JP2009158528A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、半導体装置に関し、特に、シリコンよりも大きいバンドギャップを有する半導体層を備えた半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device including a semiconductor layer having a larger band gap than silicon.
従来、DC/DCコンバータ、AC/DCコンバータおよびレギュレータIC等の電気エネルギー変換デバイスは、電気機器の電源系で使用されており、小型化、高耐圧化および低消費電力化が要求されている。この要求を実現するためには、高耐圧でオン抵抗の小さいパワートランジスタが必要である。高耐圧で、かつ、オン抵抗を小さくするために、例えばスーパージャンクション構造が開発されているが、半導体材料としてシリコンを用いる限り、略理論値に近い性能が実現されており限界が見えてきている。そこで、半導体材料としてシリコンを用いた場合の性能(耐圧およびオン抵抗)を大幅に向上させるためには、シリコンよりも大きいバンドギャップを有する半導体材料を用いることが有効である。この理由を以下に説明する。 Conventionally, electrical energy conversion devices such as DC / DC converters, AC / DC converters, and regulator ICs have been used in power supply systems of electrical equipment, and are required to be small in size, high withstand voltage, and low in power consumption. In order to realize this requirement, a power transistor having a high breakdown voltage and a low on-resistance is required. For example, a super junction structure has been developed in order to reduce the on-resistance with a high breakdown voltage, but as long as silicon is used as a semiconductor material, performance close to the theoretical value has been realized, and the limit is visible. . Therefore, in order to significantly improve the performance (breakdown voltage and on-resistance) when silicon is used as the semiconductor material, it is effective to use a semiconductor material having a band gap larger than that of silicon. The reason for this will be described below.
ドレイン耐圧を決定する物理的要因は、アバランシェ降伏である。アバランシェ降伏は、高電界により高速で移動する電子がその運動エネルギーによって電子正孔対を生成し、雪崩状にキャリアが増幅し(この増幅を、アバランシェ増幅という)、この増幅に起因して生じる降伏現象のことである。そして、増幅した電子がさらに電子正孔対を生成するために、大電流が流れ最終的に破壊に至る。 The physical factor that determines the drain breakdown voltage is avalanche breakdown. In avalanche breakdown, electrons moving at high speed by a high electric field generate electron-hole pairs by their kinetic energy, and carriers are amplified like an avalanche (this amplification is called avalanche amplification). It is a phenomenon. Then, since the amplified electrons further generate electron-hole pairs, a large current flows and finally destruction occurs.
また、アバランシェ増幅の大きさは、半導体材料の電子正孔対の生成率の電界強度依存性によって決まる。この生成率は、バンドギャップの値に反比例するので、高耐圧を実現するには、バンドギャップの大きい半導体材料が有効である。 The magnitude of avalanche amplification is determined by the field strength dependence of the generation rate of electron-hole pairs in the semiconductor material. Since this generation rate is inversely proportional to the value of the band gap, a semiconductor material having a large band gap is effective for realizing a high breakdown voltage.
また、オン抵抗を決定する要因の1つは、基板のキャリア移動度である。シリコンよりも大きいバンドギャップを有する、例えばワイドバンドギャップ半導体のキャリア移動度は、シリコンのキャリア移動度に比べて数倍大きい。 One factor that determines the on-resistance is the carrier mobility of the substrate. For example, the carrier mobility of a wide band gap semiconductor having a larger band gap than silicon is several times larger than the carrier mobility of silicon.
また、シリコンのバンドギャップは約1.12eVであり、炭化シリコン(SiC)のバンドギャップは約3.26eV、窒化ガリウム(GaN)のバンドギャップは約3.37eV、ダイヤモンドのバンドギャップは約5.47eVである。このため、例えばSiCを用いると、シリコンの約10倍の大きさの絶縁破壊電界強度が得られる。オン抵抗は絶縁破壊電界強度の3乗に反比例するので、SiCを用いると、シリコンを用いる場合に比べて、オン抵抗を約1/1000の大きさにすることができる。逆に言えば、同じオン抵抗の値であれば、SiCを用いると、約1/1000のサイズにすることができる。このため、バンドギャップの大きい半導体層を備えた半導体装置の開発が重要となっている。 The band gap of silicon is about 1.12 eV, the band gap of silicon carbide (SiC) is about 3.26 eV, the band gap of gallium nitride (GaN) is about 3.37 eV, and the band gap of diamond is about 5. 47 eV. For this reason, for example, when SiC is used, a dielectric breakdown electric field strength about 10 times as large as that of silicon can be obtained. Since the on-resistance is inversely proportional to the cube of the dielectric breakdown electric field strength, the use of SiC can make the on-resistance about 1/1000 as compared with the case of using silicon. Conversely, if the same on-resistance value is used, the size can be reduced to about 1/1000 by using SiC. For this reason, it is important to develop a semiconductor device including a semiconductor layer having a large band gap.
しかしながら、例えばSiCからなるワイドバンドギャップ半導体を用いてMOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタを形成した場合、製造時に発生するチャネル領域の結晶性の劣化に起因して、チャネル移動度が電子正孔共に極めて低くなり、CMOS(Complementary MOS)回路として見た場合、シリコンを用いる場合に比べて非常に劣った特性しか得られないという不都合がある。 However, when a MOS (Metal Oxide Semiconductor) transistor is formed using a wide band gap semiconductor made of SiC, for example, the channel mobility is extremely low for both electrons and holes due to the deterioration of the crystallinity of the channel region that occurs during manufacturing. When viewed as a CMOS (Complementary MOS) circuit, there is a disadvantage that only inferior characteristics can be obtained as compared with the case of using silicon.
