JP2019062125A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
【課題】より的確に短絡耐量を得ることが可能なMOS構造の半導体素子を有する半導体装置を提供する。【解決手段】縦型MOSFETのゲート電極8とソース電極11との間に強相関材料層9を備える。これにより、短絡時に素子発熱が生じたときに、強相関材料層9が導体として機能し、縦型MOSFETのゲート−ソース間が導通させることができる。したがって、ゲート電極8の電圧を低下させることが可能となり、縦型MOSFETに流れる短絡電流を遮断できるため、縦型MOSFETでの電力を抑えることが可能となる。よって、縦型MOSFETが高温化することを抑制でき、縦型MOSFETが素子破壊に至ることを抑制できて、より的確に短絡耐量を得ることが可能な縦型MOSFETを有する半導体装置とすることができる。【選択図】図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device having a semiconductor element having a MOS structure capable of more accurately obtaining a short circuit withstand capability. A strongly correlated material layer 9 is provided between a gate electrode 8 and a source electrode 11 of a vertical MOSFET. Thereby, when the element heat is generated at the time of short circuit, the strongly correlated material layer 9 functions as a conductor, and the gate and the source of the vertical MOSFET can be electrically connected. Therefore, the voltage of the gate electrode 8 can be reduced, and the short-circuit current flowing in the vertical MOSFET can be cut off, so that the electric power in the vertical MOSFET can be suppressed. Therefore, it is possible to provide a semiconductor device having a vertical MOSFET capable of suppressing the temperature of the vertical MOSFET from increasing in temperature, suppressing the element breakdown of the vertical MOSFET, and obtaining the short-circuit resistance more accurately. it can. [Selection diagram] Figure 1
Description
本発明は、炭化珪素などの半導体材料によって構成されるMOS構造の半導体素子を有する半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device having a semiconductor element of a MOS structure made of a semiconductor material such as silicon carbide.
近年、パワーデバイスのオン抵抗Ronの改善が試みられており、単位面積当たりのオン抵抗Ronが1mΩcm2以下のものまで開発されるようになっている。 In recent years, attempts have been made to improve the on-resistance Ron of power devices, and the on-resistance Ron per unit area has been developed up to 1 mΩcm 2 or less.
その一方で、パワーデバイスが短絡状態になること、具体的にはパワーデバイスであるMOSFETのゲートがオンされたままの状態で高電圧な電源電圧が掛かる状態になった場合、MOSFETが高耐圧・低抵抗な素子であるためにMOSFETでの電力が大きくなる。このため、短絡時に素子破壊に至るまでの時間が10μsecより短くなるケースが多くなっている。 On the other hand, when the power device is in a short circuit state, specifically, when the high power supply voltage is applied while the gate of the power device MOSFET is turned on, the MOSFET has a high breakdown voltage, The power of the MOSFET is increased due to the low resistance element. For this reason, in many cases, the time until the element breakdown occurs in a short circuit is shorter than 10 μsec.
具体的には、ドレイン−ソース間電圧(以下、Vdsという)とドレイン−ソース間電流(以下、Idsという)との関係を示すVds−Ids特性において、飽和領域でのIdsに対して短絡時のVdsを掛けた値が電力となる。短絡時には、例えば600〜1200Vもしくはそれ以上の電圧がVdsとしてドレインに印加されることから、MOSFETでの電力は非常に大きくなる。シリコンデバイスの場合、ゲート電圧Vgに応じてIdsが大きくなっても飽和領域でのIdsがほぼ一定となるが、SiCデバイスの場合、飽和領域でもIdsが所定勾配で増加していくことから、MOSFETでの電力が尚更に大きくなる。したがって、MOSFETが瞬時に高温化してしまい、高い短絡耐量を得ることが難しくなる。 Specifically, in the Vds-Ids characteristic showing the relationship between the drain-source voltage (hereinafter referred to as Vds) and the drain-source current (hereinafter referred to as Ids), Ids in the saturation region is a short circuit in the Vds-Ids characteristic. The value multiplied by Vds is the power. At the time of short circuit, for example, a voltage of 600 to 1200 V or more is applied to the drain as Vds, and the power in the MOSFET becomes very large. In the case of a silicon device, Ids in the saturation region is substantially constant even if Ids increases according to the gate voltage Vg, but in the case of a SiC device, Ids increases with a predetermined gradient even in the saturation region. Power will be even greater. Therefore, the temperature of the MOSFET instantaneously rises, making it difficult to obtain a high short circuit withstand voltage.
これに対して、特許文献1に、MOSFETでの電力を低減できる構造の半導体装置が提案されている。この半導体装置では、ソース電極に、所定の高温条件下で抵抗値が増加する材料からなり、SiCエピタキシャル層に形成された電流パスに過電流が流れたときに、その電流密度を所定値以下に制限する可変抵抗層を設けるようにしている。
On the other hand,
また、MOSFETの高温化対策として、電流センスなどを用いた駆動回路によって過電流発生時にゲート電圧Vgの印加をオフし、素子破壊を抑制することもできる。 In addition, as a measure for raising the temperature of the MOSFET, the application of the gate voltage Vg can be turned off at the time of occurrence of an overcurrent by a drive circuit using current sensing or the like to suppress element breakdown.
