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JP2016213374A - Semiconductor device - Google Patents

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JP2016213374A
JP2016213374A JP2015097248A JP2015097248A JP2016213374A JP 2016213374 A JP2016213374 A JP 2016213374A JP 2015097248 A JP2015097248 A JP 2015097248A JP 2015097248 A JP2015097248 A JP 2015097248A JP 2016213374 A JP2016213374 A JP 2016213374A
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JP
Japan
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trench
region
insulating film
semiconductor device
type
Prior art date
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Pending
Application number
JP2015097248A
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Japanese (ja)
Inventor
克博 朽木
Katsuhiro Kuchiki
克博 朽木
佐智子 青井
Sachiko Aoi
佐智子 青井
雅裕 杉本
Masahiro Sugimoto
雅裕 杉本
康裕 海老原
Yasuhiro Ebihara
康裕 海老原
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Denso Corp
Toyota Motor Corp
Toyota Central R&D Labs Inc
Original Assignee
Denso Corp
Toyota Motor Corp
Toyota Central R&D Labs Inc
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve all three characteristics of a MOS, formed by forming a trench gate electrode on a SiC substrate, whose on-resistance is high, voltage-withstanding is low, and a saturation current is high.SOLUTION: A swollen part is formed near a bottom surface of a trench to fill an embedded insulator film. Stress is applied to a SiC crystal of a portion to be a channel to reduce on-resistance. A distance between neighboring swollen parts becomes short to make it possible to suppress a saturation current low. Owing to the presence of the embedded insulator film, electric field concentration generated in a drift area is relaxed to improve the voltage-withstanding.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本明細書は、SiC基板を利用する半導体装置であって、トレンチゲート電極の電位によって表面電極と裏面電極の間の抵抗値が変化する縦型半導体装置を開示する。例えば、トレンチゲート電極に印加する電位によってSiC基板の表面に形成されているソース電極と裏面に形成されているドレイン電極の間の抵抗値が変化するMOSを開示する。
本明細書では、半導体基板の表裏両面に電極が形成されており、トレンチゲート電極の電位によって表面電極と裏面電極の間の抵抗値が変化するものを縦型半導体装置という。
The present specification discloses a vertical semiconductor device that uses a SiC substrate and has a resistance value between a front electrode and a back electrode that varies depending on the potential of a trench gate electrode. For example, a MOS is disclosed in which the resistance value between the source electrode formed on the surface of the SiC substrate and the drain electrode formed on the back surface varies depending on the potential applied to the trench gate electrode.
In this specification, a device in which electrodes are formed on both the front and back surfaces of a semiconductor substrate, and the resistance value between the front electrode and the back electrode changes depending on the potential of the trench gate electrode is referred to as a vertical semiconductor device.

SiC基板内に形成されているボディ層(ベース層ということもある)を貫通するトレンチを形成し、そのトレンチ内にゲート電極を形成し、そのトレンチゲート電極に電位を加えることでトレンチゲート電極に向い合う位置にチャネルを形成し、そのチャネルの有無によって表面電極と裏面電極の間の抵抗値を変化させる縦型半導体装置が特許文献1に開示されている。   A trench penetrating a body layer (also referred to as a base layer) formed in the SiC substrate is formed, a gate electrode is formed in the trench, and a potential is applied to the trench gate electrode to thereby form a trench gate electrode. Patent Document 1 discloses a vertical semiconductor device in which a channel is formed at a facing position and a resistance value between a front electrode and a back electrode is changed depending on the presence or absence of the channel.

