JP7529139B2 - Silicon carbide semiconductor device, manufacturing method thereof, and power conversion device - Google Patents
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Description
本開示は、トレンチゲートを有する炭化珪素半導体装置とその製造方法、および、トレンチゲートを有する炭化珪素半導体装置を用いた電力変換装置に関するものである。 The present disclosure relates to a silicon carbide semiconductor device having a trench gate and a manufacturing method thereof, and a power conversion device using a silicon carbide semiconductor device having a trench gate.
MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor:絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)等のユニポーラ型のスイッチング素子と、ショットキバリアダイオード(SBD:Schottky Barrier Diode)等のユニポーラ型の還流ダイオードとを内蔵する電力用の半導体装置が知られている。そのような半導体装置は、同一のチップにMOSFETセルとSBDセルとを並列に配置することで実現でき、一般的には、チップ内の特定の領域にショットキ電極を設け、その領域をSBDとして動作させることで実現できる。There is known a power semiconductor device that incorporates a unipolar switching element such as a metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET) and a unipolar freewheeling diode such as a Schottky barrier diode (SBD). Such a semiconductor device can be realized by arranging a MOSFET cell and an SBD cell in parallel on the same chip, and generally by providing a Schottky electrode in a specific region within the chip and operating that region as an SBD.
スイッチング素子のチップに還流ダイオードを内蔵させることで、スイッチング素子に還流ダイオードを外付けする場合に比べてコストを低減できる。特に、炭化珪素(SiC)を母材として用いたMOSFETでは、SBDを内蔵させることにより寄生pnダイオードによるバイポーラ動作を抑制できることもメリットの一つとなる。炭化珪素半導体装置では寄生pnダイオード動作によるキャリアの再結合エネルギーに起因する結晶欠陥の拡張により、素子の信頼性が損なわれることがあるからである。By incorporating a free wheel diode into the switching element chip, costs can be reduced compared to when the free wheel diode is attached externally to the switching element. In particular, in MOSFETs that use silicon carbide (SiC) as the base material, one of the benefits is that bipolar operation caused by a parasitic pn diode can be suppressed by incorporating an SBD. This is because in silicon carbide semiconductor devices, the reliability of the element can be impaired due to the expansion of crystal defects caused by carrier recombination energy due to parasitic pn diode operation.
また、半導体層に形成されたトレンチ内にゲート電極が埋め込まれた構造を有するトレンチゲート型MOSFETでは、半導体層の表面上にゲート電極が形成された構造を有するプレーナー型MOSFETに比べ、トレンチの側壁にチャネルを形成できる分、チャネル幅密度を向上でき、オン抵抗を低減できる。そこで、トレンチゲート型MOSFETにSBDを内蔵させる構造が知られている(例えば特許文献1)。In addition, in a trench-gate MOSFET having a structure in which a gate electrode is embedded in a trench formed in a semiconductor layer, the channel can be formed on the sidewall of the trench, which improves the channel width density and reduces the on-resistance compared to a planar MOSFET having a structure in which a gate electrode is formed on the surface of the semiconductor layer. Therefore, a structure in which an SBD is built into a trench-gate MOSFET is known (for example, Patent Document 1).
このような、SBD内蔵のトレンチ型MOSFETではショットキ界面がトレンチ側壁に形成されるが、ショットキ界面を均一に形成できない場合があった。ショットキ界面を均一に形成できないと、ショットキバリア高さが不均一になり、そのため、逆バイアス時のリーク電流が不均一に流れたり、ショットキ電極と半導体層との密着力が低下する箇所が発生して部分的にショットキ電極が剥離したりする場合があった。In such trench MOSFETs with built-in SBDs, a Schottky interface is formed on the trench sidewalls, but there are cases where the Schottky interface cannot be formed uniformly. If the Schottky interface cannot be formed uniformly, the Schottky barrier height becomes non-uniform, which can result in non-uniform leakage current during reverse bias or the occurrence of areas where the adhesion between the Schottky electrode and the semiconductor layer is reduced, causing the Schottky electrode to peel off in parts.
本開示は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、ショットキ界面を均一に形成することにより、ショットキ界面のリーク電流を均一化し、ショットキ界面におけるショットキ電極の剥離を抑制することにより、信頼性の高い炭化珪素半導体装置を提供することを目的とする。The present disclosure has been made to solve the above-mentioned problems, and aims to provide a highly reliable silicon carbide semiconductor device by forming a uniform Schottky interface, thereby making the leakage current at the Schottky interface uniform and suppressing peeling of the Schottky electrode at the Schottky interface.
本開示の炭化珪素半導体装置は、第1導電型の炭化珪素からなる半導体基板の第1の主面上に形成された第1導電型の炭化珪素からなるドリフト層と、ドリフト層上に形成された第2導電型の炭化珪素からなるボディ領域と、ボディ領域の少なくとも一部の上に形成された第1導電型の炭化珪素からなるソース領域と、ソース領域およびボディ領域とを貫通してドリフト層に達するゲートトレンチと、ゲートトレンチにゲート絶縁膜を介してボディ領域と対向して形成されたゲート電極と、少なくともドリフト層内に下端があるように形成されたショットキトレンチと、ショットキトレンチ内に形成されたTiを主成分とするショットキ電極と、ショットキ電極とショットキトレンチの側面に接するドリフト層との間に形成され、Siに対するTiの原子組成比率が0.5以上であるTiSiからなり、酸素の原子組成濃度が5%以下である反応層とを備えたものである。 a source region made of silicon carbide of the first conductivity type formed on at least a portion of the body region; a gate trench penetrating the source region and the body region to reach the drift layer; a gate electrode formed in the gate trench facing the body region via a gate insulating film; a Schottky trench formed so as to have a lower end at least within the drift layer; a Schottky electrode formed in the Schottky trench and mainly composed of Ti; and a reaction layer formed between the Schottky electrode and the drift layer in contact with a side surface of the Schottky trench, the reaction layer being made of TiSi having an atomic composition ratio of Ti to Si of 0.5 or more and having an atomic composition concentration of oxygen of 5% or less .
