JP7002998B2 - Semiconductor devices and their manufacturing methods, power conversion devices, three-phase motor systems, automobiles, and railroad vehicles - Google Patents

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Description

本発明は、複数のパワー半導体デバイスにより構成されるパワー半導体装置およびその製造方法、電力変換装置、3相モータシステム、自動車、ならびに鉄道車両に関する。 The present invention relates to a power semiconductor device composed of a plurality of power semiconductor devices, a method for manufacturing the same, a power conversion device, a three-phase motor system, an automobile, and a railroad vehicle.

パワー半導体デバイスの一つであるパワー金属絶縁膜半導体電界効果トランジスタ(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor:MISFET)において、従来は、珪素(Si)基板を用いたパワーMISFET(以下、SiパワーMISFETと記す)が主流であった。 A power metal insulating film semiconductor field effect transistor (MISFET), which is one of the power semiconductor devices, has conventionally been a power MISFET using a silicon (Si) substrate (hereinafter referred to as Si power MISFET). Was the mainstream.

しかし、炭化珪素(SiC)基板(以下、SiC基板と記す)を用いたパワーMISFET(以下、SiCパワーMISFETと記す)はSiパワーMISFETと比較して、高耐圧化および低損失化が可能である。このため、省電力または環境配慮型のインバータ技術の分野において、特に注目が集まっている。 However, a power MISFET using a silicon carbide (SiC) substrate (hereinafter referred to as a SiC substrate) (hereinafter referred to as a SiC power MISFET) can have a higher withstand voltage and a lower loss than a Si power MISFET. .. For this reason, particular attention has been paid to the field of power-saving or environment-friendly inverter technology.

SiCパワーMISFETは、SiパワーMISFETと比較して、同耐圧ではオン抵抗の低抵抗化が可能である。これは、炭化珪素(SiC)は、珪素(Si)と比較して絶縁破壊電界強度が約7倍と大きく、ドリフト層となるエピタキシャル層を薄くできることに起因する。しかし、炭化珪素(SiC)から得られるべき本来の特性から考えると、未だ十分な特性が得られているとは言えず、エネルギーの高効率利用の観点から、更なるオン抵抗の低減が望まれている。 Compared with the Si power MISFET, the SiC power MISFET can reduce the on-resistance with the same withstand voltage. This is because silicon carbide (SiC) has a dielectric breakdown electric field strength of about 7 times larger than that of silicon (Si), and the epitaxial layer as a drift layer can be made thinner. However, considering the original characteristics that should be obtained from silicon carbide (SiC), it cannot be said that sufficient characteristics have been obtained yet, and further reduction of on-resistance is desired from the viewpoint of highly efficient use of energy. ing.

SiCパワーMISFETにおいて、4H-SiC基板の基板表面をチャネルとして用いるDMOS(Double diffused Metal Oxide Semiconductor)構造が一般的に用いられている(特許文献1)。一般に、SiC DMOSにおいてチャネル面として用いられているSi(0001)面のチャネル移動度は、Si MISFETと比較すると1/5程度と極めて低い。したがって、チャネル寄生抵抗が大きく、大きな課題であった。このチャネル寄生抵抗を下げるための有効な手段として、高チャネル移動度が得られる(11-20)面や(1-100)面の利用が検討されている。(11-20)面や(1-100)面などの高チャネル移動度の面を利用するためには、(0001)面の基板にトレンチ型構造のMOSを形成する必要がある。 In a SiC power MISFET, a DMOS (Double diffused Metal Oxide Semiconductor) structure using a substrate surface of a 4H-SiC substrate as a channel is generally used (Patent Document 1). Generally, the channel mobility of the Si (0001) plane used as the channel plane in SiC MOSFET is extremely low, about 1/5 as compared with Si MISFET. Therefore, the channel parasitic resistance was large, which was a big problem. As an effective means for reducing this channel parasitic resistance, the use of the (11-20) plane and the (1-100) plane where high channel mobility can be obtained is being studied. In order to utilize a surface with high channel mobility such as the (11-20) surface and the (1-100) surface, it is necessary to form a MOS having a trench type structure on the substrate of the (0001) surface.

特許文献2によれば、耐圧を支えるp型のボディ層を貫くように、ドリフト層までトレンチを形成し、チャネル電流が基板に対して縦方向に流れる構造が提案されている。ただし、SiCの絶縁破壊強度はSiと比較して約7倍と大きく、ブロッキング時には、トレンチ下部に形成されているゲート絶縁膜に印加される電界もSiの7倍となる。その結果、ゲート絶縁膜の絶縁耐圧を越え、絶縁破壊に至る。このブロッキング時のゲート絶縁膜破壊を回避するため、特許文献2によれば、ゲート絶縁膜電界を緩和するような構造が提案されている。ただし、特許文献2のような構造は、ドレイン電流経路を狭窄するため、寄生抵抗が大きくなり、十分な性能を得ることができない。 According to Patent Document 2, a structure is proposed in which a trench is formed up to the drift layer so as to penetrate the p + type body layer that supports the withstand voltage, and the channel current flows in the vertical direction with respect to the substrate. However, the dielectric breakdown strength of SiC is as large as about 7 times that of Si, and at the time of blocking, the electric field applied to the gate insulating film formed in the lower part of the trench is also 7 times that of Si. As a result, the withstand voltage of the gate insulating film is exceeded, resulting in dielectric breakdown. In order to avoid the destruction of the gate insulating film during blocking, Patent Document 2 proposes a structure that relaxes the gate insulating film electric field. However, in a structure like Patent Document 2, since the drain current path is narrowed, the parasitic resistance becomes large and sufficient performance cannot be obtained.

そこで、特許文献3では、トレンチがp型のボディ層から露出することなく、内部に形成する構造が開示されている。この場合、チャネル電流は基板に対して平行に流れる。ただし、ソース電極とつながるn++型の高濃度ソース拡散層がトレンチを挟んでp型のボディ層からp型のボディ層外のJFET領域まで同一層として形成されているため、高い静電ポテンシャルが、p型のボディ層から露出しているJFET領域側のn++型の高濃度ソース拡散層を介して、トレンチ側面まで到達する。その結果、ブロッキング時にトレンチ側のゲート絶縁膜に絶縁破壊を超える高い電界が印加され、破壊に至る。 Therefore, Patent Document 3 discloses a structure in which a trench is formed inside without being exposed from the p + type body layer. In this case, the channel current flows parallel to the substrate. However, since the n ++ type high concentration source diffusion layer connected to the source electrode is formed as the same layer from the p + type body layer to the JFET region outside the p + type body layer across the trench, it has high electrostatic capacity. The potential reaches the side surface of the trench via the n ++ type high concentration source diffusion layer on the JFET region side exposed from the p + type body layer. As a result, a high electric field exceeding dielectric breakdown is applied to the gate insulating film on the trench side at the time of blocking, leading to breakdown.

特許文献4では、特許文献3同様にトレンチがp型のボディ層から露出することなく、内部に形成する構造が開示されている。ただし、ソース電極とつながるn++型の高濃度ソース拡散層とは別に、トレンチを挟んでp型のボディ層からp型のボディ層外のn型のJFET領域まで、高濃度ソース拡散層よりも濃度が薄いn型の電流拡散層が形成されている。さらに、n型の電流拡散層上部には、電界を緩和するp型の電界緩和層がp型のボディ層をつながるように形成されている。このp型の電界緩和層により、n型の電流拡散層が寄生抵抗とならない程度に高濃度化することが可能となる。つまり、このp型の電界緩和層により、静電ポテンシャルのn型の電流拡散層内への侵入を抑制し、ブロッキング時にトレンチ側のゲート絶縁膜に印加されるゲート絶縁膜電界を低減することができる。結果として、低オン抵抗と高信頼性を両立することができる。 Patent Document 4 discloses a structure in which a trench is formed inside without being exposed from the p + type body layer as in Patent Document 3. However, apart from the n ++ type high concentration source diffusion layer connected to the source electrode, the high concentration source diffusion layer extends from the p + type body layer to the n type JFET region outside the p + type body layer across the trench. An n + type current diffusion layer having a lower concentration than that of the current diffusion layer is formed. Further, above the n + type current diffusion layer, a p + type electric field relaxation layer that relaxes the electric field is formed so as to connect the p + type body layer. This p + type electric field relaxation layer makes it possible to increase the concentration of the n + type current diffusion layer to such an extent that it does not become a parasitic resistance. That is, this p + type electric field relaxation layer suppresses the intrusion of the electrostatic potential into the n + type current diffusion layer, and reduces the gate insulating film electric field applied to the gate insulating film on the trench side at the time of blocking. be able to. As a result, both low on-resistance and high reliability can be achieved.

特許文献4では、ドレイン端部のn型の電流拡散層上にp型の電界緩和層を設置している。一方、特許文献5では、ソース端部でn型のソース拡散層上にp型の層を設置している。しかし、特許文献5では、耐圧を支えるp型のボディ層を貫くように、ドリフト層までトレンチが形成されており、特許文献3および4のようにトレンチをp型のボディ層で覆う構造とはなっておらず、ブロッキング時にドレイン側のトレンチ端部でゲート絶縁膜に絶縁破壊を超える高い電界が印加され、破壊に至る。 In Patent Document 4, a p + type electric field relaxation layer is provided on the n + type current diffusion layer at the drain end. On the other hand, in Patent Document 5, a p-type layer is provided on the n-type source diffusion layer at the end of the source. However, in Patent Document 5, a trench is formed up to the drift layer so as to penetrate the p-type body layer that supports the pressure resistance, and the structure in which the trench is covered with the p-type body layer as in Patent Documents 3 and 4 is At the time of blocking, a high electric field exceeding the dielectric breakdown is applied to the gate insulating film at the trench end on the drain side, leading to breakdown.

特許第6168732号公報Japanese Patent No. 6168732 特開2009-260253号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2009-260253 特開2015-32813号公報JP-A-2015-32813 国際公開第2016/116998号公報International Publication No. 2016/116998 国際公開第2016/129068号公報International Publication No. 2016/129068

しかしながら、特許文献4に開示されている技術では、チャネル長は、n++型の高濃度ソース拡散層とn型の電流拡散層の位置で決まり、露光時の2層の合わせずれによるチャネル長のばらつきが問題となる。チャネル長のばらつきは、チップ間のしきい値電圧やオン抵抗のばらつきとなり、パワーモジュール内に設置されるチップ間の性能ばらつきとなる。パワーモジュール内のチップ間で性能がばらついた場合、性能の劣るチップで高負荷が生じ、パワーモジュール内で局所的な発熱が発生し、パワーモジュールの信頼性を損なわせる。 However, in the technique disclosed in Patent Document 4, the channel length is determined by the positions of the n ++ type high-concentration source diffusion layer and the n + type current diffusion layer, and the channel length is due to the misalignment of the two layers at the time of exposure. Variation becomes a problem. The variation in the channel length becomes the variation in the threshold voltage and the on-resistance between the chips, and the variation in the performance between the chips installed in the power module. When the performance varies among the chips in the power module, a high load is generated in the chip with inferior performance, local heat generation is generated in the power module, and the reliability of the power module is impaired.

また、露光時の2層の合わせでチャネル長を決めるため、チャネル長に大きなマージンを与える必要がある。その結果、短チャネル化によるチャネル抵抗の低減が困難となる。
さらに、オン時にはソース側のトレンチ上部エッジ部分に電界が集中するため、しきい値電圧が低下し、オフリークの問題が生じる。
そこで本願発明者等は、上記の問題を解決するために、n型の電流拡散層及びp型の電界緩和層、さらにはその周辺構造を検討した。
Further, since the channel length is determined by combining the two layers at the time of exposure, it is necessary to give a large margin to the channel length. As a result, it becomes difficult to reduce the channel resistance by shortening the channel.
Further, when it is turned on, the electric field is concentrated on the upper edge portion of the trench on the source side, so that the threshold voltage is lowered and the problem of off-leakage occurs.
Therefore, in order to solve the above problems, the inventors of the present application have examined an n + type current diffusion layer, a p + type electric field relaxation layer, and a peripheral structure thereof.

本発明の目的は、チャネル長ばらつきを抑制し、短チャネル化が可能な構造とすることで、高性能かつ高信頼性を期待できるパワー半導体装置およびその製造方法を提供することにある。ひいては、当該半導体装置を用いた小型・高性能・高信頼化した電力変換装置、および当該電力変換装置を用いた3相モータシステムを提供する。さらには、当該3相モータシステムを用いた自動車および鉄道車両の軽量・高性能・高信頼化を提供する。 An object of the present invention is to provide a power semiconductor device and a method for manufacturing the same, which can be expected to have high performance and high reliability by suppressing channel length variation and having a structure capable of shortening the channel. Further, a compact, high-performance, highly reliable power conversion device using the semiconductor device, and a three-phase motor system using the power conversion device will be provided. Furthermore, it provides light weight, high performance, and high reliability of automobiles and railroad vehicles using the three-phase motor system.

本発明の半導体装置の好ましい例では、第1不純物濃度を有する第1導電型の半導体基板と、前記半導体基板の裏面側に形成されている裏面電極と、前記半導体基板上に形成されている前記第1不純物濃度よりも低い第2不純物濃度の前記第1導電型の第1領域と、前記第1導電型の第1領域内に形成され、前記半導体基板表面側に形成されている前記第1導電型とは反対の第2導電型の第2領域と、隣り合う複数の前記第2領域に挟まれ、前記第1導電型の第3領域と、前記第2導電型の第2領域内に形成されている前記第1導電型の第4領域と、前記第1導電型の第4領域と隣り合い、電気的に接続し、前記第1導電型の第4領域より低濃度の前記第1導電型の第5領域と、前記第3領域と電気的に接続し、前記第1導電型の第5領域と等しい濃度である前記第1導電型の第6領域と、前記第5領域と、前記第2領域と、および前記第6領域とに延在し、前記第2領域よりも浅く、底面が前記第2領域に接しているトレンチと、前記トレンチの内壁に形成されているゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されているゲート電極とを有することを特徴とする。
ここで等しい濃度とは、その差が±10%以内に収まることを言い、第1電流拡散層の濃度と第2電流拡散層の濃度が等しいとは、第1電流拡散層の断面でみた中央の位置における濃度と、第2電流拡散層の断面でみた中央の位置における濃度の差が、±10%以内に収まることを言う
In a preferred example of the semiconductor device of the present invention, a first conductive type semiconductor substrate having a first impurity concentration, a back surface electrode formed on the back surface side of the semiconductor substrate, and the semiconductor substrate formed on the semiconductor substrate. The first region of the first conductive type having a second impurity concentration lower than the first impurity concentration and the first region formed in the first region of the first conductive type and formed on the surface side of the semiconductor substrate. It is sandwiched between a second region of the second conductive type opposite to the conductive type and a plurality of adjacent second regions, and within the third region of the first conductive type and the second region of the second conductive type. The fourth region of the first conductive type and the fourth region of the first conductive type are adjacent to each other and electrically connected to each other, and the concentration of the first region is lower than that of the fourth region of the first conductive type. The sixth region of the first conductive type, the sixth region of the first conductive type, and the fifth region, which are electrically connected to the fifth region of the conductive type and are electrically connected to the third region and have the same concentration as the fifth region of the first conductive type. A trench extending to the second region and the sixth region, shallower than the second region, and having a bottom surface in contact with the second region, and a gate insulating film formed on the inner wall of the trench. And a gate electrode formed on the gate insulating film.
Here, the equal concentration means that the difference is within ± 10%, and the equal concentration of the first current diffusion layer and the second current diffusion layer means that the concentration is the same in the cross section of the first current diffusion layer. It means that the difference between the concentration at the position of and the concentration at the center position in the cross section of the second current diffusion layer is within ± 10%.

