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JP2021077787A - Silicon carbide semiconductor device - Google Patents

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JP2021077787A
JP2021077787A JP2019204195A JP2019204195A JP2021077787A JP 2021077787 A JP2021077787 A JP 2021077787A JP 2019204195 A JP2019204195 A JP 2019204195A JP 2019204195 A JP2019204195 A JP 2019204195A JP 2021077787 A JP2021077787 A JP 2021077787A
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雄 斎藤
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Abstract

【課題】オン抵抗および短絡電流の両方を低減することができる炭化珪素半導体装置を提供する。【解決手段】炭化珪素半導体装置は、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を備える。炭化珪素基板は、第1導電型を有する電流拡散領域と、ゲートトレンチの底面と第2主面との間に設けられ、第2導電型を有する電界緩和領域を有する。電流拡散領域は、ゲートトレンチの側面に接し、第1実効濃度で第1導電型の不純物を含有する第1領域と、側面との間に第1領域を挟み、第2実効濃度で第1導電型の不純物を含有する第2領域と、を有し、第1実効濃度は、第2実効濃度よりも低い。第1主面に垂直な方向から平面視したときに、電界緩和領域は、電流拡散領域とボディ領域と側面とが互いに接する第1位置よりもゲートトレンチから離間する側に側端面を有し、第1領域と第2領域との境界面は、第1位置と側端面との間に位置する。【選択図】図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a silicon carbide semiconductor device capable of reducing both on-resistance and short-circuit current. A silicon carbide semiconductor device includes a silicon carbide substrate having a first main surface and a second main surface opposite to the first main surface. The silicon carbide substrate is provided between a current diffusion region having a first conductive type and a bottom surface of a gate trench and a second main surface, and has an electric field relaxation region having a second conductive type. The current diffusion region is in contact with the side surface of the gate trench, sandwiches the first region between the first region containing the first conductive type impurities at the first effective concentration and the side surface, and is the first conductive region at the second effective concentration. It has a second region containing impurities of the type, and the first effective concentration is lower than the second effective concentration. When viewed in a plan view from a direction perpendicular to the first main surface, the electric field relaxation region has a side end surface on the side away from the gate trench from the first position where the current diffusion region, the body region, and the side surface are in contact with each other. The boundary surface between the first region and the second region is located between the first position and the side end surface. [Selection diagram] Fig. 1

Description

本開示は、炭化珪素半導体装置に関する。 The present disclosure relates to silicon carbide semiconductor devices.

炭化珪素半導体装置の一つとして、ゲートトレンチの下方に電界シールド領域が設けられ、ベース領域とドリフト領域との間に電流拡散層が設けられたトレンチ型MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)が開示されている(たとえば、特許文献1)。 As one of the silicon carbide semiconductor devices, a trench MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) in which a field shield region is provided below a gate trench and a current diffusion layer is provided between a base region and a drift region is disclosed. (For example, Patent Document 1).

特開2001−267570号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2001-267570

従来の電流拡散層が設けられた炭化珪素半導体装置では、オン抵抗と短絡電流とがトレードオフの関係にある。すなわち、オン抵抗を低くしようとすると、短絡電流が大きくなり、短絡電流を小さくしようとすると、オン抵抗が高くなる。 In the conventional silicon carbide semiconductor device provided with the current diffusion layer, the on-resistance and the short-circuit current have a trade-off relationship. That is, if the on-resistance is lowered, the short-circuit current becomes large, and if the short-circuit current is reduced, the on-resistance becomes high.

そこで、本開示は、オン抵抗および短絡電流の両方を低減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。 Therefore, it is an object of the present disclosure to provide a silicon carbide semiconductor device capable of reducing both on-resistance and short-circuit current.

本実施形態の一観点によれば、炭化珪素半導体装置は、第1主面と、前記第1主面と反対側の第2主面とを有する炭化珪素基板を備える。前記炭化珪素基板は、第1導電型を有するドリフト領域と、前記ドリフト領域上に設けられ、前記第1導電型を有する電流拡散領域と、前記電流拡散領域上に設けられ、前記第1導電型と異なる第2導電型を有するボディ領域と、前記電流拡散領域から隔てられるように前記ボディ領域上に設けられ、かつ前記第1導電型を有するソース領域と、を有する。前記第1主面には、前記ソース領域、前記ボディ領域および前記電流拡散領域を貫通して前記ドリフト領域に至る側面と、前記側面と連なる底面とにより規定されるゲートトレンチが設けられており、前記側面および前記底面に接するゲート絶縁膜をさらに有し、前記炭化珪素基板は、前記底面と前記第2主面との間に設けられ、前記第2導電型を有する電界緩和領域をさらに有する。前記電流拡散領域は、前記側面に接し、第1実効濃度で前記第1導電型の不純物を含有する第1領域と、前記側面との間に前記第1領域を挟み、第2実効濃度で前記第1導電型の不純物を含有する第2領域と、を有し、前記第1実効濃度は、前記第2実効濃度よりも低い。前記第1主面に垂直な方向から平面視したときに、前記電界緩和領域は、前記電流拡散領域と前記ボディ領域と前記側面とが互いに接する第1位置よりも前記ゲートトレンチから離間する側に側端面を有し、前記第1領域と前記第2領域との境界面は、前記第1位置と前記側端面との間に位置する。 According to one aspect of the present embodiment, the silicon carbide semiconductor device includes a silicon carbide substrate having a first main surface and a second main surface opposite to the first main surface. The silicon carbide substrate is provided on a drift region having a first conductive type, a current diffusion region having the first conductive type, and a current diffusion region having the first conductive type, and is provided on the current diffusion region. It has a body region having a second conductive type different from the above, and a source region provided on the body region so as to be separated from the current diffusion region and having the first conductive type. The first main surface is provided with a gate trench defined by a side surface that penetrates the source region, the body region, and the current diffusion region to reach the drift region, and a bottom surface that is connected to the side surface. It further has a gate insulating film in contact with the side surface and the bottom surface, and the silicon carbide substrate is provided between the bottom surface and the second main surface, and further has an electric field relaxation region having the second conductive type. The current diffusion region is in contact with the side surface, the first region is sandwiched between the first region containing the first conductive type impurities at the first effective concentration and the side surface, and the first effective concentration is the same. It has a second region containing first conductive type impurities, and the first effective concentration is lower than the second effective concentration. When viewed in a plan view from a direction perpendicular to the first main surface, the electric field relaxation region is located on a side away from the gate trench from the first position where the current diffusion region, the body region, and the side surface are in contact with each other. It has a side end surface, and the boundary surface between the first region and the second region is located between the first position and the side end surface.

本開示によれば、オン抵抗および短絡電流の両方を低減することができる。 According to the present disclosure, both on-resistance and short-circuit current can be reduced.

図1は、実施形態に係る炭化珪素半導体装置の構成を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of a silicon carbide semiconductor device according to an embodiment. 図2Aは、実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面図(その1)である。FIG. 2A is a cross-sectional view (No. 1) showing a method of manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment. 図2Bは、実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面図(その2)である。FIG. 2B is a cross-sectional view (No. 2) showing a method of manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment. 図2Cは、実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面図(その3)である。FIG. 2C is a cross-sectional view (No. 3) showing a method of manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment. 図2Dは、実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面図(その4)である。FIG. 2D is a cross-sectional view (No. 4) showing a method of manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment. 図2Eは、実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面図(その5)である。FIG. 2E is a cross-sectional view (No. 5) showing a method of manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment. 図2Fは、実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面図(その6)である。FIG. 2F is a cross-sectional view (No. 6) showing a method of manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment. 図2Gは、実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面図(その7)である。FIG. 2G is a cross-sectional view (No. 7) showing a method of manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment. 図2Hは、実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面図(その8)である。FIG. 2H is a cross-sectional view (No. 8) showing a method of manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment. 図2Iは、実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面図(その9)である。FIG. 2I is a cross-sectional view (No. 9) showing a method of manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment. 図2Jは、実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面図(その10)である。FIG. 2J is a cross-sectional view (No. 10) showing a method of manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment. 図2Kは、実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面図(その11)である。FIG. 2K is a cross-sectional view (No. 11) showing a method of manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment. 図2Lは、実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面図(その12)である。FIG. 2L is a cross-sectional view (No. 12) showing a method of manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment. 図2Mは、実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面図(その13)である。FIG. 2M is a cross-sectional view (No. 13) showing a method of manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment. 図2Nは、実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面図(その14)である。FIG. 2N is a cross-sectional view (No. 14) showing a method of manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment. 図3Aは、第1参考例に係る炭化珪素半導体装置の構成を示す断面図である。FIG. 3A is a cross-sectional view showing the configuration of the silicon carbide semiconductor device according to the first reference example. 図3Bは、第2参考例に係る炭化珪素半導体装置の構成を示す断面図である。FIG. 3B is a cross-sectional view showing the configuration of the silicon carbide semiconductor device according to the second reference example. 図4は、実施形態、第1参考例および第2参考例の特性を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the characteristics of the embodiment, the first reference example, and the second reference example. 図5は、実施形態の変形例に係る炭化珪素半導体装置の構成を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing the configuration of the silicon carbide semiconductor device according to the modified example of the embodiment.

実施するための形態について、以下に説明する。 The embodiment for carrying out will be described below.

[本開示の実施形態の説明]
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。以下の説明では、同一または対応する要素には同一の符号を付し、それらについて同じ説明は繰り返さない。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。
[Explanation of Embodiments of the present disclosure]
First, embodiments of the present disclosure will be listed and described. In the following description, the same or corresponding elements are designated by the same reference numerals, and the same description is not repeated for them. In the crystallographic description in the present specification, the individual orientation is indicated by [], the aggregation orientation is indicated by <>, the individual plane is indicated by (), and the aggregation plane is indicated by {}. Negative crystallographic exponents are usually expressed by adding a "-" (bar) above the number, but in the present specification, the number is preceded by a negative sign. There is.