特開2014−53595号公報JP 2014-53595 A 特開2014−135366号公報JP 2014-135366 A

SiC基板とトレンチゲート電極を利用する縦型半導体装置には、下記の課題が残されている。
(1)オン抵抗を低下させる必要がある。そのためにはチャネルにおけるキャリアの移動度を向上させる必要がある。
(2)素子の耐圧を向上させる必要がある。表面電極と裏面電極の間に印加する電圧が所定値を超えると、トレンチゲート電極にオフ電圧を印加しても、表面電極と裏面電極の間を電流が流れ続ける現象が生じる。トレンチゲート電極の電位によって表面電極と裏面電極の間の電流を制御可能な、表面電極と裏面電極間の最大電圧を高める必要がある。
(3)飽和電流を低下させる必要がある。表面電極と裏面電極の間を流れる電流は、表面電極と裏面電極の間の電圧が大きくなるのに追従して増大するが、前記電圧が所定値を超えると、それ以上には電流値が増大しない現象が生じる。すなわち電流値が飽和する現象が生じる。その飽和電流が低ければ、例えば短絡故障時に流れる電流値を下げることができ、異常処理に許容される時間を長く確保することができる。
The following problems remain in the vertical semiconductor device using the SiC substrate and the trench gate electrode.
(1) The on-resistance needs to be reduced. For this purpose, it is necessary to improve carrier mobility in the channel.
(2) The breakdown voltage of the element needs to be improved. When the voltage applied between the front electrode and the back electrode exceeds a predetermined value, a phenomenon occurs in which a current continues to flow between the front electrode and the back electrode even when an off voltage is applied to the trench gate electrode. It is necessary to increase the maximum voltage between the front surface electrode and the back surface electrode, in which the current between the front surface electrode and the back surface electrode can be controlled by the potential of the trench gate electrode.
(3) It is necessary to reduce the saturation current. The current flowing between the front electrode and the back electrode increases as the voltage between the front electrode and the back electrode increases, but when the voltage exceeds a predetermined value, the current value increases further. Phenomenon that does not. That is, a phenomenon occurs in which the current value is saturated. If the saturation current is low, for example, the value of the current that flows at the time of a short-circuit failure can be reduced, and a long time allowed for the abnormality processing can be secured.

従来から、上記を改善する様々な技術が開発されている。例えば、特許文献2の技術では、チャネルが形成される領域とそれ以外の領域とで、格子間隔が相違するSiC結晶を用いる。これによると、チャネルが形成される領域にひずみが生じ、キャリアの移動度が向上し、オン抵抗が低下する。   Conventionally, various techniques for improving the above have been developed. For example, in the technique of Patent Document 2, SiC crystals having different lattice intervals are used in a region where a channel is formed and other regions. According to this, distortion occurs in a region where a channel is formed, carrier mobility is improved, and on-resistance is lowered.

特許文献2の技術によって前記した(1)の問題に対処することができる。しかしながら(2)と(3)の問題は未解決に残されている。現状の技術では、(1)(2)(3)の全部に対処することができない。
本明細書では、前記(1)(2)(3)の全部に対処することができる縦型半導体装置を開示する。
The technique of Patent Document 2 can cope with the problem (1) described above. However, the problems (2) and (3) remain unsolved. The current technology cannot cope with all of (1), (2), and (3).
The present specification discloses a vertical semiconductor device that can cope with all of the above (1), (2), and (3).

本明細書で開示する縦型半導体装置は、SiC基板を利用しており、SiC基板の表面から深部に向かって表面側n型領域とp型領域と深部側n型領域が積層されており、表面側n型領域とp型領域を貫通して深部側n型領域に達するトレンチが形成されている。トレンチの底部近傍であって深部側n型領域内に位置する範囲には、側方に膨出するトレンチ膨出部が形成されている。そのトレンチ膨出部には絶縁物質が充填されている。トレンチ膨出部よりも表面側では、トレンチの側壁に沿って形成された側壁絶縁膜を介して、トレンチ内に形成されているトレンチゲート電極がp側領域に対向している。   The vertical semiconductor device disclosed in this specification uses a SiC substrate, and a surface-side n-type region, a p-type region, and a deep-side n-type region are stacked from the surface of the SiC substrate toward the deep portion. A trench that penetrates the surface side n-type region and the p-type region and reaches the deep-side n-type region is formed. A trench bulge that bulges laterally is formed in a range near the bottom of the trench and within the deep n-type region. The trench bulge is filled with an insulating material. On the surface side of the trench bulge, the trench gate electrode formed in the trench is opposed to the p-side region through a sidewall insulating film formed along the sidewall of the trench.

上記半導体装置によると、下記の事象が得られる。
(1)チャネルが形成される領域の下側に、トレンチ膨出部に充填された絶縁物質が存在している。その絶縁物質によってチャネル形成領域を形成するSiCにはひずみが生じ、チャネルにおける電子の移動度が向上し、オン抵抗が低下する。
(2)耐圧は、主としてトレンチの底面と側壁の境界付近に向かいあう深部側n型領域内に電界集中が生じることで規定される。本構造によると、トレンチの底面と側壁の間にトレンチ膨出部に充填された絶縁物質が存在するために前記の電界集中が緩和され、耐圧が向上する。
(3)トレンチ膨出部が形成されていると、隣接するトレンチ鉛直部の側壁同志の間の距離に比して、隣接するトレンチ膨出部同志の間の距離が短くなる。すなわち、電流が通過する深部側n型領域の幅が狭くなる。その幅が狭くなると、飽和電流が低下する。
本構造によると、オン抵抗が低く、耐圧が高く、飽和電流が低い縦型半導体装置が得られる。
According to the semiconductor device, the following event is obtained.
(1) An insulating material filled in the trench bulge exists below the region where the channel is formed. SiC that forms a channel formation region due to the insulating material is distorted, electron mobility in the channel is improved, and on-resistance is reduced.
(2) The withstand voltage is defined mainly by the occurrence of electric field concentration in the deep n-type region facing the vicinity of the boundary between the bottom and side walls of the trench. According to this structure, since the insulating material filled in the trench bulge exists between the bottom surface and the side wall of the trench, the electric field concentration is relaxed and the breakdown voltage is improved.
(3) When the trench bulge portion is formed, the distance between adjacent trench bulge portions is shorter than the distance between the side walls of adjacent trench vertical portions. That is, the width of the deep n-type region through which the current passes becomes narrow. When the width becomes narrow, the saturation current decreases.
According to this structure, a vertical semiconductor device with low on-resistance, high breakdown voltage, and low saturation current can be obtained.

