JP2013106027A - Compound semiconductor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はパワー系化合物半導体、とりわけSiC基板やGaN基板を用いる半導体装置の基板構造と素子構造に関するものである。 The present invention relates to a substrate structure and an element structure of a semiconductor device using a power compound semiconductor, particularly a SiC substrate or a GaN substrate.
図1において、従来から公表されている単結晶SiC基板の形成方法を示す。図1−aの様にSi基板1の上にSiC膜2を成長させた後に、図1−bの様にSi基板1を除去したSiC膜2の上にさらにSiC膜3を成長させて必要な厚さ得る方法である。その上に図1−cに示すようにソース11、ドレイン12、ゲート膜13、ゲート電極14などからなるMOSFETを形成する。しかしながらこの様な基板形成方法では、成長速度が遅いSiC薄膜を厚く形成するために時間を要する。FIG. 1 shows a conventionally disclosed method for forming a single crystal SiC substrate. After the
また、図2−aに示すようにSi基板5の上にSiC膜3を形成した状態でそこに図2−bの様に素子を形成する構造もあるがSiC層3とSi層5がともに導電性材料であり、これらが接しているためにSiCが高電圧に耐えるという特徴がSi層の為に損なわれてしまいSiCの特徴が発揮できない。また、図2−bの構造では、Si基板とSiC層の間から発生する結晶欠陥によりリーク電流が発生して好ましくない。また、図2−cの構造の様にシリコン酸化膜の上にSiC膜が形成できればSiCが高電圧に耐えるという特徴を活かすことも考えられるが、シリコン酸化膜の上に単結晶SiCを成長させることはできない。Further, as shown in FIG. 2-a, there is a structure in which an element is formed as shown in FIG. 2-b in a state where the
図3においてこの結晶欠陥の発生の様子を概念的に示す。各論文で報告されているように、結品欠陥はSi基板の界面から垂直方向へ発生して、SiCがSi基板界面から離れるに従い、急激に減少するが、ゼロにはならない。一部にはSiCの表層まで到達する。一つの事例として、界面では1020個/cm2程度と大きな密度であり、SiC膜厚50μmの表面では 1010個/cm2 程度の密度と減少する。FIG. 3 conceptually shows how the crystal defects are generated. As reported in each paper, a product defect occurs in a vertical direction from the interface of the Si substrate, and decreases rapidly as SiC moves away from the Si substrate interface, but does not become zero. Some reach the surface layer of SiC. As one example, the density is as large as about 10 20 pieces / cm 2 at the interface, and the density is reduced to about 10 10 pieces / cm 2 on the surface with an SiC film thickness of 50 μm.
図4において、図2−bのMOSFETの詳細構造の事例を示す。MOSFETの構造としては、Si基板で普及している構造と類似である。MOSFETがオンの時にはドレイン電極から電流がN−層経由でゲート下のチャンネルを経由してソース電極へ流れる。図4−cにおいてMOSFETとして重要ファクターを示す。図4−cのようにオンの時にはチャンネル抵抗、N−抵抗ともに小さくしたい。特にパワー素子においてはN−抵抗が支配的になり、この為にN−層の厚さや不純物濃度が重要な要素となる。結晶欠陥は大きな影響は無い。オフ時にはソース電極が接地、ドレイン電極に数百V以上の負荷電圧が印加される。図4−bにおいてゲート電圧が接地電位でMOSFETがオフの時にはN−P−間に高電圧が印加される。図4−dのようにオフの時にはリーク電流が重要なファクターであり、特にSiC基板を用いる素子では縦方向の結晶欠陥によるリーク電流が結晶欠陥の存在により大きな値である。すなわちMOSFETのゲート部のリーク電流が問題になるのではなく、結晶欠陥によりPN接合部のリークが問題になっている。FIG. 4 shows an example of the detailed structure of the MOSFET of FIG. The structure of the MOSFET is similar to the structure prevalent in Si substrates. When the MOSFET is on, current flows from the drain electrode to the source electrode via the N - layer and the channel under the gate. In FIG. 4-c, important factors are shown as MOSFETs. Channel resistance in the on as shown in Figure 4-c, N - wants to resistance both small. In particular, in the power element, the N - resistance is dominant, and for this reason, the thickness of the N - layer and the impurity concentration are important factors. Crystal defects have no significant effect. When off, the source electrode is grounded, and a load voltage of several hundred volts or more is applied to the drain electrode. Gate voltage is MOSFET at the ground potential in FIG. 4-b is in the off N - P - a high voltage is applied between. As shown in FIG. 4D, the leakage current is an important factor when the switch is off. In particular, in the element using the SiC substrate, the leakage current due to the vertical crystal defect is a large value due to the presence of the crystal defect. That is, the leakage current at the gate of the MOSFET is not a problem, but the leakage at the PN junction is a problem due to crystal defects.
