JP2004039893A - Semiconductor device using different material - Google Patents
Semiconductor device using different material Download PDFInfo
- Publication number
- JP2004039893A JP2004039893A JP2002195640A JP2002195640A JP2004039893A JP 2004039893 A JP2004039893 A JP 2004039893A JP 2002195640 A JP2002195640 A JP 2002195640A JP 2002195640 A JP2002195640 A JP 2002195640A JP 2004039893 A JP2004039893 A JP 2004039893A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- conductivity type
- semiconductor material
- semiconductor device
- junction
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Landscapes
- Bipolar Transistors (AREA)
Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はヘテロ接合を利用した半導体装置に関する。特にヘテロ接合部に生じることが避けられない各種の欠陥に起因するリーク電流を低減する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体装置のオン電圧の低下やスイッチング損失の低減等のために、ヘテロ接合を利用する技術が提案されている。
【0003】
例えば特開平8−37294号公報には、IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor)が開示されており、pn接合を実現するために第1導電型(p+)の第1半導体層上に第2導電型(n−)の第2半導体層を積層するにあたって、第1半導体層よりも大きい(広い)バンドギャップを有する半導体材料を用いて積層する技術を示している。具体的には、バンドギャップの狭いゲルマニウムの上にバンドギャップの広いシリコンを積層するとともに、ゲルマニウムを第1導電型(p+)としてシリコンを第2導電型(n−)とする。ヘテロ接合を利用することでIGBTのオン電圧を低下させる技術を開示している。
pn接合をヘテロ接合で構成すると、ヘテロ接合部に生じることが避けられない各種の欠陥に起因して半導体装置の特性が低下する。特開平8−37294号公報には、第1導電型(p+)のバンドギャップの狭い第1半導体材料の層と、第2導電型(n−)のバンドギャップの狭い第1半導体材料の層と、第2導電型(n−)のバンドギャップの広い第2半導体材料の層とを積層した半導体装置も開示している。この構造を利用すると、pn接合とヘテロ接合を分離することができ、ヘテロ接合部に生じることが避けられない各種の欠陥に起因して半導体装置の特性が低下することを防止することができる。同種の構造が、特開2000−58819号公報にも記載されている。
【0004】
特開平8−37294号公報に記載の技術では、バンドギャップの狭い半導体材料を用いてpn接合を構成する。この場合、リーク電流が大きくなりやすい。そこで、特開2000−357801号公報には、pn接合とヘテロ接合を分離するとともに、バンドギャップの広い半導体材料を用いてpn接合を構成する技術が開示されている。具体的には、第1導電型(p+)のバンドギャップの狭い第1半導体材料の層と、第1導電型(p+)のバンドギャップの広い第2半導体材料の層と、第2導電型(n−)のバンドギャップの広い第2半導体材料の層とを積層した半導体装置が開示されている。この場合、バンドギャップの広い第2半導体材料を利用してpn接合が形成されるために、リーク電流が抑制される。
特開2000−357801号公報に記載の技術では、ヘテロ接合を利用するためにオン電圧を低下させることができ、バンドギャップの広い半導体材料を用いてpn接合を構成するためにリーク電流を抑制することができ、pn接合とヘテロ接合を分離するためにヘテロ接合部に生じることが避けられない各種の欠陥に起因して半導体装置の特性が低下することを防止することができる。pn接合部に欠陥が存在するとリーク電流が増大するために、pn接合とヘテロ接合を分離することによってリーク電流を抑制することができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】特開2000−357801号公報に記載の技術によって、オン電圧を低下させることができ、リーク電流を抑制することができる。しかしながら、リーク電流をさらに抑制することが求められている。
【0006】
【課題を解決するための手段】特開2000−357801号公報に記載の技術では、バンドギャップの広い半導体材料を用いてpn接合を構成することと、pn接合とヘテロ接合を分離することによってリーク電流を抑制する。本発明者らの研究によって後者の技術要素にはさらに改善の余地があることが判明した。本発明者らの研究によって、pn接合とヘテロ接合を分離しても、ヘテロ接合部に生じることが避けられない各種の欠陥がpn接合部にまで分布することが分かってきた。ヘテロ接合部に生じる各種の欠陥がpn接合にまで分布しないようにすることができれば、リーク電流をさらに効果的に抑制することができる。
【0007】
本発明で創作された半導体装置は、面状電極と第1半導体材料層と第2半導体材料層がその順に積層された半導体装置であり、第1半導体材料層と第2半導体材料層によってヘテロ接合が構成される。第1半導体材料層は第1導電型であり、第2半導体材料層の第1半導体材料層側は第1導電型である。ヘテロ接合の両側が第1導電型であり、pn接合からは分離されている。第2半導体材料層の反対側は第2導電型であって、第1導電型の第2半導体材料層と第2導電型の第2半導体材料層の間にpn接合が形成されている。pn接合はホモ接合で構成されている。第1半導体材料は第2半導体材料のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを持つ材料と第2半導体材料の複合材料であり、小さなバンドギャップを持つ材料の存在比率が第2半導体材料層側で小さく面状電極側で大きい。
