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公開番号2021077787
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210520
出願番号2019204195
出願日20191111
発明の名称炭化珪素半導体装置
出願人住友電気工業株式会社
代理人個人,個人
主分類H01L 29/78 20060101AFI20210423BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】オン抵抗および短絡電流の両方を低減することができる炭化珪素半導体装置を提供する。
【解決手段】炭化珪素半導体装置は、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を備える。炭化珪素基板は、第1導電型を有する電流拡散領域と、ゲートトレンチの底面と第2主面との間に設けられ、第2導電型を有する電界緩和領域を有する。電流拡散領域は、ゲートトレンチの側面に接し、第1実効濃度で第1導電型の不純物を含有する第1領域と、側面との間に第1領域を挟み、第2実効濃度で第1導電型の不純物を含有する第2領域と、を有し、第1実効濃度は、第2実効濃度よりも低い。第1主面に垂直な方向から平面視したときに、電界緩和領域は、電流拡散領域とボディ領域と側面とが互いに接する第1位置よりもゲートトレンチから離間する側に側端面を有し、第1領域と第2領域との境界面は、第1位置と側端面との間に位置する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
第1主面と、前記第1主面と反対側の第2主面とを有する炭化珪素基板を備え、
前記炭化珪素基板は、
第1導電型を有するドリフト領域と、
前記ドリフト領域上に設けられ、前記第1導電型を有する電流拡散領域と、
前記電流拡散領域上に設けられ、前記第1導電型と異なる第2導電型を有するボディ領域と、
前記電流拡散領域から隔てられるように前記ボディ領域上に設けられ、かつ前記第1導電型を有するソース領域と、
を有し、
前記第1主面には、前記ソース領域、前記ボディ領域および前記電流拡散領域を貫通して前記ドリフト領域に至る側面と、前記側面と連なる底面とにより規定されるゲートトレンチが設けられており、
前記側面および前記底面に接するゲート絶縁膜をさらに有し、
前記炭化珪素基板は、前記底面と前記第2主面との間に設けられ、前記第2導電型を有する電界緩和領域をさらに有し、
前記電流拡散領域は、
前記側面に接し、第1実効濃度で前記第1導電型の不純物を含有する第1領域と、
前記側面との間に前記第1領域を挟み、第2実効濃度で前記第1導電型の不純物を含有する第2領域と、
を有し、
前記第1実効濃度は、前記第2実効濃度よりも低く、
前記第1主面に垂直な方向から平面視したときに、
前記電界緩和領域は、前記電流拡散領域と前記ボディ領域と前記側面とが互いに接する第1位置よりも前記ゲートトレンチから離間する側に側端面を有し、
前記第1領域と前記第2領域との境界面は、前記第1位置と前記側端面との間に位置する炭化珪素半導体装置。
続きを表示(約 850 文字)【請求項2】
前記ドリフト領域は、前記電流拡散領域と前記電界緩和領域との間に設けられ、第3実効濃度で前記第1導電型の不純物を含有する第3領域を有し、
前記第2実効濃度は、前記第3実効濃度よりも高い請求項1に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項3】
前記ドリフト領域は、前記電流拡散領域と前記電界緩和領域との間に設けられ、第3実効濃度で前記第1導電型の不純物を含有する第3領域を有し、
前記第1実効濃度は、前記第3実効濃度よりも高い請求項1に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項4】
前記第1実効濃度をn1(cm
−3
)、前記第2実効濃度をn2(cm
−3
)、前記第3実効濃度をn3(cm
−3
)、前記第2主面に対して垂直な方向において、前記電流拡散領域の下端面と前記電界緩和領域の上端面との間の距離をH1(μm)、炭化珪素の比誘電率をε
sic
(F/m)、真空誘電率をε