しかしながら、特許文献1のように、可変抵抗層を設けることで電流密度を制限するだけでは大きな電力が発生することを防ぐことはできず、十分な短絡耐量を得ることはできない。
However, as in
また、電流センスなどを用いた駆動回路によってゲート電圧Vgの印加をオフする場合でも、上記したように、短絡時に素子破壊に至るまでの時間が短すぎてゲート電圧Vgの印加を的確にオフすることができず、素子破壊を防ぎきれないという問題がある。 Further, even when the application of the gate voltage Vg is turned off by the drive circuit using a current sense or the like, as described above, the time until the element is broken at the time of a short circuit is too short and the application of the gate voltage Vg is properly turned off. There is a problem that it is impossible to prevent the element destruction.
なお、ここでは半導体材料として、特に高電圧が使用されるSiCを用いる場合について説明したが、SiCに限らず、他の半導体材料、特にGaNなどの化合物半導体についても、同様のことが言える。 In addition, although the case where especially high voltage was used as a semiconductor material was used as a semiconductor material was demonstrated here, the same may be said of the other semiconductor materials, especially compound semiconductors, such as GaN, not only SiC.
本発明は上記点に鑑みて、より的確に短絡耐量を得ることが可能なMOS構造の半導体素子を有する半導体装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device having a semiconductor element of a MOS structure capable of obtaining a short circuit withstand voltage more accurately.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、炭化珪素で構成された第1または第2導電型の基板(1)と、基板の上に形成され、基板よりも低不純物濃度とされた第1導電型の半導体からなるドリフト層(2)と、ドリフト層の上に形成された第2導電型の炭化珪素からなるベース領域(3)と、ベース領域の上に形成され、ドリフト層よりも第1導電型不純物濃度が高くされた第1導電型の炭化珪素からなるソース領域(4)と、ドリフト層とソース領域との間におけるベース領域の表面に形成されたゲート絶縁膜(7)と、ゲート絶縁膜の上に配置されたゲート電極(8)と、ゲート電極およびゲート絶縁膜を覆うと共にコンタクトホール(10a)が形成された層間絶縁膜(10)と、コンタクトホールを通じて、ソース領域に電気的に接続されたソース電極(11)と、基板の裏面側に形成されたドレイン電極(12)と、を含む半導体素子を有している。そして、このような構成において、ゲート電極とソース電極との間に、半導体素子の温度上昇に感応してゲート電極とソース電極との間を導通させる強相関電子材料により構成された強相関材料層(9)を備えている。
In order to achieve the above object, according to the invention as set forth in
これにより、短絡時に素子発熱が生じたときに、強相関材料層が導体として機能し、MOS構造の半導体素子のゲート−ソース間が導通させることができる。したがって、ゲート電極の電圧を低下させることが可能となり、半導体素子に流れる短絡電流を遮断できるため、半導体素子での電力を抑えることが可能となる。よって、半導体素子が高温化することを抑制でき、半導体素子が素子破壊に至ることを抑制できて、より的確に短絡耐量を得ることが可能なMOS構造の半導体素子を有する半導体装置とすることができる。 Thus, when heat is generated at the time of short circuit, the strongly correlated material layer functions as a conductor, and the gate-source of the semiconductor element of the MOS structure can be conducted. Therefore, the voltage of the gate electrode can be reduced, and the short circuit current flowing to the semiconductor element can be cut off, so that the power in the semiconductor element can be suppressed. Therefore, it is possible to suppress the semiconductor element from becoming high temperature, to suppress the semiconductor element from reaching the element breakdown, and to provide a semiconductor device having the semiconductor element of the MOS structure which can obtain the short circuit withstand capacity more accurately. it can.
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。 In addition, the code | symbol in the parenthesis of each said means shows an example of the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described based on the drawings. In the following embodiments, parts that are the same as or equivalent to each other will be described with the same reference numerals.
(第1実施形態)
第1実施形態について説明する。本実施形態にかかる半導体装置は、図1に示すように、MOS構造の半導体素子として縦型MOSFETが形成されたものである。縦型MOSFETは、半導体装置のうちのセル領域に形成されており、そのセル領域を囲むように外周耐圧構造が形成されることで半導体装置が構成されているが、ここでは縦型MOSFETのみ図示してある。なお、以下の説明では、図1の左右方向を幅方向とし、上下方向を厚み方向もしくは深さ方向として説明を行う。
First Embodiment
The first embodiment will be described. In the semiconductor device according to the present embodiment, as shown in FIG. 1, a vertical MOSFET is formed as a semiconductor element having a MOS structure. The vertical MOSFET is formed in the cell region of the semiconductor device, and the outer peripheral breakdown voltage structure is formed so as to surround the cell region, but the semiconductor device is configured here, but only the vertical MOSFET is shown here. It is shown. In the following description, the horizontal direction in FIG. 1 is taken as the width direction, and the vertical direction is taken as the thickness direction or the depth direction.
