JP6930393B2 - Semiconductor devices and their manufacturing methods - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same.
第1導電型のドリフト領域と第2導電型のドリフト領域を交互に配置してpn接合が周期的に形成されたスーパージャンクション(SJ)構造の半導体装置は、高耐圧且つ低オン抵抗であるという特性を有する。SJ構造の半導体装置では、例えばn型不純物の濃度を高くしたドリフト領域を電流が流れ、オン抵抗を下げることができる。一方、逆バイアス時ではpn接合から伸びる空乏層によってドリフト領域が空乏化されて、高耐圧が確保される。 A semiconductor device having a super junction (SJ) structure in which a first conductive type drift region and a second conductive type drift region are alternately arranged and a pn junction is periodically formed is said to have high withstand voltage and low on-resistance. Has characteristics. In a semiconductor device having an SJ structure, for example, a current flows in a drift region where the concentration of n-type impurities is high, and the on-resistance can be reduced. On the other hand, at the time of reverse bias, the drift region is depleted by the depletion layer extending from the pn junction, and high withstand voltage is ensured.
基板の主面に形成した溝の側面に沿って、基板の主面に対して垂直にドリフト領域を配置する構造が開示されている(特許文献1参照。)。この構造により、ドリフト領域の面積の増大に起因する単位面積当たりのオン抵抗の増大を抑制することができる。 A structure is disclosed in which a drift region is arranged perpendicular to the main surface of the substrate along the side surface of the groove formed on the main surface of the substrate (see Patent Document 1). With this structure, it is possible to suppress an increase in on-resistance per unit area due to an increase in the area of the drift region.
SJ構造において高い耐圧を得るために、オフ状態においてドリフト領域を完全に空乏化させることが必要である。このため、p型のドリフト領域のp型不純物の総量とn型のドリフト領域のn型不純物の総量との比を1近傍に設定する。一般的に、p型のドリフト領域の膜厚とp型不純物濃度との積と、n型のドリフト領域の膜厚とn型不純物濃度との積が同等であるようにする。 In order to obtain a high withstand voltage in the SJ structure, it is necessary to completely deplete the drift region in the off state. Therefore, the ratio of the total amount of p-type impurities in the p-type drift region to the total amount of n-type impurities in the n-type drift region is set to around 1. Generally, the product of the film thickness of the p-type drift region and the p-type impurity concentration is made equal to the product of the film thickness of the n-type drift region and the n-type impurity concentration.
しかしながら、溝の側面の面法線方向にp型のドリフト領域とn型のドリフト領域を重ねて形成する場合、p型のドリフト領域とn型のドリフト領域とでは、膜厚と不純物濃度との積を同等にすることは困難である。例えば、p型のドリフト領域とn型のドリフト領域とで不純物の総量を溝の側面において同等にしようとすると、溝の側面と底面が接する角部においてp型のドリフト領域とn型のドリフト領域の厚みが異なってしまう。即ち、イオン注入によって先に形成されるp型のドリフト領域の膜厚が、後から形成されるn型のドリフト領域よりも厚くなる。このため、溝の側面にドリフト領域を形成したSJ構造の半導体装置において高い耐圧を得ることが困難であった。 However, when the p-type drift region and the n-type drift region are overlapped in the surface normal direction of the side surface of the groove, the film thickness and the impurity concentration are different between the p-type drift region and the n-type drift region. It is difficult to equalize the products. For example, if the total amount of impurities in the p-type drift region and the n-type drift region is to be equalized on the side surface of the groove, the p-type drift region and the n-type drift region are located at the corner where the side surface and the bottom surface of the groove are in contact with each other. The thickness of is different. That is, the film thickness of the p-type drift region formed earlier by ion implantation is thicker than that of the n-type drift region formed later. Therefore, it has been difficult to obtain a high withstand voltage in a semiconductor device having an SJ structure in which a drift region is formed on the side surface of the groove.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、溝の側面にドリフト領域が形成されたスーパージャンクション構造を有し、且つ高い耐圧を得られる半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is a semiconductor device having a super junction structure in which a drift region is formed on a side surface of a groove and a method for manufacturing a semiconductor device and a semiconductor device capable of obtaining a high withstand voltage. Is to provide.
本発明の一態様に係る半導体装置は、基板の主面に形成された溝の側面に沿って第1導電型の第1ドリフト領域と第2導電型の第2ドリフト領域が交互に配置された半導体層と、半導体層を介して配置され、基板の主面と垂直な方向に半導体層を流れる主電流の電流経路のそれぞれの端部である第1の主電極及び第2の主電極とを備えることを要旨とする。 In the semiconductor device according to one aspect of the present invention, the first conductive type first drift region and the second conductive type second drift region are alternately arranged along the side surface of the groove formed on the main surface of the substrate. The semiconductor layer and the first main electrode and the second main electrode, which are arranged via the semiconductor layer and are the respective ends of the current path of the main current flowing through the semiconductor layer in the direction perpendicular to the main surface of the substrate, are formed. The gist is to prepare.
本発明の他の態様に係る半導体装置の製造方法は、基板の主面に溝を形成する工程と、溝の側面に沿って第1導電型の第1ドリフト領域と第2導電型の第2ドリフト領域が交互に配置された半導体層を形成する工程と、基板の主面と垂直な方向に半導体層を流れる主電流の電流経路のそれぞれの端部である第1の主電極及び第2の主電極を、半導体層を介して互いに対向させて形成する工程とを含む半導体装置の製造方法であることを要旨とする。 The method for manufacturing a semiconductor device according to another aspect of the present invention includes a step of forming a groove on the main surface of the substrate, a first drift region of the first conductive type and a second of the second conductive type along the side surface of the groove. The process of forming the semiconductor layers in which the drift regions are alternately arranged, and the first main electrode and the second main electrode, which are the respective ends of the current paths of the main current flowing through the semiconductor layers in the direction perpendicular to the main surface of the substrate. The gist of the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device, which includes a step of forming main electrodes so as to face each other via a semiconductor layer.
