WO2016204035A1 - Silicon carbide semiconductor device - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a silicon carbide semiconductor device.
- This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2015-123062, which is a Japanese patent application filed on June 18, 2015, and uses all the contents described in the Japanese Patent Application.
- Patent Document 1 discloses a trench MOSFET in which an electric field relaxation region is provided inside a drift layer.
- a silicon carbide semiconductor device includes a silicon carbide substrate and a gate insulating film.
- the silicon carbide substrate has a first main surface and a second main surface opposite to the first main surface.
- the silicon carbide substrate includes a first impurity region having a first conductivity type, a second impurity region provided on the first impurity region and having a second conductivity type different from the first conductivity type, and separated from the first impurity region.
- a third impurity region which is provided on the second impurity region and forms the first main surface and has the first conductivity type, and an electric field which is located in the first impurity region and has the second conductivity type. Including relaxation regions.
- a trench defined by a side portion penetrating through the second impurity region and the third impurity region and reaching the first impurity region and a bottom portion provided continuously with the side portion is formed in the first main surface.
- the gate insulating film is in contact with the first impurity region at the bottom and is in contact with the first impurity region, the second impurity region, and the third impurity region at the side.
- the electric field relaxation region has a third main surface that faces the first main surface and a fourth main surface that faces the second main surface. The width of the third main surface in the direction parallel to the second main surface is larger than the width of the fourth main surface.
- FIG. 1 is a schematic perspective view showing a configuration of a silicon carbide substrate included in a silicon carbide semiconductor device according to an embodiment.
- 1 is a schematic plan view showing a configuration of a silicon carbide substrate included in a silicon carbide semiconductor device according to an embodiment. It is a figure which shows distribution of the dose amount in an electric field relaxation area
- 1 is a cross-sectional schematic diagram which shows the structure of the 1st modification of the silicon carbide semiconductor device which concerns on embodiment.
- FIG. 3 is a diagram showing a crystal structure of a (000-1) plane in polytype 4H hexagonal crystal.
- FIG. 13 is a view showing a crystal structure of a (11-20) plane along line XIII-XIII in FIG.
- FIG. 3 is a diagram showing a crystal structure of a (000-1) plane in polytype 4H hexagonal crystal.
- FIG. 13 is a view showing a crystal structure of a (11-20) plane along line XIII-XIII in FIG.
- FIG. 11 is a view showing a crystal structure in the vicinity of the surface of the composite surface in FIG.
- FIG. 11 is a diagram when the composite surface of FIG.
- FIG. 5 is a graph showing an example of the relationship between the channel surface mobility and the angle between the channel surface and the (000-1) surface viewed macroscopically, when thermal etching is performed and when it is not performed. is there. It is a graph which shows an example of the relationship between the angle between a channel direction and the ⁇ 0-11-2> direction, and channel mobility. It is a figure which shows the modification of FIG. It is a cross-sectional schematic diagram which shows the 1st process of the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device which concerns on embodiment.
- the electric field applied to the corner of the trench can be relaxed by the depletion layer extending from the electric field relaxation region.
- the electric field strength in the electric field relaxation region increases.
- the electric field strength at the corner tends to increase.
- an avalanche breakdown may occur due to electrons accelerated by a high electric field in a depletion layer formed near the corner.
- the source electrode and the drain electrode are short-circuited.
- Avalanche breakdown is a reversible phenomenon, but the device may be destroyed by overcurrent.
- An object of one embodiment of the present invention is to provide a silicon carbide semiconductor device that can alleviate electric field concentration at a corner of a trench and suppress the occurrence of avalanche breakdown.
- a silicon carbide semiconductor device that can reduce an electric field concentration at a corner portion of a trench while suppressing an increase in on-resistance and can suppress occurrence of an avalanche breakdown.
- Silicon carbide semiconductor device 1 includes a silicon carbide substrate 10 and a gate insulating film 15.
- Silicon carbide substrate 10 has a first main surface 10a and a second main surface 10b opposite to the first main surface 10a.
- Silicon carbide substrate 10 includes a first impurity region 12 having a first conductivity type, a second impurity region 13 provided on first impurity region 12 and having a second conductivity type different from the first conductivity type,
- a third impurity region 14 provided on the second impurity region 13 so as to be separated from the impurity region 12 and constituting the first main surface 10a and having the first conductivity type is located in the first impurity region 12.
- the first main surface 10a includes a side SW that penetrates through the second impurity region 13 and the third impurity region 14 and reaches the first impurity region 12, and a bottom BT provided continuously with the side SW.
- a defined trench TR is formed.
- Gate insulating film 15 is in contact with first impurity region 12 at bottom portion BT, and is in contact with first impurity region 12, second impurity region 13, and third impurity region 14 at side portion SW.
- the electric field relaxation region 2 has a third main surface 2a1 that faces the first main surface 10a and a fourth main surface 2b1 that faces the second main surface 10b.
- the width W1 of the third main surface 2a1 in the direction parallel to the second main surface 10b is larger than the width W2 of the fourth main surface 2b1.
- width W1 of third main surface 2a1 is larger than width W2 of fourth main surface 2b1.
- region 2 can be reduced. Therefore, the occurrence of avalanche breakdown can be suppressed.
- the width W1 of the third main surface 2a1 of the electric field relaxation region 2 is large, the third main surface 2a1 can be disposed near the corner C1 of the trench TR. Therefore, the electric field concentration at the corner C1 of the trench TR can be reduced.
- outer edge 13p of second impurity region 13 is provided so as to surround electric field relaxation region 2 when viewed from the direction perpendicular to second main surface 10b. It may be done. As a result, the current path flowing through the drift region 12 can be prevented from being narrowed. As a result, the on-resistance of silicon carbide semiconductor device 1 can be reduced.
- silicon carbide substrate 10 is located between second impurity region 13 and electric field relaxation region 2 and has the second conductivity type.
- the fourth impurity region 3 may be included. Thereby, the second impurity region 13 and the electric field relaxation region 2 can be electrically connected, and the switching speed can be increased.
- fourth impurity region 3 may be in contact with both second impurity region 13 and electric field relaxation region 2. Thereby, electrons or holes can be easily supplied from the second impurity region 13 to the electric field relaxation region 2.
- second impurity region 13 has fifth main surface 13a that is a boundary surface with first impurity region 12, Half of the width of the fifth main surface 13a in the direction parallel to the second main surface 10b is W b ( ⁇ m), and half of the width of the third main surface 2a1 in the direction parallel to the second main surface 10b is W u ( ⁇ m), the impurity concentration in the first impurity region 12 is N d (cm ⁇ 3 ), the impurity concentration in the electric field relaxation region 2 is N a (cm ⁇ 3 ), and the vacuum dielectric constant is ⁇ 0 (F M ⁇ 1 ), the dielectric constant of silicon carbide is ⁇ SiC (F ⁇ m ⁇ 1 ), the elementary charge is e (C), and the diffusion potential is V bi (V). Also good. Thereby, on-resistance can be reduced while maintaining the breakdown voltage of silicon carbide semiconductor device 1 high.
- silicon carbide substrate 10 includes silicon carbide single crystal substrate 11 forming second main surface 10b, and silicon carbide single crystal substrate. 11 and silicon carbide epitaxial layer 24 constituting first main surface 10a.
- the impurity dose in the electric field relaxation region 2 is D rx (cm ⁇ 2 ), and the fourth main surface 2b1, the silicon carbide single crystal substrate 11, and the silicon carbide epitaxial layer 24 in the direction perpendicular to the second main surface 10b.
- the distance to the boundary surface 11a is L d (cm) and the impurity concentration in the first impurity region 12 is N d (cm ⁇ 3 )
- Expression 2 may be satisfied.
- the electric field relaxation region 2 is completely depleted before the depletion layer extends from the electric field relaxation region 2 to the boundary surface 11a.
- a depletion layer having a sufficient length can be formed between the electric field relaxation region 2 and the boundary surface 11a.
- the breakdown voltage of silicon carbide semiconductor device 1 can be maintained high.
- angle ⁇ formed by side SW and bottom BT may be greater than 90 °.
- angle ⁇ formed by the side portion SW and the bottom portion BT is 90 °, the on-resistance when the electric field relaxation region 2 is located immediately below the side portion SW, and the electric field relaxation region 2 is more first than immediately below the side portion SW.
- the on-resistance when shifted slightly in the direction parallel to the main surface 10a is greatly different.
- angle ⁇ formed by the side part SW and the bottom part BT is larger than 90 °, even if the position of the electric field relaxation region 2 with respect to the side part SW is slightly changed, the on-resistance is not greatly different.
- side SW may include first surface S1 having a plane orientation ⁇ 0-33-8 ⁇ . Thereby, the channel resistance in the side part SW can be reduced.
- side portion SW microscopically includes first surface S1, and side portion SW further has a plane orientation ⁇ 0-11-1 ⁇ .
- the second surface S2 may be included microscopically. Thereby, the channel resistance in the side part SW can be further reduced.
- first surface S1 and second surface S2 may constitute a composite surface SR having a plane orientation ⁇ 0-11-2 ⁇ . Thereby, the channel resistance in the side part SW can be further reduced.
- side SW may macroscopically have an off angle of 62 ° ⁇ 10 ° with respect to the ⁇ 000-1 ⁇ plane. Thereby, the channel resistance in the side part SW can be further reduced.
- MOSFET 1 includes silicon carbide substrate 10, gate insulating film 15, gate electrode 27, interlayer insulating film 22, source electrode 16, and source wiring. 19 and the drain electrode 20 are mainly included.
- Silicon carbide substrate 10 includes a silicon carbide single crystal substrate 11 and a silicon carbide epitaxial layer 24 provided on silicon carbide single crystal substrate 11.
- Silicon carbide substrate 10 has a first main surface 10a and a second main surface 10b opposite to the first main surface 10a.
- Silicon carbide epitaxial layer 24 constitutes first main surface 10a, and silicon carbide single crystal substrate 11 constitutes second main surface 10b.
- the first main surface 10a is, for example, a surface that is off 2 ° or more and 8 ° or less from the ⁇ 000-1 ⁇ surface or the ⁇ 000-1 ⁇ surface.
- the first main surface 10a is on the carbon surface side
- the second main surface 10b is on the silicon surface side.
- the first major surface 10a is, for example, a surface that is off 2 ° or more and 8 ° or less from the (000-1) plane or the (000-1) plane.
- Silicon carbide single crystal substrate 11 is, for example, polytype 4H hexagonal silicon carbide.
- Silicon carbide single crystal substrate 11 includes an n-type impurity such as nitrogen and has an n-type (first conductivity type) conductivity type.
- Silicon carbide epitaxial layer 24 includes drift region 12 (first impurity region 12), body region 13 (second impurity region 13), source region 14 (third impurity region 14), contact region 18 and electric field relaxation region. 2 mainly.
- Drift region 12 includes an n-type impurity such as nitrogen and has n-type conductivity.
- the concentration of the n-type impurity contained in the drift region 12 is preferably 1 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 or more and 5 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 or less, for example, 8 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 .
- the concentration of n-type impurities contained in drift region 12 may be lower than the concentration of n-type impurities contained in silicon carbide single crystal substrate 11.
- Body region 13 is provided on drift region 12.
- Body region 13 includes a p-type impurity such as aluminum and has a p-type (second conductivity type) conductivity type.
- the concentration of the p-type impurity in the body region 13 is preferably 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or more and 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or less, for example, 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 .
- Source region 14 is provided on the body region 13 so as to be separated from the drift region 12 by the body region 13.
- Source region 14 includes an n-type impurity such as nitrogen or phosphorus and has an n-type conductivity type.
- Source region 14 constitutes first main surface 10a of silicon carbide substrate 10.
- the concentration of the n-type impurity included in the source region 14 may be higher than the concentration of the n-type impurity included in the drift region 12.
- the contact region 18 is in contact with the body region 13 and the source region 14.
- Contact region 18 contains a p-type impurity such as aluminum and has p-type conductivity.
- the concentration of the p-type impurity included in the contact region 18 may be higher than the concentration of the p-type impurity included in the body region 13.
- Contact region 18 is provided through source region 14 so as to connect body region 13 and first major surface 10a.
- the electric field relaxation region 2 is located in the drift region 12.
- Electric field relaxation region 2 includes a p-type impurity such as aluminum and has p-type conductivity.
- the electric field relaxation region 2 has a third main surface 2a1 that faces the first main surface 10a and a fourth main surface 2b1 that faces the second main surface 10b.
- the width W1 of the third main surface 2a1 in the direction parallel to the second main surface 10b is larger than the width W2 of the fourth main surface 2b1.
- the width of the electric field relaxation region 2 may decrease monotonously or may decrease stepwise in the direction from the third main surface 2a1 to the fourth main surface 2b1.
- the outer edge of the third main surface 2a1 surrounds the outer edge of the fourth main surface 2b1.
- Electric field relaxation region 2 may be separated from body region 13 by drift region 12.
- Electric field relaxation region 2 may be separated from silicon carbide single crystal substrate 11 by drift region 12.
- the third main surface 2a1 is located between the bottom portion BT and the second main surface 10b in the direction perpendicular to the second main surface 10b.
- a trench TR is formed in the first main surface 10 a of the silicon carbide substrate 10.
- Trench TR is defined by side SW and bottom BT.
- Side SW passes through body region 13 and source region 14 and reaches drift region 12.
- the bottom part BT is provided continuously with the side part SW.
- the bottom portion BT is located in the drift region 12.
- the angle ⁇ formed by the side part SW and the bottom part BT is greater than 90 °.
- Side view SW may be inclined so that the width of trench TR narrows in a tapered shape toward bottom portion BT in a cross-sectional view (a visual field viewed from a direction parallel to second main surface 10b of silicon carbide substrate 10). .
- the side SW is preferably inclined at 52 ° or more and 72 ° or less with respect to the (000-1) plane. Note that the side portion SW may be formed perpendicular to the first main surface 10a.
- the bottom portion BT may have a flat shape substantially parallel to the first main surface 10a.
- the shape of the trench TR may be U-shaped or V-shaped.
- the side part SW includes a special surface. Details of the configuration of the special surface will be described later.
- FIG. 3 shows silicon carbide substrate 10 taken out from MOSFET 1 shown in FIG.
- source region 14, body region 13 and drift region 12 are exposed at side SW of trench TR.
- Drift region 12 is exposed at each of side SW and bottom BT of trench TR.
- a portion where bottom portion BT and side portion SW are connected constitutes corner portion C1 (see FIG. 2) of trench TR.
