JP2002185013A - 炭化珪素半導体装置とそれを用いた電力変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ゲート耐圧の低下や遮断特性を損なうことなく
Ｎｏｒｍａｌｌｙ−ｏｆｆ特性を達成する炭化珪素半導
体装置の提供。 【解決手段】第一主表面を有する高抵抗第一導電型第一
基体と、該高抵抗第一導電型第一基体より低抵抗の第二
主表面を有する第一導電型第二基体を備えた二層構造の
基体の第一主表面側に、選択的に第一導電型ソース領
域、第二導電型ゲート領域を設け、前記第二導電型ゲー
ト領域が低活性化率で熱拡散し易いドーパントと、高活
性化率で熱拡散しないドーパントの２種により形成さ
れ、前記第二導電型ゲート領域間のチャネル領域を熱拡
散またはイオン注入により形成され、低活性化率で熱拡
散し易いドーパントを含む領域で連結されている炭化珪
素半導体装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体材料として
炭化珪素を用いた接合型電界効果トランジスタ：ＪＦＥ
Ｔ（Ｊunction Ｆield Ｅffect Ｔransisitor）、静電
誘導トランジスタ：ＳＩＴ（Ｓtatic electricity Ｉnd
uction Ｔransistor）と、それを用いて回路を構成した
電力変換器に関する。

【０００２】

【従来の技術】炭化珪素（ＳｉＣ）は、珪素（Ｓｉ）に
対して絶縁破壊電界が１桁大きいことから、パワー装置
に適用した場合に大容量の珪素半導体装置の小型化、ま
たは、低耐圧，低容量の珪素半導体装置の高耐圧化，大
容量化の達成が可能となる。

【０００３】従来、第一主表面を有する高抵抗第一導電
型第一基体と、該第一基体より低抵抗の第二主表面を有
する第一導電型第二基体を備えた二層構造の基体の第一
主表面側に、第一導電型ソース領域を、また、前記第一
導電型ソース領域から前記第一主表面に平行方向に一定
間隔に第二導電型ゲート領域を配し、前記第二導電型ゲ
ート領域に接触しているゲート電極に印加される電圧
で、ソース／ドレイン電極間の電流を制限する炭化珪素
半導体装置が知られている（特開平１０−２９４４７１
号公報）。

【０００４】上記では、第二導電型ゲート領域／第一導
電型第二基体との間に電圧が加わらない状態で、第一導
電型ソース領域／第一導電型第二基体との間に通流し得
る。即ち、Ｎｏｒｍａｌｌｙ−ｏｎの装置である。

【０００５】電流制御に用いる半導体装置は、ゲート制
御系統が操作不能に陥った際、外部からの補助無しに装
置電流が遮断される特性、即ち、Ｎｏｒｍａｌｌｙ−ｏ
ｆｆの装置が安全上望ましい。これに対し、Ｎｏｒｍａ
ｌｌｙ−ｏｎの装置では、種々の安全装置が必要とな
り、装置全体の信頼性やコストの点で不利である。

【０００６】上記を克服する改良を施された半導体装置
として、珪素を半導体材料として使用する半導体デバイ
スでは、バイポーラ静電誘導トランジスタ（Ｂ−ＳＩ
Ｔ）がよく知られている。

【０００７】Ｎｏｒｍａｌｌｙ−ｏｎ特性を得るための
構造上の特徴と炭化珪素半導体に適用した場合の問題点
を以下に述べる。

【０００８】まず、第二導電型ゲート領域の間隔を１μ
ｍ以下に狭めて前記ゲート領域の外部に広がる空乏層が
互いに接しあう構造にすることで、Ｎｏｒｍａｌｌｙ−
ｏｆｆ特性を達成するものとして、第５回ＳＩデバイス
シンポジウムＳＳＩＤ−９１−１の装置がある。

【０００９】しかし、珪素に比べ、第一導電型第一基体
（チャネル領域）のドーパント濃度が約２桁近く高く設
定され、ｐｎ接合の領域間のキャリア濃度差は小さい。
そのためにｐｎ接合の内蔵電位は小さくなるだけでな
く、ｐｎ接合の低濃度側領域へ伸びる空乏層幅は、珪素
の場合０.５〜１μｍであるのに対し、炭化珪素では１
０分の１以下と著しく小さくなる。

