(57)【要約】【課題】低オン抵抗化とブロッキング効果向上を実現できる構造を提案すること。【解決手段】基板をｐ+ゲートに用いておりかつ基板下部にゲート電極を形成された横チャネルＳＩＴにおいて、ｐ+ゲートとｎ+ソースを接する構造とする。さらにはｎ-チャネル表面に絶縁膜と、かつ前記絶縁膜上に補助ゲート電極を形成し、さらに補助ゲート電極とソース電極とを短絡させる。【効果】良好な電気特性を得ることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バンドギャップが２．０ｅＶ以上の半導体であり、かつ一対の主表面を有し、低不純物濃度の第一導電型の基体と、前記基体の第一主表面に形成されかつ第二導電型を有し基体より低抵抗の第一層と、前記第一層に形成された制御電極と、前記基体の第二主表面に形成されかつ基体と同じ導電型を有し基体より低抵抗の第二領域と、前記第二領域に形成された第二電極と、前記基体の第二面に形成されかつ基体と同じ導電型を有し基体より低抵抗の第三領域と、前記第三領域に形成された第三電極を含み、前記第三領域の表面は前記第二領域の底面又はそれより低い位置にあって、前記第三領域と第一領域は互いに接するように配置されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１において、前記第二領域は前記第二主表面の一部に露出するように形成されたことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１において、前記第三領域は前記第二領域以外の部分において前記基体の第二主表面を除去して前記第二領域の底面よりも低下させた基体領域に形成されたことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項３において、前記低下させた基体の表面及び前記第三領域の表面に絶縁膜を介して、第四電極が形成されており、かつ第三電極と第四電極は短絡されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項３において、前記低下させた基体表面に絶縁膜が形成され、この絶縁膜を挟んで第四電極が形成され、前記第四電極と前記第三電極が短絡されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
低不純物濃度の第一導電型を有する炭化珪素半導体基体と、該基体の第一主表面に形成されかつ第二導電型を有し該基体より低抵抗の第一層と、前記第一層に形成された制御電極と、前記基体の第二主表面に形成されかつ基体と同じ導電型を有し基体より低抵抗の第二領域と、前記第二領域に形成された第二電極と、前記基体の第二主表面に形成されかつ該基体と同じ導電型を有し該基体より低抵抗の第三領域と、前記第三領域に形成された第三電極を含み、前記第三領域は前記第二領域以外の基体を除去して形成された領域に形成され、その表面は前記第二領域の底面より低い位置にあって、前記第三領域と第一領域は互いに接するように配置され、前記第二領域は前記第二表面の一部に露出するように形成されたことを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項６において、前記低下させた基体の表面及び前記第三領域の表面に絶縁膜を介して、第四電極が形成されており、かつ第三電極と第四電極は短絡されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項６において、前記低下させた基体表面に絶縁膜が形成され、この絶縁膜を挟んで第四電極が形成され、前記第四電極と前記第三電極が短絡されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
