JP6439606B2 - Silicon carbide semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、炭化珪素半導体装置に関する。 The present invention relates to a silicon carbide semiconductor device.
近年、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)などの半導体装置の高耐圧化、低損失化、高温環境下での使用などを可能とするため、半導体装置を構成する材料として炭化珪素の採用が進められつつある。たとえば、特開2014−041990号公報(特許文献1)は、ドリフト層の内部に電界緩和領域が設けられたトレンチ型MOSFETを開示している。 2. Description of the Related Art In recent years, silicon carbide has been increasingly used as a material for semiconductor devices in order to enable higher breakdown voltages, lower losses, and use in high-temperature environments for semiconductor devices such as MOSFETs (Metal Oxide Field Effect Transistors). It is being For example, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2014-041990 (Patent Document 1) discloses a trench MOSFET in which an electric field relaxation region is provided inside a drift layer.
トレンチの近傍に電界緩和領域を設けることにより、電界緩和領域から伸長する空乏層によってトレンチの角部に印加される電界を緩和することができる。しかしながら、ソース電極およびドレイン電極間に印加される電圧が増加すると、電界緩和領域における電界強度が増加する。特に、ドレイン電極側の電界緩和領域の角部には、電界が集中しやすいため、当該角部における電界強度は高くなりやすい。当該角部における電界強度が限界値を超えると、当該角部付近に形成された空乏層中において高電界で加速された電子に起因して、アバランシェ降伏が発生する場合がある。結果として、ソース電極およびドレイン電極間が短絡してしまう。アバランシェ降伏は可逆的な現象であるが、過電流によりデバイスが破壊されることもある。 By providing the electric field relaxation region in the vicinity of the trench, the electric field applied to the corner of the trench can be relaxed by the depletion layer extending from the electric field relaxation region. However, when the voltage applied between the source electrode and the drain electrode increases, the electric field strength in the electric field relaxation region increases. In particular, since the electric field tends to concentrate at the corner of the electric field relaxation region on the drain electrode side, the electric field strength at the corner tends to increase. When the electric field strength at the corner exceeds the limit value, an avalanche breakdown may occur due to electrons accelerated by a high electric field in a depletion layer formed near the corner. As a result, the source electrode and the drain electrode are short-circuited. Avalanche breakdown is a reversible phenomenon, but the device may be destroyed by overcurrent.
本発明の一態様の目的は、トレンチの角部における電界集中を緩和し、かつアバランシェ降伏の発生を抑制可能な炭化珪素半導体装置を提供することである。 An object of one embodiment of the present invention is to provide a silicon carbide semiconductor device that can alleviate electric field concentration at a corner of a trench and suppress the occurrence of avalanche breakdown.
本発明の一態様に係る炭化珪素半導体装置は、炭化珪素基板と、ゲート絶縁膜とを備えている。炭化珪素基板は、第1主面と、第1主面と反対側の第2主面とを有する。炭化珪素基板は、第1導電型を有する第1不純物領域と、第1不純物領域上に設けられ、第1導電型と異なる第2導電型を有する第2不純物領域と、第1不純物領域から隔てられるように第2不純物領域上に設けられ、第1主面を構成し、かつ第1導電型を有する第3不純物領域と、第1不純物領域内に位置し、かつ第2導電型を有する電界緩和領域とを含む。第1主面には、第2不純物領域および第3不純物領域を貫通し、かつ第1不純物領域に至る側部と、側部と連続して設けられた底部とにより規定されたトレンチが形成されている。ゲート絶縁膜は、底部において第1不純物領域と接し、かつ側部において第1不純物領域と、第2不純物領域と、第3不純物領域とに接する。電界緩和領域は、第1主面に対面する第3主面と、第2主面に対面する第4主面とを有する。第2主面に平行な方向における、第3主面の幅は、第4主面の幅よりも大きい。 A silicon carbide semiconductor device according to one embodiment of the present invention includes a silicon carbide substrate and a gate insulating film. The silicon carbide substrate has a first main surface and a second main surface opposite to the first main surface. The silicon carbide substrate includes a first impurity region having a first conductivity type, a second impurity region provided on the first impurity region and having a second conductivity type different from the first conductivity type, and separated from the first impurity region. A third impurity region which is provided on the second impurity region and forms the first main surface and has the first conductivity type, and an electric field which is located in the first impurity region and has the second conductivity type. Including relaxation regions. A trench defined by a side portion penetrating through the second impurity region and the third impurity region and reaching the first impurity region and a bottom portion provided continuously with the side portion is formed in the first main surface. ing. The gate insulating film is in contact with the first impurity region at the bottom and is in contact with the first impurity region, the second impurity region, and the third impurity region at the side. The electric field relaxation region has a third main surface that faces the first main surface and a fourth main surface that faces the second main surface. The width of the third main surface in the direction parallel to the second main surface is larger than the width of the fourth main surface.
本発明の一態様によれば、オン抵抗の増加を抑えつつトレンチの角部における電界集中を緩和し、かつアバランシェ降伏の発生を抑制可能な炭化珪素半導体装置を提供することができる。 According to one embodiment of the present invention, it is possible to provide a silicon carbide semiconductor device that can reduce an electric field concentration at a corner portion of a trench while suppressing an increase in on-resistance and can suppress occurrence of an avalanche breakdown.
[本願発明の実施形態の説明]
(1)本発明の一態様に係る炭化珪素半導体装置1は、炭化珪素基板10と、ゲート絶縁膜15とを備えている。炭化珪素基板10は、第1主面10aと、第1主面10aと反対側の第2主面10bとを有する。炭化珪素基板10は、第1導電型を有する第1不純物領域12と、第1不純物領域12上に設けられ、第1導電型と異なる第2導電型を有する第2不純物領域13と、第1不純物領域12から隔てられるように第2不純物領域13上に設けられ、第1主面10aを構成し、かつ第1導電型を有する第3不純物領域14と、第1不純物領域12内に位置し、かつ第2導電型を有する電界緩和領域2とを含む。第1主面10aには、第2不純物領域13および第3不純物領域14を貫通し、かつ第1不純物領域12に至る側部SWと、側部SWと連続して設けられた底部BTとにより規定されたトレンチTRが形成されている。ゲート絶縁膜15は、底部BTにおいて第1不純物領域12と接し、かつ側部SWにおいて第1不純物領域12と、第2不純物領域13と、第3不純物領域14とに接する。電界緩和領域2は、第1主面10aに対面する第3主面2a1と、第2主面10bに対面する第4主面2b1とを有する。第2主面10bに平行な方向における、第3主面2a1の幅W1は、第4主面2b1の幅W2よりも大きい。
