JP4956771B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置に関する。 The present invention relates to semiconductor equipment.
従来の技術としては、下記特許文献1の「炭化珪素半導体装置」に記載される
ヘテロ界面を利用した電界効果型トランジスタがある。
この従来例においては、ゲート電極に印加する電圧により、ヘテロ界面での障
壁厚さを制御し、素子オン時にはトンネル電流によりキャリアを通過させるもの
である。この素子では、MOSFETのようなチャネル領域が存在せず、高いチ
ャネル抵抗の影響を受けにくいデバイス構造を有することが特徴となっており、
高耐圧で低オン抵抗のパワー半導体スイッチを提供するものである。
As a conventional technique, there is a field effect transistor using a heterointerface described in “Silicon carbide semiconductor device” of
In this conventional example, the barrier thickness at the heterointerface is controlled by a voltage applied to the gate electrode, and carriers are passed by a tunnel current when the element is on. This element does not have a channel region like a MOSFET and has a device structure that is not easily affected by high channel resistance.
A power semiconductor switch having a high breakdown voltage and a low on-resistance is provided.
上記従来技術において、より高耐圧の逆方向特性を得るためには、多結晶Si層の不純物をP+型とすることが考えられる。なお、オン抵抗を低い状態に保つためには、ゲート絶縁膜の界面付近の多結晶Si層をN+型とし、さらにソース電極と低抵抗で接続するために多結晶Si層の表面部にN+型のソース引き出し領域を形成する必要があった。このような構造を形成しようとする場合、多結晶Si層に導電型の異なる領域を形成する必要があるが、厚みの限られた膜中に深さ方向に不純物分布を持たせることは非常に困難であり、このため、ヘテロ界面を利用した電界効果型トランジスタの低オン抵抗化と高耐圧化の両立が不可能であった。本発明の目的は、ヘテロ界面を利用した電界効果型トランジスタの低オン抵抗化と高耐圧化の両立を可能にする半導体装置を提供することにある。 In the above-described prior art, in order to obtain reverse characteristics with higher breakdown voltage, it is conceivable that the impurity of the polycrystalline Si layer is of P + type. In order to keep the on-resistance in a low state, the polycrystalline Si layer near the interface of the gate insulating film is made N + type, and in order to connect with the source electrode with low resistance, the surface of the polycrystalline Si layer has N It was necessary to form a + type source lead region. When trying to form such a structure, it is necessary to form regions of different conductivity types in the polycrystalline Si layer. However, it is very difficult to have an impurity distribution in the depth direction in a film with a limited thickness. For this reason, it has been impossible to achieve both low on-resistance and high breakdown voltage in a field effect transistor utilizing a heterointerface. An object of the present invention is to provide a semiconductor equipment which enables both low on-resistance and breakdown voltage of the field-effect transistor using a hetero-interface.
上記課題を解決するために、本発明は、第一導電型の半導体基体と、半導体基体の一主面に接して形成され、半導体基体とはバンドギャップが異なる第一導電型のヘテロ半導体領域及び第二導電型のヘテロ半導体領域と、この第一導電型のヘテロ半導体領域と半導体基体との接合部に隣り合う部分にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、第一導電型のヘテロ半導体領域及び第二導電型のヘテロ半導体領域と接続されたソース電極と、半導体基体とオーミック接続されたドレイン電極とを有する半導体装置において、第二導電型のヘテロ半導体領域の上に第一導電型のヘテロ半導体領域の一部が重畳し、第一導電型のヘテロ半導体領域は、ソース電極と半導体基体とに接続していることを要旨とする。 In order to solve the above problems, the present invention comprises a first conductivity type semiconductor substrate is formed by contact with one major surface of the semiconductor substrate, a hetero semiconductor region of the first conductivity type band gap different from the semiconductor body and a second conductivity type of the hetero semiconductor region, a gate electrode formed through a gate insulating film adjacent portion to the joint portion between the first conductivity type hetero semiconductor region and the semi-conductor substrate, a first conductivity type a source electrode connected to the hetero semiconductor region of the hetero semiconductor region and the second conductivity type, the semiconductor device which have a a semi conductor substrate and ohmic-connected drain electrodes, on the hetero semiconductor region of the second conductivity type A part of the first conductivity type hetero semiconductor region overlaps, and the first conductivity type hetero semiconductor region is connected to the source electrode and the semiconductor substrate.
本発明によれば、ヘテロ界面を利用した電界効果型トランジスタの低オン抵抗化と高耐圧化の両立を可能にする半導体装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor equipment which enables both low on-resistance and breakdown voltage of the field-effect transistor using a hetero-interface.
