JP2021040041A - Superjunction semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
【課題】p型ベース領域を形成するためのイオン注入工程を削減できる超接合半導体装置および超接合半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】超接合半導体装置は、第1導電型の炭化珪素半導体基板1と、第1導電型の第1半導体層2と、第1半導体層2に設けられた第1トレンチ30と、第1半導体層2の表面に設けられた、底部が前記第1トレンチ30と連続する、第1トレンチ30より幅が広い第2トレンチ31と、を有する。第2導電型の第3半導体領域6が、第1トレンチ30の内側に設けられ、第2導電型の第2半導体領域3が、第2トレンチ31の内側に設けられる。【選択図】図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a superjunction semiconductor device and a method for manufacturing a superjunction semiconductor device capable of reducing an ion implantation step for forming a p-type base region. A superjunction semiconductor device includes a first conductive type silicon carbide semiconductor substrate 1, a first conductive type first semiconductor layer 2, a first trench 30 provided in the first semiconductor layer 2, and a first. 1 It has a second trench 31 which is provided on the surface of the semiconductor layer 2 and whose bottom is continuous with the first trench 30 and which is wider than the first trench 30. The second conductive type third semiconductor region 6 is provided inside the first trench 30, and the second conductive type second semiconductor region 3 is provided inside the second trench 31. [Selection diagram] Fig. 1
Description
この発明は、超接合半導体装置および超接合半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a superjunction semiconductor device and a method for manufacturing a superjunction semiconductor device.
通常のn型チャネル縦型MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)では、半導体基板内に形成される複数の半導体層のうち、n型伝導層(ドリフト層)が最も高抵抗の半導体層である。このn型ドリフト層の電気抵抗が縦型MOSFET全体のオン抵抗に大きく影響を与えている。縦型MOSFET全体のオン抵抗を低減するためには、n型ドリフト層の厚みを薄くし電流経路を短くすることで実現できる。 In a normal n-type channel vertical MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), the n-type conductive layer (drift layer) is the highest among a plurality of semiconductor layers formed in a semiconductor substrate. It is a semiconductor layer of resistance. The electrical resistance of this n-type drift layer has a great influence on the on-resistance of the entire vertical MOSFET. In order to reduce the on-resistance of the entire vertical MOSFET, it can be realized by reducing the thickness of the n-type drift layer and shortening the current path.
しかし、縦型MOSFETは、オフ状態において空乏層が高抵抗のn型ドリフト層まで広がることで、耐圧を保持する機能も有している。このため、オン抵抗低減のためにn型ドリフト層を薄くした場合、オフ状態における空乏層の広がりが短くなるため、低い印加電圧で破壊電界強度に達しやすくなり、耐圧が低下する。一方、縦型MOSFETの耐圧を高くするためには、n型ドリフト層の厚みを増加させる必要があり、オン抵抗が増加する。このようなオン抵抗と耐圧の関係をトレードオフ関係と呼び、トレードオフ関係にある両者をともに向上させることは一般的に難しい。このオン抵抗と耐圧とのトレードオフ関係は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)やバイポーラトランジスタ、ダイオード等の半導体装置においても同様に成立することが知られている。 However, the vertical MOSFET also has a function of maintaining a withstand voltage by expanding the depletion layer to the n-type drift layer having high resistance in the off state. Therefore, when the n-type drift layer is thinned to reduce the on-resistance, the depletion layer spreads short in the off state, so that the fracture electric field strength is easily reached at a low applied voltage, and the withstand voltage is lowered. On the other hand, in order to increase the withstand voltage of the vertical MOSFET, it is necessary to increase the thickness of the n-type drift layer, and the on-resistance increases. Such a relationship between on-resistance and withstand voltage is called a trade-off relationship, and it is generally difficult to improve both of them in a trade-off relationship. It is known that this trade-off relationship between the on-resistance and the withstand voltage is also established in semiconductor devices such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), bipolar transistors, and diodes.
上述のような問題を解決する半導体装置の構造として、超接合(SJ:Super Junction:スーパージャンクション)構造が知られている。例えば、超接合構造を有するMOSFET(以下、SJ−MOSFET)が知られている。図32は、従来のSJ−MOSFETの構造を示す断面図である。従来の超接合半導体装置160として、SJ−MOSFETの構造を例に示す。
As a structure of a semiconductor device that solves the above-mentioned problems, a super junction (SJ) structure is known. For example, a MOSFET having a superjunction structure (hereinafter referred to as SJ-MOSFET) is known. FIG. 32 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional SJ-MOSFET. The structure of the SJ-MOSFET is shown as an example of the conventional
図32に示すように、SJ−MOSFETは、高不純物濃度のn++型半導体基板101にn型ドリフト層102を成長させたウエハを材料とする。このウエハ表面からn型ドリフト層102を貫きn++型半導体基板101に到達しないp型ピラー領域103が設けられている。図32では、p型ピラー領域103はn++型半導体基板101に到達しないが、n++型半導体基板101に到達してもよい。
As shown in FIG. 32, the SJ-MOSFET is made of a wafer in which an n-
また、n型ドリフト層102中に、基板主面に垂直な方向に延び、かつ基板主面に平行な面において狭い幅を有するp型領域(p型ピラー領域103)とn型領域(p型ピラー領域103に挟まれたn型ドリフト層102の部分、以下n型ピラー領域104と称する)とを基板主面に平行な面において交互に繰り返し並べた並列構造(以降、並列pn領域119と称する)を有している。並列pn領域119を構成するp型ピラー領域103およびn型ピラー領域104は、n型ドリフト層102に対応して不純物濃度を高めた領域である。並列pn領域119では、p型ピラー領域103およびn型ピラー領域104に含まれる不純物濃度を略等しくすることで、オフ状態において擬似的にノンドープ層を作り出して高耐圧化を図ることができる。
Further, in the n-
SJ−MOSFETの並列pn領域119上には、p型ベース領域106が設けられる。p型ベース領域106の内部に、n+型ソース領域107が設けられている。p型ベース領域106の内部にp+型コンタクト領域を設けてもよい。また、p型ベース領域106およびn型ピラー領域104の表面にわたってゲート絶縁膜109が設けられている。ゲート絶縁膜109の表面上には、ゲート電極110が設けられており、ゲート電極110を覆うように層間絶縁膜111が設けられている。また、n+型ソース領域107上にソース電極112が設けられ、n++型半導体基板101の裏面に裏面電極(ドレイン電極)113が設けられている。
A p-
例えば、SJ−MOSFETにおいて、n-型層に凹部を形成しておき、トレンチを埋め込むようにp-型層を形成する際に、凹部内も埋め込むことで、p-型層のうち凹部内に形成された部分をSJ構造の上に形成されるp型層として用いる技術がある(例えば、特許文献1参照)。 For example, in SJ-MOSFET, n - -type layer previously formed recesses in, p so as to fill the trench - in forming a mold layer, by embedding also the recess, p - in a recess of the mold layer There is a technique of using the formed portion as a p-type layer formed on the SJ structure (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、従来の超接合半導体装置160では、p型ピラー領域103およびp型ベース領域106の形成は別々に行われていた。p型ピラー領域103は、n型ドリフト層102をエピタキシャル成長させた後、トレンチを形成し、トレンチ内をp型の不純物で埋めることにより形成していた。一方、p型ベース領域106は、n型ドリフト層102にp型の不純物をイオン注入することにより形成していた。
However, in the conventional
このように、p型ベース領域106のイオン注入が別プロセスとして必要であった。特に、炭化珪素(SiC)へのイオン注入は注入時に高温注入が必要であるため、昇温、降温のために時間がかかる。また、注入したイオンを活性化させる時も、シリコン(Si)に比べて高温アニールが必要であるため、昇温、降温に時間がかかる。このように、従来の超接合半導体装置160では、p型ピラー領域103およびp型ベース領域106の形成は別々に行うため、コスト高の原因となっていた。
Thus, ion implantation of the p-
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、p型ベース領域を形成するためのイオン注入工程を削減できる超接合半導体装置および超接合半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a superjunction semiconductor device and a method for manufacturing a superjunction semiconductor device capable of reducing the ion implantation step for forming a p-type base region in order to solve the above-mentioned problems caused by the prior art. To do.
上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる超接合半導体装置は、次の特徴を有する。第1導電型の半導体基板のおもて面に、前記半導体基板より低不純物濃度の第1導電型の第1半導体層が設けられる。前記第1半導体層に第1トレンチが設けられる。前記第1半導体層の表面に、底部が前記第1トレンチと連続する、前記第1トレンチより幅が広い第2トレンチが設けられる。前記第1トレンチの内側に第2導電型の第2半導体領域が設けられる。前記第2トレンチの内側に第2導電型の第3半導体領域が設けられる。前記第3半導体領域の内部に、前記第1半導体層よりも不純物濃度の高い第1導電型の第4半導体領域が設けられる。前記第4半導体領域と前記第1半導体層とに挟まれた前記第3半導体領域の表面上の少なくとも一部にゲート絶縁膜を介してゲート電極が設けられる。前記第4半導体領域と前記第3半導体領域の表面に第1電極が設けられる。前記半導体基板の裏面に第2電極が設けられる。 In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object of the present invention, the superjunction semiconductor device according to the present invention has the following features. A first conductive type first semiconductor layer having a lower impurity concentration than the semiconductor substrate is provided on the front surface of the first conductive type semiconductor substrate. A first trench is provided in the first semiconductor layer. On the surface of the first semiconductor layer, a second trench having a bottom portion continuous with the first trench and having a width wider than that of the first trench is provided. A second conductive type second semiconductor region is provided inside the first trench. A second conductive type third semiconductor region is provided inside the second trench. Inside the third semiconductor region, a first conductive type fourth semiconductor region having a higher impurity concentration than the first semiconductor layer is provided. A gate electrode is provided via a gate insulating film on at least a part of the surface of the third semiconductor region sandwiched between the fourth semiconductor region and the first semiconductor layer. The first electrode is provided on the surfaces of the fourth semiconductor region and the third semiconductor region. A second electrode is provided on the back surface of the semiconductor substrate.
また、この発明にかかる超接合半導体装置は、上述した発明において、前記第2半導体領域と前記第3半導体領域に設けられた第3トレンチと、前記第3半導体領域の表面に設けられた、底部が前記第3トレンチと連続する、前記第3トレンチより幅が広い第4トレンチと、前記第3トレンチの内側に設けられた、前記第2半導体領域よりも不純物濃度の高い第2導電型の第5半導体領域と、前記第4トレンチの内側に設けられた、前記第3半導体領域よりも不純物濃度の高い第2導電型の第6半導体領域と、をさらに備えることを特徴とする。 Further, in the above-described invention, the superjunction semiconductor device according to the present invention has a third trench provided in the second semiconductor region and the third semiconductor region, and a bottom portion provided on the surface of the third semiconductor region. A fourth trench wider than the third trench, which is continuous with the third trench, and a second conductive type second, which is provided inside the third trench and has a higher impurity concentration than the second semiconductor region. It is characterized by further comprising 5 semiconductor regions and a second conductive type sixth semiconductor region provided inside the fourth trench and having a higher impurity concentration than the third semiconductor region.
また、この発明にかかる超接合半導体装置は、上述した発明において、前記第2半導体領域および前記第3半導体領域は、矩形の形状を有し、前記第2半導体領域の長手方向と前記第3半導体領域の長手方向は直交することを特徴とする。 Further, in the superjunction semiconductor device according to the present invention, in the above-described invention, the second semiconductor region and the third semiconductor region have a rectangular shape, and the longitudinal direction of the second semiconductor region and the third semiconductor The longitudinal directions of the regions are orthogonal.
また、この発明にかかる超接合半導体装置は、上述した発明において、前記第2半導体領域、前記第3半導体領域、前記第5半導体領域および前記第6半導体領域は、矩形の形状を有し、前記第2半導体領域の長手方向と前記第3半導体領域の長手方向は直交し、前記第5半導体領域の長手方向と前記第6半導体領域の長手方向は直交することを特徴とする。 Further, in the above-described invention, the superjunction semiconductor device according to the present invention has a rectangular shape in the second semiconductor region, the third semiconductor region, the fifth semiconductor region, and the sixth semiconductor region. The longitudinal direction of the second semiconductor region and the longitudinal direction of the third semiconductor region are orthogonal to each other, and the longitudinal direction of the fifth semiconductor region and the longitudinal direction of the sixth semiconductor region are orthogonal to each other.
上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる超接合半導体装置の製造方法は、次の特徴を有する。まず、第1導電型の半導体基板のおもて面に、前記半導体基板より低不純物濃度の第1導電型の第1半導体層を形成する第1工程を行う。次に、前記第1半導体層に第1トレンチと、前記第1半導体層の表面に底部が前記第1トレンチと連続する、前記第1トレンチより幅が広い第2トレンチを形成する第2工程を行う。次に、前記第1トレンチの内側と前記第2トレンチの内側にエピタキシャル成長により、第2導電型の第2半導体領域と第2導電型の第3半導体領域を形成する第3工程を行う。次に、前記第3半導体領域の内部に、前記第1半導体層よりも不純物濃度の高い第1導電型の第4半導体領域を形成する第4工程を行う。次に、前記第4半導体領域と前記第1半導体層とに挟まれた前記第3半導体領域の表面上の少なくとも一部にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する第5工程を行う。次に、前記第4半導体領域と前記第3半導体領域の表面に第1電極を形成する第6工程を行う。次に、前記半導体基板の裏面に第2電極を形成する第7工程を行う。 In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object of the present invention, the method for manufacturing a superjunction semiconductor device according to the present invention has the following features. First, a first step of forming a first conductive type first semiconductor layer having a lower impurity concentration than the semiconductor substrate is performed on the front surface of the first conductive type semiconductor substrate. Next, a second step of forming a first trench in the first semiconductor layer and a second trench wider than the first trench having a bottom continuous with the first trench on the surface of the first semiconductor layer is performed. Do. Next, a third step of forming a second conductive type second semiconductor region and a second conductive type third semiconductor region by epitaxial growth inside the first trench and inside the second trench is performed. Next, a fourth step of forming a first conductive type fourth semiconductor region having a higher impurity concentration than the first semiconductor layer is performed inside the third semiconductor region. Next, a fifth step of forming a gate electrode via a gate insulating film on at least a part of the surface of the third semiconductor region sandwiched between the fourth semiconductor region and the first semiconductor layer is performed. Next, a sixth step of forming the first electrode on the surfaces of the fourth semiconductor region and the third semiconductor region is performed. Next, a seventh step of forming the second electrode on the back surface of the semiconductor substrate is performed.