図5−aにおいてその実際の事例を示す。図は逆バイアスのPN接合に流れる電流とPN接合に印加する逆バイアス電圧との関係の実測値であり、図5−bはそれをモデル化したものである。一定の電圧まではリークは発生せずに、結晶欠陥降伏電圧Vaを越えると欠陥に沿った電流が増加し始める。そして、PN接合の降伏電圧に到達すると電子雪崩の為に大電流が流れ始める。このようにPNの逆バイアス電圧が印加され、結晶欠陥降伏電圧Vaを越えるとリーク電流が流れ始めて、このリーク電流よりPN接合降伏電圧Vbに到達する前に大きなリーク電流が発生しているのが現実である。この結晶欠陥により発生するリーク電流が化合物半導体をパワー素子に用いるためには大きな障害となっている。素子として欲しいはPN接合の降伏電圧Vbまでリーク電流はゼロであるが、SiC基板特有の大量の縦型の結晶欠陥のために基板と並行方向のPN接合面で結晶欠陥降伏電圧Va以上の印加電圧によりリーク電流が発生し始めるのが現実である。The actual case is shown in FIG. FIG. 5 shows measured values of the relationship between the current flowing through the reverse-biased PN junction and the reverse bias voltage applied to the PN junction, and FIG. 5-B models it. Leak does not occur up to a certain voltage, and when the crystal defect breakdown voltage Va is exceeded, the current along the defect starts to increase. When the breakdown voltage of the PN junction is reached, a large current starts to flow due to an electron avalanche. Thus, when the reverse bias voltage of PN is applied and the crystal defect breakdown voltage Va is exceeded, a leak current starts to flow, and a large leak current is generated before reaching the PN junction breakdown voltage Vb from this leak current. Reality. The leakage current generated by this crystal defect is a major obstacle to using a compound semiconductor for a power device. I want the device to have zero leakage current up to the breakdown voltage Vb of the PN junction, but due to the large number of vertical crystal defects unique to the SiC substrate, the application of the crystal defect breakdown voltage Va or higher at the PN junction plane parallel to the substrate The reality is that leakage current begins to occur due to voltage.
このデータから考察できることは、(A)結晶欠陥に電界がかからない方向だけにPN接合面があれば欠陥によるリーク電流は発生しないということ、(B)結晶欠陥の方向と垂直に方向にPN接合がありそこに電圧が印加される場合において、結晶欠陥に沿って電界が発生してもそれが何らかの手段で緩和されれば結晶欠陥によるリーク電流は激減する可能性があるということである。From this data, it can be considered that (A) if there is a PN junction surface only in a direction in which no electric field is applied to the crystal defect, a leakage current due to the defect does not occur, and (B) a PN junction is perpendicular to the direction of the crystal defect When a voltage is applied there, even if an electric field is generated along the crystal defect, the leakage current due to the crystal defect may be drastically reduced if the electric field is relaxed by some means.
パワー素子の大きなニーズの一つは大電流のオンオフを制御することであり、その為にはオン時の抵抗値を小さくすることであり、その為にはN−層の厚さを厚くする必要があり、一方で縦方向の欠陥によるリーク電流を減少させるためには前考察の(B)の様な何らかの手段によりPN接合面に印加される電界を緩和することである。この様な構造を成立させる手段が望まれる。One of the major needs of power devices is to control on / off of a large current, and for that purpose, to reduce the resistance value at the time of on-state. For this purpose, it is necessary to increase the thickness of the N - layer. On the other hand, in order to reduce the leakage current due to the defects in the vertical direction, the electric field applied to the PN junction surface is relaxed by some means such as (B) in the previous discussion. A means for establishing such a structure is desired.
本発明が解決しようとしている課題は、結晶欠陥があってもそれがリーク電流につながらない状態を作り、パワー素子の実用化を図るものである。その着眼点は実動作時に逆バイアスのかかるPN接合で結晶欠陥と垂直方向のPN接合面の電界を緩和して結晶欠陥があってもリーク電流につながらない構造を創出することである。その構造が実現できれば、化合物半導体のパワー素子の実用化に大きな可能性を生み出すことになる。The problem to be solved by the present invention is to create a state in which even if there is a crystal defect, it does not lead to a leakage current, and the power device is put to practical use. The focus is to create a structure that does not lead to leakage current even if there is a crystal defect by relaxing the electric field of the PN junction surface perpendicular to the crystal defect with a PN junction that is reverse-biased in actual operation. If this structure can be realized, it will create great potential for the practical application of compound semiconductor power devices.