〔1〕 本開示の一態様に係る炭化珪素半導体装置は、第1主面と、前記第1主面と反対側の第2主面とを有する炭化珪素基板を備え、前記炭化珪素基板は、第1導電型を有するドリフト領域と、前記ドリフト領域上に設けられ、前記第1導電型を有する電流拡散領域と、前記電流拡散領域上に設けられ、前記第1導電型と異なる第2導電型を有するボディ領域と、前記電流拡散領域から隔てられるように前記ボディ領域上に設けられ、かつ前記第1導電型を有するソース領域と、を有し、前記第1主面には、前記ソース領域、前記ボディ領域および前記電流拡散領域を貫通して前記ドリフト領域に至る側面と、前記側面と連なる底面とにより規定されるゲートトレンチが設けられており、前記側面および前記底面に接するゲート絶縁膜をさらに有し、前記炭化珪素基板は、前記底面と前記第2主面との間に設けられ、前記第2導電型を有する電界緩和領域をさらに有し、前記電流拡散領域は、前記側面に接し、第1実効濃度で前記第1導電型の不純物を含有する第1領域と、前記側面との間に前記第1領域を挟み、第2実効濃度で前記第1導電型の不純物を含有する第2領域と、を有し、前記第1実効濃度は、前記第2実効濃度よりも低く、前記第1主面に垂直な方向から平面視したときに、前記電界緩和領域は、前記電流拡散領域と前記ボディ領域と前記側面とが互いに接する第1位置よりも前記ゲートトレンチから離間する側に側端面を有し、前記第1領域と前記第2領域との境界面は、前記第1位置と前記側端面との間に位置する。 [1] The silicon carbide semiconductor device according to one aspect of the present disclosure includes a silicon carbide substrate having a first main surface and a second main surface opposite to the first main surface, and the silicon carbide substrate is A second conductive type provided on the drift region having the first conductive type, a current diffusion region having the first conductive type, and a second conductive type provided on the current diffusion region and different from the first conductive type. A body region having the above, and a source region provided on the body region so as to be separated from the current diffusion region and having the first conductive type, and the first main surface has the source region. A gate trench defined by a side surface that penetrates the body region and the current diffusion region to reach the drift region and a bottom surface that is connected to the side surface is provided, and a gate insulating film that is in contact with the side surface and the bottom surface is provided. Further, the silicon carbide substrate is provided between the bottom surface and the second main surface, further has an electric field relaxation region having the second conductive type, and the current diffusion region is in contact with the side surface. The first region is sandwiched between the first region containing the first conductive type impurities at the first effective concentration and the side surface, and the first conductive type impurities are contained at the second effective concentration. The first effective concentration is lower than the second effective concentration, and when viewed in a plan view from a direction perpendicular to the first main surface, the electric field relaxation region is the current diffusion region. Has a side end surface on the side away from the gate trench from the first position where the body region and the side surface are in contact with each other, and the boundary surface between the first region and the second region is the first position. It is located between the side end faces.

ゲートトレンチの底面と第2主面との間に電界緩和領域が設けられ、電界緩和領域は、第1主面に垂直な方向から平面視したときに、第1位置よりもゲートトレンチから離間する側に側端面を有する。従って、底面の近傍での電界集中を緩和し、ゲート絶縁膜の絶縁破壊を抑制することができる。また、ソース電極とドレイン電極との間で、ボディ領域と電流拡散領域とのpn接合により生成される空乏層と、電界緩和領域と第3領域とのpn接合により生成される空乏層との間の狭窄領域を電流が流れる。電流拡散領域が設けられているため、狭窄領域のオン抵抗を低減することができる。また、第1実効濃度が第2実効濃度よりも低く、第1主面に垂直な方向から平面視したときに、第1領域と第2領域との間の境界面が第1位置と側端面との間に位置している。このため、短絡電流を低減することもできる。 An electric field relaxation region is provided between the bottom surface of the gate trench and the second main surface, and the electric field relaxation region is separated from the gate trench from the first position when viewed in a plan view from a direction perpendicular to the first main surface. It has a side end face on the side. Therefore, it is possible to relax the electric field concentration in the vicinity of the bottom surface and suppress the dielectric breakdown of the gate insulating film. Further, between the source electrode and the drain electrode, between the depletion layer formed by the pn junction between the body region and the current diffusion region and the depletion layer formed by the pn junction between the electric field relaxation region and the third region. Current flows through the constricted area of. Since the current diffusion region is provided, the on-resistance in the narrowed region can be reduced. Further, the first effective concentration is lower than the second effective concentration, and when viewed in a plane from a direction perpendicular to the first main surface, the boundary surface between the first region and the second region is the first position and the side end surface. It is located between and. Therefore, the short-circuit current can be reduced.

〔2〕 〔1〕において、前記ドリフト領域は、前記電流拡散領域と前記電界緩和領域との間に設けられ、第3実効濃度で前記第1導電型の不純物を含有する第3領域を有し、前記第2実効濃度は、前記第3実効濃度よりも高くてもよい。第2実効濃度が第3実効濃度よりも高いことで、より確実にオン抵抗を低減することができる。 [2] In [1], the drift region is provided between the current diffusion region and the electric field relaxation region, and has a third region containing the first conductive type impurities at a third effective concentration. , The second effective concentration may be higher than the third effective concentration. Since the second effective concentration is higher than the third effective concentration, the on-resistance can be reduced more reliably.

〔3〕 〔1〕において、前記ドリフト領域は、前記電流拡散領域と前記電界緩和領域との間に設けられ、第3実効濃度で前記第1導電型の不純物を含有する第3領域を有し、前記第1実効濃度は、前記第3実効濃度よりも高くてもよい。第1実効濃度が第3実効濃度よりも高いことで、より確実にオン抵抗を低減することができる。 [3] In [1], the drift region is provided between the current diffusion region and the electric field relaxation region, and has a third region containing the first conductive type impurities at a third effective concentration. The first effective concentration may be higher than the third effective concentration. Since the first effective concentration is higher than the third effective concentration, the on-resistance can be reduced more reliably.

〔4〕 〔2〕または〔3〕において、前記第1実効濃度をn1(cm−3)、前記第2実効濃度をn2(cm−3)、前記第3実効濃度をn3(cm−3)、前記第2主面に対して垂直な方向において、前記電流拡散領域の下端面と前記電界緩和領域の上端面との間の距離をH1(μm)、炭化珪素の比誘電率をεsic(F/m)、真空誘電率をε(F/m)、炭化珪素の拡散電位をV(V)、電気素量をq(C)としたとき、次の式(1)の関係が成り立ってもよい。式(1)の関係が成り立つことで、安定して優れたオン抵抗および短絡電流を得ることができる。 [4] In [2] or [3], the first effective concentration is n1 (cm -3 ), the second effective concentration is n2 (cm -3 ), and the third effective concentration is n3 (cm -3 ). In the direction perpendicular to the second main surface, the distance between the lower end surface of the current diffusion region and the upper end surface of the electric field relaxation region is H1 (μm), and the relative permittivity of silicon carbide is ε sic (. When F / m), the vacuum permittivity is ε 0 (F / m), the diffusion potential of silicon carbide is V d (V), and the amount of electric field is q (C), the relationship of the following equation (1) is as follows. It may hold. When the relationship of the equation (1) is established, stable and excellent on-resistance and short-circuit current can be obtained.

8(εsicε/qH1)<n3<n1<n2 式(1) 8 (ε sic ε 0 V d / qH1 2 ) <n3 <n1 <n2 equation (1)

〔5〕 〔1〕〜〔4〕において、前記第2実効濃度は、前記第1実効濃度の5倍以上20倍以下であってもよい。第2実効濃度が第1実効濃度の5倍以上20倍以下であることで、安定して優れたオン抵抗および短絡電流を得ることができる。 [5] In [1] to [4], the second effective concentration may be 5 times or more and 20 times or less the first effective concentration. When the second effective concentration is 5 times or more and 20 times or less the first effective concentration, stable and excellent on-resistance and short-circuit current can be obtained.

〔6〕 〔1〕〜〔5〕において、前記電界緩和領域の上端面は、前記ゲートトレンチの前記底面を含んでもよい。電界緩和領域の上端面がゲートトレンチの底面を含むことで、より優れた耐圧を得ることができる。 [6] In [1] to [5], the upper end surface of the electric field relaxation region may include the bottom surface of the gate trench. Since the upper end surface of the electric field relaxation region includes the bottom surface of the gate trench, more excellent withstand voltage can be obtained.

〔7〕 〔1〕〜〔6〕において、前記ゲートトレンチの前記側面は、{0−33−8}面を含んでもよい。側面が{0−33−8}面を含むことで、ゲートトレンチの側面において良好な移動度が得られ、チャネル抵抗を低減することができる。 [7] In [1] to [6], the side surface of the gate trench may include a {0-33-8} surface. Since the side surface includes the {0-33-8} surface, good mobility can be obtained on the side surface of the gate trench, and the channel resistance can be reduced.

[本開示の実施形態]
本開示の実施形態は、いわゆる縦型のMOSFET(炭化珪素半導体装置)に関する。図1は、実施形態に係る炭化珪素半導体装置の構成を示す断面図である。
[Embodiments of the present disclosure]
The embodiments of the present disclosure relate to so-called vertical MOSFETs (silicon carbide semiconductor devices). FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of a silicon carbide semiconductor device according to an embodiment.

図1に示されるように、本実施形態に係るMOSFET100は、炭化珪素基板10と、ゲート絶縁膜81と、ゲート電極82と、層間絶縁膜83と、ソース電極60と、ドレイン電極70と、バリアメタル膜84と、パッシベーション膜85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50と、炭化珪素単結晶基板50上にある炭化珪素エピタキシャル層40とを含む。炭化珪素基板10は、第1主面1と、第1主面1と反対側の第2主面2とを有する。炭化珪素エピタキシャル層40は第1主面1を構成し、炭化珪素単結晶基板50は第2主面2を構成する。炭化珪素単結晶基板50および炭化珪素エピタキシャル層40は、たとえばポリタイプ4Hの六方晶炭化珪素から構成されている。炭化珪素単結晶基板50は、たとえば窒素(N)などのn型不純物を含みn型(第1導電型)を有する。炭化珪素基板10の第1主面1の最大径は、たとえば100mm以上であり、好ましくは150mm以上である。 As shown in FIG. 1, the MOSFET 100 according to the present embodiment includes a silicon carbide substrate 10, a gate insulating film 81, a gate electrode 82, an interlayer insulating film 83, a source electrode 60, a drain electrode 70, and a barrier. It mainly has a metal film 84 and a passivation film 85. The silicon carbide substrate 10 includes a silicon carbide single crystal substrate 50 and a silicon carbide epitaxial layer 40 on the silicon carbide single crystal substrate 50. The silicon carbide substrate 10 has a first main surface 1 and a second main surface 2 opposite to the first main surface 1. The silicon carbide epitaxial layer 40 constitutes the first main surface 1, and the silicon carbide single crystal substrate 50 constitutes the second main surface 2. The silicon carbide single crystal substrate 50 and the silicon carbide epitaxial layer 40 are composed of, for example, polytype 4H hexagonal silicon carbide. The silicon carbide single crystal substrate 50 contains an n-type impurity such as nitrogen (N) and has an n-type (first conductive type). The maximum diameter of the first main surface 1 of the silicon carbide substrate 10 is, for example, 100 mm or more, preferably 150 mm or more.

第1主面1は、{0001}面または{0001}面がオフ方向に8°以下のオフ角だけ傾斜した面である。好ましくは、第1主面1は、(000−1)面または(000−1)面がオフ方向に8°以下のオフ角だけ傾斜した面である。オフ方向は、たとえば<11−20>方向であってもよいし、<1−100>方向であってもよい。オフ角は、たとえば1°以上であってもよいし、2°以上であってもよい。オフ角は、6°以下であってもよいし、4°以下であってもよい。 The first main surface 1 is a surface on which the {0001} surface or the {0001} surface is inclined by an off angle of 8 ° or less in the off direction. Preferably, the first main surface 1 is a surface on which the (000-1) surface or the (000-1) surface is inclined by an off angle of 8 ° or less in the off direction. The off direction may be, for example, the <11-20> direction or the <1-100> direction. The off angle may be, for example, 1 ° or more, or 2 ° or more. The off angle may be 6 ° or less, or 4 ° or less.

炭化珪素エピタキシャル層40は、ドリフト領域11と、電流拡散領域14と、ボディ領域12と、ソース領域13と、電界緩和領域16と、コンタクト領域18とを主に有する。 The silicon carbide epitaxial layer 40 mainly has a drift region 11, a current diffusion region 14, a body region 12, a source region 13, an electric field relaxation region 16, and a contact region 18.