低不純物濃度の第一導電型を有する炭化珪素半導体基体と、該基体の第一主表面に形成されかつ第二導電型を有し該基体より低抵抗の第一層と、前記第一層に形成された制御電極と、前記基体の第二表面に形成されかつ基体と同じ導電型を有し基体より低抵抗の第二領域と、前記第二領域に形成された第二電極と、前記基体の第二主表面に形成されかつ該基体と同じ導電型を有し該基体より低抵抗の第三領域と、前記第三領域に形成された第三電極を含み、前記第三領域は前記第二領域以外の基体を除去して形成された領域に形成され、その表面は前記第二領域の底面より低い位置にあって、前記第三領域と第一領域は互いに接するように配置され、前記第二領域は前記第二表面の一部に露出するように形成され、前記低下させた基体の表面及び前記第三領域の表面に絶縁膜を介して、第四電極が形成されており、かつ前記第三電極と第四電極は短絡されていることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、横チャネル型の接合ＦＥＴ（ＪＦＥＴ）あるいは静電誘導トランジスタ（ＳＩＴ）等の構造の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコンカーバイド（ＳｉＣ）は絶縁破壊電界がＳｉに比べ約１０倍大きいため、耐圧を維持するドリフト層を薄く、かつ高濃度にすることができ、損失を低減できる材料である。ＳｉＣを用いたパワー半導体素子の一つに接合ＦＥＴ（ＪＦＥＴ）あるいは静電誘導トランジスタ（ＳＩＴ）がある。ＳｉＣの特長を利用したＳＩＴの例として、第６１回応用物理講演予稿集記載の構造がある。その構造とは、ｎ型基板上にゲート領域であるｐ+層を形成し、その上にｎ-ドリフト層、更にチャンネルを挟んで、ｎ+ドレイン領域とｎ+ソース領域を形成する。またｎ型基板の主表面にはゲート電極を、ドレイン領域にはドレイン電極、ソース領域にはソース電極を形成する。ＳＩＴはゲートからチャネルに拡がる空乏層により電流をオンオフするトランジスタである。ｎ-層の厚みを薄くすることで、ゲート電圧が０Ｖの場合でもオフ状態を保持できるノーマリオフを実現している。
【０００３】
【非特許文献１】「ｎ型基板上に作成したバックゲート４Ｈ−ＳｉＣＪＰＥＴ」第６１回応用物理学会学術講演会講演予稿集（２０００．９．北海道工業大学）（全体）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来構造において、チャネルはｎ+ドレインとｎ+ソースの間の厚みの薄い領域であり、薄い領域の長さがチャネル長になる。ｎ+ソースとｐ+領域間のｎ-領域は電流制御には関与していない。またブロッキング時はドレイン側からチャネルに空乏層が侵入するため、耐圧を確保するには空乏層がソース側に達するのを防ぐため、チャネル長を長くする必要がある。これらにより所定の耐圧を確保するとオン抵抗が過剰に増大する。
【０００５】
本発明の目的は低オン抵抗化とブロッキング効果向上を実現できる構造を提案することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は横チャネルＳＩＴにおいて、ｐ+ゲートとｎ+ソースを接する構造としたものである。すなわち、横チャネルＳＩＴにおいて、ｐ+ゲートとｎ+ソースが接する構造とする。さらに基板をｐ+ゲートに用いておりかつ基板下部にゲート電極を形成された横チャネルＳＩＴにおいて、ｎ-チャネル表面に絶縁膜及び前記絶縁膜上に補助ゲート電極を形成し、補助ゲート電極がソース電極と短絡している。
【０００７】
更に、本発明は基板をｐ+ゲートに用いておりかつ基板下部にゲート電極を形成された横チャネルＳＩＴにおいて、ｎ-チャネル表面に絶縁膜及び前記絶縁膜上に補助ゲート電極を形成し、さらに補助ゲート電極がソース電極と短絡させたものである。
【０００８】
ｎ+ソースをｎ-領域を介することなく直接ｐ+ゲート領域に接する構造としたことにより、オン抵抗増大の要因となる高抵抗層（ｎ-）を介さずに電子電流はソースからチャネルへ直接流入する。これによりオン抵抗の増大を抑えることができる。高濃度領域間のｐｎ接合の場合は耐圧が問題となるが、本発明ではゲート−ソース間の逆バイアスなしの状態でもオフ状態となるノーマリオフ型ＳＩＴであるため、高いゲート耐圧は不要となり、問題はない。
更に、チャネル上に絶縁膜と補助ゲート電極を形成し、補助ゲート電極をソース電極と短絡することにより、チャネル上側の電位が固定されるため、ブロッキング時にドレインからの空乏層の侵入を抑えることができる。これによりチャネル長を短くすることができるため、ブロッキング性能が向上し、かつ低オン抵抗の実現が可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態の１つは以下のとおりである。バンドギャップが２．０ｅＶ以上の半導体であり、かつ一対の主表面を有し、低不純物濃度の第一導電型の基体を用いる。前記基体の第一表面に形成されかつ第二導電型を有し基体より低抵抗の第一層と、前記第一層に形成された制御電極と、前記基体の第二表面に形成されかつ基体と同じ導電型を有し基体より低抵抗の第二領域を有する。そして前記第二領域に形成された第二電極と、前記基体の第二面に形成されかつ基体と同じ導電型を有し基体より低抵抗の第三領域と、前記第三領域に形成された第三電極を含む。
