JPH10107263A - Insulated gate silicon carbide semiconductor device - Google Patents

Insulated gate silicon carbide semiconductor device

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JPH10107263A
JPH10107263A JP8255211A JP25521196A JPH10107263A JP H10107263 A JPH10107263 A JP H10107263A JP 8255211 A JP8255211 A JP 8255211A JP 25521196 A JP25521196 A JP 25521196A JP H10107263 A JPH10107263 A JP H10107263A
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JP
Japan
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conductivity type
semiconductor device
region
epitaxial layer
silicon carbide
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JP8255211A
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Japanese (ja)
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Tanio Urushiya
多二男 漆谷
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Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a silicon carbide semiconductor device having excellent characteristics which suppresses influences on carrier mobility of a minute step of a crystal surface caused by a substrate provided with an off-angle for epitaxial growth. SOLUTION: By use of (0001) face as a main face, on a surface layer of a p-epitaxial layer 2 grown on a p<+> -substrate 1 of silicon carbide having an off-angle in a direction of <11-20>, an n-source region 3, and an n-drain region 4 are formed so that main parts of a boundary of an n-source region 3 and a boundary of an n-drain region 4 are made substantially parallel in the direction of an off-angle. A gate electrode layer 6 is provided on the p-epitaxial layer 2 between both regions via a gate insulation film 5, and MOSFET having a source electrode 7, a drain electrode 8 and a gate electrode 9 is formed. Probability that carriers of a current flowing in a channel 10 induced just under the gate electrode layer 6 cross the minute step of a surface layer of the p- epitaxial layer 2 is reduced, and mobility is improved, so that a silicon carbide semiconductor device low in on-resistance is obtained.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、炭化ケイ素を用
いた炭化ケイ素半導体装置に関する。
The present invention relates to a silicon carbide semiconductor device using silicon carbide.

【0002】[0002]

【従来の技術】ケイ素を用いた半導体装置は、高周波
化、大電力化を目指して各種の構造的な工夫により高性
能化が進められてきた。しかし、限界に近づきつつあ
り、より一層の高性能化を図るために、新しい材料の半
導体装置が模索されている。また、大電力を制御するパ
ワーデバイスでは、高温や放射線等の過酷な環境下にお
ける動作を要求されることも多いが、ケイ素やヒ化ガリ
ウムなどの既存の半導体材料においては実現が困難であ
る。
2. Description of the Related Art The performance of semiconductor devices using silicon has been improved by various structural measures in order to achieve higher frequencies and higher power. However, the semiconductor device is approaching its limit, and a semiconductor device using a new material is being sought in order to achieve higher performance. Power devices that control large power are often required to operate under severe environments such as high temperatures and radiation, but are difficult to achieve with existing semiconductor materials such as silicon and gallium arsenide.

【0003】上記のような要求に対して、炭化ケイ素は
不純物添加により、p、n価電子制御が容易にできる
上、広い禁制帯幅(結晶系により、2.93eVまたは
3.26eV)をもつため、大容量、高周波、そして高
温動作が可能な次世代のパワーデバイス用材料として期
待されている。具体的には、ケイ素より一桁高い絶縁破
壊電界を持つことから高耐圧デバイスへ、ケイ素の約2
倍の電子の飽和ドリフト速度を持つことから高周波デバ
イスへ、ケイ素の約3倍の熱伝導率を持つことから大電
力デバイス、高温環境用デバイスへの適用がみこまれ
る。
[0003] In response to the above requirements, silicon carbide can easily control p and n valence electrons by adding impurities, and has a wide band gap (2.93 eV or 3.26 eV depending on the crystal system). Therefore, it is expected as a material for next-generation power devices that can operate at high capacity, high frequency, and high temperature. Specifically, since it has a breakdown electric field one order higher than silicon, it has
Because it has twice the electron saturation drift velocity, it can be applied to high frequency devices, and because it has about three times the thermal conductivity of silicon, it can be applied to high power devices and devices for high temperature environments.

【0004】これらの優れた特徴があるにもかかわら
ず、結晶成長が困難であるため、その開発はなかなか進
んでいなかった。しかし、ここ数年の結晶成長技術の進
歩は目ざましく、現在6H−SiC、4H−SiCの
(0001)面を主面とする直径30mmのウェハが市
販されるようになっている。これらは、閃亜鉛鉱型とウ
ルツ鉱型とが積層された形のアルファ相SiCである。
また、エピタキシャル成長技術においても、6H−Si
Cおよび4H−SiC結晶をサブストレートにし、斜め
研磨により僅かに傾斜をつけた(オフアングルと呼ぶ)
基板上に成長することによって、従来、基板温度が18
00℃程度でなければ得られなかった高品質のエピタキ
シャル層が、1500℃程度の低温で得られるようにな
った。これらの結晶の進歩により、高耐圧接合ダイオー
ド、ショットキーダイオード、或いは、MOS型電界効
果トランジスタ(以下MOSFETと記す)などのデバ
イスの試作が急速に進められている。
[0004] Despite these excellent features, the crystal growth is difficult, and its development has not been advanced. However, progress in crystal growth technology in recent years has been remarkable, and wafers having a diameter of 30 mm and having a (0001) plane of 6H-SiC or 4H-SiC as a main surface are now commercially available. These are alpha-phase SiC in a form in which a zinc blende type and a wurtzite type are stacked.
Also, in the epitaxial growth technology, 6H-Si
C and 4H-SiC crystals were made into substrates and slightly inclined by oblique polishing (called off-angle).
By growing on a substrate, the substrate temperature is conventionally 18
High quality epitaxial layers, which could not be obtained unless the temperature was about 00 ° C., can now be obtained at a low temperature of about 1500 ° C. With the progress of these crystals, trial production of devices such as a high breakdown voltage junction diode, a Schottky diode, or a MOS field effect transistor (hereinafter, referred to as a MOSFET) is rapidly progressing.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】上記のようにSiCの
エピタキシャル成長では、オフアングルを設けたサブス
トレート上にのみ良質なエピタキシャル層の成長が可能
であることが知られている。SiCのエピタキシャル成
長においては、一般に(0001)面の結晶ではオフア
ングルは、<11−20>方向に5度程度の角度でおこ
なわれている。
As described above, in the epitaxial growth of SiC, it is known that a high-quality epitaxial layer can be grown only on a substrate having an off-angle. In the epitaxial growth of SiC, the off-angle of the (0001) plane crystal is generally set at an angle of about 5 degrees in the <11-20> direction.