- Trench TR may extend so as to form a mesh having a honeycomb structure in a plan view (a visual field viewed from a direction perpendicular to second main surface 10b of silicon carbide substrate 10).
- first main surface 10a of silicon carbide substrate 10 constituted by source region 14 and contact region 18 has a hexagonal shape.
- body region 13, source region 14, contact region 18, and electric field relaxation region 2 have a hexagonal outer shape.
- the unit cell has a hexagonal shape, more preferably a regular hexagonal shape.
- the shape of the unit cell may be a polygon such as a quadrangle.
- the shape of the body region 13, the source region 14, the contact region 18 and the electric field relaxation region 2 in plan view is preferably the same as the shape of the unit cell.
- the outer edge 13p of the body region 13 may be provided so as to surround the electric field relaxation region 2 in a plan view.
- the outer edge 14p at the boundary between the body region 13 and the source region 14 may be provided so as to surround the electric field relaxation region 2.
- the dose amount of the p-type impurity in the electric field relaxation region 2 is D rx (cm ⁇ 2 ), and the fourth main surface 2b1 and the silicon carbide single crystal substrate 11 in the direction perpendicular to the second main surface 10b.
- the distance from the boundary surface 11a of the silicon carbide epitaxial layer 24 is L d (cm) and the concentration of the n-type impurity in the drift region 12 is N d (cm ⁇ 3 )
- Equation 2 is satisfied.
- the dose amount in the electric field relaxation region 2 in the direction parallel to the second main surface 10 b (X direction in FIG. 2) has a maximum value D O at the position facing the contact region 18. However, it may be decreased toward the trenches TR on both sides.
- the dose amount D rx (cm ⁇ 2 ) in Equation 2 is the maximum value of the dose amount.
- the intrinsic carrier concentration n i (cm ⁇ 3 ) is calculated by the following Equation 3.
- N c is the electron density in the conduction band of the 4H-SiC at room temperature
- N v is the hole density of the valence band of the 4H-SiC at room temperature
- E g is the band gap of 4H—SiC at room temperature.
- E g is about 3.25 eV.
- k B is the Boltzmann constant and T is the absolute temperature (K). The room temperature is 300K.
- V bi (V) is calculated by Equation 4 below.
- N a is the acceptor concentration of the electric field relaxation region.
- N d is the donor concentration in the drift region.
- n i is the intrinsic carrier concentration (cm ⁇ 3 ) calculated by Equation 3 above.
- k B is the Boltzmann constant and T is the absolute temperature (K).
- the width W dep of the depletion layer DE is calculated by the following Equation 5.
- the donor concentration in the drift region 12 is N d (cm ⁇ 3 ).
- the acceptor concentration in the electric field relaxation region 2 is N a (cm ⁇ 3 ).
- the dielectric constant of the vacuum is ⁇ 0 (F ⁇ m ⁇ 1 ).
- the dielectric constant of silicon carbide is ⁇ SiC (F ⁇ m ⁇ 1 ).
- e is an elementary charge (C).
- V bi is the diffusion potential (V). In the following formula 5, it is assumed that the voltage at the pn interface between the electric field relaxation region 2 and the drift region 12 in the direction parallel to the second main surface 10b is 0V.
- a boundary surface between body region 13 and drift region 12 is fifth main surface 13a.
- Half of the width of the fifth main surface 13a in the direction parallel to the second main surface 10b is W b ( ⁇ m)
- half of the width of the third main surface 2a1 in the direction parallel to the second main surface 10b is W
- W b ( ⁇ m)> W u ( ⁇ m) + W dep ( ⁇ m) is satisfied.
- the fifth main surface 13a of the body region 13 includes a region in which the third main surface 2a1 of the electric field relaxation region 2 and the depletion layer DE protruding from the electric field relaxation region 2 to the drift region 12 are included. It is preferable. More preferably, W b -W u -W dep is greater than 0 and less than 0.5 ⁇ m.
- distance H4 between boundary surface 11a and third main surface 2a1 in the direction perpendicular to second main surface 10b is, for example, 9 ⁇ m.
- a distance H3 between the fifth main surface 13a and the third main surface 2a1 in the direction perpendicular to the second main surface 10b is, for example, 1 ⁇ m.
- the depth H5 of the trench TR is, for example, 1.4 ⁇ m.
- the distance between the bottom BT of the trench TR and the fifth main surface 13a in the direction perpendicular to the second main surface 10b is greater than 0.2 ⁇ m and the distance It is preferable that H3 is larger than 0.7 ⁇ m.
- the electric field relaxation region 2 may include a first electric field relaxation region portion 2a and a second electric field relaxation region portion 2b in contact with the first electric field relaxation region portion 2a.
- Second electric field relaxation region portion 2b is located between first electric field relaxation region portion 2a and second main surface 10b.
- the outer edge of the first electric field relaxation region 2a surrounds the outer edge of the second electric field relaxation region 2b when viewed from a direction perpendicular to the second main surface 10b.
- the first electric field relaxation region portion 2a has a corner portion C2 on the drain electrode 20 side.
- the second electric field relaxation region portion 2b has a corner portion C3 on the drain electrode 20 side. Therefore, the electric field in the electric field relaxation region 2 is distributed to the corner portion C2 and the corner portion C3. As a result, occurrence of avalanche breakdown can be suppressed.
- the thickness H1 of the first electric field relaxation region portion 2a is, for example, not less than 0.5 ⁇ m and not more than 1.0 ⁇ m.
- a thickness H2 of second electric field relaxation region portion 2b is, for example, not less than 0.1 ⁇ m and not more than 1.0 ⁇ m.
- the concentration of the p-type impurity included in the first electric field relaxation region 2a is, for example, 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or more and 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 or less.
- the concentration of the p-type impurity included in the second electric field relaxation region portion 2b is, for example, not less than 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 and not more than 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 .
- the concentration of the p-type impurity included in the first electric field relaxation region portion 2a may be the same as or different from the concentration of the p-type impurity included in the second electric field relaxation region portion 2b.
- gate insulating film 15 is in contact with bottom portion BT and side portion SW of trench TR and part of first main surface 10a.
- Gate insulating film 15 is made of, for example, a material containing silicon dioxide.
- the gate insulating film 15 is a thermal oxide film, for example.
- Gate insulating film 15 is in contact with drift region 12 at bottom BT, and is in contact with drift region 12, body region 13, and source region 14 at side SW.
- the gate electrode 27 is provided inside the trench TR so as to be in contact with the gate insulating film 15 inside the trench TR.
- the gate electrode 27 is made of polysilicon containing impurities, for example.
- the gate electrode 27 is provided so as to face the source region 14, the body region 13, and the drift region 12.
- the source electrode 16 is in contact with each of the source region 14 and the contact region 18 on the first main surface 10a.
- the source electrode 16 is made of a material containing, for example, Ti, Al, and Si.
- source electrode 16 is in ohmic contact with source region 14 and contact region 18.
- the source wiring 19 is in contact with the source electrode 16.
- Source wiring 19 is made of, for example, a material containing aluminum.
- the interlayer insulating film 22 is provided in contact with the gate electrode 27 and the gate insulating film 15.
- Interlayer insulating film 22 is made of, for example, a material containing silicon dioxide.
- the interlayer insulating film 22 electrically insulates the gate electrode 27 and the source electrode 16 from each other.
- Drain electrode 20 is in contact with silicon carbide single crystal substrate 11 on second main surface 10 b and is electrically connected to drift region 12.
- the drain electrode 20 is made of a material containing, for example, NiSi or TiAlSi.
- the electric field relaxation region 2 may include a first electric field relaxation region portion 2a, a second electric field relaxation region portion 2b, and a third electric field relaxation region portion 2c.
- the second electric field relaxation region portion 2b is located closer to the second main surface 10b than the first electric field relaxation region portion 2a.
- the third electric field relaxation region 2c is located closer to the second main surface 10b than the second electric field relaxation region 2b.
- the width of the second electric field relaxation region 2b is smaller than the width of the first electric field relaxation region 2a.
- the width of the third electric field relaxation region portion 2c is smaller than the width of the second electric field relaxation region portion 2b.
- the first electric field relaxation region portion 2a may be in contact with the second electric field relaxation region portion 2b, or may be separated from the second electric field relaxation region portion 2b by the drift region 12.
- Second electric field relaxation region 2b may be in contact with third electric field relaxation region 2c, or may be separated from third electric field relaxation region 2c by drift region 12.
- the first electric field relaxation region portion 2a, the second electric field relaxation region portion 2b, and the third electric field relaxation region portion 2c may be configured by ion implantation separately.
- the first electric field relaxation region 2a, the second electric field relaxation region 2b, and the third electric field relaxation region 2c may be connected to each other to constitute one electric field relaxation region 2 as a whole.
- silicon carbide substrate 10 may include a fourth impurity region 3 located between body region 13 and electric field relaxation region 2.
- Fourth impurity region 3 includes a p-type impurity such as aluminum and has p-type conductivity.
- the fourth impurity region 3 faces the contact region 18.
- the fourth impurity region 3 is provided in contact with the electric field relaxation region 2.
- a drift region 12 is provided between the fourth impurity region 3 and the body region 13.
- the width W4 of the fourth impurity region 3 in the direction parallel to the second main surface 10b may be smaller than the width W1 of the third main surface 2a1 of the electric field relaxation region 2.
- the width W4 of the fourth impurity region 3 may be smaller than the width W2 of the fourth main surface 2b1 of the electric field relaxation region 2.
- the fourth impurity region 3 may be separated from the body region 13 and separated from the electric field relaxation region 2.
- the fourth impurity region 3 may be surrounded by the drift region 12.
- a drift region 12 may be provided between the fourth impurity region 3 and the body region 13.
- a drift region 12 may be provided between the fourth impurity region 3 and the electric field relaxation region 2.
- the fourth impurity region 3 may be in contact with both the body region 13 and the electric field relaxation region 2. Thereby, the electric field relaxation region 2 is electrically connected to the body region 13 through the fourth impurity region 3.
- the side surface of the fourth impurity region 3 may be surrounded by the drift region 12.
- the shape of the electric field relaxation region 2 may be an inverted trapezoidal shape in a cross-sectional view.
- the angle between the side surface 2s of the electric field relaxation region 2 and the fourth main surface 2b1 is greater than 90 °. Therefore, the electric field concentration at the corner C3 of the electric field relaxation region 2 can be relaxed.
- An angle ⁇ between the side surface 2s of the electric field relaxation region 2 and the third main surface 2a1 is, for example, not less than 20 ° and not more than 50 °.
- the side portion SW described above has a special surface, particularly in a portion on the body region 13.
- the side SW having the special surface includes a surface S1 (first surface) having a surface orientation ⁇ 0-33-8 ⁇ .
- the surface including the surface S1 is provided in the body region 13 on the side portion SW of the trench TR.
- the plane S1 preferably has a plane orientation (0-33-8).
- the side SW includes the surface S1 microscopically, and the side SW further microscopically includes the surface S2 (second surface) having the surface orientation ⁇ 0-11-1 ⁇ .
- “microscopic” means that the dimensions are as detailed as at least a dimension of about twice the atomic spacing.
- TEM can be used as a microscopic structure observation method.
- the plane S2 preferably has a plane orientation (0-11-1).
- the surface S1 and the surface S2 of the side SW constitute a composite surface SR having a surface orientation ⁇ 0-11-2 ⁇ . That is, the composite surface SR is configured by periodically repeating the surfaces S1 and S2. Such a periodic structure can be observed by, for example, TEM or AFM (Atomic Force Microscopy).
- the composite surface SR has an off angle of 62 ° macroscopically with respect to the ⁇ 000-1 ⁇ plane.
- “macroscopic” means ignoring a fine structure having a dimension on the order of atomic spacing. As such a macroscopic off-angle measurement, for example, a general method using X-ray diffraction can be used.
- composite surface SR has a plane orientation (0-11-2). In this case, the composite surface SR has an off angle of 62 ° macroscopically with respect to the (000-1) plane.
- the sample analysis area is, for example, 10 ⁇ m ⁇ 10 ⁇ m ⁇ 0.1 ⁇ m.
- the acceleration voltage is 200 kV, for example.
- As the AFM for example, Dimension Icon SPM System made by Nippon Bico Co., Ltd. can be used.
- the sample analysis area is, for example, 90 ⁇ m ⁇ 90 ⁇ m.
- the scan rate is, for example, 0.2 Hz.
- the chip speed is, for example, 8 ⁇ m / second.
- the amplitude set point is 15.5 nm, for example.
- the Z range is, for example, 1 ⁇ m. The above parameters are adjusted according to the sample.
- the X-ray diffractometer for example, SmartLab manufactured by Rigaku Corporation can be used.
- the sample analysis region is, for example, not less than 0.3 mm ⁇ and not more than 0.8 mm ⁇ .
- the tube used is, for example, Cu.
- the output is, for example, 45 kV and 80 mA.
- the side SW of the trench TR is measured by AFM.
- the channel direction CD which is the direction in which carriers flow on the channel surface, is along the direction in which the above-described periodic repetition is performed.
- Si atoms are atoms of A layer (solid line in the figure), B layer atoms (broken line in the figure) located below, C layer atoms (dotted line in the figure) located below, and B layer atoms (not shown) located below this It is provided repeatedly. That is, a periodic laminated structure such as ABCBABCBABCB... Is provided with four layers ABCB as one period.
- the atoms in each of the four layers ABCB constituting one period described above are (0-11-2) It is not arranged to be completely along the plane.
- the (0-11-2) plane is shown so as to pass through the position of atoms in the B layer.
- the atoms in the A layer and the C layer are separated from the (0-11-2) plane. You can see that it is shifted. For this reason, even if the macroscopic plane orientation of the surface of the silicon carbide single crystal, that is, the plane orientation when ignoring the atomic level structure is limited to (0-11-2), the surface is microscopic. Can take various structures.
- a surface S1 having a surface orientation (0-33-8) and a surface S2 connected to the surface S1 and having a surface orientation different from the surface orientation of the surface S1 are alternately provided. It is configured by being.
- the length of each of the surface S1 and the surface S2 is twice the atomic spacing of Si atoms (or C atoms). Note that the surface obtained by averaging the surfaces S1 and S2 corresponds to the (0-11-2) surface (FIG. 13).
- the single crystal structure when the composite surface SR is viewed from the (01-10) plane periodically includes a structure (surface S1 portion) equivalent to a cubic crystal when viewed partially.
- a surface S1 having a surface orientation (001) in a structure equivalent to the above-described cubic crystal and a surface S2 connected to the surface S1 and having a surface orientation different from the surface orientation of the surface S1 are alternated. It is comprised by being provided in.
