領域の表面にソース電極が設けられる。前記半導体基板の裏面にドレイン電極が設けられる。前記第2半導体層は、角の一部分が凸状に突き出た形状である。前記第2半導体層の間隔が3.0μm以上3.5μm以下で、オン抵抗が2.7Ωcm2以下、素子耐圧が1400V以上である。前記第2半導体層の平面形状は、六角形であり、前記六角形のうちの対向する2つの角のみが凸状に突き出た形状である。 In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object of the present invention, the semiconductor device according to the present invention has the following features. A first conductive type first semiconductor layer having a lower impurity concentration than the semiconductor substrate is provided on the front surface of the first conductive type semiconductor substrate. A second conductive type second semiconductor layer is selectively provided on the surface layer of the first semiconductor layer on the side opposite to the semiconductor substrate side. A second conductive type third semiconductor layer having a lower impurity concentration than the second semiconductor layer is provided on the surface layers of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer on the opposite side of the semiconductor substrate side. A first conductive type first semiconductor region is selectively provided on the surface layer of the third semiconductor layer on the side opposite to the semiconductor substrate side. A second conductive type third semiconductor region in contact with the first semiconductor region is selectively provided on the surface layer of the third semiconductor layer on the side opposite to the semiconductor substrate side. A first conductive type second semiconductor region that penetrates the third semiconductor layer and reaches the first semiconductor layer is provided. A gate electrode is provided on the surface of the third semiconductor layer sandwiched between the first semiconductor region and the second semiconductor region via a gate insulating film. An interlayer insulating film is provided on the gate electrode. Source electrodes are provided on the surfaces of the first semiconductor region and the third semiconductor region. A drain electrode is provided on the back surface of the semiconductor substrate. The second semiconductor layer has a shape in which a part of the corners protrudes in a convex shape. The distance between the second semiconductor layers is 3.0 μm or more and 3.5 μm or less, the on-resistance is 2.7 Ωcm 2 or less, and the element withstand voltage is 1400 V or more. The planar shape of the second semiconductor layer is a hexagon, and only two opposing corners of the hexagon protrude in a convex shape.

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、前記半導体基板の半導体材料は、炭化珪素であることを特徴とする。 Further, the semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, the semiconductor material of the semiconductor substrate is silicon carbide.

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の製造方法は、次の特徴を有する。まず、第1導電型の半導体基板のおもて面に、前記半導体基板より低不純物濃度の第1導電型の第1半導体層を形成する第1工程を行う。次に、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選択的に第2導電型の第2半導体層を形成する第2工程を行う。次に、前記第1半導体層および前記第2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半導体層より低不純物濃度の第2導電型の第3半導体層を形成する第3工程を行う。次に、前記第3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選択的に第1導電型の第1半導体領域を形成する第4工程を行う。次に、前記第3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選択的に、前記第1半導体領域と接する第2導電型の第3半導体領域を形成する第5工程を行う。次に、前記第3半導体層を貫通して前記第1半導体層に達する第1導電型の第2半導体領域を形成する第6工程を行う。次に、前記第1半導体領域と前記第2半導体領域とに挟まれた前記第3半導体層の表面上の少なくとも一部にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する第7工程を行う。次に、前記ゲート電極上に層間絶縁膜を形成する第8工程を行う。次に、前記第1半導体領域と前記第3半導体領域の表面にソース電極を形成する第9工程と、前記半導体基板の裏面にドレイン電極を形成する第10工程を行う。前記第2工程は、前記第2半導体層を、角の一部分が凸状に突き出た形状、かつ、前記第2半導体層の間隔を3.0μm以上3.5μm以下、かつ、前記第2半導体層の平面形状を六角形に、前記六角形のうちの対向する2つの角のみが凸状に突き出た形状に形成し、オン抵抗が2.7Ωcm2以下、素子耐圧が1400V以上である。
In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object of the present invention, the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention has the following features. First, a first step of forming a first conductive type first semiconductor layer having a lower impurity concentration than the semiconductor substrate is performed on the front surface of the first conductive type semiconductor substrate. Next, a second step of selectively forming the second conductive type second semiconductor layer on the surface layer of the first semiconductor layer opposite to the semiconductor substrate side is performed. Next, on the surface layers of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer opposite to the semiconductor substrate side, a second conductive type third semiconductor layer having a lower impurity concentration than the second semiconductor layer is applied. The third step of forming is performed. Next, a fourth step of selectively forming the first conductive type first semiconductor region on the surface layer of the third semiconductor layer opposite to the semiconductor substrate side is performed. Next, a fifth step of selectively forming a second conductive type third semiconductor region in contact with the first semiconductor region on the surface layer of the third semiconductor layer opposite to the semiconductor substrate side is performed. Do. Next, a sixth step of forming a first conductive type second semiconductor region that penetrates the third semiconductor layer and reaches the first semiconductor layer is performed. Next, a seventh step of forming a gate electrode via a gate insulating film on at least a part of the surface of the third semiconductor layer sandwiched between the first semiconductor region and the second semiconductor region is performed. Next, an eighth step of forming an interlayer insulating film on the gate electrode is performed. Next, a ninth step of forming a source electrode on the surface of the first semiconductor region and the third semiconductor region and a tenth step of forming a drain electrode on the back surface of the semiconductor substrate are performed. In the second step, the second semiconductor layer has a shape in which a part of the corners protrudes in a convex shape, the distance between the second semiconductor layers is 3.0 μm or more and 3.5 μm or less , and the second semiconductor layer. The planar shape of the hexagon is formed into a hexagon, and only two opposite corners of the hexagon are formed in a convex shape, the on-resistance is 2.7 Ωcm 2 or less, and the element withstand voltage is 1400 V or more.