本開示にかかる炭化珪素半導体装置によれば、信頼性の高い炭化珪素半導体装置を得ることができる。 The silicon carbide semiconductor device disclosed herein can provide a highly reliable silicon carbide semiconductor device.
以下、添付の図面を参照しながら実施の形態について説明する。なお、図面は模式的に示されるものであり、異なる図面にそれぞれ示されている画像のサイズ及び位置の相互関係は、必ずしも正確に記載されるものではなく、適宜変更され得る。また、以下の説明では、同様の構成要素には同じ符号を付して図示し、それらの名称及び機能も同様のものとする。よって、それらについての詳細な説明を省略する場合がある。
以下の実施の形態では、第1導電型をn型、第2導電型をp型として説明するが、導電型は反対であってもよい。
Hereinafter, the embodiments will be described with reference to the accompanying drawings. Note that the drawings are shown in a schematic manner, and the size and positional relationship of images shown in different drawings are not necessarily described accurately and may be changed as appropriate. In addition, in the following description, similar components are illustrated with the same reference numerals, and their names and functions are also the same. Therefore, detailed description thereof may be omitted.
In the following embodiments, the first conductivity type is described as n-type and the second conductivity type is described as p-type, but the conductivity types may be reversed.
実施の形態1.
まず、本開示の実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置について説明する。
図1は、実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置であるショットキバリアダイオード内蔵トレンチ型炭化珪素MOSFET(SBD内蔵SiCトレンチMOSFET)の活性領域の一部分の断面図である。また、図2は、図1に示すSBD内蔵SiCトレンチMOSFETの平面図であり、トレンチが形成されている、ある深さにおける平面図である。
Embodiment 1.
First, a silicon carbide semiconductor device according to a first embodiment of the present disclosure will be described.
Fig. 1 is a cross-sectional view of a portion of an active region of a trench-type silicon carbide MOSFET with built-in Schottky barrier diode (SiC trench MOSFET with built-in SBD) which is a silicon carbide semiconductor device according to embodiment 1. Fig. 2 is a plan view of the SiC trench MOSFET with built-in SBD shown in Fig. 1, at a certain depth where a trench is formed.
図1に示すように、n型で低抵抗の炭化珪素で構成される半導体基板10の表面上に、n型の炭化珪素で構成されるドリフト層20が形成されている。ドリフト層20上にはp型の炭化珪素で構成されるボディ領域30が設けられている。
ボディ領域30が形成されたドリフト層20にゲートトレンチ91とショットキトレンチ92とが交互に、かつ、平行に配置されている。ゲートトレンチ91に隣接するボディ領域30の表層部には、n型の炭化珪素で構成されるソース領域40が設けられている。ゲートトレンチ91とショットキトレンチ92との間のボディ領域30の表層部には、低抵抗p型のコンタクト領域35が形成されている。
1, a
ゲートトレンチ91は、ソース領域40の表面からソース領域40およびボディ領域30を貫通してドリフト層20に達するように形成されている。ショットキトレンチ92は、ボディ領域30の表面からボディ領域30を貫通してドリフト層20に達するように形成されている。ゲートトレンチ91内には酸化珪素からなるゲート絶縁膜50を介してゲート電極60が形成されている。ゲート電極60は、不純物濃度が高い低抵抗多結晶珪素で構成されている。ゲート電極60上には酸化珪素からなる層間絶縁膜55が形成されている。
The
ショットキトレンチ92内にはTiを含むショットキ電極81が形成されており、ショットキトレンチ92とドリフト層20およびボディ領域30との界面にはTiSiからなる反応層71が形成されている。反応層71とショットキ電極81とは、全体として、ドリフト層20とショットキ接続する。
ゲートトレンチ91の底のドリフト層20内には、p型の第1保護領域31が形成されている。ショットキトレンチ92の底のドリフト層20内には、p型の第2保護領域32が形成されている。第1保護領域31と第2保護領域32とは、同じ深さで同じ不純物濃度である。半導体基板10の裏面側には、ドレイン電極82が形成されている。
また、コンタクト領域35とソース領域40との上にはオーミック電極70が形成されており、オーミック電極70上、および、ショットキ電極81上には、ソース電極80が形成されている。
A Schottky
A p-type
In addition, an
図2に示すように、平面視では、ストライプ状のゲートトレンチ91とショットキトレンチ92との長手方向に沿って一定間隔毎にp型の接続領域が形成されている。ゲートトレンチ91に対して形成されているp型の接続領域は、第1接続領域33であり、第1接続領域33は、第1保護領域31とボディ領域30とを接続するようにドリフト層20内に形成されている。ショットキトレンチ92に対して形成されているp型の接続領域は、第2接続領域34であり、第2接続領域34は、第2保護領域32とボディ領域30とを接続するようにドリフト層20内に形成されている。2, in a plan view, p-type connection regions are formed at regular intervals along the longitudinal direction of the
ここで、反応層71は、TiとSiとが反応して形成された層であり、Siに対するTiの原子組成比率が0.5以上、2.0以下である。また、反応層71の厚さは、1nm以上であり、50nm以下である。また、ドリフト層20とショットキ電極81との間の反応層71は、均一に形成されている。Here, the
また、ショットキ電極81は、Tiからなるものであればいいが、少なくともその最も半導体層側がTiからなるものであり、Tiと他の金属との積層構造であってもよい。
Furthermore, the Schottky
次に、本実施の形態の炭化珪素半導体装置の製造方法について、図1に示した断面に対応する図3~図10の断面図を用いて説明する。
説明する。
Next, a method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment will be described with reference to the cross-sectional views of FIGS. 3 to 10 corresponding to the cross section shown in FIG.
explain.
