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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023070568
(43)【公開日】2023-05-19
(54)【発明の名称】半導体装置およびその製造方法
(51)【国際特許分類】
   H01L 29/78 20060101AFI20230512BHJP
   H01L 29/12 20060101ALI20230512BHJP
   H01L 29/06 20060101ALI20230512BHJP
   H01L 21/336 20060101ALI20230512BHJP
   H01L 29/739 20060101ALI20230512BHJP
【FI】
H01L29/78 652G
H01L29/78 652T
H01L29/78 653C
H01L29/78 652J
H01L29/78 652H
H01L29/06 301D
H01L29/06 301V
H01L29/78 658A
H01L29/78 658E
H01L29/78 655A
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2021182833
(22)【出願日】2021-11-09
(71)【出願人】
【識別番号】000004260
【氏名又は名称】株式会社デンソー
(71)【出願人】
【識別番号】000003207
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
(71)【出願人】
【識別番号】520124752
【氏名又は名称】株式会社ミライズテクノロジーズ
(74)【代理人】
【識別番号】110001128
【氏名又は名称】弁理士法人ゆうあい特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】岩橋 洋平
(72)【発明者】
【氏名】斎藤 順
(57)【要約】
【課題】ゲート絶縁膜が破壊されることを抑制しつつ、耐圧が低下することを抑制でき、さらに、ドリフト層とベース層との積層方向に沿った大きさが大きくなることを抑制する。
【解決手段】第1ディープ層15は、深さ方向に沿った濃度プロファイルにおいて、不純物濃度が最大となる高濃度ピークを有し、オフ状態である際に空乏化しない領域を含む高濃度領域15aと、高濃度領域15aより高濃度層側に、深さ方向に沿った不純物濃度の変化の傾きが所定値未満となる領域を有し、オフ状態である際に空乏化する低濃度領域15bとを有する構成とする。そして、第1ディープ層15における最もベース層側の位置を第1位置P1、高濃度ピークとなる位置を第2位置P2、低濃度領域15bにおける最もベース層側の位置を第3位置P3とすると、第1位置P1と第2位置P2との間の第1長さL1を第2位置P2と第3位置P3との間の第2長さL2よりも短くする。
【選択図】図2
【特許請求の範囲】
【請求項1】
トレンチゲート構造を有する半導体装置であって、
第1導電型のドリフト層(19)と、
前記ドリフト層の表層部に形成された第2導電型のベース層(21)と、
前記ベース層の表層部に形成され、前記ドリフト層よりも高不純物濃度とされた第1導電型の不純物領域(22)と、
前記ベース層および前記不純物領域を貫通して前記ドリフト層に達するトレンチ(25)の壁面に形成されたゲート絶縁膜(26)と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極(27)とを有する前記トレンチゲート構造と、
前記ドリフト層のうちの前記トレンチの下方であって、前記トレンチと離れた状態で形成された第2導電型の第1ディープ層(15)と、
前記ベース層と前記第1ディープ層とを接続する第2導電型の第2ディープ層(18)と、
前記ドリフト層を挟んで前記ベース層と反対側に形成され、前記ドリフト層よりも高不純物濃度とされた第1導電型または第2導電型の高濃度層(11)と、
前記ベース層および前記不純物領域と電気的に接続される第1電極(29)と、
前記高濃度層と電気的に接続される第2電極(30)と、を備え、
前記ゲート電極に所定電圧以上のゲート電圧が印加されることで前記第1電極と前記第2電極との間に電流が流れるオン状態となると共に、前記ゲート電極に前記所定電圧未満のゲート電圧が印加されることでオフ状態となるように構成され、
前記第1ディープ層は、前記ドリフト層と前記ベース層との積層方向を深さ方向とした際の前記深さ方向に沿った不純物濃度の濃度プロファイルにおいて、不純物濃度が最大となる高濃度ピークを有し、前記オフ状態である際に空乏化しない領域を含む高濃度領域(15a)と、前記高濃度領域より前記高濃度層側に、前記深さ方向に沿った不純物濃度の変化の傾きが所定値未満となる領域を有し、前記オフ状態である際に空乏化する低濃度領域(15b)とを有する構成とされ、
前記第1ディープ層における最も前記ベース層側の位置を第1位置(P1)とし、前記高濃度ピークとなる位置を第2位置(P2)とし、前記低濃度領域における最も前記ベース層側の位置を第3位置(P3)とすると、前記第1位置と前記第3位置との間に前記高濃度領域が配置され、
前記第1位置と前記第2位置との間の第1長さ(L1)は、前記第2位置と前記第3位置との間の第2長さ(L2)よりも短くされている半導体装置。
【請求項2】