【0008】
上記の半導体装置のpn接合は、第1半導体材料よりも大きなバンドギャップを持つ第2半導体材料層内に形成されており、リーク電流が抑制される。
pn接合は第2半導体材料層内に形成されており、第1半導体材料層と第2半導体材料層の界面に形成されるヘテロ接合から分離されている。しかも第1半導体材料は複合材料であり、第2半導体材料層側では第2半導体材料に等しいか近似し、面状電極側ではバンドギャップが小さな半導体材料が主体となっている。
バンドギャップが小さな第1半導体材料層を利用するためにオン電圧が小さく押さえられる。複合材料で構成される第1半導体材料の組成比が除変しているために、格子歪が小さく押さえられ、欠陥の発生が抑制されている。欠陥の発生密度が低く押さえられており、しかもpn接合がヘテロ接合から分離されているために、pn接合部での欠陥密度が低く押さえられている。このためにpn接合部に欠陥が存在すると発生するリーク電流が小さく押さえられている。
本発明の半導体装置は、ヘテロ接合を利用してオン電圧を低下させ、バンドギャップが広い半導体材料内にpn接合を形成することでリーク電流を抑制し、ヘテロ接合を構成する材料の組成比を除変させることで欠陥の発生を抑制し、pn接合をヘテロ接合から分離することでpn接合部での欠陥の発生をさらに抑制しており、pn接合部の欠陥に起因して生じるリーク電流を効果的に抑制する。
【0009】
シリコンを基板とする半導体装置の場合、シリコンよりもバンドギャップが小さな半導体材料にSiGeを用いることが好ましい。
この場合の半導体装置は、面状電極とSiGe層とSi層がその順に積層された半導体装置となる。SiGe層は第1導電型であり、Si層のSiGe層側は第1導電型であるとともに反対側は第2導電型であって両者間にpn接合が形成されている。SiGe層はSi1−xGexで構成されており、Si層に接する部分でxは実質的に0.0であり、面状電極に接する部分では実質的に1.0であり、xはその間において連続的に変化している。ここでいう連続的に変化する態様には階段状に変化することを含む。
【0010】
上記の半導体装置の場合、バンドギャップが大きなシリコン層内にpn接合が形成されていることから、バンドギャップが小さなSiGe層内にpn接合が形成される場合に比してリーク電流が小さい。またpn接合はヘテロ接合から分離されており、さらにSiGe層はSi1−xGexで構成されており、Si層に接する部分でxは実質的に0.0である(即ち、Siが主体である)ことから、ヘテロ接合の格子不整合率は小さく押さえられ、pn接合部での欠陥は極く少ない。pn接合部に存在する欠陥に起因するリーク電流は小さく押さえられる。また、Si1−xGex層の電極に接する部分でのxは実質的に1.0である(即ち、Geが主体である)ことから、バンドギャップが小さな層を介して電極に接続されることになり、接触抵抗が押さえられてオン電圧が低く押さえられる。またターンオフ時に電子がpn接合部から容易に抜けることができ、ターンオフ損失も小さい。
【0011】
Si1−xGex層に代えてSi1−xGexC層を用いることもできる。この場合にも、段落0010に記載した利点を享受することができる。
【0012】
pn接合を構成するSi層の不純物濃度よりもSiGe層の不純物濃度が高いことが好ましい。特に、SiGe層の不純物濃度を1×1018cm−18以上にすることが好ましい。
この場合、SiGe層の不純物濃度を十分に高めて抵抗を十分に下げることができる。また面状電極との接触抵抗を十分に下げることができる。
【0013】
第2導電型のSi層の不純物濃度よりも第1導電型のSi層の不純物濃度が高く、第1導電型のSi層の不純物濃度よりも第1導電型のSiGe層の不純物濃度が高いことが好ましい。
この場合、第2導電型の不純物濃度が低いSi層によって十分な耐圧を確保することができる。第1導電型の不純物濃度が中間のSi層と、それよりも不純物濃度が高いSiGe層の間でバンドオフセットができないようにすることができる。バンドオフセットができないために、この半導体層を導通させるのに必要なオン電圧を小さく押さえることができる。
【0014】
Si層に接するSiGe層またはSiGeC層をCVDで形成することもできる。あるいは、分子線エピタキシー(MBE: Molecular Beam Epi−taxy)や原子層エピタキシー(ALE: Atomic layer Epi−taxy)を利用することもできる。さらにSi層表面にGe層またはGeC層を堆積し、その堆積されたGe層またはGeC層を溶融させてから冷却することによってGe層またはGeC層がSi層に固溶した層によってSiGe層またはSiGeC層を形成することができる。
【0015】
第2導電型のSi基板の表面から第1導電型のイオンを深く注入してから拡散する工程と、イオン注入した面から第1導電型のイオンを浅く注入する工程と、イオン注入した面にGeを堆積する工程と、堆積したGeを加熱処理して第1導電型のSi1−xGexを形成する工程を実行して本発明の半導体装置を生産することができる。
この場合、Si基板内にpn接合が形成されており、Si1−xGexのxがSi基板側で小さくて表面側で大きな半導体装置を比較的に簡単に生産することができる。
【0016】
Ge層に代えてGeC層を堆積して上記の方法を実施すると、SiGeC層を持つ半導体装置が生産される。
【0017】
イオンを注入した後に600℃以下の温度で熱処理することが好ましい。あるいは、堆積したGe層またはGeC層の表面を融点以上に加熱するとともに、その間においてSi層の温度を600℃以下に維持することが好ましい。
この場合、Si層の特性を劣化させることなく半導体装置を生産することができる。
【0018】
【発明の実施の形態】以下に説明する実施例の主要な特徴を最初に列記する。(形態1)Si1−xGexで構成されるp+コレクタ領域またはp+アノード領域のxが実質的に0.0の状態から実質的に1.0である状態に5.5nm以上かけて変化していることを特徴とする半導体装置。
この場合、原子層毎に階段状にxの値を変化させるにあたって変化幅を0.1以下に抑制することができ、歪の影響を実質的に低下させることができる。