まず、第1主面が<11-20>方向に1°以上傾斜した(0001)面であり、4Hのポリタイプを有する、n型で低抵抗の炭化珪素からなる半導体基板10の上に、化学気相堆積法(Chemical Vapor Deposition:CVD法)により、1×1015cm-3以上、1×1017cm-3以下の不純物濃度でn型、5μm以上、50μm以下の厚さの炭化珪素からなるドリフト層20をエピタキシャル成長させる。ドリフト層20表面も、<11-20>方向に1°以上傾斜した(0001)面となる。
First, on a
つづいて、ドリフト層20の表面にp型の不純物であるAl(アルミニウム)をイオン注入する。このとき、Alのイオン注入の深さはドリフト層20の厚さを超えない0.5μm以上、3μm以下程度とする。また、イオン注入されたAlの不純物濃度は、1×1017cm-3以上、1×1019cm-3以下の範囲でありドリフト層20の不純物濃度より高くする。本工程によりAlイオン注入された領域がボディ領域30となる。
Next, p-type impurity Al (aluminum) is ion-implanted into the surface of the
次に、ドリフト層20の表面のボディ領域30の所定の箇所が開口するようにフォトレジスト等により注入マスクを形成し、n型の不純物であるN(窒素)をイオン注入する。Nのイオン注入深さはボディ領域30の厚さより浅いものとする。また、イオン注入したNの不純物濃度は、1×1018cm-3以上、1×1021cm-3以下の範囲であり、ボディ領域30のp型の不純物濃度を超えるものとする。本工程でNが注入された領域のうちn型を示す領域がソース領域40となる。その後、注入マスクを除去する。
また、同様の方法により、ソース領域40に隣接したボディ領域30の所定の領域にボディ領域30の不純物濃度より高い1×1019cm-3以上、1×1021cm-3以下の範囲の不純物濃度になるようにAlをイオン注入することにより、コンタクト領域35を形成する。この工程までにより、図3に示す断面図の構造が得られる。
Next, an implantation mask is formed using photoresist or the like so that a predetermined portion of the
In a similar manner,
つづいて、ソース領域40が形成された領域の一部を開口するレジストマスクを形成し、ソース領域40、ボディ領域30を貫通してドリフト層20まで達するゲートトレンチ91をドライエッチング法により形成する。同様に、ソース領域40が形成されていない領域の一部を開口するレジストマスクを形成し、ボディ領域30を貫通してドリフト層20まで達するショットキトレンチ92をドライエッチング法により形成する。
このとき、ゲートトレンチ91とショットキトレンチ92とは、長手方向が<11-20>方向に沿うように形成する。ゲートトレンチ91とショットキトレンチ92とのトレンチ側壁がドリフト層20表面に対して垂直に形成された場合、ゲートトレンチ91とショットキトレンチ92とのトレンチの長手方向の側壁は、(1-100)面と(-1100)面とになる。実際には、ゲートトレンチ91とショットキトレンチ92とのトレンチの長手方向の側壁は、ドリフト層20表面、または、半導体基板10の表面である第1の主面にトレンチの長手方向の側壁は対して角度が80度以上、90度以下の範囲の角度を成す。そのため、ゲートトレンチ91とショットキトレンチ92とのトレンチの長手方向の側壁は(1-100)面と(-1100)面とから10度以内に傾斜した面となる。
ここで、ゲートトレンチ91とショットキトレンチ92との形成は、同じドライエッチ工程で同じ深さで形成してもよい。この工程までにより、図4に示す断面図の構造が得られる。
Next, a resist mask is formed to open a part of the region where the
At this time, the
Here, the
つづいて、図5にその断面模式図を示すように、ゲートトレンチ91とショットキトレンチ92との底部のドリフト層20に、p型不純物をイオン注入し、それぞれ第1保護領域31、第2保護領域32を形成する。第1保護領域31と第2保護領域32とのp型不純物濃度は、1×1018cm-3以上、1×1020cm-3以下の範囲であればよい。イオン注入後にレジストマスクを除去する。また、第1接続領域33と第2接続領域34とを形成する箇所を開口したレジストマスクを形成し、p型不純物を斜めイオン注入することにより第1接続領域33と第2接続領域34とを形成する。第1接続領域33と第2接続領域34とのp型不純物濃度は、1×1018cm-3以上、1×1020cm-3以下の範囲であればよい。イオン注入後にレジストマスクを除去する。
次に、熱処理装置によって、アルゴン(Ar)ガス等の不活性ガス雰囲気中で、1300から1900℃の温度で、30秒から1時間のアニールを行なう。このアニールにより、イオン注入されたN及びAlを電気的に活性化させる。
5, p-type impurities are ion-implanted into the
Next, annealing is performed in an inert gas atmosphere such as argon (Ar) gas at a temperature of 1300 to 1900° C. for 30 seconds to 1 hour by a heat treatment device. This annealing electrically activates the implanted N and Al ions.
