JP2006245243A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特にドリフト領域がシリコンよりもバンドギャップの広い半導体材料(以下、ワイドバンドギャップ半導体とする)で構成されたパワー半導体装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a power semiconductor device having a drift region made of a semiconductor material having a wider band gap than silicon (hereinafter referred to as a wide band gap semiconductor) and a manufacturing method thereof.
従来より、高周波デバイス用半導体導素子では、半導体材料として窒化ガリウム(GaN)系化合物半導体が用いられている。例えば、特許文献1には、シリコンからなるp型導電性基板上に順に、高抵抗の窒化アルミニウムガリウム(AlxGa1-xN、0<x≦1)からなるバッファ層、アンドープの窒化ガリウムからなるキャリア走行層、およびn型の窒化アルミニウムガリウム(AlyGa1-yN、0<y≦1)からなる表面障壁層(キャリア供給層)が積層され、表面障壁層の上にショットキー性を有するゲート電極が選択的に形成された構成のヘテロ接合電界効果トランジスタが開示されている。
Conventionally, gallium nitride (GaN) -based compound semiconductors have been used as semiconductor materials in semiconductor conductive elements for high-frequency devices. For example, in
ところで、近時、パワー半導体装置の分野でも、窒化ガリウム系化合物半導体等のワイドバンドギャップ半導体を用いる試みがなされている。例えば、特許文献2に開示された絶縁ゲート型バイポーラトランジスタは、基板結晶上に順に、窒化ガリウム系化合物半導体からなるp型半導体層およびn型半導体層が積層され、このn型半導体層上に、n型半導体層よりも広いバンドギャップを有する窒化ガリウム系化合物半導体からなるp型不純物拡散領域およびn型不純物拡散領域が選択的に形成された構成となっている。そして、ゲート電極は、n型半導体層の露出面からp型不純物拡散領域の露出面にかけて絶縁層を介して形成されており、エミッタ電極およびコレクタ電極は、それぞれn型不純物拡散領域の上面およびp型半導体層の下面に形成されている。
Recently, in the field of power semiconductor devices, attempts have been made to use wide band gap semiconductors such as gallium nitride compound semiconductors. For example, in an insulated gate bipolar transistor disclosed in
しかしながら、上記特許文献2に開示された半導体装置では、チャネル領域の抵抗成分が通常のシリコンを用いたデバイス(以下、シリコンデバイスとする)よりも大幅に大きくなるという欠点がある。その理由は、通常のシリコンを用いたMOS(金属−酸化膜−半導体からなる絶縁ゲート)構造において得られる反転層の移動度が数百cm2/Vs程度(500cm2/Vs程度との報告がある)であるのに対して、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた場合の反転層の移動度は数十cm2/Vs程度と極めて低いからである。これは、半導体導体材料として炭化ケイ素(SiC)を用いた場合も同様である。
However, the semiconductor device disclosed in
また、イオン注入法によって窒化ガリウムや炭化ケイ素などのワイドバンドギャップ半導体に不純物を導入するのは容易でない。炭化ケイ素では、1600℃の高温での熱処理が必要となる。また、窒化ガリウムでは、高温になると結晶構造が不安定になるため、熱処理を1000℃以下の温度で行わなければならない。そのため、イオン注入法により窒化ガリウム中に導入した不純物を活性化させることができない。従って、例えば上記特許文献2に開示された半導体装置を作製するにあたっては、ドリフト領域となるn型の窒化ガリウム系化合物半導体層上に、有機金属気相成長(MOCVD)法や分子線エピタキシー(MBE)法などの結晶成長法を実施してp型やn型の窒化ガリウム系化合物半導体の不純物拡散領域を形成することになる。
Moreover, it is not easy to introduce impurities into a wide band gap semiconductor such as gallium nitride or silicon carbide by ion implantation. Silicon carbide requires heat treatment at a high temperature of 1600 ° C. In addition, since the crystal structure of gallium nitride becomes unstable at high temperatures, heat treatment must be performed at a temperature of 1000 ° C. or lower. Therefore, the impurity introduced into gallium nitride by the ion implantation method cannot be activated. Therefore, for example, in manufacturing the semiconductor device disclosed in
その際、チップ端部の半導体の導電型をn型に保って耐圧を確保するために、何らかの選択成長を行ったり、選択エッチングを行う必要があり、製造プロセスが複雑化するという問題点がある。さらには、窒化ガリウムの結晶を成長させる際の不純物密度の制御性が悪いため、窒化ガリウムを用いたデバイス(以下、窒化ガリウムデバイスとする)では、シリコンデバイスと比較して、しきい値のばらつきが非常に大きくなってしまう。そのため、例えば、窒化ガリウムデバイスを並列に接続して大容量回路を構成した場合、電流分担が不均一になるなどの問題が発生するおそれがある。 At that time, it is necessary to perform some selective growth or selective etching in order to secure the breakdown voltage by keeping the conductivity type of the semiconductor at the end of the chip at n-type, and there is a problem that the manufacturing process becomes complicated. . Furthermore, because of the poor controllability of the impurity density when growing a gallium nitride crystal, devices using gallium nitride (hereinafter referred to as gallium nitride devices) have a variation in threshold values compared to silicon devices. Will become very large. Therefore, for example, when a large capacity circuit is configured by connecting gallium nitride devices in parallel, there is a possibility that problems such as non-uniform current sharing may occur.
