JP6889048B2 - Silicon carbide semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents

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本発明は炭化ケイ素半導体装置およびその製造方法に係り、特にCMOS(相補型MOSFET)に関する。 The present invention relates to a silicon carbide semiconductor device and a method for manufacturing the same, and particularly relates to CMOS (complementary MOSFET).

現在、製造されている工業品の多くはケイ素(以下、Siとする)を材料とした半導体素子を採用し、Siの発展と共に大きく性能を向上させてきた。一方で、高温環境で使用される製品では汎用Siデバイスが適用できず、この対策として冷却装置を設けると、製品の小型軽量化および低コスト化が困難となる。また、高耐熱のセンサーから微小な信号が出力されたとしても、高温に耐えられない情報処理装置は当該センサーが設置された機器から遠く離れた場所に設置されるため、信号対雑音比が十分に確保できないという課題がある。 Currently, most of the industrial products manufactured employ semiconductor devices made of silicon (hereinafter referred to as Si), and the performance has been greatly improved with the development of Si. On the other hand, general-purpose Si devices cannot be applied to products used in a high-temperature environment, and if a cooling device is provided as a countermeasure, it becomes difficult to reduce the size, weight, and cost of the product. In addition, even if a minute signal is output from a highly heat-resistant sensor, the information processing device that cannot withstand high temperatures is installed in a place far away from the device in which the sensor is installed, so the signal-to-noise ratio is sufficient. There is a problem that it cannot be secured.

これに対し、高温で動作可能なデバイスとして、炭化ケイ素(以下、SiCと呼ぶ場合がある)から成る基板を有する半導体装置がある。SiCを用いた炭化ケイ素半導体装置であれば、高温環境においても上記情報処理装置などとして使用することができる。 On the other hand, as a device capable of operating at a high temperature, there is a semiconductor device having a substrate made of silicon carbide (hereinafter, may be referred to as SiC). A silicon carbide semiconductor device using SiC can be used as the information processing device even in a high temperature environment.

SiCには、六方晶系の結晶構造を持つ高温型(α型)と、立方晶系の結晶構造を持つ低温型(β型)がある。α型SiCはβ型SiCと比較してバンドギャップが広く、高温環境にはα型SiCである4H−SiCが適している。 There are two types of SiC, a high temperature type (α type) having a hexagonal crystal structure and a low temperature type (β type) having a cubic crystal structure. The α-type SiC has a wider bandgap than the β-type SiC, and 4H-SiC, which is an α-type SiC, is suitable for a high temperature environment.

一方、4H−SiCはチャネル移動度が比較的低いことが知られている。そのため、例えば特許文献1(特開2014−143248号公報)には、4H−SiCの移動度を改善するために、チャネルが形成される領域にC(炭素)を導入することで欠陥低減層を設けることが記載されている。加えて、しきい値電圧を安定させるため、チャネル領域と、酸化膜などから成るゲート絶縁膜との間に、N(窒素)拡散によるBNペア構造を形成することが記載されている。 On the other hand, 4H-SiC is known to have relatively low channel mobility. Therefore, for example, in Patent Document 1 (Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-143248), in order to improve the mobility of 4H-SiC, a defect reduction layer is provided by introducing C (carbon) into a region where a channel is formed. It is stated that it will be provided. In addition, it is described that a BN pair structure is formed by N (nitrogen) diffusion between the channel region and the gate insulating film made of an oxide film or the like in order to stabilize the threshold voltage.

特開2014−143248号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-143248

しかしながら、特許文献1に記載のMOSFETは、p型MOSFET(以下、pMOSと呼ぶ)について考慮されておらず、n型MOSFET(以下、nMOSと呼ぶ)とpMOSとを組み合せたCMOSの性能を必ずしも向上できないという課題がある。すなわち、チャネル移動度はSiCとゲート絶縁膜の界面状態(窒化処理の有無など)によっても変化するが、電子の移動度が向上する界面処理が必ずしも正孔の移動度改善に寄与するとは限らず、nMOSとpMOSとの両方のキャリアの移動度を向上させることが重要となる。 However, the MOSFET described in Patent Document 1 does not consider the p-type MOSFET (hereinafter referred to as pMOS), and does not necessarily improve the performance of CMOS in which the n-type MOSFET (hereinafter referred to as nMOS) and pMOS are combined. There is a problem that it cannot be done. That is, the channel mobility changes depending on the interface state between the SiC and the gate insulating film (presence or absence of nitride treatment, etc.), but the interface treatment that improves the electron mobility does not always contribute to the improvement of the hole mobility. , It is important to improve the mobility of both nMOS and pMOS carriers.

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。 The above and other objects and novel features of the present invention will become apparent from the description and accompanying drawings herein.

本願において開示される実施の形態のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。 A brief overview of typical embodiments disclosed in the present application is as follows.

代表的な実施の形態による炭化ケイ素半導体装置は、炭化ケイ素を含み六方晶系の結晶構造を有する半導体基板と、前記半導体基板のa面またはm面をチャネル領域として有するnNOSと、前記半導体基板のSi面またはC面をチャネル領域として有するpMOSとを有するものである。 Silicon carbide semiconductor devices according to a typical embodiment include a semiconductor substrate containing silicon carbide and having a hexagonal crystal structure, nNOS having the a-plane or m-plane of the semiconductor substrate as a channel region, and the semiconductor substrate. It has a pMOS having a Si plane or a C plane as a channel region.

代表的な実施の形態によれば、炭化ケイ素半導体装置の性能を向上させることができる。特に、炭化ケイ素半導体基板に形成されたnMOSおよびpMOSのそれぞれのチャネル移動度を向上させることができる。 According to a typical embodiment, the performance of the silicon carbide semiconductor device can be improved. In particular, the channel mobilities of nMOS and pMOS formed on the silicon carbide semiconductor substrate can be improved.

本発明の実施の形態1である炭化ケイ素半導体装置を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the silicon carbide semiconductor device which is Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1である炭化ケイ素半導体装置を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the silicon carbide semiconductor device which is Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1である炭化ケイ素半導体装置を示す平面図である。It is a top view which shows the silicon carbide semiconductor device which is Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1である炭化ケイ素半導体装置の製造工程中の斜視図である。It is a perspective view during the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device which is Embodiment 1 of this invention. 図4に続く炭化ケイ素半導体装置の製造工程中の斜視図である。It is a perspective view during the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device following FIG. 図5に続く炭化ケイ素半導体装置の製造工程中の斜視図である。It is a perspective view in the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device which follows FIG. 図6に続く炭化ケイ素半導体装置の製造工程中の斜視図である。It is a perspective view during the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device following FIG. 図7に続く炭化ケイ素半導体装置の製造工程中の斜視図である。It is a perspective view in the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device which follows FIG. 図8に続く炭化ケイ素半導体装置の製造工程中の斜視図である。It is a perspective view during the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device following FIG. 図9に続く炭化ケイ素半導体装置の製造工程中の斜視図である。It is a perspective view during the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device following FIG. 本発明の実施の形態1の変形例1である炭化ケイ素半導体装置を示す平面図である。It is a top view which shows the silicon carbide semiconductor device which is the modification 1 of Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1の変形例2である炭化ケイ素半導体装置を示す平面図である。It is a top view which shows the silicon carbide semiconductor device which is the modification 2 of Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1の変形例3である炭化ケイ素半導体装置を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the silicon carbide semiconductor device which is the modification 3 of Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1の変形例4である炭化ケイ素半導体装置を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the silicon carbide semiconductor device which is the modification 4 of Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1の変形例5である炭化ケイ素半導体装置を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the silicon carbide semiconductor device which is the modification 5 of Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1の変形例6である炭化ケイ素半導体装置を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the silicon carbide semiconductor device which is the modification 6 of Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態2である炭化ケイ素半導体装置を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the silicon carbide semiconductor device which is Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2である炭化ケイ素半導体装置を示す平面図である。It is a top view which shows the silicon carbide semiconductor device which is Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態3である炭化ケイ素半導体装置を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the silicon carbide semiconductor device which is Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態4である炭化ケイ素半導体装置を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the silicon carbide semiconductor device which is Embodiment 4 of this invention. 六方晶系の格子モデルを模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the hexagonal lattice model. 六方晶系の格子モデルを模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the hexagonal lattice model. 六方晶系の格子モデルを模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the hexagonal lattice model. 六方晶系の格子モデルを模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the hexagonal lattice model. 比較例である炭化ケイ素半導体装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the silicon carbide semiconductor device which is a comparative example.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。また、実施の形態を説明する図面においては、構成を分かり易くするために、平面図または斜視図等であってもハッチングを付す場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In all the drawings for explaining the embodiment, the members having the same function are designated by the same reference numerals, and the repeated description thereof will be omitted. Further, in the embodiment, the explanation of the same or similar parts is not repeated in principle unless it is particularly necessary. Further, in the drawings for explaining the embodiments, hatching may be added even in a plan view or a perspective view in order to make the configuration easy to understand.

また、符号「」および「」は、導電型がn型またはp型の不純物の相対的な濃度を表しており、例えばn型不純物の場合は、「n」、「n」、「n」の順に不純物濃度が高くなる。 The sign "-" and "+", the conductive type represents the relative concentration of the n-type or p-type impurities, if for example, the n-type impurity, "n -", "n", " The impurity concentration increases in the order of " n +".

(実施の形態1)
<炭化ケイ素半導体装置の構造>
以下に、図1〜図3を用いて、本実施の形態の炭化ケイ素半導体装置の構造について説明する。図1には、本発明の実施の形態1である炭化ケイ素半導体装置の斜視図を示し、図2には、本実施の形態の炭化ケイ素半導体装置である相補型電界効果トランジスタの回路図を示し、図3には、本実施の形態の炭化ケイ素半導体装置である相補型電界効果トランジスタの平面図を示す。図1では、SiC基板上のゲート絶縁膜および層間絶縁膜を含む絶縁膜、並びに配線の図示を省略している。図1では、図の左側にpMOS領域1Aを示し、図の右側にnMOS領域1Bを示している。pMOS領域1AおよびnMOS領域1Bは、半導体基板の主面に沿う方向に並ぶ領域である。図3では、p型拡散層4にハッチングを付している。
(Embodiment 1)
<Structure of silicon carbide semiconductor device>
Hereinafter, the structure of the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 3. FIG. 1 shows a perspective view of the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows a circuit diagram of a complementary field effect transistor which is the silicon carbide semiconductor device according to the present embodiment. , FIG. 3 shows a plan view of the complementary field effect transistor which is the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment. In FIG. 1, the illustration of the insulating film including the gate insulating film and the interlayer insulating film on the SiC substrate and the wiring is omitted. In FIG. 1, the pMOS region 1A is shown on the left side of the figure, and the nMOS region 1B is shown on the right side of the figure. The pMOS region 1A and the nMOS region 1B are regions arranged in a direction along the main surface of the semiconductor substrate. In FIG. 3, the p-type diffusion layer 4 is hatched.

図1に示すように、本実施の形態の炭化ケイ素半導体装置は、六方晶系の結晶構造により構成されるSiC基板1と、SiC基板1上に形成されたエピタキシャル層(半導体層)3とから成る半導体基板SBを有しており、半導体基板SBの上面近傍には、nMOS101とpMOS102とが形成されている。nMOS101とpMOS102とはMOS構造を有する相補型の電界効果トランジスタ、つまりCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)を構成している。本実施の形態の相補型電界効果トランジスタは、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)など共に半導体装置に搭載されること、または、パワーモジュール若しくはインバータに用いられることが考えられる。 As shown in FIG. 1, the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment is composed of a SiC substrate 1 having a hexagonal crystal structure and an epitaxial layer (semiconductor layer) 3 formed on the SiC substrate 1. The semiconductor substrate SB is formed of, and nMOS101 and pMOS102 are formed in the vicinity of the upper surface of the semiconductor substrate SB. The nMOS 101 and the pMOS 102 form a complementary field effect transistor having a MOS structure, that is, a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). It is conceivable that the complementary field effect transistor of the present embodiment is mounted on a semiconductor device together with an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or the like, or is used in a power module or an inverter.

図2に示すように、CMOSはnMOS101とpMOS102とを相補的に接続した構造を有しており、Vdd電位が印加される電極105とVss電位(接地電位)が印加される電極106との間には、nMOS101とpMOS102とが直列に接続されている。つまり、nMOS101およびpMOS102のそれぞれのドレイン電極が互いに接続されている。それらのドレイン電極は出力端子(出力電極)104に接続され、nMOS101およびpMOS102のそれぞれのゲート電極が1つの入力端子103に接続されている。nMOS101のソース電極は電極106に接続され、pMOS102のソース電極は電極105に接続されている。入力端子103および出力端子104と、それらの端子の間に形成されたCMOSとは、NOT回路を構成している。 As shown in FIG. 2, CMOS has a structure in which nMOS 101 and pMOS 102 are complementarily connected, and is between an electrode 105 to which a Vdd potential is applied and an electrode 106 to which a Vss potential (ground potential) is applied. The nMOS 101 and the pMOS 102 are connected in series. That is, the drain electrodes of nMOS 101 and pMOS 102 are connected to each other. The drain electrodes are connected to the output terminal (output electrode) 104, and the gate electrodes of the nMOS 101 and the pMOS 102 are connected to one input terminal 103. The source electrode of nMOS 101 is connected to the electrode 106, and the source electrode of pMOS 102 is connected to the electrode 105. The input terminal 103 and the output terminal 104, and the CMOS formed between these terminals form a NOT circuit.

図1に示すように、SiC基板1は、六方晶系の面のうちSi面、つまり(000−1)面を主面として有し、C面、つまり(0001)面を当該主面の反対側の裏面として有するn型半導体基板である。同様に、SiCから成り六方晶系の結晶構造から成るエピタキシャル層3は、六方晶系の面のうちSi面を主面として有し、エピタキシャル層3の主面の反対側の下面はSiC基板1の主面に接している。 As shown in FIG. 1, the SiC substrate 1 has a Si plane, that is, a (000-1) plane as a main plane among hexagonal planes, and a C plane, that is, a (0001) plane is the opposite of the main plane. It is an n-type semiconductor substrate that has a back surface on the side. Similarly, the epitaxial layer 3 having a hexagonal crystal structure made of SiC has the Si surface as the main surface among the hexagonal surfaces, and the lower surface on the opposite side of the main surface of the epitaxial layer 3 is the SiC substrate 1. It is in contact with the main surface of.

ここで、六方晶系の結晶構造が有する各種の面について、図21〜図24を用いて説明する。図21〜図24は、六方晶系の格子モデルを模式的に示す斜視図である。図21〜図24で示す格子モデルでは、一部の結晶面にハッチングを付している。また、C(炭素)原子を黒い玉で示し、Si(シリコン)原子を白い玉で示している。 Here, various planes of the hexagonal crystal structure will be described with reference to FIGS. 21 to 24. 21 to 24 are perspective views schematically showing a hexagonal lattice model. In the lattice model shown in FIGS. 21 to 24, some crystal planes are hatched. Further, the C (carbon) atom is indicated by a black ball, and the Si (silicon) atom is indicated by a white ball.

図21〜図24では、横軸として、同一の水平面内に位置するa1、a2およびa3のそれぞれの軸を示し、縦軸として、a1、a2およびa3のそれぞれの軸に対して垂直な方向に向かうc軸を示している。a1、a2、a3およびcのそれぞれの軸は同一の基準点から伸びている。平面視において、a1、a2およびa3のそれぞれの軸同士の成す角は、120度である。 In FIGS. 21 to 24, the horizontal axis shows the respective axes of a1, a2, and a3 located in the same horizontal plane, and the vertical axis indicates the direction perpendicular to the respective axes of a1, a2, and a3. It shows the c-axis to go. The axes of a1, a2, a3 and c extend from the same reference point. In a plan view, the angle formed by the axes of a1, a2, and a3 is 120 degrees.