(形態2)Si1−xGexのxが階段的に変化しており、x=1.0に隣接してx=0.99の層が位置している場合、x=1.0の層の厚さが1μm以下であることを特徴とする半導体装置。
x=1.0の層の厚さが1μm以下であれば、x=0.99の層に隣接するGe層に転位が発生するのを防止することができる。
(形態3)Si1−xGexのxが階段的に変化しており、x=1.0に隣接してx=0.9の層が位置している場合、x=1.0の層の厚さが0.1μm以下であることを特徴とする半導体装置。
x=1.0の層の厚さが0.1μm以下であれば、x=0.9の層に隣接するGe層に転位が発生するのを防止することができる。
【0019】
【実施例】以下、図面に基づき本発明の実施例について説明する。
図1には、本発明をIGBTに適用した場合の構成が示されている。p+コレクタ領域26上にp+コレクタ領域26よりも不純物濃度の低いp−コレクタ領域24が形成され、p−コレクタ領域24上にn−ドリフト領域22が形成されている。n−ドリフト領域22上にはpベース領域16が形成され、pベース領域16内には、n+エミッタ領域12とp+ボディ領域14が形成されている。また、n+エミッタ領域12とpベース領域16を貫通するように、ゲート酸化膜20を介してトレンチ型のゲート電極18が形成されている。n+エミッタ領域12とp+ボディ領域14にはエミッタ電極10が接続されている。エミッタ電極10とゲート電極18間はシリコン酸化膜8で絶縁されている。ゲート電極18は図示しない断面において、半導体装置の表面に形成されているゲートパッドに接続されている。p+コレクタ領域26にはコレクタ電極28が面的に接触している。
【0020】
p+コレクタ領域26はSiGeで形成され、p−コレクタ領域24、n−ドリフト領域22、pベース領域16、n+エミッタ領域12、p+ボディ領域14はSiで形成されている。p+コレクタ領域26は、p−コレクタ領域24やn−ドリフト領域22よりもバンドギャップの小さい半導体材料を用いており、ターンオフ時にコレクタ電極に流れ込む電子の障壁を小さくしてスイッチング損失を低下させることができる。
p+コレクタ領域26はSi1−xGexで形成されている。Siで形成されているp−コレクタ領域24に接する部分ではxは実質的に0.0であり、コレクタ電極28に接する部分ではxは実質的に1.0であり、xはその間において連続的に変化している。p−コレクタ領域24に接する面ではSiであり、コレクタ電極28に近づくにつれてGeがリッチとなり、コレクタ電極28に接する面ではGeとなっている。
【0021】
p+コレクタ領域26は第1半導体材料層であり、p−コレクタ領域24やn−ドリフト領域22は第2半導体材料層であり、第1半導体材料層は第1導電型(この場合p型)であり、第2半導体材料層の第1半導体材料層側の領域、即ちp−コレクタ領域24は第1導電型(p)であり、反対側(pベース領域16側)の領域、即ちn−ドリフト領域22は第2導電型(n型)であり、p−コレクタ領域24とn−ドリフト領域22間にpn接合が形成されている。第1半導体材料(この場合SiGe)は、第2半導体材料(この場合Si)のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを持つ材料(Ge)と第2半導体材料(Si)の複合材料であり、小さなバンドギャップを持つ材料(Ge)の存在比率が第2半導体材料層(p−コレクタ領域24)側で小さくて面状電極(コレクタ電極28)側で大きい。
【0022】
p−コレクタ領域24を形成することで、p+コレクタ領域26とp−コレクタ領域24との界面でヘテロ接合部を形成し、このヘテロ接合部以外の場所、すなわちp−コレクタ領域24とn−ドリフト領域22との界面でpn接合部を形成しているので、ヘテロ接合界面の準位密度及びそのばらつきが半導体装置の特性に与える影響を小さくできる。厚いp+コレクタ領域26と薄いp−コレクタ領域24を形成することによって、低いコレクタ抵抗と低いpn接合電圧を両立することができる。このIGBTにおいても、pn接合はp+コレクタ領域26のSiGeよりもバンドギャップの大きなSiで形成されているため、高耐圧を得ることができる。p−コレクタ領域24が存在するために正孔注入量を抑制することができる。また、ヘテロ接合が存在するためにターンオフ時に電子がコレクタ電極に抜けやすくターンオフ損失が小さい。p+コレクタ領域26の不純物濃度を1×1018cm−18以上にすることができ、コレクタ抵抗を十分に下げることができ、コレクタ電極との接触抵抗を十分に下げることができる。
【0023】
このように、本実施形態のIGBTでは、p+コレクタ領域26とn−ドリフト領域22との間に低濃度のp−コレクタ領域24を設けることで、ヘテロ接合部とpn接合部を分離させるとともに、コレクタ領域の低抵抗化を図ることができる。
【0024】
図2には、図1に示されたIGBTの製造方法が示されている。n−シリコン基板22の上面からイオンを注入して熱拡散させてpベース領域26を形成する(A)。その後にフォトリソグラフィ技術を用いてレジストマスクを形成し、このレジストマスクを用いてイオンを注入して熱拡散させてn+エミッタ領域12とp+ボディ領域14をpベース領域16内に形成する(B)。n+エミッタ領域12を形成した後、再びフォトリソグラフィ技術を用いてレジストマスクを形成し、このレジストマスクを用いてSiをドライエッチング(例えば3μm程度)してトレンチ6を形成する(C)。そして、トレンチの側壁を熱酸化させて酸化膜20を形成し、CVD法により多結晶Siでトレンチ6を埋めてゲート電極18を形成する(D)。その後に、フォトリソグラフィ技術とドライエッチングを用いてエミッタ電極10を形成し、さらに酸化膜8を形成する(E)。
【0025】
次にn−シリコン基板22の下面を研磨して所定の厚みに調整し、下面からイオンを深く注入して熱拡散させてp−コレクタ領域24を形成する(F)。次にp−コレクタ領域24の下面からイオンを浅く注入してp+シリコン領域26aを形成する。次にp+シリコン領域26aの下面にGe層26bを堆積させる(H)。次にGe層26bの下面にレーザを照射してGe層26を急速加熱する。このときにGe層26は溶融して冷却される。溶融したGeはp+シリコン領域26aに浸入して拡散してp+のSi1−xGex層26を形成する。Ge層26が急速に加熱して冷却される間、Si層24は600℃以下に維持され、Siの特性は劣化しない。最後にSi1−xGex層26の下面にコレクタ電極28を形成する。