また、上記特許文献1に開示された半導体装置は、高周波デバイス向けの横型HEMT構造の素子であるため、チャネル領域の移動度は高いが、そのままの構成で高耐圧のスイッチング素子として用いるには好ましくない。例えば、上記特許文献1に開示された半導体装置では、ゲートがショットキー構造であるため、+2V以上のゲート電圧がかかると、ショットキー接合が順方向にバイアスされ、ゲート電流が増大して破壊してしまう。また、ゲート電圧を負バイアスして2次元ガスのチャネルを切断することによってオフ状態となるため、高耐圧化を図るにはゲートを長くする必要がある。そのため、耐圧が高くなるほどゲート容量が増大し、高速スイッチング性能が失われてしまう。
Further, since the semiconductor device disclosed in
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、ドリフト領域が窒化ガリウム等のワイドバンドギャップ半導体で構成され、チャネル領域の抵抗成分がシリコンデバイスと同程度のパワー半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、ドリフト領域が窒化ガリウム等のワイドバンドギャップ半導体で構成され、シリコンデバイスの製造プロセスで作製可能な構成を有するパワー半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。さらに、本発明は、ドリフト領域が窒化ガリウム等のワイドバンドギャップ半導体で構成され、しきい値のばらつきがシリコンデバイスと同程度のパワー半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。 In order to solve the above-described problems caused by the prior art, the present invention provides a power semiconductor device in which the drift region is composed of a wide band gap semiconductor such as gallium nitride and the resistance component of the channel region is the same as that of a silicon device, and a method for manufacturing the same The purpose is to provide. It is another object of the present invention to provide a power semiconductor device having a configuration in which the drift region is formed of a wide band gap semiconductor such as gallium nitride and can be manufactured by a silicon device manufacturing process, and a manufacturing method thereof. Another object of the present invention is to provide a power semiconductor device in which the drift region is formed of a wide band gap semiconductor such as gallium nitride and the variation in threshold is comparable to that of a silicon device, and a manufacturing method thereof.
上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項1の発明にかかる半導体装置は、シリコンよりもバンドギャップの広い半導体材料からなる第1の半導体層と、前記第1の半導体層上に積層されたシリコンよりなる第2の半導体層と、前記第2の半導体層に形成された1以上の半導体素子の表面構造部と、前記第1の半導体層の、前記第2の半導体層よりも外側の領域に設けられた耐圧構造部と、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a semiconductor device according to a first aspect of the present invention includes a first semiconductor layer made of a semiconductor material having a wider bandgap than silicon, and the first semiconductor layer. A second semiconductor layer made of stacked silicon, a surface structure portion of one or more semiconductor elements formed in the second semiconductor layer, and the first semiconductor layer more than the second semiconductor layer. And a pressure-resistant structure portion provided in an outer region.
請求項2の発明にかかる半導体装置は、請求項1に記載の発明において、前記耐圧構造部は、前記第2の半導体層が部分的に除去されて前記第1の半導体層が露出した構造であることを特徴とする。請求項3の発明にかかる半導体装置は、請求項2に記載の発明において、前記耐圧構造部の、前記第1の半導体層の露出部分に、同第1の半導体層と導電型が異なる不純物領域が前記第2の半導体層の周囲を囲むように設けられていることを特徴とする。 A semiconductor device according to a second aspect of the present invention is the semiconductor device according to the first aspect, wherein the breakdown voltage structure portion is a structure in which the second semiconductor layer is partially removed and the first semiconductor layer is exposed. It is characterized by being. According to a third aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device according to the second aspect of the present invention, wherein an impurity region having a conductivity type different from that of the first semiconductor layer is formed in the exposed portion of the first semiconductor layer of the breakdown voltage structure portion. Is provided so as to surround the periphery of the second semiconductor layer.
請求項4の発明にかかる半導体装置は、請求項3に記載の発明において、前記耐圧構造部には、前記不純物領域に電気的に接続し、かつ前記第1の半導体層を覆う絶縁膜により同第1の半導体層から絶縁された導電部が設けられていることを特徴とする。請求項5の発明にかかる半導体装置は、請求項2に記載の発明において、前記耐圧構造部において露出する前記第1の半導体層の露出部分が前記第2の半導体層から前記第1の半導体層へ近づくに連れて広くなる錐台形状に成形されていることを特徴とする。 A semiconductor device according to a fourth aspect of the present invention is the semiconductor device according to the third aspect, wherein the breakdown voltage structure portion is electrically connected to the impurity region by an insulating film that covers the first semiconductor layer. A conductive portion insulated from the first semiconductor layer is provided. According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the semiconductor device according to the second aspect, wherein the exposed portion of the first semiconductor layer exposed in the breakdown voltage structure portion is from the second semiconductor layer to the first semiconductor layer. It is formed into a frustum shape that becomes wider as it approaches.
