JP7707955B2 - Silicon carbide semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、炭化珪素(以下では、単にSiCともいう)で構成されるSiC半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a SiC semiconductor device made of silicon carbide (hereinafter simply referred to as SiC).
従来より、SiCで構成された半導体基板にベース層やソース領域等を有するMOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistorの略)が形成されたSiC半導体装置が提案されている。具体的には、このSiC半導体装置は、n+型の基板上に、n-型のドリフト層、p型のベース層が順に積層され、ベース層の表層部にソース領域が形成されたSiCで構成される半導体基板を備えている。また、このSiC半導体装置では、ベース層およびソース領域を貫通してドリフト層に達するトレンチが形成されている。そして、トレンチには、ゲート絶縁膜およびゲート電極が順に形成されている。 Conventionally, a SiC semiconductor device has been proposed in which a MOSFET (short for metal oxide semiconductor field effect transistor) having a base layer, a source region, and the like is formed on a semiconductor substrate made of SiC. Specifically, this SiC semiconductor device includes a semiconductor substrate made of SiC in which an n- type drift layer and a p-type base layer are stacked in order on an n + type substrate, and a source region is formed on a surface layer of the base layer. In addition, in this SiC semiconductor device, a trench is formed that penetrates the base layer and the source region and reaches the drift layer. Then, a gate insulating film and a gate electrode are formed in order in the trench.
半導体基板の一面側には、ソース領域およびベース層と接続される第1電極が配置されている。半導体基板の他面側には、ドレイン領域を構成する基板と接続される第2電極が配置されている。 A first electrode is disposed on one side of the semiconductor substrate, and is connected to the source region and the base layer. A second electrode is disposed on the other side of the semiconductor substrate, and is connected to the substrate that constitutes the drain region.
このようなSiC半導体装置では、SiCで構成される半導体基板に基底面転位(以下では、BPDともいう)が含まれることが報告されている。また、このようなSiC半導体装置では、ベース層とドリフト層とを含んで寄生ダイオードが構成される。そして、このようなSiC半導体装置では、寄生ダイオードが作動すると、正孔がドリフト層に注入され、注入された正孔がBPDで電子と再結合することでシングルショックレー型の積層欠陥(以下では、単にSSFともいう)が構成される。SSFは、BPDよりもSiC半導体装置の特性を低下させ易い欠陥である。 In such SiC semiconductor devices, it has been reported that the semiconductor substrate made of SiC contains basal plane dislocations (hereinafter also referred to as BPDs). In addition, in such SiC semiconductor devices, a parasitic diode is formed including a base layer and a drift layer. In such SiC semiconductor devices, when the parasitic diode is activated, holes are injected into the drift layer, and the injected holes recombine with electrons in the BPDs to form single Shockley stacking faults (hereinafter also referred to simply as SSFs). SSFs are defects that are more likely to degrade the characteristics of SiC semiconductor devices than BPDs.
このため、例えば、特許文献1には、ドリフト層にライフタイムキラーを形成し、寄生ダイオードが動作した際の正孔濃度を低減してSSFを構成され難くすることが提案されている。 For this reason, for example, Patent Document 1 proposes forming a lifetime killer in the drift layer to reduce the hole concentration when the parasitic diode is operating, making it difficult for an SSF to form.
しかしながら、ドリフト層にライフタイムキラーを形成してSiC半導体装置を構成した場合、オン抵抗が増加する懸念がある。 However, when a SiC semiconductor device is constructed by forming a lifetime killer in the drift layer, there is a concern that the on-resistance may increase.
本発明は上記点に鑑み、オン抵抗が増加することを抑制しつつ、SSFが発生することを抑制できるSiC半導体装置を提供することを目的とする。 In view of the above, the present invention aims to provide a SiC semiconductor device that can suppress the occurrence of SSF while suppressing an increase in on-resistance.
上記目的を達成するための請求項1、3、5では、SiCで構成されるSiC半導体装置であって、SiCで構成され、一面(10a)および一面と反対側の他面(10b)を有す半導体基板(10)と、半導体基板に形成され、寄生ダイオードが構成されるスイッチング素子を有する素子領域(1)と、半導体基板に形成され、ダイオード素子を有するダイオード領域(2)と、半導体基板の一面側に配置されてスイッチング素子およびダイオード素子と電気的に接続される第1電極(30)と、半導体基板の他面側に配置されてスイッチング素子およびダイオード素子と電気的に接続される第2電極(33)と、を備え、ダイオード領域に形成されたダイオード素子は、寄生ダイオードよりも、順方向電流が流れ始める順方向電圧が小さくされている。
また、請求項1では、素子領域およびダイオード領域には、第1電極と接続される部分にコンタクト領域(23a、23b)が形成されており、ダイオード領域に形成されたコンタクト領域は、素子領域に形成されたコンタクト領域よりも不純物濃度が高くされている。
請求項3では、半導体基板には、第1電極と接続される部分に金属シリサイド層(31a、31b)が形成されており、ダイオード領域に形成された金属シリサイド層は、素子領域に形成された金属シリサイド層よりも、第1電極との接触抵抗が低くなる材料を用いて構成されている。
請求項5では、素子領域とダイオード領域との間には、第1電極と絶縁されたガード領域が配置されており、素子領域とダイオード領域との間に配置されるガード領域は、素子領域とダイオード領域との配列方向に沿った長さが、正孔の拡散長以上の長さとされている。
In order to achieve the above object, claims 1 , 3, and 5 provide a SiC semiconductor device made of SiC, comprising: a semiconductor substrate (10) made of SiC and having one surface (10a) and another surface (10b) opposite to the one surface; an element region (1) formed in the semiconductor substrate and having a switching element constituting a parasitic diode; a diode region (2) formed in the semiconductor substrate and having a diode element; a first electrode (30) disposed on one surface of the semiconductor substrate and electrically connected to the switching element and the diode element; and a second electrode (33) disposed on the other surface of the semiconductor substrate and electrically connected to the switching element and the diode element, and the diode element formed in the diode region has a smaller forward voltage at which a forward current begins to flow than a parasitic diode.
In addition, in claim 1, contact regions (23a, 23b) are formed in the element region and the diode region at portions connected to the first electrode, and the contact region formed in the diode region has a higher impurity concentration than the contact region formed in the element region.
In claim 3, a metal silicide layer (31 a, 31 b) is formed in a portion of the semiconductor substrate that is connected to the first electrode, and the metal silicide layer formed in the diode region is made of a material that has a lower contact resistance with the first electrode than the metal silicide layer formed in the element region.
In claim 5, a guard region insulated from the first electrode is disposed between the element region and the diode region, and the length of the guard region disposed between the element region and the diode region along the arrangement direction of the element region and the diode region is set to be equal to or longer than the diffusion length of holes.
これによれば、ダイオード領域の順方向電圧が素子領域に構成される寄生ダイオードの順方向電圧よりも低くされている。このため、SiC半導体装置がダイオード動作する際には、ダイオード領域が動作し易くなり、素子領域の寄生ダイオードが動作し難くなる。したがって、素子領域にSSFが構成されることを抑制できる。 According to this, the forward voltage of the diode region is set lower than the forward voltage of the parasitic diode formed in the element region. Therefore, when the SiC semiconductor device operates as a diode, the diode region operates more easily and the parasitic diode in the element region operates less easily. Therefore, it is possible to suppress the formation of an SSF in the element region.
また、このSiC半導体装置では、ダイオード領域を配置することで素子領域にSSFが構成されることを抑制している。このため、素子領域にライフタイムキラー等を形成する場合と比較して、素子領域のオン抵抗が増加することを抑制できる。つまり、このSiC半導体装置によれば、オン抵抗が増加することを抑制しつつ、素子領域(すなわち、スイッチング素子内)にSSFが発生することを抑制できる。 In addition, in this SiC semiconductor device, the diode region is disposed to prevent SSF from being formed in the element region. Therefore, the on-resistance of the element region can be prevented from increasing compared to the case where a lifetime killer or the like is formed in the element region. In other words, this SiC semiconductor device can prevent SSF from occurring in the element region (i.e., in the switching element) while preventing the on-resistance from increasing.
なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。 The reference symbols in parentheses attached to each component indicate an example of the correspondence between the component and the specific components described in the embodiments described below.
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。 The following describes embodiments of the present invention with reference to the drawings. In the following embodiments, parts that are the same or equivalent to each other are denoted by the same reference numerals.
(第1実施形態)
第1実施形態について、図面を参照しつつ説明する。本実施形態のSiC半導体装置は、例えば、自動車等の車両に搭載され、車両用の各種電子装置を駆動するための装置として適用されると好適である。
First Embodiment
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The SiC semiconductor device of the present embodiment is preferably mounted on a vehicle such as an automobile and used as a device for driving various electronic devices for the vehicle.
図1に示されるように、SiC半導体装置は、平面矩形状とされており、素子領域1、ダイオード領域2、ダイオード領域2を囲むガード領域3、および素子領域1、ダイオード領域2、ガード領域3を囲む外周領域4を有している。そして、本実施形態では、素子領域1に、スイッチング素子としてのMOSFETが形成され、ダイオード領域2にダイオード素子が形成されている。 As shown in FIG. 1, the SiC semiconductor device has a rectangular shape in plan view and includes an element region 1, a diode region 2, a guard region 3 surrounding the diode region 2, and an outer periphery region 4 surrounding the element region 1, the diode region 2, and the guard region 3. In this embodiment, a MOSFET is formed as a switching element in the element region 1, and a diode element is formed in the diode region 2.
なお、ガード領域3は、ダイオード領域2を囲むように配置されることで素子領域1とダイオード領域2との間にも配置される。また、外周領域4には、後述するゲート電極27等と接続されるパッド部5等が形成されている。 The guard region 3 is also disposed between the element region 1 and the diode region 2 by being disposed so as to surround the diode region 2. In addition, the peripheral region 4 is formed with a pad portion 5 and the like that is connected to a gate electrode 27 and the like, which will be described later.
以下、後述する基板11の面方向における一方向をX軸方向とし、基板の面方向における一方向と交差する方向をY軸方向とし、X軸方向およびY軸方向と直交する方向をZ軸方向として説明する。なお、本実施形態では、X軸方向とY軸方向とは直交している。そして、図1では、紙面上下方向がX軸方向に相当し、紙面左右方向がY軸方向に相当し、紙面奥行き方向がZ軸方向に相当している。また、以下では、結晶の方位を示す場合、本来ならば所望の数字の上にバー(-)を付すべきであるが、電子出願に基づく表現上の制限が存在するため、本明細書では所望の数字の前にバーを付している。 In the following description, one direction in the surface direction of the substrate 11 described later is defined as the X-axis direction, the direction intersecting with the one direction in the surface direction of the substrate is defined as the Y-axis direction, and the direction perpendicular to the X-axis direction and the Y-axis direction is defined as the Z-axis direction. In this embodiment, the X-axis direction and the Y-axis direction are perpendicular to each other. In FIG. 1, the up-down direction of the paper corresponds to the X-axis direction, the left-right direction of the paper corresponds to the Y-axis direction, and the depth direction of the paper corresponds to the Z-axis direction. In the following description, when indicating the orientation of a crystal, a bar (-) should be placed above the desired number, but due to the limitations on expression based on electronic filing, a bar is placed before the desired number in this specification.
SiC半導体装置は、図2および図3に示されるように、全体として4H-SiC型とされたSiCで構成される半導体基板10を用いて構成されており、BPDが含まれている。なお、本実施形態では、X軸方向が[1-100]方向に沿った方向とされ、Y軸方向が[11-20]方向に沿った方向とされている。 As shown in Figures 2 and 3, the SiC semiconductor device is constructed using a semiconductor substrate 10 that is made of 4H-SiC type SiC as a whole, and contains BPD. In this embodiment, the X-axis direction is the direction along the [1-100] direction, and the Y-axis direction is the direction along the [11-20] direction.
具体的には、半導体基板10は、SiC単結晶からなるn+型の基板11を備えている。本実施形態では、基板11として、例えば、(0001)Si面に対してY軸方向に0~8°のオフ角を有し、窒素やリン等のn型不純物濃度が1.0×1019/cm3とされ、厚さが300μm程度とされたものが用いられる。なお、基板11は、本実施形態ではドレイン領域を構成するものであり、高濃度層を構成する。また、基板11には、BPDが含まれている。そして、後述するように、基板11上にエピタキシャル層等が配置されることにより、BPDを含む半導体基板10が構成される。 Specifically, the semiconductor substrate 10 includes an n + type substrate 11 made of a SiC single crystal. In this embodiment, the substrate 11 has an off angle of 0 to 8° in the Y-axis direction with respect to the (0001) Si-plane, an n-type impurity concentration of nitrogen, phosphorus, etc. of 1.0×10 19 /cm 3 , and a thickness of about 300 μm. In this embodiment, the substrate 11 constitutes the drain region and constitutes a high concentration layer. The substrate 11 also contains BPDs. As described later, an epitaxial layer or the like is disposed on the substrate 11, thereby forming the semiconductor substrate 10 containing BPDs.
基板11の表面上には、SiCからなるn-型のバッファ層12が形成されている。バッファ層12は、基板11の表面にエピタキシャル成長を行うことによって構成される。そして、バッファ層12は、n型不純物濃度が、基板11と、後述する低濃度層13との間の不純物濃度とされ、厚さが1μm程度とされている。 An n - type buffer layer 12 made of SiC is formed on the surface of the substrate 11. The buffer layer 12 is formed by epitaxial growth on the surface of the substrate 11. The buffer layer 12 has an n-type impurity concentration between that of the substrate 11 and a low concentration layer 13 described below, and has a thickness of about 1 μm.
バッファ層12の表面上には、例えば、n型不純物濃度が5.0~10.0×1015/cm3とされ、厚さが10~15μm程度とされたSiCからなるn-型の低濃度層13がエピタキシャル成長を行うことによって構成されている。この低濃度層13は、不純物濃度がZ軸方向において一定とされていてもよいが、濃度分布に傾斜が付けられ、低濃度層13のうちの基板11側の方が基板11から離れる側よりも高濃度となるようにされると好ましい。例えば、低濃度層13は、基板11の表面から3~5μm程度の部分の不純物濃度が2.0×1015/cm3程度他の部分よりも高くされるのが好ましい。このような構成にすることにより、低濃度層13の内部抵抗を低減でき、オン抵抗を低減することができる。 On the surface of the buffer layer 12, for example, an n-type low concentration layer 13 made of SiC having an n - type impurity concentration of 5.0 to 10.0×10 15 /cm 3 and a thickness of about 10 to 15 μm is formed by epitaxial growth. The impurity concentration of this low concentration layer 13 may be constant in the Z-axis direction, but it is preferable that the concentration distribution is inclined so that the low concentration layer 13 is higher on the substrate 11 side than on the side away from the substrate 11. For example, it is preferable that the impurity concentration of the low concentration layer 13 is higher by about 2.0×10 15 /cm 3 in a portion about 3 to 5 μm from the surface of the substrate 11 than in other portions. By adopting such a configuration, the internal resistance of the low concentration layer 13 can be reduced, and the on-resistance can be reduced.
低濃度層13の表層部には、素子領域1において、JFET部14および第1ディープ層15が形成されている。本実施形態では、素子領域1のJFET部14および第1ディープ層15は、それぞれX軸方向に沿って延設されると共に、Y軸方向において交互に繰り返し並べて配置された線状部分を有する構成とされている。つまり、素子領域1のJFET部14および第1ディープ層15は、基板11の表面に対する法線方向(以下では、単に法線方向ともいう)において、それぞれX軸方向に沿って延設されたストライプ状とされ、それらがY軸方向に沿って交互に並べられたレイアウトとなる構成とされている。なお、基板11の表面に対する法線方向においてとは、言い換えると、基板11の表面に対する法線方向から視たときということもできる。 In the surface layer of the low concentration layer 13, the JFET section 14 and the first deep layer 15 are formed in the element region 1. In this embodiment, the JFET section 14 and the first deep layer 15 of the element region 1 are each configured to extend along the X-axis direction and have linear portions arranged alternately and repeatedly in the Y-axis direction. In other words, the JFET section 14 and the first deep layer 15 of the element region 1 are configured to be stripes extending along the X-axis direction in the normal direction (hereinafter simply referred to as the normal direction) to the surface of the substrate 11, and are arranged alternately along the Y-axis direction. In addition, in the normal direction to the surface of the substrate 11, it can also be said that when viewed from the normal direction to the surface of the substrate 11.
JFET部14は、低濃度層13よりも高不純物濃度とされたn型とされており、深さが0.3~1.5μmとされている。本実施形態では、JFET部14は、n型不純物濃度が7.0×1016~5.0×1017/cm3とされている。第1ディープ層15は、例えば、ボロン等のp型不純物濃度が2.0×1017~2.0×1018/cm3とされている。 The JFET section 14 is of n-type with a higher impurity concentration than the low concentration layer 13, and has a depth of 0.3 to 1.5 μm. In this embodiment, the JFET section 14 has an n-type impurity concentration of 7.0×10 16 to 5.0×10 17 /cm 3. The first deep layer 15 has a p-type impurity concentration of boron or the like of 2.0×10 17 to 2.0×10 18 /cm 3 .
そして、本実施形態の第1ディープ層15は、JFET部14より浅く形成されている。つまり、第1ディープ層15は、底部がJFET部14内に位置するように形成されている。言い換えると、第1ディープ層15は、低濃度層13との間にJFET部14が位置するように形成されている。 The first deep layer 15 in this embodiment is formed shallower than the JFET section 14. In other words, the first deep layer 15 is formed so that its bottom is located within the JFET section 14. In other words, the first deep layer 15 is formed so that the JFET section 14 is located between it and the low concentration layer 13.
また、低濃度層13の表層部には、ダイオード領域2において、第1ディープ層15が全体的に形成されている。さらに、低濃度層13の表層部には、ガード領域3において、第1フローティング領域16が形成されている。第1フローティング領域16は、ダイオード領域2を囲むように複数本が形成されている。本実施形態の第1フローティング領域16は、例えば、四隅が丸められた四角枠状とされて同心状に形成されている。但し、この第1フローティング領域16は、四角枠状ではなく、円形枠状等の他の枠状とされて同心状に形成されていてもよい。 In addition, a first deep layer 15 is formed entirely in the surface layer of the low concentration layer 13 in the diode region 2. Furthermore, a first floating region 16 is formed in the guard region 3 in the surface layer of the low concentration layer 13. A plurality of first floating regions 16 are formed so as to surround the diode region 2. In this embodiment, the first floating region 16 is formed concentrically, for example, in a rectangular frame shape with rounded corners. However, this first floating region 16 may be formed concentrically in another frame shape, such as a circular frame shape, instead of a rectangular frame shape.
なお、素子領域1およびダイオード領域2に形成された第1ディープ層15およびガード領域3に形成された第1フローティング領域16は、それぞれ基板11側の下面が同じ深さとされていると共に同じ厚さとされ、p型不純物濃度が同じとされている。 The first deep layer 15 formed in the element region 1 and the diode region 2 and the first floating region 16 formed in the guard region 3 each have the same depth and thickness on their lower surfaces facing the substrate 11, and have the same p-type impurity concentration.
そして、素子領域1におけるJFET部14および第1ディープ層15上には、電流分散層17、第2ディープ層18、ベース層21、ソース領域22、コンタクト領域23aが形成されている。ダイオード領域2における第1ディープ層15上には、第2ディープ層18、ベース層21およびコンタクト領域23bが形成されている。ガード領域3における低濃度層13および第1ディープ層15上には、電流分散層17および第2フローティング領域24が形成されている。 Then, a current spreading layer 17, a second deep layer 18, a base layer 21, a source region 22, and a contact region 23a are formed on the JFET portion 14 and the first deep layer 15 in the element region 1. The second deep layer 18, a base layer 21, and a contact region 23b are formed on the first deep layer 15 in the diode region 2. The current spreading layer 17 and a second floating region 24 are formed on the low concentration layer 13 and the first deep layer 15 in the guard region 3.
電流分散層17は、n型不純物層で構成され、素子領域1ではJFET部14と繋がっている。このため、本実施形態では、低濃度層13、JFET部14、および電流分散層17が繋がり、これらによってドリフト層19が構成されている。 The current spreading layer 17 is composed of an n-type impurity layer, and is connected to the JFET section 14 in the element region 1. Therefore, in this embodiment, the low concentration layer 13, the JFET section 14, and the current spreading layer 17 are connected, and these constitute the drift layer 19.
第2ディープ層18は、厚さが電流分散層17と等しくされている。そして、素子領域1では、電流分散層17および第2ディープ層18は、JFET部14のうちのストライプ状とされた部分や、第1ディープ層15の長手方向に対して交差する方向に延設されている。本実施形態では、電流分散層17および第2ディープ層18は、Y軸方向を長手方向として延設されると共に、X軸方向において交互に複数本並べたレイアウトとされている。なお、電流分散層17および第2ディープ層18の形成ピッチは、後述するトレンチゲート構造の形成ピッチに合わせてあり、第2ディープ層18は、後述するトレンチ25を挟むように形成されている。 The second deep layer 18 has a thickness equal to that of the current spreading layer 17. In the element region 1, the current spreading layer 17 and the second deep layer 18 extend in a direction intersecting the longitudinal direction of the striped portion of the JFET section 14 and the first deep layer 15. In this embodiment, the current spreading layer 17 and the second deep layer 18 extend in the Y-axis direction as the longitudinal direction, and are arranged in a layout in which multiple layers are alternately arranged in the X-axis direction. The formation pitch of the current spreading layer 17 and the second deep layer 18 is set to match the formation pitch of the trench gate structure described later, and the second deep layer 18 is formed to sandwich the trench 25 described later.
一方、ダイオード領域2では、第2ディープ層18が第1ディープ層15上に全体的に形成されている。 On the other hand, in the diode region 2, the second deep layer 18 is formed entirely on the first deep layer 15.
ベース層21は、p型とされており、素子領域1では、電流分散層17および第2ディープ層18上に形成されている。また、ベース層21は、ダイオード領域2では、第2ディープ層18上に形成されている。 The base layer 21 is of p-type, and in the element region 1, it is formed on the current spreading layer 17 and the second deep layer 18. In the diode region 2, the base layer 21 is formed on the second deep layer 18.
そして、素子領域1では、ベース層21の表層部に、n+型のソース領域22およびp+型のコンタクト領域23aが形成されている。具体的には、ソース領域22は、後述するトレンチ25の側面に接するように形成されている。コンタクト領域23aは、ソース領域22を挟んで後述するトレンチ25と反対側に形成されている。なお、本実施形態では、ソース領域22が不純物領域を構成する。 In the element region 1, an n + type source region 22 and a p + type contact region 23a are formed in a surface layer portion of the base layer 21. Specifically, the source region 22 is formed so as to contact a side surface of a trench 25 described later. The contact region 23a is formed on the opposite side of the source region 22 to the trench 25 described later. In this embodiment, the source region 22 constitutes an impurity region.
ダイオード領域2では、ベース層21の表層部に、p+型のコンタクト領域23bが形成されている。 In the diode region 2 , ap + type contact region 23 b is formed in a surface layer portion of the base layer 21 .
ガード領域3では、電流分散層17が後述する半導体基板10の一面10aを構成するように配置されている。そして、ガード領域3では、電流分散層17の表層部に、ダイオード領域2を囲むように、複数本の第2フローティング領域24が形成されている。本実施形態では、第2フローティング領域24は、例えば、四隅が丸められた四角枠状とされて同心状に形成されている。但し、この第2フローティング領域24は、四角枠状ではなく、円形枠状等の他の枠状とされて同心状に形成されていてもよい。 In the guard region 3, the current spreading layer 17 is arranged to form one surface 10a of the semiconductor substrate 10 described later. In the guard region 3, a plurality of second floating regions 24 are formed in the surface layer of the current spreading layer 17 so as to surround the diode region 2. In this embodiment, the second floating regions 24 are formed concentrically, for example, in the shape of a rectangular frame with rounded corners. However, the second floating regions 24 may be formed concentrically in other frame shapes, such as a circular frame, instead of a rectangular frame shape.
なお、素子領域1およびダイオード領域2に形成された第2ディープ層18、およびガード領域3に形成された第2フローティング領域24は、それぞれ、基板11側の下面が同じ深さとされていると共に同じ厚さとされ、p型不純物濃度が同じとされている。 The second deep layer 18 formed in the element region 1 and the diode region 2, and the second floating region 24 formed in the guard region 3 each have the same depth and thickness on the bottom surface facing the substrate 11, and have the same p-type impurity concentration.
本実施形態では、以上のように、基板11、バッファ層12、低濃度層13、JFET部14、第1ディープ層15、第1フローティング領域16、電流分散層17、第2ディープ層18、ベース層21、ソース領域22、第2フローティング領域24等を含んで半導体基板10が構成されている。そして、半導体基板10の一面10aがソース領域22、コンタクト領域23a、23b、電流分散層17、第2フローティング領域24等で構成され、半導体基板10の他面10bが基板11で構成されている。また、ダイオード領域2においては、基板11、バッファ層12、低濃度層13をカソードとし、第1ディープ層15、第2ディープ層18、ベース層21、コンタクト領域23bをアノードとするダイオード素子が構成される。 In this embodiment, as described above, the semiconductor substrate 10 is configured to include the substrate 11, buffer layer 12, low concentration layer 13, JFET section 14, first deep layer 15, first floating region 16, current spreading layer 17, second deep layer 18, base layer 21, source region 22, second floating region 24, etc. One surface 10a of the semiconductor substrate 10 is configured to include the source region 22, contact regions 23a, 23b, current spreading layer 17, second floating region 24, etc., and the other surface 10b of the semiconductor substrate 10 is configured to include the substrate 11. In addition, in the diode region 2, a diode element is configured in which the substrate 11, buffer layer 12, and low concentration layer 13 are the cathode, and the first deep layer 15, second deep layer 18, base layer 21, and contact region 23b are the anode.
半導体基板10には、素子領域1において、ソース領域22やベース層21等を貫通して電流分散層17に達すると共に、底面が電流分散層17内に位置するように、例えば、幅が1.4~2.0μmとされたトレンチ25が形成されている。なお、トレンチ25は、JFET部14および第1ディープ層15に達しないように形成されている。つまり、トレンチ25は、底面よりも下方にJFET部14および第1ディープ層15が位置するように形成されている。 In the semiconductor substrate 10, a trench 25 having a width of, for example, 1.4 to 2.0 μm is formed in the element region 1 so that it penetrates the source region 22, base layer 21, etc. to reach the current spreading layer 17 and has its bottom surface located within the current spreading layer 17. The trench 25 is formed so that it does not reach the JFET portion 14 and the first deep layer 15. In other words, the trench 25 is formed so that the JFET portion 14 and the first deep layer 15 are located below the bottom surface.
また、トレンチ25は、Y軸方向に沿って延びるように複数本が延設されていると共に、X軸方向に等間隔で並べられてストライプ状に形成されている。つまり、本実施形態では、トレンチ25は、長手方向が第1ディープ層15の長手方向と直交するように形成されている。また、トレンチ25は、法線方向において、第2ディープ層18に挟まれるように形成されている。 The trenches 25 are formed in a stripe pattern with multiple trenches 25 extending along the Y-axis direction and arranged at equal intervals in the X-axis direction. In other words, in this embodiment, the trenches 25 are formed so that their longitudinal direction is perpendicular to the longitudinal direction of the first deep layer 15. The trenches 25 are also formed so that they are sandwiched between the second deep layers 18 in the normal direction.
トレンチ25には、内壁面にゲート絶縁膜26が形成され、ゲート絶縁膜26上には、ドープトPoly-Si等によって構成されるゲート電極27が形成されている。これにより、トレンチゲート構造が構成されている。特に限定されるものではないが、ゲート絶縁膜26は、トレンチ25の内壁面を熱酸化する、またはCVD(chemical vapor depositionの略)法を行うことで形成される。そして、ゲート絶縁膜26は、厚さがトレンチ25の側面側および底面側で共に100nm程度とされている。 A gate insulating film 26 is formed on the inner wall surface of the trench 25, and a gate electrode 27 made of doped Poly-Si or the like is formed on the gate insulating film 26. This forms a trench gate structure. Although not particularly limited, the gate insulating film 26 is formed by thermally oxidizing the inner wall surface of the trench 25 or by carrying out a CVD (short for chemical vapor deposition) method. The gate insulating film 26 has a thickness of about 100 nm on both the side and bottom sides of the trench 25.
なお、ゲート絶縁膜26は、トレンチ25の内壁面以外の表面にも形成されている。具体的には、ゲート絶縁膜26は、素子領域1においては、半導体基板10の一面10aの一部も覆うように形成されている。より詳しくは、ゲート絶縁膜26は、ソース領域22の表面の一部も覆うように形成されている。言い換えると、ゲート絶縁膜26には、ゲート電極27が配置される部分と異なる部分において、ベース層21およびソース領域22を露出させるコンタクトホール26aが形成されている。また、ゲート絶縁膜26は、ダイオード領域2において、半導体基板10の一面10aの全体を露出させるコンタクトホール26bが形成されている。ゲート絶縁膜26は、ガード領域3においては、半導体基板10の一面10aの全体を覆うように形成されている。 The gate insulating film 26 is also formed on surfaces other than the inner wall surface of the trench 25. Specifically, the gate insulating film 26 is formed in the element region 1 so as to cover a part of the surface 10a of the semiconductor substrate 10. More specifically, the gate insulating film 26 is formed so as to cover a part of the surface of the source region 22. In other words, the gate insulating film 26 has a contact hole 26a that exposes the base layer 21 and the source region 22 in a part different from the part where the gate electrode 27 is arranged. In addition, the gate insulating film 26 has a contact hole 26b that exposes the entire surface 10a of the semiconductor substrate 10 in the diode region 2. In the guard region 3, the gate insulating film 26 is formed so as to cover the entire surface 10a of the semiconductor substrate 10.
半導体基板10の一面10a上には、ゲート電極27やゲート絶縁膜26等を覆うように、層間絶縁膜28が形成されている。層間絶縁膜28は、BPSG(Borophosphosilicate Glassの略)等で構成されている。 An interlayer insulating film 28 is formed on one surface 10a of the semiconductor substrate 10 so as to cover the gate electrode 27, the gate insulating film 26, etc. The interlayer insulating film 28 is made of BPSG (short for borophosphosilicate glass) or the like.
層間絶縁膜28には、コンタクトホール26aと連通して素子領域1におけるソース領域22およびコンタクト領域23aを露出させるコンタクトホール28aが形成されている。また、層間絶縁膜28には、コンタクトホール26bと連通してダイオード領域2におけるコンタクト領域23bを露出させるコンタクトホール28bが形成されている。 The interlayer insulating film 28 has a contact hole 28a formed therein, which communicates with the contact hole 26a and exposes the source region 22 and the contact region 23a in the element region 1. The interlayer insulating film 28 also has a contact hole 28b formed therein, which communicates with the contact hole 26b and exposes the contact region 23b in the diode region 2.
なお、層間絶縁膜28に形成されたコンタクトホール28aは、ゲート絶縁膜26に形成されたコンタクトホール26aと連通するように形成されており、当該コンタクトホール26aと共に1つのコンタクトホールとして機能する。同様に、層間絶縁膜28に形成されたコンタクトホール28bは、ゲート絶縁膜26に形成されたコンタクトホール26bと連通するように形成されており、当該コンタクトホール26bと共に1つのコンタクトホールとして機能する。このため、以下では、コンタクトホール26aおよびコンタクトホール28aを纏めてコンタクトホール29aともいい、コンタクトホール26bおよびコンタクトホール28bを纏めてコンタクトホール29bともいう。そして、コンタクトホール29aおよびコンタクトホール29bのパターンは、任意であり、例えば複数の正方形のものを配列させたパターン、長方形のライン状のものを配列させたパターン、または、ライン状のものを並べたパターン等が挙げられる。本実施形態では、素子領域1に形成されるコンタクトホール29aは、トレンチ25の長手方向に沿ったライン状とされている。また、ダイオード領域2に形成されるコンタクトホール29bは、ダイオード領域2の全体を露出させるように形成されている。 The contact hole 28a formed in the interlayer insulating film 28 is formed so as to communicate with the contact hole 26a formed in the gate insulating film 26, and functions together with the contact hole 26a as one contact hole. Similarly, the contact hole 28b formed in the interlayer insulating film 28 is formed so as to communicate with the contact hole 26b formed in the gate insulating film 26, and functions together with the contact hole 26b as one contact hole. For this reason, hereinafter, the contact holes 26a and 28a are collectively referred to as contact holes 29a, and the contact holes 26b and 28b are collectively referred to as contact holes 29b. The pattern of the contact holes 29a and 29b is arbitrary, and examples of the pattern include a pattern in which a plurality of squares are arranged, a pattern in which rectangular lines are arranged, or a pattern in which lines are arranged. In this embodiment, the contact hole 29a formed in the element region 1 is a line along the longitudinal direction of the trench 25. In addition, the contact hole 29b formed in the diode region 2 is formed so as to expose the entire diode region 2.
層間絶縁膜28上には、コンタクトホール29aを通じてソース領域22およびコンタクト領域23aと電気的に接続される共に、コンタクトホール29bを通じてコンタクト領域23bと電気的に接続される上部電極30が形成されている。つまり、素子領域1におけるコンタクト領域23aと、ダイオード領域2におけるコンタクト領域23bとは、共通の上部電極30と電気的に接続されている。なお、本実施形態では、上部電極30が第1電極に相当している。また、ガード領域3では、上記のようにゲート絶縁膜26および層間絶縁膜28が配置されているため、上部電極30とは電気的に接続されておらず、絶縁されている。 An upper electrode 30 is formed on the interlayer insulating film 28. The upper electrode 30 is electrically connected to the source region 22 and the contact region 23a through the contact hole 29a, and is electrically connected to the contact region 23b through the contact hole 29b. That is, the contact region 23a in the element region 1 and the contact region 23b in the diode region 2 are electrically connected to the common upper electrode 30. In this embodiment, the upper electrode 30 corresponds to the first electrode. In addition, in the guard region 3, since the gate insulating film 26 and the interlayer insulating film 28 are arranged as described above, the guard region 3 is not electrically connected to the upper electrode 30 and is insulated.
本実施形態の上部電極30は、Al(アルミニウム)を主成分とするAl-Si層等で構成され、次のようにしてソース領域22およびコンタクト領域23a、23bと接続されている。具体的には、素子領域1におけるソース領域22およびコンタクト領域23a、23bには、コンタクトホール29aから露出する部分に、Ni(ニッケル)等の金属を用いて構成された金属シリサイド層31aが形成されている。同様に、ダイオード領域2におけるコンタクト領域23bには、コンタクトホール29aから露出する部分に、Ni等の金属を用いて構成された金属シリサイド層31bが形成されている。これらの金属シリサイド層31a、31bは、ソース領域22およびコンタクト領域23a、23bと上部電極30との間の接触抵抗を低減するためのものである。 The upper electrode 30 in this embodiment is composed of an Al-Si layer mainly composed of Al (aluminum) and is connected to the source region 22 and the contact regions 23a, 23b as follows. Specifically, a metal silicide layer 31a made of a metal such as Ni (nickel) is formed in the source region 22 and the contact regions 23a, 23b in the element region 1 in the portion exposed from the contact hole 29a. Similarly, a metal silicide layer 31b made of a metal such as Ni is formed in the contact region 23b in the diode region 2 in the portion exposed from the contact hole 29a. These metal silicide layers 31a, 31b are intended to reduce the contact resistance between the source region 22 and the contact regions 23a, 23b and the upper electrode 30.
そして、金属シリサイド層31a、31b上には、Ti(チタン)やTiN(窒化チタン)等で構成されるバリアメタル膜32が形成されている。なお、バリアメタル膜32は、コンタクトホール29a、29bの壁面や層間絶縁膜28の表面にも形成されている。このバリアメタル膜32は、上部電極30を構成するAlが半導体基板10側や層間絶縁膜28側に拡散することを抑制したり、金属シリサイド層31a、31bを構成するNiが上部電極30側に拡散することを抑制するものである。 A barrier metal film 32 made of Ti (titanium), TiN (titanium nitride), or the like is formed on the metal silicide layers 31a and 31b. The barrier metal film 32 is also formed on the wall surfaces of the contact holes 29a and 29b and on the surface of the interlayer insulating film 28. This barrier metal film 32 prevents Al constituting the upper electrode 30 from diffusing to the semiconductor substrate 10 side or the interlayer insulating film 28 side, and prevents Ni constituting the metal silicide layers 31a and 31b from diffusing to the upper electrode 30 side.
そして、上部電極30は、バリアメタル膜32上に配置されることにより、バリアメタル膜32および金属シリサイド層31a、31bを介してソース領域22およびコンタクト領域23a、23bと接続されている。 The upper electrode 30 is disposed on the barrier metal film 32, and is connected to the source region 22 and the contact regions 23a and 23b via the barrier metal film 32 and the metal silicide layers 31a and 31b.
半導体基板10の他面10b側には、基板11と電気的に接続される下部電極33が形成されている。なお、本実施形態では、下部電極33が第2電極に相当している。 A lower electrode 33 that is electrically connected to the substrate 11 is formed on the other surface 10b of the semiconductor substrate 10. In this embodiment, the lower electrode 33 corresponds to the second electrode.
ここで、上記のように、素子領域1においては、ソース領域22の一部およびコンタクト領域23a、23bを露出させるコンタクトホール29aが形成されている。ダイオード領域2においては、全体を露出させるコンタクトホール29bが形成されている。このため、ダイオード領域2の単位面積当たりにおける上部電極30との接続面積は、素子領域1の単位面積当たりにおける上部電極30との接続面積より大きくなる。したがって、本実施形態のSiC半導体装置では、ダイオード領域2の方が素子領域1よりも上部電極30との接触抵抗が小さくなる。また、素子領域1においては、ドリフト層19とベース層21とを含む寄生ダイオードが構成される。したがって、図4に示されるように、素子領域1に構成される寄生ダイオードとダイオード領域2に形成されるダイオード素子とを比較すると、順方向電流Ifが流れ始める順方向電圧Vf(以下では、単に順方向電圧Vfともいう)は、ダイオード領域2の方が素子領域1よりも小さくなる。つまり、本実施形態のSiC半導体装置では、ダイオード動作する際、ダイオード領域2の方が素子領域1に形成される寄生ダイオードよりも動作し易くなっている。 Here, as described above, in the element region 1, the contact hole 29a is formed to expose a part of the source region 22 and the contact regions 23a and 23b. In the diode region 2, the contact hole 29b is formed to expose the entire region. Therefore, the connection area with the upper electrode 30 per unit area of the diode region 2 is larger than the connection area with the upper electrode 30 per unit area of the element region 1. Therefore, in the SiC semiconductor device of this embodiment, the contact resistance with the upper electrode 30 is smaller in the diode region 2 than in the element region 1. Also, in the element region 1, a parasitic diode including the drift layer 19 and the base layer 21 is formed. Therefore, as shown in FIG. 4, when comparing the parasitic diode formed in the element region 1 and the diode element formed in the diode region 2, the forward voltage Vf (hereinafter also simply referred to as the forward voltage Vf) at which the forward current If starts to flow is smaller in the diode region 2 than in the element region 1. In other words, in the SiC semiconductor device of this embodiment, when the diode operates as a diode, the diode region 2 is easier to operate than the parasitic diode formed in the element region 1.
また、本実施形態のガード領域3は、図1に示されるように、ダイオード領域2を囲むように配置されることで素子領域1とダイオード領域2との間にも配置される。そして、ガード領域3は、素子領域1とダイオード領域2との間に配置される部分の間隔が正孔の拡散長より長くなるように幅が設定されている。言い換えると、ガード領域3は、素子領域1とダイオード領域2との間に配置される部分の長さが、素子領域1とダイオード領域2との間の配列方向に沿った長さよりも長くされている。つまり、本実施形態では、ガード領域3のうちの素子領域1とダイオード領域2との間に配置される部分のX軸方向に沿った長さは、正孔の拡散長より長くされている。 In addition, as shown in FIG. 1, the guard region 3 in this embodiment is also disposed between the element region 1 and the diode region 2 by being disposed so as to surround the diode region 2. The width of the guard region 3 is set so that the interval between the portion disposed between the element region 1 and the diode region 2 is longer than the diffusion length of holes. In other words, the length of the portion of the guard region 3 disposed between the element region 1 and the diode region 2 is longer than the length along the arrangement direction between the element region 1 and the diode region 2. In other words, in this embodiment, the length along the X-axis direction of the portion of the guard region 3 disposed between the element region 1 and the diode region 2 is longer than the diffusion length of holes.
以上が本実施形態におけるSiC半導体装置の構成である。なお、本実施形態では、n-型、n型、n+型が第1導電型に相当しており、p型、p+型が第2導電型に相当している。 The above is the configuration of the SiC semiconductor device in this embodiment. Note that in this embodiment, n - type, n-type, and n + type correspond to the first conductivity type, and p-type and p + type correspond to the second conductivity type.
次に、本実施形態におけるSiC半導体装置の作動および効果について説明する。 Next, the operation and effects of the SiC semiconductor device in this embodiment will be described.
まず、SiC半導体装置では、ゲート電極27に閾値電圧以上のゲート電圧が印加される前のオフ状態では、ベース層21に反転層が形成されない。このため、下部電極33に正の電圧、例えば1600Vが印加されたとしても、ソース領域22からベース層21内に電子が流れず、SiC半導体装置は、上部電極30と下部電極33との間に電流が流れないオフ状態となる。 First, in the SiC semiconductor device, in the off state before a gate voltage equal to or greater than the threshold voltage is applied to the gate electrode 27, no inversion layer is formed in the base layer 21. Therefore, even if a positive voltage, for example 1600 V, is applied to the lower electrode 33, electrons do not flow from the source region 22 into the base layer 21, and the SiC semiconductor device is in an off state in which no current flows between the upper electrode 30 and the lower electrode 33.
また、SiC半導体装置がオフ状態である場合には、ドレイン-ゲート間に電界がかかり、ゲート絶縁膜26の底部に電界集中が発生し得る。しかしながら、上記SiC半導体装置では、トレンチ25よりも深い位置に、第1ディープ層15およびJFET部14が備えられている。このため、第1ディープ層15およびJFET部14との間に構成される空乏層により、ドレイン電圧の影響による等電位線のせり上がりが抑制され、高電界がゲート絶縁膜26に入り込み難くなる。したがって、本実施形態では、ゲート絶縁膜26が破壊されることを抑制できる。 Furthermore, when the SiC semiconductor device is in the off state, an electric field is applied between the drain and gate, and electric field concentration may occur at the bottom of the gate insulating film 26. However, in the above-mentioned SiC semiconductor device, the first deep layer 15 and the JFET section 14 are provided at a position deeper than the trench 25. Therefore, the depletion layer formed between the first deep layer 15 and the JFET section 14 suppresses the rise of the equipotential lines due to the influence of the drain voltage, making it difficult for a high electric field to penetrate into the gate insulating film 26. Therefore, in this embodiment, it is possible to suppress the destruction of the gate insulating film 26.
さらに、本実施形態では、ガード領域3には、第1フローティング領域16および第2フローティング領域24が形成されている。このため、第1フローティング領域16および第2フローティング領域24とドリフト層19との間に構成される空乏層により、ドレイン電圧の影響による等電位線が集中することを抑制できる。したがって、ガード領域3の耐圧の向上も図ることができる。 Furthermore, in this embodiment, the first floating region 16 and the second floating region 24 are formed in the guard region 3. Therefore, the depletion layer formed between the first floating region 16 and the second floating region 24 and the drift layer 19 can suppress the concentration of equipotential lines due to the influence of the drain voltage. Therefore, the withstand voltage of the guard region 3 can also be improved.
そして、ゲート電極27に、絶縁ゲート構造における閾値電圧以上の電圧、例えば20Vが印加されると、ベース層21のうちのトレンチ25に接している表面に反転層が形成される。これにより、上部電極30と下部電極33との間に電流が流れ、SiC半導体装置がオン状態となる。なお、本実施形態では、反転層を通過した電子が電流分散層17、JFET部14および低濃度層13を通過して基板11へ流れるため、電流分散層17、JFET部14および低濃度層13を有するドリフト層19が構成されているといえる。 When a voltage equal to or higher than the threshold voltage in the insulated gate structure, for example 20 V, is applied to the gate electrode 27, an inversion layer is formed on the surface of the base layer 21 that contacts the trench 25. This causes a current to flow between the upper electrode 30 and the lower electrode 33, and the SiC semiconductor device is turned on. In this embodiment, electrons that have passed through the inversion layer pass through the current spreading layer 17, the JFET portion 14, and the low concentration layer 13 and flow to the substrate 11, so that a drift layer 19 having the current spreading layer 17, the JFET portion 14, and the low concentration layer 13 is formed.
また、このようなSiC半導体装置では、素子領域1において、ドリフト層19およびベース層21を含む寄生ダイオードが構成される。そして、上部電極30に下部電極33より高い電圧が印加される場合等、SiC半導体装置がダイオード動作する場合がある。この場合、本実施形態では、共通の半導体基板10に、寄生ダイオードよりも順方向電圧Vfが低くなるダイオード領域2を形成している。このため、本実施形態では、SiC半導体装置がダイオード動作する際には、ダイオード領域2が動作し易くなり、素子領域1の寄生ダイオードが動作し難くなる。したがって、素子領域1にSSFが構成されることを抑制できる。 In addition, in such a SiC semiconductor device, a parasitic diode including the drift layer 19 and the base layer 21 is formed in the element region 1. Then, the SiC semiconductor device may operate as a diode, for example, when a voltage higher than that of the lower electrode 33 is applied to the upper electrode 30. In this case, in this embodiment, a diode region 2 having a lower forward voltage Vf than the parasitic diode is formed in the common semiconductor substrate 10. Therefore, in this embodiment, when the SiC semiconductor device operates as a diode, the diode region 2 is more likely to operate and the parasitic diode in the element region 1 is less likely to operate. Therefore, it is possible to suppress the formation of an SSF in the element region 1.
また、本実施形態では、素子領域1とダイオード領域2との間にガード領域3を配置しており、ガード領域3のうちの素子領域1とダイオード領域2との間に位置する部分は、幅が正孔の拡散長以上とされている。このため、ダイオード領域2がダイオード動作する際に注入される正孔が素子領域1に到達することを抑制できる。したがって、ダイオード領域2がダイオード動作する際の正孔によって素子領域1にSSFが構成されることも抑制できる。 In addition, in this embodiment, a guard region 3 is disposed between the element region 1 and the diode region 2, and the portion of the guard region 3 located between the element region 1 and the diode region 2 has a width equal to or greater than the diffusion length of holes. This makes it possible to prevent holes injected into the diode region 2 from reaching the element region 1 when the diode region 2 operates as a diode. This also makes it possible to prevent holes from forming an SSF in the element region 1 when the diode region 2 operates as a diode.
以上説明した本実施形態によれば、ダイオード領域2の順方向電圧Vfが素子領域1に構成される寄生ダイオードの順方向電圧Vfよりも低くされている。このため、SiC半導体装置がダイオード動作する際には、ダイオード領域2が動作し易くなり、素子領域1の寄生ダイオードが動作し難くなる。したがって、素子領域1にSSFが構成されることを抑制できる。 According to the present embodiment described above, the forward voltage Vf of the diode region 2 is set lower than the forward voltage Vf of the parasitic diode formed in the element region 1. Therefore, when the SiC semiconductor device operates as a diode, the diode region 2 operates more easily and the parasitic diode in the element region 1 operates less easily. Therefore, it is possible to suppress the formation of an SSF in the element region 1.
また、本実施形態のSiC半導体装置では、ダイオード領域2を配置することで素子領域1にSSFが構成されることを抑制している。このため、素子領域1にライフタイムキラー等を形成する場合と比較して、素子領域1のオン抵抗が増加することを抑制できる。つまり、本実施形態のSiC半導体装置によれば、オン抵抗が増加することを抑制しつつ、素子領域1にSSFが発生することを抑制できる。 In addition, in the SiC semiconductor device of this embodiment, the diode region 2 is disposed to prevent the formation of SSF in the element region 1. Therefore, compared to the case where a lifetime killer or the like is formed in the element region 1, an increase in the on-resistance of the element region 1 can be prevented. In other words, according to the SiC semiconductor device of this embodiment, it is possible to prevent the occurrence of SSF in the element region 1 while preventing an increase in the on-resistance.
(1)本実施形態では、ダイオード領域2の単位面積当たりにおける上部電極30との接続面積が、素子領域1の単位面積当たりにおける上部電極30との接続面積より大きくなるようにしている。このため、ダイオード領域2の順方向電圧Vfが素子領域1に構成される寄生ダイオードの順方向電圧Vfよりも低くなる構成を容易に実現できる。 (1) In this embodiment, the connection area with the upper electrode 30 per unit area of the diode region 2 is set to be larger than the connection area with the upper electrode 30 per unit area of the element region 1. This makes it easy to realize a configuration in which the forward voltage Vf of the diode region 2 is lower than the forward voltage Vf of the parasitic diode formed in the element region 1.
(2)本実施形態では、素子領域1とダイオード領域2との間にガード領域3が配置されている。そして、ガード領域3は、素子領域1とダイオード領域2との間に位置する部分の長さが正孔の拡散長以上とされている。このため、ダイオード領域2がダイオード動作する際に注入される正孔が素子領域1に到達することを抑制できる。したがって、ダイオード領域2がダイオード動作する際の正孔によって素子領域1にSSFが構成されることを抑制できる。 (2) In this embodiment, the guard region 3 is disposed between the element region 1 and the diode region 2. The length of the portion of the guard region 3 located between the element region 1 and the diode region 2 is set to be equal to or greater than the diffusion length of holes. This makes it possible to prevent holes injected when the diode region 2 operates as a diode from reaching the element region 1. This makes it possible to prevent holes from forming an SSF in the element region 1 when the diode region 2 operates as a diode.
(3)本実施形態では、ガード領域3には、ドリフト層19との間に空乏層を構成する第1フローティング領域16および第2フローティング領域24が形成されている。このため、ガード領域3の耐圧の向上を図ることができる。 (3) In this embodiment, the guard region 3 is formed with a first floating region 16 and a second floating region 24 that form a depletion layer between the guard region 3 and the drift layer 19. This improves the breakdown voltage of the guard region 3.
(第2実施形態)
第2実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対し、ダイオード領域2の構成を変更したものである。その他に関しては、第1実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
Second Embodiment
A second embodiment will be described. In this embodiment, the configuration of the diode region 2 is changed from that of the first embodiment. As the rest is the same as the first embodiment, the description will be omitted here.
本実施形態のSiC半導体装置では、図5に示されるように、ダイオード領域2に形成されたコンタクト領域23bは、素子領域1に形成されたコンタクト領域23aよりも不純物濃度が高くされている。 In the SiC semiconductor device of this embodiment, as shown in FIG. 5, the contact region 23b formed in the diode region 2 has a higher impurity concentration than the contact region 23a formed in the element region 1.
以上説明した本実施形態によれば、ダイオード領域2の順方向電圧Vfが素子領域1に構成される寄生ダイオードの順方向電圧Vfよりも低くされているため、上記第1実施形態と同様の効果を得ることができる。 According to the present embodiment described above, the forward voltage Vf of the diode region 2 is set lower than the forward voltage Vf of the parasitic diode formed in the element region 1, so that the same effect as in the first embodiment can be obtained.
(1)本実施形態では、ダイオード領域2に形成されたコンタクト領域23bは、素子領域1に形成されたコンタクト領域23aよりも不純物濃度が高くされている。このため、図6に示されるように、ダイオード領域2の順方向電圧Vfをさらに小さくできる。 (1) In this embodiment, the contact region 23b formed in the diode region 2 has a higher impurity concentration than the contact region 23a formed in the element region 1. Therefore, as shown in FIG. 6, the forward voltage Vf of the diode region 2 can be further reduced.
(第3実施形態)
第3実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対し、ダイオード領域2の構成を変更したものである。その他に関しては、第1実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
Third Embodiment
A third embodiment will be described. In this embodiment, the configuration of the diode region 2 is changed from that of the first embodiment. As the rest is similar to the first embodiment, a description thereof will be omitted here.
本実施形態のSiC半導体装置では、図7に示されるように、素子領域1に形成された金属シリサイド層31aとダイオード領域2に形成された金属シリサイド層31bとは、異なる金属シリサイド層とされている。具体的には、ダイオード領域2に形成された金属シリサイド層31bは、素子領域1に形成された金属シリサイド層31aよりも、上部電極30との接触抵抗が小さくなる材料で構成されている。例えば、素子領域1に形成された金属シリサイド層31aは、Niを用いて構成されたNiシリサイドとされ、ダイオード領域2に形成された金属シリサイド層31bは、Alを用いて構成されたAlシリサイドとされる。 In the SiC semiconductor device of this embodiment, as shown in FIG. 7, the metal silicide layer 31a formed in the element region 1 and the metal silicide layer 31b formed in the diode region 2 are different metal silicide layers. Specifically, the metal silicide layer 31b formed in the diode region 2 is made of a material that has a lower contact resistance with the upper electrode 30 than the metal silicide layer 31a formed in the element region 1. For example, the metal silicide layer 31a formed in the element region 1 is Ni silicide made of Ni, and the metal silicide layer 31b formed in the diode region 2 is Al silicide made of Al.
以上説明した本実施形態によれば、ダイオード領域2の順方向電圧Vfが素子領域1に構成される寄生ダイオードの順方向電圧Vfよりも低くされているため、上記第1実施形態と同様の効果を得ることができる。 According to the present embodiment described above, the forward voltage Vf of the diode region 2 is set lower than the forward voltage Vf of the parasitic diode formed in the element region 1, so that the same effect as in the first embodiment can be obtained.
(1)本実施形態では、ダイオード領域2に形成された金属シリサイド層31bは、素子領域1に形成された金属シリサイド層31aよりも、上部電極30との接触抵抗が小さくなる材料で構成されている。このため、ダイオード領域2の順方向電圧Vfをさらに小さくできる。 (1) In this embodiment, the metal silicide layer 31b formed in the diode region 2 is made of a material that has a lower contact resistance with the upper electrode 30 than the metal silicide layer 31a formed in the element region 1. This makes it possible to further reduce the forward voltage Vf of the diode region 2.
(第4実施形態)
第4実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対し、ダイオード領域2を追加したものである。その他に関しては、第1実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
Fourth Embodiment
A fourth embodiment will be described. This embodiment is different from the first embodiment in that a diode region 2 is added. As the rest is similar to the first embodiment, a description thereof will be omitted here.
本実施形態のSiC半導体装置では、図8に示されるように、ダイオード領域2が2つ備えられている。そして、ガード領域3は、各ダイオード領域2を囲むようにそれぞれ備えられている。なお、各ダイオード領域2およびガード領域3は、それぞれ図2に示す構成とされている。 In the SiC semiconductor device of this embodiment, as shown in FIG. 8, two diode regions 2 are provided. A guard region 3 is provided to surround each diode region 2. Each diode region 2 and guard region 3 has the configuration shown in FIG. 2.
以上説明した本実施形態によれば、ダイオード領域2の順方向電圧Vfが素子領域1に構成される寄生ダイオードの順方向電圧Vfよりも低くされているため、上記第1実施形態と同様の効果を得ることができる。 According to the present embodiment described above, the forward voltage Vf of the diode region 2 is set lower than the forward voltage Vf of the parasitic diode formed in the element region 1, so that the same effect as in the first embodiment can be obtained.
(1)本実施形態では、2つのダイオード領域2を備えている。このため、さらに素子領域1がダイオード動作することを抑制できる。なお、特に図示しないが、ダイオード領域2の数は変更可能であり、3個以上のダイオード領域2が備えられていてもよい。 (1) In this embodiment, two diode regions 2 are provided. This further suppresses the element region 1 from operating as a diode. Although not shown, the number of diode regions 2 can be changed, and three or more diode regions 2 may be provided.
(第5実施形態)
第5実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対し、ダイオード領域2の配置場所を変更したものである。その他に関しては、第1実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
Fifth Embodiment
A fifth embodiment will be described. In this embodiment, the location of the diode region 2 is changed from that of the first embodiment. As the rest is the same as the first embodiment, a description thereof will be omitted here.
本実施形態のSiC半導体装置では、図9に示されるように、ダイオード領域2が素子領域1に対してY軸方向に沿って配置されている。そして、ガード領域3は、このダイオード領域2囲むように配置されている。 In the SiC semiconductor device of this embodiment, as shown in FIG. 9, the diode region 2 is arranged along the Y-axis direction relative to the element region 1. The guard region 3 is arranged to surround this diode region 2.
以上説明した本実施形態によれば、ダイオード領域2の順方向電圧Vfが素子領域1に構成される寄生ダイオードの順方向電圧Vfよりも低くされているため、上記第1実施形態と同様の効果を得ることができる。 According to the present embodiment described above, the forward voltage Vf of the diode region 2 is set lower than the forward voltage Vf of the parasitic diode formed in the element region 1, so that the same effect as in the first embodiment can be obtained.
(1)本実施形態では、ダイオード領域2が素子領域1に対してY軸方向に沿って配置されている。ここで、本実施形態のようなSiC半導体装置である場合、ダイオード動作した際に構成されるSSFは、[1-100]方向に沿って延びやすいことが報告されている。このため、ダイオード領域2に構成され得るSSFは、X軸方向に沿って延び易くなる。したがって、ダイオード領域2に構成され得るSSFが素子領域1に到達し難くなり、素子領域1の特性が低下することをさらに抑制し易くできる。 (1) In this embodiment, the diode region 2 is disposed along the Y-axis direction relative to the element region 1. Here, in the case of a SiC semiconductor device such as that of this embodiment, it has been reported that the SSF formed during diode operation tends to extend along the [1-100] direction. For this reason, the SSF that may be formed in the diode region 2 tends to extend along the X-axis direction. Therefore, it becomes difficult for the SSF that may be formed in the diode region 2 to reach the element region 1, which makes it easier to further suppress deterioration of the characteristics of the element region 1.
(他の実施形態)
本開示は、実施形態に準拠して記述されたが、本開示は当該実施形態や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。
Other Embodiments
Although the present disclosure has been described based on the embodiment, it is understood that the present disclosure is not limited to the embodiment or structure. The present disclosure also encompasses various modifications and modifications within the equivalent range. In addition, various combinations and forms, as well as other combinations and forms including only one element, more than one element, or less than one element, are also within the scope and concept of the present disclosure.
例えば、上記第1実施形態では、第1導電型をn型、第2導電型をp型としたnチャネルタイプのトレンチゲート構造のMOSFETが素子領域1に形成されたSiC半導体装置を説明した。しかしながら、これは一例を示したに過ぎず、例えば、スイッチング素子として、nチャネルタイプに対して各構成要素の導電型を反転させたpチャネルタイプのトレンチゲート構造のMOSFETが素子領域1に形成されたSiC半導体装置としてもよい。さらに、SiC半導体装置は、MOSFET以外に、スイッチング素子として、同様の構造のIGBTが素子領域1に形成されて構成されていてもよい。素子領域1にIGBTを形成する場合、上記各実施形態におけるn+型の基板11をp+型の基板11に変更する以外は、上記各実施形態で説明したMOSFETと同様である。さらに、スイッチング素子は、トレンチゲート構造ではなく、プレーナゲート構造を有する構成とされていてもよい。 For example, in the first embodiment, a SiC semiconductor device in which an n-channel type trench gate structure MOSFET with a first conductivity type being n-type and a second conductivity type being p-type is formed in the element region 1 has been described. However, this is merely an example, and for example, a SiC semiconductor device in which a p-channel type trench gate structure MOSFET with the conductivity type of each component reversed with respect to the n-channel type is formed in the element region 1 as a switching element may be used. Furthermore, the SiC semiconductor device may be configured such that an IGBT with a similar structure is formed in the element region 1 as a switching element in addition to the MOSFET. When an IGBT is formed in the element region 1, it is the same as the MOSFET described in each of the above embodiments, except that the n + type substrate 11 in each of the above embodiments is changed to a p + type substrate 11. Furthermore, the switching element may be configured to have a planar gate structure instead of a trench gate structure.
また、上記各実施形態において、SiC半導体装置は、他の素子が形成されていてもよく、例えば、電流を検出するための電流センス領域等が形成されていてもよい。 In addition, in each of the above embodiments, the SiC semiconductor device may have other elements formed therein, such as a current sense region for detecting current.
そして、上記各実施形態において、第1ディープ層15および第2ディープ層18は備えられていなくてもよい。また、ドリフト層19は、不純物濃度が均一とされた単一の層で構成されていてもよい。 In each of the above embodiments, the first deep layer 15 and the second deep layer 18 may not be provided. Furthermore, the drift layer 19 may be composed of a single layer with a uniform impurity concentration.
さらに、上記第2、第3実施形態では、ダイオード領域2の順方向電圧Vfが素子領域1に構成される寄生ダイオードの順方向電圧Vfよりも低くなるのであれば、ダイオード領域2およびガード領域3における単位面積当たりの上部電極30との接続面積の関係は、適宜変更可能である。 Furthermore, in the second and third embodiments, if the forward voltage Vf of the diode region 2 is lower than the forward voltage Vf of the parasitic diode formed in the element region 1, the relationship between the connection area with the upper electrode 30 per unit area in the diode region 2 and the guard region 3 can be changed as appropriate.
そして、上記各実施形態では、半導体基板10が4H-SiCで構成されている例について説明したが、半導体基板10は、6H-SiC等で構成されていてもよい。 In each of the above embodiments, an example was described in which the semiconductor substrate 10 was made of 4H-SiC, but the semiconductor substrate 10 may also be made of 6H-SiC, etc.
また、上記各実施形態において、ガード領域3には、第1フローティング領域16および第2フローティング領域24のいずれか一方のみが形成されるようにしてもよいし、第1フローティング領域16および第2フローティング領域24が形成されていなくてもよい。さらに、上記各実施形態において、ガード領域3が形成されていなくてもよい。このようなSiC半導体装置としても、ダイオード領域2の順方向電圧Vfが素子領域1に構成される寄生ダイオードの順方向電圧Vfよりも低くなるのであれば、上記各実施形態と同様の効果を得ることができる。 In addition, in each of the above embodiments, only one of the first floating region 16 and the second floating region 24 may be formed in the guard region 3, or the first floating region 16 and the second floating region 24 may not be formed. Furthermore, in each of the above embodiments, the guard region 3 may not be formed. Even with such a SiC semiconductor device, the same effect as each of the above embodiments can be obtained as long as the forward voltage Vf of the diode region 2 is lower than the forward voltage Vf of the parasitic diode formed in the element region 1.
そして、上記各実施形態を組み合わせたSiC半導体装置としてもよい。例えば、上記第2実施形態を上記第3~第5実施形態に組み合わせ、ダイオード領域2のコンタクト領域23bが素子領域1のコンタクト領域23aより不純物濃度が高くなるようにしてもよい。上記第3実施形態を上記第4、第5実施形態に組み合わせ、ダイオード領域2の金属シリサイド層31bが素子領域1の金属シリサイド層31aよりも上部電極30との接触抵抗が低くなるようにしてもよい。上記第4実施形態を上記第5実施形態に組み合わせ、ダイオード領域2を複数備えるようにしてもよい。 The above embodiments may be combined to form a SiC semiconductor device. For example, the second embodiment may be combined with the third to fifth embodiments so that the contact region 23b of the diode region 2 has a higher impurity concentration than the contact region 23a of the element region 1. The third embodiment may be combined with the fourth and fifth embodiments so that the metal silicide layer 31b of the diode region 2 has a lower contact resistance with the upper electrode 30 than the metal silicide layer 31a of the element region 1. The fourth embodiment may be combined with the fifth embodiment so that a plurality of diode regions 2 are provided.
1 素子領域
2 ダイオード領域
10 半導体基板
10a 一面
10b 他面
30 第1電極
33 第2電極
REFERENCE SIGNS LIST 1: element region 2: diode region 10: semiconductor substrate 10a: one surface 10b: other surface 30: first electrode 33: second electrode
Claims (7)
炭化珪素で構成され、一面(10a)および前記一面と反対側の他面(10b)を有す半導体基板(10)と、
前記半導体基板に形成され、寄生ダイオードが構成されるスイッチング素子を有する素子領域(1)と、
前記半導体基板に形成され、ダイオード素子を有するダイオード領域(2)と、
前記半導体基板の一面側に配置されて前記スイッチング素子および前記ダイオード素子と電気的に接続される第1電極(30)と、
前記半導体基板の他面側に配置されて前記スイッチング素子および前記ダイオード素子と電気的に接続される第2電極(33)と、を備え、
前記ダイオード領域に形成されたダイオード素子は、前記寄生ダイオードよりも、順方向電流が流れ始める順方向電圧が小さくされており、
前記素子領域および前記ダイオード領域には、前記第1電極と接続される部分にコンタクト領域(23a、23b)が形成されており、
前記ダイオード領域に形成されたコンタクト領域は、前記素子領域に形成されたコンタクト領域よりも不純物濃度が高くされている炭化珪素半導体装置。 A silicon carbide semiconductor device made of silicon carbide,
A semiconductor substrate (10) made of silicon carbide and having one surface (10a) and another surface (10b) opposite to the one surface;
An element region (1) having a switching element formed on the semiconductor substrate and constituting a parasitic diode;
a diode region (2) formed on the semiconductor substrate and having a diode element;
a first electrode (30) disposed on one surface side of the semiconductor substrate and electrically connected to the switching element and the diode element;
a second electrode (33) disposed on the other surface side of the semiconductor substrate and electrically connected to the switching element and the diode element;
The diode element formed in the diode region has a smaller forward voltage at which a forward current starts to flow than the parasitic diode,
In the element region and the diode region, contact regions (23a, 23b) are formed in portions connected to the first electrode,
The silicon carbide semiconductor device , wherein the contact region formed in the diode region has an impurity concentration higher than that of the contact region formed in the element region .
前記ダイオード領域に形成された金属シリサイド層は、前記素子領域に形成された金属シリサイド層よりも、前記第1電極との接触抵抗が低くなる材料を用いて構成されている請求項1に記載の炭化珪素半導体装置。 A metal silicide layer (31 a, 31 b) is formed on the semiconductor substrate in a portion connected to the first electrode,
2. The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the metal silicide layer formed in the diode region is made of a material having a lower contact resistance with the first electrode than the metal silicide layer formed in the element region.
炭化珪素で構成され、一面(10a)および前記一面と反対側の他面(10b)を有す半導体基板(10)と、
前記半導体基板に形成され、寄生ダイオードが構成されるスイッチング素子を有する素子領域(1)と、
前記半導体基板に形成され、ダイオード素子を有するダイオード領域(2)と、
前記半導体基板の一面側に配置されて前記スイッチング素子および前記ダイオード素子と電気的に接続される第1電極(30)と、
前記半導体基板の他面側に配置されて前記スイッチング素子および前記ダイオード素子と電気的に接続される第2電極(33)と、を備え、
前記ダイオード領域に形成されたダイオード素子は、前記寄生ダイオードよりも、順方向電流が流れ始める順方向電圧が小さくされており、
前記半導体基板には、前記第1電極と接続される部分に金属シリサイド層(31a、31b)が形成されており、
前記ダイオード領域に形成された金属シリサイド層は、前記素子領域に形成された金属シリサイド層よりも、前記第1電極との接触抵抗が低くなる材料を用いて構成されている炭化珪素半導体装置。 A silicon carbide semiconductor device made of silicon carbide,
A semiconductor substrate (10) made of silicon carbide and having one surface (10a) and another surface (10b) opposite to the one surface;
An element region (1) having a switching element formed on the semiconductor substrate and constituting a parasitic diode;
a diode region (2) formed on the semiconductor substrate and having a diode element;
a first electrode (30) disposed on one surface side of the semiconductor substrate and electrically connected to the switching element and the diode element;
a second electrode (33) disposed on the other surface side of the semiconductor substrate and electrically connected to the switching element and the diode element;
The diode element formed in the diode region has a smaller forward voltage at which a forward current starts to flow than the parasitic diode,
A metal silicide layer (31a, 31b) is formed on the semiconductor substrate in a portion connected to the first electrode,
a metal silicide layer formed in the diode region using a material that has a lower contact resistance with the first electrode than a metal silicide layer formed in the element region;
前記素子領域と前記ダイオード領域との間に配置される前記ガード領域は、前記素子領域と前記ダイオード領域との配列方向に沿った長さが、正孔の拡散長以上の長さとされている請求項1ないし3のいずれか1つに記載の炭化珪素半導体装置。 a guard region insulated from the first electrode is disposed between the element region and the diode region;
4. The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the guard region disposed between the element region and the diode region has a length along an arrangement direction of the element region and the diode region that is equal to or greater than a diffusion length of holes .
炭化珪素で構成され、一面(10a)および前記一面と反対側の他面(10b)を有す半導体基板(10)と、
前記半導体基板に形成され、寄生ダイオードが構成されるスイッチング素子を有する素子領域(1)と、
前記半導体基板に形成され、ダイオード素子を有するダイオード領域(2)と、
前記半導体基板の一面側に配置されて前記スイッチング素子および前記ダイオード素子と電気的に接続される第1電極(30)と、
前記半導体基板の他面側に配置されて前記スイッチング素子および前記ダイオード素子と電気的に接続される第2電極(33)と、を備え、
前記ダイオード領域に形成されたダイオード素子は、前記寄生ダイオードよりも、順方向電流が流れ始める順方向電圧が小さくされており、
前記素子領域と前記ダイオード領域との間には、前記第1電極と絶縁されたガード領域が配置されており、
前記素子領域と前記ダイオード領域との間に配置される前記ガード領域は、前記素子領域と前記ダイオード領域との配列方向に沿った長さが、正孔の拡散長以上の長さとされている炭化珪素半導体装置。 A silicon carbide semiconductor device made of silicon carbide,
A semiconductor substrate (10) made of silicon carbide and having one surface (10a) and another surface (10b) opposite to the one surface;
An element region (1) having a switching element formed on the semiconductor substrate and constituting a parasitic diode;
a diode region (2) formed on the semiconductor substrate and having a diode element;
a first electrode (30) disposed on one surface side of the semiconductor substrate and electrically connected to the switching element and the diode element;
a second electrode (33) disposed on the other surface side of the semiconductor substrate and electrically connected to the switching element and the diode element;
The diode element formed in the diode region has a smaller forward voltage at which a forward current starts to flow than the parasitic diode,
a guard region insulated from the first electrode is disposed between the element region and the diode region;
a length of the guard region disposed between the element region and the diode region along an arrangement direction of the element region and the diode region that is equal to or greater than a diffusion length of holes .
第1導電型のドリフト層(19)と、
前記ドリフト層との間に空乏層を構成し、前記第1電極と絶縁された第2導電型のフローティング領域(16、24)とを含んで構成されている請求項4または5に記載の炭化珪素半導体装置。 The guard area is
A drift layer (19) of a first conductivity type;
6. The silicon carbide semiconductor device according to claim 4, further comprising a floating region (16, 24) of a second conductivity type insulated from the first electrode, the floating region forming a depletion layer between the drift layer and the first electrode.
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