本発明によれば、溝の側面にドリフト領域が形成されたスーパージャンクション構造を有し、且つ高い耐圧を得られる半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device having a super junction structure in which a drift region is formed on a side surface of the groove and a method for manufacturing the semiconductor device and a semiconductor device capable of obtaining a high withstand voltage.
図面を参照して、実施形態を説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付して説明を省略する。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なる部分を含む。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。 An embodiment will be described with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same parts are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted. However, the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the plane dimensions, the ratio of the thickness of each layer, and the like include parts that are different from the actual ones. In addition, there are parts in which the relations and ratios of the dimensions of the drawings are different from each other.
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態に係る半導体装置は、図1に示すように、基板10と、基板10の主面に形成された溝100の一方の側面に接して形成された半導体層20を備える。半導体層20は、溝100が主面と平行に延伸する方向(長手方向)に沿って複数の第1導電型の第1ドリフト領域21と複数の第2導電型の第2ドリフト領域22が交互に配置された構成である。なお、半導体層20が接する側面に対向する溝100の側面には半導体層20は接していない。
(First Embodiment)
As shown in FIG. 1, the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention has a
上記のように、図1に示した半導体装置は、溝100の長手方向に沿って複数のpn接合が配列されたSJ構造を有する。即ち、逆バイアス時にpn接合から伸びる空乏層によって第1ドリフト領域21及び第2ドリフト領域22が空乏化されて、高い耐圧が得られる。
As described above, the semiconductor device shown in FIG. 1 has an SJ structure in which a plurality of pn junctions are arranged along the longitudinal direction of the
第1導電型と第2導電型とは互いに反対導電型である。すなわち、第1導電型がn型であれば、第2導電型はp型であり、第1導電型がp型であれば、第2導電型はn型である。以下では、第1導電型がn型、第2導電型がp型の場合を例示的に説明する。 The first conductive type and the second conductive type are opposite conductive types to each other. That is, if the first conductive type is n type, the second conductive type is p type, and if the first conductive type is p type, the second conductive type is n type. Hereinafter, the case where the first conductive type is the n type and the second conductive type is the p type will be described exemplarily.
基板10には、例えば絶縁性を有する炭化珪素(SiC)基板を使用する。ここで、「絶縁性を有する」基板とは、基板の抵抗率が数kΩ・cm以上のことをいう。SiCにはいくつかのポリタイプ(結晶多形)が存在するが、以下では、代表的な4HのSiC基板を基板10として使用する場合を説明する。
For the
図1に示す半導体装置は、第1の主電極31と、半導体層20を介して第1の主電極31と対向して配置された第2の主電極32を更に備える。第1の主電極31は溝100の外側で基板10の主面に配置され、第2の主電極32は溝100の底面に配置されている。なお、第2ドリフト領域22は第1の主電極31と電気的に接続している。これにより、オフ状態のときに第1ドリフト領域21と第2ドリフト領域22の間に適切な電位差が生じて、第1ドリフト領域21と第2ドリフト領域22が空乏化しやすくなる。
The semiconductor device shown in FIG. 1 further includes a first
また、溝100の底面における第2の主電極32と接合部分には、半導体層20に第1導電型の第3ドリフト領域23が形成されている。溝100の角部には電界が集中しやすいが、第3ドリフト領域23によって電界の集中が緩和され、半導体装置の耐圧が向上する。なお、第3ドリフト領域23は必要に応じて形成すればよい。
Further, a first conductive type
第1の主電極31は、オン状態において半導体層20を流れる主電流の電流経路の一方の端部である。第2の主電極32は、電流経路の他方の端部である。図1に示した半導体装置は、第1の主電極31が第1ドリフト領域21との間にエネルギー障壁を有して形成され、第2の主電極32が第1ドリフト領域21とオーミック接続されている。即ち、図1に示した半導体装置は、第1の主電極31と第2の主電極32間で主電流が流れるダイオードである。以下において、第1の主電極31をアノード電極、第2の主電極32をアノード電極として、第1の実施形態を説明する。
The first
アノード電極31に、仕事関数の高いニッケル(Ni)材、プラチナ(Pt)材などの金属、若しくはp型不純物の高濃度にドープしたシリコン膜などの、第1ドリフト領域21との間にショットキー接合若しくはpn接合を形成する材料を用いる。一方、カソード電極32に、チタン(Ti)などの仕事関数の低い金属、若しくは高濃度にn型不純物をドープしたシリコン膜などの、第1ドリフト領域21とオーミック接続する材料を用いる。
Schottky between the
以下に、図1に示した半導体装置の基本的な動作について説明する。 The basic operation of the semiconductor device shown in FIG. 1 will be described below.