前記ドリフト層は、前記高濃度層側に配置され、前記高濃度層よりも低不純物濃度とされた低濃度層(13)と、前記低濃度層上に配置され、前記低濃度層よりも高不純物濃度とされたJFET部(14)と、前記JFET部上に配置されて前記ベース層との境界面を構成し、前記低濃度層よりも高不純物濃度とされた電流分散層(17)と、を有し、
前記JFET部は、前記深さ方向と交差する一方向を長手方向とする複数の線状部分を有する構成とされ、
前記第1ディープ層は、前記JFET部における線状部分の間に配置され、前記高濃度ピークの不純物濃度が前記電流分散層の最大不純物濃度よりも高くされており、
前記トレンチは、底面が前記電流分散層に位置する状態で形成されている請求項1に記載の半導体装置。
【請求項3】
前記高濃度層、前記ドリフト層、前記ベース層、前記不純物領域、前記第1ディープ層、前記第2ディープ層を含んで半導体基板(10)が構成され、
前記半導体基板は、炭化珪素で構成されている請求項1または2に記載の半導体装置。
【請求項4】
第1導電型のドリフト層(19)と、
前記ドリフト層の表層部に形成された第2導電型のベース層(21)と、
前記ベース層の表層部に形成され、前記ドリフト層よりも高不純物濃度とされた第1導電型の不純物領域(22)と、
前記ベース層および前記不純物領域を貫通して前記ドリフト層に達するトレンチ(25)の壁面に形成されたゲート絶縁膜(26)と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極(27)とを有するトレンチゲート構造と、
前記ドリフト層のうちの前記トレンチの下方であって、前記トレンチと離れた状態で形成された第2導電型の第1ディープ層(15)と、
前記ベース層と前記第1ディープ層とを接続する第2導電型の第2ディープ層(18)と、
前記ドリフト層を挟んで前記ベース層と反対側に形成され、前記ドリフト層よりも高不純物濃度とされた第1導電型または第2導電型の高濃度層(11)と、
前記ベース層および前記不純物領域と電気的に接続される第1電極(29)と、
前記高濃度層と電気的に接続される第2電極(30)と、を備え、
前記ゲート電極に所定電圧以上のゲート電圧が印加されることで前記第1電極と前記第2電極との間に電流が流れるオン状態となると共に、前記ゲート電極に前記所定電圧未満のゲート電圧が印加されることでオフ状態となるように構成され、
前記第1ディープ層は、前記ドリフト層と前記ベース層との積層方向を深さ方向とした際の前記深さ方向に沿った不純物濃度の濃度プロファイルにおいて、不純物濃度が最大となる高濃度ピークを有し、前記オフ状態である際に空乏化しない領域を含む高濃度領域(15a)と、前記高濃度領域より前記高濃度層側に、前記深さ方向に沿った不純物濃度の変化の傾きが所定値未満となる領域を有し、前記オフ状態である際に空乏化する低濃度領域(15b)とを有する構成とされ、
前記第1ディープ層における最も前記ベース層側の位置を第1位置(P1)とし、前記高濃度ピークとなる位置を第2位置(P2)とし、前記低濃度領域における最も前記ベース層側の位置を第3位置(P3)とすると、前記第1位置と前記第3位置との間に前記高濃度領域が配置され、
前記第1位置と前記第2位置との間の第1長さ(L1)は、前記第2位置と前記第3位置との間の第2長さ(L2)よりも短くされている半導体装置の製造方法であって、
前記ドリフト層のうちの前記高濃度層側となる部分を含んで構成される構成基板(100)を用意することと、
前記構成基板にイオン注入を行って前記第1ディープ層を形成することと、
前記第1ディープ層上に構成層(17a)をエピタキシャル成長させることで前記第1ディープ層を内部に有する前記ドリフト層を形成することと、を行う半導体装置の製造方法。
【請求項5】
前記ドリフト層を形成することでは、前記構成層にイオン注入を行うことにより、前記ドリフト層のうちの前記第1ディープ層との境界面を構成する部分の不純物濃度を調整する請求項4に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項6】
前記ドリフト層を形成することでは、前記構成層をエピタキシャル成長させる際に、前記構成層のうちの前記第1ディープ層との境界面を構成する部分の不純物濃度を調整する請求項4に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、トレンチゲート構造を有する半導体装置およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来より、MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistorの略)等の半導体素子が形成された半導体装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。具体的には、この半導体装置は、ドリフト層を有する半導体基板を備え、半導体基板の一面側にベース層が形成されていると共に、ベース層の表層部にソース領域が形成されている。また、半導体基板には、ソース領域およびベース層を貫通するようにトレンチが形成されている。そして、トレンチにゲート絶縁膜およびゲート電極が配置されることでトレンチゲート構造が構成されている。
【0003】
半導体基板の他面側には、ドレイン領域が配置されている。そして、半導体基板の一面側には、ソース領域およびベース層と電気的に接続されるように上部電極が配置されている。半導体基板の他面側には、ドレイン領域と電気的に接続されるように下部電極が配置されている。
【0004】
