(57)【要約】【課題】ボディー領域の面積を最小限にし、かつ、このボディー領域から延びる空乏層により効率よくトレンチ底のゲート酸化膜を保護する。【解決手段】本発明は、n+型炭化珪素基板上に、n-型ドリフト層とp型ベース領域を積層すると共に、ベース領域内の表層部における所定領域にn+型ソース領域を形成し、かつ、前記ドリフト層に達するトレンチ溝によりゲートトレンチを形成する。前記ゲートトレンチと隣接しかつ接触せずにp型ボディー領域が、前記ゲートトレンチよりも深い位置に形成され、かつ、上面からみたときにこのp型ボディー領域を中心として、前記ゲートトレンチが六角形の形を有して取り囲んでおり、前記ゲートトレンチの側面は炭化珪素の{11-20}面のみにより構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化珪素基板上に、第１の導電型のドリフト層と第２の導電型のベース領域を積層すると共に、ベース領域内の表層部における所定領域に第１の導電型のソース領域を形成し、かつ、前記ドリフト層に達するトレンチ溝によりゲートトレンチを形成した炭化珪素トレンチ型MOSFETにおいて、
前記ゲートトレンチと隣接しかつ接触せずに第２の導電型のボディー領域が、前記ゲートトレンチよりも深い位置に形成され、かつ、上面からみたときに第２の導電型の前記ボディー領域を中心として、前記ゲートトレンチが六角形の形を有して取り囲んでおり、前記ゲートトレンチの側面は炭化珪素の{11-20}面のみにより構成されていることを特徴とする炭化珪素トレンチ型MOSFET。
【請求項２】
前記炭化珪素基板は、n+型であり、前記ドリフト層は、n-型であり、前記ベース領域は、p型であり、前記ソース領域は、n+型であり、かつ、前記ボディー領域は、p型である請求項１に記載の炭化珪素トレンチ型MOSFET。
【請求項３】
前記ボディー領域は、前記ゲートトレンチのトレンチ溝とは別のトレンチ溝の底に形成したp型領域により構成される請求項１に記載の炭化珪素トレンチ型MOSFET。
【請求項４】
前記ゲートトレンチは、前記トレンチ溝の側面および底面に形成したゲート酸化膜とこのトレンチ溝を埋めるように形成したゲート電極により構成される請求項１に記載の炭化珪素トレンチ型MOSFET。
【請求項５】
前記炭化珪素基板はC面より構成される請求項１に記載の炭化珪素トレンチ型MOSFET。
【請求項６】
前記炭化珪素基板は(000-1)面からの傾斜が１度以下である請求項１ないし５のいずれかに記載の炭化珪素トレンチ型MOSFET。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化珪素基板を用いて電力変換用半導体スイッチング装置を低オン抵抗化かつ高耐圧化した炭化珪素半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素基板を用いた電力変換用半導体スイッチング装置として、プレーナー型のMOSFETに比べトレンチ型は単位セル構造が小さく電流密度が高いため、オン抵抗の低減に効果的な構造であるが、炭化珪素の絶縁破壊電界が高いために、トレンチ底のゲート酸化膜にも阻止状態において高い電界が印加されてしまい、十分な耐圧が得られないことが問題となっていた。
【０００３】
図５は、特許文献１に開示のｎチャネルタイプの縦型絶縁ゲート型電界効果トランジスタ（縦型パワーＭＯＳＦＥＴ）を示す図である。低抵抗半導体層としてのｎ+ 型炭化珪素基板１は六方晶の炭化珪素（ＳｉＣ）が用いられている。このｎ+ 型炭化珪素基板上に、高抵抗半導体層としてのｎ- 型ドリフト層とｐ型ベース領域が順次積層されて、半導体基板が構成されており、その上面を略（０００１−）カーボン面としている。ｐ型ベース領域内の表層部における所定領域には、半導体領域としてのｎ+ 型ソース領域が形成されている。さらに、ｐ型ベース領域内の表層部における所定領域には、低抵抗ｐ型炭化珪素領域が形成されている。
【０００４】