【００１０】
また、前記第三領域の表面は前記第二領域の底面又はそれより低い位置にあって、前記第三領域と第一領域は互いに接するように配置されている半導体装置である。本発明で用い得る半導体材料は炭化珪素や窒化ガリウムなどのバンドギャップが２．０ｅＶ以上の半導体である。他の実施形態においては、前記第二領域は前記第二表面の一部に露出するように形成された半導体装置である。
【００１１】
更に他の実施形態においては、前記第三領域は前記第二領域以外の部分において前記基体の第二表面を除去して前記第二領域の底面よりも低下させた基体領域に形成された半導体装置である。また他の実施形態においては前記低下させた基体の表面及び前記第三領域の表面に絶縁膜を介して、第四電極が形成されており、かつ第三電極と第四電極は短絡されている半導体装置である。他の実施形態は、前記低下させた基体表面に絶縁膜が形成され、この絶縁膜を挟んで第四電極が形成され、前記第四電極と前記第三電極が短絡されている半導体装置である。ＳｉＯ2などの絶縁膜は半導体装置の接合露出面の保護／安定化（パッシベーション）あるいは電極とチャンネル部との間に形成してＭＯＳ構造を構成するために用いられる。
更に他の実施形態においては、低不純物濃度の第一導電型を有する炭化珪素半導体基体を用いる。該基体の第一主表面に形成されかつ第二導電型を有し該基体より低抵抗の第一層と、前記第一層に形成された制御電極と、前記基体の第二表面に形成されかつ基体と同じ導電型を有し基体より低抵抗の第二領域を有する。また前記第二領域に形成された第二電極と、前記基体の第二主表面に形成されかつ該基体と同じ導電型を有し該基体より低抵抗の第三領域と、前記第三領域に形成された第三電極を含む。
【００１２】
前記第三領域は前記第二領域以外の基体を除去して形成された領域に形成され、その表面は前記第二領域の底面より低い位置にあって、前記第三領域と第一領域は互いに接するように配置される。前記第二領域は前記第二表面の一部に露出するように形成される。
【００１３】
そして他の実施形態は、上記構成において前記第二領域は前記第二表面の一部に露出するように形成され、前記低下させた基体の表面及び前記第三領域の表面に絶縁膜を介して第四電極が形成されており、かつ前記第三電極と第四電極は短絡されている。
【００１４】
以下、本発明を実施例により詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施例であり、横チャネル型ＳＩＴの断面構造である。図において１０１はゲート領域であるｐ+基板、１１はｎ-ドリフト層、１２はｎ+ドレイン領域、１３はｎ+ソース領域である。また２１はゲート電極、２２はドレイン電極、２３はソース電極である。本実施例では基板１０１としてｐ型４Ｈ−ＳｉＣを用いた。ドリフト領域１１には厚み１．０μｍ、濃度２．０×１０17ｃｍ-3のｎエピタキシャル層を用いた。
【００１５】
図２は本実施例構造の製造プロセスである。図２（ａ）に示すようにエピタキシャル層１１上にエピタキシャル成長により、高濃度のｎ+ドレイン層１２を形成する。ドーパントは窒素であり、濃度は１×１０20ｃｍ-3である。続いて図２（ｂ）に示すようにＳｉＯ2等のマスキング材４１にホトリソ技術によりパターンを形成し、ドライエッチングによりチャネル及びソースに対応する領域４２を除去し、厚さ０．３μｍのチャネルを形成する。これにより、ｎ-層１１の一部の厚さは薄くなる。その上面はｎ＋層１２の底面より低くなるようにする。
引き続き図２（ｃ）に示すようにＳｉＯ2等のマスキング材４３にホトリソ技術によりパターンを形成し、イオン注入により窒素イオンビーム４４を照射しｎ+ソース１３をゲート領域であるｐ+基板１０１に接するように形成する。その後電極パターンをｎ+ソース領域に形成することにより、図１に示す構造を形成することができた。チャネル長は０．５μｍである。
