JP3573149B2 - Silicon carbide semiconductor device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化珪素半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
【特許文献】特開平10−233503号公報(第5−6頁、図1)
【非特許文献】V. V. Afanasev, M. Bassler, G. Pensl and M. Schulz, Phys. Stat. Sol. (A) 162 (1997) 321.。
【0003】
炭化珪素(以下SiC)はバンドギャップが広く、また、最大絶縁破壊電界がシリコン(以下Si)と比較して一桁も大きい。さらに、SiCの自然酸化物はSiOであり、Siと同様の方法により容易にSiCの表面上に熱酸化膜を形成できる。このため、SiCは電気自動車の高速/高耐圧スイッチング素子、特に高電力ユニ/バイポーラ素子として用いた際に非常に優れた材料となることが期待される。
【0004】
従来のSiCパワーMOSFET構造は、例えば上記特許文献に開示されている。この従来のSiCパワーMOSFETでは、高濃度N型SiC基板上にN型SiCエピタキシャル領域が形成されている。そして、エピタキシャル領域の表層部における所定領域には、P型ベース領域、及びN型ソース領域が形成される。また、N型SiCエピタキシャル領域の上にはゲート絶縁膜を介してゲート電極が配置され、ゲート電極は層間絶縁膜にて覆われている。P型ベース領域及びN型ソース領域に接するようにソース電極が形成されるとともに、N型SiC基板の裏面にはドレイン電極が形成されている。
【0005】
このSiCパワーMOSFETの動作としては、ドレイン電極とソース電極との間に電圧が印加された状態で、ゲート電極に正の電圧が印加されると、ゲート電極に対向したP型ベース領域の表層に反転型のチャネル領域が形成され、ドレイン電極からソース電極へと電流を流すことが可能となる。また、ゲート電極に印加された電圧を取り去ることによって、ドレイン電極とソース電極との間は電気的に絶縁され、スイッチング機能を示すことになる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献に示されたSiCパワーMOSFETには以下のような課題がある。すなわち、ゲート絶縁膜と反転型のチャネル領域との界面に不完全な結晶構造、すなわち多量の界面準位が存在する(上記非特許文献参照)。このため、ゲート電極に電圧を印加して形成したチャネル領域表層の反転型チャネルを通るキャリアの移動度が非常に小さく、チャネル抵抗が大きいという問題があった。チャネル長を短く形成できればチャネル抵抗自体は小さくなる。しかし、チャネル領域が短すぎると、ゲート電極及びソース電極を接地した状態でドレイン電極に高電圧を印加した場合、チャネル領域でパンチスルーが起こる恐れがあるため、実際チャネル長を1μm以下に形成することは難しく、結果的にSiCパワーMOSFETのオン抵抗が高くなるという問題があった。
【0007】
本発明は、上記のごとき従来技術の問題を解決するためになされたものであり、低オン抵抗の高耐圧電界効果トランジスタである炭化珪素半導体装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、炭化珪素半導体基体中の第1導電型のドレイン領域と、該ドレイン領域と接続される第1導電型のドリフト領域と、該ドリフト領域上に形成され、炭化珪素半導体とヘテロ接合する第2導電型のヘテロ半導体領域と、該第2導電型のヘテロ半導体領域に接続され、ドリフト領域には接続されない第1導電型のヘテロ半導体領域と、前記第2導電型のヘテロ半導体領域の表面に形成され、ドリフト領域及び第1導電型のヘテロ半導体領域まで延設されるゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極と、前記ドレイン領域に接触するドレイン電極と、前記第1導電型のへテロ半導体領域に接触するソース電極とを備えたことを特徴とする。
【0009】
【発明の効果】
本発明によれば、低オン抵抗の高耐圧電界効果トランジスタである炭化珪素半導体装置を提供することができる。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【0011】
以下、この発明の実施の形態を図面に従って説明する。なお、本実施の形態で用いられる炭化珪素(SiC)のポリタイプは4Hが代表的であるが、6H、3C等その他のポリタイプでも構わない。また、ヘテロ半導体領域に多結晶シリコンを用いた例で説明したが、ヘテロ半導体領域を形成する材料はこの限りではない(詳細は後述)。さらに、本実施の形態ではすべてドレイン電極を半導体基板裏面に形成し、ソース電極を基板表面に配置して電流を素子内部に縦方向に流す構造の炭化珪素半導体装置で説明したが、例えばドレイン電極をソース電極と同じく基板表面に配置して、電流を横方向に流す構造の炭化珪素半導体装置でも本発明が適用可能である。本実施の形態においては、例えばドレイン領域10がN型となるような構成で説明したが、P型となるような構成にしてもよい。
【0012】
また、本発明の主旨を逸脱しない範囲での変形を含むことは言うまでもない。
【0013】
実施の形態1
図1は本発明による炭化珪素半導体装置の実施の形態1を示している。ドレイン領域となるN型SiC基板10上にN型エピタキシャル領域20が積層される。このエピタキシャル領域20上の所定領域にはP型多結晶シリコン層60が形成される。P型多結晶シリコン層60とエピタキシャル領域20とはヘテロ接合しており、図13のエネルギーバンド図に示すように接合界面にはエネルギー障壁140が存在している。また、N型エピタキシャル領域20上の所定領域には、絶縁膜70を介して、P型多結晶シリコン層60に接続されたN型多結晶シリコン層50が形成されている。さらに、P型多結晶シリコン層60の表面にゲート絶縁膜30が形成される。このゲート絶縁膜30は少なくともドリフト領域20と、及びN型多結晶シリコン層50まで延設される。ゲート絶縁膜30上にはゲート電極40が形成される。N型多結晶シリコン層50はソース電極80に接続される。N型SiC基板10の裏面にはドレイン電極90が形成されている。
【0014】
この炭化珪素半導体装置は、ソース電極80を接地し、ドレイン電極90に正の電圧Vdを印加して使用する。そして、このとき、ゲート電極40が接地されていると、素子の特性は、P型多結晶シリコン層60とSiCエピタキシャル領域20とのヘテロ接合ダイオードの逆方向バイアス特性となる。
【0015】
すなわち、エピタキシャル領域20側には、ドレイン電圧Vdに応じて空乏層が伸びる。一方で、P型多結晶シリコン層60内では少数キャリアである電子がエネルギー障壁140を越えられずに接合界面に蓄積する。その様子を示したのが図14である。そして、エピタキシャル領域20側に伸びる空乏層に見合う電気力線がこの電子の蓄積層で終端し、P型多結晶シリコン層60側では電界がシールドされる。それゆえ、先にP型多結晶シリコン層60がブレークダウンを起こすということはなく、ドレイン電圧Vdが所定電圧Vbになって初めてドレイン電極90からソース電極80へと急激に電流が流れ始める。
【0016】
また、上述したようなヘテロ接合ダイオードの逆方向バイアス特性では、P型多結晶シリコン層60の厚さを例えば200Å程度まで薄くしても300V以上もの耐圧が確保できることが実験で確認されている。それゆえ、本発明の構成を用いた炭化珪素半導体装置では、ヘテロ半導体領域60の厚さを薄くしても、上記P型多結晶シリコン層60側では電界がシールドされる効果によりパンチスルーが起こる恐れがなく、チャネル長は少なくともヘテロ半導体領域60の厚さ例えば200Å程度まで短くすることができるため、著しくチャネル抵抗を小さくすることが可能である。
【0017】
一方で、ゲート電極40に正電圧が印加されると、P型多結晶シリコン層60は強反転状態となり表層にN型層が形成される。さらに、P型多結晶シリコン層60とSiCエピタキシャル領域20とのヘテロ接合界面に電界が作用し、電界集中によりヘテロ接合面がなすエネルギー障壁の厚さが薄くなる。図15にその様子を示す。点線で示したエネルギーレベルがゲート電圧印加前であり、実線のそれがゲート電圧印加後を示す。その結果、ドレイン電圧Vdが所定電圧Vb以下であってもトンネル現象が生じて電流が流れ始める。
【0018】
つまり、本発明による炭化珪素半導体装置は、ドレイン電圧VdをVb以下に保ち、この状態にてゲート電極40に正電圧を印加することにより、ドレイン電極90とソース電極80との間の電流制御を行うものである。
【0019】
すなわち、本実施の形態1の炭化珪素半導体装置は、炭化珪素半導体基体中の第1導電型のドレイン領域10と、ドレイン領域10と接続されて形成される第1導電型のドリフト領域20と、ドリフト領域20上の所定領域に形成され、炭化珪素半導体とヘテロ接合する第2導電型のヘテロ半導体領域60と、第2導電型のヘテロ半導体領域60に接続するように形成され、ドリフト領域20には接続されない第1導電型のヘテロ半導体領域50と、第2導電型のヘテロ半導体領域60の表面に形成され、少なくともドリフト領域20及び第1導電型のヘテロ半導体領域50まで延設されるゲート絶縁膜30と、ゲート絶縁膜30の上に形成されたゲート電極40と、ドレイン領域10に接触するドレイン電極90と、第1導電型のへテロ半導体領域50に接触するソース電極80とを備えたことを特徴とする。
【0020】
次に、本実施の形態1の炭化珪素半導体装置の製造方法の一例を、図10(a)〜(e)の断面図を用いて説明する。
【0021】
まず、図10(a)の工程においては、N型SiC基板10の上に、例えば不純物濃度が1014〜1018cm−3、厚さが1〜100μmのN型SiCエピタキシャル領域20が形成されている。
【0022】
図10(b)の工程においては、エピタキシャル領域20に対して犠牲酸化を行い、その犠牲酸化膜を除去した後に、例えば0.01〜10μm程度CVD酸化膜を堆積し、パターニングを行って絶縁膜70を形成する。
【0023】
図10(c)の工程においては、多結晶シリコン層を厚さ例えば0.1から10μm程度減圧CVD法を用いて堆積する。その後、この多結晶シリコン層に所望の不純物を導入し、P型多結晶シリコン層60、N型多結晶シリコン層50をそれぞれ形成する。この方法としては、堆積した多結晶シリコン層のさらに上に、高濃度にドーピングされたデポ膜を堆積し、600〜1000℃程度の熱処理によりデポ膜中の不純物を多結晶シリコン層中に熱拡散させるか、または、イオン注入により不純物を直接多結晶シリコン層中に導入してもよい。また、多結晶シリコン層におけるキャリアの移動度を向上させるために、例えば多結晶シリコン層をアニールして単結晶化または多結晶のグレインサイズを大きくしてもよい。さらに、多結晶シリコン層にレーザー光を照射することにより結晶化させてもよい。
【0024】
図10(d)の工程においては、例えばCVD酸化膜を堆積してゲート絶縁膜30を形成し、ゲート絶縁膜30上に再度多結晶シリコン層を厚さ例えば0.1から10μm程度、減圧CVD法を用いて堆積する。その後、この多結晶シリコン層40に所望の不純物を導入し、パターニングを行ってゲート電極40を形成する。
【0025】
図10(e)の工程においては、N型多結晶シリコン層50に接触するようにソース電極80を形成し、SiC基板10の裏面にドレイン電極90として金属膜を蒸着し、例えば600〜1300℃程度で熱処理してオーミック電極とする。
【0026】
このようにして図1に示す炭化珪素半導体装置が完成する。
【0027】
この炭化珪素半導体装置においては、SiCとヘテロ半導体とのヘテロ接合を利用することにより簡素な構成で高速/高耐圧のスイッチング素子が作製可能となる。また、チャネルが形成されるヘテロ半導体領域60とゲート絶縁膜30の接合界面は準位が少なく、キャリアは界面準位の影響を受けずにチャネルを通過できる。さらに、チャネルとなるヘテロ半導体領域60の厚さを薄くしてもパンチスルーが起こる恐れがなく、チャネル長(ドリフト領域20から第1導電型のヘテロ半導体領域50までの、第2導電型のヘテロ半導体領域60の長さ)を例えば200Åと短くすることが可能であるため、著しくチャネル抵抗を小さくできる。
【0028】
さらに、本半導体装置は、基本となる素子構造の作製において、高エネルギーのイオン注入による不純物導入が必要ない。その結果、結晶性回復を兼ねた1500℃以上もの不純物活性化アニールは不要であり、製造工程の負荷が減らせるとともに高温アニールで生じる表面モフォロジーの悪化も回避できる。
【0029】
