JP2014038966A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】n−型ドレイン層3、p型チャネル層4およびn+型ソース層5が順に積層された構造を有し、n+型ソース層5がその表面6に露出したSiC基板2と、SiC基板2の表面6からn+型ソース層5およびp型チャネル層4を貫通して、最深部がn−型ドレイン層3に達するゲートトレンチ7と、ゲートトレンチ7の内面およびSiC基板2の表面6に倣って形成されたゲート絶縁膜10と、ゲート絶縁膜10を介してゲートトレンチ7に埋め込まれたゲート電極14とを含む半導体装置1において、平面絶縁膜13を側面絶縁膜12に比べて厚く形成する。
【選択図】図1
Description
この構成によれば、ゲートトレンチ底部への電界集中を緩和することができるので、性能の信頼性を向上させることができる。
前記ゲート電極は、前記半導体層の前記表面の上方に延びる延出部を有していてもよい(請求項3)。この場合、前記ゲート電極の前記延出部の上面は、前記ゲート絶縁膜の前記半導体層の前記表面に接する部分の厚さ方向途中に位置していてもよい(請求項4)。
また、前記ゲートトレンチは、その開口端に形成され、前記半導体層の前記表面に連なる傾斜面を前記側面の一部として有する上部エッジを含み、前記ゲート絶縁膜は、前記上部エッジにおいて前記ゲートトレンチの内方へ張り出したオーバーハング部を含むことが好ましい(請求項6)。
この構成によれば、ゲートトレンチの上部エッジにオーバーハング部が形成されているので、上部エッジにおけるゲート絶縁膜の耐圧を向上させることができる。そのため、ゲートのオン時に上部エッジに電界が集中しても、上部エッジでのゲート絶縁膜の絶縁破壊を防止することができる。その結果、ゲートオン電圧に対する信頼性を向上させることができる。また、ゲートのオン時に上部エッジにかかる電界を円形面内に分散させて、電界集中を緩和することができる。
この構成によれば、オーバーハング部の全体に万遍なく電界を分散させることができる。
前記ソース層は、1μm〜10μmの厚さを有していてもよい(請求項11)。また、前記半導体層は、炭化シリコン(SiC)からなっていてもよい(請求項12)。
図1は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置1の模式的な断面図である。
半導体装置1は、SiC(炭化シリコン)を用いたパワーMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)素子(個別素子)を含む。半導体装置1は、本発明の半導体層の一例としてのSiC基板2を備えている。
図2に示すように、第2実施形態の半導体装置21は、ゲートトレンチ7の開口端に、SiC基板2の表面6に連なる傾斜面22を側面9の一部として有する上部エッジ23をさらに含む。そして、側面絶縁膜12は、当該上部エッジ23においてゲートトレンチ7の内方へ突出するように、当該側面絶縁膜12の他の部分に比べて選択的に厚くなったオーバーハング部24を含む。
図3に示す第3実施形態の半導体装置31では、半導体装置21の傾斜面22を有する上部エッジ23に代わり、ゲートトレンチ7の開口端に、SiC基板2の表面6に連なる円形面32を側面9の一部として有する上部エッジ33を含む。つまり、上部エッジ33が鋭くなっておらず、円形面32によって丸みを帯びている。
半導体装置1を製造するには、たとえば、SiC基板2の表面6に選択的に不純物を注入し、アニール処理する(ステップS1)。これにより、p型チャネル層4、n+型ソース層5等の不純物領域が形成される。また、SiC基板2の残ったn−型領域がn−型ドレイン層3として形成される。
次の工程は、ゲート絶縁膜10の形成である。ゲート絶縁膜10の形成は、ゲートトレンチ7の側面9に堆積される部分に比べて、SiC基板2の表面6およびゲートトレンチ7の底面8に堆積される部分が選択的に厚くなるように、所定の条件(ガス流量、ガス種、ガス比率、ガス供給時間等)下でのCVD法を用いて、ゲートトレンチ7内に酸化シリコン(SiO2)を堆積させる(ステップS3)。この際、第2〜第4実施形態の半導体装置21,31,41を製造するのであれば、オーバーハング部24の形状も考慮してCVDの条件を設定する。これにより、底面絶縁膜11、側面絶縁膜12および平面絶縁膜13を一体的に有するゲート絶縁膜10が形成される。
一方、図3および図4に示したように上部エッジ33に円形面32を形成する場合には、ゲートトレンチ7の形成後、ゲート絶縁膜10の形成前に、SiC基板2をH2アニール処理する。具体的には、図7に示すように、SiC基板2に対して1400℃以上でH2アニール(H2エッチング)を施すことによって、上部エッジ33に円形面32が形成される。
次に、スパッタ法、蒸着法によって、層間膜42上にアルミニウム等の金属材料を堆積させる(ステップS8)。これにより、ソース電極(図示せず)が形成される。以上の工程等を経て、図1〜図4に示す半導体装置1,21,31,41を得ることができる。