六方晶系の格子モデルの面は、(a1、a2、a3、c)の4つの指数(面指数)により表される。下記の面指数における「2」は1/2を意味し、「−」は軸の反対方向を意味する。例えば、(1−102)面では、a1=1、a2=−1、a3=0、c=2である。 The plane of the hexagonal lattice model is represented by four indices (plane indices) of (a1, a2, a3, c). In the surface index below, "2" means 1/2 and "-" means the opposite direction of the axis. For example, on the (1-102) plane, a1 = 1, a2 = -1, a3 = 0, and c = 2.

SiCは、Si(シリコン)とC(炭素)の化合物半導体であり、IV族同士の共有結合により構成される。図21に示すように、結晶構造はSi原子またはC原子を頂点とした正四面体を基本要素とし、c軸方向に積層される。4H−SiCにおいて、最表面にSi(シリコン)が露出する面を(000−1)面、またはSi面と呼び、C(炭素)が出る面を(0001)面またはC面と呼ぶ。図21には、(0001)面(C面)201と、(000−1)面(Si面)202とを示している。C面201およびSi面202は、図21に示す六方晶の上面または下面に相当する。 SiC is a compound semiconductor of Si (silicon) and C (carbon), and is composed of covalent bonds between groups IV. As shown in FIG. 21, the crystal structure has a regular tetrahedron having a Si atom or a C atom as a vertex as a basic element, and is laminated in the c-axis direction. In 4H-SiC, the surface on which Si (silicon) is exposed on the outermost surface is called the (000-1) surface or the Si surface, and the surface on which C (carbon) is exposed is called the (0001) surface or the C surface. FIG. 21 shows a (0001) plane (C plane) 201 and a (000-1) plane (Si plane) 202. The C-plane 201 and the Si-plane 202 correspond to the upper surface or the lower surface of the hexagonal crystal shown in FIG.

C面201(図21参照)に対し垂直で六方晶の側面に相当する(0−110)面をm面と呼び、同じくC面201(図21参照)に対し垂直で六方晶の側面に相当する(11−20)面をa面と呼ぶ。図22には、(11−20)面(a面)203と、(0−110)面(m面)204とを示している。この他、C面201(図21参照)に対して斜め方向の(10−11)面、つまりS面205(図23参照)、または、C面201(図21参照)に対して斜め方向の(1−102)面、つまりr面206(図24参照)などがある。SiC基板を用いた炭化ケイ素半導体装置では、Si面またはC面が主面であるウェハが、Si面およびC面以外の結晶面が主面であるウェハと比較して大口径化し易い。このため、SiC基板上に形成されるMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)において、チャネルには主面であるSi面若しくはC面、または、基板の主面に対して垂直なa面若しくはm面が利用されることが考えられる。 The (0-110) plane that is perpendicular to the C-plane 201 (see FIG. 21) and corresponds to the side surface of the hexagonal crystal is called the m-plane, and is also perpendicular to the C-plane 201 (see FIG. The (11-20) plane is called the a-plane. FIG. 22 shows the (11-20) plane (a plane) 203 and the (0-110) plane (m plane) 204. In addition, the (10-11) plane oblique to the C plane 201 (see FIG. 21), that is, the S plane 205 (see FIG. 23) or the C plane 201 (see FIG. 21) diagonally. There is a (1-102) plane, that is, an r plane 206 (see FIG. 24). In a silicon carbide semiconductor device using a SiC substrate, a wafer having a Si plane or a C plane as a main plane tends to have a larger diameter than a wafer having a crystal plane other than the Si plane and the C plane as a main plane. Therefore, in the MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) formed on the SiC substrate, the Si plane or C plane which is the main plane of the channel, or the a plane or m plane which is perpendicular to the main plane of the substrate. Can be used.

本実施の形態の炭化ケイ素半導体装置においては、図21〜図24を用いて説明した4H−SiCから成る半導体基板SB(図1参照)が用いられている。図21では、上面がC面201であり下面がSi面202である六方晶を示したが、六方晶から成る半導体基板SB(図1参照)の上面はSi面であり、下面はC面である。図1に示すように、本実施の形態の炭化ケイ素半導体装置は、n型のSiC基板1およびn型のエピタキシャル層3から成る半導体基板SBを備えている。半導体基板SBは、図21〜図24に示す六方晶系の格子構造を有している。SiC基板1およびエピタキシャル層3は、SiCから成る半導体層にn型不純物として例えばN(窒素)が導入された構造を有している。SiC基板1のn型不純物濃度は、エピタキシャル層3のn型不純物濃度よりも高い。 In the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment, the semiconductor substrate SB (see FIG. 1) made of 4H-SiC described with reference to FIGS. 21 to 24 is used. In FIG. 21, a hexagonal crystal having a C-plane 201 on the upper surface and a Si-plane 202 on the lower surface is shown, but the upper surface of the semiconductor substrate SB (see FIG. 1) made of the hexagonal crystal is the Si-plane and the lower surface is the C-plane. is there. As shown in FIG. 1, the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment includes a semiconductor substrate SB composed of an n-type SiC substrate 1 and an n-type epitaxial layer 3. The semiconductor substrate SB has a hexagonal lattice structure shown in FIGS. 21 to 24. The SiC substrate 1 and the epitaxial layer 3 have a structure in which, for example, N (nitrogen) is introduced as an n-type impurity into a semiconductor layer made of SiC. The concentration of n-type impurities in the SiC substrate 1 is higher than the concentration of n-type impurities in the epitaxial layer 3.

半導体基板SBの裏面、つまりSiC基板1の裏面は、裏面電極2により覆われている。半導体基板SBの裏面に接する裏面電極2は、例えばAu(金)を含む導電体から成り、例えばVdd電位が印加される電極である。nMOS領域1Bにおいて、半導体基板SBの主面の一部、つまりエピタキシャル層3の上面の一部には、p型拡散層(p型半導体層)4が形成されている。p型拡散層4の下面は、SiC基板1とエピタキシャル層3との界面まで達しておらず、エピタキシャル層3の途中深さまで達している。p型拡散層4の上面には、Y方向に延在する溝8がX方向に並んで複数形成されている。溝8の深さは、p型拡散層4の深さよりも浅い。なお、図1では溝8を2つのみ示しているが、さらに多くの溝8をX方向に並べて形成してもよい。X方向は半導体基板SBの主面に沿う方向である。Y方向は半導体基板SBの主面に沿う方向であり、X方向に対して直交する方向である。 The back surface of the semiconductor substrate SB, that is, the back surface of the SiC substrate 1, is covered with the back surface electrodes 2. The back surface electrode 2 in contact with the back surface of the semiconductor substrate SB is, for example, an electrode made of a conductor containing Au (gold) and to which, for example, a Vdd potential is applied. In the nMOS region 1B, a p-type diffusion layer (p-type semiconductor layer) 4 is formed on a part of the main surface of the semiconductor substrate SB, that is, a part of the upper surface of the epitaxial layer 3. The lower surface of the p-type diffusion layer 4 does not reach the interface between the SiC substrate 1 and the epitaxial layer 3, but reaches the intermediate depth of the epitaxial layer 3. On the upper surface of the p-type diffusion layer 4, a plurality of grooves 8 extending in the Y direction are formed side by side in the X direction. The depth of the groove 8 is shallower than the depth of the p-type diffusion layer 4. Although only two grooves 8 are shown in FIG. 1, more grooves 8 may be formed side by side in the X direction. The X direction is a direction along the main surface of the semiconductor substrate SB. The Y direction is a direction along the main surface of the semiconductor substrate SB, and is a direction orthogonal to the X direction.

溝8の側面は、半導体基板SBの主面、つまりSi面に対して垂直な面であって、半導体基板SBのa面である。つまり、溝8の側面であって、Y方向に延在する側面の結晶面は、SiCから成るエピタキシャル層3のa面である。言い換えれば、Y方向は、主面がSi面である六方晶から成る半導体基板SBのa面およびm面に沿う方向である。 The side surface of the groove 8 is the main surface of the semiconductor substrate SB, that is, the surface perpendicular to the Si surface, and is the a surface of the semiconductor substrate SB. That is, the crystal plane of the side surface of the groove 8 extending in the Y direction is the a-plane of the epitaxial layer 3 made of SiC. In other words, the Y direction is a direction along the a-plane and m-plane of the semiconductor substrate SB composed of hexagonal crystals whose main plane is the Si plane.

図1および図3に示すように、溝8内には、ゲート絶縁膜9を介してゲート電極10が完全に埋め込まれている。ゲート絶縁膜9は、例えば酸化シリコン膜から成り、溝8の側面および底面を覆っている。ゲート電極10は、例えばポリシリコン、Al(アルミニウム)またはW(タングステン)から成る。X方向に隣り合う溝8同士の間では、p型拡散層4の上面にドレイン領域5、ソース領域6およびp型コンタクト層7が順に形成されている。 As shown in FIGS. 1 and 3, the gate electrode 10 is completely embedded in the groove 8 via the gate insulating film 9. The gate insulating film 9 is made of, for example, a silicon oxide film and covers the side surface and the bottom surface of the groove 8. The gate electrode 10 is made of, for example, polysilicon, Al (aluminum) or W (tungsten). A drain region 5, a source region 6 and a p-type contact layer 7 are formed in this order on the upper surface of the p-type diffusion layer 4 between the grooves 8 adjacent to each other in the X direction.

ドレイン領域5およびソース領域6のそれぞれは、n型半導体領域であり、半導体基板SBの主面にn型不純物(例えばN(窒素))を導入することで形成されている。p型拡散層4およびp型コンタクト層7はp型半導体領域であり、半導体基板SBの主面にp型不純物(例えばAl(アルミニウム))を導入することで形成されている。ドレイン領域5およびソース領域6のそれぞれのn型不純物濃度は、エピタキシャル層3のn型不純物濃度よりも高い。また、p型拡散層4のp型不純物濃度は、p型コンタクト層7のp型不純物濃度よりも高い。p型コンタクト層7は、p型拡散層4の電位を固定し、ゲート電極10とp型拡散層4との間の電位差を保つ役割を有している。 Each of the drain region 5 and the source region 6 is an n-type semiconductor region, and is formed by introducing an n-type impurity (for example, N (nitrogen)) into the main surface of the semiconductor substrate SB. The p-type diffusion layer 4 and the p-type contact layer 7 are p-type semiconductor regions, and are formed by introducing p-type impurities (for example, Al (aluminum)) into the main surface of the semiconductor substrate SB. The n-type impurity concentration of each of the drain region 5 and the source region 6 is higher than the n-type impurity concentration of the epitaxial layer 3. Further, the p-type impurity concentration of the p-type diffusion layer 4 is higher than the p-type impurity concentration of the p-type contact layer 7. The p-type contact layer 7 has a role of fixing the potential of the p-type diffusion layer 4 and maintaining the potential difference between the gate electrode 10 and the p-type diffusion layer 4.

ドレイン領域5とソース領域6との間はY方向において離間しており、ドレイン領域5とソース領域6との間の領域の半導体基板SBの主面には、p型拡散層4が形成されている。ドレイン領域5、ソース領域6およびp型コンタクト層7のそれぞれのX方向の両端は、互いに隣り合う溝8の側面で終端している。つまり、ドレイン領域5、ソース領域6およびp型コンタクト層7のそれぞれのX方向の両端は、ゲート絶縁膜9の側面に接している。言い換えれば、ドレイン領域5、ソース領域6およびp型コンタクト層7のそれぞれは、溝8の側面に形成されている。同様に、Y方向におけるドレイン領域5とソース領域6との間のp型拡散層4のX方向の両端は、互いに隣り合う溝8の側面で終端しており、ゲート絶縁膜9の側面に接している。 The drain region 5 and the source region 6 are separated in the Y direction, and a p-type diffusion layer 4 is formed on the main surface of the semiconductor substrate SB in the region between the drain region 5 and the source region 6. There is. Both ends of the drain region 5, the source region 6 and the p-type contact layer 7 in the X direction are terminated by the side surfaces of the grooves 8 adjacent to each other. That is, both ends of the drain region 5, the source region 6, and the p-type contact layer 7 in the X direction are in contact with the side surfaces of the gate insulating film 9. In other words, each of the drain region 5, the source region 6 and the p-type contact layer 7 is formed on the side surface of the groove 8. Similarly, both ends of the p-type diffusion layer 4 between the drain region 5 and the source region 6 in the Y direction in the X direction are terminated by the side surfaces of the grooves 8 adjacent to each other and are in contact with the side surfaces of the gate insulating film 9. ing.

Y方向において、ソース領域6とp型コンタクト層7とは互いに接している。図3に示すように、p型コンタクト層7はY方向で2つのソース領域6に挟まれている。ここでは、Y方向において、ドレイン領域5、p型拡散層4、ソース領域6、p型コンタクト層7、ソース領域6、p型拡散層4およびドレイン領域5が順に形成されている。 In the Y direction, the source region 6 and the p-type contact layer 7 are in contact with each other. As shown in FIG. 3, the p-type contact layer 7 is sandwiched between two source regions 6 in the Y direction. Here, in the Y direction, the drain region 5, the p-type diffusion layer 4, the source region 6, the p-type contact layer 7, the source region 6, the p-type diffusion layer 4, and the drain region 5 are formed in this order.

nMOS101は、溝8内のゲート電極10とドレイン領域5とソース領域6とにより構成されている。つまり、nMOS101は所謂トレンチゲート型のMOSFETである。互いに隣り合うドレイン領域5とソース領域6との間で、ゲート絶縁膜9を介してゲート電極10に隣接するp型拡散層4の側面は、nMOS101の動作時にチャネルが形成される領域(チャネル領域)である。つまり、nMOS101は、半導体基板SBの主面(Si面)ではなく、半導体基板SBの側面である溝8の側面にチャネルを有する電界効果トランジスタである。 The nMOS 101 is composed of a gate electrode 10 in the groove 8, a drain region 5, and a source region 6. That is, the nMOS 101 is a so-called trench gate type MOSFET. Between the drain region 5 and the source region 6 adjacent to each other, the side surface of the p-type diffusion layer 4 adjacent to the gate electrode 10 via the gate insulating film 9 is a region (channel region) in which a channel is formed during the operation of the nMOS 101. ). That is, the nMOS 101 is a field effect transistor having a channel on the side surface of the groove 8 which is the side surface of the semiconductor substrate SB, not on the main surface (Si surface) of the semiconductor substrate SB.

溝8のY方向に延在する側面は、半導体基板SBの主面に対して垂直なa面である。なお、ドレイン領域5とソース領域6との間において、nMOS101の動作時の電流は主に溝8のY方向に延在する側面、つまりp型拡散層4の側面に流れるのであり、ドレイン領域5とソース領域6との間のp型拡散層4内であっても、X方向に隣り合う溝8同士の間の領域であって、溝8の当該側面から離れた領域に流れる電流は非常に小さい。 The side surface of the groove 8 extending in the Y direction is the a-plane perpendicular to the main surface of the semiconductor substrate SB. Between the drain region 5 and the source region 6, the operating current of the nMOS 101 mainly flows to the side surface of the groove 8 extending in the Y direction, that is, the side surface of the p-type diffusion layer 4, and the drain region 5 Even within the p-type diffusion layer 4 between the source region 6 and the source region 6, the current flowing in the region between the grooves 8 adjacent to each other in the X direction and away from the side surface of the groove 8 is very large. small.

また、半導体基板SB上には、複数のコンタクトプラグ(導電性接続部)15が形成されている。各コンタクトプラグ15は、それらの上に形成された電極(配線、端子)に電気的に接続されている。入力端子103、出力電極(出力端子)104、電極105および106は、いずれもコンタクトプラグ15上に形成されている。ソース領域6およびp型コンタクト層7のそれぞれの上面に跨がるように配置され、ソース領域6およびp型コンタクト層7のそれぞれ電気的に接続されたコンタクトプラグ15は、Vss電位が印加される電極106に接続されている。ドレイン領域5の上面に接続されたコンタクトプラグ15は、出力電極104に電気的に接続されている。ゲート電極10の上面に接続されたコンタクトプラグ15は、入力端子(ゲート配線)103に電気的に接続されている。 Further, a plurality of contact plugs (conductive connection portions) 15 are formed on the semiconductor substrate SB. Each contact plug 15 is electrically connected to electrodes (wiring, terminals) formed on them. The input terminal 103, the output electrode (output terminal) 104, and the electrodes 105 and 106 are all formed on the contact plug 15. A Vss potential is applied to the contact plugs 15 arranged so as to straddle the upper surfaces of the source region 6 and the p-type contact layer 7 and electrically connected to the source region 6 and the p-type contact layer 7, respectively. It is connected to the electrode 106. The contact plug 15 connected to the upper surface of the drain region 5 is electrically connected to the output electrode 104. The contact plug 15 connected to the upper surface of the gate electrode 10 is electrically connected to the input terminal (gate wiring) 103.

