JP5476743B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、ヘテロ接合を用いて電流制御を行う半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device that performs current control using a heterojunction.
炭化珪素エピタキシャル層と、炭化珪素エピタキシャル層と異なるバンドギャップを有する半導体層(例えば、多結晶シリコン層)とのヘテロ接合を有するトランジスタが提案されている(例えば、特許文献1参照)。 A transistor having a heterojunction between a silicon carbide epitaxial layer and a semiconductor layer (for example, a polycrystalline silicon layer) having a band gap different from that of the silicon carbide epitaxial layer has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
ここで、上記トランジスタのオン抵抗を低減するための一例として、単位面積あたりの「電流駆動部」の長さを長くすることが考えられる。なお、「電流駆動部」とは、炭化珪素エピタキシャル層と多結晶シリコン層、及びゲート絶縁膜が互いに接する領域であり、電流の遮断・導通を制御する部分である。 Here, as an example for reducing the on-resistance of the transistor, it is conceivable to increase the length of the “current driver” per unit area. The “current driving unit” is a region where the silicon carbide epitaxial layer, the polycrystalline silicon layer, and the gate insulating film are in contact with each other, and is a portion that controls current interruption / conduction.
しかしながら、例えば炭化珪素を用いた縦型半導体装置に上記の凹凸構造を採用した場合、縦型半導体装置の裏面に形成されたドレイン電極からの距離は、凸部までの距離より凹部までの距離の方が短くなる。このため、凸部より凹部にドレイン電界が強くかかり、オフ時にリーク電流が発生しやすくなる。 However, when the above concavo-convex structure is adopted in a vertical semiconductor device using, for example, silicon carbide, the distance from the drain electrode formed on the back surface of the vertical semiconductor device is the distance from the convex portion to the concave portion. Shorter. For this reason, a drain electric field is more strongly applied to the concave portion than the convex portion, and a leak current is likely to be generated at the time of OFF.
上記問題点を鑑み、本発明の目的は、オン抵抗が低く、且つオフ時におけるリーク電流の発生が抑制された半導体装置を提供することにある。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a semiconductor device that has a low on-resistance and that suppresses the occurrence of a leakage current when it is off.
本発明は、(イ)所定箇所に凹凸構造が形成された第1主面を有する第1導電型の半導体基体と、(ロ)半導体基体と異なるバンドギャップを有し、半導体基体の第1主面上の前記凹凸構造の凹部底面及び凸部上端でヘテロ接合を形成して配置されたヘテロ半導体層と、(ハ)ヘテロ半導体層が配置された領域に隣接して、半導体基体の第1主面上に配置されたゲート絶縁膜と、(ニ)ゲート絶縁膜上に配置されたゲート電極と、(ホ)ヘテロ半導体層上に配置されたソース電極と、(ヘ)半導体基体の第2主面上に配置されたドレイン電極とを備え、半導体基体、ヘテロ半導体層及びゲート絶縁膜が互いに接する電流駆動部が凹凸構造に沿って形成され、へテロ半導体層の凹部底面においてヘテロ接合する領域と凸部上端においてヘテロ接合する領域とで不純物濃度及び導電型の少なくともいずれかが異なることにより、ヘテロ接合の界面における半導体基体中の多数キャリアに対するエネルギー障壁の高さが、凹凸構造の凹部底面の少なくとも一部において凸部上端よりも高く設定されている。 The present invention includes (a) a first conductive type semiconductor substrate having a first main surface having a concavo-convex structure formed at a predetermined location, and (b) a first main body of the semiconductor substrate having a band gap different from that of the semiconductor substrate. A hetero semiconductor layer disposed by forming a heterojunction at the concave bottom surface and the convex top end of the concave-convex structure on the surface; and (c) a first main body of the semiconductor substrate adjacent to the region where the hetero semiconductor layer is disposed. A gate insulating film disposed on the surface; (d) a gate electrode disposed on the gate insulating film; (e) a source electrode disposed on the hetero semiconductor layer; and (f) a second main body of the semiconductor substrate. A drain electrode disposed on the surface, a current driving portion in which the semiconductor substrate, the hetero semiconductor layer, and the gate insulating film are in contact with each other is formed along the concavo-convex structure , and a heterojunction region on the bottom surface of the concave portion of the hetero semiconductor layer; Hetero contact at the top of the convex part By at least one of impurity concentration and conductivity type as the region to be different, the height of the energy barrier for majority carriers in the semiconductor substrate at the interface of the heterojunction, the convex top end at least part of the bottom portion of the concave portion of the concavo-convex structure Is set higher than.
本発明によれば、炭化珪素エピタキシャル層表面に形成された凹凸構造に沿って電流駆動部が形成され、且つ、凹凸構造の凹部底面のエネルギー障壁高さが凸部上端のエネルギー障壁高さより高いので、オン抵抗が低く、且つオフ時におけるリーク電流の発生が抑制される。 According to the present invention, the current driver is formed along the concavo-convex structure formed on the surface of the silicon carbide epitaxial layer, and the energy barrier height at the bottom of the concave portion of the concavo-convex structure is higher than the energy barrier height at the top of the convex portion. In addition, the on-resistance is low, and the occurrence of leakage current at the off time is suppressed.
次に、図面を参照して、本発明の第1乃至第7の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。 Next, first to seventh embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from the actual ones. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
又、以下に示す第1乃至第7の実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。 Also, the following first to seventh embodiments exemplify apparatuses and methods for embodying the technical idea of the present invention, and the embodiments of the present invention include the materials of components, The shape, structure, arrangement, etc. are not specified below. The embodiment of the present invention can be variously modified within the scope of the claims.