【００１０】このため第二導電型ゲート領域の間隔を狭
めて、ゲート領域の外部に広がる空乏層が互いに接し合
う構造を作成しようとすると、珪素半導体装置では０.
５〜１μｍ間隔の構造で済むのに対し、炭化珪素半導体
中では０.０５〜０.１μｍ間隔の構造の作製が要求され
る。

【００１１】この様な微細パターンの形成は実現不可能
であることから、上記構造を炭化珪素半導体装置にその
まま適用することは無理である。

【００１２】他に、接合型電界効果トランジスタ（ＪＦ
ＥＴ、静電誘導トランジスタ、ＳＩＴに同じ）の第二導
電型ゲート領域に挟まれた高抵抗第一導電型第一基体の
チャネル領域に、第二導電型ゲート領域と同じ導電型の
ドーパントを導入することで、Ｎｏｒｍａｌｌｙ−ｏｆ
ｆ特性を達成しているものとして、第４回ＳＩデバイス
シンポジウムＳＳＩＤ−９０−６がある。

【００１３】ドーパントを導入する方法として、イオン
注入を選択する。他にエピタキシャル形成，拡散法が挙
げられるが、エピタキシャル法よりイオン注入の方がド
ーパント濃度の調整が容易なこと、さらに炭化珪素中の
ドーパントの拡散は珪素中に比べると非常に遅いため
に、拡散法は使えないことからここでは選ばなかった。

【００１４】上記第４回ＳＩデバイスシンポジウムの報
告では、第二導電型ゲート領域には低シート抵抗が求め
られる。これは高シート抵抗のゲート領域は遮断特性の
装置内の不均一を生じ、装置全体の遮断特性の低下の原
因となるためである。

【００１５】さらに、第二導電型ゲート領域は、ｐｎ接
合部に欠陥が生じてはならない。これは高欠陥密度のゲ
ート領域はゲート耐圧のみならず、ソース・ドレイン間
の主耐圧低下の原因となるからである。

【００１６】しかし、炭化珪素を半導体材料とした上記
第４回ＳＩデバイスシンポジウムのＢ−ＳＩＴを作成す
るには、イオン注入で第二導電型ゲート領域を形成する
と、以下の問題が同時に発生する。

【００１７】まず炭化珪素中の第二導電型ドーパント
（例：硼素、アルミニウム）のエネルギー準位が、珪素
中に比べて１桁深いことからイオン化率が低く、高ドー
ズを注入しても高キャリア濃度領域となりにくいため、
低シート抵抗が得られにくい。

【００１８】高ドーズのイオン注入のため炭化珪素結晶
の欠陥が多数発生し、この炭化珪素中の欠陥は、高温で
の欠陥回復によってさえも珪素中の欠陥と異なり完全に
除去されないことから、これらの欠陥はプロセスを通じ
て残るために欠陥の少ないｐｎ接合を得にくい。

【００１９】以上のように、炭化珪素半導体のゲート領
域形成に、従来周知の単一のドーパントをドープする構
造では、遮断特性と耐圧特性の優れたＮｏｒｍａｌｌｙ
−ｏｆｆのＢ−ＳＩＴを歩留まりよく作製することは困
難である。

【００２０】このために炭化珪素の優れた電気特性を生
かしたＮｏｒｍａｌｌｙ−ｏｆｆ型接合型電界効果トラ
ンジスタ装置の作成には、炭化珪素半導体に適した新た
な構造が必要である。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】炭化珪素半導体のゲー
ト領域形成で、通常用いられているドーパントの一つで
ある硼素は、高温欠陥回復時の熱拡散が確認されている
ため、熱拡散によりイオン注入時のｐｎ接合部位の外へ
ｐｎ接合を広げ、結果としてｐｎ接合部位にイオン注入
に基づく結晶欠陥が少なくなるが、反面、炭化珪素中の
エネルギー準位が比較的深いために活性化率が低く、高
キャリア濃度を得にくいと云う問題がある。

