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JP3692063B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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JP3692063B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、広禁制帯幅半導体(ワイドギャップ半導体)材料を用いた高耐圧且つ低電流損失である半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体産業において早くから研究され、実用化進んだシリコン(禁制帯幅Eg=約1.1eV)や砒化ガリウム(禁制帯幅Eg=約1.4eV)等の通常の禁制帯幅Egを有する半導体材料に比し、禁制帯幅Egの広い半導体材料を広禁制帯幅半導体(ワイドギャップ半導体)と呼ぶ。例えば、禁制帯幅Eg=約2.2eVのテルル化亜鉛(ZnTe)、禁制帯幅Eg=約2.4eVの硫化カドミウム(CdS)、禁制帯幅Eg=約2.7eVのセレン化亜鉛(ZnSe)、禁制帯幅Eg=約3.4eVの窒化ガリウム(GaN)、禁制帯幅Eg=約3.7eVの硫化亜鉛(ZnS)、及び禁制帯幅Eg=約5.5eVのダイアモンドがワイドギャップ半導体としてあげられる。又、炭化珪素(SiC)も、ワイドギャップ半導体の一例である。SiCの禁制帯幅Egは、3C−SiCで2.23eV、6H−SiCで2.93eV、4H−SiCで3.26eV程度の値が報告されている。
【0003】
ワイドギャップ半導体は、一般に熱的、化学的、機械的に安定で、耐放射
線性にも優れている。特にSiCは、これらの特性に優れ、発光素子や高周波デバイスは勿論のこと、高温、大電力、放射線照射等の過酷な条件で、高い信頼性と安定性を示す電力用半導体装置(パワーデバイス)として様々な産業分野での適用が期待されている。
【0004】
このような、ワイドギャップ半導体は、禁制帯幅Egが広くなれば広くなる程、絶縁体としての性質に近づくので、不純物をドープして低い抵抗率を得るのが困難になる。一般に、ワイドギャップ半導体においては、再現性及び信頼性の高い「良導電」材料を得ることが困難であるのが現状である。例えば、青色発光ダイオード用の材料としては、ウルツ鉱構造のIII-V族の半導体であるGaN、II−VI族のZnSeなどが、有望な材料として、早くから精力的な研究が進められてきた。その研究課題は、特にp型伝導性の制御を実現することにあった。ワイドギャップ半導体においてp型の価電子制御が困難であるのは、自己補償効果によるものと考えられてきた。ZnSeにドナー不純物を導入する場合を例にすると、ドナー不純物を導入するとダブルアクセプタの働きをするZn空孔が自然に形成され、ドナー不純物の導入によって形成された伝導帯の電子を自発的に補償するという現象である。この現象が起こるためには、Zn空孔の発生エンタルピーΔHv(Zn)が、2個の電子が、アクセプタに落ち込む時放出されるエネルギーの合計、ΔEとくらべて小さければ良い。今、ドナーとZn空孔へのキャリアの束縛エネルギーを無視すると、ΔEは、およそ禁制帯幅Egの2倍となる。このため、自己補償効果は、ギャップ(禁制帯幅Eg)の広い半導体ほど顕著に起こると考えられる。このため、長い間、ワイドギャップ半導体材料において、p型伝導を実現することは、本質的な困難があると考えられていた。一方、このような問題は、禁制帯幅Eg=約1.1eVのSiや禁制帯幅Eg=1.4eVのGaAs等の半導体材料においては、全く問題にならない。従って、Si,GaAs等の半導体材料は、種々の半導体装置用の材料として、実用化が進んでいる。
【0005】
特に、SiCを用いた高耐圧の電力用半導体装置(パワーデバイス)は、Siを用いたパワーデバイスよりもオン抵抗が低いことが報告されている。又、SiCを用いたショットキーダイオードの順方向降下電圧が低くなることが報告されている。良く知られているように、パワーデバイスのオン抵抗とスイッチング速度とは、トレード・オフ関係にある。しかし、SiCを用いたパワーデバイスによれば、低オン抵抗化と高速スイッチング速度化が同時に達成出来る可能性がある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしSiCに対する不純物の拡散係数は、Si中の不純物の拡散係数に比較して約数千分の1と非常に小さい。このため、プレデポジション(気相拡散)技術では無論のことイオン注入技術でも単純にはp領域を所望の不純物濃度及び幾何学的形状に設計することは困難である。
【0007】
半導体パワーデバイスの一つに、ジャンクション・バリア・ショットキーダイオード(以下、「JBSダイオード」と言う。)がある。このJBSダイオードは、通常のn型ショットキーダイオードにおいてショットキー電極下に複数個のp領域を埋め込んだ構造を有している。JBSダイオードの特長は、逆方向特性において各p領域から空乏層が伸びてピンチオフすることによりショットキー界面に加わる電界を緩和し逆方向のリーク電流を抑制することが出来る点にある。しかし一方で順方向特性においては、ショットキー電極下に複数個のp領域を埋め込んでいるためキャリアの通過する領域が実効的に減少し、結果として順方向の抵抗が増加してしまうという問題がある。
【0008】
そこで、耐圧及び漏れ電流等の逆方向特性を損なうことなく、又順方向の抵抗を十分に引き下げるための新規な構造が待望されている。しかし、SiCにおいては、上述したように、プロセス技術、特に拡散技術が未開発であるため、JBSダイオードの構造を所望の構造に実現することは容易ではない。そこで、SiCを用いたJBSダイオードにおいて、出来るなら工程数を増やすことなく、又安価な製造コストで上記のような要求を満足する構造の実現が強く求められているのが現状である。
【0009】
また上に述べたSiCを用いたJBSダイオードの問題は、別の半導体パワーデバイスである静電誘導型トランジスタ(SIT)のゲート領域の形状に係る課題と共通している。SITには埋め込みゲート型、表面ゲート型、切り込みゲート型等の種々の構造が知られている。この内、表面ゲート型SITでは、基板表面にソース領域を挟む形で一対のゲート領域が対向するように形成される。一対のゲート領域で挟まれた領域がチャネル領域となる。ソース領域とドレイン領域の間を流れる主電流は、ソース領域の前面のチャネル領域に形成された電位障壁の高さをゲート領域に印加する電圧で静電的に制御される。この表面ゲート型SITにおいても、先ほど述べたJBSダイオードと同様に、特性を改善するための構造が検討されている。新規な構造を採用することにより、より小さなゲート電圧でドリフト領域に空乏層を効果的に伸ばしてノーマリ・オフ型の特性を得やすくするとともに、ソース・ドレイン間の順方向抵抗を十分に引き下げることが出来る構造が待望されている。しかし、SiCを用いた表面ゲート型SITにおいても、工程数を増やすことなく又安価な製造コストで、所望のデバイス構造実現する技術が十分に見出されていないのが現状である。
【0010】
上記問題点を鑑み、本発明は、高耐圧で、逆方向漏れ電流が少なく、且つ順方向電圧降下の小さい半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的を鑑み、本発明の第1の特徴は、第1導電型のオーミックコンタクト領域、このオーミックコンタクト領域の上部に設けられた広禁制帯幅材料からなる第1導電型のドリフト領域、このドリフト領域の内部に設けられた複数個の第2導電型の深部膨張形拡散領域、ドリフト領域の表面に接して設けられたドリフト領域とショットキー接合をなすショットキー電極とからなる半導体装置であることを要旨とする。複数個の第2導電型の深部膨張形拡散領域は、JBSダイオードの構造を構成している。即ち、複数個の第2導電型の深部膨張形拡散領域を備えることにより、逆方向特性において各深部膨張形拡散領域から空乏層が、ドリフト領域中に伸びて互いにピンチオフすることによりショットキー界面に加わる電界が緩和される。このため、逆方向のリーク電流を抑制することが出来る。尚、以下の第2〜第5の特徴においても同様であるが、本発明において、「広禁制帯幅材料」とは、2.2eVよりも禁制帯の広い半導体材料を意味する。ドリフト領域は、オーミックコンタクト領域よりも低不純物濃度である。深部膨張形拡散領域のそれぞれは、ドリフト領域の表面からオーミックコンタクト領域に向かって、水平方向断面積が次第に広くなるようにされている。例えば台形円錐状や鏡餅形状である。深部膨張形拡散領域は、ドリフト領域の表面に頂部を露出している。第1導電型と第2導電型とは互いに反対導電型である。即ち、第1導電型がn型であれば、第2導電型はp型であり、第1導電型がp型であれば、第2導電型はn型である。
【0012】
本発明の第1の特徴によれば、深部膨張形拡散領域の水平方向断面積をドリフト領域の内部において、深くなるに従って、拡げているので、JBSダイオードにおいては耐圧、漏れ電流等の逆方向特性を損なうことなく、順方向の抵抗を十分に引き下げることが出来る。
【0013】
本発明の第1の特徴において、複数の深部膨張形拡散領域のそれぞれは、上部領域と上部領域の下部に位置する下部領域とからなることが好ましい。上部領域は、第1の不純物元素を含む。一方、下部領域は、第1の不純物元素よりも広禁制帯幅材料中における拡散係数の大きな第2の不純物元素を含む。
【0014】
本発明の第2の特徴は、第1主電極領域、この第1主電極領域の上部に設けられた広禁制帯幅材料からなる第1導電型のドリフト領域、このドリフト領域の内部に設けられた複数個の第2導電型の深部膨張形拡散領域、複数個の深部膨張形拡散領域に挟まれてドリフト領域の内部に設けられた第1導電型の第2主電極領域とから構成された半導体装置であることを要旨とする。本発明の第1の特徴と同様に、深部膨張形拡散領域のそれぞれは、ドリフト領域の表面から第1主電極領域に近づくに従い、水平方向断面積が次第に広くなるような3次元形状を有する。この深部膨張形拡散領域のそれぞれは、第1及び第2主電極領域間を流れる電流を制御する制御電極領域として機能する。「第1主電極領域」とは、バイポーラトランジスタ(BJT)や絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)においてエミッタ領域又はコレクタ領域のいずれか一方となる半導体領域を意味する。電界効果トランジスタ(FET)や静電誘導トランジスタ(SIT)においてはソース領域又はドレイン領域のいずれか一方となる半導体領域を意味する。静電誘導サイリスタ(SIサイリスタ)やゲートターンオフサイリスタ(GTOサイリスタ)では、アノード領域又はカソード領域のいずれか一方となる半導体領域を意味する。「第2主電極領域」とは、BJT,IGBT等においては上記第1主電極領域とはならないエミッタ領域又はコレクタ領域のいずれか一方となる半導体領域、FET,SITにおいては上記第1主電極領域とはならないソース領域又はドレイン領域のいずれか一方となる半導体領域を意味する。又、SIサイリスタ、GTOサイリスタでは、「第2主電極領域」は、上記第1主電極領域とはならないアノード領域又はカソード領域のいずれか一方となる半導体領域を意味する。即ち、第1主電極領域が、エミッタ領域であれば、第2主電極領域はコレクタ領域であり、第1主電極領域がソース領域であれば、第2主電極領域はドレイン領域であり、第1主電極領域がカソード領域であれば、第2主電極領域はアノード領域を意味する。又、「制御電極領域」とは第1主電極領域及び第2主電極領域の間を流れる電流を制御する半導体領域、ショットキー接合領域、絶縁ゲート構造の領域又は構造を意味する。例えば、IGBT、FET,SIT,SIサイリスタ,GTOサイリスタでは、ゲート領域、若しくはゲート構造を意味し、BJTでは外部ベース領域(ベース電極取り出し領域)を含むベース領域を意味する。
【0015】
第1導電型と第2導電型とは互いに反対導電型である。即ち、第1導電型がn型であれば、第2導電型はp型であり、第1導電型がp型であれば、第2導電型はn型である。第1主電極領域は、第1導電型でも第2導電型でも構わない。ドリフト領域は、第1主電極領域よりも低不純物濃度である。深部膨張形拡散領域及び第2主電極領域は、ドリフト領域の表面に頂部を露出するように配置されている。
【0016】
本発明の第2の特徴によれば、深部膨張形拡散領域の幅、3次元的に言えば水平方向の断面積を、ドリフト領域の内部において、深くなるに従って、次第に拡げているので、半導体装置の制御電極領域に係る耐圧特性を損なうことなく、順方向の抵抗を十分に引き下げることが出来る。
【0017】
本発明の第2の特徴において、複数の深部膨張形拡散領域の間に、第2導電型のベース領域を更に備えるようにしても良い。第2導電型のベース領域の不純物濃度を低くし、第1及び第2主電極領域の間がほとんどパンチスルーするようにすれば。バイポーラモードSIT(BSIT)或いはノーマリオフ型SIサイリスタとして機能する。一方、第2導電型のベース領域の不純物濃度を第1及び第2主電極領域の間に中性領域が残るように高めに設定すれば、BJT或いはGTOサイリスタとして機能する。
【0018】
又、本発明の第2の特徴において、複数の深部膨張形拡散領域のそれぞれは、第1の不純物元素を含む上部領域、及びこの上部領域の下部に位置し、第1の不純物元素よりも広禁制帯幅材料中における拡散係数の大きな第2の不純物元素を含む下部領域とからなるようにしておけば良い。
【0019】
本発明の第3の特徴は、第1導電型若しくは第2導電型の第1主電極領域と、この第1主電極領域の上部に設けられ、この第1主電極領域よりも低不純物濃度で、広禁制帯幅材料からなる第1導電型のドリフト領域と、このドリフト領域の表面に配置された第2導電型の複数のボディ領域と、このボディ領域の表面に配置された第1導電型の第2主電極領域と、この第2主電極領域の表面から第1主電極領域の方向に向かって掘られた複数のトレンチと、この複数のトレンチの内壁に形成されたゲート絶縁膜と、複数のトレンチの内部において、ゲート絶縁膜の表面に配置されたゲート電極と、複数のトレンチの下部のドリフト領域の内部に設けられ、トレンチの底部から第1主電極領域領域に向かって、それぞれ水平方向断面積が次第に広くなるようにされ、電界緩和領域として機能する複数個の第2導電型の深部膨張形拡散領域とを含む半導体装置であることを要旨とする。ここで、「第1主電極領域」とは、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)においては、エミッタ領域又はコレクタ領域のいずれか一方となる半導体領域を意味する。絶縁ゲート型FETや絶縁ゲート型SITにおいてはソース領域又はドレイン領域のいずれか一方となる半導体領域を意味する。「第2主電極領域」とは、IGBT等においては上記第1主電極領域とはならないエミッタ領域又はコレクタ領域のいずれか一方となる半導体領域、絶縁ゲート型FET,絶縁ゲート型SITにおいては上記第1主電極領域とはならないソース領域又はドレイン領域のいずれか一方となる半導体領域を意味する。
【0020】
本発明の第3の特徴によれば、深部膨張形拡散領域が、トレンチの底部近傍におけるゲート絶縁膜の電界強度を大幅に緩和し、より高い耐圧の絶縁ゲート型半導体装置を実現することが出来る。深部膨張形拡散領域が、ゲート絶縁膜に印加される電圧を均等に分担するためである。この結果、絶縁ゲート型半導体装置の信頼性も向上する。
【0021】
又、本発明の第3の特徴において、複数の深部膨張形拡散領域のそれぞれは、第1の不純物元素を含む上部領域、及びこの上部領域の下部に位置し、第1の不純物元素よりも広禁制帯幅材料中における拡散係数の大きな第2の不純物元素を含む下部領域とからなるようにしておけば良いことは、第1及び第2の特徴と同様である。
【0022】
本発明の第4の特徴は、広禁制帯幅材料からなる第1導電型のドリフト領域と、このドリフト領域の表面に配置された第2導電型の複数のボディ領域と、このボディ領域から離間し、ドリフト領域よりも高不純物濃度で、ドリフト領域の表面に配置された第1導電型若しくは第2導電型の第1主電極領域と、このボディ領域の表面に配置された第1導電型の第2主電極領域と、この第2主電極領域の表面からボディ領域を貫通しドリフト領域に達する複数のトレンチと、この複数のトレンチの内壁に形成されたゲート絶縁膜と、複数のトレンチの内部において、ゲート絶縁膜の表面に配置されたゲート電極と、複数のトレンチの下部のドリフト領域の内部に設けられ、トレンチの底部からボディ領域をから離れる方向に向かって、それぞれ水平方向断面積が次第に広くなるようにされ、電界緩和領域として機能する複数個の第2導電型の深部膨張形拡散領域とを含む半導体装置であることを要旨とする。ここで、「第1主電極領域」とは、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)においては、エミッタ領域又はコレクタ領域のいずれか一方となる半導体領域を意味し、絶縁ゲート型FETや絶縁ゲート型SITにおいてはソース領域又はドレイン領域のいずれか一方となる半導体領域を意味することは、第3の特徴と同様である。したがって、「第2主電極領域」とは、IGBT等においては上記第1主電極領域とはならないエミッタ領域又はコレクタ領域のいずれか一方となる半導体領域、絶縁ゲート型FET,絶縁ゲート型SITにおいては上記第1主電極領域とはならないソース領域又はドレイン領域のいずれか一方となる半導体領域を意味する。
【0023】
本発明の第4の特徴によれば、第3の特徴と同様に、深部膨張形拡散領域が、トレンチの底部近傍におけるゲート絶縁膜の電界強度を大幅に緩和し、より高い耐圧の横型絶縁ゲート型半導体装置を実現することが出来る。深部膨張形拡散領域が、ゲート絶縁膜に印加される電圧を均等に分担するためである。この結果、横型絶縁ゲート型半導体装置の信頼性も向上する。又、本発明の第4の特徴に係る横型絶縁ゲート型半導体装置においては、第1及び第2主電極領域が、同じ側の面に設けられているため、モノリシックICとして集積化するのが容易である。又、ハイブリッドIC等に組み込んで用いる場合にも配線作業が簡単となる。又、表面配線や接続の自由度が増すことになり、設計が容易になる。
【0024】
又、本発明の第4の特徴において、複数の深部膨張形拡散領域のそれぞれは、第1の不純物元素を含む上部領域、及びこの上部領域の下部に位置し、第1の不純物元素よりも広禁制帯幅材料中における拡散係数の大きな第2の不純物元素を含む下部領域とからなるようにしておけば良いことは、第1〜第3の特徴と同様である。
【0025】
本発明の第5の特徴は、(イ)広禁制帯幅材料からなる第1導電型の半導体領域の表面にイオン注入用マスクを形成する工程、(ロ)このイオン注入用マスクを用いて、半導体領域中に第2導電型を呈する第1不純物イオンを加速エネルギーを変えながら複数回注入する深部イオン注入工程、(ハ)イオン注入用マスクを用いて、第1不純物イオンよりも半導体領域中における拡散係数が小さい第2不純物イオンを、第1不純物イオンの射影飛程よりも浅い位置に、加速エネルギーを変えながら複数回注入する浅部イオン注入工程、(ニ)熱処理工程により、第1及び第2不純物イオンを電気的に活性化し、半導体領域の内部に深部膨張形拡散領域を形成する工程とを含む半導体装置の製造方法であることを要旨とする。
【0026】
本発明の第5の特徴に係る半導体装置の製造方法によれば、第1〜第4の特徴に係る半導体装置が簡単に製造出来る。
【0027】
例えば、広禁制帯幅材料が炭化珪素(SiC)であれば、第1不純物イオンとして、ボロン(B)、第2不純物イオンとして、アルミニウム(Al)を選べば良い。
【0028】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して、本発明の第1〜第8の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【0029】
(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態に係るJBSダイオードは、図2(f)に示すように、第1導電型のオーミックコンタクト領域(n型低抵抗SiC基板)11、このオーミックコンタクト領域11の上部に設けられた広禁制帯幅材料からなる第1導電型のドリフト領域(n型エピタキシャル成長層)12、このドリフト領域12の内部に設けられた複数個の第2導電型の深部膨張形拡散領域15a,15b、ドリフト領域12の表面に接して設けられたドリフト領域12とショットキー接合をなすショットキー電極17とからなる。オーミックコンタクト領域(n型低抵抗SiC基板)11には、オーミック電極16が全面に形成されている。図2(f)に示す複数個の第2導電型の深部膨張形拡散領域15a,15bは、JBSダイオードの構造を構成している。
【0030】
ドリフト領域12は、オーミックコンタクト領域11よりも低不純物濃度である。深部膨張形拡散領域15a,15bのそれぞれは、ドリフト領域12の表面からオーミックコンタクト領域11に近づくに従い、水平方向断面積が次第に広くなるようにされている。図2(f)に示す構造によれば、深部膨張形拡散領域15a,15bの水平方向断面積をドリフト領域12の内部において、深くなるに従って、拡げているので、JBSダイオードにおいては耐圧、漏れ電流等の逆方向特性を損なうことなく、順方向の抵抗を十分に引き下げることが出来る。即ち、ショットキー接合の面積を十分広くとると同時に、深部膨張形拡散領域15a,15b相互間の良好なピンチオフ特性を実現している。
【0031】
図2(f)に示す本発明の第1の実施の形態に係るJBSダイオードの製造方法を図1及び図2を用いて説明する:
(イ)最初に、図1(a)に示すように、不純物濃度1×1019 cm-3、厚さ300μmのn型低抵抗SiC基板11上に、エピタキシャル成長法により不純物濃度3×1015 cm-3、厚さ10μmのn型エピタキシャル成長層12を形成する。但し、ここではn型不純物としては窒素(N)を用いるが、別の不純物、例えば燐(P)を用いても良い。
【0032】
(ロ)次に、そのn型エピタキシャル成長層12の表面に金属膜13を真空蒸着法やスパッタリングにより堆積する。金属膜13として、例えばモリブデン(Mo)が使用可能である。そして、金属膜13の上にフォトレジスト膜(以下において、単に「レジスト」と略記する。)14をスピン塗布する。そして、フォトリソグラフィ技術により、図1(b)に示すように、レジスト14をパターニングする。そして、図1(b)に示すようにパターニングされたレジスト14をエッチングマスクとして用い、金属膜13をパターニングし、図1(c)に示すようなイオン注入用マスク13Mを形成する。金属膜13のパターニングは、反応性イオンエッチング(RIE)を用いれば良い。そして、このイオン注入用マスク13Mを用いて、図1(c)に示すように、n型エピタキシャル成長層12の表面から深い位置に、基板温度TSUB=700℃程度でボロン(11+)の選択イオン注入を行う(深部イオン注入工程)。ここで、ボロンは加速エネルギーEACC=100〜200keV、総ドーズ量Φ=3×1015 cm-2の多段注入により、表面からの深さ0.25〜0.5μmの領域に不純物濃度1×1020 cm-3のボロン注入層を形成する。例えば:
第1イオン注入:Φ=6×10 4cm-2/EACC=100keV;
第2イオン注入:Φ=6×10 4cm-2/EACC=130keV;
第3イオン注入:Φ=6×10 4cm-2/EACC=150keV;
第4イオン注入:Φ=1.2×1015cm-2/EACC=200keV;
のようにイオン注入する。
【0033】
(ハ)更に、イオン注入用マスク13Mを用いて、図2(d)に示すように、n型エピタキシャル成長層12の表面から、ボロンの射影飛程よりも浅い位置にアルミニウム(27Al+)の選択イオン注入を行う(浅部イオン注入工程)。アルミニウムは、基板温度TSUB=700℃程度で、加速エネルギーEACC=10〜180keV、総ドーズ量Φ=2×1015 cm-2の多段注入にする。これにより、表面から深さ0.25μmの領域に不純物濃度1×1020 cm-3のアルミニウム注入層を形成する。
【0034】
(ニ)その後、基板温度TSUB=1600℃程度の活性化熱処理により、図2(e)に示すように、選択的にp型の深部膨張形拡散領域15a,15bを形成する。このとき深部膨張形拡散領域15a,15bのそれぞれの表面における幅は約2μmであり、又、対向する深部膨張形拡散領域15aと深部膨張形拡散領域15bに挟まれる表面付近のショットキー接合の幅は約2μmになるようにした。
【0035】
(ホ)そして、n型低抵抗SiC基板11の裏面にニッケル(Ni)を約1μmの厚さで蒸着する。更に、基板温度TSUB=1000℃程度のシンター処理により、図2(e)に示すようにオーミック電極(カソード電極)16を形成する。
【0036】
(ヘ)次に、図2(f)に示すように、n型エピタキシャル成長層12と深部膨張形拡散領域15a,15bの表面には、チタン(Ti)を約200nm、Alを約1μmの厚さに順次蒸着し、ショットキー電極(アノード電極)17を形成してJBSダイオードを完成する。
【0037】
以上のように製造したJBSダイオードの電気的特性を評価した結果は、以下の通りである。耐圧1000VのJBSダイオードで、逆方向電圧700V印加時の逆方向電流は1×10-6A/cm2、そして順方向電流密度100A/cm2のとき、順方向電圧1.7Vとなった。一方従来技術によるJBSダイオードでは同じ耐圧1000Vで比較すると、順方向電圧は2.5V前後となる。したがって、本発明のJBSダイオードでは約0.8Vの順方向電圧の低減が得られることになる。ここで、本発明により順方向電圧を約0.8V低減出来た理由は、深部膨張形拡散領域15a,15bとn型エピタキシャル成長層12の間のpn接合からn型エピタキシャル成長層12へ拡がる空乏層のピンチオフ特性を実現すると同時に、有効なショットキー接合の面積を拡大出来たためである。有効なショットキー接合の面積が拡大されることにより、同一チップ面積のダイオードの順方向電圧降下を約0.8V低減出来たことが分かる。
【0038】
又、図2(f)に示すように深部膨張形拡散領域15a,15bの水平方向断面積を基板の内部に向かって深くなる構造の実現に際しては、質量の軽いボロンの方を深い射影飛程に注入しているため注入時の損傷を大幅に軽減出来る。その結果本発明のJBSダイオードにおいて耐圧、漏れ電流等の逆方向特性を損なうことなく、順方向の抵抗を十分に引き下げることが出来るのである。
【0039】
(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置は、図5(i)に示すような表面ゲート型SITである。即ち、本発明の第2の実施の形態に係る表面ゲート型SITは、第1主電極領域(n型低抵抗SiC基板)11、この第1主電極領域11の上部に設けられた広禁制帯幅材料からなる第1導電型のドリフト領域(n型エピタキシャル成長層)21、このドリフト領域21の内部に設けられた複数個の第2導電型の深部膨張形拡散領域25a,25b、複数個の深部膨張形拡散領域25a,25bに挟まれてドリフト領域21の内部に設けられた第1導電型の第2主電極領域35とから構成されている。本発明の第1の実施の形態と同様に、深部膨張形拡散領域25a,25bのそれぞれは、ドリフト領域21の表面から第1主電極領域11に近づくに従い、水平方向断面積が次第に広くなるような3次元形状を有する。
【0040】
より好ましくは、第2主電極領域35の外周面の曲率と、この第2主電極領域35に対向した深部膨張形拡散領域25a,25bの外周面の曲率が、雄/雌の関係で等しくなるようにしておけ良い。更に好ましくは、第2主電極領域35の有するポテンシャルプロファイルと、この第2主電極領域35に対向した深部膨張形拡散領域25a,25bのポテンシャルプロファイルが一様に連続するように、深部膨張形拡散領域25a,25bの曲率を選定しておけば良い。
【0041】
