JP5346430B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.
本発明の背景となる従来技術として、下記特許文献1に記載の「高耐圧炭化珪素ダイオードおよびその製造方法」がある。
As a prior art which is the background of the present invention, there is a “high voltage silicon carbide diode and a manufacturing method thereof” described in
従来技術は、N+型の炭化珪素基板領域上にN−型のエピタキシャル領域が形成された半導体基体の一主面にN型の多結晶シリコン領域が接するように形成されており、エピタキシャル領域とN型の多結晶シリコン領域とはヘテロ接合をしている。また、N+型炭化珪素基板領域の裏面には裏面電極が形成されている。 The prior art is formed such that an N-type polycrystalline silicon region is in contact with one main surface of a semiconductor substrate in which an N − -type epitaxial region is formed on an N + -type silicon carbide substrate region. A heterojunction is formed with the N-type polycrystalline silicon region. A back electrode is formed on the back surface of the N + type silicon carbide substrate region.
上記のような構成の従来技術は、裏面電極をカソード、多結晶シリコン領域をアノードとして両方の間に電圧を印加すると、多結晶シリコン領域とエピタキシャル領域の接合界面において整流作用が生じ、ダイオード特性が得られる。 In the conventional technology configured as described above, when a voltage is applied between the back electrode as a cathode and the polycrystalline silicon region as an anode, a rectifying action occurs at the junction interface between the polycrystalline silicon region and the epitaxial region, and the diode characteristics are reduced. can get.
例えば、カソードを接地してアノードに正電位を印加した場合、ダイオードの順方向特性に相当する導通特性が、アノードに負電位を印加した場合、ダイオードの逆方向特性に相当する阻止特性が得られ、順方向特性並びに逆方向特性共に金属電極と半導体材料から構成されるショットキー接合のごとき特性を示す。 For example, when a positive potential is applied to the anode with the cathode grounded, a conduction characteristic corresponding to the forward characteristic of the diode is obtained, and when a negative potential is applied to the anode, a blocking characteristic corresponding to the reverse characteristic of the diode is obtained. In addition, the forward characteristics and the reverse characteristics are characteristics such as a Schottky junction composed of a metal electrode and a semiconductor material.
従来技術においては、多結晶シリコン領域の不純物濃度や導電型を変えることで、例えば所定の逆方向特性(及びそれに応じた順方向特性)を有するダイオードを任意に調整できるため、ショットキー接合によるダイオードに比べて、必要に応じて最適な耐圧系に調整できるという利点がある。
しかしながら、従来構造において、単に多結晶シリコンを用いてヘテロ接合を形成するだけでは、逆方向特性の漏れ電流特性がショットキー接合ダイオードと同様の傾向を示し、ショットキー接合とは異なる高い遮断性能や温度特性を引き出すことができないことに加えて、結晶粒界の存在から、逆方向動作時の漏れ電流特性を向上するにも限界があった。 However, in the conventional structure, simply forming a heterojunction using polycrystalline silicon shows a tendency similar to that of a Schottky junction diode in terms of reverse current leakage current characteristics. In addition to the inability to extract the temperature characteristics, there is a limit to improving the leakage current characteristics during reverse operation due to the presence of crystal grain boundaries.
本発明は、上記のような従来技術の問題を解決するためになされたものであり、逆方向動作時の漏れ電流特性を向上すると共に、さらに、製造方法が容易で順方向導通時の損失低減が可能な半導体装置とその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art, and improves leakage current characteristics during reverse operation, and further facilitates a manufacturing method and reduces loss during forward conduction. An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of performing the above and a manufacturing method thereof.
半導体基体と、前記半導体基体に接して前記半導体基体とはバンドギャップが異なったヘテロ半導体領域と、前記ヘテロ半導体領域に接続されたアノード電極と、前記半導体基体にオーミック接続されたカソード電極とを有する2端子の半導体装置において、前記ヘテロ半導体領域が、少なくとも2層間の境界において結晶の配列が不連続となる複数の半導体層が積層されてなる積層ヘテロ半導体領域を有する。 A semiconductor substrate; a hetero semiconductor region in contact with the semiconductor substrate and having a different band gap from the semiconductor substrate; an anode electrode connected to the hetero semiconductor region; and a cathode electrode ohmically connected to the semiconductor substrate. in the second semiconductor device of the terminal for the hetero semiconductor region, that have a layered hetero semiconductor region in which a plurality of semiconductor layers arranged in the crystal is discontinuous in at least two layers of the boundary are stacked.
上記ヘテロ半導体領域が、少なくとも2層間の境界において結晶の配列が不連続となる複数の半導体層が積層されてなる積層構造を有する半導体装置を構成することにより、逆方向動作時の漏れ電流特性を向上すると共に、さらに、製造方法が容易で順方向導通時の損失低減が可能な半導体装置とその製造方法を提供することが可能となる。 By forming a semiconductor device in which the hetero semiconductor region has a stacked structure in which a plurality of semiconductor layers in which the crystal arrangement is discontinuous at the boundary between at least two layers are stacked, leakage current characteristics during reverse operation can be obtained. In addition to the improvement, it is possible to provide a semiconductor device that can be manufactured easily and can reduce loss during forward conduction, and a method for manufacturing the same.
本発明に係る半導体装置の特徴と効果の概要は以下の通りである。 An outline of features and effects of the semiconductor device according to the present invention is as follows.
半導体基体の最上層であるエピタキシャル領域がN型の場合には、エピタキシャル領域と接する、積層ヘテロ半導体領域の最下層をP+型とし、全域空乏化しない構成とすることで漏れ電流を低減している。また、漏れ電流の発生する割合が小さいエピタキシャル領域の特性を生かすために、積層ヘテロ半導体領域最下層の不純物濃度を所定の濃度としている。 When the epitaxial region that is the uppermost layer of the semiconductor substrate is N-type, the lowermost layer of the stacked hetero semiconductor region that is in contact with the epitaxial region is made P + -type so that the entire region is not depleted to reduce leakage current. . Further, in order to take advantage of the characteristics of the epitaxial region where the rate of occurrence of leakage current is small, the impurity concentration in the lowermost layer of the stacked hetero semiconductor region is set to a predetermined concentration.
さらに、以下の実施の形態においては、多数の結晶粒からなる多結晶シリコンを用いつつも、積層ヘテロ半導体領域でヘテロ接合ダイオードを形成しているため、N型のエピタキシャル領域にとって多数キャリアとなる伝導電子がアノード電極(第一の電極)から、多結晶シリコンの結晶粒界を介しての供給を低減することができ、さらに、漏れ電流が発生しにくい構造となっている。 Furthermore, in the following embodiments, since the heterojunction diode is formed in the laminated hetero semiconductor region while using polycrystalline silicon composed of a large number of crystal grains, the conduction that becomes the majority carrier for the N-type epitaxial region. It is possible to reduce the supply of electrons from the anode electrode (first electrode) through the grain boundary of polycrystalline silicon, and further, a structure in which leakage current is difficult to occur.
このように構成することで、ヘテロ接合ダイオードにアノード/カソード間に逆バイアスを印加した場合に、積層ヘテロ半導体領域最下層からの電子の供給が劇的に減るため、漏れ電流が大きく減少する。 With this configuration, when a reverse bias is applied between the anode and the cathode of the heterojunction diode, the supply of electrons from the lowermost layer of the stacked hetero semiconductor region is dramatically reduced, so that the leakage current is greatly reduced.
以下に、実施の形態例によって、本発明の詳細を説明する。 Details of the present invention will be described below with reference to embodiments.
[第1の実施の形態]
図1は本発明による半導体装置の第1の実施の形態を示している。本実施の形態においては、炭化珪素を基板材料とした半導体装置を一例として説明する。
[First Embodiment]
FIG. 1 shows a first embodiment of a semiconductor device according to the present invention. In this embodiment, a semiconductor device using silicon carbide as a substrate material will be described as an example.
