WO2024143385A1 - SiC半導体装置 - Google Patents
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Definitions
- the chip 2 has a first main surface 3 on one side, a second main surface 4 on the other side, and first to fourth side surfaces 5A to 5D connecting the first main surface 3 and the second main surface 4.
- the first main surface 3 and the second main surface 4 are formed in a quadrangular shape in a plan view seen from the vertical direction Z (hereinafter simply referred to as "plan view").
- the vertical direction Z is also the thickness direction of the chip 2 and the normal direction of the first main surface 3 (second main surface 4).
- the first main surface 3 and the second main surface 4 may be formed in a square or rectangular shape in a plan view.
- the chip 2 (first main surface 3 and second main surface 4) has an off angle ⁇ off inclined at a predetermined angle in a predetermined off direction Doff with respect to the c-plane of the SiC single crystal.
- the c-axis ((0001) axis) of the SiC single crystal is inclined by the off angle ⁇ off from the vertical axis toward the off direction Doff.
- the c-plane of the SiC single crystal is inclined by the off angle ⁇ off with respect to the horizontal plane.
- the n-type impurity concentration of the first layer 8 is preferably lower than the n-type impurity concentration of the base layer 6.
- the first layer 8 may have a peak n-type impurity concentration of 1 ⁇ 10 15 cm -3 or more and 1 ⁇ 10 18 cm -3 or less.
- the n-type impurity concentration of the first layer 8 may be approximately constant in the thickness direction.
- the n-type impurity concentration of the first layer 8 may have a concentration gradient that gradually increases and/or gradually decreases in the stacking direction (crystal growth direction).
- the SiC semiconductor device 1A includes a peripheral region 11 that is set outside the active region 10 in the chip 2.
- the peripheral region 11 is provided in a region between the periphery of the chip 2 and the active region 10 in a planar view.
- the peripheral region 11 extends in a band shape along the active region 10 in a planar view, and is set in a polygonal ring shape (a square ring in this embodiment) that surrounds the active region 10.
- the multiple first regions 14 are arranged at intervals in the first array direction Da1 in the first layer 8, and are each formed in a strip shape extending in the first extension direction De1.
- the first extension direction De1 is a direction that intersects or is perpendicular to the first array direction Da1.
- the multiple first regions 14 are formed in a stripe shape extending in the first extension direction De1
- the multiple first drift regions 16 are formed in a stripe shape extending in the first extension direction De1.
- the multiple first regions 14 have an off direction Doff and an off angle ⁇ off that are approximately the same as the off direction Doff and the off angle ⁇ off of the first axis channel CH1. In other words, the multiple first regions 14 are inclined by the off angle ⁇ off from the vertical axis toward the off direction Doff.
- the first upper end 14b may be formed at a distance from the upper end of the first layer 8 (i.e., the second layer 9) toward the lower end, and may face the upper end of the first layer 8 across a portion (upper end) of the first layer 8.
- the first upper end 14b may be substantially coincident with the upper end of the first layer 8 and connected to the second layer 9.
- the distance between the upper end of the first layer 8 and the first upper end 14b may be 0 ⁇ m or more and 1 ⁇ m or less.
- the distance between the upper end of the first layer 8 and the first upper end 14b may have a value that falls within any one of the ranges of 0 ⁇ m or more and 0.25 ⁇ m or less, 0.25 ⁇ m or more and 0.5 ⁇ m or less, 0.5 ⁇ m or more and 0.75 ⁇ m or less, and 0.75 ⁇ m or more and 1 ⁇ m or less.
- the first regions 14 each have a first width W1.
- the first width W1 is the width along the first arrangement direction Da1 of the first regions 14. It is preferable that the first width W1 is less than the first thickness T1 of the first layer 8. Of course, the first width W1 may be equal to or greater than the first thickness T1. It is preferable that the first width W1 is less than the second thickness T2 of the second layer 9. Of course, the first width W1 may be equal to or greater than the second thickness T2.
- the first width W1 may be 0.1 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less.
- the first width W1 may have a value belonging to any one of the following ranges: 0.1 ⁇ m or more and 0.25 ⁇ m or less, 0.25 ⁇ m or more and 0.5 ⁇ m or less, 0.5 ⁇ m or more and 0.75 ⁇ m or less, 0.75 ⁇ m or more and 1 ⁇ m or less, 1 ⁇ m or more and 1.5 ⁇ m or less, 1.5 ⁇ m or more and 2 ⁇ m or less, 2 ⁇ m or more and 2.5 ⁇ m or less, 2.5 ⁇ m or more and 3 ⁇ m or less, 3 ⁇ m or more and 3.5 ⁇ m or less, 3.5 ⁇ m or more and 4 ⁇ m or less, 4 ⁇ m or more and 4.5 ⁇ m or less, and 4.5 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less.
- the first width W1 is preferably 0.5 ⁇ m or more and 1.5 ⁇ m or less.
- the first region thickness TR1 is preferably 1 ⁇ m or more.
- the first region thickness TR1 is preferably 5 ⁇ m or less.
- the first region thickness TR1 may have a value that falls within any one of the following ranges: 1 ⁇ m or more and 1.5 ⁇ m or less, 1.5 ⁇ m or more and 2 ⁇ m or less, 2 ⁇ m or more and 2.5 ⁇ m or less, 2.5 ⁇ m or more and 3 ⁇ m or less, 3 ⁇ m or more and 3.5 ⁇ m or less, 3.5 ⁇ m or more and 4 ⁇ m or less, 4 ⁇ m or more and 4.5 ⁇ m or less, and 4.5 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less.
- the first width W1 is less than the first thickness T1 of the first layer 8, and that the first region thickness TR1 is greater than the first width W1.
- each of the multiple first regions 14 has a first aspect ratio TR1/W1 that extends in a vertically elongated columnar shape along the first axial channel CH1.
- the first aspect ratio TR1/W1 is the ratio of the first region thickness TR1 to the first width W1.
- the first region thickness TR1 is greater than the first thickness T1.
- the first aspect ratio TR1/W1 may be greater than 1 and less than or equal to 100.
- the first regions 14 are formed at intervals of a first pitch P1 in the first arrangement direction Da1. It is preferable that the first pitch P1 is less than the first thickness T1 of the first layer 8. Of course, the first pitch P1 may be equal to or greater than the first thickness T1. It is preferable that the first pitch P1 is less than the second thickness T2 of the second layer 9. Of course, the first pitch P1 may be equal to or greater than the second thickness T2.
- the first pitch P1 may be 0.1 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less.
- the first pitch P1 may have a value that belongs to any one of the following ranges: 0.1 ⁇ m or more and 0.25 ⁇ m or less, 0.25 ⁇ m or more and 0.5 ⁇ m or less, 0.5 ⁇ m or more and 0.75 ⁇ m or less, 0.75 ⁇ m or more and 1 ⁇ m or less, 1 ⁇ m or more and 1.5 ⁇ m or less, 1.5 ⁇ m or more and 2 ⁇ m or less, 2 ⁇ m or more and 2.5 ⁇ m or less, 2.5 ⁇ m or more and 3 ⁇ m or less, 3 ⁇ m or more and 3.5 ⁇ m or less, 3.5 ⁇ m or more and 4 ⁇ m or less, 4 ⁇ m or more and 4.5 ⁇ m or less, and 4.5 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less.
- the first pitch P1 is preferably 0.5 ⁇ m or more and 1.5 ⁇ m or less.
- the second regions 15 are formed in the second layer 9 at intervals in the horizontal direction, and define a plurality of n-type second drift regions 17, each of which is made up of a part of the second layer 9.
- the multiple second regions 15 and the second layer 9 form a second superjunction structure SJ2.
- the state of charge balance means that, for multiple adjacent second regions 15, the depletion layer extending from one second pn junction and the depletion layer extending from the other second pn junction are connected within the multiple second drift regions 17.
- the second regions 15 are formed in the second layer 9 so as to overlap the first regions 14 in the stacking direction. Specifically, the second regions 15 are arranged at intervals in the second layer 9 in a second array direction Da2 different from the first array direction Da1, and are each formed in a band shape extending in a second extension direction De2 different from the first extension direction De1.
- the second array direction Da2 is a direction that intersects with the first array direction Da1
- the second extension direction De2 is a direction that intersects with the first extension direction De1.
- the second extension direction De2 is a direction that intersects or is perpendicular to the second array direction Da2.
- the multiple second regions 15 are formed in stripes extending in the second extension direction De2
- the multiple second drift regions 17 are formed in stripes extending in the second extension direction De2.
- the multiple second regions 15 intersect with the multiple first regions 14 in a planar view.
- the multiple second drift regions 17 are connected in a lattice pattern to the multiple first drift regions 16 at the boundary between the first layer 8 and the second layer 9, and together with the multiple first drift regions 16 form a single three-dimensional lattice-shaped drift region 13.
- the multiple second drift regions 17 form a three-dimensional lattice-shaped current path together with the multiple first drift regions 16.
- the second regions 15 are made up of channeling regions (second channeling regions) that extend along the second axis channel CH2 in the second layer 9 in a cross-sectional view.
- the second regions 15 are impurity regions that are introduced parallel or nearly parallel to the region (second axis channel CH2) surrounded by atomic rows along the low-index crystal axis in the second layer 9, and extend at an angle with respect to the first main surface 3.
- the second regions 15 have an off direction Doff and an off angle ⁇ off that are approximately equal to the off direction Doff and the off angle ⁇ off of the second axis channel CH2. In other words, the second regions 15 are inclined by the off angle ⁇ off from the vertical axis toward the off direction Doff.
- the second regions 15 each have a second lower end 15a at the lower end of the second layer 9 and a second upper end 15b at the upper end of the second layer 9.
- the second lower end 15a is located in a region on the lower end side of the second layer 9 relative to the intermediate part of the thickness range of the second layer 9, and the second upper end 15b is located in a region on the upper end side of the second layer 9 relative to the intermediate part of the thickness range of the second layer 9.
- the second regions 15 each consist of a single impurity region having a thickness (depth) that crosses the intermediate part of the second layer 9 along the second axial channel CH2.
- the second lower end 15a may be formed with a gap from the lower end to the upper end of the second layer 9, and may face the first layer 8 (plurality of first regions 14) across a portion (lower end) of the second layer 9.
- the second lower end 15a may be substantially coincident with the lower end of the second layer 9 and connected to the first layer 8.
- the distance between the lower end of the second layer 9 and the second lower end 15a may be 0 ⁇ m or more and 2 ⁇ m or less.
- the distance between the lower end of the second layer 9 and the second lower end 15a may have a value that belongs to any one of the ranges of 0 ⁇ m or more and 0.5 ⁇ m or less, 0.5 ⁇ m or more and 1 ⁇ m or less, 1 ⁇ m or more and 1.5 ⁇ m or less, and 1.5 ⁇ m or more and 2 ⁇ m or less.
- the second upper end 15b may be formed at a distance from the upper end of the second layer 9 (i.e., the first main surface 3) toward the lower end, and may face the upper end of the second layer 9 across a part (upper end) of the second layer 9.
- the space between the first main surface 3 and the second upper end 15b of the second layer 9 may be used as a region for forming a device structure (other impurity regions, etc.).
- the second upper end 15b may be exposed from the upper end of the second layer 9 (i.e., the first main surface 3).
- the distance between the upper end of the second layer 9 and the second upper end 15b may be 0 ⁇ m or more and 1 ⁇ m or less.
- the distance between the upper end of the second layer 9 and the second upper end 15b may have a value that falls within any one of the ranges of 0 ⁇ m or more and 0.25 ⁇ m or less, 0.25 ⁇ m or more and 0.5 ⁇ m or less, 0.5 ⁇ m or more and 0.75 ⁇ m or less, and 0.75 ⁇ m or more and 1 ⁇ m or less.
- the second regions 15 may have a peak p-type impurity concentration of 1 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 or more and 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or less.
- the p-type impurity concentration (peak value) of the second regions 15 may be equal to or more than the p-type impurity concentration (peak value) of the first region 14.
- the p-type impurity concentration (peak value) of the second regions 15 may be less than the p-type impurity concentration (peak value) of the first region 14.
- the p-type impurity concentration (peak value) of the second regions 15 may be approximately equal to the p-type impurity concentration (peak value) of the first region 14.
- the second region thickness TR2 may be less than the first thickness T1 of the first layer 8.
- the second region thickness TR2 may be greater than the first thickness T1.
- the second region thickness TR2 may be approximately equal to the first thickness T1.
- the second region thickness TR2 may be less than the first region thickness TR1 of the first region 14.
- the second region thickness TR2 may be greater than the first region thickness TR1.
- the second region thickness TR2 may be approximately equal to the first region thickness TR1.
- the second region thickness TR2 is preferably 1 ⁇ m or more.
- the second region thickness TR2 is preferably 5 ⁇ m or less.
- the second region thickness TR2 may have a value that falls within any one of the following ranges: 1 ⁇ m or more and 1.5 ⁇ m or less, 1.5 ⁇ m or more and 2 ⁇ m or less, 2 ⁇ m or more and 2.5 ⁇ m or less, 2.5 ⁇ m or more and 3 ⁇ m or less, 3 ⁇ m or more and 3.5 ⁇ m or less, 3.5 ⁇ m or more and 4 ⁇ m or less, 4 ⁇ m or more and 4.5 ⁇ m or less, and 4.5 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less.
- a superjunction structure SJ having a two-layer structure is shown.
- a superjunction structure SJ having a stacked structure of three or more layers may also be adopted.
- a stack section 7 having a stacked structure of three or more layers may be formed, and a column region 12 having a stacked structure of three or more layers may be formed.
- the third and subsequent semiconductor layers in the stack 7 are formed in the same configuration as the second layer 9.
- the regions formed in the odd-numbered (2n+1: n is a natural number equal to or greater than 1) semiconductor layers are formed in the same configuration as the first region 14, and the regions formed in the even-numbered (2n+2) semiconductor layers are formed in the same configuration as the second region 15.
- the (n+2)th region of the column region 12 is formed in the (n+2)th semiconductor layer in the same relationship as the (n+1)th region to the nth region.
- the first arrangement direction Da1 of the first regions 14 may be the m-axis direction (first direction X), and the first extension direction De1 of the first regions 14 may be the a-axis direction (second direction Y).
- first direction X the first direction
- the multiple first regions 14 extend in the substantially vertical direction Z in a cross-sectional view seen from the a-plane of the SiC single crystal.
- the multiple first regions 14 are inclined by substantially the off angle ⁇ off from the vertical axis toward the off-direction Doff in a cross-sectional view seen from the m-plane of the SiC single crystal.
- the first extension direction De1 intersects with the off direction Doff, so that the first regions 14 are inclined from the vertical axis toward the off direction Doff by approximately the off angle ⁇ off in a cross-sectional view seen from the a-plane of the SiC single crystal and in a cross-sectional view seen from the m-plane of the SiC single crystal.
- the multiple second regions 15 extend in a direction intersecting both the a-axis direction and the m-axis direction, and are perpendicular to the multiple first regions 14.
- the sum of the absolute value of the first extension angle ⁇ 1 and the absolute value of the second extension angle ⁇ 2 is approximately a right angle (approximately 90°).
- a region having a p-type impurity concentration of 1 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 or more is defined as the second region 15 and is shown as a graph.
- the values of the impurity concentration, thickness, etc. shown below are examples for explaining the basic configuration of the second region 15 based on the concentration gradient, and are not shown with the intention of uniquely limiting the configuration of the second region 15.
- the impurity concentration, thickness, etc. are adjusted to various values depending on the implantation conditions of the trivalent element (dose amount, implantation temperature, implantation energy, etc.), etc.
- Peak portion 21 is a portion having a peak value P (maximum value) of the p-type impurity concentration. Peak portion 21 is also a convex main concentration transition portion including a series of concentration changes (inflection points) where the p-type impurity concentration changes from an increase (increasing trend) to a decrease (decreasing trend).
- the depth position of peak portion 21 is 0.1 ⁇ m or more and 0.5 ⁇ m or less.
- the gradually decreasing portion 23 is a portion that forms the second lower end 15a of the second region 15.
- the gradually decreasing portion 23 has a concentration decrease rate that is greater than the concentration decrease rate in the gradual portion 22, and is a portion where the p-type impurity concentration gradually decreases from the gradual portion 22 toward the lower end of the second layer 9.
- the concentration decrease rate per unit thickness of the gradually decreasing portion 23 is greater than the concentration decrease rate per unit thickness of the gradual portion 22.
- the p-type impurity concentration of the gradually decreasing portion 23 gradually decreases from the gradual portion 22 to 1 ⁇ 10 15 cm -3 .
- the second region 15 (380 KeV) has a second region thickness TR2 of 2.2 ⁇ m or more and 2.4 ⁇ m or less, and has a second lower end 15a spaced from the lower end to the upper end of the second layer 9, and a second upper end 15b spaced from the upper end (first main surface 3) of the second layer 9 to the lower end side (first layer 8 side).
- the distance between the lower end of the second layer 9 and the second lower end 15a is 0.5 ⁇ m or more and 0.8 ⁇ m or less.
- the distance between the upper end of the second layer 9 and the second upper end 15b of the second region 15 is 0.01 ⁇ m or more and 0.2 ⁇ m or less.
- the p-type impurity concentration of the second region 15 has a concentration gradient from the second upper end 15b to the second lower end 15a, similar to the example of FIG. 11A, that includes a gradually increasing portion 20, a peak portion 21, a gradual portion 22, and a gradually decreasing portion 23.
- the gradually increasing portion 20 also increases gradually from the second upper end 15b of the second region 15 to the peak portion 21 at a relatively steep rate of increase.
- the depth position of the peak portion 21 is 0.6 ⁇ m or more and 1 ⁇ m or less.
- the second lower end 15a has an extension that crosses the boundary between the first layer 8 and the second layer 9 and extends into the first layer 8.
- the extension of the second lower end 15a has a thickness of 1.4 ⁇ m or more and 1.8 ⁇ m or less based on the upper end of the first layer 8.
- the distance between the upper end of the second layer 9 and the second upper end 15b of the second region 15 is 0.7 ⁇ m or more and 1 ⁇ m or less.
- the gradual portion 22 has a thickness of 1.5 ⁇ m or more and 1.8 ⁇ m or less, and has a concentration decrease rate of 50% or less in this thickness range.
- the gradual portion 22 crosses the boundary between the first layer 8 and the second layer 9 and is located within the first layer 8. That is, the extension of the second region 15 includes a part of the gradual portion 22.
- the p-type impurity concentration of the gradual portion 22 is within a concentration range of 2 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 or more and 4 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 or less.
- the p-type impurity concentration of the gradually decreasing portion 23 gradually decreases from the gradual portion 22 to 1 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 .
- the p-type impurity concentration of second region 15 has a gradually increasing portion 20, a peak portion 21, a gradual portion 22, and a gradually decreasing portion 23 at any implantation energy.
- the second region thickness TR2 (depth) of second region 15 increases with increasing implantation energy.
- the depth position of second upper end 15b of second region 15 relative to the upper end of second layer 9 increases with increasing implantation energy.
- a second region 15 having a slow portion 22 with a thickness of 0.5 ⁇ m to 2 ⁇ m is formed in a second layer 9 having a relatively large thickness (for example, a thickness of 1 ⁇ m to 5 ⁇ m). Therefore, a second region 15 having a charge balance is formed with fewer steps than the steps required when the random injection method is adopted.
- the p-type impurity concentration (concentration gradient) of each second region 15 is the sum of the p-type impurity concentrations (concentration gradients) of the multiple impurity regions (second regions 15).
- the p-type impurity concentration of each second region 15 has a concentration gradient (sum of concentration gradients) obtained by superimposing at least two of the five graphs shown in Figures 11A to 11E.
- the upper limit of the implantation energy for the channeling implantation method is 2000 KeV, but the second region 15 can also be formed with an implantation energy greater than 2000 KeV. In this case, a relatively thick second region 15 is formed at a position deeper than the concentration gradient shown in Figure 11E.
- the amount of trivalent elements passing through the upper end of the second layer 9 increases, and the range of the free space on the upper end side (i.e., the distance between the first main surface 3 and the second region 15) expands, making it more difficult to design the column region 12.
- the size of the ion accelerator may reach several tens of meters, which is considered to be unrealistic from the standpoint of cost-effectiveness (installation space and capital investment).
- first to twelfth embodiment examples of the column region 12 are shown with reference to Figures 13 to 33.
- the column region 12 according to the first to third basic embodiments may have at least one of the multiple features shown in the first to twelfth embodiment examples.
- the column region 12 according to the first to third basic embodiments may have a feature that combines multiple (two or more) features shown in the first to twelfth embodiment examples.
- the second region 15 has a second region thickness TR2 that is greater than the second thickness T2 of the second layer 9.
- the second region thickness TR2 is also greater than the first thickness T1 of the first layer 8.
- the second region thickness TR2 is also greater than the first region thickness TR1 of the first region 14.
- the second region thickness TR2 may be less than the second thickness T2.
- the second region thickness TR2 may be less than the first region thickness TR1.
- the second region thickness TR2 may be less than the first region thickness TR1.
- the first region 14 has a first region thickness TR1 that is greater than the first thickness T1 of the first layer 8.
- the first region thickness TR1 is also greater than the second thickness T2 of the second layer 9.
- the first region thickness TR1 is also greater than the second region thickness TR2 of the second region 15.
- the first region thickness TR1 may be less than the first thickness T1.
- the first region thickness TR1 may be less than the second thickness T2.
- the first region thickness TR1 may be less than the second region thickness TR2.
- FIG. 21 is a cross-sectional perspective view showing the column region 12 according to the fifth embodiment.
- FIG. 22 is a graph showing an example of a concentration gradient in the column region 12 shown in FIG. 21.
- the column region 12 according to the fifth embodiment has a shape obtained by modifying the first region 14 according to the fourth embodiment.
- the second region 15 according to the fifth embodiment has a shape similar to that of the second region 15 according to the second embodiment.
- the second region 15 according to the fifth embodiment may have a shape similar to that of the second region 15 according to the third embodiment.
- the first region 14 may have a shape similar to any one of the shapes of the first region 14 according to the first to fifth embodiment examples.
- the first region 14 has a shape similar to the shape of the first region 14 according to the fourth embodiment example.
- the second region 15 may have a shape similar to any one of the shapes of the second region 15 according to the first to fifth embodiment examples.
- the second region 15 has a shape similar to the shape of the second region 15 according to the fourth embodiment example (second embodiment example).
- the intermediate regions 25 are formed in the first layer 8 in a region between the upper end of the first layer 8 and the first upper end 14b of the first region 14.
- the intermediate regions 25 are preferably located on the upper end side of the first layer 8 relative to the middle part of the thickness range of the first layer 8.
- the intermediate regions 25 may be exposed from the upper end of the first layer 8, or may be formed at intervals from the upper end to the lower end side of the first layer 8.
- Each intermediate region 25 may be formed in a horizontally elongated columnar shape extending in the horizontal direction in a cross-sectional view. Of course, each intermediate region 25 may be formed in a vertically elongated columnar shape extending in the vertical direction Z.
- the intermediate regions 25 form intermediate pn junctions having charge balance together with the first layer 8.
- the intermediate regions 25 form part of the first superjunction structure SJ1 together with the first drift regions 16.
- the state of having charge balance means that, for adjacent intermediate regions 25, the depletion layer extending from one intermediate pn junction and the depletion layer extending from the other intermediate pn junction are connected within the first drift regions 16.
- the region element 25a does not have a gradual portion 22 having a thickness of 0.5 ⁇ m or more, and has a concentration gradient including a gradually increasing portion 20, a peak portion 21, and a gradually decreasing portion 23 in a range of 0.5 ⁇ m.
- each intermediate region 25 has multiple peak portions 21 (peak value P) according to the number of multiple region elements 25a in the thickness direction of the first layer 8.
- the p-type impurity concentration of the intermediate region 25 is preferably adjusted by at least one trivalent element.
- the trivalent element of the intermediate region 25 may be the same as the trivalent element of the first region 14, etc., or may be a different species from the trivalent element of the first region 14, etc.
- the trivalent element of the intermediate region 25 may be at least one of boron, aluminum, gallium, and indium.
- the intermediate width WM is approximately equal to the first width W1 of the first region 14.
- the intermediate width WM may be greater than or equal to the first width W1, or less than the first width W1. It is preferable that the intermediate width WM is greater than or equal to 1 ⁇ m. It is preferable that the intermediate width WM is less than or equal to 5 ⁇ m.
- the intermediate pitch PM may be 0.1 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less.
- the intermediate pitch PM may have a value that belongs to any one of the following ranges: 0.1 ⁇ m or more and 0.25 ⁇ m or less, 0.25 ⁇ m or more and 0.5 ⁇ m or less, 0.5 ⁇ m or more and 0.75 ⁇ m or less, 0.75 ⁇ m or more and 1 ⁇ m or less, 1 ⁇ m or more and 1.5 ⁇ m or less, 1.5 ⁇ m or more and 2 ⁇ m or less, 2 ⁇ m or more and 2.5 ⁇ m or less, 2.5 ⁇ m or more and 3 ⁇ m or less, 3 ⁇ m or more and 3.5 ⁇ m or less, 3.5 ⁇ m or more and 4 ⁇ m or less, 4 ⁇ m or more and 4.5 ⁇ m or less, and 4.5 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less.
- the intermediate pitch PM is preferably 0.5 ⁇ m or more and 1.5 ⁇ m or less.
- the second region 15 preferably has an extension located within the first layer 8 and is connected to the intermediate region 25 within the first layer 8.
- the second region 15 preferably is electrically connected to the first region 14 via the intermediate region 25 within the first layer 8.
- the second region 15 forms one drift region 13 that extends continuously in the stacking direction together with the first region 14 and the intermediate region 25.
- the extension of the second region 15 may be connected to both the intermediate region 25 and the first region 14 within the first layer 8.
- the concentration gradient in the region between the first region 14 and the second region 15 is mitigated by the intermediate region 25, improving the accuracy of the charge balance.
- the first region 14 is exposed from the upper end of the first layer 8.
- the first region 14 does not have part or all of the first gradually increasing portion 20A.
- Figure 26 shows an example in which the first region 14 does not have all of the first gradually increasing portion 20A and the first peak portion 21A. That is, in this example, the first upper end 14b includes the first gradual portion 22A exposed from the upper end of the first layer 8.
- the second region 15 has an extension located within the first layer 8 and is connected to the first region 14 within the first layer 8.
- the concentration gradient formed in the region between the first region 14 and the second region 15 is mitigated by the exposed portion of the first region 14, improving the accuracy of the charge balance.
- the upper end of the first layer 8 may be partially removed by an etching method.
- the etching method may be a wet etching method and/or a dry etching method.
- the upper end of the first layer 8 is an etched surface, and the first region 14 is exposed from the etched surface.
- the second layer 9 is laminated on top of the etched surface of the first layer 8.
- FIG. 27 is a cross-sectional perspective view showing the column region 12 according to the eighth embodiment.
- FIG. 28 is a graph showing an example of a concentration gradient in the column region 12 shown in FIG. 27.
- the column region 12 according to the eighth embodiment has a form obtained by modifying the second region 15 according to the first to seventh embodiments.
- the first region 14 according to the eighth embodiment may have a form similar to any one of the forms of the first region 14 according to the first to seventh embodiments.
- the first region 14 according to the seventh embodiment is shown.
- FIG. 29 is a cross-sectional perspective view showing the column region 12 according to the ninth embodiment.
- FIG. 30 is a cross-sectional perspective view showing the column region 12 according to the tenth embodiment.
- the stacked portion 7 may have a stacked structure including a buffer layer 26, a first layer 8, and a second layer 9 stacked in this order from the base layer 6 side.
- the buffer layer 26 may be referred to as a "buffer SiC layer", a "buffer region”, etc.
- the buffer axis channel CHBu is composed of a region surrounded by atomic rows along the c-axis of the SiC single crystal.
- the buffer axis channel CHBu extends along the c-axis and has an off-direction Doff and an off-angle ⁇ off.
- the buffer axis channel CHBu is inclined from the vertical axis toward the off-direction Doff by the off-angle ⁇ off.
- the buffer layer 26 has a buffer thickness TBu.
- the buffer thickness TBu is preferably less than the base thickness TB.
- the buffer thickness TBu is preferably 1 ⁇ m or more.
- the buffer thickness TBu is preferably 5 ⁇ m or less.
- the buffer thickness TBu may have a value that falls within any one of the following ranges: 1 ⁇ m or more and 1.5 ⁇ m or less, 1.5 ⁇ m or more and 2 ⁇ m or less, 2 ⁇ m or more and 2.5 ⁇ m or less, 2.5 ⁇ m or more and 3 ⁇ m or less, 3 ⁇ m or more and 3.5 ⁇ m or less, 3.5 ⁇ m or more and 4 ⁇ m or less, 4 ⁇ m or more and 4.5 ⁇ m or less, and 4.5 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less.
- the first thickness T1 of the first layer 8 is preferably greater than the buffer thickness TBu.
- the first thickness T1 may be less than the buffer thickness TBu.
- the first thickness T1 may be approximately equal to the buffer thickness TBu.
- the second thickness T2 of the second layer 9 is preferably greater than the buffer thickness TBu.
- the second thickness T2 may be less than the buffer thickness TBu.
- the second thickness T2 may be approximately equal to the buffer thickness TBu.
- the first lower end 14a may have an extension that crosses the boundary between the buffer layer 26 and the first layer 8 and is located within the buffer layer 26. Since the first axial channel CH1 is approximately coincident with the buffer axial channel CHBu, the extension of the first lower end 14a is formed along the buffer axial channel CHBu within the buffer layer 26.
- Figure 31 is a cross-sectional perspective view showing a column region 12 according to an eleventh embodiment.
- a superjunction structure SJ having a stacked structure of three or more layers may be adopted.
- Figure 31 shows a stacked portion 7 having a three-layer structure and a column region 12 having a three-layer structure.
- the laminated portion 7 includes an n-type third layer 27 made of single crystal SiC laminated on the second layer 9.
- the third layer 27 may be referred to as a "third SiC layer", a "third semiconductor layer”, or the like.
- the second layer 9 forms the middle portion of the chip 2 and forms part of the first to fourth side surfaces 5A to 5D.
- the third layer 27 extends in a layered manner in the horizontal direction, forms the first main surface 3, and forms part of the first to fourth side surfaces 5A to 5D.
- the third layer 27 is made of an epitaxial layer (i.e., a SiC epitaxial layer) that is crystal-grown starting from the second layer 9.
- the third layer 27 has a lower end and an upper end.
- the lower end of the third layer 27 is the starting point of crystal growth, and the upper end of the third layer 27 is the end point of crystal growth. Since the third layer 27 is grown continuously from the second layer 9, the lower end of the third layer 27 coincides with the upper end of the second layer 9.
- the boundary between the second layer 9 and the third layer 27 is not necessarily visible, and can be indirectly evaluated and/or determined from other configurations or elements.
- the third layer 27 has an off direction Doff and an off angle ⁇ off that are approximately the same as the off direction Doff and the off angle ⁇ off of the second layer 9.
- the third axis channel CH3 consists of a region surrounded by atomic rows along the c-axis of the SiC single crystal.
- the third axis channel CH3 extends along the c-axis and has an off-direction Doff and an off-angle ⁇ off.
- the third axis channel CH3 is inclined from the vertical axis toward the off-direction Doff by the off-angle ⁇ off.
- the n-type impurity concentration of the third layer 27 is preferably lower than the n-type impurity concentration of the base layer 6.
- the third layer 27 may have a peak n-type impurity concentration of 1 ⁇ 10 15 cm -3 or more and 1 ⁇ 10 18 cm -3 or less.
- the n-type impurity concentration of the third layer 27 may be approximately constant in the thickness direction.
- the n-type impurity concentration of the third layer 27 may have a concentration gradient that gradually increases and/or gradually decreases in the stacking direction (crystal growth direction).
- the third layer 27 has a third thickness T3.
- the third thickness T3 is preferably less than the base thickness TB.
- the third thickness T3 may be approximately equal to the second thickness T2, may be greater than or equal to the second thickness T2, or may be less than the second thickness T2.
- the third thickness T3 may be approximately equal to the first thickness T1, may be greater than or equal to the first thickness T1, or may be less than the first thickness T1.
- the third thickness T3 is preferably 1 ⁇ m or more.
- the third thickness T3 is preferably 5 ⁇ m or less.
- the third thickness T3 may have a value that falls within any one of the following ranges: 1 ⁇ m or more and 1.5 ⁇ m or less, 1.5 ⁇ m or more and 2 ⁇ m or less, 2 ⁇ m or more and 2.5 ⁇ m or less, 2.5 ⁇ m or more and 3 ⁇ m or less, 3 ⁇ m or more and 3.5 ⁇ m or less, 3.5 ⁇ m or more and 4 ⁇ m or less, 4 ⁇ m or more and 4.5 ⁇ m or less, and 4.5 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less.
- the column region 12 includes a third region 28 formed in the third layer 27.
- the third regions 28 are formed horizontally at intervals in the third layer 27, and define a plurality of n-type third drift regions 29 each made of a part of the third layer 27.
- the third regions 28 form a plurality of third pn junctions having charge balance together with the third drift regions 29.
- the multiple third regions 28 and the third layer 27 form a third superjunction structure SJ3.
- the state of charge balance means that, for multiple adjacent third regions 28, the depletion layer extending from one third pn junction and the depletion layer extending from the other third pn junction are connected within the multiple third drift regions 29.
- the third regions 28 are formed in the third layer 27 so as to overlap the second regions 15 in the stacking direction. Specifically, the third regions 28 are arranged at intervals in the third layer 27 in a third array direction Da3 different from the second array direction Da2, and are each formed in a band shape extending in a third extension direction De3 different from the second extension direction De2. In other words, the third regions 28 are formed in stripes extending in the third extension direction De3, and the third drift regions 29 are formed in stripes extending in the third extension direction De3.
- the multiple third regions 28 may be arranged offset from the multiple first regions 14 in the first array direction Da1 and may face either one or both of the first regions 14 and the first drift region 16 in the stacking direction.
- the third array direction Da3 may be different from the first array direction Da1.
- the third extension direction De3 may be different from the first extension direction De1.
- the multiple third regions 28 may intersect (for example, perpendicular to) the multiple first regions 14 in a planar view.
- the multiple third regions 28 are made up of channeling regions (third channeling regions) that extend along the third axis channel CH3 in the third layer 27 in a cross-sectional view.
- the third regions 28 are impurity regions that are introduced parallel or nearly parallel to the region (third axis channel CH3) surrounded by the atomic rows along the low-index crystal axis in the third layer 27, and extend at an angle with respect to the first main surface 3.
- the third regions 28 each have a third lower end 28a at the lower end of the third layer 27 and a third upper end 28b at the upper end of the third layer 27.
- the third lower end 28a is located in a region on the lower end side of the third layer 27 relative to the intermediate part of the thickness range of the third layer 27, and the third upper end 28b is located in a region on the upper end side of the third layer 27 relative to the intermediate part of the thickness range of the third layer 27.
- the third regions 28 each consist of a single impurity region having a thickness (depth) that crosses the intermediate part of the third layer 27 along the third axial channel CH3.
- the third lower end 28a may be formed with a gap from the lower end of the third layer 27 toward the upper end, and may face the second layer 9 across a portion (lower end) of the third layer 27.
- the third lower end 28a may be substantially coincident with the lower end of the third layer 27 and connected to the second layer 9.
- the distance between the lower end of the third layer 27 and the third lower end 28a may be 0 ⁇ m or more and 2 ⁇ m or less.
- the distance between the lower end of the third layer 27 and the third lower end 28a may have a value that falls within any one of the ranges of 0 ⁇ m or more and 0.5 ⁇ m or less, 0.5 ⁇ m or more and 1 ⁇ m or less, 1 ⁇ m or more and 1.5 ⁇ m or less, and 1.5 ⁇ m or more and 2 ⁇ m or less.
- the p-type impurity concentration of the third region 28 is preferably adjusted by at least one trivalent element. It is particularly preferable that the p-type impurity concentration of the third region 28 is adjusted by a trivalent element that is heavier than carbon. In other words, the third region 28 preferably contains a trivalent element other than boron (at least one of aluminum, gallium, and indium). In this embodiment, the p-type impurity concentration of the third region 28 is adjusted by aluminum.
- the third width W3 may be greater than or equal to the first width W1 of the first region 14, or less than the first width W1. It is preferable that the third width W3 is approximately equal to the first width W1.
- the third width W3 may be greater than or equal to the second width W2 of the second region 15, or less than the second width W2. It is preferable that the third width W3 is approximately equal to the second width W2.
- the multiple third regions 28 each have a third region thickness TR3.
- the third region thickness TR3 may be less than the third thickness T3 of the third layer 27.
- the third region thickness TR3 may be greater than the third thickness T3.
- the third region thickness TR3 may be approximately equal to the third thickness T3.
- the third region thickness TR3 may be less than the first thickness T1 of the first layer 8. The third region thickness TR3 may be greater than the first thickness T1. The third region thickness TR3 may be approximately equal to the first thickness T1. The third region thickness TR3 may be less than the second thickness T2 of the second layer 9. The third region thickness TR3 may be greater than the second thickness T2. The third region thickness TR3 may be approximately equal to the second thickness T2.
- the third region thickness TR3 is preferably 1 ⁇ m or more.
- the third region thickness TR3 is preferably 5 ⁇ m or less.
- the third region thickness TR3 may have a value that falls within any one of the following ranges: 1 ⁇ m or more and 1.5 ⁇ m or less, 1.5 ⁇ m or more and 2 ⁇ m or less, 2 ⁇ m or more and 2.5 ⁇ m or less, 2.5 ⁇ m or more and 3 ⁇ m or less, 3 ⁇ m or more and 3.5 ⁇ m or less, 3.5 ⁇ m or more and 4 ⁇ m or less, 4 ⁇ m or more and 4.5 ⁇ m or less, and 4.5 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less.
- the third width W3 is less than the third thickness T3 of the third layer 27, and that the third region thickness TR3 is greater than the third width W3.
- each of the multiple third regions 28 has a third aspect ratio TR3/W3 that extends in a vertically elongated columnar shape along the third axial channel CH3.
- the third aspect ratio TR3/W3 is the ratio of the third region thickness TR3 to the third width W3.
- the third region thickness TR3 is greater than the third thickness T3.
- the third aspect ratio TR3/W3 may be greater than 1 and less than or equal to 100.
- the third regions 28 are formed at intervals of a third pitch P3 in the third arrangement direction Da3. It is preferable that the third pitch P3 is less than the third thickness T3 of the third layer 27. Of course, the third pitch P3 may be equal to or greater than the third thickness T3. It is preferable that the third pitch P3 is less than the first thickness T1 of the first layer 8. Also, it is preferable that the third pitch P3 is less than the second thickness T2 of the second layer 9. Of course, the third pitch P3 may be equal to or greater than the first thickness T1. Also, the third pitch P3 may be equal to or greater than the second thickness T2.
- the third pitch P3 may be 0.1 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less.
- the third pitch P3 may have a value that belongs to any one of the following ranges: 0.1 ⁇ m or more and 0.25 ⁇ m or less, 0.25 ⁇ m or more and 0.5 ⁇ m or less, 0.5 ⁇ m or more and 0.75 ⁇ m or less, 0.75 ⁇ m or more and 1 ⁇ m or less, 1 ⁇ m or more and 1.5 ⁇ m or less, 1.5 ⁇ m or more and 2 ⁇ m or less, 2 ⁇ m or more and 2.5 ⁇ m or less, 2.5 ⁇ m or more and 3 ⁇ m or less, 3 ⁇ m or more and 3.5 ⁇ m or less, 3.5 ⁇ m or more and 4 ⁇ m or less, 4 ⁇ m or more and 4.5 ⁇ m or less, and 4.5 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less.
- the third pitch P3 is preferably 0.5 ⁇ m or more and 1.5 ⁇ m or less.
- FIG. 32 is a cross-sectional perspective view showing the column region 12 according to the twelfth embodiment.
- the stacked portion 7 in this example includes a top layer 30 of n-type single crystalline SiC stacked on the second layer 9.
- the top layer 30 is formed to separate the first main surface 3 from the column region 12.
- the top layer 30 also forms at least a part of the region between the first main surface 3 and the second upper ends 15b of the multiple second regions 15.
- the top layer 30 may be considered to be a portion that forms the upper ends of the second layer 9.
- the top layer 30 has an n-type conductivity, but the conductivity type of the top layer 30 can be adjusted as appropriate depending on the properties of the device structure formed on the first main surface 3. Therefore, the conductivity type of the top layer 30 does not necessarily need to be limited to n-type, and may be p-type.
- the body regions 32 are each formed in a region between the first main surface 3 and the second upper ends 15b of the second regions 15.
- the body regions 32 are preferably formed on the first main surface 3 side relative to the intermediate portion of the thickness range of the second layer 9, and are preferably exposed from the first main surface 3.
