JP2014017469A - 炭化珪素半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】セル領域に形成されたトレンチ5a内を埋め込むように低濃度領域5bと高濃度領域5cを有するp型領域5を備え、低濃度領域5bによってp型カラムを構成すると共に、高濃度領域5cによってp+型ディープ層を構成する。これにより、低濃度領域5bによるp型カラムとn型ドリフト層2によるn型カラムとによってSJ構造を構成できることから、オン抵抗の低減が図れる。また、高濃度領域5cによるp+型ディープ層によってオフ時にドレイン電位をブロックできるため、ゲート絶縁膜8にかかる電界を緩和でき、ゲート絶縁膜8が破壊されることを防止できる。よって、オン抵抗の低減とゲート絶縁膜8の破壊防止の両方を実現できるSiC半導体装置とすることが可能となる。
【選択図】図2
Description
本発明の第1実施形態について説明する。ここではトレンチゲート構造の半導体スイッチング素子として反転型のMOSFETが形成されたSiC半導体装置を例に挙げて説明する。
まず、半導体基板として、SiCからなるn+型基板1の主表面上にSiCからなるn型ドリフト層2とp型ベース領域3、および、n+型ソース領域4が順にエピタキシャル成長させられたトリプルエピ基板を用意する。
n+型ソース領域4の表面にマスク材(図示せず)を配置したのち、フォトリソグラフィによってマスク材のうちのp型領域5およびp型不純物埋込層21の形成予定位置を開口させる。そして、マスク材を配置した状態でRIE(Reactive Ion Etching)などの異方性エッチングを行うことで、p型領域5およびp型不純物埋込層21の形成予定位置にトレンチ5a、21aを形成する。その後、マスク材を除去する。
エピタキシャル成長装置を用いて、トレンチ5a、21a内を含めてn+型ソース領域4の表面全面に低濃度領域5b、21bを形成するための比較的低不純物濃度に設定されたp型層(第1層)31aを成膜する。続けて、p型ドーパントの導入量を変えてエピタキシャル成長を行い、p型層31aの上に高濃度領域5c、21cを形成するための比較的高不純物濃度で構成されたp+型層(第2層)31bを成膜する。これらp型層31aおよびp+型層31bにより、トレンチ5a、21a内が埋め込まれるようにする。
研削やCMP(Chemical Mechanical Polishing)などによる平坦化によって、n+型ソース領域4の表面を露出させる。これにより、p型層31aおよびp+型層31bはトレンチ5a、21a内にのみ残る。このようにして、p型層31aによって低濃度領域5b、21bが構成されると共に、p+型層31bによって高濃度領域5c、21cが構成され、p型領域5およびp型不純物埋込層21が構成される。
n+型ソース領域4やp型領域5およびp型不純物埋込層21の表面にマスク材(図示せず)を配置したのち、フォトリソグラフィによってマスク材のうちのトレンチ6および凹部20の形成予定位置を開口させる。そして、マスク材を配置した状態でRIEなどの異方性エッチングを行うことにより、セル領域においてトレンチ6を形成すると共に外周領域において凹部20を形成する。その後、マスク材を除去する。
ウェット雰囲気による熱酸化によってゲート絶縁膜8を形成したのち、ゲート絶縁膜8の表面にドープドPoly−Si層を成膜し、このドープドPoly−Si層をパターニングすることでトレンチ6内に残し、ゲート電極9を形成する。この後の工程については、従来と同様であり、層間絶縁膜10の形成工程、フォト・エッチングによるコンタクトホール形成工程、電極材料をデポジションしたのちパターニングすることでソース電極11やゲート配線層を形成する工程、n+型基板1の裏面にドレイン電極12を形成する工程等を行う。これにより、図2に示すトレンチゲート構造のMOSFETがセル領域に備えられると共に、セル領域を囲む外周耐圧構造が外周領域に備えられたSiC半導体装置が完成する。
本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対してトレンチ6と凹部20の深さを変えたものであり、その他に関しては第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
本発明の第3実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対してp型不純物埋込層21の構成を変更したものであり、その他に関しては第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
本発明の第4実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対してp型リサーフ層を備えた構造にしたものであり、その他に関しては第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