また、この半導体装置では、ドリフト層のうちのトレンチの下方となる位置に、トレンチと離れた状態でベース層と接続されるディープ層が形成されている。これにより、この半導体装置では、ディープ層とドリフト層との間に構成される空乏層によってゲート絶縁膜が破壊されることを抑制できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2019-46908号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
ところで、上記のような半導体装置では、ゲート絶縁膜が破壊されることを抑制しつつ、耐圧が低下することを抑制し、さらに、ドリフト層とベース層との積層方向に沿った大きさが大きくなることを抑制したいという要望がある。
【0007】
本発明は上記点に鑑み、ゲート絶縁膜が破壊されることを抑制しつつ、耐圧が低下することを抑制でき、さらに、ドリフト層とベース層との積層方向に沿った大きさが大きくなることを抑制できる半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記目的を達成するための請求項1では、トレンチゲート構造を有する半導体装置であって、第1導電型のドリフト層(19)と、ドリフト層の表層部に形成された第2導電型のベース層(21)と、ベース層の表層部に形成され、ドリフト層よりも高不純物濃度とされた第1導電型の不純物領域(22)と、ベース層および不純物領域を貫通してドリフト層に達するトレンチ(25)の壁面に形成されたゲート絶縁膜(26)と、ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極(27)とを有するトレンチゲート構造と、ドリフト層のうちのトレンチの下方であって、トレンチと離れた状態で形成された第2導電型の第1ディープ層(15)と、ベース層と第1ディープ層とを接続する第2導電型の第2ディープ層(18)と、ドリフト層を挟んでベース層と反対側に形成され、ドリフト層よりも高不純物濃度とされた第1導電型または第2導電型の高濃度層(11)と、ベース層および不純物領域と電気的に接続される第1電極(29)と、高濃度層と電気的に接続される第2電極(30)と、を備えている。そして、ゲート電極に所定電圧以上のゲート電圧が印加されることで第1電極と第2電極との間に電流が流れるオン状態となると共に、ゲート電極に所定電圧未満のゲート電圧が印加されることでオフ状態となるように構成され、第1ディープ層は、ドリフト層とベース層との積層方向を深さ方向とした際の深さ方向に沿った不純物濃度の濃度プロファイルにおいて、不純物濃度が最大となる高濃度ピークを有し、オフ状態である際に空乏化しない領域を含む高濃度領域(15a)と、高濃度領域より高濃度層側に、深さ方向に沿った不純物濃度の変化の傾きが所定値未満となる領域を有し、オフ状態である際に空乏化する低濃度領域(15b)とを有する構成とされ、第1ディープ層における最もベース層側の位置を第1位置(P1)とし、高濃度ピークとなる位置を第2位置(P2)とし、低濃度領域における最もベース層側の位置を第3位置(P3)とすると、第1位置と第3位置との間に高濃度領域が配置され、第1位置と第2位置との間の第1長さ(L1)は、第2位置と第3位置との間の第2長さ(L2)よりも短くされている。
【0009】
これによれば、第1ディープ層は、オフ時に空乏化しない不純物濃度とされた高濃度ピークを有する高濃度領域と、オフ時に空乏化される不純物濃度とされた低濃度領域とを有する濃度プロファイルとされている。このため、ゲート絶縁膜が破壊されることを抑制しつつ、耐圧が低下することを抑制できる。また、第1ディープ層は、第1長さが第2長さよりも短くなるように形成されている。このため、第1長さが第2長さ以上とされている場合と比較して、同じ耐圧を備える半導体装置を構成した場合、第1ディープ層の積層方向の長さを短くできる。したがって、半導体装置が積層方向に大型化することを抑制できる。
【0010】
請求項4は、請求項1に関する製造方法であり、ドリフト層のうちの高濃度層側となる部分を含んで構成される構成基板(100)を用意することと、構成基板にイオン注入を行って第1ディープ層を形成することと、第1ディープ層上に構成層(17a)をエピタキシャル成長させることで第1ディープ層を内部に有するドリフト層を形成することと、を行う。
【0011】
これによれば、オフ時に空乏化しない不純物濃度とされた高濃度ピークを有する高濃度領域と、オフ時に空乏化される不純物濃度とされた低濃度領域とを有する濃度プロファイルの第1ディープ層を形成する。このため、ゲート絶縁膜が破壊されることを抑制しつつ、耐圧が低下することを抑制した半導体装置が製造される。また、第1長さが第2長さよりも短くなるように第1ディープ層を形成する。このため、第1長さが第2長さ以上とされ、同じ耐圧を備える半導体装置を製造した場合と比較して、第1ディープ層の積層方向の長さを短くできる。したがって、積層方向に大型化することを抑制した半導体装置を製造できる。
【0012】
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。
【図面の簡単な説明】
【0013】
図1】第1実施形態におけるSiC半導体装置の斜視断面図である。
図2】電流分散層および第1ディープ層の濃度プロファイルを示す模式図である。
図3A】SiC半導体装置の製造工程を示す断面図である。
図3B図3Aに続くSiC半導体装置の製造工程を示す断面図である。
図3C図3Bに続くSiC半導体装置の製造工程を示す断面図である。