つづいて、ショットキトレンチ92を保護絶縁膜で覆った状態で、ゲートトレンチ91内に厚さが10nm以上、300nm以下の酸化珪素からなるゲート絶縁膜50を形成する。次に、ゲート絶縁膜50内に厚さが300nm以上、2000nm以下の導電性を有する多結晶シリコンからなる膜を減圧CVD法により形成しパターニングすることによって、ゲート電極60を形成する。保護絶縁膜を除去した後に、図6に示す断面図のものが形成される。Next, with the
つづいて、厚さが500nm以上、3000nm以下の酸化珪素からなる層間絶縁膜55を減圧CVD法により形成する。
次に、ソース領域40とコンタクト領域35が形成されている領域上を開口させるように層間絶縁膜55をエッチングして、その内部にNiなどの金属を堆積しアニールする等の工程により、図7にその断面図を示すように、ソース領域40とコンタクト領域35上にNiSi合金層(シリサイド)からなるオーミック電極70を形成する。
Next, an
Next,
つづいて、図8にその断面図を示すように、ショットキトレンチ92内の層間絶縁膜55を除去した後に、ショットキトレンチ92内、オーミック電極70上および層間絶縁膜55上にTiからなるショットキ電極81をスパッタ法により形成する。また、その上に、スパッタ法によりAlを含むソース電極80を形成する。ソース電極80は、Al/Tiの積層構造であってもよい。この状態の断面図を図9に示す。
その後、ショットキ電極81をショットキトレンチ92内に形成した状態で、Ar等の不活性ガス中で、室温から400℃以上、600℃以下の温度まで10℃/secの温度上昇速度で温度を上昇させて加熱する。400℃以上、600℃以下の温度のアニールの加熱時間は、5min以上、30min以下であればよい。
8, after removing the
Thereafter, with the
このような条件で加熱することにより、図10にその断面図を示すように、ドリフト層20とショットキ電極81との界面にTiSiからなる反応層71ができる。前述の通り、反応層71のSiに対するTiの原子組成比率は、0.5以上、2.0以下である。また、反応層71の厚さは、5nm以上であり、50nm以下である。また、反応層71は、反応層71が形成された領域で、均一に形成されている。この反応層71は、不活性ガス中で加熱されているので、反応層71中の酸素濃度が低くなっており、反応層71中の酸素の原子組成濃度が5%以下となっている。酸素が少ない状態で反応層71が形成されるので、界面に凹凸ができるのを防止でき、一様に反応層71が形成される。
また、ゲートトレンチ91とショットキトレンチ92との長手方向の側壁が半導体基板10のオフ方向の影響を受けない(1-100)面と(-1100)面または、これらの面から10度以内に傾斜した面になり、半導体基板10のオフ角の大きさに寄らず、ショットキトレンチ92の長手方向の両側壁面に、均一に反応層71を形成ことができる。
By heating under such conditions, as shown in the cross-sectional view of FIG. 10, a
Furthermore, the longitudinal sidewalls of the
ここで、本実施の形態の炭化珪素半導体装置のソース電極80からドリフト層20にかけての断面SEM(Scanning Electron Microscope)図を図11に示す。図11は、ショットキトレンチ内92内にショットキ電極81を形成した後に10℃/secの温度上昇速度で温度上昇させ温度450℃で10min間Arガス中でアニールしたものである。これに対し、図12は、ショットキトレンチ内92内にショットキ電極81を形成した後に10℃/secの温度上昇速度で温度上昇させ温度800℃で10min間Arガス中でアニールしたものの断面SEM図(参考図)である。
450℃でアニールした本実施の形態の炭化珪素半導体装置のショットキ界面は、均一にほぼ同じ厚さで反応層71が形成されているのに対し、800℃でアニールした参考構造(図12)は、界面が均一形成されなかった。
Here, a cross-sectional SEM (Scanning Electron Microscope) diagram from the
The Schottky interface of the silicon carbide semiconductor device of this embodiment annealed at 450° C. has a
つづいて、裏面側に、図示しない裏面オーミック電極およびドレイン電極82を形成することによって、図1にその断面図を示すSBD内蔵SiCトレンチMOSFETを製造することができる。Next, a backside ohmic electrode and a drain electrode 82 (not shown) are formed on the backside, thereby manufacturing an SBD-integrated SiC trench MOSFET, the cross-sectional view of which is shown in Figure 1.
なお、ショットキトレンチ92の上端に接する炭化珪素層がp型のボディ領域30である例で説明したが、ここにn型の低抵抗領域が形成されていてもよい。In the above example, the silicon carbide layer in contact with the upper end of the
本実施の形態の炭化珪素半導体装置によれば、ショットキ電極81とドリフト層20との間に形成されるSBDのショットキバリア高さが、個々のショットキトレンチ92内で一定になるばかりではなく、チップ内の他のショットキトレンチ92のSBDのショットキバリア高さともばらつきが小さくなる。したがって、部分的にショットキバリア高さが小さくなる箇所からオフ時にリーク電流が流れることを抑制できる。また、ショットキトレンチ92側壁におけるショットキ電極81とドリフト層20との密着性が改善し、部分的にショットキ電極81が剥離したりすることが防止でき、信頼性の高い炭化珪素半導体装置を得ることができる。
また、ストライプ状のショットキトレンチ92の長手方向を半導体基板10のオフ方向と平行に、すなわち、オフ方向に沿って形成しているので、半導体基板10のオフ角の影響を受けず、ショットキトレンチ92の長手の両側壁に同じ性質、厚さの反応層71を形成することができる。
According to the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment, not only is the Schottky barrier height of the SBD formed between the
Furthermore, since the longitudinal direction of the stripe-shaped
実施の形態2.
図13は、実施の形態2の炭化珪素半導体装置における活性領域の一部分の断面図である。本実施の形態の炭化珪素半導体装置は、実施の形態1の炭化珪素半導体装置と異なり、ショットキトレンチ92に接するボディ領域30とショットキトレンチ92との間に、さらにオーミック電極70を備える。すなわち、コンタクト領域35とソース領域40との上に形成されているオーミック電極70がショットキトレンチ92側壁の上部まで延びている。その他の点については、実施の形態1と同じであるので、詳しい説明を省略する。
Embodiment 2.
