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JP2015138960A - semiconductor device - Google Patents

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JP2015138960A
JP2015138960A JP2014011687A JP2014011687A JP2015138960A JP 2015138960 A JP2015138960 A JP 2015138960A JP 2014011687 A JP2014011687 A JP 2014011687A JP 2014011687 A JP2014011687 A JP 2014011687A JP 2015138960 A JP2015138960 A JP 2015138960A
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JP
Japan
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semiconductor device
insulating film
region
gate electrode
film
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JP2014011687A
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Japanese (ja)
Inventor
勝久 長尾
Katsuhisa Nagao
勝久 長尾
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Rohm Co Ltd
Original Assignee
Rohm Co Ltd
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Publication date
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Abstract

【課題】耐圧性に優れ、歩留まりよく製造することができる半導体装置を提供すること。【解決手段】SiCエピタキシャル層14の表層部に互いに間隔を空けて形成されたp−型ボディ領域17と、各p−型ボディ領域17の表層部に当該p−型ボディ領域17の周縁から間隔を空けて形成されたn+型ソース領域19と、p−型ボディ領域17に跨って形成され、各p−型ボディ領域17の周縁とn+型ソース領域19との間のチャネル領域22にゲート絶縁膜21を挟んで対向し、隣り合うp−型ボディ領域17間のJFET領域18で空洞部25によって選択的に分断されたゲート電極10と、当該空洞部25に形成され、ゲート絶縁膜21よりも厚い中間絶縁膜30とを含む、半導体装置1を製造する。【選択図】図3A semiconductor device having excellent pressure resistance and capable of being manufactured with a high yield is provided. A p-type body region is formed in a surface layer portion of a SiC epitaxial layer at a distance from each other, and a surface layer portion of each p-type body region is spaced from the periphery of the p-type body region. N + type source region 19 formed with a gap between each other and p − type body region 17, and gate insulation is performed on channel region 22 between the periphery of each p − type body region 17 and n + type source region 19. A gate electrode 10 that is opposed to and sandwiched by the cavity portion 25 in the JFET region 18 between the adjacent p − type body regions 17 across the film 21, is formed in the cavity portion 25, and is formed from the gate insulating film 21. The semiconductor device 1 including the thick intermediate insulating film 30 is manufactured. [Selection] Figure 3

Description

本発明は、SiCを用いた半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device using SiC.

特許文献1は、n型のSiC基板と、SiC基板上に形成されたn型SiCエピ層と、n型SiCエピ層の表層部に、間隔を空けて複数形成されたp型ベース領域と、各ベース領域の表層部に形成されたN型ソース領域とを含む半導体装置を開示している。当該半導体装置におけるゲート絶縁膜は、隣り合うベース領域の間に跨って形成されており、このゲート絶縁膜上にゲート電極が形成されている。ゲート電極は、ゲート絶縁膜を挟んで各ボディ領域に対向している。ソース領域には、ソース電極が電気的に接続されている。一方、ドレイン電極は、SiC基板の裏面側に形成されている。これにより、ソース電極およびドレイン電極が、SiC基板の主面に垂直な縦方向に配置された縦型構造のパワーデバイスが構成されている。 Patent Document 1 discloses an n + -type SiC substrate, an n -type SiC epi layer formed on the SiC substrate, and a p-type base formed on the surface layer portion of the n -type SiC epi layer at intervals. A semiconductor device including a region and an N + type source region formed in a surface layer portion of each base region is disclosed. The gate insulating film in the semiconductor device is formed across adjacent base regions, and a gate electrode is formed on the gate insulating film. The gate electrode is opposed to each body region with the gate insulating film interposed therebetween. A source electrode is electrically connected to the source region. On the other hand, the drain electrode is formed on the back side of the SiC substrate. Thereby, a power device having a vertical structure in which the source electrode and the drain electrode are arranged in the vertical direction perpendicular to the main surface of the SiC substrate is configured.

ソース電極とドレイン電極との間(ソース−ドレイン間)に電圧を印加した状態で、ゲート電極に閾値以上の電圧が印加されることにより、ゲート電極からの電界によりボディ領域におけるゲート絶縁膜との界面近傍にチャネルが形成される。これにより、ソース電極とドレイン電極との間に電流が流れ、パワーデバイスがオン状態となる。   In a state where a voltage is applied between the source electrode and the drain electrode (between the source and the drain), a voltage higher than a threshold value is applied to the gate electrode, so that an electric field from the gate electrode causes a contact with the gate insulating film in the body region. A channel is formed near the interface. Thereby, a current flows between the source electrode and the drain electrode, and the power device is turned on.

特開2003−347548号公報JP 2003-347548 A

特許文献1のような半導体装置では、半導体装置がオフの状態(つまり、ゲート電圧が0Vの状態)において、ソース領域と、ドレインとして機能するSiC基板に当該SiC基板が(+)側となる電圧が印加されると、互いに隣り合うボディ領域の間では、ゲート電極(0V)を基準として、高い電位の等電位面が分布する。
この等電位面は、他の領域における等電位面に比して狭い間隔を有しているので、ゲート電極とSiC基板との間に介在するゲート絶縁膜に大きな電界がかかる。したがって、ソース−ドレイン間にデバイス耐圧ほどの電圧が印加され続けると、ゲート絶縁膜は、電界集中に耐え切れず、絶縁破壊を起こす恐れがある。
In a semiconductor device such as Patent Document 1, when the semiconductor device is in an off state (that is, in a state where the gate voltage is 0 V), a voltage at which the SiC substrate is on the (+) side of the SiC substrate functioning as a source region and a drain. Is applied, equipotential surfaces with a high potential are distributed between the adjacent body regions with reference to the gate electrode (0 V).
Since the equipotential surface is narrower than the equipotential surface in other regions, a large electric field is applied to the gate insulating film interposed between the gate electrode and the SiC substrate. Therefore, if a voltage as high as the device breakdown voltage is continuously applied between the source and the drain, the gate insulating film cannot withstand the electric field concentration and may cause a dielectric breakdown.

また、このような問題は、高温の環境下でデバイス耐圧を検査する高温逆バイアス(HTRB:High Temperature Reverse Bias)試験において、歩留りの低下の原因にもなっている。
そこで、本発明は、耐圧性に優れ、歩留まりよく製造することができる半導体装置を提供することを目的とする。
Such a problem also causes a decrease in yield in a high temperature reverse bias (HTRB) test for inspecting the device breakdown voltage in a high temperature environment.
Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor device that has excellent pressure resistance and can be manufactured with high yield.

上記目的を達成するための請求項1に記載の発明は、第1導電型のSiC半導体層と、記SiC半導体層の表層部に互いに間隔を空けて形成された第2導電型の複数のボディ領域と、各前記ボディ領域の表層部に前記ボディ領域の周縁から間隔を空けて形成された第1導電型のソース領域と、前記複数のボディ領域に跨って形成され、各前記ボディ領域の周縁と前記ソース領域との間のチャネル領域にゲート絶縁膜を挟んで対向し、隣り合う前記ボディ領域の間の中間領域で空洞部によって選択的に分断されたゲート電極と、前記空洞部に形成され、前記ゲート絶縁膜よりも厚い中間絶縁膜とを含む、半導体装置である。   In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is the first conductivity type SiC semiconductor layer and the plurality of second conductivity type bodies formed on the surface layer portion of the SiC semiconductor layer at intervals from each other. A first conductivity type source region formed on the surface layer of each body region at a distance from the periphery of the body region, and a periphery of each of the body regions. And a gate electrode that is opposed to the channel region between the source region and the gate region, and is selectively divided by a cavity in an intermediate region between adjacent body regions, and formed in the cavity A semiconductor device including an intermediate insulating film thicker than the gate insulating film.

この構成によれば、半導体装置は、ソース領域と、SiC半導体層におけるドレインとして機能し得る領域とが、ボディ領域を挟んで縦方向に配置された縦型構造を有している。
また、この構成によれば、ゲート電極は空洞部によって分断されており、当該空洞部にゲート絶縁膜よりも厚い中間絶縁膜が形成されている。そのため、半導体装置がオフの状態(つまり、ゲート電極が0Vの状態)において、ソース領域と、SiC半導体層が(+)側となる電圧(たとえば、1200V)が印加されたとしても、空洞部にはゲート電極が存在しないので、当該空洞部が等電位面の基準位置となることはない。これにより、中間領域における電位の等電位面の分布を変えることができる。その結果、当該中間領域に高い電界がかかることを緩和できる。さらに、電界を緩和できる領域に厚い中間絶縁膜が形成されているので、中間領域における絶縁破壊を効果的に抑制できる。その結果、耐圧性に優れ、歩留まりよく製造することができる半導体装置を提供できる。
According to this configuration, the semiconductor device has a vertical structure in which the source region and the region that can function as the drain in the SiC semiconductor layer are arranged in the vertical direction with the body region interposed therebetween.
According to this configuration, the gate electrode is divided by the cavity, and the intermediate insulating film thicker than the gate insulating film is formed in the cavity. Therefore, even when a voltage (for example, 1200 V) at which the source region and the SiC semiconductor layer are on the (+) side is applied in a state where the semiconductor device is off (that is, a state where the gate electrode is 0 V), Since the gate electrode does not exist, the cavity does not become the reference position of the equipotential surface. Thereby, the distribution of the equipotential surface of the potential in the intermediate region can be changed. As a result, it is possible to mitigate the application of a high electric field to the intermediate region. Furthermore, since the thick intermediate insulating film is formed in the region where the electric field can be relaxed, the dielectric breakdown in the intermediate region can be effectively suppressed. As a result, a semiconductor device that has excellent pressure resistance and can be manufactured with high yield can be provided.

また、この構成によれば、チャネル領域上にゲート電極が形成されているので、MISFET(Metal Insulator Field effect Transistor)のオン動作に支障をきたすことはない。さらに、空洞部によりゲート電極の面積(より具体的には、ゲート電極の表面とSiC半導体層の表面とが対向する対向面積)を小さくできる。これにより、SiC半導体層およびゲート電極間の容量を低減できる。   In addition, according to this configuration, since the gate electrode is formed on the channel region, the MISFET (Metal Insulator Field Effect Transistor) does not hinder the on operation. Furthermore, the area of the gate electrode (more specifically, the facing area where the surface of the gate electrode and the surface of the SiC semiconductor layer face each other) can be reduced by the cavity. Thereby, the capacity | capacitance between a SiC semiconductor layer and a gate electrode can be reduced.

請求項2に記載の発明は、前記ゲート電極の前記空洞部は、前記中間領域の中央部上に形成されている、請求項1に記載の半導体装置である。
この構成によれば、中間領域の中央部上に中間絶縁膜が形成されている。電位の等電位面は、中間領域の中央部が最も高くなり易い。したがって、電界が最も高くなり易い中間領域の中央部上に中間絶縁膜を形成することにより、当該中間領域における絶縁破壊を効果的に抑制できる。
The invention according to claim 2 is the semiconductor device according to claim 1, wherein the hollow portion of the gate electrode is formed on a central portion of the intermediate region.
According to this configuration, the intermediate insulating film is formed on the central portion of the intermediate region. The equipotential surface of the potential tends to be highest at the center of the intermediate region. Therefore, by forming the intermediate insulating film on the central portion of the intermediate region where the electric field is most likely to be highest, the dielectric breakdown in the intermediate region can be effectively suppressed.

請求項3に記載の発明のように、前記複数のボディ領域は、一端および他端を有するストライプ状に形成されており、前記ゲート電極は、前記ボディ領域の前記一端および/または前記他端において、隣り合う前記ボディ領域に跨っている、請求項1または2に記載の半導体装置である。
この構成によれば、中間絶縁膜は、ボディ領域(中間領域)のストライプ方向に沿って形成されている。したがって、中間領域のストライプ方向に沿って、当該中間領域における電位の等電位面の分布を変えることができる。これにより、中間領域のストライプ方向に沿う広い範囲で電界がかかることを緩和できる。その結果、中間領域における絶縁破壊をより一層抑制できる。
According to a third aspect of the present invention, the plurality of body regions are formed in a stripe shape having one end and the other end, and the gate electrode is formed at the one end and / or the other end of the body region. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device straddles adjacent body regions.
According to this configuration, the intermediate insulating film is formed along the stripe direction of the body region (intermediate region). Therefore, the equipotential surface distribution of the potential in the intermediate region can be changed along the stripe direction of the intermediate region. This can alleviate the application of an electric field in a wide range along the stripe direction of the intermediate region. As a result, dielectric breakdown in the intermediate region can be further suppressed.

請求項4に記載の発明は、前記ゲート電極の前記空洞部は、各前記ボディ領域と前記中間領域との境界から間隔を隔てて、前記中間領域の内方に収まるように形成されている、請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体装置である。
この構成によれば、ゲート電極を、ソース領域、ボディ領域およびSiC半導体層と確実に対向させることができる。よって、ゲート電極とチャネル領域とを確実に対向させることができるので、MISFETのオン動作をより良好にすることができる。
According to a fourth aspect of the present invention, the cavity of the gate electrode is formed so as to be inward of the intermediate region at a distance from a boundary between the body region and the intermediate region. It is a semiconductor device as described in any one of Claims 1-3.
According to this configuration, the gate electrode can be reliably opposed to the source region, the body region, and the SiC semiconductor layer. Therefore, since the gate electrode and the channel region can be reliably opposed to each other, the ON operation of the MISFET can be further improved.

請求項5に記載の発明は、前記中間領域は、0.1μm〜50μmの幅を有している、請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体装置である。
中間領域の幅が広くなるにつれて、当該中間領域に高い電位の等電位面が分布する傾向がある。その一方で、中間領域が狭すぎると、当該中間領域の抵抗値が高くなる。したがって、この構成によれば、中間領域に高い電位の等電位面が分布することを抑制しつつ、良好な抵抗値を実現できる。
The invention according to claim 5 is the semiconductor device according to claim 1, wherein the intermediate region has a width of 0.1 μm to 50 μm.
As the width of the intermediate region increases, high potential equipotential surfaces tend to be distributed in the intermediate region. On the other hand, if the intermediate region is too narrow, the resistance value of the intermediate region becomes high. Therefore, according to this configuration, it is possible to realize a good resistance value while suppressing the equipotential surface having a high potential from being distributed in the intermediate region.

請求項6に記載の発明は、前記中間絶縁膜は、前記ゲート絶縁膜の2倍以上の厚さを有している、請求項1〜5のいずれか一項に記載の半導体装置である。
この構成によれば、中間領域における絶縁破壊をより一層抑制できる。
請求項7に記載の発明は、前記中間絶縁膜は、SiO膜を含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載の半導体装置である。
A sixth aspect of the present invention is the semiconductor device according to any one of the first to fifth aspects, wherein the intermediate insulating film has a thickness twice or more that of the gate insulating film.
According to this configuration, dielectric breakdown in the intermediate region can be further suppressed.
A seventh aspect of the present invention is the semiconductor device according to any one of the first to sixth aspects, wherein the intermediate insulating film includes a SiO 2 film.