上記ではGeを溶融させてSi内に浸入させてSiGe層を形成した。これに代えてGeイオンを注入してSiGe層を形成することができる。Geイオンの注入エネルギーを調整することによって、xが0から1の間で変化するSi1−xGex層を形成することができる。
Si1−xGex層26の上側でp−コレクタ領域24(Si層)に接する部分ではxは実質的に0.0であり、下側でコレクタ電極28に接する部分でxは実質的に1.0であり、xはその間において連続的に変化している。
なお、p−コレクタ領域24(Si層)の下面に、分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epi−taxy)や原子層エピタキシー(ALE: Atomic layer Epi−taxy)を利用して、xが0.0から1.0の間で徐々に変化するSi1−xGex層26を堆積させることもできる。あるいはCVD法で堆積させることもできる。
【0026】
本実施例では、SiとSi1−xGexでヘテロ接合を実現しているが、他の半導体材料で形成することも可能である。その条件は、p+コレクタ領域26の方がp−コレクタ領域24よりもバンドギャップが小さいことであり、例えば、Si/SiGeCを用いることができる。SiGeCの方がSiよりもバンドギャップは狭い。
Si層にGeC層を堆積しておいて急速加熱することでSi層にGeCを浸入させる方法、Si層にGeイオンとCイオンを注入する方法によって、xが0から1の間で変化するSi1−xGexC層を形成することができる。
本実施形態では第1導電型をp型、第2導電型をn型としたが、pとnを入れ替えて構成することも可能である。
【0027】
図3には、本発明をヘテロ接合ダイオードに適用した場合の構成が示されている。n+カソード領域30の下にn−カソード領域32が設けられ、n−カソード領域32の下にp−アノード領域34が設けられている。p−アノード領域34の下にはp+アノード領域36が設けられる。そして、n+カソード領域30にはカソード電極29が接続され、p+アノード領域36にはアノード電極38が接続される。p+アノード領域36はSi1−xGex層で形成され、上側でp−アノード領域34(Si層)に接する部分では実質的に0.0であり、下側でアノード電極38に接する部分でxは実質的に1.0であり、xはその間において連続的に変化している。p−アノード領域34と、n−カソード領域32はSiで形成されている。
p+アノード領域36は、p−アノード領域34やn−カソード領域32よりもバンドギャップの小さい半導体材料で形成され、p+アノード領域36とp−アノード領域34の界面にヘテロ接合部が形成される。一方、p+アノード領域36に隣接してp−アノード領域34が形成され、このp−アノード領域34にn−カソード領域32が接するため、pn接合部はヘテロ接合部ではなく、それ以外の場所、すなわち、バンドギャップの大きいp−アノード領域34とn−カソード領域32との界面に形成されている。
p+アノード領域36は第1導電型(ここではp型)の第1半導体材料層に相当し、p−アノード領域34は第1導電型の第2半導体材料層に相当し、n−カソード領域12は第2導電型(ここではn型)の第2半導体材料層に相当する。
【0028】
pn接合部がp+アノード領域36とn−カソード領域32との界面に形成されるのではなく、p+アノード領域36よりも不純物濃度の低いp−アノード領域34を設け、このp−アノード領域34とn−カソード領域32との界面に形成することで、pn接合部の電位差(Vbi)を小さくすることができる。またpn接合部がバンドギャップの小さい半導体に形成されるのではなく、バンドギャップの大きいSi同士の界面に形成されているため、最大破壊電界が高くなり高耐圧化できる。さらに、pn接合部がホモ接合であるp−アノード領域(Si)34とn−カソード領域(Si)32との界面に形成されているため、ヘテロ接合部に形成する場合に比べて格子整合が良く、逆バイアス時の接合リーク電流が低減されて高耐圧化を図ることができる。
本実施例では、p+アノード領域36を、単結晶、多結晶、あるいはアモルファスとすることができる。
【0029】
【発明の効果】本発明によれば、ヘテロ接合とpn接合を分離させ、かつ、pn接合をバンドギャップの大きな半導体材料で形成することにより、ヘテロ接合界面における準位密度ばらつきによる影響を低減し、リーク電流を抑制することができるとともに、最大破壊電界を大きくして高耐圧を得ることができる。さらにヘテロ接合に構成する一方の材料を、他方の材料とそれよりもバンドギャップの小さいな半導体材料の複合材料とし、バンドギャップの小さいな半導体材料の存在比率を除変する構成としたことから、ヘテロ接合界面での格子不整合率を下げて欠陥の発生密度を下げるでき、リーク電流をさらに抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一実施例に係るIGBTの断面図。
【図2】本発明の第一実施例に係るIGBTの製造工程を説明する図。
【図3】本発明の第二実施例に係るダイオードの断面図。
【符号の説明】
16、20:第1導電型の第1半導体材料層、p+Si1−xGex層
14、22:第1導電型の第2半導体材料層、p−Si層
12、24:第2導電型の第2半導体材料層、n−Si層[0001]
The present invention relates to a semiconductor device using a heterojunction. In particular, the present invention relates to a technique for reducing a leakage current caused by various defects that cannot be avoided at a heterojunction.
[0002]
2. Description of the Related Art A technique using a heterojunction has been proposed in order to reduce the ON voltage of a semiconductor device, reduce switching loss, and the like.