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下
で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説
明は省略する。
《第一の実施の形態》
本発明の第一の実施の形態について図1〜図7をもとに説明する。
〈半導体装置の構成〉
図1(a)は、本実施の形態における電界効果トランジスタのデバイス断面構
造を示す図である。
本図は単位セルを2個対向して並べた断面を示す。実際にはこれらのセルが複
数並列に接続されて素子を形成するが、これらの断面構造で代表して説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings described below, components having the same function are denoted by the same reference numerals, and repeated description thereof is omitted.
First embodiment
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
<Configuration of semiconductor device>
FIG. 1A is a diagram showing a device cross-sectional structure of the field effect transistor in the present embodiment.
This figure shows a cross section in which two unit cells are arranged facing each other. Actually, a plurality of these cells are connected in parallel to form an element, and these cross-sectional structures will be described as representative.
まず、半導体装置の構成について説明する。高濃度N(すなわち、N+)型SiC基板(基板領域)1の一主面上には、低濃度N(すなわち、N−)型SiCドレイン領域2が形成されている。このドレイン領域2は、SiC基板1上に成長させたエピタキシャル層により構成されている。SiCはいくつかのポリタイプ(結晶多形)が存在するが、ここでは代表的な4H−SiCとして説明する。なお、他の6H−SiC、3C−SiCであっても構わない。なお、図1では基板1とドレイン領域2の厚みの概念を省略している。実際には基板1は数100μmの厚みを持ち、ドレイン領域2の厚みは数μmから10数μm程度である。
First, the structure of the semiconductor device will be described. High concentration N (i.e., N +) type SiC substrate (substrate region) 1 of one main surface on a low concentration N (i.e., N -) type
N−型SiCドレイン領域2の一主面側には多結晶シリコンによるP+型である
第二ヘテロ半導体領域3が形成されている。SiCと多結晶シリコンはバンドギ
ャップが異なり、電子親和力も異なる。界面にはヘテロ接合が形成される。これ
が多結晶シリコンをヘテロ半導体領域とする所以である。また、N−型SiCド
レイン領域2とP+型の第二ヘテロ半導体領域3との接合部に隣接して、N+型の
第一へテロ半導体領域4が形成されている。
A P + -type second
この第一へテロ半導体領域4に接してゲート絶縁膜6を介してゲート電極7が
形成されている。P+型の第二ヘテロ半導体領域3は、P+型のコンタクト領域1
3を介してソース電極8に接続されている。また、N+型の第一へテロ半導体領
域4は、同じくN+型のソース引き出し領域14を介してソース電極8と電気的
に低抵抗で接続されている。基板1の裏面には、ドレイン電極10が電気的に低
抵抗でオーミック接続されている。ゲート電極7は、層間絶縁膜9によりソース
電極8とは絶縁分離されている。15は層間絶縁膜9に設けられたコンタクトホ
ールである。
A
3 to the
図1(b)には、積層された多結晶Siから成るヘテロ半導体領域を拡大して示している。1層目の多結晶Si層11の上に、2層目の多結晶Si層12が形成されている。ここで1層目の多結晶Si層11は、P+型の第二ヘテロ半導体領域3とN+型の第一へテロ半導体領域4とからなっている。2層目の多結晶Si層12は、P+型のコンタクト領域13とN+型のソース引き出し領域14とからなっている。本実施の形態における構造上の特徴は、このようにヘテロ半導体領域が積層された多結晶Si層から成ることにある。
FIG. 1 (b), an enlarged view of the stacked hetero semiconductor region of polycrystalline Si was. A second
基本的なオン/オフの動作については従来例と同様であるが、本実施の形態に
おいては、主たるヘテロ接合、言い換えれば大部分のヘテロ接合がP+型多結晶
Siによるものであるため、界面における障壁高さが大きい。そのため、逆方向
特性において高耐圧が得られると同時にゲート電極7からの電界により電流を駆
動する領域がN+型多結晶SiとN−型SiCのヘテロ接合であるために、オン抵
抗を小さくできるものとなる。
The basic on / off operation is the same as that of the conventional example, but in this embodiment, the main heterojunction, in other words, most of the heterojunction is made of P + type polycrystalline Si. The barrier height is large. Therefore, a high breakdown voltage can be obtained in the reverse characteristics, and at the same time, the region where the current is driven by the electric field from the
〈半導体装置の製造方法〉
以下、図2(a)〜図4(j)を用いて、本実施の形態における電界効果型トランジスタの製造方法を説明する。図1(a)では、高濃度N(N+)型SiC基板1の一主面上にエピタキシャル成長させた低濃度N(N−)型SiCドレイン領域2を形成する。
<Method for Manufacturing Semiconductor Device>
Hereinafter, the manufacturing method of the field effect transistor according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. Forming a type
図2(b)では、ドレイン領域2の表面が前処理等により清浄化された後、1
層目の多結晶シリコン層11が堆積される。ここで多結晶シリコン層11(図1
のヘテロ半導体領域3参照)は、P+型となるようイオン注入等の手段を使って
不純物が導入される。不純物種としては例えば硼素(B)等が好適である。気相
拡散等の手段を用いても構わない。
In FIG. 2B, after the surface of the
A first
In the hetero semiconductor region 3), impurities are introduced by means of ion implantation or the like so as to be P + type. As the impurity species, for example, boron (B) is suitable. Means such as vapor phase diffusion may be used.