また、この発明にかかる超接合半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第3工程より後、前記第4工程より前に、前記第2半導体領域と前記第3半導体領域に第3トレンチと、前記第3半導体領域の表面に、底部が前記第1トレンチと連続する、前記第3トレンチより幅が広い第4トレンチを形成する工程と、前記第3トレンチの内側と前記第4トレンチの内側にエピタキシャル成長により、前記第2半導体領域よりも不純物濃度の高い第2導電型の第5半導体領域と、前記第3半導体領域よりも不純物濃度の高い第2導電型の第6半導体領域を形成する工程と、を含むことを特徴とする。 Further, in the above-described invention, the method for manufacturing a superjunction semiconductor device according to the present invention is a third trench in the second semiconductor region and the third semiconductor region after the third step and before the fourth step. A step of forming a fourth trench wider than the third trench on the surface of the third semiconductor region, the bottom of which is continuous with the first trench, and the inside of the third trench and the fourth trench. By epitaxial growth inside, a second conductive type fifth semiconductor region having a higher impurity concentration than the second semiconductor region and a second conductive type sixth semiconductor region having a higher impurity concentration than the third semiconductor region are formed. It is characterized by including a process.
上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる超接合半導体装置は、次の特徴を有する。第1導電型の半導体基板のおもて面に、前記半導体基板より低不純物濃度の第1導電型の第1半導体層が設けられる。前記第1半導体層に第1トレンチが設けられる。前記第1半導体層のおもて面に、底面が前記第1トレンチの開口部に連続し、前記第1トレンチより幅が広い第2トレンチが設けられる。前記第1トレンチの内側に第2導電型の第2半導体領域が設けられる。前記第2トレンチの内側に第2導電型の第3半導体領域が設けられる。前記第3半導体領域の内部に、前記第3半導体領域よりも不純物濃度の高い第2導電型の第4半導体領域が設けられる。前記第3半導体領域の表面に前記第4半導体領域と接するように、前記第1半導体層よりも不純物濃度の高い第1導電型の第5半導体領域が設けられる。前記第5半導体領域と前記第1半導体層とに挟まれた前記第3半導体領域の表面上の少なくとも一部にゲート絶縁膜を介してゲート電極が設けられる。前記第5半導体領域と前記第3半導体領域の表面に第1電極が設けられる。前記半導体基板の裏面に第2電極が設けられる。 In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object of the present invention, the superjunction semiconductor device according to the present invention has the following features. A first conductive type first semiconductor layer having a lower impurity concentration than the semiconductor substrate is provided on the front surface of the first conductive type semiconductor substrate. A first trench is provided in the first semiconductor layer. A second trench having a bottom surface continuous with the opening of the first trench and having a width wider than that of the first trench is provided on the front surface of the first semiconductor layer. A second conductive type second semiconductor region is provided inside the first trench. A second conductive type third semiconductor region is provided inside the second trench. Inside the third semiconductor region, a second conductive type fourth semiconductor region having a higher impurity concentration than the third semiconductor region is provided. A first conductive type fifth semiconductor region having a higher impurity concentration than the first semiconductor layer is provided on the surface of the third semiconductor region so as to be in contact with the fourth semiconductor region. A gate electrode is provided via a gate insulating film on at least a part of the surface of the third semiconductor region sandwiched between the fifth semiconductor region and the first semiconductor layer. The first electrode is provided on the surfaces of the fifth semiconductor region and the third semiconductor region. A second electrode is provided on the back surface of the semiconductor substrate.
また、この発明にかかる超接合半導体装置は、上述した発明において、前記第4半導体領域と前記第3半導体領域との界面は、第2半導体領域と前記第3半導体領域との界面より浅い位置にあることを特徴とする。 Further, in the superjunction semiconductor device according to the present invention, in the above-described invention, the interface between the fourth semiconductor region and the third semiconductor region is located at a position shallower than the interface between the second semiconductor region and the third semiconductor region. It is characterized by being.
また、この発明にかかる超接合半導体装置は、上述した発明において、前記第2半導体領域および前記第3半導体領域は、ストライプ形状を有し、前記第2半導体領域の長手方向と前記第3半導体領域の長手方向は平行し、前記第3半導体領域は前記第2トレンチの内側に設けられていることを特徴とする。 Further, in the superjunction semiconductor device according to the present invention, in the above-described invention, the second semiconductor region and the third semiconductor region have a striped shape, and the longitudinal direction of the second semiconductor region and the third semiconductor region The third semiconductor region is provided inside the second trench.
また、この発明にかかる超接合半導体装置は、上述した発明において、前記第2半導体領域および前記第3半導体領域は、ストライプ形状を有し、前記第2半導体領域の長手方向と前記第3半導体領域の長手方向は直交することを特徴とする。 Further, in the superjunction semiconductor device according to the present invention, in the above-described invention, the second semiconductor region and the third semiconductor region have a striped shape, and the longitudinal direction of the second semiconductor region and the third semiconductor region Is characterized in that the longitudinal directions of the above are orthogonal to each other.
上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる超接合半導体装置の製造方法は、次の特徴を有する。まず、第1導電型の半導体基板のおもて面に、前記半導体基板より低不純物濃度の第1導電型の第1半導体層を形成する第1工程を行う。次に、前記第1半導体層に第1トレンチと、前記第1半導体層の表面に底面が前記第1トレンチと接し、前記第1トレンチより幅が広い第2トレンチを形成する第2工程を行う。次に、前記第1トレンチの内側と前記第2トレンチの内側にエピタキシャル成長により、第2導電型の第2半導体領域と第2導電型の第3半導体領域を形成する第3工程を行う。次に、前記第3半導体領域の内部に、前記第3半導体領域よりも不純物濃度の高い第2導電型の第4半導体領域を形成する第4工程を行う。次に、前記第3半導体領域の表面に前記第4半導体領域と接するように、前記第1半導体層よりも不純物濃度の高い第1導電型の第5半導体領域を形成する第5工程を行う。次に、前記第5半導体領域と前記第1半導体層とに挟まれた前記第3半導体領域の表面上の少なくとも一部にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する第6工程を行う。次に、前記第5半導体領域と前記第3半導体領域の表面に第1電極を形成する第7工程を行う。次に、前記半導体基板の裏面に第2電極を形成する第8工程を行う。 In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object of the present invention, the method for manufacturing a superjunction semiconductor device according to the present invention has the following features. First, a first step of forming a first conductive type first semiconductor layer having a lower impurity concentration than the semiconductor substrate is performed on the front surface of the first conductive type semiconductor substrate. Next, a second step is performed in which the first trench is in contact with the first semiconductor layer and the bottom surface is in contact with the first trench on the surface of the first semiconductor layer to form a second trench wider than the first trench. .. Next, a third step of forming a second conductive type second semiconductor region and a second conductive type third semiconductor region by epitaxial growth inside the first trench and inside the second trench is performed. Next, a fourth step of forming a second conductive type fourth semiconductor region having a higher impurity concentration than the third semiconductor region is performed inside the third semiconductor region. Next, a fifth step of forming a first conductive type fifth semiconductor region having a higher impurity concentration than the first semiconductor layer is performed so that the surface of the third semiconductor region is in contact with the fourth semiconductor region. Next, a sixth step is performed in which a gate electrode is formed on at least a part of the surface of the third semiconductor region sandwiched between the fifth semiconductor region and the first semiconductor layer via a gate insulating film. Next, a seventh step of forming the first electrode on the surfaces of the fifth semiconductor region and the third semiconductor region is performed. Next, the eighth step of forming the second electrode on the back surface of the semiconductor substrate is performed.
上述した発明によれば、第1トレンチと第2トレンチを形成し、第1トレンチと第2トレンチ内にp型の不純物を埋め込むことで、p型ピラー領域(第2導電型の第2半導体領域)およびp型ベース領域(第2導電型の第3半導体領域)を同時に形成している。これにより、p型ベース領域をイオン注入により形成する工程を省略することができる。このため、超接合半導体装置を作成するためのコストを低減することができる。 According to the above-described invention, the p-type pillar region (second conductive type second semiconductor region) is formed by forming the first trench and the second trench and embedding p-type impurities in the first trench and the second trench. ) And the p-type base region (second conductive type third semiconductor region) are formed at the same time. This makes it possible to omit the step of forming the p-type base region by ion implantation. Therefore, the cost for manufacturing the superjunction semiconductor device can be reduced.
本発明にかかる超接合半導体装置および超接合半導体装置の製造方法によれば、p型ベース領域を形成するためのイオン注入工程を削減できるという効果を奏する。 According to the superjunction semiconductor device and the method for manufacturing a superjunction semiconductor device according to the present invention, there is an effect that the ion implantation step for forming the p-type base region can be reduced.
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる超接合半導体装置および超接合半導体装置の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、nまたはpを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、nやpに付す+および−は、それぞれそれが付されていない層や領域よりも高不純物濃度および低不純物濃度であることを意味する。+および−を含めたnやpの表記が同じ場合は近い濃度であることを示し濃度が同等とは限らない。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of the superjunction semiconductor device and the method for manufacturing the superjunction semiconductor device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the present specification and the accompanying drawings, it means that electrons or holes are a large number of carriers in the layers and regions marked with n or p, respectively. Further, + and-attached to n and p mean that the impurity concentration is higher and the impurity concentration is lower than that of the layer or region to which it is not attached, respectively. When the notation of n and p including + and-is the same, it means that the concentrations are close to each other, and the concentrations are not necessarily the same. In the following description of the embodiment and the accompanying drawings, the same reference numerals are given to the same configurations, and duplicate description will be omitted.
