JP2004214268A

JP2004214268A - 炭化珪素半導体装置

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Publication number: JP2004214268A
Application number: JP2002379331A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Tanaka; 秀明田中; Masakatsu Hoshi; 正勝星; Tronnamchai Kleison; トロンナムチャイクライソン; Tetsuya Hayashi; 哲也林; Saichiro Kaneko; 佐一郎金子
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-12-27
Filing date: 2002-12-27
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2022-12-27
Also published as: JP3963151B2

Abstract

【課題】高耐圧な炭化珪素ダイオードを提供すること。
【解決手段】ＳｉＣ基板１上に形成された第一導電型のＳｉＣエピタキシャル層２の第一主面側にＳｉＣエピタキシャル層２とはバンドギャップの異なる半導体材料からなる第一の半導体領域７とＳｉＣエピタキシャル層２との間に形成される第一の接合を有し、ＳｉＣ基板１と接するように形成された金属電極である裏面（カソード）電極５を有し、第一の半導体領域７と接することによりキャリアに対するエネルギー障壁を形成する材料からなるショットキー電極３と第一の半導体領域７との間に形成される第二の接合を有する炭化珪素半導体装置であって、前記第一の接合によって形成されるダイオードと前記第二の接合によって形成されるダイオードとが、極性を同一方向にして直列に接続されていることを特徴とする炭化珪素半導体装置を構成する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は炭化珪素半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【非特許文献】「パワーデバイス・パワーＩＣハンドブック電気学会高性能高機能パワーデバイス・パワーＩＣ調査専門委員会編コロナ社ｐ．１２〜２１」。
【０００３】
従来の炭化珪素を用いた高耐圧のダイオードを得るための接合としては、上記非特許文献に記載されるＰＮ接合と、ショットキー接合とがある。上記非特許文献では、これらの接合は、シリコンを基本として記述されているが、炭化珪素においても広く適用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ショットキー接合を炭化珪素へ適用し、高耐圧なダイオードを実現するためには、ショットキー電極端部における電界集中を緩和するために、ショットキー電極端部に電界緩和領域として拡散層を形成する必要があるが、この拡散層を形成する際の1500℃以上の高温熱処理によって炭化珪素基板表面が劣化し、劣化した炭化珪素基板表面には良好なショットキー接合が形成できず、高耐圧なダイオードを実現することが難しいという問題があった。
【０００５】
本発明の目的は、上記課題を解決し、高耐圧な炭化珪素ダイオードを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決する手段】
上記課題を解決するため、本発明は、炭化珪素半導体基体上、前記炭化珪素半導体基体とはバンドギャップの異なる半導体材料と前記炭化珪素半導体基体との間に第一の接合を有する炭化珪素半導体装置であって、前記半導体材料と接することによりキャリアに対するエネルギー障壁を形成する材料と前記半導体材料との間に形成される第二の接合を有し、前記第一の接合によって形成されるダイオードと前記第二の接合によって形成されるダイオードとが、極性を同一方向にして直列に接続されている炭化珪素半導体装置を構成する。
【０００７】
【発明の効果】
