JP2004247490A - Silicon carbide semiconductor device - Google Patents
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Abstract
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】「論文:Yi Tang, Jeffery B. Fedison and T. Paul Chow著, Materials Science Forum Vols. 389−393 (2002) pp. 1329−1332」。
【0003】
近年、炭化珪素(SiC)の熱的、化学的に非常に安定な性質を利用した半導体素子の研究が盛んに行われている。炭化珪素はシリコンに比べエネルギーギャップ(禁制帯幅)Egが大きく、例えば4Hタイプの結晶ではEg=3.3eVであることから、電気的な耐圧特性に優れ、電力制御用素子等のパワーデバイスへの応用が期待されている。その一例としては、上記非特許文献に例示されているように、素子のオン抵抗を小さくできるという特長を有する高耐圧、大電流用の縦型バイポーラトランジスタがある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、SiC高耐圧バイポーラトランジスタには以下の課題がある。即ち、コレクタ電極に加えた逆電圧のためにベース領域内に空乏層が拡がってエミッタ領域に達する現象をパンチスルーというが、高耐圧を得るためには、このパンチスルーを起こさせてはならない。そのためには、ベース領域内の不純物濃度を高くして、ベース長を長くする必要がある。しかし、それではエミッタ注入効率が下がって電流増幅率hFEが小さくなる。即ち、素子の耐圧と電流増幅率hFEがトレードオフの関係にあるという問題があった。
【0005】
本発明は、上記のごとき従来技術の問題を解決するためになされたものであり、電流増幅率hFEに優れた高耐圧炭化珪素半導体装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明においては、第1導電型の炭化珪素半導体から成るコレクタ領域と、炭化珪素半導体とヘテロ接合を形成する第2導電型の半導体材料から成るベース領域と、第1導電型のコレクタ領域とを有す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、電流増幅率hFEに優れた高耐圧炭化珪素半導体装置を提供することが可能となる。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を、実施例によって、図面に従い説明する。
【0009】
なお、以下の実施例で用いられる炭化珪素(SiC)のポリタイプは4Hが代表的であるが、6H、3C等その他のポリタイプでも構わない。また、炭化珪素半導体とヘテロ接合を形成する半導体材料として多結晶シリコンを用いた例で説明したが、このような半導体材料としては、他にも単結晶シリコンまたはアモルファスシリコン等、炭化珪素半導体よりもエネルギーギャップEgの小さい半導体材料であれば、用いることができる。
【0010】
また、以下の実施例では、すべてコレクタ電極を半導体基板裏面に形成し、エミッタ電極を基板表面に配置して、電流を素子内部に縦方向に流す構造の炭化珪素半導体装置で説明したが、例えばコレクタ電極をエミッタ電極と同じく基板表面に配置して、電流を横方向に流す構造の半導体装置でも本発明が適用可能である。
【0011】
また、以下の実施例では、例えばコレクタ領域(以下の実施例における20)がN型、ベース領域(以下の実施例における30)がP型となるような構成で説明したが、N型、P型の組み合わせはこの限りではなく、例えばコレクタ領域がP型、ベース領域がN型となるような構成にしてもよい。
【0012】
また、本発明の主旨を逸脱しない範囲での変形を含むことは言うまでもない。
【0013】
(実施例1)
図1は本発明による炭化珪素半導体装置の第1の実施例を示している。
【0014】
第1導電型のコレクタ領域となるN−型SiCエピタキシャル領域20がN+型SiC基板10上に積層される。このエピタキシャル領域20上の所定領域には第2導電型のベース領域であるP−型多結晶シリコンベース領域30が形成される。この場合の、炭化珪素半導体とヘテロ接合を形成する半導体材料は多結晶シリコンであり、P−型多結晶シリコンベース領域30とN−型SiCエピタキシャル領域20とはヘテロ接合している。図15のエネルギーバンド図に示すように、このヘテロ接合界面にはエネルギー障壁であるヘテロ接合障壁210が存在している。
【0015】
また、P−型多結晶シリコンベース領域30表層の所定領域には、第1導電型のエミッタ領域であるN+型多結晶シリコンエミッタ領域40とP+型多結晶シリコンコンタクト領域50が形成される。
【0016】
N+型多結晶シリコンエミッタ領域40はエミッタ電極70に接続し、P−型多結晶シリコンベース領域30はP+型多結晶シリコンコンタクト領域50を介してベース電極80に接続する。N+型SiC基板10裏面にはコレクタ電極90が形成されていて、第1導電型のコレクタ領域であるN−型SiCエピタキシャル領域20はN+型SiC基板10を介してコレクタ電極90に接続する。
【0017】
なお、60は層間絶縁膜であり、半導体表面や接合表面の保護、安定化の作用をする。
【0018】
本実施例における炭化珪素半導体装置(図1)は、エミッタ電極70を接地し、コレクタ電極90に正の電圧Vcを印加して使用する。そして、この時ベース電極80に電圧が印加されないと、素子の特性はP−型多結晶シリコンベース領域30とN−型SiCエピタキシャル領域20とのヘテロ接合ダイオードの逆方向バイアス特性となる。
【0019】
即ち、エピタキシャル領域20側にはコレクタ電圧Vcに応じて空乏層が伸びる。一方でP−型多結晶シリコンベース領域30内では電子がエネルギー障壁210を越えられずに接合界面に蓄積する。その様子を示したのが図16である(図中、電子は黒丸で示されている)。そしてエピタキシャル領域20側に伸びる空乏層に見合う電気力線がこの電子の蓄積層で終端し、P−型多結晶シリコンベース領域30側では電界がシールドされる。それゆえ、先にP−型多結晶シリコンベース領域30がブレークダウンを起こすということはなく、コレクタ電圧Vcが降伏電圧Vbになって初めてコレクタ電極90からエミッタ電極70へと急激に電流が流れ始める。
【0020】
また、上述したようなヘテロ接合ダイオードの逆方向バイアス特性では、P−型多結晶シリコンベース領域30の厚さを例えば20nm(200オングストローム)程度まで薄くしても300V以上もの耐圧が確保できることが実験で確認されている。それゆえ、本発明の構成を用いた炭化珪素半導体装置ではヘテロ半導体領域30の厚さを薄くしても、上記P−型多結晶シリコンベース領域30側では電界がシールドされる効果によりパンチスルーが起こる恐れがなく、ベース長は少なくともP−型多結晶シリコンベース領域30の厚さ例えば20nm(200オングストローム)程度まで短くすることができるため、著しくベース抵抗を小さくすることが可能である。
【0021】
