JPH088429A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH088429A
JPH088429A JP6140564A JP14056494A JPH088429A JP H088429 A JPH088429 A JP H088429A JP 6140564 A JP6140564 A JP 6140564A JP 14056494 A JP14056494 A JP 14056494A JP H088429 A JPH088429 A JP H088429A
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semiconductor
silicon carbide
layer
trench
epitaxial layer
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JP6140564A
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Masami Naito
正美 内藤
Norihito Tokura
規仁 戸倉
Hiroyuki Kano
浩之 加納
Hiroo Fuma
弘雄 夫馬
Hidemitsu Hayashi
秀光 林
Kazutoshi Miwa
和利 三輪
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Denso Corp
Toyota Central R&D Labs Inc
Original Assignee
Toyota Central R&D Labs Inc
NipponDenso Co Ltd
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    • H10D30/60Insulated-gate field-effect transistors [IGFET]
    • H10D30/64Double-diffused metal-oxide semiconductor [DMOS] FETs
    • H10D30/66Vertical DMOS [VDMOS] FETs
    • H10D30/668Vertical DMOS [VDMOS] FETs having trench gate electrodes, e.g. UMOS transistors
    • HELECTRICITY
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    • H10D64/411Gate electrodes for field-effect devices for FETs
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 オン抵抗を低くできる半導体装置を提供する
ことにある。 【構成】 n+ 型単結晶SiC基板1の上にn型エピタ
キシャル層2とp型エピタキシャル層3とが順に積層さ
れ、エピタキシャル層3内の所定領域にエピタキシャル
層2と隔ててn+ ソース領域5が形成されている。ソー
ス領域5とエピタキシャル層3を貫通しエピタキシャル
層2に達するトレンチ6が形成され、トレンチ6の内面
にゲート熱酸化膜7が形成され、トレンチ6内における
酸化膜7の内側にゲート電極層8が形成されている。ソ
ース領域5の表面とエピタキシャル層3の表面にはソー
ス電極層10が、又、基板1の裏面側にはドレイン電極
層11が形成されている。トレンチ6の側面に形成され
るチャネルのキャリア移動方向を、4HSiCの<00
01>軸方向としている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は半導体装置、例えば、
絶縁ゲート型電界効果トランジスタ、とりわけ大電力用
の縦型MOSFETに関する。
【0002】
【従来の技術】近年、電力用トランジスタとしてシリコ
ン単結晶材料を使用して作製される縦型パワーMOSF
ETが多用されている。電力用トランジスタの損失を低
減するためにはオン抵抗の低減が必要であり、効果的に
オン抵抗低減が可能な素子構造として図9に示すトレン