オン動作では、アノード電極31を基準電位としてカソード電極32に低い電圧(順方向電圧)を印加することで、アノード電極31と第1ドリフト領域21間のエネルギー障壁が低くなる。このため、第1ドリフト領域21からアノード電極31に電子が流れ込むようになり、アノード電極31からカソード電極32に電流(順方向電流)が流れる。
In the on operation, the energy barrier between the
オフ動作では、アノード電極31を基準電位としてカソード電極32に高い電圧(逆方向電圧)を印加することにより、アノード電極31と第1ドリフト領域21間のエネルギー障壁が高くなる。このため、第1ドリフト領域21からアノード電極31に電子が流れなくなる。この時、アノード電極31から第1ドリフト領域21の内部に空乏層が広がる。
In the off operation, the energy barrier between the
また、図2に矢印で示すように、第1ドリフト領域21と第2ドリフト領域22の界面からも空乏層200が広がる。そして、ある程度まで逆方向電圧が大きくなると、第1ドリフト領域21と第2ドリフト領域22はともに完全に空乏した状態(ピンチオフ状態)となる。
Further, as shown by an arrow in FIG. 2, the
第1ドリフト領域21と第2ドリフト領域22がピンチオフ状態になることにより、SJ構造の電界分布は均一な長方形の分布となり、半導体装置に加わる最大電界が大きく低下する。これにより、半導体装置の耐圧が向上する。
When the
図1に示した半導体装置では、アノード電極31が溝100の外側に配置され、カソード電極32が溝100の底面に配置されて、溝100の側面に第1ドリフト領域21と第2ドリフト領域22を配置している。このため、アノード電極31とカソード電極32間の基板10の主面と水平な距離(以下において「水平距離」という。)を増加させることなく、アノード電極31とカソード電極32間の距離を拡張することができる。このため、チップ面積を増大させずに、オフ動作でアノード電極31からカソード電極32に伸びる空乏層の幅を広げて、半導体装置に印加される最大電界を下げることができる。これにより、図1に示した半導体装置について、単位チップ面積当たりのオン抵抗を増加させることなく、高耐圧化することができる。
In the semiconductor device shown in FIG. 1, the
以下に、図3〜図9を参照して、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する。なお、以下に述べる半導体装置の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能である。 Hereinafter, a method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 to 9. The method for manufacturing a semiconductor device described below is an example, and can be realized by various other manufacturing methods including this modification.
先ず、ノンドープの炭化珪素絶縁半導体である基板10の主面に、溝100を形成する。エッチング法によって溝100を形成するために、基板10の主面にマスク材111を形成する(図3参照。)。マスク材111としてはシリコン酸化膜を用いることができ、堆積方法としては熱CVD法やプラズマCVD法を用いることができる。次に、マスク材111上にフォトレジスト材をパターニングする(図示せず)。パターニングの方法としては、一般的なフォトリソグラフィ技術を用いる。パターニングされたフォトレジスト材をマスクにして、マスク材111をエッチングする。エッチング法としては、フッ酸を用いたウェットエッチングや、反応性イオンエッチングなどのドライエッチングを用いる。次にフォトレジスト材を酸素プラズマや硫酸などで除去する。このようにして形成したマスク材111をエッチングマスクとして、ドライエッチングによって基板10を選択的にエッチングし、図3に示すように溝100を形成する。
First, a
次に、溝100の一方の側面に接する半導体層20を、溝100の長手方向に沿って第1導電型の第1ドリフト領域21と第2導電型の第2ドリフト領域22が交互に配置されるように形成する。
Next, in the
即ち、図4に示すように、イオン注入によって第1ドリフト領域21を基板10の上面及び溝100の一方の側面に形成する。溝100の側面に第1ドリフト領域21を形成するために、イオン斜め注入を行う。その後、図5に示すように、第1ドリフト領域21を覆うマスク材112を、マスク材111と同様にフォトリソグラフィ技術を用いて形成する。そして、マスク材112をマスクとして、イオン注入によって基板10に第2ドリフト領域22を選択的に形成する。
That is, as shown in FIG. 4, the
その後、図6に示すように、第3ドリフト領域23を形成する領域が露出するように、基板10にマスク材113を形成する。そして、マスク材113をマスクに用いたイオン注入によって、基板10に第3ドリフト領域23を形成する。
After that, as shown in FIG. 6, the
ここまでの工程におけるイオン注入では、例えば、n型不純物として窒素(N)を用い、p型不純物としてアルミニウム(Al)やボロン(B)を用いる。なお、基板10の温度を600℃程度に加熱した状態でイオン注入することにより、イオン注入した領域に結晶欠陥が生じるのを抑制することができる。そして、イオン注入した不純物を熱処理することで活性化させる。例えば、アルゴン雰囲気中や窒素雰囲気中で、1700℃程度の熱処理を行う。
In the ion implantation in the steps up to this point, for example, nitrogen (N) is used as the n-type impurity, and aluminum (Al) or boron (B) is used as the p-type impurity. By implanting ions while the temperature of the
なお、第1ドリフト領域21と第3ドリフト領域23の不純物濃度は、1E15/cm3〜1E19/cm3程度が好適である。また、第2ドリフト領域22の不純物濃度は、1E15/cm3〜1E/cm3程度が好適である。
The impurity concentrations in the
ところで、オフ状態でSJ構造を完全に空乏化させて高い耐圧を得るためには、p型のドリフト領域のp型不純物の総量とn型のドリフト領域のn型不純物の総量との比を1近傍に設定する必要がある。このため、第1ドリフト領域21のn型不純物の濃度Nd、第2ドリフト領域22のp型不純物の濃度Na、第1ドリフト領域21の幅Wn、第2ドリフト領域22の幅Wpが以下の式(1)を満たすことにより、高い耐圧を得られる:
Na×Wp=Nd×Wn ・・・(1)
幅Wnと幅Wpは、第1ドリフト領域21と第2ドリフト領域22が繰り返し配列される方向の幅である。
