JPH10308512A - Silicon carbide semiconductor device - Google Patents

Silicon carbide semiconductor device

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JPH10308512A
JPH10308512A JP9358229A JP35822997A JPH10308512A JP H10308512 A JPH10308512 A JP H10308512A JP 9358229 A JP9358229 A JP 9358229A JP 35822997 A JP35822997 A JP 35822997A JP H10308512 A JPH10308512 A JP H10308512A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a structure of high withstand voltage, low ON-resistance and low gate threshold voltage and prevent breakdown of a gate oxide film in a groove bottom part, by forming a silicon carbide thin film in a groove side surface of a groove gate type power MOSFET. SOLUTION: A groove gate type power MOSFET is constituted by forming an n-type thin film semiconductor layer 8 in a side surface 7a of a groove 7 and an n<+> -type epitaxial layer 3 is formed between an n<-> -type epitaxial layer 2 and a p-type epitaxial layer 4. The p-type epitaxial layer 4, the n<+> -type epitaxial layer 3 and the n<-> -type epitaxial layer 2 constitute a pn<+> n<-> -diode and a withstand voltage of a pn<+> n<-> -diode is made lower than a withstand voltage of a surface of a gate oxide film 9 in a bottom part of the groove 7 by adjusting a concentration and a thickness of the n<+> -type epitaxial layer 3. Since a pn<+> n<-> -diode causes avalanche breakdown before a surface of the gate oxide film 9 in a bottom part of the groove 7, breakdown of the gate oxide film 9 can be prevented.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、炭化珪素半導体装
置に関し、炭化珪素半導体装置として、例えば、絶縁ゲ
ート型電界効果トランジスタ、とりわけ大電力用の縦型
MOSFET等として用いることができるものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a silicon carbide semiconductor device, which can be used as a silicon carbide semiconductor device, for example, as an insulated gate field effect transistor, especially a vertical MOSFET for high power.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、炭化珪素半導体装置として、低オ
ン抵抗、高耐圧に優れた溝ゲート型パワーMOSFET
が提案されている(特開平7−326755号公報、あ
るいは特開平8−70124号公報)。この溝ゲート型
パワーMOSFETは、図19に示すように、n+ 型の
単結晶炭化珪素(SiC)半導体基板1とn- 型エピタ
キシャル層(以下n- エピ層という)2とp型エピタキ
シャル層(以下p型エピ層という)3により六方晶系の
単結晶炭化珪素よりなる半導体基板100が構成されて
おり、その上面(主表面)を略(0001−)カーボン
面としている。
2. Description of the Related Art Conventionally, a trench gate type power MOSFET excellent in low on-resistance and high withstand voltage has been used as a silicon carbide semiconductor device.
(JP-A-7-326755 or JP-A-8-70124) has been proposed. As shown in FIG. 19, this trench gate type power MOSFET has an n + type single crystal silicon carbide (SiC) semiconductor substrate 1, an n type epitaxial layer (hereinafter referred to as an n epi layer) 2 and a p type epitaxial layer ( A semiconductor substrate 100 made of hexagonal single-crystal silicon carbide is constituted by 3 (hereinafter referred to as a p-type epi layer), and its upper surface (main surface) is substantially a (0001-) carbon surface.

【0003】p型エピ層4の表層部の所定領域には、n
+ 型ソース領域5が形成されており、n+ 型ソース領域
5の所定位置には溝(トレンチ)7が形成されている。
この溝7は、n+ 型ソース領域5とp型エピ層4を貫通
してn- 型エピ層2に達し、p型エピ層4の表面に垂直
な側面7aおよびp型エピ層4の表面に平行な底面7b
を有する。
In a predetermined region of the surface layer of the p-type epi layer 4, n
A + type source region 5 is formed, and a groove (trench) 7 is formed at a predetermined position of the n + type source region 5.
The trench 7 penetrates the n + type source region 5 and the p type epi layer 4 to reach the n type epi layer 2, and has a side surface 7 a perpendicular to the surface of the p type epi layer 4 and the surface of the p type epi layer 4. Bottom 7b parallel to
Having.

【0004】溝7の内部には、ゲート酸化膜9が形成さ
れ、このゲート酸化膜9内にはゲート電極層10が充填
されている。ゲート電極層10上には、層間絶縁膜11
が配置されている。さらに、層間絶縁膜11上を含めた
+ 型ソース領域5の表面およびp型エピ層4の表面に
は、ソース電極層12が形成され、このソース電極層1
2はn+ 型ソース領域5とp型エピ層4に共に接してい
る。また、n+ 型炭化珪素半導体基板1の表面(半導体
基板100の裏面)には、ドレイン電極層13が形成さ
れている。
[0004] A gate oxide film 9 is formed in the trench 7, and the gate oxide film 9 is filled with a gate electrode layer 10. On the gate electrode layer 10, an interlayer insulating film 11
Is arranged. Further, a source electrode layer 12 is formed on the surface of the n + -type source region 5 and the surface of the p-type epi layer 4 including on the interlayer insulating film 11.
2 is in contact with both the n + type source region 5 and the p type epi layer 4. Drain electrode layer 13 is formed on the surface of n + type silicon carbide semiconductor substrate 1 (the back surface of semiconductor substrate 100).

【0005】なお、ゲート電極層10に正電圧を印加す
ることで、溝7の側面7aでのp型エピタキシャル層3
の表面がチャネルとなって、ソース電極層12とドレイ
ン電極層13の間に電流が流れる。
By applying a positive voltage to the gate electrode layer 10, the p-type epitaxial layer 3
The surface of the substrate serves as a channel, and a current flows between the source electrode layer 12 and the drain electrode layer 13.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】上述した溝ゲート型パ
ワーMOSFETにおけるソース・ドレイン間耐圧は、
p型エピタキシャル層3とn- 型エピタキシャル層2の
pn接合のアバランシェ条件と、p型エピタキシャル層
3が全域空乏化してパンチスルーが生じる条件で決定さ
れる。従って、パンチスルーを防止し、かつアバランシ
ェ発生電圧を高くするためには、p型エピタキシャル層
3の不純物濃度を十分高くし、n+ 型ソース領域5とn
- 型エピタキシャル層2に挟まれた領域の厚さaを十分
厚くする必要がある。
The breakdown voltage between the source and the drain in the above-mentioned trench gate type power MOSFET is as follows.
It is determined by the avalanche condition of the pn junction of the p-type epitaxial layer 3 and the n -type epitaxial layer 2 and the condition that the entire region of the p-type epitaxial layer 3 is depleted to cause punch-through. Therefore, in order to prevent punch-through and increase the avalanche generation voltage, the impurity concentration of the p-type epitaxial layer 3 is sufficiently increased, and the n + -type source regions 5 and n
It is necessary to sufficiently increase the thickness a of the region sandwiched between the-type epitaxial layers 2.

【0007】しかしながら、p型エピ層4の不純物濃度
を高くすると、ゲート閾値電圧が高くなり、また不純物
散乱の増大によりチャネル移動度が低下し、オン抵抗が
大きくなる。また、厚さaを大きくすると、チャネル長
が長くなり、オン抵抗が大きくなるという課題がある。
そこで、本出願人は、図20に示すように、溝7の側面
7aにおいて、n+ 型ソース領域5、p型エピ層4、お
よびn- 型エピ層2の表面に、n型の炭化珪素のn型薄
膜半導体層8をエピタキシャル成長法により形成した半
導体装置を提案した(特願平7−229487号)。
However, when the impurity concentration of the p-type epi layer 4 is increased, the gate threshold voltage is increased, and channel mobility is reduced due to an increase in impurity scattering, and the on-resistance is increased. Further, when the thickness a is increased, there is a problem that the channel length is increased and the on-resistance is increased.
Therefore, as shown in FIG. 20, the present applicant has applied n-type silicon carbide to the surface of n + -type source region 5, p-type epi layer 4 and n -type epi layer 2 on side surface 7 a of trench 7. (Japanese Patent Application No. 7-229487) has proposed a semiconductor device in which the n-type thin film semiconductor layer 8 is formed by an epitaxial growth method.

【0008】この図20に示す半導体装置においては、
n型薄膜半導体層8をチャネル形成領域とし、ゲート電
極層10に電圧を印加してゲート酸化膜9に電界を加え
ることにより、n型薄膜半導体層8に蓄積型チャネルを
誘起させて、ソース電極層12とドレイン電極層13の
間に電流を流すようにしている。このように、MOSF
ETの動作モードを、チャネル形成層の導電型を反転さ
せることなくチャネルを誘起する蓄積モードとすること
で、導電型を反転させチャネルを誘起する反転モードの
MOSFETに比べ、低いゲート電圧でMOSFETを
動作させることができる。
In the semiconductor device shown in FIG.
The n-type thin film semiconductor layer 8 is used as a channel forming region, and a voltage is applied to the gate electrode layer 10 to apply an electric field to the gate oxide film 9 to induce a storage channel in the n-type thin film semiconductor layer 8 so that the source electrode is formed. A current is caused to flow between the layer 12 and the drain electrode layer 13. Thus, MOSF
By setting the operation mode of the ET to the accumulation mode in which the channel is induced without inverting the conductivity type of the channel formation layer, the MOSFET can be operated at a lower gate voltage than the inversion mode MOSFET in which the conductivity type is inverted and the channel is induced. Can work.

【0009】また、p型エピタキシャル層3の不純物濃
度とチャネルが形成されるn型薄膜半導体層8の不純物
濃度を独立に制御することができるため、p型エピタキ
シャル層3の不純物濃度を高くし、n+ 型ソース領域5
とn- 型エピタキシャル層2に挟まれた厚さaを小さく
することにより、チャネル長を短くすることができ、高
耐圧で、かつオン抵抗を低くすることができる。
Further, since the impurity concentration of the p-type epitaxial layer 3 and the impurity concentration of the n-type thin film semiconductor layer 8 in which the channel is formed can be controlled independently, the impurity concentration of the p-type epitaxial layer 3 can be increased. n + type source region 5
And the thickness a sandwiched between the n -type epitaxial layers 2 can be reduced, so that the channel length can be shortened, the breakdown voltage can be increased, and the on-resistance can be reduced.