図1および図3に示すように、pMOS領域1Aにおいて、半導体基板SBの主面、つまりエピタキシャル層3の上面には、互いにY方向に延在し、X方向において隣り合う一対のドレイン領域11およびソース領域12が形成されている。ドレイン領域11およびソース領域12はX方向で互いに離間しており、X方向に隣り合うドレイン領域11とソース領域12との間の半導体基板SBの主面には、n型のエピタキシャル層3が形成されている。ドレイン領域11およびソース領域12のそれぞれは、エピタキシャル層3の上面にp型不純物(例えばAl(アルミニウム))が導入されて形成されたp型半導体領域である。 As shown in FIGS. 1 and 3, in the pMOS region 1A, a pair of drain regions 11 extending in the Y direction and adjacent to each other in the X direction on the main surface of the semiconductor substrate SB, that is, the upper surface of the epitaxial layer 3, and The source region 12 is formed. The drain region 11 and the source region 12 are separated from each other in the X direction, and an n-type epitaxial layer 3 is formed on the main surface of the semiconductor substrate SB between the drain region 11 and the source region 12 adjacent to each other in the X direction. Has been done. Each of the drain region 11 and the source region 12 is a p-type semiconductor region formed by introducing a p-type impurity (for example, Al (aluminum)) on the upper surface of the epitaxial layer 3.

X方向に隣り合うドレイン領域11とソース領域12との間のエピタキシャル層3の上面の直上には、ゲート絶縁膜(図示しない)を介してゲート電極14が形成されている。ゲート電極14は、例えばポリシリコン、Al(アルミニウム)またはW(タングステン)から成る。ゲート絶縁膜(図示しない)は、例えば酸化シリコン膜から成る。ゲート電極14は、Y方向に延在している。なお、図3ではゲート電極14を図示していないが、ゲート電極14は、入力端子(ゲート配線)103のうち、Y方向に延在する部分の直下に形成されている。 A gate electrode 14 is formed directly above the upper surface of the epitaxial layer 3 between the drain region 11 and the source region 12 adjacent to each other in the X direction via a gate insulating film (not shown). The gate electrode 14 is made of, for example, polysilicon, Al (aluminum) or W (tungsten). The gate insulating film (not shown) is made of, for example, a silicon oxide film. The gate electrode 14 extends in the Y direction. Although the gate electrode 14 is not shown in FIG. 3, the gate electrode 14 is formed directly below the portion of the input terminal (gate wiring) 103 extending in the Y direction.

ソース領域12の側面であって、ドレイン領域11と対向しない方の側面に接するように、半導体基板SBの主面にはn型コンタクト層13が形成されている。ゲート電極14とn型コンタクト層13とは平面視で重なっていない。n型コンタクト層13は、エピタキシャル層3の上面にn型不純物(例えばN(窒素))が導入されて形成されたn型半導体領域であり、n型コンタクト層13のn型不純物濃度は、エピタキシャル層3のn型不純物濃度よりも高い。ドレイン領域5、11、ソース領域6、12およびn型コンタクト層13のそれぞれの深さは互いに同等であり、いずれもエピタキシャル層3とSiC基板1との界面に達していない。n型コンタクト層13は、エピタキシャル層3の電位を固定し、ゲート電極14とエピタキシャル層3との間の電位差を一定に保つ役割を有している。 An n-type contact layer 13 is formed on the main surface of the semiconductor substrate SB so as to be in contact with the side surface of the source region 12 that does not face the drain region 11. The gate electrode 14 and the n-type contact layer 13 do not overlap in a plan view. The n-type contact layer 13 is an n-type semiconductor region formed by introducing n-type impurities (for example, N (nitrogen)) on the upper surface of the epitaxial layer 3, and the n-type impurity concentration of the n-type contact layer 13 is epitaxial. It is higher than the n-type impurity concentration of layer 3. The depths of the drain regions 5, 11, the source regions 6, 12 and the n-type contact layer 13 are equal to each other, and none of them reaches the interface between the epitaxial layer 3 and the SiC substrate 1. The n-type contact layer 13 has a role of fixing the potential of the epitaxial layer 3 and keeping the potential difference between the gate electrode 14 and the epitaxial layer 3 constant.

pMOS領域1Aに形成されたドレイン領域11とソース領域12とゲート電極14とは、pMOS102を構成している。つまり、pMOS102は、所謂プレーナ型のMOSFETである。互いに隣り合うドレイン領域11とソース領域12との間で、ゲート絶縁膜(図示しない)を介してゲート電極14に隣接するエピタキシャル層3の上面は、pMOS102の動作時にチャネルが形成される領域(チャネル領域)である。つまり、pMOS102は、半導体基板SBの主面の結晶面であるSi面にチャネルを有する電界効果トランジスタである。 The drain region 11, the source region 12, and the gate electrode 14 formed in the pMOS region 1A constitute the pMOS 102. That is, the pMOS 102 is a so-called planar MOSFET. The upper surface of the epitaxial layer 3 adjacent to the gate electrode 14 via the gate insulating film (not shown) between the drain region 11 and the source region 12 adjacent to each other is a region (channel) in which a channel is formed during the operation of the pMOS 102. Area). That is, the pMOS 102 is a field effect transistor having a channel on the Si plane, which is the crystal plane of the main plane of the semiconductor substrate SB.

図3に示すように、ソース領域12およびn型コンタクト層13のそれぞれ電気的に接続されたコンタクトプラグ15は、Vdd電位が印加される電極105に接続されている。ドレイン領域11の上面に接続されたコンタクトプラグ15は、出力電極104に電気的に接続されている。ゲート電極10の上面に接続されたコンタクトプラグ15は、入力端子(ゲート配線)103に電気的に接続されている。nMOS101のドレイン領域5とpMOS102のドレイン領域11とに電気的に接続された出力電極104は、櫛歯状のレイアウトを有しており、nMOS101のソース領域6とp型コンタクト層7とに電気的に接続された電極106は、櫛歯状のレイアウトを有している。すなわち、出力電極104および電極106のそれぞれは、Y方向に延在するパターンと、当該パターンに接続され、X方向に延在する櫛歯状の複数のパターンとを有している。なお、図では電極106を構成する櫛歯状の複数のパターンのうち1つのみを示している。出力電極104を構成する櫛歯状のパターンと、電極106を構成する櫛歯状のパターンとは、互い違いとなるように配置されている。 As shown in FIG. 3, the electrically connected contact plugs 15 of the source region 12 and the n-type contact layer 13 are connected to the electrode 105 to which the Vdd potential is applied. The contact plug 15 connected to the upper surface of the drain region 11 is electrically connected to the output electrode 104. The contact plug 15 connected to the upper surface of the gate electrode 10 is electrically connected to the input terminal (gate wiring) 103. The output electrode 104 electrically connected to the drain region 5 of the nMOS 101 and the drain region 11 of the pMOS 102 has a comb-like layout, and is electrically connected to the source region 6 of the nMOS 101 and the p-type contact layer 7. The electrode 106 connected to has a comb-like layout. That is, each of the output electrode 104 and the electrode 106 has a pattern extending in the Y direction and a plurality of comb-shaped patterns connected to the pattern and extending in the X direction. In the figure, only one of the plurality of comb-shaped patterns constituting the electrode 106 is shown. The comb-shaped pattern forming the output electrode 104 and the comb-shaped pattern forming the electrode 106 are arranged so as to be staggered.

本実施の形態の主な特徴は、プレーナ型のpMOS102とトレンチゲート型のnMOS101とによりCMOSを構成しており、pMOS102のチャネルが形成される結晶面がSi面であり、nMOS101のチャネルが形成される結晶面がa面であることにある。 The main feature of this embodiment is that the CMOS is composed of a planar type pMOS 102 and a trench gate type nMOS 101, the crystal plane on which the pMOS 102 channel is formed is the Si plane, and the nMOS 101 channel is formed. The crystal plane is the a-plane.

<炭化ケイ素半導体装置の製造方法>
以下に、図4〜図10を用いて、本実施の形態の炭化ケイ素半導体装置の製造方法につて説明する。図4〜図10は、本実施の形態1の炭化ケイ素半導体装置であるCMOSの製造工程中の斜視図である。図4〜図10では、図1と同様にpMOS領域1AおよびnMOS領域1Bを示している。ここではSi面を主面として有するSiCウェハを念頭に説明するが、結晶面によりMOSFETの構造を適宜変更することは言うまでもない。また、図1で図示を省略したゲート絶縁膜、層間絶縁膜、コンタクトプラグおよび電極などの製造工程についてもここで説明する。
<Manufacturing method of silicon carbide semiconductor device>
Hereinafter, the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 4 to 10. 4 to 10 are perspective views during the manufacturing process of CMOS, which is the silicon carbide semiconductor device of the first embodiment. 4 to 10 show the pMOS region 1A and the nMOS region 1B as in FIG. 1. Here, a SiC wafer having a Si surface as a main surface will be described in mind, but it goes without saying that the structure of the MOSFET is appropriately changed depending on the crystal plane. Further, a manufacturing process of a gate insulating film, an interlayer insulating film, a contact plug, an electrode and the like, which are not shown in FIG. 1, will also be described here.

まず、図4に示すように、主面と、主面の反対側の裏面とを有するn型のSiC基板1を準備する。SiC基板1は、SiC(炭化ケイ素)から成り、六方晶系の結晶構造を有する半導体基板である。SiC基板1の主面の結晶面は、Si面である。続いて、SiC基板1の主面上に、エピタキシャル成長法を用いてエピタキシャル層3を形成する。エピタキシャル層3は、六方晶系の結晶構造を有しており、エピタキシャル層3の主面の結晶面は、Si面である。ここでは、エピタキシャル層3にn型不純物(例えばN(窒素))を導入しながらエピタキシャル層3を成長させることにより、エピタキシャル層3を所望の不純物濃度で形成することができる。 First, as shown in FIG. 4, an n + type SiC substrate 1 having a main surface and a back surface on the opposite side of the main surface is prepared. The SiC substrate 1 is a semiconductor substrate made of SiC (silicon carbide) and having a hexagonal crystal structure. The crystal plane of the main surface of the SiC substrate 1 is the Si surface. Subsequently, the epitaxial layer 3 is formed on the main surface of the SiC substrate 1 by using the epitaxial growth method. The epitaxial layer 3 has a hexagonal crystal structure, and the crystal plane of the main surface of the epitaxial layer 3 is a Si plane. Here, the epitaxial layer 3 can be formed at a desired impurity concentration by growing the epitaxial layer 3 while introducing an n-type impurity (for example, N (nitrogen)) into the epitaxial layer 3.

次に、図5に示すように、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法を用いて、エピタキシャル層3の上面にp型の不純物(例えばAl(アルミニウム))を打ち込む。これにより、エピタキシャル層3の上面に、p型半導体領域であるp型コンタクト層7、ドレイン領域11、ソース領域12および素子分離層(図示しない)を形成する。p型コンタクト層7は、エピタキシャル層3の上面から、エピタキシャル層3の途中深さまで達してnMOS領域1Bに形成される。ドレイン領域11とソース領域12とは、エピタキシャル層3の上面から、エピタキシャル層3の途中深さまで達してpMOS領域1Aに形成される。ドレイン領域11とソース領域12とは、互いに離間している。 Next, as shown in FIG. 5, a p-type impurity (for example, Al (aluminum)) is implanted into the upper surface of the epitaxial layer 3 by using a photolithography technique and an ion implantation method. As a result, a p-type contact layer 7, a drain region 11, a source region 12, and an element separation layer (not shown), which are p + type semiconductor regions, are formed on the upper surface of the epitaxial layer 3. The p-type contact layer 7 reaches from the upper surface of the epitaxial layer 3 to an intermediate depth of the epitaxial layer 3 and is formed in the nMOS region 1B. The drain region 11 and the source region 12 reach from the upper surface of the epitaxial layer 3 to an intermediate depth of the epitaxial layer 3 and are formed in the pMOS region 1A. The drain region 11 and the source region 12 are separated from each other.

次に、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法を用いて、エピタキシャル層3の上面にp型の不純物(例えばAl(アルミニウム))を打ち込む。これにより、nMOS領域1Bのエピタキシャル層3の上面に、p型半導体領域であるp型拡散層4を形成する。p型拡散層4は、p型コンタクト層7よりもp型不純物濃度が低く、p型コンタクト層7よりも深さが深い。ただし、p型拡散層4の下面は、エピタキシャル層3とSiC基板1との界面に達していない。ここでは、平面視でp型コンタクト層7およびその周りの領域と重なる位置にp型拡散層4を形成する。 Next, a p-type impurity (for example, Al (aluminum)) is implanted into the upper surface of the epitaxial layer 3 using a photolithography technique and an ion implantation method. As a result, the p-type diffusion layer 4, which is a p-type semiconductor region, is formed on the upper surface of the epitaxial layer 3 in the nMOS region 1B. The p-type diffusion layer 4 has a lower p-type impurity concentration than the p-type contact layer 7, and is deeper than the p-type contact layer 7. However, the lower surface of the p-type diffusion layer 4 does not reach the interface between the epitaxial layer 3 and the SiC substrate 1. Here, the p-type diffusion layer 4 is formed at a position overlapping the p-type contact layer 7 and the region around the p-type contact layer 7 in a plan view.

次に、図6に示すように、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法を用いて、エピタキシャル層3の上面にn型の不純物(例えばN(窒素))を打ち込む。これにより、エピタキシャル層3の上面に、n型半導体領域であるドレイン領域5、ソース領域6およびn型コンタクト層13を形成する。ドレイン領域5およびソース領域6はnMOS領域1Bに形成し、n型コンタクト層13はpMOS領域1Aに形成する。ドレイン領域5およびソース領域6は互いに離間するように形成し、ソース領域6はp型コンタクト層7と隣接させて形成する。ドレイン領域5およびソース領域6の深さは、p型拡散層4の深さよりも浅い。n型コンタクト層13は、ソース領域12と隣接する位置に形成する。 Next, as shown in FIG. 6, an n-type impurity (for example, N (nitrogen)) is implanted into the upper surface of the epitaxial layer 3 by using a photolithography technique and an ion implantation method. As a result, the drain region 5, the source region 6, and the n-type contact layer 13, which are n + type semiconductor regions, are formed on the upper surface of the epitaxial layer 3. The drain region 5 and the source region 6 are formed in the nMOS region 1B, and the n-type contact layer 13 is formed in the pMOS region 1A. The drain region 5 and the source region 6 are formed so as to be separated from each other, and the source region 6 is formed adjacent to the p-type contact layer 7. The depths of the drain region 5 and the source region 6 are shallower than the depth of the p-type diffusion layer 4. The n-type contact layer 13 is formed at a position adjacent to the source region 12.