半導体装置には、SiCからなるn+型基板1が半導体基板として用いられている。本実施形態の場合、図1の紙面法線方向がオフ方向と一致させられている。n+型基板1としては、表面が(0001)Si面とされていて、所定のオフ角を有したオフ基板が用いられており、例えばオフ方向が<11−20>とされている。n+型基板1のn型不純物濃度は、例えば1.0×1019/cm3とされている。
In the semiconductor device, an n + -
n+型基板1の主表面上には、SiCからなるn−型ドリフト層2、p型ベース領域3およびn+型ソース領域4が順にエピタキシャル成長などによって形成されている。
On the main surface of the n + -
n−型ドリフト層2は、例えばn型不純物濃度が0.5〜2.0×1016/cm3とされ、厚さが5〜14μmとされている。なお、n−型ドリフト層2のうちn+型基板1との境界位置には、必要に応じてn−型ドリフト層2を部分的に高濃度としたバッファ層2aを形成してあっても良い。
The n − -
p型ベース領域3は、チャネル領域が形成される部分で、p型不純物濃度が例えば2.0×1017/cm3程度とされ、厚みが0.5〜2μmで構成されている。また、本実施形態の場合、p型ベース領域3のうちの表層部はp型不純物濃度が高くされたコンタクト領域とされている。
The p-
n+型ソース領域4は、n−型ドリフト層2よりも高不純物濃度とされ、表層部におけるn型不純物濃度が例えば2.5×1018〜1.0×1019/cm3、厚さ0.5〜2μm程度で構成されている。
The n + -
また、n−型ドリフト層2の表層部、つまりp型ベース領域3の下方には、p型ディープ層5が形成されている。p型ディープ層5は、p型ベース領域3よりもp型不純物濃度が高くされており、複数本が等間隔に配置され、互いに交点なく離れて配置されることで、上面レイアウトがストライプ状とされている。例えば、各p型ディープ層5は、p型不純物濃度が1.0×1017〜1.0×1019cm3、幅0.7μmとされている。また、各p型ディープ層5は、深さが0.4μm以上の深さとされ、後述するトレンチゲート構造よりも深い位置まで形成されることで、トレンチゲート構造への電界の入り込みを抑制する。
Further, a p-type
なお、本実施形態では、p型ディープ層5をn−型ドリフト層2の表層部にのみ形成した構造としたが、n+型ソース領域4やp型ベース領域3を貫通してn−型ドリフト層2に達するように形成しても良い。例えば、n+型ソース領域4の表面からトレンチを形成し、このトレンチ内を埋め込むようにp型ディープ層5を形成することもできる。
In this embodiment, the p-type
また、p型ベース領域3およびn+型ソース領域4を貫通してn−型ドリフト層2に達するように、例えば幅が0.8μm、深さがp型ベース領域3とn+型ソース領域4の合計膜厚よりも0.2〜0.4μm深くされたゲートトレンチ6が形成されている。このゲートトレンチ6の側面と接するように上述したp型ベース領域3およびn+型ソース領域4が配置されている。ゲートトレンチ6は、図1の紙面左右方向を幅方向、紙面法線方向を長手方向、紙面上下方向を深さ方向とするライン状のレイアウトで形成されている。また、図1には1本しか示していないが、ゲートトレンチ6は、複数本が紙面左右方向に等間隔に配置され、それぞれp型ディープ層5の間に挟まれるように配置されていてストライプ状とされている。
Also, for example, the width is 0.8 μm and the depth is p-
p型ベース領域3のうちゲートトレンチ6の側面に位置している部分は、縦型MOSFETの作動時にn+型ソース領域4とn−型ドリフト層2との間を繋ぐチャネル領域とされる。このチャネル領域を含むゲートトレンチ6の内壁面に、ゲート絶縁膜7が形成されている。また、ゲート絶縁膜7の表面にはドープドポリシリコンで構成されたゲート電極8が形成されている。本実施形態の場合、ゲート電極8は、n型ドープとされているが、p型ドープとされていてもよい。そして、これらゲート絶縁膜7およびゲート電極8によってゲートトレンチ6内が埋め込まれている。このようにして、トレンチゲート構造が構成されている。
A portion of the p-
ゲート絶縁膜7およびゲート電極8の上には、強相関材料層9が形成されている。強相関材料層9は、縦型MOSFETの温度に応じて抵抗率ρ[Ω・cm]を変化させる強相関電子材料にて構成されている。強相関電子材料としては、例えばVO系材料を用いており、ここではVO2を用いている。
A strong
強相関電子材料とは、一般的には、物質の中でも電子同士の間に働く有効なクーロン相互作用が強いものをいう。本実施形態の場合、強相関電子材料の中でも温度に応じて抵抗率ρ[Ω・cm]を変化させ、温度が高くなるほど抵抗率ρ[Ω・cm]が低くなるものを強相関材料層9の材料として用いている。このような材料は、縦型MOSFETの通常使用の環境下においては、絶縁体として機能し、縦型MOSFETの温度が上昇してくると、抵抗率ρ[Ω・cm]が低くなることで導体として機能する。
A strongly correlated electron material generally refers to a substance having a strong effective Coulomb interaction among electrons. In the case of this embodiment, among the strongly correlated electron materials, the resistivity ρ [Ω · cm] is changed according to the temperature, and the one in which the resistivity ρ [Ω · cm] becomes lower as the temperature becomes higher is the strongly correlated