この構成によれば、SiO膜は、リフロー時において良好に溶融するので、空洞部にSiO膜を良好に埋め込むことができる。
請求項8に記載の発明は、前記SiO膜は、P(リン)イオンを含むことが好ましい。
この構成によれば、中間絶縁膜は、PSG(Phosphorus Silicon Glass)膜を含む。PSG膜は、リフロー(たとえば、1000℃程度)時において良好に溶融する。よって、空洞部にPSG膜を良好に埋め込むことができる。
According to this configuration, the SiO 2 film melts satisfactorily at the time of reflow, and therefore the SiO 2 film can be satisfactorily embedded in the cavity.
In the invention according to claim 8, the SiO 2 film preferably contains P (phosphorus) ions.
According to this configuration, the intermediate insulating film includes a PSG (Phosphorus Silicon Glass) film. The PSG film melts well during reflow (for example, about 1000 ° C.). Therefore, the PSG film can be satisfactorily embedded in the cavity.

請求項9に記載の発明は、前記SiO膜は、B(ホウ素)イオンをさらに含む、請求項8に記載の半導体装置である。
この構成によれば、中間絶縁膜は、BPSG(Boron Phosphorus Silicon Glass)膜を含む。BPSG膜は、PSG膜よりも低い温度(たとえば、800℃程度)で溶融する。よって、空洞部にBPSG膜をより一層良好に埋め込むことができる。
The invention according to claim 9 is the semiconductor device according to claim 8, wherein the SiO 2 film further contains B (boron) ions.
According to this configuration, the intermediate insulating film includes a BPSG (Boron Phosphorus Silicon Glass) film. The BPSG film melts at a lower temperature (for example, about 800 ° C.) than the PSG film. Therefore, the BPSG film can be embedded more satisfactorily in the cavity.

請求項10に記載の発明は、前記中間絶縁膜は、SiOよりも誘電率の高い絶縁材料膜を含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載の半導体装置である。
この構成によれば、中間領域における絶縁破壊をより一層抑制できる。
請求項11に記載の発明のように、前記中間絶縁膜は、AlまたはSiNからなることが好ましい。
A tenth aspect of the present invention is the semiconductor device according to any one of the first to sixth aspects, wherein the intermediate insulating film includes an insulating material film having a dielectric constant higher than that of SiO 2 .
According to this configuration, dielectric breakdown in the intermediate region can be further suppressed.
As in the eleventh aspect of the present invention, the intermediate insulating film is preferably made of Al 2 O 3 or SiN.

請求項12に記載の発明は、前記絶縁材料膜は、SiO膜およびAl膜がこの順で積層された積層構造を含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載の半導体装置である。
この構成によれば、SiC半導体層と中間絶縁膜とが接する部分(接続界面)はSiO膜で形成されているので、チャネル領域を流れるキャリアのチャネル移動度を向上できる。その一方で、SiO膜上には当該SiO膜よりも高い誘電率を有するAl膜が形成されているので、当該Al膜で高誘電率を確保できる。これにより、中間領域における絶縁破壊をより一層抑制できる。なお、SiO膜およびAl膜は、複数周期に亘って積層されていてもよい。
The invention according to claim 12 is the semiconductor according to any one of claims 1 to 6, wherein the insulating material film includes a stacked structure in which an SiO 2 film and an Al 2 O 3 film are stacked in this order. Device.
According to this configuration, the portion where the SiC semiconductor layer and the intermediate insulating film are in contact (connection interface) is formed of the SiO 2 film, so that the channel mobility of carriers flowing in the channel region can be improved. Meanwhile, since the on the SiO 2 film an Al 2 O 3 film having a dielectric constant higher than that of the SiO 2 film is formed, a high dielectric constant can be secured in the the Al 2 O 3 film. Thereby, the dielectric breakdown in the intermediate region can be further suppressed. Note that the SiO 2 film and the Al 2 O 3 film may be laminated over a plurality of periods.

請求項13に記載の発明は、前記中間絶縁膜は、SiO膜およびSiN膜がこの順で積層された積層構造を含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載の半導体装置である。
この構成によれば、SiC半導体層と中間絶縁膜とが接する部分(接続界面)はSiO膜で形成されているので、チャネル領域を流れるキャリアのチャネル移動度を向上できる。その一方で、SiO膜上には当該SiO膜よりも高い誘電率を有するSiN膜が形成されているので、当該SiN膜で高誘電率を確保できる。これにより、中間領域における絶縁破壊をより一層抑制できる。なお、SiO膜およびSiN膜は、複数周期に亘って積層されていてもよい。
The invention according to claim 13 is the semiconductor device according to any one of claims 1 to 6, wherein the intermediate insulating film includes a laminated structure in which an SiO 2 film and an SiN film are laminated in this order. .
According to this configuration, the portion where the SiC semiconductor layer and the intermediate insulating film are in contact (connection interface) is formed of the SiO 2 film, so that the channel mobility of carriers flowing in the channel region can be improved. Meanwhile, since the on SiO 2 film are formed SiN film having a dielectric constant higher than that of the SiO 2 film can ensure a high dielectric constant in the SiN film. Thereby, the dielectric breakdown in the intermediate region can be further suppressed. Note that the SiO 2 film and the SiN film may be stacked over a plurality of periods.

請求項14に記載の発明のように、前記ゲート電極は、ポリシリコンからなることが好ましい。
請求項15に記載の発明は、前記ポリシリコンは、B(ホウ素)イオンを含む、請求項14に記載の半導体装置である。
この構成によれば、チャネルの形成に必要なゲート電圧のしきい電圧(VGS(th))を低くできる。
Preferably, the gate electrode is made of polysilicon.
The invention according to claim 15 is the semiconductor device according to claim 14, wherein the polysilicon includes B (boron) ions.
According to this configuration, the threshold voltage (V GS (th) ) of the gate voltage necessary for forming the channel can be lowered.

請求項16に記載の発明は、前記ゲート電極は、金属材料からなる、請求項1〜13のいずれか一項に記載の半導体装置である。
この構成によれば、ポリシリコンを用いてゲート電極を形成するよりもゲート電極の抵抗値を小さくできる。これにより、ゲート電極の膜厚をより一層薄くできるので、空洞部に中間絶縁膜を良好に埋め込むことができる。
The invention according to claim 16 is the semiconductor device according to any one of claims 1 to 13, wherein the gate electrode is made of a metal material.
According to this configuration, the resistance value of the gate electrode can be made smaller than when the gate electrode is formed using polysilicon. Thereby, since the film thickness of the gate electrode can be further reduced, the intermediate insulating film can be satisfactorily embedded in the cavity.

請求項17に記載の発明のように、前記金属材料は、Al,Cu,またはAlCuからなることが好ましい。
請求項18に記載の発明は、前記ゲート電極は、2μm以下の厚さを有している、請求項1〜17のいずれか一項に記載の半導体装置である。
この構成によれば、空洞部に中間絶縁膜を良好に埋め込むことができる。
Preferably, the metal material is made of Al, Cu, or AlCu.
The invention according to claim 18 is the semiconductor device according to claim 1, wherein the gate electrode has a thickness of 2 μm or less.
According to this configuration, the intermediate insulating film can be satisfactorily embedded in the cavity.

請求項19に記載の発明のように、各前記ボディ領域は、<11−20>軸方向に沿って形成されていることが好ましい。
請求項20に記載の発明は、前記ゲート絶縁膜は、前記チャネル領域上に第1の厚さを有し、前記第1の厚さよりも厚い第2の厚さを前記ソース領域上に有している、請求項1〜19のいずれか一項に記載の半導体装置である。
As in the nineteenth aspect of the present invention, each body region is preferably formed along the <11-20> axial direction.
According to a twentieth aspect of the present invention, the gate insulating film has a first thickness on the channel region, and a second thickness larger than the first thickness on the source region. A semiconductor device according to any one of claims 1 to 19.

この構成によれば、ゲート絶縁膜に電界がかかったときに、ソース領域に接するゲート絶縁膜における電界を効果的に緩和できる。これにより、ソース領域上におけるゲート絶縁膜の絶縁破壊を効果的に抑制できる。
請求項21に記載の発明は、前記ゲート絶縁膜の前記第2の厚さは、前記第1の厚さの2.03倍以上である、請求項20に記載の半導体装置である。
According to this configuration, when an electric field is applied to the gate insulating film, the electric field in the gate insulating film in contact with the source region can be effectively reduced. Thereby, the dielectric breakdown of the gate insulating film on the source region can be effectively suppressed.
The invention according to claim 21 is the semiconductor device according to claim 20, wherein the second thickness of the gate insulating film is 2.03 times or more of the first thickness.

この構成によれば、ソース領域に接するゲート絶縁膜の長期信頼性を向上させることができる。これにより、ソース領域に接するゲート絶縁膜の長期信頼性によって、ゲート絶縁膜全体の長期信頼性をより一層向上できる。
請求項22に記載の発明のように、前記チャネル領域上に形成された前記ゲート絶縁膜は、1μm以下の厚さを有していることが好ましい。
According to this configuration, the long-term reliability of the gate insulating film in contact with the source region can be improved. Thereby, the long-term reliability of the entire gate insulating film can be further improved by the long-term reliability of the gate insulating film in contact with the source region.
Preferably, the gate insulating film formed on the channel region has a thickness of 1 μm or less.

請求項23に記載の発明は、前記ゲート電極を覆うように前記SiC半導体層上に形成され、前記空洞部に埋め込まれた層間絶縁膜をさらに含み、前記中間絶縁膜は、前記層間絶縁膜の埋め込み部分を利用して形成されている、請求項1〜22のいずれか一項に記載の半導体装置である。
この構成によれば、層間絶縁膜を形成する工程を利用して中間絶縁膜を形成できる。よって、製造容易な半導体装置を提供できる。
The invention according to claim 23 further includes an interlayer insulating film formed on the SiC semiconductor layer so as to cover the gate electrode and embedded in the cavity, wherein the intermediate insulating film is formed of the interlayer insulating film. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is formed using a buried portion.
According to this configuration, the intermediate insulating film can be formed using the step of forming the interlayer insulating film. Therefore, a semiconductor device that can be easily manufactured can be provided.

請求項24に記載の発明は、前記層間絶縁膜の前記空洞部への埋め込み量は、前記層間絶縁膜の前記ゲート電極上の部分の厚さと略等しい、請求項23に記載の半導体装置である。
請求項25に記載の発明は、前記ゲート電極の上端部には、5度以上のテーパ角が形成されている、請求項1〜24のいずれか一項に記載の半導体装置である。
The invention according to claim 24 is the semiconductor device according to claim 23, wherein an amount of the interlayer insulating film embedded in the cavity is substantially equal to a thickness of a portion of the interlayer insulating film on the gate electrode. .
The invention according to claim 25 is the semiconductor device according to any one of claims 1 to 24, wherein a taper angle of 5 degrees or more is formed at an upper end portion of the gate electrode.

この構成によれば、空洞部に絶縁膜を良好に埋め込むことができる。   According to this configuration, the insulating film can be satisfactorily embedded in the cavity.

図1は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置の模式的な平面図である。FIG. 1 is a schematic plan view of a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 図2は、図1に係る半導体装置のゲート電極および単位セルの配列を示す拡大図である。FIG. 2 is an enlarged view showing the arrangement of gate electrodes and unit cells of the semiconductor device according to FIG. 図3(a)は、図2の切断面線IIIa−IIIaから見た断面図であり、図3(b)は、図2の切断面線IIIb−IIIbから見た断面図である。3A is a cross-sectional view seen from the section line IIIa-IIIa in FIG. 2, and FIG. 3B is a cross-sectional view seen from the section line IIIb-IIIb in FIG. 図4は、SiO,SiCおよびSiの絶縁破壊時の電界強度の関係を示す表である。FIG. 4 is a table showing the relationship between the electric field strengths at the time of dielectric breakdown of SiO 2 , SiC and Si. 図5は、ウエハ状態におけるSiC基板およびSiCエピタキシャル層の概略図である。FIG. 5 is a schematic view of the SiC substrate and the SiC epitaxial layer in the wafer state. 図6は、4H−SiCの結晶構造のユニットセルを表した模式図である。FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a unit cell having a crystal structure of 4H—SiC. 図7は、図6のユニットセルを(0001)面の真上からみた図である。FIG. 7 is a view of the unit cell of FIG. 6 as viewed from directly above the (0001) plane. 図8は、図1に示す半導体装置の製造工程の一例を説明するためのフローチャートである。FIG. 8 is a flowchart for explaining an example of the manufacturing process of the semiconductor device shown in FIG. 図9は、本発明の第2実施形態に係る半導体装置の模式的な断面図である。FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. 図10は、本発明の第3実施形態に係る半導体装置の模式的な断面図である。FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. 図11は、変形例に係る半導体装置の模式的な拡大平面図である。FIG. 11 is a schematic enlarged plan view of a semiconductor device according to a modification.

以下では、本発明の実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置1の模式的な平面図である。
半導体装置1は、たとえば600V〜10000Vの耐圧を有するSiCが採用されたプレーナゲート型のVDMISFET(Vertical double diffused Metal Insulator Field effect Transistor)2を含む。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a schematic plan view of a semiconductor device 1 according to the first embodiment of the present invention.
The semiconductor device 1 includes a planar gate type VDMISFET (Vertical double diffused Metal Insulator Field Effect Transistor) 2 in which SiC having a withstand voltage of, for example, 600 V to 10000 V is employed.

半導体装置1は、図1の平面視において、一対の長辺1aおよび一対の短辺1bを含む略長方形状に形成されている。半導体装置1の長辺1aに沿う長手方向の一端部には平面視略長方形状のゲートパッド3が形成されており、当該ゲートパッド3の周囲を取り囲むようにVDMISFET2を含むアクティブ領域4が形成されている。
ゲートパッド3は、半導体装置1の短辺1bに沿って形成された一対の長辺3a、および半導体装置1の長辺1aに沿って形成された一対の短辺3bを含む。ゲートパッド3には、当該ゲートパッド3の周縁に沿って複数のコンタクト5が互いに間隔を空けて形成されている。コンタクト5は、ゲートパッド3の各長辺3aの長手方向両端部、および各短辺3bの長手方向中央部にそれぞれ形成されており、各コンタクト5にゲート配線6が電気的に接続されている。
The semiconductor device 1 is formed in a substantially rectangular shape including a pair of long sides 1a and a pair of short sides 1b in a plan view of FIG. A gate pad 3 having a substantially rectangular shape in plan view is formed at one end in the longitudinal direction along the long side 1 a of the semiconductor device 1, and an active region 4 including the VDMISFET 2 is formed so as to surround the periphery of the gate pad 3. ing.
The gate pad 3 includes a pair of long sides 3 a formed along the short side 1 b of the semiconductor device 1 and a pair of short sides 3 b formed along the long side 1 a of the semiconductor device 1. A plurality of contacts 5 are formed on the gate pad 3 at intervals along the periphery of the gate pad 3. The contacts 5 are formed at both ends in the longitudinal direction of the long sides 3 a of the gate pad 3 and at the central portion in the longitudinal direction of the short sides 3 b, respectively, and the gate wiring 6 is electrically connected to the contacts 5. .