図3D図3Cに続くSiC半導体装置の製造工程を示す断面図である。
図3E図3Dに続くSiC半導体装置の製造工程を示す断面図である。
図3F図3Eに続くSiC半導体装置の製造工程を示す断面図である。
図4A】第1実施形態の変形例における電流分散層および第1ディープ層の濃度プロファイルを示す模式図である。
図4B】第1実施形態の変形例における電流分散層および第1ディープ層の濃度プロファイルを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
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。
【0015】
(第1実施形態)
第1実施形態の半導体装置について、図面を参照しつつ説明する。本実施形態の半導体装置は、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。また、本実施形態では、トレンチゲート構造の反転型のMOSFETが形成されている炭化珪素(以下では、SiCともいう)半導体装置について説明する。なお、本実施形態では、MOSFETが形成されているセル領域の構成について説明するが、実際のSiC半導体装置には、セル領域を囲むように、FLR(Field Limiting Ringの略)構造等が形成された外周領域が備えられている。
【0016】
以下では、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。また、本実施形態におけるZ軸方向とは、後述する半導体基板10の深さ方向に相当しており、後述するドリフト層19とベース層21との積層方向にも相当している。
【0017】
SiC半導体装置は、図1に示されるように、半導体基板10を用いて構成されている。具体的には、SiC半導体装置は、SiC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/cm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、高濃度層に相当している。
【0018】
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。
【0019】
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/cm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が形成されている。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/cm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。
【0020】
低濃度層13の表層部には、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、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している。つまり、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。また、基板11の表面に対する法線方向とは、後述するドリフト層19とベース層21との積層方向に沿った方向でもある。
【0021】
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/cmとされている。第1ディープ層15の不純物濃度については、具体的に後述する。
【0022】
また、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。
【0023】
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23等が形成されている。
【0024】
電流分散層17は、n型とされ、JFET部14と繋がるように形成されている。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。そして、第1ディープ層15は、ドリフト層19内に形成された状態となっている。
【0025】
第2ディープ層18は、p型とされ、厚さが電流分散層17と等しくされている。また、第2ディープ層18は、第1ディープ層15と接続されるように形成されている。
【0026】
そして、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が並べられ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。
【0027】
ベース層21は、p型とされ、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。このため、第1ディープ層15は、第2ディープ層18を介してベース層21と接続された状態となっている。
【0028】
ソース領域22は、n型とされており、ベース層21の表層部に形成されている。コンタクト領域23は、p型とされており、ベース層21の表層部に形成されている。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おり、コンタクト領域23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が不純物領域に相当している。
【0029】