また、例えばGaNからなるワイドバンドギャップ半導体は、高い界面順位密度を有しており、製造プロセスが複雑になるので、CMOS構造の形成が非常に困難であるという不都合がある。さらに、p型層の形成が困難であるという不都合もある。 In addition, a wide band gap semiconductor made of, for example, GaN has a high interface order density, and the manufacturing process becomes complicated. Therefore, there is a disadvantage that it is very difficult to form a CMOS structure. Furthermore, there is a disadvantage that it is difficult to form a p-type layer.
このような不都合があるため、従来では、ワイドバンドギャップ半導体を用いて、パワートランジスタを形成する一方、パワートランジスタを制御するための低消費電力に有効なCMOS回路(CMOS構造)は、別のチップ(半導体装置)で作製する必要があった。具体的には、図14に示すように、パワートランジスタが形成された半導体装置101と、半導体装置101を制御するCMOS回路が形成された半導体装置102とを別のチップで作製するとともに、半導体装置101および102を金属ワイヤー103で接続することによって、パッケージ100を構成する必要があった。このため、デバイス全体を小型化するのが困難であるという不都合があった。
Because of such inconvenience, conventionally, a wide band gap semiconductor is used to form a power transistor, while a CMOS circuit (CMOS structure) effective for low power consumption for controlling the power transistor is a separate chip. (Semiconductor device) had to be manufactured. Specifically, as illustrated in FIG. 14, a
この不都合を解消するために、シリコン基板上に、パワートランジスタを有するSiC層を形成した構造が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 In order to eliminate this inconvenience, a structure in which a SiC layer having a power transistor is formed on a silicon substrate has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
上記特許文献1には、シリコン基板に、MOSトランジスタからなる制御回路が形成されているとともに、シリコン基板上の制御回路が形成されていない領域に、パワーデバイス(パワートランジスタ)を有するSiC層が形成された高電圧デバイス構造が開示されている。
上記特許文献1には、詳細な製造方法が開示されていないが、SiC層にパワートランジスタを形成する場合、通常、パワートランジスタのリーク電流を低減するために製造時に良好な結晶性を維持しなければならず、1500℃程度の温度でアニール(熱処理)を行う必要がある。
Although a detailed manufacturing method is not disclosed in
また、上記特許文献1の構造において、SiCに替えてGaNを用いた場合、コンタクト層などの高濃度領域を形成するためには、Si等をイオン注入した後、1200℃程度の温度でアニール(熱処理)を行う必要がある。
Further, in the structure of
しかしながら、シリコン基板にMOSトランジスタが形成された状態で、1500℃や1200℃の温度でアニール(熱処理)が行われると、シリコン基板にドープされた不純物が過剰に拡散してしまい、デバイスとして機能しなくなるという問題点がある。 However, if annealing (heat treatment) is performed at a temperature of 1500 ° C. or 1200 ° C. with a MOS transistor formed on the silicon substrate, impurities doped in the silicon substrate are excessively diffused to function as a device. There is a problem of disappearing.
また、シリコン基板にMOSトランジスタを形成する前に、アニール(熱処理)を行うとしても、シリコン基板が反ってフォトリソグラフィ工程が正確に行えなくなったり、シリコン基板に応力が発生してデバイスの特性がばらつくという問題点がある。 Even if annealing (heat treatment) is performed before forming a MOS transistor on a silicon substrate, the silicon substrate is warped and the photolithography process cannot be performed accurately, or stress is generated on the silicon substrate, resulting in variations in device characteristics. There is a problem.
なお、上記特許文献1のような構造において、シリコン基板の主表面の全面上にSiC層を形成した後、SiC層の一部を除去してSiC層をパターニングする場合、シリコン基板にダメージを与えずにSiC層を除去するのが困難であり、シリコン基板のMOSトランジスタの特性が低下する。
In the structure as in
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、良好な特性を得ながら、小型化、高耐圧化および低消費電力化が可能な半導体装置を提供することである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device that can be reduced in size, increased in breakdown voltage, and reduced in power consumption while obtaining good characteristics. Is to provide.
上記目的を達成するために、この発明の一の局面による半導体装置は、シリコンよりも大きいバンドギャップを有し、第1トランジスタが形成された半導体層と、半導体層の主表面よりも上側の所定領域に形成されるとともに、制御回路用の第2トランジスタが形成され、半導体層とは別の層からなるシリコン層と、半導体層の第1トランジスタとシリコン層の第2トランジスタとを接続する配線とを備える。 In order to achieve the above object, a semiconductor device according to one aspect of the present invention has a larger band gap than silicon, a semiconductor layer in which a first transistor is formed, and a predetermined upper side than the main surface of the semiconductor layer. And a second transistor for the control circuit is formed, a silicon layer formed of a layer different from the semiconductor layer, and a wiring for connecting the first transistor of the semiconductor layer and the second transistor of the silicon layer Is provided.
この一の局面による半導体装置では、上記のように、シリコンよりも大きいバンドギャップを有する半導体層に、第1トランジスタを形成することによって、第1トランジスタを、高耐圧化することができるとともに、低消費電力化(低オン抵抗化)することができる。また、半導体層に第1トランジスタを設け、半導体層の主表面よりも上側の所定領域に形成されたシリコン層に、制御回路用の第2トランジスタを設けることによって、第1トランジスタと、第1トランジスタを制御するための第2トランジスタとを1つのチップ(半導体装置)で形成することができる。これらにより、半導体装置を、高耐圧化、低消費電力化および小型化することができる。 In the semiconductor device according to this aspect, as described above, by forming the first transistor in the semiconductor layer having a band gap larger than that of silicon, it is possible to increase the breakdown voltage of the first transistor and Power consumption (low on-resistance) can be reduced. In addition, the first transistor is provided in the semiconductor layer, and the second transistor for the control circuit is provided in the silicon layer formed in the predetermined region above the main surface of the semiconductor layer. The second transistor for controlling the current can be formed in one chip (semiconductor device). Accordingly, the semiconductor device can have a high breakdown voltage, low power consumption, and a small size.