ゲート配線6は、ゲートパッド3の各長辺3aにおける各コンタクト5と接続された第1配線7と、ゲートパッド3の各短辺3bにおける各コンタクト5と接続された第2配線8とを含む。各第1配線7は、各コンタクト5から半導体装置1の短辺1bに直交する方向に、互いに並走するように形成されている。一方、各第2配線8は、ゲートパッド3の各短辺3bに沿って形成されている。第1配線7および第2配線8には、複数のゲート電極10が一体的に連なるように形成されている。   The gate wiring 6 includes a first wiring 7 connected to each contact 5 on each long side 3 a of the gate pad 3 and a second wiring 8 connected to each contact 5 on each short side 3 b of the gate pad 3. . The first wires 7 are formed so as to run in parallel with each other in the direction orthogonal to the short side 1 b of the semiconductor device 1 from each contact 5. On the other hand, each second wiring 8 is formed along each short side 3 b of the gate pad 3. A plurality of gate electrodes 10 are integrally formed on the first wiring 7 and the second wiring 8.

複数のゲート電極10は、ゲート配線6に直交する方向に形成されており、互いに間隔を空けてストライプ状に配列されている。以下では、このゲート電極10が配列されている方向を「ゲート電極10のストライプ方向」ということにする。ゲート電極10には、ゲート電極10のストライプ方向に沿って形成されたVDMISFET2が電気的に接続されている。すなわち、本実施形態では、ストライプ状のVDMISFET2が形成されている。以下、図2および図3を参照して、VDMISFET2の構造について、より具体的に説明する。   The plurality of gate electrodes 10 are formed in a direction perpendicular to the gate wiring 6, and are arranged in a stripe pattern with a space between each other. Hereinafter, the direction in which the gate electrodes 10 are arranged is referred to as “the stripe direction of the gate electrodes 10”. A VDMISFET 2 formed along the stripe direction of the gate electrode 10 is electrically connected to the gate electrode 10. That is, in the present embodiment, a striped VDMISFET 2 is formed. Hereinafter, the structure of the VDMISFET 2 will be described more specifically with reference to FIG. 2 and FIG.

図2は、図1に係る半導体装置1のゲート電極10および単位セル11の配列を示す拡大図である。図3(a)は、図2の切断面線IIIa−IIIaから見た断面図であり、図3(b)は、図2の切断面線IIIb−IIIbから見た断面図である。なお、図2では、説明の便宜上、ゲート配線6およびゲート電極10をハッチングで示している。
図3に示すように、半導体装置1は、SiC半導体層12を含む。SiC半導体層12は、n型SiC基板13と、n型SiC基板13上に積層され、n型SiC基板13よりも低濃度のSiCエピタキシャル層14とを含む。SiCエピタキシャル層14は、n型SiC基板13の表面にSiCをエピタキシャル成長させることによって形成されており、半導体装置1のドリフト層(ドレイン層)として機能する。
FIG. 2 is an enlarged view showing the arrangement of the gate electrodes 10 and the unit cells 11 of the semiconductor device 1 according to FIG. 3A is a cross-sectional view seen from the section line IIIa-IIIa in FIG. 2, and FIG. 3B is a cross-sectional view seen from the section line IIIb-IIIb in FIG. In FIG. 2, for convenience of explanation, the gate wiring 6 and the gate electrode 10 are indicated by hatching.
As shown in FIG. 3, the semiconductor device 1 includes a SiC semiconductor layer 12. SiC semiconductor layer 12 includes an n + -type SiC substrate 13, is stacked on the n + -type SiC substrate 13, than the n + -type SiC substrate 13 and the low concentration of the SiC epitaxial layer 14. The SiC epitaxial layer 14 is formed by epitaxially growing SiC on the surface of the n + -type SiC substrate 13 and functions as a drift layer (drain layer) of the semiconductor device 1.

型SiC基板13の不純物濃度は、たとえば1×1017cm−3〜1×1021cm−3であり、SiCエピタキシャル層14の不純物濃度は、たとえば1×1014cm−3〜1×1017cm−3である。n型の不純物としては、たとえば、N(窒素)、P(リン)、As(ひ素)等を使用できる(以下、同じ)。SiCエピタキシャル層14の表層部には、p型ボディ接続領域16およびp型ボディ領域17が一体的に形成されている。 The impurity concentration of n + type SiC substrate 13 is, for example, 1 × 10 17 cm −3 to 1 × 10 21 cm −3 , and the impurity concentration of SiC epitaxial layer 14 is, for example, 1 × 10 14 cm −3 to 1 ×. 10 17 cm −3 . As the n-type impurity, for example, N (nitrogen), P (phosphorus), As (arsenic) or the like can be used (hereinafter the same). A p type body connection region 16 and a p type body region 17 are integrally formed on the surface layer portion of SiC epitaxial layer 14.

型ボディ接続領域16は、図2および図3(a)に示すように、ゲート配線6に沿って形成されている。p型ボディ接続領域16は、ゲート配線6よりも幅広に形成されており、当該ゲート配線6を下方側から覆うように形成されている。
一方、p型ボディ領域17は、図2および図3(b)に示すように、ゲート電極10のストライプ方向に沿って互いに間隔を空けて複数形成されている。各p型ボディ領域17の長手方向における一端部および/または他端部は、図2に示すように、p型ボディ接続領域16と一体的に連なるように形成されている。互いに隣り合う各p型ボディ領域17間におけるSiCエピタキシャル層14は、中間領域としてのJFET(Junction Field Effect Transistor)領域18である。
The p type body connection region 16 is formed along the gate wiring 6 as shown in FIG. 2 and FIG. The p type body connection region 16 is formed wider than the gate wiring 6 and is formed so as to cover the gate wiring 6 from below.
On the other hand, as shown in FIGS. 2 and 3B, a plurality of p type body regions 17 are formed at intervals from each other along the stripe direction of the gate electrode 10. One end and / or the other end in the longitudinal direction of each p type body region 17 is formed so as to be integrated with the p type body connection region 16 as shown in FIG. The SiC epitaxial layer 14 between the p - type body regions 17 adjacent to each other is a JFET (Junction Field Effect Transistor) region 18 as an intermediate region.

JFET領域18の幅WJは、たとえば0.1μm〜50μm(本実施形態では、2.6μm)であることが好ましい。JFET領域18が広くなるにつれて、ゲート電極10がオフ状態の時、当該JFET領域18に高い電位の等電位面が分布する傾向にある。その一方で、JFET領域18が狭すぎると、JFET領域18の抵抗値が高くなる。したがって、この数値の範囲内であれば、JFET領域18に高い電位の等電位面が分布することを抑制しつつ、良好な抵抗値を実現できる。   The width WJ of the JFET region 18 is preferably 0.1 μm to 50 μm (in this embodiment, 2.6 μm), for example. As the JFET region 18 becomes wider, high potential equipotential surfaces tend to be distributed in the JFET region 18 when the gate electrode 10 is in the OFF state. On the other hand, if the JFET region 18 is too narrow, the resistance value of the JFET region 18 increases. Therefore, within this numerical value range, it is possible to realize a good resistance value while suppressing the distribution of a high potential equipotential surface in the JFET region 18.

型ボディ接続領域16およびp型ボディ領域17の深さ(SiCエピタキシャル層14の表面から厚さ方向に向かう深さのことをいう。以下、同じ。)は、たとえば0.1μm〜10μmである。また、p型ボディ接続領域16およびp型ボディ領域17の不純物濃度は、たとえば1×1014cm−3〜1×1019cm−3である。p型の不純物としては、たとえば、B(ホウ素)、Al(アルミニウム)等を使用できる(以下、同じ)。p型ボディ領域17の表層部には、n型ソース領域19と、p型ボディコンタクト領域20とが形成されている。 The depth of p type body connection region 16 and p type body region 17 (which refers to the depth from the surface of SiC epitaxial layer 14 in the thickness direction; the same applies hereinafter) is, for example, 0.1 μm to 10 μm. It is. The impurity concentration of p type body connection region 16 and p type body region 17 is, for example, 1 × 10 14 cm −3 to 1 × 10 19 cm −3 . As the p-type impurity, for example, B (boron), Al (aluminum), or the like can be used (hereinafter the same). An n + type source region 19 and a p + type body contact region 20 are formed in the surface layer portion of the p type body region 17.

型ソース領域19は、図2および図3(b)に示すように、ゲート電極10のストライプ方向に沿って形成されており、p型ボディ領域17の周縁から間隔を空けて平面視長方形の環状に形成されている。n型ソース領域19は、p型ボディ領域17よりも浅く形成されており、その深さは、たとえば0.05μm〜5μmである。また、n型ソース領域19の不純物濃度は、たとえば1×1017cm−3〜1×1021cm−3である。 The n + type source region 19 is formed along the stripe direction of the gate electrode 10 as shown in FIGS. 2 and 3B, and is viewed in plan view with a gap from the periphery of the p type body region 17. It is formed in a rectangular ring shape. The n + type source region 19 is formed shallower than the p type body region 17 and has a depth of 0.05 μm to 5 μm, for example. Further, the impurity concentration of the n + -type source region 19 is, for example, 1 × 10 17 cm −3 to 1 × 10 21 cm −3 .

型ボディコンタクト領域20は、図2および図3(b)に示すように、ゲート電極10のストライプ方向に沿って形成されており、n型ソース領域19に取り囲まれた内方部(p型ボディ領域17の表層部の中央部)に平面視略長方形状に形成されている。p型ボディコンタクト領域20は、p型ボディ領域17よりも浅く、かつn型ソース領域19よりも深く形成されている。p型ボディコンタクト領域20の深さは、たとえば0.06μm〜6μmである。また、p型ボディコンタクト領域20の不純物濃度は、たとえば1×1014cm−3〜1×1021cm−3である。このp型ボディコンタクト領域20の中心を通る境界線によってゲート電極10のストライプ方向に延びる単位セル11が区画されている。SiCエピタキシャル層14の表面には、p型ボディ接続領域16、および各単位セル11に沿ってゲート絶縁膜21が形成されている。 As shown in FIGS. 2 and 3B, the p + type body contact region 20 is formed along the stripe direction of the gate electrode 10, and is formed in an inner part surrounded by the n + type source region 19 ( The p -type body region 17 is formed in a substantially rectangular shape in plan view on the center portion of the surface layer portion. The p + type body contact region 20 is shallower than the p type body region 17 and deeper than the n + type source region 19. The depth of p + type body contact region 20 is, for example, 0.06 μm to 6 μm. Further, the impurity concentration of the p + type body contact region 20 is, for example, 1 × 10 14 cm −3 to 1 × 10 21 cm −3 . A unit cell 11 extending in the stripe direction of the gate electrode 10 is defined by a boundary line passing through the center of the p + type body contact region 20. A gate insulating film 21 is formed on the surface of the SiC epitaxial layer 14 along the p type body connection region 16 and the unit cells 11.

ゲート絶縁膜21は、本実施形態では、SiO(酸化シリコン)からなるシリコン酸化膜である。p型ボディ接続領域16上に形成されたゲート絶縁膜21は、図3(a)に示すように、ゲート配線6よりも幅広に形成されている。つまり、ゲート配線6の全体は、ゲート絶縁膜21を挟んでp型ボディ接続領域16と対向している。一方、各単位セル11上に形成されたゲート絶縁膜21は、図3(b)に示すように、互いに隣り合うp型ボディ領域17に跨るように形成されている。より具体的には、ゲート絶縁膜21は、各p型ボディ領域17におけるn型ソース領域19を取り囲む部分、およびn型ソース領域19の外周部を覆うように形成されている。ゲート絶縁膜21は、一様な厚さで形成されており、その膜厚は、たとえば1μm以下であることが好ましい。 In the present embodiment, the gate insulating film 21 is a silicon oxide film made of SiO 2 (silicon oxide). The gate insulating film 21 formed on the p type body connection region 16 is formed wider than the gate wiring 6 as shown in FIG. That is, the entire gate wiring 6 faces the p type body connection region 16 with the gate insulating film 21 interposed therebetween. On the other hand, the gate insulating film 21 formed on each unit cell 11 is formed so as to straddle adjacent p type body regions 17 as shown in FIG. More specifically, the gate insulating film 21 is formed so as to cover a portion surrounding each n + type source region 19 in each p type body region 17 and an outer peripheral portion of the n + type source region 19. The gate insulating film 21 is formed with a uniform thickness, and the film thickness is preferably, for example, 1 μm or less.

ゲート電極10は、ゲート絶縁膜21を挟んで、チャネル領域22と対向している。より具体的には、ゲート電極10は、ゲート絶縁膜21を挟んで、p型ボディ領域17外のSiCエピタキシャル層14、p型ボディ領域17およびn型ソース領域19に跨がる領域に対向している。平面視において、ゲート電極10は、n型ソース領域19とp型ボディ領域17との境界線から、n型ソース領域19側へはみ出したオーバラップ部を含む。ストライプ方向に直交する方向において、ゲート電極10のオーバラップ部の幅は、たとえば0.05μm〜1μmである。 The gate electrode 10 faces the channel region 22 with the gate insulating film 21 interposed therebetween. More specifically, the gate electrode 10 is a region straddling the SiC epitaxial layer 14, the p type body region 17 and the n + type source region 19 outside the p type body region 17 with the gate insulating film 21 interposed therebetween. Opposite to. In plan view, gate electrode 10 includes an overlap portion that protrudes from the boundary between n + type source region 19 and p type body region 17 toward n + type source region 19. In the direction orthogonal to the stripe direction, the width of the overlap portion of the gate electrode 10 is, for example, 0.05 μm to 1 μm.

ゲート電極10(およびゲート配線6)は、たとえば2μm以下の膜厚を有している。また、ゲート電極10(およびゲート配線6)は、ポリシリコン、または金属材料からなる電極材料により形成されている。ゲート電極10にポリシリコンが採用される場合、当該ポリシリコンには、B(ホウ素)イオンが含まれていることが好ましい。これにより、チャネルの形成に必要なゲート電圧のしきい電圧(VGS(th))を低くできる。 The gate electrode 10 (and the gate wiring 6) has a film thickness of 2 μm or less, for example. The gate electrode 10 (and the gate wiring 6) is formed of an electrode material made of polysilicon or a metal material. When polysilicon is employed for the gate electrode 10, the polysilicon preferably contains B (boron) ions. Thereby, the threshold voltage (V GS (th) ) of the gate voltage necessary for forming the channel can be lowered.

