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JP2009158528A - Semiconductor device - Google Patents

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JP2009158528A
JP2009158528A JP2007331749A JP2007331749A JP2009158528A JP 2009158528 A JP2009158528 A JP 2009158528A JP 2007331749 A JP2007331749 A JP 2007331749A JP 2007331749 A JP2007331749 A JP 2007331749A JP 2009158528 A JP2009158528 A JP 2009158528A
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JP
Japan
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layer
transistor
silicon
semiconductor device
semiconductor
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Pending
Application number
JP2007331749A
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Japanese (ja)
Inventor
Toshihiko Fukushima
稔彦 福島
Naoki Fukunaga
直樹 福永
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Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Sharp Corp filed Critical Sharp Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device which can establish appropriate characteristics, while enabling size reduction, high-voltage resistance and low power consumption. <P>SOLUTION: The semiconductor device 1 includes: an SiC layer 11 which has a larger band gap than that of silicon and wherein a power transistor 2 is formed; a silicon layer 21 which is formed in a specified region above the main surface 11a of the SiC layer 11 and is made of a layer which is different from the SiC layer 11 and wherein an NMOS transistor 3 and a PMOS transistor 4 for a control circuit are formed; and Al wiring 5 for connecting the power transistor 2 of the SiC layer 11 and the NMOS transistor 3 and the PMOS transistor 4 of the silicon layer 21. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

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 semiconductor device 101 in which a power transistor is formed and a semiconductor device 102 in which a CMOS circuit for controlling the semiconductor device 101 is formed using different chips. It was necessary to configure the package 100 by connecting the 101 and 102 with the metal wire 103. For this reason, there is a disadvantage that it is difficult to downsize the entire device.

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。
特開平7−254706号公報
In Patent Document 1, a control circuit composed of a MOS transistor is formed on a silicon substrate, and a SiC layer having a power device (power transistor) is formed in a region where no control circuit is formed on the silicon substrate. An improved high voltage device structure is disclosed.
JP 7-254706 A

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 Patent Document 1 above, when a power transistor is formed in an SiC layer, it is usually necessary to maintain good crystallinity during manufacturing in order to reduce the leakage current of the power transistor. It is necessary to perform annealing (heat treatment) at a temperature of about 1500 ° C.

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 Patent Document 1, when GaN is used instead of SiC, in order to form a high concentration region such as a contact layer, Si or the like is ion-implanted and then annealed at a temperature of about 1200 ° C. Heat treatment) must be performed.

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 Patent Document 1, when a SiC layer is formed on the entire main surface of the silicon substrate and then part of the SiC layer is removed and the SiC layer is patterned, the silicon substrate is damaged. Therefore, it is difficult to remove the SiC layer without degrading the characteristics of the MOS transistor on the silicon substrate.

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 semiconductor device 1 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

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 semiconductor device 1 according to the first embodiment of the present invention is used in a power supply system of electrical equipment as an electrical energy conversion device such as a DC / DC converter, an AC / DC converter, and a regulator IC.

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 semiconductor device 1 includes a lower region 1a in which a power transistor 2 is formed and an upper region 1b in which an NMOS transistor 3 and a PMOS transistor 4 for a control circuit are formed. . The power transistor 2 in the lower region 1a is electrically connected to the NMOS transistor 3 and the PMOS transistor 4 in the upper region 1b by an Al wiring 5 (partially not shown). The power transistor 2 is an example of the “first transistor” in the present invention, and the NMOS transistor 3 and the PMOS transistor 4 are examples of the “second transistor” in the present invention. The Al wiring 5 is an example of the “wiring” in the present invention.

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 crystal SiC substrate 10, p-type SiC layer 11 formed on single crystal SiC substrate 10, gate oxide film 12 formed on main surface 11a of SiC layer 11, gate oxide A gate electrode 13 made of polysilicon formed in a predetermined region on the film 12 and a protective film 14 formed in a region where the gate electrode 13 on the gate oxide film 12 is not formed. The SiC layer 11 is an example of the “semiconductor layer” in the present invention, and the gate oxide film 12 and the protective film 14 are examples of the “insulating layer” in the present invention.