【0010】また、チャネルが形成されるn型薄膜半導
体層8の不純物濃度を低くすることにより、ゲート閾値
電圧を低くしたりキャリアが流れるときの不純物拡散の
影響を小さくすることができるため、チャネル移動度を
大きくすることができ、さらにオン抵抗を小さくし電力
損失を小さくすることができる。従って、図20に示す
溝ゲート型パワーMOSFETによれば、高耐圧、低電
力損失で、ゲート閾値電圧が低い炭化珪素半導体装置を
得ることができる。
Further, by lowering the impurity concentration of the n-type thin film semiconductor layer 8 in which the channel is formed, the gate threshold voltage can be lowered and the influence of impurity diffusion when carriers flow can be reduced. The mobility can be increased, the ON resistance can be reduced, and the power loss can be reduced. Therefore, according to the trench gate type power MOSFET shown in FIG. 20, a silicon carbide semiconductor device having high withstand voltage, low power loss, and low gate threshold voltage can be obtained.

【0011】しかしながら、先に提案した図20に示す
溝ゲート型パワーMOSFETについてさらに検討を進
めたところ、溝7の底部においてゲート酸化膜9表面で
アバランシェブレークダウンが起こり、発生したホット
キャリアが、溝7底部のゲート酸化膜9中に注入され、
ゲート酸化膜9が破壊するという問題があることが分か
った。
However, when the trench gate type power MOSFET proposed previously shown in FIG. 20 was further studied, avalanche breakdown occurred on the surface of the gate oxide film 9 at the bottom of the trench 7, and the generated hot carriers were removed from the trench. 7 is implanted into the gate oxide film 9 at the bottom,
It has been found that there is a problem that the gate oxide film 9 is broken.

【0012】そこで、本発明は、溝底部でのゲート酸化
膜の破壊を防止することを目的とする。
Accordingly, an object of the present invention is to prevent the gate oxide film from being broken at the bottom of the groove.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1に記載の発明においては、第2の電極層
(13)と第1の電極層(12)の間のpn接合に逆バ
イアスの電圧が印加されたとき、溝(7)の底部におけ
るゲート酸化膜(9)の表面がアバランシェブレークダ
ウンするより先に、第1導電型の高抵抗半導体層(2)
と第2導電型の第1の半導体層(4)との間のpn接合
が導通状態になるようにしたことを特徴としている。
To achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a pn junction between the second electrode layer (13) and the first electrode layer (12) is reversed. When a bias voltage is applied, the first conductive type high-resistance semiconductor layer (2) before the avalanche breakdown of the surface of the gate oxide film (9) at the bottom of the groove (7).
The pn junction between the first semiconductor layer (4) of the second conductivity type and the first semiconductor layer (4) is made conductive.

【0014】従って、第1導電型の高抵抗半導体層
(2)と第2導電型の第1の半導体層(4)との間のp
n接合が先に導通状態になるようにしているから、溝
(7)底部でのゲート酸化膜(9)の破壊を防止するこ
とができる。なお、導通状態になるとは、後述するよう
に、アバランシェブレークダウン状態、もしくはパンチ
スルー状態になることをいう。
Therefore, the voltage between the high-resistance semiconductor layer (2) of the first conductivity type and the first semiconductor layer (4) of the second conductivity type is p.
Since the n-junction is made conductive first, it is possible to prevent the gate oxide film (9) from being broken at the bottom of the groove (7). Note that the conductive state means a state of an avalanche breakdown state or a punch-through state, as described later.

【0015】また、請求項2に記載の発明においては、
第1導電型の高抵抗半導体層(2)と第2導電型の第1
の半導体層(4)との間に第1導電型の第2低抵抗半導
体層(3)を介在させて構成したことを特徴としてい
る。このように第2低抵抗半導体層(3)を介在させる
ことによって、溝(7)底部におけるゲート酸化膜
(9)の表面がアバランシェブレークダウンするより先
に、高抵抗半導体層(2)と第2低抵抗半導体層(3)
との間を先に導通させることができる。
[0015] In the invention according to claim 2,
A first conductive type high-resistance semiconductor layer (2) and a second conductive type first resistive semiconductor layer (2);
And a second low-resistance semiconductor layer (3) of the first conductivity type interposed between the semiconductor layer (4). By interposing the second low-resistance semiconductor layer (3) in this manner, the high-resistance semiconductor layer (2) and the second high-resistance semiconductor layer (2) are formed before the surface of the gate oxide film (9) at the bottom of the groove (7) undergoes avalanche breakdown. 2 Low resistance semiconductor layer (3)
Can be conducted first.

【0016】この場合、請求項3に記載の発明のよう
に、第2低抵抗半導体層(3)として、第2の電極層
(13)と第1の電極層(12)の間のpn接合に逆バ
イアスの電圧が印加されたとき、溝(7)底部における
ゲート酸化膜(9)の表面がアバランシェブレークダウ
ンするより先に、第2低抵抗半導体層(3)と第1の半
導体層(4)との間のpn接合がアバランシェブレーク
ダウンするように、その膜厚および不純物濃度が設定さ
れたものとすることができる。すなわち、第2低抵抗半
導体層(3)を介在させることによって、高抵抗半導体
層(2)と第2低抵抗半導体層(3)によるpn接合の
逆耐圧を低下させ、そのpn接合を先にアバランシェブ
レークダウンさせることができる。
In this case, a pn junction between the second electrode layer (13) and the first electrode layer (12) is used as the second low-resistance semiconductor layer (3). When a reverse bias voltage is applied to the second low-resistance semiconductor layer (3) and the first semiconductor layer (3) before the surface of the gate oxide film (9) at the bottom of the groove (7) undergoes avalanche breakdown. The film thickness and the impurity concentration can be set so that the avalanche breakdown occurs in the pn junction between 4). That is, by interposing the second low-resistance semiconductor layer (3), the reverse breakdown voltage of the pn junction by the high-resistance semiconductor layer (2) and the second low-resistance semiconductor layer (3) is reduced, and the pn junction is formed first. Avalanche breakdown is possible.

【0017】また、請求項4に記載の発明のように、高
抵抗半導体層(2)を、高抵抗半導体層(2)と半導体
層(4)との間のpn接合が導通状態になったとき、ゲ
ート酸化膜(9)から低抵抗半導体層(1)に向かって
伸びる空乏層が低抵抗半導体層(1)に到達しない厚さ
に設定したことを特徴としている。この発明において
も、高抵抗半導体層(2)と半導体層(4)との間のp
n接合が先に導通状態になるようにしているから、溝
(7)底部でのゲート酸化膜(9)の破壊を防止するこ
とができる。
Further, the pn junction between the high-resistance semiconductor layer (2) and the semiconductor layer (4) is brought into a conductive state. The thickness of the depletion layer extending from the gate oxide film (9) toward the low-resistance semiconductor layer (1) is set so as not to reach the low-resistance semiconductor layer (1). Also in the present invention, the p between the high resistance semiconductor layer (2) and the semiconductor layer (4) is
Since the n-junction is made conductive first, it is possible to prevent the gate oxide film (9) from being broken at the bottom of the groove (7).

【0018】この場合、請求項5に記載の発明のよう
に、高抵抗半導体層(2)を、高抵抗半導体層(2)と
半導体層(4)によるpn接合がアバランシェブレーク
ダウンする臨界電界強度に達したとき、ゲート酸化膜
(9)から低抵抗半導体層(1)に向かって伸びる空乏
層が低抵抗半導体層(1)に到達しない厚さに設定する
ようにすれば、高抵抗半導体層(2)と半導体層(4)
によるpn接合を先にアバランシェブレークダウンさせ
ることができる。
In this case, the high-resistance semiconductor layer (2) may be provided with a critical electric field strength at which a pn junction formed by the high-resistance semiconductor layer (2) and the semiconductor layer (4) avalanche breaks down. If the depletion layer extending from the gate oxide film (9) toward the low-resistance semiconductor layer (1) is set so as not to reach the low-resistance semiconductor layer (1), the high-resistance semiconductor layer can be formed. (2) and semiconductor layer (4)
Avalanche breakdown first.

【0019】また、請求項6乃至8に記載の発明のよう
に、高抵抗半導体層(2)の中に溝(7)と離間し半導
体層(4)と接触する埋め込み半導体層(14)を形成
すれば、埋め込み半導体層(14)と高抵抗半導体層
(2)により形成されるコーナー部での電界強度を高く
してアバランシェブレークダウンを発生させ、溝(7)
底部でのゲート酸化膜(9)の破壊を防止することがで
きる。
Further, as in the invention according to claims 6 to 8, a buried semiconductor layer (14) separated from the groove (7) and in contact with the semiconductor layer (4) is provided in the high resistance semiconductor layer (2). If formed, the electric field strength at the corner formed by the buried semiconductor layer (14) and the high-resistance semiconductor layer (2) is increased to cause avalanche breakdown, and the groove (7) is formed.
Destruction of the gate oxide film (9) at the bottom can be prevented.

【0020】[0020]

【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施形態
について説明する。 (第1実施形態)図1に、本実施形態におけるnチャネ
ルタイプの溝ゲート型パワーMOSFET(縦型パワー
MOSFET)を示す。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of the present invention. (First Embodiment) FIG. 1 shows an n-channel type trench gate type power MOSFET (vertical power MOSFET) according to this embodiment.

【0021】第1低抵抗半導体層としてのn+ 型炭化珪
素半導体基板1は、六方晶炭化珪素が用いられている。
このn+ 型炭化珪素半導体基板1上に、高抵抗半導体層
としてのn- 型炭化珪素半導体層(n- 型エピ層)2
と、第2低抵抗半導体層としてのn+ 型炭化珪素半導体
層(n+ 型エピ層)3と、第1の半導体層としてのp型
炭化珪素半導体層(p型エピ層)4が順次積層されてい
る。このように、n+ 型炭化珪素半導体基板1とn-
エピ層2とn+ 型エピ層3とp型エピ層4とから単結晶
炭化珪素よりなる半導体基板100が構成されており、
その上面(主表面)を略(0001−)カーボン面とし
ている。
Hexagonal silicon carbide is used for n + type silicon carbide semiconductor substrate 1 as the first low-resistance semiconductor layer.
On this n + type silicon carbide semiconductor substrate 1, n type silicon carbide semiconductor layer (n type epi layer) 2 as a high resistance semiconductor layer
And an n + -type silicon carbide semiconductor layer (n + -type epi layer) 3 as a second low-resistance semiconductor layer and a p-type silicon carbide semiconductor layer (p-type epi layer) 4 as a first semiconductor layer are sequentially stacked Have been. Thus, semiconductor substrate 100 made of single-crystal silicon carbide is constituted by n + -type silicon carbide semiconductor substrate 1, n -type epi layer 2, n + -type epi layer 3 and p-type epi layer 4,
The upper surface (main surface) is a substantially (0001-) carbon surface.