例えば、炭化珪素のポリタイプが4HタイプのN+型である基板領域1上にN−型のエピタキシャル領域2が形成されている。基板領域1とエピタキシャル領域2との接合体が第一導電型の半導体基体であり、この場合の第一導電型はN型である。
For example, an N− type
基板領域1としては、例えば抵抗率が数mΩcmから数十mΩcm、厚さが50〜400μm程度のものを用いることができる。
As the
エピタキシャル領域2としては、例えばN型の不純物濃度が1015〜1018cm−3、厚みが数μm〜数十μmのものを用いることができるが、本実施の形態では、不純物濃度が1016cm−3、厚みが10μmのものを用いた場合で説明する。
As the
なお、本実施の形態では、一例として、基板領域1上にエピタキシャル領域2を形成した基板で説明するが、抵抗率の大きさを相応として、基板領域1のみで形成した基板を、第一導電型の半導体基体として、使用してもかまわない。
In the present embodiment, as an example, a substrate having an
エピタキシャル領域2の基板領域1との接合面に対向する主面(第一導電型の半導体基体の一主面)に接するように、最下層半導体層である最下層ヘテロ半導体領域3が堆積されている。本実施の形態では、一例として、最下層ヘテロ半導体領域3が炭化珪素よりもバンドギャップの小さい多結晶シリコンからなる場合を示している。エピタキシャル領域2と最下層ヘテロ半導体領域3の接合部は、炭化珪素と多結晶シリコンとのバンドギャップが異なる材料によるヘテロ接合からなっており、その接合界面にはエネルギー障壁が存在している。
The lowermost
さらに、本実施の形態においては、最下層半導体層である最下層ヘテロ半導体領域3(最下層多結晶シリコン層)に積層するように、最上層半導体層である、多結晶シリコンからなる最上層ヘテロ半導体領域4(最上層多結晶シリコン層)が形成されている。このように、本実施の形態においては、2層の半導体層である、最下層ヘテロ半導体領域3と最上層ヘテロ半導体領域4とが積層されて、積層ヘテロ半導体領域6が形成され、この積層ヘテロ半導体領域6がヘテロ半導体領域としての役割を果たしているが、例えば、図2に示すように、最下層ヘテロ半導体領域3と最上層ヘテロ半導体領域4の層間に、半導体層である中間層ヘテロ半導体領域5(中間層多結晶シリコン層)が単数もしくは複数形成されて、積層ヘテロ半導体領域6が形成されていても良い。
Further, in the present embodiment, the uppermost heterogeneous layer made of polycrystalline silicon, which is the uppermost semiconductor layer, is stacked on the lowermost layer heterosemiconductor region 3 (lowermost layer polycrystalline silicon layer) which is the lowermost layer semiconductor layer. Semiconductor region 4 (uppermost polycrystalline silicon layer) is formed. Thus, in the present embodiment, the lowermost
最下層ヘテロ半導体領域3も最上層ヘテロ半導体領域4も、共に、多結晶シリコンからなっているので、この2層間の境界において結晶の配列が不連続となっている。このような結晶の配列が不連続となることは、以下の実施の形態においても同様に、積層ヘテロ半導体領域6の構成要素であるヘテロ半導体領域層の少なくとも1層が多結晶層である限り、実現する。さらに一般に、積層ヘテロ半導体領域6の構成要素であるヘテロ半導体領域層の全てがエピタキシャル成長層である場合を除いて、2層間の境界において、このような結晶の配列が不連続となることが実現する。
Since the lowermost
本実施の形態の説明においては、最下層ヘテロ半導体領域3及び最上層ヘテロ半導体領域4には不純物が導入されており、ここでは、第二導電型であるP型高濃度(P+型)にドープ(不純物導入)されている。
In the description of the present embodiment, impurities are introduced into the lowermost
本実施の形態においては、最上層ヘテロ半導体領域4の上面には第一の電極8が、基板領域1の下面側には第二の電極8が形成されている。第一の電極7は最上層ヘテロ半導体領域4と、第二の電極8は基板領域1と、それぞれ、オーミック接続しており、例えば、金属材料としては、第一の電極7がTi(チタン)とその上にAl(アルミニウム)を堆積したもの等を、第二の電極8がTi(チタン)とその上にNi(ニッケル)を堆積したもの等を、それぞれ、用いることができる。このように、本実施の形態では第一の電極7をアノード電極、第二の電極8をカソード電極とした縦型のダイオードを構成する場合について説明する。
In the present embodiment, a
なお、本実施の形態においては、その特徴である積層ヘテロ半導体領域6を形成した効果について、説明を判りやすくするために、図1のように各領域が層状に堆積されている構成で説明するが、図3〜図6に示すように、外周や内部に他の構造があっても良い。例えば、図3や図4のように、積層ヘテロ半導体領域6の端部への電界集中を防止するために、例えばP型領域として電界緩和領域9(図3)が形成されていても良いし、積層ヘテロ半導体領域6の端部が例えば酸化膜からなる絶縁領域10(図4)に乗り上げていてもよい。もちろん、図5のように、電界緩和領域5と絶縁領域10の両方が形成されていても良い。また、図6のように、低抵抗で導通するために、例えばN型領域からなる導通領域11が形成されていても良い。
In the present embodiment, the effect of forming the stacked
次に、図1に示した本発明の第1の実施の形態による炭化珪素半導体装置の製造方法の一例を、図9を用いて説明する。 Next, an example of a method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG.
(1)まず、図9の(a)に示すように、例えば、N+型の基板領域1の上にN−型のエピタキシャル領域2をエピタキシャル成長させて形成したN型の炭化珪素半導体基体を用いる。
(1) First, as shown in FIG. 9A, for example, an N type silicon carbide semiconductor substrate formed by epitaxially growing an N −
(2)次に、図9の(b)に示すように、例えば、LP−CVD法により一層目の多結晶シリコンを堆積した後、例えば、BBr3雰囲気中にて、ボロンドーピングを行い、P型の最下層ヘテロ半導体領域3を形成する。なお、最下層ヘテロ半導体領域3は、電子ビーム蒸着法やスパッタ法などで堆積した後にレーザーアニールなどで再結晶化させて形成しても良いし、例えば分子線エピタキシーなどでヘテロエピタキシャル成長させた単結晶シリコンで形成しても構わない。また、ドーピングには、イオン注入と注入後の活性化熱処理との組み合わせを用いても構わない。
(2) Next, as shown in FIG. 9B, for example, after depositing a first layer of polycrystalline silicon by LP-CVD, boron doping is performed in, for example, a BBr 3 atmosphere, and P The lowermost
(3)さらに、図9の(c)に示すように、最下層ヘテロ半導体領域3上に、例えば、LP−CVD法により二層目の多結晶シリコンを堆積した後、例えばBBr3雰囲気中にて、ボロンドーピングを行い、P型の最上層ヘテロ半導体領域4を形成する。なお、最上層ヘテロ半導体領域4は、こちらも、電子ビーム蒸着法やスパッタ法などで堆積した後にレーザーアニールなどで再結晶化させて形成しても良いし、例えば、分子線エピタキシーなどでヘテロエピタキシャル成長させた単結晶シリコンで形成しても構わない。また、ドーピングには、イオン注入と注入後の活性化熱処理との組み合わせを用いても構わない。このようにして、複数の多結晶シリコン層を積層する工程によって、積層ヘテロ半導体領域6が形成される。
(3) Further, as shown in FIG. 9C, after depositing a second layer of polycrystalline silicon on the lowermost
(4)そして、図9の(d)に示すように、必要に応じて、フォトリソグラフィとエッチングによりマスク材を形成し、例えば反応性イオンエッチング(ドライエッチング)により、積層ヘテロ半導体領域6を所定の形状に整形し、裏面側に相当する基板領域1には例えば、チタン(Ti)、ニッケル(Ni)からなる第二の電極8を形成し、表面側に相当する最上層ヘテロ半導体領域4上には、チタン(Ti)、アルミニウム(Al)を順に堆積することで第一の電極7を形成し、図1に示した本発明の第1の実施の形態による半導体装置を完成させる。
(4) Then, as shown in FIG. 9 (d), a mask material is formed by photolithography and etching as necessary, and the laminated
以上のように、本実施の形態の半導体装置は、従来からある製造技術で容易に実現することが可能である。 As described above, the semiconductor device of this embodiment can be easily realized by a conventional manufacturing technique.