[Description of Embodiment of Present Invention]
(1) Silicon
上記(1)に係る炭化珪素半導体装置1によれば、第3主面2a1の幅W1は、第4主面2b1の幅W2よりも大きい。これにより、電界緩和領域2の第4主面2b1の端部C3における電界強度を低減することができる。そのため、アバランシェ降伏の発生を抑制することができる。また電界緩和領域2の第3主面2a1の幅W1が大きいため、第3主面2a1をトレンチTRの角部C1の近くに配置することができる。そのため、トレンチTRの角部C1における電界集中を緩和することができる。
According to silicon
(2)上記(1)に係る炭化珪素半導体装置1において、第2主面10bに対して垂直な方向から見て、第2不純物領域13の外縁13pは、電界緩和領域2を取り囲むように設けられていてもよい。これにより、ドリフト領域12を流れる電流の経路が狭窄されることを抑制することができる。結果として、炭化珪素半導体装置1のオン抵抗を低減することができる。
(2) In silicon
(3)上記(1)または(2)に係る炭化珪素半導体装置1において、炭化珪素基板10は、第2不純物領域13と電界緩和領域2との間に位置し、かつ第2導電型を有する第4不純物領域3を含んでいてもよい。これにより、第2不純物領域13と電界緩和領域2を電気的に接続することができ、スイッチング速度を早くすることができる。
(3) In silicon
(4)上記(3)に係る炭化珪素半導体装置1において、第4不純物領域3は、第2不純物領域13および電界緩和領域2の双方に接していてもよい。これにより、第2不純物領域13から電界緩和領域2に対して電子またはホールを容易に供給することができる。
(4) In silicon
(5)上記(1)〜(4)のいずれかに係る炭化珪素半導体装置1において、第2不純物領域13は、第1不純物領域12との境界面である第5主面13aを有し、第2主面10bに平行な方向における第5主面13aの幅の半分をWb(μm)とし、第2主面10bに対して平行な方向における第3主面2a1の幅の半分をWu(μm)とし、第1不純物領域12における不純物濃度をNd(cm−3)とし、電界緩和領域2における不純物濃度をNa(cm−3)とし、真空の誘電率をε0(F・m−1)とし、炭化珪素の誘電率をεSiC(F・m−1)とし、素電荷をe(C)とし、拡散電位をVbi(V)としたとき、数式1を満たしてもよい。これにより、炭化珪素半導体装置1の耐圧を高く維持しつつオン抵抗を低減することができる。
(5) In silicon
(6)上記(1)〜(5)のいずれかに係る炭化珪素半導体装置1において、炭化珪素基板10は、第2主面10bを構成する炭化珪素単結晶基板11と、炭化珪素単結晶基板11上に設けられ、かつ第1主面10aを構成する炭化珪素エピタキシャル層24とを含む。電界緩和領域2の不純物ドーズ量をDrx(cm−2)し、第2主面10bに対して垂直な方向における、第4主面2b1と、炭化珪素単結晶基板11および炭化珪素エピタキシャル層24の境界面11aとの距離をLd(cm)とし、第1不純物領域12における不純物濃度をNd(cm−3)としたとき、数式2を満たしてもよい。これにより、電界緩和領域2から境界面11aへ空乏層が延びる前に、電界緩和領域2が完全に空乏化することが抑制される。これにより、電界緩和領域2と境界面11aとの間に、十分な長さを有する空乏層が形成され得る。結果として、炭化珪素半導体装置1の耐圧を高く維持することができる。
(6) In silicon
(7)上記(1)〜(6)のいずれかに係る炭化珪素半導体装置1において、側部SWと底部BTとがなす角度θは90°よりも大きくてもよい。側部SWと底部BTとがなす角度θが90°の場合、電界緩和領域2が側部SWの直下に位置するときのオン抵抗と、電界緩和領域2が側部SWの直下よりも第1主面10aと平行な方向に少しシフトしたときのオン抵抗とは、大きく異なる。一方、側部SWと底部BTとがなす角度θが90°よりも大きい場合、側部SWに対する電界緩和領域2の位置が少し変化しても、オン抵抗は大きく異ならない。そのため、側部SWと底部BTとがなす角度θが90°よりも大きい場合は、たとえばアライメント誤差により、トレンチTRに対する電界緩和領域2の位置がウェハの面内でばらついた場合であっても、オン抵抗が大きく変化することを抑制することができる。
(7) In silicon
(8)上記(1)〜(7)のいずれかに係る炭化珪素半導体装置1において、側部SWは、面方位{0−33−8}を有する第1の面S1を含んでもよい。これにより、側部SWにおけるチャネル抵抗を低減することができる。
(8) In silicon
(9)上記(8)に係る炭化珪素半導体装置1において、側部SWは、第1の面S1を微視的に含み、側部SWはさらに、面方位{0−11−1}を有する第2の面S2を微視的に含んでもよい。これにより、側部SWにおけるチャネル抵抗をより低減することができる。
(9) In silicon
(10)上記(9)に係る炭化珪素半導体装置1において、第1の面S1および第2の面S2は、面方位{0−11−2}を有する複合面SRを構成してもよい。これにより、側部SWにおけるチャネル抵抗をより低減することができる。
(10) In silicon
(11)上記(10)に係る炭化珪素半導体装置1において、側部SWは、{000−1}面に対して、巨視的に62°±10°のオフ角を有してもよい。これにより、側部SWにおけるチャネル抵抗をより低減することができる。
(11) In silicon
[本願発明の実施形態の詳細]
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。また、本明細書中の結晶学的記載においては、個別方位を[]、集合方位を<>、個別面を()、集合面を{}でそれぞれ示している。また結晶学上の指数が負であることは、通常、”−”(バー)を数字の上に付すことによって表現されるが、本明細書中では数字の前に負の符号を付している。
[Details of the embodiment of the present invention]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated. In the crystallographic description in this specification, the individual orientation is indicated by [], the collective orientation is indicated by <>, the individual plane is indicated by (), and the collective plane is indicated by {}. In addition, a negative crystallographic index is usually expressed by adding a “-” (bar) above a number, but in this specification a negative sign is added before the number. Yes.
まず、本発明の実施の形態に係る炭化珪素半導体装置としてのMOSFETの構成について説明する。 First, the structure of MOSFET as a silicon carbide semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described.
図1および図2に示されるように、本実施の形態に係るMOSFET1は、炭化珪素基板10と、ゲート絶縁膜15と、ゲート電極27と、層間絶縁膜22と、ソース電極16と、ソース配線19と、ドレイン電極20とを主に有している。炭化珪素基板10は、炭化珪素単結晶基板11と、炭化珪素単結晶基板11上に設けられた炭化珪素エピタキシャル層24を含む。炭化珪素基板10は、第1主面10aと、第1主面10aと反対側の第2主面10bとを有する。炭化珪素エピタキシャル層24は第1主面10aを構成し、炭化珪素単結晶基板11は第2主面10bを構成する。
As shown in FIGS. 1 and 2,
第1主面10aは、たとえば{000−1}面または{000−1}面から2°以上8°以下オフした面である。好ましくは、第1主面10aは、炭素面側であり、第2主面10bが珪素面側である。第1主面10aは、たとえば(000−1)面または(000−1)面から2°以上8°以下オフした面である。炭化珪素単結晶基板11は、たとえばポリタイプ4Hの六方晶炭化珪素である。炭化珪素単結晶基板11は、たとえば窒素などのn型不純物を含みn型(第1導電型)の導電型を有する。炭化珪素エピタキシャル層24は、ドリフト領域12(第1不純物領域12)と、ボディ領域13(第2不純物領域13)と、ソース領域14(第3不純物領域14)と、コンタクト領域18と電界緩和領域2とを主に有する。
The first
ドリフト領域12は、たとえば窒素などのn型不純物を含み、n型の導電型を有する。ドリフト領域12が含むn型不純物の濃度は、好ましくは1×1015cm-3以上5×1016cm-3以下であり、たとえば8×1015cm-3である。ドリフト領域12が含むn型不純物の濃度は、炭化珪素単結晶基板11が含むn型不純物の濃度よりも低くてもよい。
ボディ領域13はドリフト領域12上に設けられている。ボディ領域13は、たとえばアルミニウムなどのp型不純物を含み、p型(第2導電型)の導電型を有する。ボディ領域13のp型不純物の濃度は、好ましくは1×1017cm-3以上5×1018cm-3以下であり、たとえば1×1018cm-3である。
ソース領域14は、ボディ領域13によってドリフト領域12から隔てられるようにボディ領域13上に設けられている。ソース領域14は、たとえば窒素またはリンなどのn型不純物を含んでおり、n型の導電型を有する。ソース領域14は、炭化珪素基板10の第1主面10aを構成する。ソース領域14が含むn型不純物の濃度は、ドリフト領域12が含むn型不純物の濃度よりも高くてもよい。
コンタクト領域18は、ボディ領域13と、ソース領域14とに接している。コンタクト領域18は、たとえばアルミニウムなどのp型不純物を含んでおり、p型の導電型を有する。コンタクト領域18が含むp型不純物の濃度は、ボディ領域13が含むp型不純物の濃度よりも高くてもよい。コンタクト領域18は、ボディ領域13と第1主面10aとを繋ぐようにソース領域14を貫通して設けられている。
Contact
図1および図2に示されるように、電界緩和領域2は、ドリフト領域12内に位置している。電界緩和領域2は、たとえばアルミニウムなどのp型不純物を含んでおり、p型の導電型を有する。電界緩和領域2は、第1主面10aに対面する第3主面2a1と、第2主面10bに対面する第4主面2b1とを有する。第2主面10bに平行な方向における、第3主面2a1の幅W1は、第4主面2b1の幅W2よりも大きい。電界緩和領域2の幅は、第3主面2a1から第4主面2b1に向かう方向において、単調に小さくなってもよいし、段階的に小さくなってもよい。好ましくは、第2主面10bに対して垂直な方向から見て、第3主面2a1の外縁は、第4主面2b1の外縁を取り囲んでいる。電界緩和領域2は、ドリフト領域12によってボディ領域13から隔てられていてもよい。電界緩和領域2は、ドリフト領域12によって炭化珪素単結晶基板11から隔てられていてもよい。好ましくは、第2主面10bと垂直な方向において、第3主面2a1は、底部BTと第2主面10bとの間に位置している。