By the way, in order to completely deplete the SJ structure in the off state and obtain a high withstand voltage, the ratio of the total amount of p-type impurities in the p-type drift region to the total amount of n-type impurities in the n-type drift region is 1. Must be set in the vicinity. Therefore, the concentration Nd of the n-type impurity in the
Na × Wp = Nd × Wn ・ ・ ・ (1)
The width Wn and the width Wp are the widths in the direction in which the
次に、オン状態において溝100の深さ方向に第1ドリフト領域21を流れる主電流の電流経路の一方の端部であるアノード電極31と、半導体層20を介してアノード電極31と対向する、電流経路の他方の端部であるカソード電極32を形成する。そのために、半導体層20の端部に、アノード電極31とカソード電極32を配置する溝を形成する。即ち、図7に示すように、アノード電極31とカソード電極32を形成する領域が露出するようにマスク材114をパターニングし、マスク材114をマスクとするドライエッチングにより半導体層20の端部をエッチング除去する。
Next, the
マスク材114を除去した後、フォトレジスト材121を基板10と半導体層20の上面に塗布する。そして、フォトレジスト材121をパターニングして、溝100の外側のアノード電極31を形成する領域の基板10を露出させる。そして、図8に示すようにアノード電極31を形成する。例えば、アノード電極31に、Ni材やPt材などの仕事関数の高い、第1ドリフト領域21とショットキー接合を形成する金属を使用する。アノード電極31の形成には、電子ビーム(EB)蒸着法やスパッタ法などを使用する。その後、フォトレジスト材121を除去するリフトオフによって、フォトレジスト材121の上面に形成された必要のない金属(図示せず)を除去する。
After removing the mask material 114, the
次いで、図9に示すようにフォトレジスト材122をパターニングして、溝100の底面にカソード電極32を形成する。カソード電極32に、Ti材などの仕事関数の低い、第1ドリフト領域21とオーミック接続する金属を用いる。その後、フォトレジスト材122の上面に形成された必要のない金属膜(図示せず)を除去するリフトオフのために、フォトレジスト材122を除去する。以上により、図1に示した半導体装置が完成する。
Next, as shown in FIG. 9, the
上記では、第1ドリフト領域21と第2ドリフト領域22を基板10へのイオン注入によって形成する例を説明した。しかし、基板10でのエピタキシャル成長によって、第1ドリフト領域21と第2ドリフト領域22を基板10上に形成してもよい。なお、イオン注入によって第1ドリフト領域21と第2ドリフト領域22を形成することにより、エピタキシャル成長によって形成する場合よりも製造コストを低減できる。一方、エピタキシャル成長によって形成することによって、第1ドリフト領域21と第2ドリフト領域22をより厚く形成することが可能となり、単位面積当たりのオン抵抗を低減する効果を得られる。
In the above, an example in which the
図1に示した半導体装置では、溝100の長手方向に沿って第1ドリフト領域21と第2ドリフト領域22の繰り返しによるSJ構造を形成している。このため、異なる導電型のドリフト領域を膜厚方向に配置する場合とは異なり、溝100の側面と底面の交わる角部においても式(1)で表されるSJ構造の高耐圧化に必要な条件を満たすことができる。即ち、p型不純物の総量とn型不純物の総量を等しくできる。したがって、逆バイアス時にpn接合から伸びる空乏層によってSJ構造の全体が空乏化される。このため、オフ状態において第2ドリフト領域22と第1ドリフト領域21の界面と垂直方向に第2ドリフト領域22から第1ドリフト領域21に加わる電界が、SJ構造の全体において等しくなる。これにより、SJ構造の全体において電界緩和効果を均等に得ることができる。
In the semiconductor device shown in FIG. 1, an SJ structure is formed by repeating the
上記のように、電流経路において主電流が遮断されたオフ状態において、第1ドリフト領域21と第2ドリフト領域22の境界に形成されるpn接合から伸びる空乏層によって、第1ドリフト領域21及び第2ドリフト領域22の少なくとも一部が空乏化される。仮に第1ドリフト領域21及び第2ドリフト領域22の全部が空乏化されなくても、一部が空乏化されることによっても一定の耐圧が得られる。
As described above, in the off state where the main current is cut off in the current path, the
図1では、溝100の側面に第1ドリフト領域21と第2ドリフト領域22を形成するために、アノード電極31が溝100の外側で基板10の主面に配置され、カソード電極32が溝100の底面に配置されている例を示した。しかし、アノード電極31を溝100の底面に配置し、カソード電極32を溝100の底面に配置してもよいことはもちろんである。
In FIG. 1, in order to form the
なお、第2ドリフト領域22は、溝100の底部まで延在することが好ましい。溝100の側面に第1ドリフト領域21を形成した場合、オフ状態で高電圧が印加された場合に溝100の底部で電界集中が発生する。この時、第2ドリフト領域22が溝100の底部の位置まで伸びていると、第2ドリフト領域22から延びる空乏層によって溝100の底部の電界が緩和され、半導体装置の耐圧が向上する効果を得られる。
The
(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態に係る半導体装置は、図10に示すように、第1の主電極31と第2の主電極32の間に制御電極33を更に備える。制御電極33は、第1の主電極31と第2の主電極32の間で第1ドリフト領域21に流れる電流経路の近傍に配置され、電流経路を流れる主電流を制御する。つまり、図10に示した半導体装置は、制御電極33を備え、トランジスタとして動作することが図1に示した半導体装置と異なる点である。なお、図10に示した半導体装置では、第1の主電極31及び第2の主電極32が第1ドリフト領域21とオーミック接続される。その他の構成については、図1に示す第1の実施形態と同様である。
(Second Embodiment)
As shown in FIG. 10, the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention further includes a
以下において、第1の主電極31をソース電極、第2の主電極32をドレイン電極、制御電極33をゲート電極として、第2の実施形態を説明する。図10に示すように、ソース電極31及びゲート電極33は溝100の外側で基板10の主面に配置され、ドレイン電極32は溝100の底面に配置されている。
Hereinafter, the second embodiment will be described with the first
