JP6295891B2 - Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Description
この発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device.
図5は、従来の半導体装置の第1の例を示す断面図である。図5に示すように、半導体装置は、n+型炭化珪素半導体基板101のおもて面上にn型炭化珪素半導体層102を有する。n型炭化珪素半導体層102の表面領域に複数のp型半導体領域103が設けられている。p型半導体領域103の表面領域にn+型ソース領域104及びp+型コンタクト領域105が設けられている。n+型ソース領域104とn型炭化珪素半導体層102との間のp型半導体領域103の上にゲート絶縁膜106を介してゲート電極107が設けられている。n+型ソース領域104及びp+型コンタクト領域105にソース電極108が接している。n+型炭化珪素半導体基板101の裏面にはドレイン電極109が形成されている。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a first example of a conventional semiconductor device. As shown in FIG. 5, the semiconductor device has n-type silicon
図6は、従来の半導体装置の第2の例を示す断面図である。図6に示すように、半導体装置は、n+型炭化珪素半導体基板201のおもて面上にn型炭化珪素半導体層202を有する。n型炭化珪素半導体層202の表面領域に複数のp+型半導体領域210が設けられている。p+型半導体領域210及びn型炭化珪素半導体層202の上にp型炭化珪素半導体層211が設けられている。p型炭化珪素半導体層211において、隣り合うp+型半導体領域210とp+型半導体領域210との間のn型炭化珪素半導体層202の上には、n型半導体領域212が設けられている。p型炭化珪素半導体層211において、各p+型半導体領域210の上には、p型半導体領域203、n+型ソース領域204及びp+型コンタクト領域205が設けられている。n+型ソース領域204とn型半導体領域212との間のp型半導体領域203の上にゲート絶縁膜206を介してゲート電極207が設けられている。n+型ソース領域204及びp+型コンタクト領域205にソース電極208が接している。n+型炭化珪素半導体基板201の裏面にはドレイン電極209が形成されている。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a second example of a conventional semiconductor device. As shown in FIG. 6, the semiconductor device has n-type silicon
上述した第1の例または第2の例と同様な半導体装置において、ゲート電極がポリシリコンでできているものが開示されている(例えば、特許文献1、2参照)。
A semiconductor device similar to the first example or the second example described above is disclosed in which the gate electrode is made of polysilicon (for example, see
MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field−Effect Transistor)のような半導体装置では、ドレイン電極に高電位が印加された状態において、ゲート電極にしきい値以上の電圧が印加されると、ドレイン−ソース間の容量に充電された電荷がゲート−ドレイン間を介して放電される。上述した従来の炭化珪素半導体装置では、ゲート電極がポリシリコンでできているため、ゲート電極の抵抗が比較的大きい。そのため、ドレイン−ソース間の容量に充電された電荷がゲート−ドレイン間を介して放電されることによって流れる放電電流によって、ゲート電圧が上昇する。それによって、過渡的にはしきい値電圧Vthが低下した状態となり、ドレイン−ソース間に過大な電流が流れることになり、損失が大きくなるという問題点がある。 In a semiconductor device such as a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor), when a voltage higher than a threshold is applied to the gate electrode when a high potential is applied to the drain electrode, the capacitance between the drain and the source is increased. The charged charge is discharged through the gate and drain. In the conventional silicon carbide semiconductor device described above, since the gate electrode is made of polysilicon, the resistance of the gate electrode is relatively large. Therefore, the gate voltage rises due to the discharge current that flows when the charge charged in the drain-source capacitance is discharged via the gate-drain. As a result, the threshold voltage Vth is transiently lowered, an excessive current flows between the drain and the source, and there is a problem that the loss increases.
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、ターンオン時の損失を抑えることができる半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a semiconductor device and a semiconductor device manufacturing method capable of suppressing a loss at turn-on in order to solve the above-described problems caused by the prior art.
上述した課題を解決し、目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、第1導電型の炭化珪素でできた半導体基板と、前記半導体基板の第1主面上に設けられた、前記半導体基板よりも不純物濃度の低い第1導電型の半導体層と、前記半導体層の表面上に設けられた第2導電型のベース領域と、前記ベース領域の表面領域に設けられた第1導電型のソース領域と、前記ベース領域の表面領域に設けられた、前記ベース領域よりも不純物濃度の高い第2導電型のコンタクト領域と、前記ソース領域及び前記コンタクト領域に接するソース電極と、前記ベース領域の、前記半導体層と前記ソース領域とに挟まれた領域の表面上に設けられたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の表面上に設けられたゲート電極と、前記半導体基板の第2主面上に設けられたドレイン電極と、を備え、前記ゲート電極がアルミニウムまたはチタンとアルミニウムを積層した構造の金属でできており、前記ゲート電極の終端部の下に、ポリシリコンでできた層が設けられ、かつ、当該ポリシリコンが当該ゲート電極の終端部より突出していることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor substrate made of silicon carbide of a first conductivity type, and the semiconductor substrate provided on the first main surface of the semiconductor substrate. A first conductivity type semiconductor layer having a lower impurity concentration than the semiconductor substrate, a second conductivity type base region provided on the surface of the semiconductor layer, and a first conductivity type provided in the surface region of the base region Source region, a second conductivity type contact region having an impurity concentration higher than that of the base region, a source electrode in contact with the source region and the contact region, and the base region A gate insulating film provided on a surface of a region sandwiched between the semiconductor layer and the source region, a gate electrode provided on the surface of the gate insulating film, and a second main body of the semiconductor substrate Includes a drain electrode provided above, said gate electrode is made of a metallic structure formed by stacking aluminum or titanium and aluminum, the under end portion of the gate electrode, a layer made of polysilicon is provided In addition, the polysilicon protrudes from the terminal portion of the gate electrode .