深部膨張形拡散領域25a,25bのそれぞれは、第1及び第2主電極領域35間を流れる電流を制御する制御電極領域(ゲート領域)として機能する。第1主電極領域11は、表面ゲート型SITのドレイン領域として機能する。第2主電極領域35は、表面ゲート型SITのソース領域として機能する。複数の深部膨張形拡散領域25a,25bのそれぞれは、第1の不純物元素からなる上部領域、及びこの上部領域の下部に位置し、第1の不純物元素よりも広禁制帯幅材料中における拡散係数の大きな第2の不純物元素からなる下部領域とからなる。
【0042】
第1主電極領域(ドレイン領域)11には、ドレイン電極43が、第2主電極領域(ソース領域)35には、ソース電極41が、オーミック接触されている。更に、深部膨張形拡散領域(ゲート領域)25a,25bのそれぞれには、ゲート電極45a,45bがオーミック接触されている。
【0043】
SITは、FETを短チャネル化した極限にあるトランジスタと解することが出来る。即ち、FETのソース領域/ドレイン領域間がパンチング・スルーする程度に短チャネル化され、しかもチャネル中に、ドレイン電圧及びゲート電圧で制御可能な電位障壁が存在するデバイスであると定義出来る。具体的には、ソース・ドレイン間ポテンシャルと、ゲート電圧によるチャネル中のポテンシャルの2次元空間における鞍部点である電位障壁(ポテンシャル)の高さがドレイン電圧及びゲート電圧で制御されるデバイスである。電位障壁(ポテンシャル)は、深部膨張形拡散領域(ゲート領域)25a,25bのポテンシャルの影響を受けて、第2主電極領域(ソース領域)35の前面に形成される。電位障壁(ポテンシャル)の高さに依存してドレイン電流が流れるため、SITのドレイン電流・ドレイン電圧特性は真空管の三極管特性と同様な指数関数則に従った特性を示す。
【0044】
後述するように、深部膨張形拡散領域25a,25bのそれぞれをドリフト領域21の表面から第1主電極領域11に近づくに従い、水平方向断面積が次第に広くなるような3次元形状を有するにしておけば、表面ゲート型SITの逆方向耐圧を高く維持した状態で、順方向電圧降下も低く出来る。
【0045】
図5(i)に示す表面ゲート型SITは、以下の手順で製造可能である:
(イ)最初に、不純物濃度1×1019 cm-3、厚さ300μmのn型低抵抗SiC基板11上にエピタキシャル成長法により不純物濃度3×1015cm-3、厚さ10μmのn型エピタキシャル成長層21を形成する。但し、ここではn型不純物としては窒素を用いるが、別の不純物、例えば燐を用いても良い。
【0046】
(ロ)次に、そのn型エピタキシャル成長層21の表面に金属膜24を真空蒸着法やスパッタリングにより堆積する。金属膜24として、例えばMoが使用可能である。そして、金属膜24の上にレジストをスピン塗布する。そして、フォトリソグラフィ技術により、レジストをパターニングする。そして、パターニングされたレジストをエッチングマスクとして用い、金属膜24をパターニングし、図3(a)に示すようなイオン注入用マスク24を形成する。金属膜24のパターニングは、RIEを用いれば良い。そして、図3(a)に示すように、n型エピタキシャル成長層21の表面からイオン注入用マスク24を介して、深い位置に11+の選択イオン注入を行う(深部イオン注入工程)。ここで、11+は、基板温度TSUB=700℃程度で加速エネルギーEACC=100〜400keV、総ドーズ量Φ=6×1015 cm-2の多段注入する。この結果、表面からの深さ0.25〜0.8μmの領域に不純物濃度1×1020cm-3 の注入層が形成される。
【0047】
(ハ)次に、図3(b)に示すように、n型エピタキシャル成長層21の表面からイオン注入用マスク24をマスクとして11+の射影飛程よりも浅い位置に、27Al+の選択イオン注入を行う(浅部イオン注入工程)。27Al+は、基板温度TSUB=700℃程度で、加速エネルギーEACC=10〜180keV、総ドーズ量Φ=2×1015cm-2 の多段注入する。この結果、表面から深さ0.25μmの領域に、不純物濃度1×1020 cm-327Al+注入層が形成される。
【0048】
(ニ)その後、イオン注入用マスク24を除去し基板温度TSUB=1600℃程度の活性化熱処理により、図3(c)に示すように、選択的にp型深部膨張形拡散領域25a,25bを形成する。p型深部膨張形拡散領域25a,25bは、表面ゲート型SITのゲート領域である。このとき深部膨張形拡散領域25a,25bのそれぞれの幅は表面付近で約2μmである。又、一対の型深部膨張形拡散領域25aと深部膨張形拡散領域25bに挟まれるチャネルの幅は表面付近で約1μmになるようにする。
【0049】
(ホ)次にn型エピタキシャル成長層21の表面に、多結晶シリコンをCVD法で堆積する。そして、この多結晶シリコンを熱酸化することにより、図4(d)に示すように、n型エピタキシャル成長層21の表面に、酸化膜91を形成する。この多結晶シリコンを熱酸化の際に、低抵抗SiC基板11の裏面にも、薄い酸化膜30が形成される。更に、酸化膜91の表面に第2金属膜32を真空蒸着法やスパッタリングにより堆積する。第2金属膜32として、例えばMoが使用可能である。そして、第2金属膜32の上にレジスト33をスピン塗布する。そして、フォトリソグラフィ技術により、レジスト33を、図4(e)に示すようにパターニングする。そして、パターニングされたレジスト33をエッチングマスクとして用い、第2金属膜32をパターニングし、図4(f)に示すようなイオン注入用第2マスク32Mを形成する。第2金属膜32のパターニングは、RIEを用いれば良い。第2金属膜32のRIEに続き、その下地の酸化膜91もRIEで選択的に除去し、n型エピタキシャル成長層21の表面の一部を露出させる。そして、イオン注入用第2マスク32Mを介して、図4(f)に示すように、基板温度TSUB=700℃程度で、31+を加速エネルギーEACC=10〜200keV、総ドーズ量Φ=5×1015 cm-2の条件で選択的に多段イオン注入する。その後、イオン注入用第2マスク32M及び酸化膜91を除去後、基板温度TSUB=1600℃程度の活性化熱処理により、図5(g)に示すように、表面から深さ約0.3μmの領域に不純物濃度1×1020 cm-3のn型ソース領域35を形成する。
【0050】
(ヘ)次に、基板表面に酸化膜31をCVD法等により形成した後、上記の記述と同様にパターニングされたレジストをエッチングマスクとしてRIE等を用いて酸化膜31をパターニングする。その後レジストを除去し、パターニングされた酸化膜31の開口部をソースコンタクトホールとして利用する。その後、ソースコンタクトホールの開口された酸化膜31の表面をレジストでカバーして、低抵抗SiC基板11の裏面の薄い酸化膜30を希釈したフッ酸(HF)若しくは緩衝HF等でエッチングする。n型低抵抗SiC基板11の裏面には、第3金属膜43としてNi膜を約1μmの厚さで蒸着し、基板温度TSUB=1000℃〜1200℃程度のシンター処理によりドレイン電極43を形成する。
【0051】
(ト)次に、図5(h)に示すように、n型ソース領域35の表面に第4金属膜36として、Al膜を約1μmの厚さで蒸着する。そして、第4金属膜36の上にレジストをスピン塗布する。そして、フォトリソグラフィ技術により、ソース領域35の上部にレジストが残るように、レジストをパターニングする。そして、パターニングされたレジストをエッチングマスクとして用い、第4金属膜をエッチングし、図5(i)に示すような第4金属膜をソース領域35の上部に選択的に残す。そして、基板温度TSUB=1000℃〜1100℃程度のシンター処理によりソース電極41を形成する。
【0052】
(チ)次に、ソース電極41及びソース電極41から露出した酸化膜31の上にレジストをスピン塗布する。そして、フォトリソグラフィ技術により、深部膨張形拡散領域(ゲート領域)25a,25bのそれぞれの上部に開口部を有するようにレジストをパターニングする。そして、パターニングされたレジストをエッチングマスクとして用い、酸化膜31を選択的にエッチングし、ゲート領域25a,25bの表面を露出させ、図5(i)に示すようなゲートコンタクトホールを開口する。その後、表面の全面にTi膜を約200nm、Al膜を約1μmの厚さで順次蒸着する。このAl膜の上にレジストをスピン塗布し、フォトリソグラフィ技術により、深部膨張形拡散領域(ゲート領域)25a,25bのそれぞれの上部にレジストを残すようにパターニングする。そして、パターニングされたレジストをエッチングマスクとして用い、図5(i)に示すようにAl膜、Ti膜を順次RIEで選択的にエッチングし、ゲート電極45a,45bのパターンを形成する。その後、基板温度TSUB=800〜1000℃、例えば950℃で5分程度シンター処理し、ゲート電極45a,45bのオーミック接触を良好なものにする。5分程度の短時間の熱処理を行うためには、赤外線(IR)ランプ加熱を用いれば良い。これで、表面ゲート型SITの概略工程は、終了する。
【0053】
又ここでは、11+27Al+について上記のようなイオン注入の条件を用いるが、更にゲートによるピンチオフを効果的に行うために加速エネルギーEACCとドーズ量Φを適当に調節してp型深部膨張形拡散領域26a,26bを図30に示すように略台形に形成することも可能である。上述したように深部膨張形拡散領域の深い位置に27Al+と比較して数倍程度拡散係数が大きい11+を意図的に注入しているため、図2に示すように活性化熱処理後には同深部膨張形拡散領域の幅を基板内部に向かって効果的に拡げることが出来る。更に11+を深い位置に注入した別の利点としては、27Al+と比較して質量が軽いため注入時の損傷をより軽減出来、その結果としてピンチオフ時のリーク電流を大幅に抑制出来ることがあげられる。
【0054】
以上のように製造した表面ゲート型SITの電気的特性を評価した結果は、以下の通りである。耐圧1000Vの表面ゲート型SITで、ゲート電圧−30V及びドレイン電圧600V印加時のリーク電流は1×10-6 A/cm2 、又オン抵抗は16mΩcm2となった。一方従来技術による表面ゲート型SITでは同じ耐圧1000Vで比較すると、オン抵抗は26mΩcm2前後となる。したがって、本発明の第2の実施の形態に係る表面ゲート型SITでは約10mΩcm2のオン抵抗の低減が得られることになる。ここで、本発明の第2の実施の形態に係る表面ゲート型SITによりオン抵抗を約10mΩcm2低減出来た理由は、同一のピンチオフ特性に比して、相対的にソース面積を拡大出来たからである。この結果、深部膨張形拡散領域15a,15bとn型エピタキシャル成長層12の間のpn接合からn型エピタキシャル成長層12へ拡がる空乏層によって生じる寄生抵抗が約10mΩcm2低減されている。したがって第2の実施の形態に係る表面ゲート型SITのような構成をとることにより、上で説明したように深部膨張形拡散領域の幅を基板内部に向かって効果的に拡げることが出来、又質量の軽い11+の方を深い位置に注入しているため注入時の損傷を大幅に軽減出来、その結果表面ゲート型SITにおいて耐圧、漏れ電流等のゲート耐圧特性を損なうことなく、順方向の抵抗を十分に引き下げることが出来るのである。又、表面ゲート型SITの電圧増幅率μは、隣接するゲート領域の間隔に依存するので、深部膨張形拡散領域25a,25bを用いることにより、電圧増幅率μを高くし、且つオン抵抗を低く出来る。
【0055】
(第3の実施の形態)
図8(i)に示すように、本発明の第3の実施の形態に係る切り込みゲート型SITは、第1導電型の第1主電極領域(ドレイン領域)11、この第1主電極領域11の上部に設けられた広禁制帯幅材料からなる第1導電型のドリフト領域21、このドリフト領域21の表面から第1主電極領域11の方向に向かって掘られた複数のトレンチ48a,48b,・・・・・、複数のトレンチ48a,48b,・・・・・の底部においてドリフト領域21の内部に設けられた複数個の第2導電型の深部膨張形拡散領域(ゲート領域)25a,25b,・・・・・、複数個の深部膨張形拡散領域25a,25b,・・・・・に挟まれてドリフト領域21の内部に設けられた第1導電型の第2主電極領域(ソース領域)35a,35b,35c,・・・・・とから構成されている。本発明の第2の実施の形態と同様に、深部膨張形拡散領域25a,25b,・・・・・のそれぞれは、ドリフト領域21の表面から第1主電極領域11に向かう深さ方向において、第1主電極領域11に近づくに従い、深さ方向に垂直方向の横方向の拡散幅が広くなるような形状を有する。複数の深部膨張形拡散領域25a,25b,・・・・・のそれぞれは、第1の不純物元素からなる上部領域、及びこの上部領域の下部に位置し、第1の不純物元素よりも広禁制帯幅材料中における拡散係数の大きな第2の不純物元素からなる下部領域とからなる。第3の実施の形態においては、第1導電型としてn型を、又第2導電型としてp型を用いた場合について説明する。
【0056】
第1主電極領域(ドレイン領域)11には、ドレイン電極43が、第2主電極領域(ソース領域)35a,35b,35c,・・・・・には、ソース電極41a,41b,41c,・・・・・が、オーミック接触されている。
【0057】
図8(i)に示す切り込みゲート型SITは、以下の手順で製造可能である:
(イ)最初に、不純物濃度1×1019 cm-3、厚さ300μmのn型低抵抗SiC基板11上に、図6(a)に示すように、エピタキシャル成長法により不純物濃度3×1015cm-3、厚さ10μmのn型エピタキシャル成長層(第1エピタキシャル成長層)21及び第1エピタキシャル成長層21の上の不純物濃度6×1018cm-3〜1×1020cm-3、厚さ0.3μm〜1μm程度の第2エピタキシャル成長層19を形成する。但し、ここではn型不純物としては窒素を用いるが、別の不純物、例えば燐を用いても良い。又窒素と燐等の複数の不純物を同時に用いても良い。第2エピタキシャル成長層19を形成する代わりに、n型第1エピタキシャル成長層21の表面に燐を基板温度TSUB=700℃程度で加速エネルギーEACC=10〜200keV、総ドーズ量Φ=5×1015cm-2の条件で選択的に多段イオン注入し、その後1600℃程度の活性化熱処理により表面から深さ約0.3μmの領域に不純物濃度1×1020cm-3のn型低抵抗領域19を形成しても良い。
【0058】
(ロ)次に、その第2エピタキシャル成長層19の表面に酸化膜34を形成する。その後酸化膜34の表面にレジスト14をスピン塗布し、フォトリソグラフィ技術により、図6(b)に示すように、レジスト14をパターニングする。そして、パターニングされたレジストをエッチングマスクとして用い、図6(c)に示すように、RIE等の異方性エッチングにより酸化膜34及びn型低抵抗領域(第2エピタキシャル成長層)19を貫通し、底部がn型第1エピタキシャル成長層21に達するトレンチ48a,48b,・・・・・を形成する。トレンチ48a,48b,・・・・・の形成により、n型低抵抗領域(第2エピタキシャル成長層)19は、ソース領域35a,35b,35c,・・・・・に分割される。
【0059】
(ハ)そして、レジスト14を除去した後図7(d)に示すように、トレンチ48a,48b,・・・・・の内部に酸化膜37を形成する。そして、RIE等の指向性エッチングによりトレンチ48a,48b,・・・・・の底部の酸化膜37を除去する。更に、酸化膜34の表面に第1金属膜を真空蒸着法やスパッタリングにより堆積する。第1金属膜として、例えばMoが使用可能である。そして、第1金属膜の上にレジストをスピン塗布し、フォトリソグラフィ技術により、レジストをパターニングする。そして、パターニングされたレジストをエッチングマスクとして用い、第1金属膜をパターニングし、図7(e)に示すようなイオン注入用マスク13Mを形成してもよい。第1金属膜のパターニングは、RIEを用いれば良い。
【0060】
(ニ)そして、イオン注入用マスク13Mを介して、図7(e)に示すように、底部に露出したn型第1エピタキシャル成長層21の深い位置に11+の選択イオン注入を行う(深部イオン注入工程)。ここで、11+は、基板温度TSUB=室温〜700℃、ここでは500℃程度で加速エネルギーEACC=100〜400keV、総ドーズ量Φ=1.8×1013cm-2の多段注入する。この結果、表面からの深さ0.25〜0.8μmの領域に不純物濃度3×1017cm-3の注入層が形成される。
【0061】
(ホ)更に、図7(f)に示すように、底部に露出したn型第1エピタキシャル成長層21に対して、イオン注入用マスク13Mをマスクとして11+の射影飛程よりも浅い位置に、27Al+の選択イオン注入を行う(浅部イオン注入工程)。27Al+は、基板温度TSUB=室温〜700℃、ここでは500℃程度で、加速エネルギーEACC=10〜150keV、総ドーズ量Φ=2×1013cm-2の多段注入する。この結果、表面から深さ0.25μmの領域に、不純物濃度1×1018cm-327Al+注入層が形成される。
【0062】
(ヘ)その後、酸化膜34,37及びイオン注入用マスク13Mを除去し基板温度TSUB=1600℃程度の活性化熱処理により、図8(g)に示すように、選択的にp型深部膨張形拡散領域25a,25b,・・・・・を形成する。p型深部膨張形拡散領域25a,25b,・・・・・は、切り込みゲート型SITのゲート領域である。ここでは、ボロンとアルミニウムについて上記のようなイオン注入の条件を用いたが、更にゲートによるピンチオフを効果的に行うために加速エネルギーEACCとドーズ量Φを適当に調節してp型深部膨張形拡散領域25a,25b,・・・・・を略台形に形成することも可能である。上述したようにp型深部膨張形拡散領域25a,25b,・・・・・の深い位置にアルミニウムと比較して数倍程度拡散係数が大きいボロンを意図的に注入しているため、第2の実施の形態と同様に活性化熱処理後にはp型深部膨張形拡散領域25a,25b,・・・・・の幅を基板内部に向かって効果的に拡げることが出来る。更にボロンを深い位置に注入した別の利点としては、アルミニウムと比較して質量が軽いため注入時の損傷をより軽減出来、その結果としてピンチオフ時のリーク電流を大幅に抑制出来ることがあげられる。
【0063】
(ト)次に基板表面及びトレンチ48a,48b,・・・・・の内部に酸化膜74、77を形成する。そして、図8(g)に示すようにRIE等の指向性エッチングによりトレンチ48a,48b,・・・・・の底部の酸化膜77を除去する。その後トレンチ48a,48b,・・・・・の内部にAl膜(第2金属膜)を約200nm、更にAl膜の上に多結晶シリコンをCVD法で堆積する。そして、CMPにより、酸化膜74が露出するまで平坦化し、Al膜/多結晶シリコンを図8(h)に示すように、トレンチ48a,48b,・・・・・の内部に埋め込み、埋め込みゲート電極45a,45b,・・・・・を形成する。
【0064】
(チ)そして、酸化膜74の上にレジストをスピン塗布し、フォトリソグラフィ技術により、レジストをパターニングする。そして、パターニングされたレジストをエッチングマスクとして用い、酸化膜74を選択的にエッチングし、ソースコンタクトホールを開口し、ソース領域35a,35b,35c,・・・・の一部を露出させる。酸化膜74のパターニングは、RIEを用いれば良い。その後、ソースコンタクトホールの開口された酸化膜74の表面をレジストでカバーして、低抵抗SiC基板11の裏面の薄い酸化膜30を希釈したフッ酸(HF)若しくは緩衝HF等でエッチングする。n型低抵抗SiC基板11の裏面には、第3金属膜としてNi膜を約1μmの厚さで蒸着し、ドレイン電極43を形成する。
【0065】
(リ)次に、n型ソース領域35a,35b,35c,・・・・・の表面に第4金属膜として、Al膜を約1μmの厚さで蒸着する。第4金属膜として、Ti、Mo等のメタル、又は各種のメタルシリサイドを使用しても良い。そして、第4金属膜の上にレジストをスピン塗布する。そして、フォトリソグラフィ技術により、ソース領域35a,35b,35c,・・・・・の上部にレジストが残るように、レジストをパターニングする。そして、パターニングされたレジストをエッチングマスクとして用い、第4金属膜をエッチングし、図8(i)に示すような第4金属膜をソース領域35a,35b,35c,・・・・・の上部に選択的に残し、ソース電極41a,41b,41c,・・・・をパターニングする。そして、基板温度TSUB=800〜1100℃、例えば950℃で5分程度シンター処理し、ソース電極41a,41b,41c,・・・・、ドレイン電極43、ゲート電極45a,45bのオーミック接触を良好なものにする。これで、切り込みゲート型SITの概略工程は、終了する。
【0066】
以上のように製造した切り込みゲート型SITの電気的特性を評価した結果は、以下の通りである。耐圧800Vの切り込みゲート型SITで、ゲート電圧−20V及びドレイン電圧500V印加時のリーク電流は1×10-6A/cm2 、又オン抵抗は13mΩcm2 となった。一方従来技術によるSiC切り込みゲート型SITでは同じ耐圧800Vで比較すると、オン抵抗は26mΩcm2 前後となる。従って、第3の実施の形態に係る切り込みゲート型SITでは約13mΩcm2 のオン抵抗の低減が得られることになる。ここで、第3の実施の形態によりオン抵抗を約13mΩcm2 低減出来た理由は、p型深部膨張形拡散領域25a,25b,・・・・・と第1エピタキシャル成長層21の間のpn接合から第1エピタキシャル成長層21へ拡がる空乏層によって生じる寄生抵抗を約13mΩcm2 低減されたことによるものである。又、切り込みゲート型SITではゲート領域25a,25b,・・・・・の容量が大幅に削減されるため第3の実施の形態に係るp型深部膨張形拡散領域25a,25b,・・・・・と組み合わせることにより、高速動作が大幅に改善される。
【0067】
従って第3の実施の形態のような構成をとることにより、上で説明したようにゲート領域25a,25b,・・・・・の幅を基板内部に向かって効果的に拡げることが出来、又質量の軽いボロンの方を深い位置に注入しているため注入時の損傷を大幅に軽減出来、その結果切り込みゲート型SITにおいて耐圧、漏れ電流等のゲート耐圧特性を損なうことなく、順方向の抵抗を十分に引き下げることが出来るのである。
【0068】
<第3の実施の形態の変形例>
図11(f)は本発明の第3の実施の形態の変形例に係るトレンチ側壁ゲート型SITの断面図である。本発明と第3の実施の形態との異なる点は、片側p型深部膨張形拡散領域39a,39b,39c,39d,・・・・・がトレンチ上部と底部の間に存在する点である。図11(f)に示すトレンチ側壁ゲート型SITの製造方法は、図9(a)に示すトレンチ底部にp型深部膨張形拡散領域25a,25b,・・・・・を形成するところまでは第3の実施の形態の切り込みゲート型SITと同様であるため省略する。
【0069】
(イ)その後、RIE等の異方性エッチングにより、図9(a)に示すようにp型深部膨張形拡散領域25a,25b,・・・・・を貫通して底部が第1エピタキシャル成長層21に達する第2トレンチを形成する。第2トレンチの形成により、片側p型深部膨張形拡散領域39a,39b,39c,39d,・・・・・がトレンチ上部(第1トレンチ)と底部(第2トレンチ)の間の側壁部に形成される。
【0070】
(ロ)その後、図10(c)に示すように、第1トレンチと第2トレンチからなる拡張トレンチの内部に、絶縁膜46をCVD法で堆積する。絶縁膜46は、低温CVDや真空蒸着による酸化膜、或いはPSG膜等の、酸化膜74に比し酸化膜のエッチング速度の速い膜質の材料を選ぶ。或いは、酸化膜74の表面の一部若しくは全部をシリコン窒化膜(Si34膜)で形成しても良い。更に、CMPで酸化膜74が露出するまで平坦化し、拡張トレンチの内部に絶縁膜46を埋め込む。更に、酸化膜74に比し酸化膜のエッチング速度の速い膜質を利用して、バックエッチを行い、図10(d)に示すように、底部(第2トレンチ)に埋め込み絶縁膜47a,47b,・・・・・を形成する。
【0071】
(ハ)次に拡張トレンチの内部にAl膜(第2金属膜)を約200nm、更にAl膜の上に多結晶シリコンをCVD法で堆積する。そして、CMPにより、酸化膜74が露出するまで平坦化し、Al膜/多結晶シリコンを図11(e)に示すように、拡張トレンチの内部に埋め込み、埋め込みゲート電極45a,45b,・・・・・を形成する。
【0072】
(ニ)そして、酸化膜74の上にレジストをスピン塗布し、フォトリソグラフィ技術により、レジストをパターニングする。そして、パターニングされたレジストをエッチングマスクとして用い、酸化膜74をパターニングし、ソースコンタクトホールを開口し、ソース領域35a,35b,35c,・・・・の一部を露出させる。酸化膜74のパターニングは、RIEを用いれば良い。その後、ソースコンタクトホールの開口された酸化膜74の表面をレジストでカバーして、低抵抗SiC基板11の裏面の薄い酸化膜30を希釈したフッ酸(HF)若しくは緩衝HF等でエッチングする。n型低抵抗SiC基板11の裏面には、第3金属膜43としてNi膜を約1μmの厚さで蒸着し、ドレイン電極43を形成する。
【0073】
(ホ)次に、n型ソース領域35a,35b,35c,・・・・・の表面に第4金属膜として、Al膜を約1μmの厚さで蒸着する。第4金属膜として、Ti、Mo等のメタル、又は各種のメタルシリサイドを使用しても良い。そして、第4金属膜の上にレジストをスピン塗布し、フォトリソグラフィ技術により、ソース領域35a,35b,35c,・・・・・の上部にレジストが残るように、レジストをパターニングする。そして、パターニングされたレジストをエッチングマスクとして用い、第4金属膜をエッチングし、図11(f)に示すような第4金属膜をソース領域35a,35b,35c,・・・・・の上部に選択的に残す。そして、基板温度TSUB=1000℃〜1100℃程度のシンター処理により、ソース電極41a,41b,41c,・・・・、ドレイン電極43、ゲート電極45a,45bのオーミック接触を良好なものにする。これで、トレンチ側壁ゲート型SITの概略工程は、終了する。
【0074】
第3の実施の形態の変形例に係るトレンチ側壁ゲート型SITの電気的特性は、図8(i)に示す切り込みゲート型SITと同様に大幅に改善される。第3の実施の形態の変形例に係るトレンチ側壁ゲート型SITでは片側p型深部膨張形拡散領域39a,39b,39c,39d,・・・・・の容量が削減されるため、高速動作が大幅に改善される。即ち図11(f)に示すような構成をとることにより、片側p型深部膨張形拡散領域39a,39b,39c,39d,・・・・・の幅を基板内部に向かって効果的に拡げることが出来る。又質量の軽いボロンの方を深い位置に注入しているため注入時の損傷を大幅に軽減出来、その結果トレンチ側壁ゲート型SITにおいて耐圧、漏れ電流等のゲート耐圧特性を損なうことなく、順方向の抵抗を十分に引き下げることが出来る。
【0075】
(第4の実施の形態)
図15(l)に示すように、本発明の第4の実施の形態に係る縦型UMOSFETは、第1導電型の第1主電極領域(ドレイン領域)11、この第1主電極領域11の上部に設けられた広禁制帯幅材料からなる第1導電型のドリフト領域21、このドリフト領域21の表面に配置された第2導電型の複数のボディ領域64a,64b,64c,・・・・・、このボディ領域64a,64b,64c,・・・・・の表面に選択的に配置された第1導電型の複数の第2主電極領域(ソース領域)63a,63b,63c,63d,・・・・・、ソース領域63a,63b,63c,63d,・・・・・の表面からドレイン領域11の方向に向かって掘られた複数のトレンチ、複数のトレンチの内壁に形成されたゲート酸化膜65、複数のトレンチを埋め込んでゲート酸化膜65の表面に配置されたゲート電極45a,45b,・・・・・、複数のトレンチの底部においてドリフト領域21の内部に設けられた複数個の第2導電型の深部膨張形拡散領域(電界緩和領域)66a,66b,・・・・・とから構成されている。本発明の第2及び第3の実施の形態と同様に、深部膨張形拡散領域66a,66b,・・・・・のそれぞれは、ドリフト領域21の表面からドレイン領域11に向かう深さ方向において、ドレイン領域11に近づくに従い、深さ方向に垂直方向の横方向の拡散幅が広くなるような形状を有する。複数の深部膨張形拡散領域66a,66b,・・・・・のそれぞれは、第1の不純物元素からなる上部領域、及びこの上部領域の下部に位置し、第1の不純物元素よりも広禁制帯幅材料中における拡散係数の大きな第2の不純物元素からなる下部領域とからなる。第4の実施の形態においては、第1導電型をn型、又第2導電型をp型を用いた場合について説明する。