一方、ゲート電極10に金属材料が採用される場合、当該金属材料は、Al(アルミニウム),Cu(銅)またはAlCu(アルミニウム銅)からなることが好ましい。これらの金属材料によれば、電極材料としてポリシリコンが採用される場合よりも、ゲート電極10の抵抗値を低減できる。そのため、ゲート電極10の膜厚をより一層薄く(たとえば0.1μm〜1μm)できる。互いに隣り合うp型ボディ領域17間の領域(JFET領域18)上における各ゲート電極10には、空洞部25が形成されている。 On the other hand, when a metal material is employed for the gate electrode 10, the metal material is preferably made of Al (aluminum), Cu (copper), or AlCu (aluminum copper). According to these metal materials, the resistance value of the gate electrode 10 can be reduced as compared with the case where polysilicon is employed as the electrode material. Therefore, the thickness of the gate electrode 10 can be further reduced (for example, 0.1 μm to 1 μm). A cavity 25 is formed in each gate electrode 10 on a region (JFET region 18) between adjacent p type body regions 17.

空洞部25は、ゲート電極10の電極材料が取り除かれ、ゲート電極10がゲート絶縁膜21を挟んでJFET領域18と対向しない領域である。各空洞部25は、図2に示すように、ゲート電極10のストライプ方向に沿って略長方形状に形成されている。また、各空洞部25は、当該ストライプ方向に直交する方向において、各p型ボディ領域17間の中心を通る境界線を横切る位置に形成されている。より具体的に、各空洞部25は、各p型ボディ領域17とJFET領域18との境界から間隔を隔てて、JFET領域18の内方に収まるように形成されている。各空洞部25は、互いに隣り合うp型ボディ領域17の中央部上に形成されていることが好ましい。各空洞部25のストライプ方向における一端部および/または他端部は、ゲート配線6に至るように形成されている。 The cavity 25 is a region where the electrode material of the gate electrode 10 is removed and the gate electrode 10 does not face the JFET region 18 with the gate insulating film 21 interposed therebetween. As shown in FIG. 2, each cavity 25 is formed in a substantially rectangular shape along the stripe direction of the gate electrode 10. Each cavity portion 25 is formed at a position crossing a boundary line passing through the center between the p type body regions 17 in a direction orthogonal to the stripe direction. More specifically, each cavity 25 is formed to be inward of JFET region 18 at a distance from the boundary between each p type body region 17 and JFET region 18. Each cavity 25 is preferably formed on the central part of p type body regions 17 adjacent to each other. One end and / or the other end in the stripe direction of each cavity 25 is formed to reach the gate wiring 6.

各空洞部25は、図3(b)に示すように、JFET領域18の幅WJ(=2.6μm)よりも幅狭に形成されており、その幅WDは、たとえば0.1μm〜2.4μm(本実施形態では、1.6μm)である。この空洞部25により、ゲート電極10は、平面視において、p型ボディ領域17とJFET領域18との境界線から、JFET領域18側へはみ出したオーバラップ部をさらに含む構成となる。これにより、n型ソース領域19とJFET領域18との間のp型ボディ領域17に対してゲート電極10を確実に対向させることができるので、p型ボディ領域17におけるチャネルの形成を確実に制御できる。すなわち、ゲート電極10がオン状態にされることにより、各単位セル11におけるJFET領域18に電流を流すことができる。より具体的には、SiCエピタキシャル層14からp型ボディ領域17におけるチャネル領域22を介してn型ソース領域19に流すことができる。チャネル領域22のチャネル長Lは、ゲート電極10の直下のp型ボディ領域17の幅によって定義され、たとえば0.05μm〜2μm(本実施形態では、0.65μm)である。 As shown in FIG. 3B, each cavity 25 is formed to be narrower than the width WJ (= 2.6 μm) of the JFET region 18, and the width WD is, for example, 0.1 μm to 2.. 4 μm (in this embodiment, 1.6 μm). Due to the hollow portion 25, the gate electrode 10 further includes an overlap portion that protrudes from the boundary line between the p type body region 17 and the JFET region 18 toward the JFET region 18 in a plan view. As a result, the gate electrode 10 can be reliably opposed to the p type body region 17 between the n + type source region 19 and the JFET region 18, so that the channel formation in the p type body region 17 can be performed. It can be reliably controlled. That is, when the gate electrode 10 is turned on, a current can be passed through the JFET region 18 in each unit cell 11. More specifically, it can flow from SiC epitaxial layer 14 to n + type source region 19 through channel region 22 in p type body region 17. The channel length L of the channel region 22 is defined by the width of the p type body region 17 directly below the gate electrode 10 and is, for example, 0.05 μm to 2 μm (in this embodiment, 0.65 μm).

SiCエピタキシャル層14上には、この空洞部25をゲート絶縁膜21上から埋め戻して、ゲート電極10を覆うように層間絶縁膜26が形成されている。空洞部25におけるゲート絶縁膜21上に形成された層間絶縁膜26は、ゲート電極10を覆うように形成された層間絶縁膜26と略等しい膜厚を有している。層間絶縁膜26の絶縁材料としては、SiOまたはSiOよりも誘電率の高い絶縁材料、たとえばAlまたはSiNを採用できる。なお、図3では、空洞部25(中間絶縁膜30)の構成をより明確に示す観点から、ゲート絶縁膜21上の層間絶縁膜26の膜厚を大きくして示している。 On the SiC epitaxial layer 14, an interlayer insulating film 26 is formed so as to cover the gate electrode 10 by filling the cavity 25 back from the gate insulating film 21. The interlayer insulating film 26 formed on the gate insulating film 21 in the cavity 25 has a film thickness substantially equal to that of the interlayer insulating film 26 formed so as to cover the gate electrode 10. As an insulating material of the interlayer insulating film 26, an insulating material having a dielectric constant higher than that of SiO 2 or SiO 2 such as Al 2 O 3 or SiN can be employed. In FIG. 3, the thickness of the interlayer insulating film 26 on the gate insulating film 21 is increased from the viewpoint of more clearly showing the configuration of the cavity 25 (intermediate insulating film 30).

この空洞部25におけるゲート絶縁膜21と、空洞部25に埋設された層間絶縁膜26との積層構造によって、本発明の中間絶縁膜の一例としての中間絶縁膜30が定義される。
層間絶縁膜26の絶縁材料としてSiOが採用される場合、層間絶縁膜26は、当該SiOにP(リン)イオンが含まれるPSG(Phosphorus Silicon Glass)膜であることが好ましい。PSG膜によれば、平坦な表面を有する層間絶縁膜26を形成できる。また、PSG膜は、リフロー(たとえば、1000℃程度)時において良好に溶融する。そのため、空洞部25にPSG膜を良好に埋め込むことができる。また、層間絶縁膜26は、当該SiOにP(リン)イオンに加えてB(ホウ素)イオンが含まれるBPSG(Boron Phosphorus Silicon Glass)膜であることがより好ましい。BPSG膜は、PSG膜よりも低い温度(たとえば、800℃程度)で溶融する。そのため、空洞部25にBPSG膜をより一層良好に埋め込むことができるとともに、より一層平坦な表面を有する層間絶縁膜26を形成できる。
An intermediate insulating film 30 as an example of the intermediate insulating film of the present invention is defined by the laminated structure of the gate insulating film 21 in the hollow portion 25 and the interlayer insulating film 26 embedded in the hollow portion 25.
When SiO 2 is adopted as the insulating material of the interlayer insulating film 26, the interlayer insulating film 26 is preferably a PSG (Phosphorus Silicon Glass) film in which P (phosphorus) ions are included in the SiO 2 . According to the PSG film, the interlayer insulating film 26 having a flat surface can be formed. Further, the PSG film melts well during reflow (for example, about 1000 ° C.). Therefore, the PSG film can be satisfactorily embedded in the cavity portion 25. The interlayer insulating film 26 is more preferably a BPSG (Boron Phosphorus Silicon Glass) film in which B (boron) ions are contained in the SiO 2 in addition to P (phosphorus) ions. The BPSG film melts at a lower temperature (for example, about 800 ° C.) than the PSG film. Therefore, the BPSG film can be more satisfactorily embedded in the cavity portion 25, and the interlayer insulating film 26 having a more flat surface can be formed.

一方、層間絶縁膜26の絶縁材料としてAlまたはSiNが採用される場合、中間絶縁膜30は、ゲート絶縁膜21(SiO)上にAlまたはSiNが積層された積層構造を含む。この構成によれば、SiCエピタキシャル層14と中間絶縁膜30とが接する部分(接続界面)がゲート絶縁膜21で形成されているので、チャネル領域22を流れるキャリアのチャネル移動度を向上できる。その一方で、ゲート絶縁膜21上にはSiOよりも高い誘電率を有する層間絶縁膜26が形成されているので、当該層間絶縁膜26で中間絶縁膜30の誘電率を高くできる。 On the other hand, when Al 2 O 3 or SiN is adopted as the insulating material of the interlayer insulating film 26, the intermediate insulating film 30 has a stacked structure in which Al 2 O 3 or SiN is stacked on the gate insulating film 21 (SiO 2 ). including. According to this configuration, since the portion (connection interface) where SiC epitaxial layer 14 and intermediate insulating film 30 are in contact is formed by gate insulating film 21, the channel mobility of carriers flowing in channel region 22 can be improved. On the other hand, since the interlayer insulating film 26 having a dielectric constant higher than that of SiO 2 is formed on the gate insulating film 21, the interlayer insulating film 26 can increase the dielectric constant of the intermediate insulating film 30.

このように形成された中間絶縁膜30は、ゲート絶縁膜21の膜厚の2倍以上(より具体的には、2倍〜25倍以上)の厚さを有しており、これにより、ゲート絶縁膜21の電界がかかり易い部分(すなわち、互いに隣り合うp型ボディ領域17間の中央部)が、他の部分よりも厚く形成されている。
図4は、SiO,SiCおよびSiの絶縁破壊時の電界強度の関係を示す表である。
The intermediate insulating film 30 formed in this way has a thickness that is twice or more (more specifically, two to 25 times or more) the thickness of the gate insulating film 21, thereby A portion of the insulating film 21 where an electric field is easily applied (that is, a central portion between the p type body regions 17 adjacent to each other) is formed thicker than the other portions.
FIG. 4 is a table showing the relationship between the electric field strengths at the time of dielectric breakdown of SiO 2 , SiC and Si.

図4の表を参照すれば、SiCの半導体絶縁破壊時におけるSiOの電界(=6.4MV/cm)は、Siの半導体絶縁破壊時におけるSiOの電界(=0.77MV/cm)と比べてSiOの絶縁破壊時における電界(=8MV/cm〜11MV/cm)に近い値となっている。このことから、SiC半導体装置の場合、Si半導体装置よりもゲート絶縁膜(SiO)が破壊し易いことが分かる。したがって、本実施形態のように、電界が最も高くなりやすいJFET領域18の中央部上に空洞部25を形成しつつ、ゲート絶縁膜21よりも厚い中間絶縁膜30を形成することにより、ゲート絶縁膜21(SiO)が破壊することを効果的に抑制できることが分かる。また、このような中間絶縁膜30は、SiC半導体装置において、特に有効であることが分かる。 Referring to the table of FIG. 4, SiO 2 of the electric field at the time of semiconductor breakdown of SiC (= 6.4MV / cm) is provided with a SiO 2 field at the semiconductor breakdown of Si (= 0.77MV / cm) In comparison, the value is close to the electric field (= 8 MV / cm to 11 MV / cm) at the time of dielectric breakdown of SiO 2 . From this, it can be seen that in the case of a SiC semiconductor device, the gate insulating film (SiO 2 ) is more easily broken than in the Si semiconductor device. Therefore, as in the present embodiment, the gate insulating film 30 is formed by forming the intermediate insulating film 30 thicker than the gate insulating film 21 while forming the cavity 25 on the central portion of the JFET region 18 where the electric field tends to be the highest. It can be seen that the destruction of the film 21 (SiO 2 ) can be effectively suppressed. Further, it can be seen that such an intermediate insulating film 30 is particularly effective in the SiC semiconductor device.

なお、SiC(またはSi)の半導体絶縁破壊時におけるSiOの電界は、(SiCの比誘電率/SiOの比誘電率)×SiC(またはSi)の絶縁破壊電圧によって算出される。
再度、図3(a)および図3(b)を参照すれば、層間絶縁膜26には、コンタクトホール33が形成されている。コンタクトホール33内には、p型ボディコンタクト領域20の全体、およびn型ソース領域19の内周部が露出している。
The electric field of SiO 2 at the time of SiC (or Si) semiconductor breakdown is calculated by (dielectric constant of SiC / dielectric constant of SiO 2 ) × dielectric breakdown voltage of SiC (or Si).
Referring again to FIG. 3A and FIG. 3B, a contact hole 33 is formed in the interlayer insulating film 26. In the contact hole 33, the entire p + type body contact region 20 and the inner periphery of the n + type source region 19 are exposed.

層間絶縁膜26上には、ソース電極34が形成されている。ソース電極34は、各コンタクトホール33を介して、すべての単位セル11のp型ボディコンタクト領域20およびn型ソース領域19に一括して接続されている。つまり、ソース電極34は、すべての単位セル11に対して共通の配線となっている。ソース電極34は、SiCエピタキシャル層14との接触側から順にTi/TiN層35と、Al層とが積層された構造を有していてもよい。Ti/TiN層35は、密着層としてのTi層をSiCエピタキシャル層14側に有し、このTi層にバリア層としてのTiN層を積層した積層膜である。バリア層は、Al層の構成原子(Al原子)がSiCエピタキシャル層14側へと拡散することを防ぐ。ソース電極34上にはパッシベーション膜(図示せず)が部分的に形成されており、そのパッシベーション膜がない箇所がソースパッド(図示せず)となっている。 A source electrode 34 is formed on the interlayer insulating film 26. The source electrode 34 is collectively connected to the p + type body contact region 20 and the n + type source region 19 of all the unit cells 11 through the contact holes 33. That is, the source electrode 34 is a common wiring for all the unit cells 11. The source electrode 34 may have a structure in which a Ti / TiN layer 35 and an Al layer are stacked in order from the contact side with the SiC epitaxial layer 14. The Ti / TiN layer 35 is a laminated film in which a Ti layer as an adhesion layer is provided on the SiC epitaxial layer 14 side, and a TiN layer as a barrier layer is laminated on the Ti layer. The barrier layer prevents constituent atoms (Al atoms) of the Al layer from diffusing toward the SiC epitaxial layer 14 side. A passivation film (not shown) is partially formed on the source electrode 34, and a portion without the passivation film is a source pad (not shown).