また、この発明にかかる半導体装置は、第1導電型の炭化珪素でできた半導体基板と、前記半導体基板の第1主面上に設けられた、前記半導体基板よりも不純物濃度の低い第1導電型の半導体層と、前記半導体層の表面領域の一部に設けられた第2導電型の半導体領域と、前記半導体領域の表面上に設けられた、前記半導体領域よりも不純物濃度の低い第2導電型のベース領域と、前記半導体層の表面上に前記ベース領域に接して設けられた、前記半導体基板よりも不純物濃度の低い第1導電型の炭化珪素でできたウェル領域と、前記ベース領域の表面領域に前記ウェル領域から離れて設けられた、前記ウェル領域よりも不純物濃度の高い第1導電型のソース領域と、前記半導体領域の表面上に前記ソース領域及び前記ベース領域に接して設けられた、前記ベース領域よりも不純物濃度の高い第2導電型のコンタクト領域と、前記ソース領域及び前記コンタクト領域に接するソース電極と、前記ベース領域の、前記ウェル領域と前記ソース領域とに挟まれた領域の表面上に設けられたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の表面上に設けられたゲート電極と、前記半導体基板の第2主面上に設けられたドレイン電極と、を備え、前記ゲート電極がアルミニウムまたはチタンとアルミニウムを積層した構造の金属でできており、前記ゲート電極の終端部の下に、ポリシリコンでできた層が設けられ、かつ、当該ポリシリコンが当該ゲート電極の終端部より突出していることを特徴とする。 In addition, a semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor substrate made of silicon carbide of a first conductivity type, and a first conductivity having a lower impurity concentration than the semiconductor substrate provided on the first main surface of the semiconductor substrate. Type semiconductor layer, a second conductivity type semiconductor region provided in a part of the surface region of the semiconductor layer, and a second impurity concentration lower than that of the semiconductor region provided on the surface of the semiconductor region. A conductivity type base region; a well region made of silicon carbide of a first conductivity type having an impurity concentration lower than that of the semiconductor substrate provided on the surface of the semiconductor layer in contact with the base region; and the base region A source region of a first conductivity type having a higher impurity concentration than the well region, which is provided in a surface region of the semiconductor region, and on the surface of the semiconductor region, in contact with the source region and the base region. The second conductivity type contact region having a higher impurity concentration than the base region, the source region and the source electrode in contact with the contact region, and the well region and the source region of the base region. A gate insulating film provided on the surface of the region, a gate electrode provided on the surface of the gate insulating film, and a drain electrode provided on the second main surface of the semiconductor substrate, The gate electrode is made of aluminum or a metal having a structure in which titanium and aluminum are laminated , a layer made of polysilicon is provided under the terminal portion of the gate electrode, and the polysilicon is the terminal of the gate electrode. It protrudes from the part .
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、第1導電型の炭化珪素でできた半導体基板と、前記半導体基板の第1主面上に設けられた、前記半導体基板よりも不純物濃度の低い第1導電型の半導体層と、前記半導体層の表面上に設けられた第2導電型のベース領域と、前記ベース領域の表面領域に設けられた第1導電型のソース領域と、前記ベース領域の表面領域に設けられた、前記ベース領域よりも不純物濃度の高い第2導電型のコンタクト領域と、前記ソース領域及び前記コンタクト領域に接するソース電極と、前記ベース領域の、前記半導体層と前記ソース領域とに挟まれた領域の表面上に設けられたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の表面上に設けられたゲート電極と、前記半導体基板の第2主面上に設けられたドレイン電極と、を備えた半導体装置の製造方法において、前記ゲート電極をアルミニウムまたはチタンとアルミニウムを積層した構造の金属で形成し、前記ゲート電極の終端部の下に、ポリシリコンでできた層を設け、かつ、当該ポリシリコンを当該ゲート電極の終端部より突出させることを特徴とする。 According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device comprising: a semiconductor substrate made of silicon carbide of a first conductivity type; and an impurity concentration lower than that of the semiconductor substrate provided on the first main surface of the semiconductor substrate. A first conductivity type semiconductor layer; a second conductivity type base region provided on a surface of the semiconductor layer; a first conductivity type source region provided in a surface region of the base region; and the base region A contact region of a second conductivity type having a higher impurity concentration than the base region, a source electrode in contact with the source region and the contact region, and the semiconductor layer and the source of the base region A gate insulating film provided on the surface of the region sandwiched between the regions, a gate electrode provided on the surface of the gate insulating film, and a drain electrode provided on the second main surface of the semiconductor substrate. If, in the manufacturing method of a semiconductor device having a said gate electrode is formed of a metal structure obtained by laminating an aluminum or titanium and aluminum, the under end portion of the gate electrode, a layer made of polysilicon, In addition, the polysilicon is projected from the terminal portion of the gate electrode .