【0022】p型エピ層4内の表層部における所定領域
には、半導体領域としてのn+ 型ソース領域5が形成さ
れている。さらに、p型エピ層4内の表層部におけるn
+ 型ソース領域5の外周側の所定領域には、低抵抗p型
炭化珪素領域6が形成されている。また、n+ 型ソース
領域5の所定領域に溝7が形成され、この溝7は、n+
型ソース領域5とp型エピ層4とn+ 型エピ層3を貫通
しn- 型エピ層2に達している。溝7は半導体基板10
0の表面に垂直な側面7aおよび半導体基板100の表
面に平行な底面7bを有する。
An n + type source region 5 as a semiconductor region is formed in a predetermined region in a surface layer portion in the p type epi layer 4. Further, n in the surface layer portion in the p-type epi layer 4
A low-resistance p-type silicon carbide region 6 is formed in a predetermined region on the outer peripheral side of + type source region 5. The groove 7 in a predetermined region of the n + -type source region 5 is formed, the groove 7, n +
It penetrates through the source region 5, the p-type epi layer 4 and the n + -type epi layer 3 to reach the n -type epi layer 2. The groove 7 is a semiconductor substrate 10
0 and a bottom surface 7b parallel to the surface of the semiconductor substrate 100.

【0023】溝7の側面7aにおけるn+ 型ソース領域
5、p型エピ層4、n+ 型エピ層3およびn- 型エピ層
2の表面には、n型の炭化珪素の薄膜半導体層(第2の
半導体層)8が、略[11−00]方向もしくは略[1
12−0]方向に延設されている。n型薄膜半導体層8
は、厚さがおよそ1000〜5000Å程度の薄膜より
なる。また、n型薄膜半導体層8の結晶型は、p型エピ
層4の結晶型と同じであり、例えば、6H−SiCとな
っている。この他にも4H−SiCであったり、3C−
SiCであってもよい。また、n型薄膜半導体層8の不
純物濃度は、n + 型炭化珪素半導体基板1、n+ 型エピ
層3およびn+ 型ソース領域5の不純物濃度より低くな
っている。
N on the side surface 7a of the groove 7+Type source area
5, p-type epi layer 4, n+Type epi layer 3 and n-Type epi layer
2 has a thin film semiconductor layer of n-type silicon carbide (second
(Semiconductor layer) 8 is substantially in the [11-00] direction or substantially [1
12-0]. n-type thin film semiconductor layer 8
Is a thin film with a thickness of about 1000-5000mm
Become. The crystal type of the n-type thin film semiconductor layer 8 is p-type
The same as the crystal type of the layer 4, for example, 6H-SiC.
ing. In addition, 4H-SiC, 3C-
It may be SiC. In addition, the n-type thin film semiconductor layer 8
The pure substance concentration is n +Type silicon carbide semiconductor substrate 1, n+Type epi
Layer 3 and n+Lower than the impurity concentration of the
ing.

【0024】さらに、溝7内でのn型薄膜半導体層8の
表面と溝7の底面7bにはゲート酸化膜9が形成されて
いる。溝7内におけるゲート酸化膜9の内側には、ゲー
ト電極層10が充填されている。ゲート電極層10は層
間絶縁膜11にて覆われている。n+ 型ソース領域5の
表面および低抵抗p型炭化珪素領域6の表面には第1の
電極層としてのソース電極層12が形成されている。n
+ 型炭化珪素半導体基板1の表面(半導体基板100の
裏面)には、第2の電極層としてのドレイン電極層13
が形成されている。
Further, a gate oxide film 9 is formed on the surface of the n-type thin film semiconductor layer 8 in the groove 7 and on the bottom surface 7b of the groove 7. The inside of the gate oxide film 9 in the trench 7 is filled with a gate electrode layer 10. Gate electrode layer 10 is covered with interlayer insulating film 11. A source electrode layer 12 as a first electrode layer is formed on the surface of n + type source region 5 and the surface of low-resistance p-type silicon carbide region 6. n
On the surface of + type silicon carbide semiconductor substrate 1 (the back surface of semiconductor substrate 100), a drain electrode layer 13 as a second electrode layer is provided.
Are formed.

【0025】この溝ゲート型パワーMOSFETの動作
としては、ゲート電極層10に正の電極を印加すること
により、n型薄膜半導体層8に蓄積型チャネルを誘起さ
せ、ソース電極層12とドレイン電極層13との間にキ
ャリアが流れる。つまり、n型薄膜半導体層8がチャネ
ル形成領域となる。このように、MOSFET動作モー
ドとしてチャネルを誘起させる蓄積モードとすること
で、導電型を反転させてチャネルを誘起する反転モード
のMOSFETに比べ、低いゲート電圧でMOSFET
を動作させることができるとともに、チャネル移動度を
大きくすることができ、低電力損失でゲート閾値電圧が
低くなる。また、ゲート電圧無印加時のソース・ドレイ
ン電流制御は、p型エピ層4(ボディー層)とn型薄膜
半導体層8(チャネル形成層)により形成されるpn接
合の空乏層の拡がりにより行う。ノーマリオフ特性はn
型薄膜半導体層8を完全に空乏化することで達成するこ
とができる。
The operation of the trench gate type power MOSFET is as follows. A positive electrode is applied to the gate electrode layer 10 to induce an accumulation type channel in the n-type thin film semiconductor layer 8 so that the source electrode layer 12 and the drain electrode layer 13 and the carrier flows. That is, the n-type thin film semiconductor layer 8 becomes a channel formation region. As described above, by setting the accumulation mode in which the channel is induced as the MOSFET operation mode, the MOSFET is operated at a lower gate voltage than the MOSFET in the inversion mode in which the conductivity type is inverted and the channel is induced.
Can be operated, the channel mobility can be increased, and the gate threshold voltage can be reduced with low power loss. The source / drain current control when no gate voltage is applied is performed by expanding a depletion layer of a pn junction formed by the p-type epi layer 4 (body layer) and the n-type thin film semiconductor layer 8 (channel forming layer). Normally off characteristic is n
This can be achieved by completely depleting the type thin film semiconductor layer 8.

【0026】また、p型エピ層4(ボディー層)とn+
型エピ層3はpn接合を形成するため、素子の耐圧はp
型エピ層4とn+ 型エピ層3との間のpn接合のアバラ
ンシェブレークダウンで決まるように設計できるため、
破壊耐量を大きくできる。さらに、p型エピ層4の不純
物濃度とn+ 型エピ層3とn型薄膜半導体層8の不純物
濃度とを独立に制御することで、高耐圧、低電力損失で
ゲート閾値電圧が低いMOSFETとなる。特に、チャ
ネルを形成するn型薄膜半導体層8の不純物濃度を低く
することで、キャリアが流れる時の不純物散乱の影響が
小さくなり、チャネル移動度を大きくすることができ
る。
The p-type epi layer 4 (body layer) and n +
Since the type epi layer 3 forms a pn junction, the breakdown voltage of the element is p
Can be designed to be determined by the avalanche breakdown of the pn junction between the n-type epi layer 4 and the n + -type epi layer 3.
The breakdown strength can be increased. Further, by independently controlling the impurity concentration of the p-type epi layer 4 and the impurity concentration of the n + -type epi layer 3 and the n-type thin film semiconductor layer 8, a MOSFET having a high breakdown voltage, low power loss, and a low gate threshold voltage can be obtained. Become. In particular, by lowering the impurity concentration of the n-type thin film semiconductor layer 8 forming the channel, the influence of impurity scattering when carriers flow is reduced, and the channel mobility can be increased.

【0027】ソース・ドレイン間耐圧は、n- 型エピ層
2、n+ 型エピ層3およびp型エピ層4の不純物濃度お
よびその膜厚で主に支配されるので、p型エピ層4の不
純物濃度を上げて、高抵抗半導体層と半導体領域に挟ま
れた距離Lを短くすることができ、高耐圧性を維持しな
がら、チャネル長を短くすることができる。そのため、
チャネル抵抗を飛躍的に低減でき、ソース・ドレイン間
のオン抵抗を低減することができる。
The breakdown voltage between the source and the drain is mainly controlled by the impurity concentration and the thickness of the n -type epi layer 2, the n + -type epi layer 3 and the p-type epi layer 4. By increasing the impurity concentration, the distance L between the high-resistance semiconductor layer and the semiconductor region can be reduced, and the channel length can be reduced while maintaining high withstand voltage. for that reason,
The channel resistance can be drastically reduced, and the on-resistance between the source and the drain can be reduced.

【0028】また、n+ 型エピ層3をp型エピ層4とn
- 型エピ層2の間に介在させることにより、溝7の底部
のゲート酸化膜9の表面(以下、単に溝底部という)で
のアバランシェブレークダウンによるゲート酸化膜9の
破壊を防止することができる。このことを図2を用いて
説明する。図2において、A−A断面のP型エピ層4、
+ 型エピ層3、n- 型エピ層2によりpn+ - ダイ
オード(ボディダイオード)が構成されている。このp
+ - ボディダイオードにおいては、p型エピ層(ボ
ディ層)4の下にn+ 型エピ層3が存在しているため、
ドレイン・ソース間に逆電圧(ドレイン・ソース間にお
けるpn接合が逆バイアスされる電圧)が印加された
時、p型エピ層4からn+ 型エピ層3、n- 型エピ層2
に向かって延びる空乏層の伸びが抑えられる。その結
果、その空乏層による電界集中の方が溝底部における電
界集中よりも大きくなるため、pn+ - ダイオードの
耐圧が低くなる。この耐圧は、n+ 型エピ層3の濃度を
高くするか、またはn+ 型エピ層3の厚さを厚くするこ
とにより低くすることができる。
Also, n+Type epi layer 3 and p type epi layer 4 and n
-By being interposed between the mold epi layers 2,
At the surface of the gate oxide film 9 (hereinafter simply referred to as the bottom of the groove).
Of gate oxide film 9 due to avalanche breakdown of
Destruction can be prevented. This is described with reference to FIG.
explain. In FIG. 2, a P-type epi layer 4 having a cross section AA
n+Type epi layer 3, n-Pn+n-Die
An ode (body diode) is configured. This p
n +n-In a body diode, a p-type epi layer (bore)
N under layer 4)+Since the type epi layer 3 exists,
Reverse voltage between drain and source (between drain and source
Voltage that reverse biases the pn junction to be applied
At the time, from the p-type epi layer 4 to n+Type epi layer 3, n-Type epi layer 2
The extension of the depletion layer extending toward is suppressed. The result
As a result, the electric field concentration by the depletion layer
Because it is larger than the field concentration, pn+n-Diode
The withstand voltage becomes lower. This withstand voltage is n+Concentration of the epitaxial layer 3
Higher or n+Increase the thickness of the mold epilayer 3
And lower.