ドリフト領域11は、たとえば窒素またはリン(P)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11は、たとえば第3領域11Cと、第4領域11Dと、第5領域11Eとを主に有している。 The drift region 11 contains an n-type impurity such as nitrogen or phosphorus (P) and has an n-type conductive type. The drift region 11 mainly has, for example, a third region 11C, a fourth region 11D, and a fifth region 11E.

電流拡散領域14はドリフト領域11上に設けられている。電流拡散領域14は、たとえばリンなどのn型不純物を含み、n型の導電型を有する。電流拡散領域14は、たとえば第1領域14Aと、第2領域14Bとを主に有している。 The current diffusion region 14 is provided on the drift region 11. The current diffusion region 14 contains an n-type impurity such as phosphorus and has an n-type conductive type. The current diffusion region 14 mainly includes, for example, a first region 14A and a second region 14B.

ボディ領域12は電流拡散領域14上に設けられている。ボディ領域12は、たとえばアルミニウム(Al)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12におけるp型不純物の実効濃度は、5×1017cm−3以上である。短チャネル効果(パンチスルー)は、pn接合領域からチャネル領域内に空乏層が広がってチャネル領域全体が空乏層になることによって発生し得る。ボディ領域12におけるp型不純物の実効濃度を高くすることによって、チャネル領域に形成される空乏層の広がりを低減することができる。ボディ領域12の厚さは、たとえば0.7μmよりも小さくてもよい。ボディ領域12のp型不純物の実効濃度は、たとえば1×1018cm−3程度である。 The body region 12 is provided on the current diffusion region 14. The body region 12 contains a p-type impurity such as aluminum (Al) and has a p-type (second conductive type) conductive type. The effective concentration of p-type impurities in the body region 12 is 5 × 10 17 cm -3 or more. The short-channel effect (punch-through) can occur when the depletion layer spreads from the pn junction region into the channel region and the entire channel region becomes a depletion layer. By increasing the effective concentration of p-type impurities in the body region 12, the spread of the depletion layer formed in the channel region can be reduced. The thickness of the body region 12 may be smaller than, for example, 0.7 μm. The effective concentration of p-type impurities in the body region 12 is, for example, about 1 × 10 18 cm -3.

ソース領域13は、ボディ領域12によってドリフト領域11から隔てられるようにボディ領域12上に設けられている。ソース領域13は、たとえば窒素またはリンなどのn型不純物を含み、n型の導電型を有する。ソース領域13は、第1主面1を構成する。ソース領域13のn型不純物の実効濃度は、ボディ領域12のp型不純物の実効濃度よりも高くてもよい。ソース領域13のn型不純物の実効濃度は、たとえば1×1019cm−3程度である。 The source region 13 is provided on the body region 12 so as to be separated from the drift region 11 by the body region 12. The source region 13 contains an n-type impurity such as nitrogen or phosphorus and has an n-type conductive type. The source region 13 constitutes the first main surface 1. The effective concentration of n-type impurities in the source region 13 may be higher than the effective concentration of p-type impurities in the body region 12. The effective concentration of n-type impurities in the source region 13 is, for example, about 1 × 10 19 cm -3.

コンタクト領域18は、たとえばアルミニウムなどのp型不純物を含み、p型の導電型を有する。コンタクト領域18のp型不純物の実効濃度は、たとえばボディ領域12のp型不純物の実効濃度よりも高い。コンタクト領域18は、ソース領域13を貫通し、ボディ領域12に接する。コンタクト領域18は、第1主面1を構成する。コンタクト領域18のp型不純物の実効濃度は、たとえば1×1018cm−3以上1×1020cm−3以下である。 The contact region 18 contains a p-type impurity such as aluminum and has a p-type conductive type. The effective concentration of p-type impurities in the contact region 18 is higher than, for example, the effective concentration of p-type impurities in the body region 12. The contact region 18 penetrates the source region 13 and contacts the body region 12. The contact area 18 constitutes the first main surface 1. The effective concentration of the p-type impurity in the contact region 18 is, for example, 1 × 10 18 cm -3 or more and 1 × 10 20 cm -3 or less.

第1主面1には、側面3と底面4とにより規定されるゲートトレンチ5が設けられている。側面3は、ソース領域13、ボディ領域12、電流拡散領域14およびドリフト領域11を貫通して電界緩和領域16に至る。底面4は、側面3と連なる。底面4は、電界緩和領域16に位置する。底面4は、たとえば第2主面2と平行な平面である。底面4を含む平面に対する側面3の角度θ1は、たとえば45°以上65°以下である。角度θ1は、たとえば50°以上であってもよい。角度θ1は、たとえば60°以下であってもよい。側面3は、好ましくは、{0−33−8}面を有する。{0−33−8}面は、優れた移動度が得られる結晶面である。ゲートトレンチ5は、たとえば第1主面1と平行な方向に沿ってストライプ状に伸長している。ゲートトレンチ5は、ハニカム状に伸長していてもよいし、アイランド状に点在していてもよい。 The first main surface 1 is provided with a gate trench 5 defined by a side surface 3 and a bottom surface 4. The side surface 3 penetrates the source region 13, the body region 12, the current diffusion region 14, and the drift region 11 to reach the electric field relaxation region 16. The bottom surface 4 is connected to the side surface 3. The bottom surface 4 is located in the electric field relaxation region 16. The bottom surface 4 is, for example, a plane parallel to the second main surface 2. The angle θ1 of the side surface 3 with respect to the plane including the bottom surface 4 is, for example, 45 ° or more and 65 ° or less. The angle θ1 may be, for example, 50 ° or more. The angle θ1 may be, for example, 60 ° or less. The side surface 3 preferably has a {0-33-8} surface. The {0-33-8} plane is a crystal plane from which excellent mobility can be obtained. The gate trench 5 extends in a striped manner along a direction parallel to, for example, the first main surface 1. The gate trench 5 may extend in a honeycomb shape or may be scattered in an island shape.

電界緩和領域16は、たとえばAlなどのp型不純物を含み、p型の導電型を有する。電界緩和領域16は、ゲートトレンチ5の底面4と第2主面2との間にある。電界緩和領域16の上端面は、たとえばゲートトレンチ5の底面4を含む。電界緩和領域16の上端面の一部は、電流拡散領域14の下端面の一部に対向している。電界緩和領域16は、ソース電極60に電気的に接続されていてもよい。電界緩和領域16のp型不純物の実効濃度p1は、たとえば5×1017cm−3以上5×1018cm−3以下である。 The electric field relaxation region 16 contains a p-type impurity such as Al and has a p-type conductive type. The electric field relaxation region 16 is located between the bottom surface 4 of the gate trench 5 and the second main surface 2. The upper end surface of the electric field relaxation region 16 includes, for example, the bottom surface 4 of the gate trench 5. A part of the upper end surface of the electric field relaxation region 16 faces a part of the lower end surface of the current diffusion region 14. The electric field relaxation region 16 may be electrically connected to the source electrode 60. The effective concentration p1 of the p-type impurity in the electric field relaxation region 16 is, for example, 5 × 10 17 cm -3 or more and 5 × 10 18 cm -3 or less.

ドリフト領域11の第3領域11Cは、電流拡散領域14と電界緩和領域16とに挟まれている。第3領域11Cは、電流拡散領域14および電界緩和領域16の各々と接している。第3領域11Cは、電流拡散領域14よりも第2主面2側にある。第3領域11Cは、電界緩和領域16よりも第1主面1側にある。第3領域11Cのn型不純物の第3実効濃度n3は、たとえば5×1015cm−3以上5×1016cm−3以下である。 The third region 11C of the drift region 11 is sandwiched between the current diffusion region 14 and the electric field relaxation region 16. The third region 11C is in contact with each of the current diffusion region 14 and the electric field relaxation region 16. The third region 11C is on the second main surface 2 side of the current diffusion region 14. The third region 11C is on the first main surface 1 side of the electric field relaxation region 16. The third effective concentration n3 of the n-type impurity in the third region 11C is, for example, 5 × 10 15 cm -3 or more and 5 × 10 16 cm -3 or less.

第4領域11Dは、第3領域11Cよりも第2主面2側にある。第4領域11Dは、第3領域11Cと連なっている。第4領域11Dは、第2主面2と平行な方向において電界緩和領域16と接している。第4領域11Dと電界緩和領域16とは、第2主面2と平行な同一平面に位置していてもよい。第4領域11Dのn型不純物の実効濃度は、第3実効濃度n3よりも高くてもよい。第4領域11Dのn型不純物の実効濃度は、たとえば5×1016cm−3以上5×1017cm−3以下である。 The fourth region 11D is on the second main surface 2 side of the third region 11C. The fourth region 11D is connected to the third region 11C. The fourth region 11D is in contact with the electric field relaxation region 16 in a direction parallel to the second main surface 2. The fourth region 11D and the electric field relaxation region 16 may be located on the same plane parallel to the second main surface 2. The effective concentration of the n-type impurity in the fourth region 11D may be higher than the third effective concentration n3. The effective concentration of the n-type impurity in the fourth region 11D is, for example, 5 × 10 16 cm -3 or more and 5 × 10 17 cm -3 or less.

第5領域11Eは、第4領域11Dよりも第2主面2側にある。第5領域11Eは、第4領域11Dと連なっている。第5領域11Eは、電界緩和領域16と接している。第5領域11Eは、電界緩和領域16よりも第2主面2側にある。第5領域11Eは、第4領域11Dと炭化珪素単結晶基板50とに挟まれていてもよい。第5領域11Eは、炭化珪素単結晶基板50に連なっていてもよい。第5領域11Eのn型不純物の実効濃度は、第4領域11Dのn型不純物の実効濃度よりも低くてもよい。第5領域11Eのn型不純物の実効濃度は、たとえば5×1015cm−3以上5×1016cm−3以下である。 The fifth region 11E is on the second main surface 2 side of the fourth region 11D. The fifth region 11E is connected to the fourth region 11D. The fifth region 11E is in contact with the electric field relaxation region 16. The fifth region 11E is on the second main surface 2 side of the electric field relaxation region 16. The fifth region 11E may be sandwiched between the fourth region 11D and the silicon carbide single crystal substrate 50. The fifth region 11E may be connected to the silicon carbide single crystal substrate 50. The effective concentration of the n-type impurity in the fifth region 11E may be lower than the effective concentration of the n-type impurity in the fourth region 11D. The effective concentration of the n-type impurity in the fifth region 11E is, for example, 5 × 10 15 cm -3 or more and 5 × 10 16 cm -3 or less.

電流拡散領域14の第1領域14Aは、第2主面2に対して垂直な方向において、ボディ領域12と第3領域11Cとに挟まれている。第1領域14Aは、ボディ領域12および第3領域11Cの各々と接している。第1領域14Aは、ボディ領域12よりも第2主面2側にある。第1領域14Aは、第3領域11Cよりも第1主面1側にある。第1領域14Aは、側面3にも接している。第1領域14Aのn型不純物の第1実効濃度n1は、たとえば5×1015cm−3以上5×1016cm−3以下である。第1実効濃度n1は、第3実効濃度n3よりも高くてもよく、第3実効濃度n3と等しくてもよい。 The first region 14A of the current diffusion region 14 is sandwiched between the body region 12 and the third region 11C in a direction perpendicular to the second main surface 2. The first region 14A is in contact with each of the body region 12 and the third region 11C. The first region 14A is on the second main surface 2 side with respect to the body region 12. The first region 14A is on the first main surface 1 side with respect to the third region 11C. The first region 14A is also in contact with the side surface 3. The first effective concentration n1 of the n-type impurity in the first region 14A is, for example, 5 × 10 15 cm -3 or more and 5 × 10 16 cm -3 or less. The first effective concentration n1 may be higher than the third effective concentration n3 and may be equal to the third effective concentration n3.