上述した発明によれば、p+型ベース層(第2導電型の第2半導体層)の角の一部分が凸状に突き出た形状である。これにより、p+型ベース層の間隔は、直線部分の間隔より大きくなることがない。このため、p型ベース層(第2導電型の第3半導体層)の間の距離を広げても、空乏層がp+型ベース層に沿って横方向に広がりやすくなるため、n型打ち返し層(第1導電型の第2半導体領域)上のゲート絶縁膜に大きな電界がかからず、ソース・ドレイン間耐圧を十分に確保できる。この結果、p+型ベース層の間の距離を広げて、素子耐圧を十分保ちつつオン抵抗を小さくすることができる半導体装置を実現できる。 According to the above-described invention, the p + type base layer (second conductive type second semiconductor layer) has a shape in which a part of the corners protrudes in a convex shape. As a result, the spacing between the p + type base layers will not be greater than the spacing between the straight sections. Therefore, even if the distance between the p-type base layer (the second conductive type third semiconductor layer) is increased, the depletion layer tends to spread laterally along the p + type base layer, so that the n-type backing layer is formed. A large electric field is not applied to the gate insulating film on the (first conductive type second semiconductor region), and a sufficient withstand voltage between the source and drain can be secured. As a result, it is possible to realize a semiconductor device capable of increasing the distance between the p + type base layers and reducing the on-resistance while maintaining sufficient device withstand voltage.

また、p+型ベース層の角の一部分が凸状に突き出た形状は、n型炭化珪素エピタキシャル層(第1導電型の第1半導体層)の表面に、イオン注入してp+型ベース層を形成する際のマスクを変更するだけでよい。このため、通常用いられるフォトプロセスのデザインルールで形成することが可能になりコストアップを招くことなく、半導体装置を作製することが可能になる。 Further, the shape in which a part of the corner of the p + type base layer protrudes in a convex shape is formed by implanting ions into the surface of the n-type silicon carbide epitaxial layer (first conductive type first semiconductor layer) to form a p + type base layer. It is only necessary to change the mask when forming the. Therefore, it is possible to form the semiconductor device according to the design rules of the photo process that is usually used, and it is possible to manufacture the semiconductor device without incurring a cost increase.

本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法によれば、ドレイン−ソース間耐圧を確保しつつ、オン抵抗を低減できるという効果を奏する。 According to the semiconductor device and the method for manufacturing the semiconductor device according to the present invention, there is an effect that the on-resistance can be reduced while ensuring the withstand voltage between the drain and the source.

実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the silicon carbide semiconductor device which concerns on embodiment. 実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の構成を示す上面図である。It is a top view which shows the structure of the silicon carbide semiconductor device which concerns on embodiment. 実施の形態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(その1)。It is sectional drawing which shows the state in the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device which concerns on embodiment (the 1). 実施の形態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(その2)。It is sectional drawing which shows the state in the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device which concerns on embodiment (the 2). 実施の形態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(その3)。It is sectional drawing which shows the state in the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device which concerns on embodiment (the 3). 実施の形態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(その4)。It is sectional drawing which shows the state in the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device which concerns on embodiment (the 4). 実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置において素子耐圧とp+型ベース層の間隔との関係を示す実測結果である。It is an actual measurement result which shows the relationship between the element withstand voltage and the spacing of a p + type base layer in the silicon carbide semiconductor apparatus which concerns on embodiment. 実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置においてオン抵抗とp+型ベース層の間隔との関係を示す実測結果である。It is an actual measurement result which shows the relationship between the on-resistance and the spacing of a p + type base layer in the silicon carbide semiconductor device which concerns on embodiment. 従来の縦型SiC−MOSFETの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the conventional vertical SiC-MOSFET. 従来のIEMOSFETの構成を示す上面図である(Type−A)。It is a top view which shows the structure of the conventional IE MOSFET (Type-A). 従来のIEMOSFETの構成を示す上面図である(Type−B)。It is a top view which shows the structure of the conventional IE MOSFET (Type-B). 従来のIEMOSFETの構成を示す上面図である(Type−C)。It is a top view which shows the structure of the conventional IE MOSFET (Type-C). 従来のIEMOSFETの構成を示す上面図である(Type−D)。It is a top view which shows the structure of the conventional IE MOSFET (Type-D).

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および半導体装置の製造方法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。+および−を含めたnやpの表記が同じ場合は近い濃度であることを示し濃度が同等とは限らない。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。なお、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あらわしている。 Hereinafter, preferred embodiments of the semiconductor device and the method for manufacturing the semiconductor device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the present specification and the accompanying drawings, it means that the electrons or holes are a large number of carriers in the layers and regions marked with n or p, respectively. Further, + and-attached to n and p mean that the impurity concentration is higher and the impurity concentration is lower than that of the layer or region to which it is not attached, respectively. When the notation of n and p including + and-is the same, it means that the concentrations are close to each other, and the concentrations are not necessarily the same. In the following description of the embodiment and the accompanying drawings, the same reference numerals are given to the same configurations, and duplicate description will be omitted. In this specification, in the notation of the Miller index, "-" means a bar attached to the index immediately after that, and a "-" is added before the index to represent a negative index.

(実施の形態)
本発明にかかる半導体装置は、シリコンよりバンドギャップが広いワイドバンドギャップ半導体を用いて構成される。実施の形態においては、ワイドバンドギャップ半導体として例えば炭化珪素(SiC)を用いて作製された炭化珪素半導体装置について、IEMOSFETを例に説明する。図1は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の構成を示す断面図である。
(Embodiment)
The semiconductor device according to the present invention is configured by using a wide bandgap semiconductor having a wider bandgap than silicon. In the embodiment, a silicon carbide semiconductor device manufactured by using, for example, silicon carbide (SiC) as a wide bandgap semiconductor will be described by taking IE MOSFET as an example. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of a silicon carbide semiconductor device according to an embodiment.