【0029】一方、B−B断面の溝底部は、n型薄膜半
導体層8によりn+ 型エピ層3から分離されている。こ
のため、n+ 型エピ層3がp型エピ層4とn- 型エピ層
2の間に形成されていても、溝底部での耐圧は低下しな
い。従って、n+ 型エピ層3の濃度と厚さを調整するこ
とにより、ボディダイオードの耐圧を溝底部の耐圧より
低くでき、溝底部より先にボディダダイオードがアバラ
ンシェブレークダウンするため、ゲート酸化膜9の破壊
を防止することができる。
On the other hand, the bottom of the groove in the BB section is separated from the n + -type epi layer 3 by the n-type thin film semiconductor layer 8. For this reason, even if the n + -type epi layer 3 is formed between the p-type epi layer 4 and the n -type epi layer 2, the breakdown voltage at the groove bottom does not decrease. Therefore, by adjusting the concentration and thickness of the n + -type epi layer 3, the breakdown voltage of the body diode can be made lower than the breakdown voltage of the trench bottom, and the avalanche breakdown of the body diode occurs earlier than the trench bottom. 9 can be prevented from being destroyed.

【0030】また、n+ 型エピ層3の横にn型薄膜半導
体層8が形成されているため、ボディダイオード部分の
電界強度を溝底部で緩和することができる。また、n型
薄膜半導体層8の濃度は、n+ 型エピ層3より低濃度で
あるため、B−B断面においてn型薄膜半導体層8にお
ける溝底部の部分の空乏層の伸びをA−A断面のn+
エピ層3より大きくすることができ、B−B部分の最大
電界強度をA−A部分より低くできる。
Further, since the n-type thin-film semiconductor layer 8 is formed beside the n + -type epi layer 3, the electric field strength of the body diode portion can be reduced at the bottom of the groove. Further, since the concentration of the n-type thin film semiconductor layer 8 is lower than that of the n + -type epitaxial layer 3, the depletion layer at the bottom of the groove in the n-type thin film semiconductor layer 8 in the BB cross section is expanded by AA. The cross section can be made larger than the n + -type epi layer 3, and the maximum electric field strength in the BB portion can be made lower than that in the AA portion.

【0031】さらに、n+ 型エピ層3がp型エピ層4の
下に形成されているため、p型エピ層4の横のn型薄膜
半導体層8からドレイン電極13に向かって流れ出た電
子が横方向にも拡がって流れる、すなわちp型エピ層4
の直下にもキャリアが流れるため、n- 型エピ層2の抵
抗を小さくすることができる。なお、n+ 型エピ層3の
濃度は、n- 型エピ層2の濃度より1桁以上高濃度にす
るのが好ましい。n+ 型エピ層3をそのような濃度にす
ることにより、n+ 型エピ層3を0.3μm以下の厚さ
にすることができる。
Further, since the n + -type epi layer 3 is formed below the p-type epi layer 4, electrons flowing out from the n-type thin-film semiconductor layer 8 beside the p-type epi layer 4 toward the drain electrode 13. Flows in the lateral direction, that is, the p-type epi layer 4
, Carriers can flow immediately below the n -type epitaxial layer 2 so that the resistance of the n -type epi layer 2 can be reduced. It is preferable that the concentration of the n + -type epi layer 3 be higher than the concentration of the n -- type epi layer 2 by one digit or more. By setting the n + -type epi layer 3 to such a concentration, the thickness of the n + -type epi layer 3 can be reduced to 0.3 μm or less.

【0032】次に、溝ゲート型パワーMOSFETの製
造工程を、図3〜図14を用いて説明する。まず、図3
に示すように、主表面が(0001−)カーボン面であ
るn+ 型炭化珪素半導体基板1を用意し、その表面にn
- 型エピ層2をエピタキシャル成長させる。さらに、n
- 型エピ層2上にn+ 型エピ層3をエピタキシャル成長
させ、その上にp型エピ層4をエピタキシャル成長させ
る。このようにして、n+ 型炭化珪素半導体基板1、n
- 型エピ層2、n+ 型エピ層3およびp型エピ層4とか
らなる半導体基板100が形成される。なお、n+ 型炭
化珪素半導体基板1の結晶軸を約3.5°〜8°傾けて
- 型エピ層2、n+ 型エピ層3、p型エピ層4を形成
しているため、半導体基板100の主表面の面方位は、
略(0001−)カーボン面となる。
Next, a manufacturing process of the trench gate type power MOSFET will be described with reference to FIGS. First, FIG.
As shown in FIG. 1, an n + -type silicon carbide semiconductor substrate 1 having a (0001-) carbon surface as a main surface is prepared, and n
- -type epitaxial layer 2 is epitaxially grown. Furthermore, n
An n + -type epi layer 3 is epitaxially grown on the type epi layer 2, and a p-type epi layer 4 is epitaxially grown thereon. Thus, n + type silicon carbide semiconductor substrate 1, n
A semiconductor substrate 100 including the-type epi layer 2, the n + type epi layer 3, and the p type epi layer 4 is formed. Since the crystal axis of n + -type silicon carbide semiconductor substrate 1 is inclined by about 3.5 ° to 8 ° to form n -type epi layer 2, n + -type epi layer 3, and p-type epi layer 4, The plane orientation of the main surface of the semiconductor substrate 100 is
It becomes a substantially (0001-) carbon surface.

【0033】次に、図4に示すように、p型エピ層4の
表層部の所定領域に、n+ 型ソース領域5を例えば窒素
のイオン注入により形成する。さらに、p型エピ層4の
表層部の別の所定領域に低抵抗p型炭化珪素領域6を例
えばアルミニウムのイオン注入により形成する。そし
て、図5に示すように、RIE(Reactive I
on Etching)法により、n+ 型ソース領域
5、p型エピ層4およびn+ 型エピ層3をともに貫通し
てn- 型エピ層2に達する溝7を形成する。この時、溝
7の側面7aが略[11−00]方向もしくは略[11
2−0]方向に平行となるように溝7を形成する。
Next, as shown in FIG. 4, an n + -type source region 5 is formed in a predetermined region of the surface of the p-type epi layer 4 by, for example, nitrogen ion implantation. Further, a low-resistance p-type silicon carbide region 6 is formed in another predetermined region of the surface layer portion of p-type epi layer 4 by, for example, ion implantation of aluminum. Then, as shown in FIG. 5, RIE (Reactive I
A trench 7 that penetrates the n + -type source region 5, the p-type epi layer 4, and the n + -type epi layer 3 and reaches the n -type epi layer 2 is formed by an “on etching” method. At this time, the side surface 7a of the groove 7 is substantially in the [11-00] direction or substantially [11-00].
The groove 7 is formed so as to be parallel to the [2-0] direction.

【0034】次に、図6に示すように、エピタキシャル
成長法により、溝7の内壁(側面7aおよび底面7b)
を含めた半導体基板100の上面にn型薄膜半導体層8
を形成する。具体的には、CVD法により、6H−Si
Cの上に6H−SiCの薄膜層をホモエピタキシャル成
長させ、溝7の内壁におけるn+ 型ソース領域5、p型
エピ層4、n+ 型エピ層3およびn- 型エピ層2の表面
に延びるn型薄膜半導体層8を形成する。
Next, as shown in FIG. 6, the inner wall (side surface 7a and bottom surface 7b) of the groove 7 is formed by an epitaxial growth method.
N-type thin film semiconductor layer 8 on the upper surface of semiconductor substrate 100 including
To form Specifically, 6H-Si is formed by CVD.
A 6H-SiC thin film layer is homoepitaxially grown on C, and extends to the surface of the n + -type source region 5, p-type epi layer 4, n + -type epi layer 3, and n -- type epi layer 2 on the inner wall of the groove 7. An n-type thin film semiconductor layer 8 is formed.

【0035】このとき、エピ成長速度は(0001−)
カーボン面に比べて、それに垂直な方向では8〜10倍
以上であるので、溝側面7aで厚く溝底面7bで薄い薄
膜層8を形成することができる。また、ここで、溝側面
7aのn型薄膜半導体層8の不純物濃度は、n+ 型炭化
珪素半導体基板1、n+ 型エピ層3およびn+ 型ソース
領域5の不純物濃度より低く設定する。
At this time, the epi growth rate is (0001-)
Since the thickness is 8 to 10 times or more in the direction perpendicular to the carbon surface, the thin film layer 8 can be formed thick on the groove side surface 7a and thin on the groove bottom surface 7b. Here, the impurity concentration of n-type thin film semiconductor layer 8 on trench side surface 7 a is set lower than the impurity concentrations of n + -type silicon carbide semiconductor substrate 1, n + -type epi layer 3 and n + -type source region 5.

【0036】このn型薄膜半導体層8の形成工程におい
て、溝形成工程によって生じた表面凹凸を低減しながら
成長する。よって、チャネル形成面は平坦な面となり、
チャネル移動度が向上する。また、n型薄膜半導体層8
にはRIE法によるイオン衝撃で生じる結晶欠陥は存在
しないので、移動度の低下を防止することができ、ソー
ス・ドレイン間のオン抵抗を低減することができる。
In the step of forming the n-type thin film semiconductor layer 8, the n-type thin film semiconductor layer 8 is grown while reducing surface irregularities caused by the groove forming step. Therefore, the channel forming surface becomes a flat surface,
Channel mobility is improved. Further, the n-type thin film semiconductor layer 8
Since there is no crystal defect caused by ion bombardment by the RIE method, a decrease in mobility can be prevented, and the on-resistance between the source and the drain can be reduced.