また、本発明の半導体装置の製造方法の好ましい例では、第1導電型のエピタキシャル層が形成されている前記第1導電型の炭化珪素半導体基板を準備し、前記エピタキシャル層内に前記第1導電型とは反対の第2導電型のボディ層を形成し、隣り合う複数の前記ボディ層に挟まれた前記第1導電型のJFET領域を形成し、前記第2導電型のボディ層内に前記第1導電型のソース領域を形成し、前記第1導電型のソース領域と隣り合い、電気的に接続し、前記第1導電型のソース領域より低濃度に前記第1導電型の第1電流拡散層を形成し、前記JFET領域と電気的に接続し、一のフォトマスクを用いて前記第1導電型の第1電流拡散層と前記第1導電型の第2電流拡散層を形成し、前記ボディ層より浅く、底面が前記ボディ層に接し、前記第1電流拡散層、前記ボディ層、および前記第2電流拡散層に側面が接して延在するトレンチを形成し、前記トレンチの内壁に絶縁膜を形成し、前記絶縁膜上にゲート電極を形成する各工程を有することを特徴とする。 Further, in a preferred example of the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the first conductive type silicon carbide semiconductor substrate on which the first conductive type epitaxial layer is formed is prepared, and the first conductive type is formed in the epitaxial layer. A second conductive type body layer opposite to the mold is formed, the first conductive type JFET region sandwiched between a plurality of adjacent body layers is formed, and the second conductive type body layer is formed. The first conductive type source region is formed, adjacent to and electrically connected to the first conductive type source region, and the first current of the first conductive type is lower in concentration than the first conductive type source region. A diffusion layer is formed, electrically connected to the JFET region, and one photomask is used to form the first conductive type first current diffusion layer and the first conductive type second current diffusion layer. A trench that is shallower than the body layer, has a bottom surface in contact with the body layer, and has side surfaces extending in contact with the first current diffusion layer, the body layer, and the second current diffusion layer, is formed on the inner wall of the trench. It is characterized by having each step of forming an insulating film and forming a gate electrode on the insulating film.

すなわち、製造方法の特徴としては、前記第1導電型の第1電流拡散層と前記第1導電型の第2電流拡散層の形成工程は、同一のフォトマスクで同時に露光して形成したレジストマスクを介して第1導電型不純物をイオン注入して同時に形成する工程である。 That is, as a feature of the manufacturing method, the resist mask formed by simultaneously exposing the first conductive type first current diffusion layer and the first conductive type second current diffusion layer with the same photomask. This is a step of simultaneously forming the first conductive type impurities by ion-implanting them.

本発明によれば、高性能かつ高信頼性のパワー半導体装置を提供することができる。ひいては、電力変換装置、3相モータシステム、自動車、および鉄道車両の高性能化を実現することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a high-performance and highly reliable power semiconductor device. As a result, it is possible to realize high performance of power conversion devices, three-phase motor systems, automobiles, and railroad vehicles.

本発明の実施の形態1による複数のSiCパワーMISFETにより構成される炭化珪素半導体装置が搭載された半導体チップの要部上面図である。FIG. 3 is a top view of a main part of a semiconductor chip on which a silicon carbide semiconductor device composed of a plurality of SiC power MISFETs according to the first embodiment of the present invention is mounted. 本発明の実施の形態1によるSiCパワーMISFETの要部鳥瞰図である。It is a bird's-eye view of the main part of the SiC power MISFET according to the first embodiment of the present invention. 実施の形態1における半導体装置の製造方法を説明する工程図である。It is a process drawing explaining the manufacturing method of the semiconductor device in Embodiment 1. FIG. 本発明の実施の形態1による炭化珪素半導体装置の製造工程を説明する炭化珪素半導体装置の要部断面図である。It is sectional drawing of the main part of the silicon carbide semiconductor device for explaining the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device according to Embodiment 1 of this invention. 図4に続く、炭化珪素半導体装置の製造工程中の図4と同じ個所の炭化珪素半導体装置の要部断面図である。Following FIG. 4, it is a cross-sectional view of a main part of the silicon carbide semiconductor device at the same position as in FIG. 4 during the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device. 図5に続く、炭化珪素半導体装置の製造工程中の図4と同じ個所の炭化珪素半導体装置の要部断面図である。Following FIG. 5, it is a cross-sectional view of a main part of the silicon carbide semiconductor device at the same position as in FIG. 4 during the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device. 図6に続く、炭化珪素半導体装置の製造工程中の図4と同じ個所の炭化珪素半導体装置の要部断面図である。Following FIG. 6, it is a cross-sectional view of a main part of the silicon carbide semiconductor device at the same position as in FIG. 4 during the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device. 図7に続く、炭化珪素半導体装置の製造工程中の図4と同じ個所の炭化珪素半導体装置の要部断面図である。Following FIG. 7, it is a cross-sectional view of a main part of the silicon carbide semiconductor device at the same position as in FIG. 4 during the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device. 図8に続く、炭化珪素半導体装置の製造工程中の要部上面図である。It is a top view of the main part in the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device following FIG. 図8に続く、炭化珪素半導体装置の製造工程中の図9(a)の切断線AA’の要部断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view of a main part of the cutting line AA'in FIG. 9A during the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device following FIG. 図8に続く、炭化珪素半導体装置の製造工程中の図9(a)の切断線BB’の要部断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view of a main part of the cutting line BB'in FIG. 9A during the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device following FIG. 図9(a)~(c)に続く、炭化珪素半導体装置の製造工程中の図4と同じ個所の炭化珪素半導体装置の要部断面図である。9 is a cross-sectional view of a main part of the silicon carbide semiconductor device at the same location as in FIG. 4 during the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device, following FIGS. 9A to 9C. 図10に続く、炭化珪素半導体装置の製造工程中の図4と同じ個所の炭化珪素半導体装置の要部断面図である。Following FIG. 10, it is a cross-sectional view of a main part of the silicon carbide semiconductor device at the same position as in FIG. 4 during the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device. 図11に続く、炭化珪素半導体装置の製造工程中の図4と同じ個所の炭化珪素半導体装置の要部断面図である。Following FIG. 11, it is a cross-sectional view of a main part of the silicon carbide semiconductor device at the same position as in FIG. 4 during the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device. 図12に続く、炭化珪素半導体装置の製造工程中の図4と同じ個所の炭化珪素半導体装置の要部断面図である。Following FIG. 12, it is a cross-sectional view of a main part of the silicon carbide semiconductor device at the same position as in FIG. 4 during the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device. 図13に続く、炭化珪素半導体装置の製造工程中の図4と同じ個所の炭化珪素半導体装置の要部断面図である。Following FIG. 13, it is a cross-sectional view of a main part of the silicon carbide semiconductor device at the same position as in FIG. 4 during the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device. 図14に続く、炭化珪素半導体装置の製造工程中の図4と同じ個所の炭化珪素半導体装置の要部断面図である。Following FIG. 14, it is a cross-sectional view of a main part of the silicon carbide semiconductor device at the same position as in FIG. 4 during the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device. 図15に続く、炭化珪素半導体装置の製造工程中の図4と同じ個所の炭化珪素半導体装置の要部断面図である。Following FIG. 15, it is a cross-sectional view of a main part of the silicon carbide semiconductor device at the same position as in FIG. 4 during the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device. 図16に続く、炭化珪素半導体装置の製造工程中の図4と同じ個所の炭化珪素半導体装置の要部断面図である。Following FIG. 16, it is a cross-sectional view of a main part of the silicon carbide semiconductor device at the same position as in FIG. 4 during the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device. 本発明の実施の形態2によるSiCパワーMISFETの要部鳥瞰図である。It is a bird's-eye view of the main part of the SiC power MISFET according to the second embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態2によるSiCパワーMISFETの要部断面図である。It is sectional drawing of the main part of the SiC power MISFET according to Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2による炭化珪素半導体装置の製造工程を説明する炭化珪素半導体装置の要部断面図である。It is sectional drawing of the main part of the silicon carbide semiconductor device explaining the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態3によるSiCパワーMISFETの要部鳥瞰図である。It is a bird's-eye view of the main part of the SiC power MISFET according to the third embodiment of the present invention. 図21に続く、炭化珪素半導体装置の製造工程中の要部上面図である。It is a top view of the main part in the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device following FIG. 図21に続く、炭化珪素半導体装置の製造工程中の図22(a)の切断線AA’の要部断面図である。FIG. 21 is a cross-sectional view of a main part of the cutting line AA'in FIG. 22A during the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device, following FIG. 21. 図21に続く、炭化珪素半導体装置の製造工程中の図22(a)の切断線BB’の要部断面図である。FIG. 21 is a cross-sectional view of a main part of the cutting line BB'in FIG. 22A during the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device following FIG. 21. 本発明の実施の形態3による図22(a)の切断線AA’位置の炭化珪素半導体装置の製造工程を説明する炭化珪素半導体装置の要部断面図である。It is sectional drawing of the main part of the silicon carbide semiconductor device explaining the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device at the cutting line AA'position of FIG. 22A according to the third embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態3による図22(a)の切断線BB’位置の炭化珪素半導体装置の製造工程を説明する炭化珪素半導体装置の要部断面図である。It is sectional drawing of the main part of the silicon carbide semiconductor device explaining the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device at the cutting line BB'position of FIG. 22A according to the third embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態4による実施の形態1~3何れかを搭載した電力変換装置(インバータ)の回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram of a power conversion device (inverter) equipped with any one of the first to third embodiments according to the fourth embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態5による実施の形態1~3何れかを搭載した電力変換装置(インバータ)の回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram of a power conversion device (inverter) equipped with any one of the first to third embodiments according to the fifth embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態6による実施の形態4,5何れかを搭載した電気自動車の構成図である。It is a block diagram of the electric vehicle which carries any of Embodiments 4 and 5 according to Embodiment 6 of this invention. 本発明の実施の形態6による実施の形態4,5何れかを搭載した昇圧コンバータの回路図である。It is a circuit diagram of the boost converter which carries out any of Embodiments 4 and 5 according to Embodiment 6 of this invention. 本発明の実施の形態7による実施の形態4,5何れかを搭載した鉄道車両の構成図である。It is a block diagram of the railroad vehicle which carries any of Embodiments 4 and 5 according to Embodiment 7 of this invention.

以下の実施の形態において、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。 In the following embodiments, where it is necessary for convenience, the description will be divided into a plurality of sections or embodiments, but unless otherwise specified, they are not unrelated to each other, one of which is the other. It is related to some or all of the modified examples, details, supplementary explanations, etc.

また、以下の実施の形態で用いる図面においては、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。また、以下の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。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。 Further, in the drawings used in the following embodiments, hatching may be added to make the drawings easier to see even if they are plan views. Further, in all the drawings for explaining the following embodiments, those having the same function are designated by the same reference numerals in principle, and the repeated description thereof will be omitted. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

≪炭化珪素半導体装置≫
本発明の実施の形態1による炭化珪素半導体装置の構造について図1および図2を用いて説明する。図1は複数のSiCパワーMISFETにより構成される炭化珪素半導体装置が搭載された半導体チップの要部上面図、図2はSiCパワーMISFETの要部鳥瞰図である。炭化珪素半導体装置を構成するのはSiCパワーMISFETである。
≪Silicon carbide semiconductor device≫
The structure of the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a top view of a main part of a semiconductor chip on which a silicon carbide semiconductor device composed of a plurality of SiC power MISFETs is mounted, and FIG. 2 is a bird's-eye view of the main part of the SiC power MISFET. It is a SiC power MOSFET that constitutes a silicon carbide semiconductor device.

図1に示すように、炭化珪素半導体装置を搭載する半導体チップ1は、複数のnチャネル型のSiCパワーMISFETが並列接続されたソース配線用電極2の下方に位置するアクティブ領域(SiCパワーMISFET形成領域、素子形成領域)と、平面視において上記アクティブ領域を囲む周辺形成領域とによって構成される。周辺形成領域には、平面視において上記アクティブ領域を囲むように形成された複数のp型のフローティング・フィールド・リミッティング・リング(Floating Field Limited Ring:FLR)3と、さらに平面視において上記複数のp型のフローティング・フィールド・リミッティング・リング3を囲むように形成されたn++型のガードリング4が形成されている。 As shown in FIG. 1, the semiconductor chip 1 on which the silicon carbide semiconductor device is mounted has an active region (SiC power MISFET formation) located below the source wiring electrode 2 in which a plurality of n-channel type SiC power MISFETs are connected in parallel. It is composed of a region (region, element forming region) and a peripheral forming region surrounding the active region in a plan view. The peripheral forming region includes a plurality of p-type floating field limiting rings (FLRs) 3 formed so as to surround the active region in a plan view, and a plurality of the above-mentioned plurality in a plan view. An n ++ type guard ring 4 formed so as to surround the p-type floating field limiting ring 3 is formed.

n型の炭化珪素(SiC)エピタキシャル基板(以下、SiCエピタキシャル基板と記す)のアクティブ領域の表面側に、SiCパワーMISFETのゲート電極、n++型のソース領域、n型の第1電流拡散層、p型の第1電界緩和層、n型の第2電流拡散層、p型の第2電界緩和層、p型のボディ層、トレンチ、およびトレンチ側面のチャネル領域等が形成され、SiCエピタキシャル基板の裏面側に、SiCパワーMISFETのn型のドレイン領域が形成されている。 On the surface side of the active region of an n-type silicon carbide (SiC) epitaxial substrate (hereinafter referred to as SiC epitaxial substrate), a gate electrode of a SiC power MISFET, an n ++ type source region, and an n + type first current diffusion layer. , P + type first electric field relaxation layer, n + type second current diffusion layer, p + type second electric field relaxation layer, p + type body layer, trench, channel region on the side surface of the trench, etc. are formed. , An n + type drain region of the SiC power MISFET is formed on the back surface side of the SiC epitaxial substrate.

複数のp型のフローティング・フィールド・リミッティング・リング3をアクティブ領域の周辺に形成することにより、オフ時において、最大電界部分が順次外側のp型のフローティング・フィールド・リミッティング・リング3へ移り、最外周のp型のフローティング・フィールド・リミッティング・リング3で降伏するようになるので、炭化珪素半導体装置を高耐圧とすることが可能となる。図1では、3個のp型のフローティング・フィールド・リミッティング・リング3が形成されている例を図示しているが、これに限定されるものではない。また、n++型のガードリング4は、アクティブ領域に形成されたSiCパワーMISFETを保護する機能を有する。 By forming a plurality of p-type floating field limiting rings 3 around the active region, the maximum electric field portion sequentially shifts to the outer p-type floating field limiting ring 3 when off. Since the outermost p-type floating field limiting ring 3 yields, the silicon carbide semiconductor device can have a high withstand voltage. FIG. 1 illustrates an example in which three p-shaped floating field limiting rings 3 are formed, but the present invention is not limited thereto. Further, the n ++ type guard ring 4 has a function of protecting the SiC power MISFET formed in the active region.

アクティブ領域内に形成された複数のSiCパワーMISFET6は、平面視においてストライプパターンとなっており、それぞれのストライプパターンに接続する引出配線(ゲートバスライン)によって、全てのSiCパワーMISFETのゲート電極はゲート配線用電極8と電気的に接続している。 The plurality of SiC power MISFETs 6 formed in the active region have a stripe pattern in a plan view, and the gate electrodes of all the SiC power MISFETs are gated by the lead wiring (gate bus line) connected to each stripe pattern. It is electrically connected to the wiring electrode 8.