次に、本実施の形態の動作について説明する。 Next, the operation of the present embodiment will be described.
第二の電極8をカソード電極、第一の電極7をアノード電極として、両方の間に電圧を印加すると、最下層ヘテロ半導体領域3とエピタキシャル領域2の接合界面において整流作用が生じ、ダイオード特性が得られる。
When a voltage is applied between the
まず、カソード電極を接地電位とし、アノード電極に正電位を印加すると、順方向電流が流れる。このときの順方向特性はショットキー接合ダイオードと同様である。つまり、順方向特性はヘテロ接合部からエピタキシャル領域2並びに最下層ヘテロ半導体領域3にそれぞれ広がる内蔵電位の和から決まる電圧降下で、順方向電流を流すことができる。
First, when the cathode electrode is set to the ground potential and a positive potential is applied to the anode electrode, a forward current flows. The forward characteristics at this time are the same as those of the Schottky junction diode. That is, the forward characteristic can flow a forward current with a voltage drop determined by the sum of the built-in potentials extending from the heterojunction portion to the
次に、カソード電極を接地電位としアノード電極に負電位を印加すると、本実施の形態における逆方向特性は、ショットキー接合ダイオードとは異なる漏れ電流特性を示す。これは、本発明の構成では、後述するように、PN接合ダイオードに見られるような所定の電界下で発生するキャリアによる漏れ電流特性が優勢になるぐらい、ヘテロ接合界面のヘテロ障壁を介して生じる漏れ電流を大幅に低減することができるからである。 Next, when the cathode electrode is set to the ground potential and a negative potential is applied to the anode electrode, the reverse characteristic in the present embodiment shows a leakage current characteristic different from that of the Schottky junction diode. In the configuration of the present invention, as will be described later, this occurs through a hetero barrier at the heterojunction interface so that leakage current characteristics due to carriers generated under a predetermined electric field as seen in a PN junction diode become dominant. This is because the leakage current can be greatly reduced.
以下に、逆方向特性について詳細に説明する。 Hereinafter, the reverse characteristics will be described in detail.
ショットキー接合ダイオードの逆方向特性は、半導体材料の電子親和力とショットキー金属の仕事関数の差によって形成されるショットキー障壁の高さでほぼ一義的に決まる。しかし、従来構造や本実施の形態におけるヘテロ接合ダイオードでは、大きく分けて、3つの要素で逆方向特性が決まる。1つめは、ショットキー接合と同様に、それぞれの半導体材料の電子親和力の差によって形成されたヘテロ障壁の高さによって決定される逆阻止能力である。2つめは、漏れ電流の起源となる多数キャリアの発生源によって決まる漏れ電流供給能力である。3つめは、ヘテロ接合ダイオードに印加された電圧が、各々の半導体材料の誘電率や不純物濃度によって双方の半導体材料への電位分配が決まる耐圧保持能力である。 The reverse characteristics of the Schottky junction diode are determined almost uniquely by the height of the Schottky barrier formed by the difference between the electron affinity of the semiconductor material and the work function of the Schottky metal. However, in the conventional structure and the heterojunction diode in the present embodiment, the reverse characteristics are largely determined by three elements. The first is the reverse blocking capability determined by the height of the heterobarrier formed by the difference in electron affinity of each semiconductor material, similar to the Schottky junction. The second is a leakage current supply capability determined by the generation source of majority carriers that is the source of the leakage current. The third is a withstand voltage holding capability in which the voltage applied to the heterojunction diode determines the potential distribution to both semiconductor materials depending on the dielectric constant and impurity concentration of each semiconductor material.
1つめの逆阻止能力は、本実施の形態の場合、炭化珪素からなるエピタキシャル領域2並びにシリコンからなる最下層ヘテロ半導体領域3の各々の半導体材料によってほぼ決まる。
In the present embodiment, the first reverse blocking capability is substantially determined by the semiconductor materials of the
次に、2つめの漏れ電流供給能力としては、従来構造に比べて格段に小さくなっており、N型のエピタキシャル領域2にとって多数キャリアとなる伝導電子が積層ヘテロ半導体領域6で発生しにくいように、伝導電子の発生起源を抑える構成となっている。すなわち、積層ヘテロ半導体領域6をP型で形成し、かつ、積層ヘテロ半導体領域6が全域空乏化しないような不純物濃度や厚みなどで構成されている。前者に関しては、積層ヘテロ半導体領域6自体が伝導電子の供給源にならないことに寄与しており、後者に関しては、積層ヘテロ半導体領域6が全域空乏化して例えば第一の電極7からの伝導電子の供給が行われないように働く。
Next, the second leakage current supply capability is remarkably smaller than that of the conventional structure so that conduction electrons that become majority carriers for the N-
さらに、本実施の形態においては、多数の結晶粒からなる多結晶シリコンからなるヘテロ半導体領域を積層した積層ヘテロ半導体領域6でヘテロ接合ダイオードを形成しているため、N型のエピタキシャル領域2にとって多数キャリアとなる伝導電子がアノード電極から、多結晶シリコンの結晶粒界を介しての供給を低減することができる。これは、図12に示した積層ヘテロ半導体領域6を構成する多結晶シリコンのモデルで説明できる。図12において、基板領域である炭化珪素半導体41に最下層多結晶シリコン42を形成すると、所定の大きさのシリコン粒が堆積される。さらに、最下層多結晶シリコン42上に最上層多結晶シリコン43を形成すると、最下層多結晶シリコン42の粒間に生じる最下層多結晶シリコンの結晶粒界44とは異なる任意の位置に最上層多結晶シリコンの結晶粒界45が形成される。この現象は、図15に示すように、本発明の発明者が実験にて確認しており、図15の断面TEM写真から判るように、最下層多結晶シリコン層と最上層多結晶シリコン層のそれぞれの結晶粒界は連続していないことがわかる。
Further, in the present embodiment, the heterojunction diode is formed by the laminated
このように、アノード電極である第一の電極7と接する最上層ヘテロ半導体領域4とエピタキシャル領域2に接する最下層ヘテロ半導体領域3のそれぞれの結晶粒界が連続しないため、従来構造に比べて、結晶粒界を介した伝導電子の流れを低減でき、さらに漏れ電流を低減できる。
Thus, since the respective crystal grain boundaries of the uppermost hetero semiconductor region 4 in contact with the
なお、本実施の形態においては、一例として、最下層多結晶シリコン42上に最上層多結晶シリコン43が形成された、共に多結晶シリコンからなる場合で説明しているが、図13で示した、炭化珪素半導体51上に最下層多結晶シリコン52が形成され、さらにその上に最上層単結晶シリコン53が形成されていても、最下層多結晶シリコンの結晶粒界54は最上層単結晶シリコン53には伸びることがなく、図12に示した場合と同様の効果が得られる。
In the present embodiment, as an example, the case where the uppermost
また、図14に示すように、炭化珪素半導体61上に最下層単結晶シリコン62が形成され、さらにその上に最上層多結晶シリコン63が形成された場合においても、最下層単結晶シリコン62の内部に生じる結晶欠陥64と最上層多結晶シリコン63中に生じる結晶粒界65が連続しないため、やはり同様の効果が得られる。
As shown in FIG. 14, even when lowermost single-
3つめの耐圧保持能力という観点では、バンドギャップが狭い半導体材料側(ここでは最下層ヘテロ半導体領域3側)での所定の電界下で発生するキャリアを抑制する効果を有しており、例えば最下層ヘテロ半導体領域3をP+型とすることで、アバランシェ降伏が起こりにくい構造となっている。
From the viewpoint of the third capability of withstanding voltage, it has the effect of suppressing carriers generated under a predetermined electric field on the semiconductor material side (here, the lowermost