ベース層21は、例えば、p型不純物濃度が3.0×1017/cm以下とされている。また、本実施形態のベース層21は、例えば、イオン注入等で形成されている。ソース領域22は、表層部におけるn型不純物濃度、すなわち表面濃度が例えば1.0×1021/cmとされている。コンタクト領域23は、表層部におけるp型不純物濃度、すなわち表面濃度が例えば1.0×1021/cmとされている。
【0030】
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、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23等を含んで半導体基板10が構成されている。そして、上記のように半導体基板10が構成されているため、半導体基板10は、SiCで構成されているといえる。また、本実施形態では、半導体基板10の一面10aがソース領域22やコンタクト領域23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。
【0031】
半導体基板10には、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、トレンチ25とは離れた状態で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。
【0032】
また、トレンチ25は、図1中では1本のみしか図示していないが、実際には、Y軸方向に沿って延びるように複数本が延設されると共に、X軸方向に等間隔で並べられてストライプ状となるように形成されている。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、ドリフト層19とベース層21との積層方向において、第2ディープ層18に挟まれるように形成されている。
【0033】
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。
【0034】
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、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、ソース領域22およびコンタクト領域23を露出させるコンタクトホール26aが形成されている。
【0035】
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。
【0036】
層間絶縁膜28には、コンタクトホール26aと連通してソース領域22およびコンタクト領域23を露出させるコンタクトホール28aが形成されている。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。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26bともいう。そして、コンタクトホール26b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、コンタクトホール26b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。
【0037】
層間絶縁膜28上には、コンタクトホール26bを通じてソース領域22およびコンタクト領域23と電気的に接続される上部電極29が形成されている。なお、本実施形態では、上部電極29が第1電極に相当している。
【0038】
本実施形態の上部電極29は、例えば、Ni/Al等の複数の金属にて構成されている。そして、複数の金属のうちのn型SiC(すなわち、ソース領域22)を構成する部分と接触する部分は、n型SiCとオーミック接触可能な金属で構成されている。また、複数の金属のうちの少なくともp型SiC(すなわち、ベース層21)と接触する部分は、p型SiCとオーミック接触可能な金属で構成されている。
【0039】
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30が形成されている。なお、本実施形態では、下部電極30が第2電極に相当している。
【0040】
本実施形態のSiC半導体装置では、このような構造により、nチャネルタイプの反転型であるトレンチゲート構造のMOSFETが構成されている。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。
【0041】
そして、このようなSiC半導体装置は、具体的には後述するが、ゲート電極27に印加されるゲート電圧が絶縁ゲート構造の閾値電圧以上とされると、上部電極29と下部電極30との間に電流が流れるオン状態となる。また、このようなSiC半導体装置は、ゲート電極27に印加されるゲート電圧が閾値電圧未満とされると、上部電極29と下部電極30との間に電流が流れないオフ状態となる。
【0042】
次に、本実施形態における第1ディープ層15のZ軸方向(すなわち、深さ方向)に沿った濃度プロファイルについて、図2を参照しつつ説明する。以下では、第1ディープ層15と電流分散層17との境界面を単に境界面ともいう。また、半導体基板10において、境界面となる位置を第1位置P1とする。なお、第1ディープ層15と電流分散層17との境界面とは、言い換えると、第1ディープ層15のうちの最もベース層21側に位置する部分ともいえる。
【0043】
