JP4110875B2 - 炭化珪素半導体装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化珪素半導体装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
特開平9−172187号公報には、図28に示すように、SiC基板200に溝201が形成されるとともに当該溝201の内壁面にSiCエピ層202を形成した炭化珪素半導体装置において、溝201の側面での電界集中を防止すべく、[0001]面を主表面とし、溝201の側面を[1−100]面とした構造が提案されている。
【0003】
実際の製造の際においては、図29(a),(b)に示すように、溝201の内面である[1−100]面からエピ成長する際に表面近傍にファセット面が発生し、欠陥の発生は避けられない。つまり、<1−100>オフのウエハで埋め込みエピ成長すると、<1−100>方向の下流側に(0001)ファセット面が発生する。これにより、トレンチ溝201内に配したエピ層202の断面形状が対称でなく、かつ、ファセット面の表面凹凸が大きく、ファセット面で欠陥が発生しやすい。そして、デバイスへの問題点として、トレンチJFET、トレンチMOSFETに適用した場合、チャネル層にファセット面が発生する。これにより、移動度が低下しオン抵抗が増加したり、リーク電流が増加したり、しきい値が変動するといった問題がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような背景の下になされたものであり、その目的は、基板に形成したトレンチ溝の内壁面にエピタキシャル成長する際にファセット面の形成を抑制することができるようにすることにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明は、SiC基板として、{0001}面にオフ角を設けるとともにオフ方向を<1−100>としたものを用い、また、トレンチ溝として、<1−100>方向に延びるストライプ構造で、かつ、その<1−100>方向に延びる内壁面が{11−20}面であるものを用いたことを特徴としている。
【0006】
また、請求項2に記載の発明は、SiC基板として、{0001}面にオフ角を設けるとともにオフ方向を<1−100>としたものを用い、また、トレンチ溝として、{11−20}面を側壁面としたものを用いたことを特徴としている。
【0007】
さらに、請求項3に記載の発明は、平面視長方形状をなすとともに、その平面構造として、各辺全てがSiC基板のオフ方向から80度以下であるトレンチ溝を用いたことを特徴とし、特に、請求項4に記載の発明は、各辺全てがSiC基板のオフ方向から75度以下であるトレンチ溝を用いたことを特徴としている。
【0008】
請求項5に記載の発明は、SiC基板として、{0001}面にオフ角を設けるとともにオフ方向を<11−20>としたものを用い、また、トレンチ溝として、側壁面が{11−20}面になり、かつ、全ての{11−20}面がSiC基板のオフ方向とは垂直ではないものを用いたことを特徴とし、請求項6に記載の発明は、SiC基板として、{0001}面にオフ角を設けるとともにオフ方向を<1−100>としたものを用い、また、トレンチ溝として、側壁面が{1−100}面になり、かつ、全ての{1−100}面がSiC基板のオフ方向とは垂直ではないものを用いたことを特徴としている。
【0010】
これら各請求項に記載の発明によれば、基板に形成したトレンチ溝の内壁面にエピタキシャル成長する際にファセット面の形成を抑制することができる。
なお、本明細書においては、結晶学的な面や方向の表現方法として、数字の前に「−」を付けており、これは、数字の上に「−」を付ける表記方法と同じ意味である。
【0011】
【発明の実施の形態】
(第1の実施の形態)
以下、この発明を具体化した第1の実施の形態を図面に従って説明する。
【0012】
図1(a)にはSiC基板(SiCウエハ)10の平面図を示し、図1(a)のA−A線での縦断面図を図1(b)に示す。
