JP6964950B2 - 半導体装置および電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は半導体装置に関し、特に、トレンチゲートを有する半導体装置に関する。
パワーエレクトロニクス機器では、電気モータ等の負荷を駆動するための電力供給の実行と停止とを切り替える手段として、シリコンＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）およびＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等のスイッチングデバイスが使用されている。
電力用半導体装置としての使用が想定されるスイッチングデバイスには、縦型構造のＭＯＳＦＥＴ（縦型ＭＯＳＦＥＴ）およびＩＧＢＴ（縦型ＩＧＢＴ）が採用されることが多い。例えば縦型ＭＯＳＦＥＴには、そのゲート構造によってプレーナ型およびトレンチ型（トレンチゲート型）等が挙げられる。
第１導電型（ｎ型）のドリフト層の活性領域に、溝部であるゲートトレンチが形成されたトレンチゲート型ＭＯＳＦＥＴでは、その構造上、オフ時にゲートトレンチ底面のゲート絶縁膜に高電界がかかり、ゲートトレンチ底面でゲート絶縁膜が破壊する可能性がある。この問題に対し、例えば特許文献１では、ゲートトレンチ底面を覆うように第２導電型（ｐ型）の電界緩和領域（保護拡散層）を設けることで、ゲートトレンチ底面のゲート絶縁膜にかかる電界を緩和する構成を採っている。
さらに特許文献１では、オフ角の大きいトレンチ側壁面に第２のベース領域を設け、保護拡散層を接地電位に接続している。この構造によれば、スイッチング時に保護拡散層からドリフト層に向けて伸びる空乏層の応答が良くなり、スイッチング損失を低減することができる。
また、特許文献２には、ゲートトレンチの延在方向とは垂直な方向に延在するように設けられ、複数のゲートトレンチの側面および底面に接するｐ型ディープ層を設けることで、トレンチ底部での電界集中を緩和する構成が開示されている。
国際公開第２０１４／１２２９１９号 特開２００９−３０２４３６号公報
しかしながら、特許文献１に開示の構成では、チャネル移動度の最も低いオフ角を有する結晶面に第２のベース領域を設けていることに起因する問題が存在する。
まず、チャネル移動度の低いトレンチ側壁面全てに第２のベース領域を形成した場合、チャネル密度が大きく低下し、オン抵抗の増大を招く可能性がある。次に、チャネル移動度の低いトレンチ側壁面の一部だけに第２のベース領域を設けた場合、チャネルが形成される他のトレンチ側壁面のチャネル移動度が必ずしも均一とはならない。
これは、チャネルが形成される他のトレンチ側壁面の中には、チャネル移動度の低いトレンチ側壁面のうち、一部アクティブで存在する部分と、チャネル移動度が低くないトレンチ側壁面とが混在することになり、チャネル移動度が均一とはならないためである。
この結果、特定のチャネル面への電流集中によるスイッチングデバイスの信頼性の劣化、および閾値電圧が不均一なことにより動作特性の不安定化を招く可能性があった。
また、特許文献２に開示の構成においてオフ時の耐圧を維持するためには、互いに間隔を開けて設けられたｐ型ディープ層を高密度で配置せざるを得ず、結果として、チャネル密度が大きく低下するため、スイッチングデバイスのオン抵抗が増大すると言う問題があった。
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、ゲートトレンチ底面での電界緩和による信頼性の向上と、動作特性の改善を実現すると共に、低いオン抵抗を維持し、かつ特定のチャネル面への電流集中および閾値電圧の変動を招かない半導体装置を提供することを目的とする。
本発明に係る半導体装置は、第１導電型の第１の半導体層と、前記第１の半導体層の上層部に選択的に設けられた第１導電型の第１の半導体領域と、前記第１の半導体層の上層部に前記第１の半導体領域に接して設けられた第２導電型の第２の半導体領域と、前記第１および第２の半導体領域の底面に接して設けられた第２導電型の第３の半導体領域と、前記第１および第３の半導体領域を厚さ方向に貫通するように複数設けられ、その底面が前記第１の半導体層内に達する、平面視でストライプ状のゲートトレンチと、前記ゲートトレンチの底部に接するように連続して設けられた第２導電型の電界緩和領域と、前記第１および第２の半導体領域の上方にコンタクト開口部を有する層間絶縁膜と、前記ゲートトレンチの延在方向に平行な第１の方向とは垂直な第２の方向における少なくとも一方のトレンチ側壁に接するように前記第１の半導体層内に間隔を開けて複数設けられ、前記電界緩和領域と前記第３の半導体領域とを電気的に接続する接続層と、前記層間絶縁膜上を覆うと共に、前記コンタクト開口部内に埋め込まれた第１の主電極と、前記第１の半導体層の前記第１の主電極が設けられた側とは反対の主面側に設けられた第２の主電極と、を備え、前記第１の半導体層は０度より大きいオフ角を有し、前記第１の方向は、オフ方向に平行な方向であって、前記接続層は、前記第１の方向に沿って互いに離隔して複数設けられ、前記接続層は、前記ゲートトレンチの前記第２の方向の一方の側壁側のみに設けられる。
本発明に係る半導体装置によれば、ゲートトレンチの底面に接するように電界緩和領域を設けることで、半導体装置がオフ状態のときにゲートトレンチ底面に印加される電界を緩和できる。また、接続層により電界緩和領域と第３の半導体領域が電気的に接続されるので、電界緩和領域と第１の半導体層により形成されるｐｎ接合の充放電用の電流経路が確保され、スイッチング損失を低減することができる。
本発明に係る半導体装置全体の上面構成を模式的に示す平面図である。 本発明に係る実施の形態１の半導体装置の構成を示す平面図である。 本発明に係る実施の形態１の半導体装置の構成を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態１の半導体装置の構成を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態１の半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態１の半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態１の半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態１の半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態１の半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態１の半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態１の半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態１の半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態１の半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態１の半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態１の半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態１の半導体装置の変形例の構成を示す平面図である。 本発明に係る実施の形態１の半導体装置の変形例の構成を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態１の半導体装置の変形例の構成を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態１の半導体装置の変形例の製造工程を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態１の半導体装置の変形例の構成を示す平面図である。 本発明に係る実施の形態１の半導体装置の変形例の構成を示す平面図である。 本発明に係る実施の形態１の半導体装置の変形例の構成を示す平面図である。 本発明に係る実施の形態２の半導体装置の構成を示す平面図である。 本発明に係る実施の形態２の半導体装置の構成を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態２の半導体装置の構成を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態２の半導体装置の変形例の構成を示す平面図である。 本発明に係る実施の形態２の半導体装置の変形例の構成を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態２の半導体装置の変形例の構成を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態３の半導体装置の構成を示す平面図である。 本発明に係る実施の形態３の半導体装置の構成を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態４の半導体装置の構成を示す平面図である。 本発明に係る実施の形態４の半導体装置の構成を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態４の半導体装置の構成を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態５の半導体装置の構成を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態６の電力変換システムの構成を示すブロック図である。