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、第1導電型の炭化珪素でできた半導体基板と、前記半導体基板の第1主面上に設けられた、前記半導体基板よりも不純物濃度の低い第1導電型の半導体層と、前記半導体層の表面領域の一部に設けられた第2導電型の半導体領域と、前記半導体領域の表面上に設けられた、前記半導体領域よりも不純物濃度の低い第2導電型のベース領域と、前記半導体層の表面上に前記ベース領域に接して設けられた、前記半導体基板よりも不純物濃度の低い第1導電型の炭化珪素でできたウェル領域と、前記ベース領域の表面領域に前記ウェル領域から離れて設けられた、前記ウェル領域よりも不純物濃度の高い第1導電型のソース領域と、前記半導体領域の表面上に前記ソース領域及び前記ベース領域に接して設けられた、前記ベース領域よりも不純物濃度の高い第2導電型のコンタクト領域と、前記ソース領域及び前記コンタクト領域に接するソース電極と、前記ベース領域の、前記ウェル領域と前記ソース領域とに挟まれた領域の表面上に設けられたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の表面上に設けられたゲート電極と、前記半導体基板の第2主面上に設けられたドレイン電極と、を備えた半導体装置の製造方法において、前記ゲート電極をアルミニウムまたはチタンとアルミニウムを積層した構造の金属で形成し、前記ゲート電極の終端部の下に、ポリシリコンでできた層を設け、かつ、当該ポリシリコンを当該ゲート電極の終端部より突出させることを特徴とする。
According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device comprising: a semiconductor substrate made of silicon carbide of a first conductivity type; and an impurity concentration lower than that of the semiconductor substrate provided on the first main surface of the semiconductor substrate. A first conductivity type semiconductor layer; a second conductivity type semiconductor region provided in a part of a surface region of the semiconductor layer; and an impurity concentration higher than that of the semiconductor region provided on the surface of the semiconductor region. A base region of a low second conductivity type, and a well region made of silicon carbide of the first conductivity type having a lower impurity concentration than the semiconductor substrate provided on the surface of the semiconductor layer in contact with the base region; A source region of a first conductivity type having a higher impurity concentration than the well region, provided in a surface region of the base region apart from the well region; and the source region and the base region on the surface of the semiconductor region A contact region of a second conductivity type having a higher impurity concentration than the base region, a source electrode in contact with the source region and the contact region, the well region and the source region of the base region, A gate insulating film provided on the surface of the region sandwiched between, a gate electrode provided on the surface of the gate insulating film, and a drain electrode provided on the second main surface of the semiconductor substrate, In the manufacturing method of a semiconductor device provided, the gate electrode is formed of aluminum or a metal having a structure in which titanium and aluminum are stacked , a layer made of polysilicon is provided under a terminal portion of the gate electrode, and The polysilicon is projected from the terminal portion of the gate electrode .
この発明によれば、ゲート電極が、ポリシリコンよりも抵抗の小さい金属でできているため、ゲート−ドレイン間の容量とゲート電極の抵抗との積で決まる時定数が小さくなる。それによって、ドレイン−ソース間の容量に充電された電荷がターンオン時に放電され、ゲート−ソース間電位が下がり、ターンオン時の電流増加が抑制される。また、ポリシリコンでできた層の表面の凹凸によって、ゲート電極の終端部と、ポリシリコンでできた層の表面との密着強度が高まるため、ゲート電極が剥がれ難くなる。 According to the present invention, since the gate electrode is made of a metal having a resistance smaller than that of polysilicon, the time constant determined by the product of the gate-drain capacitance and the gate electrode resistance is reduced. As a result, the charge charged in the drain-source capacitance is discharged at turn-on, the gate-source potential is lowered, and an increase in current at turn-on is suppressed. Further, the unevenness of the surface of the layer made of polysilicon increases the adhesion strength between the terminal portion of the gate electrode and the surface of the layer made of polysilicon, so that the gate electrode is hardly peeled off.
本発明によれば、ターンオン時の損失を抑えることができる。 According to the present invention, loss at turn-on can be suppressed.
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。本明細書及び添付図面においては、nまたはpを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、nやpに付す+及び−は、それぞれそれが付されていない層や領域よりも高不純物濃度及び低不純物濃度であることを意味する。 Exemplary embodiments of a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device according to the present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying drawings. In the present specification and the accompanying drawings, it means that electrons or holes are majority carriers in layers and regions with n or p, respectively. Further, + and − attached to n and p mean that the impurity concentration is higher and lower than that of the layer or region not attached thereto.
(実施の形態1)
・実施の形態1にかかる半導体装置の一例
図1は、本発明の実施の形態1にかかる半導体装置の一例を示す断面図である。図1には、実施の形態1にかかる半導体装置の活性領域が示されている。活性領域には、半導体装置のMOS構造、すなわち素子構造が形成されている。図1に示す例では、活性領域にMOS構造が1つだけ示されているが、複数のMOS構造が並列に設けられていてもよい。活性領域は、図示しない耐圧構造部によって囲まれていてもよい。
(Embodiment 1)
Example of Semiconductor Device According to First Embodiment FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1 shows an active region of the semiconductor device according to the first embodiment. In the active region, a MOS structure of a semiconductor device, that is, an element structure is formed. In the example shown in FIG. 1, only one MOS structure is shown in the active region, but a plurality of MOS structures may be provided in parallel. The active region may be surrounded by a breakdown voltage structure (not shown).
