JP7643621B2 - Semiconductor Device - Google Patents
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Description
この発明は、半導体装置に関する。 This invention relates to a semiconductor device.
従来、パワー半導体素子においては、素子のオン抵抗の低減を図るため、トレンチ構造を有する縦型MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)が作製(製造)されている。縦型MOSFETでは、チャネルが基板表面に対して平行に形成されるプレーナ構造よりも基板表面に対して垂直に形成されるトレンチ構造の方が単位面積当たりのセル密度を増やすことができるため、単位面積当たりの電流密度を増やすことができ、コスト面から有利である。 Conventionally, in power semiconductor elements, vertical MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) with a trench structure have been fabricated (manufactured) to reduce the on-resistance of the element. In vertical MOSFETs, a trench structure in which the channel is formed perpendicular to the substrate surface can increase the cell density per unit area compared to a planar structure in which the channel is formed parallel to the substrate surface, and therefore the current density per unit area can be increased, which is advantageous from a cost perspective.
トレンチゲート構造は、炭化珪素からなる半導体基体(以下、炭化珪素基体とする)に形成したトレンチ内にMOSゲート(金属-酸化膜-半導体からなる絶縁ゲート)を埋め込んで、トレンチ側壁に沿った部分をチャネル(反転層)として利用した3次元構造である。このため、同じオン抵抗(Ron)の素子同士で比べた場合、トレンチゲート構造は、炭化珪素基体上に平板状にMOSゲートを設けたプレーナゲート構造よりも素子面積(チップ面積)を圧倒的に小さくすることができ、将来有望なデバイス構造といえる。 The trench gate structure is a three-dimensional structure in which a MOS gate (insulated gate made of metal-oxide-semiconductor) is embedded in a trench formed in a semiconductor substrate made of silicon carbide (hereafter referred to as silicon carbide substrate), and the portion along the sidewall of the trench is used as a channel (inversion layer). For this reason, when comparing elements with the same on-resistance (Ron), the trench gate structure can overwhelmingly reduce the element area (chip area) compared to a planar gate structure in which a MOS gate is provided in a flat plate shape on a silicon carbide substrate, making it a promising device structure for the future.
トレンチ型MOSFETにおいて、隣り合うゲートトレンチ間にショットキーダイオード(SBD:Schottky Barrier Diode)用トレンチを形成し、トレンチ側面にショットキー接合を形成した構造がある。図13は、従来のSBD内臓トレンチ型炭化珪素半導体装置の構成を示す断面図である。図13において、中央に記載した省略破線の左側は、素子構造が形成されオン時に電流の流れる活性部21の構成を示し、中央に記載した省略破線の右側は、ゲートパッド部20の構成を示す。
In a trench MOSFET, a trench for a Schottky Barrier Diode (SBD) is formed between adjacent gate trenches, and a Schottky junction is formed on the side of the trench. FIG. 13 is a cross-sectional view showing the configuration of a conventional trench-type silicon carbide semiconductor device with an SBD built in. In FIG. 13, the left side of the omitted dashed line in the center shows the configuration of the
図13に示すように、従来のトレンチ型炭化珪素半導体装置は、活性部21において、n型炭化珪素基板1のおもて面に、トレンチ型のMOSゲート(金属-酸化膜-半導体からなる絶縁ゲート)構造と、トレンチ型SBDを埋め込んだコンタクトトレンチ19と、を備える。活性部21とは、オン時に流れる電流を担う領域である。具体的には、n型炭化珪素基板1は、ドレイン層であるn型炭化珪素基板1上にn-型ドリフト層2となるn-型層をエピタキシャル成長させてなる。n型炭化珪素基板1のおもて面(n-型ドリフト層2側の面)側に、p型ベース層6、n+型ソース領域7、p+型コンタクト領域8、ゲート絶縁膜9およびゲート電極10からなるMOSゲート構造が設けられている。
As shown in FIG. 13, the conventional trench-type silicon carbide semiconductor device includes, in an
ゲートトレンチ18、コンタクトトレンチ19の底部においてゲート絶縁膜9にかかる電界を緩和するため、p+型ベース領域3が設けられている。メサ部には、ゲートトレンチ18と同程度の深さでコンタクトトレンチ19が設けられている。
A p + -
n+型ソース領域7は、隣り合うゲートトレンチ18とコンタクトトレンチ19との間において、p型ベース層6の内部に選択的に設けられている。n+型ソース領域7と、コンタクトトレンチ19の内壁に露出するp型ベース層6とは、層間絶縁膜11を深さ方向に貫通するコンタクトホールに露出されている。n+型ソース領域7およびp+型コンタクト領域8にオーミックコンタクトするソース電極13とコンタクトトレンチ19に埋め込まれたショットキー電極15に接触するようにコンタクトホールを介しておもて面電極としてソース電極パッド14が設けられ、p型ベース層6およびn+型ソース領域7に接する。n型炭化珪素基板1の裏面(n-型ドリフト層2と反対の面)には、裏面電極としてドレイン電極(不図示)が設けられている。
The n +
ゲートパッド部20は、ゲート電極10と電気的に接続されるゲート電極パッド17が設けられる部分であり、ゲートトレンチ18、コンタクトトレンチ19等の素子構造が形成されていない。図13に示すように、オン時に電流Sはドレイン電極側から活性部21のソース電極13側に流れる。
The
このような構造のトレンチ型MOSFETの内蔵SBDでは、MOSFETとドリフト領域を共用できるため外付けSBDとMOSFETとを合わせたチップ面積より小さくできる。また、外付けSBDの場合は、SBDのVF(順電圧)がMOSFETのp型ベース層6とn-型ドリフト層2とで形成されるボディダイオードのビルトイン電圧以上になると、ボディダイオードがオンになり、ボディダイオードのバイポーラ動作により経時的に特性が変化(経年劣化)し、信頼性が低減する。
In the case of an SBD built into a trench MOSFET having such a structure, the drift region can be shared with the MOSFET, so the chip area can be smaller than the combined chip area of the external SBD and the MOSFET. Also, in the case of an external SBD, when the VF (forward voltage) of the SBD becomes equal to or exceeds the built-in voltage of the body diode formed by the p-
一方、内蔵SBDでは、外付けSBDのカソードに相当するMOSFETのドレインの電圧がボディダイオードのビルトイン電圧以上になってもボディダイオードを構成するpn接合付近の電位差は、ドリフト領域で電圧を保持するため低くなっており、ボディダイオードに電流が流れ難い。このため大電流までボディダイオードに電流が流れず、バイポーラ動作による劣化を起こしにくい。 On the other hand, with an internal SBD, even if the voltage of the drain of the MOSFET, which corresponds to the cathode of the external SBD, exceeds the built-in voltage of the body diode, the potential difference near the pn junction that constitutes the body diode is low because the voltage is maintained in the drift region, making it difficult for current to flow through the body diode. As a result, even large currents do not flow through the body diode, making it less likely to deteriorate due to bipolar operation.