(F/m)、炭化珪素の拡散電位をV

(V)、電気素量をq(C)としたとき、次の関係が成り立つ請求項2または請求項3に記載の炭化珪素半導体装置。
8(ε
sic
ε



/qH1

)<n3<n1<n2 式(1)
【請求項5】
前記第2実効濃度は、前記第1実効濃度の5倍以上20倍以下である請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項6】
前記電界緩和領域の上端面は、前記ゲートトレンチの前記底面を含む請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項7】
前記ゲートトレンチの前記側面は、{0−33−8}面を含む請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本開示は、炭化珪素半導体装置に関する。
続きを表示(約 7,200 文字)【背景技術】
【0002】
炭化珪素半導体装置の一つとして、ゲートトレンチの下方に電界シールド領域が設けられ、ベース領域とドリフト領域との間に電流拡散層が設けられたトレンチ型MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)が開示されている(たとえば、特許文献1)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特開2001−267570号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
従来の電流拡散層が設けられた炭化珪素半導体装置では、オン抵抗と短絡電流とがトレードオフの関係にある。すなわち、オン抵抗を低くしようとすると、短絡電流が大きくなり、短絡電流を小さくしようとすると、オン抵抗が高くなる。
【0005】
そこで、本開示は、オン抵抗および短絡電流の両方を低減することができる炭化珪素半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本実施形態の一観点によれば、炭化珪素半導体装置は、第1主面と、前記第1主面と反対側の第2主面とを有する炭化珪素基板を備える。前記炭化珪素基板は、第1導電型を有するドリフト領域と、前記ドリフト領域上に設けられ、前記第1導電型を有する電流拡散領域と、前記電流拡散領域上に設けられ、前記第1導電型と異なる第2導電型を有するボディ領域と、前記電流拡散領域から隔てられるように前記ボディ領域上に設けられ、かつ前記第1導電型を有するソース領域と、を有する。前記第1主面には、前記ソース領域、前記ボディ領域および前記電流拡散領域を貫通して前記ドリフト領域に至る側面と、前記側面と連なる底面とにより規定されるゲートトレンチが設けられており、前記側面および前記底面に接するゲート絶縁膜をさらに有し、前記炭化珪素基板は、前記底面と前記第2主面との間に設けられ、前記第2導電型を有する電界緩和領域をさらに有する。前記電流拡散領域は、前記側面に接し、第1実効濃度で前記第1導電型の不純物を含有する第1領域と、前記側面との間に前記第1領域を挟み、第2実効濃度で前記第1導電型の不純物を含有する第2領域と、を有し、前記第1実効濃度は、前記第2実効濃度よりも低い。前記第1主面に垂直な方向から平面視したときに、前記電界緩和領域は、前記電流拡散領域と前記ボディ領域と前記側面とが互いに接する第1位置よりも前記ゲートトレンチから離間する側に側端面を有し、前記第1領域と前記第2領域との境界面は、前記第1位置と前記側端面との間に位置する。
【発明の効果】
【0007】
本開示によれば、オン抵抗および短絡電流の両方を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
図1は、実施形態に係る炭化珪素半導体装置の構成を示す断面図である。
図2Aは、実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面図(その1)である。
図2Bは、実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面図(その2)である。
図2Cは、実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面図(その3)である。
図2Dは、実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面図(その4)である。
図2Eは、実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面図(その5)である。
図2Fは、実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面図(その6)である。
図2Gは、実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面図(その7)である。
図2Hは、実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面図(その8)である。
図2Iは、実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面図(その9)である。