As shown in FIGS. 1 and 2, the electric
炭化珪素基板10の第1主面10aにはトレンチTRが形成されている。トレンチTRは、側部SWと、底部BTとにより規定されている。側部SWはボディ領域13およびソース領域14を貫通し、かつドリフト領域12に至っている。底部BTは、側部SWと連続して設けられている。底部BTは、ドリフト領域12に位置している。好ましくは、側部SWと底部BTとがなす角度θは90°よりも大きい。
Trench TR is formed in first
断面視(炭化珪素基板10の第2主面10bと平行な方向から見た視野)において、トレンチTRの幅が底部BTに向かってテーパ状に狭まるように側部SWが傾斜していてもよい。側部SWは、(000−1)面に対して52°以上72°以下傾斜していることが好ましい。なお、側部SWは第1主面10aに対して垂直に形成されていてもよい。底部BTは、第1主面10aとほぼ平行な平坦な形状を有してもよい。断面視において、トレンチTRの形状は、U字状またはV字状の形状を有してもよい。好ましくは、側部SWは、特殊面を含んでいる。特殊面の構成の詳細は後述する。
Side view SW may be inclined so that the width of trench TR narrows in a tapered shape toward bottom portion BT in a cross-sectional view (a visual field viewed from a direction parallel to second
図3は、図1に示すMOSFET1から炭化珪素基板10を取り出して示した図である。図3に示されるように、ソース領域14、ボディ領域13およびドリフト領域12は、トレンチTRの側部SWに露出している。ドリフト領域12は、トレンチTRの側部SWおよび底部BTの各々に露出している。底部BTと側部SWとがつながる部分はトレンチTRの角部C1(図2参照)を構成している。平面視(炭化珪素基板10の第2主面10bに対して垂直な方向から見た視野)において、トレンチTRは、ハニカム構造を有する網目を構成するように延在していてもよい。
FIG. 3 shows
図3および図4に示されるように、平面視において、ソース領域14およびコンタクト領域18により構成された炭化珪素基板10の第1主面10aは、六角形の形状を有する。好ましくは、平面視において、ボディ領域13、ソース領域14、コンタクト領域18および電界緩和領域2は、六角形の外形を有する。好ましくは、単位セルの形状は、六角形であり、より好ましくは正六角形である。単位セルの形状は、四角形などの多角形であってもよい。平面視におけるボディ領域13、ソース領域14、コンタクト領域18および電界緩和領域2の形状は、単位セルの形状と同じであることが好ましい。
As shown in FIGS. 3 and 4, first
図4に示されるように、平面視において、ボディ領域13の外縁13pは、電界緩和領域2を取り囲むように設けられていてもよい。平面視において、ボディ領域13とソース領域14との境界の外縁14pは、電界緩和領域2を取り囲むように設けられていてもよい。
As shown in FIG. 4, the
好ましくは、電界緩和領域2のp型不純物のドーズ量をDrx(cm−2)し、第2主面10bに対して垂直な方向における、第4主面2b1と、炭化珪素単結晶基板11および炭化珪素エピタキシャル層24の境界面11aとの距離をLd(cm)とし、ドリフト領域12におけるn型不純物の濃度をNd(cm−3)としたとき、数式2を満たしている。図5に示されるように、第2主面10bと平行な方向(図2中のX方向)における電界緩和領域2中におけるドーズ量は、コンタクト領域18に対面する位置において極大値DOを有し、両側のトレンチTRに向かうにつれて減少していてもよい。この場合、数式2におけるドーズ量Drx(cm−2)は、ドーズ量の極大値である。
Preferably, the dose amount of the p-type impurity in the electric
次に、電界緩和領域2の周囲に形成される空乏層の幅の算出方向について説明する。
まず、真性キャリア濃度ni(cm−3)は、以下の数式3により算出される。ここで、Ncは、室温における4H−SiCの伝導帯の電子密度であり、Nvは、室温における4H−SiCの価電子帯のホール密度である。Egは、室温における4H−SiCのバンドギャップである。Egは、約3.25eVである。kBは、ボルツマン定数であり、Tは絶対温度(K)である。なお室温は300Kとする。
Next, the calculation direction of the width of the depletion layer formed around the electric
First, the intrinsic carrier concentration n i (cm −3 ) is calculated by the following
次に、拡散電位Vbi(V)は、以下の数式4により算出される。ここで、Naは、電界緩和領域のアクセプタ濃度である。Ndは、ドリフト領域のドナー濃度である。niは、上記数式3により算出される真性キャリア濃度(cm−3)である。kBは、ボルツマン定数であり、Tは絶対温度(K)である。
Next, the diffusion potential V bi (V) is calculated by
次に、空乏層DEの幅Wdepは、以下の数式5により算出される。ここで、ドリフト領域12におけるドナー濃度がNd(cm−3)である。電界緩和領域2におけるアクセプタ濃度はNa(cm−3)である。真空の誘電率はε0(F・m−1)である。炭化珪素の誘電率はεSiC(F・m−1)である。eは素電荷(C)である。Vbiは拡散電位(V)である。なお、以下の数式5においては、第2主面10bと平行な方向における電界緩和領域2とドリフト領域12とのpn界面における電圧は0Vと仮定している。
Next, the width W dep of the depletion layer DE is calculated by the following Equation 5. Here, the donor concentration in the
ボディ領域13とドリフト領域12との境界面は、第5主面13aである。第2主面10bに平行な方向における第5主面13aの幅の半分をWb(μm)とし、第2主面10bに対して平行な方向における第3主面2a1の幅の半分をWu(μm)とし場合、Wb(μm)>Wu(μm)+Wdep(μm)を満たすことが好ましい。つまり、平面視において、ボディ領域13の第5主面13aが、電界緩和領域2の第3主面2a1と電界緩和領域2からドリフト領域12に張り出す空乏層DEとを合わせた領域を包含していることが好ましい。より好ましくは、Wb−Wu−Wdepは、0より大きく、かつ0.5μm未満である。
A boundary surface between
図2を参照して、第2主面10bに対して垂直な方向における、境界面11aと第3主面2a1との距離H4は、たとえば9μmである。第2主面10bに対して垂直な方向における、第5主面13aと第3主面2a1との距離H3は、たとえば1μmである。トレンチTRの深さH5は、たとえば1.4μmである。トレンチTRが浅く、ボディ領域13からドリフト領域12側に伸びる空乏層内にトレンチTRの底部BTが位置すると、オン抵抗が増加する。一方。トレンチTRが深すぎる場合または距離H3が小さすぎると、トレンチTRの角部C1に電界が集中し、耐圧が低下する。オン抵抗低減および耐圧向上を両立する観点からは、第2主面10bに対して垂直な方向における、トレンチTRの底部BTと、第5主面13aとの距離が0.2μmより大きく、かつ距離H3が0.7μmより大きいことが好ましい。
Referring to FIG. 2, distance H4 between
図2に示されるように、電界緩和領域2は、第1電界緩和領域部2aと、第1電界緩和領域部2aに接する第2電界緩和領域部2bとを含んでいてもよい。第2電界緩和領域部2bは、第1電界緩和領域部2aと第2主面10bとの間に位置している。好ましくは、第2主面10bに対して垂直な方向から見て、第1電界緩和領域部2aの外縁は、第2電界緩和領域部2bの外縁を取り囲んでいる。第1電界緩和領域部2aは、ドレイン電極20側の角部C2を有する。第2電界緩和領域部2bは、ドレイン電極20側の角部C3を有する。それゆえ、電界緩和領域2の電界は、角部C2と角部C3とに分散される。結果として、アバランシェ降伏の発生を抑制することができる。
As shown in FIG. 2, the electric
第1電界緩和領域部2aの厚みH1は、たとえば0.5μm以上1.0μm以下である。第2電界緩和領域部2bの厚みH2は、たとえば0.1μm以上1.0μm以下である。第1電界緩和領域部2aが含むp型不純物の濃度は、たとえば1×1017cm−3以上1×1019cm−3以下である。第2電界緩和領域部2bが含むp型不純物の濃度は、たとえば1×1017cm−3以上1×1019cm−3以下である。第1電界緩和領域部2aが含むp型不純物の濃度は、第2電界緩和領域部2bが含むp型不純物の濃度と同じであってもよいし、異なっていてもよい。
The thickness H1 of the first electric field
図1および図2に示されるように、ゲート絶縁膜15は、トレンチTRの底部BTおよび側部SWと、第1主面10aの一部とに接する。ゲート絶縁膜15は、たとえば二酸化珪素を含む材料により構成される。ゲート絶縁膜15は、たとえば熱酸化膜である。ゲート絶縁膜15は、底部BTにおいてドリフト領域12と接し、かつ側部SWにおいてドリフト領域12と、ボディ領域13と、ソース領域14とに接する。
As shown in FIGS. 1 and 2,
ゲート電極27は、トレンチTRの内部においてゲート絶縁膜15に接するようにトレンチTRの内部に設けられている。ゲート電極27は、たとえば不純物を含むポリシリコンからなる。ゲート電極27は、ソース領域14と、ボディ領域13と、ドリフト領域12とに対面するように設けられている。
ソース電極16は、第1主面10aにおいてソース領域14およびコンタクト領域18の各々と接している。ソース電極16は、たとえばTiと、Alと、Siとを含む材料からなる。好ましくは、ソース電極16は、ソース領域14およびコンタクト領域18とオーミック接合している。ソース配線19はソース電極16に接している。ソース配線19は、たとえばアルミニウムを含む材料からなる。
層間絶縁膜22は、ゲート電極27およびゲート絶縁膜15に接して設けられている。層間絶縁膜22は、たとえば二酸化珪素を含む材料からなる。層間絶縁膜22は、ゲート電極27とソース電極16とを電気的に絶縁している。ドレイン電極20は、第2主面10bにおいて炭化珪素単結晶基板11と接しており、ドリフト領域12と電気的に接続されている。ドレイン電極20は、たとえばNiSiまたはTiAlSiを含む材料からなる。
The
次に、電界緩和領域の第1変形例の構成について説明する。
図6に示されるように、電界緩和領域2は、第1電界緩和領域部2aと、第2電界緩和領域部2bと、第3電界緩和領域部2cとを含んでいてもよい。第2電界緩和領域部2bは、第1電界緩和領域部2aよりも第2主面10b側に位置している。第3電界緩和領域部2cは、第2電界緩和領域部2bよりも第2主面10b側に位置している。第2主面10bに平行な方向において、第2電界緩和領域部2bの幅は、第1電界緩和領域部2aの幅よりも小さい。第2主面10bに平行な方向において、第3電界緩和領域部2cの幅は、第2電界緩和領域部2bの幅よりも小さい。
Next, the structure of the 1st modification of an electric field relaxation area | region is demonstrated.