また、ゲートパッド部の破壊を防止するため、素子部が、ゲートトレンチよりも深く形成されている複数の第1保護トレンチと第1埋込層とを有する第1トレンチ構造を有し、ゲートパッド部が、複数の第2保護トレンチと、ショットキー接触を形成する金属層からなり、ソース電極層と電気的に接続されている第2埋込層とを有する第2トレンチ構造を有する半導体装置が公知である(例えば、特許文献1参照)。 In addition, a semiconductor device is known in which the element section has a first trench structure having a first buried layer and a plurality of first protective trenches formed deeper than the gate trenches to prevent destruction of the gate pad section, and the gate pad section has a second trench structure having a second buried layer made of a metal layer that forms a Schottky contact and is electrically connected to the source electrode layer (see, for example, Patent Document 1).
ここで、ゲートパッド部20では、耐圧を確保するため通常p型領域(p+型ベース領域3、p型ベース層6)が形成される。これらのp型領域は、活性部21のp型領域と比較して面積が広いため、広がり抵抗による横方向の電圧降下が起こる。これにより、p型領域とn-型ドリフト層からなるpn接合が順方向にバイアスされた場合、少数キャリア(正孔)が注入され、ゲートパッド部20では比較的小さな電流密度でもボディダイオードに電流が流れる。このように、ゲートパッド部20のボディダイオードは、バイポーラ動作により経時的に特性が変化し、信頼性が低下するという課題がある。
Here, in the
この発明は、上述した課題を解消するため、ゲートパッド部の横方向の電圧降下を抑制し、少数キャリア(正孔)の注入を抑制し、大電流でもボディダイオードがオンしないようにできる半導体装置を提供することを目的とする。 The purpose of this invention is to provide a semiconductor device that can solve the above-mentioned problems by suppressing the lateral voltage drop in the gate pad section, suppressing the injection of minority carriers (holes), and preventing the body diode from turning on even with a large current.
上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、次の特徴を有する。上面視でゲート電極パッド方向に延びる第1トレンチおよび第2トレンチと、少なくとも一部が前記第1トレンチおよび前記第2トレンチの上方に設けられたソース電極部と、ゲート電極パッドを含むゲートパッド部と、前記第1トレンチの内部に埋め込まれる第1埋込部と前記第1トレンチの上方に突出して設けられた突出部とを含むゲート電極と、前記第2トレンチの内部に埋め込まれる第2埋込部を含む導電層と、を備える。前記ソース電極部は、上面視で前記突出部と前記ゲート電極パッドとの間に設けられる第1のソース電極接続部と、上面視で前記第1のソース電極接続部との間に前記突出部を挟む第2のソース電極接続部と、を含む。前記第2トレンチは、前記導電層が前記第1のソース電極接続部に接続する第1のソース接続トレンチを含む。 In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object of the present invention, the semiconductor device according to the present invention has the following features. The semiconductor device includes a first trench and a second trench extending toward a gate electrode pad in a top view, a source electrode portion at least a part of which is provided above the first trench and the second trench, a gate pad portion including a gate electrode pad, a gate electrode including a first buried portion embedded inside the first trench and a protruding portion provided protruding above the first trench, and a conductive layer including a second buried portion embedded inside the second trench. The source electrode portion includes a first source electrode connection portion provided between the protruding portion and the gate electrode pad in a top view, and a second source electrode connection portion sandwiching the protruding portion between the first source electrode connection portion in a top view. The second trench includes a first source connection trench in which the conductive layer is connected to the first source electrode connection portion.
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第1のソース接続トレンチは、前記ゲート電極パッドの下方に延びていることを特徴とする。 The semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, the first source connection trench extends below the gate electrode pad.
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第2トレンチは、前記導電層が前記第2のソース電極接続部に接続する第2のソース接続トレンチを含むことを特徴とする。 The semiconductor device according to the present invention is characterized in that in the above-mentioned invention, the second trench includes a second source connection trench in which the conductive layer is connected to the second source electrode connection portion.
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、上面視で前記第1のソース接続トレンチの少なくとも一部が前記ゲート電極パッド方向において前記第1トレンチと対向して配置されていることを特徴とする。 The semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, at least a portion of the first source connection trench is arranged opposite the first trench in the direction of the gate electrode pad when viewed from above.
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、上面視で、前記突出部は前記ゲート電極パッド方向と直交する第2方向に延びる部分を有することを特徴とする。 The semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, the protrusion has a portion that extends in a second direction perpendicular to the gate electrode pad direction in a top view.
