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公開番号2022112856
公報種別公開特許公報(A)
公開日2022-08-03
出願番号2021008857
出願日2021-01-22
発明の名称半導体装置
出願人富士電機株式会社
代理人個人,個人
主分類H01L 29/78 20060101AFI20220727BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】生産能力の改善が可能で、ゲート絶縁膜の破壊を防止できる半導体装置を提供する。
【解決手段】n型のドリフト層2、ドリフト層の上面に設けられたn型の第1電流拡散層3、第1電流拡散層の上面に設けられたp型のベース領域6、第1電流拡散層の内部に設けられたp型のゲート底部保護領域4b、第1電流拡散層の内部にゲート底部保護領域と離間し、ベース領域の下面に接するp型のベース底部埋込領域(4a,5)、第1電流拡散層の上面に平行な方向に直交するベース底部埋込領域の側面に接するn型の第2電流拡散層9、ベース領域を貫通しゲート底部保護領域に達するトレンチ10の内部に設けられた絶縁ゲート型電極構造(11,12)を備える。第1電流拡散層に対するゲート底部保護領域の不純物濃度比が、第2電流拡散層に対するベース底部埋込領域の不純物濃度比より大きい。
【選択図】図3A
特許請求の範囲【請求項1】
シリコンよりもバンドギャップが広い六方晶系半導体からなる第1導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層の上面に設けられ、前記ドリフト層より高不純物濃度の第1導電型の第1電流拡散層と、
前記第1電流拡散層の上面に設けられた第2導電型のベース領域と、
前記第1電流拡散層の内部に設けられ、前記第1電流拡散層と側面及び底面が接する第2導電型のゲート底部保護領域と、
前記第1電流拡散層の内部に前記ゲート底部保護領域と離間し、前記ベース領域の下面に接する第2導電型のベース底部埋込領域と、
前記ベース底部埋込領域の側面に接し、前記ゲート底部保護領域と対向する側面を有する第1導電型の第2電流拡散層と、
前記ベース領域を貫通し前記ゲート底部保護領域に達するトレンチの内部に設けられた絶縁ゲート型電極構造と、
を備え、前記第1電流拡散層に対する前記ゲート底部保護領域の不純物濃度比が、前記第2電流拡散層に対する前記ベース底部埋込領域の不純物濃度比より大きいことを特徴とする半導体装置。
続きを表示(約 1,000 文字)【請求項2】
前記六方晶系半導体が、炭化珪素であり、
前記ドリフト層の上面が、(0001)面であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
【請求項3】
前記ゲート底部保護領域と前記ベース底部埋込領域とは、同一の不純物濃度を有し、
前記第2電流拡散層は、前記第1電流拡散層よりも高不純物濃度を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
【請求項4】
前記第2電流拡散層が、前記ベース底部埋込領域の前記側面の全面に設けられることを特徴とする請求項1~3のいずれか1項に記載の半導体装置。
【請求項5】
前記第2電流拡散層は、前記ベース底部埋込領域の底部の角部に接することを特徴とする請求項1~3のいずれか1項に記載の半導体装置。
【請求項6】
前記ベース底部埋込領域が、前記ゲート底部保護領域と同一レベルに設けられた第2導電型の第1埋込領域と、下面が前記第1埋込領域の上面に接し、上面が前記ベース領域の前記下面に接する第2導電型の第2埋込領域を有し、
前記第2電流拡散層が、前記第1埋込領域の側面に接することを特徴とする請求項1~3のいずれか1項に記載の半導体装置。
【請求項7】
前記ベース底部埋込領域が、前記ゲート底部保護領域と同一レベルに設けられた第2導電型の第1埋込領域と、下面が前記第1埋込領域の上面に接し、上面が前記ベース領域の前記下面に接する第2導電型の第2埋込領域を有し、
前記第2電流拡散層が、前記第2領域の側面に接することを特徴とする請求項1~3のいずれか1項に記載の半導体装置。
【請求項8】
前記ベース底部埋込領域の底面に接する、前記第1電流拡散層よりも高不純物濃度の第1導電型の第3電流拡散層を有することを特徴とする請求項1~7のいずれか1項に記載の半導体装置。
【請求項9】
前記第3電流拡散層が複数あり、互いに離間して設けられることを特徴とする請求項8に記載の半導体装置。
【請求項10】
前記ゲート底部保護領域と前記ベース底部埋込領域とを接続する第2導電型の接続部がさらに設けられ、
前記接続部の側壁にも前記第2電流拡散層が設けられていることを特徴とする請求項1~9のいずれか1項に記載の半導体装置。
(【請求項11】以降は省略されています)