図1に示すように、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置は、n+型炭化珪素基板(第1導電型の半導体基板)1の主面(おもて面)上にn型炭化珪素エピタキシャル層(第1導電型の第1半導体層)2が堆積されている。 As shown in FIG. 1, the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment is an n-type silicon carbide epitaxial on the main surface (front surface) of the n + type silicon carbide substrate (first conductive type semiconductor substrate) 1. Layer (first conductive type first semiconductor layer) 2 is deposited.

+型炭化珪素基板1は、例えば窒素(N)がドーピングされた炭化珪素単結晶基板である。n型炭化珪素エピタキシャル層2は、n+型炭化珪素基板1よりも低い不純物濃度で例えば窒素がドーピングされてなる低濃度n型ドリフト層である。以下、n+型炭化珪素基板1単体、またはn+型炭化珪素基板1とn型炭化珪素エピタキシャル層2を併せて炭化珪素半導体基体とする。 The n + type silicon carbide substrate 1 is, for example, a silicon carbide single crystal substrate doped with nitrogen (N). The n-type silicon carbide epitaxial layer 2 is a low-concentration n-type drift layer in which, for example, nitrogen is doped with an impurity concentration lower than that of the n + type silicon carbide substrate 1. Hereinafter, the n + type silicon carbide substrate 1 alone, or the n + type silicon carbide substrate 1 and the n-type silicon carbide epitaxial layer 2 are combined to form a silicon carbide semiconductor substrate.

図1に示すように、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置は、ドレイン領域となるn+型炭化珪素基板1のn型炭化珪素エピタキシャル層2側に対して反対側の表面(炭化珪素半導体基体の裏面)には、裏面電極13が設けられている。裏面電極13は、ドレイン電極を構成する。また、外部装置と接続するための裏面電極パッド(不図示)が設けられている。 As shown in FIG. 1, the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment has a surface (silicon carbide semiconductor substrate) opposite to the n-type silicon carbide epitaxial layer 2 side of the n + type silicon carbide substrate 1 which is a drain region. A back surface electrode 13 is provided on the back surface). The back surface electrode 13 constitutes a drain electrode. In addition, a back electrode pad (not shown) for connecting to an external device is provided.

炭化珪素半導体基体のおもて面側には、MOS(金属−酸化膜−半導体からなる絶縁ゲート)構造(素子構造)が形成されている。具体的には、n型炭化珪素エピタキシャル層2のn+型炭化珪素基板1側に対して反対側(炭化珪素半導体基体のおもて面側)の表面層には、p+型ベース層(第2導電型の第2半導体層)3が選択的に設けられている。p+型ベース層3は、例えばアルミニウム(Al)がドーピングされている。 A MOS (insulated gate made of metal-oxide film-semiconductor) structure (element structure) is formed on the front surface side of the silicon carbide semiconductor substrate. Specifically, the surface layer of the n-type silicon carbide epitaxial layer 2 on the side opposite to the n + type silicon carbide substrate 1 side (front surface side of the silicon carbide semiconductor substrate) is a p + type base layer ( The second conductive type second semiconductor layer) 3 is selectively provided. The p + type base layer 3 is doped with, for example, aluminum (Al).

図2は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の構成を示す上面図である。図2に示すように、p+型ベース層3の角の一部分が凸状に突き出た形状20である。また、p+型ベース層3の平面形状は六角形であってもよい。この場合、六角形のうちの対向する2つの角のみが凸状に突き出た形状であってもよい。例えば、図2に示すように、x軸方向に他のp+型ベース層3と対向するp+型ベース層3の角のみが凸状に突き出た形状である。図2では、x軸方向であるが他の軸方向であってもかまわない。p+型ベース層3の角の一部分が凸状に突き出た形状であることで、p+型ベース層3の間隔は、直線部分の間隔Wより大きくなることがない。 FIG. 2 is a top view showing the configuration of the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment. As shown in FIG. 2, the shape 20 is such that a part of the corner of the p + type base layer 3 protrudes in a convex shape. Further, the planar shape of the p + type base layer 3 may be hexagonal. In this case, only two of the hexagons facing each other may have a convex shape. For example, as shown in FIG. 2, a shape in which only the corners of the p + -type base layer 3 facing the other p + -type base layer 3 in the x-axis direction protruding in a convex shape. In FIG. 2, although it is in the x-axis direction, it may be in another axial direction. Since a part of the corner of the p + type base layer 3 protrudes in a convex shape, the distance between the p + type base layer 3 does not become larger than the distance W of the straight line portion.

+型ベース層3、および当該隣り合うp+型ベース層3に挟まれたn型炭化珪素エピタキシャル層2の表面には、p型炭化珪素エピタキシャル層(以下、p型ベース層とする、第2導電型の第3半導体層)4が選択的に堆積されている。p型ベース層4の不純物濃度は、p+型ベース層3の不純物濃度よりも低い。p型ベース層4は、例えばアルミニウムがドーピングされている。 The p + -type base layer 3, and the adjacent p + -type base layer 3 sandwiched by n-type silicon carbide epitaxial layer 2 of the surface, the p-type silicon carbide epitaxial layer (hereinafter referred to as p-type base layer, the 2 Conductive type third semiconductor layer) 4 is selectively deposited. The impurity concentration of the p-type base layer 4 is lower than the impurity concentration of the p + type base layer 3. The p-type base layer 4 is doped with, for example, aluminum.