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記突出部は、前記第1トレンチの上方から、前記ゲート電極パッド方向における前記第1埋込部の外側に向かって設けられていることを特徴とする。 The semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, the protruding portion is provided from above the first trench toward the outside of the first buried portion in the direction of the gate electrode pad.
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第2のソース接続トレンチは、隣り合う前記第1トレンチ間に、前記第1トレンチと平行かつ前記第1トレンチと離れて配置されていることを特徴とする。 The semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, the second source connection trench is arranged between adjacent first trenches, parallel to the first trenches and spaced apart from the first trenches.
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、当該半導体装置は、炭化珪素半導体基体を含んで構成され、前記ゲート電極の前記第1埋込部は、ゲート絶縁膜を介して前記炭化珪素半導体基体に接し、前記導電層の前記第2埋込部は、前記炭化珪素半導体基体の少なくとも一部に接していることを特徴とする。 The semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, the semiconductor device includes a silicon carbide semiconductor base, the first embedded portion of the gate electrode contacts the silicon carbide semiconductor base via a gate insulating film, and the second embedded portion of the conductive layer contacts at least a portion of the silicon carbide semiconductor base.
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記炭化珪素半導体基体は、第1導電型のドリフト層と、前記ドリフト層の上方に設けられる第2導電型のベース層と、前記ベース層の表面側に選択的に設けられる、前記ベース層よりも不純物濃度の高い第2導電型の高濃度コンタクト領域と、前記ベース層の表面側に選択的に設けられる、前記ドリフト層よりも不純物濃度の高い第1導電型の高濃度ソース領域と、を含むことを特徴とする。 The semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, the silicon carbide semiconductor substrate includes a drift layer of a first conductivity type, a base layer of a second conductivity type provided above the drift layer, a high-concentration contact region of the second conductivity type selectively provided on the surface side of the base layer and having a higher impurity concentration than the base layer, and a high-concentration source region of the first conductivity type selectively provided on the surface side of the base layer and having a higher impurity concentration than the drift layer.
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第2のソース接続トレンチの内部に埋め込まれる前記第2埋込部は、前記高濃度コンタクト領域の少なくとも一部に接していることを特徴とする。 The semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, the second buried portion buried inside the second source connection trench is in contact with at least a portion of the high-concentration contact region.
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記炭化珪素半導体基体は、前記ベース層の表面側であって、前記第1のソース電極接続部の下に選択的に設けられる前記ドリフト層よりも不純物濃度の高い第1導電型の高濃度領域を含むことを特徴とする。 The semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, the silicon carbide semiconductor substrate includes a high-concentration region of the first conductivity type on the surface side of the base layer, the high-concentration region having a higher impurity concentration than the drift layer, which is selectively provided under the first source electrode connection portion.
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記炭化珪素半導体基体は、前記第1トレンチまたは前記第2トレンチの下に設けられる第2導電型のトレンチ下ベース層を含むことを特徴とする。 The semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, the silicon carbide semiconductor substrate includes a second conductivity type under-trench base layer provided under the first trench or the second trench.
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記ソース電極部は、ソース電極パッドを含み、前記第1のソース電極接続部は、前記第1のソース接続トレンチの前記導電層を当該ソース電極部に電気的に接続するソースコンタクト部であり、前記第2のソース電極接続部は、前記第2のソース接続トレンチの前記導電層を当該ソース電極部に電気的に接続するソース電極であることを特徴とする。 The semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, the source electrode portion includes a source electrode pad, the first source electrode connection portion is a source contact portion that electrically connects the conductive layer of the first source connection trench to the source electrode portion, and the second source electrode connection portion is a source electrode that electrically connects the conductive layer of the second source connection trench to the source electrode portion.
本発明にかかる半導体装置によれば、ゲートパッド部の横方向の電圧降下を抑制し、少数キャリア(正孔)の注入を抑制し、大電流でもボディダイオードがオンしないようにできるという効果を奏する。 The semiconductor device according to the present invention has the effect of suppressing the lateral voltage drop in the gate pad portion, suppressing the injection of minority carriers (holes), and preventing the body diode from turning on even with a large current.
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、nまたはpを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、nやpに付す+および-は、それぞれそれが付されていない層や領域よりも高不純物濃度および低不純物濃度であることを意味する。+および-を含めたnやpの表記が同じ場合は近い濃度であることを示し濃度が同等とは限らない。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 Below, with reference to the attached drawings, a preferred embodiment of the semiconductor device according to the present invention will be described in detail. In this specification and the attached drawings, in layers and regions marked with n or p, electrons or holes, respectively, are the majority carriers. In addition, + and - marked with n or p, respectively, indicate a higher impurity concentration and a lower impurity concentration than layers or regions without them. When the notations of n and p, including + and -, are the same, it indicates that the concentrations are close, but not necessarily the same. In the following description of the embodiment and the attached drawings, similar configurations are marked with the same reference numerals, and duplicate explanations will be omitted.
(実施の形態1)
本発明にかかる半導体装置は、ワイドバンドギャップ半導体を用いて構成される。実施の形態1においては、ワイドバンドギャップ半導体として例えば炭化珪素(SiC)を用いて作製された炭化珪素半導体装置について、MOSFETを例に説明する。図1は、実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置の構成を示す図3のY-Y’断面図である。図2は、実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置の構成を示す図3のX-X’断面図である。図3は、実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置の構成を示す上面図である。
(Embodiment 1)
The semiconductor device according to the present invention is configured using a wide band gap semiconductor. In the first embodiment, a silicon carbide semiconductor device fabricated using, for example, silicon carbide (SiC) as a wide band gap semiconductor will be described using a MOSFET as an example. Fig. 1 is a Y-Y' cross-sectional view of Fig. 3 showing the configuration of the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment. Fig. 2 is an XX' cross-sectional view of Fig. 3 showing the configuration of the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment. Fig. 3 is a top view showing the configuration of the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment.