図10に示す半導体装置では、第2導電型のウェル領域24と、第1ドリフト領域21及び第2ドリフト領域22を挟んでウェル領域24に対向して配置された高濃度の第1導電型のドレイン領域26が、溝100の長手方向に延伸するように配置されている。ウェル領域24は、溝100の外部で第1ドリフト領域21の一方の端部に接続する。ドレイン領域26は、溝100の底面でドレイン電極32と接続するとともに、第1ドリフト領域21の他方の端部に接続する。更に、ウェル領域24とソース電極31との間に、高濃度の第1導電型のソース領域25が配置されている。ソース領域25はソース電極31と半導体層20のオーミック接続のために配置され、ドレイン領域26はドレイン電極32と半導体層20のオーミック接続のために配置されている。第2ドリフト領域22とウェル領域24は、ソース電極31と同電位に設定される。
In the semiconductor device shown in FIG. 10, a high-concentration first conductive type is arranged so as to face the
図10に示すように、ゲート絶縁膜40に周囲を囲まれたゲート電極33が、ソース領域25から第1ドリフト領域21及び第2ドリフト領域22に達する領域まで、ウェル領域24を貫通して配置されている。このため、第2ドリフト領域22の一方の端部はゲート絶縁膜40に接し、他方の端部はドレイン領域26に接している。
As shown in FIG. 10, the
図10に示した半導体装置では、オン動作時に、ゲート絶縁膜40と接するウェル領域24にチャネル領域が形成される。以下に、図1に示した半導体装置の基本的な動作について説明する。
In the semiconductor device shown in FIG. 10, a channel region is formed in the
オン動作において、ソース電極31の電位を基準として、ドレイン電極32に正の電位を印加した状態でゲート電極33の電位を制御することにより、半導体装置がトランジスタとして機能する。即ち、ゲート電極33とソース電極31間の電圧を所定の閾値電圧以上にすることにより、ゲート電極33の側面のウェル領域24のチャネル領域に反転層が形成される。これにより、半導体装置がオン状態となり、ドレイン電極32とソース電極31間に主電流が流れる。このように、第1ドリフト領域21は、オン状態において形成される反転層を介して第1の主電極31と電気的に接続される。
In the on operation, the semiconductor device functions as a transistor by controlling the potential of the
一方、オフ動作では、ゲート電極33とソース電極31間の電圧を所定の閾値電圧以下にする。これにより、反転層が消滅し、主電流が遮断される。
On the other hand, in the off operation, the voltage between the
オフ状態では、ウェル領域24と第1ドリフト領域21間のpn接合からドレイン電極32に向かって空乏層が広がるが、この時、第1ドリフト領域21と第2ドリフト領域22の界面からも空乏層が広がる。ある程度まで逆方向電圧が大きくなると、第1ドリフト領域21と第2ドリフト領域22がともに完全に空乏した状態(ピンチオフ状態)となる。
In the off state, the depletion layer spreads from the pn junction between the
第1ドリフト領域21と第2ドリフト領域22がピンチオフ状態になることにより、SJ構造の電界分布は均一な長方形の分布となり、半導体装置に加わる最大電界が大きく低下する。これにより、半導体装置の耐圧が向上する。第2ドリフト領域22は、ウェル領域24及びソース領域25を介してソース電極31と電気的に接続している。このため、オフ状態のときに第1ドリフト領域21と第2ドリフト領域22の間に適切な電位差が生じて、第1ドリフト領域21と第2ドリフト領域22が空乏化しやすくなる。
When the
また、第1ドリフト領域21と第2ドリフト領域22の電流経路に沿った長さを延長することにより、長さを延長しない状態で同様の逆方向電圧を印加した場合よりも、最大電界が低下する。これにより、半導体装置を高耐圧化できる。図10に示した半導体装置では、基板10の主面に対して垂直方向に第1ドリフト領域21を延長できるため、第1ドリフト領域21を延長してもチップ面積が増加しない。このため、単位チップ面積当たりのオン抵抗を増加させることなく、高耐圧化することが可能である。
Further, by extending the length of the
なお、基板10にSiC基板を使用することにより、基板10の絶縁性を高く、且つ熱伝導率を高くできる。このため、基板10の裏面を冷却機構に直接取り付けて、半導体装置を効率よく冷やすことができる。この構造によれば、SiC基板の熱伝導率が大きいため、半導体装置がオン状態のとき主電流による発熱を効率良く発散することができる。SiCはワイドバンドギャップ半導体であり真性キャリヤ数が少ないため、高い絶縁性を実現し易く、高い耐圧の半導体装置を実現できる。
By using a SiC substrate for the
以下に、図面を参照して、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する。なお、以下に述べる半導体装置の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能である。 Hereinafter, a method for manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The method for manufacturing a semiconductor device described below is an example, and can be realized by various other manufacturing methods including this modification.
第1の実施形態において図3〜図5を参照して説明した方法と同様に、基板10に溝100を形成し、基板10に第1ドリフト領域21と第2ドリフト領域22を形成する。即ち、溝100の一方の側面に接する半導体層20を、溝100の長手方向に沿って第1ドリフト領域21及び第2ドリフト領域22が交互に配置されるように形成する。
A
次に、図11に示すように、ウェル領域24を形成する領域が露出するように、基板10に形成したマスク材115をパターニングする。そして、マスク材115をマスクに用いたイオン注入によって、ウェル領域24を形成する。マスク材115のパターニングの方法としては、一般的なフォトリソグラフィ技術を用いることができる。即ち、フォトリソグラフィ技術によってパターニングされたフォトレジスト材(図示せず)をマスクにして、マスク材115をエッチングする。エッチング法としては、フッ酸を用いたウェットエッチングや反応性イオンエッチングなどのドライエッチングを用いる。
Next, as shown in FIG. 11, the
マスク材115を除去した後、ソース領域25とドレイン領域26を形成する領域が露出するようにパターニングしたマスク材116をマスクにして、図12に示すようにイオン注入によってソース領域25とドレイン領域26を形成する。
After removing the
