CN1286805A - 碳化硅半导体开关器件 - Google Patents
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Abstract
本半导体开关器件包括具有第一导电类型的六角形对称碳化硅单晶和具有与第一导电类型相反的第二导电类型并位于碳化硅单晶内的半导体区域。在第一导电类型的碳化硅单晶和第二导电类型的半导体区域之间形成pn结。pn结果面包括从碳化硅单晶表面开始沿着深度方向延伸的界面,而延伸的界面包括与碳化硅单晶(1120)取向平行或大致与之平行的晶面。因此减小漏电流。
Description
本发明涉及一种利用碳化硅的半导体开关器件。
目前碳化硅(SiC)被认为是半导体开关器件的重要材料，所述半导体器件可应用于硅难以应用的环境或具有硅无法达到的性能。
碳化硅具有大约三倍于硅的能带隙，因而可以应用于比硅的极限使用温度(150℃)高得多的温度。另外，碳化硅具有较大的介质击穿电压，例如约比硅大一个数量级，因而可以把设计用于恒耐压的功率半导体器件的电阻减至硅的1/10或更小。
碳化硅的这些独特性能全都由于碳化硅晶体中碳和硅之间非常强的结合力，另一方面，它又在半导体器件的形成过程上带来各种问题。
例如，在p型或n型半导体晶体基片表面部分形成反向导通型半导体区域的情况下，在硅的情况下通常使用扩散工艺，但在碳化硅的情况下晶体中由于结合力强，杂质元素的扩散速率非常低，因而当应用于碳化硅时，扩散工艺会要求诸如2000℃或更高的温度和长的处理时间，使得它的实际应用基本上成为不可能。正如日本专利JP-A-6-151860所公开的，在生产基于碳化硅的半导体器件的情况下，应用所谓离子注入法，它在几十到几百kV(千伏)的加速电压下将形成半导体区域用的某些元素的离子通过覆盖在半导体晶体基片表面上的掩模的开孔注入。
但是，在离子注入过程中，在注入过程中把许多缺陷引入晶体，引起另一个问题。为了改善注入层内的缺陷和激活杂质元素，通常进行热处理。在碳化硅的情况下，热处理在例如，1400℃至1700℃的高温下进行，正如，例如，在Silicon Carbide and Related Materials(碳化硅及相关材料)1995(Proceedings of the Sixth Intemational Conference(第六届国际会议会议录))，p.513中所公开的，即使在热处理之后许多缺陷仍旧存在。在给基于碳化硅的半导体开关器件的pn结施加反向电压时，残余缺陷是漏电流的根源。
本半导体开关器件包括具有第一导电类型(p型或n型)六角形对称碳化硅单晶并且具有与第一导电类型相反的第二导电类型并位于碳化硅单晶内的半导体区域。在第一导电类型的碳化硅单晶和第二导电类型的半导体区域之间形成pn结。pn结界面包括从碳化硅单晶表面开始沿着深度方向延伸的界面，而延伸的界面包括与碳化硅单晶<1120>取向平行或大致与之平行的晶面，其中取向指数“2”下面给出的下划线与传统结晶旋转指数上面给出的“-”具有相同的意义。正如后面将要描述的，在第二导电类型的半导体区域中，在与<1120>取向平行或大致与之平行(与之的偏差在几度或更小的角度范围内)的晶面上形成的晶体缺陷，在尺寸上较在其他晶面上形成的小，因而在与<1120>平行或大致与之平行的晶面上产生的漏电流密度比由其他晶面产生的低。就是说，在pn结界面中包含与<1120>取向平行或大致与之平行的晶面，可以减小基于碳化硅单晶的半导体器件的漏电流。
通过对用离子注入法等引入杂质之后残留在碳化硅单晶中的缺陷的仔细观察，本发明者最近发现，六角形碳化硅单晶中的缺陷处于以下状态：从在碳化硅单晶中形成的杂质层截面不同方向的观察结果显示，从彼此不同的方向观察的缺陷的状态和分布不同，从碳化硅单晶的<1120>结晶取向指数观察时缺陷尺寸较大，而从<1100>取向观察缺陷尺寸较小或基本上看不到。
