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JP3931805B2 - Silicon carbide semiconductor device - Google Patents
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JP3931805B2 JP2002362579A JP2002362579A JP3931805B2 JP 3931805 B2 JP3931805 B2 JP 3931805B2 JP 2002362579 A JP2002362579 A JP 2002362579A JP 2002362579 A JP2002362579 A JP 2002362579A JP 3931805 B2 JP3931805 B2 JP 3931805B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化珪素半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
炭化珪素(SiC)は、バンドギャップが広く、最大絶縁破壊電界がシリコンと比較して一桁も大きい半導体材料である。なお、炭化珪素の自然酸化物はSiOであり、シリコン表面へ熱酸化膜を作る方法と同様の方法を用いて、容易に炭化珪素の表面上に熱酸化膜を形成できる。このような観点から、炭化珪素は、電気自動車の高速/高電圧スイッチング素子、特に高電力ユニ/バイポーラ素子として用いた際に非常に優れた材料となることが期待される。従来の炭化珪素プレーナ型MOSFETとしては図4の概略断面図に示されるものが知られている(例えば、特許文献1参照。)。
【0003】
図4に示すように、この炭化珪素プレーナ型MOSFET100においては、高濃度n型の炭化珪素基板101上にn型の炭化珪素エピタキシャル層102が形成されている。そして、エピタキシャル層102の表層部における所定領域には、p型のベース領域103a、103bおよびn型のソース領域104a、104bが形成されている。なお、p型のベース領域103a、103bの表層部は、デバイス動作時にチャネル領域105a、105bとして機能する。また、n型の炭化珪素エピタキシャル層102の上には、ゲート絶縁膜106を介してポリシリコンゲート107が配置されている。このポリシリコンゲート107は、絶縁膜109で覆われている。そして、n型のソース領域104a、104bには、ソース電極110a、110bが接するように形成されている。また、ポリシリコンゲート107には、ゲート電極108が接するように形成されている。さらに、n型の炭化珪素基板101の裏面には、ドレイン電極111が形成されている。なお、p型のベース領域103a、103bは、図示されないところでソース電極110a、110bと同電位となるように接続されている。
【0004】
次に、このような構成のプレーナ型MOSFET100の動作を説明する。まず、ソース電極110a、110bが接地し、ドレイン電極111に正の電圧が印加された状態で、ゲート電極108に正の電圧が印加されると、ポリシリコンゲート107に対向したp型のベース領域103a、103bの表層部のチャネル領域105a、105bに反転型チャネルが形成され、ソース電極110a、110bからドレイン電極111へと電子を流すことが可能となる。また、この状態で、ゲート電極108に印加している電圧をゼロにすると、ソース電極110a、110bとドレイン電極111は電気的に絶縁され、遮断状態となる。このように、ゲート電極108への正の電圧の印加の有無に応じて、ソース電極110a、110bとドレイン電極111との間が電気的に導通状態と遮断状態とに切り替わるようになっている。
【0005】
【特許文献1】
特開平10−233503号公報 (第1頁、図1)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図4に示したような炭化珪素プレーナ型MOSFET100では、炭化珪素エピタキシャル層102の所定の位置に、炭化珪素エピタキシャル層102と異なる導電型、あるいは異なる不純物濃度の領域を持つ構造であるため、製造時に炭化珪素エピタキシャル層102への局所的不純物ドーピングが必要になる。このような局所的不純物ドーピングには、主にイオン注入法が用いられる。イオン注入法で不純物ドーピングを行った場合、炭化珪素エピタキシャル層102内の結晶にダメージが生じる。特に、結晶構造の回復が困難な炭化珪素では、炭化珪素基板を高温に加熱しながら注入を行う高温イオン注入が必要になる。また、ドーピングした不純物の活性化には1500℃前後の高温での熱処理(活性化アニール)を要する。この高温の熱処理では、炭化珪素エピタキシャル層102の表面が劣化するとう問題点があり、素子特性に悪影響が及ぶ。具体的には、チャネル移動度の低下やゲート絶縁膜106の信頼性の低下を招く。このような高温熱プロセスは炭化珪素特有のものであり、前述の弊害に加えて、プロセスが複雑になるという問題があった。ここでは、従来例としてMOSFETを用いて説明しているが、接合型FETやバイポーラトランジスタなどの素子も、炭化珪素エピタキシャル層102の所定の位置に局所的に炭化珪素エピタキシャル層102と異なる導電型、あるいは異なる不純物濃度の領域を持つ構造であるため、上記の問題は避けられない。
