JP2005340685A - Silicon carbide semiconductor element - Google Patents
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Abstract
Description
半導体材料として炭化珪素を用いたMOSFET又はIGBT等の電圧駆動のMOS型電力用半導体素子、特にトレンチ型の半導体素子に関する。 The present invention relates to a voltage-driven MOS type power semiconductor device such as a MOSFET or IGBT using silicon carbide as a semiconductor material, particularly a trench type semiconductor device.
炭化珪素半導体は、バンドギャップが4H−SiCで3.25eVとSiの1.12eVに対して3倍程度大きく、電界強度がSi(0.3MV/cm)より1桁近く大きくなる(2〜4MV/cm)という特徴を持つ。電力用半導体素子においては、素子がオン状態におけるオン抵抗が、以下の式のように電界強度の3乗に逆比例して減少、また移動度の逆数に比例して減少する。
RDRIFT=(4BV2)/(μεECR 3) ・・式(1)
ここで、BVは絶縁耐圧、μはキャリアの移動度、εは半導体の誘電率、ECRは半導体の臨界電界強度である。このRDRIFTがユニポーラデバイスの最小オン抵抗であり、このオン抵抗と絶縁耐圧との関係がユニポーラリミットと呼ばれる。
従って、移動度がSiより低いことと考え合わせても、Siと比べて数100分の1にオン抵抗を低減することができ、次世代の電力用半導体素子として期待されている。現在までに、ダイオード、トランジスタ、サイリスタなど様々な構造のデバイスが試作され、その一部が実用化されている。
Silicon carbide semiconductors have a band gap of 4H-SiC, 3.25 eV and about 3 times larger than 1.12 eV of Si, and the electric field strength is nearly an order of magnitude larger than Si (0.3 MV / cm) (2 to 4 MV / cm). It has the characteristics. In a power semiconductor device, the on-resistance when the device is in an on state decreases in inverse proportion to the third power of the electric field strength and decreases in proportion to the reciprocal of mobility as shown in the following equation.
R DRIFT = (4BV 2 ) / (μεE CR 3 ) ・ ・ Expression (1)
Here, BV is the dielectric strength, mu is the carrier mobility, epsilon is the dielectric constant of the semiconductor, E CR is the critical electric field strength of the semiconductor. This RDRIFT is the minimum on-resistance of the unipolar device, and the relationship between this on-resistance and the withstand voltage is called a unipolar limit.
Therefore, even if it is considered that the mobility is lower than that of Si, the on-resistance can be reduced to several hundredth of that of Si, which is expected as a next-generation power semiconductor device. To date, devices with various structures such as diodes, transistors, and thyristors have been prototyped, and some of them have been put into practical use.
その中で図11にトランジスタの一形態であるnチャネルDIMOSFET (Double Implanted MOSFET)の1セルの断面図を示す。一般的な作成方法として、まず低抵抗N型炭化珪素基板1の上に同じN型ドリフト層2を形成する。そこにイオン注入で深いP型のベース領域3を一般的にアルミニウム(Al)を用いて選択的に形成する。さらに低抵抗のN型ソース領域4をP型ベース領域3に囲まれるように一般的に窒素(N)あるいは燐(P)のイオン注入でP型ベース領域3内に選択的に形成する。このとき重要なのは、ベース領域3のN型ソース領域4とN型ドリフト層2に挟まれた表面部分のチャネル領域5の幅を各セル間で一定にすることであり、この幅を精度良く作製する方法としては、例えば特許文献1に記載されている。その後、ゲート酸化膜6を形成した後、ポリシリコンによるゲート電極7、N型ソース領域4とP型ベース領域に接続する金属のソース電極8、裏面のN型炭化珪素基板1に接続する金属のドレイン電極9を形成する。10はゲート電極7とソース電極8との絶縁をするための層間絶縁膜である。
Among them, FIG. 11 shows a cross-sectional view of one cell of an n-channel DIMOSFET (Double Implanted MOSFET) which is one form of a transistor. As a general production method, first, the same N
実際の動作は、予めソース電極8をアース電位にしておき、ゲート電極7に負バイアスを印加すると、N型ソース領域4とN型ドリフト層2に挟まれたチャネル領域5には正孔が誘起された蓄積状態となり、このnチャネルMOSFETでは電子を伝導キャリアとするので、電流は流れない。ドレイン電極9に正の高電圧を印加するとベース領域3とドリフト層2間の接合が逆バイアス状態になるので、空乏層がベース領域3内とドリフト層領域2内に広がり、電流を低く抑えたまま高電圧を維持しており、これがオフ状態である。この状態からゲート電極7に正バイアスを印加するとソース領域4とドリフト層2に挟まれたベース領域3の表面のチャネル領域5に電子が誘起された反転状態になり、電子がソース電極8、ソース領域4、反転したチャネル領域5、ドリフト層2、基板1、ドレイン電極9の順に流れるオン状態となる。再び、ゲート電極に負バイアスを印加するとチャネル領域5の反転が消滅し、電子の流れる経路が遮断されてオフ状態になる。
In actual operation, when the
このオン状態におけるオン抵抗は、上記の電流経路に沿って図示矢印12のように、ソース電極の接触抵抗、ソース領域の抵抗、チャネル領域のチャネル抵抗、ドリフト層2のゲート酸化膜6との界面近傍を電子が移動するときの蓄積抵抗、ドリフト層2内のゲート酸化膜6近傍から下方のドレインに向かって流れるときにn型ドリフト層2が両隣のp型ベース層3に挟まれていることによって生じるJFET抵抗、p型ベース層3の厚さを除いたドリフト層2の厚さ方向の抵抗、基板抵抗、そしてドレインの接触抵抗の総和となる。
このDIMOSFETは、原理的にビルトイン電圧が無いので、オン電圧をバイポーラデバイスに比べて低くできる。ユニポーラデバイスなのでオン状態時にキャリアのデバイス内での蓄積がないのでスイッチングロスが小さい。またゲート電極に正負の小さな電圧を印加してオン、オフ動作させる電圧駆動なので、駆動回路が簡単になるなどの長所がある。
The on-resistance in the on-state is the contact resistance of the source electrode, the resistance of the source region, the channel resistance of the channel region, and the interface of the
Since this DIMOSFET has no built-in voltage in principle, the on-voltage can be made lower than that of a bipolar device. Since it is a unipolar device, there is no accumulation in the carrier device in the on state, so switching loss is small. Further, since the voltage driving is performed by applying a small positive / negative voltage to the gate electrode to perform the on / off operation, there is an advantage that the driving circuit is simplified.