請求項6の発明にかかる半導体装置は、請求項1〜5のいずれか一つに記載の発明において、前記第1の半導体層と前記第2の半導体層の間に、シリコンよりもバンドギャップの広い半導体材料からなる一層以上の半導体層が設けられていることを特徴とする。請求項7の発明にかかる半導体装置は、請求項1〜6のいずれか一つに記載の発明において、前記第1の半導体層は、バンドギャップが3eV以上の半導体材料でできていることを特徴とする。請求項8の発明にかかる半導体装置は、請求項7に記載の発明において、前記第1の半導体層は、窒化ガリウム系化合物半導体材料でできていることを特徴とする。 A semiconductor device according to a sixth aspect of the present invention is the semiconductor device according to any one of the first to fifth aspects, wherein the band gap is greater than that of silicon between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. One or more semiconductor layers made of a wide semiconductor material are provided. A semiconductor device according to a seventh aspect of the present invention is the semiconductor device according to any one of the first to sixth aspects, wherein the first semiconductor layer is made of a semiconductor material having a band gap of 3 eV or more. And According to an eighth aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the seventh aspect, the first semiconductor layer is made of a gallium nitride-based compound semiconductor material.
請求項9の発明にかかる半導体装置は、請求項1〜8のいずれか一つに記載の発明において、前記第1の半導体層は、支持基板の上に積層されていることを特徴とする。請求項10の発明にかかる半導体装置は、請求項9に記載の発明において、前記支持基板は、シリコンでできていることを特徴とする。請求項11の発明にかかる半導体装置は、請求項1〜10のいずれか一つに記載の発明において、前記第2の半導体層に、金属−絶縁膜−半導体構造を有する絶縁ゲート型半導体素子の表面構造部が形成されていることを特徴とする。 A semiconductor device according to a ninth aspect of the present invention is the semiconductor device according to any one of the first to eighth aspects, wherein the first semiconductor layer is stacked on a support substrate. The semiconductor device according to a tenth aspect of the present invention is the semiconductor device according to the ninth aspect, wherein the support substrate is made of silicon. A semiconductor device according to an eleventh aspect of the present invention is the semiconductor device according to any one of the first to tenth aspects, wherein the second semiconductor layer has an insulated gate semiconductor element having a metal-insulating film-semiconductor structure. A surface structure portion is formed.
また、請求項12の発明にかかる半導体装置の製造方法は、シリコンよりもバンドギャップの広い半導体材料からなる第1の半導体層上にシリコンを成長させて第2の半導体層を積層する工程と、前記第2の半導体層上にトレンチ形成用のマスクを形成する工程と、前記第2の半導体層をエッチングしてトレンチを形成し、該トレンチの底に前記第1の半導体層が露出した時点でエッチングを停止する工程と、前記マスクを除去した後、前記第2の半導体層の残った部分をマスクとして前記トレンチの底が前記第1の半導体層と前記第2の半導体層の界面よりも深くなるまで前記第1の半導体層を自己整合的にエッチングする工程と、を含むことを特徴とする。 According to a twelfth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device, comprising: growing a silicon on a first semiconductor layer made of a semiconductor material having a wider band gap than silicon; and laminating a second semiconductor layer; Forming a trench forming mask on the second semiconductor layer; etching the second semiconductor layer to form a trench; and when the first semiconductor layer is exposed at the bottom of the trench. Etching is stopped, and after removing the mask, the bottom of the trench is deeper than the interface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer using the remaining portion of the second semiconductor layer as a mask. And etching the first semiconductor layer in a self-aligning manner until it becomes.
請求項13の発明にかかる半導体装置の製造方法は、第1の主面に、第1導電型の不純物拡散領域とゲート部を備えた1以上の半導体素子の表面構造部を有し、第2の主面に裏面電極を有する半導体装置を製造するにあたって、シリコンよりもバンドギャップの広い半導体材料からなる第1導電型の第1の半導体層上にシリコンを成長させて第2導電型の第2の半導体層を積層する工程と、前記第2の半導体層上にトレンチ形成用のマスクを形成する工程と、前記第2の半導体層をエッチングしてトレンチを形成し、該トレンチの底に前記第1の半導体層が露出した時点でエッチングを停止する工程と、前記マスクを除去した後、前記第2の半導体層の残った部分をマスクとして前記トレンチの底が前記第1の半導体層と前記第2の半導体層の界面よりも深くなるまで前記第1の半導体層を自己整合的にエッチングする工程と、前記トレンチの内面にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記トレンチの、前記ゲート絶縁膜の内側部分を導電体で埋める工程と、を含むことを特徴とする。 According to a thirteenth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device, comprising: a first main surface having a surface structure portion of one or more semiconductor elements including a first conductivity type impurity diffusion region and a gate portion; In manufacturing a semiconductor device having a back electrode on the main surface, silicon is grown on a first semiconductor layer of a first conductivity type made of a semiconductor material having a wider bandgap than silicon, and a second conductivity type second semiconductor is formed. Laminating the semiconductor layer, forming a trench forming mask on the second semiconductor layer, etching the second semiconductor layer to form a trench, and forming the trench at the bottom of the trench. Etching is stopped when the first semiconductor layer is exposed; and after the mask is removed, the bottom of the trench is connected to the first semiconductor layer and the first semiconductor layer using the remaining portion of the second semiconductor layer as a mask. 2 semiconductor layers Etching the first semiconductor layer in a self-aligned manner until it becomes deeper than the interface; forming a gate insulating film on the inner surface of the trench; and connecting the inner part of the gate insulating film to the conductor in the trench And a step of filling with.