図2(c)では、さらにその上に2層目の多結晶シリコン層12が積層される。
ここでは2層目の多結晶シリコン層12にもP+型となるようイオン注入等の手
段を使って不純物が導入される。図では多結晶シリコン層12は全面に渡りP+
型としているが、所望の領域に選択的にパターニングして不純物を導入しても構
わない。
In FIG. 2C, a second
Here, impurities are also introduced into the second
Although a mold is used, impurities may be introduced by selectively patterning a desired region.
図3(d)では、2層目の多結晶Si層12の表面から、所望の位置にフォト
リソグラフィー等を用いて選択的にN+型となる不純物がイオン注入等を用いて
導入され、図1のN+型ソース引き出し領域14を形成するためのN+型不純物領
域31が形成される。不純物種としては例えば砒素(As)等が好適である。
In FIG. 3D, an N + -type impurity is selectively introduced from the surface of the second
ここで構造上注目すべきは、導入した不純物であるAsの拡散が抑えられ、1
層目の多結晶Si層11の底部ではP+型領域が残っていることである。この深
さ方向の不純物分布について一旦、プロセスフローの説明から離れ、図5〜図7
をもとに説明する。
Here, it should be noted from the structure that diffusion of As, which is an introduced impurity, is suppressed.
That is, the P + -type region remains at the bottom of the
It explains based on.
まず、本発明者らが鋭意実験を行った結果の一例を図5で説明する。図5にお
いては、横軸が多結晶Si層の深さ方向の距離を表し、縦軸がAsの不純物量を
示す。例えば厚み1μmの多結晶Si層を2層積層した場合の、2次イオン質量
分析法(SIMS)による分析結果である。
図には予めBを各層に導入してP+型としてからAsを表面よりイオン注入し
た場合を“(1)バックグランドはB+ドープ”として記載している。何もドー
プしていない状態からAsをイオン注入した場合を“(2)バックグランドはノ
ンドープ”として記載している。また、熱処理としては電界効果トランジスタの
トータルプロセスを鑑み、N2雰囲気による950℃、20分のアニールを2回
実施し、その後、1000℃で1分のRTA(Rapid Thermal Anneal)を1回実
施した後のものである。
同図から明らかなように、多結晶Siを積層構造とすることで界面にAsが溜
まっていることが判る。また、(1)バックグランドはB+ドープとした場合に
は、As分布が浅く表面濃度が高くなっている。本発明では、ヘテロ接合を利用
した電界効果型トランジスタの構造へこの現象を応用する。
First, an example of the results of intensive experiments by the inventors will be described with reference to FIG. In FIG. 5, the horizontal axis represents the distance in the depth direction of the polycrystalline Si layer, and the vertical axis represents the amount of As impurities. For example, it is an analysis result by secondary ion mass spectrometry (SIMS) when two polycrystalline Si layers having a thickness of 1 μm are stacked.
In the figure, the case where B is introduced into each layer in advance to form P + type and then As is ion-implanted from the surface is described as “(1) Background is B + doped”. The case where As is ion-implanted from a state where nothing is doped is described as “(2) Background is non-doped”. In addition, in consideration of the total process of the field effect transistor, annealing was performed twice at 950 ° C. for 20 minutes in an N 2 atmosphere, and then RTA (Rapid Thermal Anneal) was performed once at 1000 ° C. for 1 minute. Later.
As can be seen from the figure, As is accumulated at the interface by forming the polycrystalline Si into a laminated structure. (1) When the background is B + doped, the As distribution is shallow and the surface concentration is high. In the present invention, this phenomenon is applied to the structure of a field effect transistor using a heterojunction.