本発明の構成は、図4、図5の考察に基づく絶縁膜上に形成する単結晶SiC層に形成するMOSFETの実用化と、絶縁膜による電界緩和によるMOSFETのリーク電流の低減構造の実用化と、絶縁膜上に単結晶SiC膜を形成する手法の開発にある。The configuration of the present invention is based on the practical application of a MOSFET formed on a single crystal SiC layer formed on an insulating film based on the consideration of FIGS. 4 and 5, and the practical application of a structure for reducing the leakage current of the MOSFET by electric field relaxation by the insulating film. And developing a technique for forming a single crystal SiC film on the insulating film.
本発明の要点は、絶縁膜上に形成されたMOSFETのPウエルなどのPN接合面に印加される電界強度をシリコン酸化膜経由で印加される基板電圧により緩和させ、その部位の電界により結晶欠陥に沿って発生する結晶欠陥リーク電流を減少させるという構造を実現するものである。酸化膜の下のベース基板の電位をドレイン電位に対してできる限り逆方向に大きくすることにより緩和効果を大きくするものである。すなわち、図4に示すNチャンネルMOSFETがオフの場合にはソースが接地電位でありドレインがプラス数百ボルトの電位である実用状態において、ベース基板にマイナス100ボルト程度以下の電圧を加えることにより電界緩和を大きくするものである。この様なマイナス電圧を印加する為の電源は外部にて形成して印加することもできるし、本発明の様にSiC基板に形成した回路により自己の素子の組み合わせにて形成することもできる。後者の様に自己の素子内にて形成できれば自立型の画期的なリーク電流の低減手段となる。The main point of the present invention is that the electric field strength applied to the PN junction surface such as the P well of the MOSFET formed on the insulating film is relaxed by the substrate voltage applied via the silicon oxide film, and the crystal defect is caused by the electric field at that portion. This realizes a structure in which the crystal defect leakage current generated along the line is reduced. The relaxation effect is increased by increasing the potential of the base substrate under the oxide film in the opposite direction to the drain potential as much as possible. That is, when the N-channel MOSFET shown in FIG. 4 is off, an electric field is applied by applying a voltage of about minus 100 volts or less to the base substrate in a practical state where the source is at the ground potential and the drain is at a potential of plus several hundred volts. It will increase the relaxation. Such a power source for applying a negative voltage can be formed and applied externally, or can be formed by a combination of its own elements by a circuit formed on a SiC substrate as in the present invention. If it can be formed in its own element as in the latter case, it becomes a self-supporting and innovative means for reducing leakage current.
このような絶縁分離構造の為の素子基板としては、Siなどからなるベース基板の上の酸化膜の上のSiC膜が酸化膜とPN接合面の空乏層で電界緩和ができる厚さであり、SiC膜をできるだけ厚くすることがオン抵抗を小さくする為に好ましい。As an element substrate for such an insulating isolation structure, the SiC film on the oxide film on the base substrate made of Si or the like has a thickness that allows electric field relaxation in the depletion layer of the oxide film and the PN junction surface, It is preferable to make the SiC film as thick as possible in order to reduce the on-resistance.
高電圧駆動の横型素子では、その耐圧を保持するために、PNの距離が必要になるが、単に寄生で発生する部位のPN接合の距離はデッドスペースとして無駄となる。この部分をトレンチ酸化膜により絶縁分離構造とすることによりデッドスペースを少なくすることができ面積当たりのオン抵抗の低減を実現することができる。In a high-voltage driven lateral element, a PN distance is required to maintain the withstand voltage, but the PN junction distance of a portion that is simply generated by parasitic is wasted as a dead space. By forming this portion with an insulating isolation structure using a trench oxide film, the dead space can be reduced and the on-resistance per area can be reduced.
このような構造の素子基板の作成方法としては、まずは結晶欠陥の少ない種基板を作成し、これを用いて約1μmの厚さのSiC層をスマートカット技術によりベース基板の上のシリコン酸化膜の上に形成することである。Siで実用化が始まっているスマートカット技術と貼り合わせ技術をSiC基板に適用するものである。厚いSiC層の形成には、スマートカットで薄いSiC層をベース基板のシリコン酸化膜上に形成した素子基板のSiC面にSiC膜を成長させることで可能である。As a method for producing an element substrate having such a structure, first, a seed substrate with few crystal defects is produced, and an SiC layer having a thickness of about 1 μm is formed on the seed substrate by using a smart cut technique to form a silicon oxide film on the base substrate. Is to form on top. The smart cut technology and the bonding technology that have been put to practical use with Si are applied to the SiC substrate. The thick SiC layer can be formed by growing a SiC film on the SiC surface of the element substrate in which a thin SiC layer is formed on the silicon oxide film of the base substrate by smart cut.