【0076】
第1主電極領域(ドレイン領域)11には、ドレイン電極43が、第2主電極領域(ソース領域)63a,63b,63c,63d,・・・・・には、ソース電極41が、オーミック接触されている。ソース電極41は、ソース領域63a,63b,63c,63d,・・・・・とボディ領域64a,64b,64c,・・・・・とを短絡している。
【0077】
図15(l)に示す縦型UMOSFETは、以下の手順で製造可能である:
(イ)最初に、図12(a)に示すように、不純物濃度1×1019 cm-3、厚さ300μmのn型低抵抗SiC基板11上にエピタキシャル成長法により不純物濃度3×1015cm-3、厚さ10μmのn型エピタキシャル成長層(第1エピタキシャル成長層)21及び第1エピタキシャル成長層21の上の不純物濃度1×1016cm-3、厚さ3μmのp型第2エピタキシャル成長層55を形成する。但し、ここではn型不純物としては窒素を用いるが、別の不純物、例えば燐を用いても良い。又窒素と燐等の複数の不純物を同時に用いても良い。又p型不純物としてはボロンを用いたが、別の不純物、例えばアルミニウムを用いても良い。
【0078】
(ロ)次に、その第2エピタキシャル成長層55の表面に酸化膜76を堆積する。次に酸化膜76の上にレジスト(不図示)をスピン塗布し、フォトリソグラフィ技術により、レジストをパターニングする。次にパターニングされたレジストをエッチングマスクとして酸化膜76をパターニングする。その後、レジストを除去する。そして、パターニングされた酸化膜76をイオン注入マスクとして用い、燐を基板温度TSUB=700℃程度で加速エネルギーEACC=10〜200keV、総ドーズ量Φ=5×1015cm-2の条件で選択的に多段イオン注入する。
【0079】
(ハ)その後、酸化膜76を除去し、1600℃程度の活性化熱処理により表面から深さ約0.3μmの領域に不純物濃度1×1020cm-3のn型低抵抗領域57a,57b,・・・・・を形成する。その後、図12(c)に示すように、n型低抵抗領域57a,57b,・・・・・の上に酸化膜58を堆積する。
【0080】
(ニ)次に、酸化膜58の表面にレジスト59をスピン塗布し、フォトリソグラフィ技術により、図13(d)に示すように、レジスト59をパターニングする。そして、パターニングされたレジスト59をエッチングマスクとして用い、酸化膜58をパターニングする。そして、パターニングされた酸化膜58をエッチングマスクとして用い、図13(e)に示すように、RIE等によりp型第2エピタキシャル成長層55を貫通し、底部がn型第1エピタキシャル成長層21に達するトレンチ48a,48b,・・・・・を形成する。
【0081】
トレンチ48a,48b,・・・・・の形成により、n型低抵抗領域57a,57b,・・・・・は、ソース領域63a,63b,63c,63d,・・・・・に分割される。又、p型第2エピタキシャル成長層55は、p型ボディ領域64a,64b,64c,・・・・・に分割される。
【0082】
(ホ)そして、図13(f)に示すように、トレンチ48a,48b,・・・・・の内部に厚さ10nm程度の酸化膜65を形成する。
【0083】
(ヘ)そして、酸化膜58をイオン注入用マスクとして、図14(g)に示すように、トレンチ48a,48b,・・・・・底部に位置するn型第1エピタキシャル成長層21の深い位置に11+の選択イオン注入を行う(深部イオン注入工程)。11+の選択イオン注入は、酸化膜65をスルーして行う。この際、酸化膜58の表面に金属膜を真空蒸着法やスパッタリングにより堆積しておき、金属膜をパターニングしてイオン注入用マスクとしても良い。ここで、11+は、基板温度TSUB=室温〜700℃、ここでは500℃程度で加速エネルギーEACC=100〜400keV、総ドーズ量Φ=1.8×1013cm-2の多段注入する。この結果、表面からの深さ0.25〜0.8μmの領域に不純物濃度3×1017cm-3の注入層が形成される。
【0084】
(ト)更に、図14(h)に示すように、トレンチ底部に位置するn型第1エピタキシャル成長層21に対して、酸化膜58をイオン注入用マスクとして、11+の射影飛程よりも浅い位置に、27Al+の選択イオン注入を行う(浅部イオン注入工程)。27Al+の選択イオン注入は、酸化膜65をスルーして行う。27Al+は、基板温度TSUB=室温〜700℃、ここでは500℃程度で、加速エネルギーEACC=10〜150keV、総ドーズ量Φ=2×1013cm-2の多段注入する。この結果、表面から深さ0.25μmの領域に、不純物濃度1×1018cm-327Al+注入層が形成される。
【0085】
(チ)次に酸化膜58、65を除去した後、基板温度TSUB=1600℃程度の活性化熱処理により、図14(i)に示すように、選択的にp型深部膨張形拡散領域66a,66b,・・・・・を形成する。p型深部膨張形拡散領域66a,66b,・・・・・は、縦型UMOSFETのp型電界緩和領域である。p型電界緩和領域66a,66b,・・・・・の深い位置にアルミニウムと比較して数倍程度拡散係数が大きいボロンを意図的に注入しているため、第3の実施の形態と同様に活性化熱処理後にはp型電界緩和領域66a,66b,・・・・・の幅を基板内部に向かって効果的に拡げることが出来る。更にボロンを深い位置に注入した別の利点としては、アルミニウムと比較して質量が軽いため注入時の損傷をより軽減出来、その結果として逆方向電圧印加時の電界集中を大幅に抑制出来ることがあげられる。
【0086】
(リ)次に基板表面及びトレンチ48a,48b,・・・・・の内部に再度酸化膜58,65を形成する。その後トレンチ48a,48b,・・・・・の内部に燐を高濃度に添加したポリシリコンをCVD法で堆積する。そして、RIE、CDE等のドライエッチングを用いてトレンチ48a,48b,・・・・・の内部にのみ燐を高濃度に添加したポリシリコンを残し、それ以外(基板表面等)のポリシリコンを除去することにより、埋め込みゲート電極45a,45b,・・・・・を形成する。そして、酸化膜58の上に、図15(k)に示すように層間絶縁膜67をCVD法により堆積する。
【0087】
(ヌ)そして、この層間絶縁膜67の上にレジストをスピン塗布し、フォトリソグラフィ技術により、レジストをパターニングする。そして、パターニングされたレジストをエッチングマスクとして用い、層間絶縁膜67及び酸化膜58を選択的にエッチングし、ソースコンタクトホールを開口し、ソース領域63a,63b,63c,63d,・・・・・及びp型ボディ領域64a,64b,64c,・・・・・の一部を露出させる。ソースコンタクトホールは、その開口部の内部にソース領域63a,63b,63c,63d,・・・・・及びp型ボディ領域64a,64b,64c,・・・・・の両方を露出させるように開口される。層間絶縁膜67及び酸化膜58のエッチングは、RIEを用いて連続的に行えば良い。その後、ソースコンタクトホールの開口された、層間絶縁膜67及び酸化膜58の表面をレジストでカバーして、低抵抗SiC基板11の裏面の薄い酸化膜30を希釈したフッ酸(HF)若しくは緩衝HF等でエッチングする。n型低抵抗SiC基板11の裏面には、金属膜43としてNi膜を約1μmの厚さで蒸着し、ドレイン電極43を形成する。
【0088】
(ル)次に、図15(l)に示すように、n型ソース領域63a,63b,63c,63d,・・・・・の表面に金属膜として、Al膜を約1μmの厚さで蒸着する。金属膜として、Ti、Mo、等のメタル、又は各種のメタルシリサイドを使用しても良い。そして、金属膜の上にレジストをスピン塗布し、フォトリソグラフィ技術により、ソース領域63a,63b,63c,63d,・・・・・の上部にレジストが残るように、レジストをパターニングする。そして、パターニングされたレジストをエッチングマスクとして用い、金属膜をエッチングし、図15(l)に示すような金属膜をソース領域63a,63b,63c,63d,・・・・・の上部に選択的に残し、ソース電極41をパターニングする。尚、パワーデバイスの場合は、ソース電極41を全面に形成し、パターニングしなくても良い場合がある。そして、基板温度TSUB=800〜1100℃、例えば950℃で5分程度シンター処理し、ソース電極41、ドレイン電極43、ゲート電極45a,45bのオーミック接触を良好なものにする。これで、縦型UMOSFETの概略工程は、終了する。
【0089】
上記のように製造された縦型UMOSFETでは、p型電界緩和領域66a,66b,・・・・・の底部側端部における絶縁膜の電界強度が大幅に緩和され、より高い耐圧を実現することが出来る。それは本発明の第4の実施の形態に係るp型電界緩和領域66a,66b,・・・・・により、電圧が均等に分担されるためである。p型電界緩和領域66a,66b,・・・・・のない場合には耐圧700〜900V程度であるのに対し、p型電界緩和領域66a,66b,・・・・・のある場合には1000〜1200V程度と大幅に増大し、又p型電界緩和領域66a,66b,・・・・・への電界集中が顕著に改善されるためデバイスの信頼性も向上する。
【0090】
<第4の実施の形態の変形例>
図18(l)は本発明の第4の実施の形態の変形例に係る縦型UMOSFETの断面図である。図18(l)と図15(l)に示す構造の異なる点は、図18(l)に示す構造は図15(l)に示す構造に、第2導電型(p型)の電界緩和領域69a,69b,69c,・・・・・を設けた点である。電界緩和領域69a,69b,69c,・・・・・は、厚さが0.5μm程度であり、表面不純物濃度が1017から1018cm-3程度のp型領域(第2導電型)である。
【0091】
図18(l)に示す縦型UMOSFETは、以下の手順で製造可能である:
(イ)最初に、不純物濃度1×1019 cm-3、厚さ300μmのn型低抵抗SiC基板11上にエピタキシャル成長法により不純物濃度3×1015cm-3、厚さ10μmのn型エピタキシャル成長層(第1エピタキシャル成長層)21を成長する。この後、エピタキシャル成長炉より、SiC基板11を取り出し、第1エピタキシャル成長層21の上に、酸化膜(不図示)を形成する。次に酸化膜の上にレジスト(不図示)をスピン塗布し、フォトリソグラフィ技術により、レジストをパターニングする。そして、パターニングされたレジストをエッチングマスクとして用い、RIE等により酸化膜68をパターニングする。次にレジストを除去した後、図16(a)に示すように、11+の選択イオン注入を行う(深部イオン注入工程)。ここで、11+は、基板温度TSUB=室温〜700℃、ここでは500℃程度で加速エネルギーEACC=50〜200keV、総ドーズ量Φ=1.8×1013cm-2の多段注入する。更に、図16(b)に示すように、n型第1エピタキシャル成長層21に対して、酸化膜68をイオン注入用マスクとして、11+の射影飛程よりも浅い位置に、27Al+の選択イオン注入を行う(浅部イオン注入工程)。27Al+は、基板温度TSUB=室温〜700℃、ここでは500℃程度で、加速エネルギーEACC=5〜70keV、総ドーズ量Φ=2×1013cm-2の多段注入する。
【0092】
(ロ)その後、表面の酸化膜68を除去し、基板温度TSUB=1600℃程度の活性化熱処理により、図16(c)に示すように、選択的にp型深部膨張形拡散領域69a,69b,69c,・・・・・を形成する。この後、第1エピタキシャル成長層21の上に、図16(c)に示すように、不純物濃度1×1016cm-3、厚さ3μmのp型第2エピタキシャル成長層55を形成する。
【0093】
(ハ)これ以後の製造工程は、前述した図12(b)〜図15(l)に示す工程と基本的に同じである。例えば図17(g),(h),(i)は、それぞれ図14(g),(h),(i)に対応する。又、図18(j),(k),(l)は、それぞれ図15(j),(k),(l)に対応する。したがって、ここでは重複した説明を省略する。
【0094】
上記のように第4の実施の形態の変形例に係る縦型UMOSFETでは深部膨張形のp型電界緩和領域66a,66b,・・・・・により電圧が均等に分担されるのに加えて、更に同じく深部膨張形の電界緩和領域69a,69b,69c,・・・・・によっても電圧が同じく均等に分担されるため、ゲート絶縁膜の電圧分担が非常に小さくなりゲート酸化膜65への電界集中が更に顕著に緩和される。それは、深部膨張形の電界緩和領域69a,69b,69c,・・・・・と第1エピタキシャル成長層21との接合部から拡がる空乏層と、同じく深部膨張形のp型電界緩和領域66a,66b,・・・・・と第1エピタキシャル成長層21との接合部から拡がる空乏層とが結合し、その結果ドレイン・ソース電極間に印加された電圧が上記の結合した空乏層によって均等に分担されるためである。
【0095】
具体的には第4の実施の形態の変形例に係る上記の構成でp型電界緩和領域69a,69b,69c,・・・・・のない場合には耐圧1000〜1200V程度であるのに対し、深部膨張形のp型電界緩和領域66a,66b,・・・・・がある場合には耐圧1150〜1350V程度と大幅に増大し、又ゲート酸化膜65への電界集中が更に改善されるためデバイスの信頼性も顕著に向上した。
【0096】
(第5の実施の形態)
図20(f)に示すように、本発明の第5の実施の形態に係る表面ゲート型バイポーラモードSIT(BSIT)は、第1導電型の第1主電極領域(ドレイン領域)11、このドレイン領域11の上部に設けられた広禁制帯幅材料からなる第1導電型のドリフト領域(n型エピタキシャル成長層)21、このドリフト領域21の内部に設けられた複数個の第2導電型の深部膨張形拡散領域(ゲート領域)25a,25b,・・・・・、複数個の深部膨張形拡散領域25a,25b,・・・・・に挟まれた第2導電型のベース領域72、ベース領域72の内部の表面近傍に設けられた第1導電型の第2主電極領域(ソース領域)35とから構成されている。ベース領域72の不純物濃度を深部膨張形拡散領域25a,25b,・・・・・よりも十分に低く設定し、ドレイン領域11とソース領域35との間は、ほとんどパンチングスルーしかけた状態となっている。しかし、ゲート領域25a,25b,・・・・・に電圧を印加しない状態で、電子に対する電位障壁の高さが十分に高いので、ドレイン電流は流れず、表面ゲート型BSITはノーマリーオフ特性を示す。ゲート領域25a,25b,・・・・・に、ビルトイン電圧以下の電圧を印加すれば、電子に対する電位障壁の高さが静電誘導効果で下がり、表面ゲート型BSITのドレイン電流が流れ始める。
【0097】
第2の実施の形態に係る表面ゲート型SITと同様に、表面ゲート型BSITノ深部膨張形拡散領域25a,25b,・・・・・のそれぞれは、ドリフト領域21の表面からドレイン領域11に近づくに従い、水平方向断面積が次第に広くなるような3次元形状を有する。第5の実施の形態においては、第1導電型としてn型を、又第2導電型としてp型を用いた場合について説明する。第1主電極領域(ドレイン領域)11には、ドレイン電極43が、第2主電極領域(ソース領域)35には、ソース電極41が、オーミック接触されている。更に、深部膨張形拡散領域(ゲート領域)25a,25b,・・・・・のそれぞれには、ゲート電極45a,45bがオーミック接触されている。
【0098】
図20(f)に示す表面ゲート型BSITは、以下の手順で製造可能である:
(イ)最初に、不純物濃度1×1019 cm-3、厚さ300μmのn型低抵抗SiC基板11上にエピタキシャル成長法により不純物濃度3×1015cm-3、厚さ10μmのn型エピタキシャル成長層21を形成する。但し、ここではn型不純物としては窒素を用いるが、別の不純物、例えば燐を用いても良い。次に、そのn型エピタキシャル成長層21の表面に金属膜を真空蒸着法やスパッタリングにより堆積する。金属膜として、例えばMoが使用可能である。そして、金属膜の上にレジストをスピン塗布し、フォトリソグラフィ技術により、レジストをパターニングする。そして、パターニングされたレジストをエッチングマスクとして用い、金属膜をパターニングし、イオン注入用マスクを形成する。そして、第2の実施の形態と同様に、n型エピタキシャル成長層21の表面からイオン注入用マスクを介して、深い位置に11+の選択イオン注入を行う(深部イオン注入工程)。ここで、11+は、基板温度TSUB=室温〜700℃、ここでは500℃程度で加速エネルギーEACC=100〜400keV、総ドーズ量Φ=6×1014cm-2の多段注入する。この結果、表面からの深さ0.25〜0.8μmの領域に不純物濃度1×1019cm-3の注入層が形成される。更に、n型エピタキシャル成長層21の表面からイオン注入用マスクをマスクとして11+の射影飛程よりも浅い位置に、27Al+の選択イオン注入を行う(浅部イオン注入工程)。27Al+は、基板温度TSUB=室温〜700℃、ここでは500℃程度で、加速エネルギーEACC=10〜150keV、総ドーズ量Φ=2×1016cm-2の多段注入する。この結果、表面から深さ0.25μmの領域に、不純物濃度1×1020cm-327Al+注入層が形成される。その後、イオン注入用マスクの金属膜を除去し、基板温度TSUB=1600℃程度の活性化熱処理により、図19(a)に示すように、選択的にp型深部膨張形拡散領域25a,25b,・・・・・を形成する。p型深部膨張形拡散領域25a,25b,・・・・・は、表面ゲート型BSITのゲート領域である。このとき深部膨張形拡散領域25a,25b,・・・・・のそれぞれの幅は約2μmである。又、一対の型深部膨張形拡散領域25aと深部膨張形拡散領域25bに挟まれるチャネルの幅は表面付近で約1μmになるようにする。ここでは、ボロンとアルミニウムについて上記のようなイオン注入の条件を用いたが、更にゲートによるピンチオフを効果的に行うために加速エネルギーEACCとドーズ量Φを適当に調節してp型深部膨張形拡散領域25a,25b,・・・・・を図30に示すように略台形に形成することも可能である。上述したようにp型低抵抗領域の深い位置にアルミニウムと比較して数倍程度拡散係数が大きいボロンを意図的に注入しているため、図19(b)に示すように活性化熱処理後にはゲート領域25a,25b,・・・・・の幅を基板内部に向かって効果的に拡がることが出来る。更にボロンを深い位置に注入した別の利点としては、アルミニウムと比較して質量が軽いため注入時の損傷をより軽減出来、その結果としてピンチオフ時のリーク電流を大幅に抑制出来ることがあげられる。
【0099】
(ロ)次にn型エピタキシャル成長層21の表面の全面に、図19(a)に示すように、ボロンを加速エネルギーEACC=10〜200keV、総ドーズ量Φ=5×1012cm-2の条件で多段イオン注入する。イオン注入用マスクを形成し、ゲート領域25a,25b,・・・・・には、イオン注入されないような選択イオン注入をしても良い。
【0100】
(ハ)ボロンのイオン注入後、1600℃程度の活性化熱処理を施し、図19(b)に示すように、n型エピタキシャル成長層21の表面から深さ約0.5μmの位置及んで、不純物濃度1×1017cm-3のp型ベース領域72を形成する。次にn型エピタキシャル成長層21の表面に、多結晶シリコンをCVD法で堆積する。そして、この多結晶シリコンを熱酸化することにより、図19(b)に示すように、n型エピタキシャル成長層21の表面に、酸化膜91を形成する。この多結晶シリコンを熱酸化の際に、低抵抗SiC基板11の裏面にも、薄い酸化膜30が形成される。又酸化膜の形成法としては、上記以外にSiH4及びN2O等を用いたCVD法で堆積してもよい。
【0101】
(ニ)更に、酸化膜91の表面に第2金属膜32を真空蒸着法やスパッタリングにより堆積する。第2金属膜32として、例えばMoが使用可能である。そして、第2金属膜32の上にレジスト33をスピン塗布する。そして、フォトリソグラフィ技術により、レジスト33を、図19(c)に示すようにパターニングする。そして、パターニングされたレジスト33をエッチングマスクとして用い、第2金属膜32をRIEでエッチングし、図20(d)に示すようなイオン注入用第2マスク32Mを形成する。第2金属膜32のRIEに続き、その下地の酸化膜91もRIEで選択的に除去し、n型エピタキシャル成長層21の表面の一部を露出させる。そして、イオン注入用第2マスク32Mを介して、図20(d)に示すように、基板温度TSUB=700℃程度で、31+を加速エネルギーEACC=10〜200keV、総ドーズ量Φ=5×1015 cm-2の条件で選択的に多段イオン注入する。その後、イオン注入用第2マスク32M及び酸化膜91を除去後、基板温度TSUB=1600℃程度の活性化熱処理により、図20(e)に示すように、表面から深さ約0.3μmの領域に不純物濃度1×1020 cm-3のn型ソース領域35を形成する。
【0102】
(ホ)次に、基板表面に再度酸化膜31をCVD法等により形成した後、上記の記述と同様にパターニングされたレジストをエッチングマスクとしてRIE等を用いて酸化膜31をパターニングする。その後レジストを除去し、パターニングされた酸化膜31の開口部をソースコンタクトホールとして利用する。その後、ソースコンタクトホールの開口された酸化膜31の表面をレジストでカバーして、低抵抗SiC基板11の裏面の薄い酸化膜30を希釈したフッ酸(HF)若しくは緩衝HF等でエッチングする。n型低抵抗SiC基板11の裏面には、第3金属膜43としてNi膜を約1μmの厚さで蒸着し、ドレイン電極43を形成する。次に、n型ソース領域35の表面に第4金属膜として、Al膜を約1μmの厚さで蒸着する。そして、第4金属膜の上にレジストをスピン塗布する。そして、フォトリソグラフィ技術により、ソース領域35の上部にレジストが残るように、レジストをパターニングする。そして、パターニングされたレジストをエッチングマスクとして用い、第4金属膜をエッチングし、図20(f)に示すような第4金属膜をソース領域35の上部に選択的に残し、ソース電極41を形成する。次に、ソース電極41及びソース電極41から露出した酸化膜31の上にレジストをスピン塗布する。そして、フォトリソグラフィ技術により、深部膨張形拡散領域(ゲート領域)25a,25b,・・・・・のそれぞれの上部に開口部を有するようにレジストをパターニングする。そして、パターニングされたレジストをエッチングマスクとして用い、酸化膜31を選択的にエッチングし、ゲート領域25a,25b,・・・・・の表面を露出させ、図20(f)に示すようなゲートコンタクトホールを開口する。その後、表面の全面にTi膜を約200nm、Al膜を約1μmの厚さで順次蒸着する。このAl膜の上にレジストをスピン塗布し、フォトリソグラフィ技術により、深部膨張形拡散領域(ゲート領域)25a,25b,・・・・・のそれぞれの上部にレジストを残すようにパターニングする。そして、パターニングされたレジストをエッチングマスクとして用い、図20(f)に示すようにAl膜、Ti膜を順次RIEで選択的にエッチングし、ゲート電極45a,45bのパターンを形成する。その後、基板温度TSUB=800〜1150℃、例えば950℃で5分程度シンター処理し、ソース電極41、ドレイン電極43ゲート電極45a,45bのオーミック接触を良好なものにする。これで、表面ゲート型BSITの概略工程は、終了する。
【0103】
以上のように製造した表面ゲート型BSITの電気的特性を評価した結果は、以下の通りである。耐圧1000Vの表面ゲート型BSITで、ゲート電圧−10V及びドレイン電圧600V印加時のリーク電流は1×10-6A/cm2 、又オン抵抗は18mΩcm2 となった。一方従来技術によるSiC表面ゲート型BSITでは同じ耐圧1000Vで比較すると、オン抵抗は26mΩcm2 前後となる。従って、第5の実施の形態に係る表面ゲート型BSITでは約8mΩcm2 のオン抵抗の低減が得られることになる。
【0104】
ここで、第5の実施の形態によりオン抵抗を約8mΩcm2 低減出来た理由は、p型深部膨張形拡散領域25a,25b,・・・・・とn型エピタキシャル成長層21の間のpn接合からn型エピタキシャル成長層21へ拡がる空乏層によって生じる寄生抵抗を約8mΩcm2 低減されたことによるものである。従って図20(f)に示す構成をとることにより、ゲート領域25a,25b,・・・・・の幅を基板内部に向かって効果的に拡げることが出来る。又質量の軽いボロンの方を深い位置に注入しているため注入時の損傷を大幅に軽減出来、その結果表面ゲート型BSITにおいて耐圧、漏れ電流等のゲート耐圧特性を損なうことなく、順方向の抵抗を十分に引き下げることが出来る。又、第5の実施の形態ではp型ベース領域72を設けることにより、ノーマーリーオフ型の表面ゲート型BSITを実現している。
【0105】
又、図21に示すように、n型ソース領域35とp型ベース領域72との間に低不純物濃度のn型領域73を設けても良い。
【0106】
更に、第5の実施の形態に係る発明は、図22に示すバイポーラトランジスタ(BJT)にも適用出来る。本発明の第5の実施の形態の変形例(第2の変形例)に係るBJTは、SiC基板からなる第1主電極領域(コレクタ領域)81、この第1主電極領域81の上部に設けられた広禁制帯幅材料からなる第1導電型のドリフト領域(n型エピタキシャル成長層)21、このドリフト領域21の内部に設けられた複数個の第2導電型の深部膨張形拡散領域82a,82b,・・・・・、複数個の深部膨張形拡散領域82a,82b,・・・・・に挟まれたp型ベース領域83、p型ベース領域83の内部に設けられた第1導電型の第2主電極領域(エミッタ領域)84とから構成されている。
【0107】
図20(f)に示すBSITにおいては、ベース領域72の不純物濃度は、深部膨張形拡散領域25a,25b,・・・・・よりも十分に低く設定され、ドレイン領域11とソース領域35との間は、ほとんどパンチングスルーしかけた状態となっている。しかし、図22に示すBJTにおいては、p型ベース領域83の不純物濃度はベース領域72よりも高く設定されている。例えば、p型ベース領域83の不純物濃度は、1×1018cm-3〜1×1019cm-3程度に設定されている。このため、コレクタ領域81とエミッタ領域84との間には、中性のp型ベース領域83が残り、コレクタ領域81に印加されるコレクタ電圧が、エミッタ領域84側に影響を与えにくくなっている。
【0108】
深部膨張形拡散領域82a,82b,・・・・・のそれぞれは、ドリフト領域21の表面から第1主電極領域81に近づくに従い、水平方向断面積が次第に広くなるような3次元形状を有する。この場合p型深部膨張形拡散領域82a,82b,・・・・はBJTの外部ベース領域(ベース電極取り出し領域)として機能する。コレクタ領域81には、コレクタ電極87が、エミッタ領域84には、エミッタ電極86が、がそれぞれオーミック接触している。又、ベース電極取り出し領域82a,82b,・・・・・にはAl/Ti複合膜からなるベース電極85がオーミック接触している。図22に示すBJTでは、p型深部膨張形拡散領域82a,82b,・・・・が基板内部に向かって効果的に拡がっているため内部ベースのp型ベース領域72とは低抵抗に接続され、その結果ベース抵抗を大幅に削減することが出来る。即ちBJTの高周波化が可能となる。又バイポーラデバイスであるため導電変調を利用出来、オン抵抗を更に低減することが可能となる。
【0109】
(第6の実施の形態)
本発明の第2〜第5の実施の形態で述べた半導体装置の製造方法は、静電誘導サイリスタ(SIサイリスタ)にも適用出来る。SIサイリスタの場合、図5(i)に示す表面ゲート型SITの構造においてn型低抵抗SiC基板11の導電型を、図23に示すように、p型低抵抗SiC基板51にすれば良い。
【0110】
即ち、本発明の第6の実施の形態に係るSIサイリスタは、図23に示すように、第1主電極領域51、この第1主電極領域51の上部に設けられた広禁制帯幅材料からなる第1導電型のドリフト領域21、このドリフト領域21の内部に設けられた複数個の第2導電型の深部膨張形拡散領域25a,25b,・・・・・、複数個の深部膨張形拡散領域25a,25b,・・・・・に挟まれてドリフト領域21の内部に設けられた第1導電型の第2主電極領域53とから構成されている。本発明の第1の実施の形態と同様に、深部膨張形拡散領域25a,25b,・・・・・のそれぞれは、ドリフト領域21の表面から第1主電極領域51に近づくに従い、水平方向断面積が次第に広くなるような3次元形状を有する。この深部膨張形拡散領域25a,25b,・・・・・のそれぞれは、第1及び第2主電極領域53間を流れる電流を制御する制御電極領域(ゲート領域25a,25b,・・・・・)として機能する。第1主電極領域51は、SIサイリスタのアノード領域として機能する。第2主電極領域53は、SIサイリスタのカソード領域として機能する。複数の深部膨張形拡散領域25a,25b,・・・・・のそれぞれは、第1の不純物元素からなる上部領域、及びこの上部領域の下部に位置し、第1の不純物元素よりも広禁制帯幅材料中における拡散係数の大きな第2の不純物元素からなる下部領域とからなる。