第2領域14Bは、側面3との間に第1領域14Aを挟む。つまり、第1領域14Aは、第1主面1と平行な方向において、側面3と第2領域14Bとに挟まれている。第2領域14Bは、第1領域14Aよりもゲートトレンチ5から離間する側にある。第2領域14Bは、ボディ領域12、第3領域11Cおよび第1領域14Aの各々と接している。第2領域14Bは、ボディ領域12よりも第2主面2側にある。第2領域14Bは、第3領域11Cよりも第1主面1側にある。第2領域14Bのn型不純物の第2実効濃度n2は、たとえば5×1016cm−3以上5×1017cm−3以下である。第1実効濃度n1は、第2実効濃度n2よりも低い。また、第2実効濃度n2は、第3実効濃度n3よりも高くてもよい。 The second region 14B sandwiches the first region 14A with the side surface 3. That is, the first region 14A is sandwiched between the side surface 3 and the second region 14B in a direction parallel to the first main surface 1. The second region 14B is on the side away from the gate trench 5 with respect to the first region 14A. The second region 14B is in contact with each of the body region 12, the third region 11C and the first region 14A. The second region 14B is on the second main surface 2 side with respect to the body region 12. The second region 14B is on the first main surface 1 side with respect to the third region 11C. The second effective concentration n2 of the n-type impurity in the second region 14B is, for example, 5 × 10 16 cm -3 or more and 5 × 10 17 cm -3 or less. The first effective concentration n1 is lower than the second effective concentration n2. Further, the second effective concentration n2 may be higher than the third effective concentration n3.

図1に示されるように、電界緩和領域16は、第1主面1に垂直な方向から平面視したときに、電流拡散領域14とボディ領域12と側面3とが互いに接する第1位置91よりもゲートトレンチ5から離間する側に側端面92を有する。また、第1主面1に垂直な方向から平面視したときに、第1領域14Aと第2領域14Bとの境界面93は、第1位置91と側端面92との間に位置する。別の観点からいえば、第1主面1に垂直な方向から平面視したときに、境界面93は、第1位置91よりもゲートトレンチ5から離間する側に位置し、側端面92は、境界面93よりもゲートトレンチ5から離間する側に位置する。たとえば、第1主面1に垂直な方向から平面視したときに、2つの側面3上の2つの第1位置91の間の距離W1は、2つの境界面93の間の距離W2よりも小さくてもよく、距離W2は、2つの側端面92の間の幅W3よりも小さくてもよい。第1位置Aは、ボディ領域12と電流拡散領域14との境界面54と、ゲートトレンチ5の側面3との接点である。 As shown in FIG. 1, the electric field relaxation region 16 is viewed from the first position 91 where the current diffusion region 14, the body region 12, and the side surface 3 are in contact with each other when viewed in a plan view from a direction perpendicular to the first main surface 1. Also has a side end face 92 on the side away from the gate trench 5. Further, when viewed in a plane from a direction perpendicular to the first main surface 1, the boundary surface 93 between the first region 14A and the second region 14B is located between the first position 91 and the side end surface 92. From another point of view, when viewed in a plan view from the direction perpendicular to the first main surface 1, the boundary surface 93 is located on the side separated from the gate trench 5 from the first position 91, and the side end surface 92 is It is located on the side away from the gate trench 5 with respect to the boundary surface 93. For example, when viewed in a plan view from a direction perpendicular to the first main surface 1, the distance W1 between the two first positions 91 on the two side surfaces 3 is smaller than the distance W2 between the two boundary surfaces 93. The distance W2 may be smaller than the width W3 between the two side end faces 92. The first position A is a contact point between the boundary surface 54 between the body region 12 and the current diffusion region 14 and the side surface 3 of the gate trench 5.

第2主面2に対して垂直な方向において、電流拡散領域14の下端面と電界緩和領域16の上端面との間の距離H1(μm)は、式(1)で表される関係を満たすことが好ましい。この関係が満たされることで、安定して優れたオン抵抗および短絡電流を得ることができる。ここで、εsicは炭化珪素の比誘電率(F/m)であり、εは真空誘電率(F/m)であり、Vは炭化珪素の拡散電位(V)であり、qは電気素量(C)である。 The distance H1 (μm) between the lower end surface of the current diffusion region 14 and the upper end surface of the electric field relaxation region 16 in the direction perpendicular to the second main surface 2 satisfies the relationship represented by the equation (1). Is preferable. By satisfying this relationship, stable and excellent on-resistance and short-circuit current can be obtained. Here, ε sic is the relative permittivity (F / m) of silicon carbide, ε 0 is the vacuum permittivity (F / m), V d is the diffusion potential (V) of silicon carbide, and q is. It is an elementary charge (C).

8(εsicε/qH1)<n3<n1<n2 式(1) 8 (ε sic ε 0 V d / qH1 2 ) <n3 <n1 <n2 equation (1)

ゲート絶縁膜81は、たとえば酸化膜である。ゲート絶縁膜81は、たとえば二酸化珪素を含む材料により構成されている。ゲート絶縁膜81は、側面3および底面4に接する。ゲート絶縁膜81は、底面4において電界緩和領域16と接する。ゲート絶縁膜81は、側面3においてソース領域13、ボディ領域12、第1領域14Aおよび第3領域11Cの各々と接している。ゲート絶縁膜81は、第1主面1においてソース領域13と接していてもよい。 The gate insulating film 81 is, for example, an oxide film. The gate insulating film 81 is made of, for example, a material containing silicon dioxide. The gate insulating film 81 is in contact with the side surface 3 and the bottom surface 4. The gate insulating film 81 is in contact with the electric field relaxation region 16 on the bottom surface 4. The gate insulating film 81 is in contact with each of the source region 13, the body region 12, the first region 14A, and the third region 11C on the side surface 3. The gate insulating film 81 may be in contact with the source region 13 on the first main surface 1.

ゲート電極82は、ゲート絶縁膜81上に設けられている。ゲート電極82は、たとえば導電性不純物を含むポリシリコン(ポリSi)から構成されている。ゲート電極82は、ゲートトレンチ5の内部に配置されている。ゲート電極82の一部は、第1主面1上に配置されていてもよい。 The gate electrode 82 is provided on the gate insulating film 81. The gate electrode 82 is made of polysilicon (polySi) containing, for example, conductive impurities. The gate electrode 82 is arranged inside the gate trench 5. A part of the gate electrode 82 may be arranged on the first main surface 1.

層間絶縁膜83は、ゲート電極82およびゲート絶縁膜81に接して設けられている。層間絶縁膜83は、たとえば二酸化珪素を含む材料から構成されている。層間絶縁膜83は、ゲート電極82とソース電極60とを電気的に絶縁している。層間絶縁膜83の一部は、ゲートトレンチ5の内部に設けられていてもよい。 The interlayer insulating film 83 is provided in contact with the gate electrode 82 and the gate insulating film 81. The interlayer insulating film 83 is made of a material containing, for example, silicon dioxide. The interlayer insulating film 83 electrically insulates the gate electrode 82 and the source electrode 60. A part of the interlayer insulating film 83 may be provided inside the gate trench 5.

バリアメタル膜84は、層間絶縁膜83の上面および側面と、ゲート絶縁膜81の側面とを覆う。バリアメタル膜84は、層間絶縁膜83およびゲート絶縁膜81の各々と接している。バリアメタル膜84は、たとえば窒化チタン(TiN)を含む材料から構成されている。 The barrier metal film 84 covers the upper surface and the side surface of the interlayer insulating film 83 and the side surface of the gate insulating film 81. The barrier metal film 84 is in contact with each of the interlayer insulating film 83 and the gate insulating film 81. The barrier metal film 84 is made of a material containing, for example, titanium nitride (TiN).

ソース電極60は、第1主面1に接する。ソース電極60は、コンタクト電極61と、ソース配線62とを有する。コンタクト電極61は、第1主面1において、ソース領域13およびコンタクト領域18に接していてもよい。コンタクト電極61は、たとえばニッケルシリサイド(NiSi)を含む材料から構成されている。コンタクト電極61が、チタン(Ti)と、Alと、Siとを含む材料から構成されていてもよい。コンタクト電極61は、ソース領域13とオーミック接合している。コンタクト電極61は、コンタクト領域18とオーミック接合していてもよい。ソース配線62は、バリアメタル膜84の上面および側面と、コンタクト電極61の上面とを覆う。ソース配線62は、バリアメタル膜84およびコンタクト電極61の各々と接している。ソース配線62は、たとえばAlを含む材料から構成されている。 The source electrode 60 is in contact with the first main surface 1. The source electrode 60 has a contact electrode 61 and a source wiring 62. The contact electrode 61 may be in contact with the source region 13 and the contact region 18 on the first main surface 1. The contact electrode 61 is made of a material containing, for example, nickel silicide (NiSi). The contact electrode 61 may be made of a material containing titanium (Ti), Al, and Si. The contact electrode 61 is ohmic contacted with the source region 13. The contact electrode 61 may be ohmic-bonded to the contact region 18. The source wiring 62 covers the upper surface and the side surface of the barrier metal film 84 and the upper surface of the contact electrode 61. The source wiring 62 is in contact with each of the barrier metal film 84 and the contact electrode 61. The source wiring 62 is made of, for example, a material containing Al.

パッシベーション膜85は、ソース配線62の上面を覆う。パッシベーション膜85は、ソース配線62と接している。パッシベーション膜85は、たとえばポリイミドを含む材料から構成されている。 The passivation film 85 covers the upper surface of the source wiring 62. The passivation film 85 is in contact with the source wiring 62. The passivation film 85 is made of a material containing, for example, polyimide.

ドレイン電極70は、第2主面2に接する。ドレイン電極70は、第2主面2において炭化珪素単結晶基板50と接している。ドレイン電極70は、ドリフト領域11と電気的に接続されている。ドレイン電極70は、たとえばNiSiを含む材料から構成されている。ドレイン電極70がTiと、Alと、Siとを含む材料から構成されていてもよい。ドレイン電極70は、炭化珪素単結晶基板50とオーミック接合している。 The drain electrode 70 is in contact with the second main surface 2. The drain electrode 70 is in contact with the silicon carbide single crystal substrate 50 on the second main surface 2. The drain electrode 70 is electrically connected to the drift region 11. The drain electrode 70 is made of, for example, a material containing NiSi. The drain electrode 70 may be made of a material containing Ti, Al, and Si. The drain electrode 70 is ohmic-bonded to the silicon carbide single crystal substrate 50.

第2主面2に対して垂直な方向において、電界緩和領域16の上端面が底面4から離間していてもよい。この場合、たとえば、底面4がドリフト領域11に位置してもよく、側面3が、ソース領域13、ボディ領域12および電流拡散領域14を貫通してドリフト領域11に至ってもよい。たとえば、電界緩和領域16の上端面と底面4との間に、第3領域11Cがあってもよい。 The upper end surface of the electric field relaxation region 16 may be separated from the bottom surface 4 in the direction perpendicular to the second main surface 2. In this case, for example, the bottom surface 4 may be located in the drift region 11, and the side surface 3 may penetrate the source region 13, the body region 12, and the current diffusion region 14 to reach the drift region 11. For example, there may be a third region 11C between the upper end surface of the electric field relaxation region 16 and the bottom surface 4.