一方で、コレクタ−エミッタ間に電圧を印加した状態でベース電極80に正電圧を印加すると、図17のエネルギーバンド図に示すようにP−型多結晶シリコンベース領域30のエネルギーレベルが下がるため、ベース電極80からP−型多結晶シリコンベース領域30へと正孔が注入される(ベース電流が流れ始める)。それと同時に、N+型多結晶シリコンエミッタ領域40からP−型多結晶シリコンベース領域30へと電子が大量に移動してくる。それらの電子は接合界面に達し蓄積するが、その内の相当量の電子は、エネルギー障壁210を超えSiCエピタキシャル領域20におけるエネルギーポテンシャルの急坂を下って移動していく。その結果コレクタ電圧Vcが降伏電圧Vb以下であっても電流が流れ始める。
【0022】
つまり、本発明による炭化珪素半導体装置は、コレクタ電圧VcをVb以下に保ち、この状態にてベース電極80に印加する電圧を変えることにより、コレクタ電極90とエミッタ電極70との間の電流制御を行うものである。
【0023】
次に、本実施例の炭化珪素半導体装置の製造方法の一例を、図6〜図11の断面図を用いて説明する。
【0024】
まず、図6の工程においては、コレクタ領域となるN+型SiC基板10の上に例えば不純物濃度が1×1014〜1×1018cm−3、厚さが1〜100μmのN−型SiCエピタキシャル領域20が形成されている。
【0025】
図7の工程においては、エピタキシャル領域20に対して犠牲酸化を行い、その犠牲酸化膜を除去した後に、多結晶シリコンベース領域30となる多結晶シリコンを例えば5nm(50オングストローム)から10μm程度、減圧CVD法を用いて堆積し、その後、その多結晶シリコンに所望の不純物(例えばほう素など)を導入しP−型多結晶シリコンベース領域30とする。不純物を導入する方法としては、堆積した多結晶シリコンベース領域30のさらに上に高濃度にドーピングされた堆積膜を堆積し、600〜1000℃程度の熱処理により堆積膜中の不純物を多結晶シリコンベース領域30中に熱拡散させるか、またはイオン注入により不純物を直接多結晶シリコンベース領域30中に導入してもよい。
【0026】
図8の工程においては、P−型多結晶シリコンベース領域30に所望の不純物(例えば燐など)を導入しN+型多結晶シリコンエミッタ領域40を形成する。不純物を導入する方法としては、所定領域を開孔したマスク材190を用いて、その上に高濃度にドーピングされた堆積膜を堆積し、600〜1000℃程度の熱処理により堆積膜中の不純物を多結晶シリコンベース領域30中に熱拡散させるか、またはイオン注入により不純物を直接多結晶シリコンベース領域30中に導入してN+型多結晶シリコンエミッタ領域40を形成してもよい。
【0027】
図9の工程においては、P−型多結晶シリコンベース領域30に所望の不純物(例えばほう素など)を導入しP+型多結晶シリコンコンタクト領域50を形成する。不純物を導入する方法としては、所定領域を開孔したマスク材191を用いて、その上に高濃度にドーピングされた堆積膜を堆積し、600〜1000℃程度の熱処理により堆積膜中の不純物を多結晶シリコンベース領域30中に熱拡散させるか、またはイオン注入により不純物を直接多結晶シリコンベース領域30中に導入してP+型多結晶シリコンコンタクト領域50を形成してもよい。
【0028】
図10の工程においては、マスク材191を除去後、例えば1000℃程度の熱処理を行って図7〜図9の工程で多結晶シリコンベース領域30に導入した不純物の活性化を行う。また多結晶シリコンベース領域30におけるキャリアの移動度を向上させるために、例えば多結晶シリコンベース領域30をアニールして単結晶化または多結晶のグレインサイズを大きくしてもよい。多結晶シリコンベース領域30にレーザー光を照射することにより結晶化させてもよい。
【0029】
図11の工程においては、CVD法を用いて層間絶縁膜60を堆積する。
【0030】
その後は特に図示しないが、層間絶縁膜60の所定領域を開孔して、N+型多結晶シリコンエミッタ領域40に接触するようにエミッタ電極70を、またP+型多結晶シリコンコンタクト領域50に接触するようにベース電極80をそれぞれ形成する。さらに、N+SiC基板10裏面にはコレクタ電極90として金属膜を蒸着し、例えば600〜1200℃程度で熱処理してオーミック電極とする。
【0031】
このようにして図1に示す炭化珪素半導体装置が完成する。
【0032】
本実施例及び以下の実施例で例示されるように、本発明の実施により、炭化珪素半導体とヘテロ接合を形成する半導体(各実施例においては多結晶シリコン)とのヘテロ接合を利用することにより、素子耐圧と電流増幅率hFEのトレードオフを改善した、低抵抗/高耐圧の高速スイッチング素子である炭化珪素半導体装置を、簡素な構成で作製可能である。
【0033】
以下に、図1に示す炭化珪素半導体装置を例として、本発明に係る炭化珪素半導体装置における素子耐圧と電流増幅率hFEのトレードオフの改善について詳しく説明する。
【0034】
まず、コレクタ電圧Vcを印加した状態で、ベース電極80に正電圧を印加するとP−型多結晶シリコンベース領域30に正孔が注入される。注入された正孔は、N+型多結晶シリコンエミッタ領域40に移動する。一方で正孔は、ヘテロ接合に形成されるエネルギー障壁210に阻まれ、SiCエピタキシャル領域20へは進入できない。このためコレクタ電流が大きくなるような条件下でもベース電極80から注入される正孔量は増加することなく、高い電流増幅率hFEを保持することが可能である。
【0035】
また、P−型多結晶シリコンベース領域30の不純物濃度を小さくしても、高コレクタ電圧印加時にはヘテロ接合界面に電子が蓄積し、電界がシールドされるため、パンチスルーが起こらず高耐圧素子を得ることができる。即ち高耐圧を維持したままベース領域であるP−型多結晶シリコンベース領域30の不純物濃度を小さくできるから、エミッタ注入効率が高く電流増幅率hFEが大きい。
【0036】
本発明に係る炭化珪素半導体装置では、このように、炭化珪素と半導体材料とのヘテロ接合を利用することにより、素子耐圧と電流増幅率hFEのトレードオフを改善できる。
【0037】
なお、ベース領域の濃度を薄くするとベース抵抗が大きくなりアバランシェ耐量が小さくなるのが一般的だが、本炭化珪素半導体装置ではベース領域であるP−型多結晶シリコンベース領域30の厚さを薄くしても、やはりヘテロ接合界面に電子が蓄積し電界がシールドされる。それゆえ、ベース長(多結晶シリコンベース領域30の厚さ)を例えば20nm(200オングストローム)と短くすることが可能である。その結果、著しくベース抵抗を小さくできるから、アバランシェ耐量は十分大きく維持できる。さらに、ベース厚さを薄くできるということは、ベース領域内でのキャリアの走行時間が短くなり、応答速度が増大し、高周波領域での動作が可能となる効果をもたらす。
【0038】
また、本炭化珪素半導体装置においては基本となる素子構造の作製工程において、炭化珪素半導体中へのイオン注入による不純物導入が必要ない。その結果、結晶性回復を兼ねた1500℃以上もの不純物活性化アニールは不要であり、製造工程が容易であるとともに高温アニールで生じる表面モフォロジ−の悪化も回避できる。
【0039】
さらに本実施例では、P−型多結晶シリコンベース領域30を形成する半導体材料として多結晶シリコンを用いた。多結晶シリコンは、炭化珪素基板上への堆積、または酸化、パターニング、選択的エッチング、選択的伝導度制御等が容易であるため、本炭化珪素半導体装置の作製工程を簡単にできる。
【0040】
