JP2013106027A - Compound semiconductor - Google Patents

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Mitsuharu Kato
光治 加藤
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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a novel structure element which solves an important problem in simplification of a SiC substrate or a GaN substrate for a high-voltage drive element, by forming a single crystal SiC film on a silicon oxide film on a Si substrate to form an insulator separation structure by trenches thereby to avoid an influence of crystal defects though a large number of crystal defects exist in the insulator separation structure.SOLUTION: A semiconductor device includes an element structure in which an electric field applied to a plane at a PN junction surface which composes a semiconductor element such as MOSFET formed on a SiC film and which is parallel with a substrate surface, is limited by a silicon oxide film in which a SiC film is formed or a Si layer serving as a substrate. In addition, by setting substrate potential at potential in a reverse direction to a drain voltage, the electric filed is further limited to become a crystal defect breakdown voltage or less of crystal defects occurring in the SiC film in a direction perpendicular to the substrate.

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 SiC film 2 is grown on the Si substrate 1 as shown in FIG. 1-a, the SiC film 3 is further grown on the SiC film 2 from which the Si substrate 1 has been removed as shown in FIG. It is a method to obtain a proper thickness. A MOSFET comprising a source 11, a drain 12, a gate film 13, a gate electrode 14 and the like is formed thereon as shown in FIG. However, in such a substrate forming method, it takes time to form a thick SiC thin film with a slow growth rate.

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 SiC film 3 is formed on the Si substrate 5, but both the SiC layer 3 and the Si layer 5 are formed. Since it is a conductive material and these are in contact with each other, the characteristic that SiC withstands a high voltage is impaired due to the Si layer, and the characteristic of SiC cannot be exhibited. Also, the structure of FIG. 2B is not preferable because a leakage current is generated due to crystal defects generated between the Si substrate and the SiC layer. In addition, if a SiC film can be formed on the silicon oxide film as in the structure of FIG. 2C, it may be possible to take advantage of the feature that SiC can withstand high voltages, but single crystal SiC is grown on the silicon oxide film. It is not possible.

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/cm程度と大きな密度であり、SiC膜厚50μmの表面では 1010個/cm 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.

FEDレビュー Vol.1 No.16 2001FED Review Vol. 1 No. 16 2001

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.

公知のSiC基板の構造を示す断面図  Sectional drawing which shows the structure of a well-known SiC substrate Si基板上のSiC膜の構成の断面図  Cross-sectional view of the configuration of the SiC film on the Si substrate Si基板上のSiC膜に発生する結晶欠陥の概念図  Conceptual diagram of crystal defects occurring in SiC film on Si substrate Si基板上のSiC膜に形成したMOSFETの構造の断面図と印加電圧とリーク電流の関係図  Cross-sectional view of MOSFET structure formed on SiC film on Si substrate and relationship diagram between applied voltage and leakage current 逆バイアス印加時の電流の実際とリーク電流発生モデル  Actual current and reverse current generation model when reverse bias is applied 本発明のSi基板上のシリコン酸化膜の上の厚いSiC膜に形成したMOSトランジスタの構造の断面図  Sectional drawing of the structure of the MOS transistor formed in the thick SiC film on the silicon oxide film on the Si substrate of this invention 本発明のSi基板上のシリコン酸化膜の上の厚いSiC膜に形成したPN接合の電界の方向と電界強度シミュレーション例  Electric field direction and electric field strength simulation example of PN junction formed in thick SiC film on silicon oxide film on Si substrate of the present invention 本発明の構造によるリーク電流と結晶欠陥降伏電圧の関係を示す図とベース基板電位との関係、ベース基板の電位を発生するための回路図  The figure which shows the relationship between the leakage current and the crystal defect breakdown voltage according to the structure of the present invention, the relationship between the base substrate potential, and the circuit diagram for generating the potential of the base substrate 本発明のスマートカット手法を用いる事例によるSi基板上のシリコン酸化膜と厚いSiC膜の構造とトレンチ構造の素子基板の形成方法とMOSトランジスタの構造の断面図  Sectional view of the structure of the silicon oxide film and the thick SiC film on the Si substrate, the method of forming the device substrate of the trench structure, and the structure of the MOS transistor by the example using the smart cut method of the present invention 図9の素子基板に形成するトレンチ構造の形成方法とMOSトランジスタの構造の断面図  9 is a cross-sectional view of a method of forming a trench structure formed in the element substrate of FIG. 9 and the structure of a MOS transistor.