型SiC基板13の裏面には、その全域を覆うようにドレイン電極36が形成されている。このドレイン電極36は、すべての単位セル11に対して共通の配線となっている。ドレイン電極36としては、たとえば、n型SiC基板13から順にTi、Ni、AuおよびAgが積層された積層構造(Ti/Ni/Au/Ag)を採用できる。
次に、図5〜図7を参照して、n型SiC基板13のオフ方向と単位セル11形成方向との関係について説明する。図5は、ウエハ状態におけるn型SiC基板13およびSiCエピタキシャル層14の概略図である。
A drain electrode 36 is formed on the back surface of the n + -type SiC substrate 13 so as to cover the entire area thereof. The drain electrode 36 is a common wiring for all the unit cells 11. As the drain electrode 36, for example, a stacked structure (Ti / Ni / Au / Ag) in which Ti, Ni, Au, and Ag are stacked in order from the n + type SiC substrate 13 can be employed.
Next, the relationship between the off direction of the n + -type SiC substrate 13 and the unit cell 11 formation direction will be described with reference to FIGS. FIG. 5 is a schematic view of the n + -type SiC substrate 13 and the SiC epitaxial layer 14 in a wafer state.

半導体装置1のn型SiC基板13およびSiCエピタキシャル層14を構成するSiC結晶は、同一の組成で様々な積層構造をとる結晶多形(ポリタイプ)を示す材料であり、数100種類以上のポリタイプが存在する。ポリタイプとして、たとえば、4H−SiC、3CSiC、6H−SiC、15R−SiC等が存在する。これらの中では、4H−SiCが好ましい。以下の説明では、n型SiC基板13として4H−SiCウエハが使用されていることを前提に説明する。 The SiC crystal constituting the n + -type SiC substrate 13 and the SiC epitaxial layer 14 of the semiconductor device 1 is a material showing crystal polymorphism (polytype) having various laminated structures with the same composition, and several hundred types or more Polytype exists. Examples of the polytype include 4H—SiC, 3CSiC, 6H—SiC, and 15R—SiC. Among these, 4H—SiC is preferable. In the following description, it is assumed that a 4H—SiC wafer is used as the n + -type SiC substrate 13.

型SiC基板13の厚さt1は、たとえば、200μm〜500μmであり、SiCエピタキシャル層14の厚さt2は、n型SiC基板13よりも薄く、たとえば、5μm〜100μm(一例として10μm程度)である。
型SiC基板13は、本実施形態では、2°〜8°(好ましくは、4°程度)のオフ角θを有している。たとえば、n型SiC基板13の表面は、(0001)面に対して<11−20>方向(オフ方向)にオフ角θで傾斜した面となっている。なお、(0001)、<11−20>などの表現は、いわゆるミラー指数であり、SiC結晶の格子面および格子方向を記述する際に用いられる。ミラー指数については、図6および図7を参照して説明することができる。
The thickness t1 of the n + type SiC substrate 13 is, for example, 200 μm to 500 μm, and the thickness t2 of the SiC epitaxial layer 14 is thinner than the n + type SiC substrate 13, for example, 5 μm to 100 μm (for example, about 10 μm) ).
In this embodiment, the n + type SiC substrate 13 has an off angle θ of 2 ° to 8 ° (preferably about 4 °). For example, the surface of the n + -type SiC substrate 13 is a surface inclined at an off angle θ in the <11-20> direction (off direction) with respect to the (0001) plane. Expressions such as (0001) and <11-20> are so-called Miller indices, and are used to describe the lattice plane and lattice direction of the SiC crystal. The Miller index can be described with reference to FIGS.

図6は、4H−SiCの結晶構造のユニットセルを表した模式図である。図7は、図6のユニットセルを(0001)面の真上から見た図である。なお、図6の下部に示したSiC結晶構造の斜視図については、その横に示したSiC積層構造の4層のうち2層のみを抜き出して示している。
図6に示すように、4H−SiCの結晶構造は、六方晶系で近似することができ、1つのシリコン原子に対して4つの炭素原子が結合している。4つの炭素原子は、シリコン原子を中央に配置した正四面体の4つの頂点に位置している。これらの4つの炭素原子は、1つのシリコン原子が炭素原子に対して<0001>方向に位置し、他の3つの炭素原子がシリコン原子に対して<000−1>側に位置している。
FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a unit cell having a crystal structure of 4H—SiC. FIG. 7 is a view of the unit cell of FIG. 6 viewed from directly above the (0001) plane. In the perspective view of the SiC crystal structure shown in the lower part of FIG. 6, only two layers are extracted from the four layers of the SiC laminated structure shown on the side.
As shown in FIG. 6, the crystal structure of 4H—SiC can be approximated by a hexagonal system, and four carbon atoms are bonded to one silicon atom. Four carbon atoms are located at four vertices of a regular tetrahedron having a silicon atom arranged at the center. Of these four carbon atoms, one silicon atom is positioned in the <0001> direction with respect to the carbon atom, and the other three carbon atoms are positioned on the <000-1> side with respect to the silicon atom.

<0001>および<000−1>は六角柱の軸方向に沿い、この<0001>を法線とする面(六角柱の頂面)が(0001)面(Si面)である。一方、<000−1>を法線とする面(六角柱の下面)が(000−1)面(C面)である。
また、<0001>に垂直であり、かつ(0001)面の真上から見た場合において六角注の互いに隣り合わない頂点を通る方向がそれぞれ、a1軸<2−1−10>、a2軸<−12−10>およびa3軸<−1−120>である。
<0001> and <000-1> are along the axial direction of the hexagonal column, and the surface (the top surface of the hexagonal column) having this <0001> as a normal line is the (0001) plane (Si plane). On the other hand, the surface (the lower surface of the hexagonal column) whose normal is <000-1> is the (000-1) surface (C surface).
Further, when viewed from directly above the (0001) plane and passing through vertices that are not adjacent to each other, the directions of the hexagonal note are a1 axis <2-1-10> and a2 axis <-12-10> and a3 axis <-1-120>.

図7に示すように、a1軸とa2軸との間の頂点を通る方向が<11−20>であり、a2軸とa3軸との間の頂点を通る方向が<−2110>であり、a3軸とa1軸との間の頂点を通る方向が<1−210>である。
六角注の各頂点を通る上記6本の軸の各間において、その両側の各軸に対して30°の角度で傾斜していて、六角注の各側面の法線となる軸がそれぞれ、a1軸と<11−20>との間から時計回りに順に、<10−10>、<1−100>、<0−110>、<−1010>、<−1100>および<01−10>である。これらの軸を法線とする各面(六角柱の側面)は、(0001)面および(000−1)面に対して直角な結晶面である。
As shown in FIG. 7, the direction passing through the apex between the a1 axis and the a2 axis is <11-20>, and the direction passing through the apex between the a2 axis and the a3 axis is <-2110>, The direction passing through the apex between the a3 axis and the a1 axis is <1-210>.
Between each of the six axes passing through each vertex of the hexagonal note, the axis which is inclined at an angle of 30 ° with respect to each axis on both sides thereof, and which is the normal line of each side surface of the hexagonal note, is a1. <10-10>, <1-100>, <0-110>, <-1010>, <-1100> and <01-10> in order clockwise from between the axis and <11-20> is there. Each plane (side surface of the hexagonal column) having these axes as normals is a crystal plane perpendicular to the (0001) plane and the (000-1) plane.

ここで、n型SiC基板13(4H−SiCウエハ)には、<0001>軸方向に垂直な面である(0001)面(Si面)上に基底面転位が存在していることがある。基底面転位とは、(0001)面上の転位であり、<11−20>軸方向にバーガースベクトル(Burgers vector)を有する完全転位である。前述のように、n型SiC基板13には、SiCエピタキシャル層14を良好に成長させる観点から、所定のオフ角が付与されている。したがって、n型SiC基板13において基底面転位が存在すると、SiCエピタキシャル層14とn型SiC基板13との界面付近で当該基底面転位が貫通刃状転位に構造変換し、そのままSiCエピタキシャル層14の成長方向であるステップフロー方向(すなわち、<11−20>軸方向)に従って引き継がれて行く。 Here, in the n + -type SiC substrate 13 (4H—SiC wafer), basal plane dislocations may exist on the (0001) plane (Si plane) that is a plane perpendicular to the <0001> axial direction. . The basal plane dislocation is a dislocation on the (0001) plane and is a complete dislocation having a Burgers vector in the <11-20> axial direction. As described above, the n + type SiC substrate 13 is given a predetermined off angle from the viewpoint of favorably growing the SiC epitaxial layer 14. Accordingly, the basal plane dislocations in the n + -type SiC substrate 13, the basal plane dislocation structurally converted into threading edge dislocation near the interface between the SiC epitaxial layer 14 and the n + -type SiC substrate 13, as SiC epitaxial layer It is succeeded according to the step flow direction (that is, the <11-20> axial direction) which is the growth direction of 14.

このような基底面転位は、特にpn接合を含むデバイスにおいて、順方向動作時(すなわち、オン状態時)に<11−20>軸方向に沿って面状の積層欠陥を発生させて、順方向特性の劣化(順方向通電劣化)を招く恐れがある。また、この面状の積層欠陥に垂直な方向に電流を流す場合には、当該積層欠陥によって順方向電流の流れが阻害される。その結果、デバイスのオン動作時における電気抵抗が増加し、消費電力が増大する。したがって、半導体装置の信頼性を向上させるには、このような欠陥を低減する必要がある。   Such a basal plane dislocation generates a planar stacking fault along the <11-20> axial direction during forward operation (that is, in the on state), particularly in a device including a pn junction, and thus the forward direction. There is a risk of degrading characteristics (deterioration in forward direction). In addition, when a current flows in a direction perpendicular to the planar stacking fault, the forward current flow is inhibited by the stacking fault. As a result, the electrical resistance when the device is turned on increases and the power consumption increases. Therefore, in order to improve the reliability of the semiconductor device, it is necessary to reduce such defects.

半導体装置1におけるVDMISFET2は、ソース電極34とドレイン電極36との間(ソース−ドレイン間)にボディダイオード(寄生ダイオード)を有している。たとえば、<0001>軸方向に沿って単位セル11が形成されている場合、ボディダイオードに順方向電流が流れると、基底面転位によって積層欠陥が発生し、当該積層欠陥によって順方向電流の流れが阻害される。その結果、ボディダイオードの特性が変動し、信頼性の低下につながる。   The VDMISFET 2 in the semiconductor device 1 has a body diode (parasitic diode) between the source electrode 34 and the drain electrode 36 (between the source and drain). For example, in the case where the unit cell 11 is formed along the <0001> axis direction, if a forward current flows through the body diode, a stacking fault occurs due to a basal plane dislocation, and the forward current flows due to the stacking fault. Be inhibited. As a result, the characteristics of the body diode fluctuate, leading to a decrease in reliability.

したがって、単位セル11は、<11−20>軸方向(SiCエピタキシャル層14の成長方向であるステップフロー方向)に沿って形成されているのが好ましい。この構成によれば、基底面転位による積層欠陥の発生を抑制できる。また、たとえ積層欠陥が発生したとしても当該積層欠陥に沿う方向(すなわち、<11−20>軸方向)に順方向電流を流すことができるので、ボディダイオードの劣化を抑制できる。よって、良好な順方向特性を示す半導体装置を提供できる。   Therefore, the unit cell 11 is preferably formed along the <11-20> axial direction (step flow direction which is the growth direction of the SiC epitaxial layer 14). According to this configuration, generation of stacking faults due to basal plane dislocations can be suppressed. Even if a stacking fault occurs, a forward current can flow in the direction along the stacking fault (that is, the <11-20> axial direction), so that deterioration of the body diode can be suppressed. Thus, a semiconductor device that exhibits good forward characteristics can be provided.

以上のように、半導体装置1によれば、n型ソース領域19と、SiCエピタキシャル層14とが、p型ボディ領域17を挟んで縦方向に配置された縦型構造を有している。また、半導体装置1におけるゲート電極10は空洞部25によって分断されており、空洞部25にゲート絶縁膜10よりも厚い中間絶縁膜30が形成されている。
そのため、半導体装置1がオフの状態(つまり、ゲート電極10が0Vの状態)において、n型ソース領域19と、SiCエピタキシャル層14が(+)側となる電圧(たとえば、1200V)が印加されたとしても、ゲート絶縁膜21を挟んでゲート電極10とJFET領域18とが対向することがないので、当該空洞部25が等電位面の基準位置となることはない。そのため、空洞部25直下におけるJFET領域18において、比較的に高い電位の等電位面が分布することを効果的に抑制できる。特に、この電位の等電位面は、JFET領域18の中央部が最も高くなるように分布し易いので、半導体装置1のように、JFET領域18の中央部上に空洞部25(中間絶縁膜30)を形成することにより、JFET領域18に高い電界がかかることを効果的に緩和できる。
As described above, according to the semiconductor device 1, the n + type source region 19 and the SiC epitaxial layer 14 have a vertical structure in which the p type body region 17 is disposed in the vertical direction. . In addition, the gate electrode 10 in the semiconductor device 1 is divided by the cavity 25, and an intermediate insulating film 30 thicker than the gate insulating film 10 is formed in the cavity 25.
Therefore, a voltage (for example, 1200 V) is applied so that n + -type source region 19 and SiC epitaxial layer 14 are on the (+) side in a state where semiconductor device 1 is off (that is, gate electrode 10 is at 0 V). Even so, since the gate electrode 10 and the JFET region 18 do not face each other with the gate insulating film 21 interposed therebetween, the cavity 25 does not become the reference position of the equipotential surface. For this reason, it is possible to effectively suppress the distribution of a relatively high potential equipotential surface in the JFET region 18 immediately below the cavity 25. In particular, since the equipotential surface of this potential is likely to be distributed so that the central portion of the JFET region 18 is the highest, the cavity 25 (intermediate insulating film 30) is formed on the central portion of the JFET region 18 as in the semiconductor device 1. ) Can effectively mitigate the application of a high electric field to the JFET region 18.