本構造は、IGBT等にも有用な技術であるが、MOSに適用する場合に顕著な効果を発揮する。すなわち、表面側n型領域がソース領域であり、p型領域がボディ領域であり、深部側n型領域がドリフト領域であり、SiC基板の裏面に接する範囲にn型のドレイン領域が形成されている場合に、顕著な効果が得られる。   This structure is a useful technique for IGBTs and the like, but exhibits a remarkable effect when applied to a MOS. That is, the front-side n-type region is a source region, the p-type region is a body region, the deep-side n-type region is a drift region, and an n-type drain region is formed in a range in contact with the back surface of the SiC substrate. If it is, a remarkable effect is obtained.

実施例1の縦型半導体装置の断面図。1 is a cross-sectional view of a vertical semiconductor device of Example 1. FIG. ドレイン領域4となる元基板の上にドリフト領域6となるSiC単結晶とボディ領域10等となるSiC単結晶をエピタキシャル成長させた基板の断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view of a substrate obtained by epitaxially growing a SiC single crystal serving as a drift region 6 and a SiC single crystal serving as a body region 10 on an original substrate serving as a drain region 4. 図2の基板の表面からイオン注入して、ボディコンタクト領域14とソース領域16を形成した基板の断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view of a substrate in which a body contact region 14 and a source region 16 are formed by ion implantation from the surface of the substrate of FIG. 2. ソース領域16とボディ領域10を貫通してドリフト領域6に達するトレンチ鉛直部20bを形成した基板の断面図。FIG. 5 is a cross-sectional view of a substrate in which a trench vertical portion 20b that reaches the drift region 6 through the source region 16 and the body region 10 is formed. トレンチ鉛直部の壁面に保護膜を形成し、トレンチ鉛直部の底面に形成された保護膜を除去した状態の基板の断面図。Sectional drawing of the board | substrate of the state which formed the protective film in the wall surface of a trench vertical part, and removed the protective film formed in the bottom face of a trench vertical part. 図5の基板を等方性エッチングした後の基板の断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view of the substrate after isotropic etching of the substrate of FIG. 5. トレンチに絶縁物質を充填した後の基板の断面図。Sectional drawing of the board | substrate after filling an insulating material into a trench. 絶縁物質をエッチングしてトレンチ膨出部内に絶縁物質を残した状態の基板の断面図。Sectional drawing of the board | substrate of the state which etched the insulating material and left the insulating material in the trench bulge part. トレンチ鉛直部の側壁に側壁絶縁膜を形成した状態の基板の断面図。Sectional drawing of the board | substrate of the state which formed the side wall insulating film in the side wall of a trench vertical part. トレンチ鉛直部に導体を充填した状態の基板の断面図。Sectional drawing of the board | substrate of the state which filled the conductor into the trench vertical part. トレンチ外の導体を除去した状態の基板の断面図。Sectional drawing of the board | substrate of the state which removed the conductor outside a trench. 層間絶縁膜を形成した状態の基板の断面図。Sectional drawing of the board | substrate of the state in which the interlayer insulation film was formed. 実施例1の半導体装置の特性図。FIG. 6 is a characteristic diagram of the semiconductor device of Example 1; 実施例2の縦型半導体装置の断面図。Sectional drawing of the vertical semiconductor device of Example 2. FIG.

以下、本明細書で開示する技術の特徴を整理する。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。
(特徴1)ゲート絶縁膜はSiOで形成されている。
(特徴2)トレンチ鉛直部の底面から等方性エッチングしてトレンチ膨出部を形成する。
The features of the technology disclosed in this specification will be summarized below. The items described below have technical usefulness independently.
(Feature 1) The gate insulating film is made of SiO 2 .
(Feature 2) A trench bulge is formed by isotropic etching from the bottom of the vertical part of the trench.