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 crystal SiC film 38 formed on a Si substrate via a silicon oxide film as an embodiment of the present invention. In the structure of FIG. 4B, an N layer, a silicon oxide film layer 4 and a base substrate 5 exist on the lower surface of the P well. Further, in the figure, an example is shown in which a MOSFET is formed on a SiC film that is insulated and separated by a trench oxide film 52. In this structure, the periphery in the horizontal direction is insulated and separated by the trench oxide film 52. In the example, the thickness of the SiC film 38 is 10 μm, the depth of the source N + layer 65 and the drain N + layer 66 is 0.5 μm, the depth of the P well 58 serving as the channel portion is 1 μm, and the trench width is 1 μm. . In such a structure, when a load voltage is applied to the drain when the MOSFET is turned off, that is, when a reverse bias is applied to the PN junction, in the N layer under the P well 58, the depletion layer and the oxide film due to the PN reverse bias are Electric field relaxation occurs due to a synergistic effect with the depletion layer due to the electric field. Therefore, even if longitudinal crystal defects exist, the voltage applied to the crystal defects is relaxed and it is difficult to reach the crystal defect breakdown voltage Va disclosed in FIG. A structure that does not become a current can be used. That is, the Va voltage in FIG. 5-b shifts to the high voltage side. In the present invention, a voltage in the direction opposite to the load voltage is applied to the base substrate to further increase the electric field relaxation in the N layer under the P well 58.

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 P well layer 58 is 1 μm. On the oxide film, the N - layer 59 is 10 μm thick. Although the PN junction surface exists, the depletion layer can be enlarged due to the influence of the electric field from the underlying oxide film and the base substrate surface. It can be seen in the simulation diagram that the depletion layer in this region is spreading. This weakens the electric field strength and makes it difficult to reach the crystal defect breakdown voltage. At b3, by applying a negative voltage to the base substrate, the electric field under the P-well is further weakened, and even if there is a crystal defect 105 perpendicular to the substrate surface, the defect current does not flow along the crystal defect. Ideally, the Va point in FIG. 5B is shifted to the high voltage side to be the same as the Vb voltage.

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-oscillation 100 kHz voltage waveform shown in FIG. C-1 created in the SiC element is applied to the voltage application point 161 with the source potential 160 being the ground potential as a reference, and supplied to the negative voltage bias point 162 via the capacitor 150. To do. The potential at the negative voltage bias point is clamped by the diode 151 connected to the source potential 160 to give a negative voltage pulse signal shown in FIG. C-2 to the negative voltage bias point 162, and a stable negative voltage at the Vsub point 163 by the diode 152. It is a means for forming a voltage. At the Vsub point 163, the capacitance of the parasitic capacitor 153 is large, and the applied voltage applied via the capacitor 150 is smoothed. The Vsub point 163 is a base substrate of the SiC element, but all elements have an oxide film separation structure, and since there is no leakage current, a negative voltage having a value close to ΔV which is an amplitude voltage of self oscillation is generated. . Here, necessary oscillation circuits, diodes, capacitors, and the like can be formed in SiC separated by an oxide film.

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 seed SiC substrate 8 with as few crystal defects as possible. FIG. 9B is a cross-sectional view of the base substrate in which the silicon oxide film 4 is formed on the Si substrate 5. FIG. 9C shows a state in which hydrogen ions are implanted from the surface of the matching 9-a seed SiC substrate 8 to a depth of about 1 μm. This is for separating the SiC substrate at the interface of the hydrogen ion implantation layer later, and is a wafer thin film peeling method called smart cut which has been popular in recent years. The layer having a high concentration of hydrogen ions is a cleavage plane that separates the thin SiC film from the seed SiC substrate, and is referred to as a smart cut surface 34 in the present invention. FIG. 9D shows a state where the surface in the state of FIG. 9C and the surface of the silicon oxide film 4 formed on the Si substrate 5 in FIG. 9B are bonded together. Since the SiC substrate is warped due to a difference in internal defect density or the like, a flattening process such as using the flattening stage 20 is necessary. Depending on the size of the warp, there is a case where the element substrate is placed on the flattening stage and the suction from the suction hole 21 is insufficient. In that case, it is also necessary to apply pressure from the top of the figure to achieve flattening. After the bonding, the bonded wafer is cleaved at the smart cut layer 34 in which the hydrogen ions previously implanted are concentrated by bringing the bonded wafer to about 500 ° C., and FIG. The substrate 8 is separated. FIG. 9E shows a state in which the thin SiC film 35 on the surface of the seed SiC substrate is transferred onto the silicon oxide film 4 on the Si substrate 5 which is the base substrate by smart cut. The surface of the substrate shown in FIG. 9-e has the surface removed by CMP (Chemical Mechanical Polishing), the surface layer is planarized, and a SiC layer is laminated thereon. FIG. 9F shows a state where the SiC layer is thickened. The SiC layer, which was 1 μm thick in the stage of FIG. 9E, is as thick as 10 μm in this state.