【００２２】一方炭化珪素半導体のゲート領域の形成
で、通常用いられているドーパントのもう一つであるア
ルミニウムは、硼素に比べて炭化珪素中のエネルギー準
位が浅いため高キャリア濃度を得易いが、反面、高温欠
陥回復時の熱拡散がないため、ｐｎ接合部位にイオン注
入に基づく結晶欠陥が多数残留すると云う欠点がある。

【００２３】従って、炭化珪素の優れた電気特性を生か
したＮｏｒｍａｌｌｙ−ｏｆｆ型接合型電界効果トラン
ジスタ装置の作成のため、炭化珪素半導体に適した新た
な構造を提供する必要がある。

【００２４】さらに電力変換器に適用した場合、Ｎｏｒ
ｍａｌｌｙ−ｏｆｆ特性によるゲート駆動回路の保護回
路の省略が必要である。

【００２５】本発明の目的は、上記に鑑み新たな構造の
炭化珪素半導体装置、並びに、それを用いた電力変換器
を提供することにある。

【００２６】

【課題を解決するための手段】炭化珪素を半導体材料と
して利用した接合型電界効果トランジスタにおいて、ゲ
ート耐圧の低下がなく、また、遮断特性を損なうことな
くＮｏｒｍａｌｌｙ−ｏｆｆ特性を達成するため、次の
ようにその構造を変更した。

【００２７】（１） 第二導電型ゲート領域を、低活性
化率かつ熱拡散し易いドーパントと、高活性化率かつ熱
拡散しないドーパントの２種を用いて形成する。

【００２８】（２） 第二導電型ゲート領域間のチャネ
ル領域を、熱拡散またはイオン注入により形成した低活
性化率、かつ、熱拡散し易いドーパントを含む領域で連
結した構造とする。

【００２９】上記本発明の適用により、炭化珪素の優れ
た電気特性を生かしたＮｏｒｍａｌｌｙ−ｏｆｆ型接合
型電界効果トランジスタ装置を、歩留まりよく作製する
ことができる。

【００３０】さらに電力変換器に適用した場合、Ｎｏｒ
ｍａｌｌｙ−ｏｆｆ特性によるゲート駆動回路の保護回
路を省略することが可能となる。

【００３１】

【発明の実施の形態】本発明の実施例を図面により説明
する。図１は、本発明の一実施例のＮｏｒｍａｌｌｙ−
ｏｆｆ特性を、第二導電型ゲート領域内にイオン注入
後、硼素の熱拡散により得た接合型炭化珪素静電誘導ト
ランジスタの構造を示す概略斜視断面図である。

【００３２】第二導電型ゲート領域であるｐ型ゲート領
域１、第一導電型ソース領域であるｎ型ソース領域２、
第一導電型第一基体である低ドーパント濃度ｎ型ドリフ
ト領域３、第一導電型第二基体であるｎ型ドレイン領域
４、ｐ型ゲート領域の高活性化・低拡散ドーパントと低
活性化・高拡散ドーパントを含む領域である低抵抗領域
５、ｐ型ゲート領域の低活性化・高拡散ドーパント領域
である硼素領域６を有する。なお、ゲート電極１１、ソ
ース電極１２、ドレイン電極１３を有する。

【００３３】本実施例の炭化珪素半導体装置は、従来装
置と同様に低ドーパント濃度ｎ型ドリフト領域３中の第
一主表面側に近い方から、ｎ型ソース領域２、ｐ型ゲー
ト領域１の順に配した構造となっているが、以下の構造
を有することが特徴である。

【００３４】 ｐ型ゲート領域１を低活性化率、か
つ、熱拡散し易いドーパントと、高活性化率かつ熱拡散
しないドーパントの２種を用いて形成する。

【００３５】 ｐ型ゲート領域１，５間のチャネル領
域を、熱拡散により形成した低活性化率かつ熱拡散し易
いドーパントを含む領域で連結した構造を有する。

【００３６】図１において、低抵抗領域５（ｐ型ゲート
領域の高活性化・低拡散ドーパントと低活性化・高拡散
ドーパントを含む領域）の中心深さは約１.８μｍ、低
抵抗領域５同士の間隔は４μｍ以下である。この低抵抗
領域５の周囲約２μｍに硼素領域６が形成されている。