[0003]
For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-37294 discloses an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). In order to realize a pn junction, a second conductivity type (p + ) is formed on a first semiconductor layer of a first conductivity type (p + ). This shows a technique in which a second (n − ) second semiconductor layer is stacked using a semiconductor material having a larger (wider) band gap than the first semiconductor layer. Specifically, silicon with a wide band gap is stacked on germanium with a narrow band gap, and germanium is set as a first conductivity type (p + ) and silicon is set as a second conductivity type (n − ). A technique for reducing the ON voltage of an IGBT by using a heterojunction is disclosed.
When the pn junction is formed of a heterojunction, the characteristics of the semiconductor device are degraded due to various kinds of defects that cannot be avoided at the heterojunction. JP-A-8-37294 discloses a layer of a first semiconductor material having a narrow band gap of a first conductivity type (p + ) and a layer of a first semiconductor material having a narrow band gap of a second conductivity type (n − ). Also disclosed is a semiconductor device in which a layer of a second semiconductor material of a second conductivity type (n − ) having a wide band gap is stacked. By using this structure, the pn junction and the heterojunction can be separated, and the characteristics of the semiconductor device can be prevented from deteriorating due to various defects that cannot be avoided at the heterojunction. A similar structure is also described in JP-A-2000-58819.
[0004]
In the technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-37294, a pn junction is formed using a semiconductor material having a narrow band gap. In this case, the leak current tends to increase. Therefore, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-357801 discloses a technique in which a pn junction is separated from a heterojunction and a pn junction is formed using a semiconductor material having a wide band gap. Specifically, a layer of first semiconductor material a narrow band gap of the first conductivity type (p +), a layer of a wide band gap of the first conductivity type (p +) second semiconductor material, the second conductive A semiconductor device in which a type (n − ) wide band gap second semiconductor material layer is stacked is disclosed. In this case, since the pn junction is formed using the second semiconductor material having a wide band gap, the leakage current is suppressed.
In the technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-357801, the ON voltage can be reduced by using a heterojunction, and the leakage current is suppressed by forming a pn junction using a semiconductor material having a wide band gap. This can prevent the characteristics of the semiconductor device from deteriorating due to various defects that are unavoidable to occur at the heterojunction to separate the pn junction and the heterojunction. If a defect exists in the pn junction, the leakage current increases. Therefore, the leakage current can be suppressed by separating the pn junction from the hetero junction.
[0005]
According to the technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-357801, the ON voltage can be reduced, and the leak current can be suppressed. However, it is required to further suppress the leak current.
[0006]
According to the technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-357801, a pn junction is formed by using a semiconductor material having a wide band gap, and a leakage is achieved by separating a pn junction from a hetero junction. Suppress current. The inventors' research has revealed that the latter technical element has room for further improvement. The present inventors have found that even if the pn junction and the heterojunction are separated, various defects that cannot be avoided at the heterojunction are distributed to the pn junction. If various defects generated in the hetero junction can be prevented from being distributed to the pn junction, the leak current can be more effectively suppressed.
[0007]
A semiconductor device created by the present invention is a semiconductor device in which a planar electrode, a first semiconductor material layer, and a second semiconductor material layer are laminated in that order, and a heterojunction is formed by the first semiconductor material layer and the second semiconductor material layer. Is configured. The first semiconductor material layer is of the first conductivity type, and the first semiconductor material layer side of the second semiconductor material layer is of the first conductivity type. Both sides of the heterojunction are of the first conductivity type and are separated from the pn junction. The opposite side of the second semiconductor material layer is of the second conductivity type, and a pn junction is formed between the second semiconductor material layer of the first conductivity type and the second semiconductor material layer of the second conductivity type. The pn junction is composed of a homojunction. The first semiconductor material is a composite material of a material having a band gap smaller than the band gap of the second semiconductor material and a second semiconductor material, and the ratio of the material having the small band gap is small on the second semiconductor material layer side. Large on the electrode side.
[0008]
The pn junction of the above semiconductor device is formed in the second semiconductor material layer having a larger band gap than the first semiconductor material, so that a leak current is suppressed.
The pn junction is formed in the second semiconductor material layer and is separated from a hetero junction formed at an interface between the first semiconductor material layer and the second semiconductor material layer. Moreover, the first semiconductor material is a composite material, and the second semiconductor material layer is mainly made of a semiconductor material having a small band gap on the side of the planar electrode, which is equal to or close to the second semiconductor material.
Since the first semiconductor material layer having a small band gap is used, the on-state voltage is reduced. Since the composition ratio of the first semiconductor material composed of the composite material is changed, the lattice strain is suppressed to a small value, and the generation of defects is suppressed. Since the density of occurrence of defects is kept low, and the pn junction is separated from the hetero junction, the defect density at the pn junction is kept low. For this reason, the leakage current generated when a defect exists in the pn junction is suppressed to a small value.
The semiconductor device of the present invention reduces the on-state voltage by using a heterojunction, suppresses a leak current by forming a pn junction in a semiconductor material having a wide band gap, and reduces the composition ratio of the material forming the heterojunction. The occurrence of defects is suppressed by elimination, and the occurrence of defects at the pn junction is further suppressed by separating the pn junction from the heterojunction. Leakage current caused by defects at the pn junction is reduced. Effectively suppress.
[0009]
In the case of a semiconductor device using silicon as a substrate, it is preferable to use SiGe as a semiconductor material having a smaller band gap than silicon.
The semiconductor device in this case is a semiconductor device in which a planar electrode, a SiGe layer, and a Si layer are stacked in this order. The SiGe layer is of the first conductivity type. The SiGe layer side of the Si layer is of the first conductivity type and the opposite side is of the second conductivity type, and a pn junction is formed between the two. SiGe layer is composed of Si 1-x Ge x, x in the portion in contact with the Si layer is substantially 0.0, the portion in contact with the planar electrode is substantially 1.0, x is In the meantime, it changes continuously. The continuously changing mode includes changing stepwise.
