(57)【要約】  トレンチ下部に形成された保護拡散層における電界を緩和することができる炭化珪素半導体装置を提供する。  第一導電型のドリフト層２ａと、半導体層２内の上部に形成された第一導電型のソース領域４と、ソース領域４及びベース領域３を貫通し形成された活性トレンチ５ａと、活性トレンチ５ａの周囲に形成された終端トレンチ５ｂと、活性トレンチ５ａの底面及び側面に形成されたゲート絶縁膜６と、ゲート絶縁膜６を介して活性トレンチ５ａ内に埋没して形成されたゲート電極７と、活性トレンチ５ａの下部に形成され第二導電型の不純物濃度が第一の不純物濃度である第二導電型の保護拡散層１３と、終端トレンチ５ｂの下部に形成され第二導電型の不純物濃度が第一の不純物濃度よりも低い第二の不純物濃度である第二導電型の終端拡散層１６とを備えた炭化珪素半導体装置１００とする。
2015049815.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化珪素半導体からなる第一導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層の上部に形成され、第一導電型の不純物濃度が前記ドリフト層よりも高い第一導電型の空乏化抑制層と、
前記空乏化抑制層の上部に形成された第二導電型のボディ領域と、
前記ボディ領域と前記空乏化抑制層とを貫通し、前記ドリフト層に達するトレンチと、
前記トレンチの底面及び側面に沿って形成されたゲート絶縁膜と、
を備え、
前記空乏化抑制層の厚みは、０．０６μｍ以上であり、かつ、０．３１μｍ以下である炭化珪素半導体装置。
【請求項２】
炭化珪素半導体からなる第一導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層の上部に形成され、第一導電型の不純物濃度が前記ドリフト層よりも高い第一導電型の空乏化抑制層と、
前記空乏化抑制層の上部に形成された第二導電型のボディ領域と、
前記ボディ領域と前記空乏化抑制層とを貫通し、前記ドリフト層に達するトレンチと、
前記トレンチの底面及び側面に沿って形成されたゲート絶縁膜と、
を備え、
前記空乏化抑制層の厚みは、前記ボディ領域の第二導電型の不純物濃度と前記空乏化抑制層の第一導電型の不純物濃度とによって算出される前記空乏化抑制層側の空乏層の厚みの１００％以上、かつ、１３０％以下である炭化珪素半導体装置。
【請求項３】
炭化珪素半導体からなる第一導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層の上部に形成され、第一導電型の不純物濃度が前記ドリフト層よりも高い第一導電型の空乏化抑制層と、
前記空乏化抑制層の上部に形成された第二導電型のボディ領域と、
前記ボディ領域と前記空乏化抑制層とを貫通し、前記ドリフト層に達するトレンチと、
前記トレンチの底面及び側面に沿って形成されたゲート絶縁膜と、
を備え、
前記空乏化抑制層と前記トレンチ底部との距離は、前記ドリフト層の表面からの前記トレンチの深さの２６％以下である炭化珪素半導体装置。
【請求項４】
炭化珪素半導体からなる第一導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層の上部に形成され、第一導電型の不純物濃度が前記ドリフト層よりも高い第一導電型の空乏化抑制層と、
前記空乏化抑制層の上部に形成された第二導電型のボディ領域と、
前記ボディ領域を貫通し、前記ドリフト層に達するトレンチと、
前記トレンチの底面及び側面に沿って形成されたゲート絶縁膜と、
を備え、
前記空乏化抑制層は、前記ドリフト層の上部において前記トレンチに離間して形成された炭化珪素半導体装置。
【請求項５】
炭化珪素半導体からなる第一導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層の上部に形成され、第一導電型の不純物濃度が前記ドリフト層よりも高い第一導電型の空乏化抑制層と、
前記空乏化抑制層の上部に形成された第二導電型のボディ領域と、
前記ボディ領域を貫通し、前記ドリフト層に達するトレンチと、
前記トレンチの底面及び側面に沿って形成されたゲート絶縁膜と、
を備え、
前記空乏化抑制層は、前記ボディ領域下部において間隔をあけて形成された炭化珪素半導体装置。
【請求項６】
炭化珪素半導体からなる第一導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層の上部に形成され、第一導電型の不純物濃度が前記ドリフト層よりも高い第一導電型の空乏化抑制層と、
前記空乏化抑制層の上部に形成された第二導電型のボディ領域と、
前記ボディ領域と前記空乏化抑制層とを貫通し、前記ドリフト層に達するトレンチと、
前記トレンチの底面及び側面に沿って形成されたゲート絶縁膜と、
を備え、
前記空乏化抑制層は、前記ドリフト層の上部において前記トレンチに接して延在し、前記トレンチから離れるにつれて膜厚が厚くなる炭化珪素半導体装置。
【請求項７】
前記空乏化抑制層は、前記トレンチから離れるにつれて段階的に膜厚が厚くなる、
ことを特徴とする請求項６記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項８】
前記空乏化抑制層における第一導電型の不純物濃度は、２．０×１０１７〜５．０×１０１７ｃｍ−３である、
ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項９】
炭化珪素半導体からなる第一導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層の上部に形成され、第一導電型の不純物濃度が前記ドリフト層よりも高い第一導電型の空乏化抑制層と、
前記空乏化抑制層の上部に形成された第二導電型のボディ領域と、
前記ボディ領域と前記空乏化抑制層とを貫通し、前記ドリフト層に達するトレンチと、
前記トレンチの底面及び側面に沿って形成されたゲート絶縁膜と、
を備え、
前記空乏化抑制層は、前記ドリフト層の上部において前記トレンチに接して延在し、前記トレンチから離れるにつれて第一導電型の不純物濃度が高くなる炭化珪素半導体装置。
【請求項１０】
前記空乏化抑制層は、前記トレンチから離れるにつれて段階的に第一導電型の不純物濃度が高くなる、
ことを特徴とする請求項９記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項１１】
前記トレンチ下部の前記ドリフト層内に形成された第二導電型の保護拡散層を備えた、
ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項１２】
前記保護拡散層の上端と前記空乏化抑制層の下端との距離は、前記ドリフト層の表面から前記保護拡散層の上端までの距離の２６％以下である、
ことを特徴とする請求項１１記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項１３】
前記ボディ領域における第二導電型の不純物濃度は、１．０×１０１４〜１．０×１０１８ｃｍ−３である、
ことを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項１４】
炭化珪素半導体からなる第一導電型のドリフト層が形成された炭化珪素基板を用意する工程と、
前記ドリフト層の上部に、第一導電型の不純物濃度が前記ドリフト層よりも高い第一導電型の空乏化抑制層を形成する工程と、
前記空乏化抑制層の上部に第二導電型のボディ領域を形成する工程と、
前記ボディ領域と前記空乏化抑制層とを貫通し、前記ドリフト層に達するトレンチを形成する工程と、
前記トレンチの底面及び側面に沿ってゲート絶縁膜を形成する工程と、
を備え、