図1は、SiC基板を利用する縦型MOSの断面構造を示す。図1では2個のセル分を示し、図2〜図12では1個のセル分のみを示す。実際の装置は、図1の構造が左右方向に繰り返して現れる。
図1において、参照番号32はSiC基板を示し、SiC基板32の表面にソース電極18が形成され、裏面にドレイン電極2が形成されている。
SiC基板32の表面側から順に、n型のソース領域16、p型のボディ領域10、n型のドリフト領域6、n型のドレイン領域4が積層されている。隣接するソース領域16,16の間にボディコンタクト領域14が形成されている。
SiC基板32の表面から、ソース領域16とボディ領域10を貫通してドリフト領域6に達するトレンチが形成されている。トレンチは、鉛直方向に延びるトレンチ鉛直部20bと、その底面近傍から左右に膨出するトレンチ膨出部20aで形成されている。トレンチ鉛直部20bがドリフト領域6に達しており、トレンチ膨出部20aはドリフト領域6内に留まっている。
トレンチ膨出部20aには絶縁物質が充填されている。トレンチ膨出部20aを充填している絶縁物質を埋め込み絶縁膜8aという。トレンチ鉛直部20bの側壁には側壁絶縁膜8bが形成されている。トレンチ鉛直部20bの側壁絶縁膜8bと側壁絶縁膜8bの間には導電性のトレンチゲート電極12が充填されている。トレンチゲート電極12の上面に層間絶縁膜8cが形成されている。トレンチゲート電極12は、層間絶縁膜8cによってソース電極18から絶縁され、側壁絶縁膜8bによってソース領域16とボディ領域10とドリフト領域6から絶縁されている。
FIG. 1 shows a cross-sectional structure of a vertical MOS that uses a SiC substrate. FIG. 1 shows two cells, and FIGS. 2 to 12 show only one cell. In an actual apparatus, the structure of FIG. 1 appears repeatedly in the left-right direction.
In FIG. 1, reference numeral 32 indicates a SiC substrate. The source electrode 18 is formed on the surface of the SiC substrate 32, and the drain electrode 2 is formed on the back surface.
An n-type source region 16, a p-type body region 10, an n-type drift region 6, and an n-type drain region 4 are stacked in this order from the surface side of the SiC substrate 32. A body contact region 14 is formed between adjacent source regions 16 and 16.
A trench reaching the drift region 6 through the source region 16 and the body region 10 is formed from the surface of the SiC substrate 32. The trench is formed by a trench vertical portion 20b extending in the vertical direction and a trench bulging portion 20a that bulges left and right from the vicinity of the bottom surface thereof. The trench vertical portion 20 b reaches the drift region 6, and the trench bulge portion 20 a remains in the drift region 6.
The trench bulging portion 20a is filled with an insulating material. The insulating material filling the trench bulging portion 20a is referred to as a buried insulating film 8a. A sidewall insulating film 8b is formed on the sidewall of the trench vertical portion 20b. A conductive trench gate electrode 12 is filled between the sidewall insulating film 8b and the sidewall insulating film 8b of the trench vertical portion 20b. An interlayer insulating film 8 c is formed on the upper surface of the trench gate electrode 12. The trench gate electrode 12 is insulated from the source electrode 18 by the interlayer insulating film 8c, and is insulated from the source region 16, the body region 10, and the drift region 6 by the sidewall insulating film 8b.

ソース電極18とソース領域16はオ−ミック接触している。ソース電極18とボディコンタクト領域14もオーミック接触している。ドレイン電極2とドレイン領域4もオーミック接触している。
ボディ領域10の不純物濃度は薄く、トレンチゲート電極12に正電圧を印加すると、側壁絶縁膜8bを介してトレンチゲート電極12に向かい合う位置にあるボディ領域10はn型に反転する。反転した領域をチャネルという。n型のソース領域16とn型のドリフト領域6の間にn型のチャネルが形成されると、ソース電極18とドレイン電極2の間の抵抗が低下する。
The source electrode 18 and the source region 16 are in ohmic contact. The source electrode 18 and the body contact region 14 are also in ohmic contact. The drain electrode 2 and the drain region 4 are also in ohmic contact.
The impurity concentration of the body region 10 is low, and when a positive voltage is applied to the trench gate electrode 12, the body region 10 at a position facing the trench gate electrode 12 through the sidewall insulating film 8b is inverted to n-type. The inverted region is called a channel. When an n-type channel is formed between the n-type source region 16 and the n-type drift region 6, the resistance between the source electrode 18 and the drain electrode 2 decreases.