以上、説明したように、本実施の形態においては、エピタキシャル領域2がN型の場合には、最下層ヘテロ半導体領域3をP+型とし、全域空乏化しない構成とすることで漏れ電流を低減している。また、漏れ電流の発生する割合が小さいエピタキシャル領域2の特性を生かすために、最下層ヘテロ半導体領域3の不純物濃度を高濃度としている。
As described above, in the present embodiment, when the
さらに、本実施の形態においては、多数の結晶粒からなる多結晶シリコンを用いつつも、積層ヘテロ半導体領域6でヘテロ接合ダイオードを形成しているため、N型のエピタキシャル領域2にとって多数キャリアとなる伝導電子がアノード電極から、多結晶シリコンの結晶粒界を介して、供給される量を低減することができ、さらに、漏れ電流が発生しにくい構造となっている。
Further, in the present embodiment, the heterojunction diode is formed in the stacked
このように構成することで、ヘテロ接合ダイオードにアノード/カソード間に逆バイアスを印加した場合に、最下層ヘテロ半導体領域3からの電子の供給が劇的に減るため、漏れ電流が大きく減少する。
With this configuration, when a reverse bias is applied between the anode and the cathode of the heterojunction diode, the supply of electrons from the lowermost
[第2の実施の形態]
上記第1の実施の形態においては、最下層ヘテロ半導体領域3と最上層ヘテロ半導体領域4が共にP+型の場合で説明してきたが、本実施の形態は、最下層ヘテロ半導体領域3が最上層ヘテロ半導体領域4よりも不純物濃度が小さいP−型の場合であり、これについても、同じく図1を用いて説明する。
[Second Embodiment]
In the first embodiment, description has been given in the case where both the lowermost
このような構成にすることによって、次のような効果を得ることができる。すなわち、カソード電極である第二の電極8を接地電位とし、アノード電極である第一の電極7に正電位を印加すると、順方向電流が流れる。このときの順方向特性はショットキー接合ダイオードと同様であるが、本実施の形態においては、最下層ヘテロ半導体領域3をP−型としていることで、上記第1の実施の形態で示したP+型の場合に比べて、低い電圧降下で順方向電流を流すことができる。このことから、順方向に電流が流れる場合の損失を低減することができる。
By adopting such a configuration, the following effects can be obtained. That is, when the
また、カソード電極を接地電位としアノード電極に負電位を印加した場合でも、逆方向特性の3つの要素であるヘテロ障壁の高さによって決定される逆阻止能力、漏れ電流の起源となる多数キャリアの発生源によって決まる漏れ電流供給能力、双方の半導体材料への電位分配が決まる耐圧保持能力を有しているため、低い漏れ電流特性を示す。 Moreover, even when a negative potential is applied to the anode electrode with the cathode electrode as the ground potential, the reverse blocking ability determined by the height of the heterobarrier, which is the three elements of the reverse characteristics, the majority carriers that cause the leakage current Since it has a leakage current supply capability determined by the generation source and a withstand voltage holding capability determined by potential distribution to both semiconductor materials, it exhibits low leakage current characteristics.
また、本実施の形態においても、アノード電極である第一の電極7と接する最上層ヘテロ半導体領域4とエピタキシャル領域2に接する最下層ヘテロ半導体領域3のそれぞれの結晶粒界が連続しないため、結晶粒界を介した伝導電子を低減でき、さらに漏れ電流を低減できる。なお、本実施の形態においても、第1の実施の形態と同様に、基本構造を変形した図2〜図6のような構成をしていても一向に構わない。
Also in the present embodiment, the crystal grain boundaries of the uppermost hetero semiconductor region 4 in contact with the
次に、本実施の形態における、特に特徴的な製造方法について、その一例を図9を用いて説明する。 Next, an example of a particularly characteristic manufacturing method in the present embodiment will be described with reference to FIG.
(1)まず、図9の(a)に示すように、第1の実施の形態と同様に、例えば、N+型の基板領域1の上にN−型のエピタキシャル領域2をエピタキシャル成長させて形成したN型の炭化珪素半導体基体を用いる。
(1) First, as shown in FIG. 9A, as in the first embodiment, for example, an N −
(2)次に、図9の(b)に示すように、例えば、LP−CVD法により一層目の多結晶シリコン(最下層ヘテロ半導体領域3)を堆積した後、
(3)さらに、図9の(c)に示すように、最下層ヘテロ半導体領域3上に、例えばLP−CVD法により二層目の多結晶シリコン(最上層ヘテロ半導体領域4)を堆積する。その後、例えばボロンを用いて、二層目の多結晶シリコン層(最上層ヘテロ半導体領域4)にイオン注入ドーピングを行い、所定の活性化熱処理を行う。すると、図16に示す、本発明の発明者による実験の結果によって明らかなように、二層目の多結晶シリコン層と一層目の多結晶シリコン層の接合部を境に不純物濃度が不連続になる(深さ1μm付近に位置する接合部を挟んで層中の不純物濃度が異なっている)。このように、P−型の最下層ヘテロ半導体領域3と最上層ヘテロ半導体領域4を、ドーピング工程の前に、一括して形成し、1回のドーピングによって、複数層への不純物導入を行うことができる。このことから、製造工程を簡略化し、低コストで製造することが可能となる。このようにして形成された、最下層ヘテロ半導体領域3と最上層ヘテロ半導体領域4との間の境界においては、図16に示されるように、不純物の濃度が不連続となっている。
(2) Next, as shown in FIG. 9B, for example, after depositing the first layer of polycrystalline silicon (lowermost hetero semiconductor region 3) by LP-CVD,
(3) Further, as shown in FIG. 9C, a second layer of polycrystalline silicon (uppermost hetero semiconductor region 4) is deposited on the lowermost
本実施の形態が第2の実施の形態と大きく異なる点は、最上層ヘテロ半導体領域4へ不純物を導入する工程によって、最上層ヘテロ半導体領域4へ不純物を導入すると共に、最上層ヘテロ半導体領域4へも不純物を導入する点にある。さらに一般に、最下層多結晶シリコン層上、もしくは、前記最下層多結晶シリコン層上に積層された単層または複層の中間層多結晶シリコン層上に最上層多結晶シリコン層を形成し、前記最上層多結晶シリコン層に所定の濃度の不純物を導入する過程で、前記最下層多結晶シリコン層にも、前記所定の濃度とは異なる濃度の不純物を導入することができる。 The present embodiment is greatly different from the second embodiment in that impurities are introduced into the uppermost hetero semiconductor region 4 by the step of introducing impurities into the uppermost hetero semiconductor region 4 and the uppermost hetero semiconductor region 4. The point is to introduce impurities. More generally, the uppermost polycrystalline silicon layer is formed on the lowermost polycrystalline silicon layer or on the single-layered or multi-layered intermediate polycrystalline silicon layer laminated on the lowermost polycrystalline silicon layer, In the process of introducing an impurity with a predetermined concentration into the uppermost polycrystalline silicon layer, an impurity with a concentration different from the predetermined concentration can be introduced into the lowermost polycrystalline silicon layer.
(4)最後に、第1の実施の形態と同様に、図9の(d)に示すように、必要に応じて、フォトリソグラフィとエッチングによりマスク材を形成し、例えば、反応性イオンエッチング(ドライエッチング)により、積層ヘテロ半導体領域6を所定の形状に整形し、裏面側に相当する基板領域1には、例えば、チタン(Ti)、ニッケル(Ni)からなる第二の電極8を形成し、表面側に相当する最上層ヘテロ半導体領域4上には、チタン(Ti)、アルミニウム(Al)を順に堆積することで第一の電極7を形成し、図1に示した本発明の第1の実施の形態による半導体装置を完成させる。
(4) Finally, as in the first embodiment, as shown in FIG. 9D, a mask material is formed by photolithography and etching as necessary, for example, reactive ion etching ( The stacked
以上のように、本実施の形態の半導体装置はオン損失を低減し、かつ製造工程を簡略化することができる。 As described above, the semiconductor device of this embodiment can reduce on-loss and simplify the manufacturing process.