- polytypes other than 4H may constitute the surface according to S2).
- the polytype may be 6H or 15R, for example.
- the horizontal axis indicates the angle D1 formed by the macroscopic surface orientation of the side SW having the channel surface and the (000-1) plane
- the vertical axis indicates the mobility MB.
- the plot group CM corresponds to the case where the side SW is finished as a special surface by thermal etching
- the plot group MC corresponds to the case where such thermal etching is not performed.
- the mobility MB in the plot group MC was maximized when the macroscopic surface orientation of the channel surface was (0-33-8). This is because, when thermal etching is not performed, that is, when the microscopic structure of the channel surface is not particularly controlled, the macroscopic plane orientation is set to (0-33-8). This is probably because the ratio of the formation of the visual plane orientation (0-33-8), that is, the plane orientation (0-33-8) considering the atomic level, stochastically increased.
- the mobility MB in the plot group CM was maximized when the macroscopic surface orientation of the channel surface was (0-11-2) (arrow EX).
- the reason for this is that, as shown in FIGS. 14 and 15, a large number of surfaces S1 having a plane orientation (0-33-8) are regularly and densely arranged via the surface S2, so that the surface of the channel surface is minute. This is probably because the proportion of the visual plane orientation (0-33-8) has increased.
- the mobility MB has an orientation dependency on the composite surface SR.
- the horizontal axis indicates the angle D2 between the channel direction and the ⁇ 0-11-2> direction
- the vertical axis indicates the mobility MB (arbitrary unit) of the channel surface.
- a broken line is added to make the graph easier to see.
- the angle D2 of the channel direction CD (FIG. 11) is preferably 0 ° or more and 60 ° or less, and more preferably approximately 0 °. all right.
- the side SW may further include a surface S3 (third surface) in addition to the composite surface SR. More specifically, the side portion SW may include a composite surface SQ configured by periodically repeating the surface S3 and the composite surface SR.
- the off angle of the side SW with respect to the ⁇ 000-1 ⁇ plane deviates from 62 ° which is the ideal off angle of the composite surface SR. This deviation is preferably small and preferably within a range of ⁇ 10 °.
- a surface included in such an angle range for example, there is a surface whose macroscopic plane orientation is a ⁇ 0-33-8 ⁇ plane.
- the off angle of the side SW with respect to the (000-1) plane deviates from 62 ° which is the ideal off angle of the composite surface SR.
- This deviation is preferably small and preferably within a range of ⁇ 10 °.
- a surface included in such an angle range for example, there is a surface whose macroscopic plane orientation is a (0-33-8) plane.
- Such a periodic structure can be observed by, for example, TEM or AFM.
- Specific examples of the measurement apparatus, the sample analysis region, and the measurement conditions are as described above.
- drift region 12 is formed on silicon carbide single crystal substrate 11. Specifically, for example, by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method using a mixed gas of silane (SiH 4 ) and propane (C 3 H 8 ) as a source gas and using, for example, hydrogen gas (H 2 ) as a carrier gas. Drift region 12 is formed on silicon carbide single crystal substrate 11. In the epitaxial growth, it is preferable to introduce, for example, nitrogen (N) or phosphorus (P) as impurities. Drift region 12 has n-type conductivity.
- CVD Chemical Vapor Deposition
- the field relaxation region 2 is formed by ion implantation of a p-type impurity such as aluminum into the drift region 12.
- a p-type impurity such as aluminum
- the second electric field relaxation region portion 2b is formed at a position deeper than the first electric field relaxation region portion 2a.
- the second electric field relaxation region portion 2b is formed with ion implantation energy higher than the ion implantation energy for forming the first electric field relaxation region portion 2a, using a mask having an opening narrower than the first electric field relaxation region portion 2a. Also good.
- the drift region 12 is formed on the electric field relaxation region 2 by epitaxial growth again.
- a body region 13 is formed by ion implantation of a p-type impurity such as aluminum into the newly formed drift region 12.
- an n-type impurity such as phosphorus is ion-implanted into body region 13 at a depth shallower than that of body region 13 to form source region 14.
- contact region 18 is formed by ion implantation of a p-type impurity such as aluminum into source region 14. The contact region 18 is formed so as to penetrate the source region 14 and contact the body region 13 (see FIG. 20).
- activation annealing is performed to activate impurities implanted into the silicon carbide substrate 10.
- the temperature of activation annealing is preferably 1500 ° C. or higher and 1900 ° C. or lower, for example, about 1700 ° C.
- the activation annealing time is, for example, about 30 minutes.
- the atmosphere of activation annealing is preferably an inert gas atmosphere, for example, an Ar atmosphere.
- a step of forming a trench is performed.
- a mask layer (not shown) having an opening at a position where trench TR (FIG. 1) is formed is formed on first main surface 10 a configured from source region 14 and contact region 18.
- the source region 14, the body region 13, and a part of the drift region 12 are removed by etching.
- etching method for example, reactive ion etching, particularly inductively coupled plasma reactive ion etching can be used.
- inductively coupled plasma reactive ion etching using SF 6 or a mixed gas of SF 6 and O 2 as a reaction gas can be used.
- thermal etching is performed in the recess.
- the thermal etching can be performed, for example, by heating in an atmosphere containing a reactive gas having at least one or more types of halogen atoms.
- the at least one or more types of halogen atom includes at least one of a chlorine (Cl) atom and a fluorine (F) atom.
- the atmosphere includes, for example, Cl 2 , BCL 3 , SF 6 , or CF 4 .
- thermal etching is performed using a mixed gas of chlorine gas and oxygen gas as a reaction gas and a heat treatment temperature of, for example, 700 ° C. or more and 1000 ° C. or less.
- the reaction gas may contain a carrier gas in addition to the above-described chlorine gas and oxygen gas.
- a carrier gas for example, nitrogen (N 2 ) gas, argon gas, helium gas or the like can be used.
- trench TR is formed in first main surface 10a of silicon carbide substrate 10 by the thermal etching.
- Trench TR is defined by side SW passing through source region 14 and body region 13 to drift region 12, and bottom BT located in drift region 12.
- the angle ⁇ formed by the bottom portion BT and the side portion SW is, for example, not less than 110 ° and not more than 130 °.
- the side portion SW includes the special surface described above.
- third main surface 2a1 of electric field relaxation region 2 is located between bottom portion BT and second main surface 10b.
- a step of forming a gate insulating film is performed.
- gate insulating film 15 in contact with source region 14, body region 13, and drift region 12 is formed.
- silicon carbide substrate 10 is heated at a temperature of, for example, 1300 ° C. or higher and 1400 ° C. or lower in an atmosphere containing oxygen.
- the gate insulating film 15 in contact with the source region 14, the body region 13, and the drift region 12 in the side portion SW and in contact with the drift region 12 in the bottom portion BT is formed.
- NO annealing After thermally oxidizing silicon carbide substrate 10, heat treatment (NO annealing) may be performed on silicon carbide substrate 10 in a nitrogen monoxide (NO) gas atmosphere.
- NO annealing silicon carbide substrate 10 is held for about 1 hour under conditions of, for example, 1100 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower.
- nitrogen atoms are introduced into the interface region between the gate insulating film 15 and the body region 13.
- the formation of interface states in the interface region is suppressed, so that channel mobility can be improved.
- a gas other than NO gas for example, N 2 O
- N 2 O may be used as the atmospheric gas.
- Ar annealing using argon (Ar) as an atmospheric gas may be further performed after the NO annealing.
- the heating temperature for Ar annealing is, for example, equal to or higher than the heating temperature for NO annealing.
- the Ar annealing time is, for example, about 1 hour.
- gate electrode 27 in contact with gate insulating film 15 is formed inside trench TR.
- Gate electrode 27 is arranged inside trench TR and is formed on gate insulating film 15 so as to face each of side portion SW and bottom portion BT of trench TR.
- the gate electrode 27 is formed, for example, by LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) method.
- the interlayer insulating film 22 is formed so as to cover the gate electrode 27 and to be in contact with the gate insulating film 15.
- the interlayer insulating film 22 is formed by a deposition method, more preferably a chemical vapor deposition method.
- Interlayer insulating film 22 is made of, for example, a material containing silicon dioxide.
- part of interlayer insulating film 22 and gate insulating film 15 is etched so that an opening is formed on source region 14 and contact region 18. As a result, the contact region 18 and the source region 14 are exposed from the gate insulating film 15 (see FIG. 22).
- a step of forming a source electrode is performed.
- source electrode 16 in contact with source region 14 and contact region 18 is formed on first main surface 10a.
- the source electrode 16 is formed by, for example, a sputtering method.
- the source electrode 16 is made of a material containing, for example, Ti, Al, and Si.
- alloying annealing is performed. Specifically, the source electrode 16 in contact with the source region 14 and the contact region 18 is held for about 5 minutes at a temperature of 900 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower, for example. Thereby, at least a part of source electrode 16 reacts with silicon included in silicon carbide substrate 10 to be silicided. As a result, the source electrode 16 that is in ohmic contact with the source region 14 is formed.
- the source electrode 16 is in ohmic contact with the contact region 18.
- MOSFET 1 (FIG. 1) according to the present embodiment is completed.
- the silicon carbide semiconductor device is described as being a MOSFET, but the silicon carbide semiconductor device is not limited to a MOSFET.
- the silicon carbide semiconductor device may be, for example, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).
- the n-type is the first conductivity type and the p-type is the second conductivity type.
- the p-type may be the first conductivity type and the n-type may be the second conductivity type. .
- width W1 of third main surface 2a1 is larger than width W2 of fourth main surface 2b1.
- region 2 can be reduced. Therefore, the occurrence of avalanche breakdown can be suppressed.
- the width W1 of the third main surface 2a1 of the electric field relaxation region 2 is large, the third main surface 2a1 can be disposed near the corner C1 of the trench TR. Therefore, the electric field concentration at the corner C1 of the trench TR can be reduced.
- the outer edge 13p of the second impurity region 13 is provided so as to surround the electric field relaxation region 2 when viewed from a direction perpendicular to the second main surface 10b.
- the current path flowing through the drift region 12 can be prevented from being narrowed.
- the on-resistance of MOSFET 1 can be reduced.
- silicon carbide substrate 10 includes fourth impurity region 3 located between body region 13 and electric field relaxation region 2 and having the second conductivity type. Thereby, the second impurity region 13 and the electric field relaxation region 2 can be electrically connected, and the switching speed can be increased.
- fourth impurity region 3 is in contact with both body region 13 and electric field relaxation region 2. Thereby, electrons or holes can be easily supplied from the body region 13 to the electric field relaxation region 2.
- body region 13 has fifth main surface 13a that is a boundary surface with drift region 12, and fifth main surface 13a in a direction parallel to second main surface 10b.
- Half of the width is W b ( ⁇ m)
- half of the width of the third main surface 2a1 in the direction parallel to the second main surface 10b is W u ( ⁇ m)
- the impurity concentration in the first impurity region 12 is N and d (cm -3), the impurity concentration in the electric field relaxation region 2 and N a (cm -3), a dielectric constant of vacuum and ⁇ 0 (F ⁇ m -1) , the dielectric constant of the silicon carbide epsilon SiC ( F ⁇ m ⁇ 1 ), the elementary charge is e (C), and the diffusion potential is V bi (V).
- the on-resistance can be reduced while keeping the breakdown voltage of the MOSFET 1 high.
- silicon carbide substrate 10 is provided on silicon carbide single crystal substrate 11 constituting second main surface 10b, silicon carbide single crystal substrate 11, and first main surface 10a. And silicon carbide epitaxial layer 24 constituting the structure.
- the impurity dose in the electric field relaxation region 2 is D rx (cm ⁇ 2 ), and the fourth main surface 2b1, the silicon carbide single crystal substrate 11, and the silicon carbide epitaxial layer 24 in the direction perpendicular to the second main surface 10b.
- the distance to the boundary surface 11a is L d (cm) and the impurity concentration in the drift region 12 is N d (cm ⁇ 3 )
- the above formula 2 is satisfied.
- angle ⁇ formed by side SW and bottom BT is greater than 90 °.
- angle ⁇ formed by the side portion SW and the bottom portion BT is 90 °, the on-resistance when the electric field relaxation region 2 is located immediately below the side portion SW, and the electric field relaxation region 2 is more first than immediately below the side portion SW.
- the on-resistance when shifted slightly in the direction parallel to the main surface 10a is greatly different.
- angle ⁇ formed by the side part SW and the bottom part BT is larger than 90 °, even if the position of the electric field relaxation region 2 with respect to the side part SW is slightly changed, the on-resistance is not greatly different.
- side SW may include a first surface S1 having a plane orientation ⁇ 0-33-8 ⁇ . Thereby, the channel resistance in the side part SW can be reduced.
- side SW includes microscopically first surface S1, and side SW further includes second surface S2 having a plane orientation ⁇ 0-11-1 ⁇ . May be included microscopically. Thereby, the channel resistance in the side part SW can be further reduced.
- first surface S1 and second surface S2 may constitute composite surface SR having a plane orientation ⁇ 0-11-2 ⁇ . Thereby, the channel resistance in the side part SW can be further reduced.
- side SW may macroscopically have an off angle of 62 ° ⁇ 10 ° with respect to the ⁇ 000-1 ⁇ plane. Thereby, the channel resistance in the side part SW can be further reduced.
- the width W1 of the third main surface 2a1 of the electric field relaxation region 2 is 2 ⁇ m, 2.5 ⁇ m, 3 ⁇ m, 3.5 ⁇ m, and 4.5 ⁇ m.
- W p is the half value of the width W1.
- the width W3 (see FIG. 2) of the fifth major surface 13a of the body region 13 is 2.7 ⁇ m.
- W b is a half value of the width W3.
- the concentration of aluminum contained in the electric field relaxation region 2 is 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 .
- the concentration of aluminum contained in the body region 13 is 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 .
- the concentration of nitrogen contained in the drift region 12 is 6 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 .
- the thickness of the drift region 12 is 10 ⁇ m.
- the width W dep of the depletion layer calculated from the concentration of aluminum contained in the body region 13 and the concentration of nitrogen contained in the drift region 12 is about 0.6 ⁇ m.
- the on-resistance and breakdown voltage of the five types of MOSFETs 1 are measured.
- the voltage V DS between the drain electrode 20 and the source electrode 16 is 2V.
- the potential difference V GS between the gate electrode 27 and the source electrode 16 is 15V.
- the potential difference V GS between the gate electrode 27 and the source electrode 16 is set to 0V.