- the body regions 32 are preferably connected to the corresponding second regions 15 (second upper ends 15b).
- the SiC semiconductor device 1A includes multiple gate structures 35 of a planar electrode type arranged on the first main surface 3 in the active region 10.
- the gate structures 35 may be referred to as "planar gate structures.”
- the multiple gate structures 35 are arranged at intervals on the first main surface 3 so as to overlap at least one body region 32 (channel) in the stacking direction.
- a gate potential is applied to the multiple gate structures 35 as a control potential.
- the multiple gate structures 35 control the inversion and non-inversion of the channel (current path) in the body region 32 in response to the gate potential.
- the multiple field regions 38 are preferably formed at a pitch different from the second pitch P2 of the second region 15 (the first pitch P1 of the first region 14). It is particularly preferable that the pitch of the multiple field regions 38 is larger than the second pitch P2 (the first pitch P1). Of course, the pitch of the multiple field regions 38 may be smaller than the second pitch P2 (the first pitch P1). Also, the pitch of the multiple field regions 38 may be approximately equal to the second pitch P2 (the first pitch P1).
- the SiC semiconductor device 1A includes an interlayer insulating film 40 covering the first main surface 3.
- the interlayer insulating film 40 may be referred to as an "insulating film,” an "interlayer film,” an “intermediate insulating film,” or the like.
- the interlayer insulating film 40 has a layered structure including a first insulating film 41 and a second insulating film 42.
- the first insulating film 41 may include at least one of a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a silicon oxynitride film. It is particularly preferable that the first insulating film 41 includes a silicon oxide film made of an oxide of the chip 2 (second layer 9).
- the source pad 47 is disposed on a portion of the interlayer insulating film 40 that covers the active region 10.
- the source pad 47 may be disposed at a distance from the peripheral region 11 toward the active region 10.
- the source pad 47 is formed in a polygonal shape having a recess that is recessed along the gate pad 45 in a plan view.
- the source pad 47 may also be formed in a rectangular shape in a plan view.
- the source pad 47 penetrates the interlayer insulating film 40 through a plurality of contact openings 43, and is electrically connected to a plurality of body regions 32, a plurality of source regions 33, and a plurality of contact regions 34. In other words, the source pad 47 is electrically connected to the column region 12 through a plurality of body regions 32.
- the SiC semiconductor device 1A includes a drain pad 48 covering the second main surface 4.
- the drain pad 48 is an electrode to which a drain potential is applied from the outside.
- the drain pad 48 may be referred to as a "drain pad electrode", a “third pad electrode”, etc.
- the drain pad 48 forms an ohmic contact with the base layer 6 exposed from the second main surface 4.
- the drain pad 48 is electrically connected to the first layer 8 (the multiple first drift regions 16) and the second layer 9 (the multiple second drift regions 17) via the base layer 6.
- the breakdown voltage that can be applied between the source pad 47 and the drain pad 48 (between the first main surface 3 and the second main surface 4) may be 500 V or more and 3000 V or less.
- the breakdown voltage may have a value that belongs to any one of the following ranges: 500 V or more and 1000 V or less, 1000 V or more and 1500 V or less, 1500 V or more and 2000 V or less, 2000 V or more and 2500 V or less, and 2500 V or more and 3000 V or less.
- FIG. 36 is a cross-sectional perspective view showing a gate structure 35 according to the second embodiment.
- the multiple gate structures 35 according to the first embodiment extend along the second extension direction De2 of the multiple second regions 15.
- the multiple gate structures 35 according to the second embodiment extend in a direction other than the second extension direction De2 so as to intersect with the multiple second regions 15.
- each body region 32 may face multiple first drift regions 16 in the stacking direction.
- the multiple body regions 32 may be arranged offset from the multiple first regions 14 in the first array direction Da1 and face either one or both of the first regions 14 and the first drift regions 16 in the stacking direction.
- the arrangement direction and extension direction of the multiple body regions 32 are changed according to the first arrangement direction Da1 and first extension direction De1 of the multiple first regions 14. Therefore, the first arrangement direction Da1 may be the m-axis direction, and the first extension direction De1 may be the a-axis direction. Also, the first arrangement direction Da1 may be a direction other than the a-axis direction and the m-axis direction, and the first extension direction De1 may be a direction other than the a-axis direction and the m-axis direction.
- the multiple gate structures 35 may face the multiple first regions 14 in a one-to-one correspondence in the stacking direction. Of course, each gate structure 35 may face the multiple first regions 14 in the stacking direction. The multiple gate structures 35 may face the multiple first drift regions 16 in a one-to-one correspondence in the stacking direction.
- each gate structure 35 may face multiple first drift regions 16 in the stacking direction.
- the multiple gate structures 35 may be arranged offset from the multiple first regions 14 in the first array direction Da1 and face either one or both of the first regions 14 and the first drift regions 16 in the stacking direction.
- the arrangement direction and extension direction of the multiple gate structures 35 are changed according to the first arrangement direction Da1 and first extension direction De1 of the multiple first regions 14 (body regions 32). Therefore, the first arrangement direction Da1 may be the m-axis direction, and the first extension direction De1 may be the a-axis direction. Also, the first arrangement direction Da1 may be a direction other than the a-axis direction and the m-axis direction, and the first extension direction De1 may be a direction other than the a-axis direction and the m-axis direction.
- the arrangement direction of the multiple gate structures 35 may be a direction other than the first arrangement direction Da1 and the second arrangement direction D2.
- the extension direction of the multiple gate structures 35 may be a direction other than the first extension direction De1 and the second extension direction De2.
- the multiple gate structures 35 may intersect both the multiple first regions 14 and the multiple second regions 15 in a planar view. In this case, a configuration in which the arrangement direction of the multiple gate structures 35 is one of the a-axis direction and the m-axis direction, and the extension direction of the multiple gate structures 35 is the other of the a-axis direction and the m-axis direction, is not prevented.
- the angle (absolute value) between the extension direction of the gate structure 35 and the second extension direction De2 may be greater than 0° and less than 90°.
- the angle (absolute value) of the gate structure 35 may have a value belonging to any one of the ranges of greater than 0° and less than 18°, 18° or more and less than 36°, 36° or more and less than 54°, 54° or more and less than 72°, and 72° or more and less than 90°.
- the angle (absolute value) of the gate structure 35 may be set to a value belonging to any one of the ranges of 30° ⁇ 5°, 45° ⁇ 5°, and 60° ⁇ 5°.
- the multiple gate structures 35 are each arranged to straddle two adjacent body regions 32, and each cover the multiple source regions 33 located in one and the other body region 32. In addition, the multiple gate structures 35 each face the multiple second regions 15 (second regions 15) and the multiple second drift regions 17 in the stacking direction.
- FIG 37 is a schematic diagram showing a wafer 50 used in the manufacture of SiC semiconductor device 1A.
- Wafer 50 is a substrate for base layer 6 and contains SiC single crystal.
- Wafer 50 is formed in a flat disk shape. Of course, wafer 50 may also be formed in a flat rectangular parallelepiped shape.
- Wafer 50 has a first wafer main surface 51 on one side, a second wafer main surface 52 on the other side, and a wafer side surface 53 connecting first wafer main surface 51 and second wafer main surface 52.
- the wafer 50 has a mark 54 on the wafer side surface 53 that indicates the crystal orientation of the SiC single crystal.
- the mark 54 may include either or both of an orientation flat and an orientation notch.
- the orientation flat consists of a cutout that is cut in a straight line in a plan view.
- the orientation notch consists of a cutout that is cut in a concave shape (e.g., a tapered shape) toward the center of the first wafer main surface 51 in a plan view.
- a plurality of device regions 55 and a plurality of cutting lines 56 are set on the wafer 50 by alignment marks or the like.
- Each device region 55 corresponds to the SiC semiconductor device 1A.
- Each of the plurality of device regions 55 is set to have a rectangular shape in a plan view.
- FIG. 38 is a flow chart showing an example of a method for manufacturing a SiC semiconductor device 1A.
- FIG. 39A to FIG. 39H are cross-sectional perspective views showing an example of a method for manufacturing a SiC semiconductor device 1A.
- FIG. 40A to FIG. 40B are schematic diagrams for explaining the crystal orientation measurement process.
- FIG. 41A to FIG. 41B are schematic diagrams for explaining the ion implantation process.
- FIG. 39A to FIG. 39H show cross-sectional perspective views of a portion of an active region 10 of one device region 55.
- step S1 in FIG. 38 the aforementioned wafer 50 preparation process is performed (step S1 in FIG. 38).
- a determination process is performed as to whether or not an n-type buffer layer 26 (see FIG. 29 and FIG. 30) formation process is performed (step S2 in FIG. 38). If a buffer layer 26 is to be formed (step S2 in FIG. 38: YES), the buffer layer 26 is formed starting from the first wafer main surface 51 (wafer 50) by epitaxial growth (step S3 in FIG. 38). If a buffer layer 26 formation process is not performed (step S2 in FIG. 38: NO), this process is omitted.
- the X-ray diffraction device 57 includes an irradiation unit 58 and a detection unit 59, and performs the rocking curve measurement method.
- the irradiation unit 58 irradiates the incident X-ray L1 having a predetermined incident angle ⁇ with respect to the upper end of the first layer 8 (the first wafer main surface 51 of the wafer 50).
- the incident angle ⁇ is defined as the angle between the incident X-ray L1 and the upper end of the first layer 8 (the first wafer main surface 51 of the wafer 50).
- the rocking curve measurement method is performed only at one location (e.g., the center) of the upper end of the first layer 8 (first wafer main surface 51 of the wafer 50). If in-plane variation in the off angle ⁇ off is expected, the rocking curve measurement method may be performed at multiple locations (e.g., the center and peripheral areas) of the upper end of the first layer 8 (first wafer main surface 51 of the wafer 50).
- the fourth measurement point Po4 is set on the periphery of the first layer 8 at a distance from the first measurement point Po1 to the other side in the second direction Y (the side toward the mark 54).
- the fifth measurement point Po5 is set on the periphery of the first layer 8 at a distance from the first measurement point Po1 to the other side in the first direction X (to the left of the mark 54).
- the measurement results of the incident angle ⁇ , diffraction angle 2 ⁇ , and off angle ⁇ off at the first to fifth measurement points Po1 to Po5 are shown in the following Table 1.
- the off angle ⁇ off is calculated using the incident angle ⁇ and diffraction angle 2 ⁇ by the formula " ⁇ -(2 ⁇ 1/2)".
- the average value of the off angle ⁇ off of the first to fifth measurement points Po1 to Po5 was 4.036°, and the standard deviation of these off angles ⁇ off was 0.009° ( ⁇ 0.01°). From this, it can be understood that the in-plane variation of the off angle ⁇ off occurring at the upper end of the first layer 8 (first wafer main surface 51 of wafer 50) is extremely small, and is not enough to interfere with the channeling implantation process.
- the measurement point may be any one or more (all) of the first to fifth measurement points Po1 to Po5.
- the measurement point may be only the first measurement point Po1.
- the off angle ⁇ off may be measured at multiple points on the upper end of the first layer 8 (first wafer main surface 51 of the wafer 50) and an implantation angle may be set in the channeling implantation process according to the in-plane variation of the off angle ⁇ off.
- the manufacturing man-hours manufactured costs
- the in-plane error of the first region 14 formed in the first layer 8 is appropriately suppressed.
- the off-angle ⁇ off of the first layer 8 is approximately equal to the off-angle ⁇ off of the wafer 50 and the off-angle ⁇ off of the buffer layer 26. Therefore, the crystal orientation measurement process may be performed on the wafer 50 or the buffer layer 26 prior to the formation process of the first layer 8. However, from the standpoint of ensuring accuracy, it is preferable that the crystal orientation measurement process be performed on the first layer 8.
- a step of forming a first mask 60 having a predetermined pattern is carried out (step S6 in FIG. 38).
- the first mask 60 is preferably an organic mask (resist mask).
- the first mask 60 is disposed on the upper end of the first layer 8, and has a plurality of first openings 61 that expose areas in the first layer 8 where a plurality of first regions 14 are to be formed.
- the multiple first openings 61 are formed at intervals in the first array direction Da1, and are each partitioned into bands extending in the first extension direction De1.
- a process for forming a plurality of first regions 14 is carried out (step S7 in FIG. 38).
- the process for forming a plurality of first regions 14 includes a channeling injection process of a trivalent element (p-type impurity) into the first layer 8.
- the first layer 8 (wafer 50) has an off angle ⁇ off inclined at a predetermined angle in a predetermined off direction Doff with respect to the first wafer main surface 51.
- the channeling injection process is carried out based on data (information) of the off angle ⁇ off.
- a trivalent element is introduced into the first layer 8 with a predetermined implantation energy in a direction intersecting the first axial channel CH1 (off angle ⁇ off) (see also FIG. 12).
- a trivalent element is implanted along the vertical direction Z perpendicular to the upper end of the first layer 8 (first wafer main surface 51).
- the trivalent element is introduced along a direction in which the atomic rows are relatively dense in plan view, so the trivalent element collides with the atomic rows at a relatively shallow depth position. Therefore, the atomic rows prevent the introduction of the trivalent element into the first layer 8 at a relatively deep depth position. As a result, a first region 14 that does not have a slow portion 22 is formed (see also FIG. 12).
- the injection angle of the trivalent element into the first layer 8 is controlled, and the trivalent element is introduced into the first layer 8 along the first axial channel CH1 (in this embodiment, the c-axis of the SiC single crystal) with a predetermined injection energy (also refer to FIGS. 11A to 11E).
- a predetermined injection energy also refer to FIGS. 11A to 11E.
- the wafer 50 may be supported horizontally and the trivalent element may be introduced into the first layer 8 along the first axial channel CH1.
- the wafer 50 may be supported tilted by the off angle ⁇ off from the horizontal and the trivalent element may be introduced into the first layer 8 along the first axial channel CH1.
- a plurality of first regions 14 having a predetermined thickness are formed at a predetermined depth (see also Figures 11A to 11E).
- the implantation energy of the trivalent element may be 100 KeV or more and 2000 KeV or less.
- the implantation energy may have a value that belongs to any one of the following ranges: 100 KeV or more and 250 KeV or less, 250 KeV or more and 500 KeV or less, 500 KeV or more and 750 KeV or less, 750 KeV or more and 1000 KeV or less, 1000 KeV or more and 1250 KeV or less, 1250 KeV or more and 1500 KeV or less, 1500 KeV or more and 1750 KeV or less, and 1750 KeV or more and 2000 KeV or less.
- the injection temperature of the trivalent element may be adjusted in the range of 0°C to 1500°C.
- the injection temperature may have a value that belongs to any one of the following ranges: 0°C to 25°C, 25°C to 50°C, 50°C to 100°C, 100°C to 250°C, 250°C to 500°C, 500°C to 750°C, 750°C to 1000°C, 1000°C to 1250°C, and 1250°C to 1500°C.
- the trivalent element is introduced along the first axial channel CH1, in which the atomic rows are relatively sparse in plan view.
- the trivalent element travels through the first axial channel CH1 while repeatedly undergoing small-angle scattering due to the channeling effect, and reaches a relatively deep position in the first layer 8.
- the probability of the trivalent element colliding with the atomic rows of the SiC single crystal is reduced.
- a trivalent element belonging to the heavy elements heavier than carbon is introduced into the first layer 8.
- the trivalent element is a trivalent element other than boron (at least one of aluminum, gallium, and indium).
- the trivalent element is aluminum.
- the first extension direction De1 may be the a-axis direction or the m-axis direction.
- the first extension direction De1 may be a direction other than the a-axis direction or the m-axis direction.
- the trivalent element is introduced into the first layer 8 through the multiple first openings 61 at an angle of approximately the off angle ⁇ off with respect to the upper end of the first layer 8 in a cross-sectional view along the first array direction Da1.
- first extension direction De1 is a direction other than the a-axis direction and the m-axis direction (see also Figures 10A to 10C, etc.), there is no need to strictly control the alignment misalignment of the multiple first regions 14 with respect to the crystal orientation of the SiC single crystal.
- the trivalent element may be electrically activated by an annealing method, and at the same time, lattice defects and the like that have occurred in the first layer 8 may be repaired.
- the annealing temperature for the first layer 8 may be 500°C or higher and 2000°C or lower. This forms a first superjunction structure SJ1 at the same time that a plurality of first regions 14 are formed. After the step of forming a plurality of first regions 14, the first mask 60 is removed.
- a determination step is performed as to whether or not a thickness adjustment step for the first layer 8 is to be performed (step S8 in FIG. 38). If the thickness of the first layer 8 is to be adjusted (step S8 in FIG. 38: YES), the first layer 8 is thinned from the upper end side (step S9 in FIG. 38).
- the thickness adjustment process may include a step of exposing the first regions 14 from the upper end of the first layer 8 (see also Figures 25 to 28, etc.). In other words, the thickness adjustment process may include a step of removing part or all of the first gradually increasing portions 20A of the first regions 14. If the thickness adjustment process is not performed (Step S8 in Figure 38: NO), this step is omitted.
- the process of forming the multiple intermediate regions 25 includes placing a mask (not shown) having a predetermined pattern on the upper end of the first layer 8.
- the mask (not shown) is preferably an organic mask (resist mask).
- the mask (not shown) has multiple openings that expose the areas in the first layer 8 where the multiple first regions 14 are formed.
- the multiple openings are formed at intervals in the first direction X, and are each partitioned into bands extending in the second direction Y.
- the process of forming the multiple intermediate regions 25 includes a process of introducing a trivalent element into the first layer 8 with a predetermined implantation energy in a direction intersecting the first axial channel CH1 (off angle ⁇ off) by a random implantation method through a mask (not shown) (see also FIG. 12).
- the trivalent element may be introduced into the first layer 8 once or multiple times.
- a step of forming a second mask 62 having a predetermined pattern is performed (step S13 in FIG. 38).
- the second mask 62 is preferably an organic mask (resist mask).
- the second mask 62 is disposed on the upper end of the first layer 8, and has a plurality of second openings 63 that expose areas in the first layer 8 where a plurality of second regions 15 are to be formed.
- the multiple second openings 63 are formed at intervals in a second arrangement direction Da2 different from the first arrangement direction Da1, and are each partitioned into bands extending in a second extension direction De2 different from the first extension direction De1.
- a process for forming a plurality of second regions 15 is carried out (step S14 in FIG. 38).
- the process for forming a plurality of second regions 15 includes a channeling injection process of a trivalent element (p-type impurity) into the second layer 9.
- the channeling injection process is carried out based on the data (information) of the off angle ⁇ off described above.
- the injection angle of the trivalent element into the second layer 9 is controlled, and the trivalent element is introduced into the second layer 9 along the second axial channel CH2 (the c-axis of the SiC single crystal in this embodiment) with a predetermined injection energy (see also Figures 11A to 11E).
- a predetermined injection energy see also Figures 11A to 11E.
- the wafer 50 may be supported horizontally and the trivalent element may be introduced into the second layer 9 along the second axial channel CH2.
- the wafer 50 may be supported tilted by the off angle ⁇ off from the horizontal and the trivalent element may be introduced into the second layer 9 along the second axial channel CH2.
- a plurality of second regions 15 having a predetermined thickness are formed at a predetermined depth (see also Figures 11A to 11E).
- the second extension direction De2 is also a direction other than the a-axis direction and the m-axis direction.
- the multiple first regions 14 have a first extension angle ⁇ 1 inclined toward one side of the m-axis with respect to the a-axis
- the multiple second regions 15 have a second extension angle ⁇ 2 toward the other side of the m-axis with respect to the a-axis.
- FIG. 42 is a plan view showing a SiC semiconductor device 1B according to the second embodiment.
- FIG. 43 is a cross-sectional view taken along line XLIII-XLIII shown in FIG. 42.
- FIG. 44 is a plan view showing an example layout of chip 2.
- FIG. 45 is a perspective view showing an example layout of chip 2.
- the active surface 71 may be referred to as the "first surface portion,” the outer peripheral surface 72 as the “second surface portion,” the first to fourth connection surfaces 73A to 73D as the “connection surface portions,” and the active plateau 74 as the “mesa portion.”
- the active surface 71, the outer peripheral surface 72, and the first to fourth connection surfaces 73A to 73D may be considered to be components of the chip 2 (first main surface 3).
- the outer peripheral surface 72 is formed in the outer peripheral region 11. In other words, the outer peripheral surface 72 is formed outside the active surface 71.
- the outer peripheral surface 72 is recessed in the thickness direction of the chip 2 (toward the second main surface 4) relative to the active surface 71. Specifically, in this embodiment, the outer peripheral surface 72 is recessed to a depth less than the thickness of the second layer 9 so as to expose the second layer 9.
- the outer peripheral surface 72 extends in a band shape along the active surface 71 in a plan view, and is formed in a ring shape (specifically a square ring shape) surrounding the active surface 71.
- the SiC semiconductor device 1B includes a p-type body region 32 formed in the surface layer of the first main surface 3 (active surface 71).
- the body region 32 is formed in a layer extending along the active surface 71.
- the body region 32 may be formed over the entire active surface 71 and exposed from the first to fourth connection surfaces 73A to 73D.
- the body region 32 is formed at a distance from the lower end of the second layer 9 toward the active surface 71, and overlaps the column region 12 (the multiple second regions 15) in the stacking direction.
- the body region 32 is preferably formed at a distance from the depth position of the outer peripheral surface 72 toward the active surface 71, and is exposed from the first main surface 3.
- the body region 32 is formed in the region between the active surface 71 and the second upper ends 15b of the multiple second regions 15.
- the body region 32 is preferably connected to the multiple second regions 15 (the second upper ends 15b).
- body region 32 does not have gradual portion 22 having a thickness of 0.5 ⁇ m or more, and has a concentration gradient including gradually increasing portion 20, peak portion 21, and gradually decreasing portion 23 within a range of 0.5 ⁇ m.
- Body region 32 may have a peak value of a p-type impurity concentration of 1 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 or more and 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or less.
- the multiple gate structures 35 are arranged at intervals inward from the periphery (first to fourth connection surfaces 73A to 73D) of the active surface 71 in the active region 10.
- the multiple gate structures 35 are arranged at intervals in the second array direction Da2, and are each formed in a strip shape extending in the second extension direction De2. That is, in this embodiment, the multiple gate structures 35 are arranged in stripes extending along the multiple second regions 15, and intersect with the multiple first regions 14 and the multiple first drift regions 16 in the stacking direction.
- the second array direction Da2 is the m-axis direction (first direction X), and the second extension direction De2 is the a-axis direction (second direction Y).
- the array direction and extension direction of the multiple gate structures 35 are changed according to the second array direction Da2 and second extension direction De2 of the multiple second regions 15. Therefore, the second array direction Da2 may be the a-axis direction, and the second extension direction De2 may be the m-axis direction.
- the second array direction Da2 may be a direction other than the a-axis direction and the m-axis direction, and the second extension direction De2 may be a direction other than the a-axis direction and the m-axis direction.
- the multiple gate structures 35 are arranged offset from the multiple second regions 15 toward the multiple second drift regions 17. Specifically, the multiple gate structures 35 penetrate the body region 32 at intervals from the multiple second regions 15, and are arranged in a one-to-one correspondence within the multiple second drift regions 17. In other words, the multiple gate structures 35 are arranged alternately with the multiple second regions 15 along the second array direction Da2, and face the multiple second regions 15 in the horizontal direction.
- the multiple gate structures 35 are formed at intervals from the lower ends of the multiple second drift regions 17 toward the active surface 71, and face the multiple first regions 14 and the multiple first drift regions 16 across parts of the multiple second drift regions 17. It is preferable that the multiple gate structures 35 are formed at intervals from the intermediate portions of the thickness ranges of the multiple second regions 15 toward the active surface 71. Of course, the multiple gate structures 35 may be formed at a depth position that crosses the intermediate portions of the thickness ranges of the multiple second regions 15.
- Each gate structure 35 has a trench width WT in the arrangement direction (first direction X in this embodiment) and a trench depth DT in the vertical direction Z.
- the trench width WT is less than the second pitch P2 (first pitch P1).
- the trench depth DT is less than the second thickness T2 of the second layer 9. It is preferable that the trench depth DT is approximately equal to the aforementioned peripheral depth DO. Of course, the trench depth DT may be greater than or equal to the peripheral depth DO, or may be less than the peripheral depth DO.
- the trench depth DT may be 0.1 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less.
- the trench depth DT may have a value that falls within any one of the following ranges: 0.1 ⁇ m or more and 0.25 ⁇ m or less, 0.25 ⁇ m or more and 0.5 ⁇ m or less, 0.5 ⁇ m or more and 1 ⁇ m or less, 1 ⁇ m or more and 1.5 ⁇ m or less, 1.5 ⁇ m or more and 2 ⁇ m or less, 2 ⁇ m or more and 3 ⁇ m or less, 3 ⁇ m or more and 4 ⁇ m or less, and 4 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less.
- the trench depth DT is preferably 0.1 ⁇ m or more and 1.5 ⁇ m or less.
- the insulating film 76 has a single-layer structure made of a silicon oxide film. It is particularly preferable that the insulating film 76 includes a silicon oxide film made of an oxide of the chip 2.
- the buried electrode 77 is embedded in the trench 75 with the insulating film 76 in between, and faces the channel with the insulating film 76 in between.
- the buried electrode 77 may include p-type or n-type conductive polysilicon.
- the SiC semiconductor device 1B includes a plurality of source regions 33 formed on both sides of a plurality of gate structures 35 in a surface layer portion of the first main surface 3 (active surface 71).
- the plurality of source regions 33 are formed in a surface layer portion of the body region 32.
- the plurality of source regions 33 have a higher n-type impurity concentration (peak value) than the second layer 9 (second drift region 17).
- the plurality of source regions 33 may have an n-type impurity concentration of 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or more and 1 ⁇ 10 21 cm ⁇ 3 or less as a peak value.
- the multiple source regions 33 extend in a band shape along the corresponding gate structures 35 in a plan view.
- the multiple source regions 33 are formed at intervals from the bottom of the body region 32 toward the active surface 71, and face the second drift region 17 across a portion of the body region 32 in the stacking direction.
- the multiple source regions 33, together with the multiple second drift regions 17 located directly below, define a channel (current path) that extends along the wall surface of the corresponding gate structure 35.
- the multiple source regions 33 may face the second region 15 across a portion of the body region 32 in the stacking direction.
- the multiple source regions 33 may be formed at intervals from the second region 15 to the second drift region 17 side (gate structure 35 side) so as not to face the second region 15 in the stacking direction.
- the plurality of contact regions 34 have a p-type impurity concentration (peak value) higher than the p-type impurity concentration (peak value) of the plurality of body regions 32.
- the p-type impurity concentration (peak value) of the plurality of contact regions 34 is higher than the p-type impurity concentration (peak value) of the plurality of second regions 15.
- the plurality of contact regions 34 may have a p-type impurity concentration (peak value) of 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or more and 1 ⁇ 10 21 cm ⁇ 3 or less as a peak value.
- the multiple contact regions 34 may face the second drift region 17 across a portion of the body region 32 in the stacking direction.
- the multiple contact regions 34 may be formed at intervals from the second drift region 17 toward the second region 15 so as not to face the second drift region 17 in the stacking direction.
- the bottom of the well region 78 is located closer to the lower end of the second layer 9 than the bottom wall of the gate structure 35. It is preferable that the bottom of the well region 78 is located closer to the outer circumferential surface 72 than the second lower ends 15a of the second regions 15. It is particularly preferable that the bottom of the well region 78 is located closer to the outer circumferential surface 72 than the intermediate portions of the thickness ranges of the second regions 15.
- the multiple field regions 38 are arranged at intervals from the periphery of the active surface 71 (first to fourth connection surfaces 73A to 73D) and the periphery of the chip 2 (first to fourth side surfaces 5A to 5D). Specifically, the multiple field regions 38 are arranged at intervals from the well region 78 to the periphery side of the outer circumferential surface 72.
- the multiple field regions 38 extend in a band shape along the active surface 71 in a plan view, and are formed in a ring shape (specifically, a square ring shape) surrounding the active surface 71.
- the multiple field regions 38 are formed at intervals from the bottom of the second layer 9 toward the outer circumferential surface 72, and face the first layer 8 with a part of the second layer 9 in between.
- the multiple field regions 38 are located closer to the lower end of the second layer 9 than the bottom of the gate structure 35.
- the first insulating film 41 covers the well region 78 and the multiple field regions 38 on the outer peripheral surface 72.
- the first insulating film 41 is continuous with the first to fourth side surfaces 5A to 5D.
- the first insulating film 41 may be formed at a distance inward from the periphery of the outer peripheral surface 72, exposing the second layer 9 from the periphery of the outer peripheral surface 72.
- the first insulating film 41 covers the well region 78 on the first to fourth connection surfaces 73A to 73D.
- the second insulating film 42 selectively covers the active surface 71, the outer peripheral surface 72, and the first to fourth connection surfaces 73A to 73D, sandwiching the first insulating film 41 between them.
- the second insulating film 42 covers the multiple gate structures 35 in the active region 10.
- the second insulating film 42 covers the multiple field regions 38 and well regions 78 in the outer peripheral region 11, sandwiching the first insulating film 41 between them.
- the second insulating film 42 is continuous with the first to fourth side surfaces 5A to 5D.
- the second insulating film 42 may be formed at a distance inward from the periphery of the outer peripheral surface 72, and the second layer 9 may be exposed from the periphery of the outer peripheral surface 72 together with the first insulating film 41.
- the SiC semiconductor device 1A includes a plurality of contact openings 43 formed in the interlayer insulating film 40.
- the plurality of contact openings 43 include a plurality of contact openings 43 (not shown) that expose a plurality of gate structures 35 (buried electrodes 77), and a plurality of contact openings 43 that expose a plurality of source regions 33.
- the plurality of contact openings 43 for the source regions 33 are formed in the regions between the plurality of adjacent gate structures 35, and expose the plurality of source regions 33 and the plurality of contact regions 34.
- the SiC semiconductor device 1B includes a sidewall structure 79 disposed in the interlayer insulating film 40 so as to cover at least one of the first to fourth connection surfaces 73A to 73D.
- the sidewall structure 79 is disposed on the first insulating film 41 and is covered by the second insulating film 42.
- the sidewall structure 79 reduces the step formed between the active surface 71 and the outer peripheral surface 72.
- the sidewall structure 79 is formed in a band shape extending along at least one of the first to fourth connection surfaces 73A to 73D.
- the sidewall structure 79 is formed in a ring shape (specifically, a square ring shape) extending along the first to fourth connection surfaces 73A to 73D so as to surround the active surface 71 in a plan view.
- the sidewall structure 79 may have a portion that extends in a film-like manner along the outer peripheral surface 72, and a portion that extends in a film-like manner along the first to fourth connection surfaces 73A to 73D.
- the sidewall structure 79 is formed at a distance from the innermost field region 38 toward the active surface 71, and faces the well region 78 in the horizontal direction and stacking direction, sandwiching the first insulating film 41 therebetween.
- the sidewall structure 79 may face the body region 32, sandwiching the first insulating film 41 therebetween.
- the SiC semiconductor device 1B includes a gate pad 45, a plurality of gate wirings 46, a source pad 47, and a drain pad 48.
- the drain pad 48 is formed in the same manner as in the first embodiment.
- the gate pad 45 is disposed on the active surface 71 at a distance from the outer peripheral surface 72 in a plan view.
- the gate pad 45 is disposed in a region close to the center of one side of the active surface 71 (the second connection surface 73B in this embodiment) in a plan view.
- the gate pad 45 may also be disposed at a corner of the active surface 71 or in the center of the active surface 71 in a plan view.
- the multiple gate wirings 46 are arranged on the active surface 71 at a distance from the outer peripheral surface 72 in a plan view.
- the multiple gate wirings 46 include a first gate wiring 46A and a second gate wiring 46B.
- the first gate wiring 46A is pulled out from the gate pad 45 toward the first connection surface 73A and extends in a line along the periphery of the active surface 71 so as to intersect (specifically, perpendicular to) a portion (specifically, one end) of the multiple gate structures 35.
- the first gate wiring 46A penetrates the interlayer insulating film 40 via the multiple contact openings 43 and is electrically connected to one end of the multiple gate structures 35 (buried electrodes 77).
- the second gate wiring 46B is pulled out from the gate pad 45 toward the third connection surface 73C and extends in a line along the periphery of the active surface 71 so as to intersect (specifically, perpendicular to) a portion (specifically, the other end) of the multiple gate structures 35.
- the second gate wiring 46B penetrates the interlayer insulating film 40 via the multiple contact openings 43 and is electrically connected to the other end of the multiple gate structures 35 (buried electrodes 77).
- the source pad 47 is disposed on the active surface 71 at a distance from the outer peripheral surface 72 in a plan view.
- the source pad 47 penetrates the interlayer insulating film 40 via a plurality of contact openings 43, and is electrically connected to the body region 32, the plurality of source regions 33, and the plurality of contact regions 34. In other words, the source pad 47 is electrically connected to the column region 12 via the body region 32.
- FIG. 49 is a cross-sectional perspective view showing a gate structure 35 according to the second embodiment.
- the multiple gate structures 35 according to the first embodiment described above were arranged shifted from the column region 12 (multiple second regions 15) toward the multiple second drift regions 17.
- the multiple gate structures 35 according to the second embodiment are arranged so as to overlap the multiple second regions 15 in the stacking direction.
- the multiple gate structures 35 overlap the multiple second regions 15 in a one-to-one correspondence in the stacking direction.
- the multiple gate structures 35 each have a bottom wall connected to a corresponding second region 15. Specifically, the multiple gate structures 35 are formed wider than the corresponding second region 15, and each have a bottom wall connected to the corresponding second region 15 and a side wall connected to the corresponding second drift region 17.
- the buried electrodes 77 face the corresponding second regions 15 across the insulating film 76 in the stacking direction, and face the corresponding second drift regions 17 across the insulating film 76 in the horizontal direction.
- the aforementioned multiple source regions 33 and multiple contact regions 34 each face the corresponding second drift regions 17 across a portion of the body region 32 in the stacking direction.
- FIG. 50 is a cross-sectional perspective view showing a gate structure 35 according to a third embodiment.
- the multiple gate structures 35 according to the third embodiment each have a layout that does not require consideration of misalignment with respect to the multiple second regions 15.
- the multiple gate structures 35 may face the multiple first regions 14 in a one-to-one correspondence in the stacking direction. Of course, each gate structure 35 may face the multiple first regions 14 in the stacking direction. The multiple gate structures 35 may face the multiple first drift regions 16 in a one-to-one correspondence in the stacking direction.
- each gate structure 35 may face multiple first drift regions 16 in the stacking direction.
- the multiple gate structures 35 may be arranged offset from the multiple first regions 14 in the first array direction Da1 and face either one or both of the first regions 14 and the first drift regions 16 in the stacking direction.
- the arrangement direction and extension direction of the multiple gate structures 35 are changed according to the first arrangement direction Da1 and first extension direction De1 of the multiple first regions 14. Therefore, the first arrangement direction Da1 may be the m-axis direction, and the first extension direction De1 may be the a-axis direction. Also, the first arrangement direction Da1 may be a direction other than the a-axis direction and the m-axis direction, and the first extension direction De1 may be a direction other than the a-axis direction and the m-axis direction.
- the arrangement direction of the multiple gate structures 35 may be a direction other than the first arrangement direction Da1 and the second arrangement direction D2.
- the extension direction of the multiple gate structures 35 may be a direction other than the first extension direction De1 and the second extension direction De2.
- the multiple gate structures 35 may intersect both the multiple first regions 14 and the multiple second regions 15 in a planar view.
- the angle (absolute value) between the extension direction of the gate structure 35 and the second extension direction De2 may be greater than 0° and less than 90°.
- the angle (absolute value) of the gate structure 35 may have a value belonging to any one of the ranges of greater than 0° and less than 18°, 18° or more and less than 36°, 36° or more and less than 54°, 54° or more and less than 72°, and 72° or more and less than 90°.
- the angle (absolute value) of the gate structure 35 may be set to a value belonging to any one of the ranges of 30° ⁇ 5°, 45° ⁇ 5°, and 60° ⁇ 5°.
- the buried electrode 77 faces the second regions 15 and the second drift regions 17 across the insulating film 76 in the stacking direction and horizontal direction.
- the source regions 33 and contact regions 34 described above face the second regions 15 and the second drift regions 17 across a portion of the body region 32 in the stacking direction.
- FIG. 51 is a cross-sectional perspective view showing a gate structure 35 according to the fourth embodiment.
- the multiple gate structures 35 according to the fourth embodiment each have a configuration that contributes to narrowing the pitch.
- the multiple gate structures 35 according to the fourth embodiment are particularly effective in realizing a narrower pitch in the column region 12 (multiple second regions 15).
- FIG. 51 shows an example in which the gate structure 35 according to the first embodiment described above is replaced with the gate structure 35 according to the fourth embodiment, but the configuration of the gate structure 35 according to the fourth embodiment is also applicable to the configurations of the gate structures 35 according to the second and third embodiments.
- the multiple gate structures 35 each include a trench 75, an insulating film 76, a buried electrode 77, and a buried insulator 80.
- the trench 75 has a form similar to that of the first embodiment.
- the insulating film 76 is formed at a distance from the first main surface 3 (active surface 71) to the bottom wall side of the trench 75, exposing a surface portion of the first main surface 3 (active surface 71) at the opening end of the trench 75. It is preferable that the upper end of the insulating film 76 is located on the first main surface 3 side relative to the intermediate depth range of the trench 75.
- the buried electrode 77 is buried in the trench 75 at a distance from the first main surface 3 (active surface 71) toward the bottom wall of the trench 75, and defines an open recess that is recessed toward the bottom wall of the trench 75 at the opening end of the trench 75.
- the buried electrode 77 exposes the surface portion of the first main surface 3 (active surface 71) and the upper end of the insulating film 76 at the opening end of the trench 75. It is preferable that the upper end of the buried electrode 77 is located on the first main surface 3 side relative to the middle part of the depth range of the trench 75.
- the upper end of the buried insulator 80 is preferably located on the first main surface 3 side relative to the intermediate portion of the depth range of the trench 75.
- the buried insulator 80 may include at least one of a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a silicon oxynitride film.
- the buried insulator 80 preferably includes a silicon oxide film.
- the aforementioned multiple source regions 33 are each formed in a region between multiple adjacent gate structures 35 in the surface layer portion of the first main surface 3 (active surface 71).
- the multiple source regions 33 are arranged at intervals along the multiple gate structures 35 so as to be connected to the multiple gate structures 35 located on both sides.
- the multiple source regions 33 arranged along one sidewall of the gate structure 35 face the multiple source regions 33 arranged along the other sidewall of the gate structure 35 in a one-to-one correspondence.
- the multiple source regions 33 are arranged in a matrix in a planar view.
- the multiple contact regions 34 on one side may face the regions between the multiple source regions 33 on the other side (i.e., the multiple source regions 33) in a one-to-one correspondence.
- the multiple contact regions 34 may be arranged in a staggered pattern in a planar view.
- the multiple contact regions 34 have portions exposed from the sidewall of the trench 75 at the opening end of the trench 75, and face the buried electrode 77 and the buried insulator 80 with the insulating film 76 between them.
- the first insulating film 41 covers the peripheral portion of the active surface 71 and exposes the multiple gate structures 35 collectively in the inner portion of the active surface 71. Specifically, the first insulating film 41 is connected to the insulating film 76 at both ends of the multiple gate structures 35, exposing the buried electrodes 77. The first insulating film 41 also covers the outer peripheral surface 72 and the first to fourth connection surfaces 73A to 73D in the same manner as in the first embodiment.
- the second insulating film 42 selectively covers the active surface 71, the outer peripheral surface 72, and the first to fourth connection surfaces 73A to 73D across the first insulating film 41.
- the second insulating film 42 covers the peripheral portion of the active surface 71, exposing the multiple gate structures 35 collectively at the inner portion of the active surface 71.
- the second insulating film 42 penetrates into the trench 75 from above the first main surface 3 (active surface 71) at both ends of the multiple gate structures 35, and is connected to the buried insulator 80 within the trench 75.
- the aforementioned gate pad 45, the aforementioned multiple gate wirings 46, and the aforementioned drain pad 48 have the same configuration as in the first embodiment.
- the aforementioned source pad 47 penetrates into the single contact opening 43 from above the interlayer insulating film 40, and collectively covers the inner parts (buried insulator 80) of the multiple gate structures 35, the multiple source regions 33, and the multiple contact regions 34 within the single contact opening 43.
- the source pad 47 is electrically insulated from the multiple gate structures 35 (buried electrodes 77) by the buried insulator 80, and is electrically connected to the multiple source regions 33 and multiple contact regions 34 at the first main surface 3 (active surface 71).