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 SiC layer 11 has a thickness of about 8 μm and is doped with, for example, Al. A source region 11 b and a drain region 11 c doped with n-type impurities are formed in a predetermined region on the upper surface side of SiC layer 11. The SiC transistor 11 (source region 11b and drain region 11c), the gate oxide film 12, and the gate electrode 13 constitute the power transistor 2.

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 gate electrode 13 and the drain region 11c are connected to the Al wiring 5 through the Ti layer 6, respectively. Although not shown, the source region 11 b is also connected to the Al wiring 5 through the Ti layer 6.

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 gate oxide film 12 and the protective film 14 are made of a silicon oxide film (SiO 2 film) and have insulating properties.

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 upper region 1b has a CMOS structure composed of an NMOS transistor 3 and a PMOS transistor 4. The NMOS transistor 3 and the PMOS transistor 4 constitute a control circuit for controlling the power transistor 2.

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 upper region 1b includes a silicon layer 21 formed in a predetermined region on the protective film 14 in the lower region 1a, a gate insulating film 22 formed on the silicon layer 21, and a predetermined region on the gate insulating film 22. The formed gate electrodes 23a and 23b and an insulating film 24 made of a silicon oxide film formed over the entire upper surface of the protective film 14 so as to cover the silicon layer 21, the gate insulating film 22, and the gate electrodes 23a and 23b. ing.

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 silicon layer 21 is made of continuous grain boundary crystalline silicon (CGS) in which crystals are regularly continuous. The silicon layer 21 includes a p-well region 21a doped with boron (B) or the like and an n-well region 21b doped with phosphorus (P) or the like.

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 source region 21c and a drain region 21d doped with phosphorus (P) or the like are formed in a predetermined region on the upper surface side of the p-well region 21a. The NMOS transistor 3 is constituted by the p-well region 21a (source region 21c and drain region 21d), the gate insulating film 22 and the gate electrode 23a of the silicon layer 21.

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 source region 21e and a drain region 21f doped with boron (B) or the like are formed in a predetermined region on the upper surface side of the n well region 21b. The n-well region 21b (source region 21e and drain region 21f), the gate insulating film 22 and the gate electrode 23b of the silicon layer 21 constitute the PMOS transistor 4.

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 gate electrode 23a, source region 21c, drain region 21d constituting the NMOS transistor 3 and the gate electrode 23b, source region 21e and drain region 21f constituting the PMOS transistor 4 are respectively connected to the Al wiring 5 via the Ti layer 6. It is connected to 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 NMOS transistor 3 is electrically connected to the power transistor 2 through the Ti layer 6 and the Al wiring 5. The NMOS transistor 3 is electrically connected to the PMOS transistor 4 via the Ti layer 6 and an Al wiring 5 (not shown).

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 semiconductor device 1 according to the first embodiment of the present invention will now be described with reference to FIGS.

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-type SiC layer 11 having a thickness of about 8 μm is formed on a single crystal SiC substrate 10 by epitaxial growth at a temperature of about 1500 ° C. using Ar as a purge gas. At this time, the SiC layer 11 is formed into a p-type by doping Al, for example.

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 SiC layer 11 in order to adjust the inversion voltage of the region serving as the channel of the power transistor 2 (see FIG. 1). ) Etc. are ion-implanted by a predetermined amount. At this time, in order to suppress the occurrence of crystal defects in the SiC layer 11 due to the ion implantation, the ion implantation is performed while the single crystal SiC substrate 10 (SiC layer 11) is held at a temperature of about 500 ° C. to about 800 ° C. It is desirable to do.

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 gate oxide film 12 made of a silicon oxide film (SiO 2 ) is formed on main surface 11a of SiC layer 11 by thermal oxidation. Note that SiC is the only material capable of forming SiO 2 by thermal oxidation among wide band gap semiconductors.

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 gate oxide film 12. Thereafter, a part of the grown polysilicon is removed by using a photolithography technique and a dry etching technique, so that a gate electrode made of polysilicon is formed in a predetermined region on the gate oxide film 12 as shown in FIG. 13 is formed.

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 source region 11 b and the drain region 11 c of the SiC layer 11. At this time, in order to suppress the occurrence of crystal defects in the SiC layer 11 due to the ion implantation, the ion implantation is performed while the single crystal SiC substrate 10 (SiC layer 11) is held at a temperature of about 500 ° C. to about 800 ° C. It is desirable to do.

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 power transistor 2 is formed.

