JP2004022878A - Semiconductor device and its manufacturing process - Google Patents

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内田 正雄
Makoto Kitahata
北畠 真
Ryoko Miyanaga
宮永 良子
Kunimasa Takahashi
高橋 邦方
Osamu Kusumoto
楠本 修
Masaya Yamashita
山下 賢哉
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device and its manufacturing process in which ON resistance is further decreased using an SiC substrate. <P>SOLUTION: The semiconductor device is polished to have a thickness of 200 μm or less and comprises the SiC substrate 11a having an upper surface of a (000-1)C face, an epitaxial growth layer 12, a Schottky electrode 14 and an upper electrode 16 provided sequentially on the upper surface of the SiC substrate 11a, and an ohmic electrode 15 and a lower electrode 17 provided sequentially on the Si face, i.e. the rear surface of the SiC substrate 11a. Since the SiC substrate 11a is thinner than a conventional substrate, on-resistance is greatly decreased in operation. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化珪素からなる基板を用いた半導体装置及びその製造方法に関し、より詳細には、高耐圧性を有し、大電流で使用される半導体パワーデバイス及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
高耐圧で、大電流で駆動するパワーデバイスとして、シリコン(Si)を用いた整流素子やスイッチング素子が従来から多く用いられている。しかしながら、近年の技術の発達に伴って、Siの物性限界が問題となってきている。
【0003】
例えば、ある程度以上の耐圧が必要な整流素子としては、Siからなるpnダイオードが用いられているが、スイッチング損失が大きいという不具合がある。このため、よりスイッチング損失が小さいショットキーダイオードがpnダイオードの代替品として期待される。ところが、Siを用いたショットキーダイオードはSiの物性限界のために所望の耐圧を得ることが困難であるため、実使用の用途は限られてしまっていた。そこで、高い耐圧性を有し、且つスイッチング損失が小さい半導体装置を作製するための材料として、炭化珪素(シリコンカーバイド、SiC)が注目を集めている。
【0004】
SiCは、Siに比べてバンドギャップが大きいことから高い絶縁耐性を有しており、また、高温においても安定な性質を有する半導体である。このような特性から、SiCは、スイッチング素子に限らず、パワーデバイスや耐環境素子、高周波デバイスおよび高温動作デバイス等への応用が期待されている。以下に、これまでに提案されてきた従来の半導体装置の一例として、SiC基板上にSiCのエピタキシャル成長層を設けたショットキーダイオードについて説明する。
【0005】
図8は、従来のショットキーダイオードの構造を示す断面図である。同図に示すように、従来のショットキーダイオードは、SiC基板181と、SiC基板181の上面上に設けられ、n型不純物を含むエピタキシャル成長層182と、エピタキシャル成長層182の上に設けられ、Ni(ニッケル)からなるショットキー電極184と、ショットキー電極184の上に設けられ、Ti(チタン)とAu(金)の積層構造を有する上部電極186と、エピタキシャル成長層182の上部にイオン注入により設けられ、B(ボロン)などのp型不純物を含む不純物注入領域183とを備えている。また、従来のショットキーダイオードにおいて、SiC基板181の裏面上にはNiからなるオーミック電極185が設けられ、オーミック電極185の裏面上にはTiとAuの積層構造を有する下部電極187が設けられている。SiC基板181としては、例えばn型の( 0 0 0 1)オフ面を上面とする厚さ400μm程度の4H−SiC基板が用いられている。上部電極186や下部電極187は、半導体装置のアノード電極上にアルミニウムなどの配線を設けたり、半田を用いてリードフレームに半導体装置を固定するために必要であるが、整流素子としての動作には関係がない。SiCからなるエピタキシャル成長層182の適切な膜厚や不純物濃度を選択することにより、順方向に流れる電流が数アンペア以上で、逆方向耐圧が600V以上、場合によっては1000V以上の整流素子が得られる。図8に示すような縦型の半導体装置では、駆動電流を大きくするためにエピタキシャル成長層182の上面とSiC基板181の裏面とにそれぞれ電極を設けることが一般的である。
【0006】
次に、従来のショットキー電極および該ショットキー電極を備えた樹脂封止型半導体装置の製造方法について説明する。
【0007】
図9(a)〜(c)および図10(a)〜(c)は、従来のショットキーダイオードを備えた樹脂封止型半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【0008】
まず、図9(a)に示す工程で、厚さが約400μmで直径2インチのn型不純物を含むSiC基板181(4H−SiC基板)を準備する。次いで、CVD法などによりSiC基板181の上面上にn型不純物を含むSiCからなるエピタキシャル成長層182を形成する。
【0009】
次に、図9(b)に示す工程で、エピタキシャル成長層182上にSiO からなるマスクを形成した後、ボロンなどのp型不純物イオンを注入する。次いで、マスクを除去した後、基板に1500℃以上の高熱処理を施すことにより注入したイオンの活性化を行う。この処理によって不純物注入領域183が形成される。この不純物注入領域183は、電界集中を防ぐためのガードリングとして機能する。
【0010】
次いで、図9(c)に示す工程で、SiC基板181の裏面の全面に例えばNiを堆積し、これに続いて1000℃程度の熱処理を行うことにより、オーミック電極185を形成する。
【0011】
次に、図10(a)に示す工程で、エピタキシャル成長層185の上面上にNiを堆積した後パターニングすることにより両端部が不純物注入領域183とオーバーラップするショットキー電極184を形成する。なお、先の図9(c)において、ショットキー電極184を形成する前にオーミック電極185を形成するのは、ショットキー電極184の形成後に熱処理を行なうと、ショットキー接合がオーミック接合に変化する場合があるからである。
【0012】
次に、図10(b)に示す工程で、ショットキー電極184の上にTiとAuとを積層してパターニングすることにより、上部電極186を形成する。そして、オーミック電極185の裏面上にTiとAuとを積層することにより、下部電極187を形成する。
【0013】
この後、ウエハ状の基板を分割し、図10(b)に示すような半導体チップを作製する。
【0014】
次に、図10(c)に示す工程で、半田201を用いて半導体チップをリードフレームの上面に固定した後、上部電極186とリードフレームの陽極204とを金属からなるワイヤ203によって接続する。次に、半導体チップ、ワイヤ203およびリードフレーム202の上面を樹脂205で封止することにより、樹脂封止型の半導体装置を作製できる。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
上述の従来のショットキーダイオードは、Siからなる半導体装置に比べれば耐圧性が高い。このようなパワーデバイスでは、駆動時の電流が大きいため、電力損失を小さくすることが要求される。
【0016】
しかしながら、従来の半導体装置はオン抵抗が大きく、SiCの優れた特性を十分に発揮できていなかった。これは、ショットキーダイオードに限らず、pnダイオードや縦型MISFETなど、デバイスの上面から裏面、あるいはその逆方向に電流が流れる縦型パワーデバイスに共通する不具合である。
【0017】
本発明の目的は、SiC基板を用い、オン抵抗のさらなる低減が図られた半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
【0018】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、裏面全体が削られたSiC基板と、上記SiC基板の上面上に設けられた半導体からなる半導体層とを備え、動作時には、キャリアが上記SiC基板および上記半導体層を通過して縦方向に走行する。
【0019】
この構造により、SiC基板が薄くなっているので、縦方向(基板面に対し垂直方向)の抵抗が従来の半導体装置に比べて大幅に低減されている。
【0020】
上記SiC基板の厚みは250μm以下であることにより、従来のSiC基板を用いた半導体装置では達成できないレベルにまで動作時のオン抵抗を低減することができる。
【0021】
上記SiC基板の厚みは200μm以下であることがより好ましい。
【0022】
上記半導体層の上方に金属からなる電極が設けられ、上記SiC基板の裏面上には、上記SiC基板とオーミック接触し、金属からなる下部電極が設けられていることにより、動作時のオン抵抗が低減された縦型半導体装置が得られる。
【0023】
上記下部電極は、アルミニウム,チタン,ニッケル,タングステン,クロム,モリブデン及び銀のうちから選ばれた1つの材料を含むことが好ましい。
【0024】
上記SiC基板の( 0 0 0−1)カーボン面上に上記エピタキシャル成長層が設けられており、上記SiC基板の( 0 0 0 1)シリコン面上には上記下部電極が設けられていることにより、特にショットキーダイオードやpnダイオードの場合には、1000℃以上の高熱処理をしなくても下部電極におけるオーミック接触を形成することができる。
【0025】
本発明の半導体装置の製造方法は、SiC基板と、上記SiC基板上に設けられた半導体層と、上記半導体層の上方に設けられた上部電極と、上記SiC基板の裏面上に設けられ、オーミック電極となる下部電極と備えた半導体装置の製造方法であって、
上記上部電極を形成する工程(a)と、上記工程(a)の後に上記SiC基板の厚さを薄くする工程(b)とを含んでいる。
【0026】
この方法により、基板部分の抵抗が低減され、オン抵抗が低減された半導体装置を製造することができる。
【0027】
上記工程(b)の後に上記下部電極を形成する工程(c)をさらに含んでいることにより、下部電極よりも上部電極を先に作製するので、SiC基板を薄くする工程を上部電極の形成後に行なうことができるようになる。このため、基板が薄い状態での工程を減らすことができ、基板の反りや破損の危険を低減することができる。また、SiC基板を薄くする工程が上部電極の位置合わせに影響しないので、上部電極を形成する際のパターニングを良好に行うことができる。
【0028】
上記工程(c)の後、上記SiC基板および上記半導体層を分離して半導体チップを製造する工程(d)と、上記工程(d)の後、上記半導体チップをリードフレーム上に載置して熱処理を行なうことにより上記SiC基板と上記下部電極との間にオーミック接合を形成する工程(e)とをさらに含み、上記工程(c)では、熱処理工程を省略することにより、工程数を減らせるので、製造コストを引き下げると共に、装置の歩留まりも向上させることができる。
【0029】
上記SiC基板の( 0 0 0−1)カーボン面上に上記半導体層が設けられ、上記工程(c)では、上記SiC基板の( 0 0 0 1)シリコン上に上記下部電極が設けられることにより、1000℃以上の高熱処理をせずとも下部電極をオーミック電極とすることができるので、下部電極よりも先に上部電極を形成することが可能になる。その結果、上部電極の形成後にSiC基板を薄くすることが可能になる。
【0030】
上記半導体層に各素子間を分離するための溝を形成する工程(f)をさらに含むことにより、素子分離が確実に行われると共に、この溝を利用して半導体チップに分割しやすくすることができる。また、基板上に溝が形成されていることで、製造工程中に生じるクラックなどの欠陥を溝の部分で止めることができる。すなわち、歩留まりを向上することができる。
【0031】
上記溝の深さが1μm以上であることが好ましい。
【0032】
上記SiC基板の厚みは250μm未満であることにより、従来の半導体装置よりもオン抵抗の小さい半導体装置を製造することができる。
【0033】
特に、上記SiC基板の厚みは200μm以下であることが好ましい。
【0034】
【発明の実施の形態】
半導体装置の抵抗成分としては、半導体層と電極との接触抵抗、半導体層の抵抗、SiC基板自体の抵抗など種々のものがある。従来の半導体装置では、SiC基板の厚みが400μmと厚いため、この抵抗成分のうちSiC基板の抵抗が大きな部分を占めている。そのため、本願発明者らは検討の結果、SiC基板の抵抗を低減することを目指すこととした。