図1に示す実施の形態1にかかる半導体装置は、活性部21において、半導体基体(半導体チップ)のおもて面側に、ゲートトレンチ(第1トレンチ)18と、コンタクトトレンチ(第2トレンチ)19と、を備えたトレンチ型SiC-MOSFETである。活性部21とは、オン状態のときに電流が流れる領域である。ゲートトレンチ18とは、ゲート絶縁膜9を介してゲート電極10が埋め込まれたトレンチである。コンタクトトレンチ19とは、後述する導電層15によるショットキー接合を有するSBDを埋め込んだトレンチである。
The semiconductor device according to the first embodiment shown in FIG. 1 is a trench-type SiC-MOSFET having a gate trench (first trench) 18 and a contact trench (second trench) 19 on the front surface side of a semiconductor substrate (semiconductor chip) in an
具体的には、図1、図2に示すように、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置は、n型炭化珪素基板(第1導電型の半導体基板)1の第1主面(おもて面)、例えば(0001)面(Si面)、にn-型ドリフト層(第1導電型の第1半導体層)2が堆積されている。 Specifically, as shown in FIGS. 1 and 2 , in the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment, an n-type drift layer (first semiconductor layer of first conductivity type) 2 is deposited on a first main surface (front surface), for example, a (0001) surface (Si surface), of an n - type silicon carbide substrate (semiconductor substrate of first conductivity type) 1.
n型炭化珪素基板1は、例えば窒素(N)がドーピングされた炭化珪素単結晶基板である。n-型ドリフト層2は、n型炭化珪素基板1よりも低い不純物濃度で、例えば窒素がドーピングされている低濃度n型ドリフト層である。n-型ドリフト層2の、n型炭化珪素基板1側に対して反対側の表面は、n型高濃度領域5が形成されている。n型高濃度領域5は、n型炭化珪素基板1よりも低くn-型ドリフト層2よりも高い不純物濃度で、例えば窒素がドーピングされている高濃度n型ドリフト層である。以下、n型炭化珪素基板1とn-型ドリフト層2と後述するp型ベース層(第2導電型の第2半導体層)6とを併せて炭化珪素半導体基体とする。
The n-type
また、n型炭化珪素基板1の第2主面(裏面、すなわち炭化珪素半導体基体の裏面)には、裏面電極(不図示)が設けられている。裏面電極は、ドレイン電極を構成する。
A back electrode (not shown) is provided on the second main surface (back surface, i.e., the back surface of the silicon carbide semiconductor body) of the n-type
炭化珪素半導体基体の第1主面側(p型ベース層6側)には、トレンチ構造が形成されている。具体的には、ゲートトレンチ18、コンタクトトレンチ19は、p型ベース層6のn型炭化珪素基板1側に対して反対側(炭化珪素半導体基体の第1主面側)の表面からp型ベース層6を貫通してn-型ドリフト層2に達する。ゲートトレンチ18の内壁に沿って、ゲートトレンチ18の底部および側壁にゲート絶縁膜9が形成されており、ゲートトレンチ18内のゲート絶縁膜9の内側にゲート電極10が形成されている。ゲート絶縁膜9によりゲート電極10が、n-型ドリフト層2およびp型ベース層6と絶縁されている。ゲート電極10の一部は、ゲートトレンチ18の上方(ソース電極パッド14側)からゲート電極パッド17側に突出してもよい。
A trench structure is formed on the first main surface side (p-
コンタクトトレンチ19は、活性部21では、隣り合うゲートトレンチ18間に、ゲートトレンチ18に平行に、かつゲートトレンチ18と離して、X-X’方向に延びるストライプ状の平面レイアウトに配置されている。例えば、すべてのメサ部にコンタクトトレンチ19を配置する場合、ゲートトレンチ18およびコンタクトトレンチ19は、X-X’方向と直交するY-Y’方向に互いに離して交互に繰り返し配置される。コンタクトトレンチ19は、炭化珪素半導体基体の第1主面側からp型ベース層6を貫通してn-型ドリフト層2に達する。コンタクトトレンチ19の深さは、ゲートトレンチ18の深さと同等程度である。
In the
n-型ドリフト層2のn型炭化珪素基板1側に対して反対側(炭化珪素半導体基体の第1主面側)の表面層には、p+型ベース領域3が選択的に設けられている。p+型ベース領域3は、ゲートトレンチ18、コンタクトトレンチ19の下に形成されており、p+型ベース領域3の幅はゲートトレンチ18、コンタクトトレンチ19の幅よりも広い。p+型ベース領域3は、例えばアルミニウムがドーピングされている。また、p+型ベース領域3は、p型ベース層6と離れて設けられる。なお、ゲートトレンチ18及びコンタクトトレンチ19下のp+型ベース領域3は図示しない場所で互いに接続されていてもよい。また、高濃度n型ドリフト層5はp+型ベース領域3より深い位置まで形成されていてもよい。
A p + -
n-型ドリフト層2の基体第1主面側には、p型ベース層6が設けられている。p型ベース層6の内部には、基体第1主面側にn+型ソース領域(第1導電型の第1半導体領域)7およびp+型コンタクト領域8が選択的に設けられている。n+型ソース領域7はゲートトレンチ18に接している。また、n+型ソース領域7およびp+型コンタクト領域8は互いに接する。
A p-
図1では、2つのトレンチMOS構造のみを図示しているが、さらに多くのトレンチ構造のMOSゲート(金属-酸化膜-半導体からなる絶縁ゲート)構造が並列に配置されていてもよい。 Although FIG. 1 shows only two trench MOS structures, many more trench MOS gate (metal-oxide-semiconductor insulated gate) structures may be arranged in parallel.