As shown in FIG. 6, the electric
第1電界緩和領域部2aは、第2電界緩和領域部2bと接していてもよいし、ドリフト領域12によって第2電界緩和領域部2bから隔てられていてもよい。第2電界緩和領域部2bは、第3電界緩和領域部2cと接していてもよいし、ドリフト領域12によって第3電界緩和領域部2cから隔てられていてもよい。第1電界緩和領域部2a、第2電界緩和領域部2bおよび第3電界緩和領域部2cは、別々にイオン注入されることにより構成されてもよい。第1電界緩和領域部2a、第2電界緩和領域部2bおよび第3電界緩和領域部2cが相互に繋がることにより、全体として一つの電界緩和領域2を構成してもよい。
The first electric
次に、電界緩和領域の第2変形例の構成について説明する。
図7に示されるように、炭化珪素基板10は、ボディ領域13と電界緩和領域2との間に位置する第4不純物領域3を含んでいてもよい。第4不純物領域3は、たとえばアルミニウムなどのp型不純物を含み、p型の導電型を有する。第4不純物領域3は、コンタクト領域18に対面している。第4不純物領域3は、電界緩和領域2に接して設けられている。第4不純物領域3とボディ領域13との間にはドリフト領域12が設けられている。第2主面10bと平行な方向における第4不純物領域3の幅W4は、電界緩和領域2の第3主面2a1の幅W1よりも小さくてもよい。第4不純物領域3の幅W4は、電界緩和領域2の第4主面2b1の幅W2よりも小さくてもよい。
Next, the structure of the 2nd modification of an electric field relaxation area | region is demonstrated.
As shown in FIG. 7,
次に、電界緩和領域の第3変形例の構成について説明する。
図8に示されるように、第4不純物領域3は、ボディ領域13から離間され、かつ電界緩和領域2から離間されていてもよい。第4不純物領域3は、周囲をドリフト領域12に囲まれていてもよい。第4不純物領域3とボディ領域13との間にドリフト領域12が設けられていてもよい。第4不純物領域3と電界緩和領域2との間にドリフト領域12が設けられていてもよい。
Next, the structure of the 3rd modification of an electric field relaxation area | region is demonstrated.
As shown in FIG. 8, the
次に、電界緩和領域の第4変形例の構成について説明する。
図9に示されるように、第4不純物領域3は、ボディ領域13および電界緩和領域2の双方に接していてもよい。これにより、電界緩和領域2は、第4不純物領域3を介してボディ領域13と電気的に接続される。第4不純物領域3の側面は、ドリフト領域12に取り囲まれていてもよい。
Next, the structure of the 4th modification of an electric field relaxation area | region is demonstrated.
As shown in FIG. 9, the
次に、電界緩和領域の第5変形例の構成について説明する。
図10に示されるように、断面視において、電界緩和領域2の形状は、逆台形状であってもよい。電界緩和領域2の側面2sと、第4主面2b1との間の角度は、90°よりも大きくなる。そのため、電界緩和領域2の角部C3における電界集中を緩和することができる。電界緩和領域2の側面2sと、第3主面2a1との間の角度ψは、たとえば20°以上50°以下である。これにより、第1主面10aから第2主面10bに向かって、電界緩和領域2に挟まれたドリフト領域12の幅が広がるため、炭化珪素半導体装置1のオン抵抗を低減することができる。
Next, the configuration of the fifth modification example of the electric field relaxation region will be described.
As shown in FIG. 10, the shape of the electric
次に、特殊面の構成について説明する。
上述した側部SWは、特にボディ領域13上の部分において、特殊面を有する。特殊面を有する側部SWは、図11に示すように、面方位{0−33−8}を有する面S1(第1の面)を含む。言い換えれば、トレンチTRの側部SW上においてボディ領域13には、面S1を含む表面が設けられている。面S1は好ましくは面方位(0−33−8)を有する。
Next, the configuration of the special surface will be described.
The side portion SW described above has a special surface, particularly in a portion on the
より好ましくは、側部SWは面S1を微視的に含み、側部SWはさらに、面方位{0−11−1}を有する面S2(第2の面)を微視的に含む。ここで「微視的」とは、原子間隔の2倍程度の寸法を少なくとも考慮する程度に詳細に、ということを意味する。このように微視的な構造の観察方法としては、たとえばTEMを用いることができる。面S2は好ましくは面方位(0−11−1)を有する。 More preferably, the side portion SW microscopically includes a surface S1, and the side portion SW further microscopically includes a surface S2 (second surface) having a surface orientation {0-11-1}. Here, “microscopic” means that the dimensions are as detailed as at least a dimension of about twice the atomic spacing. As a microscopic structure observation method, for example, TEM can be used. The plane S2 preferably has a plane orientation (0-11-1).
好ましくは、側部SWの面S1および面S2は、面方位{0−11−2}を有する複合面SRを構成している。すなわち複合面SRは、面S1およびS2が周期的に繰り返されることによって構成されている。このような周期的構造は、たとえば、TEMまたはAFM(Atomic Force Microscopy)により観察し得る。この場合、複合面SRは{000−1}面に対して巨視的に62°のオフ角を有する。ここで「巨視的」とは、原子間隔程度の寸法を有する微細構造を無視することを意味する。このように巨視的なオフ角の測定としては、たとえば、一般的なX線回折を用いた方法を用い得る。好ましくは、複合面SRは、面方位(0−11−2)を有する。この場合、複合面SRは(000−1)面に対して巨視的に62°のオフ角を有する。 Preferably, the surface S1 and the surface S2 of the side SW constitute a composite surface SR having a surface orientation {0-11-2}. That is, the composite surface SR is configured by periodically repeating the surfaces S1 and S2. Such a periodic structure can be observed by, for example, TEM or AFM (Atomic Force Microscopy). In this case, the composite surface SR has an off angle of 62 ° macroscopically with respect to the {000-1} plane. Here, “macroscopic” means ignoring a fine structure having a dimension on the order of atomic spacing. As such a macroscopic off-angle measurement, for example, a general method using X-ray diffraction can be used. Preferably, composite surface SR has a plane orientation (0-11-2). In this case, the composite surface SR has an off angle of 62 ° macroscopically with respect to the (000-1) plane.
TEMとしては、たとえば日本電子株式会社製のJEM−2100Fが使用可能である。試料分析領域は、たとえば10μm×10μm×0.1μmである。加速電圧は、たとえば200kVである。AFMとしては、たとえば日本ビーコ株式会社製のDimension Icon SPM Systemが使用可能である。試料分析領域は、たとえば90μm×90μmである。スキャンレートは、たとえば0.2Hzである。チップ速度は、たとえば8μm/秒である。振幅セットポイントは、たとえば15.5nmである。Zレンジは、たとえば1μmである。試料に合わせて上記各パラメータが調整される。X線回折装置としては、たとえば株式会社リガク製のSmartLabが使用可能である。試料分析領域は、たとえば0.3mmφ以上0.8mmφ以下である。使用管球は、たとえばCuである。出力は、たとえば45kV、80mAである。たとえば、X線回折装置で第1主面10aが(000−1)面であることを確認した後、AFMでトレンチTRの側部SWが測定される。
As the TEM, for example, JEM-2100F manufactured by JEOL Ltd. can be used. The sample analysis area is, for example, 10 μm × 10 μm × 0.1 μm. The acceleration voltage is 200 kV, for example. As the AFM, for example, Dimension Icon SPM System manufactured by Nippon Bico Co., Ltd. can be used. The sample analysis area is, for example, 90 μm × 90 μm. The scan rate is, for example, 0.2 Hz. The chip speed is, for example, 8 μm / second. The amplitude set point is 15.5 nm, for example. The Z range is, for example, 1 μm. The above parameters are adjusted according to the sample. As the X-ray diffractometer, for example, SmartLab manufactured by Rigaku Corporation can be used. The sample analysis region is, for example, not less than 0.3 mmφ and not more than 0.8 mmφ. The tube used is, for example, Cu. The output is, for example, 45 kV and 80 mA. For example, after confirming that the first
好ましくは、チャネル面上においてキャリアが流れる方向であるチャネル方向CDは、上述した周期的繰り返しが行われる方向に沿っている。 Preferably, the channel direction CD, which is the direction in which carriers flow on the channel surface, is along the direction in which the above-described periodic repetition is performed.