【0006】斜め研磨した表面は結晶面とオフアングル
だけずれており、エピタキシャル成長は結晶面間の微小
ステップに原子を付加しながら結晶面を維持しつつ進ん
で行く。従って、エピタキシャル層の表面には、斜め研
磨方向に垂直な方向の階段状の微小ステップが残る。ま
たこの微小ステップは、エピタキシャル層表面を酸化し
た場合は、酸化膜とエピタキシャル層との界面に残る。
The obliquely polished surface is shifted from the crystal plane by an off angle, and the epitaxial growth proceeds while maintaining the crystal plane while adding atoms to minute steps between the crystal planes. Therefore, a step-like minute step in the direction perpendicular to the oblique polishing direction remains on the surface of the epitaxial layer. When the surface of the epitaxial layer is oxidized, the minute step remains at the interface between the oxide film and the epitaxial layer.

【0007】従って、エピタキシャル層の表面は、結晶
の品質は良好で鏡面のように見えるが、表面には原子オ
ーダーで階段状にステップが形成されている。このステ
ップは、例えば、走査型トンネル顕微鏡で観察すること
ができ、オフアングルの方向が<11−20>方向であ
ると、その方向に垂直な<1−100>方向に平行に形
成されているのがわかる。
Therefore, the surface of the epitaxial layer has a good crystal quality and looks like a mirror surface, but steps are formed on the surface in steps of atomic order. This step can be observed by, for example, a scanning tunneling microscope. If the off-angle direction is a <11-20> direction, the step is formed parallel to a <1-100> direction perpendicular to that direction. I understand.

【0008】このようなステップの存在する表面もしく
は界面直下を電流が流れる場合、移動度の低下の原因に
なる。実際、シリコンのMOSFETにおいては、誘電
体と、半導体との界面のミクロな凹凸がチャネルの移動
度に影響することが知られている。SiCにおいては、
これまでMOSFETを始めとするゲートに電界を印加
し、チャネルを形成することにより電流を制御するデバ
イスが作製されているが、それらのデバイスは、チャネ
ルに流れる電流の方向を考慮せずに作製されている。そ
のためもあって、MOS界面nチャネルの移動度は、1
×1016cm-3のエピタキシャルを使用した場合、70
cm2 /Vsが最高値で、SiCバルクの移動度から類
推してもかなり低かった。
[0008] When a current flows just below the surface or interface where such steps exist, it causes a decrease in mobility. In fact, in silicon MOSFETs, it is known that microscopic irregularities at the interface between the dielectric and the semiconductor affect the mobility of the channel. In SiC,
Until now, devices that control the current by applying an electric field to the gates such as MOSFETs and forming a channel have been fabricated, but these devices have been fabricated without considering the direction of the current flowing through the channel. ing. For this reason, the mobility of the MOS interface n-channel is 1
When using an epitaxial of × 10 16 cm -3 , 70
The highest value was cm 2 / Vs, which was considerably low by analogy with the mobility of the SiC bulk.

【0009】以上の問題に鑑み本発明の目的は、エピタ
キシャル成長のためオフアングルを設けたサブストレー
トに起因する結晶表面の微小ステップのキャリア移動度
への影響を抑制し、特性の優れた炭化ケイ素半導体装置
を提供することにある。
In view of the above problems, an object of the present invention is to suppress the influence of microsteps on the crystal surface on carrier mobility caused by a substrate having an off-angle for epitaxial growth, and to provide a silicon carbide semiconductor having excellent characteristics. It is to provide a device.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】以上の問題解決のため本
発明は、オフアングルをもつ炭化ケイ素サブストレート
上にエピタキシャル層が形成され、その上にゲート絶縁
膜を介して設けられたゲート電極層を有し、該ゲート電
極層直下にチャネル形成領域を有する絶縁ゲート型炭化
ケイ素半導体装置において、チャネルを流れる電流の方
向と、オフアングルの方向とがほぼ直角をなすものとす
る。
SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above problems, the present invention provides a gate electrode layer having an epitaxial layer formed on a silicon carbide substrate having an off-angle, and a gate electrode layer provided on the epitaxial layer via a gate insulating film. In the insulated gate silicon carbide semiconductor device having a channel formation region immediately below the gate electrode layer, the direction of the current flowing through the channel and the direction of the off-angle are substantially perpendicular to each other.