まず、図2示されるように、第1ディープ層15は、境界面側の第1位置P1側に不純物濃度が最大となり、オフ状態である際に空乏化しない不純物濃度とされた高濃度ピークを有する高濃度領域15aを備える濃度プロファイルとされている。また、第1ディープ層15は、高濃度領域15aより基板11側に、Z軸方向に沿って不純物濃度の変化の傾きが所定値未満となり、オフ状態である際に空乏化する低濃度領域15bを有する濃度プロファイルとされている。言い換えると、第1ディープ層15は、高濃度領域15aより基板11側に、Z軸方向に沿って不純物濃度がほぼ変化しない領域を有し、オフ状態である際に空乏化する低濃度領域15bを有する濃度プロファイルとされている。なお、第1ディープ層15における基板11側の部分は、不純物濃度の変化の傾きが大きくなるが、空乏化する領域であるために低濃度領域15bとなる。
【0044】
高濃度ピークは、電流分散層17の最大不純物濃度よりも高い不純物濃度とされ、例えば、1.0×1018/cm以上の不純物濃度とされている。電流分散層17は、例えば、最大不純物濃度が3.0×1017/cm程度となるように構成されている。低濃度領域15bは、Z軸方向に沿って不純物濃度の変化の傾きが所定値未満となる領域(すなわち、不純物濃度がほぼ一定である領域)の不純物濃度が電流分散層17の最大不純物濃度と同程度とされ、例えば、3.0×1017/cm程度の不純物濃度とされる。
【0045】
ここで、半導体基板10において、上記のように、境界面となる位置(すなわち、深さ)を第1位置P1とする。また、半導体基板10において、高濃度ピークとなる位置を第2位置P2とし、低濃度領域15bにおける最もベース層21側の位置を第3位置P3とする。なお、第3位置P3は、言い換えると、高濃度領域15aと低濃度領域15bとの境界ともいえるし、低濃度領域15bから高濃度ピークに向かって不純物濃度が急峻に大きくなる位置ともいえる。さらに、第3位置P3は、不純物濃度の変化の傾きが所定値以上である領域と、所定値未満となる領域との交点であるともいえる。また、第1ディープ層15は、第1位置P1と第3位置P3との間が高濃度領域15aとされ、第3位置P3より基板11側の部分に低濃度領域15bを有する濃度プロファイルとなるように形成されているともいえる。
【0046】
そして、本実施形態では、第1位置P1と第2位置P2との間の第1長さL1は、第2位置P2と第3位置P3との間の第2長さL2より短くされている。言い換えると、第1位置P1と第3位置P3との間は、高濃度領域15aであるため、第2位置P2は、高濃度領域15aにおけるZ軸方向の中心より第1位置P1側に位置しているともいえる。
【0047】
以上が本実施形態におけるSiC半導体装置の構成である。次に、上記SiC半導体装置の作動および効果について説明する。
【0048】
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30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29と下部電極30との間に電流が流れないオフ状態となる。
【0049】
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。そして、第1ディープ層15は、高濃度ピークが空乏化されない不純物濃度とされている。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。
【0050】
また、第1ディープ層15における低濃度領域15bは、空乏化される不純物濃度とされている。このため、SiC半導体装置がオフ状態である場合には、第1ディープ層15における低濃度領域15bを含む部分も空乏化される。このため、第1ディープ層15を形成することによるSiC半導体装置の耐圧の低下を抑制できる。
【0051】
この場合、本実施形態では、第1長さL1が第2長さL2より短くされている。このため、第1長さL1が第2長さL2以上とされている場合と比較して、同じ耐圧を備えるSiC半導体装置を構成した場合、第1ディープ層15のZ軸方向の長さを短くできる。したがって、SiC半導体装置がZ軸方向に大型化することを抑制できる。
【0052】
そして、ゲート電極27に、閾値電圧以上のゲート電圧、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29と下部電極30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。
【0053】
続いて、本実施形態のSiC半導体装置の製造方法について図3A図3Gを参照して説明する。なお、図3A図3Gは、図1におけるY軸方向を法線方向とする断面図である。
【0054】
まず、図3Aに示されるように、基板11の表面上に、SiCからなる、バッファ層12、低濃度層13、JFET部14が形成された構成基板100を用意する。言い換えると、ドリフト層19のうちの基板11側の部分を含んで構成される構成基板100を用意する。
【0055】
そして、図3Bに示されるように、構成基板100上に図示しないマスクを用いてp型不純物をイオン注入することにより、第1ディープ層15を形成する。具体的には、加速エネルギを変更しながら複数回のイオン注入を行うことにより、上記図2に示すように、高濃度領域15aおよび低濃度領域15bを有し、第1長さL1が第2長さL2よりも短くされた濃度プロファイルを有する第1ディープ層15を形成する。
【0056】