【0037】引き続き、図7に示すように、熱酸化によ
り半導体基板100およびn型薄膜半導体層8の表面と
溝7の底面7bにゲート酸化膜(熱酸化膜)9を形成す
る。このとき、熱酸化膜は側面7aで薄く基板表面およ
び溝底面7bで厚くなり、半導体基板100表面上およ
び溝底面7b上にエピ成長で形成されたn型薄膜半導体
層8が酸化膜になる。これは、六方晶炭化珪素の酸化速
度が(0001−)カーボン面で最も速く(0001
−)カーボン面に垂直な面に比べ約5倍であるからであ
る。このようにして、エピタキシャル成長によるn型薄
膜半導体層8のうち半導体基板100表面上および溝底
面7bのn型薄膜半導体層8が熱酸化して溝側面7aに
のみn型薄膜半導体層8が残ることとなる。
Subsequently, as shown in FIG. 7, a gate oxide film (thermal oxide film) 9 is formed on the surface of the semiconductor substrate 100 and the n-type thin film semiconductor layer 8 and on the bottom surface 7b of the groove 7 by thermal oxidation. At this time, the thermal oxide film is thin on the side surface 7a and thick on the substrate surface and the groove bottom surface 7b, and the n-type thin film semiconductor layer 8 formed on the surface of the semiconductor substrate 100 and the groove bottom surface 7b by epitaxial growth becomes an oxide film. This is because the oxidation rate of hexagonal silicon carbide is the fastest on the (0001-) carbon face (0001
-) It is about 5 times as large as the plane perpendicular to the carbon plane. In this manner, the n-type thin-film semiconductor layer 8 on the surface of the semiconductor substrate 100 and the bottom surface 7b of the groove in the n-type thin-film semiconductor layer 8 formed by epitaxial growth is thermally oxidized, and the n-type thin-film semiconductor layer 8 remains only on the groove side surface 7a. Becomes

【0038】このゲート酸化膜9の形成工程において、
前述したようにチャネル形成面は平坦な面となるので、
チャネル形成面に形成されるゲート酸化膜9の膜厚も均
一とすることができる。その結果、完成したMOSFE
Tにおいて、ゲート電圧印加時に局所的な電界集中箇所
はない。そのため、ゲート酸化膜耐圧を向上することが
できる。また、同様な理由からゲート酸化膜寿命を長く
することができる。
In the step of forming the gate oxide film 9,
As described above, the channel forming surface is a flat surface,
The thickness of the gate oxide film 9 formed on the channel formation surface can also be made uniform. As a result, the completed MOSFE
At T, there is no local electric field concentration point when a gate voltage is applied. Therefore, the gate oxide film breakdown voltage can be improved. For the same reason, the life of the gate oxide film can be extended.

【0039】そして、図8に示すように、溝7内のゲー
ト酸化膜9の内側に、ゲート電極層10を充填する。さ
らに、図9に示すように、ゲート電極層10の上面に絶
縁膜11を形成する。その後、図1に示すように、層間
絶縁膜11上を含むn+ 型ソース領域5と低抵抗p型炭
化珪素領域6の上に、ソース電極層12を形成する。ま
た、n+ 型炭化珪素半導体基板1の表面に、ドレイン電
極層13を形成して、溝ゲート型パワーMOSFETを
完成する。
Then, as shown in FIG. 8, the inside of the gate oxide film 9 in the trench 7 is filled with a gate electrode layer 10. Further, as shown in FIG. 9, an insulating film 11 is formed on the upper surface of the gate electrode layer 10. Thereafter, as shown in FIG. 1, source electrode layer 12 is formed on n + -type source region 5 including on interlayer insulating film 11 and low-resistance p-type silicon carbide region 6. Further, a drain electrode layer 13 is formed on the surface of n + type silicon carbide semiconductor substrate 1 to complete a trench gate type power MOSFET.

【0040】このように本実施形態では、溝7の側面7
aにn型薄膜半導体層8を配置し、このn型薄膜半導体
層8を介してゲート電極層10を設けたので、チャネル
形成領域となるn型薄膜半導体層8をp型エピ層4、n
+ 型エピ層3とは独立して濃度調整でき、高耐圧、低電
力損失でゲート閾値電圧を低くできる。また、チャネル
を形成するn型薄膜半導体層8の不純物濃度は低く、さ
らに、その膜厚を1000〜5000Å程度に薄くする
ことにより、高温条件下であっても、ソース・ドレイン
間のリーク電流を小さくすることができる。
As described above, in this embodiment, the side surface 7 of the groove 7
Since the n-type thin-film semiconductor layer 8 is disposed on the gate electrode layer a and the gate electrode layer 10 is provided via the n-type thin-film semiconductor layer 8, the n-type thin-film semiconductor layer 8 serving as a channel formation region is replaced with the p-type epilayer 4, n
The concentration can be adjusted independently of the + type epi layer 3, and the gate threshold voltage can be reduced with high breakdown voltage and low power loss. Further, the impurity concentration of the n-type thin film semiconductor layer 8 forming the channel is low, and the film thickness is reduced to about 1000 to 5000 °, so that the leak current between the source and the drain can be reduced even under a high temperature condition. Can be smaller.

【0041】なお、上述した実施形態において、n+
ソース領域5と低抵抗p型炭化珪素層6に形成されるソ
ース電極層12は、異なる材料でもよい。また、低抵抗
p型炭化珪素層6は省略も可能であり、この場合、ソー
ス電極層12はn+ 型ソース領域5と第1のp型エピ層
4に接するように形成される。また、ソース電極層12
は、少なくともn+ 型ソース領域5の表面に形成されて
いればよい。
In the above-described embodiment, the source electrode layer 12 formed on the n + -type source region 5 and the low-resistance p-type silicon carbide layer 6 may be made of different materials. Further, the low-resistance p-type silicon carbide layer 6 can be omitted. In this case, the source electrode layer 12 is formed so as to be in contact with the n + -type source region 5 and the first p-type epi layer 4. Also, the source electrode layer 12
May be formed at least on the surface of the n + type source region 5.

【0042】さらに、図1に示す構成では、溝7は半導
体基板100の表面に対し側面7aがほぼ90゜となっ
ているが、図10に示すように、溝7の側面7aと半導
体基板100の表面のなす角度は必ずしも90゜に近く
なくてもよい。また、溝7は底面を有しないV字型でも
よい。さらに図11に示すように溝7の側面7aは平面
でなくてもよく、滑らかな曲面でもよい。なお、溝7の
側面7aと半導体基板100の表面のなす角度は、チャ
ネル移動度が大きくなるように設計することにより、よ
り良い効果が得られる。
Further, in the structure shown in FIG. 1, the side face 7a of the groove 7 is substantially 90 ° with respect to the surface of the semiconductor substrate 100. However, as shown in FIG. Does not necessarily have to be close to 90 °. The groove 7 may be V-shaped without a bottom surface. Further, as shown in FIG. 11, the side surface 7a of the groove 7 need not be a flat surface, but may be a smooth curved surface. A better effect can be obtained by designing the angle between the side surface 7a of the groove 7 and the surface of the semiconductor substrate 100 so as to increase the channel mobility.

【0043】また、図12に示すように、ゲート電極層
10の上部が、n+ 型ソース領域5の上方に延びる形状
であってもよい。本構成とすることで、n+ 型ソース領
域5とn型薄膜半導体層8に誘起されたチャネルとの接
続抵抗を低減することができる。さらに、図13に示す
ように、ゲート酸化膜9の厚さは、チャネルが形成され
るn型薄膜半導体層8の中央部と下端でほぼ等しく、か
つn型薄膜半導体層8の下端より下までゲート電極層1
0が達している構造であってもよい。本構造とすること
でn型薄膜半導体層8に誘起されたチャネルとドレイン
領域との接続抵抗を低減することができる。さらには、
図14に示すように実施してもよい。つまり、図12に
示したようにゲート電極層10の上部が、n+ 型ソース
領域5の上方に延びる形状であって、かつ、図13に示
したようにn型薄膜半導体層8の下端より下までゲート
電極層10が延びている構造であってもよい。
As shown in FIG. 12, the upper portion of gate electrode layer 10 may have a shape extending above n + type source region 5. With this configuration, the connection resistance between the n + -type source region 5 and the channel induced in the n-type thin film semiconductor layer 8 can be reduced. Further, as shown in FIG. 13, the thickness of the gate oxide film 9 is substantially equal at the center and the lower end of the n-type thin film semiconductor layer 8 where the channel is formed, and is lower than the lower end of the n-type thin film semiconductor layer 8. Gate electrode layer 1
The structure may reach 0. With this structure, the connection resistance between the channel and the drain region induced in the n-type thin film semiconductor layer 8 can be reduced. Moreover,
It may be implemented as shown in FIG. That is, the upper part of the gate electrode layer 10 has a shape extending above the n + -type source region 5 as shown in FIG. 12, and the lower end of the n-type thin film semiconductor layer 8 as shown in FIG. A structure in which the gate electrode layer 10 extends to the bottom may be used.