【0111】
第1主電極領域(アノード領域)51には、アノード電極52が、第2主電極領域(カソード領域)53には、カソード電極54が、オーミック接触されている。更に、深部膨張形拡散領域(ゲート領域)25a,25b,・・・・・のそれぞれには、ゲート電極45a,45bがオーミック接触されている。
【0112】
SIサイリスタにおいては、カソード・アノード間ポテンシャルと、ゲート電圧によるチャネル中のポテンシャルの2次元空間における鞍部点である電位障壁(ポテンシャル)の高さがアノード電圧及びゲート電圧で制御される。電位障壁(ポテンシャル)は、深部膨張形拡散領域(ゲート領域)25a,25b,・・・・・のポテンシャルの影響を受けて、第2主電極領域(カソード領域)35の前面に形成される。電位障壁(ポテンシャル)の高さに依存してアノード電流が流れる。このSIサイリスタのターンオンは、深部膨張形拡散領域(ゲート領域)25a,25b,・・・・・正の電位を印加してドリフト領域21中に形成される電位障壁の高さを容量結合(静電誘導効果)で下げることにより実現される。即ち、電位障壁の高さが低くなることにより、第2主電極領域(カソード領域)35から、ドリフト領域21に電子が注入される。この注入された電子は、第1主電極領域(アノード領域)51の前面に蓄積され、第1主電極領域(アノード領域)51からの正孔(ホール)の注入を促進する。即ち、大量の電子及び正孔(ホール)が瞬時に流れ始める。ターンオフは、深部膨張形拡散領域(ゲート領域)25a,25b,・・・・・負の電位若しくはゼロの電位を印加して、第2主電極領域(カソード領域)35から、ドリフト領域21に注入される電子を阻止することから開始する。
【0113】
ノーマリオフ型のSIサイリスタであれば、深部膨張形拡散領域(ゲート領域)25a,25b,・・・・・ゼロの電位を印加して、第2主電極領域(カソード領域)35から、ドリフト領域21に注入される電子が阻止される。ノーマリオン型のSIサイリスタであれば、深部膨張形拡散領域(ゲート領域)25a,25b,・・・・・負の電位を印加して、電位障壁(ポテンシャル)の高さを高くし、第2主電極領域(カソード領域)35から、ドリフト領域21に注入される電子を阻止する。但し、第1主電極領域(アノード領域)51の前面に蓄積された電子が、再結合等で消滅しない限り、第1主電極領域(アノード領域)51からの正孔(ホール)の注入があるので、テイル電流が存在する。
【0114】
SIサイリスタの場合も、一定のピンチオフ特性で比較すれば、カソード面積を相対的に増大出来る。したがって、同じ耐圧で、より低いオン抵抗が得られる。
【0115】
つまり、SITと同様に、SIサイリスタの場合も、耐圧、漏れ電流等のゲート耐圧特性を損なうことなく、順方向損失を十分に引き下げることが出来、高効率スイッチングが可能となる。
【0116】
本発明の第6の実施の形態に係るSIサイリスタの製造方法は、図3〜図5を用いて説明した表面ゲート型SITの製造方法で、n型低抵抗SiC基板11の導電型を、図23に示すように、p型低抵抗SiC基板51に変更すれば、他は基本的に同様である。したがって、重複した説明を省略する。
【0117】
図24は、本発明の第6の実施の形態の変形例(第1の変形例)に係る半導体装置の断面図である。図24に示すアノードショート型SIサイリスタでは、 アノード領域は分割され、複数の分割アノード領域62a,62b,62c,・・・・・となり、その間にn型のショート領域61a,61b,・・・・・が形成されたSIアノードショート構造となっている。そして、分割アノード領域62a,62b,62c,・・・・・が、ゲート領域25a,25b,・・・・・と同様な深部膨張形拡散領域の構造をなしている。この場合、分割アノード領域62a,62b,62c,・・・・・とショート領域61a,61bとのポテンシャルにより電子をショート領域61a,61bに掃引することが出来る。したがって、ターンオフ時のテイル電流が小さくなり、高速スイッチングが可能である。尚、分割アノード領域62a,62b,62c,・・・・・のピッチは電子の拡散長の2倍以下に選べば良い。
図24に示す深部膨張形拡散領域の構造をなす複数の分割アノード領域62a,62b,62c,・・・・・を用いることで、アノード領域の実効的な面積を大きくしつつ、有効に、アノード領域の全面に蓄積される電子を、ショート領域61a,61b,・・・・・を用いて引き抜くことが可能になる。このため、オン抵抗を増大しないで、テイル電流を抑制出来る。したがって、低いオン電圧と、高速ターンオフ特性を同時に奏するアノードショート型SIサイリスタが得られる。
【0118】
図25は、本発明の第6の実施の形態の変形例(第2の変形例)に係る半導体装置の断面図である。図25に示す切り込みゲート型SIサイリスタは、図28(i)に示した第3の実施の形態に係る切り込みゲート型SITの 抵抗SiC基板11の導電型をp型にした構造に対応する。
【0119】
図26は、本発明の第6の実施の形態の変形例(第3の変形例)に係る半導体装置の断面図である。図26に示すノーマリオフ型SIサイリスタでは、 図20(f)に示した第5の実施の形態に係るBSITの 抵抗SiC基板11の導電型をp型にした構造に対応する。
(第7の実施の形態)
図27は本発明の第7の実施の形態に係る横型UMOSFET(ラテラルUMOSFET)の断面図である。第7の実施の形態に係る横型UMOSFETと第4の実施の形態に係る縦型UMOSFETとの異なる点は、ドレイン電極90を基板裏面にではなく第1エピタキシャル成長層21の表面に形成している点である。
【0120】
第7の実施の形態では、第4の実施の形態で第1エピタキシャル成長層21上にエピタキシャル法により形成されたp型第2エピタキシャル成長層55の代わりに、第1エピタキシャル成長層21上に一定の領域をもつ例えばストライプ状のp型ボディ領域64a,64b,64c,・・・・・をボロン或いはアルミニウム又はその両方を用いて選択イオン注入により形成する。次に第1エピタキシャル成長層21上でp型ボディ領域64a,64b,64c,・・・・・から一定距離はなれた場所にn型ドレイン領域89を形成する。次にp型ボディ領域64a,64b,64c,・・・・・とn型ドレイン領域89との間に1個又はそれ以上のp型電界緩和領域64d,64e,・・・・・をp型ボディ領域64a,64b,64c,・・・・・に並行して設けている。このp型電界緩和領域64d,64e,・・・・・は、p型ボディ領域64a,64b,64c,・・・・・端部の電界集中を緩和するものである。次にn型ドレイン領域89の上にドレイン電極90を形成する。ここでドレイン電極90はゲート電極45a,45b,・・・・・から所定の距離を隔てて、ゲート電極45a,45b,・・・・・に並行して形成することが望ましい。上記の各工程以外の構造は、図15(l)に示す第4の実施の形態に係る縦型UMOSFETと基本的に同じである。以上で横型UMOSFETを完成する。
【0121】
横型UMOSFETでは、ソース電極41a,41b,41c,・・・・・とドレイン電極90が同じ面に設けられているため、モノリシックICとして同一半導体チップ上に集積化するのが容易である。又、ハイブリッドIC等に組み込んで用いる場合にも配線作業が簡単となる。又ドレイン電極90が個々の半導体装置に設けられているため、表面配線や接続の自由度が増すことになり、設計が容易になる。
【0122】
第7の実施の形態に示したn型ドレイン領域8及びドレイン電極90の構成は図18(l)に示す第4の実施の形態の変形例の構成に対しても同様に適用可能である。
【0123】
(第8の実施の形態)
図28は、補助素子2としての第1の実施の形態に係るJBSダイオードと主素子1としての第6の実施の形態に係るアノードショート型SIサイリスタとを同一半導体チップ上に配置した半導体集積回路である。第8の実施の形態に係る半導体集積回路の製造工程は、第1及び第6の実施の形態の実施の形態で詳しく説明した通りであり、ここでは省略する。
【0124】
第8の実施の形態に係る半導体集積回路においては、補助素子2としてのJBSダイオードと主素子1としてのアノードショート型SIサイリスタとで、単位セルが構成されている。アノードショート型SIサイリスタは、逆導通型SIサイリスタであり、JBSダイオードは、逆導通型SIサイリスタに並列接続されたフリーホイールダイオードとして機能する。即ち、逆導通型SIサイリスタとフリーホイールダイオードの並列接続構造を単位セルとし、これら単位セルがストライプ状に、n型ドリフト領域21内に周期的にマルチチャネル構造で形成されている。
【0125】
ここで各単位セルのp型ゲート領域25a,25b,・・・・・は、アノードショート型SIサイリスタ領域を形成するp型ゲート領域25a,25b,・・・・・として機能するとともに、JBSダイオードのガードリングとしても機能する。従ってアノードショート型SIサイリスタとJBSダイオードとをそれぞれ独立に形成した場合に比較して素子全体の面積を縮小することが出来、素子電流密度を向上させることが出来る。
【0126】
(その他の実施の形態)
上記のように、本発明は第1〜第8の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【0127】
第1の実施の形態において、深部膨張形拡散領域18a,18bを図29に示すように略台形に形成すれば、更に逆方向のリーク電流を低減することが出来る。台形に形成するためには、加速エネルギーEACCとドーズ量Φを調節すれば良い。いずれにせよ、深部膨張形拡散領域18a,18bの深い位置に、アルミニウムと比較して数倍程度拡散係数が大きいボロンを意図的に注入しているため、イオン注入後の活性化熱処理後には、深部膨張形拡散領域18a,18bの幅を基板内部に向かって効果的に拡げることが出来る。更にボロンを深い位置に注入した別の利点としては、アルミニウムと比較して質量が軽いため注入時の損傷をより軽減出来、その結果としてピンチオフ時のリーク電流を大幅に抑制出来ることがあげられる。
【0128】
既に述べた第1〜第8の実施の形態の説明においては、第1導電型としてn型を、又第2導電型としてp型を用いた場合を説明したが、導電型を全く反対にしても良いことは勿論である。
【0129】
第1〜第8の実施の形態においては、SiCについて例示的に説明したが、禁制帯幅Eg=約2.2eVのZnTe、禁制帯幅Eg=約2.4eVのCdS、禁制帯幅Eg=約2.7eVのZnSe、禁制帯幅Eg=約3.4eVのGaN、禁制帯幅Eg=約3.7eVのZnS、及び禁制帯幅Eg=約5.5eVのダイアモンド等ワイドバンドギャップ半導体にも、同様に適用可能である。
【0130】
又、本発明は第1〜第8の実施の形態においてそれぞれ説明したJBSダイオード、表面ゲート型SIT、切り込みゲート型SIT、縦型UMOSFET、BSIT、SIサイリスタ、横型UMOSFET、集積回路に限られたわけではなく、エミッタスイッチドサイリスタ(EST)等のMOS複合デバイスを含めた種々の他の半導体装置にも応用出来るものである。又、第4の実施の形態で説明した図15(l)及び図18(l)の縦型UMOSの構造において、n型低抵抗SiC基板11をp型低抵抗SiC基板に置き換えれば、トレンチ型のIGBTとして機能する。又、第7の実施の形態で説明した図27の横型UMOSの構造において、n型ドレイン領域89をp型コレクタ領域に置き換えれば、横型のIGBTとして機能する。更に、第5の実施の形態で説明した図20(f)及び図22のBSITやBJTの構造において、n型低抵抗SiC基板11をp型低抵抗SiC基板に置き換えれば、ノーマリオフ型SIサイリスタやGTOサイリスタとして機能する。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して、種々の他の半導体装置にも応用出来る。
【0131】
既に述べた第1〜第8の実施の形態の説明においては、トレンチ或いは表面に形成する絶縁膜として酸化膜を用いたが、これ以外に酸化タンタル(Ta25)、窒化珪素(Si34)や窒化アルミニウム(AlN)といった他の絶縁膜を用いても良い。
【0132】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【0133】
【発明の効果】
本発明の第1の特徴によれば、耐圧、漏れ電流等の逆方向特性を損なうことなく、順方向の抵抗を十分に引き下げることが出来る。
【0134】
本発明の第2の特徴によれば、半導体装置の制御電極領域に係る耐圧特性を損なうことなく、順方向の抵抗を十分に引き下げることが出来る。
【0135】
本発明の第3の特徴によれば、深部膨張形拡散領域が、トレンチの底部近傍におけるゲート絶縁膜の電界強度を大幅に緩和し、より高い耐圧の絶縁ゲート型半導体装置を実現することが出来る。
【0136】
本発明の第4の特徴によれば、第3の特徴と同様に、より高い耐圧の横型絶縁ゲート型半導体装置を実現することが出来る。又、第1及び第2主電極領域が、同じ側の面に設けられているため、集積化が容易である。
【0137】
本発明の第5の特徴に係る半導体装置の製造方法によれば、第1〜第4の特徴に係る半導体装置が簡単に製造出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係わるJBSダイオードの製造工程を説明するための工程断面図である(その1)。
【図2】本発明の第1の実施の形態に係わるJBSダイオードの製造工程を説明するための工程断面図である(その2)。
【図3】本発明の第2の実施の形態に係わる表面ゲート型SITの製造工程を説明するための工程断面図である(その1)。
【図4】本発明の第2の実施の形態に係わる表面ゲート型SITの製造工程を説明するための工程断面図である(その2)。
【図5】本発明の第2の実施の形態に係わる表面ゲート型SITの製造工程を説明するための工程断面図である(その3)。
【図6】本発明の第3の実施の形態に係わる切り込みゲート型SITの製造工程を説明するための工程断面図である(その1)。
【図7】本発明の第3の実施の形態に係わる切り込みゲート型SITの製造工程を説明するための工程断面図である(その2)。
【図8】本発明の第3の実施の形態に係わる切り込みゲート型SITの製造工程を説明するための工程断面図である(その3)。
【図9】本発明の第3の実施の形態の変形例に係わるトレンチ側壁ゲート型SITの製造工程を説明するための工程断面図である(その1)。
【図10】本発明の第3の実施の形態の変形例に係わるトレンチ側壁ゲート型SITの製造工程を説明するための工程断面図である(その2)。
【図11】本発明の第3の実施の形態の変形例に係わるトレンチ側壁ゲート型SITの製造工程を説明するための工程断面図である(その3)。
【図12】本発明の第4の実施の形態に係わる縦型UMOSFETの製造工程を説明するための工程断面図である(その1)。
【図13】本発明の第4の実施の形態に係わる縦型UMOSFETの製造工程を説明するための工程断面図である(その2)。
【図14】本発明の第4の実施の形態に係わる縦型UMOSFETの製造工程を説明するための工程断面図である(その3)。
【図15】本発明の第4の実施の形態に係わる縦型UMOSFETの製造工程を説明するための工程断面図である(その4)。
【図16】本発明の第4の実施の形態の変形例に係わる縦型UMOSFETの製造工程を説明するための工程断面図である(その1)。
【図17】本発明の第4の実施の形態の変形例に係わる縦型UMOSFETの製造工程を説明するための工程断面図である(その2)。
【図18】本発明の第4の実施の形態の変形例に係わる縦型UMOSFETの製造工程を説明するための工程断面図である(その3)。
【図19】本発明の第4の実施の形態に係わるBSITの製造工程を説明するための工程断面図である(その1)。
【図20】本発明の第4の実施の形態に係わるBSITの製造工程を説明するための工程断面図である(その2)。
【図21】本発明の第4の実施の形態の変形例(第1の変形例)に係わるBSITの構造を説明するための断面図である。
【図22】本発明の第4の実施の形態の他の変形例(第2の変形例)に係わるBSITの構造を説明するための断面図である。
【図23】本発明の第6の実施の形態に係わるSIサイリスタの構造を説明するための模式的な断面図である。
【図24】本発明の第6の実施の形態の変形例(第1の変形例)に係わるSIサイリスタの構造を説明するための模式的な断面図である。
【図25】本発明の第6の実施の形態の他の変形例(第2の変形例)に係わるSIサイリスタの構造を説明するための模式的な断面図である。
【図26】本発明の第6の実施の形態の更に他の変形例(第3の変形例)に係わるSIサイリスタの模式的な断面図である。
【図27】本発明の第7の実施の形態に係わる横型UMOSの構造を説明するための模式的な断面図である。
【図28】本発明の第8の実施の形態に係わる半導体集積回路の構造を説明するための模式的な断面図である。
【図29】本発明の他の実施の形態に係わるJBSダイオードの模式的な断面図である。
【図30】本発明の他の実施の形態に係わる表面ゲート型SITの模式的な断面図である。
【符号の説明】
1 主素子
2 補助素子
11 n型低抵抗SiC基板(第1主電極領域)
12,21 n型エピタキシャル成長層(第1エピタキシャル成長層)
13 金属膜
13M イオン注入用マスク
14,33,56 レジスト
15a,15b,18a,18b,25a,25b,26a,26b 深部膨張形拡散領域
16 オーミック電極(カソード電極)
17 ショットキー電極(アノード電極)
19 n型エピタキシャル成長層(第2エピタキシャル成長層)
24 イオン注入用マスク(金属膜)
30,31,34,37,58,74,76,77,91 酸化膜
32 第2金属膜
32M イオン注入用第2マスク
35,35a,35b,35c,63a,63b,63c,63d 第2主電極領域(ソース領域)
36 第4金属膜
39a,39b,39c,39d 片側p型深部膨張形拡散領域(ゲート領域)
41,41a,41b,41c ソース電極
43 第3金属膜(ドレイン電極)
45a,45b,45c ゲート電極
46,71a,71b 絶縁膜
47a,47b 埋め込み絶縁膜
48a,48b トレンチ
51 第1主電極領域(アノード領域)
52 アノード電極5
53 第2主電極領域(カソード領域)
54 カソード電極
55 p型エピタキシャル成長層(第2エピタキシャル成長層)
57a,57b n型低抵抗領域
61a,61b,61c ショート領域
62a,62b,62c、62d 分割アノード領域
64a,64b,64c p型ボディ領域
64d,64e p型電界緩和領域
65 ゲート酸化膜
67 層間絶縁膜
68 イオン注入用マスク
69a,69b,69c 電界緩和領域(深部膨張形拡散領域)
72,83 p型ベース領域
73 n型領域
81 第1主電極領域(コレクタ領域)
82a,82b 深部膨張形拡散領域(ベース電極取り出し領域)
84 第2主電極領域(エミッタ領域)
85 ベース電極
86 エミッタ電極
87 コレクタ電極
89 ドレイン領域(第1主電極領域)
90 ドレイン電極
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device having a high breakdown voltage and a low current loss using a wide forbidden band width semiconductor (wide gap semiconductor) material.
[0002]
[Prior art]
Semiconductor materials having normal forbidden band width Eg, such as silicon (forbidden band width Eg = about 1.1 eV) and gallium arsenide (forbidden band width Eg = about 1.4 eV), which have been researched early in the semiconductor industry and have been put into practical use. In contrast, a semiconductor material having a wider forbidden band width Eg is called a wide forbidden band width semiconductor (wide gap semiconductor). For example, zinc telluride (ZnTe) with forbidden band width Eg = about 2.2 eV, cadmium sulfide (CdS) with forbidden band width Eg = about 2.4 eV, zinc selenide (ZnSe) with forbidden band width Eg = about 2.7 eV. ), Gallium nitride (GaN) with forbidden band width Eg = about 3.4 eV, zinc sulfide (ZnS) with forbidden band width Eg = about 3.7 eV, and diamond with forbidden band width Eg = about 5.5 eV. It is given as. Silicon carbide (SiC) is also an example of a wide gap semiconductor. Forbidden band width Eg of SiC is reported to be about 2.23 eV for 3C-SiC, 2.93 eV for 6H-SiC, and about 3.26 eV for 4H-SiC.
[0003]
Wide gap semiconductors are generally thermally, chemically and mechanically stable and resistant to radiation.
Excellent linearity. In particular, SiC is excellent in these characteristics, and power semiconductor devices (power devices) exhibiting high reliability and stability under severe conditions such as high temperature, high power, and radiation irradiation as well as light emitting elements and high frequency devices. As such, it is expected to be applied in various industrial fields.
[0004]
In such a wide gap semiconductor, the wider the forbidden band width Eg, the closer to the properties as an insulator, and it becomes difficult to obtain a low resistivity by doping impurities. In general, in wide gap semiconductors, it is difficult to obtain a “good conductive” material with high reproducibility and reliability. For example, as materials for blue light emitting diodes, GaN, a group III-V semiconductor having a wurtzite structure, ZnSe of group II-VI, and the like have been vigorously studied as promising materials. The research subject was to realize p-type conductivity control. It has been considered that the p-type valence electron control in a wide gap semiconductor is difficult due to the self-compensation effect. For example, when donor impurities are introduced into ZnSe, Zn vacancies that act as double acceptors are naturally formed when donor impurities are introduced, and the electrons in the conduction band formed by the introduction of donor impurities are spontaneously compensated. This is a phenomenon. In order for this phenomenon to occur, the enthalpy of generation of Zn vacancies ΔHv (Zn) should be smaller than the total energy ΔEv released when two electrons fall into the acceptor. Now, ignoring the binding energy of carriers to donors and Zn vacancies, ΔE is approximately twice the forbidden band width Eg. For this reason, it is considered that the self-compensation effect is more noticeable as the semiconductor has a wider gap (forbidden band width Eg). For this reason, it has long been considered that there is an essential difficulty in realizing p-type conduction in a wide gap semiconductor material. On the other hand, such a problem does not become a problem at all in a semiconductor material such as Si having a forbidden band width Eg = about 1.1 eV or GaAs having a forbidden band width Eg = 1.4 eV. Accordingly, semiconductor materials such as Si and GaAs have been put into practical use as materials for various semiconductor devices.