これに対して、トレンチゲート構造を持つUMOSFETの1セルの断面図を図12に示す。n型低抵抗基板1上にn型ドリフト層2をエピタキシャル成長させ、さらにp型ベース領域3をエピタキシャル成長させる。その後、窒素(N)あるいは燐(P)のイオン注入によりソース領域4を形成する。その後、Reactive Ion Etching法により、トレンチ11を形成し、そのトレンチ11を覆うようにゲート酸化膜6をそしてゲート酸化膜6上にゲート電極7を形成する。このゲート電極7を層間絶縁膜10で覆った後、ベース層3とソース領域4にソース電極が接触できるように層間絶縁膜10をエッチングして窓開けし、ソース電極8を形成する。最後にドレイン電極9をウェハ裏面に形成してnチャネル型UMOSFETが完成する。
実際の動作は、前記の図11のnチャネルDIMOSFET と同じである。
しかし、UMOSFETでは構造上チャネル領域5がトレンチ11の側面に形成されるため、オン状態におけるオン抵抗は、図示矢印13で示すように、DIMOSFETでは加算されるドリフト層2のゲート酸化膜6との界面近傍を電子が移動するときの蓄積抵抗、ドリフト層2内のゲート酸化膜6近傍から下方のドレインに向かって流れるときにn型ドリフト層2が両隣のp型ベース層3に挟まれていることによって生じるJFET抵抗がないので、蓄積抵抗とJFET抵抗が発生しない分低減できるという長所がある。また、JFET抵抗が存在しないので、隣り合わせのp型ベース層3間の距離を小さくできるので、セルピッチを小さくできて、オン抵抗をDIMOSFETよりも小さくできるというメリットがある。
In contrast, FIG. 12 shows a cross-sectional view of one cell of a UMOSFET having a trench gate structure. An n-
The actual operation is the same as that of the n-channel DIMOSFET of FIG.
However, since the
以上のようなことから、特に1〜2kV程度の耐圧を持つトランジスタにおいては、オン抵抗が無視できないため、オン抵抗を微細化により低減できるUMOSFETが有望である。
しかし、実際のデバイスでは、上記で説明したように様々な抵抗成分が存在しており、これら抵抗成分は、絶縁耐圧が低くなればなるほど、ドリフト層の抵抗に対して割合が増加していくことが問題となっている。
また、MOSFETにおいては、以下の式で示されるチャネル抵抗成分が大きな割合を占めているという問題がある。
RCH=L/{WCOX μn(VG−VT)} ・・式(2)
ここで、Lはチャネル長、Wはチャネル幅、COXは酸化膜容量、μnはキャリアの移動度、VGはゲート電圧、VTはゲートのしきい値電圧である。この(2)式からRCHは、電子の移動度μnの影響を大きく受けることがわかる。
For the above reasons, in particular, in a transistor having a withstand voltage of about 1 to 2 kV, the on-resistance cannot be ignored. Therefore, a UMOSFET that can reduce the on-resistance by miniaturization is promising.
However, in the actual device, there are various resistance components as described above, and the ratio of these resistance components to the resistance of the drift layer increases as the withstand voltage decreases. Is a problem.
In addition, in the MOSFET, there is a problem that a channel resistance component represented by the following formula occupies a large proportion.
R CH = L / {WC OX μ n (V G -V T)} ·· formula (2)
Here, L is the channel length, W is the channel width, C OX is oxide capacitance, the mu n is the mobility, V G is the gate voltage, V T of the carrier is the threshold voltage of the gate. From this equation (2), it is understood that R CH is greatly affected by the electron mobility μ n .
MOSFETでは炭化けい素とゲート酸化膜との界面に存在するトラップ準位に電子が捕獲されて実際に伝導に寄与する電子の数が減少したり、トラップされた電子によるクーロン散乱のため移動度がバルクの値より低下するという問題がある。以下に移動度向上の取り組みの例を順次説明する。
まず、UMOSFETが作製されるSiCの結晶構造、結晶面について説明する。図13に単位セル構造とMOS界面に主に用いられる六方晶炭化珪素の結晶面を示す。主な六方晶炭化珪素には、一対のSi-Cから成る層がc軸方向に4層周期で積層された構造になっている4H-SiCと6層周期で積層されている6H-SiCがある。4H-SiCでは図13の単位格子内に5層、6H-SiCでは7層含まれている。
図13の(a)は六角柱の上面が(0001)面、底面が(000-1)面であり、(b)は六角柱の側面が(1-100)面、(c)は(1-100)面と垂直な面の(11-20)面、(d)は上面の六角形の一辺を共有しかつ底面と成す角が54.7°である面が、4H(03-38)面あるいは6H(01-14)面と呼ばれている面である。なお、ここで、格子面の記号の説明をすると、負の指数については、結晶学上、数字に上付きのバー(−)を用いるが、電子出願の関係上、数字の前に(−)の符号を付けることとする。そして、等価な対称性を持つ面については{ }で表し、結晶内の方向を示す場合は[ ]で表し、等価な方向すべてを示す場合は〈 〉で表すこととする。
In a MOSFET, electrons are trapped at the trap level existing at the interface between silicon carbide and the gate oxide film, and the number of electrons actually contributing to conduction is reduced, or the mobility is increased due to Coulomb scattering by the trapped electrons. There is a problem that it falls below the bulk value. Examples of efforts to improve mobility will be described below sequentially.
First, the crystal structure and crystal plane of SiC from which a UMOSFET is fabricated will be described. FIG. 13 shows a crystal plane of hexagonal silicon carbide mainly used for the unit cell structure and the MOS interface. The main hexagonal silicon carbide includes 4H-SiC, which has a structure in which a pair of Si-C layers are stacked in the c-axis direction at a four-layer cycle, and 6H-SiC, which is stacked at a six-layer cycle. is there. In 4H-SiC, five layers are included in the unit cell of FIG. 13, and in 6H-SiC, seven layers are included.
In FIG. 13, (a) is the (0001) plane of the hexagonal column, (000-1) plane of the bottom, (b) is the (1-100) plane of the hexagonal column, (c) is (1) (11-20) plane perpendicular to the (-100) plane, (d) is a 4H (03-38) plane or a plane that shares one side of the hexagon on the top surface and the angle formed with the bottom surface is 54.7 ° This surface is called the 6H (01-14) surface. Here, when describing the symbols on the lattice plane, for negative indices, a superscript bar (-) is used in numbers for crystallography, but (-) in front of the numbers because of electronic applications. The sign of A plane having equivalent symmetry is represented by {}, when indicating a direction in the crystal by [], and when indicating all equivalent directions, it is represented by <>.