次に、複合面SRの詳細な構造について説明する。
一般に、ポリタイプ4Hの炭化珪素単結晶を(000−1)面から見ると、図12に示すように、Si原子(またはC原子)は、A層の原子(図中の実線)と、この下に位置するB層の原子(図中の破線)と、この下に位置するC層の原子(図中の一点鎖線)と、この下に位置するB層の原子(図示せず)とが繰り返し設けられている。つまり4つの層ABCBを1周期としてABCBABCBABCB・・・のような周期的な積層構造が設けられている。
Next, the detailed structure of the composite surface SR will be described.
Generally, when a silicon carbide single crystal of polytype 4H is viewed from the (000-1) plane, as shown in FIG. 12, Si atoms (or C atoms) are atoms of the A layer (solid line in the figure), B layer atoms (broken line in the figure) located below, C layer atoms (dotted line in the figure) located below, and B layer atoms (not shown) located below this It is provided repeatedly. That is, a periodic laminated structure such as ABCBABCBABCB... Is provided with four layers ABCB as one period.
図13に示すように、(11−20)面(図12の線XIII−XIIIの断面)において、上述した1周期を構成する4つの層ABCBの各層の原子は、(0−11−2)面に完全に沿うようには配列されていない。図13においてはB層の原子の位置を通るように(0−11−2)面が示されており、この場合、A層およびC層の各々の原子は(0−11−2)面からずれていることがわかる。このため、炭化珪素単結晶の表面の巨視的な面方位、すなわち原子レベルの構造を無視した場合の面方位が(0−11−2)に限定されたとしても、この表面は、微視的には様々な構造をとり得る。 As shown in FIG. 13, in the (11-20) plane (cross section taken along line XIII-XIII in FIG. 12), atoms in each of the four layers ABCB constituting one cycle described above are (0-11-2). It is not arranged to be completely along the plane. In FIG. 13, the (0-11-2) plane is shown so as to pass through the position of atoms in the B layer. You can see that it is shifted. For this reason, even if the macroscopic plane orientation of the surface of the silicon carbide single crystal, that is, the plane orientation when the atomic level structure is ignored is limited to (0-11-2), this surface is microscopic. Can take various structures.
図14に示すように、複合面SRは、面方位(0−33−8)を有する面S1と、面S1につながりかつ面S1の面方位と異なる面方位を有する面S2とが交互に設けられることによって構成されている。面S1および面S2の各々の長さは、Si原子(またはC原子)の原子間隔の2倍である。なお面S1および面S2が平均化された面は、(0−11−2)面(図13)に対応する。 As shown in FIG. 14, the composite surface SR is alternately provided with a surface S1 having a surface orientation (0-33-8) and a surface S2 connected to the surface S1 and having a surface orientation different from the surface orientation of the surface S1. It is configured by being. The length of each of the surface S1 and the surface S2 is twice the atomic spacing of Si atoms (or C atoms). Note that the surface on which the surface S1 and the surface S2 are averaged corresponds to the (0-11-2) surface (FIG. 13).
図15に示すように、複合面SRを(01−10)面から見て単結晶構造は、部分的に見て立方晶と等価な構造(面S1の部分)を周期的に含んでいる。具体的には複合面SRは、上述した立方晶と等価な構造における面方位(001)を有する面S1と、面S1につながりかつ面S1の面方位と異なる面方位を有する面S2とが交互に設けられることによって構成されている。このように、立方晶と等価な構造における面方位(001)を有する面(図11においては面S1)と、この面につながりかつこの面方位と異なる面方位を有する面(図11においては面S2)とによって表面を構成することは4H以外のポリタイプにおいても可能である。ポリタイプは、たとえば6Hまたは15Rであってもよい。 As shown in FIG. 15, the single crystal structure when the composite surface SR is viewed from the (01-10) plane periodically includes a structure (part of the surface S1) equivalent to a cubic crystal when viewed partially. Specifically, in the composite surface SR, a surface S1 having a surface orientation (001) in a structure equivalent to the above-described cubic crystal and a surface S2 connected to the surface S1 and having a surface orientation different from the surface orientation of the surface S1 are alternated. It is comprised by being provided in. Thus, a plane having a plane orientation (001) in the structure equivalent to a cubic crystal (plane S1 in FIG. 11) and a plane connected to this plane and having a plane orientation different from this plane orientation (plane in FIG. 11). It is also possible for polytypes other than 4H to constitute the surface according to S2). The polytype may be 6H or 15R, for example.
次に図16を参照して、側部SWの結晶面と、チャネル面の移動度MBとの関係について説明する。図16のグラフにおいて、横軸は、チャネル面を有する側部SWの巨視的な面方位と(000−1)面とのなす角度D1を示し、縦軸は移動度MBを示す。プロット群CMは側部SWが熱エッチングによる特殊面として仕上げられた場合に対応し、プロット群MCはそのような熱エッチングがなされない場合に対応する。 Next, the relationship between the crystal plane of the side SW and the mobility MB of the channel plane will be described with reference to FIG. In the graph of FIG. 16, the horizontal axis indicates the angle D1 formed by the macroscopic plane orientation of the side SW having the channel surface and the (000-1) plane, and the vertical axis indicates the mobility MB. The plot group CM corresponds to the case where the side SW is finished as a special surface by thermal etching, and the plot group MC corresponds to the case where such thermal etching is not performed.
プロット群MCにおける移動度MBは、チャネル面の表面の巨視的な面方位が(0−33−8)のときに最大となった。この理由は、熱エッチングが行われない場合、すなわち、チャネル表面の微視的な構造が特に制御されない場合においては、巨視的な面方位が(0−33−8)とされることによって、微視的な面方位(0−33−8)、つまり原子レベルまで考慮した場合の面方位(0−33−8)が形成される割合が確率的に高くなったためと考えられる。 The mobility MB in the plot group MC was maximized when the macroscopic plane orientation of the surface of the channel surface was (0-33-8). This is because when the thermal etching is not performed, that is, when the microscopic structure of the channel surface is not particularly controlled, the microscopic plane orientation is set to (0-33-8). This is probably because the ratio of the formation of the visual plane orientation (0-33-8), that is, the plane orientation (0-33-8) when considering even the atomic level is stochastically increased.
一方、プロット群CMにおける移動度MBは、チャネル面の表面の巨視的な面方位が(0−11−2)のとき(矢印EX)に最大となった。この理由は、図14および図15に示すように、面方位(0−33−8)を有する多数の面S1が面S2を介して規則正しく稠密に配置されることで、チャネル面の表面において微視的な面方位(0−33−8)が占める割合が高くなったためと考えられる。 On the other hand, the mobility MB in the plot group CM is maximized when the macroscopic surface orientation of the channel surface is (0-11-2) (arrow EX). The reason for this is that, as shown in FIGS. 14 and 15, a large number of surfaces S1 having a plane orientation (0-33-8) are regularly and densely arranged via the surface S2, so that the surface of the channel surface is fine. This is probably because the ratio of the visual plane orientation (0-33-8) is increased.
なお移動度MBは複合面SR上において方位依存性を有する。図17に示すグラフにおいて、横軸はチャネル方向と<0−11−2>方向との間の角度D2を示し、縦軸はチャネル面の移動度MB(任意単位)を示す。破線はグラフを見やすくするために補助的に付してある。このグラフから、チャネル移動度MBを大きくするには、チャネル方向CD(図11)が有する角度D2は、0°以上60°以下であることが好ましく、ほぼ0°であることがより好ましいことがわかった。 The mobility MB has orientation dependency on the composite surface SR. In the graph shown in FIG. 17, the horizontal axis indicates the angle D2 between the channel direction and the <0-11-2> direction, and the vertical axis indicates the mobility MB (arbitrary unit) of the channel surface. A broken line is added to make the graph easier to see. From this graph, in order to increase the channel mobility MB, the angle D2 of the channel direction CD (FIG. 11) is preferably 0 ° or more and 60 ° or less, and more preferably approximately 0 °. all right.