- the voltage V DS between the drain electrode 20 and the source electrode 16 is changed between 0 V and 1600 V, and the voltage V DS when the current I DS flowing between the drain electrode 20 and the source electrode 16 becomes 1 ⁇ A is defined as a withstand voltage.
- FIG. 23 is experimental data showing the relationship between the on-resistance of the MOSFET and W b ⁇ W u ⁇ W dep .
- the on-resistance rapidly decreases under the condition of W b ⁇ W u ⁇ W dep > 0 (in other words, W b > W u + W dep ).
- W b ⁇ W u ⁇ W dep ⁇ 0.5 ⁇ m, the on-resistance tends to be saturated.
- FIG. 24 is experimental data showing the relationship between the breakdown voltage of the MOSFET and W b ⁇ W u ⁇ W dep . As shown in FIG.
- W b ⁇ W u ⁇ W dep is preferably greater than 0 and less than 0.5 ⁇ m from the viewpoint of achieving both breakdown voltage and on-resistance.
- 1 silicon carbide semiconductor device MOSFET
- 2 electric field relaxation region 2a1 third main surface, 2a first electric field relaxation region portion, 2b1 fourth main surface, 2b second electric field relaxation region portion, 2c third electric field relaxation region portion, 2s side surface, 4th impurity region, 10 silicon carbide substrate, 10a first main surface, 10b second main surface, 11 silicon carbide single crystal substrate, 11a boundary surface, 12 first impurity region (drift region), 13 second Impurity region (body region), 13a fifth main surface, 13p, 14p outer edge, 14 third impurity region (source region), 15 gate insulating film, 16 source electrode, 18 contact region, 19 source wiring, 20 drain electrode, 22 Interlayer insulating film, 24 silicon carbide epitaxial layer, 27 gate electrode, BT bottom, C1, C2 corner, C3 edge, corner CD channel direction, H1, H2 thickness, H3, H4 distance, H5 depth, S1 first surface, S2 second surface, SQ, SR composite surface, SW side, TR trench, W1, W2, W3,
Landscapes
- Recrystallisation Techniques (AREA)
- Electrodes Of Semiconductors (AREA)
Abstract
Description
本発明は、炭化珪素半導体装置に関する。本出願は、2015年6月18日に出願した日本特許出願である特願2015-123062に基づく優先権を主張し、当該日本特許出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。 The present invention relates to a silicon carbide semiconductor device. This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2015-123062, which is a Japanese patent application filed on June 18, 2015, and uses all the contents described in the Japanese Patent Application.
近年、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)などの半導体装置の高耐圧化、低損失化、高温環境下での使用などを可能とするため、半導体装置を構成する材料として炭化珪素の採用が進められつつある。たとえば、特開2014-041990号公報(特許文献1)は、ドリフト層の内部に電界緩和領域が設けられたトレンチ型MOSFETを開示している。 In recent years, silicon carbide has been increasingly adopted as a material for semiconductor devices in order to enable the use of high-voltage, low-loss and high-temperature environments in semiconductor devices such as MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors). It is being For example, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2014-041990 (Patent Document 1) discloses a trench MOSFET in which an electric field relaxation region is provided inside a drift layer.
本発明の一態様に係る炭化珪素半導体装置は、炭化珪素基板と、ゲート絶縁膜とを備えている。炭化珪素基板は、第1主面と、第1主面と反対側の第2主面とを有する。炭化珪素基板は、第1導電型を有する第1不純物領域と、第1不純物領域上に設けられ、第1導電型と異なる第2導電型を有する第2不純物領域と、第1不純物領域から隔てられるように第2不純物領域上に設けられ、第1主面を構成し、かつ第1導電型を有する第3不純物領域と、第1不純物領域内に位置し、かつ第2導電型を有する電界緩和領域とを含む。第1主面には、第2不純物領域および第3不純物領域を貫通し、かつ第1不純物領域に至る側部と、側部と連続して設けられた底部とにより規定されたトレンチが形成されている。ゲート絶縁膜は、底部において第1不純物領域と接し、かつ側部において第1不純物領域と、第2不純物領域と、第3不純物領域とに接する。電界緩和領域は、第1主面に対面する第3主面と、第2主面に対面する第4主面とを有する。第2主面に平行な方向における、第3主面の幅は、第4主面の幅よりも大きい。 A silicon carbide semiconductor device according to one embodiment of the present invention includes a silicon carbide substrate and a gate insulating film. The silicon carbide substrate has a first main surface and a second main surface opposite to the first main surface. The silicon carbide substrate includes a first impurity region having a first conductivity type, a second impurity region provided on the first impurity region and having a second conductivity type different from the first conductivity type, and separated from the first impurity region. A third impurity region which is provided on the second impurity region and forms the first main surface and has the first conductivity type, and an electric field which is located in the first impurity region and has the second conductivity type. Including relaxation regions. A trench defined by a side portion penetrating through the second impurity region and the third impurity region and reaching the first impurity region and a bottom portion provided continuously with the side portion is formed in the first main surface. ing. The gate insulating film is in contact with the first impurity region at the bottom and is in contact with the first impurity region, the second impurity region, and the third impurity region at the side. The electric field relaxation region has a third main surface that faces the first main surface and a fourth main surface that faces the second main surface. The width of the third main surface in the direction parallel to the second main surface is larger than the width of the fourth main surface.
[本開示が解決しようとする課題]
トレンチの近傍に電界緩和領域を設けることにより、電界緩和領域から伸長する空乏層によってトレンチの角部に印加される電界を緩和することができる。しかしながら、ソース電極およびドレイン電極間に印加される電圧が増加すると、電界緩和領域における電界強度が増加する。特に、ドレイン電極側の電界緩和領域の角部には、電界が集中しやすいため、当該角部における電界強度は高くなりやすい。当該角部における電界強度が限界値を超えると、当該角部付近に形成された空乏層中において高電界で加速された電子に起因して、アバランシェ降伏が発生する場合がある。結果として、ソース電極およびドレイン電極間が短絡してしまう。アバランシェ降伏は可逆的な現象であるが、過電流によりデバイスが破壊されることもある。
[Problems to be solved by the present disclosure]
By providing the electric field relaxation region in the vicinity of the trench, the electric field applied to the corner of the trench can be relaxed by the depletion layer extending from the electric field relaxation region. However, when the voltage applied between the source electrode and the drain electrode increases, the electric field strength in the electric field relaxation region increases. In particular, since the electric field tends to concentrate at the corner of the electric field relaxation region on the drain electrode side, the electric field strength at the corner tends to increase. When the electric field strength at the corner exceeds the limit value, an avalanche breakdown may occur due to electrons accelerated by a high electric field in a depletion layer formed near the corner. As a result, the source electrode and the drain electrode are short-circuited. Avalanche breakdown is a reversible phenomenon, but the device may be destroyed by overcurrent.
本発明の一態様の目的は、トレンチの角部における電界集中を緩和し、かつアバランシェ降伏の発生を抑制可能な炭化珪素半導体装置を提供することである。
[本開示の効果]
本発明の一態様によれば、オン抵抗の増加を抑えつつトレンチの角部における電界集中を緩和し、かつアバランシェ降伏の発生を抑制可能な炭化珪素半導体装置を提供することができる。
An object of one embodiment of the present invention is to provide a silicon carbide semiconductor device that can alleviate electric field concentration at a corner of a trench and suppress the occurrence of avalanche breakdown.
[Effects of the present disclosure]
According to one embodiment of the present invention, it is possible to provide a silicon carbide semiconductor device that can reduce an electric field concentration at a corner portion of a trench while suppressing an increase in on-resistance and can suppress occurrence of an avalanche breakdown.
[本願発明の実施形態の説明]
(1)本発明の一態様に係る炭化珪素半導体装置1は、炭化珪素基板10と、ゲート絶縁膜15とを備えている。炭化珪素基板10は、第1主面10aと、第1主面10aと反対側の第2主面10bとを有する。炭化珪素基板10は、第1導電型を有する第1不純物領域12と、第1不純物領域12上に設けられ、第1導電型と異なる第2導電型を有する第2不純物領域13と、第1不純物領域12から隔てられるように第2不純物領域13上に設けられ、第1主面10aを構成し、かつ第1導電型を有する第3不純物領域14と、第1不純物領域12内に位置し、かつ第2導電型を有する電界緩和領域2とを含む。第1主面10aには、第2不純物領域13および第3不純物領域14を貫通し、かつ第1不純物領域12に至る側部SWと、側部SWと連続して設けられた底部BTとにより規定されたトレンチTRが形成されている。ゲート絶縁膜15は、底部BTにおいて第1不純物領域12と接し、かつ側部SWにおいて第1不純物領域12と、第2不純物領域13と、第3不純物領域14とに接する。電界緩和領域2は、第1主面10aに対面する第3主面2a1と、第2主面10bに対面する第4主面2b1とを有する。第2主面10bに平行な方向における、第3主面2a1の幅W1は、第4主面2b1の幅W2よりも大きい。
[Description of Embodiment of Present Invention]
(1) Silicon
上記(1)に係る炭化珪素半導体装置1によれば、第3主面2a1の幅W1は、第4主面2b1の幅W2よりも大きい。これにより、電界緩和領域2の第4主面2b1の端部C3における電界強度を低減することができる。そのため、アバランシェ降伏の発生を抑制することができる。また電界緩和領域2の第3主面2a1の幅W1が大きいため、第3主面2a1をトレンチTRの角部C1の近くに配置することができる。そのため、トレンチTRの角部C1における電界集中を緩和することができる。
According to silicon
(2)上記(1)に係る炭化珪素半導体装置1において、第2主面10bに対して垂直な方向から見て、第2不純物領域13の外縁13pは、電界緩和領域2を取り囲むように設けられていてもよい。これにより、ドリフト領域12を流れる電流の経路が狭窄されることを抑制することができる。結果として、炭化珪素半導体装置1のオン抵抗を低減することができる。
(2) In silicon
(3)上記(1)または(2)に係る炭化珪素半導体装置1において、炭化珪素基板10は、第2不純物領域13と電界緩和領域2との間に位置し、かつ第2導電型を有する第4不純物領域3を含んでいてもよい。これにより、第2不純物領域13と電界緩和領域2を電気的に接続することができ、スイッチング速度を早くすることができる。
(3) In silicon
(4)上記(3)に係る炭化珪素半導体装置1において、第4不純物領域3は、第2不純物領域13および電界緩和領域2の双方に接していてもよい。これにより、第2不純物領域13から電界緩和領域2に対して電子またはホールを容易に供給することができる。
(4) In silicon
(5)上記(1)~(4)のいずれかに係る炭化珪素半導体装置1において、第2不純物領域13は、第1不純物領域12との境界面である第5主面13aを有し、第2主面10bに平行な方向における第5主面13aの幅の半分をWb(μm)とし、第2主面10bに対して平行な方向における第3主面2a1の幅の半分をWu(μm)とし、第1不純物領域12における不純物濃度をNd(cm-3)とし、電界緩和領域2における不純物濃度をNa(cm-3)とし、真空の誘電率をε0(F・m-1)とし、炭化珪素の誘電率をεSiC(F・m-1)とし、素電荷をe(C)とし、拡散電位をVbi(V)としたとき、数式1を満たしてもよい。これにより、炭化珪素半導体装置1の耐圧を高く維持しつつオン抵抗を低減することができる。
(5) In silicon
(6)上記(1)~(5)のいずれかに係る炭化珪素半導体装置1において、炭化珪素基板10は、第2主面10bを構成する炭化珪素単結晶基板11と、炭化珪素単結晶基板11上に設けられ、かつ第1主面10aを構成する炭化珪素エピタキシャル層24とを含む。電界緩和領域2の不純物ドーズ量をDrx(cm-2)し、第2主面10bに対して垂直な方向における、第4主面2b1と、炭化珪素単結晶基板11および炭化珪素エピタキシャル層24の境界面11aとの距離をLd(cm)とし、第1不純物領域12における不純物濃度をNd(cm-3)としたとき、数式2を満たしてもよい。これにより、電界緩和領域2から境界面11aへ空乏層が延びる前に、電界緩和領域2が完全に空乏化することが抑制される。これにより、電界緩和領域2と境界面11aとの間に、十分な長さを有する空乏層が形成され得る。結果として、炭化珪素半導体装置1の耐圧を高く維持することができる。
(6) In silicon
(7)上記(1)~(6)のいずれかに係る炭化珪素半導体装置1において、側部SWと底部BTとがなす角度θは90°よりも大きくてもよい。側部SWと底部BTとがなす角度θが90°の場合、電界緩和領域2が側部SWの直下に位置するときのオン抵抗と、電界緩和領域2が側部SWの直下よりも第1主面10aと平行な方向に少しシフトしたときのオン抵抗とは、大きく異なる。一方、側部SWと底部BTとがなす角度θが90°よりも大きい場合、側部SWに対する電界緩和領域2の位置が少し変化しても、オン抵抗は大きく異ならない。そのため、側部SWと底部BTとがなす角度θが90°よりも大きい場合は、たとえばアライメント誤差により、トレンチTRに対する電界緩和領域2の位置がウェハの面内でばらついた場合であっても、オン抵抗が大きく変化することを抑制することができる。
(7) In silicon
(8)上記(1)~(7)のいずれかに係る炭化珪素半導体装置1において、側部SWは、面方位{0-33-8}を有する第1の面S1を含んでもよい。これにより、側部SWにおけるチャネル抵抗を低減することができる。
(8) In silicon
(9)上記(8)に係る炭化珪素半導体装置1において、側部SWは、第1の面S1を微視的に含み、側部SWはさらに、面方位{0-11-1}を有する第2の面S2を微視的に含んでもよい。これにより、側部SWにおけるチャネル抵抗をより低減することができる。
(9) In silicon
(10)上記(9)に係る炭化珪素半導体装置1において、第1の面S1および第2の面S2は、面方位{0-11-2}を有する複合面SRを構成してもよい。これにより、側部SWにおけるチャネル抵抗をより低減することができる。
(10) In silicon
(11)上記(10)に係る炭化珪素半導体装置1において、側部SWは、{000-1}面に対して、巨視的に62°±10°のオフ角を有してもよい。これにより、側部SWにおけるチャネル抵抗をより低減することができる。
(11) In silicon
[本願発明の実施形態の詳細]
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。また、本明細書中の結晶学的記載においては、個別方位を[]、集合方位を<>、個別面を()、集合面を{}でそれぞれ示している。また結晶学上の指数が負であることは、通常、”-”(バー)を数字の上に付すことによって表現されるが、本明細書中では数字の前に負の符号を付している。
[Details of the embodiment of the present invention]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated. In the crystallographic description in this specification, the individual orientation is indicated by [], the collective orientation is indicated by <>, the individual plane is indicated by (), and the collective plane is indicated by {}. In addition, a negative crystallographic index is usually expressed by adding “-” (bar) above a number. In this specification, a negative sign is added before the number. Yes.