前記ドリフト層を形成する工程は、前記空乏化抑制層と前記トレンチ底部との距離は、前記ドリフト層の表面からの前記トレンチの深さの２６％以下となるように行う炭化珪素半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化珪素半導体装置およびその製造方法に関するものであり、特にトレンチゲート型の炭化珪素半導体装置およびその装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電力用スイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）といった絶縁ゲート型の半導体装置が広く使用されている。絶縁ゲート型の半導体装置では、ゲート電極に閾値電圧以上の電圧を印加することでチャネルを形成し、オン状態とすることができる。このような絶縁ゲート型の半導体装置では、チャネル幅密度を向上させるため、半導体層にトレンチを形成し、トレンチ側面のウェル領域をチャネルとして利用する、トレンチゲート型の半導体装置が実用化されている。これにより、セルピッチの縮小が可能となりデバイス性能を向上させることができる。【０００３】
一方、高耐圧及び低損失を実現できる次世代の半導体装置として、炭化珪素（ＳｉＣ）を用いた半導体装置（以下、「炭化珪素半導体装置」という。）が注目されており、トレンチゲート型の炭化珪素半導体装置についても開発が進められている。そして、従来のトレンチゲート型の炭化珪素半導体装置では、オン抵抗を低減する目的で、ｐ型のウェル領域とｎ型のドリフト層との間にドリフト層よりも高い不純物濃度のｎ型の電流拡散層を設けることが提案されている（特許文献１、２参照）。このように電流拡散層を設けることで、トレンチ側面のウェル領域に形成されるチャネルを電子が通った後、電流拡散層を介して電流が横方向に広く拡散して流れることとなり、オン抵抗を低減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００１−５１１３１５号公報
【特許文献２】特開２０１２−２３８８８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、炭化珪素半導体装置では、炭化珪素の高い絶縁破壊強度によってドリフト層での絶縁破壊が抑制されるため、耐圧を向上させることができる。一方、トレンチゲート型の半導体装置では、ドレイン電極とソース電極との間に高電圧が印加されるオフ時において、トレンチ底部、特にトレンチ底部の角部におけるゲート絶縁膜に電界集中が発生する。そして、トレンチゲート型の炭化珪素半導体装置では、ドリフト層での絶縁破壊が抑制されるため、トレンチ底部のゲート絶縁膜から絶縁膜破壊が生じてしまい、耐圧が制限される恐れがあった。【０００６】
そこで、トレンチゲート型の炭化珪素半導体装置では、トレンチを浅く形成することでドレイン電極との距離を確保し、トレンチ底部のゲート絶縁膜に加わる電界を緩和することが考えられる。しかしながら、オン抵抗低減を目的に電流拡散層を設ける場合、トレンチ底部が電流拡散層内に形成されてしまうとトレンチ底部での電界が増大してしまうため、トレンチは電流拡散層を貫通しドリフト層に達している必要がある。そのため、電流拡散層を設けると、電流拡散層の厚み分だけトレンチを深く形成することとなり、トレンチ底部での電界が増大し耐圧が低下するという問題があった。【０００７】
本発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、オン抵抗を低減するとともに耐圧を向上することができる炭化珪素半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明にかかる炭化珪素半導体装置は、炭化珪素半導体からなる第一導電型のドリフト層と、ドリフト層の上部に形成され第一導電型の不純物濃度がドリフト層よりも高い第一導電型の空乏化抑制層と、空乏化抑制層の上部に形成された第二導電型のウェル領域と、ウェル領域と空乏化抑制層とを貫通しドリフト層に達するトレンチと、トレンチの底面及び側面に沿って形成されたゲート絶縁膜とを備え、空乏化抑制層の厚みは０．０６μｍ以上であり、かつ、０．３１μｍ以下である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明にかかる炭化珪素半導体装置によれば、ドリフト層上部に不純物濃度がドリフト層よりも高い空乏化抑制層を形成し、空乏化抑制層の厚みを０．０６μｍ以上とすることでウェル領域からの空乏層を抑制することでオン抵抗を低減するとともに、空乏化抑制層の厚みを０．３１μｍ以下とすることでトレンチの深さを浅くしトレンチ底部での電界を緩和し耐圧を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１にかかる炭化珪素半導体装置のセルを示す断面図である。
【図２】実施の形態１にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図３】実施の形態１にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図４】実施の形態１にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図５】実施の形態１にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図６】ｐｎ接合部におけるｎ型領域内の空乏層幅とｎ型不純物濃度との関係を示すグラフである。
【図７】ｐｎ接合部におけるｎ型領域内の空乏層幅と温度との関係を示すグラフである。
【図８】実施の形態１にかかる炭化珪素半導体装置のトレンチを示す断面図である。
【図９】本発明の変形例にかかる炭化珪素半導体装置のセルを示す断面図である。
【図１０】本発明の変形例にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図１１】実施の形態１にかかる半導体装置のセルパターンに関する平面図である。
【図１２】実施の形態１にかかる半導体装置のセルパターンに関する平面図である。
【図１３】本発明の比較例にかかる炭化珪素半導体装置のセルを示す断面図である。
【図１４】本発明の比較例にかかる炭化珪素半導体装置のオン電流密度を示す分布図である。
【図１５】実施の形態１にかかる炭化珪素半導体装置のオン電流密度を示す分布図である。
【図１６】実施の形態１と比較例とのそれぞれにおける電界強度を示すグラフである。
【図１７】実施の形態２にかかる炭化珪素半導体装置のセルを示す断面図である。
【図１８】実施の形態３にかかる炭化珪素半導体装置のセルを示す断面図である。
【図１９】実施の形態４による炭化珪素半導体装置のセルを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
まず、本実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の構成を説明する。図１は、実施の形態１にかかる炭化珪素半導体装置１００のセルを示す断面図である。なお、以下の段落において、「不純物濃度」とは各領域における不純物のピーク値を示すものとし、各領域の不純物濃度に濃度分布がある場合において各領域の「幅」や「厚さ」とは不純物濃度が当該領域における不純物濃度のピーク値の半分以上となる領域までの幅や厚さとする。
【００１２】
図１において、炭化珪素半導体装置１００は、基板１、半導体層２０、ソース電極１１、ドレイン電極１２から構成される。半導体層２０は基板１の表面に形成され、ソース電極１１は半導体層２０上に形成され、ドレイン電極１２は基板１の裏面に形成されている。また、半導体層２０の表面にはトレンチ７が形成されており、トレンチ７内にはゲート絶縁膜９とゲート電極１０とが形成されている。そして、半導体層２０の表面にはソース電極１１が形成されているが、トレンチ７上の領域にはゲート電極１０を覆うように層間絶縁膜８が形成されている。
【００１３】