次に、図7に示すように、フォトリソグラフィ技術およびエッチング法を用いて、nMOS領域1Bのp型拡散層4の主面に複数の溝8を形成する。この溝8は、平面視でp型拡散層4内に形成され、溝8の底部はp型拡散層4の下面とエピタキシャル層3との境界に到達しない。ここでは、Y方向に並ぶドレイン領域5、ソース領域6およびp型コンタクト層7をX方向において挟むように、2以上の溝8を形成する。溝8の側面のうち、Y方向に延在する1つの側面において、ドレイン領域5、ソース領域6およびp型コンタクト層7が露出する。溝8の側面であって、ドレイン領域5、ソース領域6およびp型コンタクト層7が露出する面、つまりY方向に延在する面の結晶面はa面である。 Next, as shown in FIG. 7, a plurality of grooves 8 are formed on the main surface of the p-type diffusion layer 4 in the nMOS region 1B by using a photolithography technique and an etching method. The groove 8 is formed in the p-type diffusion layer 4 in a plan view, and the bottom portion of the groove 8 does not reach the boundary between the lower surface of the p-type diffusion layer 4 and the epitaxial layer 3. Here, two or more grooves 8 are formed so as to sandwich the drain region 5, the source region 6, and the p-type contact layer 7 arranged in the Y direction in the X direction. The drain region 5, the source region 6 and the p-type contact layer 7 are exposed on one side surface of the groove 8 extending in the Y direction. The crystal plane of the side surface of the groove 8 where the drain region 5, the source region 6 and the p-type contact layer 7 are exposed, that is, the surface extending in the Y direction is the a-plane.

次に、図8に示すように、エピタキシャル層3上に、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法を用いて、比較的薄い絶縁膜22と、導電膜とを順に形成することで、溝8内を完全に埋め込む。絶縁膜22は例えば酸化シリコン膜から成り、導電膜は、例えばポリシリコン、Al(アルミニウム)またはW(タングステン)などから成る。 Next, as shown in FIG. 8, the inside of the groove 8 is formed by forming a relatively thin insulating film 22 and a conductive film in order on the epitaxial layer 3 by using, for example, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. Fully embed. The insulating film 22 is made of, for example, a silicon oxide film, and the conductive film is made of, for example, polysilicon, Al (aluminum), W (tungsten), or the like.

続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング法を用いて、当該導電膜を加工することで、絶縁膜22の一部の上面を露出させる。これにより、当該導電膜から成るゲート電極10、14を形成する。ゲート電極10は、nMOS領域1Bの複数の溝8のそれぞれの内部に形成され、ゲート電極14は、pMOS領域1Aにおいて、ドレイン領域11とソース領域12との相互間のエピタキシャル層3上に絶縁膜22を介して形成される。ゲート電極10、ドレイン領域5およびソース領域6は、nMOS101を構成している。ゲート電極14、ドレイン領域11およびソース領域12は、pMOS102を構成している。 Subsequently, the conductive film is processed by using a photolithography technique and an etching method to expose a part of the upper surface of the insulating film 22. As a result, the gate electrodes 10 and 14 made of the conductive film are formed. The gate electrode 10 is formed inside each of the plurality of grooves 8 of the nMOS region 1B, and the gate electrode 14 is an insulating film on the epitaxial layer 3 between the drain region 11 and the source region 12 in the pMOS region 1A. It is formed via 22. The gate electrode 10, the drain region 5, and the source region 6 constitute the nMOS 101. The gate electrode 14, the drain region 11, and the source region 12 constitute the pMOS 102.

ここで、溝8内に埋め込まれ、ゲート電極10の側面および底面を覆う絶縁膜22は、ゲート絶縁膜9を構成する。溝8の側面に接するゲート絶縁膜9の厚さと、溝8の底面に接するゲート絶縁膜9の厚さとは、互いに同等である。 Here, the insulating film 22 embedded in the groove 8 and covering the side surface and the bottom surface of the gate electrode 10 constitutes the gate insulating film 9. The thickness of the gate insulating film 9 in contact with the side surface of the groove 8 and the thickness of the gate insulating film 9 in contact with the bottom surface of the groove 8 are equal to each other.

ゲート電極10、14のそれぞれを別々の材料により形成する場合は、例えば絶縁膜22およびゲート電極10を形成した後に、絶縁膜22およびゲート電極10のそれぞれの上に導電膜を形成し、続いて当該導電膜を加工することでゲート電極14を形成する。 When each of the gate electrodes 10 and 14 is formed of different materials, for example, after forming the insulating film 22 and the gate electrode 10, a conductive film is formed on each of the insulating film 22 and the gate electrode 10, and then a conductive film is formed. The gate electrode 14 is formed by processing the conductive film.

ゲート電極10、14のそれぞれを半導体膜により形成する場合、ここではゲート電極10、14の両方の導電型をn型またはp型に揃える。これにより、ゲート電極10、14のそれぞれを別々の導電型の半導体膜により形成する場合に比べ、炭化ケイ素半導体装置の製造コストを低減することができる。当該半導体膜に不純物を導入する方法の例としては、CVD法による成膜時に当該半導体膜内に不純物を導入する方法、および、当該半導体膜の成膜後に、当該半導体膜に対してイオン注入法を用いて不純物を導入する方法がある。当該半導体膜に導入するn型不純物としては、例えばP(リン)があり、当該半導体膜に導入するp型不純物としては、例えばB(ホウ素)がある。 When each of the gate electrodes 10 and 14 is formed of a semiconductor film, here, both the conductive types of the gate electrodes 10 and 14 are aligned to the n-type or the p-type. As a result, the manufacturing cost of the silicon carbide semiconductor device can be reduced as compared with the case where the gate electrodes 10 and 14 are formed of separate conductive semiconductor films. Examples of the method of introducing impurities into the semiconductor film include a method of introducing impurities into the semiconductor film at the time of film formation by the CVD method, and an ion implantation method of the semiconductor film after the film formation of the semiconductor film. There is a method of introducing impurities using. The n-type impurity introduced into the semiconductor film includes, for example, P (phosphorus), and the p-type impurity introduced into the semiconductor film includes, for example, B (boron).

次に、図9に示すように、例えばCVD法を用いて、エピタキシャル層3、絶縁膜22、ゲート電極10および14のそれぞれの上に層間絶縁膜19を形成する。層間絶縁膜19は、例えば酸化シリコン膜から成る。ここでは、層間絶縁膜19により、ゲート電極14の側面および上面と、ゲート電極10の上面と、絶縁膜22の上面とを覆う。続いて、層間絶縁膜19をフォトリソグラフィ技術およびエッチング法を用いて、層間絶縁膜19および絶縁膜22を貫通し、エピタキシャル層3の上面を露出する複数の接続孔を形成する。各接続孔の底部では、ソース領域6(図7参照)、12、ドレイン領域5、11、p型コンタクト層7(図7参照)またはn型コンタクト層13が、層間絶縁膜19および絶縁膜22から成る積層膜から露出する。この工程により絶縁膜22を加工することで、ゲート電極14の直下には、絶縁膜22から成るゲート絶縁膜23が形成される。 Next, as shown in FIG. 9, for example, a CVD method is used to form an interlayer insulating film 19 on each of the epitaxial layer 3, the insulating film 22, and the gate electrodes 10 and 14. The interlayer insulating film 19 is made of, for example, a silicon oxide film. Here, the interlayer insulating film 19 covers the side surface and the upper surface of the gate electrode 14, the upper surface of the gate electrode 10, and the upper surface of the insulating film 22. Subsequently, the interlayer insulating film 19 is penetrated through the interlayer insulating film 19 and the insulating film 22 by using a photolithography technique and an etching method to form a plurality of connection holes that expose the upper surface of the epitaxial layer 3. At the bottom of each connection hole, source regions 6 (see FIG. 7), 12, drain regions 5, 11, p-type contact layers 7 (see FIG. 7) or n-type contact layers 13 are an interlayer insulating film 19 and an insulating film 22. Exposed from a laminated film consisting of. By processing the insulating film 22 by this step, a gate insulating film 23 made of the insulating film 22 is formed directly under the gate electrode 14.

図9では、ゲート電極10および14のそれぞれの直上に開口された接続孔を示していない。それらの接続孔は、図示していない領域に形成されている。ソース領域12およびn型コンタクト層13は、同一の接続孔の底部で露出している。また、ソース領域6(図7参照)およびp型コンタクト層7(図7参照)は、同一の接続孔の底部で露出している。 FIG. 9 does not show the connection holes opened directly above the gate electrodes 10 and 14, respectively. Those connection holes are formed in a region (not shown). The source region 12 and the n-type contact layer 13 are exposed at the bottom of the same connection hole. Further, the source region 6 (see FIG. 7) and the p-type contact layer 7 (see FIG. 7) are exposed at the bottom of the same connection hole.

次に、図10に示すように、例えばスパッタリング法を用いて、各接続孔内を含むエピタキシャル層3上および層間絶縁膜19上に金属膜を形成する。金属膜は、例えばAl(アルミニウム)から成り、上記複数の接続孔のそれぞれの内部を完全に埋め込んでいる。続いて、層間絶縁膜19上の当該金属膜を、フォトリソグラフィ技術およびエッチング法を用いて加工することで、層間絶縁膜19の上面の一部を露出させる。この加工工程により、当該金属膜を複数に分離することで、当該金属膜から成る複数の電極を形成する。すなわち、Vdd電位が印加される電極105、Vss電位が印加される電極106、出力電極104を形成する。 Next, as shown in FIG. 10, a metal film is formed on the epitaxial layer 3 including the inside of each connection hole and on the interlayer insulating film 19 by using, for example, a sputtering method. The metal film is made of, for example, Al (aluminum), and completely embeds the inside of each of the plurality of connection holes. Subsequently, the metal film on the interlayer insulating film 19 is processed by using a photolithography technique and an etching method to expose a part of the upper surface of the interlayer insulating film 19. By this processing step, the metal film is separated into a plurality of electrodes to form a plurality of electrodes composed of the metal film. That is, the electrode 105 to which the Vdd potential is applied, the electrode 106 to which the Vss potential is applied, and the output electrode 104 are formed.

電極105は、接続孔内の上記金属膜から成るコンタクトプラグを介してn型コンタクト層13とソース領域12とに接続される。電極106は、接続孔内の上記金属膜から成るコンタクトプラグを介してp型コンタクト層7(図7参照)とソース領域6(図7参照)とに接続される。出力電極104は、コンタクトプラグを介してドレイン領域5、11に接続される。続いて、例えばスパッタリング法を用いて、SiC基板1の裏面を覆う裏面電極2を形成する。裏面電極2は、例えばAu(金)を含む導電膜であり、例えばVdd電位が印加される電極である。互いのドレイン同士が接続されたnMOS101およびpMOS102は、CMOSを構成している。 The electrode 105 is connected to the n-type contact layer 13 and the source region 12 via a contact plug made of the metal film in the connection hole. The electrode 106 is connected to the p-type contact layer 7 (see FIG. 7) and the source region 6 (see FIG. 7) via a contact plug made of the metal film in the connection hole. The output electrode 104 is connected to the drain regions 5 and 11 via a contact plug. Subsequently, for example, a sputtering method is used to form the back surface electrode 2 that covers the back surface of the SiC substrate 1. The back surface electrode 2 is, for example, a conductive film containing Au (gold), and is, for example, an electrode to which a Vdd potential is applied. The nMOS 101 and pMOS 102 to which the drains are connected to each other constitute CMOS.

以上の工程により、本実施の形態の炭化ケイ素半導体装置であるCMOSを形成することができる。 By the above steps, CMOS, which is the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment, can be formed.

<本実施の形態の効果>
以下に、比較例として図25を用いて、本実施の形態の効果について説明する。図25は、比較例である炭化ケイ素半導体装置を示す断面図である。
<Effect of this embodiment>
Hereinafter, the effect of the present embodiment will be described with reference to FIG. 25 as a comparative example. FIG. 25 is a cross-sectional view showing a silicon carbide semiconductor device as a comparative example.

半導体装置に用いられる半導体基板の材料としては、Si(シリコン)を用いることが考えられる。しかし、自動車のエンジン部、航空機のタービンエンジン、自らが高温を発するボイラーなどの高熱を発する機械の近くに設置される産業機器などにおいては、Si基板を用いた半導体装置が駆動できない高温に曝されるため、そのような半導体装置にSi基板を使用することは困難である。また、高温な環境で用いられる半導体装置を冷却するための冷却装置を設けると、装置の小型軽量化・低コスト化の妨げとなる。 As a material for a semiconductor substrate used in a semiconductor device, it is conceivable to use Si (silicon). However, industrial equipment installed near machines that generate high heat, such as automobile engines, aircraft turbine engines, and boilers that generate high temperatures themselves, are exposed to high temperatures that cannot drive semiconductor devices that use Si substrates. Therefore, it is difficult to use a Si substrate for such a semiconductor device. Further, if a cooling device for cooling a semiconductor device used in a high temperature environment is provided, it hinders the reduction in size, weight and cost of the device.

また、高温に耐えられない情報処理装置を、高熱を発する機器から遠く離れた場所に設置することが考えられる。しかし、高耐熱のセンサーから微小な出力信号が出たとしても、電流経路が長いために信号対雑音比が十分に確保できないという課題がある。このため、複雑なノイズ処理が必要であり、これも、小型軽量化・低コスト化の妨げとなる。ノイズの影響を低コストに低減するためには、高温環境下においてもセンサー直近で出力信号を処理する、いわゆる、エッジコンピューティングが有効であり、それを支える高耐熱の集積デバイス・LSI(Large Scale Integration)の創出が不可欠である。 Further, it is conceivable to install an information processing device that cannot withstand high temperatures in a place far away from a device that generates high heat. However, even if a minute output signal is output from the highly heat-resistant sensor, there is a problem that a sufficient signal-to-noise ratio cannot be secured because the current path is long. For this reason, complicated noise processing is required, which also hinders reduction in size, weight, and cost. In order to reduce the influence of noise at low cost, so-called edge computing, which processes the output signal in the immediate vicinity of the sensor even in a high temperature environment, is effective, and the highly heat-resistant integrated device LSI (Large Scale) that supports it is effective. Creation of Integration) is indispensable.

これに対し、高温の環境で使用可能なデバイスとして、SiC(炭化ケイ素)から成る基板を用いた炭化ケイ素半導体素子があり、高温環境で使用される炭化ケイ素半導体装置の基板の材料としては、4H−SiCが適している。一方、4H−SiCはチャネル移動度がSiに比べて低い。その対策として、比較例として図25に示すような炭化ケイ素半導体装置を形成することが考えられる。 On the other hand, as a device that can be used in a high temperature environment, there is a silicon carbide semiconductor element using a substrate made of SiC (silicon carbide), and as a material for a substrate of a silicon carbide semiconductor device used in a high temperature environment, 4H -SiC is suitable. On the other hand, 4H-SiC has a lower channel mobility than Si. As a countermeasure, it is conceivable to form a silicon carbide semiconductor device as shown in FIG. 25 as a comparative example.

図25に示すように、比較例の炭化ケイ素半導体装置は、SiC基板1およびその上のエピタキシャル層3を含む半導体基板SBの主面近傍にnMOS107を備えている。エピタキシャル層3の上面には、互いに離間する一対のp型SiC領域321が形成されており、各p型SiC領域321の上面には、互いに隣接するn型SiC領域322およびp型SiC領域323が形成されている。また、一対のp型SiC領域321のそれぞれの対向する端部から、n型SiC領域322の端部に亘って、各p型SiC領域321の上面には、チャネル領域(欠陥低減層)324が形成されている。チャネル領域324の上面上には、当該上面に接するBNペア構造絶縁膜325が形成されている。 As shown in FIG. 25, the silicon carbide semiconductor device of the comparative example includes nMOS107 in the vicinity of the main surface of the semiconductor substrate SB including the SiC substrate 1 and the epitaxial layer 3 on the SiC substrate 1. A pair of p- type SiC regions 321 separated from each other are formed on the upper surface of the epitaxial layer 3, and n + type SiC regions 322 and p + type adjacent to each other are formed on the upper surface of each p- type SiC region 321. The SiC region 323 is formed. Further, from the opposite ends of the pair of p - type SiC regions 321 to the ends of the n + -type SiC regions 322, the upper surface of each p- type SiC region 321 has a channel region (defect reduction layer). ) 324 is formed. A BN pair structure insulating film 325 in contact with the upper surface is formed on the upper surface of the channel region 324.