請求項14の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項13に記載の発明において、前記ゲート絶縁膜を化学気相成長法により形成することを特徴とする。請求項15の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項13に記載の発明において、前記ゲート絶縁膜をスパッタ法により形成することを特徴とする。 According to a fourteenth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device manufacturing method according to the thirteenth aspect, wherein the gate insulating film is formed by a chemical vapor deposition method. According to a fifteenth aspect of the present invention, in the semiconductor device manufacturing method according to the thirteenth aspect, the gate insulating film is formed by a sputtering method.
上記請求項1〜11の発明によれば、半導体素子の表面構造部をシリコンの微細加工技術などの既存の高度な加工技術を用いて作製することができるので、その表面構造部が比較的複雑な構造であっても、容易に作製することができる。また、半導体素子の表面構造部を、イオン注入法と熱拡散処理という既に正確な制御性が確立されたシリコンプロセスを用いて作製することによって、しきい値のばらつきを極めて小さくすることができる。 According to the first to eleventh aspects of the present invention, since the surface structure portion of the semiconductor element can be manufactured using existing advanced processing technology such as silicon micromachining technology, the surface structure portion is relatively complicated. Even a simple structure can be easily manufactured. Further, by producing the surface structure portion of the semiconductor element using a silicon process that has already established accurate controllability such as an ion implantation method and a thermal diffusion treatment, variation in threshold value can be extremely reduced.
また、反転層領域がシリコンで構成されるので、シリコンと同程度の高い反転層移動度が得られる。従って、反転層領域の抵抗成分を従来のシリコンデバイスとほぼ同程度に低く抑えることができる。さらに、第1の半導体層の厚さを従来のシリコンデバイスの厚さのおおよそ1/10程度に薄くすることができるので、例えば第1の半導体層をドリフト層とする縦型のMIS型半導体装置を作製した場合に、オン抵抗のうちのドリフト層の抵抗成分が従来のシリコンデバイスのおおよそ1/10にすることができる。従って、ドリフト層の抵抗成分にチャネル抵抗やその他の部分による抵抗成分を加えた総合的なオン抵抗を大幅に小さくすることができる。 Further, since the inversion layer region is made of silicon, high inversion layer mobility comparable to that of silicon can be obtained. Therefore, the resistance component in the inversion layer region can be suppressed to be almost as low as that of the conventional silicon device. Further, since the thickness of the first semiconductor layer can be reduced to about 1/10 of the thickness of the conventional silicon device, for example, a vertical MIS type semiconductor device using the first semiconductor layer as a drift layer. , The resistance component of the drift layer in the on-resistance can be reduced to about 1/10 that of the conventional silicon device. Therefore, the overall on-resistance obtained by adding the resistance component of the drift layer to the resistance component of the drift layer and other portions can be greatly reduced.
請求項2〜5の発明によれば、第1の半導体層が窒化ガリウムなどのワイドバンドギャップ半導体で構成されており、チップ外周部の第1の半導体層に耐圧構造部を形成することによって、第1の半導体層がシリコンでできている場合よりも短い寸法で高い素子耐圧を得ることができる。従って、チップの無効面積の割合を大幅に低減することができる。
According to the inventions of
請求項11の発明によれば、絶縁ゲート型半導体素子のゲート耐圧がゲート絶縁膜の耐圧で決まるので、ゲート電極に数十V程度の正極性および負極性のいずれの電圧も印加することができる。また、ゲート構造は素子耐圧によらないので、高耐圧素子であっても高速スイッチング性能を得ることができる。
According to the invention of
請求項12〜15の発明によれば、半導体素子の表面構造部をシリコンの微細加工技術などの既存の高度な加工技術を用いて作製することができる。特に、トレンチ内にゲート絶縁膜とゲート電極を有するトレンチゲート型の半導体素子のように、トレンチ構造を有する半導体素子のトレンチを、その底が第1の半導体層と第2の半導体層の界面よりも深くなるように容易に形成することができる。また、そのトレンチの内面に容易にゲート絶縁膜を形成することができる。
According to the inventions of
本発明にかかる半導体装置およびその製造方法によれば、ドリフト領域が窒化ガリウム等のワイドバンドギャップ半導体で構成されたパワー半導体装置において、以下の効果を奏する。すなわち、チャネル領域の抵抗成分をシリコンデバイスと同程度にすることができる。また、シリコンデバイスの製造プロセスで作製することができる。また、しきい値のばらつきをシリコンデバイスと同程度にすることができる。 According to the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention, the power semiconductor device in which the drift region is formed of a wide band gap semiconductor such as gallium nitride has the following effects. That is, the resistance component of the channel region can be made comparable to that of the silicon device. Further, it can be manufactured by a silicon device manufacturing process. Further, the variation in threshold value can be made comparable to that of a silicon device.
