(57)【要約】【課題】  積層欠陥の成長を抑制する。【解決手段】  スイッチング素子であって、ＳｉＣ基板と、前記ＳｉＣ基板に接するゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜を介して前記ＳｉＣ基板に対向するゲート電極と、前記ＳｉＣ基板に接するソース電極と、前記ＳｉＣ基板に接するドレイン電極、を有する。前記ＳｉＣ基板が、前記ソース電極と前記ゲート絶縁膜に接するｎ型のソース領域と、前記ドレイン電極と前記ゲート絶縁膜に接するｎ型のドレイン領域と、前記ソース領域と前記ドレイン領域の間の位置で前記ゲート絶縁膜に接しているｐ型のボディ領域と、前記ボディ領域よりも高いｐ型不純物濃度を有するとともに前記ソース電極と前記ボディ領域に接するｐ型のコンタクト領域、を有する。前記ソース電極に接する位置における前記コンタクト領域内のｐ型不純物濃度が、３×１０１９ｃｍ−３以下である。【選択図】図１
2020194847.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング素子であって、
ＳｉＣ基板と、
前記ＳｉＣ基板に接するゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を介して前記ＳｉＣ基板に対向するゲート電極と、
前記ＳｉＣ基板に接するソース電極と、
前記ＳｉＣ基板に接するドレイン電極、
を有し、
前記ＳｉＣ基板が、
前記ソース電極と前記ゲート絶縁膜に接するｎ型のソース領域と、
前記ドレイン電極と前記ゲート絶縁膜に接するｎ型のドレイン領域と、
前記ソース領域と前記ドレイン領域の間の位置で前記ゲート絶縁膜に接しており、前記ソース領域を前記ドレイン領域から分離しているｐ型のボディ領域と、
前記ボディ領域よりも高いｐ型不純物濃度を有し、前記ソース電極と前記ボディ領域に接するｐ型のコンタクト領域、
を有し、
前記ソース電極に接する位置における前記コンタクト領域内のｐ型不純物濃度が、３×１０１９ｃｍ−３以下である、スイッチング素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示の技術は、スイッチング素子に関する。
【０００２】
特許文献１には、ＳｉＣ基板（炭化珪素基板）を有するスイッチング素子が開示されている。ＳｉＣ基板は、ｎ型のソース領域と、ｎ型のドレイン領域（ドリフト領域と基板）と、ｐ型のボディ領域（ウエル領域）と、ｐ型のコンタクト領域（ウエルコンタクト領域）を有している。ソース領域は、ソース電極とゲート絶縁膜に接している。ドレイン領域は、ドレイン電極とゲート絶縁膜に接している。ボディ領域は、ソース領域とドレイン領域の間の位置でゲート絶縁膜に接している。ボディ領域によって、ソース領域がドレイン領域から分離されている。コンタクト領域は、ボディ領域よりも高いｐ型不純物濃度を有し、ソース電極とボディ領域に接している。コンタクト領域によって、ボディ領域がソース電極に接続されている。このため、ボディ領域の電位が安定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−００２２７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のスイッチング素子においては、コンタクト領域と、ボディ領域と、ドレイン領域によって、寄生的にｐｎダイオード（以下、ボディダイオードという）が形成されている。ボディダイオードは、ソース電極側がアノードとなる向きでソース電極とドレイン電極を接続している。このため、ソース電極がドレイン電極よりも高電位となると、ボディダイオードがオンし、ソース電極からコンタクト領域とボディ領域を介してドレイン領域にホールが流入する。他方、ＳｉＣ基板のドレイン領域の内部には、基底面転位が存在する。ボディダイオードがオンし、ドレイン領域内の基底面転位にホールが到達すると、基底面転位から積層欠陥が成長する。その結果、ドレイン領域の抵抗が上昇する。