図1の縦型のMOSは、埋め込み絶縁膜8aの存在によって、(1)側壁絶縁膜8bを介してトレンチゲート電極12に向かい合う位置にあるボディ領域10にひずみが生じており、電子の移動度が高く、オン抵抗が低い、(2)埋め込み絶縁膜8aの存在によって耐圧が高い、(3)隣接する埋め込み絶縁膜8a,8aの間に存在するドリフト領域6の幅L1が狭く、飽和電流が低いという特性を備えている。   In the vertical MOS of FIG. 1, due to the presence of the buried insulating film 8a, (1) the body region 10 located at the position facing the trench gate electrode 12 through the sidewall insulating film 8b is distorted, and the mobility of electrons High, low on-resistance, (2) high breakdown voltage due to the presence of the buried insulating film 8a, (3) the width L1 of the drift region 6 existing between the neighboring buried insulating films 8a, 8a is narrow, and the saturation current is It has the characteristic of being low.

(製造方法)
以下に製造方法を説明する。図2は、結晶成長となる元基板4の上に、ドリフト領域6となるn型のSiC単結晶をエピタキシャル成長させ、その上に、ボディ領域10等となるp型のSiC単結晶をエピタキシャル成長させた段階を示す。元基板4はドレイン領域4となる。
(Production method)
The manufacturing method will be described below. FIG. 2 shows an epitaxial growth of an n-type SiC single crystal serving as a drift region 6 on an original substrate 4 serving as a crystal growth, and an epitaxial growth of a p-type SiC single crystal serving as a body region 10 or the like thereon. Indicates the stage. The original substrate 4 becomes the drain region 4.

図2の基板の表面からイオン注入して、ソース領域16とボディコンタクト領域14を製造する(図3)。   Ions are implanted from the surface of the substrate of FIG. 2 to manufacture the source region 16 and the body contact region 14 (FIG. 3).

基板の表面に、開口22aを有する保護膜22を形成し、開口22aからSiC基板を異方性エッチングし、ソース領域16とボディ領域10を貫通してドリフト領域6に達するトレンチ鉛直部20bを形成する(図4)。
トレンチ鉛直部20bの内面(側面と底面)に保護膜24を形成する。次に保護膜24をエッチングする。その際に、側面に形成された保護膜24が残留し、底面に形成された保護膜が除去されるエッチング条件を採用する。トレンチ鉛直部20bの側壁が保護膜24で被覆され、トレンチ鉛直部20bの底面ではSiCが露出する状態が得られる(図5)。
次に、保護膜24をエッチングせず、SiCをエッチングするエッチング剤を利用してSiC基板を等方性エッチングする。等方性エッチングする結果、SiC基板は側方にもエッチングされ、表面側にもエッチングされ、裏面側にもエッチングされる。これによって、トレンチ膨出部20aが形成される(図6)。
A protective film 22 having an opening 22a is formed on the surface of the substrate, and the SiC substrate is anisotropically etched from the opening 22a to form a trench vertical portion 20b that reaches the drift region 6 through the source region 16 and the body region 10. (FIG. 4).
A protective film 24 is formed on the inner surface (side surface and bottom surface) of the trench vertical portion 20b. Next, the protective film 24 is etched. At this time, an etching condition is employed in which the protective film 24 formed on the side surface remains and the protective film formed on the bottom surface is removed. The side wall of the trench vertical portion 20b is covered with the protective film 24, and a state where SiC is exposed on the bottom surface of the trench vertical portion 20b is obtained (FIG. 5).
Next, the SiC substrate is isotropically etched using an etchant that etches SiC without etching the protective film 24. As a result of the isotropic etching, the SiC substrate is also etched to the side, etched to the front side, and etched to the back side. As a result, a trench bulge 20a is formed (FIG. 6).

