JP2007266151A - Compound semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、立方晶炭化ケイ素(3C−SiC)単結晶からなる低損失の化合物半導体デバイスに関する。 The present invention relates to a low-loss compound semiconductor device made of cubic silicon carbide (3C—SiC) single crystal.
SiCは、広いバンドギャップ、高い電子移動度、高耐熱性等の優れた特性を有しており、また、構成元素の資源量が豊富であり、かつ、環境汚染への懸念が小さいこと等から、次世代電子素子、高速高温動作可能電子素子、太陽光発電素子等における化合物半導体としての応用が期待される材料である。
このため、SiCを用いた化合物半導体は、現在主流である半導体シリコンによるデバイスの物性限界を凌駕するものとして有望である。
SiC has excellent characteristics such as a wide band gap, high electron mobility, and high heat resistance, is rich in the amount of constituent elements, and has little concern about environmental pollution. It is a material expected to be applied as a compound semiconductor in next-generation electronic devices, electronic devices capable of high-speed and high-temperature operation, solar power generation devices, and the like.
For this reason, the compound semiconductor using SiC is promising as it surpasses the physical property limit of the semiconductor silicon which is currently mainstream.
上記のようなSiCを用いた化合物半導体デバイスとしては、従来、4H−SiCおよび6H−SiCに代表される六方晶SiCを用いたMOSFETが知られている(例えば、特許文献1参照)。
MOSFETは、絶縁膜および化合物半導体の接触部近傍に、静電力によってキャリアを誘起し、この誘起されたキャリアによって、すなわち、チャネルにおけるキャリアの移動によって、電気伝導が起きる。
しかしながら、特許文献1に記載されているような従来の六方晶SiCを用いた化合物半導体デバイスでは、チャネルにおける抵抗が高いという課題を有していた。チャネルの抵抗が高い場合、デバイスの動作時におけるエネルギー損失が大きくなる。
このため、チャネルの抵抗の低減化を図るために、六方晶SiCの結晶方位を変える等の様々な工夫がなされているが、実用レベルのものは未だ得られていない。
The MOSFET induces carriers in the vicinity of the contact portion between the insulating film and the compound semiconductor by an electrostatic force, and electrical conduction occurs by the induced carriers, that is, by movement of carriers in the channel.
However, the compound semiconductor device using the conventional hexagonal SiC as described in
For this reason, various attempts have been made to change the crystal orientation of hexagonal SiC in order to reduce the resistance of the channel, but a practical level has not yet been obtained.
本発明は、上記記述的課題を解決するためになされたものであり、エネルギー損失が少ない、高効率の化合物半導体デバイスを提供することを目的とするものである。 The present invention has been made to solve the above descriptive problem, and an object of the present invention is to provide a highly efficient compound semiconductor device with little energy loss.
本発明に係る化合物半導体デバイスは、低抵抗基板上に、キャリア濃度1011/cm3以上1016/cm3以下のn型低キャリア濃度層と、キャリア濃度1011/cm3以上1021/cm3以下のp型層と、キャリア濃度1016/cm3以上1021/cm3以下のn型高キャリア濃度層とが順次積層され、前記n型低キャリア濃度層、p型層およびn型高キャリア濃度層はいずれも、マイクロパイプ、ダブルポジショニング・ドメイン、アンチフェーズ・ドメイン、スタッキング・フォルトおよびツイン・バンドの欠陥密度が104/cm2以下の3C−SiC単結晶からなり、少なくとも前記p型層に接触したゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜に接触し、かつ、前記n型低キャリア濃度層、p型層およびn型高キャリア濃度層のいずれとも電気的に分離して設けられた制御電極と、少なくとも前記p型層およびn型高キャリア濃度層に接触した上部電極と、前記低抵抗基板に接触した下部電極とを備えていることを特徴とする。
六方晶SiCに比べて等方的である3C−SiC単結晶層において、チャネルにおけるキャリアの移動を妨げる欠陥を抑制することにより、キャリアの移動度を高め、チャネルの抵抗を低減化することができる。
Compound semiconductor device according to the present invention, the low-resistance substrate, the carrier concentration of 10 11 / cm 3 or more and 10 16 / cm 3 or less of the n-type low carrier concentration layer, the carrier concentration of 10 11 / cm 3 or more 10 21 / cm 3 or less p-type layer and an n-type high carrier concentration layer having a carrier concentration of 10 16 / cm 3 or more and 10 21 / cm 3 or less are sequentially laminated, and the n-type low carrier concentration layer, the p-type layer and the n-type high carrier layer are stacked. Each of the carrier concentration layers is made of 3C—SiC single crystal having a defect density of 10 4 / cm 2 or less of micropipe, double positioning domain, antiphase domain, stacking fault, and twin band, and at least the p-type. A gate insulating film in contact with the layer, and any of the n-type low carrier concentration layer, the p-type layer, and the n-type high carrier concentration layer in contact with the gate insulating film A control electrode provided in a gas separation, an upper electrode in contact with at least the p-type layer and the n-type high carrier concentration layer, and a lower electrode in contact with the low-resistance substrate; To do.