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 seed SiC substrate 8 separated by the smart cut technology from FIG. 9-d can be regenerated. That is, after CMP (Chemical Mechanical Polishing), it can be reused as FIG. If the thickness is reduced, SiC can be epitaxially grown on the seed SiC substrate 8 to increase the thickness. It is a well-known fact that the SiC film is grown on a seed crystal substrate with few crystal defects, and the grown SiC substrate can further reduce crystal defects. The feature of this method is that the seed crystal with few crystal defects can be reused.

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 Si substrate 5 and the seed SiC substrate 8 are bonded together after forming the silicon oxide film on the Si substrate via the silicon oxide film. It can be formed on a substrate and bonded to a Si substrate. Also, a silicon oxide film is formed on a SiC substrate, a silicon oxide film is also formed on the Si substrate, and the silicon oxide films are bonded to each other. It is also possible.

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 Si substrate 1 is used as a base substrate of an element substrate through a silicon oxide film is shown, but a poly SiC substrate can also be used as a low-cost substrate as the base substrate. The same applies to the description of FIG. 9 except that the Si substrate is replaced with a poly SiC substrate. When poly SiC is used as the base substrate, the maximum holding temperature after the single crystal compound semiconductor film is formed on the oxide film on the poly SiC base substrate by smart cutting is restricted by the Si material. Therefore, the P-type semiconductor layer and the N-type semiconductor layer can be formed and activated at a high temperature in the state shown in FIG. In the case of FIG. 9, the case of using a silicon oxide film as the insulator has been described. However, it is also possible to use a material having a high melting point such as alumina. This is particularly effective when poly SiC is used as the base substrate, and the activation process can be performed at a high temperature after bonding.

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 thick SiC layer 38 on the smart-cut thin SiC layer 35, the thickness is not limited. On the other hand, the thickness limit that can be smart cut by implanting hydrogen ions is less than 10 μm from the acceleration energy limit. Therefore, it is possible to select whether to form the SiC film only by the smart cut method or to select the method of FIG. 9 depending on the required SiC thickness.

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 thick SiC film 38 on the silicon oxide film 4 on the Si substrate 5 shown in FIG. 9F. Since the thin SiC film 35 transferred from the seed SiC crystal substrate by bonding is the same quality as the thick SiC film grown there, only the thick SiC film 38 is shown in FIG. FIG. 10B shows a state in which a resist mask 50 for forming a trench is formed in this state. FIG. 10C shows a state in which the trench groove 51 is formed by etching the thick SiC film 38 into a groove shape by trench etching. The underlying silicon oxide film is exposed in the trench portion. FIG. 10D shows a state in which the resist mask 50 is peeled off, the trench groove 51 is then filled with a silicon oxide film to form a trench oxide film 52, and then the surface is polished and flattened. This series of trench formation, silicon oxide film filling, and planarization is a known procedure. This is a technique that has been put to practical use in the Si film on the silicon oxide film on the Si substrate. As a result, the SiC film is insulatively isolated by surrounding the bottom and bottom surfaces with the silicon oxide film. FIG. 10E shows an example in which a MOSFET is formed on this substrate. The detailed structure of the MOSFET is shown in FIG. In this way, an element in which each element is completely insulated and separated by an oxide film can be formed. As a result, a plurality of MOS transistors are insulated and separated, and an epoch-making structure capable of forming an integrated circuit on the SiC film can be obtained.

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 Si substrate 5 is used as a base substrate of an element substrate via a silicon oxide film, but a poly SiC substrate can also be used as a low-cost substrate as the base substrate. The same applies to the description of FIGS. 9 and 10 except that the Si substrate is replaced with a poly SiC substrate. When poly SiC is used as a base substrate, the maximum holding temperature after bonding a seed SiC substrate and forming a single crystal compound semiconductor film on an oxide film on a poly SiC base substrate by smart cut is Si material. Therefore, the formation and activation treatment of the P-type semiconductor layer and the N-type semiconductor layer described in FIG. 9C can be performed at a high temperature in the state of FIG.

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.