なお図1の実施例では、N−型SiCエピタキシャル領域20上にP−型多結晶シリコンベース領域30を堆積し、そのP−型多結晶シリコンベース領域30にN+型多結晶シリコンエミッタ領域40とP+型多結晶シリコンコンタクト領域50を形成する高耐圧用のバイポーラトランジスタの例を示したが、P−型多結晶シリコンベース領域30に対してベース電極80が直にオーミック電極となる場合には、P+型多結晶シリコンコンタクト領域50は無くともよい。またN+型多結晶シリコンエミッタ領域40とP+型多結晶シリコンコンタクト領域50の形成は、P−型多結晶シリコンベース領域30に所望の不純物を導入する例で説明したが、所望の厚さのP−型多結晶シリコンベース領域30を形成し、その上にN+型多結晶シリコンエミッタ領域40及びP+型多結晶シリコンコンタクト領域50を堆積して形成しても構わない。
【0041】
本実施例で例示したように、第1導電型のコレクタ領域と、該コレクタ領域上に形成される第2導電型のベース領域と、該ベース領域上に形成される第1導電型のエミッタ領域と、前記コレクタ領域に接続するコレクタ電極と、前記ベース領域に接続するベース電極と、前記エミッタ領域に接続するエミッタ電極とを有する炭化珪素半導体装置において、前記コレクタ領域が炭化珪素半導体から成り、前記ベース領域が、炭化珪素半導体とヘテロ接合を形成する半導体材料から成ることを特徴とする炭化珪素半導体装置を構成すれば、炭化珪素と該半導体材料とのヘテロ接合を利用することにより、素子耐圧と電流増幅率hFEのトレードオフを改善した、低抵抗/高耐圧の高速スイッチング素子を、簡素な構成で実現することができる。
【0042】
本炭化珪素半導体装置においては、前記半導体材料からなるベース領域にベース電極から注入されたキャリアは、エミッタ領域には移動できるが、ヘテロ接合に形成されるエネルギー障壁に阻まれ、炭化珪素からなるコレクタ領域へは進入できない。このためコレクタ電流が大きくなるような条件下でも、ベース電極からベース領域へ注入されるキャリアは増加することなく、高い電流増幅率hFEを保持することが可能である。
【0043】
また、前記半導体材料からなるベース領域の不純物濃度を小さくしても、高コレクタ電圧印加時にはヘテロ接合界面に電子(一般にはキャリア)が蓄積し、電界がシールドされるため、パンチスルーが起こらず、高耐圧素子を得ることができる。即ち高耐圧を維持したままベース領域の不純物濃度を小さくできるから、エミッタ注入効率が高く電流増幅率hFEが大きい。
【0044】
本炭化珪素半導体装置では、このように、炭化珪素とヘテロ接合半導体材料とのヘテロ接合を利用することにより、素子耐圧と電流増幅率hFEのトレードオフを改善できる。
【0045】
なお、ベース領域の濃度を薄くするとベース抵抗が大きくなり、アバランシェ耐量が小さくなるのが一般的だが、本炭化珪素半導体装置ではベース領域の厚さを薄くしても、やはりヘテロ接合界面に電子が蓄積し電界がシールドされる。それゆえベース長(ベース領域(各実施例においてはP−型多結晶シリコンベース領域30)の厚さ)を例えば20nm(200オングストローム)と短くすることが可能である。その結果、著しくベース抵抗を小さくできるから、アバランシェ耐量は十分大きく維持できる。さらに、ベース厚さを薄くできるということは、ベース領域内でのキャリアの走行時間が短くなり、応答速度が増大し、高周波領域での動作が可能となる効果をもたらす。
【0046】
また、本炭化珪素半導体装置においては、基本となる素子構造の作製工程において、炭化珪素半導体中へのイオン注入による不純物導入が必要ない。その結果、結晶性回復を兼ねた1500℃以上もの不純物活性化アニールは不要であり、製造工程が容易であるとともに高温アニールで生じる表面モフォロジーの悪化も回避できる。
【0047】
(実施例2)
図2は本発明による炭化珪素半導体装置の第2の実施例を示している。構成上の図1との相違は、P−型多結晶シリコンベース領域30下部の、第1導電型のコレクタ領域であるN−型SiCエピタキシャル領域20表層の一部に、N−型SiCエピタキシャル領域20よりも不純物濃度が高い第1導電型の高不純物濃度半導体領域であるN+型SiC領域100を形成したことである。N+型SiC領域100はP−型多結晶シリコンベース領域30に接触し、ヘテロ接合を形成している。
【0048】
P−型多結晶シリコンベース領域30をN+型SiC領域100にヘテロ接合させると、N+型SiC領域100にはキャリアが多量に存在するので空乏層が拡がらず、エネルギー障壁の厚さが極薄に形成される。図18にその様子を示す。SiC側の点線で示したエネルギーレベルが実施例1におけるN−型エピタキシャル領域20におけるものであり、右端、急勾配の実線が本実施例におけるN+型SiC領域100におけるものを示す。このように、エネルギー障壁が極薄になると、コレクタ−エミッタ間に電圧を印加した状態でベース電極80に正電圧を印加した時、N+型多結晶シリコンエミッタ領域40からP−型多結晶シリコンベース領域30へと移動する大量の電子が、極薄のエネルギー障壁を通過できるようになる。そのため接合界面で障壁を越えられないで蓄積してしまう電子がなくなるから、電流増幅率hFEが向上する。
【0049】
即ち本実施例においては、実施例1記載の効果に加え、ベース電流による素子主電流の制御性が向上し、電流増幅率hFEが向上するという効果が得られる。
【0050】
このときP−型多結晶シリコンベース領域30とN+型SiC領域100との耐圧は低いが、N+型SiC領域100が形成されないP−型多結晶シリコンベース領域30とN−型SiCエピタキシャル領域20接合において、P−型多結晶シリコンベース領域30下部からN−型エピタキシャル領域20内に空乏層が伸びるので、P−型多結晶シリコンベース領域30とN+型SiC領域100との接合にかかる電界がシールドされるから、コレクタ耐圧の低下を防止できる。
【0051】
本実施例で例示したように、前記ベース領域下部の前記コレクタ領域表層の一部に、少なくとも前記コレクタ領域よりも不純物濃度が高い第1導電型の高不純物濃度半導体領域が形成されており、前記高不純物濃度半導体領域が前記ベース領域に接触していることを特徴とする炭化珪素半導体装置を構成すれば、高濃度半導体領域への空乏層の拡がりが小さくなり、エネルギー障壁の厚さが薄く形成される。その結果、本炭化珪素半導体装置においては、実施例1で例示された発明の効果に加えて、キャリアがエネルギー障壁を通過し易くなり、ベース電流による主電流の制御が容易になる(電流増幅率hFEが高くなる)という効果が現われる。
【0052】
(実施例3)
図3は本発明による炭化珪素半導体装置の第3の実施例を示している。構成上の図2との相違は、第1導電型のコレクタ領域であるSiCエピタキシャル領域20表層のN+型SiC領域100が形成されない部分に、エミッタ電極70に接続された、第2導電型の電界緩和領域であるP型SiC電界緩和領域110を配置したことである。
【0053】
本実施例では、コレクタ電極90に電圧を印加すると、P型SiC電界緩和領域110からN−型エピタキシャル領域20へと空乏層を伸ばすことができる。そしてその空乏層はP−型多結晶シリコンベース領域30とN+型SiC領域100との接合にかかる電界を、実施例2に比べてより効果的にシールドできるから、リーク電流を低減しコレクタ耐圧の低下を防止することができる。
【0054】
なお本実施例では、P型SiC電界緩和領域110はエミッタ電極70に接続された例で説明したが、接続されていなくても構わない。
【0055】