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置およびその製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 Exemplary embodiments of a semiconductor device and a method for manufacturing the same according to the present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying drawings. Note that, in the following description of the embodiments and the accompanying drawings, the same reference numerals are given to the same components, and duplicate descriptions are omitted.
図1は、本発明にかかる半導体装置の全体を示す断面図である。図1に示すように、ドレイン電極1、支持基板2の上にドリフト層となる第1の半導体層3が積層され、この第1の半導体層3の上に第2の半導体層4が積層されている。この第2の半導体層4に半導体素子の表面構造部が作製される。半導体素子の種類については特に限定しないが、ここでは一例として縦型のパワーMOSFET(金属−酸化膜−半導体構造を有する絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)とする。支持基板2は、特に限定しないが、例えばn型シリコン基板である。縦型の半導体素子の場合には、支持基板2は低抵抗材料であるのが好ましい。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the entire semiconductor device according to the present invention. As shown in FIG. 1, a
第1の半導体層3は、例えばバンドギャップが3eV以上のワイドバンドギャップ半導体、特に限定しないが、例えばn型の窒化ガリウム系半導体、n型の炭化ケイ素またはn型のダイアモンド(C)などでできている。ここで、窒化ガリウム系半導体には、窒化ガリウムの他に窒化アルミニウムガリウムが含まれる。pベース層となる第2の半導体層4はp型のシリコンでできている。第2の半導体層4の表面から第2の半導体層4を貫通して、第1の半導体層3に達するトレンチ5が形成されている。トレンチ5の底は、第1の半導体層3と第2の半導体層4の界面よりも深くなっている。
The
トレンチ5の内面にはゲート絶縁膜6が形成されており、さらにその内側はゲート電極7で埋められている。ゲート絶縁膜6は、例えば二酸化ケイ素(SiO2)、窒化ケイ素(Si3N4)、窒化アルミニウム(AlN)、酸化マグネシウム(MgO)または酸化ハフニウム(HfO2)などでできている。ゲート電極7は、ポリシリコンや、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、クロム(Cr)、イリジウム(Ir)、金(Au)、銀(Ag)もしくは亜鉛(Zn)などの金属またはそれらの合金やシリサイドなどでできている。
A
第2の半導体層4においてトレンチ5の外側には、ソース領域となるn型の不純物拡散領域8が形成されている。また、第2の半導体層4においてn型不純物拡散領域8の隣にはp型の不純物拡散領域9が形成されている。ゲート電極7は絶縁膜10により覆われており、n型不純物拡散領域8とp型不純物拡散領域9の両方に接触するソース電極11から絶縁されている。
In the
耐圧構造部は、図1およびその拡大図である図2に示すように、チップ外周部において第1の半導体層3を露出させた構造となっている。このような構造を作製するには、第2の半導体層4を選択的にドライエッチングし、第1の半導体層3が露出した時点でエッチングを終了すればよい。第1の半導体層3が窒化ガリウムでできている場合には、例えばCF4などのフッ素系の反応ガスを用いてドライエッチングを行えばよい。
As shown in FIG. 1 and FIG. 2 which is an enlarged view thereof, the breakdown voltage structure has a structure in which the
あるいは、第2の半導体層4を構成するシリコンの結晶方位が<111>方向である場合には、ドライエッチングに代えて、アルカリ溶液、例えば水酸化カリウム(KOH)溶液を用いた湿式異方性エッチングを行えばよい。この場合には、結晶方位が<111>方向のシリコンよりなる島状の第2の半導体層4が形成される。いずれの形成方法によっても、このような第1の半導体層3が露出した耐圧構造を作製することによって、ガードリングなどの耐圧構造を設けなくても、600V程度の耐圧を確保することができる。
Alternatively, when the crystal orientation of silicon constituting the
本実施の形態のパワーMOSFETを作製するにあたっては、同様の構成のシリコンデバイスの製造プロセスを適用することができる。ただし、トレンチ5の形成途中で、トレンチ5が開けられる部分の材料がシリコンから窒化ガリウム等のワイドバンドギャップ半導体に変わるため、例えば以下のようにしてトレンチゲート構造を作製する。
In manufacturing the power MOSFET according to the present embodiment, a silicon device manufacturing process having a similar configuration can be applied. However, since the material of the portion where the
図3〜図8は、トレンチゲート構造の作製手順を説明する断面図である。まず、第1の半導体層3上に積層された第2の半導体層4の表面に例えばシリコンの酸化膜(SiO2)やフォトレジストなどからなるエッチングマスク12を積層する。エッチングマスク12がシリコンの酸化膜である場合には、熱酸化法により酸化膜を生成させたり、化学気相成長(CVD)法により酸化膜を堆積する。そして、このエッチングマスク12にトレンチエッチング用のパターンを形成する(図3)。