しかも、底面絶縁膜11も側面絶縁膜12に比べて厚いので(T1<T2)、ゲートトレンチ7底部への電界集中を緩和することができる。その結果、性能の信頼性を向上させることができる。
また、ゲートのオン時に上部エッジ23,33にかかる電界を傾斜面22もしくは円形面32内に分散させて、電界集中を緩和することができる。
たとえば、前述の各半導体装置の各半導体部分の導電型を反転した構成が採用されてもよい。たとえば、半導体装置1において、p型の部分がn型であり、n型の部分がp型であってもよい。
本発明の半導体装置は、たとえば、電気自動車(ハイブリッド車を含む)、電車、産業用ロボットなどの動力源として利用される電動モータを駆動するための駆動回路を構成するインバータ回路に用いられるパワーモジュールに組み込むことができる。また、太陽電池、風力発電機その他の発電装置(とくに自家発電装置)が発生する電力を商用電源の電力と整合するように変換するインバータ回路に用いられるパワーモジュールにも組み込むことができる。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
2 SiC基板
3 n−ドレイン層
4 p型チャネル層
5 n+型ソース層
6 表面
7 ゲートトレンチ
8 底面
9 側面
10 ゲート絶縁膜
11 底面絶縁膜
12 側面絶縁膜
13 平面絶縁膜
14 ゲート電極
15 延出部
16 上面
17 外周部
21 半導体装置
22 傾斜面
23 上部エッジ
24 オーバーハング部
25 括れ部
31 半導体装置
32 円形面
33 上部エッジ
41 半導体装置
42 層間膜
43 コンタクトホール
Claims (12)
- 第1導電型のドレイン層、第2導電型のチャネル層および第1導電型のソース層が順に積層された構造を有し、前記ソース層がその表面に露出した半導体層と、
前記半導体層の前記表面から前記ソース層および前記チャネル層を貫通して、最深部が前記ドレイン層に達するゲートトレンチと、
前記ゲートトレンチの内面および前記半導体層の前記表面に倣って形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を介して前記ゲートトレンチに埋め込まれたゲート電極とを含み、
前記ゲート絶縁膜の前記半導体層の前記表面に接する部分は、前記ゲートトレンチの側面で前記チャネル層に接する部分に比べて厚く形成されている、半導体装置。 - 前記ゲート絶縁膜の前記ゲートトレンチの底面に接する部分は、前記チャネル層に接する部分に比べて厚く形成されている、請求項1に記載の半導体装置。
- 前記ゲート電極は、前記半導体層の前記表面の上方に延びる延出部を有している、請求項1または2に記載の半導体装置。
- 前記ゲート電極の前記延出部の上面は、前記ゲート絶縁膜の前記半導体層の前記表面に接する部分の厚さ方向途中に位置している、請求項3に記載の半導体装置。
- 前記ゲートトレンチは、前記底面から開口端に至るまで一定の幅で形成されており、
前記ゲート絶縁膜は、前記ゲートトレンチの前記側面で前記チャネル層および前記ソース層に接する部分が一定の厚さを有している、請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体装置。 - 前記ゲートトレンチは、その開口端に形成され、前記半導体層の前記表面に連なる傾斜面を前記側面の一部として有する上部エッジを含み、
前記ゲート絶縁膜は、前記上部エッジにおいて前記ゲートトレンチの内方へ張り出したオーバーハング部を含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体装置。 - 前記ゲートトレンチは、その開口端に形成され、前記半導体層の前記表面に連なる円形面を前記側面の一部として有する上部エッジを含み、
前記ゲート絶縁膜は、前記上部エッジにおいて前記ゲートトレンチの内方へ張り出したオーバーハング部を含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体装置。 - 前記オーバーハング部は、前記ゲートトレンチを幅方向に横切る切断面での断面視において、前記ゲートトレンチの内方へ膨らむ円形状を有している、請求項6または7に記載の半導体装置。
- 前記ゲート電極は、前記断面視において前記オーバーハング部に沿って円形状に選択的に凹んだ括れ部を有している、請求項8に記載の半導体装置。
- 前記半導体装置は、前記ゲート絶縁膜の前記半導体層の前記表面に接する部分を覆うように、前記半導体層上に形成された層間膜をさらに含み、
前記層間膜には、前記ソース層を選択的に露出させるコンタクトホールが形成されている、請求項1〜9のいずれか一項に記載の半導体装置。 - 前記ソース層は、1μm〜10μmの厚さを有している、請求項1〜10のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記半導体層は、炭化シリコン(SiC)からなる、請求項1〜11のいずれか一項に記載の半導体装置。
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