JP7122229B2 - Semiconductor device and power converter using the same - Google Patents
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- H01L29/7806—Vertical DMOS transistors, i.e. VDMOS transistors structurally associated with at least one other device the other device being a Schottky barrier diode
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/86—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable only by variation of the electric current supplied, or only the electric potential applied, to one or more of the electrodes carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched
- H01L29/861—Diodes
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Description
本発明は、パワー半導体装置およびそれを用いた電力変換装置、モータシステム、自動車、鉄道車両に関する。 The present invention relates to a power semiconductor device, a power conversion device using the same, a motor system, an automobile, and a railway vehicle.
パワー半導体デバイスの一つであるパワー金属絶縁膜半導体電界効果トランジスタ(MISFET:Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)において、従来、珪素(Si)基板を用いたパワーMISFET(以下、SiパワーMISFETと記す)が主流であった。 In a power metal insulator semiconductor field effect transistor (MISFET), which is one of power semiconductor devices, a power MISFET using a silicon (Si) substrate (hereinafter referred to as a Si power MISFET) has conventionally been used. was mainstream.
これに対して、炭化珪素(SiC)基板(以下、SiC基板と記す)を用いたパワーMISFET(以下、SiCパワーMISFETと記す)はSiパワーMISFETと比較して、高耐圧化および低損失化が可能である。このため、省電力または環境配慮型のインバータ技術の分野において、特に注目が集まっている。 On the other hand, a power MISFET using a silicon carbide (SiC) substrate (hereinafter referred to as a SiC substrate) (hereinafter referred to as a SiC power MISFET) has higher breakdown voltage and lower loss than the Si power MISFET. It is possible. For this reason, particular attention is focused in the field of power-saving or environmentally friendly inverter technology.
SiCパワーMISFETは、SiパワーMISFETと比較して、同耐圧ではオン抵抗の低抵抗化が可能である。これは、炭化珪素(SiC)は、珪素(Si)と比較して絶縁破壊電界強度が約7倍と大きく、ドリフト層となるエピタキシャル層を薄くできることに起因する。しかし、炭化珪素(SiC)から得られるべき本来の特性から考えると、未だ十分な特性が得られているとは言えず、エネルギーの高効率利用の観点から、更なるオン抵抗の低減が望まれている。 Compared to Si power MISFET, SiC power MISFET can lower the on-resistance at the same breakdown voltage. This is because silicon carbide (SiC) has a dielectric breakdown field strength about seven times as large as that of silicon (Si), and the epitaxial layer that becomes the drift layer can be made thinner. However, considering the original characteristics that should be obtained from silicon carbide (SiC), it cannot be said that sufficient characteristics have been obtained yet, and from the viewpoint of highly efficient use of energy, further reduction in on-resistance is desired. ing.
特許文献1には従来のDMOS(Double diffused Metal Oxide Semiconductor)構造の高いチャネル寄生抵抗を、(0001)面の基板にボディ層の内部に溝を掘るようにトレンチを形成することで、高チャネル移動度の(11-20)面や(1-100)面を利用して、実効的なチャネル幅を広くすることが開示されている(以下、この構造をトレンチ型DMOSと呼称する)。これにより、オフ時におけるトレンチ底部の信頼性を損ねることなくチャネル寄生抵抗を低減し、オン抵抗を低減することができる。
In
また、特許文献2には基板表面に浅くボディ層と同じ極性の不純物領域(以後、電界緩和層と呼称する)を形成することで、トレンチ型DMOSの耐圧を高めた構造が開示されている。
Further,
特許文献1のトレンチ型DMOSにおいてはトレンチ底部をボディ層内に形成するため、ボディ層より高濃度の電流拡散層を形成する必要がある。この電流拡散層はエピタキシャル層に比べて非常に高濃度となるため、デバイスの高耐圧化に必要な空乏層の形成が困難になり、耐圧が低下するおそれがある。また、電流拡散層-ボディ層間の相対的な形成位置のオフセット(以後、合わせズレと呼称する)によって、ボディ層の間に存在するJFET領域内に高濃度領域が形成されてしまい、空乏化が阻害された結果、チップ内の最弱セルで決定する耐圧が大幅に低下する可能性がある。
In the trench type DMOS disclosed in
なお、特許文献2の電界緩和層は基板表面に形成するため、電流拡散層の合わせズレに対しては効果がない。
Since the electric field relaxation layer of
本発明の目的は、トレンチ型DMOSの電流拡散層による耐圧低下を改善し、高性能かつ高信頼性を期待できる半導体装置を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a semiconductor device capable of improving the breakdown voltage drop due to the current diffusion layer of a trench type DMOS and having high performance and high reliability.
本発明の一実施態様である半導体装置は、第1導電型のSiC基板と、SiC基板の第1主面に形成され、SiC基板の不純物濃度よりも低い不純物濃度を有する第1導電型のエピタキシャル層と、SiC基板の第1主面に対向する第2主面に形成されるドレイン領域と、エピタキシャル層に形成される第2導電型の第1及び第2のボディ層と、第1のボディ層に形成される第1導電型の第1のソース領域と、第1及び第2のボディ層に挟まれたエピタキシャル層であるJFET領域と第1のボディ層とに接し、エピタキシャル層の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する第1導電型の第1の第1領域と、JFET領域に形成される第2導電型の第2領域と、第1のソース領域、第1のボディ層及び第1の第1領域に延在して形成される第1のトレンチと、第1のトレンチの内壁に形成される絶縁膜と、第1のトレンチの絶縁膜上に形成されるゲート電極とを有する。 A semiconductor device according to an embodiment of the present invention includes a first conductivity type SiC substrate and a first conductivity type epitaxial layer formed on a first main surface of the SiC substrate and having an impurity concentration lower than that of the SiC substrate. a layer, a drain region formed on a second main surface facing the first main surface of the SiC substrate, first and second body layers of a second conductivity type formed on the epitaxial layer, and a first body. The impurity concentration of the epitaxial layer is in contact with the first source region of the first conductivity type formed in the layer and the JFET region, which is an epitaxial layer sandwiched between the first and second body layers, and the first body layer. a first region of a first conductivity type having an impurity concentration higher than the impurity concentration; a second region of a second conductivity type formed in the JFET region; a first source region; a first body layer; an insulating film formed on the inner wall of the first trench; and a gate electrode formed on the insulating film of the first trench.
高性能かつ高信頼性の半導体装置を提供する。 To provide a semiconductor device with high performance and high reliability.
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。 Other problems and novel features will become apparent from the description of the specification and the accompanying drawings.
以下の実施の形態において、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。 In the following embodiments, when necessary, they are divided into a plurality of sections or embodiments for explanation, but unless otherwise specified, they are not unrelated to each other, and one There is a relationship of part or all of the modification, details, supplementary explanation, etc.
また、以下の実施の形態で用いる図面においては、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。また、以下の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。 Further, in the drawings used in the following embodiments, even a plan view may be hatched to make the drawing easier to see. In addition, in all the drawings for explaining the following embodiments, in principle, the same reference numerals are given to the components having the same functions, and the repeated description thereof will be omitted. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
≪炭化珪素半導体装置≫
実施例1に係る炭化珪素半導体装置の構造について図1を用いて説明する。図1は複数のSiCパワーMISFETが搭載された半導体チップの要部上面図である。
<<Silicon carbide semiconductor device>>
A structure of a silicon carbide semiconductor device according to Example 1 will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a top view of essential parts of a semiconductor chip on which a plurality of SiC power MISFETs are mounted.
図1に示すように、炭化珪素半導体装置を搭載する半導体チップ1は、複数のnチャネル型のSiCパワーMISFETが並列接続されたソース配線用電極2の下方に位置するアクティブ領域(SiCパワーMISFET形成領域、素子形成領域)と、平面視においてアクティブ領域を囲む周辺形成領域とによって構成される。周辺形成領域には、平面視においてアクティブ領域を囲むように形成された複数のp型のフローティング・フィールド・リミッティング・リング(FLR:Floating Field Limited Ring)3と、さらに平面視において複数のp型のFLR3を囲むように形成されたn型のガードリング4が形成されている。
As shown in FIG. 1, a
n型の炭化珪素(SiC)エピタキシャル基板(以下、SiCエピタキシャル基板と記す)のアクティブ領域の表面側に、SiCパワーMISFETのゲート電極、n++型のソース領域、およびチャネル領域等が形成され、SiCエピタキシャル基板の裏面側に、SiCパワーMISFETのn+型のドレイン領域が形成されている。 On the surface side of the active region of an n-type silicon carbide (SiC) epitaxial substrate (hereinafter referred to as SiC epitaxial substrate), a gate electrode of a SiC power MISFET, an n ++ -type source region, a channel region, and the like are formed. An n + -type drain region of the SiC power MISFET is formed on the back side of the epitaxial substrate.
複数のp型のFLR3をアクティブ領域の周辺に形成することにより、オフ時において、最大電界部分が順次外側のp型のFLR3へ移り、最外周のp型のFLR3で降伏するようになるので、炭化珪素半導体装置を高耐圧とすることが可能となる。図1では、3個のp型のFLR3が形成されている例を図示しているが、これに限定されるものではない。また、n++型のガードリング4は、アクティブ領域に形成されたSiCパワーMISFETを保護する機能を有する。
By forming a plurality of p-
アクティブ領域内に形成された複数のSiCパワーMISFET6は、平面視においてストライプパターンを有しており、それぞれのストライプパターンに接続する引出配線(ゲートバスライン)によって、全てのSiCパワーMISFETのゲート電極はゲート配線用電極8と電気的に接続している。 A plurality of SiC power MISFETs 6 formed in the active region has a stripe pattern in a plan view, and the gate electrodes of all SiC power MISFETs are connected to the respective stripe patterns by lead wiring (gate bus lines). It is electrically connected to the gate wiring electrode 8 .
また、複数のSiCパワーMISFETはソース配線用電極2に覆われており、それぞれのSiCパワーMISFETのソースおよびボディ層の電位固定層はソース配線用電極2に接続されている。ソース配線用電極2は半導体チップ1を保護するパッシベーション膜に設けられたソース開口部7を通じて外部配線と接続されている。ゲート配線用電極8は、ソース配線用電極2と離間して形成されており、それぞれのSiCパワーMISFETのゲート電極と接続されている。ゲート配線用電極8も同様に、半導体チップ1を保護するパッシベーション膜に設けられているゲート開口部5を通じて外部配線と接続されている。また、n型のSiCエピタキシャル基板の裏面側に形成されたn+型のドレイン領域は、n型のSiCエピタキシャル基板の裏面全面に形成されたドレイン配線用電極(図示せず)と電気的に接続している。
A plurality of SiC power MISFETs are covered with a
次に、本実施の形態におけるSiCパワーMISFETの構造について説明する。図2AはSiCパワーMISFETの要部鳥瞰図である。 Next, the structure of the SiC power MISFET in this embodiment will be described. FIG. 2A is a bird's-eye view of the essential parts of the SiC power MISFET.