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 power transistor 2, a protective film 14 made of a silicon oxide film is formed by chemical vapor deposition so as to cover the gate oxide film 12 and the gate electrode 13.

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 silicon layer 21 is formed on the protective film 14 by chemical vapor deposition at a relatively low temperature of about 600 ° C. Then, by irradiating the silicon layer 21 with a laser, the silicon is recrystallized to become continuous grain boundary crystalline silicon.

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-well region 21a (see FIG. 2)), and a predetermined region (n-well region 21b (see FIG. 2) of the silicon layer 21 is also formed. In the region, phosphorus (P) or the like is ion-implanted. Then, by removing a part of the silicon layer 21 using an etching technique, a p-well region 21a and an n-well region 21b are formed in predetermined regions on the protective film 14, as shown in FIG.

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 gate insulating film 22 is formed on the upper surface of the silicon layer 21 (p well region 21a and n well region 21b) at a temperature of about 300 ° C. by photo-oxidation.

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 source region 21c and the drain region 21d of the p-well region 21a, and boron (B) is added to the regions to be the source region 21e and the drain region 21f of the n-well region 21b. ) Etc. are ion-implanted.

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, gate electrodes 23 a and 23 b are formed in a predetermined region on the gate insulating film 22. Thereby, the NMOS transistor 3 and the PMOS transistor 4 are formed.

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 film 24 made of a silicon oxide film is formed on the entire upper surface of the protective film 14 so as to cover the silicon layer 21, the gate insulating film 22, and the gate electrodes 23a and 23b by chemical vapor deposition.

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 film 24, and a Ti layer 6 as a barrier metal and an Al wiring 5 are formed so as to fill the contact hole. Thereafter, the Al wiring 5 is patterned. Thereby, the power transistor 2, the NMOS transistor 3, and the PMOS transistor 4 are electrically connected.

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 semiconductor device 1 according to the first embodiment is manufactured.

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 power transistor 2 in the SiC layer 11 having a band gap larger than that of silicon, the power transistor 2 can have a high breakdown voltage and low power consumption. (Lower on-resistance). Further, the power transistor 2 is provided in the SiC layer 11 and is formed in a predetermined region above the main surface 11 a of the SiC layer 11. The silicon layer 21, which is a layer different from the SiC layer 11, has an NMOS for a control circuit. By providing the transistor 3 and the PMOS transistor 4, the power transistor 2 and the NMOS transistor 3 and the PMOS transistor 4 for controlling the power transistor 2 can be formed in one chip (semiconductor device 1). As a result, the semiconductor device 1 can have a high breakdown voltage, low power consumption, and a small size.

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 power transistor 2 is formed in the SiC layer 11 having a larger band gap than silicon, the NMOS transistor 3 and the PMOS transistor 4 are formed in a predetermined region above the main surface 11a of the SiC layer 11. And a silicon layer 21 made of a layer different from the SiC layer 11 is provided, so that the silicon layer 21 is heated to a high temperature (for example, 1200 ° C. or 1500 ° C.) by heat treatment when forming the power transistor 2. It can be suppressed. Thereby, it is possible to prevent the impurity doped in the silicon layer 21 from being excessively diffused and the NMOS transistor 3 and the PMOS transistor 4 (semiconductor device 1) from functioning. Moreover, since it can suppress that the silicon layer 21 becomes high temperature (for example, 1200 degreeC or 1500 degreeC), it can suppress that the silicon layer 21 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 NMOS transistor 3 and the PMOS transistor 4 (semiconductor device 1) from varying.

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 power transistor 2 formed in the SiC layer 11 can be easily made sufficiently small. . Thereby, the semiconductor device 1 can be easily and sufficiently reduced in power consumption.

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 protective layer 14 is formed between the SiC layer 11 and the silicon layer 21 to form the silicon layer 21 in a predetermined region above the main surface 11 a of the SiC layer 11. In addition, when the silicon layer 21 is formed on the entire surface of the SiC layer 11 (protective film 14) and then the silicon layer 21 is patterned by removing a part of the silicon layer 21, the SiC layer 11 is prevented from being damaged. However, the silicon layer 21 can be removed. Thereby, it can suppress that the characteristic of the power transistor 2 of the SiC layer 11 falls.