(実施の形態1)
本発明にかかる超接合半導体装置60は、ワイドバンドギャップ半導体を用いて構成される。実施の形態1においては、ワイドバンドギャップ半導体として例えば炭化珪素(SiC)を用いて作製(製造)された炭化珪素半導体装置について、超接合MOSFETを例に説明する。図1は、実施の形態1にかかる超接合半導体装置の構造を示す断面図である。また、図2は、実施の形態1にかかる超接合半導体装置の構造を示す平面図である。図1には、2つの単位セル(素子の機能単位)のみを示し、これらに隣接する他の単位セルを図示省略する。図1に示す超接合半導体装置は、炭化珪素からなる半導体基体(炭化珪素基体:半導体チップ)のおもて面(p型ベース領域6側の面)側にMOS(Metal Oxide Semiconductor)ゲートを備えた超接合MOSFETである。以下の図中において、n1,n2,n3,n4,n5等は、層や領域がn型であることを意味し、不純物濃度はn1≦n2≦n3≦n4≦n5となっている。p1,p2,p3,p4,p5等も、同様に層や領域がp型であることを意味し、不純物濃度はp1≦p2≦p3≦p4≦p5となっている。
(Embodiment 1)
The
炭化珪素基体は、n++型半導体基板(第1導電型の半導体基板)1の第1主面(おもて面)上に低濃度n型ドリフト層21、中濃度n型ドリフト層22、高濃度n型ドリフト層23となる各炭化珪素層を順にエピタキシャル成長させてなる。MOSゲートは、p型ベース領域(第2導電型の第3半導体領域)6と、n+型ソース領域(第1導電型の第4半導体領域)7、p+型コンタクト領域8、ゲート絶縁膜9およびゲート電極10で構成される。ここで、低濃度n型ドリフト層21と、中濃度n型ドリフト層22、高濃度n型ドリフト層23とを合わせてn型ドリフト層(第1導電型の第1半導体層)2が構成される。低濃度n型ドリフト層21は、中濃度n型ドリフト層22より低不純物濃度で設けられ、中濃度n型ドリフト層22は、高濃度n型ドリフト層23より低不純物濃度で設けられる。
The silicon carbide substrate includes a low-concentration n-
n型ドリフト層2には、並列pn領域19が設けられている。並列pn領域19は、p型ピラー領域(第2導電型の第2半導体領域)3と、p型ピラー領域3に挟まれたn型領域(n型ピラー領域4)とが交互に繰り返し接合されてできている。p型ピラー領域3は、p型ベース領域6の底面(n++型半導体基板1側の面)から、高濃度n型ドリフト層23、中濃度n型ドリフト層22を貫通して、低濃度n型ドリフト層21の表面に達し、n++型半導体基板1に達しないように設けられている。また、p型ピラー領域3は、低濃度n型ドリフト層21の表面に達しているが、低濃度n型ドリフト層21の内部深くまで達していない。このため、p型領域とn型領域のチャージバランスを考慮する際に、低濃度n型ドリフト層21の不純物濃度を考慮しなくてもよい。p型ピラー領域3およびn型ピラー領域4の平面形状は、例えば、矩形状、六方格子状または正方状である。
The n-
ここで、低濃度n型ドリフト層21は、素子の耐圧を分担する層であり、低濃度n型ドリフト層21の不純物濃度を低くして、低濃度n型ドリフト層21の膜厚を厚くすることにより、素子の高耐圧を実現できる。また、高濃度n型ドリフト層23、中濃度n型ドリフト層22は素子のチャージバランスを分担する層である。素子の高耐圧を分担する低濃度n型ドリフト層21があるため、素子を高耐圧化した場合でも、高濃度n型ドリフト層23、中濃度n型ドリフト層22の膜厚を薄くすることができる。このため、高濃度n型ドリフト層23、中濃度n型ドリフト層22内に設けられたp型ピラー領域3の深さ(並列pn領域19の深さ)を浅くできる。このように、素子を高耐圧化した場合でも、p型ピラー領域3の深さは浅いため、p型ピラー領域3を均一の不純物濃度でエピタキシャル成長させることができる。このため、耐圧を高くした場合でもp型領域とn型領域のチャージバランスを保ち、低オン抵抗と高耐圧特性の超接合半導体装置60を実現することができる。
Here, the low-concentration n-
n型ドリフト層2のソース側(ソース電極12側)の表面層には、p型ベース領域6が設けられ、p型ピラー領域3とp型ベース領域6は同時に形成されているため、一体化されている。具体的には、n型ドリフト層2内に深さdbの第2トレンチ31と、第2トレンチ31より深さが浅い深さdaの第1トレンチ30が設けられている。第2トレンチ31は、n型ドリフト層2内に設けられ、第1トレンチ30は、n型ドリフト層2の表面層に設けられる。第2トレンチ31は、第1トレンチ30の底部と連続し、第1トレンチ30の幅Waは、第2トレンチ31の幅Wp1より広くなっている。
A p-
第2トレンチ31をp型の不純物で埋めることによりp型ピラー領域3が形成され、第1トレンチ30をp型の不純物で埋めることによりp型ベース領域6が形成される。このように、第1トレンチ30と第2トレンチ31とからなる2段トレンチを形成することで、p型ピラー領域3およびp型ベース領域6に相当する構造を作っておき、そこにp型の不純物を埋め込み、その層をp型ピラー領域3およびp型ベース領域6として利用している。
The p-
また、低濃度n型ドリフト層21、中濃度n型ドリフト層22、高濃度n型ドリフト層23、後述するn+型ソース領域7の順で不純物濃度が高くなり、チャージバランスとして、p型ピラー領域3の不純物濃度p1とp型ピラー領域3の幅Wp1との積がn型ピラー領域4の不純物濃度n1とn型ピラー領域4の幅Wn1との積とほぼ等しい、つまり、
n1×Wn1≒p1×Wp1
が成り立つ。この際、p型ピラー領域3の不純物濃度p1をわずかに大きくして、p型の不純物をわずかに多くすることが好ましい。
Further, the impurity concentration increases in the order of the low-concentration n-
n1 × Wn1 ≒ p1 × Wp1
Is established. At this time, it is preferable to slightly increase the impurity concentration p1 in the p-
p型ベース領域6の内部には、互いに接するようにn+型ソース領域7およびp+型コンタクト領域8がそれぞれ選択的に設けられている。p+型コンタクト領域8の深さは、例えばn+型ソース領域7と同じ深さでもよいし、より深くてもよい。p+型コンタクト領域8は、図1に示すように、第2トレンチ31の幅方向(x方向)にp+型コンタクト領域8とn+型ソース領域7とが並んで設けられていてもよい。
Inside the p-
p型ベース領域6の、n+型ソース領域7とn型ピラー領域4とに挟まれた部分の表面には、ゲート絶縁膜9を介してゲート電極10が設けられている。ゲート電極10は、ゲート絶縁膜9を介して、n型ピラー領域4の表面に設けられていてもよい。
A
層間絶縁膜11は、半導体基体のおもて面側に、ゲート電極10を覆うように設けられている。ソース電極12は、層間絶縁膜11に開口されたコンタクトホールを介して、n+型ソース領域7およびp型ベース領域6に接し、n+型ソース領域7およびp型ベース領域6と電気的に接続される。
The
ソース電極(第1電極)12は、層間絶縁膜11によって、ゲート電極10と電気的に絶縁されている。ソース電極12上には、選択的に例えばポリイミドからなるパッシベーション膜などの保護膜(不図示)が設けられている。
The source electrode (first electrode) 12 is electrically insulated from the
n++型半導体基板1の第2主面(裏面、すなわち半導体基体の裏面)には、裏面電極(第2電極)13が設けられている。裏面電極13は、ドレイン電極を構成する。裏面電極13の表面には、ドレイン電極パッド(不図示)が設けられている。
A back electrode (second electrode) 13 is provided on the second main surface (back surface, that is, the back surface of the semiconductor substrate) of the n ++ type semiconductor substrate 1. The
なお、図2の平面図では、内部の構造を見やすくするため、層間絶縁膜11、ソース電極12を省略して描いてある。これ以降の他の平面図でも同様に層間絶縁膜11、ソース電極12を省略して描いてある。
In the plan view of FIG. 2, the
(実施の形態1にかかる超接合半導体装置の製造方法)
次に、実施の形態1にかかる超接合半導体装置60の製造方法について説明する。図3〜図5は、実施の形態1にかかる超接合半導体装置60の製造途中の状態を示す断面図である。まず、炭化珪素からなるn++型半導体基板1を用意する。次に、n++型半導体基板1のおもて面に、n++型半導体基板1より不純物濃度の低い低濃度n型ドリフト層21をエピタキシャル成長させる。このとき、例えば、低濃度n型ドリフト層21の不純物濃度が2.5×1015/cm3、膜厚40μmとなるようにn型不純物をドーピングさせてエピタキシャル成長させてもよい。
(Manufacturing method of superjunction semiconductor device according to the first embodiment)
Next, a method of manufacturing the
次に、低濃度n型ドリフト層21の表面に、低濃度n型ドリフト層21より不純物濃度の高い中濃度n型ドリフト層22を、エピタキシャル成長させる。このとき、例えば、中濃度n型ドリフト層22の不純物濃度が1.5×1016/cm3、膜厚20μmとなるようにn型不純物をドーピングさせてエピタキシャル成長させてもよい。
Next, a medium-concentration n-
次に、中濃度n型ドリフト層22の表面に、中濃度n型ドリフト層22より不純物濃度の高い高濃度n型ドリフト層23を、エピタキシャル成長させる。このとき、例えば、高濃度n型ドリフト層23の不純物濃度が1.7×1016/cm3、膜厚2.5μmとなるようにn型不純物をドーピングさせてエピタキシャル成長させてもよい。低濃度n型ドリフト層21と中濃度n型ドリフト層22と高濃度n型ドリフト層23とを合わせてn型ドリフト層2となる。
Next, a high-concentration n-
次に、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、中濃度n型ドリフト層22、高濃度n型ドリフト層23を貫通して、低濃度n型ドリフト層21に達し、n++型半導体基板1に達しない第1トレンチ30と第2トレンチ31を形成する。第1トレンチ30は、底部が第2トレンチ31と連続し、第2トレンチ31より幅が広くなるように形成する。このとき、例えば、第2トレンチ30の深さdbを20.1μm、幅Wp1を7.1μmに形成し、第1トレンチ30の深さdaを2μm、幅Waを8μmに形成してもよい。また、例えば、第2トレンチ31間の距離Wn1を2.5μm、第1トレンチ30間の距離Ljを1.6μmとしてもよい。
Next, by photolithography and etching, it penetrates the medium-concentration n-
ここで、深いトレンチ(第2トレンチ31)をエピタキシャル成長で埋戻しの際に細い部分がネックで先に塞がり空洞ができてしまうことを防ぐため、幅Wp1の第2トレンチの上部および底のコーナーの丸め半径rWp1,cWp1は、0.05μm以上が望ましい。他の上部および底のコーナーの丸め半径はそれほど重要ではない。ここまでの状態が図3に記載される。 Here, in order to prevent the narrow portion from being blocked by the neck first and forming a cavity when the deep trench (second trench 31) is backfilled by epitaxial growth, the upper and lower corners of the second trench having a width of Wp1 are formed. The rounding radii rWp1 and cWp1 are preferably 0.05 μm or more. The rounding radii of the other top and bottom corners are less important. The state up to this point is shown in FIG.
次に、第1トレンチ30と第2トレンチ31内にp型の不純物を埋め込むことで、p型ピラー領域3およびp型ベース領域6をエピタキシャル成長させ、成長後、高濃度n型ドリフト層23の表面と同じ高さになるまで、p型ベース領域6の表面を研磨する。p型ピラー領域3の不純物濃度は、p型領域とn型領域のチャージバランスを保つように決定される。例えば、p型ピラー領域3の不純物濃度を6.7×1015/cm3にする。p型ベース領域6は、p型ピラー領域3と同様の不純物濃度でよい。ここまでの状態が図4に示されている。
Next, by embedding p-type impurities in the
このように、実施の形態1では、第1トレンチ30と第2トレンチ31内にp型の不純物を埋め込むことで、p型ピラー領域3およびp型ベース領域6を同時に形成している。このため、p型ベース領域6をイオン注入により形成する工程を省略することができる。
As described above, in the first embodiment, the p-
次に、p型ベース領域6の表面上に、フォトリソグラフィ技術によって所望の開口部を有するマスクを、例えばレジストで形成する。そして、このレジストマスクをマスクとしてイオン注入法によってn型の不純物をイオン注入する。それによって、p型ベース領域6の表面領域の一部に、n+型ソース領域7が形成される。また、例えば、チャネル長となる高濃度n型ドリフト層23とn+型ソース領域7との距離Lchは、1.5μmとする。n+型ソース領域7の幅Ln3は、例えば、2μmとする。次に、n+型ソース領域7を形成するためのイオン注入時に用いたマスクを除去する。
Next, a mask having a desired opening is formed on the surface of the p-
次に、n+型ソース領域7の表面上に、フォトリソグラフィ技術によって所望の開口部を有する図示しないイオン注入用マスクを例えば酸化膜で形成する。このイオン注入用マスクをマスクとして、p型不純物のイオン注入を行い、n+型ソース領域7の表面層に、p型ベース領域6より不純物濃度の高いp+型コンタクト領域8を形成する。p+型コンタクト領域8の幅Lp3は、例えば、1μmとする。次に、イオン注入用マスクを除去する。
Next, an ion implantation mask (not shown) having a desired opening is formed on the surface of the n + type source region 7 by a photolithography technique, for example, with an oxide film. Using this ion implantation mask as a mask, ion implantation of p-type impurities is performed to form a p + -
次に、n+型ソース領域7およびp+型コンタクト領域8を活性化させるための熱処理(アニール)を行う。また、n+型ソース領域7およびp+型コンタクト領域8を形成する順序は種々変更可能である。
Next, a heat treatment (annealing) is performed to activate the n +
次に、半導体基体のおもて面側を熱酸化し、ゲート絶縁膜9を形成する。これにより、n型ドリフト層2の表面に形成された各領域がゲート絶縁膜9で覆われる。
Next, the front surface side of the semiconductor substrate is thermally oxidized to form the
次に、ゲート絶縁膜9上に、ゲート電極10として、例えばリンがドープされた多結晶シリコン層を形成する。次に、多結晶シリコン層をパターニングして選択的に除去し、p型ベース領域6のn+型ソース領域7とn型ピラー領域4に挟まれた部分上に多結晶シリコン層を残す。このとき、n型ピラー領域4上に多結晶シリコン層を残してもよい。
Next, for example, a phosphorus-doped polycrystalline silicon layer is formed on the
次に、ゲート電極10を覆うように、層間絶縁膜11として、例えば、リンガラス(PSG:Phospho Silicate Glass)を成膜する。次に、層間絶縁膜11およびゲート絶縁膜9をパターニングして選択的に除去する。例えば、n+型ソース領域7上の層間絶縁膜11およびゲート絶縁膜9を除去することによって、コンタクトホールを形成し、n+型ソース領域7を露出させる。次に、層間絶縁膜11の平担化を行うために熱処理(リフロー)を行う。ここまでの状態が図5に示されている。
Next, for example, phosphorus glass (PSG: Phospho Silicate Glass) is formed as the
次に、スパッタによりソース電極12を成膜し、フォトリソグラフィおよびエッチングによりソース電極12をパターニングする。このとき、コンタクトホール内にソース電極12を埋め込み、n+型ソース領域7とソース電極12とを電気的に接続させる。なお、コンタクトホール内にはバリアメタルを介してタングステンプラグなどを埋め込んでもよい。
Next, the
次に、n++型半導体基板1の表面(半導体基体の裏面)に、裏面電極13として、例えばニッケル膜を成膜する。そして、熱処理し、n++型半導体基板1と裏面電極13とのオーミック接合を形成する。
Next, for example, a nickel film is formed on the front surface of the n ++ type semiconductor substrate 1 (the back surface of the semiconductor substrate) as the
上述したエピタキシャル成長およびイオン注入においては、n型不純物(n型ドーパント)として、例えば、炭化珪素に対してn型となる窒素(N)やリン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)などを用いればよい。p型不純物(p型ドーパント)として、例えば、炭化珪素に対してp型となるホウ素(B)やアルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、タリウム(Tl)などを用いればよい。これにより、図1に示した超接合半導体装置60が完成する。
In the above-mentioned epitaxial growth and ion implantation, examples of n-type impurities (n-type dopants) include nitrogen (N), phosphorus (P), arsenic (As), and antimony (Sb), which are n-type with respect to silicon carbide. Should be used. As the p-type impurity (p-type dopant), for example, boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In), tallium (Tl), etc., which are p-type with respect to silicon carbide, may be used. .. As a result, the
次に、実施の形態1にかかる超接合半導体装置60の他の構造を説明する。図6は、実施の形態1にかかる超接合半導体装置の他の構造を示す図8のA−B断面図である。図7は、実施の形態1にかかる超接合半導体装置の他の構造を示す図8のC−D断面図である。図8は、実施の形態1にかかる超接合半導体装置の他の構造を示す平面図である。
Next, another structure of the
図6〜図8に示すように、他の構造は、p+型コンタクト領域8が、第1トレンチ30の奥行き方向(x方向およびy方向と直交するz方向)にn+型ソース領域7と並んで設けられている構造である。また、例えば、n+型ソース領域7の幅Ln3、p+型コンタクト領域8の幅Lp3は、それぞれ5μmである。
As shown in FIGS. 6 to 8, in another structure, the p + type contact region 8 has an n +
図1の構造では、n+型ソース領域7の幅Ln3、p+型コンタクト領域8の幅Lp3を短くするには限界があるが、図6、図7の構造では、n+型ソース領域7の幅Ln3、p+型コンタクト領域8の幅Lp3を短くする余裕があるため、図1の構造に比べ自由に設計できる。
In the structure of FIG. 1, there is a limit in shortening the width Ln3 of the n + type
以上、説明したように、実施の形態1によれば、第1トレンチと第2トレンチを形成し、第1トレンチと第2トレンチ内にp型の不純物を埋め込むことで、p型ピラー領域およびp型ベース領域を同時に形成している。これにより、p型ベース領域をイオン注入により形成する工程を省略することができる。このため、超接合半導体装置を作成するためのコストを低減することができる。また、高濃度n型ドリフト層、中濃度n型ドリフト層によりオン電流を増大させることができ、n型ドリフト層の濃度調整により、チャネル長、トレンチ幅、メサ幅を自由に設計できる。 As described above, according to the first embodiment, the p-type pillar region and p are formed by forming the first trench and the second trench and embedding p-type impurities in the first trench and the second trench. The mold base region is formed at the same time. This makes it possible to omit the step of forming the p-type base region by ion implantation. Therefore, the cost for manufacturing the superjunction semiconductor device can be reduced. Further, the on-current can be increased by the high-concentration n-type drift layer and the medium-concentration n-type drift layer, and the channel length, trench width, and mesa width can be freely designed by adjusting the concentration of the n-type drift layer.