チャネル領域324は、エピタキシャル層3の上面にC(炭素)を導入することで、C(炭素)欠陥を低減した領域である。また、BNペア構造絶縁膜325は、チャネル領域324の上面にN(窒素)を拡散させることで形成された膜である。BNペア構造絶縁膜325内では、p型SiC領域321内のB(ホウ素)が当該N(窒素)を引き寄せ、安定なBNペアが形成されている。 The channel region 324 is a region in which C (carbon) defects are reduced by introducing C (carbon) on the upper surface of the epitaxial layer 3. The BN pair structure insulating film 325 is a film formed by diffusing N (nitrogen) on the upper surface of the channel region 324. In the BN pair structure insulating film 325, B (boron) in the p- type SiC region 321 attracts the N (nitrogen), and a stable BN pair is formed.

一対のp型SiC領域321のそれぞれの間のエピタキシャル層3の上面上には、ゲート絶縁膜330を介してゲート電極340が形成されている。ゲート絶縁膜330およびゲート電極340は、一対のp型SiC領域321のそれぞれの上面のBNペア構造絶縁膜325と、チャネル領域324と、n型SiC領域322の一部とを覆っている。一対のp型SiC領域321のうち、一方のp型SiC領域321の上面に形成されたn型SiC領域322およびp型SiC領域323の上面には、ソース電極350が接続され、他方のp型SiC領域321の上面に形成されたn型SiC領域322およびp型SiC領域323の上面には、ソース電極350が接続されている。 A gate electrode 340 is formed on the upper surface of the epitaxial layer 3 between each of the pair of p -type SiC regions 321 via a gate insulating film 330. The gate insulating film 330 and the gate electrode 340 cover the BN pair structure insulating film 325 on the upper surface of each of the pair of p- type SiC regions 321, the channel region 324, and a part of the n + -type SiC region 322. .. A source electrode 350 is connected to the upper surfaces of the n + type SiC region 322 and the p + type SiC region 323 formed on the upper surface of one of the p - type SiC regions 321 of the pair of p -type SiC regions 321. A source electrode 350 is connected to the upper surfaces of the n + -type SiC region 322 and the p + -type SiC region 323 formed on the upper surface of the other p -type SiC region 321.

ここでは、nMOS107の移動度(チャネル移動度)の改善を目的として、Cが導入されたチャネル領域324を設けている。また、nMOS107のしきい値電圧を安定化させることを目的として、チャネル領域324と、酸化膜などから成るゲート絶縁膜330との間に、N拡散によりBNペア構造絶縁膜325を形成している。 Here, for the purpose of improving the mobility (channel mobility) of the nMOS 107, a channel region 324 in which C is introduced is provided. Further, for the purpose of stabilizing the threshold voltage of the nMOS 107, a BN pair structure insulating film 325 is formed by N diffusion between the channel region 324 and the gate insulating film 330 made of an oxide film or the like. ..

しかし、比較例のMOSFETでは、pMOSの移動度を向上させることについて考慮されておらず、nMOSとpMOSとを組み合せたCMOSの性能を必ずしも向上させることができないという課題がある。 However, in the MOSFET of the comparative example, improvement of the mobility of pMOS is not considered, and there is a problem that the performance of CMOS in which nMOS and pMOS are combined cannot always be improved.

ここで、トランジスタなどにおいて電流の流れ易さを示すチャネル移動度は、六方晶の結晶面により値が異なり、キャリア(電子または正孔)によっても変化する。これは、結晶面によって、電子の流れを阻害する欠陥の存在する割合と、正孔の流れを阻害する欠陥の存在する割合とに差があるためである。移動度は界面欠陥と相関があり、例えば電子をキャリアとするnMOSは、伝導帯近傍における界面欠陥が1×1012cmeV以下であるa面にチャネルが形成されることが好適といえる。しかし、正孔をキャリアとするpMOSでは、a面の界面欠陥は、3×1012〜5×1012cmeVであり大きいため、pMOSのチャネルがa面に形成される場合、移動度を向上させることが難しい。一方、pMOSのチャネルがSi面に形成される場合の価電子帯近傍の界面欠陥は、5×1011cmeVであり低く、移動度向上が期待できる。 Here, the channel mobility, which indicates the ease of current flow in a transistor or the like, differs depending on the crystal plane of the hexagonal crystal, and also changes depending on the carrier (electron or hole). This is because there is a difference between the proportion of defects that obstruct the flow of electrons and the proportion of defects that obstruct the flow of holes, depending on the crystal plane. The mobility has a correlation with the interface defect. For example, in the nMOS having an electron as a carrier, it can be said that it is preferable that a channel is formed on the a-plane in which the interface defect in the vicinity of the conduction band is 1 × 10 12 cm 2 eV or less. However, in pMOS having holes as carriers, the interface defect on the a-plane is 3 × 10 12 to 5 × 10 12 cm 2 eV, which is large. Therefore, when the pMOS channel is formed on the a-plane, the mobility is increased. Difficult to improve. On the other hand, when the pMOS channel is formed on the Si surface, the interface defect near the valence band is as low as 5 × 10 11 cm 2 eV, and an improvement in mobility can be expected.

本実施の形態は、六方晶から成るSiC基板上にnMOSおよびpMOSを形成する場合に、各MOSFETのチャネルの結晶面を選択することで、nMOSおよびpMOSの両方の移動度を向上させるものである。すなわち、ここでは、正孔をキャリアとするpMOSでは、チャネルをSi面またはC面とすることで、他の結晶面にチャネルを形成した場合に比べて移動度が向上する。電子をキャリアとするnMOSでは、チャネルをa面とすることで、他の結晶面にチャネルを形成した場合に比べて移動度が向上することに着目している。 In this embodiment, when nMOS and pMOS are formed on a SiC substrate made of hexagonal crystals, the mobility of both nMOS and pMOS is improved by selecting the crystal plane of each MOSFET channel. .. That is, here, in the pMOS having holes as carriers, by setting the channel to the Si plane or the C plane, the mobility is improved as compared with the case where the channel is formed on another crystal plane. In the nMOS having electrons as carriers, attention is paid to the fact that the mobility is improved by setting the channel to the a-plane as compared with the case where the channel is formed on another crystal plane.

そこで、図1に示すように、CMOSを構成するMOSFETのうち、pMOS102をプレーナ型のMOSFETとして形成することで、そのチャネル(チャネル領域)をSi面である半導体基板SBの主面に形成している。また、CMOSを構成するMOSFETのうち、nMOS101をトレンチゲート型のMOSFETとして形成することで、そのチャネル(チャネル領域)をSi面である半導体基板SBの主面対して垂直なa面に形成している。これにより、比較例のようにnMOSのみの移動度を向上させるのではなく、pMOS102の移動度の向上と、nMOS101の移動度の向上とを両立することができる。よって、nMOS101およびpMOS102から成るCMOSを含む本実施の形態の炭化ケイ素半導体装置の性能を向上させることができる。 Therefore, as shown in FIG. 1, among the MOSFETs constituting the CMOS, by forming the pMOS 102 as a planar type MOSFET, the channel (channel region) is formed on the main surface of the semiconductor substrate SB which is the Si surface. There is. Further, among the MOSFETs constituting the CMOS, by forming nMOS101 as a trench gate type MOSFET, the channel (channel region) is formed on the a-plane perpendicular to the main surface of the semiconductor substrate SB which is the Si-plane. There is. As a result, the mobility of the pMOS 102 can be improved and the mobility of the nMOS 101 can be improved at the same time, instead of improving the mobility of only the nMOS as in the comparative example. Therefore, it is possible to improve the performance of the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment including the CMOS composed of nMOS101 and pMOS102.

なお、本実施の形態では、pMOS102のチャネルが形成される結晶面がSi面である場合について説明しているが、pMOS102のチャネルが形成される結晶面がC面である場合も、同様の効果を得ることができる。 In the present embodiment, the case where the crystal plane on which the channel of pMOS 102 is formed is the Si plane is described, but the same effect can be obtained when the crystal plane on which the channel of pMOS 102 is formed is the C plane. Can be obtained.

また、本実施の形態では、nMOS101のチャネルが形成される結晶面がa面である場合について説明している。これに対し、当該チャネルがm面に形成される場合には、nMOS101の移動度はチャネルがa面に形成される場合に比べ劣るが、a面およびm面以外の結晶面にnMOSのチャネルが形成される場合に比べて、移動度を向上させることができる。言い換えれば、a面またはm面にチャネルを有するnMOS101を形成することで移動度を向上させることができ、特に、a面にチャネルを有するnMOS101では、顕著に移動度を向上させることができる。a面およびm面はSi面およびC面に対し垂直な面であるから、主面の結晶面がSi面またはC面である半導体基板SBの当該主面に溝8を形成することで、a面またはm面を溝8の側面に露出させることができる。 Further, in the present embodiment, the case where the crystal plane on which the channel of nMOS 101 is formed is the a-plane is described. On the other hand, when the channel is formed on the m-plane, the mobility of the nMOS 101 is inferior to that when the channel is formed on the a-plane, but the nMOS channel is formed on the crystal planes other than the a-plane and the m-plane. The mobility can be improved as compared with the case where it is formed. In other words, the mobility can be improved by forming the nMOS 101 having a channel on the a-plane or the m-plane, and in particular, the mobility can be remarkably improved in the nMOS 101 having a channel on the a-plane. Since the a-plane and the m-plane are planes perpendicular to the Si-plane and the C-plane, the groove 8 is formed on the main plane of the semiconductor substrate SB in which the crystal plane of the main plane is the Si-plane or the C-plane. The surface or m surface can be exposed on the side surface of the groove 8.

以下では、本実施の形態の変形例および他の実施の形態について記載するが、いずれの実施の形態および変形例においても、チャネルがSi面に形成されるpMOSと、チャネルがa面に形成されるnMOSとを形成することで、pMOS102の移動度の向上と、nMOS101の移動度の向上とを両立することができる。 Hereinafter, modifications and other embodiments of this embodiment will be described. In any of the embodiments and modifications, the pMOS in which the channel is formed on the Si plane and the channel are formed on the a plane. By forming the nMOS, the mobility of the pMOS 102 can be improved and the mobility of the nMOS 101 can be improved at the same time.

<変形例1>
図11に、本実施の形態1の変形例1である炭化ケイ素半導体装置の平面図を示す。本実施の形態のトレンチゲート型のnMOSでは、ソース領域に隣接するp型コンタクト層を形成し、p型コンタクト層を2つのソース領域で挟むことが考えられるが、この場合、nMOSのソース領域幅が大きくなるため、炭化ケイ素半導体装置の微細化が困難となる。ここでいうソース領域幅とは、ソース領域およびドレイン領域が並ぶ方向、つまりトレンチゲート電極の延在方向(Y方向)に、ソース領域およびドレイン領域に挟まれたチャネル領域を複数設ける場合における、当該方向での当該ソース領域の両方の端部の間の距離であって、ソース領域の両端であるチャネル領域とソース領域との境界同士の間の距離を指す。したがって、p型コンタクト層を2つのソース領域で挟む場合のソース領域幅とは、2つのソース領域のそれぞれの端部のうち、p型コンタクト層と隣接する端部とは反対側の端部同士の間の距離を指す。
<Modification example 1>
FIG. 11 shows a plan view of a silicon carbide semiconductor device which is a modification 1 of the first embodiment. In the trench gate type nMOS of the present embodiment, it is conceivable to form a p-type contact layer adjacent to the source region and sandwich the p-type contact layer between two source regions. In this case, the source region width of the nMOS is considered. Therefore, it becomes difficult to miniaturize the silicon carbide semiconductor device. The source region width referred to here is the case where a plurality of channel regions sandwiched between the source region and the drain region are provided in the direction in which the source region and the drain region are lined up, that is, in the extending direction (Y direction) of the trench gate electrode. The distance between both ends of the source region in the direction, and refers to the distance between the boundaries between the channel region and the source region, which are both ends of the source region. Therefore, the width of the source region when the p-type contact layer is sandwiched between the two source regions is the end of each of the two source regions opposite to the end adjacent to the p-type contact layer. Refers to the distance between.

そこで、本変形例では、図11にnMOSのソース領域幅を短くすることができるレイアウトを示す。図11に示すように、平面視で複数の溝8を囲むように環状のp型コンタクト層7を形成している。これにより、ソース領域6と隣接する位置にp型コンタクト層7を形成する必要がないため、Y方向におけるソース領域幅を短くすることができる。また、溝8を囲むようにp型コンタクト層7を形成することで、p型コンタクト層7が素子分離層としての機能を兼ねることが可能となる。 Therefore, in this modification, FIG. 11 shows a layout in which the source region width of the nMOS can be shortened. As shown in FIG. 11, an annular p-type contact layer 7 is formed so as to surround the plurality of grooves 8 in a plan view. As a result, it is not necessary to form the p-type contact layer 7 at a position adjacent to the source region 6, so that the width of the source region in the Y direction can be shortened. Further, by forming the p-type contact layer 7 so as to surround the groove 8, the p-type contact layer 7 can also function as an element separation layer.

<変形例2>
図12に、本実施の形態1の変形例2である炭化ケイ素半導体装置の平面図を示す。本実施の形態のトレンチゲート型のnMOSでは、ソース領域幅を縮小するため、平面視で複数のトレンチゲート電極を囲むp型コンタクト層を形成することが考えられる。しかし、この場合、ソース領域とドレイン領域との間に形成されるチャネルとp型コンタクト層との距離が比較的大きいため、チャネル近傍でのp型拡散層の電位が安定しない可能性がある。すなわち、p型拡散層とトレンチゲート電極との間の電位差が大きくなる虞がある。
<Modification 2>
FIG. 12 shows a plan view of the silicon carbide semiconductor device which is the second modification of the first embodiment. In the trench gate type nMOS of the present embodiment, in order to reduce the width of the source region, it is conceivable to form a p-type contact layer surrounding a plurality of trench gate electrodes in a plan view. However, in this case, since the distance between the channel formed between the source region and the drain region and the p-type contact layer is relatively large, the potential of the p-type diffusion layer in the vicinity of the channel may not be stable. That is, there is a possibility that the potential difference between the p-type diffusion layer and the trench gate electrode becomes large.

そこで、図12に、nMOS101のソース領域幅を短くすることができ、且つ、p型拡散層4の電位をより安定させることができるレイアウトを示す。ここでは、平面視でp型コンタクト層7により溝8を囲まず、X方向で溝8に隣接する領域にソース領域6を介してp型コンタクト層7を形成している。すなわち、X方向において、隣り合う溝8同士の間には、2つのソース領域6およびそれらのソース領域6に挟まれたp型コンタクト層7を配置している。p型コンタクト層7は、当該p型コンタクト層7と溝8との間のソース領域6に接している。 Therefore, FIG. 12 shows a layout in which the width of the source region of the nMOS 101 can be shortened and the potential of the p-type diffusion layer 4 can be made more stable. Here, the groove 8 is not surrounded by the p-type contact layer 7 in a plan view, and the p-type contact layer 7 is formed in a region adjacent to the groove 8 in the X direction via the source region 6. That is, in the X direction, two source regions 6 and a p-type contact layer 7 sandwiched between the two source regions 6 are arranged between adjacent grooves 8. The p-type contact layer 7 is in contact with the source region 6 between the p-type contact layer 7 and the groove 8.

本変形例では、p型コンタクト層7を隣り合う溝8同士の間に形成せず、各溝8を平面視で囲むようにp型コンタクト層7を形成する場合に比べて、p型拡散層4の電位の面内バラつきを抑制できるため、nMOS101のしきい値電圧を安定させることができる。 In this modification, as compared with the case where the p-type contact layer 7 is not formed between the adjacent grooves 8 and the p-type contact layer 7 is formed so as to surround each groove 8 in a plan view, the p-type diffusion layer is formed. Since the in-plane variation of the potential of 4 can be suppressed, the threshold voltage of nMOS 101 can be stabilized.

<変形例3>
図13に、本実施の形態1の変形例3である炭化ケイ素半導体装置の斜視図を示す。
<Modification example 3>
FIG. 13 shows a perspective view of a silicon carbide semiconductor device which is a modification 3 of the first embodiment.

