JP7106882B2 - Semiconductor device and method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

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

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

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

しかしながら、市場では大電流と高速性とを兼ね備えたパワー半導体装置への要求が強く、IGBTやパワーMOSFETはその改良に力が注がれ、現在ではほぼ材料限界に近いところまで開発が進んでいる。パワー半導体装置の観点からシリコンに代わる半導体材料が検討されており、低オン電圧、高速特性、高温特性に優れた次世代のパワー半導体装置を作製(製造)可能な半導体材料として炭化珪素(SiC)が注目を集めている。 However, there is a strong demand in the market for power semiconductor devices that combine large current and high speed, and efforts have been made to improve IGBTs and power MOSFETs. . From the viewpoint of power semiconductor devices, semiconductor materials that can replace silicon are being investigated, and silicon carbide (SiC) is a semiconductor material that can be used to fabricate (manufacture) next-generation power semiconductor devices with excellent low on-voltage, high-speed characteristics, and high-temperature characteristics. is attracting attention.

炭化珪素は、化学的に非常に安定した半導体材料であり、バンドギャップが3eVと広く、高温でも半導体として極めて安定的に使用することができる。また、炭化珪素は、最大電界強度もシリコンより1桁以上大きいため、オン抵抗を十分に小さくすることができる半導体材料として期待される。このような炭化珪素の特長は、他の、シリコンよりバンドギャップが広いワイドバンドギャップ半導体である、例えば窒化ガリウム(GaN)にもあてはまる。このため、ワイドバンドギャップ半導体を用いることにより、半導体装置の高耐圧化を図ることができる。 Silicon carbide is a chemically very stable semiconductor material, has a wide bandgap of 3 eV, and can be extremely stably used as a semiconductor even at high temperatures. In addition, since silicon carbide has a maximum electric field strength that is one order of magnitude higher than that of silicon, silicon carbide is expected as a semiconductor material capable of sufficiently reducing the on-resistance. Such features of silicon carbide also apply to other wide bandgap semiconductors, such as gallium nitride (GaN), which have a wider bandgap than silicon. Therefore, by using a wide bandgap semiconductor, it is possible to increase the breakdown voltage of the semiconductor device.

図20は、従来の炭化珪素半導体装置の構造を示す断面図である。図20に示すように、炭化珪素からなる半導体基体(以下、炭化珪素半導体基体とする)200のおもて面(p-型炭化珪素エピタキシャル層103側の面)側に一般的なトレンチゲート構造のMOSゲートを備える。炭化珪素半導体基体(半導体チップ)200は、炭化珪素からなるn+型支持基板(以下、n+型炭化珪素基板とする)101上にn-型炭化珪素エピタキシャル層102、電流拡散領域であるn型高濃度領域106およびp-型炭化珪素エピタキシャル層103となる各炭化珪素層を順にエピタキシャル成長させてなる。 FIG. 20 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional silicon carbide semiconductor device. As shown in FIG. 20, a general trench gate structure is provided on the front surface (the surface on the side of p -type silicon carbide epitaxial layer 103) of a semiconductor substrate (hereinafter referred to as silicon carbide semiconductor substrate) 200 made of silicon carbide. of MOS gates. A silicon carbide semiconductor substrate (semiconductor chip) 200 includes an n -type silicon carbide epitaxial layer 102 on an n + -type support substrate (hereinafter referred to as an n + -type silicon carbide substrate) 101 made of silicon carbide, n Each silicon carbide layer to be type high concentration region 106 and p type silicon carbide epitaxial layer 103 is epitaxially grown in order.

n型高濃度領域106には、隣り合うトレンチ118間(メサ部)に、第1p+型ベース領域104が選択的に設けられている。また、n型高濃度領域106には、トレンチ118の底面を部分的に覆う第2p+型ベース領域105が選択的に設けられている。第1p+型ベース領域104は、p-型炭化珪素エピタキシャル層103に接するように設けられている。第2p+型ベース領域105は、n-型炭化珪素エピタキシャル層102に達しない深さで設けられている。第2p+型ベース領域105と第1p+型ベース領域104は同時に形成されてもかまわない。 A first p + -type base region 104 is selectively provided between adjacent trenches 118 (mesa portion) in the n-type high-concentration region 106 . A second p + -type base region 105 that partially covers the bottom surface of the trench 118 is selectively provided in the n-type high-concentration region 106 . First p + -type base region 104 is provided in contact with p -type silicon carbide epitaxial layer 103 . Second p + -type base region 105 is provided at a depth that does not reach n -type silicon carbide epitaxial layer 102 . The second p + -type base region 105 and the first p + -type base region 104 may be formed at the same time.

符号107~112は、それぞれn+型ソース領域、p+型コンタクト領域、ゲート絶縁膜、ゲート電極、層間絶縁膜およびソース電極である。n+型炭化珪素基板101の裏面側には裏面電極(不図示)が設けられる。 Reference numerals 107 to 112 denote n + -type source regions, p + -type contact regions, gate insulating films, gate electrodes, interlayer insulating films and source electrodes, respectively. A back electrode (not shown) is provided on the back side of n + -type silicon carbide substrate 101 .

また、トレンチ型の炭化珪素半導体装置のオン抵抗削減に関して、トレンチの底面近傍に膨出部を形成し、埋め込み絶縁膜を充填することで、チャネルとなる部分のSiC結晶にひずみが加わり、オン抵抗が減少し、さらに、隣接する膨出部間の距離が短くなり、飽和電流を低く抑える技術がある(例えば、下記特許文献1参照)。 In addition, regarding the reduction of the on-resistance of a trench-type silicon carbide semiconductor device, by forming a bulging portion in the vicinity of the bottom of the trench and filling it with a buried insulating film, strain is applied to the SiC crystal of the channel portion, and the on-resistance is reduced. is reduced, the distance between adjacent bulges is shortened, and the saturation current is suppressed (for example, see Patent Document 1 below).

特開2016-213374号公報JP 2016-213374 A

ここで、トレンチ型の炭化珪素半導体装置では、オン抵抗(RonA)は、n+型炭化珪素基板101の抵抗、n-型炭化珪素エピタキシャル層102の抵抗、n型高濃度領域106の抵抗、p-型炭化珪素エピタキシャル層103の抵抗(以下、チャネル抵抗と称する)、n+型ソース領域107の抵抗からなる。p-型炭化珪素エピタキシャル層103の不純物濃度が低いため、チャネル抵抗を下げることで、効率的にオン抵抗を下げることができる。チャネル抵抗は例えば、セルピッチ(トレンチ118間の距離w)やチャネル長(p-型炭化珪素エピタキシャル層103の厚さh)を短縮することで減少させることができる。 Here, in the trench-type silicon carbide semiconductor device, the on-resistance (RonA) is the resistance of the n + -type silicon carbide substrate 101, the resistance of the n -type silicon carbide epitaxial layer 102, the resistance of the n-type heavily doped region 106, and the p It consists of a resistance of type silicon carbide epitaxial layer 103 (hereinafter referred to as a channel resistance) and a resistance of n + type source region 107 . Since the impurity concentration of p -type silicon carbide epitaxial layer 103 is low, the on-resistance can be efficiently lowered by lowering the channel resistance. The channel resistance can be reduced, for example, by shortening the cell pitch (distance w between trenches 118) or channel length (thickness h of p -type silicon carbide epitaxial layer 103).

図21は、従来の炭化珪素半導体装置におけるドレイン電圧とドレイン電流との関係を示すグラフである。図21において、横軸はドレイン電圧を示し、縦軸はドレイン電流を示す。図21に示すように、ドレイン電圧を増加させて、ドレイン電圧がピンチオフ電圧に達すると、チャネルの広さが0になる、または、チャネル内の電荷が0になることにより、ドレイン電圧を増してもドレイン電流がほとんど増加しなくなる。 FIG. 21 is a graph showing the relationship between drain voltage and drain current in a conventional silicon carbide semiconductor device. In FIG. 21, the horizontal axis indicates the drain voltage, and the vertical axis indicates the drain current. As shown in FIG. 21, when the drain voltage is increased and the drain voltage reaches the pinch-off voltage, the width of the channel becomes 0 or the charge in the channel becomes 0, thereby increasing the drain voltage. Also, the drain current hardly increases.

一方、ピンチオフ電圧に達するまでは、オン抵抗に依存してドレイン電流が上昇する。このため、チャネル抵抗を減少させ、オン抵抗を減少させると、ドレイン電流がほとんど増加しなくなる値(以下、飽和電流(Isat)と称する)が上昇する。図21では、線Aはオン抵抗が大きい場合を示し、線Bはオン抵抗が小さい場合を示し、オン抵抗が小さい方が、飽和電流が大きい。 On the other hand, until the pinch-off voltage is reached, the drain current increases depending on the on-resistance. Therefore, when the channel resistance is decreased and the on-resistance is decreased, the value at which the drain current hardly increases (hereinafter referred to as saturation current (Isat)) increases. In FIG. 21, line A indicates a case where the on-resistance is large, and line B indicates a case where the on-resistance is small, and the smaller the on-resistance, the larger the saturation current.

ここで、図22は、従来の炭化珪素半導体装置における短絡破壊と飽和電流との関係を示すグラフである。図22において、横軸は時間を示し、縦軸はドレイン電流を示す。図22に示すように、飽和電流に達するとドレイン電流は増加しなくなる。短絡破壊は、飽和電流が流れている時間と電源電圧との積算のエネルギー量で決定される。チャネル抵抗を減少すると、飽和電流が増加するため、上記エネルギー量が増え、短絡破壊が起きやすくなり、短絡耐量が低下してしまう。このように、炭化珪素半導体装置では、オン抵抗と飽和電流がトレードオフ(反比例)の関係にあるため、オン抵抗を減少させると短絡耐量が低下するという問題があった。 Here, FIG. 22 is a graph showing the relationship between short-circuit breakdown and saturation current in a conventional silicon carbide semiconductor device. In FIG. 22, the horizontal axis indicates time, and the vertical axis indicates drain current. As shown in FIG. 22, the drain current stops increasing when the saturation current is reached. Short-circuit breakdown is determined by the amount of energy obtained by integrating the time during which the saturation current is flowing and the power supply voltage. When the channel resistance is reduced, the saturation current increases, so the amount of energy described above increases, making short-circuit breakdown more likely to occur, and the short-circuit withstand capability lowers. As described above, in the silicon carbide semiconductor device, since the on-resistance and the saturation current are in a trade-off relationship (inversely proportional), there is a problem that if the on-resistance is reduced, the short-circuit withstand capability is lowered.

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、オン抵抗と飽和電流のトレードオフを改善して、オン抵抗を減少しても短絡耐量の低下率が少ない半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 In order to solve the above-described problems of the prior art, the present invention improves the trade-off between on-resistance and saturation current, and manufactures a semiconductor device in which the rate of decrease in short-circuit resistance is small even if the on-resistance is reduced. The purpose is to provide a method.

上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、次の特徴を有する。第1導電型の半導体基板のおもて面に、前記半導体基板よりも不純物濃度の低い第1導電型の第1半導体層が設けられる。前記第1半導体層の、前記半導体基板側に対して反対側に第2導電型の第2半導体層が設けられる。前記第2半導体層の内部に選択的に、前記半導体基板よりも不純物濃度の高い第1導電型の第1半導体領域が設けられる。前記第1半導体領域および前記第2半導体層を貫通して前記第1半導体層に達するトレンチが設けられる。前記トレンチの内部にゲート絶縁膜を介してゲート電極が設けられる。前記第1半導体層の内部に選択的に、第2導電型の第2半導体領域が設けられる。前記第1半導体層の内部に選択的に、前記トレンチの底面に接する第2導電型の第3半導体領域が設けられる。前記第2半導体層と前記第1半導体領域の表面に第1電極が設けられる。前記半導体基板の裏面に第2電極が設けられる。前記第2半導体領域および前記第3半導体領域は、前記トレンチの幅方向に延在した突起部を有し、前記突起部は、前記トレンチの底面より、前記第1電極側に設けられ、前記突起部間の距離は、前記第2電極の電圧が動作電圧であるとき、前記第2半導体領域と前記第1半導体層との間の第1空乏層と、前記第3半導体領域と前記第1半導体層との間の第2空乏層とが閉じず、前記第2電極の電圧が前記動作電圧より高く、前記ゲート電極の電圧より低いとき、前記第1空乏層と前記第2空乏層とが閉じる距離である。
In order to solve the above problems and achieve the object of the present invention, a semiconductor device according to the present invention has the following features. A first semiconductor layer of a first conductivity type having an impurity concentration lower than that of the semiconductor substrate is provided on the front surface of the semiconductor substrate of the first conductivity type. A second conductive type second semiconductor layer is provided on the side of the first semiconductor layer opposite to the semiconductor substrate side. A first conductivity type first semiconductor region having an impurity concentration higher than that of the semiconductor substrate is selectively provided inside the second semiconductor layer. A trench is provided through the first semiconductor region and the second semiconductor layer to reach the first semiconductor layer. A gate electrode is provided inside the trench with a gate insulating film interposed therebetween. A second conductive type second semiconductor region is selectively provided inside the first semiconductor layer. A third semiconductor region of a second conductivity type is selectively provided inside the first semiconductor layer and is in contact with the bottom surface of the trench. A first electrode is provided on the surface of the second semiconductor layer and the first semiconductor region. A second electrode is provided on the back surface of the semiconductor substrate. The second semiconductor region and the third semiconductor region each have a protrusion extending in the width direction of the trench, the protrusion being provided closer to the first electrode than the bottom surface of the trench. When the voltage of the second electrode is the operating voltage, the distance between the portions is a first depletion layer between the second semiconductor region and the first semiconductor layer, and a distance between the third semiconductor region and the first semiconductor layer. The first depletion layer and the second depletion layer close when the second depletion layer between the layers does not close and the voltage of the second electrode is higher than the operating voltage and lower than the voltage of the gate electrode. Distance.