図6において、そのコンセプトを説明する。横軸が多結晶Si層の深さ方向の
距離を表し、縦軸がAsの不純物量を示す。破線で描かれたラインは、多結晶S
i層が積層構造でない場合のAs分布61であり、実線で描かれたラインは、多
結晶Siが積層構造となっている場合のAs分布62である。
多結晶Si層が積層構造でない場合のAs分布61は、表面濃度が他方より低
く、なおかつ多結晶Si層中でより深い位置まで分布する。それに対し、多結晶
Si層が積層構造となっている場合のAs分布62では、表面濃度が高く、浅い
分布となる。また、1層目と2層目の境界においてAsが溜まる。積層された多
結晶Si層の厚みをaとして、そのときのP+型不純物の濃度がbであったとす
ると、積層したことで、多結晶Si層とN−型SiCドレイン領域2とのヘテロ
界面がN+型にならずにP+型領域を残せるということが判る。
The concept will be described with reference to FIG. The horizontal axis represents the distance in the depth direction of the polycrystalline Si layer, and the vertical axis represents the amount of impurities of As. The line drawn with a broken line is polycrystalline S
The As
The As
図7は、積層された多結晶Si層において、As等の不純物が界面に溜まるメ
カニズムを説明したものである。1層目の多結晶Si層11の上に2層目の多結
晶Si層12が積層されている。ここで、1層目の多結晶Si層11の粒界部7
1に対して、2層目の多結晶Si層12の粒界部72は、形成箇所がずれている。
このように不純物の拡散速度が速い粒界部71、72がずれることで、Asが界
面に溜まるものと考えられる。
以上説明したように、多結晶Si層を積層することで、Asの深さ方向の拡散
を抑制し、最表面側にN+型領域、最底部にP+型領域を形成することが可能であ
る。
FIG. 7 illustrates a mechanism in which impurities such as As accumulate at the interface in the stacked polycrystalline Si layers. A second
1, the formation position of the
Thus, it is considered that As accumulates at the interface when the
As described above, by laminating the polycrystalline Si layer, it is possible to suppress diffusion of As in the depth direction, and to form an N + type region on the outermost surface side and a P + type region on the lowermost part. is there.
ここで引き続きプロセスフローの説明に戻る。
図3(e)では、ゲート電極7(図1参照)を形成する箇所において、積層さ
れた多結晶Si層がエッチングされる。エッチングされた多結晶Si層の窪みを
エッチング部32と呼ぶことにする。
Returning to the description of the process flow here.
In FIG. 3 (e), the stacked polycrystalline Si layer is etched at the location where the gate electrode 7 (see FIG. 1) is to be formed. The depression of the etched polycrystalline Si layer is referred to as an
図3(f)では、エッチングに用いたマスクをそのまま用い、斜め回転イオン
注入等により、エッチング部32の側面に砒素等の不純物が選択的に導入されて、
N+型の第一へテロ半導体領域4が形成される。または、デポ膜からの拡散によ
る不純物の導入を用いて形成しても構わない。もしくは別のフォトマスクを用い、
表面から不純物を導入しても構わない。その後、シリコン酸化膜からなるゲート
絶縁膜6が厚み数100〜数1000Å程度堆積される。
In FIG. 3F, the mask used for etching is used as it is, and impurities such as arsenic are selectively introduced into the side surface of the
An N + type first
Impurities may be introduced from the surface. Thereafter, a
図3(g)では、ゲート絶縁膜6上にゲート電極7(図1)を形成するための
多結晶シリコン層33が積層される。厚みは、ゲート電極としてエッチング部3
2を十分埋め込むように調整される。
In FIG. 3G, a
2 is adjusted to be sufficiently embedded.
図4(h)では、ゲート電極7が所望の形状となるようにパターニングされる。
In FIG. 4H, the
図4(i)では、その上を被うように層間絶縁膜41が形成される。
図4(j)では、層間絶縁膜41の一部にコンタクトホール15が開口され、
金属等によるソース電極8がヘテロ半導体領域3と電気的に低抵抗で接続される。
9はコンタクトホール15が設けられた層間絶縁膜である。
また、基板1の裏面側には全面に渡り低抵抗なオーミック接続となるように金
属等によるドレイン電極10が形成される。以上のようにして本実施の形態の電
界効果型トランジスタが完成する。
In FIG. 4I, an
In FIG. 4J, a
A
Further, a
〈動作〉
次に、本実施の形態の製造方法により作られた電界効果型トランジスタの動作
について、効果を交えて説明する。
ソース電極8を基準としてゲート電極7に印加される電圧がある閾値電圧以下
の場合は、素子はオフ状態である。ドレイン電極10に素子耐圧以下の高電圧が
印加された場合、第二ヘテロ半導体領域3や第一ヘテロ半導体領域4とドレイン
領域2とのヘテロ界面に障壁が存在するために、ドレイン電極10とソース電極
8間には電流は流れず、耐圧を保持する。ドレイン電極10とソース電極8間に
かかる電圧により、空乏層がN−型ドレイン領域2に伸張する。
<Operation>
Next, the operation of the field effect transistor manufactured by the manufacturing method of this embodiment will be described with an effect.