【００３７】これは１６００℃での欠陥回復・活性化に
おける硼素の拡散幅が約２μｍであることから来てい
る。また，ｎ型ソース領域２のドーパントは窒素であ
り、該ｎ型ソース領域２／硼素領域６との間のｐｎ接合
深さは約０.５μｍである。

【００３８】図１の装置は、ゲート電極１１とｐ型ゲー
ト領域１が第一主表面で接しているプレーナプロセス型
である。

【００３９】また、ソース電極１２／ドレイン電極１３
との間に通流する電流を、ゲート電極１１に加えるゲー
ト電圧Ｖ_GDで遮断するが、従来装置と異なりｐ型ゲート
領域１同士が接しているため、Ｖ_GDが０Ｖでもソース領
域２／ドレイン領域３との間のチャネル領域が遮断され
ているため、ソース電極１２／ドレイン電極１３との間
の通流はない。即ち、Ｎｏｒｍａｌｌｙ−ｏｆｆ特性を
示す。

【００４０】次に、図２は、図１と同様な構成の本発明
の一実施例の接合型炭化珪素静電誘導トランジスタの概
略斜視断面図である。図２が図１と異なる点は、ゲート
電極１１とゲート領域１が第一主表面を加工して新たに
生じた面で接している点である。

【００４１】プレーナプロセス型装置では低抵抗領域５
が第一主表面に露出していないために、ゲート電極１１
とゲート領域１との間の抵抗を減少させる新たなドーパ
ント領域が必要である。

【００４２】図１に比べ、図２では第一主表面を加工し
て低抵抗領域５を露出させ、ゲート電極１１と接する構
造とすることで、ゲート電極１１／ゲート領域１との間
の抵抗の減少を図ることができる点で改良されている。

【００４３】次に、図３は、図２と同様な構成の本発明
の一実施例である接合型炭化珪素静電誘導トランジスタ
の概略斜視断面図である。図３が図１と異なる点は、ソ
ース領域２を第一主表面全面に広げ、工程の簡略化およ
びソース領域２／低ドーパント濃度ｎ型ドレイン領域３
との間の通流時の抵抗を減少させている点で改良されて
いる。

【００４４】図４は、図１に示したＮｏｒｍａｌｌｙ−
ｏｆｆ特性を、第二導電型ゲート領域内にイオン注入
後、硼素の熱拡散により得た接合型炭化珪素静電誘導ト
ランジスタの製造工程を示す模式断面図である。

【００４５】図４(ｉ)では、まず硼素、次いでアルミニ
ウムの順でイオン注入を行い、高濃度領域２２を形成す
る。２１はイオン注入時のマスキング材である。

【００４６】次に、図４(ii)で１６００〜１７００℃で
欠陥回復・活性化を行うと、硼素の熱拡散現象により高
濃度領域２２の外側に硼素領域６が形成され、さらに該
硼素領域６同士が接し、高濃度領域２２は低抵抗領域５
に変化する。

【００４７】次いで、図４(iii)では、ｎ型ドーパント
をｎ型ソース領域２にイオン注入し、再度、１６００〜
１７００℃で欠陥回復・活性化を行ってドーパントを活
性化させる。これによりＮｏｒｍａｌｌｙ−ｏｆｆ特性
を示すＢ−ＳＩＴ構造となる。その後、各領域へ電極を
形成し、本発明の半導体装置が完成する。

【００４８】図１〜３に示す構造の適用により、ゲート
領域１のｐｎ接合部は欠陥回復・活性化による硼素の熱
拡散により、低ドーパント濃度ｎ型ドリフト領域３側へ
ｐｎ接合を広げ、その結果としてｐｎ接合部位にイオン
注入に基づく結晶欠陥が少なくなることで、欠陥起因の
耐圧低下が無いＢ−ＳＩＴを作製することができる。