また、SiC基板にPN接合を形成するにあたってはSiC層に形成するP型層、N型層は活性化のためには1600℃程度の高温度処理が必要であること、接合の深さは熱拡散では不純物は殆ど拡散しないため、イオン注入の深さで決まる1ミクロン程度であるという制約がある。ベース基板がSiの場合には、活性化の温度はSiの溶融温度である1200℃程度に制限されるため、低温度で活性できる不純物を選択することが必要になる。コンタクト抵抗などの低減に制約があるが、用途次第では利用可能である。一方、シリコンの融点或いはシリコン酸化膜の融点を越えるような温度で活性化が必要な不純物に対してはベース基板にポリSiCを用いて、さらに必要に応じて絶縁膜としてシリコン酸化膜の代わりにアルミナを用いることにより1600℃以上での活性化処理が可能となる。このように必要なコンタクト抵抗により、活性化温度とベース基板材料を選択することができる。コンタクト抵抗を小さくする場合にはアルミやリンを用いて高温度で活性化できるようなポリSiCをベース基板として選び、コンタクト抵抗が多少大きくても良い場合には、ボロンやリンを用いることにより1200℃程度の温度で活性化できるようなSiをベース基板として選ぶことができる。Further, when forming a PN junction on the SiC substrate, the P-type layer and the N-type layer formed on the SiC layer require high temperature treatment of about 1600 ° C. for activation, and the junction depth is the heat In diffusion, since impurities hardly diffuse, there is a restriction that it is about 1 micron determined by the depth of ion implantation. When the base substrate is Si, the activation temperature is limited to about 1200 ° C., which is the melting temperature of Si, so it is necessary to select an impurity that can be activated at a low temperature. Although there are restrictions on reducing contact resistance, etc., it can be used depending on the application. On the other hand, for impurities that need to be activated at temperatures exceeding the melting point of silicon or the melting point of silicon oxide film, poly SiC is used for the base substrate, and if necessary, an insulating film can be used instead of the silicon oxide film. By using alumina, an activation treatment at 1600 ° C. or higher is possible. Thus, the activation temperature and the base substrate material can be selected according to the necessary contact resistance. In order to reduce the contact resistance, poly SiC that can be activated at a high temperature using aluminum or phosphorus is selected as the base substrate. When the contact resistance may be somewhat high, boron or phosphorus is used to increase the contact resistance to 1200. Si that can be activated at a temperature of about 0 ° C. can be selected as the base substrate.
この様に素子基板はSi基板において実用化されて実績のある基板の貼り合わせ技術、トレンチ技術、実用化が始まっているスマートカット技術などをSiCへ転用をすることにより可能となる。酸化膜分離構造についてはSiC膜をトレンチエッチング技術により溝を作りSiCを除去し、トレンチ溝の底にシリコン酸化膜を露出させ、そのトレンチ溝にシリコン酸化膜を充填することによりSiC膜がシリコン酸化膜で周囲、底面を囲われた状態を作ることができる。そこにMOSFETなどの素子を形成することにより、個々の素子が完全分離となり複数の高電圧素子を組み合わせて集積回路を形成することができる。その集積回路を用いてベース基板に逆方向電位を自己素子内に形成することができることも画期的な手段である。In this way, the element substrate can be obtained by diverting the substrate bonding technology, trench technology, smart cut technology, which has been put into practical use, etc., which have been put into practical use in Si substrates, to SiC. As for the oxide film isolation structure, a trench is formed in the SiC film by trench etching technology, the SiC is removed, the silicon oxide film is exposed at the bottom of the trench groove, and the trench groove is filled with the silicon oxide film so that the SiC film is oxidized by silicon. A state in which the periphery and bottom surface are surrounded by a film can be created. By forming an element such as a MOSFET there, the individual elements are completely separated, and an integrated circuit can be formed by combining a plurality of high voltage elements. It is an epoch-making means that a reverse potential can be formed in the self-element in the base substrate using the integrated circuit.
高電圧駆動に適したSiC基板の実用化の期待は大きい、これまで縦方向の結晶欠陥が大きくその影響を排除することができなくて結晶欠陥の低減が課題となっている。結晶欠陥を減らすために素子基板の作成工程が複雑になり、コストアップの要因となっている。本発明によるMOSFETのPN接合にかかる電界を緩和する構造、特にベース基板電位を使用する電圧系とは逆の方向の電位とすることにより緩和をさせる手法と、それを実現する手段として横型素子とベース基板に絶縁膜を介してSiC層を形成し酸化膜分離によりSiC面積の有効利用を図った高電圧駆動素子基板と素子構造は、製造方法も簡素である。There is a great expectation for the practical use of SiC substrates suitable for high-voltage driving. Up to now, the crystal defects in the vertical direction are large, and the influence thereof cannot be eliminated, and the reduction of crystal defects has been an issue. In order to reduce crystal defects, the element substrate manufacturing process becomes complicated, which increases the cost. The structure for relaxing the electric field applied to the PN junction of the MOSFET according to the present invention, in particular, a method of relaxing by setting the potential in the opposite direction to the voltage system using the base substrate potential, and a lateral element as means for realizing it The manufacturing method of the high-voltage driving element substrate and the element structure in which the SiC layer is formed on the base substrate through the insulating film and the SiC area is effectively utilized by the oxide film separation is also simple in the manufacturing method.