図2Jは、実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面図(その10)である。
図2Kは、実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面図(その11)である。
図2Lは、実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面図(その12)である。
図2Mは、実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面図(その13)である。
図2Nは、実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面図(その14)である。
図3Aは、第1参考例に係る炭化珪素半導体装置の構成を示す断面図である。
図3Bは、第2参考例に係る炭化珪素半導体装置の構成を示す断面図である。
図4は、実施形態、第1参考例および第2参考例の特性を示す図である。
図5は、実施形態の変形例に係る炭化珪素半導体装置の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
実施するための形態について、以下に説明する。
【0010】
[本開示の実施形態の説明]
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。以下の説明では、同一または対応する要素には同一の符号を付し、それらについて同じ説明は繰り返さない。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。
【0011】
〔1〕 本開示の一態様に係る炭化珪素半導体装置は、第1主面と、前記第1主面と反対側の第2主面とを有する炭化珪素基板を備え、前記炭化珪素基板は、第1導電型を有するドリフト領域と、前記ドリフト領域上に設けられ、前記第1導電型を有する電流拡散領域と、前記電流拡散領域上に設けられ、前記第1導電型と異なる第2導電型を有するボディ領域と、前記電流拡散領域から隔てられるように前記ボディ領域上に設けられ、かつ前記第1導電型を有するソース領域と、を有し、前記第1主面には、前記ソース領域、前記ボディ領域および前記電流拡散領域を貫通して前記ドリフト領域に至る側面と、前記側面と連なる底面とにより規定されるゲートトレンチが設けられており、前記側面および前記底面に接するゲート絶縁膜をさらに有し、前記炭化珪素基板は、前記底面と前記第2主面との間に設けられ、前記第2導電型を有する電界緩和領域をさらに有し、前記電流拡散領域は、前記側面に接し、第1実効濃度で前記第1導電型の不純物を含有する第1領域と、前記側面との間に前記第1領域を挟み、第2実効濃度で前記第1導電型の不純物を含有する第2領域と、を有し、前記第1実効濃度は、前記第2実効濃度よりも低く、前記第1主面に垂直な方向から平面視したときに、前記電界緩和領域は、前記電流拡散領域と前記ボディ領域と前記側面とが互いに接する第1位置よりも前記ゲートトレンチから離間する側に側端面を有し、前記第1領域と前記第2領域との境界面は、前記第1位置と前記側端面との間に位置する。
【0012】
ゲートトレンチの底面と第2主面との間に電界緩和領域が設けられ、電界緩和領域は、第1主面に垂直な方向から平面視したときに、第1位置よりもゲートトレンチから離間する側に側端面を有する。従って、底面の近傍での電界集中を緩和し、ゲート絶縁膜の絶縁破壊を抑制することができる。また、ソース電極とドレイン電極との間で、ボディ領域と電流拡散領域とのpn接合により生成される空乏層と、電界緩和領域と第3領域とのpn接合により生成される空乏層との間の狭窄領域を電流が流れる。電流拡散領域が設けられているため、狭窄領域のオン抵抗を低減することができる。また、第1実効濃度が第2実効濃度よりも低く、第1主面に垂直な方向から平面視したときに、第1領域と第2領域との間の境界面が第1位置と側端面との間に位置している。このため、短絡電流を低減することもできる。
【0013】
〔2〕 〔1〕において、前記ドリフト領域は、前記電流拡散領域と前記電界緩和領域との間に設けられ、第3実効濃度で前記第1導電型の不純物を含有する第3領域を有し、前記第2実効濃度は、前記第3実効濃度よりも高くてもよい。第2実効濃度が第3実効濃度よりも高いことで、より確実にオン抵抗を低減することができる。
【0014】
〔3〕 〔1〕において、前記ドリフト領域は、前記電流拡散領域と前記電界緩和領域との間に設けられ、第3実効濃度で前記第1導電型の不純物を含有する第3領域を有し、前記第1実効濃度は、前記第3実効濃度よりも高くてもよい。第1実効濃度が第3実効濃度よりも高いことで、より確実にオン抵抗を低減することができる。
【0015】
〔4〕 〔2〕または〔3〕において、前記第1実効濃度をn1(cm
−3
)、前記第2実効濃度をn2(cm
−3
)、前記第3実効濃度をn3(cm
−3
)、前記第2主面に対して垂直な方向において、前記電流拡散領域の下端面と前記電界緩和領域の上端面との間の距離をH1(μm)、炭化珪素の比誘電率をε
sic
(F/m)、真空誘電率をε