上記第4実施形態のようなp型リサーフ層22を備えた構造は、図7に示すように、n型ドリフト層2の表層部にp型リサーフ層22を形成することによっても実現できる。例えば凹部20を形成したのち、マスクを用いたp型不純物のイオン注入によってp型リサーフ層22を形成することができる。
本発明の第5実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対してp型領域5の周囲の構成を変更したものであり、その他に関しては第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
その内側に低濃度領域5bおよび高濃度領域5cを形成することで、周辺領域23に囲まれたp型領域5が構成されるようにしている。
本発明の第6実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対してp型不純物埋込層21の構成を変更したものであり、その他に関しては第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
本発明の第7実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対して外周領域における外周耐圧構造を変更したものであり、その他に関しては第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
本発明の第8実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対して外周領域における外周耐圧構造を変更したものであり、その他に関しては第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
本発明の第9実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対して外周領域の代わりに、もしくは外周領域と共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という)を備えたものであり、その他に関しては第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
本発明の第10実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対してトレンチ5a、21a内の構成を変えたものであり、その他に関しては第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
上記各実施形態では、本発明を適用した場合の一例について説明したが、適宜設計変更などを行うことができる。例えば、上記各実施形態では、ゲート絶縁膜8の例として熱酸化による酸化膜を挙げたが熱酸化によらない酸化膜もしくは窒化膜などを含むものであっても構わない。また、ドレイン電極12の形成工程に関しても、ソース電極11の形成前などとしても構わない。
2 n-型ドリフト層
3 p型ベース領域
4 n+型ソース領域
5 p+型ディープ層
6 トレンチ
8 ゲート絶縁膜
9 ゲート電極
11 ソース電極
12 ドレイン電極
21 p型不純物埋込層
22 p型リサーフ層
23 周辺領域
24 ショットキー電極
Claims (18)
- 炭化珪素からなる第1または第2導電型の基板(1)と、
前記基板の上に形成され、前記基板よりも低不純物濃度とされた第1導電型の炭化珪素からなるドリフト層(2)と、
前記ドリフト層の上に形成された第2導電型の炭化珪素からなるベース領域(3)と、
前記ベース領域の上層部に形成され、前記ドリフト層よりも高不純物濃度とされた第1導電型の炭化珪素からなるソース領域(4)と、
前記ソース領域の表面から前記ベース領域よりも深くまで形成された第1トレンチ(6)内に形成され、該第1トレンチの内壁面に形成されたゲート絶縁膜(8)と、前記ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極(9)と、を有して構成されたトレンチゲート構造と、
前記ソース領域の表面から前記ベース領域を貫通して前記ドリフト層に達すると共に前記第1トレンチよりも深くされた第2トレンチ(5a)内に形成され、第2導電型不純物濃度が比較的低く設定された第2導電型の第1低濃度領域(5b)と、前記第1低濃度領域の表面に形成され、前記第1低濃度領域と比較して第2導電型不純物濃度が高く設定されると共に、前記第1トレンチよりも深くされることでディープ層を構成する第2導電型の第1高濃度領域(5c)と、を有して構成された第2導電型領域(5)と、
前記ソース領域および前記第2導電型領域を介して前記ベース領域に電気的に接続されたソース電極(11)と、
前記基板の裏面側に形成されたドレイン電極(12)と、を備え、