【００４９】また、ゲート領域１中の低抵抗領域５によ
りゲート領域１のシート抵抗が減少し、遮断特性の装置
内の不均一に基づく装置全体の遮断特性の低下が無いＢ
−ＳＩＴの作製が可能となる。

【００５０】図５は本発明の一実施例であるＮｏｒｍａ
ｌｌｙ−ｏｆｆ特性を、第二導電型ゲート領域間を低濃
度の低活性化・高拡散ドーパント領域で結合することに
より得た接合型炭化珪素静電誘導トランジスタの概略斜
視断面図で、７は低濃度の低活性化・高拡散ドーパント
領域の低濃度硼素領域を示す。

【００５１】図５の装置は、ゲート電極１１とゲート領
域１が、第一主表面で接しているプレーナプロセス型で
ある。ソース電極１２／ドレイン電極１３との間に通流
する電流を、ゲート電極１１に加えるゲート電圧Ｖ_GDで
遮断するが、Ｖ_GDが０Ｖでも低濃度硼素領域７によりソ
ース領域２／低ドーパント濃度ｎ型ドリフト領域３との
間のチャネル領域を遮断されているため、ソース電極１
２／ドレイン電極１３間の通流はない。即ち、Ｎｏｒｍ
ａｌｌｙ−ｏｆｆ特性を示す。

【００５２】図５の構造の適用により、図１〜３に示す
構造の適用の効果に加えて、ゲート領域１の間隔が大き
いＢ−ＳＩＴの作製が可能となる。

【００５３】図６は、本発明の一実施例のＮｏｒｍａｌ
ｌｙ−ｏｆｆ特性を、第二導電型ゲート領域内にイオン
注入後、硼素の熱拡散により得た接合型炭化珪素静電誘
導トランジスタの構造を示す概略斜視断面図である。

【００５４】図２のものとの違いは、ソース領域２／低
抵抗領域５との間の耐圧向上を目指し、該低抵抗領域５
を深くした点にある。

【００５５】低抵抗領域５の深さは、ゲート領域１の形
成時のイオン注入装置の加速電圧に依存する。現在のイ
オン注入装置の加速電圧の上限は数ＭＶであることか
ら、低抵抗領域５の深さは第一主表面から約３〜４μｍ
である。

【００５６】図６に示す構造の適用により、図１〜３に
示す構造を適用した効果に加え、ソース領域２／低抵抗
領域５との間の耐圧が高いＢ−ＳＩＴの作製が可能とな
る。

【００５７】図７は、本発明を適用した炭化珪素静電誘
導トランジスタを用いて、電動機駆動用インバータの回
路構成図である。

【００５８】本発明による６個のスイッチング素子、Ｓ
Ｗ１１、ＳＷ２１、ＳＷ３１、ＳＷ１２、ＳＷ２２、Ｓ
Ｗ３２と、６個のダイオードＤ１１、Ｄ２１、Ｄ３１、
Ｄ１２、Ｄ２２、Ｄ３２、および、ゲート駆動回路ＧＤ
を用いた三相誘導電動機Ｍを制御する例を示すものであ
る。

【００５９】本発明による炭化珪素静電誘導トランジス
タは、従来構造のものとは異なり、Ｎｏｒｍａｌｌｙ−
ｏｆｆであるため、ゲート駆動回路ＧＤを簡略化するこ
とができる。即ち、Ｎｏｒｍａｌｌｙ−ｏｆｆ特性によ
るゲート駆動回路の保護回路を省略することができる。

【００６０】なお、図７では電動機用インバータ装置へ
の適用例を示したが、スイッチング装置が使用される他
の電力変換器への適用も可能である。

【００６１】

【発明の効果】本発明によれば、炭化珪素を半導体材料
として利用した接合型電界効果トランジスタにおいて、
ゲート耐圧の低下がなく、また遮断特性を損なうことな
くＮｏｒｍａｌｌｙ−ｏｆｆ特性を達成することができ
る。

【００６２】さらに本発明の半導体装置を電力変換器に
適用した場合、Ｎｏｒｍａｌｌｙ−ｏｆｆ特性によるゲ
ート駆動回路の保護回路を省略することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のＮｏｒｍａｌｌｙ−ｏｆｆ
特性を有する炭化珪素静電誘導トランジスタの概略斜視
断面図である。