上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、次の特徴を有する。第1導電型の半導体基板のおもて面に、前記半導体基板よりも不純物濃度の低い第1導電型の第1半導体層が設けられる。前記第1半導体層の、前記半導体基板側に対して反対側に第2導電型の第2半導体層が設けられる。前記第2半導体層の内部に選択的に、前記半導体基板よりも不純物濃度の高い第1導電型の第1半導体領域が設けられる。前記第1半導体領域および前記第2半導体層を貫通して前記第1半導体層に達するトレンチが設けられる。前記トレンチの内部にゲート絶縁膜を介してゲート電極が設けられる。前記第1半導体層の内部に選択的に、第2導電型の第2半導体領域が設けられる。前記第1半導体層の内部に選択的に、前記トレンチの底面に接する第2導電型の第3半導体領域が設けられる。前記第2半導体層と前記第1半導体領域の表面に第1電極が設けられる。前記半導体基板の裏面に第2電極が設けられる。前記第3半導体領域の、前記第2半導体層側の表面に、前記第2半導体領域側に突き出た第2導電型の第4半導体領域が設けられる。前記第4半導体領域は、前記トレンチの底面より、前記第1電極側に設けられる。前記第4半導体領域と前記第2半導体領域間の距離は、前記第2電極の電圧が動作電圧であるとき、前記第2半導体領域と前記第1半導体層との間の第1空乏層と、前記第3半導体領域と前記第1半導体層との間の第2空乏層とが閉じず、前記第2電極の電圧が前記動作電圧より高く、前記ゲート電極の電圧より低いとき、前記第1空乏層と前記第2空乏層とが閉じる距離である。In order to solve the above problems and achieve the object of the present invention, a semiconductor device according to the present invention has the following features. A first semiconductor layer of a first conductivity type having an impurity concentration lower than that of the semiconductor substrate is provided on the front surface of the semiconductor substrate of the first conductivity type. A second conductive type second semiconductor layer is provided on the side of the first semiconductor layer opposite to the semiconductor substrate side. A first conductivity type first semiconductor region having an impurity concentration higher than that of the semiconductor substrate is selectively provided inside the second semiconductor layer. A trench is provided through the first semiconductor region and the second semiconductor layer to reach the first semiconductor layer. A gate electrode is provided inside the trench with a gate insulating film interposed therebetween. A second conductive type second semiconductor region is selectively provided inside the first semiconductor layer. A third semiconductor region of a second conductivity type is selectively provided inside the first semiconductor layer and is in contact with the bottom surface of the trench. A first electrode is provided on the surface of the second semiconductor layer and the first semiconductor region. A second electrode is provided on the back surface of the semiconductor substrate. A second conductivity type fourth semiconductor region protruding toward the second semiconductor region is provided on the surface of the third semiconductor region on the second semiconductor layer side. The fourth semiconductor region is provided closer to the first electrode than the bottom surface of the trench. a distance between the fourth semiconductor region and the second semiconductor region is a first depletion layer between the second semiconductor region and the first semiconductor layer when the voltage of the second electrode is an operating voltage; When the second depletion layer between the third semiconductor region and the first semiconductor layer does not close and the voltage of the second electrode is higher than the operating voltage and lower than the voltage of the gate electrode, the first depletion is the close distance between the layer and the second depletion layer.

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記距離は、0.5μm以上0.9μm以下であることを特徴とする。 Moreover, in the semiconductor device according to the present invention, in the invention described above, the distance is 0.5 μm or more and 0.9 μm or less.

また、上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、次の特徴を有する。まず、第1導電型の半導体基板のおもて面に、前記半導体基板よりも不純物濃度の低い第1導電型の第1半導体層を形成する第1工程を行う。次に、前記第1半導体層の、前記半導体基板側に対して反対側に第2導電型の第2半導体層を形成する第2工程を行う。次に、前記第2半導体層の内部に選択的に、前記半導体基板よりも不純物濃度の高い第1導電型の第1半導体領域を形成する第3工程を行う。次に、前記第1半導体領域および前記第2半導体層を貫通して前記第1半導体層に達するトレンチを形成する第4工程を行う。次に、前記トレンチの内部にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する第5工程を行う。次に、前記第1半導体層の内部に選択的に、第2導電型の第2半導体領域を形成する第6工程を行う。次に、前記第1半導体層の内部に選択的に、前記トレンチの底面に接する第2導電型の第3半導体領域を形成する第7工程を行う。次に、前記第2半導体層と前記第1半導体領域の表面に第1電極を形成する第8工程を行う。次に、前記半導体基板の裏面に第2電極を形成する第9工程を行う。次に、前記第2半導体領域および前記第3半導体領域に、前記トレンチの幅方向に延在した突起部を形成する第10工程を行う。前記突起部は、前記トレンチの底面より、前記第1電極側に形成され、前記突起部間の距離は、前記第2電極の電圧が動作電圧であるとき、前記第2半導体領域と前記第1半導体層との間の第1空乏層と、前記第3半導体領域と前記第1半導体層との間の第2空乏層とが閉じず、前記第2電極の電圧が前記動作電圧より高く、前記ゲート電極の電圧より低いとき、前記第1空乏層と前記第2空乏層とが閉じる距離である。また、上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、次の特徴を有する。まず、第1導電型の半導体基板のおもて面に、前記半導体基板よりも不純物濃度の低い第1導電型の第1半導体層を形成する第1工程を行う。次に、前記第1半導体層の、前記半導体基板側に対して反対側に第2導電型の第2半導体層を形成する第2工程を行う。次に、前記第2半導体層の内部に選択的に、前記半導体基板よりも不純物濃度の高い第1導電型の第1半導体領域を形成する第3工程を行う。次に、前記第1半導体領域および前記第2半導体層を貫通して前記第1半導体層に達するトレンチを形成する第4工程を行う。次に、前記トレンチの内部にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する第5工程を行う。次に、前記第1半導体層の内部に選択的に、第2導電型の第2半導体領域を形成する第6工程を行う。次に、前記第1半導体層の内部に選択的に、前記トレンチの底面に接する第2導電型の第3半導体領域を形成する第7工程を行う。次に、前記第2半導体層と前記第1半導体領域の表面に第1電極を形成する第8工程を行う。次に、前記半導体基板の裏面に第2電極を形成する第9工程を行う。次に、前記第3半導体領域の、前記第2半導体層側の表面に、前記第2半導体領域側に突き出た第2導電型の第4半導体領域を形成する第10工程を行う。前記第4半導体領域は、前記トレンチの底面より、前記第1電極側に形成され、前記第4半導体領域と前記第2半導体領域間の距離は、前記第2電極の電圧が動作電圧であるとき、前記第2半導体領域と前記第1半導体層との間の第1空乏層と、前記第3半導体領域と前記第1半導体層との間の第2空乏層とが閉じず、前記第2電極の電圧が前記動作電圧より高く、前記ゲート電極の電圧より低いとき、前記第1空乏層と前記第2空乏層とが閉じる距離である。
In order to solve the above problems and achieve the object of the present invention, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention has the following features. First, a first step of forming a first semiconductor layer of a first conductivity type having an impurity concentration lower than that of the semiconductor substrate on a front surface of a semiconductor substrate of the first conductivity type is performed. Next, a second step of forming a second conductive type second semiconductor layer on the side of the first semiconductor layer opposite to the semiconductor substrate is performed. Next, a third step of selectively forming a first conductivity type first semiconductor region having a higher impurity concentration than the semiconductor substrate inside the second semiconductor layer is performed. Next, a fourth step of forming a trench penetrating through the first semiconductor region and the second semiconductor layer and reaching the first semiconductor layer is performed. Next, a fifth step of forming a gate electrode inside the trench via a gate insulating film is performed. Next, a sixth step of selectively forming a second conductivity type second semiconductor region inside the first semiconductor layer is performed. Next, a seventh step of selectively forming a third semiconductor region of the second conductivity type in contact with the bottom surface of the trench inside the first semiconductor layer is performed. Next, an eighth step of forming a first electrode on the surfaces of the second semiconductor layer and the first semiconductor region is performed. Next, a ninth step of forming a second electrode on the back surface of the semiconductor substrate is performed. Next, a tenth step of forming protrusions extending in the width direction of the trenches in the second semiconductor region and the third semiconductor region is performed. The protrusion is formed closer to the first electrode than the bottom surface of the trench, and the distance between the protrusions is such that when the voltage of the second electrode is the operating voltage, the distance between the second semiconductor region and the first electrode is the same as that of the second semiconductor region. The first depletion layer between the semiconductor layer and the second depletion layer between the third semiconductor region and the first semiconductor layer are not closed, the voltage of the second electrode is higher than the operating voltage, and the It is the distance at which the first depletion layer and the second depletion layer close when the voltage is lower than the voltage of the gate electrode. In order to solve the above problems and achieve the object of the present invention, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention has the following features. First, a first step of forming a first semiconductor layer of a first conductivity type having an impurity concentration lower than that of the semiconductor substrate on a front surface of a semiconductor substrate of the first conductivity type is performed. Next, a second step of forming a second conductive type second semiconductor layer on the side of the first semiconductor layer opposite to the semiconductor substrate is performed. Next, a third step of selectively forming a first conductivity type first semiconductor region having a higher impurity concentration than the semiconductor substrate inside the second semiconductor layer is performed. Next, a fourth step of forming a trench penetrating through the first semiconductor region and the second semiconductor layer and reaching the first semiconductor layer is performed. Next, a fifth step of forming a gate electrode inside the trench via a gate insulating film is performed. Next, a sixth step of selectively forming a second conductivity type second semiconductor region inside the first semiconductor layer is performed. Next, a seventh step of selectively forming a third semiconductor region of the second conductivity type in contact with the bottom surface of the trench inside the first semiconductor layer is performed. Next, an eighth step of forming a first electrode on the surfaces of the second semiconductor layer and the first semiconductor region is performed. Next, a ninth step of forming a second electrode on the back surface of the semiconductor substrate is performed. Next, a tenth step of forming a fourth semiconductor region of the second conductivity type protruding toward the second semiconductor region on the surface of the third semiconductor region on the second semiconductor layer side is performed. The fourth semiconductor region is formed closer to the first electrode than the bottom surface of the trench, and the distance between the fourth semiconductor region and the second semiconductor region is set when the voltage of the second electrode is the operating voltage. , a first depletion layer between the second semiconductor region and the first semiconductor layer and a second depletion layer between the third semiconductor region and the first semiconductor layer are not closed, and the second electrode is the distance at which the first depletion layer and the second depletion layer close when the voltage of is higher than the operating voltage and lower than the voltage of the gate electrode.

上述した発明によれば、第1p+型ベース領域(第2導電型の第2半導体領域)と第2p+型ベース領域(第2導電型の第3半導体領域)の間の幅が、従来の炭化珪素半導体装置より狭くなっている。これにより、ドレイン電圧が通常動作時の電圧より高くゲート電圧より低い場合に空乏層が閉じるようになり、従来より低いドレイン電圧でドレイン電流が飽和して、飽和電流が低くなる。このため、チャネル抵抗を低減してオン抵抗を低減しても、飽和電流が従来ほど上昇することなく、短絡耐量が低下することが少なくなる。 According to the above invention, the width between the first p + -type base region (second conductivity type second semiconductor region) and the second p + -type base region (second conductivity type third semiconductor region) is less than the conventional width It is narrower than the silicon carbide semiconductor device. As a result, the depletion layer closes when the drain voltage is higher than the voltage during normal operation and lower than the gate voltage, and the drain current saturates at a lower drain voltage than conventional, resulting in a low saturation current. Therefore, even if the on-resistance is reduced by reducing the channel resistance, the saturation current does not increase as much as in the conventional case, and the short-circuit withstand capability is less likely to decrease.

