JP7338813B1 - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置および半導体装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

半導体装置は、終端トレンチ(7)に形成された第1ゲート電極(9)に接し、ゲートトレンチ(6)の延伸方向においてゲートトレンチ(6)から遠い方の終端トレンチ上端角部(7a)の上方を覆って終端トレンチ(7)の内側から外側に渡り形成され、厚さがゲート絶縁膜(8)の厚さよりも厚いフィールド絶縁膜(10)と、フィールド絶縁膜(10)の上と終端トレンチ(7)に形成される第1ゲート電極(9)の上とに接し、ゲートトレンチ(6)の延伸方向において終端トレンチ(7)の内側から外側に渡ってフィールド絶縁膜(10)に乗り上げる第2ゲート電極(13)とを備える構成により、ゲート引き出し部(70)において活性領域(40)から遠い方の終端トレンチ上端角部(7a)に形成されたゲート絶縁膜(8)の破壊を防止できる。

Description

本開示は、トレンチゲート型の半導体装置およびその製造方法に関し、特に半導体装置の外周側のゲート電極の構造に関する。
車載機器、産業機器等の電力制御用途において、トレンチゲート構造を有する、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor)、絶縁ゲート型電界効果トランジスタ(MOSFET:Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)等の半導体装置が用いられている。
トレンチゲート構造を有する半導体装置には、主電流が流れる活性領域のゲートトレンチを活性領域の外側の終端領域へ延伸して形成したトレンチにおいて、ゲート電極引き出し部が設けられる。特許文献1には、ゲート電極引き出し部に絶縁膜を形成し、トレンチ上の絶縁膜を高精度に開口してゲート電極をゲートパッドへ接続させ、活性領域から遠い方のトレンチ上端角部の絶縁膜の電界集中を緩和させることが開示されている。
特表2006-520091号公報(図7C参照)
しかしながら、特許文献1に示されたゲート引き出し部のトレンチ上の絶縁膜を開口する際、開口位置がずれることまたは垂直に開口されないこと等により、ゲート引き出し部の活性領域から遠い方のトレンチ上端角部の絶縁膜の厚みが薄くなる場合があった。この場合、ゲート電極に閾値以上の電圧が印加された半導体装置のオン状態において、ゲート引き出し部の活性領域から遠い方のトレンチ上端角部に形成された絶縁膜に電界が集中し、絶縁膜が破壊に至ることがあった。
本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであり、ゲート引き出し部において活性領域から遠い方のトレンチ上端角部に形成された絶縁膜の破壊を防止した半導体装置を提供することを目的とする。
本開示の半導体装置は、第1導電型のドリフト層と、ドリフト層の表層に設けられる第2導電型のウェル領域と、ウェル領域の表層に設けられる第1導電型の不純物領域と、不純物領域の表面からウェル領域を貫通してドリフト層まで達するゲートトレンチと、平面視でゲートトレンチにつながり、ゲートトレンチの延伸方向における幅が、ゲートトレンチの幅よりも広い終端トレンチと、ゲートトレンチと終端トレンチとの内側に接して形成されるゲート絶縁膜と、ゲートトレンチと終端トレンチとの内側にゲート絶縁膜を介して形成される第1ゲート電極と、終端トレンチに形成された第1ゲート電極に接し、延伸方向においてゲートトレンチから遠い方の終端トレンチの上端角部の上方を覆って終端トレンチの内側から外側に渡り形成され、厚さがゲート絶縁膜の厚さよりも厚いフィールド絶縁膜と、フィールド絶縁膜の上と終端トレンチに形成される第1ゲート電極の上とに接し、延伸方向において終端トレンチの内側から外側に渡ってフィールド絶縁膜に乗り上げる第2ゲート電極とを備え、フィールド絶縁膜は、ゲートトレンチから近い方の終端トレンチの上端角部の上方を覆わない。
また、本開示の半導体装置の製造方法は、第1導電型のドリフト層を形成する工程と、ドリフト層の表層に第2導電型のウェル領域を設ける工程と、ウェル領域の表層に第1導電型の不純物領域を設ける工程と、不純物領域の表面からウェル領域を貫通してドリフト層まで達するゲートトレンチを設ける工程と、平面視でゲートトレンチにつながり、ゲートトレンチの延伸方向における幅がゲートトレンチの幅よりも広い終端トレンチを設ける工程と、ゲートトレンチと終端トレンチとの内側に接するゲート絶縁膜を形成する工程と、ゲートトレンチと終端トレンチとの内側にゲート絶縁膜を介して第1ゲート電極を形成する工程と、終端トレンチに形成された第1ゲート電極に接し、延伸方向においてゲートトレンチから遠い方の終端トレンチの上端角部の上方を覆って終端トレンチの内側から外側に渡り、厚さをゲート絶縁膜の厚さよりも厚くしたフィールド絶縁膜を形成する工程と、フィールド絶縁膜の上と終端トレンチに形成される第1ゲート電極の上とに接し、延伸方向において終端トレンチの内側から外側に渡ってフィールド絶縁膜に乗り上げる第2ゲート電極を形成する工程とを備え、フィールド絶縁膜を形成する工程において、フィールド絶縁膜は、ゲートトレンチから近い方の終端トレンチの上端角部の上方を覆わないように形成される。
本開示によれば、ゲート引き出し部において活性領域から遠い方の終端トレンチ上端角部に形成された絶縁膜の破壊を防止した半導体装置を得ることができる。
実施の形態1における半導体装置の概略構成を示す平面模式図である。 実施の形態1における半導体装置の概略構成を示す模式図である。 実施の形態1における半導体装置の概略構成を示す断面模式図である。 実施の形態1における半導体装置の製造方法の説明図である。 実施の形態1における半導体装置の製造方法の説明図である。 実施の形態1における半導体装置の製造方法の説明図である。 実施の形態1における半導体装置の製造方法の説明図である。 実施の形態1における半導体装置の製造方法の説明図である。 実施の形態1における半導体装置の変形例の概略構成を示す平面模式図である。 実施の形態2における半導体装置の概略構成を示す模式図である。 実施の形態2における半導体装置の概略構成を示す模式図である。 実施の形態3における半導体装置の概略構成を示す平面模式図である。 実施の形態3における半導体装置の概略構成を示す模式図である。
以下に、本開示の実施の形態について、図面に基づいて詳細に説明する。ここで、図面は模式的に示されており、異なる図面にそれぞれ示された図のサイズおよび位置の相互関係は適宜変更され得る。また、図面について簡潔に説明するために、半導体層や電極の詳細が省略される場合がある。また、上、下、側、底、表または裏などの、特定の位置および方向を意味する用語は、便宜上用いられているものであり、実施される際の方向とは関係しない。
また、本開示の実施の形態では、半導体の第1導電型はn型であり、第2導電型はp型である場合について説明するが、第1導電型はp型であり、第2導電型はn型であってもよい。また、半導体装置はMOSFETである場合について説明するが、IGBTであってもよい。また、半導体基板とドリフト層との材料は炭化珪素(SiC)である場合について説明するが、シリコンまたは窒化ガリウム、ダイヤモンドなどのシリコンよりもバンドギャップが大きい材料であってもよく、これらの組み合わせであってもよい。
実施の形態1.