なお、上記特許文献の従来技術では、P型ベース領域をN型SiCエピタキシャル領域内に形成するためには深い拡散領域を形成する必要があり、そのためには高エネルギーのイオン注入による不純物導入が欠かせない。高エネルギーのイオン注入を行うと、SiCエピタキシャル領域中に欠陥が発生し、リーク電流増加の原因となりやすい。また、結晶性回復を兼ねた不純物活性化のために、例えば1500℃以上もの高温アニールが必要であるが、高温アニール後に表面モフォロジ−が悪化するという問題があった。本発明では、このような問題を解決できると共に、特にノーマリーオフの電圧駆動型で、製造工程の簡単な炭化珪素半導体装置を提供することが可能である。
【0030】
また、ゲート電極40にゲート絶縁膜30を介して対向する第1導電型のドリフト領域20の表面の一部に、絶縁電界緩和層70が形成されていることを特徴とする。このような構造により、ヘテロ半導体領域60とドリフト領域20(もしくは高濃度半導体領域100)とのヘテロ接合へ印加される電界が、絶縁電界緩和層70により緩和されるので、素子の高耐圧化が図れるとともに、リーク電流を低減することができる。
【0031】
またゲート絶縁膜30にかかる電界が、絶縁電界緩和層70とドリフト領域20との接合界面からドリフト領域20に伸びる空乏層によって緩和されるので、ゲート絶縁膜の信頼性が向上する。
【0032】
さらに、本例では、第2導電型の電界緩和領域110の形成に欠かせない、高エネルギーのイオン注入による不純物導入が不要である。その結果、結晶性回復を兼ねた1500℃以上もの不純物活性化アニールは行わなくてよく、製造工程の負荷が減らせるとともに、高温アニールで生じる表面モフォロジーの悪化も回避できる。
【0033】
なお、炭化珪素とヘテロ接合をしてスイッチング素子として機能するための条件としては、ヘテロ半導体領域のバンドギャップが炭化珪素のバンドギャップよりも小さいことが必要となる。逆にヘテロ半導体領域のバンドギャップが炭化珪素のバンドギャップよりも大きい場合では、両者はヘテロ接合をするが、スイッチング素子として機能しない。したがって、炭化珪素半導体とヘテロ接合するヘテロ半導体領域60及び50が、炭化珪素よりもバンドギャップが小さい半導体材料よりなり、例えば単結晶シリコン、アモルファスシリコン、多結晶シリコンの少なくとも1つからなることを特徴とする。すなわち、これらの材料は炭化珪素よりもバンドギャップが小さく、炭化珪素とヘテロ接合を形成する。このため、本発明による炭化珪素半導体装置において、ヘテロ半導体領域にこれらの材料を用いると、上記記載の効果が得られやすい。また、単結晶シリコン、アモルファスシリコンまたは多結晶シリコンにおいては、炭化珪素基板上への堆積、または酸化、パターニング、選択的エッチング、選択的伝導度制御等が容易である。
【0034】
実施の形態2
図2は本発明による炭化珪素半導体装置の実施の形態2を示している。構成上の図1との相違は、P型多結晶シリコン層60がゲート絶縁膜30と隣接する領域を、N型高濃度SiC領域100としたことである。
【0035】
型多結晶シリコン層をN型SiC領域100にヘテロ接合させると、N型SiC領域100にはキャリアが多量に存在することに加えて、N型SiC領域100への空乏層の拡がりが小さくなり、エネルギー障壁の厚さが薄く形成される。その結果、低いゲート電圧で障壁のトンネル電流を流すことができ、ゲート電圧による主電流の制御が容易になる。
【0036】
すなわち、実施の形態2の炭化珪素半導体装置では、実施の形態1記載の効果に加え、ゲート電圧による素子主電流の制御性が向上するという効果が得られる。このとき、P型多結晶シリコン層60とN型SiC領域100との耐圧は低いが、フィールドプレート効果により、絶縁膜70下部からN型エピタキシャル領域20内に空乏層が伸びるので、P型多結晶シリコン層60とN型SiC領域100との接合にかかる電界がシールドされるから、ドレイン耐圧の低下を防止できる。このように、本実施の形態2では、ゲート電極40にゲート絶縁膜30を介して対向する第1導電型のドリフト領域20の一部に、少なくともドリフト領域20よりも不純物濃度が高い第1導電型の高濃度半導体領域100が形成されており、第1導電型の高濃度半導体領域100が第2導電型のヘテロ半導体領域60に接触していることを特徴とする。このように、第1導電型の高濃度半導体領域100をヘテロ半導体領域60に接触するように形成することにより、高濃度半導体領域100にはキャリアが多量に存在することに加えて、高濃度半導体領域100への空乏層の拡がりが小さくなり、エネルギー障壁の厚さが薄く形成される。その結果、上記の効果に加え、低いゲート電圧で障壁のトンネル電流を流すことができ、ゲート電圧による主電流の制御が容易になる。
【0037】
実施の形態3
図3は本発明による炭化珪素半導体装置の実施の形態3を示している。構成上の図2との相違は、N型多結晶シリコン層50下のSiCエピタキシャル領域20の部分に、ソース電極80に接続されたP型SiC電界緩和領域110を配置したことである。
【0038】
本例では、実施の形態2で示したフィールドプレート効果による電界シールドに比べ、P型SiC電界緩和領域110からN型エピタキシャル領域20へとより空乏層を伸ばすことができる。このため、P型多結晶シリコン層60とN型SiC領域100との接合にかかる電界がシールドされるから、ドレイン耐圧の低下を防止することができる。
【0039】
またゲート絶縁膜30に印加される電界が緩和されるのでゲート絶縁膜の信頼性が向上する。
【0040】
このように、本実施の形態3では、ゲート電極40にゲート絶縁膜30を介して対向する第1導電型のドリフト領域20の表面の一部に、第2導電型の電界緩和領域110が形成されていることを特徴とする。この第2導電型の電界緩和領域110により、素子の耐圧がこの領域と、ドリフト領域20とのダイオード逆方向耐圧で決まるように設計できるため、高耐圧素子が得られる。
【0041】
また、ゲート絶縁膜30にかかる電界が、第2導電型の電界緩和領域110とドリフト領域20との接合界面からドリフト領域20に伸びる空乏層によって緩和されるので、ゲート絶縁膜30の信頼性が向上する。
【0042】
なお本例ではP型SiC電界緩和領域110はソース電極80に接続された例で説明したが、接続されていなくても構わない。
【0043】
実施の形態4
図4は本発明による炭化珪素半導体装置の実施の形態4を示している。構成上の図3との相違は、N型多結晶シリコン層50下のSiCエピタキシャル領域20の部分に形成される溝120内に絶縁膜70を形成している点である。本例を適用することでN型SiC領域100に対してより深い位置から空乏層を伸ばすことができ、P型多結晶シリコン層60とN型SiC領域100との接合にかかる電界をシールドしやすい。その結果、効果的にドレイン耐圧の低下を防止することができる。また、ゲート絶縁膜30に印加される電界が緩和されるのでゲート絶縁膜30の信頼性が向上する。
【0044】
本例の作製においては、実施の形態3と異なり、高エネルギーのイオン注入による不純物導入が必要ない。その結果、結晶性回復を兼ねた1500℃以上もの不純物活性化アニールは不要であり、製造工程の負荷が減らせるとともに、高温アニールで生じる表面モフォロジーの悪化も回避できる。
【0045】
実施の形態5
図5は本発明による炭化珪素半導体装置の実施の形態5を示している。ドレイン領域となるN型SiC基板10上に、N型エピタキシャル領域20が積層される。エピタキシャル領域20表層部の所定領域には所定深さを有する溝120が形成される。そして、溝120に沿って、ドリフト領域20上の所定領域にP型多結晶シリコン層60が形成される。P型多結晶シリコン層60とSiCエピタキシャル領域20とはヘテロ接合しており、図13のエネルギーバンド図に示すように、接合界面にはエネルギー障壁140が存在している。また、同じく溝120に沿ってN型多結晶シリコン層50がP型多結晶シリコン層60上に積層される。
【0046】
溝120内にはゲート絶縁膜30を介してゲート電極40が形成されている。N型多結晶シリコン層50はソース電極80に接続される。N型SiC基板10の裏面にはドレイン電極90が形成されている。
【0047】
このように、本実施の形態5では、炭化珪素半導体基体中の第1導電型のドレイン領域10と、ドレイン領域10と接続されて形成される第1導電型のドリフト領域20と、ドリフト領域20の表層部の所定領域に形成され、所定深さを有する溝120と、溝120に沿って、ドリフト領域20上の所定領域に形成され、炭化珪素半導体とヘテロ接合する第2導電型のヘテロ半導体領域60と、同じく溝120に沿って、第2導電型のヘテロ半導体領域60上に積層されて形成される第1導電型のヘテロ半導体領域50と、溝120内にゲート絶縁膜30を介して充填されるゲート電極40と、ドレイン領域10に接触するドレイン電極90と、第1導電型のへテロ半導体領域50に接触するソース電極80とを備えたことを特徴とする。
【0048】
このため、実施の形態1記載の効果に加え、トレンチゲート構造により素子の面積効率を高め、オン抵抗の低減と素子の微細化が可能である。また、第2導電型のヘテロ半導体領域60と第1導電型のヘテロ半導体領域50を積層できることから、第2導電型のヘテロ半導体領域60の厚さを薄く形成することが容易であり、チャネル長を短くするのに効果的な構造である。
【0049】
さらに、ヘテロ接合界面方向に対してゲート絶縁膜30を直交させることで、ゲート電極40からへテロ接合界面までの電気力線の長さを短くすることができる。このため、ゲート電極40からの電界によるエネルギー障壁の厚さの制御性をさらに向上させることができる。その結果、低いゲート電圧で障壁のトンネル電流を流すことができ、ゲート電圧による主電流の制御が容易になる。
【0050】
この炭化珪素半導体装置の動作は、基本的に図1に示す実施の形態1と同様である。すなわち、ソース電極80を接地し、ドレイン電極90に正の電圧Vdを印加して使用する。そして、このとき、ゲート電極40が接地されていると、素子の特性はP型多結晶シリコン層60とSiCエピタキシャル領域20とのヘテロ接合ダイオードの逆方向バイアス特性となる。
【0051】
一方で、ゲート電極40に正電圧が印加されると、P型多結晶シリコン層60は強反転状態となり、表層にN型層が形成される。さらに、P型多結晶シリコン層60とSiCエピタキシャル領域20とのヘテロ接合界面に電界が作用し、電界集中によりヘテロ接合面がなすエネルギー障壁の厚さが薄くなる。その結果、ドレイン電圧Vdが所定電圧Vb以下であってもトンネル現象が生じて電流が流れ始める。
【0052】
図1に示す実施の形態1と図5に示す実施の形態5の構造上の相違は2つある。1つ目は、P型多結晶シリコン層60とN型多結晶シリコン層50とを積層して形成している点である。2つ目はP型多結晶シリコン層60とN型多結晶シリコン層50を深さ方向に貫通する溝120を形成し、その溝120内にゲート電極40を形成するトレンチゲート構造を形成している点である。
【0053】
本例におけるトレンチゲート構造の適用により、素子の面積効率を高め、オン抵抗の低減と素子の微細化が可能である。また、P型多結晶シリコン層60とN型多結晶シリコン層50を積層できることから、P型多結晶シリコン層60の厚さを薄く形成することが容易であり、チャネル長を短くするのに効果的な構造である。
【0054】
さらに、ヘテロ接合界面方向に対してゲート絶縁膜を直交させることで、ゲート電極からへテロ接合界面までの電気力線の長さを短くすることができる。このため、ゲート電極からの電界によるエネルギー障壁の厚さの制御性をさらに向上させることができる。その結果、低いゲート電圧で障壁のトンネル電流を流すことができ、ゲート電圧による主電流の制御が容易になる。
【0055】
次に、本実施の形態5の炭化珪素半導体装置の製造方法の一例を、図11(a)〜(e)の断面図を用いて説明する。
【0056】
まず、図11(a)の工程においては、N型SiC基板10の上に、例えば不純物濃度が1014〜1018cm−3、厚さが1〜100μmのN型SiCエピタキシャル領域20が形成されている。
【0057】
図11(b)の工程においては、エピタキシャル領域20に対して犠牲酸化を行い、その犠牲酸化膜を除去した後に、多結晶シリコン層を厚さ例えば0.1から10μm程度減圧CVD法を用いて堆積する。そして、この多結晶シリコン層に所望の不純物を導入し、P型多結晶シリコン層60とする。次に、再度減圧CVD法を用いて多結晶シリコン層を厚さ例えば0.1から10μm程度P型多結晶シリコン層60上に積層する。このとき、堆積した多結晶シリコン層に対して所望の不純物導入を行ってN型多結晶シリコン層50を形成する。
【0058】
この多結晶シリコン層に所望の不純物を導入する方法としては、堆積した多結晶シリコン層のさらに上に、高濃度にドーピングされたデポ膜を堆積し、600〜1000℃程度の熱処理により、デポ膜中の不純物を多結晶シリコン層中に熱拡散させるか、または、イオン注入により不純物を直接多結晶シリコン層中に導入してもよい。また、多結晶シリコン層におけるキャリアの移動度を向上させるために、例えば多結晶シリコン層をアニールして単結晶化または多結晶のグレインサイズを大きくしてもよい。さらに、多結晶シリコン層にレーザー光を照射することにより結晶化させてもよい。