図1に示すように、半導体装置は、炭化珪素でできたn+半導体基板1及びn半導体層2を備えている。n+半導体基板1は、例えば炭化珪素にN型不純物がドーピングされた炭化珪素単結晶基板であってもよい。n+半導体基板1は、例えばドレイン領域となる。本実施の形態の説明において、n+半導体基板1のおもて面は第1主面であり、裏面は第2主面であるとする。
As shown in FIG. 1, the semiconductor device includes an n + semiconductor substrate 1 and an
n半導体層2は、n+半導体基板1の第1主面上に設けられている。n半導体層2の不純物濃度は、n+半導体基板1よりも低い。n半導体層2は、例えば炭化珪素にN型不純物がドーピングされた半導体層であってもよい。n半導体層2は、例えばN型のドリフト層となる。
The
半導体装置は、n+半導体基板1の第1主面側に、MOS構造として、例えばpベース領域3、n+ソース領域4、p+コンタクト領域5、ゲート絶縁膜6、ゲート電極7及びソース電極8を備えている。半導体装置は、n+半導体基板1の第2主面側に、例えばドレイン電極9となる裏面電極を備えている。
The semiconductor device has, for example,
pベース領域3は、n半導体層2の表面領域の一部に設けられている。pベース領域3は、例えばn半導体層2の表面領域の別の一部を挟むように設けられていてもよい。つまり、隣り合うpベース領域3とpベース領域3との間にn半導体層2の領域があってもよい。pベース領域3は、例えば炭化珪素にP型不純物がドーピングされた半導体領域であってもよい。
The
n+ソース領域4は、pベース領域3の表面領域に設けられている。n+ソース領域4は、隣り合うpベース領域3とpベース領域3との間のn半導体層2の領域から離れて設けられている。n+ソース領域4の不純物濃度は、n半導体層2よりも高い。
The n + source region 4 is provided in the surface region of the
p+コンタクト領域5は、pベース領域3の表面領域において、隣り合うpベース領域3とpベース領域3との間のn半導体層2の領域から離れて設けられている。p+コンタクト領域5は、pベース領域3及びn+ソース領域4に接する。p+コンタクト領域5の不純物濃度は、pベース領域3よりも高い。
In the surface region of
ゲート絶縁膜6は、pベース領域3の、隣り合うpベース領域3とpベース領域3との間のn半導体層2の領域とn+ソース領域4とに挟まれた領域の表面上に設けられている。ゲート絶縁膜6は、例えばn半導体層2の領域を挟んで隣り合う一方のpベース領域3の表面上から、n半導体層2の領域の表面上を経て、他方のpベース領域3の表面上まで伸びていてもよい。
Gate insulating film 6 is provided on the surface of
ゲート電極7は、ゲート絶縁膜6の表面上に設けられている。ゲート電極7は、例えばn半導体層2の領域を挟んで隣り合う一方のpベース領域3の上から、n半導体層2の領域の表面上を経て、他方のpベース領域3の上まで伸びていてもよい。ゲート電極7は、ポリシリコンよりも抵抗の小さい導電性の材料でできていてもよい。ゲート電極7は、例えば金属でできていてもよい。ゲート電極7は、例えばアルミニウム(Al)若しくは窒化チタン(TiN)、またはチタン(Ti)とアルミニウムとを積層した構造の金属(Ti/Al)でできていてもよい。ゲート電極7の終端部分の下には、ポリシリコンでできたポリシリコン層10が設けられている。
The gate electrode 7 is provided on the surface of the gate insulating film 6. For example, the gate electrode 7 extends from above one
ソース電極8は、n+ソース領域4及びp+コンタクト領域5の表面に、n+ソース領域4及びp+コンタクト領域5に接して設けられている。ソース電極8は、n+ソース領域4及びp+コンタクト領域5に電気的に接続されている。ソース電極8は、図示しない層間絶縁膜によって、ゲート電極7から絶縁されている。
The
ドレイン電極9は、n+半導体基板1の第2主面上に設けられている。ドレイン電極9は、導電性の膜、例えば金属膜でできていてもよい。ドレイン電極9は、n+半導体基板1にオーミック接合している。
The
・実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法の一例
まず、N型の炭化珪素でできたn+半導体基板1を用意する。このn+半導体基板1の第1主面上に、N型不純物をドーピングしながら炭化珪素でできたn半導体層2をエピタキシャル成長させる。
Example of Method for Manufacturing Semiconductor Device According to First Embodiment First, an n + semiconductor substrate 1 made of N-type silicon carbide is prepared. An
次いで、フォトリソグラフィ技術及びイオン注入法によって、n半導体層2の表面領域の、pベース領域3となる領域に、P型不純物をイオン注入する。次いで、フォトリソグラフィ技術及びイオン注入法によって、pベース領域3となるイオン注入領域の、n+ソース領域4となる領域に、N型不純物をイオン注入する。
Next, a P-type impurity is ion-implanted into a region to be the
次いで、フォトリソグラフィ技術及びイオン注入法によって、pベース領域3となるイオン注入領域の、p+コンタクト領域5となる領域に、P型不純物をイオン注入する。なお、pベース領域3を設けるためのイオン注入、n+ソース領域4を設けるためのイオン注入、及びp+コンタクト領域5を設けるためのイオン注入の順序は、上述した順序に限らず、種々変更可能である。
Next, a P-type impurity is ion-implanted into the region to be the p + contact region 5 in the ion implantation region to be the
次いで、熱処理(アニール)を行って、例えばpベース領域3、n+ソース領域4及びp+コンタクト領域5となる各イオン注入領域を活性化させる。それによって、pベース領域3、n+ソース領域4及びp+コンタクト領域5ができる。なお、上述したように1回の熱処理によって各イオン注入領域をまとめて活性化させてもよいし、イオン注入を行うたびに熱処理を行って活性化させてもよい。
Next, heat treatment (annealing) is performed to activate each ion implantation region that becomes, for example, the
次いで、pベース領域3、n+ソース領域4及びp+コンタクト領域5が設けられた側の面を熱酸化して、この面全体にゲート絶縁膜6を設ける。次いで、ゲート絶縁膜6上に、ポリシリコンでできた層を設ける。このポリシリコンでできた層をパターニングして、ゲート電極7の終端部に対応する位置に残すことによって、ポリシリコン層10を設ける。
Next, the surface on which the
次いで、ゲート絶縁膜6及びポリシリコン層10の上に、例えばアルミニウム若しくは窒化チタン、またはチタンとアルミニウムとを積層した構造の金属層を設ける。例えばスパッタリングなどの物理気相成長(PVD:Physical Vapor Deposition)法や化学気相成長(CVD:Chemical Vapor Deposition)法によって、ゲート電極7となる金属層を設けてもよい。この金属層をパターニングして、pベース領域3の、n+ソース領域4とn半導体層2とに挟まれた領域上のゲート絶縁膜6の上、及びポリシリコン層10の上に残すことによって、ゲート電極7を設ける。
Next, a metal layer having a structure in which, for example, aluminum or titanium nitride, or titanium and aluminum is stacked is provided on the gate insulating film 6 and the
次いで、n+ソース領域4及びp+コンタクト領域5に接するように、ソース電極8を設ける。次いで、n+半導体基板1の第2主面上に、ドレイン電極9を設ける。そして、熱処理を行って、n+半導体基板1とドレイン電極9とをオーミック接合する。以上のようにして、図1に示す半導体装置が完成する。
Next, a
(実施の形態2)
・実施の形態2にかかる半導体装置の一例
図2は、本発明の実施の形態2にかかる半導体装置の一例を示す断面図である。図2には、実施の形態2にかかる半導体装置の活性領域が示されている。活性領域に半導体装置のMOS構造が形成されていること、活性領域に複数のMOS構造が設けられていてもよいこと、活性領域が耐圧構造部によって囲まれていてもよいことは、実施の形態1と同様である。
(Embodiment 2)
Example of Semiconductor Device According to Second Embodiment FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. FIG. 2 shows an active region of the semiconductor device according to the second embodiment. An embodiment in which the MOS structure of the semiconductor device is formed in the active region, a plurality of MOS structures may be provided in the active region, and the active region may be surrounded by a withstand voltage structure portion. Same as 1.