【0011】例えば、半導体装置が第一導電型エピタキ
シャル層の表面層に選択的に形成された第二導電型ソー
ス領域と第二導電型ドレイン領域とを有する横型MIS
FETであり、ゲート電極層直下のエピタキシャル層表
面において第二導電型ソース領域の境界および第二導電
型ドレイン領域の境界の主要部が、オフアングルの方向
に対してほぼ平行をなす場合や、半導体装置が第一導電
型エピタキシャル層の表面層に形成された第二導電型コ
レクタ領域、第二導電型ベース領域およびその第二導電
型ベース領域内に形成された第一導電型エミッタ領域を
有する横型IGBTであり、ゲート電極層直下のエピタ
キシャル層表面において第二導電型ベース領域の境界お
よび第一導電型エミッタ領域の境界が、オフアングルの
方向に対してほぼ平行をなす場合や、半導体装置が第一
導電型エピタキシャル層の表面層に形成された第二導電
型ベース領域およびその第二導電型ベース領域内に形成
された第一導電型ソース領域と、サブストレートの裏面
側に形成された第二導電型ドレイン領域とを有する縦型
MISFETであり、ゲート電極層直下のエピタキシャ
ル層表面において第二導電型ベース領域の境界および第
一導電型ソース領域の境界が、オフアングルの方向に対
してほぼ平行をなす場合、または半導体装置が第一導電
型エピタキシャル層の表面層に形成された第二導電型ベ
ース領域およびその第二導電型ベース領域内に形成され
た第一導電型エミッタ領域と、サブストレートの裏面側
に形成された第二導電型コレクタ領域とを有する縦型I
GBTであり、ゲート電極層直下のエピタキシャル層表
面において第二導電型ベース領域の境界および第一導電
型エミッタ領域の境界が、オフアングルの方向に対して
ほぼ平行をなす場合等である。
For example, a lateral MIS in which a semiconductor device has a second conductivity type source region and a second conductivity type drain region selectively formed on a surface layer of a first conductivity type epitaxial layer.
FET, where the main portion of the boundary of the second conductivity type source region and the boundary of the second conductivity type drain region on the epitaxial layer surface immediately below the gate electrode layer are substantially parallel to the off-angle direction, A lateral type device having a second conductivity type collector region formed in a surface layer of a first conductivity type epitaxial layer, a second conductivity type base region, and a first conductivity type emitter region formed in the second conductivity type base region. An IGBT in which the boundary of the second conductivity type base region and the boundary of the first conductivity type emitter region are substantially parallel to the off-angle direction on the surface of the epitaxial layer immediately below the gate electrode layer; Second conductivity type base region formed in the surface layer of one conductivity type epitaxial layer and first conductivity type formed in the second conductivity type base region A vertical conductivity type MISFET having a source region and a second conductivity type drain region formed on the back surface side of the substrate, wherein a boundary of the second conductivity type base region and the first conductivity type are formed on the epitaxial layer surface immediately below the gate electrode layer. When the boundary of the mold source region is substantially parallel to the off-angle direction, or when the semiconductor device is a second conductivity type base region formed on the surface layer of the first conductivity type epitaxial layer and the second conductivity type base region A vertical I type having a first conductivity type emitter region formed in the region and a second conductivity type collector region formed on the back side of the substrate
This is the case where the boundary of the second conductivity type base region and the boundary of the first conductivity type emitter region are substantially parallel to the off-angle direction on the surface of the epitaxial layer immediately below the gate electrode layer.

【0012】前項で述べたように、エピタキシャル層の
表面や、エピタキシャル層表面を酸化した場合は、酸化
膜とエピタキシャル層との界面には、斜め研磨方向に垂
直な方向の階段状の微小ステップが残る。そして、この
ようなステップを横切る方向に電流が流れる場合、キャ
リアの移動度が低下する。本発明のように電流が流れる
経路をステップに平行にすれば、ステップを横切る確率
が減り、移動度の低下を防ぐことができる。
As described in the preceding paragraph, when the surface of the epitaxial layer or the surface of the epitaxial layer is oxidized, a step-like minute step in the direction perpendicular to the oblique polishing direction is formed at the interface between the oxide film and the epitaxial layer. Remains. When a current flows in a direction crossing such a step, the mobility of carriers is reduced. If the path through which the current flows is made parallel to the step as in the present invention, the probability of crossing the step is reduced, and a decrease in mobility can be prevented.

【0013】オフアングルの方向が[11−20]であ
れば、ゲート電極層直下の不純物領域の境界の方向を
[1−100]とし、オフアングルの方向が[1−10
0]であれば、ゲート電極層直下の不純物領域の境界の
方向を[11−20]とすることがよい。そのようにす
れば、電流が微小ステップを横切る確率は減る。
If the off-angle direction is [11-20], the direction of the boundary of the impurity region immediately below the gate electrode layer is [1-100], and the off-angle direction is [1-10].
0], the direction of the boundary of the impurity region immediately below the gate electrode layer is preferably set to [11-20]. In that way, the probability of the current crossing a small step is reduced.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】以下、本発明をMISFETの一
種である横型MOSFETを例にして実施例に基づき説
明する。以下は全て<11−20>方向に斜め研磨した
基板についての記述である。 [実施例1]図1(a)は、本発明第一の実施例の横型
MOSFETの断面図である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described based on embodiments by taking a lateral MOSFET which is a kind of MISFET as an example. The following is a description of a substrate polished obliquely in the <11-20> direction. [Embodiment 1] FIG. 1A is a sectional view of a lateral MOSFET according to a first embodiment of the present invention.