次にトレンチ20内に、絶縁物質を充填させる。絶縁物堆積層26が形成される(図7)。
次に絶縁物堆積層を26をエッチングし、トレンチ鉛直部20b内の絶縁物質を除去する(図8)。この段階で埋め込み絶縁膜8aが形成される。
次にトレンチ鉛直部20bの側壁に、側壁絶縁膜8bを形成する(図9)。
次にトレンチ鉛直部20b内に導電性物質を充填する.導体堆積層28が形成される。
次に導体堆積層28をエッチングし、トレンチ鉛直部20b外の導体を除去する(図11)。
次に層間絶縁膜8cを形成する(図12)。
その後にソース電極18とドレイン電極2を形成すると、図1の縦型MOSが製造できる。
Next, the trench 20 is filled with an insulating material. An insulator deposition layer 26 is formed (FIG. 7).
Next, the insulating deposit 26 is etched to remove the insulating material in the trench vertical portion 20b (FIG. 8). At this stage, the buried insulating film 8a is formed.
Next, a sidewall insulating film 8b is formed on the sidewall of the trench vertical portion 20b (FIG. 9).
Next, a conductive substance is filled in the trench vertical portion 20b. A conductor deposition layer 28 is formed.
Next, the conductor deposition layer 28 is etched to remove the conductor outside the trench vertical portion 20b (FIG. 11).
Next, an interlayer insulating film 8c is formed (FIG. 12).
Thereafter, when the source electrode 18 and the drain electrode 2 are formed, the vertical MOS shown in FIG. 1 can be manufactured.

実際には、図7の状態で熱処理し、図8に示す埋め込み絶縁膜8aとドリフト領域6の接触界面を密着させる。この熱処理の際に、トレンチ鉛直部20bの側壁を形成するSiC結晶にひずみが生じる。SiC結晶は、ひずむと電子の移動度が向上する。図1の半導体装置によると、埋め込み絶縁膜8aの存在によって、オン抵抗を低下させる現象が得られる。図13の(2)は、半導体装置の常用領域におけるソース・ドレイン間の電圧と電流の関係を示し、グラフAは埋め込み絶縁膜8aがない場合を示し、グラフBは埋め込み絶縁膜8aを設けた場合の特性を示している。図1の装置では、隣接するトレンチ鉛直部20b、20b間の距離L2に比して、隣接する埋め込み絶縁膜8a,8a間の距離L1が短い。電流経路が狭まられており、オン抵抗を上昇させる要因となっている。図1の装置では、埋め込み絶縁膜8aによって電流経路が狭められてオン抵抗が上昇する要素と、埋め込み絶縁膜8aによってチャネルに歪が生じてオン抵抗が低下する要素が相殺し、グラフAとBがほぼ一致している。埋め込み絶縁膜8aによって電流経路が狭めながらも、オン抵抗が増大するのを防止している。
またドリフト領域6のうちのトレンチゲート電極12の底面に対向する位置では電界集中が生じやすく、これが耐圧を決定する。図1の半導体装置では、トレンチゲート電極12の底面の下方に、一方の側面との交点から他方の側面との交点に至るまで、すなわち全底面において、厚い埋め込み絶縁膜8aが形成されており、ドリフト領域6での電界集中を緩和する。図1の半導体装置は、耐圧が高い。
さらに、図1の装置では、隣接するトレンチ鉛直部20b、20b間の距離L2に比して、隣接する埋め込み絶縁膜8a,8a間の距離L1が短い。半導体装置に流れる飽和電流は、もっぱらドリフト領域6における電流経路の幅で規定される。距離L1が距離L2以下に規制されているために、図1の半導体装置に流れる飽和電流は低く抑えられる。図13の(1)は、飽和電流の大きさを示している。グラフAは埋め込み絶縁膜8aがない場合の飽和電流を示し、グラフBは埋め込み絶縁膜8aを設けた場合の飽和電流を示している。埋め込み絶縁膜8aを付加することによって、飽和電流が低く抑えられる。飽和電流が低く抑えられると、飽和電流が流れるような異常現象が生じた場合に実施する処理に許容される時間を長く確保することができる。
Actually, heat treatment is performed in the state of FIG. 7, and the contact interface between the buried insulating film 8a and the drift region 6 shown in FIG. During this heat treatment, distortion occurs in the SiC crystal forming the side wall of the trench vertical portion 20b. When the SiC crystal is distorted, the electron mobility is improved. According to the semiconductor device of FIG. 1, a phenomenon that the on-resistance is lowered is obtained by the presence of the buried insulating film 8a. (2) in FIG. 13 shows the relationship between the voltage and current between the source and drain in the normal region of the semiconductor device, graph A shows the case where there is no buried insulating film 8a, and graph B shows that the buried insulating film 8a is provided. The case characteristics are shown. In the apparatus of FIG. 1, the distance L1 between the adjacent buried insulating films 8a and 8a is shorter than the distance L2 between the adjacent trench vertical portions 20b and 20b. The current path is narrowed, which increases the on-resistance. In the apparatus shown in FIG. 1, the elements that increase the on-resistance due to the narrowed current path by the buried insulating film 8a and the elements that cause the channel to be distorted by the buried insulating film 8a and lower the on-resistance cancel each other. Is almost the same. While the current path is narrowed by the buried insulating film 8a, the on-resistance is prevented from increasing.
In the drift region 6, electric field concentration is likely to occur at a position facing the bottom surface of the trench gate electrode 12, which determines the breakdown voltage. In the semiconductor device of FIG. 1, a thick buried insulating film 8a is formed below the bottom surface of the trench gate electrode 12 from the intersection with one side surface to the intersection with the other side surface, that is, on the entire bottom surface. Electric field concentration in the drift region 6 is alleviated. The semiconductor device in FIG. 1 has a high breakdown voltage.
Further, in the apparatus of FIG. 1, the distance L1 between the adjacent buried insulating films 8a and 8a is shorter than the distance L2 between the adjacent trench vertical portions 20b and 20b. The saturation current flowing through the semiconductor device is exclusively defined by the width of the current path in the drift region 6. Since the distance L1 is regulated to be equal to or less than the distance L2, the saturation current flowing through the semiconductor device in FIG. 1 can be kept low. (1) in FIG. 13 shows the magnitude of the saturation current. Graph A shows the saturation current when there is no buried insulating film 8a, and graph B shows the saturation current when the buried insulating film 8a is provided. By adding the buried insulating film 8a, the saturation current can be kept low. When the saturation current is kept low, it is possible to ensure a long time allowed for processing to be performed when an abnormal phenomenon in which the saturation current flows occurs.