本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法によれば、オン抵抗と飽和電流がトレードオフを改善して、オン抵抗を減少しても短絡耐量の低下率が少ないという効果を奏する。 According to the semiconductor device and the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the trade-off between the on-resistance and the saturation current is improved, and even if the on-resistance is reduced, the rate of decrease in short-circuit withstand capability is small.

実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置の構造を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing the structure of a silicon carbide semiconductor device according to a first embodiment; FIG. 従来の炭化珪素半導体装置の空乏層を示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view showing a depletion layer of a conventional silicon carbide semiconductor device; 実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置におけるドレイン電圧とドレイン電流との関係を示すグラフである。5 is a graph showing the relationship between drain voltage and drain current in the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment; 実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置におけるドレイン電圧とドレイン電流との関係のシミュレーション結果を示すグラフである(その1)。7 is a graph showing simulation results of the relationship between drain voltage and drain current in the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment (part 1); 実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置におけるドレイン電圧とドレイン電流との関係のシミュレーション結果を示すグラフである(その2)。7 is a graph showing simulation results of the relationship between drain voltage and drain current in the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment (part 2); 実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置における飽和電流とオン抵抗との関係を示すグラフである。5 is a graph showing the relationship between saturation current and on-resistance in the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment; 実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である(その1)。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a state in the middle of manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment (Part 1); 実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である(その2)。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a state in the middle of manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment (No. 2); 実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である(その3)。3 is a cross-sectional view showing a state in the middle of manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment (No. 3); FIG. 実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である(その4)。FIG. 4 is a cross-sectional view showing a state in the middle of manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment (No. 4); 実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である(その5)。FIG. 5 is a cross-sectional view showing a state in the middle of manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment (No. 5); 実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である(その6)。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a state in the middle of manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment (No. 6); 実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である(その7)。FIG. 11 is a cross-sectional view showing a state in the middle of manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment (No. 7); 実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置の構造を示す断面図である。It is a cross-sectional view showing the structure of a silicon carbide semiconductor device according to a second embodiment. 実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を模式的に示す断面図である(その1)。FIG. 11 is a cross-sectional view schematically showing a state in the middle of manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment (No. 1); 実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を模式的に示す断面図である(その2)。FIG. 12 is a cross-sectional view schematically showing a state in the middle of manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment (No. 2); 実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を模式的に示す断面図である(その3)。FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing a state in the middle of manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment (No. 3); 実施の形態3にかかる炭化珪素半導体装置の構造を示す断面図である。It is a cross-sectional view showing the structure of a silicon carbide semiconductor device according to a third embodiment. 実施の形態3にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を模式的に示す断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view schematically showing a state in the middle of manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to a third embodiment; 実施の形態1、2、3にかかる炭化珪素半導体装置におけるドレイン電圧とドレイン電流との関係を示すグラフである。5 is a graph showing the relationship between drain voltage and drain current in the silicon carbide semiconductor devices according to the first, second and third embodiments; 従来の炭化珪素半導体装置の構造を示す断面図である。It is a cross-sectional view showing the structure of a conventional silicon carbide semiconductor device. 従来の炭化珪素半導体装置におけるドレイン電圧とドレイン電流との関係を示すグラフである。7 is a graph showing the relationship between drain voltage and drain current in a conventional silicon carbide semiconductor device; 従来の炭化珪素半導体装置における短絡破壊と飽和電流との関係を示すグラフである。7 is a graph showing the relationship between short-circuit breakdown and saturation current in a conventional silicon carbide semiconductor device;

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、nまたはpを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、nやpに付す+および-は、それぞれそれが付されていない層や領域よりも高不純物濃度および低不純物濃度であることを意味する。+および-を含めたnやpの表記が同じ場合は近い濃度であることを示し濃度が同等とは限らない。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本明細書では、ミラー指数の表記において、“-”はその直後の指数につくバーを意味しており、指数の前に“-”を付けることで負の指数をあらわしている。 Preferred embodiments of a semiconductor device and a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings. In this specification and the accompanying drawings, layers and regions prefixed with n or p mean that electrons or holes are majority carriers, respectively. Also, + and - attached to n and p mean that the impurity concentration is higher and lower than that of the layer or region not attached, respectively. When the notations of n and p including + and - are the same, it indicates that the concentrations are close, and the concentrations are not necessarily the same. In the following description of the embodiments and the accompanying drawings, the same configurations are denoted by the same reference numerals, and overlapping descriptions are omitted. Also, in this specification, in the notation of the Miller index, "-" means a bar attached to the index immediately after it, and adding "-" before the index indicates a negative index.

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

図1に示すように、実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置は、n+型炭化珪素基板(第1導電型の半導体基板)1の第1主面(おもて面)、例えば(0001)面(Si面)に、n-型炭化珪素エピタキシャル層(第1導電型の第1半導体層)2が堆積されている。 As shown in FIG. 1, the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment includes a first main surface (front surface) of an n + -type silicon carbide substrate (first conductivity type semiconductor substrate) 1, for example, (0001 ) plane (Si plane), an n -type silicon carbide epitaxial layer (first conductivity type first semiconductor layer) 2 is deposited.

+型炭化珪素基板1は、例えば窒素(N)がドーピングされた炭化珪素単結晶基板である。n-型炭化珪素エピタキシャル層2は、n+型炭化珪素基板1よりも低い不純物濃度で、例えば窒素がドーピングされている低濃度n型ドリフト層である。n-型炭化珪素エピタキシャル層2の、n+型炭化珪素基板1側に対して反対側の表面は、n型高濃度領域6が形成されている。n型高濃度領域6は、n+型炭化珪素基板1よりも低くn-型炭化珪素エピタキシャル層2よりも高い不純物濃度で、例えば窒素がドーピングされている高濃度n型ドリフト層である。以下、n+型炭化珪素基板1とn-型炭化珪素エピタキシャル層2と後述するp-型炭化珪素エピタキシャル層(第2導電型の第2半導体層)3とを併せて炭化珪素半導体基体100とする。 The n + -type silicon carbide substrate 1 is, for example, a silicon carbide single crystal substrate doped with nitrogen (N). The n -type silicon carbide epitaxial layer 2 is a low-concentration n-type drift layer doped with, for example, nitrogen at an impurity concentration lower than that of the n + -type silicon carbide substrate 1 . An n-type high-concentration region 6 is formed on the surface of n -type silicon carbide epitaxial layer 2 opposite to n + -type silicon carbide substrate 1 side. The n-type high-concentration region 6 is a high-concentration n-type drift layer doped with nitrogen, for example, at an impurity concentration lower than that of the n + -type silicon carbide substrate 1 and higher than that of the n -type silicon carbide epitaxial layer 2 . Hereinafter, the n + -type silicon carbide substrate 1, the n - -type silicon carbide epitaxial layer 2, and the later-described p - -type silicon carbide epitaxial layer (second conductivity type second semiconductor layer) 3 are collectively referred to as a silicon carbide semiconductor substrate 100. do.

+型炭化珪素基板1の第2主面(裏面、すなわち炭化珪素半導体基体の裏面)には、裏面電極(第2電極)14が設けられている。裏面電極14は、ドレイン電極を構成する。裏面電極14の表面には、ドレイン電極パッド(不図示)が設けられている。 A back surface electrode (second electrode) 14 is provided on the second main surface (back surface, ie, the back surface of the silicon carbide semiconductor substrate) of n + -type silicon carbide substrate 1 . The back electrode 14 constitutes a drain electrode. A drain electrode pad (not shown) is provided on the surface of the back electrode 14 .

炭化珪素半導体基体の第1主面側(p-型炭化珪素エピタキシャル層3側)には、トレンチ構造が形成されている。具体的には、トレンチ18は、p-型炭化珪素エピタキシャル層3のn+型炭化珪素基板1側に対して反対側(炭化珪素半導体基体の第1主面側)の表面からp-型炭化珪素エピタキシャル層3を貫通してn-型炭化珪素エピタキシャル層2に達する。トレンチ18の内壁に沿って、トレンチ18の底部および側壁にゲート絶縁膜9が形成されており、トレンチ18内のゲート絶縁膜9の内側にゲート電極10が形成されている。ゲート絶縁膜9によりゲート電極10が、n-型炭化珪素エピタキシャル層2およびp-型炭化珪素エピタキシャル層3と絶縁されている。ゲート電極10の一部は、トレンチ18の上方(ソース電極12側)からソース電極12側に突出している。 A trench structure is formed on the first main surface side (p type silicon carbide epitaxial layer 3 side) of the silicon carbide semiconductor substrate. Specifically, trench 18 is formed from the surface of p -type silicon carbide epitaxial layer 3 on the side opposite to n + -type silicon carbide substrate 1 (the first main surface side of the silicon carbide semiconductor substrate). It penetrates silicon epitaxial layer 3 and reaches n -type silicon carbide epitaxial layer 2 . A gate insulating film 9 is formed on the bottom and sidewalls of trench 18 along the inner wall of trench 18 , and gate electrode 10 is formed inside gate insulating film 9 in trench 18 . Gate electrode 10 is insulated from n type silicon carbide epitaxial layer 2 and p type silicon carbide epitaxial layer 3 by gate insulating film 9 . A portion of the gate electrode 10 protrudes from above the trench 18 (source electrode 12 side) toward the source electrode 12 side.

-型炭化珪素エピタキシャル層2のn+型炭化珪素基板1側に対して反対側(炭化珪素半導体基体の第1主面側)の表面層には、第1p+型ベース領域(第2導電型の第2半導体領域)4と第2p+型ベース領域(第2導電型の第3半導体領域)5が選択的に設けられている。第2p+型ベース領域5はトレンチ18の下に形成されており、第2p+型ベース領域5の幅はトレンチ18の幅よりも広い。第1p+型ベース領域4と第2p+型ベース領域5は、例えばアルミニウムがドーピングされている。 A first p + -type base region ( second conductivity type second semiconductor region) 4 and a second p + -type base region (second conductivity type third semiconductor region) 5 are selectively provided. The second p + -type base region 5 is formed under the trench 18 and the width of the second p + -type base region 5 is wider than the width of the trench 18 . The first p + -type base region 4 and the second p + -type base region 5 are doped with aluminum, for example.

第1p+型ベース領域4の一部をトレンチ18側に延在させることで第2p+型ベース領域5に接続した構造となっていてもよい。この場合、第1p+型ベース領域4の一部は、第1p+型ベース領域4と第2p+型ベース領域5とが並ぶ方向(以下、第1方向とする)xと直交する方向(以下、第2方向とする)yに、n型高濃度領域6と交互に繰り返し配置された平面レイアウトを有していてもよい。 A structure in which a part of the first p + -type base region 4 is extended to the trench 18 side and connected to the second p + -type base region 5 may be employed. In this case, a part of the first p + -type base region 4 is oriented in a direction (hereinafter referred to as a first direction) orthogonal to x in which the first p + -type base region 4 and the second p + -type base region 5 are arranged. , and the second direction) y, the n-type high-concentration regions 6 may be alternately and repeatedly arranged in a planar layout.

-型炭化珪素エピタキシャル層2の基体第1主面側には、p-型炭化珪素エピタキシャル層3が設けられている。p-型炭化珪素エピタキシャル層3の内部には、基体第1主面側にn+型ソース領域(第1導電型の第1半導体領域)7およびp+型コンタクト領域8が選択的に設けられている。n+型ソース領域7はトレンチ18に接している。また、n+型ソース領域7およびp+型コンタクト領域8は互いに接する。また、n-型炭化珪素エピタキシャル層1の基体第1主面側の表面層の第1p+型ベース領域4と第2p+型ベース領域5に挟まれた領域と、p-型炭化珪素エピタキシャル層3と第2p+型ベース領域5に挟まれた領域にn型高濃度領域6が設けられている。 A p -type silicon carbide epitaxial layer 3 is provided on the substrate first main surface side of the n -type silicon carbide epitaxial layer 2 . Inside p -type silicon carbide epitaxial layer 3, n + -type source region (first conductivity type first semiconductor region) 7 and p + -type contact region 8 are selectively provided on the first main surface side of the substrate. ing. The n + -type source region 7 is in contact with the trench 18 . Also, the n + -type source region 7 and the p + -type contact region 8 are in contact with each other. Also, a region sandwiched between the first p + -type base region 4 and the second p + -type base region 5 in the surface layer of the n -type silicon carbide epitaxial layer 1 on the substrate first main surface side, and the p -type silicon carbide epitaxial layer 3 and the second p + -type base region 5, an n-type high-concentration region 6 is provided.

図1では、2つのトレンチMOS構造のみを図示しているが、さらに多くのトレンチ構造のMOSゲート(金属-酸化膜-半導体からなる絶縁ゲート)構造が並列に配置されていてもよい。 Although only two trench MOS structures are shown in FIG. 1, more trench MOS gate (metal-oxide-semiconductor insulating gate) structures may be arranged in parallel.

層間絶縁膜11は、炭化珪素半導体基体の第1主面側の全面に、トレンチ18に埋め込まれたゲート電極10を覆うように設けられている。ソース電極12は、層間絶縁膜11に開口されたコンタクトホールを介して、n+型ソース領域7およびp+型コンタクト領域8に接する。ソース電極12は、層間絶縁膜11によって、ゲート電極10と電気的に絶縁されている。ソース電極12上には、ソース電極パッド(不図示)が設けられている。ソース電極12と層間絶縁膜11との間に、例えばソース電極12からゲート電極10側への金属原子の拡散を防止するバリアメタル(不図示)が設けられていてもよい。 Interlayer insulating film 11 is provided all over the first main surface side of the silicon carbide semiconductor substrate so as to cover gate electrode 10 embedded in trench 18 . Source electrode 12 is in contact with n + -type source region 7 and p + -type contact region 8 through a contact hole opened in interlayer insulating film 11 . Source electrode 12 is electrically insulated from gate electrode 10 by interlayer insulating film 11 . A source electrode pad (not shown) is provided on the source electrode 12 . A barrier metal (not shown) may be provided between the source electrode 12 and the interlayer insulating film 11 to prevent diffusion of metal atoms from the source electrode 12 to the gate electrode 10 side, for example.

実施の形態1の炭化珪素半導体装置では、第1p+型ベース領域4と第2p+型ベース領域5との間の幅(以下、JFET幅)L1が、従来の炭化珪素半導体装置のJFET幅L11より狭くなっている(L1<L11)。例えば、第1p+型ベース領域4の幅または第2p+型ベース領域5の幅の少なくとも一つを従来の炭化珪素半導体装置より広くすることで、JFET幅L1を狭くすることができる。 In the silicon carbide semiconductor device of the first embodiment, the width (hereinafter referred to as JFET width) L1 between first p + -type base region 4 and second p + -type base region 5 is the JFET width L11 of the conventional silicon carbide semiconductor device. narrower (L1<L11). For example, JFET width L1 can be narrowed by making at least one of the width of first p + -type base region 4 and the width of second p + -type base region 5 wider than the conventional silicon carbide semiconductor device.

JFET幅L1は、炭化珪素半導体装置での通常動作時のドレイン電圧1V程度では空乏層Sが閉じず、ドレイン電圧が、通常動作時の電圧より高くゲート電圧より低い場合に空乏層Sが閉じるような幅とする。図1では空乏層Sが閉じた例を示している。具体的に、ゲート電圧を20Vとすると、JFET幅L1を0.5μm以上0.9μm以下にすることで、ドレイン電圧が2Vより高く19V以下のとき、空乏層Sが閉じるようになる。 The JFET width L1 is set so that the depletion layer S does not close at a drain voltage of about 1 V during normal operation in the silicon carbide semiconductor device, and the depletion layer S closes when the drain voltage is higher than the voltage during normal operation and lower than the gate voltage. width. FIG. 1 shows an example in which the depletion layer S is closed. Specifically, when the gate voltage is 20 V, the depletion layer S is closed when the drain voltage is higher than 2 V and lower than 19 V by setting the JFET width L1 to 0.5 μm or more and 0.9 μm or less.

ここで、空乏層Sが閉じることは、第1p+型ベース領域4とn型高濃度領域6またはn-型炭化珪素エピタキシャル層2とのpn界面での空乏層と、第2p+型ベース領域5とn型高濃度領域6またはn-型炭化珪素エピタキシャル層2とのpn界面での空乏層が接するようになることである。 Here, the closure of the depletion layer S means that the depletion layer at the pn interface between the first p + -type base region 4 and the n-type high concentration region 6 or the n -type silicon carbide epitaxial layer 2 and the second p + -type base region The depletion layer at the pn interface between 5 and n-type high concentration region 6 or n -type silicon carbide epitaxial layer 2 comes into contact with each other.

ここで、図2は、従来の炭化珪素半導体装置の空乏層を示す断面図である。従来の炭化珪素半導体装置では、JFET幅L11が実施の形態1より広いため、ドレイン電圧がゲート電圧と同程度になっても、空乏層Sが閉じない。このため、ピンチオフになるまで、ドレイン電圧に従いドレイン電流が増加し、ドレイン電圧がゲート電圧と同程度になったときにドレイン電流が飽和する。 Here, FIG. 2 is a cross-sectional view showing a depletion layer of a conventional silicon carbide semiconductor device. In the conventional silicon carbide semiconductor device, since JFET width L11 is wider than that of the first embodiment, depletion layer S does not close even if the drain voltage becomes approximately the same as the gate voltage. Therefore, the drain current increases according to the drain voltage until pinch-off occurs, and the drain current saturates when the drain voltage becomes approximately the same as the gate voltage.

一方、実施の形態1では、ドレイン電圧が通常動作時の電圧より高くゲート電圧より低い場合で空乏層Sが閉じるため、この時点でドレイン電流が飽和する。つまり、ゲート電圧と同程度のピンチオフ電圧より低い電圧(以下、JFETピンチオフ電圧)でドレイン電流が飽和する。 On the other hand, in Embodiment 1, the depletion layer S closes when the drain voltage is higher than the voltage during normal operation and lower than the gate voltage, so the drain current is saturated at this point. That is, the drain current saturates at a voltage lower than the pinch-off voltage (hereinafter referred to as JFET pinch-off voltage) which is approximately the same as the gate voltage.

図3は、実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置におけるドレイン電圧とドレイン電流との関係を示すグラフである。図3において、横軸はドレイン電圧を示し、縦軸はドレイン電流を示し、線Aは比較のため従来の炭化珪素半導体装置におけるドレイン電圧とドレイン電流との関係であり、線Bは、実施の形態1のJFET幅L1を適用した場合のドレイン電圧とドレイン電流との関係であり、線Cは、実施の形態1のJFET幅L1を適用し、チャネル抵抗を減少させた場合のドレイン電圧とドレイン電流との関係である。 FIG. 3 is a graph showing the relationship between drain voltage and drain current in the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment. In FIG. 3, the horizontal axis indicates the drain voltage, the vertical axis indicates the drain current, the line A indicates the relationship between the drain voltage and the drain current in the conventional silicon carbide semiconductor device for comparison, and the line B indicates the relationship between the drain voltage and the drain current in the conventional silicon carbide semiconductor device. It is the relationship between the drain voltage and the drain current when the JFET width L1 of the first embodiment is applied, and the line C shows the drain voltage and the drain current when the JFET width L1 of the first embodiment is applied and the channel resistance is reduced. It is the relationship with current.

図3に示すように、従来の線Aはピンチオフ電圧でドレイン電流が飽和しているのに対して、線B、線Cでは、ピンチオフ電圧より低いJFETピンチオフ電圧でドレイン電流が飽和しているため、飽和電圧が低くなっている。線Cは、チャネル抵抗を減少させているため、同じドレイン電圧に対してドレイン電流が高く、線Cの方が飽和電流が高くなっている。 As shown in FIG. 3, in the conventional line A, the drain current is saturated at the pinch-off voltage, whereas in the lines B and C, the drain current is saturated at the JFET pinch-off voltage lower than the pinch-off voltage. , the saturation voltage is lower. Since line C reduces the channel resistance, drain current is higher for the same drain voltage, and line C has a higher saturation current.

ここで、図4A、図4Bは、実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置におけるドレイン電圧とドレイン電流との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。図4Bは、図4Aの低電圧部の拡大図である。図4A、図4Bにおいて、横軸はドレイン電圧を示し単位はVであり、縦軸はドレイン電流を示し、単位はA/cm2である。 Here, FIGS. 4A and 4B are graphs showing simulation results of the relationship between drain voltage and drain current in the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 4B is an enlarged view of the low voltage portion of FIG. 4A. 4A and 4B, the horizontal axis indicates drain voltage in units of V, and the vertical axis indicates drain current in units of A/cm 2 .

シミュレーションは、耐圧1200V級の炭化珪素半導体装置にゲート電圧20Vを印加して行った。従来構造はセルピッチを6μmにして、オン抵抗は4.09mΩcm2であった。実施の形態1では、JFET幅L1を狭くし、セルピッチを4μmにし、オン抵抗は3.39mΩcm2であった。図4A、図4Bに示すように、実施の形態1での飽和電流が、従来構造の飽和電流より低くなっている。 The simulation was performed by applying a gate voltage of 20 V to a 1200 V class silicon carbide semiconductor device. The conventional structure had a cell pitch of 6 μm and an on-resistance of 4.09 mΩcm 2 . In Embodiment 1, the JFET width L1 was narrowed, the cell pitch was set to 4 μm, and the on-resistance was 3.39 mΩcm 2 . As shown in FIGS. 4A and 4B, the saturation current of the first embodiment is lower than that of the conventional structure.

次に、図5は、実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置における飽和電流とオン抵抗との関係を示すグラフである。図5において、横軸はオン抵抗を示し、縦軸は飽和電流を示す。実線は比較のため従来構造の炭化珪素半導体装置における飽和電流とオン抵抗との関係であり、点線は、実施の形態1のJFET幅L1を適用した場合の飽和電流とオン抵抗との関係である。 Next, FIG. 5 is a graph showing the relationship between saturation current and on-resistance in the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment. In FIG. 5, the horizontal axis indicates the ON resistance, and the vertical axis indicates the saturation current. For comparison, the solid line represents the relationship between the saturation current and the on-resistance in the silicon carbide semiconductor device of the conventional structure, and the dotted line represents the relationship between the saturation current and the on-resistance when the JFET width L1 of the first embodiment is applied. .

図5に示すように、実施の形態1でも従来構造と同様に、オン抵抗と飽和電流のトレードオフが存在している。しかしながら、オン抵抗の領域Aの部分では、実施の形態1は、従来構造と比べると同じオン抵抗で飽和電流が低くなり、オン抵抗と飽和電流のトレードオフが改善されている。このため、実施の形態1で、オン抵抗を減少させても短絡耐量が低下することが少ない。また、実施の形態1では、JFET幅L1を狭くしているため、この部分の抵抗は増加するが、チャネル抵抗を下げることができるため、オン抵抗を減少させることができる。 As shown in FIG. 5, the first embodiment also has a trade-off between the on-resistance and the saturation current as in the conventional structure. However, in the on-resistance region A, the first embodiment has a lower saturation current with the same on-resistance than the conventional structure, and the trade-off between on-resistance and saturation current is improved. Therefore, in the first embodiment, even if the on-resistance is decreased, the short-circuit withstand capability is less likely to decrease. Further, in the first embodiment, since the JFET width L1 is narrowed, the resistance of this portion increases, but the channel resistance can be lowered, so that the on-resistance can be reduced.

(実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法)
次に、実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法について説明する。図6~図12は、実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を模式的に示す断面図である。
(Method for Manufacturing Semiconductor Device According to First Embodiment)
Next, a method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment will be described. 6 to 12 are cross-sectional views schematically showing states in the middle of manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment.

まず、n型の炭化珪素でできたn+型炭化珪素基板1を用意する。そして、このn+型炭化珪素基板1の第1主面上に、n型の不純物、例えば窒素原子をドーピングしながら炭化珪素でできた第1n-型炭化珪素エピタキシャル層2aを、例えば30μm程度の厚さまでエピタキシャル成長させる。この第1n-型炭化珪素エピタキシャル層2aは、n-型炭化珪素エピタキシャル層1となる。ここまでの状態が図6に示されている。 First, an n + -type silicon carbide substrate 1 made of n-type silicon carbide is prepared. Then, on the first main surface of this n + -type silicon carbide substrate 1, a first n -type silicon carbide epitaxial layer 2a made of silicon carbide while being doped with n-type impurities such as nitrogen atoms is deposited, for example, to a thickness of about 30 μm. Epitaxially grown to a thickness. This first n -type silicon carbide epitaxial layer 2 a becomes n -type silicon carbide epitaxial layer 1 . The state up to this point is shown in FIG.

次に、第1n-型炭化珪素エピタキシャル層2aの表面上に、フォトリソグラフィ技術によって所定の開口部を有するイオン注入用マスクを例えば酸化膜で形成する。そして、アルミニウム等のp型の不純物を、酸化膜の開口部に注入し、深さ0.5μm程度の下部第1p+型ベース領域4aを形成する。下部第1p+型ベース領域4aと同時に、トレンチ18の底部となる第2p+型ベース領域5を形成してもよい。隣り合う下部第1p+型ベース領域4aと第2p+型ベース領域5との距離が、0.5μm以上0.9μm以下となるよう形成する。これにより、炭化珪素半導体装置の通常動作時のドレイン電圧1V程度では空乏層Sが閉じず、ドレイン電圧が、通常動作時の電圧より高くゲート電圧以下の場合に空乏層Sが閉じるようになる。下部第1p+型ベース領域4aおよび第2p+型ベース領域5の不純物濃度を例えば5×1018/cm3程度に設定する。ここまでの状態が図7に示されている。 Next, an ion implantation mask having a predetermined opening is formed of, for example, an oxide film on the surface of the first n -type silicon carbide epitaxial layer 2a by photolithography. Then, a p-type impurity such as aluminum is implanted into the opening of the oxide film to form a lower first p + -type base region 4a having a depth of about 0.5 μm. A second p + -type base region 5 that forms the bottom of the trench 18 may be formed at the same time as the lower first p + -type base region 4a. The distance between adjacent lower first p + -type base region 4a and second p + -type base region 5 is formed to be 0.5 μm or more and 0.9 μm or less. As a result, the depletion layer S does not close at a drain voltage of about 1 V during normal operation of the silicon carbide semiconductor device, and the depletion layer S closes when the drain voltage is higher than the voltage during normal operation and equal to or lower than the gate voltage. The impurity concentration of the lower first p + -type base region 4a and the second p + -type base region 5 is set to about 5×10 18 /cm 3 , for example. The state up to this point is shown in FIG.