図2に示すように、半導体装置は、n+半導体基板1及びn半導体層2を備えている。n+半導体基板1及びn半導体層2については、実施の形態1と同様であるため、重複する説明を省略する。
As shown in FIG. 2, the semiconductor device includes an n + semiconductor substrate 1 and an
半導体装置は、n+半導体基板1の第1主面側に、MOS構造として、例えばpベース領域3、n+ソース領域4、p+コンタクト領域5、ゲート絶縁膜6、ゲート電極7、ソース電極8、p+半導体領域11及びnウェル領域12を備えている。半導体装置は、n+半導体基板1の第2主面側に、例えばドレイン電極9となる裏面電極を備えている。
The semiconductor device has, for example,
p+半導体領域11は、n半導体層2の表面領域の一部に設けられている。p+半導体領域11は、例えばn半導体層2の表面領域の別の一部を挟むように設けられていてもよい。つまり、隣り合うp+半導体領域11とp+半導体領域11との間にn半導体層2の領域があってもよい。p+半導体領域11は、例えば炭化珪素にP型不純物がドーピングされた半導体領域であってもよい。
The p + semiconductor region 11 is provided in a part of the surface region of the
pベース領域3は、p+半導体領域11の表面上に設けられている。pベース領域3の不純物濃度は、p+半導体領域11よりも低い。pベース領域3は、例えば炭化珪素にP型不純物がドーピングされた半導体領域であってもよい。pベース領域3は、例えばエピタキシャル成長法によってn半導体層2の上に積層されたp半導体層の一部であってもよい。
The
nウェル領域12は、n半導体層2の、隣り合うp+半導体領域11とp+半導体領域11との間の領域の表面上に、設けられている。nウェル領域12は、pベース領域3に接して設けられている。nウェル領域12の不純物濃度は、n+半導体基板1よりも低い。nウェル領域12は、例えば上述したようにエピタキシャル成長法によってn半導体層2の上に積層されたp半導体層の一部の導電型を、N型不純物のイオン注入及び熱処理によって反転させた領域であってもよい。nウェル領域12は、例えばn半導体層2とともにn型のドリフト領域となる。
N well region 12 is provided on the surface of a region between adjacent p + semiconductor regions 11 and p + semiconductor region 11 of
n+ソース領域4は、p+半導体領域11の上のpベース領域3の表面領域に設けられている。n+ソース領域4は、nウェル領域12から離れて設けられている。n+ソース領域4の不純物濃度は、nウェル領域12よりも高い。
The n + source region 4 is provided in the surface region of the
p+コンタクト領域5は、pベース領域3を挟んでnウェル領域12の反対側、すなわちnウェル領域12から離れて設けられている。p+コンタクト領域5は、pベース領域3及びn+ソース領域4に接する。p+コンタクト領域5は、例えば上述したようにn半導体層2の上のpベース領域3となるp半導体層を貫通して、p+半導体領域11に接する。p+コンタクト領域5の不純物濃度は、pベース領域3よりも高い。
The p + contact region 5 is provided on the opposite side of the n well region 12 across the
ゲート絶縁膜6は、pベース領域3の、nウェル領域12とn+ソース領域4とに挟まれた領域の表面上に設けられている。ゲート絶縁膜6は、例えばnウェル領域12を挟んで隣り合う一方のpベース領域3の表面上から、nウェル領域12の表面上を経て、他方のpベース領域3の表面上まで伸びていてもよい。
Gate insulating film 6 is provided on the surface of
ゲート電極7は、ゲート絶縁膜6の表面上に設けられている。ゲート電極7は、例えばnウェル領域12を挟んで隣り合う一方のpベース領域3の上から、nウェル領域12の上を経て、他方のpベース領域3の上まで伸びていてもよい。ゲート電極7は、ポリシリコンよりも抵抗の小さい導電性の材料、例えば金属でできていてもよい。ゲート電極7は、例えばアルミニウム若しくは窒化チタン、またはチタンとアルミニウムとを積層した構造の金属でできていてもよい。ゲート電極7の終端部分の下には、ポリシリコンでできたポリシリコン層10が設けられている。
The gate electrode 7 is provided on the surface of the gate insulating film 6. For example, the gate electrode 7 may extend from the top of one adjacent
ソース電極8及びドレイン電極9については、実施の形態1と同様であるため、重複する説明を省略する。
Since the
・実施の形態2にかかる半導体装置の製造方法の一例
まず、N型の炭化珪素でできたn+半導体基板1を用意する。このn+半導体基板1の第1主面上に、N型不純物をドーピングしながら炭化珪素でできたn半導体層2をエピタキシャル成長させる。
Example of Method for Manufacturing Semiconductor Device According to Second Embodiment First, an n + semiconductor substrate 1 made of N-type silicon carbide is prepared. An
次いで、フォトリソグラフィ技術及びイオン注入法によって、n半導体層2の表面領域の、p+半導体領域11となる領域に、P型不純物をイオン注入する。次いで、n半導体層2の表面上に、P型不純物をドーピングしながら炭化珪素でできたp半導体層をエピタキシャル成長させる。このp半導体層は、pベース領域3となる。
Next, a P-type impurity is ion-implanted into a region to be the p + semiconductor region 11 in the surface region of the
次いで、フォトリソグラフィ技術及びイオン注入法によって、pベース領域3となるp半導体層の、nウェル領域12となる領域に、N型不純物をイオン注入する。次いで、フォトリソグラフィ技術及びイオン注入法によって、pベース領域3となるp半導体層の、n+ソース領域4となる領域に、N型不純物をイオン注入する。
Next, N-type impurities are ion-implanted into a region to be the n-well region 12 of the p-semiconductor layer to be the p-
次いで、フォトリソグラフィ技術及びイオン注入法によって、pベース領域3となるp半導体層の、p+コンタクト領域5となる領域に、P型不純物をイオン注入する。なお、p+半導体領域11を設けるためのイオン注入、nウェル領域12を設けるためのイオン注入、n+ソース領域4を設けるためのイオン注入、及びp+コンタクト領域5を設けるためのイオン注入の順序は、上述した順序に限らず、種々変更可能である。
Next, a P-type impurity is ion-implanted into a region to be the p + contact region 5 of the p semiconductor layer to be the