(第2実施例)
図14は、第2実施例を示す。第1実施例との相違点のみを説明する。第2実施例の半導体装置では、埋め込み絶縁膜8aの下方にp型領域30が形成されている。p型領域30は、埋め込み絶縁膜8aとn型のドリフト領域6に取り囲まれており、フローティング状態にある。p型のフローティング領域30を付加すると、半導体装置の耐圧がさらに向上する。
(Second embodiment)
FIG. 14 shows a second embodiment. Only differences from the first embodiment will be described. In the semiconductor device of the second embodiment, a p-type region 30 is formed below the buried insulating film 8a. The p-type region 30 is surrounded by the buried insulating film 8a and the n-type drift region 6, and is in a floating state. When the p-type floating region 30 is added, the breakdown voltage of the semiconductor device is further improved.

図14の半導体装置を製造する場合は、図6の状態が得られたら、トレンチ鉛直部20bからトレンチ膨出部20bの底面に向けてp型不純物を注入する。このときに、斜め注入技術を利用する。鉛直部20bの断面よりも広い範囲に不純物が注入される。その後に熱処理することによって、鉛直部20bの断面よりも広い断面をもつp型のフローティング領域30を形成することができる。   When the semiconductor device of FIG. 14 is manufactured, when the state of FIG. 6 is obtained, p-type impurities are implanted from the trench vertical portion 20b toward the bottom surface of the trench bulge portion 20b. At this time, an oblique injection technique is used. Impurities are implanted in a range wider than the cross section of the vertical portion 20b. By subsequently performing heat treatment, the p-type floating region 30 having a cross section wider than that of the vertical portion 20b can be formed.

(変形例)
埋め込み絶縁膜8bが形成されていると、ボディ領域10とドリフト領域6に間にn型不純物を高濃度に含む層を導入し、オン抵抗をさらに下げることができる。埋め込み絶縁膜8bを利用しない場合、n型不純物を高濃度に含む層を導入すると耐圧が低下してしまうことから、n型不純物を高濃度に含む層を導入することができない。埋め込み絶縁膜8bを利用すると、その問題に対処することができる。
(Modification)
When the buried insulating film 8b is formed, a layer containing n-type impurities at a high concentration can be introduced between the body region 10 and the drift region 6 to further reduce the on-resistance. When the buried insulating film 8b is not used, since a breakdown voltage is lowered when a layer containing n-type impurities at a high concentration is introduced, a layer containing n-type impurities at a high concentration cannot be introduced. The use of the buried insulating film 8b can cope with the problem.