[0010]
In the case of the above semiconductor device, since the pn junction is formed in the silicon layer having a large band gap, the leakage current is smaller than that in the case where the pn junction is formed in the SiGe layer having a small band gap. The pn junction is separated from the heterojunction, further SiGe layer is composed of Si 1-x Ge x, x in the portion in contact with the Si layer is substantially 0.0 (i.e., Si is mainly ), The lattice mismatch rate of the heterojunction is kept small, and defects at the pn junction are extremely small. Leakage current due to defects present at the pn junction is kept small. Also, x in the portion in contact with the electrodes of the Si 1-x Ge x layer is substantially 1.0 from (i.e., Ge is a is mainly) that the band gap is connected to the electrode through a small layer As a result, the contact resistance is suppressed, and the on-voltage is suppressed low. At the time of turn-off, electrons can easily escape from the pn junction, and the turn-off loss is small.
[0011]
Si 1-x Ge x layer Si 1-x Ge x C layer may also be used in place of. Also in this case, the advantages described in paragraph 0010 can be enjoyed.
[0012]
It is preferable that the impurity concentration of the SiGe layer is higher than that of the Si layer forming the pn junction. In particular, it is preferable that the impurity concentration of the SiGe layer be 1 × 10 18 cm −18 or more.
In this case, the resistance can be sufficiently reduced by sufficiently increasing the impurity concentration of the SiGe layer. Further, the contact resistance with the planar electrode can be sufficiently reduced.
[0013]
The impurity concentration of the first conductivity type Si layer is higher than the impurity concentration of the second conductivity type Si layer, and the impurity concentration of the first conductivity type SiGe layer is higher than the impurity concentration of the first conductivity type Si layer. Is preferred.
In this case, a sufficient withstand voltage can be ensured by the Si layer having the low impurity concentration of the second conductivity type. It is possible to prevent a band offset from occurring between the Si layer having the middle impurity concentration of the first conductivity type and the SiGe layer having the higher impurity concentration. Since band offset cannot be performed, the ON voltage required to make the semiconductor layer conductive can be kept low.
[0014]
A SiGe layer or a SiGeC layer in contact with the Si layer can be formed by CVD. Alternatively, molecular beam epitaxy (MBE: Molecular Beam Epi - taxy) or atomic layer epitaxy (ALE: Atomic layer Epi - taxy) can also be used. Further, a Ge layer or a GeC layer is deposited on the surface of the Si layer, and the deposited Ge layer or the GeC layer is melted and then cooled, so that the Ge layer or the GeC layer is dissolved in the Si layer to form a SiGe layer or a SiGeC layer. Layers can be formed.
[0015]
A step of deeply implanting the first conductivity type ions from the surface of the second conductivity type Si substrate and then diffusing the first conductivity type ions; a step of shallowly implanting the first conductivity type ions from the ion-implanted surface; depositing a Ge, the deposited Ge can produce a semiconductor device of the heat treatment and run to the present invention a process for forming a Si 1-x Ge x of the first conductivity type.
In this case, a pn junction is formed in the Si substrate, and a semiconductor device in which x of Si 1-x Gex is small on the Si substrate side and large on the surface side can be relatively easily produced.
[0016]
When a GeC layer is deposited instead of a Ge layer and the above method is performed, a semiconductor device having a SiGeC layer is produced.
[0017]
After ion implantation, heat treatment is preferably performed at a temperature of 600 ° C. or less. Alternatively, it is preferable to heat the surface of the deposited Ge layer or GeC layer above the melting point and maintain the temperature of the Si layer at 600 ° C. or less during the heating.
In this case, a semiconductor device can be produced without deteriorating the characteristics of the Si layer.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The main features of the embodiments described below are listed first. (Feature 1) A state where x of the p + collector region or the p + anode region composed of Si 1-x Ge x is substantially 0.0 to substantially 1.0 is applied by 5.5 nm or more. A semiconductor device characterized by being changed.
In this case, when changing the value of x in a stepwise manner for each atomic layer, the width of change can be suppressed to 0.1 or less, and the effect of distortion can be substantially reduced.
(Embodiment 2) Si 1-x Ge x of x has changed stepwise, if the layer of x = of 0.99 adjacent to x = 1.0 is located, x = 1.0 in A semiconductor device having a layer thickness of 1 μm or less.
When the thickness of the layer where x = 1.0 is 1 μm or less, it is possible to prevent the occurrence of dislocation in the Ge layer adjacent to the layer where x = 0.99.
(Embodiment 3) Si 1-x Ge x of x has changed stepwise, if the layer of x = 0.9 adjacent to x = 1.0 is located, x = 1.0 in A semiconductor device having a layer thickness of 0.1 μm or less.
When the thickness of the layer where x = 1.0 is 0.1 μm or less, it is possible to prevent the occurrence of dislocation in the Ge layer adjacent to the layer where x = 0.9.
[0019]
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a configuration when the present invention is applied to an IGBT. p + lower on the
[0020]
The p + collector region 26 is formed of SiGe, and the p − collector region 24, the n − drift region 22, the
p + collector region 26 is formed by Si 1-x Ge x. X is substantially 0.0 in a portion in contact with the p - collector region 24 made of Si, x is substantially 1.0 in a portion in contact with the
[0021]
The p + collector region 26 is a first semiconductor material layer, the p − collector region 24 and the n − drift region 22 are second semiconductor material layers, and the first semiconductor material layer is of a first conductivity type (p type in this case). The region of the second semiconductor material layer on the first semiconductor material layer side, that is, the p − collector region 24 is of the first conductivity type (p), and the region on the opposite side (
[0022]
p - By forming the
[0023]
As described above, in the IGBT of the present embodiment, by providing the low-concentration p − collector region 24 between the p + collector region 26 and the n − drift region 22, the hetero junction and the pn junction are separated from each other. The resistance of the collector region can be reduced.