＜はじめに＞
以下、添付の図面を参照しながら本発明に係る実施の形態について説明する。なお、図面は模式的に示されたものであり、異なる図面にそれぞれ示されている画像のサイズおよび位置の相互関係は、必ずしも正確に記載されたものではなく、適宜変更され得る。また、以下の説明では、同様の構成要素には同じ符号を付して図示し、それらの名称および機能も同様のものとする。よって、それらについての詳細な説明を省略する場合がある。
また、以下の説明では、「上」、「下」、「側」、「底」、「表」および「裏」などの特定の位置および方向を意味する用語が用いられる場合があるが、これらの用語は、実施の形態の内容を理解することを容易にするため便宜上用いられているものであり、実際に実施される際の方向とは関係しない。
また、「ＭＯＳ」という用語は、古くは金属／酸化物／半導体の接合構造に用いられており、Metal-Oxide-Semiconductorの頭文字を採ったものとされている。しかしながら特にＭＯＳ構造を有する電界効果トランジスタ（以下、単に「ＭＯＳトランジスタ」と称す）においては、近年の集積化や製造プロセスの改善などの観点からゲート絶縁膜やゲート電極の材料が改善されている。
例えばＭＯＳトランジスタにおいては、主としてソース・ドレインを自己整合的に形成する観点から、ゲート電極の材料として金属の代わりに多結晶シリコンが採用されてきている。また電気的特性を改善する観点から、ゲート絶縁膜の材料として高誘電率の材料が採用されるが、当該材料は必ずしも酸化物には限定されない。
従って「ＭＯＳ」という用語は必ずしも金属／酸化物／半導体の積層構造のみに限定されて採用されているわけではなく、本明細書でもそのような限定を前提としない。すなわち、技術常識に鑑みて、ここでは「ＭＯＳ」とはその語源に起因した略語としてのみならず、広く導電体／絶縁体／半導体の積層構造をも含む意義を有する。
また、以下の記載では、不純物の導電型に関して、ｎ型を「第１導電型」、ｐ型を「第２導電型」として一般的に定義するが、その逆の定義でも構わない。
＜実施の形態１＞
＜装置構成＞
図１は、本発明に係る半導体装置全体の上面構成を模式的に示す平面図である。図１に示すように、本発明に係る半導体装置は四角形状の外形を有し、その中央部には、「ユニットセル」と呼称されるＭＯＳＦＥＴの最小単位構造（ＭＯＳＦＥＴセル）が複数配置された活性領域３０が設けられ、活性領域３０の外側は終端領域３２で囲まれている。活性領域３０には複数のゲートトレンチ６が互いに間隔を開けて並列に設けられている。なお、複数のゲートトレンチ６は、活性領域３０内に設けられたゲート配線に接続され、ゲート配線はゲートパッドに接続されるが、これらの図示および説明は省略する。
図１に示す領域“Ｘ”の拡大平面図を図２に示す。なお、以下においては、当該領域“Ｘ”に示される特徴的な構成を本発明に係る実施の形態およびその変形例として説明し、図１は、各実施の形態およびその変形例において共通とする。
図２は、本発明に係る実施の形態１の半導体装置、より具体的には、炭化珪素半導体基板（ＳｉＣ基板）上に形成されたトレンチゲート型ＭＯＳＦＥＴ１００の特徴部の構成を示す平面図である。図２に示されるように、実施の形態１のトレンチゲート型ＭＯＳＦＥＴ１００は、隣り合う２つのゲートトレンチ６、それらの間に設けられた各不純物領域とで１つのユニットセル３１を構成している。
ゲートトレンチ６は、炭化珪素半導体基板のオフ方向と平行な方向に延在するようにストライプ状に設けられ、活性領域３０をＭＯＳＦＥＴセル単位に区分けしている。ゲートトレンチ６の内壁はゲート絶縁膜７で被覆され、ゲート絶縁膜７で囲まれた領域内にはゲート電極８が埋め込まれている。また、ゲートトレンチ６間の活性領域３０には、層間絶縁膜（図示せず）を貫通するソースコンタクト１６が設けられ、ソースコンタクト１６の底面には、複数のウェルコンタクト１５が設けられている。
ここで、ソースコンタクト１６の開口幅は活性領域３０内において均一となるように形成する。すなわち、ゲートトレンチ６の延在方向（第１の方向、図２の左右方向）に対して垂直な方向（第２の方向、図３の左右方向）の幅が均一であることが望ましく、具体的には±２５％の範囲であることが望ましい。活性領域３０内でソースコンタクト１６の開口幅が不均一であれば、ソースコンタクト１６内部へのソース電極１０の埋め込み状態を均一にできない可能性がある。ソースコンタクト１６内部へのソース電極１０の埋め込み状態が均一にできない場合、半導体装置表面の平坦性を損なうことになり、結果として、アセンブリおよびパッケージ上での信頼性が低下する可能性があるが、活性領域３０内でソースコンタクト１６の開口幅を均一とすることによってこのような問題は発生しない。
図３は図２のＡ−Ａ線での矢視断面図であり、図４は図２のＢ−Ｂ線での矢視断面図であり、活性領域３０においてゲートトレンチ６を断面に含む位置のユニットセル３１の周期構造が示されている。なお、図２においてはドリフト層３内の側壁ウェル接続層１２の配置が判るように、図３におけるＷ−Ｗ線より上部の構成を便宜的に省略して示している。
図３に示されるように、実施の形態１のトレンチゲート型ＭＯＳＦＥＴ１００は、炭化珪素半導体基板１の一方の主面（第１の主面）上に設けられたｎ型のドリフト層３（第１の半導体層）と、ドリフト層３上に設けられたｎ型の高濃度ドープ層１４（第２の半導体層）と、高濃度ドープ層１４上に設けられたｐ型のウェル領域４（第３の半導体領域）と、ウェル領域４上に設けられたｎ型のソース領域５（第１の半導体領域）およびｐ型のウェルコンタクト領域１５（第２の半導体領域）を有している。そして、ソース領域５の最表面からソース領域５、ウェル領域４および高濃度ドープ層１４を厚み方向に貫通してドリフト層３内に達するゲートトレンチ６の底面下にはｐ型のトレンチ底面電界緩和領域１３（電界緩和領域）が設けられ、トレンチ底面電界緩和領域１３の一方の側面およびゲートトレンチ６の一方の側壁に接するようにｐ型の側壁ウェル接続層１２（接続層）が設けられている。
また、ゲートトレンチ６上とその周囲を覆うように層間絶縁膜９が設けられ、層間絶縁膜９で覆われていないゲートトレンチ６間はソースコンタクト１６（コンタクト開口部）となっており、その底面はシリサイド膜１７で覆われ、ソースコンタクト１６を介してソース電極１０（第１の主電極）が接続されている。また、炭化珪素半導体基板１のソース電極１０側とは反対側の他方の主面（第２の主面）上にはドレイン電極１１（第２の主電極）が設けられている。
ここで、炭化珪素半導体基板１は４Ｈのポリタイプを有し、炭化珪素半導体基板１の主面およびドリフト層３の主面は、［１１−２０］軸方向に傾斜するオフ角θを有する（０００１）面とする。オフ角θとしては、例えば、１０°以下であれば良い。
ドリフト層３の上層部のウェル領域４は、ＭＯＳＦＥＴセルが配置される活性領域３０内に設けられ、ウェル領域４内には、選択的（部分的）に、ソース領域５およびウェルコンタクト領域１５が設けられる。ウェルコンタクト領域１５は、図２に示されるように平面視においてソース領域５に囲まれることとなる。
ゲートトレンチ６は、ゲート絶縁膜７を間に介してゲート電極８が埋め込まれているが、ゲート電極８の上面は、ソース領域５の最表面よりも深い位置にある。すなわち、ゲート電極８の上面は、ゲートトレンチ６の開口端よりも後退した位置にある。これは、図４に示されるＢ−Ｂ線での断面においても同じである。
ゲートトレンチ６の底面下に設けられるトレンチ底面電界緩和領域１３は、ＭＯＳＦＥＴのオフ時にゲートトレンチ６の底面および側面に印加される電界を緩和するために設けられ、ゲートトレンチ６に接していることが望ましい。
また、トレンチ底面電界緩和領域１３の側面とゲートトレンチ６の側壁の一部に接するように設けられた側壁ウェル接続層１２は、ウェル領域４にも接し、トレンチ底面電界緩和領域１３とウェル領域４を電気的に接続する役割を担う。
なお、図２および図４に示されるように、側壁ウェル接続層１２は、ゲートトレンチ６の側壁の一部に接するだけであり、図２では、各ゲートトレンチ６の一方の側壁側だけに、不連続で設けられている。
ゲートトレンチ６の側壁のうち、側壁ウェル接続層１２が設けられていない部分には、ゲートバイアス下で反転チャネルが形成され、ＭＯＳＦＥＴのチャネル領域として機能する。このとき、ゲートトレンチ６の側壁ごとのチャネル特性はほぼ同一であり、かつ、不均一とならないように構成する。