基板１はｎ型の炭化珪素半導体基板であり、表面には半導体層２０が形成され、裏面にはドレイン電極１２が形成されている。半導体層２０は、炭化珪素半導体がエピタキシャル成長されて形成された半導体層であり、ソース領域３、ウェルコンタクト領域４、ウェル領域５、空乏化抑制層６を有し、他の領域がドリフト層２となる。
【００１４】
ドリフト層２は、基板１の上部に位置するｎ型半導体層であり、ｎ型の不純物濃度が基板１よりも低い半導体層である。ドリフト層２の上部には空乏化抑制層６が形成されている。空乏化抑制層６はｎ型の半導体層であり、ｎ型の不純物濃度がドリフト層２よりも高い半導体層である。空乏化抑制層６の上部にはボディ領域５が形成されている。ボディ領域５はｐ型の半導体領域である。ボディ領域５の上部には、ボディコンタクト領域４とソース領域３とが形成されている。ボディコンタクト領域４はｐ型の半導体領域であり、ｐ型の不純物濃度がボディ領域５よりも高い領域である。ソース領域３は、ｎ型の半導体領域である。
【００１５】
トレンチ７は、半導体層２０の表面、より詳細にはソース領域３の表面からボディ領域５及び空乏化抑制層６を貫通し、ドリフト層２に達するように形成されている。トレンチ７内の底面及び側面にはゲート絶縁膜９が形成されており、トレンチ７内のゲート絶縁膜９上にゲート電極１０が埋め込まれて形成されている。
【００１６】
半導体層２０の表面上においては、ソース領域３とボディコンタクト領域４とに接するようにソース電極１１が形成されている。ソース電極１１は、ＮｉやＴｉ等の金属と半導体層２０とのシリサイドであり、ソース領域３及びボディコンタクト領域４とオーミックコンタクトを形成する。基板１の裏面にはドレイン電極１２が形成されており、ドレイン電極１２はＮｉ等の金属電極である。
【００１７】
続いて、各半導体層及び領域の不純物濃度について説明する。ドリフト層２のｎ型の不純物濃度は１．０ｘ１０１４〜１．０ｘ１０１７ｃｍ−３であり、炭化珪素半導体装置１００の耐圧等に基づいて設定する。ボディ領域５のｐ型の不純物濃度は、１．０ｘ１０１４〜１．０ｘ１０１８ｃｍ−３である。ソース領域３のｎ型の不純物濃度は１．０ｘ１０１８〜１．０ｘ１０２１ｃｍ−３である。ボディコンタクト領域４のｐ型の不純物濃度は、１．０ｘ１０１８〜１．０ｘ１０２１ｃｍ−３であり、ソース電極１１とのコンタクト抵抗を低減するため、ボディ領域５よりも高濃度のｐ型不純物濃度とする。
【００１８】
空乏化抑制層６のｎ型の不純物濃度は、ドリフト層２のｎ型の不純物濃度よりも高く、１．０ｘ１０１７以上、より好ましくは２．０ｘ１０１７〜５．０ｘ１０１７ｃｍ−３の範囲にあるｎ型不純物濃度であり、ボディ領域５から伸びる空乏層を抑制する。なお、空乏化抑制層６の厚さ及びトレンチ７の深さについては、後述する炭化珪素半導体装置１００の製造方法の説明において説明する。
【００１９】
次に、炭化珪素半導体装置１００の動作について簡単に説明する。図１において、ゲート電極１０に閾値電圧以上の電圧が印加されている場合、ボディ領域５において、導電型が反転した、すなわち、ｎ型のチャネルがトレンチ７の側面に沿って形成される。そうすると、ソース電極１１からドレイン電極１２までの間に同一導電型の電流経路が形成されるため、ドレイン電極１２とソース電極１１との間に電圧を印加することで電流が流れることとなる。このようにゲート電極１０に閾値電圧以上の電圧が印加された状態が、炭化珪素半導体装置１００のオン状態となる。
【００２０】
一方、ゲート電極１０に閾値電圧以下の電圧が印加されている場合、ボディ領域５にはチャネルが形成されないため、オン状態の場合のような電流経路が形成されない。そのため、ドレイン電極１２とソース電極１１との間に電圧を印加したとしても、ドレイン電極１２からソース電極１１へと電流が流れることはない。このようにゲート電極１０に閾値電圧以下の電圧が印加された状態が、炭化珪素半導体装置１００のオフ状態となる。そして、炭化珪素半導体装置１００はゲート電極１０に印加する電圧を制御することで、オン状態とオフ状態とが切り換わり動作する。
【００２１】
続いて、炭化珪素半導体装置１００の製造方法について説明する。図２ないし図４は、本実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【００２２】
図２において、炭化珪素からなるｎ型の半導体層２０が形成された基板１を用意する。より具体的には、ｎ型の炭化珪素基板である基板１上にｎ型の半導体層２０をエピタキシャル成長法によって形成すればよい。また、半導体層２０のｎ型不純物濃度は、上述したドリフト層２のｎ型不純物濃度に対応するよう形成する。
【００２３】
図３において、半導体層２０内の上部に、ソース領域３、ボディコンタクト領域４、ボディ領域５、および空乏化抑制層６をそれぞれイオン注入によって形成する。イオン注入は、ｎ型領域を形成する場合にはドナーとして例えばＮイオンを注入し、ｐ型領域を形成する場合にはアクセプタとして例えばＡｌイオンを注入する。各領域における不純物濃度は、上述した値となるように形成する。また、各領域を形成する順序は前後してもよく、全て又は一部の領域についてイオン注入に代えてエピタキシャル成長によって形成することとしてもよい。ただし、空乏化抑制層６の厚さ等に関する詳細については後述するが、本実施の形態では空乏化抑制層６を従来の電流拡散層よりも薄く形成するため、面内バラつきのより少ないイオン注入によって形成することがより望ましい。
【００２４】
図４において、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によってソース領域３の表面からボディ領域５及び空乏化抑制層６を貫通しドリフト層２に達するトレンチ７を形成する。なお、トレンチ７の深さについては後述する。
【００２５】
その後、トレンチ７内に底面及び側面にゲート絶縁膜９を形成し、トレンチ７に埋め込まれるようにゲート絶縁膜９上にゲート電極１０を形成する。そして、ゲート電極１０を覆うように層間絶縁膜８を形成した後、ソース領域３の表面とボディコンタクト領域４の表面とに接するようにソース電極１１を形成し、基板１の裏面にドレイン電極１２を形成する。以上の工程により、図１に示す炭化珪素半導体装置１００を作製できる。
【００２６】
続いて、空乏化抑制層６の厚みについて説明する。空乏化抑制層６の厚みは、ボディ領域５と空乏化抑制層６とのｐｎ接合部においてボディ領域５からドリフト層２に向かって伸びる空乏層を確実に抑制するように設定する。具体的には、式（１）を用いて、ボディ領域５のｐ型不純物濃度、空乏化抑制層６のｎ型不純物濃度、およびオン状態においてドレイン電極１２とソース電極１１との間に印加される電圧（オン電圧）によって算出されるｎ型領域の空乏層幅ｌｎに基づいて、空乏化抑制層６の厚みを設定する。なお、ｎ型領域の空乏層幅ｌｎは、ボディ領域５と空乏化抑制層６との境界から空乏化抑制層６側に伸びる空乏層の幅とする。
【００２７】
【数１】
2015049815.tif 000003
【００２８】
式（１）において、Ｎａはアクセプタ濃度（ボディ領域５のｐ型不純物濃度）、Ｎｄはドナー濃度（空乏化抑制層６のｎ型不純物濃度）、εｓは真空誘電率、ｑは素電荷、Φｂｉは拡散電位、Ｖａは印加バイアス（オン電圧）をそれぞれ示している。また、拡散電位Φｂｉは式（２）を用いて求めることができる。
【００２９】
【数２】
2015049815.tif 000004
【００３０】
式（２）において、ｋはボルツマン定数、Ｔは温度、ｎｉは真性キャリア密度をそれぞれ示している。
【００３１】
図５に、式（１）によって算出される空乏層幅ｌｎとドナー濃度Ｎｄとの関係を示す。図５において、縦軸はｎ型領域の空乏層幅ｌｎを示し、横軸はドナー濃度Ｎｄを示している。なお、式（１）によって算出される空乏層幅ｌｎは、室温（２５℃）における空乏層の幅とする。また、以下の具体的な空乏層幅ｌｎの算出に際して、アクセプタ濃度Ｎａは、本実施の形態で想定されるボディ領域５の不純物濃度の中で最も高い不純物濃度（１．０ｘ１０１8ｃｍ−３）とする。以下、特段の記載がない限り、空乏層幅ｌｎを算出するにあたって、アクセプタ濃度Ｎａ＝１．０ｘ１０１8ｃｍ−３として空乏層幅ｌｎを算出することとする。