[0005]
In particular, it has been reported that a high-voltage power semiconductor device (power device) using SiC has a lower on-resistance than a power device using Si. It has also been reported that the forward voltage drop of a Schottky diode using SiC is low. As is well known, the on-resistance of a power device and the switching speed are in a trade-off relationship. However, according to a power device using SiC, there is a possibility that low on-resistance and high switching speed can be achieved at the same time.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the diffusion coefficient of impurities with respect to SiC is very small, about one thousandth of the diffusion coefficient of impurities in Si. For this reason, not only with predeposition (vapor phase diffusion) technology, but with ion implantation technology, it is simply p.+It is difficult to design the region to the desired impurity concentration and geometric shape.
[0007]
One of semiconductor power devices is a junction barrier Schottky diode (hereinafter referred to as “JBS diode”). This JBS diode is a normal n-type Schottky diode.+It has a structure in which the area is embedded. The feature of JBS diodes is that each p+The depletion layer extends from the region and is pinched off, thereby relaxing the electric field applied to the Schottky interface and suppressing the reverse leakage current. However, on the other hand, in the forward characteristics, a plurality of p's are formed under the Schottky electrode.+Since the region is buried, there is a problem that the region through which the carrier passes effectively decreases, and as a result, the forward resistance increases.
[0008]
Therefore, there is a demand for a novel structure for sufficiently reducing the forward resistance without impairing the reverse characteristics such as withstand voltage and leakage current. However, in SiC, as described above, since the process technology, particularly the diffusion technology, has not been developed, it is not easy to realize the structure of the JBS diode in a desired structure. Therefore, in the JBS diode using SiC, it is strongly demanded to realize a structure that satisfies the above requirements without increasing the number of processes if possible and at a low manufacturing cost.
[0009]
Moreover, the problem of the JBS diode using SiC described above is common with the problem related to the shape of the gate region of a static induction transistor (SIT) which is another semiconductor power device. Various structures such as a buried gate type, a surface gate type, and a cut gate type are known for SIT. Among these, in the surface gate type SIT, a pair of gate regions are formed to face each other with a source region sandwiched between the substrate surfaces. A region sandwiched between the pair of gate regions is a channel region. The main current flowing between the source region and the drain region is electrostatically controlled by the voltage applied to the gate region, the height of the potential barrier formed in the channel region in front of the source region. Also in this surface gate type SIT, a structure for improving the characteristics is being studied in the same manner as the JBS diode described above. Adopting a new structure effectively extends the depletion layer to the drift region with a smaller gate voltage, making it easier to obtain normally-off characteristics, and sufficiently reducing the forward resistance between the source and drain. The structure which can do is awaited. However, even in the surface gate type SIT using SiC, there is currently no sufficient technology for realizing a desired device structure without increasing the number of processes and at a low manufacturing cost.
[0010]
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a semiconductor device having a high breakdown voltage, a low reverse leakage current, and a small forward voltage drop, and a method for manufacturing the same.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In view of the above object, the first feature of the present invention is that a first conductivity type ohmic contact region, a first conductivity type drift region made of a wide band gap material provided on the ohmic contact region, and the drift A semiconductor device comprising a plurality of second-conductivity-type deep expansion diffusion regions provided inside the region, and a Schottky electrode forming a Schottky junction with a drift region provided in contact with the surface of the drift region. Is the gist. The plurality of deep expansion diffusion regions of the second conductivity type form a JBS diode structure. In other words, by providing a plurality of deep expansion type diffusion regions of the second conductivity type, depletion layers from each deep expansion type diffusion region extend into the drift region and pinch off each other in reverse characteristics, thereby forming a Schottky interface. The applied electric field is relaxed. For this reason, the reverse leakage current can be suppressed. Although the same applies to the following second to fifth characteristics, in the present invention, the “wide forbidden band width material” means a semiconductor material having a wider forbidden band than 2.2 eV. The drift region has a lower impurity concentration than the ohmic contact region. Each of the deep-expansion diffusion regions has a horizontal cross-sectional area that gradually increases from the surface of the drift region toward the ohmic contact region. For example, it has a trapezoidal cone shape or a mirror shape. The deep expansion type diffusion region has its top exposed at the surface of the drift region. The first conductivity type and the second conductivity type are opposite to each other. That is, if the first conductivity type is n-type, the second conductivity type is p-type. If the first conductivity type is p-type, the second conductivity type is n-type.
[0012]
According to the first feature of the present invention, the horizontal cross-sectional area of the deep inflatable diffusion region is increased as it deepens in the drift region. Therefore, in the JBS diode, reverse characteristics such as breakdown voltage and leakage current are obtained. The forward resistance can be sufficiently reduced without impairing the resistance.
[0013]
In the first feature of the present invention, each of the plurality of deep inflatable diffusion regions is preferably composed of an upper region and a lower region located below the upper region. The upper region includes the first impurity element. On the other hand, the lower region includes a second impurity element having a larger diffusion coefficient in the wide forbidden band width material than the first impurity element.
[0014]
The second feature of the present invention is that the first main electrode region, a first conductivity type drift region made of a wide forbidden band width material provided above the first main electrode region, and provided inside the drift region. A plurality of second conductivity type deep expansion diffusion regions, and a first conductivity type second main electrode region provided inside the drift region sandwiched between the plurality of deep expansion diffusion regions. The gist is that it is a semiconductor device. Similar to the first feature of the present invention, each of the deep-expanded diffusion regions has a three-dimensional shape in which the horizontal cross-sectional area gradually increases from the surface of the drift region toward the first main electrode region. Each of the deep expansion diffusion regions functions as a control electrode region that controls a current flowing between the first and second main electrode regions. The “first main electrode region” means a semiconductor region that is either an emitter region or a collector region in a bipolar transistor (BJT) or an insulated gate bipolar transistor (IGBT). In a field effect transistor (FET) and a static induction transistor (SIT), it means a semiconductor region that is either a source region or a drain region. In an electrostatic induction thyristor (SI thyristor) and a gate turn-off thyristor (GTO thyristor), it means a semiconductor region that is either an anode region or a cathode region. The “second main electrode region” means a semiconductor region that is either an emitter region or a collector region that is not the first main electrode region in BJT, IGBT, etc., and the first main electrode region in FET, SIT. It means a semiconductor region that is either a source region or a drain region that is not to be. In the SI thyristor and the GTO thyristor, the “second main electrode region” means a semiconductor region that is either the anode region or the cathode region that is not the first main electrode region. That is, if the first main electrode region is an emitter region, the second main electrode region is a collector region. If the first main electrode region is a source region, the second main electrode region is a drain region. If one main electrode region is a cathode region, the second main electrode region means an anode region. Further, the “control electrode region” means a semiconductor region, a Schottky junction region, or an insulated gate structure region or structure that controls current flowing between the first main electrode region and the second main electrode region. For example, IGBT, FET, SIT, SI thyristor, and GTO thyristor mean a gate region or a gate structure, and BJT means a base region including an external base region (base electrode extraction region).
[0015]
The first conductivity type and the second conductivity type are opposite to each other. That is, if the first conductivity type is n-type, the second conductivity type is p-type. If the first conductivity type is p-type, the second conductivity type is n-type. The first main electrode region may be the first conductivity type or the second conductivity type. The drift region has a lower impurity concentration than the first main electrode region. The deep expansion type diffusion region and the second main electrode region are arranged so that the top portion is exposed on the surface of the drift region.
[0016]
According to the second feature of the present invention, the width of the deep expansion type diffusion region, that is, the cross-sectional area in the horizontal direction in three dimensions, is gradually expanded as the depth increases inside the drift region. The forward resistance can be sufficiently reduced without impairing the breakdown voltage characteristics of the control electrode region.
[0017]
In the second aspect of the present invention, a base region of the second conductivity type may be further provided between the plurality of deep expansion diffusion regions. If the impurity concentration of the base region of the second conductivity type is lowered so that the first and second main electrode regions are almost punched through. It functions as a bipolar mode SIT (BSIT) or normally-off SI thyristor. On the other hand, if the impurity concentration of the base region of the second conductivity type is set high so that a neutral region remains between the first and second main electrode regions, it functions as a BJT or GTO thyristor.
[0018]
In the second feature of the present invention, each of the plurality of deep expansion diffusion regions is located in an upper region containing the first impurity element and in a lower portion of the upper region, and is wider than the first impurity element. What is necessary is just to make it consist of the lower region containing the 2nd impurity element with a large diffusion coefficient in a forbidden bandwidth material.
[0019]
The third feature of the present invention is that the first main electrode region of the first conductivity type or the second conductivity type is provided on the upper portion of the first main electrode region, and has a lower impurity concentration than the first main electrode region. A drift region of a first conductivity type made of a wide band gap material, a plurality of second conductivity type body regions disposed on the surface of the drift region, and a first conductivity type disposed on the surface of the body region The second main electrode region, a plurality of trenches dug from the surface of the second main electrode region toward the first main electrode region, and a gate insulating film formed on the inner walls of the plurality of trenches, Inside the plurality of trenches, a gate electrode disposed on the surface of the gate insulating film and a drift region below the plurality of trenches are provided in the inside of the drift region, and horizontally from the bottom of the trench toward the first main electrode region region, respectively. Directional cross section gradually widens Is made as to, and summarized in that a semiconductor device including a plurality of second conductivity type deep expansion-type diffusion regions serving as electric-field relaxation region. Here, the “first main electrode region” means a semiconductor region serving as either an emitter region or a collector region in an insulated gate bipolar transistor (IGBT). In an insulated gate FET or an insulated gate SIT, it means a semiconductor region that is either a source region or a drain region. The “second main electrode region” refers to a semiconductor region that is either an emitter region or a collector region that is not the first main electrode region in an IGBT or the like, an insulating gate type FET, and an insulating gate type SIT. 1 means a semiconductor region that is either a source region or a drain region that does not become a main electrode region.
[0020]
According to the third feature of the present invention, the deep expansion type diffusion region significantly relaxes the electric field strength of the gate insulating film in the vicinity of the bottom of the trench, and an insulated gate semiconductor device having a higher breakdown voltage can be realized. . This is because the deep expansion type diffusion region equally shares the voltage applied to the gate insulating film. As a result, the reliability of the insulated gate semiconductor device is also improved.
[0021]
Further, in the third feature of the present invention, each of the plurality of deep expansion diffusion regions is located in an upper region containing the first impurity element and in a lower portion of the upper region and is wider than the first impurity element. It is the same as the first and second features that the lower band containing the second impurity element having a large diffusion coefficient in the forbidden bandwidth material may be used.
[0022]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a first conductivity type drift region made of a wide forbidden band width material, a plurality of second conductivity type body regions disposed on the surface of the drift region, and spaced from the body region. The first conductivity type or the second conductivity type first main electrode region disposed on the surface of the drift region at a higher impurity concentration than the drift region, and the first conductivity type disposed on the surface of the body region. A second main electrode region; a plurality of trenches that penetrate the body region from the surface of the second main electrode region to reach the drift region; a gate insulating film formed on the inner wall of the plurality of trenches; The gate electrode disposed on the surface of the gate insulating film and the drift region at the bottom of the plurality of trenches are provided in the drift region, and the water is directed away from the body region from the bottom of the trench. Is to a direction cross-sectional area is gradually wider, and summarized in that a semiconductor device including a plurality of second conductivity type deep expansion-type diffusion regions serving as electric-field relaxation region. Here, the “first main electrode region” means a semiconductor region that is either an emitter region or a collector region in an insulated gate bipolar transistor (IGBT), and is an insulated gate FET or insulated gate SIT. As in the third feature, it means a semiconductor region which is either a source region or a drain region. Therefore, the “second main electrode region” means an emitter region or a collector region that is not the first main electrode region in the IGBT or the like, an insulating gate type FET, or an insulating gate type SIT. It means a semiconductor region that is either a source region or a drain region that does not become the first main electrode region.
[0023]
According to the fourth feature of the present invention, similar to the third feature, the deep expansion type diffusion region significantly relaxes the electric field strength of the gate insulating film in the vicinity of the bottom of the trench, and the lateral insulated gate having a higher breakdown voltage. Type semiconductor device can be realized. This is because the deep expansion type diffusion region equally shares the voltage applied to the gate insulating film. As a result, the reliability of the lateral insulated gate semiconductor device is also improved. In the lateral insulated gate semiconductor device according to the fourth feature of the present invention, since the first and second main electrode regions are provided on the same side surface, it is easy to integrate as a monolithic IC. It is. In addition, wiring work is simplified even when incorporated in a hybrid IC or the like. In addition, the degree of freedom of surface wiring and connection increases, and the design becomes easy.
[0024]
In the fourth feature of the present invention, each of the plurality of deep-expanded diffusion regions is located in an upper region containing the first impurity element and in a lower portion of the upper region and is wider than the first impurity element. It is the same as the first to third features that the lower band containing the second impurity element having a large diffusion coefficient in the forbidden bandwidth material may be used.
[0025]
The fifth feature of the present invention is that (a) a step of forming an ion implantation mask on the surface of the first conductivity type semiconductor region made of a wide forbidden band width material, and (b) using the ion implantation mask, A deep ion implantation step of implanting the first impurity ions having the second conductivity type into the semiconductor region a plurality of times while changing acceleration energy; (c) using the mask for ion implantation in the semiconductor region rather than the first impurity ions; A shallow ion implantation process in which second impurity ions having a small diffusion coefficient are implanted a plurality of times while changing the acceleration energy at a position shallower than the projected range of the first impurity ions, and (d) the first and first by the heat treatment process. The present invention is summarized as a method of manufacturing a semiconductor device including a step of electrically activating two impurity ions and forming a deep expansion type diffusion region inside the semiconductor region.
[0026]
According to the method for manufacturing a semiconductor device according to the fifth feature of the present invention, the semiconductor device according to the first to fourth features can be easily manufactured.
[0027]
For example, if the wide band gap material is silicon carbide (SiC), boron (B) may be selected as the first impurity ion and aluminum (Al) may be selected as the second impurity ion.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, first to eighth embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from the actual ones. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. In addition, it goes without saying that the drawings include portions having different dimensional relationships and ratios.
[0029]
(First embodiment)
As shown in FIG. 2 (f), the JBS diode according to the first embodiment of the present invention includes a first conductivity type ohmic contact region (n-type low resistance SiC substrate) 11 and an upper portion of the ohmic contact region 11. A first conductivity type drift region (n-type epitaxial growth layer) 12 made of a wide forbidden band width material provided in the first region, and a plurality of second conductivity type deep expansion diffusion regions 15a provided in the drift region 12 15b and a Schottky electrode 17 which forms a Schottky junction with the drift region 12 provided in contact with the surface of the drift region 12. An ohmic electrode 16 is formed on the entire surface of the ohmic contact region (n-type low resistance SiC substrate) 11. The plurality of second-conductivity-type deep expansion diffusion regions 15a and 15b shown in FIG. 2 (f) form a JBS diode structure.
[0030]
The drift region 12 has a lower impurity concentration than the ohmic contact region 11. Each of the deep-expanded diffusion regions 15a and 15b has a horizontal cross-sectional area that gradually increases from the surface of the drift region 12 toward the ohmic contact region 11. According to the structure shown in FIG. 2 (f), the horizontal cross-sectional area of the deep inflatable diffusion regions 15a and 15b is increased in the drift region 12 as it becomes deeper. The forward resistance can be sufficiently reduced without deteriorating the reverse characteristics such as the above. That is, the area of the Schottky junction is made sufficiently large, and at the same time, a favorable pinch-off characteristic between the deep expansion diffusion regions 15a and 15b is realized.
[0031]
A method for manufacturing the JBS diode according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 2 (f) will be described with reference to FIGS.
(A) First, as shown in FIG. 1A, the impurity concentration is 1 × 1019cm-3An impurity concentration of 3 × 10 3 is formed on an n-type low resistance SiC substrate 11 having a thickness of 300 μm by an epitaxial growth method.15cm-3Then, an n-type epitaxial growth layer 12 having a thickness of 10 μm is formed. However, nitrogen (N) is used as the n-type impurity here, but another impurity such as phosphorus (P) may be used.
[0032]
(B) Next, a metal film 13 is deposited on the surface of the n-type epitaxial growth layer 12 by vacuum evaporation or sputtering. As the metal film 13, for example, molybdenum (Mo) can be used. Then, a photoresist film (hereinafter simply abbreviated as “resist”) 14 is spin-coated on the metal film 13. Then, the resist 14 is patterned by photolithography as shown in FIG. Then, using the resist 14 patterned as shown in FIG. 1B as an etching mask, the metal film 13 is patterned to form an ion implantation mask 13M as shown in FIG. For patterning the metal film 13, reactive ion etching (RIE) may be used. Then, using this ion implantation mask 13M, as shown in FIG. 1C, a substrate temperature T is formed at a position deep from the surface of the n-type epitaxial growth layer 12.SUB= Boron at around 700 ℃11B+) Selective ion implantation (deep ion implantation step). Here, boron is acceleration energy EACC= 100-200 keV, total dose Φ = 3 × 1015cm-2Impurity concentration of 1 × 10 in a region having a depth of 0.25 to 0.5 μm from the surface.20cm-3The boron implantation layer is formed. For example:
First ion implantation: Φ = 6 × 101 Fourcm-2/ EACC= 100 keV;
Second ion implantation: Φ = 6 × 101 Fourcm-2/ EACC= 130 keV;
Third ion implantation: Φ = 6 × 101 Fourcm-2/ EACC= 150 keV;
Fourth ion implantation: Φ = 1.2 × 1015cm-2/ EACC= 200 keV;
Ion implantation is performed as follows.
[0033]
(C) Further, using the ion implantation mask 13M, as shown in FIG. 2D, aluminum (from the surface of the n-type epitaxial growth layer 12 to a position shallower than the projected range of boron (27Al+) Selective ion implantation (shallow ion implantation step). Aluminum is the substrate temperature TSUB= Acceleration energy E at around 700 ° CACC= 10 to 180 keV, total dose Φ = 2 × 1015cm-2Of multistage injection. As a result, an impurity concentration of 1 × 10 6 is formed in a region having a depth of 0.25 μm from the surface.20cm-3An aluminum injection layer is formed.
[0034]
(D) Thereafter, the substrate temperature TSUBAs shown in FIG. 2E, p-type deep expansion diffusion regions 15a and 15b are selectively formed by activation heat treatment at about = 1600 ° C. At this time, the width of each surface of the deep expansion diffusion regions 15a and 15b is about 2 μm, and the width of the Schottky junction near the surface sandwiched between the deep expansion diffusion region 15a and the deep expansion diffusion region 15b facing each other. Was about 2 μm.
[0035]
(E) Nickel (Ni) is deposited on the back surface of the n-type low-resistance SiC substrate 11 to a thickness of about 1 μm. Furthermore, the substrate temperature TSUBAn ohmic electrode (cathode electrode) 16 is formed by a sintering process at about 1000 ° C. as shown in FIG.
[0036]
(F) Next, as shown in FIG. 2 (f), on the surfaces of the n-type epitaxial growth layer 12 and the deep expansion type diffusion regions 15a and 15b, titanium (Ti) is about 200 nm thick and Al is about 1 μm thick. Then, a Schottky electrode (anode electrode) 17 is formed to complete a JBS diode.
[0037]
The results of evaluating the electrical characteristics of the JBS diode manufactured as described above are as follows. JBS diode with a withstand voltage of 1000V, the reverse current when reverse voltage 700V is applied is 1 × 10-6A / cm2And forward current density 100 A / cm2In this case, the forward voltage was 1.7V. On the other hand, the JBS diode according to the prior art has a forward voltage of about 2.5V when compared with the same withstand voltage of 1000V. Therefore, the forward voltage reduction of about 0.8V can be obtained with the JBS diode of the present invention. Here, the reason why the forward voltage can be reduced by about 0.8 V according to the present invention is that the depletion layer extending from the pn junction between the deep expansion diffusion regions 15a and 15b and the n-type epitaxial growth layer 12 to the n-type epitaxial growth layer 12 is used. This is because the area of an effective Schottky junction can be expanded at the same time as realizing pinch-off characteristics. It can be seen that by increasing the effective Schottky junction area, the forward voltage drop of the diode of the same chip area can be reduced by about 0.8V.
[0038]
Further, as shown in FIG. 2 (f), when realizing a structure in which the horizontal cross-sectional area of the deep expansion type diffusion regions 15a and 15b is deepened toward the inside of the substrate, boron having a lighter mass has a deep projection range. Because of the injection, the damage during injection can be greatly reduced. As a result, in the JBS diode of the present invention, the forward resistance can be sufficiently reduced without impairing the reverse characteristics such as withstand voltage and leakage current.
[0039]
(Second Embodiment)
The semiconductor device according to the second embodiment of the present invention is a surface gate type SIT as shown in FIG. That is, the surface gate type SIT according to the second embodiment of the present invention includes a first main electrode region (n-type low-resistance SiC substrate) 11 and a wide forbidden band provided on the first main electrode region 11. A first conductivity type drift region (n-type epitaxial growth layer) 21 made of a width material, a plurality of second conductivity type deep expansion diffusion regions 25a and 25b provided in the drift region 21, and a plurality of deep portions It is composed of a first conductivity type second main electrode region 35 provided inside the drift region 21 between the expansion type diffusion regions 25a and 25b. As in the first embodiment of the present invention, each of the deep-expanded diffusion regions 25a and 25b has a horizontal cross-sectional area that gradually increases as it approaches the first main electrode region 11 from the surface of the drift region 21. 3D shape.
[0040]
More preferably, the curvature of the outer peripheral surface of the second main electrode region 35 is equal to the curvature of the outer peripheral surface of the deep inflatable diffusion regions 25a and 25b facing the second main electrode region 35 in a male / female relationship. It ’s good. More preferably, the deep expansion diffusion is performed so that the potential profile of the second main electrode region 35 and the potential profiles of the deep expansion diffusion regions 25a and 25b facing the second main electrode region 35 are uniformly continuous. The curvatures of the regions 25a and 25b may be selected.
[0041]
Each of the deep expansion type diffusion regions 25a and 25b functions as a control electrode region (gate region) that controls a current flowing between the first and second main electrode regions 35. The first main electrode region 11 functions as a drain region of the surface gate type SIT. The second main electrode region 35 functions as a source region of the surface gate type SIT. Each of the plurality of deep-expanded diffusion regions 25a and 25b is located in the upper region made of the first impurity element, and in the lower portion of the upper region, and the diffusion coefficient in the wider forbidden band width material than the first impurity element. And a lower region made of a large second impurity element.
[0042]
A drain electrode 43 is in ohmic contact with the first main electrode region (drain region) 11, and a source electrode 41 is in ohmic contact with the second main electrode region (source region) 35. Further, gate electrodes 45a and 45b are in ohmic contact with the deep expansion type diffusion regions (gate regions) 25a and 25b, respectively.
[0043]
SIT can be interpreted as a transistor in the limit of shortening the FET channel. That is, it can be defined as a device in which the channel is made short enough to punch through between the source region and the drain region of the FET, and there is a potential barrier that can be controlled by the drain voltage and the gate voltage in the channel. Specifically, it is a device in which the height of a potential barrier (potential) that is a saddle point in a two-dimensional space of a potential between a source and a drain and a potential in a channel due to a gate voltage is controlled by the drain voltage and the gate voltage. The potential barrier (potential) is formed in front of the second main electrode region (source region) 35 under the influence of the potential of the deep expansion type diffusion regions (gate regions) 25a and 25b. Since the drain current flows depending on the height of the potential barrier (potential), the drain current / drain voltage characteristics of the SIT exhibit characteristics according to the exponential law similar to the triode characteristics of the vacuum tube.
[0044]
As will be described later, each of the deep-expanded diffusion regions 25a and 25b should have a three-dimensional shape in which the horizontal cross-sectional area gradually increases as it approaches the first main electrode region 11 from the surface of the drift region 21. For example, the forward voltage drop can be reduced while the reverse breakdown voltage of the surface gate type SIT is maintained high.
[0045]
The surface gate type SIT shown in FIG. 5 (i) can be manufactured by the following procedure:
(A) First, the impurity concentration is 1 × 10.19cm-3Impurity concentration of 3 × 10 5 by epitaxial growth on an n-type low resistance SiC substrate 11 having a thickness of 300 μm15cm-3Then, an n-type epitaxial growth layer 21 having a thickness of 10 μm is formed. However, nitrogen is used as the n-type impurity here, but another impurity such as phosphorus may be used.
[0046]
(B) Next, a metal film 24 is deposited on the surface of the n-type epitaxial growth layer 21 by vacuum evaporation or sputtering. As the metal film 24, for example, Mo can be used. Then, a resist is spin-coated on the metal film 24. Then, the resist is patterned by photolithography. Then, using the patterned resist as an etching mask, the metal film 24 is patterned to form an ion implantation mask 24 as shown in FIG. For the patterning of the metal film 24, RIE may be used. Then, as shown in FIG. 3A, the n-type epitaxial growth layer 21 is deeply inserted through the ion implantation mask 24 from the surface.11B+Selective ion implantation is performed (deep ion implantation step). here,11B+Is the substrate temperature TSUB= Acceleration energy E around 700 ° CACC= 100 to 400 keV, total dose Φ = 6 × 1015cm-2Multi-stage injection. As a result, an impurity concentration of 1 × 10 10 is obtained in a region having a depth of 0.25 to 0.8 μm from the surface.20cm-3An injection layer is formed.
[0047]
(C) Next, as shown in FIG. 3B, from the surface of the n-type epitaxial growth layer 21, the ion implantation mask 24 is used as a mask.11B+In a position shallower than the projection range of27Al+Selective ion implantation is performed (shallow ion implantation step).27Al+Is the substrate temperature TSUB= Acceleration energy E at around 700 ° CACC= 10 to 180 keV, total dose Φ = 2 × 1015cm-2Multi-stage injection. As a result, an impurity concentration of 1 × 10 6 is obtained in a region having a depth of 0.25 μm from the surface.20 cm-3of27Al+An injection layer is formed.
[0048]
(D) Thereafter, the mask 24 for ion implantation is removed, and the substrate temperature TSUBAs shown in FIG. 3C, p-type deep expansion diffusion regions 25a and 25b are selectively formed by activation heat treatment at about = 1600 ° C. The p-type deep expansion type diffusion regions 25a and 25b are gate regions of the surface gate type SIT. At this time, the width of each of the deep expansion diffusion regions 25a and 25b is about 2 μm near the surface. In addition, the width of the channel sandwiched between the pair of mold deep expansion diffusion regions 25a and deep expansion diffusion regions 25b is set to about 1 μm near the surface.