次いで、熱処理(アニール)を行って、例えばp+半導体領域11、nウェル領域12、n+ソース領域4及びp+コンタクト領域5となる各イオン注入領域を活性化させる。それによって、p+半導体領域11、nウェル領域12、n+ソース領域4及びp+コンタクト領域5ができる。なお、上述したように1回の熱処理によって各イオン注入領域をまとめて活性化させてもよいし、イオン注入を行うたびに熱処理を行って活性化させてもよい。 Next, heat treatment (annealing) is performed to activate each ion implantation region that becomes, for example, the p + semiconductor region 11, the n well region 12, the n + source region 4, and the p + contact region 5. Thereby, a p + semiconductor region 11, an n well region 12, an n + source region 4 and a p + contact region 5 are formed. As described above, the respective ion implantation regions may be activated collectively by one heat treatment, or may be activated by performing heat treatment every time ion implantation is performed.
次いで、pベース領域3、n+ソース領域4、p+コンタクト領域5及びnウェル領域12が設けられた側の面を熱酸化して、この面全体にゲート絶縁膜6を設ける。次いで、ゲート絶縁膜6上に、ポリシリコンでできた層を設ける。このポリシリコンでできた層をパターニングして、ゲート電極7の終端部に対応する位置に残すことによって、ポリシリコン層10を設ける。
Next, the surface on which the
次いで、ゲート絶縁膜6及びポリシリコン層10の上に、例えばスパッタリングなどの物理気相成長法や化学気相成長法によって、例えばアルミニウム若しくは窒化チタン、またはチタンとアルミニウムとを積層した構造の金属層を設ける。この金属層をパターニングして、pベース領域3の、n+ソース領域4とnウェル領域12とに挟まれた領域上のゲート絶縁膜6の上、及びポリシリコン層10の上に残すことによって、ゲート電極7を設ける。
Next, for example, aluminum or titanium nitride, or a metal layer having a structure in which titanium and aluminum are laminated on the gate insulating film 6 and the
次いで、n+ソース領域4及びp+コンタクト領域5に接するように、ソース電極8を設ける。次いで、n+半導体基板1の第2主面上に、ドレイン電極9を設け、熱処理を行って、n+半導体基板1とドレイン電極9とをオーミック接合する。以上のようにして、図2に示す半導体装置が完成する。
Next, a
実施の形態1または実施の形態2にかかる半導体装置において、ソース電極8に対してドレイン電極9に正の電圧が印可された状態で、ゲート電極7にしきい値電圧Vth未満の電圧が印可されるとする。この場合、実施の形態1にかかる半導体装置では、pベース領域3とn半導体層2との間のPN接合、実施の形態2にかかる半導体装置では、pベース領域3とnウェル領域12との間のPN接合が、それぞれ逆バイアスされた状態となるため、半導体装置には電流が流れない。
In the semiconductor device according to the first embodiment or the second embodiment, a voltage lower than the threshold voltage Vth is applied to the gate electrode 7 while a positive voltage is applied to the
一方、実施の形態1または実施の形態2にかかる半導体装置において、ソース電極8に対してドレイン電極9に正の電圧が印可された状態で、ゲート電極7にしきい値電圧Vth以上の電圧が印可されるとする。この場合、ゲート電極7の下のpベース領域3に反転層が形成されるため、半導体装置には電流が流れる。このように、ゲート電極7に印加する電圧によって、半導体装置のスイッチング動作を行うことができる。
On the other hand, in the semiconductor device according to the first or second embodiment, a voltage higher than the threshold voltage Vth is applied to the gate electrode 7 while a positive voltage is applied to the
・実施例
図1または図2に示す実施の形態にかかる半導体装置、すなわちゲート電極7が金属でできている半導体装置を実施例とする。図5または図6に示す従来の半導体装置、すなわちゲート電極107,207がポリシリコンでできている半導体装置を比較例とする。
Example A semiconductor device according to the embodiment shown in FIG. 1 or FIG. 2, that is, a semiconductor device in which the gate electrode 7 is made of metal is taken as an example. A conventional semiconductor device shown in FIG. 5 or 6, that is, a semiconductor device in which the
実施例と比較例とについて、ターンオン時の電流−電圧波形を評価した。図3は、本発明の実施の形態1、2にかかる半導体装置のターンオン時の電流−電圧波形の一例を示す波形図である。図4は、従来の半導体装置のターンオン時の電流−電圧波形の一例を示す波形図である。図3及び図4において、縦軸はゲート電圧、ドレイン−ソース間電圧及びドレイン電流であり、横軸は時間である。図4に示すように、比較例では、ターンオン時に過渡的に過大な電流が流れているのがわかる。それに対して、図3に示すように、実施例では、ターンオン時に過渡的に流れる電流が抑えられているのがわかる。 About the Example and the comparative example, the current-voltage waveform at the time of turn-on was evaluated. FIG. 3 is a waveform diagram showing an example of a current-voltage waveform when the semiconductor device according to the first and second embodiments of the present invention is turned on. FIG. 4 is a waveform diagram showing an example of a current-voltage waveform when the conventional semiconductor device is turned on. 3 and 4, the vertical axis represents the gate voltage, the drain-source voltage, and the drain current, and the horizontal axis represents time. As shown in FIG. 4, it can be seen that in the comparative example, excessive current flows transiently at the turn-on time. On the other hand, as shown in FIG. 3, it can be seen that in the embodiment, the current that flows transiently at the turn-on time is suppressed.