SiC基板10にトレンチ溝11が形成されている。SiC基板10として、{0001}面にオフ角を設けるとともにオフ方向を<11−20>としたものを用いている。また、トレンチ溝11として、<11−20>方向に延びるストライプ構造のトレンチ溝を用いている。そして、図2に示すように、トレンチ溝11の内壁面に、SiCエピ層12が形成される。詳しくは、トレンチ溝11内を含めたSiC基板10上にSiCエピ層12が形成される。
【0013】
このようにして、<11−20>オフSiCウエハ10の上面において<11−20>方向に延びるストライプ構造のトレンチ溝11が形成され、トレンチ溝11の内部を含めたSiC基板10の上面にSiC層12が形成されている。
【0014】
よって、トレンチ溝11内にエピタキシャル成長したときにおいて、トレンチ溝11の側壁面である(1−100)面にファセット面が発生しない。このように、基板10に形成したトレンチ溝11の内壁面にエピタキシャル成長する際にファセット面の形成を抑制することができることから、(1−100)面をチャネル層にすることができる。
【0015】
つまり、図3に示すようなトレンチJFETとする場合に好ましいものとなる。詳しくは、図3において、n+SiC基板13の上にn-エピ層14とゲートp+エピ層15とソースn+エピ層16が順に形成されている。その上面部にトレンチ溝19が形成され、トレンチ溝19はソースn+エピ層16とゲートp+エピ層15を貫通しn-エピ層14に達している。さらに、トレンチ溝19内にはチャネルn-エピ層17およびゲートp+エピ層18が形成されている。n+SiC基板13には裏面電極としてのドレイン電極13aが形成されている。また、ゲートp+エピ層18に第1ゲート電圧が印加されるとともにゲートp+エピ層15に第2ゲート電圧が印加される。そして、ゲートp+エピ層18とゲートp+エピ層15との電圧を調整することにより、ゲートp+エピ層18とゲートp+エピ層15の間におけるチャネルn-エピ層17での空乏層の広がりを調整してソース・ドレイン間(ソースn+エピ層16・n+SiC基板13間)に流れる電流をコントロールすることができる。このとき、図1,2で説明したように、(1−100)面をチャネル層にすることができることとなる。
【0016】
なお、図2に代わり、図4に示すように、トレンチ溝11をエピ層12で埋め込んでもよい(埋込エピ層12としてもよい)。
以上のごとく、オフウエハ10を用いてトレンチ溝11をオフ方向に延長したストライプ構造にし、その上にエピ層12を形成する。よって、エピ成長したときにファセット面が発生しないので、図1でのL1線に沿って延びるストライプ構造のトレンチ溝11での側面をチャネル層の下地面に用いることができる。換言すれば、<11−20>方向をオフ方向に選択することにより、移動度の高い(1−100)面にファセット面が発生しないようにすることができ、FETのチャネル層を形成する上で好ましいものとなる。
(第2の実施の形態)
次に、第2の実施の形態を、第1の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【0017】
図5(a),(b)および図6を用いて第2の実施形態を説明していく。本実施形態は第1の実施形態に比べSiC基板のオフ方向およびトレンチ溝の延設方向が異なっている。詳しくは以下のとおりである。
【0018】
図5(a),(b)に示すように、SiC基板(SiCウエハ)20として、{0001}面にオフ角を設けるとともにオフ方向を<1−100>としたものを用いている。また、ストライプ構造のトレンチ溝21は、<1−100>方向に延びている。
【0019】
このように、<1−100>オフSiCウエハ20の上面において、<1−100>方向に延びるストライプ構造のトレンチ溝21を設け、図6に示すように、その上にSiCエピ層22を形成している。
【0020】
これにより、トレンチ溝21内にエピタキシャル成長したときにトレンチ溝21の側壁面である(11−20)面にファセット面が発生しない。よって、(11−20)面をチャネル層にすることができる。換言すれば、<1−100>方向をオフ方向に選択することにより、移動度の高い(11−20)面にファセットが発生しないようにすることができ、FETのチャネル層を形成する上で好ましいものとなる。
【0021】
なお、図6に代わり、図7に示すように、トレンチ溝21をエピ層22で埋め込んでもよい(埋込エピ層22としてもよい)。
(第3の実施の形態)