+型ベース層3上のp型ベース層4の表面には、n+型ソース領域(第1導電型の第1半導体領域)5およびp+型コンタクト領域6が設けられている。また、n+型ソース領域5およびp+型コンタクト領域6は互いに接する。n+型ソース領域5は、p+型コンタクト領域6の外周に配置されている。 An n + type source region (first conductive type first semiconductor region) 5 and a p + type contact region 6 are provided on the surface of the p-type base layer 4 on the p + type base layer 3. Further, the n + type source region 5 and the p + type contact region 6 are in contact with each other. The n + type source region 5 is arranged on the outer periphery of the p + type contact region 6.

また、p型ベース層4の、n型炭化珪素エピタキシャル層2上の部分には、深さ方向にp型ベース層4を貫通しn型炭化珪素エピタキシャル層2に達するn型打ち返し層(第1導電型の第2半導体領域)7が設けられている。n型打ち返し層7は、n型炭化珪素エピタキシャル層2とともにドリフト領域を構成する。p型ベース層4の、n+型ソース領域5とn型打ち返し層7とに挟まれた部分の表面には、ゲート絶縁膜8を介してゲート電極9が設けられている。ゲート電極9は、ゲート絶縁膜8を介して、n型打ち返し層7の表面に設けられていてもよい。 Further, in the portion of the p-type base layer 4 on the n-type silicon carbide epitaxial layer 2, an n-type backing layer (first) that penetrates the p-type base layer 4 in the depth direction and reaches the n-type silicon carbide epitaxial layer 2. A conductive second semiconductor region) 7 is provided. The n-type backing layer 7 constitutes a drift region together with the n-type silicon carbide epitaxial layer 2. A gate electrode 9 is provided on the surface of the p-type base layer 4 sandwiched between the n + type source region 5 and the n-type backing layer 7 via a gate insulating film 8. The gate electrode 9 may be provided on the surface of the n-type backing layer 7 via the gate insulating film 8.

図1では、1つと半分のMOS構造のみを図示しているが、複数のMOS構造が並列に配置されていてもよい。 Although only one and half MOS structures are shown in FIG. 1, a plurality of MOS structures may be arranged in parallel.

層間絶縁膜10は、炭化珪素半導体基体のおもて面側の全面に、ゲート電極9を覆うように設けられている。ソース電極11は、層間絶縁膜10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5およびp+型コンタクト領域6に接する。ソース電極11は、層間絶縁膜10によって、ゲート電極9と電気的に絶縁されている。ソース電極11上には、電極パッド12が設けられている。 The interlayer insulating film 10 is provided on the entire surface of the silicon carbide semiconductor substrate on the front surface side so as to cover the gate electrode 9. The source electrode 11 contacts the n + type source region 5 and the p + type contact region 6 through the contact hole opened in the interlayer insulating film 10. The source electrode 11 is electrically insulated from the gate electrode 9 by the interlayer insulating film 10. An electrode pad 12 is provided on the source electrode 11.

(実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法)
次に、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法について、例えば1200Vの耐圧クラスのIEMOSFETを作成する場合を例に説明する。図3〜6は、実施の形態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。まず、例えば2×1019/cm3程度の不純物濃度で窒素がドーピングされたn+型炭化珪素基板1を用意する。n+型炭化珪素基板1のおもて面の結晶学的面指数は、(000−1)に対して平行な面または4度以内に傾いた面である。次に、n+型炭化珪素基板1の(000−1)面上に、1.0×1018/cm3の不純物濃度で窒素がドーピングされた厚さ10μm程度のn型炭化珪素エピタキシャル層2を成長させる。ここで、図3に示される構造となる。
(Manufacturing method of silicon carbide semiconductor device according to the embodiment)
Next, the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment will be described by taking, for example, the case of producing an IE MOSFET having a withstand voltage class of 1200 V as an example. 3 to 6 are cross-sectional views showing a state in the middle of manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment. First, for example, an n + type silicon carbide substrate 1 doped with nitrogen at an impurity concentration of about 2 × 10 19 / cm 3 is prepared. The crystallographic surface index of the front surface of the n + type silicon carbide substrate 1 is a surface parallel to (000-1) or a surface inclined within 4 degrees. Next, an n-type silicon carbide epitaxial layer 2 having a thickness of about 10 μm, in which nitrogen is doped with an impurity concentration of 1.0 × 10 18 / cm 3 on the (000-1) surface of the n + type silicon carbide substrate 1. To grow. Here, the structure is as shown in FIG.

次に、フォトリソグラフィおよびエッチングによりイオン注入用の酸化膜マスクを形成し、イオン注入によってn型炭化珪素エピタキシャル層2の表面層に、p+型ベース層3を選択的に形成する。また、図2に示すようなp+型ベース層3の角の一部分が凸状に突き出た形状20となるように、酸化膜マスクを形成する。このイオン注入では、例えば、ドーパントをアルミニウムとし、p+型ベース層3の不純物濃度が1.0×1018/cm3となるようにドーズ量を設定してもよい。p+型ベース層3の幅および深さは、それぞれ13μmおよび0.5μmであってもよい。隣り合うp+型ベース層3間の間隔Wは、例えば2.0μmであってもよい。ここで、図4に示される構造となる。 Next, an oxide film mask for ion implantation is formed by photolithography and etching, and a p + type base layer 3 is selectively formed on the surface layer of the n-type silicon carbide epitaxial layer 2 by ion implantation. Further, the oxide film mask is formed so that a part of the corner of the p + type base layer 3 as shown in FIG. 2 has a convexly protruding shape 20. In this ion implantation, for example, the dopant may be aluminum, and the dose amount may be set so that the impurity concentration of the p + type base layer 3 is 1.0 × 10 18 / cm 3. The width and depth of the p + type base layer 3 may be 13 μm and 0.5 μm, respectively. The distance W between the adjacent p + type base layers 3 may be, for example, 2.0 μm. Here, the structure is as shown in FIG.

次に、n型炭化珪素エピタキシャル層2の表面に、p型ベース層4となるp型炭化珪素エピタキシャル層を例えば0.5μmの厚さで成長させる。このとき、例えば、p型ベース層4の不純物濃度が2.0×1018/cm3となるようにアルミニウムがドーピングされたp型炭化珪素エピタキシャル層を成長させてもよい。 Next, a p-type silicon carbide epitaxial layer to be a p-type base layer 4 is grown on the surface of the n-type silicon carbide epitaxial layer 2 to a thickness of, for example, 0.5 μm. At this time, for example, the p-type silicon carbide epitaxial layer doped with aluminum may be grown so that the impurity concentration of the p-type base layer 4 is 2.0 × 10 18 / cm 3.

次に、フォトリソグラフィおよびイオン注入によって、p型ベース層4のn型炭化珪素エピタキシャル層2上の部分の導電型を反転させて、n型打ち返し層7を選択的に形成する。n型打ち返し層7の幅および深さは、それぞれ2.0μmおよび1.5μmであってもよい。n型打ち返し層7の不純物濃度が5.0×1018/cm3となるように窒素イオンをイオン注入してもよい。 Next, by photolithography and ion implantation, the conductive type of the portion of the p-type base layer 4 on the n-type silicon carbide epitaxial layer 2 is inverted to selectively form the n-type backed layer 7. The width and depth of the n-type backing layer 7 may be 2.0 μm and 1.5 μm, respectively. Nitrogen ions may be ion-implanted so that the impurity concentration of the n-type beating layer 7 is 5.0 × 10 18 / cm 3.

次に、フォトリソグラフィおよびイオン注入によって、p+型ベース層3上のp型ベース層4の表面層に、n+型ソース領域5を選択的に形成する。次に、フォトリソグラフィおよびイオン注入によって、p+型ベース層3上のp型ベース層4の表面層に、p+型コンタクト領域6を選択的に形成する。ここで、図5に示される構造となる。 Next, the n + type source region 5 is selectively formed on the surface layer of the p type base layer 4 on the p + type base layer 3 by photolithography and ion implantation. Next, the p + type contact region 6 is selectively formed on the surface layer of the p type base layer 4 on the p + type base layer 3 by photolithography and ion implantation. Here, the structure is as shown in FIG.

+型ベース層3、n+型ソース領域5、p+型コンタクト領域6、n型打ち返し層7を活性化させるための熱処理(アニール)を行う。このときの熱処理温度および熱処理時間は、それぞれ1620℃および20分間であってもよい。 Heat treatment (annealing) is performed to activate the p + type base layer 3, the n + type source region 5, the p + type contact region 6, and the n-type backing layer 7. The heat treatment temperature and heat treatment time at this time may be 1620 ° C. and 20 minutes, respectively.

+型ベース層3、n+型ソース領域5、p+型コンタクト領域6、n型打ち返し層7を形成する順序は種々変更可能である。 The order of forming the p + type base layer 3, the n + type source region 5, the p + type contact region 6, and the n-type countering layer 7 can be changed in various ways.

次に、炭化珪素半導体基体のおもて面側を熱酸化し、ゲート絶縁膜8を100nmの厚さで形成する。この熱酸化は、水素(H2)雰囲気中において1000℃程度の温度の熱処理によって行ってもよい。これにより、p型ベース層4およびn型炭化珪素エピタキシャル層2の表面に形成された各領域がゲート絶縁膜8で覆われる。 Next, the front surface side of the silicon carbide semiconductor substrate is thermally oxidized to form the gate insulating film 8 having a thickness of 100 nm. This thermal oxidation may be carried out by heat treatment at a temperature of about 1000 ° C. in a hydrogen (H 2) atmosphere. As a result, each region formed on the surfaces of the p-type base layer 4 and the n-type silicon carbide epitaxial layer 2 is covered with the gate insulating film 8.

次に、ゲート絶縁膜8上に、ゲート電極9として、例えばリン(P)がドープされた多結晶シリコン層を形成する。次に、多結晶シリコン層をパターニングして選択的に除去し、p型ベース層4の、n+型ソース領域5とn型打ち返し層7とに挟まれた部分上に多結晶シリコン層を残す。このとき、n型打ち返し層7上に多結晶シリコン層を残してもよい。 Next, a polycrystalline silicon layer doped with phosphorus (P), for example, is formed as the gate electrode 9 on the gate insulating film 8. Next, the polycrystalline silicon layer is patterned and selectively removed , leaving the polycrystalline silicon layer on the portion of the p-type base layer 4 sandwiched between the n + type source region 5 and the n-type countered layer 7. .. At this time, the polycrystalline silicon layer may be left on the n-type backing layer 7.

次に、ゲート絶縁膜8を覆うように、層間絶縁膜10として例えばリンガラス(NSB:Nondoped Silicate Glass)を成膜する。層間絶縁膜10の厚さは1.0μmであってもよい。次に、層間絶縁膜10およびゲート絶縁膜8をパターニングして選択的に除去してコンタクトホールを形成し、n+型ソース領域5およびp+型コンタクト領域6を露出させる。次に、層間絶縁膜10を平坦化するための熱処理(リフロー)を行う。ここで、図6に示される構造となる。 Next, for example, phosphorus glass (NSB: Non-topped Silicate Glass) is formed as the interlayer insulating film 10 so as to cover the gate insulating film 8. The thickness of the interlayer insulating film 10 may be 1.0 μm. Next, the interlayer insulating film 10 and the gate insulating film 8 are patterned and selectively removed to form a contact hole, and the n + type source region 5 and the p + type contact region 6 are exposed. Next, a heat treatment (reflow) is performed to flatten the interlayer insulating film 10. Here, the structure is as shown in FIG.