チゲート型パワーMOSFET(例えば、特開昭59−
8374号公報)が提案されている。トレンチゲート型
パワーMOSFETはn型半導体基板20上にn型エピ
タキシャル層21が形成され、n型エピタキシャル層2
1上にp型拡散層22が形成され、さらに、p型拡散層
22の所定領域にn型拡散層23が形成されている。
又、n型拡散層23とp型拡散層22を貫通してn型エ
ピタキシャル層21に達するトレンチ24が形成され、
トレンチ24内にはゲート酸化膜層25を介してポリシ
リコン層26が充填されている。ポリシリコン層26の
上面には酸化膜層27が形成され、酸化膜層27上を含
むn型拡散層23上にはアルミ層28が形成されてい
る。又、n型半導体基板20の裏面にはドレイン電極層
29が形成されている。そして、電流がトレンチ24側
面のチャネル部を通じて縦方向(表面に対して垂直方
向)に流れる。
【0003】一方、図9に示したトレンチゲート型パワ
ーMOSFETを炭化珪素にて構成することが行われて
いる(例えば、特開平4−239778号公報)。この
場合、一般に面方位(0001)の6H炭化珪素が用い
られる。ここで、「H」は六方晶系であることを示し、
そのHの前の数値N(=6)は原子積層がN層で1周期
である結晶構造を示す。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところが、面方位(0
001)の6H炭化珪素を用いたトレンチゲート型パワ
ーMOSFETにおいては、チャネル抵抗を含めた素子
全体のオン抵抗が高くなってしまう。
【0005】そこで、この発明の目的は、オン抵抗を低
くすることができる半導体装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】トレンチゲート型MOS
FETにおいては、電流がトレンチ側面のチャネル部を
通じて縦方向に流れるので、チャネル抵抗を含めた素子
全体のオン抵抗は基板材料である炭化珪素の縦方向のキ
ャリア移動度に依存する。このため、トレンチゲート型
MOSFETのオン抵抗を低くするには縦方向のキャリ
ア移動度を大きくすればよい。
【0007】そこで、本発明者らは電子移動度の結晶方
位の依存性について調べた。それには、電子移動度に関
係する有効質量の結晶方位依存性を調べることから行っ
た。実験値や経験定数を参照しない第1原理計算(例え
ば、日本物理学会誌第48巻第6号(1993年)P4
25)により、2Hと4Hと6Hの炭化珪素の電子有効
質量を求めた。六方晶系炭化珪素の基本単位格子を図8
に示す三次元直交座標にて表し、その三次元直交座標の
各軸方向(x,y,z方向)の電子有効質量m xx * ,m
yy * ,mzz * と、真空中での電子の有効質量mo の比で
ある電子有効質量比m* /mo の値は、表1に示す結果
となった。尚、図8において、a,b,cは結晶軸を示
す。
【0008】
【表1】
【0009】又、有効質量m* と移動度μとの関係は、
衝突間隔τc を用いて、 μ=q・τc /m*・・・(1) と表すことができる(ただし、qは電気素量)。即ち、
有効質量m* が小さいほど移動度μが大きいと言える。
【0010】従来の面方位(0001)の6H炭化珪素
を用いたトレンチゲート型MOSFETにおいては、チ
ャネルの電子移動方向が<0001>軸方向(z方向)
となり、電子有効質量比m* /mo は表1から「1.3
9」であり、大きな値となり電子移動度μが小さく、オ
ン抵抗は大きい。
【0011】そこで、請求項1に記載の発明は、第1導
電型の低抵抗層と当該低抵抗層上にエピタキシャル成長
にて形成された第1導電型の高抵抗層の二層にて構成さ
れた炭化珪素よりなる半導体基板と、前記半導体基板の
表面上にエピタキシャル成長にて形成された炭化珪素よ
りなる第2導電型の半導体層と、前記半導体層内の所定
領域に前記半導体基板と隔てて形成された第1導電型の
半導体領域と、前記半導体領域と半導体層を貫通し前記
半導体基板に達する溝と、前記溝の内面に形成されたゲ
ート絶縁膜と、前記溝内における前記ゲート絶縁膜の内
側に形成されたゲート電極層と、前記半導体層表面およ
び半導体領域表面に形成されたソース電極層と、前記半
導体基板の裏面側に形成されたドレイン電極層とを備え
る半導体装置において、前記溝の側面に形成されるチャ