【0059】
図11(c)の工程においては、N型多結晶シリコン層50及びP型多結晶シリコン層60を深さ方向に貫通してN型エピタキシャル領域20に達する、例えば0.1から10μmの深さの溝120を形成する。
【0060】
図11(d)の工程においては、例えばCVD酸化膜を堆積してゲート絶縁膜30を形成し、ゲート絶縁膜30上に再度多結晶シリコン層を厚さ例えば0.1から10μm程度、減圧CVD法を用いて堆積する。その後、この多結晶シリコン層に所望の不純物を導入する。次に、この多結晶シリコン層のパターニングを行って、溝120内にゲート電極40を形成する。
【0061】
図11(e)の工程においては、N型多結晶シリコン層50に接触するようにソース電極80を形成し、SiC基板10の裏面にドレイン電極90として金属膜を蒸着し、例えば600〜1300℃程度で熱処理してオーミック電極とする。
【0062】
このようにして図5に示す炭化珪素半導体装置が完成する。
【0063】
実施の形態6
図6は本発明による炭化珪素半導体装置の実施の形態6を示している。構成上の図5との相違は、P型多結晶シリコン層60下のSiCエピタキシャル領域20の部分にN型SiC領域100を配置したことである。
【0064】
型多結晶シリコン層をN型SiC領域100にヘテロ接合させると、N型SiC領域100にはキャリアが多量に存在することに加えて、N型SiC領域100への空乏層の拡がりが小さくなり、エネルギー障壁の厚さが薄く形成される。その結果、低いゲート電圧で障壁のトンネル電流を流すことができ、ゲート電圧による主電流の制御が容易になる。
【0065】
すなわち、実施の形態6の炭化珪素半導体装置では、実施の形態5記載の効果に加え、ゲート電圧による素子主電流の制御性が向上するという効果が得られる。
【0066】
このとき、P型多結晶シリコン層60とN型SiC領域100との耐圧は低いが、フィールドプレート効果によりゲート絶縁膜30下部からN型エピタキシャル領域20内に空乏層が伸びるので、P型多結晶シリコン層60とN型SiC領域100との接合にかかる電界がシールドされるから、ドレイン耐圧の低下を防止できる。
【0067】
実施の形態7
図7は本発明による炭化珪素半導体装置の実施の形態7を示している。構成上の図6との相違は、溝120底部のゲート絶縁膜30下のSiCエピタキシャル領域20の部分に、P型SiC電界緩和領域110を配置したことである。
【0068】
本例では、実施の形態6で示したフィールドプレート効果による電界シールドに比べ、P型SiC電界緩和領域110からN型エピタキシャル領域20へとより空乏層を伸ばすことができる。このため、P型多結晶シリコン層60とN型SiC領域100との接合にかかる電界がシールドされるから、ドレイン耐圧の低下を防止することができる。
【0069】
また、溝120底部のゲート絶縁膜30に印加される電界が緩和されるので、ゲート絶縁膜の信頼性が向上する。
【0070】
なお、本例においてP型SiC電界緩和領域110は、図示されない奥行き方向でソース電極80に接続されていても構わない。
【0071】
実施の形態8
図8は本発明による炭化珪素半導体装置の実施の形態8を示している。ドレイン領域となるN型SiC基板10上に、N型エピタキシャル領域20が積層される。エピタキシャル領域20上の所定領域には所定深さを有する溝120が形成され、溝120内にはP型多結晶シリコン層60が形成される。P型多結晶シリコン層60とSiCエピタキシャル領域20とはヘテロ接合しており、図13のエネルギーバンド図に示すように、接合界面にはエネルギー障壁140が存在している。また、溝120内にはこのP型多結晶シリコン層60を介してN型多結晶シリコン層60が形成される。さらに、P型多結晶シリコン層60の表面にゲート絶縁膜30が形成される。このゲート絶縁膜30は少なくともドリフト領域20と、及びN型多結晶シリコン層50まで延設される。ゲート絶縁膜30上にはゲート電極40が形成される。N型多結晶シリコン層50はソース電極80に接続される。N型SiC基板10の裏面にはドレイン電極90が形成されている。
【0072】
すなわち、本実施の形態8では、炭化珪素半導体基体中の第1導電型のドレイン領域10と、ドレイン領域10と接続されて形成される第1導電型のドリフト領域20と、ドリフト領域20の表層部の所定領域に形成され、所定深さを有する溝120と、溝120内に形成され、炭化珪素半導体とヘテロ接合する第2導電型のヘテロ半導体領域60と、溝120内に第2導電型のヘテロ半導体領域60を介して形成される第1導電型のヘテロ半導体領域50と、第2導電型のヘテロ半導体領域60の表面に形成され、少なくともドリフト領域20及び第1導電型のヘテロ半導体領域50まで延設されるゲート絶縁膜30と、ゲート絶縁膜30の上に形成されたゲート電極40と、ドレイン領域10に接触するドレイン電極90と、第1導電型のへテロ半導体領域50に接触するソース電極80とを備えたことを特徴とする。
【0073】
このため、実施の形態1記載の効果に加え、ゲート絶縁膜30にかかる電界が溝120内のヘテロ半導体領域60により緩和されるので、ゲート絶縁膜30の信頼性が向上する。また、ヘテロ接合界面方向に対してゲート絶縁膜30を直交させることで、ゲート電極40からへテロ接合界面までの電気力線の長さを短くすることができる。このため、ゲート電極40からの電界によるエネルギー障壁の厚さの制御性をさらに向上させることができる。その結果、低いゲート電圧で障壁のトンネル電流を流すことができ、ゲート電圧による主電流の制御が容易になる。
【0074】
この炭化珪素半導体装置の動作は、基本的に図1に示す実施の形態1と同様である。すなわち、ソース電極80を接地し、ドレイン電極90に正の電圧Vdを印加して使用する。そして、このとき、ゲート電極40が接地されていると、素子の特性はP型多結晶シリコン層60とSiCエピタキシャル領域20とのヘテロ接合ダイオードの逆方向バイアス特性となる。
【0075】
一方で、ゲート電極40に正電圧が印加されると、P型多結晶シリコン層60は強反転状態となり、表層にN型層が形成される。さらに、P型多結晶シリコン層60とSiCエピタキシャル領域20とのヘテロ接合界面に電界が作用し、電界集中によりヘテロ接合面がなすエネルギー障壁の厚さが薄くなる。その結果、ドレイン電圧Vdが所定電圧Vb以下であってもトンネル現象が生じて電流が流れ始める。
【0076】
図1に示す実施の形態1と図5に示す実施の形態5の構造上の相違は、溝120を形成し、その中にP型多結晶シリコン層60を形成している点である。
【0077】
本例における構造の適用により、ゲート絶縁膜30にかかる電界が溝120内のヘテロ半導体領域60により緩和されるので、ゲート絶縁膜30の信頼性が向上する。また、ヘテロ接合界面方向に対してゲート絶縁膜30を直交させることで、ゲート電極40からへテロ接合界面までの電気力線の長さを短くすることができる。このため、ゲート電極40からの電界によるエネルギー障壁の厚さの制御性をさらに向上させることができる。その結果、低いゲート電圧で障壁のトンネル電流を流すことができ、ゲート電圧による主電流の制御が容易になる。
【0078】
次に、本実施の形態8の炭化珪素半導体装置の製造方法の一例を、図12(a)〜(f)の断面図を用いて説明する。
【0079】
まず、図12(a)の工程においては、N型SiC基板10の上に、例えば不純物濃度が1014〜1018cm−3、厚さが1〜100μmのN型SiCエピタキシャル領域20が形成されている。
【0080】
図12(b)の工程においては、例えば0.1から10μmの深さの溝120を形成する。
【0081】
図12(c)の工程においては、エピタキシャル領域20に対して犠牲酸化を行い、その犠牲酸化膜を除去した後に、多結晶シリコン層60を厚さ例えば0.1から10μm程度減圧CVD法を用いて堆積する。その後、この多結晶シリコン層に所望の不純物を導入し、P型多結晶シリコン層とする。この方法としては、堆積した多結晶シリコン層のさらに上に、高濃度にドーピングされたデポ膜を堆積し、600〜1000℃程度の熱処理により、デポ膜中の不純物を多結晶シリコン層中に熱拡散させるか、または、イオン注入により不純物を直接多結晶シリコン層中に導入してもよい。また、多結晶シリコン層におけるキャリアの移動度を向上させるために、例えば多結晶シリコン層をアニールして単結晶化または多結晶のグレインサイズを大きくしてもよい。さらに、多結晶シリコン層にレーザー光を照射することにより結晶化させてもよい。
【0082】
図12(d)の工程においては、例えばCMP法を用いて多結晶シリコン層60を機械的化学研磨し、多結晶シリコン層60を溝120内部に残す。次に、溝120内のP型多結晶シリコン層60の所定領域に、所定深さまで所望の不純物を導入し、N型多結晶シリコン層50を形成する。
【0083】
図12(e)の工程においては、例えばCVD酸化膜を堆積してゲート絶縁膜30を形成し、ゲート絶縁膜30上に再度多結晶シリコン層を厚さ例えば0.1から10μm程度、減圧CVD法を用いて堆積する。その後、多結晶シリコン層40に所望の不純物を導入する。次に、多結晶シリコン層40のパターニングを行ってゲート電極40を形成する。
【0084】
図12(f)の工程においては、N型多結晶シリコン層50に接触するようにソース電極80を形成し、SiC基板10の裏面にドレイン電極90として金属膜を蒸着し、例えば600〜1300℃程度で熱処理してオーミック電極とする。
【0085】
このようにして図8に示す炭化珪素半導体装置が完成する。
【0086】
実施の形態9
図9は本発明による炭化珪素半導体装置の実施の形態9を示している。構成上の図8との相違は、ゲート絶縁膜下のSiCエピタキシャル領域20の部分に、N型高濃度SiC領域100を配置したことである。
【0087】
型多結晶シリコンをN型SiC領域100にヘテロ接合させると、N型SiC領域100にはキャリアが多量に存在することに加えて、N型SiC領域100への空乏層の拡がりが小さくなり、エネルギー障壁の厚さが薄く形成される。その結果、低いゲート電圧で障壁のトンネル電流を流すことができ、ゲート電圧による主電流の制御が容易になる。
【0088】
すなわち、実施の形態9の炭化珪素半導体装置では、実施の形態8記載の効果に加え、ゲート電圧による素子主電流の制御性が向上するという効果が得られる。このとき、P型多結晶シリコン層60とN型SiC領域100との耐圧は低いが、P型多結晶シリコン層60とN型エピタキシャル領域20の接合界面からN型エピタキシャル領域20内に空乏層が伸びるので、P型多結晶シリコン層60とN型SiC領域100との接合にかかる電界がシールドされるから、ドレイン耐圧の低下を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1を示す断面図
【図2】本発明の実施の形態2を示す断面図
【図3】本発明の実施の形態3を示す断面図
【図4】本発明の実施の形態4を示す断面図
【図5】本発明の実施の形態5を示す断面図
【図6】本発明の実施の形態6を示す断面図
【図7】本発明の実施の形態7を示す断面図
【図8】本発明の実施の形態8を示す断面図
【図9】本発明の実施の形態9を示す断面図
【図10】本発明の実施の形態1の製造工程を示す断面図
【図11】本発明の実施の形態5の製造工程を示す断面図
【図12】本発明の実施の形態8の製造工程を示す断面図
【図13】Siと4H−SiCのエネルギーバンド図
【図14】Siと4H−SiCのエネルギーバンド図(ドレイン電圧印加、ゲート電圧オフ時)
【図15】Siと4H−SiCのエネルギーバンド図(ドレイン電圧印加、ゲート電圧オン時)
【符号の説明】
10・・・N型SiC基板
20・・・N型SiCエピタキシャル領域(ドリフト領域)
30・・・ゲート絶縁膜
40・・・ゲート電極
50・・・N型多結晶シリコン
60・・・P型多結晶シリコン
70・・・絶縁膜
80・・・ソース電極
90・・・ドレイン電極
100・・・N型SiC領域
110・・・P型SiC領域
120・・・溝
130・・・層間膜
140・・・ヘテロ接合障壁
150・・・P型SiC領域
160・・・N型SiC領域(ソース領域)
170・・・チャネル領域
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a silicon carbide semiconductor device.
[0002]
[Prior art]
[Patent Document] JP-A-10-233503 (page 5-6, FIG. 1)