(実施の形態2)
次に、実施の形態2にかかる超接合半導体装置61について説明する。図9は、実施の形態2にかかる超接合半導体装置の構造を示す断面図である。図9に示すように、実施の形態2にかかる超接合半導体装置61は、実施の形態1にかかる超接合半導体装置60に対し、高濃度p型ピラー領域5を設けた構造である。
(Embodiment 2)
Next, the
実施の形態2では、第1トレンチ30と第2トレンチ31の内部に第3トレンチ40と第4トレンチ41が設けられ、第3トレンチ40と第4トレンチ41にp型の不純物を埋め込むことで、上部高濃度p型ピラー領域(第2導電型の第6半導体領域)52および下部高濃度p型ピラー領域(第2導電型の第5半導体領域)51が設けられる。下部高濃度p型ピラー領域51と上部高濃度p型ピラー領域52とを合わせて高濃度p型ピラー領域5となる。下部高濃度p型ピラー領域51は、p型ピラー領域3より不純物濃度が高く、上部高濃度p型ピラー領域52は、p型ベース領域6より不純物濃度が高い。また、下部高濃度p型ピラー領域51と上部高濃度p型ピラー領域52は、同時に形成されるため、同程度の不純物濃度である。例えば、p型ピラー領域3の不純物濃度p1は、5×1015/cm3であり、高濃度p型ピラー領域5の不純物濃度p2は8.9×1015/cm3である。
In the second embodiment, the
また、第3トレンチ40は、第1トレンチ30の中央部に幅Lp2で設けられ、高濃度n型ドリフト層23から距離tp1離れている。幅Lp2は例えば、4.0μmであり、距離tp1は例えば、2μmである。また、第4トレンチ41は、第2トレンチ31の中央部に幅Wp2で設けられ、高濃度n型ドリフト層23から距離tp1離れ、第2トレンチ31の底面から距離tp1b離れている。幅Wp2は例えば、3.1μmであり、距離tp1bは例えば、2μmである。
Further, the
また、チャージバランスとして、p型ピラー領域3の不純物濃度p1とp型ピラー領域3の高濃度p型ピラー領域5が設けられていない部分の幅Wp1−Wp2との積と高濃度p型ピラー領域5の不純物濃度p2と高濃度p型ピラー領域5の幅Wp2との積との和が、n型ピラー領域4の不純物濃度n1とn型ピラー領域4の幅Wn1との積とほぼ等しい、つまり、
n1×Wn1≒p1×(Wp1−Wp2)+p2×Wp2
が成り立つ。この際、p型ピラー領域3の不純物濃度p1または高濃度p型ピラー領域5の不純物濃度p2をわずかに大きくして、p型の不純物をわずかに多くすることが好ましい。
Further, as a charge balance, the product of the impurity concentration p1 of the p-
n1 × Wn1 ≒ p1 × (Wp1-Wp2) + p2 × Wp2
Is established. At this time, it is preferable to slightly increase the impurity concentration p1 of the p-
実施の形態2では、高濃度p型ピラー領域5が設けられているため、n型ピラー領域4の不純物濃度を実施の形態1よりも高くすることができる。これにより、ドリフト層の抵抗が低下するため、超接合半導体装置61のオン抵抗を低減することができる。
Since the high-concentration p-
(実施の形態2にかかる超接合半導体装置の製造方法)
次に、実施の形態2にかかる超接合半導体装置61の製造方法について説明する。まず、実施の形態1と同様に、第1トレンチ30と第2トレンチ31内にp型の不純物を埋め込むことで、p型ピラー領域3およびp型ベース領域6をエピタキシャル成長させ、成長後、高濃度n型ドリフト層23」2の表面と同じ高さになるまで、p型ベース領域6の表面を研磨する工程まで行う(図4参照)。
(Manufacturing method of superjunction semiconductor device according to the second embodiment)
Next, a method of manufacturing the
次に、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、p型ベース領域6を貫通して、p型ピラー領域3に達し、低濃度n型ドリフト層21に達しない第3トレンチ40と第4トレンチ41を形成する。第3トレンチ40は、第1トレンチ30より浅く形成する。つまり第3トレンチ40の底面を、第1トレンチ30の底面よりソース電極12側に形成する。同様に、第4トレンチ41は、第2トレンチ31より浅く形成する。第3トレンチ40は、底部が第4トレンチ41と連続し、第4トレンチ41より幅が広くなるように形成する。
Next, by photolithography and etching, a
次に、第3トレンチ40と第4トレンチ41内にp型の不純物を埋め込むことで、下部高濃度p型ピラー領域51および上部高濃度p型ピラー領域52をエピタキシャル成長させる。
Next, by embedding p-type impurities in the
次に、高濃度n型ドリフト層23の表面と同じ高さになるまで、上部高濃度p型ピラー領域52の表面を研磨する。下部高濃度p型ピラー領域51と上部高濃度p型ピラー領域52とを合わせて、高濃度p型ピラー領域5となる。高濃度p型ピラー領域5の不純物濃度は、p型領域とn型領域のチャージバランスを保つように決定される。例えば、p型ピラー領域3、高濃度p型ピラー領域5の不純物濃度をそれぞれ、5×1015/cm3、8.9×1015/cm3にする。
Next, the surface of the upper high-concentration p-
この後、実施の形態1と同様に、p型ベース領域6および高濃度p型ピラー領域5の表面領域の一部に、n+型ソース領域7を形成する工程以降の工程を行うことで、図9に示した超接合半導体装置61が完成する。
After that, as in the first embodiment, the steps after the step of forming the n +
次に、実施の形態2にかかる超接合半導体装置61の他の構造を説明する。図11は、実施の形態2にかかる超接合半導体装置の他の構造を示す図13のA−B断面図である。図12は、実施の形態2にかかる超接合半導体装置の他の構造を示す図13のC−D断面図である。図13は、実施の形態2にかかる超接合半導体装置の他の構造を示す平面図である。
Next, another structure of the
図11〜図13に示すように、他の構造は、p+型コンタクト領域8が、第1トレンチ30の奥行き方向(x方向およびy方向と直交するz方向)にn+型ソース領域7と並んで設けられている構造である。また、n+型ソース領域7の幅Ln3、p+型コンタクト領域8の幅Lp3は、それぞれ5μmである。
As shown in FIGS. 11 to 13, in another structure, the p + type contact region 8 has an n +
図9の構造では、n+型ソース領域7の幅Ln3、p+型コンタクト領域8の幅Lp3を短くするには限界があるが、図11、図12の構造では、n+型ソース領域7の幅Ln3、p+型コンタクト領域8の幅Lp3を短くする余裕があるため、図9の構造に比べ自由に設計できる。例えば、第1トレンチ30の幅Laを6μmと図9の構造の8μmより狭くすることができる。
In the structure of FIG. 9, there is a limit in shortening the width Ln3 of the n + type
以上、説明したように、実施の形態2によれば、p型ピラー領域およびp型ベース領域を同時に形成しているため実施の形態1と同様の効果を有する。また、実施の形態2では、高濃度p型ピラー領域が設けられているため、n型ピラー領域の不純物濃度を実施の形態1よりも高くすることができる。これにより、ドリフト層の抵抗が低下するため、超接合半導体装置のオン抵抗を低減することができる。 As described above, according to the second embodiment, since the p-type pillar region and the p-type base region are formed at the same time, the same effect as that of the first embodiment is obtained. Further, in the second embodiment, since the high concentration p-type pillar region is provided, the impurity concentration in the n-type pillar region can be made higher than that in the first embodiment. As a result, the resistance of the drift layer is reduced, so that the on-resistance of the superjunction semiconductor device can be reduced.
(実施の形態3)
次に、実施の形態3にかかる超接合半導体装置62について説明する。図14〜図17は、実施の形態3にかかる超接合半導体装置の構造を示す断面図である。図14は、実施の形態3にかかる超接合半導体装置の構造を示す図18のA−B断面図である。図15は、実施の形態3にかかる超接合半導体装置の構造を示す図18のC−D断面図である。図16は、実施の形態3にかかる超接合半導体装置の構造を示す図18のE−F断面図である。図17は、実施の形態3にかかる超接合半導体装置の構造を示す図18のG−H断面図である。図18は、実施の形態3にかかる超接合半導体装置の構造を示す平面図である。
(Embodiment 3)
Next, the
図14〜図18に示すように、p型ピラー領域3は、x軸方向に延びる矩形の形状を有し、p型ベース領域6は、z軸方向に延びる矩形の形状を有する。p型ピラー領域3の長手方向(x軸方向)とp型ベース領域6の長手方向(z軸方向)とが直交している。p+型コンタクト領域8は、図18に示すように、第2トレンチ31の幅方向(x方向)にp+型コンタクト領域8とn+型ソース領域7とが並んで設けられていてもよい。
As shown in FIGS. 14 to 18, the p-
また、実施の形態1と同様に、低濃度n型ドリフト層21、中濃度n型ドリフト層22、高濃度n型ドリフト層23、n+型ソース領域7の順で不純物濃度が高くなり、チャージバランスとして、p型ピラー領域3の不純物濃度p1とp型ピラー領域3の幅Wp1との積がn型ピラー領域4の不純物濃度n1とn型ピラー領域4の幅Wn1との積とほぼ等しい、つまり、
n1×Wn1≒p1×Wp1
が成り立つ。この際、p型ピラー領域3の不純物濃度p1をわずかに大きくして、p型の不純物をわずかに多くすることが好ましい。
Further, as in the first embodiment, the impurity concentration increases in the order of the low-concentration n-
n1 × Wn1 ≒ p1 × Wp1
Is established. At this time, it is preferable to slightly increase the impurity concentration p1 in the p-
このように、実施の形態3では、p型ピラー領域3の長手方向とp型ベース領域6の長手方向とを直交させているため、チャネル長Lch、トレンチ幅Wp1、メサ幅Wn1を自由に設計することができる。例えば、チャネル長Lchを1.5μm、第2トレンチ31の幅Wp1を2.5μm、メサ幅Wn1を2.5μm、p型ベース領域6間の間隔Ljを1.6μmとしてもよい。
As described above, in the third embodiment, since the longitudinal direction of the p-
(実施の形態3にかかる超接合半導体装置の製造方法)
実施の形態3にかかる超接合半導体装置62の製造方法は、実施の形態1にかかる超接合半導体装置61の製造方法において、p型ピラー領域3が形成される第2トレンチ31を、p型ベース領域6が形成される第1トレンチ30と直交させることで形成される。
(Manufacturing method of superjunction semiconductor device according to the third embodiment)
In the method for manufacturing the
例えば、まず、実施の形態1と同様に、n型ドリフト層2をエピタキシャル成長させる。次に、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、中濃度n型ドリフト層22に達しない第1トレンチ30を形成する。例えば、第1トレンチ30の深さdaを2μm、幅Laを9μmに形成してもよい。また、第1トレンチ30間の距離Ljを1.6μmとしてもよい。
For example, first, the n-
次に、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、中濃度n型ドリフト層22、高濃度n型ドリフト層23を貫通して、低濃度n型ドリフト層21に達し、n++型半導体基板1に達しない第2トレンチ31を形成する。第2トレンチ31は、第1トレンチ30と直交する方向に形成し、第1トレンチ30の底部が、第2トレンチ31と連続し、第1トレンチ30より幅が狭くなるように形成する。例えば、第2トレンチ31の深さdbを20.1μm、幅Wp1を2.5μmに形成してもよい。また、例えば、第2トレンチ31間の距離Wn1を2.5μm、第1トレンチ30間の距離Ljを1.6μmとしてもよい。
Next, by photolithography and etching, it penetrates the medium-concentration n-
ここで、深いトレンチ(第2トレンチ31)をエピタキシャル成長で埋戻しの際に細い部分がネックで先に塞がり空洞ができてしまうことを防ぐため、幅Wp1の第2トレンチの上部および底のコーナーの丸め半径rWp1,cWp1は、0.05μm以上が望ましい。 Here, in order to prevent the narrow portion from being blocked by the neck first and forming a cavity when the deep trench (second trench 31) is backfilled by epitaxial growth, the upper and lower corners of the second trench having a width of Wp1 are formed. The rounding radii rWp1 and cWp1 are preferably 0.05 μm or more.