さらに、電界を緩和できる領域上に、ゲート絶縁膜21に加えて当該ゲート絶縁膜21よりも厚い中間絶縁膜30が形成されているので、JFET領域18における絶縁破壊を効果的に抑制できる。その結果、耐圧性に優れ、歩留まりよく製造することができる半導体装置1を提供できる。
また、この構成によれば、チャネル領域22上にゲート電極10が形成されているので、VDMISFET2のオン動作に支障をきたすことはない。さらに、空洞部25によりゲート電極10の面積(より具体的には、ゲート電極10の表面とSiCエピタキシャル層14の表面とが対向する対向面積)を小さくできる。これにより、ゲート電極10およびSiCエピタキシャル層14間の容量を低減できる。
Furthermore, since the intermediate insulating film 30 thicker than the gate insulating film 21 is formed in addition to the gate insulating film 21 on the region where the electric field can be relaxed, the dielectric breakdown in the JFET region 18 can be effectively suppressed. As a result, it is possible to provide the semiconductor device 1 that has excellent pressure resistance and can be manufactured with high yield.
In addition, according to this configuration, since the gate electrode 10 is formed on the channel region 22, the ON operation of the VDMISFET 2 is not hindered. Furthermore, the cavity 25 can reduce the area of the gate electrode 10 (more specifically, the facing area where the surface of the gate electrode 10 and the surface of the SiC epitaxial layer 14 face each other). Thereby, the capacity | capacitance between the gate electrode 10 and the SiC epitaxial layer 14 can be reduced.

次に、図8を参照して、半導体装置1の製造方法について説明する。図8は、図1に示す半導体装置1の製造工程の一例を説明するためのフローチャートである。
半導体装置1を製造するには、まず、n型SiC基板13が用意される。n型SiC基板13は、所定のオフ角が付与された4H−SiCウエハである。次に、たとえば、CVD(Chemical Vapor Deposition:化学気相成長)法、LPE(Liquid Phase Epitaxy:液相エピタキシ)法などのエピタキシャル成長法により、n型SiC基板13の表面(Si面)上に、n型不純物(たとえば、N(窒素))を導入しながらSiC結晶が成長させられる(ステップS1)。これにより、n型SiC基板13上に、n型のSiCエピタキシャル層14が形成される。
Next, a method for manufacturing the semiconductor device 1 will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a flowchart for explaining an example of the manufacturing process of the semiconductor device 1 shown in FIG.
To manufacture the semiconductor device 1, first, an n + type SiC substrate 13 is prepared. The n + -type SiC substrate 13 is a 4H—SiC wafer provided with a predetermined off angle. Next, on the surface (Si surface) of the n + -type SiC substrate 13 by an epitaxial growth method such as a CVD (Chemical Vapor Deposition) method or an LPE (Liquid Phase Epitaxy) method, An SiC crystal is grown while introducing an n-type impurity (for example, N (nitrogen)) (step S1). As a result, n type SiC epitaxial layer 14 is formed on n + type SiC substrate 13.

次に、p型ボディ領域17(p型ボディ接続領域16)を形成すべき部分に開口を有するマスクを用いて、p型不純物(たとえばAl(アルミニウム))が、SiCエピタキシャル層14の表面に注入される(ステップS2)。これにより、SiCエピタキシャル層14の表層部に、p型ボディ領域17(p型ボディ接続領域16)が形成される。また、SiCエピタキシャル層14の基層部には、エピタキシャル成長後のままの状態を維持するドリフト領域が形成される。 Next, using a mask having an opening in a portion where p type body region 17 (p type body connection region 16) is to be formed, p type impurities (for example, Al (aluminum)) are applied to the surface of SiC epitaxial layer 14. (Step S2). Thereby, p type body region 17 (p type body connection region 16) is formed in the surface layer portion of SiC epitaxial layer 14. In addition, a drift region that maintains the state after epitaxial growth is formed in the base layer portion of SiC epitaxial layer 14.

次に、n型ソース領域19を形成すべき領域に開口を有するマスクを用いて、n型不純物(たとえばP(リン))が、p型ボディ領域17に注入される(ステップS3)。これにより、p型ボディ領域17の表層部に、n型ソース領域19が形成される。次に、p型ボディコンタクト領域20を形成すべき領域に開口を有するマスクを用いて、p型不純物(たとえばAl)が、p型ボディ領域17に注入される(ステップS4)。これにより、p型ボディコンタクト領域20が形成される。 Next, an n-type impurity (for example, P (phosphorus)) is implanted into the p -type body region 17 using a mask having an opening in a region where the n + -type source region 19 is to be formed (step S3). As a result, an n + type source region 19 is formed in the surface layer portion of the p type body region 17. Next, a p-type impurity (for example, Al) is implanted into the p -type body region 17 using a mask having an opening in a region where the p + -type body contact region 20 is to be formed (step S4). Thereby, the p + type body contact region 20 is formed.

次に、たとえば、1400℃〜2000℃で2〜10分間、SiCエピタキシャル層14がアニール処理(熱処理)される(ステップS5)。これにより、SiCエピタキシャル層14の表層部に注入されたn型不純物およびp型不純物のイオンが活性化する。SiCエピタキシャル層14のアニール処理は、たとえば、抵抗加熱炉、高周波誘導加熱炉を適当な温度で制御することによって行うことができる。   Next, for example, SiC epitaxial layer 14 is annealed (heat treated) at 1400 ° C. to 2000 ° C. for 2 to 10 minutes (step S5). Thereby, ions of n-type impurity and p-type impurity implanted into the surface layer portion of SiC epitaxial layer 14 are activated. Annealing treatment of SiC epitaxial layer 14 can be performed, for example, by controlling a resistance heating furnace and a high frequency induction heating furnace at an appropriate temperature.

次に、SiCエピタキシャル層14の表面が熱酸化されることにより、SiCエピタキシャル層14の表面全域を覆うゲート絶縁膜21が形成される(ステップS6)。次に、CVD法により、p型不純物(たとえばB(ホウ素))を導入しながらポリシリコン材料がSiCエピタキシャル層14上に堆積される(ステップS7)。むろん、ポリシリコン材料のへの不純物の導入は、イオン注入により行ってもよい。次に、堆積したポリシリコン材料の不要部分がドライエッチングにより除去される(ステップS8)。これにより、空洞部25を有するゲート電極10が形成される。   Next, the surface of SiC epitaxial layer 14 is thermally oxidized to form gate insulating film 21 that covers the entire surface of SiC epitaxial layer 14 (step S6). Next, a polysilicon material is deposited on SiC epitaxial layer 14 by introducing a p-type impurity (for example, B (boron)) by CVD (step S7). Of course, the introduction of impurities into the polysilicon material may be performed by ion implantation. Next, unnecessary portions of the deposited polysilicon material are removed by dry etching (step S8). As a result, the gate electrode 10 having the cavity 25 is formed.

次に、たとえばP(リン)イオンを含むSiO、またはP(リン)イオンおよびB(ホウ素)イオンを含むSiOをSiCエピタキシャル層14上に堆積させる(ステップS9)。次に、SiOをリフロー(たとえば800℃〜1000℃)により溶融させることにより(ステップS10)、ゲート電極10の空洞部25を埋め戻して、ゲート電極10の表面を覆う層間絶縁膜26(PSG膜またはBPSG膜)が形成される。 Then, for example, depositing a SiO 2 containing SiO 2 or P (phosphorus) ions and B (boron) ions, including P (phosphorus) ions on the SiC epitaxial layer 14 (step S9). Next, SiO 2 is melted by reflow (for example, 800 ° C. to 1000 ° C.) (step S 10) to refill the cavity 25 of the gate electrode 10 and cover the surface of the gate electrode 10 with the interlayer insulating film 26 (PSG). Film or BPSG film).

次に、層間絶縁膜26およびゲート絶縁膜21が連続してパターニングされることにより、コンタクトホール33が形成される(ステップS11)。次に、たとえば、層間絶縁膜26上に、Ti、TiNおよびAlが順にスパッタされて、ソース電極34が形成される(ステップS12)。また、SiC基板の裏面に、Ti、Ni、AuおよびAgが順にスパッタされて、ドレイン電極36が形成される。その後、ゲートパッド3などが形成されることにより、図1に示す半導体装置1が得られる。   Next, the interlayer insulating film 26 and the gate insulating film 21 are successively patterned to form the contact hole 33 (step S11). Next, for example, Ti, TiN, and Al are sequentially sputtered on the interlayer insulating film 26 to form the source electrode 34 (step S12). Further, Ti, Ni, Au, and Ag are sequentially sputtered on the back surface of the SiC substrate to form the drain electrode 36. Thereafter, the gate pad 3 and the like are formed, whereby the semiconductor device 1 shown in FIG. 1 is obtained.

図9は、本発明の第2実施形態に係る半導体装置51の模式的な断面図である。
第2実施形態に係る半導体装置51が、前述の第1実施形態に係る半導体装置1と異なる点は、n型ソース領域19に代えてn型ソース領域59が形成されている点、互いに隣り合うp型ボディ領域17の間にn型不純物領域52が形成されている点、ゲート絶縁膜21に代えて、ゲート絶縁膜50が形成されている点である。その他の構成は、前述の第1実施形態に係る半導体装置1の構成と同等である。図9において、前述の図1〜図8に示された各部と対応する部分には同一の参照符号を付して、説明を省略する。
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device 51 according to the second embodiment of the present invention.
The semiconductor device 51 according to the second embodiment is different from the semiconductor device 1 according to the first embodiment described above in that an n + -type source region 59 is formed instead of the n + -type source region 19, and An n + -type impurity region 52 is formed between adjacent p -type body regions 17, and a gate insulating film 50 is formed instead of the gate insulating film 21. Other configurations are the same as those of the semiconductor device 1 according to the first embodiment described above. 9, parts corresponding to those shown in FIGS. 1 to 8 are given the same reference numerals, and description thereof is omitted.

第2実施形態に係るn型ソース領域59は、前述の第1実施形態に係るn型ソース領域19と同一の形状および深さで形成されている。n型ソース領域59のn型不純物濃度は、たとえば、1×1019cm−3〜1×1022cm−3、より好ましくは1×1020cm−3〜1×1022cm−3である。
型不純物領域52は、JFET領域18の表層部に形成されている。より具体的には、n型不純物領域52は、JFET領域18の中央部において、ゲート電極10のストライプ方向に沿って、略長方形状に形成されている。n型不純物領域52は、p型ボディ領域17とJFET領域18との境界から間隔を空けた位置に形成されている。n型不純物領域52は、n型ソース領域59と同一の深さおよび濃度で形成されている。
The n + type source region 59 according to the second embodiment is formed with the same shape and depth as the n + type source region 19 according to the first embodiment described above. The n type impurity concentration of the n + type source region 59 is, for example, 1 × 10 19 cm −3 to 1 × 10 22 cm −3 , more preferably 1 × 10 20 cm −3 to 1 × 10 22 cm −3 . is there.
The n + -type impurity region 52 is formed in the surface layer portion of the JFET region 18. More specifically, the n + -type impurity region 52 is formed in a substantially rectangular shape along the stripe direction of the gate electrode 10 in the central portion of the JFET region 18. N + -type impurity region 52 is formed at a position spaced from the boundary between p -type body region 17 and JFET region 18. The n + type impurity region 52 is formed with the same depth and concentration as the n + type source region 59.

第2実施形態に係るゲート絶縁膜50は、JFET領域18の全域を覆う第1領域53と、各p型ボディ領域17におけるn型ソース領域59を取り囲む部分およびn型ソース領域59の外周部を覆う第2領域54とを含む。ゲート絶縁膜50の第1および第2領域53,54は、いずれも高濃度の不純物が注入された領域上が選択的に厚く形成されている。すなわち、ゲート絶縁膜50は、n型不純物領域52に接する第1部分50a、p型ボディ領域17に接する第2部分50b、およびn型ソース領域59に接する第3部分50cを含む。 The gate insulating film 50 according to the second embodiment includes a first region 53 that covers the entire area of the JFET region 18, a portion that surrounds the n + -type source region 59 in each p -type body region 17, and the n + -type source region 59. 2nd area | region 54 which covers an outer peripheral part. Both the first and second regions 53 and 54 of the gate insulating film 50 are selectively formed thick on the region into which a high concentration impurity is implanted. That is, the gate insulating film 50 includes a first portion 50 a in contact with the n + -type impurity region 52, a second portion 50 b in contact with the p -type body region 17, and a third portion 50 c in contact with the n + -type source region 59.

第1部分50aの下側界面(n型不純物領域52との界面)および第3部分50cの下側界面(n型ソース領域59との界面)は、いずれも第2部分50bの下側界面(p型ボディ領域17との界面)よりも下側(n型SiC基板13側。SiCエピタキシャル層14の表面からより深い位置)に位置している。また、第1部分50aの上側界面(層間絶縁膜26との界面)および第3部分50cの上側界面(ゲート電極10との界面)は、いずれも第2部分50bの上側界面(ゲート電極10との界面)よりも上側(ゲート電極10側。SiCエピタキシャル層14の表面からより遠い位置)に位置している。 The lower interface (interface with the n + -type impurity region 52) of the first portion 50a and the lower interface (interface with the n + -type source region 59) of the third portion 50c are both below the second portion 50b. It is located below the interface (interface with p type body region 17) (n + type SiC substrate 13 side, deeper from the surface of SiC epitaxial layer 14). The upper interface (interface with the interlayer insulating film 26) of the first portion 50a and the upper interface (interface with the gate electrode 10) of the third portion 50c are both the upper interface (gate electrode 10 and the second electrode 50b). Is located above the gate electrode 10 side (position farther from the surface of the SiC epitaxial layer 14).

これにより、ゲート絶縁膜50における第1部分50aの膜厚T1および第3部分50cの膜厚T3は、いずれも第2部分50bの膜厚T2よりも大きい。より具体的には、第2部分50bの膜厚T2は、たとえば、30nm以上(たとえば40nm程度)である。これに対して、第1部分50aおよび第3部分50cの膜厚T1,T3は、たとえば、第1部分50aの膜厚T1の2.03倍以上であることが好ましく、たとえば、90nm程度である。本実施形態では、ゲート絶縁膜50は、窒素を含有する酸化膜、たとえば、窒素および酸素を含有するガスを用いた熱酸化により形成される窒化酸化シリコン膜からなっている。   Accordingly, the film thickness T1 of the first portion 50a and the film thickness T3 of the third portion 50c in the gate insulating film 50 are both larger than the film thickness T2 of the second portion 50b. More specifically, the film thickness T2 of the second portion 50b is, for example, 30 nm or more (for example, about 40 nm). On the other hand, the film thicknesses T1 and T3 of the first part 50a and the third part 50c are preferably 2.03 times or more the film thickness T1 of the first part 50a, for example, about 90 nm. . In this embodiment, the gate insulating film 50 is made of an oxide film containing nitrogen, for example, a silicon nitride oxide film formed by thermal oxidation using a gas containing nitrogen and oxygen.