また、一の局面による半導体装置では、上記のように、シリコンよりも大きいバンドギャップを有し、第1トランジスタが形成された半導体層と、半導体層の主表面よりも上側の所定領域に形成されるとともに、制御回路用の第2トランジスタが形成され、半導体層とは別の層からなるシリコン層とを設けることによって、シリコンよりも大きいバンドギャップを有する半導体層に第1トランジスタを形成した後に、半導体層の主表面よりも上側の所定領域に第2トランジスタを有するシリコン層を形成することができるので、第1トランジスタを形成する際の熱処理により、シリコン層が、高温(例えば1200℃や1500℃)になるのを抑制することができる。これにより、シリコン層にドープされた不純物が過剰に拡散して第2トランジスタが機能しなくなるのを抑制することができる。また、シリコン層が、高温(例えば1200℃や1500℃)になるのを抑制することができるので、シリコン層が反ったり、応力が発生するのを抑制することができる。これにより、フォトリソグラフィ工程が正確に行えなくなったり、第2トランジスタ(半導体装置)の特性がばらつくのを抑制することができる。 Further, in the semiconductor device according to one aspect, as described above, the semiconductor device has a band gap larger than that of silicon and is formed in a predetermined region above the main surface of the semiconductor layer in which the first transistor is formed. In addition, the second transistor for the control circuit is formed, and the first transistor is formed in the semiconductor layer having a larger band gap than silicon by providing a silicon layer formed of a layer different from the semiconductor layer. Since the silicon layer having the second transistor can be formed in a predetermined region above the main surface of the semiconductor layer, the silicon layer is heated to a high temperature (for example, 1200 ° C. or 1500 ° C. by heat treatment when forming the first transistor). ) Can be suppressed. Thereby, it is possible to suppress the impurity doped in the silicon layer from being excessively diffused and the second transistor from functioning. Moreover, since it can suppress that a silicon layer becomes high temperature (for example, 1200 degreeC or 1500 degreeC), it can suppress that a silicon layer warps or a stress generate | occur | produces. As a result, it is possible to prevent the photolithography process from being performed accurately and the characteristics of the second transistor (semiconductor device) from varying.
上記一の局面による半導体装置において、好ましくは、半導体層は、SiC、GaNまたはダイヤモンドを含む。このように構成すれば、SiC、GaNおよびダイヤモンドのバンドギャップは、シリコンのバンドギャップよりも十分に大きいので、半導体層に形成される第1トランジスタのオン抵抗を、容易に、十分に小さくすることができる。これにより、半導体装置を、容易に、十分に低消費電力化することができる。 In the semiconductor device according to the aforementioned aspect, the semiconductor layer preferably contains SiC, GaN, or diamond. With this configuration, the band gap of SiC, GaN, and diamond is sufficiently larger than the band gap of silicon, so that the on-resistance of the first transistor formed in the semiconductor layer can be easily and sufficiently reduced. Can do. Thereby, it is possible to easily and sufficiently reduce the power consumption of the semiconductor device.
上記一の局面による半導体装置において、好ましくは、半導体層とシリコン層との間には、保護膜が形成されている。このように構成すれば、半導体層の主表面よりも上側の所定領域にシリコン層を形成するために、例えば半導体層(保護膜)の主表面の全面上にシリコン層を形成した後、シリコン層の一部を除去してシリコン層をパターニングする場合、半導体層にダメージが加わるのを抑制しながら、シリコン層を除去することができる。これにより、半導体層の第1トランジスタの特性が低下するのを抑制することができる。 In the semiconductor device according to the aforementioned aspect, a protective film is preferably formed between the semiconductor layer and the silicon layer. If comprised in this way, in order to form a silicon layer in the predetermined area | region above the main surface of a semiconductor layer, after forming a silicon layer on the whole main surface of a semiconductor layer (protective film), for example, a silicon layer When the silicon layer is patterned by removing a part of the silicon layer, the silicon layer can be removed while suppressing damage to the semiconductor layer. Thereby, it can suppress that the characteristic of the 1st transistor of a semiconductor layer falls.
上記一の局面による半導体装置において、好ましくは、半導体層とシリコン層との間には、絶縁層が配置されている。このように構成すれば、第1トランジスタが形成された半導体層に大きな電流が流れた場合にも、シリコン層の電位が変動するのを抑制することができる。これにより、半導体装置の特性が低下するのを抑制することができる。 In the semiconductor device according to the aforementioned aspect, an insulating layer is preferably disposed between the semiconductor layer and the silicon layer. With this configuration, even when a large current flows through the semiconductor layer in which the first transistor is formed, it is possible to suppress fluctuations in the potential of the silicon layer. Thereby, it can suppress that the characteristic of a semiconductor device falls.
上記一の局面による半導体装置において、好ましくは、シリコン層は、半導体層に第1トランジスタを形成する際の熱処理工程の後に、半導体層の主表面よりも上側に形成される。このように構成すれば、半導体層に第1トランジスタを形成する際の熱処理により、シリコン層が高温(例えば約1200℃や約1500℃)になるのを、容易に抑制することができる。 In the semiconductor device according to the above aspect, the silicon layer is preferably formed above the main surface of the semiconductor layer after the heat treatment step when forming the first transistor in the semiconductor layer. If comprised in this way, it can suppress easily that a silicon layer becomes high temperature (for example, about 1200 degreeC or about 1500 degreeC) by the heat processing at the time of forming a 1st transistor in a semiconductor layer.