層間絶縁膜11は、炭化珪素半導体基体の第1主面側の全面に、ゲートトレンチ18に埋め込まれたゲート電極10を覆うように設けられている。また、ゲートパッド部20において、層間絶縁膜11は、コンタクトトレンチ19に埋め込まれた導電層15を覆うように設けられている。ソース電極(第1電極)13は、層間絶縁膜11に開口されたコンタクトホールを介して、n+型ソース領域7およびp+型コンタクト領域8に接する。ソース電極13は、層間絶縁膜11によって、ゲート電極10と電気的に絶縁されている。ソース電極13上には、ソース電極パッド14が設けられている。ソース電極13と層間絶縁膜11との間に、例えばソース電極13からゲート電極10側への金属原子の拡散を防止するTi又はTiN等を単層又は積層としたバリアメタル12が設けられている。
The
炭化珪素半導体基体おもて面およびコンタクトトレンチ19の内壁に沿って、例えばTiシリサイド(TiSi)からなる導電層15が設けられている。導電層15は、異なる材料による電極を積層している構成としてもよい。導電層15は、ソース電極13とともにおもて面電極として機能する。導電層15は、炭化珪素半導体基体おもて面からコンタクトトレンチ19の側壁にわたってp+型コンタクト領域8に接する。
A
また、導電層15は、コンタクトトレンチ19の底部からコーナー部の全面にわたってp+型ベース領域3に接する。導電層15は、コンタクトトレンチ19の側壁においてn型高濃度領域5に接し、n型高濃度領域5とのショットキー接合を形成する。これにより、コンタクトトレンチ19内の導電層15と、n型高濃度領域5とからなるショットキーバリアダイオードが形成される。なお、n型高濃度領域5を設けない場合は、コンタクトトレンチ19の側壁においてn-型ドリフト層2とのショットキー接合が形成され、コンタクトトレンチ19内の導電層15と、n-型ドリフト層2とからなるショットキーバリアダイオードが形成される。
Moreover, the
ゲートパッド部20に、ゲート電極10と電気的に接続するゲート電極パッド17が設けられる。ゲート電極パッド17は、層間絶縁膜11によって、導電層15と電気的に絶縁されている。
A
コンタクトトレンチ19は、ゲートパッド部20にも設けられている。ゲートパッド部20では、導電層15はゲートパッド部20の周辺部でソース電極13に接続する。ゲートパッド部20の周辺部とは、ゲートパッド部20の活性部21との境界の部分である。また、ゲートパッド部20の中央部に例えば部分的にゲート電極10がない部分B(図3参照)を設けて、その内部でゲート電極パッド17下のSBDのアノード電極とソース電極13を接続するソースコンタクト部24を設けてもよい。
The
図4は、実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置の構成を示す図3のA部拡大図である。図4に示すように、ソースコンタクト部24の下(n型炭化珪素基板1側)にオーミックコンタクトのため、n+型領域25を設けることが好ましい。また、図1、図4では、ゲートパッド部20のp+型ベース領域3間の間隔W1は、活性部21のコンタクトトレンチ19の底面を覆うp+型ベース領域3とゲートトレンチ18の底面を覆うp+型ベース領域3との間隔W2と同様の幅となっている。ただし、例えば、ゲートパッド部20のコンタクトトレンチ19間の間隔を狭くすることにより、間隔W1を間隔W2より狭くしてもよい。これは、活性部21はMOS構造が設けられており、間隔W2を狭くすると、電流が通る領域が狭くなりオン抵抗が増加するため、間隔W2を狭くすることができない。一方、ゲートパッド部20では、SBDが導通する場合、pn接合が順バイアスであることにより空乏層が縮むため狭くすることができる。
FIG. 4 is an enlarged view of a portion A in FIG. 3 showing the configuration of the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment. As shown in FIG. 4, it is preferable to provide an n + -
図5は、実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置の図3のY-Y’断面におけるpn接合順バイアス時の電流の流れを示す図である。ゲートパッド部20に活性部21と同様にSBDを設けることで、図5のようにゲートパッド部20下でもSBD電流S1を流すことができ、この電流によりゲートパッド部20下の横方向の電圧降下を抑制し、少数キャリア(正孔)の注入を抑制することができる。
Figure 5 is a diagram showing the current flow when the pn junction is forward biased in the Y-Y' cross section of Figure 3 of the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment. By providing an SBD in the
(実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法)
次に、実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法について説明する。図6~図10は、実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を模式的に示す断面図である。
(Method of Manufacturing Silicon Carbide Semiconductor Device According to First Embodiment)
Next, a description will be given of a method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment. Figures 6 to 10 are cross-sectional views that typically show states during the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment.