まず、本発明の実施の形態に係る炭化珪素半導体装置としてのMOSFETの構成について説明する。 First, the configuration of a MOSFET as a silicon carbide semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described.
図1および図2に示されるように、本実施の形態に係るMOSFET1は、炭化珪素基板10と、ゲート絶縁膜15と、ゲート電極27と、層間絶縁膜22と、ソース電極16と、ソース配線19と、ドレイン電極20とを主に有している。炭化珪素基板10は、炭化珪素単結晶基板11と、炭化珪素単結晶基板11上に設けられた炭化珪素エピタキシャル層24を含む。炭化珪素基板10は、第1主面10aと、第1主面10aと反対側の第2主面10bとを有する。炭化珪素エピタキシャル層24は第1主面10aを構成し、炭化珪素単結晶基板11は第2主面10bを構成する。
As shown in FIGS. 1 and 2,
第1主面10aは、たとえば{000-1}面または{000-1}面から2°以上8°以下オフした面である。好ましくは、第1主面10aは、炭素面側であり、第2主面10bが珪素面側である。第1主面10aは、たとえば(000-1)面または(000-1)面から2°以上8°以下オフした面である。炭化珪素単結晶基板11は、たとえばポリタイプ4Hの六方晶炭化珪素である。炭化珪素単結晶基板11は、たとえば窒素などのn型不純物を含みn型(第1導電型)の導電型を有する。炭化珪素エピタキシャル層24は、ドリフト領域12(第1不純物領域12)と、ボディ領域13(第2不純物領域13)と、ソース領域14(第3不純物領域14)と、コンタクト領域18と電界緩和領域2とを主に有する。
The first
ドリフト領域12は、たとえば窒素などのn型不純物を含み、n型の導電型を有する。ドリフト領域12が含むn型不純物の濃度は、好ましくは1×1015cm-3以上5×1016cm-3以下であり、たとえば8×1015cm-3である。ドリフト領域12が含むn型不純物の濃度は、炭化珪素単結晶基板11が含むn型不純物の濃度よりも低くてもよい。
ボディ領域13はドリフト領域12上に設けられている。ボディ領域13は、たとえばアルミニウムなどのp型不純物を含み、p型(第2導電型)の導電型を有する。ボディ領域13のp型不純物の濃度は、好ましくは1×1017cm-3以上5×1018cm-3以下であり、たとえば1×1018cm-3である。
ソース領域14は、ボディ領域13によってドリフト領域12から隔てられるようにボディ領域13上に設けられている。ソース領域14は、たとえば窒素またはリンなどのn型不純物を含んでおり、n型の導電型を有する。ソース領域14は、炭化珪素基板10の第1主面10aを構成する。ソース領域14が含むn型不純物の濃度は、ドリフト領域12が含むn型不純物の濃度よりも高くてもよい。
The
コンタクト領域18は、ボディ領域13と、ソース領域14とに接している。コンタクト領域18は、たとえばアルミニウムなどのp型不純物を含んでおり、p型の導電型を有する。コンタクト領域18が含むp型不純物の濃度は、ボディ領域13が含むp型不純物の濃度よりも高くてもよい。コンタクト領域18は、ボディ領域13と第1主面10aとを繋ぐようにソース領域14を貫通して設けられている。
The
図1および図2に示されるように、電界緩和領域2は、ドリフト領域12内に位置している。電界緩和領域2は、たとえばアルミニウムなどのp型不純物を含んでおり、p型の導電型を有する。電界緩和領域2は、第1主面10aに対面する第3主面2a1と、第2主面10bに対面する第4主面2b1とを有する。第2主面10bに平行な方向における、第3主面2a1の幅W1は、第4主面2b1の幅W2よりも大きい。電界緩和領域2の幅は、第3主面2a1から第4主面2b1に向かう方向において、単調に小さくなってもよいし、段階的に小さくなってもよい。好ましくは、第2主面10bに対して垂直な方向から見て、第3主面2a1の外縁は、第4主面2b1の外縁を取り囲んでいる。電界緩和領域2は、ドリフト領域12によってボディ領域13から隔てられていてもよい。電界緩和領域2は、ドリフト領域12によって炭化珪素単結晶基板11から隔てられていてもよい。好ましくは、第2主面10bと垂直な方向において、第3主面2a1は、底部BTと第2主面10bとの間に位置している。
1 and 2, the electric
炭化珪素基板10の第1主面10aにはトレンチTRが形成されている。トレンチTRは、側部SWと、底部BTとにより規定されている。側部SWはボディ領域13およびソース領域14を貫通し、かつドリフト領域12に至っている。底部BTは、側部SWと連続して設けられている。底部BTは、ドリフト領域12に位置している。好ましくは、側部SWと底部BTとがなす角度θは90°よりも大きい。
A trench TR is formed in the first
断面視(炭化珪素基板10の第2主面10bと平行な方向から見た視野)において、トレンチTRの幅が底部BTに向かってテーパ状に狭まるように側部SWが傾斜していてもよい。側部SWは、(000-1)面に対して52°以上72°以下傾斜していることが好ましい。なお、側部SWは第1主面10aに対して垂直に形成されていてもよい。底部BTは、第1主面10aとほぼ平行な平坦な形状を有してもよい。断面視において、トレンチTRの形状は、U字状またはV字状の形状を有してもよい。好ましくは、側部SWは、特殊面を含んでいる。特殊面の構成の詳細は後述する。
Side view SW may be inclined so that the width of trench TR narrows in a tapered shape toward bottom portion BT in a cross-sectional view (a visual field viewed from a direction parallel to second
図3は、図1に示すMOSFET1から炭化珪素基板10を取り出して示した図である。図3に示されるように、ソース領域14、ボディ領域13およびドリフト領域12は、トレンチTRの側部SWに露出している。ドリフト領域12は、トレンチTRの側部SWおよび底部BTの各々に露出している。底部BTと側部SWとがつながる部分はトレンチTRの角部C1(図2参照)を構成している。平面視(炭化珪素基板10の第2主面10bに対して垂直な方向から見た視野)において、トレンチTRは、ハニカム構造を有する網目を構成するように延在していてもよい。
FIG. 3 shows
図3および図4に示されるように、平面視において、ソース領域14およびコンタクト領域18により構成された炭化珪素基板10の第1主面10aは、六角形の形状を有する。好ましくは、平面視において、ボディ領域13、ソース領域14、コンタクト領域18および電界緩和領域2は、六角形の外形を有する。好ましくは、単位セルの形状は、六角形であり、より好ましくは正六角形である。単位セルの形状は、四角形などの多角形であってもよい。平面視におけるボディ領域13、ソース領域14、コンタクト領域18および電界緩和領域2の形状は、単位セルの形状と同じであることが好ましい。
As shown in FIGS. 3 and 4, in plan view, first
図4に示されるように、平面視において、ボディ領域13の外縁13pは、電界緩和領域2を取り囲むように設けられていてもよい。平面視において、ボディ領域13とソース領域14との境界の外縁14pは、電界緩和領域2を取り囲むように設けられていてもよい。
4, the
好ましくは、電界緩和領域2のp型不純物のドーズ量をDrx(cm-2)し、第2主面10bに対して垂直な方向における、第4主面2b1と、炭化珪素単結晶基板11および炭化珪素エピタキシャル層24の境界面11aとの距離をLd(cm)とし、ドリフト領域12におけるn型不純物の濃度をNd(cm-3)としたとき、数式2を満たしている。図5に示されるように、第2主面10bと平行な方向(図2中のX方向)における電界緩和領域2中におけるドーズ量は、コンタクト領域18に対面する位置において極大値DOを有し、両側のトレンチTRに向かうにつれて減少していてもよい。この場合、数式2におけるドーズ量Drx(cm-2)は、ドーズ量の極大値である。
Preferably, the dose amount of the p-type impurity in the electric
次に、電界緩和領域2の周囲に形成される空乏層の幅の算出方向について説明する。
まず、真性キャリア濃度ni(cm-3)は、以下の数式3により算出される。ここで、Ncは、室温における4H-SiCの伝導帯の電子密度であり、Nvは、室温における4H-SiCの価電子帯のホール密度である。Egは、室温における4H-SiCのバンドギャップである。Egは、約3.25eVである。kBは、ボルツマン定数であり、Tは絶対温度(K)である。なお室温は300Kとする。
Next, the calculation direction of the width of the depletion layer formed around the electric
First, the intrinsic carrier concentration n i (cm −3 ) is calculated by the following
次に、拡散電位Vbi(V)は、以下の数式4により算出される。ここで、Naは、電界緩和領域のアクセプタ濃度である。Ndは、ドリフト領域のドナー濃度である。niは、上記数式3により算出される真性キャリア濃度(cm-3)である。kBは、ボルツマン定数であり、Tは絶対温度(K)である。
Next, the diffusion potential V bi (V) is calculated by
次に、空乏層DEの幅Wdepは、以下の数式5により算出される。ここで、ドリフト領域12におけるドナー濃度がNd(cm-3)である。電界緩和領域2におけるアクセプタ濃度はNa(cm-3)である。真空の誘電率はε0(F・m-1)である。炭化珪素の誘電率はεSiC(F・m-1)である。eは素電荷(C)である。Vbiは拡散電位(V)である。なお、以下の数式5においては、第2主面10bと平行な方向における電界緩和領域2とドリフト領域12とのpn界面における電圧は0Vと仮定している。
Next, the width W dep of the depletion layer DE is calculated by the following Equation 5. Here, the donor concentration in the
ボディ領域13とドリフト領域12との境界面は、第5主面13aである。第2主面10bに平行な方向における第5主面13aの幅の半分をWb(μm)とし、第2主面10bに対して平行な方向における第3主面2a1の幅の半分をWu(μm)とし場合、Wb(μm)>Wu(μm)+Wdep(μm)を満たすことが好ましい。つまり、平面視において、ボディ領域13の第5主面13aが、電界緩和領域2の第3主面2a1と電界緩和領域2からドリフト領域12に張り出す空乏層DEとを合わせた領域を包含していることが好ましい。より好ましくは、Wb-Wu-Wdepは、0より大きく、かつ0.5μm未満である。
A boundary surface between
図2を参照して、第2主面10bに対して垂直な方向における、境界面11aと第3主面2a1との距離H4は、たとえば9μmである。第2主面10bに対して垂直な方向における、第5主面13aと第3主面2a1との距離H3は、たとえば1μmである。トレンチTRの深さH5は、たとえば1.4μmである。トレンチTRが浅く、ボディ領域13からドリフト領域12側に伸びる空乏層内にトレンチTRの底部BTが位置すると、オン抵抗が増加する。一方。トレンチTRが深すぎる場合または距離H3が小さすぎると、トレンチTRの角部C1に電界が集中し、耐圧が低下する。オン抵抗低減および耐圧向上を両立する観点からは、第2主面10bに対して垂直な方向における、トレンチTRの底部BTと、第5主面13aとの距離が0.2μmより大きく、かつ距離H3が0.7μmより大きいことが好ましい。
Referring to FIG. 2, distance H4 between
図2に示されるように、電界緩和領域2は、第1電界緩和領域部2aと、第1電界緩和領域部2aに接する第2電界緩和領域部2bとを含んでいてもよい。第2電界緩和領域部2bは、第1電界緩和領域部2aと第2主面10bとの間に位置している。好ましくは、第2主面10bに対して垂直な方向から見て、第1電界緩和領域部2aの外縁は、第2電界緩和領域部2bの外縁を取り囲んでいる。第1電界緩和領域部2aは、ドレイン電極20側の角部C2を有する。第2電界緩和領域部2bは、ドレイン電極20側の角部C3を有する。それゆえ、電界緩和領域2の電界は、角部C2と角部C3とに分散される。結果として、アバランシェ降伏の発生を抑制することができる。
As shown in FIG. 2, the electric
第1電界緩和領域部2aの厚みH1は、たとえば0.5μm以上1.0μm以下である。第2電界緩和領域部2bの厚みH2は、たとえば0.1μm以上1.0μm以下である。第1電界緩和領域部2aが含むp型不純物の濃度は、たとえば1×1017cm-3以上1×1019cm-3以下である。第2電界緩和領域部2bが含むp型不純物の濃度は、たとえば1×1017cm-3以上1×1019cm-3以下である。第1電界緩和領域部2aが含むp型不純物の濃度は、第2電界緩和領域部2bが含むp型不純物の濃度と同じであってもよいし、異なっていてもよい。
The thickness H1 of the first electric field
図1および図2に示されるように、ゲート絶縁膜15は、トレンチTRの底部BTおよび側部SWと、第1主面10aの一部とに接する。ゲート絶縁膜15は、たとえば二酸化珪素を含む材料により構成される。ゲート絶縁膜15は、たとえば熱酸化膜である。ゲート絶縁膜15は、底部BTにおいてドリフト領域12と接し、かつ側部SWにおいてドリフト領域12と、ボディ領域13と、ソース領域14とに接する。
As shown in FIGS. 1 and 2,
ゲート電極27は、トレンチTRの内部においてゲート絶縁膜15に接するようにトレンチTRの内部に設けられている。ゲート電極27は、たとえば不純物を含むポリシリコンからなる。ゲート電極27は、ソース領域14と、ボディ領域13と、ドリフト領域12とに対面するように設けられている。
The
ソース電極16は、第1主面10aにおいてソース領域14およびコンタクト領域18の各々と接している。ソース電極16は、たとえばTiと、Alと、Siとを含む材料からなる。好ましくは、ソース電極16は、ソース領域14およびコンタクト領域18とオーミック接合している。ソース配線19はソース電極16に接している。ソース配線19は、たとえばアルミニウムを含む材料からなる。
The
層間絶縁膜22は、ゲート電極27およびゲート絶縁膜15に接して設けられている。層間絶縁膜22は、たとえば二酸化珪素を含む材料からなる。層間絶縁膜22は、ゲート電極27とソース電極16とを電気的に絶縁している。ドレイン電極20は、第2主面10bにおいて炭化珪素単結晶基板11と接しており、ドリフト領域12と電気的に接続されている。ドレイン電極20は、たとえばNiSiまたはTiAlSiを含む材料からなる。
The
次に、電界緩和領域の第1変形例の構成について説明する。
図6に示されるように、電界緩和領域2は、第1電界緩和領域部2aと、第2電界緩和領域部2bと、第3電界緩和領域部2cとを含んでいてもよい。第2電界緩和領域部2bは、第1電界緩和領域部2aよりも第2主面10b側に位置している。第3電界緩和領域部2cは、第2電界緩和領域部2bよりも第2主面10b側に位置している。第2主面10bに平行な方向において、第2電界緩和領域部2bの幅は、第1電界緩和領域部2aの幅よりも小さい。第2主面10bに平行な方向において、第3電界緩和領域部2cの幅は、第2電界緩和領域部2bの幅よりも小さい。
Next, the structure of the 1st modification of an electric field relaxation area | region is demonstrated.