この問題に対し、特許文献１の技術では、ドレイン領域内に電流制限領域を設けることで、積層欠陥の成長を抑制する。本明細書では、特許文献１の技術と別の構成によって、積層欠陥の成長を抑制可能な技術を提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示するスイッチング素子は、ＳｉＣ基板と、前記ＳｉＣ基板に接するゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜を介して前記ＳｉＣ基板に対向するゲート電極と、前記ＳｉＣ基板に接するソース電極と、前記ＳｉＣ基板に接するドレイン電極、を有する。前記ＳｉＣ基板が、前記ソース電極と前記ゲート絶縁膜に接するｎ型のソース領域と、前記ドレイン電極と前記ゲート絶縁膜に接するｎ型のドレイン領域と、前記ソース領域と前記ドレイン領域の間の位置で前記ゲート絶縁膜に接しているとともに前記ソース領域を前記ドレイン領域から分離しているｐ型のボディ領域と、前記ボディ領域よりも高いｐ型不純物濃度を有するとともに前記ソース電極と前記ボディ領域に接するｐ型のコンタクト領域、を有する。前記ソース電極に接する位置における前記コンタクト領域内のｐ型不純物濃度が、３×１０１９ｃｍ−３以下である。
【０００６】
このスイッチング素子では、コンタクト領域内のｐ型不純物濃度が、３×１０１９ｃｍ−３以下である。このようにコンタクト領域内のｐ型不純物濃度を調整すると、ボディダイオードの順方向電圧降下が高くなる。このため、ソース電極がドレイン電極よりも高電位となったときに、ボディ領域からドレイン領域にホールが流入し難い。したがって、このスイッチング素子では、ドレイン領域内の基底面転位から積層欠陥が成長し難い。
【０００７】
なお、本明細書が開示する上記のスイッチング素子の構成を、特許文献１の技術と組み合わせて用いることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】スイッチング素子の断面図。
【図２】ボディダイオード内のホールの密度分布を示すグラフ。
【図３】コンタクト領域内のｐ型不純物濃度とボディダイオードの順方向電圧降下の関係を示すグラフ。
【図４】比較例と各実施例について、ボディダイオードの順方向電圧降下と通電試験によるオン電圧の上昇を示す表。
【図５】通電試験によるオン電圧上昇量を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１に示す実施形態のスイッチング素子１０は、ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴ（metal oxide semiconductor field effect transistor）である。スイッチング素子１０は、ＳｉＣ基板１２、ソース電極１４、ドレイン電極１６、ゲート電極２０、ゲート絶縁膜２２、及び、層間絶縁膜１８を有している。ＳｉＣ基板１２の上面には、複数のトレンチ２４が設けられている。複数のトレンチ２４は、ＳｉＣ基板１２の上面において互いに平行に伸びている。各トレンチ２４の内面は、ゲート絶縁膜２２によって覆われている。各トレンチ２４内に、ゲート電極２０が配置されている。ゲート電極２０は、ゲート絶縁膜２２によってＳｉＣ基板１２から絶縁されている。各ゲート電極２０の上面は、層間絶縁膜１８によって覆われている。ＳｉＣ基板１２の上面は、ソース電極１４によって覆われている。ソース電極１４は、ニッケルにより構成されている。ソース電極１４は、層間絶縁膜１８によってゲート電極２０から絶縁されている。ＳｉＣ基板１２の下面は、ドレイン電極１６によって覆われている。
【００１０】
ＳｉＣ基板１２は、ソース領域３０、コンタクト領域３２、ボディ領域３４、及び、ドレイン領域３６を有している。
【００１１】
ソース領域３０は、ｎ型領域であり、ＳｉＣ基板１２の上面を含む範囲に配置されている。ソース領域３０は、ソース電極１４にオーミック接触している。また、ソース領域３０は、トレンチ２４の上端部でゲート絶縁膜２２に接している。ソース領域３０は、ゲート絶縁膜２２を介してゲート電極２０に対向している。