图1(a)，(b)和(c)是结构视图，表示六角形碳化硅单晶的单元晶格中的各个晶面{0001}，{1100}和各个取向<1100>和<1120>，其中取向<1100>和<1120>分别垂直于晶面{1100}和{1120}。取向<1120>对取向<1100>的角度是90度或30度。
被包含在从碳化硅单晶表面向离开碳化硅单晶表面的深度方向延伸的pn结界面中的与碳化硅单晶<1120>取向平行或大致与之平行的晶面的比例最好较大。按照本发明的研究，在pn结界面处，这个比例最好大于向离开碳化硅单晶表面的深度方向延伸的整个界面的一半。
本发明可应用于具有pn结的半导体开关器件，其中耗尽层在工作状态下或阻塞状态下是从所述pn结延伸的。另外，本发明还可以应用于具有pn结的半导体开关器件，所述pn结用来把载流子注入半导体开关器件。在所述情况下，本发明对于改进pn结处的载流子注入效率和减少半导体开关器件的导通状态电压或功率消耗方面是有效的。
图1是各自表示六角形碳化硅单晶单元晶格中的晶面和晶体取向的结构图；
图2分别为按照本发明的结栅场效应晶体管的透视图和平面图；
图3是表示图2的结栅场效应晶体管栅极层内晶体缺陷的状态的透视图及其平面图；
图4是各自仅仅显示包括分别在图2和图3中的漂移层和栅极层的pn结的截面图；
图5是在SiC单晶中形成的pn结处的漏电流分布图；
图6分别是显示结栅场效应晶体管的透视图及平面图，其中pn结界面与取向<1100>平行；
图7是各自表示通过硼离子注入而形成的pn结的剖面图；
图8分别为表示按照本发明的MOS(金属氧化物半导体)场效应晶体管的透视图及平面图；而
图9分别为表示按照本发明的绝缘栅极双极晶体管的透视图及平面图。
图2是按照本发明的结栅场效应晶体管的透视图和只表示一个半导体区域的平面图。在本实施例中，晶体管是在以六角形4H-SiC单晶作为半导体材料的基础上形成的。通过外延生长在低阻n型(n+型)碳化硅单晶晶片21上设置高阻n型(n-型)漂移层22。通过铝离子注入在漂移层表面的一部分上设置p型栅极层23，使得不与漂移层22和栅极层23之间的界面平行的主pn结平面可以与4H-SiC的<1120>取向平行。通过氮离子注入在漂移层22表面的另一部分上设置n+型源层28。使源电极25与源层28欧姆接触，而使漏电极27与n+型晶片21的背面欧姆接触。另外，栅极26设置在栅极层23上。
图3是表示图2的结栅场效应晶体管的栅极层23中晶体缺陷的状态的透视图及其平面图。在图3中，为简单起见，省略了图2的n+型源层28、源极25和栅极26。
如图3的透视图所示，在与4H-SiC的<1120>取向平行的晶面上形成的晶体缺陷15小于在栅极层23中与<1120>取向垂直的晶面上形成的晶体缺陷14。只包括图2和图3漂移层22和栅极层23的pn结的剖面图示于图4，其中(a)是从碳化硅单晶的<1120>取向观察的结果；而(b)是从<1100>取向观察的结果。为了形成pn结，对n+型4H-SiC单晶晶片进行镜面抛光，并在{0001}晶面上以8度的倾斜角形成n型4H-SiC的10微米厚的外延生长层，接着进行铝离子注入，作为p型杂质，从外延生长层表面起一直到约0.39μml的深度，然后在1700℃下在惰性气氛中热处理30分钟。与单晶晶片表面的晶面倾斜在生长缺陷较少的优质外延层的技术上是众所周知的，倾斜角通常在1至10度范围内适当选择。在图4中，用黑点表示的晶体缺陷(14和15)在从表面起一直到约0.3微米的深度内可见，而且从<1120>取向看晶体的缺陷比从其他取向看的大。从其中晶面与<1120>取向平行的<1100>取向观察时，比从其他取向看时晶体缺陷较小。本发明者所作的仔细的观察结果还显示，在与<1120>取向的角度偏差在3度的范围内晶面大致平行于<1120>取向的情况下，同样观察到这样的晶体缺陷状态。