【0015】(0001)面をオフアングル3.5度で
<11−20>方向に斜め研磨した6H−SiCのp+
サブストレート1上に、エピタキシャル成長によりアル
ミニウム(Al)を3×1016cm-3ドープしたpエピ
タキシャル層2が形成されている。そのpエピタキシャ
ル層2の表面層に窒素の選択的なイオン注入およびその
後の熱処理により、nソース領域3、nドレイン領域4
が形成されている。nソース領域3とnドレイン領域4
とに挟まれたpエピタキシャル層2の表面上に酸化ケイ
素のゲート絶縁膜5を介して多結晶シリコンのゲート電
極層6が設けられている。また、nソース領域3、nド
レイン領域4、ゲート電極層6にそれぞれ接触して、例
えばNiのソース電極7、ドレイン電極8、ゲート電極
9が設けられている。
The p + of 6H—SiC whose (0001) plane is polished obliquely in the <11-20> direction at an off angle of 3.5 degrees
On a substrate 1, ap epitaxial layer 2 doped with aluminum (Al) at 3 × 10 16 cm −3 is formed by epitaxial growth. The n source region 3 and the n drain region 4 are selectively ion-implanted with nitrogen into the surface layer of the p epitaxial layer 2 and then heat-treated.
Are formed. n source region 3 and n drain region 4
A gate electrode layer 6 of polycrystalline silicon is provided on a surface of p epitaxial layer 2 sandwiched between the gate electrode layer 6 and a silicon oxide gate insulating film 5. Further, a source electrode 7, a drain electrode 8, and a gate electrode 9 of, for example, Ni are provided in contact with the n source region 3, the n drain region 4, and the gate electrode layer 6, respectively.

【0016】このMOSFETの動作は、次のようにお
こなわれる。ゲート電極9に、ある値(しきい電圧)以
上の正の電圧を印加することにより、ゲート電極層6の
直下のpエピタキシャル層2の表面層に反転層であるチ
ャネル10を生じ、そのチャネル10を通じて、ソース
電極7とドレイン電極8間に電流が流れるものである。
ゲート電極9への電圧印加を停止すれば、チャネル10
は消滅し、電流は流れなくなる。
The operation of the MOSFET is performed as follows. By applying a positive voltage equal to or higher than a certain value (threshold voltage) to the gate electrode 9, a channel 10 which is an inversion layer is formed on the surface layer of the p epitaxial layer 2 immediately below the gate electrode layer 6, and the channel 10 , A current flows between the source electrode 7 and the drain electrode 8.
When the voltage application to the gate electrode 9 is stopped, the channel 10
Disappears and the current stops flowing.

【0017】図1(b)はその炭化ケイ素表面における
各拡散層の配置を示す平面図である。図の上下方向が<
11−20>方向、左右方向が<1−100>方向であ
る。図において見られるように、<11−20>方向に
オフアングルを設けた(0001)結晶の表面層に、n
ソース領域3とnドレイン領域4とが<1−100>方
向すなわちオフアングルの方向と直角方向に互いに対向
するように形成されている。点線でゲート電極層6の配
置が示されている。このような配置にすれば、ゲート電
極9へ電圧を印加したとき、電流はチャネル10内を<
1−100>方向に流れる。
FIG. 1B is a plan view showing the arrangement of each diffusion layer on the surface of the silicon carbide. The vertical direction of the figure is <
The <11-20> direction and the left-right direction are <1-100> directions. As can be seen in the figure, the surface layer of the (0001) crystal having an off-angle in the <11-20> direction has n
The source region 3 and the n-drain region 4 are formed to face each other in the <1-100> direction, that is, the direction perpendicular to the off-angle direction. The arrangement of the gate electrode layer 6 is indicated by a dotted line. With this arrangement, when a voltage is applied to the gate electrode 9, the current flows through the channel 10 <
1-100> direction.

【0018】図1(c)は、図1(b)のA−A’線に
沿った断面の拡大図であり、原子間力顕微鏡で測定した
ものである。平らな面は、原子的に平滑な(0001)
面を示している。このように、<11−20>方向に
は、10〜50nmの間隔で高さ2〜5nmの微小ステ
ップが多数あるが、それと直角な<1−100>方向に
はステップが殆ど無いことがわかった。すなわち、電流
が流れる方向に沿ってはステップが無いので、キャリア
移動度に影響を与えることがない。
FIG. 1C is an enlarged view of a section taken along the line AA 'in FIG. 1B, and is measured by an atomic force microscope. Flat surfaces are atomically smooth (0001)
Plane. As described above, it is found that there are many microsteps having a height of 2 to 5 nm at intervals of 10 to 50 nm in the <11-20> direction, but there are almost no steps in the <1-100> direction perpendicular thereto. Was. That is, since there are no steps along the direction in which the current flows, the carrier mobility is not affected.

【0019】実際に3×1016cm-3のpエピタキシャ
ル層2にnチャネル横型MOSFETを作製した場合、
図1の構造においては80cm2 /Vsの移動度が得ら
れた。 [比較例]図2(a)は、比較例としての横型MOSF
ETの断面図である。
When an n-channel lateral MOSFET is actually formed on a p × 3 epitaxial layer 2 of 3 × 10 16 cm −3 ,
In the structure of FIG. 1, a mobility of 80 cm 2 / Vs was obtained. [Comparative Example] FIG. 2A shows a lateral MOSF as a comparative example.
It is sectional drawing of ET.