また、複数のSiCパワーMISFETはソース配線用電極2に覆われており、それぞれのSiCパワーMISFETのソースおよびボディ層の電位固定層はソース配線用電極2に接続されている。ソース配線用電極2は絶縁膜に設けられているソース開口部7を通じて外部配線と接続されている。ゲート配線用電極8は、ソース配線用電極2と離間して形成されており、それぞれのSiCパワーMISFETのゲート電極と接続されている。ゲート配線用電極8は、ゲート開口部5を通じて外部配線と接続されている。また、n型のSiCエピタキシャル基板の裏面側に形成されたn型のドレイン領域は、n型のSiCエピタキシャル基板の裏面全面に形成されたドレイン配線用電極(図示せず)と電気的に接続している。 Further, the plurality of SiC power MISFETs are covered with the source wiring electrodes 2, and the source and potential fixing layers of the body layers of the respective SiC power MISFETs are connected to the source wiring electrodes 2. The source wiring electrode 2 is connected to the external wiring through the source opening 7 provided in the insulating film. The gate wiring electrode 8 is formed so as to be separated from the source wiring electrode 2, and is connected to the gate electrode of each SiC power MISFET. The gate wiring electrode 8 is connected to the external wiring through the gate opening 5. Further, the n + type drain region formed on the back surface side of the n-type SiC epitaxial substrate is electrically connected to the drain wiring electrode (not shown) formed on the entire back surface of the n-type SiC epitaxial substrate. is doing.

次に、本実施の形態1によるSiCパワーMISFETの構造を、図2を用いて説明する。
図示は省略するが、炭化珪素(SiC)からなるn型のSiC基板107の表面(第1主面)上に、n型のSiC基板よりも不純物濃度の低い炭化珪素(SiC)からなるn型のエピタキシャル層101が形成されている。n型のエピタキシャル層101はドリフト層として機能する。n型のエピタキシャル層101の厚さは、例えば5~50μm程度である。
Next, the structure of the SiC power MISFET according to the first embodiment will be described with reference to FIG.
Although not shown, the surface (first main surface) of the n + type SiC substrate 107 made of silicon carbide (SiC) is made of silicon carbide (SiC) having a lower impurity concentration than the n + type SiC substrate. An n - type epitaxial layer 101 is formed. The n - type epitaxial layer 101 functions as a drift layer. The thickness of the n - type epitaxial layer 101 is, for example, about 5 to 50 μm.

エピタキシャル層101の表面から所定の深さを有して、エピタキシャル層101内にはp型のボディ層(ウェル領域)102が形成されている。隣接するp型のボディ層102の間にはn型のJFET領域124が形成されている。
図示は省略するが、p++型のボディ層電位固定領域109が形成されている。
さらに、エピタキシャル層101の表面から所定の深さを有して、p型のボディ層102内には窒素を不純物とするn++型のソース領域103が形成されている。
A p + type body layer (well region) 102 is formed in the epitaxial layer 101 having a predetermined depth from the surface of the epitaxial layer 101. An n - type JFET region 124 is formed between adjacent p + type body layers 102.
Although not shown, a p ++ type body layer potential fixing region 109 is formed.
Further, an n ++ type source region 103 having a predetermined depth from the surface of the epitaxial layer 101 and containing nitrogen as an impurity is formed in the p + type body layer 102.

型のボディ層102には、n型の第1電流拡散層122と、n型の第1電流拡散層122と同じ深さを有してn型の第2電流拡散層105が形成されている。n型の第1電流拡散層122はn++型のソース領域103と隣接し、n型の第2電流拡散層105の一部はp型のボディ層102に隣接するn型のJFET領域124へ延在している。 The p + type body layer 102 has the same depth as the n + type first current diffusion layer 122 and the n + type first current diffusion layer 122, and has the same depth as the n + type second current diffusion layer 105. Is formed. The n + type first current diffusion layer 122 is adjacent to the n ++ type source region 103, and a part of the n + type second current diffusion layer 105 is adjacent to the p + type body layer 102. It extends to the JFET region 124.

型の第1電流拡散層122上には、p型の第1電界緩和層123が形成され、n型の第2電流拡散層105上には、p型の第2電界緩和層119が形成されている。p型の第1電界緩和層123とp型の第2電界緩和層119は同じ深さを有している。 A p + type first electric field relaxation layer 123 is formed on the n + type first current diffusion layer 122, and a p + type second electric field relaxation layer 123 is formed on the n + type second current diffusion layer 105 . Layer 119 is formed. The p + type first electric field relaxation layer 123 and the p + type second electric field relaxation layer 119 have the same depth.

型の第1電流拡散層122から、p型のボディ層102を渡って、n型の第2電流拡散層105にかかるように延在するトレンチ106が形成されている。トレンチ106の底面はp型のボディ層102に接している。トレンチ106の表面には、ゲート絶縁膜110(図2では図示せず。)が形成されている。ゲート絶縁膜110上には、ゲート電極111(図2では図示せず。)が形成されている。 A trench 106 is formed extending from the n + type first current diffusion layer 122 to the p + type body layer 102 and extending over the n + type second current diffusion layer 105. The bottom surface of the trench 106 is in contact with the p + type body layer 102. A gate insulating film 110 (not shown in FIG. 2) is formed on the surface of the trench 106. A gate electrode 111 (not shown in FIG. 2) is formed on the gate insulating film 110.

型のボディ層102のエピタキシャル層101の表面からの深さ(第1深さ)は、例えば0.5~2.0μm程度である。また、n++型のソース領域103のエピタキシャル層101の表面からの深さ(第3深さ)は、例えば0.1~1μm程度である。n型の第1電流拡散層122のエピタキシャル層101の表面からの深さ(第4深さ)は、例えば0.1~1μm程度である。n型の第2電流拡散層105のエピタキシャル層101の表面からの深さは、n型の第1電流拡散層122と同一(第4深さ)である。p型の第1電界緩和層123のエピタキシャル層101の表面からの深さ(第5深さ)は、例えば0.01~0.5μm程度である。p型の第2電界緩和層119のエピタキシャル層101の表面からの深さは、p型の第1電界緩和層123と同一(第5深さ)である。 The depth (first depth) of the p + type body layer 102 from the surface of the epitaxial layer 101 is, for example, about 0.5 to 2.0 μm. The depth (third depth) of the n ++ type source region 103 from the surface of the epitaxial layer 101 is, for example, about 0.1 to 1 μm. The depth (fourth depth) of the n + type first current diffusion layer 122 from the surface of the epitaxial layer 101 is, for example, about 0.1 to 1 μm. The depth of the n + type second current diffusion layer 105 from the surface of the epitaxial layer 101 is the same as that of the n + type first current diffusion layer 122 (fourth depth). The depth (fifth depth) of the p + type first electric field relaxation layer 123 from the surface of the epitaxial layer 101 is, for example, about 0.01 to 0.5 μm. The depth of the p + type second electric field relaxation layer 119 from the surface of the epitaxial layer 101 is the same as that of the p + type first electric field relaxation layer 123 (fifth depth).

トレンチ106のエピタキシャル層101の表面からの深さ(第6深さ)は、p型のボディ層102のエピタキシャル層101の表面からの深さ(第1深さ)よりも浅く、例えば0.1~1.5μm程度である。トレンチのチャネル長に並行な方向の長さ(トレンチ長さ)は、例えば1~3μm程度である。トレンチの基板に平行な方向のチャネル幅に並行な方向の長さ(トレンチ幅)は、例えば0.1~2μm程度である。前記チャネル幅に並行な方向のトレンチ間隔は、例えば0.1~2μm程度である。図示は省略するがp++型のボディ層電位固定領域109(図8参照)のエピタキシャル層101の表面からの深さ(第2深さ)は、例えば0.1~0.5μm程度である。 The depth (sixth depth) of the trench 106 from the surface of the epitaxial layer 101 is shallower than the depth (first depth) of the p + type body layer 102 from the surface of the epitaxial layer 101, for example, 0. It is about 1 to 1.5 μm. The length in the direction parallel to the channel length of the trench (trench length) is, for example, about 1 to 3 μm. The length (trench width) in the direction parallel to the channel width in the direction parallel to the substrate of the trench is, for example, about 0.1 to 2 μm. The trench spacing in the direction parallel to the channel width is, for example, about 0.1 to 2 μm. Although not shown, the depth (second depth) of the p ++ type body layer potential fixing region 109 (see FIG. 8) from the surface of the epitaxial layer 101 is, for example, about 0.1 to 0.5 μm.

なお、「」および「」は、導電型がn型またはp型の相対的な不純物濃度を表記した符号であり、例えば「n」、「n」、「n」、「n++」の順にn型不純物の不純物濃度は高くなる。 In addition, " - " and " + " are codes indicating the relative impurity concentrations of n-type or p-type conductive type, for example, "n-" , "n", "n + ", "n ++ ". The impurity concentration of the n-type impurity increases in this order.

図示は省略するが、n型のSiC基板107の不純物濃度の好ましい範囲は、例えば1×1018~1×1021cm-3である。n型のエピタキシャル層101の不純物濃度の好ましい範囲は、例えば1×1014~1×1017cm-3である。p型のボディ層102の不純物濃度の好ましい範囲は、例えば1×1016~1×1019cm-3である。また、n++型のソース領域103の不純物濃度の好ましい範囲は、例えば1×1019~1×1021cm-3である。n型の第1電流拡散層122およびn型の第2電流拡散層105の不純物濃度の好ましい範囲は、例えば5×1016~5×1018cm-3である。p型の第1電界緩和層123およびp型の第2電界緩和層119の不純物濃度の好ましい範囲は、例えば1×1017~1×1019cm-3である。n型のJFET領域124の不純物濃度の好ましい範囲は、例えば1×1014~1×1017cm-3である。図示は省略するがp++型のボディ層電位固定領域109の不純物濃度の好ましい範囲は、例えば1×1019~1×1021cm-3の範囲である。チャネル領域はトレンチ106の表面およびトレンチ106にはさまれたp型のボディ層102の表面である。n型のJFET領域124はn型の第2電流拡散領域105とp型のボディ層102の各対にはさまれた領域である。 Although not shown, the preferred range of the impurity concentration of the n + type SiC substrate 107 is, for example, 1 × 10 18 to 1 × 10 21 cm -3 . The preferable range of the impurity concentration of the n - type epitaxial layer 101 is, for example, 1 × 10 14 to 1 × 10 17 cm -3 . The preferable range of the impurity concentration of the p + type body layer 102 is, for example, 1 × 10 16 to 1 × 10 19 cm -3 . Further, the preferable range of the impurity concentration of the n ++ type source region 103 is, for example, 1 × 10 19 to 1 × 10 21 cm -3 . The preferred range of impurity concentrations in the n + type first current diffusion layer 122 and the n + type second current diffusion layer 105 is, for example, 5 × 10 16 to 5 × 10 18 cm -3 . The preferred range of impurity concentrations in the p + type first electric field relaxation layer 123 and the p + type second electric field relaxation layer 119 is, for example, 1 × 10 17 to 1 × 10 19 cm -3 . The preferred range of impurity concentration in the n - type JFET region 124 is, for example, 1 × 10 14 to 1 × 10 17 cm -3 . Although not shown, the preferred range of the impurity concentration in the p ++ type body layer potential fixing region 109 is, for example, 1 × 10 19 to 1 × 10 21 cm -3 . The channel region is the surface of the trench 106 and the surface of the p + -shaped body layer 102 sandwiched between the trench 106. The n - type JFET region 124 is a region sandwiched between each pair of the n + type second current diffusion region 105 and the p-type body layer 102.

図示は省略するがチャネル領域上にはゲート絶縁膜110が形成され、ゲート絶縁膜110上にはゲート電極111が形成されている。 Although not shown, the gate insulating film 110 is formed on the channel region, and the gate electrode 111 is formed on the gate insulating film 110.

次に、本実施の形態1によるSiCパワーMISFETの構成の特徴を、前述の図2を用いて説明する。
前述の図2に示すように、トレンチ106の側面がチャネル領域となるため、SiCエピタキシャル層101の表面のチャネル領域と比較して高いチャネル移動度が期待できる。また、チャネル長を同一のマスクを用いて形成するn型の第1電流拡散層122とn型の第2電流拡散層105によって決めるため、特許文献4にあるような、n++型の高濃度ソース拡散層と高濃度ソース拡散層よりも濃度が薄いn型の電流拡散層の位置合わせで決まる構造と比較して、チャネル長のばらつきが小さい。その結果、チップ間のしきい値電圧やオン抵抗のばらつきが小さくすることができる。さらに、チャネル長が1層で決まるため、2層で決まる場合と比較して、チャネル長に大きなマージンを与える必要がない。その結果、短チャネル化によるチャネル抵抗の低減が可能となる。また、n型の第2電流拡散層105上だけではなく、n型の第1電流拡散層122上にもp型の第1電界緩和層123が存在するため、ソース側トレンチ上部のエッジはp型の第1電界緩和層123で覆われている。したがって、オン時にトレンチ上部エッジ部分に電界が集中しても、しきい値電圧の低下が生じず、オフリークを抑制することが出来る。
Next, the features of the configuration of the SiC power MISFET according to the first embodiment will be described with reference to FIG. 2 described above.
As shown in FIG. 2 described above, since the side surface of the trench 106 is the channel region, higher channel mobility can be expected as compared with the channel region on the surface of the SiC epitaxial layer 101. Further, since the channel length is determined by the n + type first current diffusion layer 122 and the n + type second current diffusion layer 105 formed by using the same mask, the n ++ type as described in Patent Document 4 is used. The variation in channel length is small compared to the structure determined by the alignment of the n + type current diffusion layer, which has a lower concentration than the high-concentration source diffusion layer and the high-concentration source diffusion layer. As a result, the variation in the threshold voltage and the on-resistance between the chips can be reduced. Further, since the channel length is determined by one layer, it is not necessary to give a large margin to the channel length as compared with the case where it is determined by two layers. As a result, it is possible to reduce the channel resistance by shortening the channel. Further, since the p + type first electric field relaxation layer 123 exists not only on the n + type second current diffusion layer 105 but also on the n + type first current diffusion layer 122, the upper part of the source side trench. The edge is covered with a p + type first electric field relaxation layer 123. Therefore, even if the electric field is concentrated on the upper edge portion of the trench when it is turned on, the threshold voltage does not decrease and off-leakage can be suppressed.

以上より、同一マスクでチャネル長を規定するように、n型の第1電流拡散層122とn型の第2電流拡散層105を形成し、さらにp型の第1電界緩和層123とp型の第2電界緩和層119を形成することで、チャネル長ばらつきを低減し、短チャネル化することが可能となる。また、オン時にトレンチ上部エッジ部分に電界が集中しても、しきい値電圧の低下が生じず、オフリークの問題が生じない。したがって、特許文献4にある構造と比較して、パワーモジュール内のチップ間性能ばらつきが生じず、パワーモジュール内で局所的な発熱が発生しない。さらには、しきい値電圧を高くすることができるため、スイッチング時に生じる誤点弧の問題も生じない。 From the above, the n + type first current diffusion layer 122 and the n + type second current diffusion layer 105 are formed so as to define the channel length with the same mask, and the p + type first electric field relaxation layer 123 is further formed. By forming the p + type second electric field relaxation layer 119, it is possible to reduce the variation in channel length and shorten the channel. Further, even if the electric field is concentrated on the upper edge portion of the trench when it is turned on, the threshold voltage does not decrease and the problem of off-leakage does not occur. Therefore, as compared with the structure in Patent Document 4, there is no variation in performance between chips in the power module, and local heat generation does not occur in the power module. Furthermore, since the threshold voltage can be increased, the problem of erroneous arcs that occur during switching does not occur.