本実施例で例示したように、前記ベース領域下部の前記コレクタ領域表層の一部に、第2導電型の電界緩和領域が形成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れば、上記の発明の効果に加え、第2導電型の電界緩和領域により、素子の耐圧がこの領域とコレクタ領域とのダイオード逆方向耐圧で決まるように設計できるため、高耐圧素子が得られる。また、ベース領域とコレクタ領域(もしくは高濃度半導体領域)とのヘテロ接合にかかる電界が、第2導電型の電界緩和領域とコレクタ領域との接合界面からコレクタ領域に伸びる空乏層によって緩和されるので、リーク電流を低減することができる。
【0056】
(実施例4)
図4は本発明による炭化珪素半導体装置の第4の実施例を示している。構成上の図3との相違は、P型SiC電界緩和領域110の代わりに、N−型SiCエピタキシャル領域20表層の所定領域に形成される溝201内に絶縁性電界緩和層である絶縁膜120を形成している点である。
【0057】
本実施例を適用することで、N+型SiC領域100に対してより深い位置から空乏層を伸ばすことができ、P−型多結晶シリコンベース領域30とN+型SiC領域100との接合にかかる電界をシールドしやすい。その結果、効果的にリーク電流を低減し、コレクタ耐圧の低下を防止することができる。
【0058】
また本実施例の作製工程においては、実施例3と異なりP型SiC電界緩和領域110を形成しなくて済むため、炭化珪素半導体中へのイオン注入による不純物導入が不要である。その結果、結晶性回復を兼ねた1500℃以上もの不純物活性化アニールは不要であり、製造工程の負荷が減らせるとともに高温アニールで生じる表面モフォロジーの悪化も回避できる。
【0059】
なお、図4は溝201を形成しその内部に絶縁膜120を形成する例で説明したが、別に溝を形成せず、エピタキシャル成長したままのN−型SiCエピタキシャル領域20表面上に直接絶縁膜を形成してもコレクタ耐圧の低下を防止する効果が得られる。
【0060】
本実施例で例示したように、前記第2導電型の電界緩和領域に代えて、絶縁性電界緩和層が形成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れば、ベース領域とコレクタ領域(もしくは高濃度半導体領域)とのヘテロ接合にかかる電界が、絶縁電界緩和層により緩和されるので、素子の高耐圧化が図れるとともにリーク電流を低減することができる。さらに本炭化珪素半導体装置では、前記第2導電型の電界緩和領域を形成しなくて済むため、炭化珪素半導体中へのイオン注入による不純物導入が不要である。その結果、結晶性回復を兼ねた1500℃以上もの不純物活性化アニールは不要であり、製造工程が容易であるとともに高温アニールで生じる表面モフォロジーの悪化も回避できる。
【0061】
(実施例5)
図5は本発明による炭化珪素半導体装置の第5の実施例を示している。第1導電型のコレクタ領域となるN−型エピタキシャル領域20がN+型SiC基板10上に積層される。エピタキシャル領域20表層部の所定領域には所定深さを有する溝200が形成される。そして溝200に沿って、エピタキシャル領域20上の所定領域に第2の導電型のベース領域であるP−型多結晶シリコンベース領域30が形成される。溝200の少なくとも一部はP−型多結晶シリコン30に接している。
【0062】
P−型多結晶シリコンベース領域30とSiCエピタキシャル領域20とはヘテロ接合しており、図15のエネルギーバンド図に示すように接合界面にはエネルギー障壁210が存在している。また、同じく溝200に沿ってN+型多結晶シリコンエミッタ領域40がP−型多結晶シリコンベース領域30上に形成される。溝200内にはゲート絶縁膜170を介してゲート電極160が形成されている。P−型多結晶シリコンベース領域30表層の所定領域にはP+型多結晶シリコンコンタクト領域50が形成される。
【0063】
そして、N+型多結晶シリコンエミッタ領域40にはエミッタ電極70が、P+型多結晶シリコンコンタクト領域50にはベース電極80が、またN+型SiC基板10裏面にはコレクタ電極90がそれぞれ接続される。
【0064】
なお、60は層間絶縁膜であり、半導体表面や接合表面の保護、安定化の作用をする。180はP型SiC電界緩和領域であり、コレクタ電界に対して溝200底部のゲート絶縁膜170に掛かる電界を緩和する。
【0065】
構成上の本実施例1との相違は、N+型多結晶シリコンエミッタ領域40とP−型多結晶シリコンベース領域30を深さ方向に貫通してN−型エピタキシャル領域20にまで達する溝200を設け、溝200内にゲート絶縁膜170を介してゲート電極160を設けたことである。また溝200底部のゲート絶縁膜170に掛かる電界を緩和するため、第2の導電型の電界緩和領域であるP型SiC電界緩和領域180を設けた。P型SiC電界緩和領域180は実施例3と同様の効果を有する。
【0066】
本実施例は、エミッタ電極70を接地し、コレクタ電極90に正の電圧Vcを印加して使用する。そしてこの時ベース電極80に電圧が印加されないと、素子の特性はP−型多結晶シリコンベース領域30とN−型SiCエピタキシャル領域20とのヘテロ接合ダイオードの逆方向バイアス特性となる。
【0067】
このヘテロ接合ダイオードの逆方向バイアス特性は、実施例1において説明したものと同様である。
【0068】
次に、第5の実施例における順方向特性について説明する。
【0069】
コレクタ−エミッタ間に電圧Vcを印加した状態でベース電極80及びゲート電極160にそれぞれ所定の正電圧を印加すると、実施例1と同様に、図17の図に示すようにP−型多結晶シリコンベース領域30のエネルギーレベルが下がるため、ベース電極80からP−型多結晶シリコンベース領域30へと正孔が注入される(ベース電流が流れ始める)。それと同時に、N+型多結晶シリコンエミッタ領域40からP−型多結晶シリコンベース領域30へと電子が大量に移動してくる。
【0070】
この時、ゲート電極160に印加された正電圧によって、ゲート絶縁膜170に接するN−型エピタキシャル領域20は蓄積状態となり、表層にN+型層が形成されている。さらに、この正電圧によって、P−型多結晶シリコンベース領域30とN−型SiCエピタキシャル領域20とのヘテロ接合界面に電界が作用し、ヘテロ接合面がなすエネルギー障壁の厚さが薄くなっている。これは実施例2で示したヘテロ接合界面と同様のバンド構造となり、このことは、同じく図18で説明することができる。即ち、図18中の右端、急勾配の点線で示したエネルギーレベルがゲート電圧印加前であり、右端、急勾配の実線がゲート電圧印加後を示す。
【0071】
その結果、N+型多結晶シリコンエミッタ領域40からP−型多結晶シリコンベース領域30へと移動する大量の電子が、薄くなったエネルギー障壁を通過できるようになる。そのため接合界面で障壁を越えられないで蓄積してしまう電子がなくなるから、電流増幅率hFEが実施例1に比べて大きく向上する。
【0072】
即ち、実施例5の炭化珪素半導体装置では、実施例1記載の効果に加え、ベース電流による素子主電流の制御性が向上し、電流増幅率hFEが向上するという効果が得られる。
【0073】
このとき高コレクタ電界によって溝200底部のゲート絶縁膜にかかる電界は、P型SiC電界緩和領域180により緩和されるから、コレクタ耐圧の低下を防止できる。
【0074】
次に本実施例の炭化珪素半導体装置の製造方法の一例を、図6〜図10、図12〜図14の断面図を用いて説明する。
【0075】
図6〜10の工程は実施例1で説明した工程と同様であるから、その説明を省略する。
【0076】
図12の工程においては、マスク材192を用いて例えばプラズマエッチング法により溝200を形成する。溝200は、N+型多結晶シリコンエミッタ領域40とP−型多結晶シリコンベース領域30を深さ方向に貫通し、N−型SiCエピタキシャル領域20にまで達する深さを有する。
