JP7647239B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置に関し、特に、高信頼性のトレンチ型半導体装置に関する。
従来、電力変換装置などに主として用いられるパワー半導体装置には、シリコン（Ｓｉ）半導体が用いられている。近年、Ｓｉに代わる半導体材料として、ワイドギャップ半導体である炭化珪素（ＳｉＣ）が期待されている。ＳｉＣ半導体は、Ｓｉを材料に用いた従来の半導体素子と比較して、オン状態における素子の抵抗を数百分の１に低減できることや、より高温（例えば２００℃以上）の環境下で使用可能なことなどの利点がある。これは、ＳｉＣのバンドギャップがＳｉに対して３倍程度大きく、絶縁破壊電界強度がＳｉより１０倍ほど大きいという材料自体の特性による。
パワー半導体装置としては、ショットキバリアダイオード（ＳＢＤ）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、静電誘導トランジスタ（ＳＩＴ）、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などが製品化されている。トレンチ型ＭＯＳＦＥＴは、ＳｉＣ半導体基板にトレンチを形成し、トレンチの側壁をチャネルとして利用する３次元構造の半導体装置である。そのため、同じＯＮ抵抗の素子同士で比べた場合、プレーナ型縦型ＭＯＳＦＥＴよりもトレンチ型ＭＯＳＦＥＴは素子面積を圧倒的に小さくすることができ、特に有望な半導体素子構造と考えられる。
従来のトレンチ型ＭＯＳＦＥＴにおいては、ＳｉＣ半導体層内に設けたトレンチの側壁に沿って縦方向にチャネルを形成するため、トレンチの内壁全体をゲート絶縁膜で覆う構造となる。ＳｉＣでは絶縁破壊電界強度がＳｉより１０倍ほど大きいため、高電圧印加時にＳｉＣ半導体層が絶縁破壊せず、トレンチ内壁に設けたゲート絶縁膜にも高電界が印加される。特に、ドレイン電極に対向するトレンチの底部には電界が集中し易く、ゲート絶縁膜の絶縁破壊が容易に発生してしまう。トレンチ型ＭＯＳＦＥＴの信頼性を向上させるために、トレンチ底部での電界集中を緩和してゲート絶縁膜の破壊を防止する電界緩和構造が要求される。従来、電界緩和構造として、ベース領域に接するｐ＋型のベース底部埋込領域と、トレンチ底部に接するｐ＋型のゲート底部保護領域とを同一レベルで選択的に設けている。
特許文献１では、ベース底部埋込領域をゲート底部保護領域よりドレイン領域側に深く形成する構造が記載されている。特許文献１の構造では、ベース底部埋込領域側のｐｎ接合がゲート底部保護領域側のｐｎ接合より電界強度が高くなる。それにより、アバランシェ降伏をベース底部埋込領域側で発生させ、ゲート絶縁膜へのキャリア注入を防止している。
特許文献２では、ベース底部埋込領域の底面に接するように、ゲート底部保護領域直下のｎ型不純物添加層よりも高不純物濃度のｎ型埋込層を設けることが記載されている。高不純物濃度のｎ型埋込層とベース底部埋込領域との間のｐｎ接合に印加される電界強度は、ｎ型不純物添加層とゲート底部保護領域との間のｐｎ接合よりも高くなる。そのため、アバランシェ降伏がゲート底部保護領域側ではなくベース底部埋込領域側で発生し易くなり、アバランシェ電流がゲート絶縁膜に流れることを防止している。
しかし、特許文献１及び２において、ベース底部埋込領域とゲート底部保護領域とは同一形状で形成されるため、ベース底部埋込領域及びゲート底部保護領域それぞれの角部に電界が集中し易い。そのため、ゲート底部保護領域の角部において、アバランシェ降伏の発生に十分な電界強度に達する可能性がある。ゲート底部保護領域側のｐｎ接合でアバランシェ降伏が発生すると、トレンチ内部のゲート絶縁膜にキャリアが注入されてゲート絶縁膜が絶縁破壊される虞がある。
国際公開第２０１７／０６４９４９号公報 特許第６６１７６５７号公報
本発明は、上記問題点を鑑み、ゲート絶縁膜の絶縁破壊を防止できる高信頼性の半導体装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の一態様は、（ａ）シリコンよりもバンドギャップが広い六方晶系半導体からなる第１導電型のドリフト層と、（ｂ）ドリフト層の上面に設けられ、ドリフト層より高不純物濃度の第１導電型の電流拡散層と、（ｃ）電流拡散層の上面に設けられた第２導電型のベース領域と、（ｄ）電流拡散層の内部に設けられ、曲面からなる第１下端部を有する第２導電型のゲート底部保護領域と、（ｅ）電流拡散層の内部にゲート底部保護領域と離間して、ベース領域の下面に接し、ゲート底部保護領域に対向する側面に、曲面からなる第２下端部を有する第２導電型のベース底部埋込領域と、（ｆ）ベース領域を貫通しゲート底部保護領域に達するストライプ状のトレンチの内部に設けられた絶縁ゲート型電極構造と、を備え、トレンチの延在方向に垂直に切った断面において、ベース底部埋込領域の底面が、ゲート底部保護領域の底面より深くに位置し、第１下端部の曲率半径の最小値が、第２下端部の曲率半径の最小値より大きい半導体装置であることを要旨とする。
本発明によれば、ゲート絶縁膜の絶縁破壊を防止できる高信頼性の半導体装置を提供できる。