【0044】また、n型薄膜半導体層8とp型エピ層4
とは異なる結晶型でもよく、例えば、p型エピ層4を6
HのSiC、n型薄膜半導体層8を4HのSiCとして
キャリアが流れる方向の移動度を大きくすることにより
低電力損失のMOSFETが得られる。さらに、上記し
た実施形態においては、溝7がn+ 型ソース領域5とp
型エピ層4とn+ 型エピ層3を貫通しn- 型エピ層2に
達するものを示したが、図15に示すように、溝7がn
- 型エピ層2に達せずにn+ 型エピ層3の途中まで形成
されるものであってもよい。この場合、溝7の底部に接
するn+ 型エピ層3の厚さは、p型エピ層4に接するn
+ 型エピ層3の厚さよりも薄くなる。この構成において
も、n型薄膜半導体層8によってボディダイオード部分
の電界強度を溝底部で緩和することができる。 (第2実施形態)次に、溝底部でのゲート酸化膜9の破
壊を防止する第2実施形態について説明する。
The n-type thin film semiconductor layer 8 and the p-type epi layer 4
The p-type epi layer 4 may have a crystal type different from that of
By using the SiC of H and the n-type thin film semiconductor layer 8 as SiC of 4H and increasing the mobility in the direction in which carriers flow, a MOSFET with low power loss can be obtained. Further, in the above-described embodiment, the trench 7 is formed between the n + type source region 5 and the p +
The structure shown in FIG. 15 penetrates through the n-type epi layer 4 and the n + -type epi layer 3 to reach the n -type epi layer 2. However, as shown in FIG.
- or it may be formed up to the middle of the n + -type epitaxial layer 3 to not reach the type epi layer 2. In this case, the thickness of the n + -type epi layer 3 in contact with the bottom of the groove 7 is n
The thickness is smaller than the thickness of the + type epi layer 3. Also in this configuration, the electric field strength of the body diode portion can be reduced at the groove bottom by the n-type thin film semiconductor layer 8. (Second Embodiment) Next, a second embodiment for preventing the gate oxide film 9 from being broken at the bottom of the groove will be described.

【0045】図16に示す構成において、ソース・ドレ
イン間に逆電圧を印加したとき、C−C断面では、ゲー
ト酸化膜9とn- 型エピ層2の両方に電圧がかかり、ゲ
ート酸化膜9とn- 型エピ層2とでソース・ドレイン間
印加電圧を分配している。一方、A−A断面では、p型
エピ層4の不純物濃度がn- 型エピ層2の不純物濃度よ
り高く設定されているため、p型エピ層4側にはほとん
ど空乏層が拡がらず、n- 型エピ層2側のみに空乏層が
拡がる。この場合には、ソース・ドレイン間印加電圧
は、n- 型エピ層2にのみかかる片側階段接合になる。
In the configuration shown in FIG. 16, when a reverse voltage is applied between the source and the drain, a voltage is applied to both the gate oxide film 9 and the n -type epi layer 2 in the CC section, and And the n -type epi layer 2 distributes the applied voltage between the source and the drain. On the other hand, in the AA section, since the impurity concentration of the p-type epi layer 4 is set higher than the impurity concentration of the n -type epi layer 2, the depletion layer hardly spreads to the p-type epi layer 4 side. The depletion layer extends only to the n -type epi layer 2 side. In this case, the applied voltage between the source and the drain is a one-sided step junction applied only to the n -type epi layer 2.

【0046】このような片側階段接合は、C−C断面の
ようにゲート酸化膜9とn- 型エピ層2の両方に印加電
圧を分配してn- 型エピ層2側に空乏層を伸ばした場合
に比べて電界強度が高くなる。また、B−B断面は、A
−A断面とC−C断面の中間の領域であり、電界強度は
A−A断面とC−C断面の中間の値となる。従って、p
型エピ層4とn- 型エピ層2によるpn- ダイオード
(ボディダイオード)でアバランシェブレークダウンが
発生する臨界電界強度に達したとき、ゲート酸化膜9か
らn+ 型炭化珪素半導体基板1に向かって伸びる空乏層
がn+型炭化珪素半導体基板1に到達しないように、n
- 型エピ層2を厚く構成すれば、pn- ダイオードで先
にアバランシェブレークダウンが発生するため、溝底部
でのゲート酸化膜9の破壊を防止することができる。
Such a one-sided step junction distributes an applied voltage to both the gate oxide film 9 and the n -type epi layer 2 and extends a depletion layer to the n -type epi layer 2 side, as in the CC cross section. The electric field strength is higher than in the case where Also, the BB section is A
This is a region between the A-section and the C-C section, and the electric field intensity is a value intermediate between the A-A section and the C-C section. Therefore, p
When the critical electric field strength at which avalanche breakdown occurs in the pn - diode (body diode) formed by n - type epilayer 4 and n - type epilayer 2 is reached, gate oxide film 9 moves toward n + -type silicon carbide semiconductor substrate 1. In order that the extending depletion layer does not reach n + type silicon carbide semiconductor substrate 1, n
If the- type epi layer 2 is made thick, avalanche breakdown occurs first in the pn - diode, so that breakdown of the gate oxide film 9 at the bottom of the groove can be prevented.

【0047】なお、図16において、図中の一点鎖線は
空乏層を示しており、この場合、空乏層とn- 型エピ層
2の膜厚等との関係は、W1 >W2 、W3 <W4 に設定
されている。また、臨界電界強度に達した時のp型エピ
層4にかかる電圧より溝底部のゲート酸化膜9にかかる
電圧が大きくなるように、ゲート酸化膜9の厚さおよび
p型エピ層4の不純物濃度が設定されている。 (第3実施形態)次に、溝底部でのゲート酸化膜9の破
壊を防止する第3実施形態について説明する。
In FIG. 16, a chain line in the figure indicates a depletion layer. In this case, the relationship between the depletion layer and the thickness of the n -type epi layer 2 is W 1 > W 2 , W 1 3 <is set to W 4. The thickness of the gate oxide film 9 and the impurity of the p-type epi layer 4 are set so that the voltage applied to the gate oxide film 9 at the bottom of the groove becomes higher than the voltage applied to the p-type epi layer 4 when the critical electric field intensity is reached. The density has been set. (Third Embodiment) Next, a third embodiment for preventing the gate oxide film 9 from being broken at the bottom of the groove will be described.

【0048】この実施形態は、図17に示すように、n
- 型エピ層2の中に溝7と離間しp型エピ層4と接触す
るp型埋め込み炭化珪素半導体層(以下、単にp型埋め
込み層という)14を形成した構造のものである。この
構造によれば、p型埋め込み層14とn- 型エピ層2の
接合部分の底部にコーナー部14aが形成され、p型エ
ピ層4とp型埋め込み層14からなるp型埋め込み層に
曲率が小さくなった部分ができる。その結果、コーナー
部14aの角の電界強度をB−B断面の最大電界強度よ
り高くしてp型埋め込み層14とn - 型エピ層2からな
るpn- ダイオード(ボディダイオード)にてアバラン
シェブレークダウンを発生させる。
In this embodiment, as shown in FIG.
-And separated from the groove 7 in the p-type epi layer 2 and in contact with the p-type epi layer 4
Embedded p-type silicon carbide semiconductor layer (hereinafter simply referred to as p-type
Embedded layer) 14 is formed. this
According to the structure, the p-type buried layer 14 and n-Type epi layer 2
A corner 14a is formed at the bottom of the joint, and the p-type
P-type buried layer composed of the p-type layer 4 and the p-type buried layer 14
A part with a small curvature is formed. As a result, the corner
The electric field strength at the corner of the portion 14a is determined by the maximum electric field strength of the BB section.
And the p-type buried layer 14 and n -Type epi layer 2
Pn-Avalanche with diode (body diode)
Causes shell breakdown.

【0049】従って、そのpn- ダイオードでブレーク
ダウンが発生するため、溝底部のゲート酸化膜が破壊す
るのを防止することができる。また、p型埋め込み層1
4を溝7と離間させて形成することにより、ブレークダ
ウンが発生する箇所をp型エピ層4とソース電極層12
がコンタクトした部分4aの下部に限定することができ
る。このため、n+ 型ソース領域5、p型エピ層4およ
びn- 型エピ層2により形成されるn+ pn- 寄生バイ
ポーラトランジスタのベース抵抗を実質的に小さくする
ことができ、hfeを小さくすることができる。その結
果、n+ pn- 寄生バイポーラトランジスタが動作しに
くくなり、アバランシェ耐量を高くすることができる。
Therefore, breakdown occurs in the pn - diode, so that the gate oxide film at the bottom of the groove can be prevented from being broken. Also, the p-type buried layer 1
4 is formed so as to be separated from the groove 7, the portion where the breakdown occurs is formed in the p-type epi layer 4 and the source electrode layer 12.
Can be limited to the lower part of the contacted portion 4a. Therefore, the base resistance of the n + pn - parasitic bipolar transistor formed by n + -type source region 5, p-type epi layer 4 and n -- type epi layer 2 can be substantially reduced, and hfe can be reduced. be able to. As a result, the n + pn - parasitic bipolar transistor becomes difficult to operate, and the avalanche withstand capability can be increased.

【0050】また、この実施形態においては埋め込み層
14をp型としているから、p型埋め込み層14を溝7
より深く形成すれば、逆バイアス状態においてp型埋め
込み層14から伸びる空乏層が溝底部を覆うことが可能
になり、溝底部の電界強度を緩和することができる。そ
の結果、ゲート酸化膜9の信頼性をさらに高めることが
できる。
In this embodiment, since the buried layer 14 is of p-type, the p-type buried layer 14 is
If the groove is formed deeper, a depletion layer extending from the p-type buried layer 14 in the reverse bias state can cover the groove bottom, and the electric field intensity at the groove bottom can be reduced. As a result, the reliability of the gate oxide film 9 can be further improved.

【0051】なお、上記実施形態においては、埋め込み
層14をp型にする場合について述べたが、n+ 型の埋
め込み層14とした場合についても、コーナー部14a
の電界強度をB−B断面の最大電界強度より高くしてア
バランシェブレークダウンを発生させることができる。
その結果、上記実施形態と同様の効果を得ることができ
る。
[0051] In the above embodiment has described the case where the buried layer 14 to the p-type, the case where the n + -type buried layer 14 is also a corner portion 14a
, The avalanche breakdown can be generated by making the electric field strength higher than the maximum electric field strength in the BB section.
As a result, effects similar to those of the above embodiment can be obtained.

【0052】次に、図17に示す実施形態のものの製造
方法について説明する。まず、図18(a)に示すよう
に、主表面が(0001−)カーボン面であるn+ 型炭
化珪素半導体基板1を用意し、その表面にn- 型エピ層
2をエピタキシャル成長させる。次に、図18(b)に
示すように、n- 型エピ層2の表面にイオン注入のマス
ク材15、例えばレジストまたは酸化膜を形成する。
Next, a method of manufacturing the embodiment shown in FIG. 17 will be described. First, as shown in FIG. 18A, an n + -type silicon carbide semiconductor substrate 1 whose main surface is a (0001-) carbon surface is prepared, and an n -type epi layer 2 is epitaxially grown on the surface. Next, as shown in FIG. 18B, a mask material 15 for ion implantation, for example, a resist or an oxide film is formed on the surface of the n -type epi layer 2.