産業上の利用の可能性Industrial applicability

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
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 SYMBOLS 1 ... Si substrate used as a seed substrate 2 ... SiC film 3 ... SiC film 4 ... Silicon oxide film 5 ... Si substrate 8 ... Seed crystal 10 ... 2nd SiC substrate DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... MOSFET source part 12 ... MOSFET drain part 13 ... MOSFET gate insulating film 14 ... MOSFET gate electrode 15 ... N + layer 16 ... P + layer 20 ... -Flattening stage 21-Intake hole 32 of flattening stage-SiC layer with many crystal defects 33-SiC layer 34 with few crystal defects-Smart cut layer 35-Thin film SiC layer 37- .... Thin SiC layer 38 ... Thick SiC layer 40 ... Silicon oxide film 41 ... Silicon oxide film 50 ... Resist mask 51 ... Trench groove 52 ... Trench oxide film 58 ... P Well 9 · · · N - layer 61 · · · MOSFET source electrode 62 the gate electrode 65 of the gate film 64 · · · MOSFET drain electrode 63 · · · MOSFET of · · · MOSFET · · · source N-type layer 66 .. Drain N-type layer 68 ... element isolation part 69 ... on-current path 101 ... short crystal defect 102 ... long crystal defect 104 ... crystal defect 105 ... crystal defect at the PN junction surface 110 ... Channel current 111 ... Depletion layer leakage current 112 ... Crystal defect current 150 ... Capacitor 151 ... Clamp diode 152 ... Smoothing diode 153 ... Parasitic diode 160 ... Source potential 161 ... Voltage application point 162 ... Negative voltage bias point 163 ... Vsub point

Claims (7)