図6に本発明の実施例としてSi基板上にシリコン酸化膜を介して形成された厚い単結晶SiC膜38にMOSFETを形成した構造を示す。図4−bの構造においてPウエルの下面にN−層とシリコン酸化膜層4とベース基板5が存在する構造である。また、図においてトレンチ酸化膜52により絶縁分離されたSiC膜上にMOSFETを形成した事例を示す。横方向の周囲がトレンチ酸化膜52により絶縁分離されている構造である。事例ではSiC膜38の厚さは10μmでありソースN+層65、ドレインN+層66の深さは0.5μm、チャンネル部となるPウエル58の深さは1μm、トレンチ幅は1μmである。この様な構造においてMOSFETのオフ時にドレインに負荷電圧が印加される時、すなわちPN接合に逆バイアスがかかる時には、Pウエル58の下のN−層において、PN逆バイアスによる空乏層と酸化膜からの電界による空乏層との相乗効果により電界緩和が発生する。その為に縦方向の結晶欠陥が存在しても結晶欠陥に印加される電圧が緩和されて図5で開示した結晶欠陥降伏電圧Va点には到達しにくいために、高い負荷電圧になるまでリーク電流とはならない構造とすることができる。すなわち、図5−bのVa電圧が高電圧側へシフトする。本発明では、ベース基板に負荷電圧とは逆方向の電圧を印加して、該Pウエル58の下のN−層における電界緩和をさらに大きくするものである。FIG. 6 shows a structure in which a MOSFET is formed on a thick single
図7−aにおいて、電界緩和の状況を示す。Pウエル58へはドレインからの電界が、いろいろなルートで印加されるが、Pウエル58の下には酸化膜からの電界で緩和される。SOI(SiC on Insulator)構造における電界緩和の状況を図7−bにおいて示す。b1の従来型構造においてはPウエルの下にはドレインからの電界が回り込み、高い電界の領域が存在する。SOI構造においてはb2の様に、Pウエル下の空欠乏層はPウエルと酸化膜で挟まれて、Pウエル下から押出されて緩和されるようになる。図では、ソースN+層65、ドレインN+層66が0・5μm、チャンネル部Pウエル層58が1μmとなっている。酸化膜上が全て10μm厚のN−層59からなっている。PN接合面は存在するが、その下の酸化膜とベース基板面からの電界の影響で空乏層が大きくなるという特徴を生み出すことができる。シミュレーション図においてこの領域の空乏層が広がっている様子が分かる。これにより電界強度が弱まり結晶欠陥降伏電圧に至りにくくなっている。b3において、ベース基板に負電圧を印加することによりPウエル下の電界はさらに弱まり基板面の垂直な結晶欠陥105が存在しても、結晶欠陥に沿って流れる欠陥電流にはらない状態となる。理想的には、図5−bのVa点が高電圧側へシフトして、Vb電圧と同じになることである。FIG. 7A shows the state of electric field relaxation. The electric field from the drain is applied to the P well 58 by various routes, but the electric field from the oxide film is relaxed under the P well 58. FIG. 7B shows the state of electric field relaxation in the SOI (SiC on Insulator) structure. In the conventional structure of b1, the electric field from the drain wraps around under the P well, and there is a region with a high electric field. In the SOI structure, as shown in b2, the depletion layer under the P well is sandwiched between the P well and the oxide film and is pushed out from under the P well to be relaxed. In the figure, the source N + layer 65 and the drain N + layer 66 are 0.5 μm, and the channel
図8において図5−bと同様な図が8−aであり、ベース基板の電位を負の電位とすることによりVa電圧がより高電圧側にシフトする様子を示している。図8−bにその実際の値を示す。ベース基板電位に−200ボルトを印加することにより、Va点は300Vとなり、結晶欠陥電流の発生が大きく抑制できることを示している。また、図8−cにおいてその様な負の電圧を簡素に形成する手段を示している。接地電位であるソース電位160を基準として、SiC素子内にて作った自己発振の100kHzの図c−1に示す電圧波形を電圧印加点161に与え、コンデンサ150経由で負電圧バイアス点162に供給する。負電圧バイアス点の電位はソース電位160に接続されたダイオード151によりクランプされて負電圧バイアス点162に図c−2で示す負電圧のパルス信号を与え、ダイオード152によりVsub点163に安定した負電圧を形成する手段である。Vsub点163は寄生コンデンサ153の容量が大きくコンデンサ150経由で与えられる印加電圧が平滑される。Vsub点163はSiC素子のベース基板であるが、全ての素子とは酸化膜分離構造となっており、リーク電流は無いため、自己発振の振幅電圧であるΔVに近い値の負電圧が発生する。ここで必要な発振回路、ダイオード、コンデンサなどを酸化膜分離したSiC内にて形成することができる。In FIG. 8, a diagram similar to FIG. 5-b is 8-a, and shows that the Va voltage is shifted to a higher voltage side by setting the potential of the base substrate to a negative potential. FIG. 8B shows the actual values. By applying -200 volts to the base substrate potential, the Va point becomes 300 V, indicating that the generation of crystal defect current can be greatly suppressed. FIG. 8C shows a means for simply forming such a negative voltage. The self-
図6、図7、図8においてはNチャンネルMOSFETの事例を示したが、PチャンネルMOSFETも同様な考え方で形成できることは容易に理解できる。また、図10に示した絶縁分離されたSiC層にはMOSFETのみならず、ダイオードやバイポーラ素子も可能である。これらにより絶縁分離されたSiC素子の組み合わせによる集積回路を形成することができる。6, 7, and 8 show examples of N-channel MOSFETs, it can be easily understood that P-channel MOSFETs can be formed based on the same concept. In addition, the insulated SiC layer shown in FIG. 10 can be not only a MOSFET but also a diode or a bipolar element. Thus, an integrated circuit can be formed by combining the SiC elements that are insulated and separated.