まず、本実施の形態における半導体装置の構成について説明する。図1は、本実施の形態における半導体装置の概略構成を示す平面模式図である。図1に示すように、半導体装置には半導体装置の動作状態において主電流が流れる領域である活性領域40およびその外側の領域である終端領域50が設けられている。ここで、簡潔な説明のために、フィールド絶縁膜10および表面電極20などの図示は省略している。
活性領域40にはストライプ状のゲートトレンチ6および第1ゲート電極9が設けられている。終端領域50にはゲートトレンチ6につながる終端トレンチ7および第1ゲート電極9が設けられ、さらに紙面に垂直な方向において第1ゲート電極9に接続する、第2ゲート電極13が設けられる。また、終端領域50には、第2ゲート電極13に接続するゲートパッド16が設けられている。ここで、活性領域40と終端領域50との境界は、平面視でゲートトレンチ6と終端トレンチ7とが接する位置、およびゲートパッド16が配置される位置である。
図2は、本実施の形態における半導体装置の概略構成を示す模式図であり、図1の部分領域60の断面および上面を斜視したものである。また、図3は、実施の形態1における半導体装置の概略構成を示す断面模式図であり、図1のA1-A2線における断面を表したものである。
図2に示すように、半導体装置には半導体基板1の表側に、ドリフト層2、ウェル領域3、不純物領域4、コンタクト領域5、ゲートトレンチ6、ゲート絶縁膜8および第1ゲート電極9が設けられ、さらに終端トレンチ7、フィールド絶縁膜10、第1電界緩和領域11、第2電界緩和領域12および第2ゲート電極13が設けられている。また、図2に示すように、半導体装置には半導体基板1の裏側に、裏面オーミック電極19および裏面電極21が設けられている。
ここで、第2ゲート電極13が形成されるゲート引き出し部70において、ゲートトレンチ6から遠い方の終端トレンチ上端角部7aはゲート絶縁膜8よりも厚いフィールド絶縁膜10で覆われており、第1ゲート電極9の上からフィールド絶縁膜10に乗り上げた第2ゲート電極13が形成されている。
ドリフト層2は、n型の炭化珪素で構成した半導体基板1の上に設けられ、n型の炭化珪素で構成される。ドリフト層2のn型不純物は窒素または燐とすればよく、ドリフト層2の不純物濃度は、1×1014cm-3以上、1×1017cm-3以下程度とすればよい。ドリフト層2の厚さは、5μm以上、200μm以下程度とすればよい。
ウェル領域3は、ドリフト層2の表層に設けられるp型の領域であり、炭化珪素で構成する。ウェル領域3のp型不純物は、アルミニウム、ホウ素またはガリウムとすればよく、ウェル領域3の不純物濃度は、1×1015cm-3以上、1×1020cm-3以下程度とすればよい。ここで、ウェル領域3の不純物濃度は、深さ方向に一定であってもよいし、一定でなくてもよい。ウェル領域3の厚さは、0.3μm以上、3μm以下程度とすればよい。
不純物領域4は、ウェル領域3の表層に設けられるn型の領域であり、炭化珪素で構成する。ここで、不純物領域4は、換言するとソース領域である。不純物領域4のn型不純物は、窒素または燐とすればよく、不純物領域4の不純物濃度は、1×1018cm-3以上、1×1021cm-3以下程度とすればよい。不純物領域4の厚さは、ウェル領域3の厚さ以下であればよい。
コンタクト領域5は、ウェル領域3の表層に設けられるp型の領域であり、炭化珪素で構成する。コンタクト領域5は、不純物領域4と後述する表面オーミック電極18とに接続される。コンタクト領域5を形成すると、不純物領域4からコンタクト領域5を介して表面オーミック電極18へと接続される経路が形成され、不純物領域4から表面オーミック電極18までの経路において電気的接続が良好となる。
コンタクト領域5のp型不純物は、アルミニウム、ホウ素またはガリウムとすればよく、コンタクト領域5の不純物濃度は、1×1018cm-3以上、1×1022cm-3で以下程度とすればよい。コンタクト領域5の厚さは、ウェル領域3の厚さ以下であればよい。ここでは、半導体装置にはコンタクト領域5が設けられる例を示しているが、設けないようにしてもよい。
ゲートトレンチ6は、不純物領域4の表面からウェル領域3を貫通してドリフト層2まで達する溝である。ゲートトレンチ6は、図1に示すように、活性領域40にストライプ状に、つまり並列に設けられている。ゲートトレンチ6をストライプ状に設けると、本実施の形態における半導体装置を半導体基板1およびドリフト層2に炭化珪素を用いたトレンチゲート型MOSFETとする場合に、チャネル移動度の高い(1―100)面等の面をチャネルとして利用することができ、半導体装置の特性を向上させることができる。また、ゲートトレンチ6は、活性領域40から終端領域50に向かう方向に延伸している。以降、この延伸する方向は、ゲートトレンチ6の延伸方向とする場合がある。
ゲートトレンチ6の幅は、図2の前面側の断面の左右方向の幅を指し、1μm以上、10μm以下程度とすればよい。ゲートトレンチ6の形状が断面視でテーパー状の場合、ゲートトレンチ6の幅は、テーパー形状における最も広い部分の幅を指す。ゲートトレンチ6の深さは、1μm以上、6μm以下程度とすればよい。
終端トレンチ7は、平面視でゲートトレンチ6につながり、ゲートトレンチ6の延伸方向における幅が、ゲートトレンチ6の幅よりも広い溝である。終端トレンチ7は、平面視でゲートトレンチ6を延伸して設けることができる。終端トレンチ7の深さは、ゲートトレンチ6の深さと同じであってもよいし、同じでなくてもよい。ゲートトレンチ6の延伸方向における終端トレンチ7の幅は、ゲートトレンチ6の幅の3倍以下とすればよく、例えば、1μmを超え、30μm以下とすることができる。
