JP2005353877A - Semiconductor device - Google Patents

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Koichi Hashimoto
浩一 橋本
Makoto Kitahata
真 北畠
Osamu Kusumoto
修 楠本
Masao Uchida
正雄 内田
Kunimasa Takahashi
邦方 高橋
Ryoko Miyanaga
良子 宮永
Masaya Yamashita
賢哉 山下
Junko Iwanaga
順子 岩永
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a normally-off vertical power MOSFET where on-resistance equivalent to a conduction loss can be reduced. <P>SOLUTION: A semiconductor device 100 is provided with a semiconductor layer 2 consisting of a first semiconductor; second conductive well areas 6 which are formed at the semiconductor layer 2 so as to include the surface of the semiconductor 2; a first conductive conduction area 2a formed in the semiconductor layer 2 extending the whole thickness of the semiconductor layer 2 in contact with the well areas 6; a channel layer 3 formed on at least a part of the well areas 6 and at least a part of the conduction area 2a, and consisting of a semiconductor; and a gate electrode 12 formed on the channel layer 3. At least a part of the channel layer 3 positioned under the gate electrode 12 consists of a second semiconductor, and the band gap of the first semiconductor is larger than that of the second semiconductor. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は半導体装置に関し、特に高耐圧かつ大電流を制御する縦型パワーMOSFETとしての半導体装置に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device as a vertical power MOSFET that controls a high voltage and a large current.

従来の縦型のシリコン(Si)パワーMOSFETにおいては絶縁破壊性能が劣っており、耐圧特性を稼ぐには不純物を低濃度にドープした領域(ドリフト領域)を所定以上の厚膜に形成することが必要である。しかしこうすると、SiパワーMOSFETのドリフト抵抗が増して、ひいてはMOSFETの導通損失に相当するオン抵抗(オン抵抗=チャネル抵抗+ドリフト抵抗)が増大することになる。また、SiパワーMOSFETの電流容量は、Si素子の特性劣化に繋がる温度上昇によって制約されている。こうした理由からSiパワーMOSFETには、電流容量やオン抵抗によって決まる半導体素子の特性改善に限界が見えつつあると言える。   In conventional vertical silicon (Si) power MOSFETs, the dielectric breakdown performance is inferior, and a region doped with a low concentration of impurities (drift region) may be formed in a thick film of a predetermined thickness or more in order to obtain a withstand voltage characteristic. is necessary. However, this increases the drift resistance of the Si power MOSFET, which in turn increases the on-resistance (on-resistance = channel resistance + drift resistance) corresponding to the conduction loss of the MOSFET. Further, the current capacity of the Si power MOSFET is restricted by a temperature rise that leads to deterioration of the characteristics of the Si element. For these reasons, it can be said that Si power MOSFETs are seeing limitations in improving the characteristics of semiconductor elements determined by current capacity and on-resistance.

そこで、従来のSiパワーMOSFETの限界を打破する半導体材料として、ワイドバンドギャップ半導体である炭化珪素(シリコンカーバイド;4H−SiC)が注目されている。SiCは、高絶縁耐圧性および熱伝導特性並びに高温耐性に優れた物性を有し、パワーMOSFETに適した材料である。より具体的には、SiCパワーMOSFETでは、SiCの高絶縁耐圧性によってドリフト領域を薄くできかつその領域の不純物密度を高めることも可能であり、これによってドリフト抵抗の大幅な低減が図られ得る。また、SiCパワーMOSFETは、高温状態で動作可能であると共に熱伝導性に優れているため、その電流容量の向上が容易である。   Thus, silicon carbide (silicon carbide; 4H—SiC), which is a wide band gap semiconductor, has attracted attention as a semiconductor material that overcomes the limitations of conventional Si power MOSFETs. SiC is a material suitable for power MOSFETs, having physical properties excellent in high withstand voltage resistance, heat conduction characteristics and high temperature resistance. More specifically, in the SiC power MOSFET, the drift region can be thinned and the impurity density in the region can be increased due to the high withstand voltage of SiC, which can significantly reduce the drift resistance. Moreover, since SiC power MOSFET can operate | move in a high temperature state and is excellent in thermal conductivity, the improvement of the current capacity is easy.

もっともその反面、SiCパワーMOSFETにおいては、SiC層の表面に熱酸化処理によってゲート絶縁層としてのSiO層を積層すると、SiC層とSiO層との界面に、多数のキャリアをトラップする界面準位が高密度に形成され、こうした高密度の界面準位により、充分なチャネル移動度(チャネルにおけるキャリア移動度)が達成されず、SiCパワーMOSFETのオン抵抗(チャネル抵抗)の増加の一要因になっている。 On the other hand, in the SiC power MOSFET, when a SiO 2 layer as a gate insulating layer is laminated on the surface of the SiC layer by thermal oxidation, an interface state that traps many carriers at the interface between the SiC layer and the SiO 2 layer. As a result, the channel state (carrier mobility in the channel) is not achieved due to the high density of interface states, which is a factor in increasing the on-resistance (channel resistance) of the SiC power MOSFET. It has become.

これの対応策として、電流の流れるチャネルをSiC層/SiO層界面から離して、界面準位の影響を緩和する試みも研究されているが、未だ充分にチャネル抵抗を低減したノーマリオフ型のSiCパワーMOSFETは開発されていない。 As a countermeasure for this, an attempt to alleviate the influence of the interface state by separating the channel through which the current flows from the SiC layer / SiO 2 layer interface has been studied. A power MOSFET has not been developed.