【0007】
また、ゲート絶縁膜106は主に熱酸化によりSiOで形成されているが、ドレイン電極111に高電圧が印加されて、炭化珪素エピタキシャル層102に高電界が広がると、ゲート絶縁膜106は炭化珪素エピタキシャル層102に接しているため、炭化珪素エピタキシャル層102が臨界電界に達する前に、ゲート絶縁膜106が絶縁破壊電界に達する場合があった。このことから、ゲート絶縁膜106の絶縁破壊電圧で素子の耐圧が制限されてしまい、素子耐圧を向上するにも限界があった。
【0008】
本発明は、上記のような従来技術の問題を解決するためになされたものであり、簡便なプロセスで製造できる構造で、かつ高耐圧の炭化珪素半導体装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の特徴は、第1導電型で且つ高不純物濃度の炭化珪素基板の第1主面側に第1導電型の炭化珪素エピタキシャル層が形成されてなる炭化珪素基体と、前記炭化珪素基体の第1主面側に形成された、炭化珪素とバンドギャップの異なる半導体からなるソース領域と、前記ソース領域に接するように、第2導電型の半導体でなるゲート領域と、前記ソース領域に接するように形成されたソース電極と、前記ゲート領域に接するように形成されたゲート電極と、前記炭化珪素基体の第2主面側に形成されたドレイン電極と、を備えることを要旨とする。
【0010】
【発明の効果】
本発明によれば、炭化珪素エピタキシャル層中に局所的なドーピング領域を持たない構造であるため、高温イオン注入や、それに伴う高温熱処理などの炭化珪素特有のプロセスが不要であり、炭化珪素エピタキシャル層の表面が劣化することがなく、簡便に良好なスイッチング素子を実現できる。
【0011】
また、本発明に係る炭化珪素半導体装置おいて、ソース電極を接地し、ドレイン電極に高電圧を印加し、ゲート電極をソース電極と同電位にして、遮断状態とした場合、ソース領域と炭化珪素エピタキシャル層との界面(以下、ヘテロ接合界面と記す。)のソース領域側に蓄積した電子が電界をシールドするため、ソース領域には電界が及ばない。したがって、本発明によれば、炭化珪素半導体装置の耐圧を高くすることができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る炭化珪素半導体装置の詳細を図面に示す実施の形態に基づいて説明する。但し、図面は模式的なものであり、各層の厚みや厚みの比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。
【0013】
(第1の実施の形態)
本発明に係る炭化珪素半導体装置の第1の実施の形態を図1に基づいて説明する。図1は、第1の実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の断面図である。
【0014】
本実施の形態の炭化珪素半導体装置10Aは、高不純物濃度の第1導電型としてのn型の炭化珪素基板11の第1主面側にn型の炭化珪素エピタキシャル層12が形成されてなる炭化珪素基体13と、この炭化珪素基体13上面側(第1主面側)に形成された、n型のポリシリコンからなるソース領域14と、このソース領域14に接するように、第2導電型としてのp型のポリシリコンからなるゲート領域15と、ソース領域14に接するように形成されたソース電極16と、ゲート領域15に接するように形成されたゲート電極17と、炭化珪素基体13の下面側(第2主面側)に形成されたドレイン電極18とで大略構成されている。
【0015】
ゲート領域15と炭化珪素エピタキシャル層12とは、n型のソース領域14と層間絶縁膜19Aにて電気的に絶縁されている。また、ソース電極16と接するソース領域14は、オーミック接触を得るべくn型のソースコンタクト領域14Aとなっている。このソースコンタクト領域14Aは、炭化珪素エピタキシャル層12とは直接、接しないように層間絶縁膜19B上に形成されている。さらに、ソース電極16およびゲート電極17は、絶縁膜20に形成されたコンタクトホール20A、20Bを介して、ソースコンタクト領域14Aやゲート領域15に接続されている。
【0016】
なお、本実施の形態においては、ゲート領域15と炭化珪素エピタキシャル層12とが電気的に絶縁されている構造になっているが、ゲート領域15と炭化珪素エピタキシャル層12が接する構造としても構わない。
【0017】
次に、本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置10Aの具体的な動作について説明する。
【0018】
まず、ソース電極16、ドレイン電極18およびゲート電極17のいずれにも電圧を印加しない状態、すなわち熱平衡状態における、ヘテロ接合界面(炭化珪素エピタキシャル層とポリシリコンとの接合界面)におけるバンド構造は図2(a)のようになっている。
【0019】