[第3の実施の形態]
上記第1の実施の形態においては、最下層ヘテロ半導体領域3と最上層ヘテロ半導体領域4が共にP+型である場合、上記第2の実施の形態においては、最下層ヘテロ半導体領域3が最上層ヘテロ半導体領域4よりも不純物濃度が小さいP−型ある場合について、それぞれ、説明してきたが、本実施の形態においては、最下層ヘテロ半導体領域3が、図7に示すように、P+型の第一の最下層ヘテロ半導体領域23とP−型の第二の最下層ヘテロ半導体領域24とで構成された場合について説明する。
[Third Embodiment]
In the first embodiment, when both the lowermost
図7において、例えば、炭化珪素のポリタイプが4HタイプのN+型である基板領域21上に、N−型のエピタキシャル領域22が形成されている。なお、本実施の形態においても、一例として、基板領域21上にエピタキシャル領域22を形成した基板で説明するが、相応の抵抗率の大きさをもつ基板領域21のみで形成した基板を使用してもかまわない。
In FIG. 7, for example, an N−
エピタキシャル領域22の基板領域21との接合面に対向する主面に接するように、P+型の第一の最下層ヘテロ半導体領域23とP−型の第二の最下層ヘテロ半導体領域24が形成されている。本実施の形態においても、第一の最下層ヘテロ半導体領域23並びに第二の最下層ヘテロ半導体領域24は炭化珪素よりもバンドギャップの小さい多結晶シリコンからなる場合を示している。さらに、第一の最下層ヘテロ半導体領域23並びに第二の最下層ヘテロ半導体領域上に積層するように、P+型の多結晶シリコンからなる最上層ヘテロ半導体領域25が形成されている。本実施の形態においても、2層からなるヘテロ半導体領域26を例示しているが、第1の実施の形態で示した図2のように、ヘテロ半導体領域26は3層以上で形成されていても良い。
A P + type first lowermost
さらに、最上層ヘテロ半導体領域25の上面には第一の電極28が、基板領域21の下面側には第二の電極28が形成されている。第一の電極27は最上層ヘテロ半導体領域25と、第二の電極28は基板領域21とそれぞれオーミック接続している。なお、本実施の形態においても、その特徴である積層ヘテロ半導体領域26を形成した効果について説明を判りやすくするために基本的な構造で説明するが、第1の実施の形態において図3〜図6に例示したように、外周や内部に他の構造が付加されていても良い。
Further, a
次に、図7に示した本発明の第3の実施の形態による炭化珪素半導体装置の製造方法の一例を、第1の実施の形態と同様の工程と異なる工程のみ、図10を用いて説明する。 Next, an example of a method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the third embodiment of the present invention shown in FIG. 7 will be described with reference to FIG. 10 only in steps different from the steps similar to those in the first embodiment. To do.
(1)まず、図10の(a)に示すように、N+型の基板領域21の上にN−型のエピタキシャル領域22をエピタキシャル成長させて形成したN型の炭化珪素半導体基体上に堆積させた一層目の多結晶シリコン層に、所定のフォトリソグラフィとエッチングにより形成したマスク材を用いて、例えばイオン注入法を用いて、それぞれ所定の間隔で所定濃度のボロンドーピングを行い、P+型の第一の最下層ヘテロ半導体領域23とP−型の第二の最下層ヘテロ半導体領域24を形成する。
(1) First, as shown in FIG. 10A, an N−
(2)さらに、図10の(b)に示すように、P+型の第一の最下層ヘテロ半導体領域23とP−型の第二の最下層ヘテロ半導体領域24上に、二層目の多結晶シリコンを堆積した後、同様に例えばイオン注入法を用いてボロンドーピングを行い、P型の最上層ヘテロ半導体領域25を形成する。また、所定の活性化熱処理を行った後に、裏面側に相当する基板領域21には例えば、チタン(Ti)、ニッケル(Ni)からなる第二の電極28を形成し、表面側に相当する最上層ヘテロ半導体領域25上には、チタン(Ti)、アルミニウム(Al)を順に堆積することで第一の電極27を形成し、図7に示した本発明の第3の実施の形態による半導体装置を完成させる。
(2) Further, as shown in FIG. 10B, a second layer of multi-layers is formed on the P + type first lowermost
以上のように、本実施の形態の半導体装置は従来からある製造技術で容易に実現することが可能である。 As described above, the semiconductor device of this embodiment can be easily realized by a conventional manufacturing technique.
このような構成にすることによって、次のような効果を得ることができる。 By adopting such a configuration, the following effects can be obtained.
カソード電極である第二の電極28を接地電位としアノード電極である第一の電極27に正電位を印加すると、順方向特性においては、ショットキー接合ダイオードのごとく動作するが、本実施の形態においては、第二の最下層ヘテロ半導体領域24がP−型となっていることで、上記第1の実施の形態で示したP+型の場合に比べて、低い電圧降下で順方向電流を流すことができる。このことから、順方向に電流が流れる場合の損失を低減することができる。
When the
一方、カソード電極を接地電位としアノード電極に負電位を印加した場合でも、逆方向特性の3つの要素であるヘテロ障壁の高さによって決定される逆阻止能力、漏れ電流の起源となる多数キャリアの発生源によって決まる漏れ電流供給能力、双方の半導体材料への電位分配から決まる耐圧保持能力を有しているため、低い漏れ電流特性を示す。 On the other hand, even when the cathode electrode is grounded and a negative potential is applied to the anode electrode, the reverse blocking ability determined by the height of the heterobarrier, which is the three elements of the reverse characteristics, the majority carriers that cause the leakage current Since it has a leakage current supply capability determined by the generation source and a withstand voltage holding capability determined by potential distribution to both semiconductor materials, it exhibits low leakage current characteristics.
また、本実施の形態においても、アノード電極である第一の電極27と接する最上層ヘテロ半導体領域25とエピタキシャル領域22に接する第一の最下層ヘテロ半導体領域23並びに第二の最下層ヘテロ半導体領域24のそれぞれ結晶粒界が連続しないため、結晶粒界を介した伝導電子を低減でき、さらに漏れ電流を低減できる。
Also in the present embodiment, the uppermost
さらに、本実施の形態においては、第2の実施の形態とは異なり、エピタキシャル領域22とヘテロ接合を形成するP+型の第一の最下層ヘテロ半導体領域23が低抵抗であるため、アノード電極の電位が所定以上に負電位が印加された場合に生じるアバランシェ降伏時に速やかに発生した正孔を、第一の最下層ヘテロ半導体領域23並びに最上層ヘテロ半導体領域25を介して第一の電極7に排出することができるため、アバランシェ降伏時の破壊耐性を向上させることができる。
Furthermore, in the present embodiment, unlike the second embodiment, the P + type first lowermost
このように本実施の形態の半導体装置はオン損失を低減し、かつ逆方向動作時の破壊耐性を向上させることができる。 As described above, the semiconductor device of this embodiment can reduce on-loss and improve breakdown resistance during reverse operation.
[第4の実施の形態]
上記第3の実施の形態においては、一層目の多結晶シリコン層に2つの不純物濃度で所定の間隔に導入することにより、第一の最下層ヘテロ半導体領域23並びに第二の最下層ヘテロ半導体領域24を形成した場合を説明してきたが、本実施の形態においては、図8に示すように、P−型の最下層ヘテロ半導体領域33とP+型の最上層ヘテロ半導体領域35が共に、エピタキシャル領域32に接する場合について説明する。
[Fourth Embodiment]
In the third embodiment, the first lowermost
このような構成にすることによって、次のような効果を得ることができる。 By adopting such a configuration, the following effects can be obtained.