例えば、強相関電子材料としてVO2を適用する場合、図2に示すような温度−抵抗率特性となり、例えば100℃以下、絶対温度で言えば373K以下の温度範囲と、それを超える温度範囲とで、大きく抵抗率ρ[Ω・cm]が変化する。具体的には、図2に示すように、温度Tが373K以下においては、抵抗率ρが10−1〜10[Ω・cm]程度となっていて、絶縁体として働く。これに対して、温度Tが373Kを超えると、相転移によって抵抗率10−3[Ω・cm]以下まで低下し、導体となる金属として働く。 For example, when VO 2 is applied as a strongly correlated electronic material, the temperature-resistivity characteristic as shown in FIG. 2 is obtained, for example, a temperature range of 100 ° C. or less, a temperature range of 373 K or less in absolute temperature, and a temperature range exceeding that The resistivity ρ [Ω · cm] changes greatly. Specifically, as shown in FIG. 2, when the temperature T is 373 K or less, the resistivity ρ is approximately 10 −1 to 10 [Ω · cm] and works as an insulator. On the other hand, when the temperature T exceeds 373 K, the phase transition lowers to a resistivity of 10 −3 [Ω · cm] or less, and works as a conductor metal.
このような強相関電子材料としては、VO系の材料が挙げられるが、VO系以外のものを用いることもできる。図3は、絶縁体として機能する際の抵抗率ρinsulatorと金属として機能する際の抵抗率ρmetalとの比(以下、ρinsulator/ρmetalという)と相転移が生じる温度[K]との関係を表している。この図において、ρinsulator/ρmetalが大きいほど、強相関電子材料が絶縁体として働くときには強相関材料層9が高い絶縁性能を有した絶縁膜となり、金属として働くときには抵抗値が低い導体として機能する。また、相転移の温度[K]に関しては、半導体装置を通常使用する際の温度範囲よりも高く、縦型MOSFETの短絡時に高温化して素子破壊が生じる温度よりも低い値であればよい。
As such a strongly correlated electronic material, a VO-based material can be mentioned, but materials other than the VO-based material can also be used. FIG. 3 shows the relationship between the ratio of the resistivity insinsulator when functioning as an insulator to the resistivity metalmetal when functioning as a metal (hereinafter referred to as ρinsulator / ρmetal) and the temperature [K] at which a phase transition occurs. There is. In this figure, the larger the insinsulator / ρmetal, the stronger the
半導体装置を通常使用する際の温度範囲については、半導体装置の使用形態によって異なるが、例えば車両などに適用する場合、相転移の温度が室温(例えば0K)以上とされていることが必要で、相転移の温度が373K以上であることが好ましい。VO系の強相関電子材料であれば、V4O7、VO2などは相転移の温度が室温以上となっている。特に、VO2は相転移の温度が373Kを超えており、車両に適用した使用環境においては強相関材料層9を絶縁体として機能させ、それよりも高温になると金属、つまり導体として機能させることができる。また、半導体装置の使用形態によっては、相転移温度が室温以下の場合であっても良く、その場合、より多種の強相関電子材料を強相関材料層9の材料として適用することができる。VO系の強相関電子材料であれば、V6Oなども強相関材料層9の材料として適用可能となる。
The temperature range in normal use of the semiconductor device differs depending on the use form of the semiconductor device, but for example, when applied to a vehicle etc., it is necessary that the temperature of phase transition be at room temperature (eg 0 K) or more, The temperature of phase transition is preferably 373 K or more. In the case of a VO type strongly correlated electronic material, the temperature of phase transition of V 4 O 7 , VO 2 or the like is equal to or higher than room temperature. In particular, the temperature of phase transition of VO 2 exceeds 373 K, and in the use environment applied to a vehicle, the strongly correlated
そして、ゲート電極8がポリシリコンで構成され、強相関材料層9がゲート電極8と接触させられた構造となっている。このため、強相関材料層9は、縦型MOSFETの通常使用温度ではゲート電極8を覆う絶縁膜の一部として機能し、縦型MOSFETの温度が上昇するとゲート電極8と電気的に接続される導体として機能する。
The
本実施形態の場合、強相関材料層9は、ゲート電極8の全部を覆うように形成され、ゲート電極8からゲート絶縁膜7の上に至るように延設されているが、ゲート電極8の少なくとも一部を覆うように形成されていれば良い。
In the case of this embodiment, the strong