次に、第1トレンチ30と第2トレンチ31内にp型の不純物を埋め込むことで、p型ピラー領域3およびp型ベース領域6をエピタキシャル成長させ、成長後、高濃度n型ドリフト層23の表面と同じ高さになるまで、p型ベース領域6の表面を研磨する。p型ピラー領域3の不純物濃度は、p型領域とn型領域のチャージバランスを保つように決定される。例えば、p型ピラー領域3の不純物濃度を1.9×1016/cm3にする。p型ベース領域6は、p型ピラー領域3と同様の不純物濃度でよい。
Next, by embedding p-type impurities in the
この後、実施の形態1と同様に、p型ベース領域6の表面領域の一部に、n+型ソース領域7を形成する工程以降の工程を行うことで、図14〜図18に示した超接合半導体装置62が完成する。
After that, as in the first embodiment, the steps after the step of forming the n + type
次に、実施の形態3にかかる超接合半導体装置62の他の構造を説明する。他の構造は、p+型コンタクト領域8が、第1トレンチ30の奥行き方向(x方向およびy方向と直交するz方向)にn+型ソース領域7と並んで設けられている構造である。また、例えば、n+型ソース領域7の幅Ln3、p+型コンタクト領域8の幅Lp3は、それぞれ3μmである。
Next, another structure of the
図14〜図18の構造では、n+型ソース領域7の幅Ln3、p+型コンタクト領域8の幅Lp3を短くするには限界があるが、他の構造では、n+型ソース領域7の幅Ln3、p+型コンタクト領域8の幅Lp3を短くする余裕があるため、図14〜図18の構造に比べ自由に設計できる。
In the structures of FIGS. 14 to 18, there is a limit to shortening the width Ln3 of the n +
以上、説明したように、実施の形態3によれば、p型ピラー領域およびp型ベース領域を同時に形成しているため実施の形態1と同様の効果を有する。また、実施の形態3では、p型ピラー領域の長手方向とp型ベース領域の長手方向とを直交させているため、チャネル長、トレンチ幅、メサ幅を自由に設計することができる。 As described above, according to the third embodiment, since the p-type pillar region and the p-type base region are formed at the same time, the same effect as that of the first embodiment is obtained. Further, in the third embodiment, since the longitudinal direction of the p-type pillar region and the longitudinal direction of the p-type base region are orthogonal to each other, the channel length, trench width, and mesa width can be freely designed.
(実施の形態4)
次に、実施の形態4にかかる超接合半導体装置63について説明する。図19は、実施の形態4にかかる超接合半導体装置の構造を示す図23のA−B断面図である。図20は、実施の形態4にかかる超接合半導体装置の構造を示す図23のC−D断面図である。図21は、実施の形態4にかかる超接合半導体装置の構造を示す図23のE−F断面図である。図22は、実施の形態4にかかる超接合半導体装置の構造を示す図23のG−H断面図である。図23は、実施の形態4にかかる超接合半導体装置の構造を示す平面図である。
(Embodiment 4)
Next, the
図19〜図22に示すように、p型ピラー領域3は、x軸方向に延びる矩形の形状を有し、p型ベース領域6は、z軸方向に延びる矩形の形状を有する。また、上部高濃度p型ピラー領域52は、z軸方向に延びる矩形の形状を有し、下部高濃度p型ピラー領域51は、x軸方向に延びる矩形の形状を有する。p型ピラー領域3の長手方向(x軸方向)とp型ベース領域6の長手方向(z軸方向)とが直交し、上部高濃度p型ピラー領域52の長手方向(z軸方向)は、下部高濃度p型ピラー領域51の長手方向(x軸方向)とが直交する。また、図19〜図22に示すように、p+型コンタクト領域8は、例えばn+型ソース領域7と同じ深さに設けられ、第1トレンチ30の幅方向(x方向)にn+型ソース領域7と並んで設けられている。
As shown in FIGS. 19 to 22, the p-
また、実施の形態1と同様に、低濃度n型ドリフト層21、中濃度n型ドリフト層22、高濃度n型ドリフト層23、n+型ソース領域7の順で不純物濃度が高くなり、実施の形態2と同様に、下部高濃度p型ピラー領域51は、p型ピラー領域3より不純物濃度が高く、上部高濃度p型ピラー領域52は、p型ベース領域6より不純物濃度が高い。また、下部高濃度p型ピラー領域51と上部高濃度p型ピラー領域52は、同時に形成されるため、同程度の不純物濃度である。例えば、p型ピラー領域3の不純物濃度p1は、5×1015/cm3であり、高濃度p型ピラー領域5の不純物濃度p2は2.75×1016/cm3である。
Further, as in the first embodiment, the impurity concentration increases in the order of the low-concentration n-
また、第3トレンチ40は、第1トレンチ30の中央部に幅Lp2で設けられ、高濃度n型ドリフト層23から距離tp1離れている。幅Lp2は例えば、5.0μmであり、距離tp1は例えば、2μmである。また、第4トレンチ41は、第2トレンチ31の中央部に幅Wp2で設けられ、高濃度n型ドリフト層23から距離tp1離れ、第2トレンチ31の底面から距離tp1b離れている。幅Wp2は例えば、1μmであり、距離tp1bは例えば、2μmである。
Further, the
また、チャージバランスとして、p型ピラー領域3の不純物濃度p1とp型ピラー領域3の高濃度p型ピラー領域5が設けられていない部分の幅Wp1−Wp2との積と高濃度p型ピラー領域5の不純物濃度p2と高濃度p型ピラー領域5の幅Wp2との積との和が、n型ピラー領域4の不純物濃度n1とn型ピラー領域4の幅Wn1との積とほぼ等しい、つまり、
n1×Wn1≒p1×(Wp1−Wp2)+p2×Wp2
が成り立つ。この際、p型ピラー領域3の不純物濃度p1または高濃度p型ピラー領域5の不純物濃度p2をわずかに大きくすることが好ましい。
Further, as a charge balance, the product of the impurity concentration p1 of the p-
n1 × Wn1 ≒ p1 × (Wp1-Wp2) + p2 × Wp2
Is established. At this time, it is preferable to slightly increase the impurity concentration p1 of the p-
このように、実施の形態4では、p型ピラー領域3の長手方向とp型ベース領域6の長手方向とを直交させ、下部高濃度p型ピラー領域51の長手方向と上部高濃度p型ピラー領域52の長手方向とを直交させている。このため、チャネル長Lch、トレンチ幅Wp1、メサ幅Wn1を自由に設計することができる。また、実施の形態3よりもトレンチ幅Wp1を短くすることができ、メサ幅Wn1を短くしてセルピッチを狭くすることができる。例えば、チャネル長Lchを1.5μm、トレンチ幅Wp1を5μm、メサ幅Wn1を2.5μm、p型ベース領域6間の間隔Ljを1.6μmとしてもよい。
As described above, in the fourth embodiment, the longitudinal direction of the p-
(実施の形態4にかかる超接合半導体装置の製造方法)
実施の形態4にかかる超接合半導体装置63の製造方法は、実施の形態2にかかる超接合半導体装置61の製造方法において、p型ベース領域6が形成される第1トレンチ30を、p型ピラー領域3が形成される第2トレンチ31と直交させ、上部高濃度p型ピラー領域52が形成される第3トレンチ40を、下部高濃度p型ピラー領域51が形成される第4トレンチ41と直交させることで形成される。
(Manufacturing method of superjunction semiconductor device according to the fourth embodiment)
In the method for manufacturing the
例えば、まず、実施の形態2と同様に、n型ドリフト層2をエピタキシャル成長させる。次に、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、中濃度n型ドリフト層22に達しない第1トレンチ30を形成する。例えば、第1トレンチ30の深さdaを2μm、幅Laを9μmに形成してもよい。また、第1トレンチ30間の距離Ljを1.6μmとしてもよい。
For example, first, the n-
次に、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、中濃度n型ドリフト層22、高濃度n型ドリフト層23を貫通して、低濃度n型ドリフト層21に達し、n++型半導体基板1に達しない第2トレンチ31を形成する。第2トレンチ31は、第1トレンチ30と直交する方向に形成し、第1トレンチ30の底部が、第2トレンチ31と連続し、第1トレンチ30より幅が狭くなるように形成する。例えば、第2トレンチ31の深さdbを20.1μm、幅Wp1を5μmに形成してもよい。また、例えば、第2トレンチ31間の距離Wn1を2.5μmとしてもよい。
Next, by photolithography and etching, it penetrates the medium-concentration n-
ここで、深いトレンチ(第2トレンチ31)をエピタキシャル成長で埋戻しの際に細い部分がネックで先に塞がり空洞ができてしまうことを防ぐため、幅Wp1の第2トレンチ31の上部および底のコーナーの丸め半径rWp1,cWp1は、0.05μm以上が望ましい。
Here, in order to prevent the narrow portion from being closed first by the neck and forming a cavity when the deep trench (second trench 31) is backfilled by epitaxial growth, the upper and bottom corners of the
次に、第1トレンチ30と第2トレンチ31内にp型の不純物を埋め込むことで、p型ピラー領域3およびp型ベース領域6をエピタキシャル成長させる。p型ピラー領域3の不純物濃度は、p型領域とn型領域のチャージバランスを保つように決定される。例えば、p型ピラー領域3の不純物濃度を5×1015/cm3にする。p型ベース領域6は、p型ピラー領域3と同様の不純物濃度でよい。
Next, the p-
次に、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、p型ベース領域6を貫通して、p型ピラー領域3に達し、低濃度n型ドリフト層21に達しない第3トレンチ40と第4トレンチ41を形成する。第3トレンチ40は、第1トレンチ30より浅く形成する。つまり第3トレンチ40の底面を、第1トレンチ30の底面よりソース電極12側に形成する。同様に、第4トレンチ41は、第2トレンチ31より浅く形成する。第3トレンチ40は、底部が第4トレンチ41と連続し、第4トレンチ41より幅が広くなるように形成する。
Next, by photolithography and etching, a
次に、第3トレンチ40と第4トレンチ41内にp型の不純物を埋め込むことで、下部高濃度p型ピラー領域51および上部高濃度p型ピラー領域52をエピタキシャル成長させる。
Next, by embedding p-type impurities in the
次に、高濃度n型ドリフト層23の表面と同じ高さになるまで、上部高濃度p型ピラー領域52の表面を研磨する。下部高濃度p型ピラー領域51と上部高濃度p型ピラー領域52とを合わせて、高濃度p型ピラー領域5となる。高濃度p型ピラー領域5の不純物濃度は、p型領域とn型領域のチャージバランスを保つように決定される。例えば、p型ピラー領域3、高濃度p型ピラー領域5の不純物濃度をそれぞれ、5×1015/cm3、2.75×1015/cm3にする。
Next, the surface of the upper high-concentration p-
この後、実施の形態2と同様に、p型ベース領域6および高濃度p型ピラー領域5の表面領域の一部に、n+型ソース領域7を形成する工程以降の工程を行うことで、図19〜図23に示した超接合半導体装置63が完成する。
After that, as in the second embodiment, the steps after the step of forming the n +
次に、実施の形態4にかかる超接合半導体装置63の他の構造を説明する。他の構造は、p+型コンタクト領域8が、第1トレンチ30の奥行き方向(x方向およびy方向と直交するz方向)にn+型ソース領域7と並んで設けられている構造である。また、例えば、n+型ソース領域7の幅Ln3、p+型コンタクト領域8の幅Lp3は、それぞれ5μmである。
Next, another structure of the
図19〜図23の構造では、n+型ソース領域7の幅Ln3、p+型コンタクト領域8の幅Lp3を短くするには限界があるが、他の構造では、n+型ソース領域7の幅Ln3、p+型コンタクト領域8の幅Lp3を短くする余裕があるため、図19〜図23の構造に比べ自由に設計できる。例えば、第1トレンチ30の幅Laを6μmと図19〜図23の構造の9μmより狭くすることができる。
In the structures of FIGS. 19 to 23, there is a limit in shortening the width Ln3 of the n +
以上、説明したように、実施の形態4によれば、p型ピラー領域およびp型ベース領域を同時に形成しているため、実施の形態1と同様の効果を有する。また、高濃度p型ピラー領域が設けられているため、実施の形態2と同様の効果を有する。また、p型ピラー領域の長手方向とp型ベース領域の長手方向とを直交させているため、実施の形態3と同様の効果を有する。 As described above, according to the fourth embodiment, since the p-type pillar region and the p-type base region are formed at the same time, the same effect as that of the first embodiment is obtained. Further, since the high-concentration p-type pillar region is provided, it has the same effect as that of the second embodiment. Further, since the longitudinal direction of the p-type pillar region and the longitudinal direction of the p-type base region are orthogonal to each other, the same effect as that of the third embodiment is obtained.