When the voltage applied to the
ソース電極8を基準としてゲート電極7に印加される電圧がある閾値電圧以上
になると、素子はオン状態となる。ゲート電極7からの電界により、第一へテロ
半導体領域4とゲート絶縁膜6、N−型SiCドレイン領域2が交差するポイン
トにおいて障壁の厚みが狭まり、トンネル電流によりキャリアが通過できるよう
になる。ドレイン電極10とソース電極8間に、第一へテロ半導体領域4、ソー
ス引き出し領域14を介して電流が流れるようになる。
When the voltage applied to the
以上説明したように本実施の形態の半導体装置は、半導体基体(N+型SiC
基板1とN−型SiCドレイン領域2から成る)の一主面に接して形成され、前
記半導体基体とはバンドギャップが異なるヘテロ半導体領域(第一へテロ半導体
領域4、第二ヘテロ半導体領域3、ソース引き出し領域14、コンタクト領域1
3から成る)と、前記ヘテロ半導体領域と前記半導体基体との接合部に隣り合う
部分にゲート絶縁膜6を介して形成されたゲート電極7と、前記ヘテロ半導体領
域と接続されたソース電極8と、前記半導体基体とオーミック接続されたドレイ
ン電極10とを有する半導体装置において、前記ヘテロ半導体領域は積層された
複数の半導体層(1層目の多結晶Si層11、2層目の多結晶Si層12)から
成る。
As described above, the semiconductor device of the present embodiment has a semiconductor substrate (N + -type SiC).
A hetero semiconductor region (first
3), a
このようにヘテロ半導体領域を積層構造とすることで、ヘテロ半導体領域に導
電型の異なる不純物領域を深さ方向に形成可能となり、それによってヘテロ界面
を利用した電界効果型トランジスタの低オン抵抗化と高耐圧化の両立が可能にな
るという効果がある。
By forming the hetero semiconductor region in a stacked structure in this way, impurity regions having different conductivity types can be formed in the depth direction in the hetero semiconductor region, thereby reducing the on-resistance of the field effect transistor using the hetero interface. There is an effect that it is possible to achieve both high breakdown voltage.
また、前記ヘテロ半導体領域は第一導電型(ここではN+型)の第一へテロ半
導体領域4及び第二導電型(ここではP+型)の第二ヘテロ半導体領域3から成
り、ゲート電極7は、第一ヘテロ半導体領域4と第一導電型の前記半導体基体と
の接合部に隣り合う部分にゲート絶縁膜6を介して形成され、第二ヘテロ半導体
領域3がソース電極8に接続され、第一へテロ半導体領域4は、第二ヘテロ半導
体領域3の上に形成された第一導電型の引き出し領域14を介してソース電極8
と接続されている。このような構成により、ヘテロ界面を利用した電界効果型ト
ランジスタの低オン抵抗化と高耐圧化の両立が可能になる。
The hetero semiconductor region includes a first
Connected with. With such a configuration, it is possible to achieve both a low on-resistance and a high breakdown voltage of a field effect transistor using a hetero interface.
また、前記半導体基体がSiC、GaN、ダイヤモンドのいずれかから成り
(ここではSiC)、前記へテロ半導体領域が単結晶、アモルファス、多結晶の
Si、GaAs、Ge、SiGeの少なくとも1つから成る(ここでは多結晶S
i)。このような構成により、一般的な半導体材料を使用し、ヘテロ界面を利用
した高耐圧の電界効果型トランジスタの低オン抵抗化と高耐圧化の両立が可能に
なる。
Further, the semiconductor substrate is made of any one of SiC, GaN, and diamond (in this case, SiC), and the hetero semiconductor region is made of at least one of single crystal, amorphous, and polycrystalline Si, GaAs, Ge, and SiGe ( Here, polycrystalline S
i). With such a configuration, it is possible to achieve both low on-resistance and high breakdown voltage of a high breakdown voltage field effect transistor using a common semiconductor material and utilizing a hetero interface.