【0053】次に、図18(c)に示すように、エッチ
ングにより溝7と離間された所定の場所のマスク材15
を開口した後、イオン注入法によりp型のドーパントで
ある例えばAlを所定の深さ注入し、p型埋め込み層1
4を形成する。そして、マスク材15を除去し、その上
にp型エピ層4をエピタキシャル成長させて、半導体基
板100を形成する。なお、この半導体基板100に
は、第1実施形態のようなn+ 型エピ層3は形成されな
い。
Next, as shown in FIG. 18C, the mask material 15 at a predetermined place separated from the groove 7 by etching is formed.
Is opened, a p-type dopant, for example, Al is implanted to a predetermined depth by an ion implantation method, and the p-type buried layer 1 is formed.
4 is formed. Then, the mask material 15 is removed, and the p-type epi layer 4 is epitaxially grown thereon to form the semiconductor substrate 100. Note that the n + -type epi layer 3 as in the first embodiment is not formed on the semiconductor substrate 100.

【0054】この後は、その半導体基板100に対し第
1実施形態における図4以降の工程を行い、図17に示
す構成のMOSFETを完成する。なお、上記した第
1、第2実施形態では、溝底部においてアバランシェブ
レークダウンする前に、ボディダイオード(p型エピ層
4とn+ 型エピ層3とのpn接合あるいはp型エピ層4
とn- 型エピ層2など)が先にアバランシェブレークダ
ウンするようにしているが、他の方法として、n+ 型エ
ピ層3(あるいはn-型エピ層2)とp型エピ層4との
間に形成される空乏層が、n+ 型ソース領域5に達する
いわゆるパンチスルーを生じさせるようにしてもよい。
但し、上記した第1、第2実施形態のように、アバラン
シェブレークダウンを生じさせるようにした方が、パン
チスルーを生じさせるよりも耐圧の制御がしやすいとい
うメリットがある。
Thereafter, the semiconductor substrate 100 is subjected to the steps of FIG. 4 and subsequent steps in the first embodiment to complete the MOSFET having the configuration shown in FIG. In the first and second embodiments, before the avalanche breakdown occurs at the groove bottom, the body diode (the pn junction between the p-type epi layer 4 and the n + -type epi layer 3 or the p-type
And the n -type epi layer 2) breaks down the avalanche first. However, as another method, the n + -type epi layer 3 (or the n -type epi layer 2) and the p-type The depletion layer formed therebetween may cause so-called punch-through reaching the n + type source region 5.
However, when the avalanche breakdown is generated as in the first and second embodiments described above, there is an advantage that the withstand voltage can be controlled more easily than when the punch-through is generated.

【0055】また、第1実施形態では、ボディダイオー
ド部分の電界強度を溝底部で緩和するためにn型薄膜半
導体層8が形成されている必要があるが、第2、第3実
施形態では、そのような電界強度の緩和は必要とされな
いため、ボディダイオードにて先にアバランシェブレー
クダウンさせるという観点からすれば、n型薄膜半導体
層8が形成されていない構造とすることもできる。
Further, in the first embodiment, the n-type thin film semiconductor layer 8 needs to be formed in order to reduce the electric field intensity of the body diode portion at the bottom of the groove, but in the second and third embodiments, Since such relaxation of the electric field strength is not required, a structure in which the n-type thin film semiconductor layer 8 is not formed can be adopted from the viewpoint of first performing avalanche breakdown by the body diode.

【0056】また、本発明は、nチャネル縦型のMOS
FETに限らず、p型とn型を入れ替えた、pチャネル
縦型MOSFETにおいても同様に適用することができ
る。なお、本明細書において、六方晶系の単結晶炭化珪
素の面および方向軸を表す場合、本来ならば所要の数字
の上にバーを付した表現を取るべきであるが、表現手段
に制約があるため、所要の数字の上にバーを付す表現の
代わりに、所要数字の後に「−」を付して表現してい
る。
Further, the present invention relates to an n-channel vertical MOS
The present invention is not limited to the FET, and can be similarly applied to a p-channel vertical MOSFET in which the p-type and the n-type are interchanged. In the present specification, when expressing the plane and the direction axis of the hexagonal single-crystal silicon carbide, a bar should be added to the required number in the original case, but the expression means is restricted. For this reason, a required number is indicated with a "-" instead of a bar over the required number.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1実施形態に係る溝ゲート型パワー
MOSFETの断面図である。
FIG. 1 is a sectional view of a trench gate type power MOSFET according to a first embodiment of the present invention.

【図2】図1に示す溝ゲート型パワーMOSFETの作
動を説明するための模式断面図である。
FIG. 2 is a schematic sectional view for explaining the operation of the trench gate type power MOSFET shown in FIG.

【図3】図1に示す溝ゲート型パワーMOSFETの製
造工程を説明するための断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the trench gate type power MOSFET shown in FIG.

【図4】図3に続く製造工程を説明するための断面図で
ある。
FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing step following FIG. 3;

【図5】図4に続く製造工程を説明するための断面図で
ある。
FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing step following FIG. 4;

【図6】図5に続く製造工程を説明するための断面図で
ある。
FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing step following FIG. 5;

【図7】図6に続く製造工程を説明するための断面図で
ある。
FIG. 7 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing step following FIG. 6;

【図8】図7に続く製造工程を説明するための断面図で
ある。
FIG. 8 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing step following FIG. 7;

【図9】図8に続く製造工程を説明するための断面図で
ある。
FIG. 9 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing step following FIG. 8;

【図10】図1に示す溝ゲート型パワーMOSFETの
変形例を示す断面図である。
FIG. 10 is a sectional view showing a modification of the trench gate type power MOSFET shown in FIG. 1;

【図11】図1に示す溝ゲート型パワーMOSFETの
変形例を示す断面図である。
FIG. 11 is a sectional view showing a modification of the trench gate type power MOSFET shown in FIG. 1;

【図12】図1に示す溝ゲート型パワーMOSFETの
変形例を示す断面図である。
FIG. 12 is a sectional view showing a modification of the trench gate type power MOSFET shown in FIG. 1;

【図13】図1に示す溝ゲート型パワーMOSFETの
変形例を示す断面図である。
FIG. 13 is a sectional view showing a modification of the trench gate type power MOSFET shown in FIG.

【図14】図1に示す溝ゲート型パワーMOSFETの
変形例を示す断面図である。
FIG. 14 is a sectional view showing a modification of the trench gate type power MOSFET shown in FIG. 1;

【図15】図1に示す溝ゲート型パワーMOSFETの
変形例を示す断面図である。
FIG. 15 is a sectional view showing a modification of the trench gate type power MOSFET shown in FIG. 1;

【図16】本発明の第2実施形態に係る溝ゲート型パワ
ーMOSFETの模式断面図である。
FIG. 16 is a schematic sectional view of a trench gate type power MOSFET according to a second embodiment of the present invention.

【図17】本発明の第3実施形態に係る溝ゲート型パワ
ーMOSFETの模式断面図である。
FIG. 17 is a schematic sectional view of a trench gate type power MOSFET according to a third embodiment of the present invention.

【図18】図17に示す溝ゲート型パワーMOSFET
の製造工程を説明するための断面図である。
18 is a trench gate type power MOSFET shown in FIG.
FIG. 6 is a cross-sectional view for describing the manufacturing process.

【図19】従来の溝ゲート型パワーMOSFETの断面
図である。
FIG. 19 is a sectional view of a conventional trench gate type power MOSFET.

【図20】本出願人が先に提案した溝ゲート型パワーM
OSFETの断面図である。
FIG. 20 shows a trench gate type power M previously proposed by the present applicant.
FIG. 3 is a cross-sectional view of an OSFET.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…第1低抵抗半導体層としてのn+ 型炭化珪素半導体
基板、2…高抵抗半導体層としてのn- 型エピ層、3…
第2低抵抗半導体層としてのn+ 型エピ層4…第1の半
導体層としてのp型エピ層、5…半導体領域としてのn
+ 型ソース領域、7…溝、7a…側面、7b…底面、8
…第2の半導体層としてのn型薄膜半導体層、9…ゲー
ト酸化膜、10…ゲート電極層、11…層間絶縁膜、1
2…第1の電極層としてのソース電極層、13…第2の
電極層としてのドレイン電極層、14…p型埋め込み
層、100…半導体基板。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... n <+> type silicon carbide semiconductor substrate as 1st low resistance semiconductor layer, 2 ... n < - > type epi layer as high resistance semiconductor layer, 3 ...
N + -type epi layer 4 as a second low-resistance semiconductor layer ... p-type epi layer as a first semiconductor layer, 5 ... n as a semiconductor region
+ Type source region, 7 ... groove, 7a ... side surface, 7b ... bottom surface, 8
... N-type thin film semiconductor layer as second semiconductor layer, 9 gate oxide film, 10 gate electrode layer, 11 interlayer insulating film, 1
2 ... source electrode layer as first electrode layer, 13 ... drain electrode layer as second electrode layer, 14 ... p-type buried layer, 100 ... semiconductor substrate.