3 to 8 are cross-sectional views illustrating a procedure for manufacturing a trench gate structure. First, an
次いで、RIE(反応性エッチング)などの異方性エッチングを行い、第2の半導体層4にトレンチ5を形成する(図4)。なお、図4は、エッチングの途中の状態を示している。このエッチング中に、トレンチ5の底に第1の半導体層3が露出したことを検知した時点で、エッチングを停止する(図5)。そして、エッチングマスク12を除去する。その後、残っている第2の半導体層4のシリコンをマスクとして自己整合的に第1の半導体層3をエッチングして、トレンチ5をさらに深くする(図6)。この二段階目のエッチングは、RIEによる異方性エッチングでもよいし、通常のドライエッチングによる等方性エッチングでもよい。
Next, anisotropic etching such as RIE (reactive etching) is performed to form a
トレンチの形成が終了したら、ゲート絶縁膜6を形成する(図7)。その際、CVD法やスパッタ法を用いてもよいし、例えば第1の半導体層3が窒化ガリウムまたは炭化ケイ素でできている場合には、それぞれ熱酸化により酸化ガリウム(Ga2O3)または二酸化ケイ素を生成してもよい。次いで、CVD法やスパッタ法によりゲート電極7となる導電体を堆積する(図8)。そして、ゲート絶縁膜6およびゲート電極7を所望のパターンに成形してトレンチゲート構造ができあがる。これ以降のプロセスは、例えばトレンチゲート構造を有するMOSFETなどの通常のシリコンデバイスと同様である。
When the trench formation is completed, a
図9は、耐圧構造部の別の構成を示す断面図である。図9に示す耐圧構造部は、第1の半導体層3の露出部分の一部に、チップ外周に沿って第2の半導体層4を囲むように、ガードリングとなるp型の不純物領域13を設けたものである。図示例では、ガードリングの数は1本であるが、2本以上のガードリングを設けてもよい。図9に示す耐圧構造を設けることによって、図2に示す耐圧構造よりも高い耐圧が得られる。
FIG. 9 is a cross-sectional view showing another configuration of the pressure-resistant structure. 9 includes a p-
図10は、耐圧構造部の別の構成を示す断面図である。図10に示す耐圧構造部は、図9に示す耐圧構造部において、第1の半導体層3の露出部分を絶縁膜14で被覆し、その絶縁膜14の開口部を介してガードリングとなるp型不純物領域13にフィールドプレート15を接触させたものである。絶縁膜14は、例えば二酸化ケイ素、窒化ケイ素または窒化アルミニウムなどでできている。
FIG. 10 is a cross-sectional view showing another configuration of the pressure-resistant structure portion. The breakdown voltage structure shown in FIG. 10 is the same as the breakdown voltage structure shown in FIG. 9 except that the exposed portion of the
図11は、耐圧構造部の別の構成を示す断面図である。図11に示す耐圧構造部は、第1の半導体層3の終端部を、第2の半導体層4から支持基板2へ近づくに連れて第1の半導体層3が広くなる錐台状(メサ状)のベベル構造にしたものである。第1の半導体層3の終端部をこのような形状にするには、図12に示すように、第2の半導体層4と、第1の半導体層3の、第2の半導体層4寄りの部分をエッチングマスク16で被覆した状態で第1の半導体層3を等方的にドライエッチングし、支持基板2が露出したらエッチングを終了すればよい。エッチングマスク16としては、例えばフォトレジストを用いてもよいし、シリコンの酸化膜や窒化膜(Si3N4)を用いてもよい。
FIG. 11 is a cross-sectional view showing another configuration of the pressure-resistant structure. 11 has a frustum shape (mesa shape) in which the
以上説明したように、実施の形態によれば、半導体素子の表面構造部をシリコンの微細加工技術などの既存の高度な加工技術を用いて作製することができるので、その表面構造部が比較的複雑な構造であっても、容易に作製することができる。例えば、MOSFETの表面構造部を、イオン注入法と熱拡散処理という既に正確な制御性が確立されたシリコンプロセスを用いて作製することによって、しきい値のばらつきを極めて小さくすることができる。 As described above, according to the embodiment, the surface structure portion of the semiconductor element can be manufactured by using existing advanced processing technology such as silicon micromachining technology. Even a complicated structure can be easily manufactured. For example, the variation in threshold value can be made extremely small by fabricating the surface structure portion of the MOSFET using a silicon process that has already established accurate controllability such as ion implantation and thermal diffusion.