【0035】
SiC基板の抵抗を低減するための直接的な方法としては、SiC基板の厚みを薄くすることが考えられる。厚さが250μm程度の基板は市販されているが、これを用いても抵抗値が十分に低いとは言えないため、本願発明者らは、SiC基板の厚みを研磨やサンドブラスト、リアクティブイオンエッチング(RIE)などによって物理的に薄くすることとした。これにより、SiC基板の厚みを例えば250μm未満にすることで、SiC基板の抵抗値を要求されるレベル以下にまで低減することができた。さらに、SiC基板の厚みは200μm以下であるとさらに大幅に抵抗値を低減できた。どの半導体装置にも基板は用いられるため、基板を薄くすることでほぼすべての縦型半導体装置のオン抵抗を低減することができる。
【0036】
ところが、基板を薄くした状態で1000℃以上の高熱処理をした場合、基板が反ってフォトレジストを形成する位置がずれる等の現象が見られることがあった。このような高熱処理は、半導体装置の製造工程において、オーミック電極を形成する際や不純物を活性化させる際に必要となる。また、SiC基板を薄くすることで、破損や予期せぬクラックが基板に生じやすくもなる。そのため、SiC基板の厚みを十分に薄くするための方法が必要であると考えられた。
【0037】
そこで、例えば、ショットキーダイオードの製造工程において基板の反りおよびクラックの発生を防ぐために、高熱処理の後にSiC基板を薄くする方法が検討された。
【0038】
この検討段階で、本願発明者らはSiC基板の面方位に着目した。( 0 0 0 1)4H−SiC基板をはじめとするSiC基板には、Si(シリコン)面とC(カーボン)面があり、通常は面上にエピタキシャル成長層を形成しやすいSi面を上面として半導体装置が製造される。Si面上にNiなどの金属を堆積してから1000℃以上の熱処理をした場合、Niと基板がオーミック接触となるため、従来のショットキーダイオードの製造工程において、図9(c)に示すショットキー電極の形成工程は、図10(a)のオーミック電極の形成工程の後に置かねばならなかった。
【0039】
そこで、本願発明者らはC面を上面、Si面を裏面としてショットキーダイオードを製造することを試みた。その結果、Si面上には高温処理をしなくてもオーミック電極を形成しやすく、C面上にはショットキー電極が形成しやすいため、オーミック電極よりも先にショットキー電極を形成することが可能であることが分かった。この方法により、基板上にショットキー電極を形成後にSiC基板の厚さを薄くでき、且つオーミック電極の形成工程で1000℃以上の高温にする必要がなくなった。
【0040】
以下の実施形態では、この方法を用いて形成された半導体装置について説明する。
【0041】
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係るショットキーダイオードの構造を示す断面図である。1つの樹脂封止型半導体装置に搭載される半導体チップには、このような半導体素子が多数個集積されていることもある。ここでは、1つのショットキーダイオードについて説明する。
【0042】
本実施形態のショットキーダイオードの特徴は、SiC基板11aの厚みが200μmと薄いことと、ショットキー電極14がSiC基板11aのC面側に設けられていることである。
【0043】
図1に示すように、本実施形態のショットキーダイオードは、厚さが約200μmで、n型不純物を含むSiC基板11aと、SiC基板11aの上面上に設けられた厚さ約10μmのn型SiCからなるエピタキシャル成長層12と、エピタキシャル成長層12の上部にボロンを注入することにより設けられた不純物注入領域13と、エピタキシャル成長層12の上面上に設けられ、両端部が不純物注入領域13とオーバーラップするように設けられた第1の電極層18と、SiC基板11aの裏面全体の上に設けられた第2の電極層19とを備えている。
【0044】
SiC基板としては、窒素を含む4H−SiCからなる( 0 0 0 1)基板を用いており、( 0 0 0−1)(「0001バー」と読む)C面から(11−20)方向に8°オフ角をつけた面を上面とし、Si面を裏面としている。このSiC基板11aの抵抗率は、0.02Ω・cmである。
【0045】
また、エピタキシャル成長層12には窒素が1×1016cm−3の濃度で含まれている。
【0046】
第1の電極層18は、エピタキシャル成長層12とショットキー接触し、厚さが約200nmのTiからなるショットキー電極14と、ショットキー電極14上に設けられ、厚さが約3μmのAuからなる上部電極16とから構成されている。ショットキー電極14の大きさは、例えば0.63mm×0.63mmであり、不純物注入領域13とはそれぞれ約15μmずつオーバーラップしている。また、第2の電極層19は、SiC基板11aの裏面とオーミック接触し、厚さ400nmのAl(アルミニウム)からなるオーミック電極15と、オーミック電極15の裏面上に設けられ、厚さ400nmのAuからなる下部電極17とから構成されている。
【0047】
次に、本実施形態のショットキーダイオードの抵抗成分について説明する。
【0048】
本実施形態のショットキーダイオードが動作する際のオン抵抗Ronは、
on=Rsub+Repi+Rcont+Rother
で表される。ここで、RsubはSiC基板11aの抵抗、Repiはエピタキシャル成長層12の抵抗、Rcontは各部材間に生じる接触抵抗、Rotherはリードフレームやワイヤの抵抗を含むその他の抵抗成分である。接触抵抗には、SiC基板11aとオーミック電極15の界面や下部電極17とリードフレームの界面にある半田で生じる抵抗などが含まれる。なお、RsubおよびRepiは図1中の縦方向、つまり、基板面に対して垂直方向の抵抗成分である。
【0049】
上述の抵抗成分の中で支配的となるのがRsubとRepiである。本実施形態で例として挙げられている4H−SiC基板では、基板面に対して平行な方向と垂直な方向とで電気伝導率の異方性を示す。これを考慮してRsubとRepiとを概算すると、図8に示す従来のショットキーダイオード180では、SiC基板の厚さが400μmの場合、Rsubが約0.7mΩ・cm、Repiが約0.8mΩ・cmとなる。
【0050】
これに対し、本実施形態のショットキーダイオードでは、SiC基板の厚さが薄くなっているので、例えば基板の厚さが200μmの場合、Rsubが約0.35mΩ・cmとなる。つまり、基板を薄くすることにより、SiCからなる部分の抵抗を20%以上も低減させることができる。また、後に説明するショットキーダイオードの製造方法によれば、SiC基板の厚みを200μm以下にすることもできるので、さらに素子の抵抗成分を低減することが可能である。
【0051】
また、本実施形態のショットキーダイオードの耐圧は従来のものとほぼ同じである。これは、耐圧を決定するエピタキシャル成長層12の厚みが本実施形態のショットキーダイオードと従来のものとで本実施形態ほぼ同一であるためである。よって、本実施形態のショットキーダイオードでは、耐圧性を犠牲にすることなく抵抗成分が低減されている。このため、導通損失も小さくなっている。
【0052】
なお、本実施形態ではエピタキシャル成長層12がSiCからなる例を説明したが、Siや、他の半導体からなっていてもよい。
【0053】
次に、本実施形態のショットキーダイオードおよび該ショットキーダイオードが集積された半導体チップの製造方法を説明する。
【0054】
図2(a)〜(c)および図3(a)〜(c)は、本実施形態のショットキーダイオードの製造方法を示す断面図である。ただし、説明を簡単にするために、マスク合わせのためのアラインメントキーの形成工程や、層間絶縁膜の形成工程は省略する。
【0055】
まず、図2(a)に示す工程で、SiC基板11を準備する。具体的には、( 0 0 0−1)C面から(11−20)方向に約8度のオフ角をつけた面を上面とする4H−SiC基板を準備する。そして、SiC基板11の上面を十分に洗浄する。なお、SiC基板12は例えば厚さが400μmで直径2インチのウエハの状態であるが、本実施形態ではウエハ上に多数設けられるショットキーダイオードのうちの1つについて説明する。
【0056】
次に、図2(b)に示す工程で、炭素の原料ガスとしてプロパンガスを、シリコンの原料ガスとしてシランガスを、キャリアガスとして水素を用いたCVD法によってSiC基板11上にn型不純物を含む4H−SiCからなるエピタキシャル成長層12を形成する。エピタキシャル成長層12の厚さは10μm程度とし、n型不純物としては、例えば窒素を用いる。ここで、エピタキシャル成長層12の上面も( 0 0 0−1)C面となっている。
【0057】
続いて、基板の上面を水素雰囲気に保つことにより、エピタキシャル成長層12の表面処理を行なう。
【0058】
次に、図2(c)に示す工程で、エピタキシャル成長層12の上に厚さ約600nmのSiO 膜を形成した後、フォトレジストによるパターンを形成し、バッファードフッ酸を用いてSiO 膜のエッチングを行なう。これにより、エピタキシャル成長層12の上に0.6mm×0.6mmのダミーマスク21を形成する。
【0059】
次いで、エピタキシャル成長層12の上面側にダミーマスク21をマスクとしてボロンイオンなどのp型不純物を注入することにより、エピタキシャル成長層12の上部のうち、ダミーマスク21に保護されない領域に深さ約150nmの不純物注入領域13を形成する。この際のイオン注入条件は、注入角度が0度で注入温度が500℃、注入エネルギーが30keV、注入量が1×1015atoms/cm である。
【0060】
その後、基板を加熱炉内に設置し、窒素雰囲気下1100℃で90分間の熱処理を行なう。これにより、不純物注入領域13に含まれる不純物が活性化される。
【0061】
次に、バッファードフッ酸を用いたエッチングによりダミーマスク21を除去した後、エピタキシャル成長層12上に厚さ約200nmのTi層と、厚さ100nmのAuとからなる電極層を順に形成する。このAu層を形成することにより、これに続くAuのめっき処理を行いやすくすることができる。ちなみに、このAu層は、後の上部電極16の一部になる。次に、フォトレジストのパターンを形成してからAuのめっき処理を行って厚さ約3μmのAuを堆積する。続いて、レジストを除去した後にAu膜のうちめっきされていない部分をエッチング処理で除去し、Tiの一部もエッチング処理で除去する。これにより、エピタキシャル成長層12の上面上に設けられた、大きさが0.63mm×0.63mmのTiからなるショットキー電極14と、ショットキー電極14上に設けられたAuからなる上部電極16とがそれぞれ形成される。
【0062】
次に、図3(b)に示す工程で、SiC基板11の裏面を、基板の厚さが約200μmになるまで研磨する。ここで研磨された基板を、以下SiC基板11aとする。なお、SiC基板の厚さが200μm以下になるまで研磨してもよい。
【0063】
次に、図3(c)に示す工程で、SiC基板11aの裏面を十分に洗浄した後、SiC基板11aの裏面の全面上に厚さ200nm程度のAlからなるオーミック電極15と厚さ400nm程度のAuからなる下部電極17とを順に形成する。続いて、窒素雰囲気下、基板の熱処理を300℃、5分間の条件で行い、ショットキー電極14およびオーミック電極15を安定化させる。
【0064】
本実施形態の方法においては、金属とオーミック接触しやすいSiC基板のSi面上にオーミック電極15を形成しているので、電極形成後に1000℃以上の熱処理を行なわなくてもオーミック電極を形成することができる。
【0065】
次に、図3(c)に示すショットキーダイオードが多数形成されたウエハ状の基板は分割され、例えば1mm角の半導体チップとなる(図示せず)。
【0066】
以上の工程により、本実施形態のショットキーダイオードは作製される。
【0067】
本実施形態のショットキーダイオードの製造方法によれば、パターニングの必要なショットキー電極の形成工程後にSiC基板11の研磨を行っているので、エッチング用のマスクを形成する際などに基板の反りによるマスクずれを起こしにくくなっている。また、例えば厚さ200μmのSiC基板を最初から使用する場合に比べて、製造工程中に基板が破損する確率を低減することができる。
【0068】
また、本実施形態のショットキーダイオードの製造方法において、図3(a)に示すショットキー電極の形成工程後にSiC基板11の研磨が可能になったのは、Si面上にオーミック電極15を形成するためである。SiC基板のSi面上にオーミック電極15を形成することで、1000℃以上の高熱処理を行わなくてもSiC基板11aとオーミック電極15との間にオーミック接触をとることが可能になる。これにより、ショットキー電極14の形成後にオーミック電極15を形成することが可能になったため、オーミック電極15の形成工程の直前にSiC基板11を研磨することが可能になったのである。本実施形態のように、300℃、5分間の処理の場合には、1000℃で基板を処理する場合に比べてオーミック電極15とSiC基板11aとの接触抵抗は大きくなる可能性はあるが、オーミック電極15のサイズは大きいため、SiC基板を薄くしたことによる抵抗の減少の方が大きく、問題とはならない。
【0069】
以上のように、本実施形態の方法で製造されたショットキーダイオードは、基板を薄くすることにより、SiCからなる部分の抵抗が低減されている。また、基板が薄いことにより、ウエハから半導体チップに分割しやすくなる。
【0070】