次に、イオン注入用マスクの一部を除去し、開口部に窒素等のn型の不純物をイオン注入し、第1n-型炭化珪素エピタキシャル層2aの表面領域の一部に、例えば深さ0.5μm程度の下部n型高濃度領域6aを設ける。下部n型高濃度領域6aの不純物濃度を例えば1×1017/cm3程度に設定する。 Next, part of the ion implantation mask is removed, and an n-type impurity such as nitrogen is ion-implanted into the opening to form a part of the surface region of the first n -type silicon carbide epitaxial layer 2a, for example, with a depth of 0. A lower n-type high-concentration region 6a having a thickness of about 0.5 μm is provided. The impurity concentration of the lower n-type high concentration region 6a is set to about 1×10 17 /cm 3 , for example.

次に、第1n-型炭化珪素エピタキシャル層2aの表面上に、窒素等のn型の不純物をドーピングした第2n-型炭化珪素エピタキシャル層2bを、0.5μm程度の厚さで形成する。第2n-型炭化珪素エピタキシャル層2bの不純物濃度が3×1015/cm3程度となるように設定する。以降、第1n-型炭化珪素エピタキシャル層2aと第2n-型炭化珪素エピタキシャル層2bを合わせて、n-型炭化珪素エピタキシャル層2となる。 Next, a second n - -type silicon carbide epitaxial layer 2b doped with an n-type impurity such as nitrogen is formed on the surface of the first n - -type silicon carbide epitaxial layer 2a to a thickness of about 0.5 μm. The impurity concentration of second n -type silicon carbide epitaxial layer 2b is set to about 3×10 15 /cm 3 . Thereafter, the n − -type silicon carbide epitaxial layer 2 is formed by combining the first n − -type silicon carbide epitaxial layer 2a and the second n -type silicon carbide epitaxial layer 2b.

次に、第2n-型炭化珪素エピタキシャル層2bの表面上に、フォトリソグラフィによって所定の開口部を有するイオン注入用マスクを例えば酸化膜で形成する。そして、アルミニウム等のp型の不純物を、酸化膜の開口部に注入し、深さ0.5μm程度の上部第1p+型ベース領域4bを、下部第1p+型ベース領域4aに重なるように形成する。下部第1p+型ベース領域4aと上部第1p+型ベース領域4bは連続した領域を形成し、第1p+型ベース領域4となる。上部第1p+型ベース領域4bの不純物濃度を例えば5×1018/cm3程度となるように設定する。 Next, an ion implantation mask having a predetermined opening is formed of, for example, an oxide film on the surface of the second n -type silicon carbide epitaxial layer 2b by photolithography. Then, a p-type impurity such as aluminum is implanted into the opening of the oxide film to form an upper first p + -type base region 4b having a depth of about 0.5 μm so as to overlap the lower first p + -type base region 4a. do. The lower first p + -type base region 4 a and the upper first p + -type base region 4 b form a continuous region to become the first p + -type base region 4 . The impurity concentration of the upper first p + -type base region 4b is set to about 5×10 18 /cm 3 , for example.

次に、イオン注入用マスクの一部を除去し、開口部に窒素等のn型の不純物をイオン注入し、第2炭化珪素エピタキシャル層2bの表面領域の一部に、例えば深さ0.5μm程度の上部n型高濃度領域6bを設ける。上部n型高濃度領域6bの不純物濃度を例えば1×1017/cm3程度に設定する。この上部n型高濃度領域6bと下部n型高濃度領域6aは少なくとも一部が接するように形成され、n型高濃度領域6を形成する。ただし、このn型高濃度領域6が基板全面に形成される場合と、形成されない場合がある。ここまでの状態が図8に示されている。 Next, a portion of the ion implantation mask is removed, and an n-type impurity such as nitrogen is ion-implanted into the opening to implant a portion of the surface region of the second silicon carbide epitaxial layer 2b to a depth of, for example, 0.5 μm. An upper n-type high-concentration region 6b is provided. The impurity concentration of the upper n-type high concentration region 6b is set to about 1×10 17 /cm 3 , for example. The upper n-type high concentration region 6b and the lower n-type high concentration region 6a are formed so as to be in contact with each other at least partially to form the n-type high concentration region 6. As shown in FIG. However, this n-type high-concentration region 6 may or may not be formed over the entire surface of the substrate. The state up to this point is shown in FIG.

次に、n-型炭化珪素エピタキシャル層2の表面上に、アルミニウム等のp型不純物をドーピングしたp-型炭化珪素エピタキシャル層3を1.3μm程度の厚さで形成する。p-型炭化珪素エピタキシャル層3の不純物濃度は4×1017/cm3程度に設定する。ここまでの状態が図9に示されている。 Next, on the surface of n -type silicon carbide epitaxial layer 2, p -type silicon carbide epitaxial layer 3 doped with a p-type impurity such as aluminum is formed to a thickness of about 1.3 μm. The impurity concentration of p -type silicon carbide epitaxial layer 3 is set to about 4×10 17 /cm 3 . The state up to this point is shown in FIG.

次に、p-型炭化珪素エピタキシャル層3および露出したn-型炭化珪素エピタキシャル層1の表面上に、フォトリソグラフィによって所定の開口部を有するイオン注入用マスクを例えば酸化膜で形成する。この開口部にリン(P)等のn型の不純物をイオン注入し、p-型炭化珪素エピタキシャル層3の表面の一部にn+型ソース領域7を形成する。n+型ソース領域7の不純物濃度は、p-型炭化珪素エピタキシャル層3の不純物濃度より高くなるように設定する。次に、n+型ソース領域7の形成に用いたイオン注入用マスクを除去し、同様の方法で、所定の開口部を有するイオン注入用マスクを形成し、p-型炭化珪素エピタキシャル層3の表面の一部にアルミニウム等のp型の不純物をイオン注入し、p+型コンタクト領域8を設ける。p+型コンタクト領域8の不純物濃度は、p-型炭化珪素エピタキシャル層3の不純物濃度より高くなるように設定する。ここまでの状態が図10に示されている。 Next, an ion implantation mask having a predetermined opening is formed of, for example, an oxide film on the surfaces of p -type silicon carbide epitaxial layer 3 and exposed n -type silicon carbide epitaxial layer 1 by photolithography. An n-type impurity such as phosphorus (P) is ion-implanted into this opening to form n + -type source region 7 in a portion of the surface of p -type silicon carbide epitaxial layer 3 . The impurity concentration of n + -type source region 7 is set to be higher than that of p -type silicon carbide epitaxial layer 3 . Next, the ion implantation mask used for forming the n + -type source region 7 is removed, and an ion implantation mask having a predetermined opening is formed by the same method. A p-type impurity such as aluminum is ion-implanted into a part of the surface to form a p + -type contact region 8 . The impurity concentration of p + -type contact region 8 is set to be higher than that of p -type silicon carbide epitaxial layer 3 . The state up to this point is shown in FIG.

次に、1700℃程度の不活性ガス雰囲気で熱処理(アニール)を行い、第1p+型ベース領域4、第2p+型ベース領域5、n+型ソース領域7、p+型コンタクト領域8の活性化処理を実施する。なお、上述したように1回の熱処理によって各イオン注入領域をまとめて活性化させてもよいし、イオン注入を行うたびに熱処理を行って活性化させてもよい。 Next, heat treatment (annealing) is performed in an inert gas atmosphere at about 1700° C. to activate the first p + -type base region 4, the second p + -type base region 5, the n + -type source region 7, and the p + -type contact region 8. Transformation processing is carried out. As described above, the ion-implanted regions may be activated collectively by one heat treatment, or may be activated by heat treatment each time ion implantation is performed.

次に、p-型炭化珪素エピタキシャル層3の表面上に、フォトリソグラフィによって所定の開口部を有するトレンチ形成用マスクを例えば酸化膜で形成する。次に、ドライエッチングによってp-型炭化珪素エピタキシャル層3を貫通し、n-型炭化珪素エピタキシャル層2に達するトレンチ18を形成する。トレンチ18の底部はn-型炭化珪素エピタキシャル層2に形成された第1p+型ベース領域4に達してもよい。次に、トレンチ形成用マスクを除去する。ここまでの状態が図11に示されている。 Next, on the surface of p -type silicon carbide epitaxial layer 3, a trench forming mask having a predetermined opening is formed of, for example, an oxide film by photolithography. Next, trenches 18 are formed through p type silicon carbide epitaxial layer 3 and reaching n type silicon carbide epitaxial layer 2 by dry etching. The bottom of trench 18 may reach first p + -type base region 4 formed in n -type silicon carbide epitaxial layer 2 . Next, the trench formation mask is removed. The state up to this point is shown in FIG.

次に、n+型ソース領域7およびp+型コンタクト領域8の表面と、トレンチ18の底部および側壁と、に沿ってゲート絶縁膜9を形成する。このゲート絶縁膜9は、酸素雰囲気中において1000℃程度の温度の熱処理によって熱酸化によって形成してもよい。また、このゲート絶縁膜9は高温酸化(High Temperature Oxide:HTO)等のような化学反応によって堆積する方法で形成してもよい。 Next, gate insulating film 9 is formed along the surfaces of n + -type source region 7 and p + -type contact region 8 and along the bottom and side walls of trench 18 . This gate insulating film 9 may be formed by thermal oxidation by heat treatment at a temperature of about 1000° C. in an oxygen atmosphere. Also, the gate insulating film 9 may be formed by a method of depositing by a chemical reaction such as high temperature oxide (HTO).

次に、ゲート絶縁膜9上に、例えばリン原子がドーピングされた多結晶シリコン層を設ける。この多結晶シリコン層はトレンチ18内を埋めるように形成してもよい。この多結晶シリコン層をフォトリソグラフィによりパターニングし、トレンチ18内部に残すことによって、ゲート電極10を形成する。 Next, a polycrystalline silicon layer doped with, for example, phosphorus atoms is provided on the gate insulating film 9 . This polycrystalline silicon layer may be formed so as to fill the trench 18 . The gate electrode 10 is formed by patterning this polycrystalline silicon layer by photolithography and leaving it inside the trench 18 .

次に、ゲート絶縁膜9およびゲート電極10を覆うように、例えばリンガラスを1μm程度の厚さで成膜し、層間絶縁膜11を形成する。次に、層間絶縁膜11を覆うように、チタン(Ti)または窒化チタン(TiN)からなるバリアメタル(不図示)を形成してもよい。層間絶縁膜11およびゲート絶縁膜9をフォトリソグラフィによりパターニングしn+型ソース領域7およびp+型コンタクト領域8を露出させたコンタクトホールを形成する。その後、熱処理(リフロー)を行って層間絶縁膜11を平坦化する。ここまでの状態が図12に示されている。 Next, an interlayer insulating film 11 is formed by depositing, for example, phosphorous glass to a thickness of about 1 μm so as to cover the gate insulating film 9 and the gate electrode 10 . Next, a barrier metal (not shown) made of titanium (Ti) or titanium nitride (TiN) may be formed to cover the interlayer insulating film 11 . Interlayer insulating film 11 and gate insulating film 9 are patterned by photolithography to form contact holes exposing n + -type source region 7 and p + -type contact region 8 . Thereafter, heat treatment (reflow) is performed to planarize the interlayer insulating film 11 . The state up to this point is shown in FIG.

次に、コンタクトホール内および層間絶縁膜11の上にソース電極12となるニッケル(Ni)等の導電性の膜を設ける。この導電性の膜をフォトリソグラフィによりパターニングし、コンタクトホール内にのみソース電極12を残す。 Next, a conductive film made of nickel (Ni) or the like that becomes the source electrode 12 is provided in the contact hole and on the interlayer insulating film 11 . This conductive film is patterned by photolithography to leave the source electrode 12 only in the contact hole.

次に、n+型炭化珪素半導体基板1の第2主面上に、ニッケル等の裏面電極14を設ける。この後、1000℃程度の不活性ガス雰囲気で熱処理を行って、n+型ソース領域7、p+型コンタクト領域8およびn+型炭化珪素半導体基板1とオーミック接合するソース電極12および裏面電極を形成する。 Next, on the second main surface of n + -type silicon carbide semiconductor substrate 1, back surface electrode 14 of nickel or the like is provided. Thereafter, heat treatment is performed in an inert gas atmosphere at about 1000° C. to form n + -type source region 7 , p + -type contact region 8 , n + -type silicon carbide semiconductor substrate 1 and source electrode 12 in ohmic contact with the back surface electrode. Form.

次に、n+炭化珪素半導体基板1の第1主面上に、スパッタ法によって5μm程度の厚さのアルミニウム膜を堆積し、フォトリソグラフィによりソース電極12および層間絶縁膜11を覆うようにアルミニウムを除去し、ソース電極パッド(不図示)を形成する。 Next, an aluminum film having a thickness of about 5 μm is deposited on the first main surface of n + silicon carbide semiconductor substrate 1 by sputtering, and aluminum is deposited by photolithography so as to cover source electrode 12 and interlayer insulating film 11 . It is removed to form a source electrode pad (not shown).

次に、裏面電極14の表面に、例えばチタン(Ti)、ニッケルおよび金(Au)を順に積層することによって、ドレイン電極パッド(不図示)を形成する。以上のようにして、図1に示す炭化珪素半導体装置が完成する。 Next, a drain electrode pad (not shown) is formed on the surface of the back electrode 14 by laminating titanium (Ti), nickel and gold (Au) in order, for example. As described above, the silicon carbide semiconductor device shown in FIG. 1 is completed.

以上、説明したように、実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置によれば、第1p+型ベース領域と第2p+型ベース領域の間の幅が、従来の炭化珪素半導体装置より狭くなっている。これにより、ドレイン電圧が通常動作時の電圧より高くゲート電圧より低い場合に空乏層が閉じるようになり、従来より低いドレイン電圧でドレイン電流が飽和して、飽和電流が低くなる。このため、チャネル抵抗を低減してオン抵抗を低減しても、飽和電流が従来ほど上昇することなく、短絡耐量が低下することが少なくなる。 As described above, according to the silicon carbide semiconductor device of the first embodiment, the width between the first p + -type base region and the second p + -type base region is narrower than that of the conventional silicon carbide semiconductor device. there is As a result, the depletion layer closes when the drain voltage is higher than the voltage during normal operation and lower than the gate voltage, and the drain current saturates at a lower drain voltage than conventional, resulting in a low saturation current. Therefore, even if the on-resistance is reduced by reducing the channel resistance, the saturation current does not increase as much as in the conventional case, and the short-circuit withstand capability is less likely to decrease.

(実施の形態2)
次に、実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置の構造について説明する。図13は、実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置の構造を示す断面図である。実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置が実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置と異なる点は、第1p+型ベース領域4および第2p+型ベース領域5に、トレンチ18の幅方向に延在した突起部13を有する点である。
(Embodiment 2)
Next, the structure of the silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment is described. FIG. 13 is a cross-sectional view showing the structure of the silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment. The silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment differs from the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment in that the first p + -type base region 4 and the second p + -type base region 5 extend in the width direction of the trench 18 . It is a point that it has the projection part 13 which existed.

n型高濃度領域6の抵抗は、JFET幅L1と第2p+型ベース領域5の厚さL2で決定される。一方、JFETピンチオフ電圧は、JFET幅L1で決定される。このため、実施の形態2では、突起部13によりJFET幅L1の狭いところが設けられる。突起部13間のJFET幅L1は、実施の形態1と同様に、炭化珪素半導体装置での通常動作時のドレイン電圧1V程度では空乏層Sが閉じず、ドレイン電圧が、通常動作時の電圧より高くゲート電圧より低い場合に空乏層Sが閉じるような幅とする。これにより、従来より低いドレイン電圧でドレイン電流が飽和して、飽和電流を低くすることができる。 The resistance of n-type high-concentration region 6 is determined by JFET width L1 and thickness L2 of second p + -type base region 5 . On the other hand, the JFET pinch-off voltage is determined by the JFET width L1. Therefore, in the second embodiment, the projecting portion 13 provides a narrow portion of the JFET width L1. As in the first embodiment, the JFET width L1 between the protrusions 13 is such that the depletion layer S does not close at a drain voltage of about 1 V during normal operation in the silicon carbide semiconductor device, and the drain voltage is lower than the voltage during normal operation. The width is such that the depletion layer S closes when it is high and lower than the gate voltage. As a result, the drain current saturates at a drain voltage lower than that of the prior art, and the saturation current can be reduced.

また、実施の形態2では、第1p+型ベース領域4および第2p+型ベース領域5の突起部13が設けられていない部分により、n型高濃度領域6の抵抗を実施の形態1よりも低くすることができる。 Further, in the second embodiment, the resistance of the n-type high-concentration region 6 is lower than that in the first embodiment due to the portions of the first p + -type base region 4 and the second p + -type base region 5 where the protrusions 13 are not provided. can be lowered.

(実施の形態2にかかる半導体装置の製造方法)
次に、実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法について説明する。図14~図16は、実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。まず、実施の形態1と同様に、n+型炭化珪素基板1を用意し、下部第2p+型ベース領域5aの表面層に、第2p+型ベース領域5、下部第1p+型ベース領域4aを選択的に形成するまでの工程を順に行う(図6、図7参照)。この際、第2p+型ベース領域5、下部第2p+型ベース領域4aとの距離は従来の炭化珪素半導体装置と同程度、例えば、1.5μm程度となるよう形成する。
(Method for Manufacturing Semiconductor Device According to Second Embodiment)
Next, a method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment will be described. 14 to 16 are cross-sectional views showing states in the process of manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment. First, as in the first embodiment, n + -type silicon carbide substrate 1 is prepared, and second p + -type base region 5 and lower first p + -type base region 4a are formed on the surface layer of lower second p + -type base region 5a. are sequentially performed (see FIGS. 6 and 7). At this time, the distance between second p + -type base region 5 and lower second p + -type base region 4a is approximately the same as that of the conventional silicon carbide semiconductor device, for example, approximately 1.5 μm.

次に、第2p+型ベース領域5、下部第1p+型ベース領域4aを選択的に形成する際に用いた酸化膜19を用いて、アルミニウム等のp型の不純物を、酸化膜19の開口部に注入する。この際、第2p+型ベース領域5、下部第2p+型ベース領域4aを選択的に形成する際のドーズ量よりドーズ量を上げて、アルミニウム等のp型の不純物が横方向に広がるようにして、突起部13を形成する。ここまでの状態が図14に示されている。 Next, using the oxide film 19 used for selectively forming the second p + -type base region 5 and the lower first p + -type base region 4a, a p-type impurity such as aluminum is removed from the opening of the oxide film 19. Inject into the part. At this time, the dose is set higher than the dose for selectively forming the second p + -type base region 5 and the lower second p + -type base region 4a so that the p-type impurity such as aluminum spreads laterally. to form the protrusion 13 . The state up to this point is shown in FIG.

この際、突起部13間の距離が、0.5μm以上0.9μm以下となるよう形成する。これにより、炭化珪素半導体装置の通常動作時のドレイン電圧1V程度では空乏層Sが閉じず、ドレイン電圧が、通常動作時の電圧より高くゲート電圧より低い場合に空乏層Sが閉じるようになる。 At this time, the distance between the protrusions 13 is formed to be 0.5 μm or more and 0.9 μm or less. As a result, the depletion layer S does not close at a drain voltage of about 1 V during normal operation of the silicon carbide semiconductor device, and the depletion layer S closes when the drain voltage is higher than the voltage during normal operation and lower than the gate voltage.

その後、実施の形態1と同様に、上部n型高濃度領域6bを設ける工程以降の工程を順に行う(図8~図12参照)ことで、図13に示す炭化珪素半導体装置が完成する。 Thereafter, steps after the step of providing upper n-type high concentration region 6b are sequentially performed (see FIGS. 8 to 12) in the same manner as in the first embodiment, thereby completing the silicon carbide semiconductor device shown in FIG.

また、実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置は、以下の方法でも製造することができる。まず、実施の形態1と同様に、n+型炭化珪素基板1を用意し、第1n-型炭化珪素エピタキシャル層2aを形成するまでの工程を順に行う(図6参照)。 Moreover, the silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment can also be manufactured by the following method. First, as in the first embodiment, n + -type silicon carbide substrate 1 is prepared and the steps up to formation of first n - -type silicon carbide epitaxial layer 2a are sequentially performed (see FIG. 6).

次に、第1n-型炭化珪素エピタキシャル層2aの表面上に、フォトリソグラフィ技術によって所定の開口部を有するイオン注入用マスクを例えば酸化膜19で形成する。そして、アルミニウム等のp型の不純物を、酸化膜の開口部に注入し、下部1第1p+型ベース領域4a1とトレンチ18の底部となる下部第2p+型ベース領域5aを形成する。この際、下部1第1p+型ベース領域4a1、下部第2p+型ベース領域5a、との距離は従来の炭化珪素半導体装置と同程度、例えば、1.5μm程度となるよう形成する。ここまでの状態が図15に示されている。 Next, an ion implantation mask having a predetermined opening is formed of an oxide film 19, for example, on the surface of the first n -type silicon carbide epitaxial layer 2a by photolithography. Then, a p-type impurity such as aluminum is implanted into the opening of the oxide film to form a lower first p + -type base region 4a1 and a lower second p + -type base region 5a that serves as the bottom of the trench . At this time, the distance between lower first p + -type base region 4a1 and lower second p + -type base region 5a is approximately the same as in a conventional silicon carbide semiconductor device, for example, approximately 1.5 μm. The state up to this point is shown in FIG.

次に、イオン注入用マスクを除去し、第1n-型炭化珪素エピタキシャル層2aの表面上に、窒素等のn型の不純物をドーピングした第3n-型炭化珪素エピタキシャル層2cを0.1μm程度の厚さで形成する。第3n-型炭化珪素エピタキシャル層2cの不純物濃度が3×1015/cm3程度となるように設定する。 Next, the ion implantation mask is removed, and a third n -type silicon carbide epitaxial layer 2c doped with an n-type impurity such as nitrogen is formed on the surface of the first n -type silicon carbide epitaxial layer 2a to a thickness of about 0.1 μm. Form in thickness. The impurity concentration of third n -type silicon carbide epitaxial layer 2c is set to about 3×10 15 /cm 3 .

次に、第3n-型炭化珪素エピタキシャル層2cの表面上に、フォトリソグラフィ技術によって所定の開口部を有するイオン注入用マスクを例えば酸化膜19’で形成する。酸化膜19’は、酸化膜19より開口部を広く形成する。そして、アルミニウム等のp型の不純物を、酸化膜19’の開口部に注入し、下部2第1p+型ベース領域4a2と上部第2p+型ベース領域5bを形成する。この際、下部2第1p+型ベース領域4a2、上部第2p+型ベース領域5b、との距離は、0.5μm以上0.9μm以下となるよう形成する。ここまでの状態が図16に示されている。 Next, on the surface of the third n - -type silicon carbide epitaxial layer 2c, an ion implantation mask having a predetermined opening is formed of, for example, an oxide film 19' by photolithography. The oxide film 19 ′ forms a wider opening than the oxide film 19 . Then, a p-type impurity such as aluminum is implanted into the opening of the oxide film 19' to form the lower second first p + -type base region 4a2 and the upper second p + -type base region 5b. At this time, the distance between the lower second first p + -type base region 4a2 and the upper second p + -type base region 5b is set to 0.5 μm or more and 0.9 μm or less. The state up to this point is shown in FIG.

その後、実施の形態1と同様に、上部n型高濃度領域6bを設ける工程以降の工程を順に行う(図8~図12参照)ことで、図13に示す炭化珪素半導体装置が完成する。 Thereafter, steps after the step of providing upper n-type high concentration region 6b are sequentially performed (see FIGS. 8 to 12) in the same manner as in the first embodiment, thereby completing the silicon carbide semiconductor device shown in FIG.

以上、説明したように、実施の形態2によれば、第1p+型ベース領域および第2p+型ベース領域に、突起部を有する。これにより、実施の形態1と同様に飽和電流が低くなり、チャネル抵抗を低減してオン抵抗を低減しても、飽和電流が従来ほど上昇することがなく、短絡耐量が低下することが少なくなる。また、実施の形態2では、第1p+型ベース領域および第2p+型ベース領域の突起部が設けられていない部分により、n型高濃度領域の抵抗を低くすることができる。 As described above, according to the second embodiment, the first p + -type base region and the second p + -type base region have protrusions. As a result, the saturation current is low as in the first embodiment, and even if the on-resistance is reduced by reducing the channel resistance, the saturation current does not rise as much as in the conventional case, and the reduction in short-circuit resistance is reduced. . Moreover, in the second embodiment, the resistance of the n-type high concentration region can be lowered by the portions of the first p + -type base region and the second p + -type base region where the protrusion is not provided.

(実施の形態3)
次に、実施の形態3にかかる炭化珪素半導体装置の構造について説明する。図17は、実施の形態3にかかる炭化珪素半導体装置の構造を示す断面図である。実施の形態3にかかる炭化珪素半導体装置が実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置と異なる点は、第2p+型ベース領域5の、p-型炭化珪素エピタキシャル層3側の表面に、第1p+型ベース領域4側に突き出た第3p+型ベース領域(第2導電型の第4半導体領域)15が設けられている点である。
(Embodiment 3)
Next, the structure of the silicon carbide semiconductor device according to the third embodiment will be described. FIG. 17 is a cross-sectional view showing the structure of the silicon carbide semiconductor device according to the third embodiment. The silicon carbide semiconductor device according to the third embodiment differs from the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment in that a first p The difference is that a third p + -type base region (second conductivity type fourth semiconductor region) 15 protruding toward the + -type base region 4 side is provided.

第1p+型ベース領域4と第3p+型ベース領域15とのとの距離L3は、実施の形態1と同様に、炭化珪素半導体装置での通常動作時のドレイン電圧1V程度では空乏層Sが閉じず、ドレイン電圧が、通常動作時の電圧より高くゲート電圧より低い場合に空乏層Sが閉じるような幅とする。これにより、従来より低いドレイン電圧でドレイン電流が飽和して、飽和電流を低くすることができる。 Distance L3 between first p + -type base region 4 and third p + -type base region 15 is similar to the first embodiment, and depletion layer S is formed at a drain voltage of about 1 V during normal operation of the silicon carbide semiconductor device. The width is such that the depletion layer S is closed when the drain voltage is higher than the voltage during normal operation and lower than the gate voltage. As a result, the drain current saturates at a drain voltage lower than that of the prior art, and the saturation current can be reduced.

また、第1p+型ベース領域4および第2p+型ベース領域5の距離は、従来構造と同様の距離である。このため、実施の形態3では、n型高濃度領域6の抵抗を実施の形態1よりも低くすることができる。 Also, the distance between the first p + -type base region 4 and the second p + -type base region 5 is the same as in the conventional structure. Therefore, in the third embodiment, the resistance of the n-type high concentration region 6 can be made lower than in the first embodiment.

(実施の形態3にかかる半導体装置の製造方法)
次に、実施の形態3にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法について説明する。図18は、実施の形態3にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。まず、実施の形態1と同様に、n+型炭化珪素基板1を用意し、下部第2p+型ベース領域5aの表面層に、第2p+型ベース領域5、下部第1p+型ベース領域4aを選択的に形成するまでの工程を順に行う(図6、図7参照)。この際、第2p+型ベース領域5、下部第2p+型ベース領域4aとの距離は従来の炭化珪素半導体装置と同程度、例えば、1.5μm程度となるよう形成する。
(Method for Manufacturing Semiconductor Device According to Third Embodiment)
Next, a method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the third embodiment will be described. FIG. 18 is a cross-sectional view showing a state in the middle of manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the third embodiment. First, as in the first embodiment, n + -type silicon carbide substrate 1 is prepared, and second p + -type base region 5 and lower first p + -type base region 4a are formed on the surface layer of lower second p + -type base region 5a. are sequentially performed (see FIGS. 6 and 7). At this time, the distance between second p + -type base region 5 and lower second p + -type base region 4a is approximately the same as that of the conventional silicon carbide semiconductor device, for example, approximately 1.5 μm.

次に、イオン注入用マスクを除去し、第1n-型炭化珪素エピタキシャル層2aの表面上に、窒素等のn型の不純物をドーピングした第3n-型炭化珪素エピタキシャル層2cを0.1μm程度の厚さで形成する。第3n-型炭化珪素エピタキシャル層2cの不純物濃度が3×1015/cm3程度となるように設定する。 Next, the ion implantation mask is removed, and a third n -type silicon carbide epitaxial layer 2c doped with an n-type impurity such as nitrogen is formed on the surface of the first n -type silicon carbide epitaxial layer 2a to a thickness of about 0.1 μm. Form in thickness. The impurity concentration of third n -type silicon carbide epitaxial layer 2c is set to about 3×10 15 /cm 3 .

次に、第3n-型炭化珪素エピタキシャル層2cの表面上に、フォトリソグラフィ技術によって所定の開口部を有するイオン注入用マスクを例えば酸化膜19”で形成する。酸化膜19”は、第3p+型ベース領域15と下部第2p+型ベース領域4aに対応する部分が開口されている。そして、アルミニウム等のp型の不純物を、酸化膜19”の開口部に注入し、第3p+型ベース領域15を形成する。この際、第3p+型ベース領域15と第2p+型ベース領域4aとの距離は、0.5μm以上0.9μm以下となるよう形成する。ここまでの状態が図18に示されている。 Next, on the surface of the third n -type silicon carbide epitaxial layer 2c, an ion implantation mask having a predetermined opening is formed by photolithography, for example, with an oxide film 19″. The oxide film 19″ is the third p + Portions corresponding to the type base region 15 and the lower second p + -type base region 4a are opened. Then, a p-type impurity such as aluminum is implanted into the opening of the oxide film 19″ to form the third p + -type base region 15. At this time, the third p + -type base region 15 and the second p + -type base region are formed. The distance from 4a is formed to be 0.5 μm or more and 0.9 μm or less.The state up to this point is shown in FIG.

その後、実施の形態1と同様に、上部n型高濃度領域6bを設ける工程以降の工程を順に行う(図8~図12参照)ことで、図17に示す炭化珪素半導体装置が完成する。 Thereafter, steps after the step of providing upper n-type high concentration region 6b are sequentially performed (see FIGS. 8 to 12) in the same manner as in the first embodiment, thereby completing the silicon carbide semiconductor device shown in FIG.

図19は、実施の形態1、2、3にかかる炭化珪素半導体装置におけるドレイン電圧とドレイン電流との関係を示すグラフである。図19において、横軸はドレイン電圧を示し、縦軸はドレイン電流を示す。線Aは比較のため従来の炭化珪素半導体装置におけるドレイン電圧とドレイン電流との関係であり、線Cは、実施の形態1のJFET幅L1を適用し、チャネル抵抗を減少させた場合のドレイン電圧とドレイン電流との関係であり、線Dは、実施の形態2、3のドレイン電圧とドレイン電流との関係である。 FIG. 19 is a graph showing the relationship between drain voltage and drain current in the silicon carbide semiconductor devices according to the first, second and third embodiments. In FIG. 19, the horizontal axis indicates the drain voltage, and the vertical axis indicates the drain current. Line A shows the relationship between drain voltage and drain current in a conventional silicon carbide semiconductor device for comparison, and line C shows the drain voltage when the JFET width L1 of the first embodiment is applied and the channel resistance is reduced. and the drain current, and the line D is the relationship between the drain voltage and the drain current in the second and third embodiments.

図19に示すように、従来の線Aはピンチオフ電圧でドレイン電流が飽和しているのに対して、線C、線Dでは、ピンチオフ電圧より低いJFETピンチオフ電圧でドレイン電流が飽和しているため、飽和電圧が低くなっている。なお、線Dは、n型高濃度領域6の抵抗を実施の形態1よりも低くさせているが、チャネル抵抗を減少させていないため、オン抵抗は線Cより高くなり、飽和電流が低くなっている。 As shown in FIG. 19, in the conventional line A, the drain current is saturated at the pinch-off voltage, whereas in the lines C and D, the drain current is saturated at the JFET pinch-off voltage lower than the pinch-off voltage. , the saturation voltage is lower. Line D makes the resistance of the n-type high-concentration region 6 lower than that in the first embodiment, but does not reduce the channel resistance. ing.

以上、説明したように、実施の形態3によれば、第2p+型ベース領域の表面に、第1p+型ベース領域側に突き出た第3p+型ベース領域が設けられている。これにより、実施の形態1と同様に飽和電流が低くなり、チャネル抵抗を低減してオン抵抗を低減しても、飽和電流が従来ほど上昇することがなく、短絡耐量が低下することが少なくなる。また、実施の形態3では、第1p+型ベース領域と第2p+型ベース領域との距離は、従来構造と同様の距離であるため、n型高濃度領域の抵抗を実施の形態1よりも低くすることができる。 As described above, according to the third embodiment, the third p + -type base region protruding toward the first p + -type base region is provided on the surface of the second p + -type base region. As a result, the saturation current is low as in the first embodiment, and even if the on-resistance is reduced by reducing the channel resistance, the saturation current does not rise as much as in the conventional case, and the reduction in short-circuit resistance is reduced. . Further, in the third embodiment, the distance between the first p + -type base region and the second p + -type base region is the same distance as in the conventional structure, so the resistance of the n-type high concentration region is lower than that in the first embodiment. can be lowered.

以上において本発明は本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であり、上述した各実施の形態において、例えば各部の寸法や不純物濃度等は要求される仕様等に応じて種々設定される。また、上述した各実施の形態では、MOSFETを例に説明しているが、これに限らず、所定のゲート閾値電圧に基づいてゲート駆動制御されることで電流を導通および遮断する種々な炭化珪素半導体装置にも広く適用可能である。ゲート駆動制御される炭化珪素半導体装置として、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)などが挙げられる。また、上述した各実施の形態では、ワイドバンドギャップ半導体として炭化珪素を用いた場合を例に説明しているが、炭化珪素以外の例えば窒化ガリウム(GaN)などのワイドバンドギャップ半導体にも適用可能である。また、各実施の形態では第1導電型をn型とし、第2導電型をp型としたが、本発明は第1導電型をp型とし、第2導電型をn型としても同様に成り立つ。 As described above, the present invention can be modified in various ways without departing from the gist of the present invention. Further, in each of the above-described embodiments, the MOSFET is described as an example, but the present invention is not limited to this, and various silicon carbide that conducts and interrupts current by being gate-driven and controlled based on a predetermined gate threshold voltage. It is also widely applicable to semiconductor devices. Silicon carbide semiconductor devices that are gate-driven and controlled include, for example, IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors). Further, in each of the above-described embodiments, the case where silicon carbide is used as a wide bandgap semiconductor is described as an example, but it is also applicable to wide bandgap semiconductors other than silicon carbide, such as gallium nitride (GaN). is. In each embodiment, the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type. It holds.

以上のように、本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法は、電力変換装置や種々の産業用機械などの電源装置などに使用されるパワー半導体装置に有用であり、特にトレンチゲート構造の半導体装置に適している。 INDUSTRIAL APPLICABILITY As described above, the semiconductor device and the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention are useful for power semiconductor devices used in power converters and power supply devices for various industrial machines. Suitable for semiconductor devices.

1、101 n+型炭化珪素基板
2、102 n-型炭化珪素エピタキシャル層
2a 第1n-型炭化珪素エピタキシャル層
2b 第2n-型炭化珪素エピタキシャル層
2c 第3n-型炭化珪素エピタキシャル層
3、103 p-型炭化珪素エピタキシャル層
4、104 第1p+型ベース領域
4a 下部第1p+型ベース領域
4a1 下部1第1p+型ベース領域
4a2 下部2第1p+型ベース領域
4b 上部第1p+型ベース領域
5、105 第2p+型ベース領域
5a 下部第2p+型ベース領域
5b 上部第2p+型ベース領域
6、106 n型高濃度領域
6a 下部n型高濃度領域
6b 上部n型高濃度領域
7、107 n+型ソース領域
8、108 p+型コンタクト領域
9、109 ゲート絶縁膜
10、110 ゲート電極
11、111 層間絶縁膜
12、112 ソース電極
13 突起部
14 裏面電極
15 第3p+型ベース領域
18、118 トレンチ
19、19’、19” 酸化膜
100、200 炭化珪素半導体基体
1, 101 n + type silicon carbide substrate 2, 102 n type silicon carbide epitaxial layer 2a 1st n type silicon carbide epitaxial layer 2b 2nd n type silicon carbide epitaxial layer 2c 3rd n type silicon carbide epitaxial layer 3, 103 p type silicon carbide epitaxial layer 4, 104 first p + type base region 4a lower first p + type base region 4a1 lower first p + type base region 4a2 lower second first p + type base region 4b upper first p + type base region 5 , 105 second p + -type base region 5a lower second p + -type base region 5b upper second p + -type base region 6, 106 n-type high concentration region 6a lower n-type high concentration region 6b upper n-type high concentration region 7, 107 n + type source regions 8, 108 p + type contact regions 9, 109 gate insulating films 10, 110 gate electrodes 11, 111 interlayer insulating films 12, 112 source electrode 13 protrusion 14 rear surface electrode 15 third p + type base regions 18, 118 trenches 19, 19', 19'' oxide films 100, 200 silicon carbide semiconductor substrate

Claims (5)