【００３２】
図５において、空乏層幅ｌｎはドナー濃度Ｎｄが低くなるにつれて増加する傾向にあり、特にドナー濃度Ｎｄが１．０ｘ１０１７ｃｍ−３よりも低下すると空乏層幅ｌｎが急激に拡大し始めることが分かる。つまり、１．０ｘ１０１７ｃｍ−３以上の領域が、空乏層幅ｌｎを抑制するのに効果的な不純物濃度である。また、２．０ｘ１０１７ｃｍ−３以上、特に５．０ｘ１０１７ｃｍ−３以上の不純物濃度としても空乏層幅ｌｎの抑制量はほとんど変わらないことがわかる。１．０ｘ１０１７ｃｍ−３以下の領域では、ドナー濃度に対する空乏層幅ｌｎの減少率（図５におけるグラフの傾きの絶対値）は、１．０ｘ１０１７ｃｍ−３以上の領域に対して、約２０倍以上となる。よって、１．０ｘ１０１７ｃｍ−３以上の領域が、空乏層幅ｌｎを抑制するのに効果的な不純物濃度となる。また、２．０ｘ１０１７ｃｍ−３以上の領域では空乏層幅ｌｎの増加率は、１．０ｘ１０１８ｃｍ−３付近の空乏層幅に比べて１０倍以下に抑えることができ、より効果的である。さらに、ドナー濃度Ｎｄをより一層高くすることで空乏層幅ｌｎの変動はより小さくすることができ、特に５．０ｘ１０１７ｃｍ−３以上の不純物濃度とすると、空乏層幅ｌｎはほとんど変化せず、空乏層幅ｌｎの増加率も１．０ｘ１０１８ｃｍ−３付近の空乏層に対して３倍以下とすることができる。
【００３３】
一方、不純物濃度が増加するに連れて半導体層２０内の電界が増大することを考慮すると、不必要に不純物濃度を増加させることは望ましくない。そこで、本実施の形態では、空乏化抑制層６のｎ型不純物濃度を、１．０ｘ１０１７ｃｍ−３以上、より好ましくは２．０ｘ１０１７ｃｍ−３〜５．０ｘ１０１７ｃｍ−３の範囲の不純物濃度とする。そして、ボディ領域５のｐ型不純物濃度と空乏化抑制層６のｎ型不純物濃度とによって式（１）を用いて算出される空乏層幅ｌｎよりも少なくとも大きくなるように空乏化抑制層６の厚さを設定する。
【００３４】
ところで、温度変化に伴い空乏層幅ｌｎは変化するため、確実に空乏層を抑制するには温度変化についても考慮する必要がある。図６は式（１）によって算出される空乏層幅ｌｎと温度との関係を示すグラフである。図６において、縦軸はｎ型領域の空乏層幅ｌｎ［μｍ］を示しており、横軸は温度Ｔ［Ｋ］を示しており、各グラフはｎ型不純物濃度を、１．０ｘ１０１７ｃｍ−３、５．０ｘ１０１７ｃｍ−３、１．０ｘ１０１８ｃｍ−３とした場合の空乏層幅ｌｎを示している。
【００３５】
図６において、空乏層幅ｌｎは温度が上昇するにつれて増加することがわかる。ここで、炭化珪素半導体装置１００の室温から最大動作温度（２００℃〜３００℃）の約５００［Ｋ］までの温度変化を考慮すると、ｎ型不純物濃度がいずれの場合においても、空乏層幅ｌｎの増加量は室温時の空乏層幅ｌｎに対して３０％程度以内であることがわかる。そうすると、温度変化を考慮した場合、空乏化抑制層６の厚さは、ボディ領域５のｐ型不純物濃度と空乏化抑制層６のｎ型不純物濃度とによって式（１）を用いて算出される室温時の空乏層幅ｌｎの１００％〜１３０％以内とすることが望ましい。本実施の形態における条件では、空乏化抑制層６の厚みを、６０ｎｍ〜２４０ｎｍとすることが望ましい。これにより、温度変化に伴う空乏層幅の増大にも対応して空乏層を抑制することができるとともに、空乏化抑制層６の厚みを不要に増大させることがなくなる。
【００３６】
しかしながら、空乏化抑制層６をイオン注入によって形成する場合には、さらにイオン注入によって生じる不純物濃度のテール幅を考慮する必要がある。図７は、半導体層２０のうちボディ領域５、空乏化抑制層６、及びドリフト層２からなる三層構造における不純物濃度と深さとの関係を示す図である。図７において、縦軸は不純物濃度Ｎを示しており、横軸はボディ領域５からの深さＤを示している。なお、図７におけるｄ＿Ｔｒはトレンチ７の深さを示し、ｄ＿ｂｏはボディ領域５の厚さを示し、ｄ＿ｄｓは空乏化抑制層６の厚さを示し、Ｔｗはテール幅を示しており、ｄ＿ｂｏ部分の不純物濃度はｐ型不純物濃度を示しており、他の部分はｎ型不純物濃度を示している。
【００３７】
イオン注入によって空乏化抑制層６を形成する場合、図７に示すように、空乏化抑制層６の不純物濃度には濃度分布が生じる。そうすると、空乏化抑制層６の不純物濃度にはピーク値からピーク値半分の値となるまでのテールが生じることとなる。そして、テール部分ではピーク値よりも不純物濃度が低下しているため、テール部分を考慮せずに空乏化抑制層６の厚さを設定すると、テール部分において不純物濃度が低下している分だけ空乏化抑制層６内のｐ型不純物が少なくなるため、ボディ領域５からの空乏層抑制が不十分となる恐れがある。よって、空乏化抑制層６の厚みには、テール幅Ｔｗ分だけ厚くする必要がある。なお、図７では空乏化抑制層６を一回のイオン注入で形成することとしているが、これに限定されず、複数回のイオン注入によって形成することとしても構わない。かかる場合においても、空乏化抑制層６の最も深い部分には一回の注入分のテールが生じる。
【００３８】
そして、テール幅Ｔｗ（片側分）は、本実施の形態で想定される空乏化抑制層６のｎ型不純物濃度の範囲において、シミュレーションより算出すると、６０ｎｍ〜７０ｎｍとなる。なお、テール幅Ｔｗの算出にあたって、注入エネルギーを一般的な値である７００ｋｅＶ〜１５００ｋｅＶの範囲としてシミュレーションを行った。よって、本実施の形態では、空乏化抑制層６の厚さを６０ｎｍ〜２４０ｎｍと設定すると、設定値にテール幅Ｔｗを加算した実際の空乏化抑制層６の幅は１２０ｎｍ〜３１０ｎｍの範囲となる。
【００３９】
なお、空乏化抑制層６をイオン注入ではなくエピタキシャル成長によって形成する場合には、テール幅Ｔｗを加算することなく、上述したように６０ｎｍ〜２４０ｎｍとすれば良い。また、イオン注入で形成する場合とエピタキシャル成長によって形成する場合の双方を考慮すれば、空乏化抑制層６の厚さを６０ｎｍ〜３１０ｎｍとすれば良い。
【００４０】
次に、トレンチ７の深さｄ＿Ｔｒについて説明する。図８は、トレンチ７を形成する工程（図４）におけるトレンチ７周辺を拡大した断面図である。トレンチ７は半導体層２０の表面において、空乏化抑制層６を貫通しドリフト層２に達するように形成するために、トレンチ７を形成する際のばらつきを考慮する必要がある。ここで、トレンチ７を形成する際に反応性イオンエッチングを用いると、エッチングガス等のプロセス条件によっても異なるが、トレンチ７の深さｄ＿Ｔｒは狙い深さｄ＿Ｔｒ＊に対して±１５％程度変動する。そうすると、トレンチ７を形成する際に設定する狙い深さｄ＿Ｔｒ＊は、狙い深さｄ＿Ｔｒ＊と空乏化抑制層６の下端との差分Δｄ１が狙い深さｄ＿Ｔｒ＊の１５％となるように設定する。これにより、トレンチ７は空乏化抑制層６を確実に貫通するとともに不必要にトレンチ７が深くなることもなくなる。
【００４１】
かかる場合、トレンチ７の深さの最大値ｄ＿ｍａｘは狙い深さｄ＿Ｔｒ＊に狙い深さｄ＿Ｔｒ＊の１５％を加算されたときであり、最大深さｄ＿ｍａｘと空乏化抑制層６の下端との差Δｄ２は狙い深さｄ＿Ｔｒ＊の３０％である。これを最大深さｄ＿ｍａｘに換算すると、最大深さｄ＿ｍａｘと空乏化抑制層６の下端との差Δｄ２は、最大深さｄ＿ｍａｘの約２６％となる。よって、本実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置１００は空乏化抑制層６の下端とトレンチ７の深さｄ＿Ｔｒとの差Δｄ２（空乏化抑制層６とトレンチ７底部との距離）がトレンチｄ＿Ｔｒの２６％以内となる。
【００４２】