[0049]
(E) Next, polycrystalline silicon is deposited on the surface of the n-type epitaxial growth layer 21 by the CVD method. Then, the polycrystalline silicon is thermally oxidized to form an oxide film 91 on the surface of the n-type epitaxial growth layer 21 as shown in FIG. When this polycrystalline silicon is thermally oxidized, a thin oxide film 30 is also formed on the back surface of the low-resistance SiC substrate 11. Further, the second metal film 32 is deposited on the surface of the oxide film 91 by vacuum vapor deposition or sputtering. For example, Mo can be used as the second metal film 32. Then, a resist 33 is spin-coated on the second metal film 32. Then, the resist 33 is patterned by photolithography as shown in FIG. Then, using the patterned resist 33 as an etching mask, the second metal film 32 is patterned to form a second mask 32M for ion implantation as shown in FIG. For the patterning of the second metal film 32, RIE may be used. Following the RIE of the second metal film 32, the underlying oxide film 91 is also selectively removed by RIE to expose part of the surface of the n-type epitaxial growth layer 21. Then, through the second mask 32M for ion implantation, as shown in FIG.SUB= Around 700 ℃31P+Accelerate energy EACC= 10 to 200 keV, total dose Φ = 5 × 1015cm-2The multi-stage ion implantation is selectively performed under the following conditions. Then, after removing the second mask 32M for ion implantation and the oxide film 91, the substrate temperature TSUBBy an activation heat treatment at about 1600 ° C., as shown in FIG. 5G, an impurity concentration of 1 × 10 is formed in a region having a depth of about 0.3 μm from the surface.20cm-3N-type source region 35 is formed.
[0050]
(F) Next, after the oxide film 31 is formed on the substrate surface by the CVD method or the like, the oxide film 31 is patterned using RIE or the like using the resist patterned in the same manner as described above as an etching mask. Thereafter, the resist is removed, and the opening of the patterned oxide film 31 is used as a source contact hole. Thereafter, the surface of the oxide film 31 having the source contact hole is covered with a resist, and the thin oxide film 30 on the back surface of the low-resistance SiC substrate 11 is etched with diluted hydrofluoric acid (HF) or buffered HF. On the back surface of the n-type low resistance SiC substrate 11, a Ni film is deposited as a third metal film 43 with a thickness of about 1 μm, and the substrate temperature TSUB= Drain electrode 43 is formed by sintering at about 1000 ° C. to 1200 ° C.
[0051]
(G) Next, as shown in FIG. 5H, an Al film is deposited on the surface of the n-type source region 35 as a fourth metal film 36 to a thickness of about 1 μm. Then, a resist is spin-coated on the fourth metal film 36. Then, the resist is patterned by photolithography so that the resist remains above the source region 35. Then, using the patterned resist as an etching mask, the fourth metal film is etched to selectively leave the fourth metal film as shown in FIG. And substrate temperature TSUBThe source electrode 41 is formed by a sintering process at about 1000 ° C. to 1100 ° C.
[0052]
(H) Next, a resist is spin-coated on the source electrode 41 and the oxide film 31 exposed from the source electrode 41. Then, the resist is patterned by photolithography so that an opening is formed above each of the deep expansion diffusion regions (gate regions) 25a and 25b. Then, using the patterned resist as an etching mask, the oxide film 31 is selectively etched to expose the surfaces of the gate regions 25a and 25b, and a gate contact hole as shown in FIG. 5I is opened. Thereafter, a Ti film is deposited on the entire surface sequentially with a thickness of about 200 nm and an Al film with a thickness of about 1 μm. A resist is spin-coated on the Al film, and patterning is performed by photolithography so that the resist remains on the upper portions of the deep expansion diffusion regions (gate regions) 25a and 25b. Then, using the patterned resist as an etching mask, the Al film and the Ti film are selectively etched sequentially by RIE as shown in FIG. 5I to form the patterns of the gate electrodes 45a and 45b. After that, the substrate temperature TSUBSintering is performed at 800 to 1000 ° C., for example, 950 ° C. for about 5 minutes, so that the ohmic contact between the gate electrodes 45a and 45b is improved. In order to perform heat treatment for a short time of about 5 minutes, infrared (IR) lamp heating may be used. This completes the schematic process of the surface gate type SIT.
[0053]
Also here11B+When27Al+The ion implantation conditions as described above are used for the above, but in order to effectively perform pinch-off by the gate, the acceleration energy EACCIt is also possible to form the p-type deep expansion diffusion regions 26a and 26b in a substantially trapezoidal shape as shown in FIG. As described above, deep in the deep expansion diffusion region27Al+The diffusion coefficient is several times larger than11B+Therefore, after the activation heat treatment, the width of the deep expansion diffusion region can be effectively expanded toward the inside of the substrate as shown in FIG. More11B+As another advantage of injecting deep into the27Al+Compared to the above, the mass is light, so that the damage at the time of injection can be further reduced, and as a result, the leakage current at the time of pinch-off can be greatly suppressed.
[0054]
The results of evaluating the electrical characteristics of the surface gate type SIT manufactured as described above are as follows. With a surface gate type SIT with a withstand voltage of 1000 V, the leakage current when a gate voltage of −30 V and a drain voltage of 600 V is applied is 1 × 10-6A / cm2The on-resistance is 16mΩcm2It became. On the other hand, in the conventional surface gate type SIT, the on-resistance is 26 mΩcm when compared with the same withstand voltage of 1000 V.2Before and after. Therefore, in the surface gate type SIT according to the second embodiment of the present invention, about 10 mΩcm.2The on-resistance can be reduced. Here, the on-resistance is about 10 mΩcm by the surface gate type SIT according to the second embodiment of the present invention.2The reason for the reduction is that the source area can be relatively expanded as compared with the same pinch-off characteristic. As a result, the parasitic resistance generated by the depletion layer extending from the pn junction between the deep expansion type diffusion regions 15a and 15b and the n-type epitaxial growth layer 12 to the n-type epitaxial growth layer 12 is about 10 mΩcm.2Has been reduced. Therefore, by adopting a configuration such as the surface gate type SIT according to the second embodiment, as described above, the width of the deep expansion diffusion region can be effectively expanded toward the inside of the substrate. Light weight11B+Since this is implanted at a deeper position, the damage during implantation can be greatly reduced, and as a result, the forward resistance can be sufficiently reduced without impairing the gate breakdown voltage characteristics such as breakdown voltage and leakage current in the surface gate type SIT. It can be done. Since the voltage amplification factor μ of the surface gate type SIT depends on the interval between adjacent gate regions, the use of the deep expansion type diffusion regions 25a and 25b increases the voltage amplification factor μ and lowers the on-resistance. I can do it.
[0055]
(Third embodiment)
As shown in FIG. 8I, a cut gate type SIT according to the third embodiment of the present invention includes a first conductive type first main electrode region (drain region) 11, and the first main electrode region 11. A first conductivity type drift region 21 made of a wide forbidden band width material, and a plurality of trenches 48a, 48b dug from the surface of the drift region 21 toward the first main electrode region 11. A plurality of second conductivity type deep expansion diffusion regions (gate regions) 25a, 25b provided inside the drift region 21 at the bottoms of the plurality of trenches 48a, 48b,. ,..., A first conductive type second main electrode region (source region) provided in the drift region 21 between the plurality of deep expansion diffusion regions 25a, 25b,. 35a, 35b, 35c, ... It is composed of a .... Similarly to the second embodiment of the present invention, each of the deep expansion type diffusion regions 25a, 25b,... In the depth direction from the surface of the drift region 21 toward the first main electrode region 11, As the first main electrode region 11 is approached, the lateral diffusion width perpendicular to the depth direction increases. Each of the plurality of deep-expanded diffusion regions 25a, 25b,... Is located in an upper region made of the first impurity element and a lower forbidden band than the first impurity element. It consists of a lower region made of a second impurity element having a large diffusion coefficient in the width material. In the third embodiment, the case where n-type is used as the first conductivity type and p-type is used as the second conductivity type will be described.
[0056]
The first main electrode region (drain region) 11 has a drain electrode 43, and the second main electrode regions (source regions) 35a, 35b, 35c,... Have source electrodes 41a, 41b, 41c,. ... is in ohmic contact.
[0057]
The cut gate type SIT shown in FIG. 8 (i) can be manufactured by the following procedure:
(A) First, the impurity concentration is 1 × 10.19cm-3On the n-type low resistance SiC substrate 11 having a thickness of 300 μm, as shown in FIG.15cm-3The impurity concentration on the n-type epitaxial growth layer (first epitaxial growth layer) 21 having a thickness of 10 μm and the first epitaxial growth layer 21 is 6 × 1018cm-3~ 1x1020cm-3Then, the second epitaxial growth layer 19 having a thickness of about 0.3 μm to 1 μm is formed. However, nitrogen is used as the n-type impurity here, but another impurity such as phosphorus may be used. A plurality of impurities such as nitrogen and phosphorus may be used at the same time. Instead of forming the second epitaxial growth layer 19, phosphorus is added to the surface of the n-type first epitaxial growth layer 21 at the substrate temperature T.SUB= Acceleration energy E around 700 ° CACC= 10 to 200 keV, total dose Φ = 5 × 1015cm-2Then, the multi-stage ion implantation is selectively performed under the following conditions, and then an impurity concentration of 1 × 10 is applied to a region about 0.3 μm deep from the surface by activation heat treatment at about 1600 ° C.20cm-3The n-type low resistance region 19 may be formed.
[0058]
(B) Next, an oxide film 34 is formed on the surface of the second epitaxial growth layer 19. Thereafter, a resist 14 is spin-coated on the surface of the oxide film 34, and the resist 14 is patterned by photolithography as shown in FIG. 6B. Then, using the patterned resist as an etching mask, as shown in FIG. 6C, the oxide film 34 and the n-type low resistance region (second epitaxial growth layer) 19 are penetrated by anisotropic etching such as RIE. Trenches 48a, 48b,... Whose bottoms reach the n-type first epitaxial growth layer 21 are formed. By forming the trenches 48a, 48b,..., The n-type low resistance region (second epitaxial growth layer) 19 is divided into source regions 35a, 35b, 35c,.
[0059]
(C) After removing the resist 14, an oxide film 37 is formed inside the trenches 48a, 48b,... As shown in FIG. Then, the oxide film 37 at the bottom of the trenches 48a, 48b,... Is removed by directional etching such as RIE. Further, a first metal film is deposited on the surface of the oxide film 34 by vacuum vapor deposition or sputtering. For example, Mo can be used as the first metal film. Then, a resist is spin-coated on the first metal film, and the resist is patterned by a photolithography technique. Then, using the patterned resist as an etching mask, the first metal film may be patterned to form an ion implantation mask 13M as shown in FIG. RIE may be used for patterning the first metal film.
[0060]
(D) Then, through the ion implantation mask 13M, as shown in FIG. 7E, at a deep position of the n-type first epitaxial growth layer 21 exposed at the bottom.11B+Selective ion implantation is performed (deep ion implantation step). here,11B+Is the substrate temperature TSUB= Room temperature to 700 ° C., where acceleration energy E is about 500 ° C.ACC= 100 to 400 keV, total dose Φ = 1.8 × 1013cm-2Multi-stage injection. As a result, an impurity concentration of 3 × 10 6 is obtained in a region having a depth of 0.25 to 0.8 μm from the surface.17cm-3An injection layer is formed.
[0061]
(E) Further, as shown in FIG. 7F, the ion implantation mask 13M is used as a mask for the n-type first epitaxial growth layer 21 exposed at the bottom.11B+In a position shallower than the projection range of27Al+Selective ion implantation is performed (shallow ion implantation step).27Al+Is the substrate temperature TSUB= Room temperature to 700 ° C, here about 500 ° C, acceleration energy EACC= 10 to 150 keV, total dose Φ = 2 × 1013cm-2Multi-stage injection. As a result, an impurity concentration of 1 × 10 6 is obtained in a region having a depth of 0.25 μm from the surface.18cm-3of27Al+An injection layer is formed.
[0062]
(F) Thereafter, the oxide films 34 and 37 and the ion implantation mask 13M are removed, and the substrate temperature TSUBAs shown in FIG. 8G, p-type deep expansion diffusion regions 25a, 25b,... Are selectively formed by activation heat treatment at about = 1600 ° C. The p-type deep expansion diffusion regions 25a, 25b,... are gate regions of a cut gate type SIT. Here, the ion implantation conditions as described above were used for boron and aluminum. However, in order to effectively perform pinch-off by the gate, the acceleration energy EACCFurther, the p-type deep expansion diffusion regions 25a, 25b,... Can be formed in a substantially trapezoidal shape by appropriately adjusting the dose amount Φ. As described above, boron having a diffusion coefficient several times larger than that of aluminum is intentionally implanted deep in the p-type deep expansion diffusion regions 25a, 25b,. As in the embodiment, after the activation heat treatment, the widths of the p-type deep expansion diffusion regions 25a, 25b,... Can be effectively expanded toward the inside of the substrate. Another advantage of implanting boron deeply is that the mass is lighter than aluminum, so that damage during implantation can be further reduced, and as a result, leakage current at pinch-off can be greatly suppressed.
[0063]
(G) Next, oxide films 74 and 77 are formed on the substrate surface and in the trenches 48a, 48b,. Then, as shown in FIG. 8G, the oxide film 77 at the bottom of the trenches 48a, 48b,... Is removed by directional etching such as RIE. After that, an Al film (second metal film) is deposited in the trenches 48a, 48b,... About 200 nm, and polycrystalline silicon is deposited on the Al film by the CVD method. Then, planarization is performed by CMP until the oxide film 74 is exposed, and the Al film / polycrystalline silicon is buried in the trenches 48a, 48b,... As shown in FIG. 45a, 45b,... Are formed.
[0064]
(H) Then, a resist is spin-coated on the oxide film 74, and the resist is patterned by a photolithography technique. Then, using the patterned resist as an etching mask, the oxide film 74 is selectively etched to open source contact holes and expose part of the source regions 35a, 35b, 35c,. For the patterning of the oxide film 74, RIE may be used. Thereafter, the surface of the oxide film 74 having the source contact hole opened is covered with a resist, and the thin oxide film 30 on the back surface of the low-resistance SiC substrate 11 is etched with diluted hydrofluoric acid (HF) or buffered HF. On the back surface of the n-type low resistance SiC substrate 11, a Ni film is deposited as a third metal film with a thickness of about 1 μm to form a drain electrode 43.
[0065]
(I) Next, an Al film is deposited on the surface of the n-type source regions 35a, 35b, 35c,... As a fourth metal film with a thickness of about 1 μm. As the fourth metal film, a metal such as Ti or Mo, or various metal silicides may be used. Then, a resist is spin-coated on the fourth metal film. Then, the resist is patterned by photolithography so that the resist remains above the source regions 35a, 35b, 35c,. Then, using the patterned resist as an etching mask, the fourth metal film is etched, and the fourth metal film as shown in FIG. 8I is formed on the source regions 35a, 35b, 35c,. The source electrodes 41a, 41b, 41c,... Are patterned while leaving selectively. And substrate temperature TSUB= 800 to 1100 ° C., for example, 950 ° C., for about 5 minutes, to improve the ohmic contact between the source electrodes 41a, 41b, 41c,. This completes the outline process of the cut gate type SIT.
[0066]
The results of evaluating the electrical characteristics of the cut gate type SIT manufactured as described above are as follows. With a cut gate type SIT with a withstand voltage of 800 V, the leakage current when a gate voltage of −20 V and a drain voltage of 500 V is applied is 1 × 10-6A / cm2 The on-resistance is 13mΩcm2It became. On the other hand, in the SiC cut gate type SIT according to the prior art, when compared with the same withstand voltage of 800 V, the on-resistance is 26 mΩcm.2Before and after. Therefore, in the cut gate type SIT according to the third embodiment, about 13 mΩcm.2 The on-resistance can be reduced. Here, the on-resistance is about 13 mΩcm according to the third embodiment.2 The reason for the reduction is that the parasitic resistance caused by the depletion layer extending from the pn junction between the p-type deep expansion diffusion regions 25a, 25b,...2 This is due to the reduction. Further, in the cut gate type SIT, the capacity of the gate regions 25a, 25b,... Is greatly reduced, so that the p-type deep expansion diffusion regions 25a, 25b,.・ By combining with, high-speed operation is greatly improved.
[0067]
Therefore, by adopting the configuration of the third embodiment, the width of the gate regions 25a, 25b,... Can be effectively expanded toward the inside of the substrate as described above. Since the lighter weight boron is implanted deeper, the damage during implantation can be greatly reduced. As a result, in the cut gate type SIT, the forward resistance without impairing the gate withstand voltage characteristics such as withstand voltage and leakage current. Can be lowered sufficiently.
[0068]
<Modification of Third Embodiment>
FIG. 11 (f) is a cross-sectional view of a trench sidewall gate type SIT according to a modification of the third embodiment of the present invention. The difference between the present invention and the third embodiment is that one-sided p-type deep expansion diffusion regions 39a, 39b, 39c, 39d,... Exist between the top and bottom of the trench. The method for manufacturing the trench sidewall gate type SIT shown in FIG. 11 (f) is the same until the p-type deep expansion diffusion regions 25a, 25b,... Are formed at the trench bottom shown in FIG. Since this is the same as the cut gate type SIT of the third embodiment, the description thereof is omitted.
[0069]
(A) After that, by anisotropic etching such as RIE, as shown in FIG. 9A, the bottom portion penetrates through the p-type deep expansion diffusion regions 25a, 25b,. Forming a second trench reaching. By the formation of the second trench, one-sided p-type deep expansion diffusion regions 39a, 39b, 39c, 39d,... Are formed in the side wall portion between the trench upper portion (first trench) and the bottom portion (second trench). Is done.
[0070]
(B) Thereafter, as shown in FIG. 10C, an insulating film 46 is deposited by the CVD method in the extension trench composed of the first trench and the second trench. For the insulating film 46, a material having a film quality that has a higher etching rate than that of the oxide film 74, such as an oxide film by low-temperature CVD or vacuum deposition, or a PSG film, is selected. Alternatively, a part or all of the surface of the oxide film 74 is made of a silicon nitride film (SiThreeNFourFilm). Further, planarization is performed until the oxide film 74 is exposed by CMP, and the insulating film 46 is embedded in the extension trench. Further, back etching is performed using the film quality of the oxide film that is higher than that of the oxide film 74, and as shown in FIG. 10D, the buried insulating films 47a, 47b, ... is formed.
[0071]
(C) Next, an Al film (second metal film) is deposited to a thickness of about 200 nm inside the extension trench, and polycrystalline silicon is further deposited on the Al film by a CVD method. Then, planarization is performed by CMP until the oxide film 74 is exposed, and the Al film / polycrystalline silicon is buried in the extension trench as shown in FIG. 11E, and the buried gate electrodes 45a, 45b,... • Form.
[0072]
(D) Then, a resist is spin-coated on the oxide film 74, and the resist is patterned by a photolithography technique. Then, using the patterned resist as an etching mask, the oxide film 74 is patterned, a source contact hole is opened, and a part of the source regions 35a, 35b, 35c,. For the patterning of the oxide film 74, RIE may be used. Thereafter, the surface of the oxide film 74 having the source contact hole opened is covered with a resist, and the thin oxide film 30 on the back surface of the low-resistance SiC substrate 11 is etched with diluted hydrofluoric acid (HF) or buffered HF. On the back surface of the n-type low resistance SiC substrate 11, a Ni film is deposited as a third metal film 43 with a thickness of about 1 μm to form a drain electrode 43.
[0073]
(E) Next, an Al film is deposited on the surfaces of the n-type source regions 35a, 35b, 35c,... As a fourth metal film with a thickness of about 1 μm. As the fourth metal film, a metal such as Ti or Mo, or various metal silicides may be used. Then, a resist is spin-coated on the fourth metal film, and the resist is patterned by photolithography so that the resist remains above the source regions 35a, 35b, 35c,. Then, using the patterned resist as an etching mask, the fourth metal film is etched, and the fourth metal film as shown in FIG. 11F is formed on the source regions 35a, 35b, 35c,. Leave selectively. And substrate temperature TSUB= Through a sintering process of about 1000 ° C. to 1100 ° C., the ohmic contact between the source electrodes 41a, 41b, 41c,..., The drain electrode 43, and the gate electrodes 45a, 45b is improved. This completes the outline process of the trench sidewall gate type SIT.
[0074]
The electrical characteristics of the trench sidewall gate type SIT according to the modification of the third embodiment are greatly improved in the same manner as the cut gate type SIT shown in FIG. In the trench sidewall gate type SIT according to the modification of the third embodiment, the capacity of the one side p-type deep expansion diffusion regions 39a, 39b, 39c, 39d,. To be improved. That is, by adopting the configuration shown in FIG. 11 (f), the width of one-sided p-type deep expansion diffusion regions 39a, 39b, 39c, 39d,... Can be effectively expanded toward the inside of the substrate. I can do it. In addition, since the lighter weight boron is implanted deeper, the damage during implantation can be greatly reduced. As a result, in the trench sidewall gate type SIT, the forward breakdown voltage without sacrificing the gate breakdown voltage characteristics such as breakdown voltage and leakage current. The resistance can be lowered sufficiently.
[0075]
(Fourth embodiment)
As shown in FIG. 15L, the vertical UMOSFET according to the fourth embodiment of the present invention includes a first conductive type first main electrode region (drain region) 11, and the first main electrode region 11. A first conductivity type drift region 21 made of a wide forbidden band width material provided at an upper portion, and a plurality of second conductivity type body regions 64a, 64b, 64c,. A plurality of first conductive type second main electrode regions (source regions) 63a, 63b, 63c, 63d,... Selectively disposed on the surfaces of the body regions 64a, 64b, 64c,. ..., a plurality of trenches dug in the direction of the drain region 11 from the surface of the source regions 63a, 63b, 63c, 63d, ..., gate oxide films formed on the inner walls of the plurality of trenches 65, multiple trenches Gate electrodes 45a, 45b,... Buried in the surface of the gate oxide film 65, and a plurality of second conductivity type deep expansion types provided in the drift region 21 at the bottom of the plurality of trenches. Diffusion regions (electric field relaxation regions) 66a, 66b,... As in the second and third embodiments of the present invention, each of the deep-expanded diffusion regions 66a, 66b,... In the depth direction from the surface of the drift region 21 toward the drain region 11, As the drain region 11 is approached, the lateral diffusion width perpendicular to the depth direction becomes wider. Each of the plurality of deep-expanded diffusion regions 66a, 66b,... Is located in the upper region made of the first impurity element and in the lower part of the upper region, and is wider than the first impurity element. It consists of a lower region made of a second impurity element having a large diffusion coefficient in the width material. In the fourth embodiment, a case where the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type will be described.
[0076]
The drain electrode 43 is in the first main electrode region (drain region) 11, and the source electrode 41 is in ohmic contact with the second main electrode regions (source regions) 63a, 63b, 63c, 63d,. Has been. The source electrode 41 short-circuits the source regions 63a, 63b, 63c, 63d,... And the body regions 64a, 64b, 64c,.
[0077]
The vertical UMOSFET shown in FIG. 15 (l) can be manufactured by the following procedure:
(A) First, as shown in FIG.19cm-3Impurity concentration of 3 × 10 5 by epitaxial growth on an n-type low resistance SiC substrate 11 having a thickness of 300 μm15cm-3Impurity concentration of 1 × 10 10 on the n-type epitaxial growth layer (first epitaxial growth layer) 21 having a thickness of 10 μm and the first epitaxial growth layer 2116cm-3Then, a p-type second epitaxial growth layer 55 having a thickness of 3 μm is formed. However, nitrogen is used as the n-type impurity here, but another impurity such as phosphorus may be used. A plurality of impurities such as nitrogen and phosphorus may be used at the same time. Further, boron is used as the p-type impurity, but another impurity such as aluminum may be used.
[0078]
(B) Next, an oxide film 76 is deposited on the surface of the second epitaxial growth layer 55. Next, a resist (not shown) is spin-coated on the oxide film 76, and the resist is patterned by a photolithography technique. Next, the oxide film 76 is patterned using the patterned resist as an etching mask. Thereafter, the resist is removed. Then, using the patterned oxide film 76 as an ion implantation mask, phosphorus is used as a substrate temperature T.SUB= Acceleration energy E around 700 ° CACC= 10 to 200 keV, total dose Φ = 5 × 1015cm-2The multi-stage ion implantation is selectively performed under the following conditions.
[0079]
(C) Thereafter, the oxide film 76 is removed, and an impurity concentration of 1 × 10 is applied to a region having a depth of about 0.3 μm from the surface by activation heat treatment at about 1600 ° C.20cm-3N-type low resistance regions 57a, 57b,... Are formed. Thereafter, an oxide film 58 is deposited on the n-type low resistance regions 57a, 57b,... As shown in FIG.
[0080]
(D) Next, a resist 59 is spin-coated on the surface of the oxide film 58, and the resist 59 is patterned by photolithography as shown in FIG. Then, using the patterned resist 59 as an etching mask, the oxide film 58 is patterned. Then, using the patterned oxide film 58 as an etching mask, as shown in FIG. 13E, a trench reaching the n-type first epitaxial growth layer 21 through the p-type second epitaxial growth layer 55 by RIE or the like. 48a, 48b,... Are formed.
[0081]
The n-type low resistance regions 57a, 57b,... Are divided into source regions 63a, 63b, 63c, 63d,. The p-type second epitaxial growth layer 55 is divided into p-type body regions 64a, 64b, 64c,.
[0082]
(E) Then, as shown in FIG. 13F, an oxide film 65 having a thickness of about 10 nm is formed inside the trenches 48a, 48b,.
[0083]
(F) Then, using the oxide film 58 as a mask for ion implantation, as shown in FIG. 14G, the trenches 48a, 48b,...11B+Selective ion implantation is performed (deep ion implantation step).11B+This selective ion implantation is performed through the oxide film 65. At this time, a metal film may be deposited on the surface of the oxide film 58 by vacuum vapor deposition or sputtering, and the metal film may be patterned to serve as an ion implantation mask. here,11B+Is the substrate temperature TSUB= Room temperature to 700 ° C., where acceleration energy E is about 500 ° C.ACC= 100 to 400 keV, total dose Φ = 1.8 × 1013cm-2Multi-stage injection. As a result, an impurity concentration of 3 × 10 6 is obtained in a region having a depth of 0.25 to 0.8 μm from the surface.17cm-3An injection layer is formed.