ネルのキャリア移動方向を、炭化珪素の結晶構造での三
次元直交座標の各軸方向におけるキャリア有効質量のう
ち最も小さい、あるいは2番目に小さい軸方向とほぼ一
致させた半導体装置をその要旨とする。
【0012】請求項2に記載の発明は、請求項1に記載
の発明における前記炭化珪素を六方晶系炭化珪素とした
半導体装置をその要旨とする。請求項3に記載の発明
は、請求項1に記載の発明における前記溝の側面に形成
されるチャネルのキャリア移動方向を、4H炭化珪素の
<0001>軸方向とほぼ一致させた半導体装置をその
要旨とする。
【0013】請求項4に記載の発明は、請求項1に記載
の発明における前記溝の側面に形成されるチャネルのキ
ャリア移動方向を、2H炭化珪素の<0001>軸方向
とほぼ一致させた半導体装置をその要旨とする。
【0014】
【作用】請求項1,2に記載の発明は、電流が溝側面の
チャネル部を通じて縦方向に流れる。このとき、チャネ
ルのキャリア移動方向が、炭化珪素の結晶構造での三次
元直交座標の各軸方向におけるキャリア有効質量のうち
最も小さい、あるいは2番目に小さな軸方向とほぼ一致
しているので、キャリア移動方向においてキャリア有効
質量が小さくキャリア移動度が大きいため、オン抵抗の
低い特性が得られる。
【0015】請求項3に記載の発明は、請求項1に記載
の発明の作用に加え、溝の側面に形成されるチャネルの
キャリア移動方向が4H炭化珪素の<0001>軸方向
とほぼ一致しているので、キャリア移動方向においてキ
ャリア有効質量が小さくキャリア移動度が大きいため、
オン抵抗の低い特性が得られる。
【0016】請求項4に記載の発明は、請求項1に記載
の発明の作用に加え、溝の側面に形成されるチャネルの
キャリア移動方向が2H炭化珪素の<0001>軸方向
とほぼ一致しているので、キャリア移動方向においてキ
ャリア有効質量が小さくキャリア移動度が大きいため、
オン抵抗の低い特性が得られる。
【0017】
【実施例】
(第1実施例)以下、この発明を具体化した第1実施例
を図面に従って説明する。
【0018】図1に本実施例のトレンチゲート型パワー
MOSFET(縦型パワーMOSFET)の断面図を示
す。第1導電型の低抵抗層としてのn+ 型単結晶炭化珪
素(以下、SiC)基板1は、4HSiC(0001)
カーボン面を表面とし、かつ低抵抗でキャリア密度が5
×1018cm-3程度である。このn+ 型単結晶SiC基
板1上に、第1導電型の高抵抗層としてのn型エピタキ
シャル層2と、第2導電型の半導体層としてのp型エピ
タキシャル層3が順次積層されている。n型エピタキシ
ャル層2は、キャリア密度が1×1016cm-3程度で厚
さが10μm程度となっている。又、p型エピタキシャ
ル層3は、キャリア密度が1×1017cm-3程度で厚さ
が2μm程度となっており、該p型エピタキシャル層3
の表面4が素子表面となっている。
【0019】本実施例では、n+ 型単結晶SiC基板1
とn型エピタキシャル層2とから半導体基板14が構成
されている。p型エピタキシャル層3の表面4における
所定領域には、第1導電型の半導体領域としてのn+
ース領域5が形成され、n+ ソース領域5はキャリア濃
度が1×1019cm-3程度で接合深さが0.5μm程度
となっている。又、p型エピタキシャル層3の表面4の
所定位置にトレンチ6が形成されている。このトレンチ
6は、n+ ソース領域5とp型エピタキシャル層3を貫
通しn型エピタキシャル層2に達し、p型エピタキシャ
ル層3の表面にほぼ垂直な側面6aおよびp型エピタキ
シャル層3の表面に平行な底面6bを有する。つまり、
トレンチ6の側面6aは4HSiCの<0001>軸方
向となっている。
【0020】トレンチ6の内部には、ゲート絶縁膜とし
てのゲート熱酸化膜7を介してゲート電極層8が配置さ
れている。ここで、ゲート熱酸化膜7は1100℃で5
時間程度の一度の熱酸化工程により形成され、トレンチ
6の側面6aに位置する厚さが50nm程度の薄いゲー
ト熱酸化膜7aと、トレンチ6の底面6bに位置する厚
さが500nm程度の厚いゲート熱酸化膜7bからな
る。さらに、ゲート熱酸化膜7はn+ ソース領域5上に
も形成され、この領域におけるゲート熱酸化膜7cも厚
さが500nm程度に厚くなっている。
【0021】又、ゲート電極層8は、ゲート熱酸化膜7