カソード電極である第二の電極38を接地電位とし、アノード電極である第一の電極37に正電位を印加した順方向動作時は、主に第一の電極37とオーミック接合している最上層へテロ半導体領域35を介して、P−型の最下層ヘテロ半導体領域33とエピタキシャル領域32とのヘテロ接合に順方向電流が流れるため、上記第3の実施の形態と同様に、低い電圧降下で電流を流すことができる。このことから、順方向に電流が流れる場合の損失を低減することができる。
The uppermost layer that is mainly in ohmic contact with the
一方、カソード電極を接地電位とし、アノード電極に負電位を印加した場合でも、本実施の形態は、逆方向特性の3つの要素であるヘテロ障壁の高さによって決定される逆阻止能力、漏れ電流の起源となる多数キャリアの発生源によって決まる漏れ電流供給能力、双方の半導体材料への電位分配+決まる耐圧保持能力を有しているため、上記第3の実施の形態と同様に、低い漏れ電流特性を示す。 On the other hand, even when the cathode electrode is set to the ground potential and a negative potential is applied to the anode electrode, the present embodiment has a reverse blocking capability and a leakage current determined by the height of the heterobarrier, which are three elements of the reverse characteristics. The leakage current supply capability determined by the majority carrier generation source, the potential distribution to both semiconductor materials + the withstand voltage holding capability determined, so that the low leakage current is the same as in the third embodiment. Show properties.
さらに、本実施の形態においては、エピタキシャル領域32とヘテロ接合を形成するP+型の最上層ヘテロ半導体領域35が直接接しているため、アノード電極の電位が所定値以上に負電位になった場合に生じるアバランシェ降伏時に、発生した正孔を速やかに、最上層ヘテロ半導体領域35のみを介して第一の電極37に排出することができるため、アバランシェ降伏時の破壊耐性をさらに向上させることができる。
Furthermore, in the present embodiment, since the P + type uppermost
また、製造工程に関して、特徴的な工程のみ図11に示すように、
(1)まず、図11の(a)に示したように、N+型の基板領域31並びにN−型のエピタキシャル領域32からなるN型の炭化珪素半導体基体上に堆積させた一層目の多結晶シリコン層を、所定のフォトリソグラフィとエッチングにより形成したマスク材を用いて、例えば反応性イオンエッチング(ドライエッチング)により所定の形状に整形し、
(2)さらに、図11の(b)に示したように、二層目の多結晶シリコンを堆積した後、イオン注入法を用いてボロンドーピングを行い、所定の活性化熱処理を行う。すると、図16に示す、本発明の発明者が実験した結果によって明らかなように、二層目の多結晶シリコン層と一層目の多結晶シリコン層の接合部を境に不純物濃度が不連続になる。このように、P−型の最下層ヘテロ半導体領域33と最上層ヘテロ半導体領域35を同時に形成することができる。このことから、製造工程を簡略化し、低コストで製造することが可能となる。その後、裏面側に相当する基板領域31には、例えば、チタン(Ti)、ニッケル(Ni)からなる第二の電極38を形成し、表面側に相当する最上層ヘテロ半導体領域35上には、チタン(Ti)、アルミニウム(Al)を順に堆積することで第一の電極37を形成し、図8に示した本発明の第4の実施の形態による半導体装置を完成させる。
As for the manufacturing process, only the characteristic process is shown in FIG.
(1) First, as shown in FIG. 11A, a first-layer polycrystal deposited on an N-type silicon carbide semiconductor substrate including an N + -
(2) Further, as shown in FIG. 11B, after depositing a second layer of polycrystalline silicon, boron doping is performed using an ion implantation method, and a predetermined activation heat treatment is performed. Then, as is apparent from the results of experiments by the inventors of the present invention shown in FIG. 16, the impurity concentration becomes discontinuous at the junction between the second polycrystalline silicon layer and the first polycrystalline silicon layer. Become. In this way, the P − type lowermost
さらに一般に、最上層多結晶シリコン層形成工程を実行する前に、最下層多結晶シリコン層を所定のマスクパターンを用いて選択的にエッチングした後、前記最上層多結晶シリコン層形成工程を実行して、半導体基体に直接、もしくは、単層または複層の中間層多結晶シリコン層を介して接するように前記最上層多結晶シリコン層を形成するができる。 More generally, before performing the uppermost polycrystalline silicon layer forming step, the lowermost polycrystalline silicon layer is selectively etched using a predetermined mask pattern, and then the uppermost polycrystalline silicon layer forming step is performed. Thus, the uppermost polycrystalline silicon layer can be formed so as to be in contact with the semiconductor substrate directly or via a single-layer or multi-layer intermediate polycrystalline silicon layer.
以上のように、上記実施の形態の半導体装置は破壊耐量をさらに向上することが可能であると共に、製造工程を簡略化して実現することが可能である。 As described above, the semiconductor device of the above embodiment can further improve the breakdown tolerance and can be realized by simplifying the manufacturing process.
なお、上記実施の形態においても、第1の実施の形態で説明したのと同様に、基本構造を変形した図2〜図6に対応する構成を有していても一向に構わない。 In the above-described embodiment, as described in the first embodiment, the configuration corresponding to FIGS. 2 to 6 in which the basic structure is modified may be used.
[第5の実施の形態]
図17は、本発明に係る半導体装置が、ゲート電極を有し、電界効果トランジスタとして機能する場合の、半導体装置の断面図を示したものである。図において、高濃度のN型の炭化珪素基板71上に炭化珪素基板71より不純物濃度が低いN型の炭化珪素エピタキシャル層72を形成してなる半導体基体100の第一主面側の所定領域には電界緩和領域73が形成されている。また、半導体基体100の第一主面側の所定領域には、ヘテロ接合を形成し且つ炭化珪素とバンドギャップの異なるN型の多結晶シリコン層80、81が積層されたヘテロ半導体領域74が形成されている。多結晶シリコン層80、81が、それぞれ、ヘテロ半導体領域74の最下層半導体層、最上層半導体層に該当している。ゲート電極76が、ヘテロ半導体領域74と半導体基体100との接合部にゲート絶縁膜75を介して接するように形成されている。ヘテロ半導体領域74に接続するように第一の電極であるソース電極77が形成され、半導体基体100にオーミック接続するように第二の電極であるドレイン電極78が形成されている。また、ソース電極77とゲート電極76は層間絶縁膜90によって電気的に絶縁されている。なお、図17には図示していないが、電界緩和領域73とソース電極77は紙面奥行き方向で接触している。
[Fifth Embodiment]
FIG. 17 is a cross-sectional view of a semiconductor device when the semiconductor device according to the present invention has a gate electrode and functions as a field effect transistor. In the figure, in a predetermined region on the first main surface side of a
以下、本発明の実施形態における半導体装置を製造する方法を図18の(A)から図19の(F)までを用いて説明する。 Hereinafter, a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図18の(A)に示すように、高濃度のN型の炭化珪素基板71上に炭化珪素基板71より不純物濃度が低いN型の炭化珪素エピタキシャル層72を形成した半導体基体100を用意する。その後、所定の領域に電界緩和領域73を形成する。電界緩和領域73には、例えばP型の炭化珪素や絶縁層を用いることができる。
As shown in FIG. 18A, a
次に、図18の(B)に示すように、例えばCVD法などにより多結晶シリコン層80/アモルファスシリコン層82/多結晶シリコン層81の順に堆積温度を連続的に変化させて連続で堆積する。このときの堆積温度条件は、例えば、多結晶シリコン層80、81の堆積温度は620℃、アモルファスシリコン層82の堆積温度は520℃である。また、各々の膜厚は、例えば、多結晶シリコン層80、81が約200Å、アモルファスシリコン層82が5000Åである。このように、堆積温度を連続的に変化させ、各層を連続して形成することによって、図に示すような積層構造を容易に形成することができる。
Next, as shown in FIG. 18B, for example, the
次に、図18の(C)に示すように、窒素雰囲気中で熱処理を行い、上下の多結晶シリコン層81、80をシード層にして、アモルファスシリコン層82中に固相結晶成長を起こさせ、アモルファスシリコン層82を固相結晶成長によって結晶化させる。このとき、上下の多結晶シリコン層81、80から固相成長した結晶粒(グレイン)は、アモルファスシリコン層82の中間で、ぶつかり合い、図に示すような2層の多結晶シリコン層81、80が積層された構造を有するヘテロ半導体領域74が形成される。さらに、この2つの多結晶シリコン層81、80の間に結晶粒の配列が不連続となる部分が形成される。
Next, as shown in FIG. 18C, heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere, and the upper and lower polycrystalline silicon layers 81 and 80 are used as seed layers to cause solid-phase crystal growth in the
このような工程を経ると、各層毎に堆積を行って、結晶粒の配列が不連続となる部分を形成する場合と異なり、連続して各層を形成するため、各層の表層が大気に暴露されることがなく、結晶粒の配列が不連続となる部分に自然酸化膜が形成されたり、不純物が付着することが生じない。 Through these steps, the surface layer of each layer is exposed to the atmosphere in order to form each layer continuously, unlike the case where each layer is deposited to form a discontinuous portion of the crystal grain arrangement. Therefore, a natural oxide film is not formed in a portion where the arrangement of crystal grains is discontinuous or impurities are not attached.