[Non-patent literature] V. Afanasev, M .; Bassler, G .; Pensl and M.S. Schulz, Phys. Stat. Sol. (A) 162 (1997) 321. .
[0003]
Silicon carbide (hereinafter referred to as SiC) has a wide band gap, and the maximum breakdown electric field is one digit larger than that of silicon (hereinafter referred to as Si). Further, the natural oxide of SiC is SiO 2 Thus, a thermal oxide film can be easily formed on the surface of SiC by the same method as Si. For this reason, SiC is expected to be a very excellent material when used as a high-speed / high-withstand-voltage switching element of an electric vehicle, particularly a high-power uni / bipolar element.
[0004]
A conventional SiC power MOSFET structure is disclosed, for example, in the above-mentioned patent document. In this conventional SiC power MOSFET, the high concentration N + N on the SiC substrate A type SiC epitaxial region is formed. In a predetermined region in the surface layer portion of the epitaxial region, P Mold base region, and N + A mold source region is formed. Also, N A gate electrode is arranged on the type SiC epitaxial region via a gate insulating film, and the gate electrode is covered with an interlayer insulating film. P Mold base region and N + A source electrode is formed in contact with the mold source region, and N + A drain electrode is formed on the back surface of the type SiC substrate.
[0005]
The operation of this SiC power MOSFET is such that when a positive voltage is applied to the gate electrode while a voltage is applied between the drain electrode and the source electrode, the P An inversion type channel region is formed in the surface layer of the mold base region, and current can flow from the drain electrode to the source electrode. In addition, by removing the voltage applied to the gate electrode, the drain electrode and the source electrode are electrically insulated, and exhibit a switching function.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the SiC power MOSFET disclosed in the above patent document has the following problems. That is, an incomplete crystal structure, that is, a large amount of interface states exists at the interface between the gate insulating film and the inversion type channel region (see the above-mentioned non-patent document). For this reason, there is a problem that the mobility of carriers passing through the inversion type channel in the surface layer of the channel region formed by applying a voltage to the gate electrode is very small, and the channel resistance is large. If the channel length can be made shorter, the channel resistance itself becomes smaller. However, if the channel region is too short, punch-through may occur in the channel region when a high voltage is applied to the drain electrode with the gate electrode and the source electrode grounded, so that the actual channel length is formed to 1 μm or less. This is difficult, and as a result, there is a problem that the on-resistance of the SiC power MOSFET increases.
[0007]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described problems of the related art, and has as its object to provide a silicon carbide semiconductor device that is a high withstand voltage field effect transistor having low on-resistance.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention provides a first conductivity type drain region in a silicon carbide semiconductor substrate, a first conductivity type drift region connected to the drain region, and formed on the drift region, A second conductivity type hetero semiconductor region that is heterojunction with the silicon carbide semiconductor; a first conductivity type hetero semiconductor region connected to the second conductivity type hetero semiconductor region and not connected to the drift region; A gate insulating film formed on the surface of the hetero-type semiconductor region of the type and extending to the drift region and the hetero-type semiconductor region of the first conductivity type; a gate electrode formed on the gate insulating film; A drain electrode in contact therewith; and a source electrode in contact with the first conductivity type hetero semiconductor region.
[0009]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide a silicon carbide semiconductor device which is a high withstand voltage field effect transistor having low on-resistance.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings described below, those having the same functions are denoted by the same reference numerals, and repeated description thereof will be omitted.
[0011]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The polytype of silicon carbide (SiC) used in the present embodiment is typically 4H, but other polytypes such as 6H and 3C may be used. In addition, although an example in which polycrystalline silicon is used for the hetero semiconductor region has been described, the material for forming the hetero semiconductor region is not limited to this (details will be described later). Further, in this embodiment, the silicon carbide semiconductor device has a structure in which the drain electrode is formed on the back surface of the semiconductor substrate and the source electrode is arranged on the surface of the substrate and current flows vertically in the element. The present invention can also be applied to a silicon carbide semiconductor device having a structure in which a current flows in the lateral direction by arranging on the substrate surface in the same manner as the source electrode. In the present embodiment, for example, the configuration in which the drain region 10 is N-type has been described. However, the configuration may be such that the drain region 10 is P-type.