続いて、図3Cに示されるように、JFET部14および第1ディープ層15上に、電流分散層17等を形成するための構成層17aをエピタキシャル成長させて半導体基板10を構成する。このように、第1ディープ層15を形成した後に構成層17aを配置することにより、第1ディープ層15を構成するp型不純物が構成層17a(すなわち、電流分散層17)に影響することを抑制できる。したがって、電流分散層17を形成した際に電流分散層17の実効濃度が低下することを抑制でき、オン抵抗が増加することを抑制できる。
【0057】
次に、図3Dに示されるように、構成層17a上に図示しないマスクを用いてn型不純物をイオン注入し、電流分散層17を形成してドリフト層19を構成する。つまり、第1ディープ層15との境界面を構成する部分の不純物濃度を調整する。また、構成層17a上に図示しないマスクを用いてp型不純物をイオン注入し、第2ディープ層18を形成する。
【0058】
続いて、図3Eに示されるように、再び構成層17a上に図示しないマスクを用いて適宜不純物をイオン注入し、ベース層21、ソース領域22、コンタクト領域23を形成する。
【0059】
その後、図3Fに示されるように、詳細な工程については省略するが、所定の半導体製造プロセスを行い、トレンチゲート構造、層間絶縁膜28、上部電極29、下部電極30等を形成する。これにより、本実施形態のSiC半導体装置が製造される。
【0060】
以上説明した本実施形態によれば、第1ディープ層15は、オフ時に空乏化しない不純物濃度とされた高濃度ピークを有する高濃度領域15aと、オフ時に空乏化される不純物濃度とされた低濃度領域15bとを有する濃度プロファイルとされている。このため、ゲート絶縁膜26が破壊されることを抑制しつつ、耐圧が低下することを抑制できる。また、第1ディープ層15は、第1長さL1が第2長さL2よりも短くなるように形成されている。このため、第1長さL1が第2長さL2以上とされている場合と比較して、同じ耐圧を備えるSiC半導体装置を構成した場合、第1ディープ層15のZ軸方向の長さを短くできる。したがって、SiC半導体装置がZ軸方向に大型化することを抑制できる。
【0061】
(1)本実施形態では、構成基板100に第1ディープ層15を形成した後、構成基板100上に構成層17aを配置して半導体基板10を構成している。このため、第1ディープ層15を構成するp型不純物が構成層17a(すなわち、電流分散層17)に影響することを抑制できる。したがって、電流分散層17を形成した際に電流分散層17の実効濃度が低下することを抑制でき、オン抵抗が増加することを抑制できる。
【0062】
(第1実施形態の変形例)
上記第1実施形態の変形例について説明する。上記第1実施形態において、第1ディープ層15は、第1長さL1が第2長さL2より短くなる濃度プロファイルとされるのであれば、詳細な濃度プロファイルの形状は適宜変更可能である。例えば、図4Aに示されるように、第1ディープ層15は、第2位置P2が第1位置P1と一致し、第1長さL1が0となる濃度プロファイルとされていてもよい。また、図4Bに示されるように、第1ディープ層15は、第2位置P2と第1位置P1との間に段差Cを有する濃度プロファイルとされていてもよい。
【0063】
(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。
【0064】
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を半導体スイッチング素子の一例として説明した。しかしながら、これは一例を示したに過ぎず、他の構造の半導体スイッチング素子、例えば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としてもよい。さらに、半導体装置は、MOSFET以外に、同様の構造のIGBTが形成された構成とされていてもよい。IGBTの場合、上記第1実施形態におけるn型の基板11をP型のコレクタ層に変更する以外は、上記第1実施形態で説明した縦型MOSFETと同様である。
【0065】
また、上記第1実施形態では、半導体基板10をSiCで構成した例について説明した。しかしながら、半導体基板10は、シリコン基板や他の化合物半導体基板等を用いて構成されていてもよい。
【0066】
さらに、上記第1実施形態では、第1ディープ層15がX軸方向に沿って延設されている例について説明したが、第1ディープ層15がY軸方向に延設されていてもよい。
【0067】
そして、上記第1実施形態では、構成層17aを形成した後にイオン注入を行うことで電流分散層17を形成する例について説明した。しかしながら、電流分散層17は、エピタキシャル成長で構成層17aを配置する際、不純物濃度を調整しながら構成層17aを配置することで形成されるようにしてもよい。すなわち、電流分散層17は、イオン注入ではなく、構成層17aを配置する工程で同時に形成されるようにしてもよい。
【0068】
さらに、上記第1実施形態において、第1ディープ層15を形成する前に構成層17aを配置して半導体基板10を構成し、半導体基板10に対してイオン注入を行うことで第1ディープ層15を形成するようにしてもよい。
【符号の説明】
【0069】
11 基板(高濃度層)
15 ディープ層
15a 高濃度領域
15b 低濃度領域
19 ドリフト層
21 ベース層
22 ソース領域(不純物領域)
25 トレンチ
26 ゲート絶縁膜
27 ゲート電極
29 上部電極(第1電極)
30 下部電極(第2電極)
P1 第1位置
P2 第2位置
P3 第3位置
図1
図2
図3A
図3B
図3C
図3D
図3E
図3F
図4A
図4B