ここでは、固相成長を行う前におけるヘテロ半導体領域74の層構造が、多結晶シリコン層80/アモルファスシリコン層82/多結晶シリコン層81となる場合を説明しているが、それ以外の層数の場合も同様な工程で構わない。例えば、図20に示すように、半導体基体100の炭化珪素エピタキシャル層72の上に、アモルファスシリコン層82/多結晶シリコン層81の順に堆積し、その後、熱処理を行ってアモルファスシリコン層82中に固相結晶成長を起こさせ、アモルファスシリコン層82を固相結晶成長によって結晶化させても良い。この場合、多結晶シリコン層81とアモルファスシリコン層82との界面では、多結晶シリコン層81をシード層にしてアモルファスシリコン層82中に固相結晶成長が起こるが、炭化珪素エピタキシャル層72とアモルファスシリコン層82との界面では、ランダムに発生する結晶核を基にアモルファスシリコン層82の結晶化が進行し、多結晶シリコン層80に相当する層が形成される。この場合も、上下から成長した結晶粒がぶつかり合い、結晶粒の配列が不連続となる部分が形成される。
Although the case where the layer structure of the
次に、複数の多結晶シリコン層80、81からなるヘテロ半導体領域74へ砒素をイオン注入し、活性化熱処理を行い、N型にする。なお、不純物導入法は、イオン注入以外にも拡散法などを用いてもよい。その後、図19の(D)に示すように、フォトリソグラフィとエッチングにより、ヘテロ半導体領域74をパターニングする。
Next, arsenic is ion-implanted into the
次に、ゲート絶縁膜75を堆積し、さらにゲート電極76となるアルミニウムを堆積した後、図19の(E)に示すように、フォトリソグラフィとエッチングにより、アルミニウムをパターニングし、ゲート電極76を形成する。
Next, after depositing a
次に、層間絶縁膜90を堆積した後、フォトリソグラフィとエッチングによりコンタクトホールを開孔し、ヘテロ半導体領域74に接するようにソース電極77を形成する。また、炭化珪素基板71に接するようにドレイン電極78を形成して、図19の(F)に示すように、本発明の実施形態による半導体装置を完成させる。
Next, after the
このように製造した半導体装置の具体的な半導体素子としての動作について説明する。 The operation of the semiconductor device thus manufactured as a specific semiconductor element will be described.
本素子はソース電極77を接地し、ドレイン電極78に正のドレイン電圧を印加して使用する。この際にゲート電極76が接地されていると、ヘテロ接合界面におけるエネルギーバリアによって電子の移動が遮られるため、ソース電極77とドレイン電極78との間に電流は流れず遮断状態となる。また、ソース電極77・ドレイン電極78間に高電圧が印加された場合、ヘテロ接合界面のヘテロ半導体領域74側に形成される蓄積層に電界が終端されてヘテロ半導体領域74はブレークダウンを生じないことに加えて、電界緩和領域73によってヘテロ接合界面に印加される電界が緩和されるため、高いソース電極77・ドレイン電極78間の耐圧を確保できる。
This device is used by grounding the
さらに、第1ないし第4の実施の形態と同様に、多結晶シリコン層80、81からなり、層間で結晶の配列が不連続となっているヘテロ半導体領域74を有しているため、単層の多結晶シリコンをヘテロ半導体領域74に用いた場合と比較すると、さらに逆方向リーク電流を低減することが可能である。
Further, similar to the first to fourth embodiments, since it has the
次に、ゲート電極76に然るべき正の電圧を印加すると、ゲート絶縁膜75に隣接したヘテロ半導体領域74、及び炭化珪素エピタキシャル層72に電子が蓄積され、その結果、所定のドレイン電圧でソース電極77とドレイン電極78との間に電流が流れる。すなわち導通状態となる。
Next, when an appropriate positive voltage is applied to the
さらに、ゲート電極76に印加している正の電圧を取り除くと、ゲート絶縁膜75に隣接したヘテロ半導体領域74、及び炭化珪素エピタキシャル層72に電子の蓄積層がなくなり、ヘテロ接合界面におけるエネルギーバリアによって電子は遮られ遮断状態となる。
Further, when the positive voltage applied to the
本実施の形態における半導体装置は、図3に示した半導体装置の積層ヘテロ半導体領域6と第一の電極7とを部分的に除去し、その除去箇所にゲート絶縁膜75とゲート電極76とを設け、積層ヘテロ半導体領域6と半導体基体との接合部にゲート絶縁膜75を介してゲート電極76が接するようにしてなる構造を有する。これと同様にして、図1、2、4、5、6、7、8に示した半導体装置の積層ヘテロ半導体領域6、26、36と第一の電極7、27、37とを部分的に除去し、その除去箇所にゲート絶縁膜75とゲート電極76とを設け、積層ヘテロ半導体領域6、26、36と半導体基体との接合部にゲート絶縁膜75を介してゲート電極76が接するようにしてなる構造を有する半導体装置を構成することができる。この場合に、基板領域1、21、31が炭化珪素基板71に相当し、エピタキシャル領域2、22、32が炭化珪素エピタキシャル層72に相当し、最下層ヘテロ半導体領域3、23、24、33が多結晶シリコン層80に相当し、最上層ヘテロ半導体領域4、25、35が多結晶シリコン層81に相当し、積層ヘテロ半導体領域6、26、36がヘテロ半導体領域74に相当し、第一の電極7、27、37がソース電極77に相当し、第二の電極8、28、38がドレイン電極78に相当する。
In the semiconductor device according to the present embodiment, the stacked
また、第1ないし第4の実施の形態において、積層ヘテロ半導体領域6、26、36を製作する場合に、本実施の形態における、多結晶シリコン層80または81とアモルファスシリコン層82とが相接する構造を形成した後、アモルファスシリコン層82中の固相結晶成長によって、アモルファスシリコン層82を結晶化させる方法を適用することができる。
In the first to fourth embodiments, when the stacked
以上、全ての実施の形態において、炭化珪素(SiC)を半導体基体材料とした半導体装置を一例として説明したが、半導体基体材料はヘテロ半導体領域の材料と異なる材料であれば、GaN、ダイヤモンド、シリコン、SiGeなど、その他の半導体材料でもかまわない。 As described above, in all the embodiments, the semiconductor device using silicon carbide (SiC) as the semiconductor base material has been described as an example. However, if the semiconductor base material is different from the material of the hetero semiconductor region, GaN, diamond, silicon Other semiconductor materials such as SiGe may also be used.
また、全ての実施の形態において、炭化珪素のポリタイプとして4Hタイプを用いて説明したが、6H、3C等その他のポリタイプでも構わない。 In all the embodiments, the 4H type is used as the polytype of silicon carbide, but other polytypes such as 6H and 3C may be used.