炭化珪素単結晶基板50と第5領域11Eとの間に、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バッファ層が設けられていてもよい。バッファ層のn型不純物の実効濃度は、第5領域11Eのn型不純物の実効濃度よりも高くてもよい。 A buffer layer containing an n-type impurity such as nitrogen and having an n-type conductive type may be provided between the silicon carbide single crystal substrate 50 and the fifth region 11E. The effective concentration of the n-type impurities in the buffer layer may be higher than the effective concentration of the n-type impurities in the fifth region 11E.

次に、実施形態に係るMOSFET100の製造方法について説明する。図2A〜図2Nは、実施形態に係るMOSFET100の製造方法を示す断面図である。 Next, a method of manufacturing the MOSFET 100 according to the embodiment will be described. 2A to 2N are cross-sectional views showing a method of manufacturing the MOSFET 100 according to the embodiment.

まず、図2Aに示されるように、炭化珪素単結晶基板50を準備する工程が実施される。たとえば昇華法によって製造された炭化珪素インゴット(図示せず)がスライスされることにより、炭化珪素単結晶基板50が準備される。炭化珪素単結晶基板50上にバッファ層(図示せず)が形成されてもよい。バッファ層は、たとえば原料ガスとしてシラン(SiH)とプロパン(C)との混合ガスを用い、キャリアガスとしてたとえば水素(H)を用いた化学気相成長(Chemical Vapor Deposition:CVD)法により形成することができる。バッファ層のエピタキシャル成長の際に、たとえば窒素などのn型不純物がバッファ層に導入されてもよい。 First, as shown in FIG. 2A, a step of preparing the silicon carbide single crystal substrate 50 is carried out. For example, a silicon carbide single crystal substrate 50 is prepared by slicing a silicon carbide ingot (not shown) produced by a sublimation method. A buffer layer (not shown) may be formed on the silicon carbide single crystal substrate 50. The buffer layer uses, for example , a mixed gas of silane (SiH 4 ) and propane (C 3 H 8 ) as a raw material gas, and chemical vapor deposition (CVD) using, for example, hydrogen (H 2) as a carrier gas. ) Can be formed by the method. During the epitaxial growth of the buffer layer, n-type impurities such as nitrogen may be introduced into the buffer layer.

次に、同じく図2Aに示されるように、第1エピタキシャル層21を形成する工程が実施される。たとえば原料ガスとしてシランとプロパンとの混合ガスを用い、キャリアガスとしてたとえば水素を用いたCVD法により、炭化珪素単結晶基板50上に第1エピタキシャル層21が形成される。エピタキシャル成長の際、たとえば窒素などのn型不純物が第1エピタキシャル層21に導入される。第1エピタキシャル層21は、n型の導電型を有する。第1エピタキシャル層21のn型不純物の実効濃度は、バッファ層のn型不純物の実効濃度よりも低くてもよい。 Next, as also shown in FIG. 2A, a step of forming the first epitaxial layer 21 is carried out. For example, the first epitaxial layer 21 is formed on the silicon carbide single crystal substrate 50 by a CVD method using a mixed gas of silane and propane as a raw material gas and hydrogen as a carrier gas, for example. During epitaxial growth, n-type impurities such as nitrogen are introduced into the first epitaxial layer 21. The first epitaxial layer 21 has an n-type conductive type. The effective concentration of the n-type impurities in the first epitaxial layer 21 may be lower than the effective concentration of the n-type impurities in the buffer layer.

次に、図2Bに示されるように、電界緩和領域16を形成する工程が実施される。たとえば、電界緩和領域16が形成される領域上に開口部を有するマスク層(図示せず)が形成される。次に、たとえばアルミニウムイオンなどのp型を付与可能なp型不純物イオンが第1エピタキシャル層21に注入される。これにより、電界緩和領域16が形成される。 Next, as shown in FIG. 2B, a step of forming the electric field relaxation region 16 is performed. For example, a mask layer (not shown) having an opening is formed on the region where the electric field relaxation region 16 is formed. Next, p-type impurity ions that can impart p-type, such as aluminum ions, are injected into the first epitaxial layer 21. As a result, the electric field relaxation region 16 is formed.

次に、図2Cに示されるように、第4領域11Dを形成する工程が実施される。たとえば、第4領域11Dが形成される領域、つまり第2主面2と平行な方向において電界緩和領域16の側方の領域上に開口部を有するマスク層(図示せず)が形成される。次に、窒素などのn型を付与可能なn型不純物イオンが第1エピタキシャル層21に対して注入される。これにより、第4領域11Dが形成される。第1エピタキシャル層21のうち、電界緩和領域16より炭化珪素単結晶基板50側の部分と、第4領域11Dより炭化珪素単結晶基板50側の部分とが第5領域11Eとなる。第4領域11Dのn型不純物の実効濃度は、第5領域11Eのn型不純物の実効濃度よりも高くなる。 Next, as shown in FIG. 2C, a step of forming the fourth region 11D is performed. For example, a mask layer (not shown) having an opening is formed on a region where the fourth region 11D is formed, that is, a region on the side of the electric field relaxation region 16 in a direction parallel to the second main surface 2. Next, an n-type impurity ion capable of imparting an n-type such as nitrogen is injected into the first epitaxial layer 21. As a result, the fourth region 11D is formed. Of the first epitaxial layer 21, a portion of the silicon carbide single crystal substrate 50 side of the electric field relaxation region 16 and a portion of the silicon carbide single crystal substrate 50 side of the fourth region 11D are the fifth region 11E. The effective concentration of the n-type impurity in the fourth region 11D is higher than the effective concentration of the n-type impurity in the fifth region 11E.

次に、図2Dに示されるように、第2エピタキシャル層22を形成する工程が実施される。たとえば原料ガスとしてシランとプロパンとの混合ガスを用い、キャリアガスとしてたとえば水素を用いたCVD法により、第1エピタキシャル層21上に第2エピタキシャル層22が形成される。エピタキシャル成長の際、たとえば窒素などのn型不純物が第2エピタキシャル層22に導入される。第2エピタキシャル層22は、n型の導電型を有する。第2エピタキシャル層22の厚さは、たとえば0.8μm以上1.2μm以下である。たとえば、第2エピタキシャル層22のn型不純物の実効濃度は、第4領域11Dのn型不純物の実効濃度よりも低くする。 Next, as shown in FIG. 2D, a step of forming the second epitaxial layer 22 is carried out. For example, the second epitaxial layer 22 is formed on the first epitaxial layer 21 by a CVD method using a mixed gas of silane and propane as a raw material gas and, for example, hydrogen as a carrier gas. During epitaxial growth, n-type impurities such as nitrogen are introduced into the second epitaxial layer 22. The second epitaxial layer 22 has an n-type conductive type. The thickness of the second epitaxial layer 22 is, for example, 0.8 μm or more and 1.2 μm or less. For example, the effective concentration of the n-type impurities in the second epitaxial layer 22 is lower than the effective concentration of the n-type impurities in the fourth region 11D.

次に、図2Eに示されるように、ボディ領域12を形成する工程が実施される。たとえばアルミニウムイオンなどのp型を付与可能なp型不純物イオンが第2エピタキシャル層22の表面全体に対して注入される。これにより、ボディ領域12が形成される。 Next, as shown in FIG. 2E, a step of forming the body region 12 is performed. For example, p-type impurity ions that can impart p-type such as aluminum ions are injected into the entire surface of the second epitaxial layer 22. As a result, the body region 12 is formed.

次に、同じく図2Eに示されるように、ソース領域13を形成する工程が実施される。たとえば、リンなどのn型を付与可能なn型不純物イオンが第2エピタキシャル層22の表面全体に対して注入される。これにより、ソース領域13が形成される。 Next, as also shown in FIG. 2E, a step of forming the source region 13 is performed. For example, an n-type impurity ion capable of imparting an n-type such as phosphorus is injected into the entire surface of the second epitaxial layer 22. As a result, the source region 13 is formed.

次に、図2Fに示されるように、電流拡散領域14を形成する工程が実施される。たとえば、リンなどのn型を付与可能なn型不純物イオンが第2エピタキシャル層22の表面全体に対してボディ領域12より深く注入される。次に、第2領域14Bが形成される領域上に開口部を有するマスク層(図示せず)が形成される。次に、リンなどのn型を付与可能なn型不純物イオンが第2エピタキシャル層22に対してボディ領域12より深く注入される。これにより、第2領域14Bが形成される。n型不純物イオンがボディ領域12より深く注入された領域のうち、第2領域14Bの残部が第1領域14Aとなる。第1領域14Aおよび第2領域14Bはボディ領域12に接するように形成される。 Next, as shown in FIG. 2F, a step of forming the current diffusion region 14 is performed. For example, an n-type impurity ion capable of imparting an n-type such as phosphorus is injected deeper than the body region 12 into the entire surface of the second epitaxial layer 22. Next, a mask layer (not shown) having an opening is formed on the region where the second region 14B is formed. Next, an n-type impurity ion capable of imparting an n-type such as phosphorus is injected deeper than the body region 12 into the second epitaxial layer 22. As a result, the second region 14B is formed. Of the regions in which the n-type impurity ions are injected deeper than the body region 12, the remainder of the second region 14B becomes the first region 14A. The first region 14A and the second region 14B are formed so as to be in contact with the body region 12.

第2エピタキシャル層22のうち、電流拡散領域14より第1エピタキシャル層21側の部分が第3領域11Cとなる。たとえば、第3領域11Cのn型不純物の第3実効濃度n3は、第4領域11Dのn型不純物の実効濃度よりも低くなる。 Of the second epitaxial layer 22, the portion closer to the first epitaxial layer 21 than the current diffusion region 14 becomes the third region 11C. For example, the third effective concentration n3 of the n-type impurity in the third region 11C is lower than the effective concentration of the n-type impurity in the fourth region 11D.

次に、図2Gに示されるように、コンタクト領域18を形成する工程が実施される。たとえば、コンタクト領域18が形成される領域上に開口部を有するマスク層(図示せず)が形成される。次に、たとえばアルミニウムイオンなどのp型を付与可能なp型不純物イオンがソース領域13およびボディ領域12に注入される。これにより、ボディ領域12と接するコンタクト領域18が形成される。 Next, as shown in FIG. 2G, a step of forming the contact region 18 is performed. For example, a mask layer (not shown) having an opening is formed on the region where the contact region 18 is formed. Next, p-type impurity ions that can impart p-type, such as aluminum ions, are injected into the source region 13 and the body region 12. As a result, the contact region 18 in contact with the body region 12 is formed.

次に、炭化珪素基板10に注入された不純物イオンを活性化するために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 the impurity ions injected 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 the activated annealing is preferably an inert gas atmosphere, for example, an Ar atmosphere.