【0077】
図13の工程においては、同じくマスク材192を用いて、例えば100〜1000℃の高温でアルミニウムイオンを10keV〜3MeVの加速電圧で多段注入し、注入したイオンを活性化させるための熱処理を行って、P型SiC電界緩和領域180を形成する。その後、ゲート絶縁膜170として、例えばCVD酸化膜を100nm(1000オングストローム)程度堆積する。
【0078】
図14の工程においては、例えばLP−CVD法(低圧CVD法)によりポリシリコンを溝200内に充填してゲート電極160とし、次にCVD法を用いて層間絶縁膜60を堆積する。
【0079】
その後は特に図示しないが、層間絶縁膜60の所定領域を開孔して、N+型多結晶シリコンエミッタ領域40に接触するようにエミッタ電極70を、またP+型多結晶シリコンコンタクト領域50に接触するようにベース電極80をそれぞれ形成する。さらにSiC基板10裏面にはコレクタ電極90として金属膜を蒸着し、例えば600〜1200℃程度で熱処理してオーミック電極とする。
【0080】
このようにして図5に示す炭化珪素半導体装置が完成する。
【0081】
この炭化珪素半導体装置では、実施例1記載の効果に加え、ベース電流による素子主電流の制御性が向上し、電流増幅率hFEが向上するという効果が得られる。
【0082】
なお図5の実施例では、N−型SiCエピタキシャル領域20上にP−型多結晶シリコンベース領域30を堆積し、そのP−型多結晶シリコンベース領域30にN+型多結晶シリコンエミッタ領域40とP+型多結晶シリコンコンタクト領域50を形成する高耐圧用のバイポーラトランジスタの例を示したが、P−型多結晶シリコンベース領域30に対してベース電極80が直にオーミック電極となる場合には、P+型多結晶シリコンコンタクト領域50は無くともよい。またN+型多結晶シリコンエミッタ領域40とP+型多結晶シリコンコンタクト領域50の形成は、P−型多結晶シリコンベース領域30に所望の不純物を導入する例で説明したが、所望の厚さのP−型多結晶シリコンベース領域30を形成し、その上にN+型多結晶シリコンエミッタ領域40及びP+型多結晶シリコンコンタクト領域50を堆積して形成しても構わない。
【0083】
またゲート電極160はベース電極80と接続されていても構わない。溝200底部のゲート絶縁膜170を保護するP型SiC電界緩和領域180はなくても構わない。P型SiC電界緩和領域はアルミニウムをイオン注入して作製する例で示したが、他にもほう素やガリウムを用いて作製してもよいし、またP型にしなくてもアルゴンなどを用いて電界を緩和する高抵抗層としても構わない。
【0084】
一般に、本願発明においては、本実施例と同様の構成によってゲート絶縁膜とゲート電極とを設けることにより、上記と同様の効果が得られる。
【0085】
本実施例で例示したように、前記ベース領域と前記コレクタ領域(もしくは高濃度半導体領域)とのヘテロ接合に、ゲート絶縁膜を介してゲート電極が形成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れば、ゲート電極に電圧を印加することで、ヘテロ接合に形成されるエネルギー障壁の厚さを薄くすることができる。その結果、キャリアがエネルギー障壁を通過し易くなり、ベース電流による主電流の制御が容易になる(電流増幅率hFEが高くなる)。
【0086】
さらに、前記溝下部の前記コレクタ領域表層の所定領域には、前記ゲート絶縁膜に接して第2導電型の電界緩和領域が形成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れば、素子に逆電圧が印加された時に、前記第2導電型の電界緩和領域からコレクタ領域側に空乏層が拡がるため、溝底部のゲート絶縁膜に掛かる電界を緩和することができる。その結果、炭化珪素半導体装置内部でアバランシェ降伏が起きる以前にゲート絶縁膜がブレークダウンを起こすことを防止できるので、所望の素子耐圧が得られる。
【0087】
さらに、前記ゲート電極を有する炭化珪素半導体装置において、前記ベース電極を前記ゲート電極に接続すれば、接続前には電源端子が4つ必要であるのに対して、接続後には、電源端子は3つで足り、本炭化珪素半導体装置を3端子素子として用いることができる。
【0088】
上記各実施例においては、炭化珪素半導体とヘテロ接合を形成する半導体材料として多結晶シリコンを用いているが、この多結晶シリコンに代えて、単結晶シリコンまたはアモルファスシリコンを用いてもよい。これらの材料は、多結晶シリコンを含めて、炭化珪素よりもバンドギャップが小さく、このため、本発明に係る炭化珪素半導体装置において、発明の効果を容易に実現させることができる。また、単結晶シリコン、アモルファスシリコンまたは多結晶シリコンを用いる場合に、炭化珪素基板上への堆積、ならびに、堆積膜の酸化、パターニング、選択的エッチング、選択的伝導度制御等が、今までに蓄積された半導体技術の利用によって、容易に遂行可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明第1の実施例を示す断面図である。
【図2】本発明第2の実施例を示す断面図である。
【図3】本発明第3の実施例を示す断面図である。
【図4】本発明第4の実施例を示す断面図である。
【図5】本発明第5の実施例を示す断面図である。
【図6】本発明第1の実施例の製造工程を示す断面図である。
【図7】本発明第1の実施例の製造工程を示す断面図である。
【図8】本発明第1の実施例の製造工程を示す断面図である。
【図9】本発明第1の実施例の製造工程を示す断面図である。
【図10】本発明第1の実施例の製造工程を示す断面図である。
【図11】本発明第1の実施例の製造工程を示す断面図である。
【図12】本発明第5の実施例の製造工程(一部)を示す断面図である。
【図13】本発明第5の実施例の製造工程(一部)を示す断面図である。
【図14】本発明第5の実施例の製造工程(一部)を示す断面図である。
【図15】N+型Si/P−型Si/4H−SiCのエネルギーバンド図である。
【図16】N+型Si/P−型Si/4H−SiCのエネルギーバンド図(コレクタ電圧印加、ベース電圧オフ時)である。
【図17】N+型Si/P−型Si/4H−SiCのエネルギーバンド図(コレクタ電圧印加、ベース電圧オン時)である。
【図18】N+型Si/P−型Si/4H−SiCのエネルギーバンド図(コレクタ電圧印加、ベース電圧オン時)である。図中、右端、急勾配の実線はN+型SiC領域100がある場合またはゲート電極160有りでゲート電圧がオンの場合を示す。
【符号の説明】
10…N+型SiC基板、20…N−型SiCエピタキシャル領域、30…P−型多結晶シリコンベース領域、40…N+型多結晶シリコンエミッタ領域、50…P+型多結晶シリコンコンタクト領域、60…層間絶縁膜、70…エミッタ電極、80…ベース電極、90…コレクタ電極、100…N+型SiC領域、110…P型SiC電界緩和領域、120…絶縁膜、130…P−型SiCベース領域、140…N+型SiCエミッタ領域、150…P+型SiCコンタクト領域、160…ゲート電極、170…ゲート絶縁膜、180…P型SiC電界緩和領域、190、191、192…マスク材、200、201…溝、210…ヘテロ接合障壁。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a silicon carbide semiconductor device.