另一方面，如图2平面图所示，栅极层23呈窄带形，其纵向在作为外延生长层表面的{0001}晶面上与<1120>取向平行。这样，在栅极层23和漂移层22之间的界面处，从外延生长层(透视图中栅极层23一侧)的表面沿着深度方向延伸的区域中，与沿着栅极层23纵向的<1120>取向平行的晶面占70％至80％的比例。另一方面，与<1120>取向垂直的晶面由在栅极层23的边缘有纵向弯曲部分的界面的一部分构成。因而，在栅极层23和漂移层22之间的界面处，从外延生长层表面起在深度方向延伸的区域中pn结中的晶体缺陷要小得多。当反向电压施加在pn结上时，可使漏电流减小。另外，在这个实施例中，作为外延生长层表面的{0001}晶面，是与<1120>取向平行的，因而，在栅极层23和漂移层22之间的界面处(透视图中栅极层23底部)，与外延生长层表面平行的区域也形成与<1120>取向平行的晶面，因而可以减小在与栅极层23和漂移层22之间的界面上外延生长层表面平行的区域中产生的漏电流，故而可以减小整个pn结产生的漏电流。
当反向偏置电压施加在图2结栅场效应晶体管的源极25和栅极26之间时，耗尽层会从栅极层23和漂移层22之间的界面上的pn结延伸，从而阻塞施加在漏极27和源极25之间的主电压，这里耗尽层中的场强，在弯曲的pn结处比在平的pn结处高。在这个实施例中，在栅极层23的纵向以及在纵向的边沿处的pn结是弯曲的，因而场强可以增大。就是说，当pn结处有大的晶体缺陷时，漏电流会增大。但是，在这个实施例中，栅极层23纵向与<1120>取向平行，弯曲的pn结界面处的晶体缺陷小得多，使栅极层23处的晶体缺陷对漏电流影响较小。另外，pn结界面处的平区域还形成与<1120>取向平行的晶面，因而pn结界面处的晶体缺陷将是很小的。就是说，在这个实施例中，可以减小在SiC半导体晶体pn结上产生的漏电流。
图5表示反向电压施加在用SiC单晶形成的各种pn结上时漏电流的分布。与<1120>取向平行的pn结界面的情况相当于在图6透视图和平面图中所示结栅场效应晶体管中包括栅极层23和漂移层22的pn结。在图6中，栅极层23是在从图2的栅极层23旋转90度的方向上形成的。就是说，主pn结界面设置成与<1100>取向平行。在与<1120>取向平行的、与<1100>取向平行的、随意取向的pn结的各实例中间，与<1120>取向平行的本实施例漏电流最小。
在图2的实施例中，栅极层23是用铝离子注入法形成的，但也可以用其他p型杂质离子注入法形成。图7表示它的实施例，这里的栅极层用硼离子注入法形成。就是说，图7是结构与图2的相同的结栅场效应晶体管中包括栅极层23和漂移层22的pn结的剖面图。在碳化硅单晶<1120>取向上观察的情况用(a)表示，在<1100>取向上的用(b)表示。形成pn结的程序与图4的大体相同，但唯一的不同是用硼代替铝进行离子注入。在图7中，从<1120>取向观察，从表面起一直到约0.1微米深处仍能看到用黑点(14)表示的晶体缺陷，但从<1100>取向观察，亦即其他取向观察时，基本上观察不到晶体缺陷。就是说，即使用硼代替铝也能减小pn结上产生的漏电流。这也适用于以后的其他实施例。
在图5的实施例中，外延生长层的表面是与<1120>取向平行的{1000}晶面，但也可以是其他晶面，因为由铝离子注入法产生的晶体缺陷的密度，在外延层内从外延生长层表面向内沿深度方向减小，pn结上与外延层表面平行的区域相当于最内的铝离子注入区域，因此该区的晶体缺陷具有最低的密度，对漏电流没有重大影响。这样，即使外延层表面是图5的实施例中不与<1120>取向平行的其他晶面，漏电流也可以缩小。这也可以应用于上述基于硼离子注入的情况或以后的实施例。
图8是表示本发明应用于MOS场效应晶体管的透视图以及只示出半导体区的平面图。高阻n型(n-型)在低阻n型(n+型)碳化硅单晶晶片21上用外延生长法设置漂移层22。在漂移层22的表面的一部分用铝离子注入法设置P型沟道层24。沟道层24象图2实施例中的栅极层23一样呈带形。不平行于漂移层22和沟道层24之间的界面的主pn结平面做成与4H-SiC的<1120>取向平行。用氮离子注入法在漂移层22表面的一部分设置n+型源层28。使n+型源层与源极25欧姆接触，而n+型碳化硅单晶晶片21与漏极27欧姆接触。另外，栅极26穿过栅极绝缘薄膜29设置在沟道层29的表面。