As shown in FIG. 6, the electric
第1電界緩和領域部2aは、第2電界緩和領域部2bと接していてもよいし、ドリフト領域12によって第2電界緩和領域部2bから隔てられていてもよい。第2電界緩和領域部2bは、第3電界緩和領域部2cと接していてもよいし、ドリフト領域12によって第3電界緩和領域部2cから隔てられていてもよい。第1電界緩和領域部2a、第2電界緩和領域部2bおよび第3電界緩和領域部2cは、別々にイオン注入されることにより構成されてもよい。第1電界緩和領域部2a、第2電界緩和領域部2bおよび第3電界緩和領域部2cが相互に繋がることにより、全体として一つの電界緩和領域2を構成してもよい。
The first electric field
次に、電界緩和領域の第2変形例の構成について説明する。
図7に示されるように、炭化珪素基板10は、ボディ領域13と電界緩和領域2との間に位置する第4不純物領域3を含んでいてもよい。第4不純物領域3は、たとえばアルミニウムなどのp型不純物を含み、p型の導電型を有する。第4不純物領域3は、コンタクト領域18に対面している。第4不純物領域3は、電界緩和領域2に接して設けられている。第4不純物領域3とボディ領域13との間にはドリフト領域12が設けられている。第2主面10bと平行な方向における第4不純物領域3の幅W4は、電界緩和領域2の第3主面2a1の幅W1よりも小さくてもよい。第4不純物領域3の幅W4は、電界緩和領域2の第4主面2b1の幅W2よりも小さくてもよい。
Next, the structure of the 2nd modification of an electric field relaxation area | region is demonstrated.
As shown in FIG. 7,
次に、電界緩和領域の第3変形例の構成について説明する。
図8に示されるように、第4不純物領域3は、ボディ領域13から離間され、かつ電界緩和領域2から離間されていてもよい。第4不純物領域3は、周囲をドリフト領域12に囲まれていてもよい。第4不純物領域3とボディ領域13との間にドリフト領域12が設けられていてもよい。第4不純物領域3と電界緩和領域2との間にドリフト領域12が設けられていてもよい。
Next, the structure of the 3rd modification of an electric field relaxation area | region is demonstrated.
As shown in FIG. 8, the
次に、電界緩和領域の第4変形例の構成について説明する。
図9に示されるように、第4不純物領域3は、ボディ領域13および電界緩和領域2の双方に接していてもよい。これにより、電界緩和領域2は、第4不純物領域3を介してボディ領域13と電気的に接続される。第4不純物領域3の側面は、ドリフト領域12に取り囲まれていてもよい。
Next, the structure of the 4th modification of an electric field relaxation area | region is demonstrated.
As shown in FIG. 9, the
次に、電界緩和領域の第5変形例の構成について説明する。
図10に示されるように、断面視において、電界緩和領域2の形状は、逆台形状であってもよい。電界緩和領域2の側面2sと、第4主面2b1との間の角度は、90°よりも大きくなる。そのため、電界緩和領域2の角部C3における電界集中を緩和することができる。電界緩和領域2の側面2sと、第3主面2a1との間の角度ψは、たとえば20°以上50°以下である。これにより、第1主面10aから第2主面10bに向かって、電界緩和領域2に挟まれたドリフト領域12の幅が広がるため、炭化珪素半導体装置1のオン抵抗を低減することができる。
Next, the configuration of the fifth modification example of the electric field relaxation region will be described.
As shown in FIG. 10, the shape of the electric
次に、特殊面の構成について説明する。
上述した側部SWは、特にボディ領域13上の部分において、特殊面を有する。特殊面を有する側部SWは、図11に示すように、面方位{0-33-8}を有する面S1(第1の面)を含む。言い換えれば、トレンチTRの側部SW上においてボディ領域13には、面S1を含む表面が設けられている。面S1は好ましくは面方位(0-33-8)を有する。
Next, the configuration of the special surface will be described.
The side portion SW described above has a special surface, particularly in a portion on the
より好ましくは、側部SWは面S1を微視的に含み、側部SWはさらに、面方位{0-11-1}を有する面S2(第2の面)を微視的に含む。ここで「微視的」とは、原子間隔の2倍程度の寸法を少なくとも考慮する程度に詳細に、ということを意味する。このように微視的な構造の観察方法としては、たとえばTEMを用いることができる。面S2は好ましくは面方位(0-11-1)を有する。 More preferably, the side SW includes the surface S1 microscopically, and the side SW further microscopically includes the surface S2 (second surface) having the surface orientation {0-11-1}. Here, “microscopic” means that the dimensions are as detailed as at least a dimension of about twice the atomic spacing. As a microscopic structure observation method, for example, TEM can be used. The plane S2 preferably has a plane orientation (0-11-1).
好ましくは、側部SWの面S1および面S2は、面方位{0-11-2}を有する複合面SRを構成している。すなわち複合面SRは、面S1およびS2が周期的に繰り返されることによって構成されている。このような周期的構造は、たとえば、TEMまたはAFM(Atomic Force Microscopy)により観察し得る。この場合、複合面SRは{000-1}面に対して巨視的に62°のオフ角を有する。ここで「巨視的」とは、原子間隔程度の寸法を有する微細構造を無視することを意味する。このように巨視的なオフ角の測定としては、たとえば、一般的なX線回折を用いた方法を用い得る。好ましくは、複合面SRは、面方位(0-11-2)を有する。この場合、複合面SRは(000-1)面に対して巨視的に62°のオフ角を有する。 Preferably, the surface S1 and the surface S2 of the side SW constitute a composite surface SR having a surface orientation {0-11-2}. That is, the composite surface SR is configured by periodically repeating the surfaces S1 and S2. Such a periodic structure can be observed by, for example, TEM or AFM (Atomic Force Microscopy). In this case, the composite surface SR has an off angle of 62 ° macroscopically with respect to the {000-1} plane. Here, “macroscopic” means ignoring a fine structure having a dimension on the order of atomic spacing. As such a macroscopic off-angle measurement, for example, a general method using X-ray diffraction can be used. Preferably, composite surface SR has a plane orientation (0-11-2). In this case, the composite surface SR has an off angle of 62 ° macroscopically with respect to the (000-1) plane.
TEMとしては、たとえば日本電子株式会社製のJEM-2100Fが使用可能である。試料分析領域は、たとえば10μm×10μm×0.1μmである。加速電圧は、たとえば200kVである。AFMとしては、たとえば日本ビーコ株式会社製のDimension Icon SPM Systemが使用可能である。試料分析領域は、たとえば90μm×90μmである。スキャンレートは、たとえば0.2Hzである。チップ速度は、たとえば8μm/秒である。振幅セットポイントは、たとえば15.5nmである。Zレンジは、たとえば1μmである。試料に合わせて上記各パラメータが調整される。X線回折装置としては、たとえば株式会社リガク製のSmartLabが使用可能である。試料分析領域は、たとえば0.3mmφ以上0.8mmφ以下である。使用管球は、たとえばCuである。出力は、たとえば45kV、80mAである。たとえば、X線回折装置で第1主面10aが(000-1)面であることを確認した後、AFMでトレンチTRの側部SWが測定される。
As the TEM, for example, JEM-2100F manufactured by JEOL Ltd. can be used. The sample analysis area is, for example, 10 μm × 10 μm × 0.1 μm. The acceleration voltage is 200 kV, for example. As the AFM, for example, Dimension Icon SPM System made by Nippon Bico Co., Ltd. can be used. The sample analysis area is, for example, 90 μm × 90 μm. The scan rate is, for example, 0.2 Hz. The chip speed is, for example, 8 μm / second. The amplitude set point is 15.5 nm, for example. The Z range is, for example, 1 μm. The above parameters are adjusted according to the sample. As the X-ray diffractometer, for example, SmartLab manufactured by Rigaku Corporation can be used. The sample analysis region is, for example, not less than 0.3 mmφ and not more than 0.8 mmφ. The tube used is, for example, Cu. The output is, for example, 45 kV and 80 mA. For example, after confirming that the first
好ましくは、チャネル面上においてキャリアが流れる方向であるチャネル方向CDは、上述した周期的繰り返しが行われる方向に沿っている。 Preferably, the channel direction CD, which is the direction in which carriers flow on the channel surface, is along the direction in which the above-described periodic repetition is performed.
次に、複合面SRの詳細な構造について説明する。
一般に、ポリタイプ4Hの炭化珪素単結晶を(000-1)面から見ると、図12に示すように、Si原子(またはC原子)は、A層の原子(図中の実線)と、この下に位置するB層の原子(図中の破線)と、この下に位置するC層の原子(図中の一点鎖線)と、この下に位置するB層の原子(図示せず)とが繰り返し設けられている。つまり4つの層ABCBを1周期としてABCBABCBABCB・・・のような周期的な積層構造が設けられている。
Next, the detailed structure of the composite surface SR will be described.
In general, when a silicon carbide single crystal of polytype 4H is viewed from the (000-1) plane, as shown in FIG. 12, Si atoms (or C atoms) are atoms of A layer (solid line in the figure), B layer atoms (broken line in the figure) located below, C layer atoms (dotted line in the figure) located below, and B layer atoms (not shown) located below this It is provided repeatedly. That is, a periodic laminated structure such as ABCBABCBABCB... Is provided with four layers ABCB as one period.
図13に示すように、(11-20)面(図12の線XIII-XIIIの断面)において、上述した1周期を構成する4つの層ABCBの各層の原子は、(0-11-2)面に完全に沿うようには配列されていない。図13においてはB層の原子の位置を通るように(0-11-2)面が示されており、この場合、A層およびC層の各々の原子は(0-11-2)面からずれていることがわかる。このため、炭化珪素単結晶の表面の巨視的な面方位、すなわち原子レベルの構造を無視した場合の面方位が(0-11-2)に限定されたとしても、この表面は、微視的には様々な構造をとり得る。 As shown in FIG. 13, in the (11-20) plane (cross section taken along line XIII-XIII in FIG. 12), the atoms in each of the four layers ABCB constituting one period described above are (0-11-2) It is not arranged to be completely along the plane. In FIG. 13, the (0-11-2) plane is shown so as to pass through the position of atoms in the B layer. In this case, the atoms in the A layer and the C layer are separated from the (0-11-2) plane. You can see that it is shifted. For this reason, even if the macroscopic plane orientation of the surface of the silicon carbide single crystal, that is, the plane orientation when ignoring the atomic level structure is limited to (0-11-2), the surface is microscopic. Can take various structures.
図14に示すように、複合面SRは、面方位(0-33-8)を有する面S1と、面S1につながりかつ面S1の面方位と異なる面方位を有する面S2とが交互に設けられることによって構成されている。面S1および面S2の各々の長さは、Si原子(またはC原子)の原子間隔の2倍である。なお面S1および面S2が平均化された面は、(0-11-2)面(図13)に対応する。 As shown in FIG. 14, in the composite surface SR, a surface S1 having a surface orientation (0-33-8) and a surface S2 connected to the surface S1 and having a surface orientation different from the surface orientation of the surface S1 are alternately provided. It is configured by being. The length of each of the surface S1 and the surface S2 is twice the atomic spacing of Si atoms (or C atoms). Note that the surface obtained by averaging the surfaces S1 and S2 corresponds to the (0-11-2) surface (FIG. 13).
図15に示すように、複合面SRを(01-10)面から見て単結晶構造は、部分的に見て立方晶と等価な構造(面S1の部分)を周期的に含んでいる。具体的には複合面SRは、上述した立方晶と等価な構造における面方位(001)を有する面S1と、面S1につながりかつ面S1の面方位と異なる面方位を有する面S2とが交互に設けられることによって構成されている。このように、立方晶と等価な構造における面方位(001)を有する面(図11においては面S1)と、この面につながりかつこの面方位と異なる面方位を有する面(図11においては面S2)とによって表面を構成することは4H以外のポリタイプにおいても可能である。ポリタイプは、たとえば6Hまたは15Rであってもよい。 As shown in FIG. 15, the single crystal structure when the composite surface SR is viewed from the (01-10) plane periodically includes a structure (surface S1 portion) equivalent to a cubic crystal when viewed partially. Specifically, in the composite surface SR, a surface S1 having a surface orientation (001) in a structure equivalent to the above-described cubic crystal and a surface S2 connected to the surface S1 and having a surface orientation different from the surface orientation of the surface S1 are alternated. It is comprised by being provided in. Thus, a plane having a plane orientation (001) in the structure equivalent to a cubic crystal (plane S1 in FIG. 11) and a plane connected to this plane and having a plane orientation different from this plane orientation (plane in FIG. 11). It is also possible for polytypes other than 4H to constitute the surface according to S2). The polytype may be 6H or 15R, for example.
次に図16を参照して、側部SWの結晶面と、チャネル面の移動度MBとの関係について説明する。図16のグラフにおいて、横軸は、チャネル面を有する側部SWの巨視的な面方位と(000-1)面とのなす角度D1を示し、縦軸は移動度MBを示す。プロット群CMは側部SWが熱エッチングによる特殊面として仕上げられた場合に対応し、プロット群MCはそのような熱エッチングがなされない場合に対応する。 Next, the relationship between the crystal plane of the side SW and the mobility MB of the channel plane will be described with reference to FIG. In the graph of FIG. 16, the horizontal axis indicates the angle D1 formed by the macroscopic surface orientation of the side SW having the channel surface and the (000-1) plane, and the vertical axis indicates the mobility MB. The plot group CM corresponds to the case where the side SW is finished as a special surface by thermal etching, and the plot group MC corresponds to the case where such thermal etching is not performed.