実施の形態1または実施の形態2によれば、ゲート電極7が金属でできているため、ゲート−ドレイン間の容量とゲート電極の抵抗との積で決まる時定数が小さくなる。それによって、ドレイン−ソース間の容量に充電された電荷がターンオン時に放電され、ゲート−ソース間電位が下がり、過渡的なしきい値電圧Vthの低下が抑制される。従って、ターンオン時の電流の増加を抑制し、ターンオン時の損失を抑えることができる。また、実施の形態1または実施の形態2によれば、チップ内にてアンバランスが発生しにくくなるため、チップ内に発生する局所的なアンバランスによる過度的なしきい値電圧Vthの低下が抑制される。従って、ターンオン時の電流の増加を抑制し、ターンオン時の損失を抑えることができるとともに、過度的なアンバランスを抑制することができる。また、実施の形態1または実施の形態2によれば、ゲート電極7の終端部の下にポリシリコン層10が設けられているため、ポリシリコン層10の表面の凹凸によって、ゲート電極7の終端部とポリシリコン層10の表面との密着強度が高まる。従って、ゲート電極7が剥がれるのを防ぐことができる。また、実施の形態1または実施の形態2によれば、ゲート電極7の中心部の下にポリシリコンがないため、ゲート容量を低減することができる。
According to the first or second embodiment, since the gate electrode 7 is made of metal, the time constant determined by the product of the gate-drain capacitance and the gate electrode resistance is reduced. As a result, the electric charge charged in the drain-source capacitance is discharged at the time of turn-on, the gate-source potential is lowered, and a transient decrease in the threshold voltage Vth is suppressed. Accordingly, an increase in current at turn-on can be suppressed, and loss at turn-on can be suppressed. Further, according to the first embodiment or the second embodiment, since imbalance is less likely to occur in the chip, an excessive decrease in threshold voltage Vth due to local imbalance occurring in the chip is suppressed. Is done. Accordingly, an increase in current at turn-on can be suppressed, loss at turn-on can be suppressed, and excessive imbalance can be suppressed. Further, according to the first or second embodiment, since the
以上において本発明は、上述した各実施の形態に限らず、種々変更可能である。例えば、各実施の形態では第1導電型をN型とし、第2導電型をP型としたが、本発明は第1導電型をP型とし、第2導電型をN型としても同様に成り立つ。 In the above, this invention is not restricted to each embodiment mentioned above, A various change is possible. For example, in each embodiment, the first conductivity type is N type and the second conductivity type is P type. However, the present invention similarly applies to the case where the first conductivity type is P type and the second conductivity type is N type. It holds.
以上のように、本発明は、例えば炭化珪素基板上に形成されたスイッチングデバイスとして用いることができる半導体装置に有用であり、特に、炭化珪素でできた縦型のMOSFETなどの半導体装置に適している。 As described above, the present invention is useful for a semiconductor device that can be used, for example, as a switching device formed on a silicon carbide substrate, and is particularly suitable for a semiconductor device such as a vertical MOSFET made of silicon carbide. Yes.
1 n+半導体基板
2 n半導体層
3 pベース領域
4 n+ソース領域
5 p+コンタクト領域
6 ゲート絶縁膜
7 ゲート電極
8 ソース電極
9 ドレイン電極
10 ポリシリコン層
11 p+半導体領域
12 nウェル領域
1 n + semiconductor substrate 2 n semiconductor layer 3 p base region 4 n + source region 5 p + contact region 6 gate insulating film 7
Claims (4)
前記半導体基板の第1主面上に設けられた、前記半導体基板よりも不純物濃度の低い第1導電型の半導体層と、
前記半導体層の表面上に設けられた第2導電型のベース領域と、
前記ベース領域の表面領域に設けられた第1導電型のソース領域と、
前記ベース領域の表面領域に設けられた、前記ベース領域よりも不純物濃度の高い第2導電型のコンタクト領域と、
前記ソース領域及び前記コンタクト領域に接するソース電極と、
前記ベース領域の、前記半導体層と前記ソース領域とに挟まれた領域の表面上に設けられたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜の表面上に設けられたゲート電極と、
前記半導体基板の第2主面上に設けられたドレイン電極と、を備え、
前記ゲート電極がアルミニウムまたはチタンとアルミニウムを積層した構造の金属でできており、
前記ゲート電極の終端部の下に、ポリシリコンでできた層が設けられ、かつ、当該ポリシリコンが当該ゲート電極の終端部より突出していることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor substrate made of silicon carbide of the first conductivity type;
A first conductivity type semiconductor layer having a lower impurity concentration than the semiconductor substrate, provided on the first main surface of the semiconductor substrate;
A base region of a second conductivity type provided on the surface of the semiconductor layer;
A source region of a first conductivity type provided in a surface region of the base region;
A second conductivity type contact region having a higher impurity concentration than the base region, provided in a surface region of the base region;
A source electrode in contact with the source region and the contact region;
A gate insulating film provided on a surface of a region of the base region sandwiched between the semiconductor layer and the source region;
A gate electrode provided on a surface of the gate insulating film;
A drain electrode provided on the second main surface of the semiconductor substrate,
The gate electrode is made of aluminum or a metal having a structure in which titanium and aluminum are laminated ,
A semiconductor device , wherein a layer made of polysilicon is provided under the terminal portion of the gate electrode, and the polysilicon protrudes from the terminal portion of the gate electrode .