次に、層間絶縁膜10の表面に、ソース電極11を成膜する。このとき、コンタクトホール内にもソース電極11を埋め込み、n+型ソース領域5およびp+型コンタクト領域6とソース電極11とを接触させる。次に、コンタクトホール以外のソース電極11を選択的に除去する。 Next, the source electrode 11 is formed on the surface of the interlayer insulating film 10. At this time, the source electrode 11 is also embedded in the contact hole, and the n + type source region 5 and the p + type contact region 6 are brought into contact with the source electrode 11. Next, the source electrode 11 other than the contact hole is selectively removed.

次に、n+型炭化珪素基板1の表面(炭化珪素半導体基体の裏面)に、裏面電極13として例えばニッケル膜を成膜する。そして、例えば970℃の温度で熱処理し、n+型炭化珪素基板1と裏面電極13とのオーミック接合を形成する。次に、例えばスパッタ法によって、炭化珪素半導体基体のおもて面の全面にソース電極11および層間絶縁膜10を覆うように、電極パッド12を堆積する。電極パッド12の層間絶縁膜10上の部分の厚さは、例えば5μmであってもよい。電極パッド12は、例えば、1%の割合でシリコンを含んだアルミニウム(Al−Si)で形成してもよい。次に、電極パッド12を選択的に除去する。 Next, for example, a nickel film is formed on the front surface of the n + type silicon carbide substrate 1 (the back surface of the silicon carbide semiconductor substrate) as the back surface electrode 13. Then, for example, heat treatment is performed at a temperature of 970 ° C. to form an ohmic contact between the n + type silicon carbide substrate 1 and the back surface electrode 13. Next, for example, by a sputtering method, the electrode pad 12 is deposited so as to cover the source electrode 11 and the interlayer insulating film 10 on the entire surface of the front surface of the silicon carbide semiconductor substrate. The thickness of the portion of the electrode pad 12 on the interlayer insulating film 10 may be, for example, 5 μm. The electrode pad 12 may be formed of, for example, aluminum (Al—Si) containing silicon at a ratio of 1%. Next, the electrode pad 12 is selectively removed.

次に、裏面電極12の表面に、裏面電極パッド13として例えばチタン(Ti)、ニッケル(Ni)および金(Au)をこの順に成膜する。次に、保護膜を表面に形成してもよい。これにより、図1に示すIEMOSFETが完成する。 Next, for example, titanium (Ti), nickel (Ni), and gold (Au) are formed on the front surface of the back surface electrode 12 as the back surface electrode pad 13 in this order. Next, a protective film may be formed on the surface. As a result, the IE MOSFET shown in FIG. 1 is completed.

次に、このようにして作成したSiC−MOSFETの電気特性の測定結果を図7、図8に示す。図7は実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置において素子耐圧とp+型ベース層の間隔との関係を示す実測結果である。図8は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置においてオン抵抗とp+型ベース層の間隔との関係を示す実測結果である。 Next, the measurement results of the electrical characteristics of the SiC-MOSFET created in this way are shown in FIGS. 7 and 8. FIG. 7 is an actual measurement result showing the relationship between the device withstand voltage and the spacing between the p + type base layers in the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment. FIG. 8 is an actual measurement result showing the relationship between the on-resistance and the spacing between the p + type base layers in the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment.

ここで、図7、図8を測定した炭化珪素半導体装置のチップサイズは3mm角であり、オン時に電流の流れる活性領域の面積は5.27mm2であり、定格電流は25Aである。 Here, the chip size of the silicon carbide semiconductor device measured in FIGS. 7 and 8 is 3 mm square, the area of the active region through which the current flows when turned on is 5.27 mm 2 , and the rated current is 25 A.

例えば、p+型ベース層3の間隔が、2μmの場合で比較する。図7、図8に示すように、実施の形態のType−Eの場合、オン抵抗(RonA)は2.85mΩcm2と十分低い値を示し、初期の素子耐圧も1450Vと、1200V素子として十分良好な特性を示している。比較のために、従来のType−Aの形状で作成したSiC−MOSFETを測定したところ、オン抵抗は同等の2.8mΩcm2と十分低い値を示したが、素子耐圧が低いため、ソース・ドレイン間に880V印加したところで、ゲート絶縁膜が破壊されてしまった。 For example, the case where the distance between the p + type base layers 3 is 2 μm is compared. As shown in FIGS. 7 and 8, in the case of Type-E of the embodiment, the on-resistance (RonA) shows a sufficiently low value of 2.85 mΩcm 2, and the initial element withstand voltage is 1450 V, which is sufficiently good as a 1200 V element. It shows various characteristics. For comparison, when the SiC-MOSFET created in the conventional Type-A shape was measured, the on-resistance showed a sufficiently low value of 2.8 mΩcm 2 , which is the same, but the element withstand voltage is low, so the source and drain. When 880V was applied between them, the gate insulating film was destroyed.