ここまでのイオン注入の工程においては、第1の実施形態と同様に、n型不純物として窒素を用い、p型不純物としてアルミニウムやボロンを用いることができる。第1ドリフト領域21の不純物濃度は1E15/cm3〜1E19/cm3程度、第2ドリフト領域22の不純物濃度は1E15/cm3〜1E/cm3程度が好適である。そして、式(1)を満たすように、第1ドリフト領域21のn型不純物の濃度Nd、第2ドリフト領域22のp型不純物の濃度Na、第1ドリフト領域21の幅Wn、第2ドリフト領域22の幅Wpを設定する。
In the ion implantation step up to this point, nitrogen can be used as the n-type impurity and aluminum or boron can be used as the p-type impurity, as in the first embodiment. Impurity concentration 1E15 / cm 3 ~1E19 / cm 3 about the
また、ウェル領域24の不純物濃度は、1E15/cm3〜1E19/cm3程度が好適である。ソース領域25とドレイン領域26の不純物濃度は、1E18/cm3〜1E21/cm3程度が好適である。
The impurity concentration in the
次いで、基板10上に形成したマスク材117を、図13に示すように、ゲート絶縁膜40を形成する溝を有するようにパターニングする。そして、マスク材117をマスクにしたエッチングによって、図14に示すようにゲート溝400を形成する。エッチング法としては、例えば、反応性イオンエッチングなどのドライエッチングを用いる。
Next, as shown in FIG. 13, the
その後、ゲート溝400の内壁面を酸化してゲート絶縁膜40を形成する。ゲート絶縁膜40の形成方法は、熱酸化法でも堆積法でも構わない。例として、熱酸化法の場合、酸素雰囲気中で1100℃程度の温度に基板10を加熱する。ゲート絶縁膜40を形成した後、ウェル領域24とゲート絶縁膜40との界面における界面準位を低減するために、窒素、アルゴン、N2Oなどの雰囲気中で1000℃程度のアニールを行ってもよい。また、直性NOかN2O雰囲気中での熱酸化も可能である。その場合の温度は1100℃〜1400℃が好適である。ゲート絶縁膜40の厚さは数十nm程度である。
After that, the inner wall surface of the
次に、図15に示すようにゲート溝400を埋め込んでゲート電極33を形成する。ゲート電極33の材料はポリシリコン膜が一般的であり、ここではポリシリコン膜をゲート電極33に使用する場合を説明する。ポリシリコン膜の堆積方法としては、減圧CVD法などを用いることができる。また、ポリシリコン膜を堆積した後に、オキシ塩化リンPOCl3中で950℃のアニール処理することで、第1導電型のポリシリコン膜が形成され、ゲート電極33に導電性を持たせる。次に、ゲート電極33のポリシリコンをエッチングして平坦化する。エッチング法は等方性エッチングでも異方性の選択エッチングでもよい。エッチングの結果、ポリシリコン膜はゲート溝400の内部に埋め込まれた構造になる。
Next, as shown in FIG. 15, the
次に、ソース電極31とドレイン電極32を形成する。即ち、マスク材(図示せず)を用いたパターニングにより、ソース領域25のソース電極31を形成する領域と、ドレイン領域26のドレイン電極32を形成する領域を、エッチングする。その後、新たに形成したフォトレジスト材123をソース電極31及びドレイン電極32を形成する領域が露出するようにパターニングし、図16に示すようにソース電極31とドレイン電極32を形成する。
Next, the
その後、フォトレジスト材123の上面に形成された必要のない金属膜(図示せず)を除去するリフトオフのために、フォトレジスト材123を除去する。以上により、図10に示した半導体装置が完成する。
After that, the
<第1の変形例>
図17に示す本発明の第2の実施形態の第1の変形例に係る半導体装置は、ソース電極31とドレイン電極32が、溝100を挟んで溝100の外側にそれぞれ配置されている。即ち、ドレイン電極32が溝100の底面ではなく溝の外側に配置されている点が、図10に示した半導体装置と異なる。即ち、溝100の一方の側面から溝100の底面を介して他方の側面まで、第1ドリフト領域21と第2ドリフト領域22が溝100の内壁面に連続して形成されている。
<First modification>
In the semiconductor device according to the first modification of the second embodiment of the present invention shown in FIG. 17, the
図17に示した半導体装置によれば、ソース電極31とドレイン電極32が溝100を挟んで溝100の外部にそれぞれ形成されることにより、電極を溝100の底面に形成する場合と比較して容易なプロセスで電極を形成できる。また、溝100の両側の側面をドリフト領域として用いるため、ソース電極31とドレイン電極32間の水平距離が短くても高い耐圧を得ることができる。
According to the semiconductor device shown in FIG. 17, the
なお、図17にはソース電極31とドレイン電極32が溝100の外側に配置される例を示したが、第1の実施形態に係る半導体装置においても、アノード電極31とカソード電極32の両方を溝100の外側に配置してもよい。これにより、アノード電極31とカソード電極32間の水平距離が短くても高い耐圧を得られる。
Although FIG. 17 shows an example in which the
<第2の変形例>
図18に示す本発明の第2の実施形態の第2の変形例に係る半導体装置は、溝100の底部の角部に第2導電型の電界緩和領域27が配置されている点が、図10に示した半導体装置と異なる。図18に示した半導体装置では、第1ドリフト領域21は溝100の底面に達しておらず、溝100の底面の近傍で第1ドリフト領域21の端部が電界緩和領域27に接続している。
<Second modification>
In the semiconductor device according to the second modification of the second embodiment of the present invention shown in FIG. 18, the second conductive type electric
既に説明したように、第1ドリフト領域21と第2ドリフト領域22がピンチオフ状態になることにより、最大電界が大きく低下し、半導体装置の耐圧が向上する。しかし、第1ドリフト領域21が溝100の側面と底面の交わる角部で曲がっていることにより、角部に電界が集中して絶縁破壊につながるおそれがある。
As described above, when the
図19に、第1ドリフト領域21が曲がっている場合にドレイン電極32に600Vの電圧を印加したときの電界分布の計算結果を示す。図19に示すように、溝100の側面と底面の交わる角部Pは、計算結果で色が濃く表示される電界の集中する領域である。
FIG. 19 shows the calculation result of the electric field distribution when a voltage of 600 V is applied to the