In the 3C-SiC single crystal layer, which is isotropic compared to hexagonal SiC, by suppressing defects that hinder carrier movement in the channel, carrier mobility can be increased and channel resistance can be reduced. .
前記化合物半導体デバイスにおいては、低抵抗基板が、キャリア濃度1016/cm3以上1021/cm3以下のn型またはp型高キャリア濃度SiC単結晶基板であることが好ましい。
特に、前記SiC単結晶基板は、3C−SiC単結晶基板であることが好ましい。
上記のような低抵抗基板を用いることにより、3C−SiC単結晶層からなる上部層との格子整合が良好になるため、格子不整合等に起因した欠陥の発生を抑制することができる。
In the compound semiconductor device, the low resistance substrate is preferably an n-type or p-type high carrier concentration SiC single crystal substrate having a carrier concentration of 10 16 / cm 3 or more and 10 21 / cm 3 or less.
In particular, the SiC single crystal substrate is preferably a 3C-SiC single crystal substrate.
By using the low resistance substrate as described above, the lattice matching with the upper layer made of the 3C—SiC single crystal layer is improved, so that the occurrence of defects due to lattice mismatch or the like can be suppressed.
また、前記n型低キャリア濃度層の厚さが10μm以上100μm以下、前記p型層の厚さが0.01μm以上2μm以下、前記n型高キャリア濃度層の厚さが0.01μm以上2μm以下であることが好ましい。
前記各層の厚さが薄い場合、所望の破壊電圧を確保することができず、一方、厚すぎる場合は、抵抗増加が助長される。
The n-type low carrier concentration layer has a thickness of 10 μm to 100 μm, the p-type layer has a thickness of 0.01 μm to 2 μm, and the n-type high carrier concentration layer has a thickness of 0.01 μm to 2 μm. It is preferable that
When the thickness of each of the layers is thin, a desired breakdown voltage cannot be secured, while when it is too thick, an increase in resistance is promoted.
さらにまた、前記ゲート絶縁膜は、前記n型低キャリア濃度層、p型層およびn型高キャリア濃度層に接触していることが好ましい。
これにより、制御電極に電圧を印加した際、効果的にチャネルを形成して、抵抗を低減化することができる。
Furthermore, it is preferable that the gate insulating film is in contact with the n-type low carrier concentration layer, the p-type layer, and the n-type high carrier concentration layer.
Thereby, when a voltage is applied to the control electrode, it is possible to effectively form a channel and reduce the resistance.
また、接続抵抗低下の観点から、前記p型層と上部電極との接続部は、キャリア濃度1016/cm3以上1021/cm3以下の高キャリア濃度であることが好ましい。 Further, from the viewpoint of lowering connection resistance, the connection portion between the p-type layer and the upper electrode preferably has a high carrier concentration of 10 16 / cm 3 or more and 10 21 / cm 3 or less.