また、ｎ+ 型ソース領域の所定領域にゲートトレンチが形成され、このゲートトレンチは、ｎ+ 型ソース領域とｐ型ベース領域を貫通しｎ- 型ドリフト層に達している。ゲートトレンチは半導体基板の表面に垂直な側面および平行な底面を有する。ゲートトレンチの側面は略［１１−００］方向に延設されている。さらに、ゲートトレンチの側面の平面形状は、各内角が略等しい（１２０゜）六角形である。さらに、ゲートトレンチ内の側面と底面にはゲート絶縁膜が形成されている。ゲート絶縁膜の内側にはゲート電極層が充填されている。ゲート電極層の上面は絶縁膜にて覆われている。ｎ+ 型ソース領域の表面と低抵抗ｐ型炭化珪素領域の表面にはソース電極層が形成されている。ｎ+ 型炭化珪素基板の裏面には、ドレイン電極層が形成されている。
【０００５】
このように、トレンチ型MOSFETのゲートトレンチ側面が[11-00]方向に平行、すなわち(11-20)面となる六角形の構造にして、チャネル移動度の高い面のみを使い低オン抵抗化している。ゲート電極に正の電圧が印加されたトレンチ型MOSFETのオン状態では、伝導通路は、ｐ型ベース領域中にゲートトレンチ側面に沿って形成される反転層から生じる。反転層の形成により、ドレイン電極から、ｎ+ 型炭化珪素基板、ｎ- 型ドリフト層、ｐ型ベース領域とを通って、ｎ+ 型ソース領域及びソース電極に至る電流の流れが生じる。このトレンチ型MOSFETの「順方向阻止モード」は、ゲート−ソース間電圧がMOSFETのしきい電圧未満に低下した時に起きる。順方向阻止モードでは、反転層はチャネル中に形成されず、増大したドレイン−ソース間電圧はデバイスにより支えられる。ゲートトレンチはｐ型ベース領域／ｎ- 型ドリフト層接合の端部を過ぎて延在するので、高電界がゲートトレンチのコーナー部で起き得る。これはデバイスの設計順方向阻止電圧を下げることになるので、望ましいものではない。
【０００６】
このような問題を解決するために、特許文献２は、ゲートトレンチよりも深い位置にｐ型領域を形成したトレンチ型MOSFETを開示する。図６は、特許文献２に開示のトレンチ型MOSFETを例示する図である。図６に示すように、MOSFETの単位セルは、ｎ+炭化珪素基板上に、ｎ型ドリフト層、ｐ型ベース領域、ｎ+炭化珪素領域を有する。この単位セルは、ｎ+炭化珪素領域とｐ型ベース領域とを通ってｎ型ドリフト層の中へと下方に延在するゲートトレンチを形成する。絶縁体層が、ゲートトレンチの側壁と底部とに接して形成され、かつ、ｎ+炭化珪素領域の上面に延在する。ゲートトレンチの深さは、ゲートトレンチの底部上に形成された絶縁体層の上面が、ｐ型ベース領域とｎ型ドリフト層との間の界面の下になるように、十分に深い。
【０００７】
この単位セル中にソーストレンチも形成する。このソーストレンチは、ゲートトレンチに隣接し、かつ、ｎ+炭化珪素領域とｐ型ベース領域とを通ってｎ型ドリフト層の中へと下方に延在する。ソーストレンチの深さは十分に深くして、それにより、ｎ型ドリフト層の中に形成したｐ型領域（ｐ+型炭化珪素領域）を、ゲートトレンチの下部のコーナー部に隣接させる。その結果、トランジスタが順方向阻止モードで動作している時の電界集中を防ぐことができる。このｐ+型炭化珪素領域は、ｐ型ベース領域よりも高いキャリア濃度を有する。図示のように、ｐ+型炭化珪素領域はゲートトレンチの底部よりも下に延在する。また、炭化珪素基板の下面にドレイン接触を、ｎ+炭化珪素領域の上面にソース接触を、かつ、ゲートトレンチ中の絶縁体層に接してゲート接触を形成する。
【０００８】
このように、図６に示すMOSFETは、ゲートトレンチと隣接しかつ接触せずにｐ型領域がゲートトレンチよりも深い位置に形成されることにより、阻止状態においてｐ+型炭化珪素領域から空乏層がトレンチ底に延びてきて、その部分のゲート酸化膜を高電界から保護する。またp型ベース領域がパンチスルーにより耐圧が低下するのを抑制する効果もある。
【０００９】
しかし、図６に示すMOSFETは、酸化膜破壊を抑制し耐圧を向上させるために設けたｐ型領域が、基板を縦方向に電流が流れる装置にとってはデッドスペースであり、電流密度の減少を引き起こす。したがってできるだけ上面から見たｐ型領域の面積を少なくすることが望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平10-229190号公報
【特許文献２】特表2000-509559号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