次に、第3の実施の形態を、第1の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【0022】
図8(a),(b)に示すように、SiC基板(SiCウエハ)30として、{0001}面にオフ角を設けるとともにオフ方向を<11−20>としたものを用いている。また、トレンチ溝31として、(1−100)面を側壁面としたものを用いている。詳しくは、図8(a)においてはトレンチ溝31の平面形状は正六角形である。そして、図9に示すように、トレンチ溝31内を含めたSiC基板30上にSiCエピ層32を形成している。
【0023】
よって、トレンチ溝31内にエピ層32を形成したときに(1−100)面にファセット面が発生しない。これにより、(1−100)面をチャネル層にすることができる。また、ストライプ構造のトレンチ溝とした場合における終端での(1−100)面にもファセット面が発生しない。これにより、ストライプ構造のトレンチ溝の終端もチャネル層として使用することが可能となる。
【0024】
第1の変形例を、図10(a),(b)に示す。
図10(a),(b)において、<11−20>オフSiCウエハ30に(1−100)面を側壁としたトレンチ溝33が形成されており、同トレンチ溝33の平面形状は正三角形である。そして、このトレンチ溝33内を含めたSiC基板30上にSiCエピ層(図示略)が形成されている。これにより、トレンチ溝33内にエピ成長したときに(1−100)面にファセット面が発生せず、(1−100)面をチャネル層にすることができる。
【0025】
第2の変形例を、図11(a),(b)に示す。
図11(a),(b)においては、図10の基板(30)と溝(33)の関係を反転させたものである。つまり、<11−20>オフSiCウエハ30に、(1−100)面で構成されたトレンチ溝34が形成されており、詳しくは、正三角形の凸部の間においてトレンチ溝34が位置している。そして、その上に、図12に示すように、SiCエピ層35が形成されている。よって、トレンチ溝34内にエピ成長したときに(1−100)面にファセット面が発生せず、(1−100)面をチャネル層として使用することができる。
【0026】
あるいは、図13(a),(b)に示すように、図8の基板(30)と溝(31)の関係を反転させてもよい。つまり、正六角形の凸部の間においてトレンチ溝36が位置するようにしてもよい。
(第4の実施の形態)
次に、第4の実施の形態を、第1の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【0027】
図14(a),(b)および図15を用いて第4の実施形態を説明していく。本実施形態は第3の実施形態(図8)に比べSiC基板のオフ方向およびトレンチ溝の側壁面の面指数が異なっている。詳しくは以下のとおりである。
【0028】
図14(a),(b)に示すように、SiC基板(SiCウエハ)40として、{0001}面にオフ角を設けるとともにオフ方向を<1−100>としたものを用いている。また、トレンチ溝41として、(11−20)面を側壁面としたものを用いている。詳しくは、図14(a)においてはトレンチ溝41の平面形状は正六角形である。そして、図15に示すように、トレンチ溝41内を含めたSiC基板40上にSiCエピ層42が形成される。
【0029】
このように、<1−100>オフSiCウエハ40の上面において(11−20)面で構成されたトレンチ溝41が形成され、その上にSiCエピ層42が形成されている。
【0030】
よって、トレンチ溝41内にエピ成長したときに(11−20)面にファセット面が発生せず、(11−20)面をチャネル層にすることができる。また、ストライプ構造のトレンチ溝とした場合における終端での(11−20)面もファセット面が発生せず、終端もチャネル層として使用することが可能となる。
【0031】
図16(a),(b)は変形例である。<1−100>オフSiCウエハ40に(11−20)面で構成されたトレンチ溝43が形成されており、同トレンチ溝43の平面形状は正三角形である。そして、その上にSiCエピ層(図示略)が形成されている。よって、トレンチ溝43内にエピ成長したときに(11−20)面にファセット面が発生せず、(11−20)面をチャネル層にすることができる。
(第5の実施の形態)