図18に示すように、側部SWは複合面SRに加えてさらに面S3(第3の面)を含んでもよい。より具体的には、面S3および複合面SRが周期的に繰り返されることによって構成された複合面SQを側部SWが含んでもよい。この場合、側部SWの{000−1}面に対するオフ角は、理想的な複合面SRのオフ角である62°からずれる。このずれは小さいことが好ましく、±10°の範囲内であることが好ましい。このような角度範囲に含まれる表面としては、たとえば、巨視的な面方位が{0−33−8}面となる表面がある。より好ましくは、側部SWの(000−1)面に対するオフ角は、理想的な複合面SRのオフ角である62°からずれる。このずれは小さいことが好ましく、±10°の範囲内であることが好ましい。このような角度範囲に含まれる表面としては、たとえば、巨視的な面方位が(0−33−8)面となる表面がある。 As shown in FIG. 18, the side portion SW may further include a surface S3 (third surface) in addition to the composite surface SR. More specifically, the side portion SW may include a composite surface SQ configured by periodically repeating the surface S3 and the composite surface SR. In this case, the off angle of the side SW with respect to the {000-1} plane deviates from 62 ° which is the ideal off angle of the composite surface SR. This deviation is preferably small and preferably within a range of ± 10 °. As a surface included in such an angle range, for example, there is a surface whose macroscopic plane orientation is a {0-33-8} plane. More preferably, the off angle of the side SW with respect to the (000-1) plane deviates from 62 °, which is the ideal off angle of the composite surface SR. This deviation is preferably small and preferably within a range of ± 10 °. As a surface included in such an angle range, for example, there is a surface whose macroscopic plane orientation is a (0-33-8) plane.
このような周期的構造は、たとえば、TEMまたはAFMにより観察し得る。測定装置、試料分析領域および測定条件の具体例は、上述の通りである。 Such a periodic structure can be observed, for example, by TEM or AFM. Specific examples of the measurement apparatus, the sample analysis region, and the measurement conditions are as described above.
次に、本実施の形態に係るMOSFET1の製造方法について説明する。
まず、炭化珪素基板を準備する工程が実施される。図19に示されるように、炭化珪素単結晶基板11上にドリフト領域12が形成される。具体的には、たとえば原料ガスとしてシラン(SiH4)とプロパン(C3H8)との混合ガスを用い、キャリアガスとしてたとえば水素ガス(H2)を用いたCVD(Chemical Vapor Deposition)法により、炭化珪素単結晶基板11上にドリフト領域12が形成される。エピタキシャル成長の際、不純物として、たとえば窒素(N)またはリン(P)などを導入することが好ましい。ドリフト領域12は、n型の導電型を有する。
Next, a method for manufacturing
First, a step of preparing a silicon carbide substrate is performed. As shown in FIG. 19, drift
次に、ドリフト領域12に対して、たとえばアルミニウムなどのp型不純物がイオン注入されことにより、電界緩和領域2が形成される。たとえば、第1電界緩和領域部2aが形成された後、第1電界緩和領域部2aよりも深い位置に、第2電界緩和領域部2bが形成される。第1電界緩和領域部2aよりも幅の狭い開口を有するマスクを用い、第1電界緩和領域部2aを形成するイオン注入エネルギーよりも高いイオン注入エネルギーで第2電界緩和領域部2bが形成されてもよい。
Next, a p-type impurity such as aluminum is ion-implanted into
次に、再度エピタキシャル成長により、電界緩和領域2上にドリフト領域12が形成される。次に、新しく形成されたドリフト領域12に対して、アルミニウムなどのp型不純物がイオン注入されることにより、ボディ領域13が形成される。次に、ボディ領域13に対して、たとえばリンなどのn型不純物が、ボディ領域13よりも浅い深さでイオン注入されることによりソース領域14が形成される。次に、ソース領域14に対して、たとえばアルミニウムなどのp型不純物がイオン注入されることにより、コンタクト領域18が形成される。コンタクト領域18は、ソース領域14を貫通し、ボディ領域13に接するように形成される(図20参照)。
Next, the
次に、炭化珪素基板10にイオン注入された不純物を活性化するため活性化アニールが実施される。活性化アニールの温度は、好ましくは1500℃以上1900℃以下であり、たとえば1700℃程度である。活性化アニールの時間は、たとえば30分程度である。活性化アニールの雰囲気は、好ましくは不活性ガス雰囲気であり、たとえばAr雰囲気である。
Next, activation annealing is performed to activate the impurities ion-implanted into
次に、トレンチを形成する工程が実施される。たとえば、ソース領域14およびコンタクト領域18から構成される第1主面10a上に、トレンチTR(図1)が形成される位置上に開口を有するマスク層(図示せず)が形成される。当該マスク層を用いて、ソース領域14と、ボディ領域13と、ドリフト領域12の一部とがエッチングにより除去される。エッチングの方法としては、たとえば反応性イオンエッチング、特に誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングを用いることができる。具体的には、たとえば反応ガスとしてSF6またはSF6とO2との混合ガスを用いた誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングを用いることができる。エッチングにより、トレンチTR(図1)が形成されるべき領域に、第1主面10aに対してほぼ垂直な側部と、側部と連続的に設けられ、かつ第1主面10aとほぼ平行な底部とを有する凹部が形成される。
Next, a step of forming a trench is performed. For example, a mask layer (not shown) having an opening at a position where trench TR (FIG. 1) is formed is formed on first
次に、凹部において熱エッチングが行われる。熱エッチングは、たとえば、少なくとも1種類以上のハロゲン原子を有する反応性ガスを含む雰囲気中での加熱によって行い得る。少なくとも1種類以上のハロゲン原子は、塩素(Cl)原子およびフッ素(F)原子の少なくともいずれかを含む。当該雰囲気は、たとえば、Cl2、BCL3、SF6、またはCF4を含む。たとえば、塩素ガスと酸素ガスとの混合ガスを反応ガスとして用い、熱処理温度を、たとえば700℃以上1000℃以下として、熱エッチングが行われる。なお、反応ガスは、上述した塩素ガスと酸素ガスとに加えて、キャリアガスを含んでいてもよい。キャリアガスとしては、たとえば窒素(N2)ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスなどを用いることができる。熱エッチングの際に、マスク層は、SiCに対する選択比が極めて大きいので、SiCのエッチング中に実質的にエッチングされない。 Next, thermal etching is performed in the recess. The thermal etching can be performed, for example, by heating in an atmosphere containing a reactive gas having at least one or more types of halogen atoms. The at least one or more types of halogen atom includes at least one of a chlorine (Cl) atom and a fluorine (F) atom. The atmosphere includes, for example, Cl 2 , BCL 3 , SF 6 , or CF 4 . For example, thermal etching is performed using a mixed gas of chlorine gas and oxygen gas as a reaction gas and a heat treatment temperature of, for example, 700 ° C. or more and 1000 ° C. or less. Note that the reaction gas may contain a carrier gas in addition to the above-described chlorine gas and oxygen gas. As the carrier gas, for example, nitrogen (N 2 ) gas, argon gas, helium gas or the like can be used. During the thermal etching, the mask layer is not substantially etched during the etching of SiC because the selectivity to SiC is very large.