図18に示した半導体装置によれば、電界集中が発生する溝100の角部に第2導電型の電界緩和領域27を配置することにより、電界緩和領域27から第1ドリフト領域21に空乏層が広がる。このため、溝100の角部での電界集中が緩和される効果が得られる。
According to the semiconductor device shown in FIG. 18, by arranging the second conductive type electric
<第3の変形例>
図20に示す本発明の第2の実施形態の第3の変形例に係る半導体装置は、第1ドリフト領域21の上面に層間絶縁膜50が配置され、層間絶縁膜50を介して第1ドリフト領域21の上方に第1ドリフト領域21に沿って電界緩和電極60が配置されている。図20や図21に示すように、電界緩和電極60は、ソース電極31と電気的に接続されている。なお、図面をわかりやすくするために、図20では層間絶縁膜50を輪郭のみで示している。
<Third modification example>
In the semiconductor device according to the third modification of the second embodiment of the present invention shown in FIG. 20, the
既に説明したように、第1ドリフト領域21が溝100の角部で曲がっていることにより、オフ状態でドレイン電極32に高い電圧が印加されると、第1ドリフト領域21の角部に電界が集中し、絶縁破壊につながる。図20に示した半導体装置では、層間絶縁膜50を介してソース電極31と同じ電位の電界緩和電極60が、第1ドリフト領域21に沿って配置されている。このため、電界緩和電極60がフィールドプレートとして機能し、溝100の角部に集中している電界が電界緩和電極60の端部に分散される。これにより第1ドリフト領域21に集中する電界のピークが分散され、電界強度のピークの最大値が低下する。その結果、半導体装置の耐圧を向上させることができる。
As described above, since the
<第4の変形例>
図22に示す本発明の第2の実施形態の第4の変形例に係る半導体装置は、基板10の主面の面法線方向に沿って、ゲート電極33の上方にソース電極31が配置されている。即ち、第1ドリフト領域21と第2ドリフト領域22の端面に、ウェル領域24、ソース領域25及びソース電極31が基板10の主面の面法線方向に沿って順に配置されている。そして、ゲート電極33は、基板10の上面と垂直に溝100の側面に露出している。
<Fourth modification>
In the semiconductor device according to the fourth modification of the second embodiment of the present invention shown in FIG. 22, the
図22に示す半導体装置では、ソース電極31、ウェル領域24及びゲート電極33が基板10の主面に対して垂直に並べて配置されていることにより、ソース電極31からゲート電極33までの活性領域の面積が小さくなる。このため、単位面積当たりのオン抵抗が低減される効果が得られる。
In the semiconductor device shown in FIG. 22, the
(第3の実施形態)
本発明の第3の実施形態に係る半導体装置は、図23に示すように、第2の実施形態に係る半導体装置と同様の構成の複数の半導体素子が、同一の基板10に集積されている。即ち、図23に示す半導体装置では、絶縁性の基板10上に、第1の半導体素子1と第2の半導体素子2が形成されている。
(Third Embodiment)
In the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention, as shown in FIG. 23, a plurality of semiconductor elements having the same configuration as the semiconductor device according to the second embodiment are integrated on the
図23に示すように、溝100の長手方向に沿って交互に配置された第1ドリフト領域21と第2ドリフト領域22が、溝100を挟んだ基板10の一方の上面から、溝100の底面を経由して、基板10の他方の上面に渡って形成されている。
As shown in FIG. 23, the
第1の半導体素子1と第2の半導体素子2はいずれも、ソース電極31、ドレイン電極32及びゲート電極33を有するトランジスタ構造である。なお、図23に示すように、第1の半導体素子1のドレイン電極32と第2の半導体素子2のソース電極31は兼用されている。
Both the
第1の半導体素子1のソース電極31及びゲート電極33は溝100の外側に配置され、ドレイン電極32は溝100の底面に配置されている。一方、第2の半導体素子2のソース電極31及びゲート電極33は溝100の底面に配置され、ドレイン電極32は溝100の外側に配置されている。
The
第1の半導体素子1と第2の半導体素子2を有する半導体装置によれば、例えば、図24に示すDC/DCコンバータなどに用いられるフルブリッジ回路のハーフブリッジ部分を集積化できる。即ち、第1の半導体素子1をN端子とU端子の間に接続される下アーム素子、第2の半導体素子をU端子とP端子の間に接続される上アーム素子として形成する。
According to the semiconductor device having the
この場合、第1の半導体素子1のソース電極31と接続するように、N端子が配置される。第1の半導体素子1のドレイン電極32及び第2の半導体素子2のソース電極31と接するように、U端子が配置される。そして、第2の半導体素子2のドレイン電極32と接するように、P端子が配置される。
In this case, the N terminal is arranged so as to connect to the
第3の実施形態に係る半導体装置によれば、複数の半導体素子を同一の基板10に集積化することにより、配線インダクタンスの低減、チップコストの削減などの効果を奏する。他は、第2の実施形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。
According to the semiconductor device according to the third embodiment, by integrating a plurality of semiconductor elements on the
(その他の実施形態)
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
(Other embodiments)
As mentioned above, the invention has been described by embodiment, but the statements and drawings that form part of this disclosure should not be understood to limit the invention. Various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art from this disclosure.