上述したとおり、本発明に係る化合物半導体デバイスは、結晶性に優れ、かつ、欠陥が少ない、高品質の3C−SiC単結晶層により構成されており、キャリア移動度が高く、低損失であり、高出力電子デバイス等として好適に用いることができる。 As described above, the compound semiconductor device according to the present invention is composed of a high-quality 3C-SiC single crystal layer with excellent crystallinity and few defects, and has high carrier mobility and low loss. It can be suitably used as a high-power electronic device or the like.
以下、本発明について、添付図面を参照して、より詳細に説明する。
図1に、本発明に係る化合物半導体デバイスの一態様を示す。図1に示す化合物半導体デバイスは、低抵抗基板1上に、キャリア濃度1011/cm3以上1016/cm3以下のn型低キャリア濃度層2と、キャリア濃度1011/cm3以上1021/cm3以下のp型層3と、キャリア濃度1016/cm3以上1021/cm3以下のn型高キャリア濃度層4とが順次積層された構成からなる。
そして、n型低キャリア濃度層2、p型層3およびn型高キャリア濃度層4はいずれも、マイクロパイプ、ダブルポジショニング・ドメイン、アンチフェーズ・ドメイン、スタッキング・フォルトおよびツイン・バンドの欠陥密度が104/cm2以下の3C−SiC単結晶からなることを特徴とする。
さらに、少なくともp型層3に接触したゲート絶縁膜5と、該ゲート絶縁膜5に接触し、かつ、n型低キャリア濃度層2、p型層3およびn型高キャリア濃度層4のいずれとも電気的に分離して設けられた制御電極6と、少なくともp型層3およびn型高キャリア濃度層4に接触した上部電極7と、低抵抗基板1に接触した下部電極8とを備えていることを特徴とする。
なお、図1においては、ゲート絶縁膜5は、n型低キャリア濃度層2、p型層3およびn型高キャリア濃度層4に接触している。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 shows one embodiment of a compound semiconductor device according to the present invention. Compound semiconductor device shown in FIG. 1, on the low-
Each of the n-type low
Furthermore, at least the
In FIG. 1, the gate
3C−SiCの結晶構造は、六方晶SiCに比べて等方的であり、チャネルにおけるキャリアの移動度が潜在的に高く、また、マイクロパイプ、ダブルポジショニング・ドメイン、アンチフェーズ・ドメイン、スタッキング・フォルトおよびツイン・バンドは、3C−SiCのチャネルにおけるキャリアの移動を抑制する欠陥である。
このため、上記のような構成の化合物半導体デバイスによれば、抵抗を従来の1/10に低減することができる。
The crystal structure of 3C-SiC is isotropic compared to hexagonal SiC, and the carrier mobility in the channel is potentially high, and the micropipe, double positioning domain, antiphase domain, stacking fault The twin band is a defect that suppresses carrier movement in the 3C-SiC channel.
For this reason, according to the compound semiconductor device of the above structure, resistance can be reduced to 1/10 of the conventional.