[0024]
FIG. 2 shows a method of manufacturing the IGBT shown in FIG. Ions are implanted from the upper surface of the n - silicon substrate 22 and thermally diffused to form a p base region 26 (A). Thereafter, a resist mask is formed using a photolithography technique, and ions are implanted and thermally diffused using the resist mask to form an n + emitter region 12 and a p + body region 14 in the p base region 16 ( B). After the n + emitter region 12 is formed, a resist mask is formed again by using the photolithography technique, and Si is dry-etched (for example, about 3 μm) using the resist mask to form the trench 6 (C). Then, a side wall of the trench is thermally oxidized to form an
[0025]
Next, the lower surface of n - silicon substrate 22 is polished to adjust the thickness to a predetermined thickness, and ions are implanted deeply from the lower surface and thermally diffused to form p - collector region 24 (F). Next, ions are implanted shallowly from the lower surface of p − collector region 24 to form p + silicon region 26a. Next, a
In the above, Ge was melted and penetrated into Si to form a SiGe layer. Alternatively, Ge ions can be implanted to form a SiGe layer. By adjusting the implantation energy of Ge ions, a Si 1-x Ge x layer in which x varies between 0 and 1 can be formed.
Si 1-x Ge x layer 26 p in the upper - in a portion in contact with the collector region 24 (Si layer) x is substantially 0.0, x is substantially at the portion in contact with the
Note that, on the lower surface of the p - collector region 24 (Si layer), x is set to 0.0 using molecular beam epitaxy (MBE) or atomic layer epitaxy (ALE). it is also possible to deposit a Si 1-x Ge x layer 26 varies gradually between 1.0 and. Alternatively, it can be deposited by a CVD method.
[0026]
In the present embodiment, it is realized heterojunction Si and Si 1-x Ge x, can be formed of other semiconductor materials. The condition is that the band gap of the p + collector region 26 is smaller than that of the p − collector region 24, and for example, Si / SiGeC can be used. The band gap of SiGeC is smaller than that of Si.
Depending on the method of depositing a GeC layer on the Si layer and rapidly heating it to inject GeC into the Si layer, or the method of implanting Ge and C ions into the Si layer, x varies between 0 and 1. A 1-x Ge x C layer can be formed.
In this embodiment, the first conductivity type is p-type and the second conductivity type is n-type. However, p and n may be interchanged.
[0027]
FIG. 3 shows a configuration in which the present invention is applied to a heterojunction diode. An n − cathode region 32 is provided below the n + cathode region 30, and a p − anode region 34 is provided below the n − cathode region 32. A p + anode region 36 is provided below the p − anode region 34. The
The p + anode region 36 is formed of a semiconductor material having a smaller band gap than the p − anode region 34 and the n − cathode region 32, and a hetero junction is formed at the interface between the p + anode region 36 and the p − anode region 34. You. On the other hand, ap − anode region 34 is formed adjacent to the p + anode region 36, and the n − cathode region 32 is in contact with the p − anode region 34. That is, it is formed at the interface between the p - anode region 34 and the n - cathode region 32 having a large band gap.
The p + anode region 36 corresponds to a first conductive type (here, p-type) first semiconductor material layer, the p − anode region 34 corresponds to a first conductive type second semiconductor material layer, and the n − cathode region.
[0028]
pn junction p + anode region 36 and n - instead of being formed at the interface between the
In this embodiment, the p + anode region 36 can be single crystal, polycrystal, or amorphous.
[0029]
According to the present invention, the heterojunction and the pn junction are separated from each other, and the pn junction is formed of a semiconductor material having a large band gap. In addition, the leak current can be suppressed, and the maximum breakdown electric field can be increased to obtain a high breakdown voltage. Furthermore, since one material constituting the heterojunction is a composite material of the other material and a semiconductor material having a smaller band gap than that of the other material, since the composition ratio of the semiconductor material having a smaller band gap is varied, The lattice mismatch rate at the heterojunction interface can be reduced to reduce the defect generation density, and the leakage current can be further suppressed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of an IGBT according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a manufacturing process of the IGBT according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view of a diode according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
16 and 20: the first semiconductor material layer of a first conductivity type, p + Si 1-x Ge x layer 14 and 22: the second semiconductor material layer of a first conductivity type, p -
Claims (11)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002195640A JP3975844B2 (en) | 2002-07-04 | 2002-07-04 | IGBT and its manufacturing method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002195640A JP3975844B2 (en) | 2002-07-04 | 2002-07-04 | IGBT and its manufacturing method |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2004039893A true JP2004039893A (en) | 2004-02-05 |
JP3975844B2 JP3975844B2 (en) | 2007-09-12 |
Family
ID=31703956
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2002195640A Expired - Fee Related JP3975844B2 (en) | 2002-07-04 | 2002-07-04 | IGBT and its manufacturing method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3975844B2 (en) |
Cited By (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007005723A (en) * | 2005-06-27 | 2007-01-11 | Toshiba Corp | Semiconductor device |
JP2008021756A (en) * | 2006-07-12 | 2008-01-31 | Toyota Motor Corp | Group iii nitride semiconductor device |
US7504051B2 (en) * | 2003-09-08 | 2009-03-17 | Nantero, Inc. | Applicator liquid for use in electronic manufacturing processes |
JP2009099920A (en) * | 2007-10-18 | 2009-05-07 | Fumihiko Hirose | Electronic switch |