すなわち、ゲートトレンチ６の延在方向（第１の方向）を、オフ方向である＜１１−２０＞方向と平行にすることで、トレンチ側壁は（０００１）面に垂直な（１−１００）面および（−１１００）面にほぼ近い面となる。このため、ドリフト層３が＜１１−２０＞方向にオフ角を有する場合であっても、トレンチ側壁ごとの結晶面の差異に起因する電気特性の異方性の影響を受けず、同一で、均一なチャネル特性を実現できる。
このため、特定のトレンチ側壁の全てを側壁ウェル接続層１２とする必要がなく、結果として、チャネル密度の低下を抑制でき、オン抵抗の増加を抑制できる。異なるチャネル特性を有するトレンチゲートが混在しないので、特定のチャネル面への電流集中を招くことがなく、閾値電圧の不安定性を招くこともない。
また、ゲートトレンチ６はソース領域５を貫通しているため、ゲートトレンチ６の開口端の角部に対応する部分にはｎ型のソース領域５が形成されている。ただし、ゲートトレンチ６の領域“Ｙ”で示す開口端の角部は、ゲート絶縁膜７と層間絶縁膜９によって覆われており、ゲート電極８の上面は、開口端の角部には達していない。すなわち、活性領域３０内において、ゲートトレンチ６の開口端の角部においては、ソース領域５とゲート電極８とがゲート絶縁膜７を介して対向していない。
なお、活性領域３０の全体が、図２〜図４に示される平面構成および断面構成となっていなくても良く、部分的であっても良い。また、図３に示す断面構成と図４に示す断面構成の割合に制限はなく、一方が多く、一方が少ない構成なども自由に設定可能である。
＜製造方法＞
なお、以下において、各不純物層および不純物領域の不純物濃度が濃度プロファイルを有する場合において、不純物濃度（ｃｍ−３）とは各不純物層および不純物領域における不純物濃度のピーク値を示すものとする。
ｎ型の不純物としては窒素（Ｎ）またはリン（Ｐ）、ｐ型の不純物としてはアルミニウム（Ａｌ）またはホウ素（Ｂ）などであれば良い。
実施の形態１のトレンチゲート型ＭＯＳＦＥＴ１００の製造方法について、工程を順に示す断面図である図５〜図１５を用いて説明する。
まず、図５に示す工程において、４Ｈのポリタイプを有するウエハ状態にあるｎ型の炭化珪素半導体基板１の一方の主面上に、ｎ型の不純物濃度を比較的低濃度（ｎ−）に含み比較的高抵抗な炭化珪素のドリフト層３をエピタキシャル成長により形成する。このとき、ドリフト層３の不純物濃度が、１×１０１４ｃｍ−３以上１×１０１７ｃｍ−３以下となるように形成する。
次に、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）法により、ダイシングライン上に形成されたアライメント用マークを基準として写真製版を行い、図６に示す工程において、ドリフト層３上にイオン注入マスク（図示せず）を形成し、当該イオン注入マスクを介して不純物のイオン注入を行うことで、ドリフト層３の上層部に、ｎ型の不純物濃度を比較的高濃度（ｎ＋）に含み比較的低抵抗な高濃度ドープ層１４を形成し、高濃度ドープ層１４の上層部にｐ型のウェル領域４を形成し、ｐ型のウェル領域４の上層部にｎ型の不純物濃度を比較的高濃度（ｎ＋）に含み比較的低抵抗なソース領域５を形成する。イオン注入マスクとしては、例えばレジストマスクなどを用いる。
ここで、ソース領域５は、５×１０１８ｃｍ−３以上５×１０２０ｃｍ−３以下の不純物濃度を有し、ウェル領域４は１×１０１６ｃｍ−３以上３×１０１９ｃｍ−３以下の不純物濃度を有するように形成される。なお、ｎ型のソース領域５をｐ型のウェル領域４の上層部に形成するために、ソース領域５のｎ型の不純物濃度は、ウェル領域４のｐ型の不純物濃度よりも高くなるように設定する。
また、高濃度ドープ層１４は、５×１０１６ｍ−３以上１×１０１８ｃｍ−３以下の不純物濃度を有するように形成される。なお、高濃度ドープ層１４は、ＭＯＳＦＥＴのオン時に電流拡散層として機能し、オン抵抗を低くすることができる。
ウェル領域４は、深さ方向に濃度が一定であっても良いし、一定でなくても良い。例えば、ウェル領域４の表面濃度が低くなるような分布であっても良いし、深さ方向にピークを有するような分布であっても良い。
次に、図７に示す工程において、ソース領域５内にｐ型のウェルコンタクト領域１５をイオン注入によって形成する。このとき、ウェルコンタクト領域１５は、１×１０１９ｃｍ−３以上１×１０２２ｃｍ−３以下のｐ型の不純物濃度を有するように形成する。また、ウェルコンタクト領域１５の厚みは、ソース領域５の厚みと同じか、それ以上の厚みとなるように形成することで、ウェルコンタクト領域１５がウェル領域４に確実に接触するようにする。なお、ドリフト層３に形成される不純物層および不純物領域の形成順序は特に限定されない。
次に、図８に示す工程において、ソース領域５およびウェルコンタクト領域１５が形成されたドリフト層３上に、ゲートトレンチ６の形成領域に対応する部分に開口部ＯＰ１を有するエッチングマスクＲＭ１を、レジスト材を用いてパターニングする。この、エッチングマスクＲＭ１の形成の際にも上述したアライメント用マークを基準とすれば良い。そして、エッチングマスクＲＭ１を介してＲＩＥ法によって、ソース領域５およびウェル領域４を厚み方向に貫通し、ドリフト層３内にまで達するゲートトレンチ６を形成する。
次に、図９に示す工程において、エッチングマスクＲＭ１をイオン注入マスクとして使用し、ｐ型の不純物のイオン注入を行ってゲートトレンチ６の底面下にｐ型のトレンチ底面電界緩和領域１３を形成する。このとき、トレンチ底面電界緩和領域１３は、１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０２０ｃｍ−３以下の不純物濃度を有する。
次に、エッチングマスクＲＭ１を除去した後、図１０に示す工程において、イオン注入マスクＲＭ１１をレジスト材を用いてパターニングする。イオン注入マスクＲＭ１１は、ゲートトレンチ６のうち、側壁ウェル接続層１２が設けられる側壁を含む部分のみに開口部ＯＰ１１が設けられたパターンを有し、側壁ウェル接続層１２が設けられない側壁を含む部分には開口部が設けられていない。このような、イオン注入マスクＲＭ１１を介して、ｐ型の不純物を斜め方向からイオン注入（傾斜イオン注入）することで、ゲートトレンチ６の一方の側壁およびトレンチ底面電界緩和領域１３の一方の側面に接する側壁ウェル接続層１２を形成する。
側壁ウェル接続層１２を形成するためのイオン注入は、ウエハ状態にある炭化珪素半導体基板１を傾けて行うが、その入射角度は、ウエハに垂直に注入する０度注入に対して、２０度〜６０度の範囲とし、不純物濃度は５×１０１６ｃｍ−３以上１×１０２０ｃｍ−３以下、ウェル領域４の表面からの深さ（ドリフト層３の厚み方向の長さ）は０．３μｍ以上とする。これにより、ゲートトレンチ６の側壁およびトレンチ底面電界緩和領域１３の側面を覆うことができる。
なお、上記では、トレンチ底面電界緩和領域１３を形成した後に側壁ウェル接続層１２を形成する例を示したが、側壁ウェル接続層１２を形成した後にトレンチ底面電界緩和領域１３を形成しても良い。
また、上記では、ゲートトレンチ６を形成した後にトレンチ底面電界緩和領域１３および側壁ウェル接続層１２を形成する例を説明したが、ゲートトレンチ６を形成する前に、トレンチ底面電界緩和領域１３および側壁ウェル接続層１２をそれぞれ形成し、トレンチ底面電界緩和領域１３および側壁ウェル接続層１２の形成位置に合わせてゲートトレンチ６を形成しても良い。その場合、トレンチ底面電界緩和領域１３の形成を後に行うことで、トレンチ底面電界緩和領域１３のイオン注入に使用するイオン注入マスクを、ゲートトレンチ６の形成に利用することも可能である。このときのイオン注入は、ウエハに垂直に注入しても良い。
次に、１５００℃以上２２００℃以下の温度範囲で、０．５分以上６０分以下の時間で、注入されたイオンを活性化するためのアニールを行う。
さらに、熱酸化法または化学気相成長（ＣＶＤ：chemical vapor deposition）法等によって、炭化珪素半導体基板１上に絶縁膜を形成した後、ウェットエッチングまたはドライエッチングを行うことで、終端領域３２（図１）の保護のためのフィールド絶縁膜（図示せず）を形成する。
その後、熱酸化法またはＣＶＤ法等によって、ゲートトレンチ６の内壁面およびゲートトレンチ６の周辺を覆うようにゲート絶縁膜７を形成する。
次に、図１１に示す工程において、ゲート絶縁膜７が形成されたドリフト層３上に、不純物を比較的高濃度に含むポリシリコンなどの導電体層ＰＳをＣＶＤなどにより形成する。ポリシリコンがＣＶＤ法で形成される場合、ゲートトレンチ６内では、底面から垂直方向に向けてポリシリコンが成長するだけでなく、側面から水平方向にもポリシリコンが成長するため、ゲートトレンチ６の内部には比較的容易にポリシリコンが埋め込まれる。
次に、ドリフト層３上のポリシリコンをエッチングにより除去するが、ドリフト層３の表面に形成されたポリシリコンはエッチングによって除去されるが、ゲートトレンチ６の内部に埋め込まれたポリシリコンは膜厚が厚いために残存し、ゲート電極８を構成する。
ただし、ドリフト層３の表面上のポリシリコンをウエハ面内で完全に除去するには、少なからずオーバエッチングが必要とされるため、ドリフト層３の表面上のポリシリコンを全てエッチングした場合、ゲートトレンチ６の内部のゲート電極８の上面は、ゲートトレンチ６の開口端よりも後退した位置に形成される。
次に、図１２に示す工程において、終端領域３２（図１）および活性領域３０を覆うように層間絶縁膜９を形成した後、層間絶縁膜９上に、ソースコンタクト１６の形成領域に対応する部分に開口部ＯＰ２を有するエッチングマスクＲＭ２を、レジスト材を用いてパターニングする。この、エッチングマスクＲＭ２の形成の際にも上述したアライメント用マークを基準とすれば良い。そして、エッチングマスクＲＭ２を介してドライエッチング等を行うことで、図１３に示すように層間絶縁膜９を貫通してドリフト層３上に達するソースコンタクト１６を形成する。この際、層間絶縁膜９と共に不要なゲート絶縁膜７も除去される。
なお、エッチングマスクＲＭ２には、終端領域３２（図１）に形成されるゲートコンタクト（図示せず）を形成するための開口部を設けていても良く、当該開口部を介してドライエッチング等を行うことで、層間絶縁膜９を除去してゲートコンタクトを同時に形成しても良い。もちろん、ソースコンタクト１６とゲートコンタクトは、別工程で形成しても良い。
次に、図１４に示す工程において、ソースコンタクト１６内および層間絶縁膜９上を覆うようにニッケルなどの金属膜ＭＬをスパッタリング法等で形成する。その後、３００℃〜１２００℃のアニールを行うことで、図１５に示すように、ソースコンタクト１６の底面に露出したソース領域５およびウェルコンタクト領域１５の上部に金属シリサイド膜（ここではＮｉＳｉ２膜）を形成してシリサイド膜１７とする。
その後、ソースコンタクト１６を埋め込むようにスパッタリング法等でソース電極１０を形成し、ソース電極１０をウェルコンタクト領域１５およびソース領域５に電気的に接続することで、図３におよび図４に示す断面構成を得る。なお、図示されないゲートコンタクト内から上部かけて、ゲートパッドまたはゲートパッドへの接続用の配線を形成する。
最後に、炭化珪素半導体基板１の他方の主面上にスパッタリング法等でドレイン電極１１を形成することで、図２〜図３に示されるトレンチゲート型ＭＯＳＦＥＴ１００を得ることができる。
＜特徴＞
次に、トレンチゲート型ＭＯＳＦＥＴ１００の特徴について説明する。図３および図４に示したように、ゲートトレンチ６の下方にはトレンチ底面電界緩和領域１３を設けることにより、ＭＯＳＦＥＴがオフ状態のときにゲート絶縁膜７に印加される電界をトレンチ底面電界緩和領域１３から伸張する空乏層により大幅に緩和することができる。
また、図３に示したようにトレンチ底面電界緩和領域１３の一方の側面には側壁ウェル接続層１２が接し、側壁ウェル接続層１２はウェル領域４にも接しているので、トレンチ底面電界緩和領域１３はウェル領域４と電気的に接続されることとなる。この結果、ＭＯＳＦＥＴのスイッチング動作時にトレンチ底面電界緩和領域１３とドリフト層３により形成されるｐｎ接合の充放電用の電流経路が確保され、スイッチング損失を低減することができる。すなわち、ｐｎ接合において形成される空乏層の伸張および縮小に伴って流れる変位電流の電流経路が側壁ウェル接続層１２よって確保される。側壁ウェル接続層１２を設けない場合は、トレンチ底面電界緩和領域１３が浮遊電位となるため、ＭＯＳＦＥＴのオン、オフ動作に対するトレンチ底面電界緩和領域１３の電位追従が鈍くなる。この結果、上記ｐｎ接合で形成される空乏層の応答速度が遅くなり、ターンオフ、ターンオンしにくい構造となり、スイッチング損失が増大する。側壁ウェル接続層１２を設けることで、ｐｎ接合で形成される空乏層の応答速度が早くなり、スイッチング損失を低減することができる。
側壁ウェル接続層１２はトレンチ側壁の一部にのみ形成されるため、チャネル密度の大幅な低下を招くことはなく、側壁ウェル接続層１２を設けることによるオン抵抗の増加を抑制ができる。加えて、側壁ウェル接続層１２が形成されないトレンチ側壁は、オフ方向に平行な方向に延在するトレンチ側壁とすることで、均一なチャネル特性を実現できるので、特定のチャネル面に電流が集中することが抑制され、また閾値電圧の不安定性を招くことはなく、動作安定性の高いＭＯＳＦＥＴが実現できる。
また、側壁ウェル接続層１２は、ゲートトレンチ６の一方の側壁側のみに配置されるので、側壁ウェル接続層１２を設けることによるオン抵抗の増加の抑制効果は極めて高い。
また、平面視においてゲートトレンチ６の延在方向に隣り合う側壁ウェル接続層１２の配設間隔は、ゲートトレンチ６の配設間隔と同じかそれ以上であることが望ましい。側壁ウェル接続層１２をこのような間隔で配設することにより、チャネル密度の低下をより抑制することができ、側壁ウェル接続層１２を設けることによるオン抵抗の増加の抑制効果が高まる。
また、側壁ウェル接続層１２は、ゲートトレンチ６の側壁からゲートトレンチ６の延在方向（第１の方向、図２の左右方向）に対して垂直な方向（第２の方向、図３の左右方向）に延在するように設けられているが、その第２の方向の長さは、隣り合うゲートトレンチ間の長さよりも短く、隣り合うゲートトレンチ間は側壁ウェル接続層１２によって遮断されることはない。このため、ゲートトレンチ６の延在方向に隣り合う側壁ウェル接続層１２間のドリフト層３に電流が流れるので、ドリフト層３内に電流が拡散し、側壁ウェル接続層１２を設けることによるオン抵抗の増加を抑制することができる。
また、側壁ウェル接続層１２は、その深さ（ドリフト層の厚み方向の長さ）が、ゲートトレンチ６の側壁から第２の方向に遠ざかるにつれて浅くなるように形成されているので、さらに電流が拡散しやすくなり、オン抵抗の増加の抑制効果がさらに高まる。
＜変形例１＞
次に、図１６〜図１８を用いて、本発明に係る実施の形態１の変形例のトレンチゲート型ＭＯＳＦＥＴ１００Ａの構成について説明する。なお、図１６〜図１８は、図２〜図４に対応する図面であり、図２〜図４と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。なお、図１７は図１６のＣ−Ｃ線での矢視断面図であり、図１８は図１６のＤ−Ｄ線での矢視断面図である。
図１６〜図１８に示すように、トレンチゲート型ＭＯＳＦＥＴ１００Ａは、側壁ウェル接続層１２およびトレンチ底面電界緩和領域１３に隣接し、側壁ウェル接続層１２およびトレンチ底面電界緩和領域１３を包含するように設けられたｎ型の電流拡散領域１９を有している。
電流拡散領域１９は、図１８に示すように側壁ウェル接続層１２を有さない部分においては、外縁がトレンチ底面電界緩和領域１３の両側面および下面を越えるようにドリフト層３内に設けられ、図１７に示すように側壁ウェル接続層１２を有する部分においては、外縁がトレンチ底面電界緩和領域１３の一方の側面および下面を越えると共に、側壁ウェル接続層１２の側面および下面を越えるようにドリフト層３内に設けられている。
また、図１６に示されるように、電流拡散領域１９は延在するゲートトレンチ６の全域に沿って設けられており、電流拡散領域１９の形成には、ゲートトレンチ６の形成領域に対応する部分に開口部ＯＰ１を有するエッチングマスクＲＭ１を用いることができる。
すなわち、図９に示した工程でゲートトレンチ６の底面下にｐ型のトレンチ底面電界緩和領域１３を形成した後、図１９に示すように、エッチングマスクＲＭ１をイオン注入マスクとして用いて、ｎ型の不純物を斜め方向からイオン注入（傾斜イオン注入）することで、外縁がトレンチ底面電界緩和領域１３の両側面および下面を越えるようにドリフト層３内に電流拡散領域１９を形成する。電流拡散領域１９を形成するためのイオン注入は、ウエハ状態にある炭化珪素半導体基板１を傾けて行うが、その入射角度は、ウエハに垂直に注入する０度注入に対して、２０度〜６０度の範囲とし、ゲートトレンチ６の両側壁に対して注入を行う。不純物濃度は５×１０１５ｃｍ−３以上１×１０１８ｃｍ−３以下とする。ここではエッチングマスクＲＭ１を用いる例を挙げたが、エッチングマスクＲＭ１を除去した後にウエハ全面にイオン注入を行っても良い。
なお、ドリフト層３の不純物濃度は１×１０１４ｃｍ−３以上１×１０１７ｃｍ−３以下として説明したが、電流拡散領域１９は上記不純物濃度の範囲においてドリフト層３の不純物濃度よりも高くなるように形成される。
電流拡散領域１９を形成した後は、図１０を用いて説明したように、ゲートトレンチ６のうち、側壁ウェル接続層１２が設けられる側壁を含む部分のみに開口部ＯＰ１１が設けられたパターンを有し、壁ウェル接続層１２が設けられない側壁を含む部分には開口部が設けられていないイオン注入マスクを用いてゲートトレンチ６の一方の側壁およびトレンチ底面電界緩和領域１３の一方の側面に接する側壁ウェル接続層１２を形成すれば良い。
ドリフト層３よりも不純物濃度が高い電流拡散領域１９を設けることで、ＭＯＳＦＥＴのオン状態において、電流拡散領域１９を設けていないドリフト層３の領域は、電流拡散領域１９よりも高抵抗となるため、電流はより低抵抗な電流拡散領域１９に優先的に流れ、結果としてオン抵抗を低減することが可能となる。電流拡散領域１９を設ける場合、高濃度ドープ層１４は形成されていても良いし、されていなくとも良い。
なお、図１６〜図１８においては電流拡散領域１９の外縁がトレンチ底面電界緩和領域１３の両方の側面を越えるように配設された例を示したが、トレンチ底面電界緩和領域１３のどちらか一方の側面だけを越えるように配設しても良い。
＜変形例２＞
図２に示した実施の形態１のトレンチゲート型ＭＯＳＦＥＴ１００の平面構成においては、側壁ウェル接続層１２がゲートトレンチ６の一方の側壁側だけに配置された構成を示したが、図２０に示すトレンチゲート型ＭＯＳＦＥＴ１００Ｂのように、ゲートトレンチ６の両方の側壁側に交互に配置された構成としても良い。これにより、チャネル面の面積がゲートトレンチ６の両方の側壁で同じとなり、側壁ウェル接続層１２をゲートトレンチ６の一方の側壁側だけに配置する場合よりも、チャネルに流れる電流のバランスが改善される。
また、図２１に示すトレンチゲート型ＭＯＳＦＥＴ１００Ｃのように、側壁ウェル接続層１２がゲートトレンチ６の両方の側壁側に配置された構成としても良い。図２２は図２１のＥ−Ｅ線での矢視断面図である。このように、ゲートトレンチ６の両方の側壁側に側壁ウェル接続層１２を配置することで、側壁ウェル接続層１２の個数が２倍となり、ＭＯＳＦＥＴのスイッチング動作時にトレンチ底面電界緩和領域１３とドリフト層３により形成されるｐｎ接合の充放電用の電流経路がより広くなり、より確実にスイッチング損失を低減できる。チャネル面の面積がゲートトレンチ６の両方の側壁で同じとなり、側壁ウェル接続層１２をゲートトレンチ６の一方の側壁側だけに配置する場合よりも、チャネルに流れる電流のバランスが改善される。このとき、ゲートトレンチ６の両方の側壁側に形成される側壁ウェル接続層１２の濃度は同じであっても良いし、異なっても良い。
なお、側壁ウェル接続層１２の配設パターンは上記に限定されるものではなく、ＭＯＳＦＥＴの動作に支障を来さないのであれば、側壁ウェル接続層１２の配設パターンは限定されない。
＜変形例３＞
図２に示した実施の形態１のトレンチゲート型ＭＯＳＦＥＴ１００の平面構成においては、活性領域３０内のユニットセル３１を、平面視において連続したストライプ状としたが、これに限定されるものではない。例えば、ゲートトレンチ６の平面視形状を格子状としても良いし、隣り合うゲートトレンチ６どうしが部分的に繋がった梯子状またはＴ字状としても良い。また、ゲートトレンチ６は部分的に多角形を有していても良いし、波打ち形状であっても良い。
＜変形例４＞
また、本実施の形態１では、ドリフト層３の主面は、［１１−２０］軸方向に傾斜するオフ角θを有する（０００１）面としたが、［１１−２０］軸方向へ傾斜するオフ角θを有する（０００−１）面としても、同様の効果を奏するトレンチゲート型ＭＯＳＦＥＴを得ることができる。また、ドリフト層３の表面は、（１−１００）面、（０３−３８）面であっても良いことは言うまでもない。
＜変形例５＞
また、実施の形態１では、オフ方向に平行な方向に延在するストライプ状のゲートトレンチ６の側壁に側壁ウェル接続層１２を設けた構成を示したが、オフ方向と垂直な方向に延在するストライプ状のゲートトレンチ６の側壁に側壁ウェル接続層１２を設けても良い。この場合もチャネル密度の大幅な低下を招くことはなく、オン抵抗を低減することができる。
＜変形例６＞
また、実施の形態１では、側壁ウェル接続層１２を形成する方法の一例として傾斜イオン注入を用いたが、トレンチ底面電界緩和領域１３は、トレンチ側壁への傾斜イオン注入に際しての反射イオンが追加注入された濃度分布を有しても良い。すなわち、トレンチ側壁に対して傾斜イオン注入することで、トレンチ側壁で反射されたイオンがトレンチ底面にも注入されることで、トレンチ底面電界緩和領域１３にｐ型不純物が追加される。トレンチ側壁で反射されるイオン量は、トレンチ側壁に傾斜イオン注入されるイオン量に対して、数％〜１０％程度となる。また、このとき、トレンチ底面電界緩和領域１３の不純物濃度は側壁ウェル接続層１２に近づくにつれ高くなる。これは、トレンチ側壁に近いほど、トレンチ側壁で反射して注入されるイオン量が多くなるためである。トレンチ底面電界緩和領域１３の一部の不純物濃度が高いことによって、より低抵抗なｐｎ接合の充放電用の電流経路が確保され、スイッチング損失を低減することができる。
＜実施の形態２＞
次に、図２３〜図２５を用いて、本発明に係る実施の形態２のトレンチゲート型ＭＯＳＦＥＴ２００について説明する。なお、図２３〜図２５は、図２〜図４に対応する図面であり、図２〜図４と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。なお、図２４は図２３のＦ−Ｆ線での矢視断面図であり、図２５は図２３のＧ−Ｇ線での矢視断面図である。
図２３に示されるように、実施の形態２のトレンチゲート型ＭＯＳＦＥＴ２００においては、側壁ウェル接続層１２が隣接するウェルコンタクト領域１５に接続されるように配置されていることを特徴とする。
すなわち、図２４に示されるように、トレンチ底面電界緩和領域１３の側面とゲートトレンチ６の側壁の一部に接するように設けられた側壁ウェル接続層１２は、ウェル領域４に接すると共にウェルコンタクト領域１５にも接するように配置されている。
このように、側壁ウェル接続層１２が低抵抗なウェルコンタクト領域１５に接しているため、ウェル領域４のみに接する場合よりも、ＭＯＳＦＥＴのスイッチング時に、トレンチ底面電界緩和領域１３とドリフト層３により形成されるｐｎ接合から流れる変位電流の電流経路の経路抵抗が低減される。その結果、より高速スイッチングで低スイッチング損失のＭＯＳＦＥＴを実現できる。
なお、実施の形態１においてウェル領域４は１×１０１６ｃｍ−３以上３×１０１９ｃｍ−３以下の不純物濃度を有するように形成され、側壁ウェル接続層１２の不純物濃度は、５×１０１６ｃｍ−３以上１×１０２０ｃｍ−３以下となるように形成されるものとして説明したが、上記不純物濃度の範囲において、側壁ウェル接続層１２の不純物濃度は、ウェル領域４の不純物濃度よりも高くなるように、例えば、１×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下の範囲で形成される。これにより、側壁ウェル接続層１２がウェルコンタクト領域１５に接していると言うことができる。
＜変形例１＞
側壁ウェル接続層１２は必ずしも１つのウェルコンタクト領域１５に接続されている必要はなく、複数のウェルコンタクト領域１５に接続される構成としても良い。
すなわち、図２６に示されるトレンチゲート型ＭＯＳＦＥＴ２００Ａのように、側壁ウェル接続層１２は平面視においてゲートトレンチ６の延在方向に隣り合う２つのウェルコンタクト領域１５間に渡るように設けられ、当該２つのウェルコンタクト領域１５に接続される構成としても良い。
接続されるウェルコンタクト領域１５の個数を増すことで、トレンチ底面電界緩和領域１３とドリフト層３により形成されるｐｎ接合から流れる変位電流の電流経路が増え、経路抵抗がより低減し、スイッチング損失がさらに低減する。
＜変形例２＞
側壁ウェル接続層１２は２層構造を有していても良い。すなわち、図２７に示されるトレンチゲート型ＭＯＳＦＥＴ２００Ｂのように、側壁ウェル接続層１２は、ゲートトレンチ６に接するように不純物濃度が高いｐ型の第１の側壁ウェル層１２ａ（第１の接続層）が形成され、側壁ウェル層１２ａの外側には不純物濃度が第１の側壁ウェル層１２ａよりも低いｐ型の第２の側壁ウェル層１２ｂ（第２の接続層）が形成され、第１の側壁ウェル層１２ａと第２の側壁ウェル層１２ｂとで、２層構造の側壁ウェル接続層１２が構成されている。なお、第１の側壁ウェル層１２ａの一部はソース領域５に接し、第２の側壁ウェル層１２ｂの一部はウェルコンタクト領域１５に接している。
このように、側壁ウェル接続層１２のうち第１の側壁ウェル層１２ａの不純物濃度が高いため、より低抵抗のｐｎ接合の充放電用の電流経路が確保され、スイッチング損失を低減することができる。また、第２の側壁ウェル層１２ｂの不純物濃度が低いため、オフ時において側壁ウェル接続層１２とドリフト層３との間に形成されるｐｎ接合にかかる電界を緩和させることができ、アバランシェ耐圧を向上させることができる。なお、第１の側壁ウェル層１２ａおよび第２の側壁ウェル層１２ｂの不純物濃度は、５×１０１６ｃｍ−３以上１×１０２０ｃｍ−３以下、より望ましくは、１×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下の範囲で、上記高低関係を満たすようにそれぞれ設定される。
なお、第１の側壁ウェル層１２ａおよび第２の側壁ウェル層１２ｂは、傾斜イオン注入で、ｐ型不純物のドーズ量と注入エネルギーを変えることで形成することができる。すなわち、高い注入エネルギーで、低いドーズ量でｐ型不純物を傾斜イオン注入することで第２の側壁ウェル層１２ｂを形成し、低い注入エネルギーで、高いドーズ量でｐ型不純物を傾斜イオン注入することで第１の側壁ウェル層１２ａを形成することができる。
＜変形例３＞
２層構造の側壁ウェル接続層１２としては、図２７に示したような同じ導電型での２層構造に限定されず、異なる導電型での２層構造としても良い。すなわち、図２８に示されるように、側壁ウェル接続層１２は、ゲートトレンチ６に接するように不純物濃度が高いｎ型の第１の側壁ウェル層１２ｃ（第１の接続層）が形成され、第１の側壁ウェル層１２ｃの外側には、不純物濃度が第１の側壁ウェル層１２ｃよりも低い、ｐ型の第２の側壁ウェル層１２ｄ（第２の接続層）が形成され、第１の側壁ウェル層１２ｃと第２の側壁ウェル層１２ｄとで、２層構造の側壁ウェル接続層１２が構成されている。なお、第１の側壁ウェル層１２ｃの一部はソース領域５に接し、第２の側壁ウェル層１２ｄの一部はソース領域５およびウェルコンタクト領域１５に接している。
このように、側壁ウェル接続層１２のうち第１の側壁ウェル層１２ｃの不純物濃度が高いため、より低抵抗のｐｎ接合の充放電用の電流経路が確保することができる。
なお、第１の側壁ウェル層１２ｃおよび第２の側壁ウェル接続層１２ｄの不純物濃度は、５×１０１６ｃｍ−３以上１×１０２０ｃｍ−３以下、より望ましくは、１×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下の範囲で、上記高低関係を満たすようにそれぞれ設定される。
なお、第１の側壁ウェル層１２ｃおよび第２の側壁ウェル層１２ｄは、傾斜イオン注入で、ｐ型不純物をイオン注入して第２の側壁ウェル層１２ｄを側壁ウェル接続層１２全体に形成した後、ｎ型不純物をｐ型不純物以上のドーズ量で傾斜イオン注入して第１の側壁ウェル層１２ｃを形成する。この際の傾斜イオン注入は、傾斜注入角を第２の側壁ウェル層１２ｄの形成時よりも小さくして、トレンチ側壁のごく浅くに第１の側壁ウェル層１２ｃが形成されるようにすることで、トレンチ底面電界緩和領域１３の上層部にも傾斜した第１の側壁ウェル層１２ｃが形成されることとなる。
＜実施の形態３＞
次に、図２９および図３０を用いて、本発明に係る実施の形態３のトレンチゲート型ＭＯＳＦＥＴ３００について説明する。なお、図２９および図３０は、図２３および図２５に対応する図面であり、図２３および図２５と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。なお、図３０は図２９のＨ−Ｈ線での矢視断面図である。
図２９に示されるように、実施の形態３のトレンチゲート型ＭＯＳＦＥＴ３００においては、ソースコンタクト１６の開口部の平面視形状は、平面視においてゲートトレンチ６の延在方向に隣り合う２つのウェルコンタクト領域１５を含むように設けられた短冊状（長方形）となっている。
また、トレンチゲート型ＭＯＳＦＥＴ３００においては、図３０に示されるようにソースコンタクト１６が形成されない領域が存在することになるが、当該領域の活性領域３０内における面積比が、ＭＯＳＦＥＴの動作に支障を来さない程度に設定すれば問題はない。また、この条件を満たすのであれば、ソースコンタクト１６の開口部の平面視形状に限定はなく、均一な直径の円形であっても、均一な幅の四角形などであっても良い。
＜実施の形態４＞
次に、図３１〜図３３を用いて、本発明に係る実施の形態４のトレンチゲート型ＭＯＳＦＥＴ４００について説明する。なお、図３１〜図３３は、図２３〜図２５に対応する図面であり、図２３〜図２５と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。なお、図３２は図３１のＩ−Ｉ線での矢視断面図であり、図３３は図３１のＪ−Ｊ線での矢視断面図である。
図３２に示されるように、実施の形態４のトレンチゲート型ＭＯＳＦＥＴ４００においては、一部のゲートトレンチ６では、内部にゲート絶縁膜７およびゲート電極８を設けず、内壁面をショットキー電極１８で覆ったことを特徴とする。このような内部にゲート絶縁膜７およびゲート電極８を有さず内壁面をショットキー電極１８で覆ったゲートトレンチ６を第２のゲートトレンチと呼称し、内部にゲート絶縁膜７およびゲート電極８を有するゲートトレンチ６を第１のゲートトレンチと呼称する。
そして、図３２に示されるように、ショットキー電極１８はゲートトレンチ６の底部でトレンチ底面電界緩和領域１３に接しており、トレンチ底面電界緩和領域１３は側壁ウェル接続層１２を介してソースコンタクト１６に接続されている。
ソースコンタクト１６の底部には、ショットキー電極１８で内壁面が覆われたゲートトレンチ６（第２のゲートトレンチ）が存在し、ショットキー電極１８で囲まれた領域内にはソース電極１０が埋め込まれている。なお、ショットキー電極１８は、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉなどをスパッタリング法などで形成することで得られる。
炭化珪素ＭＯＳＦＥＴにおいては、ウェル領域４およびトレンチ底面電界緩和領域１３とドリフト層３により形成されるｐｎダイオードに対し、例えばリカバリ動作時などにリカバリ電流として大電流がｐｎダイオードに流れてバイポーラ動作するような状態になった場合に、ドリフト層３内の結晶欠陥が拡張し、結果として、動作特性が劣化する可能性がある。
しかし、トレンチゲート型ＭＯＳＦＥＴ４００においては、ウェル領域４およびトレンチ底面電界緩和領域１３とドリフト層３により形成されるｐｎダイオードをオンさせることなく、ショットキー電極１８を介してリカバリ電流をユニポーラ電流として流すことができる。すなわち、ソース電極１０に対してドレイン電極１１に低い電圧、すなわちＭＯＳＦＥＴに逆起電圧が印加された状態では、ソース電極１０からドレイン電極１１に向かって還流電流が流れる。この状態では、トレンチ底面電界緩和領域１３とショットキー電極１８の接触部に形成されるショットキー接合に順方向の電界（順バイアス）が印加され、ショットキー電極１８からトレンチ底面電界緩和領域１３に向かってリカバリ電流として電子電流であるユニポーラ電流を流すことができる。この結果、結晶欠陥が拡張せず、動作特性が劣化することを抑制できる。
なお、ソース電極１０に対してドレイン電極１１に高い電圧が印加され、かつゲート電極８にしきい値以上の正の電圧が印加されている場合は、いわゆるオン状態であり、このオン状態では、チャネル領域に反転チャネルが形成され、キャリアである電子が流れる経路が形成される。一方、ショットキー電極１８とトレンチ底面電界緩和領域１３の接触部に形成されるショットキー接合には、電流の流れにくい方向、すなわち逆方向の電界（逆バイアス）が印加されているため、電流は流れない。このように、ショットキー電極１８とトレンチ底面電界緩和領域１３とで構成されるショットキーバリアダイオードは、リカバリダイオード（環流ダイオード）として機能する。
また、ショットキー電極１８が形成されているゲートトレンチ６の底面下に形成されたトレンチ底面電界緩和領域１３により、ＭＯＳＦＥＴのオフ時においてショットキー電極１８に印加される電界を緩和させることができる。また、側壁ウェル接続層１２によってトレンチ底面電界緩和領域１３がウェル領域４に電気的に接続されているため、スイッチング動作時にトレンチ底面電界緩和領域１３とドリフト層３により形成されるｐｎ接合の充放電用の電流経路が確保され、当該ｐｎ接合で形成される空乏層のスイッチング動作時の応答速度が早くなり、スイッチング損失を低減することができる。
さらに、側壁ウェル接続層１２はトレンチ側壁の一部にのみ形成されるため、ＭＯＳＦＥＴとして機能するチャネル密度を保ちつつ、かつショットキーダイオードとして機能するショットキー電極密度も確保できるので、大電流をスイッチングするような場合のリカバリ動作に対しても、１つのショットキー電極１８に流れるリカバリ電流を低減することができ、ＭＯＳＦＥＴの劣化を防ぐことができる。
＜変形例＞
本実施の形態においても、図１６〜図１８を用いて説明したように、側壁ウェル接続層１２およびトレンチ底面電界緩和領域１３に隣接し、少なくともトレンチ底面電界緩和領域１３を覆うように設けられたｎ型の電流拡散領域１９を設けても良い。
電流拡散領域１９を設けることで、オン抵抗をより低減することができ、かつショットキー電極１８へのリカバリ電流による損失を低減することができる。
＜実施の形態５＞
次に、図３４を用いて、本発明に係る実施の形態５のトレンチゲート型ＭＯＳＦＥＴ５００について説明する。なお、図３４は、図２４に対応する図面であり、図２４と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。なお、図３４は図２３のＦ−Ｆ線での矢視断面図に対応する。
図３４に示されるように、実施の形態５のトレンチゲート型ＭＯＳＦＥＴ５００においては、ドリフト層３の奥深く、炭化珪素半導体基板１の一方の主面の近傍にまで達するように、側壁ウェル接続層１２およびトレンチ底面電界緩和領域１３が形成されている。側壁ウェル接続層１２およびトレンチ底面電界緩和領域１３は、ｐ型ピラー（第２導電型のピラー）を構成し、隣り合うｐ型ピラーの間のドリフト層３が、ｎ型ピラー（第１導電型のピラー）を構成することで、スーパージャンクション構造となる。
このように、ドリフト層３の深い位置にまで達する側壁ウェル接続層１２およびトレンチ底面電界緩和領域１３によるｐ型ピラーを設けてスーパージャンクション構造とすることで、ドリフト層３の不純物濃度を高濃度にすることができ、オン抵抗を低減することができる。