【0020】この例でも<11−20>方向に斜め研磨
したp+ サブストレート1上に、エピタキシャル成長に
より形成されたAlを3×1016cm-3ドープしたpエ
ピタキシャル層2が形成され、そのpエピタキシャル層
2の表面層に、図1と同様に横型MOSFETが形成さ
れている。図2(b)はその炭化ケイ素表面における各
拡散層の配置を示す平面図である。図の上下方向が<1
−100>方向、左右方向が<11−20>方向であ
る。図において見られるように、<11−20>方向に
オフアングルを設けた(0001)結晶の表面層に、n
ソース領域3とnドレイン領域4とが<11−20>方
向すなわちオフアングルの方向と平行方向に互いに対向
するように形成されている。点線でゲート電極層6の配
置が示されている。このような配置にすれば、ゲート電
極9へ電圧を印加したとき、電流はチャネル10内を<
11−20>方向に流れる。
Also in this example, a p epitaxial layer 2 doped with 3 × 10 16 cm −3 of Al formed by epitaxial growth is formed on ap + substrate 1 polished obliquely in the <11-20> direction. A lateral MOSFET is formed on the surface layer of the epitaxial layer 2 as in FIG. FIG. 2B is a plan view showing the arrangement of each diffusion layer on the surface of the silicon carbide. The vertical direction of the figure is <1
The <-100> direction and the left-right direction are <11-20> directions. As can be seen in the figure, the surface layer of the (0001) crystal having an off-angle in the <11-20> direction has n
The source region 3 and the n-drain region 4 are formed so as to face each other in the <11-20> direction, that is, the direction parallel to the off-angle direction. The arrangement of the gate electrode layer 6 is indicated by a dotted line. With this arrangement, when a voltage is applied to the gate electrode 9, the current flows through the channel 10 <
11-20> direction.

【0021】図2(c)は、図2(b)のB−B’線に
沿った断面の拡大図となる。この場合は、電流が流れる
方向に沿っては無数のステップが存在することになる。
この場合、ソース、ドレイン間の電流は、ゲート酸化膜
界面のミクロなステップを垂直に横切りながら電流が流
れるため、移動度が低くなる。この比較例の横型MOS
FETにおいては、チャネルの移動度が20cm2 /V
sであった。
FIG. 2C is an enlarged view of a cross section taken along line BB ′ of FIG. 2B. In this case, there are countless steps along the direction in which the current flows.
In this case, the mobility between the source and the drain is low because the current flows while vertically crossing the micro steps at the interface of the gate oxide film. Horizontal MOS of this comparative example
In an FET, the channel mobility is 20 cm 2 / V
s.

【0022】実施例1のnソース領域3、nドレイン領
域4の配置により、ソース電極7、ドレイン電極8間に
流れる電流は、ゲート酸化膜5直下のミクロなステップ
を横切る確率が大幅に減り、比較例に対して、移動度が
大きくなると考えられる。比較例は、キャリアが微小ス
テップを横切る確率が最大の場合にあたるが、この移動
度の差から600VクラスのMOSFETのオン抵抗を
試算すると、比較例のMOSFETでは1×10-2Ωc
2 であるのに対し、実施例1のMOSFETでは2×
10-3Ωcm2 と、大幅に損失が少なくなる。また、作
製された半導体装置の特性が均一化されることになる。 [実施例2]パワーデバイスの場合、電流を多く流すた
め、縦型の構造が用いられることが多い。図3(a)
は、本発明第二の実施例の縦型MOSFETの断面図で
ある。
By the arrangement of the n source region 3 and the n drain region 4 in the first embodiment, the probability that the current flowing between the source electrode 7 and the drain electrode 8 crosses the micro steps immediately below the gate oxide film 5 is greatly reduced. It is considered that the mobility is higher than that of the comparative example. The comparative example corresponds to the case where the probability of the carrier crossing a small step is the maximum. When the on-resistance of the MOSFET of the 600 V class is estimated based on the difference in the mobility, the MOSFET of the comparative example shows 1 × 10 −2 Ωc
m 2 , whereas the MOSFET of the first embodiment is 2 ×
The loss is greatly reduced to 10 −3 Ωcm 2 . Further, the characteristics of the manufactured semiconductor device are made uniform. [Embodiment 2] In the case of a power device, a vertical structure is often used because a large amount of current flows. FIG. 3 (a)
FIG. 3 is a sectional view of a vertical MOSFET according to a second embodiment of the present invention.

【0023】この例では、n+ サブストレート11が用
いられ、その上にnエピタキシャル層12が堆積され
る。そして、nエピタキシャル層12の表面層にpベー
ス領域14が形成され、ソース電極7はpベース領域1
4の表面層に選択的に形成されたnソース領域3上に、
ドレイン電極8はnサブストレート11の裏面にそれぞ
れ設けられ、電流が基板の主面に対して垂直方向に流れ
る。5はゲート絶縁膜、6はゲート電極層、9はゲート
電極である。
In this example, an n + substrate 11 is used, on which an n epitaxial layer 12 is deposited. Then, p base region 14 is formed in the surface layer of n epitaxial layer 12, and source electrode 7 is connected to p base region 1.
4 on the n-source region 3 selectively formed on the surface layer.
The drain electrodes 8 are provided on the back surface of the n-substrate 11, respectively, and a current flows in a direction perpendicular to the main surface of the substrate. 5 is a gate insulating film, 6 is a gate electrode layer, and 9 is a gate electrode.