に接しリンをドープした第1のポリシリコン層8aと第
2のポリシリコン層8bからなる。ゲート電極層8上に
は、厚さが1μm程度の層間絶縁膜9が配置されてい
る。さらに、層間絶縁膜9上を含めたn+ ソース領域5
の表面およびp型エピタキシャル層3の表面には、ソー
ス電極層10が配置され、このソース電極層10はn+
ソース領域5とp型エピタキシャル層3に共に接してい
る。n+ 型単結晶SiC基板1の裏面には、同基板1に
接するドレイン電極層11が設けられている。
【0022】ここで、トレンチ6の側面6aのゲート熱
酸化膜7aは薄いために閾電圧を低くでき(例えば2
V)、しかもトレンチ6の底面6bのゲート熱酸化膜7
bは厚いためにゲート・ドレイン間の耐圧を高く(例え
ば500V以上)できる。
【0023】このトレンチゲート型パワーMOSFET
の製造工程を、図2〜6を用いて、詳細に説明する。ま
ず、図2に示すように、表面の面方位が(0001)カ
ーボン面である低抵抗のn+ 型単結晶4H−SiC基板
1を用意する。そして、そのn+ 型単結晶4H−SiC
基板1の表面に、キャリア密度が1×1016cm-3程度
で厚さが10μm程度のn型エピタキシャル層2と、キ
ャリア密度が1×1017cm-3程度で厚さが2μm程度
のp型エピタキシャル層3を順次積層する。
【0024】このようにして、n+ 型単結晶4H−Si
C基板1とn型エピタキシャル層2とからなる半導体基
板14を形成する。続いて、図3に示すように、p型エ
ピタキシャル層3に対しマスク材12を用いてイオン注
入法により表面のキャリア濃度が1×1019cm-3程度
で接合深さが0.5μm程度のn+ ソース領域5を形成
する。
【0025】次に、図4に示すように、マスク材13を
用いて反応性イオンエッチング(RIE)法により、n
+ ソース領域5とp型エピタキシャル層3を貫通しn型
エピタキシャル層2に達するトレンチ6を形成する。こ
のトレンチ6は、p型エピタキシャル層3の表面にほぼ
垂直な側面6aおよびp型エピタキシャル層3の表面に
平行な底面6bを有する。
【0026】続いて、図5に示すように、マスク材13
を除去した後、熱酸化法によりゲート熱酸化膜7を11
00℃で5時間程度の一度の熱酸化工程により形成す
る。この熱酸化によりトレンチ6の側面6aに位置する
厚さが50nm程度の薄いゲート熱酸化膜7aと、トレ
ンチ6の底面6bに位置する厚さが500nm程度の厚
いゲート熱酸化膜7bが形成される。さらに、n+ ソー
ス領域5上には厚さが500nm程度の厚いゲート熱酸
化膜7cが形成される。
【0027】続いて、図6に示すように、トレンチ6内
を、第1及び第2ポリシリコン層8a,8bにより順次
埋め戻す。しかる後、図1に示すように、第1及び第2
ポリシリコン層8a,8b上を含めたゲート熱酸化膜7
上に、CVD法により層間絶縁層9を形成し、ソースコ
ンタクト予定位置のn+ ソース領域5とp型エピタキシ
ャル層3の表面上にあるゲート熱酸化膜7と層間絶縁層
9を除去する。その後、n+ ソース領域5とp型エピタ
キシャル層3及び層間絶縁層9上にソース電極層10を
形成するとともに、n+ 型単結晶4H−SiC基板1の
裏面にドレイン電極層11を形成し、トレンチゲート型
SiCパワーMOSFETを完成する。
【0028】このように製造されたトレンチゲート型S
iCパワーMOSFETにおいては次のように動作す
る。図7に示すように、ゲート電極層8に正の電圧を印
加することにより、電子電流はソース電極層10からn
+ ソース領域5、トレンチ6の側面6aでのp型エピタ
キシャル層3の端面に形成されるチャネル領域、n型エ
ピタキシャル層2、n+ 型単結晶4H−SiC基板1、
ドレイン電極層11の経路で流れる。このように、トレ
ンチ6の側面6aでのp型エピタキシャル層3の端面が
チャネルになり、ソース・ドレイン間に電流が流れる。
このとき、チャネルは縦方向、即ち、4HSiCにおけ
る<0001>軸方向に形成される。その結果、チャネ
ル部では電子は<0001>軸方向に流れ、又、n型エ
ピタキシャル層2とn+ 型単結晶4H−SiC基板1で
も電子は<0001>軸方向に流れる。従って、トレン
チゲート型パワーMOSFETのオン抵抗を考えた場
合、オン抵抗を占めるチャネル抵抗とエピタキシャル抵