なお、本実施形態のショットキーダイオードの製造方法において、図3(c)に示すオーミック電極15の形成工程の前にSiC基板11aの裏面に不純物の注入、あるいはプラズマ処理などの表面処理を施すことにより、オーミック接合をより形成しやすくすることができる。
【0071】
なお、本実施形態のショットキーダイオードにおいて、エピタキシャル成長層12はSiCから構成される例を示したが、これに代えてSi、GaN(窒化ガリウム)、ダイヤモンドなど、SiC基板の上に堆積できる材料を用いることができる。また、エピタキシャル成長層でなくとも、アモルファス、多結晶のいずれの結晶状態のものを用いてもよい。
【0072】
また、本実施形態では、ショットキー電極をTiで、オーミック電極をAlで構成したが、それぞれの面でショットキー接合およびオーミック接合を形成できる金属であれば、いかなる金属でもよい。具体的なオーミック電極の例としてはNiよりも低仕事関数の金属が好ましく、アルミニウム、チタン、タングステン、クロム、モリブデン、銀、およびこれらを含むことが好ましい。もちろんNiを用いることもできる。また、ショットキー電極14もTiの他、Niなどの他の金属を含んでいてもよい。
【0073】
また、本実施形態においては、SiC基板として4H−SiCの他にも6H−SiC、15R−SiC、3C−SiCといったポリタイプからなる基板を用いてもよい。
【0074】
また、本実施形態においては、オーミック電極をn型の( 0 0 0 1)Si面上に形成する例を説明したが、ショットキー電極およびその他の構成を壊すことなくオーミック電極を形成できるのであれば、( 0 0 0 1)Si面以外の面を用いてもよい。用いるSiC基板の導電型もn型のみならず、p型であってもよい。
【0075】
また、本実施形態のショットキーダイオードにおいて、各電極や部材のサイズは特に限定されない。なお、図2(a)に示す工程で準備したSiC基板の厚さは400μmであるが、250μmのものも市販されているので用いることができる。
【0076】
また、本実施形態のショットキーダイオードにおいて、SiC基板の厚さは200μm以下であったが、250μmを下回る厚さであれば、従来のショットキーダイオードよりもオン抵抗を低減することはできる。
【0077】
なお、本実施形態のショットキーダイオードの製造方法においては、不純物注入領域13を含めたエピタキシャル成長層12からSiC基板11の上部に至る溝を設けておくことが好ましい。
【0078】
図4(a)〜(c)は、本実施形態のショットキーダイオードの製造工程において、SiC基板上の複数のショットキーダイオードを示す断面図である。同図では、図3(a)に示すショットキー電極14の形成工程の時点で各ショットキーダイオード間に溝が設けられている例を示している。この溝は、紙面の手前から奥に向かう方向と、横方向の両方向に設けられている。また、半導体チップに分割する際には、多数の溝のうち目的の溝の部分から分割する。
【0079】
図4(a)は、図3(a)と同じくショットキー電極14の形成工程を示している。本実施形態のショットキーダイオードにおいては、ウエハ上に形成された各ショットキーダイオードが、SiC基板11の上部にまで至る溝41によって素子分離されている。この溝41は、リアクティブイオンエッチング(RIE)により設けてもよいし、物理的なスクライブラインであってもよい。
【0080】
次に、図4(b)に示す工程でSiC基板11が研磨されてSiC基板11aとなる。そして、図4(c)に示す工程でオーミック電極15および下部電極17が形成された後、基板の熱処理が行われる。
【0081】
その後、所望の位置の溝41に沿って基板を分割し、多数のショットキーダイオードを有する半導体チップを作製する。
【0082】
ここで示す例のように、各ショットキーダイオードを分離する溝41を設けることにより、素子分離が良好にできる上、この溝に沿って容易にウエハが分割されるため、半導体チップを容易に作製することもできる。また、溝41を設ける工程はウエハの分割前であればいつ行ってもよいが、SiC基板を研磨する前に行なうことが好ましい。SiC基板の研磨を行なう前に溝41が形成されていることにより、基板にクラックなどの損傷が生じた場合に、その損傷を溝の部分で止めることができる。すなわち、この方法によれば、クラックなどによる素子の不良率を低減させることが可能になる。
【0083】
また、溝41は、SiC基板11aの上部に達していてもよいが、エピタキシャル成長層12までの深さであっても素子分離は問題なく行える。ただし、素子分離を良好に実現すると共に容易にチップ状に分割するためには、溝41の深さが1μm以上で、SiC基板11aの上部に達することが好ましい。
【0084】
なお、本実施形態ではSiC基板の厚みを薄くしたショットキーダイオードについて説明したが、pnダイオードや縦型MISFETなど、他の縦型デバイスであってもSiC基板を薄くすることによってオン抵抗を大きく低減することができる。
【0085】
なお、本実施形態のショットキーダイオードでは、十分にエピタキシャル成長層12を厚くして、SiC基板11を全て研磨してもよい。一般に、エピタキシャル成長層の方が基板よりも結晶性が優れているので、耐圧の向上などを期待できる場合がある。
【0086】
(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態として、第1の実施形態で説明したショットキーダイオードなどの素子を有する半導体チップが搭載された樹脂封止型半導体装置について説明する。
【0087】
図5(a)〜(c)は、ショットキーダイオードを有する半導体チップの実装工程を示す断面図である。ここで、各部材の符号は第1の実施形態と同じとする。
【0088】
まず、図5(a)に示す工程で、ウエハから分割され、多数のショットキーダイオードが設けられた半導体チップを準備する。
【0089】
すなわち、図3(c)または図4(c)に示す工程の後にダイシングを行い、多数のショットキーダイオードを備える半導体チップ10を準備する。
【0090】
次に、図5(b)に示す工程で、例えば銅などからなるTO−220型のリードフレーム51を準備し、リードフレーム51の上面上に半導体チップ10を載置する。
【0091】
具体的な手順としては、まずリードフレーム51を窒素やアルゴン(Ar)などの不活性な雰囲気に置き、その状態で金錫(AuSn)の融点以上である300℃程度に加熱する。続いて、金錫(AuSn)合金からなる半田52をリードフレーム51の上面上に置いて溶融させた後、半導体チップ10を裏面側からリードフレーム51上に載置する。その後、半導体チップ10の上部から適度な圧力をかけることにより、半導体チップ10の裏面(下部電極17の裏面)とリードフレーム51の上面が接着される。この時、半導体チップ10のSiC基板11aは熱伝導性に優れているため、リードフレームの加熱温度が伝達されやすく、半導体チップ10全体が効率良く加熱される。このため、本工程を行なうことで、第1の実施形態において説明した、オーミック電極およびショットキー電極を安定化するための熱処理を省略することが可能になる
次に、図5(c)に示す工程で、上部電極16とリードフレームの陽極54とを例えばAlからなるワイヤ53により接続する。その後、半導体チップ10、ワイヤ53およびリードフレーム51の上面を樹脂で封止する。そして、リードフレーム51を分割することにより、樹脂封止型半導体装置が作製できる。
【0092】
上述の工程により製造された樹脂封止型半導体装置は、図5(c)に示すように、金属からなるリードフレーム51と、リードフレームの上面上にAuSnからなる半田を用いて接着された多数のショットキーダイオードを有する半導体チップ10と、リードフレーム51の一部であって外部端子として機能する陽極54とショットキーダイオードの上部電極16とを接続するAlからなるワイヤ53と、リードフレーム51の上面,半導体チップ10およびワイヤ53を封止する封止樹脂55とを備えている。
【0093】
本実施形態の樹脂封止型半導体装置は、半導体チップ10のSiC基板11aの厚さが200μm程度にまで薄くなっているので、従来の樹脂封止型半導体装置に比べて駆動時の電力損失が著しく低減されている。
【0094】
本実施形態では、半田の材料をAuSnとして説明したが、素子の構造や使用環境などの状況に応じて別の材料を用いてもよい。この場合、図5(b)に示す工程では、半田材料の融点以上でショットキー接触が保持可能な温度以下にリードフレームを加熱すればよい。
【0095】
また、本実施形態の樹脂封止型半導体装置では、オーミック電極15とショットキー電極14の構成材料をそれぞれTiとAlとし、上部電極16および下部電極17をAuとしたが、ショットキー電極14と上部電極16とを同一材料で一体として形成してもよいし、オーミック電極15と下部電極17とが同一材料で一体として形成されていてもよい。また、電極の材料は、金属であれば特に限定はない。
【0096】
なお、本実施形態の樹脂封止型半導体装置には、ショットキーダイオードを有する半導体チップを用いたが、基板の裏面上と上面上のそれぞれに電極を有し、基板面に垂直方向に電流が流れる縦型半導体素子を有するチップであれば用いることができる。例えば、縦型MISFETやpnダイオードなどを有する半導体チップも同様の方法で電力損失の少ない樹脂封止型半導体装置とすることができる。
【0097】
(第3の実施形態)
本発明の第3の実施形態として、SiC基板を用いたpnダイオードについて説明する。
【0098】
図6は、本実施形態のpnダイオードの構造を示す断面図である。同図に示すように、本実施形態のpnダイオード60は、厚さが200μm以下でn型不純物を含むSiC基板21aと、SiC基板21aの上面上にエピタキシャル成長により設けられた厚さが約20μmでn型不純物を含むn型SiC層61と、n型SiC層61のうち一部の上にエピタキシャル成長により設けられ、厚さ約1.5μmでp型不純物を含むSiCからなるp型SiC層62と、p型SiC層62上に設けられた金属からなる第1の電極層66と、第1の電極層66の両側方に設けられ、p型SiC層62およびn型SiC層61の上面を覆う絶縁膜63とを備えている。また、本実施形態のpnダイオード60において、SiC基板21aの裏面の全面上には金属からなる第2の電極層29が設けられている。第1の電極層66は、p型SiC層62の上に設けられた厚さ約200nmの第1のオーミック電極64と、第1のオーミック電極64上に設けられたAuなどからなる厚さ約3μmの上部電極65とから構成されている。そして、第2の電極層29は、Niからなる厚さ約200nmの第2のオーミック電極25と、例えばAuからなる厚さ約400nmの下部電極27とから構成されている。なお、本実施形態のpnダイオードでは、SiC基板21aとして( 0 0 0 1)オフ面を主面とする4H−SiC基板を用いている。ただし、第1の実施形態とは異なり( 0 0 0 1)Si面を上面としている。
【0099】
本実施形態のpnダイオードは、SiC基板21aの厚みが200μm以下と、従来のpnダイオードに比べて薄くなっているので、動作時のオン抵抗をより小さくすることが可能である。
【0100】
次に、本実施形態のpnダイオード60の製造方法について簡単に説明する。
【0101】
まず最初に、厚さ400μm程度のSiC基板を準備し、CVD等の公知の方法によりSiC基板上に順次n型SiC層61、p型SiC層62を形成する。ここで、図6のようなメサ型構造をRIEにより形成する。
【0102】
次に、絶縁膜63を熱酸化やCVDにより形成し、その一部に開口部を設け、EB蒸着などの公知技術を用いて第1の電極層66を形成する。
【0103】
続いて、SiC基板を裏面であるC面側から研磨し、厚さを200μm以下とする。その後、EB蒸着など公知の方法により、SiC基板21aの裏面上に第2の電極層29を形成する。次に、基板の熱処理を行って第1のオーミック電極64および第2のオーミック電極25とSiC基板との接触をオーミック接触とする。
【0104】
本実施形態のpnダイオードの製造方法においても、第1の実施形態と同様に第2の電極層29よりも先に第1の電極層66を形成し、第2の電極層29を形成する直前にSiC基板を研磨している。この方法により、基板が薄い状態で熱処理されることがないので、第1のオーミック電極64を形成する際の位置ズレを防ぐことができる。ここで、第1のオーミック電極64の構成材料としてはAlがよく用いられるが、オーミック接触をとるための熱処理を1000℃以上の高温で行なう場合、Alでは破損しやすいため、Alよりも融点の高い金属をAlの上に積層することが好ましく、例えばAl/TiやAl/Niなどが用いられる。ただし、SiC基板の研磨は、製造工程中のいずれの時点で行ってもよい。特に、第1の電極層66の位置合わせを厳密に行なう必要がない場合には、第1の電極層66の形成前にSiC基板の研磨を行っても構わない。
【0105】
なお、本実施形態のpnダイオードにおいても、ショットキーダイオードの場合と同様、隣接する素子との間に溝を設けてもよい。この際には、ショットキーダイオードの場合と同じく溝はSiC基板21aの上部まで達する深さであることが好ましいが、溝の深さが1μm以上あればある程度の効果が得られる。
【0106】
また、本実施形態のpnダイオードにおいて、n型SiC層61およびp型SiC62の材料はSiCを用いたが、Si、GaN(窒化ガリウム)、ダイヤモンドなど、SiC基板上に形成できる材料であれば用いることができる。
【0107】
なお、本実施形態では、SiC基板の厚みを薄くした素子の例としてpnダイオードを挙げたが、同様の方法でSiC基板を薄くすることで、動作時のオン抵抗が低減された縦型MISFETを作製することができる。