(F/m)、炭化珪素の拡散電位をV

(V)、電気素量をq(C)としたとき、次の式(1)の関係が成り立ってもよい。式(1)の関係が成り立つことで、安定して優れたオン抵抗および短絡電流を得ることができる。
【0016】
8(ε
sic
ε



/qH1

)<n3<n1<n2 式(1)
【0017】
〔5〕 〔1〕〜〔4〕において、前記第2実効濃度は、前記第1実効濃度の5倍以上20倍以下であってもよい。第2実効濃度が第1実効濃度の5倍以上20倍以下であることで、安定して優れたオン抵抗および短絡電流を得ることができる。
【0018】
〔6〕 〔1〕〜〔5〕において、前記電界緩和領域の上端面は、前記ゲートトレンチの前記底面を含んでもよい。電界緩和領域の上端面がゲートトレンチの底面を含むことで、より優れた耐圧を得ることができる。
【0019】
〔7〕 〔1〕〜〔6〕において、前記ゲートトレンチの前記側面は、{0−33−8}面を含んでもよい。側面が{0−33−8}面を含むことで、ゲートトレンチの側面において良好な移動度が得られ、チャネル抵抗を低減することができる。
【0020】
[本開示の実施形態]
本開示の実施形態は、いわゆる縦型のMOSFET(炭化珪素半導体装置)に関する。図1は、実施形態に係る炭化珪素半導体装置の構成を示す断面図である。
【0021】
図1に示されるように、本実施形態に係るMOSFET100は、炭化珪素基板10と、ゲート絶縁膜81と、ゲート電極82と、層間絶縁膜83と、ソース電極60と、ドレイン電極70と、バリアメタル膜84と、パッシベーション膜85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50と、炭化珪素単結晶基板50上にある炭化珪素エピタキシャル層40とを含む。炭化珪素基板10は、第1主面1と、第1主面1と反対側の第2主面2とを有する。炭化珪素エピタキシャル層40は第1主面1を構成し、炭化珪素単結晶基板50は第2主面2を構成する。炭化珪素単結晶基板50および炭化珪素エピタキシャル層40は、たとえばポリタイプ4Hの六方晶炭化珪素から構成されている。炭化珪素単結晶基板50は、たとえば窒素(N)などのn型不純物を含みn型(第1導電型)を有する。炭化珪素基板10の第1主面1の最大径は、たとえば100mm以上であり、好ましくは150mm以上である。
【0022】
第1主面1は、{0001}面または{0001}面がオフ方向に8°以下のオフ角だけ傾斜した面である。好ましくは、第1主面1は、(000−1)面または(000−1)面がオフ方向に8°以下のオフ角だけ傾斜した面である。オフ方向は、たとえば<11−20>方向であってもよいし、<1−100>方向であってもよい。オフ角は、たとえば1°以上であってもよいし、2°以上であってもよい。オフ角は、6°以下であってもよいし、4°以下であってもよい。
【0023】
炭化珪素エピタキシャル層40は、ドリフト領域11と、電流拡散領域14と、ボディ領域12と、ソース領域13と、電界緩和領域16と、コンタクト領域18とを主に有する。
【0024】
ドリフト領域11は、たとえば窒素またはリン(P)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11は、たとえば第3領域11Cと、第4領域11Dと、第5領域11Eとを主に有している。
【0025】
電流拡散領域14はドリフト領域11上に設けられている。電流拡散領域14は、たとえばリンなどのn型不純物を含み、n型の導電型を有する。電流拡散領域14は、たとえば第1領域14Aと、第2領域14Bとを主に有している。
【0026】
ボディ領域12は電流拡散領域14上に設けられている。ボディ領域12は、たとえばアルミニウム(Al)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12におけるp型不純物の実効濃度は、5×10
17
cm
−3
以上である。短チャネル効果(パンチスルー)は、pn接合領域からチャネル領域内に空乏層が広がってチャネル領域全体が空乏層になることによって発生し得る。ボディ領域12におけるp型不純物の実効濃度を高くすることによって、チャネル領域に形成される空乏層の広がりを低減することができる。ボディ領域12の厚さは、たとえば0.7μmよりも小さくてもよい。ボディ領域12のp型不純物の実効濃度は、たとえば1×10
18
cm
−3
程度である。
【0027】
ソース領域13は、ボディ領域12によってドリフト領域11から隔てられるようにボディ領域12上に設けられている。ソース領域13は、たとえば窒素またはリンなどのn型不純物を含み、n型の導電型を有する。ソース領域13は、第1主面1を構成する。ソース領域13のn型不純物の実効濃度は、ボディ領域12のp型不純物の実効濃度よりも高くてもよい。ソース領域13のn型不純物の実効濃度は、たとえば1×10
19
cm
−3
程度である。
【0028】
コンタクト領域18は、たとえばアルミニウムなどのp型不純物を含み、p型の導電型を有する。コンタクト領域18のp型不純物の実効濃度は、たとえばボディ領域12のp型不純物の実効濃度よりも高い。コンタクト領域18は、ソース領域13を貫通し、ボディ領域12に接する。コンタクト領域18は、第1主面1を構成する。コンタクト領域18のp型不純物の実効濃度は、たとえば1×10
18
cm
−3
以上1×10
20
cm
−3
以下である。
【0029】
第1主面1には、側面3と底面4とにより規定されるゲートトレンチ5が設けられている。側面3は、ソース領域13、ボディ領域12、電流拡散領域14およびドリフト領域11を貫通して電界緩和領域16に至る。底面4は、側面3と連なる。底面4は、電界緩和領域16に位置する。底面4は、たとえば第2主面2と平行な平面である。底面4を含む平面に対する側面3の角度θ1は、たとえば45°以上65°以下である。角度θ1は、たとえば50°以上であってもよい。角度θ1は、たとえば60°以下であってもよい。側面3は、好ましくは、{0−33−8}面を有する。{0−33−8}面は、優れた移動度が得られる結晶面である。ゲートトレンチ5は、たとえば第1主面1と平行な方向に沿ってストライプ状に伸長している。ゲートトレンチ5は、ハニカム状に伸長していてもよいし、アイランド状に点在していてもよい。
【0030】
電界緩和領域16は、たとえばAlなどのp型不純物を含み、p型の導電型を有する。電界緩和領域16は、ゲートトレンチ5の底面4と第2主面2との間にある。電界緩和領域16の上端面は、たとえばゲートトレンチ5の底面4を含む。電界緩和領域16の上端面の一部は、電流拡散領域14の下端面の一部に対向している。電界緩和領域16は、ソース電極60に電気的に接続されていてもよい。電界緩和領域16のp型不純物の実効濃度p1は、たとえば5×10
17
cm
−3
以上5×10
18
cm
−3
以下である。
(【0031】以降は省略されています)

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