13 is a cross-sectional view of a portion of an active region in a silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment. The silicon carbide semiconductor device according to the present embodiment is different from the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment in that it further includes an
本開示の炭化珪素半導体装置においては、ショットキ電極81とドリフト層20との間に形成されるSBDのショットキ界面が、均質に形成されればよく、ボディ領域30とショットキ電極81との間には反応層71は無くてもよい。図13において、ショットキトレンチ92は、コンタクト領域35とボディ領域30とを貫通して形成されている。ショットキトレンチ92内で、オーミック電極70は、コンタクト領域35がショットキトレンチ92に面している領域の全領域と、ボディ領域30がショットキトレンチ92に面している領域の一部に形成されている。反応層71は、ショットキトレンチ92のボディ領域30の下方とドリフト層20とに面している領域に形成されている。In the silicon carbide semiconductor device of the present disclosure, the Schottky interface of the SBD formed between the
次に、本実施の形態の炭化珪素半導体装置の製造方法について説明する。
製造方法の前半については、実施の形態1の図3~図6と同様である。図6に示した構造に対して、図14にその断面図を示すように、ゲートトレンチ91上とショットキトレンチ92の底部にだけ層間絶縁膜55が残るように層間絶縁膜55をパターニングする。
つづいて、図15にその断面図を示すように実施の形態1と同様に層間絶縁膜55が形成されていない箇所にオーミック電極70を形成し、ショットキトレンチ92の底部の層間絶縁膜を除去する。
その後、ショットキ電極81を形成し、実施の形態1と同様のアニールを行なった後、半導体基板10の裏面側にドレイン電極82を形成することによって、図13の断面図を有する本実施の形態の炭化珪素半導体装置を製造することができる。
Next, a method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the present embodiment will be described.
3 to 6 in the first embodiment. For the structure shown in Fig. 6,
Next, as shown in the cross-sectional view of FIG. 15, similarly to the first embodiment,
Thereafter, a
本実施の形態の炭化珪素半導体装置によれば、コンタクト領域35とオーミック電極70とが接触している面積を増大させることができるため、ボディ領域30とショットキ電極81およびソース電極80との間のコンタクト抵抗を低減できる。また、コンタクト領域35とショットキトレンチ92との間の領域を形成する必要が無いので、断面横方向の、ソース領域40端とショットキトレンチ92との間、すなわち、コンタクト領域35幅を小さくすることができる。したがって、図13に断面図を示す単位セルの断面図上の幅を小さくでき、結果的に、単位面積当たりに流れる電流量を増加することができる。つまり、チップのオン抵抗を低減することができる。According to the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment, the contact area between the
また、ショットキトレンチ92上端に炭化珪素の層とNi等の金属を反応させて形成するオーミック電極70を形成するので、ショットキトレンチ92上端のコーナー部の角が丸まる。そのため、ショットキトレンチ92内にショットキ電極81を埋め込むときの埋め込み性が改善され、より製造歩留まりを高くすることができる。In addition, since an
実施の形態3.
図16は、実施の形態3の炭化珪素半導体装置における活性領域の一部分の断面図である。図16の本実施の形態の炭化珪素半導体装置は、反応層71がショットキトレンチ92内で一様に形成されていない点で実施の形態1の炭化珪素半導体装置と異なる。その他の点については、実施の形態1と同じであるので、詳しい説明を省略する。
Embodiment 3.
Fig. 16 is a cross-sectional view of a portion of an active region in a silicon carbide semiconductor device according to embodiment 3. The silicon carbide semiconductor device according to the present embodiment in Fig. 16 differs from the silicon carbide semiconductor device according to embodiment 1 in that
本開示の炭化珪素半導体装置においては、ショットキ電極81とドリフト層20との間に形成されるSBDのショットキ界面が、均質に形成されればよく、ボディ領域30とショットキ電極81との間の反応層71は、ショットキ電極81とドリフト層20との間の形成される反応層71と同じ厚さである必要は無い。また、ボディ領域30とショットキ電極81との間の反応層71は、無くてもよい。In the silicon carbide semiconductor device of the present disclosure, it is sufficient that the Schottky interface of the SBD formed between the
図16に示すように、本実施の形態の炭化珪素半導体装置においては、ボディ領域30がショットキトレンチ92と接する領域で、ショットキ電極81が全領域で埋め込まれていなくてもよい。ショットキ電極81をショットキトレンチ92に埋め込む際に、ショットキトレンチ92全体を埋め込まない、または、埋め込んだ後で上部が除去されることによって、本実施の形態の炭化珪素半導体装置を製造することができる。ショットキ電極81が埋め込まれないショットキトレンチ92上部については、その後に形成するソース電極80で埋め込めばよい。16, in the silicon carbide semiconductor device of this embodiment, the
本実施の形態の炭化珪素半導体装置によれば、ショットキトレンチ92内の上部までショットキ電極81が埋め込まれていない場合においても、ドリフト層20とショットキ電極81との間に均質な反応層71を形成することができ、より容易に製造することができる。According to the silicon carbide semiconductor device of this embodiment, even if the
実施の形態4.
図17は、実施の形態4の炭化珪素半導体装置における活性領域の一部分の断面図である。図17の本実施の形態の炭化珪素半導体装置において、ショットキトレンチ92の下部では側壁に傾斜面92Tが形成されている。その他の点については、実施の形態1と同じであるので、詳しい説明を省略する。
Embodiment 4.