このような状況において、SiC基板にSi層をヘテロエピタキシャル成長した後、このSi層にSiO層を積層するという技術が提案されている(従来例としての特許文献1参照)。
特開平11−121748号公報
Under such circumstances, a technique has been proposed in which a Si layer is heteroepitaxially grown on a SiC substrate, and then a SiO 2 layer is stacked on the Si layer (see Patent Document 1 as a conventional example).
JP-A-11-121748

確かに、上記の従来例に記載のパワーMOSFETのようにSi層の上に熱酸化処理によってSiO層を形成すれば、SiC層/SiO層の界面における炭素不純物に起因した界面汚染は回避されて、界面準位の増加を効果的に抑制し得るものと期待できるが、このMOSFETにおいては、高電界に曝されるpn接合部(p型のウェル領域とn型のSi層との界面部)の空乏層が、絶縁破壊性能の劣ったSi層の領域内に内在し、高絶縁耐圧性に優れたSiCの特性が有効に活かされてないと、本願発明者は考察している。 Certainly, if the SiO 2 layer is formed on the Si layer by thermal oxidation like the power MOSFET described in the above-mentioned conventional example, interface contamination due to carbon impurities at the SiC layer / SiO 2 layer interface is avoided. In this MOSFET, it is expected that the increase in the interface state can be effectively suppressed. However, in this MOSFET, the pn junction exposed to a high electric field (the interface between the p-type well region and the n-type Si layer) The inventor of the present application considers that the characteristics of SiC excellent in high withstand voltage resistance are not utilized effectively because the depletion layer of (1) is inherent in the region of the Si layer having inferior dielectric breakdown performance.

本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであって、高チャネル移動度を実現可能なチャネル領域と高絶縁耐圧性に優れたドリフト領域とを有して、チャネル抵抗とドリフト抵抗の両方を下げて、導通損失に相当するオン抵抗低減を可能にしたノーマリオフ型の縦型パワーMOSFETを提供することを目的としている。併せて、本発明は、高温状態で動作可能であると共に熱伝導性(放熱性)に優れたノーマリオフ型の縦型パワーMOSFETを提供することも目的としている。   The present invention has been made in view of such circumstances, and has a channel region capable of realizing high channel mobility and a drift region excellent in high withstand voltage, and both channel resistance and drift resistance are provided. It is an object of the present invention to provide a normally-off type vertical power MOSFET that can reduce the on-resistance corresponding to conduction loss. In addition, another object of the present invention is to provide a normally-off vertical power MOSFET that can operate at a high temperature and has excellent thermal conductivity (heat dissipation).

本発明に係る半導体装置は、第一の半導体からなる半導体層と、前記半導体層に前記半導体層の表面を含むように形成された第二の導電型のウェル領域と、前記ウェル領域に接して前記半導体層の全厚みに亘って前記半導体層に形成された第一の導電型の導電領域と、前記ウェル領域の少なくとも一部と前記導電領域の少なくとも一部との上に形成された半導体からなるチャネル層と、前記チャネル層の上に形成されたゲート電極と、を備え、前記ゲート電極の下方に位置する前記チャネル層の少なくとも一部が、第二の半導体により構成され、前記第一の半導体のバンドギャップは前記第二の半導体のバンドギャップより大きいものである。なおここで、第一の半導体は、例えば、炭化珪素、窒化ガリウムおよびダイヤモンドのうちの何れかである。また、第二の半導体は、例えば、シリコン、ガリウム砒素、シリコンとゲルマニウムとを含む化合物、およびシリコンとゲルマニウムと炭素とを含む化合物のうちの何れかである。   A semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor layer made of a first semiconductor, a second conductivity type well region formed in the semiconductor layer so as to include the surface of the semiconductor layer, and in contact with the well region. A conductive region of a first conductivity type formed in the semiconductor layer over the entire thickness of the semiconductor layer, and a semiconductor formed on at least a portion of the well region and at least a portion of the conductive region. A channel layer, and a gate electrode formed on the channel layer, wherein at least a part of the channel layer located below the gate electrode is configured by a second semiconductor, The band gap of the semiconductor is larger than the band gap of the second semiconductor. Here, the first semiconductor is, for example, any one of silicon carbide, gallium nitride, and diamond. The second semiconductor is, for example, any one of silicon, gallium arsenide, a compound containing silicon and germanium, and a compound containing silicon, germanium, and carbon.

これによって、高チャネル移動度を実現可能なチャネル領域(チャネル層)と高絶縁耐圧性に優れたドリフト領域(半導体層)とを有して、チャネル抵抗とドリフト抵抗の両方を下げて、導通損失に相当するオン抵抗低減を可能にしたノーマリオフ型の縦型パワーMOSFETが得られる。   As a result, it has a channel region (channel layer) that can achieve high channel mobility and a drift region (semiconductor layer) with high withstand voltage resistance, lowering both channel resistance and drift resistance, and conducting loss Thus, a normally-off vertical power MOSFET that can reduce the on-resistance corresponding to is obtained.

ここで、前記第一の半導体からなる第一の導電型の基板を有し、前記基板の上に前記半導体層が形成されるように構成しても良く、前記チャネル層を前記第二の半導体により構成しても良い。   Here, the substrate may have a first conductivity type made of the first semiconductor, and the semiconductor layer may be formed on the substrate, and the channel layer may be configured as the second semiconductor. You may comprise by.

また、前記導電領域においては、所定の耐圧特性を得るため、前記基板よりも添加不純物の濃度を低減させて高抵抗層として機能させることが望ましい。   Further, in the conductive region, in order to obtain a predetermined withstand voltage characteristic, it is desirable to function as a high resistance layer by reducing the concentration of the added impurity compared to the substrate.

また、前記チャネル層は前記第二の導電型を有して、チャネル領域を含む本体部と、前記本体部から延び、前記本体部よりも添加不純物の濃度が高い領域と、によって構成されており、前記領域に接触する第一の電極が配置されるように構成しても良い。   In addition, the channel layer has the second conductivity type, and includes a main body portion including a channel region, and a region extending from the main body portion and having a higher concentration of additive impurities than the main body portion. The first electrode that contacts the region may be arranged.

そして、前記チャネル層と接する前記導電領域の上面において、隣接する前記ウェル領域の間隔が、前記半導体層の厚さの0%を超えかつ50%以下にすれば、隣接するウェル電極の間の全域を空乏層によって閉じて、導電領域の上面に積層したナローバンドギャップ半導体(チャネル層)が高電界に曝されることを確実に防止できる。   Then, on the upper surface of the conductive region in contact with the channel layer, if the interval between adjacent well regions exceeds 0% and not more than 50% of the thickness of the semiconductor layer, the entire region between adjacent well electrodes Is closed by a depletion layer, and the narrow band gap semiconductor (channel layer) stacked on the upper surface of the conductive region can be reliably prevented from being exposed to a high electric field.

より詳しくは、前記基板の裏面に接触する第二の電極と、前記上面の下方に位置する前記導電領域を挟む前記隣接するウェル領域とが配置され、前記第一の電極と前記第二の電極との間に印加される電位差が所定値以下の状態において、前記隣接するウェル領域の間の前記導電領域が空乏化するように構成されるものである。なおこの際、前記電位差の所定値が、0Vを超えかつ40V以下である。   More specifically, a second electrode that contacts the back surface of the substrate and the adjacent well region that sandwiches the conductive region located below the top surface are disposed, and the first electrode and the second electrode The conductive region between the adjacent well regions is depleted in a state where the potential difference applied between the adjacent well regions is not more than a predetermined value. At this time, the predetermined value of the potential difference is more than 0V and not more than 40V.

本発明によれば、高チャネル移動度を実現可能なチャネル領域と高絶縁耐圧性に優れたドリフト領域とを有して、チャネル抵抗とドリフト抵抗の両方を下げて、導通損失に相当するオン抵抗低減を可能にしたノーマリオフ型の縦型パワーMOSFETが得られる。   According to the present invention, a channel region capable of realizing high channel mobility and a drift region excellent in high withstand voltage resistance, both channel resistance and drift resistance are lowered, and on-resistance corresponding to conduction loss is achieved. A normally-off vertical power MOSFET that can be reduced is obtained.

本発明の実施の形態に係るパワーMOSFETについて図面を参照しつつ説明する。   A power MOSFET according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

以下の説明および添付図面において、「n」または「p」は導電型を示し、これらを記した層や領域は、それぞれ電子または正孔がキャリアであることを意味する。   In the following description and the accompanying drawings, “n” or “p” indicates a conductivity type, and the layer or region in which these are described means that electrons or holes are carriers, respectively.

図1は、本発明の実施の形態に係るnチャネル型のパワーMOSFET(半導体装置)の断面図である。なお、高濃度コンタクト層7を内部に含む、略正方形平面形状または略六角形平面形状のウェル領域6が、ドレイン電極5を共有しながら多数並べて配置されているが、ここではその平面視の図示は省略する。   FIG. 1 is a cross-sectional view of an n-channel type power MOSFET (semiconductor device) according to an embodiment of the present invention. A large number of well regions 6 having a substantially square planar shape or a substantially hexagonal planar shape including the high-concentration contact layer 7 are arranged side by side while sharing the drain electrode 5. Is omitted.

図1に示すように、SiC(第一の半導体)からなる半導体基板1の表面には、SiCからなるSiC成長層2(半導体層)が、エピタキシャル成長により形成されている。このSiC成長層2は、不純物(窒素)を含みドリフト電流が流れるn型のドリフト層本体部2a(導電領域)と、ドリフト電流を通過させるドリフト面2bの領域以外のSiC成長層2の表層に対して、その上方から不純物イオン(アルミニウムイオン)を注入することにより形成されたp型のウェル領域6と、このウェル領域6の領域内においてそれよりも高濃度に不純物イオン(アルミニウムイオン)をSiC成長層2の表層に対して注入して形成されたp型の高濃度コンタクト層7と、を有している。   As shown in FIG. 1, a SiC growth layer 2 (semiconductor layer) made of SiC is formed on the surface of a semiconductor substrate 1 made of SiC (first semiconductor) by epitaxial growth. This SiC growth layer 2 is formed on the surface layer of SiC growth layer 2 other than the n-type drift layer body 2a (conductive region) containing impurities (nitrogen) and through which drift current flows and the region of drift surface 2b through which drift current passes. On the other hand, p-type well region 6 formed by implanting impurity ions (aluminum ions) from above, and impurity ions (aluminum ions) at a higher concentration in the region of well region 6 than SiC. And a p-type high-concentration contact layer 7 formed by being implanted into the surface layer of the growth layer 2.

一方、半導体基板1の裏面にはオーミック接触したアルミニウム金属からなるドレイン電極5が配置されている。   On the other hand, a drain electrode 5 made of aluminum metal in ohmic contact is disposed on the back surface of the semiconductor substrate 1.

SiC成長層2の表面には、Si(第二の半導体)からなるSi成長層3(チャネル層)が、ドリフト面2bに接触してウェル領域6に延びるようにヘテロエピタキシャル成長により形成されている。このSi成長層3は、n型不純物(窒素)を含みチャネル領域10を有するSi成長層本体部3aと、Si成長層本体部3aからウェル領域6の上方に延びるSi成長層本体部3aよりもn型不純物濃度を高めた領域と、を有している。この領域が、ソース領域9を構成する。   On the surface of the SiC growth layer 2, a Si growth layer 3 (channel layer) made of Si (second semiconductor) is formed by heteroepitaxial growth so as to extend to the well region 6 in contact with the drift surface 2b. The Si growth layer 3 includes an Si growth layer main body 3 a containing an n-type impurity (nitrogen) and having a channel region 10, and an Si growth layer main body 3 a extending from the Si growth layer main body 3 a to above the well region 6. and a region having an increased n-type impurity concentration. This region constitutes the source region 9.

また、高濃度コンタクト層7とオーミック接触するアルミニウム金属からなるウェル電極8が配置されている。このウェル電極8(接地状態)によってウェル領域6の電位は固定され、これによって、ゲート電圧オフ時にチャネル領域10を空乏化することができると共に、MOSFET100のスイッチング動作によってウェル領域6に蓄積された電荷を、接地状態のウェル電極8に逃がすことができる。なおここでは、ウェル電極8とのオーミック接触を確実に得るため、高濃度コンタクト層7はウェル領域6よりも不純物濃度を高めているが、この濃度条件は必須ではない。   A well electrode 8 made of aluminum metal that is in ohmic contact with the high-concentration contact layer 7 is disposed. The potential of the well region 6 is fixed by the well electrode 8 (grounded state), whereby the channel region 10 can be depleted when the gate voltage is turned off, and the charge accumulated in the well region 6 by the switching operation of the MOSFET 100. Can be released to the well electrode 8 in the grounded state. In this case, the impurity concentration of the high concentration contact layer 7 is higher than that of the well region 6 in order to reliably obtain ohmic contact with the well electrode 8, but this concentration condition is not essential.

また、Si成長層3には、熱酸化処理により形成されたゲート絶縁層4(SiO層)が、Si成長層本体部3aの全域とソース領域9の一部とを覆うように接触して配置されている。 In addition, a gate insulating layer 4 (SiO 2 layer) formed by thermal oxidation is in contact with the Si growth layer 3 so as to cover the entire area of the Si growth layer main body 3a and a part of the source region 9. Is arranged.

また、ソース領域9とオーミック接触するアルミニウム金属からなるソース電極11が配置されている。なおここでは、ソース電極11とのオーミック接触を確実に得るため、ソース領域9はSi成長層本体部3aよりも不純物濃度を高めているが、この濃度条件は必須ではない。   Further, a source electrode 11 made of aluminum metal that is in ohmic contact with the source region 9 is disposed. Here, in order to reliably obtain ohmic contact with the source electrode 11, the source region 9 has an impurity concentration higher than that of the Si growth layer main body 3a, but this concentration condition is not essential.

また、ウェル電極8と高濃度コンタクト層7とを直接接触させることによって、高濃度コンタクト層7に所定の電位が確実に印加され得る。同様に、ソース電極11とソース領域9とを直接接触させることによって、ソース領域9に所定の電位が確実に印加され得る。   Further, by bringing the well electrode 8 and the high concentration contact layer 7 into direct contact, a predetermined potential can be reliably applied to the high concentration contact layer 7. Similarly, a predetermined potential can be reliably applied to the source region 9 by bringing the source electrode 11 and the source region 9 into direct contact.

ゲート絶縁層4の上には、アルミニウム金属からなるゲート電極12が、ゲート絶縁層4を介してSi成長層本体部3aの全域とソース領域9の一部とを覆うようにして配置されている。そして、図1に示すように、チャネル領域10は、ゲート電極12とウェル領域6によって挟まれかつゲート絶縁層4に隣接する層に相当し、このチャネル領域10は、ゲート電極12とドレイン電極5との間の電位差がゼロボルトの状態で空乏化する程度の不純物密度を有している。   On the gate insulating layer 4, a gate electrode 12 made of aluminum metal is disposed so as to cover the entire region of the Si growth layer main body 3 a and a part of the source region 9 via the gate insulating layer 4. . As shown in FIG. 1, the channel region 10 corresponds to a layer sandwiched between the gate electrode 12 and the well region 6 and adjacent to the gate insulating layer 4. The channel region 10 includes the gate electrode 12 and the drain electrode 5. The impurity density is such that it is depleted when the potential difference between and is zero volts.

ここで、SiC成長層2は、シリコン半導体(バンドギャップ:1.11eV)やGaAs半導体(バンドギャップ:1.43eV)のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有している。ここで、このSiC成長層2をシリコンカーバイド以外のワイドバンドギャップ半導体で置換しても良い。   Here, the SiC growth layer 2 has a wider band gap than that of a silicon semiconductor (band gap: 1.11 eV) or a GaAs semiconductor (band gap: 1.43 eV). Here, the SiC growth layer 2 may be replaced with a wide band gap semiconductor other than silicon carbide.

ワイドバンドギャップ半導体とは、半導体の性質を特徴づける材料パラメータであるエネルギーバンドギャップがシリコン半導体やGaAs半導体に比べて大きな材料(通常、バンドギャップ2eV以上)のことを総称していうものとする。   A wide band gap semiconductor is a generic term for a material having a larger energy band gap (usually a band gap of 2 eV or more) than a silicon semiconductor or a GaAs semiconductor, which is a material parameter that characterizes the properties of the semiconductor.

ワイドバンドギャップ半導体材料の例としては、シリコンカーバイド(バンドギャップ:3.26eV)の他、窒化ガリウム(バンドギャップ:3.39eV)またはダイヤモンドもあるが、ここでは高絶縁耐圧性と熱伝導性に優れるシリコンカーバイドが使用されている。   Examples of wide bandgap semiconductor materials include silicon carbide (bandgap: 3.26 eV), gallium nitride (bandgap: 3.39 eV), and diamond. Here, silicon with high dielectric strength and thermal conductivity is excellent. Carbide is used.

Si成長層3は、シリコン半導体に代表されるバンドギャップの狭い(バンドギャップ2eV未満)ナローバンドギャップ半導体から構成されている。ナローバンドギャップ半導体材料の例としては、シリコン、ガリウム砒素、シリコンとゲルマニウムとを含む化合物、またはシリコンとゲルマニウムと炭素とを含む化合物がある。   The Si growth layer 3 is composed of a narrow band gap semiconductor having a narrow band gap (less than 2 eV) as typified by a silicon semiconductor. Examples of narrow band gap semiconductor materials include silicon, gallium arsenide, a compound containing silicon and germanium, or a compound containing silicon, germanium, and carbon.

また、ドリフト面2bの幅L(すなわち、隣接するウェル6の間隔)が、SiC成長層2の厚さWの0%を超えかつその50%以下(L/W≦0.5)、望ましくは0%を超えかつ30%以下(L/W≦0.3)となるように隣接するウェル領域6の間隔Lが充分に狭く調整されている。   Further, the width L of the drift surface 2b (that is, the interval between adjacent wells 6) exceeds 0% of the thickness W of the SiC growth layer 2 and 50% or less (L / W ≦ 0.5), preferably The interval L between adjacent well regions 6 is adjusted to be sufficiently narrow so that it exceeds 0% and is 30% or less (L / W ≦ 0.3).

こうすると、MOSFET100のゲート電圧オフ時に、ドレイン電極5に所定電圧(ソース電極11とドレイン電極5との間の電位差:0Vを超えかつ40V以下)を印加した状態においてウェル領域6の間の全域(ドリフト面2bの下層の導電領域)を空乏化できる。   Thus, when the gate voltage of the MOSFET 100 is turned off, the entire region between the well regions 6 in a state where a predetermined voltage (potential difference between the source electrode 11 and the drain electrode 5: more than 0 V and 40 V or less) is applied to the drain electrode 5 ( The conductive region under the drift surface 2b can be depleted.

こうして、空乏層によってウェル領域6の間を閉じることができてドリフト面2bに積層したナローバンドギャップ半導体(Si成長層3)が、ドレイン電極5の電圧に基づく高電界に曝されることを防止し、高電界印加に起因したアバランシェ破壊が効果的に回避され得る。   Thus, the narrow band gap semiconductor (Si growth layer 3) that can be closed between the well regions 6 by the depletion layer and stacked on the drift surface 2b is prevented from being exposed to a high electric field based on the voltage of the drain electrode 5. In addition, avalanche breakdown due to application of a high electric field can be effectively avoided.

勿論、MOSFET100のゲート電圧オン時に、ウェル領域6の間の空乏層が開く程度には、ウェル領域6の間隔を開けておく必要があると言えるが、ドリフト層本体部2aの不純物濃度によってpn接合における空乏層の伸び方が変化するため、不純物濃度の条件等に応じてウェル領域6の間隔の下限値は適宜、設計される。   Of course, when the gate voltage of the MOSFET 100 is turned on, it can be said that the space between the well regions 6 needs to be wide enough to open the depletion layer between the well regions 6, but the pn junction depends on the impurity concentration of the drift layer body 2a. Therefore, the lower limit of the interval between the well regions 6 is appropriately designed according to the impurity concentration condition and the like.

なお、このようなウェル領域6の間隔Lの制御の他、ウェル領域6の間に、不純物をドーピングすることでこの領域間にドーピング密度の小さいn型の領域やp型の領域を別途配置して空乏化しても良い。   In addition to the control of the distance L between the well regions 6, an n-type region or a p-type region having a low doping density is separately disposed between the well regions 6 by doping impurities. May be depleted.

こうして、半導体基板1と、SiC成長層2と、Si成長層3と、ゲート絶縁層4と、ドレイン電極5と、ウェル電極8と、ソース電極11と、ゲート電極12と、によって構成されたMOSFET100が得られる。   Thus, the MOSFET 100 constituted by the semiconductor substrate 1, the SiC growth layer 2, the Si growth layer 3, the gate insulating layer 4, the drain electrode 5, the well electrode 8, the source electrode 11, and the gate electrode 12. Is obtained.

このようなMOSFET100においては、ゲート電極12にプラス電圧を印加すれば、電界によりチャネル領域10に電子が引きつけられてその部分がn型になって、これによりチャネル領域10がオンする。   In such a MOSFET 100, when a positive voltage is applied to the gate electrode 12, electrons are attracted to the channel region 10 by the electric field, and the portion becomes n-type, thereby turning on the channel region 10.

こうすると、ソース領域9からチャネル領域10と、Si成長層本体部3aと、ドリフト層本体部2aとを経てドレイン電極5に向かって電子が移動できるようになり、ドリフト電流がドリフト層本体部2aの内部を縦方向に流れる。すなわち、このデバイスは、ゲート電圧印加によってドリフト電流をスイッチング制御可能な縦型パワーMOSFETである。   In this way, electrons can move from the source region 9 to the channel region 10, the Si growth layer main body 3a, and the drift layer main body 2a toward the drain electrode 5, and the drift current is generated in the drift layer main body 2a. Flows vertically in the interior. That is, this device is a vertical power MOSFET that can control the drift current by applying a gate voltage.

勿論、ドレイン電極5をSiC成長層2の表層に配置した横型パワーMOSFETであっても構わない。   Of course, a lateral power MOSFET in which the drain electrode 5 is disposed on the surface layer of the SiC growth layer 2 may be used.

このように構成されたMOSFET100によれば、pn接合部(p型のウェル領域6とn型のドリフト層本体部2aとの界面部)の空乏層は、高電界印加状態においてもアバランシェ破壊の発生を抑制し得るワイドバンドギャップ半導体(SiC)の領域内に存在している。よって、Si層にpn接合部を配置した従来例のMOSFETに比べて、ドリフト層本体部2aの厚さを薄くできると共に(絶縁破壊を考慮して空乏層幅を広げる必要がないため)、そこでの不純物濃度も高めることができて、MOSFET100のドリフト抵抗の低減が図れる。   According to the MOSFET 100 configured as described above, the depletion layer at the pn junction (the interface between the p-type well region 6 and the n-type drift layer body 2a) causes avalanche breakdown even in a high electric field application state. It exists in the area | region of the wide band gap semiconductor (SiC) which can suppress this. Therefore, the thickness of the drift layer body 2a can be reduced as compared with the conventional MOSFET in which the pn junction is arranged in the Si layer (because it is not necessary to increase the width of the depletion layer in consideration of dielectric breakdown). As a result, the drift resistance of MOSFET 100 can be reduced.

また、チャネル領域10が、界面準位の影響を改善し高チャネル移動度を実現可能にしたSi成長層本体部3aに存在するため、MOSFET100のチャネル抵抗も低減し得る。   In addition, since the channel region 10 exists in the Si growth layer main body 3a that improves the influence of the interface state and enables high channel mobility, the channel resistance of the MOSFET 100 can be reduced.

なお、MOSFET100のドリフト抵抗とチャネル抵抗とを低減できれば、そのオン抵抗に起因する導通損失が改善され、このことがMOSFET100の発熱の抑制にも効果的に寄与する。   If the drift resistance and the channel resistance of MOSFET 100 can be reduced, the conduction loss due to the on-resistance is improved, which effectively contributes to the suppression of heat generation of MOSFET 100.

また、ドリフト層本体部2aにはバンドギャップが広いSiC材料が使用されることによって、MOSFET100の高温状態において電子・正孔対の生成が抑制可能である。加えて、熱伝導性(放熱性)に優れるSiC材料を使用することにより、MOSFET100の電流容量を増やしても、MOSFET100の熱問題に適切に対処でき、充分な電流容量を得ることが可能になる。   In addition, by using a SiC material having a wide band gap for the drift layer body 2a, generation of electron / hole pairs can be suppressed in the high temperature state of the MOSFET 100. In addition, by using a SiC material having excellent thermal conductivity (heat dissipation), even if the current capacity of the MOSFET 100 is increased, the thermal problem of the MOSFET 100 can be appropriately dealt with and a sufficient current capacity can be obtained. .

次に、以上のように構成されたMOSFET100の製造方法を、図面を参照して詳しく説明する。   Next, a method for manufacturing MOSFET 100 configured as described above will be described in detail with reference to the drawings.

図2(a)〜図2(e)は、本発明の実施の形態に係るMOSFETの各製造工程を説明する断面図である。   FIG. 2A to FIG. 2E are cross-sectional views illustrating each manufacturing process of the MOSFET according to the embodiment of the present invention.

最初に、図2(a)の工程において、CVD法によって添加不純物(窒素)のin−situドーピングを行いながら、SiC成長層2(n型の不純物半導体)が半導体基板1の上にエピタキシャル成長される。SiC成長層2の厚さは、約10μmであり、不純物濃度は、約5×1015cm−3である。なお、半導体基板1として、例えば、主面が(0001)から[11−20]方向に8度のオフ角度をつけた直径75mmの4H-SiC基板が用いられる。この半導体基板1における不純物濃度は、約1×1018cm−3である。 First, in the step of FIG. 2A, the SiC growth layer 2 (n-type impurity semiconductor) is epitaxially grown on the semiconductor substrate 1 while performing in-situ doping of the added impurity (nitrogen) by the CVD method. . The thickness of the SiC growth layer 2 is about 10 μm, and the impurity concentration is about 5 × 10 15 cm −3 . As the semiconductor substrate 1, for example, a 4H—SiC substrate having a main surface of 75 mm in diameter with an off angle of 8 degrees in the [11-20] direction from (0001) is used. The impurity concentration in the semiconductor substrate 1 is about 1 × 10 18 cm −3 .

なおここでは、SiC成長層2をエピタキシャル成長により形成したが、不純物濃度の低いSiC基板が得られれば、こうしたSiC基板にドリフト領域を形成しても良い。   Here, SiC growth layer 2 is formed by epitaxial growth, but if a SiC substrate having a low impurity concentration is obtained, a drift region may be formed in such a SiC substrate.

次に、図2(b)の工程において、SiC成長層2の表面に、例えばニッケル(Ni)金属からなるウェル領域形成用注入マスク(図示せず)が形成される。このNi注入マスクは、Alイオン(添加不純物)の注入によってウェル領域6(p型の不純物半導体)として機能する部分のみが開口するようにSiC成長層2の表面を覆っている。   Next, in the step of FIG. 2B, a well region forming implantation mask (not shown) made of, for example, nickel (Ni) metal is formed on the surface of the SiC growth layer 2. This Ni implantation mask covers the surface of the SiC growth layer 2 so that only a portion functioning as the well region 6 (p-type impurity semiconductor) is opened by implantation of Al ions (addition impurities).

そしてこの状態で、Ni注入マスクの上方からSiC成長層2の内部に対してAlイオン注入が多段階に亘って実行される。その後、このNi注入マスクが適宜の方法により除去されて、SiC成長層2に対し結晶回復のための活性化アニール処理が、約1500℃〜1800℃の温度条件下において実行される。   In this state, Al ion implantation is performed in multiple stages from above the Ni implantation mask into the SiC growth layer 2. Thereafter, the Ni implantation mask is removed by an appropriate method, and activation annealing treatment for crystal recovery is performed on the SiC growth layer 2 under a temperature condition of about 1500 ° C. to 1800 ° C.

これによって、図2(b)に示すように、SiC成長層2の一部が、不純物濃度1×1018cm−3のウェル領域6に変換される。また、SiC成長層2のうち、ウェル領域6を除いた領域が、ドリフト層本体部2aとなる。このドリフト層本体部2aの不純物濃度は、上述のように約5×1015cm−3である。 Thereby, as shown in FIG. 2B, a part of the SiC growth layer 2 is converted into the well region 6 having an impurity concentration of 1 × 10 18 cm −3 . Further, in the SiC growth layer 2, a region excluding the well region 6 becomes the drift layer body 2 a. The impurity concentration of the drift layer body 2a is about 5 × 10 15 cm −3 as described above.

続いて、SiC成長層2の表面に、例えばアルミニウム(Al)金属からなる高濃度コンタクト層用注入マスク(図示せず)が形成される。このAl注入マスクは、Alイオン(添加不純物)の注入によって高濃度コンタクト層7(p型の不純物半導体)として機能する部分のみが開口するようにSiC成長層2の表面を覆っている。そしてこの状態で、Al注入マスクの上方からSiC成長層2の内部に対してAlイオン注入が多段階に亘って実行される。   Subsequently, an implantation mask (not shown) for a high concentration contact layer made of, for example, aluminum (Al) metal is formed on the surface of the SiC growth layer 2. This Al implantation mask covers the surface of the SiC growth layer 2 so that only a portion functioning as the high-concentration contact layer 7 (p-type impurity semiconductor) is opened by implantation of Al ions (addition impurities). In this state, Al ion implantation is performed in multiple stages from above the Al implantation mask into the SiC growth layer 2.

その後、このAl注入マスクが適宜の方法により除去されて、SiC成長層2に対し結晶回復のための活性化アニール処理が、約1500℃〜1800℃の温度条件下において実行される。   Thereafter, the Al implantation mask is removed by an appropriate method, and activation annealing treatment for crystal recovery is performed on the SiC growth layer 2 under a temperature condition of about 1500 ° C. to 1800 ° C.

これによって、図2(b)に示すように、ウェル領域6の領域内におけるSiC成長層2の一部が、不純物濃度1×1019cm−3の高濃度コンタクト層7に変換される。 As a result, as shown in FIG. 2B, a part of the SiC growth layer 2 in the region of the well region 6 is converted into a high concentration contact layer 7 having an impurity concentration of 1 × 10 19 cm −3 .

次に、図2(c)の工程において、CVD法によって、添加不純物(窒素)のin−situドーピングを行いながら、Si成長層3(n型の不純物半導体)がSiC成長層2の全面にヘテロエピタキシャル成長される。   Next, in the step of FIG. 2C, the Si growth layer 3 (n-type impurity semiconductor) is heterogeneously formed on the entire surface of the SiC growth layer 2 while performing in-situ doping of the added impurity (nitrogen) by the CVD method. Epitaxially grown.

なお、Si成長層3に替えて、ポリシリコン層やアモルファスシリコン層を形成しても良い。   Instead of the Si growth layer 3, a polysilicon layer or an amorphous silicon layer may be formed.

Si成長層3の厚さは、約0.2μmであり、Si成長層3の不純物濃度は、約1×1014cm−3である。 The thickness of the Si growth layer 3 is about 0.2 μm, and the impurity concentration of the Si growth layer 3 is about 1 × 10 14 cm −3 .

次に、図2(d)の工程において、Si成長層3の表面に、例えばニッケル(Ni)金属からなるソース領域用注入マスク(図示せず)が形成される。このNi注入マスクは、添加不純物の燐イオンの注入によってソース領域9(n型の不純物半導体)として機能する部分のみが開口するようにSi成長層3の表面を覆っている。そしてこの状態で、Ni注入マスクの上方からSi成長層3の内部に対して燐イオン注入が多段階に亘って実行される。   Next, in the step of FIG. 2D, a source region implantation mask (not shown) made of, for example, nickel (Ni) metal is formed on the surface of the Si growth layer 3. This Ni implantation mask covers the surface of the Si growth layer 3 so that only a portion functioning as the source region 9 (n-type impurity semiconductor) is opened by implantation of phosphorous ions of added impurities. In this state, phosphorus ion implantation is performed in multiple stages from above the Ni implantation mask into the Si growth layer 3.

その後、このNi注入マスクが適宜の方法により除去されて、Si成長層3に対し結晶回復のための活性化アニール処理が、約800℃の温度条件下において実行される。   Thereafter, the Ni implantation mask is removed by an appropriate method, and an activation annealing process for crystal recovery is performed on the Si growth layer 3 under a temperature condition of about 800 ° C.

続いて、高濃度コンタクト層7の上方に存在するSi成長層3がエッチングによってパターニング除去される。   Subsequently, the Si growth layer 3 existing above the high concentration contact layer 7 is removed by patterning by etching.

これによって、図2(d)に示すように、ウェル領域6の上方のSi成長層3の一部が、不純物濃度1×1019cm−3のソース領域9に変換される。なお、Si成長層3のうち、ソース領域9を除いた領域が、Si成長層本体部3aとなる。 Thereby, as shown in FIG. 2D, a part of the Si growth layer 3 above the well region 6 is converted into the source region 9 having an impurity concentration of 1 × 10 19 cm −3 . In the Si growth layer 3, the region excluding the source region 9 becomes the Si growth layer main body 3a.

次に、図2(e)の工程において、Si成長層3の表面を約900℃の温度で熱酸化処理することによって、Si成長層3の全面にSiO層からなるゲート絶縁層4が形成された後、ソース電極11(図1参照)に接触するソース領域9を露出させるようにゲート絶縁層4の一部がエッチングにより除去される。 Next, in the step of FIG. 2E, the surface of the Si growth layer 3 is thermally oxidized at a temperature of about 900 ° C., thereby forming the gate insulating layer 4 made of a SiO 2 layer on the entire surface of the Si growth layer 3. After that, a part of the gate insulating layer 4 is removed by etching so as to expose the source region 9 in contact with the source electrode 11 (see FIG. 1).

なお、ゲート絶縁層4の厚さは、約80nmである。またここでは、ゲート絶縁層の形成法として熱酸化技術を用いているが、CVD法を用いても良い。また、ゲート絶縁層はSiO層に限らず、例えばSiN層であっても良い。 The gate insulating layer 4 has a thickness of about 80 nm. Here, although a thermal oxidation technique is used as a method for forming the gate insulating layer, a CVD method may be used. Further, the gate insulating layer is not limited to the SiO 2 layer, and may be, for example, a SiN layer.

その後、電子ビーム(EB)蒸着法によって基板1の表裏両面の全域にアルミニウム金属層を形成して、このアルミニウム金属層に対して適宜の方法によりパターニング処理と、金属および半導体の間のオーミック接触用の加熱処理とを行うことによって、図1に示すように、ゲート電極12と、ソース電極11と、ウェル電極8と、ドレイン電極5とが形成される。   Thereafter, an aluminum metal layer is formed on the entire front and back surfaces of the substrate 1 by electron beam (EB) vapor deposition, and patterning treatment and ohmic contact between the metal and the semiconductor are performed on the aluminum metal layer by an appropriate method. By performing this heat treatment, a gate electrode 12, a source electrode 11, a well electrode 8, and a drain electrode 5 are formed as shown in FIG.

こうして作製されたMOSFET100(図1)のチャネル領域10の幅tは1μmであり、隣接するウェル領域6の間隔Lは2μmであった。   The width t of the channel region 10 of the MOSFET 100 (FIG. 1) fabricated in this way was 1 μm, and the interval L between adjacent well regions 6 was 2 μm.

また、ウェル領域6の深さd1は1μmであり、高濃度コンタクト層7の深さd2は0.2μmであり、ソース領域9の厚さd3は0.2μmであった。   The depth d1 of the well region 6 was 1 μm, the depth d2 of the high concentration contact layer 7 was 0.2 μm, and the thickness d3 of the source region 9 was 0.2 μm.

そして、MOSFET100のオン抵抗として3mΩcmが達成され、かつ高耐圧特性(1000V)が得られた。 Then, 3 mΩcm 2 was achieved as the on-resistance of the MOSFET 100, and a high withstand voltage characteristic (1000 V) was obtained.

なおここまで、nチャネル型のMOSFETを例に説明したが、pチャネル型のMOSFETであっても同様の効果が得られる。そしてこの場合には、n型のSi成長層とn型のSiC成長層とのヘテロ接合は整流性を持たないため、ウェル領域に対するウェル電極をSi成長層の表面で配置することが可能であり、これによって、ウェル領域上方のSi成長層の一部を除去するというエッチングプロセスを省いて製造プロセスの簡略化が図られる。   Note that, up to this point, an n-channel MOSFET has been described as an example, but a similar effect can be obtained even with a p-channel MOSFET. In this case, since the heterojunction between the n-type Si growth layer and the n-type SiC growth layer has no rectifying property, the well electrode for the well region can be disposed on the surface of the Si growth layer. Thus, the manufacturing process can be simplified by omitting the etching process of removing a part of the Si growth layer above the well region.

また、所定の導電型のSiC半導体基板にこれと同じ導電型のSiC成長層をエピタキシャル成長することによりMOSFETを作製しているが、所定の導電型のSiC半導体基板にこれと異なる導電型のSiC成長層を形成する方法により、IGBTを作製しても本発明の効果が得られる。   Further, a MOSFET is fabricated by epitaxially growing a SiC growth layer of the same conductivity type on a SiC semiconductor substrate of a predetermined conductivity type, but SiC growth of a different conductivity type is performed on a SiC semiconductor substrate of a predetermined conductivity type. Even if an IGBT is manufactured by the method of forming a layer, the effect of the present invention can be obtained.

また、主面が4H-SiC(0001)オフ面である基板を用いたが、主面が4H-SiC(0001)オフ面以外の面である基板を用いても良く、4H-SiC以外のポリタイプからなるSiC基板を用いても良い。   In addition, although the substrate whose main surface is the 4H—SiC (0001) off surface is used, a substrate whose main surface is a surface other than the 4H—SiC (0001) off surface may be used. A SiC substrate made of a type may be used.

本発明によれば、導通損失に相当するオン抵抗低減を可能にした半導体装置が得られ、省エネを実現するパワー半導体装置等に適用できる。   According to the present invention, a semiconductor device capable of reducing on-resistance corresponding to conduction loss can be obtained, and can be applied to a power semiconductor device and the like that realize energy saving.

本発明の実施の形態に係るnチャネル型パワーMOSFET の構成の断面図である。It is sectional drawing of the structure of n channel type power MOSFET which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程の各段階を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining each step of the manufacturing process of the semiconductor device which concerns on embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 半導体基板
2 SiC成長層
3 Si成長層
4 ゲート絶縁層
5 ドレイン電極
6 ウェル領域
7 高濃度コンタクト層
8 ウェル電極
9 ソース領域
10 チャネル領域
11 ソース電極
12 ゲート電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor substrate 2 SiC growth layer 3 Si growth layer 4 Gate insulating layer 5 Drain electrode 6 Well region 7 High concentration contact layer 8 Well electrode 9 Source region 10 Channel region 11 Source electrode 12 Gate electrode

Claims (10)

第一の半導体からなる半導体層と、
前記半導体層に前記半導体層の表面を含むように形成された第二の導電型のウェル領域と、
前記ウェル領域に接して前記半導体層の全厚みに亘って前記半導体層に形成された第一の導電型の導電領域と、
前記ウェル領域の少なくとも一部と前記導電領域の少なくとも一部との上に形成された半導体からなるチャネル層と、
前記チャネル層の上に形成されたゲート電極と、を備え、
前記ゲート電極の下方に位置する前記チャネル層の少なくとも一部が、第二の半導体により構成され、前記第一の半導体のバンドギャップは、前記第二の半導体のバンドギャップより大きい半導体装置。
A semiconductor layer made of a first semiconductor;
A second conductivity type well region formed so as to include the surface of the semiconductor layer in the semiconductor layer;
A conductive region of a first conductivity type formed in the semiconductor layer over the entire thickness of the semiconductor layer in contact with the well region;
A channel layer made of a semiconductor formed on at least a part of the well region and at least a part of the conductive region;
A gate electrode formed on the channel layer,
A semiconductor device in which at least a part of the channel layer located below the gate electrode is made of a second semiconductor, and the band gap of the first semiconductor is larger than the band gap of the second semiconductor.
前記第一の半導体からなる第一の導電型の基板を有し、前記基板の上に前記半導体層が形成されている請求項1記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, further comprising a first conductivity type substrate made of the first semiconductor, wherein the semiconductor layer is formed on the substrate. 前記チャネル層が前記第二の半導体により構成される請求項1記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the channel layer is composed of the second semiconductor. 前記導電領域では、前記基板よりも添加不純物の濃度が低い請求項2記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 2, wherein the concentration of the added impurity is lower in the conductive region than in the substrate. 前記第一の半導体は、炭化珪素、窒化ガリウムおよびダイヤモンドのうちの何れかである請求項1記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the first semiconductor is any one of silicon carbide, gallium nitride, and diamond. 前記第二の半導体は、シリコン、ガリウム砒素、シリコンとゲルマニウムとを含む化合物、およびシリコンとゲルマニウムと炭素とを含む化合物のうちの何れかである請求項1記載の半導体装置。   2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the second semiconductor is one of silicon, gallium arsenide, a compound containing silicon and germanium, and a compound containing silicon, germanium, and carbon. 前記チャネル層は前記第一の導電型を有して、チャネル領域を含む本体部と、前記本体部から延び、前記本体部よりも添加不純物の濃度が高い領域と、によって構成されており、前記領域に接触する第一の電極が配置された請求項1記載の半導体装置。   The channel layer has the first conductivity type, and includes a main body portion including a channel region, and a region extending from the main body portion and having a higher concentration of additive impurities than the main body portion, The semiconductor device according to claim 1, wherein a first electrode that contacts the region is disposed. 前記チャネル層と接する前記導電領域の上面において、隣接する前記ウェル領域の間隔が、前記半導体層の厚さの0%を越えかつその50%以下である請求項7記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 7, wherein an interval between the adjacent well regions on the upper surface of the conductive region in contact with the channel layer is greater than 0% and less than or equal to 50% of the thickness of the semiconductor layer. 前記基板の裏面に接触する第二の電極と、前記上面の下方に位置する前記導電領域を挟む前記隣接するウェル領域とが配置され、前記第一の電極と前記第二の電極との間に印加される電位差が所定値以下の状態において、前記隣接するウェル領域の間の前記導電領域が空乏化する請求項8記載の半導体装置。   A second electrode that contacts the back surface of the substrate, and the adjacent well region that sandwiches the conductive region located below the top surface are disposed, and between the first electrode and the second electrode The semiconductor device according to claim 8, wherein the conductive region between the adjacent well regions is depleted in a state where the applied potential difference is equal to or less than a predetermined value. 前記電位差の所定値が、0Vを超えかつ40V以下である請求項9記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 9, wherein the predetermined value of the potential difference exceeds 0 V and is 40 V or less.
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