- the source pad 47 has a buried portion buried in the trench 75. The buried portion of the source pad 47 faces the buried electrode 77 within the trench 75 with the buried insulator 80 in between, and is electrically connected to the multiple source regions 33 and multiple contact regions 34 at the opening end of the trench 75.
- the multiple gate structures 35 each include a trench 75, an insulating film 76, a buried electrode 77, and a buried insulator 80.
- the trench 75 has a similar configuration to that of the first embodiment.
- the insulating film 76 includes an upper insulating film 81 and a lower insulating film 82.
- the upper insulating film 81 may include a silicon oxide film. It is preferable that the upper insulating film 81 includes a silicon oxide film made of an oxide of the chip 2.
- the upper insulating film 81 may have a thickness of 1 nm or more and 100 nm or less. The thickness of the upper insulating film 81 may have a value that belongs to any one of the following ranges: 1 nm or more and 25 nm or less, 25 nm or more and 50 nm or less, 50 nm or more and 75 nm or less, and 75 nm or more and 100 nm or less.
- the lower insulating film 82 covers the wall surface on the bottom wall side of the trench 75 relative to the bottom of the body region 32.
- the lower insulating film 82 covers the second drift region 17.
- the coverage area of the lower insulating film 82 relative to the second drift region 17 is larger than the coverage area of the upper insulating film 81 relative to the body region 32.
- the lower insulating film 82 may include a silicon oxide film.
- the lower insulating film 82 may include a silicon oxide film made of an oxide of the chip 2, or may include a silicon oxide film formed by a CVD method.
- the lower insulating film 82 has a thickness greater than that of the upper insulating film 81.
- the thickness of the lower insulating film 82 is preferably 10 to 50 times the thickness of the upper insulating film 81.
- the lower insulating film 82 may have a thickness of 100 nm or more and 500 nm or less.
- the thickness of the lower insulating film 82 may have a value that belongs to any one of the following ranges: 100 nm or more and 150 nm or less, 150 nm or more and 200 nm or less, 200 nm or more and 250 nm or less, 250 nm or more and 300 nm or less, 300 nm or more and 350 nm or less, 350 nm or more and 400 nm or less, 400 nm or more and 450 nm or less, and 450 nm or more and 500 nm or less.
- the aforementioned multiple source regions 33 have portions exposed from the sidewall of trench 75 at the opening end of trench 75, and face upper electrode 83 and buried insulator 80 across upper insulating film 81.
- the aforementioned multiple contact regions 34 have portions exposed from the sidewall of trench 75 at the opening end of trench 75, and face upper electrode 83 and buried insulator 80 across upper insulating film 81.
- the interlayer insulating film 90 has a contact opening 91 that exposes the active region 10.
- the contact opening 91 has an opening wall surface positioned above the innermost field region 38, exposing the entire active region 10 and the inner edge of the innermost field region 38.
- the width of the surface region 95 may be greater than the width of the multiple first regions 14, and the pitch of the surface region 95 may be less than the pitch of the multiple first regions 14.
- the width of the surface region 95 may be greater than the width of the multiple first regions 14, and the pitch of the surface region 95 may be greater than the pitch of the multiple first regions 14.
- the width of the multiple surface regions 95 may be approximately equal to the width of the multiple first regions 14.
- the pitch of the multiple surface regions 95 may be approximately equal to the pitch of the multiple first regions 14.
- the multiple surface regions 95 are arranged at intervals in the first arrangement direction Da1 of the first region 14 and extend in the first extension direction De1 of the first region 14.
- the first arrangement direction Da1 is the m-axis direction
- the first extension direction De1 is the a-axis direction.
- the arrangement direction and extension direction of the multiple surface regions 95 are changed according to the first arrangement direction Da1 and first extension direction De1 of the multiple first regions 14. Therefore, the first arrangement direction Da1 may be the a-axis direction, and the first extension direction De1 may be the m-axis direction.
- the first arrangement direction Da1 may be a direction other than the a-axis direction and the m-axis direction
- the first extension direction De1 may be a direction other than the a-axis direction and the m-axis direction.
- the base layer 6, the first layer 8, the second layer 9, the buffer layer 26, and the top layer 30 each contain a SiC single crystal.
- at least one or all of the base layer 6, the first layer 8, the second layer 9, the buffer layer 26, and the top layer 30 may contain a single crystal of a wide band gap semiconductor other than a SiC single crystal.
- a wide band gap semiconductor is a semiconductor having a band gap larger than that of silicon.
- Examples of single crystals of wide band gap semiconductors include silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN), diamond (C), and gallium oxide (Ga 2 O 3 ).
- the base layer 6, the first layer 8, the second layer 9, the buffer layer 26, and the top layer 30 may be made of the same type of single crystal or different types of single crystals.
- the aforementioned channeling injection process (the process of injecting impurities into regions with sparse atomic rows) can also be applied to single crystals that form a cubic crystal.
- the single crystal of the wide band gap semiconductor may be a cubic crystal or a hexagonal crystal.
- these axial channels are formed by regions surrounded by atomic rows that are aligned along the low-index crystal axes of the cubic crystal axes.
- the low-index crystal axis of a cubic crystal is a crystal axis in which the absolute values of "h", "k” and “l” in the Miller indices (h, k, l) are all 2 or less (preferably 1 or less).
- the base layer 6, the first layer 8, the second layer 9, the buffer layer 26 and the top layer 30 may contain single crystal silicon.
- an n-type base layer 6 is shown.
- a p-type base layer 6 may be adopted.
- an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) structure is formed instead of the MISFET structure.
- the "source” of the MISFET structure is replaced with the "emitter” of the IGBT structure, and the "drain” of the MISFET structure is replaced with the "collector” of the IGBT structure.
- the p-type base layer 6 may be a p-type region containing a trivalent element introduced into the surface layer of the second main surface 4 of the chip 2 by ion implantation.
- a semiconductor device (1A, 1B, 1C) including a first layer (8) of a first conductivity type (n type) including a semiconductor single crystal and having a first axial channel (CH1) along the stacking direction, a second layer (9) of a first conductivity type (n type) including a semiconductor single crystal and having a second axial channel (CH2) along the stacking direction and stacked on the first layer (8), a first region (14) of a second conductivity type (p type) extending along the first axial channel (CH1) in the first layer (8) in a cross-sectional view and extending in a first extension direction (De1) in a planar view, and a second region (15) of a second conductivity type (p type) extending along the second axial channel (CH2) in the second layer (9) in a cross-sectional view and extending in a second extension direction (De2) intersecting the first extension direction (De1) so as to intersect the first region (14) in a planar view.
- p-type second conductivity type
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Abstract
SiC半導体装置は、積層方向に沿う第1軸チャネルを有する第1導電型の第1SiC層と、前記積層方向に沿う第2軸チャネルを有し、前記第1SiC層の上に積層された第1導電型の第2SiC層と、断面視において前記第1SiC層内で前記第1軸チャネルに沿って延び、平面視において第1延在方向に延びる第2導電型の第1領域と、断面視において前記第2SiC層内で前記第2軸チャネルに沿って延び、平面視において前記第1領域に交差するように前記第1延在方向に交差する第2延在方向に延びる第2導電型の第2領域と、を含む。
Description
この出願は、2022年12月28日に日本国特許庁に提出された特許出願2022-212609号に基づく優先権を主張しており、この出願の全開示はここに引用により組み込まれる。本開示は、SiC半導体装置に関する。
特許文献1(US2015/0028351A1)は、チャネリング注入法によって炭化ケイ素層に導入された不純物領域を有する電子デバイスを開示している。
[概要]
本開示は、新規なSiC半導体装置を提供する。
本開示は、新規なSiC半導体装置を提供する。
本開示は、積層方向に沿う第1軸チャネルを有する第1導電型の第1SiC層と、前記積層方向に沿う第2軸チャネルを有し、前記第1SiC層の上に積層された第1導電型の第2SiC層と、断面視において前記第1SiC層内で前記第1軸チャネルに沿って延び、平面視において第1延在方向に延びる第2導電型の第1領域と、断面視において前記第2SiC層内で前記第2軸チャネルに沿って延び、平面視において前記第1領域に交差するように前記第1延在方向に交差する第2延在方向に延びる第2導電型の第2領域と、を含む、SiC半導体装置を提供する。
上述のまたはさらに他の目的、特徴および効果は、添付図面を参照する詳細な説明により明らかにされる。
[詳細な説明]
以下、添付図面を参照して、具体的な形態が詳細に説明される。添付図面は、いずれも模式図であり、厳密に図示されたものではなく、相対的な位置関係、縮尺、比率、角度等は必ずしも一致しない。添付図面の間で対応する構造には同一の参照符号が付され、重複する説明は省略または簡略化される。説明が省略または簡略化された構造については、省略または簡略化される前になされた説明が適用される。
以下、添付図面を参照して、具体的な形態が詳細に説明される。添付図面は、いずれも模式図であり、厳密に図示されたものではなく、相対的な位置関係、縮尺、比率、角度等は必ずしも一致しない。添付図面の間で対応する構造には同一の参照符号が付され、重複する説明は省略または簡略化される。説明が省略または簡略化された構造については、省略または簡略化される前になされた説明が適用される。
この明細書において「ほぼ(substantially)」の文言が使用される場合、この文言は、比較対象の数値(形態)と等しい数値(形態)を含む他、比較対象の数値(形態)を基準とする±10%の範囲の数値誤差(形態誤差)も含む。以下の説明では「第1」、「第2」、「第3」等の文言が使用されるが、これらは説明順序を明確にするために各構造の名称に付された記号であり、各構造の名称を限定する趣旨で付されていない。
以下の説明では、「p型」または「n型」を用いて半導体(不純物)の導電型が示されるが、「p型」が「第1導電型」と称され、「n型」が「第2導電型」と称されてもよい。むろん、「n型」が「第1導電型」と称され、「p型」が「第2導電型」と称されてもよい。「p型」は3価元素に起因する導電型であり、「n型」は5価元素に起因する導電型である。3価元素は、特に言及されない限り、ホウ素、アルミニウム、ガリウムおよびインジウムのうちの少なくとも1種である。5価元素は、特に言及されない限り、窒素、リン、ヒ素、アンチモンおよびビスマスのうちの少なくとも1種である。
図1は、第1形態に係るSiC半導体装置1Aを示す平面図である。図2は、図1に示すII-II線に沿う断面図である。図3は、チップ2のレイアウト例を示す平面図である。図4は、チップ2のレイアウト例を示す斜視図である。図5は、チップ2の一要部をコラム領域12の第1基本形態と共に示す断面斜視図である。
図1~図5を参照して、SiC半導体装置1Aは、SiC単結晶を含むチップ2を含む。チップ2は、「SiCチップ」または「半導体チップ」と称されてもよい。チップ2は、この形態(this embodiment)では、六方晶のSiC単結晶からなり、直方体形状に形成されている。六方晶のSiC単結晶は、2H(Hexagonal)-SiC単結晶、4H-SiC単結晶、6H-SiC単結晶等を含む複数種のポリタイプを有している。この形態では、チップ2が4H-SiC単結晶からなる例が示されるが、チップ2は他のポリタイプからなっていてもよい。
チップ2は、一方側の第1主面3、他方側の第2主面4、ならびに、第1主面3および第2主面4を接続する第1~第4側面5A~5Dを有している。第1主面3および第2主面4は、鉛直方向Zから見た平面視(以下、単に「平面視」という。)において四角形状に形成されている。鉛直方向Zは、チップ2の厚さ方向や第1主面3(第2主面4)の法線方向でもある。第1主面3および第2主面4は、平面視において正方形状または長方形状に形成されていてもよい。
第1主面3および第2主面4は、SiC単結晶のc面によって形成されていることが好ましい。この場合、第1主面3はSiC単結晶のシリコン面((0001)面)によって形成され、第2主面4はSiC単結晶のカーボン面((000ー1)面)によって形成されていることが好ましい。
第1側面5Aを起点とするチップ2の周方向(図1では反時計回り)に関して、第2側面5Bは第1側面5Aに接続され、第3側面5Cは第2側面5Bに接続され、第4側面5Dは第1側面5Aおよび第3側面5Cに接続されている。第1側面5Aおよび第3側面5Cは、第1主面3に沿う第1方向Xに延び、第1方向Xに交差(具体的には直交)する第2方向Yに対向している。第2側面5Bおよび第4側面5Dは、第2方向Yに延び、第1方向Xに対向している。
この形態では、第1方向XがSiC単結晶のm軸方向([1-100]方向)であり、第2方向YがSiC単結晶のa軸方向([11-20]方向)である。むろん、第1方向XがSiC単結晶のa軸方向であり、第2方向YがSiC単結晶のm軸方向であってもよい。
第1方向Xおよび第2方向Yを含むXY平面は、鉛直方向Zに直交する水平面を形成する。以下では、鉛直方向Zに沿って延びる軸が「鉛直軸」と表現されることがある。また、以下では、第1方向Xおよび第2方向Yが「水平方向」と表現されることがある。水平方向は、第1主面3に沿って延びる方向でもある。
図5を参照して、チップ2(第1主面3および第2主面4)は、SiC単結晶のc面に対して所定のオフ方向Doffに所定の角度で傾斜したオフ角θoffを有している。つまり、SiC単結晶のc軸((0001)軸)は、鉛直軸からオフ方向Doffに向けてオフ角θoff分だけ傾斜している。また、SiC単結晶のc面は、水平面に対してオフ角θoff分だけ傾斜している。
オフ方向Doffは、SiC単結晶のa軸方向(つまり第2方向Y)であることが好ましい。オフ角θoffは、0°を超えて10°以下であってもよい。オフ角θoffは、0°を超えて1°以下、1°以上2.5°以下、2.5°以上5°以下、5°以上7.5°以下、および、7.5°以上10°以下のいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。
オフ角θoffは、5°以下であることが好ましい。オフ角θoffは、2°以上4.5°以下であることが特に好ましい。オフ角θoffは、典型的には、4°±0.1°の範囲に設定される。むろん、この明細書は、オフ角θoffが0°である形態(つまり、第1主面3がc面に対してジャスト面である形態)を除外しない。
チップ2は、SiC単結晶からなるn型のベース層6を含む。ベース層6は、「ベースSiC層」、「ベース領域」等と称されてもよい。ベース層6は、水平方向に層状に延び、第2主面4および第1~第4側面5A~5Dの一部を形成している。ベース層6は、この形態では、SiC単結晶製の基板(つまりSiC基板)からなる。ベース層6は、前述のオフ方向Doffおよびオフ角θoffを有している。
ベース層6は、積層方向に沿うベース軸チャネルCHBを有している。ベース軸チャネルCHBは、ベース層6を構成するSiC単結晶に関して原子間距離(原子間隔)が比較的広い領域(チャネル)であり、積層方向(結晶成長方向)に延びる結晶軸を構成する原子列によって取り囲まれている。
つまり、ベース軸チャネルCHBは、原子列が疎である領域が積層方向に延在し、平面視において水平方向の原子列(原子間距離/原子密度)が疎である領域である。ベース軸チャネルCHBは、結晶軸のうち低指数結晶軸に沿う原子列によって取り囲まれた領域であることが好ましい。低指数結晶軸は、ミラー指数(a1、a2、a3、c)に関して、「a1」、「a2」、「a3」および「c」の絶対値がいずれも2以下(好ましくは1以下)で表現される結晶軸である(以下、この明細書において同じ)。
ベース軸チャネルCHBは、この形態では、SiC単結晶のc軸((0001)軸)に沿う原子列によって取り囲まれた領域からなる。つまり、ベース軸チャネルCHBは、c軸に沿って延び、前述のオフ方向Doffおよびオフ角θoffを有している。換言すると、ベース軸チャネルCHBは、鉛直軸からオフ方向Doffに向けてオフ角θoff分だけ傾斜している。
ベース層6は、1×1018cm-3以上1×1021cm-3以下のn型不純物濃度をピーク値として有していてもよい。ベース層6は、厚さ方向にほぼ一定のn型不純物濃度を有していることが好ましい。ベース層6のn型不純物濃度は、単一種の5価元素によって調整されていることが好ましい。ベース層6のn型不純物濃度は、リン以外の5価元素によって調整されていることが特に好ましい。ベース層6のn型不純物濃度は、この形態では、窒素によって調整されている。
ベース層6は、ベース厚さTBを有している。ベース厚さTBは、5μm以上300μm以下であってもよい。ベース厚さTBは、5μm以上50μm以下、50μm以上100μm以下、100μm以上150μm以下、150μm以上200μm以下、200μm以上250μm以下、および、250μm以上300μm以下のいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。ベース厚さTBは、50μm以上250μm以下であることが好ましい。
チップ2は、ベース層6の上に積層された積層部7を含む。積層部7は、「半導体層」、「SiC層」、「SiC積層部」、「半導体積層部」等と称されてもよい。積層部7は、SiC単結晶からなる複数(2層以上)の半導体層が積層された積層構造を有している。複数の半導体層は、この形態では、スーパージャンクション構造SJの形成層として設けられている。複数の半導体層(スーパージャンクション構造SJ)の積層数は任意であり、達成すべき電気的特性に応じて適宜調節される。耐圧値(ブレークダウン電圧)や抵抗値等が電気的特性として例示される。
複数の半導体層(スーパージャンクション構造SJ)の積層数は、典型的には、2層以上5層以下(2層、3層、4層または5層)である。積層部7は、この形態では、SiC単結晶製のn型の第1層8およびSiC単結晶製のn型の第2層9を含む2層構造を有している。第1層8は「第1SiC層」、「第1半導体層」等と称されてもよい。第2層9は「第2SiC層」、「第2半導体層」等と称されてもよい。
第1層8は、ベース層6の上に積層されている。第1層8は、水平方向に層状に延び、チップ2の中間部および第1~第4側面5A~5Dの一部を形成している。第1層8は、ベース層6を起点に結晶成長されたエピタキシャル層(つまりSiCエピタキシャル層)からなる。
第1層8は、下端および上端を有している。第1層8の下端は結晶成長起点であり、第1層8の上端は結晶成長終点である。第1層8はベース層6から連続的に結晶成長されているため、第1層8の下端はベース層6の上端に一致している。ベース層6および第1層8の間の境界部は必ずしも視認できるものではなく、他の構成や要素から間接的に評価および/または判定され得る。第1層8は、ベース層6のオフ方向Doffおよびオフ角θoffにほぼ一致したオフ方向Doffおよびオフ角θoffを有している。
第1層8は、積層方向に沿う第1軸チャネルCH1を有している。第1軸チャネルCH1は、第1層8を構成するSiC単結晶に関して原子間距離(原子間隔)が比較的広い領域(チャネル)であり、積層方向(結晶成長方向)に延びる結晶軸に沿う原子列によって取り囲まれている。
つまり、第1軸チャネルCH1は、原子列が疎である領域が積層方向に延在し、平面視において水平方向の原子列(原子間距離/原子密度)が疎である領域である。第1軸チャネルCH1は、結晶軸のうち低指数結晶軸に沿う原子列によって取り囲まれた領域であることが好ましい。
第1軸チャネルCH1は、この形態では、SiC単結晶のc軸に沿う原子列によって取り囲まれた領域からなる。つまり、第1軸チャネルCH1は、c軸に沿って延び、オフ方向Doffおよびオフ角θoffを有している。換言すると、第1軸チャネルCH1は、鉛直軸からオフ方向Doffに向けてオフ角θoff分だけ傾斜している。
第1層8のn型不純物濃度は、ベース層6のn型不純物濃度未満であることが好ましい。第1層8は、1×1015cm-3以上1×1018cm-3以下のn型不純物濃度をピーク値として有していてもよい。第1層8のn型不純物濃度は、厚さ方向にほぼ一定であってもよい。むろん、第1層8のn型不純物濃度は、積層方向(結晶成長方向)に向けて漸増および/または漸減する濃度勾配を有していてもよい。
第1層8は、少なくとも1種の5価元素によって調整されたn型不純物濃度を有している。たとえば、第1層8のn型不純物濃度は、窒素、リン、ヒ素、アンチモンおよびビスマスのうちの少なくとも1種によって調節されていてもよい。第1層8は、リン以外の5価元素を含むことが好ましい。
第1層8のn型不純物濃度は、少なくとも窒素によって調整されていることが好ましい。第1層8が2種以上の5価元素を含む場合、第1層8は、窒素および窒素以外の5価元素を含むことが好ましい。この場合、第1層8は、リンおよび窒素以外の5価元素として、ヒ素およびアンチモンのいずれか一方または双方を含むことが好ましい。
第1層8は、第1厚さT1を有している。第1厚さT1は、ベース厚さTB未満であることが好ましい。第1厚さT1は、1μm以上であることが好ましい。第1厚さT1は、5μm以下であることが好ましい。第1厚さT1は、1μm以上1.5μm以下、1.5μm以上2μm以下、2μm以上2.5μm以下、2.5μm以上3μm以下、3μm以上3.5μm以下、3.5μm以上4μm以下、4μm以上4.5μm以下、および、4.5μm以上5μm以下のいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。
第2層9は、第1層8の上に積層されている。第2層9は、水平方向に層状に延び、第1主面3を形成し、第1~第4側面5A~5Dの一部を形成している。第2層9は、第1層8を起点に結晶成長されたエピタキシャル層(つまりSiCエピタキシャル層)からなる。
第2層9は、下端および上端を有している。第2層9の下端は結晶成長起点であり、第2層9の上端は結晶成長終点である。第2層9は第1層8から連続的に結晶成長されているため、第2層9の下端は第1層8の上端に一致している。第1層8および第2層9の間の境界部は必ずしも視認できるものではなく、他の構成や要素から間接的に評価および/または判定され得る。第2層9は、第1層8のオフ方向Doffおよびオフ角θoffにほぼ一致したオフ方向Doffおよびオフ角θoffを有している。
第2層9は、積層方向に沿う第2軸チャネルCH2を有している。第2軸チャネルCH2は、第2層9を構成するSiC単結晶に関して原子間距離(原子間隔)が比較的広い領域(チャネル)であり、積層方向(結晶成長方向)に延びる結晶軸に沿う原子列によって取り囲まれている。
つまり、第2軸チャネルCH2は、原子列が疎である領域が積層方向に延在し、平面視において水平方向の原子列(原子間距離/原子密度)が疎である領域である。第2軸チャネルCH2は、結晶軸のうち低指数結晶軸に沿う原子列によって取り囲まれた領域であることが好ましい。
第2軸チャネルCH2は、この形態では、SiC単結晶のc軸に沿う原子列によって取り囲まれた領域からなる。つまり、第2軸チャネルCH2は、c軸に沿って延び、オフ方向Doffおよびオフ角θoffを有している。換言すると、第2軸チャネルCH2は、鉛直軸からオフ方向Doffに向けてオフ角θoff分だけ傾斜している。
第2層9のn型不純物濃度は、ベース層6のn型不純物濃度未満であることが好ましい。第2層9は、1×1015cm-3以上1×1018cm-3以下のn型不純物濃度をピーク値として有していてもよい。第2層9のn型不純物濃度は、厚さ方向にほぼ一定であってもよい。むろん、第2層9のn型不純物濃度は、積層方向(結晶成長方向)に向けて漸増および/または漸減する濃度勾配を有していてもよい。
第2層9のn型不純物濃度は、第1層8のn型不純物濃度とほぼ等しいことが好ましい。むろん、第2層9のn型不純物濃度は、第1層8のn型不純物濃度と異なっていてもよい。この場合、第2層9のn型不純物濃度(ピーク値)は、第1層8のn型不純物濃度(ピーク値)よりも高くてもよいし、第1層8のn型不純物濃度(ピーク値)未満であってもよい。
第2層9は、少なくとも1種の5価元素によって調整されたn型不純物濃度を有している。たとえば、第2層9のn型不純物濃度は、窒素、リン、ヒ素、アンチモンおよびビスマスのうちの少なくとも1種によって調節されていてもよい。第2層9は、リン以外の5価元素を含むことが好ましい。
第2層9のn型不純物濃度は、少なくとも窒素によって調整されていることが好ましい。第2層9が2種以上の5価元素を含む場合、第2層9は、窒素および窒素以外の5価元素を含むことが好ましい。この場合、第2層9は、リンおよび窒素以外の5価元素として、ヒ素およびアンチモンのいずれか一方または双方を含むことが好ましい。
第2層9は、第2厚さT2を有している。第2厚さT2は、ベース厚さTB未満であることが好ましい。第2厚さT2は、第1厚さT1とほぼ等しくてもよいし、第1厚さT1とは異なっていてもよい。第2厚さT2は、第1厚さT1よりも大きくてもよいし、第1厚さT1未満であってもよい。
第2厚さT2は、1μm以上であることが好ましい。第2厚さT2は、5μm以下であることが好ましい。第2厚さT2は、1μm以上1.5μm以下、1.5μm以上2μm以下、2μm以上2.5μm以下、2.5μm以上3μm以下、3μm以上3.5μm以下、3.5μm以上4μm以下、4μm以上4.5μm以下、および、4.5μm以上5μm以下のいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。
SiC半導体装置1Aは、チップ2に設定された活性領域10を含む。活性領域10は、平面視においてチップ2の周縁(第1~第4側面5A~5D)から間隔を空けてチップ2の内方部に設定されている。活性領域10は、平面視においてチップ2の周縁に平行な4辺を有する多角形状(この形態では四角形状)に設定されている。活性領域10の平面積は、第1主面3の平面積の50%以上90%以下であることが好ましい。
SiC半導体装置1Aは、チップ2において活性領域10外に設定された外周領域11を含む。外周領域11は、平面視においてチップ2の周縁および活性領域10の間の領域に設けられている。外周領域11は、平面視において活性領域10に沿って帯状に延び、活性領域10を取り囲む多角環状(この形態では四角環状)に設定されている。
SiC半導体装置1Aは、活性領域10において積層部7に形成されたp型のコラム領域12を含む。コラム領域12は、「コラム層」、「ピラー層(領域)」、「p型層(領域)」、「p型ゾーン」等と称されてもよい。コラム領域12は、積層部7内において立体格子状に形成され、積層部7の一部からなる立体格子状のn型のドリフト領域13を区画している。
コラム領域12は、積層部7を構成する複数の半導体層のうちの少なくとも1つの半導体層に形成され、積層部7内においてドリフト領域13とスーパージャンクション構造SJを形成している。コラム領域12は、この形態では、p型の複数の第1領域14およびp型の複数の第2領域15を含む積層構造を有している。
複数の第1領域14は、第1層8内において水平方向に間隔を空けて形成され、第1層8の一部からそれぞれなるn型の複数の第1ドリフト領域16を区画している。複数の第1領域14は、複数の第1ドリフト領域16と共にチャージバランスを有する複数の第1pn接合部を形成している。
つまり、複数の第1領域14は、複数の第1ドリフト領域16と第1スーパージャンクション構造SJ1を構成している。チャージバランスを有する状態は、互いに隣り合う複数の第1領域14に関して、一方の第1pn接合部から拡がる空乏層、および、他方の第1pn接合部から拡がる空乏層が、複数の第1ドリフト領域16内で接続される状態を意味する。
複数の第1領域14は、第1層8内において第1配列方向Da1に間隔を空けて配列され、第1延在方向De1に延びる帯状にそれぞれ形成されている。第1延在方向De1は、第1配列方向Da1に交差または直交する方向である。つまり、複数の第1領域14は第1延在方向De1に延びるストライプ状に形成され、複数の第1ドリフト領域16は第1延在方向De1に延びるストライプ状に形成されている。
複数の第1領域14は、断面視において第1層8内で第1軸チャネルCH1に沿って延びるチャネリング領域(第1チャネリング領域)からなる。つまり、第1領域14は、第1層8内において低指数結晶軸に沿う原子列によって取り囲まれた領域(第1軸チャネルCH1)に対して平行にまたはほぼ平行に導入された不純物領域であり、第1主面3に対して傾斜して延びている。
したがって、複数の第1領域14は、第1軸チャネルCH1のオフ方向Doffおよびオフ角θoffにほぼ一致したオフ方向Doffおよびオフ角θoffを有している。換言すると、複数の第1領域14は、鉛直軸からオフ方向Doffに向けてオフ角θoff分だけ傾斜している。
複数の第1領域14は、第1層8の下端側の第1下端部14aおよび第1層8の上端側の第1上端部14bをそれぞれ有している。第1下端部14aは第1層8の厚さ範囲中間部に対して第1層8の下端側の領域に位置され、第1上端部14bは第1層8の厚さ範囲中間部に対して第1層8の上端側の領域に位置されている。つまり、複数の第1領域14は、第1軸チャネルCH1に沿って第1層8の中間部を横切る厚さ(深さ)を有する単一の不純物領域からそれぞれなる。
第1下端部14aは、第1層8の下端から上端側に間隔を空けて形成され、第1層8の一部(下端部)を挟んでベース層6に対向していてもよい。第1下端部14aは、第1層8の下端とほぼ一致し、ベース層6に接続されていてもよい。
第1層8の下端および第1下端部14aの間の距離は、0μm以上2μm以下であってもよい。第1層8の下端および第1下端部14aの間の距離は、0μm以上0.5μm以下、0.5μm以上1μm以下、1μm以上1.5μm以下、および、1.5μm以上2μm以下のいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。
第1下端部14aは、ベース層6および第1層8の境界部を横切り、ベース層6内に位置する延部を有していてもよい。この場合、ベース層6の上端を基準とする第1下端部14aの延部の厚さは、0μmを超えて2μm以下であってもよい。第1下端部14aの延部の厚さは、0μmを超えて0.5μm以下、0.5μm以上1μm以下、1μm以上1.5μm以下、および、1.5μm以上2μm以下のいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。
第1上端部14bは、第1層8の上端(つまり第2層9)から下端側に間隔を空けて形成され、第1層8の一部(上端部)を挟んで第1層8の上端に対向していてもよい。第1上端部14bは、第1層8の上端とほぼ一致し、第2層9に接続されていてもよい。
第1層8の上端および第1上端部14bの間の距離は、0μm以上1μm以下であってもよい。第1層8の上端および第1上端部14bの間の距離は、0μm以上0.25μm以下、0.25μm以上0.5μm以下、0.5μm以上0.75μm以下、および、0.75μm以上1μm以下のいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。
複数の第1領域14は、1×1015cm-3以上1×1018cm-3以下のp型不純物濃度をピーク値として有していてもよい。第1領域14のp型不純物濃度は、少なくとも1種の3価元素によって調整されていることが好ましい。第1領域14のp型不純物濃度は、炭素よりも重たい重元素に属する3価元素によって調整されていることが特に好ましい。つまり、第1領域14は、ホウ素以外の3価元素(アルミニウム、ガリウムおよびインジウムのうちの少なくとも1種)を含むことが好ましい。第1領域14のp型不純物濃度は、この形態では、アルミニウムによって調整されている。
複数の第1領域14は、第1幅W1をそれぞれ有している。第1幅W1は、第1領域14の第1配列方向Da1に沿う幅である。第1幅W1は、第1層8の第1厚さT1未満であることが好ましい。むろん、第1幅W1は、第1厚さT1以上であってもよい。第1幅W1は、第2層9の第2厚さT2未満であることが好ましい。むろん、第1幅W1は、第2厚さT2以上であってもよい。
第1幅W1は、0.1μm以上5μm以下であってもよい。第1幅W1は、0.1μm以上0.25μm以下、0.25μm以上0.5μm以下、0.5μm以上0.75μm以下、0.75μm以上1μm以下、1μm以上1.5μm以下、1.5μm以上2μm以下、2μm以上2.5μm以下、2.5μm以上3μm以下、3μm以上3.5μm以下、3.5μm以上4μm以下、4μm以上4.5μm以下、および、4.5μm以上5μm以下のいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。第1幅W1は、0.5μm以上1.5μm以下であることが好ましい。