前記半導体基板の第1主面上に設けられた、前記半導体基板よりも不純物濃度の低い第1導電型の半導体層と、
前記半導体層の表面領域の一部に設けられた第2導電型の半導体領域と、
前記半導体領域の表面上に設けられた、前記半導体領域よりも不純物濃度の低い第2導電型のベース領域と、
前記半導体層の表面上に前記ベース領域に接して設けられた、前記半導体基板よりも不純物濃度の低い第1導電型の炭化珪素でできたウェル領域と、
前記ベース領域の表面領域に前記ウェル領域から離れて設けられた、前記ウェル領域よりも不純物濃度の高い第1導電型のソース領域と、
前記半導体領域の表面上に前記ソース領域及び前記ベース領域に接して設けられた、前記ベース領域よりも不純物濃度の高い第2導電型のコンタクト領域と、
前記ソース領域及び前記コンタクト領域に接するソース電極と、
前記ベース領域の、前記ウェル領域と前記ソース領域とに挟まれた領域の表面上に設けられたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜の表面上に設けられたゲート電極と、
前記半導体基板の第2主面上に設けられたドレイン電極と、を備え、
前記ゲート電極がアルミニウムまたはチタンとアルミニウムを積層した構造の金属でできており、
前記ゲート電極の終端部の下に、ポリシリコンでできた層が設けられ、かつ、当該ポリシリコンが当該ゲート電極の終端部より突出していることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor substrate made of silicon carbide of the first conductivity type;
A first conductivity type semiconductor layer having a lower impurity concentration than the semiconductor substrate, provided on the first main surface of the semiconductor substrate;
A semiconductor region of a second conductivity type provided in a part of the surface region of the semiconductor layer;
A base region of a second conductivity type provided on the surface of the semiconductor region and having an impurity concentration lower than that of the semiconductor region;
A well region made of silicon carbide of the first conductivity type having a lower impurity concentration than the semiconductor substrate, provided on the surface of the semiconductor layer in contact with the base region;
A source region of a first conductivity type provided in a surface region of the base region apart from the well region and having a higher impurity concentration than the well region;
A second conductivity type contact region having a higher impurity concentration than the base region, provided on the surface of the semiconductor region in contact with the source region and the base region;
A source electrode in contact with the source region and the contact region;
A gate insulating film provided on a surface of a region of the base region sandwiched between the well region and the source region;
A gate electrode provided on a surface of the gate insulating film;
A drain electrode provided on the second main surface of the semiconductor substrate,
The gate electrode is made of aluminum or a metal having a structure in which titanium and aluminum are laminated ,
A semiconductor device , wherein a layer made of polysilicon is provided under the terminal portion of the gate electrode, and the polysilicon protrudes from the terminal portion of the gate electrode .
前記ゲート電極をアルミニウムまたはチタンとアルミニウムを積層した構造の金属で形成し、
前記ゲート電極の終端部の下に、ポリシリコンでできた層を設け、かつ、当該ポリシリコンを当該ゲート電極の終端部より突出させることを特徴とする半導体装置の製造方法。 A semiconductor substrate made of silicon carbide of the first conductivity type, a first conductivity type semiconductor layer having a lower impurity concentration than the semiconductor substrate, provided on the first main surface of the semiconductor substrate; and A base region of a second conductivity type provided on the surface, a source region of a first conductivity type provided in the surface region of the base region, and the base region provided in the surface region of the base region A second conductivity type contact region having a high impurity concentration, the source region, a source electrode in contact with the contact region, and a surface of the base region between the semiconductor layer and the source region. A method of manufacturing a semiconductor device comprising: a gate insulating film; a gate electrode provided on a surface of the gate insulating film; and a drain electrode provided on a second main surface of the semiconductor substrate.
The gate electrode is formed of aluminum or a metal having a structure in which titanium and aluminum are laminated ,
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a layer made of polysilicon under a termination portion of the gate electrode; and projecting the polysilicon from the termination portion of the gate electrode .
前記ゲート電極をアルミニウムまたはチタンとアルミニウムを積層した構造の金属で形成し、
前記ゲート電極の終端部の下に、ポリシリコンでできた層を設け、かつ、当該ポリシリコンを当該ゲート電極の終端部より突出させることを特徴とする半導体装置の製造方法。 A semiconductor substrate made of silicon carbide of the first conductivity type, a first conductivity type semiconductor layer having a lower impurity concentration than the semiconductor substrate, provided on the first main surface of the semiconductor substrate; and A semiconductor region of a second conductivity type provided in a part of the surface region; a base region of a second conductivity type provided on the surface of the semiconductor region and having a lower impurity concentration than the semiconductor region; and the semiconductor layer A well region made of silicon carbide of the first conductivity type having an impurity concentration lower than that of the semiconductor substrate, the surface region of the base region being away from the well region A first conductivity type source region having an impurity concentration higher than that of the well region; and an impurity higher than the base region provided on the surface of the semiconductor region in contact with the source region and the base region. A high-conductivity second-conductivity type contact region, the source region, a source electrode in contact with the contact region, and a base region provided on the surface of the region sandwiched between the well region and the source region In a method for manufacturing a semiconductor device, comprising: a gate insulating film; a gate electrode provided on a surface of the gate insulating film; and a drain electrode provided on a second main surface of the semiconductor substrate.
The gate electrode is formed of aluminum or a metal having a structure in which titanium and aluminum are laminated ,
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a layer made of polysilicon under a termination portion of the gate electrode; and projecting the polysilicon from the termination portion of the gate electrode .
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