【００１２】
コンタクト領域３２は、ｐ型領域であり、ＳｉＣ基板１２の上面を含む範囲に配置されている。なお、ｐ型不純物として、アルミニウムまたはボロンを用いることができる。コンタクト領域３２は、ソース領域３０の隣で、ソース電極１４に接している。コンタクト領域３２のｐ型不純物濃度は、ボディ領域のｐ型不純物濃度よりも高い一方で、３×１０１９ｃｍ−３以下である。ｐ型不純物濃度がある程度高いコンタクト領域３２がソース電極１４に接しているので、コンタクト領域３２とソース電極１４の間のコンタクト抵抗はある程度低い。したがって、コンタクト領域３２の電位はソース電極１４の電位と略等しい。
【００１３】
ボディ領域３４は、コンタクト領域３２よりもｐ型不純物濃度が低いｐ型領域である。ボディ領域３４は、ソース領域３０及びコンタクト領域３２に対して下側から接している。ボディ領域３４は、コンタクト領域３２を介してソース電極１４に接している。このため、ボディ領域３４の電位は、ソース電極１４の電位と略等しい。ボディ領域３４は、ソース領域３０の下側でゲート絶縁膜２２に接している。ボディ領域３４は、ゲート絶縁膜２２を介してゲート電極２０に対向している。
【００１４】
ドレイン領域３６は、ｎ型領域であり、ボディ領域３４の下側に配置されている。すなわち、ドレイン領域３６とソース領域３０の間に、ボディ領域３４が配置されている。ドレイン領域３６は、ボディ領域３４によってソース領域３０から分離されている。ドレイン領域３６は、ＳｉＣ基板１２の下面を含む範囲に配置されており、ドレイン電極１６に接している。ドレイン領域３６は、ドリフト領域３８と、ドリフト領域３８よりもｎ型不純物濃度が高い高濃度領域４０を有している。
【００１５】
ドリフト領域３８は、ボディ領域３４に対して下側から接している。ドリフト領域３８は、ボディ領域３４の下側でゲート絶縁膜２２に接している。ドリフト領域３８は、ゲート絶縁膜２２を介してゲート電極２０に対向している。
【００１６】
高濃度領域４０は、ドリフト領域３８に対して下側から接している。高濃度領域４０は、ＳｉＣ基板１２の下面を含む範囲に配置されている。高濃度領域４０は、ドレイン電極１６に対してオーミック接触している。
【００１７】
スイッチング素子１０の使用時に、ドレイン電極１６がソース電極１４よりも高電位となる向きで電圧が印加される。この状態において、ゲート電極２０の電位を上昇させると、ゲート絶縁膜２２近傍のボディ領域３４にチャネルが形成され、スイッチング素子１０（すなわち、ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ）がオンする。すなわち、電子が、ソース領域３０から、チャネルとドリフト領域３８を介して高濃度領域４０へ流れる。ゲート電極２０の電位を低下させると、チャネルが消失し、電子の流れが停止する。すなわち、スイッチング素子１０がオフする。ボディ領域３４がコンタクト領域３２を介してソース電極１４に接続されていることによって、ボディ領域３４の電位はソース電極１４と略同電位に維持される。したがって、ボディ領域３４とゲート電極２０の間の電位差を正確に制御することができ、スイッチング素子１０が適切にスイッチングすることができる。
【００１８】
また、スイッチング素子１０の内部には、コンタクト領域３２、ボディ領域３４、及び、ドレイン領域３６によって、寄生的にｐｎダイオード（以下、ボディダイオードという）が形成されている。また、スイッチング素子１０の使用時に、ソース電極１４がドレイン電極１６よりも高電位になる場合がある。ソース電極１４がドレイン電極１６よりも高電位になると、ボディダイオードがオンする。すなわち、ソース電極１４から、コンタクト領域３２、ボディ領域３４、ドリフト領域３８、及び、高濃度領域４０を介してドレイン電極１６へ、ホールが流れる。同時に、ドレイン電極１６から、高濃度領域４０、ドリフト領域３８、ボディ領域３４、及び、コンタクト領域３２を介してソース電極１４へ、電子が流れる。