図5に示した工程、すなわち、トレンチ鉛直部20bの側面と底面に保護膜24を形成する際に、トレンチの側壁に露出するSiC結晶がグラフェンとなる条件の熱処理を採用することができる。トレンチの側壁に数層のグラフェンが形成されると、チャネルにおけるキャリアの移動度をさらに高速化することができ、オン抵抗をさらに下げることができる。   In the process shown in FIG. 5, that is, when the protective film 24 is formed on the side surface and the bottom surface of the trench vertical portion 20b, heat treatment under the condition that the SiC crystal exposed on the sidewall of the trench becomes graphene can be employed. When several layers of graphene are formed on the sidewall of the trench, the carrier mobility in the channel can be further increased, and the on-resistance can be further reduced.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、ドリフト領域6の上面であってボディ領域10に接する範囲のn型不純物濃度を濃くしてもよい。従来の技術による場合と、上記領域のn型不純物濃度を高くすると、オン抵抗が低下するとともに耐圧まで低下してしまうことから、上記領域のn型不純物濃度を高くすることでオン抵抗を下げることができなかった。本技術によると、埋め込み絶縁膜8aを利用して耐圧の低下を防止できることから、上記領域のn型不純物濃度を高くしても必要な耐圧を確保できる。耐圧を確保しながらオン抵抗を下げることができる。
また、チャネル領域にグラフェンを形成するのも有効である。グラフェンを形成するとキャリアの移動度が向上し、オン抵抗をさらに下げることができる。
チャネル領域(側壁絶縁膜8bに接する位置)にSiC,Siなどの単結晶をエピタキシャル成長させた膜を形成するのも有効である。これによってもオン抵抗を低下させることができる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
For example, the n-type impurity concentration in the range in contact with the body region 10 on the upper surface of the drift region 6 may be increased. When the n-type impurity concentration in the above region is increased, the on-resistance is lowered and the breakdown voltage is also lowered, and the on-resistance is lowered by increasing the n-type impurity concentration in the above region. I could not. According to the present technology, since the breakdown voltage can be prevented from being lowered by using the embedded insulating film 8a, a necessary breakdown voltage can be secured even if the n-type impurity concentration in the region is increased. The on-resistance can be lowered while ensuring the breakdown voltage.
It is also effective to form graphene in the channel region. When graphene is formed, carrier mobility is improved and on-resistance can be further reduced.
It is also effective to form a film obtained by epitaxially growing a single crystal such as SiC or Si in the channel region (position in contact with the sidewall insulating film 8b). This can also reduce the on-resistance.
The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.

2:ドレイン電極
4:ドレイン領域(SiC元基板)
6:ドリフト領域
8:ゲート絶縁膜
8a:埋め込み絶縁膜
8b:側壁絶縁膜
8c:層間絶縁膜
10:ボディ領域
12:ゲート電極
14:ボディコンタクト領域
16:ソース領域
18:ソース電極
20:トレンチ
20a:トレンチ膨出部
20b:トレンチ鉛直部
22:第1保護膜
22a:開口
24:第2保護膜
26:絶縁物質堆積層
28:導体堆積層
30:p型フローティング領域
32:SiC基板
2: Drain electrode 4: Drain region (SiC original substrate)
6: drift region 8: gate insulating film 8a: buried insulating film 8b: sidewall insulating film 8c: interlayer insulating film 10: body region 12: gate electrode 14: body contact region 16: source region 18: source electrode 20: trench 20a: Trench bulging portion 20b: trench vertical portion 22: first protective film 22a: opening 24: second protective film 26: insulating material deposition layer 28: conductor deposition layer 30: p-type floating region 32: SiC substrate

Claims (2)

SiC基板を利用する縦型半導体装置であり、
前記SiC基板の表面から深部に向かって表面側n型領域とp型領域と深部側n型領域が積層されており、
前記表面側n型領域と前記p型領域を貫通して前記深部側n型領域に達するトレンチが形成されており、
前記トレンチの底部近傍であって前記深部側n型領域内に位置する範囲には、側方に膨出するトレンチ膨出部が形成されており、
前記トレンチ膨出部には絶縁物質が充填されており、
前記トレンチ膨出部よりも表面側では、前記トレンチの側壁に沿って形成された側壁絶縁膜を介して前記トレンチ内に形成されているトレンチゲート電極が前記p側領域に対向している半導体装置。
A vertical semiconductor device using a SiC substrate,
A surface-side n-type region, a p-type region, and a deep-side n-type region are stacked from the surface of the SiC substrate toward the deep portion,
A trench is formed that penetrates the surface-side n-type region and the p-type region to reach the deep-side n-type region;
A trench bulge that bulges laterally is formed in a range near the bottom of the trench and within the deep n-type region.
The trench bulge is filled with an insulating material,
A semiconductor device in which a trench gate electrode formed in the trench is opposed to the p-side region through a side wall insulating film formed along a side wall of the trench on the surface side of the trench bulge portion .
前記表面側n型領域がソース領域であり、前記SiC基板の裏面に接する範囲にn型のドレイン領域が形成されている請求項1に記載の半導体装置。

The semiconductor device according to claim 1, wherein the surface-side n-type region is a source region, and an n-type drain region is formed in a range in contact with the back surface of the SiC substrate.

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