例えば、上記では基板10にSiC基板を使用する例を説明したが、SiC基板に限らず、バンドギャップの広い半導体材料からなる基板10を使用してもよい。バンドギャップの広い半導体材料には、GaN、ダイヤモンド、ZnO、AlGaNなどがある。
For example, although the example in which the SiC substrate is used for the
また、ゲート電極33に第1導電型のポリシリコン膜を使用する例を説明したが、第2導電型のポリシリコン膜を使用してもよい。また、他の半導体材料をゲート電極33に使用してもよいし、メタル材料などの他の導電性材料を使用してもよい。例えば、第2導電型のポリ炭化珪素、SiGe、Alなどをゲート電極33の材料に使用することができる。
Further, although the example of using the first conductive type polysilicon film for the
なお、ゲート絶縁膜40にシリコン酸化膜を使用する例を説明したが、シリコン窒化膜をゲート絶縁膜40に使用してもよい。または、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜の積層体をゲート絶縁膜40に使用してもよい。ゲート絶縁膜40にシリコン窒化膜を使用した場合の等方性エッチングは、160℃の熱燐酸による洗浄によって行うことができる。
Although an example of using a silicon oxide film for the
また、図25に示すように、第2ドリフト領域22を、第1ドリフト領域21よりも基板10の主面から深い位置まで形成されていることが好ましい。つまり、第2ドリフト領域22の膜厚を第1ドリフト領域21の膜厚よりも厚くする。第2ドリフト領域22が第1ドリフト領域21よりも深い領域まで形成されていることによって、通常は電界が集中する第1の主電極31の端部と第2ドリフト領域22の距離が短くなる。この距離が短くなることによって、第2ドリフト領域22から伸びる空乏層によって第1の主電極31の端部での電界集中が緩和される。
Further, as shown in FIG. 25, it is preferable that the
更に、基板10に絶縁性を有する基板を使用することにより、半導体装置がオフ状態の時に第1の主電極31に集中する電界を、基板10を介して溝100の側面に配置した第2ドリフト領域22によって緩和する効果が得られる。また、電気的に分離された素子を同一の半導体チップに形成することが可能となる。
Further, by using an insulating substrate for the
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態などを含むことはもちろんである。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。 As described above, it goes without saying that the present invention includes various embodiments not described here. Therefore, the technical scope of the present invention is defined only by the matters specifying the invention relating to the reasonable claims from the above description.
本発明の半導体装置及び半導体装置の製造方法は、SJ構造を有する半導体装置を製造する製造業を含む電子機器産業に利用可能である。 The semiconductor device and the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention can be used in the electronic equipment industry including a manufacturing industry for manufacturing a semiconductor device having an SJ structure.
10…基板
20…半導体層
21…第1ドリフト領域
22…第2ドリフト領域
23…第3ドリフト領域
24…ウェル領域
25…ソース領域
26…ドレイン領域
27…電界緩和領域
31…第1の主電極
32…第2の主電極
33…制御電極
40…ゲート絶縁膜
60…電界緩和電極
10 ...
Claims (17)
前記基板の主面に形成された溝の一方の側面に接して形成され、前記溝が前記基板の主面と平行に延伸する方向に沿って第1導電型の第1ドリフト領域と第2導電型の第2ドリフト領域が交互に配置された半導体層と、
オン状態において前記基板の主面と垂直な方向に前記半導体層を流れる主電流の電流経路の一方の端部である第1の主電極と、
前記半導体層を介して前記第1の主電極と対向して配置された、前記電流経路の他方の端部である第2の主電極と
を備えることを特徴とする半導体装置。 With the board
The first drift region and the second conductive of the first conductive type are formed in contact with one side surface of the groove formed on the main surface of the substrate and along the direction in which the groove extends in parallel with the main surface of the substrate. A semiconductor layer in which the second drift region of the mold is alternately arranged, and
In the ON state, the first main electrode, which is one end of the current path of the main current flowing through the semiconductor layer in the direction perpendicular to the main surface of the substrate,
A semiconductor device comprising a second main electrode, which is the other end of the current path, arranged so as to face the first main electrode via the semiconductor layer.
前記絶縁膜を介して前記第1ドリフト領域の上方に前記第1ドリフト領域に沿って配置され、前記第1の主電極と電気的に接続された電界緩和電極と
を更に備えることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の半導体装置。 An insulating film arranged on the upper surface of the first drift region and
An electric field relaxation electrode arranged above the first drift region via the insulating film along the first drift region and electrically connected to the first main electrode is further provided. The semiconductor device according to any one of claims 1 to 8.
前記第2の主電極が前記第1ドリフト領域とオーミック接続され、
前記第1の主電極をアノード電極とし、前記第2の主電極をカソード電極とするダイオードとして動作することを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の半導体装置。 The first main electrode is formed with an energy barrier between the first main electrode and the first drift region.
The second main electrode is ohmic-connected to the first drift region.
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 11, wherein the semiconductor device operates as a diode having the first main electrode as an anode electrode and the second main electrode as a cathode electrode.
前記第1の主電極及び前記第2の主電極が前記第1ドリフト領域とオーミック接続され
前記制御電極によって前記電流経路を流れる前記主電流を制御するトランジスタとして動作することを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の半導体装置。 Further, a control electrode arranged between the first main electrode and the second main electrode is provided.
Claim 1 is characterized in that the first main electrode and the second main electrode are ohmicly connected to the first drift region and operate as a transistor that controls the main current flowing through the current path by the control electrode. The semiconductor device according to any one of items 11 to 11.
前記溝の一方の側面に接する半導体層を、前記溝が前記基板の主面と平行に延伸する方向に沿って第1導電型の第1ドリフト領域と第2導電型の第2ドリフト領域が交互に配置されるように形成する工程と、
前記基板10の主面と垂直な方向に前記半導体層を流れる主電流の電流経路の一方の端部である第1の主電極を形成する工程と、
前記半導体層を介して前記第1の主電極と対向させて、前記電流経路の他方の端部である第2の主電極を形成する工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 The process of forming a groove on the main surface of the substrate and
In the semiconductor layer in contact with one side surface of the groove, the first conductive type first drift region and the second conductive type second drift region alternate along the direction in which the groove extends in parallel with the main surface of the substrate. And the process of forming so that it is arranged in
A step of forming a first main electrode which is one end of a current path of a main current flowing through the semiconductor layer in a direction perpendicular to the main surface of the substrate 10.
A method for manufacturing a semiconductor device, which comprises a step of forming a second main electrode which is the other end of the current path so as to face the first main electrode via the semiconductor layer.
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