また、本実施の形態の半導体装置の製造方法は、前記ヘテロ半導体領域の少な
くとも最下層に第二導電型となる不純物を導入する工程と、前記ヘテロ半導体領
域の少なくとも最上層に第一導電型となる不純物を導入する工程とを有する。こ
のような構成により、ヘテロ半導体領域に導電型の異なる不純物領域を深さ方向
に形成可能となり、それによってヘテロ界面を利用した電界効果型トランジスタ
の低オン抵抗化と高耐圧化の両立が可能になる。
The method of manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment includes a step of introducing an impurity of a second conductivity type into at least the lowermost layer of the hetero semiconductor region, and a first conductivity type of at least the uppermost layer of the hetero semiconductor region. And introducing an impurity. With such a configuration, impurity regions having different conductivity types can be formed in the depth direction in the hetero semiconductor region, thereby making it possible to achieve both low on-resistance and high breakdown voltage of a field effect transistor using a hetero interface. Become.
また、前記半導体基体上に前記へテロ半導体領域を形成するために多結晶Si
層(1層目の多結晶Si層11、2層目の多結晶Si層12)を形成する工程
(図2(c))と、前記多結晶Si層の少なくとも最下層に第二導電型となる不
純物を導入する工程(図2(c))と、前記多結晶Si層の少なくとも最上層に
第一導電型となる不純物を導入する工程(図3(d))とを有し、第一へテロ半
導体領域4は、ゲート絶縁膜6と隣り合う領域において第一導電型となる不純物
を導入する工程(図3(f))により形成する。このような構成により、多結晶
Si層に導電型の異なる不純物領域を深さ方向に形成可能となり、それによって
ヘテロ界面を利用した電界効果型トランジスタの低オン抵抗化と高耐圧化の両立
が可能になる。
In addition, polycrystalline Si is used to form the hetero semiconductor region on the semiconductor substrate.
Forming a layer (first
《第二の実施の形態》
本発明の第二の実施の形態について第8、図9をもとに説明する。
〈半導体装置の構成〉
図8は、本実施の形態における電界効果トランジスタのデバイス断面構造を示
すものである。
本図も、図1と同様に、単位セルを2個対向して並べた断面に相当する。実際
にはこれらのセルが複数並列に接続されて素子を形成するが、これらの断面構造
で代表して説明する。
<< Second Embodiment >>
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 8 and 9.
<Configuration of semiconductor device>
FIG. 8 shows a device cross-sectional structure of the field effect transistor according to the present embodiment.
This figure also corresponds to a cross section in which two unit cells are arranged to face each other as in FIG. Actually, a plurality of these cells are connected in parallel to form an element, and these cross-sectional structures will be described as representative.
まず、半導体装置の構成について説明する。高濃度N(N+)型SiC基板1の一主面上には低濃度N(N−)型SiCドレイン領域2が形成されている。このドレイン領域2は、SiC基板1上に成長させたエピタキシャル層により構成されている。SiCはいくつかのポリタイプ(結晶多形)が存在するが、ここでは代表的な4H−SiCとして説明する。他の6H−SiC、3C−SiCであっても構わない。図8では、基板1とドレイン領域2の厚みの概念を省略している。実際には基板は数100μmの厚みを持ち、ドレイン領域2の厚みは数μmから10数μm程度である。
First, the structure of the semiconductor device will be described. High concentration N (N +)
N−型SiCドレイン領域2の一主面側に、多結晶シリコンによる各領域が形
成されている構成は、第1の実施の形態と同等である。P+型の第二ヘテロ半導
体領域3と、N+型の第一へテロ半導体領域4が形成され、該第一へテロ半導体
領域4に接してゲート絶縁膜6を介してゲート電極7が形成されている。P+型
の第二ヘテロ半導体領域3は、P+型のコンタクト領域13を介してソース電極
8に接続されている。また、第一へテロ半導体領域4は同じくN+型のソース引
き出し領域14を介してソース電極8と電気的に低抵抗で接続されている。基板
1の裏面には、ドレイン電極10が電気的に低抵抗でオーミック接続されている。
ゲート電極7は、層間絶縁膜9によりソース電極8とは絶縁分離されている。
The configuration in which each region of polycrystalline silicon is formed on one main surface side of the N − -type
The
図8(b)には、積層された多結晶Si層からなるヘテロ半導体領域を拡大し
て示している。本実施の形態の独特の構成として、1層目の多結晶Si21、2
層目の多結晶Si22、3層目の多結晶Si23、4層目の多結晶Si24が順
次積層されている。1層目の多結晶Si21、2層目の多結晶Si22は、P+
型の第二ヘテロ半導体領域3とN+型の第一へテロ半導体領域4とからなってい
る。また、3層目の多結晶Si層23、4層目の多結晶Si層24は、P+型の
コンタクト領域13とN+型のソース引き出し領域14とからなっている。本実
施の形態における構造上の特徴は、このようにヘテロ半導体領域が多層に積層さ
れた多結晶Si層からなることにある。
FIG. 8B shows an enlarged view of a hetero semiconductor region composed of stacked polycrystalline Si layers. As a unique configuration of the present embodiment, the first layer of
A layer of
It comprises a second
基本的なオン/オフの動作については第一の実施の形態と同じである。 The basic on / off operation is the same as in the first embodiment.