このように終端トレンチ7の幅を選ぶと、ゲートトレンチ6から遠い方の終端トレンチ上端角部7aの上方を後述するフィールド絶縁膜10で容易に覆い、ゲート引き出し部70を容易に形成できる。つまり、フィールド絶縁膜10を高精度に開口するプロセスを用いることなく、後述する終端トレンチ7に形成された第1ゲート電極9と第2ゲート電極13とを接続することができる。また、後述する第1ゲート電極9のエッチバックプロセスにおいて第1ゲート電極9が消失して断線するのを抑制することができる。ここで、終端トレンチ上端角部7aは、図2または図3に示すように、終端トレンチ7の内側と外側との境界部にあり、終端トレンチ7の角部の一点、および角部近傍のゲート絶縁膜8が形成され得る領域を含む。つまり、終端トレンチ上端角部7aは、終端トレンチ7の内側の一部と外側の一部とを含む、換言すれば終端トレンチ上端角部7a近傍を含む。
ゲート絶縁膜8は、ゲートトレンチ6と終端トレンチ7との内側の面に接して形成され、二酸化珪素で構成される。ゲート絶縁膜8は、図2に示すように、ゲートトレンチ6と終端トレンチ7との内側において、それぞれゲートトレンチ上端角部6aと終端トレンチ上端角部7aとの位置またはその位置よりも低い位置に形成されればよい。ゲート絶縁膜8の厚さは、10nm以上、100nm以下程度とすることができる。また、ゲート絶縁膜8は、図2または図3に示すように、ゲートトレンチ6または終端トレンチ7の外側、例えば終端領域50のウェル領域3の上、または不純物領域4の上に形成してもよい。ゲート絶縁膜8が終端領域50のウェル領域3の上に形成される場合、ゲート絶縁膜8は終端トレンチ上端角部7aを覆う。
第1ゲート電極9は、ゲートトレンチ6と終端トレンチ7との内側にゲート絶縁膜8を介して形成され、ポリシリコン等の導電性材料で構成される。第1ゲート電極9の上端は、図2に示すように、ゲートトレンチ6と終端トレンチ7との内側において、それぞれゲートトレンチ上端角部6aと終端トレンチ上端角部7aとの位置またはその位置よりも低い位置、つまり下方に形成されてもよい。
第1ゲート電極9の上端をゲートトレンチ上端角部6aと終端トレンチ上端角部7aとよりも下方に位置するように形成すると、半導体装置の動作状態においてゲートトレンチ上端角部6aと終端トレンチ上端角部7aとの近傍に形成されるゲート絶縁膜8にかかる電界を緩和し、ゲート絶縁膜8の破壊を防止することができる。
フィールド絶縁膜10は、終端トレンチ7に形成された第1ゲート電極9に接し、ゲートトレンチ6の延伸方向においてゲートトレンチ6から遠い方の終端トレンチ上端角部7aの上方を覆って終端トレンチ7の内側から外側に渡り形成される。つまり、フィールド絶縁膜10は、第1ゲート電極9の上面の上から終端トレンチ上端角部7aを覆って終端トレンチ7の外周側の面の上まで連続して形成される。図3には、フィールド絶縁膜10が、終端領域50の第1ゲート電極9の上と、終端トレンチ上端角部7aおよびウェル領域3と重なるゲート絶縁膜8の上とに形成される例を示している。フィールド絶縁膜10の厚さは、ゲート絶縁膜8の厚さよりも厚ければよく、例えば、0.1μm以上、5.0μm以下とすることができる。
ゲート絶縁膜8の厚さよりも厚いフィールド絶縁膜10がゲートトレンチ6から遠い方の終端トレンチ上端角部7aの上方を覆う構成にすると、当該終端トレンチ上端角部7aがゲート絶縁膜8のみで覆われている構成に比べ、終端トレンチ上端角部7aの近傍に形成されるゲート絶縁膜8にかかる電界を緩和し、ゲート絶縁膜8の破壊を抑制することができる。ここで、フィールド絶縁膜10の厚さをゲート絶縁膜8の厚さの2倍以上とすると、ゲート絶縁膜8の破壊をさらに抑制することができる。フィールド絶縁膜10は、二酸化珪素等の絶縁性の材料で構成することができる。
第1電界緩和領域11は、ゲートトレンチ6の底面の下方に設けられるp型の領域であり、炭化珪素で構成される。第1電界緩和領域11は、ドリフト層2の導電型とは逆の導電型を有し、半導体装置の動作状態においてゲートトレンチ6の底面に形成されたゲート絶縁膜8にかかる電界を緩和し、ゲート絶縁膜8の破壊を防止することができる。第1電界緩和領域11の深さは、ゲートトレンチ6の底面から下方に0.1μm以上、2.0μm以下程度とすることができる。ここで、第1電界緩和領域11は、ゲートトレンチ6の底面に接していてもよい。第1電界緩和領域11のp型不純物は、アルミニウム、ホウ素またはガリウムとすればよく、第1電界緩和領域11の不純物濃度は、1×1015cm-3以上、1×1019cm-3以下程度とすればよい。
第2電界緩和領域12は、終端トレンチ7の底面の下方に設けられるp型の領域であり、炭化珪素で構成される。第2電界緩和領域12は、ドリフト層2の導電型とは逆の導電型を有し、半導体装置の動作状態において終端トレンチ7の底面に形成されたゲート絶縁膜8にかかる電界を緩和し、ゲート絶縁膜8の破壊を防止することができる。第2電界緩和領域12の深さは、終端トレンチ7の底面から下方に0.1μm以上、2.0μm以下程度とすることができる。ここで、第2電界緩和領域12は、終端トレンチ7の底面に接していてもよい。第2電界緩和領域12のp型不純物は、アルミニウム、ホウ素またはガリウムとすればよく、第1電界緩和領域11の不純物濃度は、1×1015cm-3以上、1×1019cm-3以下程度とすればよい。