図21に示されるように、上記熱エッチングにより、炭化珪素基板10の第1主面10aにトレンチTRが形成される。トレンチTRは、ソース領域14およびボディ領域13を貫通してドリフト領域12に至る側部SWと、ドリフト領域12に位置する底部BTとにより規定されている。底部BTと側部SWとにより形成される角度θは、たとえば110°以上130°以下である。好ましくは、側部SWは、上述した特殊面を含む。第2主面10bに対して垂直な方向において、電界緩和領域2の第3主面2a1は、底部BTと第2主面10bとの間に位置する。
As shown in FIG. 21, trench TR is formed in first
次に、ゲート絶縁膜を形成する工程が実施される。たとえば、炭化珪素基板10が酸素雰囲気中において熱酸化されることにより、ソース領域14と、ボディ領域13と、ドリフト領域12とに接するゲート絶縁膜15が形成される。具体的には、炭化珪素基板10が、酸素を含む雰囲気中において、たとえば1300℃以上1400℃以下の温度で加熱される。これにより、側部SWにおいて、ソース領域14と、ボディ領域13と、ドリフト領域12とに接し、かつ底部BTにおいてドリフト領域12と接するゲート絶縁膜15が形成される。
Next, a step of forming a gate insulating film is performed. For example, when
炭化珪素基板10を熱酸化した後に、一酸化窒素(NO)ガス雰囲気中において炭化珪素基板10に対して熱処理(NOアニール)が行われてもよい。NOアニールにおいて、炭化珪素基板10が、たとえば1100℃以上1300℃以下の条件下で1時間程度保持される。これにより、ゲート絶縁膜15とボディ領域13との界面領域に窒素原子が導入される。その結果、界面領域における界面準位の形成が抑制されることで、チャネル移動度を向上させることができる。なお、窒素原子の導入が可能であれば、NOガス以外のガス(たとえばN2O)が雰囲気ガスとして用いられてもよい。NOアニールの後にさらに、雰囲気ガスとしてアルゴン(Ar)を用いるArアニールが行われてもよい。Arアニールの加熱温度は、たとえば上記NOアニールの加熱温度以上である。Arアニールの時間は、たとえば1時間程度である。これにより、ゲート絶縁膜15とボディ領域13との界面領域における界面準位の形成がさらに抑制される。
After thermally oxidizing
次に、ゲート電極を形成する工程が実施される。たとえば、トレンチTRの内部においてゲート絶縁膜15に接するゲート電極27が形成される。ゲート電極27は、トレンチTRの内部に配置され、ゲート絶縁膜15上においてトレンチTRの側部SWおよび底部BTの各々と対面するように形成される。ゲート電極27は、たとえばLPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)法により形成される。
Next, a step of forming a gate electrode is performed. For example,
次に、層間絶縁膜を形成する工程が形成される。たとえば、ゲート電極27を覆い、かつゲート絶縁膜15と接するように層間絶縁膜22が形成される。好ましくは、層間絶縁膜22は、堆積法により形成され、より好ましくは化学気相成長法により形成される。層間絶縁膜22は、たとえば二酸化珪素を含む材料からなる。次に、ソース領域14およびコンタクト領域18上に開口部が形成されるように、層間絶縁膜22およびゲート絶縁膜15の一部がエッチングされる。これにより、コンタクト領域18およびソース領域14がゲート絶縁膜15から露出する(図22参照)。
Next, a step of forming an interlayer insulating film is formed. For example, the
次に、ソース電極を形成する工程が実施される。次に、第1主面10aにおいてソース領域14およびコンタクト領域18に接するソース電極16が形成される。ソース電極16は、たとえばスパッタリング法により形成される。ソース電極16は、たとえばTi、AlおよびSiを含む材料からなる。次に、合金化アニールが実施される。具体的には、ソース領域14およびコンタクト領域18と接するソース電極16が、たとえば900℃以上1100℃以下の温度で5分程度保持される。これにより、ソース電極16の少なくとも一部が、炭化珪素基板10が含む珪素と反応してシリサイド化する。これにより、ソース領域14とオーミック接合するソース電極16が形成される。好ましくは、ソース電極16は、コンタクト領域18とオーミック接合する。
Next, a step of forming a source electrode is performed. Next,
次に、ソース電極16と電気的に接続されるソース配線19が形成される。ソース配線19は、ソース電極16および層間絶縁膜22上に形成される。次に、炭化珪素基板10の第2主面10bと接するようにドレイン電極20が形成される。以上により、本実施の形態に係るMOSFET1(図1)が完成する。
Next, a
なお、上記実施の形態においては、炭化珪素半導体装置は、MOSFETの場合について説明したが、炭化珪素半導体装置は、MOSFETに限定されない。炭化珪素半導体装置は、たとえばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等であってもよい。また上記実施の形態では、n型を第1導電型とし、かつp型を第2導電型して説明したが、p型を第1導電型とし、かつn型を第2導電型としてもよい。 In the above embodiment, the silicon carbide semiconductor device is described as being a MOSFET, but the silicon carbide semiconductor device is not limited to a MOSFET. The silicon carbide semiconductor device may be, for example, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). In the above embodiment, the n-type is the first conductivity type and the p-type is the second conductivity type. However, the p-type may be the first conductivity type and the n-type may be the second conductivity type. .
次に、実施の形態に係るMOSFETの作用効果について説明する。
実施の形態に係るMOSFET1によれば、第3主面2a1の幅W1は、第4主面2b1の幅W2よりも大きい。これにより、電界緩和領域2の第4主面2b1の端部C3における電界強度を低減することができる。そのため、アバランシェ降伏の発生を抑制することができる。また電界緩和領域2の第3主面2a1の幅W1が大きいため、第3主面2a1をトレンチTRの角部C1の近くに配置することができる。そのため、トレンチTRの角部C1における電界集中を緩和することができる。
Next, functions and effects of the MOSFET according to the embodiment will be described.
According to
また実施の形態に係るMOSFET1によれば、第2主面10bに対して垂直な方向から見て、第2不純物領域13の外縁13pは、電界緩和領域2を取り囲むように設けられていている。これにより、ドリフト領域12を流れる電流の経路が狭窄されることを抑制することができる。結果として、MOSFET1のオン抵抗を低減することができる。
Further, according to
さらに実施の形態に係るMOSFET1によれば、炭化珪素基板10は、ボディ領域13と電界緩和領域2との間に位置し、かつ第2導電型を有する第4不純物領域3を含んでいる。これにより、第2不純物領域13と電界緩和領域2を電気的に接続することができ、スイッチング速度を早くすることができる。
Furthermore, according to
さらに実施の形態に係るMOSFET1によれば、第4不純物領域3は、ボディ領域13および電界緩和領域2の双方に接している。これにより、ボディ領域13から電界緩和領域2に対して電子またはホールを容易に供給することができる。
Furthermore, according to
さらに実施の形態に係るMOSFET1によれば、ボディ領域13は、ドリフト領域12との境界面である第5主面13aを有し、第2主面10bに平行な方向における第5主面13aの幅の半分をWb(μm)とし、第2主面10bに対して平行な方向における第3主面2a1の幅の半分をWu(μm)とし、第1不純物領域12における不純物濃度をNd(cm−3)とし、電界緩和領域2における不純物濃度をNa(cm−3)とし、真空の誘電率をε0(F・m−1)とし、炭化珪素の誘電率をεSiC(F・m−1)とし、素電荷をe(C)とし、拡散電位をVbi(V)としたとき、上記数式1を満たしている。これにより、MOSFET1の耐圧を高く維持しつつオン抵抗を低減することができる。
Furthermore, according to
さらに実施の形態に係るMOSFET1によれば、炭化珪素基板10は、第2主面10bを構成する炭化珪素単結晶基板11と、炭化珪素単結晶基板11上に設けられ、かつ第1主面10aを構成する炭化珪素エピタキシャル層24とを含む。電界緩和領域2の不純物ドーズ量をDrx(cm−2)し、第2主面10bに対して垂直な方向における、第4主面2b1と、炭化珪素単結晶基板11および炭化珪素エピタキシャル層24の境界面11aとの距離をLd(cm)とし、ドリフト領域12における不純物濃度をNd(cm−3)としたとき、上記数式2を満たしている。これにより、電界緩和領域2から境界面11aへ空乏層が延びる前に、電界緩和領域2が完全に空乏化することが抑制される。これにより、電界緩和領域2と境界面11aとの間に、十分な長さを有する空乏層が形成され得る。結果として、MOSFET1の耐圧を高く維持することができる。
Furthermore, according to
さらに実施の形態に係るMOSFET1によれば、側部SWと底部BTとがなす角度θは90°よりも大きい。側部SWと底部BTとがなす角度θが90°の場合、電界緩和領域2が側部SWの直下に位置するときのオン抵抗と、電界緩和領域2が側部SWの直下よりも第1主面10aと平行な方向に少しシフトしたときのオン抵抗とは、大きく異なる。一方、側部SWと底部BTとがなす角度θが90°よりも大きい場合、側部SWに対する電界緩和領域2の位置が少し変化しても、オン抵抗は大きく異ならない。そのため、側部SWと底部BTとがなす角度θが90°よりも大きい場合は、たとえばアライメント誤差により、トレンチTRに対する電界緩和領域2の位置がウェハの面内でばらついた場合であっても、オン抵抗が大きく変化することを抑制することができる。
Furthermore, according to
さらに実施の形態に係るMOSFET1によれば、側部SWは、面方位{0−33−8}を有する第1の面S1を含んでもよい。これにより、側部SWにおけるチャネル抵抗を低減することができる。
Furthermore, according to
さらに実施の形態に係るMOSFET1によれば、側部SWは、第1の面S1を微視的に含み、側部SWはさらに、面方位{0−11−1}を有する第2の面S2を微視的に含んでもよい。これにより、側部SWにおけるチャネル抵抗をより低減することができる。
Further, according to
さらに実施の形態に係るMOSFET1によれば、第1の面S1および第2の面S2は、面方位{0−11−2}を有する複合面SRを構成してもよい。これにより、側部SWにおけるチャネル抵抗をより低減することができる。
Furthermore, according to
さらに実施の形態に係るMOSFET1によれば、側部SWは、{000−1}面に対して、巨視的に62°±10°のオフ角を有してもよい。これにより、側部SWにおけるチャネル抵抗をより低減することができる。
Furthermore, according to
(サンプル準備)
まず、電界緩和領域2の第3主面2a1の幅W1の幅を変化させて5種類のMOSFET1(図2参照)が準備される。具体的には、第3主面2a1の幅W1は、2μm、2.5μm、3μm、3.5μmおよび4.5μmである。Wpは、幅W1の半分の値である。ボディ領域13の第5主面13aの幅W3(図2参照)は、2.7μmである。Wbは、幅W3の半分の値である。電界緩和領域2が含むアルミニウムの濃度は、1×1018cm−3である。ボディ領域13が含むアルミニウムの濃度は、1×1018cm−3である。ドリフト領域12が含む窒素の濃度は、6×1015cm−3である。ドリフト領域12の厚みは、10μmである。ボディ領域13が含むアルミニウムの濃度およびドリフト領域12が含む窒素の濃度から算出される空乏層の幅Wdepは約0.6μmである。
(Sample preparation)
First, five types of MOSFETs 1 (see FIG. 2) are prepared by changing the width W1 of the third main surface 2a1 of the electric
(実験条件)