複数の第1領域14は、第1領域厚さTR1(第1領域深さ)をそれぞれ有している。第1領域厚さTR1は、第1層8の第1厚さT1未満であってもよい。第1領域厚さTR1は、第1厚さT1よりも大きくてもよい。第1領域厚さTR1は、第1厚さT1とほぼ等しくてもよい。第1領域厚さTR1は、第2層9の第2厚さT2未満であってもよい。第1領域厚さTR1は、第2厚さT2よりも大きくてもよい。第1領域厚さTR1は、第2厚さT2とほぼ等しくてもよい。
第1領域厚さTR1は、1μm以上であることが好ましい。第1領域厚さTR1は、5μm以下であることが好ましい。第1領域厚さTR1は、1μm以上1.5μm以下、1.5μm以上2μm以下、2μm以上2.5μm以下、2.5μm以上3μm以下、3μm以上3.5μm以下、3.5μm以上4μm以下、4μm以上4.5μm以下、および、4.5μm以上5μm以下のいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。
第1幅W1が第1層8の第1厚さT1未満であり、第1領域厚さTR1が第1幅W1よりも大きいことが好ましい。つまり、複数の第1領域14は、第1軸チャネルCH1に沿って縦長柱状に延びる第1アスペクト比TR1/W1をそれぞれ有していることが好ましい。第1アスペクト比TR1/W1は、第1幅W1に対する第1領域厚さTR1の比である。この場合、第1領域厚さTR1は、第1厚さT1よりも大きいことが特に好ましい。たとえば、第1アスペクト比TR1/W1は、1を超えて100以下であってもよい。
複数の第1領域14は、第1配列方向Da1に第1ピッチP1の間隔を空けて形成されている。第1ピッチP1は、第1層8の第1厚さT1未満であることが好ましい。むろん、第1ピッチP1は、第1厚さT1以上であってもよい。第1ピッチP1は、第2層9の第2厚さT2未満であることが好ましい。むろん、第1ピッチP1は、第2厚さT2以上であってもよい。
第1ピッチP1は、0.1μm以上5μm以下であってもよい。第1ピッチP1は、0.1μm以上0.25μm以下、0.25μm以上0.5μm以下、0.5μm以上0.75μm以下、0.75μm以上1μm以下、1μm以上1.5μm以下、1.5μm以上2μm以下、2μm以上2.5μm以下、2.5μm以上3μm以下、3μm以上3.5μm以下、3.5μm以上4μm以下、4μm以上4.5μm以下、および、4.5μm以上5μm以下のいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。第1ピッチP1は、0.5μm以上1.5μm以下であることが好ましい。
複数の第2領域15は、第2層9内において水平方向に間隔を空けて形成され、第2層9の一部からそれぞれなるn型の複数の第2ドリフト領域17を区画している。複数の第2領域15は、複数の第2ドリフト領域17と共にチャージバランスを有する複数の第2pn接合部を形成している。
つまり、複数の第2領域15は、第2層9と第2スーパージャンクション構造SJ2を構成している。チャージバランスを有する状態は、互いに隣り合う複数の第2領域15に関して、一方の第2pn接合部から拡がる空乏層、および、他方の第2pn接合部から拡がる空乏層が、複数の第2ドリフト領域17内で接続される状態を意味する。
複数の第2領域15は、積層方向に複数の第1領域14に重なるように第2層9内に形成されている。具体的には、複数の第2領域15は、第2層9内において第1配列方向Da1とは異なる第2配列方向Da2に間隔を空けて配列され、第1延在方向De1とは異なる第2延在方向De2に延びる帯状にそれぞれ形成されている。
第2配列方向Da2は第1配列方向Da1に交差する方向であり、第2延在方向De2は第1延在方向De1に交差する方向である。第2延在方向De2は、第2配列方向Da2に交差または直交する方向である。つまり、複数の第2領域15は第2延在方向De2に延びるストライプ状に形成され、複数の第2ドリフト領域17は第2延在方向De2に延びるストライプ状に形成されている。
複数の第2領域15は、平面視において複数の第1領域14に交差している。つまり、複数の第2ドリフト領域17は、第1層8および第2層9の境界部において複数の第1ドリフト領域16に格子状に接続され、複数の第1ドリフト領域16と共に1つの立体格子状のドリフト領域13を形成している。複数の第2ドリフト領域17は、複数の第1ドリフト領域16と共に立体格子状の電流経路を形成する。
複数の第2領域15は、断面視において第2層9内で第2軸チャネルCH2に沿って延びるチャネリング領域(第2チャネリング領域)からなる。つまり、第2領域15は、第2層9内において低指数結晶軸に沿う原子列によって取り囲まれた領域(第2軸チャネルCH2)に対して平行にまたはほぼ平行に導入された不純物領域であり、第1主面3に対して傾斜して延びている。
したがって、複数の第2領域15は、第2軸チャネルCH2のオフ方向Doffおよびオフ角θoffにほぼ一致したオフ方向Doffおよびオフ角θoffを有している。換言すると、複数の第2領域15は、鉛直軸からオフ方向Doffに向けてオフ角θoff分だけ傾斜している。
複数の第2領域15は、第2層9の下端側の第2下端部15aおよび第2層9の上端側の第2上端部15bをそれぞれ有している。第2下端部15aは第2層9の厚さ範囲中間部に対して第2層9の下端側の領域に位置され、第2上端部15bは第2層9の厚さ範囲中間部に対して第2層9の上端側の領域に位置されている。つまり、複数の第2領域15は、第2軸チャネルCH2に沿って第2層9の中間部を横切る厚さ(深さ)を有する単一の不純物領域からそれぞれなる。
第2下端部15aは、第2層9の下端から上端側に間隔を空けて形成され、第2層9の一部(下端部)を挟んで第1層8(複数の第1領域14)に対向していてもよい。第2下端部15aは、第2層9の下端とほぼ一致し、第1層8に接続されていてもよい。
第2層9の下端および第2下端部15aの間の距離は、0μm以上2μm以下であってもよい。第2層9の下端および第2下端部15aの間の距離は、0μm以上0.5μm以下、0.5μm以上1μm以下、1μm以上1.5μm以下、および、1.5μm以上2μm以下のいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。
第2下端部15aは、第1層8および第2層9の境界部を横切り、第1層8内に位置する延部を有していてもよい。この場合、第1層8の上端を基準とする第2下端部15aの延部の厚さは、0μmを超えて2μm以下であってもよい。第2下端部15aの延部の厚さは、0μmを超えて0.5μm以下、0.5μm以上1μm以下、1μm以上1.5μm以下、および、1.5μm以上2μm以下のいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。
第2上端部15bは、第2層9の上端(つまり第1主面3)から下端側に間隔を空けて形成され、第2層9の一部(上端部)を挟んで第2層9の上端に対向していてもよい。この場合、第2層9における第1主面3および第2上端部15bの間のスペースは、デバイス構造(他の不純物領域等)を形成するための領域として使用されてもよい。むろん、第2上端部15bは、第2層9の上端(つまり第1主面3)から露出していてもよい。
第2層9の上端および第2上端部15bの間の距離は、0μm以上1μm以下であってもよい。第2層9の上端および第2上端部15bの間の距離は、0μm以上0.25μm以下、0.25μm以上0.5μm以下、0.5μm以上0.75μm以下、および、0.75μm以上1μm以下のいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。
複数の第2領域15は、1×1015cm-3以上1×1018cm-3以下のp型不純物濃度をピーク値として有していてもよい。第2領域15のp型不純物濃度(ピーク値)は、第1領域14のp型不純物濃度(ピーク値)以上であってもよい。第2領域15のp型不純物濃度(ピーク値)は、第1領域14のp型不純物濃度(ピーク値)未満であってもよい。第2領域15のp型不純物濃度(ピーク値)は、第1領域14のp型不純物濃度(ピーク値)とほぼ等しくてもよい。
第2領域15のp型不純物濃度は、少なくとも1種の3価元素によって調整されていることが好ましい。第2領域15のp型不純物濃度は、炭素よりも重たい重元素に属する3価元素によって調整されていることが特に好ましい。つまり、第2領域15は、ホウ素以外の3価元素(アルミニウム、ガリウムおよびインジウムのうちの少なくとも1種)を含むことが好ましい。第2領域15のp型不純物濃度は、この形態では、アルミニウムによって調整されている。
複数の第2領域15は、第2幅W2をそれぞれ有している。第2幅W2は、第2領域15の第2配列方向Da2に沿う幅である。第2幅W2は、第2層9の第2厚さT2未満であることが好ましい。むろん、第2幅W2は、第2厚さT2以上であってもよい。
第2幅W2は、第1層8の第1厚さT1未満であることが好ましい。むろん、第2幅W2は、第1厚さT1以上であってもよい。第2幅W2は、第1領域14の第1幅W1とほぼ等しいことが好ましい。むろん、第2幅W2は、第1幅W1以上であってもよいし、第1幅W1未満であってもよい。
第2幅W2は、0.1μm以上5μm以下であってもよい。第2幅W2は、0.1μm以上0.25μm以下、0.25μm以上0.5μm以下、0.5μm以上0.75μm以下、0.75μm以上1μm以下、1μm以上1.5μm以下、1.5μm以上2μm以下、2μm以上2.5μm以下、2.5μm以上3μm以下、3μm以上3.5μm以下、3.5μm以上4μm以下、4μm以上4.5μm以下、および、4.5μm以上5μm以下のいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。第2幅W2は、0.5μm以上1.5μm以下であることが好ましい。
複数の第2領域15は、第2領域厚さTR2(領域深さ)をそれぞれ有している。第2領域厚さTR2は、第2層9の第2厚さT2未満であってもよい。第2領域厚さTR2は、第2厚さT2よりも大きくてもよい。第2領域厚さTR2は、第2厚さT2とほぼ等しくてもよい。
第2領域厚さTR2は、第1層8の第1厚さT1未満であってもよい。第2領域厚さTR2は、第1厚さT1よりも大きくてもよい。第2領域厚さTR2は、第1厚さT1とほぼ等しくてもよい。第2領域厚さTR2は、第1領域14の第1領域厚さTR1未満であってもよい。第2領域厚さTR2は、第1領域厚さTR1よりも大きくてもよい。第2領域厚さTR2は、第1領域厚さTR1とほぼ等しくてもよい。
第2領域厚さTR2は、1μm以上であることが好ましい。第2領域厚さTR2は、5μm以下であることが好ましい。第2領域厚さTR2は、1μm以上1.5μm以下、1.5μm以上2μm以下、2μm以上2.5μm以下、2.5μm以上3μm以下、3μm以上3.5μm以下、3.5μm以上4μm以下、4μm以上4.5μm以下、および、4.5μm以上5μm以下のいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。
第2幅W2が第2層9の第2厚さT2未満であり、第2領域厚さTR2が第2幅W2よりも大きいことが好ましい。つまり、複数の第2領域15は、第2軸チャネルCH2に沿って縦長柱状に延びる第2アスペクト比TR2/W2をそれぞれ有していることが好ましい。第2アスペクト比TR2/W2は、第2幅W2に対する第2領域厚さTR2の比である。この場合、第2領域厚さTR2は、第2厚さT2よりも大きいことが特に好ましい。たとえば、第2アスペクト比TR2/W2は、1を超えて100以下であってもよい。
複数の第2領域15は、第2配列方向Da2に第2ピッチP2の間隔を空けて形成されている。第2ピッチP2は、第2層9の第2厚さT2未満であることが好ましい。むろん、第2ピッチP2は、第2層9の第2厚さT2以上であってもよい。第2ピッチP2は、第1層8の第1厚さT1未満であることが好ましい。むろん、第2ピッチP2は、第1厚さT1以上であってもよい。
第2ピッチP2は、第1ピッチP1とほぼ等しくてもよいし、第1ピッチP1とは異なっていてもよい。第2ピッチP2は、第1ピッチP1よりも大きくてもよいし、第1ピッチP1よりも小さくてもよい。
第2ピッチP2は、0.1μm以上5μm以下であってもよい。第2ピッチP2は、0.1μm以上0.25μm以下、0.25μm以上0.5μm以下、0.5μm以上0.75μm以下、0.75μm以上1μm以下、1μm以上1.5μm以下、1.5μm以上2μm以下、2μm以上2.5μm以下、2.5μm以上3μm以下、3μm以上3.5μm以下、3.5μm以上4μm以下、4μm以上4.5μm以下、および、4.5μm以上5μm以下のいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。第2ピッチP2は、0.5μm以上1.5μm以下であることが好ましい。
この形態では、2層構造を有するスーパージャンクション構造SJが示された。しかし、3層以上の積層構造を有するスーパージャンクション構造SJが採用されてもよい。つまり、3層以上の積層構造を有する積層部7が形成され、3層以上の積層構造を有するコラム領域12が形成されてもよい。
この場合、積層部7において3層目以降の半導体層は、第2層9と同様の構成で形成される。一方、コラム領域12において奇数(2n+1:nは1以上自然数)層の半導体層に形成される領域は第1領域14と同様の構成で形成され、偶数(2n+2)層の半導体層に形成される領域は第2領域15と同様の構成で形成される。コラム領域12のうちの第(n+2)層目の領域は、第n層目の領域に対する第(n+1)層目の領域の関係と同様の関係で、第(n+2)層目の半導体層に形成される。
以下、図5、図6Aおよび図6Bを参照して、第1領域14および第2領域15のレイアウト例が説明される。図6Aは、第1基本形態に係るコラム領域12の第1レイアウト例を示す平面図である。図6Bは、第1基本形態に係るコラム領域12の第2レイアウト例を示す平面図である。図6Aおよび図6Bでは、第1領域14が破線によって示され、第2領域15がハッチングによって示されている。
図5、図6Aおよび図6Bを参照して、第1領域14の第1配列方向Da1はa軸方向(第2方向Y)であり、第1領域14の第1延在方向De1はm軸方向(第1方向X)であってもよい。この場合、第1延在方向De1が第1層8のオフ方向Doffに交差(具体的には直交)するため、複数の第1領域14はSiC単結晶のm面((1-100)面)から見た断面視において鉛直軸からオフ方向Doffに向けてほぼオフ角θoff分だけ傾斜する。SiC単結晶のm面は、m軸方向に直交する結晶面である。
一方、図5および図6Aを参照して、複数の第2領域15は、平面視において複数の第1領域14に直交していてもよい。つまり、第2領域15の第2配列方向Da2はm軸方向(第1方向X)であり、第2領域15の第2延在方向De2はa軸方向(第2方向Y)であってもよい。この場合、第2配列方向Da2は、第1延在方向De1に一致し、第1配列方向Da1に直交する。また、第2延在方向De2は、第1配列方向Da1に一致し、第1延在方向De1に直交する。
この場合、第2延在方向De2が第2層9のオフ方向Doffに一致するため、複数の第2領域15はSiC単結晶のa面((11-20)面)から見た断面視においてほぼ鉛直方向Zに延びている。SiC単結晶のa面は、a軸方向に直交する方向である。複数の第2領域15は、SiC単結晶のm面から見た断面視において鉛直軸からオフ方向Doffに向けてほぼオフ角θoff分だけ傾斜している。
むろん、図6Bを参照して、複数の第2領域15は、平面視において複数の第1領域14に非直交に交差していてもよい。つまり、第2領域15の第2配列方向Da2はm軸方向およびa軸方向以外の方向であり、第2領域15の第2延在方向De2はm軸方向およびa軸方向以外の方向であってもよい。この場合、第2配列方向Da2は第1配列方向Da1および第1延在方向De1の双方に交差し、第2延在方向De2は第1配列方向Da1および第1延在方向De1の双方に交差する。また、第2延在方向De2は、第2層9のオフ方向Doffに交差する。
第2延在方向De2は、平面視においてa軸からm軸の一方側(紙面左側)または他方側(紙面右側)に向けて傾斜していてもよい。複数の第2領域15は、a軸を基準(0°)としたとき、a軸と延在角θaを形成する第2延在方向De2を有している。
延在角θaの絶対値は、0°を超えて90°未満であってもよい。延在角θaは、0°を超えて18°以下、18°以上36°以下、36°以上54°以下、54°以上72°以下、および、72°以上90°未満のうちのいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。延在角θaの絶対値は、典型的には、30°±5°、45°±5°、および、60°±5°のうちのいずれか1つの範囲に属する値に設定される。
コラム領域12は、図7、図8Aおよび図8Bに示される形態を有していてもよい。図7は、コラム領域12の第2基本形態を示す断面斜視図である。図8Aおよび図8Bは、第2基本形態に係るコラム領域12の第1レイアウト例および第2レイアウト例を示す平面図である。図8Aおよび図8Bでは、第1領域14が破線によって示され、第2領域15がハッチングによって示されている。
図7、図8Aおよび図8Bを参照して、第1領域14の第1配列方向Da1はm軸方向(第1方向X)であり、第1領域14の第1延在方向De1はa軸方向(第2方向Y)であってもよい。この場合、第1延在方向De1が第1層8のオフ方向Doffに一致するため、複数の第1領域14はSiC単結晶のa面から見た断面視においてほぼ鉛直方向Zに延びている。複数の第1領域14は、SiC単結晶のm面から見た断面視において鉛直軸からオフ方向Doffに向けてほぼオフ角θoff分だけ傾斜している。
一方、図7および図8Aを参照して、複数の第2領域15は、平面視において複数の第1領域14に直交していてもよい。つまり、第2領域15の第2配列方向Da2はa軸方向(第2方向Y)であり、第2領域15の第2延在方向De2はm軸方向(第1方向X)であってもよい。この場合、第2配列方向Da2は、第1延在方向De1に一致し、第1配列方向Da1に直交する。また、第2延在方向De2は、第1配列方向Da1に一致し、第1延在方向De1に直交する。
この場合、第2延在方向De2が第2層9のオフ方向Doffに交差(具体的には直交)するため、複数の第2領域15はSiC単結晶のm面から見た断面視において鉛直軸からオフ方向Doffに向けてほぼオフ角θoff分だけ傾斜する。
むろん、図8Bを参照して、複数の第2領域15は、平面視において複数の第1領域14に非直交に交差していてもよい。つまり、第2領域15の第2配列方向Da2はa軸方向およびm軸方向以外の方向であり、第2領域15の第2延在方向De2はa軸方向およびm軸方向以外の方向であってもよい。この場合、第2配列方向Da2は第1配列方向Da1および第1延在方向De1の双方に交差し、第2延在方向De2は第1配列方向Da1および第1延在方向De1の双方に交差する。また、第2延在方向De2は、第2層9のオフ方向Doffに交差する。
第2延在方向De2は、平面視においてa軸からm軸の一方側(紙面左側)または他方側(紙面右側)に向けて傾斜していてもよい。複数の第2領域15は、a軸を基準(0°)としたとき、a軸と延在角θaを形成する第2延在方向De2を有している。
延在角θaの絶対値は、0°を超えて90°未満であってもよい。延在角θaは、0°を超えて18°以下、18°以上36°以下、36°以上54°以下、54°以上72°以下、および、72°以上90°未満のうちのいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。延在角θaの絶対値は、典型的には、30°±5°、45°±5°、および、60°±5°のうちのいずれか1つの範囲に属する値に設定される。
コラム領域12は、図9、図10A、図10Bおよび図10Cに示される形態を有していてもよい。図9は、コラム領域12の第3基本形態を示す断面斜視図である。図10A、図10Bおよび図10Cは、第3基本形態に係るコラム領域12の第1レイアウト例、第2レイアウト例および第3レイアウト例を示す平面図である。図10A~図10Cでは、第1領域14が破線によって示され、第2領域15がハッチングによって示されている。
図9および図10A~図10Cを参照して、第1領域14の第1配列方向Da1はa軸方向(第2方向Y)およびm軸方向(第1方向X)以外の方向であり、第1領域14の第1延在方向De1はa軸方向およびm軸方向以外の方向であってもよい。つまり、複数の第1領域14は、a軸方向およびm軸方向の双方に交差していてもよい。図10A~図10Cでは、第1領域14がa軸を基準にm軸の一方側(紙面左側)に向けて傾斜した例が示されている。
この場合、第1延在方向De1がオフ方向Doffに交差するため、複数の第1領域14はSiC単結晶のa面から見た断面視およびSiC単結晶のm面から見た断面視において鉛直軸からオフ方向Doffに向けてほぼオフ角θoff分だけ傾斜する。
第1延在方向De1は、a軸を基準(0°)としたとき、a軸と第1延在角θ1を形成する。第1延在角θ1の絶対値は、0°を超えて90°未満であってもよい。第1延在角θ1は、0°を超えて18°以下、18°以上36°以下、36°以上54°以下、54°以上72°以下、および、72°以上90°未満のうちのいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。
第1延在角θ1の絶対値は、典型的には、30°±5°、45°±5°、および、60°±5°のうちのいずれか1つの範囲に属する値に設定される。図10Aでは第1延在角θ1の絶対値がほぼ45°であるレイアウト例が示され、図10Bでは第1延在角θ1の絶対値がほぼ30°であるレイアウト例が示され、図10Cでは第1延在角θ1の絶対値がほぼ60°であるレイアウト例が示されている。
一方、図9および図10A~図10Cを参照して、第2領域15の第1配列方向Da1はa軸方向(第2方向Y)およびm軸方向(第1方向X)以外の方向であり、第2領域15の第1延在方向De1はa軸方向およびm軸方向以外の方向であってもよい。つまり、複数の第2領域15は、a軸方向およびm軸方向の双方に交差していてもよい。第2領域15は、この例では、a軸を基準にm軸の他方側(紙面右側)に向けて傾斜している。
この場合、第2延在方向De2がオフ方向Doffに交差するため、複数の第2領域15はSiC単結晶のa面から見た断面視およびm面から見た断面視において鉛直軸からオフ方向Doffに向けてほぼオフ角θoff分だけ傾斜する。
第2延在方向De2は、a軸を基準(0°)としたとき、a軸と第2延在角θ2を形成する。第1延在角θ1が「正値」であると定義された場合、第2延在角θ2は「負値」である。一方、第1延在角θ1が「負値」であると定義された場合、第2延在角θ2は「正値」である。
第2延在角θ2の絶対値は、0°を超えて90°未満であってもよい。第2延在角θ2は、0°を超えて18°以下、18°以上36°以下、36°以上54°以下、54°以上72°以下、および、72°以上90°未満のうちのいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。
第2延在角θ2の絶対値は、典型的には、30°±5°、45°±5°、および、60°±5°のうちのいずれか1つの範囲に属する値に設定される。第2延在角θ2の絶対値は、第1延在角θ1の絶対値とほぼ等しいことが好ましい。つまり、複数の第2領域15は、単位面積当たりの平面視(つまり部分的な平面視)においてa軸を基準に複数の第1領域14とほぼ線対称となるレイアウトを有していることが好ましい。換言すると、複数の第2領域15は、単位面積当たりの平面視(つまり部分的な平面視)において鉛直軸を基準に複数の第1領域14とほぼ点対象となるレイアウトを有していることが好ましい。
図10Aでは第2延在角θ2の絶対値がほぼ45°(≒θ1)であるレイアウト例が示され、図10Bでは第2延在角θ2の絶対値がほぼ30°(≒θ1)であるレイアウト例が示され、図10Cでは第2延在角θ2の絶対値がほぼ60°(≒θ1)であるレイアウト例が示されている。
つまり、図10Aのレイアウト例では、複数の第2領域15は、a軸方向およびm軸方向の双方に交差する方向に延び、かつ、複数の第1領域14に直交している。第1延在角θ1の絶対値および第2延在角θ2の絶対値の和は、ほぼ直角(ほぼ90°)である。
一方、図10Bのレイアウト例では、複数の第2領域15は、a軸方向およびm軸方向の双方に交差する方向に延び、かつ、複数の第1領域14に非直交に交差している。第1延在角θ1の絶対値および第2延在角θ2の絶対値の和は鋭角(ほぼ60°)である。他方、図10Cのレイアウト例では、複数の第2領域15は、a軸方向およびm軸方向の双方に交差する方向に延び、かつ、複数の第1領域14に非直交に交差している。第1延在角θ1の絶対値および第2延在角θ2の絶対値の和は鈍角(ほぼ120°)である。
むろん、第2延在角θ2の絶対値は、第1延在角θ1の絶対値よりも大きくてもよいし、第1延在角θ1の絶対値未満であってもよい。つまり、複数の第2領域15は、単位面積当たりの平面視(つまり部分的な平面視)においてa軸を基準に複数の第1領域14と非線対称となるレイアウトを有していてもよい。換言すると、複数の第2領域15は、単位面積当たりの平面視(つまり部分的な平面視)において鉛直軸を基準に複数の第1領域14と非点対象となるレイアウトを有していてもよい。
以下、第1領域14のp型不純物濃度の濃度勾配および第2領域15のp型不純物濃度の濃度勾配が具体的に説明される。第1領域14の濃度勾配および第2領域15の濃度勾配はほぼ同様であるため、以下では、第2領域15の濃度勾配が例示される。
第1領域14の濃度勾配の説明は、以下の説明において、必要に応じて、「第1層8」を「ベース層6」に置き換え、「第2層9」を「第1層8」に置き換え、「第2領域15(第2下端部15aおよび第2上端部15b)」を「第1領域14(第1下端部14aおよび第1上端部14b)」に置き換え、「第2軸チャネルCH2」を「第1軸チャネルCH1」に置き換えることによって得られる。つまり、第1層8および第2層9に対する第2領域15の相対的または絶対的な位置関係は、ベース層6および第1層8に対する第1領域14の相対的または絶対的な位置関係に準用される。
図11A~図11Eは、第2領域15(第1領域14)の濃度勾配の一例を示すグラフである。図12は、第2領域15(第1領域14)の濃度勾配の比較例を示すグラフである。図11および図12において、縦軸は第2領域15のp型不純物濃度を示し、横軸は第2層9の上端(第1主面3)を基準(ゼロ地点)とする第2軸チャネルCH2に沿う深さを示している。
図11A~図11Eおよび図12では、1×1015cm-3以上のp型不純物濃度を有する領域が第2領域15と定義され、グラフとして図示されている。以下に示される不純物濃度や厚さ等の数値は、第2領域15の基本的な構成を濃度勾配に基づいて説明するための例示であり、第2領域15の構成を一義的に限定する趣旨で示されていない。不純物濃度や厚さ等は、3価元素の注入条件(ドーズ量、注入温度、注入エネルギ等)等に応じて種々の値に調節される。
図11A~図11Eは、それぞれ、チャネリング注入法によって第2領域15を形成した場合のグラフである。図11A~図11Eは、190KeV(図11A)、380KeV(図11B)、650KeV(図11C)、960KeV(図11D)、または、2000KeV(図11E)の注入エネルギによって、第2軸チャネルCH2に対して平行にまたはほぼ平行に所定の3価元素(ここではアルミニウム)を第2層9に導入したときの第2領域15の濃度勾配を示している。第2層9の第2厚さT2は3μm程度であり、3価元素のドーズ量は1×1013cm-2である。
一方、図12は、ランダム注入法によって第2領域15を形成した場合のグラフである。図12は、190KeV、380KeV、650KeV、960KeV、または、2000KeVの注入エネルギによって、ランダム方向に所定の3価元素(ここではアルミニウム)を第2層9に導入したときの第2領域15の濃度勾配を示している。ランダム方向は、第2軸チャネルCH2に平行(ほぼ平行)ではない方向(たとえば鉛直方向Z)である。第2層9の第2厚さT2は3μm程度であり、3価元素のドーズ量は1×1013cm-2である。
図11Aを参照して、第2領域15(190KeV)は、1.5μm以上1.8μm以下の第2領域厚さTR2を有し、第2層9の下端から上端側に離間した第2下端部15a、および、第2層9の上端(第1主面3)から露出した第2上端部15bを有している。第2層9の下端および第2下端部15aの間の距離は、1.2μm以上1.5μm以下である。
第2領域15のp型不純物濃度は、第2層9の上端から下端に向けて、漸増部20、ピーク部21、緩慢部22および漸減部23を含む濃度勾配を有している。漸増部20は、第2領域15の第2上端部15bを形成する部分であり、第2上端部15bから第2層9の下端側に向けて比較的急峻な増加率でピーク部21までp型不純物濃度が漸増する部分である。
ピーク部21は、p型不純物濃度のピーク値P(最大値)を有する部分である。ピーク部21は、p型不純物濃度が増加(増加傾向)から低下(低下傾向)に転じる一連の濃度変化(変曲点)を含む凸状の主たる濃度遷移部でもある。ピーク部21の深さ位置は、0.1μm以上0.5μm以下である。
緩慢部22は、ピーク部21よりも第2下端部15a側の領域に形成され、比較的緩慢な低下率で不純物濃度が漸減する部分である。つまり、緩慢部22は、一定の深さ範囲において一定のp型不純物濃度を維持する部分であり、第2領域15の本体部を形成している。緩慢部22のp型不純物濃度は、ピーク部21のp型不純物濃度未満の濃度範囲において漸減している。
緩慢部22は、少なくとも0.5μmの厚さ範囲において50%以下の濃度低下率を有する部分によって定義される。緩慢部22は、この例では、0.7μm以上0.8μm以下の厚さを有し、当該厚さ範囲において50%以下の濃度低下率を有している。緩慢部22のp型不純物濃度は、この例では、4.5×1016cm-3以上9×1016cm-3以下の濃度範囲に収まっている。
漸減部23は、第2領域15の第2下端部15aを形成する部分である。漸減部23は、緩慢部22における濃度低下率よりも大きい濃度低下率を有し、緩慢部22から第2層9の下端に向けてp型不純物濃度が漸減する部分である。漸減部23の単位厚さ当たりの濃度低下率は、緩慢部22の単位厚さ当たりの濃度低下率よりも大きい。漸減部23のp型不純物濃度は、緩慢部22から1×1015cm-3まで漸減している。
図11Bを参照して、第2領域15(380KeV)は、2.2μm以上2.4μm以下の第2領域厚さTR2を有し、第2層9の下端から上端側に離間した第2下端部15a、および、第2層9の上端(第1主面3)から下端側(第1層8側)に離間した第2上端部15bを有している。第2層9の下端および第2下端部15aの間の距離は、0.5μm以上0.8μm以下である。第2層9の上端および第2領域15の第2上端部15bの間の距離は、0.01μm以上0.2μm以下である。
第2領域15のp型不純物濃度は、図11Aの例と同様、第2層9の上端から下端に向けて、漸増部20、ピーク部21、緩慢部22および漸減部23を含む濃度勾配を有している。漸増部20は、この例においても、第2上端部15bから第2層9の下端側に向けて比較的急峻な増加率でピーク部21まで漸増している。ピーク部21の深さ位置は、0.3μm以上0.7μm以下である。
緩慢部22は、0.8μm以上1.1μm以下の厚さを有し、当該厚さ範囲において50%以下の濃度低下率を有している。緩慢部22のp型不純物濃度は、この例では、3.5×1016cm-3以上7×1016cm-3以下の濃度範囲に収まっている。漸減部23のp型不純物濃度は、緩慢部22から1×1015cm-3まで漸減している。
図11Cを参照して、第2領域15(650KeV)は、2.5μm以上2.8μm以下の第2領域厚さTR2を有し、第2層9の下端から上端側に離間した第2下端部15a、および、第2層9の上端(第1主面3)から下端側(第1層8側)に離間した第2上端部15bを有している。第2層9の下端および第2下端部15aの間の距離は、0.01μm以上0.1μm以下である。第2層9の上端および第2領域15の第2上端部15bの間の距離は、0.1μm以上0.4μm以下である。
第2領域15のp型不純物濃度は、図11Aの例と同様、第2上端部15bから第2下端部15aに向けて、漸増部20、ピーク部21、緩慢部22および漸減部23を含む濃度勾配を有している。漸増部20は、この例においても、第2領域15の第2上端部15bから比較的急峻な増加率でピーク部21まで漸増している。ピーク部21の深さ位置は、0.6μm以上1μm以下である。
緩慢部22は、1μm以上1.3μm以下の厚さを有し、当該厚さ範囲において50%以下の濃度低下率を有している。緩慢部22のp型不純物濃度は、この例では、3×1016cm-3以上6×1016cm-3以下の濃度範囲に収まっている。漸減部23のp型不純物濃度は、緩慢部22から1×1015cm-3まで漸減している。
図11Dを参照して、第2領域15(960KeV)は、3.1μm以上3.3μm以下の第2領域厚さTR2を有し、第2層9の上端(第1主面3)から下端側(第1層8側)に離間した第2上端部15b、および、第1層8内に位置する第2下端部15aを有している。つまり、第2領域15は、第2層9の第2厚さT2(=3μm)よりも大きい第2領域厚さTR2を有している。
また、第2下端部15aは、第1層8および第2層9の境界を横切り、第1層8内に延在した延部を有している。第2下端部15aの延部は、第1層8の上端を基準に0.4μm以上0.7μm以下の厚さを有している。第2層9の上端および第2領域15の第2上端部15bの間の距離は、0.3μm以上0.6μm以下である。
第2領域15のp型不純物濃度は、図11Aの例と同様、第2上端部15bから第2下端部15aに向けて、漸増部20、ピーク部21、緩慢部22および漸減部23を含む濃度勾配を有している。漸増部20は、この例においても、第2領域15の第2上端部15bから比較的急峻な増加率でピーク部21まで漸増している。ピーク部21の深さ位置は、0.7μm以上1.3μm以下である。
緩慢部22は、1.3μm以上1.7μm以下の厚さを有し、当該厚さ範囲において50%以下の濃度低下率を有している。緩慢部22のp型不純物濃度は、この例では、2.2×1016cm-3以上4.5×1016cm-3以下の濃度範囲に収まっている。漸減部23のp型不純物濃度は、緩慢部22から1×1015cm-3まで漸減している。
図11Eを参照して、第2領域15(2000KeV)は、3.5μm以上3.8μm以下の第2領域厚さTR2を有し、第2層9の上端(第1主面3)から下端側(第1層8側)に離間した第2上端部15b、および、第1層8内に位置する第2下端部15aを有している。つまり、第2領域15は、第2層9の第2厚さT2(=3μm)よりも大きい第2領域厚さTR2を有している。
また、第2下端部15aは、第1層8および第2層9の境界を横切り、第1層8内に延在した延部を有している。第2下端部15aの延部は、第1層8の上端を基準に1.4μm以上1.8μm以下の厚さを有している。第2層9の上端および第2領域15の第2上端部15bの間の距離は、0.7μm以上1μm以下である。
第2領域15のp型不純物濃度は、図11Aの例と同様、第2上端部15bから第2下端部15aに向けて、漸増部20、ピーク部21、緩慢部22および漸減部23を含む濃度勾配を有している。漸増部20は、この例においても、第2領域15の第2上端部15bから比較的急峻な増加率でピーク部21まで漸増している。ピーク部21の深さ位置は、1.3μm以上1.9μm以下である。
緩慢部22は、1.5μm以上1.8μm以下の厚さを有し、当該厚さ範囲において50%以下の濃度低下率を有している。緩慢部22は、この例では、第1層8および第2層9の境界を横切り、第1層8内に位置されている。つまり、第2領域15の延部は、緩慢部22の一部を含む。緩慢部22のp型不純物濃度は、この例では、2×1016cm-3以上4×1016cm-3以下の濃度範囲に収まっている。漸減部23のp型不純物濃度は、緩慢部22から1×1015cm-3まで漸減している。
図11A~図11Eを参照して、第2領域15のp型不純物濃度は、いずれの注入エネルギにおいても漸増部20、ピーク部21、緩慢部22および漸減部23を有していている。また、第2領域15の第2領域厚さTR2(深さ)は、注入エネルギの増加に伴って大きくなっている。また、第2層9の上端に対する第2領域15の第2上端部15bの深さ位置は、注入エネルギの増加に伴って大きくなっている。
漸増部20の厚さ、ピーク部21の厚さ、緩慢部22の厚さおよび漸減部23の厚さは、いずれも注入エネルギの増加に伴って大きくなっている。一方、第2領域15のピーク値Pは、注入エネルギの増加に伴って低下している。これは、注入エネルギの増加に伴って深い領域まで3価元素が導入され、当該深い領域のp型不純物濃度が増加したことに起因している。
緩慢部22は、第2領域15(第2領域厚さTR2)のうちの1/4以上の厚さ範囲を占め、第2層9内に位置されている。具体的には、第2領域15に占める緩慢部22の割合は、1/3以上である。第2領域15に占める緩慢部22の割合は、典型的には、1/2以下(1/2未満)である。第2領域15に占める緩慢部22の割合は、1/2以上であってもよい。
一方、図12を参照して、ランダム注入法の場合、第2領域15は0.5μmの範囲に漸増部20、ピーク部21(ピーク値P)および漸減部23を有する一方、0.5μm以上の厚さを有する緩慢部22を有することはなかった。また、ランダム注入法の場合、注入エネルギの増加に伴って第2層9の上端に対するピーク部21(ピーク値P)の深さ位置は大きくなったが、第2領域15の第2領域厚さTR2はいずれの注入エネルギにおいても2μm未満であった。つまり、注入エネルギを増加させたとしても、第2領域厚さTR2は大きく変動しなかった。
このことから、ランダム注入法の場合、比較的大きい第2厚さT2(たとえば1μm以上の第2厚さT2)を有する第2層9に対して、単一の不純物領域からなる第2領域15によってチャージバランスの精度を高めることが困難であると理解される。SiC単結晶は、Si単結晶とは異なり、不純物が拡散し難い物性を有している。したがって、前記問題は、一般的に、マルチエピタキシャル成長法や多段階ランダム注入法によって解消される。
マルチエピタキシャル成長法では、比較的小さい厚さ(たとえば1μm未満の厚さ)を有するエピタキシャル層に3価元素をランダム注入法によって導入する工程が複数回繰り返される。この工程の場合、エピタキシャル成長の工程数およびランダム注入法の工程数が増加するため、製造工程が煩雑化する。
多段階ランダム注入法では、複数の注入エネルギで3価元素を異なる深さ位置に多段階的に導入する工程が実施される。たとえば、図12の例を取り上げると、1μmの第2層9が形成された場合、5段階(190KeV、380KeV、650KeVおよび960KeV)の注入エネルギで3価元素が第2層9に導入される。この工程の場合、目的の深さ位置に3価元素を導入できるが、3価元素を導入できる深さ位置は浅い。そのため、エピタキシャル成長の工程数およびランダム注入法の工程数を増加せざるを得ず、マルチエピタキシャル成長法と同様の問題が生じる。
これに対して、チャネリング注入法の場合、比較的大きい厚さ(たとえば1μm以上5μm以下の厚さ)を有する第2層9に対して0.5μm以上2μmの厚さの緩慢部22を有する第2領域15が形成される。したがって、ランダム注入法を採用した場合の工数よりも少ない工数によってチャージバランスを有する第2領域15が形成される。
むろん、この明細書は、複数の注入エネルギを利用したチャネリング注入法によって異なる深さ位置に多段階的に複数の第2領域15を導入し、1つの第2領域15を形成する技術的思想を除外しない。この場合、各第2領域15は、第2層9の中間部を横切るように第2軸チャネルCH2に沿って第2層9にそれぞれ形成された複数の不純物領域(第2領域15)の一体化領域からなる。
この場合、各第2領域15のp型不純物濃度(濃度勾配)は、複数の不純物領域(第2領域15)のp型不純物濃度(濃度勾配)の加算値になる。たとえば、各第2領域15のp型不純物濃度は、図11A~図11Eに示された5つのグラフのうちの少なくとも2つを重ね合わせた濃度勾配(加算した濃度勾配)を有する。
図11A~図11Eの例では、チャネリング注入法の注入エネルギの上限が2000KeVであったが、第2領域15は2000KeVよりも大きい注入エネルギによって形成されることもできる。この場合、図11Eに示された濃度勾配よりも深い位置に、比較的厚い第2領域15が形成される。
ただし、2000KeVよりも大きい注入エネルギを実現する場合、第2層9の上端部を通過する3価元素量が増加し、当該上端部側の空き領域の範囲(つまり第1主面3および第2領域15の間の距離)が拡大するため、コラム領域12の設計難度が高まる。また、2000KeVよりも大きい注入エネルギを実現する場合、イオン加速器のサイズが数十メートルに及ぶ事態にもなり得るため、費用対効果(設置個所や設備投資)の観点から現実的ではないことが想定される。
したがって、チャネリング注入法によって比較的厚いコラム領域12を形成する場合、注入エネルギを2000KeV以下に制限し、積層部7の積層数(スーパージャンクション構造SJの積層数)を増加させることが好ましい。
以下、図13~図33を参照して、コラム領域12の第1~第12形態例が示される。第1~第3基本形態に係るコラム領域12は、第1~第12形態例に示される複数の特徴のうちの少なくとも1つの特徴を有していてもよい。第1~第3基本形態に係るコラム領域12は、第1~第12形態例に示される複数(2つ以上)の特徴が組み合わされた特徴を有していてもよい。
以下では、第1領域14の「漸増部20」、「ピーク部21(ピーク値P)」、「緩慢部22」および「漸減部23」が「第1漸増部20A」、「第1ピーク部21A(第1ピーク値PA)」、「第1緩慢部22A」および「第1漸減部23A」と称される。また、以下では、第2領域15の「漸増部20」、「ピーク部21(ピーク値P)」、「緩慢部22」および「漸減部23」が「第2漸増部20B」、「第2ピーク部21B(第2ピーク値PB)」、「第2緩慢部22B」および「第2漸減部23B」と称される。
図13は、第1形態例に係るコラム領域12を示す断面斜視図である。図14は、図13に示すコラム領域12の濃度勾配の一例を示すグラフである。
図13および図14を参照して、第1領域14は、第1層8の第1厚さT1未満の第1領域厚さTR1を有し、第1層8の下端および上端の双方から間隔を空けて第1層8内に形成されている。具体的には、第1領域14の第1下端部14aは、第1層8の下端(ベース層6)から上端側に間隔を空けて形成され、第1層8の一部(下端部)を挟んでベース層6に対向している。
一方、第1領域14の第1上端部14bは、第1層8の上端(第2層9)から下端側に間隔を空けて形成され、第1層8の一部(上端部)を挟んで第2層9に対向している。第1領域14の第1漸増部20A、第1ピーク部21A、第1緩慢部22Aおよび第1漸減部23Aは、第1層8内に位置されている。
図14では、第1層8が3μmの第1厚さT1を有し、第1領域14が650KeVの注入エネルギによって第1層8内に形成された例が示されている。むろん、第1領域14は、650KeV以下の注入エネルギによって形成されていてもよい。
第2領域15は、第2層9の第2厚さT2未満の第2領域厚さTR2を有し、第2層9の下端および上端の双方から間隔を空けて第2層9内に形成されている。具体的には、第2領域15の第2下端部15aは、第2層9の下端(第1層8)から上端側に間隔を空けて形成され、第2層9の一部(下端部)を挟んで第1層8に対向している。
一方、第2領域15の第2上端部15bは、第2層9の上端(第1主面3)から下端側に間隔を空けて形成され、第2層9の一部(上端部)を挟んで第1主面3に対向している。第2領域15の第2漸増部20B、第2ピーク部21B、第2緩慢部22Bおよび第2漸減部23Bは、第2層9内に位置されている。