[0002]
[Prior art]
[Non-Patent Document] "Paper: Yi Tang, Jeffery B. Fedison and T. Paul Chow, Materials Science Forum Vols. 389-393 (2002) pp. 1329-1332."
[0003]
2. Description of the Related Art In recent years, studies on semiconductor elements utilizing the extremely stable properties of silicon carbide (SiC), which are extremely thermally and chemically stable, have been actively conducted. Silicon carbide has a larger energy gap (forbidden band width) Eg than silicon. For example, since 4g type crystal has Eg = 3.3 eV, it has excellent electric breakdown voltage characteristics and is suitable for power devices such as power control elements. The application of is expected. As an example, as exemplified in the above-mentioned non-patent literature, there is a vertical bipolar transistor for high withstand voltage and large current, which has a feature that the on-resistance of the element can be reduced.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the SiC high breakdown voltage bipolar transistor has the following problems. That is, a phenomenon in which a depletion layer spreads in the base region due to a reverse voltage applied to the collector electrode and reaches the emitter region is called punch-through. However, in order to obtain a high breakdown voltage, this punch-through must not be caused. For this purpose, it is necessary to increase the impurity concentration in the base region and increase the base length. However, in that case, the emitter injection efficiency is lowered and the current amplification factor h FE Becomes smaller. That is, the breakdown voltage of the element and the current amplification factor h FE There is a problem that there is a trade-off relationship.
[0005]
The present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, and has a current amplification factor h. FE It is an object of the present invention to provide a high breakdown voltage silicon carbide semiconductor device excellent in performance.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, in the present invention, a collector region made of a first conductivity type silicon carbide semiconductor, a base region made of a second conductivity type semiconductor material forming a heterojunction with the silicon carbide semiconductor, and A silicon carbide semiconductor device having a collector region of one conductivity type is formed.
[0007]
【The invention's effect】
By implementing the present invention, the current amplification factor h FE It is possible to provide a silicon carbide semiconductor device having a high withstand voltage excellent in quality.
[0008]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings by way of examples.
[0009]
The polytype of silicon carbide (SiC) used in the following examples is typically 4H, but other polytypes such as 6H and 3C may be used. In addition, although an example in which polycrystalline silicon is used as a semiconductor material for forming a heterojunction with a silicon carbide semiconductor has been described, such a semiconductor material is also more suitable than a silicon carbide semiconductor such as single crystal silicon or amorphous silicon. Any semiconductor material having a small energy gap Eg can be used.
[0010]
Further, in the following examples, a silicon carbide semiconductor device having a structure in which a collector electrode is formed on the back surface of a semiconductor substrate, an emitter electrode is arranged on the substrate surface, and a current flows in the device in a vertical direction has been described. The present invention is also applicable to a semiconductor device having a structure in which a collector electrode is arranged on the substrate surface in the same manner as an emitter electrode and a current flows in a lateral direction.
[0011]
Further, in the following embodiment, for example, a configuration is described in which the collector region (20 in the following embodiment) is N-type and the base region (30 in the following embodiment) is P-type. The combination of types is not limited to this, and for example, a configuration may be adopted in which the collector region is P-type and the base region is N-type.
[0012]
Needless to say, the present invention includes modifications without departing from the gist of the present invention.
[0013]
(Example 1)
FIG. 1 shows a first embodiment of a silicon carbide semiconductor device according to the present invention.
[0014]
N serving as a collector region of the first conductivity type − Type SiC
[0015]
Also, P − In a predetermined region of the surface layer of the base type polycrystalline
[0016]
N + Type
[0017]
[0018]
The silicon carbide semiconductor device (FIG. 1) in the present embodiment is used by grounding the
[0019]
That is, a depletion layer extends toward the
[0020]
In the reverse bias characteristics of the heterojunction diode as described above, P − Experiments have confirmed that a withstand voltage of 300 V or more can be ensured even if the thickness of the mold polycrystalline
[0021]
On the other hand, when a positive voltage is applied to the
[0022]
That is, the silicon carbide semiconductor device according to the present invention controls the current between
[0023]
Next, an example of a method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment will be described with reference to the cross-sectional views of FIGS.
[0024]
First, in the step of FIG. + The impurity concentration is, for example, 1 × 10 14 ~ 1 × 10 18 cm -3 , N having a thickness of 1 to 100 μm − Type
[0025]
In the step of FIG. 7, after the sacrificial oxidation is performed on the
[0026]
In the process of FIG. − A desired impurity (for example, phosphorus) is introduced into + Forming a polycrystalline
[0027]
In the process of FIG. − A desired impurity (for example, boron or the like) is introduced into + Form a polycrystalline
[0028]
In the step of FIG. 10, after removing the
[0029]
In the step of FIG. 11, an
[0030]
Thereafter, although not specifically shown, a predetermined region of the
[0031]
Thus, the silicon carbide semiconductor device shown in FIG. 1 is completed.
[0032]
As exemplified in this embodiment and the following embodiments, by implementing the present invention, it is possible to use a heterojunction with a semiconductor (polycrystalline silicon in each embodiment) forming a heterojunction with a silicon carbide semiconductor. , Element breakdown voltage and current amplification factor h FE A silicon carbide semiconductor device which is a low-resistance / high-withstand-voltage high-speed switching element with an improved trade-off can be manufactured with a simple configuration.