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 gate oxide film 12 and the protective film 14 having insulating properties are disposed between the SiC layer 11 and the silicon layer 21, so that the SiC layer 11 in which the power transistor 2 is formed is greatly increased. Even when a current flows, the potential of the silicon layer 21 can be suppressed from fluctuating. Thereby, it can suppress more that the characteristic of the semiconductor device 1 falls.

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 silicon layer 21 is formed at a temperature of about 600 ° C. or less by a chemical vapor deposition method, thereby suppressing the silicon layer 21 from becoming a high temperature of, for example, 1200 ° C. or 1500 ° C. Therefore, it is possible to easily suppress the NMOS transistor 3 and the PMOS transistor 4 (semiconductor device 1) from functioning or varying in characteristics.

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 silicon layer 21 with continuous grain boundary crystal silicon as compared with the case where the silicon layer 21 is configured with, for example, polysilicon. Therefore, the characteristics of the NMOS transistor 3 and the PMOS transistor 4 (semiconductor device 1) can be further improved.

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 silicon layer 21 is formed so as to have a CMOS structure including the NMOS transistor 3 and the PMOS transistor 4, the CMOS structure is effective in reducing power consumption. In addition, power consumption can be reduced.

(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 semiconductor device 31 according to the second embodiment of the present invention includes a lower region 31a where the power transistor 32 is formed, and an upper region 31b where the NMOS transistor 3 and the PMOS transistor 4 for the control circuit are formed. And is composed of. The power transistor 32 in the lower region 31a and the NMOS transistor 3 and the PMOS transistor 4 in the upper region 31b are electrically connected by an Al wiring 5 (partially not shown). The power transistor 32 is an example of the “first transistor” in the present invention.

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 lower region 31a includes a sapphire substrate 40, an AlN layer 41 formed on the sapphire substrate 40, a GaN layer 42 formed on the AlN layer 41, and an AlGaN layer formed on the main surface 42a of the GaN layer 42. 43, a gate electrode 44 made of Ni, formed in a predetermined region on the AlGaN layer 43, a source electrode 45 and a drain electrode 46 made of Ti, and a gate electrode 44, a source electrode 45 and a drain electrode 46 made of Ti, respectively. A silicon nitride film 47 formed in a region where no gate electrode is formed, and a protective film 48 made of a silicon oxide film formed so as to cover the gate electrode 44, the source electrode 45, the drain electrode 46, and the silicon nitride film 47. Has been. The GaN layer 42, the AlGaN layer 43, the gate electrode 44, the source electrode 45 and the drain electrode 46 constitute a power transistor 32. The GaN layer 42 is an example of the “semiconductor layer” in the present invention, and the silicon nitride film 47 and the protective film 48 are examples of the “insulating layer” in the present invention.

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 AlN layer 41 has a thickness of about 20 nm. The AlN layer 41 functions as a buffer layer for low temperature growth. The GaN layer 42 has a thickness of about 2 μm. The AlGaN layer 43 has a thickness of about 25 nm. The GaN layer 42 and the AlGaN layer 43 form an AlGaN / GaN heterojunction.

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 gate electrode 44 is Schottky-bonded to the AlGaN layer 43, and the upper surface is connected to the Al wiring 5 via the Ti layer 6. The source electrode 45 and the drain electrode 46 are ohmic-bonded to the AlGaN layer 43 at the lower surface and connected to the Al wiring 5 at the upper surface.

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 silicon nitride film 47 has a thickness of about 100 nm. Further, the silicon nitride film 47 and the protective film 48 have insulating properties.

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 upper region 31b has the same structure as the upper region 1b of the first embodiment, the description thereof is omitted.

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 semiconductor device 31 according to the second embodiment of the present invention will now be described with reference to FIGS.

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 AlN layer 41 is grown on a sapphire substrate 40 as a low-temperature growth buffer layer by about 20 nm by metal organic chemical vapor deposition. Then, a GaN layer 42 is grown on the AlN layer 41 by about 2 μm by metal organic chemical vapor deposition. Thereafter, an AlGaN layer 43 is grown on the main surface 42a of the GaN layer 42 by about 25 nm by metal organic chemical vapor deposition. At this time, an AlGaN / GaN heterojunction is formed.