次に、第5の実施の形態を、第1の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【0032】
図17(a),(b)に示すように、SiC基板(SiCウエハ)50として、{0001}面にオフ角を設けるとともにオフ方向を<11−20>としたものを用いている。また、トレンチ溝51の平面構造として、各辺全てがSiC基板50のオフ方向から80度以下、望ましくは75度以下であるトレンチ溝を用いている。詳しくは、トレンチ溝51は長方形をなし、その長辺とオフ方向でなす角度θ1(鋭角)と、短辺とオフ方向でなす角度θ2(鋭角:θ2=90−θ1)とは、共に80度以下、望ましくは75度以下となっている。
【0033】
このように、オフウエハ50の上面において各辺全てがオフ方向から80度以下、望ましくは75度以下であるトレンチ溝51が形成され、その上に、図18に示すように、SiCエピ層52が形成されている。
【0034】
よって、トレンチ溝51内にエピ成長したときにオフ方向にファセット面が発生するが、これはオフ方向とトレンチ溝との角度に依存しており、オフ方向に対し側壁面が75度以下であるトレンチ溝51ではファセット面が発生しない。
【0035】
図19には、トレンチ溝の辺とオフ方向とでなすθ(前述のθ1またはθ2)に対するファセット面の発生確率の測定結果を示す。図19において、θが90度ではファセット面の発生確率が100%であるが、θが75度以下ではファセット面の発生確率はゼロである。
【0036】
この図19から、トレンチ溝51の平面構造として各辺全てがSiC基板50のオフ方向から80度以下、特に、75度以下とするとよいことが分かる。
(第6の実施の形態)
次に、第6の実施の形態を、第1の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【0037】
図20(a),(b)に示すように、SiC基板70として、{0001}面にオフ角を設けるとともにオフ方向を<11−20>としたものを用い、また、トレンチ溝71として、側壁面が(11−20)面になり、かつ、全ての(11−20)面がSiC基板70のオフ方向とは垂直ではないものを用いている。トレンチ溝71に関して、詳しくは、溝の延設方向において対向する溝側壁が互いに接近する箇所と互いに離間する箇所が交互に繰り返されている。
【0038】
このように、<11−20>オフ基板70を用いた場合の溝パターンとして、溝側壁の面が(11−20)面で形成され、しかも、オフ方向に垂直な(1−100)面を使用していない構造となっている。この溝構造にSiC層(図示略)をエピ成長すると、ファセット面が形成されない。また、溝側壁をチャネル層に用いるデバイスに適用する際、溝側壁の(11−20)面がチャネル層になるため、チャネル移動度が高い特性が得られる。
【0039】
また、側壁面が直線的に延びるストライプ構造のトレンチ溝(例えば図1(a))に比較して、チャネル幅を長くでき、より多くの電流を流すことが可能となる。
【0040】
変形例として、図21に示すトレンチ溝の構成としてもよい。つまり、図21のトレンチ溝72は図20(a)と同様に側壁面が(11−20)面のトレンチ溝であるが、溝の延設方向において溝幅は一定である。
(第7の実施の形態)
次に、第7の実施の形態を、第1の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【0041】
図22(a),(b)を用いて第7の実施形態を説明していく。本実施形態は第6の実施形態に比べSiC基板のオフ方向およびトレンチ溝の側壁面の面指数が異なっている。詳しくは以下のとおりである。
【0042】
図22(a),(b)に示すように、SiC基板80として、{0001}面にオフ角を設けるとともにオフ方向を<1−100>としたものを用い、また、トレンチ溝81として、側壁面が(1−100)面になり、かつ、全ての(1−100)面がSiC基板80のオフ方向とは垂直ではないものを用いている。トレンチ溝81に関して、詳しくは、溝の延設方向において対向する溝側壁が互いに接近する箇所と互いに離間する箇所が交互に繰り返されている。
【0043】