また、ゲート絶縁膜7やゲート電極8および強相関材料層9などの表面上には、層間絶縁膜10が形成されている。層間絶縁膜10にはコンタクトホール10aが形成されており、コンタクトホール10aを通じてn+型ソース領域4およびp型ベース領域3のコンタクト領域が露出させられている。また、層間絶縁膜10のうちコンタクトホール10aとされた部分の側面から強相関材料層9が部分的に露出させられている。なお、層間絶縁膜10は、BPSGなどの絶縁材料によって構成されており、本実施形態の場合は加熱処理によって丸目処理がなされている。
In addition, an
さらに、層間絶縁膜10の上にはソース電極11や図示しないゲート配線層などが形成されている。ソース電極11は、コンタクトホール10aを通じて、n+型ソース領域4およびp型ベース領域3のコンタクト領域と接触させられており、さらに強相関材料層9にも接触させられている。ゲート配線層は、図1とは別断面において、ゲート電極8と接触させられている。
Further, on the
ソース電極11やゲート配線層は、複数の金属、例えばNi/Al等にて構成されている。そして、複数の金属のうち少なくともn型SiC、具体的にはn+型ソース領域4と接触する部分はn型SiCとオーミック接触可能な金属で構成されている。また、複数の金属のうち少なくともp型SiC、具体的にはp型ディープ層5と接触する部分はp型SiCとオーミック接触可能な金属で構成されている。なお、ソース電極11やゲート配線層は、層間絶縁膜10上において互いに分離されて配置されることで電気的に絶縁されている。
The
さらに、n+型基板1の裏面側にはn+型基板1と電気的に接続されたドレイン電極12が形成されている。このような構造により、nチャネルタイプの反転型のトレンチゲート構造の縦型MOSFETが構成されている。このような縦型MOSFETが複数セル配置されることでセル領域が構成されている。そして、このような縦型MOSFETが形成されたセル領域を囲むように図示しないガードリングなどによる外周耐圧構造が構成されることで半導体装置が構成されている。
Further, on the back side of the n + -type substrate 1 n + -
このように構成された縦型MOSFETを有する半導体装置は、例えば、ソース電圧Vsを0V、ドレイン電圧Vdを1〜1.5Vとした状態で、ゲート電極8に対して20Vのゲート電圧Vgを印加することで動作させられる。すなわち、縦型MOSFETは、ゲート電圧Vgが印加されることにより、ゲートトレンチ6に接する部分のp型ベース領域3にチャネル領域を形成し、ドレイン−ソース間に電流を流すという動作を行う。
In the semiconductor device having the vertical MOSFET configured in this manner, for example, a gate voltage Vg of 20 V is applied to the
そして、このような動作を行う縦型MOSFETに対して、強相関材料層9を備えている。このため、縦型MOSFETは、通常使用の温度範囲、例えば室温以下もしくは373K以下の温度範囲と、それを超える温度範囲とで、異なる動作を行うことになる。
Then, the strong
まず、通常使用の温度範囲においては、強相関材料層9が絶縁材料として働く。このため、縦型MOSFETは、上記したような通常動作を行う。したがって、チャネル領域を通じてドレイン−ソース間に電流を流すという動作を行う。
First, in the temperature range of normal use, the strongly correlated
これに対して、通常使用の温度範囲を超えると、強相関材料層9が導体として働き、縦型MOSFETのゲート−ソース間が導通させられる。すなわち、図4の等価回路で表される構造となり、縦型MOSFET20のゲート−ソース間が導通した回路構造となる。
On the other hand, when the temperature range for normal use is exceeded, the strongly correlated
このように、縦型MOSFET20は、短絡時に素子発熱が生じたときに、強相関材料層9が温度に感応して導体となることで、ゲート−ソース間を瞬間的に導通させることが可能となる。このため、ゲート電圧Vgがソース電位に低下させられて、縦型MOSFET20をオフすることができる。つまり、縦型MOSFET20を短絡時に自動的にオフとなるセルフターンオフトランジスタとすることができる。したがって、縦型MOSFET20に流れる短絡電流を遮断でき、縦型MOSFET20での電力を抑えることが可能となって、縦型MOSFET20が高温化することを抑制できる。これにより、縦型MOSFET20が素子破壊に至ることを抑制でき、より的確に短絡耐量を得ることが可能な縦型MOSFET20を有する半導体装置とすることができる。
As described above, the
本実施形態の半導体装置は、例えば、縦型MOSFET20を上アームと下アームそれぞれに配置したインバータ回路等に適用される。
The semiconductor device of the present embodiment is applied to, for example, an inverter circuit or the like in which the
インバータ回路等は、例えば直流電源を用いつつ交流モータ等の負荷に対して交流電流を供給する際に用いられる。例えば、インバータ回路等は、直流電源に対して上アームと下アームを直列接続したブリッジ回路を複数個並列接続し、各ブリッジ回路の上アームと下アームを交互に繰り返しオンオフさせることで、負荷に対して交流電流を供給する。 The inverter circuit or the like is used, for example, when supplying an alternating current to a load such as an AC motor while using a DC power supply. For example, in the inverter circuit etc., a plurality of bridge circuits in which upper and lower arms are connected in series are connected in parallel to a DC power supply, and the upper and lower arms of each bridge circuit are alternately turned on and off alternately. Supply alternating current.