【図２】本発明の他の実施例のＮｏｒｍａｌｌｙ−ｏｆ
ｆ特性を有する炭化珪素静電誘導トランジスタの概略斜
視断面図である。

【図３】本発明の他の実施例のＮｏｒｍａｌｌｙ−ｏｆ
ｆ特性を有する炭化珪素静電誘導トランジスタの概略斜
視断面図である。

【図４】本発明の一実施例の第二導電型ゲート領域内に
イオン注入後、硼素の熱拡散による炭化珪素静電誘導ト
ランジスタの製造工程を示す模式断面図である。

【図５】本発明の一実施例の第二導電型ゲート領域間を
低濃度の低活性化・高拡散ドーパント領域で結合する炭
化珪素静電誘導トランジスタの概略斜視断面図である。

【図６】本発明の一実施例の第二導電型ゲート領域内に
イオン注入後、硼素の熱拡散による非プレーナプロセス
深ゲート構造の炭化珪素静電誘導トランジスタの概略斜
視断面図である。

【図７】本発明の炭化珪素静電誘導トランジスタを用い
た電動機駆動用インバータの回路構成図である。

【符号の説明】

１…ｐ型ゲート領域、２…ｎ型ソース領域、３…低ドー
パント濃度ｎ型ドリフト領域、４…ｎ型ドレイン領域、
５…低抵抗領域、６…硼素領域、７…低濃度硼素領域、
１１…ゲート電極、１２…ソース電極、１３…ドレイン
電極、２１…マスキング材、２２…高濃度硼素領域、Ｓ
Ｗ１１，ＳＷ２１，ＳＷ３１，ＳＷ１２，ＳＷ２２，Ｓ
Ｗ３２…スイッチング素子、Ｄ１１，Ｄ２１，Ｄ３１，
Ｄ１２，Ｄ２２，Ｄ３２…ダイオード、Ｍ…三相誘導電
動機、ＧＤ…ゲート駆動回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 八尾 勉 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 Ｆターム(参考） 5F102 FA01 FB01 GB04 GC07 GC08 GC09 GD04 GJ02 HC07

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第一主表面を有する高抵抗第一導電型第
   一基体と、該高抵抗第一導電型第一基体より低抵抗の第
   二主表面を有する第一導電型第二基体を備えた二層構造
   の基体の第一主表面側に、選択的に第一導電型ソース領
   域、第二導電型ゲート領域を設けた炭化珪素半導体装置
   において、 前記第二導電型ゲート領域が低活性化率で熱拡散し易い
   第二導電型ドーパントと、高活性化率で熱拡散しない第
   二導電型ドーパントの２種を用いて形成されており、 前記第二導電型ゲート領域間のチャネル領域が熱拡散ま
   たはイオン注入により形成された低活性化率で熱拡散し
   易いドーパントを含む領域で連結されていることを特徴
   とする炭化珪素半導体装置。
2. 【請求項２】 前記第二導電型ゲート領域が、前記第一
   主表面上の同一マスクを用いて、低活性化率で熱拡散し
   易いドーパントと、高活性化率で熱拡散しないドーパン
   トをイオン注入することで形成されている請求項１記載
   の炭化珪素半導体装置。
3. 【請求項３】 前記高抵抗第一導電型第一基体と前記第
   二導電型ゲート領域の少なくとも一方の一部を加工し、
   前記第二導電型ゲート領域の一部を前記第一主表面側に
   露出後、前記第二導電型ゲート領域の前記第一主表面側
   の露出部位にゲート電極が形成されている請求項１また
   が２に記載の炭化珪素半導体装置。
4. 【請求項４】 前記第二導電型ゲート領域が物理的手法
   または化学的手法により加工されている請求項３に記載
   の炭化珪素半導体装置。
5. 【請求項５】 電力変換器の回路が請求項１〜４のいず
   れかに記載の炭化珪素半導体装置を用いて構成されてい
   ることを特徴とする電力変換器。