【００１９】
上述したように、ボディダイオードがオンすると、ボディ領域３４からドリフト領域３８にホールが流入する。他方、ドリフト領域３８内には、基底面転位が存在する。ドリフト領域３８内にホールが流入すると、基底面転位にホールが到達する。すると、基底面転位においてホールと電子が再結合する。すると、基底面転位から積層欠陥が成長し、ドリフト領域３８の抵抗が増加する。このように、積層欠陥が成長してドリフト領域３８の抵抗が増加すると、スイッチング素子１０がｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴとしてオンするときにスイッチング素子１０のオン抵抗が高くなる。
【００２０】
これに対し、本実施形態のスイッチング素子１０では、コンタクト領域３２のｐ型不純物濃度が３×１０１９ｃｍ−３以下とされていることによって、ドリフト領域３８内での積層転位の成長が抑制される。以下に、コンタクト領域３２のｐ型不純物濃度と、積層欠陥の成長との関係について説明する。
【００２１】
図２は、スイッチング素子１０のボディダイオード内（図１の直線ＩＩ−ＩＩの位置）におけるホールの密度分布をシミュレーションした結果を示している。図２は、ボディダイオードに電流が流れている状態におけるホールの密度分布を示している。図２において、実線のグラフは、破線のグラフよりもボディダイオードの順方向電圧降下が高い場合を示している。図２に示すように、順方向電圧降下が高いほど、ドリフト領域３８内のホールの密度が低下する。
【００２２】
また、図３は、コンタクト領域３２内のｐ型不純物濃度と、ボディダイオードの順方向電圧降下ＶＦとの関係をシミュレーションした結果を示している。図３に示すように、コンタクト領域３２内のｐ型不純物濃度が低いほど、ボディダイオードの順方向電圧降下ＶＦが高くなる。
【００２３】
図２、３から、コンタクト領域３２内のｐ型不純物濃度が低いほど、ボディダイオードに電流が流れているときのドリフト領域３８内のホールの密度が低くなることが分かる。
【００２４】
図２、３に示すシミュレーション結果から得られた知見に基づき、コンタクト領域３２のｐ型不純物濃度が異なる複数のスイッチング素子を製造し、各スイッチング素子について評価を行った。その結果を図４に示す。図４の比較例及び実施例１〜４のスイッチング素子は、図１と同様の構造を有している。比較例のスイッチング素子では、コンタクト領域３２のｐ型不純物濃度が、約４．０×１０１９ｃｍ−３であり、３×１０１９ｃｍ−３よりも高い。実施例１〜４のスイッチング素子では、いずれも、コンタクト領域３２のｐ型不純物濃度が３×１０１９ｃｍ−３以下である。また、図４の順方向電圧降下ＶＦは、ボディダイオードに流れる順方向電流ＩＦが５０Ａのときのボディダイオードの順方向電圧降下を示している。図４から明らかなように、コンタクト領域３２のｐ型不純物濃度が低くなるほど、ボディダイオードの順方向電圧降下ＶＦが高くなる。実施例１〜４のスイッチング素子では、いずれも、ボディダイオードの順方向電圧降下ＶＦが５．３Ｖ以上である。また、図４において、通電試験によるオン電圧の上昇の欄は、ボディダイオードの通電試験においてオン電圧が上昇したか否かを示している。図５は、ボディダイオードの通電試験の結果をより詳細に示している。この通電試験では、図５の横軸に示す各電流密度において実施例１〜４及び比較例のスイッチング素子のボディダイオードに一定時間電流を流した。また、通電試験の前後において、スイッチング素子（ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ）のオン電圧を測定し、通電試験によるオン電圧の上昇量（図５の縦軸のオン電圧上昇量ΔＶｏｎ）を測定した。なお、図５では、比較例のスイッチング素子の結果が破線のグラフにより示され、実施例１〜４のスイッチング素子の結果が実線のグラフにより示されている。なお、実施例１〜４のスイッチング素子の結果は一致したので、図５では実施例１〜４のスイッチング素子の結果が重ねて示されている。