次に、図2Hに示されるように、ゲートトレンチ5を形成する工程が実施される。たとえば、ソース領域13およびコンタクト領域18から構成される第1主面1上に、ゲートトレンチ5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。マスク層を用いて、ソース領域13の一部と、ボディ領域12の一部と、電流拡散領域14の一部と、ドリフト領域11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六フッ化硫黄(SF)またはSFと酸素(O)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、ゲートトレンチ5が形成されるべき領域に、第1主面1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1とほぼ平行な底部とを有する凹部(図示せず)が形成される。 Next, as shown in FIG. 2H, a step of forming the gate trench 5 is carried out. For example, a mask layer (not shown) having an opening at a position where the gate trench 5 is formed is formed on the first main surface 1 composed of the source region 13 and the contact region 18. Using the mask layer, a part of the source region 13, a part of the body region 12, a part of the current diffusion region 14, and a part of the drift region 11 are removed by etching. As the etching method, for example, reactive ion etching, particularly inductively coupled plasma reactive ion etching can be used. Specifically, for example , inductively coupled plasma reactive ion etching using sulfur hexafluoride (SF 6 ) or a mixed gas of SF 6 and oxygen (O 2 ) as the reaction gas can be used. A side portion substantially perpendicular to the first main surface 1 and a bottom portion provided continuously with the side portion and substantially parallel to the first main surface 1 in the region where the gate trench 5 should be formed by etching. A recess (not shown) is formed.

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、第1主面1上にマスク層が形成された状態で、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、塩素(Cl)、三塩化ホウ素(BCl)、SFまたは四フッ化炭素(CF)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800℃以上900℃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、たとえば窒素ガス、アルゴンガスまたはヘリウムガスなどを用いることができる。 Next, thermal etching is performed in the recess. Thermal etching can be performed by heating with the mask layer formed on the first main surface 1, for example, in an atmosphere containing a reactive gas having at least one kind of halogen atom. At least one or more halogen atoms contain at least one of a chlorine (Cl) atom and a fluorine (F) atom. The atmosphere contains, for example, chlorine (Cl 2 ), boron trichloride (BCl 3 ), SF 6 or carbon tetrafluoride (CF 4 ). For example, a mixed gas of chlorine gas and oxygen gas is used as a reaction gas, and the heat treatment temperature is set to, for example, 800 ° C. or higher and 900 ° C. or lower, and thermal etching is performed. The reaction gas may contain a carrier gas in addition to the chlorine gas and oxygen gas described above. As the carrier gas, for example, nitrogen gas, argon gas, helium gas, or the like can be used.

上記熱エッチングにより、炭化珪素基板10の第1主面1にゲートトレンチ5が形成される。ゲートトレンチ5は、側面3と、底面4とにより規定される。側面3は、ソース領域13と、ボディ領域12と、電流拡散領域14と、ドリフト領域11とにより構成される。底面4は、電界緩和領域16により構成される。側面3と、底面4を含む平面との間の角度θ1は、たとえば45°以上65°以下である。次に、マスク層が第1主面1から除去される。 By the above thermal etching, a gate trench 5 is formed on the first main surface 1 of the silicon carbide substrate 10. The gate trench 5 is defined by a side surface 3 and a bottom surface 4. The side surface 3 is composed of a source region 13, a body region 12, a current diffusion region 14, and a drift region 11. The bottom surface 4 is composed of an electric field relaxation region 16. The angle θ1 between the side surface 3 and the plane including the bottom surface 4 is, for example, 45 ° or more and 65 ° or less. Next, the mask layer is removed from the first main surface 1.

次に、図2Iに示されるように、ゲート絶縁膜81を形成する工程が実施される。たとえば炭化珪素基板10を熱酸化することにより、ソース領域13と、ボディ領域12と、電流拡散領域14と、ドリフト領域11と、電界緩和領域16と、コンタクト領域18とに接するゲート絶縁膜81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、第1主面1と、側面3および底面4に接するゲート絶縁膜81が形成される。 Next, as shown in FIG. 2I, a step of forming the gate insulating film 81 is performed. For example, by thermally oxidizing the silicon carbide substrate 10, the gate insulating film 81 in contact with the source region 13, the body region 12, the current diffusion region 14, the drift region 11, the electric field relaxation region 16, and the contact region 18 is formed. It is formed. Specifically, the silicon carbide substrate 10 is heated in an atmosphere containing oxygen, for example, at a temperature of 1300 ° C. or higher and 1400 ° C. or lower. As a result, the first main surface 1 and the gate insulating film 81 in contact with the side surface 3 and the bottom surface 4 are formed.

次に、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1400℃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81とボディ領域12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。 Next, heat treatment (NO annealing) may be performed on the silicon carbide substrate 10 in a nitric oxide (NO) gas atmosphere. In NO annealing, the silicon carbide substrate 10 is held for about 1 hour under the conditions of, for example, 1100 ° C. or higher and 1400 ° C. or lower. As a result, nitrogen atoms are introduced into the interface region between the gate insulating film 81 and the body region 12. As a result, the formation of the interface state in the interface region is suppressed, so that the channel mobility can be improved.

NOアニール後、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81とボディ領域12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。なお、雰囲気ガスとして、Arガスに代えて窒素ガスなどの他の不活性ガスが用いられてもよい。 After NO annealing, Ar annealing using argon (Ar) as the atmosphere gas may be performed. The heating temperature of Ar annealing is, for example, higher than the heating temperature of NO annealing. The Ar annealing time is, for example, about 1 hour. As a result, the formation of an interface state in the interface region between the gate insulating film 81 and the body region 12 is further suppressed. As the atmosphere gas, another inert gas such as nitrogen gas may be used instead of Ar gas.

次に、図2Jに示されるように、ゲート電極82を形成する工程が実施される。ゲート電極82は、ゲート絶縁膜81上に形成される。ゲート電極82は、たとえば減圧CVD(Low Pressure - Chemical Vapor Deposition:LP−CVD)法により形成される。ゲート電極82は、ソース領域13と、ボディ領域12と、電流拡散領域14と、ドリフト領域11との各々に対面するように形成される。 Next, as shown in FIG. 2J, a step of forming the gate electrode 82 is carried out. The gate electrode 82 is formed on the gate insulating film 81. The gate electrode 82 is formed by, for example, a reduced pressure CVD (Low Pressure-Chemical Vapor Deposition: LP-CVD) method. The gate electrode 82 is formed so as to face each of the source region 13, the body region 12, the current diffusion region 14, and the drift region 11.

次に、図2Kに示されるように、層間絶縁膜83を形成する工程が実施される。具体的には、ゲート電極82を覆い、かつゲート絶縁膜81と接するように層間絶縁膜83が形成される。層間絶縁膜83は、たとえば、CVD法により形成される。層間絶縁膜83は、たとえば二酸化珪素を含む材料から構成される。層間絶縁膜83の一部は、ゲートトレンチ5の内部に形成されてもよい。 Next, as shown in FIG. 2K, a step of forming the interlayer insulating film 83 is carried out. Specifically, the interlayer insulating film 83 is formed so as to cover the gate electrode 82 and contact the gate insulating film 81. The interlayer insulating film 83 is formed by, for example, a CVD method. The interlayer insulating film 83 is made of, for example, a material containing silicon dioxide. A part of the interlayer insulating film 83 may be formed inside the gate trench 5.

次に、図2Lに示されるように、バリアメタル膜84、コンタクト電極61およびドレイン電極70を形成する工程が実施される。たとえば、層間絶縁膜83およびゲート絶縁膜81に開口部が形成されるようにエッチングが行われることにより、当該開口部にソース領域13およびコンタクト領域18が層間絶縁膜83およびゲート絶縁膜81から露出する。次に、層間絶縁膜の上面及び側面と、ゲート絶縁膜81の側面とを覆うバリアメタル膜84が形成される。バリアメタル膜84は、たとえばTiNを含む材料から構成される。バリアメタル膜84は、たとえばスパッタリング法による成膜および反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching:RIE)より形成される。次に、第1主面1においてソース領域13およびコンタクト領域18に接するコンタクト電極61用の金属膜(図示せず)が形成される。コンタクト電極61用の金属膜は、たとえばスパッタリング法により形成される。コンタクト電極61用の金属膜は、たとえばNiを含む材料から構成される。次に、第2主面2において炭化珪素単結晶基板50に接するドレイン電極70用の金属膜(図示せず)が形成される。ドレイン電極70用の金属膜は、たとえばスパッタリング法により形成される。ドレイン電極70用の金属膜は、たとえばNiを含む材料から構成される。 Next, as shown in FIG. 2L, a step of forming the barrier metal film 84, the contact electrode 61, and the drain electrode 70 is performed. For example, by etching so that an opening is formed in the interlayer insulating film 83 and the gate insulating film 81, the source region 13 and the contact region 18 are exposed from the interlayer insulating film 83 and the gate insulating film 81 in the opening. To do. Next, the barrier metal film 84 that covers the upper surface and the side surface of the interlayer insulating film and the side surface of the gate insulating film 81 is formed. The barrier metal film 84 is made of, for example, a material containing TiN. The barrier metal film 84 is formed by, for example, film formation by a sputtering method and reactive ion etching (RIE). Next, a metal film (not shown) for the contact electrode 61 in contact with the source region 13 and the contact region 18 is formed on the first main surface 1. The metal film for the contact electrode 61 is formed by, for example, a sputtering method. The metal film for the contact electrode 61 is made of, for example, a material containing Ni. Next, a metal film (not shown) for the drain electrode 70 in contact with the silicon carbide single crystal substrate 50 is formed on the second main surface 2. The metal film for the drain electrode 70 is formed by, for example, a sputtering method. The metal film for the drain electrode 70 is made of, for example, a material containing Ni.

次に、合金化アニールが実施される。コンタクト電極61用の金属膜およびドレイン電極70用の金属膜が、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、コンタクト電極61用の金属膜の少なくとも一部およびドレイン電極70用の金属膜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13とオーミック接合するコンタクト電極61と、炭化珪素単結晶基板50とオーミック接合するドレイン電極70とが形成される。コンタクト電極61は、コンタクト領域18とオーミック接合してもよい。コンタクト電極61が、Tiと、Alと、Siとを含む材料から構成されてもよい。ドレイン電極70が、Tiと、Alと、Siとを含む材料から構成されてもよい。 Next, alloying annealing is performed. The metal film for the contact electrode 61 and the metal film for the drain electrode 70 are held at a temperature of, for example, 900 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower for about 5 minutes. As a result, at least a part of the metal film for the contact electrode 61 and at least a part of the metal film for the drain electrode 70 react with the silicon contained in the silicon carbide substrate 10 to silicide. As a result, the contact electrode 61 that ohmic-bonds the source region 13 and the drain electrode 70 that ohmic-bonds the silicon carbide single crystal substrate 50 are formed. The contact electrode 61 may be ohmic contacted with the contact region 18. The contact electrode 61 may be made of a material containing Ti, Al, and Si. The drain electrode 70 may be made of a material containing Ti, Al, and Si.

次に、図2Mに示されるように、ソース配線62を形成する工程が実施される。具体的には、コンタクト電極61およびバリアメタル膜84を覆うソース配線62が形成される。ソース配線62は、たとえばスパッタリング法による成膜およびRIEにより形成される。ソース配線62は、たとえばアルミニウムを含む材料から構成される。このようにして、コンタクト電極61とソース配線62とを有するソース電極60が形成される。 Next, as shown in FIG. 2M, a step of forming the source wiring 62 is performed. Specifically, the source wiring 62 that covers the contact electrode 61 and the barrier metal film 84 is formed. The source wiring 62 is formed by, for example, film formation by a sputtering method and RIE. The source wiring 62 is made of a material containing, for example, aluminum. In this way, the source electrode 60 having the contact electrode 61 and the source wiring 62 is formed.