化合物半導体において、絶縁膜上に形成する単結晶化合物半導体層の格子定数と近いSi基板、SiC基板、Ge基板など材料をベース基板として絶縁膜層を介して単結晶化合物半導体層を有することを特徴とした素子基板を用いて、或いはこの基板の絶縁膜層の上に形成する単結晶化合物半導体層にトレンチを形成してそのトレンチが絶縁膜層まで到達しそのトレンチ部分に絶縁膜を形成して単結晶化合物半導体層を一個或いは複数個の絶縁分離形状とした素子基板を用いて、単結晶化合物半導体層に形成されたP型半導体、N型半導体の組み合わせの半導体素子からなり、基板面と並行方向で逆バイアスのかかるPN接合面において、PN接合面には絶縁膜、或いはベース基板により電界強度が緩和されて印加されるようにした素子構造を特徴とする半導体装置。A compound semiconductor having a single crystal compound semiconductor layer through an insulating film layer using a material such as a Si substrate, a SiC substrate, or a Ge substrate that is close to the lattice constant of the single crystal compound semiconductor layer formed over the insulating film as a base substrate A trench is formed in a single crystal compound semiconductor layer formed on the insulating film layer of the substrate or on the insulating film layer of the substrate, the trench reaches the insulating film layer, and an insulating film is formed in the trench portion. A single-crystal compound semiconductor layer is composed of a semiconductor element of a combination of a P-type semiconductor and an N-type semiconductor formed on a single-crystal compound semiconductor layer using an element substrate having one or a plurality of insulating and separated shapes, and is parallel to the substrate surface. In the PN junction surface where the reverse bias is applied in the direction, the device structure is such that the electric field strength is relaxed and applied to the PN junction surface by the insulating film or the base substrate The semiconductor device according to claim. 請求項1において、化合物半導体層に形成されたP型半導体、N型半導体の組み合わせの半導体素子からなり、基板面と並行方向で逆バイアスのかかるPN接合面において、PN接合面には絶縁膜、或いはベース基板により電界強度が緩和されて印加されるようにした素子構造であり、ベース基板に素子が動作する電源系の電圧とは逆の極性の電圧を印加して電界緩和を大きくして、素子全体の印加電圧が高い値であっても、基板面と並行方向で逆バイアスのかかるPN接合面には存在する縦方向の結晶欠陥による欠陥降伏電圧より低くなるように電界緩和されるような構成とされた半導体素子。2. The PN junction surface comprising a semiconductor element of a combination of a P-type semiconductor and an N-type semiconductor formed in a compound semiconductor layer, wherein a reverse bias is applied in a direction parallel to the substrate surface. Alternatively, it is an element structure in which the electric field strength is relaxed and applied by the base substrate, and the electric field relaxation is increased by applying a voltage having a polarity opposite to the voltage of the power supply system for operating the element to the base substrate. Even if the applied voltage of the entire device is a high value, the electric field is relaxed so as to be lower than the defect breakdown voltage due to the crystal defect in the vertical direction existing on the PN junction surface that is reverse-biased in the direction parallel to the substrate surface. A semiconductor device configured. 請求項1において、単結晶化合物半導体層に形成されたP型半導体、N型半導体の組み合わせからなる半導体素子において、ベース基板面と並行方向で逆バイアスのかかるPN接合面において、PN接合面には絶縁膜層、或いはベース基板により電界強度が緩和されて印加されるようにした素子構造を持つ半導体素子において、素子全体の印加電圧がPN接合の真性降伏電圧より決まるような高い値であっても、ベース基板面と並行方向で逆バイアスのかかるPN接合面には縦方向の結晶欠陥による欠陥降伏電圧より低くなるように電界緩和された構造を特徴とする半導体装置。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor element is a combination of a P-type semiconductor and an N-type semiconductor formed in a single crystal compound semiconductor layer. In a semiconductor element having an element structure in which an electric field strength is relaxed by an insulating film layer or a base substrate, even if the applied voltage of the entire element is a high value determined by the intrinsic breakdown voltage of the PN junction A semiconductor device characterized by a structure in which an electric field is relaxed on a PN junction surface, which is reverse-biased in a direction parallel to a base substrate surface, so as to be lower than a defect breakdown voltage due to a crystal defect in a vertical direction. 請求項1,2、3において、逆の極性の電圧を印加する手段として SiC部の回路により形成することを特徴とする半導体素子。4. The semiconductor element according to claim 1, wherein the semiconductor element is formed by a circuit of an SiC portion as means for applying a voltage having a reverse polarity. 請求項1、2、3、4において素子基板作成方法として、単結晶化合物半導体層のもととなる種単結晶化合物半導体基板の表面層に水素などのイオンを注入しスマートカット層を形成した種単結晶化合物半導体基板の表面とベース基板となるSi或いは化合物半導体の表面とを絶縁膜を介して貼り合わせ、その後スマートカット層において劈開せしめ種単結晶化合物半導体基板を除去した後、ベース基板の上の絶縁膜層に残った単結晶化合物半導体層を研磨して作成すること特徴とする素子基板とそれを用いた半導体装置。Claims 1, 2, 3, and 4 include: a seed that forms a smart cut layer by implanting ions such as hydrogen into a surface layer of a seed single crystal compound semiconductor substrate that is a source of a single crystal compound semiconductor layer. The surface of the single crystal compound semiconductor substrate is bonded to the surface of the base substrate Si or compound semiconductor via an insulating film, and then cleaved in the smart cut layer to remove the seed single crystal compound semiconductor substrate, and then on the base substrate. An element substrate and a semiconductor device using the element substrate, wherein the single crystal compound semiconductor layer remaining on the insulating film layer is polished and produced. 請求項1、2、3、4において素子基板作成方法として、単結晶化合物半導体層のもととなる種単結晶化合物半導体基板の表面層に水素などのイオンを注入しスマートカット層を形成した種単結晶化合物半導体基板の表面とベース基板となるSi或いは化合物半導体の表面とを絶縁膜を介して貼り合わせ、その後スマートカット層において劈開せしめ種単結晶化合物半導体基板を除去した後、ベース基板の上の絶縁膜の上に残った単結晶化合物半導体層に同じ単結晶化合物半導体を成長させて形成することを特徴とした素子基板とそれを用いた半導体装置。Claims 1, 2, 3, and 4 include: a seed that forms a smart cut layer by implanting ions such as hydrogen into a surface layer of a seed single crystal compound semiconductor substrate that is a source of a single crystal compound semiconductor layer. The surface of the single crystal compound semiconductor substrate is bonded to the surface of the base substrate Si or compound semiconductor via an insulating film, and then cleaved in the smart cut layer to remove the seed single crystal compound semiconductor substrate, and then on the base substrate. An element substrate formed by growing the same single crystal compound semiconductor layer on a single crystal compound semiconductor layer remaining on the insulating film, and a semiconductor device using the element substrate. 請求項5,6において、絶縁膜を介して貼り合わせる手法として、種単結晶化合物半導体基板とベース基板の双方、或いはいずれかの一方に、予め絶縁物を設けておいて活性化処理により貼り合わせることを特徴とする素子基板とそれを用いた半導体装置。7. The method according to claim 5 or 6, wherein as an attachment method through an insulating film, an insulating material is provided in advance on either or both of the seed single crystal compound semiconductor substrate and the base substrate, and the attachment is performed by an activation process. An element substrate and a semiconductor device using the element substrate.
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