前記化合物半導体デバイスにおいては、低抵抗基板1が、キャリア濃度1016/cm3以上1021/cm3以下のn型またはp型高キャリア濃度SiC単結晶基板、特に、3C−SiC単結晶基板であることが好ましい。
In the compound semiconductor device, the low-
低抵抗基板1をn型高キャリア濃度のSiC単結晶基板とした場合には、3C−SiC単結晶層からなる上部層2〜4との格子整合が良好になるため、格子不整合等に起因した欠陥の発生を抑制することができ、従来の化合物半導体デバイスに比べて、抵抗を1/50に低減することができる。
When the low-
また、低抵抗基板1をp型高キャリア濃度のSiC単結晶基板とした場合にも、3C−SiC単結晶層からなる上部層2〜4との格子整合が良好になり、格子不整合等に起因した欠陥の発生を抑制することができる。さらに、この場合は、デバイス作動時に低抵抗基板1からホールを注入することにより、伝導度の変調を行うことができ、化合物半導体デバイスのエネルギー損失を低減することができるため、従来の化合物半導体デバイスに比べて、抵抗を1/100に低減することができる。
Further, even when the low-
図2(a)〜(g)に、本発明に係る他の態様の化合物半導体デバイスの製造工程の一例を示す。以下、図2(a)〜(g)に基づいて、本発明に係る化合物半導体デバイスの製造方法を説明する。なお、本発明に係る化合物半導体デバイスの製造方法は、これに限定されるものではない。
図2(g)に示す化合物半導体デバイスは、トレンチ構造のものである。
まず、低抵抗基板1として、結晶面方位{111}、キャリア濃度1017/cm3、伝導型n型、厚さ400μmの3C−SiC単結晶基板を、水素雰囲気下、1000℃で熱処理し、表面を清浄にする。
なお、3C−SiC単結晶基板の製造方法は、特に制限されるものではなく、気相成長法、昇華法等により得ることができる。
2A to 2G show an example of a manufacturing process of a compound semiconductor device according to another embodiment of the present invention. Hereinafter, the method for manufacturing a compound semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIGS. In addition, the manufacturing method of the compound semiconductor device which concerns on this invention is not limited to this.
The compound semiconductor device shown in FIG. 2G has a trench structure.
First, as a low-
Note that the method for manufacturing the 3C—SiC single crystal substrate is not particularly limited, and can be obtained by a vapor deposition method, a sublimation method, or the like.
前記低抵抗基板1上に、気相成長法により、原料ガスとしてSiH4ガスおよびC3H8ガスを用いて、1000℃で、厚さ20μm、キャリア濃度1015/cm3、伝導型n型のn型低キャリア濃度層2と、厚さ1μm、キャリア濃度1017/cm3のp型層3と、厚さ1μm、キャリア濃度1017/cm3のn型高キャリア濃度層4とを順次積層させる(図2(a)参照)。
On the low-
これらのn型低キャリア濃度層2、p型層3およびn型高キャリア濃度層4におけるマイクロパイプ、ダブルポジショニング・ドメイン、アンチフェーズ・ドメイン、スタッキング・フォルトおよびツイン・バンドの欠陥密度は、熱処理および気相成長における温度、水素および原料ガスの供給量等、各層の成長条件の調整により制御することができる。
The defect density of micropipe, double positioning domain, antiphase domain, stacking fault and twin band in these n-type low
また、各層のキャリア濃度および伝導型は、気相成長中にドーパントの種類および量を調整して添加することにより制御する。n型のドーパントとしては、N2、PH3等が、p型ドーパントとしては、B2H6、トリメチルアンモニウム(TMA)等が挙げられる。
あるいはまた、気相成長後、インプランテーション法により、不純物イオンを打ち込むことにより制御することもできる。
インプランテーション法は、事前にマスキングを行うことにより、部分的に打ち込む不純物イオンの濃度を調整することができるため、これを利用して、部分的に伝導型、キャリア濃度を調整した化合物半導体デバイスを構成することも可能である。
Further, the carrier concentration and conductivity type of each layer are controlled by adjusting and adding the kind and amount of dopant during vapor phase growth. Examples of the n-type dopant include N 2 and PH 3 , and examples of the p-type dopant include B 2 H 6 and trimethylammonium (TMA).
Alternatively, it can be controlled by implanting impurity ions by an implantation method after vapor phase growth.
In the implantation method, the concentration of impurity ions to be partially implanted can be adjusted by performing masking in advance. Therefore, by using this, a compound semiconductor device in which the conductivity type and the carrier concentration are partially adjusted can be used. It is also possible to configure.
次に、前記n型高キャリア濃度層4上に、リソグラフィ法により、レジストマスク10を所望の位置に形成した後、反応性イオンエッチング法により、深さ20μmの溝を掘り、側面および底面を形成する(図2(b)参照)。
なお、所望の側面および底面を形成する方法として、エッチング法により溝を形成する方法、選択エピ法よる堆積方法等を用いることもできる。
Next, after a
As a method for forming the desired side and bottom surfaces, a method of forming a groove by an etching method, a deposition method by a selective epi method, or the like can be used.