[0084]
(G) Further, as shown in FIG. 14H, the oxide film 58 is used as an ion implantation mask for the n-type first epitaxial growth layer 21 located at the bottom of the trench.11B+In a position shallower than the projection range of27Al+Selective ion implantation is performed (shallow ion implantation step).27Al+This selective ion implantation is performed through the oxide film 65.27Al+Is the substrate temperature TSUB= Room temperature to 700 ° C, here about 500 ° C, acceleration energy EACC= 10 to 150 keV, total dose Φ = 2 × 1013cm-2Multi-stage injection. As a result, an impurity concentration of 1 × 10 6 is obtained in a region having a depth of 0.25 μm from the surface.18cm-3of27Al+An injection layer is formed.
[0085]
(H) Next, after removing the oxide films 58 and 65, the substrate temperature TSUBAs shown in FIG. 14 (i), p-type deep expansion diffusion regions 66a, 66b,... Are selectively formed by activation heat treatment at about = 1600 ° C. The p-type deep expansion diffusion regions 66a, 66b,... are p-type field relaxation regions of the vertical UMOSFET. Since boron having a diffusion coefficient about several times larger than that of aluminum is intentionally implanted deeply in the p-type field relaxation regions 66a, 66b,..., as in the third embodiment. After the activation heat treatment, the widths of the p-type field relaxation regions 66a, 66b,... Can be effectively expanded toward the inside of the substrate. Furthermore, another advantage of implanting boron deeply is that the mass is lighter than aluminum, so that damage during implantation can be reduced, and as a result, electric field concentration during reverse voltage application can be greatly suppressed. can give.
[0086]
(I) Next, oxide films 58 and 65 are formed again on the substrate surface and in the trenches 48a, 48b,. Thereafter, polysilicon doped with phosphorus at a high concentration is deposited in the trenches 48a, 48b,... By CVD. Then, by using dry etching such as RIE, CDE, etc., polysilicon with a high concentration of phosphorus is left only in the trenches 48a, 48b,..., And other polysilicon (such as the substrate surface) is removed. As a result, buried gate electrodes 45a, 45b,... Are formed. Then, an interlayer insulating film 67 is deposited on the oxide film 58 by the CVD method as shown in FIG.
[0087]
(N) A resist is spin-coated on the interlayer insulating film 67, and the resist is patterned by a photolithography technique. Then, using the patterned resist as an etching mask, the interlayer insulating film 67 and the oxide film 58 are selectively etched, source contact holes are opened, source regions 63a, 63b, 63c, 63d,. P-type body regions 64a, 64b, 64c,... are partially exposed. The source contact holes are opened so that both the source regions 63a, 63b, 63c, 63d,... And the p-type body regions 64a, 64b, 64c,. Is done. The interlayer insulating film 67 and the oxide film 58 may be etched continuously using RIE. Thereafter, the surfaces of the interlayer insulating film 67 and the oxide film 58 in which the source contact holes are opened are covered with a resist, and the thin oxide film 30 on the back surface of the low-resistance SiC substrate 11 is diluted with hydrofluoric acid (HF) or buffered HF. Etching with etc. On the back surface of the n-type low resistance SiC substrate 11, a Ni film is deposited as a metal film 43 with a thickness of about 1 μm to form a drain electrode 43.
[0088]
(L) Next, as shown in FIG. 15 (l), an Al film is deposited on the surface of the n-type source regions 63a, 63b, 63c, 63d,. To do. As the metal film, a metal such as Ti or Mo, or various metal silicides may be used. Then, a resist is spin-coated on the metal film, and the resist is patterned by photolithography so that the resist remains above the source regions 63a, 63b, 63c, 63d,. Then, using the patterned resist as an etching mask, the metal film is etched, and the metal film as shown in FIG. 15 (l) is selectively formed on the source regions 63a, 63b, 63c, 63d,. Then, the source electrode 41 is patterned. In the case of a power device, the source electrode 41 may be formed on the entire surface and may not be patterned. And substrate temperature TSUB= 800 to 1100 ° C., for example, 950 ° C., for about 5 minutes, and the ohmic contact between the source electrode 41, the drain electrode 43, and the gate electrodes 45a and 45b is improved. This completes the schematic process of the vertical UMOSFET.
[0089]
In the vertical UMOSFET manufactured as described above, the electric field strength of the insulating film at the bottom side ends of the p-type electric field relaxation regions 66a, 66b,. I can do it. This is because the voltage is equally shared by the p-type electric field relaxation regions 66a, 66b,... According to the fourth embodiment of the present invention. In the absence of the p-type electric field relaxation regions 66a, 66b,..., the breakdown voltage is about 700 to 900 V, whereas in the presence of the p-type electric field relaxation regions 66a, 66b,. .About.1200V, and the electric field concentration in the p-type electric field relaxation regions 66a, 66b,... Is remarkably improved, so that the reliability of the device is improved.
[0090]
<Modification of Fourth Embodiment>
FIG. 18L is a sectional view of a vertical UMOSFET according to a modification of the fourth embodiment of the present invention. 18 (l) differs from the structure shown in FIG. 15 (l) in that the structure shown in FIG. 18 (l) is different from the structure shown in FIG. 15 (l) in the second conductivity type (p-type) electric field relaxation region. 69a, 69b, 69c,... The electric field relaxation regions 69a, 69b, 69c,... Have a thickness of about 0.5 μm and a surface impurity concentration of 1017To 1018cm-3P-type region (second conductivity type).
[0091]
The vertical UMOSFET shown in FIG. 18 (l) can be manufactured by the following procedure:
(A) First, the impurity concentration is 1 × 10.19cm-3Impurity concentration of 3 × 10 5 by epitaxial growth on an n-type low resistance SiC substrate 11 having a thickness of 300 μm15cm-3Then, an n-type epitaxial growth layer (first epitaxial growth layer) 21 having a thickness of 10 μm is grown. Thereafter, the SiC substrate 11 is taken out from the epitaxial growth furnace, and an oxide film (not shown) is formed on the first epitaxial growth layer 21. Next, a resist (not shown) is spin-coated on the oxide film, and the resist is patterned by a photolithography technique. Then, using the patterned resist as an etching mask, the oxide film 68 is patterned by RIE or the like. Next, after removing the resist, as shown in FIG.11B+Selective ion implantation is performed (deep ion implantation step). here,11B+Is the substrate temperature TSUB= Room temperature to 700 ° C., where acceleration energy E is about 500 ° C.ACC= 50 to 200 keV, total dose Φ = 1.8 × 1013cm-2Multi-stage injection. Furthermore, as shown in FIG. 16B, the oxide film 68 is used as an ion implantation mask for the n-type first epitaxial growth layer 21.11B+In a position shallower than the projection range of27Al+Selective ion implantation is performed (shallow ion implantation step).27Al+Is the substrate temperature TSUB= Room temperature to 700 ° C, here about 500 ° C, acceleration energy EACC= 5-70 keV, total dose Φ = 2 × 1013cm-2Multi-stage injection.
[0092]
(B) Thereafter, the oxide film 68 on the surface is removed, and the substrate temperature TSUBAs shown in FIG. 16C, p-type deep expansion diffusion regions 69a, 69b, 69c,... Are selectively formed by activation heat treatment at about = 1600 ° C. Thereafter, as shown in FIG. 16C, an impurity concentration of 1 × 10 6 is formed on the first epitaxial growth layer 21.16cm-3Then, a p-type second epitaxial growth layer 55 having a thickness of 3 μm is formed.
[0093]
(C) The subsequent manufacturing steps are basically the same as the steps shown in FIGS. 12 (b) to 15 (l). For example, FIGS. 17 (g), (h), and (i) correspond to FIGS. 14 (g), (h), and (i), respectively. 18 (j), (k), and (l) correspond to FIGS. 15 (j), (k), and (l), respectively. Therefore, a duplicate description is omitted here.
[0094]
As described above, in the vertical UMOSFET according to the modification of the fourth embodiment, the voltage is equally shared by the deep expansion type p-type field relaxation regions 66a, 66b,... Further, the voltage is equally shared by the deep expansion type electric field relaxation regions 69a, 69b, 69c,..., So that the voltage sharing of the gate insulating film becomes very small and the electric field applied to the gate oxide film 65 is reduced. Concentration is further relaxed significantly. That is, a depletion layer extending from the junction between the deep expansion type electric field relaxation regions 69a, 69b, 69c,... And the first epitaxial growth layer 21, and a deep expansion type p-type electric field relaxation regions 66a, 66b, ... and the depletion layer extending from the junction of the first epitaxial growth layer 21 are combined, and as a result, the voltage applied between the drain and source electrodes is equally shared by the combined depletion layer. It is.
[0095]
Specifically, in the above configuration according to the modification of the fourth embodiment, the breakdown voltage is about 1000 to 1200 V in the absence of the p-type electric field relaxation regions 69a, 69b, 69c,. In the case where there are deep expansion type p-type electric field relaxation regions 66a, 66b,..., The breakdown voltage is significantly increased to about 1150 to 1350 V, and the electric field concentration on the gate oxide film 65 is further improved. Device reliability has also been significantly improved.
[0096]
(Fifth embodiment)
As shown in FIG. 20 (f), the surface gate type bipolar mode SIT (BSIT) according to the fifth embodiment of the present invention includes a first main electrode region (drain region) 11 of the first conductivity type, and its drain. A first conductivity type drift region (n-type epitaxial growth layer) 21 made of a wide forbidden band width material provided above the region 11, and a plurality of second conductivity type deep expansions provided inside the drift region 21 , Diffusion regions (gate regions) 25a, 25b,..., A second conductivity type base region 72 sandwiched between a plurality of deep expansion diffusion regions 25a, 25b,. And a second main electrode region (source region) 35 of the first conductivity type provided in the vicinity of the surface inside. The impurity concentration of the base region 72 is set sufficiently lower than the deep-expanded diffusion regions 25a, 25b,..., And the punching through is almost between the drain region 11 and the source region 35. Yes. However, in the state where no voltage is applied to the gate regions 25a, 25b,..., The height of the potential barrier against electrons is sufficiently high, so that the drain current does not flow, and the surface gate type BSIT exhibits normally-off characteristics. Show. When a voltage equal to or lower than the built-in voltage is applied to the gate regions 25a, 25b,..., The height of the potential barrier against electrons decreases due to the electrostatic induction effect, and the drain current of the surface gate type BSIT begins to flow.
[0097]
Like the surface gate type SIT according to the second embodiment, each of the surface gate type BSIT deep expansion regions 25a, 25b,... Approaches the drain region 11 from the surface of the drift region 21. Accordingly, it has a three-dimensional shape in which the horizontal cross-sectional area gradually increases. In the fifth embodiment, a case where n-type is used as the first conductivity type and p-type is used as the second conductivity type will be described. A drain electrode 43 is in ohmic contact with the first main electrode region (drain region) 11, and a source electrode 41 is in ohmic contact with the second main electrode region (source region) 35. Further, gate electrodes 45a and 45b are in ohmic contact with the deep expansion type diffusion regions (gate regions) 25a, 25b,.
[0098]
The surface gate type BSIT shown in FIG. 20 (f) can be manufactured by the following procedure:
(A) First, the impurity concentration is 1 × 10.19cm-3Impurity concentration of 3 × 10 5 by epitaxial growth on an n-type low resistance SiC substrate 11 having a thickness of 300 μm15cm-3Then, an n-type epitaxial growth layer 21 having a thickness of 10 μm is formed. However, nitrogen is used as the n-type impurity here, but another impurity such as phosphorus may be used. Next, a metal film is deposited on the surface of the n-type epitaxial growth layer 21 by vacuum evaporation or sputtering. For example, Mo can be used as the metal film. Then, a resist is spin-coated on the metal film, and the resist is patterned by a photolithography technique. Then, using the patterned resist as an etching mask, the metal film is patterned to form an ion implantation mask. Then, as in the second embodiment, the n-type epitaxial growth layer 21 is deeply inserted through the ion implantation mask from the surface of the n-type epitaxial growth layer 21.11B+Selective ion implantation is performed (deep ion implantation step). here,11B+Is the substrate temperature TSUB= Room temperature to 700 ° C., where acceleration energy E is about 500 ° C.ACC= 100 to 400 keV, total dose Φ = 6 × 1014cm-2Multi-stage injection. As a result, an impurity concentration of 1 × 10 10 is obtained in a region having a depth of 0.25 to 0.8 μm from the surface.19cm-3An injection layer is formed. Further, from the surface of the n-type epitaxial growth layer 21, an ion implantation mask is used as a mask.11B+In a position shallower than the projection range of27Al+Selective ion implantation is performed (shallow ion implantation step).27Al+Is the substrate temperature TSUB= Room temperature to 700 ° C, here about 500 ° C, acceleration energy EACC= 10 to 150 keV, total dose Φ = 2 × 1016cm-2Multi-stage injection. As a result, an impurity concentration of 1 × 10 6 is obtained in a region having a depth of 0.25 μm from the surface.20cm-3of27Al+An injection layer is formed. Thereafter, the metal film of the ion implantation mask is removed, and the substrate temperature TSUBAs shown in FIG. 19A, p-type deep expansion diffusion regions 25a, 25b,... Are selectively formed by activation heat treatment at about = 1600 ° C. The p-type deep expansion diffusion regions 25a, 25b,... are the gate regions of the surface gate type BSIT. At this time, the width of each of the deep expansion type diffusion regions 25a, 25b,... Is about 2 μm. In addition, the width of the channel sandwiched between the pair of mold deep expansion diffusion regions 25a and deep expansion diffusion regions 25b is set to about 1 μm near the surface. Here, the ion implantation conditions as described above were used for boron and aluminum. However, in order to effectively perform pinch-off by the gate, the acceleration energy EACCFurther, the p-type deep expansion diffusion regions 25a, 25b,... Can be formed in a substantially trapezoidal shape as shown in FIG. As described above, boron having a diffusion coefficient about several times larger than that of aluminum is intentionally implanted deep in the p-type low resistance region, so that after the activation heat treatment, as shown in FIG. The width of the gate regions 25a, 25b,... Can be effectively expanded toward the inside of the substrate. Another advantage of implanting boron deeply is that the mass is lighter than aluminum, so that damage during implantation can be further reduced, and as a result, leakage current at pinch-off can be greatly suppressed.
[0099]
(B) Next, as shown in FIG. 19A, boron is applied to the acceleration energy E on the entire surface of the n-type epitaxial growth layer 21.ACC= 10 to 200 keV, total dose Φ = 5 × 1012cm-2Multistage ion implantation is performed under the following conditions. An ion implantation mask may be formed, and selective ion implantation may be performed in the gate regions 25a, 25b,.
[0100]
(C) After ion implantation of boron, an activation heat treatment at about 1600 ° C. is performed, and as shown in FIG. 19B, the impurity concentration extends from the surface of the n-type epitaxial growth layer 21 to a depth of about 0.5 μm. 1 × 1017cm-3The p-type base region 72 is formed. Next, polycrystalline silicon is deposited on the surface of the n-type epitaxial growth layer 21 by the CVD method. Then, the polycrystalline silicon is thermally oxidized to form an oxide film 91 on the surface of the n-type epitaxial growth layer 21 as shown in FIG. When this polycrystalline silicon is thermally oxidized, a thin oxide film 30 is also formed on the back surface of the low-resistance SiC substrate 11. In addition to the above method, the oxide film may be deposited by a CVD method using SiH4, N2O, or the like.
[0101]
(D) Further, a second metal film 32 is deposited on the surface of the oxide film 91 by vacuum evaporation or sputtering. For example, Mo can be used as the second metal film 32. Then, a resist 33 is spin-coated on the second metal film 32. Then, the resist 33 is patterned by photolithography as shown in FIG. Then, using the patterned resist 33 as an etching mask, the second metal film 32 is etched by RIE to form a second mask 32M for ion implantation as shown in FIG. Following the RIE of the second metal film 32, the underlying oxide film 91 is also selectively removed by RIE to expose part of the surface of the n-type epitaxial growth layer 21. Then, through the second mask 32M for ion implantation, as shown in FIG.SUB= Around 700 ℃31P+Accelerate energy EACC= 10 to 200 keV, total dose Φ = 5 × 1015cm-2The multi-stage ion implantation is selectively performed under the following conditions. Then, after removing the second mask 32M for ion implantation and the oxide film 91, the substrate temperature TSUBAs a result of activation heat treatment at about 1600 ° C., as shown in FIG.20cm-3N-type source region 35 is formed.
[0102]
(E) Next, after the oxide film 31 is formed again on the substrate surface by the CVD method or the like, the oxide film 31 is patterned using RIE or the like using the resist patterned in the same manner as described above as an etching mask. Thereafter, the resist is removed, and the opening of the patterned oxide film 31 is used as a source contact hole. Thereafter, the surface of the oxide film 31 having the source contact hole is covered with a resist, and the thin oxide film 30 on the back surface of the low-resistance SiC substrate 11 is etched with diluted hydrofluoric acid (HF) or buffered HF. On the back surface of the n-type low resistance SiC substrate 11, a Ni film is deposited as a third metal film 43 with a thickness of about 1 μm to form a drain electrode 43. Next, an Al film is deposited on the surface of the n-type source region 35 as a fourth metal film with a thickness of about 1 μm. Then, a resist is spin-coated on the fourth metal film. Then, the resist is patterned by photolithography so that the resist remains above the source region 35. Then, using the patterned resist as an etching mask, the fourth metal film is etched, and the fourth metal film as shown in FIG. 20F is selectively left on the source region 35 to form the source electrode 41. To do. Next, a resist is spin-coated on the source electrode 41 and the oxide film 31 exposed from the source electrode 41. Then, by photolithography, the resist is patterned so as to have an opening on each of the deep expansion type diffusion regions (gate regions) 25a, 25b,. Then, using the patterned resist as an etching mask, the oxide film 31 is selectively etched to expose the surfaces of the gate regions 25a, 25b,..., And a gate contact as shown in FIG. Open a hole. Thereafter, a Ti film is deposited on the entire surface sequentially with a thickness of about 200 nm and an Al film with a thickness of about 1 μm. A resist is spin-coated on the Al film, and patterning is performed by a photolithography technique so that the resist is left on the deep expansion type diffusion regions (gate regions) 25a, 25b,. Then, using the patterned resist as an etching mask, as shown in FIG. 20F, the Al film and the Ti film are selectively etched sequentially by RIE to form patterns of the gate electrodes 45a and 45b. After that, the substrate temperature TSUB= Sintering treatment at 800 to 1150 ° C., for example, 950 ° C. for about 5 minutes to improve the ohmic contact between the source electrode 41, the drain electrode 43 and the gate electrodes 45a and 45b. This completes the outline process of the surface gate type BSIT.
[0103]
The results of evaluating the electrical characteristics of the surface gate type BSIT manufactured as described above are as follows. With a surface gate type BSIT having a withstand voltage of 1000 V, the leakage current when applying a gate voltage of −10 V and a drain voltage of 600 V is 1 × 10-6A / cm2 The on-resistance is 18mΩcm2 It became. On the other hand, the SiC surface gate type BSIT according to the prior art has an on-resistance of 26 mΩcm when compared with the same withstand voltage of 1000 V.2 Before and after. Therefore, in the surface gate type BIT according to the fifth embodiment, about 8 mΩcm.2 The on-resistance can be reduced.
[0104]
Here, the on-resistance is about 8 mΩcm according to the fifth embodiment.2 The reason for the reduction is that the parasitic resistance caused by the depletion layer extending from the pn junction between the p-type deep expansion diffusion regions 25a, 25b,...2 This is due to the reduction. 20 (f), the width of the gate regions 25a, 25b,... Can be effectively expanded toward the inside of the substrate. Also, since boron with a lighter mass is implanted deeper, damage during implantation can be greatly reduced. As a result, in the surface gate type BSIT, the forward withstanding voltage characteristics such as withstand voltage and leakage current are not impaired. Resistance can be lowered sufficiently. In the fifth embodiment, by providing the p-type base region 72, a normally-off type surface gate type BSIT is realized.
[0105]
Further, as shown in FIG. 21, an n-type region 73 having a low impurity concentration may be provided between the n-type source region 35 and the p-type base region 72.
[0106]
Furthermore, the invention according to the fifth embodiment can also be applied to the bipolar transistor (BJT) shown in FIG. A BJT according to a modification (second modification) of the fifth embodiment of the present invention is provided on a first main electrode region (collector region) 81 made of a SiC substrate and on the first main electrode region 81. A first conductivity type drift region (n-type epitaxial growth layer) 21 made of the wide forbidden band width material, and a plurality of second conductivity type deep expansion type diffusion regions 82 a and 82 b provided inside the drift region 21. ,..., A p-type base region 83 sandwiched between a plurality of deep expansion diffusion regions 82a, 82b,..., A first conductivity type provided inside the p-type base region 83. A second main electrode region (emitter region) 84 is formed.
[0107]
In the BSIT shown in FIG. 20F, the impurity concentration of the base region 72 is set sufficiently lower than the deep expansion type diffusion regions 25a, 25b,. The space is almost punching through. However, in the BJT shown in FIG. 22, the impurity concentration of the p-type base region 83 is set higher than that of the base region 72. For example, the impurity concentration of the p-type base region 83 is 1 × 1018cm-3~ 1x1019cm-3Is set to about. Therefore, a neutral p-type base region 83 remains between the collector region 81 and the emitter region 84, and the collector voltage applied to the collector region 81 is less likely to affect the emitter region 84 side. .
[0108]
Each of the deep-expanded diffusion regions 82a, 82b,... Has a three-dimensional shape in which the horizontal cross-sectional area gradually increases as it approaches the first main electrode region 81 from the surface of the drift region 21. In this case, the p-type deep expansion type diffusion regions 82a, 82b,... Function as an external base region (base electrode extraction region) of the BJT. A collector electrode 87 is in ohmic contact with the collector region 81, and an emitter electrode 86 is in ohmic contact with the emitter region 84. A base electrode 85 made of an Al / Ti composite film is in ohmic contact with the base electrode extraction regions 82a, 82b,. In the BJT shown in FIG. 22, the p-type deep expansion diffusion regions 82a, 82b,... Are effectively expanded toward the inside of the substrate, so that they are connected to the p-type base region 72 of the internal base with a low resistance. As a result, the base resistance can be greatly reduced. That is, it is possible to increase the frequency of BJT. In addition, since it is a bipolar device, it is possible to use conductive modulation and to further reduce the on-resistance.
[0109]
(Sixth embodiment)
The semiconductor device manufacturing methods described in the second to fifth embodiments of the present invention can also be applied to electrostatic induction thyristors (SI thyristors). In the case of an SI thyristor, the conductivity type of the n-type low resistance SiC substrate 11 in the surface gate type SIT structure shown in FIG. 5 (i) may be a p-type low resistance SiC substrate 51 as shown in FIG.
[0110]
That is, the SI thyristor according to the sixth embodiment of the present invention includes a first main electrode region 51 and a wide forbidden band width material provided on the first main electrode region 51 as shown in FIG. A first conductivity type drift region 21, a plurality of second conductivity type deep expansion diffusion regions 25 a, 25 b,... Provided in the drift region 21, and a plurality of deep expansion diffusions. The first conductive type second main electrode region 53 is provided between the regions 25a, 25b,... As in the first embodiment of the present invention, each of the deep-expanded diffusion regions 25a, 25b,... Extends in the horizontal direction as it approaches the first main electrode region 51 from the surface of the drift region 21. It has a three-dimensional shape that gradually increases in area. Each of the deep expansion diffusion regions 25a, 25b,... Is a control electrode region (gate regions 25a, 25b,. ). The first main electrode region 51 functions as an anode region of the SI thyristor. The second main electrode region 53 functions as a cathode region of the SI thyristor. Each of the plurality of deep-expanded diffusion regions 25a, 25b,... Is located in an upper region made of the first impurity element and a lower forbidden band than the first impurity element. It consists of a lower region made of a second impurity element having a large diffusion coefficient in the width material.
[0111]
An anode electrode 52 is in ohmic contact with the first main electrode region (anode region) 51, and a cathode electrode 54 is in ohmic contact with the second main electrode region (cathode region) 53. Further, gate electrodes 45a and 45b are in ohmic contact with the deep expansion type diffusion regions (gate regions) 25a, 25b,.
[0112]
In the SI thyristor, the height of a potential barrier (potential) that is a saddle point in a two-dimensional space of the potential between the cathode and the anode and the potential in the channel due to the gate voltage is controlled by the anode voltage and the gate voltage. The potential barrier (potential) is formed in front of the second main electrode region (cathode region) 35 under the influence of the potential of the deep expansion type diffusion regions (gate regions) 25a, 25b,. The anode current flows depending on the height of the potential barrier (potential). The turn-on of this SI thyristor is performed by capacitively coupling the height of the potential barrier formed in the drift region 21 by applying a positive potential to the deep expansion type diffusion regions (gate regions) 25a, 25b,. Realized by lowering by the electric induction effect). In other words, electrons are injected from the second main electrode region (cathode region) 35 into the drift region 21 by decreasing the height of the potential barrier. The injected electrons are accumulated on the front surface of the first main electrode region (anode region) 51 and promote the injection of holes from the first main electrode region (anode region) 51. That is, a large amount of electrons and holes start to flow instantaneously. The turn-off is performed by applying a negative potential or a zero potential to the deep expansion type diffusion regions (gate regions) 25a, 25b,..., And injecting into the drift region 21 from the second main electrode region (cathode region) 35. Start by blocking the electrons that are made.
[0113]
In the case of a normally-off type SI thyristor, a deep expansion type diffusion region (gate region) 25a, 25b,..., Zero potential is applied, and the drift region 21 is supplied from the second main electrode region (cathode region) 35. The electrons injected into the are blocked. In the case of a normally-on type SI thyristor, deep expansion type diffusion regions (gate regions) 25a, 25b,..., Negative potential is applied to increase the height of the potential barrier (potential), and the second Electrons injected into the drift region 21 from the main electrode region (cathode region) 35 are blocked. However, as long as electrons accumulated on the front surface of the first main electrode region (anode region) 51 do not disappear due to recombination or the like, there is injection of holes from the first main electrode region (anode region) 51. So there is a tail current.
[0114]
In the case of the SI thyristor as well, the cathode area can be relatively increased if compared with a constant pinch-off characteristic. Therefore, a lower on-resistance can be obtained with the same breakdown voltage.
[0115]
That is, similarly to SIT, in the case of an SI thyristor, forward loss can be sufficiently reduced without impairing gate breakdown voltage characteristics such as breakdown voltage and leakage current, and high-efficiency switching is possible.
[0116]
The manufacturing method of the SI thyristor according to the sixth embodiment of the present invention is the manufacturing method of the surface gate type SIT described with reference to FIGS. 3 to 5, and shows the conductivity type of the n-type low resistance SiC substrate 11. As shown in FIG. 23, if the p-type low-resistance SiC substrate 51 is changed, the rest is basically the same. Therefore, redundant description is omitted.