図13に示すように、本変形例では、ドレイン領域5、ソース領域6およびn型コンタクト層13のそれぞれを、ドレイン領域11、ソース領域12およびp型コンタクト層7より深く、nMOS101のゲート電極10より浅い深さで形成している。このようにドレイン領域5およびソース領域6を深く形成することで、ドレイン領域5とソース領域6とが対向する領域の幅、つまりチャネル幅が増大するため、ドレイン領域5およびソース領域6の深さがドレイン領域11およびソース領域12などと同等である場合に比べて、nMOS101のチャネル抵抗を低減することができる。 As shown in FIG. 13, in this modification, the drain region 5, the source region 6 and the n-type contact layer 13 are deeper than the drain region 11, the source region 12 and the p-type contact layer 7, respectively, and the gate electrode 10 of the nMOS 101 is formed. It is formed at a shallower depth. By forming the drain region 5 and the source region 6 deeply in this way, the width of the region where the drain region 5 and the source region 6 face each other, that is, the channel width increases, so that the depths of the drain region 5 and the source region 6 are increased. Can reduce the channel resistance of the nMOS 101 as compared to the case where is equivalent to the drain region 11 and the source region 12.

なお、ここではn型コンタクト層13はドレイン領域5およびソース領域6と同じイオン注入工程で形成されるため、ドレイン領域5およびソース領域6と同様に深く形成される。 Here, since the n-type contact layer 13 is formed in the same ion implantation step as the drain region 5 and the source region 6, it is formed as deep as the drain region 5 and the source region 6.

<変形例4>
図14に、本実施の形態1の変形例4である炭化ケイ素半導体装置の斜視図を示す。本変形例の構造は、図1に示す構造と比べて、ゲート絶縁膜9の一部の厚さのみが異なり、他の構造は図1に示す構造と同様である。
<Modification example 4>
FIG. 14 shows a perspective view of a silicon carbide semiconductor device which is a modification 4 of the first embodiment. The structure of this modification is different from the structure shown in FIG. 1 only in a part of the thickness of the gate insulating film 9, and the other structures are the same as the structure shown in FIG.

図14に示すように、本変形例のCMOSでは、溝8の底面に接して形成されたゲート絶縁膜9の厚さが、溝8の側面に接して形成されたゲート絶縁膜9の厚さより大きいことに特徴がある。この特徴により、溝8の底面では、溝8の底面に接するゲート絶縁膜9の厚さが、溝8の側面に接するゲート絶縁膜9の厚さと同等の薄さである場合に比べて、反転層が生じ難くなる。これにより、溝8の底面におけるnMOS101のしきい値電圧を、溝8の側面におけるnMOS101のしきい値電圧と比較して大きくすることができる。すなわち、溝8の底面に流れる電流がnMOS101に流れる電流に及ぼす影響を小さくすることができる。 As shown in FIG. 14, in the CMOS of the present modification, the thickness of the gate insulating film 9 formed in contact with the bottom surface of the groove 8 is larger than the thickness of the gate insulating film 9 formed in contact with the side surface of the groove 8. It is characterized by its large size. Due to this feature, the bottom surface of the groove 8 is inverted as compared with the case where the thickness of the gate insulating film 9 in contact with the bottom surface of the groove 8 is as thin as the thickness of the gate insulating film 9 in contact with the side surface of the groove 8. Layers are less likely to occur. As a result, the threshold voltage of the nMOS 101 on the bottom surface of the groove 8 can be made larger than the threshold voltage of the nMOS 101 on the side surface of the groove 8. That is, the influence of the current flowing on the bottom surface of the groove 8 on the current flowing through the nMOS 101 can be reduced.

トレンチゲート型のnMOS101では、溝8の側面においてチャネルが形成される結晶面と、溝8の底面においてチャネルが形成される結晶面とが異なる。このため、溝8の側面および底面のそれぞれを覆うゲート絶縁膜9の厚さがいずれも同等である場合、異なる2つの結晶面のそれぞれに電流が流れる。例えば、nMOS101の溝8の側面の結晶面がa面である場合、溝8の底面の結晶面はSi面またはC面である。この場合、nMOS101にとっては、溝8の側面よりも底面の方が界面欠陥が大きい面となる。界面欠陥は製造条件または基板の状態などに起因して生じる制御困難な因子であり、界面欠陥の大きさがばらつくと、nMOS101の温度依存性が設計値から逸脱する問題が生じる。 In the trench gate type nMOS 101, the crystal plane in which the channel is formed on the side surface of the groove 8 and the crystal plane in which the channel is formed on the bottom surface of the groove 8 are different. Therefore, when the thickness of the gate insulating film 9 covering each of the side surface and the bottom surface of the groove 8 is the same, a current flows through each of the two different crystal planes. For example, when the crystal plane on the side surface of the groove 8 of the nMOS 101 is the a plane, the crystal plane on the bottom surface of the groove 8 is the Si plane or the C plane. In this case, for the nMOS 101, the bottom surface has a larger interface defect than the side surface of the groove 8. The interface defect is a factor that is difficult to control due to the manufacturing conditions or the state of the substrate, and if the size of the interface defect varies, there arises a problem that the temperature dependence of the nMOS 101 deviates from the design value.

本変形例では、溝8の底面を覆うゲート絶縁膜9を厚くすることで、溝8の表面のうち、界面欠陥が大きい底面に流れるチャネル電流を小さくできるため、nMOS101の特性が溝8の側面の状態によって決まる。これにより、デバイスの温度依存性が安定する。 In this modification, by thickening the gate insulating film 9 that covers the bottom surface of the groove 8, the channel current flowing through the bottom surface of the groove 8 having a large interface defect can be reduced, so that the characteristics of the nMOS 101 are the side surface of the groove 8. It depends on the state of. This stabilizes the temperature dependence of the device.

図14に示すゲート絶縁膜9を形成する場合には、溝8(図7参照)を形成した後、溝8の側面および底面を覆い、溝8を完全には埋め込まない薄い窒化シリコン膜(絶縁膜)を形成する。次に、異方性エッチングを行うことで、溝8の側面に接する窒化シリコン膜を残したまま、溝8の底面に接する窒化シリコン膜を除去し、当該底面を露出させる。次に、例えば酸化法を用いて、溝8の底面を覆い、比較的大きい第1膜厚を有する酸化シリコン膜(絶縁膜)を形成する。 When forming the gate insulating film 9 shown in FIG. 14, after forming the groove 8 (see FIG. 7), a thin silicon nitride film (insulation) that covers the side surface and the bottom surface of the groove 8 and does not completely embed the groove 8. Membrane) is formed. Next, by performing anisotropic etching, the silicon nitride film in contact with the bottom surface of the groove 8 is removed while leaving the silicon nitride film in contact with the side surface of the groove 8, and the bottom surface is exposed. Next, for example, an oxidation method is used to cover the bottom surface of the groove 8 to form a silicon oxide film (insulating film) having a relatively large first film thickness.

次に、溝8の側面を覆う窒化シリコン膜を除去し、当該側面を露出させる。その後、図8を用いて説明したように、溝8の側面および半導体基板SBの主面を覆い、第2膜厚を有する絶縁膜22と、ゲート電極10、14とを形成する。これにより、溝8の側面に接する絶縁膜22と、溝8の底面に接する上記窒化シリコン膜とから成るゲート絶縁膜9(図14参照)を形成することができる。第2膜厚は、第1膜厚より小さい。なお、必要に応じて、半導体基板SBの主面上、つまり溝8より上の上記酸化シリコン膜は除去する。 Next, the silicon nitride film covering the side surface of the groove 8 is removed to expose the side surface. After that, as described with reference to FIG. 8, the side surface of the groove 8 and the main surface of the semiconductor substrate SB are covered to form an insulating film 22 having a second film thickness and gate electrodes 10 and 14. As a result, the gate insulating film 9 (see FIG. 14) composed of the insulating film 22 in contact with the side surface of the groove 8 and the silicon nitride film in contact with the bottom surface of the groove 8 can be formed. The second film thickness is smaller than the first film thickness. If necessary, the silicon oxide film on the main surface of the semiconductor substrate SB, that is, above the groove 8, is removed.

<変形例5>
図15に、本実施の形態1の変形例5である炭化ケイ素半導体装置の斜視図を示す。本変形例の構造は、図1に示す構造と比べて、溝8の底部近傍の半導体基板SB内にp型半導体領域20が形成されている点で異なり、他の構造は図1に示す構造と同様である。
<Modification 5>
FIG. 15 shows a perspective view of a silicon carbide semiconductor device which is a modification 5 of the first embodiment. The structure of this modification is different from the structure shown in FIG. 1 in that the p-type semiconductor region 20 is formed in the semiconductor substrate SB near the bottom of the groove 8, and the other structures are the structures shown in FIG. Is similar to.

図15に示すように、溝8の底面を覆うように、エピタキシャル層3内にp型半導体領域20が形成されている。また、p型半導体領域20の一部は、溝8の底面と連続する溝8の側面の一部、つまり、溝8の底面の近傍の溝8の側面も覆っている。溝8の側面の下端近傍にはp型半導体領域20が形成されているが、溝8の側面の大部分はp型拡散層4により構成されている。p型半導体領域20は、p型拡散層4内からp型拡散層4よりも下のエピタキシャル層3内に亘って形成されている。p型半導体領域20のp型不純物濃度は、p型拡散層4のp型不純物濃度よりも高い。言い換えれば、溝8の底面のp型不純物濃度は、溝8の側面のp型不純物濃度よりも高い。 As shown in FIG. 15, a p-type semiconductor region 20 is formed in the epitaxial layer 3 so as to cover the bottom surface of the groove 8. Further, a part of the p-type semiconductor region 20 also covers a part of the side surface of the groove 8 continuous with the bottom surface of the groove 8, that is, the side surface of the groove 8 near the bottom surface of the groove 8. Although the p-type semiconductor region 20 is formed near the lower end of the side surface of the groove 8, most of the side surface of the groove 8 is composed of the p-type diffusion layer 4. The p-type semiconductor region 20 is formed from the inside of the p-type diffusion layer 4 to the inside of the epitaxial layer 3 below the p-type diffusion layer 4. The p-type impurity concentration in the p-type semiconductor region 20 is higher than the p-type impurity concentration in the p-type diffusion layer 4. In other words, the p-type impurity concentration on the bottom surface of the groove 8 is higher than the p-type impurity concentration on the side surface of the groove 8.

本変形例では、溝8の底部近傍にチャネルの導電型(n型)と異なる導電型の高濃度不純物領域としてp型半導体領域20を形成している。言い換えれば、溝8の底部近傍には、nMOS101のドレイン領域5およびソース領域6の導電型(n型)と異なる導電型のp型半導体領域20が形成されている。これにより、前記変形例4と同様に、nMOS101において、溝8の底面のしきい値電圧を、溝8の側面のしきい値電圧に比較して大きくすることができる。よって、溝8の底面がnMOS101の特性に及ぼす影響を小さくすることができるため、nMOS101の特性を安定させることができる。 In this modification, the p-type semiconductor region 20 is formed in the vicinity of the bottom of the groove 8 as a conductive type high-concentration impurity region different from the conductive type (n type) of the channel. In other words, a conductive p-type semiconductor region 20 different from the conductive type (n type) of the drain region 5 and the source region 6 of the nMOS 101 is formed in the vicinity of the bottom of the groove 8. As a result, in the nMOS 101, the threshold voltage at the bottom surface of the groove 8 can be made larger than the threshold voltage at the side surface of the groove 8 in the same manner as in the modification 4. Therefore, since the influence of the bottom surface of the groove 8 on the characteristics of the nMOS 101 can be reduced, the characteristics of the nMOS 101 can be stabilized.

<変形例6>
図16に、本実施の形態1の変形例6の炭化ケイ素半導体装置であるCMOSの斜視図を示す。本変形例の構造は、図15に示す構造と比べて、X方向に隣り合う溝8同士の間の領域であって、Y方向に隣り合うドレイン領域5およびソース領域6の相互間のエピタキシャル層3の上面を覆うp型半導体領域24が形成されている点で異なり、他の構造は図15に示す構造と同様である。
<Modification 6>
FIG. 16 shows a perspective view of CMOS, which is a silicon carbide semiconductor device according to a modification 6 of the first embodiment. Compared to the structure shown in FIG. 15, the structure of this modification is a region between the grooves 8 adjacent to each other in the X direction, and is an epitaxial layer between the drain region 5 and the source region 6 adjacent to each other in the Y direction. The difference is that the p-type semiconductor region 24 covering the upper surface of No. 3 is formed, and the other structures are the same as those shown in FIG.

p型半導体領域24の深さは、ドレイン領域5およびソース領域6のそれぞれの深さより浅い。したがって、溝8の側面の上端近傍にはp型半導体領域24が形成されており、溝8の側面の下端近傍にはp型半導体領域20が形成されているが、溝8の側面の大部分はp型拡散層4により構成されている。p型半導体領域24のp型不純物濃度は、p型拡散層4のp型不純物濃度よりも高い。言い換えれば、p型半導体領域24が形成された箇所におけるエピタキシャル層3の上面のp型不純物濃度は、p型半導体領域24の下における溝8の側面のp型不純物濃度よりも高い。 The depth of the p-type semiconductor region 24 is shallower than the depth of each of the drain region 5 and the source region 6. Therefore, the p-type semiconductor region 24 is formed near the upper end of the side surface of the groove 8, and the p-type semiconductor region 20 is formed near the lower end of the side surface of the groove 8, but most of the side surface of the groove 8 is formed. Is composed of a p-type diffusion layer 4. The concentration of p-type impurities in the p-type semiconductor region 24 is higher than the concentration of p-type impurities in the p-type diffusion layer 4. In other words, the concentration of p-type impurities on the upper surface of the epitaxial layer 3 at the location where the p-type semiconductor region 24 is formed is higher than the concentration of p-type impurities on the side surface of the groove 8 under the p-type semiconductor region 24.

ここでは、ドレイン領域5とソース領域6との間のエピタキシャル層3の上面にp型半導体領域24を形成している。これにより、nMOS101において、Si面であるエピタキシャル層3の上面(主面)に流れる電流を低減することができるため、nMOS101の特性をより安定化することができる。 Here, the p-type semiconductor region 24 is formed on the upper surface of the epitaxial layer 3 between the drain region 5 and the source region 6. As a result, in the nMOS 101, the current flowing through the upper surface (main surface) of the epitaxial layer 3 which is the Si surface can be reduced, so that the characteristics of the nMOS 101 can be further stabilized.

(実施の形態2)
図17および図18を用いて、本実施の形態2のCMOSについて説明する。図17は、本実施の形態の炭化ケイ素半導体装置を示す斜視図であり、図18は、本実施の形態の炭化ケイ素半導体装置を示す平面図である。図17および図18に示す構造は、nMOS101の外周に、溝8およびゲート電極10と同様の構造を有する素子分離領域が形成されている点を除き、前記実施の形態1と同様の構造を有している。
(Embodiment 2)
The CMOS of the second embodiment will be described with reference to FIGS. 17 and 18. FIG. 17 is a perspective view showing the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment, and FIG. 18 is a plan view showing the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment. The structures shown in FIGS. 17 and 18 have the same structure as that of the first embodiment, except that an element separation region having a structure similar to that of the groove 8 and the gate electrode 10 is formed on the outer periphery of the nMOS 101. doing.

図17および図18に示すように、本実施の形態のCMOSは、複数の溝8のうち、最外周の溝8内のトレンチゲート電極(導電体部)21の電位をp型拡散層4と電気的に接続することを特徴としている。すなわち、X方向に並ぶ複数の溝8およびそれらの内部のゲート電極10と、ドレイン領域5およびソース領域6とを平面視で囲むように、環状の溝8が形成されており、環状の溝8内には、ゲート絶縁膜9を介してトレンチゲート電極21が形成されている。トレンチゲート電極21はゲート電極10の形成工程で形成される導電体部であり、トレンチゲート電極21の材料は、ゲート電極10の材料と同じである。 As shown in FIGS. 17 and 18, in the CMOS of the present embodiment, the potential of the trench gate electrode (conductor portion) 21 in the outermost groove 8 among the plurality of grooves 8 is set to the p-type diffusion layer 4. It is characterized by being electrically connected. That is, an annular groove 8 is formed so as to surround the plurality of grooves 8 arranged in the X direction, the gate electrode 10 inside them, and the drain region 5 and the source region 6 in a plan view, and the annular groove 8 is formed. Inside, a trench gate electrode 21 is formed via a gate insulating film 9. The trench gate electrode 21 is a conductor portion formed in the process of forming the gate electrode 10, and the material of the trench gate electrode 21 is the same as that of the gate electrode 10.