現在は、(0001)面あるいは(000-1)面が主表面である炭化珪素単結晶インゴットがバルク成長され、そのウェハを切り出し、研磨して(0001)面、(000-1)面を主表面とする炭化珪素ウェハが作製される。従って、DIMOSFETにおいては、これらの面をMOS界面として素子が作製される。
非特許文献1の記載を参照するところによると、4H-SiCの各結晶面上にMOS界面を形成し、その時のMOSFETの移動度を調査した結果、実効移動度(effective mobility)が(0001)、(11-20)、(03-38)面でそれぞれ、3.8cm2/Vs、5.4cm2/Vs、10.6cm2/Vsと(0001)面より(11-20)面や(03-38)面上のMOSFETの移動度が高いことが報告されている。この理由として4Hあるいは6H-SiCの(0001)面はSi(111)面と、4Hあるいは6H-SiCの(11-20)面や4Hあるいは6H-SiCの(1-100)面はSi(110)面と、4H-SiC(03-38)面あるいは6H-SiC(01-14)面はSi(100)面と等価な面と説明されており、Siでも(100)面、(110)面、(111)面の順に移動度が高い。この理由として、原子の面密度が低いほど界面準位密度が下がり、その界面準位に捕獲される伝導電子が少なくなることや捕獲された電子からのクーロン散乱が少なくなることによると説明されている。また、4H-SiC(03-38)面あるいは6H-SiC(01-14)面を用いたMOSFETが特許文献2に記載されている。
Currently, a silicon carbide single crystal ingot whose main surface is the (0001) plane or the (000-1) plane is bulk-grown, and the wafer is cut out and polished so that the (0001) plane and the (000-1) plane are the main surfaces. A silicon carbide wafer as a surface is produced. Therefore, in the DIMOSFET, an element is manufactured using these surfaces as MOS interfaces.
According to the description of Non-Patent
このような特性をSiC-UMOSFETに利用したものとして、特許文献3においてSiC(000-1)面を主表面とし、ゲートトレンチの溝が主表面からソース、ベース層を貫通してドリフト層に貫通し、(11-20)面をトレンチ側壁とした構造の提案や特許文献4においてSiC(000-1)面を主表面とし、ゲートトレンチの溝が主表面からソース、ベース層を貫通してドリフト層に貫通し、(1-100)面をトレンチ側壁とした構造の提案がなされている。
さらに特許文献5においては、(11-20)面をMOSチャネル面として用いながら、主表面を(1-100)面、(0001)面、(11-20)面とした場合の様々なケースについての提案がなされている。
Further, in
しかしながら、六方晶炭化珪素ウェハ上にUMOSFETを作製する場合、特許文献3や特許文献4のように主表面が(000-1)面である場合、結晶c軸に平行ならせん転位やマイクロパイプと呼ばれる中空欠陥がUMOSFETが作製される最表面に到達し、逆バイアス時のリーク電流の増加や絶縁破壊電圧の低下を引き起こす問題があった。
また、特許文献5では、(11-20)面を主表面とするSiCウェハをエッチングしてMOS界面として(11-20)面を露出させているが、この(11-20)側壁面は主表面に対して60°の角度とする必要があり、垂直側壁と比較してエッチングが困難であると言う問題がある。
また、特許文献5に記載されているように(1-100)面を主表面とするウェハに垂直にトレンチを掘り(11-20)面を出し、その面上にMOS構造を形成する方法では、トレンチ底のコーナが直角になり、このコーナにおいて電界が集中して、平行平板のpn接合で規定される絶縁耐圧と比べて低い逆電圧で絶縁破壊を引き起こすと言う問題があった。
特許文献3や特許文献4における手法においても移動度はまだ不十分である。また、トレンチ底部の角度が直角であると電界集中を起こし、早期絶縁破壊につながると言う問題もある。
However, when manufacturing a UMOSFET on a hexagonal silicon carbide wafer, if the main surface is the (000-1) plane as in
In
Further, as described in
Even in the methods in
このため、本発明は、(11-20)面と成す角が5°以内の面を主表面とする第1の伝導型である4H型六方晶炭化珪素半導体基板上にエピタキシャル成長させた同じく第1の伝導型であるドリフト層を有する4H型六方晶炭化珪素半導体ウェハに第2の伝導型であるベース層、さらに第1の伝導型であるソース層を順次形成し、さらに主表面の一部の領域を連続的にソース層およびベース層を側壁が主表面に対して70°以上の角度を持つように完全にエッチング除去した後、少なくともエッチングされた底面、側壁を覆うように絶縁層を形成し、その絶縁層上の少なくとも第2の伝導型であるベース層の側壁を覆うように第1の電極を形成してMOS構造とし、さらにエッチングされていない主表面に絶縁層を介さずに直接第1の伝導型であるソース領域上にオーミック性を有する第2の電極を形成し、主表面の裏面にオーミック性を有する第3の電極を形成して作製される金属酸化物半導体−電界効果型トランジスタにおいて、(03-38)面と成す角が10°以内であるMOSチャネル面を有するようにすると良い。
For this reason, the present invention is the same as the first epitaxial growth on the 4H-type hexagonal silicon carbide semiconductor substrate which is the first conductivity type whose main surface is an angle of 5 ° or less with the (11-20) plane. A base layer that is the second conductivity type and a source layer that is the first conductivity type are sequentially formed on the 4H-type hexagonal silicon carbide semiconductor wafer having the drift layer that is a conductivity type of After the region is continuously etched away so that the side wall has an angle of 70 ° or more with respect to the main surface, the source layer and the base layer are removed by etching, and an insulating layer is formed to cover at least the etched bottom surface and side wall. The first electrode is formed so as to cover at least the side wall of the base layer of the second conductivity type on the insulating layer to form a MOS structure, and the first surface is directly connected to the unetched main surface without an insulating layer. Ohmic on source region that is
またこの場合、(03-38)面と成す角が10°以内である一対の対向した平行なMOSチャネル面を含むようにすると良い。
さらに、(03-38)面と成す角が10°以内である一対の対向した平行なMOSチャネル面と、最初の(03-38)面に対して成す角が70.6°である別の(03-38)面と成す角が10°以内であるもう一対の対向した平行なMOSチャネル面を含むようにしても良い。
また、(11-20)面と成す角が5°以内の面を主表面とする第1の伝導型である4H型六方晶炭化珪素半導体基板上にエピタキシャル成長させた同じく第1の伝導型であるドリフト層を有する4H型六方晶炭化珪素半導体ウェハに第2の伝導型であるベース層、さらに第1の伝導型であるソース層を順次形成し、さらに主表面の一部の領域を連続的にソース層およびベース層を側壁が主表面に対して70°以上の角度を持つように完全にエッチング除去した後、少なくともエッチングされた底面、側壁を覆うように絶縁層を形成し、その絶縁層上の少なくとも第2の伝導型であるベース層の側壁を覆うように第1の電極を形成してMOS構造とし、さらにエッチングされていない主表面に絶縁層を介さずに直接第1の伝導型であるソース領域上にオーミック性を有する第2の電極を形成し、主表面の裏面全面にオーミック性を有する第3の電極を形成して作製される金属酸化物半導体−電界効果型トランジスタにおいて、(1-100)面と成す角が10°以内であるMOSチャネル面を有するようにすると良い。
In this case, it is preferable to include a pair of opposed parallel MOS channel surfaces whose angle formed with the (03-38) plane is within 10 °.
In addition, a pair of opposing parallel MOS channel surfaces with an angle formed with the (03-38) plane within 10 ° and another (03-38) angle formed with respect to the first (03-38) surface is 70.6 °. -38) Another pair of opposing parallel MOS channel surfaces whose angle to the surface is within 10 ° may be included.