プレーナー型のMOSFETに比べトレンチ型は単位セル構造が小さく電流密度が高いため、オン抵抗の低減に効果的な構造であるが、炭化珪素の絶縁破壊電界が高いために、トレンチ底のゲート酸化膜にも阻止状態において高い電界が印加されてしまい、十分な耐圧が得られないことが問題となっていた。
本発明は、係る問題点を解決して、ゲートトレンチと隣接しかつ接触せずに形成したボディー領域（ｐ型領域）を取り囲むように、ゲートトレンチを配置することにより、このボディー領域の面積を最小限にし、かつ、ボディー領域から延びる空乏層により効率よくトレンチ底のゲート酸化膜を保護することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明では、ゲートトレンチの側面はチャネル移動度の高い{11-20}面である。六方晶の結晶構造をもつ4H型または6H型の炭化珪素では｛11-20｝面と等価な面が６回対称で存在するため、オン抵抗を低減する目的でゲートトレンチの形状は｛11-20｝面からなる六角形とする。
【００１３】
本発明の炭化珪素トレンチ型MOSFETは、炭化珪素基板上に、第１の導電型のドリフト層と第２の導電型のベース領域を積層すると共に、ベース領域内の表層部における所定領域に第１の導電型のソース領域を形成し、かつ、前記ドリフト層に達するトレンチ溝によりゲートトレンチを形成する。前記ゲートトレンチと隣接しかつ接触せずに第２の導電型のボディー領域が、前記ゲートトレンチよりも深い位置に形成され、かつ、上面からみたときに第２の導電型の前記ボディー領域を中心として、前記ゲートトレンチが六角形の形を有して取り囲んでおり、前記ゲートトレンチの側面は炭化珪素の{11-20}面のみにより構成されていることを特徴とする。
【００１４】
前記炭化珪素基板は、n+型であり、前記ドリフト層は、n-型であり、前記ベース領域は、p型であり、前記ソース領域は、n+型であり、かつ、前記ボディー領域は、p型である。前記ボディー領域は、前記ゲートトレンチのトレンチ溝とは別のトレンチ溝の底に形成したp型領域により構成される。前記ゲートトレンチは、前記トレンチ溝の側面および底面に形成したゲート酸化膜とこのトレンチ溝を埋めるように形成したゲート電極により構成される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ボディー領域の面積が最小限に抑えられるため、オン状態におけるデッドスペースが少なく、かつトレンチ面はチャネル移動度の高い{11-20}面となるため、従来技術に比べて耐圧が向上しオン抵抗を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の炭化珪素トレンチMOSFETの構造を示す図である。
【図２】先行例と本発明の構造をシミュレーションで比較した結果である。
【図３】先行例と本発明の構造をシミュレーションで比較した結果である。
【図４】先行例と本発明の構造をシミュレーションで比較した結果である。
【図５】特許文献１に開示のｎチャネルタイプの縦型絶縁ゲート型電界効果トランジスタ（縦型パワーＭＯＳＦＥＴ）を示す図である。
【図６】特許文献２に開示のトレンチ型MOSFETを例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の炭化珪素トレンチMOSFETの構造を図１に示す。4H-SiCのC面の低抵抗n+型基板（１）上に1e16〜3e16cm-3の窒素がドーピングされた4H-SiCからなるn-型ドリフト層（２）が厚さ5〜10umで堆積されている。C面の低抵抗n+型基板（１）は、(000-1)面からの傾斜が１度以下とすることが出来る。更にその上に1e17〜1e18 cm-3 のアルミニウムがドーピングされた４H-SiC のp型ベース層（３）が厚さ1〜2umで堆積されている。或いは、このp型ベース層（３）は、イオン注入法によっても形成することが出来る。表面には約2e20cm-3のリンがドーピングされたn+型ソース領域（４）が形成され、その中心に第１トレンチ溝（５）がn-型ドリフト層（２）に達するよう形成されており、その底には約5e18cm-3のアルミニウムがドーピングされたp型ボディー領域（６）が選択的に形成されている。また、第１トレンチ溝（５）と隣接した位置に第２トレンチ溝（７）がn-型ドリフト層（２）に達するように、上面から見ると第１トレンチ溝（５）を六角形に取り囲むよう形成されている。