具体的には、インバータ回路等の各ブリッジ回路では、上アームの縦型MOSFET20をオン、下アームの縦型MOSFET20をオフすることで負荷に対して電流供給を行う。その後、上アームの縦型MOSFET20をオフ、下アームの縦型MOSFET20をオンして電流供給を停止する。電流供給時には、ドレイン電圧が5V程度であるが、短絡時には、ドレイン電圧が600〜1200Vもしくはそれ以上の電圧になる。このため、短絡時に縦型MOSFET20が導通したままの状態であると、縦型MOSFET20での電力が過大となり、瞬時に高温化してしまうため、短絡耐量が得られなくなる。
Specifically, in each bridge circuit such as an inverter circuit, current is supplied to the load by turning on the
また、このときの交流電流の波形が矩形波ではなく綺麗なサイン波となるようにするためには、縦型MOSFET20をより高速にスイッチングすることが必要になる。そして、高速なスイッチングを可能とするためには、オン抵抗Ronの低減が必要になるが、オン抵抗Ronの低減によってIdsの立ち上がりが急峻になり、より短絡耐量が得られにくくなる。特に、SiCデバイスでは、シリコンデバイスと比較して高電圧が使用され、高耐圧な素子とされることから、さらに縦型MOSFET20の電力が高くなり、短絡耐量が得られにくくなる。つまり、短絡耐量は、縦型MOSFET20のオン抵抗Ronや耐圧とトレードオフの関係になっており、素子の性能を向上させるほど、短絡耐量が得られにくくなる。
Further, in order to make the waveform of the alternating current at this time not a rectangular wave but a clear sine wave, it is necessary to switch the
これに対して、本実施形態の半導体装置では、図4に示すように、縦型MOSFET20が短絡時に発熱すると、即座にゲート−ソース間が導通させられて、ゲート電圧Vgが低下させられて、縦型MOSFET20に流れる短絡電流を遮断できる。このため、縦型MOSFET20のオン抵抗Ronを低くしたり高耐圧としても、短絡耐量を得ることが可能となる。
On the other hand, in the semiconductor device of the present embodiment, as shown in FIG. 4, when the
次に、本実施形態にかかる縦型MOSFETを備えた半導体装置の製造方法について、図5(a)〜図5(e)を参照して説明する。 Next, a method of manufacturing a semiconductor device provided with the vertical MOSFET according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 5 (a) to 5 (e).
〔図5(a)に示す工程〕
まず、半導体基板として、ウェハ状のn+型基板1を用意する。そして、CVD(chemical vapor deposition)装置などを用いて、このn+型基板1の主表面上にSiCからなるn−型ドリフト層2を形成する。このとき、必要に応じて、n−型ドリフト層2を部分的に高濃度としたバッファ層2aを形成しても良い。そして、図示しないが、p型ディープ層5の形成予定領域が開口するマスクを配置したのち、p型不純物をイオン注入することで、p型ディープ層5を形成する。
[Step shown in FIG. 5 (a)]
First, a wafer-like n + -
その後、マスクを除去してから、p型ディープ層5を形成したn−型ドリフト層2の上に、p型ベース領域3およびn+型ソース領域4を形成する。例えば、p型ベース領域3をエピタキシャル成長させたのち、n型不純物をイオン注入することでn+型ソース領域4を形成したり、p型ベース領域3およびn+型ソース領域4をエピタキシャル成長させたのち、p型不純物をイオン注入することでp型ベース領域3のコンタクト領域を形成することで、p型ベース領域3およびn+型ソース領域4を形成できる。
Thereafter, the mask is removed, and the p-
〔図5(b)に示す工程〕
次に、p型ベース領域3およびn+型ソース領域4の表面に図示しないマスクを配置し、マスクのうちのトレンチゲート構造の形成予定領域を開口させる。そして、マスクを用いてRIE(Reactive Ion Etching)などの異方性エッチングを行うことにより、ゲートトレンチ6を形成する。例えば、ゲートトレンチ6の深さをp型ベース領域3とn+型ソース領域4の合計膜厚よりも0.2〜0.4μm深くするという設定としてエッチングを行う。これにより、p型ベース領域3の底部からのゲートトレンチ6の突き出し量が0.2〜0.4μmとなるようにしている。
[Step shown in FIG. 5 (b)]
Next, a mask (not shown) is disposed on the surfaces of p
〔図5(c)に示す工程〕
マスクを除去した後、例えば熱酸化を行うことによって、ゲート絶縁膜7を形成し、ゲート絶縁膜7によってゲートトレンチ6の内壁面上およびn+型ソース領域4の表面上を覆う。そして、例えばn型不純物がドープされたポリシリコンをデポジションした後、これをエッチバックし、少なくともゲートトレンチ6内にポリシリコンを残すことでゲート電極8を形成する。
[Step shown in FIG. 5 (c)]
After removing the mask, the
〔図5(d)に示す工程〕
CVD装置などを用いて、ゲート絶縁膜7やゲート電極8の表面上に強相関材料層9を形成する。
[Step shown in FIG. 5 (d)]
The strongly correlated
〔図5(e)に示す工程〕
ゲート絶縁膜7やゲート電極8および強相関材料層9の上に層間絶縁膜10を成膜したのち、層間絶縁膜10と共に強相関材料層9やゲート絶縁膜7をパターニングして不要部分を除去することで、コンタクトホール10aを形成する。これにより、コンタクトホール10aを通じて、p型ベース領域3およびn+型ソース領域4の表面および強相関材料層9を露出させることが可能となる。
[Step shown in FIG. 5 (e)]
After the
この後の工程については図示しないが、層間絶縁膜10の表面上に例えば複数の金属の積層構造により構成される電極材料を形成する。そして、電極材料をパターニングすることで、ソース電極11を形成する。さらに、n+型基板1の裏面側にドレイン電極12を形成するなどの工程を行うことで、図1に示した本実施形態にかかる縦型MOSFETを有する半導体装置が完成する。
Although the process after this is not illustrated, an electrode material composed of, for example, a laminated structure of a plurality of metals is formed on the surface of the