上記一の局面による半導体装置において、好ましくは、シリコン層は、600℃以下の温度で、化学気相成長法により形成される。このように構成すれば、シリコン層が、例えば1200℃や1500℃の高温になるのを抑制することができるので、第2トランジスタ(半導体装置)が機能しなくなったり、特性がばらつくのを、容易に、抑制することができる。 In the semiconductor device according to the above aspect, the silicon layer is preferably formed by a chemical vapor deposition method at a temperature of 600 ° C. or lower. With this configuration, the silicon layer can be prevented from being heated to a high temperature of, for example, 1200 ° C. or 1500 ° C., so that it is easy for the second transistor (semiconductor device) to not function or to vary in characteristics. Moreover, it can be suppressed.
上記一の局面による半導体装置において、好ましくは、シリコン層は、ポリシリコンまたは連続粒界結晶シリコンを含む。このように構成すれば、半導体層の主表面よりも上側の所定領域に、シリコン層を容易に形成することができる。このとき、シリコン層を連続粒界結晶シリコン(CGS:Continuous Grain Silicon)により構成すれば、シリコン層をポリシリコンにより構成する場合に比べて、電子(キャリア)の移動度を向上させることができるので、第2トランジスタ(半導体装置)の特性を、より向上させることができる。 In the semiconductor device according to the aforementioned aspect, the silicon layer preferably includes polysilicon or continuous grain boundary crystalline silicon. If comprised in this way, a silicon layer can be easily formed in the predetermined area | region above the main surface of a semiconductor layer. At this time, if the silicon layer is made of continuous grain silicon (CGS), the mobility of electrons (carriers) can be improved as compared to the case where the silicon layer is made of polysilicon. The characteristics of the second transistor (semiconductor device) can be further improved.
上記一の局面による半導体装置において、好ましくは、シリコン層の第2トランジスタは、CMOS構造を有する。このように構成すれば、CMOS構造は低消費電力化に有効なので、第2トランジスタ(半導体装置)を、容易に、低消費電力化することができる。 In the semiconductor device according to the aforementioned aspect, the second transistor of the silicon layer preferably has a CMOS structure. With this configuration, since the CMOS structure is effective for reducing power consumption, the power consumption of the second transistor (semiconductor device) can be easily reduced.
以上のように、本発明によれば、良好な特性を得ながら、小型化、高耐圧化および低消費電力化が可能な半導体装置を容易に得ることができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to easily obtain a semiconductor device that can be reduced in size, increased in breakdown voltage, and reduced in power consumption while obtaining good characteristics.
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態による半導体装置の構造を示した断面図である。まず、図1を参照して、本発明の第1実施形態による半導体装置1の構造について説明する。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating the structure of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. First, the structure of the
本発明の第1実施形態による半導体装置1は、DC/DCコンバータ、AC/DCコンバータおよびレギュレータIC等の電気エネルギー変換デバイスとして、電気機器の電源系で使用される。
The
また、半導体装置1は、図1に示すように、パワートランジスタ2が形成された下部領域1aと、制御回路用のNMOSトランジスタ3およびPMOSトランジスタ4が形成された上部領域1bとによって構成されている。そして、下部領域1aのパワートランジスタ2と、上部領域1bのNMOSトランジスタ3およびPMOSトランジスタ4とがAl配線5(一部図示せず)によって電気的に接続されている。なお、パワートランジスタ2は、本発明の「第1トランジスタ」の一例であり、NMOSトランジスタ3およびPMOSトランジスタ4は、本発明の「第2トランジスタ」の一例である。また、Al配線5は、本発明の「配線」の一例である。
Further, as shown in FIG. 1, the
下部領域1aは、単結晶SiC基板10と、単結晶SiC基板10上に形成されたp型のSiC層11と、SiC層11の主表面11a上に形成されたゲート酸化膜12と、ゲート酸化膜12上の所定領域に形成されたポリシリコンからなるゲート電極13と、ゲート酸化膜12上のゲート電極13が形成されていない領域に形成された保護膜14とによって構成されている。なお、SiC層11は、本発明の「半導体層」の一例であり、ゲート酸化膜12および保護膜14は、本発明の「絶縁層」の一例である。
Lower region 1a includes single
SiC層11は、約8μmの厚みを有するとともに、例えばAlがドープされている。また、SiC層11の上面側の所定領域には、n型の不純物がドープされたソース領域11bおよびドレイン領域11cが形成されている。そして、SiC層11(ソース領域11bおよびドレイン領域11c)、ゲート酸化膜12およびゲート電極13によって、パワートランジスタ2が構成されている。
The
ゲート電極13およびドレイン領域11cは、それぞれ、Ti層6を介してAl配線5に接続されている。また、図示していないが、ソース領域11bも、Ti層6を介してAl配線5に接続されている。
The
ゲート酸化膜12および保護膜14は、共に、シリコン酸化膜(SiO2膜)からなり、絶縁性を有する。
Both the