在图8中，当主电压施加在漏极27和源极25之间使漏极处于较高的电位时，并且当使栅极26处于与源极25相同的电位时，耗尽层从沟道层24和漂移层22之间的pn结界面延伸到相应的各层中，从而使本实施例的MOS场效应晶体管进入阻塞状态。正如已经详细描述的，参见图2的实施例，从pn结界面上的外延生长层的表面起，沿着深度方向延伸的区域在所述情况下取基本上与<1120>取向平行的晶面，这样，只有很小的缺陷出现。就是说，在这个实施例中也可以减小漏电流。
图9是表示本发明应用于绝缘栅双极晶体管的透视图以及只示出晶体管区域的平面图。n+型低阻层32设置在低阻p型(p+型)碳化硅单晶晶片31上，并依次用外延生长法把n-型高阻层33设置于其上。用铝离子注入法把p-型层34设置在n-型层33表面的一部分上。P-型层34与分别在图2和图8中的栅极层和沟道层具有相同的带状，这里，不与n型层33和p型层34之间的界面平行的主pn结平面做成在4H-SiC的<1120>取向上。用氮离子注入法在p型层34的一部分上设置n+型层35。发射极36与p-型层34和n+型层35欧姆接触，而集电极37与p+型碳化硅单晶晶片31欧姆接触。另外，栅极38穿过栅极绝缘薄膜39设置在p+型层34的表面。
在图9中，当主电压施加在集电极37与发射极36之间使集电极37处于较高电位时，并且当使栅极与发射极36处于相同电位或比发射极36低的电位时，耗尽层从p-型层34与n-型层33之间的pn结界面延伸到相应的各层中，从而使这个实施例的绝缘栅双极晶体管进入阻塞状态。正如已经详细描述的，参见图2的实施例，在所述情况下，从pn结界面上的外延生长层的表面在深度方向延伸的区域取与<1120>取向基本上平行的晶面，于是只有很少的缺陷出现。就是说，在这个实施例中也可以减小漏电流。
本发明基于六角形碳化硅单晶，并能减小带有pn结的半导体器件的漏电流，从而能够显著地改善可靠性。
Claims (10)
1．一种半导体开关器件，它包括具有第一导电类型的六角形对称碳化硅单晶和具有与第一导电类型相反的第二导电类型并位于碳化硅单晶内的半导体区域，其特征在于：所述碳化硅单晶和所述半导体区域之间的pn结界面，从所述碳化硅单晶表面开始沿着深度方向延伸，包括与所述碳化硅单晶的<1120>取向平行或大致与之平行的晶面。
2．按照权利要求1的半导体开关器件，其特征在于：所述晶面的面积大于所述pn结界面的一半。
3．按照权利要求1的半导体开关器件，其特征在于：当所述半导体开关器件处于主电压阻塞状态时，耗尽层从所述pn结延伸到所述半导体区域中。
4．按照权利要求1的半导体开关器件，其特征在于：所述半导体区域中的所述第二导电类型的杂质用离子注入法引入所述碳化硅单晶。
5．按照权利要求1的半导体开关器件，其特征在于：所述表面是与<1120>取向平行的或大致与之平行的晶面。
6．按照权利要求5的半导体开关器件，其特征在于：所述晶面是{0001}晶面，或以1至8度范围的角度倾斜的{0001}晶面。
7．按照权利要求5的半导体开关器件，其特征在于：所述半导体区域与所述表面接触，并从所述表面沿着深度方向延伸。
8．按照权利要求7的半导体开关器件，其特征在于：所述半导体区域呈带形，在纵向上与所述表面平行。
9．按照权利要求8的半导体开关器件，其特征在于：所述纵向与<1120>取向平行或大致与之平行。
10．按照权利要求1的半导体开关器件，其特征在于：所述半导体区域中的第二导电类型杂质是铝或硼。
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