Also, it is the same first conductivity type epitaxially grown on a 4H type hexagonal silicon carbide semiconductor substrate, which is the first conductivity type whose main surface is an angle formed with the (11-20) plane within 5 °. A base layer of the second conductivity type and a source layer of the first conductivity type are sequentially formed on a 4H type hexagonal silicon carbide semiconductor wafer having a drift layer, and a part of the main surface is continuously formed. After completely removing the source layer and the base layer by etching so that the side wall has an angle of 70 ° or more with respect to the main surface, an insulating layer is formed so as to cover at least the etched bottom surface and side wall. The first electrode is formed so as to cover the side wall of the base layer of at least the second conductivity type to form a MOS structure, and the first conductivity type is directly applied to the main surface which is not etched without an insulating layer. A second having ohmic properties on a source region In a metal oxide semiconductor-field effect transistor fabricated by forming a pole and forming an ohmic third electrode on the entire back surface of the main surface, the angle formed with the (1-100) plane is within 10 ° It is preferable to have a MOS channel surface that is
この場合、 (1-100)面と成す角が10°以内である一対の対向した平行なMOSチャネル面を含むようにしても良い。
(11-20)面と成す角が5°以内の面を主表面とする第1の伝導型である6H型六方晶炭化珪素半導体基板上にエピタキシャル成長させた同じく第1の伝導型であるドリフト層を有する6H型六方晶炭化珪素半導体ウェハに第2の伝導型であるベース層、さらに第1の伝導型であるソース層を順次形成し、さらに主表面の一部の領域を連続的にソース層およびベース層を完全にエッチング除去した後、少なくともエッチングされた底面、側壁を覆うように絶縁層を形成し、その絶縁層上の少なくとも第2の伝導型であるベース層の側壁を覆うように第1の電極を形成してMOS構造とし、さらにエッチングされていない主表面に絶縁層を介さずに直接第1の伝導型であるソース領域上にオーミック性を有する第2の電極を形成し、主表面の裏面全面にオーミック性を有する第3の電極を形成して作製される金属酸化物半導体−電界効果型トランジスタにおいて、(01-14)面と成す角が10°以内であるMOSチャネル面を有するようにすると良い。
In this case, a pair of opposed parallel MOS channel surfaces whose angle formed with the (1-100) plane is within 10 ° may be included.
A drift layer of the same first conductivity type epitaxially grown on a 6H-type hexagonal silicon carbide semiconductor substrate of the first conductivity type whose main surface is an angle formed with the (11-20) plane within 5 °. A base layer that is the second conductivity type and a source layer that is the first conductivity type are sequentially formed on a 6H-type hexagonal silicon carbide semiconductor wafer having, and a part of the main surface is continuously formed on the source layer. And after completely removing the base layer by etching, an insulating layer is formed so as to cover at least the etched bottom surface and side walls, and the side walls of the base layer which is at least the second conductivity type on the insulating layer are covered. A first electrode is formed to have a MOS structure, and a second electrode having ohmic properties is directly formed on the unetched main surface directly on the source region of the first conductivity type without an insulating layer. Has ohmic properties on the entire back surface In the metal oxide semiconductor-field effect transistor manufactured by forming the third electrode, it is preferable to have a MOS channel surface whose angle formed with the (01-14) surface is within 10 °.
この6H型炭化珪素MOSFETにおいて、 (01-14)面と成す角が10°以内である一対の対向した平行なMOSチャネル面を含むか、(01-14)面と成す角が10°以内である一対の対向した平行なMOSチャネル面と、最初の(01-14)面に対して成す角が70.6°である別の(01-14)面と成す角が10°以内であるもう一対の対向した平行なMOSチャネル面を含むようにすると良い。
さらに、(11-20)面と成す角が5°以内の面を主表面とする第1の伝導型である6H型六方晶炭化珪素半導体基板上にエピタキシャル成長させた同じく第1の伝導型であるドリフト層を有する6H型六方晶炭化珪素半導体ウェハに第2の伝導型であるベース層、さらに第1の伝導型であるソース層を順次形成し、さらに主表面の一部の領域を連続的にソース層およびベース層を側壁が主表面に対して70°以上の角度を持つように完全にエッチング除去した後、少なくともエッチングされた底面、側壁を覆うように絶縁層を形成し、その絶縁層上の少なくとも第2の伝導型であるベース層の側壁を覆うように第1の電極を形成してMOS構造とし、さらにエッチングされていない主表面に絶縁層を介さずに直接第1の伝導型であるソース領域上にオーミック性を有する第2の電極を形成し、主表面の裏面全面にオーミック性を有する第3の電極を形成して作製される金属酸化物半導体−電界効果型トランジスタにおいて、(1-100)面と成す角が10°以内であるMOSチャネル面を含むか、 (1-100)面と成す角が10°以内である一対の対向した平行なMOSチャネル面を含むようにすると良い。
In this 6H-type silicon carbide MOSFET, it includes a pair of opposed parallel MOS channel surfaces whose angle formed with the (01-14) plane is within 10 °, or the angle formed with the (01-14) surface is within 10 ° One pair of opposite parallel MOS channel planes and the other (01-14) plane with an angle of 70.6 ° to the first (01-14) plane and another pair of angles within 10 ° It is desirable to include opposing parallel MOS channel surfaces.
Further, the first conductivity type is epitaxially grown on a 6H-type hexagonal silicon carbide semiconductor substrate, which is the first conductivity type whose main surface is an angle of 5 ° or less with the (11-20) plane. A base layer that is the second conductivity type and a source layer that is the first conductivity type are sequentially formed on a 6H-type hexagonal silicon carbide semiconductor wafer having a drift layer, and a partial region of the main surface is continuously formed. After completely removing the source layer and the base layer by etching so that the side wall has an angle of 70 ° or more with respect to the main surface, an insulating layer is formed so as to cover at least the etched bottom surface and side wall. The first electrode is formed so as to cover the side wall of the base layer of at least the second conductivity type to form a MOS structure, and the first conductivity type is directly applied to the main surface which is not etched without an insulating layer. A second having ohmic properties on a source region In the metal oxide semiconductor-field effect transistor produced by forming the electrode and forming the ohmic third electrode on the entire back surface of the main surface, the angle formed with the (1-100) plane is within 10 ° Or a pair of opposed parallel MOS channel surfaces whose angle to the (1-100) plane is within 10 °.