以上のような構成により、本実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置１００は、以下のような効果を奏する。本実施の形態では、ボディ領域５とドリフト層２との間に設けた空乏化抑制層６によってボディ領域５からドリフト層２に向かって伸びる空乏層を抑制するため、ボディ領域５からの空乏層がｎ型不純物濃度の低いドリフト層２内に達して急激に伸びることが抑制される。その結果、ドリフト層２内において、ボディ領域５からの空乏層によって横方向への電流拡散が妨げられるのを抑制することができ、オン抵抗を低減することができる。
【００４３】
一方で、空乏化抑制層６は、ドリフト層２よりもｎ型の不純物濃度が高い空乏化抑制層６自体に電流を流すことで電流を拡散させるものではなく、上述のようにボディ領域５からの空乏層を単に抑制することに特化したものであり、空乏化抑制層６にはトレンチ７側面の周辺を除いてほとんど電流が流れることはない。このような点で従来用いられていた電流拡散層（Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｓｐｒｅａｄ  ｌａｙｅｒ：ＣＳＬ）とは目的及び作用の点で相違する。そして、空乏化抑制層６の厚さを６０ｎｍ〜３１０ｎｍというボディ領域５からの空乏層を抑制するのに必要最小限の厚さとすることで、空乏化抑制層６を貫通するトレンチ７の深さは空乏化抑制層６の厚さを最小限の厚さとした分だけ浅く形成することができる。
【００４４】
トレンチ７の具体的な深さは、少なくともボディ領域５のｐ型不純物濃度とドリフト層２のｎ型不純物濃度とオン電圧とによって式（１）を用いて算出される空乏層幅をボディ領域５までの深さに加算した値よりも浅くすることができる。これにより、トレンチ７底部での電界が緩和され、ゲート絶縁膜９の絶縁破壊等が抑制され、耐圧を向上させることができる。
【００４５】
また、空乏化抑制層６の厚さを、ボディ領域５のｐ型不純物濃度と空乏化抑制層６のｎ型不純物濃度とによって式（１）を用いて算出される室温時の空乏層幅ｌｎの１００％〜１３０％以内とすることで、温度変化した場合であってもボディ領域５からの空乏層を抑制することができる。さらに、空乏化抑制層６がイオン注入によって形成されることも考慮して、イオン注入時の不純物濃度のテール幅を考慮して厚さを６０ｎｍ〜３１０ｎｍと設定しているため、テール部分における不純物濃度の低下によって空乏化抑制が不十分となる恐れもなくなる。
【００４６】
さらに、本実施の形態では、トレンチ７形成時のプロセスにおけるバラつきを考慮して、空乏化抑制層６の下端とトレンチ７の深さｄ＿Ｔｒとの差Δｄ２がトレンチｄ＿Ｔｒの２６％以内となるように形成しているため、空乏化抑制層６内にトレンチ７の角部が含まれることでトレンチ７角部における電界集中の増大を抑制するとともに、トレンチ７の深さを最小限とし耐圧向上を図ることができる。
【００４７】
なお、本実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置１００は、図９に示すように、トレンチ７底部に保護層１４を設けるように変形することとしてもよい。保護拡散層１４は、トレンチ７の底部に設けられたｐ型の半導体層であり、保護拡散層１４のｐ型の不純物濃度は、５．０ｘ１０１7〜５．０ｘ１０１８ｃｍ−３とする。かかる場合、保護拡散層１４によってトレンチ７底部の電界が緩和されるため耐圧向上を図ることができるが、保護拡散層１４から伸びる空乏層によってオン電流経路が制限されオン抵抗が増大する懸念がある。しかしながら、本実施の形態では、空乏化抑制層６を設けることで、ウェル領域５からの空乏層が抑制されオン電流を横方向に拡散されるため、保護拡散層１４から空乏層が伸びたとしても横方向への電流拡散によりオン抵抗の増大を抑制することができる。
【００４８】
また、保護拡散層１４の上端と空乏化抑制層７の下端との深さ方向における距離は（保護拡散層１４の上端と空乏化抑制層７の下端との距離）、ドリフト層２の表面から保護拡散層１４の上端までの距離の２６％以下とする。
【００４９】
保護拡散層１４の形成は、トレンチ７の形成後からゲート絶縁膜９を形成するまでの間に、図１０に示すように、トレンチ７底部にイオン注入を行うことでトレンチ７底部におけるドリフト層２に保護拡散層１４を形成することができる。なお、保護拡散層１４の形成は上記のような構成に限らず、あらかじめドリフト層２内にイオン注入により形成するか、又は、保護拡散層１４の厚み分だけ深いトレンチ７を形成した後にトレンチ内の底面にエピタキシャル成長によって形成することとしてもよい。
【００５０】
さらに、本発明はセルの配置によって限定されるものではなく、図１１や図１２に示すように、ストライプ状や格子状等のセル配置とすることができる。格子状に配置する場合、それぞれのセルは整列されていなくてもよく、セルが多角形であってもよく、又はセルの角が曲率を持っていてもよい。そして、ソース領域３とボディコンタクト領域４とは、ストライプ状、又はアイランド状に形成され、ソース領域３及びボディコンタクト領域４の下部に重なるようにボディ領域５と空乏化抑制層６とが同じパターンで形成されている。また、ソース領域３の側面に接するようにトレンチ７がストライプ状、又は格子状に形成されている。なお、パターン外周の終端領域１３には、半導体層２０表面にｐ型の不純物層を形成するか、又はトレンチをエッチングした底面にｐ型の不純物層を形成する。
【００５１】
上述したような本実施の形態におけるオン抵抗低減効果と耐圧向上効果について、比較例とともに説明する。図１３は本実施の形態の比較例にかかる炭化珪素半導体装置２００を示す断面図であり、図１３における破線はウェル領域５及び保護層１４から伸びる空乏層を示している。図１３に示すように、比較例である炭化珪素半導体装置２００は、本実施の形態と比較して、空乏化抑制層６を備えていない点とトレンチ７の深さの点とで相違する。ここでは、トレンチ７底部に保護層１４を設ける場合で比較を行う。
【００５２】
図１４は本実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置のオン電流分布のシミュレーション結果を示す図９に対応した図であり、図１５は、本実施の形態の比較例にかかる炭化珪素半導体装置のオン電流分布のシミュレーション結果を示す図１３に対応した図である。両図において電流密度の増大に伴い領域を薄く図示している。なお、当該シミュレーションにおいては、ドリフト層２の不純物濃度を１．０ｘ１０１６ｃｍ−３とし、ウェル領域５の不純物濃度を１．０ｘ１０１８ｃｍ−３とし、空乏化抑制層６の不純物濃度を１．０ｘ１０１７ｃｍ−３とし、本実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置は比較例にかかる炭化珪素半導体装置２００よりもトレンチ７の深さが０．４μｍ浅くしたものとする。
【００５３】
本実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置では、図１４に示すように、空乏化抑制層６を設けたことによりボディ領域５から空乏層が抑制されるため、オン電流がトレンチ７から離れた横方向に拡大していることがわかる。一方、比較例にかかる炭化珪素半導体装置２００では、図１５に示すように、ボディ領域５から伸びる空乏層がドリフト層２へと拡大しているため、空乏層によってオン電流の横方向への拡大が抑制されている。その結果、図１４に示すシミュレーション結果では、図１５の場合と比べて、オン抵抗［ｍΩｃｍ２］を約１割低減できることが確認されている。
【００５４】
また、図１６は、本実施の形態と比較例とのそれぞれの最大電界強度を示すシミュレーション結果である。図１６において、縦軸は炭化珪素半導体装置内の電界強度Ｅ［Ｖ／ｃｍ］を示し、横軸はドレイン電圧Ｖｄ［Ｖ］を示しており、実線が本実施の形態における最大電界強度を示し、破線が比較例における最大電界強度を示している。
【００５５】