まず、n型の炭化珪素でできたn型炭化珪素基板1を用意する。そして、このn型炭化珪素基板1の第1主面上に、n型の不純物、例えば窒素原子をドーピングしながら炭化珪素でできたn-型ドリフト層2を、エピタキシャル成長させる。ここまでの状態が図6に示されている。
First, an n-type
次に、n-型ドリフト層2の表面上に、フォトリソグラフィ技術によって所定の開口部を有するイオン注入用マスクを例えば酸化膜で形成する。そして、アルミニウム等のp型の不純物を、酸化膜の開口部に注入し、p+型ベース領域3を形成する。
Next, an ion implantation mask having predetermined openings is formed, for example, from an oxide film by photolithography on the surface of the n -
次に、n-型ドリフト層2の表面上に、窒素等のn型の不純物をドーピングした、n型高濃度領域5の一部である下部n型高濃度領域を形成する。次にn型エピタキシャル層を形成する。
Next, a lower n-type high concentration region, which is a part of n-type
次に、イオン注入用マスクの一部を除去し、開口部に窒素等のn型の不純物をイオン注入し、n-型ドリフト層2の表面領域の一部に、上部n型高濃度領域を設ける。この上部n型高濃度領域と下部n型高濃度領域は少なくとも一部が接するように形成され、n型高濃度領域5を形成する。ただし、このn型高濃度領域5が基板全面に形成される場合と、形成されない場合がある。ここまでの状態が図7に示されている。
Next, a part of the ion implantation mask is removed, and n-type impurities such as nitrogen are ion-implanted into the opening to provide an upper n-type high concentration region in a part of the surface region of the n -
次に、n-型ドリフト層2の表面上に、アルミニウム等のp型不純物をドーピングしたp型ベース層6をエピ成長により形成する。次に、p型ベース層6および露出したn-型ドリフト層2の表面上に、フォトリソグラフィによって所定の開口部を有するイオン注入用マスクを例えば酸化膜で形成する。この開口部にリン(P)等のn型の不純物をイオン注入し、p型ベース層6の表面の一部にn+型ソース領域7を形成する。n+型ソース領域7の不純物濃度は、n型高濃度領域5の不純物濃度より高くなるように設定する。次に、n+型ソース領域7の形成に用いたイオン注入用マスクを除去し、同様の方法で、所定の開口部を有するイオン注入用マスクを形成し、p型ベース層6の表面の一部にアルミニウム等のp型の不純物をイオン注入し、p+型コンタクト領域8を設ける。p+型コンタクト領域8の不純物濃度は、p型ベース層6の不純物濃度より高くなるように設定する。ここまでの状態が図8に示されている。なお、p型ベース層6はエピ成長ではなくアルミニウム等のp型不純物をイオン注入することにより形成してもよい。
Next, a p-
次に、1700℃程度の不活性ガス雰囲気で熱処理(アニール)を行い、p+型ベース領域3、n+型ソース領域7、p+型コンタクト領域8の活性化処理を実施する。なお、上述したように1回の熱処理によって各イオン注入領域をまとめて活性化させてもよいし、イオン注入を行うたびに熱処理を行って活性化させてもよい。
Next, a heat treatment (annealing) is performed in an inert gas atmosphere at about 1700° C. to activate the p +
次に、p型ベース層6の表面上に、フォトリソグラフィによって所定の開口部を有するトレンチ形成用マスクを例えば酸化膜で形成する。次に、ドライエッチングによってp型ベース層6を貫通し、n-型ドリフト層2に達するゲートトレンチ18、コンタクトトレンチ19を形成する。ゲートトレンチ18、コンタクトトレンチ19の底部はn-型ドリフト層2に形成されたp+型ベース領域3に達してもよい。ゲートトレンチ18は活性部21に形成し、コンタクトトレンチ19は活性部21とゲートパッド部20に形成する。次に、トレンチ形成用マスクを除去する。ここまでの状態が図9に示されている。
Next, a trench forming mask having a predetermined opening is formed, for example, from an oxide film, on the surface of the p-
次に、ゲートトレンチ18、コンタクトトレンチ19の底部および開口部の角を丸めるためのアニールを行う。アニールを行う前にゲートトレンチ18、コンタクトトレンチ19のダメージを除去するための等方性エッチングを行ってもよい。
Next, annealing is performed to round the corners of the bottoms and openings of the
次に、n+型ソース領域7およびp+型コンタクト領域8の表面と、ゲートトレンチ18の底部および側壁と、に沿ってゲート絶縁膜9を形成する。このゲート絶縁膜9は、酸素雰囲気中において1000℃程度の温度の熱処理によって熱酸化によって形成してもよい。また、このゲート絶縁膜9は高温酸化(High Temperature Oxide:HTO)等のような化学反応によって堆積する方法で形成してもよい。
Next, a
次に、ゲート絶縁膜9上に、例えばリン原子がドーピングされた多結晶シリコン層を設ける。この多結晶シリコン層はゲートトレンチ18内を埋めるように形成してもよい。この多結晶シリコン層をフォトリソグラフィによりパターニングし、ゲートトレンチ18内部に残すことによって、ゲート電極10を形成する。
Next, a polycrystalline silicon layer doped with, for example, phosphorus atoms is provided on the
次に、n+型ソース領域7およびp+型コンタクト領域8の表面と、コンタクトトレンチ19の底部および側壁と、に沿って導電層15を形成する。この導電層15は、Tiシリサイドで形成してもよい。
Next, a
次に、ゲート絶縁膜9、ゲート電極10および導電層15を覆うように、例えばリンガラスを1μm程度の厚さで成膜し、層間絶縁膜11を形成する。次に、層間絶縁膜11を覆うように、チタン(Ti)または窒化チタン(TiN)からなるバリアメタル12を形成する。層間絶縁膜11およびゲート絶縁膜9をフォトリソグラフィによりパターニングしn+型ソース領域7およびp+型コンタクト領域8を露出させたコンタクトホールを形成する。その後、熱処理(リフロー)を行って層間絶縁膜11を平坦化する。
Next, for example, phosphorus glass is deposited to a thickness of about 1 μm to cover the
次に、コンタクトホール内および層間絶縁膜11の上にソース電極13となるニッケル(Ni)等の導電性の膜を設ける。この導電性の膜をフォトリソグラフィによりパターニングし、コンタクトホール内にのみソース電極13を残す。ここまでの状態が図10に示されている。
Next, a conductive film such as nickel (Ni) is provided in the contact hole and on the
次に、n型炭化珪素半導体基板1の第2主面上に、ニッケル等の裏面電極(不図示)を設ける。この後、1000℃程度の不活性ガス雰囲気で熱処理を行って、n+型ソース領域7、p+型コンタクト領域8およびn型炭化珪素半導体基板1とオーミック接合するソース電極13および裏面電極を形成する。
Next, a back electrode (not shown) made of nickel or the like is provided on the second main surface of the n-type silicon
次に、n+炭化珪素半導体基板1の第1主面上に、スパッタ法によって5μm程度の厚さのアルミニウム膜を堆積し、フォトリソグラフィによりソース電極13および活性部21の層間絶縁膜11を覆うようにアルミニウムを除去し、ソース電極パッド15を形成する。次に、同様の方法でゲートパッド部20の層間絶縁膜11を覆うようにゲート電極パッド17を形成する。
Next, an aluminum film having a thickness of about 5 μm is deposited by sputtering on the first main surface of n + silicon
次に、裏面電極の表面に、例えばチタン(Ti)、ニッケルおよび金(Au)を順に積層することによって、ドレイン電極パッド(不図示)を形成する。以上のようにして、図1、図2に示す炭化珪素半導体装置が完成する。 Next, a drain electrode pad (not shown) is formed on the surface of the back electrode by sequentially stacking, for example, titanium (Ti), nickel, and gold (Au). In this manner, the silicon carbide semiconductor device shown in Figures 1 and 2 is completed.