本発明の実施により、高耐圧な炭化珪素ダイオードを提供することが可能となる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【０００９】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態について、図１及び図２に従って説明する。
【００１０】
図１は本発明の第１の実施形態による炭化珪素半導体装置の断面図である。
【００１１】
図１において、Ｎ^＋型のＳｉＣ基板１の上にＮ⁻型のＳｉＣエピタキシャル層２を形成することにより第一導電型であるＮ型の炭化珪素半導体基体が形成されている。すなわち、炭化珪素半導体基体がＳｉＣ基板１とＳｉＣエピタキシャル層２とから構成されている。この炭化珪素半導体基体上、第一主面側すなわちＳｉＣエピタキシャル層２側に、炭化珪素半導体基体とはバンドギャップの異なる半導体材料であるＮ⁻型の多結晶シリコンすなわちポリシリコンからなる第一の半導体領域７が形成され、ＳｉＣエピタキシャル層２と第一の半導体領域７との間に第一の接合が形成されている。第一の半導体領域７の上面には、ポリシリコンと接することによりキャリアに対するエネルギー障壁を形成する材料である、ポリシリコンとショットキー接触する金属からなるショットキー電極３が形成され、第一の半導体領域７とショットキー電極３との間に第二の接合が形成されている。第一の半導体領域７の上方、ショットキー電極３の上面には表面（アノード）電極４（以下、単に表面電極４という）が形成されている。また、ＳｉＣ基板１の裏面には裏面（カソード）電極５（以下、単に裏面電極５という）が金属等の導体材料によって形成されている。
【００１２】
以下に、本実施形態による炭化珪素半導体装置の具体的な動作について、図１中のＡ点からＢ点にいたるエネルギーバンド構造を示した図２を用いて説明する。
【００１３】
図２の(ａ)は熱平衡状態、すなわち表面電極４、裏面電極５のいずれも接地とした状態におけるエネルギーバンド構造を示している。このエネルギーバンド構造からも判るように、本実施形態の構造の場合、第一の半導体領域７とＳｉＣエピタキシャル層２と間の第一の接合（以下、ヘテロ接合と呼ぶ）における障壁２０によるダイオードと、第一の半導体領域７とショットキー電極３との間の第二の接合であるショットキー接合における障壁２２によるダイオードとが、極性を同一方向にして、すなわち、順方向を同一方向（したがって逆方向も同一方向）にして直列に接続された状態になる。このため、表面電極４に然るべき正の電圧を印加し、裏面電極５を接地の状態にすると、電子が裏面電極５からＳｉＣ基板１、ＳｉＣエピタキシャル層２、第一の半導体領域７、ショットキー電極３を経て表面電極４へと流れる。つまり、本半導体装置は、この場合に、ダイオードの順方向特性を示す。
【００１４】
次に、表面電極４を接地、裏面電極５に正の高電圧を印加した状態、すなわち逆方向電圧印加時の場合、エネルギーバンド構造は図２の(ｂ)のように変化する。この際、ヘテロ接合界面に生じた障壁２０により電子２１は遮られ、遮断状態を保持する。また、ヘテロ接合界面に蓄積された電子２１によって、電界がシールドされるため、ＳｉＣエピタキシャル層２と比較して、第一の半導体領域７には電界が殆ど及ばない。つまり、第一の半導体領域７の電位はショットキー電極３の電位と限りなく等しくなり、接地に近い状態になる。そのため、第一の半導体領域７とショットキー電極３のエネルギーバンド構造は、図２の(ａ)の熱平衡状態と殆ど変わらない。よって、本半導体装置に対して逆方向に高い電圧が印加されても、第一の半導体領域７はブレークダウンを起こさずに遮断状態を保持する。なお、この遮断状態において、蓄積された電子２１の一部が、ヘテロ接合界面に生じた障壁２０をトンネリングすることで、第一の半導体領域７からＳｉＣエピタキシャル層２へと移動しようとするが、第一の半導体領域７とショットキー電極３の界面に発生したショットキー障壁により、ショットキー電極３から第一の半導体領域７への電子の供給が遮られるため、ヘテロ接合によるダイオードは擬似的に開放状態になり、電子は第一の半導体領域７からＳｉＣエピタキシャル層２へは流れない。そのため、本素子は高い遮断性を有している。なお、前述のように、逆方向に高電圧が印加された状態でも、第一の半導体領域７には電界が殆ど及ばないため、所定のショットキー接合によるダイオードの耐圧でも充分に効果がある。