次に、ソース電極16を接地し、ドレイン電極18に高電圧を印加し、ゲート電極17をソース電位と同電位、すなわち接地にした場合、ヘテロ接合界面におけるバンド構造は図2(b)のように変化する。この場合、ヘテロ接合界面に生じた障壁51により電子50は遮られ、遮断状態を保持する。また、ヘテロ接合界面のソース領域14側に蓄積された電子50によって電界がシールドされるため、ソース領域14側には電界が及ばず、炭化珪素エピタキシャル層12のみに高電圧が掛かることになる。そのため、ソース領域14の厚さが数十nmと薄い場合でも、遮断状態においてソース領域4は絶縁破壊を生じることなく、高い耐圧を保持することができる。なお、この耐圧は炭化珪素エピタキシャル層12とソース領域14、すなわちポリシリコンの不純物濃度とを制御することで所望の耐圧を得ることができる。
【0020】
次に、遮断状態から導通状態に転じるべく、ゲート電極17にソース電位より高い電圧を印加して、ゲート電極17からソース領域14へ、然るべき定電流を流した場合、図2(c)に示すようにゲート領域15から注入された正孔52が、ヘテロ接合界面のソース領域14側に蓄積された電子50と再結合し、消滅する。そのため、ヘテロ接合界面のソース領域14側に蓄積した電子50によってシールドされていた電界がソース領域14にも及ぶようになり、ソース領域14からドレイン電極18側へと電子50が流れて導通状態となる。
【0021】
その後、ゲート電極17をソース電位と同電位にし、ゲート領域15からソース領域14へと流していた定電流をゼロにすると、ゲート領域15からソース領域14への正孔52の注入がなくなるため、再び電子50がヘテロ接合界面のソース領域14側に蓄積される。蓄積した電子50はソース領域14に掛かっていた電界をシールドするため、ソース領域14には電界が及ばなくなり、遮断状態になる。
【0022】
上記の説明にもあるように、本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置10Aのスイッチング動作において、ゲート領域15からの正孔52注入は、ヘテロ接合界面のソース領域14側に蓄積した電子50による電界シールド効果を低減させることが目的である。したがって、オン状態でヘテロ接合界面における電荷のやり取りは電子のみであり、本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置10Aは多数キャリアデバイスとして取り扱うことができる。
【0023】
また、本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置10Aでは、図1に示すように、ソース電極16と接するソースコンタクト領域14Aの導電型はn型になっており、ソース電極16とソースコンタクト領域14Aとの接触はオーミック接触になっており、接触抵抗が低くなっている。このため、本実施の形態の炭化珪素半導体装置10Aでは、オン抵抗をより下げることができる。
【0024】
さらに、本実施例の形態の炭化珪素半導体装置10Aでは、図1に示すように、ゲート領域15の導電型はp型になっているため、ゲート領域15からの正孔52の注入効率が良くなり、ヘテロ接合界面のソース領域14側に蓄積した電子50と効率良く再結合し、より導通状態になり易くなる。すなわち、より低いゲート駆動電力で導通状態にすることができる。
【0025】
また、本実施の形態における炭化珪素半導体装置10Aの構造は、図1に示すように、炭化珪素エピタキシャル層12中に局所的なドーピング領域を持たない構造であるため、高温イオン注入や、それに伴う高温熱処理などの炭化珪素特有のプロセスが不要であり、炭化珪素エピタキシャル層12の表面を劣化させることなく、簡便なプロセスで高耐圧なスイッチング素子を実現できる。
【0026】
さらに、本実施の形態の炭化珪素半導体装置10Aでは、炭化珪素とバンドギャップの異なる半導体としてポリシリコンを用いているため、半導体層の伝導度制御やエッチングを容易に行うことができ、プロセスをより簡便にすることができる。
【0027】
(第2の実施の形態)
次に、本発明に係る炭化珪素半導体装置の第2の実施の形態を図3に基づいて説明する。なお、図3は、第2の実施の形態に係る炭化珪素半導体装置10Bの断面図を示している。なお、本実施の形態の炭化珪素半導体装置10Bにおいて、上記した第1の実施の形態に係る炭化珪素半導体装置10Aと同一部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
【0028】
本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置10Bは、炭化珪素エピタキシャル層12の第1主面側より所定深さの電界緩和層21が形成されている。この電界緩和層21は、炭化珪素エピタキシャル層12の第1主面側における、ゲート領域15および層間絶縁膜19Aの下方と、ソースコンタクト領域14Aおよび層間絶縁膜19Bの下方に形成されている。この電界緩和層21は、導電型がp型となるように炭化珪素エピタキシャル層12の主面側に局所的な不純物ドーピングを行うことにより形成されている。本実施の形態における他の構成は、上記した第1の実施の形態に係る炭化珪素半導体装置10Aの構成と同様である。
【0029】