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体装置に関し、特に、高信頼性のトレンチ型半導体装置に関する。
続きを表示(約 2,300 文字)【背景技術】
【0002】
従来、電力変換装置などに主として用いられるパワー半導体装置には、シリコン(Si)半導体が用いられている。近年、Siに代わる半導体材料として、ワイドギャップ半導体である炭化珪素(SiC)が期待されている。SiC半導体は、Siを材料に用いた従来の半導体素子と比較して、オン状態における素子の抵抗を数百分の1に低減できることや、より高温(例えば200℃以上)の環境下で使用可能なことなどの利点がある。これは、SiCのバンドギャップがSiに対して3倍程度大きく、絶縁破壊電界強度がSiより10倍ほど大きいという材料自体の特性による。
【0003】
パワー半導体装置としては、ショットキバリアダイオード(SBD)、電界効果トランジスタ(FET)、静電誘導トランジスタ(SIT)、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)などが製品化されている。トレンチ型MOSFETは、SiC半導体基板にトレンチを形成し、トレンチの側壁をチャネルとして利用する3次元構造の半導体装置である。そのため、同じON抵抗の素子同士で比べた場合、プレーナ型縦型MOSFETよりもトレンチ型MOSFETは素子面積を圧倒的に小さくすることができ、特に有望な半導体素子構造と考えられる。
【0004】
従来のトレンチ型MOSFETにおいては、SiC半導体層内に設けたトレンチの側壁に沿って縦方向にチャネルを形成するため、トレンチの内壁全体をゲート絶縁膜で覆う構造となる。SiCでは絶縁破壊電界強度がSiより10倍ほど大きいため、高電圧印加時にSiC半導体層が絶縁破壊せず、トレンチ内壁に設けたゲート絶縁膜にも高電界が印加される。特に、ドレイン電極に対向するトレンチの底部には電界が集中し易く、ゲート絶縁膜の絶縁破壊が容易に発生してしまう。トレンチ型MOSFETの信頼性を向上させるために、トレンチ底部での電界集中を緩和してゲート絶縁膜の破壊を防止する電界緩和構造が要求される。トレンチ底部での電界集中を緩和する電界緩和構造として、トレンチの周囲に設けられたn型の電流拡散層(CSL)の内部にp

型のベース底部埋込領域と、トレンチ底部に接するp

型のゲート底部保護領域とを選択的に設けている。
【0005】
しかし、従来のトレンチ型MOSFETでは、ベース底部埋込領域及びゲート底部保護領域と、電流拡散層とのpn接合それぞれの耐圧はほぼ同じである。したがって、ゲート底部保護領域でのpn接合の耐圧が、ベース底部埋込領域でのpn接合より小さくなる場合がある。この場合、MOSFETの耐圧は、トレンチ底部での耐圧で規定される。トレンチ底部のpn接合でアバランシェ降伏が発生すると、トレンチ内部のゲート絶縁膜にキャリアが注入されてトレンチ底部に電界が集中し、ゲート絶縁膜が絶縁破壊される。
【0006】
特許文献1には、ベース領域とドリフト層の間に、ベース底部埋込領域の底面に接するn型の埋込層をイオン注入により設け、トレンチ底部のゲート絶縁膜を保護することが記載されている。埋込層のn型不純物濃度をゲート底部保護領域直下のn型不純物の濃度より高くすることで、ゲート底部保護領域よりもベース底部埋込領域にかかる電界強度が高くなる。そのため、アバランシェ降伏がゲート底部保護領域ではなくベース底部埋込領域で発生し易くなり、アバランシェ電流がゲート絶縁膜に流れることを防止している。
【0007】
特許文献2には、ベース底部埋込領域及びゲート底部保護領域より深い位置に、トレンチの長手方向に直交する方向にストライプ状にn型の埋込層をイオン注入により設けることが記載されている。埋込層は、n型のドリフト層、及びベース底部埋込領域とトレンチとの間のn型の電流拡散層(CSL)よりも高不純物濃度としている。その結果、埋め込層によって電流拡散ができトレンチ底部の電界集中を緩和して、トレンチ底部でのアバランシェ降伏を抑制している。
【0008】
特許文献3には、ベース底部埋込領域の表面及び側面を覆うn型のベース底部被覆層、及びゲート底部保護領域を部分的に覆うn型のゲート底部被覆層をイオン注入により設けることが記載されている。ベース底部被覆層及びゲート底部被覆層のそれぞれは電流拡散層より高不純物濃度であり、トレンチ底部のゲート絶縁膜に高電界が印加されることを防止している。
【0009】
六方晶系SiCには、絶縁破壊電界に異方性があってc軸方向の絶縁破壊電界が高い。(非特許文献1参照)。特許文献1~3においては、c軸に平行な方向での電界強度を緩和する構造が提案されており、絶縁破壊電界の異方性については考慮されていない。c軸に垂直な方向となる、ゲート底部保護領域とベース底部埋込領域とが対向する方向では絶縁破壊電界が低い。即ち、電界がc軸に垂直な方向に集中する場合、c軸方向よりも低い電界強度でアバランシェ降伏が発生する。ゲート底部保護領域とベース底部埋込領域の間の電流拡散層は一様な不純物濃度を有しているので、アバランシェ降伏がゲート底部保護領域で発生し、ゲート絶縁膜が絶縁破壊されてしまう。
【0010】
また、特許文献1~3においては、ベース底部埋込領域、あるいはゲート底部保護領域の底面より深い位置にn型不純物のイオン注入が必要となる。そのため、イオン注入工程におけるイオン注入装置の稼働時間が長くなり、生産能力が悪くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
(【0011】以降は省略されています)

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