Fig. 17 is a cross-sectional view of a portion of an active region in a silicon carbide semiconductor device according to embodiment 4. In the silicon carbide semiconductor device according to the present embodiment shown in Fig. 17, an
図17に示すように、本実施の形態の炭化珪素半導体装置では、ショットキトレンチ92下部のショットキ電極81とドリフト層20が対向する領域において、傾斜面92Tが、炭化珪素層表面に対して45度の角度で傾斜して形成されている。ショットキ電極81とドリフト層20との間には、一定の厚さの反応層71が形成されている。
ボディ領域30とショットキ電極81との境界は、炭化珪素層表面に対して垂直な面となっており、その界面にも反応層71が形成されている。
本実施の形態の炭化珪素半導体装置は、ショットキトレンチ92をエッチングする際に、2段階でエッチングすることによって製造することができる。
17 , in the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment, in a region where the
The boundary between the
The silicon carbide semiconductor device of the present embodiment can be manufactured by performing etching in two stages when etching
本実施の形態の炭化珪素半導体装置によれば、同じ深さのトレンチに対してショットキ界面の面積を増加させることができ、単位面積当たりに流すことが可能なユニポーラ電流密度を増加させることができる。
また、ショットキトレンチ92底の両端コーナー部の成す角度が鈍角であるので、ショットキトレンチ92内へのショットキ電極81の埋め込み性が改善し、ショットキトレンチ92内に空洞のような空間ができる確率をより減らすことができる。
さらに、本実施の形態の炭化珪素半導体装置によれば、ショットキトレンチ92底のコーナー部が第2導電型の第2保護領域32で覆われるので、ショットキトレンチ92底近傍のゲート絶縁膜50に印加される電界を低減でき、より信頼性の高い炭化珪素炭化珪素半導体装置を得ることができる。
According to the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment, the area of the Schottky interface can be increased for a trench of the same depth, and the unipolar current density that can flow per unit area can be increased.
In addition, since the angles formed by both corners of the bottom of
Furthermore, according to the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment, the corner portions of the bottom of
このように、本実施の形態の炭化珪素半導体装置は、面積が大きくショットキバリア高さがそろったSBDを備え、より信頼性が高い炭化珪素半導体装置となる。In this way, the silicon carbide semiconductor device of this embodiment has an SBD with a large area and consistent Schottky barrier height, making it a more reliable silicon carbide semiconductor device.
なお、本実施の形態の炭化珪素炭化珪素半導体装置において、ショットキトレンチ92の傾斜面92Tが炭化珪素層表面に対して45度の角度で傾斜するものとして説明したが、この角度は必ずしも45度である必要は無く、35度以上、60度以下の角度であってもよい。
さらに、本実施の形態の炭化珪素炭化珪素半導体装置において、反応層71が形成されるショットキ界面が全て傾斜面92Tである場合について説明してきたが、ショットキ界面の一部が傾斜面92Tではない、炭化珪素層表面に対してほぼ垂直な面に形成されていても、両者において反応層71が均一に形成されていれば、同様の効果を奏する。
In the silicon carbide semiconductor device of this embodiment, the
Furthermore, in the silicon carbide silicon carbide semiconductor device of this embodiment, the case has been described where the Schottky interfaces at which
なお、実施の形態1~4では、ショットキ電極81とソース電極80とを別に形成した例について説明してきたが、その最下層がTiで形成されてさえいれば、ショットキ電極81とソース電極80とは一体となった同じ電極であってもよい。このとき、全体として積層構造であってもよい。In the first to fourth embodiments, the
また、実施の形態1~4では、ボディ領域30とソース領域40とをイオン注入法で形成する方法について説明したが、ボディ領域30とソース領域40とは他の方法で形成してもよく、例えばエピタキシャル法で形成してもよい。さらに、ボディ領域30を全面に形成した例を説明したが、ボディ領域30は、ドリフト層20の上層部の一部に形成されてもよい。そのとき、ショットキトレンチ92は、ボディ領域30を貫通して設けるのではなく、ドリフト層20の表面からそのまま設けてもよい。
In addition, in the first to fourth embodiments, the method of forming the
さらに、実施の形態1~4では、トレンチの下部に第1保護領域31と第2保護領域32とを設けた例を説明したが、第1保護領域31と第2保護領域32とは場合によっては無くてもよい。このとき、第1接続領域33と第2接続領域34とも設けなくてもよい。
また、ゲートトレンチ91とショットキトレンチ92とはストライプ状で無く、格子状に設けられていてもよい。
Furthermore, in the first to fourth embodiments, the
Furthermore, the
さらに、実施の形態1~4においては、p型不純物としてアルミニウム(Al)を用いたが、p型不純物がホウ素(B)またはガリウム(Ga)であってもよい。n型不純物は、窒素(N)で無く燐(P)であってもよい。実施の形態1~2で説明したMOSFETにおいては、ゲート絶縁膜は、必ずしもSiO2などの酸化膜である必要はなく、酸化膜以外の絶縁膜、または、酸化膜以外の絶縁膜と酸化膜とを組み合わせたものであってもよい。また、上記実施形態では、結晶構造、主面の面方位、オフ角および各注入条件等、具体的な例を用いて説明したが、これらの数値範囲に適用範囲が限られるものではない。 Furthermore, in the first to fourth embodiments, aluminum (Al) is used as the p-type impurity, but the p-type impurity may be boron (B) or gallium (Ga). The n-type impurity may be phosphorus (P) instead of nitrogen (N). In the MOSFETs described in the first and second embodiments, the gate insulating film does not necessarily have to be an oxide film such as SiO 2 , and may be an insulating film other than an oxide film, or a combination of an insulating film other than an oxide film and an oxide film. In the above embodiments, specific examples of the crystal structure, the plane orientation of the main surface, the off-angle, and each implantation condition are described, but the applicable range is not limited to these numerical ranges.
また、上記実施形態では、ドレイン電極85が半導体基板10の裏面に形成される、いわゆる縦型MOSFETの炭化珪素半導体装置にSBDを内蔵させたものについて説明したが、ドレイン電極85がドリフト層20の表面に形成されるRESURF(REduced SURface Field)型MOSFET等のいわゆる横型MOSFETにSBDを内蔵させたものにも用いることができる。さらに、炭化珪素半導体装置は絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT:Insulated Gate Bipolar Transisitor)にSBDを内蔵させたものであってもよい。また、スーパージャンクション構造を有するMOSFET、IGBTにSBDを内蔵させたものにも適用することができる。In the above embodiment, the SBD is incorporated in a silicon carbide semiconductor device of a so-called vertical MOSFET in which the drain electrode 85 is formed on the back surface of the
実施の形態5.