この第2の実施の形態に係る炭化珪素半導体装置10Bは、上記した第1の実施の形態に係る炭化珪素半導体装置10Aの動作に加えて、ソース電極16を接地し、ドレイン電極18に高電圧を印加し、ゲート電極17をソース電位と同電位とした場合、ソース電極16と同電位に固定された電界緩和層21と炭化珪素エピタキシャル層12との間にも逆バイアスが印加され、その接合界面から空乏層が伸び、ヘテロ接合界面に掛かる電界を緩和するため、遮断状態を実現することが容易となる。つまり、炭化珪素半導体装置10Bにおいて、オフ特性を向上することができる。なお、電界緩和層21は、誘電体による埋め込み層、或いはp型の炭化珪素層のいずれでも良い。
【0030】
ここで、図3に示すように、電界緩和層21をp型の炭化珪素層で形成した場合、上記したように局所的不純物ドーピング(高温イオン注入など)を用いることが必要になり、それに伴う炭化珪素エピタキシャル層12表面の劣化が懸念されるが、層間絶縁膜19a、19bは電界緩和層21上に形成されており、炭化珪素エピタキシャル層12には接していない。したがって、本実施の形態では、ソース電極16を接地し、ドレイン電極18に高電圧を印加し、ゲート電極17をソース電位と同電位とした場合においても、層間絶縁膜19A、19Bが絶縁破壊することはない。
【0031】
また、第2の実施の形態に係る炭化珪素半導体装置10Bは、従来の炭化珪素プレーナ型MOSFETのようにチャネル領域を炭化珪素エピタキシャル層12中に持たない構造であるため、仮に高温熱プロセスにおいて、炭化珪素エピタキシャル層12の表面が劣化したとしても、チャネル移動度の低下という問題は発生しないという利点がある。
【0032】
(その他の実施の形態)
以上、本発明の実施の形態について説明したが、上記した実施の形態の開示の一部をなす論述および図面がこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
【0033】
例えば、上記した第1および第2の実施の形態では、ソース領域となる半導体層をポリシリコンで形成したが、炭化珪素よりバンドギャップの狭い半導体材料であれば、これに限定されるものではない。
【0034】
また、上記した第1および第2の実施の形態においては、第1導電型をn型としているが、p型にした場合でも同様の効果が得られる。そして、ソース領域をn型、ゲート領域をp型として説明しているが、ソース領域をn型、ゲート領域をn型としてもよい。
【0035】
さらに、本発明の主旨を逸脱しない範囲での変形を含むことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る炭化珪素半導体装置の第1の実施の形態を示す断面図である。
【図2】(a)〜(c)はポリシリコンと炭化珪素とのヘテロ接合界面におけるバンド構造を示す図である。
【図3】本発明に係る炭化珪素半導体装置の第2の実施の形態を示す断面図である。
【図4】従来の炭化珪素プレーナ型MOSFETを示す断面図である。
【符号の説明】
10A、10B 炭化珪素半導体装置
11 炭化珪素基板
12 炭化珪素エピタキシャル層
13 炭化珪素基体
14 ソース領域
14A ソースコンタクト領域
15 ゲート領域
16 ソース電極
17 ゲート電極
18 ドレイン電極
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a silicon carbide semiconductor device.
[0002]
[Prior art]
Silicon carbide (SiC) is a semiconductor material having a wide band gap and a maximum dielectric breakdown electric field that is an order of magnitude greater than that of silicon. The natural oxide of silicon carbide is SiO 2 , and a thermal oxide film can be easily formed on the surface of silicon carbide using a method similar to the method of forming a thermal oxide film on the silicon surface. From this point of view, silicon carbide is expected to be a very excellent material when used as a high-speed / high-voltage switching element of an electric vehicle, particularly as a high-power uni / bipolar element. As a conventional silicon carbide planar MOSFET, one shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 4 is known (for example, see Patent Document 1).
[0003]
As shown in FIG. 4, in silicon carbide planar MOSFET 100, n type silicon carbide epitaxial layer 102 is formed on high concentration n + type silicon carbide substrate 101. Then, p-type base regions 103 a and 103 b and n + -type source regions 104 a and 104 b are formed in predetermined regions in the surface layer portion of the epitaxial layer 102. Note that the surface layer portions of the p-type base regions 103a and 103b function as channel regions 105a and 105b during device operation. A polysilicon gate 107 is arranged on n type silicon carbide epitaxial layer 102 with a gate insulating film 106 interposed therebetween. The polysilicon gate 107 is covered with an insulating film 109. The source electrodes 110a and 110b are formed in contact with the n + type source regions 104a and 104b. In addition, the gate electrode 108 is formed in contact with the polysilicon gate 107. Further, a drain electrode 111 is formed on the back surface of the n + -type silicon carbide substrate 101. Note that the p-type base regions 103a and 103b are connected so as to have the same potential as the source electrodes 110a and 110b, not shown.
[0004]
Next, the operation of the planar MOSFET 100 having such a configuration will be described. First, when a positive voltage is applied to the gate electrode 108 with the source electrodes 110 a and 110 b grounded and a positive voltage applied to the drain electrode 111, a p-type base region facing the polysilicon gate 107. Inverted channels are formed in the channel regions 105 a and 105 b in the surface layer portions 103 a and 103 b, and electrons can flow from the source electrodes 110 a and 110 b to the drain electrode 111. In this state, when the voltage applied to the gate electrode 108 is set to zero, the source electrodes 110a and 110b and the drain electrode 111 are electrically insulated and are cut off. As described above, the source electrodes 110a and 110b and the drain electrode 111 are electrically switched between a conductive state and a cut-off state depending on whether or not a positive voltage is applied to the gate electrode 108.
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-10-233503 (first page, FIG. 1)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, silicon carbide planar MOSFET 100 as shown in FIG. 4 has a structure having a conductivity type different from that of silicon carbide epitaxial layer 102 or a region having a different impurity concentration at a predetermined position of silicon carbide epitaxial layer 102. Local impurity doping into silicon carbide epitaxial layer 102 is required during manufacturing. For such local impurity doping, an ion implantation method is mainly used. When impurity doping is performed by the ion implantation method, the crystal in the silicon carbide epitaxial layer 102 is damaged. In particular, silicon carbide, whose crystal structure is difficult to recover, requires high-temperature ion implantation in which implantation is performed while heating the silicon carbide substrate to a high temperature. In addition, activation of the doped impurities requires heat treatment (activation annealing) at a high temperature around 1500 ° C. This high-temperature heat treatment has a problem that the surface of the silicon carbide epitaxial layer 102 is deteriorated, which adversely affects device characteristics. Specifically, channel mobility and reliability of the gate insulating film 106 are decreased. Such a high-temperature heat process is unique to silicon carbide, and has a problem that the process becomes complicated in addition to the above-described adverse effects. Here, a MOSFET is used as a conventional example, but an element such as a junction FET or a bipolar transistor is also locally different in conductivity type from silicon carbide epitaxial layer 102 at a predetermined position of silicon carbide epitaxial layer 102. Alternatively, since the structure has regions with different impurity concentrations, the above problem is unavoidable.
[0007]
Further, although the gate insulating film 106 is mainly formed of SiO 2 by thermal oxidation, when a high voltage is applied to the drain electrode 111 and a high electric field spreads in the silicon carbide epitaxial layer 102, the gate insulating film 106 is carbonized. Since it is in contact with silicon epitaxial layer 102, gate insulating film 106 may reach a breakdown electric field before silicon carbide epitaxial layer 102 reaches a critical electric field. Therefore, the breakdown voltage of the element is limited by the dielectric breakdown voltage of the gate insulating film 106, and there is a limit to improving the breakdown voltage of the element.
[0008]
The present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a silicon carbide semiconductor device having a high breakdown voltage and a structure that can be manufactured by a simple process.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is characterized in that a silicon carbide substrate in which a silicon carbide epitaxial layer of a first conductivity type is formed on the first main surface side of a silicon carbide substrate having a first conductivity type and a high impurity concentration, A source region made of a semiconductor having a band gap different from that of silicon carbide formed on the first main surface side, a gate region made of a second conductivity type semiconductor so as to be in contact with the source region, and in contact with the source region And a drain electrode formed on the second main surface side of the silicon carbide substrate. The source electrode is formed on the second main surface side of the silicon carbide substrate.
[0010]
【The invention's effect】
According to the present invention, since the silicon carbide epitaxial layer does not have a local doping region, a process specific to silicon carbide such as high-temperature ion implantation and high-temperature heat treatment associated therewith is unnecessary, and the silicon carbide epitaxial layer Therefore, a good switching element can be realized easily.
[0011]
Further, in the silicon carbide semiconductor device according to the present invention, when the source electrode is grounded, a high voltage is applied to the drain electrode, and the gate electrode is set to the same potential as the source electrode so as to be cut off, the source region and the silicon carbide Since electrons accumulated on the source region side of the interface with the epitaxial layer (hereinafter referred to as a heterojunction interface) shield the electric field, the electric field does not reach the source region. Therefore, according to the present invention, the breakdown voltage of the silicon carbide semiconductor device can be increased.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, details of a silicon carbide semiconductor device according to the present invention will be described based on embodiments shown in the drawings. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the thicknesses and ratios of the layers are different from actual ones. Moreover, the part from which the relationship and ratio of a mutual dimension differ also in between drawings is contained.
[0013]
(First embodiment)
A silicon carbide semiconductor device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view of the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment.
[0014]
In silicon carbide semiconductor device 10A of the present embodiment, n type silicon carbide epitaxial layer 12 is formed on the first main surface side of n + type silicon carbide substrate 11 as the first conductivity type having a high impurity concentration. A silicon carbide substrate 13, a source region 14 made of n -type polysilicon formed on the upper surface side (first main surface side) of the silicon carbide substrate 13, and a second region so as to be in contact with the source region 14. A gate region 15 made of p + type polysilicon as a conductivity type, a source electrode 16 formed in contact with the source region 14, a gate electrode 17 formed in contact with the gate region 15, and a silicon carbide substrate 13 and the drain electrode 18 formed on the lower surface side (second main surface side).
[0015]
Gate region 15 and silicon carbide epitaxial layer 12 are electrically insulated by n -type source region 14 and interlayer insulating film 19A. The source region 14 in contact with the source electrode 16 is an n + type source contact region 14A so as to obtain ohmic contact. Source contact region 14A is formed on interlayer insulating film 19B so as not to be in direct contact with silicon carbide epitaxial layer 12. Further, the source electrode 16 and the gate electrode 17 are connected to the source contact region 14 </ b> A and the gate region 15 through contact holes 20 </ b> A and 20 </ b> B formed in the insulating film 20.
[0016]
In the present embodiment, gate region 15 and silicon carbide epitaxial layer 12 are electrically insulated from each other. However, gate region 15 and silicon carbide epitaxial layer 12 may be in contact with each other. .
[0017]
Next, a specific operation of silicon carbide semiconductor device 10A according to the present embodiment will be described.
[0018]
First, the band structure at the heterojunction interface (junction interface between the silicon carbide epitaxial layer and polysilicon) in a state where no voltage is applied to any of the source electrode 16, the drain electrode 18 and the gate electrode 17, that is, in a thermal equilibrium state is shown in FIG. It is as shown in (a).
[0019]
Next, when the source electrode 16 is grounded, a high voltage is applied to the drain electrode 18, and the gate electrode 17 is set to the same potential as the source potential, that is, grounded, the band structure at the heterojunction interface is as shown in FIG. To change. In this case, the electrons 50 are blocked by the barrier 51 generated at the heterojunction interface, and the blocked state is maintained. In addition, since the electric field is shielded by electrons 50 accumulated on the source region 14 side of the heterojunction interface, the electric field does not reach the source region 14 side, and a high voltage is applied only to the silicon carbide epitaxial layer 12. Therefore, even when the thickness of the source region 14 is as thin as several tens of nm, the source region 4 can maintain a high breakdown voltage without causing dielectric breakdown in the cutoff state. The breakdown voltage can be obtained by controlling the silicon carbide epitaxial layer 12 and the source region 14, that is, the impurity concentration of polysilicon.
[0020]
Next, when a voltage higher than the source potential is applied to the gate electrode 17 in order to shift from the cutoff state to the conductive state, an appropriate constant current flows from the gate electrode 17 to the source region 14, as shown in FIG. Thus, the holes 52 injected from the gate region 15 recombine with the electrons 50 accumulated on the source region 14 side of the heterojunction interface and disappear. For this reason, the electric field shielded by the electrons 50 accumulated on the source region 14 side of the heterojunction interface reaches the source region 14, and the electrons 50 flow from the source region 14 to the drain electrode 18 side and become conductive. Become.
[0021]
Thereafter, when the gate electrode 17 is set to the same potential as the source potential and the constant current flowing from the gate region 15 to the source region 14 is zero, the injection of the holes 52 from the gate region 15 to the source region 14 is eliminated. The electrons 50 are accumulated again on the source region 14 side of the heterojunction interface. Since the accumulated electrons 50 shield the electric field applied to the source region 14, the electric field does not reach the source region 14, and a cut-off state is established.
[0022]
As described above, in the switching operation of silicon carbide semiconductor device 10A according to the present embodiment, hole 52 injection from gate region 15 is caused by electrons 50 accumulated on the source region 14 side of the heterojunction interface. The purpose is to reduce the electric field shielding effect. Therefore, the exchange of electric charges at the heterojunction interface in the on state is only electrons, and silicon carbide semiconductor device 10A according to the present embodiment can be handled as a majority carrier device.
[0023]
In silicon carbide semiconductor device 10A according to the present embodiment, as shown in FIG. 1, the conductivity type of source contact region 14A in contact with source electrode 16 is an n + type, and source electrode 16 and source contact region The contact with 14A is an ohmic contact, and the contact resistance is low. For this reason, in silicon carbide semiconductor device 10A of the present embodiment, the on-resistance can be further reduced.
[0024]
Furthermore, in silicon carbide semiconductor device 10A of the present embodiment, as shown in FIG. 1, since the conductivity type of gate region 15 is p + type, the injection efficiency of holes 52 from gate region 15 is high. As a result, the electrons 50 accumulated on the source region 14 side of the heterojunction interface are efficiently recombined and become more conductive. That is, the conductive state can be achieved with a lower gate driving power.
[0025]
Further, as shown in FIG. 1, silicon carbide semiconductor device 10A in the present embodiment has a structure that does not have a local doping region in silicon carbide epitaxial layer 12, and therefore, high-temperature ion implantation and the accompanying steps. A process peculiar to silicon carbide such as high-temperature heat treatment is not required, and a high breakdown voltage switching element can be realized by a simple process without deteriorating the surface of the silicon carbide epitaxial layer 12.
[0026]
Furthermore, in silicon carbide semiconductor device 10A of the present embodiment, since polysilicon is used as a semiconductor having a band gap different from that of silicon carbide, the conductivity control and etching of the semiconductor layer can be easily performed, and the process is further improved. It can be simplified.
[0027]
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the silicon carbide semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 shows a cross-sectional view of silicon carbide semiconductor device 10B according to the second embodiment. In silicon carbide semiconductor device 10B of the present embodiment, the same parts as those of silicon carbide semiconductor device 10A according to the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
[0028]
In silicon carbide semiconductor device 10B according to the present embodiment, electric field relaxation layer 21 having a predetermined depth is formed from the first main surface side of silicon carbide epitaxial layer 12. Electric field relaxation layer 21 is formed below gate region 15 and interlayer insulating film 19A and below source contact region 14A and interlayer insulating film 19B on the first main surface side of silicon carbide epitaxial layer 12. Electric field relaxation layer 21 is formed by locally doping impurities on the main surface side of silicon carbide epitaxial layer 12 so that the conductivity type is p-type. Other configurations in the present embodiment are the same as those of silicon carbide semiconductor device 10A according to the first embodiment described above.
[0029]
In addition to the operation of silicon carbide semiconductor device 10A according to the first embodiment described above, silicon carbide semiconductor device 10B according to the second embodiment grounds source electrode 16 and applies high voltage to drain electrode 18. When the gate electrode 17 is set to the same potential as the source potential, a reverse bias is also applied between the electric field relaxation layer 21 fixed to the same potential as the source electrode 16 and the silicon carbide epitaxial layer 12, and the junction Since the depletion layer extends from the interface and the electric field applied to the heterojunction interface is relaxed, it is easy to realize the cutoff state. That is, the off characteristics can be improved in silicon carbide semiconductor device 10B. The electric field relaxation layer 21 may be either a dielectric buried layer or a p type silicon carbide layer.
[0030]
Here, as shown in FIG. 3, when the electric field relaxation layer 21 is formed of a p type silicon carbide layer, it is necessary to use local impurity doping (such as high-temperature ion implantation) as described above. Although there is concern about the accompanying deterioration of the surface of silicon carbide epitaxial layer 12, interlayer insulating films 19 a and 19 b are formed on electric field relaxation layer 21 and are not in contact with silicon carbide epitaxial layer 12. Therefore, in this embodiment, even when the source electrode 16 is grounded, a high voltage is applied to the drain electrode 18, and the gate electrode 17 is set to the same potential as the source potential, the interlayer insulating films 19A and 19B break down. There is nothing.
[0031]
In addition, silicon carbide semiconductor device 10B according to the second embodiment has a structure in which channel region is not provided in silicon carbide epitaxial layer 12 as in a conventional silicon carbide planar MOSFET, and therefore, in a high temperature thermal process, Even if the surface of silicon carbide epitaxial layer 12 is deteriorated, there is an advantage that the problem of lowering channel mobility does not occur.
[0032]
(Other embodiments)
Although the embodiment of the present invention has been described above, it should not be understood that the description and drawings constituting a part of the disclosure of the above-described embodiment limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.
[0033]
For example, in the first and second embodiments described above, the semiconductor layer serving as the source region is formed of polysilicon. However, the semiconductor layer is not limited to this as long as the semiconductor material has a narrower band gap than silicon carbide. .
[0034]
In the first and second embodiments described above, the first conductivity type is n-type, but the same effect can be obtained even when the first conductivity type is p-type. Although the source region is described as n-type and the gate region as p-type, the source region may be n-type and the gate region may be n-type.
[0035]
Furthermore, it goes without saying that modifications are included within the scope not departing from the gist of the present invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross sectional view showing a first embodiment of a silicon carbide semiconductor device according to the invention.
FIGS. 2A to 2C are diagrams showing a band structure at a heterojunction interface between polysilicon and silicon carbide. FIGS.
FIG. 3 is a cross sectional view showing a second embodiment of the silicon carbide semiconductor device according to the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a conventional silicon carbide planar MOSFET.
[Explanation of symbols]
10A, 10B Silicon carbide semiconductor device 11 Silicon carbide substrate 12 Silicon carbide epitaxial layer 13 Silicon carbide substrate 14 Source region 14A Source contact region 15 Gate region 16 Source electrode 17 Gate electrode 18 Drain electrode

Claims (5)

第1導電型で且つ高不純物濃度の炭化珪素基板の第1主面側に第1導電型の炭化珪素エピタキシャル層が形成されてなる炭化珪素基体と、
前記炭化珪素基体の第1主面側に形成された、炭化珪素とバンドギャップの異なる半導体からなるソース領域と、
前記ソース領域に接するように、第2導電型の半導体でなるゲート領域と、
前記ソース領域に接するように形成されたソース電極と、
前記ゲート領域に接するように形成されたゲート電極と、
前記炭化珪素基体の第2主面側に形成されたドレイン電極と、
を備えることを特徴とする炭化珪素半導体装置。
A silicon carbide substrate in which a first conductivity type silicon carbide epitaxial layer is formed on the first main surface side of a silicon carbide substrate having a first conductivity type and a high impurity concentration;
A source region formed of a semiconductor having a different band gap from silicon carbide, formed on the first main surface side of the silicon carbide substrate;
A gate region made of a second conductivity type semiconductor so as to be in contact with the source region;
A source electrode formed in contact with the source region;
A gate electrode formed in contact with the gate region;
A drain electrode formed on the second main surface side of the silicon carbide substrate;
A silicon carbide semiconductor device comprising:
前記ソース領域の直下近傍において前記炭化珪素エピタキシャル層の第1主面側の所定の位置に電界緩和領域を有し、前記電界緩和領域の電位が前記ソース領域と同等の電位に設定されていることを特徴とする請求項1記載の炭化珪素半導体装置。An electric field relaxation region is provided at a predetermined position on the first main surface side of the silicon carbide epitaxial layer in the vicinity immediately below the source region, and the electric potential of the electric field relaxation region is set to the same potential as the source region. The silicon carbide semiconductor device according to claim 1. 前記ソース電極と接する前記ソース領域の不純物濃度は、この部分以外の前記ソース領域部分における不純物濃度よりも高く設定され、前記ソース電極が前記ソース領域にオーム性接触していることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載された炭化珪素半導体装置。The impurity concentration of the source region in contact with the source electrode is set to be higher than the impurity concentration in the source region portion other than this portion, and the source electrode is in ohmic contact with the source region. Item 3. A silicon carbide semiconductor device according to item 1 or item 2. 前記ゲート領域の不純物濃度は、前記炭化珪素エピタキシャル層と接している前記ソース領域の不純物濃度より高く設定されていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載された炭化珪素半導体装置。The impurity concentration in the gate region is set higher than the impurity concentration in the source region in contact with the silicon carbide epitaxial layer. Silicon carbide semiconductor device. 前記ソース領域は、単結晶シリコン、アモルファスシリコン、多結晶シリコンの少なくともいずれかでなることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載された炭化珪素半導体装置。5. The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the source region is made of at least one of single crystal silicon, amorphous silicon, and polycrystalline silicon.
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