【００１５】
従来技術においては、ショットキー接合を炭化珪素へ適用し、高耐圧なダイオードを実現するためには、ショットキー電極端部における電界集中を緩和するために、図７に示すように、ショットキー電極端部に電界緩和領域６として拡散層を形成する必要がある。炭化珪素に拡散層を形成するには、イオン注入法が用いられている。しかしながら、炭化珪素にイオン注入を用いて不純物を導入する場合、基板を高温に保持した状態で注入を行う高温イオン注入や、注入後の不純物の活性化に1500℃以上の高温熱処理が必要になる。これらの高温プロセスは炭化珪素基板表面の劣化を招く。ショットキー接合は、接触する基板の表面状態の影響を受け易く、劣化した炭化珪素基板表面には良好なショットキー接合が形成できない。そのため、高耐圧なダイオードを実現することが難しいという問題があった。
【００１６】
これに対して、本実施形態による炭化珪素半導体装置は、その製造工程において、ＳｉＣへのイオン注入が不要であり、上記の1500℃以上の高温熱処理を必要とせず、簡便なプロセスで製造することができる。すなわち、本実施形態による炭化珪素半導体装置は、1500℃以上の高温熱処理を必要としない簡便なプロセスで製造することができ、しかも、高耐圧ダイード特性を有している。
【００１７】
また、本実施形態においては、ＳｉＣとバンドギャップの異なる半導体材料にポリシリコンを用いているため、伝導度制御やエッチングなどのプロセスが容易になる。
【００１８】
さらに、本実施形態による炭化珪素半導体装置における第一の接合であるヘテロ接合によるダイオードは、金属固有の仕事関数で耐圧が一義的に決まるショットキーダイオードとは異なり、半導体材料の導電型、及び不純物濃度を変えることにより任意の耐圧を得ることができるという特徴を有する。
【００１９】
さらに、半導体材料と第二の接合を形成する材料に、半導体材料とショットキー接触する金属を用いているため、より簡便なプロセスで、遮断性の高い高耐圧なダイオードを実現できる。
【００２０】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について、図３に従って説明する。
【００２１】
図３は本発明の第２の実施形態による炭化珪素半導体装置の断面図である。
【００２２】
図３において、Ｎ^＋型のＳｉＣ基板１の上にＮ⁻型のＳｉＣエピタキシャル層２を形成することにより第一導電型であるＮ型の炭化珪素半導体基体が形成されている。この炭化珪素半導体基体上、第一主面側に、炭化珪素半導体基体とはバンドギャップの異なる半導体材料であるＮ⁻型のポリシリコンからなる第一の半導体領域７が形成され、ＳｉＣエピタキシャル層２と第一の半導体領域７との間に第一の接合が形成されている。第一の半導体領域７の上面には、ポリシリコンと接することによりキャリアに対するエネルギー障壁を形成する材料である、ポリシリコンとショットキー接触する金属からなるショットキー電極３が形成され、第一の半導体領域７とショットキー電極３との間に第二の接合が形成されている。第一の半導体領域７の上方、ショットキー電極３の上面には表面電極４が形成されている。また、ＳｉＣ基板１の裏面には裏面電極５が形成されている。
【００２３】
本実施形態による炭化珪素半導体装置は、さらに、ＳｉＣエピタキシャル層２の所定の位置に電界緩和領域６を有し、この電界緩和領域６は表面電極４と同電位になるように電気的に接続され、したがって、表面電極４と同電位であるショットキー電極３と同電位に固定されている。
【００２４】
本実施形態による炭化珪素半導体装置は、第１の実施形態の動作及び効果に加えて、逆方向電圧印加時に、表面電極４、したがってショットキー電極３と同電位に固定された電界緩和領域６とＳｉＣエピタキシャル層２との間のＰＮ接合にも逆方向に電圧が印加され、その接合界面からＳｉＣエピタキシャル層２側に空乏層が伸び、第一の接合であるヘテロ接合界面に掛かる電界を緩和するため、逆方向電圧印加時における漏れ電流が、より低減され、さらに遮断性を向上することができ、遮断状態を実現するのがさらに容易となる。すなわち、オフ性（遮断特性）をより向上することができる。