抗は<0001>軸方向の電子移動度に依存する。4H
SiCの<0001>軸方向の電子移動度は表1の電子
有効質量比の値から6HSiCの<0001>軸方向の
電子移動度に比べ4倍(≒1.39/0.31)大き
く、表面の面方位が(0001)である4HSiCを用
いることにより6HSiCを用いた場合に比べオン抵抗
は1/4以下になる。
【0029】このように本実施例では、n+ 型単結晶S
iC基板1(第1導電型の低抵抗層)と当該SiC基板
1上にエピタキシャル成長にて形成されたn型エピタキ
シャル層2(第1導電型の高抵抗層)の二層にて構成さ
れた炭化珪素よりなる半導体基板14と、半導体基板1
4の表面上にエピタキシャル成長にて形成された炭化珪
素よりなるp型エピタキシャル層3(第2導電型の半導
体層)と、p型エピタキシャル層3内の所定領域に半導
体基板14と隔てて形成されたn+ ソース領域5(第1
導電型の半導体領域)と、n+ ソース領域5とp型エピ
タキシャル層3を貫通し半導体基板14に達するトレン
チ6と、トレンチ6の内面に形成されたゲート熱酸化膜
7(ゲート絶縁膜)と、トレンチ6内におけるゲート熱
酸化膜7の内側に形成されたゲート電極層8と、p型エ
ピタキシャル層3およびn+ ソース領域5表面に形成さ
れたソース電極層10と、半導体基板14の裏面側に形
成されたドレイン電極層11とを備えるトレンチゲート
型パワーMOSFETにおいて、トレンチ6の側面に形
成されるチャネルのキャリア移動方向を、4H炭化珪素
の<0001>軸方向とした(半導体基板14とp型エ
ピタキシャル層3とが接する面に垂直な方向を4H炭化
珪素の<0001>軸方向とした)。即ち、トレンチ6
の側面に形成されるチャネルの電子移動方向を、表1に
おいて4H炭化珪素の結晶構造での三次元直交座標の各
軸方向における電子有効質量のうち2番目に小さな軸方
向とした。よって、電流がトレンチ側面のチャネル部を
通じて縦方向に流れるが、チャネルの電子移動方向が、
炭化珪素の結晶構造での三次元直交座標の各軸方向にお
ける電子有効質量のうち2番目に小さい軸方向としてい
るので、電子移動方向において電子有効質量が小さく電
子移動度が大きいため、オン抵抗の低い特性が得られ
る。 (第2実施例)次に、第2実施例を第1実施例との相違
点を中心に説明する。
【0030】本実施例では、図1におけるn+ 型単結晶
SiC基板1とn型エピタキシャル層2およびp型エピ
タキシャル層3は、2H炭化珪素で、かつ、表面の面方
位が(0001)カーボン面を用いている。
【0031】よって、n+ 型単結晶SiC基板1とn型
エピタキシャル層2とが接する面に垂直な方向が2H炭
化珪素の<0001>軸方向となっている。その結果、
トレンチ6の側面に形成されるチャネルの電子移動方向
が、表1において、2H炭化珪素の結晶構造での三次元
直交座標の各軸方向における電子有効質量のうち最も小
さい軸方向となっている。
【0032】このように本実施例では、トレンチ6の側
面に形成されるチャネルのキャリア移動方向を、2H炭
化珪素の結晶構造での三次元直交座標の各軸方向におけ
る電子有効質量のうち最も小さい軸方向とした。その結
果、電流が流れる方向において電子有効質量が小さく、
電子移動度が大きいため、オン抵抗の低い特性が得られ
る。
【0033】尚、この発明は上記各実施例に限定される
ものではなく、上記各実施例では半導体基板として表面
の面方位が(0001)カーボン面を用いたが、表面の
面方位が(0001)シリコン面でもよい。さらに、上
記各実施例ではnチャネルMOSFETに具体化した
が、導電型のnとpを入れ換えたpチャネルMOSFE
Tとし、正孔をキャリアとして使用する場合に適用して
もよい。
【0034】又、トレンチ6の側面に形成されるチャネ
ルのキャリア移動方向と、炭化珪素の結晶構造での三次
元直交座標の各軸方向におけるキャリア有効質量のうち
最も小さい、あるいは2番目に小さな軸方向とは、完全
に一致させる必要はなく数度(7〜8度)ズレていても
よい。つまり、トレンチ6の側面6aが、炭化珪素の結
晶構造での三次元直交座標の各軸方向におけるキャリア
有効質量のうち最も小さい、あるいは2番目に小さな軸
方向に対し数度(7〜8度)ズレていてもよい。
【0035】尚、上記各実施例では、溝として基板表面
に垂直な側面をもつトレンチの場合について示したが、
これに限られるものではなく、エッチング条件やエッチ
ング方法(例えば、ケミカルエッチング法やLOCOS
酸化法等)を変更して、溝側面が垂直でない傾斜した側
面をもつ溝に適用してもよい。
【0036】
【発明の効果】以上詳述したように、請求項1,2,
3,4に記載の発明によれば、オン抵抗を低くできる優
れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例の半導体装置の断面図である。
【図2】実施例の半導体装置の製造工程を説明するため
の断面図である。
【図3】実施例の半導体装置の製造工程を説明するため
の断面図である。
【図4】実施例の半導体装置の製造工程を説明するため
の断面図である。
【図5】実施例の半導体装置の製造工程を説明するため
の断面図である。
【図6】実施例の半導体装置の製造工程を説明するため
の断面図である。
【図7】実施例の半導体装置の作用を説明するための断
面図である。
【図8】SiCでの基本単位格子を説明するための説明
図である。
【図9】従来の半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
1…n+ 型単結晶SiC基板、2…n型エピタキシャル
層、3…p型エピタキシャル層、5…n+ ソース領域、
6…トレンチ、7…ゲート熱酸化膜、8…ゲート電極
層、10…ソース電極層、11…ドレイン電極層、14
…半導体基板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 戸倉 規仁 愛知県刈谷市昭和町1丁目1番地 日本電 装 株式会社内 (72)発明者 加納 浩之 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 夫馬 弘雄 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 林 秀光 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 三輪 和利 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1株式会社豊田中央研究所内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1導電型の低抵抗層と当該低抵抗層上
    にエピタキシャル成長にて形成された第1導電型の高抵
    抗層の二層にて構成された炭化珪素よりなる半導体基板
    と、 前記半導体基板の表面上にエピタキシャル成長にて形成
    された炭化珪素よりなる第2導電型の半導体層と、 前記半導体層内の所定領域に前記半導体基板と隔てて形
    成された第1導電型の半導体領域と、 前記半導体領域と半導体層を貫通し前記半導体基板に達
    する溝と、 前記溝の内面に形成されたゲート絶縁膜と、 前記溝内における前記ゲート絶縁膜の内側に形成された
    ゲート電極層と、 前記半導体層表面および半導体領域表面に形成されたソ
    ース電極層と、 前記半導体基板の裏面側に形成されたドレイン電極層と
    を備える半導体装置において、 前記溝の側面に形成されるチャネルのキャリア移動方向
    を、炭化珪素の結晶構造での三次元直交座標の各軸方向
    におけるキャリア有効質量のうち最も小さい、あるいは
    2番目に小さい軸方向とほぼ一致させたことを特徴とす
    る半導体装置。
  2. 【請求項2】 前記炭化珪素を六方晶系炭化珪素とした
    ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 【請求項3】 前記溝の側面に形成されるチャネルのキ
    ャリア移動方向を、4H炭化珪素の<0001>軸方向
    とほぼ一致させたことを特徴とする請求項1に記載の半
    導体装置。
  4. 【請求項4】 前記溝の側面に形成されるチャネルのキ
    ャリア移動方向を、2H炭化珪素の<0001>軸方向
    とほぼ一致させたことを特徴とする請求項1に記載の半
    導体装置。
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