[0033]
Hereinafter, taking the silicon carbide semiconductor device shown in FIG. 1 as an example, the element withstand voltage and the current amplification factor h in the silicon carbide semiconductor device according to the present invention will be described. FE The improvement of the trade-off will be described in detail.
[0034]
First, when a positive voltage is applied to the
[0035]
Also, P − Even when the impurity concentration of the base polycrystalline
[0036]
In the silicon carbide semiconductor device according to the present invention, as described above, by utilizing the hetero junction of silicon carbide and the semiconductor material, the element breakdown voltage and the current amplification factor h FE Can be improved.
[0037]
In general, when the concentration of the base region is reduced, the base resistance increases and the avalanche withstand capability decreases, but in the present silicon carbide semiconductor device, the base region P − Even if the thickness of the polycrystalline
[0038]
Further, in the present silicon carbide semiconductor device, in the step of manufacturing the basic element structure, it is not necessary to introduce impurities by ion implantation into the silicon carbide semiconductor. As a result, an impurity activation annealing at 1500 ° C. or higher for recovery of crystallinity is not required, so that the manufacturing process is easy and deterioration of surface morphology caused by high-temperature annealing can be avoided.
[0039]
Further, in this embodiment, P − Polycrystalline silicon was used as a semiconductor material for forming the type polycrystalline
[0040]
In the embodiment shown in FIG. − P on the
[0041]
As exemplified in this embodiment, a collector region of the first conductivity type, a base region of the second conductivity type formed on the collector region, and an emitter region of the first conductivity type formed on the base region A collector electrode connected to the collector region, a base electrode connected to the base region, and an emitter electrode connected to the emitter region, wherein the collector region is made of a silicon carbide semiconductor; When a silicon carbide semiconductor device is characterized in that the base region is made of a semiconductor material that forms a heterojunction with a silicon carbide semiconductor, the device withstand voltage can be improved by utilizing the heterojunction between silicon carbide and the semiconductor material. Current amplification factor h FE And a high-speed switching element with low resistance / high withstand voltage that has improved the trade-off can be realized with a simple configuration.
[0042]
In the present silicon carbide semiconductor device, carriers injected from the base electrode into the base region made of the semiconductor material can move to the emitter region, but are blocked by the energy barrier formed at the hetero junction, and the collector made of silicon carbide You cannot enter the area. Therefore, even under the condition that the collector current becomes large, the carrier injected from the base electrode into the base region does not increase, and the high current amplification factor h FE Can be held.
[0043]
Even when the impurity concentration in the base region made of the semiconductor material is reduced, electrons (generally, carriers) accumulate at the heterojunction interface when a high collector voltage is applied, and the electric field is shielded. A high breakdown voltage element can be obtained. That is, since the impurity concentration in the base region can be reduced while maintaining a high breakdown voltage, the emitter injection efficiency is high and the current amplification factor h is high. FE Is big.
[0044]
In the present silicon carbide semiconductor device, by utilizing the heterojunction between silicon carbide and the heterojunction semiconductor material, element breakdown voltage and current amplification factor h FE Can be improved.
[0045]
In general, when the concentration of the base region is reduced, the base resistance is increased and the avalanche withstand capability is reduced. However, in the present silicon carbide semiconductor device, even when the thickness of the base region is reduced, electrons still remain at the heterojunction interface. The accumulated electric field is shielded. Therefore, the base length (base region (P in each embodiment) − The thickness of the polycrystalline silicon base region 30) can be reduced to, for example, 20 nm (200 angstroms). As a result, the base resistance can be significantly reduced, so that the avalanche withstand capability can be maintained sufficiently large. Furthermore, the fact that the base thickness can be made thinner has the effect of shortening the traveling time of carriers in the base region, increasing the response speed, and enabling operation in the high frequency region.
[0046]
Further, in the present silicon carbide semiconductor device, in the manufacturing process of the basic element structure, it is not necessary to introduce impurities by ion implantation into the silicon carbide semiconductor. As a result, annealing for impurity activation at 1500 ° C. or higher that also serves to recover crystallinity is unnecessary, so that the manufacturing process is easy and deterioration of surface morphology caused by high-temperature annealing can be avoided.
[0047]
(Example 2)
FIG. 2 shows a second embodiment of the silicon carbide semiconductor device according to the present invention. The difference from the configuration shown in FIG. − N, which is a collector region of the first conductivity type, under the base type polysilicon base region 30 − N-type SiC epitaxial region 20 − N, which is a first conductivity type high impurity concentration semiconductor region having an impurity concentration higher than that of the
[0048]
P − Type polycrystalline
[0049]
That is, in this embodiment, in addition to the effects described in the first embodiment, the controllability of the element main current by the base current is improved, and the current amplification factor h FE Is improved.
[0050]
Then P − Type polycrystalline
[0051]
As exemplified in the present embodiment, a first conductivity type high impurity concentration semiconductor region having an impurity concentration higher than at least the collector region is formed in a part of the collector region surface layer below the base region, When the silicon carbide semiconductor device is characterized in that the high impurity concentration semiconductor region is in contact with the base region, the extension of the depletion layer to the high concentration semiconductor region is reduced, and the thickness of the energy barrier is reduced. Is done. As a result, in the present silicon carbide semiconductor device, in addition to the effects of the invention exemplified in the first embodiment, carriers easily pass through the energy barrier, and control of the main current by the base current becomes easy (current amplification factor h FE Becomes higher).
[0052]
(Example 3)
FIG. 3 shows a third embodiment of the silicon carbide semiconductor device according to the present invention. The difference from the configuration shown in FIG. 2 is that the NC of the surface layer of the
[0053]
In the present embodiment, when a voltage is applied to the
[0054]
In the present embodiment, the example in which the P-type SiC electric
[0055]
As exemplified in the present embodiment, a second conductivity type electric field relaxation region is formed in a part of the collector region surface layer below the base region, thereby configuring a silicon carbide semiconductor device. In addition to the effects of the above-described invention, since the withstand voltage of the element can be designed so as to be determined by the reverse withstand voltage of the diode between this region and the collector region by the electric field relaxation region of the second conductivity type, a high withstand voltage element can be obtained. Further, the electric field applied to the heterojunction between the base region and the collector region (or the high-concentration semiconductor region) is relaxed by the depletion layer extending from the junction interface between the second conductivity type electric field relaxation region and the collector region to the collector region. Thus, the leakage current can be reduced.
[0056]
(Example 4)
FIG. 4 shows a fourth embodiment of the silicon carbide semiconductor device according to the present invention. The difference from the configuration shown in FIG. 3 is that instead of the P-type SiC electric
[0057]
By applying this embodiment, N + The depletion layer can be extended from a deeper position with respect to the − Type polycrystalline
[0058]
Further, in the manufacturing process of the present embodiment, unlike the third embodiment, it is not necessary to form the P-type SiC electric
[0059]
FIG. 4 illustrates an example in which the
[0060]
As exemplified in the present embodiment, a silicon carbide semiconductor device in which an insulating electric field relaxation layer is formed instead of the second conductivity type electric field relaxation area, provides a base region and a collector. Since the electric field applied to the heterojunction with the region (or the high-concentration semiconductor region) is alleviated by the insulating electric field relaxation layer, the withstand voltage of the element can be increased and the leak current can be reduced. Furthermore, in the present silicon carbide semiconductor device, since the electric field relaxation region of the second conductivity type need not be formed, it is not necessary to introduce impurities by ion implantation into the silicon carbide semiconductor. As a result, annealing for impurity activation at 1500 ° C. or higher that also serves to recover crystallinity is unnecessary, so that the manufacturing process is easy and deterioration of surface morphology caused by high-temperature annealing can be avoided.