上部領域1bは、NMOSトランジスタ3およびPMOSトランジスタ4からなるCMOS構造を有する。また、NMOSトランジスタ3およびPMOSトランジスタ4は、パワートランジスタ2を制御するための制御回路を構成している。
The
また、上部領域1bは、下部領域1aの保護膜14上の所定領域に形成されたシリコン層21と、シリコン層21上に形成されたゲート絶縁膜22と、ゲート絶縁膜22上の所定領域に形成されたゲート電極23aおよび23bと、シリコン層21、ゲート絶縁膜22、ゲート電極23aおよび23bを覆うように保護膜14の上面全面に形成されたシリコン酸化膜からなる絶縁膜24とによって構成されている。
The
シリコン層21は、結晶が規則的に連続した連続粒界結晶シリコン(CGS)からなる。また、シリコン層21は、ボロン(B)などがドープされたpウェル領域21aと、リン(P)などがドープされたnウェル領域21bとを含んでいる。
The
pウェル領域21aの上面側の所定領域には、リン(P)などがドープされたソース領域21cおよびドレイン領域21dが形成されている。そして、シリコン層21のpウェル領域21a(ソース領域21cおよびドレイン領域21d)、ゲート絶縁膜22およびゲート電極23aによって、NMOSトランジスタ3が構成されている。
A
その一方、nウェル領域21bの上面側の所定領域には、ボロン(B)などがドープされたソース領域21eおよびドレイン領域21fが形成されている。そして、シリコン層21のnウェル領域21b(ソース領域21eおよびドレイン領域21f)、ゲート絶縁膜22およびゲート電極23bによって、PMOSトランジスタ4が構成されている。
On the other hand, a
また、NMOSトランジスタ3を構成するゲート電極23a、ソース領域21c、ドレイン領域21d、PMOSトランジスタ4を構成するゲート電極23b、ソース領域21eおよびドレイン領域21fは、それぞれ、Ti層6を介してAl配線5に接続されている。
The
そして、NMOSトランジスタ3は、Ti層6およびAl配線5を介して、パワートランジスタ2に電気的に接続されている。また、NMOSトランジスタ3は、Ti層6および図示しないAl配線5を介して、PMOSトランジスタ4に電気的に接続されている。
The
図2〜図8は、図1に示した本発明の第1実施形態による半導体装置の製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図1〜図8を参照して、本発明の第1実施形態による半導体装置1の製造プロセスについて説明する。
2 to 8 are cross-sectional views for explaining a manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. A manufacturing process for the
まず、図2に示すように、単結晶SiC基板10上に、パージガスとしてArを用いて、約1500℃の温度でエピタキシャル成長法により、約8μmの厚みを有するp型のSiC層11を形成する。このとき、例えばAlをドープすることにより、SiC層11をp型に形成する。
First, as shown in FIG. 2, a p-
そして、図3に示すように、パワートランジスタ2(図1参照)のチャネルとなる領域の反転電圧を調節するために、SiC層11の主表面11aに、Al、P(リン)またはB(ボロン)などを所定量だけイオン注入する。このとき、イオン注入によりSiC層11に結晶欠陥が生じるのを抑制するために、単結晶SiC基板10(SiC層11)を約500℃〜約800℃の温度に保持した状態で、イオン注入を行うことが望ましい。
Then, as shown in FIG. 3, Al, P (phosphorus) or B (boron) is applied to the main surface 11a of the
その後、図4に示すように、熱酸化法により、SiC層11の主表面11a上に、シリコン酸化膜(SiO2)からなるゲート酸化膜12を形成する。なお、SiCは、ワイドバンドギャップ半導体の中で、唯一、熱酸化によりSiO2が形成できる材料である。
Thereafter, as shown in FIG. 4, a
そして、ゲート酸化膜12上に、ポリシリコンを成長させる。その後、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を用いて、成長させたポリシリコンの一部を除去することにより、図5に示すように、ゲート酸化膜12上の所定領域に、ポリシリコンからなるゲート電極13を形成する。
Then, polysilicon is grown on the
そして、SiC層11のソース領域11bおよびドレイン領域11cとなる領域に、n型の不純物をイオン注入する。このとき、イオン注入によりSiC層11に結晶欠陥が生じるのを抑制するために、単結晶SiC基板10(SiC層11)を約500℃〜約800℃の温度に保持した状態で、イオン注入を行うことが望ましい。
Then, n-type impurities are ion-implanted into the regions to be the
その後、イオン注入した不純物を活性化させるために、約1200℃以上の温度でアニール(熱処理)を行う。これにより、パワートランジスタ2が形成される。
Thereafter, annealing (heat treatment) is performed at a temperature of about 1200 ° C. or higher in order to activate the implanted impurities. Thereby, the
そして、図6に示すように、パワートランジスタ2を保護するために、ゲート酸化膜12およびゲート電極13を覆うように、化学気相成長法により、シリコン酸化膜からなる保護膜14を形成する。
Then, as shown in FIG. 6, in order to protect the
次に、保護膜14上に、比較的低い約600℃の温度で、化学気相成長法により、シリコン層21を形成する。そして、シリコン層21にレーザを照射することにより、シリコンは、再結晶されて連続粒界結晶シリコンになる。
Next, the
その後、シリコン層21の所定領域(pウェル領域21a(図2参照)となる領域)にボロン(B)などをイオン注入するとともに、シリコン層21の所定領域(nウェル領域21b(図2参照)となる領域)にリン(P)などをイオン注入する。そして、エッチング技術を用いてシリコン層21の一部を除去することにより、図7に示すように、保護膜14上の所定領域に、pウェル領域21aおよびnウェル領域21bを形成する。
Thereafter, boron (B) or the like is ion-implanted into a predetermined region of the silicon layer 21 (a region to be a p-
その後、図8に示すように、光酸化法により、約300℃の温度で、シリコン層21(pウェル領域21aおよびnウェル領域21b)の上面に、ゲート絶縁膜22を形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 8, a
そして、pウェル領域21aのソース領域21cおよびドレイン領域21dとなる領域に、リン(P)などをイオン注入するとともに、nウェル領域21bのソース領域21eおよびドレイン領域21fとなる領域に、ボロン(B)などをイオン注入する。
Then, phosphorus (P) or the like is ion-implanted into the regions to be the
その後、イオン注入した不純物を活性化させるために、約600℃の温度でアニール(熱処理)を行う。 Thereafter, annealing (heat treatment) is performed at a temperature of about 600 ° C. in order to activate the implanted impurities.