ゲート電極10のストライプ方向に直交する方向において、第1部分50aの両端部、および第3部分50cのJFET領域18側の端部には、それぞれバーズビークが形成されている。一方、当該ストライプ方向に直交する方向における第3部分50cのJFET領域18側と反対側の端部には、バーズビークが形成されておらず、厚い部分が層間絶縁膜26の側面と面一となって、コンタクトホール33から露出している。   In the direction perpendicular to the stripe direction of the gate electrode 10, bird's beaks are formed at both ends of the first portion 50a and at the end of the third portion 50c on the JFET region 18 side, respectively. On the other hand, no bird's beak is formed at the end of the third portion 50c opposite to the JFET region 18 side in the direction perpendicular to the stripe direction, and the thick portion is flush with the side surface of the interlayer insulating film 26. Thus, the contact hole 33 is exposed.

このようなゲート絶縁膜50は、ステップS3の工程を次のように変更すれば良い。すなわち、n型ソース領域19を形成すべき領域に開口を有するマスクを、n型ソース領域59およびn型不純物領域52を形成すべき領域に開口を有するマスクに変更する。次に、n型不純物(たとえばP(リン))をSiCエピタキシャル層14に注入する際に、SiCエピタキシャル層14の温度を150℃以下(たとえば室温)に保つ。イオン注入時にSiCエピタキシャル層14の温度を150℃以下に保持するのは、n型ソース領域59およびn型不純物領域52が結晶化しないようにするためである。これにより、ステップS6の熱酸化処理時において、n型ソース領域59およびn型不純物領域52上に厚いゲート絶縁膜50を形成できる。 For such a gate insulating film 50, the process of step S3 may be changed as follows. That is, the mask having an opening in the region where the n + -type source region 19 is to be formed is changed to a mask having openings in the regions where the n + -type source region 59 and the n + -type impurity region 52 are to be formed. Next, when an n-type impurity (for example, P (phosphorus)) is implanted into SiC epitaxial layer 14, the temperature of SiC epitaxial layer 14 is maintained at 150 ° C. or lower (for example, room temperature). The reason for maintaining the temperature of SiC epitaxial layer 14 at 150 ° C. or lower during ion implantation is to prevent crystallization of n + -type source region 59 and n + -type impurity region 52. Thereby, the thick gate insulating film 50 can be formed on the n + -type source region 59 and the n + -type impurity region 52 during the thermal oxidation process in step S6.

つまり、ステップS6の熱酸化工程では、窒素および酸素を含有する雰囲気中での熱酸化(たとえば、1200℃程度で半日〜2日)によって、窒化酸化シリコン(SiN)膜からなるゲート絶縁膜50が形成される。前述のとおり、n型ソース領域59およびn型不純物領域52には、1×1019cm−3以上の濃度となるようにn型不純物イオンが注入されており、かつ、そのイオン注入は、n型ソース領域59およびn型不純物領域52が結晶化しない低温(150℃以下)で行われる。そのため、熱酸化処理によってゲート絶縁膜50を形成すると、n型ソース領域59およびn型不純物領域52に接する第1部分50aおよび第3部分50cの膜厚T1,T3が局所的に大きくなる。これにより、第1部分50aおよび第3部分50cの膜厚T1,T3は、p型ボディ領域17に接する第2部分50bの膜厚T2よりも大きくなる。 That is, in the thermal oxidation process of step S6, the gate insulating film 50 made of a silicon nitride oxide (SiN) film is formed by thermal oxidation (for example, about 1200 ° C. for half a day to two days) in an atmosphere containing nitrogen and oxygen. It is formed. As described above, the n + -type source region 59 and the n + -type impurity region 52 are implanted with n-type impurity ions so as to have a concentration of 1 × 10 19 cm −3 or more. , N + type source region 59 and n + type impurity region 52 are performed at a low temperature (150 ° C. or lower) at which crystallization does not occur. Therefore, when the gate insulating film 50 is formed by thermal oxidation, the film thicknesses T1 and T3 of the first portion 50a and the third portion 50c in contact with the n + type source region 59 and the n + type impurity region 52 are locally increased. . Thereby, the film thicknesses T1 and T3 of the first part 50a and the third part 50c are larger than the film thickness T2 of the second part 50b in contact with the p type body region 17.

以上のように、半導体装置51では、ゲート絶縁膜50においてn型不純物領域52に接する第1部分50a、およびn型ソース領域59に接する第3部分50cの膜厚T1,T3は、p型ボディ領域17に接する第2部分50bの膜厚T2よりも大きい。これにより、中間絶縁膜30の膜厚をより一層厚く形成できるので、JFET領域18における絶縁破壊をより一層抑制できる。 As described above, in the semiconductor device 51, the film thicknesses T1 and T3 of the first portion 50a in contact with the n + -type impurity region 52 and the third portion 50c in contact with the n + -type source region 59 in the gate insulating film 50 are p - greater than the thickness T2 of the second portion 50b in contact with the mold body region 17. Thereby, since the film thickness of the intermediate insulating film 30 can be formed much thicker, the dielectric breakdown in the JFET region 18 can be further suppressed.

また、半導体装置51では、ゲート絶縁膜50に電界がかかったときに、n型ソース領域59に接する第3部分50cにおける電界も緩和できるから、第3部分50cでのリーク電流を抑制できる。したがって、n型ソース領域59に接する第3部分50cでの絶縁破壊を抑制できるから、ゲート絶縁膜50全体の長期信頼性を容易に確保できる。これにより、半導体装置全体の信頼性を容易に確保できる。 Further, in the semiconductor device 51, when an electric field is applied to the gate insulating film 50, the electric field in the third portion 50c in contact with the n + -type source region 59 can be relaxed, so that the leakage current in the third portion 50c can be suppressed. Therefore, since the dielectric breakdown in the third portion 50c in contact with the n + -type source region 59 can be suppressed, the long-term reliability of the entire gate insulating film 50 can be easily ensured. Thereby, the reliability of the whole semiconductor device can be easily secured.

また、半導体装置51によれば、ゲート絶縁膜50は、SiOよりも誘電率の高いSiNを含む。したがって、AlまたはSiNを含む中間絶縁膜30を形成できる。この構成によれば、中間絶縁膜30がSiOを含む場合よりも、誘電率は高くなるので、ゲート絶縁膜21に高い電界がかかることをより一層緩和できる。
また、マスクのレイアウトを工夫するだけでこのようなゲート絶縁膜50を形成できるので、製造工程が煩雑化することがない。
Further, according to the semiconductor device 51, the gate insulating film 50 includes a SiN higher dielectric constant than SiO 2. Therefore, the intermediate insulating film 30 containing Al 2 O 3 or SiN can be formed. According to this configuration, since the dielectric constant is higher than when the intermediate insulating film 30 includes SiO 2 , it is possible to further alleviate that a high electric field is applied to the gate insulating film 21.
Moreover, since such a gate insulating film 50 can be formed only by devising a mask layout, the manufacturing process is not complicated.

図10は、本発明の第3実施形態に係る半導体装置61の模式的な断面図である。
第3実施形態に係る半導体装置61が、前述の第1実施形態に係る半導体装置1と異なる点は、ゲート電極10に代えて、ゲート電極60が採用されている点である。その他の構成は、前述の第1実施形態に係る半導体装置1の構成と同等である。図10において、前述の図1〜図9に示された各部と対応する部分には同一の参照符号を付して、説明を省略する。
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device 61 according to the third embodiment of the present invention.
The semiconductor device 61 according to the third embodiment is different from the semiconductor device 1 according to the first embodiment described above in that a gate electrode 60 is employed instead of the gate electrode 10. Other configurations are the same as those of the semiconductor device 1 according to the first embodiment described above. 10, parts corresponding to those shown in FIGS. 1 to 9 are given the same reference numerals, and description thereof will be omitted.

第3実施形態に係るゲート電極60は、その上端における角部が面取りされており、5度以上のテーパ角が形成されている。このようなテーパ角は、ステップS8において、エッチング方法を変更するだけで形成できる。これにより、ステップS9において、ゲート電極60の空洞部25に層間絶縁膜26をより一層良好に埋め込むことができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はさらに他の形態で実施することもできる。
The gate electrode 60 according to the third embodiment has a chamfered corner at its upper end, and has a taper angle of 5 degrees or more. Such a taper angle can be formed simply by changing the etching method in step S8. Thereby, in step S <b> 9, the interlayer insulating film 26 can be embedded more satisfactorily in the cavity 25 of the gate electrode 60.
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention can also be implemented with another form.

たとえば、前述の各実施形態では、ゲート電極10,60のストライプ方向に沿って空洞部25がゲート電極10,60に形成されている例を示したが、平面視四角形状の複数の空洞部25が互いに間隔を空けて当該ストライプ方向に形成されている例を採用してもよい。また、ストライプ状の空洞部25を互いに間隔を空けて当該ストライプ方向に沿って複数形成してもよい。   For example, in each of the above-described embodiments, an example in which the cavity 25 is formed in the gate electrodes 10 and 60 along the stripe direction of the gate electrodes 10 and 60 has been described. May be formed in the stripe direction at intervals. Further, a plurality of stripe-shaped cavities 25 may be formed along the stripe direction at intervals.

また、前述の各実施形態では、ゲート電極10,60がストライプ状に形成された例を示したが、ゲート電極10,60は、図11に示すように、格子状(梯子状)に配列されていてもよい。
図11は、変形例に係る半導体装置81の模式的な拡大平面図である。
変形例に係る半導体装置81が、前述の第1実施形態に係る半導体装置1と異なる点は、ストライプ状のVDMISFET2に代えて、行列状(格子状)のVDMISFET72が形成されている点、およびストライプ状のゲート電極10に代えて、格子状(梯子状)のゲート電極70が形成されている点である。
In each of the above-described embodiments, the gate electrodes 10 and 60 are formed in a stripe shape. However, the gate electrodes 10 and 60 are arranged in a lattice shape (ladder shape) as shown in FIG. It may be.
FIG. 11 is a schematic enlarged plan view of a semiconductor device 81 according to a modification.
The semiconductor device 81 according to the modification differs from the semiconductor device 1 according to the first embodiment described above in that a matrix-like (lattice-like) VDMISFET 72 is formed instead of the stripe-like VDMISFET 2, and the stripe Instead of the gate electrode 10, a grid (ladder) gate electrode 70 is formed.

なお、半導体装置81は、図3に示した断面構造と同等の断面構造を有しているので、図11では、ゲート電極70、およびVDMISFET72を構成するp型ボディ領域77の配置のみを示すものとし、その他の構成については、その図示および説明を省略する。
図11に示すように、SiCエピタキシャル層14の表層部には、複数のp型ボディ領域77が形成されている。複数のp型ボディ領域77は、行方向および列方向に互いに等しい間隔を空けて、正方行列状に配列して形成されている。
Since semiconductor device 81 has a cross-sectional structure equivalent to the cross-sectional structure shown in FIG. 3, only the arrangement of gate electrode 70 and p -type body region 77 constituting VMISFET 72 is shown in FIG. The illustration and description of other configurations are omitted.
As shown in FIG. 11, a plurality of p type body regions 77 are formed in the surface layer portion of SiC epitaxial layer 14. The plurality of p -type body regions 77 are formed in a square matrix with equal intervals in the row direction and the column direction.

ゲート電極70は、各p型ボディ領域77とSiCエピタキシャル層14の境界線を跨ぐように形成されている。行方向に互いに隣り合うp型ボディ領域77間におけるゲート電極70には、列方向に当該ゲート電極70を分断する第1空洞部75が形成されている。一方、列方向に互いに隣り合うp型ボディ領域77間におけるゲート電極70には、行方向に当該ゲート電極70を分断する第2空洞部76が選択的に形成されている。これにより、ゲート電極70は、平面視略四角環状に形成された構成となっている。列方向に互いに隣り合うゲート電極70は、ゲート電極接続部70aを介して互いに電気的に接続されている。 Gate electrode 70 is formed so as to straddle the boundary line between each p type body region 77 and SiC epitaxial layer 14. A first cavity 75 that divides the gate electrode 70 in the column direction is formed in the gate electrode 70 between the p type body regions 77 adjacent to each other in the row direction. On the other hand, a second cavity 76 that selectively divides the gate electrode 70 in the row direction is selectively formed in the gate electrode 70 between the p type body regions 77 adjacent to each other in the column direction. As a result, the gate electrode 70 is formed in a substantially square ring shape in plan view. The gate electrodes 70 adjacent to each other in the column direction are electrically connected to each other via a gate electrode connection portion 70a.

ゲート電極接続部70aは、第2空洞部76が行方向に延びる長手方向両端部の位置において、列方向に隣り合う各ゲート電極70と一体的に連なって形成されている。これにより、梯子状のゲート電極70が列方向に沿って形成されている。ゲート電極70の長手方向の一端部および/または他端部は、前述の第1実施形態と同様に、ゲート配線6(図1参照)に接続されている。また、第1および第2空洞部75,76には、前述の第1実施形態と同様の構成で、中間絶縁膜30が形成されている。   The gate electrode connection portion 70a is formed integrally with each gate electrode 70 adjacent in the column direction at the positions of both ends in the longitudinal direction where the second cavity portion 76 extends in the row direction. Thus, a ladder-like gate electrode 70 is formed along the column direction. One end and / or the other end in the longitudinal direction of the gate electrode 70 is connected to the gate wiring 6 (see FIG. 1), as in the first embodiment. The intermediate insulating film 30 is formed in the first and second cavities 75 and 76 with the same configuration as that of the first embodiment described above.

なお、本変形例では、第2空洞部76の長手方向両端部の位置にゲート電極接続部70aが形成されている例を示しているが、第2空洞部76を形成しないで、列方向に隣り合うゲート電極70同士を直接接続するようにしてもよい。また、本変形例では、列方向に当該ゲート電極70を分断する第1空洞部75が形成されている例を示しているが、第1空洞部75を第2空洞部76の構成と同様の構成で形成することにより、格子状のゲート電極70を形成してもよい。   In this modification, the gate electrode connection portions 70a are formed at the positions of both end portions in the longitudinal direction of the second cavity portion 76. However, the second cavity portion 76 is not formed and the second cavity portion 76 is formed in the column direction. Adjacent gate electrodes 70 may be directly connected to each other. Further, in this modification, an example is shown in which the first cavity portion 75 that divides the gate electrode 70 in the column direction is formed. However, the first cavity portion 75 has the same configuration as the second cavity portion 76. A lattice-like gate electrode 70 may be formed by forming the structure.