以上説明したように、本実施形態の半導体装置では、MOSFET20に対して強相関材料層9を備え、縦型MOSFET20の温度が上昇したときに強相関材料層9が導体として機能することでゲート−ソース間が導通するようにしている。このため、短絡時に素子発熱が生じたときに、ゲート電極8の電圧を低下させることが可能となり、縦型MOSFET20に流れる短絡電流を遮断できるため、縦型MOSFET20での電力を抑えることが可能となる。よって、縦型MOSFET20が高温化することを抑制でき、縦型MOSFET20が素子破壊に至ることを抑制できて、より的確に短絡耐量を得ることが可能な縦型MOSFET20を有する半導体装置とすることができる。
As described above, in the semiconductor device of the present embodiment, the strong
(第2実施形態)
第2実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対して強相関材料層9の構造を変更したものであり、その他については第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
Second Embodiment
The second embodiment will be described. The present embodiment is the same as the first embodiment except that the structure of the strongly correlated
第1実施形態では、ゲート絶縁膜7の上に強相関材料層9を形成し、コンタクトホール10aを通じて強相関材料層9が露出する構造とした。これに対して、本実施形態では、図6に示すように、層間絶縁膜10に貫通孔10bを形成し、貫通孔10b内に強相関材料層9を備えるようにしている。
In the first embodiment, the strong
このように、層間絶縁膜10に対して貫通孔10bに強相関材料層9を形成するようにしても、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。このような構造の半導体装置は、基本的には第1実施形態と同様の製造方法によって製造可能である。ただし、強相関材料層9の形成工程については、層間絶縁膜10の形成工程の後に行うことになる。具体的には、層間絶縁膜10を成膜してコンタクトホール10aを形成したのち、もしくは、コンタクトホール10aの形成工程と同時に、層間絶縁膜10のうちゲート電極8と対応する位置をエッチングすることで貫通孔10bを形成する。そして、CVD装置などを用いて貫通孔10b内を含めて強相関材料を成膜したのち、エッチバックして貫通孔10bのみにp型シリコン層が残るようにすることで強相関材料層9を形成する。このようにすれば、本実施形態のような構造の強相関材料層9を備えた半導体装置を製造することができる。
As described above, even when the strongly correlated
(他の実施形態)
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and appropriate modifications can be made within the scope of the claims.
例えば、上記各実施形態では、第1導電型をn型、第2導電型をp型としたnチャネルタイプの縦型MOSFETを例に挙げて説明したが、各構成要素の導電型を反転させたpチャネルタイプの縦型MOSFETとしても良い。また、上記説明では、MOS構造を有する半導体素子として縦型MOSFETを例に挙げて説明したが、同様のMOS構造を有するIGBTに対しても本発明を適用することができる。nチャネルタイプのIGBTの場合、上記各実施形態に対してn+型基板1の導電型をn型からp型に変更するだけであり、その他の構造や製造方法に関しては上記各実施形態と同様である。さらに、トレンチゲート型のMOS構造に限らず、プレーナ型のMOS構造の半導体素子であっても良い。すなわち、n−型ドリフト層2とn+型ソース領域4との間におけるp型ベース領域3の表面にゲート絶縁膜7が形成され、このゲート絶縁膜7の上にゲート電極8が配置された構造であれば、トレンチゲート型であってもプレーナ型であっても良い。
For example, in the above embodiments, the n-channel vertical MOSFET having the first conductivity type as n-type and the second conductivity type as p-type has been described as an example, but the conductivity type of each component is inverted. It may be a vertical p-channel type MOSFET. In the above description, the vertical MOSFET is described as an example of the semiconductor element having the MOS structure. However, the present invention can be applied to an IGBT having a similar MOS structure. In the case of an n-channel type IGBT, the conductivity type of the n + -
また、上記実施形態では、半導体材料としてSiCを用いた半導体装置を例に挙げて説明したが、SiC以外の半導体材料を用いた半導体装置についても本発明を適用することができる。例えば、SiCの他、GaNなどの化合物半導体材料を用いた半導体装置に本発明を適用すると好適である。 Further, in the above embodiment, the semiconductor device using SiC as the semiconductor material has been described as an example, but the present invention can be applied to a semiconductor device using a semiconductor material other than SiC. For example, it is preferable to apply the present invention to a semiconductor device using a compound semiconductor material such as GaN other than SiC.