[0012]
Needless to say, the present invention includes modifications without departing from the gist of the present invention.
[0013]
Embodiment 1
FIG. 1 shows a first embodiment of a silicon carbide semiconductor device according to the present invention. N to be the drain region + N on the SiC substrate 10 The type epitaxial region 20 is stacked. A predetermined region on the epitaxial region 20 has P Form polycrystalline silicon layer 60 is formed. P The type polycrystalline silicon layer 60 and the epitaxial region 20 have a hetero junction, and an energy barrier 140 exists at the junction interface as shown in the energy band diagram of FIG. Also, N In a predetermined region on the p-type epitaxial region 20, P N connected to the polycrystalline silicon layer 60 + Form polycrystalline silicon layer 50 is formed. Furthermore, P Gate insulating film 30 is formed on the surface of type polycrystalline silicon layer 60. The gate insulating film 30 has at least the drift region 20 and N + It extends to the mold polycrystalline silicon layer 50. A gate electrode 40 is formed on the gate insulating film 30. N + Type polycrystalline silicon layer 50 is connected to source electrode 80. N + A drain electrode 90 is formed on the back surface of the type SiC substrate 10.
[0014]
This silicon carbide semiconductor device is used by grounding source electrode 80 and applying positive voltage Vd to drain electrode 90. At this time, if the gate electrode 40 is grounded, the characteristics of the element become P Bias characteristics of the heterojunction diode between the polysilicon layer 60 and the SiC epitaxial region 20.
[0015]
That is, a depletion layer extends toward the epitaxial region 20 according to the drain voltage Vd. On the other hand, P In the polycrystalline silicon layer 60, electrons as minority carriers cannot accumulate at the energy barrier 140 and accumulate at the junction interface. FIG. 14 shows this state. The lines of electric force corresponding to the depletion layer extending to the epitaxial region 20 end at the electron accumulation layer, and P The electric field is shielded on the type polycrystalline silicon layer 60 side. Therefore, P first The type polycrystalline silicon layer 60 does not cause a breakdown, and a current starts to flow from the drain electrode 90 to the source electrode 80 only when the drain voltage Vd reaches the predetermined voltage Vb.
[0016]
In the reverse bias characteristics of the heterojunction diode as described above, P Experiments have confirmed that a withstand voltage of 300 V or more can be ensured even when the thickness of the polycrystalline silicon layer 60 is reduced to, for example, about 200 °. Therefore, in the silicon carbide semiconductor device using the structure of the present invention, even if the thickness of hetero semiconductor region 60 is reduced, the above P On the side of the type polycrystalline silicon layer 60, there is no possibility of punch-through due to the effect of shielding the electric field, and the channel length can be reduced to at least the thickness of the hetero semiconductor region 60, for example, about 200 °. It is possible to do.
[0017]
On the other hand, when a positive voltage is applied to the gate electrode 40, P Type polycrystalline silicon layer 60 is in a strong inversion state and N + A mold layer is formed. Furthermore, P An electric field acts on the heterojunction interface between the polycrystalline silicon layer 60 and the SiC epitaxial region 20, and the concentration of the electric field reduces the thickness of the energy barrier formed by the heterojunction surface. FIG. 15 shows this state. The energy level shown by the dotted line is before the gate voltage is applied, and that of the solid line is after the gate voltage is applied. As a result, even if the drain voltage Vd is equal to or lower than the predetermined voltage Vb, a tunnel phenomenon occurs and current starts to flow.
[0018]
That is, the silicon carbide semiconductor device according to the present invention controls the current between drain electrode 90 and source electrode 80 by maintaining drain voltage Vd at Vb or lower and applying a positive voltage to gate electrode 40 in this state. Is what you do.
[0019]
That is, the silicon carbide semiconductor device of the first embodiment includes a first conductivity type drain region 10 in a silicon carbide semiconductor substrate, a first conductivity type drift region 20 formed to be connected to drain region 10, A second conductivity type hetero semiconductor region 60 formed in a predetermined region on the drift region 20 and heterojunction with the silicon carbide semiconductor, and formed to be connected to the second conductivity type hetero semiconductor region 60. Is formed on the surface of the first conductivity type hetero semiconductor region 50 and the second conductivity type hetero semiconductor region 60 which are not connected, and is formed at least to the drift region 20 and the first conductivity type hetero semiconductor region 50. A film 30, a gate electrode 40 formed on the gate insulating film 30, a drain electrode 90 in contact with the drain region 10, and a first conductive type hetero-half. Characterized in that a source electrode 80 in contact with the body region 50.
[0020]
Next, an example of a method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device of the first embodiment will be described with reference to the cross-sectional views of FIGS.
[0021]
First, in the step of FIG. + For example, when the impurity concentration is 10 14 -10 18 cm -3 , N having a thickness of 1 to 100 μm Type SiC epitaxial region 20 is formed.
[0022]
In the step of FIG. 10B, sacrificial oxidation is performed on the epitaxial region 20, and after removing the sacrificial oxide film, a CVD oxide film of, for example, about 0.01 to 10 μm is deposited and patterned to form an insulating film. 70 is formed.
[0023]
In the step of FIG. 10C, a polycrystalline silicon layer is deposited using a low pressure CVD method to a thickness of, for example, about 0.1 to 10 μm. Then, a desired impurity is introduced into this polycrystalline silicon layer, and P Type polycrystalline silicon layer 60, N + Form polycrystalline silicon layers 50 are formed. In this method, a highly doped depo film is deposited further on the deposited polycrystalline silicon layer, and impurities in the depo film are thermally diffused into the polycrystalline silicon layer by a heat treatment at about 600 to 1000 ° C. Alternatively, the impurity may be directly introduced into the polycrystalline silicon layer by ion implantation. In addition, in order to improve the mobility of carriers in the polycrystalline silicon layer, for example, the polycrystalline silicon layer may be annealed to increase the size of single-crystal or polycrystalline grains. Further, the polycrystalline silicon layer may be crystallized by irradiating the polycrystalline silicon layer with laser light.
[0024]
In the step of FIG. 10D, for example, a CVD oxide film is deposited to form a gate insulating film 30, and a polycrystalline silicon layer is again formed on the gate insulating film 30 to a thickness of, for example, about 0.1 to 10 μm by low pressure CVD. It is deposited using a method. Thereafter, desired impurities are introduced into the polycrystalline silicon layer 40, and patterning is performed to form the gate electrode 40.
[0025]
In the step of FIG. + A source electrode 80 is formed so as to be in contact with the mold polycrystalline silicon layer 50, a metal film is deposited as a drain electrode 90 on the back surface of the SiC substrate 10, and heat-treated at, for example, about 600 to 1300 ° C. to form an ohmic electrode.
[0026]
Thus, the silicon carbide semiconductor device shown in FIG. 1 is completed.
[0027]
In this silicon carbide semiconductor device, a high-speed / high-withstand-voltage switching element can be manufactured with a simple configuration by using a heterojunction between SiC and a hetero semiconductor. The junction interface between the hetero semiconductor region 60 where the channel is formed and the gate insulating film 30 has few levels, and carriers can pass through the channel without being affected by the interface level. Furthermore, even if the thickness of the hetero semiconductor region 60 serving as a channel is reduced, punch-through does not occur, and the channel length (from the drift region 20 to the hetero semiconductor region 50 of the first conductivity type, the second conductivity type hetero semiconductor region 50). Since the length of the semiconductor region 60 can be reduced to, for example, 200 °, the channel resistance can be significantly reduced.
[0028]
Further, in the present semiconductor device, introduction of impurities by high-energy ion implantation is not required in manufacturing a basic element structure. As a result, the impurity activation annealing at 1500 ° C. or higher, which also serves as the recovery of the crystallinity, is unnecessary, and the load on the manufacturing process can be reduced, and the deterioration of the surface morphology caused by the high-temperature annealing can be avoided.
[0029]
In the prior art of the above-mentioned patent document, P N for mold base area In order to form a deep diffusion region in the SiC epitaxial region, it is necessary to form a deep diffusion region. For that purpose, it is indispensable to introduce impurities by high-energy ion implantation. When high-energy ion implantation is performed, defects are generated in the SiC epitaxial region, which is likely to cause an increase in leak current. In addition, high-temperature annealing of, for example, 1500 ° C. or more is required to activate impurities that also serves to recover crystallinity, but there is a problem that surface morphology deteriorates after high-temperature annealing. According to the present invention, it is possible to solve such a problem and to provide a normally-off voltage-driven silicon carbide semiconductor device with a simple manufacturing process.
[0030]
Further, an insulating electric field relaxation layer 70 is formed on a part of the surface of the drift region 20 of the first conductivity type facing the gate electrode 40 via the gate insulating film 30. With such a structure, the electric field applied to the heterojunction between the hetero semiconductor region 60 and the drift region 20 (or the high-concentration semiconductor region 100) is reduced by the insulating electric field relaxation layer 70. In addition, the leakage current can be reduced.
[0031]
Further, the electric field applied to the gate insulating film 30 is reduced by the depletion layer extending from the junction interface between the insulating electric field alleviating layer 70 and the drift region 20 to the drift region 20, so that the reliability of the gate insulating film is improved.
[0032]
Furthermore, in this example, it is not necessary to introduce impurities by high-energy ion implantation, which is indispensable for forming the second conductivity type electric field relaxation region 110. As a result, it is not necessary to perform the impurity activation annealing at 1500 ° C. or higher that also serves to recover the crystallinity, so that the load on the manufacturing process can be reduced and the deterioration of the surface morphology caused by the high-temperature annealing can be avoided.
[0033]
Note that as a condition for forming a heterojunction with silicon carbide to function as a switching element, the band gap of the hetero semiconductor region needs to be smaller than the band gap of silicon carbide. Conversely, when the band gap of the hetero semiconductor region is larger than the band gap of silicon carbide, the two form a heterojunction but do not function as a switching element. Therefore, hetero semiconductor regions 60 and 50 that are heterojunction with the silicon carbide semiconductor are made of a semiconductor material having a smaller band gap than silicon carbide, and are made of, for example, at least one of single crystal silicon, amorphous silicon, and polycrystalline silicon. And That is, these materials have a smaller band gap than silicon carbide and form a heterojunction with silicon carbide. Therefore, in the silicon carbide semiconductor device according to the present invention, when these materials are used for the hetero semiconductor region, the above-described effects are easily obtained. In the case of single crystal silicon, amorphous silicon, or polycrystalline silicon, deposition on a silicon carbide substrate, or oxidation, patterning, selective etching, selective conductivity control, or the like is easy.