基板として第1の伝導型である4H-SiC(03-38)面あるいは、6H-SiC(01-14)面と成す角が5°以内の面が主表面であるものを用い、その基板上にエピタキシャル成長させた基板と同じ結晶構造を持つ第1の伝導型であるドリフト層を有する六方晶炭化珪素半導体ウェハに第2の伝導型であるベース層、さらに第1の伝導型であるソース層を順次形成し、さらに主表面の一部の領域を連続的にソース層およびベース層を側壁が主表面に対して70°以上の角度を持つように完全にエッチング除去した後、少なくともエッチングされた底面、側壁を覆うように絶縁層を形成し、その絶縁層上の少なくとも第2の伝導型であるベース層の側壁を覆うように第1の電極を形成してMOS構造とし、さらにエッチングされていない主表面に絶縁層を介さずに直接第1の伝導型であるソース領域上にオーミック性を有する第2の電極を形成し、主表面の裏面全面にオーミック性を有する第3の電極を形成して作製される金属酸化物半導体−電界効果型トランジスタにおいて、(11-20)面と成す角が10°以内であるMOSチャネル面を含むようにすると良い。
Use a substrate whose primary surface is the surface of the
さらに(11-20)面と成す角が10°以内である一対の対向した平行なMOSチャネル面としても良い。
(03-38)面と垂直方向に結晶成長させると、c軸に平行ならせん転位、マイクロパイプは、成長方向に対して斜めに伝播して行くので、結晶の成長方向への長さが大きくなるほど、これらの欠陥が結晶が進展する表面から抜けていく。さらに、c軸に垂直に存在する積層欠陥も成長方向に対して斜めに伝播して行くので、結晶の成長方向への長さが大きくなるほど、これらの欠陥が結晶が進展する表面から抜けていく。その結果として、炭化珪素のバルク結晶長が大きくなるほど、これら転位はインゴットの結晶成長方向に垂直な(03-38)面の中央から外側に移動して行き、最終的にはすべてインゴットの成長方向と平行な側壁に到達した時点で(03-38)面内から排除される。
Further, a pair of opposed parallel MOS channel surfaces whose angle formed with the (11-20) plane is within 10 ° may be used.
When the crystal is grown in the direction perpendicular to the (03-38) plane, screw dislocations parallel to the c-axis and micropipes propagate obliquely with respect to the growth direction, so the length in the crystal growth direction is large. Indeed, these defects escape from the surface on which the crystal propagates. Furthermore, since stacking faults that exist perpendicular to the c-axis also propagate obliquely with respect to the growth direction, these defects escape from the surface on which the crystal progresses as the length in the crystal growth direction increases. . As a result, as the bulk crystal length of silicon carbide increases, these dislocations move outward from the center of the (03-38) plane perpendicular to the crystal growth direction of the ingot, and finally all of the dislocations grow in the direction of the ingot. When it reaches the side wall parallel to the (03-38), it is excluded from the plane.
移動度を確保してMOSチャネル部の抵抗を抑えつつ上記の問題点を解決するためには、(1-100)面と成す角が5°以内の面を主表面とする第1の伝導型である4Hあるいは6H型六方晶炭化珪素半導体基板上に基板と同じ構造をもつ炭化珪素がエピタキシャル成長させた同じく第1の伝導型であるドリフト層を有するウェハ上に第2の伝導型であるベース層、さらに第1の伝導型であるソース層を順次形成し、さらに主表面の一部の領域を連続的にソース層およびベース層を完全にエッチング除去した後、少なくともエッチングされた底面、側壁を覆うように絶縁層を形成し、その絶縁層上の少なくとも第2の伝導型であるベース層の側壁を覆うように第1の電極を形成してMOS構造とし、さらにエッチングされていない主表面に絶縁層を介さずに直接第1の伝導型であるソース領域上にオーミック性を有する第2の電極を形成し、主表面の裏面全面にオーミック性を有する第3の電極を形成して作製される金属酸化物半導体−電界効果型トランジスタにおいて、エッチングされたトレンチ側壁が[0001]と平行あるいは成す角が10°以下であり、かつ{1-100}面と側壁の成す角が60°±10°であるようなトレンチ側壁含んだMOSチャネル面を有するUMOSFETとすると良い。 In order to solve the above problems while ensuring the mobility and suppressing the resistance of the MOS channel part, the first conductivity type whose main surface is a plane whose angle formed with the (1-100) plane is within 5 ° A base layer of the second conductivity type on a wafer having a drift layer of the same first conductivity type, in which silicon carbide having the same structure as the substrate is epitaxially grown on the 4H or 6H type hexagonal silicon carbide semiconductor substrate Further, a source layer of the first conductivity type is sequentially formed, and further, a partial region of the main surface is continuously etched away completely from the source layer and the base layer, and then at least the etched bottom and side walls are covered. An insulating layer is formed, and a first electrode is formed so as to cover at least the side wall of the base layer of the second conductivity type on the insulating layer to form a MOS structure, and insulation is performed on the main surface that is not etched. In the first conductivity type directly without a layer In a metal oxide semiconductor-field effect transistor manufactured by forming a second electrode having an ohmic property on a source region and forming a third electrode having an ohmic property on the entire back surface of the main surface, etching is performed. The MOS channel surface including the trench side wall is such that the angle formed between the trench side wall parallel to [0001] or less than 10 ° and the angle between the {1-100} surface and the side wall is 60 ° ± 10 ° It is better to have UMOSFET.
また、(1-100)面と成す角が5°以内の面を主表面とする第1の伝導型である4Hあるいは6H型六方晶炭化珪素半導体基板上に基板と同じ構造をもつ炭化珪素がエピタキシャル成長させた同じく第1の伝導型であるドリフト層を有するウェハ上に第2の伝導型であるベース層、さらに第1の伝導型であるソース層を順次形成し、さらに主表面の一部の領域を連続的にソース層およびベース層を完全にエッチング除去した後、少なくともエッチングされた底面、側壁を覆うように絶縁層を形成し、その絶縁層上の少なくとも第2の伝導型であるベース層の側壁を覆うように第1の電極を形成してMOS構造とし、さらにエッチングされていない主表面に絶縁層を介さずに直接第1の伝導型であるソース領域上にオーミック性を有する第2の電極を形成し、主表面の裏面全面にオーミック性を有する第3の電極を形成して作製される金属酸化物半導体−電界効果型トランジスタにおいて、エッチングされたトレンチ側壁が<11-20>と平行あるいは成す角が10°以下であり、かつ(1-100)面と側壁の成す角が35.3°±10°であるようなトレンチ側壁を含んだMOSチャネル面を有するUMOSFETとしても良い。 In addition, silicon carbide having the same structure as the substrate is formed on the 4H or 6H type hexagonal silicon carbide semiconductor substrate which is the first conductivity type whose main surface is a surface of which the angle formed with the (1-100) plane is within 5 °. A base layer that is the second conductivity type and a source layer that is the first conductivity type are sequentially formed on the epitaxially grown wafer having the drift layer that is also the first conductivity type, and a part of the main surface is further formed. After the region is continuously etched away from the source layer and the base layer, an insulating layer is formed so as to cover at least the etched bottom and side walls, and the base layer that is at least the second conductivity type on the insulating layer A first electrode is formed so as to cover the side wall of the second electrode to form a MOS structure, and a second ohmic property is directly formed on the source region which is the first conductivity type directly without an insulating layer on the main surface which is not etched. All the back surface of the main surface In a metal oxide semiconductor-field effect transistor fabricated by forming an ohmic third electrode on the surface, the angle of the etched trench sidewall parallel to or forming <11-20> is 10 ° or less In addition, a UMOSFET having a MOS channel surface including a trench sidewall such that an angle formed between the (1-100) plane and the sidewall is 35.3 ° ± 10 ° may be used.
(1-100)面は、c軸と垂直な面であるので、らせん転位、マイクロパイプが主表面に露出しないため、大幅に転位密度を低減できる。さらに、上記のトレンチ側壁を用いるとトレンチ底部コーナが鈍角となり、電界集中が緩和される。
(0001)あるいは(000-1)面と成す角が5°以内の面を主表面とする第1の伝導型である4Hあるいは6H型六方晶炭化珪素半導体基板上に基板と同じ構造をもつ炭化珪素がエピタキシャル成長させた同じく第1の伝導型であるドリフト層を有するウェハ上に第2の伝導型であるベース層、さらに第1の伝導型であるソース層を順次形成し、さらに主表面の一部の領域を連続的にソース層およびベース層を完全にエッチング除去した後、少なくともエッチングされた底面、側壁を覆うように絶縁層を形成し、その絶縁層上の少なくとも第2の伝導型であるベース層の側壁を覆うように第1の電極を形成してMOS構造とし、さらにエッチングされていない主表面に絶縁層を介さずに直接第1の伝導型であるソース領域上にオーミック性を有する第2の電極を形成し、主表面の裏面全面にオーミック性を有する第3の電極を形成して作製される金属酸化物半導体−電界効果型トランジスタにおいて、エッチングされたトレンチ側壁が[11-20]方向と平行あるいは成す角が10°以下であり、かつ{0001}面あるいは{000-1}面とトレンチ側面との成す角が54.7°±10°であるようなトレンチ側壁含んだMOSチャネル面を有するようにすると良い。
Since the (1-100) plane is a plane perpendicular to the c-axis, screw dislocations and micropipes are not exposed on the main surface, so that the dislocation density can be greatly reduced. Furthermore, when the trench sidewall is used, the trench bottom corner becomes obtuse and the electric field concentration is reduced.
Carbonization having the same structure as the substrate on the
実施例1においては、ゲートトレンチ側壁を主表面に対して垂直に形成することができ、エッチング条件の条件範囲が広がった。
(11-20)面を主表面とする基板を用いることで、従来の(000-1)面を主表面とする基板では欠陥密度が100個/cm2あり、90%の歩留まりが得られる素子面積が10-3cm2(300μm角)であったものが、欠陥密度を1個/cm2に低減、90%の歩留まりが得られる素子面積が0.1cm2(3mm角)と増加した。
移動度に関しても、4H-SiC(03-38)面あるいは6H-SiC(01-14)面をMOS界面とした場合では、200cm2/Vs、(1-100)面をMOS界面とした場合では100cm2/Vsと従来技術と遜色のない値が得られた。
実施例2においては、特許文献5のように、(11-20)面を主表面とするSiCウェハに対し、トレンチの側壁を主表面に対して60°の角度とする場合では、60°±10°に収まる素子の割合は2インチウェハ内において60%程度であったが、本発明のように垂直にエッチングした場合では、主表面に対して80°以上のトレンチの側壁となる割合が90%以上に向上した。
In Example 1, the side wall of the gate trench can be formed perpendicular to the main surface, and the range of etching conditions has been expanded.
By using a substrate having the (11-20) plane as the main surface, the conventional substrate having the (000-1) plane as the main surface has a defect density of 100 / cm 2 and a device yield of 90%. Although the area was 10 −3 cm 2 (300 μm square), the defect density was reduced to 1 piece / cm 2, and the device area where 90% yield was obtained increased to 0.1 cm 2 (3 mm square).
Regarding mobility, when the 4H-SiC (03-38) surface or 6H-SiC (01-14) surface is the MOS interface, it is 200 cm 2 / Vs, and when the (1-100) surface is the MOS interface, A value comparable to that of the conventional technology of 100 cm 2 / Vs was obtained.
In Example 2, as in
また、4H-SiC(03-38)面あるいは6H-SiC(01-14)面を主表面とする基板を用いることで、絶縁耐圧として理論耐圧の80%以上の絶縁耐圧が得られるものを良品と定義した場合に、従来の(000-1)面を主表面とする基板では90%の歩留まりが得られる素子面積が10-3cm2(300μm角)であったものが、1cm2(3.3mm角)まで増加した。
さらに、移動度に関しても、(000-1)面をMOS界面とした場合では75cm2/Vsの移動度であったものが、(11-20)面をMOS界面とすることにより、150cm2/Vsと増加し、MOSチャネル抵抗を1/2に低減することができた。
{1-100}面を主表面とする基板を用いることで、絶縁耐圧として理論耐圧の80%以上の絶縁耐圧が得られるものを良品と定義した場合に、ゲートトレンチを含まないpnダイオードにおいて従来の(000-1)面を主表面とする基板では90%の歩留まりが得られる素子面積が10-3cm2(300μm角)であったものが、0.1cm2(3.3mm角)まで増加した。
In addition, a non-defective product that can obtain a withstand voltage of 80% or more of the theoretical withstand voltage by using a substrate whose main surface is the 4H-SiC (03-38) or 6H-SiC (01-14) surface. In the conventional substrate with the (000-1) plane as the main surface, the element area where 90% yield was obtained was 10 -3 cm 2 (300 μm square), but 1 cm 2 (3.3 mm square).
Furthermore, with regard mobility (000-1) as in the case where the surface was MOS interface was mobility of 75 cm 2 / Vs is by a MOS interface (the 11-20) plane, 150 cm 2 / Vs increased, and the MOS channel resistance was reduced to 1/2.
In the case of a pn diode that does not include a gate trench, when a substrate with a {1-100} surface as the main surface is defined as a non-defective product that can withstand a withstand voltage of 80% or more of the theoretical withstand voltage. In the substrate with the (000-1) plane as the main surface, the element area where 90% yield was obtained was 10 −3 cm 2 (300 μm square), but increased to 0.1 cm 2 (3.3 mm square). .
さらに、{1-100}を主表面とする基板上にUMOSFETを作製した場合において、全素子数の8割の素子が達成できる絶縁耐圧は、垂直にゲートトレンチをエッチングした場合では理論値の60%であったのに対し、できるだけ{1-100}面に近づけた面上にMOS構造を作製した場合では理論値の70%、できるだけ4H-SiC{03-38}面あるいは6H-SiC{01-14}面に近づけた面上にMOS構造を作製した場合では理論値の80%となり、トレンチ底部の炭化珪素外のコーナ角度が大きくなるほど絶縁耐圧が向上すると言う効果が得られた。
{0001}あるいは{000-1}を主表面とする基板上にUMOSFETを作製した場合において、全素子数の8割の素子が達成できる絶縁耐圧は、垂直にゲートトレンチをエッチングした場合では理論値の60%であったのに対し、できるだけ4H-SiC{03-38}面あるいは6H-SiC{01-14}面に近づけた面上にMOS構造を作製した場合では理論値の80%となり、トレンチ底部の炭化珪素外のコーナ角度が大きくなるほど絶縁耐圧が向上すると言う効果が得られた。
Furthermore, when a UMOSFET is fabricated on a substrate having {1-100} as the main surface, the withstand voltage that can be achieved by 80% of the total number of elements is a theoretical value of 60 when the gate trench is etched vertically. However, when a MOS structure is fabricated on a surface as close to the {1-100} plane as possible, it is 70% of the theoretical value, and as much as possible the 4H-SiC {03-38} plane or 6H-SiC {01 When the MOS structure was fabricated on a surface close to the -14} surface, the theoretical value was 80%, and the effect of increasing the dielectric strength with increasing corner angle outside the silicon carbide at the bottom of the trench was obtained.
When a UMOSFET is fabricated on a substrate with {0001} or {000-1} as the main surface, the breakdown voltage that can be achieved by 80% of the total number of elements is the theoretical value when the gate trench is etched vertically. When the MOS structure is fabricated on the surface as close to the 4H-SiC {03-38} surface or 6H-SiC {01-14} surface as much as possible, it becomes 80% of the theoretical value. The effect was obtained that the withstand voltage improved as the corner angle outside the silicon carbide at the bottom of the trench increased.
また、移動度も(11-20)面、(1-100)面とも150cm2/Vsであったのに対し、4H-SiC{03-38}面あるいは6H-SiC{01-14}面上にMOS構造を形成することによって200cm2/Vsの値が得られ、チャネル抵抗を低減できた。 Also, the mobility was 150cm2 / Vs on both the (11-20) plane and the (1-100) plane, but on the 4H-SiC {03-38} or 6H-SiC {01-14} plane. By forming the MOS structure, a value of 200 cm2 / Vs was obtained, and the channel resistance could be reduced.
図1は本発明の実施例のトレンチを有するMOSFETの製造工程を示した断面図である。まず、(11-20)面を主表面とするn型4H-SiCあるいは6H-SiC基板1上に順次、熱CVD法により5μm、1016cm-3のn型ドリフト層2、1μm、1017cm-3のp型ベース層3、0.5μm、1019cm-3のn型ソース層4をエピタキシャル成長で形成させる(図1(a))。
その基板1をソース層4、ベース層3を部分的に完全に除去できる深さまで反応性イオンエッチング法により垂直にエッチングして、2.1μmの深さとなるようにトレンチ11を形成する。この実施例では、トレンチ側壁のMOS界面が4H-SiC(03-38)面あるいは6H-SiC(01-14)面となるように<11-20>方向から見たときのトレンチ外周の長方形の長辺が<1-100>方向から54.7°の成す角となるようにエッチングした。
このようにトレンチ11を形成した後、30nm程度のゲート酸化膜6を形成する。さらにゲートトレンチ部をすべて覆うようにボロンをドーピングしたポリSiを堆積してゲート電極7とする。さらにこのポリSiのゲート電極7の表面のみを酸化して層間絶縁膜10としての酸化膜を形成する(図1(b))
その後、反応性イオンエッチングにより、選択的にn型ソース層4の一部をp型ベース層3が露出するまで除去する。その後この露出されたpベース層3に金属電極8aを形成する(図1(c))。
FIG. 1 is a sectional view showing a manufacturing process of a MOSFET having a trench according to an embodiment of the present invention. First, on the n-
The
After forming the
Thereafter, a part of the n-
その後nソースコンタクト用の金属を形成してソース電極8とし、裏面の酸化膜を除去してドレイン電極9を形成する。(図1(d))。
以下、UMOSFET(トレンチMOSFET)のソース電極、ゲート電極が形成される基板主表面の面方位とトレンチ側壁の面方位を検討した実施例について説明する。
Thereafter, a metal for n source contact is formed to form the
Hereinafter, an embodiment in which the surface orientation of the main surface of the substrate on which the source electrode and the gate electrode of UMOSFET (trench MOSFET) are formed and the surface orientation of the trench sidewall will be described.
図2は、半導体基板14の面方位とトレンチ11の面方位を示すための構造図であり、(a)は平面図,(b)は(a)のA−A線の断面図である。トレンチ11の側壁のMOS界面が4H-SiC(03-38)面あるいは6H-SiC(01-14)面となるように半導体基板14の主表面<11-20>方向から見たときのトレンチ外周の長方形の長辺が<1-100>方向から54.7°の成す角となるようにエッチングしている。
図3は、半導体基板14の面方位とトレンチ11の面方位を示すための構造図である。トレンチ11の側壁のMOS界面が(1-100)面となるように半導体基板14の主表面<11-20>方向から見たときのトレンチ外周の長方形の長辺が<1-100>方向と垂直となるようにエッチングしている。
図4は、半導体基板14の面方位とトレンチ11の面方位を示すための構造図であり、(a)は平面図,(b)は(a)のA−A線の断面図である。トレンチ11の側壁のMOS界面が4H-SiC(03-38)面あるいは6H-SiC(01-14)面となるように半導体基板14の主表面<11-20>方向から見たときのトレンチ外周の形状を菱形あるいは平行四辺形とし<1-100>方向に対して一対の面を54.7°傾け、その一対の面の内面が成す角度を70.6°となるようにエッチングしている。
2A and 2B are structural diagrams for illustrating the plane orientation of the
FIG. 3 is a structural diagram for illustrating the plane orientation of the
4A and 4B are structural views for showing the plane orientation of the
図5は、半導体基板14の面方位とトレンチ11の面方位を示すための構造図である。半導体基板14の主表面<11-20>方向から見たときのトレンチ11外周の形状を菱形あるいは平行四辺形とし、一対の辺とその下方に広がる側面を<0001>方向と平行にして(1-100)面とし、その面と成す角が144.7°となるようにエッチングすることにより4H-SiC(03-38)面あるいは6H-SiC(01-14)面としている。
図6は、半導体基板14の面方位とトレンチ11の面方位を示すための構造図である。半導体基板14の主表面<11-20>方向から見たときのトレンチ11外周の形状を六角形とするものである。トレンチ11の各側面に1から6までの番号をつけると、面1,4は<1-100>方向に対して54.7°の角度をなす4H-SiC(03-38)面あるいは6H-SiC(01-14)面である。面2,5は<1-100>方向と同じく54.7°の角度を成し、かつ面1,4と70.6°の角度をなす面1,4とは別の4H-SiC(03-38)面あるいは6H-SiC(01-14)面である。さらに面3,6は<0001>方向に平行であり、(1-100)面である。
FIG. 5 is a structural diagram for illustrating the plane orientation of the
FIG. 6 is a structural diagram for illustrating the plane orientation of the
図1の製造工程の工程断面図において、(03-38)面を主表面とするn型4H-SiCあるいは(01-14)面を主表面とするn型6H-SiC基板1上に順次、熱CVD法により5μm、1016cm-3のn型ドリフト層2、1μm、1017cm-3のp型ベース層3、0.5μm、1019cm-3のn型ソース層4をエピタキシャル成長させる。その基板1をソース層4、ベース層3を部分的に完全に除去できる深さまで反応性イオンエッチング法により垂直にエッチングして、2.1μmの深さとなるようにトレンチ11を形成する。この場合、トレンチ11の側壁のMOS界面が(11-20)面となるように4H-SiC<03-38>あるいは6H-SiC<01-14>方向から見たときのトレンチ外周の長方形の長辺が<1-100>方向に平行になるようにエッチングする。その後、30nm程度のゲート酸化膜6を形成する。さらにゲートトレンチ部をすべて覆うようにボロンをドーピングしたポリSiを堆積してゲート電極7とする。さらにこのポリSi電極の表面のみを酸化して層間絶縁膜10としての酸化膜を形成する。その後、反応性イオンエッチングにより、選択的にn型ソース層4の一部をp型ベース層3が露出するまで除去する。その後この露出されたpベース層3に金属電極8aを形成する。その後nソースコンタクト用の金属を形成してソース電極8とし、裏面の酸化膜を除去してドレイン電極9を形成する。
図7は、半導体基板14の面方位とトレンチ11の面方位を示すための構造図であり、(a)は平面図,(b)は(a)のA−A線の断面図である。トレンチ11の側壁のMOS界面が(11-20)面となるように半導体基板14の主表面4H-SiC(03-38)面あるいは6H-SiC(01-14)面から見たときのトレンチ外周の長方形の長辺が<11-20>方向と垂直となるようにエッチングしている。
In the process cross-sectional view of the manufacturing process of FIG. 1, the n-
7A and 7B are structural diagrams for illustrating the plane orientation of the
図1の製造工程の工程断面図において、(1-100)面を主表面とするn型4H-SiCあるいは6H-SiC基板1上に順次、熱CVD法により5μm、1016cm-3のn型ドリフト層2、1μm、1017cm-3のp型ベース層3、0.5μm、1019cm-3のn型ソース層4をエピタキシャル成長させる。その基板1をソース層4、ベース層3を部分的に完全に除去できる深さまで反応性イオンエッチング法により垂直にエッチングして、2.1μmの深さとなるようにトレンチ11を形成する。その後、30nm程度のゲート酸化膜6を形成する。さらにゲートトレンチ部をすべて覆うようにボロンをドーピングしたポリSiを堆積してゲート電極7とする。さらにこのポリSi電極の表面のみを酸化して層間絶縁膜10としての酸化膜を形成する。その後、反応性イオンエッチングにより、選択的にn型ソース層4の一部をp型ベース層3が露出するまで除去する。その後この露出されたpベース層3に金属電極8aを形成する。その後nソースコンタクト用の金属を形成してソース電極8とし、裏面の酸化膜を除去してドレイン電極9を形成する。
In the process cross-sectional view of the manufacturing process of FIG. 1, an n-
図8は半導体基板14の面方位とトレンチ11の面方位を示すための構造図であり、(a)は平面図,(b)は(a)のA−A線の断面図である。この場合、トレンチ11の側壁のMOS界面が一対の対向した(01-10)面と(-1010)面となるように[1-100]方向から見たときのトレンチ外周の長方形の長辺が[0001]に平行であり、かつトレンチ外周の長方形の長辺を含む面が(1-100)面に対して成す角ができるだけ60°に近づくようにエッチングする。このように斜めの角度でエッチングするためには、エッチングマスクをテーパ状にすることと、ガス圧を横方向エッチングを促進することが効果的である。
図9は半導体基板14の面方位とトレンチ11の面方位を示すための構造図であり、(a)は平面図,(b)は(a)のA−A線の断面図、(c)はトレンチの側壁の結晶面を説明するための説明図である。トレンチ11の側壁のMOS界面が一対の対向した4H-SiC(03-38)面と4H-SiC(0-338)面あるいは6H-SiC(01-14)面と6H-SiC(0-114)面となるように[01-10]方向から見たときのトレンチ外周の長方形の長辺が[-2110]方向に平行であり、かつトレンチ外周の長方形の長辺を含む面が(01-10)面に対して成す角ができるだけ35.3°に近づくようにエッチングしている。
8A and 8B are structural views for showing the plane orientation of the
9A and 9B are structural views for showing the plane orientation of the
図1の製造工程の工程断面図において、(1-100)面を主表面とするn型4H-SiCあるいは6H-SiC基板1上に順次、熱CVD法により5μm、1016cm-3のn型ドリフト層2、1μm、1017cm-3のp型ベース層3、0.5μm、1019cm-3のn型ソース層4をエピタキシャル成長させる。その基板をソース層4、ベース層3を部分的に完全に除去できる深さまで反応性イオンエッチング法により垂直にエッチングして、2.1μmの深さとなるようにトレンチ11を形成する。その後、30nm程度のゲート酸化膜6を形成する。さらにゲートトレンチ部をすべて覆うようにボロンをドーピングしたポリSiを堆積してゲート電極7とする。さらにこのポリSi電極の表面のみを酸化して酸化膜を形成する。その後、反応性イオンエッチングにより、選択的にn型ソース層4の一部をp型ベース層3が露出するまで除去する。その後この露出されたpベース層3に金属電極8aを形成する。その後nソースコンタクト用の金属を形成してソース電極8とし、裏面の酸化膜を除去してドレイン電極9を形成する。
In the process cross-sectional view of the manufacturing process of FIG. 1, an n-
図10は半導体基板14の面方位とトレンチ11の面方位を示すための構造図であり、(a)は平面図,(b)は(a)のA−A線の主表面の断面図、(c)はA−A線の主裏面の断面図である。この場合、<0001>方向から見たときのトレンチ11外周の長方形の長辺が[-2110]に平行であり、かつトレンチ外周の長方形の長辺を含む面が(0001)面に対して成す角ができるだけ54.7°に近づくようにエッチングする。そうすると、4H-SiC{03-38}面あるいは6H-SiC{01-14}面に近い面を露出させることができる。このように斜めの角度でエッチングするためには、エッチングマスクをテーパ状にすることと、ガス圧を横方向エッチングを促進することが効果的である。
10A and 10B are structural views for showing the plane orientation of the
MOSFET,IGBTが用いられるインバータ装置等の電力変換装置ばかりでなく、温度等の使用環境が厳しい自動車用電装品のスイッチング素子として適用できる。 It can be applied not only to power conversion devices such as inverter devices using MOSFETs and IGBTs, but also to switching elements for automotive electrical components where the usage environment such as temperature is severe.
1 炭化珪素基板
2 N型ドリフト層
3 ベース領域
4 ソース領域
5 チャネル領域
6 ゲート酸化膜
7 ゲート電極
8 ソース電極
9 ドレイン電極
10 層間絶縁膜
11 トレンチ
14 半導体基板
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