【００２５】
なお、本実施形態においては電界緩和領域６を誘電体にて形成しているが、電界緩和領域６を第二導電型であるＰ⁻型のＳｉＣで形成してもよく、また、電界緩和領域６が第一の半導体領域７と同電位になるように電気的に接続されていてもよく、上記と同様の効果を得ることができる。
【００２６】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について、図４に従って説明する。
【００２７】
図４は本発明の第３の実施形態による炭化珪素半導体装置の断面図である。
【００２８】
図４において、Ｎ^＋型のＳｉＣ基板１上にＮ⁻型のＳｉＣエピタキシャル層２を有する炭化珪素半導体基体上に、溝（トレンチ）１２（以下、単に溝１２という）が形成され、その溝１２を充填するようにＮ⁻型のポリシリコンからなる第一の半導体領域７、及びポリシリコンとショットキー接触する金属からなるショットキー電極３が形成され、ショットキー電極３の上面には表面電極４が形成されている。また、ＳｉＣ基板１の裏面には裏面電極５が形成されている。
【００２９】
本実施形態による炭化珪素半導体装置は、第１の実施形態の動作及び効果に加えて、溝１２部の側壁に沿ってヘテロ接合が形成されているため、溝１２部を形成しない場合と比較して、素子単位面積あたりのヘテロ接合面積を大きくすることができ、オン抵抗（順方向抵抗）を下げることができる。
【００３０】
なお、上記第１〜第３の実施形態のいずれにおいても、ショットキー電極３の上面に表面電極４を有する構造になっているが、ショットキー電極３のみの構造でも同様の効果を得ることができる。
【００３１】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について、図５に従って説明する。
【００３２】
図５は本発明の第４の実施形態による炭化珪素半導体装置の断面図である。
【００３３】
図５において、Ｎ^＋型のＳｉＣ基板１上にＮ⁻型のＳｉＣエピタキシャル層２を有する炭化珪素半導体基体上に、Ｎ⁻型のポリシリコンからなる第一の半導体領域７が形成され、その第一の半導体領域７に接するように、Ｎ⁻型のポリシリコンに接することによりキャリアに対するエネルギー障壁を形成する材料であるＰ^＋型のポリシリコンからなる第二の半導体領域８が形成されている。ＳｉＣエピタキシャル層２と第二の半導体領域８は層間絶縁膜１３を介して電気的に絶縁されている。第二の半導体領域８の上面には表面電極４が形成されている。また、ＳｉＣ基板１の裏面には裏面電極５が形成されている。
【００３４】
以下に、本実施形態によるの具体的な動作について説明する。
【００３５】
本実施形態による炭化珪素半導体装置は、第一の接合である、第一の半導体領域７とＳｉＣエピタキシャル層２との間のヘテロ接合によるダイオードと、第二の接合である、第一の半導体領域７と第二の半導体領域８と間のＰＮ接合によるダイオードとが、極性を同一方向にして、すなわち、順方向を同一方向（したがって逆方向も同一方向）にして、直列に接続された状態になっており、このため、表面電極４に然るべき正の電圧を印加し、裏面電極５を接地の状態にすると、電子が裏面電極５からＳｉＣ基板１、ＳｉＣエピタキシャル層２、第一の半導体領域７、第二の半導体領域８を経て表面電極４へと流れる。つまり、この炭化珪素半導体装置は、この場合に、ダイオードの順方向特性を示す。
【００３６】