【0108】
図7は、SiC基板の厚みを薄くした縦型MOSFETの構造の一部を示す断面図である。図6のpnダイオードと共通の部材については同じ符号を付している。
【0109】
図7に示すように、本発明の縦型MOSFET70は、SiC基板21aと、SiC基板21aの上面上に設けられ、n型不純物を含むSiCからなるn型エピタキシャル成長層71と、n型エピタキシャル成長層71の上面側からp型不純物イオンを注入することによりn型エピタキシャル成長層71の上部に設けられたp型不純物注入領域73と、p型不純物注入領域73の一部にn型不純物イオンを注入することにより設けられた高濃度n型不純物注入領域72と、n型エピタキシャル成長層71の上に、両端がp型不純物注入領域73および高濃度n型不純物注入領域72にオーバーラップするように設けられたSiO からなるゲート酸化膜76と、ゲート酸化膜76上に設けられたゲート電極77と、n型エピタキシャル成長層71の上であって、ゲート電極77の両側方に設けられ、高濃度n型不純物注入領域72とオーミック接触するソース電極74と、ゲート電極77の上に設けられた層間絶縁膜78と、ソース電極74の上に設けられた上部電極75と、SiC基板21aの裏面上に設けられたドレイン電極35および下部電極37とを備えている。ソース電極74と上部電極75とは第1の電極層79を構成する。
【0110】
このような構造の縦型MOSFETにおいても基板面とほぼ垂直方向に電流が流れるため、SiC基板21aを薄くすることによって、抵抗が大幅に減少する。
【0111】
なお、本実施形態ではプレーナ構造のDI(Double−implanted)MOSを例にとって説明したが、トレンチ構造を有するUMOSFETにおいても、基板の裏面を研磨する方法は有効である。このトレンチ構造は、オン抵抗の低減に有利である。
【0112】
また、ECFETやACCUFETなどの蓄積型の縦型MOSFETについても、基板を薄くすることは素子の特性向上に有効である。
【0113】
【発明の効果】
本発明の半導体装置によれば、SiC基板の厚みが200μm以下となっているので、動作時に装置全体のオン抵抗が従来の半導体装置よりも小さくなっている。また、本発明の半導体装置の製造方法によれば、SiC基板の裏面上に電極を形成する直前にSiC基板を研磨するため、基板の反りによるマスクずれ等を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係るショットキーダイオードの構造を示す断面図である。
【図2】(a)〜(c)は、第1の実施形態に係るショットキーダイオードの製造方法を示す断面図である。
【図3】(a)〜(c)は、第1の実施形態に係るショットキーダイオードの製造方法を示す断面図である。
【図4】(a)〜(c)は、第1の実施形態に係るショットキーダイオードの製造工程において、SiC基板上の複数のショットキーダイオードを示す断面図である。
【図5】(a)〜(c)は、本発明の第2の実施形態に係る半導体チップの実装工程を示す断面図である。
【図6】本発明の第3の実施形態に係るpnダイオードの構造を示す断面図である。
【図7】本発明の実施形態の一例である縦型MOSFETの構造を示す断面図である。
【図8】従来のショットキーダイオードの構造を示す断面図である。
【図9】(a)〜(c)は、従来のショットキーダイオードを備えた樹脂封止型半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図10】(a)〜(c)は、従来のショットキーダイオードを備えた樹脂封止型半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【符号の説明】
10               半導体チップ
11,11a,21a       SiC基板
12,71            エピタキシャル成長層
13               不純物注入領域
14               ショットキー電極
15               オーミック電極
16,65,75         上部電極
17,37            下部電極
18,66,79         第1の電極層
19,29,39         第2の電極層
25               第2のオーミック電極
29               第2の電極層
35               ドレイン電極
41               溝
51               リードフレーム
52               半田
53               ワイヤ
54               陽極
55               封止樹脂
60               pnダイオード
61               n型SiC層
62               p型SiC層
63               絶縁膜
64               第1のオーミック電極
70               縦型MOSFET
72               高濃度n型不純物注入領域
73               p型不純物注入領域
74               ソース電極
76               ゲート酸化膜
77               ゲート電極
78               層間絶縁膜
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device using a substrate made of silicon carbide and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a semiconductor power device having a high withstand voltage and used with a large current and a method of manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
A rectifying element and a switching element using silicon (Si) have been widely used as a power device driven at a high current with a high withstand voltage. However, with the recent development of technology, the physical property limit of Si has become a problem.
[0003]
For example, a pn diode made of Si is used as a rectifying element that requires a withstand voltage of a certain level or more, but has a disadvantage that switching loss is large. For this reason, a Schottky diode with smaller switching loss is expected as a substitute for a pn diode. However, it is difficult for a Schottky diode using Si to obtain a desired breakdown voltage due to a limit of the physical properties of Si, so that its practical use has been limited. Therefore, silicon carbide (silicon carbide, SiC) has attracted attention as a material for manufacturing a semiconductor device having high withstand voltage and small switching loss.
[0004]
SiC has a high insulation resistance due to its large band gap as compared with Si, and is a semiconductor having stable properties even at high temperatures. From such characteristics, SiC is expected to be applied not only to switching elements but also to power devices, environment-resistant elements, high-frequency devices, high-temperature operating devices, and the like. Hereinafter, a Schottky diode in which an SiC epitaxial growth layer is provided on a SiC substrate will be described as an example of a conventional semiconductor device proposed so far.
[0005]
FIG. 8 is a sectional view showing the structure of a conventional Schottky diode. As shown in the figure, a conventional Schottky diode is provided on an SiC substrate 181, an epitaxial growth layer 182 containing an n-type impurity, provided on an upper surface of the SiC substrate 181, and provided on an epitaxial growth layer 182 and Ni ( A Schottky electrode 184 made of nickel), an upper electrode 186 provided on the Schottky electrode 184 and having a laminated structure of Ti (titanium) and Au (gold), and an upper portion of the epitaxial growth layer 182 by ion implantation. , B (boron) or the like. In the conventional Schottky diode, an ohmic electrode 185 made of Ni is provided on the back surface of the SiC substrate 181, and a lower electrode 187 having a laminated structure of Ti and Au is provided on the back surface of the ohmic electrode 185. I have. As the SiC substrate 181, for example, a 4H-SiC substrate having a thickness of about 400 μm and an n-type ({0 0 0 1) off surface as an upper surface is used. The upper electrode 186 and the lower electrode 187 are necessary for providing wiring such as aluminum on the anode electrode of the semiconductor device or for fixing the semiconductor device to the lead frame using solder. Has nothing to do. By selecting an appropriate film thickness and impurity concentration of the epitaxial growth layer 182 made of SiC, a rectifier having a forward current of several amperes or more, a reverse breakdown voltage of 600 V or more, and sometimes 1000 V or more can be obtained. In a vertical semiconductor device as shown in FIG. 8, it is common to provide electrodes on the upper surface of the epitaxial growth layer 182 and on the rear surface of the SiC substrate 181 in order to increase the drive current.