【００１６】
本実施例のようにｎ+ソース１３をｎ-領域１１を介することなく直接ｐ+ゲート１０１に接する構造としたことにより、オン抵抗増大の要因となる高抵抗層を介さずに電子電流はソースからチャネルへ直接流入する。これにより耐圧１４０Ｖ、オン抵抗０．５ｍΩ・ｃｍ2を達成することができた。
【００１７】
図３は本発明の第２の実施例であり、横型ＳＩＴの断面構造である。本実施例ではｎ+ドレイン１２の形成方法としてイオン注入を用いた。図1と同じ符号は同一構成を示す。図1の構造と異なる点は、ｎ-ドリフト層１１にｎ+ドレイン層１２をイオン注入法により形成した点である。このドレイン層１２の接合端面は基体の第二主表面に露出している。
【００１８】
図５は第２実施例の製造プロセスである。ｐ+基板１０１に厚さ０．７μｍ、濃度２．０×１０17ｃｍ-3のｎ-ドリフト層１１をエピタキシャル成長後、図５（ａ）に示すようにＳｉＯ2等のマスキング材４１にホトリソ技術によりパターンを形成し、チャネル及びソースに対応する領域４２を除去する。続いて図５（ｂ）に示すように厚さ０．３μｍ、濃度２．０×１０17ｃｍ-3のｎ-チャネル層１１１をエピタキシャル成長させる。
【００１９】
引き続き図５（ｃ）に示すようにＳｉＯ2等のマスキング材４３にホトリソ技術によりパターンを形成し、イオン注入によりｎ+ソース１３１をゲート領域であるｐ+基板１０１に接するように形成する。
【００２０】
その後電極パターンをｎ+領域１３１上に形成することにより、図３に示す構造を形成することができた。チャネル長は０．５μｍである。本実施例においても実施例１と同様、耐圧１４０Ｖ、オン抵抗０．５ｍΩ・ｃｍ2を達成することができた。
【００２１】
本実施例では所定のｎ-領域を一旦全部除去しているが、これはチャネル層の厚さを高精度に制御するためである。第２の実施例におけるｎ-エピタキシャル層とｐ+基板では導電性が異なるため、終点判定が容易であるのに対し、実施例１のプロセスではｎ-層の途中でエッチングを停止する必要があるが、これはエッチング速度を把握し時間だけで制御しなければならない。
【００２２】
この場合エッチング速度のばらつきがそのままチャネル層の厚さのばらつきとなるため、特性変動の要因となる。これに対しエピタキシャル成長は厚みを高精度に制御できるため、チャネル層の厚みの制御が容易であり、特性変動を抑えることが可能である。第２の実施例である図３の場合は、ｎ+層１２の接合端面の一部は第二主表面に露出する構造となっている。
【００２３】
図４は本発明の第３の実施例であり、横型ＳＩＴの断面構造である。図1、図３と同じ符号は同一構成を示す。図1、図３の構造と異なる点は、ｎ+ドレイン層１２の表面及び端面、ｎ-ドリフト層１１の側面、チャネルの表面及びｎ＋ソース層１３の表面にＳｉＯ2酸化膜３０を形成した点である。これにより各層の露出表面を保護する。本実施例においても実施例１と同様、耐圧１４０Ｖ、オン抵抗０．５ｍΩ・ｃｍ2を達成することができ、これにより特性の経時変化をおさえることができた。
【００２４】
図６は本発明の第４の実施例であり、横型ＳＩＴの断面構造である。図３と同じ符号は同一構成を示す。本実施例では実施例３と同様チャネル領域の上部及びｎ+ドレイン領域側面を保護するため、実施例２の構造に加えてＳｉＯ2膜３０を形成させた構造である。
【００２５】
本実施例ではドレイン電極２２をｎ+ドレイン１２より内側に設ける構造を持つ。すなわちｎ+ドレイン層１２の接合端面に重ならないようにドレイン電極を形成する。本実施例においても実施例１と同様、耐圧１４０Ｖ、オン抵抗０．５ｍΩ・ｃｍ2を達成することができ、これにより特性の経時変化をおさえることができた。
【００２６】
図７は本発明の第５の実施例であり、横型ＳＩＴの断面構造である。図６と同じ符号は同一構成を示す。本実施例は実施例４と同様であるが、ｎ+ドレイン１２周囲の電界緩和のため、ドレイン電極２２をｎ+ドレイン１２の外側まで設けることによりフィールドプレート効果を持たせた。これにより実施例１と同じ特性が得られると共に、特性を一層安定化させることができた。
【００２７】