第2ゲート電極13は、フィールド絶縁膜10の上と終端トレンチ7に形成される第1ゲート電極9の上とに接し、ゲートトレンチ6の延伸方向において終端トレンチ7の内側から外側に渡ってフィールド絶縁膜10に乗り上げる。つまり、第2ゲート電極13は、第1ゲート電極9の上面の上からフィールド絶縁膜10の端部の段差を超えてフィールド絶縁膜10の上面の上まで連続して形成され、終端トレンチ7の上のフィールド絶縁膜10の端部を覆う。第2ゲート電極13は、第1ゲート電極9と同じ材料、例えばポリシリコンで構成することができるし、第1ゲート電極9とは異なる材料、例えばアルミニウム等の金属材料で構成することもできる。第2ゲート電極13を第1ゲート電極9と異なる材料で構成すると、第2ゲート電極13を容易に製造することができる。
第2ゲート電極13は、図3に示すように、終端トレンチ7に形成された第1ゲート電極9をゲートパッド16へ接続する配線である。ゲートパッド16は、終端トレンチ7の外側の第2ゲート電極13の上に形成され、二酸化珪素で構成される層間絶縁膜14に設けたゲートコンタクトホール15を介して、第2ゲート電極13に接続される。ゲートパッド16は、層間絶縁膜14の上にも形成される。第2ゲート電極13とゲートパッド16とを終端トレンチ7の外側において接続する構成とすると、ゲートコンタクトホール15の配設位置と寸法とを選ぶ尤度を向上させることができる。
また、図3に示すように、表面電極20は、ゲートパッド16と離隔し、層間絶縁膜14の上に形成される。表面電極20は、アルミニウム等の金属材料で構成される。
裏面オーミック電極19は、半導体基板1の裏面に形成され、ニッケルを主成分とする金属膜と半導体基板1との反応生成物、例えばニッケルシリサイドで構成される。裏面電極21は、裏面オーミック電極19に接して形成され、チタン、ニッケル、銀、金、アルミニウム等で構成される。
以上のようにして、本実施の形態における半導体装置は構成される。
次に、本実施の形態における半導体装置の製造方法について、図4から図8を用いて説明する。ここで、図4から図8は、半導体装置の各製造段階の説明図であり、図1のA1-A2線における断面に対応している。まずは、図4の状態に至るまでの半導体装置の製造方法について、図を用いずに説明する。
4Hのポリタイプを有するn型の炭化珪素で構成された半導体基板1を準備し、化学気相成長法(CVD:Chemical Vapor Deposition)等により、半導体基板1の表側にn型のドリフト層2をエピタキシャル成長させる。続いて、フォトリソグラフィによりドリフト層2の上に形成したレジストマスクを用い、アルミニウム、ホウ素またはガリウムをイオン注入して、ドリフト層2の表層にp型のウェル領域3を設ける。ここで、ウェル領域3はエピタキシャル成長により設けてもよい。
続いて、フォトリソグラフィによりウェル領域3の上に形成したレジストマスクを用い、窒素または燐をイオン注入して、ウェル領域3の表層にn型の不純物領域4、換言するとソース領域を設ける。さらに、ウェル領域3および不純物領域4の上に形成したレジストマスクを用い、アルミニウム、ホウ素またはガリウムをイオン注入して、ウェル領域3の表層にp型のコンタクト領域5を設ける。ここで、イオン注入における半導体基板1の加熱温度は150℃以上とすればよい。加熱温度を150℃以上とすると、コンタクト領域5の電気抵抗を低くすることができ、半導体装置の動作状態における抵抗損失を低減できる。
続いて、ウェル領域3、不純物領域4およびコンタクト領域5の上に厚さ1μmから2μm程度の二酸化珪素膜を形成し、反応性イオンエッチング(RIE:Reactive
Ion Etching)によってゲートトレンチ6および終端トレンチ7に対応する位置が開口したエッチングマスク22を形成する。そして、RIEによってゲートトレンチ6、および終端トレンチ7を形成する。このようにして、図4の状態となる。
図5は、ゲートトレンチ6と終端トレンチ7との下方に、それぞれ第1電界緩和領域11と第2電界緩和領域12とが設けられ、ゲートトレンチ6と終端トレンチ7との内側にゲート絶縁膜8および第1ゲート電極9が形成された状態を示す。
図4の状態において、アルミニウム、ホウ素またはガリウムをイオン注入し、ゲートトレンチ6と終端トレンチ7との下方に、それぞれ第1電界緩和領域11と第2電界緩和領域12とを設ける。続いて、エッチングマスク22を除去した後にアニール処理を行い、イオン注入した不純物を活性化させる。アニール処理は、アルゴン等の不活性ガス雰囲気、または真空中において、1500℃以上、1900℃以下程度の温度で、30秒以上、1時間以下程度の時間で行う。ここで、高温加熱による炭化珪素の劣化、つまり表面荒れを防ぐために、アニール処理の前に炭化珪素の上に炭素膜を形成してもよい。
そして、ゲートトレンチ6と終端トレンチ7との内側を含むドリフト層2の表面、および終端領域50のウェル領域3の表面に、熱酸化法またはCVD法等によってゲート絶縁膜8を形成し、続けてCVD法等によって第1ゲート電極9となるポリシリコンを形成する。さらに、エッチバックプロセスによってポリシリコンをエッチングし、ゲートトレンチ6と終端トレンチ7との内側において、それぞれゲートトレンチ上端角部6aと終端トレンチ上端角部7aとの位置以下に第1ゲート電極9を形成する。このようにして、図5の状態となる。