すなわち、ドリフト層３の導電型をｎ型とした場合、トレンチゲート型ＭＯＳＦＥＴ５００の表面に存在するｐｎ接合面もしくは金属接合面から広がる空乏層の他に、ｐ型ピラー層とｎ型ピラー層との間のｐｎ接合面からも空乏層が広がる。つまり、ドリフト層３にはピラー層の深さと同じだけの空乏層が形成されることとなる。これにより、ｎ型ピラー層の不純物濃度、すなわちドリフト層３の不純物濃度を高濃度にした場合でも、ｐ型ピラー層の不純物濃度と釣り合い、ｎ型ピラー層内が完全に空乏化することとなり、耐圧を維持することができる。この結果、トレンチゲート型ＭＯＳＦＥＴ５００の耐圧とオン抵抗のトレードオフ関係が劇的に改善し、ドリフト抵抗を低くすることができるので、オン抵抗を低減することができる。
＜他の適用例＞
以上説明した本発明に係る実施の形態１〜５においては、本発明をＭＯＳＦＥＴに適用した例を示したが、本発明の適用はＭＯＳＦＥＴに限られるものではない。例えば、炭化珪素半導体基板１を除去し、代わりに、ドリフト層３の裏面にｐ型の不純物を導入してｐ型の不純物層（第３の半導体層）を形成して得られたＩＧＢＴ、または炭化珪素半導体基板１としてｐ型の基板を用いることによって得られたＩＧＢＴに適用することができ、ＭＯＳＦＥＴの場合と同様の効果を奏する。この場合、ソース領域５がＩＧＢＴのエミッタ領域に相当し、ドレイン電極１１がＩＧＢＴのコレクタ電極に相当する。
また、実施の形態１〜５においては、半導体装置として炭化珪素半導体装置について説明したが、その他の半導体材料を用いても良い。半導体材料としては、例えば、Ｓｉ（Silicon）、炭化珪素以外のワイドバンドギャップ材料が挙げられる。
炭化珪素以外のワイドバンドギャップ材料としては、Ｇａ２Ｏ３、ＧａＮ（Gallium Nitride）およびダイヤモンドが挙げられる。
炭化珪素等のワイドバンドギャップ材料を用いた半導体装置は、特に、高温、高耐圧での用途が期待されている。高温下においては、絶縁膜の信頼性が低下しやすく、本実施の形態を適用する効果が大きい。また、高耐圧化においては、絶縁膜に印加される電圧も大きくなり、本実施の形態を適用する効果が大きい。
また、炭化珪素半導体装置では、ゲート絶縁膜７と炭化珪素層であるドリフト層３とのＭＯＳ界面に発生する電子トラップがＳｉ半導体装置に比べて多いことが知られており、ＭＯＳ界面およびゲート絶縁膜７の信頼性がＳｉ半導体装置に比べて低い。そのため、ゲート絶縁膜７に印加される電界を低減できる本実施の形態を適用する効果が大きい。
＜実施の形態６＞
本実施の形態は、上述した実施の形態１〜５に係る半導体装置を電力変換装置に適用したものである。実施の形態１〜５に係る半導体装置は、特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態６として、三相のインバータへ適用した場合について説明する。
図３５は、本実施の形態に係る電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。
図３５に示す電力変換システムは、電源８００、電力変換装置６００、負荷７００で構成される。電源８００は、直流電源であり、電力変換装置６００に直流電力を供給する。電源８００は種々のもので構成することが可能であり、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成することができ、また、交流系統に接続された整流回路やＡＣ／ＤＣコンバータで構成しても良い。また、電源８００を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータによって構成しても良い。
電力変換装置６００は、電源８００と負荷７００の間に接続された三相のインバータであり、電源８００から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷７００に交流電力を供給する。電力変換装置６００は、図３５に示すように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路６０１と、主変換回路６０１の各スイッチング素子を駆動する駆動信号を出力する駆動回路６０２と、駆動回路６０２を制御する制御信号を駆動回路６０２に出力する制御回路６０３とを備えている。
負荷７００は、電力変換装置６００から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷７００は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車、電気自動車、鉄道車両、エレベーター、もしくは、空調機器向けの電動機として用いられる。
以下、電力変換装置６００の詳細を説明する。主変換回路６０１は、スイッチング素子と還流ダイオードを備えており（図示せず）、スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源８００から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷７００に供給する。主変換回路６０１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態に係る主変換回路６０１は２レベルの三相フルブリッジ回路であり、６つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された６つの還流ダイオードで構成することができる。主変換回路６０１の各スイッチング素子には、上述した実施の形態１〜５の何れかに係る半導体装置を適用する。６つのスイッチング素子は２つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路６０１の３つの出力端子は、負荷７００に接続される。


駆動回路６０２は、主変換回路６０１のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路６０１のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路６０３からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号（オン信号）であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧未満の電圧信号（オフ信号）となる。
制御回路６０３は、負荷７００に所望の電力が供給されるよう主変換回路６０１のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷７００に供給すべき電力に基づいて主変換回路６０１の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間（オン時間）を算出する。例えば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するＰＷＭ制御によって主変換回路６０１を制御することができる。そして、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるよう、駆動回路６０２に制御指令（制御信号）を出力する。駆動回路６０２は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号またはオフ信号を駆動信号として出力する。
本実施の形態に係る電力変換装置では、主変換回路６０１のスイッチング素子として実施の形態１〜５の何れかに係る半導体装置を適用するため、スイッチング素子がオフ状態のときにゲートトレンチ底面に印加される電界を緩和できる。また、側壁ウェル接続層１２によりトレンチ底面電界緩和領域１３とウェル領域４が電気的に接続されるので、トレンチ底面電界緩和領域１３とドリフト層３により形成されるｐｎ接合の充放電用の電流経路が確保され、スイッチング損失を低減することができる。
本実施の形態では、２レベルの三相インバータを例に採って説明したが、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、２レベルの電力変換装置としたが３レベルやマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、単相負荷に電力を供給する場合には単相のインバータに適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはＤＣ／ＤＣコンバータやＡＣ／ＤＣコンバータに適用することも可能である。
また、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機やレーザー加工機、または誘導加熱調理器や非接触器給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには太陽光発電システムや蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である。