トレンチゲート電極21は、コンタクトプラグ15および電極106を介して、p型コンタクト層7およびp型拡散層4に電気的に接続されている。すなわち、X方向に並ぶ複数の溝8のうち、最も外側の溝8内のトレンチゲート電極21には、X方向に並ぶ複数の溝8のうち、最も外側の溝8以外の溝8内のゲート電極10とは異なる電位が印加されている。ここでは、X方向にならぶ複数の溝8のうち、最も端の溝8と、当該溝8と隣り合う溝8との間において、p型拡散層4の上面の一部にp型コンタクト層7が形成されている。このp型コンタクト層7は、p型拡散層4とコンタクトプラグ15との接続抵抗を低減する役割と、正孔電流を抜き出す役割とを有している。 The trench gate electrode 21 is electrically connected to the p-type contact layer 7 and the p-type diffusion layer 4 via the contact plug 15 and the electrode 106. That is, the trench gate electrode 21 in the outermost groove 8 among the plurality of grooves 8 arranged in the X direction has a gate in the groove 8 other than the outermost groove 8 among the plurality of grooves 8 arranged in the X direction. A potential different from that of the electrode 10 is applied. Here, among the plurality of grooves 8 arranged in the X direction, the p-type contact layer 7 is formed on a part of the upper surface of the p-type diffusion layer 4 between the most extreme groove 8 and the groove 8 adjacent to the groove 8. Is formed. The p-type contact layer 7 has a role of reducing the connection resistance between the p-type diffusion layer 4 and the contact plug 15, and a role of extracting a hole current.

上述した構成により、本実施の形態では、製造工程を追加することなく、CMOSのラッチアップ動作を抑制することができる。 With the above-described configuration, in the present embodiment, the CMOS latch-up operation can be suppressed without adding a manufacturing process.

ここで、ラッチアップ動作とその対策について説明する。絶縁膜で素子分離していないCMOSにはバイポーラトランジスタが寄生しており、例えばソース領域6をエミッタ、p型拡散層4をベース、エピタキシャル層3をコレクタとして、npnトランジスタ構造が存在している。同様にpnpトランジスタも寄生しており、この2つのトランジスタの電流増幅率の積が1を超えるとラッチアップが発生し、大電流が流れる。 Here, the latch-up operation and its countermeasures will be described. Bipolar transistors are parasitic on CMOS whose elements are not separated by an insulating film. For example, an npn transistor structure exists with a source region 6 as an emitter, a p-type diffusion layer 4 as a base, and an epitaxial layer 3 as a collector. Similarly, the pnp transistor is also parasitic, and when the product of the current amplification factors of these two transistors exceeds 1, latch-up occurs and a large current flows.

寄生npnトランジスタの誤点弧はソース領域6とエピタキシャル層3との間に挟まれたp型拡散層4の抵抗に流れた電流が起点となることがあり、そこで発生した電圧降下がビルトイン電圧を超えると寄生素子(寄生npnトランジスタ)がオン状態となり、寄生素子は制御不能となる。特にSiCを用いた半導体基板SBでは、p型拡散層4のシート抵抗が100〜300kΩ/□であり比較的高い。そこで、p型拡散層4に流れる電流を低減することで、ラッチアップ動作を抑制することが求められる。 The false ignition of the parasitic npn transistor may start from the current flowing through the resistor of the p-type diffusion layer 4 sandwiched between the source region 6 and the epitaxial layer 3, and the voltage drop generated there causes the built-in voltage. If it exceeds, the parasitic element (parasitic npn transistor) is turned on, and the parasitic element becomes uncontrollable. In particular, in the semiconductor substrate SB using SiC, the sheet resistance of the p-type diffusion layer 4 is 100 to 300 kΩ / □, which is relatively high. Therefore, it is required to suppress the latch-up operation by reducing the current flowing through the p-type diffusion layer 4.

図17に示すように、複数の溝8を平面視で囲む環状の溝8内に、p型拡散層4と電気的に接続されたトレンチゲート電極21を形成すると、エピタキシャル層3からp型拡散層4へ流れる横方向の電流が流れ難くなる。これにより、p型拡散層4に流れる電流は低減されるため、ラッチアップの発生を防止することができる。また、最外周の溝8内のトレンチゲート電極21をp型拡散層4と同電位とすることで、複数のnMOS101のうち、最外周のnMOS101が常にオフ状態となる。これにより、エピタキシャル層3へ流れる電子電流を低減できるため、寄生バイポーラトランジスタがオン状態となることを防止することができる。 As shown in FIG. 17, when the trench gate electrode 21 electrically connected to the p-type diffusion layer 4 is formed in the annular groove 8 that surrounds the plurality of grooves 8 in a plan view, the p-type diffusion is formed from the epitaxial layer 3. The lateral current flowing through the layer 4 becomes difficult to flow. As a result, the current flowing through the p-type diffusion layer 4 is reduced, so that the occurrence of latch-up can be prevented. Further, by setting the trench gate electrode 21 in the outermost groove 8 to have the same potential as the p-type diffusion layer 4, the outermost nMOS 101 among the plurality of nMOS 101 is always in the off state. As a result, the electron current flowing through the epitaxial layer 3 can be reduced, so that it is possible to prevent the parasitic bipolar transistor from being turned on.

また、X方向において最も外側に位置する溝8と、2番目に外側に位置する溝8との間には正孔電流を抜き出すためのp型コンタクト層7が設けられており、これによりラッチアップ動作を防止している。なお、最外周の溝8と隣接するp型拡散層4の上面の一部のみでなく、最外周の溝8と隣接するp型拡散層4の全ての上面にp型コンタクト層7を形成してもよい。つまり、平面視で最外周の溝8の内側に位置する全ての溝8を囲むように、最外周の溝8に沿って環状のp型コンタクト層7を形成してもよい。これによりp型拡散層4の全体をトレンチゲート電極21と同電位とすることが容易となるため、より安定して寄生バイポーラトランジスタがオン状態となることを防止することができる。 Further, a p-type contact layer 7 for extracting a hole current is provided between the groove 8 located on the outermost side in the X direction and the groove 8 located on the second outermost side, thereby latching up. The operation is prevented. The p-type contact layer 7 is formed not only on a part of the upper surface of the p-type diffusion layer 4 adjacent to the outermost groove 8 but also on all the upper surfaces of the p-type diffusion layer 4 adjacent to the outermost groove 8. You may. That is, an annular p-type contact layer 7 may be formed along the outermost groove 8 so as to surround all the grooves 8 located inside the outermost groove 8 in a plan view. This makes it easy to make the entire p-type diffusion layer 4 have the same potential as the trench gate electrode 21, so that it is possible to prevent the parasitic bipolar transistor from being turned on more stably.

(実施の形態3)
図19に、本実施の形態3の炭化ケイ素半導体装置であるCMOSの斜視図を示す。本実施の形態の構造は、図1に示す構造と比べて、溝8の側面および底面を覆う窒化シリコン膜16が形成されている点で異なり、他の構造は図1に示す構造と同様である。すなわち、nMOS101のゲート絶縁膜9とp型拡散層4との間の界面にのみ窒化処理が行われており、これにより窒化シリコン膜16が形成されている。
(Embodiment 3)
FIG. 19 shows a perspective view of CMOS, which is the silicon carbide semiconductor device of the third embodiment. The structure of the present embodiment is different from the structure shown in FIG. 1 in that the silicon nitride film 16 covering the side surface and the bottom surface of the groove 8 is formed, and the other structures are the same as the structure shown in FIG. is there. That is, the nitriding treatment is performed only at the interface between the gate insulating film 9 of the nMOS 101 and the p-type diffusion layer 4, whereby the silicon nitride film 16 is formed.

このような窒化シリコン膜16は、ゲート絶縁膜9(図8参照)の形成工程後、ゲート電極10の形成工程前に、N(窒素)およびO(酸素)の混合ガスの雰囲気で、半導体基板SBに対し、例えば1200〜1300℃で熱処理を行うことで形成することができる。当該熱処理は、溝8の表面を露出し、半導体基板SBの主面を覆うハードマスク(絶縁膜)を形成した状態で行い、これにより、pMOS領域1Aにおいて半導体基板SBの主面が窒化処理されることを防ぐ。当該窒化処理の後、当該ハードマスクは除去する。また、本変形例では、ゲート電極10を形成した後に、ゲート電極10を構成する導電膜とは異なる導電膜により、ゲート電極14を形成する。 Such a silicon nitride film 16 is formed in an atmosphere of a mixed gas of N 2 (nitrogen) and O 2 (oxygen) after the process of forming the gate insulating film 9 (see FIG. 8) and before the process of forming the gate electrode 10. It can be formed by subjecting the semiconductor substrate SB to, for example, heat treatment at 1200 to 1300 ° C. The heat treatment is performed in a state where the surface of the groove 8 is exposed and a hard mask (insulating film) covering the main surface of the semiconductor substrate SB is formed, whereby the main surface of the semiconductor substrate SB is nitrided in the pMOS region 1A. Prevent it. After the nitriding treatment, the hard mask is removed. Further, in this modification, after the gate electrode 10 is formed, the gate electrode 14 is formed by a conductive film different from the conductive film constituting the gate electrode 10.

nMOS101においては、ゲート絶縁膜9と接するチャネル領域の表面を窒化処理することで、当該表面の欠陥、つまり、電子の流れを阻害する欠陥の数を低減する効果を得ることができる。ただし、仮にpMOS102のチャネル領域の表面を窒化処理した場合、pMOS102の移動度が低下する虞がある。 In the nMOS 101, by nitriding the surface of the channel region in contact with the gate insulating film 9, it is possible to obtain the effect of reducing the number of defects on the surface, that is, defects that obstruct the flow of electrons. However, if the surface of the channel region of the pMOS 102 is nitrided, the mobility of the pMOS 102 may decrease.

よって、ここでは、pMOS102のゲート絶縁膜(図示しない)に接するチャネル領域の表面は窒化処理せず、nMOS101のゲート絶縁膜9と接するチャネル領域の表面を窒化処理している。このため、pMOS102の移動度を低下させることなく、nMOS101の移動度を向上させることができる。したがって、CMOSの性能をさらに向上させることができる。 Therefore, here, the surface of the channel region in contact with the gate insulating film (not shown) of the pMOS 102 is not nitrided, but the surface of the channel region in contact with the gate insulating film 9 of the nMOS 101 is nitrided. Therefore, the mobility of the nMOS 101 can be improved without lowering the mobility of the pMOS 102. Therefore, the performance of CMOS can be further improved.

(実施の形態4)
図20に、本実施の形態4の炭化ケイ素半導体装置であるCMOSの斜視図を示す。
(Embodiment 4)
FIG. 20 shows a perspective view of CMOS, which is the silicon carbide semiconductor device of the fourth embodiment.

本実施の形態のCMOSの全体の構造は図1に示す構造と同様であるが、本実施の形態では、nMOS101の溝8内のゲート電極17の仕事関数が、pMOS102のゲート電極14の仕事関数より小さい。 The overall structure of the CMOS of the present embodiment is the same as the structure shown in FIG. 1, but in the present embodiment, the work function of the gate electrode 17 in the groove 8 of the nMOS 101 is the work function of the gate electrode 14 of the pMOS 102. Smaller.

炭化ケイ素半導体装置では、半導体基板に用いられるSiCのバンドギャップが大きいため、nMOSはしきい値電圧が高くなり易く、pMOSはしきい値電圧が低くなり易い。ここで、ゲート電極17は、n型不純物であるP(リン)が導入されたn型半導体であるポリシリコン、または、Al(アルミニウム)若しくはW(タングステン)から成る。これにより、ゲート電極17の仕事関数は、ゲート電極17がp型半導体膜により構成されている場合に比べて低くなる。よって、nMOS101のしきい値電圧を低くすることができる。 In a silicon carbide semiconductor device, since the band gap of SiC used for the semiconductor substrate is large, the threshold voltage of nMOS tends to be high, and the threshold voltage of pMOS tends to be low. Here, the gate electrode 17 is made of polysilicon, which is an n-type semiconductor into which P (phosphorus), which is an n-type impurity, is introduced, or Al (aluminum) or W (tungsten). As a result, the work function of the gate electrode 17 is lower than that in the case where the gate electrode 17 is made of a p-type semiconductor film. Therefore, the threshold voltage of nMOS 101 can be lowered.

また、ゲート電極18は、p型不純物であるB(ホウ素)が導入されたp型半導体ポリシリコンから成る。これにより、ゲート電極18の仕事関数は、ゲート電極18がn型半導体膜、Al(アルミニウム)膜またはW(タングステン)膜により構成されている場合に比べて高くなる。具体的には、ゲート電極18のしきい値電圧は負の値であり、ゲート電極18をp型半導体膜により構成することで、ゲート電極18のしきい値電圧は0Vに近付く。よって、pMOS102のしきい値電圧を高くすることができる。 Further, the gate electrode 18 is made of p-type semiconductor polysilicon in which B (boron), which is a p-type impurity, is introduced. As a result, the work function of the gate electrode 18 is higher than that when the gate electrode 18 is composed of an n-type semiconductor film, an Al (aluminum) film, or a W (tungsten) film. Specifically, the threshold voltage of the gate electrode 18 is a negative value, and by forming the gate electrode 18 with a p-type semiconductor film, the threshold voltage of the gate electrode 18 approaches 0V. Therefore, the threshold voltage of the pMOS 102 can be increased.

ゲート電極17、18のそれぞれを異なる導電型の半導体膜により形成する場合には、図8を用いて説明したゲート電極10、14の形成工程において、ゲート電極10、14のそれぞれに別々の導電型の不純物を導入すればよい。 When the gate electrodes 17 and 18 are formed of different conductive semiconductor films, the gate electrodes 10 and 14 are each of a separate conductive type in the process of forming the gate electrodes 10 and 14 described with reference to FIG. Impurities may be introduced.

本実施の形態では、nMOS101のしきい値電圧を低くし、pMOS102のしきい値電圧を高めることで、nMOS101およびpMOS102のそれぞれのしきい値電圧の差を小さくすることができる。すなわち、nMOS101およびpMOS102のそれぞれのしきい値電圧を最適化することができるため、本実施の形態の炭化ケイ素半導体装置の性能をさらに向上させることができる。 In the present embodiment, the difference between the threshold voltages of nMOS 101 and pMOS 102 can be reduced by lowering the threshold voltage of nMOS 101 and increasing the threshold voltage of pMOS 102. That is, since the threshold voltages of nMOS 101 and pMOS 102 can be optimized, the performance of the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment can be further improved.

以上、本発明者らによってなされた発明をその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。 Although the invention made by the present inventors has been specifically described above based on the embodiment thereof, the present invention is not limited to the embodiment and can be variously modified without departing from the gist thereof. is there.

例えば、前記実施の形態1〜4ではnMOSをトレンチ構造で形成し、pMOSをプレーナ構造で形成したが、使用するウェハの面方位によっては、nMOSをプレーナ型MOSとして形成し、pMOSをトレンチゲート型MOSとして形成してもよい。その場合、前記実施の形態1〜4で説明したnMOSとpMOSとのそれぞれの形状を入れ替える。つまり、例えば主面の結晶面がa面であるウェハを用いて炭化ケイ素半導体装置を形成する場合は、当該主面にチャネルを有するプレーナ型のnMOSを形成し、当該主面に形成された溝の側面であるSi面またはC面にチャネルを有するpMOSを形成する。 For example, in the first to fourth embodiments, the nMOS is formed by a trench structure and the pMOS is formed by a planar structure. However, depending on the plane orientation of the wafer to be used, the nMOS is formed as a planar type MOS and the pMOS is formed by a trench gate type. It may be formed as MOS. In that case, the shapes of the nMOS and the pMOS described in the first to fourth embodiments are exchanged. That is, for example, when a silicon carbide semiconductor device is formed using a wafer in which the crystal plane of the main surface is the a-plane, a planar nMOS having a channel on the main surface is formed, and a groove formed on the main surface is formed. A pMOS having a channel on the Si plane or the C plane which is a side surface of the above is formed.