(実施の形態5)
次に、実施の形態5にかかる超接合半導体装置64について説明する。図24は、実施の形態5にかかる超接合半導体装置の構造を示す図26のA−B断面図である。また、図25は、実施の形態5にかかる超接合半導体装置の構造を示す図26のC−D断面図である。また、図26は、実施の形態5にかかる超接合半導体装置の構造を示す平面図である。図24には、2つの単位セル(素子の機能単位)のみを示し、これらに隣接する他の単位セルを図示省略する。図24に示す超接合半導体装置64は、炭化珪素からなる半導体基体(炭化珪素基体:半導体チップ)のおもて面(p型ベース領域6側の面)側にMOS(Metal Oxide Semiconductor)ゲートを備えた超接合MOSFETである。
(Embodiment 5)
Next, the
炭化珪素基体は、n++型半導体基板(第1導電型の半導体基板)1の第1主面(おもて面)上に低濃度n型ドリフト層21、中濃度n型ドリフト層22、高濃度n型ドリフト層23となる各炭化珪素層を順にエピタキシャル成長させてなる。MOSゲートは、p型ベース領域(第2導電型の第3半導体領域)6と、n+型ソース領域(第1導電型の第5半導体領域)7、p+型コンタクト領域8、ゲート絶縁膜9およびゲート電極10で構成される。ここで、低濃度n型ドリフト層21と、中濃度n型ドリフト層22、高濃度n型ドリフト層23とを合わせてn型ドリフト層(第1導電型の第1半導体層)2が構成される。低濃度n型ドリフト層21は、中濃度n型ドリフト層22より低不純物濃度で設けられ、中濃度n型ドリフト層22は、高濃度n型ドリフト層23より低不純物濃度で設けられる。
The silicon carbide substrate includes a low-concentration n-
n型ドリフト層2には、並列pn領域19が設けられている。並列pn領域19は、p型ピラー領域(第2導電型の第2半導体領域)3と、p型ピラー領域3に挟まれたn型領域(n型ピラー領域4)とが交互に繰り返し接合されてできている。p型ピラー領域3は、p型ベース領域6の底面(n++型半導体基板1側の面)から、高濃度n型ドリフト層23、中濃度n型ドリフト層22を貫通して、低濃度n型ドリフト層21の表面に達し、n++型半導体基板1に達しないように設けられている。また、p型ピラー領域3は、低濃度n型ドリフト層21の表面に達しているが、低濃度n型ドリフト層21の内部深くまで達していない。このため、p型領域とn型領域のチャージバランスを考慮する際に、低濃度n型ドリフト層21の不純物濃度を考慮しなくてもよい。p型ピラー領域3およびn型ピラー領域4の平面形状は、例えば、矩形状、六方格子状または正方状である。
The n-
ここで、低濃度n型ドリフト層21は、素子の耐圧を分担する層であり、低濃度n型ドリフト層21の不純物濃度を低くして、低濃度n型ドリフト層21の膜厚を厚くすることにより、素子の高耐圧を実現できる。また、高濃度n型ドリフト層23、中濃度n型ドリフト層22は素子のチャージバランスを分担する層である。また、高濃度n型ドリフト層23は、キャリアの広がり抵抗を低減させる、いわゆる電流拡散層(Current Spreading Layer:CSL)である。高濃度n型ドリフト層23により、オン電流を増大化することができる。
Here, the low-concentration n-
素子の高耐圧を分担する低濃度n型ドリフト層21があるため、素子を高耐圧化した場合でも、高濃度n型ドリフト層23、中濃度n型ドリフト層22の膜厚を薄くすることができる。このため、高濃度n型ドリフト層23、中濃度n型ドリフト層22内に設けられたp型ピラー領域3の深さ(並列pn領域19の深さ)を浅くできる。このように、素子を高耐圧化した場合でも、p型ピラー領域3の深さは浅いため、p型ピラー領域3を均一の不純物濃度でエピタキシャル成長させることができる。このため、耐圧を高くした場合でもp型領域とn型領域のチャージバランスを保ち、低オン抵抗と高耐圧特性の超接合半導体装置64を実現することができる。
Since there is a low-concentration n-
n型ドリフト層2のソース側(ソース電極12側)の表面層には、p型ベース領域6が設けられ、p型ピラー領域3とp型ベース領域6は同時に形成されているため、一体化されている。具体的には、n型ドリフト層2内に深さdbの第2トレンチ31と、第2トレンチ31より浅い位置に深さdaの第1トレンチ30が設けられている。第2トレンチ31は、n型ドリフト層2内に設けられ、第1トレンチ30は、底面が第2トレンチ31の開口部に連続し、n型ドリフト層2のおもて面において開口し、第1トレンチ30の幅Waは、第2トレンチ31の幅Wp1より広くなっている。
A p-
第2トレンチ31をp型の不純物で埋めることによりp型ピラー領域3が形成され、第1トレンチ30をp型の不純物で埋めることによりp型ベース領域6が形成される。このように、第1トレンチ30と第2トレンチ31とからなる2段トレンチを形成することで、p型ピラー領域3およびp型ベース領域6に相当する構造を作っておき、そこにp型の不純物を埋め込み、その層をp型ピラー領域3およびp型ベース領域6として利用している。
The p-
p型ベース領域6の内部に選択的にp型ピラー領域3より不純物濃度が高い高濃度p型ピラー領域5が設けられている。高濃度p型ピラー領域5により半導体装置の耐圧を向上させることができる。また、高濃度p型ピラー領域5は、p型ピラー領域3の内部に設けられていない。このため、高濃度p型ピラー領域5とp型ベース領域6との第1界面は、p型ピラー領域3とp型ベース領域6との第2界面より浅い。つまり、第1界面は、第2界面よりp型ベース領域6の表面側にある。これにより、SJ−MOSFETのチャージバランスに高濃度p型ピラー領域5の不純物濃度を考慮に入れる必要がなくなる。例えば、第1界面と第2界面との距離tp1bは、3.6μmである。また、高濃度p型ピラー領域5は、p型ベース領域6の中央部に幅Lp2で設けられ、高濃度n型ドリフト層23から距離tp1離れている。幅Lp2は例えば、0.8μmであり、距離tp1は例えば、3.6μmである。また、例えば、p型ピラー領域3の不純物濃度p1は、6.7×1015/cm3であり、高濃度p型ピラー領域5の不純物濃度p2は4×1018/cm3である。
A high-concentration p-
また、低濃度n型ドリフト層21、中濃度n型ドリフト層22、高濃度n型ドリフト層23、後述するn+型ソース領域7の順で不純物濃度が高くなり、チャージバランスとして、p型ピラー領域3の不純物濃度p1とp型ピラー領域3の幅Wp1との積がn型ピラー領域4の不純物濃度n1とn型ピラー領域4の幅Wn1との積とほぼ等しい、つまり、
n1×Wn1≒p1×Wp1
が成り立つ。この際、p型ピラー領域3の不純物濃度p1をわずかに大きくして、p型の不純物をわずかに多くすることが好ましい。
Further, the impurity concentration increases in the order of the low-concentration n-
n1 × Wn1 ≒ p1 × Wp1
Is established. At this time, it is preferable to slightly increase the impurity concentration p1 in the p-
p型ベース領域6の内部には、互いに接するようにn+型ソース領域7およびp+型コンタクト領域8がそれぞれ選択的に設けられている。p+型コンタクト領域8の深さは、例えばn+型ソース領域7と同じ深さでもよいし、より深くてもよい。p+型コンタクト領域8は、図3に示すように、第2トレンチ31の奥行き方向(y軸方向)にp+型コンタクト領域8とn+型ソース領域7とが並んで設けられている。
Inside the p-
p型ベース領域6の、n+型ソース領域7とn型ピラー領域4とに挟まれた部分の表面には、ゲート絶縁膜9を介してゲート電極10が設けられている。ゲート電極10は、ゲート絶縁膜9を介して、n型ピラー領域4の表面に設けられていてもよい。
A
層間絶縁膜11は、半導体基体のおもて面側に、ゲート電極10を覆うように設けられている。ソース電極12は、層間絶縁膜11に開口されたコンタクトホールを介して、n+型ソース領域7およびp型ベース領域6に接し、n+型ソース領域7およびp型ベース領域6と電気的に接続される。
The
ソース電極(第1電極)12は、層間絶縁膜11によって、ゲート電極10と電気的に絶縁されている。ソース電極12上には、選択的に例えばポリイミドからなるパッシベーション膜などの保護膜(不図示)が設けられている。
The source electrode (first electrode) 12 is electrically insulated from the
n++型半導体基板1の第2主面(裏面、すなわち半導体基体の裏面)には、裏面電極(第2電極)13が設けられている。裏面電極13は、ドレイン電極を構成する。裏面電極13の表面には、ドレイン電極パッド(不図示)が設けられている。
A back electrode (second electrode) 13 is provided on the second main surface (back surface, that is, the back surface of the semiconductor substrate) of the n ++ type semiconductor substrate 1. The
なお、図26の平面図では、内部の構造を見やすくするため、層間絶縁膜11、ソース電極12を省略して描いてある。これ以降の他の平面図でも同様に層間絶縁膜11、ソース電極12を省略して描いてある。
In the plan view of FIG. 26, the
(実施の形態5にかかる超接合半導体装置の製造方法)
次に、実施の形態5にかかる超接合半導体装置64の製造方法について説明する。まず、炭化珪素からなるn++型半導体基板1を用意する。次に、n++型半導体基板1のおもて面に、n++型半導体基板1より不純物濃度の低い低濃度n型ドリフト層21をエピタキシャル成長させる。このとき、例えば、低濃度n型ドリフト層21の不純物濃度が2.5×1015/cm3、膜厚tn4が40μmとなるようにn型不純物をドーピングさせてエピタキシャル成長させてもよい。
(Manufacturing method of superjunction semiconductor device according to the fifth embodiment)
Next, a method of manufacturing the
次に、低濃度n型ドリフト層21の表面に、低濃度n型ドリフト層21より不純物濃度の高い中濃度n型ドリフト層22を、エピタキシャル成長させる。このとき、例えば、中濃度n型ドリフト層22の不純物濃度が1.5×1016/cm3、膜厚tn1が20μmとなるようにn型不純物をドーピングさせてエピタキシャル成長させてもよい。
Next, a medium-concentration n-
次に、中濃度n型ドリフト層22の表面に、中濃度n型ドリフト層22より不純物濃度の高い高濃度n型ドリフト層23を、エピタキシャル成長させる。このとき、例えば、高濃度n型ドリフト層23の不純物濃度が1.7×1016/cm3、膜厚tn5が4.7μmとなるようにn型不純物をドーピングさせてエピタキシャル成長させてもよい。低濃度n型ドリフト層21と中濃度n型ドリフト層22と高濃度n型ドリフト層23とを合わせてn型ドリフト層2となる。
Next, a high-concentration n-
次に、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、中濃度n型ドリフト層22、高濃度n型ドリフト層23を貫通して、低濃度n型ドリフト層21に達し、n++型半導体基板1に達しない第1トレンチ30と第2トレンチ31を形成する。第1トレンチ30は、底部が第2トレンチ31と連続し、第2トレンチ31より幅が広くなるように形成する。このとき、例えば、第2トレンチ31の深さdbを20.1μm、幅Wp1を7.1μmに形成し、第1トレンチ30の深さdaを4.2μm、幅Waを8μmに形成してもよい。また、例えば、第2トレンチ31間の距離Wn1を2.5μm、第1トレンチ30間の距離Ljを1.6μmとしてもよい。
Next, by photolithography and etching, it penetrates the medium-concentration n-
ここで、深いトレンチ(第2トレンチ31)をエピタキシャル成長で埋戻しの際に細い部分がネックで先に塞がり空洞ができてしまうことを防ぐため、幅Wp1の第2トレンチの上部および底のコーナーの丸め半径rWp1,cWp1は、0.05μm以上が望ましい。他の上部および底のコーナーの丸め半径はそれほど重要ではない。 Here, in order to prevent the narrow portion from being blocked by the neck first and forming a cavity when the deep trench (second trench 31) is backfilled by epitaxial growth, the upper and lower corners of the second trench having a width of Wp1 are formed. The rounding radii rWp1 and cWp1 are preferably 0.05 μm or more. The rounding radii of the other top and bottom corners are less important.