また、従来のType−BおよびType−Cの形状で作成したSiC−MOSFETを測定したところ、耐圧は1450Vと良好な値であったが、オン抵抗は、それぞれ2.9mΩcm2および2.95mΩcm2と大きかった。このことから実施の形態の炭化珪素半導体装置は十分な素子耐圧を維持しながら、オン抵抗を低減できる。 The measured SiC-MOSFET created in the shape of a conventional Type-B and Type-C, the withstand voltage was good value and 1450V, on-resistance, respectively 2.9Emuomegacm 2 and 2.95Emuomegacm 2 It was big. From this, the silicon carbide semiconductor device of the embodiment can reduce the on-resistance while maintaining a sufficient element withstand voltage.

以上、説明したように、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置によれば、p+型ベース層の角の一部分が凸状に突き出た形状である。これにより、p+型ベース層の間隔は、直線部分の間隔より大きくなることがない。このため、p型ベース層の間の距離を広げても、空乏層がp+型ベース層に沿って横方向に広がりやすくなるため、n型打ち返し層上のゲート絶縁膜に大きな電界がかからず、ソース・ドレイン間耐圧を十分に確保できる。この結果、p+型ベース層の間の距離を広げて、素子耐圧を十分保ちつつオン抵抗を小さくすることができる半導体装置を実現できる。 As described above, according to the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment, the p + type base layer has a shape in which a part of the corners protrudes in a convex shape. As a result, the spacing between the p + type base layers will not be greater than the spacing between the straight sections. Therefore, even if the distance between the p-type base layers is increased, the depletion layer tends to spread laterally along the p + type base layer, so that a large electric field is applied to the gate insulating film on the n-type backing layer. However, a sufficient withstand voltage between the source and drain can be secured. As a result, it is possible to realize a semiconductor device capable of increasing the distance between the p + type base layers and reducing the on-resistance while maintaining sufficient device withstand voltage.

また、p+型ベース層の角の一部分が凸状に突き出た形状は、n型炭化珪素エピタキシャル層の表面に、イオン注入してp+型ベース層を形成する際のマスクを変更するだけでよい。このため、通常用いられるフォトプロセスのデザインルールで形成することが可能になりコストアップを招くことなく、半導体装置を作製することが可能になる。 In addition, the shape in which a part of the corner of the p + type base layer protrudes in a convex shape can be obtained by simply changing the mask when ion-implanting the surface of the n-type silicon carbide epitaxial layer to form the p + type base layer. Good. Therefore, it is possible to form the semiconductor device according to the design rules of the photo process that is usually used, and it is possible to manufacture the semiconductor device without incurring a cost increase.

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、例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、上述した各実施の形態では、MOSFETを例に説明しているが、これに限らず、所定のゲート閾値電圧に基づいてゲート駆動制御されることで電流を導通および遮断する種々な炭化珪素半導体装置にも広く適用可能である。例えば、MOSFETとは異なる導電型の半導体基板を用いることで、IGBTに適用することができる。また、上述した各実施の形態では、ワイドバンドギャップ半導体として炭化珪素を用いた場合を例に説明しているが、炭化珪素以外の例えば窒化ガリウム(GaN)などのワイドバンドギャップ半導体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。 In the above, the present invention can be variously modified without departing from the spirit of the present invention, and in each of the above-described embodiments, for example, the dimensions of each part, the impurity concentration, and the like are set in various ways according to the required specifications and the like. Further, in each of the above-described embodiments, MOSFETs are described as an example, but the present invention is not limited to this, and various types of silicon carbide that conduct and cut off current by being gate-driven and controlled based on a predetermined gate threshold voltage. It can be widely applied to semiconductor devices. For example, it can be applied to an IGBT by using a conductive type semiconductor substrate different from the MOSFET. Further, in each of the above-described embodiments, the case where silicon carbide is used as the wide bandgap semiconductor is described as an example, but it can also be applied to a widebandgap semiconductor such as gallium nitride (GaN) other than silicon carbide. Is. Further, in each embodiment, the first conductive type is n-type and the second conductive type is p-type, but in the present invention, the first conductive type is p-type and the second conductive type is n-type. It holds.

以上のように、本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法は、電力変換装置や種々の産業用機械などの電源装置などに使用される高耐圧半導体装置に有用である。 As described above, the semiconductor device and the method for manufacturing the semiconductor device according to the present invention are useful for high withstand voltage semiconductor devices used in power supply devices such as power conversion devices and various industrial machines.

1 n+型炭化珪素基板
2 n型炭化珪素エピタキシャル層
3 p+型ベース層
4 p型ベース層
5 n+型ソース領域
6 p+型コンタクト領域
7 n型打ち返し層
8 ゲート絶縁膜
9 ゲート電極
10 層間絶縁膜
11 ソース電極
12 電極バッド
13 裏面電極
20 凸状に突き出た形状
1 n + type silicon carbide substrate 2 n type silicon carbide epitaxial layer 3 p + type base layer 4 p type base layer 5 n + type source area 6 p + type contact area 7 n type countersunk layer 8 gate insulating film 9 gate electrode 10 Interlayer insulating film 11 Source electrode 12 Electrode pad 13 Backside electrode 20 Convex protruding shape

Claims (3)