ここで、ゲート電極接続部70aを形成せずに、行方向および列方向の全域に延びるように第1および第2空洞部75,76を形成すると、閉環状のゲート電極70が形成される。そのため、ゲート電極70と、ゲート配線6とが電気的に分離される結果、VDMISET72は動作し得ない。これに対して、本変形例の半導体装置81によれば、各環状のゲート電極70は、ゲート電極接続部70aを介して、ゲート配線6に電気的に接続されている。したがって、前述の第1実施形態の場合と異なり、行方向および列方向に互いに隣り合うp型ボディ領域77間(すなわち、JFET領域18(図3参照))の全域において電界を緩和することはできないが、列方向の全域および行方向の一部におけるJFET領域18において電界を緩和できる。すなわち、ゲート電極70とゲート配線6とが電気的に接続される態様において、電界がかかり易いJFET領域18に第1および第2空洞部75,76(中間絶縁膜30)が形成されていれば、JFET領域18における絶縁破壊を抑制できる。 Here, when the first and second cavities 75 and 76 are formed so as to extend in the entire row direction and the column direction without forming the gate electrode connection part 70a, the closed ring gate electrode 70 is formed. Therefore, as a result of the electrical isolation between the gate electrode 70 and the gate wiring 6, the VDMSET 72 cannot operate. On the other hand, according to the semiconductor device 81 of the present modification, each annular gate electrode 70 is electrically connected to the gate wiring 6 through the gate electrode connection portion 70a. Therefore, unlike the case of the first embodiment described above, it is possible to relax the electric field in the entire region between the p type body regions 77 adjacent to each other in the row direction and the column direction (that is, the JFET region 18 (see FIG. 3)). However, the electric field can be relaxed in the JFET region 18 in the entire column direction and part of the row direction. That is, in the aspect in which the gate electrode 70 and the gate wiring 6 are electrically connected, if the first and second cavities 75 and 76 (intermediate insulating film 30) are formed in the JFET region 18 where an electric field is easily applied. The dielectric breakdown in the JFET region 18 can be suppressed.

また、前述の第1および第3実施形態では、シリコン酸化膜(SiO)からなるゲート絶縁膜21が形成された例を示したが、ゲート絶縁膜21を、SiOに代えてAlまたはSiNにより形成してもよい。ゲート絶縁膜21が、AlまたはSiNからなる場合、中間絶縁膜30をAlまたはSiNによって形成できる。この構成によれば、中間絶縁膜30がSiOからなる場合よりも、誘電率が高くなるので、JFET領域18における電界をより効果的に緩和できる。 In the first and third embodiments described above, the example in which the gate insulating film 21 made of a silicon oxide film (SiO 2 ) is formed is shown. However, the gate insulating film 21 is replaced with SiO 2 by Al 2 O. 3 or SiN. When the gate insulating film 21 is made of Al 2 O 3 or SiN, the intermediate insulating film 30 can be formed of Al 2 O 3 or SiN. According to this configuration, since the dielectric constant is higher than when the intermediate insulating film 30 is made of SiO 2 , the electric field in the JFET region 18 can be more effectively relaxed.

また、前述の第1および第3実施形態において、中間絶縁膜30をゲート絶縁膜21と切り離して形成してもよい。すなわち、ゲート電極10の空洞部25外の領域におけるゲート絶縁膜21をSiOで形成する一方で、中間絶縁膜30におけるJFET領域18との接続部分をAlまたはSiNにより形成してもよい。
また、前述の第1および第3実施形態において、中間絶縁膜30におけるJFET領域18との接続部分をゲート絶縁膜21により形成する一方で、ゲート電極10の空洞部25をSiO、Al、またはSiNで埋め戻した後、さらに層間絶縁膜26を形成するようにしてもよい。
In the first and third embodiments described above, the intermediate insulating film 30 may be formed separately from the gate insulating film 21. That is, the gate insulating film 21 in the region outside the cavity 25 of the gate electrode 10 is formed of SiO 2 , while the connection portion with the JFET region 18 in the intermediate insulating film 30 is formed of Al 2 O 3 or SiN. Good.
In the first and third embodiments described above, the connecting portion of the intermediate insulating film 30 with the JFET region 18 is formed by the gate insulating film 21, while the cavity 25 of the gate electrode 10 is formed by SiO 2 , Al 2 O. 3 , or after being backfilled with SiN, an interlayer insulating film 26 may be further formed.

また、前述の各実施形態では、1層のみからなる層間絶縁膜26が形成された例について説明したが、層間絶縁膜26は、むろん、複数の絶縁材料膜(SiO、Al、またはSiN)が複数周期に亘って積層された積層構造を有していてもよい。
また、前述の各実施形態では、空洞部25におけるゲート絶縁膜21上に形成された層間絶縁膜26は、ゲート電極10を覆うように形成された層間絶縁膜26と略等しい膜厚を有している例について説明したが、異なる厚さで形成されていてもよい。
In each of the above-described embodiments, the example in which the interlayer insulating film 26 composed of only one layer is described has been described. However, the interlayer insulating film 26 is, of course, a plurality of insulating material films (SiO 2 , Al 2 O 3 , Alternatively, SiN) may have a laminated structure in which a plurality of periods are laminated.
In each of the above-described embodiments, the interlayer insulating film 26 formed on the gate insulating film 21 in the cavity 25 has a film thickness substantially equal to the interlayer insulating film 26 formed so as to cover the gate electrode 10. However, it may be formed with a different thickness.

また、前述の各実施形態において、半導体装置1の各半導体部分の導電型を反転して、p型のVDMISFETを構成することもできる。すなわち、半導体装置1において、p型の部分をn型とし、n型の部分をp型としてもよい。
また、前述の各実施形態では、アクティブ領域4にVDMISFET2が形成された例について説明したが、n型SiC基板13(ドレイン領域)に代えてp型SiC基板(p型コレクタ領域)を採用することによりIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を形成してもよい。この場合、VDMISFET2のソース電極34がIGBTのエミッタ電極に対応する。
In each of the above-described embodiments, the p-type VDCMISFET can be configured by inverting the conductivity type of each semiconductor portion of the semiconductor device 1. That is, in the semiconductor device 1, the p-type portion may be n-type and the n-type portion may be p-type.
In each of the above-described embodiments, the example in which the VDMISFET 2 is formed in the active region 4 has been described. However, instead of the n + type SiC substrate 13 (drain region), a p + type SiC substrate (p + type collector region) is used. By adopting it, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) may be formed. In this case, the source electrode 34 of the VDMISFET 2 corresponds to the emitter electrode of the IGBT.

本発明の半導体装置1,51,61,81は、たとえば、電気自動車(ハイブリッド車を含む)、電車、産業用ロボットなどの動力源として利用される電動モータを駆動するための駆動回路を構成するインバータ回路に用いられるパワーモジュールに組み込むことができる。また、太陽電池、風力発電機その他の発電装置(とくに自家発電装置)が発生する電力を商用電源の電力と整合するように変換するインバータ回路に用いられるパワーモジュールにも組み込むことができる。   The semiconductor devices 1, 51, 61, 81 of the present invention constitute a drive circuit for driving an electric motor used as a power source for an electric vehicle (including a hybrid vehicle), a train, an industrial robot, etc., for example. It can be incorporated in a power module used in an inverter circuit. It can also be incorporated into a power module used in an inverter circuit that converts electric power generated by a solar cell, wind power generator, or other power generation device (especially an in-house power generation device) to match the power of a commercial power source.

その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。   In addition, various design changes can be made within the scope of matters described in the claims.

1 半導体装置
10 ゲート電極
12 SiC半導体層
17 p型ボディ領域
18 JFET領域
19 n型ソース型領域
21 ゲート絶縁膜
22 チャネル領域
25 空洞部
26 層間絶縁膜
30 中間絶縁膜
50 ゲート絶縁膜
51 半導体装置
59 n型ソース型領域
60 ゲート電極
61 半導体装置
70 ゲート電極
75 第1空洞部
76 第2空洞部
77 p型ボディ領域
81 半導体装置
L チャネル長
T1 膜厚
T2 膜厚
T3 膜厚
WD 幅
WJ 幅
θ オフ角
1 Semiconductor Device 10 Gate Electrode 12 SiC Semiconductor Layer 17 p Type Body Region 18 JFET Region 19 n + Type Source Type Region 21 Gate Insulating Film 22 Channel Region 25 Cavity 26 Interlayer Insulating Film 30 Intermediate Insulating Film 50 Gate Insulating Film 51 Semiconductor Device 59 n + type source type region 60 Gate electrode 61 Semiconductor device 70 Gate electrode 75 First cavity portion 76 Second cavity portion 77 p type body region 81 Semiconductor device L Channel length T1 Film thickness T2 Film thickness T3 Film thickness WD Width WJ Width θ Off angle

Claims (25)

第1導電型のSiC半導体層と、
前記SiC半導体層の表層部に互いに間隔を空けて形成された第2導電型の複数のボディ領域と、
各前記ボディ領域の表層部に前記ボディ領域の周縁から間隔を空けて形成された第1導電型のソース領域と、
前記複数のボディ領域に跨って形成され、各前記ボディ領域の周縁と前記ソース領域との間のチャネル領域にゲート絶縁膜を挟んで対向し、隣り合う前記ボディ領域の間の中間領域で空洞部によって選択的に分断されたゲート電極と、
前記空洞部に形成され、前記ゲート絶縁膜よりも厚い中間絶縁膜とを含む、半導体装置。
A first conductivity type SiC semiconductor layer;
A plurality of second conductivity type body regions formed on the surface layer portion of the SiC semiconductor layer at intervals,
A source region of a first conductivity type formed in a surface layer portion of each of the body regions spaced from the periphery of the body region;
A cavity portion is formed across the plurality of body regions, is opposed to a channel region between a periphery of each body region and the source region with a gate insulating film interposed therebetween, and is an intermediate region between adjacent body regions. A gate electrode selectively separated by
A semiconductor device including an intermediate insulating film formed in the cavity and thicker than the gate insulating film.
前記ゲート電極の前記空洞部は、前記中間領域の中央部上に形成されている、請求項1に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the hollow portion of the gate electrode is formed on a central portion of the intermediate region. 前記複数のボディ領域は、一端および他端を有するストライプ状に形成されており、
前記ゲート電極は、前記ボディ領域の前記一端および/または前記他端において、隣り合う前記ボディ領域に跨っている、請求項1または2に記載の半導体装置。
The plurality of body regions are formed in a stripe shape having one end and the other end,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the gate electrode straddles adjacent body regions at the one end and / or the other end of the body region.
前記ゲート電極の前記空洞部は、各前記ボディ領域と前記中間領域との境界から間隔を隔てて、前記中間領域の内方に収まるように形成されている、請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体装置。   The cavity of the gate electrode is formed so as to be inward of the intermediate region at a distance from a boundary between each body region and the intermediate region. The semiconductor device according to item. 前記中間領域は、0.1μm〜50μmの幅を有している、請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the intermediate region has a width of 0.1 μm to 50 μm. 前記中間絶縁膜は、前記ゲート絶縁膜の2倍以上の厚さを有している、請求項1〜5のいずれか一項に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the intermediate insulating film has a thickness that is twice or more that of the gate insulating film. 前記中間絶縁膜は、SiO膜を含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the intermediate insulating film includes a SiO 2 film. 前記SiO膜は、P(リン)イオンを含む、請求項7に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 7, wherein the SiO 2 film contains P (phosphorus) ions. 前記SiO膜は、B(ホウ素)イオンをさらに含む、請求項8に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 8, wherein the SiO 2 film further contains B (boron) ions. 前記中間絶縁膜は、SiOよりも誘電率の高い絶縁材料膜を含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the intermediate insulating film includes an insulating material film having a dielectric constant higher than that of SiO 2 . 前記絶縁材料膜は、AlまたはSiNからなる、請求項10記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 10, wherein the insulating material film is made of Al 2 O 3 or SiN. 前記絶縁材料膜は、SiO膜およびAl膜がこの順で積層された積層構造を含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the insulating material film includes a stacked structure in which an SiO 2 film and an Al 2 O 3 film are stacked in this order. 前記中間絶縁膜は、SiO膜およびSiN膜がこの順で積層された積層構造を含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the intermediate insulating film includes a stacked structure in which a SiO 2 film and a SiN film are stacked in this order. 前記ゲート電極は、ポリシリコンからなる、請求項1〜13のいずれか一項に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the gate electrode is made of polysilicon. 前記ポリシリコンは、B(ホウ素)イオンを含む、請求項14に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 14, wherein the polysilicon includes B (boron) ions. 前記ゲート電極は、金属材料からなる、請求項1〜13のいずれか一項に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the gate electrode is made of a metal material. 前記金属材料は、Al,Cu,またはAlCuからなる、請求項16に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 16, wherein the metal material is made of Al, Cu, or AlCu. 前記ゲート電極は、2μm以下の厚さを有している、請求項1〜17のいずれか一項に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the gate electrode has a thickness of 2 μm or less. 各前記ボディ領域は、<11−20>軸方向に沿って形成されている、請求項1〜18のいずれか一項に記載の半導体装置。   19. The semiconductor device according to claim 1, wherein each of the body regions is formed along a <11-20> axial direction. 前記ゲート絶縁膜は、前記チャネル領域上に第1の厚さを有し、前記第1の厚さよりも厚い第2の厚さを前記ソース領域上に有している、請求項1〜19のいずれか一項に記載の半導体装置。   20. The gate insulating film according to claim 1, wherein the gate insulating film has a first thickness on the channel region, and has a second thickness on the source region that is thicker than the first thickness. The semiconductor device as described in any one. 前記ゲート絶縁膜の前記第2の厚さは、前記第1の厚さの2.03倍以上である、請求項20に記載の半導体装置。   21. The semiconductor device according to claim 20, wherein the second thickness of the gate insulating film is 2.03 times or more of the first thickness. 前記ゲート絶縁膜は、前記チャネル領域上に1μm以下の厚さを有している、請求項1〜21のいずれか一項に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the gate insulating film has a thickness of 1 μm or less on the channel region. 前記ゲート電極を覆うように前記SiC半導体層上に形成され、前記空洞部に埋め込まれた層間絶縁膜をさらに含み、
前記中間絶縁膜は、前記層間絶縁膜の埋め込み部分を利用して形成されている、請求項1〜22のいずれか一項に記載の半導体装置。
An interlayer insulating film formed on the SiC semiconductor layer so as to cover the gate electrode and embedded in the cavity;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the intermediate insulating film is formed using a buried portion of the interlayer insulating film.
前記層間絶縁膜の前記空洞部への埋め込み量は、前記層間絶縁膜の前記ゲート電極上の部分の厚さと略等しい、請求項23に記載の半導体装置。   24. The semiconductor device according to claim 23, wherein an amount of the interlayer insulating film embedded in the cavity is substantially equal to a thickness of a portion of the interlayer insulating film on the gate electrode. 前記ゲート電極の上端部には、5度以上のテーパ角が形成されている、請求項1〜24のいずれか一項に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to any one of claims 1 to 24, wherein a taper angle of 5 degrees or more is formed at an upper end portion of the gate electrode.
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