【0024】図3(b)は炭化ケイ素表面における拡散
領域の配置を示す平面図である。図の上下方向が<11
−20>方向、左右方向が<1−100>方向である。
図に見られるように、<11−20>方向にオフアング
ルを設けた(0001)結晶の表面層に、nソース領域
3とnエピタキシャル層12の表面露出部とが<1−1
00>方向すなわちオフアングルの方向と直角方向に互
いに対向して形成されている。
FIG. 3B is a plan view showing the arrangement of diffusion regions on the surface of silicon carbide. The vertical direction of the figure is <11
The <-20> direction and the left-right direction are <1-100> directions.
As shown in the figure, the surface layer of the (0001) crystal having an off-angle in the <11-20> direction has a surface exposed portion of the n source region 3 and the n epitaxial layer 12 of <1-1.
00> direction, that is, at right angles to the off-angle direction.

【0025】このような配置にすれば、ゲート電極9へ
電圧を印加したとき、電流はチャネル10内を<1−1
00>方向に流れるが、チャネル10はやはりpエピタ
キシャル層2のごく表面層に形成されるので、表面の影
響を免れない。実施例2のような配置とすることによっ
て、ソース電極7、ドレイン電極8間に流れる電流は、
ゲート酸化膜5直下の微小なステップを横切る確率が大
幅に減り、移動度が大きくなる。 [実施例3]図4(a)は、本発明第三の実施例の横型
IGBTの断面図である。
With such an arrangement, when a voltage is applied to the gate electrode 9, the current in the channel 10 is <1-1.
The channel 10 flows in the <00> direction, but the channel 10 is also formed on the very surface layer of the p-epitaxial layer 2, so that the influence of the surface is inevitable. With the arrangement as in the second embodiment, the current flowing between the source electrode 7 and the drain electrode 8 is:
The probability of crossing a minute step immediately below the gate oxide film 5 is greatly reduced, and the mobility is increased. Third Embodiment FIG. 4A is a cross-sectional view of a horizontal IGBT according to a third embodiment of the present invention.

【0026】オフアングル3.5度で<11−20>方
向に斜め研磨したn+ サブストレート11上に、エピタ
キシャル成長法によりNを3×1016cm-3ドープした
nエピタキシャル層12が形成されている。そのnエピ
タキシャル層12の表面層にAl、Nの選択的なイオン
注入およびその後の熱処理により、pコレクタ領域1
3、pベース領域14およびそのpベース領域14の中
にnエミッタ領域15が形成されている。nエミッタ領
域15とnエピタキシャル層12とに挟まれたpベース
領域14の表面上に酸化ケイ素のゲート絶縁膜5を介し
て多結晶シリコンのゲート電極層6が設けられている。
また、nエミッタ領域15、pコレクタ領域13、ゲー
ト電極層6にそれぞれ接触して、例えばNiのエミッタ
電極16、コレクタ電極17、ゲート電極9が設けられ
ている。
An n epitaxial layer 12 doped with 3 × 10 16 cm −3 of N is formed on an n + substrate 11 polished obliquely in the <11-20> direction at an off angle of 3.5 degrees by an epitaxial growth method. I have. By selectively ion-implanting Al and N into the surface layer of the n-epitaxial layer 12 and thereafter performing heat treatment, the p-collector region 1 is formed.
3. A p base region 14 and an n emitter region 15 are formed in the p base region 14. On the surface of p base region 14 sandwiched between n emitter region 15 and n epitaxial layer 12, gate electrode layer 6 of polycrystalline silicon is provided via gate insulating film 5 of silicon oxide.
Further, an emitter electrode 16, a collector electrode 17, and a gate electrode 9, for example, of Ni are provided in contact with the n emitter region 15, the p collector region 13, and the gate electrode layer 6, respectively.

【0027】このIGBTの動作は、次のようにおこな
われる。ゲート電極9に、ある値(しきい電圧)以上の
正の電圧を印加することにより、ゲート電極層6の直下
のpベース領域14の表面層に反転層(チャネル)を生
じ、そのチャネルを通じて、エミッタ電極17からnエ
ピタキシャル層12に電子が注入される。この電子は、
pコレクタ領域13、nエピタキシャル層12、pベー
ス領域14からなるpnpトランジスタのベース電流と
なり、そのトランジスタが導通して、エミッタ電極1
7、コレクタ電極16間に電流が流れる。ゲート電極9
の電圧印加を停止すれば、nエミッタ領域15からの電
子の供給がとまり、IGBTはオフする。
The operation of the IGBT is performed as follows. By applying a positive voltage equal to or higher than a certain value (threshold voltage) to the gate electrode 9, an inversion layer (channel) is generated in the surface layer of the p base region 14 immediately below the gate electrode layer 6, and through the channel, Electrons are injected from emitter electrode 17 into n epitaxial layer 12. This electron is
The base current of the pnp transistor composed of the p collector region 13, the n epitaxial layer 12, and the p base region 14 is turned on, and the transistor is turned on, so that the emitter electrode 1
7. A current flows between the collector electrodes 16. Gate electrode 9
Is stopped, the supply of electrons from the n emitter region 15 stops, and the IGBT is turned off.

【0028】図4(b)は炭化ケイ素表面における拡散
領域の配置を示す平面図である。図の上下方向が<11
−20>方向、左右方向が<1−100>方向である。
この場合も、nエミッタ領域15とnエピタキシャル層
12の表面露出部とが<1−100>方向すなわちオフ
アングルの方向と直角方向に互いに対向して形成されて
いる。そのため、電子がチャネル10を流れる<1−1
00>方向には微小ステップが殆ど無く、キャリア移動
度に影響を与えることがない。
FIG. 4B is a plan view showing the arrangement of diffusion regions on the surface of silicon carbide. The vertical direction of the figure is <11
The <-20> direction and the left-right direction are <1-100> directions.
Also in this case, the n emitter region 15 and the exposed surface of the n epitaxial layer 12 are formed to face each other in the <1-100> direction, that is, the direction perpendicular to the off-angle direction. Therefore, electrons flow through the channel 10 <1-1.
There are almost no minute steps in the 00> direction, and the carrier mobility is not affected.

【0029】同様に、p+ サブストレート上にnエピタ
キシャル層を積んだエピタキシャルウェハに形成された
縦型IGBTにおいても同じ効果が得られる。
Similarly, the same effect can be obtained in a vertical IGBT formed on an epitaxial wafer having an n epitaxial layer stacked on ap + substrate.

【0030】[0030]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、オ
フアングルをもつ炭化ケイ素サブストレート上に成長し
たエピタキシャル層上にゲート絶縁膜を介して設けられ
たゲート電極層を有する絶縁ゲート型炭化ケイ素半導体
装置において、ゲート電極層の直下に形成されるチャネ
ルを流れる電流の方向と、オフアングルの方向とがほぼ
直角をなすように不純物領域を配置することによって、
キャリアが微小ステップを横切る確率を低減し、ステッ
プと平行に流れるように工夫することにより、移動度を
改善し、従来と比較してロスの少ないデバイスを提供す
ることが可能となった。
As described above, according to the present invention, there is provided an insulated gate type carbonization having a gate electrode layer provided on a epitaxial layer grown on a silicon carbide substrate having an off angle via a gate insulating film. In the silicon semiconductor device, by arranging the impurity regions such that the direction of the current flowing through the channel formed immediately below the gate electrode layer and the direction of the off-angle are substantially perpendicular to each other,
By reducing the probability that carriers cross minute steps and devising them to flow in parallel with the steps, it is possible to improve mobility and to provide a device with less loss compared to the prior art.

【0031】例えば、実施例の項で述べたように、MO
SFETの場合最悪の配置の例と比較して、オン抵抗が
1/5に低下することが明らかであり、炭化ケイ素半導
体装置の損失低減の効果は大きい。また、作製された半
導体装置における特性の均一化にも大きく貢献する。
For example, as described in the embodiment, the MO
It is clear that the on-resistance is reduced to 1/5 as compared with the worst arrangement example in the case of the SFET, and the effect of reducing the loss of the silicon carbide semiconductor device is great. Further, it greatly contributes to uniformity of characteristics in the manufactured semiconductor device.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】(a)は本発明第一の実施例の横型MOSFE
Tの断面図、(b)は炭化ケイ素表面における拡散領域
の配置を示す平面図、(c)はA−A’線に沿った断面
の拡大図
FIG. 1A shows a lateral MOSFET according to a first embodiment of the present invention.
T is a cross-sectional view, (b) is a plan view showing the arrangement of diffusion regions on the surface of silicon carbide, and (c) is an enlarged view of a cross-section along the line AA '.

【図2】(a)は比較例例の横型MOSFETの断面
図、(b)は炭化ケイ素表面における拡散領域の配置を
示す平面図、(c)はB−B’線に沿った断面の拡大図
2A is a cross-sectional view of a lateral MOSFET of a comparative example, FIG. 2B is a plan view showing an arrangement of diffusion regions on the surface of silicon carbide, and FIG. 2C is an enlarged cross-section taken along line BB ′. Figure

【図3】(a)は本発明第二の実施例の縦型MOSFE
Tの断面図、(b)は炭化ケイ素表面における拡散領域
の配置を示す平面図
FIG. 3A is a vertical MOSFET according to a second embodiment of the present invention;
T is a cross-sectional view, and (b) is a plan view showing the arrangement of diffusion regions on the silicon carbide surface.

【図4】(a)は本発明第三の実施例の横型IGBTの
断面図、(b)は炭化ケイ素表面における拡散領域の配
置を示す平面図
FIG. 4A is a cross-sectional view of a horizontal IGBT according to a third embodiment of the present invention, and FIG. 4B is a plan view showing the arrangement of diffusion regions on the surface of silicon carbide.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 p+ サブストレート 2 pエピタキシャル層 3 nソース領域 4 nドレイン領域 5 ゲート絶縁膜 6 ゲート電極層 7 ソース電極 8 ドレイン電極 9 ゲート電極 10 チャネル 11 n+ サブストレート 12 nエピタキシャル層 13 pコレクタ領域 14 pベース領域 15 nエミッタ領域 16 コレクタ電極 17 エミッタ電極DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 p + substrate 2 p epitaxial layer 3 n source region 4 n drain region 5 gate insulating film 6 gate electrode layer 7 source electrode 8 drain electrode 9 gate electrode 10 channel 11 n + substrate 12 n epitaxial layer 13 p collector region 14 p base region 15 n emitter region 16 collector electrode 17 emitter electrode

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】オフアングルをもつ炭化ケイ素サブストレ
ート上にエピタキシャル層が形勢され、その上にゲート
絶縁膜を介して設けられたゲート電極層を有し、該ゲー
ト電極層直下にチャネル形成領域を有する絶縁ゲート型
炭化ケイ素半導体装置において、チャネルを流れる電流
の方向と、オフアングルの方向とがほぼ直角をなすこと
を特徴とする絶縁ゲート型炭化ケイ素半導体装置。
An epitaxial layer is formed on a silicon carbide substrate having an off-angle, a gate electrode layer is provided on the epitaxial layer with a gate insulating film interposed therebetween, and a channel forming region is formed immediately below the gate electrode layer. An insulated gate silicon carbide semiconductor device, comprising: a direction of a current flowing through a channel and an off-angle direction are substantially perpendicular to each other.
【請求項2】半導体装置が第一導電型エピタキシャル層
の表面層に選択的に形成された第二導電型ソース領域と
第二導電型ドレイン領域とを有する横型MISFETで
あり、ゲート電極層直下のエピタキシャル層表面におい
て第二導電型ソース領域の境界および第二導電型ドレイ
ン領域の境界の主要部が、オフアングルの方向に対して
ほぼ平行をなすことを特徴とする請求項1記載の絶縁ゲ
ート型炭化ケイ素半導体装置。
2. A semiconductor device according to claim 1, wherein said semiconductor device is a lateral MISFET having a second conductivity type source region and a second conductivity type drain region selectively formed in a surface layer of said first conductivity type epitaxial layer. 2. The insulated gate type device according to claim 1, wherein a main portion of a boundary between the second conductivity type source region and a second conductivity type drain region on the surface of the epitaxial layer is substantially parallel to an off-angle direction. Silicon carbide semiconductor device.
【請求項3】半導体装置が第一導電型エピタキシャル層
の表面層に形成された第二導電型コレクタ領域、第二導
電型ベース領域およびその第二導電型ベース領域内に形
成された第一導電型エミッタ領域を有する横型IGBT
であり、ゲート電極層直下のエピタキシャル層表面にお
いて第二導電型ベース領域の境界および第一導電型エミ
ッタ領域の境界の主要部が、オフアングルの方向に対し
てほぼ平行をなすことを特徴とする請求項1記載の絶縁
ゲート型炭化ケイ素半導体装置。
3. A semiconductor device comprising: a second conductivity type collector region, a second conductivity type base region formed in a surface layer of a first conductivity type epitaxial layer, and a first conductivity type formed in the second conductivity type base region. Lateral IGBT having a semiconductor emitter region
The main part of the boundary of the second conductivity type base region and the boundary of the first conductivity type emitter region on the surface of the epitaxial layer immediately below the gate electrode layer is substantially parallel to the off-angle direction. The insulated gate silicon carbide semiconductor device according to claim 1.
【請求項4】半導体装置が第一導電型エピタキシャル層
の表面層に形成された第二導電型ベース領域およびその
第二導電型ベース領域内に形成された第一導電型ソース
領域と、サブストレートの裏面側に形成された第二導電
型ドレイン領域とを有する縦型MISFETであり、ゲ
ート電極層直下のエピタキシャル層表面において第二導
電型ベース領域の境界および第一導電型ソース領域の境
界の主要部が、オフアングルの方向に対してほぼ平行を
なすことを特徴とする請求項1記載の絶縁ゲート型炭化
ケイ素半導体装置。
4. A semiconductor device comprising: a second conductivity type base region formed in a surface layer of a first conductivity type epitaxial layer; a first conductivity type source region formed in the second conductivity type base region; Vertical MISFET having a second conductivity type drain region formed on the back side of the semiconductor device, and a main conductivity type boundary between the second conductivity type base region and the first conductivity type source region on the surface of the epitaxial layer immediately below the gate electrode layer. 2. The insulated gate silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the portion is substantially parallel to an off-angle direction.
【請求項5】半導体装置が第一導電型エピタキシャル層
の表面層に形成された第二導電型ベース領域およびその
第二導電型ベース領域内に形成された第一導電型エミッ
タ領域と、サブストレートの裏面側に形成された第二導
電型コレクタ領域とを有する縦型IGBTであり、ゲー
ト電極層直下のエピタキシャル層表面において第二導電
型ベース領域の境界および第一導電型エミッタ領域の境
界の主要部が、オフアングルの方向に対してほぼ平行を
なすことを特徴とする請求項1記載の絶縁ゲート型炭化
ケイ素半導体装置。
5. A semiconductor device comprising: a second conductivity type base region formed in a surface layer of a first conductivity type epitaxial layer; a first conductivity type emitter region formed in the second conductivity type base region; Vertical IGBT having a second conductivity type collector region formed on the back surface side of the semiconductor device, and a main boundary of the second conductivity type base region and the first conductivity type emitter region on the surface of the epitaxial layer immediately below the gate electrode layer. 2. The insulated gate silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the portion is substantially parallel to an off-angle direction.
【請求項6】オフアングルの方向が[11−20]であ
り、ゲート電極層直下のエピタキシャル層表面において
不純物領域の境界の主要部の方向がほぼ[1−100]
であることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに
記載の絶縁ゲート型炭化ケイ素半導体装置。
6. The direction of the off-angle is [11-20], and the direction of the main part of the boundary of the impurity region on the surface of the epitaxial layer immediately below the gate electrode layer is substantially [1-100].
The insulated gate silicon carbide semiconductor device according to any one of claims 1 to 5, wherein
【請求項7】オフアングルの方向が[1−100]であ
り、ゲート電極層直下のエピタキシャル層表面において
不純物領域の境界の主要部の方向がほぼ[11−20]
であることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに
記載の絶縁ゲート型炭化ケイ素半導体装置。
7. The off-angle direction is [1-100], and the direction of the main part of the boundary of the impurity region on the surface of the epitaxial layer immediately below the gate electrode layer is substantially [11-20].
The insulated gate silicon carbide semiconductor device according to any one of claims 1 to 5, wherein
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