このように、<1−100>オフ基板80を用いた場合の溝パターンとして、溝側壁の面が(1−100)面で形成され、しかも、オフ方向に垂直な(11−20)面を使用していない構造となっている。この溝構造にSiC層(図示略)をエピ成長すると、ファセット面が形成されない。また、溝側壁をチャネル層に用いるデバイスに適用する際、溝側壁の(1−100)面がチャネル層になるため、チャネル移動度が高い特性が得られる。
【0044】
また、側壁面が直線的に延びるストライプ構造のトレンチ溝(例えば図1(a))に比較して、チャネル幅を長くできるため、より多くの電流を流すことが可能となる。
【0045】
変形例として、図23に示すトレンチ溝の構成としてもよい。図23のトレンチ溝82は図22(a)と同様に側壁面が(1−100)面のトレンチ溝であるが、溝の延設方向において溝幅は一定である。
(第8の実施の形態)
次に、第8の実施の形態を、第1の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【0046】
本実施形態ではこれまでの実施の形態とは異なり、オフ角を設けないSiC基板を用いている。
図24(a),(b)に示すように、SiC基板90として、{11−20}面を主表面とする六方晶SiC基板を用い、また、トレンチ溝91として、断面形状において側壁面が(0001)面から1度以上傾いたものを用いている。
【0047】
つまり、(11−20)面基板90を用意し、この基板90の上面にトレンチ溝91を形成する。この際、トレンチ溝91の側壁を、(0001)面から1度以上傾くように形成する。この溝構造に、図25に示すように、SiC層92をエピ成長すると、ファセット面が形成されない。また、溝側壁をチャネル層に用いるデバイスに適用する際、溝側壁の(0001)面がチャネル層になるため、チャネル移動度が高い特性が得られる。
(第9の実施の形態)
次に、第9の実施の形態を、第1の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【0048】
図26(a),(b)および図27を用いて第9の実施形態を説明していく。本実施形態は第8の実施形態に比べSiC基板の主表面の面指数が異なっている。詳しくは以下のとおりである。
【0049】
図26(a),(b)に示すように、SiC基板100として、{1−100}面を主表面とする六方晶SiC基板を用い、また、トレンチ溝101として、断面形状において側壁面が(0001)面から1度以上傾いたものを用いている。
【0050】
このように、(1−100)面基板100を用意し、この基板100の表面に溝101を形成する。この際、この溝101の側壁を、(0001)面から1度以上傾くように形成する。この溝構造に、図27に示すように、SiC層102をエピ成長すると、ファセット面が形成されない。また、溝側壁をチャネル層に用いるデバイスに適用する際、溝側壁の(0001)面がチャネル層になるため、チャネル移動度が高い特性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は第1の実施の形態を説明するための平面図、(b)はA−A線での縦断面図。
【図2】第1の実施の形態における半導体装置の縦断面図。
【図3】トレンチJFETの縦断面図。
【図4】第1の実施の形態における半導体装置の縦断面図。
【図5】(a)は第2の実施の形態を説明するための平面図、(b)はA−A線での縦断面図。
【図6】第2の実施の形態における半導体装置の縦断面図。
【図7】第2の実施の形態における半導体装置の縦断面図。
【図8】(a)は第3の実施の形態を説明するための平面図、(b)はA−A線での縦断面図。
【図9】第3の実施の形態における半導体装置の縦断面図。
【図10】(a)は第1の変形例を説明するための平面図、(b)はA−A線での縦断面図。
【図11】(a)は第2の変形例を説明するための平面図、(b)はA−A線での縦断面図。
【図12】第2の変形例における半導体装置の縦断面図。
【図13】(a)はその他の変形例を説明するための平面図、(b)はA−A線での縦断面図。
【図14】(a)は第4の実施の形態を説明するための平面図、(b)はA−A線での縦断面図。
【図15】第4の実施の形態における半導体装置の縦断面図。
【図16】(a)は変形例を説明するための平面図、(b)はA−A線での縦断面図。