本発明の実施形態に係る半導体装置の平面概略図である。 図１に示したＡ－Ａ線方向から見た断面概略図である。 図２中のＢ部分の拡大図である。 図３に示したベース底部埋込領域の底面角部の曲率半径を縮小する方法の一例を説明する断面概略図である。 ガードリングの不純物濃度と終端部の耐圧との関係を示す図である。 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の工程の一例を説明するための断面概略図である。 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の図６に引き続く工程の一例を説明するための断面概略図である。 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の図７に引き続く工程の一例を説明するための断面概略図である。 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の図８に引き続く工程の一例を説明するための断面概略図である。 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の図９に引き続く工程の一例を説明するための断面概略図である。 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の図１０に引き続く工程の一例を説明するための断面概略図である。 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の図１１に引き続く工程の一例を説明するための断面概略図である。 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の図１２に引き続く工程の一例を説明するための断面概略図である。 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の図１３に引き続く工程の一例を説明するための断面概略図である。 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の図１４に引き続く工程の一例を説明するための断面概略図である。 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の図１５に引き続く工程の一例を説明するための断面概略図である。 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の図１６に引き続く工程の一例を説明するための断面概略図である。 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の図１７に引き続く工程の一例を説明するための断面概略図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付し、重複する説明を省略する。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率などは実際のものとは異なる場合がある。また、図面相互間においても寸法の関係や比率が異なる部分が含まれ得る。また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置などを下記のものに特定するものでない。
本明細書においてＭＯＳトランジスタのソース領域は絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）のエミッタ領域として選択可能な「一方の主領域（第１主領域）」である。又、ＭＯＳ制御静電誘導サイリスタ（ＳＩサイリスタ）などのサイリスタにおいては、一方の主領域はカソード領域として選択可能である。ＭＯＳトランジスタのドレイン領域は、ＩＧＢＴにおいてはコレクタ領域を、サイリスタにおいてはアノード領域として選択可能な半導体装置の「他方の主領域（第２主領域）」である。本明細書において単に「主領域」と言うときは、当業者の技術常識から妥当な第１主領域又は第２主領域のいずれかを意味する。
また、以下の説明における上下などの方向の定義は、単に説明の便宜上の定義であって、本発明の技術的思想を限定するものではない。例えば、対象を９０°回転して観察すれば上下は左右に変換して読まれ、１８０°回転して観察すれば上下は反転して読まれることは勿論である。また以下の説明では、第１導電型がｎ型、これと反対となる第２導電型がｐ型の場合について例示的に説明する。しかし、導電型を逆の関係に選択して、第１導電型をｐ型、第２導電型をｎ型としても構わない。またｎやｐに付す＋や－は、＋及び－が付記されていない半導体領域に比して、それぞれ相対的に不純物濃度が高い又は低い半導体領域であることを意味する。ただし同じｎとｎとが付された半導体領域であっても、それぞれの半導体領域の不純物濃度が厳密に同じであることを意味するものではない。
＜半導体装置の構造＞
本発明の実施形態に係るＳｉＣ半導体装置（半導体チップ）１００は、図１に示すように、活性部１０１と外周部１０２とからなる。例えば、活性部１０１は矩形状の平面形状を有し、外周部１０２は活性部１０１を囲んでその周辺に配置される。図２は、図１に示したＡ－Ａ線方向から見た断面図である。図２に示すように、活性部１０１には活性素子が含まれ、外周部１０２には終端構造が含まれる。図２では、活性素子として第１導電型（ｎ－型）のドリフト層２の上部に設けられたトレンチゲート構造のＭＯＳＦＥＴを、終端構造として複数の電界緩和領域（ガードリング）４４を含む場合を例示している。ストライプ状のトレンチ１１ａは紙面に垂直な方向に延在する。
図２に示すように、ドリフト層２の上面には第２導電型（ｐ型）のベース領域８が配置されている。ドリフト層２及びベース領域８はＳｉＣからなるエピタキシャル成長層（以下において「エピタキシャル層」と略記する。）でそれぞれ構成されている。ベース領域８の上部には、ベース領域８よりも高不純物濃度のｐ＋型のベースコンタクト領域１０が選択的に設けられている。ベース領域８の上部には、ベースコンタクト領域１０に接するように、ドリフト層２よりも高不純物濃度のｎ＋型の第１主領域（ソース領域）９が選択的に設けられている。