上記5種類のMOSFET1のオン抵抗と耐圧が測定される。オン抵抗の測定においては、ドレイン電極20およびソース電極16間の電圧VDSは、2Vである。ゲート電極27およびソース電極16間の電位差VGSは、15Vである。ゲート電極27およびソース電極16間の電位差VGSを0Vとする。ドレイン電極20およびソース電極16間の電圧VDSを0Vと1600Vとの間で変化させ、ドレイン電極20およびソース電極16間に流れる電流IDSが1μAとなるときの電圧VDSを耐圧とする。
(Experimental conditions)
The on-resistance and breakdown voltage of the five types of
(実験結果)
図23は、MOSFETのオン抵抗と、Wb−Wu−Wdepとの関係を示す実験データである。図23に示されるように、Wb−Wu−Wdep>0(言い換えれば、Wb>Wu+Wdep)の条件において、オン抵抗が急激に小さくなる。Wb−Wu−Wdep≧0.5μmとなると、オン抵抗は飽和する傾向が見られる。図24は、MOSFETの耐圧と、Wb−Wu−Wdepとの関係を示す実験データである。図24に示されるように、Wb−Wu−Wdepが増加すると、耐圧が減少する傾向が見られる。またWb−Wu−Wdep≧0.5μmとなると、耐圧は急激に減少する傾向が見られる。以上の結果より、耐圧とオン抵抗の両立の観点からは、Wb−Wu−Wdepは、0より大きく、かつ0.5μm未満であることが望ましいことが分かる。
(Experimental result)
FIG. 23 is experimental data showing the relationship between the on-resistance of the MOSFET and W b −W u −W dep . As shown in FIG. 23, the on-resistance rapidly decreases under the condition of W b −W u −W dep > 0 (in other words, W b > W u + W dep ). When W b −W u −W dep ≧ 0.5 μm, the on-resistance tends to be saturated. FIG. 24 is experimental data showing the relationship between the breakdown voltage of the MOSFET and W b −W u −W dep . As shown in FIG. 24, when W b −W u −W dep increases, the breakdown voltage tends to decrease. When W b −W u −W dep ≧ 0.5 μm, the breakdown voltage tends to decrease rapidly. From the above results, it is understood that W b −W u −W dep is preferably larger than 0 and smaller than 0.5 μm from the viewpoint of achieving both breakdown voltage and on-resistance.
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1 炭化珪素半導体装置(MOSFET)
2 電界緩和領域
2a1 第3主面
2a 第1電界緩和領域部
2b1 第4主面
2b 第2電界緩和領域部
2c 第3電界緩和領域部
2s 側面
3 第4不純物領域
10 炭化珪素基板
10a 第1主面
10b 第2主面
11 炭化珪素単結晶基板
11a 境界面
12 第1不純物領域(ドリフト領域)
13 第2不純物領域(ボディ領域)
13a 第5主面
13p,14p 外縁
14 第3不純物領域(ソース領域)
15 ゲート絶縁膜
16 ソース電極
18 コンタクト領域
19 ソース配線
20 ドレイン電極
22 層間絶縁膜
24 炭化珪素エピタキシャル層
27 ゲート電極
BT 底部
C1,C2 角部
C3 端部、角部
CD チャネル方向
H1,H2 厚み
H3,H4 距離
H5 深さ
S1 第1の面
S2 第2の面
SQ,SR 複合面
SW 側部
TR トレンチ
W1,W2,W3,W4 幅
1 Silicon carbide semiconductor device (MOSFET)
2 Electric field relaxation region 2a1 Third
13 Second impurity region (body region)
13a 5th
15
Claims (10)
前記炭化珪素基板は、第1導電型を有する第1不純物領域と、
前記第1不純物領域上に設けられ、前記第1導電型と異なる第2導電型を有する第2不純物領域と、
前記第1不純物領域から隔てられるように前記第2不純物領域上に設けられ、前記第1主面を構成し、かつ前記第1導電型を有する第3不純物領域と、
前記第1不純物領域内に位置し、かつ前記第2導電型を有する電界緩和領域とを含み、
前記第1主面には、前記第2不純物領域および前記第3不純物領域を貫通し、かつ前記第1不純物領域に至る側部と、前記側部と連続して設けられた底部とにより規定されたトレンチが形成されており、さらに、
前記底部において前記第1不純物領域と接し、かつ前記側部において前記第1不純物領域と、前記第2不純物領域と、前記第3不純物領域とに接するゲート絶縁膜とを備え、
前記電界緩和領域は、前記第1主面に対面する第3主面と、前記第2主面に対面する第4主面とを有し、
前記第2主面に平行な方向における、前記第3主面の幅は、前記第4主面の幅よりも大きく、
前記炭化珪素基板は、前記第2不純物領域と前記電界緩和領域との間に位置し、かつ前記第2導電型を有する第4不純物領域を含み、
前記第2主面と平行な方向において、前記第4不純物領域の幅は、前記第4主面の幅よりも小さい、炭化珪素半導体装置。 A silicon carbide substrate having a first main surface and a second main surface opposite to the first main surface;
The silicon carbide substrate includes a first impurity region having a first conductivity type;
A second impurity region provided on the first impurity region and having a second conductivity type different from the first conductivity type;
A third impurity region provided on the second impurity region so as to be separated from the first impurity region, constituting the first main surface, and having the first conductivity type;
An electric field relaxation region located in the first impurity region and having the second conductivity type,
The first main surface is defined by a side portion penetrating the second impurity region and the third impurity region and reaching the first impurity region, and a bottom portion provided continuously with the side portion. Trenches are formed, and
A gate insulating film in contact with the first impurity region at the bottom and in contact with the first impurity region, the second impurity region, and the third impurity region at the side;
The electric field relaxation region has a third main surface facing the first main surface and a fourth main surface facing the second main surface,
In a direction parallel to the second major surface, a width of the third main surface is much larger than the width of the fourth major surface,
The silicon carbide substrate includes a fourth impurity region located between the second impurity region and the electric field relaxation region and having the second conductivity type,
The silicon carbide semiconductor device , wherein a width of the fourth impurity region is smaller than a width of the fourth main surface in a direction parallel to the second main surface .
前記第2主面に平行な方向における前記第5主面の幅の半分をWb(μm)とし、前記第2主面に対して平行な方向における前記第3主面の幅の半分をWu(μm)とし、前記第1不純物領域における不純物濃度をNd(cm−3)とし、前記電界緩和領域における不純物濃度をNa(cm−3)とし、真空の誘電率をε0(F・m−1)とし、炭化珪素の誘電率をεSiC(F・m−1)とし、素電荷をe(C)とし、拡散電位をVbi(V)としたとき、以下の数式を満たす、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。
Half of the width of the fifth main surface in the direction parallel to the second main surface is W b (μm), and half of the width of the third main surface in the direction parallel to the second main surface is W u (μm), the impurity concentration in the first impurity region is N d (cm −3 ), the impurity concentration in the electric field relaxation region is N a (cm −3 ), and the vacuum dielectric constant is ε 0 (F M- 1 ), the dielectric constant of silicon carbide is ε SiC (F · m −1 ), the elementary charge is e (C), and the diffusion potential is V bi (V). The silicon carbide semiconductor device according to any one of claims 1 to 3 .
前記電界緩和領域の不純物ドーズ量をDrx(cm−2)し、前記第2主面に対して垂直な方向における、前記第4主面と、前記炭化珪素単結晶基板および前記炭化珪素エピタキシャル層の境界面との距離をLd(cm)とし、前記第1不純物領域における不純物濃度をNd(cm−3)としたとき、以下の数式を満たす、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。
The fourth principal surface, the silicon carbide single crystal substrate, and the silicon carbide epitaxial layer in a direction perpendicular to the second principal surface, with an impurity dose of the electric field relaxation region being D rx (cm −2 ) 5. Any one of claims 1 to 4 satisfying the following formula, where L d (cm) is a distance from the boundary surface of the first impurity region and N d (cm −3 ) is an impurity concentration in the first impurity region. 2. The silicon carbide semiconductor device according to item 1.
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