図14では、第2層9が3μmの第2厚さT2を有し、第2領域15が650KeVの注入エネルギによって第2層9内に形成された例が示されている。むろん、第2領域15は、650KeV以下の注入エネルギによって形成されていてもよい。また、第2領域15に係る注入エネルギは、第1領域14に係る注入エネルギとは異なっていてもよい。
つまり、第2領域15の第2領域厚さTR2は、第1領域14の第1領域厚さTR1とは異なっていてもよい。第2領域厚さTR2は、第1領域厚さTR1未満であってもよいし、第1領域厚さTR1よりも大きくてもよい。
図15は、第2形態例に係るコラム領域12を示す断面斜視図である。図16は、図15に示すコラム領域12の濃度勾配の一例を示すグラフである。図15および図16を参照して、第2形態例に係るコラム領域12は、第1形態例に係る第2領域15を変形させた形態を有している。第2形態例に係る第1領域14の形態は、第1形態例に係る第1領域14と同様である。
第2領域15は、第2層9の上端から下端側に間隔を空けて第2層9内に形成され、第1層8および第2層9の境界を横切って第1層8内に位置する部分を有している。つまり、第2領域15の第2下端部15aは、第1層8および第2層9の境界部を横切って第1層8内に位置する延部を有している。
第2軸チャネルCH2は第1軸チャネルCH1とほぼ一致しているため、第2下端部15aの延部は第1層8内において第1軸チャネルCH1に沿って形成されている。第2下端部15aの延部は、第1層8の厚さ範囲中間部に対して第1層8の上端側に位置されていることが好ましい。第2下端部15aの延部は、第1層8内において第1領域14(第1上端部14b)に接続されている。
この構成では、第1層8の上端および第1領域14の第1上端部14bの間のスペースに第2領域15の一部(延部)が設けられ、第1領域14および第2領域15によって連続的に立体格子状に延びる1つのコラム領域12が形成される。したがって、チャージバランスの精度が向上される。
第2領域15は、この例では、第2層9の第2厚さT2よりも大きい第2領域厚さTR2を有している。また、第2領域厚さTR2は、第1層8の第1厚さT1よりも大きい。また、第2領域厚さTR2は、第1領域14の第1領域厚さTR1よりも大きい。むろん、第2領域厚さTR2は、第2厚さT2未満であってもよい。また、第2領域厚さTR2は、第1領域厚さTR1未満であってもよい。また、第2領域厚さTR2は、第1領域厚さTR1未満であってもよい。
第2領域15の第2漸増部20B、第2ピーク部21B、第2緩慢部22Bおよび第2漸減部23Bは、第2層9内に位置されている。第2漸減部23Bの少なくとも一部は、第1層8内に位置されている。つまり、第2下端部15aの延部は、第2漸減部23Bを含む。むろん、第2緩慢部22Bの一部が第1層8内に位置されていてもよい(図11E参照)。つまり、第2下端部15aの延部は、第2緩慢部22Bの一部および第2漸減部23Bを含んでいてもよい。
図16では、第2層9が3μmの第1厚さT1を有し、第2領域15が960KeVの注入エネルギによって第2層9内に形成された例が示されている。むろん、第2領域15は、960KeV以上の注入エネルギによって形成されていてもよい。たとえば、第2厚さT2は、3μmよりも大きく5μm以下であってもよい。この場合、960KeV以上の注入エネルギによって、第1層8内で第1領域14に接続される第2領域15が形成される(図11F~図11Eも併せて参照)。
図17は、第3形態例に係るコラム領域12を示す断面斜視図である。図18は、図17に示すコラム領域12の濃度勾配の一例を示すグラフである。図17および図18を参照して、第3形態例に係るコラム領域12は、第2形態例に係る第2領域15を変形させた形態を有している。第3形態例に係る第1領域14は、第1形態例に係る第1領域14と同様の形態を有している。
第2形態例に係る第2領域15は、第1層8の第1厚さT1とほぼ等しい第2厚さT2を有する第2層9に形成されていた。これに対して、第3形態例に係る第2領域15は、第1層8の第1厚さT1未満の第2厚さT2を有する第2層9に形成されている。第2領域15は、この例では、第2層9の第2厚さT2よりも大きい第2領域厚さTR2を有している。
図17では、第2層9が3μm未満(ここでは2μm)の第2厚さT2を有し、第2領域15が650KeVの注入エネルギによって第2層9内に形成された例が示されている。むろん、第2領域15は、650KeV以下の注入エネルギによって形成されていてもよい。
たとえば、第2厚さT2は、1μm以上2μm以下であってもよい。この場合、190KeV以上の注入エネルギによって、第1層8内で第1領域14に接続される第2領域15が形成される(図11A~図11Eも併せて参照)。たとえば、第2厚さT2は、2μm以上3μm未満であってもよい。この場合、380KeV以上の注入エネルギによって、第1層8内で第1領域14に接続される第2領域15が形成される(図11B~図11Eも併せて参照)。
この構成では、第1領域14および第2領域15の接続部に形成される濃度勾配が緩和され、チャージバランスの精度が向上される。また、比較的小さい第2厚さT2を有する第2層9によれば、比較的小さい注入エネルギによって第1領域14に接続される第2領域15が形成されることができる。したがって、製造コストが削減される。
たとえば、比較的小さい第2厚さT2によれば、第1領域14の第1領域厚さTR1(注入エネルギ)および第2領域15の第2領域厚さTR2(注入エネルギ)が同一に設定される一方で、第1層8内で第1領域14に接続される第2領域15が形成されることもできる。この場合、製造工程の工程管理が容易になる。これらの場合において、第2層9の第2厚さT2が第1層8の第1厚さT1未満に設定され、第2厚さT2よりも大きい第2領域厚さTR2を有する第2領域15が形成されてもよい。
図19は、第4形態例に係るコラム領域12を示す断面斜視図である。図20は、図19に示すコラム領域12の濃度勾配の一例を示すグラフである。図19および図20を参照して、第4形態例に係るコラム領域12は、第2形態例に係る第1領域14を変形させた形態を有している。第4形態例に係る第2領域15は、第2形態例に係る第2領域15の形態と同様の形態を有している。むろん、第4形態例に係る第2領域15は、第3形態例に係る第2領域15の形態と同様の形態を有していてもよい。
第1領域14は、第1層8の上端から下端側に間隔を空けて第1層8内に形成され、ベース層6および第1層8の境界を横切ってベース層6内に位置する部分を有している。つまり、第1領域14の第1下端部14aは、ベース層6および第1層8の境界部を横切ってベース層6内に位置する延部を有している。
第1軸チャネルCH1はベース軸チャネルCHBにほぼ一致しているため、第1下端部14aの延部はベース層6内においてベース軸チャネルCHBに沿って形成されている。第1下端部14aの延部は、ベース層6の厚さ範囲中間部に対してベース層6の上端側に位置されていることが好ましい。第1下端部14aの延部は、ベース層6内において当該ベース層6に接続されている。
第1領域14は、この例では、第1層8の第1厚さT1よりも大きい第1領域厚さTR1を有している。また、第1領域厚さTR1は、第2層9の第2厚さT2よりも大きい。また、第1領域厚さTR1は、第2領域15の第2領域厚さTR2よりも大きい。むろん、第1領域厚さTR1は、第1厚さT1未満であってもよい。また、第1領域厚さTR1は、第2厚さT2未満であってもよい。また、第1領域厚さTR1は、第2領域厚さTR2未満であってもよい。
第1領域14の第1漸増部20A、第1ピーク部21A、第1緩慢部22Aおよび第1漸減部23Aは、第1層8内に位置されている。第1漸減部23Aの少なくとも一部は、ベース層6内に位置されている。つまり、第1下端部14aの延部は、第1漸減部23Aを含む。むろん、第1緩慢部22Aの一部がベース層6内に位置されていてもよい(図11E参照)。つまり、第1下端部14aの延部は、第1緩慢部22Aの一部および第1漸減部23Aを含んでいてもよい。
図20では、第1層8が3μmの第1厚さT1を有し、第1領域14が960KeVの注入エネルギによって第1層8内に形成された例が示されている。むろん、第1領域14は、960KeV以上の注入エネルギによって形成されていてもよい。たとえば、第1厚さT1は、3μmよりも大きく5μm以下であってもよい。この場合、960KeV以上の注入エネルギによって、ベース層6内に部分的に位置される第1領域14が形成される(図11F~図11Eも併せて参照)。
図21は、第5形態例に係るコラム領域12を示す断面斜視図である。図22は、図21に示すコラム領域12の濃度勾配の一例を示すグラフである。図21および図22を参照して、第5形態例に係るコラム領域12は、第4形態例に係る第1領域14を変形させた形態を有している。第5形態例に係る第2領域15は、第2形態例に係る第2領域15の形態と同様の形態を有している。むろん、第5形態例に係る第2領域15は、第3形態例に係る第2領域15の形態と同様の形態を有していてもよい。
第4形態例では、第1層8が3μmの第1厚さT1を有し、第1領域14が960KeV以上の注入エネルギによって第1層8内に形成されていた。これに対して、第5形態例では、第1層8が3μm未満の第1厚さT1を有し、第1領域14が650KeV以上の注入エネルギによって第1層8内に形成されている。第1領域14は、この例では、第1厚さT1よりも大きい第1領域厚さTR1を有している。第1厚さT1は、この例では、第2層9の第2厚さT2未満である。
たとえば、第1厚さT1は、1μm以上2μm以下であってもよい。この場合、190KeV以上の注入エネルギによって、ベース層6内に部分的に位置される第1領域14が形成される(図11A~図11Eも併せて参照)。たとえば、第1厚さT1は、2μm以上3μm未満であってもよい。この場合、380KeV以上の注入エネルギによって、ベース層6内に部分的に位置される第1領域14が形成される(図11B~図11Eも併せて参照)。
図23は、第6形態例に係るコラム領域12を示す断面斜視図である。図24は、図23に示すコラム領域12の濃度勾配の一例を示すグラフである。図23および図24を参照して、コラム領域12は、第1領域14および第2領域15に加えて、第1領域14および第2領域15の間に介在されたp型の中間領域25を含む。
第1領域14は、第1~第5形態例に係る第1領域14の形態のいずれか1つと同様の形態を有していてもよい。第1領域14は、この例では、第4形態例に係る第1領域14の形態と同様の形態を有している。第2領域15は、第1~第5形態例に係る第2領域15の形態のいずれか1つと同様の形態を有していてもよい。第2領域15は、この例では、第4形態例(第2形態例)に係る第2領域15の形態と同様の形態を有している。
複数の中間領域25は、少なくとも複数の第1領域14および複数の第2領域15の間の複数の交差部に位置されるように第1層8の上端側の表層部に形成され、積層方向に対応する第1領域14および第2領域15にそれぞれ重なっている。複数の中間領域25は、この形態では、積層方向に複数の第1領域14に1対1の対応関係で重なるように第1配列方向Da1に間隔を空けて配列され、第1延在方向De1に延びる帯状にそれぞれ形成されている。
この例では、第1配列方向Da1がa軸方向(第2方向Y)であり、第1延在方向De1がm軸方向(第1方向X)である。むろん、複数の中間領域25の配列方向および延在方向は、複数の第1領域14の第1配列方向Da1および第1延在方向De1に応じて変更される。したがって、第1配列方向Da1がm軸方向であり、第1延在方向De1がa軸方向であってもよい。また、第1配列方向Da1がa軸方向およびm軸方向以外の方向であり、第1延在方向De1がa軸方向およびm軸方向以外の方向であってもよい。
複数の中間領域25は、第1層8内において第1層8の上端および第1領域14の第1上端部14bの間の領域に形成されている。複数の中間領域25は、第1層8の厚さ範囲中間部に対して第1層8の上端側に位置されていることが好ましい。複数の中間領域25は、第1層8の上端から露出していてもよいし、第1層8の上端から下端側に間隔を空けて形成されていてもよい。各中間領域25は、断面視において水平方向に延びる横長柱状に形成されていてもよい。むろん、各中間領域25は、鉛直方向Zに延びる縦長柱状に形成されていてもよい。
複数の中間領域25は、第1層8と共にチャージバランスを有する複数の中間pn接合部を形成している。つまり、複数の中間領域25は、複数の第1ドリフト領域16と第1スーパージャンクション構造SJ1の一部を構成している。チャージバランスを有する状態は、互いに隣り合う複数の中間領域25に関して、一方の中間pn接合部から拡がる空乏層、および、他方の中間pn接合部から拡がる空乏層が、複数の第1ドリフト領域16内で接続される状態を意味する。
図24を参照して、各中間領域25は、単一または複数の領域要素25aを含んでいてもよい。図24では、各中間領域25が複数(2つ)の領域要素25aを含む例が示されている。各中間領域25が単一の領域要素25aによって構成される場合、単一の領域要素25aは第1層8の上端および第1領域14の第1上端部14bの間の領域に形成され、第1領域14の第1上端部14bに接続される。
各中間領域25が複数の領域要素25aによって構成される場合、複数の領域要素25aは第1層8の上端および第1領域14の第1上端部14bの間の領域において異なる深さ位置にそれぞれ形成される。この場合、複数の領域要素25aは、積層方向に互いに接続されるようにそれぞれ形成される。また、少なくとも最下の領域要素25aは、第1領域14の第1上端部14bに接続される。
領域要素25aは、第1層8に対するランダム注入法によって第1層8の表層部に導入されたランダム不純物領域からなる(図12も併せて参照)。つまり、領域要素25aは、第2層9に形成されていない。また、領域要素25aは、第1軸チャネルCH1に沿う方向に関して第1領域14の第1領域厚さTR1未満の厚さを有している。また、領域要素25aの厚さは、第2領域15の第2領域厚さTR2未満である。
領域要素25aは、第1領域14等とは異なり、0.5μm以上の厚さを有する緩慢部22を有さず、0.5μmの範囲に漸増部20、ピーク部21および漸減部23を含む濃度勾配を有している。各中間領域25が複数の領域要素25aを含む場合、各中間領域25は第1層8の厚さ方向に複数の領域要素25aの個数に応じた複数のピーク部21(ピーク値P)を有する。
領域要素25aは、1×1015cm-3以上1×1018cm-3以下のp型不純物濃度をピーク値Pとして有していてもよい。図24では、領域要素25aのp型不純物濃度のピーク値Pが1×1016cm-3以上1×1017cm-3以下である例が示されている。
中間領域25のp型不純物濃度は、少なくとも1種の3価元素によって調整されていることが好ましい。中間領域25の3価元素は、第1領域14等の3価元素と同一種であってもよいし、第1領域14等の3価元素と異なる種であってもよい。中間領域25の3価元素は、ホウ素、アルミニウム、ガリウムおよびインジウムのうちの少なくとも1種であってもよい。
複数の中間領域25は、中間幅WMをそれぞれ有している。中間幅WMは、第1配列方向Da1に沿う幅である。中間幅WMは、第1層8の第1厚さT1未満であることが好ましい。むろん、中間幅WMは、第1厚さT1以上であってもよい。中間幅WMは、第2層9の第2厚さT2未満であることが好ましい。むろん、中間幅WMは、第2厚さT2以上であってもよい。
中間幅WMは、第1領域14の第1幅W1とほぼ等しいことが好ましい。むろん、中間幅WMは、第1幅W1以上であってもよいし、第1幅W1未満であってもよい。中間幅WMは、1μm以上であることが好ましい。中間幅WMは、5μm以下であることが好ましい。
中間幅WMは、1μm以上1.5μm以下、1.5μm以上2μm以下、2μm以上2.5μm以下、2.5μm以上3μm以下、3μm以上3.5μm以下、3.5μm以上4μm以下、4μm以上4.5μm以下、および、4.5μm以上5μm以下のいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。
複数の中間領域25は、中間厚さTMをそれぞれ有している。中間厚さTMは、第1層8の上端および第1領域14の第1上端部14bの間の距離以上であることが好ましい。中間厚さTMは、0.1μm以上2μm以下であってもよい。中間厚さTMは、0.1μm以上0.5μm以下、0.5μm以上1μm以下、1μm以上1.5μm以下、および、1.5μm以上2μm以下のいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。
複数の中間領域25は、第1配列方向Da1に中間ピッチPMの間隔を空けて形成されている。中間ピッチPMは、第1領域14の第1ピッチP1とほぼ等しいことが好ましい。むろん、中間ピッチPMは、第1ピッチP1以上であってもよいし、第1ピッチP1未満であってもよい。図23では、明瞭化のため、第1ピッチP1よりも大きい中間ピッチPMが示されている。
中間ピッチPMは、0.1μm以上5μm以下であってもよい。中間ピッチPMは、0.1μm以上0.25μm以下、0.25μm以上0.5μm以下、0.5μm以上0.75μm以下、0.75μm以上1μm以下、1μm以上1.5μm以下、1.5μm以上2μm以下、2μm以上2.5μm以下、2.5μm以上3μm以下、3μm以上3.5μm以下、3.5μm以上4μm以下、4μm以上4.5μm以下、および、4.5μm以上5μm以下のいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。中間ピッチPMは、0.5μm以上1.5μm以下であることが好ましい。
このような構成において、第2領域15は、第1層8内に位置する延部を有し、第1層8内において中間領域25に接続されていることが好ましい。つまり、第2領域15は、第1層8内において中間領域25を介して第1領域14に電気的に接続されていることが好ましい。この場合、第2領域15は、第1領域14および中間領域25と共に積層方向に連続的に延びる1つのドリフト領域13を形成する。
むろん、第2領域15の延部は、第1層8内において中間領域25および第1領域14の双方に接続されていてもよい。中間領域25を有する構成では、第1領域14および第2領域15の間の領域の濃度勾配が中間領域25によって緩和され、チャージバランスの精度が向上される。
図25は、第7形態例に係るコラム領域12を示す断面斜視図である。図26は、図25に示すコラム領域12の濃度勾配の一例を示すグラフである。図25および図26を参照して、第7形態例に係るコラム領域12は、第1~第6形態例に係る第1領域14を変形させた形態を有している。第7形態例に係る第2領域15は、第1~第6形態例に係る第2領域15の形態のいずれか1つと同様の形態を有していてもよい。
第1領域14は、この例では、第1層8の上端から露出している。第1領域14は、第1漸増部20Aの一部または全部を有さない。図26では、第1領域14が第1漸増部20Aの全部および第1ピーク部21Aを有さない例が示されている。つまり、第1上端部14bは、この例では、第1層8の上端から露出した第1緩慢部22Aを含む。
第1領域14は、第1層8の上端に第1ピーク値PAを有し、第1層8の下端側に向けて漸減する濃度勾配を有している。むろん、第1上端部14bは第1漸増部20Aの一部または第1ピーク部21Aの一部を含み、第1漸増部20Aの一部または第1ピーク部21Aの一部が第1層8の上端から露出していてもよい。
この構成において、第2領域15は、第1層8内に位置する延部を有し、第1層8内において第1領域14に接続されていることが好ましい。第1層8の上端から第1領域14が露出する構成では、第1領域14および第2領域15の間の領域に形成される濃度勾配が第1領域14の露出部によって緩和され、チャージバランスの精度が向上される。
このような構成は、第1領域14の形成後、第1領域14の第1漸増部20Aの一部または全部が消失するまで第1層8の上端を部分的に除去することによって得られる。たとえば、第1層8の上端は、研削法によって部分的に除去されてもよい。研削法は、機械研磨法および/または化学機械研磨法であってもよい。この場合、第1層8の上端は研削面からなり、第1領域14は当該研削面から露出する。第2層9は、第1層8の研削面の上に積層される。
たとえば、第1層8の上端は、エッチング法によって部分的に除去されてもよい。エッチング法は、ウエットエッチング法および/またはドライエッチング法であってもよい。この場合、第1層8の上端はエッチング面からなり、第1領域14は当該エッチング面から露出する。第2層9は、第1層8のエッチング面の上に積層される。
図27は、第8形態例に係るコラム領域12を示す断面斜視図である。図28は、図27に示すコラム領域12の濃度勾配の一例を示すグラフである。図27および図28を参照して、第8形態例に係るコラム領域12は、第1~第7形態例に係る第2領域15を変形させた形態を有している。第8形態例に係る第1領域14は、第1~第7形態例に係る第1領域14の形態のいずれか1つと同様の形態を有していてもよい。図27および図28では、第7形態例に係る第1領域14が示されている。
第2領域15は、この例では、第2層9の上端(第1主面3)から露出している。第2領域15は、第2漸増部20Bの一部または全部を有さない。図28では、第2領域15が第2漸増部20Bの全部および第2ピーク部21Bを有さない例が示されている。つまり、第2上端部15bは、この例では、第2層9の上端から露出した第2緩慢部22Bを含む。
第2領域15は、第2層9の上端に第2ピーク値PBを有し、第2層9の下端側に向けて漸減する濃度勾配を有している。むろん、第2上端部15bは、第2漸増部20Bの一部または第2ピーク部21Bの一部を含み、第2漸増部20Bの一部または第2ピーク部21Bの一部が第2層9の上端から露出していてもよい。
第2層9の上端から第2領域15が露出する構成は、第2層9(第1主面3)を利用してデバイス構造物が形成される場合において、第2領域15を用いてデバイス構造物の電気的特性を調整する場合に有効である。
このような構成は、第2領域15の形成後、第2領域15の第2漸増部20Bの一部または全部が消失するまで第2層9の上端を部分的に除去することによって得られる。たとえば、第2層9の上端(第1主面3)は、研削法によって部分的に除去されてもよい。研削法は、機械研磨法および/または化学機械研磨法であってもよい。この場合、第2層9の上端は研削面からなり、第2領域15は当該研削面から露出する。
たとえば、第2層9の上端(第1主面3)は、エッチング法によって部分的に除去されてもよい。エッチング法は、ウエットエッチング法および/またはドライエッチング法であってもよい。この場合、第2層9の上端はエッチング面からなり、第2領域15は当該エッチング面から露出する。
図29は、第9形態例に係るコラム領域12を示す断面斜視図である。図30は、第10形態例に係るコラム領域12を示す断面斜視図である。図29および図30を参照して、積層部7は、ベース層6側からこの順に積層されたバッファ層26、第1層8および第2層9を含む積層構造を有していてもよい。バッファ層26は、「バッファSiC層」、「バッファ領域」等と称されてもよい。
バッファ層26は、SiC単結晶を含み、n型の導電型を有している。バッファ層26は、ベース層6の上に積層されている。バッファ層26は、水平方向に層状に延び、チップ2の中間部を形成し、第1~第4側面5A~5Dの一部を形成している。バッファ層26は、ベース層6を起点に結晶成長されたエピタキシャル層(つまりSiCエピタキシャル層)からなる。
バッファ層26は、下端および上端を有している。バッファ層26の下端は結晶成長起点であり、バッファ層26の上端は結晶成長終点である。バッファ層26はベース層6から連続的に結晶成長されているため、バッファ層26の下端はベース層6の上端に一致している。ベース層6およびバッファ層26の間の境界部は必ずしも視認できるものではなく、他の構成や要素から間接的に評価および/または判定され得る。バッファ層26は、ベース層6のオフ方向Doffおよびオフ角θoffにほぼ一致したオフ方向Doffおよびオフ角θoffを有している。
バッファ層26は、積層方向に沿うバッファ軸チャネルCHBuを有している。バッファ軸チャネルCHBuは、バッファ層26を構成するSiC単結晶に関して原子間距離(原子間隔)が比較的広い領域(チャネル)であり、積層方向(結晶成長方向)に延びる結晶軸に沿う原子列によって取り囲まれている。
つまり、バッファ軸チャネルCHBuは、原子列が疎である領域が積層方向に延在し、平面視において水平方向の原子列(原子間距離/原子密度)が疎である領域である。バッファ軸チャネルCHBuは、結晶軸のうち低指数結晶軸に沿う原子列によって取り囲まれた領域であることが好ましい。
バッファ軸チャネルCHBuは、この形態では、SiC単結晶のc軸に沿う原子列によって取り囲まれた領域からなる。つまり、バッファ軸チャネルCHBuは、c軸に沿って延び、オフ方向Doffおよびオフ角θoffを有している。換言すると、バッファ軸チャネルCHBuは、鉛直軸からオフ方向Doffに向けてオフ角θoff分だけ傾斜している。
バッファ層26のn型不純物濃度は、ベース層6のn型不純物濃度未満であることが好ましい。バッファ層26は、1×1015cm-3以上1×1018cm-3以下のn型不純物濃度をピーク値として有していてもよい。バッファ層26のn型不純物濃度は、厚さ方向にほぼ一定であってもよい。むろん、バッファ層26のn型不純物濃度は、積層方向(結晶成長方向)に向けて漸増および/または漸減する濃度勾配を有していてもよい。
バッファ層26は、少なくとも1種の5価元素によって調整されたn型不純物濃度を有している。たとえば、バッファ層26のn型不純物濃度は、窒素、リン、ヒ素、アンチモンおよびビスマスのうちの少なくとも1種によって調節されていてもよい。バッファ層26は、リン以外の5価元素を含むことが好ましい。
バッファ層26のn型不純物濃度は、少なくとも窒素によって調整されていることが好ましい。バッファ層26が2種以上の5価元素を含む場合、バッファ層26は、窒素および窒素以外の5価元素を含むことが好ましい。この場合、バッファ層26は、リンおよび窒素以外の5価元素として、ヒ素およびアンチモンのいずれか一方または双方を含むことが好ましい。
バッファ層26は、バッファ厚さTBuを有している。バッファ厚さTBuは、ベース厚さTB未満であることが好ましい。バッファ厚さTBuは、1μm以上であることが好ましい。バッファ厚さTBuは、5μm以下であることが好ましい。バッファ厚さTBuは、1μm以上1.5μm以下、1.5μm以上2μm以下、2μm以上2.5μm以下、2.5μm以上3μm以下、3μm以上3.5μm以下、3.5μm以上4μm以下、4μm以上4.5μm以下、および、4.5μm以上5μm以下のいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。
第1層8は、この形態では、バッファ層26の上に積層され、第2層9は第1層8の上に積層されている。第1層8は、バッファ層26を起点に結晶成長されたエピタキシャル層(つまりSiCエピタキシャル層)からなり、n型の導電型を有している。したがって、第1層8は、バッファ層26のオフ方向Doffおよびオフ角θoffにほぼ一致したオフ方向Doffおよびオフ角θoffを有している。また、第1軸チャネルCH1は、バッファ軸チャネルCHBuにほぼ一致している。
第1層8の第1厚さT1は、バッファ厚さTBuよりも大きいことが好ましい。むろん、第1厚さT1は、バッファ厚さTBu未満であってもよい。また、第1厚さT1は、バッファ厚さTBuとほぼ等しくてもよい。第2層9の第2厚さT2は、バッファ厚さTBuよりも大きいことが好ましい。むろん、第2厚さT2は、バッファ厚さTBu未満であってもよい。また、第2厚さT2は、バッファ厚さTBuとほぼ等しくてもよい。
第1領域14は、第1~第8形態例に係る第1領域14の形態のいずれか1つと同様の形態を有し、第1層8内に形成されている。第2領域15は、第1~第8形態例に係る第1領域14の形態のいずれか1つと同様の形態を有し、第2層9内に形成されている。
図29を参照して、第1領域14の第1下端部14aは、第1層8の下端から上端側に間隔を空けて形成され、第1層8の一部(下端部)を挟んでバッファ層26に対向していてもよい。つまり、第1領域14の全域(第1漸増部20A、第1ピーク部21A、第1緩慢部22Aおよび第1漸減部23A)は、第1層8内に位置されていてもよい。むろん、第1下端部14aは、第1層8の下端とほぼ一致し、バッファ層26に接続されていてもよい。
図30を参照して、第1下端部14aは、バッファ層26および第1層8の境界部を横切り、バッファ層26内に位置する延部を有していてもよい。第1軸チャネルCH1はバッファ軸チャネルCHBuとほぼ一致しているため、第1下端部14aの延部はバッファ層26内においてバッファ軸チャネルCHBuに沿って形成されている。
第1下端部14aの延部は、バッファ層26の厚さ範囲中間部に対してバッファ層26の上端側に位置されていることが好ましい。第1下端部14aの延部は、第1漸減部23Aを含む。むろん、第1下端部14aの延部は、第1緩慢部22Aの一部および第1漸減部23Aを含んでいてもよい。
図31は、第11形態例に係るコラム領域12を示す断面斜視図である。前述の形態では、3層以上の積層構造を有するスーパージャンクション構造SJが採用され得る趣旨の説明がなされた。図31では、この一例として、3層構造を有する積層部7、および、3層構造を有するコラム領域12が示されている。
具体的には、積層部7は、第2層9の上に積層されたSiC単結晶製のn型の第3層27を含む。第3層27は「第3SiC層」、「第3半導体層」等と称されてもよい。第2層9は、この例では、チップ2の中間部を形成し、第1~第4側面5A~5Dの一部を形成している。第3層27は、水平方向に層状に延び、第1主面3を形成し、第1~第4側面5A~5Dの一部を形成している。第3層27は、第2層9を起点に結晶成長されたエピタキシャル層(つまりSiCエピタキシャル層)からなる。
第3層27は、下端および上端を有している。第3層27の下端は結晶成長起点であり、第3層27の上端は結晶成長終点である。第3層27は第2層9から連続的に結晶成長されているため、第3層27の下端は第2層9の上端に一致している。第2層9および第3層27の間の境界部は必ずしも視認できるものではなく、他の構成や要素から間接的に評価および/または判定され得る。第3層27は、第2層9のオフ方向Doffおよびオフ角θoffにほぼ一致したオフ方向Doffおよびオフ角θoffを有している。
第3層27は、積層方向に沿う第3軸チャネルCH3を有している。第3軸チャネルCH3は、第3層27を構成するSiC単結晶に関して原子間距離(原子間隔)が比較的広い領域(チャネル)であり、積層方向(結晶成長方向)に延びる結晶軸に沿う原子列によって取り囲まれている。
つまり、第3軸チャネルCH3は、原子列が疎である領域が積層方向に延在し、平面視において水平方向の原子列(原子間距離/原子密度)が疎である領域である。第3軸チャネルCH3は、結晶軸のうち低指数結晶軸に沿う原子列によって取り囲まれた領域であることが好ましい。
第3軸チャネルCH3は、この形態では、SiC単結晶のc軸に沿う原子列によって取り囲まれた領域からなる。つまり、第3軸チャネルCH3は、c軸に沿って延び、オフ方向Doffおよびオフ角θoffを有している。換言すると、第3軸チャネルCH3は、鉛直軸からオフ方向Doffに向けてオフ角θoff分だけ傾斜している。
第3層27のn型不純物濃度は、ベース層6のn型不純物濃度未満であることが好ましい。第3層27は、1×1015cm-3以上1×1018cm-3以下のn型不純物濃度をピーク値として有していてもよい。第3層27のn型不純物濃度は、厚さ方向にほぼ一定であってもよい。むろん、第3層27のn型不純物濃度は、積層方向(結晶成長方向)に向けて漸増および/または漸減する濃度勾配を有していてもよい。
第3層27は、少なくとも1種の5価元素によって調整されたn型不純物濃度を有している。たとえば、第3層27のn型不純物濃度は、窒素、リン、ヒ素、アンチモンおよびビスマスのうちの少なくとも1種によって調節されていてもよい。第3層27は、リン以外の5価元素を含むことが好ましい。
第3層27のn型不純物濃度は、少なくとも窒素によって調整されていることが好ましい。第3層27が2種以上の5価元素を含む場合、第3層27は、窒素および窒素以外の5価元素を含むことが好ましい。この場合、第3層27は、リンおよび窒素以外の5価元素として、ヒ素およびアンチモンのいずれか一方または双方を含むことが好ましい。
第3層27は、第3厚さT3を有している。第3厚さT3は、ベース厚さTB未満であることが好ましい。第3厚さT3は、第2厚さT2とほぼ等しくてもよいし、第2厚さT2以上であってもよいし、第2厚さT2未満であってもよい。第3厚さT3は、第1厚さT1とほぼ等しくてもよいし、第1厚さT1以上であってもよいし、第1厚さT1未満であってもよい。
第3厚さT3は、1μm以上であることが好ましい。第3厚さT3は、5μm以下であることが好ましい。第3厚さT3は、1μm以上1.5μm以下、1.5μm以上2μm以下、2μm以上2.5μm以下、2.5μm以上3μm以下、3μm以上3.5μm以下、3.5μm以上4μm以下、4μm以上4.5μm以下、および、4.5μm以上5μm以下のいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。
コラム領域12は、第3層27内に形成された第3領域28を含む。複数の第3領域28は、第3層27内において水平方向に間隔を空けて形成され、第3層27の一部からそれぞれなるn型の複数の第3ドリフト領域29を区画している。複数の第3領域28は、複数の第3ドリフト領域29と共にチャージバランスを有する複数の第3pn接合部を形成している。
つまり、複数の第3領域28は、第3層27と第3スーパージャンクション構造SJ3を構成している。チャージバランスを有する状態は、互いに隣り合う複数の第3領域28に関して、一方の第3pn接合部から拡がる空乏層、および、他方の第3pn接合部から拡がる空乏層が、複数の第3ドリフト領域29内で接続される状態を意味する。
複数の第3領域28は、積層方向に複数の第2領域15に重なるように第3層27内に形成されている。具体的には、複数の第3領域28は、第3層27内において第2配列方向Da2とは異なる第3配列方向Da3に間隔を空けて配列され、第2延在方向De2とは異なる第3延在方向De3に延びる帯状にそれぞれ形成されている。つまり、複数の第3領域28は第3延在方向De3に延びるストライプ状に形成され、複数の第3ドリフト領域29は第3延在方向De3に延びるストライプ状に形成されている。
複数の第3領域28は、平面視において複数の第2領域15に交差している。したがって、複数の第3ドリフト領域29は、第2層9および第3層27の境界部において複数の第2ドリフト領域17に接続され、複数の第1ドリフト領域16および複数の第2ドリフト領域17と共に1つの立体格子状のドリフト領域13を形成している。複数の第3ドリフト領域29は、複数の第1ドリフト領域16および複数の第2ドリフト領域17と共に積層方向に延びる立体格子状の電流経路を形成する。
第3配列方向Da3は、第1配列方向Da1と一致していてもよい。また、第3延在方向De3は、第1延在方向De1と一致していてもよい。つまり、複数の第3領域28は、平面視において複数の第1領域14と同一方向に延びていてもよい。この場合、複数の第3領域28は、積層方向に複数の第1領域14に1対1対応の関係で対向していてもよい。
むろん、複数の第3領域28は、複数の第1領域14から第1配列方向Da1にずれて配列され、積層方向に第1領域14および第1ドリフト領域16のいずれか一方または双方に対向していてもよい。むろん、第3配列方向Da3は、第1配列方向Da1と異なっていてもよい。また、第3延在方向De3は、第1延在方向De1と異なっていてもよい。つまり、複数の第3領域28は、平面視において複数の第1領域14に交差(たとえば直交)していてもよい。
複数の第3領域28は、断面視において第3層27内において第3軸チャネルCH3に沿って延びるチャネリング領域(第3チャネリング領域)からなる。つまり、第3領域28は、第3層27内において低指数結晶軸に沿う原子列によって取り囲まれた領域(第3軸チャネルCH3)に対して平行にまたはほぼ平行に導入された不純物領域であり、第1主面3に対して傾斜して延びている。
複数の第3領域28は、第3層27の下端側の第3下端部28aおよび第3層27の上端側の第3上端部28bをそれぞれ有している。第3下端部28aは第3層27の厚さ範囲中間部に対して第3層27の下端側の領域に位置され、第3上端部28bは第3層27の厚さ範囲中間部に対して第3層27の上端側の領域に位置されている。つまり、複数の第3領域28は、第3軸チャネルCH3に沿って第3層27の中間部を横切る厚さ(深さ)を有する単一の不純物領域からそれぞれなる。
第3下端部28aは、第3層27の下端から上端側に間隔を空けて形成され、第3層27の一部(下端部)を挟んで第2層9に対向していてもよい。第3下端部28aは、第3層27の下端とほぼ一致し、第2層9に接続されていてもよい。
第3層27の下端および第3下端部28aの間の距離は、0μm以上2μm以下であってもよい。第3層27の下端および第3下端部28aの間の距離は、0μm以上0.5μm以下、0.5μm以上1μm以下、1μm以上1.5μm以下、および、1.5μm以上2μm以下のいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。
第3下端部28aは、第2層9および第3層27の境界部を横切り、第2層9内に位置する延部を有していてもよい。この場合、第2層9の上端を基準とする第3下端部28aの延部の厚さは、0μmを超えて2μm以下であってもよい。第3下端部28aの延部の厚さは、0μmを超えて0.5μm以下、0.5μm以上1μm以下、1μm以上1.5μm以下、および、1.5μm以上2μm以下のいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。
第3上端部28bは、第3層27の上端(つまり第1主面3)から下端側に間隔を空けて形成され、第3層27の一部(上端部)を挟んで第3層27の上端に対向していてもよい。第3上端部28bは、第3層27の上端(つまり第1主面3)から露出していてもよい。
第3層27の上端および第3上端部28bの間の距離は、0μm以上1μm以下であってもよい。第3層27の上端および第3上端部28bの間の距離は、0μm以上0.25μm以下、0.25μm以上0.5μm以下、0.5μm以上0.75μm以下、および、0.75μm以上1μm以下のいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。
複数の第3領域28は、1×1015cm-3以上1×1018cm-3以下のp型不純物濃度をピーク値として有していてもよい。第3領域28のp型不純物濃度(ピーク値)は、第1領域14のp型不純物濃度(ピーク値)以上であってもよい。第3領域28のp型不純物濃度(ピーク値)は、第1領域14のp型不純物濃度(ピーク値)未満であってもよい。第3領域28のp型不純物濃度(ピーク値)は、第1領域14のp型不純物濃度(ピーク値)とほぼ等しいことが好ましい。
第3領域28のp型不純物濃度は、少なくとも1種の3価元素によって調整されていることが好ましい。第3領域28のp型不純物濃度は、炭素よりも重たい重元素に属する3価元素によって調整されていることが特に好ましい。つまり、第3領域28は、ホウ素以外の3価元素(アルミニウム、ガリウムおよびインジウムのうちの少なくとも1種)を含むことが好ましい。第3領域28のp型不純物濃度は、この形態では、アルミニウムによって調整されている。
複数の第3領域28は、第3幅W3をそれぞれ有している。第3幅W3は、第3配列方向Da3に沿う幅である。第3幅W3は、第3層27の第3厚さT3未満であることが好ましい。むろん、第3幅W3は、第3厚さT3以上であってもよい。第3幅W3は、第1層8の第1厚さT1未満であることが好ましい。むろん、第3幅W3は、第1厚さT1以上であってもよい。第3幅W3は、第2層9の第2厚さT2未満であることが好ましい。むろん、第3幅W3は、第2厚さT2以上であってもよい。
第3幅W3は、第1領域14の第1幅W1以上であってもよいし、第1幅W1未満であってもよい。第3幅W3は、第1幅W1とほぼ等しいことが好ましい。第3幅W3は、第2領域15の第2幅W2以上であってもよいし、第2幅W2未満であってもよい。第3幅W3は、第2幅W2とほぼ等しいことが好ましい。
第3幅W3は、0.1μm以上5μm以下であってもよい。第3幅W3は、0.1μm以上0.25μm以下、0.25μm以上0.5μm以下、0.5μm以上0.75μm以下、0.75μm以上1μm以下、1μm以上1.5μm以下、1.5μm以上2μm以下、2μm以上2.5μm以下、2.5μm以上3μm以下、3μm以上3.5μm以下、3.5μm以上4μm以下、4μm以上4.5μm以下、および、4.5μm以上5μm以下のいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。第3幅W3は、0.5μm以上1.5μm以下であることが好ましい。
複数の第3領域28は、第3領域厚さTR3をそれぞれ有している。第3領域厚さTR3は、第3層27の第3厚さT3未満であってもよい。第3領域厚さTR3は、第3厚さT3よりも大きくてもよい。第3領域厚さTR3は、第3厚さT3とほぼ等しくてもよい。
第3領域厚さTR3は、第1層8の第1厚さT1未満であってもよい。第3領域厚さTR3は、第1厚さT1よりも大きくてもよい。第3領域厚さTR3は、第1厚さT1とほぼ等しくてもよい。第3領域厚さTR3は、第2層9の第2厚さT2未満であってもよい。第3領域厚さTR3は、第2厚さT2よりも大きくてもよい。第3領域厚さTR3は、第2厚さT2とほぼ等しくてもよい。
第3領域厚さTR3は、1μm以上であることが好ましい。第3領域厚さTR3は、5μm以下であることが好ましい。第3領域厚さTR3は、1μm以上1.5μm以下、1.5μm以上2μm以下、2μm以上2.5μm以下、2.5μm以上3μm以下、3μm以上3.5μm以下、3.5μm以上4μm以下、4μm以上4.5μm以下、および、4.5μm以上5μm以下のいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。
第3幅W3が第3層27の第3厚さT3未満であり、第3領域厚さTR3が第3幅W3よりも大きいことが好ましい。つまり、複数の第3領域28は、第3軸チャネルCH3に沿って縦長柱状に延びる第3アスペクト比TR3/W3をそれぞれ有していることが好ましい。第3アスペクト比TR3/W3は、第3幅W3に対する第3領域厚さTR3の比である。この場合、第3領域厚さTR3は、第3厚さT3よりも大きいことが特に好ましい。たとえば、第3アスペクト比TR3/W3は、1を超えて100以下であってもよい。
複数の第3領域28は、第3配列方向Da3に第3ピッチP3の間隔を空けて形成されている。第3ピッチP3は、第3層27の第3厚さT3未満であることが好ましい。むろん、第3ピッチP3は、第3厚さT3以上であってもよい。第3ピッチP3は、第1層8の第1厚さT1未満であることが好ましい。また、第3ピッチP3は、第2層9の第2厚さT2未満であることが好ましい。むろん、第3ピッチP3は、第1厚さT1以上であってもよい。また、第3ピッチP3は、第2厚さT2以上であってもよい。
第3ピッチP3は、第1ピッチP1とほぼ等しくてもよいし、第1ピッチP1とは異なっていてもよい。第3ピッチP3は、第1ピッチP1よりも大きくてもよいし、第1ピッチP1よりも小さくてもよい。第3ピッチP3は、第2ピッチP2とほぼ等しくてもよいし、第2ピッチP2とは異なっていてもよい。第3ピッチP3は、第2ピッチP2よりも大きくてもよいし、第2ピッチP2よりも小さくてもよい。