【図17】(a)は第5の実施の形態を説明するための平面図、(b)はA−A線での縦断面図。
【図18】第5の実施の形態における半導体装置の縦断面図。
【図19】ファセット面の発生確率を示す図。
【図20】(a)は第6の実施の形態を説明するための平面図、(b)はA−A線での縦断面図。
【図21】変形例を説明するための平面図。
【図22】(a)は第7の実施の形態を説明するための平面図、(b)はA−A線での縦断面図。
【図23】変形例を説明するための平面図。
【図24】(a)は第8の実施の形態を説明するための平面図、(b)はA−A線での縦断面図。
【図25】第8の実施の形態における半導体装置の縦断面図。
【図26】(a)は第9の実施の形態を説明するための平面図、(b)はA−A線での縦断面図。
【図27】第9の実施の形態における半導体装置の縦断面図。
【図28】従来技術を説明するための縦断面図。
【図29】(a)は従来技術を説明するための平面図、(b)はA−A線での縦断面図。
【符号の説明】
10…SiC基板、11…トレンチ溝、12…SiCエピ層、20…SiC基板、21…トレンチ溝、22…SiCエピ層、30…SiC基板、31…トレンチ溝、32…SiCエピ層、33…トレンチ溝、34…トレンチ溝、35…SiCエピ層、36…トレンチ溝、40…SiC基板、41…トレンチ溝、42…SiCエピ層、43…トレンチ溝、50…SiC基板、51…トレンチ溝、52…SiCエピ層、70…SiC基板、71…トレンチ溝、72…トレンチ溝、80…SiC基板、81…トレンチ溝、82…トレンチ溝、90…SiC基板、91…トレンチ溝、92…SiCエピ層、100…SiC基板、101…トレンチ溝、102…SiCエピ層。
Claims (6)
- SiC基板にトレンチ溝が形成され、このトレンチ溝の内壁面にチャネル層として用いられるSiCエピ層を形成した炭化珪素半導体装置であって、
SiC基板として、{0001}面にオフ角を設けるとともにオフ方向を<1−100>としたものを用い、また、トレンチ溝として、<1−100>方向に延びるストライプ構造で、かつ、その<1−100>方向に延びる内壁面が{11−20}面であるものを用いたことを特徴とする炭化珪素半導体装置。 - SiC基板にトレンチ溝が形成され、このトレンチ溝の内壁面にチャネル層として用いられるSiCエピ層を形成した炭化珪素半導体装置であって、
SiC基板として、{0001}面にオフ角を設けるとともにオフ方向を<1−100>としたものを用い、また、トレンチ溝として、{11−20}面を側壁面としたものを用いたことを特徴とする炭化珪素半導体装置。 - SiC基板にトレンチ溝が形成され、このトレンチ溝の内壁面にチャネル層として用いられるSiCエピ層を形成した炭化珪素半導体装置であって、
平面視長方形状をなすとともに、その平面構造として、各辺全てがSiC基板のオフ方向から80度以下であるトレンチ溝を用いたことを特徴とする炭化珪素半導体装置。 - SiC基板にトレンチ溝が形成され、このトレンチ溝の内壁面にチャネル層として用いられるSiCエピ層を形成した炭化珪素半導体装置であって、
平面視長方形状をなすとともに、その平面構造として、各辺全てがSiC基板のオフ方向から75度以下であるトレンチ溝を用いたことを特徴とする炭化珪素半導体装置。 - SiC基板にトレンチ溝が形成され、このトレンチ溝の内壁面にチャネル層として用いられるSiCエピ層を形成した炭化珪素半導体装置であって、
SiC基板として、{0001}面にオフ角を設けるとともにオフ方向を<11−20>としたものを用い、また、トレンチ溝として、側壁面が{11−20}面になり、かつ、全ての{11−20}面がSiC基板のオフ方向とは垂直ではないものを用いたことを特徴とする炭化珪素半導体装置。 - SiC基板にトレンチ溝が形成され、このトレンチ溝の内壁面にチャネル層として用いられるSiCエピ層を形成した炭化珪素半導体装置であって、
SiC基板として、{0001}面にオフ角を設けるとともにオフ方向を<1−100>としたものを用い、また、トレンチ溝として、側壁面が{1−100}面になり、かつ、全ての{1−100}面がSiC基板のオフ方向とは垂直ではないものを用いたことを特徴とする炭化珪素半導体装置。
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