〈半導体装置の製造方法〉
以下、図9を用いて本実施の形態における電界効果型トランジスタの製造方法
で特徴的な部分を抜粋して説明する。
<Method for Manufacturing Semiconductor Device>
Hereinafter, a characteristic part of the method for manufacturing a field effect transistor according to the present embodiment will be extracted and described with reference to FIGS.
図9(a)では、高濃度N(N+)型SiC基板1の一主面上にエピタキシャル成長させた低濃度N(N−)型SiCドレイン領域2を形成する。
Forming a type
図9(b)では、ドレイン領域2の表面が前処理等により清浄化された後、多
結晶シリコン層21が堆積される。ここでP+型となるようイオン注入等の手段
を使って不純物が導入される。不純物種としては例えば硼素(B)等が好適であ
る。気相拡散等の手段を用いても構わない。
In FIG. 9B, after the surface of the
図9(c)では、さらのその上に多結晶シリコン層22が積層される。ここで
は2層目の多結晶シリコン層22にもP+型となるようイオン注入等の手段を使
って不純物が導入される。図では全面に渡りP+型としているが、所望の領域に
選択的にパターニングして不純物を導入しても構わない。
In FIG. 9C, a
同様にして図9(d)では、3層目の多結晶Si層23、4層目の多結晶Si
層24が連続的に積層される。P+型とするための不純物の導入については、少
なくとも最下層がP+型となり、なおかつコンタクト領域(図8の13)がP+型
となり、各層が低抵抗で接続されていれば良い。各層を積層した毎に硼素をイオ
ン注入することが容易に思いつくが、工程数を低減するためにイオン注入の回数
を減らしても構わない。最上層の4層目の多結晶Si層24が積層された後、所
望の位置にフォトリソグラフィー等を用いて選択的にN+型となる不純物がイオ
ン注入等を用いて導入され、図8のN+型ソース引き出し領域14を形成するた
めのN+型不純物領域91が形成される。不純物種としては例えば砒素(As)
等が好適である。
Similarly, in FIG. 9D, the third
Etc. are suitable.
ここで構造上注目すべきは、導入した不純物であるAsの拡散が多段の積層に
より第一の実施の形態と比較してもさらに抑えられ、1層目の多結晶Si層21
の底部ではP+型領域が残っていることである。
Here, it should be noted in terms of structure that the diffusion of As, which is an introduced impurity, is further suppressed as compared with the first embodiment by the multi-layer stacking, so that the first
This means that the P + type region remains at the bottom.
以上説明したように、多結晶Si層を積層することでAsの深さ方向の拡散を
さらに抑制し、最表面側にN+型領域、最底部にP+型領域を確実に形成すること
が可能である。
その他のプロセスフローは第一の実施の形態で説明したものと同じであるので
説明を省略する。
As described above, it is possible to further suppress the diffusion of As in the depth direction by laminating the polycrystalline Si layer, and to surely form the N + type region on the outermost surface side and the P + type region on the lowermost side. Is possible.
Since other process flows are the same as those described in the first embodiment, the description thereof is omitted.
本実施の形態においては、多結晶Siを多層の積層構造とすることで、多結晶
Si層に導電型の異なる不純物領域を深さ方向に形成可能となり、それによって
ヘテロ界面を利用した電界効果型トランジスタの低オン抵抗化と高耐圧化の両立
が可能になるという効果がある。
In the present embodiment, the polycrystalline Si layer has a multi-layered structure, so that impurity regions having different conductivity types can be formed in the polycrystalline Si layer in the depth direction, thereby using a field effect type utilizing a heterointerface. There is an effect that both low on-resistance and high breakdown voltage of the transistor can be achieved.
なお、図8(a)の2層目の多結晶Si層22にはN+型不純物領域が形成さ
れていないのに対し、図9(d)の2層目の多結晶Si層22の表面領域にN+
型不純物領域91が形成されているが、最下層のヘテロ界面がP+型になってい
ればよく、どちらの構成をとってもよい。
Note that the N + -type impurity region is not formed in the second
Although the
《第三の実施の形態》
本発明の第三の実施の形態について図10をもとに説明する。
図10(a)は、本発明における電界効果トランジスタのデバイス断面構造を
示す図であり、基本的には第一の実施の形態で説明した図1(a)と同等である。
ヘテロ半導体領域を拡大した図10(b)で違いを説明する。
<< Third embodiment >>
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 10A is a diagram showing a device cross-sectional structure of a field effect transistor according to the present invention, which is basically the same as FIG. 1A described in the first embodiment.