そして、図1に示すように、ゲート絶縁膜22上の所定領域に、ゲート電極23aおよび23bを形成する。これにより、NMOSトランジスタ3およびPMOSトランジスタ4が形成される。
Then, as shown in FIG. 1,
その後、化学気相成長法により、シリコン層21、ゲート絶縁膜22、ゲート電極23aおよび23bを覆うように保護膜14の上面全面に、シリコン酸化膜からなる絶縁膜24を形成する。
Thereafter, an insulating
そして、絶縁膜24の所定領域にコンタクトホールを形成し、コンタクトホールを埋め込むように、バリアメタルとしてのTi層6とAl配線5とを形成する。その後、Al配線5のパターニングを行う。これにより、パワートランジスタ2と、NMOSトランジスタ3およびPMOSトランジスタ4とが電気的に接続される。
Then, a contact hole is formed in a predetermined region of the insulating
以上のようにして、第1実施形態による半導体装置1が製造される。
As described above, the
第1実施形態では、上記のように、シリコンよりも大きいバンドギャップを有するSiC層11に、パワートランジスタ2を形成することによって、パワートランジスタ2を、高耐圧化することができるとともに、低消費電力化(低オン抵抗化)することができる。また、SiC層11にパワートランジスタ2を設けるとともに、SiC層11の主表面11aよりも上側の所定領域に形成され、SiC層11とは別の層からなるシリコン層21に、制御回路用のNMOSトランジスタ3およびPMOSトランジスタ4を設けることによって、パワートランジスタ2と、パワートランジスタ2を制御するためのNMOSトランジスタ3およびPMOSトランジスタ4とを1つのチップ(半導体装置1)で形成することができる。これらにより、半導体装置1を、高耐圧化、低消費電力化および小型化することができる。
In the first embodiment, as described above, by forming the
また、第1実施形態では、シリコンよりも大きいバンドギャップを有するSiC層11にパワートランジスタ2を形成した後に、SiC層11の主表面11aよりも上側の所定領域に、NMOSトランジスタ3およびPMOSトランジスタ4が形成されるとともに、SiC層11とは別の層からなるシリコン層21を設けることによって、パワートランジスタ2を形成する際の熱処理により、シリコン層21が、高温(例えば1200℃や1500℃)になるのを抑制することができる。これにより、シリコン層21にドープされた不純物が過剰に拡散してNMOSトランジスタ3およびPMOSトランジスタ4(半導体装置1)が機能しなくなるのを抑制することができる。また、シリコン層21が、高温(例えば1200℃や1500℃)になるのを抑制することができるので、シリコン層21が反ったり、応力が発生するのを抑制することができる。これにより、フォトリソグラフィ工程が正確に行えなくなったり、NMOSトランジスタ3およびPMOSトランジスタ4(半導体装置1)の特性がばらつくのを抑制することができる。
In the first embodiment, after the
また、第1実施形態では、SiCのバンドギャップは、シリコンのバンドギャップよりも十分に大きいので、SiC層11に形成されるパワートランジスタ2のオン抵抗を、容易に、十分に小さくすることができる。これにより、半導体装置1を、容易に、十分に低消費電力化することができる。
In the first embodiment, since the SiC band gap is sufficiently larger than the silicon band gap, the on-resistance of the
また、第1実施形態では、SiC層11とシリコン層21との間に、保護膜14を形成することによって、SiC層11の主表面11aよりも上側の所定領域にシリコン層21を形成するために、SiC層11(保護膜14)上の全面にシリコン層21を形成した後、シリコン層21の一部を除去してシリコン層21をパターニングする場合、SiC層11にダメージが加わるのを抑制しながら、シリコン層21を除去することができる。これにより、SiC層11のパワートランジスタ2の特性が低下するのを抑制することができる。
In the first embodiment, the
また、第1実施形態では、SiC層11とシリコン層21との間に、絶縁性を有するゲート酸化膜12および保護膜14を配置することによって、パワートランジスタ2が形成されたSiC層11に大きな電流が流れた場合にも、シリコン層21の電位が変動するのを抑制することができる。これにより、半導体装置1の特性が低下するのをより抑制することができる。
In the first embodiment, the
また、第1実施形態では、シリコン層21を、約600℃以下の温度で、化学気相成長法により形成することによって、シリコン層21が、例えば1200℃や1500℃の高温になるのを抑制することができるので、NMOSトランジスタ3およびPMOSトランジスタ4(半導体装置1)が機能しなくなったり、特性がばらつくのを、容易に、抑制することができる。
In the first embodiment, the
また、第1実施形態では、シリコン層21を、連続粒界結晶シリコンにより構成することによって、シリコン層21を、例えばポリシリコンにより構成する場合に比べて、電子(キャリア)の移動度を向上させることができるので、NMOSトランジスタ3およびPMOSトランジスタ4(半導体装置1)の特性を、より向上させることができる。
In the first embodiment, the mobility of electrons (carriers) is improved by configuring the
また、第1実施形態では、シリコン層21を、NMOSトランジスタ3およびPMOSトランジスタ4からなるCMOS構造を有するように形成することによって、CMOS構造は低消費電力化に有効なので、半導体装置1を、容易に、低消費電力化することができる。
In the first embodiment, since the
(第2実施形態)
図9は、本発明の第2実施形態による半導体装置の構造を示した断面図である。まず、図9を参照して、この第2実施形態では、上記第1実施形態と異なり、シリコンよりも大きいバンドギャップを有する半導体層がGaNからなる場合について説明する。
(Second Embodiment)
FIG. 9 is a sectional view showing the structure of a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. First, referring to FIG. 9, in the second embodiment, unlike the first embodiment, a case where a semiconductor layer having a band gap larger than that of silicon is made of GaN will be described.