次に、図2Nに示されるように、パッシベーション膜85を形成する工程が実施される。具体的には、ソース配線62を覆うパッシベーション膜85が形成される。パッシベーション膜85は、たとえばポリイミドを含む材料から構成される。パッシベーション膜85は、たとえば塗布法により形成される。 Next, as shown in FIG. 2N, a step of forming the passivation film 85 is carried out. Specifically, a passivation film 85 that covers the source wiring 62 is formed. The passivation film 85 is made of a material containing, for example, polyimide. The passivation film 85 is formed by, for example, a coating method.

このようにして、実施形態に係るMOSFET100が完成する。 In this way, the MOSFET 100 according to the embodiment is completed.

次に、本実施形態に係るMOSFETの作用効果について説明する。 Next, the action and effect of the MOSFET according to the present embodiment will be described.

本実施形態に係るMOSFET100では、底面4と第2主面2との間に電界緩和領域16が設けられ、電界緩和領域16は、第1主面1に垂直な方向から平面視したときに、第1位置91よりもゲートトレンチ5から離間する側に側端面92を有する。従って、底面4の近傍での電界集中を緩和し、ゲート絶縁膜81の絶縁破壊を抑制することができる。 In the MOSFET 100 according to the present embodiment, an electric field relaxation region 16 is provided between the bottom surface 4 and the second main surface 2, and the electric field relaxation region 16 is viewed in a plan view from a direction perpendicular to the first main surface 1. The side end surface 92 is provided on the side away from the gate trench 5 from the first position 91. Therefore, the electric field concentration in the vicinity of the bottom surface 4 can be relaxed, and the dielectric breakdown of the gate insulating film 81 can be suppressed.

ソース電極60とドレイン電極70との間で、ボディ領域12と電流拡散領域14とのpn接合により生成される空乏層と、電界緩和領域16と第3領域11Cとのpn接合により生成される空乏層との間の狭窄領域を電流が流れる。本実施形態では、電流拡散領域14が設けられているため、狭窄領域のオン抵抗を低減することができる。また、第1領域14Aに含まれるn型不純物の第1実効濃度n1は、第2領域14Bに含まれるn型不純物の第2実効濃度n2よりも低く、第1主面1に垂直な方向から平面視したときに、第1領域14Aと第2領域14Bとの間の境界面93が第1位置91と側端面92との間に位置している。このため、短絡電流を低減することもできる。 Between the source electrode 60 and the drain electrode 70, the depletion layer created by the pn junction between the body region 12 and the current diffusion region 14 and the depletion created by the pn junction between the electric field relaxation region 16 and the third region 11C. Current flows through the constricted area between the layers. In the present embodiment, since the current diffusion region 14 is provided, the on-resistance in the narrowed region can be reduced. Further, the first effective concentration n1 of the n-type impurities contained in the first region 14A is lower than the second effective concentration n2 of the n-type impurities contained in the second region 14B, and is from the direction perpendicular to the first main surface 1. When viewed in a plan view, the boundary surface 93 between the first region 14A and the second region 14B is located between the first position 91 and the side end surface 92. Therefore, the short-circuit current can be reduced.

このように、本実施形態によれば、オン抵抗および短絡電流の両方を低減することができる。つまり、本実施形態によれば、オン抵抗の低減および短絡電流の低減を両立することができる。そして、短絡電流の低減により優れた短絡耐量を得ることができる。 Thus, according to the present embodiment, both the on-resistance and the short-circuit current can be reduced. That is, according to the present embodiment, it is possible to reduce the on-resistance and the short-circuit current at the same time. Then, an excellent short-circuit withstand capability can be obtained by reducing the short-circuit current.

第2実効濃度n2が第3実効濃度n3より高いことで、より確実にオン抵抗を低減することができる。また、第1実効濃度n1が第3実効濃度n3より高いことで、より確実にオン抵抗を低減することができる。 Since the second effective concentration n2 is higher than the third effective concentration n3, the on-resistance can be reduced more reliably. Further, since the first effective concentration n1 is higher than the third effective concentration n3, the on-resistance can be reduced more reliably.

第2実効濃度n2は、第1実効濃度n1の5倍以上20倍以下であることが好ましい。第2実効濃度n2が第1実効濃度n1の5倍未満であると、第2実効濃度n2が高すぎるか、第1実効濃度n1が低すぎるおそれがある。第2実効濃度n2が高すぎるときには、優れた短絡電流が得にくく、第1実効濃度n1が低すぎるときには、優れたオン抵抗が得にくい。第2実効濃度n2が第1実効濃度n1の20倍超であると、第2実効濃度n2が低すぎるか、第1実効濃度n1が高すぎるおそれがある。第2実効濃度n2が低すぎるときには、優れたオン抵抗が得にくく、第1実効濃度n1が高すぎるときには、優れた短絡電流が得にくい。従って、第2実効濃度n2は、第1実効濃度n1の5倍以上20倍以下であることが好ましく、第1実効濃度n1の10倍以上15倍以下であることがより好ましい。 The second effective concentration n2 is preferably 5 times or more and 20 times or less the first effective concentration n1. If the second effective concentration n2 is less than five times the first effective concentration n1, the second effective concentration n2 may be too high or the first effective concentration n1 may be too low. When the second effective concentration n2 is too high, it is difficult to obtain an excellent short-circuit current, and when the first effective concentration n1 is too low, it is difficult to obtain an excellent on-resistance. If the second effective concentration n2 is more than 20 times the first effective concentration n1, the second effective concentration n2 may be too low or the first effective concentration n1 may be too high. When the second effective concentration n2 is too low, it is difficult to obtain an excellent on-resistance, and when the first effective concentration n1 is too high, it is difficult to obtain an excellent short-circuit current. Therefore, the second effective concentration n2 is preferably 5 times or more and 20 times or less of the first effective concentration n1, and more preferably 10 times or more and 15 times or less of the first effective concentration n1.

電界緩和領域16の上端面がゲートトレンチ5の底面4を含むことで、ゲート絶縁膜81の絶縁破壊をより抑制することができ、より優れた耐圧を得ることができる。 Since the upper end surface of the electric field relaxation region 16 includes the bottom surface 4 of the gate trench 5, the dielectric breakdown of the gate insulating film 81 can be further suppressed, and a more excellent withstand voltage can be obtained.

ゲートトレンチ5の側面3が{0−33−8}面を含むことで、チャネルに優れた移動度を得ることができ、チャネル抵抗を低減することができる。 Since the side surface 3 of the gate trench 5 includes the {0-33-8} surface, excellent mobility can be obtained for the channel, and the channel resistance can be reduced.

ここで、参考例と比較しながら本実施形態の効果について更に説明する。図3Aは、第1参考例に係るMOSFET(炭化珪素半導体装置)の構成を示す断面図である。図3Bは、第2参考例に係る炭化珪素半導体装置の構成を示す断面図である。 Here, the effect of the present embodiment will be further described in comparison with the reference example. FIG. 3A is a cross-sectional view showing the configuration of a MOSFET (silicon carbide semiconductor device) according to the first reference example. FIG. 3B is a cross-sectional view showing the configuration of the silicon carbide semiconductor device according to the second reference example.

図3Aに示されるように、第1参考例に係るMOSFET201は、電流拡散領域14が設けられていない点で実施形態に係るMOSFET100と相違する。MOSFET201では、ドリフト領域11の第3領域11Cが、ボディ領域12と電界緩和領域16とに挟まれている。第3領域11Cは、ボディ領域12および電界緩和領域16の各々と接している。MOSFET201の第3領域11Cの厚さは、MOSFET100の第3領域11Cの厚さと電流拡散領域14の厚さとの和に等しい。他の構成はMOSFET100の構成と同様である。 As shown in FIG. 3A, the MOSFET 201 according to the first reference example is different from the MOSFET 100 according to the embodiment in that the current diffusion region 14 is not provided. In the MOSFET 201, the third region 11C of the drift region 11 is sandwiched between the body region 12 and the electric field relaxation region 16. The third region 11C is in contact with each of the body region 12 and the electric field relaxation region 16. The thickness of the third region 11C of the MOSFET 201 is equal to the sum of the thickness of the third region 11C of the MOSFET 100 and the thickness of the current diffusion region 14. Other configurations are the same as the configuration of MOSFET 100.

図3Bに示されるように、第2参考例に係るMOSFET202は、電流拡散領域14が第2領域14Bのみから構成される点で実施形態に係るMOSFET100と相違する。MOSFET202では、電流拡散領域14の第2領域14Bが側面3にも接している。他の構成はMOSFET100の構成と同様である。 As shown in FIG. 3B, the MOSFET 202 according to the second reference example is different from the MOSFET 100 according to the embodiment in that the current diffusion region 14 is composed of only the second region 14B. In the MOSFET 202, the second region 14B of the current diffusion region 14 is also in contact with the side surface 3. Other configurations are the same as the configuration of MOSFET 100.

図4は、実施形態、第1参考例および第2参考例の特性を示す図である。図4の横軸はオン抵抗を示し、図4の縦軸は短絡電流を示す。図4に示されるように、第1参考例では、短絡電流が18A/mm程度であるが、オン抵抗が4.8mΩ・cm程度と高い。また、第2参考例では、オン抵抗が1.8mΩ・cm程度であるが、短絡電流が53A/mm程度と高い。一方、実施形態のオン抵抗は2.2mΩ・cm程度であり、短絡電流は32A/mm程度である。つまり、実施形態のオン抵抗は第1参考例のオン抵抗の1/2以下であり、実施形態の短絡電流は第2参考例の短絡電流の2/3以下である。このように、実施形態によれば、オン抵抗の低減および短絡電流の低減を両立することができる。 FIG. 4 is a diagram showing the characteristics of the embodiment, the first reference example, and the second reference example. The horizontal axis of FIG. 4 indicates the on-resistance, and the vertical axis of FIG. 4 indicates the short-circuit current. As shown in FIG. 4, in the first reference example, the short-circuit current is about 18 A / mm, but the on-resistance is as high as about 4.8 mΩ · cm 2. Further, in the second reference example, the on-resistance is about 1.8 mΩ · cm 2 , but the short-circuit current is as high as about 53 A / mm. On the other hand, the on-resistance of the embodiment is about 2.2 mΩ · cm 2 , and the short-circuit current is about 32 A / mm. That is, the on-resistance of the embodiment is 1/2 or less of the on-resistance of the first reference example, and the short-circuit current of the embodiment is 2/3 or less of the short-circuit current of the second reference example. As described above, according to the embodiment, both the reduction of the on-resistance and the reduction of the short-circuit current can be achieved at the same time.

なお、電界緩和領域16は、ゲートトレンチ5が形成された後に形成されてもよい。たとえば、ゲートトレンチ5が形成された後に、ゲートトレンチ5の底部近傍で第1エピタキシャル層21にp型不純物イオンが注入されてもよい。また、電流拡散領域14は、ボディ領域12が形成される前に形成されてもよい。たとえば、ボディ領域12が形成される前に、第2エピタキシャル層22にn型不純物イオンが注入されて第1領域14Aおよび第2領域14Bが形成されてもよい。 The electric field relaxation region 16 may be formed after the gate trench 5 is formed. For example, after the gate trench 5 is formed, p-type impurity ions may be injected into the first epitaxial layer 21 near the bottom of the gate trench 5. Further, the current diffusion region 14 may be formed before the body region 12 is formed. For example, the first region 14A and the second region 14B may be formed by injecting n-type impurity ions into the second epitaxial layer 22 before the body region 12 is formed.