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態に係る半導体装置1は、図1に示すように、凹凸構造が形成された第1主面101を有する第1導電型の半導体基体10と、半導体基体10と異なるバンドギャップを有し、半導体基体10の第1主面101上にヘテロ接合を形成して配置されたヘテロ半導体層20と、ヘテロ半導体層20が配置された領域に隣接して、半導体基体10の第1主面101上に配置されたゲート絶縁膜30と、ゲート絶縁膜30上に配置されたゲート電極40と、ヘテロ半導体層20上に配置されたソース電極50と、半導体基体10の第2主面102上に配置されたドレイン電極60とを備える。そして、半導体基体10、ヘテロ半導体層20及びゲート絶縁膜30が互いに接する電流駆動部が凹凸構造に沿って形成され、ヘテロ接合の界面における半導体基体10中の多数キャリアに対するエネルギー障壁の高さが、凹凸構造の凹部底面の少なくとも一部において凸部上端よりも高くなるように、半導体装置1は形成される。なお、第1導電型がN型であれば、第2導電型はP型であり、第1導電型がP型であれば、第2導電型はN型である。以下では、第1導電型がN型である場合について例示的に説明する。
(First embodiment)
As shown in FIG. 1, the semiconductor device 1 according to the first embodiment of the present invention is different from the
半導体装置1のゲート電極40、ソース電極50及びドレイン電極60は、それぞれゲート端子T1、ソース端子T2及びドレイン端子T3に接続される。ゲート端子T1、ソース端子T2及びドレイン端子T3には、半導体装置1を動作させるために所定の電圧が印加される。
The
図1に示す半導体基体10は、ドレイン電極60に接するN+型の炭化珪素基板11とN-型の炭化珪素エピタキシャル層12とが積層された構造である。ここでは半導体基体10が炭化珪素である場合を説明するが、第1の実施形態では窒化ガリウムやダイヤモンドからなる半導体基体10も採用可能である。
The
炭化珪素エピタキシャル層12の上面の所定領域にヘテロ半導体層20が配置されている。互いにバンドギャップの異なる炭化珪素エピタキシャル層12とヘテロ半導体層20とはヘテロ接合しており、接合界面にエネルギー障壁が存在する。
Hetero
ゲート絶縁膜30上に配置されたゲート電極40は、層間絶縁膜70によって覆われている。ゲート電極40とソース電極50は、層間絶縁膜70によって電気的に分離されている。ゲート電極40とヘテロ半導体層20は、ゲート絶縁膜30によって電気的に分離されている。また、ドレイン電極60は、炭化珪素エピタキシャル層12と接する主面に対向する炭化珪素基板11の主面にオーミック接続している。
The
図1は、半導体装置1の基本セルを2つ並べた断面を示している。基本セル毎にヘテロ半導体層20が形成され、半導体装置1は、複数の基本セルが並列接続された構成で使用されるのが一般的である。以下では図1に示した断面構造を用いて、本発明の第1の実施形態を説明する。なお、基本セルが複数並列接続されたチップの最外周部には、電界効果トランジスタのオフ時における周辺での電界集中を緩和して高耐圧を実現するためのガードリング等の終端構造(図示せず)を含め、パワーデバイス分野で用いられる一般的な終端構造が適用可能である。
FIG. 1 shows a cross section in which two basic cells of a semiconductor device 1 are arranged. A
以下に、第1の実施形態に係る半導体装置1の基本的な動作について説明する。ここでは、半導体基体10と異なるバンドギャップを有するヘテロ半導体層20が多結晶シリコン(Poly-Si)膜である場合について例示的に説明する。以下に示すように、ソース電極50を接地し、ドレイン電極60に所定の正のドレイン電圧Vdを印加した状態で、ゲート電極40の電位を制御することにより、半導体装置1はスイッチング素子として機能する。
The basic operation of the semiconductor device 1 according to the first embodiment will be described below. Here, a case where the
ゲート電極40を接地した状態では、半導体基体10とヘテロ半導体層20間のヘテロ接合には逆バイアスが印加される。このため、ヘテロ接合界面に形成されたエネルギー障壁によって、半導体基体10中の多数キャリアである電子の流れが遮断され、半導体装置1はオフ状態である。
With the
一方、ゲート電極40に正のゲート電圧Vgが印加されると、半導体基体10とヘテロ半導体層20間のヘテロ接合界面にゲート電界が作用し、電界集中によりヘテロ接合界面におけるエネルギー障壁の厚さが薄くなる。そのため、ヘテロ接合を通過するトンネル電流が生じて、半導体装置1はオン状態になる。
On the other hand, when a positive gate voltage Vg is applied to the
上記のように、図1に示した半導体装置1は、ゲート電極40に印加する電位によってヘテロ接合界面におけるエネルギー障壁の厚さを制御して、ソース電極50とドレイン電極60間に流れる電流を制御する。つまり、半導体装置1は、一般的なMOSFETのような反転型チャネル領域を形成せず、チャネル長がヘテロ障壁の厚さ程度であるためオン抵抗が低い。
As described above, the semiconductor device 1 shown in FIG. 1 controls the current flowing between the
既に述べたように、電流の遮断・導通を制御する部分である電流駆動部の長さはMOSFETのゲート幅に相当し、電流駆動部の単位面積あたりの長さを長くすることにより、半導体装置1のオン抵抗を低減できる。 As already described, the length of the current driving unit, which is a part that controls the interruption / conduction of current, corresponds to the gate width of the MOSFET, and by increasing the length per unit area of the current driving unit, the semiconductor device 1 can be reduced.
図2に、半導体基体10の第1主面101に凹凸構造が形成されない関連技術に係る炭化珪素半導体装置の斜視図を示す。図2は、図1に示した半導体装置1からゲート絶縁膜30、ゲート電極40及び層間絶縁膜70を除いた左半分の斜視図に対応する。図2に示したように、半導体基体10の第1主面101に凹凸構造を形成しない関連技術では、炭化珪素エピタキシャル層12の平坦な表面上にヘテロ半導体層20が形成され、電流駆動部90は直線的に形成される。図2中で、電流駆動部90は太線で示した(以下において同様。)。
FIG. 2 is a perspective view of a silicon carbide semiconductor device according to a related technique in which an uneven structure is not formed on first
一方、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置1では、図3に示すように、凹凸構造が形成された半導体基体10の第1主面101上にヘテロ半導体層20を形成する。図3は、図2と同様に半導体装置1からゲート絶縁膜30、ゲート電極40及び層間絶縁膜70を除いた左半分の斜視図であり、図1は、図3のX軸方向、即ちゲート電極40やソース電極50が延伸する方向から見た断面図である。図3に示すように、半導体装置1では、半導体基体10、ヘテロ半導体層20及びゲート絶縁膜30が互いに接する電流駆動部90が、半導体基体10の第1主面101に形成された凹凸構造に沿って形成される。その結果、第1主面101に凹凸構造が形成されない場合よりも電流駆動部90が長くなり、オン抵抗が低くなる。
On the other hand, in the semiconductor device 1 according to the first embodiment of the present invention, as shown in FIG. 3, the
なお、図3に例示したように、半導体装置1のヘテロ半導体層20は、低濃度N型多結晶シリコン膜21と、低濃度N型多結晶シリコン膜21上に配置され、低濃度N型多結晶シリコン膜21より不純物濃度の高い高濃度N型多結晶シリコン膜22とで構成される。低濃度N型多結晶シリコン膜21は、半導体基体10の第1主面101に形成された凹凸構造の凹部底面に接し、高濃度N型多結晶シリコン膜22は、凹凸構造の凸部上端に接する。これは、以下の理由による。
As illustrated in FIG. 3, the
単位面積あたりの電流駆動部90の長さを長くするだけであれば、炭化珪素エピタキシャル層12の表面に凹凸構造を形成するだけで可能である。しかしながら、炭化珪素エピタキシャル層12の表面に凹凸構造を形成した場合、凹部底面部は凸部上端部に比べて、(1)ドレイン電極60までの距離が短い(空乏層幅が狭い)や、(2)電界集中が発生しやすい、等の理由により、凹部底面部におけるヘテロ接合界面での電界が大きくなり、オフ時のリーク電流が発生しやすい。この場合、ヘテロ接合界面の電子に対するエネルギー障壁を全体的に高くすると、オフ時のリーク電流は低減できるが、オン抵抗が高くなってしまう。
If the length of the
しかし、図3に示す半導体装置1では、ヘテロ半導体層20を、凹部底面において半導体基体10とヘテロ接合する低濃度N型多結晶シリコン膜21と、凸部上端において半導体基体10とヘテロ接合する高濃度N型多結晶シリコン膜22とを積層した構造にすることにより、凹部底面におけるヘテロ接合界面の電子に対するエネルギー障壁が、凸部上端におけるエネルギー障壁より高くなる。このため、ヘテロ接合界面の電界が凹部底面部において大きいことによるオフ時のリーク電流を抑制することができる。
However, in the semiconductor device 1 shown in FIG. 3, the
図4は図3をY軸方向、即ち半導体装置1の基本セルが配列される方向から見た断面図である。図4において、半導体基体10とヘテロ半導体層20との接合部が電流駆動部90である。ヘテロ半導体層20の、凹部底面において半導体基体10とヘテロ接合する領域(領域A)に、低濃度N型多結晶シリコン膜21が形成されている。ヘテロ半導体層20の、凸部上端において半導体基体10とヘテロ接合する領域(領域B)に、高濃度N型多結晶シリコン膜22が形成されている。
4 is a cross-sectional view of FIG. 3 as viewed from the Y-axis direction, that is, the direction in which the basic cells of the semiconductor device 1 are arranged. In FIG. 4, the junction between the
N-型の炭化珪素エピタキシャル層上に多結晶シリコンを堆積してヘテロ接合を形成した場合、このヘテロ接合における電子に対するエネルギー障壁ΦBnは、多結晶シリコンの不純物濃度に依存する。エネルギー障壁ΦBnが以下の式(1)に示す関係にあることが、実験的に確かめられている:
ΦBn(高濃度N型多結晶シリコン)<ΦBn(低濃度N型多結晶シリコン)
<ΦBn(低濃度P型多結晶シリコン)<ΦBn(高濃度P型多結晶シリコン) ・・・(1)
ここでの「高濃度」、「低濃度」は、多結晶シリコン中の不純物濃度の相対的な差を表している。
When polycrystalline silicon is deposited on an N − -type silicon carbide epitaxial layer to form a heterojunction, the energy barrier ΦBn against electrons in the heterojunction depends on the impurity concentration of the polycrystalline silicon. It has been experimentally confirmed that the energy barrier ΦBn has the relationship shown in the following formula (1):
ΦBn (High-concentration N-type polycrystalline silicon) <ΦBn (Low-concentration N-type polycrystalline silicon)
<ΦBn (low concentration P-type polycrystalline silicon) <ΦBn (high concentration P-type polycrystalline silicon) (1)
Here, “high concentration” and “low concentration” represent relative differences in impurity concentration in polycrystalline silicon.
したがって、ヘテロ半導体層20が多結晶シリコンからなる場合、図4に示すように、低濃度N型多結晶シリコン膜21上に高濃度N型多結晶シリコン膜22を積層する構成を採用することによって、領域Aのヘテロ接合のエネルギー障壁ΦBn(A)を、領域Bのヘテロ接合のエネルギー障壁ΦBn(B)より高くすることができる。
Therefore, when the
図5(a)及び図5(b)は、図4に示した領域A及び領域Bの伝導帯端(Ec)のオフ時のエネルギーバンド図を模式的に示したものである。図5(a)は領域AにおけるN-型の炭化珪素エピタキシャル層12と低濃度N型多結晶シリコン膜21との界面のエネルギーバンド図を示し、図5(b)は領域BにおけるN-型の炭化珪素エピタキシャル層12と高濃度N型多結晶シリコン膜22との界面のエネルギーバンド図を示す。
FIGS. 5A and 5B schematically show energy band diagrams when the conduction band edges (Ec) of regions A and B shown in FIG. 4 are turned off. 5A shows an energy band diagram of the interface between the N − type silicon
図5(a)と図5(b)を比較すると、炭化珪素エピタキシャル層12中のポテンシャルの傾き(電界)については、領域Aでの傾きdAが領域Bでの傾きdBより急峻である。一方、領域Aのエネルギー障壁ΦBn(A)が領域Bのエネルギー障壁ΦBn(B)より高い。したがって、ドレイン電界が領域Aにおいて領域Bより大きくても、ヘテロ半導体層20中の電子が熱的にエネルギー障壁を越えたり、エネルギー障壁をトンネリングしたりしてオフ時にリーク電流が発生することを抑制できる。
Comparing FIG. 5A and FIG. 5B, regarding the potential gradient (electric field) in the silicon
次に、半導体装置1に図4に示した構造を採用した場合の、オン抵抗への影響について説明する。図4に示したように、高濃度N型多結晶シリコン膜22とN-型の炭化珪素エピタキシャル層12がなすヘテロ接合界面の垂直部分の長さをS、凸部上端部の長さをUとし、低濃度N型多結晶シリコン膜21と炭化珪素エピタキシャル層12がなすヘテロ接合界面の凹部底面部の長さをTとする。
Next, the influence on the on-resistance when the structure shown in FIG. 4 is adopted for the semiconductor device 1 will be described. As shown in FIG. 4, the length of the vertical portion of the heterojunction interface formed by the high-concentration N-type
既に述べたように、領域Aでのエネルギー障壁ΦBn(A)は領域Bでのエネルギー障壁ΦBn(B)より高いため、領域Aのオン抵抗RONAは領域Bのオン抵抗RONBよりも高くなる。仮にオン抵抗RONAがオン抵抗RONBに比べて非常に高く、オン時にも領域Aにほとんど電流が流れない場合を仮定すると、凹凸の1周期のうちで電流駆動に寄与する部分の長さは2×S+Uである。 As already described, since the energy barrier ΦBn (A) in the region A is higher than the energy barrier ΦBn (B) in the region B, the on-resistance R ONA in the region A is higher than the on-resistance R ONB in the region B. . If it is assumed that the on-resistance R ONA is very high compared to the on-resistance R ONB and almost no current flows in the region A even when the on-resistance R ONB is assumed, the length of the portion contributing to current driving in one period of unevenness is 2 × S + U.
一方、図2に示した凹凸構造のない平坦な炭化珪素エピタキシャル層12上にヘテロ半導体層20を堆積してヘテロ接合界面を形成した関連技術の場合には、上記の凹凸の1周期と同じ幅での電流駆動に寄与する部分の長さは、T+Uである。
On the other hand, in the case of the related art shown in FIG. 2 in which the
したがって、電流駆動に寄与する電流駆動部90の長さが、図4に示した凹凸構造が形成された場合に凹凸構造のない場合より長くなる条件は、以下の式(2)で表される:
2×S+U>T+U ・・・(2)
式(2)から、以下の式(3)が得られる:
2×S>T ・・・(3)
式(3)の条件を満たすとき、半導体装置1は、電流駆動部90が凹凸構造に沿って形成されない半導体装置よりもオン抵抗が低くなる。
Therefore, the condition that the length of the
2 × S + U> T + U (2)
From equation (2), the following equation (3) is obtained:
2 × S> T (3)
When the condition of Expression (3) is satisfied, the semiconductor device 1 has a lower on-resistance than a semiconductor device in which the
以上に説明したように、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置1によれば、半導体基体10の第1主面101上に形成した凹凸構造に沿って電流駆動部90を形成することで、単位面積あたりの電流駆動部90の長さを長くすることができる。更に、凹部底面部のエネルギー障壁高さを凸部上端部のエネルギー障壁高さより高くすることで、単位面積あたりの電流駆動部90の長さを長くしつつ、オフ時のリーク電流の発生を抑制することができる。その結果、オン抵抗が低く、且つオフ時におけるリーク電流の発生が抑制された半導体装置1を実現できる。
As described above, according to the semiconductor device 1 according to the first embodiment of the present invention, the
図6〜図10及び図1を参照して、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置1の製造方法を説明する。なお、以下に述べる半導体装置1の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることはもちろんである。 A method for manufacturing the semiconductor device 1 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In addition, the manufacturing method of the semiconductor device 1 described below is an example, and it is needless to say that it can be realized by various other manufacturing methods including this modification.
(イ)図6に示すように、N+型の炭化珪素基板11とN-型の炭化珪素エピタキシャル層12が積層された半導体基体10を用意する。炭化珪素にはいくつかのポリタイプ(結晶多形)が存在するが、ここでは半導体基体10に用いられる炭化珪素が代表的な4Hとして説明する。炭化珪素基板11の厚さは数十〜数百μm程度である。炭化珪素エピタキシャル層12は、例えば不純物濃度が1014〜1018cm-3、厚さが数μm〜数十μmである。
(A) As shown in FIG. 6, a
(ロ)炭化珪素エピタキシャル層12上にフォトレジスト膜111を形成し、フォトリソグラフィ技術によってフォトレジスト膜111をパターニングする。そして、図7に示すように、フォトレジスト膜111をマスクにしたドライエッチングにより、炭化珪素エピタキシャル層12の第1主面101に凹凸構造を形成する。その後、フォトレジスト膜111を剥離する。凹凸構造の深さは数百nm〜数μm程度、ピッチは数百nm〜数μm程度である。例えば、深さ500nm、ピッチ1μm(凸部の幅500nm、凹部の幅500nm)の凹凸構造を形成すると、炭化珪素エピタキシャル層12の第1主面101が平坦である場合に比べて、電流駆動部90の長さが2倍になる。
(B) A
(ハ)次に、図8に示すように、凹部を埋め込みように低濃度N型多結晶シリコン膜21を炭化珪素エピタキシャル層12上に堆積する。堆積方法としては、一般的な低圧化学気相成長(CVD)法を用いることができる。N型不純物は、低圧CVD法での堆積中に導入してもよいし、堆積後にイオン注入法等を用いて導入してもよい。N型不純物としては、ヒ素(As)やリン(P)等を用いる。イオン注入法を用いてN型不純物を低濃度N型多結晶シリコン膜21に導入した場合には、不純物の活性化と不純物濃度均一化のために、1000℃で20分間程度の熱処理を行ってもよい。
(C) Next, as shown in FIG. 8, a low-concentration N-type
(ニ)図9に示すように、炭化珪素エピタキシャル層12の第1主面101の凹部に低濃度N型多結晶シリコン膜21が残るように、低濃度N型多結晶シリコン膜21の上部をエッチングする。エッチング方法としては、ウエットエッチングやドライエッチングを用いることができる。この場合、多結晶シリコンと炭化珪素の選択比が高いエッチング条件を用いることで、炭化珪素エピタキシャル層12の凸部をエッチングせずに、低濃度N型多結晶シリコン膜21を主にエッチングすることができる。
(D) As shown in FIG. 9, the upper portion of the low concentration N-type
(ホ)図10に示すように、高濃度N型多結晶シリコン膜22を、炭化珪素エピタキシャル層12及び低濃度N型多結晶シリコン膜21上に堆積する。堆積方法としては、一般的な低圧CVD法を用いることができる。N型不純物の導入方法としては、低圧CVD法での堆積中に導入してもよいし、堆積後にイオン注入法等を用いて導入してもよい。N型不純物としては、ヒ素やリン等を用いる。このとき、高濃度N型多結晶シリコン膜22のN型不純物の濃度を、低濃度N型多結晶シリコン膜21よりも高くする。N型不純物の導入にイオン注入法を用いた場合には、不純物の活性化と不純物濃度均一化のために熱処理を行ってもよいが、不純物の拡散によって高濃度N型多結晶シリコン膜22と低濃度N型多結晶シリコン膜21のN型不純物濃度が同等にならないように熱処理条件を設定する。このような製造方法を用いることにより、高濃度N型多結晶シリコン膜22と低濃度N型多結晶シリコン膜21との間に結晶粒界が生じ、不純物の拡散を抑制することができる。
(E) As shown in FIG. 10, a high-concentration N-type
図10以降の半導体装置1の製造方法を、図1を参照して説明する。なお、図1においては、図10に示した低濃度N型多結晶シリコン膜21と高濃度N型多結晶シリコン膜22の積層体をヘテロ半導体層20として示している。
A method of manufacturing the semiconductor device 1 after FIG. 10 will be described with reference to FIG. In FIG. 1, the stacked body of the low-concentration N-type
(へ)ヘテロ半導体層20上にフォトレジスト膜を形成し、フォトリソグラフィ技術等によってフォトレジスト膜をパターニングする。このフォトレジスト膜をエッチングマスクにして、ドライエッチングによりヘテロ半導体層20を所望のパターンになるようにエッチングする。ここで、ゲート絶縁膜30と炭化珪素エピタキシャル層12とが接触する領域のヘテロ半導体層20が除去され、炭化珪素エピタキシャル層12の第1主面101の一部が露出される。その後、フォトレジスト膜を剥離する。
(F) A photoresist film is formed on the
(ト)ヘテロ半導体層20上、及びヘテロ半導体層20がエッチング除去されて露出した炭化珪素エピタキシャル層12の第1主面101上に、ゲート絶縁膜30を例えば100nm程度堆積させる。ゲート絶縁膜30としては、シリコン酸化膜が好適に用いられ、堆積方法としては熱CVD法、プラズマCVD法、スパッタ法等が採用可能である。次いで、ゲート絶縁膜30上にゲート電極40を堆積する。ゲート電極40としては、例えば不純物を導入した多結晶シリコン等が用いられる。
(G) A
(チ)ゲート電極40上にフォトレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィ技術によりフォトレジスト膜をパターニングする。このフォトレジスト膜をマスクにして図1に示すようにゲート電極40をパターニングし、その後フォトレジスト膜を剥離する。次いで、ゲート電極40を覆って層間絶縁膜70を成膜する。層間絶縁膜70にコンタクトホールを開口し、そのコンタクトホールを介してヘテロ半導体層20と接するソース電極50を層間絶縁膜70上に形成する。
(H) A photoresist film is applied on the
(リ)半導体基体10の第2主面102上にドレイン電極60を形成し、図1に示す半導体装置1が完成する。
(I) A
上記のような本発明の第1の実施形態に係る半導体装置1の製造方法によれば、半導体基体10の第1主面101上に形成した凹凸構造に沿って電流駆動部90が形成され、更に、凹部底面部でのヘテロ接合界面のエネルギー障壁を、凸部上端部でのヘテロ接合界面のエネルギー障壁より高くすることができる。その結果、オン抵抗が低く、且つオフ時におけるリーク電流の発生が抑制された半導体装置1を提供することができる。
According to the manufacturing method of the semiconductor device 1 according to the first embodiment of the present invention as described above, the
<変形例>
以上においては、炭化珪素エピタキシャル層12の第1主面101上に、図4に示したような矩形形状の凹部を形成する場合について説明した。しかし、図11に示すように、凹部の底部が円形形状であってもかまわない。また、図12に示すように、凹部の底面端部が丸くなっていてもかまわない。
<Modification>
In the above description, the case where the rectangular recess as shown in FIG. 4 is formed on first
或いは、図13に示すように、ヘテロ半導体層20のN型不純物濃度が連続的に変化するように分布していてもよい。この場合には、イオン注入法によってヘテロ半導体層20に浅くN型不純物を注入し、熱処理により不純物の拡散を制御したり、イオン注入法の注入エネルギーを制御したりすることで、凹部底面付近の不純物濃度が低く、凸部上端付近の不純物濃度が高い不純物濃度分布を有する図13に示したヘテロ半導体層20を実現できる。
Alternatively, as shown in FIG. 13, the N-type impurity concentration of the
また、図14のように凹部底面の各位置が同一平面レベルになくても、ドレイン電極60からの距離や電界集中の程度に応じてヘテロ半導体層20中のN型不純物濃度を調整することで、上記と同様にオフ時におけるリーク電流の発生を抑制する効果を得ることができる。
Further, even if the positions of the bottom surfaces of the recesses are not at the same plane level as shown in FIG. 14, the N-type impurity concentration in the
(第2の実施形態)
図15に、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置1の断面構造を示す。図15は、第1の実施形態の図4に示した構造図に対応する構造図である。
(Second Embodiment)
FIG. 15 shows a cross-sectional structure of a semiconductor device 1 according to the second embodiment of the present invention. FIG. 15 is a structural diagram corresponding to the structural diagram shown in FIG. 4 of the first embodiment.
第1の実施形態と異なる点は、ヘテロ半導体層20の導電型がP型である点である。図15に示すように、N-型の炭化珪素エピタキシャル層12の凹部底面において炭化珪素エピタキシャル層12とヘテロ接合する高濃度P型多結晶シリコン膜23、及び凸部上端において炭化珪素エピタキシャル層12とヘテロ接合する低濃度P型多結晶シリコン膜24が形成されている。
The difference from the first embodiment is that the conductivity type of the
ここでの高濃度、低濃度は、ヘテロ半導体層20中の不純物濃度の相対的な差を表している。つまり、ヘテロ半導体層20は、高濃度P型多結晶シリコン膜23上に、高濃度P型多結晶シリコン膜23より不純物濃度の低い低濃度P型多結晶シリコン膜24が積層された積層体である。その他の構成については、図1に示す第1の実施形態と同様である。
Here, the high concentration and the low concentration represent a relative difference in the impurity concentration in the
図15に示した構成を採用することによって、凹部底面部(領域A)のヘテロ接合界面の電子に対するエネルギー障壁ΦBn(A)を、凸部上端部(領域B)のエネルギー障壁ΦBn(B)より高くできる。その結果、半導体装置1のオフ時のリーク電流の発生を抑制できる。 By adopting the configuration shown in FIG. 15, the energy barrier ΦBn (A) against the electrons at the heterojunction interface of the bottom surface of the recess (region A) is changed from the energy barrier ΦBn (B) of the upper end of the protrusion (region B). Can be high. As a result, the generation of leakage current when the semiconductor device 1 is off can be suppressed.
上記のように、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置1によれば、オン抵抗が低く、且つオフ時におけるリーク電流の発生が抑制された半導体装置1を実現することができる。更に、ヘテロ半導体層20の導電型をP型にすることにより、式(1)に示したように、ヘテロ半導体層20の導電型がN型である第1の実施形態に係る半導体装置1に比べて、ヘテロ接合界面のエネルギー障壁が全体に高くなる。このため、オフ時のリーク電流を更に低減することができる。他は、第1の実施形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。
As described above, according to the semiconductor device 1 according to the second embodiment of the present invention, it is possible to realize the semiconductor device 1 with low on-resistance and suppressed generation of leakage current at the time of off. Further, by changing the conductivity type of the
本発明の第2の実施形態に係る半導体装置1の製造方法は、既に説明した第1の実施形態の製造方法と同様であるため、説明を省略する。 Since the manufacturing method of the semiconductor device 1 according to the second embodiment of the present invention is the same as the manufacturing method of the first embodiment already described, description thereof is omitted.
(第3の実施形態)
図16に、本発明の第3の実施形態に係る半導体装置1の断面構造を示す。図16は、第1の実施形態の図4に示した構造図に対応する構造図である。
(Third embodiment)
FIG. 16 shows a cross-sectional structure of a semiconductor device 1 according to the third embodiment of the present invention. FIG. 16 is a structural diagram corresponding to the structural diagram shown in FIG. 4 of the first embodiment.
第1の実施形態と異なる点は、ヘテロ半導体層20が、P型多結晶シリコン膜25とN型多結晶シリコン膜26の積層体である点である。つまり、凹部底面において炭化珪素エピタキシャル層12とヘテロ接合するP型多結晶シリコン膜25、及び凸部上端において炭化珪素エピタキシャル層12とヘテロ接合するN型多結晶シリコン膜26が形成されている。
The difference from the first embodiment is that the
式(1)に示したように、N-型の炭化珪素エピタキシャル層12上に多結晶シリコンを堆積してヘテロ接合を形成した場合、P型の多結晶シリコンにおけるエネルギー障壁は、N型の多結晶シリコンにおけるエネルギー障壁より高い。このため、図16に示した構成を採用することによって、凹部底面部(領域A)のヘテロ接合界面の電子に対するエネルギー障壁ΦBn(A)を、凸部上端部(領域B)のエネルギー障壁ΦBn(B)より高くできる。その結果、半導体装置1のオフ時のリーク電流の発生を抑制できる。
As shown in the equation (1), when polycrystalline silicon is deposited on the N − -type silicon
上記のように、本発明の第3の実施形態に係る半導体装置1によれば、オン抵抗が低く、且つオフ時におけるリーク電流の発生が抑制された半導体装置1を実現することができる。更に、図16に示した半導体装置1では凹部底面において炭化珪素エピタキシャル層12とヘテロ接合する結晶シリコン膜がP型であるため、第1の実施形態に比べて、炭化珪素エピタキシャル層12の凹部底面部のヘテロ接合界面のエネルギー障壁をより高くすることができる。このため、オフ時のリーク電流を更に低減することができる。他は、第1の実施形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。
As described above, according to the semiconductor device 1 according to the third embodiment of the present invention, it is possible to realize the semiconductor device 1 with low on-resistance and suppressed generation of leakage current at the off time. Further, in the semiconductor device 1 shown in FIG. 16, since the crystalline silicon film heterojunction with the silicon
本発明の第3の実施形態に係る半導体装置1の製造方法は、既に説明した第1の実施形態の製造方法と同様であるため、説明を省略する。 Since the manufacturing method of the semiconductor device 1 according to the third embodiment of the present invention is similar to the manufacturing method of the first embodiment already described, the description thereof is omitted.
(第4の実施形態)
図17に、本発明の第4の実施形態に係る半導体装置1の断面構造を示す。図17は、第1の実施形態の図4に示した構造図に対応する構造図である。
(Fourth embodiment)
FIG. 17 shows a cross-sectional structure of a semiconductor device 1 according to the fourth embodiment of the present invention. FIG. 17 is a structural diagram corresponding to the structural diagram shown in FIG. 4 of the first embodiment.
第1の実施形態と異なる点は、凹部底面において炭化珪素エピタキシャル層12とヘテロ接合するヘテロ半導体層20の領域Aが、低濃度N型多結晶シリコン膜21と中濃度N型多結晶シリコン膜27からなる点である。図17に示すように、垂直部分と水平部分とが接する凹部底面の端部において炭化珪素エピタキシャル層12と接するヘテロ半導体層20の領域Cに、低濃度N型多結晶シリコン膜21が形成されている。そして、凹部底面の中央部において炭化珪素エピタキシャル層12と接するヘテロ半導体層20の領域Dに、中濃度N型多結晶シリコン膜27が形成されている。また、凸部上端において半導体基体10とヘテロ接合する領域Bに、高濃度N型多結晶シリコン膜22が形成されている。
The difference from the first embodiment is that the region A of the
ここでの高濃度、中濃度、低濃度は、ヘテロ半導体層20中の不純物濃度の相対的な差を表している。つまり、N型のヘテロ半導体層20の凹部底面部(領域A)の不純物濃度が、端部(領域C)より中央部(領域D)で高くなるように調整され、更に凹部底面部(領域A)より凸部上端部(領域B)の不純物濃度が高くなるように調整される。
Here, the high concentration, medium concentration, and low concentration represent relative differences in the impurity concentration in the
図17に示した構成を採用することにより、凹部底面の中央部(領域D)のヘテロ接合界面の電子に対するエネルギー障壁ΦBn(D)を、凸部上端部(領域B)のエネルギー障壁ΦBn(B)より高くできる。更に、凹部底面の端部(領域C)のエネルギー障壁ΦBn(C)を、凹部底面の中央部(領域D)のエネルギー障壁ΦBn(D)より高くできる。 By adopting the configuration shown in FIG. 17, the energy barrier ΦBn (D) against the electrons at the heterojunction interface at the center (region D) of the bottom surface of the recess is changed to the energy barrier ΦBn (B) at the upper end of the protrusion (region B). ) Can be higher. Furthermore, the energy barrier ΦBn (C) at the end portion (region C) of the bottom surface of the recess can be made higher than the energy barrier ΦBn (D) at the center portion (region D) of the bottom surface of the recess.
凹部底面の端部(領域C)は、凹部底面の中央部(領域D)に比べてドレイン電界が集中しやすく、オフ時のリーク電流が発生しやすい。しかし、本発明の第4の実施形態に係る半導体装置1によれば、ヘテロ接合界面における電子に対するエネルギー障壁高さを、凹部底面の端部において凹部底面の中央部より高くすることで、単位面積あたりの電流駆動部90の長さを長くしつつ、オフ時のリーク電流の発生を抑制することができる。他は、第1の実施形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。
The drain electric field tends to concentrate at the end portion (region C) of the bottom surface of the recess as compared with the central portion (region D) of the bottom surface of the recess, and leakage current at the time of off is likely to occur. However, according to the semiconductor device 1 according to the fourth embodiment of the present invention, the height of the energy barrier against electrons at the heterojunction interface is made higher at the end of the recess bottom than at the center of the recess bottom so that the unit area is increased. It is possible to suppress the occurrence of leakage current at the time of turning off while increasing the length of the perimeter
図18〜図19を参照して、本発明の第4の実施形態に係る半導体装置1の製造方法を説明する。なお、以下に述べる半導体装置1の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることはもちろんである。 With reference to FIGS. 18-19, the manufacturing method of the semiconductor device 1 which concerns on the 4th Embodiment of this invention is demonstrated. In addition, the manufacturing method of the semiconductor device 1 described below is an example, and it is needless to say that it can be realized by various other manufacturing methods including this modification.
(イ)第1の実施形態で図6〜図7を参照して説明した方法と同様にして、半導体基体10の第1主面101に凹凸構造を形成する。
(A) A concavo-convex structure is formed on the first
(ロ)炭化珪素エピタキシャル層12上に低濃度N型多結晶シリコン膜21を堆積する。堆積方法としては、一般的な低圧CVD法を用いることができる。N型不純物は、低圧CVD法での堆積中に導入してもよいし、堆積後にイオン注入法等を用いて導入してもよい。N型不純物としては、ヒ素やリン等を用いる。イオン注入法を用いてN型不純物を低濃度N型多結晶シリコン膜21に導入した場合には、不純物の活性化と不純物濃度均一化のために1000℃20分程度の熱処理を行ってもよい。フォトリソグラフィ技術やエッチング技術を用いて、低濃度N型多結晶シリコン膜21の上部をエッチングして、図18に示すように、炭化珪素エピタキシャル層12の第1主面101に形成された凹凸構造に沿った形状に低濃度N型多結晶シリコン膜21を形成する。
(B) A low concentration N-type
(ハ)図19に示すように、凹部底面の端部のみに低濃度N型多結晶シリコン膜21が残るように、低濃度N型多結晶シリコン膜21を異方性ドライエッチングする。このとき、多結晶シリコンと炭化珪素の選択比が高いエッチング条件を採用することで、低濃度N型多結晶シリコン膜21を主にエッチングすることができる。
(C) As shown in FIG. 19, the low-concentration N-type
図19以降の製造方法に関しては、第1の実施形態の図8〜図10及び図1を参照して説明した方法と同様であるので説明を省略する。 Since the manufacturing method after FIG. 19 is the same as the method described with reference to FIGS. 8 to 10 and FIG. 1 of the first embodiment, the description thereof will be omitted.
(第5の実施形態)
図20に、本発明の第5の実施形態に係る半導体装置1の断面構造を示す。図20は、第1の実施形態の図4に示した構造図に対応する構造図である。
(Fifth embodiment)
FIG. 20 shows a cross-sectional structure of a semiconductor device 1 according to the fifth embodiment of the present invention. FIG. 20 is a structural diagram corresponding to the structural diagram shown in FIG. 4 of the first embodiment.
図17に示した第4の実施形態と異なる点は、凹部底面の端部で炭化珪素エピタキシャル層12と接する領域Cに低濃度N型多結晶シリコン膜21ではなくP型多結晶シリコン膜25が形成され、凹部底面の中央部で炭化珪素エピタキシャル層12と接する領域Dに中濃度N型多結晶シリコン膜27ではなく低濃度N型多結晶シリコン膜21が形成されている点である。
17 differs from the fourth embodiment shown in FIG. 17 in that the P-type
つまり、凹部底面において半導体基体10とヘテロ接合するヘテロ半導体層20の領域Aには、P型多結晶シリコン膜25と低濃度N型多結晶シリコン膜21が形成されており、凸部上端において半導体基体10とヘテロ接合するヘテロ半導体層20の領域Bには、高濃度N型多結晶シリコン膜22が形成されている。ここでの高濃度、低濃度は、ヘテロ半導体層20中の不純物濃度の相対的な差を表している。
In other words, the P-type
式(1)に示したように、領域CをP型多結晶シリコン膜で形成し、領域DをN型のシリコン膜で形成することによって、領域Cのヘテロ接合界面の電子に対するエネルギー障壁ΦBn(C)を領域Dのエネルギー障壁ΦBn(D)より高くすることができる。 As shown in Expression (1), by forming the region C with a P-type polycrystalline silicon film and forming the region D with an N-type silicon film, an energy barrier ΦBn ( C) can be made higher than the energy barrier ΦBn (D) in region D.
したがって、図20に示した構成を採用することで、凹部底面の中央部(領域D)のエネルギー障壁ΦBn(D)を、凸部上端部(領域B)のエネルギー障壁ΦBn(B)より高くし、且つ、凹部底面の端部(領域C)のエネルギー障壁ΦBn(C)を、凹部底面の中央部(領域D)のエネルギー障壁ΦBn(D)より高くすることができる。 Therefore, by adopting the configuration shown in FIG. 20, the energy barrier ΦBn (D) at the central portion (region D) of the bottom surface of the recess is made higher than the energy barrier ΦBn (B) at the upper end portion of the convex portion (region B). In addition, the energy barrier ΦBn (C) at the end portion (region C) of the bottom surface of the recess can be made higher than the energy barrier ΦBn (D) at the center portion (region D) of the bottom surface of the recess.
上記のように、本発明の第5の実施形態に係る半導体装置1によれば、オン抵抗が低く、且つオフ時におけるリーク電流の発生が抑制された半導体装置1を実現することができる。更に、第4の実施形態に比べて、領域Cでのエネルギー障壁を高くすることができる。このため、電界集中が発生しやすいC領域でのオフ時のリーク電流をより低減することができる。他は、第1の実施形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。 As described above, according to the semiconductor device 1 according to the fifth embodiment of the present invention, it is possible to realize the semiconductor device 1 with low on-resistance and suppressed generation of leakage current at the time of off. Furthermore, the energy barrier in the region C can be increased as compared with the fourth embodiment. Therefore, it is possible to further reduce the off-state leakage current in the C region where electric field concentration is likely to occur. Others are substantially the same as those in the first embodiment, and redundant description is omitted.
本発明の第5の実施形態に係る半導体装置1の製造方法は、既に説明した第4の実施形態の製造方法と同様であるため、説明を省略する。 Since the manufacturing method of the semiconductor device 1 according to the fifth embodiment of the present invention is the same as the manufacturing method of the fourth embodiment already described, description thereof is omitted.
(第6の実施形態)
図21に、本発明の第6の実施形態に係る半導体装置1の断面構造を示す。図21は、第1の実施形態の図4に示した構造図に対応する構造図である。
(Sixth embodiment)
FIG. 21 shows a cross-sectional structure of a semiconductor device 1 according to the sixth embodiment of the present invention. FIG. 21 is a structural diagram corresponding to the structural diagram shown in FIG. 4 of the first embodiment.
図17に示した第4の実施形態と異なる点は、ヘテロ半導体層20の導電型がP型であることである。図21に示すように、凹部底面の端部でN-型の炭化珪素エピタキシャル層12と接する領域Cに高濃度P型多結晶シリコン膜23が形成され、凹部底面の中央部でN-型の炭化珪素エピタキシャル層12と接する領域Dに中濃度P型多結晶シリコン膜28が形成されている。また、凸部上端でN-型の炭化珪素エピタキシャル層12と接する領域Bに、低濃度P型多結晶シリコン膜24が形成されている。
The difference from the fourth embodiment shown in FIG. 17 is that the conductivity type of the
ここでの高濃度、中濃度、低濃度は、ヘテロ半導体層20中の不純物濃度の相対的な差を表している。つまり、P型のヘテロ半導体層20の凹部底面部(領域A)の不純物濃度は、端部(領域C)より中央部(領域D)で低くなるように調整され、更に凹部底面部(領域A)より凸部上端部(領域B)の不純物濃度が低くなるように調整される。
Here, the high concentration, medium concentration, and low concentration represent relative differences in the impurity concentration in the
上記のような構成を採用することで、凹部底面の中央部(領域D)のヘテロ接合界面の電子に対するエネルギー障壁ΦBn(D)を、凸部上端部(領域B)のエネルギー障壁ΦBn(B)より高くし、更に、凹部底面の端部(領域C)のエネルギー障壁ΦBn(C)を、凹部底面の中央部(領域D)のエネルギー障壁ΦBn(D)より高くすることができる。このため、電界集中が発生しやすいC領域でのオフ時のリーク電流を低減することができる。また、ヘテロ半導体層20の導電型をP型にすることにより、式(1)に示したように、ヘテロ半導体層20の導電型がN型である第4の実施形態に比べて、ヘテロ接合界面のエネルギー障壁が全体に高くなる。
By adopting the configuration as described above, the energy barrier ΦBn (D) against the electrons at the heterojunction interface at the central portion (region D) of the bottom surface of the recess is changed to the energy barrier ΦBn (B) at the upper end portion of the protrusion (region B). Further, the energy barrier ΦBn (C) at the end portion (region C) of the bottom surface of the recess can be made higher than the energy barrier ΦBn (D) at the center portion (region D) of the bottom surface of the recess. For this reason, it is possible to reduce the leakage current at the OFF time in the C region where electric field concentration is likely to occur. Further, by making the conductivity type of the hetero semiconductor layer 20 P type, as shown in the formula (1), compared to the fourth embodiment in which the conductivity type of the
以上に説明したように、第6の実施形態に係る半導体装置1によれば、オン抵抗が低く、且つオフ時におけるリーク電流の発生が抑制された半導体装置1を実現することができる。更に、第4の実施形態に比べてヘテロ接合界面のエネルギー障壁が全体に高いため、オフ時のリーク電流をより低減することができる。他は、第1の実施形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。 As described above, according to the semiconductor device 1 of the sixth embodiment, it is possible to realize the semiconductor device 1 with low on-resistance and suppressed generation of leakage current at the time of off. Furthermore, since the energy barrier at the heterojunction interface is higher as a whole than in the fourth embodiment, it is possible to further reduce the off-state leakage current. Others are substantially the same as those in the first embodiment, and redundant description is omitted.
本発明の第6の実施形態に係る半導体装置1の製造方法は、既に説明した第4の実施形態の製造方法と同様であるため、説明を省略する。 Since the manufacturing method of the semiconductor device 1 according to the sixth embodiment of the present invention is the same as the manufacturing method of the fourth embodiment already described, the description thereof is omitted.
(第7の実施形態)
図22に、本発明の第7の実施形態に係る半導体装置1の断面構造を示す。図22は、第1の実施形態の図4に示した構造図に対応する構造図である。
(Seventh embodiment)
FIG. 22 shows a cross-sectional structure of a semiconductor device 1 according to the seventh embodiment of the present invention. FIG. 22 is a structural diagram corresponding to the structural diagram shown in FIG. 4 of the first embodiment.
図17に示した第4の実施形態と異なる点は、凹部底面の端部で炭化珪素エピタキシャル層12と接する領域Cに高濃度P型多結晶シリコン膜23が形成され、凹部底面の中央部で炭化珪素エピタキシャル層12と接する領域Dに低濃度P型多結晶シリコン膜24が形成され、凸部上端で炭化珪素エピタキシャル層12と接する領域BにN型多結晶シリコン膜26が形成されていることである。ここでの高濃度、低濃度は、ヘテロ半導体層20中の不純物濃度の相対的な差を表している。
A difference from the fourth embodiment shown in FIG. 17 is that a high-concentration P-type
式(1)に示したように、領域CをP型多結晶シリコン膜で形成し、領域DをN型のシリコン膜で形成することによって、ヘテロ接合界面の電子に対する領域Cのエネルギー障壁ΦBn(C)を領域Dのエネルギー障壁ΦBn(D)より高くすることができる。 As shown in the equation (1), the region C is formed of a P-type polycrystalline silicon film and the region D is formed of an N-type silicon film, whereby the energy barrier ΦBn ( C) can be made higher than the energy barrier ΦBn (D) in region D.
図22に示した構成を採用することで、凹部底面の中央部(領域D)のヘテロ接合の電子に対するエネルギー障壁ΦBn(D)を、凸部上端部(領域B)のエネルギー障壁ΦBn(B)より高くし、更に、凹部底面の端部(領域C)のエネルギー障壁ΦBn(C)を、凹部底面の中央部(領域D)のエネルギー障壁ΦBn(D)より高くすることができる。 By adopting the configuration shown in FIG. 22, the energy barrier ΦBn (D) against the electrons in the heterojunction at the center (region D) of the bottom surface of the recess is changed to the energy barrier ΦBn (B) at the upper end of the protrusion (region B). Further, the energy barrier ΦBn (C) at the end portion (region C) of the bottom surface of the recess can be made higher than the energy barrier ΦBn (D) at the center portion (region D) of the bottom surface of the recess.
上記のように、本発明の第7の実施形態に係る半導体装置1によれば、オン抵抗が低く、且つオフ時におけるリーク電流の発生が抑制された半導体装置1を実現することができる。更に、第4の実施形態に比べて、領域Dでのエネルギー障壁をより高くすることができる。このため、オフ時のリーク電流を更に低減することができる。他は、第1の実施形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。 As described above, according to the semiconductor device 1 according to the seventh embodiment of the present invention, it is possible to realize the semiconductor device 1 with low on-resistance and suppressed generation of leakage current at the time of off. Furthermore, the energy barrier in the region D can be made higher than in the fourth embodiment. For this reason, the leakage current at the time of OFF can further be reduced. Others are substantially the same as those in the first embodiment, and redundant description is omitted.
本発明の第7の実施形態に係る半導体装置1の製造方法は、既に説明した第4の実施形態の製造方法と同様であるため、説明を省略する。 Since the manufacturing method of the semiconductor device 1 according to the seventh embodiment of the present invention is the same as the manufacturing method of the fourth embodiment already described, the description thereof is omitted.
(その他の実施形態)
上記のように、本発明は第1乃至第7の実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
(Other embodiments)
As described above, the present invention has been described according to the first to seventh embodiments. However, it should not be understood that the description and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.
既に述べた第1乃至第7の実施形態の説明においては、炭化珪素基板11及び炭化珪素エピタキシャル層12の導電型をN型としたが、P型としてもよい。ただし、半導体基体10の多数キャリアが電子である場合の方が、多数キャリアがホール(正孔)の場合よりも半導体基体10でのキャリア移動度が高くなり、オン抵抗を低くすることができる。
In the description of the first to seventh embodiments already described, the conductivity type of
第1乃至第7の実施形態では、図3に示したY軸方向に沿って溝が形成されている場合について示したが、電流駆動部90が凹凸に沿って形成されていれば、穴状の凹凸であってもかまわない。
In the first to seventh embodiments, the case where the groove is formed along the Y-axis direction shown in FIG. 3 is shown. However, if the
また、半導体基体10に用いられる炭化珪素のポリタイプとして4Hを用いたが、3Hや6H及び他のポリタイプの炭化珪素を用いることもできる。更に、半導体基体10として炭化珪素を用いたが、窒化ガリウムやダイヤモンドを用いることもできる。
Moreover, although 4H was used as the polytype of silicon carbide used for the
第1乃至第7の実施形態では、ヘテロ半導体層20に多結晶シリコンを用いる例を説明したが、シリコンゲルマニウム(SiGe)やゲルマニウム(Ge)、ガリウムヒ素(GaAs)等をヘテロ半導体層20に用いることができる。また、結晶の種類としては、単結晶、多結晶、アモルファス等を用いることができる。
In the first to seventh embodiments, examples in which polycrystalline silicon is used for the
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことはもちろんである。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。 As described above, the present invention naturally includes various embodiments not described herein. Therefore, the technical scope of the present invention is defined only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from the above description.
本発明の半導体装置は、ヘテロ接合を用いた電流制御を行うスイッチング素子に利用可能である。 The semiconductor device of the present invention can be used as a switching element that performs current control using a heterojunction.
1…半導体装置
10…半導体基体
11…炭化珪素基板
12…炭化珪素エピタキシャル層
20…ヘテロ半導体層
21…低濃度N型多結晶シリコン膜
22…高濃度N型多結晶シリコン膜
23…高濃度P型多結晶シリコン膜
24…低濃度P型多結晶シリコン膜
25…P型多結晶シリコン膜
26…N型多結晶シリコン膜
27…中濃度N型多結晶シリコン膜
28…中濃度P型多結晶シリコン膜
30…ゲート絶縁膜
40…ゲート電極
50…ソース電極
60…ドレイン電極
70…層間絶縁膜
90…電流駆動部
101…第1主面
102…第2主面
111…フォトレジスト膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (11)
前記半導体基体と異なるバンドギャップを有し、前記半導体基体の前記第1主面上の前記凹凸構造の凹部底面及び凸部上端でヘテロ接合を形成して配置されたヘテロ半導体層と、
前記ヘテロ半導体層が配置された領域に隣接して、前記半導体基体の前記第1主面上に配置されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に配置されたゲート電極と、
前記ヘテロ半導体層上に配置されたソース電極と、
前記半導体基体の第2主面上に配置されたドレイン電極と
を備え、
前記半導体基体、前記ヘテロ半導体層及び前記ゲート絶縁膜が互いに接する電流駆動部が前記凹凸構造に沿って形成され、
前記へテロ半導体層の前記凹部底面においてヘテロ接合する領域と前記凸部上端においてヘテロ接合する領域とで不純物濃度及び導電型の少なくともいずれかが異なることにより、前記ヘテロ接合の界面における前記半導体基体中の多数キャリアに対するエネルギー障壁の高さが、前記凹凸構造の前記凹部底面の少なくとも一部において前記凸部上端よりも高いことを特徴とする半導体装置。 A first-conductivity-type semiconductor substrate having a first main surface with a concavo-convex structure formed at a predetermined location ;
A hetero semiconductor layer having a band gap different from that of the semiconductor substrate and arranged to form a heterojunction at a concave bottom surface and a convex top end of the concave-convex structure on the first main surface of the semiconductor base;
A gate insulating film disposed on the first main surface of the semiconductor substrate adjacent to the region where the hetero semiconductor layer is disposed;
A gate electrode disposed on the gate insulating film;
A source electrode disposed on the hetero semiconductor layer;
A drain electrode disposed on the second main surface of the semiconductor substrate,
A current driving unit in which the semiconductor substrate, the hetero semiconductor layer and the gate insulating film are in contact with each other is formed along the concavo-convex structure;
In the semiconductor substrate at the interface of the heterojunction , at least one of impurity concentration and conductivity type is different between a region heterojunction at the bottom surface of the recess of the hetero semiconductor layer and a region heterojunction at the top end of the protrusion. height of an energy barrier for majority carriers, wherein a higher than the protrusion upper at least part of the recess bottom surface of the concave-convex structure.
前記凹部底面の中央部において前記半導体基体とヘテロ接合する領域の不純物濃度が、前記凸部上端において前記半導体基体とヘテロ接合する領域の不純物濃度より低く、
前記凹部底面の端部において前記半導体基体とヘテロ接合する領域の不純物濃度が、前記凹部底面の中央部において前記半導体基体とヘテロ接合する領域の不純物濃度より低い
ことを特徴とする請求項5に記載の半導体装置。 The hetero semiconductor layer is N-type , and in the hetero semiconductor layer,
The impurity concentration of the region heterojunction with the semiconductor substrate at the center of the bottom surface of the recess is lower than the impurity concentration of the region heterojunction with the semiconductor substrate at the top of the protrusion.
6. The impurity concentration in a region heterojunction with the semiconductor substrate at the end of the bottom surface of the recess is lower than the impurity concentration in a region heterojunction with the semiconductor substrate in the center of the bottom surface of the recess. Semiconductor device.
前記凸部上端及び前記凹部底面の中央部において前記半導体基体とヘテロ接合する領域がN型であり、且つ、前記凹部底面の中央部において前記半導体基体とヘテロ接合する領域の不純物濃度が、前記凸部上端において前記半導体基体とヘテロ接合する領域の不純物濃度より低く、
前記凹部底面の端部において前記半導体基体とヘテロ接合する領域が第2導電型である
ことを特徴とする請求項5に記載の半導体装置。 In the hetero semiconductor layer,
The region heterojunction with the semiconductor substrate at the top of the convex part and the center of the bottom of the recess is N-type , and the impurity concentration of the region heterojunction with the semiconductor substrate at the center of the bottom of the recess is Lower than the impurity concentration of the region heterojunction with the semiconductor substrate at the upper end of the part,
6. The semiconductor device according to claim 5, wherein a region heterojunction with the semiconductor substrate at an end of the bottom surface of the recess is of a second conductivity type.
前記凹部底面の中央部において前記半導体基体とヘテロ接合する領域の不純物濃度が、前記凸部上端において前記半導体基体とヘテロ接合する領域の不純物濃度より高く、
前記凹部底面の端部において前記半導体基体とヘテロ接合する領域の不純物濃度が、前記凹部底面の中央部において前記半導体基体とヘテロ接合する領域の不純物濃度より高い
ことを特徴とする請求項5に記載の半導体装置。 The hetero semiconductor layer is P-type , and in the hetero semiconductor layer,
The impurity concentration of the region heterojunction with the semiconductor substrate at the center of the bottom surface of the recess is higher than the impurity concentration of the region heterojunction with the semiconductor substrate at the top of the protrusion.
6. The impurity concentration in a region heterojunction with the semiconductor substrate at the end of the recess bottom is higher than the impurity concentration in a region heterojunction with the semiconductor substrate in the center of the recess bottom. Semiconductor device.
前記凸部上端において前記半導体基体とヘテロ接合する領域がN型であり、
前記凹部底面の中央部及び前記凹部底面の端部において前記半導体基体とヘテロ接合する領域がP型であり、且つ、前記凹部底面の中央部において前記半導体基体とヘテロ接合する領域の不純物濃度が、前記凹部底面の端部において前記半導体基体とヘテロ接合する領域の不純物濃度より低い
ことを特徴とする請求項5に記載の半導体装置。 In the hetero semiconductor layer,
A region heterojunction with the semiconductor substrate at the upper end of the convex portion is N-type ,
The region heterojunction with the semiconductor substrate at the center of the recess bottom and the end of the recess bottom is P-type , and the impurity concentration of the region heterojunction with the semiconductor substrate at the center of the recess bottom is The semiconductor device according to claim 5, wherein an impurity concentration in an end portion of the bottom surface of the recess is lower than an impurity concentration in a region heterojunction with the semiconductor substrate.
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