＜最後に＞
本明細書で説明した上記の各実施の形態では、各構成要素の材質、材料、寸法、形状、相対的配置関係または実施の条件等について記載している場合があるが、これらは全ての局面において例示であって、各実施の形態が記載されたものに限られることはない。よって、例示されていない無数の変形例が、各実施の形態の範囲内において想定される。例えば、任意の構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの実施形態における少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれる。
また、矛盾が生じない限り、上記各実施形態において「１つ」備えられるものとして記載された構成要素は、「１つ以上」備えられていても良い。さらに、各構成要素は概念的な単位であって、１つの構成要素が複数の構造物で構成される場合、および１つの構成要素がある構造物の一部に対応する場合を含む。
また、本明細書における説明は、何れも、従来技術であると認めるものではない。
なお、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

Claims (18)

  1. 第１導電型の第１の半導体層と、
    前記第１の半導体層の上層部に選択的に設けられた第１導電型の第１の半導体領域と、
    前記第１の半導体層の上層部に前記第１の半導体領域に接して設けられた第２導電型の第２の半導体領域と、
    前記第１および第２の半導体領域の底面に接して設けられた第２導電型の第３の半導体領域と、
    前記第１および第３の半導体領域を厚さ方向に貫通するように複数設けられ、その底面が前記第１の半導体層内に達する、平面視でストライプ状のゲートトレンチと、
    前記ゲートトレンチの底部に接するように連続して設けられた第２導電型の電界緩和領域と、
    前記第１および第２の半導体領域の上方にコンタクト開口部を有する層間絶縁膜と、
    前記ゲートトレンチの延在方向に平行な第１の方向とは垂直な第２の方向における少なくとも一方のトレンチ側壁に接するように前記第１の半導体層内に間隔を開けて複数設けられ、前記電界緩和領域と前記第３の半導体領域とを電気的に接続する接続層と、
    前記層間絶縁膜上を覆うと共に、前記コンタクト開口部内に埋め込まれた第１の主電極と、
    前記第１の半導体層の前記第１の主電極が設けられた側とは反対の主面側に設けられた第２の主電極と、を備え、
    前記第１の半導体層は０度より大きいオフ角を有し、
    前記第１の方向は、オフ方向に平行な方向であって、
    前記接続層は、前記第１の方向に沿って互いに離隔して複数設けられ、
    前記接続層は、
    前記ゲートトレンチの前記第２の方向の一方の側壁側のみに設けられる、半導体装置。
  2. 第１導電型の第１の半導体層と、
    前記第１の半導体層の上層部に選択的に設けられた第１導電型の第１の半導体領域と、
    前記第１の半導体層の上層部に前記第１の半導体領域に接して設けられた第２導電型の第２の半導体領域と、
    前記第１および第２の半導体領域の底面に接して設けられた第２導電型の第３の半導体領域と、
    前記第１および第３の半導体領域を厚さ方向に貫通するように複数設けられ、その底面が前記第１の半導体層内に達する、平面視でストライプ状のゲートトレンチと、
    前記ゲートトレンチの底部に接するように連続して設けられた第２導電型の電界緩和領域と、
    前記第１および第２の半導体領域の上方にコンタクト開口部を有する層間絶縁膜と、
    前記ゲートトレンチの延在方向に平行な第１の方向とは垂直な第２の方向における少なくとも一方のトレンチ側壁に接するように前記第１の半導体層内に間隔を開けて複数設けられ、前記電界緩和領域と前記第３の半導体領域とを電気的に接続する接続層と、
    前記層間絶縁膜上を覆うと共に、前記コンタクト開口部内に埋め込まれた第１の主電極と、
    前記第１の半導体層の前記第１の主電極が設けられた側とは反対の主面側に設けられた第２の主電極と、を備え、
    前記第１の半導体層は０度より大きいオフ角を有し、
    前記第１の方向は、オフ方向に平行な方向であって、
    前記接続層は、前記第１の方向に沿って互いに離隔して複数設けられ、
    前記接続層は、
    前記ゲートトレンチの前記第２の方向の一方の側壁側および他方の側壁側に交互に設けられる、半導体装置。
  3. 前記第１の半導体層は炭化珪素層であり、
    前記第１の半導体層は＜１１−２０＞方向に０度より大きいオフ角を有し、
    前記ゲートトレンチの側壁面は、（１−１００）面または（−１１００）面である、請求項１または請求項２記載の半導体装置。
  4. 前記接続層は、
    前記ゲートトレンチの側壁から前記第２の方向に延在するように設けられ、その前記第２の方向の長さは、隣り合うゲートトレンチ間の長さよりも短い、請求項１から請求項３の何れか１項に記載の半導体装置。
  5. 前記接続層は、
    前記第１の方向において隣り合う接続層の配設間隔が、前記ゲートトレンチの配設間隔と同じかそれ以上に設定される、請求項１から請求項４の何れか１項に記載の半導体装置。
  6. 前記接続層は、
    前記ゲートトレンチに接するように設けられた第１の接続層と、
    前記第１の接続層よりも前記ゲートトレンチから離れた位置に設けられた第２の接続層と、を有し、
    前記第１の接続層の不純物濃度は、前記第２の接続層の不純物濃度よりも高い、請求項１から請求項５の何れか１項に記載の半導体装置。
  7. 前記接続層は、
    不純物濃度が１×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下である、請求項１から請求項６の何れか１項に記載の半導体装置。
  8. 前記接続層は、
    その前記第１の半導体層の厚み方向の長さが、０．３μｍ以上である、請求項１から請求項７の何れか１項に記載の半導体装置。
  9. 前記接続層は、
    前記ゲートトレンチに接するように設けられた第１の接続層と、
    前記第１の接続層よりも前記ゲートトレンチから離れた位置に設けられた第２の接続層と、を有し、
    前記第１および第２の接続層の導電型が第２導電型である、請求項１から請求項８の何れか１項に記載の半導体装置。
  10. 前記接続層は、その前記第１の半導体層の厚み方向の長さが、前記ゲートトレンチの側壁から前記第２の方向に遠ざかるにつれて短くなるように形成される、請求項１から請求項９の何れか１項に記載の半導体装置。
  11. 前記接続層は、前記第３の半導体領域および前記第２の半導体領域に接するように設けられる、請求項１から請求項１０の何れか１項に記載の半導体装置。
  12. 前記第１の半導体層の内部に設けられ、前記接続層および前記電界緩和領域に接する第１導電型の電流拡散領域をさらに備え、
    前記電流拡散領域は、
    不純物濃度が前記第１の半導体層よりも高く設定される、請求項１から請求項１１の何れか１項に記載の半導体装置。
  13. 前記第３の半導体領域の底面に接して設けられた第１導電型の第２の半導体層をさらに備える、請求項１から請求項１２の何れか１項に記載の半導体装置。
  14. 前記ゲートトレンチは、
    内壁面がゲート絶縁膜で覆われ、その内部にゲート電極が埋め込まれた第１のゲートトレンチと、
    内壁面がショットキー電極で覆われ、その内部に前記第１の主電極が埋め込まれた第２のゲートトレンチと、を含み、
    前記第１のゲートトレンチの上部は、前記層間絶縁膜で覆われる、請求項１から請求項１３の何れか１項に記載の半導体装置。
  15. 前記接続層は第２導電型であって、
    前記接続層と前記電界緩和領域とで第２導電型のピラーを構成し、
    隣り合う前記第２導電型のピラーの間の前記第１の半導体層が第１導電型のピラーを構成し、
    前記第１導電型のピラーと前記第２導電型のピラーとでスーパージャンクション構造を形成する、請求項１または請求項２記載の半導体装置。
  16. 前記第２の主電極と前記第１の半導体層との間に設けられた第２導電型の第３の半導体層をさらに備える、請求項１から請求項１５の何れか１項に記載の半導体装置。
  17. 前記コンタクト開口部は、
    少なくとも前記第２の方向の長さが、前記ゲートトレンチが配設された活性領域内で均一である、請求項１から請求項１６の何れか１項に記載の半導体装置。
  18. 請求項１から請求項１７の何れか１項に記載の半導体装置を有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
    前記半導体装置を駆動する駆動信号を前記半導体装置に出力する駆動回路と、
    前記駆動回路を制御する制御信号を前記駆動回路に出力する制御回路と、を備えた電力変換装置。
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