図6は、ゲートトレンチ6から遠い方の終端トレンチ上端角部7aの上方をフィールド絶縁膜10で覆った状態を示す。
図5の状態において、CVD法等によりフィールド絶縁膜10となる二酸化珪素等の絶縁膜を形成し、この絶縁膜上にフォトリソグラフィによってレジストマスクを形成する。そして、この絶縁膜をエッチングおよび開口してフィールド絶縁膜10を形成し、レジストマスクを除去する。このようにして、図6の状態となる。
ここで、フィールド絶縁膜10は、絶縁膜をRIEによってパターニングして形成してもよいし、フッ酸等のウェットエッチングでパターニングして形成してもよく、また、これらを組み合わせて形成してもよい。このようにRIEまたはウェットエッチングを用いてフィールド絶縁膜10を形成すると、ドライエッチングで高精度に絶縁膜を開口してフィールド絶縁膜10を形成する場合に比べ、製造を容易にすること、または精度よく終端トレンチ上端角部7aを保護するようにフィールド絶縁膜10を形成することができる。また、選択酸化(LOCOS:Local Oxidation of Silicon)によってフィールド絶縁膜10を形成する場合に比べ、形成時間を短縮でき、製造コストを低減させることができる。
図7は、第1ゲート電極9と、終端トレンチ上端角部7aの上方を覆うフィールド絶縁膜10との上に、第2ゲート電極13を形成した状態を示す。
図6の状態において、CVD法等により第2ゲート電極13となるポリシリコン等の導電材料を形成し、ポリシリコン上にフォトリソグラフィによってレジストマスクを形成する。続いて、ポリシリコンをエッチングして、第2ゲート電極13を形成し、レジストマスクを除去する。このようにして、図7の状態となる。
図8は、ゲートコンタクトホール15が設けられた層間絶縁膜14および裏面オーミック電極19を形成した状態を示す。
図7の状態において、減圧CVD法等により第1ゲート電極9と第2ゲート電極13との上に層間絶縁膜14を形成し、フォトリソグラフィにより層間絶縁膜14の上にレジストマスクを形成する。続いて、図示しない活性領域40において、層間絶縁膜14をエッチングして後述するソースコンタクトホール17を設け、不純物領域4とコンタクト領域5とに接するように金属膜を形成し、アニール処理を行って後述する表面オーミック電極18を形成する。そして、層間絶縁膜14の上の金属膜をエッチングにより除去し、レジストマスクを除去する。また、半導体基板1の裏面に金属膜を形成し、アニール処理を行って裏面オーミック電極19を形成する。ここで、各アニール処理の加熱温度は、600℃以上、1100℃以下程度とすればよい。
さらに、層間絶縁膜14の上にフォトリソグラフィによってレジストマスクを形成する。続いて、終端トレンチ7の外側に位置する層間絶縁膜14をエッチングして、第2ゲート電極13に達するゲートコンタクトホール15を設け、レジストマスクを除去する。このようにして、図8の状態となる。
そして、層間絶縁膜14の上とゲートコンタクトホール15の内側とに、スパッタ法または蒸着法等によりアルミニウム等の金属膜を形成し、金属膜の上にフォトリソグラフィによってレジストマスクを形成する。続いて、エッチングにより金属膜を離隔させ、ゲートパッド16と表面電極20とを形成し、レジストマスクを除去する。最後に、スパッタ法または蒸着法等によって裏面オーミック電極19の上に裏面電極21を形成する。
以上のようにして、図3の半導体装置が製造される。
次に、本実施の形態の半導体装置の動作について説明する。
ゲートパッド16と表面電極20との間に閾値以上の電圧が印加されると、第1ゲート電極9に対向するウェル領域3にはチャネルが形成され、不純物領域4からドリフト層2へ電子が流れる。表面電極20と裏面電極21との間に電圧を印加して電界が生じると、電子はドリフト層2および半導体基板1を経由して裏面電極21に到達する、つまり、裏面電極21から表面電極20に向かう電流が生じ、半導体装置はオン状態となる。
ここで、ゲートトレンチ上端角部6aと終端トレンチ上端角部7aとの近傍のゲート絶縁膜8には電界が生じる。しかし、第1ゲート電極9がゲートトレンチ上端角部6aと終端トレンチ上端角部7aとの位置またはその位置よりも低い位置に形成され、フィールド絶縁膜10がゲートトレンチ6から遠い方の終端トレンチ上端角部7aの上方を覆って形成されており、ゲートトレンチ上端角部6aと終端トレンチ上端角部7aとの近傍のゲート絶縁膜8に生じる電界は抑制され、ゲート絶縁膜8の破壊が防止される。特に、ゲートトレンチ6から遠い方の終端トレンチ上端角部7aの上方においてはゲート絶縁膜8よりも厚いフィールド絶縁膜10を介して第2ゲート電極13が形成されており、ゲート引き出し部70におけるゲート絶縁膜8への電界が抑制され、ゲート絶縁膜8の破壊が防止される。
一方、ゲートパッド16と表面電極20との間に閾値未満の電圧が印加されると、第1ゲート電極9に対向するウェル領域3にはチャネルが形成されなくなり、裏面電極21から表面電極20に向かう電流は生じず、半導体装置はオフ状態となる。半導体装置のオフ状態において、表面電極20と裏面電極21との間には、オン状態における電圧よりも高い電圧が印加され、ウェル領域3からドリフト層2へと空乏層が拡がる。
ここで、第1電界緩和領域11と第2電界緩和領域12とから下方、つまりドリフト層2へも空乏層が拡がる。そして、表面電極20と裏面電極21との間に印加された高い電圧によって生じた電界に起因する、ゲートトレンチ6および終端トレンチ7の底面または底面角部のゲート絶縁膜8の破壊が抑制される。
また、半導体装置がオフ状態からオン状態に移る際には、表面電極20と裏面電極21との間に印加される電圧が低下し、ドリフト層2へと拡がっていた空乏層が縮む。
以上のようにして、本実施の形態における半導体装置はオン状態とオフ状態とを交互に繰り返して動作する。
このように、半導体装置を構成することで、ゲート引き出し部70においてゲートトレンチ6から遠い方の終端トレンチ上端角部7aに形成されたゲート絶縁膜8の破壊を防止した半導体装置を得ることができる。また、ドライエッチングで高精度に絶縁膜を開口してフィールド絶縁膜10を形成する場合に比べ、製造を容易にすること、または精度よく終端トレンチ上端角部7aを保護するようにフィールド絶縁膜10を形成することができる。また、選択酸化(LOCOS:Local Oxidation of Silicon)によってフィールド絶縁膜10を形成する場合に比べ、形成時間を短縮でき、製造コストを低減させることができる。また、フィールド絶縁膜10をウェットエッチングでパターニングして形成できるため、フィールド絶縁膜10をエッチングする際に第1ゲート電極9のオーバーエッチングが抑制される。
なお、図1に示すように、第2ゲート電極13は、平面視でゲートトレンチ6を取り囲んで形成してもよい。また、終端トレンチ7またはフィールド絶縁膜10は、平面視でゲートトレンチ6を全て取り囲んで形成してもよく、間欠部を有しながら取り囲んで形成してもよい。
また、図1に示すように、終端トレンチ7は平面視でゲートパッド16の側方に形成されているが、側方に形成されていなくてもよい。例えば、図9に示すように、図1のゲートパッド16に対応する位置において終端トレンチ7はゲートトレンチ6を途切れさせることなく、平面視でゲートトレンチ6を連続して取り囲んでもよい。ここで、ゲートパッド16は、終端トレンチ7の外側の第2ゲート電極13の上において図示しない層間絶縁膜14に設けられたゲートコンタクトホール15を介して、第2ゲート電極13に接続すればよい。また、図9の部分領域60のような少なくとも終端領域50の一部において、図示しない層間絶縁膜14に設けられたゲートコンタクトホール15の内側と層間絶縁膜14の上とに、ゲート配線を形成し、平面視で当該ゲート配線を第2ゲート電極13または層間絶縁膜14に沿って延伸させ、ゲートパッド16に接続させてもよい。この場合、当該ゲート配線は、ゲートパッド16の形成と同時に、金属膜を成膜およびエッチングして容易に形成することができる。
また、図1に示すように、終端領域50には半導体装置の端部への空乏層の拡張を抑制するチャネルストップ領域23が設けられていてもよい。チャネルストップ領域23は、終端トレンチ7よりも外周側に設けられるn型の領域であり、炭化珪素で構成される。チャネルストップ領域23のn型不純物は、窒素または燐とすればよく、チャネルストップ領域23の不純物濃度は、1×1018cm-3以上、1×1021cm-3以下程度とすればよい。チャネルストップ領域23の厚さは、不純物領域4の厚さと同じにしてもよく、異なっていてもよい。チャネルストップ領域23はイオン注入により設ければよく、不純物領域4を設けるためのレジストマスクを利用して、不純物領域4と同時に形成してもよいし、不純物領域4の形成よりも前または後に形成してもよい。
また、図1に示すように、終端領域50にはFLR(Field Limiting Ring)等の外周電界緩和領域24が活性領域40を取り囲んで連続的に、または断続的に設けられてもよい。例えば、ドリフト層2の表面からドリフト層2を超えない0.2~3μm程度の深さまでアルミニウム、ホウ素等をイオン注入し、活性領域40を取り囲んで連続的にp型の外周電界緩和領域24を設ければよい。外周電界緩和領域24のp型不純物濃度は、ドリフト層2の不純物濃度を超えるようにし、1×1015cm-3以上、1×1019cm-3以下とすればよい。
また、ウェル領域3を形成する工程と不純物領域4を形成する工程とは順序を入れ替えてもよい。ウェル領域3と不純物領域4との形成方法は、ウェル領域3の表層にn型不純物をイオン注入して不純物領域4を設けた後、その上にフォトリソグラフィによるレジストマスクを形成し、不純物領域4以外の位置にp型不純物をイオン注入してウェル領域3とするものでもよい。
また、ゲートトレンチ6および終端トレンチ7を形成した後にエッチングマスク22が残存するよう、エッチングマスク22の厚さやRIEプロセスを調整したが、エッチングマスク22を残さずに除去し、フォトリソグラフィによって形成したレジストマスクを用いてイオン注入して、第1電界緩和領域11および第2電界緩和領域12を形成しても良い。
また、第1電界緩和領域11は、第2電界緩和領域12と同時に形成してもよいし、第1電界緩和領域11の形成の前または後に形成してもよい。さらに、ゲートトレンチ6の開口に対して斜め方向からp型不純物をイオン注入し、ゲートトレンチ6の側面に接するドリフト層2内にp型の半導体層を形成して、第1電界緩和領域11とウェル領域3とを当該半導体層を介して電気的に接続してもよい。第1電界緩和領域11とウェル領域3とを電気的に接続すると、第1電界緩和領域11がフローティングである状態と比べ、半導体装置の周波数特性が向上する。
また、半導体装置はMOSFETである例を示したが、IGBTである場合、半導体基板1の導電型はp型とすればよく、半導体基板1を研磨して厚さを薄くしてもよい。
実施の形態2.
実施の形態1では、第1ゲート電極9と第2ゲート電極13との接続部において、第2ゲート電極13は分岐しない例を示したが、本実施の形態においては、第2ゲート電極13が分岐した、つまり互いに離隔する複数の引き出し部を有した例について説明する。これ以外の構成は実施の形態1と同様である。
図10は、本実施の形態における半導体装置の概略構成を示す模式図であり、図1の部分領域60の断面および上面を斜視したものに対応する。図10に示すように、第2ゲート電極13は、第2ゲート電極引き出し部13aと第2ゲート電極外周部13bとを有しており、第2ゲート電極外周部13bから分岐する第2ゲート電極引き出し部13aが第1ゲート電極9に接続されている。
第2ゲート電極引き出し部13aは、互いに離隔して複数形成され、フィールド絶縁膜10の上と終端トレンチ7に形成される第1ゲート電極9の上とに接し、ゲートトレンチ6の延伸方向において終端トレンチ7の内側から外側に渡ってフィールド絶縁膜10に乗り上げる。つまり、第2ゲート電極引き出し部13aは、第1ゲート電極9の上面の上からフィールド絶縁膜10の端部の段差を超えてフィールド絶縁膜10の上面の上まで連続して形成され、終端トレンチ7の上のフィールド絶縁膜10の端部を覆う。また、図10に示すように、複数の第2ゲート電極引き出し部13aの離隔している領域ではフィールド絶縁膜10の端部は露出している。
第2ゲート電極外周部13bは、フィールド絶縁膜10の上に形成され、第2ゲート電極引き出し部13aに接する。第2ゲート電極外周部13bは、終端トレンチ7に形成された第1ゲート電極9を、第2ゲート電極引き出し部13aを介して、ゲートパッド16へ接続する配線である。第2ゲート電極外周部13bは、終端トレンチ7の外側の層間絶縁膜14に設けた第2ゲート電極13に達するゲートコンタクトホール15を介して、ゲートパッド16に接続される。ゲートパッド16は、層間絶縁膜14の上にも形成される。ここで、ゲートコンタクトホール15は、第2ゲート電極引き出し部13aの上の層間絶縁膜に設けられてもよい。
このように、半導体装置を構成しても実施の形態1と同様の効果が得られる。また、互いに離隔する複数の第2ゲート電極引き出し部13aを形成する構成とすると、図1の部分領域60の断面および上面を斜視したものに対応する図11に示すように、終端トレンチ7を分割して形成できる。つまり、ゲートトレンチ6が形成された活性領域40を取り囲んで断続的に終端トレンチ7を設けることができる。このようにすると、エッチバックにより終端トレンチ7の内側に第1ゲート電極9を形成する際に、分割された終端トレンチ7に繋がったゲートトレンチ6と同様にエッチバックを進めることができ、エッチバックによる第1ゲート電極9の消失を抑制できる。
実施の形態3.
実施の形態1では、平面視でゲートトレンチ6はストライプ状に設けられる例を示したが、本実施の形態においては、平面視でゲートトレンチ6は格子状に設けられる例について説明する。これ以外の構成は実施の形態1と同様である。
図12は、本実施の形態における半導体装置の概略構成を示す平面模式図である。図12に示すように、活性領域40にはゲートトレンチ6が格子状に設けられ、ゲートトレンチ6の内側に第1ゲート電極9が形成されている。ここで、複数のゲートトレンチ6は活性領域40全域において直交した格子状に設けられているが、直交しない部分を有する、つまり千鳥状に設けられていてもよい。
図13は、本実施の形態における半導体装置の概略構成を示す模式図であり、図12のB1-B2線における断面を表す。ゲートトレンチ6を格子状に設ける場合でも、図13に示すように、ゲートトレンチ6の深さは終端トレンチ7の深さと同じ、または同じ程度に形成することが好ましい。図13には、活性領域40において、層間絶縁膜14にソースコンタクトホール17が設けられ、コンタクト領域5と、コンタクト領域5の上に接する表面オーミック電極18とが形成される例を示しているが、コンタクト領域5と表面オーミック電極18とは形成されなくてもよい。ここで、表面オーミック電極18は、ニッケルを主成分とする金属膜と半導体基板1との反応生成物、例えばニッケルシリサイドで構成される。
このように、半導体装置を構成しても実施の形態1と同様の効果が得られる。また、ゲートトレンチ6を格子状に設ける構成とすると、ゲートトレンチ6をストライプ状に設ける構成に比べて、半導体装置のスイッチング動作における第1ゲート電極9の抵抗による電力損失を抑制することができる。
本開示の各実施の形態では、各構成要素の材質、材料、寸法、形状、相対的配置関係、または実施の条件等について記載している場合があるが、これらは例示であって、各実施の形態の記載に限られない。
また、各実施の形態の範囲内において、例示されていない無数の変形例が想定される。例えば、任意の構成要素を変形する場合、追加する場合、または省略する場合が含まれる。さらに、各実施の形態における構成要素を抽出し、組み合わせる場合も含まれる。
また、発明の構成要素は、矛盾が生じない限り、各実施の形態において1つ備えられていても1つ以上備えられていてもよい。さらに、発明の構成要素は、概念的な単位であって、複数の構造物からなるもの、および構造物の一部に対応するものである場合がある。
1 半導体基板、 2 ドリフト層、 3 ウェル領域、 4 不純物領域、 5 コンタクト領域、 6 ゲートトレンチ、 6a ゲートトレンチ上端角部 7 終端トレンチ、 7a 終端トレンチ上端角部、 8 ゲート絶縁膜、 9 第1ゲート電極、 10 フィールド絶縁膜、 11 第1電界緩和領域、 12 第2電界緩和領域、 13 第2ゲート電極、 13a 第2ゲート電極引き出し部、 13b 第2ゲート電極外周部、 14 層間絶縁膜、 15 ゲートコンタクトホール、 16 ゲートパッド、 17 ソースコンタクトホール、 18 表面オーミック電極、 19 裏面オーミック電極、 20 表面電極、 21 裏面電極、 22 エッチングマスク、 23 チャネルストップ領域、 24 外周電界緩和領域、 40 活性領域、 50 終端領域、 60 部分領域、 70 ゲート引き出し部。

Claims (15)

  1. 第1導電型のドリフト層と、
    前記ドリフト層の表層に設けられる第2導電型のウェル領域と、
    前記ウェル領域の表層に設けられる第1導電型の不純物領域と、
    前記不純物領域の表面から前記ウェル領域を貫通して前記ドリフト層まで達するゲートトレンチと、