次に、表面電極４を接地し、裏面電極５に正の高電圧を印加した状態、すなわち逆バイアス状態の場合、図２の（ｂ）に示したように、第一の半導体領域７とＳｉＣエピタキシャル層２との間のヘテロ接合に生じた障壁２０により電子２１は遮られ、遮断状態を保持する。なお、この遮断状態において、蓄積された電子２１の一部が、ヘテロ接合界面に生じた障壁２０をトンネリングすることで、第一の半導体領域７からＳｉＣエピタキシャル層２へと移動しようとするが、第一の半導体領域７と第二の半導体領域８との間のＰＮ接合によって、第二の半導体領域８から第一の半導体領域７への電子の供給が遮られるため、ヘテロ接合によるダイオードは擬似的に開放状態になり、電子２１は第一の半導体領域７からＳｉＣエピタキシャル層２へは流れない。そのため、本炭化珪素半導体装置は高い遮断性を有している。なお、前述のように、逆方向に高電圧が印加された状態でも、第一の半導体領域７に及ぶ電界が小さいため、ＰＮ接合による所定のダイオードの耐圧でも充分に効果がある。
【００３７】
本実施形態においては、第二の接合によるダイオードがＰＮ接合ダイオードであるため、第二の接合によるダイオードがショットキーダイオードの場合と比較して遮断性が向上し、オフ性のより高い高耐圧なダイオードを実現できる。
【００３８】
（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態について、図６に従って説明する。
【００３９】
図６は本発明の第５の実施形態による炭化珪素半導体装置の断面図である。
【００４０】
図６において、Ｎ^＋型のＳｉＣ基板１上にＮ⁻型のＳｉＣエピタキシャル層２を有する炭化珪素半導体基体上に、Ｎ⁻型のポリシリコンからなる第一の半導体領域７が形成され、第一の半導体領域７と接するようにＰ⁻型のポリシリコンからなる第二の半導体領域８が形成されている。また、第二の半導体領域８に接するようにＮ^＋型のポリシリコンからなる高濃度コンタクト領域９が形成されている。第二の半導体領域８及び高濃度コンタクト領域９は層間絶縁膜１３によってＳｉＣエピタキシャル層２とは電気的に絶縁されている。第二の半導体領域８上にはゲート絶縁膜１０を介してゲート電極１１が形成されている。また、高濃度コンタクト領域９に接するように表面電極４が形成されている。さらに、ＳｉＣ基板１の裏面には裏面電極５が形成されている。
【００４１】
本実施形態による炭化珪素半導体装置は、第一の接合である、第一の半導体領域７とＳｉＣエピタキシャル層２との間のヘテロ接合によるダイオード、第二の接合である、第一の半導体領域７と第二の半導体領域８との間のＰＮ接合によるダイオード及び第二の半導体領域８と高濃度コンタクト領域９との間のＰＮ接合によるダイオードが直列に接続された状態になっている。なお、第一の接合によるダイオードと第二の接合によるダイオードとは極性を同一方向にして接続され、第二の半導体領域８と高濃度コンタクト領域９との間のＰＮ接合によるダイオードは、それらとは逆方向の極性を有するように接続されている。
【００４２】
以下に、本実施形態による炭化珪素半導体装置の具体的な動作について説明する。
【００４３】
表面電極４を接地し、裏面電極５に正の高電圧を印加した状態、すなわち逆バイアス状態における動作は、第４の実施形態における炭化珪素半導体装置の動作と同様に、良好な遮断状態が保持される。
【００４４】
次に、裏面電極５を接地し、ゲート電極１１及び表面電極４に然るべき正の電圧を印加した場合、ゲート電極１１から印加された電圧によりＰ⁻型の第二の半導体領域８が反転し、電子が裏面電極５からＳｉＣ基板１、ＳｉＣエピタキシャル層２、第一の半導体領域７、第二の半導体領域８を経て表面電極４へと流れる。つまり、この炭化珪素半導体装置はダイオードの順方向特性を示す。この場合に、ゲート絶縁膜１０とゲート電極１１が、キャリアに対するエネルギー障壁を形成する材料である第二の半導体領域８の構成材料の導電型を反転させる手段となる。
【００４５】
ここで、ポリシリコン中に形成されたＰＮ接合（上記第一の接合以外の接合）によるダイオードは、第二の半導体領域８が反転することにより消失するため、ＰＮ接合ダイオードによる電圧降下を低減することができ、オン電圧（順方向電流を流すための電圧）をより低くすることができる。
【００４６】
さらに、この状態で、ゲート電極１１に印加している正電圧を取り除くと、Ｎ型に反転していた第二の半導体領域８がＰ⁻型になり、表面電極４と裏面電極５は電気的に絶縁され、遮断状態になる。すなわち、本実施形態による炭化珪素半導体装置は、ゲート電極１１に印加する電圧によって電流をオン・オフする機能、すなわちスイッチ機能を有する。