≪炭化珪素半導体装置の製造方法≫
本発明の実施の形態1による炭化珪素半導体装置の製造方法について図3~図17を用いて工程順に説明する。図3は実施の形態1における半導体装置の製造方法を説明する工程図である。図4~図8、図9(b)~図17は炭化珪素半導体装置のSiCパワーMISFET形成領域(素子形成領域)の一部を拡大して示す要部断面図である。図9(a)はSiCパワーMISFETにより構成される炭化珪素半導体装置が搭載された半導体チップの要部上面図である。
<< Manufacturing method of silicon carbide semiconductor device >>
The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described in order of steps with reference to FIGS. 3 to 17. FIG. 3 is a process diagram illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment. 4 to 8 and 9 (b) to 17 are cross-sectional views of a main part of a silicon carbide semiconductor device in which a part of a SiC power MOSFET forming region (element forming region) is enlarged. FIG. 9A is a top view of a main part of a semiconductor chip on which a silicon carbide semiconductor device configured by a SiC power MISFET is mounted.

<工程P1>
まず、図4に示すように、n型の4H-SiC基板107を用意する。n型のSiC基板107には、n型不純物が導入されている。このn型不純物は、例えば窒素(N)であり、このn型不純物の不純物濃度は、例えば1×1018~1×1021cm-3の範囲である。また、n型のSiC基板107はSi面とC面との両面を有するが、n型のSiC基板107の表面はSi面またはC面のどちらでもよい。
<Process P1>
First, as shown in FIG. 4, an n + type 4H-SiC substrate 107 is prepared. An n-type impurity is introduced into the n + -type SiC substrate 107. The n-type impurity is, for example, nitrogen (N), and the impurity concentration of the n-type impurity is, for example, in the range of 1 × 10 18 to 1 × 10 21 cm -3 . Further, the n + type SiC substrate 107 has both Si and C surfaces, but the surface of the n + type SiC substrate 107 may be either the Si surface or the C surface.

次に、n型のSiC基板107の表面(第1主面)にエピタキシャル成長法により炭化珪素(SiC)のn型のエピタキシャル層101を形成する。n型のエピタキシャル層101には、n型のSiC基板107の不純物濃度よりも低いn型不純物が導入されている。n型のエピタキシャル層101の不純物濃度はSiCパワーMISFETの素子定格に依存するが、例えば1×1014~1×1017cm-3の範囲である。また、n型のエピタキシャル層101の厚さは、例えば5~50μmである。以上の工程により、n型のSiC基板107およびn型のエピタキシャル層101からなるSiCエピタキシャル基板104が形成される。 Next , an n− type epitaxial layer 101 of silicon carbide (SiC) is formed on the surface (first main surface) of the n + type SiC substrate 107 by an epitaxial growth method. An n-type impurity lower than the impurity concentration of the n + -type SiC substrate 107 is introduced into the n - type epitaxial layer 101. The impurity concentration of the n - type epitaxial layer 101 depends on the element rating of the SiC power MISFET, and is, for example, in the range of 1 × 10 14 to 1 × 10 17 cm -3 . The thickness of the n - type epitaxial layer 101 is, for example, 5 to 50 μm. By the above steps, the SiC epitaxial substrate 104 composed of the n + type SiC substrate 107 and the n− type epitaxial layer 101 is formed.

<工程P2>
次に、n型のSiC基板107の裏面(第2主面)から所定の深さ(第7深さ)を有して、n型のSiC基板107の裏面にn型のドレイン領域108を形成する。n型のドレイン領域108の不純物濃度は、例えば1×1019~1×1021cm-3の範囲である。
<Process P2>
Next, there is a predetermined depth (seventh depth) from the back surface (second main surface) of the n + type SiC substrate 107, and the n + type drain region is formed on the back surface of the n + type SiC substrate 107. Form 108. The impurity concentration of the n + type drain region 108 is, for example, in the range of 1 × 10 19 to 1 × 10 21 cm -3 .

次に、図5に示すように、n型のエピタキシャル層101の表面上に、マスクM11を形成する。マスクM11の厚さは、例えば1.0~3.0μm程度である。素子形成領域におけるマスクM1の幅は、例えば1.0~5.0μm程度である。マスク材料としては無機材料のSiO膜、Si膜、SiN膜や有機材料のレジスト膜、ポリイミド膜を用いることができる。 Next, as shown in FIG. 5 , a mask M11 is formed on the surface of the n− type epitaxial layer 101. The thickness of the mask M11 is, for example, about 1.0 to 3.0 μm. The width of the mask M1 in the element forming region is, for example, about 1.0 to 5.0 μm. As the mask material, an inorganic material SiO 2 film, Si film, SiN film, an organic material resist film, and a polyimide film can be used.

次に、マスクM11越しに、n型のエピタキシャル層101にp型不純物、例えばアルミニウム原子(Al)をイオン注入する。これにより、n型のエピタキシャル層101の素子形成領域にp型のボディ層102を形成する。また、隣接するp型のボディ層102間にはマスクM11でイオン注入を遮蔽することでJFET領域124を形成する。なお、図示は省略するが、同時に素子形成領域周辺にp型のフローティング・フィールド・リミッティング・リング3を形成する。終端部の構造としては、これに限定されるものではなく、例えばジャンクション・ターミネーション・エクステンション(Junction Termination Extension:JTE)構造であってもよい。 Next, a p-type impurity, for example, an aluminum atom (Al), is ion-implanted into the n - type epitaxial layer 101 through the mask M11. As a result, the p + type body layer 102 is formed in the element forming region of the n type epitaxial layer 101. Further, a JFET region 124 is formed by shielding ion implantation with a mask M11 between adjacent p + type body layers 102. Although not shown, a p + type floating field limiting ring 3 is formed around the element forming region at the same time. The structure of the terminal portion is not limited to this, and may be, for example, a junction termination extension (JTE) structure.

型のボディ層102のエピタキシャル層101の表面からの深さ(第1深さ)は、例えば0.5~2.0μm程度である。また、p型のボディ層102の不純物濃度は、例えば1×1016~1×1019cm-3の範囲である。また、p型のボディ層102の最大不純物濃度は、例えば1×1017~1×1019cm-3の範囲である。 The depth (first depth) of the p + type body layer 102 from the surface of the epitaxial layer 101 is, for example, about 0.5 to 2.0 μm. The impurity concentration of the p + type body layer 102 is, for example, in the range of 1 × 10 16 to 1 × 10 19 cm -3 . The maximum impurity concentration of the p + type body layer 102 is, for example, in the range of 1 × 10 17 to 1 × 10 19 cm -3 .

次に、図6に示すように、マスクM11を除去した後、マスクM12を形成する。マスクM12は例えば、レジスト膜で形成する。マスクM12は、特に、同一のフォトマスクで各パターンを同時に露光することでレジスト膜に描画して形成する。マスクM12の厚さは、例えば1.0~3.0μm程度である。マスクM12の長さでチャネル長が決まり、例えば、0.1~2μm程度である。 Next, as shown in FIG. 6, after removing the mask M11, the mask M12 is formed. The mask M12 is formed of, for example, a resist film. The mask M12 is formed by drawing on a resist film by simultaneously exposing each pattern with the same photomask. The thickness of the mask M12 is, for example, about 1.0 to 3.0 μm. The channel length is determined by the length of the mask M12, and is, for example, about 0.1 to 2 μm.

次に、マスクM12越しに、n型のエピタキシャル層101およびp型のボディ層102にn型不純物、例えば窒素原子(N)をイオン注入する。これにより、n型のエピタキシャル層101の素子形成領域及びp型のボディ層102にn型の第1電流拡散層122およびn型の第2電流拡散層105を形成する。 Next, n-type impurities such as nitrogen atoms (N) are ion-implanted into the n - type epitaxial layer 101 and the p + type body layer 102 through the mask M12. As a result, the n + type first current diffusion layer 122 and the n + type second current diffusion layer 105 are formed in the element forming region of the n type epitaxial layer 101 and the p + type body layer 102.

型の第1電流拡散層122およびn型の第2電流拡散層105の表面からの深さ(第4深さ)は、例えば0.1~1.0μm程度である。また、n型の第1電流拡散層122およびn型の第2電流拡散層105の不純物濃度は、例えば5×1016~5×1018cm-3の範囲である。 The depth (fourth depth) from the surface of the n + type first current diffusion layer 122 and the n + type second current diffusion layer 105 is, for example, about 0.1 to 1.0 μm. The impurity concentrations of the n + type first current diffusion layer 122 and the n + type second current diffusion layer 105 are, for example, in the range of 5 × 10 16 to 5 × 10 18 cm -3 .

続いて、マスクM12越しに、n型の第1電流拡散層122およびn型の第2電流拡散層105の表面にp型不純物、例えば、Al原子をイオン注入する。これにより、n型の第1電流拡散層122およびn型の第2電流拡散層105表面にp型の第1電界緩和層123およびp型の第2電界緩和層119を形成する。 Subsequently, p-type impurities such as Al atoms are ion-implanted on the surfaces of the n + type first current diffusion layer 122 and the n + type second current diffusion layer 105 through the mask M12. As a result, the p + type first electric field relaxation layer 123 and the p + type second electric field relaxation layer 119 are formed on the surfaces of the n + type first current diffusion layer 122 and the n + type second current diffusion layer 105. ..

型の第1電界緩和層123およびp型の第2電界緩和層119の表面からの深さ(第5深さ)は、例えば、0.01~0.5μm程度である。また、p型の第1電界緩和層123およびp型の第2電界緩和層119の不純物濃度は、例えば1×1017~1×1019cm-3の範囲である。 The depth (fifth depth) from the surface of the p + type first electric field relaxation layer 123 and the p + type second electric field relaxation layer 119 is, for example, about 0.01 to 0.5 μm. The impurity concentrations of the p + type first electric field relaxation layer 123 and the p + type second electric field relaxation layer 119 are, for example, in the range of 1 × 10 17 to 1 × 10 19 cm -3 .

次に、図7に示すように、マスクM12を除去した後、マスクM13を形成する。マスクM13は例えば、レジスト膜で形成する。マスクM13の厚さは、例えば、1~4μm程度である。マスクM13は、n型の第1電流拡散層122に隣接するn++型のソース領域103形成部を開口する。また、図示は省略するが、マスクM13には、フローティング・フィールド・リミッティング・リング3の外周にガードリング4が形成される領域にも開口部が設けられている。マスクM13越しに、p型のボディ層102にn型不純物、例えば窒素原子(N)やリン原子(P)をイオン注入して、n++型のソース領域103を形成し、図示は省略するが、周辺形成領域にn++型のガードリング4を形成する。 Next, as shown in FIG. 7, after removing the mask M12, the mask M13 is formed. The mask M13 is formed of, for example, a resist film. The thickness of the mask M13 is, for example, about 1 to 4 μm. The mask M13 opens the n ++ type source region 103 forming portion adjacent to the n + type first current diffusion layer 122. Further, although not shown, the mask M13 is also provided with an opening in a region where the guard ring 4 is formed on the outer periphery of the floating field limiting ring 3. N-type impurities such as nitrogen atom (N) and phosphorus atom (P) are ion-implanted into the p + type body layer 102 through the mask M13 to form the n ++ type source region 103, which is not shown. However, an n ++ type guard ring 4 is formed in the peripheral forming region.

++型のソース領域103の表面からの深さ(第3深さ)は、例えば0.1~1μm程度である。また、n++型のソース領域103の不純物濃度は、例えば1×1019~1×1021cm-3の範囲である。 The depth (third depth) from the surface of the n ++ type source region 103 is, for example, about 0.1 to 1 μm. The impurity concentration of the n ++ type source region 103 is, for example, in the range of 1 × 10 19 to 1 × 10 21 cm -3 .

次に、図8に示すように、マスクM13を除去し、マスク14を形成する。マスクM14は例えば、レジスト膜で形成する。マスクM14の厚さは、例えば、0.5~3μm程度である。マスクM14はp++型のボディ層の電位固定領域109形成部のみ開口する。マスクM14越しに、p型のボディ層102にp型不純物をイオン注入して、p++型のボディ層の電位固定領域109を形成する。p++型のボディ層電位固定領域109のp型のボディ層102の表面からの深さ(第2深さ)は、例えば0.1~0.5μm程度である。p++型のボディ層の電位固定領域109の不純物濃度は、例えば1×1019~1×1021cm-3の範囲である。 Next, as shown in FIG. 8, the mask M13 is removed to form the mask 14. The mask M14 is formed of, for example, a resist film. The thickness of the mask M14 is, for example, about 0.5 to 3 μm. The mask M14 opens only the potential fixing region 109 forming portion of the p ++ type body layer. A p-type impurity is ion-implanted into the p-type body layer 102 through the mask M14 to form a potential fixed region 109 of the p ++ type body layer. The depth (second depth) of the p ++ type body layer potential fixing region 109 from the surface of the p + type body layer 102 is, for example, about 0.1 to 0.5 μm. The impurity concentration in the potential fixing region 109 of the p ++ type body layer is, for example, in the range of 1 × 10 19 to 1 × 10 21 cm -3 .

<工程P3>
次に、マスクM14を除去した後、図示は省略するが、SiCエピタキシャル基板104の表面上および裏面上に、例えばプラズマCVD法により炭素(C)膜を堆積する。炭素(C)膜の厚さは、例えば0.03μm程度である。この炭素(C)膜により、SiCエピタキシャル基板104の表面および裏面を被覆した後、SiCエピタキシャル基板104に1500℃以上の温度で2~3分間程度の熱処理を施す。これにより、SiCエピタキシャル基板104にイオン注入した各不純物の活性化を行う。熱処理後は、炭素(C)膜を、例えば酸素プラズマ処理により除去する。
<Process P3>
Next, after removing the mask M14, although not shown, a carbon (C) film is deposited on the front surface and the back surface of the SiC epitaxial substrate 104 by, for example, a plasma CVD method. The thickness of the carbon (C) film is, for example, about 0.03 μm. After covering the front surface and the back surface of the SiC epitaxial substrate 104 with this carbon (C) film, the SiC epitaxial substrate 104 is heat-treated at a temperature of 1500 ° C. or higher for about 2 to 3 minutes. This activates each impurity ion-implanted into the SiC epitaxial substrate 104. After the heat treatment, the carbon (C) film is removed by, for example, oxygen plasma treatment.

<工程P4>
次に、図9(a)~(c)に示すように、トレンチ加工用ハードマスク及びフィールド酸化膜として兼用するマスク125Aを形成する。マスク125Aは例えば、二酸化珪素(SiO)膜で形成する。
<Process P4>
Next, as shown in FIGS. 9A to 9C, a hard mask for trench processing and a mask 125A that also serves as a field oxide film are formed. The mask 125A is formed of, for example, a silicon dioxide (SiO 2 ) film.

図9(a)は要部上面図、図9(b)は図9(a)の切断線AA’位置の要部断面図、図9(c)は図9(a)の切断線BB’位置の要部断面図である。マスク125Aの厚さは、例えば0.5~3μm程度である。マスク125Aには、後の工程においてトレンチ106が形成される領域に開口部分が設けられている。 9 (a) is a top view of the main part, FIG. 9 (b) is a cross-sectional view of the main part at the cutting line AA'position of FIG. 9 (a), and FIG. 9 (c) is the cutting line BB'of FIG. 9 (a). It is a cross-sectional view of a main part of a position. The thickness of the mask 125A is, for example, about 0.5 to 3 μm. The mask 125A is provided with an opening portion in the region where the trench 106 is formed in a later step.