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 第1導電型の低抵抗半導体層(1)と第
1導電型の高抵抗半導体層(2)と第2導電型の第1の
半導体層(4)とが積層され炭化珪素よりなる半導体基
板(100)と、 前記第1の半導体層の表層部の所定領域に形成された第
1導電型の半導体領域(5)と、 前記半導体基板の表面から前記半導体領域と前記第1の
半導体層を貫通する溝(7)と、 前記溝の側面における少なくとも前記第1の半導体層の
表面に形成された炭化珪素の薄膜よりなる第2の半導体
層(8)と、 少なくとも前記第2の半導体層の表面に形成されたゲー
ト酸化膜(9)と、 前記溝内における前記ゲート酸化膜の上に形成されたゲ
ート電極層(10)と、 前記半導体基板の表面のうち少なくとも前記半導体領域
の一部の表面上に形成された第1の電極層(12)と、 前記半導体基板の裏面に形成された第2の電極層(1
3)とを備え、 前記第2の電極層と前記第1の電極層の間のpn接合に
逆バイアスの電圧が印加されたとき、前記溝の底部にお
ける前記ゲート酸化膜の表面がアバランシェブレークダ
ウンするより先に、前記第1導電型の高抵抗半導体層と
前記第2導電型の第1の半導体層との間のpn接合が導
通状態になるようにしたことを特徴とする炭化珪素半導
体装置。
A first conductive type low-resistance semiconductor layer; a first conductive type high-resistance semiconductor layer; and a second conductive type first semiconductor layer. A semiconductor substrate (100) comprising: a first conductivity type semiconductor region (5) formed in a predetermined region of a surface layer portion of the first semiconductor layer; and a semiconductor region and a first region extending from a surface of the semiconductor substrate. A second semiconductor layer (8) made of a thin film of silicon carbide formed on at least a surface of the first semiconductor layer on a side surface of the groove; A gate oxide film formed on the surface of the semiconductor layer; a gate electrode layer formed on the gate oxide film in the trench; and at least the semiconductor region on the surface of the semiconductor substrate Electrode formed on part of the surface of the first electrode A second electrode layer (1) formed on the back surface of the semiconductor substrate;
3) when a reverse bias voltage is applied to a pn junction between the second electrode layer and the first electrode layer, the surface of the gate oxide film at the bottom of the groove is subjected to avalanche breakdown. A pn junction between the first-conductivity-type high-resistance semiconductor layer and the second-conductivity-type first semiconductor layer is brought into a conductive state. .
【請求項2】 第1導電型の第1低抵抗半導体層(1)
と第1導電型の高抵抗半導体層(2)と第1導電型の第
2低抵抗半導体層(3)と第2導電型の第1の半導体層
(4)とが積層され炭化珪素よりなる半導体基板(10
0)と、 前記第1の半導体層の表層部の所定領域に形成された第
1導電型の半導体領域(5)と、 前記半導体基板の表面から前記半導体領域および前記第
1の半導体層を貫通し、少なくとも前記第2低抵抗半導
体層に達する溝(7)と、 前記溝の側面における少なくとも前記第1の半導体層の
表面に形成された炭化珪素の薄膜よりなる第2の半導体
層(8)と、 少なくとも前記第2の半導体層の表面に形成されたゲー
ト酸化膜(9)と、 前記溝内における前記ゲート酸化膜の上に形成されたゲ
ート電極層(10)と、 前記半導体基板の表面のうち少なくとも前記半導体領域
の一部の表面上に形成された第1の電極層(12)と、 前記半導体基板の裏面に形成された第2の電極層(1
3)とを備えたことを特徴とする炭化珪素半導体装置。
2. A first low-resistance semiconductor layer of a first conductivity type (1).
And a first conductive type high-resistance semiconductor layer (2), a first conductive type second low-resistance semiconductor layer (3), and a second conductive type first semiconductor layer (4). Semiconductor substrate (10
0), a first conductivity type semiconductor region (5) formed in a predetermined region of a surface portion of the first semiconductor layer, and penetrating the semiconductor region and the first semiconductor layer from the surface of the semiconductor substrate. A groove reaching at least the second low-resistance semiconductor layer; and a second semiconductor layer formed of a silicon carbide thin film formed on at least a surface of the first semiconductor layer on a side surface of the groove. A gate oxide film (9) formed on at least the surface of the second semiconductor layer; a gate electrode layer (10) formed on the gate oxide film in the trench; and a surface of the semiconductor substrate A first electrode layer (12) formed on at least a part of the surface of the semiconductor region; and a second electrode layer (1) formed on the back surface of the semiconductor substrate.
3) A silicon carbide semiconductor device comprising:
【請求項3】 前記第2低抵抗半導体層は、前記第2の
電極層と前記第1の電極層の間のpn接合に逆バイアス
の電圧が印加されたとき、前記溝の底部における前記ゲ
ート酸化膜の表面がアバランシェブレークダウンするよ
り先に、前記第2低抵抗半導体層と前記第1の半導体層
との間のpn接合がアバランシェブレークダウンするよ
うに、その膜厚および不純物濃度が設定されていること
を特徴とする請求項2に記載の炭化珪素半導体装置。
3. The semiconductor device according to claim 2, wherein the second low-resistance semiconductor layer includes a gate at a bottom of the groove when a reverse bias voltage is applied to a pn junction between the second electrode layer and the first electrode layer. Before the surface of the oxide film undergoes avalanche breakdown, its thickness and impurity concentration are set so that the pn junction between the second low-resistance semiconductor layer and the first semiconductor layer undergoes avalanche breakdown. 3. The silicon carbide semiconductor device according to claim 2, wherein:
【請求項4】 第1導電型の低抵抗半導体層(1)と第
1導電型の高抵抗半導体層(2)と第2導電型の半導体
層(4)とが積層され炭化珪素よりなる半導体基板(1
00)と、 前記半導体層の表層部の所定領域に形成された第1導電
型の半導体領域(5)と、 前記半導体基板の表面から前記半導体領域と前記半導体
層を貫通する溝(7)と、 少なくとも前記第2の半導体層の表面に形成されたゲー
ト酸化膜(9)と、 前記溝内における前記ゲート酸化膜の上に形成されたゲ
ート電極層(10)と、 前記半導体基板の表面のうち少なくとも前記半導体領域
の一部の表面上に形成された第1の電極層(12)と、 前記半導体基板の裏面に形成された第2の電極層(1
3)とを備え、 前記高抵抗半導体層は、前記第2の電極層と前記第1の
電極層の間のpn接合に逆バイアスの電圧が印加され
て、前記高抵抗半導体層と前記半導体層との間のpn接
合が導通状態になったとき、前記ゲート酸化膜から前記
低抵抗半導体層に向かって伸びる空乏層が前記低抵抗半
導体層に到達しない厚さに設定されていることを特徴と
する炭化珪素半導体装置。
4. A semiconductor made of silicon carbide in which a first conductive type low resistance semiconductor layer (1), a first conductive type high resistance semiconductor layer (2), and a second conductive type semiconductor layer (4) are laminated. Substrate (1
00); a first conductivity type semiconductor region (5) formed in a predetermined region of a surface portion of the semiconductor layer; and a groove (7) penetrating the semiconductor region and the semiconductor layer from the surface of the semiconductor substrate. A gate oxide film (9) formed on at least a surface of the second semiconductor layer; a gate electrode layer (10) formed on the gate oxide film in the trench; The first electrode layer (12) formed on at least a part of the surface of the semiconductor region, and the second electrode layer (1) formed on the back surface of the semiconductor substrate.
3) wherein the high resistance semiconductor layer has a reverse bias voltage applied to a pn junction between the second electrode layer and the first electrode layer, and the high resistance semiconductor layer and the semiconductor layer A depletion layer extending from the gate oxide film toward the low-resistance semiconductor layer is set to a thickness that does not reach the low-resistance semiconductor layer when the pn junction between the first and second semiconductor layers becomes conductive. Silicon carbide semiconductor device.
【請求項5】 前記高抵抗半導体層は、前記第2の電極
層と前記第1の電極層の間のpn接合に逆バイアスの電
圧が印加されて、前記高抵抗半導体層と前記第1の半導
体層によるPN接合がアバランシェブレークダウンする
臨界電界強度に達したとき、前記ゲート酸化膜から前記
低抵抗半導体層に向かって伸びる空乏層が前記低抵抗半
導体層に到達しない厚さに設定されていることを特徴と
する請求項4に記載の炭化珪素半導体装置。
5. A high-resistance semiconductor layer, wherein a reverse bias voltage is applied to a pn junction between the second electrode layer and the first electrode layer, and the high-resistance semiconductor layer and the first resistance layer are connected to each other. When the PN junction of the semiconductor layer reaches the critical electric field strength at which avalanche breakdown occurs, the thickness is set so that the depletion layer extending from the gate oxide film toward the low-resistance semiconductor layer does not reach the low-resistance semiconductor layer. The silicon carbide semiconductor device according to claim 4, wherein:
【請求項6】 第1導電型の低抵抗半導体層(1)と第
1導電型の高抵抗半導体層(2)と第2導電型の半導体
層(4)とが積層され炭化珪素よりなる半導体基板(1
00)と、 前記半導体層の表層部の所定領域に形成された第1導電
型の半導体領域(5)と、 前記半導体基板の表面から前記半導体領域と前記半導体
層を貫通する溝(7)と、 少なくとも前記第2の半導体層の表面に形成されたゲー
ト酸化膜(9)と、 前記溝内における前記ゲート酸化膜の上に形成されたゲ
ート電極層(10)と、 前記半導体基板の表面のうち少なくとも前記半導体領域
の一部の表面上に形成された第1の電極層(12)と、 前記半導体基板の裏面に形成された第2の電極層(1
3)とを備え、 前記高抵抗半導体層の中に前記溝と離間し前記半導体層
と接触する埋め込み半導体層(14)が形成されている
ことを特徴とする炭化珪素半導体装置。
6. A semiconductor made of silicon carbide in which a first conductive type low resistance semiconductor layer (1), a first conductive type high resistance semiconductor layer (2), and a second conductive type semiconductor layer (4) are laminated. Substrate (1
00); a first conductivity type semiconductor region (5) formed in a predetermined region of a surface portion of the semiconductor layer; and a groove (7) penetrating the semiconductor region and the semiconductor layer from the surface of the semiconductor substrate. A gate oxide film (9) formed on at least a surface of the second semiconductor layer; a gate electrode layer (10) formed on the gate oxide film in the trench; The first electrode layer (12) formed on at least a part of the surface of the semiconductor region, and the second electrode layer (1) formed on the back surface of the semiconductor substrate.
3), wherein a buried semiconductor layer (14) is formed in the high-resistance semiconductor layer so as to be separated from the groove and in contact with the semiconductor layer.
【請求項7】 前記埋め込み半導体層は、第1導電型の
ものであることを特徴とする請求項6に記載の炭化珪素
半導体装置。
7. The silicon carbide semiconductor device according to claim 6, wherein said buried semiconductor layer is of a first conductivity type.
【請求項8】 前記埋め込み半導体層は、第2導電型の
ものであることを特徴とする請求項6に記載の炭化珪素
半導体装置。
8. The silicon carbide semiconductor device according to claim 6, wherein said buried semiconductor layer is of a second conductivity type.
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