第3ピッチP3は、0.1μm以上5μm以下であってもよい。第3ピッチP3は、0.1μm以上0.25μm以下、0.25μm以上0.5μm以下、0.5μm以上0.75μm以下、0.75μm以上1μm以下、1μm以上1.5μm以下、1.5μm以上2μm以下、2μm以上2.5μm以下、2.5μm以上3μm以下、3μm以上3.5μm以下、3.5μm以上4μm以下、4μm以上4.5μm以下、および、4.5μm以上5μm以下のいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。第3ピッチP3は、0.5μm以上1.5μm以下であることが好ましい。
その他、図11A~図11Eに示された濃度勾配の説明は、第3領域28の濃度勾配の説明に適用される。また、第1~第12形態例に示された第1領域14(第1層8)や第2領域15(第2層9)の構成は、第3領域28(第3層27)の構成に適用される。
図32は、第12形態例に係るコラム領域12を示す断面斜視図である。図32を参照して、積層部7は、この例では、第2層9の上に積層されたSiC単結晶性のn型のトップ層30を含む。トップ層30は、コラム領域12から第1主面3を離間させるために形成されている。つまり、トップ層30は、第1主面3および複数の第2領域15の第2上端部15bの間の領域の少なくとも一部を形成する部分でもある。トップ層30は、第2層9の上端部を形成する部分であると見做されてもよい。
この例では、トップ層30がn型の導電型を有しているが、トップ層30の導電型は第1主面3に形成されるデバイス構造物の性質に応じて適宜調整されることもできる。したがって、トップ層30の導電型は、必ずしもn型に制限される必要はなく、p型であってもよい。
トップ層30は、第2層9の上に積層されている。トップ層30は、水平方向に層状に延び、第1主面3を形成し、第1~第4側面5A~5Dの一部を形成している。トップ層30は、第2層9を起点に結晶成長されたエピタキシャル層(つまりSiCエピタキシャル層)からなる。
トップ層30は第2層9から連続的に結晶成長されているため、トップ層30の下端は第2層9の上端に一致している。トップ層30および第2層9の間の境界部は必ずしも視認できるものではなく、他の構成や要素から間接的に評価および/または判定され得る。トップ層30は、第2層9のオフ方向Doffおよびオフ角θoffにほぼ一致したオフ方向Doffおよびオフ角θoffを有している。
トップ層30は、積層方向に沿うトップ軸チャネルCHTを有している。トップ軸チャネルCHTは、トップ層30を構成するSiC単結晶に関して原子間距離(原子間隔)が比較的広い領域(チャネル)であり、積層方向(結晶成長方向)に延びる結晶軸に沿う原子列によって取り囲まれている。
つまり、トップ軸チャネルCHTは、原子列が疎である領域が積層方向に延在し、平面視において水平方向の原子列(原子間距離/原子密度)が疎である領域である。トップ軸チャネルCHTは、結晶軸のうち低指数結晶軸に沿う原子列によって取り囲まれた領域であることが好ましい。
トップ軸チャネルCHTは、この形態では、SiC単結晶のc軸に沿う原子列によって取り囲まれた領域からなる。つまり、トップ軸チャネルCHTは、c軸に沿って延び、オフ方向Doffおよびオフ角θoffを有している。換言すると、トップ軸チャネルCHTは、鉛直軸からオフ方向Doffに向けてオフ角θoff分だけ傾斜している。
トップ層30のn型不純物濃度は、ベース層6のn型不純物濃度未満であることが好ましい。トップ層30は、1×1015cm-3以上1×1018cm-3以下のn型不純物濃度をピーク値として有していてもよい。トップ層30のn型不純物濃度は、第1層8(第2層9)のn型不純物濃度とほぼ等しくてもよい。トップ層30のn型不純物濃度は、厚さ方向にほぼ一定であってもよい。むろん、トップ層30のn型不純物濃度は、積層方向(結晶成長方向)に向けて漸増および/または漸減する濃度勾配を有していてもよい。
トップ層30は、少なくとも1種の5価元素によって調整されたn型不純物濃度を有している。たとえば、トップ層30のn型不純物濃度は、窒素、リン、ヒ素、アンチモンおよびビスマスのうちの少なくとも1種によって調節されていてもよい。トップ層30は、リン以外の5価元素を含むことが好ましい。
トップ層30のn型不純物濃度は、少なくとも窒素によって調整されていることが好ましい。トップ層30が2種以上の5価元素を含む場合、トップ層30は、窒素および窒素以外の5価元素を含むことが好ましい。この場合、トップ層30は、リンおよび窒素以外の5価元素として、ヒ素およびアンチモンのいずれか一方または双方を含むことが好ましい。
トップ層30は、トップ厚さTTを有している。トップ厚さTTは、ベース厚さTB未満であることが好ましい。トップ厚さTTは、第1厚さT1(第2厚さT2)未満であることが好ましい。むろん、トップ厚さTTは、第1厚さT1(第2厚さT2)以上であってもよい。
トップ厚さTTは、0.1μm以上5μm以下であってもよい。トップ厚さTTは、0.1μm以上0.25μm以下、0.25μm以上0.5μm以下、0.5μm以上0.75μm以下、0.75μm以上1μm以下、1μm以上1.5μm以下、1.5μm以上2μm以下、2μm以上2.5μm以下、2.5μm以上3μm以下、3μm以上3.5μm以下、3.5μm以上4μm以下、4μm以上4.5μm以下、および、4.5μm以上5μm以下のいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。
以下、活性領域10内に形成されるデバイス構造物の形態例が示される。図33は、活性領域10の一要部を示す平面図である。図34は、第1形態例に係るゲート構造35を示す断面斜視図である。図34では、第1基本形態に係るコラム領域12に第2形態例に係るコラム領域12が適用された構成が例示されている。むろん、図34では、第1~第3基本形態に係るコラム領域12のいずれか1つに第1~第12形態例に係るコラム領域12のいずれか1つまたは複数が適用された構成が適用されてもよい。
図33および図34を参照して、SiC半導体装置1Aは、この形態では、活性領域10に形成されたデバイス構造物の一例としてのMIS構造31(Metal Insulator Semiconductor structure)を含む。MIS構造31は、「電界効果トランジスタ構造」と称されてもよい。
ここでは、MIS構造31が第2層9(第1主面3)に形成された例が示される。前述のトップ層30が形成される場合、MIS構造31はトップ層30(第1主面3)に形成される。この場合の形態は、以下の説明において必要に応じて「第2層9」を「トップ層30」に置き換えることによって得られる。以下の構成は、SiC半導体装置1Aの構成要素として説明されるが、MIS構造31の構成要素でもある。
SiC半導体装置1Aは、活性領域10に形成されたp型の複数のボディ領域32を含む。複数のボディ領域32は、積層方向に複数の第2領域15に重なるように第1主面3の表層部に形成されている。複数のボディ領域32は、この形態では、積層方向に複数の第2領域15に1対1の対応関係で重なるように第2配列方向Da2に間隔を空けて配列され、第2延在方向De2に延びる帯状にそれぞれ形成されている。
この例では、第2配列方向Da2がm軸方向(第1方向X)であり、第2延在方向De2がa軸方向(第2方向Y)である。むろん、複数のボディ領域32の配列方向および延在方向は、複数の第2領域15の第2配列方向Da2および第2延在方向De2に応じて変更される。したがって、第2配列方向Da2がa軸方向であり、第2延在方向De2がm軸方向であってもよい。また、第2配列方向Da2がa軸方向およびm軸方向以外の方向であり、第2延在方向De2がa軸方向およびm軸方向以外の方向であってもよい。
複数の第2領域15が第1主面3から間隔を空けて形成されている場合、複数のボディ領域32は第1主面3および複数の第2領域15の第2上端部15bの間の領域にそれぞれ形成される。複数のボディ領域32は、第2層9の厚さ範囲中間部に対して第1主面3側に形成され、第1主面3から露出していることが好ましい。複数のボディ領域32は、対応する第2領域15(第2上端部15b)に接続されていることが好ましい。
複数のボディ領域32は、直下の第2領域15よりも幅広にそれぞれ形成され、隣り合う複数の第2領域15から直下の第2領域15側に間隔を空けて形成されている。複数のボディ領域32は、第1主面3のうち隣り合う複数の第2領域15の間の領域から第2ドリフト領域17の一部を露出させている。
複数のボディ領域32は、第2層9に対するランダム注入法によって第2層9の表層部に導入されたランダム不純物領域からなる(図12も併せて参照)。したがって、複数のボディ領域32は、第2軸チャネルCH2に沿う方向に関して第2領域15の第2領域厚さTR2未満の厚さを有している。複数のボディ領域32の厚さは、第1領域14の第1領域厚さTR1未満である。
複数のボディ領域32は、第2領域15等とは異なり、0.5μm以上の厚さを有する緩慢部22を有さず、0.5μmの範囲に漸増部20、ピーク部21および漸減部23を含む濃度勾配を有している。複数のボディ領域32は、1×1015cm-3以上1×1018cm-3以下のp型不純物濃度をピーク値として有していてもよい。
複数のボディ領域32のp型不純物濃度は、少なくとも1種の3価元素によって調整されていることが好ましい。ボディ領域32の3価元素は、第2領域15等の3価元素と同一種であってもよいし、第2領域15等の3価元素と異なる種であってもよい。ボディ領域32の3価元素は、ホウ素、アルミニウム、ガリウムおよびインジウムのうちの少なくとも1種であってもよい。
SiC半導体装置1Aは、活性領域10において複数のボディ領域32の表層部にそれぞれ形成されたn型の1つまたは複数のソース領域33を含む。この形態では、各ボディ領域32の表層部に複数(この形態では2つ)のソース領域33が間隔を空けて形成されている。複数のソース領域33は、第2層9(複数の第2ドリフト領域17)のn型不純物濃度よりも高いn型不純物濃度を有している。複数のソース領域33は、1×1018cm-3以上1×1021cm-3以下のn型不純物濃度をピーク値として有していてもよい。
複数のソース領域33は、対応するボディ領域32の延在方向に沿って帯状にそれぞれ延びていてもよい。むろん、複数のソース領域33は、対応するボディ領域32の延在方向に沿って間隔を空けて形成されていてもよい。複数のソース領域33は、対応するボディ領域32の底部から第1主面3側に間隔を空けて形成され、対応するボディ領域32の周縁から内方に間隔を空けて形成されている。複数のソース領域33は、ボディ領域32の周縁部において複数の第2ドリフト領域17と共に第1主面3に沿うチャネル(電流経路)を区画している。
SiC半導体装置1Aは、活性領域10において複数のボディ領域32の表層部にそれぞれ形成されたp型の1つまたは複数のコンタクト領域34を含む。コンタクト領域34は、「バックゲート領域」と称されてもよい。この形態では、各ボディ領域32の表層部において互いに隣り合う複数のソース領域33の間の領域に1つのコンタクト領域34が形成されている。
複数のコンタクト領域34は、複数のボディ領域32のp型不純物濃度(ピーク値)よりも高いp型不純物濃度(ピーク値)を有している。複数のコンタクト領域34のp型不純物濃度(ピーク値)は、複数の第2領域15のp型不純物濃度(ピーク値)よりも高い。複数のコンタクト領域34は、1×1018cm-3以上1×1021cm-3以下のp型不純物濃度をピーク値として有していてもよい。
複数のコンタクト領域34は、対応するボディ領域32の延在方向に沿って帯状にそれぞれ延びていてもよい。むろん、複数のコンタクト領域34は、対応するボディ領域32の延在方向に沿って間隔を空けて形成されていてもよい。複数のコンタクト領域34は、対応するボディ領域32の底部から第1主面3側に間隔を空けて形成され、対応するボディ領域32の周縁部から内方に間隔を空けて形成されている。
SiC半導体装置1Aは、活性領域10において第1主面3の上に配置されたプレーナ電極型の複数のゲート構造35を含む。ゲート構造35は、「プレーナゲート構造」と称されてもよい。複数のゲート構造35は、積層方向に少なくとも1つのボディ領域32(チャネル)に重なるように第1主面3の上に間隔を空けて配列されている。複数のゲート構造35には、制御電位としてのゲート電位が付与される。複数のゲート構造35は、ゲート電位に応答してボディ領域32内におけるチャネル(電流経路)の反転および非反転を制御する。
複数のゲート構造35は、この形態では、第2配列方向Da2に間隔を空けて配列され、第2延在方向De2に延びる帯状にそれぞれ形成されている。この例では、第2配列方向Da2がm軸方向(第1方向X)であり、第2延在方向De2がa軸方向(第2方向Y)である。
むろん、複数のゲート構造35の配列方向および延在方向は、複数の第2領域15(ボディ領域32)の第2配列方向Da2および第2延在方向De2に応じて変更される。したがって、第2配列方向Da2がa軸方向であり、第2延在方向De2がm軸方向であってもよい。また、第2配列方向Da2がa軸方向およびm軸方向以外の方向であり、第2延在方向De2がa軸方向およびm軸方向以外の方向であってもよい。
複数のゲート構造35は、複数の第2領域15から複数の第2ドリフト領域17側にずれて配置され、積層方向に複数の第2ドリフト領域17に1対1の対応関係で重なっている。複数のゲート構造35は、この形態では、隣り合う2つのボディ領域32に跨るようにそれぞれ配置され、一方および他方のボディ領域32内に位置された複数のソース領域33をそれぞれ被覆している。
複数のゲート構造35は、第1主面3の上に配置されたゲート絶縁膜36、および、ゲート絶縁膜36の上に配置されたゲート電極37を含む積層構造をそれぞれ有している。ゲート絶縁膜36は、酸化シリコン膜を含んでいてもよい。ゲート電極37は、導電性ポリシリコンを含んでいてもよい。
ゲート絶縁膜36およびゲート電極37のいずれか一方または双方は、積層方向に第2領域15に部分的に重なるように配置されていてもよい。むろん、ゲート絶縁膜36およびゲート電極37のいずれか一方または双方は、積層方向に第2領域15に部分的に重ならないように配置されていてもよい。
以下、外周領域11側の構成が示される。図35は、外周領域11の一要部を示す断面図である。SiC半導体装置1Aは、外周領域11において第1主面3の表層部に形成された少なくとも1つ(好ましくは2個以上20個以下)のp型のフィールド領域38を含む。
複数のフィールド領域38の個数は、典型的には、4個以上8個以下である。複数のフィールド領域38は、電気的に浮遊状態に形成され、第1主面3の周縁部においてチップ2内の電界を緩和する。フィールド領域38の個数、幅、深さ、p型不純物濃度等は任意であり、緩和すべき電界に応じて種々の値を取り得る。
複数のフィールド領域38は、チップ2の周縁および活性領域10の間の領域に間隔を空けて形成されている。複数のフィールド領域38は、平面視において活性領域10に沿って延びる帯状に形成されている。複数のフィールド領域38は、第1方向Xに帯状に延びる部分、および、第2方向Yに帯状に延びる部分をそれぞれ有している。複数のフィールド領域38は、この形態では、平面視において活性領域10(つまりコラム領域12)を取り囲む環状(具体的には四角環状)に形成されている。
複数のフィールド領域38は、第2層9の下端から第1主面3側に間隔を空けて第2層9内に形成され、第2層9とpn接合部をそれぞれ形成している。複数のフィールド領域38は、第2層9の厚さ範囲中間部に対して第1主面3側に位置する底部を有していることが好ましい。複数のフィールド領域38は、この形態では、コラム領域12からチップ2の周縁側に間隔を空けて形成されている。したがって、複数のフィールド領域38は、積層方向にコラム領域12に対向していない。
複数のフィールド領域38の底部は、第2領域15の第2上端部15bの深さ位置よりも第1主面3側に位置されていてもよい。むろん、複数のフィールド領域38の底部は、第2領域15の第2上端部15bの深さ位置よりも第2領域15の第2下端部15a側に位置されていてもよい。この場合、複数のフィールド領域38の底部は、第2領域15の厚さ範囲中間部に対して第1主面3側に位置されていることが好ましい。
複数のフィールド領域38は、複数のボディ領域32の厚さとほぼ等しい厚さを有していてもよい。この場合、複数のフィールド領域38は、複数のボディ領域32と同時に形成されることができる。むろん、複数のフィールド領域38の厚さは、複数のボディ領域32の厚さよりも大きくてもよい。また、複数のフィールド領域38の厚さは、複数のボディ領域32の厚さよりも小さくてもよい。
複数のフィールド領域38は、第2層9に対するランダム注入法によって第2層9の表層部に導入されたランダム不純物領域からなる(図12も併せて参照)。したがって、複数のフィールド領域38は、第2軸チャネルCH2に沿う方向に関して第2領域15の第2領域厚さTR2未満の厚さを有している。複数のフィールド領域38の厚さは、第1領域14の第1領域厚さTR1未満である。
複数のフィールド領域38は、第2領域15等とは異なり、0.5μm以上の厚さを有する緩慢部22を有さず、0.5μmの範囲に漸増部20、ピーク部21および漸減部23を含む濃度勾配を有している。複数のフィールド領域38は、1×1015cm-3以上1×1018cm-3以下のp型不純物濃度をピーク値として有していてもよい。
フィールド領域38のp型不純物濃度は、ボディ領域32のp型不純物濃度とほぼ等しくてもよい。むろん、複数のフィールド領域38のp型不純物濃度は、複数のボディ領域32のp型不純物濃度も高くてもよい。また、複数のフィールド領域38のp型不純物濃度は、複数のボディ領域32のp型不純物濃度よりも低くてもよい。
複数のフィールド領域38のp型不純物濃度は、少なくとも1種の3価元素によって調整されていることが好ましい。フィールド領域38の3価元素は、第2領域15等の3価元素と同一種であってもよいし、第2領域15等の3価元素と異なる種であってもよい。フィールド領域38の3価元素は、ホウ素、アルミニウム、ガリウムおよびインジウムのうちの少なくとも1種であってもよい。
複数のフィールド領域38は、第2領域15の第2幅W2(第1領域14の第1幅W1)とは異なる幅を有していることが好ましい。つまり、複数のフィールド領域38による電界緩和効果は、コラム領域12から切り離して調節されることが好ましい。
複数のフィールド領域38の幅は、第2領域15の第2幅W2(第1幅W1)よりも大きいことが特に好ましい。むろん、複数のフィールド領域38の幅は、第2幅W2(第1幅W1)よりも小さくてもよい。また、コラム領域12の幅は、第2幅W2(第1幅W1)とほぼ等しくてもよい。
複数のフィールド領域38は、第2領域15の第2ピッチP2(第1領域14の第1ピッチP1)とは異なるピッチで形成されていることが好ましい。複数のフィールド領域38のピッチは、第2ピッチP2(第1ピッチP1)よりも大きいことが特に好ましい。むろん、複数のフィールド領域38のピッチは、第2ピッチP2(第1ピッチP1)よりも小さくてもよい。また、複数のフィールド領域38のピッチは、第2ピッチP2(第1ピッチP1)とほぼ等しくてもよい。
SiC半導体装置1Aは、第1主面3を被覆する層間絶縁膜40を含む。層間絶縁膜40は、「絶縁膜」、「層間膜」、「中間絶縁膜」等と称されてもよい。層間絶縁膜40は、この形態では、第1絶縁膜41および第2絶縁膜42を含む積層構造を有している。第1絶縁膜41は、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜および酸窒化シリコン膜のうちの少なくとも1つを含んでいてもよい。第1絶縁膜41は、チップ2(第2層9)の酸化物からなる酸化シリコン膜を含むことが特に好ましい。
第1絶縁膜41は、活性領域10および外周領域11において第1主面3を選択的に被覆している。第1絶縁膜41は、活性領域10においてゲート絶縁膜36外の領域を被覆し、ゲート絶縁膜36に接続されている。第1絶縁膜41は、外周領域11において複数のフィールド領域38を被覆している。第1絶縁膜41は、この形態では、第1主面3の周縁(第1~第4側面5A~5D)に連なっている。むろん、第1絶縁膜41は、第1主面3の周縁から内方に間隔を空けて形成され、第1主面3の周縁部から第2層9を露出させていてもよい。
第2絶縁膜42は、第1絶縁膜41の上に積層されている。第2絶縁膜42は、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜および酸窒化シリコン膜のうちの少なくとも1つを含んでいてもよい。層間絶縁膜40は、酸化シリコン膜を含むことが好ましい。第2絶縁膜42は、活性領域10および外周領域11において第1絶縁膜41を挟んで第1主面3を被覆している。
第2絶縁膜42は、活性領域10において複数のゲート構造35を被覆している。第2絶縁膜42は、外周領域11において第1絶縁膜41を挟んで複数のフィールド領域38を被覆している。第2絶縁膜42は、この形態では、第1主面3の周縁に連なっている。むろん、第2絶縁膜42は、第1主面3の周縁から内方に間隔を空けて形成され、第1絶縁膜41と共に第1主面3の周縁部を露出させていてもよい。
SiC半導体装置1Aは、層間絶縁膜40に形成された複数のコンタクト開口43を含む。複数のコンタクト開口43は、複数のゲート構造35(ゲート電極37)を露出させる複数のコンタクト開口43(図示略)、および、複数のソース領域33を露出させる複数のコンタクト開口43を含む。ソース領域33用の複数のコンタクト開口43は、隣り合う複数のゲート構造35の間の領域に形成され、複数のソース領域33および複数のコンタクト領域34を露出させている。
図1を参照して、SiC半導体装置1Aは、層間絶縁膜40の上に配置されたゲートパッド45を含む。ゲートパッド45は、外部からゲート電位が付与される電極である。ゲートパッド45は、「ゲートパッド電極」、「第1パッド電極」等と称されてもよい。ゲートパッド45は、層間絶縁膜40側からこの順に積層されたTi系金属膜およびAl系金属膜を含む積層構造を有していてもよい。
ゲートパッド45は、この形態では、層間絶縁膜40のうち活性領域10を被覆する部分の上に配置されている。ゲートパッド45は、外周領域11から活性領域10側に間隔を空けて配置されていてもよい。ゲートパッド45は、この形態では、平面視において活性領域10の周縁部に配置されている。
図1では、ゲートパッド45が活性領域10の周縁部において第2側面5Bの中央部に沿う領域に配置された例が示されている。むろん、ゲートパッド45は、第1~第4側面5A~5Dの中央部のいずれかに沿う領域に配置されていてもよい。むろん、ゲートパッド45は、平面視において活性領域10の任意の角部に配置されていてもよい。また、ゲートパッド45は、平面視において活性領域10の中央部に配置されていてもよい。ゲートパッド45は、この形態では、平面視において四角形状に形成されている。
SiC半導体装置1Aは、ゲートパッド45から層間絶縁膜40の上に引き出された少なくとも1つ(この形態では複数)のゲート配線46を含む。ゲート配線46は、「配線」、「配線電極」等と称されてもよい。複数のゲート配線46は、層間絶縁膜40側からこの順に積層されたTi系金属膜およびAl系金属膜を含む積層構造を有していてもよい。複数のゲート配線46は、この形態では、第1ゲート配線46Aおよび第2ゲート配線46Bを含む。
第1ゲート配線46Aは、ゲートパッド45から第1側面5A側に向けて引き出され、複数のゲート構造35の一部(具体的には一端部)に交差(具体的には直交)するように活性領域10の周縁に沿ってライン状に延びている。第1ゲート配線46Aは、複数のコンタクト開口43を介して層間絶縁膜40を貫通し、複数のゲート構造35の一端部に電気的に接続されている。
第2ゲート配線46Bは、ゲートパッド45から第3側面5C側に向けて引き出され、複数のゲート構造35の一部(具体的には他端部)に交差(具体的には直交)するように活性領域10の周縁に沿ってライン状に延びている。第2ゲート配線46Bは、複数のコンタクト開口43を介して層間絶縁膜40を貫通し、複数のゲート構造35の他端部に電気的に接続されている。
SiC半導体装置1Aは、ゲートパッド45およびゲート配線46から間隔を空けて層間絶縁膜40の上に配置されたソースパッド47を含む。ソースパッド47は、外部からソース電位が付与される電極である。ソースパッド47は、「ソースパッド電極」、「第2パッド電極」等と称されてもよい。ソースパッド47は、層間絶縁膜40側からこの順に積層されたTi系金属膜およびAl系金属膜を含む積層構造を有していてもよい。
ソースパッド47は、層間絶縁膜40のうち活性領域10を被覆する部分の上に配置されている。ソースパッド47は、外周領域11から活性領域10側に間隔を空けて配置されていてもよい。ソースパッド47は、この形態では、平面視においてゲートパッド45に沿って窪んだ凹部を有する多角形状に形成されている。むろん、ソースパッド47は、平面視において四角形状に形成されていてもよい。
ソースパッド47は、複数のコンタクト開口43を介して層間絶縁膜40を貫通し、複数のボディ領域32、複数のソース領域33および複数のコンタクト領域34に電気的に接続されている。つまり、ソースパッド47は、複数のボディ領域32を介してコラム領域12に電気的に接続されている。
SiC半導体装置1Aは、第2主面4を被覆するドレインパッド48を含む。ドレインパッド48は、外部からドレイン電位が付与される電極である。ドレインパッド48は、「ドレインパッド電極」、「第3パッド電極」等と称されてもよい。ドレインパッド48は、第2主面4から露出したベース層6とオーミック接触を形成している。つまり、ドレインパッド48は、ベース層6を介して第1層8(複数の第1ドリフト領域16)および第2層9(複数の第2ドリフト領域17)に電気的に接続されている。
ドレインパッド48は、チップ2の周縁(第1~第4側面5A~5D)に連なるように第2主面4の全域を被覆していてもよい。ドレインパッド48は、チップ2の周縁部を露出させるように、チップ2の周縁から内方に間隔を空けて第2主面4を被覆していてもよい。
ソースパッド47およびドレインパッド48の間(第1主面3および第2主面4の間)に印加可能なブレークダウン電圧は、500V以上3000V以下であってもよい。ブレークダウン電圧は、500V以上1000V以下、1000V以上1500V以下、1500V以上2000V以下、2000V以上2500V以下、および、2500V以上3000V以下のいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。
2層構造を有する積層部7が採用される場合、ブレークダウン電圧は500V以上1000V以下、1000V以上1500V以下、および、1500V以上2000V以下のいずれか1つの範囲に属する値に設定されることが好ましい。3層構造を有する積層部7が採用される場合、ブレークダウン電圧は1000V以上1500V以下、1500V以上2000V以下、2000V以上2500V以下、および、2500V以上3000V以下のいずれか1つの範囲に属する値に設定されることが好ましい。
図36は、第2形態例に係るゲート構造35を示す断面斜視図である。第1形態例に係る複数のゲート構造35は、複数の第2領域15の第2延在方向De2に沿って延びていた。これに対して、第2形態例に係る複数のゲート構造35は、複数の第2領域15に交差するように第2延在方向De2以外の方向に延びている。
前述の複数のボディ領域32は、この形態では、積層方向に複数の第2領域15に交差するように第2延在方向De2以外の方向に延びている。複数のボディ領域32は、この形態では、第1領域14の第1配列方向Da1に間隔を空けて配列され、第1領域14の第1延在方向De1に延びている。つまり、複数のボディ領域32は、複数の第2領域15に直交している。この例では、第1配列方向Da1がa軸方向(第2方向Y)であり、第1延在方向De1がm軸方向(第1方向X)である。
複数のボディ領域32は、積層方向に複数の第1領域14に1対1対応の関係で対向していてもよい。むろん、各ボディ領域32は、積層方向に複数の第1領域14に対向していてもよい。複数のボディ領域32は、積層方向に複数の第1ドリフト領域16に1対1対応の関係で対向していてもよい。
むろん、各ボディ領域32は、積層方向に複数の第1ドリフト領域16に対向していてもよい。複数のボディ領域32は、複数の第1領域14から第1配列方向Da1にずれて配列され、積層方向に第1領域14および第1ドリフト領域16のいずれか一方または双方に対向していてもよい。
むろん、複数のボディ領域32の配列方向および延在方向は、複数の第1領域14の第1配列方向Da1および第1延在方向De1に応じて変更される。したがって、第1配列方向Da1がm軸方向であり、第1延在方向De1がa軸方向であってもよい。また、第1配列方向Da1がa軸方向およびm軸方向以外の方向であり、第1延在方向De1がa軸方向およびm軸方向以外の方向であってもよい。
むろん、複数のボディ領域32の配列方向は、第1配列方向Da1および第2配列方向D2以外の方向であってもよい。また、複数のボディ領域32の延在方向は、第1延在方向De1および第2延在方向De2以外の方向であってもよい。つまり、複数のボディ領域32は、平面視において複数の第1領域14および複数の第2領域15の双方に交差していてもよい。この場合、複数のボディ領域32の配列方向がa軸方向およびm軸方向の一方であり、複数のボディ領域32の延在方向がa軸方向およびm軸方向の他方である形態は妨げられない。
たとえば、ボディ領域32の延在方向および第2延在方向De2の間の角度(絶対値)は、0°を超えて90°以下であってもよい。ボディ領域32の角度(絶対値)は、0°を超えて18°以下、18°以上36°以下、36°以上54°以下、54°以上72°以下、および、72°以上90°以下のうちのいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。ボディ領域32の角度(絶対値)は、30°±5°、45°±5°、および、60°±5°のうちのいずれか1つの範囲に属する値に設定されてもよい。
前述の複数のソース領域33および複数のコンタクト領域34は、対応するボディ領域32の延在方向に沿って形成され、積層方向に対応するボディ領域32の一部を挟んで複数の第2領域15および複数の第2ドリフト領域17にそれぞれ対向している。
複数のゲート構造35は、この形態では、第1領域14の第1配列方向Da1に間隔を空けて配列され、第1領域14の第1延在方向De1に延びている。つまり、複数のゲート構造35は、複数の第2領域15に直交している。この例では、第1配列方向Da1がa軸方向(第2方向Y)であり、第1延在方向De1がm軸方向(第1方向X)である。
複数のゲート構造35は、積層方向に複数の第1領域14に1対1対応の関係で対向していてもよい。むろん、各ゲート構造35は、積層方向に複数の第1領域14に対向していてもよい。複数のゲート構造35は、積層方向に複数の第1ドリフト領域16に1対1対応の関係で対向していてもよい。
むろん、各ゲート構造35は、積層方向に複数の第1ドリフト領域16に対向していてもよい。複数のゲート構造35は、複数の第1領域14から第1配列方向Da1にずれて配列され、積層方向に第1領域14および第1ドリフト領域16のいずれか一方または双方に対向していてもよい。
むろん、複数のゲート構造35の配列方向および延在方向は、複数の第1領域14(ボディ領域32)の第1配列方向Da1および第1延在方向De1に応じて変更される。したがって、第1配列方向Da1がm軸方向であり、第1延在方向De1がa軸方向であってもよい。また、第1配列方向Da1がa軸方向およびm軸方向以外の方向であり、第1延在方向De1がa軸方向およびm軸方向以外の方向であってもよい。
むろん、複数のゲート構造35の配列方向は、第1配列方向Da1および第2配列方向D2以外の方向であってもよい。また、複数のゲート構造35の延在方向は、第1延在方向De1および第2延在方向De2以外の方向であってもよい。つまり、複数のゲート構造35は、平面視において複数の第1領域14および複数の第2領域15の双方に交差していてもよい。この場合、複数のゲート構造35の配列方向がa軸方向およびm軸方向の一方であり、複数のゲート構造35の延在方向がa軸方向およびm軸方向の他方である形態は妨げられない。
たとえば、ゲート構造35の延在方向および第2延在方向De2の間の角度(絶対値)は、0°を超えて90°以下であってもよい。ゲート構造35の角度(絶対値)は、0°を超えて18°以下、18°以上36°以下、36°以上54°以下、54°以上72°以下、および、72°以上90°以下のうちのいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。ゲート構造35の角度(絶対値)は、30°±5°、45°±5°、および、60°±5°のうちのいずれか1つの範囲に属する値に設定されてもよい。
複数のゲート構造35は、この形態では、隣り合う2つのボディ領域32に跨るようにそれぞれ配置され、一方および他方のボディ領域32内に位置された複数のソース領域33をそれぞれ被覆している。また、複数のゲート構造35は、積層方向に複数の第2領域15(第2領域15)および複数の第2ドリフト領域17にそれぞれ対向している。
図37は、SiC半導体装置1Aの製造に使用されるウエハ50を示す概略図である。ウエハ50は、ベース層6の基材であり、SiC単結晶を含む。ウエハ50は、扁平な円盤状に形成されている。むろん、ウエハ50は、扁平な直方体形状に形成されていてもよい。ウエハ50は、一方側の第1ウエハ主面51、他方側の第2ウエハ主面52、ならびに、第1ウエハ主面51および第2ウエハ主面52を接続するウエハ側面53を有している。
第1ウエハ主面51はベース層6の上端に対応し、第2ウエハ主面52はベース層6の下端に対応している。第1ウエハ主面51および第2ウエハ主面52は、SiC単結晶のc面によって形成されている。第1ウエハ主面51はSiC単結晶のシリコン面によって形成され、第2ウエハ主面52はSiC単結晶のカーボン面によって形成されている。ウエハ50(第1ウエハ主面51および第2ウエハ主面52)は、前述のオフ方向Doffおよびオフ角θoffを有している。
ウエハ50は、ウエハ側面53においてSiC単結晶の結晶方位を示す目印54を有している。目印54は、オリエンテーションフラットおよびオリエンテーションノッチのいずれか一方または双方を含んでいてもよい。オリエンテーションフラットは、平面視において直線状に切り欠かれた切り欠き部からなる。オリエンテーションノッチは、平面視において第1ウエハ主面51の中央部に向けて凹形状(たとえば先細り形状)に切り欠かれた切り欠き部からなる。
目印54は、m軸方向に延びる第1のオリエンテーションフラット、および、a軸方向に延びる第2のオリエンテーションフラットのいずれか一方または双方を含んでいてもよい。目印54は、m軸方向に窪んだオリエンテーションノッチ、および、a軸方向に窪んだオリエンテーションノッチのいずれか一方または双方を含んでいてもよい。図37では、平面視においてm軸方向に延びるオリエンテーションフラットが示されている。
たとえば、ウエハ50には、アライメントマーク等によって複数のデバイス領域55および複数の切断予定ライン56が設定される。各デバイス領域55は、SiC半導体装置1Aに対応する領域である。複数のデバイス領域55は、平面視において四角形状にそれぞれ設定されている。
複数のデバイス領域55は、この形態では、平面視において第1方向Xおよび第2方向Yに沿って行列状に設定される。複数のデバイス領域55は、平面視において第1ウエハ主面51の周縁から内方に間隔を空けてそれぞれ設定されている。複数の切断予定ライン56は、複数のデバイス領域55を区画するように第1方向Xおよび第2方向Yに沿って延びる格子状に設定されている。
図38は、SiC半導体装置1Aの製造方法例を示すフローチャートである。図39A~図39Hは、SiC半導体装置1Aの製造方法例を示す断面斜視図である。図40A~図40Bは、結晶方位の測定工程を説明するための概略図である。図41A~図41Bは、イオン注入工程を説明するための概略図である。図39A~図39Hは、1つのデバイス領域55の活性領域10の一部の断面斜視図を示している。
まず、図39Aを参照して、前述のウエハ50の用意工程が実施される(図38のステップS1)。次に、n型のバッファ層26(図29および図30参照)の形成工程が実施されるか否かの判定工程が実施される(図38のステップS2)。バッファ層26が形成される場合(図38のステップS2:YES)、バッファ層26が、エピタキシャル成長法によって第1ウエハ主面51(ウエハ50)を起点に形成される(図38のステップS3)。バッファ層26の形成工程が実施されない場合(図38のステップS2:NO)、この工程は省略される。
次に、図39Bを参照して、n型の第1層8の形成工程が実施される(図38のステップS4)。バッファ層26の形成工程が省略された場合、第1層8は、エピタキシャル成長法によって第1ウエハ主面51(ウエハ50)を起点に形成される。バッファ層26が形成された場合、第1層8は、エピタキシャル成長法によってバッファ層26を起点に形成される。この場合、第1層8は、バッファ層26の形成工程後、バッファ層26の形成工程を利用してバッファ層26から連続的に結晶成長されることによって形成されてもよい。
次に、第1層8の結晶方位の測定工程が実施される(図38のステップS5)。第1層8の結晶方位は、第1層8のオフ角θoffを測定する工程を含む。つまり、この工程は、第1層8の第1軸チャネルCH1の結晶方位を測定する工程を含む。
ウエハ50は結晶塊であるインゴット(SiCインゴット)から切り出されるが、プロセス誤差に起因してオフ角θoffに誤差が生じるリスクがある。ウエハ50のオフ角θoffに誤差が生じた場合、第1層8のオフ角θoffにもプロセス誤差が生じ、チャネリング注入工程時の障害になる。したがって、チャネリング注入工程に先立ってオフ角θoffのデータ(情報)が取得され、当該オフ角θoffのデータ(情報)に基づいてチャネリング注入工程が実施されることが好ましい。
図40Aを参照して、この工程では、X線回折装置57を用いたX線回折法(所謂ω-2θ測定法)によって第1層8の結晶方位が測定される。X線回折装置57は、「XRD(X-ray Diffraction)装置」と称されてもよい。
X線回折装置57は、照射部58および検出部59を含み、ロッキングカーブ測定法を実行する。照射部58は、第1層8の上端(ウエハ50の第1ウエハ主面51)に対して所定の入射角ωを有する入射X線L1を照射する。入射角ωは、入射X線L1および第1層8の上端(ウエハ50の第1ウエハ主面51)の間の角度によって定義される。
検出部59は、ウエハ50に対する入射X線L1の照射位置に対して回折角2θ(θはブラッグ角)の角度位置に配置され、回折X線L2を検出する。回折角2θは、入射X線L1の入射方向および回折X線L2の回折方向の間の角度である。
ロッキングカーブ測定法では、回折角2θが固定された状態で、入射角ωが微小な角度範囲で変移させられ、回折X線L2の強度(回折X線L2の強度プロファイル)を表すロッキングカーブが測定される。ロッキングカーブは、回折X線L2の強度を縦軸に有し、入射角ωを横軸に有している。入射角ωは、回折X線L2の強度がピーク値を取る角度位置で求められる。
この工程では、第1層8の上端(ウエハ50の第1ウエハ主面51)の一箇所(たとえば中央部)についてのみ、ロッキングカーブ測定法が実施される。オフ角θoffの面内ばらつきが想定される場合、ロッキングカーブ測定法は第1層8の上端(ウエハ50の第1ウエハ主面51)の複数個所(たとえば中央部および周縁部)について実施されてもよい。
図40Bでは、第1層8の上端の複数個所(ここでは5か所)についてロッキングカーブ測定法を実施した場合の測定箇所が示されている。第1層8のオフ角θoffは、ここでは、約4°に設定されている。図40Bでは、第1~第5測定点Po1~Po5が示されている。
第1測定点Po1は、第1層8の中央部に設定されている。第2測定点Po2は、第1測定点Po1から第2方向Yの一方側(目印54とは反対側)に間隔を空けて第1層8の周縁部に設定されている。第3測定点Po3は、第1測定点Po1から第1方向Xの一方側(目印54に対して右側)に間隔を空けて第1層8の周縁部に設定されている。
第4測定点Po4は、第1測定点Po1から第2方向Yの他方側(目印54側)に間隔を空けて第1層8の周縁部に設定されている。第5測定点Po5は、第1測定点Po1から第1方向Xの他方側(目印54に対して左側)に間隔を空けて第1層8の周縁部に設定されている。
第1~第5測定点Po1~Po5における入射角ω、回折角2θおよびオフ角θoffの測定結果は、以下の表1(Table 1)の通りである。オフ角θoffは、入射角ωおよび回折角2θを用いて「ω-(2θ×1/2)」の計算式によって求められる。
表1に示される通り、第1~第5測定点Po1~Po5のオフ角θoffの平均値は4.036°であり、これらのオフ角θoffの標準偏差は0.009°(±0.01°)であった。このことから、第1層8の上端(ウエハ50の第1ウエハ主面51)に生じるオフ角θoffの面内ばらつきは極めて小さく、チャネリング注入工程に支障を来たさない程度であることが理解される。
したがって、第1層8の上端(ウエハ50の第1ウエハ主面51)に対する測定箇所は少なくとも一箇所で問題ないことが理解される。たとえば、測定箇所は、第1~第5測定点Po1~Po5のいずれか1つまたは複数(全部)であってもよい。たとえば、測定箇所は、第1測定点Po1のみであってもよい。測定箇所(測定回数)を減らすことにより、製造工数(製造コスト)が削減される。
むろん、第1層8の上端(ウエハ50の第1ウエハ主面51)の複数個所についてオフ角θoffを測定し、チャネリング注入工程においてオフ角θoffの面内ばらつきに応じた注入角度が設定されてもよい。この場合、製造工数(製造コスト)が増大するが、第1層8に形成される第1領域14の面内誤差が適切に抑制される。
第1層8のオフ角θoffは、ウエハ50のオフ角θoffおよびバッファ層26のオフ角θoffにほぼ一致している。したがって、結晶方位の測定工程は、第1層8の形成工程に先立ってウエハ50またはバッファ層26に対して実施されてもよい。ただし、正確を期す観点から、結晶方位の測定工程は第1層8に対して実施されることが好ましい。
次に、図39Cを参照して、所定パターンを有する第1マスク60の形成工程が実施される(図38のステップS6)。第1マスク60は、有機マスク(レジストマスク)であることが好ましい。第1マスク60は、第1層8の上端の上に配置され、第1層8において複数の第1領域14を形成すべき領域を露出させる複数の第1開口61を有している。複数の第1開口61は、第1配列方向Da1に間隔を空けて形成され、第1延在方向De1に延びる帯状にそれぞれ区画される。
次に、図39Dを参照して、複数の第1領域14の形成工程が実施される(図38のステップS7)。複数の第1領域14の形成工程は、第1層8に対する3価元素(p型不純物)のチャネリング注入工程を含む。第1層8(ウエハ50)は、第1ウエハ主面51に対して所定のオフ方向Doffに所定の角度で傾斜したオフ角θoffを有している。チャネリング注入工程は、オフ角θoffのデータ(情報)に基づいて実施される。
図41Aを参照して、ランダム注入法では、第1軸チャネルCH1(オフ角θoff)に交差する方向に3価元素が所定の注入エネルギで第1層8に導入される(図12も併せて参照)。たとえば、ランダム注入法では、第1層8の上端(第1ウエハ主面51)に垂直な鉛直方向Zに沿って3価元素が注入される。
ランダム注入法の場合、平面視において原子列が比較的密である方向に沿って3価元素が導入されるため、3価元素は比較的浅い深さ位置において原子列に衝突する。そのため、第1層8の比較的深い深さ位置に対する3価元素の導入が原子列によって阻害される。その結果、緩慢部22を有さない第1領域14が形成される(図12も併せて参照)。