ソース領域９及びベース領域８の上面からベース領域８を貫通して、幅が１μｍ以下のストライプ状のトレンチ１１ａが設けられている。トレンチ１１ａの側面には、ソース領域９及びベース領域８が接している。トレンチ１１ａの底面及び側面にはゲート絶縁膜１３が設けられている。トレンチ１１ａ内にはゲート絶縁膜１３を介してゲート電極１４ａが埋め込まれ、絶縁ゲート型電極構造（１３，１４ａ）を構成する。ゲート絶縁膜１３としては、二酸化珪素膜（ＳｉＯ２膜）の他、酸窒化珪素（ＳｉＯＮ）膜、ストロンチウム酸化物（ＳｒＯ）膜、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）膜、アルミニウム酸化物（Ａｌ２Ｏ３）膜、マグネシウム酸化物（ＭｇＯ）膜、イットリウム酸化物（Ｙ２Ｏ３）膜、ハフニウム酸化物（ＨｆＯ２）膜、ジルコニウム酸化物（ＺｒＯ２）膜、タンタル酸化物（Ｔａ２Ｏ５）膜、ビスマス酸化物（Ｂｉ２Ｏ３）膜のいずれか１つの単層膜或いはこれらの複数を積層した複合膜などが採用可能である。ゲート電極１４ａの材料としては、例えば燐（Ｐ）やボロン（Ｂ）などの不純物を高不純物濃度に添加したポリシリコン層（ドープドポリシリコン層）が使用可能である。
ドリフト層２の上部には、ドリフト層２よりも高不純物濃度のｎ＋型の電流拡散層（ＣＳＬ）（３，６）が選択的に設けられている。電流拡散層（３，６）は、ドリフト層２に下面が接する第１拡散層３と、第１拡散層３の上面及びベース領域８の下面に接し、トレンチ１１ａの側面に接する第２拡散層６とから構成される。トレンチ１１ａの底部は第１拡散層３に達する。なお、電流拡散層（３，６）は必ずしも設ける必要はない。電流拡散層（３，６）を設けない場合、トレンチ１１ａの底部はドリフト層２に達する。第１拡散層３の内部には、トレンチ１１ａの底部に接するように、ｐ＋型のゲート底部保護領域５が設けられている。ベースコンタクト領域１０の下方の第１拡散層３の内部には、ゲート底部保護領域５より深く、ゲート底部保護領域５から離間してｐ＋型の第１埋込領域４が設けられている。ベースコンタクト領域１０の下方の第２拡散層６の内部には、第１埋込領域４の上面とベース領域８の下面に接するようにｐ＋型の第２埋込領域７が設けられている。第１埋込領域４と第２埋込領域７とでベース底部埋込領域（４，７）を構成する。ゲート底部保護領域５は、ベース底部埋込領域（４，７）の第１埋込領域４よりも高不純物濃度を有する。
ゲート電極１４ａの上面には、図２に示すように、層間絶縁膜１５が配置される。層間絶縁膜１５としては、硼素（Ｂ）及び燐（Ｐ）を添加したシリコン酸化膜（ＢＰＳＧ）が用いられる。しかし、層間絶縁膜１５としては、燐（Ｐ）を添加した酸化珪素膜（ＰＳＧ）、「ＮＳＧ」と称される燐（Ｐ）や硼素（Ｂ）を含まないノンドープのＳｉＯ２膜、硼素（Ｂ）を添加した酸化珪素膜（ＢＳＧ）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）膜などでもよい。またこれらの積層膜でもよい。
図２に示すように、層間絶縁膜１５の間に露出したソース領域９及びベースコンタクト領域１０に物理的に接するようにソースコンタクト層１６が設けられる。層間絶縁膜１５及びソースコンタクト層１６を覆うようにバリアメタル層１７が設けられる。第１主電極（ソース電極）１８ａは、バリアメタル層１７及びソースコンタクト層１６を介してソース領域９及びベースコンタクト領域１０に電気的に接続される。例えば、ソースコンタクト層１６がニッケルシリサイド（ＮｉＳｉｘ）膜、バリアメタル層１７が窒化チタン（ＴｉＮ）膜やチタン（Ｔｉ）膜、ソース電極１８ａがアルミニウム（Ａｌ）膜やアルミニウム－シリコン（Ａｌ－Ｓｉ）膜で構成できる。ソース電極１８ａは、ゲート表面電極（図示省略）と分離して配置されている。
外周部１０２近傍の活性部１０１において、図２に示すように、ベース領域８の上部にはベースコンタクト領域１０ａが設けられる。ベースコンタクト領域１０ａの上面には、フィールド酸化膜１２を介して配線層１４ｂが配置され、配線層１４ｂの上面にはバリアメタル層１７ｂを介してゲート電極パッド１８ｂが配置されている。図示を省略するが、ゲート電極パッド１８ｂは配線層１４ｂを介してゲート電極１４ａに電気的に接続されている。層間絶縁膜１５及びフィールド酸化膜１２は、活性部１０１及び外周部１０２の境界近傍から外周部１０２のメサ溝１１ｂ底部に延在する。また、外周部１０２近傍の活性部１０１には、ベース領域８の下面に接するようにベース底部埋込領域（４ａ，７ａ）が設けられる。ベース底部埋込領域（４ａ，７ａ）は、ベース領域８の下面に接する第２埋込領域７ａと、下面が部分電流拡散層２２ａに接する第１埋込領域４ａとから構成される。
図２に示すように、外周部１０２には、メサ溝１１ｂの底部に露出したドリフト層２の上部に複数のｐ＋型のガードリング４４が設けられる。複数のガードリング４４は電界緩和領域として機能し、活性部１０１を取り囲むように互いに離間して同心リング状に設けられる。ドリフト層２において、複数のガードリング４４のそれぞれは、底面がベース底部埋込領域（４ａ，７ａ）の第１埋込領域４の底面と同一レベルであり、第１埋込領域４と同一不純物濃度で設けられている。複数のガードリング４４それぞれの下面には、ｎ＋型の複数の部分電流拡散層４２ａが設けられる。複数の部分電流拡散層４２ａのそれぞれは、部分電流拡散層２２、２２ａと同一レベルで、同一不純物濃度である。