JP2011119532A (en) * | 2009-12-04 | 2011-06-16 | Toshiba Corp | Resistance change memory |
US8147722B2 (en) * | 2003-09-08 | 2012-04-03 | Nantero Inc. | Spin-coatable liquid for formation of high purity nanotube films |
EP2478561A1 (en) * | 2009-09-17 | 2012-07-25 | Sandisk 3D LLC | Pin diode with sige low contact resistance and method for forming the same |
WO2014067089A1 (en) * | 2012-10-31 | 2014-05-08 | 中国科学院微电子研究所 | A power semiconductor device and manufacturing method thereof |
CN103943671A (en) * | 2013-01-23 | 2014-07-23 | 中国科学院微电子研究所 | Power semiconductor device and forming method thereof |
US9018676B2 (en) | 2012-09-10 | 2015-04-28 | Fujitsu Limited | Semiconductor device |
JP2015153980A (en) * | 2014-02-18 | 2015-08-24 | 三菱電機株式会社 | insulated gate semiconductor device |
US11876127B2 (en) | 2020-09-03 | 2024-01-16 | Renesas Electronics Corporation | Semiconductor device and method of manufacturing the same |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103855204B (en) * | 2012-12-07 | 2018-04-03 | 中国科学院微电子研究所 | Inverse conductivity type IGBT collector structure and preparation method thereof |
-
2002
- 2002-07-04 JP JP2002195640A patent/JP3975844B2/en not_active Expired - Fee Related
Cited By (15)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8147722B2 (en) * | 2003-09-08 | 2012-04-03 | Nantero Inc. | Spin-coatable liquid for formation of high purity nanotube films |
US7504051B2 (en) * | 2003-09-08 | 2009-03-17 | Nantero, Inc. | Applicator liquid for use in electronic manufacturing processes |
US8187502B2 (en) * | 2003-09-08 | 2012-05-29 | Nantero Inc. | Spin-coatable liquid for formation of high purity nanotube films |
JP2007005723A (en) * | 2005-06-27 | 2007-01-11 | Toshiba Corp | Semiconductor device |
JP2008021756A (en) * | 2006-07-12 | 2008-01-31 | Toyota Motor Corp | Group iii nitride semiconductor device |
JP2009099920A (en) * | 2007-10-18 | 2009-05-07 | Fumihiko Hirose | Electronic switch |
EP2478561A1 (en) * | 2009-09-17 | 2012-07-25 | Sandisk 3D LLC | Pin diode with sige low contact resistance and method for forming the same |
JP2013505581A (en) * | 2009-09-17 | 2013-02-14 | サンディスク スリーディー,エルエルシー | Three-dimensional polysilicon diode having low contact resistance and method for forming the same |
JP2011119532A (en) * | 2009-12-04 | 2011-06-16 | Toshiba Corp | Resistance change memory |
US9203021B2 (en) | 2009-12-04 | 2015-12-01 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Resistance change memory and manufacturing method thereof |
US9018676B2 (en) | 2012-09-10 | 2015-04-28 | Fujitsu Limited | Semiconductor device |
WO2014067089A1 (en) * | 2012-10-31 | 2014-05-08 | 中国科学院微电子研究所 | A power semiconductor device and manufacturing method thereof |
CN103943671A (en) * | 2013-01-23 | 2014-07-23 | 中国科学院微电子研究所 | Power semiconductor device and forming method thereof |
JP2015153980A (en) * | 2014-02-18 | 2015-08-24 | 三菱電機株式会社 | insulated gate semiconductor device |
US11876127B2 (en) | 2020-09-03 | 2024-01-16 | Renesas Electronics Corporation | Semiconductor device and method of manufacturing the same |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP3975844B2 (en) | 2007-09-12 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3471823B2 (en) | Insulated gate semiconductor device and method of manufacturing the same | |
JP2984478B2 (en) | Conductivity modulation type semiconductor device and method of manufacturing the same | |
JPS60196974A (en) | Conduction modulation type mosfet | |
JPH0590593A (en) | Insulated gate type bipolar transistor and manufacture thereof | |
JPH06151860A (en) | Manufacture of silicon carbide mosfet | |
JPH07123166B2 (en) | Conductivity modulation type MOSFET | |
JP2004039893A (en) | Semiconductor device using different material | |
KR950014279B1 (en) | Semiconductor device and its making method | |
JPH06268227A (en) | Insulated gate bipolar transistor | |
JPH0691263B2 (en) | Method for manufacturing semiconductor device | |
JPH0661497A (en) | Semiconductor device and its manufacture | |
JP3863926B2 (en) | Three-terminal power insulated gate transistor and manufacturing method thereof | |
KR0163875B1 (en) | A semiconductor device and method for fabricating thereof | |
JP3201993B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
JP2004221370A (en) | Semiconductor device | |
JP2000049363A (en) | Schottky diode and its manufacture | |
JP2005259796A (en) | Semiconductor device and manufacturing method therefor | |
JP4075218B2 (en) | Heterojunction type semiconductor device | |
JP2008103392A (en) | Semiconductor device and manufacturing method of the semiconductor device | |
JP2002222951A (en) | Method for controlling switching speed of insulated gate bipolar transistor(igbt) element, its structure and manufacturing method | |
JP2002353454A (en) | Semiconductor device and manufacturing method | |
JP2607616B2 (en) | Method for manufacturing semiconductor device | |
JPH0758322A (en) | Semiconductor device and its manufacture | |
JP2004247490A (en) | Silicon carbide semiconductor device | |
JP3017783B2 (en) | Conduction modulation type MOSFET |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Effective date: 20050209 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 |
|
A977 | Report on retrieval |
Effective date: 20070122 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070306 |
|
A521 | Written amendment |
Effective date: 20070426 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20070529 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20070611 |
|
FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Year of fee payment: 3 Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100629 |
|
FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Year of fee payment: 3 Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100629 |
|
FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110629 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Year of fee payment: 5 Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120629 |
|
FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120629 Year of fee payment: 5 |
|
S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313532 |
|
FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120629 Year of fee payment: 5 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |