JPH10308511A - Silicon carbide semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、炭化珪素半導体装
置に関し、炭化珪素半導体装置として、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等として用いることができるものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a silicon carbide semiconductor device, which can be used as a silicon carbide semiconductor device, for example, as an insulated gate field effect transistor, especially a vertical MOSFET for high power.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来、炭化珪素半導体装置として、低オ
ン抵抗、高耐圧に優れた溝ゲート型パワーMOSFET
が提案されている(特開平7−326755号公報、あ
るいは特開平8−70124号公報)。この溝ゲート型
パワーMOSFETは、図17に示すように、n+ 型の
単結晶炭化珪素(SiC)半導体基板1とn- 型エピタ
キシャル層2とp型エピタキシャル層3により六方晶系
の単結晶炭化珪素よりなる半導体基板4が構成されてお
り、その上面(主表面)を略(0001−)カーボン面
としている。2. Description of the Related Art Conventionally, a trench gate type power MOSFET excellent in low on-resistance and high withstand voltage has been used as a silicon carbide semiconductor device.
(JP-A-7-326755 or JP-A-8-70124) has been proposed. As shown in FIG. 17, the trench gate type power MOSFET has a hexagonal single crystal carbonized structure formed by an n + -type single crystal silicon carbide (SiC) semiconductor substrate 1, an n − -type epitaxial layer 2 and a p-type epitaxial layer 3. A semiconductor substrate 4 made of silicon is formed, and its upper surface (main surface) is substantially a (0001-) carbon surface.
【0003】p型エピタキシャル層3の表層部の所定領
域には、n+ 型ソース領域5が形成されており、n+ 型
ソース領域5の所定位置には溝(トレンチ)7が形成さ
れている。この溝7は、n+ 型ソース領域5とp型エピ
タキシャル層3を貫通して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の表面に垂直な側面7a
およびp型エピタキシャル層3の表面に平行な底面7b
を有する。[0003] A predetermined area of the surface layer of the p-type epitaxial layer 3
In the area, n+Type source region 5 is formed, and n+Type
A trench (trench) 7 is formed at a predetermined position in the source region 5.
Have been. This groove 7 has n+Source region 5 and p-type epi
N penetrating through the axial layer 3 -Type epitaxial layer 2
And a side surface 7a perpendicular to the surface of the p-type epitaxial layer 3.
And bottom surface 7b parallel to the surface of p-type epitaxial layer 3
Having.
【0004】溝7の内部には、ゲート絶縁膜(ゲート酸
化膜)9が形成され、このゲート酸化膜9内にはゲート
電極層10が充填されている。ゲート電極層10上に
は、層間絶縁膜11が配置されている。さらに、層間絶
縁膜11上を含めたn+ 型ソース領域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12が
形成され、このソース電極層12はn+ 型ソース領域5
とp型エピタキシャル層3に共に接している。また、n
+ 型炭化珪素半導体基板1の表面(半導体基板4の裏
面)には、ドレイン電極層13が形成されている。[0004] A gate insulating film (gate oxide film) 9 is formed inside the trench 7, and the gate oxide film 9 is filled with a gate electrode layer 10. On the gate electrode layer 10, an interlayer insulating film 11 is arranged. Further, the surface of n + type source region 5 including on interlayer insulating film 11 and p +
On the surface of the type epitaxial layer 3, are formed a source electrode layer 12, the source electrode layer 12 is n + -type source region 5
And the p-type epitaxial layer 3. Also, n
On the surface of + type silicon carbide semiconductor substrate 1 (the back surface of semiconductor substrate 4), drain electrode layer 13 is formed.
【0005】なお、ゲート電極層10に正電圧を印加す
ることで、溝7の側面7aでのp型エピタキシャル層3
の表面がチャネルとなって、ソース電極層12とドレイ
ン電極層13の間に電流が流れる。By applying a positive voltage to the gate electrode layer 10, the p-type epitaxial layer 3
The surface of the substrate serves as a channel, and a current flows between the source electrode layer 12 and the drain electrode layer 13.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】上述した溝ゲート型パ
ワーMOSFETにおけるソース・ドレイン間耐圧は、
p型エピタキシャル層3とn- 型エピタキシャル層2の
pn接合のアバランシェブレークダウンの起きる条件
と、p型エピタキシャル層3が全域空乏化してパンチス
ルーが生じる条件で決定される。パンチスルーでは、p
型エピタキシャル層の膜厚のばらつきにより耐圧が変化
し、所定の耐圧を得ることが難しいため、アバランシェ
ブレークダウンを起こさせることが必要である。パンチ
スルーを防止し、かつアバランシェブレークダウンを起
こさせるためには、p型エピタキシャル層3の不純物濃
度を十分高くし、n+ 型ソース領域5とn- 型エピタキ
シャル層2に挟まれた領域の厚さaを十分厚くする必要
がある。The breakdown voltage between the source and the drain in the above-mentioned trench gate type power MOSFET is as follows.
It is determined by the conditions under which avalanche breakdown occurs at the pn junction of the p-type epitaxial layer 3 and the n − -type epitaxial layer 2 and the conditions under which the entire region of the p-type epitaxial layer 3 is depleted to cause punch-through. In punch through, p
Since the breakdown voltage changes due to the variation in the thickness of the epitaxial layer, and it is difficult to obtain a predetermined breakdown voltage, it is necessary to cause avalanche breakdown. In order to prevent punch-through and cause avalanche breakdown, the impurity concentration of the p-type epitaxial layer 3 is made sufficiently high, and the thickness of the region between the n + -type source region 5 and the n -- type epitaxial layer 2 is increased. It is necessary to make the thickness a sufficiently large.
【0007】しかしながら、p型エピタキシャル層3の
不純物濃度を高くすると、ゲート閾値電圧が高くなり、
また不純物散乱の増大によりチャネル移動度が低下し、
オン抵抗が大きくなる。また、厚さaを大きくすると、
チャネル長が長くなり、オン抵抗が大きくなるという課
題がある。そこで、本出願人は、図18に示すように、
溝7の側面7aにおいて、n+ 型ソース領域5、p型エ
ピタキシャル層3、およびn- 型エピタキシャル層2の
表面に、n型の炭化珪素の薄膜半導体層8をエピタキシ
ャル成長法により形成した半導体装置を提案した(特願
平7−229487号)。However, when the impurity concentration of the p-type epitaxial layer 3 is increased, the gate threshold voltage increases,
In addition, channel mobility decreases due to an increase in impurity scattering,
ON resistance increases. When the thickness a is increased,
There is a problem that the channel length is increased and the on-resistance is increased. Therefore, the present applicant, as shown in FIG.
A semiconductor device in which an n-type silicon carbide thin film semiconductor layer 8 is formed by epitaxial growth on the surfaces of n + -type source region 5, p-type epitaxial layer 3 and n − -type epitaxial layer 2 on side surface 7 a of trench 7. It was proposed (Japanese Patent Application No. Hei 7-229487).
【0008】この図18に示す半導体装置においては、
n型薄膜半導体層8をチャネル形成領域とし、ゲート電
極層10に電圧を印加してゲート酸化膜9に電界を加え
ることにより、n型薄膜半導体層8に蓄積型チャネルを
誘起させて、ソース電極層12とドレイン電極層13の
間に電流を流すようにしている。このように、MOSF
ETの動作モードを、チャネル形成層の導電型を反転さ
せることなくチャネルを誘起する蓄積モードとすること
で、導電型を反転させチャネルを誘起する反転モードの
MOSFETに比べ、低いゲート電圧でMOSFETを
動作させることができる。In the semiconductor device shown in FIG.
The n-type thin film semiconductor layer 8 is used as a channel forming region, and a voltage is applied to the gate electrode layer 10 to apply an electric field to the gate oxide film 9 to induce a storage channel in the n-type thin film semiconductor layer 8 so that the source electrode is formed. A current is caused to flow between the layer 12 and the drain electrode layer 13. Thus, MOSF
By setting the operation mode of the ET to the accumulation mode in which the channel is induced without inverting the conductivity type of the channel formation layer, the MOSFET can be operated at a lower gate voltage than the inversion mode MOSFET in which the conductivity type is inverted and the channel is induced. Can work.
【0009】また、p型エピタキシャル層3の不純物濃
度とチャネルが形成されるn型薄膜半導体層8の不純物
濃度を独立に制御することができるため、p型エピタキ
シャル層3の不純物濃度を高くし、n+ 型ソース領域5
とn- 型エピタキシャル層2に挟まれた厚さaを小さく
することにより、チャネル長を短くすることができ、高
耐圧で、かつオン抵抗を低くすることができる。Further, since the impurity concentration of the p-type epitaxial layer 3 and the impurity concentration of the n-type thin film semiconductor layer 8 in which the channel is formed can be controlled independently, the impurity concentration of the p-type epitaxial layer 3 can be increased. n + type source region 5
And the thickness a sandwiched between the n − -type epitaxial layers 2 can be reduced, so that the channel length can be shortened, the breakdown voltage can be increased, and the on-resistance can be reduced.
【0010】また、チャネルが形成されるn型薄膜半導
体層8の不純物濃度を低くすることにより、ゲート閾値
電圧を低くしたりキャリアが流れるときの不純物散乱の
影響を小さくすることができるため、チャネル移動度を
大きくすることができ、さらにオン抵抗を小さくし電力
損失を小さくすることができる。従って、図18に示す
溝ゲート型パワーMOSFETによれば、高耐圧、低電
力損失で、ゲート閾値電圧が低い炭化珪素半導体装置を
得ることができる。Further, by lowering the impurity concentration of the n-type thin-film semiconductor layer 8 in which the channel is formed, the gate threshold voltage can be lowered and the influence of impurity scattering when carriers flow can be reduced. The mobility can be increased, the ON resistance can be reduced, and the power loss can be reduced. Therefore, according to the trench gate type power MOSFET shown in FIG. 18, a silicon carbide semiconductor device having a high withstand voltage, a low power loss, and a low gate threshold voltage can be obtained.
【0011】しかしながら、先に提案した図18に示す
溝ゲート型パワーMOSFETにおいては、n型薄膜半
導体層8の構造パラメータである膜厚、不純物濃度と、
ゲート電極12の構成材料の導電型との関係については
検討されておらず、それらの関係によっては、所望のソ
ース・ドレイン間耐圧が得られない可能性がある。そこ
で、本発明は、溝側面に炭化珪素薄膜を形成した場合に
おいて、所望の高耐圧が得られるようにすることを目的
とする。However, in the trench gate type power MOSFET shown in FIG. 18 proposed earlier, the film thickness and the impurity concentration which are the structural parameters of the n-type thin film semiconductor layer 8 are as follows.
The relationship between the constituent materials of the gate electrode 12 and the conductivity type has not been studied, and a desired source-drain breakdown voltage may not be obtained depending on the relationship. Therefore, an object of the present invention is to provide a desired high withstand voltage when a silicon carbide thin film is formed on the side surface of a groove.
【0012】[0012]
【課題を解決するための手段】n型薄膜半導体層8の耐
圧は、p型エピタキシャル層3とn型薄膜半導体層8の
pn接合の静電ポテンシャル差により生じる空乏層の拡
がりと、ゲート電極層10の構成材料とSiCの仕事関
数差により生じる空乏層の拡がりの両方を利用して制御
することができる。すなわち、それらの空乏層の拡がり
により、n型薄膜半導体層8の全域を空乏化し、ソース
・ドレイン間のn型薄膜半導体層8に電位障壁を形成
し、n型薄膜半導体層8に耐圧を持たせる。The breakdown voltage of the n-type thin film semiconductor layer 8 depends on the expansion of the depletion layer caused by the electrostatic potential difference of the pn junction between the p-type epitaxial layer 3 and the n-type thin film semiconductor layer 8 and the gate electrode layer. The control can be performed by using both the expansion of the depletion layer caused by the work function difference between the constituent material of No. 10 and SiC. That is, due to the expansion of the depletion layers, the entire area of the n-type thin film semiconductor layer 8 is depleted, a potential barrier is formed in the n-type thin film semiconductor layer 8 between the source and the drain, and the n-type thin film semiconductor layer 8 has a withstand voltage. Let
【0013】このソース・ドレイン間の薄膜部の電位障
壁の大きさは、原理的にn型薄膜半導体層8の膜厚、不
純物濃度、耐圧、ゲート電極層10の構成材料の導電型
によって変動する。従って、耐圧変動を抑制するために
は、p型エピタキシャル層3とn- 型エピタキシャル層
2で決まる耐圧より高めにn型薄膜半導体層8の耐圧を
設定する必要がある。The magnitude of the potential barrier of the thin film portion between the source and the drain fluctuates in principle depending on the thickness of the n-type thin film semiconductor layer 8, the impurity concentration, the breakdown voltage, and the conductivity type of the constituent material of the gate electrode layer 10. . Therefore, it is necessary to set the withstand voltage of the n-type thin-film semiconductor layer 8 higher than the withstand voltage determined by the p-type epitaxial layer 3 and the n − -type epitaxial layer 2 in order to suppress the withstand voltage fluctuation.
【0014】そこで、その条件を見い出すため、図19
に示すシュミレーションモデルを設定し、デバイスシュ
ミュレータとしてMEDICI(TMA社製)を用いて
計算を行った。このシュミレーションモデルにおいて
は、ゲート酸化膜9の溝の側面の膜厚を60nmとし、
p型エピタキシャル層3の不純物濃度、接合深さ、およ
びn- 型エピタキシャル層2の不純物濃度、接合深さ
を、p型エピタキシャル層3とn-型エピタキシャル層
2により構成されるボディダイオードの耐圧が1000
Vになるように設定した。また、SiCの誘電率を1
0.0、電子親和力を4.3eV、バンドギャップを
2.9Vとし、ドレイン電流を5×10-10 A、温度T
を623Kとした。In order to find the condition, FIG.
Was set, and the calculation was performed using MEDICI (manufactured by TMA) as a device simulator. In this simulation model, the thickness of the side surface of the groove of the gate oxide film 9 is set to 60 nm,
The impurity concentration of the p-type epitaxial layer 3, the junction depth and impurity concentration of n - -type epitaxial layer 2, the junction depth, p-type epitaxial layer 3 and the n - breakdown voltage of the formed body diode by -type epitaxial layer 2 is 1000
V was set. Further, the dielectric constant of SiC is set to 1
0.0, electron affinity 4.3 eV, band gap 2.9 V, drain current 5 × 10 −10 A, temperature T
Was set to 623K.
【0015】図20、図21に不純物濃度をパラメータ
としてn型薄膜半導体層8の膜厚を変化させた場合の耐
圧の計算結果を示す。図20は、ゲート電極層10にp
型のポリシリコンを用いた場合、図21は、ゲート電極
層10にn型のポリシリコンを用いた場合を示してお
り、図中の○、△、□は不純物濃度を示している。n型
薄膜半導体層8の膜厚変化に対して耐圧が一定となる部
分は、前述のボディダイオードの耐圧が1000Vに固
定されている場合である。また、n型薄膜半導体層8の
膜厚増加とともに耐圧が急激に減少する部分において
は、n型薄膜半導体層8のパンチスルーにより耐圧が決
定されている。なお、耐圧が1000Vに固定されてい
る部分は、n型薄膜半導体層8がパンチスルーを起こす
よりも先に、n- 型エピタキシャル層2とp型エピタキ
シャル層3との間のpn接合がアバランシェブレークダ
ウンするようになっている。FIGS. 20 and 21 show calculation results of the breakdown voltage when the thickness of the n-type thin film semiconductor layer 8 is changed using the impurity concentration as a parameter. FIG. 20 shows that p
FIG. 21 shows a case in which n-type polysilicon is used for the gate electrode layer 10 in the case where the polysilicon is used, and 図, Δ, and □ in the figure show impurity concentrations. The portion where the breakdown voltage is constant with respect to the change in the film thickness of the n-type thin film semiconductor layer 8 is the case where the breakdown voltage of the body diode is fixed at 1000V. In a portion where the breakdown voltage sharply decreases as the thickness of the n-type thin film semiconductor layer 8 increases, the breakdown voltage is determined by punch-through of the n-type thin film semiconductor layer 8. In the portion where the breakdown voltage is fixed to 1000 V, the pn junction between the n − -type epitaxial layer 2 and the p-type epitaxial layer 3 is avalanche-break before the n-type thin film semiconductor layer 8 causes punch-through. It is supposed to go down.
【0016】ゲート電極層10にp型のポリシリコンを
用いた場合には、図20から、n型薄膜半導体層8の膜
厚X(μm)と不純物濃度N(cm-3)と耐圧Y(V)
は、Y=−10000{(X−0.8)+0.3(lo
gN−15)}の関係を満たすところで、耐圧が急激に
減少し始める。また、ゲート電極層10にn型のポリシ
リコンを用いた場合には、図21から、n型薄膜半導体
層8の膜厚X(μm)と不純物濃度N(cm-3)と耐圧
Y(V)は、Y=−10000{(X−0.6)+0.
3(logN−15)}の関係を満たすところで、耐圧
が急激に減少し始める。When p-type polysilicon is used for the gate electrode layer 10, as shown in FIG. 20, the film thickness X (μm), the impurity concentration N (cm −3 ), and the withstand voltage Y ( V)
Is Y = -10000 {(X-0.8) +0.3 (lo
gN-15) When the relationship of} is satisfied, the withstand voltage starts to rapidly decrease. When n-type polysilicon is used for the gate electrode layer 10, the film thickness X (μm), the impurity concentration N (cm −3 ), and the withstand voltage Y (V−V) of the n-type thin film semiconductor layer 8 are shown in FIG. ) Is Y = -10000 {(X-0.6) +0.
When the relationship of 3 (logN-15)} is satisfied, the withstand voltage starts to rapidly decrease.
【0017】従って、上記した関係を基に、n型薄膜半
導体層8の膜厚と不純物濃度を設定すれば、目的とする
耐圧を得ることができる。本発明は上記検討を基になさ
れたもので、請求項1に記載の発明においては、逆バイ
アス電圧印加時に、第2の半導体層がパンチスルーを起
こすよりも先に、高抵抗半導体層と第1の半導体層との
間のpn接合がアバランシェブレークダウンするように
したことを特徴としている。このような関係にすること
により、目的とする高耐圧を得ることができる。Therefore, by setting the film thickness and the impurity concentration of the n-type thin film semiconductor layer 8 based on the above relationship, a desired breakdown voltage can be obtained. The present invention has been made based on the above study. In the invention according to claim 1, when the reverse bias voltage is applied, the second semiconductor layer and the high-resistance semiconductor layer are preceded by punch-through. The semiconductor device is characterized in that an avalanche breakdown occurs at a pn junction with one semiconductor layer. With such a relationship, a desired high withstand voltage can be obtained.
【0018】請求項2に記載の発明においては、ゲート
電極層を第2導電型として、第2の半導体層の膜厚X
(μm)と不純物濃度N(cm-3)が、耐圧Y(V)に
対し、Y<−10000{(X−0.8)+0.3(l
ogN−15)}の関係を満たすように設定されている
ことを特徴としている。また、請求項3に記載の発明に
おいては、ゲート電極層を第1導電型として、第2の半
導体層の膜厚X(μm)と不純物濃度N(cm-3)が、
耐圧Y(V)に対し、Y<−10000{(X−0.
6)+0.3(logN−15)}の関係を満たすよう
に設定されていることを特徴としている。このような関
係を満たすように、第2の半導体層の膜厚、不純物濃度
N(cm-3)を設定することにより、目的とする高耐圧
を得ることができる。According to the second aspect of the present invention, the gate electrode layer is of the second conductivity type and the thickness X of the second semiconductor layer is
(Μm) and impurity concentration N (cm −3 ), Y <−10000 {(X−0.8) +0.3 (l)
ogN-15)}. According to the third aspect of the present invention, when the gate electrode layer is of the first conductivity type, the thickness X (μm) and the impurity concentration N (cm −3 ) of the second semiconductor layer are:
With respect to the withstand voltage Y (V), Y <-10000 ° (X-0.
6) +0.3 (logN-15)}. By setting the thickness of the second semiconductor layer and the impurity concentration N (cm −3 ) so as to satisfy such a relationship, a target high withstand voltage can be obtained.
【0019】[0019]
【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施形態
について説明する。図1に、本実施形態におけるnチャ
ネルタイプの溝ゲート型パワーMOSFET(縦型パワ
ーMOSFET)を示す。低抵抗半導体層としてのn+
型炭化珪素半導体基板1は、六方晶炭化珪素が用いられ
ている。このn+ 型炭化珪素半導体基板1上に、高抵抗
半導体層としてのn- 型炭化珪素半導体層(n- 型エピ
タキシャル層)2と第1の半導体層としてのp型炭化珪
素半導体層(p型エピタキシャル層)3が順次積層され
ている。このように、n+ 型炭化珪素半導体基板1とn
- 型エピタキシャル層2とp型エピタキシャル層3とか
ら単結晶炭化珪素よりなる半導体基板4が構成されてお
り、その上面を略(0001−)カーボン面としてい
る。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of the present invention. FIG. 1 shows an n-channel type trench gate type power MOSFET (vertical power MOSFET) according to the present embodiment. N + as a low resistance semiconductor layer
Type silicon carbide semiconductor substrate 1 uses hexagonal silicon carbide. On this n + -type silicon carbide semiconductor substrate 1, an n − -type silicon carbide semiconductor layer (n − -type epitaxial layer) 2 as a high resistance semiconductor layer and a p-type silicon carbide semiconductor layer (p-type) as a first semiconductor layer Epitaxial layers) 3 are sequentially stacked. Thus, n + type silicon carbide semiconductor substrate 1 and n +
A semiconductor substrate 4 made of single-crystal silicon carbide is constituted by the-type epitaxial layer 2 and the p-type epitaxial layer 3, and the upper surface thereof is substantially a (0001-) carbon surface.
【0020】p型エピタキシャル層3内の表層部におけ
る所定領域には、半導体領域としてのn+ 型ソース領域
5が形成されている。さらに、p型エピタキシャル層3
内の表層部におけるn+ 型ソース領域5の外周側の所定
領域には、低抵抗p型炭化珪素領域6が形成されてい
る。また、n+ 型ソース領域5の所定領域に溝7が形成
され、この溝7は、n+ 型ソース領域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に達して
いる。溝7は半導体基板4の表面に垂直な側面7aおよ
び半導体基板4の表面に平行な底面7bを有する。An n + -type source region 5 as a semiconductor region is formed in a predetermined region in the surface portion of the p-type epitaxial layer 3. Further, the p-type epitaxial layer 3
A low-resistance p-type silicon carbide region 6 is formed in a predetermined region on the outer peripheral side of n + -type source region 5 in the inner surface layer portion. Further, a groove 7 is formed in a predetermined region of the n + type source region 5, and the groove 7 penetrates the n + type source region 5 and the p type epitaxial layer 3 and reaches the n − type epitaxial layer 2. The groove 7 has a side surface 7 a perpendicular to the surface of the semiconductor substrate 4 and a bottom surface 7 b parallel to the surface of the semiconductor substrate 4.
【0021】また、溝7の側面7aは略[11−00]
方向に延設されている。この場合、[11−00]方向
は、<11−00>、<101−0>、<011−0
>、<1−100>、<101−0>、<0110−>
の6つの方向を総称したものであり、溝7の側面7a
は、略[11−00]方向に対して平行である複数の面
から構成される。The side surface 7a of the groove 7 is substantially [11-00].
It extends in the direction. In this case, the [11-00] direction is <11-00>, <101-0>, <011-0>
>, <1-100>, <101-0>, <0110->
Are collectively referred to as the six directions.
Is composed of a plurality of surfaces that are substantially parallel to the [11-00] direction.
【0022】また、溝7の側面7aの平面形状は、各内
角が略等しい六角形となっている。つまり、図2の半導
体基板4の平面図に示すように、六角形の6つの辺S
1、S2、S3、S4、S5、S6において、辺S1と
S2となす角度(内角)、辺S2とS3となす角度(内
角)、辺S3とS4となす角度(内角)、辺S4とS5
となす角度(内角)、辺S5とS6となす角度(内
角)、辺S6とS1となす角度(内角)は略120゜と
なっている。The planar shape of the side surface 7a of the groove 7 is a hexagon whose interior angles are substantially equal. That is, as shown in the plan view of the semiconductor substrate 4 in FIG.
1, S2, S3, S4, S5, and S6, the angle between the sides S1 and S2 (inner angle), the angle between the sides S2 and S3 (inner angle), the angle between the sides S3 and S4 (inner angle), and the sides S4 and S5
(Inner angle), an angle (inner angle) between sides S5 and S6, and an angle (inner angle) between sides S6 and S1 are approximately 120 °.
【0023】図1の溝7の側面7aにおけるn+ 型ソー
ス領域5とp型エピタキシャル層3とn- 型エピタキシ
ャル層2の表面には、n型の炭化珪素の薄膜半導体層
(第2の半導体層)8が延設されている。n型薄膜半導
体層8は、厚さがおよそ1000〜5000Å程度の薄
膜よりなり、n型薄膜半導体層8の結晶型は、p型エピ
タキシャル層3の結晶型と同じであり、例えば、6H−
SiCとなっている。この他にも4H−SiCであった
り、3C−SiCであってもよい。また、n型薄膜半導
体層8の不純物濃度は、n+ 型炭化珪素半導体基板1お
よびn+ 型ソース領域5の不純物濃度より低くなってい
る。On the surface of n + type source region 5, p type epitaxial layer 3 and n − type epitaxial layer 2 on side surface 7 a of trench 7 in FIG. 1, a thin film semiconductor layer of n type silicon carbide (second semiconductor) Layer 8 is extended. The n-type thin film semiconductor layer 8 is formed of a thin film having a thickness of about 1000 to 5000 °, and the crystal type of the n-type thin film semiconductor layer 8 is the same as the crystal type of the p-type epitaxial layer 3, for example, 6H−
It is SiC. In addition, 4H-SiC or 3C-SiC may be used. Further, the impurity concentration of n-type thin film semiconductor layer 8 is lower than that of n + -type silicon carbide semiconductor substrate 1 and n + -type source region 5.
【0024】さらに、溝7内でのn型薄膜半導体層8の
表面と溝7の底面7bにはゲート酸化膜9が形成されて
いる。溝7内におけるゲート酸化膜9の内側には、ゲー
ト電極層10が充填されている。ゲート電極層10は層
間絶縁膜11にて覆われている。n+ 型ソース領域5の
表面および低抵抗p型炭化珪素領域6の表面には第1の
電極層としてのソース電極層12が形成されている。n
+ 型炭化珪素半導体基板1の表面(半導体基板4の裏
面)には、第2の電極層としてのドレイン電極層13が
形成されている。Further, a gate oxide film 9 is formed on the surface of the n-type thin film semiconductor layer 8 in the groove 7 and on the bottom surface 7b of the groove 7. The inside of the gate oxide film 9 in the trench 7 is filled with a gate electrode layer 10. Gate electrode layer 10 is covered with interlayer insulating film 11. A source electrode layer 12 as a first electrode layer is formed on the surface of n + type source region 5 and the surface of low-resistance p-type silicon carbide region 6. n
On the surface of + type silicon carbide semiconductor substrate 1 (the back surface of semiconductor substrate 4), a drain electrode layer 13 as a second electrode layer is formed.
【0025】この溝ゲート型パワーMOSFETの動作
としては、ゲート電極10に正の電極を印加することに
より、薄膜半導体層8に蓄積型チャネルを誘起させ、ソ
ース電極層12とドレイン電極層13との間にキャリア
が流れる。つまり、薄膜半導体層8がチャネル形成領域
となる。このように、MOSFET動作モードとしてチ
ャネルを誘起させる蓄積モードとすることで、導電型を
反転させてチャネルを誘起する反転モードのMOSFE
Tに比べ、低いゲート電圧でMOSFETを動作させる
ことができるとともに、チャネル移動度を大きくするこ
とができ、低電力損失でゲート閾値電圧が低くなる。ま
た、ゲート電圧無印加時のソース・ドレイン電流制御
は、p型エピタキシャル層3(ボディー層)と薄膜半導
体層8(チャネル形成層)により形成されるpn接合の
空乏層の拡がりにより行う。ノーマリオフ特性は薄膜半
導体層8を完全に空乏化することで達成することができ
る。The operation of the trench gate type power MOSFET is as follows. By applying a positive electrode to the gate electrode 10, an accumulation channel is induced in the thin film semiconductor layer 8, and the source electrode layer 12 and the drain electrode layer 13 A carrier flows between them. That is, the thin film semiconductor layer 8 becomes a channel formation region. As described above, by setting the accumulation mode in which the channel is induced as the MOSFET operation mode, the MOSFE in the inversion mode in which the conductivity type is inverted to induce the channel.
As compared with T, the MOSFET can be operated with a lower gate voltage, the channel mobility can be increased, and the gate threshold voltage can be reduced with low power loss. The source / drain current control when no gate voltage is applied is performed by expanding a depletion layer of a pn junction formed by the p-type epitaxial layer 3 (body layer) and the thin film semiconductor layer 8 (channel formation layer). Normally-off characteristics can be achieved by completely depleting the thin film semiconductor layer 8.
【0026】さらに、p型エピタキシャル層3(ボディ
ー層)とn- 型エピタキシャル層2(ドリフト層)はp
n接合を形成するため、素子の耐圧はソース電極に固定
されたp型エピタキシャル層3とn- 型エピタキシャル
層2との間のpn接合のアバランシェブレークダウンで
決まるように設計できるため、破壊耐量を大きくでき
る。つまり、ソースに対しドレイン側に大きな正の電圧
(例えばノイズや誘導性負荷をスイッチングした際に生
じる逆起電圧)が印加された際、すなわちソース−ドレ
イン間におけるpn接合に逆バイアス電圧が印加された
際に、n- 型エピタキシャル層2とp型エピタキシャル
層3との間の薄膜半導体層8がドレイン側の高電圧によ
ってパンチスルーするより先に、n- 型エピタキシャル
層2とp型エピタキシャル層3との間のpn接合の方
が、上述したパンチスルーが生じる電圧より低い電圧に
てアバランシェブレークダウンを起こすようにすればよ
い。Further, the p-type epitaxial layer 3 (body layer) and the n − -type epitaxial layer 2 (drift layer)
Since an n-junction is formed, the breakdown voltage of the device can be designed so as to be determined by the avalanche breakdown of the pn junction between the p-type epitaxial layer 3 fixed to the source electrode and the n − -type epitaxial layer 2. Can be larger. That is, when a large positive voltage (for example, a counter electromotive voltage generated when switching noise or inductive load) is applied to the drain side with respect to the source, that is, a reverse bias voltage is applied to the pn junction between the source and the drain. When the thin-film semiconductor layer 8 between the n − -type epitaxial layer 2 and the p-type epitaxial layer 3 is punched through by the high voltage on the drain side, the n − -type epitaxial layer 2 and the p-type epitaxial layer 3 It is sufficient that the pn junction between the avalanche breakdown occurs at a voltage lower than the voltage at which the punch-through occurs.
【0027】図20、21に示すグラフにおいては耐圧
が急激に変化する領域が薄膜半導体層8のパンチスルー
によって決定される耐圧を示し、耐圧が1000Vにて
示される領域は薄膜半導体層8がパンチスルーを起こす
電圧よりも上述したアバランシェブレークダウンを起こ
す電圧の方が低いこと意味する。2つの図からn- 型エ
ピタキシャル層2とp型エピタキシャル層3との間のp
n接合のアバランシェブレークダウンにてSiCパワー
MOSFETの耐圧を決定するためには薄膜半導体層8
の不純物濃度が濃いほどその膜厚を薄くする必要があ
る。In the graphs shown in FIGS. 20 and 21, the region where the breakdown voltage changes abruptly indicates the breakdown voltage determined by punch-through of the thin-film semiconductor layer 8, and the region where the breakdown voltage is 1000 V indicates that the thin-film semiconductor layer 8 has the punch-through. This means that the voltage causing the avalanche breakdown is lower than the voltage causing the slew. From the two figures, p between the n − -type epitaxial layer 2 and the p-type epitaxial layer 3
In order to determine the withstand voltage of the SiC power MOSFET by n-junction avalanche breakdown, the thin film semiconductor layer 8
It is necessary to reduce the film thickness as the impurity concentration becomes higher.
【0028】なお、SiCパワーMOSFETの耐圧を
n- 型エピタキシャル層2とp型エピタキシャル層3と
の間のpn接合のアバランシェブレークダウンにて決定
するためには、図20、21に示されるように薄膜半導
体層8を設定する他に、例えばn- 型エピタキシャル層
2とp型エピタキシャル層3との不純物濃度を変えるこ
とで達成することが可能である。In order to determine the breakdown voltage of the SiC power MOSFET based on the avalanche breakdown of the pn junction between the n − -type epitaxial layer 2 and the p-type epitaxial layer 3, as shown in FIGS. In addition to setting the thin film semiconductor layer 8, it can be achieved by, for example, changing the impurity concentration of the n − -type epitaxial layer 2 and the p-type epitaxial layer 3.
【0029】また、p型エピタキシャル層3の不純物濃
度と薄膜半導体層8の不純物濃度とを独立に制御するこ
とで、高耐圧、低電力損失でゲート閾値電圧が低いMO
SFETとなる。特に、チャネルを形成する薄膜半導体
層8の不純物濃度を低くすることで、キャリアが流れる
時の不純物散乱の影響が小さくなり、チャネル移動度を
大きくすることができる。ソース・ドレイン間耐圧は、
n- 型エピタキシャル層2、p型エピタキシャル層3の
不純物濃度およびその膜厚で主に支配されるので、p型
エピタキシャル層3の不純物濃度を上げて、高抵抗半導
体層と半導体領域に挟まれた距離を短くすることがで
き、高耐圧性を維持しながら、チャネル長を短くするこ
とができる。そのため、チャネル抵抗を飛躍的に低減で
き、ソース・ドレイン間のオン抵抗を低減することがで
きる。In addition, by independently controlling the impurity concentration of the p-type epitaxial layer 3 and the impurity concentration of the thin film semiconductor layer 8, a high breakdown voltage, low power loss, and a low gate threshold voltage can be obtained.
It becomes an SFET. In particular, by lowering the impurity concentration of the thin film semiconductor layer 8 forming the channel, the influence of impurity scattering when carriers flow is reduced, and the channel mobility can be increased. The source-drain breakdown voltage is
Since it is mainly governed by the impurity concentration and the film thickness of the n − -type epitaxial layer 2 and the p-type epitaxial layer 3, the impurity concentration of the p-type epitaxial layer 3 is increased to sandwich the high-resistance semiconductor layer and the semiconductor region. The distance can be shortened, and the channel length can be shortened while maintaining high withstand voltage. Therefore, the channel resistance can be drastically reduced, and the on-resistance between the source and the drain can be reduced.
【0030】次に、溝ゲート型パワーMOSFETの製
造工程を、図3〜図14を用いて説明する。まず、図3
に示すように、主表面が(0001−)カーボン面であ
るn+ 型炭化珪素半導体基板1を用意し、その表面にn
- 型エピタキシャル層2をエピタキシャル成長させ、さ
らにn- 型エピタキシャル層2上にp型エピタキシャル
層3をエピタキシャル成長させる。このようにして、n
+ 型炭化珪素半導体基板1とn- 型エピタキシャル層2
とp型エピタキシャル層3とからなる半導体基板4が形
成される。なお、n+ 型炭化珪素半導体基板1の結晶軸
を約3.5°〜8°傾けてn- 型エピタキシャル層2、
p型エピタキシャル層3を形成しているため、半導体基
板4の主表面の面方位は、略(0001−)カーボン面
となる。Next, a manufacturing process of the trench gate type power MOSFET will be described with reference to FIGS. First, FIG.
As shown in FIG. 1, an n + -type silicon carbide semiconductor substrate 1 having a (0001-) carbon surface as a main surface is prepared, and n
The − type epitaxial layer 2 is epitaxially grown, and the p type epitaxial layer 3 is epitaxially grown on the n − type epitaxial layer 2. Thus, n
+ Type silicon carbide semiconductor substrate 1 and n − type epitaxial layer 2
And a p-type epitaxial layer 3 are formed. Incidentally, the crystal axis of the n + -type silicon carbide semiconductor substrate 1 to about 3.5 ° to 8 ° inclined n - -type epitaxial layer 2,
Since the p-type epitaxial layer 3 is formed, the plane orientation of the main surface of the semiconductor substrate 4 is substantially a (0001-) carbon plane.
【0031】次に、図4に示すように、p型エピタキシ
ャル層3の表層部の所定領域に、n + 型ソース領域5を
例えば窒素のイオン注入により形成する。さらに、p型
エピタキシャル層3の表層部の別の所定領域に低抵抗p
型炭化珪素領域6を例えばアルミニウムのイオン注入に
より形成する。そして、図5に示すように、ドライエッ
チング法としてRIE(Reactive Ion E
tching)法を用い、n+ 型ソース領域5及びp型
エピタキシャル層3をともに貫通してn- 型エピタキシ
ャル層2に達する溝7を形成する。この時、溝7の側面
7aが略[11−00]方向に平行となるように溝7を
形成する。それゆえ、図2に示すように、上面から見た
溝7の側面7aの平面形状は、各内角が略等しい六角形
となる。Next, as shown in FIG.
In a predetermined region of the surface layer portion of the +Mold source region 5
For example, it is formed by ion implantation of nitrogen. Furthermore, p-type
A low resistance p is applied to another predetermined region of the surface portion of the epitaxial layer 3.
Type silicon carbide region 6 for ion implantation of aluminum, for example.
Formed. Then, as shown in FIG.
RIE (Reactive Ion E)
tching) method and n+Type source region 5 and p-type
N through the epitaxial layer 3 together-Type epitaxy
A groove 7 reaching the signal layer 2 is formed. At this time, the side of the groove 7
Groove 7 so that 7a is substantially parallel to the [11-00] direction.
Form. Therefore, as shown in FIG.
The planar shape of the side surface 7a of the groove 7 is a hexagon whose inner angles are substantially equal.
Becomes
【0032】さらに、図6に示すように、エピタキシャ
ル成長法により溝7の内壁(側面7aおよび底面7b)
を含めた半導体基板4の上面にn型薄膜半導体層8を形
成する。具体的には、CVD法により、6H−SiCの
上に6H−SiCの薄膜層をホモエピタキシャル成長さ
せ、溝7の内壁におけるn+ 型ソース領域5、p型エピ
タキシャル層3およびn- 型エピタキシャル層2の表面
に延びるn型薄膜半導体層8を形成する。Further, as shown in FIG. 6, the inner wall (side surface 7a and bottom surface 7b) of the groove 7 is formed by an epitaxial growth method.
The n-type thin-film semiconductor layer 8 is formed on the upper surface of the semiconductor substrate 4 including. Specifically, a 6H-SiC thin film layer is homoepitaxially grown on 6H-SiC by CVD, and the n + -type source region 5, the p-type epitaxial layer 3, and the n -- type epitaxial layer 2 on the inner wall of the groove 7 are formed. An n-type thin-film semiconductor layer 8 extending to the surface of the substrate is formed.
【0033】このとき、エピ成長速度は(0001−)
カーボン面に比べて、それに垂直な方向では8〜10倍
以上であるので、n型薄膜半導体層8を溝側面7aで厚
く溝底面7bで薄く形成することができる。また、ここ
で、溝側面7aのn型薄膜半導体層8の膜厚X(μm)
と不純物濃度N(cm-3)は、ゲート電極層10がp型
ポリシリコンの場合には、目的とするソース・ドレイン
間耐圧Y(V)に対し、Y<−10000{(X−0.
8)+0.3(logN−15)}の関係を満たすよう
に設定され、ゲート電極層10がn型ポリシリコンの場
合には、Y<−10000{(X−0.6)+0.3
(logN−15)}の関係を満たすように設定され
る。At this time, the epi growth rate is (0001-)
Since it is 8 to 10 times or more in the direction perpendicular to the carbon surface, the n-type thin film semiconductor layer 8 can be formed thick on the groove side surface 7a and thin on the groove bottom surface 7b. Here, the film thickness X (μm) of the n-type thin film semiconductor layer 8 on the groove side surface 7a
And the impurity concentration N (cm −3 ), when the gate electrode layer 10 is p-type polysilicon, the target source-drain withstand voltage Y (V) is Y <−10000 ° (X−0.
8) +0.3 (logN-15)}, and when the gate electrode layer 10 is n-type polysilicon, Y <-10000 {(X-0.6) +0.3
(Log N−15)}.
【0034】このn型薄膜半導体層8の形成工程におい
て、溝形成工程によって生じた表面凹凸を低減しながら
成長する。よって、チャネル形成面は平坦な面となり、
チャネル移動度が向上する。また、n型薄膜半導体層8
にはRIE法によるイオン衝撃で生じる結晶欠陥は存在
しないので、移動度の低下を防止することができ、ソー
ス・ドレイン間のオン抵抗を低減することができる。In the step of forming the n-type thin film semiconductor layer 8, the n-type thin film semiconductor layer 8 is grown while reducing surface irregularities caused by the groove forming step. Therefore, the channel forming surface becomes a flat surface,
Channel mobility is improved. Further, the n-type thin film semiconductor layer 8
Since there is no crystal defect caused by ion bombardment by the RIE method, a decrease in mobility can be prevented, and the on-resistance between the source and the drain can be reduced.
【0035】引き続き、図7に示すように、熱酸化によ
り半導体基板4およびn型薄膜半導体層8の表面と溝7
の底面7bに、ゲート酸化膜(熱酸化膜)9を形成す
る。このとき、熱酸化膜は側面7aで薄く基板表面およ
び溝底面7bで厚くなり、半導体基板4表面上および溝
底面7b上にエピ成長で形成された薄膜半導体層8が酸
化膜になる。これは、六方晶炭化珪素の酸化速度が(0
001−)カーボン面で最も速く(0001−)カーボ
ン面に垂直な面に比べ約5倍であるからである。このよ
うにして、エピタキシャル成長によるn型薄膜半導体層
8のうち半導体基板4表面上および溝底面7bの薄膜半
導体層8が熱酸化して溝側面7aにのみ薄膜半導体層8
が残ることとなる。Subsequently, as shown in FIG. 7, the surface of the semiconductor substrate 4 and the n-type thin film semiconductor layer 8 and the groove 7 are thermally oxidized.
A gate oxide film (thermal oxide film) 9 is formed on the bottom surface 7b of the substrate. At this time, the thermal oxide film is thinner on the side surface 7a and thicker on the substrate surface and the groove bottom surface 7b, and the thin film semiconductor layer 8 formed on the surface of the semiconductor substrate 4 and the groove bottom surface 7b by epitaxial growth becomes an oxide film. This is because the oxidation rate of hexagonal silicon carbide is (0
This is because it is about five times faster than the (001-) carbon plane and the plane perpendicular to the (0001-) carbon plane. In this manner, the thin film semiconductor layer 8 on the surface of the semiconductor substrate 4 and the groove bottom surface 7b of the n-type thin film semiconductor layer 8 formed by epitaxial growth is thermally oxidized and the thin film semiconductor layer 8 is formed only on the groove side surface 7a.
Will remain.
【0036】このゲート酸化膜9の形成工程において、
前述したようにチャネル形成面は平坦な面となるので、
チャネル形成面に形成されるゲート酸化膜9の膜厚も均
一とすることができる。その結果、完成したMOSFE
Tにおいて、ゲート電圧印加時に局所的な電界集中箇所
はない。そのため、ゲート酸化膜耐圧を向上することが
できる。また、同様な理由からゲート酸化膜寿命を長く
することができる。In the step of forming the gate oxide film 9,
As described above, the channel forming surface is a flat surface,
The thickness of the gate oxide film 9 formed on the channel formation surface can also be made uniform. As a result, the completed MOSFE
At T, there is no local electric field concentration point when a gate voltage is applied. Therefore, the gate oxide film breakdown voltage can be improved. For the same reason, the life of the gate oxide film can be extended.
【0037】そして、図8に示すように、溝7内のゲー
ト酸化膜9の内側に、ゲート電極層10を充填する。こ
のゲート電極層10の構成材料としては、p型のポリシ
リコンあるいはn型のポリシリコンを用いる。さらに、
図9に示すように、ゲート電極層10の上面に絶縁膜1
1を形成する。その後、図1に示すように、層間絶縁膜
11上を含むn+ 型ソース領域5と低抵抗p型炭化珪素
領域6の上に、ソース電極層12を形成する。また、n
+ 型炭化珪素半導体基板1の表面に、ドレイン電極層1
3を形成して、溝ゲート型パワーMOSFETを完成す
る。Then, as shown in FIG. 8, the inside of the gate oxide film 9 in the trench 7 is filled with a gate electrode layer 10. As a constituent material of the gate electrode layer 10, p-type polysilicon or n-type polysilicon is used. further,
As shown in FIG. 9, the insulating film 1 is formed on the upper surface of the gate electrode layer 10.
Form one. Thereafter, as shown in FIG. 1, source electrode layer 12 is formed on n + -type source region 5 including on interlayer insulating film 11 and low-resistance p-type silicon carbide region 6. Also, n
A drain electrode layer 1 is formed on the surface of
3 to complete a trench gate type power MOSFET.
【0038】なお、上述した実施形態において、n+ 型
ソース領域5と低抵抗p型炭化珪素領域6に形成される
ソース電極層12は、異なる材料でもよい。また、低抵
抗p型炭化珪素領域6は省略も可能であり、この場合、
ソース電極層12はn+ 型ソース領域5と第1のp型エ
ピタキシャル層3に接するように形成される。また、ソ
ース電極層12は、少なくともn+ 型ソース領域5の表
面に形成されていればよい。In the above embodiment, the source electrode layer 12 formed in the n + type source region 5 and the low resistance p type silicon carbide region 6 may be made of different materials. Further, the low-resistance p-type silicon carbide region 6 can be omitted, and in this case,
Source electrode layer 12 is formed so as to be in contact with n + -type source region 5 and first p-type epitaxial layer 3. Further, the source electrode layer 12 only needs to be formed at least on the surface of the n + type source region 5.
【0039】さらに、本発明に係る炭化珪素半導体装置
は、上述したnチャネル縦型のMOSFETに限らず、
図1においてp型とn型を入れ替えた、pチャネル縦型
MOSFETにおいても同様に適用することができる。
さらに、図1に示す構成では、溝7は半導体基板4の表
面に対し側面7aがほぼ90゜となっているが、図10
に示すように、溝7の側面7aと半導体基板4の表面の
なす角度は必ずしも90゜に近くなくてもよい。また、
溝7は底面を有しないV字型でもよい。さらに図11に
示すように溝7の側面7aは平面でなくてもよく、滑ら
かな曲面でもよい。Further, the silicon carbide semiconductor device according to the present invention is not limited to the above-described n-channel vertical MOSFET,
The same can be applied to a p-channel vertical MOSFET in which the p-type and the n-type are interchanged in FIG.
Further, in the configuration shown in FIG. 1, the side surface 7a of the groove 7 is approximately 90 ° with respect to the surface of the semiconductor substrate 4, but the groove 7 is not shown in FIG.
As shown in the figure, the angle between the side surface 7a of the groove 7 and the surface of the semiconductor substrate 4 does not necessarily have to be close to 90 °. Also,
The groove 7 may be V-shaped without a bottom surface. Further, as shown in FIG. 11, the side surface 7a of the groove 7 need not be a flat surface, but may be a smooth curved surface.
【0040】なお、溝7の側面7aと半導体基板4の表
面のなす角度は、チャネル移動度が大きくなるように設
計することにより、より良い効果が得られる。また、図
12に示すように、ゲート電極層10の上部が、n+ 型
ソース領域5の上方に延びる形状であってもよい。本構
成とすることで、n+ 型ソース領域5とn型薄膜半導体
層8に誘起されたチャネルとの接続抵抗を低減すること
ができる。A better effect can be obtained by designing the angle between the side surface 7a of the groove 7 and the surface of the semiconductor substrate 4 so as to increase the channel mobility. As shown in FIG. 12, the upper portion of gate electrode layer 10 may have a shape extending above n + type source region 5. With this configuration, the connection resistance between the n + -type source region 5 and the channel induced in the n-type thin film semiconductor layer 8 can be reduced.
【0041】さらに、図13に示すように、ゲート酸化
膜9の厚さは、チャネルが形成されるn型薄膜半導体層
8の中央部と下端でほぼ等しく、かつn型薄膜半導体層
8の下端より下までゲート電極層10が達している構造
であってもよい。本構造とすることでn型薄膜半導体層
8に誘起されたチャネルとドレイン領域との接続抵抗を
低減することができる。さらには、図14に示すように
実施してもよい。つまり、図12に示したようにゲート
電極層10の上部が、n+ 型ソース領域5の上方に延び
る形状であって、かつ、図13に示したようにn型薄膜
半導体層8の下端より下までゲート電極層10が延びて
いる構造であってもよい。Further, as shown in FIG. 13, the thickness of the gate oxide film 9 is substantially equal at the center and the lower end of the n-type thin film semiconductor layer 8 where the channel is formed, and at the lower end of the n-type thin film semiconductor layer 8. The structure may be such that the gate electrode layer 10 reaches below. With this structure, the connection resistance between the channel and the drain region induced in the n-type thin film semiconductor layer 8 can be reduced. Further, the present invention may be implemented as shown in FIG. That is, the upper part of the gate electrode layer 10 has a shape extending above the n + -type source region 5 as shown in FIG. 12, and the lower end of the n-type thin film semiconductor layer 8 as shown in FIG. A structure in which the gate electrode layer 10 extends to the bottom may be used.
【0042】また、n型薄膜半導体層8とp型エピタキ
シャル層3とは異なる結晶型でもよく、例えば、p型エ
ピタキシャル層3を6HのSiC、n型薄膜半導体層8
を4HのSiCとしてキャリアが流れる方向の移動度を
大きくすることにより低電力損失のMOSFETが得ら
れる。さらに、図15に示すように、溝7の側面の平面
形状(詳しくは、ゲート電極層10側の形状)は、各内
角が略等しい六角形としても良い。つまり、図16の基
板4の平面図に示すように、六角形の6つの辺S11、
S12、S13、S14、S15、S16において、辺
S11とS12となす角度(内角)、辺S12とS13
となす角度(内角)、辺S13とS14となす角度(内
角)、辺S14とS15となす角度(内角)、辺S15
とS16となす角度(内角)、辺S16とS11となす
角度(内角)は略120度となっている。The n-type thin film semiconductor layer 8 and the p-type epitaxial layer 3 may be of different crystal types. For example, the p-type epitaxial layer 3 may be made of 6H SiC,
Is 4H SiC to increase the mobility in the direction in which carriers flow, thereby obtaining a MOSFET with low power loss. Further, as shown in FIG. 15, the planar shape of the side surface of the groove 7 (specifically, the shape on the side of the gate electrode layer 10) may be a hexagon whose inner angles are substantially equal. That is, as shown in the plan view of the substrate 4 in FIG.
In S12, S13, S14, S15, and S16, the angle (inner angle) formed between the sides S11 and S12, and the sides S12 and S13
(Inner angle), the angle between sides S13 and S14 (inner angle), the angle between sides S14 and S15 (inner angle), side S15
And the angle between the sides S16 and S11 (the interior angle) is approximately 120 degrees.
【0043】また、溝7の側面7aは、略[11−0
0]方向に対して平行である複数の面から構成されるも
のに限らず、略[112−0]方向に対して平行である
複数の面から構成されるものであってもよい。なお、本
明細書において、六方晶系の単結晶炭化珪素の面および
方向軸を表す場合、本来ならば図面に記載されているよ
うに、所要の数字の上にバーを付した表現を取るべきで
あるが、表現手段に制約があるため、所要の数字の上に
バーを付す表現の代わりに、所要数字の後に「−」を付
して表現している。The side surface 7a of the groove 7 is substantially [11-0].
The plane is not limited to a plurality of planes parallel to the [0] direction, but may be a plurality of planes substantially parallel to the [112-0] direction. In this specification, when the plane and the direction axis of the hexagonal single-crystal silicon carbide are expressed, a bar should be added to a required number as originally described in the drawings. However, since there is a restriction on the expression means, instead of the expression in which a bar is put on the required number, the expression is made by adding "-" after the required number.
【図1】本発明の一実施形態に係る溝ゲート型パワーM
OSFETの斜視図である。FIG. 1 shows a trench gate type power M according to an embodiment of the present invention.
It is a perspective view of OSFET.
【図2】図1に示す半導体基板4の平面図である。FIG. 2 is a plan view of the semiconductor substrate 4 shown in FIG.
【図3】図1に示す溝ゲート型パワーMOSFETの製
造工程を説明するための断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the trench gate type power MOSFET shown in FIG.
【図4】図3に続く製造工程を説明するための断面図で
ある。FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing step following FIG. 3;
【図5】図4に続く製造工程を説明するための断面図で
ある。FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing step following FIG. 4;
【図6】図5に続く製造工程を説明するための断面図で
ある。FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing step following FIG. 5;
【図7】図6に続く製造工程を説明するための断面図で
ある。FIG. 7 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing step following FIG. 6;
【図8】図7に続く製造工程を説明するための断面図で
ある。FIG. 8 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing step following FIG. 7;
【図9】図8に続く製造工程を説明するための断面図で
ある。FIG. 9 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing step following FIG. 8;
【図10】図1に示す溝ゲート型パワーMOSFETの
変形例を示す断面構造模式図である。FIG. 10 is a schematic sectional view showing a modified example of the trench gate type power MOSFET shown in FIG. 1;
【図11】図1に示す溝ゲート型パワーMOSFETの
変形例を示す断面構造模式図である。FIG. 11 is a schematic sectional view showing a modification of the trench gate type power MOSFET shown in FIG. 1;
【図12】図1に示す溝ゲート型パワーMOSFETの
変形例を示す断面構造模式図である。FIG. 12 is a schematic sectional view showing a modification of the trench gate type power MOSFET shown in FIG. 1;
【図13】図1に示す溝ゲート型パワーMOSFETの
変形例を示す断面構造模式図である。FIG. 13 is a schematic sectional view showing a modification of the trench gate type power MOSFET shown in FIG.
【図14】図1に示す溝ゲート型パワーMOSFETの
変形例を示す断面構造模式図である。FIG. 14 is a schematic sectional view showing a modification of the trench gate type power MOSFET shown in FIG. 1;
【図15】図1に示す溝ゲート型パワーMOSFETの
変形例を示す斜視図である。FIG. 15 is a perspective view showing a modification of the trench gate type power MOSFET shown in FIG.
【図16】図15に示す半導体基板4の平面図である。16 is a plan view of the semiconductor substrate 4 shown in FIG.
【図17】従来の溝ゲート型パワーMOSFETの断面
構造模式図である。FIG. 17 is a schematic sectional view of a conventional trench gate type power MOSFET.
【図18】本出願人が先に提案した溝ゲート型パワーM
OSFETの断面構造模式図である。FIG. 18 shows a trench gate type power M previously proposed by the present applicant.
FIG. 3 is a schematic sectional view of an OSFET.
【図19】n型薄膜半導体層8の膜厚、不純物濃度を決
めるためのシュミレーションモデルを示す図である。FIG. 19 is a diagram showing a simulation model for determining the film thickness and impurity concentration of the n-type thin film semiconductor layer 8.
【図20】ゲート電極層10にp型のポリシリコンを用
い、不純物濃度をパラメータとしてn型薄膜半導体層8
の膜厚を変化させた場合の耐圧の計算結果を示す図であ
る。FIG. 20 shows an example in which p-type polysilicon is used for a gate electrode layer 10 and an n-type thin-film semiconductor layer 8 is formed using impurity concentration as a parameter
FIG. 9 is a diagram showing calculation results of a withstand voltage when the film thickness is changed.
【図21】ゲート電極層10にn型のポリシリコンを用
い、不純物濃度をパラメータとしてn型薄膜半導体層8
の膜厚を変化させた場合の耐圧の計算結果を示す図であ
る。FIG. 21 shows an example in which n-type polysilicon is used for a gate electrode layer 10 and n-type thin-film semiconductor layers 8 are formed using impurity concentration as a parameter.
FIG. 9 is a diagram showing calculation results of a withstand voltage when the film thickness is changed.
1…低抵抗半導体層としてのn+ 型炭化珪素半導体基
板、2…高抵抗半導体層としてのn- 型エピタキシャル
層、3…第1の半導体層としてのp型エピタキシャル
層、4…半導体基板、5…半導体領域としてのn+ 型ソ
ース領域、7…溝、7a…側面、7b…底面、8…第2
の半導体層としてのn型薄膜半導体層、9…ゲート酸化
膜、10…ゲート電極層、11…層間絶縁膜、12…第
1の電極層としてのソース電極層、13…第2の電極層
としてのドレイン電極層。1 ... n + -type silicon carbide semiconductor substrate as the low-resistance semiconductor layer, 2 ... n as the high-resistance semiconductor layer - -type epitaxial layer, 3 ... p-type epitaxial layer as a first semiconductor layer, 4 ... semiconductor substrate, 5 ... n + -type source region as semiconductor region, 7 ... groove, 7a ... side surface, 7b ... bottom surface, 8 ... second
An n-type thin film semiconductor layer as a semiconductor layer, 9 a gate oxide film, 10 a gate electrode layer, 11 an interlayer insulating film, 12 a source electrode layer as a first electrode layer, and 13 a second electrode layer Drain electrode layer.
Claims (3)
1導電型の高抵抗半導体層(2)と第2導電型の第1の
半導体層(3)とが積層され炭化珪素よりなる半導体基
板(4)と、 前記第1の半導体層の表層部の所定領域に形成された第
1導電型の半導体領域(5)と、 前記半導体基板の表面から前記半導体領域と前記第1の
半導体層を貫通する溝(7)と、 前記溝の側面における少なくとも前記第1の半導体層の
表面に形成された炭化珪素の薄膜よりなる第1導電型の
第2の半導体層(8)と、 少なくとも前記第2の半導体層の表面に形成されたゲー
ト絶縁膜(9)と、 前記溝内における前記ゲート絶縁膜の上に形成されたゲ
ート電極層(10)と、 前記半導体基板の表面のうち少なくとも前記半導体領域
の一部の表面上に形成された第1の電極層(12)と、 前記半導体基板の裏面に形成された第2の電極層(1
3)とを備え、 前記第2の電極層と前記第1の電極層の間のpn接合に
逆バイアスの電圧が印加されたとき、前記高抵抗半導体
層と前記半導体領域との間の前記第2の半導体層がパン
チスルーを起こすよりも先に、前記高抵抗半導体層と前
記第1の半導体層との間のpn接合がアバランシェブレ
ークダウンするようにしたことを特徴とする炭化珪素半
導体装置。A first conductive type low-resistance semiconductor layer; a first conductive type high-resistance semiconductor layer; and a second conductive type first semiconductor layer. A semiconductor substrate (4) formed of a first conductivity type; a semiconductor region (5) of a first conductivity type formed in a predetermined region of a surface layer portion of the first semiconductor layer; A groove penetrating the semiconductor layer, and a second semiconductor layer of a first conductivity type formed of a silicon carbide thin film formed on at least a surface of the first semiconductor layer on a side surface of the groove. A gate insulating film (9) formed on at least a surface of the second semiconductor layer; a gate electrode layer (10) formed on the gate insulating film in the trench; And at least a portion formed on a part of the surface of the semiconductor region. One electrode layer (12); and a second electrode layer (1) formed on the back surface of the semiconductor substrate.
3) wherein when a reverse bias voltage is applied to a pn junction between the second electrode layer and the first electrode layer, the voltage between the high-resistance semiconductor layer and the semiconductor region is reduced. 2. A silicon carbide semiconductor device, wherein the pn junction between the high-resistance semiconductor layer and the first semiconductor layer undergoes avalanche breakdown before the second semiconductor layer causes punch-through.
1導電型の高抵抗半導体層(2)と第2導電型の第1の
半導体層(3)とが積層され炭化珪素よりなる半導体基
板(4)と、 前記第1の半導体層の表層部の所定領域に形成された第
1導電型の半導体領域(5)と、 前記半導体基板の表面から前記半導体領域と前記第1の
半導体層を貫通する溝(7)と、 前記溝の側面における少なくとも前記第1の半導体層の
表面に形成された炭化珪素の薄膜よりなる第1導電型の
第2の半導体層(8)と、 少なくとも前記第2の半導体層の表面に形成されたゲー
ト絶縁膜(9)と、 前記溝内における前記ゲート絶縁膜の上に形成された第
2導電型のゲート電極層(10)と、 前記半導体基板の表面のうち少なくとも前記半導体領域
の一部の表面上に形成された第1の電極層(12)と、 前記半導体基板の裏面に形成された第2の電極層(1
3)とを備え、 前記第2の半導体層の膜厚X(μm)と不純物濃度N
(cm-3)は、耐圧Y(V)に対し、Y<−10000
{(X−0.8)+0.3(logN−15)}の関係
を満たすように設定されていることを特徴とする炭化珪
素半導体装置。2. A silicon carbide layer comprising: a first conductive type low resistance semiconductor layer (1); a first conductive type high resistance semiconductor layer (2); and a second conductive type first semiconductor layer (3). A semiconductor substrate (4) formed of a first conductivity type; a semiconductor region (5) of a first conductivity type formed in a predetermined region of a surface layer portion of the first semiconductor layer; A groove penetrating the semiconductor layer, and a second semiconductor layer of a first conductivity type formed of a silicon carbide thin film formed on at least a surface of the first semiconductor layer on a side surface of the groove. A gate insulating film (9) formed on at least a surface of the second semiconductor layer; a second conductivity type gate electrode layer (10) formed on the gate insulating film in the trench; On at least a part of the surface of the semiconductor region of the surface of the semiconductor substrate A second electrode layer (1) formed on the back surface of the semiconductor substrate;
3) wherein the thickness X (μm) of the second semiconductor layer and the impurity concentration N
(Cm −3 ) is Y <−10000 with respect to the withstand voltage Y (V).
A silicon carbide semiconductor device characterized by satisfying a relationship of {(X−0.8) +0.3 (logN−15)}.
1導電型の高抵抗半導体層(2)と第2導電型の第1の
半導体層(3)とが積層され炭化珪素よりなる半導体基
板(4)と、 前記第1の半導体層の表層部の所定領域に形成された第
1導電型の半導体領域(5)と、 前記半導体基板の表面から前記半導体領域と前記第1の
半導体層を貫通する溝(7)と、 前記溝の側面における少なくとも前記第1の半導体層の
表面に形成された炭化珪素の薄膜よりなる第1導電型の
第2の半導体層(8)と、 少なくとも前記第2の半導体層の表面に形成されたゲー
ト絶縁膜(9)と、 前記溝内における前記ゲート絶縁膜の上に形成された第
1導電型のゲート電極層(10)と、 前記半導体基板の表面のうち少なくとも前記半導体領域
の一部の表面上に形成された第1の電極層(12)と、 前記半導体基板の裏面に形成された第2の電極層(1
3)とを備え、 前記第2の半導体層の膜厚X(μm)と不純物濃度N
(cm-3)は、耐圧Y(V)に対し、Y<−10000
{(X−0.6)+0.3(logN−15)}の関係
を満たすように設定されていることを特徴とする炭化珪
素半導体装置。3. A low-resistance semiconductor layer (1) of the first conductivity type, a high-resistance semiconductor layer (2) of the first conductivity type, and a first semiconductor layer (3) of the second conductivity type are stacked and silicon carbide is formed. A semiconductor substrate (4) formed of a first conductivity type; a semiconductor region (5) of a first conductivity type formed in a predetermined region of a surface layer portion of the first semiconductor layer; A groove penetrating the semiconductor layer, and a second semiconductor layer of a first conductivity type formed of a silicon carbide thin film formed on at least a surface of the first semiconductor layer on a side surface of the groove. A gate insulating film (9) formed on at least a surface of the second semiconductor layer; a first conductivity type gate electrode layer (10) formed on the gate insulating film in the trench; On at least a part of the surface of the semiconductor region of the surface of the semiconductor substrate A second electrode layer (1) formed on the back surface of the semiconductor substrate;
3) wherein the thickness X (μm) of the second semiconductor layer and the impurity concentration N
(Cm −3 ) is Y <−10000 with respect to the withstand voltage Y (V).
A silicon carbide semiconductor device characterized by satisfying the relationship of {(X−0.6) +0.3 (logN−15)}.
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- 1997-12-25 JP JP35822197A patent/JP3709688B2/en not_active Expired - Fee Related
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