本実施の形態は、上述した実施の形態1~4にかかる炭化珪素半導体装置を電力変換装置に適用したものである。本開示は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態5として、三相のインバータに本開示を適用した場合について説明する。
Embodiment 5.
In the present embodiment, the silicon carbide semiconductor device according to the above-described first to fourth embodiments is applied to a power conversion device. Although the present disclosure is not limited to a specific power conversion device, a case in which the present disclosure is applied to a three-phase inverter will be described below as a fifth embodiment.
図18は、本実施の形態にかかる電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。 Figure 18 is a block diagram showing the configuration of a power conversion system to which the power conversion device of this embodiment is applied.
図18に示す電力変換システムは、電源100、電力変換装置200、負荷300から構成される。電源100は、直流電源であり、電力変換装置200に直流電力を供給する。電源100は種々のもので構成することが可能であり、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成することができるし、交流系統に接続された整流回路やAC/DCコンバータで構成することとしてもよい。また、電源100を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するDC/DCコンバータによって構成することとしてもよい。The power conversion system shown in FIG. 18 is composed of a
電力変換装置200は、電源100と負荷300の間に接続された三相のインバータであり、電源100から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷300に交流電力を供給する。電力変換装置200は、図30に示すように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路201と、主変換回路201の各スイッチング素子を駆動する駆動信号を出力する駆動回路202と、駆動回路202を制御する制御信号を駆動回路202に出力する制御回路203とを備えている。
駆動回路202は、ノーマリオフ型の各スイッチング素子を、ゲート電極の電圧とソース電極の電圧とを同電位にすることによってオフ制御している。
The
The drive circuit 202 controls each normally-off switching element to be turned off by setting the gate electrode voltage and the source electrode voltage to the same potential.
負荷300は、電力変換装置200から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷300は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車、鉄道車両、エレベーター、もしくは、空調機器向けの電動機として用いられる。The
以下、電力変換装置200の詳細を説明する。主変換回路201は、スイッチング素子と還流ダイオードを備えており(図示せず)、スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源100から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷300に供給する。主変換回路201の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態にかかる主変換回路201は2レベルの三相フルブリッジ回路であり、6つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された6つの還流ダイオードから構成することができる。主変換回路201の各スイッチング素子には、上述した実施の形態1~3のいずれかにかかる炭化珪素半導体装置の製造方法で製造された炭化珪素半導体装置を適用する。6つのスイッチング素子は2つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相(U相、V相、W相)を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路201の3つの出力端子は、負荷300に接続される。The
駆動回路202は、主変換回路201のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路201のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路203からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号(オン信号)であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号(オフ信号)となる。The drive circuit 202 generates drive signals for driving the switching elements of the
制御回路203は、負荷300に所望の電力が供給されるよう主変換回路201のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷300に供給すべき電力に基づいて主変換回路201の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間(オン時間)を算出する。例えば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するPWM制御によって主変換回路201を制御することができる。そして、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるよう、駆動回路202に制御指令(制御信号)を出力する。駆動回路202は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号又はオフ信号を駆動信号として出力する。
本実施の形態に係る電力変換装置では、主変換回路201のスイッチング素子として実施の形態1~4にかかる炭化珪素半導体装置を適用するため、低損失、かつ、高速スイッチングの信頼性を高めた電力変換装置を実現することができる。
The
In the power conversion device of the present embodiment, the silicon carbide semiconductor devices of the first to fourth embodiments are applied as the switching elements of the
本実施の形態では、2レベルの三相インバータに本開示を適用する例を説明したが、本開示は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、2レベルの電力変換装置としたが3レベルやマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、単相負荷に電力を供給する場合には単相のインバータに本開示を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはDC/DCコンバータやAC/DCコンバータに本開示を適用することも可能である。In the present embodiment, an example of applying the present disclosure to a two-level three-phase inverter has been described, but the present disclosure is not limited to this and can be applied to various power conversion devices. In the present embodiment, a two-level power conversion device is described, but a three-level or multi-level power conversion device may also be used, and the present disclosure may be applied to a single-phase inverter when supplying power to a single-phase load. In addition, the present disclosure can also be applied to a DC/DC converter or an AC/DC converter when supplying power to a DC load or the like.
また、本開示を適用した電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機やレーザー加工機、又は誘導加熱調理器や非接触器給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには太陽光発電システムや蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である。 Furthermore, the power conversion device to which the present disclosure is applied is not limited to the case where the above-mentioned load is an electric motor, but can also be used, for example, as a power supply device for an electric discharge machine or laser processing machine, or an induction heating cooker or a contactless power supply system, and can even be used as a power conditioner for a solar power generation system or a power storage system, etc.
10 半導体基板、20 ドリフト層、30 ボディ領域、31 第1保護領域、32 第2保護領域、33 第1接続領域、34 第2接続領域、35 コンタクト領域、40 ソース領域、50 ゲート絶縁膜、55 層間絶縁膜、60 ゲート電極、70 オーミック電極、71 反応層、80 ソース電極、81 ショットキ電極、82 ドレイン電極、91 ゲートトレンチ、92 ショットキトレンチ、100 電源、200、電力変換装置、201 主変換回路、202 駆動回路、203 制御回路、300 負荷。 10 semiconductor substrate, 20 drift layer, 30 body region, 31 first protection region, 32 second protection region, 33 first connection region, 34 second connection region, 35 contact region, 40 source region, 50 gate insulating film, 55 interlayer insulating film, 60 gate electrode, 70 ohmic electrode, 71 reaction layer, 80 source electrode, 81 Schottky electrode, 82 drain electrode, 91 gate trench, 92 Schottky trench, 100 power supply, 200 power conversion device, 201 main conversion circuit, 202 drive circuit, 203 control circuit, 300 load.