プロット群MCにおける移動度MBは、チャネル面の表面の巨視的な面方位が(0-33-8)のときに最大となった。この理由は、熱エッチングが行われない場合、すなわち、チャネル表面の微視的な構造が特に制御されない場合においては、巨視的な面方位が(0-33-8)とされることによって、微視的な面方位(0-33-8)、つまり原子レベルまで考慮した場合の面方位(0-33-8)が形成される割合が確率的に高くなったためと考えられる。 The mobility MB in the plot group MC was maximized when the macroscopic surface orientation of the channel surface was (0-33-8). This is because, when thermal etching is not performed, that is, when the microscopic structure of the channel surface is not particularly controlled, the macroscopic plane orientation is set to (0-33-8). This is probably because the ratio of the formation of the visual plane orientation (0-33-8), that is, the plane orientation (0-33-8) considering the atomic level, stochastically increased.
一方、プロット群CMにおける移動度MBは、チャネル面の表面の巨視的な面方位が(0-11-2)のとき(矢印EX)に最大となった。この理由は、図14および図15に示すように、面方位(0-33-8)を有する多数の面S1が面S2を介して規則正しく稠密に配置されることで、チャネル面の表面において微視的な面方位(0-33-8)が占める割合が高くなったためと考えられる。 On the other hand, the mobility MB in the plot group CM was maximized when the macroscopic surface orientation of the channel surface was (0-11-2) (arrow EX). The reason for this is that, as shown in FIGS. 14 and 15, a large number of surfaces S1 having a plane orientation (0-33-8) are regularly and densely arranged via the surface S2, so that the surface of the channel surface is minute. This is probably because the proportion of the visual plane orientation (0-33-8) has increased.
なお移動度MBは複合面SR上において方位依存性を有する。図17に示すグラフにおいて、横軸はチャネル方向と<0-11-2>方向との間の角度D2を示し、縦軸はチャネル面の移動度MB(任意単位)を示す。破線はグラフを見やすくするために補助的に付してある。このグラフから、チャネル移動度MBを大きくするには、チャネル方向CD(図11)が有する角度D2は、0°以上60°以下であることが好ましく、ほぼ0°であることがより好ましいことがわかった。 The mobility MB has an orientation dependency on the composite surface SR. In the graph shown in FIG. 17, the horizontal axis indicates the angle D2 between the channel direction and the <0-11-2> direction, and the vertical axis indicates the mobility MB (arbitrary unit) of the channel surface. A broken line is added to make the graph easier to see. From this graph, in order to increase the channel mobility MB, the angle D2 of the channel direction CD (FIG. 11) is preferably 0 ° or more and 60 ° or less, and more preferably approximately 0 °. all right.
図18に示すように、側部SWは複合面SRに加えてさらに面S3(第3の面)を含んでもよい。より具体的には、面S3および複合面SRが周期的に繰り返されることによって構成された複合面SQを側部SWが含んでもよい。この場合、側部SWの{000-1}面に対するオフ角は、理想的な複合面SRのオフ角である62°からずれる。このずれは小さいことが好ましく、±10°の範囲内であることが好ましい。このような角度範囲に含まれる表面としては、たとえば、巨視的な面方位が{0-33-8}面となる表面がある。より好ましくは、側部SWの(000-1)面に対するオフ角は、理想的な複合面SRのオフ角である62°からずれる。このずれは小さいことが好ましく、±10°の範囲内であることが好ましい。このような角度範囲に含まれる表面としては、たとえば、巨視的な面方位が(0-33-8)面となる表面がある。 As shown in FIG. 18, the side SW may further include a surface S3 (third surface) in addition to the composite surface SR. More specifically, the side portion SW may include a composite surface SQ configured by periodically repeating the surface S3 and the composite surface SR. In this case, the off angle of the side SW with respect to the {000-1} plane deviates from 62 ° which is the ideal off angle of the composite surface SR. This deviation is preferably small and preferably within a range of ± 10 °. As a surface included in such an angle range, for example, there is a surface whose macroscopic plane orientation is a {0-33-8} plane. More preferably, the off angle of the side SW with respect to the (000-1) plane deviates from 62 ° which is the ideal off angle of the composite surface SR. This deviation is preferably small and preferably within a range of ± 10 °. As a surface included in such an angle range, for example, there is a surface whose macroscopic plane orientation is a (0-33-8) plane.
このような周期的構造は、たとえば、TEMまたはAFMにより観察し得る。測定装置、試料分析領域および測定条件の具体例は、上述の通りである。 Such a periodic structure can be observed by, for example, TEM or AFM. Specific examples of the measurement apparatus, the sample analysis region, and the measurement conditions are as described above.
次に、本実施の形態に係るMOSFET1の製造方法について説明する。
まず、炭化珪素基板を準備する工程が実施される。図19に示されるように、炭化珪素単結晶基板11上にドリフト領域12が形成される。具体的には、たとえば原料ガスとしてシラン(SiH4)とプロパン(C3H8)との混合ガスを用い、キャリアガスとしてたとえば水素ガス(H2)を用いたCVD(Chemical Vapor Deposition)法により、炭化珪素単結晶基板11上にドリフト領域12が形成される。エピタキシャル成長の際、不純物として、たとえば窒素(N)またはリン(P)などを導入することが好ましい。ドリフト領域12は、n型の導電型を有する。
Next, a method for manufacturing
First, a step of preparing a silicon carbide substrate is performed. As shown in FIG. 19, drift
次に、ドリフト領域12に対して、たとえばアルミニウムなどのp型不純物がイオン注入されことにより、電界緩和領域2が形成される。たとえば、第1電界緩和領域部2aが形成された後、第1電界緩和領域部2aよりも深い位置に、第2電界緩和領域部2bが形成される。第1電界緩和領域部2aよりも幅の狭い開口を有するマスクを用い、第1電界緩和領域部2aを形成するイオン注入エネルギーよりも高いイオン注入エネルギーで第2電界緩和領域部2bが形成されてもよい。
Next, the
次に、再度エピタキシャル成長により、電界緩和領域2上にドリフト領域12が形成される。次に、新しく形成されたドリフト領域12に対して、アルミニウムなどのp型不純物がイオン注入されることにより、ボディ領域13が形成される。次に、ボディ領域13に対して、たとえばリンなどのn型不純物が、ボディ領域13よりも浅い深さでイオン注入されることによりソース領域14が形成される。次に、ソース領域14に対して、たとえばアルミニウムなどのp型不純物がイオン注入されることにより、コンタクト領域18が形成される。コンタクト領域18は、ソース領域14を貫通し、ボディ領域13に接するように形成される(図20参照)。
Next, the
次に、炭化珪素基板10にイオン注入された不純物を活性化するため活性化アニールが実施される。活性化アニールの温度は、好ましくは1500℃以上1900℃以下であり、たとえば1700℃程度である。活性化アニールの時間は、たとえば30分程度である。活性化アニールの雰囲気は、好ましくは不活性ガス雰囲気であり、たとえばAr雰囲気である。
Next, activation annealing is performed to activate impurities implanted into the
次に、トレンチを形成する工程が実施される。たとえば、ソース領域14およびコンタクト領域18から構成される第1主面10a上に、トレンチTR(図1)が形成される位置上に開口を有するマスク層(図示せず)が形成される。当該マスク層を用いて、ソース領域14と、ボディ領域13と、ドリフト領域12の一部とがエッチングにより除去される。エッチングの方法としては、たとえば反応性イオンエッチング、特に誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングを用いることができる。具体的には、たとえば反応ガスとしてSF6またはSF6とO2との混合ガスを用いた誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングを用いることができる。エッチングにより、トレンチTR(図1)が形成されるべき領域に、第1主面10aに対してほぼ垂直な側部と、側部と連続的に設けられ、かつ第1主面10aとほぼ平行な底部とを有する凹部が形成される。
Next, a step of forming a trench is performed. For example, a mask layer (not shown) having an opening at a position where trench TR (FIG. 1) is formed is formed on first
次に、凹部において熱エッチングが行われる。熱エッチングは、たとえば、少なくとも1種類以上のハロゲン原子を有する反応性ガスを含む雰囲気中での加熱によって行い得る。少なくとも1種類以上のハロゲン原子は、塩素(Cl)原子およびフッ素(F)原子の少なくともいずれかを含む。当該雰囲気は、たとえば、Cl2、BCL3、SF6、またはCF4を含む。たとえば、塩素ガスと酸素ガスとの混合ガスを反応ガスとして用い、熱処理温度を、たとえば700℃以上1000℃以下として、熱エッチングが行われる。なお、反応ガスは、上述した塩素ガスと酸素ガスとに加えて、キャリアガスを含んでいてもよい。キャリアガスとしては、たとえば窒素(N2)ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスなどを用いることができる。熱エッチングの際に、マスク層は、SiCに対する選択比が極めて大きいので、SiCのエッチング中に実質的にエッチングされない。 Next, thermal etching is performed in the recess. The thermal etching can be performed, for example, by heating in an atmosphere containing a reactive gas having at least one or more types of halogen atoms. The at least one or more types of halogen atom includes at least one of a chlorine (Cl) atom and a fluorine (F) atom. The atmosphere includes, for example, Cl 2 , BCL 3 , SF 6 , or CF 4 . For example, thermal etching is performed using a mixed gas of chlorine gas and oxygen gas as a reaction gas and a heat treatment temperature of, for example, 700 ° C. or more and 1000 ° C. or less. Note that the reaction gas may contain a carrier gas in addition to the above-described chlorine gas and oxygen gas. As the carrier gas, for example, nitrogen (N 2 ) gas, argon gas, helium gas or the like can be used. During the thermal etching, the mask layer is not substantially etched during the etching of SiC because the selectivity to SiC is very large.
図21に示されるように、上記熱エッチングにより、炭化珪素基板10の第1主面10aにトレンチTRが形成される。トレンチTRは、ソース領域14およびボディ領域13を貫通してドリフト領域12に至る側部SWと、ドリフト領域12に位置する底部BTとにより規定されている。底部BTと側部SWとにより形成される角度θは、たとえば110°以上130°以下である。好ましくは、側部SWは、上述した特殊面を含む。第2主面10bに対して垂直な方向において、電界緩和領域2の第3主面2a1は、底部BTと第2主面10bとの間に位置する。
As shown in FIG. 21, trench TR is formed in first
次に、ゲート絶縁膜を形成する工程が実施される。たとえば、炭化珪素基板10が酸素雰囲気中において熱酸化されることにより、ソース領域14と、ボディ領域13と、ドリフト領域12とに接するゲート絶縁膜15が形成される。具体的には、炭化珪素基板10が、酸素を含む雰囲気中において、たとえば1300℃以上1400℃以下の温度で加熱される。これにより、側部SWにおいて、ソース領域14と、ボディ領域13と、ドリフト領域12とに接し、かつ底部BTにおいてドリフト領域12と接するゲート絶縁膜15が形成される。
Next, a step of forming a gate insulating film is performed. For example, when
炭化珪素基板10を熱酸化した後に、一酸化窒素(NO)ガス雰囲気中において炭化珪素基板10に対して熱処理(NOアニール)が行われてもよい。NOアニールにおいて、炭化珪素基板10が、たとえば1100℃以上1300℃以下の条件下で1時間程度保持される。これにより、ゲート絶縁膜15とボディ領域13との界面領域に窒素原子が導入される。その結果、界面領域における界面準位の形成が抑制されることで、チャネル移動度を向上させることができる。なお、窒素原子の導入が可能であれば、NOガス以外のガス(たとえばN2O)が雰囲気ガスとして用いられてもよい。NOアニールの後にさらに、雰囲気ガスとしてアルゴン(Ar)を用いるArアニールが行われてもよい。Arアニールの加熱温度は、たとえば上記NOアニールの加熱温度以上である。Arアニールの時間は、たとえば1時間程度である。これにより、ゲート絶縁膜15とボディ領域13との界面領域における界面準位の形成がさらに抑制される。
After thermally oxidizing
次に、ゲート電極を形成する工程が実施される。たとえば、トレンチTRの内部においてゲート絶縁膜15に接するゲート電極27が形成される。ゲート電極27は、トレンチTRの内部に配置され、ゲート絶縁膜15上においてトレンチTRの側部SWおよび底部BTの各々と対面するように形成される。ゲート電極27は、たとえばLPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)法により形成される。
Next, a step of forming a gate electrode is performed. For example,
次に、層間絶縁膜を形成する工程が形成される。たとえば、ゲート電極27を覆い、かつゲート絶縁膜15と接するように層間絶縁膜22が形成される。好ましくは、層間絶縁膜22は、堆積法により形成され、より好ましくは化学気相成長法により形成される。層間絶縁膜22は、たとえば二酸化珪素を含む材料からなる。次に、ソース領域14およびコンタクト領域18上に開口部が形成されるように、層間絶縁膜22およびゲート絶縁膜15の一部がエッチングされる。これにより、コンタクト領域18およびソース領域14がゲート絶縁膜15から露出する(図22参照)。
Next, a step of forming an interlayer insulating film is formed. For example, the
次に、ソース電極を形成する工程が実施される。次に、第1主面10aにおいてソース領域14およびコンタクト領域18に接するソース電極16が形成される。ソース電極16は、たとえばスパッタリング法により形成される。ソース電極16は、たとえばTi、AlおよびSiを含む材料からなる。次に、合金化アニールが実施される。具体的には、ソース領域14およびコンタクト領域18と接するソース電極16が、たとえば900℃以上1100℃以下の温度で5分程度保持される。これにより、ソース電極16の少なくとも一部が、炭化珪素基板10が含む珪素と反応してシリサイド化する。これにより、ソース領域14とオーミック接合するソース電極16が形成される。好ましくは、ソース電極16は、コンタクト領域18とオーミック接合する。
Next, a step of forming a source electrode is performed. Next,
次に、ソース電極16と電気的に接続されるソース配線19が形成される。ソース配線19は、ソース電極16および層間絶縁膜22上に形成される。次に、炭化珪素基板10の第2主面10bと接するようにドレイン電極20が形成される。以上により、本実施の形態に係るMOSFET1(図1)が完成する。
Next, a
なお、上記実施の形態においては、炭化珪素半導体装置は、MOSFETの場合について説明したが、炭化珪素半導体装置は、MOSFETに限定されない。炭化珪素半導体装置は、たとえばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等であってもよい。また上記実施の形態では、n型を第1導電型とし、かつp型を第2導電型して説明したが、p型を第1導電型とし、かつn型を第2導電型としてもよい。 In the above embodiment, the silicon carbide semiconductor device is described as being a MOSFET, but the silicon carbide semiconductor device is not limited to a MOSFET. The silicon carbide semiconductor device may be, for example, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). In the above embodiment, the n-type is the first conductivity type and the p-type is the second conductivity type. However, the p-type may be the first conductivity type and the n-type may be the second conductivity type. .