比較例のようにトレンチ７底部に保護層１４を設けた場合には、保護層１４から伸びる空乏層によってもオン電流の経路が制限されるため、オン抵抗増加が特に懸念される。そうすると、比較例にかかる炭化珪素半導体装置２００のトレンチ７をより深く形成しオン電流経路を確保する必要がある。その結果、本実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置は、比較例にかかる炭化珪素半導体装置２００と比較して０．４μｍ浅く形成しているため、図１６に示すように、半導体層２０内での最大電界強度、すなわち、トレンチ７の角部における電界強度を低減できることがわかる。これにより、本実施の形態では比較例に比べて耐圧を約１割向上できることが確認されている。
【００５６】
以上のように、本実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置１００は、空乏化抑制層６を設けることによりボディ領域５からの空乏層を抑制しオン抵抗低減を図るとともに、空乏化抑制層６の厚さを必要最小限の厚さとすることでトレンチ７を浅く形成することができるため耐圧向上が可能となり、オン抵抗と耐圧とのトレードオフを改善することができるものである。
【００５７】
実施の形態２．
実施の形態１では空乏化抑制層６の厚さ等を調整することでオン抵抗低減と耐圧向上とを図ることとしたが、本発明はこれに限定されず、空乏化抑制層６を形成する位置を調整することとしてもよい。
【００５８】
図１７は、本実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置１０１を示す断面図である。図１７において、図１と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示している。本実施の形態は、実施の形態１と比較して、空乏化抑制層６の形成される位置が相違しているため、他の構成については以下説明を省略する。
【００５９】
本実施形態では、図１７に示すように、空乏化抑制層６を、トレンチ７に接することなく、トレンチ７に離間して部分的に形成されおり、ボディコンタクト領域４の直下の一部にまで延在している。空乏化抑制層６の不純物濃度は、実施の形態１と同様に、１．０ｘ１０１７以上、より好ましくは２．０ｘ１０１７〜５．０ｘ１０１７ｃｍ−３の範囲とする。また、空乏化抑制層６の厚さについては、空乏層を確実に抑制できるよう、ボディ領域５のｐ型不純物濃度と空乏化抑制層６のｎ型不純物濃度とによって式（１）を用いて算出される室温時の空乏層幅ｌｎよりも厚いものであれば構わない。より、具体的には、少なくとも０．０６μｍ以上の厚さとすることが好ましい。また、図１７に示すように空乏化抑制層６はトレンチ７から離間してボディコンタクト領域４下部全面に接するよう形成されても構わないが、空乏化抑制層６を、トレンチ７に接し、ボディコンタクト領域４直下の一部まで延在するように形成することとしても良い。かかる場合、空乏化抑制層６は、ボディ領域５の直下、より詳細にはボディコンタクト領域４直下において間隔を空けて形成される。
【００６０】
本実施の形態における空乏化抑制層６の形成方法は空乏化抑制層６をイオン注入にて形成する際に、注入マスクを用いてｎ型不純物が注入されない領域を作ることで、空乏化抑制層６を部分的に形成することとすればよい。また、空乏化抑制層６をエピタキシャル成長により形成する際は、ｎ型のエピタキシャル層を、空乏化抑制層６を形成したい部分に部分的に形成するか、ｎ型のエピタキシャル層を全面に形成し、空乏化抑制層を形成しない部分をエッチングにより除去し、その上に上層部をエピタキシャル成長することができる。これにより、図１７に示すような、炭化珪素半導体装置１０１を形成することができる。
【００６１】
本実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置１０１は、以下のような効果が奏する。まず、空乏化抑制層６がトレンチ７から離間して形成される場合には、トレンチ７に不純物濃度が高い空乏化抑制層６が接することがない、すなわち、トレンチ７の角部が空乏化抑制層６内に含まれることがないので、トレンチ７を浅く形成することができ、耐圧を向上させることができる。また、トレンチ７から離間した部分においては、空乏化抑制層６が形成されているため、ボディ領域５から伸びる空乏層が抑制され、オン電流を横方向に拡散することができ、オン抵抗を低減できる。
【００６２】
また、ボディ領域５をイオン注入にて形成する場合には、ボディ領域５内のチャネルが形成される領域（チャネル領域）と空乏化抑制層６との不純物濃度のプロファイルが重なり合うことで、チャネル長が短くなってしまう場合があるが、本実施形態においてはチャネル領域直下に空乏化抑制層６が形成されていないため、チャネル長を長く保つことができる。
【００６３】
さらに、トレンチ７から離間してボディコンタクト領域４の直下の一部にまで延在して空乏化抑制層６を形成している。すなわち、ボディコンタクト領域４の直下では空乏化抑制層６は形成されていない領域が存在しているため、当該領域においては、オフ時にボディ領域５からの空乏層を伸ばし、ドリフト層２内の電界を緩和することができる。
【００６４】
実施の形態３．
実施の形態１では空乏化抑制層６の厚さ等を調整することでオン抵抗低減と耐圧向上とを図ることとしたが、本発明はこれに限定されず、空乏化抑制層６内で不純物濃度を調整することとしてもよい。
【００６５】
図１８は、本実施の形態かかる炭化珪素半導体装置１０２を示す断面図である。図１８において、図１と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示している。本実施の形態は、実施の形態１と比較して、空乏化抑制層６内の不純物濃度が相違しているため、他の構成については以下説明を省略する。
【００６６】
本発明の実施形態３では、図１８に示すように、平面方向において空乏化抑制層６に不純物濃度の階調を設けることとする。より詳細には、空乏化抑制層６の不純物濃度がトレンチ側面から離れていくに従い、階調を持って高濃度となるよう形成されている。
【００６７】
ここで、濃度諧調は複数の濃度段階を持って段階的に変化しても良いし、段階を踏まず徐々に変化してもよい。また、不純物濃度が段階的に変化する場合には、複数のマスクを使用し、部分的に濃度の異なるｎ型の層を複数回のイオン注入により形成できる。不純物濃度が段階的ではなく徐々に変化する場合には、グレートーンマスクを用い、イオン注入によりｎ型不純物を注入することで所望の構造を形成できる。この時、空乏化抑制層６の不純物濃度を、空乏化抑制層６上に隣接するｐ型ボディ領域５とボディコンタクト領域４の不純物濃度分布に合わせて、例えばチャネル付近などｐ型の不純物濃度が薄い部分ではｎ型の不純物濃度を薄くし、ｐ型の不純物濃度が濃いボディコンタクト領域４下方部分ではｎ型の不純物濃度が濃くなるように形成することとしてもよい。
【００６８】
本実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置１０２は、以下のような効果が奏する。ゲート電極１０の電位の影響により、トレンチ７から離れるにつれて、ボディ領域５からの空乏層の伸びは大きくなる。そこで、本実施の形態では、空乏層の伸びが大きいトレンチ７からより離れた領域では、空乏化抑制層６のｎ型不純物濃度を高くし、ボディ領域５からの空乏層を確実に抑制する。一方、トレンチ７周辺における空乏化抑制層６の不純物濃度はトレンチ７から離れた領域よりも低いが、ボディ領域５からの空乏層の伸びも小さいため、トレンチ７周辺においても空乏層を抑制することができる。さらに、トレンチ７周辺の不純物濃度が低いため、トレンチ７の側壁や底面にかかる電界強度を低く保つことができる。また、チャネル領域直下の不純物濃度を低く形成できるため、チャネル領域と空乏化抑制層６との不純物濃度の不純物プロファイルのオーバーラップが少なく、チャネル長を長く保つことができる。
【００６９】
実施の形態４．