一方、図41Bを参照して、チャネリング注入法では、第1層8に対する3価元素の注入角度が制御され、第1軸チャネルCH1(この形態ではSiC単結晶のc軸)に沿って3価元素が所定の注入エネルギで第1層8に導入される(図11A~図11Eも併せて参照)。この場合、第1層8に対する3価元素の注入角度、および、3価元素の注入角度に対する第1層8の傾斜角度のいずれか一方または双方が調節される。
たとえば、ウエハ50が水平に支持され、3価元素が第1軸チャネルCH1に沿って第1層8に導入されてもよい。むろん、ウエハ50が水平に対してオフ角θoff分だけ傾斜した状態で支持され、3価元素が第1軸チャネルCH1に沿って第1層8に導入されてもよい。3価元素の注入エネルギおよび3価元素の注入温度(ウエハ50の温度)の任意の組み合わせによって、所定の厚さを有する複数の第1領域14が所定の深さ位置に形成される(図11A~図11Eも併せて参照)。
3価元素の注入エネルギは、100KeV以上2000KeV以下であってもよい。注入エネルギは、100KeV以上250KeV以下、250KeV以上500KeV以下、500KeV以上750KeV以下、750KeV以上1000KeV以下、1000KeV以上1250KeV以下、1250KeV以上1500KeV以下、1500KeV以上1750KeV以下、および、1750KeV以上2000KeV以下のいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。
3価元素の注入温度は、0℃以上1500℃以下の範囲で調整されてもよい。注入温度は、0℃以上25℃以下、25℃以上50℃以下、50℃以上100℃以下、100℃以上250℃以下、250℃以上500℃以下、500℃以上750℃以下、750℃以上1000℃以下、1000℃以上1250℃以下、および、1250℃以上1500℃以下のいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。
3価元素の注入角度は、第1軸チャネルCH1に沿う軸(この形態ではSiC単結晶のc軸)を基準(0°)として±2°の範囲内に設定されることが好ましい。3価元素の注入角度は、第1軸チャネルCH1に沿う軸(この形態ではSiC単結晶のc軸)を基準(0°)として±1°の範囲内に設定されることが特に好ましい。
チャネリング注入法の場合、3価元素が平面視において原子列が比較的疎である第1軸チャネルCH1に沿って導入される。3価元素は、チャネリング効果によって小角散乱を繰り返しながら第1軸チャネルCH1内を進行し、第1層8の比較的深い深さ位置まで到達する。つまり、チャネリング注入法の場合、SiC単結晶の原子列に対する3価元素の衝突確率が低減される。
この場合、炭素よりも重たい重元素に属する3価元素が第1層8に導入されることが好ましい。つまり、3価元素は、ホウ素以外の3価元素(アルミニウム、ガリウムおよびインジウムのうちの少なくとも1種)であることが好ましい。3価元素は、この形態では、アルミニウムである。
第1延在方向De1は、a軸方向またはm軸方向であってもよい。第1延在方向De1は、a軸方向およびm軸方向以外の方向であってもよい。第1延在方向De1がm軸方向に一致している場合(図6A等も併せて参照)、3価元素は第1配列方向Da1に沿う断面視において複数の第1開口61を介して第1層8の上端に対してほぼオフ角θoff分だけ傾斜して第1層8内に導入される。
第1延在方向De1がa軸方向(オフ方向Doff)に一致している場合(図8A等も併せて参照)、3価元素は第1配列方向Da1に沿う断面視において複数の第1開口61を介して第1層8の上端に対してほぼ垂直に第1層8内に導入される。したがって、複数の第1領域14が傾斜した姿勢で第1層8内に形成されることが抑制される。また、複数の第1開口61の壁面が3価元素の入射経路に対する遮蔽物となることが抑制される。
第1延在方向De1がa軸方向およびm軸方向以外の方向である場合(図10A~図10C等も併せて参照)、SiC単結晶の結晶方位に対する複数の第1領域14のアライメントずれを厳密に制御する必要がなくなる。
3価元素の注入工程後、アニール法によって、3価元素が電気的に活性化されると同時に、第1層8に生じた格子欠陥等が修復されてもよい。第1層8に対するアニール温度は、500℃以上2000℃以下であってもよい。これにより、複数の第1領域14が形成されると同時に、第1スーパージャンクション構造SJ1が形成される。複数の第1領域14の形成工程後、第1マスク60は除去される。
次に、第1層8の厚さ調節工程が実施されるか否かの判定工程が実施される(図38のステップS8)。第1層8の厚さが調節される場合(図38のステップS8:YES)、第1層8が上端側から薄化される(図38のステップS9)。
厚さ調節工程(薄化工程)は、研削法によって第1層8の上端部を部分的に除去する工程を含んでいてもよい。研削法は、機械研磨法および/または化学機械研磨法であってもよい。厚さ調節工程は、エッチング法によって第1層8の上端部を部分的に除去する工程を含んでいてもよい。エッチング法は、ウエットエッチング法および/またはドライエッチング法であってもよい。
厚さ調節工程は、第1層8の上端から複数の第1領域14を露出させる工程を含んでいてもよい(図25~図28等も併せて参照)。つまり、厚さ調節工程は、複数の第1領域14の第1漸増部20Aの一部または全部を取り除く工程を含んでいてもよい。厚さ調節工程が実施されない場合(図38のステップS8:NO)、この工程は省略される。
次に、複数の中間領域25(図23および図24も併せて参照)の形成工程が実施されるか否かの判定工程が実施される(図38のステップS10)。複数の中間領域25が形成される場合(図38のステップS10:YES)、第1層8の表層部に複数の中間領域25が形成される(図38のステップS11)。
複数の中間領域25の形成工程は、所定パターンを有するマスク(図示せず)を第1層8の上端の上に配置する工程を含む。マスク(図示せず)は、有機マスク(レジストマスク)であることが好ましい。マスク(図示せず)は、第1層8において複数の第1領域14が形成された領域をそれぞれ露出させる複数の開口を有している。複数の開口は、第1方向Xに間隔を空けて形成され、第2方向Yに延びる帯状にそれぞれ区画される。
複数の中間領域25の形成工程は、マスク(図示せず)を介するランダム注入法によって、第1軸チャネルCH1(オフ角θoff)に交差する方向に3価元素を所定の注入エネルギで第1層8に導入する工程を含む(図12も併せて参照)。3価元素は、第1層8内に1回または複数回導入されてもよい。
3価元素が複数回導入される場合、3価元素は複数の注入エネルギで第1層8の異なる深さ位置に多段階的に導入されてもよい。複数の中間領域25の形成工程後、マスク(図示せず)は除去される。前述の第1層8の厚さ調節工程が実施されない場合、複数の中間領域25の形成工程は、複数の第1領域14の形成工程から連続的に実施されてもよい。この場合、前述の第1マスク60を利用して複数の中間領域25が形成されてもよい。
次に、図39Eを参照して、第2層9の形成工程が実施される(図38のステップS12)。第2層9は、エピタキシャル成長法によって第1層8を起点に形成される。この後、図38のステップS4と同様の方法によって、第2層9の結晶方位(オフ角θoff)の測定工程が実施されてもよい(図40Aおよび図40Bも併せて参照)。
次に、図39Fを参照して、所定パターンを有する第2マスク62の形成工程が実施される(図38のステップS13)。第2マスク62は、有機マスク(レジストマスク)であることが好ましい。第2マスク62は、第1層8の上端の上に配置され、第1層8において複数の第2領域15を形成すべき領域を露出させる複数の第2開口63を有している。複数の第2開口63は、第1配列方向Da1とは異なる第2配列方向Da2に間隔を空けて形成され、第1延在方向De1とは異なる第2延在方向De2に延びる帯状にそれぞれ区画される。
次に、図39Gを参照して、複数の第2領域15の形成工程が実施される(図38のステップS14)。複数の第2領域15の形成工程は、第2層9に対する3価元素(p型不純物)のチャネリング注入工程を含む。チャネリング注入工程は、前述のオフ角θoffのデータ(情報)に基づいて実施される。
チャネリング注入法では、第2層9に対する3価元素の注入角度が制御され、第2軸チャネルCH2(この形態ではSiC単結晶のc軸)に沿って3価元素が所定の注入エネルギで第2層9に導入される(図11A~図11Eも併せて参照)。この場合、第2層9に対する3価元素の注入角度、および、3価元素の注入角度に対する第2層9の傾斜角度のいずれか一方または双方が調節される。
たとえば、ウエハ50が水平に支持され、3価元素が第2軸チャネルCH2に沿って第2層9に導入されてもよい。むろん、ウエハ50が水平に対してオフ角θoff分だけ傾斜した状態で支持され、3価元素が第2軸チャネルCH2に沿って第2層9に導入されてもよい。3価元素の注入エネルギおよび3価元素の注入温度の任意の組み合わせによって、所定の厚さを有する複数の第2領域15が所定の深さ位置に形成される(図11A~図11Eも併せて参照)。
3価元素の注入エネルギは、100KeV以上2000KeV以下であってもよい。注入エネルギは、100KeV以上250KeV以下、250KeV以上500KeV以下、500KeV以上750KeV以下、750KeV以上1000KeV以下、1000KeV以上1250KeV以下、1250KeV以上1500KeV以下、1500KeV以上1750KeV以下、および、1750KeV以上2000KeV以下のいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。
第2領域15に係る注入エネルギは、第1領域14に係る注入エネルギとほぼ等しくてもよいし、第1領域14に係る注入エネルギと異なっていてもよい。第2領域15に係る注入エネルギは、第1領域14に係る注入エネルギ以上であってもよい。また、第2領域15に係る注入エネルギは、第1領域14に係る注入エネルギ未満であってもよい。
3価元素の注入温度は、0℃以上1500℃以下の範囲で調整されてもよい。注入温度は、0℃以上25℃以下、25℃以上50℃以下、50℃以上100℃以下、100℃以上250℃以下、250℃以上500℃以下、500℃以上750℃以下、750℃以上1000℃以下、1000℃以上1250℃以下、および、1250℃以上1500℃以下のいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。
第2領域15に係る注入温度は、第1領域14に係る注入温度とほぼ等しくてもよいし、第1領域14に係る注入温度と異なっていてもよい。第2領域15に係る注入温度は、第1領域14に係る注入温度以上であってもよい。また、第2領域15に係る注入温度は、第1領域14に係る注入温度未満であってもよい。
3価元素の注入角度は、第2軸チャネルCH2に沿う軸(この形態ではSiC単結晶のc軸)を基準(0°)として±2°の範囲内に設定されることが好ましい。3価元素の注入角度は、第2軸チャネルCH2に沿う軸(この形態ではSiC単結晶のc軸)を基準(0°)として±1°の範囲内に設定されることが特に好ましい。
チャネリング注入法の場合、3価元素が平面視において原子列が比較的疎である第2軸チャネルCH2に沿って導入される。3価元素は、チャネリング効果によって小角散乱を繰り返しながら第2軸チャネルCH2内を進行し、第2層9の比較的深い深さ位置まで到達する。つまり、チャネリング注入法の場合、SiC単結晶の原子列に対する3価元素の衝突確率が低減される。
この場合、炭素よりも重たい重元素に属する3価元素が第2層9に導入されることが好ましい。つまり、3価元素は、ホウ素以外の3価元素(アルミニウム、ガリウムおよびインジウムのうちの少なくとも1種)であることが好ましい。3価元素は、この形態では、アルミニウムである。
第2延在方向De2は、a軸方向またはm軸方向であってもよい。第2延在方向De2は、a軸方向およびm軸方向以外の方向であってもよい。第2延在方向De2がa軸方向(オフ方向Doff)に一致している場合(図6A等も併せて参照)、3価元素は第2配列方向Da2に沿う断面視において複数の第2開口63を介して第2層9の上端に対してほぼ垂直に第2層9内に導入される。したがって、複数の第2領域15が傾斜した姿勢で第2層9内に形成されることが抑制される。また、複数の第2開口63の壁面が3価元素の入射経路に対する遮蔽物となることが抑制される。
第2延在方向De2がm軸方向に一致している場合(図8A等も併せて参照)、3価元素は第2配列方向Da2に沿う断面視において複数の第2開口63を介して第2層9の上端に対してほぼオフ角θoff分だけ傾斜して第2層9内に導入される。
第2延在方向De2がa軸方向およびm軸方向以外の方向である場合(図10A~図10C等も併せて参照)、SiC単結晶の結晶方位に対する複数の第2領域15のアライメントずれを厳密に制御する必要がなくなる。
第1領域14の第1延在方向De1がa軸方向およびm軸方向以外の方向である場合、第2延在方向De2もa軸方向およびm軸方向以外の方向であることが好ましい。この場合、複数の第1領域14はa軸に対してm軸の一方側に傾斜した第1延在角θ1を有し、複数の第2領域15はa軸に対してm軸の他方側に第2延在角θ2を有している。
第2延在角θ2の絶対値は第1延在角θ1の絶対値と異なっていてもよい。ただし、この場合、第2領域15の形成工程における3価元素の相対的な注入角度の条件が、第1領域14の形成工程における3価元素の相対的な注入角度の条件と異なる。そのため、3価元素の入射経路に対する複数の第2開口63の遮蔽面積が、3価元素の入射経路に対する複数の第1開口61の遮蔽面積と異なる。
つまり、複数の第2開口63のシャドウイングに起因する複数の第2領域15のプロセス誤差が、複数の第1開口61のシャドウイングに起因する複数の第1領域14のプロセス誤差と異なる。したがって、第2延在角θ2の絶対値は第1延在角θ1の絶対値とほぼ等しいことが好ましい。この場合、複数の第2領域15のプロセス誤差が、複数の第1領域14のプロセス誤差とほぼ同じになる。したがって、チャージバランスの精度が向上される。
一例として、第1延在角θ1が+45°±5°であり、第2延在角θ2が-45°±5°であってもよい(図10A参照)。一例として、第1延在角θ1が+30°±5°であり、第2延在角θ2が-30°±5°であってもよい(図10B参照)。一例として、第1延在角θ1が+60°±5°であり、第2延在角θ2が-60°±5°であってもよい(図10C参照)。
3価元素の注入工程後、アニール法によって、3価元素が電気的に活性化されると同時に、第2層9に生じた格子欠陥等が修復されてもよい。第2層9に対するアニール温度は、500℃以上2000℃以下であってもよい。これにより、複数の第2領域15が形成されると同時に、第2スーパージャンクション構造SJ2が形成される。複数の第2領域15に係るアニール法は、前述の複数の第1領域14に係るアニール法を兼ねていてもよい。この場合、第2領域15の形成工程前における複数の第1領域14に係るアニール法は省略されてもよい。
次に、第2層9の厚さ調節工程が実施されるか否かの判定工程が実施される(図38のステップS15)。第2層9の厚さが調節される場合(図38のステップS15:YES)、第2層9が上端側から薄化される(図38のステップS16)。
厚さ調節工程(薄化工程)は、研削法によって第2層9の上端部を部分的に除去する工程を含んでいてもよい。研削法は、機械研磨法および/または化学機械研磨法であってもよい。第2層9の薄化工程は、エッチング法によって第2層9の上端部を部分的に除去する工程を含んでいてもよい。エッチング法は、ウエットエッチング法および/またはドライエッチング法であってもよい。
厚さ調節工程は、第2層9の上端から複数の第2領域15を露出させる工程を含んでいてもよい(図25~図28等も併せて参照)。つまり、厚さ調節工程は、複数の第2領域15の第2漸増部20Bの一部または全部を取り除く工程を含んでいてもよい。厚さ調節工程が実施されない場合(図38のステップS15:NO)、この工程は省略される。
次に、第2層9の上に更なるスーパージャンクション構造SJの形成工程が実施されるか否かの判定工程が実施される(図38のステップS17)。たとえば、第3スーパージャンクション構造SJ3(図31も併せて参照)の形成工程が実施される場合(図38のステップS17:YES)、図38のステップS12~S14と同様の工程を経て、第2層9の上に第3層27が形成され、第3層27内に複数の第3領域28が形成される(図38のステップS18)。
むろん、更なるスーパージャンクション構造SJの形成工程に先立って、図38のステップS11と同様の工程を経て、第2層9の表層部に複数の中間領域25が形成されてもよい(図23および図24も併せて参照)。更なるスーパージャンクション構造SJの形成工程が実施されない場合(図38のステップS17:NO)、この工程は省略される。
次に、トップ層30(図32も併せて参照)の形成工程が実施されるか否かの判定工程が実施される(図38のステップS19)。トップ層30の形成工程が実施される場合(図38のステップS19:YES)、トップ層30が、エピタキシャル成長法によって第2層9を起点に形成される(図38のステップS20)。トップ層30の形成工程が実施されない場合(図38のステップS19:NO)、この工程は省略される。
その後、MIS構造31、複数のフィールド領域38、層間絶縁膜40、ゲートパッド45、ゲート配線46、ソースパッド47、ドレインパッド48等が形成される(図38のステップS21)。そして、ウエハ50が複数の切断予定ライン56に沿って切断される。これにより、1枚のウエハ50から複数のSiC半導体装置1Aが製造される。
前述の各種判定工程(図38のステップS2、S8、S10、S15、S17およびS19)は、ウエハ50の用意工程(図38のステップS1)の段階において予め決定されていてもよい。つまり、SiC半導体装置1Aは、予め定められた製造ラインに沿って製造されてもよい。
図42は、第2形態に係るSiC半導体装置1Bを示す平面図である。図43は、図42に示すXLIII-XLIII線に沿う断面図である。図44は、チップ2のレイアウト例を示す平面図である。図45は、チップ2のレイアウト例を示す斜視図である。
図42~図45を参照して、SiC半導体装置1Bは、SiC半導体装置1Aの場合と同様、チップ2、ベース層6、積層部7(第1層8および第2層9)、活性領域10および外周領域11を含む。
SiC半導体装置1Bは、この形態では、第1主面3に形成された活性面71(active surface)、外周面72(outer surface)および第1~第4接続面73A~73D(connecting surface)を含む。活性面71、外周面72および第1~第4接続面73A~73Dは、第1主面3において活性台地74を区画している。
活性面71が「第1面部」と称され、外周面72が「第2面部」と称され、第1~第4接続面73A~73Dが「接続面部」と称され、活性台地74が「メサ部」と称されてもよい。活性面71、外周面72および第1~第4接続面73A~73D(つまり活性台地74)は、チップ2(第1主面3)の構成要素と見なされてもよい。
活性面71は、活性領域10に形成されている。つまり、活性面71は、第1主面3の周縁(第1~第4側面5A~5D)から内方に間隔を空けて形成されている。活性面71は、第1方向Xおよび第2方向Yに延びる平坦面を有している。活性面71は、この形態では、c面(Si面)によって形成されている。活性面71は、この形態では、平面視において第1~第4側面5A~5Dに平行な4辺を有する四角形状に形成されている。
外周面72は、外周領域11に形成されている。つまり、外周面72は、活性面71外に形成されている。外周面72は、活性面71に対してチップ2の厚さ方向(第2主面4側)に窪んでいる。具体的には、外周面72は、この形態では、第2層9を露出させるように第2層9の厚さ未満の深さで窪んでいる。外周面72は、平面視において活性面71に沿って帯状に延び、活性面71を取り囲む環状(具体的には四角環状)に形成されている。
外周面72は、第1方向Xおよび第2方向Yに延びる平坦面を有し、活性面71に対してほぼ平行に形成されている。外周面72は、この形態では、c面(Si面)によって形成されている。外周面72は、第1~第4側面5A~5Dに連なっている。外周面72は、外周深さDOを有している。
外周深さDOは、0.1μm以上2μm以下であってもよい。外周深さDOは、0.1μm以上0.25μm以下、0.25μm以上0.5μm以下、0.5μm以上0.75μm以下、0.75μm以上1μm以下、1μm以上1.5μm以下、および、1.5μm以上2μm以下のいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。外周深さDOは、0.1μm以上1.5μm以下であることが好ましい。
第1~第4接続面73A~73Dは、鉛直方向Zに延び、活性面71および外周面72を接続している。第1接続面73Aは第1側面5A側に位置され、第2接続面73Bは第2側面5B側に位置され、第3接続面73Cは第3側面5C側に位置され、第4接続面73Dは第4側面5D側に位置されている。第1接続面73Aおよび第3接続面73Cは、第1方向Xに延び、第2方向Yに対向している。第2接続面73Bおよび第4接続面73Dは、第2方向Yに延び、第1方向Xに対向している。
第1~第4接続面73A~73Dは、四角柱状の活性台地74が区画されるように活性面71および外周面72の間をほぼ垂直に延びていてもよい。第1~第4接続面73A~73Dは、四角錘台状の活性台地74が区画されるように活性面71から外周面72に向かって斜め下り傾斜していてもよい。このように、活性台地74は、第1主面3において第2層9に突状に区画されている。活性台地74は、第2層9のみに形成され、第1層8には形成されていない。
SiC半導体装置1Bは、活性領域10において積層部7に形成されたp型のコラム領域12を含む。コラム領域12は、SiC半導体装置1Aの場合と同様のレイアウトで形成されている。つまり、複数の第1領域14は、SiC半導体装置1Aに係る複数の第1領域14と同様のレイアウトで第1層8に形成され、複数の第1ドリフト領域16を区画している。また、複数の第2領域15は、SiC半導体装置1Aに係る複数の第2領域15と同様のレイアウトで第2層9に形成され、複数の第2ドリフト領域17を区画している。
コラム領域12は、第1~第12形態例に示される複数の特徴のうちの少なくとも1つの特徴を有していてもよい。コラム領域12は、前述の第1~第12形態例に示された複数(2つ以上)の特徴が組み合わされた特徴を有していてもよい。
複数の第1領域14は、この形態では、平面視において活性面71の周縁(第1~第4接続面73A~73D)によって取り囲まれた領域内にそれぞれ形成されている。複数の第1領域14は、平面視において活性面71の周縁から内方に間隔を空けて形成されていてもよい。むろん、複数の第1領域14は、第1~第4接続面73A~73Dから露出していてもよい。複数の第1領域14の第1上端部14bは、外周面72の深さ位置に対して第1層8の下端側に間隔を空けて形成されていることが好ましい。
複数の第2領域15は、この形態では、平面視において活性面71の周縁(第1~第4接続面73A~73D)によって取り囲まれた領域内にそれぞれ形成されている。複数の第2領域15は、平面視において活性面71の周縁から内方に間隔を空けて形成されていてもよい。むろん、複数の第2領域15は、第1~第4接続面73A~73Dから露出していてもよい。
複数の第2領域15の第2下端部15aは、第2層9の厚さ方向に関して、外周面72の深さ位置よりも第2層9の下端側の領域に位置されていることが好ましい。複数の第2領域15の第2上端部15bは、第2層9の厚さ方向に関して、外周面72よりも活性面71側の領域に位置されていることが好ましい。
図46は、活性領域10の一要部を示す平面図である。図47は、第1形態例に係るゲート構造35を示す断面斜視図である。図46および図47を参照して、SiC半導体装置1Bは、活性領域10に形成されたMIS構造31を含む。以下の構成は、SiC半導体装置1Bの構成要素として説明されるが、MIS構造31の構成要素でもある。
SiC半導体装置1Bは、第1主面3(活性面71)の表層部に形成されたp型のボディ領域32を含む。ボディ領域32は、この形態では、活性面71に沿って延びる層状に形成されている。ボディ領域32は、活性面71の全域に形成され、第1~第4接続面73A~73Dから露出していてもよい。
ボディ領域32は、第2層9の下端から活性面71側に間隔を空けて形成され、積層方向にコラム領域12(複数の第2領域15)に重なっている。ボディ領域32は、外周面72の深さ位置から活性面71側に間隔を空けて形成され、第1主面3から露出していることが好ましい。複数の第2領域15が第1主面3から間隔を空けて形成されている場合、ボディ領域32は活性面71および複数の第2領域15の第2上端部15bの間の領域に形成される。ボディ領域32は、複数の第2領域15(第2上端部15b)に接続されていることが好ましい。
ボディ領域32は、第2層9に対するランダム注入法によって第2層9の表層部に導入されたランダム不純物領域からなる(図12も併せて参照)。したがって、ボディ領域32は、第2軸チャネルCH2に沿う方向に関して第2領域15の第2領域厚さTR2未満の厚さを有している。ボディ領域32の厚さは、第1領域14の第1領域厚さTR1未満である。
ボディ領域32は、第2領域15等とは異なり、0.5μm以上の厚さを有する緩慢部22を有さず、0.5μmの範囲に漸増部20、ピーク部21および漸減部23を含む濃度勾配を有している。ボディ領域32は、1×1015cm-3以上1×1018cm-3以下のp型不純物濃度をピーク値として有していてもよい。
ボディ領域32のp型不純物濃度は、少なくとも1種の3価元素によって調整されていることが好ましい。ボディ領域32の3価元素は、第2領域15等の3価元素と同一種であってもよいし、第2領域15等の3価元素と異なる種であってもよい。ボディ領域32の3価元素は、ホウ素、アルミニウム、ガリウムおよびインジウムのうちの少なくとも1種であってもよい。むろん、ボディ領域32は、p型のトップ層30の一部を利用して形成されていてもよい。
SiC半導体装置1Bは、活性領域10において第1主面3(活性面71)に形成されたトレンチ電極型の複数のゲート構造35を含む。ゲート構造35は、「トレンチゲート構造」と称されてもよい。複数のゲート構造35には、制御電位としてのゲート電位が付与される。複数のゲート構造35は、ゲート電位に応答してボディ領域32内におけるチャネル(電流経路)の反転および非反転を制御する。
複数のゲート構造35は、活性領域10において活性面71の周縁(第1~第4接続面73A~73D)から内方に間隔を空けて配置されている。複数のゲート構造35は、この形態では、第2配列方向Da2に間隔を空けて配列され、第2延在方向De2に延びる帯状にそれぞれ形成されている。つまり、複数のゲート構造35は、この形態では、複数の第2領域15に沿って延びるストライプ状に配列され、積層方向に複数の第1領域14および複数の第1ドリフト領域16に交差している。
この例では、第2配列方向Da2がm軸方向(第1方向X)であり、第2延在方向De2がa軸方向(第2方向Y)である。むろん、複数のゲート構造35の配列方向および延在方向は、複数の第2領域15の第2配列方向Da2および第2延在方向De2に応じて変更される。したがって、第2配列方向Da2がa軸方向であり、第2延在方向De2がm軸方向であってもよい。また、第2配列方向Da2がa軸方向およびm軸方向以外の方向であり、第2延在方向De2がa軸方向およびm軸方向以外の方向であってもよい。
複数のゲート構造35は、この形態では、複数の第2領域15から複数の第2ドリフト領域17側にずれて配置されている。具体的には、複数のゲート構造35は、複数の第2領域15から間隔を空けてボディ領域32を貫通し、複数の第2ドリフト領域17内に1対1の対応関係で配置されている。つまり、複数のゲート構造35は、第2配列方向Da2に沿って複数の第2領域15と交互に配列され、水平方向に複数の第2領域15に対向している。
複数のゲート構造35は、複数の第2ドリフト領域17の下端から活性面71側に間隔を空けて形成され、複数の第2ドリフト領域17の一部を挟んで複数の第1領域14および複数の第1ドリフト領域16に対向している。複数のゲート構造35は、複数の第2領域15の厚さ範囲中間部から活性面71側に間隔を形成されていることが好ましい。むろん、複数のゲート構造35は、複数の第2領域15の厚さ範囲中間部を横切る深さ位置に形成されていてもよい。
各ゲート構造35は、配列方向(この形態では第1方向X)にトレンチ幅WTを有し、鉛直方向Zにトレンチ深さDTを有している。トレンチ幅WTは、第2ピッチP2(第1ピッチP1)未満である。トレンチ深さDTは、第2層9の第2厚さT2未満である。トレンチ深さDTは、前述の外周深さDOとほぼ等しいことが好ましい。むろん、トレンチ深さDTは、外周深さDO以上であってもよいし、外周深さDO未満であってもよい。
トレンチ幅WTは、0.1μm以上5μm以下であってもよい。トレンチ幅WTは、0.1μm以上0.25μm以下、0.25μm以上0.5μm以下、0.5μm以上0.75μm以下、0.75μm以上1μm以下、1μm以上1.5μm以下、1.5μm以上2μm以下、2μm以上2.5μm以下、2.5μm以上3μm以下、3μm以上3.5μm以下、3.5μm以上4μm以下、4μm以上4.5μm以下、および、4.5μm以上5μm以下のいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。
トレンチ深さDTは、0.1μm以上5μm以下であってもよい。トレンチ深さDTは、0.1μm以上0.25μm以下、0.25μm以上0.5μm以下、0.5μm以上1μm以下、1μm以上1.5μm以下、1.5μm以上2μm以下、2μm以上3μm以下、3μm以上4μm以下、および、4μm以上5μm以下のいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。トレンチ深さDTは、0.1μm以上1.5μm以下であることが好ましい。
各ゲート構造35は、トレンチ75、絶縁膜76および埋設電極77を含む。トレンチ75は、活性面71に形成され、ゲート構造35の壁面を区画している。絶縁膜76は、トレンチ75の壁面を被覆している。絶縁膜76は、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜および酸窒化シリコン膜のうちの少なくとも1つを含んでいてもよい。
絶縁膜76は、この形態では、酸化シリコン膜からなる単層構造を有している。絶縁膜76は、チップ2の酸化物からなる酸化シリコン膜を含むことが特に好ましい。埋設電極77は、絶縁膜76を挟んでトレンチ75に埋設され、絶縁膜76を挟んでチャネルに対向している。埋設電極77は、p型またはn型の導電性ポリシリコンを含んでいてもよい。
SiC半導体装置1Bは、第1主面3(活性面71)の表層部において複数のゲート構造35の両サイドに形成された複数のソース領域33を含む。複数のソース領域33は、ボディ領域32の表層部に形成されている。複数のソース領域33は、第2層9(第2ドリフト領域17)よりも高いn型不純物濃度(ピーク値)を有している。複数のソース領域33は、1×1018cm-3以上1×1021cm-3以下のn型不純物濃度をピーク値として有していてもよい。
複数のソース領域33は、平面視において対応するゲート構造35に沿って帯状に延びている。複数のソース領域33は、ボディ領域32の底部から活性面71側に間隔を空けて形成され、積層方向にボディ領域32の一部を挟んで第2ドリフト領域17に対向している。複数のソース領域33は、直下に位置された複数の第2ドリフト領域17と共に対応するゲート構造35の壁面に沿って延びるチャネル(電流経路)を区画する。
複数のソース領域33は、積層方向にボディ領域32の一部を挟んで第2領域15に対向していてもよい。むろん、複数のソース領域33は、積層方向に第2領域15に対向しないように第2領域15から第2ドリフト領域17側(ゲート構造35側)に間隔を空けて形成されていてもよい。
SiC半導体装置1Aは、第1主面3(活性面71)の表層部において複数のゲート構造35の間の領域に形成された複数のコンタクト領域34を含む。複数のコンタクト領域34は、ボディ領域32の表層部に形成されている。
複数のコンタクト領域34は、複数のボディ領域32のp型不純物濃度(ピーク値)よりも高いp型不純物濃度(ピーク値)を有している。複数のコンタクト領域34のp型不純物濃度(ピーク値)は、複数の第2領域15のp型不純物濃度(ピーク値)よりも高い。複数のコンタクト領域34は、1×1018cm-3以上1×1021cm-3以下のp型不純物濃度をピーク値として有していてもよい。
複数のコンタクト領域34は、互いに隣り合う複数のソース領域33の間の領域に介在され、複数のゲート構造35に沿って帯状に延びている。複数のコンタクト領域34は、ボディ領域32の底部から活性面71側に間隔を空けて形成され、積層方向にボディ領域32の一部を挟んで複数の第2領域15に対向している。
複数のコンタクト領域34は、積層方向にボディ領域32の一部を挟んで第2ドリフト領域17に対向していてもよい。むろん、複数のコンタクト領域34は、積層方向に第2ドリフト領域17に対向しないように第2ドリフト領域17から第2領域15側に間隔を空けて形成されていてもよい。
以下、外周領域11側の構成が示される。図48は、外周領域11の一要部を示す断面図である。図48を参照して、SiC半導体装置1Bは、外周面72の表層部に形成されたp型のウェル領域78を含む。ウェル領域78は、平面視において外周面72の周縁(第1~第4側面5A~5D)から活性面71側に間隔を空けて形成され、活性面71に沿って帯状に延びている。
ウェル領域78は、この形態では、平面視において活性面71を取り囲む環状(具体的には四角環状)に形成されている。ウェル領域78は、外周面72の表層部から第1~第4接続面73A~73D側に引き出され、第1~第4接続面73A~73Dの表層部に沿って延びている。ウェル領域78は、活性面71の表層部においてボディ領域32に電気的に接続されている。ウェル領域78は、第2層9の下端から外周面72側に間隔を空けて形成され、第2層9の一部を挟んで第1層8に対向している。
ウェル領域78の底部は、ゲート構造35の底壁よりも第2層9の下端側に位置されている。ウェル領域78の底部は、複数の第2領域15の第2下端部15aに対して外周面72側に位置されていることが好ましい。ウェル領域78の底部は、複数の第2領域15の厚さ範囲中間部に対して外周面72側に位置されていることが特に好ましい。
ウェル領域78は、第2層9に対するランダム注入法によって第2層9の表層部に導入されたランダム不純物領域からなる(図12も併せて参照)。したがって、ウェル領域78は、第2軸チャネルCH2に沿う方向に関して第2領域15の第2領域厚さTR2未満の厚さを有している。ウェル領域78の厚さは、第1領域14の第1領域厚さTR1未満である。
ウェル領域78は、第2領域15等とは異なり、0.5μm以上の厚さを有する緩慢部22を有さず、0.5μmの範囲に漸増部20、ピーク部21および漸減部23を含む濃度勾配を有している。ウェル領域78は、1×1015cm-3以上1×1018cm-3以下のp型不純物濃度をピーク値として有していてもよい。
ウェル領域78は、コンタクト領域34のp型不純物濃度よりも低いp型不純物濃度を有している。ウェル領域78のp型不純物濃度は、ボディ領域32のp型不純物濃度よりも高い。むろん、ウェル領域78のp型不純物濃度は、ボディ領域32よりも低くてもよい。ウェル領域78は、第2層9とpn接合部を形成している。
ウェル領域78のp型不純物濃度は、少なくとも1種の3価元素によって調整されていることが好ましい。ウェル領域78の3価元素は、第2領域15等の3価元素と同一種であってもよいし、第2領域15等の3価元素と異なる種であってもよい。ウェル領域78の3価元素は、ホウ素、アルミニウム、ガリウムおよびインジウムのうちの少なくとも1種であってもよい。
SiC半導体装置1Bは、外周領域11において外周面72の表層部に形成された少なくとも1つ(好ましくは2個以上20個以下)のp型のフィールド領域38を含む。複数のフィールド領域38は、SiC半導体装置1Aの場合と同様の態様で、外周面72の表層部に形成されている。
複数のフィールド領域38は、この形態では、活性面71の周縁(第1~第4接続面73A~73D)およびチップ2の周縁(第1~第4側面5A~5D)から間隔を空けて配列されている。具体的には、複数のフィールド領域38は、ウェル領域78から外周面72の周縁側に間隔を空けて配列されている。
複数のフィールド領域38は、平面視において活性面71に沿って帯状に延び、活性面71を取り囲む環状(具体的には四角環状)に形成されている。複数のフィールド領域38は、第2層9の底部から外周面72側に間隔を空けて形成され、第2層9の一部を挟んで第1層8に対向している。複数のフィールド領域38は、ゲート構造35の底部よりも第2層9の下端側に位置されている。
SiC半導体装置1Bは、第1主面3を被覆する前述の層間絶縁膜40を含む。層間絶縁膜40は、第1絶縁膜41および第2絶縁膜42を含む積層構造を有している。第1絶縁膜41は、この形態では、活性面71、外周面72および第1~第4接続面73A~73Dを選択的に被覆している。第1絶縁膜41は、活性面71において絶縁膜76に接続され、埋設電極77を露出させている。
第1絶縁膜41は、外周面72においてウェル領域78および複数のフィールド領域38を被覆している。第1絶縁膜41は、この形態では、第1~第4側面5A~5Dに連なっている。むろん、第1絶縁膜41は、外周面72の周縁から内方に間隔を空けて形成され、外周面72の周縁部から第2層9を露出させていてもよい。第1絶縁膜41は、第1~第4接続面73A~73Dにおいてウェル領域78を被覆している。
第2絶縁膜42は、この形態では、第1絶縁膜41を挟んで活性面71、外周面72および第1~第4接続面73A~73Dを選択的に被覆している。第2絶縁膜42は、活性領域10において複数のゲート構造35を被覆している。第2絶縁膜42は、外周領域11において第1絶縁膜41を挟んで複数のフィールド領域38およびウェル領域78を被覆している。第2絶縁膜42は、この形態では、第1~第4側面5A~5Dに連なっている。むろん、第2絶縁膜42は、外周面72の周縁から内方に間隔を空けて形成され、第1絶縁膜41と共に外周面72の周縁部から第2層9を露出させていてもよい。
SiC半導体装置1Aは、層間絶縁膜40に形成された複数のコンタクト開口43を含む。複数のコンタクト開口43は、複数のゲート構造35(埋設電極77)を露出させる複数のコンタクト開口43(図示略)、および、複数のソース領域33を露出させる複数のコンタクト開口43を含む。ソース領域33用の複数のコンタクト開口43は、隣り合う複数のゲート構造35の間の領域に形成され、複数のソース領域33および複数のコンタクト領域34を露出させている。
SiC半導体装置1Bは、第1~第4接続面73A~73Dのうちの少なくとも1つを被覆するように層間絶縁膜40内に配置されたサイドウォール構造79を含む。サイドウォール構造79は、第1絶縁膜41の上に配置され、第2絶縁膜42によって被覆されている。サイドウォール構造79は、活性面71および外周面72の間に形成された段差を緩和する。
サイドウォール構造79は、第1~第4接続面73A~73Dのうちの少なくとも1つに沿って延びる帯状に形成されている。サイドウォール構造79は、この形態では、平面視において活性面71を取り囲むように第1~第4接続面73A~73Dに沿って延びる環状(具体的には四角環状)に形成されている。
サイドウォール構造79は、外周面72に沿って膜状に延びる部分、および、第1~第4接続面73A~73Dに沿って膜状に延びる部分を有していてもよい。サイドウォール構造79は、この形態では、最内のフィールド領域38から活性面71側に間隔を空けて形成され、水平方向および積層方向に第1絶縁膜41を挟んでウェル領域78に対向している。サイドウォール構造79は、第1絶縁膜41を挟んでボディ領域32に対向していてもよい。
SiC半導体装置1Bは、SiC半導体装置1Aの場合と同様、ゲートパッド45、複数のゲート配線46、ソースパッド47およびドレインパッド48を含む。ドレインパッド48は、第1形態例の場合と同様の形態で形成されている。
ゲートパッド45は、この形態では、平面視において外周面72から間隔を空けて活性面71の上に配置されている。ゲートパッド45は、平面視において活性面71の一辺(この形態では第2接続面73B)の中央部に近接する領域に配置されている。むろん、ゲートパッド45は、平面視において活性面71の角部や活性面71の中央部に配置されていてもよい。
複数のゲート配線46は、この形態では、平面視において外周面72から間隔を空けて活性面71の上に配置されている。複数のゲート配線46は、第1ゲート配線46Aおよび第2ゲート配線46Bを含む。
第1ゲート配線46Aは、ゲートパッド45から第1接続面73A側に向けて引き出され、複数のゲート構造35の一部(具体的には一端部)に交差(具体的には直交)するように活性面71の周縁に沿ってライン状に延びている。第1ゲート配線46Aは、複数のコンタクト開口43を介して層間絶縁膜40を貫通し、複数のゲート構造35(埋設電極77)の一端部に電気的に接続されている。
第2ゲート配線46Bは、ゲートパッド45から第3接続面73C側に向けて引き出され、複数のゲート構造35の一部(具体的には他端部)に交差(具体的には直交)するように活性面71の周縁に沿ってライン状に延びている。第2ゲート配線46Bは、複数のコンタクト開口43を介して層間絶縁膜40を貫通し、複数のゲート構造35(埋設電極77)の他端部に電気的に接続されている。
ソースパッド47は、この形態では、平面視において外周面72から間隔を空けて活性面71の上に配置されている。ソースパッド47は、複数のコンタクト開口43を介して層間絶縁膜40を貫通し、ボディ領域32、複数のソース領域33および複数のコンタクト領域34に電気的に接続されている。つまり、ソースパッド47は、ボディ領域32を介してコラム領域12に電気的に接続されている。
図49は、第2形態例に係るゲート構造35を示す断面斜視図である。前述の第1形態例に係る複数のゲート構造35は、コラム領域12(複数の第2領域15)から複数の第2ドリフト領域17側にずれて配列されていた。これに対して、図49を参照して、第2形態例に係る複数のゲート構造35は、積層方向に複数の第2領域15に重なるように配列されている。複数のゲート構造35は、積層方向に複数の第2領域15に1対1の対応関係で重なっている。
複数のゲート構造35は、対応する第2領域15に接続された底壁をそれぞれ有している。具体的には、複数のゲート構造35は、対応する第2領域15よりも幅広に形成され、対応する第2領域15に接続された底壁、および、対応する第2ドリフト領域17に接続された側壁をそれぞれ有している。
つまり、埋設電極77は、積層方向に絶縁膜76を挟んで対応する第2領域15に対向し、水平方向に絶縁膜76を挟んで対応する第2ドリフト領域17に対向している。前述の複数のソース領域33および複数のコンタクト領域34は、積層方向にボディ領域32の一部を挟んで対応する第2ドリフト領域17にそれぞれ対向している。
図50は、第3形態例に係るゲート構造35を示す断面斜視図である。第3形態例に係る複数のゲート構造35は、複数の第2領域15に対する位置ずれを考慮しなくて済むレイアウトをそれぞれ有している。
具体的には、図50を参照して、複数のゲート構造35は、複数の第2領域15に交差するように第2延在方向De2以外の方向に延びている。複数のゲート構造35は、この形態では、第1領域14の第1配列方向Da1に間隔を空けて配列され、第1領域14の第1延在方向De1に延びている。この例では、第1配列方向Da1がa軸方向(第2方向Y)であり、第1延在方向De1がm軸方向(第1方向X)である。