図9において厚い単結晶SiC膜をシリコン酸化膜の上に形成する素子基板の作成手順を示す。図9−aは結晶欠陥をできるだけ少なくした種SiC基板8である。図9−bはSi基板5にシリコン酸化膜4を形成したベース基板の断面図である。図9−cは合う9−aの種SiC基板8の表面から水素イオンを約1μmの深さイオン注入した状態を示している。これは後にこの水素イオンの注入層の界面でSiC基板を分離するためのものであり、近年普及してきたスマートカットと呼ばれているウエーハの薄膜剥離の手法である。この水素イオンが高濃度の層がSiCの薄い膜と種SiC基板とを分離する劈開面であり本発明ではスマートカット面34と称する。この図9−cの状態の表面と図9−bのSi基板5に形成したシリコン酸化膜4の表面を貼りあわせた状態が図9−dである。SiC基板は内部の欠陥密度の差などにより反っている為に、平坦化ステージ20を使用するなどの平坦化処理が必要である。反りの大きさによっては平坦化ステージに素子基板を置き、吸引孔21からの吸引では力不足の場合もある。その場合は、図の上から加圧して平坦化を図ることも必要である。貼りあわせの後に貼りあわせたウエーハを約500℃にすることにより先に注入した水素イオンが集中している層であるスマートカット層34において貼り合わせた基板が劈開し、図9−eと種SiC基板8に分離される。図9−eは種SiC基板の表層の薄いSiC膜35がスマートカットによりベース基板であるSi基板5の上のシリコン酸化膜4の上に移された状態を示している。図9−eの基板は、表面をCMP(ケミカル・メカニカル・ポリッシング)などにより結晶欠陥層の除去、表層を平坦化して、その上にSiC層を積層する。SiC層を厚くした状態が図9−fである。図9−eの段階では1μmの厚さであったSiC層がこの図の状態では10μmと厚くなっている。FIG. 9 shows a procedure for producing an element substrate in which a thick single crystal SiC film is formed on a silicon oxide film. FIG. 9A shows a
P型層、N型層の活性化は基板がシリコンの場合には、SiCの表面だけを高温度にしてベースとなるSi基板は強制液冷をする手法で活性化することができる。或いはSiの融点以下で活性化できる不純物材料を選ぶことにより活性化することができる。また、Siの融点を上回る様な高温度で活性化したい場合には、ベース基板としてポリSiC基板やサファイア基板を用いることができる。When the substrate is made of silicon, the P-type layer and the N-type layer can be activated by a method in which only the surface of the SiC is heated and the base Si substrate is forcibly liquid-cooled. Alternatively, it can be activated by selecting an impurity material that can be activated below the melting point of Si. When it is desired to activate at a high temperature exceeding the melting point of Si, a poly SiC substrate or a sapphire substrate can be used as the base substrate.
図9−dからスマートカット技術により分離した種SiC基板8は再生ができる。すなわちCMP(ケミカル・メカニカル・ポリッシング)した後に図9−aとして再利用することができる。また、薄くなれば種SiC基板8にSiCをエピタキシャル成長をさせて厚さを増やすことができる。結晶欠陥の少ない種結晶基板の上へのSiC膜の成長であり、成長したSiC基板はさらに結晶欠陥が少なくできることは周知の事実である。このように結晶欠陥の少ない種結晶を再利用することができるのが本手法の特徴でもある。The
図9の事例においては、シリコン酸化膜を介してSi基板5と種SiC基板8との貼り合わせをSi基板上にシリコン酸化膜を形成した後に貼り合わせたが、このほか、シリコン酸化膜をSiC基板に形成して、Si基板と貼り合わせることも可能であり、また、シリコン酸化膜をSiC基板に形成して、Si基板にもシリコン酸化膜を形成して、そのシリコン酸化膜同士を貼り合わせることも可能である。In the example of FIG. 9, the
図9の事例においては、シリコン酸化膜を介してSi基板1を素子基板のベース基板として用いる事例を示したが、ベース基板としてはポリSiC基板も低コスト基板として使用可能である。図9の説明の中でSi基板をポリSiC基板と置き換えるだけで同様である。ポリSiCをベース基板として用いる場合には、種SiCと貼り合わせ、スマートカットで単結晶化合物半導体膜をポリSiCベース基板の上の酸化膜の上に形成した後の最高保持温度はSi材料で制約されることは無いためP型半導体層、N型半導体層の形成と活性化処理は図9−f の状態で高温度で行うことも可能となる。また、図9の事例においては、絶縁物としてはシリコン酸化膜を用いる事例を説明したが、アルミナの様な融点の高い材料を使用することも可能である。このベース基板としてポリSiCを用いる場合には特に有効であり、貼り合わせの後に高温度で活性化処理を行うことができる。In the example of FIG. 9, an example in which the
図9ではスマートカットした薄いSiC層35に厚いSiC層38を積層する手法を示したが、その厚みの制限は無い。一方で水素イオンを注入してスマートカットできる厚さの限界は加速エネルギーの限界から10μm弱である。従って、必要なSiCの厚さによりスマートカット手法だけでSiC膜を形成するのか、図9の手法を選ぶのかを選択することができる。Although FIG. 9 shows a method of laminating the
図10において、SiC膜部に複数個のMOSFETなどの素子を形成するため、素子を形成する周囲を酸化膜で囲うことにより周囲と底面とを全てシリコン酸化膜で囲う構造を形成する手順を示す。これは素子を形成する周囲のSiCをトレンチエッチング技術で除去し、トレンチ溝を形成して、そのトレンチ溝の部分にシリコン酸化膜を充填することにより実現するものである。図10−aは、図9−fで示したSi基板5の上のシリコン酸化膜4の上の厚いSiC膜38を示している。種SiC結晶基板から貼り合わせで移した薄いSiC膜35はそこへ成長させた厚いSiC膜と同質であるため図10における表示は厚いSiC膜38だけとしている。図10−bは、この状態にトレンチを作成するためのレジストマスク50を形成した状態を示す。図10−cはトレンチエッチングで厚いSiC膜38を溝状にエッチングしてトレンチ溝51を形成した状態を表す。トレンチ部では下地のシリコン酸化膜が露出している。図10−dは、レジストマスク50を剥離し、その後トレンチ溝51にシリコン酸化膜を充填してトレンチ酸化膜52を形成して、その後、表面を研磨して平坦にした状態を示している。この一連のトレンチ形成、シリコン酸化膜充填、平坦化処理は公知の手順である。これはSi基板上のシリコン酸化膜上のSi膜では実用化されている手法である。これによりSiC膜がシリコン酸化膜で周囲、底面を囲われて絶縁分離された状態となる。図10−eはこの基板上にMOSFETを形成した事例である。MOSFETの詳細構造は図6にて示す。このようにして個々の素子が酸化膜で完全に絶縁分離された素子を形成するこができる。これにより、複数個のMOSトランジスタが絶縁分離された状態となり、SiC膜に集積回路を形成することができる画期的な構造とすることが可能である。In FIG. 10, in order to form a plurality of elements such as MOSFETs in the SiC film portion, a procedure for forming a structure in which the periphery of the element is surrounded by an oxide film and the periphery and the bottom are all surrounded by a silicon oxide film is shown. . This is realized by removing the surrounding SiC forming the element by a trench etching technique, forming a trench groove, and filling the trench groove with a silicon oxide film. FIG. 10A shows a
図9、10の事例においては、シリコン酸化膜を介してSi基板5を素子基板のベース基板として用いる事例を示したが、ベース基板としてはポリSiC基板も低コスト基板として使用可能である。図9,10の説明の中でSi基板をポリSiC基板と置き換えるだけで同様である。ポリSiCをベース基板として用いる場合には、種SiC基板と貼り合わせ、スマートカットで単結晶化合物半導体膜をポリSiCのベース基板の上の酸化膜の上に形成した後の最高保持温度はSi材料で制約されることは無いため、図9−cで述べたP型半導体層、N型半導体層の形成と活性化処理は、図10−e の状態で高温度で行うことが可能となる。9 and 10 show an example in which the
図9,10の事例においては、絶縁物としてはシリコン酸化膜を用いる事例を説明したが、アルミナの様な融点の高い材料を使用することも可能である。トレンチ部の絶縁物としてもシリコン酸化膜のみならずアルミナやその他の絶縁物を使用することも可能である。これらはベース基板としてポリSiC基板を用いる場合には特に有効であり、貼り合わせの後に高温度で活性化処理を行うことができる。In the examples of FIGS. 9 and 10, the case of using a silicon oxide film as the insulator has been described, but a material having a high melting point such as alumina may be used. As the insulator of the trench portion, not only the silicon oxide film but also alumina or other insulators can be used. These are particularly effective when a poly SiC substrate is used as the base substrate, and the activation treatment can be performed at a high temperature after bonding.