実施の形態１では空乏化抑制層６の厚さ等を調整することでオン抵抗低減と耐圧向上とを図ることとしたが、本発明はこれに限定されず、空乏化抑制層６の面内で厚さを調整することとしてもよい。
【００７０】
図１９は、本実施の形態かかる炭化珪素半導体装置１０３を示す断面図である。図１９において、図１と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示している。本実施の形態は、実施の形態１と比較して、空乏化抑制層６の面内での厚さが相違しているため、他の構成については以下説明を省略する。
【００７１】
本実施形態では、図１９に示すように、空乏化抑制層６の厚みがトレンチ７から離れたところで厚く、余分な厚みを持って形成されている。すなわち、空乏化抑制層６の厚さを面内で二段階とし、空乏化抑制層６のトレンチ７に接する部分では実施の形態１と同様の厚さとし、トレンチ７からより離れた部分ではより厚くする。ここで、厚みは複数の段階を持って段階的に変化しても良いし、段階を踏まず徐々に変化してもよい。厚みが段階的に変化する場合には、複数のマスクを使用し、部分的に厚みの異なるｎ型の層を複数回のイオン注入により形成できる。厚みが段階的ではなく徐々に変化する場合には、傾斜のついたレジストマスク等を用いて、イオン注入によりｎ型不純物を注入することでマスク形状に応じた深さを有する空乏化抑制層６を形成できる。
【００７２】
本実施の形態によれば、トレンチ７の周辺においては、実施の形態１と同様に、空乏化抑制層６を設けることによりボディ領域５からの空乏層を抑制しオン抵抗低減を図るとともに、空乏化抑制層６の厚さを必要最小限の厚さとすることでトレンチ７を浅く形成することができるため耐圧向上が可能となり、オン抵抗と耐圧とのトレードオフを改善することができるものである。
【００７３】
一方、トレンチ７からより離れた領域、例えばボディコンタクト領域４直下の領域等では、空乏化抑制層６の厚みを大きくしているので、従来の電流拡散層と同様に、オン電流の横方向への拡散を増大させ、オン抵抗をより一層低減することができる。
【００７４】
なお、本発明は、発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせることや、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００７５】
１  基板、２  ドリフト層、３  ソース領域、４  ボディコンタクト領域、５  ボディ領域、６  空乏化抑制層、７  トレンチ、８  層間絶縁膜、９  ゲート絶縁膜、１０  ゲート電極、１１  ソース電極、１２  ドレイン電極、１３  終端領域、１４  保護拡散層、２０  半導体層、１００・１０１・１０２・１０３・２００  炭化珪素半導体装置。
【図１】
2015049815.tif 000005
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2015049815.tif 000019
【図１６】
2015049815.tif 000020
【図１７】
2015049815.tif 000021
【図１８】
2015049815.tif 000022
【図１９】
2015049815.tif 000023
【手続補正書】
【提出日】平成27年11月16日(2015.11.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化珪素半導体からなる第一導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層の上部に形成され、第一導電型の不純物濃度が前記ドリフト層よりも高い第一導電型の空乏化抑制層と、
前記空乏化抑制層の上部に形成された第二導電型のボディ領域と、
前記ボディ領域と前記空乏化抑制層とを貫通し、前記ドリフト層に達するトレンチと、
前記トレンチの底面及び側面に沿って形成されたゲート絶縁膜と、
を備え、
前記空乏化抑制層の厚みは、０．０６μｍ以上であり、かつ、０．３１μｍ以下であり、
前記空乏化抑制層の第一導電型の不純物濃度は、１．０×１０１７ｃｍ−３以上である、
炭化珪素半導体装置。
【請求項２】
炭化珪素半導体からなる第一導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層の上部に形成され、第一導電型の不純物濃度が前記ドリフト層よりも高い第一導電型の空乏化抑制層と、
前記空乏化抑制層の上部に形成された第二導電型のボディ領域と、
前記ボディ領域と前記空乏化抑制層とを貫通し、前記ドリフト層に達するトレンチと、
前記トレンチの底面及び側面に沿って形成されたゲート絶縁膜と、
を備え、
前記空乏化抑制層の第一導電型の不純物濃度は、１．０×１０１７ｃｍ−３以上であり、
前記空乏化抑制層の厚みは、前記ボディ領域の第二導電型の不純物濃度と前記空乏化抑制層の第一導電型の不純物濃度とによって算出される前記空乏化抑制層側の空乏層の厚みの１００％以上、かつ、１３０％以下である炭化珪素半導体装置。
【請求項３】
第二導電型の前記ボディ領域における第二導電型の不純物濃度は、１．０×１０１４〜１．０×１０１８ｃｍ−３である請求項１または２に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項４】
前記空乏化抑制層と前記トレンチ底部との距離は、前記ドリフト層の表面からの前記トレンチの深さの２６％以下である請求項１または２に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項５】
前記空乏化抑制層における第一導電型の不純物濃度は、２．０×１０１７〜５．０×１０１７ｃｍ−３である、
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項６】
前記空乏化抑制層は、前記ドリフト層の上部において前記トレンチに離間して形成された請求項１または２に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項７】
前記空乏化抑制層は、前記ボディ領域下部において間隔をあけて前記ドリフト層を介して隣り合うように形成された請求項１または２に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項８】
前記空乏化抑制層は、前記ドリフト層の上部において前記トレンチに接して延在し、前記トレンチから離れるにつれて膜厚が厚くなる請求項１または２に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項９】
前記空乏化抑制層は、前記ドリフト層の上部において前記トレンチに接して延在し、前記トレンチから離れるにつれて第一導電型の不純物濃度が高くなる請求項１または２に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項１０】
前記トレンチ下部の前記ドリフト層内に形成された第二導電型の保護拡散層を備えた、
ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項１１】
前記保護拡散層の上端と前記空乏化抑制層の下端との距離は、前記ドリフト層の表面から前記保護拡散層の上端までの距離の２６％以下であることを特徴とする請求項１０に記載の炭化珪素半導体装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明は、炭化珪素半導体装置に関するものであり、特にトレンチゲート型の炭化珪素半導体装置に関するものである。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