炭化珪素(SiC)からなるn+型のSiC基板107の表面(第1主面)上に、n+型のSiC基板よりも不純物濃度の低い炭化珪素(SiC)からなるn-型のエピタキシャル層101が形成されている。n-型のエピタキシャル層101はドリフト層として機能する。エピタキシャル層101の厚さは、例えば5~50μm程度である。
An n − -type epitaxial layer made of silicon carbide (SiC) having an impurity concentration lower than that of the n + -type SiC substrate on the surface (first main surface) of an n + -
エピタキシャル層101の表面から所定の深さを有して、エピタキシャル層101内にp型のボディ層(ウェル領域)102が形成されている。また、エピタキシャル層101の表面から所定の深さを有して、p型のボディ層102内に窒素を不純物とするn+型のソース領域103が形成されている。
A p-type body layer (well region) 102 is formed in
隣接するボディ層102a及びボディ層102bに挟まれたエピタキシャル層101の一部をJFET領域104と呼称する。p型のボディ層102及びJFET領域104に延在するように、エピタキシャル層101の表面から所定の深さを有して、n+型の電流拡散層105が形成されている。n+型の電流拡散層105aとn+型の電流拡散層105bに挟まれた領域の一部には、p型の電位固定層130が形成されている。このp型の電位固定層130は、電流拡散層105と接していてもよい。また、必ずしも隣り合う2つの電流拡散層105a及び電流拡散層105bの中央に位置していなくてもよい。
A part of the
n++型のソース領域103から、p型のボディ層102を渡って、n+型の電流拡散層105にかかるようにトレンチ106が複数形成されている。トレンチ106の底面はp型のボディ層102に接している。図2Aには図示していないが、トレンチ106上には、後述するように、ゲート絶縁膜110及び絶縁膜117が形成されている。ゲート絶縁膜110上には、ゲート電極111が形成されている。
A plurality of
図2Bに素子形成部の終端領域の鳥瞰図を示す。JFET領域104はp型のボディ層102で終端されており、p型の電位固定層130は終端部を形成するボディ層102に接続していても良いし、していなくても良い。電位固定層130がボディ層102に接続されていない場合には、p型の電位固定層130の電位はゲートオフ時においてはゲート電位とほぼ等しい値に固定される。電位固定層130の電位は、ゲート電位に対するpnダイオードとゲート絶縁膜との容量分圧で決まるが、一般にpnダイオードの容量の方が遥かに低容量であるためである。一方、ボディ層102に接続されている場合は、p型のボディ層102を通じてソース電極と接続され、ソース電位に固定される。電位固定層130とボディ層102とを接続しない場合、その隙間幅d1は周期構造におけるp型の電位固定層130とp型のボディ層102の隙間幅d2より小さい方が好ましい。これは隙間幅が広い程耐圧が低下することから、耐圧低下に起因して終端部から破壊が生じることを避けるためである。
FIG. 2B shows a bird's-eye view of the termination region of the element forming portion. The
図3A~図5を参照して、実施例1の構造を詳細に説明する。図3Aは、図2Aにおいてトレンチの長手方向に平行でトレンチが形成されている領域を通る基板主面上の線分AA’を含み、SiC基板主面に垂直な面における断面構造である。図3Aに示すように、ソースコンタクト領域(金属シリサイド層)113を除いて、ボディ層102に挟まれるJFET領域104表面の平坦部139を含む基板主面134上に絶縁膜117が形成されており、ゲート電極111はソース領域103とボディ層102および電流拡散層105に延在するようにゲート絶縁膜110および絶縁膜117上に形成され、隣接するトレンチと繋がっている。
The structure of Example 1 will be described in detail with reference to FIGS. 3A to 5. FIG. FIG. 3A is a cross-sectional structure in a plane perpendicular to the main surface of the SiC substrate that includes a line segment AA' on the main surface of the substrate that is parallel to the longitudinal direction of the trench and passes through the region where the trench is formed in FIG. 2A. As shown in FIG. 3A, except for the source contact region (metal silicide layer) 113, the insulating
一方、図3Bは図2Aにおいてトレンチの長手方向に平行でトレンチが形成されていない領域を通る基板主面上の線分BB’を含み、SiC基板主面に垂直な面における断面構造である。基板主面にはソースコンタクト領域113を除いて全面に絶縁膜117が存在し、ゲート電極111はソース領域103とボディ層102および電流拡散層105、JFET領域104およびp型の電位固定層130に延在するように絶縁膜117上に形成されている。
On the other hand, FIG. 3B is a cross-sectional structure in a plane perpendicular to the main surface of the SiC substrate that includes a line segment BB′ on the main surface of the substrate that is parallel to the longitudinal direction of the trench in FIG. 2A and passes through a region where no trench is formed. An insulating
図4は図2Aにおいてトレンチの長手方向に垂直でp型の電位固定層130が形成されている領域を通る基板主面上の線分CC’を含み、SiC基板表面に垂直な面における断面構造である。SiC基板表面には絶縁膜117が存在し、ゲート電極111は絶縁膜117上で隣接セルと繋がっている。p型の電位固定層130はSiC基板表面から所定の深さで形成され、隣接セルと繋がっている。アクティブ領域の終端部分においては、先に述べた通り、p+型の電位固定層130はボディ層120と接続されていても良いし、接続されていなくても良い。
FIG. 4 shows a cross-sectional structure in a plane perpendicular to the SiC substrate surface, including a line segment CC′ on the main surface of the substrate which is perpendicular to the longitudinal direction of the trench and passes through the region where the p-type potential fixed
p型のボディ層102のエピタキシャル層101の表面からの深さ(第1深さL1)は、例えば0.5~2.0μm程度である。また、n++型のソース領域103のエピタキシャル層101の表面からの深さ(第3深さL3)は、例えば0.1~1.0μm程度である。n+型の電流拡散層105のエピタキシャル層101の表面からの深さ(第4深さL4)は、例えば0.1~1.0μm程度である。p型のボディ層102とn+型の電流拡散層105との重ならない幅W1は、例えば0.1~2.0μm程度である。トレンチ106のエピタキシャル層101の表面からの深さ(第6深さL6)は、p型のボディ層102のエピタキシャル層101の表面からの深さ(第1深さL1)よりも浅く、例えば0.1~1.5μm程度である。トレンチ106のチャネル長に並行な方向の長さは、例えば0.5~3.0μm程度である。トレンチ106のチャネル幅に並行な方向の長さは、例えば0.1~2.0μm程度である。チャネル幅に並行な方向のトレンチ間隔は、例えば0.1~2.0μm程度である。p++型のボディ層コンタクト領域109のエピタキシャル層101の表面からの深さ(第2深さL2)は、例えば0.1~0.5μm程度である。p型の電位固定層130の深さは例えば0.1~2.0μm程度であり、幅はJFET領域104より狭く、例えば0.1~5.0μm程度である。n+型の電流拡散層105とp型の電位固定層130との間隔は、任意に指定することができ、例えば0~2.0μm程度である。ゲート絶縁膜110は、例えば膜厚は0.005μmから0.015μmである。厚い絶縁膜117の膜厚は必ずゲート絶縁膜110より厚く、例えば0.1~3.0μm程度である。
The depth (first depth L1) of the p-
なお、「-」および「+」は、導電型がn型またはp型の相対的な不純物濃度を表記した符号であり、例えば「n-」、「n」、「n+」、「n++」の順にn型不純物の不純物濃度は高くなる。 Note that " - " and " + " are symbols representing the relative impurity concentration of n-type or p-type conductivity, for example, "n-" , "n", "n + ", "n ++ , the impurity concentration of the n-type impurity increases in the order of .
n+型のSiC基板107の不純物濃度の好ましい範囲は、例えば1×1018~1×1021cm-3である。n-型のエピタキシャル層101の不純物濃度の好ましい範囲は、例えば1×1014~1×1017cm-3である。p型のボディ層102の不純物濃度の好ましい範囲は、例えば1×1016~1×1019cm-3である。p型のボディ層102の最大不純物濃度の好ましい範囲は、例えば1×1017~1×1019cm-3である。また、n++型のソース領域103の不純物濃度の好ましい範囲は、例えば1×1019~1×1021cm-3である。n+型の電流拡散層105の不純物濃度の好ましい範囲は、例えば5×1016~5×1018cm-3である。p++型のボディ層コンタクト領域109の不純物濃度の好ましい範囲は、例えば1×1019~1×1021cm-3の範囲である。p型の電位固定層130の最大不純物濃度の好ましい範囲は、n+型の電流拡散層105の不純物濃度より高く、1×1016~1×1019cm-3である。
A preferable range of the impurity concentration of the n + -
次に 、実施例1に係るSiCパワーMISFETの構成の特徴を、図5~図7を参照して説明する。 Next, features of the configuration of the SiC power MISFET according to Example 1 will be described with reference to FIGS. 5 to 7. FIG.
従来のトレンチ型DMOSのチャネルオフ時における空乏層の構造を、図5を参照して説明する。JFET領域104上部のSiCエピタキシャル基板表面141から伸びる空乏層の端部140aと、ボディ層102から伸びる空乏層の端部140bおよび140cとが、ドレイン-ソース印加電圧の増加に伴い発展していく。SiCエピタキシャル基板表面141から伸びる空乏層の端部140aと、ボディ層102から伸びる空乏層の端部140bおよび140cとが接触することによってJFET領域が空乏化により絶縁される。これによってJFET領域104の電位を低減し、ゲート絶縁膜110にかかる電界で決定されるゲート-ドレイン耐圧、及び主にボディ層102とJFET領域104あるいはエピタキシャル層101との接合部にかかる電界で決定される主耐圧を高めることができる。このとき、電流拡散層105はJFET領域104と比べて高濃度のため、電流拡散層105においては空乏層が発展しにくい。したがって、電流拡散層105に合わせズレが生じると、この空乏化は大きな影響を受けて、耐圧が大幅に低下する。
The structure of the depletion layer of the conventional trench-type DMOS when the channel is off will be described with reference to FIG. A
従来のトレンチ型DMOSにおいて、電流拡散層105に合わせズレが生じた場合における空乏層の構造を、図6を参照して説明する。電流拡散層105が基板水平右側にシフトした場合、空乏層の端部140aの起点が左側のボディ層102から遠くなることにより、空乏層の端部140aと空乏層の端部140bの結合が困難となり、この結果、ゲート絶縁膜110の表面近傍の電位及びJFET領域104の電位がドレイン電位のままとなり、ゲート絶縁膜110あるいはボディ層102とJFET領域104との接合部分に高電界がかかることで絶縁破壊に至る。パワーデバイスの耐圧は、多数に並列されたセルの耐圧のうち最小のもので決定される(最小リングモデルという)。合わせズレとしては、リソグラフィの基準マークに対するボディ層102のズレ、電流拡散層105のズレ及びマスクの回転などをすべて足し合わせた合わせズレを想定する必要があり、特にJFET領域104の幅が大きいデバイスにおいては合わせズレに伴う耐圧低下は顕著になる。
The structure of the depletion layer in the conventional trench type DMOS when misalignment occurs in the
実施例1のデバイス構造により、空乏層の構造が改善されることを、図7を参照して説明する。図7のデバイスにおいても、図6と同様に電流拡散層105が基板水平右側にシフトしているものとする。この場合、図6に示したトレンチ型DMOSと異なり、SiC基板表面からの空乏層の端部140aに代わり、p型の電位固定層130からの空乏層の端部140dが発展する。この空乏層の端部140dの起点はSiCエピタキシャル基板表面141から深い位置にあるため、この発展に電流拡散層105の影響を受けにくい。したがって電流拡散層105の合わせズレが生じた場合においても空乏化を可能とし、最少リングモデルで決定される素子全体の耐圧を改善する。
The fact that the device structure of Example 1 improves the structure of the depletion layer will be described with reference to FIG. Also in the device of FIG. 7, it is assumed that the
さらには、p型の電位固定層130の存在する領域はドレイン-ゲート電極間においてJFET領域104-電位固定層130のpnダイオードが直列に挿入されるため、帰還容量が大幅に低減される。また、適切にp型の電位固定層130のp型のボディ層102に対するアスペクト比を設計することによって、空乏化を調整できるため、帰還容量-ドレイン電圧特性を好ましい特性に制御可能になる。この効果によってスイッチング損失の低減及び誤点弧などの動的な特性に対する信頼性が向上する。以上のように、実施例1の構造によって、従来のMOS構造やトレンチMOS構造よりも低い損失と高い信頼性とを同時に実現するデバイスの提供が可能になる。
Furthermore, in the region where the p-type potential fixed
また、高いチャネル移動度と広いチャネル幅を有するトレンチ型DMOSの長所を維持しながら、耐圧を改善し、かつスイッチング特性を向上できるため、高信頼かつ高性能なSiCパワーMISFETを提供することが可能になる。 In addition, it is possible to improve the breakdown voltage and switching characteristics while maintaining the advantages of trench type DMOS with high channel mobility and wide channel width, so it is possible to provide a highly reliable and high performance SiC power MISFET. become.
≪炭化珪素半導体装置の製造方法≫
実施例1による炭化珪素半導体装置の製造方法について、以下図面を用いて工程順に説明する。図8は実施例1における半導体装置の製造方法を説明する工程図である。
<<Method for Manufacturing Silicon Carbide Semiconductor Device>>
A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to Example 1 will be described below in order of steps with reference to the drawings. 8A to 8D are process diagrams for explaining the manufacturing method of the semiconductor device according to the first embodiment.
<工程P1>
工程P1ではエピタキシャル層(ドリフト層)を形成する。まず、図9に示すように、n+型の4H-SiC基板107を用意する。n+型のSiC基板107には、n型不純物が導入されている。このn型不純物は、例えば窒素(N)であり、このn型不純物の不純物濃度は、例えば1×1018~1×1021cm-3の範囲である。また、n+型のSiC基板107は珪素面と炭素面と異方性のある極性面を有しており、本実施の形態においてはn+型のSiC基板107の表面は(0001)珪素面とするが、炭素面の利用をなんら制限するものではない。
<Process P1>
In step P1, an epitaxial layer (drift layer) is formed. First, as shown in FIG. 9, an n + -type 4H—
次に、n+型のSiC基板107の表面(第1主面)にエピタキシャル成長法により炭化珪素(SiC)のn-型のエピタキシャル層101を形成する。n-型のエピタキシャル層101には、n+型のSiC基板107の不純物濃度よりも低いn型不純物が導入されている。n-型のエピタキシャル層101の不純物濃度はSiCパワーMISFETの素子定格に依存するが、例えば1×1014~1×1017cm-3の範囲である。また、n-型のエピタキシャル層101の厚さは、例えば5~50μmである。以上の工程により、n+型のSiC基板107およびn-型のエピタキシャル層101を有するSiCエピタキシャル基板が形成される。
Next, an n − -
<工程P2>
工程P2では各種不純物を注入する。図9に示すように、n+型のSiC基板107の裏面(第2主面)から所定の深さ(第7深さL7)を有して、n+型のSiC基板107の裏面にn+型のドレイン領域108を形成する。n+型のドレイン領域108の不純物濃度は、例えば1×1019~1×1021cm-3の範囲である。
<Process P2>
Various impurities are implanted in process P2. As shown in FIG. 9 , n + -
次に、図10Aに示すように、n-型のエピタキシャル層101の表面上に、マスクM11を形成する。マスクM11の厚さは、例えば1.0~3.0μm程度である。素子形成領域におけるマスクM11の幅は、例えば1.0~10.0μm程度である。マスク材料としては無機材料のSiO2膜、Si膜、SiN膜や有機材料のレジスト膜、ポリイミド膜などを用いることができる。
Next, as shown in FIG. 10A, a mask M11 is formed on the surface of the n − -
次に、マスクM11越しに、n-型のエピタキシャル層101にp型不純物、例えばアルミニウム原子(Al)をイオン注入する。これにより、n-型のエピタキシャル層101の素子形成領域にp型のボディ層102を形成する。なお、図示は省略するが、同時に素子形成領域周辺にp型のFLR3を形成する。終端部の構造としては、これに限定されるものではなく、例えばジャンクション・ターミネーション・エクステンション(JTE:Junction Termination Extension)構造であってもよい。なお、このp型のFLR3はこの工程とは別のマスクを用いて形成しても良い。
Next, p-type impurities such as aluminum atoms (Al) are ion-implanted into the n − -
p型のボディ層102のエピタキシャル層101の表面からの深さ(第1深さL1)は、例えば0.5~2.0μm程度である。また、p型のボディ層102の不純物濃度は、例えば1×1016~1×1019cm-3の範囲である。また、p型のボディ層102の最大不純物濃度は、例えば1×1017~1×1019cm-3の範囲である。
The depth (first depth L1) of the p-
次に、図10Bに示すように、マスクM11を除去した後、マスクM12を形成する。マスクM12の厚さは、例えば0.5~3.0μm程度である。素子形成領域におけるマスクM12の幅は、例えば2.0~10.0μm程度である。マスクM12は例えば、レジスト膜で形成する。 Next, as shown in FIG. 10B, after removing the mask M11, a mask M12 is formed. The thickness of the mask M12 is, for example, about 0.5 to 3.0 μm. The width of the mask M12 in the element forming region is, for example, about 2.0 to 10.0 μm. The mask M12 is formed of, for example, a resist film.
次に、マスクM12越しに、n-型のエピタキシャル層101にp型不純物、例えばアルミニウム原子(Al)をイオン注入する。これにより、p型のボディ層102の間のJFET領域104内にp型の電位固定層130を形成する。p型の電位固定層130のエピタキシャル層101の表面からの深さは、例えば0.1~2.0μm程度である。また、p型の電位固定層130の不純物濃度は、例えば1×1016~1×1019cm-3の範囲である。
Next, p-type impurities such as aluminum atoms (Al) are ion-implanted into the n − -
以上のp型のボディ層102及びp型の電位固定層130の形成方法は、セルフアライン化することが可能である。図10Cに示すように、マスクMSA1を形成し、これに部分的に重複するようにマスクMSA2を形成する。このマスクMSA1及びマスクMSA2越しにイオン注入によってp型のボディ層102を形成する。続いて、図10Dに示すように、マスクMSA2を選択的に除去した後、マスクMSA1に部分的に重複するようにマスクMSA3を形成する。マスクMSA1及びマスクMSA3越しにイオン注入によってp型の電位固定層130を形成する。マスクMSA1はマスクMSA2及びマスクMSA3の除去時にエッチングされない材料を用いる。例えば、マスクMSA1にはSiO2膜、Si膜、SiN膜を用い、マスクMSA2及びマスクMSA3にはレジスト膜を用いることができる。マスクMSA1、マスクMSA2、マスクMSA3の厚さは、例えば0.5~3.0μm程度である。マスクMSA1の幅は、例えば1.0~5.0μm程度である。マスクMSA2、マスクMSA3の幅はそれぞれマスクM11、マスクM12の値からマスクMSA1との重複幅を引いた値である。マスクMSA1とマスクMSA2あるいはマスクMSA3の重複幅は、0.3μm~4.7μmである。この重複幅は使用するリソグラフィ装置の想定される合わせズレ幅より大きくすることが好ましい。以上の工夫によって、p型のボディ層102とp型の電位固定層130の相対位置の精度を高め、素子の耐圧及び損失を改善し、歩留まりを向上させることができる。
The method of forming the p-
次に、図11に示すように、基板上のすべてのマスクを除去した後、マスクM13を例えば、レジスト膜で形成する。マスクM13の厚さは、例えば、0.5~3.0μm程度である。マスクM13の幅は、例えば、0.5~4.0μm程度である。マスクM13は、n++型のソース領域103形成部を開口する。また、図示は省略するが、マスクM13には、FLR3の外周にガードリング4が形成される領域にも開口部が設けられている。マスクM13越しに、p型のボディ層102にn型不純物、例えば窒素原子(N)やリン原子(P)をイオン注入して、n++型のソース領域103を形成し、図示は省略するが、周辺形成領域にn++型のガードリング4を形成する。
Next, as shown in FIG. 11, after removing all the masks on the substrate, a mask M13 is formed of, for example, a resist film. The thickness of the mask M13 is, for example, approximately 0.5 to 3.0 μm. The width of the mask M13 is, for example, about 0.5 to 4.0 μm. The mask M13 opens the n ++ -
次に、図12に示すように、マスクM13を除去し、マスクM14を形成する。マスクM14は例えば、レジスト膜で形成する。マスクM14の厚さは、例えば、0.5~3.0μm程度である。マスクM14はp++型のボディ層コンタクト領域109形成部を開口する。マスクM14越しに、p型のボディ層102にp型不純物をイオン注入して、p++型のボディ層コンタクト領域109を形成する。p++型のボディ層コンタクト領域109のp型のボディ層102の表面からの深さ(第2深さL2)は、例えば0.1~0.5μm程度である。p++型のボディ層コンタクト領域109の不純物濃度は、例えば1×1019~1×1021cm-3の範囲である。
Next, as shown in FIG. 12, the mask M13 is removed and a mask M14 is formed. The mask M14 is formed of, for example, a resist film. The thickness of the mask M14 is, for example, approximately 0.5 to 3.0 μm. The mask M14 opens the p ++ type body
次に、図13に示すように、マスクM14を除去し、マスクM15を例えば、レジスト膜で形成する。マスクM15の厚さは、例えば、1~4μm程度である。マスクM15は、n+型の電流拡散層105形成部を開口する。マスクM15越しに、n-型のエピタキシャル層101およびp型のボディ層102にn型不純物をイオン注入して、n+型の電流拡散層105を形成する。
Next, as shown in FIG. 13, the mask M14 is removed and a mask M15 is formed of, for example, a resist film. The thickness of the mask M15 is, for example, approximately 1 to 4 μm. The mask M15 has an opening for forming the n + -type
<工程P3>
工程P3では活性化アニールを行う。マスクM15を除去した後、図示は省略するが、SiCエピタキシャル基板の表面上および裏面上に、例えばプラズマCVD法により炭素(C)膜を堆積する。炭素(C)膜の厚さは、例えば0.03μm程度である。この炭素(C)膜により、SiCエピタキシャル基板の表面および裏面を被覆した後、SiCエピタキシャル基板に1500℃以上の温度で2~3分間程度の熱処理を施す。これにより、SiCエピタキシャル基板にイオン注入した各不純物の活性化を行う。熱処理後に、炭素(C)膜を、例えば酸素プラズマ処理により除去する。
<Step P3>
Activation annealing is performed in step P3. After removing the mask M15, although not shown, a carbon (C) film is deposited on the front and rear surfaces of the SiC epitaxial substrate by plasma CVD, for example. The thickness of the carbon (C) film is, for example, about 0.03 μm. After covering the front and back surfaces of the SiC epitaxial substrate with this carbon (C) film, the SiC epitaxial substrate is subjected to heat treatment at a temperature of 1500° C. or higher for about 2 to 3 minutes. As a result, each impurity ion-implanted into the SiC epitaxial substrate is activated. After the heat treatment, the carbon (C) film is removed by oxygen plasma treatment, for example.
<工程P4>
工程P4ではトレンチを形成する。図14は並列接続されたSiCパワーMISFETの要部上面図、図15Aは、図14のトレンチが形成されている領域を通る線分AA’における要部断面図、図15Bは図14のトレンチが形成されていない領域を通る線分BB’の要部断面図である。図15A、図15Bに示すように、マスクM16を絶縁膜、例えば酸化珪素膜で形成する。マスクM16の厚さは、のちの工程で形成するゲート絶縁膜110より厚い方が好ましく、例えば0.01~4μm程度である。マスクM16には、後の工程においてトレンチ106が形成される領域に開口部分が設けられている(図15A)。以降の工程は、図14の線分AA’における要部断面図である図16~図24を参照して説明する。
<Step P4>
A trench is formed in process P4. 14 is a top view of essential parts of SiC power MISFETs connected in parallel, FIG. 15A is a cross-sectional view of essential parts taken along line segment AA' passing through the region where the trenches of FIG. 14 are formed, and FIG. FIG. 10 is a cross-sectional view of a line segment BB' passing through a non-formed region; As shown in FIGS. 15A and 15B, a mask M16 is formed from an insulating film such as a silicon oxide film. The thickness of the mask M16 is preferably thicker than the
図16に示すように、異方性ドライエッチングプロセスを用いて、n++型のソース領域103と、p型のボディ層102と、n+型の電流拡散層105とに延在するトレンチ106を形成する。形成するトレンチの深さは、p型のボディ層102の深さよりも浅い。形成するトレンチの深さは、例えば0.1~1.5μm程度である。トレンチのチャネル長に並行な方向の長さは、例えば0.5~3.0μm程度である。トレンチのチャネル幅に並行な方向の長さは、例えば0.1~1.0μm程度である。チャネル幅に並行な方向のトレンチ間隔は、例えば0.1~1.0μm程度である。このドライエッチング工程の際に、マスクM16の開口部の肩が丸まって絶縁膜117となり、ボディ層102に挟まれたJFET領域104とゲート電極間、ソース領域103とゲート電極間の絶縁膜信頼性の向上だけでなく、フィールド絶縁膜としても機能する。
As shown in FIG. 16, an anisotropic dry etching process is used to form a
<工程P5>
工程P5ではゲートスタックを形成する。図17に示すように、エピタキシャル層101の表面とトレンチ106表面および厚い絶縁膜117表面上に、等方的な堆積法によってゲート絶縁膜110を形成する。ゲート絶縁膜110は底面135及び側面133aで均一な膜厚となる。ゲート絶縁膜110は、例えば熱CVD法により形成されたSiO2膜からなる。ゲート絶縁膜110の厚さは、例えば0.005~0.15μm程度である。なお、ゲート絶縁膜110はトレンチの底部のみ選択的に厚くしても良く、その場合は例えば炭素面を基板主面に採用し、熱酸化によってゲート絶縁膜110を形成するとよい。絶縁膜117の膜厚はゲート絶縁膜110の膜厚以下でも良いが、より厚い方が好ましい。具体的には、絶縁膜117の膜厚が、ゲート絶縁膜110の膜厚の3倍以上あれば効果的に絶縁膜電界を低減することができる。
<Process P5>
Step P5 forms a gate stack. As shown in FIG. 17, the
次に、図18に示すように、ゲート絶縁膜110上に、多結晶珪素(Si)膜111Aを形成する。多結晶珪素(Si)膜111Aは前工程で堆積した絶縁膜110の表面に沿って堆積される。絶縁膜117が厚い場合、多結晶珪素(Si)膜111AはSiC基板の表面の形状に沿わず離れるため、トレンチ上部角部の電界集中が緩和し耐圧が向上する。多結晶珪素(Si)膜111Aの厚さは、例えば0.01~4μm程度である。多結晶珪素(Si)膜111Aの極性はn型でもp型でも良く、閾値電圧に応じて調整することができる。
Next, as shown in FIG. 18, a polycrystalline silicon (Si)
次に、図19に示すように、マスクM17(ホトレジスト膜)を用いて、多結晶珪素(Si)膜111Aをドライエッチング法により加工して、ゲート電極111を形成する。これに加えて、p型のボディ層102に挟まれたp型の電位固定層130上の多結晶珪素(Si)膜111Bをドライエッチングによって開口しても良い。
Next, as shown in FIG. 19, using a mask M17 (photoresist film), the polycrystalline silicon (Si)
<工程P6>
工程P6では各種電極を形成する。図20に示すように、ボディ層102の表面上に、ゲート電極111およびゲート絶縁膜110を覆うように、例えばプラズマCVD法により層間絶縁膜112を形成する。
<Process P6>
Various electrodes are formed in the process P6. As shown in FIG. 20, an
次に、図21に示すように、マスクM18(ホトレジスト膜)を用いて、層間絶縁膜112およびゲート絶縁膜110および絶縁膜117をドライエッチング法により加工して、n++型のソース領域103の一部およびp++型のボディ層コンタクト領域109に達する開口部CNT_Sを形成する。
Next, as shown in FIG. 21, using a mask M18 (photoresist film), the
次に、図22に示すように、マスクM18を除去した後、開口部CNT_Sの底面に露出しているn++型のソース領域103の一部およびp++型のボディ層コンタクト領域109のそれぞれの表面に金属シリサイド層113を形成する。まず、図示は省略するが、エピタキシャル層101の表面上に、層間絶縁膜112および開口部CNT_Sの内部(側面および底面)を覆うように、例えばスパッタリング法により第1金属膜として、例えばニッケル(Ni)を堆積する。この第1金属膜の厚さは、例えば0.05μm程度である。続いて、600~1000℃のシリサイド化熱処理を施すことにより、開口部CNT_Sの底面において第1金属膜とエピタキシャル層とを反応させて、金属シリサイド層113として、例えばニッケルシリサイド(NiSi)層を開口部CNTの底面に露出しているn++型のソース領域103の一部およびp++型のボディ層コンタクト領域109のそれぞれの表面に形成する。続いて、未反応の第1金属膜をウェットエッチング法により除去する。ウェットエッチング法には、例えば硫酸過水が用いられる。
Next, as shown in FIG. 22, after removing the mask M18, a portion of the n ++
次に、図示は省略するが、マスク(ホトレジスト膜)を用いて、層間絶縁膜112を加工して、ゲート電極111に達する開口部CNT_Gを形成する。開口部CNT_Gは、ゲート配線用電極8とゲート電極111とを接続するために設けられる。
Next, although not shown, an opening CNT_G reaching the
次に、図23に示すように、n++型のソース領域103の一部およびp++型のボディ層コンタクト領域109のそれぞれの表面に形成された金属シリサイド層113に達する開口部CNT_S、ならびにゲート電極111に達する開口部CNT_G(図示は省略)の内部を含む層間絶縁膜112上に第3金属膜、例えばチタン(Ti)膜と窒化チタン(TiN)膜とアルミニウム(Al)膜とからなる積層膜を堆積する。アルミニウム(Al)膜の厚さは、例えば2.0μm以上が好ましい。続いて、第3金属膜を加工することにより、開口部CNT_S内の金属シリサイド層113を介してn++型のソース領域103の一部およびp++型のボディ層コンタクト領域109と電気的に接続するソース配線用電極2と、ゲート電極111と開口部CNT_Gを通して電気的に接続するゲート配線用電極8とを形成する。
Next, as shown in FIG. 23, an opening CNT_S reaching the
次に、図示は省略するが、SiO2膜もしくはポリイミド膜をパッシベーション膜としてゲート配線用電極8およびソース配線用電極2を覆うように堆積させる。
Next, although not shown, a SiO 2 film or a polyimide film is deposited as a passivation film so as to cover the gate wiring electrode 8 and the
次に、図示は省略するが、パッシベーション膜を加工してパッシベーションを形成する。その際に、ソース電極開口部7とゲート電極開口部5を形成する。
Next, although not shown, the passivation film is processed to form passivation. At that time, the
次に、図示は省略するが、n+型のドレイン領域108に、例えばスパッタリング法により第2金属膜を堆積する。この第2金属膜の厚さは、例えば0.1μm程度である。
Next, although not shown, a second metal film is deposited on the n + -
次に、図24に示すように、レーザーシリサイド化熱処理を施すことにより、第2金属膜とn+型のドレイン領域108と反応させて、n+型のドレイン領域108を覆うように金属シリサイド層115を形成する。続いて、金属シリサイド層115を覆うように、ドレイン配線用電極116を形成する。ドレイン配線用電極116にはTi膜とNi膜と金(Au)膜の積層膜を0.5~1.0μm堆積させて形成する。
Next, as shown in FIG. 24, a laser silicidation heat treatment is performed to react the second metal film with the n + -
その後、ソース配線用電極2、ゲート配線用電極8、およびドレイン配線用電極116に、それぞれ外部配線が電気的に接続される。
After that, external wirings are electrically connected to the
このように、実施例1によれば、既述の通り、p型の電位固定層130の形成により電流拡散層105の合わせズレの影響を低減し最少リングモデルから成る耐圧の向上を実現し、MISFETの信頼性を大幅に向上させている。
As described above, according to the first embodiment, as described above, the formation of the p-type
さらに通常のDMOS構造及びトレンチ型DMOSにおいては、電流拡散層105及びエピタキシャル層101のうち、絶縁膜117及びゲート絶縁膜110を挟んでゲート電極111と対向している面がキャパシタとなり、帰還容量の主要な部分となるが、図24に示されるように、実施例1の構造においては、p型の電位固定層130が存在する部分についてはpn接合を直列に挿入しているものと等価であるため、この部分の容量は無視でき、帰還容量は大幅に低減される。この効果はスイッチング損失の低減及び誤点弧の防止につながる。さらに、本実施例で説明したように、p型の電位固定層130はp型のボディ層102に対してセルフアラインで形成することができる。したがってJFET抵抗値は顕著に増加しない。
Furthermore, in the normal DMOS structure and the trench type DMOS, the surfaces of the
以上より、p型の電位固定層130を形成することで、通常のトレンチ型MOS構造並みの低いチャネル抵抗を損なうことなく、課題であった耐圧を改善し、さらに良好なスイッチング特性を実現することができるため、従来のトレンチ型DMOSよりも高信頼かつ低損失なSiCパワーMISFETを提供することが可能である。これにより、高い信頼性を有する炭化珪素半導体装置およびその製造方法を提供することができる。
As described above, by forming the p-type potential fixed
図25は、実施例2によるSiCパワーMISFETの要部断面図であって、特にJFET領域204近傍の拡大図である。実施例1との相違点は、p型の電界緩和層231がn+型の電流拡散層205からJFET領域204、p型の電位固定層230にかけてSiC基板表面直下に形成されていることである。このように、p型の電位固定層230とp型の電界緩和層231とを同時に用いることによって、各手法のデメリットを最小化しながらより大きな耐圧向上を得ることができる。特許文献2のように、電界緩和層231はトレンチ型DMOSの耐圧向上とゲート絶縁膜110の保護に効果的である。しかしながら、既述の通り電流拡散層205の合わせズレに対しては高耐圧化が不十分である。また、図26の従来のトレンチ型DMOSにおけるチャネルオン時の空乏層分布図に示す(符号240は空乏層の端部を示す)ように、電界緩和層231-エピタキシャル層間のビルトインポテンシャルによって、JFET領域204上部の基板表面からも空乏層が進展してしまい、電流経路が狭まることによってJFET抵抗が増加してしまうというトレードオフ関係がある。図示は省略するが、p型の電位固定層230が単体で存在する場合もp型の電位固定層230から空乏層が進展し、同様のトレードオフ関係がある。これら2つの構造はどちらの場合も形成される空乏層の位置が同じであるため、p型の電界緩和層231とp型の電位固定層230とを同時に用いることによって、いずれか一方の構造のみを適用する場合と比較して、新たな抵抗増加を抑えながら、大きな耐圧向上を実現することができる。
FIG. 25 is a fragmentary cross-sectional view of the SiC power MISFET according to Example 2, and is an enlarged view of the vicinity of the
実施例2の構造によるチャネルオン時の空乏層分布を、図27を用いて説明する。p型の電位固定層230は、n型の電界緩和層231からの空乏層が存在していた領域に配置しているため、p型の電位固定層230の追加による空乏層幅、つまりJFET抵抗の増加はわずかである。一方で、p型の電位固定層230による大幅な耐圧の向上の恩恵をp型のボディ層202の隙間幅で定義されるJFET幅を広げることに利用すれば、より低いJFET抵抗を得ることができる。以上から、p型の電界緩和層231とp型の電位固定層230を同時に用いることによって、より低損失かつ高耐圧のSiCパワーMISFETを実現することができる。
The depletion layer distribution when the channel is on in the structure of Example 2 will be described with reference to FIG. Since the p-type potential fixed
なお、図25~図27において、詳細な説明は省略したが、符号202はp型のボディ層、符号206はトレンチ、符号210はゲート絶縁膜、符号217は絶縁膜を示している。
25 to 27,
≪炭化珪素半導体装置の製造方法≫
実施例2による炭化珪素半導体装置の製造方法について、要点のみ、図28を用いて説明する。
<<Method for Manufacturing Silicon Carbide Semiconductor Device>>
A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to Example 2 will be described with reference to FIG. 28 only for the essential points.
p型の電界緩和層231は、実施例1における、ボディ層形成工程以降かつ活性化工程以前であれば、任意の工程に挿入できる。例えば、図28は、実施例1の工程において、n型の電流拡散層205を形成した後にp型の電界緩和層231を形成する場合の例を示している。
The p-type electric
n型の電流拡散層205を形成し、全てのマスクを除去するまでは実施例1と同じである。続いて、例えばレジスト膜を用いてマスクM21を形成する。マスクM21越しにp型不純物、例えばアルミニウム原子(Al)をイオン注入し、p型の電界緩和層231を形成する。マスクM21の厚さは、例えば、1~4μm程度である。マスクM21の開口部幅は、n型の電流拡散層205の全表面を埋められる幅が好ましい。p型の電界緩和層231の不純物濃度は、基板中の同一点におけるn型の電流拡散層205の濃度より高く、例えば1×1016~1×1019cm-3の範囲である。
The procedure is the same as in Example 1 until an n-type
p型の電界緩和層231は、p型の電流拡散層205と同じマスク、及びJFET領域204を開口したマスクを用いて2度以上に分けて注入しても良い。この場合、電流拡散層205に対しセルフアラインとなるため、チャネルへの影響を軽微にできる。
The p-type electric
このようにp型の電界緩和層231とp型の電位固定層230とを併用することによって、空乏層の構造を有効に利用し、高耐圧化と低損失化を同時に行うことが可能である。さらに、絶縁膜がn型領域に露出する面積が減るため、帰還容量も低減されスイッチング損失の低減及び誤点弧の防止を行うことができる。
By using the p-type electric
図30は実施例3によるSiCパワーMISFETの要部断面図の、特にJFET領域304近傍の拡大図である。前述した実施例1との相違点は、p型の電位固定層330がn型の電流拡散層305より深い位置まで形成されている点である。
FIG. 30 is an enlarged view of a cross-sectional view of a main portion of the SiC power MISFET according to Example 3, particularly in the vicinity of the
比較のため、図29に、実施例1の構造において、例えば図7に示した例よりもさらに大きな合わせズレが生じた伴う場合の空乏層の構造を示す。n型の電流拡散層105がp型の電位固定層130の下部にも存在する場合、p型の電位固定層130からの空乏層の端部140dが発展できなくなる。この場合、p型の電位固定層130によって空乏層を閉塞できず、耐圧が大きく低下するおそれがある。
For comparison, FIG. 29 shows the structure of the depletion layer in the structure of Example 1 with a larger misalignment than, for example, the example shown in FIG. If the n-type
そこで、実施例3では、図30に示すように、p型の電位固定層330をn型の電流拡散層305より深くまで形成する。この場合、n型の電流拡散層305がp型の電位固定層330と重なるほど合わせズレが生じた場合でも、確実に空乏層340を閉塞させることができる。なお、図30において詳細な説明は省略したが、符号302はp型のボディ層、符号306はトレンチ、符号310はゲート絶縁膜、符号317は絶縁膜を示している。
Therefore, in Example 3, as shown in FIG. 30, the p-type
以上のように、実施例3の構造を用いたトレンチ型DMOSは、n型の電流拡散層305の合わせズレに起因する顕著な耐圧の低下を確実に防止し、低損失かつ高耐圧で高い耐圧歩留まりを持つSiCパワーMISFET及びその製造方法を実現することができる。
As described above, the trench type DMOS using the structure of Example 3 reliably prevents a significant decrease in breakdown voltage due to the misalignment of the n-type
図31は実施例4によるSiCパワーMISFETのチャネルオン時の空乏層の構造を示す。前述した実施例1との相違点は、p型の電位固定層430の直下に、JFET領域404より高濃度のn型の領域432(以下、カウンターと呼称する)が形成されている点である。
FIG. 31 shows the structure of the depletion layer of the SiC power MISFET according to Example 4 when the channel is on. The difference from the first embodiment described above is that an n-type region 432 (hereinafter referred to as a counter) having a higher concentration than the
比較のため、図32に、実施例1の構造におけるチャネルオン時の空乏層の構造を示す。p型の電位固定層130が存在する場合、チャネルオン時においても空乏層の端部140eが発展する。JFET領域104は低濃度のn型領域のため、空乏層の端部140eはJFET領域404に深くまで伸び、JFET領域の抵抗が大きくなる。
For comparison, FIG. 32 shows the structure of the depletion layer in the structure of Example 1 when the channel is on. When the p-type potential fixed
これに対し、図31に示されるように、本実施例の構造では、高濃度のn型のカウンター432が存在するため、p型の電位固定層430からの空乏層端440eはn型のカウンター432内で止まり、電流経路を狭窄しない。さらには、キャリア密度の高いn型のカウンター432を通じてJFET領域中央まで電流を拡散することができ、損失を低減することができる。実施例4の構造においても、p型のボディ層402とp型の電位固定層430を結ぶ直線上は低濃度領域となるため、実施例1の構造と同様に空乏化を行うことができ、高耐圧化の効果は失われない。
On the other hand, as shown in FIG. 31, in the structure of this embodiment, since the high-concentration n-
さらに、実施例2の電界緩和層および実施例3の深い電位固定層と併用することによって、より高性能なパワーデバイスを実現することができる。p型の電界緩和層431、深いp型の電位固定層430aおよびn型のカウンター432を形成したトレンチ型DMOSのチャネルオン・オフ時それぞれの空乏層の構造を示す図33及び34を用いて説明する。図33に示すチャネルオン時には、n型のカウンター432の濃度を適切に設計することによって、p型の電界緩和層431のみを用いた場合より低損失化が可能である。図34に示すチャネルオフ時には、n型の電流拡散層405が大きな合わせズレを伴う場合にも深いp型の電位固定層430aの側面から伸びる空乏層によって高耐圧化される。なお、図31~図34において詳細な説明は省略したが、符号406はトレンチ、符号410はゲート絶縁膜、符号417は絶縁膜を示している。
Furthermore, by using the electric field relaxation layer of Example 2 and the deep potential fixing layer of Example 3 together, a power device with higher performance can be realized. Description will be made with reference to FIGS. 33 and 34 showing the structure of the depletion layer during channel on/off of a trench type DMOS in which a p-type electric
以上から、p型の電位固定層430の直下にJFET領域404より高濃度のn型のカウンター432を形成することによってJFET領域の抵抗を低減し、より低損失かつ高耐圧のSiCパワーMISFETを実現することができる。
As described above, by forming the n-
≪炭化珪素半導体装置の製造方法≫
実施例4による炭化珪素半導体装置の製造方法について説明する。図示は省略するが、実施例1あるいは2あるいは3において、p型の電位固定層430を形成する際に、p型の電位固定層430と同じマスクを用いてn型の不純物をp型の電位固定層より高エネルギーのイオン注入することによって実現される。
<<Method for Manufacturing Silicon Carbide Semiconductor Device>>
A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to Example 4 will be described. Although illustration is omitted, in the first, second, or third embodiment, when the p-type potential fixed
図35は実施例5によるSiCパワーMISFETの要部断面図である。前述した実施例1との相違点は、ゲート電極511・絶縁膜517・層間絶縁膜512の中央部が開口しており、ソース電極2がp型の電位固定層530と接続されている点である。p型の電位固定層530は終端構造においてp型のボディ層502及びp++型のボディ層コンタクト領域509を通じてソース電極2に接続することができるが、一般にp型領域は高抵抗のため、高速スイッチング時にフローティングとなる可能性がある。実施例5の構造では、p型の電位固定層530の電位が全域で直接ソース電位に固定されるため、高速スイッチング時の信頼性を向上させることができる。
FIG. 35 is a fragmentary cross-sectional view of a SiC power MISFET according to Example 5. FIG. The difference from the first embodiment described above is that the central portions of the
さらに、図36に示すように、ソース電極2とp型の電位固定層530とをシリサイド層を介して接続するのではなく、p型の電位固定層530からはみ出すようにソース電極2を接続しても良い。この場合、ショットキーバリアダイオードとして動作することができ、内蔵ボディダイオードの電流を低減することで逆方向通電時の結晶欠陥の拡張を防ぎ、長期信頼性を向上させることができる。
Furthermore, as shown in FIG. 36, instead of connecting the
なお、図35~図36において詳細な説明は省略したが、符号501はn-型のエピタキシャル層、符号502はp型のボディ層、符号503はn++型のソース領域、符号505はn+型の電流拡散層、符号506はトレンチ、符号507はn+型のSiC基板、符号508はn+型のドレイン領域、符号509はp++型のボディ層コンタクト領域、符号510はゲート絶縁膜、符号513は金属シリサイド層、符号515は金属シリサイド層、符号516はドレイン配線用電極を示している。
Although detailed description is omitted in FIGS. 35 and 36,
≪炭化珪素半導体装置の製造方法≫
実施例5による炭化珪素半導体装置の製造方法について実施例1との相違点を説明する。
<<Method for Manufacturing Silicon Carbide Semiconductor Device>>
Regarding the method of manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the fifth embodiment, differences from the first embodiment will be described.
ゲート電極511の加工時に、p型の電位固定層530上も開口するようなマスクを使用してエッチングを行う。さらに、層間絶縁膜512、ゲート絶縁膜510及び絶縁膜517をエッチングして金属シリサイド層513を形成する工程において、p型の電位固定層530の直上を開口するようなマスクを使用してエッチングを行う。あるいは、金属シリサイド層513を形成した後に別のマスクによってp型の電位固定層530のコンタクト部を開口しても良い。この場合、シリサイドを形成せずにp型の電位固定層530にコンタクトすることができる。p型の電位固定層530上の開口幅は例えば、0.5~5.0μmである。
When the
このように、実施例5によれば、実施例1と同様にトレンチ型DMOS構造より高信頼な炭化珪素半導体装置およびその製造方法を実現できることに加えて、本形態ではp型の電位固定層530の電位をソース電位に固定し、高速スイッチング時の信頼性向上が可能である。さらに、p型の電位固定層530のコンタクトにシリサイドを用いず適切な開口幅を用いればショットキーバリアダイオードを内蔵して逆方向通電時の劣化を抑制することが可能であり、高耐圧・低損失・高速スイッチングに加え長期信頼性を持つSiCパワーMISFETが実現可能である。
As described above, according to the fifth embodiment, it is possible to realize a silicon carbide semiconductor device having a higher reliability than the trench type DMOS structure and a method for manufacturing the same, as in the first embodiment. can be fixed to the source potential to improve reliability during high-speed switching. Furthermore, by using an appropriate opening width without using silicide for the contact of the p-type potential fixed
図37は実施例6によるSiCパワーMISFETの要部上面図である。前述した実施例1との相違点は、p型の電位固定層630がストライプ状ではなく、一定の間隔を置いて並列しており、トレンチの長手方向延長上に配置されている点である。
FIG. 37 is a top view of essential parts of a SiC power MISFET according to Example 6. FIG. The difference from the first embodiment described above is that the p-type
p型の電位固定層630は耐圧を向上させる一方で、JFET領域の抵抗を増加させてしまう。実施例6では、最も電界が集中するトレンチ606形成領域近傍のみ、空乏化を促進することによって、損失の増加を最小限に抑えながら、大きな耐圧向上を実現することができる。なお、図37において詳細な説明は省略したが、符号603はn++型のソース領域、符号605はn+型の電流拡散層、符号609はp++型のボディ層コンタクト領域を示している。
While the p-type
≪炭化珪素半導体装置の製造方法≫
実施例6による炭化珪素半導体装置の製造方法については、実施例1において、p型の電位固定層630形成時のマスクの開口部をストライプ型から島型に変更することで実現できる。p型の電位固定層630のトレンチ長手方向と垂直な方向のピッチはトレンチ606のピッチと等しいことが好ましいが、例えば倍周期にしても良い。また、p型の電位固定層630のトレンチ長手方向と垂直な方向の幅は例えば0.3μm~1.0μmの範囲である。
<<Method for Manufacturing Silicon Carbide Semiconductor Device>>
The method of manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the sixth embodiment can be realized by changing the opening of the mask in forming the p-type potential fixed
このように、実施例5によれば、実施例1と同様にトレンチ型DMOS構造より高信頼な炭化珪素半導体装置およびその製造方法を実現できることに加えて、損失の増加を最小化することができる。 As described above, according to the fifth embodiment, as in the first embodiment, it is possible to realize a silicon carbide semiconductor device having a more reliable trench type DMOS structure and a method for manufacturing the same, and in addition, it is possible to minimize an increase in loss. .
以上、実施例1~6において説明したSiCMISFETを有する半導体装置を各種装置に用いることができる。図38は電力変換装置(インバータ)の一例を示す回路図である。 As described above, the semiconductor device having the SiCMISFET described in Examples 1 to 6 can be used for various devices. FIG. 38 is a circuit diagram showing an example of a power converter (inverter).
図38に示すように、インバータ802はスイッチング素子であるSiCMISFET804と、ダイオード805とを有する。各単相において、電源電位(Vcc)と負荷(この例では3相モータ)801への入力電位との間にSiCMISFET804とダイオード805とが逆並列に接続されており(上アーム)、負荷801の入力電位と基準電位(GND)との間にもSiCMISFET804とダイオード805とが逆並列に接続されている(下アーム)。つまり、負荷801に対し、各単相に2つのSiCMISFET804と2つのダイオード805が設けられており、3相で6つのスイッチング素子804と6つのダイオード805が設けられている。そして、個々のSiCMISFET804のゲート電極には制御回路803が接続されており、この制御回路803によってSiCMISFET804が制御されている。従って、制御回路803でインバータ802を構成するSiCMISFET804を流れる電流を制御することにより、負荷801を駆動することができる。
As shown in FIG. 38,
インバータ802を構成するSiCMISFET804の機能について以下に説明する。負荷801、例えばモータを制御駆動させるためには所望の電圧の正弦波を負荷801に入力する必要がある。制御回路803はSiCMISFET804を制御し、矩形波のパルス幅を動的に変化させるパルス幅変調動作を行っている。出力された矩形波はインダクタを経ることで、平滑化され、擬似的な所望の正弦波となる。SiCMISFET804は、このパルス幅変調動作を行うための矩形波を作り出す機能を有している。
The function of the
SiCMISFET804として、実施例1から実施例6において説明した半導体装置を用いることにより、インバータなどの電力変換装置を高性能化することができる。また、長期信頼性のある半導体装置をSiCMISFET804として用いることにより、インバータなどの電力変換装置の使用年数を長期化できる。その結果として、実施例1から実施例6において説明した半導体装置を用いる電力変換装置を用いるモータシステム(図38)の高性能化、使用年数の長期化を実現することができる。
By using the semiconductor device described in the first to sixth embodiments as the
図39は電力変換装置(インバータ)の別の例を示す回路図である。インバータ902はスイッチング素子であるSiCMISFET904を有する。本例も負荷901は3相モータである。各単相において、電源電位(Vcc)と負荷(例えばモータ)901への入力電位との間にSiCMISFET904が接続されており(上アーム)、負荷901の入力電位と基準電位(GND)との間にもSiCMISFET904が接続されている(下アーム)。つまり、負荷901では各単相に2つのSiCMISFET904が設けられており、3相で6つのスイッチング素子904が設けられている。そして、個々のSiCMISFET904のゲート電極には制御回路903が接続されており、この制御回路903によってSiCMISFET904が制御されている。従って、制御回路903でインバータ902を構成するSiCMISFET904を流れる電流を制御することにより、負荷901を駆動することができる。
FIG. 39 is a circuit diagram showing another example of the power converter (inverter). The
インバータ902を構成するSiCMISFET904の機能について以下に説明する。ここでは、SiCMISFETの機能として、パルス幅変調動作を行うための矩形波を作り出すとともに、図38のインバータにおけるダイオード805の役割をも担う。インバータ902において、例えばモータのように負荷901にインダクタンスを含む場合、SiCMISFET904をオフしたとき、インダクタンスに蓄えられたエネルギーを必ず放出しなければならない(還流電流)。図38の電力変換装置ではダイオード805がこの役割を担うのに対し、図39の電力変換装置では、この役割をSiCMISFET904が担っている。すなわち、同期整流駆動が用いられる。ここで、同期整流駆動とは、還流時にSiCMISFET904のゲートをオンし、SiCMISFET904を逆導通させる方法をいう。
The function of the
したがって、還流時導通損失はダイオードの特性ではなく、SiCMISFET904の特性で決まる。また、同期整流駆動を行う場合、上下アームが短絡することを防ぐため、上下のSiCMISFETが共にオフとなる不動作時間が必要となる。この不動作時間の間はSiCMISFET904のドリフト層とp型ボディ層によって形成される内蔵pnダイオードが駆動する。ただし、SiCはキャリアの走行距離がSiより短く、不動作時間の間の損失は小さい。例えば、ダイオード805をSiCショットキーバリアダイオードとした場合と同等である。
Therefore, the freewheeling conduction loss is determined by the characteristics of the
このように、SiCMISFET904として、実施例1から実施例6において説明した半導体装置を用いることにより、還流時の損失を小さくでき、ダイオードを使わないため、インバータなどの電力変換装置を小型化することができる。また、長期信頼性のある半導体装置をSiCMISFET904として用いることにより、インバータなどの電力変換装置の使用年数を長期化できる。また、実施例1から実施例6において説明した半導体装置を用いる電力変換装置はモータシステムであってもよい。その結果として、実施例1から実施例6において説明した半導体装置を用いる電力変換装置を用いるモータシステムの高性能化、使用年数の長期化を実現することができる。
Thus, by using the semiconductor device described in
以上のようなモータシステムをハイブリット自動車、電気自動車、燃料電池自動車などの自動車に用いることができる。モータシステムを用いた自動車を図40および図41を用いて説明する。図40は、電気自動車の構成の一例を示す概略図であり、図41は、電気自動車に用いる昇圧コンバータの一例を示す回路図である。 The motor system as described above can be used in vehicles such as hybrid vehicles, electric vehicles, and fuel cell vehicles. An automobile using the motor system will be described with reference to FIGS. 40 and 41. FIG. FIG. 40 is a schematic diagram showing an example of the configuration of an electric vehicle, and FIG. 41 is a circuit diagram showing an example of a boost converter used in the electric vehicle.
図40に示すように、電気自動車は、駆動輪1001aおよび駆動輪1001bが接続された駆動軸1002に動力を入出力可能とする3相モータ1003と、3相モータ1003を駆動するためのインバータ1004と、バッテリ1005と、昇圧コンバータ1008と、リレー1009と、電子制御ユニット1010と、を備え、昇圧コンバータ1008は、インバータ1004が接続された電力ライン1006と、バッテリ1005が接続された電力ライン1007とに接続されている。
As shown in FIG. 40, the electric vehicle includes a three-
3相モータ1003は、永久磁石が埋め込まれたロータと、3相コイルが巻回されたステータとを備えた同期発電電動機である。インバータ1004には、図38または図39に示したようなインバータを用いることができる。
The three-
昇圧コンバータ1008は、図41に示すように、インバータ1013に、リアクトル1011および平滑用コンデンサ1012が接続された構成を有する。インバータ1013はSiCMISFET1014で構成され、実施例1から実施例6において説明した半導体装置が用いられる。
As shown in FIG. 41,
図40の電子制御ユニット1010は、マイクロプロセッサと、記憶装置と、入出力ポートとを備えており、3相モータ1003のロータ位置を検出するセンサからの信号、またはバッテリ1005の充放電値などを受信する。そして、インバータ1004、昇圧コンバータ1008、およびリレー1009を制御するための信号を出力する。
The
電力変換装置であるインバータ1004には図38または図39に示した電力変換装置を用いることができる。また、3相モータ1003、およびインバータ1004などからなる3相モータシステムに、図38または図39に示した電力変換装置を用いる3相モータシステムを用いることができる。これにより、電気自動車の省エネルギー化、小型化、軽量化、省スペース化を図ることができる。
The power converter shown in FIG. 38 or 39 can be used for the
なお、電気自動車について説明したが、エンジンも併用するハイブリット自動車、バッテリ1005が燃料電池スタックとなった燃料電池自動車にも同様に、上述の3相モータシステムを適用することができる。また、鉄道車両に用いることもできる。3相モータシステムを用いた鉄道車両を図42に示す。図42は、鉄道車両に備えられるコンバータおよびインバータの一例を示す回路図である。
Although an electric vehicle has been described, the above three-phase motor system can be similarly applied to a hybrid vehicle that also uses an engine and a fuel cell vehicle in which the
図42に示すように、鉄道車両には架線OW(例えば25kV)からパンタグラフPGを介して電力が供給される。トランス1109を介して電圧が1.5kVまで降圧され、コンバータ1107で交流から直流に変換される。さらに、キャパシタ1108を介してインバータ1102で直流から交流に変換されて、負荷1101である3相モータを駆動する。コンバータ1107内の素子構成は、図38のようにSiCMISFETおよびダイオードを併用してもよく、図39のようにSiCMISFET単独でもよい。図42の例では、SiCMISFET1104単独で構成された例を示している。なお、この図では制御回路は省略している。また、図中、符号RTは線路、符号WHは車輪を示し、3相モータ1101は車輪WHが接続される駆動軸に動力を入出力可能とされている。
As shown in FIG. 42, electric power is supplied to the railway vehicle from the overhead wire OW (for example, 25 kV) via the pantograph PG. The voltage is stepped down to 1.5 kV through
このようにインバータやコンバータに実施例1から実施例6において説明した半導体装置を用いた3相モータシステムを鉄道車両に用いることにより、鉄道車両の省エネルギー化、床下部品の小型化および軽量化を図ることができる。 In this way, by using the three-phase motor system using the semiconductor devices described in the first to sixth embodiments for the inverter and converter in the railway vehicle, it is possible to reduce the energy consumption of the railway vehicle and reduce the size and weight of the underfloor parts. be able to.
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。 The invention made by the present inventor has been specifically described above based on the embodiment, but the present invention is not limited to the above embodiment, and can be variously modified without departing from the scope of the invention. Needless to say.
例えば、各部の材質、導電型、および製造条件等は前述した実施の形態の記載に限定されるものではなく、各々多くの変形が可能であることは言うまでもない。ここで、説明の都合上、半導体基板および半導体膜の導電型を固定して説明したが、前述した実施の形態に記載した導電型には限定されない。 For example, the material, conductivity type, manufacturing conditions, etc. of each part are not limited to those described in the above-described embodiments, and needless to say, many modifications are possible. Here, for convenience of explanation, the conductivity types of the semiconductor substrate and the semiconductor film are fixed, but the conductivity types are not limited to those described in the above embodiments.
1:半導体チップ、2:ソース配線用電極、3:フローティング・フィールド・リミッティング・リング、4:ガードリング、5:ゲート開口部、6:SiCパワーMISFET、7:ソース開口部、8:ゲート配線用電極、101,201,501:エピタキシャル層、102,202,302,402,502:ボディ層、103,203,503,603:ソース領域、104,204,304,404,504:JFET領域、105,205,305,405,505,605:電流拡散層、106,206,306,406,506,606:トレンチ、107,207,507:SiC基板、108,208,508:ドレイン領域、109,509,609:ボディ層コンタクト領域、110,210,310,410,510:ゲート絶縁膜、111,511:ゲート電極、112,512:層間絶縁膜、113,513:ソースコンタクト領域(金属シリサイド層)、115,515:金属シリサイド層、116,516:ドレイン配線用電極、117,217,317,417,517:絶縁膜、130,230,330,430,530,630:電位固定層、140,240,340:空乏層の端部、141:SiCエピタキシャル基板表面、231,431:電界緩和層、432:カウンター、801,901:負荷、802,902:インバータ、803,903:制御回路、804,904:SiCMISFET、805:ダイオード、1001:駆動輪、1002:駆動軸、1003:3相モータ、1004:インバータ、1005:バッテリ、1006:電力ライン、1007:電力ライン、1008:昇圧コンバータ、1009:リレー、1010:電子制御ユニット、1011:リアクトル、1012:平滑用コンデンサ、1013:インバータ、1014:SiCMISFET、1101:負荷、1102:インバータ、1104:SiCMISFET、1107:コンバータ、1108:キャパシタ、1109:トランス。 1: semiconductor chip, 2: electrode for source wiring, 3: floating field limiting ring, 4: guard ring, 5: gate opening, 6: SiC power MISFET, 7: source opening, 8: gate wiring electrode, 101, 201, 501: epitaxial layer, 102, 202, 302, 402, 502: body layer, 103, 203, 503, 603: source region, 104, 204, 304, 404, 504: JFET region, 105 , 205, 305, 405, 505, 605: current diffusion layer, 106, 206, 306, 406, 506, 606: trench, 107, 207, 507: SiC substrate, 108, 208, 508: drain region, 109, 509 , 609: body layer contact region, 110, 210, 310, 410, 510: gate insulating film, 111, 511: gate electrode, 112, 512: interlayer insulating film, 113, 513: source contact region (metal silicide layer), 115, 515: metal silicide layer, 116, 516: drain wiring electrode, 117, 217, 317, 417, 517: insulating film, 130, 230, 330, 430, 530, 630: potential fixing layer, 140, 240, 340: edge of depletion layer, 141: SiC epitaxial substrate surface, 231, 431: electric field relaxation layer, 432: counter, 801, 901: load, 802, 902: inverter, 803, 903: control circuit, 804, 904: SiCMISFET, 805: diode, 1001: drive wheel, 1002: drive shaft, 1003: three-phase motor, 1004: inverter, 1005: battery, 1006: power line, 1007: power line, 1008: boost converter, 1009: relay, 1010 : electronic control unit, 1011: reactor, 1012: smoothing capacitor, 1013: inverter, 1014: SiCMISFET, 1101: load, 1102: inverter, 1104: SiCMISFET, 1107: converter, 1108: capacitor, 1109: transformer.
Claims (13)
前記SiC基板の第1主面に形成され、前記SiC基板の不純物濃度よりも低い不純物濃度を有する第1導電型のエピタキシャル層と、
前記SiC基板の前記第1主面に対向する第2主面に形成されるドレイン領域と、
前記エピタキシャル層に形成される第2導電型の第1及び第2のボディ層と、
前記第1のボディ層に形成される第1導電型の第1のソース領域と、
前記第2のボディ層に形成される第1導電型の第2のソース領域と、
前記第1及び前記第2のボディ層に挟まれた前記エピタキシャル層であるJFET領域と前記第1のボディ層とに接し、前記エピタキシャル層の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する第1導電型の第1の第1領域と、
前記JFET領域と前記第2のボディ層とに接し、前記エピタキシャル層の不純物濃度よりも高い第1導電型の第2の第1領域と、
前記JFET領域に形成される第2導電型の第2領域と、
前記第1のソース領域、前記第1のボディ層及び前記第1の第1領域に延在して形成される第1のトレンチと、
前記第2のソース領域、前記第2のボディ層及び前記第2の第1領域に延在して形成される第2のトレンチと、
前記第1のトレンチ及び前記第2のトレンチの内壁に形成される絶縁膜と、
前記第1のトレンチ及び前記第2のトレンチの前記絶縁膜上に形成されるゲート電極とを有し、
前記第1及び前記第2の第1領域、前記JFET領域及び前記第2領域を覆うように、第2導電型の第3領域を有する半導体装置。 a first conductivity type SiC substrate;
a first conductivity type epitaxial layer formed on the first main surface of the SiC substrate and having an impurity concentration lower than that of the SiC substrate;
a drain region formed on a second main surface facing the first main surface of the SiC substrate;
first and second body layers of a second conductivity type formed on the epitaxial layer;
a first conductivity type first source region formed in the first body layer;
a first conductivity type second source region formed in the second body layer;
a JFET region which is the epitaxial layer sandwiched between the first and second body layers and the first body layer, and which has an impurity concentration higher than that of the epitaxial layer; a first first region;
a second first region of a first conductivity type that is in contact with the JFET region and the second body layer and has a higher impurity concentration than the epitaxial layer;
a second region of a second conductivity type formed in the JFET region;
a first trench extending through the first source region, the first body layer and the first first region;
a second trench extending through the second source region, the second body layer and the second first region;
an insulating film formed on inner walls of the first trench and the second trench ;
a gate electrode formed on the insulating film of the first trench and the second trench ;
A semiconductor device comprising a second conductivity type third region covering the first and second first regions, the JFET region and the second region .
前記第1及び前記第2のボディ層、前記第1及び前記第2のソース領域、前記第1及び前記第2の第1領域は、平面視においてストライプパターンを有し、
前記第1のトレンチ及び前記第2のトレンチを通る直線は前記ストライプパターンの長手方向と交差する半導体装置。 In claim 1 ,
the first and second body layers, the first and second source regions, and the first and second first regions each have a stripe pattern in plan view,
A semiconductor device in which a straight line passing through the first trench and the second trench intersects the longitudinal direction of the stripe pattern.
前記第2領域は、前記第1及び前記第2の第1領域よりも深く形成されている半導体装置。 In claim 1 ,
The semiconductor device, wherein the second region is formed deeper than the first and second first regions.
前記第2領域の直下に、前記エピタキシャル層の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する第1導電型の第4領域を有する半導体装置。 In claim 1 ,
A semiconductor device having a first conductivity type fourth region having an impurity concentration higher than that of the epitaxial layer immediately below the second region.
前記第2領域は、前記ストライプパターンの長手方向に延在するストライプパターンを有する半導体装置。 In claim 2 ,
The second region is a semiconductor device having a stripe pattern extending in the longitudinal direction of the stripe pattern.
前記SiC基板の第1主面に形成され、前記SiC基板の不純物濃度よりも低い不純物濃度を有する第1導電型のエピタキシャル層と、
前記SiC基板の前記第1主面に対向する第2主面に形成されるドレイン領域と、
前記エピタキシャル層に形成される第2導電型の第1及び第2のボディ層と、
前記第1のボディ層に形成される第1導電型の第1のソース領域と、
前記第2のボディ層に形成される第1導電型の第2のソース領域と、
前記第1及び前記第2のボディ層に挟まれた前記エピタキシャル層であるJFET領域と前記第1のボディ層とに接し、前記エピタキシャル層の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する第1導電型の第1の第1領域と、
前記JFET領域と前記第2のボディ層とに接し、前記エピタキシャル層の不純物濃度よりも高い第1導電型の第2の第1領域と、
前記JFET領域に形成される第2導電型の第2領域と、
前記第1のソース領域、前記第1のボディ層及び前記第1の第1領域に延在して形成される第1のトレンチと、
前記第2のソース領域、前記第2のボディ層及び前記第2の第1領域に延在して形成される第2のトレンチと、
前記第1のトレンチ及び前記第2のトレンチの内壁に形成される絶縁膜と、
前記第1のトレンチ及び前記第2のトレンチの前記絶縁膜上に形成されるゲート電極とを有し、
前記第1及び前記第2のボディ層、前記第1及び前記第2のソース領域、前記第1及び前記第2の第1領域は、平面視においてストライプパターンを有し、
前記第1のトレンチ及び前記第2のトレンチを通る直線は前記ストライプパターンの長手方向と交差し、
前記第2領域は、前記第1のトレンチ及び前記第2のトレンチに挟まれる領域に、平面視において島状に形成される半導体装置。 a first conductivity type SiC substrate;
a first conductivity type epitaxial layer formed on the first main surface of the SiC substrate and having an impurity concentration lower than that of the SiC substrate;
a drain region formed on a second main surface facing the first main surface of the SiC substrate;
first and second body layers of a second conductivity type formed on the epitaxial layer;
a first conductivity type first source region formed in the first body layer;
a first conductivity type second source region formed in the second body layer;
a JFET region which is the epitaxial layer sandwiched between the first and second body layers and the first body layer, and which has an impurity concentration higher than that of the epitaxial layer; a first first region;
a second first region of a first conductivity type that is in contact with the JFET region and the second body layer and has a higher impurity concentration than the epitaxial layer;
a second region of a second conductivity type formed in the JFET region;
a first trench extending through the first source region, the first body layer and the first first region;
a second trench extending through the second source region, the second body layer and the second first region;
an insulating film formed on inner walls of the first trench and the second trench;
a gate electrode formed on the insulating film of the first trench and the second trench;
the first and second body layers, the first and second source regions, and the first and second first regions each have a stripe pattern in plan view,
a straight line passing through the first trench and the second trench intersects the longitudinal direction of the stripe pattern;
The semiconductor device , wherein the second region is formed in an island shape in plan view in a region sandwiched between the first trench and the second trench .
前記第1のボディ層に形成され、前記第1のボディ層の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する第2導電型の第1の第5領域と、
前記第2のボディ層に形成され、前記第2のボディ層の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する第2導電型の第2の第5領域と、
前記第1のソース領域、前記第1の第5領域、前記第2のソース領域、及び前記第2の第5領域を接続するソース電極とを有する半導体装置。 In claim 1 ,
a second conductivity type first fifth region formed in the first body layer and having an impurity concentration higher than that of the first body layer;
a second conductivity type second fifth region formed in the second body layer and having an impurity concentration higher than that of the second body layer;
A semiconductor device comprising a source electrode connecting the first source region, the first fifth region, the second source region, and the second fifth region.
前記第2領域は、前記ソース電極と接続される半導体装置。 In claim 7 ,
The semiconductor device, wherein the second region is connected to the source electrode.
前記ソース電極は、前記第2領域周辺の前記JFET領域と接する半導体装置。 In claim 8 ,
The semiconductor device, wherein the source electrode is in contact with the JFET region around the second region.
基準電位と、
負荷入力電位と、
前記電源電位と前記負荷入力電位との間に接続される第1のスイッチング素子と、
前記基準電位と前記負荷入力電位との間に接続される第2のスイッチング素子と、
前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子を制御する制御回路とを有し、
前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子として、請求項1~9のいずれか1項に記載の半導体装置を用いる電力変換装置。 a power supply potential;
a reference potential;
a load input potential;
a first switching element connected between the power supply potential and the load input potential;
a second switching element connected between the reference potential and the load input potential;
A control circuit that controls the first switching element and the second switching element,
A power converter using the semiconductor device according to any one of claims 1 to 9 as the first switching element and the second switching element.
前記第1のスイッチング素子に、逆並列に接続される第1のダイオードと、
前記第2のスイッチング素子に、逆並列に接続される第2のダイオードとを有する電力変換装置。 In claim 10 ,
a first diode connected in anti-parallel to the first switching element;
A power converter comprising a second diode connected in anti-parallel to the second switching element.
前記電力変換装置により駆動されるモータとを有し、
前記電力変換装置として、請求項10に記載の電力変換装置を用いるモータシステム。 a power conversion device that converts DC power to AC power;
a motor driven by the power converter,
A motor system using the power converter according to claim 10 as the power converter.
前記車輪に接続される駆動軸とを有し、
請求項12に記載のモータシステムにより前記駆動軸に動力を入出力可能とされる車両。 wheels and
a drive shaft connected to the wheel;
13. A vehicle in which power can be input to and output from the drive shaft by the motor system according to claim 12 .
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Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004022693A (en) | 2002-06-14 | 2004-01-22 | Toshiba Corp | Semiconductor device |
JP2011060930A (en) | 2009-09-09 | 2011-03-24 | Toshiba Corp | Semiconductor apparatus, and method of manufacturing the same |
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JP2014045223A (en) | 2011-04-12 | 2014-03-13 | Denso Corp | Semiconductor device manufacturing method |
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Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004022693A (en) | 2002-06-14 | 2004-01-22 | Toshiba Corp | Semiconductor device |
JP2011060930A (en) | 2009-09-09 | 2011-03-24 | Toshiba Corp | Semiconductor apparatus, and method of manufacturing the same |
JP2014045223A (en) | 2011-04-12 | 2014-03-13 | Denso Corp | Semiconductor device manufacturing method |
JP2014017376A (en) | 2012-07-09 | 2014-01-30 | Mitsubishi Electric Corp | Silicon carbide semiconductor device and method of manufacturing the same |
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