次に、第1トレンチ30と第2トレンチ31内にp型の不純物を埋め込むことで、p型ピラー領域3およびp型ベース領域6をエピタキシャル成長させる。p型ピラー領域3の不純物濃度は、p型領域とn型領域のチャージバランスを保つように決定される。例えば、p型ピラー領域3の不純物濃度を6.7×1015/cm3にする。p型ベース領域6は、p型ピラー領域3と同様の不純物濃度でよい。ここで、第1トレンチ30の底に第2トレンチ31が形成されているため、第1トレンチ30にp型の不純物を埋め込むと、第1トレンチ30に埋め込まれたp型の不純物の中央に溝が形成される。
Next, the p-
このように、実施の形態5では、第1トレンチ30と第2トレンチ31内にp型の不純物を埋め込むことで、p型ピラー領域3およびp型ベース領域6を同時に形成している。このため、p型ベース領域6をイオン注入により形成する工程を省略することができる。
As described above, in the fifth embodiment, the p-
次に、溝内にp型の不純物を埋め込むことで、高濃度p型ピラー領域5をエピタキシャル成長させる。高濃度p型ピラー領域5の不純物濃度は、p型ベース領域6より高くする。例えば、高濃度p型ピラー領域5の不純物濃度を4×1018/cm3にする。
Next, the high-concentration p-
次に、高濃度p型ピラー領域5およびp型ベース領域6を、高濃度n型ドリフト層23の表面と同じ高さになるまで、表面を研磨する。
Next, the surfaces of the high-concentration p-
次に、高濃度p型ピラー領域5およびp型ベース領域6の表面上に、フォトリソグラフィ技術によって所望の開口部を有するマスクを、例えばレジストで形成する。そして、このレジストマスクをマスクとしてイオン注入法によってn型の不純物をイオン注入する。それによって、高濃度p型ピラー領域5およびp型ベース領域6の表面領域の一部に、n+型ソース領域7が形成される。また、例えば、チャネル長となる高濃度n型ドリフト層23とn+型ソース領域7との距離Lchは、1.5μmとする。n+型ソース領域7の幅Ln3は、例えば、5μmとする。次に、n+型ソース領域7を形成するためのイオン注入時に用いたマスクを除去する。
Next, a mask having a desired opening is formed on the surfaces of the high-concentration p-
次に、高濃度p型ピラー領域5およびp型ベース領域6の表面上に、フォトリソグラフィ技術によって所望の開口部を有する図示しないイオン注入用マスクを例えば酸化膜で形成する。このイオン注入用マスクをマスクとして、p型不純物のイオン注入を行い、高濃度p型ピラー領域5およびp型ベース領域6の表面領域の一部に、p型ベース領域6および高濃度p型ピラー領域5より不純物濃度の高いp+型コンタクト領域8を形成する。p+型コンタクト領域8の幅Lp3は、n+型ソース領域7の幅Ln3と同程度、例えば、5μmとする。次に、p+型コンタクト領域8を形成するためのイオン注入用マスクを除去する。
Next, an ion implantation mask (not shown) having a desired opening is formed on the surfaces of the high-concentration p-
次に、n+型ソース領域7およびp+型コンタクト領域8を活性化させるための熱処理(アニール)を行う。また、n+型ソース領域7およびp+型コンタクト領域8を形成する順序は種々変更可能である。
Next, a heat treatment (annealing) is performed to activate the n +
次に、半導体基体のおもて面側を熱酸化し、ゲート絶縁膜9を形成する。これにより、n型ドリフト層2の表面に形成された各領域がゲート絶縁膜9で覆われる。
Next, the front surface side of the semiconductor substrate is thermally oxidized to form the
次に、ゲート絶縁膜9上に、ゲート電極10として、例えばリンがドープされた多結晶シリコン層を形成する。次に、多結晶シリコン層をパターニングして選択的に除去し、p型ベース領域6のn+型ソース領域7とn型ピラー領域4に挟まれた部分上に多結晶シリコン層を残す。このとき、n型ピラー領域4上に多結晶シリコン層を残してもよい。
Next, for example, a phosphorus-doped polycrystalline silicon layer is formed on the
次に、ゲート電極10を覆うように、層間絶縁膜11として、例えば、リンガラス(PSG:Phospho Silicate Glass)を成膜する。次に、層間絶縁膜11およびゲート絶縁膜9をパターニングして選択的に除去する。例えば、n+型ソース領域7上の層間絶縁膜11およびゲート絶縁膜9を除去することによって、コンタクトホールを形成し、n+型ソース領域7を露出させる。次に、層間絶縁膜11の平担化を行うために熱処理(リフロー)を行う。
Next, for example, phosphorus glass (PSG: Phospho Silicate Glass) is formed as the
次に、スパッタによりソース電極12を成膜し、フォトリソグラフィおよびエッチングによりソース電極12をパターニングする。このとき、コンタクトホール内にソース電極12を埋め込み、n+型ソース領域7とソース電極12とを電気的に接続させる。なお、コンタクトホール内にはバリアメタルを介してタングステンプラグなどを埋め込んでもよい。
Next, the
次に、n++型半導体基板1の表面(半導体基体の裏面)に、裏面電極13として、例えばニッケル膜を成膜する。そして、熱処理し、n++型半導体基板1と裏面電極13とのオーミック接合を形成する。
Next, for example, a nickel film is formed on the front surface of the n ++ type semiconductor substrate 1 (the back surface of the semiconductor substrate) as the
上述したエピタキシャル成長およびイオン注入においては、n型不純物(n型ドーパント)として、例えば、炭化珪素に対してn型となる窒素(N)やリン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)などを用いればよい。p型不純物(p型ドーパント)として、例えば、炭化珪素に対してp型となるホウ素(B)やアルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、タリウム(Tl)などを用いればよい。これにより、図24〜図26に示した超接合半導体装置64が完成する。
In the above-mentioned epitaxial growth and ion implantation, examples of n-type impurities (n-type dopants) include nitrogen (N), phosphorus (P), arsenic (As), and antimony (Sb), which are n-type with respect to silicon carbide. Should be used. As the p-type impurity (p-type dopant), for example, boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In), tallium (Tl), etc., which are p-type with respect to silicon carbide, may be used. .. As a result, the
以上、説明したように、実施の形態5によれば、第1トレンチと第2トレンチを形成し、第1トレンチと第2トレンチ内にp型の不純物を埋め込むことで、p型ピラー領域およびp型ベース領域を同時に形成している。これにより、p型ベース領域をイオン注入により形成する工程を省略することができる。このため、超接合半導体装置を作成するためのコストを低減することができる。また、高濃度n型ドリフト層、中濃度n型ドリフト層によりオン電流を増大させることができ、n型ドリフト層の濃度調整により、チャネル長、トレンチ幅、メサ幅を自由に設計できる。 As described above, according to the fifth embodiment, the p-type pillar region and p are formed by forming the first trench and the second trench and embedding p-type impurities in the first trench and the second trench. The mold base region is formed at the same time. This makes it possible to omit the step of forming the p-type base region by ion implantation. Therefore, the cost for manufacturing the superjunction semiconductor device can be reduced. Further, the on-current can be increased by the high-concentration n-type drift layer and the medium-concentration n-type drift layer, and the channel length, trench width, and mesa width can be freely designed by adjusting the concentration of the n-type drift layer.
(実施の形態6)
次に、実施の形態6にかかる超接合半導体装置65について説明する。図27は、実施の形態6にかかる超接合半導体装置の構造を示す図31のA−B断面図である。また、図28は、実施の形態6にかかる超接合半導体装置の構造を示す図31のC−D断面図である。また、図29は、実施の形態6にかかる超接合半導体装置の構造を示す図31のE−F断面図である。また、図30は、実施の形態6にかかる超接合半導体装置の構造を示す図31のG−H断面図である。また、図31は、実施の形態6にかかる超接合半導体装置の構造を示す平面図である。
(Embodiment 6)
Next, the
図27〜図31に示すように、p型ピラー領域3は、x軸方向に延びる矩形の形状を有し、p型ベース領域6は、z軸方向に延びる矩形の形状を有する。p型ピラー領域3の長手方向(x軸方向)とp型ベース領域6の長手方向(z軸方向)とが直交している。p+型コンタクト領域8は、図27に示すように、第1トレンチ30の奥行き方向(z軸方向)にp+型コンタクト領域8とn+型ソース領域7とが並んで設けられている。
As shown in FIGS. 27 to 31, the p-
また、実施の形態5と同様に、低濃度n型ドリフト層21、中濃度n型ドリフト層22、高濃度n型ドリフト層23、n+型ソース領域7の順で不純物濃度が高くなり、チャージバランスとして、p型ピラー領域3の不純物濃度p1とp型ピラー領域3の幅Wp1との積が、n型ピラー領域4の不純物濃度n1とn型ピラー領域4の幅Wn1との積とほぼ等しい、つまり、
n1×Wn1≒p1×Wp1
が成り立つ。この際、p型ピラー領域3の不純物濃度p1をわずかに大きくして、p型の不純物をわずかに多くすることが好ましい。
Further, as in the fifth embodiment, the impurity concentration increases in the order of the low-concentration n-
n1 × Wn1 ≒ p1 × Wp1
Is established. At this time, it is preferable to slightly increase the impurity concentration p1 in the p-
このように、実施の形態6では、p型ピラー領域3の長手方向とp型ベース領域6の長手方向とを直交させているため、チャネル長Lch、トレンチ幅Wp1、メサ幅Wn1を自由に設計することができる。実施の形態5では、n+型ソース領域7の幅Ln3,p+型コンタクト領域8の幅Lp3を短くするには限界があるが、実施の形態6ではn+型ソース領域7の幅Ln3,p+型コンタクト領域8の幅Lp3を短くする余裕があるため、実施の形態5に比べセルピッチを狭くできる。このため、p型ピラー領域3の不純物濃度とp型ベース領域6の不純物濃度を独立に設計することができる。例えば、チャネル長Lchを1.5μm、第1トレンチ30の幅Laを6μm、第2トレンチ31の幅Wp1を2.5μm、メサ幅Wn1を2.5μm、p型ベース領域6間の間隔(第1トレンチ30のメサ幅)Ljを1.6μmとしてもよい。
As described above, in the sixth embodiment, since the longitudinal direction of the p-
(実施の形態6にかかる超接合半導体装置の製造方法)
実施の形態6にかかる超接合半導体装置65の製造方法は、実施の形態6にかかる超接合半導体装置65の製造方法において、p型ピラー領域3が形成される第2トレンチ31を、p型ベース領域6が形成される第1トレンチ30と直交させることで形成される。
(Manufacturing method of superjunction semiconductor device according to the sixth embodiment)
In the method for manufacturing the
例えば、まず、実施の形態5と同様に、n型ドリフト層2をエピタキシャル成長させる。n型ドリフト層2は、低濃度n型ドリフト層21と中濃度n型ドリフト層22と高濃度n型ドリフト層23とからなり、低濃度n型ドリフト層21、中濃度n型ドリフト層22、高濃度n型ドリフト層23の膜厚、不純物濃度は、実施の形態5と同様である。
For example, first, the n-
次に、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、中濃度n型ドリフト層22に達しない第1トレンチ30を形成する。例えば、第1トレンチ30の深さdaを2μm、幅Laを6μmに形成してもよい。また、第1トレンチ30間の距離Ljを1.6μmとしてもよい。
Next, the
次に、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、中濃度n型ドリフト層22、高濃度n型ドリフト層23を貫通して、低濃度n型ドリフト層21に達し、n++型半導体基板1に達しない第2トレンチ31を形成する。第2トレンチ31は、第1トレンチ30と直交する方向に形成し、第1トレンチ30の底部が、第2トレンチ31と連続し、第1トレンチ30より幅が狭くなるように形成する。例えば、第2トレンチ31の、第1トレンチ30の底部からの深さdbを20.1μm、幅Wp1を2.5μmに形成してもよい。また、例えば、第2トレンチ31間の距離Wn1を2.5μm、としてもよい。
Next, by photolithography and etching, it penetrates the medium-concentration n-
ここで、深いトレンチ(第2トレンチ31)をエピタキシャル成長で埋戻しの際に細い部分がネックで先に塞がり空洞ができてしまうことを防ぐため、幅Wp1の第2トレンチの上部および底のコーナーの丸め半径rWp1,cWp1は、0.05μm以上が望ましい。 Here, in order to prevent the narrow portion from being blocked by the neck first and forming a cavity when the deep trench (second trench 31) is backfilled by epitaxial growth, the upper and lower corners of the second trench having a width of Wp1 are formed. The rounding radii rWp1 and cWp1 are preferably 0.05 μm or more.
次に、第1トレンチ30と第2トレンチ31内にp型の不純物を埋め込むことで、p型ピラー領域3およびp型ベース領域6をエピタキシャル成長させる。p型ピラー領域3の不純物濃度は、p型領域とn型領域のチャージバランスを保つように決定される。例えば、p型ピラー領域3の不純物濃度を1.9×1016/cm3にする。p型ベース領域6は、p型ピラー領域3と同様の不純物濃度でよい。ここで、第1トレンチ30の底に第2トレンチ31が形成されているため、第1トレンチ30にp型の不純物を埋め込むと、第1トレンチ30に埋め込まれたp型の不純物の中央に溝が形成される。
Next, the p-
次に、溝内にp型の不純物を埋め込むことで、高濃度p型ピラー領域5をエピタキシャル成長させる。高濃度p型ピラー領域5の不純物濃度は、p型ベース領域6より高くする。例えば、高濃度p型ピラー領域5の不純物濃度を4×1018/cm3にする。
Next, the high-concentration p-
次に、高濃度p型ピラー領域5およびp型ベース領域6を、高濃度n型ドリフト層23の表面と同じ高さになるまで、表面を研磨する。この後、実施の形態5と同様に、p型ベース領域6の表面領域の一部に、n+型ソース領域7を形成する工程以降の工程を行うことで、図27〜図31に示した超接合半導体装置65が完成する。
Next, the surfaces of the high-concentration p-
以上、説明したように、実施の形態6によれば、p型ピラー領域およびp型ベース領域を同時に形成しているため実施の形態5と同様の効果を有する。また、実施の形態6では、p型ピラー領域の長手方向とp型ベース領域の長手方向とを直交させているため、チャネル長、トレンチ幅、メサ幅を自由に設計することができる。また、実施の形態6ではn+型ソース領域の幅,p+型コンタクト領域の幅を短くする余裕があるため、実施の形態5に比べセルピッチを狭くできる。このため、p型ピラー領域の不純物濃度とp型ベース領域の不純物濃度を独立に設計することができる。 As described above, according to the sixth embodiment, since the p-type pillar region and the p-type base region are formed at the same time, the same effect as that of the fifth embodiment is obtained. Further, in the sixth embodiment, since the longitudinal direction of the p-type pillar region and the longitudinal direction of the p-type base region are orthogonal to each other, the channel length, trench width, and mesa width can be freely designed. Further, in the sixth embodiment, since there is a margin for shortening the width of the n + type source region and the width of the p + type contact region, the cell pitch can be narrowed as compared with the fifth embodiment. Therefore, the impurity concentration in the p-type pillar region and the impurity concentration in the p-type base region can be designed independently.
以上において本発明では、炭化珪素でできた炭化珪素基板の第1主面上にMOSゲート構造を構成した場合を例に説明したが、これに限らず、基板主面の面方位などを種々変更可能である。また、本発明では、各実施の形態では第1導電型をn型とし、第2導電型をp型としたが、本発明は第1導電型をp型とし、第2導電型をn型としても同様に成り立つ。また、以上の説明では、MOSFETを例に説明してきたが、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)で適用することも可能である。この場合、n++型半導体基板をp型コレクタ層にすればよい。 In the present invention, the case where the MOS gate structure is configured on the first main surface of the silicon carbide substrate made of silicon carbide has been described as an example, but the present invention is not limited to this, and the surface orientation of the main surface of the substrate is variously changed. It is possible. Further, in the present invention, the first conductive type is n-type and the second conductive type is p-type in each embodiment, but in the present invention, the first conductive type is p-type and the second conductive type is n-type. The same holds true. Further, in the above description, although MOSFET has been described as an example, it can also be applied to an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor: Insulated Gate Bipolar Transistor). In this case, the n ++ type semiconductor substrate may be a p-type collector layer.