    平面視で前記ゲートトレンチにつながり、前記ゲートトレンチの延伸方向における幅が、前記ゲートトレンチの幅よりも広い終端トレンチと、
    前記ゲートトレンチと前記終端トレンチとの内側の面に接して形成されるゲート絶縁膜と、
    前記ゲートトレンチと前記終端トレンチとの内壁および底面に前記ゲート絶縁膜を介して形成される第1ゲート電極と、
    前記終端トレンチに形成された前記第1ゲート電極に接し、前記延伸方向において前記ゲートトレンチから遠い方の前記終端トレンチの上端角部の上方を覆って前記終端トレンチの内側から外側に渡り形成され、厚さが前記ゲート絶縁膜の厚さよりも厚いフィールド絶縁膜と、
    前記フィールド絶縁膜の上と前記終端トレンチに形成される前記第1ゲート電極の上とに接し、前記延伸方向において前記終端トレンチの内側から外側に渡って前記フィールド絶縁膜に乗り上げる第2ゲート電極と
    を備え、
    前記フィールド絶縁膜は、前記ゲートトレンチから近い方の前記終端トレンチの上端角部の上方を覆わない、半導体装置。
  2. 前記第2ゲート電極は、
    互いに離隔して複数形成され、前記フィールド絶縁膜の上と前記終端トレンチに形成される前記第1ゲート電極の上とに接し、前記延伸方向において前記終端トレンチの内側から外側に渡って前記フィールド絶縁膜に乗り上げる、第2ゲート電極引き出し部と、
    前記フィールド絶縁膜の上に形成され、前記第2ゲート電極引き出し部に接する第2ゲート電極外周部と
    を有することを特徴とする、請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記終端トレンチの外側の層間絶縁膜に設けた前記第2ゲート電極に達するゲートコンタクトホールを介して、前記第2ゲート電極に接続されるゲートパッドをさらに備えることを特徴とする、請求項1または請求項2に記載の半導体装置。
  4. 前記第2ゲート電極は、平面視で前記ゲートトレンチを取り囲むことを特徴とする、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の半導体装置。
  5. 前記終端トレンチの前記延伸方向における幅は、前記ゲートトレンチの幅の3倍以下であることを特徴とする、請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の半導体装置。
  6. 前記フィールド絶縁膜の厚さは、前記ゲート絶縁膜の厚さの2倍以上であることを特徴とする、請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の半導体装置。
  7. 断面視で前記終端トレンチに形成される前記第1ゲート電極の上端は前記終端トレンチの上端よりも下方に位置することを特徴とする、請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の半導体装置。
  8. 前記第1ゲート電極と前記第2ゲート電極とはそれぞれ異なる材料で構成されることを特徴とする、請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の半導体装置。
  9. 前記ゲートトレンチはストライプ状または格子状に設けられることを特徴とする、請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の半導体装置。
  10. 前記ゲートトレンチの底面と前記終端トレンチの底面との下方の少なくとも一方に、第2導電型の電界緩和領域が設けられることを特徴とする、請求項1から請求項9のいずれか一項に記載の半導体装置。
  11. 第1導電型のドリフト層を形成する工程と、
    前記ドリフト層の表層に第2導電型のウェル領域を設ける工程と、
    前記ウェル領域の表層に第1導電型の不純物領域を設ける工程と、
    前記不純物領域の表面から前記ウェル領域を貫通して前記ドリフト層まで達するゲートトレンチを設ける工程と、
    平面視で前記ゲートトレンチにつながり、前記ゲートトレンチの延伸方向における幅が前記ゲートトレンチの幅よりも広い終端トレンチを設ける工程と、
    前記ゲートトレンチと前記終端トレンチとの内壁および底面に接するゲート絶縁膜を形成する工程と、
    前記ゲートトレンチと前記終端トレンチとの内側に前記ゲート絶縁膜を介して第1ゲート電極を形成する工程と、
    前記終端トレンチに形成された前記第1ゲート電極に接し、前記延伸方向において前記ゲートトレンチから遠い方の前記終端トレンチの上端角部の上方を覆って前記終端トレンチの内側から外側に渡り、厚さを前記ゲート絶縁膜の厚さよりも厚くしたフィールド絶縁膜を形成する工程と、
    前記フィールド絶縁膜の上と前記終端トレンチに形成される前記第1ゲート電極の上とに接し、前記延伸方向において前記終端トレンチの内側から外側に渡って前記フィールド絶縁膜に乗り上げる第2ゲート電極を形成する工程と
    を備え、
    前記フィールド絶縁膜を形成する工程において、前記フィールド絶縁膜は、前記ゲートトレンチから近い方の前記終端トレンチの上端角部の上方を覆わないように形成される、半導体装置の製造方法。
  12. 前記フィールド絶縁膜は、反応性イオンエッチングまたはウェットエッチングによりパターニングされて形成されることを特徴とする、請求項11に記載の半導体装置の製造方法。
  13. 前記フィールド絶縁膜は、CVD法により形成されることを特徴とする、請求項11または請求項12に記載の半導体装置の製造方法。
  14. 前記第1ゲート電極は、断面視で前記終端トレンチの上端よりも下方に位置するように、エッチバックにより形成されることを特徴とする、請求項11から請求項13のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
  15. 前記第2ゲート電極と前記終端トレンチに形成された前記第1ゲート電極との上に層間絶縁膜を形成する工程と、
    前記終端トレンチの外側の前記層間絶縁膜に、前記第2ゲート電極に達するゲートコンタクトホールを設ける工程と、
    前記ゲートコンタクトホールを介して前記第2ゲート電極の上に、ゲートパッドを形成する工程と
    をさらに備えることを特徴とする、請求項11から請求項14のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
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