図８は本発明の第６の実施例であり、横型ＳＩＴの断面構造である。図４と同じ符号は同一構成を示す。本実施例では、実施例３においてソース電極２３をチャネル上部のＳｉＯ2膜３０の上部まで延ばした構造としたものである。チャネル上部の電極はＭＯＳ構造におけるゲート電極と同様であり、チャネルを空乏化させる作用を持つ。すなわちｐ+基板１０１側から延びる空乏層との相乗効果により、ＳＩＴのブロッキング特性を向上させる効果を持つ。
【００２８】
更に、チャネル上部の電位が固定されるため、ブロッキング状態においてもチャネル内部への電界の侵入を抑制することができるため、結果としてチャネル長を短くすることが可能となる。これにより本実施例ではチャネル長を３０％短縮でき、０．３５μｍのチャネル長でゲート電極２１の電圧を０Ｖとしたまま１４０Ｖの耐圧を実現でき、かつオン抵抗を０．４ｍΩ・ｃｍ2に低減できた。
【００２９】
図９は本発明の第７の実施例であり、横型ＳＩＴの断面構造である。図１１は図９に示した半導体装置の斜視図である。図９と同じ符号は同一構成を示す。本実施例では奥行きが長手方向となる。ソース電極と共通となっているチャネル上部構造はオフ状態におけるブロッキング効果を高めるためのものであるため、本実施例のようにチャネル幅（奥行き方向）全面にわたり形成されていることが望ましい。
図６と同じ符号は同一構成を示す。本実施例では、実施例５においてソース電極２３をチャネル上部のＳｉＯ2膜３０の上部まで延ばした構造としたものである。図１０に本構造の形成プロセスを示す。実施例２と同様、図１０（ａ）に示すようにｎ-ドリフト層１１をエピタキシャル成長後、チャネルおよびソースとなる領域４２を除去し、図１０（ｂ）に示すようにチャネル層１１１をエピタキシャル成長させる。
【００３０】
ついで図１０（ｃ）に示すようにドレインとなる領域１２１とソースとなる領域１３１をイオン注入により選択的に形成する。欠陥回復・活性化アニール処理を施した後、図１０（ｄ）に示すように熱酸化によりＳｉＯ2膜３０、３１を形成する。引き続きｎ+ドレイン１２上部及びｎ+ソース１３上部にコンタクト窓を形成し、Ｎｉ等の電極を蒸着後、リフトオフ法により、レジスト４６上部の電極４７を除去する。
【００３１】
その後合金化熱処理を施し、ｎ+ドレイン１２との合金化ドレイン電極２２１とｎ+ソース１３との合金化ソース電極２３１を形成する。最後にＡｌ等の金属を全面に蒸着し、チャネルとドレインの間の不要な領域４８を除去することにより、図９に示した本実施例の構造を得ることができた。
【００３２】
本実施例でも実施例６と同様、０．３５μｍのチャネル長でゲート電極２１の電圧を０Ｖとしたまま１４０Ｖの耐圧を実現でき、かつオン抵抗を０．４ｍΩ・ｃｍ2に低減できた。チャネル形成のためにエピタキシャルを用いているために、チャネル厚さを高精度に制御でき、特性ばらつきをおさえることができ、歩留まりを向上することができた。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、ブロッキング効果が高くかつ低オン抵抗が実現できるため、インバーター用のスイッチングデバイスに用いるとゲート駆動が容易になると共に損失を低減できる半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を説明する略式断面図。
【図２】本発明の第１実施例による半導体装置の主要部の製造プロセスを説明するフロー図。
【図３】本発明の第２の実施例を説明するための略式断面図。
【図４】本発明の第３の実施例を説明する略式断面図。
【図５】本発明の第２実施例による半導体装置の主要部の製造プロセスを説明するためのフロー図。
【図６】本発明の第４の実施例を説明する略式断面図。
【図７】本発明の第５の実施例を説明する略式断面図。
【図８】本発明の第６の実施例を説明する略式断面図。
【図９】本発明の第７の実施例を説明する略式断面図。
【図１０】本発明の第７実施例による半導体装置の主要部の製造プロセスを説明するためのフロー図。
【図１１】本発明の第７の実施例による半導体装置の斜視図。
【符号の説明】
１０１…ｐ+基板、１１…ｎ-ドリフト層、１２…ｎ+ドレイン領域、１３…ｎ+ソース領域、２１…ゲート電極、２２…ドレイン電極、２３…ソース電極、３０…ゲート酸化膜。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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