次に、図9(c)に示す様に、ドライエッチングプロセスを用いてn型の第1電流拡散層122とp型の第1電界緩和層123と、p型のボディ層102と、n型の第2電流拡散層105とp型の第2電界緩和層119と、に延在するトレンチ106を形成する。
形成するトレンチの深さは、p型のボディ層102の深さよりも浅い。形成するトレンチの深さは、例えば0.1~1.5μm程度である。トレンチのチャネル長方向に並行な方向の長さX(図9(a)参照)は、例えば1~3μm程度である。トレンチのチャネル長方向に直交する方向の長さである幅Y1は、例えば0.1~2μm程度である。チャネル長方向に直交する方向のトレンチ間の間隔Y2は、例えば0.1~2μm程度である。
Next, as shown in FIG. 9 (c), the n + type first current diffusion layer 122, the p + type first electric field relaxation layer 123, and the p + type body layer 102 are subjected to the dry etching process. , The n + type second current diffusion layer 105 and the p + type second electric field relaxation layer 119 form a trench 106 extending to the n + type second current diffusion layer 105.
The depth of the trench to be formed is shallower than the depth of the p + type body layer 102. The depth of the trench to be formed is, for example, about 0.1 to 1.5 μm. The length X (see FIG. 9A) in the direction parallel to the channel length direction of the trench is, for example, about 1 to 3 μm. The width Y1, which is the length in the direction orthogonal to the channel length direction of the trench, is, for example, about 0.1 to 2 μm. The spacing Y2 between the trenches in the direction orthogonal to the channel length direction is, for example, about 0.1 to 2 μm.

<工程P5>
次に、図10に示すように、フィールド酸化膜125を残したまま、エピタキシャル層101の表面およびトレンチ106表面にゲート絶縁膜110を形成する。ゲート絶縁膜110は、例えば熱CVD法により形成されたSiO膜からなる。ゲート絶縁膜110の厚さは、例えば0.005~0.15μm程度である。
<Process P5>
Next, as shown in FIG. 10, a gate insulating film 110 is formed on the surface of the epitaxial layer 101 and the surface of the trench 106 while leaving the field oxide film 125. The gate insulating film 110 is made of, for example, a SiO 2 film formed by a thermal CVD method. The thickness of the gate insulating film 110 is, for example, about 0.005 to 0.15 μm.

次に、図11に示すように、ゲート絶縁膜110上に、n型またはp型の多結晶珪素(Si)膜111Aを形成する。n型またはp型の多結晶珪素(Si)膜111Aの厚さは、例えば0.01~4μm程度である。 Next, as shown in FIG. 11, an n-type or p-type polycrystalline silicon (Si) film 111A is formed on the gate insulating film 110. The thickness of the n-type or p-type polycrystalline silicon (Si) film 111A is, for example, about 0.01 to 4 μm.

次に、図12に示すように、マスクM17(ホトレジスト膜)を用いて、多結晶珪素(Si)膜111Aをドライエッチング法により加工して、ゲート電極111を形成する。 Next, as shown in FIG. 12, the polycrystalline silicon (Si) film 111A is processed by a dry etching method using a mask M17 (photoresist film) to form a gate electrode 111.

<工程P6>
次に、図13に示すように、n型のエピタキシャル層101の表面上に、ゲート電極111およびゲート絶縁膜110を覆うように、例えばプラズマCVD法により層間絶縁膜112を形成する。
<Process P6>
Next, as shown in FIG. 13, an interlayer insulating film 112 is formed on the surface of the n− type epitaxial layer 101 so as to cover the gate electrode 111 and the gate insulating film 110, for example, by plasma CVD method.

次に、図14に示すように、マスクM18(ホトレジスト膜)を用いて、層間絶縁膜112およびゲート絶縁膜110をドライエッチング法により加工して、n++型のソース領域103の一部およびp++型のボディ層電位固定領域109に達する開口部CNT_Sを形成する。 Next, as shown in FIG. 14, the interlayer insulating film 112 and the gate insulating film 110 are processed by a dry etching method using a mask M18 (photoresist film), and a part of the n ++ type source region 103 and p. It forms an opening CNT_S that reaches the ++ type body layer potential fixing region 109.

次に、図15に示すように、マスクM18を除去した後、開口部CNT_Sの底面に露出しているn++型のソース領域103の一部およびp++型のボディ層電位固定領域109のそれぞれの表面に金属シリサイド層113を形成する。 Next, as shown in FIG. 15, after removing the mask M18, a part of the n ++ type source region 103 exposed on the bottom surface of the opening CNT_S and the p ++ type body layer potential fixing region 109, respectively. The metal silicide layer 113 is formed on the surface of the above.

まず、図示は省略するが、エピタキシャル層101の表面上に、層間絶縁膜112および開口部CNT_Sの内部(側面および底面)を覆うように、例えばスパッタリング法により第1金属膜として、例えばニッケル(Ni)を堆積する。この第1金属膜の厚さは、例えば0.05μm程度である。続いて、600~1000℃のシリサイド化熱処理を施すことにより、開口部CNT_Sの底面において第1金属膜とエピタキシャル層101とを反応させて、金属シリサイド層113として、例えばニッケルシリサイド(NiSi)層を開口部CNT_Sの底面に露出しているn++型のソース領域103の一部およびp++型のボディ層電位固定領域109のそれぞれの表面に形成する。続いて、未反応の第1金属膜をウェットエッチング法により除去する。ウェットエッチング法には、例えば硫酸過水が用いられる。 First, although not shown, nickel (Ni) is used as the first metal film by, for example, a sputtering method so as to cover the inside (side surface and bottom surface) of the interlayer insulating film 112 and the opening CNT_S on the surface of the epitaxial layer 101. ) Is deposited. The thickness of the first metal film is, for example, about 0.05 μm. Subsequently, a silicidation heat treatment at 600 to 1000 ° C. is performed to react the first metal film with the epitaxial layer 101 at the bottom surface of the opening CNT_S to form a metal silicide layer 113, for example, a nickel silicide (NiSi) layer. It is formed on a part of the n ++ type source region 103 exposed on the bottom surface of the opening CNT_S and on the respective surfaces of the p ++ type body layer potential fixing region 109. Subsequently, the unreacted first metal film is removed by a wet etching method. For the wet etching method, for example, sulfuric acid hydrogen peroxide is used.

次に、図示は省略するが、マスク(ホトレジスト膜)を用いて、層間絶縁膜112を加工して、ゲート電極111に達する開口部CNT_Gを形成する。 Next, although not shown, the interlayer insulating film 112 is processed using a mask (photoresist film) to form an opening CNT_G that reaches the gate electrode 111.

次に、図16に示すように、n++型のソース領域103の一部およびp++型のボディ層電位固定領域109のそれぞれの表面に形成された金属シリサイド層113に達する開口部CNT_S、ならびにゲート電極111に達する開口部CNT_G(図示は省略)の内部を含む層間絶縁膜112上に第3金属膜114、例えばチタン(Ti)膜と窒化チタン(TiN)膜とアルミニウム(Al)膜とからなる積層膜を堆積する。アルミニウム(Al)膜の厚さは、例えば2.0μm以上が好ましい。続いて、第3金属膜114を加工することにより、CNT_S内の金属シリサイド層113を介してn++型のソース領域103の一部およびp++型のボディ層電位固定領域109と電気的に接続するソース配線用電極2と、ゲート電極111と開口部CNT_Gを通して電気的に接続するゲート配線用電極8と、を形成する。 Next, as shown in FIG. 16, the opening CNT_S reaching the metal silicide layer 113 formed on the respective surfaces of a part of the n ++ type source region 103 and the p ++ type body layer potential fixing region 109, and From the third metal film 114, for example, a titanium (Ti) film, a titanium nitride (TiN) film, and an aluminum (Al) film on the interlayer insulating film 112 including the inside of the opening CNT_G (not shown) reaching the gate electrode 111. A laminated film is deposited. The thickness of the aluminum (Al) film is preferably 2.0 μm or more, for example. Subsequently, by processing the third metal film 114, it is electrically connected to a part of the n ++ type source region 103 and the p ++ type body layer potential fixing region 109 via the metal silicide layer 113 in CNT_S. The source wiring electrode 2 to be connected and the gate wiring electrode 8 electrically connected to the gate electrode 111 through the opening CNT_G are formed.

次に、図示は省略するが、SiO膜もしくはポリイミド膜をパッシベーション膜としてゲート配線用電極8およびソース配線用電極2を覆うように堆積させる。 Next, although not shown, a SiO 2 film or a polyimide film is deposited as a passivation film so as to cover the gate wiring electrode 8 and the source wiring electrode 2.

次に、図示は省略するが、パッシベーション膜を加工してパッシベーションを形成する。その際に、ソース電極開口部7とゲート電極開口部5を形成する。 Next, although not shown, the passivation film is processed to form a passivation. At that time, the source electrode opening 7 and the gate electrode opening 5 are formed.

次に、図示は省略するが、n型のドレイン領域108に、例えばスパッタリング法により第2金属膜を堆積する。この第2金属膜の厚さは、例えば0.1μm程度である。 Next, although not shown, a second metal film is deposited in the n + type drain region 108 by, for example, a sputtering method. The thickness of the second metal film is, for example, about 0.1 μm.

次に、図17に示すように、レーザーシリサイド化熱処理を施すことにより、第2金属膜とn型のドレイン領域108と反応させて、n型のドレイン領域108を覆うように金属シリサイド層115を形成する。続いて、金属シリサイド層115を覆うように、ドレイン配線用電極116を形成する。ドレイン配線用電極116にはTi膜とNi膜と金(Au)膜の積層膜を0.5~1μm堆積させて形成する。 Next, as shown in FIG. 17, by performing a laser silicidizing heat treatment, the second metal film reacts with the n + type drain region 108, and the metal silicide layer covers the n + type drain region 108. Form 115. Subsequently, the drain wiring electrode 116 is formed so as to cover the metal silicide layer 115. A laminated film of a Ti film, a Ni film, and a gold (Au) film is deposited on the drain wiring electrode 116 by 0.5 to 1 μm.

その後、ソース配線用電極2、ゲート配線用電極8、およびドレイン配線用電極116に、それぞれ外部配線が電気的に接続される。 After that, external wiring is electrically connected to the source wiring electrode 2, the gate wiring electrode 8, and the drain wiring electrode 116, respectively.

このように、本実施の形態1によれば、図6に示すように、マスクM12で形成したn型の第1電流拡散層122とn型の第2電流拡散層105間でチャネル長を規定している。したがって、特許文献4にある構造と比較して、チャネル長ばらつきを低減し、短チャネル化することが可能となる。また、図6に示すように、マスクM12でn型の第1電流拡散層122とn型の第2電流拡散層105表面にp型の第1電界緩和層123とp型の第2電界緩和層119を形成している。したがって、ソース側トレンチ上部エッジはp型の第1電界緩和層123となるため、オン時にトレンチ上部エッジ部分に電界が集中しても、しきい値電圧の低下が生じず、オフリークの問題が生じない。したがって、パワーモジュール内のチップ間性能ばらつきが生じず、パワーモジュール内で局所的な発熱が発生しない。さらには、しきい値電圧を高くすることができるため、スイッチング時に生じる誤点弧の問題も生じない。 As described above, according to the first embodiment, as shown in FIG. 6, the channel length is between the n + type first current diffusion layer 122 and the n + type second current diffusion layer 105 formed by the mask M12. Is stipulated. Therefore, as compared with the structure in Patent Document 4, it is possible to reduce the variation in channel length and shorten the channel. Further, as shown in FIG. 6, on the surface of the n + type first current diffusion layer 122 and the n + type second current diffusion layer 105 with the mask M12, the p + type first electric field relaxation layer 123 and the p + type The second electric field relaxation layer 119 is formed. Therefore, since the source side trench upper edge becomes the p + type first electric field relaxation layer 123, even if the electric field is concentrated on the trench upper edge portion at the time of turning on, the threshold voltage does not decrease and the problem of off-leakage occurs. Does not occur. Therefore, there is no variation in performance between chips in the power module, and local heat generation does not occur in the power module. Furthermore, since the threshold voltage can be increased, the problem of erroneous arcs that occur during switching does not occur.

本実施の形態2と前述した実施の形態1との相違点は、図18のSiCパワーMISFETの要部鳥瞰図に示すように、n型のJFET領域224を高濃度化し、p型の第2電界緩和層をJFET領域224の上部まで延在させたp型の第2電界緩和層219を形成している点である。n型のJFET領域224の濃度を高濃度化することにより、寄生抵抗となるJFET抵抗を下げることができる。ただし、JFET領域224の濃度を高濃度化させると、JFET上部の電界が高くなる。そこで、p型の第2電界緩和層をJFET領域224の上部まで延在させたp型の第2電界緩和層219を形成することにより、JFET領域224上部の酸化膜を保護する。その結果、オン抵抗を低減しながら、高い信頼性を得ることが可能となる。 The difference between the second embodiment and the first embodiment described above is that the n-type JFET region 224 has a high concentration and the p + type second, as shown in the bird's-eye view of the main part of the SiC power MISFET in FIG. The point is that the p + type second electric field relaxation layer 219 is formed by extending the electric field relaxation layer to the upper part of the JFET region 224. By increasing the concentration of the n-type JFET region 224, the JFET resistance, which is a parasitic resistance, can be reduced. However, if the concentration in the JFET region 224 is increased, the electric field above the JFET becomes higher. Therefore, the oxide film on the upper part of the JFET region 224 is protected by forming the p + type second electric field relaxation layer 219 in which the p + type second electric field relaxation layer extends to the upper part of the JFET region 224. As a result, it is possible to obtain high reliability while reducing the on-resistance.

≪炭化珪素半導体装置の製造方法≫
本実施の形態2による炭化珪素半導体装置の製造方法について図19及び20を用いて説明する。図19及び20に、本実施の形態の炭化珪素半導体装置のSiCパワーMISFET形成領域(素子形成領域)の一部を拡大して示す。
<< Manufacturing method of silicon carbide semiconductor device >>
A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. 19 and 20. 19 and 20 show an enlarged part of the SiC power MOSFET forming region (element forming region) of the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment.

前述した実施の形態1とp++型のボディ層電位固定領域209形成工程までは同様である。図19は、n型のJFET領域224とp型の第2電界緩和層をJFET領域224の上部まで延在させたp型の第2電界緩和層219の形成工程である。図19に示すように、マスクM20を形成する。マスクM20は例えば、レジスト膜で形成する。マスクM20の厚さは、例えば、1~4μm程度である。マスクM20はn型のJFET領域形成部を開口する。マスクM20越しに、n型のエピタキシャル層201にn型不純物、例えば窒素原子(N)やリン原子(P)をイオン注入して、n型のJFET領域224を形成する。 The same applies to the above-described first embodiment and the p ++ type body layer potential fixing region 209 forming step. FIG. 19 is a step of forming the p + type second electric field relaxation layer 219 in which the n-type JFET region 224 and the p + type second electric field relaxation layer extend to the upper part of the JFET region 224. As shown in FIG. 19, the mask M20 is formed. The mask M20 is formed of, for example, a resist film. The thickness of the mask M20 is, for example, about 1 to 4 μm. The mask M20 opens an n-type JFET region forming portion. An n-type impurity, for example, a nitrogen atom (N) or a phosphorus atom (P), is ion-implanted into the n - type epitaxial layer 201 through the mask M20 to form an n-type JFET region 224.

n型のJFET領域224の表面からの深さ(第7深さ)は、例えば0.5~2.0μm程度である。また、n型のJFET領域224の不純物濃度は、例えば1×1014~1×1017cm-3の範囲である。 The depth (seventh depth) from the surface of the n-type JFET region 224 is, for example, about 0.5 to 2.0 μm. The impurity concentration in the n-type JFET region 224 is, for example, in the range of 1 × 10 14 to 1 × 10 17 cm -3 .

次にマスクM20越しにn型のJFET領域224の表面にp型不純物、例えばAl原子をイオン注入する。これにより、n型のJFET領域224表面にp型の第2電界緩和層をJFET領域224の上部まで延在させたp型の第2電界緩和層219を形成する。 Next, a p-type impurity, for example, an Al atom is ion-implanted on the surface of the n-type JFET region 224 through the mask M20. As a result, a p + type second electric field relaxation layer 219 is formed on the surface of the n-type JFET region 224 by extending the p + type second electric field relaxation layer to the upper part of the JFET region 224.