[0117]
FIG. 24 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a modification (first modification) of the sixth embodiment of the present invention. In the anode short-type SI thyristor shown in FIG. 24, the anode region is divided into a plurality of divided anode regions 62a, 62b, 62c,..., And n-type short regions 61a, 61b,. The SI anode short structure is formed. Further, the divided anode regions 62a, 62b, 62c,... Have the structure of a deep expansion diffusion region similar to the gate regions 25a, 25b,. In this case, electrons can be swept to the short regions 61a and 61b by the potentials of the divided anode regions 62a, 62b, 62c,... And the short regions 61a and 61b. Therefore, the tail current at the time of turn-off becomes small, and high-speed switching is possible. Note that the pitch of the divided anode regions 62a, 62b, 62c,... May be selected to be not more than twice the electron diffusion length.
By using a plurality of divided anode regions 62a, 62b, 62c,... Having the structure of the deep expansion type diffusion region shown in FIG. 24, the anode area can be effectively increased while increasing the effective area of the anode region. Electrons accumulated on the entire surface of the region can be extracted using the short regions 61a, 61b,. For this reason, the tail current can be suppressed without increasing the on-resistance. Therefore, an anode short-type SI thyristor that simultaneously exhibits a low on-voltage and a high-speed turn-off characteristic can be obtained.
[0118]
FIG. 25 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a modification (second modification) of the sixth embodiment of the present invention. The cut gate type SI thyristor shown in FIG. 25 corresponds to a structure in which the conductivity type of the resistive SiC substrate 11 of the cut gate type SIT according to the third embodiment shown in FIG.
[0119]
FIG. 26 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a modification (third modification) of the sixth embodiment of the present invention. The normally-off type SI thyristor shown in FIG. 26 corresponds to a structure in which the conductivity type of the resistive SiC substrate 11 of the BSIT according to the fifth embodiment shown in FIG.
(Seventh embodiment)
FIG. 27 is a cross-sectional view of a lateral UMOSFET (lateral UMOSFET) according to a seventh embodiment of the present invention. The difference between the horizontal UMOSFET according to the seventh embodiment and the vertical UMOSFET according to the fourth embodiment is that the drain electrode 90 is formed not on the back surface of the substrate but on the surface of the first epitaxial growth layer 21. It is.
[0120]
In the seventh embodiment, instead of the p-type second epitaxial growth layer 55 formed on the first epitaxial growth layer 21 by the epitaxial method in the fourth embodiment, a certain region is formed on the first epitaxial growth layer 21. For example, striped p-type body regions 64a, 64b, 64c,... Are formed by selective ion implantation using boron, aluminum, or both. Next, an n-type drain region 89 is formed on the first epitaxial growth layer 21 at a position away from the p-type body regions 64a, 64b, 64c,. Next, between the p-type body regions 64a, 64b, 64c,... And the n-type drain region 89, one or more p-type field relaxation regions 64d, 64e,. It is provided in parallel with the body regions 64a, 64b, 64c,. The p-type electric field relaxation regions 64d, 64e,... Relax the electric field concentration at the ends of the p-type body regions 64a, 64b, 64c,. Next, the drain electrode 90 is formed on the n-type drain region 89. Here, the drain electrode 90 is preferably formed in parallel with the gate electrodes 45a, 45b,... At a predetermined distance from the gate electrodes 45a, 45b,. The structure other than the above steps is basically the same as that of the vertical UMOSFET according to the fourth embodiment shown in FIG. The horizontal UMOSFET is thus completed.
[0121]
In the horizontal UMOSFET, since the source electrodes 41a, 41b, 41c,... And the drain electrode 90 are provided on the same surface, it is easy to integrate the monolithic IC on the same semiconductor chip. In addition, wiring work is simplified even when incorporated in a hybrid IC or the like. Further, since the drain electrode 90 is provided in each semiconductor device, the degree of freedom of surface wiring and connection is increased, and the design is facilitated.
[0122]
The configuration of the n-type drain region 8 and the drain electrode 90 shown in the seventh embodiment can be similarly applied to the configuration of the modification of the fourth embodiment shown in FIG.
[0123]
(Eighth embodiment)
FIG. 28 shows a semiconductor integrated circuit in which the JBS diode according to the first embodiment as the auxiliary element 2 and the anode short-type SI thyristor according to the sixth embodiment as the main element 1 are arranged on the same semiconductor chip. It is. The manufacturing process of the semiconductor integrated circuit according to the eighth embodiment is as described in detail in the first and sixth embodiments, and is omitted here.
[0124]
In the semiconductor integrated circuit according to the eighth embodiment, a unit cell is constituted by the JBS diode as the auxiliary element 2 and the anode short-type SI thyristor as the main element 1. The anode short-type SI thyristor is a reverse conducting SI thyristor, and the JBS diode functions as a free wheel diode connected in parallel to the reverse conducting SI thyristor. That is, a parallel connection structure of a reverse conducting SI thyristor and a free wheel diode is used as a unit cell, and these unit cells are periodically formed in a stripe shape in a multi-channel structure in the n-type drift region 21.
[0125]
Here, the p-type gate regions 25a, 25b,... Of each unit cell function as p-type gate regions 25a, 25b,... Forming an anode short-type SI thyristor region, and a JBS diode. It also functions as a guard ring. Therefore, the area of the entire device can be reduced and the device current density can be improved as compared with the case where the anode short-type SI thyristor and the JBS diode are independently formed.
[0126]
(Other embodiments)
As described above, the present invention has been described according to the first to eighth embodiments. However, it should not be understood that the description and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.
[0127]
In the first embodiment, if the deep expansion diffusion regions 18a and 18b are formed in a substantially trapezoidal shape as shown in FIG. 29, the leakage current in the reverse direction can be further reduced. In order to form a trapezoid, acceleration energy EACCAnd adjusting the dose Φ. In any case, since boron having a diffusion coefficient about several times larger than that of aluminum is intentionally implanted into deep deep diffusion regions 18a and 18b, after activation heat treatment after ion implantation, The width of the deep expansion type diffusion regions 18a and 18b can be effectively expanded toward the inside of the substrate. Another advantage of implanting boron deeply is that the mass is lighter than aluminum, so that damage during implantation can be further reduced, and as a result, leakage current at pinch-off can be greatly suppressed.
[0128]
In the description of the first to eighth embodiments already described, the case where the n-type is used as the first conductivity type and the p-type is used as the second conductivity type has been described. Of course, it is also good.
[0129]
In the first to eighth embodiments, SiC has been described by way of example. Forbidden band width Eg = ZnTe of about 2.2 eV, forbidden band width Eg = CdS of about 2.4 eV, forbidden band width Eg = ZnSe with about 2.7 eV, GaN with forbidden band width Eg = about 3.4 eV, ZnS with forbidden band width Eg = about 3.7 eV, and wide band gap semiconductors such as diamond with forbidden band width Eg = about 5.5 eV , As well as applicable.
[0130]
The present invention is not limited to the JBS diode, surface gate type SIT, cut gate type SIT, vertical UMOSFET, BSIT, SI thyristor, lateral UMOSFET, and integrated circuit described in the first to eighth embodiments. It can also be applied to various other semiconductor devices including MOS composite devices such as emitter-switched thyristors (EST). Further, in the vertical UMOS structure of FIGS. 15L and 18L described in the fourth embodiment, if the n-type low-resistance SiC substrate 11 is replaced with a p-type low-resistance SiC substrate, a trench type is obtained. It functions as an IGBT. In the lateral UMOS structure of FIG. 27 described in the seventh embodiment, if the n-type drain region 89 is replaced with a p-type collector region, it functions as a lateral IGBT. Furthermore, in the BSIT and BJT structures of FIG. 20 (f) and FIG. 22 described in the fifth embodiment, if the n-type low-resistance SiC substrate 11 is replaced with a p-type low-resistance SiC substrate, a normally-off type SI thyristor or Functions as a GTO thyristor. In addition, the present invention can be variously modified and applied to various other semiconductor devices without departing from the gist of the present invention.
[0131]
In the description of the first to eighth embodiments already described, the oxide film is used as the insulating film formed on the trench or the surface. However, tantalum oxide (Ta20Five), Silicon nitride (SiThreeNFourOther insulating films such as aluminum nitride (AlN) may be used.
[0132]
As described above, the present invention naturally includes various embodiments not described herein. Therefore, the technical scope of the present invention is defined only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from the above description.
[0133]
【The invention's effect】
According to the first feature of the present invention, the forward resistance can be sufficiently lowered without impairing the reverse characteristics such as withstand voltage and leakage current.
[0134]
According to the second feature of the present invention, the forward resistance can be sufficiently reduced without impairing the breakdown voltage characteristics of the control electrode region of the semiconductor device.
[0135]
According to the third feature of the present invention, the deep expansion type diffusion region significantly relaxes the electric field strength of the gate insulating film in the vicinity of the bottom of the trench, and an insulated gate semiconductor device having a higher breakdown voltage can be realized. .
[0136]
According to the fourth feature of the present invention, similarly to the third feature, a lateral insulated gate semiconductor device having a higher breakdown voltage can be realized. Further, since the first and second main electrode regions are provided on the same side, integration is easy.
[0137]
According to the method for manufacturing a semiconductor device according to the fifth feature of the present invention, the semiconductor device according to the first to fourth features can be easily manufactured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a process cross-sectional view for explaining a manufacturing process of a JBS diode according to a first embodiment of the present invention (No. 1).
FIG. 2 is a process cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the JBS diode according to the first embodiment of the present invention (No. 2).
FIG. 3 is a process cross-sectional view for explaining a manufacturing process of a surface gate type SIT according to the second embodiment of the present invention (No. 1).
FIG. 4 is a process cross-sectional view for explaining a production process of a surface gate type SIT according to the second embodiment of the present invention (No. 2).
FIG. 5 is a process cross-sectional view for explaining a production process of a surface gate type SIT according to the second embodiment of the present invention (No. 3).
FIG. 6 is a process cross-sectional view for explaining a manufacturing process of a cut gate type SIT according to the third embodiment of the present invention (No. 1).
FIG. 7 is a process cross-sectional view for explaining a manufacturing process of a cut gate type SIT according to the third embodiment of the present invention (No. 2).
FIG. 8 is a process cross-sectional view for explaining a manufacturing process of a cut gate type SIT according to the third embodiment of the present invention (No. 3).
FIG. 9 is a process cross-sectional view for explaining a manufacturing process of a trench sidewall gate type SIT according to a modification of the third embodiment of the present invention (No. 1).
FIG. 10 is a process cross-sectional view for explaining a manufacturing process of a trench sidewall gate type SIT according to a modification of the third embodiment of the present invention (No. 2).
FIG. 11 is a process cross-sectional view for explaining a manufacturing process of a trench sidewall gate type SIT according to a modification of the third embodiment of the present invention (No. 3).
FIG. 12 is a process cross-sectional view for explaining a manufacturing process of a vertical UMOSFET according to the fourth embodiment of the present invention (No. 1).
FIG. 13 is a process cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the vertical UMOSFET according to the fourth embodiment of the present invention (No. 2).
FIG. 14 is a process cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the vertical UMOSFET according to the fourth embodiment of the present invention (No. 3).
FIG. 15 is a process cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the vertical UMOSFET according to the fourth embodiment of the present invention (# 4).
FIG. 16 is a process cross-sectional view for explaining a manufacturing process of a vertical UMOSFET according to a modification of the fourth embodiment of the present invention (part 1);
FIG. 17 is a process cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the vertical UMOSFET according to the modification of the fourth embodiment of the present invention (part 2);
FIG. 18 is a process cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the vertical UMOSFET according to the modification of the fourth embodiment of the present invention (part 3);
FIG. 19 is a process cross-sectional view for explaining a manufacturing process of a BSIT according to the fourth embodiment of the present invention (part 1);
FIG. 20 is a process cross-sectional view for explaining the manufacturing process of the BSIT according to the fourth embodiment of the present invention (No. 2).
FIG. 21 is a cross-sectional view for explaining the structure of a BSIT according to a modification (first modification) of the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 22 is a cross-sectional view for explaining the structure of a BSIT according to another modification (second modification) of the fourth embodiment of the present invention;
FIG. 23 is a schematic cross-sectional view for explaining the structure of an SI thyristor according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 24 is a schematic cross-sectional view for explaining the structure of an SI thyristor according to a modification (first modification) of the sixth embodiment of the present invention.
FIG. 25 is a schematic cross-sectional view for explaining the structure of an SI thyristor according to another modification (second modification) of the sixth embodiment of the present invention.
FIG. 26 is a schematic cross-sectional view of an SI thyristor according to still another modified example (third modified example) of the sixth embodiment of the present invention.
FIG. 27 is a schematic cross-sectional view for explaining the structure of a lateral UMOS according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 28 is a schematic cross-sectional view for explaining the structure of a semiconductor integrated circuit according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 29 is a schematic cross-sectional view of a JBS diode according to another embodiment of the present invention.
FIG. 30 is a schematic cross-sectional view of a surface gate type SIT according to another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Main element
2 Auxiliary elements
11 n-type low resistance SiC substrate (first main electrode region)
12, 21 n-type epitaxial growth layer (first epitaxial growth layer)
13 Metal film
13M ion implantation mask
14, 33, 56 resist
15a, 15b, 18a, 18b, 25a, 25b, 26a, 26b Deep expansion type diffusion region
16 Ohmic electrode (cathode electrode)
17 Schottky electrode (anode electrode)
19 n-type epitaxial growth layer (second epitaxial growth layer)
24 Ion implantation mask (metal film)
30, 31, 34, 37, 58, 74, 76, 77, 91 Oxide film
32 Second metal film
Second mask for 32M ion implantation
35, 35a, 35b, 35c, 63a, 63b, 63c, 63d Second main electrode region (source region)
36 4th metal film
39a, 39b, 39c, 39d One side p-type deep expansion type diffusion region (gate region)
41, 41a, 41b, 41c Source electrode
43 Third metal film (drain electrode)
45a, 45b, 45c Gate electrode
46, 71a, 71b Insulating film
47a, 47b buried insulating film
48a, 48b trench
51 First main electrode region (anode region)
52 Anode electrode 5
53 Second main electrode region (cathode region)
54 Cathode electrode
55 p-type epitaxial growth layer (second epitaxial growth layer)
57a, 57b n-type low resistance region
61a, 61b, 61c Short area
62a, 62b, 62c, 62d Split anode region
64a, 64b, 64c p-type body regions
64d, 64e p-type electric field relaxation region
65 Gate oxide film
67 Interlayer insulation film
68 Mask for ion implantation
69a, 69b, 69c Electric field relaxation region (deep expansion type diffusion region)
72,83 p-type base region
73 n-type region
81 First main electrode region (collector region)
82a, 82b Deep expansion type diffusion region (base electrode extraction region)
84 Second main electrode region (emitter region)
85 Base electrode
86 Emitter electrode
87 Collector electrode
89 Drain region (first main electrode region)
90 Drain electrode

Claims (9)

第1導電型のオーミックコンタクト領域と、
該オーミックコンタクト領域の上部に設けられ、該オーミックコンタクト領域よりも低不純物濃度で、2.2eVよりも禁制帯の広い広禁制帯幅材料からなる第1導電型のドリフト領域と、
該ドリフト領域の表面に頂部を露出して、該ドリフト領域の内部に設けられ、前記ドリフト領域の表面から前記オーミックコンタクト領域に向かって、水平方向断面積が次第に広くなるようにされた複数個の第2導電型の深部膨張形拡散領域と、
前記ドリフト領域の表面に接して設けられた前記ドリフト領域とショットキー接合をなすショットキー電極
を備え、前記複数の深部膨張形拡散領域のそれぞれは、第1の不純物元素を含む上部領域と、該上部領域の下部に位置し、前記第1の不純物元素よりも前記広禁制帯幅材料中における拡散係数の大きな第2の不純物元素を含む下部領域とからなることを特徴とする半導体装置。
An ohmic contact region of a first conductivity type;
A drift region of a first conductivity type provided on the ohmic contact region and made of a wide forbidden band width material having a lower impurity concentration than the ohmic contact region and having a wider forbidden band than 2.2 eV;
A plurality of top surfaces exposed on the surface of the drift region, provided inside the drift region, and having a horizontal cross-sectional area gradually increasing from the surface of the drift region toward the ohmic contact region. A deep conductivity type diffusion region of a second conductivity type;
A Schottky electrode that forms a Schottky junction with the drift region provided in contact with the surface of the drift region, and each of the plurality of deep expansion diffusion regions includes an upper region containing a first impurity element; A semiconductor device comprising: a lower region located under the upper region and including a second impurity element having a larger diffusion coefficient in the wide forbidden band width material than the first impurity element .
第1導電型若しくは第2導電型の第1主電極領域と、
該第1主電極領域の上部に設けられ、該第1主電極領域よりも低不純物濃度で、2.2eVよりも禁制帯の広い広禁制帯幅材料からなる第1導電型のドリフト領域と、
該ドリフト領域の表面に頂部を露出して、該ドリフト領域の内部に設けられ、前記ドリフト領域の表面から前記オーミックコンタクト領域に向かって、水平方向断面積が次第に広くなるようにされた複数個の第2導電型の深部膨張形拡散領域と、
前記ドリフト領域の表面に頂部を露出して、前記複数個の深部膨張形拡散領域に挟まれて前記ドリフト領域の内部に設けられた第1導電型の第2主電極領域
とを備え、前記深部膨張形拡散領域のそれぞれは、前記第1及び第2主電極領域間を流れる電流を制御する制御電極領域として機能することを特徴とする半導体装置。
A first main electrode region of a first conductivity type or a second conductivity type;
A drift region of a first conductivity type that is provided above the first main electrode region and is made of a wide forbidden band width material having a lower impurity concentration than the first main electrode region and having a wider forbidden band than 2.2 eV;
A plurality of top surfaces exposed on the surface of the drift region, provided inside the drift region, and having a horizontal cross-sectional area gradually increasing from the surface of the drift region toward the ohmic contact region. A deep conductivity type diffusion region of a second conductivity type;
A second main electrode region of a first conductivity type that is provided inside the drift region with a top portion exposed at the surface of the drift region and sandwiched between the plurality of deep expansion diffusion regions; Each of the expansion type diffusion regions functions as a control electrode region for controlling a current flowing between the first and second main electrode regions.
前記複数の深部膨張形拡散領域の間に、第2導電型のベース領域を更に備えることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。  The semiconductor device according to claim 2, further comprising a second conductivity type base region between the plurality of deep-expanded diffusion regions. 第1導電型若しくは第2導電型の第1主電極領域と、
該第1主電極領域の上部に設けられ、該第1主電極領域よりも低不純物濃度で、2.2eVよりも禁制帯の広い広禁制帯幅材料からなる第1導電型のドリフト領域と、
該ドリフト領域の表面に配置された第2導電型の複数のボディ領域と、
該ボディ領域の表面に配置された第1導電型の第2主電極領域と、
該第2主電極領域の表面から前記第1主電極領域の方向に向かって掘られ前記ボディ領域を貫通し前記ドリフト領域に達する複数のトレンチと
該複数のトレンチの内壁に形成されたゲート絶縁膜と、
前記複数のトレンチの内部において、前記ゲート絶縁膜の表面に配置されたゲート電極と、
前記複数のトレンチの下部の前記ドリフト領域の内部に設けられ、前記トレンチの底部から前記第1主電極領域領域に向かって、それぞれ水平方向断面積が次第に広くなるようにされ、電界緩和領域として機能する複数個の第2導電型の深部膨張形拡散領域
とを含むことを特徴とする半導体装置。
A first main electrode region of a first conductivity type or a second conductivity type;
A drift region of a first conductivity type that is provided above the first main electrode region and is made of a wide forbidden band width material having a lower impurity concentration than the first main electrode region and having a wider forbidden band than 2.2 eV;
A plurality of body regions of the second conductivity type disposed on the surface of the drift region;
A second main electrode region of the first conductivity type disposed on the surface of the body region;
A plurality of trenches that are dug in the direction of the first main electrode region from the surface of the second main electrode region and reach the drift region through the body region; and a gate insulating film formed on the inner walls of the plurality of trenches When,
A gate electrode disposed on a surface of the gate insulating film inside the plurality of trenches;
Provided inside the drift region below the plurality of trenches, each having a horizontal cross-sectional area gradually increasing from the bottom of the trench toward the first main electrode region region, and functions as an electric field relaxation region A plurality of second conductivity type deep expansion diffusion regions.
第1導電型若しくは第2導電型の第1主電極領域と、A first main electrode region of a first conductivity type or a second conductivity type;
該第1主電極領域の上部に設けられ、該第1主電極領域よりも低不純物濃度で、2.2eVよりも禁制帯の広い広禁制帯幅材料からなる第1導電型のドリフト領域と、  A drift region of a first conductivity type that is provided above the first main electrode region and is made of a wide forbidden band width material having a lower impurity concentration than the first main electrode region and having a wider forbidden band than 2.2 eV;
該ドリフト領域の表面に配置された第1導電型の第2主電極領域と、  A second main electrode region of the first conductivity type disposed on the surface of the drift region;
該第2主電極領域の表面から前記第1主電極領域の方向に向かって、前記第2主電極領域を貫通し前記ドリフト領域に達する複数のトレンチと  A plurality of trenches penetrating the second main electrode region and reaching the drift region from the surface of the second main electrode region toward the first main electrode region;
該複数のトレンチの内壁に形成されたゲート絶縁膜と、  A gate insulating film formed on the inner walls of the plurality of trenches;
前記複数のトレンチの内部において、前記ゲート絶縁膜の表面に配置されたゲート電極と、  A gate electrode disposed on a surface of the gate insulating film inside the plurality of trenches;
前記複数のトレンチの下部の前記ドリフト領域の内部に設けられ、前記ゲート電極と接  Provided inside the drift region below the plurality of trenches and in contact with the gate electrode 続されて前記トレンチの底部から前記第1主電極領域領域に向かって、それぞれ水平方向断面積が次第に広くなるようにされ、電界緩和領域として機能する複数個の第2導電型の深部膨張形拡散領域Subsequently, a plurality of second-conductivity-type deep expansion diffusions each having a horizontal cross-sectional area gradually increasing from the bottom of the trench toward the first main electrode region and functioning as an electric field relaxation region. region
とを含むことを特徴とする半導体装置。  A semiconductor device comprising:
2.2eVよりも禁制帯の広い広禁制帯幅材料からなる第1導電型のドリフト領域と、
該ドリフト領域の表面に配置された第2導電型の複数のボディ領域と、
該ボディ領域から離間し、前記ドリフト領域よりも高不純物濃度で、前記ドリフト領域の表面に配置された第1導電型若しくは第2導電型の第1主電極領域と、
該ボディ領域の表面に配置された第1導電型の第2主電極領域と、
該第2主電極領域の表面から前記ボディ領域を貫通し前記ドリフト領域に達する複数のトレンチと
該複数のトレンチの内壁に形成されたゲート絶縁膜と、
前記複数のトレンチの内部において、前記ゲート絶縁膜の表面に配置されたゲート電極と、
前記複数のトレンチの下部の前記ドリフト領域の内部に設けられ、前記トレンチの底部から前記ボディ領域から離れる方向に向かって、それぞれ水平方向断面積が次第に広くなるようにされ、電界緩和領域として機能する複数個の第2導電型の深部膨張形拡散領域
とを含むことを特徴とする半導体装置。
A drift region of a first conductivity type composed of a wide forbidden band material having a wider forbidden band than 2.2 eV;
A plurality of body regions of the second conductivity type disposed on the surface of the drift region;
A first main electrode region of a first conductivity type or a second conductivity type spaced apart from the body region and disposed on the surface of the drift region at a higher impurity concentration than the drift region;
A second main electrode region of the first conductivity type disposed on the surface of the body region;
A plurality of trenches that penetrate the body region from the surface of the second main electrode region and reach the drift region; and a gate insulating film formed on an inner wall of the plurality of trenches;
A gate electrode disposed on a surface of the gate insulating film inside the plurality of trenches;
Provided inside the drift region of a lower portion of the plurality of trenches, the direction from the bottom of the trench in the direction away from the body region, is adapted to the respective horizontal cross-sectional area gradually wider, it serves as an electric field relaxation region A semiconductor device comprising: a plurality of second conductivity type deep expansion diffusion regions.
前記複数の深部膨張形拡散領域のそれぞれは、
第1の不純物元素を含む上部領域と、
該上部領域の下部に位置し、前記第1の不純物元素よりも前記広禁制帯幅材料中における拡散係数の大きな第2の不純物元素を含む下部領域
とからなることを特徴とする請求項のいずれか1項に記載の半導体装置。
Each of the plurality of deep expansion diffusion regions is
An upper region containing a first impurity element;
Located in the lower portion of the upper region, claim 2, characterized in that it consists of a lower region including a large second impurity element of the diffusion coefficient in the wide bandgap material than the first impurity element - the semiconductor device according to any one of 6.
2.2eVよりも禁制帯の広い広禁制帯幅材料からなる第1導電型の半導体領域の表面にイオン注入用マスクを形成する工程と、
該イオン注入用マスクを用いて、前記半導体領域中に第2導電型を呈する第1不純物イオンを加速エネルギーを変えながら複数回注入する深部イオン注入工程と、
前記イオン注入用マスクを用いて、前記第1不純物イオンよりも前記半導体領域中における拡散係数が小さい第2不純物イオンを、前記第1不純物イオンの射影飛程よりも浅い位置に、加速エネルギーを変えながら複数回注入する浅部イオン注入工程と、
熱処理工程により、前記第1及び第2不純物イオンを電気的に活性化し、前記半導体領域の内部に深部膨張形拡散領域を形成する工程
とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a mask for ion implantation on the surface of the semiconductor region of the first conductivity type made of a wide forbidden band width material having a wider forbidden band than 2.2 eV;
A deep ion implantation step of implanting the first impurity ions exhibiting the second conductivity type into the semiconductor region a plurality of times while changing the acceleration energy using the ion implantation mask;
Using the ion implantation mask, the second impurity ions having a smaller diffusion coefficient in the semiconductor region than the first impurity ions are changed to a position shallower than the projection range of the first impurity ions, and the acceleration energy is changed. However, the shallow ion implantation process of implanting multiple times,
And a step of electrically activating the first and second impurity ions to form a deep expansion type diffusion region inside the semiconductor region by a heat treatment step.
前記広禁制帯幅材料が炭化珪素(SiC)であり、前記第1不純物イオンがボロン(B)、前記第2不純物イオンがアルミニウム(Al)であることを特徴とする請求項記載の半導体装置の製造方法。9. The semiconductor device according to claim 8, wherein the wide forbidden band width material is silicon carbide (SiC), the first impurity ions are boron (B), and the second impurity ions are aluminum (Al). Manufacturing method.
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