[0061]
(Example 5)
FIG. 5 shows a fifth embodiment of the silicon carbide semiconductor device according to the present invention. N serving as a collector region of the first conductivity type −
[0062]
P − The type polycrystalline
[0063]
And N +
[0064]
[0065]
The difference from the first embodiment in configuration is that N + Type
[0066]
In this embodiment, the
[0067]
The reverse bias characteristics of this heterojunction diode are the same as those described in the first embodiment.
[0068]
Next, the forward characteristics in the fifth embodiment will be described.
[0069]
When a predetermined positive voltage is applied to each of the
[0070]
At this time, the positive voltage applied to the
[0071]
As a result, N + Type
[0072]
That is, in the silicon carbide semiconductor device of Example 5, in addition to the effects described in Example 1, the controllability of the element main current by the base current is improved, and the current amplification factor h FE Is improved.
[0073]
At this time, the electric field applied to the gate insulating film at the bottom of the
[0074]
Next, an example of a method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment will be described with reference to the cross-sectional views of FIGS. 6 to 10 and FIGS.
[0075]
The steps in FIGS. 6 to 10 are the same as the steps described in the first embodiment, and a description thereof will be omitted.
[0076]
In the process of FIG. 12, the
[0077]
In the process of FIG. 13, aluminum ions are multi-stagely implanted at a high temperature of, for example, 100 to 1000 ° C. at an acceleration voltage of 10 keV to 3 MeV, and heat treatment is performed to activate the implanted ions. , A P-type SiC electric
[0078]
In the step of FIG. 14, for example, the
[0079]
Thereafter, although not specifically shown, a predetermined region of the
[0080]
Thus, the silicon carbide semiconductor device shown in FIG. 5 is completed.
[0081]
In this silicon carbide semiconductor device, in addition to the effects described in the first embodiment, the controllability of the element main current by the base current is improved, and the current amplification factor h FE Is improved.
[0082]
In the embodiment of FIG. − P on the
[0083]
Further, the
[0084]
In general, in the present invention, the same effects as described above can be obtained by providing a gate insulating film and a gate electrode with the same configuration as that of this embodiment.
[0085]
As exemplified in the present embodiment, a silicon carbide semiconductor is characterized in that a gate electrode is formed at a hetero junction between the base region and the collector region (or a high-concentration semiconductor region) via a gate insulating film. If the device is configured, the thickness of the energy barrier formed at the hetero junction can be reduced by applying a voltage to the gate electrode. As a result, carriers easily pass through the energy barrier, and control of the main current by the base current becomes easy (the current amplification factor h FE Is higher).
[0086]
Further, in a silicon carbide semiconductor device, a second conductivity type electric field relaxation region is formed in a predetermined region of the collector region surface layer below the trench in contact with the gate insulating film. When a reverse voltage is applied to the element, the depletion layer expands from the electric field relaxation region of the second conductivity type to the collector region side, so that the electric field applied to the gate insulating film at the bottom of the groove can be reduced. As a result, breakdown of the gate insulating film before avalanche breakdown occurs inside the silicon carbide semiconductor device can be prevented, and a desired element withstand voltage can be obtained.
[0087]
Further, in the silicon carbide semiconductor device having the gate electrode, if the base electrode is connected to the gate electrode, four power supply terminals are required before the connection, whereas after the connection, the power supply terminal becomes three. That is, the present silicon carbide semiconductor device can be used as a three-terminal element.
[0088]
In each of the above embodiments, polycrystalline silicon is used as a semiconductor material for forming a heterojunction with a silicon carbide semiconductor, but single crystal silicon or amorphous silicon may be used instead of this polycrystalline silicon. These materials, including polycrystalline silicon, have a smaller band gap than silicon carbide, so that the effects of the invention can be easily realized in the silicon carbide semiconductor device according to the present invention. In addition, when single-crystal silicon, amorphous silicon, or polycrystalline silicon is used, deposition on a silicon carbide substrate, and oxidation, patterning, selective etching, and selective conductivity control of the deposited film have been accumulated to date. This can be easily achieved by utilizing the advanced semiconductor technology.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view showing a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a sectional view showing a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a sectional view showing a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the first embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the first embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the first embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a sectional view showing a manufacturing process of the first embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the first embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a sectional view showing a manufacturing step (part) of a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a sectional view showing a manufacturing step (part) of the fifth embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a sectional view showing a manufacturing step (part) of the fifth embodiment of the present invention.
FIG. 15 + Type Si / P − It is an energy band figure of type Si / 4H-SiC.
FIG. 16 + Type Si / P − FIG. 4 is an energy band diagram of a type Si / 4H—SiC (when a collector voltage is applied and a base voltage is off).
FIG. 17 + Type Si / P − FIG. 4 is an energy band diagram of a type Si / 4H—SiC (when a collector voltage is applied and a base voltage is on).
FIG. 18 + Type Si / P − FIG. 4 is an energy band diagram of a type Si / 4H—SiC (when a collector voltage is applied and a base voltage is on). In the figure, the solid line at the right end and steep slope is N + The case where there is the
[Explanation of symbols]
10 ... N + Type SiC substrate, 20 ... N − Type SiC epitaxial region, 30 ... P − Type polycrystalline silicon base region, 40 ... N + Type polycrystalline silicon emitter region, 50 ... P + Type polycrystalline silicon contact region, 60 ... interlayer insulating film, 70 ... emitter electrode, 80 ... base electrode, 90 ... collector electrode, 100 ... N + -Type SiC region, 110: P-type SiC electric field relaxation region, 120: insulating film, 130: P − Type SiC base region, 140 ... N + SiC emitter region, 150 ... P + Type SiC contact region, 160 gate electrode, 170 gate insulating film, 180 P-type SiC electric field relaxation region, 190, 191, 192 mask material, 200, 201 groove, 210 hetero heterojunction barrier.
Claims (8)
前記コレクタ領域が炭化珪素半導体から成り、
前記ベース領域が、上記炭化珪素半導体とヘテロ接合を形成する半導体材料から成ることを特徴とする炭化珪素半導体装置。A collector region of the first conductivity type, a base region of the second conductivity type formed on the collector region, an emitter region of the first conductivity type formed on the base region, and a collector connected to the collector region An electrode, a base electrode connected to the base region, and an emitter electrode connected to the emitter region;
The collector region is made of a silicon carbide semiconductor;
A silicon carbide semiconductor device, wherein the base region is made of a semiconductor material forming a heterojunction with the silicon carbide semiconductor.
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