型の第2電界緩和層219の表面からの深さ(第7深さ)は、例えば、0.01~0.5μm程度である。また、p型の第2電界緩和層219の不純物濃度は、例えば1×1017~1×1019cm-3の範囲である。 The depth (seventh depth) from the surface of the p + type second electric field relaxation layer 219 is, for example, about 0.01 to 0.5 μm. The impurity concentration of the p + type second electric field relaxation layer 219 is, for example, in the range of 1 × 10 17 to 1 × 10 19 cm -3 .

残りの工程は前述した実施の形態1と同様であり、残りの工程を行うことで、図20の要部断面図に示す本実施の形態2が完成する。 The remaining steps are the same as those in the first embodiment described above, and by performing the remaining steps, the second embodiment shown in the cross-sectional view of the main part of FIG. 20 is completed.

このように、本実施の形態2によれば、実施の形態1と同様に、特許文献4にある構造と比較して、チャネル長ばらつきを低減し、短チャネル化することが可能となる。また、ソース側トレンチ上部エッジはp型の第1電界緩和層223となるため、オン時にトレンチ上部エッジ部分に電界が集中しても、しきい値電圧の低下が生じず、オフリークの問題が生じない。したがって、パワーモジュール内のチップ間性能ばらつきが生じず、パワーモジュール内で局所的な発熱が発生しない。さらには、しきい値電圧を高くすることができるため、スイッチング時に生じる誤点弧の問題も生じない。加えて、n型のJFET領域224が高濃度であるため、寄生抵抗であるJFET抵抗を低減することができる。また、p型の第2電界緩和層をJFET領域224の上部まで延在させたp型の第2電界緩和層219があるため、n型のJFET領域224が高濃度であっても、ブロッキング時にJFET上部のフィールド酸化膜225に絶縁破壊に至る高電界が印加されることはない。したがって、より高性能で高信頼な炭化珪素半導体装置を提供することができる。 As described above, according to the second embodiment, it is possible to reduce the variation in channel length and shorten the channel as compared with the structure in Patent Document 4, as in the first embodiment. Further, since the upper edge of the trench on the source side is the p + type first electric field relaxation layer 223, even if the electric field is concentrated on the upper edge of the trench when it is turned on, the threshold voltage does not decrease and the problem of off-leakage occurs. Does not occur. Therefore, there is no variation in performance between chips in the power module, and local heat generation does not occur in the power module. Furthermore, since the threshold voltage can be increased, the problem of erroneous arcs that occur during switching does not occur. In addition, since the n-type JFET region 224 has a high concentration, the JFET resistance, which is a parasitic resistance, can be reduced. Further, since there is a p + type second electric field relaxation layer 219 in which the p + type second electric field relaxation layer extends to the upper part of the JFET region 224, even if the n-type JFET region 224 has a high concentration, During blocking, a high electric field leading to dielectric breakdown is not applied to the field oxide film 225 above the JFET. Therefore, it is possible to provide a silicon carbide semiconductor device having higher performance and higher reliability.

本実施の形態3と前述した実施の形態1との相違点は、図21のSiCパワーMISFETの要部鳥瞰図に示すように、トレンチ306がn型の第1電流拡散層322とp型の第1電界緩和層323を貫いてn++型の高濃度ソース領域303まで届いている点である。トレンチ306がn++型の高濃度ソース領域303まで届いていることにより、SiCパワーMISFETがオン状態のときには、n型の第1電流拡散層322表面が蓄積層となり、高濃度ソース領域303より低濃度なn型の第1電流拡散層322の寄生抵抗が無視できるほど小さくなる。したがって、よりオン抵抗を低減することが可能となる。 The difference between the third embodiment and the first embodiment described above is that the trench 306 is an n + type first current diffusion layer 322 and a p + type, as shown in the bird's-eye view of the main part of the SiC power MISFET in FIG. It is a point that the n ++ type high concentration source region 303 is reached through the first electric field relaxation layer 323 of the above. Since the trench 306 reaches the n ++ type high concentration source region 303, the surface of the n + type first current diffusion layer 322 becomes an accumulation layer when the SiC power MISFET is on, and the trench 306 becomes a storage layer from the high concentration source region 303. The parasitic resistance of the low-concentration n + type first current diffusion layer 322 becomes negligibly small. Therefore, it is possible to further reduce the on-resistance.

≪炭化珪素半導体装置の製造方法≫
本実施の形態3による炭化珪素半導体装置の製造方法について図22(a)~図23(b)を用いて説明する。図22、23に、本実施の形態の炭化珪素半導体装置のSiCパワーMISFET形成領域(素子形成領域)の一部を拡大して示す。
<< Manufacturing method of silicon carbide semiconductor device >>
A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the third embodiment will be described with reference to FIGS. 22 (a) and 23 (b). 22 and 23 show an enlarged part of the SiC power MOSFET forming region (element forming region) of the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment.

前述した実施の形態1と不純物の活性化工程P3までは同様である。次に、図22(a)~(c)に示すように、トレンチ加工用ハードマスク及びフィールド酸化膜として兼用するマスク325Aを形成する。マスク325Aは例えば、二酸化珪素(SiO)膜で形成する。 The same applies to the above-described first embodiment and the impurity activation step P3. Next, as shown in FIGS. 22 (a) to 22 (c), a hard mask for trench processing and a mask 325A that also serves as a field oxide film are formed. The mask 325A is formed of, for example, a silicon dioxide (SiO 2 ) film.

図22(a)は要部上面図、図22(b)は図22(a)の切断線AA’位置の要部断面図、図22(c)は図22(a)の切断線BB’位置の要部断面図である。マスク325Aの厚さは、例えば0.5~3μm程度である。マスク325Aには、後の工程においてトレンチ306が形成される領域に開口部分が設けられている。実施の形態1との違いは、図22(c)に示すように、開口部分がn型の第1電流拡散層322とp型の第1電界緩和層323を貫いてn++型の高濃度ソース領域303まで届いている点である。 22 (a) is a top view of the main part, FIG. 22 (b) is a cross-sectional view of the main part at the cutting line AA'position of FIG. 22 (a), and FIG. 22 (c) is the cutting line BB'of FIG. 22 (a). It is a cross-sectional view of a main part of a position. The thickness of the mask 325A is, for example, about 0.5 to 3 μm. The mask 325A is provided with an opening portion in the region where the trench 306 is formed in a later step. The difference from the first embodiment is that, as shown in FIG. 22 (c), the opening portion penetrates the n + type first current diffusion layer 322 and the p + type first electric field relaxation layer 323 to form an n ++ type. It is a point that reaches the high concentration source region 303.

次にドライエッチングプロセスを用いてトレンチ306が、n型の第1電流拡散層322とp型の第1電界緩和層323とを貫きn++型の高濃度ソース領域303まで延在し、さらに、p型のボディ層302と、n型の第2電流拡散層305とp型の第2電界緩和層319とまで延在する。 Next, using a dry etching process, the trench 306 penetrates the n + type first current diffusion layer 322 and the p + type first electric field relaxation layer 323 and extends to the n ++ type high concentration source region 303. Further, it extends to the p + type body layer 302, the n + type second current diffusion layer 305, and the p + type second electric field relaxation layer 319.

形成するトレンチの深さは、p型のボディ層302の深さよりも浅い。形成するトレンチの深さは、例えば0.1~1.5μm程度である。トレンチのチャネル長方向に並行な方向の長さX(トレンチ長さ)は、例えば1~4μm程度である。トレンチの基板に平行なチャネル幅方向に並行な方向の長さY1(トレンチ幅)は、例えば0.1~2μm程度である。基板に平行なチャネル幅方向に並行な方向のトレンチ間隔Y2は、例えば0.1~2μm程度である。 The depth of the formed trench is shallower than the depth of the p + type body layer 302. The depth of the trench to be formed is, for example, about 0.1 to 1.5 μm. The length X (trench length) in the direction parallel to the channel length direction of the trench is, for example, about 1 to 4 μm. The length Y1 (trench width) in the direction parallel to the channel width direction parallel to the substrate of the trench is, for example, about 0.1 to 2 μm. The trench spacing Y2 in the direction parallel to the channel width direction parallel to the substrate is, for example, about 0.1 to 2 μm.

残りの工程は前述した実施の形態1と同様であり、残りの工程を行うことで、図22(a)の切断線AA’位置に対応する図23(a)および、図22(a)の切断線BB’位置に対応する図23(b)の要部断面図に示す本実施の形態3が完成する。 The remaining steps are the same as those in the first embodiment described above, and by performing the remaining steps, FIGS. 23 (a) and 22 (a) corresponding to the cutting line AA'position in FIG. 22 (a). The third embodiment shown in the cross-sectional view of the main part of FIG. 23 (b) corresponding to the position of the cutting line BB'is completed.

このように、本実施の形態3によれば、実施の形態1と同様に、特許文献4にある構造と比較して、チャネル長ばらつきを低減し、短チャネル化することが可能となる。また、ソース側トレンチ上部エッジはp型の第1電界緩和層323となるため、オン時にトレンチ上部エッジ部分に電界が集中しても、しきい値電圧の低下が生じず、オフリークの問題が生じない。したがって、パワーモジュール内のチップ間性能ばらつきが生じず、パワーモジュール内で局所的な発熱が発生しない。さらには、しきい値電圧を高くすることができるため、スイッチング時に生じる誤点弧の問題も生じない。加えて、図23(b)に示すように、トレンチ306がn++型の高濃度ソース領域303まで届いていることにより、SiCパワーMISFETがオン状態のときには、高濃度ソース領域303より低濃度なn型の第1電流拡散層322表面が蓄積層となり、n型の第1電流拡散層322の寄生抵抗が無視できるほど小さくなる。したがって、より高性能な炭化珪素半導体装置を提供することができる。 As described above, according to the third embodiment, it is possible to reduce the variation in channel length and shorten the channel as compared with the structure in Patent Document 4, as in the first embodiment. Further, since the upper edge of the trench on the source side is the p + type first electric field relaxation layer 323, even if the electric field is concentrated on the upper edge of the trench when it is turned on, the threshold voltage does not decrease and the problem of off-leakage occurs. Does not occur. Therefore, there is no variation in performance between chips in the power module, and local heat generation does not occur in the power module. Furthermore, since the threshold voltage can be increased, the problem of erroneous arcs that occur during switching does not occur. In addition, as shown in FIG. 23 (b), since the trench 306 reaches the n ++ type high concentration source region 303, the concentration is lower than that of the high concentration source region 303 when the SiC power MISFET is on. The surface of the n + type first current diffusion layer 322 becomes an accumulation layer, and the parasitic resistance of the n + type first current diffusion layer 322 becomes negligibly small. Therefore, it is possible to provide a higher performance silicon carbide semiconductor device.

前述の実施の形態1から3において説明したSiCパワーMISFETを有する半導体装置は電力変換装置に用いることができる。実施の形態4における電力変換装置について図24を用いて説明する。図24は実施の形態4における電力変換装置(インバータ)の一例を示す回路図である。 The semiconductor device having the SiC power MISFET described in the above-described first to third embodiments can be used as the power conversion device. The power conversion device according to the fourth embodiment will be described with reference to FIG. 24. FIG. 24 is a circuit diagram showing an example of the power conversion device (inverter) according to the fourth embodiment.

図24に示すように、インバータ802はスイッチング素子であるSiCパワーMISFET804と、ダイオード805とを有する。各単相において、電源電圧(Vcc)と負荷(例えばモータ)801の入力電位との間にSiCパワーMISFET804とダイオード805とが逆並列に接続されており(上アーム)、負荷801の入力電位と接地電位(GND)との間にもSiCパワーMISFET素子804とダイオード805とが逆並列に接続されている(下アーム)。つまり、負荷801では各単相に2つのSiCパワーMISFET804と2つのダイオード805が設けられており、3相で6つのスイッチング素子804と6つのダイオード805が設けられている。そして、個々のSiCパワーMISFET804のゲート電極には制御回路803が接続されており、この制御回路803によってSiCパワーMISFET804が制御されている。従って、制御回路803でインバータ802を構成するSiCパワーMISFET804を流れる電流を制御することにより、負荷801を駆動することができる。 As shown in FIG. 24, the inverter 802 has a SiC power MISFET 804 which is a switching element and a diode 805. In each single phase, the SiC power MISFET 804 and the diode 805 are connected in antiparallel between the power supply voltage (Vcc) and the input potential of the load (for example, motor) 801 (upper arm), and the input potential of the load 801 The SiC power MISFET element 804 and the diode 805 are also connected in antiparallel to the ground potential (GND) (lower arm). That is, in the load 801 each single phase is provided with two SiC power MISFETs 804 and two diodes 805, and three phases are provided with six switching elements 804 and six diodes 805. A control circuit 803 is connected to the gate electrode of each SiC power MISFET 804, and the SiC power MISFET 804 is controlled by this control circuit 803. Therefore, the load 801 can be driven by controlling the current flowing through the SiC power MISFET 804 constituting the inverter 802 with the control circuit 803.

インバータ802を構成するSiCパワーMISFET804の機能について以下に説明する。負荷801、例えばモータを制御駆動させるためには所望の電圧の正弦波を負荷801に入力する必要がある。制御回路803はSiCパワーMISFET804を制御し、矩形波のパルス幅を動的に変化させるパルス幅変調動作を行っている。出力された矩形波はインダクタを経ることで、平滑化され、擬似的な所望の正弦波となる。SiCパワーMISFET804は、このパルス幅変調動作を行うための矩形波を作り出す機能を有している。 The functions of the SiC power MISFET 804 constituting the inverter 802 will be described below. In order to control and drive the load 801 for example, the motor needs to input a sine wave of a desired voltage to the load 801. The control circuit 803 controls the SiC power MISFET 804 and performs a pulse width modulation operation that dynamically changes the pulse width of the rectangular wave. The output square wave is smoothed by passing through the inductor to become a pseudo-desired sine wave. The SiC power MISFET 804 has a function of creating a rectangular wave for performing this pulse width modulation operation.

このように、実施の形態4によれば、SiCパワーMISFET804に、前述の実施の形態1から実施の形態3において説明した半導体装置を用いることにより、例えば、SiCパワーMISFET804が高性能な分、インバータなどの電力変換装置を高性能化することができる。また、SiCパワーMISFET804に長期信頼性があるので、インバータなどの電力変換装置の使用年数を長期化できる。 As described above, according to the fourth embodiment, by using the semiconductor device described in the above-described first to third embodiments for the SiC power MISFET 804, for example, the SiC power MISFET 804 has a higher performance and is an inverter. It is possible to improve the performance of such power conversion devices. Further, since the SiC power MISFET 804 has long-term reliability, the years of use of a power conversion device such as an inverter can be extended.

また、電力変換装置は、3相モータシステムを用いることができる。前述の図24に示した負荷801は3相モータであり、インバータ802に、前述の実施の形態1から実施の形態3において説明した半導体装置を備えた電力変換装置を用いることにより、3相モータシステムの高性能化、使用年数の長期化を実現することができる。 Further, as the power conversion device, a three-phase motor system can be used. The load 801 shown in FIG. 24 described above is a three-phase motor, and by using a power conversion device provided with the semiconductor device described in the first to third embodiments described above for the inverter 802, the three-phase motor is used. It is possible to improve the performance of the system and extend the number of years of use.

前述の実施の形態1から3において説明したSiCパワーMISFETを有する半導体装置は、電力変換装置に用いることができる。実施の形態5における電力変換装置について図25を用いて説明する。図25は実施の形態5における電力変換装置(インバータ)の一例を示す回路図である。 The semiconductor device having the SiC power MISFET described in the above-described first to third embodiments can be used as a power conversion device. The power conversion device according to the fifth embodiment will be described with reference to FIG. 25. FIG. 25 is a circuit diagram showing an example of a power conversion device (inverter) according to the fifth embodiment.