以上、説明したように、実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置によれば、ゲートパッド部に活性部と同様にSBDが設けられる。これにより、ゲートパッド部下でもSBD電流を流すことができ、ゲートパッド部下の横方向の電圧降下を抑制し、少数キャリア(正孔)の注入を抑制することができる。このため、大電流でもボディダイオードがオンしないようにできる。 As described above, according to the silicon carbide semiconductor device of the first embodiment, an SBD is provided in the gate pad portion as well as in the active portion. This allows the SBD current to flow even under the gate pad portion, suppressing the lateral voltage drop under the gate pad portion and suppressing the injection of minority carriers (holes). This prevents the body diode from turning on even with a large current.
(実施の形態2)
次に、実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置の構造について説明する。図11は、実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置のゲートパッド部の構成を示す断面図である。図12は、実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置のゲートパッド部の他の構成を示す断面図である。実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置の活性部21の構造は、実施の形態1と同様であるため記載を省略する(図1参照)。実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置が実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置と異なる点は、ゲートパッド部20にコンタクトトレンチ19が設けられておらず、ゲートパッド部20のp型領域(p+型ベース領域3’、p型ベース層6’)がフローティングとなっている点である。
(Embodiment 2)
Next, the structure of a silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment will be described. FIG. 11 is a cross-sectional view showing the configuration of a gate pad portion of the silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment. FIG. 12 is a cross-sectional view showing another configuration of the gate pad portion of the silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment. The structure of the
ゲートパッド部20のp型領域は、ソース電位のp型領域(p+型ベース領域3、p型ベース層6)とn型高濃度領域5により、所定の距離W3で離れている。このように、ゲートパッド部20のp型領域をフローティングとすることにより、p+型ベース領域3’とn-型ドリフト層2からなるpn接合に順バイアス時に継続的な少数キャリアの注入を防止することができる。
The p-type region of the
また、フローティングによるpn接合の逆バイアス時の耐圧低下を防止するため、ソース電位のp型領域とゲートパッド部20のp型領域は、所定の距離W3を離して設けることが好ましい。この所定の距離W3は、活性部21のp+型ベース領域3間の間隔W2(図1参照)以下が好ましい。W3を小さくすることによりpn接合の逆バイアス時に活性領域21のp+型ベース領域3から伸びた空乏層が容易にp+型ベース領域3’に到達しパンチスル―状態になりp+型ベース領域3’の電位がp+型ベース領域3に近づくとp+型ベース領域3’からも空乏層がn型ドリフト領域に伸びるため耐圧が低下しない。
In order to prevent a decrease in breakdown voltage when the pn junction is reverse biased due to floating, it is preferable to provide the p-type region of the source potential and the p-type region of the
次に、実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法について説明する。活性部21の製造方法は、実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法と同様であるため省略する。ゲートパッド部20では、n-型ドリフト層2を形成後、n型高濃度領域5を挟んで、p+型ベース領域3とp+型ベース領域3’とを所定の距離W3離して形成する。
Next, a method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment will be described. The method for manufacturing the
次に、p型ベース層6をエピタキシャル成長で形成後、エッチング工程において、ゲートパッド部20およびその周辺をエッチングすることでp型ベース層6を選択的に除去する。ここで、p型ベース層6の除去は、図11のようにゲートパッド部20全体で除去してもよいし、図12のように、ゲートパッド部20の周辺部のみ除去してもよい。また、OUTエッチング工程とは、p型ベース層6があると耐圧構造部を形成できないため、チップ周辺部(耐圧構造部)のp型ベース層6を除去する工程である。なお、p型ベース層6をイオン注入により形成する場合は、マスクによりp型ベース層6を所定の距離W3離して形成すればよい。なお、p+型ベース領域3’は図11および図12のようにpベース層6’と接続するように形成してもよいし活性部と同様離して形成してもよい。
Next, after forming the p-
以上、説明したように、実施の形態2によれば、ゲートパッド部のp型領域は、ソース電位のp型領域と分離されている。これにより、ゲートパッド部のp型領域がフローティングとなり、p型領域とn-型ドリフト層からなるpn接合に順バイアス時に継続的な少数キャリアの注入を防止することができる。このため、大電流でもボディダイオードがオンしないようにできる。 As described above, according to the second embodiment, the p-type region of the gate pad is separated from the p-type region of the source potential. This makes the p-type region of the gate pad floating, and prevents continuous minority carrier injection into the pn junction consisting of the p-type region and the n - type drift layer during forward bias. This prevents the body diode from turning on even with a large current.