次に、実施の形態に係るMOSFETの作用効果について説明する。
実施の形態に係るMOSFET1によれば、第3主面2a1の幅W1は、第4主面2b1の幅W2よりも大きい。これにより、電界緩和領域2の第4主面2b1の端部C3における電界強度を低減することができる。そのため、アバランシェ降伏の発生を抑制することができる。また電界緩和領域2の第3主面2a1の幅W1が大きいため、第3主面2a1をトレンチTRの角部C1の近くに配置することができる。そのため、トレンチTRの角部C1における電界集中を緩和することができる。
Next, functions and effects of the MOSFET according to the embodiment will be described.
According to
また実施の形態に係るMOSFET1によれば、第2主面10bに対して垂直な方向から見て、第2不純物領域13の外縁13pは、電界緩和領域2を取り囲むように設けられていている。これにより、ドリフト領域12を流れる電流の経路が狭窄されることを抑制することができる。結果として、MOSFET1のオン抵抗を低減することができる。
Further, according to the
さらに実施の形態に係るMOSFET1によれば、炭化珪素基板10は、ボディ領域13と電界緩和領域2との間に位置し、かつ第2導電型を有する第4不純物領域3を含んでいる。これにより、第2不純物領域13と電界緩和領域2を電気的に接続することができ、スイッチング速度を早くすることができる。
Furthermore, according to
さらに実施の形態に係るMOSFET1によれば、第4不純物領域3は、ボディ領域13および電界緩和領域2の双方に接している。これにより、ボディ領域13から電界緩和領域2に対して電子またはホールを容易に供給することができる。
Furthermore, according to
さらに実施の形態に係るMOSFET1によれば、ボディ領域13は、ドリフト領域12との境界面である第5主面13aを有し、第2主面10bに平行な方向における第5主面13aの幅の半分をWb(μm)とし、第2主面10bに対して平行な方向における第3主面2a1の幅の半分をWu(μm)とし、第1不純物領域12における不純物濃度をNd(cm-3)とし、電界緩和領域2における不純物濃度をNa(cm-3)とし、真空の誘電率をε0(F・m-1)とし、炭化珪素の誘電率をεSiC(F・m-1)とし、素電荷をe(C)とし、拡散電位をVbi(V)としたとき、上記数式1を満たしている。これにより、MOSFET1の耐圧を高く維持しつつオン抵抗を低減することができる。
Furthermore, according to
さらに実施の形態に係るMOSFET1によれば、炭化珪素基板10は、第2主面10bを構成する炭化珪素単結晶基板11と、炭化珪素単結晶基板11上に設けられ、かつ第1主面10aを構成する炭化珪素エピタキシャル層24とを含む。電界緩和領域2の不純物ドーズ量をDrx(cm-2)し、第2主面10bに対して垂直な方向における、第4主面2b1と、炭化珪素単結晶基板11および炭化珪素エピタキシャル層24の境界面11aとの距離をLd(cm)とし、ドリフト領域12における不純物濃度をNd(cm-3)としたとき、上記数式2を満たしている。これにより、電界緩和領域2から境界面11aへ空乏層が延びる前に、電界緩和領域2が完全に空乏化することが抑制される。これにより、電界緩和領域2と境界面11aとの間に、十分な長さを有する空乏層が形成され得る。結果として、MOSFET1の耐圧を高く維持することができる。
Furthermore, according to
さらに実施の形態に係るMOSFET1によれば、側部SWと底部BTとがなす角度θは90°よりも大きい。側部SWと底部BTとがなす角度θが90°の場合、電界緩和領域2が側部SWの直下に位置するときのオン抵抗と、電界緩和領域2が側部SWの直下よりも第1主面10aと平行な方向に少しシフトしたときのオン抵抗とは、大きく異なる。一方、側部SWと底部BTとがなす角度θが90°よりも大きい場合、側部SWに対する電界緩和領域2の位置が少し変化しても、オン抵抗は大きく異ならない。そのため、側部SWと底部BTとがなす角度θが90°よりも大きい場合は、たとえばアライメント誤差により、トレンチTRに対する電界緩和領域2の位置がウェハの面内でばらついた場合であっても、オン抵抗が大きく変化することを抑制することができる。
Furthermore, according to
さらに実施の形態に係るMOSFET1によれば、側部SWは、面方位{0-33-8}を有する第1の面S1を含んでもよい。これにより、側部SWにおけるチャネル抵抗を低減することができる。
Furthermore, according to
さらに実施の形態に係るMOSFET1によれば、側部SWは、第1の面S1を微視的に含み、側部SWはさらに、面方位{0-11-1}を有する第2の面S2を微視的に含んでもよい。これにより、側部SWにおけるチャネル抵抗をより低減することができる。
Further, according to
さらに実施の形態に係るMOSFET1によれば、第1の面S1および第2の面S2は、面方位{0-11-2}を有する複合面SRを構成してもよい。これにより、側部SWにおけるチャネル抵抗をより低減することができる。
Further, according to
さらに実施の形態に係るMOSFET1によれば、側部SWは、{000-1}面に対して、巨視的に62°±10°のオフ角を有してもよい。これにより、側部SWにおけるチャネル抵抗をより低減することができる。
Furthermore, according to
(サンプル準備)
まず、電界緩和領域2の第3主面2a1の幅W1の幅を変化させて5種類のMOSFET1(図2参照)が準備される。具体的には、第3主面2a1の幅W1は、2μm、2.5μm、3μm、3.5μmおよび4.5μmである。Wpは、幅W1の半分の値である。ボディ領域13の第5主面13aの幅W3(図2参照)は、2.7μmである。Wbは、幅W3の半分の値である。電界緩和領域2が含むアルミニウムの濃度は、1×1018cm-3である。ボディ領域13が含むアルミニウムの濃度は、1×1018cm-3である。ドリフト領域12が含む窒素の濃度は、6×1015cm-3である。ドリフト領域12の厚みは、10μmである。ボディ領域13が含むアルミニウムの濃度およびドリフト領域12が含む窒素の濃度から算出される空乏層の幅Wdepは約0.6μmである。
(Sample preparation)
First, five types of MOSFETs 1 (see FIG. 2) are prepared by changing the width W1 of the third main surface 2a1 of the electric
(実験条件)
上記5種類のMOSFET1のオン抵抗と耐圧が測定される。オン抵抗の測定においては、ドレイン電極20およびソース電極16間の電圧VDSは、2Vである。ゲート電極27およびソース電極16間の電位差VGSは、15Vである。ゲート電極27およびソース電極16間の電位差VGSを0Vとする。ドレイン電極20およびソース電極16間の電圧VDSを0Vと1600Vとの間で変化させ、ドレイン電極20およびソース電極16間に流れる電流IDSが1μAとなるときの電圧VDSを耐圧とする。
(Experimental conditions)
The on-resistance and breakdown voltage of the five types of
(実験結果)
図23は、MOSFETのオン抵抗と、Wb-Wu-Wdepとの関係を示す実験データである。図23に示されるように、Wb-Wu-Wdep>0(言い換えれば、Wb>Wu+Wdep)の条件において、オン抵抗が急激に小さくなる。Wb-Wu-Wdep≧0.5μmとなると、オン抵抗は飽和する傾向が見られる。図24は、MOSFETの耐圧と、Wb-Wu-Wdepとの関係を示す実験データである。図24に示されるように、Wb-Wu-Wdepが増加すると、耐圧が減少する傾向が見られる。またWb-Wu-Wdep≧0.5μmとなると、耐圧は急激に減少する傾向が見られる。以上の結果より、耐圧とオン抵抗の両立の観点からは、Wb-Wu-Wdepは、0より大きく、かつ0.5μm未満であることが望ましいことが分かる。
(Experimental result)
FIG. 23 is experimental data showing the relationship between the on-resistance of the MOSFET and W b −W u −W dep . As shown in FIG. 23, the on-resistance rapidly decreases under the condition of W b −W u −W dep > 0 (in other words, W b > W u + W dep ). When W b −W u −W dep ≧ 0.5 μm, the on-resistance tends to be saturated. FIG. 24 is experimental data showing the relationship between the breakdown voltage of the MOSFET and W b −W u −W dep . As shown in FIG. 24, when W b −W u −W dep increases, the breakdown voltage tends to decrease. Further, when W b −W u −W dep ≧ 0.5 μm, the breakdown voltage tends to decrease rapidly. From the above results, it can be seen that W b −W u −W dep is preferably greater than 0 and less than 0.5 μm from the viewpoint of achieving both breakdown voltage and on-resistance.
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be considered that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1 炭化珪素半導体装置(MOSFET)、2 電界緩和領域、2a1 第3主面、2a 第1電界緩和領域部、2b1 第4主面、2b 第2電界緩和領域部、2c 第3電界緩和領域部、2s 側面、3 第4不純物領域、10 炭化珪素基板、10a 第1主面、10b 第2主面、11 炭化珪素単結晶基板、11a 境界面、12 第1不純物領域(ドリフト領域)、13 第2不純物領域(ボディ領域)、13a 第5主面、13p,14p 外縁、14 第3不純物領域(ソース領域)、15 ゲート絶縁膜、16 ソース電極、18 コンタクト領域、19 ソース配線、20 ドレイン電極、22 層間絶縁膜、24 炭化珪素エピタキシャル層、27 ゲート電極、BT 底部、C1,C2 角部、C3 端部、角部、CD チャネル方向、H1,H2 厚み、H3,H4 距離、H5 深さ、S1 第1の面、S2 第2の面、SQ,SR 複合面、SW 側部、TR トレンチ、W1,W2,W3,W4 幅。 1 silicon carbide semiconductor device (MOSFET), 2 electric field relaxation region, 2a1 third main surface, 2a first electric field relaxation region portion, 2b1 fourth main surface, 2b second electric field relaxation region portion, 2c third electric field relaxation region portion, 2s side surface, 4th impurity region, 10 silicon carbide substrate, 10a first main surface, 10b second main surface, 11 silicon carbide single crystal substrate, 11a boundary surface, 12 first impurity region (drift region), 13 second Impurity region (body region), 13a fifth main surface, 13p, 14p outer edge, 14 third impurity region (source region), 15 gate insulating film, 16 source electrode, 18 contact region, 19 source wiring, 20 drain electrode, 22 Interlayer insulating film, 24 silicon carbide epitaxial layer, 27 gate electrode, BT bottom, C1, C2 corner, C3 edge, corner CD channel direction, H1, H2 thickness, H3, H4 distance, H5 depth, S1 first surface, S2 second surface, SQ, SR composite surface, SW side, TR trench, W1, W2, W3, W4 width.
Claims (11)
前記炭化珪素基板は、第1導電型を有する第1不純物領域と、
前記第1不純物領域上に設けられ、前記第1導電型と異なる第2導電型を有する第2不純物領域と、
前記第1不純物領域から隔てられるように前記第2不純物領域上に設けられ、前記第1主面を構成し、かつ前記第1導電型を有する第3不純物領域と、
前記第1不純物領域内に位置し、かつ前記第2導電型を有する電界緩和領域とを含み、
前記第1主面には、前記第2不純物領域および前記第3不純物領域を貫通し、かつ前記第1不純物領域に至る側部と、前記側部と連続して設けられた底部とにより規定されたトレンチが形成されており、さらに、
前記底部において前記第1不純物領域と接し、かつ前記側部において前記第1不純物領域と、前記第2不純物領域と、前記第3不純物領域とに接するゲート絶縁膜とを備え、
前記電界緩和領域は、前記第1主面に対面する第3主面と、前記第2主面に対面する第4主面とを有し、
前記第2主面に平行な方向における、前記第3主面の幅は、前記第4主面の幅よりも大きい、炭化珪素半導体装置。 A silicon carbide substrate having a first main surface and a second main surface opposite to the first main surface;
The silicon carbide substrate includes a first impurity region having a first conductivity type;
A second impurity region provided on the first impurity region and having a second conductivity type different from the first conductivity type;
A third impurity region provided on the second impurity region so as to be separated from the first impurity region, constituting the first main surface, and having the first conductivity type;
An electric field relaxation region located in the first impurity region and having the second conductivity type,
The first main surface is defined by a side portion penetrating the second impurity region and the third impurity region and reaching the first impurity region, and a bottom portion provided continuously with the side portion. Trenches are formed, and
A gate insulating film in contact with the first impurity region at the bottom and in contact with the first impurity region, the second impurity region, and the third impurity region at the side;
The electric field relaxation region has a third main surface facing the first main surface and a fourth main surface facing the second main surface,
The silicon carbide semiconductor device, wherein a width of the third main surface in a direction parallel to the second main surface is larger than a width of the fourth main surface.
前記第2主面に平行な方向における前記第5主面の幅の半分をWb(μm)とし、前記第2主面に対して平行な方向における前記第3主面の幅の半分をWu(μm)とし、前記第1不純物領域における不純物濃度をNd(cm-3)とし、前記電界緩和領域における不純物濃度をNa(cm-3)とし、真空の誘電率をε0(F・m-1)とし、炭化珪素の誘電率をεSiC(F・m-1)とし、素電荷をe(C)とし、拡散電位をVbi(V)としたとき、以下の数式を満たす、請求項1~請求項4のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。
Half of the width of the fifth main surface in the direction parallel to the second main surface is W b (μm), and half of the width of the third main surface in the direction parallel to the second main surface is W u (μm), the impurity concentration in the first impurity region is N d (cm −3 ), the impurity concentration in the electric field relaxation region is N a (cm −3 ), and the vacuum dielectric constant is ε 0 (F M -1 ), silicon carbide dielectric constant ε SiC (F · m -1 ), elementary charge e (C), and diffusion potential V bi (V) The silicon carbide semiconductor device according to any one of claims 1 to 4.
前記電界緩和領域の不純物ドーズ量をDrx(cm-2)し、前記第2主面に対して垂直な方向における、前記第4主面と、前記炭化珪素単結晶基板および前記炭化珪素エピタキシャル層の境界面との距離をLd(cm)とし、前記第1不純物領域における不純物濃度をNd(cm-3)としたとき、以下の数式を満たす、請求項1~請求項5のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。
The fourth main surface, the silicon carbide single crystal substrate, and the silicon carbide epitaxial layer in a direction perpendicular to the second main surface, with the impurity dose of the electric field relaxation region being D rx (cm −2 ) The following formula is satisfied, where L d (cm) is the distance from the boundary surface of the first impurity region and N d (cm −3 ) is the impurity concentration in the first impurity region. 2. The silicon carbide semiconductor device according to item 1.
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