図25に示すように、インバータ902はスイッチング素子であるSiCパワーMISFET904を有する。各単相において、電源電圧(Vcc)と負荷(例えばモータ)901の入力電位との間にSiCパワーMISFET904が接続されており(上アーム)、負荷901の入力電位と接地電位(GND)との間にもSiCパワーMISFET素子904が接続されている(下アーム)。つまり、負荷901では各単相に2つのSiCパワーMISFET904が設けられており、3相で6つのスイッチング素子904が設けられている。そして、個々のSiCパワーMISFET904のゲート電極には制御回路903が接続されており、この制御回路903によってSiCパワーMISFET904が制御されている。従って、制御回路903でインバータ902を構成するSiCパワーMISFET904を流れる電流を制御することにより、負荷901を駆動することができる。 As shown in FIG. 25, the inverter 902 has a SiC power MISFET 904 which is a switching element. In each single phase, a SiC power MISFET 904 is connected between the power supply voltage (Vcc) and the input potential of the load (eg, motor) 901 (upper arm), and the input potential of the load 901 and the ground potential (GND). A SiC power MISFET element 904 is also connected between them (lower arm). That is, in the load 901, two SiC power MISFETs 904 are provided in each single phase, and six switching elements 904 are provided in three phases. A control circuit 903 is connected to the gate electrode of each SiC power MISFET 904, and the SiC power MISFET 904 is controlled by this control circuit 903. Therefore, the load 901 can be driven by controlling the current flowing through the SiC power MISFET 904 constituting the inverter 902 with the control circuit 903.

インバータ902を構成するSiCパワーMISFET904の機能について以下に説明する。本実施の形態でも、SiCパワーMISFETの機能の1つとして、実施の形態4と同様にパルス幅変調動作を行うための矩形波を作り出す機能を有している。さらに、本実施の形態では、SiCパワーMISFETは実施の形態4のダイオード805の役割も担う。インバータ902において、例えばモータのように負荷901にインダクタンスを含む場合、SiCパワーMISFET904をオフしたとき、インダクタンスに蓄えられたエネルギーを必ず放出しなければならない(還流電流)。実施の形態4ではダイオード805がこの役割を担う。一方、実施の形態5ではこの役割をSiCパワーMISFET904が担う。すなわち、同期整流駆動が用いられる。ここで、同期整流駆動とは、還流時にSiCパワーMISFET904のゲートをオンし、SiCパワーMISFET904を逆導通させる方法である。 The functions of the SiC power MISFET 904 constituting the inverter 902 will be described below. Also in this embodiment, as one of the functions of the SiC power MISFET, it has a function of creating a rectangular wave for performing a pulse width modulation operation as in the fourth embodiment. Further, in the present embodiment, the SiC power MISFET also plays the role of the diode 805 of the fourth embodiment. In the inverter 902, when the load 901 includes an inductance as in a motor, for example, when the SiC power MISFET 904 is turned off, the energy stored in the inductance must be released (reflux current). In the fourth embodiment, the diode 805 plays this role. On the other hand, in the fifth embodiment, the SiC power MISFET 904 plays this role. That is, synchronous rectification drive is used. Here, the synchronous rectification drive is a method of turning on the gate of the SiC power MISFET 904 at the time of reflux to reverse-conduct the SiC power MISFET 904.

したがって、還流時導通損失はダイオードの特性ではなく、SiCパワーMISFET904の特性で決まる。また、同期整流駆動を行う場合、上下アームが短絡することを防ぐため、上下のSiCパワーMISFETが共にオフとなる不動作時間が必要となる。この不動作時間の間はSiCパワーMISFET904のドリフト層とp型ボディ層によって形成される内蔵PNダイオードが駆動する。ただし、SiCはキャリアの走行距離がSiより短く、不動作時間の間の損失は小さい。例えば、実施の形態4のダイオード805をSiCショットキーバリアダイオードとした場合と、同等である。 Therefore, the conduction loss at reflux is determined not by the characteristics of the diode but by the characteristics of the SiC power MISFET 904. Further, when the synchronous rectification drive is performed, in order to prevent the upper and lower arms from being short-circuited, a non-operation time is required in which both the upper and lower SiC power MISFETs are turned off. During this non-operation time, the built-in PN diode formed by the drift layer and the p-type body layer of the SiC power MISFET 904 is driven. However, SiC has a shorter carrier mileage than Si, and the loss during non-operation time is small. For example, it is equivalent to the case where the diode 805 of the fourth embodiment is a SiC Schottky barrier diode.

このように、実施の形態5によれば、SiCパワーMISFET904に、前述の実施の形態1から実施の形態3において説明した半導体装置を用いることにより、例えば、SiCパワーMISFET904が高性能な分、還流時の損失も小さくできる。また、ダイオードを使わないため、インバータなどの電力変換装置を小型化することができる。さらに、SiCパワーMISFET904に長期信頼性があるので、インバータなどの電力変換装置の使用年数を長期化できる。 As described above, according to the fifth embodiment, by using the semiconductor device described in the above-described first to third embodiments for the SiC power MISFET 904, for example, the SiC power MISFET 904 has a high performance and is refluxed. The loss of time can also be reduced. Moreover, since a diode is not used, a power conversion device such as an inverter can be miniaturized. Further, since the SiC power MISFET 904 has long-term reliability, the years of use of a power conversion device such as an inverter can be extended.

また、電力変換装置は、3相モータシステムに用いることができる。前述の図25に示した負荷901は3相モータであり、インバータ902に、前述の実施の形態1から実施の形態3において説明した半導体装置を備えた電力変換装置を用いることにより、3相モータシステムの高性能化、使用年数の長期化を実現することができる。 Further, the power conversion device can be used for a three-phase motor system. The load 901 shown in FIG. 25 described above is a three-phase motor, and by using a power conversion device provided with the semiconductor device described in the first to third embodiments described above for the inverter 902, the three-phase motor is used. It is possible to improve the performance of the system and extend the number of years of use.

前述の実施の形態4または前述の実施の形態5において説明した3相モータシステムはハイブリット自動車、電気自動車、燃料電池自動車などの自動車に用いることができる。実施の形態6における3相モータシステムを用いた自動車を図26および図27を用いて説明する。図26は、実施の形態6における電気自動車の構成の一例を示す概略図であり、図27は、実施の形態6における昇圧コンバータの一例を示す回路図である。 The three-phase motor system described in the above-described fourth embodiment or the above-mentioned embodiment 5 can be used for automobiles such as hybrid automobiles, electric vehicles, and fuel cell vehicles. The automobile using the three-phase motor system according to the sixth embodiment will be described with reference to FIGS. 26 and 27. FIG. 26 is a schematic diagram showing an example of the configuration of the electric vehicle according to the sixth embodiment, and FIG. 27 is a circuit diagram showing an example of the boost converter according to the sixth embodiment.

図26に示すように、電気自動車は、駆動輪1001aおよび駆動輪1001bが接続された駆動軸1002に動力を入出力可能とする3相モータ1003と、3相モータ1003を駆動するためのインバータ1004と、バッテリ1005と、を備える。さらに、該電気自動車は、昇圧コンバータ1008と、リレー1009と、電子制御ユニット1010と、を備え、昇圧コンバータ1008は、インバータ1004が接続された電力ライン1006と、バッテリ1005が接続された電力ライン1007とに接続されている。 As shown in FIG. 26, the electric vehicle has a three-phase motor 1003 capable of inputting and outputting power to a drive shaft 1002 to which the drive wheels 1001a and the drive wheels 1001b are connected, and an inverter 1004 for driving the three-phase motor 1003. And a battery 1005. Further, the electric vehicle includes a boost converter 1008, a relay 1009, and an electronic control unit 1010, and the boost converter 1008 includes a power line 1006 to which the inverter 1004 is connected and a power line 1007 to which the battery 1005 is connected. Is connected to.

3相モータ1003は、永久磁石が埋め込まれたロータと、3相コイルが巻回されたステータとを備えた同期発電電動機である。インバータ1004には、前述の実施の形態4または前述の実施の形態5において説明したインバータを用いることができる。 The three-phase motor 1003 is a synchronous generator motor including a rotor in which a permanent magnet is embedded and a stator in which a three-phase coil is wound. As the inverter 1004, the inverter described in the above-described fourth embodiment or the above-mentioned embodiment 5 can be used.

昇圧コンバータ1008は、図27に示すように、インバータ1013に、リアクトル1011および平滑用コンデンサ1012が接続された構成からなる。インバータ1013は、例えば、前述の実施の形態5において説明したインバータと同様であり、インバータ内の素子構成も同じである。実施の形態6では、例えば実施の形態5と同じようにSiCパワーMISFET1014で構成された図で示している。 As shown in FIG. 27, the boost converter 1008 has a configuration in which a reactor 1011 and a smoothing capacitor 1012 are connected to an inverter 1013. The inverter 1013 is, for example, the same as the inverter described in the above-described fifth embodiment, and the element configuration in the inverter is also the same. In the sixth embodiment, for example, it is shown by a diagram composed of the SiC power MISFET 1014 as in the fifth embodiment.

図26の電子制御ユニット1010は、マイクロプロセッサと、記憶装置と、入出力ポートとを備えており、3相モータ1003のロータ位置を検出するセンサからの信号、またはバッテリ1005の充放電値などを受信する。そして、インバータ1004、昇圧コンバータ1008、およびリレー1009を制御するための信号を出力する。 The electronic control unit 1010 of FIG. 26 includes a microprocessor, a storage device, and an input / output port, and receives a signal from a sensor that detects the rotor position of the three-phase motor 1003, a charge / discharge value of the battery 1005, and the like. Receive. Then, a signal for controlling the inverter 1004, the boost converter 1008, and the relay 1009 is output.

このように、実施の形態6によれば、電力変換装置であるインバータ1004および昇圧コンバータ1008に、前述の実施の形態4および前述の実施の形態5において説明した電力変換装置を用いることができる。また、3相モータ1003、およびインバータ1004などからなる3相モータシステムに、前述の実施の形態4または前述の実施の形態5において説明した3相モータシステムを用いることができる。これにより、電気自動車の省エネルギー化、小型化、軽量化、省スペース化を図ることができる。 As described above, according to the sixth embodiment, the power conversion device described in the above-described fourth embodiment and the above-mentioned embodiment 5 can be used for the inverter 1004 and the boost converter 1008, which are the power conversion devices. Further, the three-phase motor system described in the above-described fourth embodiment or the above-mentioned embodiment 5 can be used for the three-phase motor system including the three-phase motor 1003 and the inverter 1004. This makes it possible to save energy, size, weight, and space for electric vehicles.

なお、実施の形態6では、電気自動車について説明したが、エンジンも併用するハイブリット自動車、バッテリ1005が燃料電池スタックとなった燃料電池自動車にも同様に、上述の各実施の形態の3相モータシステムを適用することができる。 Although the electric vehicle has been described in the sixth embodiment, the three-phase motor system of each of the above-described embodiments is similarly applied to the hybrid vehicle in which the engine is also used and the fuel cell vehicle in which the battery 1005 is a fuel cell stack. Can be applied.

前述の実施の形態4および前述の実施の形態5において説明した3相モータシステムは、鉄道車両に用いることができる。実施の形態7における3相モータシステムを用いた鉄道車両を図28を用いて説明する。図28は、実施の形態7における鉄道車両に備えられるコンバータおよびインバータの一例を示す回路図である。 The three-phase motor system described in the above-described 4th embodiment and the above-mentioned 5th embodiment can be used for a railway vehicle. A railway vehicle using the three-phase motor system according to the seventh embodiment will be described with reference to FIG. 28. FIG. 28 is a circuit diagram showing an example of a converter and an inverter provided in a railway vehicle according to the seventh embodiment.

図28に示すように、鉄道車両には架線OW(例えば25kV)からパンタグラフPGを介して電力が供給される。トランス1109を介して電圧が1.5kVまで降圧され、コンバータ1107で交流から直流に変換される。さらに、キャパシタ1108を介してインバータ1102で直流から交流に変換されて、負荷1101である3相モータを駆動する。コンバータ1107内の素子構成は前述の実施の形態4のようにSiCパワーMISFETおよびダイオードを併用してもよく、また前述の実施の形態5のようにSiCパワーMISFET単独でもよい。実施の形態7では、例えば、実施の形態5のようにSiCパワーMISFET1104で構成された図を示している。なお、図28では、前述の実施の形態4または前述の実施の形態5において説明した制御回路は省略している。また、図中、符号RTは線路、符号WHは車輪を示す。 As shown in FIG. 28, electric power is supplied to the railroad vehicle from the overhead line OW (for example, 25 kV) via the pantograph PG. The voltage is stepped down to 1.5 kV via the transformer 1109 and converted from alternating current to direct current by the converter 1107. Further, it is converted from direct current to alternating current by the inverter 1102 via the capacitor 1108 to drive the three-phase motor which is the load 1101. The element configuration in the converter 1107 may be a combination of a SiC power MISFET and a diode as in the fourth embodiment described above, or a single SiC power MISFET as in the fifth embodiment described above. In the seventh embodiment, for example, the figure configured by the SiC power MISFET 1104 as in the fifth embodiment is shown. In FIG. 28, the control circuit described in the above-described fourth embodiment or the above-mentioned embodiment 5 is omitted. Further, in the figure, the reference numeral RT indicates a railroad track, and the reference numeral WH indicates a wheel.

このように実施の形態7によればコンバータ1107に、前述の実施の形態4または前述の実施の形態5において説明した電力変換装置を用いることができる。また、負荷1101、インバータ1102、および制御回路からなる3相モータシステムに、前述の実施の形態4または前述の実施の形態5において説明した3相モータシステムを用いることができる。これにより、鉄道車両の省エネルギー化、床下部品の小型化および軽量化を図ることができる。 As described above, according to the seventh embodiment, the power conversion device described in the above-described fourth embodiment or the above-mentioned embodiment 5 can be used for the converter 1107. Further, as the three-phase motor system including the load 1101, the inverter 1102, and the control circuit, the three-phase motor system described in the above-described fourth embodiment or the above-mentioned embodiment 5 can be used. As a result, it is possible to save energy in railway vehicles, and to reduce the size and weight of underfloor parts.

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。 Although the invention made by the present inventor has been specifically described above based on the embodiment, the present invention is not limited to the above embodiment and can be variously modified without departing from the gist thereof. Needless to say.

例えば、各部の材質、導電型、および製造条件等は前述した実施の形態の記載に限定されるものではなく、各々多くの変形が可能であることは言うまでもない。ここで、説明の都合上、半導体基板および半導体膜の導電型を固定して説明したが、前述した実施の形態に記載した導電型には限定されない。 For example, the material, conductive type, manufacturing conditions, etc. of each part are not limited to the description of the above-described embodiment, and it goes without saying that many modifications are possible for each. Here, for convenience of explanation, the conductive type of the semiconductor substrate and the semiconductor film has been fixed and described, but the present invention is not limited to the conductive type described in the above-described embodiment.

1:半導体チップ、2:ソース配線用電極(SiCパワーMISFET形成領域、素子形成領域)、3:p型のフローティング・フィールド・リミッティング・リング、4:n++型のガードリング、5:ゲート開口部、6:SiCパワーMISFET、7:ソース開口部、8:ゲート配線用電極、101,201,301:n型のエピタキシャル層、102,202,302:p型のボディ層、103,203,303:n++型のソース領域、122,222,322:n型の第1電流拡散層、123,223,323:p型の第1電界緩和層、119,219,319:p型の第2電界緩和層、105,205,305:n型の第2電流拡散層、124,224,324:n型のJFET領域、106,206,306:トレンチ、107,207,307:n型のSiC基板、108,208,308:n型のドレイン領域、109,209,309:p++型のボディ層電位固定領域、110,210,310:ゲート絶縁膜、111,211,311:ゲート電極、112,212,312:層間絶縁膜、113,213,313:金属シリサイド層、114,214,314:第3金属膜、115,215,315:金属シリサイド層、116,216,316:ドレイン配線用電極、801:負荷、802:インバータ、803:制御回路、804:SiCMISFET、805:ダイオード、901:負荷、902:インバータ、903:制御回路、904:SiCMISFET、905:、1001a,1001b:駆動輪、1002:駆動軸、1003:3相モータ、1004:インバータ、1005:バッテリ、1006:電力ライン、1007:電力ライン、1008:昇圧コンバータ、1009:リレー、1010:電子制御ユニット、1011:リアクトル、1012:平滑用コンデンサ、1013:インバータ、1014:SiCMISFET、1101:負荷、1102:インバータ、1104:SiCMISFET、1107:コンバータ、1108:キャパシタ、1109:トランス、OW:架線OW、RT:線路、WH:車輪、Vcc:電源電圧、GND:接地電位。 1: Semiconductor chip 2: Source wiring electrode (SiC power MISFET forming area, element forming area) 3: p-type floating field limiting ring, 4: n ++ type guard ring, 5: Gate opening Unit, 6: SiC power MISFET, 7: source opening, 8: gate wiring electrode, 101, 201, 301: n - type epitaxial layer, 102, 202, 302: p + type body layer, 103, 203. , 303: n ++ type source region, 122,222,322: n + type first current diffusion layer, 123,223,323: p + type first electric circuit relaxation layer, 119,219,319: p + Type 2 second electric circuit relaxation layer, 105,205,305: n + type second current diffusion layer, 124,224,324: n - type JFET region, 106,206,306: Trench, 107,207,307 : N + type SiC substrate, 108, 208, 308: n + type drain region, 109, 209, 309: p ++ type body layer potential fixing region, 110, 210, 310: Gate insulating film, 111, 211 , 311: Gate electrode, 112,212,312: Capacitor insulating film, 113,213,313: Metal silicide layer, 114,214,314: Third metal film, 115,215,315: Metal silicide layer, 116,216 , 316: Drain wiring electrode, 801: Load, 802: Inverter, 803: Control circuit, 804: SiCMISFET, 805: Diode, 901: Load, 902: Inverter, 903: Control circuit, 904: SiCMISFET, 905 :, 1001a , 1001b: Drive wheel, 1002: Drive shaft, 1003: 3-phase motor, 1004: Inverter, 1005: Battery, 1006: Power line, 1007: Power line, 1008: Boost converter, 1009: Relay, 1010: Electronic control unit, 1011: Reactor, 1012: Capacitor for smoothing, 1013: Inverter, 1014: SiCMISFET, 1101: Load, 1102: Inverter, 1104: SiCMISFET, 1107: Converter, 1108: Capacitor, 1109: Transformer, OW: Overhead wire OW, RT: Line , WH: Wheel, Vcc: Power supply voltage, GND: Ground potential.

Claims (16)

第1不純物濃度を有する第1導電型の半導体基板と、
前記半導体基板の裏面側に形成されている裏面電極と、
前記半導体基板上に形成されている前記第1不純物濃度よりも低い第2不純物濃度の前記第1導電型の第1領域と、
前記第1導電型の第1領域内に形成され、前記半導体基板表面側に形成されている前記第1導電型とは反対の第2導電型の第2領域と、
隣り合う複数の前記第2領域に挟まれ、前記第1導電型の第3領域と、
前記第2導電型の第2領域内に形成されている前記第1導電型の第4領域と、
前記第1導電型の第4領域と隣り合い、電気的に接続し、前記第1導電型の第4領域より低濃度の前記第1導電型の第5領域と、
前記第3領域と電気的に接続し、前記第1導電型の第5領域と等しい濃度である前記第1導電型の第6領域と、
前記第5領域と、前記第2領域と、および前記第6領域とに延在し、前記第2領域よりも浅く、底面が前記第2領域に接しているトレンチと、
前記トレンチの内壁に形成されているゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されているゲート電極とを有することを特徴とする半導体装置。
A first conductive type semiconductor substrate having a first impurity concentration and
The back electrode formed on the back side of the semiconductor substrate and
The first region of the first conductive type having a second impurity concentration lower than the first impurity concentration formed on the semiconductor substrate,
The second region of the second conductive type, which is formed in the first region of the first conductive type and is formed on the surface side of the semiconductor substrate, which is opposite to the first conductive type.
It is sandwiched between a plurality of adjacent second regions, and the first conductive type third region and
The fourth region of the first conductive type formed in the second region of the second conductive type, and the fourth region of the first conductive type.
Adjacent to the fourth region of the first conductive type, electrically connected to the fifth region of the first conductive type having a lower concentration than the fourth region of the first conductive type,
A sixth region of the first conductive type, which is electrically connected to the third region and has a concentration equal to that of the fifth region of the first conductive type.
A trench extending to the fifth region, the second region, and the sixth region, shallower than the second region, and having a bottom surface in contact with the second region.
The gate insulating film formed on the inner wall of the trench and
A semiconductor device having a gate electrode formed on the gate insulating film.
請求項1に記載の半導体装置において、
前記第1導電型の第5領域上に形成され、前記第2導電型の第2領域と電気的に接続している前記第2導電型の第7領域と、
前記第1導電型の第6領域上に形成され、前記第2導電型の第2領域と電気的に接続し、前記第7領域と等しい濃度である前記第2導電型の第8領域とを更に有することを特徴とする半導体装置。
In the semiconductor device according to claim 1,
A seventh region of the second conductive type formed on the fifth region of the first conductive type and electrically connected to the second region of the second conductive type.
The eighth region of the second conductive type, which is formed on the sixth region of the first conductive type, is electrically connected to the second region of the second conductive type, and has the same concentration as the seventh region. Further, a semiconductor device characterized by having.
請求項1に記載の半導体装置において、
前記第1導電型の第4領域の不純物濃度が1×1019cm-3から1×1021cm-3の範囲であり、
前記第1導電型の第5領域と前記第1導電型の第6領域の不純物濃度が等しく、該不純物濃度が5×1016cm-3から5×1018cm-3の範囲であることを特徴とする半導体装置。
In the semiconductor device according to claim 1,
The impurity concentration in the fourth region of the first conductive type is in the range of 1 × 10 19 cm -3 to 1 × 10 21 cm -3 .
The impurity concentration in the fifth region of the first conductive type and the sixth region of the first conductive type are equal, and the impurity concentration is in the range of 5 × 10 16 cm -3 to 5 × 10 18 cm -3 . A featured semiconductor device.
請求項2に記載の半導体装置において、
前記第2導電型の第7領域と、前記第2導電型の第8領域の不純物濃度が等しく、該不純物濃度が1×1017cm-3から1×1019cm-3の範囲であることを特徴とする半導体装置。
In the semiconductor device according to claim 2,
The 7th region of the 2nd conductive type and the 8th region of the 2nd conductive type have the same impurity concentration, and the impurity concentration is in the range of 1 × 10 17 cm -3 to 1 × 10 19 cm -3 . A semiconductor device characterized by.
第1導電型のエピタキシャル層が形成されている前記第1導電型の炭化珪素半導体基板を準備し、
前記エピタキシャル層内に前記第1導電型とは反対の第2導電型のボディ層を形成し、
隣り合う複数の前記ボディ層に挟まれた前記第1導電型のJFET領域を形成し、
前記第2導電型のボディ層内に前記第1導電型のソース領域を形成し、
前記第1導電型のソース領域と隣り合い、電気的に接続し、前記第1導電型のソース領域より低濃度に前記第1導電型の第1電流拡散層を形成し、
前記JFET領域と電気的に接続し、一のマスクを用いて前記第1導電型の第1電流拡散層と前記第1導電型の第2電流拡散層を形成し、
前記ボディ層より浅く、底面が前記ボディ層に接し、前記第1電流拡散層、前記ボディ層、および前記第2電流拡散層に側面が接して延在するトレンチを形成し、
前記トレンチの内壁に絶縁膜を形成し、
前記絶縁膜上にゲート電極を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
The first conductive type silicon carbide semiconductor substrate on which the first conductive type epitaxial layer is formed is prepared.
A second conductive type body layer opposite to the first conductive type is formed in the epitaxial layer.
The first conductive type JFET region sandwiched between a plurality of adjacent body layers is formed.
The source region of the first conductive type is formed in the body layer of the second conductive type, and the source region is formed.
Adjacent to the first conductive type source region and electrically connected to form the first conductive type first current diffusion layer at a lower concentration than the first conductive type source region.
It is electrically connected to the JFET region, and the first conductive type first current diffusion layer and the first conductive type second current diffusion layer are formed by using one mask.
A trench that is shallower than the body layer, has a bottom surface in contact with the body layer, and has side surfaces in contact with the first current diffusion layer, the body layer, and the second current diffusion layer, and extends.
An insulating film is formed on the inner wall of the trench to form an insulating film.
A method for manufacturing a semiconductor device, which comprises forming a gate electrode on the insulating film.
請求項5に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第1導電型の第1電流拡散層と前記第1導電型の第2電流拡散層の形成工程は、同一のフォトマスクで同時に露光して形成したレジストマスクを介して第1導電型不純物をイオン注入して同時に形成する工程であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the method for manufacturing a semiconductor device according to claim 5,
In the step of forming the first conductive type first current diffusion layer and the first conductive type second current diffusion layer, the first conductive type impurities are transferred through a resist mask formed by simultaneously exposing with the same photomask. A method for manufacturing a semiconductor device, which comprises a process of implanting ions and forming them at the same time.
請求項5に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第1導電型の第1電流拡散層上に、前記第2導電型のボディ層と電気的に接続するように前記第2導電型の第1電界緩和層を形成し、
前記第1導電型の第2電流拡散層上に、前記第2導電型のボディ層と電気的に接続し、前記第1電界緩和層と等しい濃度に、前記第2導電型の第2電界緩和層を更に形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the method for manufacturing a semiconductor device according to claim 5,
On the first current diffusion layer of the first conductive type, the first electric field relaxation layer of the second conductive type is formed so as to be electrically connected to the body layer of the second conductive type.
The second conductive type body layer is electrically connected to the second conductive type body layer on the first conductive type second current diffusion layer, and the concentration is equal to that of the first electric field relaxation layer. A method for manufacturing a semiconductor device, which comprises further forming a layer.
請求項7に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第2導電型の第1電界緩和層と前記第2導電型の第2電界緩和層の形成工程は、同一のフォトマスクで同時に露光して形成したレジストマスクを介して第1導電型不純物をイオン注入して、同時に前記第1電流拡散層と前記第2電流拡散層を形成した後、前記レジストマスクを介して第2導電型不純物をイオン注入して、同時に前記第1電界緩和層と前記第2電界緩和層を形成する工程であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the method for manufacturing a semiconductor device according to claim 7,
In the step of forming the second conductive type first electric field relaxation layer and the second conductive type second electric field relaxation layer, the first conductive type impurities are implanted via a resist mask formed by simultaneously exposing with the same photomask. After ion implantation to form the first current diffusion layer and the second current diffusion layer at the same time, the second conductive type impurities are ion-implanted through the resist mask, and the first electric field relaxation layer and the second electric field relaxation layer are simultaneously implanted. A method for manufacturing a semiconductor device, which is a step of forming a second electric field relaxation layer.
請求項2に記載の半導体装置において、
前記第1導電型の第3領域が、前記第1導電型の第1領域の不純物濃度より高濃度に形成された前記第1導電型の第9領域であり、
前記第2導電型の第8領域が、前記第1導電型の第6領域から前記第1導電型の第3領域に延在するように形成され、前記第2導電型の第2領域と電気的に接続した前記第2導電型の第10領域であることを特徴とする半導体装置。
In the semiconductor device according to claim 2,
The third region of the first conductive type is the ninth region of the first conductive type formed at a concentration higher than the impurity concentration of the first region of the first conductive type.
The eighth region of the second conductive type is formed so as to extend from the sixth region of the first conductive type to the third region of the first conductive type, and is electrically connected to the second region of the second conductive type. A semiconductor device, characterized in that it is a tenth region of the second conductive type, which is specifically connected.
請求項1に記載の半導体装置において、
前記トレンチが、前記第5領域と、前記第2領域と、および前記第6領域とに加えて、前記第4領域までに延在し、前記第2領域よりも浅く、底面が前記第2領域に接しているトレンチであることを特徴とする半導体装置。
In the semiconductor device according to claim 1,
The trench extends to the fourth region in addition to the fifth region, the second region, and the sixth region, is shallower than the second region, and has a bottom surface of the second region. A semiconductor device characterized by being a trench in contact with.
請求項10に記載の半導体装置において、
前記第1導電型の第5領域上に形成され、前記第2導電型の第2領域と電気的に接続している前記第2導電型の第7領域と、
前記第1導電型の第6領域上に形成され、前記第2導電型の第2領域と電気的に接続し、前記第7領域と等しい濃度である前記第2導電型の第8領域とを更に有することを特徴とする半導体装置。
In the semiconductor device according to claim 10,
A seventh region of the second conductive type formed on the fifth region of the first conductive type and electrically connected to the second region of the second conductive type.
The eighth region of the second conductive type, which is formed on the sixth region of the first conductive type, is electrically connected to the second region of the second conductive type, and has the same concentration as the seventh region. Further, a semiconductor device characterized by having.
請求項1に記載の半導体装置において、
前記半導体基板の材質は炭化珪素であることを特徴とする半導体装置。
In the semiconductor device according to claim 1,
A semiconductor device characterized in that the material of the semiconductor substrate is silicon carbide.
請求項1に記載の半導体装置をスイッチング素子として有する電力変換装置。 A power conversion device having the semiconductor device according to claim 1 as a switching element. 請求項13に記載の電力変換装置で直流電力を交流電力に変換し、3相モータを駆動する3相モータシステム。 A three-phase motor system for driving a three-phase motor by converting DC power into AC power with the power conversion device according to claim 13. 請求項14に記載の3相モータシステムで車輪を駆動する自動車。 An automobile in which wheels are driven by the three-phase motor system according to claim 14. 請求項14に記載の3相モータシステムで車輪を駆動する鉄道車両。 A railway vehicle in which wheels are driven by the three-phase motor system according to claim 14.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010272741A (en) 2009-05-22 2010-12-02 Fuji Electric Systems Co Ltd Method of manufacturing semiconductor device
JP2015032813A (en) 2013-08-07 2015-02-16 住友電気工業株式会社 Silicon carbide semiconductor device
JP2015228496A (en) 2014-05-08 2015-12-17 三菱電機株式会社 Semiconductor device
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Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5721308B2 (en) 2008-03-26 2015-05-20 ローム株式会社 Semiconductor device
JP6168732B2 (en) 2012-05-11 2017-07-26 株式会社日立製作所 Silicon carbide semiconductor device and manufacturing method thereof
CN107112361B (en) 2015-02-12 2020-09-25 株式会社日立制作所 Semiconductor device and method for manufacturing the same, power conversion device, three-phase motor system, automobile, and railway vehicle

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010272741A (en) 2009-05-22 2010-12-02 Fuji Electric Systems Co Ltd Method of manufacturing semiconductor device
JP2015032813A (en) 2013-08-07 2015-02-16 住友電気工業株式会社 Silicon carbide semiconductor device
JP2015228496A (en) 2014-05-08 2015-12-17 三菱電機株式会社 Semiconductor device
WO2016116998A1 (en) 2015-01-19 2016-07-28 株式会社日立製作所 Semiconductor device, method for manufacturing same, power conversion device, three-phase motor system, automobile, and railway carriage
JP2018037621A (en) 2016-09-02 2018-03-08 株式会社日立製作所 Semiconductor device and manufacturing method of the same, and power conversion equipment

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