なお、結晶の方位を示す場合、本来ならば所望の数字の上にバー(−)を付すべきであるが、電子出願に基づく表現上の制限が存在するため、本明細書においては、所望の数字の前にバーを付すものとする。 In addition, although a bar (-) should originally be added above the desired number when indicating the orientation of the crystal, since there is a limitation in expression based on the electronic application, it is desired in the present specification to be a desired one. A bar shall be put in front of the numbers.
2 n−型ドリフト層
3 p型ベース領域
4 n+型ソース領域
5 p型ディープ層
7 ゲート絶縁膜
8 ゲート電極
9 強相関材料層
10 層間絶縁膜
11 ソース電極
2 n − type drift layer 3 p type base region 4 n + type source region 5 p type
Claims (6)
炭化珪素で構成された第1または第2導電型の基板(1)と、
前記基板の上に形成され、前記基板よりも低不純物濃度とされた第1導電型の半導体からなるドリフト層(2)と、
前記ドリフト層の上に形成された第2導電型の炭化珪素からなるベース領域(3)と、
前記ベース領域の上に形成され、前記ドリフト層よりも第1導電型不純物濃度が高くされた第1導電型の炭化珪素からなるソース領域(4)と、
前記ドリフト層と前記ソース領域との間における前記ベース領域の表面に形成されたゲート絶縁膜(7)と、
前記ゲート絶縁膜の上に配置されたゲート電極(8)と、
前記ゲート電極および前記ゲート絶縁膜を覆うと共にコンタクトホール(10a)が形成された層間絶縁膜(10)と、
前記コンタクトホールを通じて、前記ソース領域に電気的に接続されたソース電極(11)と、
前記基板の裏面側に形成されたドレイン電極(12)と、を含む前記半導体素子を有し、
さらに、前記ゲート電極と前記ソース電極との間に、前記半導体素子の温度上昇に感応して前記ゲート電極と前記ソース電極との間を導通させる強相関電子材料により構成された強相関材料層(9)が備えられている半導体装置。 A semiconductor device having a semiconductor element of MOS structure,
A substrate (1) of a first or second conductivity type made of silicon carbide;
A drift layer (2) made of a semiconductor of a first conductivity type formed on the substrate and having an impurity concentration lower than that of the substrate;
A base region (3) made of silicon carbide of a second conductivity type formed on the drift layer;
A source region (4) made of silicon carbide of a first conductivity type formed on the base region and having a first conductivity type impurity concentration higher than that of the drift layer;
A gate insulating film (7) formed on the surface of the base region between the drift layer and the source region;
A gate electrode (8) disposed on the gate insulating film;
An interlayer insulating film (10) covering the gate electrode and the gate insulating film and in which a contact hole (10a) is formed;
A source electrode (11) electrically connected to the source region through the contact hole;
A drain electrode (12) formed on the back surface side of the substrate;
Furthermore, a strongly correlated material layer made of a strongly correlated electron material (in which the gate electrode and the source electrode are brought into conduction between the gate electrode and the source electrode in response to the temperature rise of the semiconductor element) 9) A semiconductor device provided.
前記ソース領域の表面から前記ベース領域よりも深く形成されたゲートトレンチ(6)内に、該ゲートトレンチの内壁面を覆うように前記ゲート絶縁膜(7)が配置されていると共に、前記ゲート絶縁膜の上に前記ゲート電極が配置されることでトレンチゲート構造が構成されたトレンチゲート型のMOS構造とされている請求項1に記載の半導体装置。 The semiconductor device is
In the gate trench (6) formed deeper than the base region from the surface of the source region, the gate insulating film (7) is disposed so as to cover the inner wall surface of the gate trench, and the gate insulation 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a trench gate MOS structure is formed by arranging the gate electrode on a film.
前記層間絶縁膜は、前記強相関材料層を含めて前記ゲート絶縁膜と前記ゲート電極を覆うように形成され、
前記コンタクトホールから前記強相関材料層の一部が前記ソース電極と接触している請求項1ないし4のいずれか1つに記載の半導体装置。 The strongly correlated material layer is formed on the gate insulating film and the gate electrode.
The interlayer insulating film is formed to cover the gate insulating film and the gate electrode including the strongly correlated material layer.
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 4, wherein a part of the strongly correlated material layer is in contact with the source electrode from the contact hole.
前記強相関材料層は、前記貫通孔内に備えられ、該貫通孔を通じて前記ゲート電極および前記ソース電極に接触している請求項1ないし4のいずれか1つに記載の半導体装置。 A through hole (10b) connected to the gate electrode is formed in the interlayer insulating film,
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 4, wherein the strongly correlated material layer is provided in the through hole, and is in contact with the gate electrode and the source electrode through the through hole.
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