外周部１０２の外側端部において、ドリフト層２の上部にｎ＋型のチャネルストッパ３３が同心リング状に設けられている。なお、ｎ＋型のチャネルストッパ３３の代わりに、ｐ＋型のチャネルストッパを設けてもよい。
ドリフト層２の下面には、ｎ＋型の第２主領域（ドレイン領域）１が配置されている。ドレイン領域１の下面には第２主電極（ドレイン電極）１９が配置されている。ドレイン電極１９としては、例えば金（Ａｕ）からなる単層膜や、Ｔｉ、ニッケル（Ｎｉ）、Ａｕの順で積層された金属膜が使用可能であり、更にその最下層にモリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）などの金属膜を積層してもよい。また、ドレイン領域１とドレイン電極１９との間に、ドレインコンタクト層が設けられてもよい。ドレインコンタクト層は、例えばニッケルシリサイド（ＮｉＳｉｘ）膜である。
例えば、ドリフト層２の不純物濃度は２×１０15ｃｍ-3以上２×１０16ｃｍ-3以下、ベース領域８の不純物濃度は１×１０17ｃｍ-3以上１×１０18ｃｍ-3以下である。ベースコンタクト領域１０の不純物濃度は５×１０18ｃｍ-3以上５×１０20ｃｍ-3以下、ソース領域９の不純物濃度は５×１０18ｃｍ-3以上５×１０20ｃｍ-3以下である。電流拡散層（３，６）の不純物濃度は５×１０16ｃｍ-3以上５×１０17ｃｍ-3以下で、部分電流拡散層２２の不純物濃度は５×１０17ｃｍ-3以上５×１０18ｃｍ-3以下である。ゲート底部保護領域５はベース底部埋込領域（４，７）の第１埋込領域４よりも高不純物濃度を有し、１×１０17ｃｍ-3より大きく、１×１０19ｃｍ-3以下、望ましくは３×１０18ｃｍ-3以上１×１０19ｃｍ-3以下である。ベース底部埋込領域（４，７）の第１埋込領域４とガードリング４４の不純物濃度は同一であり、１×１０17ｃｍ-3以上３×１０18ｃｍ-3未満である。ベース底部埋込領域（４，７）の第２埋込領域７の不純物濃度は第１埋込領域４と同程度あるが、第１埋込領域４より高不純物濃度であってもよい。ドレイン領域１の不純物濃度は１×１０18ｃｍ-3以上１×１０19ｃｍ-3以下である。
実施形態に係る半導体装置においては、ドレイン領域１はＳｉＣからなる半導体基板（ＳｉＣ基板）で構成され、ドリフト層２はＳｉＣからなるエピタキシャル層（ＳｉＣ層）で構成された構造を例示している。ドレイン領域１及びドリフト層２を含む実施形態に係る半導体装置を構成する半導体領域はＳｉＣに限定されない。ＳｉＣの他にも、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）、ロンズデーライト（六方晶ダイヤモンド）又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のＳｉの禁制帯幅１．１ｅＶよりも広い六方晶系の半導体材料がそれぞれ使用可能である。室温における禁制帯幅は４Ｈ－ＳｉＣでは３．２６ｅＶ、６Ｈ－ＳｉＣでは３．０２ｅＶ、ＧａＮでは３．４ｅＶ、ダイヤモンドでは５．５ｅＶ、ＡｌＮでは６．２ｅＶの値が報告されている。本発明では禁制帯幅がシリコンよりも大きな半導体をワイドバンドギャップ半導体として定義している。
実施形態に係る半導体装置の動作時は、ソース電極１８ａをアース電位として、ドレイン電極１９に正電圧を印加し、ゲート電極１４ａに閾値以上の正電圧を印加すると、ベース領域８のトレンチ１１ａの側面側に反転層（チャネル）が形成されてオン状態となる。反転層は、ベース領域８がゲート電極１４ａに対向する位置に挟まれたゲート絶縁膜１３とベース領域８との界面となるトレンチ１１ａの側面に露出したベース領域８の表面に形成される。オン状態では、ドレイン電極１９からドレイン領域１、ドリフト層２、電流拡散層（３，６）、ベース領域８の反転層及びソース領域９を経由してソース電極１８ａへ電流が流れる。一方、ゲート電極１４ａに印加される電圧が閾値未満の場合、ベース領域８に反転層が形成されないため、オフ状態となり、ドレイン電極１９からソース電極１８ａへ電流が流れない。
図３は、図１中のＢ部分の拡大図である。図３に示すように、ゲート底部保護領域５は、電流拡散層（３，６）の第１拡散層３の内部に設けられる。ゲート底部保護領域５の下端部（第１下端部）５ｒ及び上端部５ｓは、それぞれ曲面を有する。また、ベース底部埋込領域（４，７）の第１埋込領域４の下端部（第２下端部）４ｒも曲面を有する。トレンチ１１ａの延在方向に対して垂直に切った断面において、ゲート底部保護領域５の下端部５ｒの曲面を近似した円弧のうち、最小の曲率半径を有する円を曲率円Ｄａ、ゲート底部保護領域５の上端部５ｓの曲面を近似した円弧のうち、最小の曲率半径を有する円を曲率円Ｄｃと定義する。同様に、ベース底部埋込領域（４，７）の下端部４ｒの曲面を近似した円弧のうち、最小の曲率半径を有する円を曲率円Ｄｂと定義する。ゲート底部保護領域５の下端部５ｒの曲率円Ｄａの曲率半径の最小値は、ベース底部埋込領域（４，７）の第１埋込領域４の下端部４ｒの曲率円Ｄｂの曲率半径の最小値より大きい。したがって、ベース底部埋込領域（４，７）の下端部４ｒに電界が集中し易くなる。そのため、アバランシェ降伏がゲート底部保護領域５側ではなくベース底部埋込領域（４，７）側で発生し易くなり、アバランシェ電流がトレンチ１１ａの内部のゲート絶縁膜１３に流れることを防止することが可能となる。また、ゲート底部保護領域５の上端部５ｓの曲率円Ｄｃの曲率半径の最小値は、ベース底部埋込領域（４，７）の下端部４ｒの曲率円Ｄｂの曲率半径の最小値より大きくすることが望ましい。その結果、ゲート底部保護領域５近傍の電界集中をより緩和でき、アバランシェ降伏がゲート底部保護領域５の近傍で発生することを避けることが可能となる。
ゲート底部保護領域５及びベース底部埋込領域（４，７）の第１埋込領域４は、後述するように、イオン注入技術を用いて、ｎ型の電流拡散層（３，６）にｐ型の不純物イオンを注入して形成される。ＳｉＣ中の不純物拡散係数は非常に小さいため、不純物濃度分布を正確に再現性よく制御することができる。注入イオンの侵入深さは加速エネルギと、半導体層の結晶格子との衝突散乱による運動量の喪失とによって決まり、ガウス分布にしたがってばらつく。一般的に、イオン注入の深さが深くなれば、注入イオンの深さ分布のばらつきも大きくなる。図４は、電流拡散層（３，６）の第１拡散層３にｐ型不純物イオンを注入して、ゲート底部保護領域５及びベース底部埋込領域（４，７）の第１埋込領域４を形成する場合の一例を説明する断面概略図である。図４に示した注入領域４ｘは、第１埋込領域４の底面のレベルを狙って第１拡散層３の表面から注入されたｐ型不純物イオンが第１埋込領域４の底面から更に下方にばらついて分布する領域である。図３に示すように、第１埋込領域４の底面のレベルはゲート底部保護領域５の底面より深さｔだけ深く、注入領域４ｘ内での注入イオンの分布のばらつきが大きくなる。そのため、注入領域４ｘの下端部４ｘｒの曲率円Ｄｘの曲率半径の最小値は、ゲート底部保護領域５の下端部５ｒの曲率円Ｄａの曲率半径の最小値より大きくなってしまう。そこで、第１埋込領域４を形成する前に、注入領域４ｘと重なる位置にｎ型の不純物イオンを注入して、注入領域４ｘよりも高不純物濃度のｎ＋型の部分電流拡散層２２を設ける。その結果、注入領域４ｘのｐ型不純物が部分電流拡散層２２のｎ型不純物で補償され、第１埋込領域４の下端部４ｒの曲率円Ｄｂの曲率半径の最小値をゲート底部保護領域５の下端部５ｒの曲率円Ｄａの曲率半径の最小値より小さくすることができる。なお、第１埋込領域４及び注入領域４ｘを形成した後に、注入領域４ｘに重なるように、注入領域４ｘよりも高不純物濃度のｎ＋型の部分電流拡散層２２を設けてもよい。
また、図３に示すように、ベース底部埋込領域（４，７）の第１埋込領域４の底面は、ゲート底部保護領域５の底面より深さｔだけ深いレベルに設けられている。そのため、実施形態に係る半導体装置の動作中において、ベース底部埋込領域（４，７）側に電界が集中し易くなり、ゲート底部保護領域５への電界集中を緩和することが可能となる。ここで、深さｔをゼロ、つまり第１埋込領域４の底面とゲート底部保護領域５の底面を同じ深さとしてもよい。ここで同じ深さとは製造ばらつきを含んだ概念であり、±１００ｎｍ程度のばらつきを含んでよい。この場合でも、曲率半径の小さい第１埋込領域４に電界集中するので、同じ効果が得られる。
図２に示した実施形態に係る半導体装置において、ゲート底部保護領域５のｐ型不純物濃度が低いと、電界集中に対する緩和効果が低減してゲート絶縁膜１３の絶縁破壊を防止することが困難になる。また、ガードリング４４のｐ型不純物濃度が高すぎると、外周部１０２における耐圧を低下させることになる。図５は、例えばガードリング４４とドリフト層２とのｐｎ接合に対応するｐｎダイオードの耐圧と、ガードリング４４に対応する半導体層のｐ型不純物濃度との関係を示す図である。図５に示すように、ｐ型不純物濃度が３×１０18ｃｍ-3未満であれば、ダイオードの耐圧は１８００Ｖ程度以上を保持できるが、ｐ型不純物濃度が３×１０18ｃｍ-3以上になると、ダイオードの耐圧は１６６０Ｖ程度以下と低減する。そこで、トレンチ１１ａ近傍の電界集中を緩和するため、ゲート底部保護領域５のｐ型不純物濃度は３×１０18ｃｍ-3以上１×１０19ｃｍ-3以下とする。また、外周部１０２における耐圧の低下を抑制するため、ベース底部埋込領域（４，７）の第１埋込領域４及びガードリング４４の不純物濃度は１×１０17ｃｍ-3以上３×１０18ｃｍ-3未満とする。
このように、実施形態では、ゲート底部保護領域５の下端部５ｒの曲率円Ｄａの曲率半径の最小値を、ベース底部埋込領域（４，７）の第１埋込領域４の下端部４ｒの曲率円Ｄｂの曲率半径の最小値より大きくしている。また、第１埋込領域４の底面を、ゲート底部保護領域５の底面より深さｔだけ深いレベルに設けている。その結果、ベース底部埋込領域（４，７）側に電界を集中させることでゲート底部保護領域５への電界集中を緩和でき、アバランシェ降伏がゲート底部保護領域５の近傍で発生することを避けることが可能となる。
＜半導体装置の製造方法＞
次に、図６～図１８の工程断面図を用いて、実施形態に係るＳｉＣ半導体装置の製造方法を、トレンチ型ＭＯＳＦＥＴの場合を一例に説明する。なお、以下に述べるトレンチ型ＭＯＳＦＥＴの製造方法は一例であり、特許請求の範囲に記載した趣旨の範囲であれば、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ことは勿論である。
まず、窒素（Ｎ）などのｎ型不純物が添加されたｎ＋型のＳｉＣ半導体基板（基板）１ｐを用意する。基板１ｐの上面に、ｎ-型のエピタキシャル層を成長させる。次に、エピタキシャル層の上面に形成したフォトレジスト膜１３０をイオン注入用マスクとして用いて、エピタキシャル層の上面側から、窒素（Ｎ）などのｎ型不純物イオンをエピタキシャル層に選択的に多段イオン注入する。このようにして、図６に示すように、図１に示した半導体チップ１００の活性部１０１にエピタキシャル層からなるドリフト層２の上部にｎ＋型の注入層３ｐが形成され、外周部１０２にｎ＋型のチャネルストッパ３３が形成される。
ＣＶＤ技術などにより、注入層３ｐ及びチャネルストッパ３３の上面にＳｉＯ2からなる酸化膜を堆積する。フォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術などを用いて酸化膜をパターニングする。パターニングされた酸化膜１４０をイオン注入のマスクとして用いて、窒素（Ｎ）などのｎ型不純物イオンを注入層３ｐの下のドリフト層２の上部に達するように選択的に多段イオン注入する。引き続き、酸化膜１４０をイオン注入のマスクとして用いて、ｎ型不純物が注入されたドリフト層２の上部に連結するように注入層３ｐにアルミニウム（Ａｌ）などのｐ型不純物イオンを多段イオン注入する。図７に示すように、活性部１０１では、ドリフト層２の上部にｎ＋型の部分電流拡散層２２、２２ａが選択的に形成され、第１拡散層３の内には、部分電流拡散層２２、２２ａの上面に重なるようにｐ＋型の第１埋込領域４、４ａが選択的に形成される。外周部１０２では、ドリフト層２の上部にｎ＋型の複数の部分電流拡散層４２ａが選択的に形成され、部分電流拡散層４２ａのそれぞれの上面に重なるようにｐ＋型の複数のガードリング４４が選択的に形成される。
酸化膜１４０を除去後、第１拡散層３、第１埋込領域４、４ａ、ガードリング４４及びチャネルストッパ３３の上面に新たに酸化膜を堆積し、フォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術などを用いて酸化膜をパターニングする。パターニングされた酸化膜１５０をイオン注入のマスクとして用いて、第１埋込領域４と離間するように第１拡散層３にアルミニウム（Ａｌ）などのｐ型不純物イオンを選択的に多段イオン注入する。その結果、図８に示すように、第１埋込領域４の間に、第１埋込領域４より高不純物濃度のｐ＋型のゲート底部保護領域５が選択的に形成される。活性部１０１と外周部１０２との境界近傍では、ゲート底部保護領域５は第１埋込領域４ａに接して形成される。なお、図３及び図４に示したように、第１拡散層３において、第１埋込領域４はゲート底部保護領域５よりもp型不純物イオンが深いレベルに形成されている。そこで、第１埋込領域４の底面を超えて形成される注入領域４ｘと重なるように、注入領域４ｘに分布するｐ型不純物よりも高不純物濃度のｎ＋型の部分電流拡散層２２を形成する。その結果、注入領域４ｘに分布するｐ型不純物が部分電流拡散層２２のｎ型不純物で補償され、第１埋込領域４の下端部４ｒの曲率円Ｄｂの曲率半径の最小値をゲート底部保護領域５の下端部５ｒの曲率円Ｄａの曲率半径の最小値より小さくすることができる。なお、第１埋込領域４及び注入領域４ｘを形成した後に、注入領域４ｘに重なるように、注入領域４ｘよりも高不純物濃度のｎ＋型の部分電流拡散層２２を形成してもよい。
酸化膜１５０を除去後、図９に示すように、第１拡散層３、第１埋込領域４、４ａ、ゲート底部保護領域５、ガードリング４４、ドリフト層２及びチャネルストッパ３３の上面にｎ型のエピタキシャル層６ｐを成長させる。エピタキシャル層６ｐの上面にフォトレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィ技術などを用いてフォトレジスト膜をパターニングする。パターニングされたフォトレジスト膜１６０をイオン注入のマスクとして用いて、エピタキシャル層６ｐの上面側から、窒素（Ｎ）などのｎ型不純物イオンをエピタキシャル層６ｐの上部に選択的に多段イオン注入する。その結果、図１０に示すように、第１拡散層３、第１埋込領域４及びゲート底部保護領域５の上にｎ＋型の注入層６ａが形成される。
フォトレジスト膜１６０を除去後、注入層６ａ及びエピタキシャル層６ｐの上面に酸化膜を堆積し、フォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術などを用いて酸化膜をパターニングする。パターニングされた酸化膜１７０をイオン注入のマスクとして用いて、注入層６ａ及びエピタキシャル層６ｐにアルミニウム（Ａｌ）などのｐ型不純物イオンを選択的に多段イオン注入する。その結果、図１１に示すように、第１埋込領域４の上にｐ＋型の第２埋込領域７がｎ＋型の第２拡散層６を挟むように選択的に形成される。そして、第１埋込領域４と第２埋込領域７とからなるベース底部埋込領域（４，７）が形成される。また、第１埋込領域４ａと、第１埋込領域４ａに接したゲート底部保護領域５との上にｐ＋型の第２埋込領域７ａが選択的に形成される。
酸化膜１７０を除去後、図１２に示すように、第２埋込領域７，７ａ、第２拡散層６及びエピタキシャル層６ｐの上面にｐ型のエピタキシャル層８ｐを成長させる。エピタキシャル層８ｐの上面側から、燐（Ｐ）などのｎ型不純物イオンをエピタキシャル層８ｐに多段イオン注入し、エピタキシャル層８ｐの上部にｎ＋型の注入層を形成する。エピタキシャル層８ｐの上部に形成された注入層の上面にＣＶＤ技術などにより酸化膜を堆積する。この酸化膜の上面にフォトレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術などを用いて酸化膜をパターニングする。パターニングされた酸化膜をエッチングマスクとして、ドライエッチング技術などにより、エピタキシャル層８ｐ上部の注入層、エピタキシャル層８ｐ及びエピタキシャル層６ｐを選択的にエッチングする。その結果、図１３に示すように、メサ溝１１ｂが形成される。図１に示した活性部１０１には注入層９ｐ、ベース領域８及び第２埋込領域７ａが残存し、外周部１０２では、メサ溝１１ｂの底面に複数のガードリング４４の上面が露出する。
エッチングマスクを除去後、注入層９ｐの上面及びメサ溝１１ｂの底面にＣＶＤ技術などにより酸化膜を堆積する。この酸化膜の上面にフォトレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術などを用いて酸化膜をパターニングする。パターニングされた酸化膜をイオン注入のマスクとして用いて、注入層９ｐの上面側から、アルミニウム（Ａｌ）などのｐ型不純物イオンを注入層９ｐに選択的に多段イオン注入する。その結果、図１４に示すように、ゲート底部保護領域５の上方にソース領域９が形成され、第２埋込領域７，７ａの上方にソース領域９と接するｐ＋型のベースコンタクト領域１０，１０ａが形成される。
イオン注入用マスクとして用いた酸化膜を除去後、ベースコンタクト領域１０，１０ａ及びソース領域９の上面、並びにメサ溝１１ｂの底面にＣＶＤ技術などにより酸化膜を堆積する。この酸化膜の上面にフォトレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術などを用いて酸化膜をパターニングする。パターニングされた酸化膜をエッチングマスクとして用いて、ドライエッチング技術により、トレンチ１１ａを選択的に形成する。トレンチ１１ａは、図１５に示すように、ソース領域９、ベース領域８、及び第２拡散層６を貫通して第１拡散層３に形成されたゲート底部保護領域５に達する。第１拡散層３と第２拡散層６とからなるｎ＋型の電流拡散層（３，６）がドリフト層２の上面に形成される。
エッチングマスクを除去後、トレンチ１１ａの上面に、カーボンスパッタ技術などにより、カーボン（Ｃ）膜を成膜する。その後、熱処理を行ってイオン注入されたｎ型不純物イオン及びｐ型不純物イオンを一斉に活性化させる。カーボン膜を除去後の露出面に、ＣＶＤ技術などにより、フィールド酸化膜を堆積する。このフィールド酸化膜の上面にフォトレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィ技術などを用いてフォトレジスト膜をパターニングする。パターニングされたフォトレジスト膜をエッチングマスクとして用いて、フィールド酸化膜を選択的に除去する。その結果、図１６に示すように、メサ溝１１ｂの底面及び側面からベースコンタクト領域１０ａの上面に延在するフィールド酸化膜１２が形成される。
熱酸化法又は化学気相成長（ＣＶＤ）技術などにより、トレンチ１１ａの底面及び側面、並びにソース領域９及びベースコンタクト領域１０の上面に、ＳｉＯ２膜などのゲート絶縁膜１３ｐを形成する。次に、図１７に示すように、ＣＶＤ技術などにより、トレンチ１１ａを埋めるように、燐（Ｐ）やボロン（Ｂ）などの不純物を高濃度で添加したポリシリコン層（ドープドポリシリコン層）１４ｐを堆積する。
その後、フォトリソグラフィ技術及びドライエッチングにより、ポリシリコン層１４ｐの一部及びゲート絶縁膜１３ｐの一部を選択的に除去する。図１８に示すように、ゲート絶縁膜１３及びポリシリコン層からなるゲート電極１４ａのパターンを形成して絶縁ゲート型電極構造（１３，１４ａ）を形成する。次に、ＣＶＤ技術などにより、ゲート電極１４ａ及びゲート絶縁膜１３からなる絶縁ゲート型電極構造（１３，１４ａ）の上面に絶縁膜を堆積する。この絶縁膜として、ボロン燐ガラス（ＢＰＳＧ）やＮＳＧなどが用いられる。そして、フォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術などにより、堆積した絶縁膜の一部を選択的に除去する。この結果、図１８に示すように、層間絶縁膜１５にソース電極コンタクトホールが開口される。図示を省略しているが、ソース電極コンタクトホールとは異なる箇所において、ゲート電極１４ａに接続されたゲート表面電極の一部が露出するように、ゲートコンタクトホールも層間絶縁膜１５に開口される。
スパッタリング法又は蒸着法などによりＮｉ膜などの金属層を堆積して、フォトリソグラフィ技術及びＲＩＥ技術などを用いて金属層をパターニングする。その後、高速熱処理（ＲＴＡ）、例えば１０００℃程度で熱処理をすることにより、ＮｉＳｉｘ膜を形成する。その後、未反応のＮｉ膜は除去することで、図１８に示すように、ソース領域９及びベースコンタクト領域１０の上面にソースコンタクト層１６を形成する。次に、スパッタリング技術などによりＴｉ膜やＴｉＮ膜などのバリアメタル層（図示省略）とＡｌ膜などの金属層とを堆積する。フォトリソグラフィ技術及びＲＩＥ技術などを用いてバリアメタル層と金属層をパターニングして、図２に示したように、ソース電極１８ａ、ゲート電極パッド１８ｂ及びゲート表面電極（図示省略）のパターンを形成する。この結果、ソースコンタクト層１６と層間絶縁膜１５を被覆するように、バリアメタル層１７とソース電極１８ａとの積層構造が形成される。また、ソース電極１８ａとゲート表面電極のパターンは分離され、バリアメタル層１７ｂと積層構造をなすゲート電極パッド１８ｂは、フィールド酸化膜１２の上に設けられた配線層１４ｂを介してゲート電極１４ａに電気的に接続される。
更に、化学機械研磨（ＣＭＰ）などにより基板１ｐの下面を研磨して厚さ調整をして、ドレイン領域１を形成する。その後、スパッタリング法又は蒸着法などにより、ドレイン領域１の下面の全面にＴｉ，Ｎｉ，Ａｕなどからなるドレイン電極１９を形成する。このようにして、図２に示したトレンチゲート型半導体装置が完成する。
実施形態では、図３及び図４に示したように、ゲート底部保護領域５の下端部５ｒの曲率円Ｄａの曲率半径の最小値を、ベース底部埋込領域（４，７）の第１埋込領域４の下端部４ｒの曲率円Ｄｂの曲率半径の最小値より大きく形成している。また、第１埋込領域４の底面を、ゲート底部保護領域５の底面より深さｔだけ深いレベルに形成している。その結果、ベース底部埋込領域（４，７）側に電界を集中させることでゲート底部保護領域５への電界集中を緩和でき、アバランシェ降伏がゲート底部保護領域５の近傍で発生することを避けることが可能となる。
（その他の実施形態）
上記のように、本発明の実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本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。
実施形態においては、ＳｉＣを用いた半導体装置を例示したが、窒化ガリウム（ＧａＮ）又はダイヤモンド等の他の６方晶系ワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体装置に適用することも可能である。
このように、上記の実施形態及び各変形例において説明される各構成を任意に応用した構成など、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勿論である。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。
１…ドレイン領域（第２主領域）
１ｐ…半導体基板（基板）
２…ドリフト層
３…第１拡散層
（３，６）…電流拡散層
４，４ａ…第１埋込領域
（４，７）…ベース底部埋込領域
４ｒ…下端部（第２下端部）
４ｘ…注入領域
４ｘｒ…下端部
５…ゲート底部保護領域
５ｒ…下端部（第１下端部）
５ｓ…上端部
６…第２拡散層
７，７ａ…第２埋込領域
８…ベース領域
９…ソース領域（第１主領域）
１０…ベースコンタクト領域
１１ａ…トレンチ
（１１ａ、１４ａ）…絶縁ゲート型電極構造
１１ｂ…メサ溝
１２…フィールド酸化膜
１３…ゲート絶縁膜
１４ａ…ゲート電極
１５…層間絶縁膜
１６…ソースコンタクト層
１７…バリアメタル層
１８ａ…ソース電極（第１主電極）
１９…ドレイン電極（第２主電極）
２２、２２ａ、４２ａ…部分電流拡散層
３３…チャネルストッパ
４４…電界緩和領域（ガードリング）

Claims (8)

  1. シリコンよりもバンドギャップが広い六方晶系半導体からなる第１導電型のドリフト層と、
    前記ドリフト層の上面に設けられ、前記ドリフト層より高不純物濃度の第１導電型の電流拡散層と、
    前記電流拡散層の上面に設けられた第２導電型のベース領域と、
    前記電流拡散層の内部に設けられ、曲面からなる第１下端部を有する第２導電型のゲート底部保護領域と、
    前記電流拡散層の内部に前記ゲート底部保護領域と離間して、前記ベース領域の下面に接し、前記ゲート底部保護領域に対向する側面に、曲面からなる第２下端部を有する第２導電型のベース底部埋込領域と、
    前記ベース領域を貫通し前記ゲート底部保護領域に達するストライプ状のトレンチの内部に設けられた絶縁ゲート型電極構造と、
    を備え、
    前記トレンチの延在方向に垂直に切った断面において、
    前記ベース底部埋込領域の底面が、前記ゲート底部保護領域の底面より深くに位置し、
    前記第１下端部の曲率半径の最小値が、前記第２下端部の曲率半径の最小値より大きいことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記ゲート底部保護領域が、前記ベース底部埋込領域よりも高不純物濃度を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記ゲート底部保護領域の不純物濃度が３×１０18ｃｍ-3以上１×１０19ｃｍ-3未満であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
  4. 前記ベース底部埋込領域の不純物濃度が１×１０17ｃｍ-3以上３×１０18ｃｍ-3未満であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
  5. 前記ゲート底部保護領域が曲面からなる上端部を有し、該上端部の曲率半径の最小値は前記第２下端部の前記曲率半径の最小値よりも大きいことを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の半導体装置。
  6. 前記ベース底部埋込領域の前記底面に接し、前記電流拡散層よりも高不純物濃度の第１導電型の部分電流拡散層を更に備えることを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の半導体装置。
  7. 前記絶縁ゲート型電極構造が設けられた活性部の周囲に配置され、前記ドリフト層の上部に底面が前記ベース底部埋込領域の前記底面と同一レベルで、前記ベース底部埋込領域と同一不純物濃度で設けられた第２導電型のガードリングを更に備えることを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の半導体装置。
  8. 前記六方晶系半導体が、炭化珪素であることを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載の半導体装置。
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