[変形例]
次に、実施形態の変形例について説明する。変形例は、主にゲートトレンチの形状の点で実施形態と相違する。図5は、実施形態の変形例に係るMOSFET(炭化珪素半導体装置)の構成を示す断面図である。
[Modification example]
Next, a modified example of the embodiment will be described. The modified example differs from the embodiment mainly in the shape of the gate trench. FIG. 5 is a cross-sectional view showing the configuration of a MOSFET (silicon carbide semiconductor device) according to a modified example of the embodiment.

図5に示されるように、変形例に係るMOSFET300では、ゲートトレンチ5が垂直トレンチである。つまり、底面4を含む平面に対する側面3の角度θ1は、90°であってもよい。この場合、2つの側面3上の2つの第1位置91の間の距離W1は、第2主面2に平行な方向において、ゲートトレンチ5の底面4の幅や、ゲートトレンチ5の開口部の幅とほぼ同じである。他の構成は実施形態と同様である。 As shown in FIG. 5, in the MOSFET 300 according to the modified example, the gate trench 5 is a vertical trench. That is, the angle θ1 of the side surface 3 with respect to the plane including the bottom surface 4 may be 90 °. In this case, the distance W1 between the two first positions 91 on the two side surfaces 3 is the width of the bottom surface 4 of the gate trench 5 and the opening of the gate trench 5 in the direction parallel to the second main surface 2. It is almost the same as the width. Other configurations are the same as in the embodiment.

このような変形例によっても実施形態と同様の効果を得ることができる。 The same effect as that of the embodiment can be obtained by such a modification.

上記実施形態および参考例では、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。上記実施形態および参考例では、炭化珪素半導体装置としてMOSFETを例に挙げて説明したが、炭化珪素半導体装置は、たとえば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor:IGBT)などであってもよい。上記各不純物領域におけるp型不純物の実効濃度およびn型不純物の実効濃度は、たとえば走査型静電容量顕微鏡(Scanning Capacitance Microscope:SCM)法または二次イオン質量分析(Secondary Ion Mass Spectrometry:SIMS)法などにより測定可能である。p型領域とn型領域との境界面(つまりpn接合界面)の位置は、たとえばSCM法またはSIMS法などにより特定することができる。電流拡散領域中の多数キャリアの実効濃度の分布は、実効濃度を測定せずとも、たとえば電流拡散領域とボディ領域とのpn接合により生成される空乏層の厚さの分布に基づいて特定することができる。空乏層の厚さは、たとえばSCM法またはSIMS法などにより特定することができる。 In the above-described embodiment and reference example, the n-type is the first conductive type and the p-type is the second conductive type. However, the p-type may be the first conductive type and the n-type may be the second conductive type. Good. In the above-described embodiment and reference example, the MOSFET has been described as an example of the silicon carbide semiconductor device, but the silicon carbide semiconductor device may be, for example, an insulated gate bipolar transistor (IGBT) or the like. The effective concentration of p-type impurities and the effective concentration of n-type impurities in each of the above impurity regions are determined by, for example, the scanning capacitance microscope (SCM) method or the secondary ion mass spectrometry (SIMS) method. It can be measured by such means. The position of the interface between the p-type region and the n-type region (that is, the pn junction interface) can be specified by, for example, the SCM method or the SIMS method. The distribution of the effective concentration of multiple carriers in the current diffusion region should be specified based on the distribution of the thickness of the depletion layer generated by, for example, the pn junction between the current diffusion region and the body region, without measuring the effective concentration. Can be done. The thickness of the depletion layer can be specified by, for example, the SCM method or the SIMS method.

以上、実施形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形および変更が可能である。 Although the embodiments have been described in detail above, the embodiments are not limited to the specific embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims.

1 第1主面
2 第2主面
3 側面
4 底面
5 ゲートトレンチ
10 炭化珪素基板
11 ドリフト領域
11C 第3領域
11D 第4領域
11E 第5領域
12 ボディ領域
13 ソース領域
14 電流拡散領域
14A 第1領域
14B 第2領域
16 電界緩和領域
18 コンタクト領域
21 第1エピタキシャル層
22 第2エピタキシャル層
40 炭化珪素エピタキシャル層
50 炭化珪素単結晶基板
54 境界面
60 ソース電極
61 コンタクト電極
62 ソース配線
70 ドレイン電極
81 ゲート絶縁膜
82 ゲート電極
83 層間絶縁膜
84 バリアメタル膜
85 パッシベーション膜
91 第1位置
92 側端面
93 境界面
100、201、202、300 炭化珪素半導体装置(MOSFET)
H1、W1、W2、W3 距離
θ1 角度
1 1st main surface 2 2nd main surface 3 Side surface 4 Bottom surface 5 Gate trench 10 Silicon carbide substrate 11 Drift area 11C 3rd area 11D 4th area 11E 5th area 12 Body area 13 Source area 14 Current diffusion area 14A 1st area 14B 2nd region 16 Electric field relaxation region 18 Contact region 21 1st epitaxial layer 22 2nd epitaxial layer 40 Silicon carbide epitaxial layer 50 Silicon carbide single crystal substrate 54 Boundary surface 60 Source electrode 61 Contact electrode 62 Source wiring 70 Drain electrode 81 Gate insulation Film 82 Gate electrode 83 Interlayer insulating film 84 Barrier metal film 85 Passion film 91 First position 92 Side end face 93 Boundary surface 100, 201, 202, 300 Silicon carbide semiconductor device (MOSFET)
H1, W1, W2, W3 Distance θ1 Angle

Claims (7)

第1主面と、前記第1主面と反対側の第2主面とを有する炭化珪素基板を備え、
前記炭化珪素基板は、
第1導電型を有するドリフト領域と、
前記ドリフト領域上に設けられ、前記第1導電型を有する電流拡散領域と、
前記電流拡散領域上に設けられ、前記第1導電型と異なる第2導電型を有するボディ領域と、
前記電流拡散領域から隔てられるように前記ボディ領域上に設けられ、かつ前記第1導電型を有するソース領域と、
を有し、
前記第1主面には、前記ソース領域、前記ボディ領域および前記電流拡散領域を貫通して前記ドリフト領域に至る側面と、前記側面と連なる底面とにより規定されるゲートトレンチが設けられており、
前記側面および前記底面に接するゲート絶縁膜をさらに有し、
前記炭化珪素基板は、前記底面と前記第2主面との間に設けられ、前記第2導電型を有する電界緩和領域をさらに有し、
前記電流拡散領域は、
前記側面に接し、第1実効濃度で前記第1導電型の不純物を含有する第1領域と、
前記側面との間に前記第1領域を挟み、第2実効濃度で前記第1導電型の不純物を含有する第2領域と、
を有し、
前記第1実効濃度は、前記第2実効濃度よりも低く、
前記第1主面に垂直な方向から平面視したときに、
前記電界緩和領域は、前記電流拡散領域と前記ボディ領域と前記側面とが互いに接する第1位置よりも前記ゲートトレンチから離間する側に側端面を有し、
前記第1領域と前記第2領域との境界面は、前記第1位置と前記側端面との間に位置する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 is provided.
The silicon carbide substrate is
The drift region having the first conductive type and
A current diffusion region provided on the drift region and having the first conductive type,
A body region provided on the current diffusion region and having a second conductive type different from the first conductive type,
A source region provided on the body region so as to be separated from the current diffusion region and having the first conductive type, and a source region.
Have,
The first main surface is provided with a gate trench defined by a side surface that penetrates the source region, the body region, and the current diffusion region to reach the drift region, and a bottom surface that is connected to the side surface.
Further having a gate insulating film in contact with the side surface and the bottom surface,
The silicon carbide substrate is provided between the bottom surface and the second main surface, and further has an electric field relaxation region having the second conductive type.
The current diffusion region is
A first region that is in contact with the side surface and contains the first conductive type impurities at the first effective concentration, and
The first region is sandwiched between the side surface and the second region containing the first conductive type impurity at the second effective concentration.
Have,
The first effective concentration is lower than the second effective concentration,
When viewed in a plane from the direction perpendicular to the first main surface,
The electric field relaxation region has a side end surface on a side away from the gate trench from the first position where the current diffusion region, the body region, and the side surface are in contact with each other.
A silicon carbide semiconductor device in which the boundary surface between the first region and the second region is located between the first position and the side end surface.
前記ドリフト領域は、前記電流拡散領域と前記電界緩和領域との間に設けられ、第3実効濃度で前記第1導電型の不純物を含有する第3領域を有し、
前記第2実効濃度は、前記第3実効濃度よりも高い請求項1に記載の炭化珪素半導体装置。
The drift region is provided between the current diffusion region and the electric field relaxation region, and has a third region containing the first conductive type impurities at a third effective concentration.
The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the second effective concentration is higher than the third effective concentration.
前記ドリフト領域は、前記電流拡散領域と前記電界緩和領域との間に設けられ、第3実効濃度で前記第1導電型の不純物を含有する第3領域を有し、
前記第1実効濃度は、前記第3実効濃度よりも高い請求項1に記載の炭化珪素半導体装置。
The drift region is provided between the current diffusion region and the electric field relaxation region, and has a third region containing the first conductive type impurities at a third effective concentration.
The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the first effective concentration is higher than the third effective concentration.
前記第1実効濃度をn1(cm−3)、前記第2実効濃度をn2(cm−3)、前記第3実効濃度をn3(cm−3)、前記第2主面に対して垂直な方向において、前記電流拡散領域の下端面と前記電界緩和領域の上端面との間の距離をH1(μm)、炭化珪素の比誘電率をεsic(F/m)、真空誘電率をε(F/m)、炭化珪素の拡散電位をV(V)、電気素量をq(C)としたとき、次の関係が成り立つ請求項2または請求項3に記載の炭化珪素半導体装置。
8(εsicε/qH1)<n3<n1<n2 式(1)
The first effective concentration is n1 (cm -3 ), the second effective concentration is n2 (cm -3 ), the third effective concentration is n3 (cm -3 ), and the direction perpendicular to the second main surface. The distance between the lower end surface of the current diffusion region and the upper end surface of the electric field relaxation region is H1 (μm), the relative permittivity of silicon carbide is ε sic (F / m), and the vacuum permittivity is ε 0 (. The silicon carbide semiconductor device according to claim 2 or 3, wherein the following relationship holds when F / m), the diffusion potential of silicon carbide is V d (V), and the amount of electric element is q (C).
8 (ε sic ε 0 V d / qH1 2 ) <n3 <n1 <n2 equation (1)
前記第2実効濃度は、前記第1実効濃度の5倍以上20倍以下である請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。 The silicon carbide semiconductor device according to any one of claims 1 to 4, wherein the second effective concentration is 5 times or more and 20 times or less the first effective concentration. 前記電界緩和領域の上端面は、前記ゲートトレンチの前記底面を含む請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。 The silicon carbide semiconductor device according to any one of claims 1 to 5, wherein the upper end surface of the electric field relaxation region includes the bottom surface of the gate trench. 前記ゲートトレンチの前記側面は、{0−33−8}面を含む請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。 The silicon carbide semiconductor device according to any one of claims 1 to 6, wherein the side surface of the gate trench includes a {0-33-8} surface.
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