[0034]
Embodiment 2
FIG. 2 shows a second embodiment of the silicon carbide semiconductor device according to the present invention. The difference from the configuration shown in FIG. The region where the polycrystalline silicon layer 60 is adjacent to the gate insulating film 30 is + The high-concentration SiC region 100 is used.
[0035]
P N-type polycrystalline silicon layer + Heterojunction with the SiC region 100 + In addition to a large amount of carriers in the SiC region 100, + The extension of the depletion layer to the type SiC region 100 is reduced, and the thickness of the energy barrier is reduced. As a result, the tunnel current of the barrier can flow at a low gate voltage, and the control of the main current by the gate voltage becomes easy.
[0036]
That is, in the silicon carbide semiconductor device of the second embodiment, in addition to the effect described in the first embodiment, an effect that the controllability of the element main current by the gate voltage is improved. At this time, P Type polycrystalline silicon layer 60 and N + Although the breakdown voltage with the type SiC region 100 is low, N Since a depletion layer extends in the p-type epitaxial region 20, P Type polycrystalline silicon layer 60 and N + Since the electric field applied to the junction with the type SiC region 100 is shielded, a decrease in drain withstand voltage can be prevented. As described above, in the second embodiment, a portion of the first conductive type drift region 20 facing the gate electrode 40 via the gate insulating film 30 has the first conductive type having at least an impurity concentration higher than that of the drift region 20. A high-concentration semiconductor region 100 of the first conductivity type is formed, and the high-concentration semiconductor region 100 of the first conductivity type is in contact with the hetero semiconductor region 60 of the second conductivity type. As described above, by forming the first conductive type high-concentration semiconductor region 100 so as to be in contact with the hetero semiconductor region 60, the high-concentration semiconductor region 100 has a large amount of carriers, The extension of the depletion layer to the region 100 is reduced, and the thickness of the energy barrier is reduced. As a result, in addition to the above effects, a tunnel current of the barrier can be made to flow at a low gate voltage, and control of the main current by the gate voltage becomes easy.
[0037]
Embodiment 3
FIG. 3 shows a third embodiment of the silicon carbide semiconductor device according to the present invention. The difference in configuration from FIG. + In the portion of the SiC epitaxial region 20 below the p-type polysilicon layer 50, the P + That is, the SiC electric field relaxation region 110 is disposed.
[0038]
In this example, compared with the electric field shield by the field plate effect shown in the second embodiment, P + Type SiC electric field relaxation region 110 to N The depletion layer can be further extended to the type epitaxial region 20. For this reason, P Type polycrystalline silicon layer 60 and N + Since the electric field applied to the junction with the type SiC region 100 is shielded, a decrease in drain withstand voltage can be prevented.
[0039]
Further, since the electric field applied to the gate insulating film 30 is reduced, the reliability of the gate insulating film is improved.
[0040]
As described above, in the third embodiment, the second conductivity type electric field relaxation region 110 is formed on a part of the surface of the first conductivity type drift region 20 facing the gate electrode 40 via the gate insulating film 30. It is characterized by having been done. The second conductive type electric field relaxation region 110 can be designed so that the breakdown voltage of the element is determined by the reverse breakdown voltage of this region and the drift region 20 in the diode, so that a high breakdown voltage element is obtained.
[0041]
Also, the electric field applied to the gate insulating film 30 is reduced by the depletion layer extending from the junction interface between the electric field relaxation region 110 of the second conductivity type and the drift region 20 to the drift region 20, so that the reliability of the gate insulating film 30 is reduced. improves.
[0042]
In this example, P + Although the example in which the SiC electric field relaxation region 110 is connected to the source electrode 80 has been described, the connection may not be necessary.
[0043]
Embodiment 4
FIG. 4 shows a fourth embodiment of the silicon carbide semiconductor device according to the present invention. The difference from the configuration shown in FIG. + The point is that the insulating film 70 is formed in the groove 120 formed in the portion of the SiC epitaxial region 20 below the type polycrystalline silicon layer 50. By applying this example, N + The depletion layer can be extended from a deeper position with respect to the Type polycrystalline silicon layer 60 and N + The electric field applied to the junction with the type SiC region 100 is easily shielded. As a result, a decrease in drain withstand voltage can be effectively prevented. Further, since the electric field applied to the gate insulating film 30 is reduced, the reliability of the gate insulating film 30 is improved.
[0044]
In the fabrication of this example, unlike Embodiment 3, it is not necessary to introduce impurities by high-energy ion implantation. As a result, the impurity activation annealing at 1500 ° C. or higher, which also serves as the recovery of the crystallinity, is not required, and the load on the manufacturing process can be reduced, and the deterioration of the surface morphology caused by the high-temperature annealing can be avoided.
[0045]
Embodiment 5
FIG. 5 shows a fifth embodiment of the silicon carbide semiconductor device according to the present invention. N to be the drain region + N on the type SiC substrate 10 The type epitaxial region 20 is stacked. A groove 120 having a predetermined depth is formed in a predetermined region of the surface portion of the epitaxial region 20. Then, along the groove 120, P Form polycrystalline silicon layer 60 is formed. P The type polycrystalline silicon layer 60 and the SiC epitaxial region 20 have a heterojunction, and an energy barrier 140 exists at the junction interface as shown in the energy band diagram of FIG. Also, along the groove 120, N + Type polycrystalline silicon layer 50 is P It is stacked on the mold polycrystalline silicon layer 60.
[0046]
The gate electrode 40 is formed in the groove 120 with the gate insulating film 30 interposed therebetween. N + Type polycrystalline silicon layer 50 is connected to source electrode 80. N + A drain electrode 90 is formed on the back surface of the type SiC substrate 10.
[0047]
As described above, in the fifth embodiment, the first conductivity type drain region 10 in the silicon carbide semiconductor substrate, the first conductivity type drift region 20 formed to be connected to drain region 10, and drift region 20 A trench 120 formed in a predetermined region of the surface layer portion and having a predetermined depth, and a second conductivity type hetero semiconductor formed in a predetermined region on drift region 20 along trench 120 and heterojunction with the silicon carbide semiconductor A region 60, a first conductivity type hetero semiconductor region 50, which is also formed on the second conductivity type hetero semiconductor region 60 along the trench 120, and a gate insulating film 30 in the trench 120. The semiconductor device is provided with a gate electrode 40 to be filled, a drain electrode 90 in contact with the drain region 10, and a source electrode 80 in contact with the first conductivity type hetero semiconductor region 50.
[0048]
Therefore, in addition to the effects described in the first embodiment, the area efficiency of the device can be increased by the trench gate structure, and the on-resistance can be reduced and the device can be miniaturized. Further, since the second conductivity type hetero semiconductor region 60 and the first conductivity type hetero semiconductor region 50 can be stacked, the thickness of the second conductivity type hetero semiconductor region 60 can be easily reduced, and the channel length can be increased. This is an effective structure to shorten the length.
[0049]
Furthermore, by making the gate insulating film 30 orthogonal to the heterojunction interface direction, the length of the electric force lines from the gate electrode 40 to the heterojunction interface can be shortened. Therefore, the controllability of the thickness of the energy barrier by the electric field from the gate electrode 40 can be further improved. As a result, the tunnel current of the barrier can flow at a low gate voltage, and the control of the main current by the gate voltage becomes easy.
[0050]
The operation of the silicon carbide semiconductor device is basically the same as that of the first embodiment shown in FIG. That is, the source electrode 80 is grounded, and a positive voltage Vd is applied to the drain electrode 90 for use. At this time, if the gate electrode 40 is grounded, the characteristics of the device become P Bias characteristics of the heterojunction diode between the polysilicon layer 60 and the SiC epitaxial region 20.
[0051]
On the other hand, when a positive voltage is applied to the gate electrode 40, P Type polycrystalline silicon layer 60 is in a strong inversion state, and N + A mold layer is formed. Furthermore, P An electric field acts on the heterojunction interface between the polycrystalline silicon layer 60 and the SiC epitaxial region 20, and the concentration of the electric field reduces the thickness of the energy barrier formed by the heterojunction surface. As a result, even if the drain voltage Vd is equal to or lower than the predetermined voltage Vb, a tunnel phenomenon occurs and current starts to flow.
[0052]
There are two structural differences between the first embodiment shown in FIG. 1 and the fifth embodiment shown in FIG. The first is P Type polycrystalline silicon layer 60 and N + The point is that they are formed by laminating the type polycrystalline silicon layer 50. The second is P Type polycrystalline silicon layer 60 and N + The point is that a trench 120 penetrating the mold polycrystalline silicon layer 50 in the depth direction is formed, and a trench gate structure for forming the gate electrode 40 in the trench 120 is formed.
[0053]
By applying the trench gate structure in this example, the area efficiency of the device can be increased, the on-resistance can be reduced, and the device can be miniaturized. Also, P Type polycrystalline silicon layer 60 and N + Since the polycrystalline silicon layer 50 can be stacked, P It is easy to make the thickness of the polycrystalline silicon layer 60 thin, and this is an effective structure for shortening the channel length.
[0054]
Furthermore, by making the gate insulating film perpendicular to the heterojunction interface direction, the length of the line of electric force from the gate electrode to the heterojunction interface can be shortened. Therefore, the controllability of the thickness of the energy barrier by the electric field from the gate electrode can be further improved. As a result, the tunnel current of the barrier can flow at a low gate voltage, and the control of the main current by the gate voltage becomes easy.
[0055]
Next, an example of a method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device of the fifth embodiment will be described with reference to the cross-sectional views of FIGS.
[0056]
First, in the step of FIG. + For example, when the impurity concentration is 10 14 -10 18 cm -3 , N having a thickness of 1 to 100 μm Type SiC epitaxial region 20 is formed.
[0057]
In the step of FIG. 11B, sacrificial oxidation is performed on the epitaxial region 20, and after removing the sacrificial oxide film, the polycrystalline silicon layer is formed to a thickness of, for example, about 0.1 to 10 μm using a low pressure CVD method. accumulate. Then, a desired impurity is introduced into this polycrystalline silicon layer, and P The type polycrystalline silicon layer 60 is used. Next, the polycrystalline silicon layer is again formed to a thickness of about 0.1 to It is laminated on the mold polycrystalline silicon layer 60. At this time, desired impurities are introduced into the deposited polysilicon layer to + A type polycrystalline silicon layer 50 is formed.
[0058]
As a method for introducing a desired impurity into the polycrystalline silicon layer, a highly doped depot film is deposited on the deposited polycrystalline silicon layer, and the deposited film is heat-treated at about 600 to 1000 ° C. The impurities therein may be thermally diffused into the polycrystalline silicon layer, or the impurities may be directly introduced into the polycrystalline silicon layer by ion implantation. In addition, in order to improve the mobility of carriers in the polycrystalline silicon layer, for example, the polycrystalline silicon layer may be annealed to increase the size of single-crystal or polycrystalline grains. Further, the polycrystalline silicon layer may be crystallized by irradiating the polycrystalline silicon layer with laser light.
[0059]
In the step of FIG. + Type polycrystalline silicon layer 50 and P N through the polycrystalline silicon layer 60 in the depth direction. A groove 120 reaching the epitaxial region 20 and having a depth of, for example, 0.1 to 10 μm is formed.
[0060]
In the step of FIG. 11D, for example, a CVD oxide film is deposited to form a gate insulating film 30, and a polycrystalline silicon layer is again formed on the gate insulating film 30 to a thickness of, for example, about 0.1 to 10 μm by low pressure CVD. It is deposited using a method. Thereafter, desired impurities are introduced into this polycrystalline silicon layer. Next, the gate electrode 40 is formed in the groove 120 by patterning the polycrystalline silicon layer.
[0061]
In the step of FIG. + A source electrode 80 is formed so as to be in contact with the mold polycrystalline silicon layer 50, a metal film is deposited as a drain electrode 90 on the back surface of the SiC substrate 10, and heat-treated at, for example, about 600 to 1300 ° C. to form an ohmic electrode.
[0062]
Thus, the silicon carbide semiconductor device shown in FIG. 5 is completed.
[0063]
Embodiment 6
FIG. 6 shows a sixth embodiment of the silicon carbide semiconductor device according to the present invention. The difference in configuration from FIG. N in the portion of the SiC epitaxial region 20 under the type polycrystalline silicon layer 60 + That is, the type SiC region 100 is arranged.
[0064]
P N-type polycrystalline silicon layer + Heterojunction with the SiC region 100 + In addition to a large amount of carriers in the SiC region 100, + The extension of the depletion layer to the type SiC region 100 is reduced, and the thickness of the energy barrier is reduced. As a result, the tunnel current of the barrier can flow at a low gate voltage, and the control of the main current by the gate voltage becomes easy.
[0065]
That is, in the silicon carbide semiconductor device of the sixth embodiment, in addition to the effect described in the fifth embodiment, an effect that the controllability of the element main current by the gate voltage is improved.
[0066]
At this time, P Type polycrystalline silicon layer 60 and N + Although the breakdown voltage with the type SiC region 100 is low, N Since a depletion layer extends in the p-type epitaxial region 20, P Type polycrystalline silicon layer 60 and N + Since the electric field applied to the junction with the type SiC region 100 is shielded, a decrease in drain withstand voltage can be prevented.
[0067]
Embodiment 7
FIG. 7 shows a seventh embodiment of the silicon carbide semiconductor device according to the present invention. The difference from the configuration in FIG. + That is, the SiC electric field relaxation region 110 is disposed.
[0068]
In this example, compared with the electric field shield by the field plate effect shown in the sixth embodiment, P + Type SiC electric field relaxation region 110 to N The depletion layer can be further extended to the type epitaxial region 20. For this reason, P Type polycrystalline silicon layer 60 and N + Since the electric field applied to the junction with the type SiC region 100 is shielded, a decrease in drain withstand voltage can be prevented.
[0069]
Further, the electric field applied to the gate insulating film 30 at the bottom of the trench 120 is reduced, so that the reliability of the gate insulating film is improved.
[0070]
In this example, P + Type SiC electric field relaxation region 110 may be connected to source electrode 80 in a depth direction (not shown).
[0071]
Embodiment 8
FIG. 8 shows an eighth embodiment of the silicon carbide semiconductor device according to the present invention. N to be the drain region + N on the type SiC substrate 10 The type epitaxial region 20 is stacked. A groove 120 having a predetermined depth is formed in a predetermined region on the epitaxial region 20. Form polycrystalline silicon layer 60 is formed. P The type polycrystalline silicon layer 60 and the SiC epitaxial region 20 have a heterojunction, and an energy barrier 140 exists at the junction interface as shown in the energy band diagram of FIG. In addition, this P N through the polycrystalline silicon layer 60 + Form polycrystalline silicon layer 60 is formed. Furthermore, P Gate insulating film 30 is formed on the surface of type polycrystalline silicon layer 60. The gate insulating film 30 has at least the drift region 20 and N + It extends to the mold polycrystalline silicon layer 50. A gate electrode 40 is formed on the gate insulating film 30. N + Type polycrystalline silicon layer 50 is connected to source electrode 80. N + A drain electrode 90 is formed on the back surface of the type SiC substrate 10.
[0072]
That is, in the eighth embodiment, first conductivity type drain region 10 in the silicon carbide semiconductor substrate, first conductivity type drift region 20 formed to be connected to drain region 10, and surface layer of drift region 20. A trench 120 formed in a predetermined region of the portion and having a predetermined depth, a second conductivity type hetero semiconductor region 60 formed in trench 120 and heterojunction with the silicon carbide semiconductor, and a second conductivity type in trench 120 The first conductivity type hetero semiconductor region 50 formed via the hetero semiconductor region 60 and the second conductivity type hetero semiconductor region 60 are formed on the surface of at least the drift region 20 and the first conductivity type hetero semiconductor region. A gate insulating film 30 extending up to 50; a gate electrode 40 formed on the gate insulating film 30; a drain electrode 90 contacting the drain region 10; Characterized in that a source electrode 80 in contact with the hetero semiconductor region 50 to.
[0073]
Therefore, in addition to the effects described in the first embodiment, the electric field applied to the gate insulating film 30 is reduced by the hetero semiconductor region 60 in the trench 120, so that the reliability of the gate insulating film 30 is improved. In addition, by making the gate insulating film 30 perpendicular to the heterojunction interface direction, the length of the line of electric force from the gate electrode 40 to the heterojunction interface can be shortened. Therefore, the controllability of the thickness of the energy barrier by the electric field from the gate electrode 40 can be further improved. As a result, the tunnel current of the barrier can flow at a low gate voltage, and the control of the main current by the gate voltage becomes easy.
[0074]
The operation of the silicon carbide semiconductor device is basically the same as that of the first embodiment shown in FIG. That is, the source electrode 80 is grounded, and a positive voltage Vd is applied to the drain electrode 90 for use. At this time, if the gate electrode 40 is grounded, the characteristics of the device become P Bias characteristics of the heterojunction diode between the polysilicon layer 60 and the SiC epitaxial region 20.
[0075]
On the other hand, when a positive voltage is applied to the gate electrode 40, P Type polycrystalline silicon layer 60 is in a strong inversion state, and N + A mold layer is formed. Furthermore, P An electric field acts on the heterojunction interface between the polycrystalline silicon layer 60 and the SiC epitaxial region 20, and the concentration of the electric field reduces the thickness of the energy barrier formed by the heterojunction surface. As a result, even if the drain voltage Vd is equal to or lower than the predetermined voltage Vb, a tunnel phenomenon occurs and current starts to flow.
[0076]
The structural difference between the first embodiment shown in FIG. 1 and the fifth embodiment shown in FIG. 5 is that a groove 120 is formed and P The point is that the mold polycrystalline silicon layer 60 is formed.
[0077]
By applying the structure in this example, the electric field applied to the gate insulating film 30 is reduced by the hetero semiconductor region 60 in the trench 120, so that the reliability of the gate insulating film 30 is improved. In addition, by making the gate insulating film 30 perpendicular to the heterojunction interface direction, the length of the line of electric force from the gate electrode 40 to the heterojunction interface can be shortened. Therefore, the controllability of the thickness of the energy barrier by the electric field from the gate electrode 40 can be further improved. As a result, the tunnel current of the barrier can flow at a low gate voltage, and the control of the main current by the gate voltage becomes easy.
[0078]
Next, an example of a method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device of the eighth embodiment will be described with reference to the cross-sectional views of FIGS.
[0079]
First, in the step of FIG. + For example, when the impurity concentration is 10 14 -10 18 cm -3 , N having a thickness of 1 to 100 μm Type SiC epitaxial region 20 is formed.
[0080]
In the step of FIG. 12B, a groove 120 having a depth of, for example, 0.1 to 10 μm is formed.
[0081]
In the step shown in FIG. 12C, sacrificial oxidation is performed on the epitaxial region 20, and after removing the sacrificial oxide film, the polycrystalline silicon layer 60 is formed to a thickness of, for example, about 0.1 to 10 μm using a low pressure CVD method. Deposit. Then, a desired impurity is introduced into this polycrystalline silicon layer, and P Type polycrystalline silicon layer. In this method, a highly doped depo film is deposited further on the deposited polycrystalline silicon layer, and a heat treatment at about 600 to 1000 ° C. is performed to remove impurities in the depo film into the polycrystalline silicon layer. The impurity may be diffused or introduced directly into the polycrystalline silicon layer by ion implantation. In addition, in order to improve the mobility of carriers in the polycrystalline silicon layer, for example, the polycrystalline silicon layer may be annealed to increase the size of single-crystal or polycrystalline grains. Further, the polycrystalline silicon layer may be crystallized by irradiating the polycrystalline silicon layer with laser light.
[0082]
In the step of FIG. 12D, the polycrystalline silicon layer 60 is subjected to mechanical chemical polishing using, for example, a CMP method, and the polycrystalline silicon layer 60 is left inside the groove 120. Next, P in the groove 120 A predetermined impurity is introduced into a predetermined region of the polycrystalline silicon layer 60 to a predetermined depth, and N + A type polycrystalline silicon layer 50 is formed.
[0083]
In the step of FIG. 12E, for example, a CVD oxide film is deposited to form a gate insulating film 30, and a polycrystalline silicon layer is again formed on the gate insulating film 30 to a thickness of, for example, about 0.1 to 10. It is deposited using a method. After that, desired impurities are introduced into the polycrystalline silicon layer 40. Next, the gate electrode 40 is formed by patterning the polycrystalline silicon layer 40.
[0084]
In the step of FIG. + A source electrode 80 is formed so as to be in contact with the mold polycrystalline silicon layer 50, a metal film is deposited as a drain electrode 90 on the back surface of the SiC substrate 10, and heat-treated at, for example, about 600 to 1300 ° C. to form an ohmic electrode.