また、前記実施の形態1〜4では、半導体基板の導電型がn型である場合について説明したが、当該導電型はp型であってもよい。その場合、本実施の形態では説明していないが、pMOSのチャネルが形成される領域の半導体基板の主面にn型ウェルを形成する。 Further, in the first to fourth embodiments, the case where the conductive type of the semiconductor substrate is n-type has been described, but the conductive type may be p-type. In that case, although not described in this embodiment, an n-type well is formed on the main surface of the semiconductor substrate in the region where the pMOS channel is formed.

また、図3、図11および図12で示したレイアウトは一例であり、例えば図3および図11のそれぞれのレイアウト同士を組み合わせてもよく、図11および図12のそれぞれのレイアウトを組み合せてもよい。 Further, the layouts shown in FIGS. 3, 11 and 12 are examples. For example, the layouts of FIGS. 3 and 11 may be combined with each other, or the layouts of FIGS. 11 and 12 may be combined with each other. ..

1 SiC基板
3 エピタキシャル層
8 溝
10、14、17、18 ゲート電極
101、107 nMOS
102 pMOS
SB 半導体基板
1 SiC substrate 3 epitaxial layer 8 grooves 10, 14, 17, 18 Gate electrodes 101, 107 nMOS
102 pMOS
SB semiconductor substrate

Claims (14)

炭化ケイ素を含み、六方晶系の結晶構造を有する半導体基板と、
前記半導体基板の主面の近傍にそれぞれ形成されたn型電界効果トランジスタおよびp型電界効果トランジスタにより構成される相補型電界効果トランジスタと、
を有し、
前記n型電界効果トランジスタは、前記半導体基板の結晶面のうち、(11−20)面または(0−110)面に形成された第1チャネル領域を備え、
前記p型電界効果トランジスタは、前記半導体基板の結晶面のうち、(000−1)面または(0001)面に形成された第2チャネル領域を備え、
前記n型電界効果トランジスタは、前記半導体基板の前記主面に形成された溝内に第1ゲート絶縁膜を介して形成された第1ゲート電極と、前記溝の側面に形成され、互いに離間している第1ソース領域および第1ドレイン領域とにより構成されており、
前記p型電界効果トランジスタは、前記半導体基板の前記主面上に第2ゲート絶縁膜を介して形成された第2ゲート電極と、前記半導体基板の前記主面に形成され、互いに離間している第2ソース領域および第2ドレイン領域とにより構成されており、
前記第1ドレイン領域と前記第2ドレイン領域とは、互いに電気的に接続されており、前記第1ゲート電極と前記第2ゲート電極とは、互いに電気的に接続されている、炭化ケイ素半導体装置。
A semiconductor substrate containing silicon carbide and having a hexagonal crystal structure,
Complementary field-effect transistors composed of n-type field-effect transistors and p-type field-effect transistors formed in the vicinity of the main surface of the semiconductor substrate, respectively.
Have,
The n-type field effect transistor includes a first channel region formed on the (11-20) plane or the (0-110) plane of the crystal planes of the semiconductor substrate.
The p-type field effect transistor, of the crystal face of the semiconductor substrate, e Bei a second channel region formed in (000-1) plane or the (0001) plane,
The n-type field effect transistor is formed on the side surface of the groove and the first gate electrode formed in the groove formed on the main surface of the semiconductor substrate via the first gate insulating film, and is separated from each other. It is composed of a first source region and a first drain region.
The p-type field effect transistor is formed on the main surface of the semiconductor substrate and the second gate electrode formed on the main surface of the semiconductor substrate via the second gate insulating film, and is separated from each other. It is composed of a second source region and a second drain region.
A silicon carbide semiconductor device in which the first drain region and the second drain region are electrically connected to each other, and the first gate electrode and the second gate electrode are electrically connected to each other. ..
請求項1記載の炭化ケイ素半導体装置において、
前記n型電界効果トランジスタは、前記半導体基板の結晶面のうち、(11−20)面に形成された前記第1チャネル領域を備えている、炭化ケイ素半導体装置。
In the silicon carbide semiconductor device according to claim 1,
The n-type field effect transistor is a silicon carbide semiconductor device including the first channel region formed on the (11-20) plane of the crystal planes of the semiconductor substrate.
請求項記載の炭化ケイ素半導体装置において、
前記溝の底面に接する前記第1ゲート絶縁膜の第1膜厚は、前記溝の側面に接する前記第1ゲート絶縁膜の第2膜厚より大きい、炭化ケイ素半導体装置。
In the silicon carbide semiconductor device according to claim 1,
A silicon carbide semiconductor device in which the first film thickness of the first gate insulating film in contact with the bottom surface of the groove is larger than the second film thickness of the first gate insulating film in contact with the side surface of the groove.
請求項記載の炭化ケイ素半導体装置において、
前記溝の底面のp型不純物濃度は、前記溝の前記側面のp型不純物濃度よりも高い、炭化ケイ素半導体装置。
In the silicon carbide semiconductor device according to claim 1,
A silicon carbide semiconductor device in which the concentration of p-type impurities on the bottom surface of the groove is higher than the concentration of p-type impurities on the side surface of the groove.
請求項記載の炭化ケイ素半導体装置において、
前記溝は、前記半導体基板の前記主面に沿う第1方向に並んで2つ形成されており、
2つの前記溝の間で、前記半導体基板の前記主面に沿う方向であって、前記第1方向に直交する第2方向に並んで配置された前記第1ソース領域および前記第1ドレイン領域の間の前記半導体基板の前記主面のp型不純物濃度は、前記溝の前記側面のp型不純物濃度よりも高い、炭化ケイ素半導体装置。
In the silicon carbide semiconductor device according to claim 1,
Two grooves are formed side by side in the first direction along the main surface of the semiconductor substrate.
The first source region and the first drain region arranged side by side in the second direction orthogonal to the first direction in the direction along the main surface of the semiconductor substrate between the two grooves. A silicon carbide semiconductor device in which the p-type impurity concentration on the main surface of the semiconductor substrate in between is higher than the p-type impurity concentration on the side surface of the groove.
請求項記載の炭化ケイ素半導体装置において、
前記溝は、前記半導体基板の前記主面に沿う第1方向に並んで複数形成されており、
複数の前記溝は、前記半導体基板の前記主面に形成されたp型半導体層の上面に形成されており、
前記第1方向の最も外側の前記溝内に形成された前記第1ゲート電極は、前記p型半導体層に電気的に接続されている、炭化ケイ素半導体装置。
In the silicon carbide semiconductor device according to claim 1,
A plurality of the grooves are formed side by side in the first direction along the main surface of the semiconductor substrate.
The plurality of grooves are formed on the upper surface of the p-type semiconductor layer formed on the main surface of the semiconductor substrate.
A silicon carbide semiconductor device in which the first gate electrode formed in the outermost groove in the first direction is electrically connected to the p-type semiconductor layer.
請求項記載の炭化ケイ素半導体装置において、
前記溝と前記第1ゲート絶縁膜との間に形成された窒化シリコン膜をさらに有する、炭化ケイ素半導体装置。
In the silicon carbide semiconductor device according to claim 1,
A silicon carbide semiconductor device further comprising a silicon nitride film formed between the groove and the first gate insulating film.
請求項記載の炭化ケイ素半導体装置において、
前記第1ゲート電極の仕事関数は、前記第2ゲート電極の仕事関数より低い、炭化ケイ素半導体装置。
In the silicon carbide semiconductor device according to claim 1,
A silicon carbide semiconductor device in which the work function of the first gate electrode is lower than the work function of the second gate electrode.
炭化ケイ素を含み、六方晶系の結晶構造を有する半導体基板と、
前記半導体基板の主面の近傍にそれぞれ形成されたn型電界効果トランジスタおよびp型電界効果トランジスタにより構成される相補型電界効果トランジスタと、
を有し、
前記n型電界効果トランジスタは、前記半導体基板の結晶面のうち、(11−20)面または(0−110)面に形成された第1チャネル領域を備え、
前記p型電界効果トランジスタは、前記半導体基板の結晶面のうち、(000−1)面または(0001)面に形成された第2チャネル領域を備え、
前記n型電界効果トランジスタは、前記半導体基板の前記主面に前記第1チャネル領域を有し、前記p型電界効果トランジスタは、前記半導体基板の前記主面に形成された溝の側面に前記第2チャネル領域を有している、炭化ケイ素半導体装置。
A semiconductor substrate containing silicon carbide and having a hexagonal crystal structure,
Complementary field-effect transistors composed of n-type field-effect transistors and p-type field-effect transistors formed in the vicinity of the main surface of the semiconductor substrate, respectively.
Have,
The n-type field effect transistor includes a first channel region formed on the (11-20) plane or the (0-110) plane of the crystal planes of the semiconductor substrate.
The p-type field effect transistor includes a second channel region formed on the (000-1) plane or the (0001) plane of the crystal planes of the semiconductor substrate.
The n-type field effect transistor has the first channel region on the main surface of the semiconductor substrate, and the p-type field effect transistor has the first channel on the side surface of a groove formed on the main surface of the semiconductor substrate. A silicon carbide semiconductor device having a 2-channel region.
(a)炭化ケイ素を含み、六方晶系の結晶構造を有する半導体基板を準備する工程、
(b)前記半導体基板の主面に、第1ソース領域と第1ドレイン領域とを、互いに離間させて第1方向に並べて形成する工程、
(c)前記半導体基板の第1領域の前記主面に、1つの側面において前記第1ソース領域および前記第1ドレイン領域が露出する溝を形成する工程、
(d)前記半導体基板の第2領域の前記主面に、第2ソース領域と第2ドレイン領域とを、互いに離間させて形成する工程、
(e)前記溝内に第1ゲート絶縁膜を介して第1ゲート電極を形成し、前記第2領域の前記半導体基板の前記主面上に、第2ゲート絶縁膜を介して第2ゲート電極を形成する工程、
を有し、
前記第1ゲート電極、前記第1ソース領域および前記第1ドレイン領域は、n型電界効果トランジスタを構成しており、
前記第2ゲート電極、前記第2ソース領域および前記第2ドレイン領域は、p型電界効果トランジスタを構成しており、
前記半導体基板の前記主面は、前記半導体基板の結晶面のうち、(000−1)面または(0001)面であり、前記溝の前記側面は、前記半導体基板の結晶面のうち、(11−20)面または(0−110)面である、炭化ケイ素半導体装置の製造方法。
(A) A step of preparing a semiconductor substrate containing silicon carbide and having a hexagonal crystal structure.
(B) A step of forming a first source region and a first drain region on the main surface of the semiconductor substrate so as to be separated from each other and arranged in the first direction.
(C) A step of forming a groove on the main surface of the first region of the semiconductor substrate so that the first source region and the first drain region are exposed on one side surface.
(D) A step of forming a second source region and a second drain region on the main surface of the second region of the semiconductor substrate so as to be separated from each other.
(E) A first gate electrode is formed in the groove via a first gate insulating film, and a second gate electrode is formed on the main surface of the semiconductor substrate in the second region via a second gate insulating film. The process of forming,
Have,
The first gate electrode, the first source region, and the first drain region form an n-type field effect transistor.
The second gate electrode, the second source region, and the second drain region form a p-type field effect transistor.
The main surface of the semiconductor substrate is the (000-1) plane or the (0001) plane of the crystal planes of the semiconductor substrate, and the side surface of the groove is (11) of the crystal planes of the semiconductor substrate. A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, which is a -20) plane or a (0-110) plane.
請求項10記載の炭化ケイ素半導体装置の製造方法において、
前記溝の前記側面は、前記半導体基板の結晶面のうち、(11−20)面である、炭化ケイ素半導体装置の製造方法。
In the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 10.
A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, wherein the side surface of the groove is the (11-20) plane of the crystal planes of the semiconductor substrate.
請求項10記載の炭化ケイ素半導体装置の製造方法において、
前記(e)工程は、
(e1)前記溝の前記側面を覆い、前記溝の底面を露出する第1絶縁膜を形成する工程、
(e2)前記(e1)工程の後、前記溝の前記底面を覆い、第1膜厚を有する第2絶縁膜を形成する工程、
(e3)前記(e2)工程の後、前記第1絶縁膜を除去することで、前記溝の前記側面を露出させる工程、
(e4)前記(e3)工程の後、前記溝の前記側面および前記半導体基板の前記主面を覆い、前記第1膜厚よりも小さい第2膜厚を有する第絶縁膜を形成することで、前記第1絶縁膜と前記溝の前記側面を覆う前記第2絶縁膜とを含む前記第1ゲート絶縁膜と、前記半導体基板の前記主面を覆う前記第絶縁膜を含む前記第2ゲート絶縁膜とを形成する工程、
(e5)前記溝内の前記第1ゲート電極および前記第2ゲート絶縁膜上の前記第2ゲート電極を形成する工程、
を含む、炭化ケイ素半導体装置の製造方法。
In the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 10.
The step (e) is
(E1) A step of forming a first insulating film that covers the side surface of the groove and exposes the bottom surface of the groove.
(E2) After the step (e1), a step of covering the bottom surface of the groove to form a second insulating film having a first film thickness.
(E3) A step of exposing the side surface of the groove by removing the first insulating film after the step (e2).
(E4) After the step (e3), the side surface of the groove and the main surface of the semiconductor substrate are covered to form a third insulating film having a second film thickness smaller than the first film thickness. The first gate insulating film including the first insulating film and the second insulating film covering the side surface of the groove, and the second gate including the third insulating film covering the main surface of the semiconductor substrate. The process of forming an insulating film,
(E5) A step of forming the first gate electrode in the groove and the second gate electrode on the second gate insulating film.
A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, including.
請求項10記載の炭化ケイ素半導体装置の製造方法において、
(c1)前記(c)工程の後、前記(e)工程前に、前記溝の底面にp型不純物を導入することで、前記溝の前記底面のp型不純物濃度を、前記溝の前記側面のp型不純物濃度よりも高める工程をさらに有する、炭化ケイ素半導体装置の製造方法。
In the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 10.
(C1) After the step (c) and before the step (e), by introducing a p-type impurity into the bottom surface of the groove, the p-type impurity concentration on the bottom surface of the groove can be adjusted to the side surface of the groove. A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, further comprising a step of increasing the concentration of p-type impurities in the above.
請求項10記載の炭化ケイ素半導体装置の製造方法において、
前記(e)工程は、
(e6)前記第1ゲート絶縁膜および前記第2ゲート絶縁膜を形成する工程、
(e7)前記(e6)工程の後、前記半導体基板の前記主面を覆い、前記溝の表面を露出するハードマスクを形成する工程、
(e8)前記(e7)工程の後、前記第1ゲート絶縁膜と前記溝の表面との界面を窒化処理することで、前記第1ゲート絶縁膜と前記溝の表面との間に窒化シリコン膜を形成する工程、
(e9)前記(e8)工程の後、前記ハードマスクを除去し、続いて、前記溝内の前記第1ゲート電極および前記第2ゲート絶縁膜上の前記第2ゲート電極を形成する工程、
を含む、炭化ケイ素半導体装置の製造方法。
In the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 10.
The step (e) is
(E6) A step of forming the first gate insulating film and the second gate insulating film,
(E7) After the step (e6), a step of forming a hard mask that covers the main surface of the semiconductor substrate and exposes the surface of the groove.
(E8) After the step (e7), the interface between the first gate insulating film and the surface of the groove is nitrided to form a silicon nitride film between the first gate insulating film and the surface of the groove. The process of forming,
(E9) After the step (e8), the step of removing the hard mask and subsequently forming the first gate electrode in the groove and the second gate electrode on the second gate insulating film.
A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, including.
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