また、積層ヘテロ半導体領域の半導体層の材料に関しては、基板材料とヘテロ接合を形成する材料であれば、単結晶シリコン、アモルファスシリコン、多結晶シリコン、GaAs、Ge、SiGeなど、いずれかから成っていても良い。 As for the material of the semiconductor layer in the stacked hetero semiconductor region, it is made of any of single crystal silicon, amorphous silicon, polycrystalline silicon, GaAs, Ge, SiGe, etc. as long as it is a material that forms a heterojunction with the substrate material. May be.
また、全ての実施の形態において、第二の電極8(第5の実施の形態においてはドレイン電極78)と第一の電極7(第5の実施の形態においてはソース電極77)とをエピタキシャル領域2(第5の実施の形態においてはエピタキシャル層72)を挟んで対向するように配置し、電流を縦方向に流す所謂縦型構造のダイオード(第5の実施の形態においてはトランジスタ)で説明してきたが、例えば、第二の電極8(第5の実施の形態においてはドレイン電極78)と第一の電極7(第5の実施の形態においてはソース電極77)とを同一主面上に配置し、電流を横方向に流す所謂横型構造のダイオード(第5の実施の形態においてはトランジスタ)であってもかまわない。
In all the embodiments, the second electrode 8 (the
また、上記実施の形態においては、最下層ヘテロ半導体領域3(第5の実施の形態においては多結晶シリコン層80)、最上層ヘテロ半導体領域4(第5の実施の形態においては多結晶シリコン層81)に用いる材料として多結晶シリコンを用いた例で説明したが、炭化珪素とヘテロ接合を形成する材料であればどの材料でもかまわない。
In the above embodiment, the lowermost hetero semiconductor region 3 (
また、一例として、エピタキシャル領域2としてN型の炭化珪素を、最下層ヘテロ半導体領域3としてP型の多結晶シリコンを用いて説明しているが、それぞれ、N型の炭化珪素とN型の多結晶シリコン、P型の炭化珪素とP型の多結晶シリコン、P型の炭化珪素とN型の多結晶シリコンの如何なる組み合わせでもよい。すなわち、第一導電型はN型であってもP型であってもよい。
In addition, as an example, N-type silicon carbide is used as the
さらに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。 Further, it goes without saying that modifications are included within the scope not departing from the gist of the present invention.
1:基板領域、2:エピタキシャル領域、3:最下層ヘテロ半導体領域、4:最上層ヘテロ半導体領域、5:中間層ヘテロ半導体領域、6:積層ヘテロ半導体領域、7:第一の電極、8:第二の電極、9:電界緩和領域、10:絶縁領域、11:導通領域、21:基板領域、22:エピタキシャル領域、23:第一の最下層ヘテロ半導体領域、24:第二の最下層ヘテロ半導体領域、25:最上層ヘテロ半導体領域、26:積層ヘテロ半導体領域、27:第一の電極、28:第二の電極、31:基板領域、32:エピタキシャル領域、33:最下層ヘテロ半導体領域、35:最上層ヘテロ半導体領域、36:積層ヘテロ半導体領域、37:第一の電極、38:第二の電極、41:炭化珪素半導体、42:最下層多結晶シリコン、43:最上層多結晶シリコン、44:最下層多結晶シリコンの結晶粒界、45:最上層多結晶シリコンの結晶粒界、51:炭化珪素半導体、52:最下層多結晶シリコン、53:最上層単結晶シリコン、54:最下層多結晶シリコンの結晶粒界、61:炭化珪素半導体、62:最下層単結晶シリコン、63:最上層多結晶シリコン、64:結晶欠陥、65:結晶粒界、71:炭化珪素基板、72:炭化珪素エピタキシャル層、73:電界緩和領域、74:ヘテロ半導体領域、75:ゲート絶縁膜、76:ゲート電極、77:ソース電極、78:ドレイン電極、80、81:多結晶シリコン層、82:アモルファスシリコン層、90:層間絶縁膜、100:半導体基体。 1: substrate region, 2: epitaxial region, 3: lowermost hetero semiconductor region, 4: uppermost hetero semiconductor region, 5: intermediate hetero semiconductor region, 6: stacked hetero semiconductor region, 7: first electrode, 8: Second electrode, 9: electric field relaxation region, 10: insulating region, 11: conduction region, 21: substrate region, 22: epitaxial region, 23: first lowermost hetero semiconductor region, 24: second lowermost hetero Semiconductor region, 25: uppermost hetero semiconductor region, 26: stacked hetero semiconductor region, 27: first electrode, 28: second electrode, 31: substrate region, 32: epitaxial region, 33: lowermost hetero semiconductor region, 35: uppermost hetero semiconductor region, 36: stacked hetero semiconductor region, 37: first electrode, 38: second electrode, 41: silicon carbide semiconductor, 42: lowermost polycrystalline silicon, 43: uppermost layer Crystalline silicon, 44: Grain boundary of lowermost polycrystalline silicon, 45: Grain boundary of uppermost polycrystalline silicon, 51: Silicon carbide semiconductor, 52: Lowermost polycrystalline silicon, 53: Uppermost single crystalline silicon, 54 : Crystal grain boundary of lowermost polycrystalline silicon, 61: silicon carbide semiconductor, 62: lowermost single crystal silicon, 63: uppermost polycrystalline silicon, 64: crystal defect, 65: crystal grain boundary, 71: silicon carbide substrate, 72: silicon carbide epitaxial layer, 73: electric field relaxation region, 74: hetero semiconductor region, 75: gate insulating film, 76: gate electrode, 77: source electrode, 78: drain electrode, 80, 81: polycrystalline silicon layer, 82 : Amorphous silicon layer, 90: interlayer insulating film, 100: semiconductor substrate.
Claims (15)
前記ヘテロ半導体領域は、少なくとも1つの半導体層は多結晶構造を有する複数の半導体層が積層されてなる積層ヘテロ半導体領域からなり、
前記積層ヘテロ半導体領域の最上層の半導体層は前記アノード電極に接続し、前記積層ヘテロ半導体領域の最下層の半導体層は前記半導体基体に接し、
多結晶構造を有する前記半導体層の結晶粒界が他の前記半導体層の結晶粒界と連続していないことを特徴とする半導体装置。 A cathode region formed of a semiconductor substrate of a first conductivity type; an anode region formed of a hetero semiconductor region in contact with one main surface of the semiconductor substrate and having a different band gap from the semiconductor substrate; and an anode connected to the hetero semiconductor region In a two-terminal semiconductor device having an electrode and a cathode electrode ohmically connected to the semiconductor substrate,
The hetero semiconductor region comprises a stacked hetero semiconductor region in which at least one semiconductor layer is formed by stacking a plurality of semiconductor layers having a polycrystalline structure ,
The uppermost semiconductor layer of the laminated hetero semiconductor region is connected to the anode electrode, the bottom layer of the semiconductor layer of the laminated hetero semiconductor region is in contact with the semiconductor substrate,
A semiconductor device, wherein a crystal grain boundary of the semiconductor layer having a polycrystalline structure is not continuous with a crystal grain boundary of another semiconductor layer .
前記ヘテロ半導体領域は、少なくとも1つの半導体層は多結晶構造を有する複数の半導体層が積層されてなる積層ヘテロ半導体領域からなり、 The hetero semiconductor region comprises a stacked hetero semiconductor region in which at least one semiconductor layer is formed by stacking a plurality of semiconductor layers having a polycrystalline structure,
前記積層ヘテロ半導体領域の最上層の半導体層は前記アノード電極に接続し、前記積層ヘテロ半導体領域の最下層の半導体層は前記半導体基体に接し、 The uppermost semiconductor layer of the stacked hetero semiconductor region is connected to the anode electrode, the lowermost semiconductor layer of the stacked hetero semiconductor region is in contact with the semiconductor substrate,
多結晶構造を有する前記半導体層の結晶粒界が他の前記半導体層の内部に生じる結晶欠陥と連続していないことを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device, wherein a crystal grain boundary of the semiconductor layer having a polycrystalline structure is not continuous with a crystal defect generated in another semiconductor layer.
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