前記レジストマスク10を除去した後、形成した溝に、酸素雰囲気中、熱酸化法により、1000℃で、厚さ100nmのSiO2膜(ゲート絶縁膜)5を形成した。ゲート絶縁膜5は、n型低キャリア濃度層2、p型層3およびn型高キャリア濃度層4に接触している(図2(c)参照)。
前記ゲート絶縁膜5は、CVD法またはPVD法等によるSiO2、SiNx等により形成してもよい。
After removing the resist
The
次に、ゲート絶縁膜5に接触し、かつ、前記n型低キャリア濃度層2、p型層3およびn型高キャリア濃度層4のいずれとも電気的に分離している制御電極6を、CVD法により、ポリシリコンで形成する(図2(d)参照)。
前記制御電極6上に、リソグラフィ法によりレジストマスク11を形成して、エッチング法により、不要なポリシリコンおよびSiO2膜を除去する(図2(e)参照)。
Next, a
A resist mask 11 is formed on the
そして、レジストマスク11を除去した後、再び、リソグラフィ法により、レジストマスク12を所定の位置に形成して、電子ビーム法により、n型高キャリア濃度層4に接触したNiによる上部電極7を形成する(図2(f)参照)。
さらに、低抵抗基板1に接触した下部電極8を電子ビーム法により形成する(図2(g)参照)。
なお、電極形成は、真空蒸着法、PVD法等により行うこともできる。
Then, after removing the resist mask 11, a resist
Further, the
In addition, electrode formation can also be performed by a vacuum evaporation method, PVD method, etc.
1 低抵抗基板
2 n型低キャリア濃度層
3 p型層
4 n型高キャリア濃度層
5 ゲート絶縁膜(SiO2膜)
6 制御電極
7 上部電極
8 下部電極
10,11,12 レジストマスク
1 Low resistance substrate 2 n-type low carrier concentration layer 3 p-type layer 4 n-type high
6
Claims (6)
前記n型低キャリア濃度層、p型層およびn型高キャリア濃度層はいずれも、マイクロパイプ、ダブルポジショニング・ドメイン、アンチフェーズ・ドメイン、スタッキング・フォルトおよびツイン・バンドの欠陥密度が104/cm2以下の3C−SiC単結晶からなり、
少なくとも前記p型層に接触したゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜に接触し、かつ、前記n型低キャリア濃度層、p型層およびn型高キャリア濃度層のいずれとも電気的に分離して設けられた制御電極と、少なくとも前記p型層およびn型高キャリア濃度層に接触した上部電極と、前記低抵抗基板に接触した下部電極とを備えていることを特徴とする化合物半導体デバイス。 The low-resistance substrate, and the carrier concentration of 10 11 / cm 3 or more 10 16 / cm 3 or less of the n-type low carrier concentration layer, and the carrier concentration of 10 11 / cm 3 or more 10 21 / cm 3 or less of p-type layer, the carrier An n-type high carrier concentration layer having a concentration of 10 16 / cm 3 or more and 10 21 / cm 3 or less is sequentially laminated;
The n-type low carrier concentration layer, the p-type layer, and the n-type high carrier concentration layer all have a defect density of 10 4 / cm in micropipes, double positioning domains, antiphase domains, stacking faults, and twin bands. 2 or less 3C-SiC single crystal,
A gate insulating film in contact with at least the p-type layer, and in contact with the gate insulating film, and electrically separated from any of the n-type low carrier concentration layer, the p-type layer, and the n-type high carrier concentration layer A compound semiconductor device comprising: a control electrode provided; an upper electrode in contact with at least the p-type layer and the n-type high carrier concentration layer; and a lower electrode in contact with the low-resistance substrate.
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2006
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