以上の図6〜10の事例では単結晶化合物半導体としてSiCを事例に説明したがGaNなど他の化合物半導体においても同様である。また基板としてはSiやSiCの他にGeなど格子定数が化合物半導体に近い材料の使用も可能であり、サファイア基板のような絶縁基板の使用も可能である。In the examples of FIGS. 6 to 10 described above, SiC has been described as an example of a single crystal compound semiconductor, but the same applies to other compound semiconductors such as GaN. In addition to Si and SiC, a material having a lattice constant close to that of a compound semiconductor such as Ge can be used as the substrate, and an insulating substrate such as a sapphire substrate can also be used.
SiC基板やGaN基板などを用いた高電圧駆動素子は、車においてはハイブリッド車普及、電気自動車の普及に伴ってますます重要度が増してくる。また、家庭においてはスマートグリッド化の普及に伴って家電製品の電動化やエネルギー管理のために高電圧素子の役割が重要になってくる。一方でこれらの高電圧駆動素子は結晶欠陥によるリーク電流の為に実用化が進んでいない。本発明によればSi基板上に酸化膜を介して単結晶SiC薄膜を形成しその上に素子を形成した素子において、逆バイアスとなる平面方向のPN接合には結晶欠陥よるリークが発生しないという大きな効果を生み出すことができ、当該分野の素子の普及に大きく貢献するものとなる。GaNなどの他の化合物半導体においても同様な期待がある。また、酸化膜分離構造により絶縁分離の素子を形成できる手法はSiCやGaNなどの化合物半導体としては画期的であり、化合物半導体の集積回路の実用化のベースとなるものである。High-voltage drive elements using SiC substrates, GaN substrates, and the like are becoming increasingly important with the spread of hybrid vehicles and electric vehicles. In addition, with the spread of smart grids in homes, the role of high voltage elements becomes important for the electrification and energy management of home appliances. On the other hand, these high-voltage drive elements have not been put into practical use due to leakage current due to crystal defects. According to the present invention, in a device in which a single crystal SiC thin film is formed on an Si substrate via an oxide film and a device is formed thereon, a leak due to crystal defects does not occur in a PN junction in a planar direction that is reverse biased. A great effect can be produced, which greatly contributes to the spread of devices in this field. There are similar expectations for other compound semiconductors such as GaN. In addition, a method capable of forming an isolation element by an oxide film isolation structure is epoch-making as a compound semiconductor such as SiC or GaN, and is a base for practical application of an integrated circuit of a compound semiconductor.
1・・・種基板となるSi基板 2・・・SiC膜 3・・・SiC膜
4・・・シリコン酸化膜 5・・・Si基板 8・・・種結晶
10・・・第2のSiC基板 11・・・MOSFETのソース部
12・・・MOSFETのドレイン部 13・・・MOSFETのゲート絶縁膜
14・・・MOSFETのゲート電極 15・・・N+層 16・・・P+層
20・・・平坦化ステージ 21・・・平坦化ステージの吸気孔
32・・・結晶欠陥の多いSiC層 33・・・結晶欠陥の少ないSiC層
34・・・スマートカット層 35・・・薄膜SiC層
37・・・薄いSiC層 38・・・厚いSiC層
40・・・シリコン酸化膜 41・・・シリコン酸化膜
50・・・レジストマスク 51・・・トレンチ溝 52・・・トレンチ酸化膜
58・・・Pウエル 59・・・N−層 61・・・MOSFETのソース電極
62・・・MOSFETのドレイン電極 63・・・MOSFETのゲート膜
64・・・MOSFETのゲート電極 65・・・ソースN型層
66・・・ドレインN型層 68・・・素子分離部 69・・・オン電流経路
101・・・短い結晶欠陥 102・・・長い結晶欠陥 104・・・結晶欠陥
105・・・PN接合面の結晶欠陥 110・・・チャンネル電流
111・・・空乏層リーク電流 112・・・結晶欠陥電流
150・・・コンデンサ 151・・・クランプダイオード
152・・・平滑ダイオード 153・・・寄生ダイオード
160・・・ソース電位 161・・・電圧印加点
162・・・負電圧バイアス点 163・・・Vsub点DESCRIPTION OF
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