The difference will be described with reference to FIG. 10B in which the hetero semiconductor region is enlarged.
1層目の多結晶Si層11の上に2層目の多結晶Si層12が形成されている
が、本実施の形態で特徴的なことは、1層目の多結晶Si層11の端部を覆うよ
うに、2層目の多結晶Si層12が形成されていることである。1層目の多結晶
Si層11はP+型の第二ヘテロ半導体領域3となっている。2層目の多結晶S
i層12はP+型のコンタクト領域13とN+型のソース引き出し領域14と連続
したN+型の第一へテロ半導体領域4となっている。本実施の形態においては、
P+型の第二ヘテロ半導体領域3とN+型の第一へテロ半導体領域4との間に界面
が存在している。この界面があるが故に第一へテロ半導体領域4から第二ヘテロ
半導体領域3へのAs等の不純物の横方向への拡散が抑制される。すると、第一
へテロ半導体領域4は多結晶Si層の厚み程度の非常に狭い領域で形成可能であ
り、低オン抵抗を実現しながらさらに高耐圧化が有利な電界効果トランジスタを
形成可能になるという独特の効果がある。
Although the second
The
An interface exists between the P + -type second
なお、以上説明した実施の形態は、本発明の理解を容易にするために記載され
たものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、
上記実施の形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計
変更や均等物をも含む趣旨である。
The embodiment described above is described in order to facilitate understanding of the present invention, and is not described in order to limit the present invention. Therefore,
Each element disclosed in the above embodiment is intended to include all design changes and equivalents belonging to the technical scope of the present invention.
1…N+SiC基板 2…N−SiCドレイン領域
3…第二ヘテロ半導体領域 4…第一へテロ半導体領域
6…ゲート絶縁膜 7…ゲート電極
8…ソース電極 9…層間絶縁膜
10…ドレイン電極 11…1層目の多結晶Si層
12…2層目の多結晶Si層 13…コンタクト領域
14…ソース引き出し領域 15…コンタクトホール
21…1層目の多結晶Si層 22…2層目の多結晶Si層
23…3層目の多結晶Si層 24…4層目の多結晶Si層
31…N+型不純物領域 32…エッチング部
33…多結晶Si層
61…積層構造としなかった場合の不純物分布
62…積層構造とした場合の不純物分布
71…1層目の多結晶Siの粒界部 72…2層目の多結晶Siの粒界部
91…N+型不純物領域
1 ... N + SiC substrate 2 ... N -
Claims (3)
前記半導体基体の一主面に接して形成され、前記半導体基体とはバンドギャップが異なる第一導電型のヘテロ半導体領域及び第二導電型のヘテロ半導体領域と、
前記第一導電型のヘテロ半導体領域と前記半導体基体との接合部に隣り合う部分にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
前記第一導電型のヘテロ半導体領域及び前記第二導電型のヘテロ半導体領域と接続されたソース電極と、
前記半導体基体とオーミック接続されたドレイン電極とを有する半導体装置であって、
前記第二導電型のヘテロ半導体領域の上に前記第一導電型のヘテロ半導体領域の一部が重畳し、
前記第一導電型のヘテロ半導体領域は、前記ソース電極と前記半導体基体とに接続していることを特徴とする半導体装置。 A first conductivity type semiconductor substrate;
A first conductivity type hetero semiconductor region and a second conductivity type hetero semiconductor region formed in contact with one main surface of the semiconductor substrate and having a band gap different from that of the semiconductor substrate;
A gate electrode formed through a gate insulating film in a portion adjacent to the junction between the first conductive type hetero semiconductor region and the semiconductor substrate;
A source electrode connected to the first conductive type hetero semiconductor region and the second conductive type hetero semiconductor region;
A semiconductor device having a drain electrode ohmically connected to the semiconductor substrate,
A portion of the first conductivity type hetero semiconductor region is superimposed on the second conductivity type hetero semiconductor region,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the first conductivity type hetero semiconductor region is connected to the source electrode and the semiconductor substrate .
前記第一導電型のヘテロ半導体領域及び前記第二導電型のへテロ半導体領域は、単結晶Si、アモルファスSi、多結晶Si、GaAs、Ge、SiGeの少なくとも1つから成ることを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。 The semiconductor substrate is made of SiC, GaN, or diamond;
Hetero semiconductor region and the hetero semiconductor region to the the second conductivity type of said first conductivity type, a single-crystal Si, amorphous Si, Tayui crystal S i, and characterized by comprising GaAs, Ge, at least one of SiGe The semiconductor device according to claim 1 or 2.
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