図５に示すように、実施例１〜４のスイッチング素子では、いずれの電流密度でも、オン電圧は変化しなかった。他方、比較例のスイッチング素子では、１０００Ａ／ｃｍ２の電流密度でボディダイオードに電流を流したときに、約０．１５Ｖのオン電圧の上昇が見られた。また、通電試験の後に比較例のスイッチング素子の結晶欠陥を評価したところ、ドリフト領域３８内に積層欠陥が見られた。このことから、比較例のスイッチング素子では、１０００Ａ／ｃｍ２の電流密度において、ドリフト領域３８内で積層欠陥が成長し、オン電圧が上昇したことが分かる。図４、５から、実施例１〜４のようにコンタクト領域３２のｐ型不純物濃度を３×１０１９ｃｍ−３以下とすることで、ボディダイオードに電流を流してもドリフト領域３８内での積層欠陥の成長を抑制することができ、オン電圧の上昇を防止できることが分かる。
【００２５】
以上に説明したように、コンタクト領域３２のｐ型不純物濃度を３×１０１９ｃｍ−３以下とすることで、積層欠陥の成長を抑制することができる。これによって、スイッチング素子（ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ）のオン電圧の上昇を抑制することができる。
【００２６】
なお、上述した実施形態のスイッチング素子１０では、ソース電極１４が、約５．０ｅＶの仕事関数を有するニッケルにより構成されていた。しかしながら、ソース電極１４が、５．０ｅＶよりも仕事関数が小さい金属（例えば、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ等）により構成されていてもよい。このように仕事関数が小さい金属をソース電極１４として用いると、ｐ型のコンタクト領域３２がソース電極１４に対してショットキー接触し易くなる。これによって、ボディダイオードの順方向電圧降下をさらに上昇させることができる。この場合、ボディ領域３４からドリフト領域３８へのホールの流入をさらに抑制し、積層欠陥の成長をさらに抑制することができる。
【００２７】
また、コンタクト領域３２を形成するためのイオン注入工程において、ｐ型不純物の注入深さを深くすることによって、コンタクト領域３２の上面（ソース電極１４に対する接触面）におけるｐ型不純物濃度を低くし、コンタクト領域３２の深部におけるｐ型不純物濃度を高くしてもよい。この場合、コンタクト領域３２の上面におけるｐ型不純物濃度を３×１０１９ｃｍ−３以下とし、コンタクト領域３２の深部におけるｐ型不純物濃度を３×１０１９ｃｍ−３より大きい値（例えば、１．０×１０２０ｃｍ−３）としてもよい。この構成によれば、コンタクト領域３２とソース電極１４の間のコンタクト抵抗を高くしてボディダイオードの順方向電圧降下を高くすることができる一方で、コンタクト領域３２の深部の抵抗を低くすることができる。
【００２８】
また、コンタクト領域３２に対するイオン注入において、ｐ型不純物としてボロンを用いてもよい。ボロンはＳｉＣ基板中における拡散距離が長いので、少ない回数のイオン注入で広い深さ範囲のｐ型不純物濃度を上昇させることができる。このため、少ない回数のイオン注入でコンタクト領域３２を形成することができる。
【００２９】
以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３０】
１０      ：スイッチング素子
１２      ：ＳｉＣ基板
１４      ：ソース電極
１６      ：ドレイン電極
１８      ：層間絶縁膜
２０      ：ゲート電極
２２      ：ゲート絶縁膜
２４      ：トレンチ
３０      ：ソース領域
３２      ：コンタクト領域
３４      ：ボディ領域
３６      ：ドレイン領域
３８      ：ドリフト領域
４０      ：高濃度領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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