それに対して、第2の半導体層4がシリコンではなく、炭化ケイ素である場合には、半導体素子の表面構造部に設けられる不純物拡散領域を形成する際に1600℃以上の高温で熱処理を行う必要がある。そのため、高性能な熱処理装置が必要となり、装置のコストがかさむという欠点や、所定の温度までの加熱や冷却に時間がかかり、スループットが低下するという欠点がある。また、第2の半導体層4が窒化ガリウムである場合には、1000℃以上の高温環境下で窒化ガリウムが不安定になるため、1000℃よりも低い温度で半導体素子の表面構造部を作製する必要がある。その場合には、イオン注入法などの一般的な手法によって不純物拡散領域、特にp型の不純物拡散領域を作製することは極めて困難である。
On the other hand, when the
また、実施の形態によれば、反転層領域がシリコンでできているので、シリコンと同程度の高い反転層移動度が得られる。従って、反転層領域の抵抗成分を従来のシリコンデバイスとほぼ同程度に低く抑えることができる。さらに、第1の半導体層3の厚さを従来のシリコンデバイスの厚さのおおよそ1/10程度に薄くすることができるので、例えば第1の半導体層3をドリフト層とする縦型のMIS型半導体装置を作製した場合に、オン抵抗のうちのドリフト層の抵抗成分を従来のシリコンデバイスのおおよそ1/10にすることができる。従って、ドリフト層の抵抗成分にチャネル抵抗やその他の部分による抵抗成分を加えた総合的なオン抵抗を大幅に小さくすることができる。
According to the embodiment, since the inversion layer region is made of silicon, high inversion layer mobility comparable to that of silicon can be obtained. Therefore, the resistance component in the inversion layer region can be suppressed to be almost as low as that of the conventional silicon device. Furthermore, since the thickness of the
例えば、従来のシリコンでできた耐圧600VのMOSFETでは、その理論的なオン抵抗の限界値は53mΩcmである。そして、シミュレーションなどを用いた分析によって、そのオン抵抗のうちの約92%、すなわち48.8mΩcmがドリフト層の抵抗成分で占められていることがわかっている。残りの4.2mΩcmは、チャネル抵抗など、ドリフト層以外の部分の抵抗成分である。ここで、ドリフト層の厚さが従来の1/10になれば、ドリフト層の抵抗率が従来と同じであるとしても、総合的なオン抵抗は、従来の1/6程度の9.1mΩcm(=48.8mΩcm×(1/10)+4.2mΩcm)となり、大幅に低減される。 For example, in a conventional MOSFET with a withstand voltage of 600 V made of silicon, the theoretical limit value of the on-resistance is 53 mΩcm. Further, analysis using simulation or the like shows that about 92% of the on-resistance, that is, 48.8 mΩcm is occupied by the resistance component of the drift layer. The remaining 4.2 mΩcm is a resistance component other than the drift layer, such as channel resistance. Here, if the thickness of the drift layer is 1/10 of the conventional one, even if the resistivity of the drift layer is the same as the conventional one, the overall on-resistance is 9.1 mΩcm ( = 48.8 mΩcm × (1/10) +4.2 mΩcm).
また、実施の形態によれば、チップ外周部の第1の半導体層3に耐圧構造部を形成することによって、短い寸法で高い素子耐圧を得ることができる。例えば、第1の半導体層3が窒化ガリウムなどのワイドバンドギャップ半導体で構成されている場合、第1の半導体層3がシリコンでできている場合よりも1桁大きい電界強度が許容される。従って、例えば第1の半導体層3を窒化ガリウムで構成し、600Vの耐圧を得ようとすれば、耐圧構造部の幅は50μm以下で十分である。一例として、一辺の長さが3mmの正方形チップ(面積は9.0mm2)において、耐圧構造部の幅が50μmであれば、チップの有効面積は8.41mm2(=(3−0.05×2)2)となり、無効面積の占める割合は6.6%になる。
Further, according to the embodiment, by forming the breakdown voltage structure portion in the
それに対して、第1の半導体層3がシリコンでできている場合には、シリコンのバンドギャップが1.1eVであるため、高い耐圧を得ようとすると最大電界を0.3MV/cm以下にする必要がある。そのため、例えば600Vの耐圧を得ようとすれば、耐圧構造部の幅は300μm以上となる。耐圧構造部の幅を300μmとすると、一辺の長さが3mmの正方形チップでは、チップの有効面積は5.76mm2(=(3−0.3×2)2)となり、無効面積の占める割合は36%になる。従って、実施の形態によれば、チップの無効面積の割合を大幅に低減することができる。
On the other hand, when the
また、実施の形態によれば、ゲート耐圧がゲート絶縁膜6の耐圧で決まるので、ゲート電極7に数十V程度の正極性および負極性のいずれの電圧も印加することができる。また、ゲート構造は素子耐圧によらないので、高耐圧素子であっても高速スイッチング性能を得ることができる。
In addition, according to the embodiment, since the gate breakdown voltage is determined by the breakdown voltage of the
以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、種々変更可能である。例えば、支持基板2の材料が第1の半導体層3の材料と同じであってもよい。すなわち、第1の半導体層3が窒化ガリウムでできている場合、支持基板2も窒化ガリウムでできていてもよい。この場合、支持基板2と第1の半導体層3を別々のものとし、支持基板2の上に第1の半導体層3をエピタキシャル成長させてもよい。あるいは、支持基板2と第1の半導体層3は同じものであり、第1の半導体層3を含めて支持基板2としてもよい。
As described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made. For example, the material of the
また、第1の半導体層3が窒化ガリウムでできている場合、支持基板2がシリコン、炭化シリコンまたはサファイア(Al2O3)でできており、支持基板2と第1の半導体層3の間に窒化アルミニウムなどでできたバッファ層が設けられていてもよい。さらに、半導体素子が横型の素子である場合には、支持基板2が絶縁性の材料でできていてもよい。また、第2の半導体層4に形成される半導体素子の数は、1個でもよいし、3個以上でもよい。また、MOSFET以外の半導体素子、例えばIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)やショットキーダイオードなどを作製してもよい。なお、本発明は、p型とn型の導電型を逆にしても同様に成り立つ。
Further, when the
以上のように、本発明にかかる半導体装置およびその製造方法は、インバータ等の電力変換装置や種々の産業用機械等の電源装置や自動車のイグナイタなどに使用されるパワー半導体装置に有用である。 As described above, the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention are useful for power semiconductor devices used for power conversion devices such as inverters, power supply devices such as various industrial machines, automobile igniters and the like.