複数のゲート構造35は、積層方向に複数の第1領域14に1対1対応の関係で対向していてもよい。むろん、各ゲート構造35は、積層方向に複数の第1領域14に対向していてもよい。複数のゲート構造35は、積層方向に複数の第1ドリフト領域16に1対1対応の関係で対向していてもよい。
むろん、各ゲート構造35は、積層方向に複数の第1ドリフト領域16に対向していてもよい。複数のゲート構造35は、複数の第1領域14から第1配列方向Da1にずれて配列され、積層方向に第1領域14および第1ドリフト領域16のいずれか一方または双方に対向していてもよい。
むろん、複数のゲート構造35の配列方向および延在方向は、複数の第1領域14の第1配列方向Da1および第1延在方向De1に応じて変更される。したがって、第1配列方向Da1がm軸方向であり、第1延在方向De1がa軸方向であってもよい。また、第1配列方向Da1がa軸方向およびm軸方向以外の方向であり、第1延在方向De1がa軸方向およびm軸方向以外の方向であってもよい。
むろん、複数のゲート構造35の配列方向は、第1配列方向Da1および第2配列方向D2以外の方向であってもよい。また、複数のゲート構造35の延在方向は、第1延在方向De1および第2延在方向De2以外の方向であってもよい。つまり、複数のゲート構造35は、平面視において複数の第1領域14および複数の第2領域15の双方に交差していてもよい。
たとえば、ゲート構造35の延在方向および第2延在方向De2の間の角度(絶対値)は、0°を超えて90°以下であってもよい。ゲート構造35の角度(絶対値)は、0°を超えて18°以下、18°以上36°以下、36°以上54°以下、54°以上72°以下、および、72°以上90°以下のうちのいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。ゲート構造35の角度(絶対値)は、30°±5°、45°±5°、および、60°±5°のうちのいずれか1つの範囲に属する値に設定されてもよい。
埋設電極77は、この形態では、積層方向および水平方向に絶縁膜76を挟んで複数の第2領域15および複数の第2ドリフト領域17に対向している。前述の複数のソース領域33および複数のコンタクト領域34は、この形態では、積層方向にボディ領域32の一部を挟んで複数の第2領域15および複数の第2ドリフト領域17に対向している。
図51は、第4形態例に係るゲート構造35を示す断面斜視図である。図51を参照して、第4形態例に係る複数のゲート構造35は、狭ピッチ化に寄与する構成をそれぞれ有している。第4形態例に係る複数のゲート構造35は、コラム領域12(複数の第2領域15)の狭ピッチ化を実現する上で特に有効である。図51では、前述の第1形態例に係るゲート構造35が第4形態例に係るゲート構造35に置き換えられた例が示されているが、第4形態例に係るゲート構造35の構成は第2~第3形態例に係るゲート構造35の構成にも適用可能である。
複数のゲート構造35は、トレンチ75、絶縁膜76、埋設電極77、および、埋設絶縁体80をそれぞれ含む。トレンチ75は、第1形態例の場合と同様の形態を有している。絶縁膜76は、この形態では、第1主面3(活性面71)からトレンチ75の底壁側に間隔を空けて形成され、トレンチ75の開口端において第1主面3(活性面71)の表層部を露出させている。絶縁膜76の上端部は、トレンチ75の深さ範囲中間部に対して第1主面3側に位置されていることが好ましい。
埋設電極77は、この形態では、第1主面3(活性面71)からトレンチ75の底壁側に間隔を空けてトレンチ75に埋設され、トレンチ75の開口端においてトレンチ75の底壁に向けて窪んだ開口リセスを区画している。埋設電極77は、トレンチ75の開口端において第1主面3(活性面71)の表層部および絶縁膜76の上端部を露出させている。埋設電極77の上端部は、トレンチ75の深さ範囲中間部に対して第1主面3側に位置されていることが好ましい。
埋設絶縁体80は、第1主面3(活性面71)を露出させるようにトレンチ75(開口リセス)に埋設され、トレンチ75内において絶縁膜76および埋設電極77を被覆している。埋設絶縁体80は、第1主面3(活性面71)から埋設電極77側に間隔を空けてトレンチ75に埋設され、トレンチ75の開口端において第1主面3(活性面71)の表層部を露出させている。
埋設絶縁体80の上端部は、トレンチ75の深さ範囲中間部に対して第1主面3側に位置されていることが好ましい。埋設絶縁体80は、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜および酸窒化シリコン膜のうちの少なくとも1つを含んでいてもよい。埋設絶縁体80は、酸化シリコン膜を含むことが好ましい。
前述の複数のソース領域33は、この形態では、第1主面3(活性面71)の表層部において互いに隣り合う複数のゲート構造35の間の領域にそれぞれ形成されている。複数のソース領域33は、両サイドに位置された複数のゲート構造35に接続されるように複数のゲート構造35に沿って間隔を空けて配列されている。
具体的には、ゲート構造35の一方側の側壁に沿って配列された一方側の複数のソース領域33は、ゲート構造35の他方側の側壁に沿って配列されて他方側の複数のソース領域33に1対1の対応関係で対向している。つまり、複数のソース領域33は、平面視において行列状に配列されている。
むろん、一方側の複数のソース領域33は、他方側の複数のソース領域33の間の領域に1対1の対応関係で対向していてもよい。つまり、複数のソース領域33は、平面視において千鳥状に配列されていてもよい。複数のソース領域33は、トレンチ75の開口端においてトレンチ75の側壁から露出した部分を有し、絶縁膜76を挟んで埋設電極77および埋設絶縁体80に対向している。
前述の複数のコンタクト領域34は、この形態では、第1主面3(活性面71)の表層部において互いに隣り合う複数のゲート構造35の間の領域にそれぞれ形成されている。複数のコンタクト領域34は、両サイドに位置された複数のゲート構造35に接続されるように複数のゲート構造35に沿って間隔を空けて配列されている。
具体的には、複数のコンタクト領域34は、複数のゲート構造35に沿って複数のソース領域33と交互に配列されている。さらに具体的には、ゲート構造35の一方側の側壁に沿って配列された一方側の複数のコンタクト領域34は、ゲート構造35の他方側の側壁に沿って配列されて他方側の複数のコンタクト領域34に1対1の対応関係で対向している。また、複数のソース領域33は、平面視において行列状に配列されている。
むろん、一方側の複数のコンタクト領域34は、他方側の複数のソース領域33の間の領域(つまり、複数のソース領域33)に1対1の対応関係で対向していてもよい。つまり、複数のコンタクト領域34は、平面視において千鳥状に配列されていてもよい。複数のコンタクト領域34は、トレンチ75の開口端においてトレンチ75の側壁から露出した部分を有し、絶縁膜76を挟んで埋設電極77および埋設絶縁体80に対向している。
具体的な図示は省略されるが、前述の層間絶縁膜40は、第1絶縁膜41および第2絶縁膜42を含む積層構造を有している。第1絶縁膜41は、第1形態例に係る場合と同様、活性面71、外周面72および第1~第4接続面73A~73Dを選択的に被覆している。
第1絶縁膜41は、この形態では、活性面71の周縁部を被覆し、活性面71の内方部において複数のゲート構造35を一括して露出させている。具体的には、第1絶縁膜41は、複数のゲート構造35の両端部において絶縁膜76に接続され、埋設電極77を露出させている。また、第1絶縁膜41は、第1形態例に係る場合と同様の態様で外周面72および第1~第4接続面73A~73Dを被覆している。
第2絶縁膜42は、第1形態例に係る場合と同様、第1絶縁膜41を挟んで活性面71、外周面72および第1~第4接続面73A~73Dを選択的に被覆している。第2絶縁膜42は、この形態では、活性面71の周縁部を被覆し、活性面71の内方部において複数のゲート構造35を一括して露出させている。具体的には、第2絶縁膜42は、複数のゲート構造35の両端部において第1主面3(活性面71)の上からトレンチ75内に入り込み、トレンチ75内において埋設絶縁体80に接続されている。
層間絶縁膜40は、この形態では、複数のゲート構造35の両端部(埋設電極77)を露出させる複数のコンタクト開口43(図示略)、および、複数のゲート構造35の内方部(埋設絶縁体80)、複数のソース領域33および複数のコンタクト領域34を一括して露出させる単一のコンタクト開口43を含む。
前述のゲートパッド45、前述の複数のゲート配線46および前述のドレインパッド48は、第1形態例の場合と同様の形態を有している。前述のソースパッド47は、層間絶縁膜40の上から単一のコンタクト開口43に入り込み、単一のコンタクト開口43内において複数のゲート構造35の内方部(埋設絶縁体80)、複数のソース領域33および複数のコンタクト領域34を一括して被覆している。
ソースパッド47は、埋設絶縁体80によって複数のゲート構造35(埋設電極77)から電気的に絶縁され、第1主面3(活性面71)において複数のソース領域33および複数のコンタクト領域34に電気的に接続されている。ソースパッド47は、トレンチ75に埋設された埋設部を有している。ソースパッド47の埋設部は、トレンチ75内において埋設絶縁体80を挟んで埋設電極77に対向し、トレンチ75の開口端において複数のソース領域33および複数のコンタクト領域34に電気的に接続されている。
図52は、第5形態例に係るゲート構造35を示す断面斜視図である。図52を参照して、第5形態例に係る複数のゲート構造35は、第4形態例に係る複数のゲート構造35を変形させた構成をそれぞれ有している。第5形態例に係るゲート構造35の構成は第1~第3形態例に係るゲート構造35の構成にも適用可能である。
複数のゲート構造35は、トレンチ75、絶縁膜76、埋設電極77、および、埋設絶縁体80をそれぞれ含む。トレンチ75は、第1形態例の場合と同様の形態を有している。絶縁膜76は、この形態では、上絶縁膜81および下絶縁膜82を含む。
上絶縁膜81は、チャネル制御用の絶縁膜として形成され、ボディ領域32の底部に対してトレンチ75の開口側の壁面を被覆している。上絶縁膜81は、第2ドリフト領域17およびボディ領域32の境界部を横切って第2ドリフト領域17を被覆する部分を有している。この場合、ボディ領域32に対する上絶縁膜81の被覆面積は、第2ドリフト領域17に対する上絶縁膜81の被覆面積よりも大きいことが好ましい。
上絶縁膜81は、酸化シリコン膜を含んでいてもよい。上絶縁膜81は、チップ2の酸化物からなる酸化シリコン膜を含むことが好ましい。上絶縁膜81は、1nm以上100nm以下の厚さを有していてもよい。上絶縁膜81の厚さは、1nm以上25nm以下、25nm以上50nm以下、50nm以上75nm以下、および、75nm以上100nm以下のいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。
下絶縁膜82は、ボディ領域32の底部に対してトレンチ75の底壁側の壁面を被覆している。下絶縁膜82は、第2ドリフト領域17を被覆している。第2ドリフト領域17に対する下絶縁膜82の被覆面積は、ボディ領域32に対する上絶縁膜81の被覆面積よりも大きい。
下絶縁膜82は、酸化シリコン膜を含んでいてもよい。下絶縁膜82は、チップ2の酸化物からなる酸化シリコン膜を含んでいてもよいし、CVD法によって形成された酸化シリコン膜を含んでいてもよい。下絶縁膜82は、上絶縁膜81の厚さよりも大きい厚さを有している。下絶縁膜82の厚さは、上絶縁膜81の厚さの10倍以上50倍以下であることが好ましい。
下絶縁膜82は、100nm以上500nm以下の厚さを有していてもよい。下絶縁膜82の厚さは、100nm以上150nm以下、150nm以上200nm以下、200nm以上250nm以下、250nm以上300nm以下、300nm以上350nm以下、350nm以上400nm以下、400nm以上450nm以下、および、450nm以上500nm以下のいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。
埋設電極77は、この形態では、上電極83、下電極84および中間絶縁膜85を含むマルチ電極構造(ダブル電極構造)を有している。上電極83は、絶縁膜76を挟んでトレンチ75の開口側に埋設されている。具体的には、上電極83は、上絶縁膜81を挟んでトレンチ75の開口側に埋設され、上絶縁膜81を挟んでボディ領域32に対向している。
ボディ領域32に対する上電極83の対向面積は、第2ドリフト領域17に対する上電極83の対向面積よりも大きい。上電極83は、この形態では、第1主面3(活性面71)からトレンチ75の底壁側に間隔を空けてトレンチ75に埋設され、トレンチ75の開口端においてトレンチ75の底壁に向けて窪んだ開口リセスを区画している。上電極83は、トレンチ75の開口端において第1主面3(活性面71)の表層部および上絶縁膜81の上端部を露出させている。
上電極83には、制御電位としてのゲート電位が付与される。上電極83は、ゲート電位に応答してボディ領域32内におけるチャネル(電流経路)の反転および非反転を制御する。上電極83は、p型またはn型の導電性ポリシリコンを含んでいてもよい。
下電極84は、絶縁膜76を挟んでトレンチ75の底壁側に埋設されている。具体的には、下電極84は、下絶縁膜82を挟んでトレンチ75の底壁側に埋設され、下絶縁膜82を挟んで第2ドリフト領域17に対向している。つまり、下電極84は、ボディ領域32の底部に対してトレンチ75の底壁側に埋設されている。具体的な図示は省略されるが、下電極84は、トレンチ75の一部(この形態では両端部)においてトレンチ75の開口側に引き出されている。
第2ドリフト領域17に対する下電極84の対向面積は、ボディ領域32に対する上電極83の対向面積よりも大きい。下電極84は、トレンチ75の深さ方向に沿って壁状に延びている。下電極84は、下絶縁膜82から上電極83側に突出した上端部を有し、上電極83の下端部に系合している。下電極84の上端部は、水平方向に上電極83の下端部を挟んで上絶縁膜81(ボディ領域32)に対向している。
下電極84には、ゲート電位またはソース電位が付与されてもよい。下電極84にゲート電位が付与される場合、下電極84は上電極83と同電位になる。したがって、上電極83および下電極84の間の電圧降下が抑制される。これにより、ゲート構造35に対する電界集中が抑制される。
一方、下電極84にソース電位が付与される場合、下電極84をフィールド電極として機能させることができる。したがって、下電極84(フィールド電極)および第2層9(ドリフト領域13)の間の寄生容量が低下される。これにより、寄生容量に起因するスイッチング速度の低下が抑制される。下電極84は、p型またはn型の導電性ポリシリコンを含んでいてもよい。
中間絶縁膜85は、上電極83および下電極84の間に介在され、トレンチ75内において上電極83および下電極84を電気的に絶縁させている。中間絶縁膜85は、上絶縁膜81および下絶縁膜82に連なっている。中間絶縁膜85は、下絶縁膜82の厚さよりも小さい厚さを有している。中間絶縁膜85の厚さは、上絶縁膜81の厚さよりも大きいことが好ましい。中間絶縁膜85は、酸化シリコン膜を含んでいてもよい。中間絶縁膜85は、下電極84の酸化物からなる酸化シリコン膜を含むことが好ましい。
埋設絶縁体80は、第1主面3(活性面71)を露出させるようにトレンチ75(開口リセス)に埋設され、リセス内において上絶縁膜81および上電極83を被覆している。埋設絶縁体80は、第1主面3(活性面71)から上電極83側に間隔を空けてトレンチ75に埋設され、トレンチ75の開口端において第1主面3(活性面71)の表層部を露出させている。
前述の複数のソース領域33は、この形態では、トレンチ75の開口端においてトレンチ75の側壁から露出した部分を有し、上絶縁膜81を挟んで上電極83および埋設絶縁体80に対向している。前述の複数のコンタクト領域34は、この形態では、トレンチ75の開口端においてトレンチ75の側壁から露出した部分を有し、上絶縁膜81を挟んで上電極83および埋設絶縁体80に対向している。
前述の複数のフィールド領域38、層間絶縁膜40、ゲートパッド45、前述の複数のゲート配線46、前述のソースパッド47および前述のドレインパッド48は、第2形態例の場合と同様の形態を有している。複数のゲート配線46は、この形態では、複数のコンタクト開口43を介して層間絶縁膜40を貫通し、複数の上電極83に電気的に接続される。下電極84にゲート電位が付与される場合、複数のゲート配線46は、複数のコンタクト開口43を介して層間絶縁膜40を貫通し、複数の上電極83および複数の下電極84に電気的に接続される。
下電極84にソース電位が付与される場合、ソースパッド47は、複数の下電極84に電気的に接続される。この場合、SiC半導体装置1Bは、ソースパッド47から層間絶縁膜40の上に引き出されたソース配線を含んでいてもよい。この場合、ソース配線は、複数のゲート配線46よりも外側の領域において複数のゲート構造35の一部(一端部または両端部)に交差(具体的には直交)するように活性面71の周縁に沿って延びるライン状に形成される。ソース配線は、複数のコンタクト開口43を介して層間絶縁膜40を貫通し、複数の下電極84に電気的に接続される。
図53は、第3形態に係るSiC半導体装置1Cを示す平面図である。図54は、図53に示すLIV-LIV線に沿う断面図である。図55は、チップ2のレイアウト例を示す平面図である。図56は、チップ2のレイアウト例を示す斜視図である。
図53~図56を参照して、SiC半導体装置1Cは、SiC半導体装置1Aの場合と同様、チップ2、ベース層6、積層部7(第1層8および第2層9)、活性領域10、外周領域11、コラム領域12および複数のフィールド領域38を含む。コラム領域12は、前述の第1~第12形態例に示される複数の特徴のうちの少なくとも1つの特徴を有していてもよい。コラム領域12は、前述の第1~第12形態例に示された複数(2つ以上)の特徴が組み合わされた特徴を有していてもよい。
SiC半導体装置1Cは、第1主面3を選択的に被覆する層間絶縁膜90を含む。層間絶縁膜90は、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜および酸窒化シリコン膜のうちの少なくとも1つを含む単層構造または積層構造を有していてもよい。層間絶縁膜90は、この形態では、酸化シリコン膜を含む単層構造を有している。
層間絶縁膜90は、外周領域11において複数のフィールド領域38を被覆している。層間絶縁膜90は、この形態では、第1主面3の周縁(第1~第4側面5A~5D)に連なっている。むろん、層間絶縁膜90は、第1主面3の周縁から内方に間隔を空けて形成され、第1主面3の周縁部から第2層9を露出させていてもよい。
層間絶縁膜90は、活性領域10を露出させるコンタクト開口91を有している。コンタクト開口91は、この形態では、最内のフィールド領域38の上に位置された開口壁面を有し、活性領域10の全域および最内のフィールド領域38の内縁部を露出させている。
SiC半導体装置1Cは、活性領域10において第1主面3を被覆する第1パッド電極92を含む。第1パッド電極92は、アノードパッドとして形成されている。第1パッド電極92は、チップ2の周縁から内方に間隔を空けて配置されている。第1パッド電極92は、平面視においてチップ2の周縁に沿う多角形状(この形態では四角形状)に形成されている。
第1パッド電極92は、層間絶縁膜90の上からコンタクト開口91に入り込み、コンタクト開口91内において第1主面3および最内のフィールド領域38に電気的に接続されている。第1パッド電極92は、第1主面3(第2層9)とショットキー接合を形成している。これにより、ダイオード構造(デバイス構造物)としてのSBD構造93(Schottky Barrier Diode structure)が活性領域10に形成されている。
SiC半導体装置1Cは、第2主面4を被覆する第2パッド電極94を含む。第2パッド電極94は、カソードパッドとして形成されている。第2パッド電極94は、第2主面4から露出したベース層6とオーミック接触を形成している。つまり、第2パッド電極94は、ベース層6を介して第1層8(複数の第1ドリフト領域16)および第2層9(複数の第2ドリフト領域17)に電気的に接続されている。
第2パッド電極94は、チップ2の周縁(第1~第4側面5A~5D)に連なるように第2主面4の全域を被覆していてもよい。第2パッド電極94は、チップ2の周縁部を露出させるように、チップ2の周縁から内方に間隔を空けて第2主面4を被覆していてもよい。
第1パッド電極92および第2パッド電極94の間(第1主面3および第2主面4の間)に印加可能なブレークダウン電圧は、500V3000V以下であってもよい。ブレークダウン電圧は、500V1000V以下、1000V以上1500V以下、1500V以上2000V以下、2000V以上2500V以下、および、2500V以上3000V以下のいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。
2層構造を有する積層部7が採用される場合、ブレークダウン電圧は500V以上1000V以下、1000V以上1500V以下、および、1500V以上2000V以下のいずれか1つの範囲に属する値に設定されることが好ましい。3層構造を有する積層部7が採用される場合、ブレークダウン電圧は1000V以上1500V以下、1500V以上2000V以下、2000V以上2500V以下、および、2500V以上3000V以下のいずれか1つの範囲に属する値に設定されることが好ましい。
以下、図57~図61を参照して、SBD構造93の第1~第5形態例が示される。図57は、第1形態例に係るSBD構造93を示す断面斜視図である。図57を参照して、複数の第2領域15の第2上端部15bが第1主面3から第2層9の下端側に間隔を空けて形成されている場合(たとえば図18~図25等も併せて参照)、第1パッド電極92は第2層9のうち第1主面3および第2上端部15bの間に介在された部分とショットキー接合を形成する。
図58は、第2形態例に係るSBD構造93を示す断面斜視図である。図58を参照して、複数の第2領域15および複数の第2ドリフト領域17が第1主面3から露出している場合(たとえば図27等も併せて参照)、第1パッド電極92は第1主面3において複数の第2領域15および複数の第2ドリフト領域17に機械的および電気的に接続される。この場合、第1パッド電極92は、複数の第2領域15とJBS構造(Junction Barrier Controlled Schottky structure)を形成し、複数の第2ドリフト領域17とショットキー接合を形成する。
図59は、第3形態例に係るSBD構造93を示す断面斜視図である。図59を参照して、積層部7がトップ層30を含む場合(図32等も併せて参照)、第1パッド電極92はトップ層30(第1主面3)とショットキー接合を形成する。むろん、トップ層30が形成されていない状態において、第2層9において第1主面3およびコラム領域12の間に十分なスペースが形成されている場合、トップ層30は省略されてもよい。
図60は、第4形態例に係るSBD構造93を示す断面斜視図である。図60を参照して、積層部7がトップ層30を含む場合(図32等も併せて参照)、SiC半導体装置1Cは、活性領域10のトップ層30内において第1主面3の表層部に形成されたp型の複数の表層領域95(不純物領域)を含んでいてもよい。
複数の表層領域95は、この形態では、第2配列方向Da2に間隔を空けて配列され、第2延在方向De2に延びる帯状にそれぞれ形成されている。つまり、複数の表層領域95は、この形態では、複数の第2領域15の第2延在方向De2に沿って延びるストライプ状に配列されている。
この例では、第2配列方向Da2がm軸方向であり、第2延在方向De2がa軸方向である。むろん、複数の表層領域95の配列方向および延在方向は、複数の第2領域15の第2配列方向Da2および第2延在方向De2に応じて変更される。したがって、第2配列方向Da2がa軸方向であり、第2延在方向De2がm軸方向であってもよい。また、第2配列方向Da2がa軸方向およびm軸方向以外の方向であり、第2延在方向De2がa軸方向およびm軸方向以外の方向であってもよい。
複数の表層領域95は、複数の第1領域14の幅とは異なる幅をそれぞれ有し、複数の第1領域14のピッチとは異なるピッチで配列されていることが好ましい。表層領域95の幅は複数の第1領域14の幅未満であり、表層領域95のピッチは複数の第1領域14のピッチ未満であってもよい。表層領域95の幅は複数の第1領域14の幅未満であり、表層領域95のピッチは複数の第1領域14のピッチよりも大きくてもよい。
表層領域95の幅は複数の第1領域14の幅よりも大きく、表層領域95のピッチは複数の第1領域14のピッチ未満であってもよい。表層領域95の幅は複数の第1領域14の幅よりも大きく、表層領域95のピッチは複数の第1領域14のピッチよりも大きくてもよい。むろん、複数の表層領域95の幅は、複数の第1領域14の幅とほぼ等しくてもよい。また、複数の表層領域95のピッチは、複数の第1領域14のピッチとほぼ等しくてもよい。
複数の表層領域95は、複数の第2領域15の幅とは異なる幅をそれぞれ有し、複数の第2領域15のピッチとは異なるピッチで配列されていることが好ましい。表層領域95の幅は複数の第2領域15の幅未満であり、表層領域95のピッチは複数の第2領域15のピッチ未満であってもよい。表層領域95の幅は複数の第2領域15の幅未満であり、表層領域95のピッチは複数の第2領域15のピッチよりも大きくてもよい。
表層領域95の幅は複数の第2領域15の幅よりも大きく、表層領域95のピッチは複数の第2領域15のピッチ未満であってもよい。表層領域95の幅は複数の第2領域15の幅よりも大きく、表層領域95のピッチは複数の第2領域15のピッチよりも大きくてもよい。むろん、複数の表層領域95の幅は、複数の第2領域15の幅とほぼ等しくてもよい。また、複数の表層領域95のピッチは、複数の第2領域15のピッチとほぼ等しくてもよい。
複数の表層領域95は、複数の第2領域15から第1主面3側に間隔を空けて形成されている。複数の表層領域95は、トップ層30の下端(第2層9)から第1主面3側に間隔を空けて形成され、少なくともトップ層30の一部を挟んで複数の第2層9に対向していることが好ましい。複数の表層領域95は、積層方向に第2領域15および第2ドリフト領域17のいずれか一方または双方に対向していてもよい。
複数の表層領域95は、第2層9に対するランダム注入法によって第2層9の表層部に導入されたランダム不純物領域からなる(図12も併せて参照)。したがって、複数の表層領域95は、トップ軸チャネルCHTに沿う方向に関して第2領域15の第2領域厚さTR2未満の厚さを有している。複数の表層領域95の厚さは、第1領域14の第1領域厚さTR1未満である。
複数の表層領域95は、第2領域15等とは異なり、0.5μm以上の厚さを有する緩慢部22を有さず、0.5μmの範囲に漸増部20、ピーク部21および漸減部23を含む濃度勾配を有している。複数の表層領域95は、1×1015cm-3以上1×1021cm-3以下のp型不純物濃度をピーク値として有していてもよい。
複数の表層領域95のp型不純物濃度は、少なくとも1種の3価元素によって調整されていることが好ましい。表層領域95の3価元素は、第2領域15等の3価元素と同一種であってもよいし、第2領域15等の3価元素と異なる種であってもよい。表層領域95の3価元素は、ホウ素、アルミニウム、ガリウムおよびインジウムのうちの少なくとも1種であってもよい。
第1パッド電極92は、第1主面3においてトップ層30に機械的および電気的に接続されている。この場合、第1パッド電極92は、第1主面3において複数の表層領域95とJBS構造を形成し、第1主面3において複数の表層領域95の間の領域とショットキー接合を形成する。つまり、第4形態例に係るSBD構造93では、スーパージャンクション構造SJ(第2スーパージャンクション構造SJ2)のレイアウトに起因するJBS構造のレイアウトの制限および電気的特性の制限が緩和される。
この例では、複数の表層領域95がトップ層30に形成されていた。しかし、トップ層30が形成されていない状態において、第2層9において第1主面3およびコラム領域12の間に十分なスペースが形成されている場合、トップ層30は省略されてもよい。
図61は、第5形態例に係るSBD構造93を示す断面斜視図である。第5形態例に係るSBD構造93は、第4形態例に係る複数の表層領域95のレイアウトを変形させたレイアウトを有している。具体的には、複数の表層領域95は、活性領域10において複数の第2領域15の第2延在方向De2に交差する方向に延びるストライプ状に配列されている。
複数の表層領域95は、この形態では、第1領域14の第1配列方向Da1に間隔を空けて配列され、第1領域14の第1延在方向De1に延びている。この例では、第1配列方向Da1がm軸方向であり、第1延在方向De1がa軸方向である。むろん、複数の表層領域95の配列方向および延在方向は、複数の第1領域14の第1配列方向Da1および第1延在方向De1に応じて変更される。したがって、第1配列方向Da1がa軸方向であり、第1延在方向De1がm軸方向であってもよい。また、第1配列方向Da1がa軸方向およびm軸方向以外の方向であり、第1延在方向De1がa軸方向およびm軸方向以外の方向であってもよい。
むろん、複数の表層領域95の配列方向は、第1配列方向Da1および第2配列方向D2以外の方向であってもよい。また、複数の表層領域95の延在方向は、第1延在方向De1および第2延在方向De2以外の方向であってもよい。つまり、複数の表層領域95は、平面視において複数の第1領域14および複数の第2領域15の双方に交差していてもよい。
たとえば、表層領域95の延在方向および第2延在方向De2の間の角度(絶対値)は、0°を超えて90°以下であってもよい。表層領域95の角度(絶対値)は、0°を超えて18°以下、18°以上36°以下、36°以上54°以下、54°以上72°以下、および、72°以上90°以下のうちのいずれか1つの範囲に属する値を有していてもよい。表層領域95の角度(絶対値)は、30°±5°、45°±5°、および、60°±5°のうちのいずれか1つの範囲に属する値に設定されてもよい。
前述の形態はさらに他の形態で実施できる。たとえば、前述の各形態では、SiC単結晶をそれぞれ含むベース層6、第1層8、第2層9、バッファ層26およびトップ層30が採用された。しかし、ベース層6、第1層8、第2層9、バッファ層26およびトップ層30の少なくとも1つまたは全部は、SiC単結晶以外のワイドバンドギャップ半導体の単結晶を含んでいてもよい。
ワイドバンドギャップ半導体は、シリコンのバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する半導体である。ワイドバンドギャップ半導体の単結晶として、炭化シリコン(SiC)、窒化ガリウム(GaN)、ダイヤモンド(C)、酸化ガリウム(Ga2O3)等が例示される。ベース層6、第1層8、第2層9、バッファ層26およびトップ層30は、同一種類の単結晶によって構成されていてもよいし、異なる種類の単結晶によって構成されていてもよい。
前述のチャネリング注入工程(原子列が疎な領域に不純物を注入する工程)は立方晶を構成する単結晶にも適用可能である。したがって、ワイドバンドギャップ半導体の単結晶は、立方晶または六方晶であってもよい。ベース層6、第1層8、第2層9、バッファ層26およびトップ層30のうちの少なくとも1つまたは全部に対して立方晶の単結晶が適用される場合、これらの軸チャネルは、立方晶の結晶軸のうち低指数結晶軸に沿う原子列によって取り囲まれた領域によって形成される。
立方晶に係る低指数結晶軸は、ミラー指数(h、k、l)に関して、「h」、「k」および「l」の絶対値がいずれも2以下(好ましくは1以下)で表現される結晶軸である。むろん、ベース層6、第1層8、第2層9、バッファ層26およびトップ層30のうちの少なくとも1つまたは全部は、シリコン単結晶を含んでいてもよい。
前述の各形態では、MIS構造31およびSBD構造93が異なるチップ2に個別的に形成された例が示された。しかし、MIS構造31およびSBD構造93は1つのチップ2に形成されてもよい。この場合、SBD構造93は、MIS構造31に対する還流ダイオードとしてソースパッド47(アノードパッド)およびドレインパッド48(カソードパッド)の間に電気的に介装されてもよい。
前述の各形態では、n型のベース層6が示された。しかし、p型のベース層6が採用されてもよい。この場合、MISFET構造に代えてIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)構造が形成される。この場合、前述の説明において、MISFET構造の「ソース」がIGBT構造の「エミッタ」に置き換えられ、MISFET構造の「ドレイン」がIGBT構造の「コレクタ」に置き換えられる。p型のベース層6はイオン注入法によってチップ2の第2主面4の表層部に導入された3価元素を含むp型領域であってもよい。
以下、この明細書および図面から抽出される特徴例が示される。以下、括弧内の英数字等は前述の各形態における対応構成要素等を表すが、各項目(Clause)の範囲を前述の形態に限定する趣旨ではない。以下の項目に係る「半導体装置」は、必要に応じて「SiC半導体装置」、「ワイドバンドギャップ半導体装置」、「半導体スイッチング装置」、「半導体整流装置」、「MISFET装置」、「IGBT装置」、「ダイオード装置」等に置き換えられてもよい。
[A1]半導体単結晶を含み、積層方向に沿う第1軸チャネル(CH1)を有する第1導電型(n型)の第1層(8)と、半導体単結晶を含み、前記積層方向に沿う第2軸チャネル(CH2)を有し、前記第1層(8)の上に積層された第1導電型(n型)の第2層(9)と、断面視において前記第1層(8)内で前記第1軸チャネル(CH1)に沿って延び、平面視において第1延在方向(De1)に延びる第2導電型(p型)の第1領域(14)と、断面視において前記第2層(9)内で前記第2軸チャネル(CH2)に沿って延び、平面視において前記第1領域(14)に交差するように前記第1延在方向(De1)に交差する第2延在方向(De2)に延びる第2導電型(p型)の第2領域(15)と、を含む、半導体装置(1A、1B、1C)。
[A2]前記第1延在方向(De1)は、結晶方位のうちのm軸方向またはa軸方向である、A1に記載の半導体装置(1A、1B、1C)。
[A3]前記第2延在方向(De2)は、前記第1延在方向(De1)に直交している、A2に記載の半導体装置(1A、1B、1C)。
[A4]前記第2延在方向(De2)は、前記第1延在方向(De1)に直交していない、A2に記載の半導体装置(1A、1B、1C)。
[A5]前記第1延在方向(De1)は、結晶方位のうちのm軸方向およびa軸方向以外の方向である、A1に記載の半導体装置(1A、1B、1C)。
[A6]前記第2延在方向(De2)は、前記第1延在方向(De1)に直交している、A5に記載の半導体装置(1A、1B、1C)。
[A7]前記第2延在方向(De2)は、前記第1延在方向(De1)に直交していない、A5に記載の半導体装置(1A、1B、1C)。
[A8]前記第2延在方向(De2)は、結晶方位のうちのm軸方向およびa軸方向以外の方向である、A1~A7のいずれか一つに記載の半導体装置(1A、1B、1C)。
[A9]前記第2領域(15)は、前記第1層(8)および前記第2層(9)の間の境界部を横切り、前記第1層(8)内に位置する延部を有している、A1~A8のいずれか一つに記載の半導体装置(1A、1B、1C)。
[A10]前記第2領域(15)の前記延部は、前記第1層(8)内で前記第1領域(14)に接続されている、A9に記載の半導体装置(1A、1B、1C)。
[A11]前記第1領域(14)は、前記第1層(8)の上端から下端側に間隔を空けて形成されている、A9またはA10に記載の半導体装置(1A、1B、1C)。
[A12]前記第1領域(14)および前記第2領域(15)の間の領域に介在された第2導電型(p型)の中間領域(25)をさらに含む、A1~A11のいずれか一つに記載の半導体装置(1A、1B、1C)。
[A13]前記中間領域(25)は、前記第1領域(14)および前記第2領域(15)の間の領域において前記第1層(8)に形成されている、A12に記載の半導体装置(1A、1B、1C)。
[A14]前記第1領域(14)は、前記第1軸チャネル(CH1)に沿って前記第1層(8)の中間部を横切る単一の不純物領域からなり、前記第2領域(15)は、前記第2軸チャネル(CH2)に沿って前記第2層(9)の中間部を横切る単一の不純物領域からなる、A1~A13のいずれか一つに記載の半導体装置(1A、1B、1C)。
[A15]前記第1領域(14)は、前記第1層(8)の下端側の第1下端部(14a)、および、前記第1層(8)の上端側の第1上端部(14b)を有し、前記第1上端部(14b)から前記第1下端部(14a)に向けて漸減する第1濃度勾配を有している、A1~A14のいずれか一つに記載の半導体装置(1A、1B、1C)。
[A16]前記第1濃度勾配は、前記第1上端部(14b)側の第1ピーク値(PA、21A)、および、前記第1ピーク値(PA、21A)よりも前記第1下端部(14a)側の領域において緩慢な低下率で不純物濃度が漸減する第1緩慢部(22A)を含む、A15に記載の半導体装置(1A、1B、1C)。
[A17]前記第1緩慢部(22A)は、前記第1領域(14)のうちの1/4以上の厚さ範囲を占めている、A16に記載の半導体装置(1A、1B、1C)。
[A18]前記第2領域(15)は、前記第2層(9)の下端側の第2下端部(15a)、および、前記第2層(9)の上端側の第2上端部(15b)を有し、前記第2上端部(15b)から前記第2下端部(15a)に向けて漸減する第2濃度勾配を有している、A1~A17のいずれか一つに記載の半導体装置(1A、1B、1C)。
[A19]前記第2濃度勾配は、前記第2上端部(15b)側の第2ピーク値(PB、21B)、および、前記第2ピーク値(PB、21B)よりも前記第2下端部(15a)側の領域において緩慢な低下率で不純物濃度が漸減する第2緩慢部(22B)を含む、A18に記載の半導体装置(1A、1B、1C)。
[A20]前記第2緩慢部(22B)は、前記第2領域(15)のうちの1/4以上の厚さ範囲を占めている、A19に記載の半導体装置(1A、1B、1C)。
[A21]前記第1層(8)は、SiC単結晶を含む第1SiC層(8)であり、前記第2層(9)は、SiC単結晶を含む第2SiC層(9)である、A1~A20のいずれか一つに記載の半導体装置(1A、1B、1C)。
以上、具体的な形態が詳細に説明されたが、これらは技術的内容を明示する具体例に過ぎない。この明細書から抽出される種々の技術的思想は、明細書内の説明順序、形態例の順序、変形例の順序等に制限されずにそれらの間で適宜組み合わせ可能である。
1A SiC半導体装置
1B SiC半導体装置
1C SiC半導体装置
8 第1層
9 第2層
14 第1領域
14a 第1下端部
14b 第1上端部
15 第2領域
15a 第2下端部
15b 第2上端部
21A 第1ピーク部
21B 第2ピーク部
22A 第1緩慢部
22B 第2緩慢部
25 中間領域
CH1 第1軸チャネル
CH2 第2軸チャネル
De1 第1延在方向
De2 第2延在方向
PA 第1ピーク値
PB 第2ピーク値
T1 第1厚さ
T2 第1厚さ
W1 第1幅
W2 第1幅
Doff オフ方向
θoff オフ角
1B SiC半導体装置
1C SiC半導体装置
8 第1層
9 第2層
14 第1領域
14a 第1下端部
14b 第1上端部
15 第2領域
15a 第2下端部
15b 第2上端部
21A 第1ピーク部
21B 第2ピーク部
22A 第1緩慢部
22B 第2緩慢部
25 中間領域
CH1 第1軸チャネル
CH2 第2軸チャネル
De1 第1延在方向
De2 第2延在方向
PA 第1ピーク値
PB 第2ピーク値
T1 第1厚さ
T2 第1厚さ
W1 第1幅
W2 第1幅
Doff オフ方向
θoff オフ角
Claims (20)
- 積層方向に沿う第1軸チャネルを有する第1導電型の第1SiC層と、
前記積層方向に沿う第2軸チャネルを有し、前記第1SiC層の上に積層された第1導電型の第2SiC層と、
断面視において前記第1SiC層内で前記第1軸チャネルに沿って延び、平面視において第1延在方向に延びる第2導電型の第1領域と、
断面視において前記第2SiC層内で前記第2軸チャネルに沿って延び、平面視において前記第1領域に交差するように前記第1延在方向に交差する第2延在方向に延びる第2導電型の第2領域と、を含む、SiC半導体装置。 - 前記第1延在方向は、SiCの結晶方位のうちのm軸方向またはa軸方向である、請求項1に記載のSiC半導体装置。
- 前記第2延在方向は、前記第1延在方向に直交している、請求項2に記載のSiC半導体装置。
- 前記第2延在方向は、前記第1延在方向に直交していない、請求項2に記載のSiC半導体装置。
- 前記第1延在方向は、SiCの結晶方位のうちのm軸方向およびa軸方向以外の方向である、請求項1に記載のSiC半導体装置。
- 前記第2延在方向は、前記第1延在方向に直交している、請求項5に記載のSiC半導体装置。
- 前記第2延在方向は、前記第1延在方向に直交していない、請求項5に記載のSiC半導体装置。
- 前記第2延在方向は、SiCの結晶方位のうちのm軸方向およびa軸方向以外の方向である、請求項1~7のいずれか一項に記載のSiC半導体装置。
- 前記第2領域は、前記第1SiC層および前記第2SiC層の間の境界部を横切り、前記第1SiC層内に位置する延部を有している、請求項1~8のいずれか一項に記載のSiC半導体装置。
- 前記第2領域の前記延部は、前記第1SiC層内で前記第1領域に接続されている、請求項9に記載のSiC半導体装置。
- 前記第1領域は、前記第1SiC層の上端から下端側に間隔を空けて形成されている、請求項9または10に記載のSiC半導体装置。
- 前記第1領域および前記第2領域の間の領域に介在された第2導電型の中間領域をさらに含む、請求項1~11のいずれか一項に記載のSiC半導体装置。
- 前記中間領域は、前記第1領域および前記第2領域の間の領域において前記第1SiC層に形成されている、請求項12に記載のSiC半導体装置。
- 前記第1領域は、前記第1軸チャネルに沿って前記第1SiC層の中間部を横切る単一の不純物領域からなり、
前記第2領域は、前記第2軸チャネルに沿って前記第2SiC層の中間部を横切る単一の不純物領域からなる、請求項1~13のいずれか一項に記載のSiC半導体装置。 - 前記第1領域は、前記第1SiC層の下端側の第1下端部、および、前記第1SiC層の上端側の第1上端部を有し、前記第1上端部から前記第1下端部に向けて漸減する第1濃度勾配を有している、請求項1~14のいずれか一項に記載のSiC半導体装置。
- 前記第1濃度勾配は、前記第1上端部側の第1ピーク値、および、前記第1ピーク値よりも前記第1下端部側の領域において緩慢な低下率で不純物濃度が漸減する第1緩慢部を含む、請求項15に記載のSiC半導体装置。
- 前記第1緩慢部は、前記第1領域のうちの1/4以上の厚さ範囲を占めている、請求項16に記載のSiC半導体装置。
- 前記第2領域は、前記第2SiC層の下端側の第2下端部、および、前記第2SiC層の上端側の第2上端部を有し、前記第2上端部から前記第2下端部に向けて漸減する第2濃度勾配を有している、請求項1~17のいずれか一項に記載のSiC半導体装置。
- 前記第2濃度勾配は、前記第2上端部側の第2ピーク値、および、前記第2ピーク値よりも前記第2下端部側の領域において緩慢な低下率で不純物濃度が漸減する第2緩慢部を含む、請求項18に記載のSiC半導体装置。
- 前記第2緩慢部は、前記第2領域のうちの1/4以上の厚さ範囲を占めている、請求項19に記載のSiC半導体装置。
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