第1導電型の半導体基板と、
前記半導体基板のおもて面に設けられた、前記半導体基板よりも不純物濃度の低い第1導電型の第1半導体層と、
前記第1半導体層の、前記半導体基板側に対して反対側に設けられた第2導電型の第2半導体層と、
前記第2半導体層の内部に選択的に設けられた、前記半導体基板よりも不純物濃度の高い第1導電型の第1半導体領域と、
前記第1半導体領域および前記第2半導体層を貫通して前記第1半導体層に達するトレンチと、
前記トレンチの内部にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、
前記第1半導体層の内部に選択的に設けられた、第2導電型の第2半導体領域と、
前記第1半導体層の内部に選択的に設けられた、前記トレンチの底面に接する第2導電型の第3半導体領域と、
前記第2半導体層と前記第1半導体領域の表面に設けられた第1電極と、
前記半導体基板の裏面に設けられた第2電極と、
を備え、
前記第2半導体領域および前記第3半導体領域は、前記トレンチの幅方向に延在した突起部を有し、
前記突起部は、前記トレンチの底面より、前記第1電極側に設けられ、
前記突起部間の距離は、前記第2電極の電圧が動作電圧であるとき、前記第2半導体領域と前記第1半導体層との間の第1空乏層と、前記第3半導体領域と前記第1半導体層との間の第2空乏層とが閉じず、前記第2電極の電圧が前記動作電圧より高く、前記ゲート電極の電圧より低いとき、前記第1空乏層と前記第2空乏層とが閉じる距離である ことを特徴とする半導体装置。
a first conductivity type semiconductor substrate;
a first semiconductor layer of a first conductivity type provided on the front surface of the semiconductor substrate and having an impurity concentration lower than that of the semiconductor substrate;
a second conductivity type second semiconductor layer provided on the side opposite to the semiconductor substrate side of the first semiconductor layer;
a first semiconductor region of a first conductivity type having an impurity concentration higher than that of the semiconductor substrate, the first semiconductor region being selectively provided inside the second semiconductor layer;
a trench penetrating through the first semiconductor region and the second semiconductor layer and reaching the first semiconductor layer;
a gate electrode provided inside the trench via a gate insulating film;
a second conductivity type second semiconductor region selectively provided inside the first semiconductor layer;
a third semiconductor region of a second conductivity type selectively provided inside the first semiconductor layer and in contact with the bottom surface of the trench;
a first electrode provided on the surface of the second semiconductor layer and the first semiconductor region;
a second electrode provided on the back surface of the semiconductor substrate;
with
the second semiconductor region and the third semiconductor region have protrusions extending in the width direction of the trench;
the protrusion is provided closer to the first electrode than the bottom surface of the trench;
When the voltage of the second electrode is the operating voltage, the distance between the protrusions is a first depletion layer between the second semiconductor region and the first semiconductor layer, and a distance between the third semiconductor region and the third semiconductor region. When the second depletion layer between one semiconductor layer is not closed and the voltage of the second electrode is higher than the operating voltage and lower than the voltage of the gate electrode, the first depletion layer and the second depletion layer is the distance at which A semiconductor device characterized by:
第1導電型の半導体基板と、 a first conductivity type semiconductor substrate;
前記半導体基板のおもて面に設けられた、前記半導体基板よりも不純物濃度の低い第1導電型の第1半導体層と、 a first semiconductor layer of a first conductivity type provided on the front surface of the semiconductor substrate and having an impurity concentration lower than that of the semiconductor substrate;
前記第1半導体層の、前記半導体基板側に対して反対側に設けられた第2導電型の第2半導体層と、 a second conductivity type second semiconductor layer provided on the side opposite to the semiconductor substrate side of the first semiconductor layer;
前記第2半導体層の内部に選択的に設けられた、前記半導体基板よりも不純物濃度の高い第1導電型の第1半導体領域と、 a first semiconductor region of a first conductivity type having an impurity concentration higher than that of the semiconductor substrate, the first semiconductor region being selectively provided inside the second semiconductor layer;
前記第1半導体領域および前記第2半導体層を貫通して前記第1半導体層に達するトレンチと、 a trench penetrating through the first semiconductor region and the second semiconductor layer and reaching the first semiconductor layer;
前記トレンチの内部にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、 a gate electrode provided inside the trench via a gate insulating film;
前記第1半導体層の内部に選択的に設けられた、第2導電型の第2半導体領域と、 a second conductivity type second semiconductor region selectively provided inside the first semiconductor layer;
前記第1半導体層の内部に選択的に設けられた、前記トレンチの底面に接する第2導電型の第3半導体領域と、 a third semiconductor region of a second conductivity type selectively provided inside the first semiconductor layer and in contact with the bottom surface of the trench;
前記第2半導体層と前記第1半導体領域の表面に設けられた第1電極と、 a first electrode provided on the surface of the second semiconductor layer and the first semiconductor region;
前記半導体基板の裏面に設けられた第2電極と、 a second electrode provided on the back surface of the semiconductor substrate;
前記第3半導体領域の、前記第2半導体層側の表面に、前記第2半導体領域側に突き出た第2導電型の第4半導体領域と、 a second conductivity type fourth semiconductor region protruding toward the second semiconductor region from a surface of the third semiconductor region on the second semiconductor layer side;
を備え、 with
前記第4半導体領域は、前記トレンチの底面より、前記第1電極側に設けられ、 the fourth semiconductor region is provided closer to the first electrode than the bottom surface of the trench;
前記第4半導体領域と前記第2半導体領域間の距離は、前記第2電極の電圧が動作電圧であるとき、前記第2半導体領域と前記第1半導体層との間の第1空乏層と、前記第3半導体領域と前記第1半導体層との間の第2空乏層とが閉じず、前記第2電極の電圧が前記動作電圧より高く、前記ゲート電極の電圧より低いとき、前記第1空乏層と前記第2空乏層とが閉じる距離であることを特徴とする半導体装置。 a distance between the fourth semiconductor region and the second semiconductor region is a first depletion layer between the second semiconductor region and the first semiconductor layer when the voltage of the second electrode is an operating voltage; When the second depletion layer between the third semiconductor region and the first semiconductor layer does not close and the voltage of the second electrode is higher than the operating voltage and lower than the voltage of the gate electrode, the first depletion A semiconductor device, wherein the distance between the layer and the second depletion layer is close.
前記距離は、0.5μm以上0.9μm以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。 3. The semiconductor device according to claim 1, wherein said distance is 0.5 [mu]m or more and 0.9 [mu]m or less. 第1導電型の半導体基板のおもて面に、前記半導体基板よりも不純物濃度の低い第1導電型の第1半導体層を形成する第1工程と、 a first step of forming, on a front surface of a semiconductor substrate of a first conductivity type, a first semiconductor layer of a first conductivity type having an impurity concentration lower than that of the semiconductor substrate;
前記第1半導体層の、前記半導体基板側に対して反対側に第2導電型の第2半導体層を形成する第2工程と、 a second step of forming a second semiconductor layer of a second conductivity type on the side of the first semiconductor layer opposite to the semiconductor substrate;
前記第2半導体層の内部に選択的に、前記半導体基板よりも不純物濃度の高い第1導電型の第1半導体領域を形成する第3工程と、 a third step of selectively forming a first semiconductor region of a first conductivity type having an impurity concentration higher than that of the semiconductor substrate inside the second semiconductor layer;
前記第1半導体領域および前記第2半導体層を貫通して前記第1半導体層に達するトレンチを形成する第4工程と、 a fourth step of forming a trench penetrating the first semiconductor region and the second semiconductor layer and reaching the first semiconductor layer;
前記トレンチの内部にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する第5工程と、 a fifth step of forming a gate electrode inside the trench via a gate insulating film;
前記第1半導体層の内部に選択的に、第2導電型の第2半導体領域を形成する第6工程と、 a sixth step of selectively forming a second semiconductor region of a second conductivity type inside the first semiconductor layer;
前記第1半導体層の内部に選択的に、前記トレンチの底面に接する第2導電型の第3半導体領域を形成する第7工程と、 a seventh step of selectively forming a third semiconductor region of a second conductivity type in contact with the bottom surface of the trench inside the first semiconductor layer;
前記第2半導体層と前記第1半導体領域の表面に第1電極を形成する第8工程と、 an eighth step of forming a first electrode on the surface of the second semiconductor layer and the first semiconductor region;
前記半導体基板の裏面に第2電極を形成する第9工程と、 a ninth step of forming a second electrode on the back surface of the semiconductor substrate;
前記第2半導体領域および前記第3半導体領域に、前記トレンチの幅方向に延在した突起部を形成する第10工程と、 a tenth step of forming protrusions extending in the width direction of the trenches in the second semiconductor region and the third semiconductor region;
を含み、 including
前記突起部は、前記トレンチの底面より、前記第1電極側に形成され、 the protrusion is formed closer to the first electrode than the bottom surface of the trench;
前記突起部間の距離は、前記第2電極の電圧が動作電圧であるとき、前記第2半導体領域と前記第1半導体層との間の第1空乏層と、前記第3半導体領域と前記第1半導体層との間の第2空乏層とが閉じず、前記第2電極の電圧が前記動作電圧より高く、前記ゲート電極の電圧より低いとき、前記第1空乏層と前記第2空乏層とが閉じる距離であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 When the voltage of the second electrode is the operating voltage, the distance between the protrusions is a first depletion layer between the second semiconductor region and the first semiconductor layer, and a distance between the third semiconductor region and the third semiconductor region. When the second depletion layer between one semiconductor layer is not closed and the voltage of the second electrode is higher than the operating voltage and lower than the voltage of the gate electrode, the first depletion layer and the second depletion layer is a close distance.
第1導電型の半導体基板のおもて面に、前記半導体基板よりも不純物濃度の低い第1導電型の第1半導体層を形成する第1工程と、 a first step of forming, on a front surface of a semiconductor substrate of a first conductivity type, a first semiconductor layer of a first conductivity type having an impurity concentration lower than that of the semiconductor substrate;
前記第1半導体層の、前記半導体基板側に対して反対側に第2導電型の第2半導体層を形成する第2工程と、 a second step of forming a second semiconductor layer of a second conductivity type on the side of the first semiconductor layer opposite to the semiconductor substrate;
前記第2半導体層の内部に選択的に、前記半導体基板よりも不純物濃度の高い第1導電型の第1半導体領域を形成する第3工程と、 a third step of selectively forming a first semiconductor region of a first conductivity type having an impurity concentration higher than that of the semiconductor substrate inside the second semiconductor layer;
前記第1半導体領域および前記第2半導体層を貫通して前記第1半導体層に達するトレンチを形成する第4工程と、 a fourth step of forming a trench penetrating the first semiconductor region and the second semiconductor layer and reaching the first semiconductor layer;
前記トレンチの内部にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する第5工程と、 a fifth step of forming a gate electrode inside the trench via a gate insulating film;
前記第1半導体層の内部に選択的に、第2導電型の第2半導体領域を形成する第6工程と、 a sixth step of selectively forming a second semiconductor region of a second conductivity type inside the first semiconductor layer;
前記第1半導体層の内部に選択的に、前記トレンチの底面に接する第2導電型の第3半導体領域を形成する第7工程と、 a seventh step of selectively forming a third semiconductor region of a second conductivity type in contact with the bottom surface of the trench inside the first semiconductor layer;
前記第2半導体層と前記第1半導体領域の表面に第1電極を形成する第8工程と、 an eighth step of forming a first electrode on the surface of the second semiconductor layer and the first semiconductor region;
前記半導体基板の裏面に第2電極を形成する第9工程と、 a ninth step of forming a second electrode on the back surface of the semiconductor substrate;
前記第3半導体領域の、前記第2半導体層側の表面に、前記第2半導体領域側に突き出た第2導電型の第4半導体領域を形成する第10工程と、 a tenth step of forming a fourth semiconductor region of the second conductivity type protruding toward the second semiconductor region on the surface of the third semiconductor region on the second semiconductor layer side;
を含み、 including
前記第4半導体領域は、前記トレンチの底面より、前記第1電極側に形成され、 the fourth semiconductor region is formed closer to the first electrode than the bottom surface of the trench;
前記第4半導体領域と前記第2半導体領域間の距離は、前記第2電極の電圧が動作電圧であるとき、前記第2半導体領域と前記第1半導体層との間の第1空乏層と、前記第3半導体領域と前記第1半導体層との間の第2空乏層とが閉じず、前記第2電極の電圧が前記動作電圧より高く、前記ゲート電極の電圧より低いとき、前記第1空乏層と前記第2空乏層とが閉じる距離であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 a distance between the fourth semiconductor region and the second semiconductor region is a first depletion layer between the second semiconductor region and the first semiconductor layer when the voltage of the second electrode is an operating voltage; When the second depletion layer between the third semiconductor region and the first semiconductor layer does not close and the voltage of the second electrode is higher than the operating voltage and lower than the voltage of the gate electrode, the first depletion A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the distance between the layer and the second depletion layer is close.
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