以上のように、本発明にかかる超接合半導体装置および超接合半導体装置の製造方法は、電力変換装置や種々の産業用機械などの電源装置などに使用される高耐圧半導体装置に有用である。 As described above, the superjunction semiconductor device and the method for manufacturing a superjunction semiconductor device according to the present invention are useful for high withstand voltage semiconductor devices used in power conversion devices and power supply devices for various industrial machines.
1、101 n++型半導体基板
2、102 n型ドリフト層
21 低濃度n型ドリフト層
22 中濃度n型ドリフト層
23 高濃度n型ドリフト層
3、103 p型ピラー領域
4、104 n型ピラー領域
5 高濃度p型ピラー領域
51 下部高濃度p型ピラー領域
52 上部高濃度p型ピラー領域
6、106 p型ベース領域
7、107 n+型ソース領域
8 p+型コンタクト領域
9、109 ゲート絶縁膜
10、110 ゲート電極
11、111 層間絶縁膜
12、112 ソース電極
13、113 裏面電極
19、119 並列pn領域
30 第1トレンチ
31 第2トレンチ
32 溝
40 第3トレンチ
41 第4トレンチ
60、61、62、63、64、65、160 超接合半導体装置
1,101 n ++ type semiconductor substrate 2,102 n-
Claims (11)
前記半導体基板のおもて面に設けられた、前記半導体基板より低不純物濃度の第1導電型の第1半導体層と、
前記第1半導体層に設けられた第1トレンチと、
前記第1半導体層の表面に設けられた、底部が前記第1トレンチと連続する、前記第1トレンチより幅が広い第2トレンチと、
前記第1トレンチの内側に設けられた第2導電型の第2半導体領域と、
前記第2トレンチの内側に設けられた第2導電型の第3半導体領域と、
前記第3半導体領域の内部に設けられた、前記第1半導体層よりも不純物濃度の高い第1導電型の第4半導体領域と、
前記第4半導体領域と前記第1半導体層とに挟まれた前記第3半導体領域の表面上の少なくとも一部にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、
前記第4半導体領域と前記第3半導体領域の表面に設けられた第1電極と、
前記半導体基板の裏面に設けられた第2電極と、
を備えることを特徴とする超接合半導体装置。 The first conductive type semiconductor substrate and
A first conductive type first semiconductor layer having a lower impurity concentration than the semiconductor substrate, which is provided on the front surface of the semiconductor substrate,
The first trench provided in the first semiconductor layer and
A second trench, which is provided on the surface of the first semiconductor layer and whose bottom is continuous with the first trench and is wider than the first trench,
A second conductive type second semiconductor region provided inside the first trench, and
A second conductive type third semiconductor region provided inside the second trench, and
A first conductive type fourth semiconductor region having a higher impurity concentration than the first semiconductor layer, which is provided inside the third semiconductor region,
A gate electrode provided on the surface of the third semiconductor region sandwiched between the fourth semiconductor region and the first semiconductor layer via a gate insulating film, and a gate electrode.
A first electrode provided on the surface of the fourth semiconductor region and the third semiconductor region,
A second electrode provided on the back surface of the semiconductor substrate and
A superjunction semiconductor device characterized by being equipped with.
前記第3半導体領域の表面に設けられた、底部が前記第3トレンチと連続する、前記第3トレンチより幅が広い第4トレンチと、
前記第3トレンチの内側に設けられた、前記第2半導体領域よりも不純物濃度の高い第2導電型の第5半導体領域と、
前記第4トレンチの内側に設けられた、前記第3半導体領域よりも不純物濃度の高い第2導電型の第6半導体領域と、
をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の超接合半導体装置。 The second semiconductor region, the third trench provided in the third semiconductor region, and
A fourth trench, which is provided on the surface of the third semiconductor region and whose bottom is continuous with the third trench and is wider than the third trench.
A second conductive type fifth semiconductor region having a higher impurity concentration than the second semiconductor region, which is provided inside the third trench,
A second conductive type sixth semiconductor region having a higher impurity concentration than the third semiconductor region, which is provided inside the fourth trench,
The superjunction semiconductor device according to claim 1, further comprising.
前記第2半導体領域の長手方向と前記第3半導体領域の長手方向は直交することを特徴とする請求項1に記載の超接合半導体装置。 The second semiconductor region and the third semiconductor region have a rectangular shape and have a rectangular shape.
The superjunction semiconductor device according to claim 1, wherein the longitudinal direction of the second semiconductor region and the longitudinal direction of the third semiconductor region are orthogonal to each other.
前記第2半導体領域の長手方向と前記第3半導体領域の長手方向は直交し、前記第5半導体領域の長手方向と前記第6半導体領域の長手方向は直交することを特徴とする請求項2に記載の超接合半導体装置。 The second semiconductor region, the third semiconductor region, the fifth semiconductor region, and the sixth semiconductor region have a rectangular shape.
The second aspect of claim 2 is characterized in that the longitudinal direction of the second semiconductor region and the longitudinal direction of the third semiconductor region are orthogonal to each other, and the longitudinal direction of the fifth semiconductor region and the longitudinal direction of the sixth semiconductor region are orthogonal to each other. The superjunction semiconductor device described.
前記第1半導体層に第1トレンチと、前記第1半導体層の表面に底部が前記第1トレンチと連続する、前記第1トレンチより幅が広い第2トレンチを形成する第2工程と、
前記第1トレンチの内側と前記第2トレンチの内側にエピタキシャル成長により、第2導電型の第2半導体領域と第2導電型の第3半導体領域を形成する第3工程と、
前記第3半導体領域の内部に、前記第1半導体層よりも不純物濃度の高い第1導電型の第4半導体領域を形成する第4工程と、
前記第4半導体領域と前記第1半導体層とに挟まれた前記第3半導体領域の表面上の少なくとも一部にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する第5工程と、
前記第4半導体領域と前記第3半導体領域の表面に第1電極を形成する第6工程と、
前記半導体基板の裏面に第2電極を形成する第7工程と、
を含むことを特徴とする超接合半導体装置の製造方法。 A first step of forming a first conductive type first semiconductor layer having a lower impurity concentration than the semiconductor substrate on the front surface of the first conductive type semiconductor substrate.
A second step of forming a first trench in the first semiconductor layer and a second trench having a bottom continuous with the first trench on the surface of the first semiconductor layer and having a width wider than that of the first trench.
A third step of forming a second conductive type second semiconductor region and a second conductive type third semiconductor region by epitaxial growth inside the first trench and inside the second trench.
A fourth step of forming a first conductive type fourth semiconductor region having a higher impurity concentration than the first semiconductor layer inside the third semiconductor region.
A fifth step of forming a gate electrode via a gate insulating film on at least a part of the surface of the third semiconductor region sandwiched between the fourth semiconductor region and the first semiconductor layer.
The sixth step of forming the first electrode on the surfaces of the fourth semiconductor region and the third semiconductor region, and
The seventh step of forming the second electrode on the back surface of the semiconductor substrate, and
A method for manufacturing a superjunction semiconductor device, which comprises.
前記第2半導体領域と前記第3半導体領域に第3トレンチと、前記第3半導体領域の表面に、底部が前記第3トレンチと連続する、前記第3トレンチより幅が広い第4トレンチを形成する工程と、
前記第3トレンチの内側と前記第4トレンチの内側にエピタキシャル成長により、前記第2半導体領域よりも不純物濃度の高い第2導電型の第5半導体領域と、前記第3半導体領域よりも不純物濃度の高い第2導電型の第6半導体領域を形成する工程と、
を含むことを特徴とする請求項5に記載の超接合半導体装置の製造方法。 After the third step and before the fourth step,
A third trench is formed in the second semiconductor region and the third semiconductor region, and a fourth trench having a bottom continuous with the third trench and having a width wider than the third trench is formed on the surface of the third semiconductor region. Process and
Due to epitaxial growth inside the third trench and inside the fourth trench, a second conductive type fifth semiconductor region having a higher impurity concentration than the second semiconductor region and a higher impurity concentration than the third semiconductor region The process of forming the second conductive type sixth semiconductor region and
The method for manufacturing a superjunction semiconductor device according to claim 5, wherein the superjunction semiconductor device comprises.
前記半導体基板のおもて面に設けられた、前記半導体基板より低不純物濃度の第1導電型の第1半導体層と、
前記第1半導体層に設けられた第1トレンチと、
底面が前記第1トレンチの開口部に連続し、前記第1半導体層のおもて面において開口し、前記第1トレンチより幅が広い第2トレンチと、
前記第1トレンチの内側に設けられた第2導電型の第2半導体領域と、
前記第2トレンチの内側に設けられた第2導電型の第3半導体領域と、
前記第3半導体領域の内部に設けられた、前記第3半導体領域よりも不純物濃度の高い第2導電型の第4半導体領域と、
前記第3半導体領域の表面に前記第4半導体領域と接するように設けられた、前記第1半導体層よりも不純物濃度の高い第1導電型の第5半導体領域と、
前記第5半導体領域と前記第1半導体層とに挟まれた前記第3半導体領域の表面上の少なくとも一部にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、
前記第5半導体領域と前記第3半導体領域の表面に設けられた第1電極と、
前記半導体基板の裏面に設けられた第2電極と、
を備えることを特徴とする超接合半導体装置。 The first conductive type semiconductor substrate and
A first conductive type first semiconductor layer having a lower impurity concentration than the semiconductor substrate, which is provided on the front surface of the semiconductor substrate,
The first trench provided in the first semiconductor layer and
A second trench having a bottom surface continuous with the opening of the first trench, opening at the front surface of the first semiconductor layer, and wider than the first trench.
A second conductive type second semiconductor region provided inside the first trench, and
A second conductive type third semiconductor region provided inside the second trench, and
A second conductive type fourth semiconductor region having a higher impurity concentration than the third semiconductor region, which is provided inside the third semiconductor region,
A first conductive type fifth semiconductor region having a higher impurity concentration than the first semiconductor layer, which is provided on the surface of the third semiconductor region so as to be in contact with the fourth semiconductor region,
A gate electrode provided on the surface of the third semiconductor region sandwiched between the fifth semiconductor region and the first semiconductor layer via a gate insulating film, and a gate electrode.
A first electrode provided on the surface of the fifth semiconductor region and the third semiconductor region,
A second electrode provided on the back surface of the semiconductor substrate and
A superjunction semiconductor device characterized by being equipped with.
前記第2半導体領域の長手方向と前記第3半導体領域の長手方向は平行し、
前記第3半導体領域は前記第2トレンチの内側に設けられていることを特徴とする請求項7または8に記載の超接合半導体装置。 The second semiconductor region and the third semiconductor region have a striped shape and have a striped shape.
The longitudinal direction of the second semiconductor region and the longitudinal direction of the third semiconductor region are parallel to each other.
The superjunction semiconductor device according to claim 7 or 8, wherein the third semiconductor region is provided inside the second trench.
前記第2半導体領域の長手方向と前記第3半導体領域の長手方向は直交することを特徴とする請求項7または8に記載の超接合半導体装置。 The second semiconductor region and the third semiconductor region have a striped shape and have a striped shape.
The superjunction semiconductor device according to claim 7 or 8, wherein the longitudinal direction of the second semiconductor region and the longitudinal direction of the third semiconductor region are orthogonal to each other.
前記第1半導体層に第1トレンチと、底面が前記第1トレンチの開口部に連続し、前記第1半導体層のおもて面において開口し、前記第1トレンチより幅が広い第2トレンチを形成する第2工程と、
前記第1トレンチの内側と前記第2トレンチの内側にエピタキシャル成長により、第2導電型の第2半導体領域と第2導電型の第3半導体領域を形成する第3工程と、
前記第3半導体領域の内部に、前記第3半導体領域よりも不純物濃度の高い第2導電型の第4半導体領域を形成する第4工程と、
前記第3半導体領域の表面に前記第4半導体領域と接するように、前記第1半導体層よりも不純物濃度の高い第1導電型の第5半導体領域を形成する第5工程と、
前記第5半導体領域と前記第1半導体層とに挟まれた前記第3半導体領域の表面上の少なくとも一部にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する第6工程と、
前記第5半導体領域と前記第3半導体領域の表面に第1電極を形成する第7工程と、
前記半導体基板の裏面に第2電極を形成する第8工程と、
を含むことを特徴とする超接合半導体装置の製造方法。 A first step of forming a first conductive type first semiconductor layer having a lower impurity concentration than the semiconductor substrate on the front surface of the first conductive type semiconductor substrate.
A second trench having a first trench in the first semiconductor layer, a bottom surface continuous with the opening of the first trench, an opening in the front surface of the first semiconductor layer, and a width wider than the first trench. The second step of forming and
A third step of forming a second conductive type second semiconductor region and a second conductive type third semiconductor region by epitaxial growth inside the first trench and inside the second trench.
A fourth step of forming a second conductive type fourth semiconductor region having a higher impurity concentration than the third semiconductor region inside the third semiconductor region.
A fifth step of forming a first conductive type fifth semiconductor region having a higher impurity concentration than the first semiconductor layer so as to be in contact with the fourth semiconductor region on the surface of the third semiconductor region.
A sixth step of forming a gate electrode via a gate insulating film on at least a part of the surface of the third semiconductor region sandwiched between the fifth semiconductor region and the first semiconductor layer.
A seventh step of forming a first electrode on the surfaces of the fifth semiconductor region and the third semiconductor region,
The eighth step of forming the second electrode on the back surface of the semiconductor substrate, and
A method for manufacturing a superjunction semiconductor device, which comprises.
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