1 ドレイン電極
2 支持基板
3 第1の半導体層
4 第2の半導体層
5 トレンチ
12 トレンチ形成用のマスク
13 不純物領域
14 絶縁膜
15 導電部(フィールドプレート)
DESCRIPTION OF
Claims (15)
前記第1の半導体層上に積層されたシリコンよりなる第2の半導体層と、
前記第2の半導体層に形成された1以上の半導体素子の表面構造部と、
前記第1の半導体層の、前記第2の半導体層よりも外側の領域に設けられた耐圧構造部と、
を備えることを特徴とする半導体装置。 A first semiconductor layer made of a semiconductor material having a wider band gap than silicon;
A second semiconductor layer made of silicon stacked on the first semiconductor layer;
A surface structure portion of one or more semiconductor elements formed in the second semiconductor layer;
A breakdown voltage structure provided in a region of the first semiconductor layer outside the second semiconductor layer;
A semiconductor device comprising:
前記第2の半導体層上にトレンチ形成用のマスクを形成する工程と、
前記第2の半導体層をエッチングしてトレンチを形成し、該トレンチの底に前記第1の半導体層が露出した時点でエッチングを停止する工程と、
前記マスクを除去した後、前記第2の半導体層の残った部分をマスクとして前記トレンチの底が前記第1の半導体層と前記第2の半導体層の界面よりも深くなるまで前記第1の半導体層を自己整合的にエッチングする工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 A step of growing silicon on the first semiconductor layer made of a semiconductor material having a wider band gap than silicon and laminating the second semiconductor layer;
Forming a trench forming mask on the second semiconductor layer;
Etching the second semiconductor layer to form a trench, and stopping the etching when the first semiconductor layer is exposed at the bottom of the trench;
After the mask is removed, the first semiconductor is used until the bottom of the trench becomes deeper than the interface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer using the remaining portion of the second semiconductor layer as a mask. Etching the layer in a self-aligning manner;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
シリコンよりもバンドギャップの広い半導体材料からなる第1導電型の第1の半導体層上にシリコンを成長させて第2導電型の第2の半導体層を積層する工程と、
前記第2の半導体層上にトレンチ形成用のマスクを形成する工程と、
前記第2の半導体層をエッチングしてトレンチを形成し、該トレンチの底に前記第1の半導体層が露出した時点でエッチングを停止する工程と、
前記マスクを除去した後、前記第2の半導体層の残った部分をマスクとして前記トレンチの底が前記第1の半導体層と前記第2の半導体層の界面よりも深くなるまで前記第1の半導体層を自己整合的にエッチングする工程と、
前記トレンチの内面にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記トレンチの、前記ゲート絶縁膜の内側部分を導電体で埋める工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 In manufacturing a semiconductor device having a surface structure portion of one or more semiconductor elements having a first conductivity type impurity diffusion region and a gate portion on the first main surface and having a back electrode on the second main surface. ,
Growing a second conductive type second semiconductor layer by growing silicon on a first conductive type first semiconductor layer made of a semiconductor material having a wider band gap than silicon; and
Forming a trench forming mask on the second semiconductor layer;
Etching the second semiconductor layer to form a trench, and stopping the etching when the first semiconductor layer is exposed at the bottom of the trench;
After removing the mask, using the remaining portion of the second semiconductor layer as a mask, the first semiconductor until the bottom of the trench becomes deeper than the interface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. Etching the layer in a self-aligning manner;
Forming a gate insulating film on the inner surface of the trench;
Filling an inner portion of the gate insulating film of the trench with a conductor;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 13, wherein the gate insulating film is formed by a sputtering method.
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