本発明にかかる炭化珪素半導体装置は、炭化珪素半導体からなる第一導電型のドリフト層と、ドリフト層の上部に形成され第一導電型の不純物濃度がドリフト層よりも高い第一導電型の空乏化抑制層と、空乏化抑制層の上部に形成された第二導電型のボディ領域と、ボディ領域と空乏化抑制層とを貫通しドリフト層に達するトレンチと、トレンチの底面及び側面に沿って形成されたゲート絶縁膜とを備え、空乏化抑制層の厚みは０．０６μｍ以上であり、かつ、０．３１μｍ以下であり、空乏化抑制層の第一導電型の不純物濃度は、１．０×１０１７ｃｍ−３以上である。
【手続補正書】
【提出日】平成28年11月29日(2016.11.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化珪素半導体基板と、
前記炭化珪素半導体基板上に形成された炭化珪素半導体からなる第一導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層の上部に形成され、第一導電型の不純物濃度が前記ドリフト層よりも高い第一導電型の空乏化抑制層と、
前記空乏化抑制層の上部に形成された第二導電型のボディ領域と、
前記ボディ領域の上部に形成された第一導電型のソース領域と、
前記ソース領域、前記ボディ領域および前記空乏化抑制層を貫通し、前記ドリフト層に達するトレンチと、
前記トレンチの底面及び側面に沿って形成されたゲート絶縁膜と、
前記トレンチ内に前記ゲート絶縁膜を介して埋設されたゲート電極と、
を備え、
前記ゲート電極の下端は、前記空乏化抑制層より下側に位置し、
前記ボディ領域の第二導電型の不純物層濃度は、１．０×１０１４ｃｍ−３以上１．０×１０１８ｃｍ−３以下であり、
前記空乏化抑制層の厚みは、０．０６μｍ以上であり、かつ、０．３１μｍ以下であり、
前記空乏化抑制層の第一導電型の不純物濃度は、１．０×１０１７ｃｍ−３以上５．０×１０１７ｃｍ−３以下である、
炭化珪素半導体装置。
【請求項２】
前記ゲート電極に閾値電圧以上の電圧が印加されたオン状態における前記ボディ領域と前記空乏化抑制層との境界から前記空乏化抑制層側に伸びる空乏層の厚みは、前記空乏化抑制層の厚み以下である請求項１に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項３】
炭化珪素半導体基板と、
前記炭化珪素半導体基板上に形成された炭化珪素半導体からなる第一導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層の上部に形成され、第一導電型の不純物濃度が前記ドリフト層よりも高い第一導電型の空乏化抑制層と、
前記空乏化抑制層の上部に形成された第二導電型のボディ領域と、
前記ボディ領域の上部に形成された第一導電型のソース領域と、
前記ソース領域、前記ボディ領域および前記空乏化抑制層を貫通し、前記ドリフト層に達するトレンチと、
前記トレンチの底面及び側面に沿って形成されたゲート絶縁膜と、
前記炭化珪素半導体基板の裏面に形成されたドレイン電極と、
前記ソース領域の上部に形成されたソース電極と、
を備え、
前記空乏化抑制層の第一導電型の不純物濃度は、１．０×１０１７ｃｍ−３以上５．０×１０１７ｃｍ−３以下であり、
前記空乏化抑制層の厚みは、前記ボディ領域の第二導電型の不純物濃度をＮａ、前記空乏化抑制層の第一導電型の不純物濃度をＮｄ、前記ドレイン電極と前記ソース電極との間のオン電圧をＶａ、真性キャリア密度をＮｉ、真空の誘電率をεｓ、素電荷をｑ、ボルツマン定数をｋ、２５℃における絶対温度をＴとした場合に、以下の数式（１）および数式（２）によって算出される前記ボディ領域と前記空乏化抑制層との境界から前記空乏化抑制層側に伸びる空乏層の厚みｌｎの１００％以上、かつ、１３０％以下である炭化珪素半導体装置。
【数１】
2015049815.tif 000024
【数２】
2015049815.tif 000025
【請求項４】
第二導電型の前記ボディ領域における第二導電型の不純物濃度は、１．０×１０１４〜１．０×１０１８ｃｍ−３である請求項３に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項５】
前記空乏化抑制層と前記トレンチ底部との距離は、前記ドリフト層の表面からの前記トレンチの深さの２６％以下である請求項１から３のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項６】
前記空乏化抑制層における第一導電型の不純物濃度は、２．０×１０１７〜５．０×１０１７ｃｍ−３である、
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項７】
前記ボディ領域上に前記ソース領域に隣接して形成された第二導電型のボディコンタクト領域をさらに備え、
前記空乏化抑制層は、前記ドリフト層の上部において前記ボディ領域のチャネルが形成されるチャネル領域の直下の領域には形成されず、前記チャネル領域の直下の領域の前記トレンチとは反対側に隣接した前記ソース領域直下の領域から前記ボディコンタクト領域直下にまで延在して形成された請求項１から３のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項８】
前記ボディ領域上に前記ソース領域に隣接して形成された第二導電型のボディコンタクト領域をさらに備え、
前記空乏化抑制層は、前記トレンチに接して前記ボディコンタクト領域直下にまで延在し、前記ボディコンタクト領域直下において間隔をあけて前記ドリフト層を介して隣り合うように形成された請求項１から３のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項９】
前記空乏化抑制層は、前記ドリフト層の上部において前記トレンチに接して延在し、前記トレンチから離れるにつれて膜厚が厚くなる請求項１から３のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項１０】
前記空乏化抑制層は、前記ドリフト層の上部において前記トレンチに接して延在し、前記トレンチから離れるにつれて第一導電型の不純物濃度が高くなる請求項１から３のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項１１】
前記トレンチ下部の前記ドリフト層内に形成された第二導電型の保護拡散層を備えた、
ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項１２】
前記保護拡散層の上端と前記空乏化抑制層の下端との距離は、前記ドリフト層の表面から前記保護拡散層の上端までの距離の２６％以下であることを特徴とする請求項１１に記載の炭化珪素半導体装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
本発明にかかる炭化珪素半導体装置は、炭化珪素半導体基板と、炭化珪素半導体基板上に形成された炭化珪素半導体からなる第一導電型のドリフト層と、ドリフト層の上部に形成され第一導電型の不純物濃度がドリフト層よりも高い第一導電型の空乏化抑制層と、空乏化抑制層の上部に形成された第二導電型のボディ領域と、ボディ領域の上部に形成された第一導電型のソース領域と、ソース領域、ボディ領域および空乏化抑制層を貫通しドリフト層に達するトレンチと、トレンチの底面及び側面に沿って形成されたゲート絶縁膜と、トレンチ内にゲート絶縁膜を介して埋設されたゲート電極と、を備え、ゲート電極の下端は、空乏化抑制層より下側に位置し、ボディ領域の第二導電型の不純物濃度は、１．０×１０１４ｃｍ−３以上１．０×１０１８ｃｍ−３以下であり、空乏化抑制層の厚みは０．０６μｍ以上であり、かつ、０．３１μｍ以下であり、空乏化抑制層の第一導電型の不純物濃度は、１．０×１０１７ｃｍ−３以上５．０×１０１７ｃｍ−３以下である。
【国際調査報告】
2015049815.tif 000026
2015049815.tif 000027
2015049815.tif 000028
2015049815.tif 000029