第1導電型の半導体基板と、
前記半導体基板のおもて面に設けられた、前記半導体基板より低不純物濃度の第1導電型の第1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選択的に設けられた第2導電型の第2半導体層と、
前記第1半導体層および前記第2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設けられた、前記第2半導体層より低不純物濃度の第2導電型の第3半導体層と、
前記第3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選択的に設けられた第1導電型の第1半導体領域と、
前記第3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選択的に設けられた、前記第1半導体領域と接する第2導電型の第3半導体領域と、
前記第3半導体層を貫通して前記第1半導体層に達する第1導電型の第2半導体領域と、
前記第1半導体領域と前記第2半導体領域とに挟まれた前記第3半導体層の表面上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、
前記ゲート電極上に設けられた層間絶縁膜と、
前記第1半導体領域と前記第3半導体領域の表面に設けられたソース電極と、
前記半導体基板の裏面に設けられたドレイン電極と、
を備え、
前記第2半導体層は、角の一部分が凸状に突き出た形状であり、
前記第2半導体層の間隔が3.0μm以上3.5μm以下で、オン抵抗が2.7Ωcm2以下、素子耐圧が1400V以上であり、
前記第2半導体層の平面形状は、六角形であり、前記六角形のうちの対向する2つの角のみが凸状に突き出た形状であることを特徴とする半導体装置。
The first conductive type semiconductor substrate and
A first conductive type first semiconductor layer having a lower impurity concentration than the semiconductor substrate, which is provided on the front surface of the semiconductor substrate,
A second conductive type second semiconductor layer selectively provided on the surface layer of the first semiconductor layer opposite to the semiconductor substrate side,
A second conductive type third semiconductor layer having a lower impurity concentration than the second semiconductor layer, which is provided on the surface layer of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer on the side opposite to the semiconductor substrate side. ,
A first conductive type first semiconductor region selectively provided on the surface layer of the third semiconductor layer on the side opposite to the semiconductor substrate side,
A second conductive type third semiconductor region in contact with the first semiconductor region, which is selectively provided on the surface layer of the third semiconductor layer on the side opposite to the semiconductor substrate side,
A first conductive type second semiconductor region that penetrates the third semiconductor layer and reaches the first semiconductor layer,
A gate electrode provided on the surface of the third semiconductor layer sandwiched between the first semiconductor region and the second semiconductor region via a gate insulating film, and
An interlayer insulating film provided on the gate electrode and
A source electrode provided on the surface of the first semiconductor region and the third semiconductor region,
The drain electrode provided on the back surface of the semiconductor substrate and
With
The second semiconductor layer has a shape in which a part of the corners protrudes in a convex shape.
Interval of the second semiconductor layer is at 3.0μm or 3.5μm or less, the on-resistance 2.7Omucm 2 or less, the breakdown voltage is Ri der than 1400 V,
A semiconductor device characterized in that the planar shape of the second semiconductor layer is a hexagon, and only two opposing corners of the hexagon protrude in a convex shape.
前記半導体基板の半導体材料は、炭化珪素であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor material of the semiconductor substrate is silicon carbide. 第1導電型の半導体基板のおもて面に、前記半導体基板より低不純物濃度の第1導電型の第1半導体層を形成する第1工程と、A first step of forming a first conductive type first semiconductor layer having a lower impurity concentration than the semiconductor substrate on the front surface of the first conductive type semiconductor substrate.
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選択的に第2導電型の第2半導体層を形成する第2工程と、A second step of selectively forming a second conductive type second semiconductor layer on the surface layer of the first semiconductor layer opposite to the semiconductor substrate side.
前記第1半導体層および前記第2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半導体層より低不純物濃度の第2導電型の第3半導体層を形成する第3工程と、A second conductive type third semiconductor layer having a lower impurity concentration than the second semiconductor layer is formed on the surface layers of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer opposite to the semiconductor substrate side. 3 steps and
前記第3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選択的に第1導電型の第1半導体領域を形成する第4工程と、A fourth step of selectively forming a first conductive type first semiconductor region on the surface layer of the third semiconductor layer opposite to the semiconductor substrate side.
前記第3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選択的に、前記第1半導体領域と接する第2導電型の第3半導体領域を形成する第5工程と、A fifth step of selectively forming a second conductive type third semiconductor region in contact with the first semiconductor region on the surface layer of the third semiconductor layer opposite to the semiconductor substrate side.
前記第3半導体層を貫通して前記第1半導体層に達する第1導電型の第2半導体領域を形成する第6工程と、A sixth step of forming a first conductive type second semiconductor region that penetrates the third semiconductor layer and reaches the first semiconductor layer.
前記第1半導体領域と前記第2半導体領域とに挟まれた前記第3半導体層の表面上の少なくとも一部にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する第7工程と、A seventh step of forming a gate electrode via a gate insulating film on at least a part of the surface of the third semiconductor layer sandwiched between the first semiconductor region and the second semiconductor region.
前記ゲート電極上に層間絶縁膜を形成する第8工程と、The eighth step of forming an interlayer insulating film on the gate electrode and
前記第1半導体領域と前記第3半導体領域の表面にソース電極を形成する第9工程と、A ninth step of forming a source electrode on the surfaces of the first semiconductor region and the third semiconductor region,
前記半導体基板の裏面にドレイン電極を形成する第10工程と、The tenth step of forming the drain electrode on the back surface of the semiconductor substrate and
を備え、With
前記第2工程は、前記第2半導体層を、角の一部分が凸状に突き出た形状、かつ、前記第2半導体層の間隔を3.0μm以上3.5μm以下、かつ、前記第2半導体層の平面形状を六角形に、前記六角形のうちの対向する2つの角のみが凸状に突き出た形状に形成し、オン抵抗が2.7ΩcmIn the second step, the second semiconductor layer has a shape in which a part of the corners protrudes in a convex shape, the distance between the second semiconductor layers is 3.0 μm or more and 3.5 μm or less, and the second semiconductor layer. The planar shape of the hexagon is formed into a hexagon, and only the two opposite corners of the hexagon are formed in a convex shape, and the on-resistance is 2.7 Ωcm. 22 以下、素子耐圧が1400V以上であることを特徴とする半導体装置の製造方法。Hereinafter, a method for manufacturing a semiconductor device, characterized in that the device withstand voltage is 1400 V or more.
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