[0006]
Next, a method of manufacturing a conventional Schottky electrode and a resin-sealed semiconductor device having the Schottky electrode will be described.
[0007]
9A to 9C and 10A to 10C are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a resin-encapsulated semiconductor device including a conventional Schottky diode.
[0008]
First, in the step shown in FIG. 9A, a SiC substrate 181 (4H-SiC substrate) containing an n-type impurity having a thickness of about 400 μm and a diameter of 2 inches is prepared. Next, an epitaxial growth layer 182 made of SiC containing an n-type impurity is formed on the upper surface of the SiC substrate 181 by a CVD method or the like.
[0009]
Next, in the step shown in FIG.2After forming a mask made of, p-type impurity ions such as boron are implanted. Next, after removing the mask, the substrate is subjected to a high heat treatment at 1500 ° C. or higher to activate the implanted ions. By this process, an impurity implantation region 183 is formed. This impurity implantation region 183 functions as a guard ring for preventing electric field concentration.
[0010]
Next, in the step shown in FIG. 9C, for example, Ni is deposited on the entire back surface of the SiC substrate 181 and subsequently, a heat treatment at about 1000 ° C. is performed to form an ohmic electrode 185.
[0011]
Next, in the step shown in FIG. 10A, Ni is deposited on the upper surface of the epitaxial growth layer 185 and then patterned to form a Schottky electrode 184 whose both ends overlap the impurity implantation region 183. Note that in FIG. 9C, the ohmic electrode 185 is formed before the Schottky electrode 184 is formed. If a heat treatment is performed after the formation of the Schottky electrode 184, the Schottky junction changes to an ohmic junction. This is because there are cases.
[0012]
Next, in a step shown in FIG. 10B, an upper electrode 186 is formed by stacking and patterning Ti and Au on the Schottky electrode 184. Then, a lower electrode 187 is formed by laminating Ti and Au on the back surface of the ohmic electrode 185.
[0013]
Thereafter, the wafer-shaped substrate is divided to produce a semiconductor chip as shown in FIG.
[0014]
Next, in the step shown in FIG. 10C, after the semiconductor chip is fixed to the upper surface of the lead frame using the solder 201, the upper electrode 186 and the anode 204 of the lead frame are connected by the metal wire 203. Next, by sealing the upper surfaces of the semiconductor chip, the wires 203 and the lead frame 202 with the resin 205, a resin-sealed semiconductor device can be manufactured.
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
The above-mentioned conventional Schottky diode has higher withstand voltage than a semiconductor device made of Si. In such a power device, since the current during driving is large, it is required to reduce the power loss.
[0016]
However, the conventional semiconductor device has a high on-resistance and cannot sufficiently exhibit the excellent characteristics of SiC. This is a problem common to not only Schottky diodes but also vertical power devices such as pn diodes and vertical MISFETs, in which current flows from the top surface to the back surface of the device or in the reverse direction.
[0017]
An object of the present invention is to provide a semiconductor device using an SiC substrate and further reducing the on-resistance, and a method for manufacturing the same.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
The semiconductor device of the present invention includes an SiC substrate having a whole rear surface cut off, and a semiconductor layer made of a semiconductor provided on an upper surface of the SiC substrate. In operation, carriers pass through the SiC substrate and the semiconductor layer. And run vertically.
[0019]
With this structure, the thickness of the SiC substrate is reduced, so that the resistance in the vertical direction (perpendicular to the substrate surface) is significantly reduced as compared with a conventional semiconductor device.
[0020]
When the thickness of the SiC substrate is 250 μm or less, the on-resistance during operation can be reduced to a level that cannot be achieved by a semiconductor device using a conventional SiC substrate.
[0021]
More preferably, the thickness of the SiC substrate is 200 μm or less.
[0022]
An electrode made of metal is provided above the semiconductor layer, and a lower electrode made of metal is provided on the back surface of the SiC substrate in ohmic contact with the SiC substrate. A reduced vertical semiconductor device is obtained.
[0023]
The lower electrode preferably includes one material selected from aluminum, titanium, nickel, tungsten, chromium, molybdenum, and silver.
[0024]
The epitaxial growth layer is provided on the ({0} 0} 0-1) carbon surface of the SiC substrate, and the lower electrode is provided on the ({0} 0} 1) silicon surface of the SiC substrate. In particular, in the case of a Schottky diode or a pn diode, an ohmic contact with the lower electrode can be formed without performing a high heat treatment at 1000 ° C. or more.
[0025]
A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes an SiC substrate, a semiconductor layer provided on the SiC substrate, an upper electrode provided above the semiconductor layer, and an ohmic electrode provided on a back surface of the SiC substrate. A method for manufacturing a semiconductor device comprising a lower electrode serving as an electrode and
The method includes a step (a) of forming the upper electrode, and a step (b) of reducing the thickness of the SiC substrate after the step (a).
[0026]
According to this method, the semiconductor device in which the resistance of the substrate portion is reduced and the on-resistance is reduced can be manufactured.
[0027]
Since the method further includes the step (c) of forming the lower electrode after the step (b), the upper electrode is manufactured earlier than the lower electrode, so that the step of thinning the SiC substrate is performed after the formation of the upper electrode. Will be able to do it. Therefore, the number of steps when the substrate is thin can be reduced, and the risk of warpage or breakage of the substrate can be reduced. In addition, since the step of thinning the SiC substrate does not affect the alignment of the upper electrode, patterning can be favorably performed when forming the upper electrode.
[0028]
After the step (c), a step (d) of manufacturing the semiconductor chip by separating the SiC substrate and the semiconductor layer, and after the step (d), the semiconductor chip is mounted on a lead frame. And (e) forming an ohmic junction between the SiC substrate and the lower electrode by performing a heat treatment. In the step (c), the number of steps can be reduced by omitting the heat treatment step. Therefore, the manufacturing cost can be reduced and the yield of the device can be improved.
[0029]
The semiconductor layer is provided on the ({0} 0} 0-1) carbon surface of the SiC substrate, and in the step (c), the lower electrode is provided on ({0} 0} 0} 1 silicon of the SiC substrate. Since the lower electrode can be an ohmic electrode without performing a high heat treatment at 1000 ° C. or more, the upper electrode can be formed earlier than the lower electrode. As a result, the thickness of the SiC substrate can be reduced after the formation of the upper electrode.
[0030]
By further including a step (f) of forming a groove for separating each element in the semiconductor layer, element separation is surely performed, and the semiconductor chip can be easily divided into semiconductor chips by using this groove. it can. Further, since the groove is formed on the substrate, defects such as cracks generated during the manufacturing process can be stopped at the groove. That is, the yield can be improved.
[0031]
It is preferable that the depth of the groove is 1 μm or more.
[0032]
When the thickness of the SiC substrate is less than 250 μm, a semiconductor device having lower on-resistance than a conventional semiconductor device can be manufactured.
[0033]
In particular, the thickness of the SiC substrate is preferably 200 μm or less.
[0034]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
There are various resistance components of a semiconductor device, such as a contact resistance between a semiconductor layer and an electrode, a resistance of a semiconductor layer, and a resistance of a SiC substrate itself. In a conventional semiconductor device, since the thickness of the SiC substrate is as large as 400 μm, the resistance of the SiC substrate occupies a large part of the resistance component. Therefore, as a result of the study, the present inventors have aimed at reducing the resistance of the SiC substrate.
[0035]
As a direct method for reducing the resistance of the SiC substrate, it is conceivable to reduce the thickness of the SiC substrate. Although a substrate having a thickness of about 250 μm is commercially available, even if it is used, it cannot be said that the resistance value is sufficiently low. Therefore, the present inventors polished, sandblasted, and reactive ion etched the thickness of the SiC substrate. (RIE) and the like. Thus, by making the thickness of the SiC substrate less than, for example, 250 μm, the resistance value of the SiC substrate could be reduced to a required level or less. Furthermore, when the thickness of the SiC substrate was 200 μm or less, the resistance value could be further reduced significantly. Since a substrate is used in any semiconductor device, the on-resistance of almost all vertical semiconductor devices can be reduced by thinning the substrate.
[0036]
However, when a high heat treatment at 1000 ° C. or more is performed in a state where the substrate is made thin, phenomena such as displacement of a position where a photoresist is formed due to warpage of the substrate may be observed. Such a high heat treatment is necessary when forming an ohmic electrode or activating an impurity in a semiconductor device manufacturing process. Further, by making the SiC substrate thinner, breakage and unexpected cracks are more likely to occur in the substrate. Therefore, it was considered necessary to provide a method for sufficiently reducing the thickness of the SiC substrate.
[0037]
Therefore, for example, a method of reducing the thickness of the SiC substrate after high heat treatment has been studied in order to prevent the substrate from being warped and cracked in the manufacturing process of the Schottky diode.
[0038]
In this examination stage, the present inventors focused on the plane orientation of the SiC substrate. SiC substrates such as the ({0} 0} 0} 1) 4H-SiC substrate include a Si (silicon) surface and a C (carbon) surface, and the semiconductor is usually formed with the Si surface on which an epitaxial growth layer is easily formed on the upper surface. The device is manufactured. If a heat treatment at 1000 ° C. or more is performed after depositing a metal such as Ni on the Si surface, ohmic contact between the Ni and the substrate occurs. Therefore, in the conventional Schottky diode manufacturing process, the shot shown in FIG. The step of forming the key electrode had to be placed after the step of forming the ohmic electrode of FIG.
[0039]
Therefore, the inventors of the present application tried to manufacture a Schottky diode with the C surface as the upper surface and the Si surface as the lower surface. As a result, an ohmic electrode can be easily formed on the Si surface without high-temperature treatment, and a Schottky electrode can be easily formed on the C surface. Therefore, the Schottky electrode can be formed before the ohmic electrode. It turned out to be possible. According to this method, the thickness of the SiC substrate can be reduced after the Schottky electrode is formed on the substrate, and it is not necessary to raise the temperature to 1000 ° C. or more in the step of forming the ohmic electrode.
[0040]
In the following embodiments, a semiconductor device formed using this method will be described.
[0041]
(1st Embodiment)
FIG. 1 is a sectional view showing the structure of the Schottky diode according to the first embodiment of the present invention. Many such semiconductor elements may be integrated on a semiconductor chip mounted on one resin-encapsulated semiconductor device. Here, one Schottky diode will be described.
[0042]
The features of the Schottky diode of the present embodiment are that the thickness of the SiC substrate 11a is as thin as 200 μm, and that the Schottky electrode 14 is provided on the C-plane side of the SiC substrate 11a.
[0043]
As shown in FIG. 1, the Schottky diode of the present embodiment has a thickness of about 200 μm, an SiC substrate 11a containing an n-type impurity, and an n-type n-type of about 10 μm provided on the upper surface of the SiC substrate 11a. An epitaxial growth layer 12 made of SiC, an impurity implantation region 13 provided by implanting boron into the upper portion of the epitaxial growth layer 12, and an upper surface of the epitaxial growth layer 12 with both ends overlapping the impurity implantation region 13. A first electrode layer 18 provided as described above, and a second electrode layer 19 provided on the entire back surface of the SiC substrate 11a.
[0044]
As the SiC substrate, a (0 0 0 1) substrate made of 4H—SiC containing nitrogen is used, and (0 0 0-1) (read as “0001 bar”) in the (11-20) direction from the C plane. The surface with an 8 ° off angle is the upper surface, and the Si surface is the rear surface. The resistivity of the SiC substrate 11a is 0.02 Ω · cm.
[0045]
The epitaxial growth layer 12 contains 1 × 1016cm-3It is contained at a concentration of.
[0046]
The first electrode layer 18 is in Schottky contact with the epitaxial growth layer 12 and has a thickness of about 200 nm made of Ti made of Ti, and is provided on the Schottky electrode 14 and made of Au having a thickness of about 3 μm. And an upper electrode 16. The size of the Schottky electrode 14 is, for example, 0.63 mm × 0.63 mm, and each of the Schottky electrodes 14 overlaps the impurity implantation region 13 by about 15 μm. The second electrode layer 19 is in ohmic contact with the back surface of the SiC substrate 11a and is provided on the back surface of the ohmic electrode 15 made of Al (aluminum) having a thickness of 400 nm and Au having a thickness of 400 nm. And a lower electrode 17 composed of
[0047]
Next, the resistance component of the Schottky diode of the present embodiment will be described.
[0048]
The ON resistance Ron when the Schottky diode of the present embodiment operates is
Ron= Rsub+ Repi+ Rcont+ Rother
Is represented by Where RsubIs the resistance of the SiC substrate 11a, RepiIs the resistance of the epitaxial growth layer 12, RcontIs the contact resistance generated between each member, RotherAre other resistance components including the resistance of the lead frame and the wire. The contact resistance includes resistance generated by solder at the interface between the SiC substrate 11a and the ohmic electrode 15 and the interface between the lower electrode 17 and the lead frame. Note that RsubAnd RepiIs a resistance component in the vertical direction in FIG. 1, that is, the direction perpendicular to the substrate surface.
[0049]
The dominant of the above-mentioned resistance components is RsubAnd RepiIt is. The 4H—SiC substrate exemplified in the present embodiment exhibits anisotropy in electrical conductivity in a direction parallel to and perpendicular to the substrate surface. Considering this, RsubAnd RepiIn the conventional Schottky diode 180 shown in FIG. 8, when the thickness of the SiC substrate is 400 μm, RsubIs about 0.7mΩcm2, RepiIs about 0.8mΩ · cm2It becomes.
[0050]
On the other hand, in the Schottky diode of the present embodiment, since the thickness of the SiC substrate is thin, when the thickness of the substrate is 200 μm, for example, RsubIs about 0.35mΩcm2It becomes. That is, by making the substrate thinner, the resistance of the portion made of SiC can be reduced by 20% or more. Further, according to the method for manufacturing a Schottky diode described later, the thickness of the SiC substrate can be reduced to 200 μm or less, so that the resistance component of the element can be further reduced.
[0051]
The breakdown voltage of the Schottky diode of the present embodiment is almost the same as the conventional one. This is because the thickness of the epitaxial growth layer 12 that determines the breakdown voltage is almost the same in the present embodiment between the Schottky diode of the present embodiment and the conventional one. Therefore, in the Schottky diode of the present embodiment, the resistance component is reduced without sacrificing the breakdown voltage. For this reason, conduction loss is also reduced.
[0052]
In the present embodiment, the example in which the epitaxial growth layer 12 is made of SiC has been described. However, the epitaxial growth layer 12 may be made of Si or another semiconductor.
[0053]
Next, a method for manufacturing the Schottky diode of the present embodiment and a semiconductor chip on which the Schottky diode is integrated will be described.
[0054]
2A to 2C and 3A to 3C are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the Schottky diode according to the present embodiment. However, in order to simplify the description, a step of forming an alignment key for mask alignment and a step of forming an interlayer insulating film are omitted.
[0055]
First, in the step shown in FIG. 2A, the SiC substrate 11 is prepared. Specifically, a 4H-SiC substrate having a top surface with an off angle of about 8 degrees in the (11-20) direction from the ({0 0} 0-1) C plane is prepared. Then, the upper surface of the SiC substrate 11 is sufficiently cleaned. The SiC substrate 12 is, for example, a wafer having a thickness of 400 μm and a diameter of 2 inches. In the present embodiment, one of Schottky diodes provided on the wafer will be described.
[0056]
Next, in the step shown in FIG. 2B, n-type impurities are contained on the SiC substrate 11 by a CVD method using propane gas as a carbon source gas, silane gas as a silicon source gas, and hydrogen as a carrier gas. An epitaxial growth layer 12 made of 4H—SiC is formed. The thickness of the epitaxial growth layer 12 is about 10 μm, and for example, nitrogen is used as the n-type impurity. Here, the upper surface of the epitaxial growth layer 12 is also a ({0 0 0-1) C plane.
[0057]
Subsequently, surface treatment of the epitaxial growth layer 12 is performed by keeping the upper surface of the substrate in a hydrogen atmosphere.
[0058]
Next, in the step shown in FIG. 2C, an SiO 2 layer having a thickness of about 600 nm is formed on the epitaxial growth layer 12.2After the film is formed, a pattern is formed by photoresist, and SiO2Etch the film. Thus, a 0.6 mm × 0.6 mm dummy mask 21 is formed on the epitaxial growth layer 12.
[0059]
Next, p-type impurities such as boron ions are implanted into the upper surface side of the epitaxial growth layer 12 using the dummy mask 21 as a mask. An implantation region 13 is formed. The ion implantation conditions at this time are as follows: the implantation angle is 0 °, the implantation temperature is 500 ° C., the implantation energy is 30 keV, and the implantation amount is 1 × 10 5Fifteenatoms / cm2.
[0060]
Thereafter, the substrate is placed in a heating furnace, and heat treatment is performed at 1100 ° C. for 90 minutes in a nitrogen atmosphere. Thereby, the impurities contained in impurity implantation region 13 are activated.
[0061]
Next, after removing the dummy mask 21 by etching using buffered hydrofluoric acid, an electrode layer composed of a Ti layer having a thickness of about 200 nm and Au having a thickness of 100 nm is formed on the epitaxial growth layer 12 in order. By forming this Au layer, the subsequent Au plating process can be easily performed. Incidentally, this Au layer becomes a part of the upper electrode 16 later. Next, after forming a photoresist pattern, Au plating is performed to deposit about 3 μm thick Au. Subsequently, after removing the resist, the unplated portion of the Au film is removed by etching, and a part of Ti is also removed by etching. Thereby, the Schottky electrode 14 made of Ti having a size of 0.63 mm × 0.63 mm and the upper electrode 16 made of Au provided on the Schottky electrode 14 are provided on the upper surface of the epitaxial growth layer 12. Are respectively formed.
[0062]
Next, in the step shown in FIG. 3B, the back surface of the SiC substrate 11 is polished until the thickness of the substrate becomes about 200 μm. The polished substrate is hereinafter referred to as a SiC substrate 11a. The polishing may be performed until the thickness of the SiC substrate becomes 200 μm or less.
[0063]
Next, in the step shown in FIG. 3C, after sufficiently cleaning the back surface of the SiC substrate 11a, an ohmic electrode 15 made of Al having a thickness of about 200 nm and an ohmic electrode 15 of about 400 nm are formed on the entire back surface of the SiC substrate 11a. And the lower electrode 17 made of Au. Subsequently, heat treatment of the substrate is performed in a nitrogen atmosphere at 300 ° C. for 5 minutes to stabilize the Schottky electrode 14 and the ohmic electrode 15.
[0064]
In the method of the present embodiment, since the ohmic electrode 15 is formed on the Si surface of the SiC substrate that is easily in ohmic contact with the metal, it is necessary to form the ohmic electrode without performing a heat treatment at 1000 ° C. or more after the electrode is formed. Can be.
[0065]
Next, the wafer-shaped substrate on which a large number of Schottky diodes are formed as shown in FIG. 3C is divided into, for example, 1 mm square semiconductor chips (not shown).
[0066]
Through the above steps, the Schottky diode of the present embodiment is manufactured.
[0067]
According to the method of manufacturing the Schottky diode of the present embodiment, the SiC substrate 11 is polished after the step of forming the Schottky electrode that requires patterning. Therefore, when the etching mask is formed, the SiC substrate 11 may be warped. Mask displacement is less likely to occur. Further, the probability that the substrate is damaged during the manufacturing process can be reduced as compared to the case where a SiC substrate having a thickness of 200 μm is used from the beginning.
[0068]
Further, in the method of manufacturing the Schottky diode according to the present embodiment, the reason why the SiC substrate 11 can be polished after the step of forming the Schottky electrode shown in FIG. 3A is that the ohmic electrode 15 is formed on the Si surface. To do that. By forming the ohmic electrode 15 on the Si surface of the SiC substrate, it becomes possible to make ohmic contact between the SiC substrate 11a and the ohmic electrode 15 without performing a high heat treatment at 1000 ° C. or higher. As a result, the ohmic electrode 15 can be formed after the formation of the Schottky electrode 14, so that the SiC substrate 11 can be polished immediately before the step of forming the ohmic electrode 15. As in the present embodiment, the contact resistance between the ohmic electrode 15 and the SiC substrate 11a may be larger in the case of processing at 300 ° C. for 5 minutes than in the case of processing the substrate at 1000 ° C. Since the size of the ohmic electrode 15 is large, the reduction in resistance due to the thinning of the SiC substrate is greater and does not pose a problem.
[0069]
As described above, in the Schottky diode manufactured by the method of the present embodiment, the resistance of the portion made of SiC is reduced by thinning the substrate. Further, since the substrate is thin, it is easy to divide the semiconductor chip from the wafer.
[0070]
In the method of manufacturing the Schottky diode according to the present embodiment, before the step of forming the ohmic electrode 15 shown in FIG. 3C, the back surface of the SiC substrate 11a is subjected to impurity implantation or surface treatment such as plasma treatment. Thereby, an ohmic junction can be more easily formed.
[0071]
In the Schottky diode of the present embodiment, an example is shown in which the epitaxial growth layer 12 is made of SiC. Instead of this, a material that can be deposited on the SiC substrate, such as Si, GaN (gallium nitride), or diamond, is used. Can be used. Further, it is not limited to the epitaxial growth layer, but may be in any crystalline state of amorphous or polycrystalline.
[0072]
In the present embodiment, the Schottky electrode is made of Ti and the ohmic electrode is made of Al. However, any metal may be used as long as it can form a Schottky junction and an ohmic junction on each surface. As a specific example of the ohmic electrode, a metal having a lower work function than Ni is preferable, and it is preferable to include aluminum, titanium, tungsten, chromium, molybdenum, silver, and these. Of course, Ni can also be used. Further, the Schottky electrode 14 may also contain other metal such as Ni, in addition to Ti.
[0073]
In this embodiment, a substrate made of a polytype such as 6H-SiC, 15R-SiC, or 3C-SiC may be used as the SiC substrate in addition to 4H-SiC.
[0074]
Further, in the present embodiment, an example has been described in which the ohmic electrode is formed on the n-type ({0 0 0Si1)) Si surface, but the ohmic electrode can be formed without breaking the Schottky electrode and other components. For example, a plane other than the ({0 0 0 1) Si plane may be used. The conductivity type of the SiC substrate used may be not only n-type but also p-type.
[0075]
In the Schottky diode of the present embodiment, the size of each electrode or member is not particularly limited. The thickness of the SiC substrate prepared in the step shown in FIG. 2A is 400 μm, but a 250 μm-thick SiC substrate is commercially available and can be used.
[0076]
In the Schottky diode of the present embodiment, the thickness of the SiC substrate is 200 μm or less, but if the thickness is less than 250 μm, the on-resistance can be reduced as compared with the conventional Schottky diode.
[0077]
In the method of manufacturing the Schottky diode of the present embodiment, it is preferable to provide a groove extending from the epitaxial growth layer 12 including the impurity-implanted region 13 to the upper part of the SiC substrate 11.
[0078]
FIGS. 4A to 4C are cross-sectional views showing a plurality of Schottky diodes on a SiC substrate in the manufacturing process of the Schottky diode of the present embodiment. This figure shows an example in which a groove is provided between each Schottky diode at the time of the step of forming the Schottky electrode 14 shown in FIG. The groove is provided in both the direction from the front to the back of the paper and the lateral direction. When dividing the semiconductor chip into semiconductor chips, the semiconductor chip is divided from a target groove portion among a large number of grooves.
[0079]
FIG. 4A shows a step of forming the Schottky electrode 14 as in FIG. In the Schottky diode of the present embodiment, each Schottky diode formed on the wafer is element-isolated by a groove 41 reaching the upper part of the SiC substrate 11. The groove 41 may be provided by reactive ion etching (RIE), or may be a physical scribe line.
[0080]
Next, the SiC substrate 11 is polished in the step shown in FIG. Then, after the ohmic electrode 15 and the lower electrode 17 are formed in the step shown in FIG. 4C, the substrate is subjected to a heat treatment.
[0081]
After that, the substrate is divided along the groove 41 at a desired position, and a semiconductor chip having many Schottky diodes is manufactured.
[0082]
By providing the grooves 41 for separating the respective Schottky diodes as in the example shown here, good element isolation can be achieved, and the wafer can be easily divided along the grooves, so that the semiconductor chips can be easily manufactured. You can also. The step of providing the groove 41 may be performed at any time before dividing the wafer, but is preferably performed before polishing the SiC substrate. Since the groove 41 is formed before the polishing of the SiC substrate, when the substrate is damaged such as a crack, the damage can be stopped at the groove. That is, according to this method, it is possible to reduce the defective rate of the element due to cracks or the like.
[0083]
Further, the groove 41 may reach the upper part of the SiC substrate 11a, but even if it is as deep as the epitaxial growth layer 12, element isolation can be performed without any problem. However, it is preferable that the depth of the groove 41 be 1 μm or more and reach the upper part of the SiC substrate 11a in order to achieve good element isolation and easily divide the chip into chips.
[0084]
In this embodiment, the Schottky diode in which the thickness of the SiC substrate is reduced has been described. However, even in the case of other vertical devices such as a pn diode and a vertical MISFET, the on-resistance is greatly reduced by reducing the thickness of the SiC substrate. can do.
[0085]
In the Schottky diode according to the present embodiment, the SiC substrate 11 may be entirely polished by making the epitaxial growth layer 12 sufficiently thick. In general, the epitaxial growth layer has better crystallinity than the substrate, so that an improvement in breakdown voltage or the like may be expected in some cases.
[0086]
(Second embodiment)
As a second embodiment of the present invention, a resin-sealed semiconductor device on which a semiconductor chip having an element such as a Schottky diode described in the first embodiment is mounted will be described.
[0087]
FIGS. 5A to 5C are cross-sectional views illustrating a mounting process of a semiconductor chip having a Schottky diode. Here, the reference numerals of the respective members are the same as in the first embodiment.
[0088]
First, in the step shown in FIG. 5A, a semiconductor chip divided from a wafer and provided with a number of Schottky diodes is prepared.
[0089]
That is, dicing is performed after the step illustrated in FIG. 3C or FIG. 4C to prepare the semiconductor chip 10 including a number of Schottky diodes.
[0090]
Next, in a step shown in FIG. 5B, a TO-220 type lead frame 51 made of, for example, copper is prepared, and the semiconductor chip 10 is mounted on the upper surface of the lead frame 51.
[0091]
As a specific procedure, first, the lead frame 51 is placed in an inert atmosphere such as nitrogen or argon (Ar), and heated to about 300 ° C. which is equal to or higher than the melting point of gold tin (AuSn) in that state. Subsequently, after the solder 52 made of a gold-tin (AuSn) alloy is placed on the upper surface of the lead frame 51 and melted, the semiconductor chip 10 is placed on the lead frame 51 from the back side. Then, by applying an appropriate pressure from above the semiconductor chip 10, the back surface of the semiconductor chip 10 (the back surface of the lower electrode 17) and the upper surface of the lead frame 51 are bonded. At this time, since the SiC substrate 11a of the semiconductor chip 10 has excellent thermal conductivity, the heating temperature of the lead frame is easily transmitted, and the entire semiconductor chip 10 is efficiently heated. Therefore, by performing this step, it is possible to omit the heat treatment for stabilizing the ohmic electrode and the Schottky electrode described in the first embodiment.
Next, in the step shown in FIG. 5C, the upper electrode 16 and the anode 54 of the lead frame are connected by a wire 53 made of, for example, Al. After that, the upper surfaces of the semiconductor chip 10, the wires 53 and the lead frame 51 are sealed with resin. Then, by dividing the lead frame 51, a resin-sealed semiconductor device can be manufactured.
[0092]
As shown in FIG. 5 (c), the resin-encapsulated semiconductor device manufactured by the above-described process has a plurality of lead frames 51 made of metal and a large number of AuSn solders bonded on the upper surfaces of the lead frames. A semiconductor chip 10 having a Schottky diode, a wire 53 made of Al for connecting an anode 54 that is a part of the lead frame 51 and functions as an external terminal and the upper electrode 16 of the Schottky diode, An upper surface, a sealing resin 55 for sealing the semiconductor chip 10 and the wires 53 are provided.
[0093]
In the resin-encapsulated semiconductor device of the present embodiment, the thickness of the SiC substrate 11a of the semiconductor chip 10 is reduced to about 200 μm. It has been significantly reduced.
[0094]
In the present embodiment, the material of the solder is described as AuSn. However, another material may be used depending on the condition of the element structure and the use environment. In this case, in the step shown in FIG. 5B, the lead frame may be heated to a temperature higher than the melting point of the solder material and lower than the temperature at which the Schottky contact can be maintained.
[0095]
In the resin-encapsulated semiconductor device of this embodiment, the constituent materials of the ohmic electrode 15 and the Schottky electrode 14 are Ti and Al, respectively, and the upper electrode 16 and the lower electrode 17 are Au. The upper electrode 16 may be integrally formed of the same material, or the ohmic electrode 15 and the lower electrode 17 may be integrally formed of the same material. The material of the electrode is not particularly limited as long as it is a metal.
[0096]
Although a semiconductor chip having a Schottky diode was used in the resin-encapsulated semiconductor device of the present embodiment, electrodes are provided on the back surface and the top surface of the substrate, and a current is applied in a direction perpendicular to the substrate surface. Any chip having a flowing vertical semiconductor element can be used. For example, a semiconductor chip having a vertical MISFET, a pn diode, or the like can be a resin-encapsulated semiconductor device with low power loss in the same manner.
[0097]
(Third embodiment)
A pn diode using a SiC substrate will be described as a third embodiment of the present invention.
[0098]
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating the structure of the pn diode of the present embodiment. As shown in the figure, the pn diode 60 of the present embodiment has a thickness of 200 μm or less, an SiC substrate 21 a containing an n-type impurity, and a thickness of about 20 μm provided by epitaxial growth on the upper surface of the SiC substrate 21 a. an n-type SiC layer 61 containing an n-type impurity, and a p-type SiC layer 62 provided on a part of the n-type SiC layer 61 by epitaxial growth and made of SiC having a thickness of about 1.5 μm and containing a p-type impurity. , A first electrode layer 66 made of a metal provided on the p-type SiC layer 62 and provided on both sides of the first electrode layer 66 to cover the upper surfaces of the p-type SiC layer 62 and the n-type SiC layer 61 And an insulating film 63. In the pn diode 60 of the present embodiment, a second electrode layer 29 made of metal is provided on the entire back surface of the SiC substrate 21a. The first electrode layer 66 includes a first ohmic electrode 64 having a thickness of about 200 nm provided on the p-type SiC layer 62 and a thickness of about Au and the like provided on the first ohmic electrode 64. And an upper electrode 65 of 3 μm. The second electrode layer 29 includes a second ohmic electrode 25 made of Ni and having a thickness of about 200 nm, and a lower electrode 27 made of Au and having a thickness of about 400 nm. In the pn diode of the present embodiment, a 4H-SiC substrate having a ({0 0 0} 1) off surface as a main surface is used as the SiC substrate 21a. However, unlike the first embodiment, the ({0 0 0 1) Si surface is the upper surface.
[0099]
In the pn diode of the present embodiment, the thickness of the SiC substrate 21a is 200 μm or less, which is smaller than that of the conventional pn diode, so that the on-resistance during operation can be further reduced.
[0100]
Next, a method for manufacturing the pn diode 60 of the present embodiment will be briefly described.
[0101]
First, an SiC substrate having a thickness of about 400 μm is prepared, and an n-type SiC layer 61 and a p-type SiC layer 62 are sequentially formed on the SiC substrate by a known method such as CVD. Here, a mesa structure as shown in FIG. 6 is formed by RIE.
[0102]
Next, the insulating film 63 is formed by thermal oxidation or CVD, an opening is provided in a part of the insulating film 63, and the first electrode layer 66 is formed by a known technique such as EB vapor deposition.
[0103]
Subsequently, the SiC substrate is polished from the C surface side, which is the back surface, to a thickness of 200 μm or less. Thereafter, the second electrode layer 29 is formed on the back surface of the SiC substrate 21a by a known method such as EB deposition. Next, the substrate is subjected to a heat treatment to make the contact between the first ohmic electrode 64 and the second ohmic electrode 25 and the SiC substrate into ohmic contact.
[0104]
Also in the method for manufacturing a pn diode according to the present embodiment, the first electrode layer 66 is formed before the second electrode layer 29 similarly to the first embodiment, and immediately before the second electrode layer 29 is formed. First, the SiC substrate is polished. With this method, since the heat treatment is not performed in a state where the substrate is thin, it is possible to prevent a positional shift when the first ohmic electrode 64 is formed. Here, Al is often used as a constituent material of the first ohmic electrode 64. However, when heat treatment for obtaining ohmic contact is performed at a high temperature of 1000 ° C. or higher, Al is easily broken, and thus has a melting point higher than that of Al. It is preferable to stack a high metal on Al, for example, Al / Ti or Al / Ni is used. However, the polishing of the SiC substrate may be performed at any point during the manufacturing process. In particular, when it is not necessary to precisely position the first electrode layer 66, the SiC substrate may be polished before the formation of the first electrode layer 66.
[0105]
In the pn diode of the present embodiment, a groove may be provided between adjacent elements as in the case of the Schottky diode. In this case, it is preferable that the groove has a depth reaching the upper part of the SiC substrate 21a as in the case of the Schottky diode, but a certain effect can be obtained if the depth of the groove is 1 μm or more.
[0106]
In the pn diode of the present embodiment, the n-type SiC layer 61 and the p-type SiC 62 are made of SiC, but any material that can be formed on the SiC substrate, such as Si, GaN (gallium nitride), or diamond, is used. be able to.
[0107]
In the present embodiment, a pn diode is described as an example of an element having a reduced thickness of the SiC substrate. However, by reducing the thickness of the SiC substrate by the same method, a vertical MISFET having a reduced on-resistance during operation can be used. Can be made.
[0108]
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a part of the structure of the vertical MOSFET in which the thickness of the SiC substrate is reduced. The same members as those of the pn diode in FIG. 6 are denoted by the same reference numerals.
[0109]
As shown in FIG. 7, a vertical MOSFET 70 according to the present invention includes a SiC substrate 21a, an n-type epitaxial growth layer 71 provided on the upper surface of the SiC substrate 21a and made of SiC containing an n-type impurity, and an n-type epitaxial growth layer 71. Implanting p-type impurity ions from the upper surface of n-type epitaxial growth layer 71 and implanting n-type impurity ions into part of p-type impurity implantation region 73 Provided on the n-type epitaxial growth layer 71 and the high-concentration n-type impurity implantation region 72 provided so that both ends overlap the p-type impurity implantation region 73 and the high-concentration n-type impurity implantation region 72.2And a gate electrode 77 provided on the gate oxide film 76 and a high concentration n-type impurity implanted region provided on the n-type epitaxial growth layer 71 and on both sides of the gate electrode 77. A source electrode 74 in ohmic contact with the gate electrode 72, an interlayer insulating film 78 provided on the gate electrode 77, an upper electrode 75 provided on the source electrode 74, and a drain provided on the back surface of the SiC substrate 21a. An electrode 35 and a lower electrode 37 are provided. The source electrode 74 and the upper electrode 75 constitute a first electrode layer 79.
[0110]
Even in a vertical MOSFET having such a structure, a current flows in a direction substantially perpendicular to the substrate surface. Therefore, by thinning the SiC substrate 21a, the resistance is significantly reduced.
[0111]
In the present embodiment, a DI (Double-implanted) MOS having a planar structure has been described as an example, but a method of polishing the back surface of a substrate is also effective in a UMOSFET having a trench structure. This trench structure is advantageous for reducing the on-resistance.
[0112]
Also, for storage type vertical MOSFETs such as ECFETs and ACCUFETs, thinning the substrate is effective for improving the characteristics of the elements.
[0113]
【The invention's effect】
According to the semiconductor device of the present invention, since the thickness of the SiC substrate is 200 μm or less, the on-resistance of the entire device during operation is smaller than that of the conventional semiconductor device. Further, according to the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, the SiC substrate is polished immediately before forming an electrode on the back surface of the SiC substrate, so that a mask shift or the like due to warpage of the substrate can be prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing a structure of a Schottky diode according to a first embodiment of the present invention.
FIGS. 2A to 2C are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the Schottky diode according to the first embodiment.
FIGS. 3A to 3C are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the Schottky diode according to the first embodiment.
FIGS. 4A to 4C are cross-sectional views illustrating a plurality of Schottky diodes on a SiC substrate in a manufacturing process of the Schottky diode according to the first embodiment.
FIGS. 5A to 5C are cross-sectional views illustrating a mounting process of a semiconductor chip according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a sectional view showing a structure of a pn diode according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a structure of a vertical MOSFET as an example of an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a structure of a conventional Schottky diode.
FIGS. 9A to 9C are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a conventional resin-encapsulated semiconductor device including a Schottky diode.
10A to 10C are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a conventional resin-encapsulated semiconductor device including a Schottky diode.
[Explanation of symbols]
10mm semiconductor chip
11,11a, 21a @ SiC substrate
12,71% epitaxial growth layer
13 impurity implantation region
14 Schottky electrode
15mm ohmic electrode
16, 65, 75 mm upper electrode
17, 37 lower electrode
18, 66, 79} first electrode layer
19, 29, 39} Second electrode layer
25 ° second ohmic electrode
29 Second electrode layer
35 ° drain electrode
41 groove
51mm lead frame
52 solder
53 wire
54 anode
55 sealing resin
60 pn diode
61 n-type SiC layer
62 p-type SiC layer
63 insulating film
64 first ohmic electrode
70mm vertical MOSFET
72 ° high-concentration n-type impurity implantation region
73 p-type impurity implantation region
74 ° source electrode
76 gate oxide film
77 gate electrode
78 interlayer insulation film

Claims (14)

裏面全体が削られたSiC基板と、
上記SiC基板の上面上に設けられた半導体層とを備え、
動作時には、キャリアが上記SiC基板および上記半導体層を通過して縦方向に走行する半導体装置。
A SiC substrate whose entire back surface is shaved,
A semiconductor layer provided on the upper surface of the SiC substrate,
In operation, a semiconductor device in which carriers travel in a vertical direction through the SiC substrate and the semiconductor layer.
請求項1に記載の半導体装置において、
上記SiC基板の厚みは250μm以下であることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
A semiconductor device, wherein the thickness of the SiC substrate is 250 μm or less.
請求項1または2に記載の半導体装置において、
上記SiC基板の厚みは200μm以下であることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1, wherein
A semiconductor device, wherein the thickness of the SiC substrate is 200 μm or less.
請求項1〜3のうちいずれか1つに記載の半導体装置において、
上記半導体層の上方に金属からなる電極が設けられ、
上記SiC基板の裏面上には、上記SiC基板とオーミック接触し、金属からなる下部電極が設けられていることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 3,
An electrode made of metal is provided above the semiconductor layer,
A semiconductor device, wherein a lower electrode made of metal is provided on the back surface of the SiC substrate in ohmic contact with the SiC substrate.
請求項4に記載の半導体装置において、
上記下部電極は、アルミニウム,チタン,ニッケル,タングステン,クロム,モリブデン及び銀のうちから選ばれた1つの材料を含むことを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 4,
A semiconductor device, wherein the lower electrode includes one material selected from aluminum, titanium, nickel, tungsten, chromium, molybdenum, and silver.
請求項4または5のうちいずれか1つに記載の半導体装置において、
上記SiC基板の( 0 0 0−1)カーボン面上に上記半導体層が設けられており、
上記SiC基板の( 0 0 0 1)シリコン面上には上記下部電極が設けられていることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 4, wherein:
The semiconductor layer is provided on the (000-1) carbon surface of the SiC substrate,
A semiconductor device, wherein the lower electrode is provided on a (001) silicon surface of the SiC substrate.
SiC基板と、上記SiC基板上に設けられた半導体層と、上記半導体層の上方に設けられた上部電極と、上記SiC基板の裏面上に設けられ、オーミック電極となる下部電極と備えた半導体装置の製造方法であって、
上記上部電極を形成する工程(a)と、
上記工程(a)の後に上記SiC基板の厚さを薄くする工程(b)と
を含む半導体装置の製造方法。
A semiconductor device comprising a SiC substrate, a semiconductor layer provided on the SiC substrate, an upper electrode provided above the semiconductor layer, and a lower electrode provided on the back surface of the SiC substrate and serving as an ohmic electrode The method of manufacturing
(A) forming the upper electrode;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: a step (b) of reducing the thickness of the SiC substrate after the step (a).
請求項7に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程(b)の後に上記下部電極を形成する工程(c)をさらに含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 7,
A method for manufacturing a semiconductor device, further comprising a step (c) of forming the lower electrode after the step (b).
請求項8に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程(c)の後、上記SiC基板および上記半導体層を分離して半導体チップを製造する工程(d)と、
上記工程(d)の後、上記半導体チップをリードフレーム上に載置して熱処理を行なうことにより上記SiC基板と上記下部電極との間にオーミック接合を形成する工程(e)とをさらに含み、
上記工程(c)では、熱処理工程を省略することを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 8,
After the step (c), a step (d) of manufacturing a semiconductor chip by separating the SiC substrate and the semiconductor layer;
After the step (d), a step (e) of mounting the semiconductor chip on a lead frame and performing a heat treatment to form an ohmic junction between the SiC substrate and the lower electrode is further included.
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the heat treatment step is omitted in the step (c).
請求項7〜9のうちいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記SiC基板の( 0 0 0−1)カーボン面上に上記半導体層が設けられ、
上記工程(c)では、上記SiC基板の( 0 0 0 1)シリコン面上に上記下部電極が設けられることを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7,
The semiconductor layer is provided on the (000-1) carbon surface of the SiC substrate,
In the step (c), the lower electrode is provided on a (001) silicon surface of the SiC substrate.
請求項7〜10のうちいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記半導体層に各素子間を分離するための溝を形成する工程(f)をさらに含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7,
A method for manufacturing a semiconductor device, further comprising a step (f) of forming a groove for separating each element in the semiconductor layer.
請求項7〜11のうちいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記溝の深さが1μm以上であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the depth of the groove is 1 μm or more.
請求項7〜12のうちいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記SiC基板の厚みは250μm未満であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the thickness of the SiC substrate is less than 250 μm.
請求項7〜13に記載の半導体装置の製造方法において、
上記SiC基板の厚みは200μm以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the thickness of the SiC substrate is 200 μm or less.
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