第２トレンチ溝（７）を構成する六個の側壁は全てが{11-20}面と等価な面となっている。そうすることによってチャネル移動度が高い面のみで側壁を構成することができる。第２トレンチ溝（７）の側面および底面にはゲート酸化膜（８）が熱酸化または堆積により形成されており、ゲート酸化膜上には第２トレンチ溝（７）を埋めるようにn型ポリシリコンからなるゲート電極（９）が形成されている。また、その表面には層間絶縁膜（１０）を介して、n+型ソース領域（４）とp型ボディー領域（６）に低抵抗接触するソース電極（１１）が形成されており、裏面にはドレイン電極（１２）が形成されている。
【００１８】
このように炭化珪素トレンチ型MOSFET（UMOSFET）において、第１トレンチ溝（５）の底にp型ボディー領域（６）を形成し、第１トレンチ溝（５）と隣接した位置に第２トレンチ溝（７）を上面から見ると第１トレンチ溝（５）を六角形に取り囲むよう形成することによって、ドレイン電極（１２）に高電圧を印加する阻止状態において、p型ボディー領域（６）から空乏層が放射状に延びて第２トレンチ溝（７）の底のゲート酸化膜（８）を高電界からシールドして絶縁破壊するのを抑制し、同時にn-型ドリフト層（２）とp型ベース層（３）との接合を高電界からシールドしてパンチスルー現象による耐圧低下を抑制することができる。この際、p型ボディー領域（６）から空乏層が放射状に延びるため、p型ボディー領域（６）の面積を最小限にすることができ、例えば、第１トレンチ溝（５）と第２トレンチ溝（７）をストライプ状に配置した場合に比べて、基板縦方向の電流密度を大幅に増大することができる。
【００１９】
図２、図３および図４は、以下のＡ〜Ｃのような先行例と本発明の構造（Ｄ）をシミュレーションで比較した結果である。n型ドリフト層は、濃度2e16cm-3で厚さ8umで、p型ベース層は、厚さ2umでアルミニウムのドーピング密度は2e17cm-3である。また第１トレンチと第２トレンチの間隔は1.5umである。比較した構造は、
Ａ：第１トレンチ無しでストライプセル、
Ｂ：第１トレンチ無しで六角セル、
Ｃ：第１トレンチ有りでストライプセル、
Ｄ：第１トレンチ有りで六角セル（本発明）となっている。
【００２０】
まず図２の耐圧で比較するとＣとＤでは、ＡとＢに比べて高くなっており、第１トレンチ底のp型層から空乏層が延びることによって、n-型ドリフト層とp型ベース層との接合を高電界からシールドしてパンチスルー現象による耐圧低下を抑制できていることが分かる。
【００２１】
また、図３の耐圧測定時６００Ｖにおいて酸化膜にかかる電界では、ＣとＤでは、ＡとＢに比べて低くなっており、第１トレンチ底のp型層から空乏層が延びることによって第２トレンチ底の酸化膜を高電界からシールドして絶縁破壊するのを抑制する効果があることが分かる。
【００２２】
一方、図４のオン状態の電流密度ではＢとＤでは、ＡとＣに比べて電流密度が高くなっており、六角セル構造として第１トレンチの面積率を小さくしたことにより、基板を縦方向に電流が流れるためのデッドスペースが最小限に抑えられている。また、ＣとＤの第１トレンチの有りでは、ＡとＢの第１トレンチ無しに比べて電流が若干少なくなっており、第１トレンチ底のｐ型領域から横方向に空乏層が延びることによる電流減少分は小さいことが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明の炭化珪素トレンチ型MOSFETは、電力変換装置たとえば電気自動車のモーターコントローラーや太陽光発電設備のパワーコントロラーなど、省エネ用半導体装置として利用される。
【符号の説明】
【００２４】
１：低抵抗n+型基板
２：n-型ドリフト層
３：p型ベース層
４：n+型ソース領域
５：第１トレンチ溝
６：p型ボディー領域
７：第２トレンチ溝
８：ゲート酸化膜
９：ゲート電極
１０：層間絶縁膜
１１：ソース電極
１２：ドレイン電極
【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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【図６】
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