前記ゲート電極への印加電圧を制御することで前記第1トレンチの側面に位置する前記ベース領域の表面部に反転型のチャネル領域を形成し、前記ソース領域および前記ドリフト層を介して、前記ソース電極および前記ドレイン電極の間に電流を流すと共に、前記第1低濃度領域および前記ドリフト層のうち前記第1低濃度領域に対向する部分とによってPNカラムを繰り返し交互に構成したスーパージャンクション構造を構成する反転型のトレンチゲート構造の半導体スイッチング素子を有してなることを特徴とする炭化珪素半導体装置。 - 前記第1トレンチおよび前記第2トレンチは同方向を長手方向として構成されていると共に並べられて配置されることで前記トレンチゲート構造と前記スーパージャンクション構造における低濃度領域とが並べられて配置されており、
前記第1トレンチの先端と比較して、前記第2トレンチの先端が突き出してレイアウトされていると共に、前記第2トレンチの先端が前記第1トレンチの先端よりも突き出している距離(a)が前記第1高濃度領域(5c)の下面と前記ドリフト層(2)の下面との距離よりも大きくされていることを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素半導体装置。 - 前記半導体スイッチング素子が形成された領域をセル領域として、該セル領域の周囲を囲む外周領域に構成された外周耐圧構造を備え、
前記外周耐圧構造は、
前記外周領域における前記ドリフト層のうち、前記外周領域に形成された凹部(20)により前記ソース領域および前記ベース領域が除去されて露出した部分に形成され、該ドリフト層の表面より形成された第3トレンチ(21a)内に備えられた、第2導電型不純物濃度が前記第1低濃度領域と等しい第2導電型の第2低濃度領域(21b)を有してなる不純物埋込層(21)であることを特徴とする請求項1または2に記載の炭化珪素半導体装置。 - 前記不純物埋込層は、前記第2低濃度領域の表面に形成されると共に該第2低濃度領域と共に前記第3トレンチ内に埋め込まれて形成され、前記第2低濃度領域と比較して第2導電型不純物濃度が高く設定されると共に、前記第1トレンチよりも深くされた第2導電型の第2高濃度領域(21c)を備えていることを特徴とする請求項3に記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記凹部は、前記第1トレンチと同じ深さで構成されていることを特徴とする請求項3または4に記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記凹部は、前記第1トレンチと異なる深さで構成されていることを特徴とする請求項3または4に記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記第3トレンチは前記セル領域から外周方向に離れるに従って深さが浅くされていることを特徴とする請求項3ないし6のいずれか1つに記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記外周領域における前記不純物埋込層の内側には、前記ドリフト層の上において前記セル領域を囲んで配置された第2導電型のリサーフ層(22)が備えられていることを特徴とする請求項3ないし7のいずれか1つに記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記凹部は深さが変化する段付き形状とされ、前記セル領域から外周方向に離れるに従って段階的に深さが深くされ、前記凹部のうち前記セル領域側の段では、その底部に前記ベース領域が残されており、該ベース領域によって前記リサーフ層が構成されていることを特徴とする請求項8に記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記不純物埋込層は、前記セル領域の周囲を囲んで配置されていることを特徴とする請求項3ないし9のいずれか1つに記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記不純物埋込層は、前記セル領域の周囲にドット状に配置されていることを特徴とする請求項3ないし9のいずれか1つに記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記第2トレンチの内壁には、第1導電型もしくはI型の周辺領域(23)が備えられており、該周辺領域の上に前記第1低濃度領域および前記第1高濃度領域が形成されていることを特徴とする請求項1ないし11のいずれか1つに記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記セル領域には、凹部(20)が形成されて前記ソース領域および前記ベース領域が除去されることで露出した前記ドリフト層の表面にショットキー接触させられたショットキー電極(24)が形成されていると共に、該ショットキー電極の下方に前記第1低濃度領域および前記第1高濃度領域が配置されることでPNダイオードが構成されたジャンクションバリアショットキーダイオードが備えられていることを特徴とする請求項1ないし12のいずれか1つに記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記第2トレンチ内に前記ソース電極が部分的に入り込んでおり、前記第2トレンチ内において前記高濃度領域に前記ソース電極が接触させられていることを特徴とする請求項1ないし13のいずれか1つに記載の炭化珪素半導体装置。