また、本発明の実施の形態では、トレンチ型MOSFETを例に説明したが、これに限らず、プレーナゲート型MOSFETやIGBTなどのMOS型半導体装置など様々な構成の半導体装置に適用可能である。また、上述した各実施の形態では、ワイドバンドギャップ半導体として炭化珪素を用いた場合を例に説明したが、窒化ガリウム(GaN)など炭化珪素以外のワイドバンドギャップ半導体を用いた場合においても同様の効果が得られる。また、各実施の形態では第1導電型をn型とし、第2導電型をp型としたが、本発明は第1導電型をp型とし、第2導電型をn型としても同様に成り立つ。 In addition, in the embodiments of the present invention, a trench MOSFET has been described as an example, but the present invention is not limited to this and can be applied to semiconductor devices of various configurations, such as MOS type semiconductor devices such as planar gate MOSFETs and IGBTs. In addition, in each of the above-mentioned embodiments, silicon carbide has been used as the wide band gap semiconductor, but the same effect can be obtained when a wide band gap semiconductor other than silicon carbide, such as gallium nitride (GaN), is used. In addition, in each embodiment, the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type, but the present invention is similarly valid even if the first conductivity type is p-type and the second conductivity type is n-type.
以上のように、本発明にかかる半導体装置は、電力変換装置や種々の産業用機械などの電源装置などに使用されるパワー半導体装置に有用であり、特にトレンチゲート構造の半導体装置に適している。 As described above, the semiconductor device according to the present invention is useful for power semiconductor devices used in power conversion devices and power supply devices for various industrial machines, and is particularly suitable for semiconductor devices with a trench gate structure.
1 n型炭化珪素基板
2 n-型ドリフト層
3、3’ p+型ベース領域
5 n型高濃度領域
6、6’ p型ベース層
7 n+型ソース領域
8 p+型コンタクト領域
9 ゲート絶縁膜
10 ゲート電極
11 層間絶縁膜
12 バリアメタル
13 ソース電極
14 ソース電極パッド
15 導電層
16 フィールド酸化膜
17 ゲート電極パッド
18 ゲートトレンチ
19 コンタクトトレンチ
20 ゲートパッド部
21 活性部
24 ソースコンタクト部
25 n+型領域
REFERENCE SIGNS LIST 1 n-type silicon carbide substrate 2 n -
Claims (13)
少なくとも一部が前記第1トレンチおよび前記第2トレンチの上方に設けられたソース電極部と、
ゲート電極パッドを含むゲートパッド部と、
前記第1トレンチの内部に埋め込まれる第1埋込部と前記第1トレンチの上方に突出して設けられた突出部とを含むゲート電極と、
前記第2トレンチの内部に埋め込まれる第2埋込部を含む導電層と、
を備え、
前記ソース電極部は、上面視で前記突出部と前記ゲート電極パッドとの間に設けられる第1のソース電極接続部と、上面視で前記第1のソース電極接続部との間に前記突出部を挟む第2のソース電極接続部と、を含み、
前記第2トレンチは、前記導電層が前記第1のソース電極接続部に接続する第1のソース接続トレンチを含むことを特徴とする半導体装置。 a first trench and a second trench extending toward a gate electrode pad in a top view;
a source electrode portion, at least a portion of which is provided above the first trench and the second trench;
a gate pad portion including a gate electrode pad;
a gate electrode including a first buried portion buried in the first trench and a protruding portion protruding above the first trench;
a conductive layer including a second buried portion buried inside the second trench;
Equipped with
the source electrode portion includes a first source electrode connection portion provided between the protruding portion and the gate electrode pad in a top view, and a second source electrode connection portion sandwiching the protruding portion between the first source electrode connection portion and the second source electrode connection portion in a top view,
The second trench includes a first source connection trench in which the conductive layer connects to the first source electrode connection portion.
前記ゲート電極の前記第1埋込部は、ゲート絶縁膜を介して前記炭化珪素半導体基体に接し、
前記導電層の前記第2埋込部は、前記炭化珪素半導体基体の少なくとも一部に接していることを特徴とする請求項3から7のいずれか1項に記載の半導体装置。 The semiconductor device includes a silicon carbide semiconductor substrate,
the first embedded portion of the gate electrode is in contact with the silicon carbide semiconductor base via a gate insulating film;
8. The semiconductor device according to claim 3, wherein the second embedded portion of the conductive layer is in contact with at least a portion of the silicon carbide semiconductor base.
第1導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層の上方に設けられる第2導電型のベース層と、
前記ベース層の表面側に選択的に設けられる、前記ベース層よりも不純物濃度の高い第2導電型の高濃度コンタクト領域と、
前記ベース層の表面側に選択的に設けられる、前記ドリフト層よりも不純物濃度の高い第1導電型の高濃度ソース領域と、
を含むことを特徴とする請求項8に記載の半導体装置。 The silicon carbide semiconductor substrate is
A drift layer of a first conductivity type;
a second conductivity type base layer provided above the drift layer;
a high-concentration contact region of a second conductivity type having an impurity concentration higher than that of the base layer, the high-concentration contact region being selectively provided on a surface side of the base layer;
a first conductivity type high concentration source region having an impurity concentration higher than that of the drift layer, the high concentration source region being selectively provided on a surface side of the base layer;
9. The semiconductor device according to claim 8, further comprising:
前記第1のソース電極接続部は、前記第1のソース接続トレンチの前記導電層を当該ソース電極部に電気的に接続するソースコンタクト部であり、
前記第2のソース電極接続部は、前記第2のソース接続トレンチの前記導電層を当該ソース電極部に電気的に接続するソース電極であることを特徴とする請求項3から12のいずれか1項に記載の半導体装置。 the source electrode portion includes a source electrode pad,
the first source electrode connection portion is a source contact portion that electrically connects the conductive layer of the first source connection trench to the source electrode portion;
13. The semiconductor device according to claim 3, wherein the second source electrode connection portion is a source electrode that electrically connects the conductive layer of the second source connection trench to the source electrode portion.
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