Claims (7)
前記ドリフト層上に形成された第2導電型の炭化珪素からなるボディ領域と、
前記ボディ領域の少なくとも一部の上に形成された第1導電型の炭化珪素からなるソース領域と、
前記ソース領域および前記ボディ領域とを貫通して前記ドリフト層に達するゲートトレンチと、
前記ゲートトレンチにゲート絶縁膜を介して前記ボディ領域と対向して形成されたゲート電極と、
少なくとも前記ドリフト層内に下端があるように形成されたショットキトレンチと、
前記ショットキトレンチ内に形成されたTiを主成分とするショットキ電極と、
前記ショットキ電極と前記ショットキトレンチの側面に接する前記ドリフト層との間に形成され、Siに対するTiの原子組成比率が0.5以上であるTiSiからなり、酸素の原子組成濃度が5%以下である反応層と
を備えたことを特徴とする炭化珪素半導体装置。 a drift layer made of first conductivity type silicon carbide formed on a first main surface of a semiconductor substrate made of first conductivity type silicon carbide;
a body region made of second conductivity type silicon carbide formed on the drift layer;
a source region made of silicon carbide of a first conductivity type formed on at least a portion of the body region;
a gate trench passing through the source region and the body region to reach the drift layer;
a gate electrode formed in the gate trench so as to face the body region via a gate insulating film;
a Schottky trench formed so that a lower end is located at least within the drift layer;
a Schottky electrode mainly composed of Ti formed in the Schottky trench;
a reaction layer formed between the Schottky electrode and the drift layer in contact with a side surface of the Schottky trench, the reaction layer being made of TiSi in which an atomic composition ratio of Ti to Si is 0.5 or more and an atomic composition concentration of oxygen is 5% or less .
請求項1に記載の炭化珪素半導体装置。 The silicon carbide semiconductor device according to claim 1 , wherein the reaction layer has a thickness of 1 nm or more.
前記ショットキトレンチがストライプ状に<11-20>方向に沿って形成された
請求項1または請求項2に記載の炭化珪素半導体装置。 the semiconductor substrate is silicon carbide having a 4H polytype with the first main surface inclined from a (0001) plane by 1° or more in a <11-20>direction;
3. The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the Schottky trenches are formed in a striped shape along a <11-20> direction.
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。 4 . The silicon carbide semiconductor device according to claim 1 , wherein an angle that a sidewall in a longitudinal direction of the Schottky trench forms with the first main surface is in the range of 80 degrees or more and 90 degrees or less.
前記ショットキトレンチが前記ボディ領域に接する領域内にNiSiからなるオーミック電極が形成されている
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。 the Schottky trench is formed through the body region;
The silicon carbide semiconductor device according to claim 1 , further comprising an ohmic electrode made of NiSi formed in a region where the Schottky trench contacts the body region.
前記ドリフト層の上に第2導電型の炭化珪素からなるボディ領域を形成する工程と、
前記ボディ領域の少なくとも一部の上に第1導電型の炭化珪素からなるソース領域を形成する工程と、
前記ソース領域および前記ボディ領域を貫通して前記ドリフト層に達するゲートトレンチを形成する工程と、
前記ゲートトレンチにゲート絶縁膜を介して前記ボディ領域と対向してゲート電極を形成する工程と、
少なくとも前記ドリフト層の内部に下端があるようにショットキトレンチを形成する工程と、
前記ショットキトレンチの内部にTiを主成分とするショットキ電極を堆積する工程と、
前記ショットキ電極を堆積した状態で温度を上昇させた後に400℃以上600℃以下の温度で加熱処理を行ない、酸素の原子組成濃度が5%以下となるようにTiSiからなる反応層を形成する工程と
を備えたことを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。 forming a drift layer made of first conductivity type silicon carbide on a first main surface of a semiconductor substrate made of first conductivity type silicon carbide;
forming a body region made of second conductivity type silicon carbide on the drift layer;
forming a source region made of silicon carbide of a first conductivity type on at least a portion of the body region;
forming a gate trench penetrating the source region and the body region to reach the drift layer;
forming a gate electrode in the gate trench so as to face the body region via a gate insulating film;
forming a Schottky trench having a lower end within at least the drift layer;
depositing a Schottky electrode mainly made of Ti inside the Schottky trench;
and increasing the temperature while the Schottky electrode is deposited, and then performing a heat treatment at a temperature of 400° C. or more and 600° C. or less to form a reaction layer made of TiSi so that the atomic composition concentration of oxygen is 5% or less .
前記炭化珪素半導体装置のゲート電極の電圧をソース電極の電圧と同じにすることによってオフ動作させ、前記炭化珪素半導体装置を駆動する駆動信号を前記炭化珪素半導体装置に出力する駆動回路と、
前記駆動回路を制御する制御信号を前記駆動回路に出力する制御回路と、
を備えた電力変換装置。 A main conversion circuit having the silicon carbide semiconductor device according to any one of claims 1 to 5, which converts input power and outputs the converted power;
a drive circuit that turns off the silicon carbide semiconductor device by making a voltage of a gate electrode of the silicon carbide semiconductor device the same as a voltage of a source electrode of the silicon carbide semiconductor device, and outputs a drive signal to the silicon carbide semiconductor device to drive the silicon carbide semiconductor device;
a control circuit that outputs a control signal to the drive circuit to control the drive circuit;
A power conversion device comprising:
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