【００４７】
なお、本実施形態による炭化珪素半導体装置においては、第二の半導体領域８の構成材料の導電型を反転させる手段部であるスイッチ部にゲート絶縁膜１０とゲート電極１１からなるＭＩＳ構造のスイッチを用いているが、ショットキー金属からなるゲート電極を用いたＭＳ構造のスイッチを用いてもよい。
【００４８】
また、第１〜第５の実施形態のいずれにおいても、ＳｉＣとバンドギャップの異なる半導体として、ポリシリコンを使用しているが、ＳｉＣよりバンドギャップが狭い半導体材料であれば、単結晶シリコン、アモルファスシリコン等、いずれの材料を用いても同様の効果を得ることができる。
【００４９】
また、第１〜第５の実施形態のいずれにおいても、第一導電型をＮ型、第二導電型をＰ型として説明しているが、第一導電型をＰ型、第二導電型をＮ型とした場合でも、同様の効果を得ることができる。
【００５０】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による炭化珪素半導体装置の断面図である。
【図２】第１の実施形態による炭化珪素半導体装置におけるエネルギーバンド構造を示した図である。
【図３】本発明の第２の実施形態による炭化珪素半導体装置の断面図である。
【図４】本発明の第３の実施形態による炭化珪素半導体装置の断面図である。
【図５】本発明の第４の実施形態による炭化珪素半導体装置の断面図である。
【図６】本発明の第５の実施形態による炭化珪素半導体装置の断面図である。
【図７】従来の技術による炭化珪素ショットキーダイオードの断面図である。
【符号の説明】
１…ＳｉＣ基板、２…ＳｉＣエピタキシャル層、３…ショットキー電極、４…表面（アノード）電極、５…裏面（カソード）電極、６…電界緩和領域、７…第一の半導体領域、８…第二の半導体領域、９…高濃度コンタクト領域、１０…ゲート絶縁膜、１１…ゲート電極、１２…溝（トレンチ）、１３…層間絶縁膜、２０…障壁、２１…電子、２２…ショットキー障壁。

Claims

第一導電型の炭化珪素半導体基体の第一主面側に、前記炭化珪素半導体基体とはバンドギャップの異なる半導体材料と前記炭化珪素半導体基体との間に形成される第一の接合を有し、前記炭化珪素半導体基体と接するように形成された電極を有する炭化珪素半導体装置であって、前記半導体材料と接することによりキャリアに対するエネルギー障壁を形成する材料と前記半導体材料との間に形成される第二の接合を有し、前記第一の接合によって形成されるダイオードと前記第二の接合によって形成されるダイオードとが、極性を同一方向にして直列に接続されていることを特徴とする炭化珪素半導体装置。
前記キャリアに対するエネルギー障壁を形成する材料が、前記半導体材料とショットキー接触する金属であることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素半導体装置。
前記キャリアに対するエネルギー障壁を形成する材料が前記半導体材料と同一種類の材料であり、且つ、前記半導体材料と異なる導電型を有することを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素半導体装置。
前記キャリアに対するエネルギー障壁を形成する材料の導電型を反転させる手段を有することを特徴とする請求項３に記載の炭化珪素半導体装置。
前記炭化珪素半導体基体の第一主面側の一部に溝が形成され、前記溝部に沿って、前記第一の接合及び第二の接合が形成されていることを特徴とする請求項１、２、３または４に記載の炭化珪素半導体装置。
前記炭化珪素半導体基体の所定の位置に、前記第一主面側に接するように、第二導電型の炭化珪素からなる電界緩和領域を有し、前記電界緩和領域は前記半導体材料、もしくは前記キャリアに対するエネルギー障壁を形成する材料と同電位になるように電気的に接続されていることを特徴とする請求項１、２、３、４または５に記載の炭化珪素半導体装置。
前記半導体材料が単結晶シリコン、多結晶シリコンまたはアモルファスシリコンであることを特徴とする請求項１、２、３、４、５または６に記載の炭化珪素半導体装置。