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 AlGaN layer 43, a part of the deposited Ti is removed by using a photolithography technique and a dry etching technique, thereby, as shown in FIG. A source electrode 45 and a drain electrode 46 made of Ti are formed in the region. At this time, the lower surfaces of the source electrode 45 and the drain electrode 46 are in ohmic contact with the AlGaN layer 43.

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 AlGaN layer 43 so as to cover the source electrode 45 and the drain electrode 46 by chemical vapor deposition. Then, as shown in FIG. 12, the silicon nitride film 47 on the source electrode 45 and the drain electrode 46 is removed by using a photolithography technique and a dry etching technique.

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 silicon nitride film 47 is removed by using a photolithography technique and a dry etching technique. At this time, part of the AlGaN layer 43 may be removed in order to control the threshold voltage of the power transistor 32.

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 gate electrode 44 that is Schottky-bonded to the AlGaN layer 43 is formed. Thereby, the power transistor 32 is formed.

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 power transistor 32, a protective film 48 is formed by chemical vapor deposition so as to cover the gate electrode 44, the source electrode 45, the drain electrode 46, and the silicon nitride film 47. Form.

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 upper region 31b (NMOS transistor 3 and PMOS transistor 4 and the like) and the Al wiring 5 are formed using the same manufacturing process as in the first embodiment.

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 semiconductor device 31 according to the second embodiment is manufactured.

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 power transistor 32 in the GaN layer 42 having a band gap larger than that of silicon. At the same time, low power consumption (low on-resistance) can be achieved.

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.

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。1 is a cross-sectional view showing a structure of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. 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。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing process of the semiconductor device by 1st Embodiment of this invention shown in FIG. 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。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing process of the semiconductor device by 1st Embodiment of this invention shown in FIG. 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。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing process of the semiconductor device by 1st Embodiment of this invention shown in FIG. 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。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing process of the semiconductor device by 1st Embodiment of this invention shown in FIG. 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。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing process of the semiconductor device by 1st Embodiment of this invention shown in FIG. 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。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing process of the semiconductor device by 1st Embodiment of this invention shown in FIG. 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。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing process of the semiconductor device by 1st Embodiment of this invention shown in FIG. 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。It is sectional drawing which showed the structure of the semiconductor device by 2nd Embodiment of this invention. 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。FIG. 10 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention shown in FIG. 9; 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。FIG. 10 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention shown in FIG. 9; 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。FIG. 10 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention shown in FIG. 9; 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。FIG. 10 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention shown in FIG. 9; 従来の一例による半導体装置を備えたパッケージを示した断面図である。It is sectional drawing which showed the package provided with the semiconductor device by an example of the past.

符号の説明Explanation of symbols

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 Semiconductor device 2, 32 Power transistor (first transistor)
3 NMOS transistor (second transistor)
4 PMOS transistor (second transistor)
5 Al wiring (wiring)
11 SiC layer (semiconductor layer)
11a Main surface 12 Gate oxide film (insulating layer)
14, 48 Protective film (insulating layer)
21 Silicon layer 42 GaN layer (semiconductor layer)
42a Main surface 47 Silicon nitride film (insulating layer)

Claims (8)

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、
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.
前記半導体層は、SiC、GaNまたはダイヤモンドを含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor layer includes SiC, GaN, or diamond. 前記半導体層と前記シリコン層との間には、保護膜が形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein a protective film is formed between the semiconductor layer and the silicon layer. 前記半導体層と前記シリコン層との間には、絶縁層が配置されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein an insulating layer is disposed between the semiconductor layer and the silicon layer. 前記シリコン層は、前記半導体層に前記第1トランジスタを形成する際の熱処理工程の後に、前記半導体層の主表面よりも上側に形成されることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置。   The said silicon layer is formed above the main surface of the said semiconductor layer after the heat treatment process at the time of forming the said 1st transistor in the said semiconductor layer, The any one of Claims 1-4 characterized by the above-mentioned. The semiconductor device according to item. 前記シリコン層は、600℃以下の温度で、化学気相成長法により形成されることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the silicon layer is formed by a chemical vapor deposition method at a temperature of 600 ° C. or less. 前記シリコン層は、ポリシリコンまたは連続粒界結晶シリコンを含むことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the silicon layer includes polysilicon or continuous grain boundary crystal silicon. 前記シリコン層の第2トランジスタは、CMOS構造を有することを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the second transistor of the silicon layer has a CMOS structure.
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