本発明の第2実施形態による半導体装置31は、図9に示すように、パワートランジスタ32が形成された下部領域31aと、制御回路用のNMOSトランジスタ3およびPMOSトランジスタ4が形成された上部領域31bとによって構成されている。そして、下部領域31aのパワートランジスタ32と、上部領域31bのNMOSトランジスタ3およびPMOSトランジスタ4とがAl配線5(一部図示せず)によって電気的に接続されている。なお、パワートランジスタ32は、本発明の「第1トランジスタ」の一例である。
As shown in FIG. 9, the
下部領域31aは、サファイア基板40と、サファイア基板40上に形成されたAlN層41と、AlN層41上に形成されたGaN層42と、GaN層42の主表面42a上に形成されたAlGaN層43と、AlGaN層43上の所定領域にそれぞれ形成されたNiからなるゲート電極44、Tiからなるソース電極45およびドレイン電極46と、AlGaN層43上のゲート電極44、ソース電極45およびドレイン電極46が形成されていない領域に形成された窒化シリコン膜47と、ゲート電極44、ソース電極45、ドレイン電極46および窒化シリコン膜47を覆うように形成されたシリコン酸化膜からなる保護膜48とによって構成されている。また、GaN層42、AlGaN層43、ゲート電極44、ソース電極45およびドレイン電極46によって、パワートランジスタ32が構成されている。なお、GaN層42は、本発明の「半導体層」の一例であり、窒化シリコン膜47および保護膜48は、本発明の「絶縁層」の一例である。
The
AlN層41は、約20nmの厚みを有する。また、AlN層41は、低温成長の緩衝層としての機能を有する。GaN層42は、約2μmの厚みを有する。AlGaN層43は、約25nmの厚みを有する。また、GaN層42とAlGaN層43とによって、AlGaN/GaNのヘテロ接合が形成されている。
The
ゲート電極44は、下面がAlGaN層43にショットキー接合されているとともに、上面がTi層6を介してAl配線5に接続されている。また、ソース電極45およびドレイン電極46は、下面がAlGaN層43にオーミック接合されているとともに、上面がAl配線5に接続されている。
The lower surface of the
窒化シリコン膜47は、約100nmの厚みを有する。また、窒化シリコン膜47および保護膜48は、絶縁性を有する。
The
上部領域31bは、上記第1実施形態の上部領域1bと同様の構造を有するので、その説明を省略する。
Since the
図10〜図13は、図9に示した本発明の第2実施形態による半導体装置の製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図9〜図13を参照して、本発明の第2実施形態による半導体装置31の製造プロセスについて説明する。
10 to 13 are cross-sectional views for explaining a manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention shown in FIG. A manufacturing process for the
まず、図10に示すように、サファイア基板40上に、有機金属化学気相成長法により、低温成長の緩衝層としてAlN層41を約20nm成長させる。そして、AlN層41上に、有機金属化学気相成長法により、GaN層42を約2μm成長させる。その後、GaN層42の主表面42a上に、有機金属化学気相成長法により、AlGaN層43を約25nm成長させる。このとき、AlGaN/GaNのヘテロ接合が形成される。
First, as shown in FIG. 10, an
そして、AlGaN層43上に、Tiを蒸着した後、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を用いて、蒸着したTiの一部を除去することにより、図11に示すように、AlGaN層43上の所定領域に、Tiからなるソース電極45およびドレイン電極46を形成する。このとき、ソース電極45およびドレイン電極46の下面は、AlGaN層43にオーミック接合される。
Then, after depositing Ti on the
その後、化学気相成長法により、ソース電極45およびドレイン電極46を覆うように、AlGaN層43の上面全面に、窒化シリコン膜47(図9参照)を約100nm形成する。そして、図12に示すように、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を用いて、ソース電極45およびドレイン電極46上の窒化シリコン膜47を除去する。
Thereafter, a silicon nitride film 47 (see FIG. 9) is formed on the entire upper surface of the
そして、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を用いて、窒化シリコン膜47のゲート電極44(図9参照)となる領域を除去する。なお、このとき、パワートランジスタ32のしきい値電圧を制御するために、AlGaN層43の一部を除去してもよい。
Then, a region that becomes the gate electrode 44 (see FIG. 9) of the
その後、ゲート電極44(図9参照)となる領域を埋め込むようにNiを蒸着した後、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を用いて、蒸着したNiの一部を除去することにより、図13に示すように、AlGaN層43にショットキー接合されたゲート電極44を形成する。これにより、パワートランジスタ32が形成される。
Then, after vapor-depositing Ni so as to embed a region to be the gate electrode 44 (see FIG. 9), a part of the deposited Ni is removed by using a photolithography technique and a dry etching technique, thereby obtaining the structure shown in FIG. Thus, the
そして、図9に示すように、パワートランジスタ32を保護するために、ゲート電極44、ソース電極45、ドレイン電極46および窒化シリコン膜47を覆うように、化学気相成長法により、保護膜48を形成する。
Then, as shown in FIG. 9, in order to protect the
その後、上記第1実施形態と同様の製造プロセスを用いて、上部領域31b(NMOSトランジスタ3およびPMOSトランジスタ4など)とAl配線5とを形成する。
Thereafter, the
以上のようにして、第2実施形態による半導体装置31が製造される。
As described above, the
なお、第2実施形態のその他の製造プロセスは、上記第1実施形態と同様である。 The other manufacturing processes of the second embodiment are the same as those of the first embodiment.