- 第1または第2導電型の炭化珪素基板(1)の主表面上に形成された炭化珪素からなる第1導電型のドリフト層(2)上に、炭化珪素からなる第2導電型のベース領域(3)が形成されていると共に、前記ベース領域の上に炭化珪素からなる第1導電型のソース領域(4)が形成された半導体基板が用いられており、
前記ベース領域よりも深い第1トレンチ(6)内にゲート絶縁膜(8)が形成されていると共に該ゲート絶縁膜上にゲート電極(9)が形成されることでトレンチゲート構造が構成され、
かつ、前記ソース領域の表面から前記ベース領域を貫通して前記ドリフト層に達すると共に前記第1トレンチよりも深くされた第2トレンチ(5a)内に、第2導電型不純物濃度が比較的低く設定された第2導電型の第1低濃度領域(5b)と、前記第1低濃度領域の表面に形成され、前記第1低濃度領域と比較して第2導電型不純物濃度が高く設定されると共に、前記第1トレンチよりも深くされることでディープ層を構成する第2導電型の第1高濃度領域(5c)と、を有した第2導電型領域(5)が構成され、
前記ソース領域や前記第2導電型領域を介して前記ベース領域に対して電気的に接続されたソース電極(11)および前記炭化珪素基板の裏面に電気的に接続されたドレイン電極(12)を有する半導体スイッチング素子を備えた炭化珪素半導体装置の製造方法であって、
前記炭化珪素基板の主表面上にドリフト層が形成されていると共に、該ドリフト層上に前記ベース領域が形成され、さらに該ベース領域の上にソース領域が形成された半導体基板を用意する工程と、
前記半導体基板のうちの前記第2トレンチの形成予定領域が開口するマスクを用いてエッチングを行うことで、前記第2トレンチを形成する工程と、
前記第2トレンチ内に第2導電型不純物濃度が比較的低く設定された第2導電型の第1層(31a)を形成すると共に該第1層と比較して第2導電型不純物濃度が比較的高く設定された第2導電型の第2層(31b)を形成する工程と、
前記ソース領域が露出するように前記第1、第2層を部分的に除去し、前記第2トレンチ内に残された前記第1、第2層によって前記第1低濃度領域および前記第1高濃度領域を構成する工程と、を有していることを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。 - 前記半導体スイッチング素子が形成された領域をセル領域として、該セル領域の周囲を囲む外周領域に構成された外周耐圧構造を備えるようにし、
前記第2トレンチを形成する工程と同時に前記外周領域に第3トレンチ(21a)を形成する工程を行い、
前記第2トレンチ内に前記第1、第2層を形成する工程と同時に前記第3トレンチに前記第1、第2層を形成する工程を行い、
前記第1、第2層を部分的に除去して前記第1低濃度領域および前記第1高濃度領域を構成する工程と同時に、前記第3トレンチ内に残された前記第1、第2層によって第2導電型不純物濃度が前記第1低濃度領域と等しい第2導電型の第2低濃度領域(21b)を形成すると共に、前記第2低濃度領域と比較して第2導電型不純物濃度が高く、前記第1トレンチよりも深くされた第2導電型の第2高濃度領域(21c)を形成することで、不純物埋込領域(21)を形成する工程を行い、
その後、前記外周領域のうち前記不純物埋込領域が形成される領域に凹部(20)を形成することで、前記凹部が形成された領域において前記ドリフト層を露出させる工程を行うことを特徴とする請求項15に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 - 前記凹部の形成を前記第1トレンチの形成と同時に行うことを特徴とする請求項16に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
- 前記第2トレンチ内に前記第1層および前記第2層を形成する際に、前記第2トレンチ内に前記第1層および前記第2層を形成しても前記第2トレンチ内に部分的に隙間が残るようにし、
前記ソース電極を形成する際に、前記第2トレンチ内において、前記ソース電極を前記第2層にて構成される前記第1高濃度領域に接触させることを特徴とする請求項15ないし17のいずれか1つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
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