[0085]
Thus, the silicon carbide semiconductor device shown in FIG. 8 is completed.
[0086]
Embodiment 9
FIG. 9 shows a ninth embodiment of a silicon carbide semiconductor device according to the present invention. The difference from the configuration shown in FIG. 8 is that the SiC epitaxial region 20 under the gate insulating film has N + That is, the high-concentration SiC region 100 is disposed.
[0087]
P N-type polycrystalline silicon + Heterojunction with the SiC region 100 + In addition to a large amount of carriers in the SiC region 100, + The extension of the depletion layer to the type SiC region 100 is reduced, and the thickness of the energy barrier is reduced. As a result, the tunnel current of the barrier can flow at a low gate voltage, and the control of the main current by the gate voltage becomes easy.
[0088]
That is, in the silicon carbide semiconductor device of the ninth embodiment, in addition to the effect described in the eighth embodiment, an effect that the controllability of the element main current by the gate voltage is improved is obtained. At this time, P Type polycrystalline silicon layer 60 and N + Pressure resistance with the SiC region 100 is low, Type polycrystalline silicon layer 60 and N N from the junction interface of the epitaxial region 20 Since a depletion layer extends in the p-type epitaxial region 20, P Type polycrystalline silicon layer 60 and N + Since the electric field applied to the junction with the type SiC region 100 is shielded, a decrease in drain withstand voltage can be prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view showing Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view showing Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 4 is a sectional view showing a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a sectional view showing a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a sectional view showing a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a sectional view showing a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a sectional view showing Embodiment 8 of the present invention.
FIG. 9 is a sectional view showing a ninth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a sectional view showing a manufacturing process according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a sectional view showing a manufacturing process according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a sectional view showing a manufacturing process according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is an energy band diagram of Si and 4H—SiC.
FIG. 14 is an energy band diagram of Si and 4H-SiC (when a drain voltage is applied and a gate voltage is off).
FIG. 15 is an energy band diagram of Si and 4H-SiC (when a drain voltage is applied and a gate voltage is on).
[Explanation of symbols]
10 ... N + Type SiC substrate
20 ... N Type SiC epitaxial region (drift region)
30 ... Gate insulating film
40 ・ ・ ・ Gate electrode
50 ... N + Type polycrystalline silicon
60 ... P Type polycrystalline silicon
70 ... insulating film
80 Source electrode
90 ・ ・ ・ Drain electrode
100 ... N + Type SiC region
110 ... P + Type SiC region
120 ... groove
130 ... interlayer film
140 ... heterojunction barrier
150 ... P Type SiC region
160 ... N + Type SiC region (source region)
170 ・ ・ ・ Channel region

Claims (9)

炭化珪素半導体基体中の第1導電型のドレイン領域と、該ドレイン領域と接続されて形成される第1導電型のドリフト領域と、該ドリフト領域上の所定領域に形成され、炭化珪素半導体とヘテロ接合する第2導電型のヘテロ半導体領域と、該第2導電型のヘテロ半導体領域に接続するように形成され、前記ドリフト領域には接続されない第1導電型のヘテロ半導体領域と、前記第2導電型のヘテロ半導体領域の表面に形成され、少なくとも前記ドリフト領域及び前記第1導電型のヘテロ半導体領域まで延設されるゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極と、前記ドレイン領域に接触するドレイン電極と、前記第1導電型のへテロ半導体領域に接触するソース電極と、を備えたことを特徴とする炭化珪素半導体装置。A first conductivity type drain region in the silicon carbide semiconductor substrate, a first conductivity type drift region connected to the drain region, and a predetermined region on the drift region; A second conductivity type hetero semiconductor region to be joined; a first conductivity type hetero semiconductor region formed so as to be connected to the second conductivity type hetero semiconductor region and not connected to the drift region; A gate insulating film formed on the surface of the hetero semiconductor region of the type, extending at least to the drift region and the hetero semiconductor region of the first conductivity type; a gate electrode formed on the gate insulating film; A silicon carbide semiconductor device comprising: a drain electrode in contact with a drain region; and a source electrode in contact with the first conductivity type hetero semiconductor region. 炭化珪素半導体基体中の第1導電型のドレイン領域と、該ドレイン領域と接続されて形成される第1導電型のドリフト領域と、該ドリフト領域の表層部の所定領域に形成され、所定深さを有する溝と、該溝に沿って、前記ドリフト領域上の所定領域に形成され、炭化珪素半導体とヘテロ接合する第2導電型のヘテロ半導体領域と、同じく前記溝に沿って、前記第2導電型のヘテロ半導体領域上に積層されて形成される第1導電型のヘテロ半導体領域と、前記溝内にゲート絶縁膜を介して充填されるゲート電極と、前記ドレイン領域に接触するドレイン電極と、前記第1導電型のへテロ半導体領域に接触するソース電極と、を備えたことを特徴とする炭化珪素半導体装置。A first conductivity type drain region in the silicon carbide semiconductor substrate, a first conductivity type drift region connected to the drain region, and a predetermined depth formed in a predetermined region of a surface portion of the drift region; A second conductive type hetero semiconductor region formed along the groove in a predetermined region on the drift region and heterojunction with a silicon carbide semiconductor; and the second conductive A first conductivity type hetero semiconductor region formed by being stacked on the type hetero semiconductor region, a gate electrode filled in the trench via a gate insulating film, and a drain electrode contacting the drain region, A silicon carbide semiconductor device, comprising: a source electrode in contact with the first conductivity type hetero semiconductor region. 炭化珪素半導体基体中の第1導電型のドレイン領域と、該ドレイン領域と接続されて形成される第1導電型のドリフト領域と、該ドリフト領域の表層部の所定領域に形成され、所定深さを有する溝と、該溝内に形成され、炭化珪素半導体とヘテロ接合する第2導電型のヘテロ半導体領域と、前記溝内に前記第2導電型のヘテロ半導体領域を介して形成される第1導電型のヘテロ半導体領域と、前記第2導電型のヘテロ半導体領域の表面に形成され、少なくとも前記ドリフト領域及び前記第1導電型のヘテロ半導体領域まで延設されるゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極と、前記ドレイン領域に接触するドレイン電極と、前記第1導電型のへテロ半導体領域に接触するソース電極と、を備え
前記ヘテロ半導体領域と前記第 1 導電型のドリフト領域とのヘテロ接合がヘテロ接合ダイオードの逆バイアス特性となっていることを特徴とする炭化珪素半導体装置。
A first conductivity type drain region in the silicon carbide semiconductor substrate, a first conductivity type drift region connected to the drain region, and a predetermined depth formed in a predetermined region of a surface portion of the drift region; A second conductive type hetero semiconductor region formed in the groove and heterojunction with the silicon carbide semiconductor; and a first conductive type hetero semiconductor region formed in the groove via the second conductive type hetero semiconductor region. A conductive type hetero semiconductor region, a gate insulating film formed on the surface of the second conductive type hetero semiconductor region, and extending at least to the drift region and the first conductive type hetero semiconductor region; A gate electrode formed on the film, a drain electrode in contact with the drain region, and a source electrode in contact with the first conductivity type hetero semiconductor region ,
A silicon carbide semiconductor device , wherein a hetero junction between the hetero semiconductor region and the drift region of the first conductivity type has a reverse bias characteristic of a hetero junction diode .
前記ゲート電極にゲート絶縁膜を介して対向する前記第1導電型のドリフト領域の一部に、少なくとも前記ドリフト領域よりも不純物濃度が高い第1導電型の高濃度半導体領域が形成されており、該第1導電型の高濃度半導体領域が前記第2導電型のヘテロ半導体領域に接触していることを特徴とする請求項1または2記載の炭化珪素半導体装置。A part of the drift region of the first conductivity type facing the gate electrode via a gate insulating film, a high-concentration semiconductor region of the first conductivity type having an impurity concentration higher than at least the drift region is formed, 3. The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the first conductive type high-concentration semiconductor region is in contact with the second conductive type hetero semiconductor region. 4. 前記ゲート電極にゲート絶縁膜を介して対向する前記第The first electrode facing the gate electrode via a gate insulating film; 1One 導電型のドリフト領域の一部に、少なくとも前記ドリフト領域よりも不純物濃度が高い第At least part of the drift region of the conductivity type has an impurity concentration higher than that of the drift region. 1One 導電型の高濃度半導体領域が形成されており、該第A conductive high-concentration semiconductor region is formed, 1One 導電型の高濃度半導体領域が前記第The conductive type high concentration semiconductor region is 2Two 導電型のヘテロ半導体領域に接触していることを特徴とする請求項3記載の炭化珪素半導体装置。4. The silicon carbide semiconductor device according to claim 3, wherein said silicon carbide semiconductor device is in contact with a conductive type hetero semiconductor region. 前記ゲート電極にゲート絶縁膜を介して対向する前記第1導電型のドリフト領域の表面の一部に、第2導電型の電界緩和領域が形成されていることを特徴とする請求項1、2、4のいずれか記載の炭化珪素半導体装置。According to claim 1, wherein said part of said first conductivity type in a surface of the drift region through the gate insulating film for the gate electrode, the electric field relaxation region of the second conductivity type is formed 5. The silicon carbide semiconductor device according to any one of 4 . 前記ゲート電極にゲート絶縁膜を介して対向する前記第1導電型のドリフト領域の表面の一部に、絶縁電界緩和層が形成されていることを特徴とする請求項1、2、4のいずれか記載の炭化珪素半導体装置。Some of the first conductivity type in a surface of the drift region through the gate insulating film on the gate electrode, any of claim 1, 2, 4, wherein an insulating electric field relaxation layer is formed Or a silicon carbide semiconductor device according to any one of the preceding claims. 炭化珪素半導体とヘテロ接合する前記ヘテロ半導体領域が、炭化珪素よりもバンドギャップが小さい半導体材料よりなることを特徴とする請求項1乃至のいずれか記載の炭化珪素半導体装置。The hetero semiconductor region to the silicon carbide semiconductor and heterojunctions, the silicon carbide semiconductor device according to any one of claims 1 to 7, characterized by comprising a semiconductor material having a band gap smaller than the silicon carbide. 前記炭化珪素よりもバンドギャップが小さい半導体材料が単結晶シリコン、アモルファスシリコン、多結晶シリコンの少なくとも1つであることを特徴とする請求項記載の炭化珪素半導体装置。9. The silicon carbide semiconductor device according to claim 8, wherein the semiconductor material having a band gap smaller than that of silicon carbide is at least one of single crystal silicon, amorphous silicon, and polycrystalline silicon.
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