第2実施形態では、上記のように、シリコンよりも大きいバンドギャップを有するGaN層42に、パワートランジスタ32を形成することによって、パワートランジスタ32(半導体装置31)を、高耐圧化することができるとともに、低消費電力化(低オン抵抗化)することができる。
In the second embodiment, as described above, the power transistor 32 (semiconductor device 31) can have a high breakdown voltage by forming the
なお、第2実施形態のその他の効果は、上記第1実施形態と同様である。 The remaining effects of the second embodiment are similar to those of the aforementioned first embodiment.
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description of the embodiments but by the scope of claims for patent, and further includes all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims for patent.
たとえば、上記実施形態では、半導体装置が、DC/DCコンバータ、AC/DCコンバータおよびレギュレータIC等の電気エネルギー変換デバイスとして使用される例について説明したが、本発明はこれに限らず、電気エネルギー変換デバイス以外のデバイスにも適用可能である。 For example, in the above-described embodiment, the example in which the semiconductor device is used as an electrical energy conversion device such as a DC / DC converter, an AC / DC converter, and a regulator IC has been described. However, the present invention is not limited thereto, and the electrical energy conversion is performed. It can also be applied to devices other than devices.
また、上記実施形態では、SiCまたはGaNからなる半導体層にパワートランジスタを形成した例について示したが、本発明はこれに限らず、ダイヤモンドやGaAsなどからなる半導体層にパワートランジスタを形成してもよい。 In the above embodiment, an example in which the power transistor is formed in the semiconductor layer made of SiC or GaN has been described. However, the present invention is not limited to this, and the power transistor may be formed in the semiconductor layer made of diamond, GaAs, or the like. Good.
また、上記実施形態では、NMOSトランジスタおよびPMOSトランジスタを製造する際の熱処理を、約600℃の温度で行った例について示したが、本発明はこれに限らず、パワートランジスタの特性に影響を与えないならば、NMOSトランジスタおよびPMOSトランジスタを製造する際の熱処理を、約600℃よりも高い温度で行ってもよい。 In the above-described embodiment, the example in which the heat treatment for manufacturing the NMOS transistor and the PMOS transistor is performed at a temperature of about 600 ° C. has been described. However, the present invention is not limited to this and affects the characteristics of the power transistor. If not, the heat treatment in manufacturing the NMOS transistor and the PMOS transistor may be performed at a temperature higher than about 600 ° C.
また、上記実施形態では、半導体層を連続粒界結晶シリコンにより構成した例について示したが、本発明はこれに限らず、半導体層をポリシリコンにより構成してもよい。 In the above embodiment, an example in which the semiconductor layer is formed of continuous grain boundary crystalline silicon has been described. However, the present invention is not limited thereto, and the semiconductor layer may be formed of polysilicon.
また、上記第1実施形態では、SiC層の上面に、熱酸化法により、ゲート酸化膜を形成した例について示したが、本発明はこれに限らず、SiC層の上面にシリコン酸化膜およびシリコン窒化膜を積層することにより、O/N/Oの積層構造としてもよい。 In the first embodiment, the example in which the gate oxide film is formed on the upper surface of the SiC layer by the thermal oxidation method has been described. However, the present invention is not limited to this, and the silicon oxide film and the silicon oxide film are formed on the upper surface of the SiC layer. A stacked structure of O / N / O may be formed by stacking nitride films.
また、上記実施形態では、半導体層に、縦型のパワートランジスタを形成した例について示したが、本発明はこれに限らず、半導体層に、横型のパワートランジスタを形成してもよい。 In the above embodiment, an example in which a vertical power transistor is formed in a semiconductor layer has been described. However, the present invention is not limited thereto, and a horizontal power transistor may be formed in a semiconductor layer.
1、31 半導体装置
2、32 パワートランジスタ(第1トランジスタ)
3 NMOSトランジスタ(第2トランジスタ)
4 PMOSトランジスタ(第2トランジスタ)
5 Al配線(配線)
11 SiC層(半導体層)
11a 主表面
12 ゲート酸化膜(絶縁層)
14、48 保護膜(絶縁層)
21 シリコン層
42 GaN層(半導体層)
42a 主表面
47 窒化シリコン膜(絶縁層)
1, 31
3 NMOS transistor (second transistor)
4 PMOS transistor (second transistor)
5 Al wiring (wiring)
11 SiC layer (semiconductor layer)
14, 48 Protective film (insulating layer)
21
Claims (8)
前記半導体層の主表面よりも上側の所定領域に形成されるとともに、制御回路用の第2トランジスタが形成され、前記半導体層とは別の層からなるシリコン層と、
前記半導体層の第1トランジスタと前記シリコン層の第2トランジスタとを接続する配線とを備えることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor layer having a larger band gap than silicon and having the first transistor formed thereon;
A silicon layer formed in a predetermined region above the main surface of the semiconductor layer, a second transistor for a control circuit is formed, and is formed of a layer different from the semiconductor layer;
A semiconductor device comprising: a wiring for connecting the first transistor of the semiconductor layer and the second transistor of the silicon layer.
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