JP2006303469A - SiC SEMICONDUCTOR DEVICE - Google Patents

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Yusuke Maeyama
雄介 前山
Koichi Nishikawa
恒一 西川
Yusuke Fukuda
祐介 福田
Masaaki Shimizu
正章 清水
Masa Sato
雅 佐藤
Hiroaki Iwaguro
弘明 岩黒
Kenichi Nonaka
賢一 野中
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an SiC semiconductor device in which leakage current is reduced and current properties are improved. <P>SOLUTION: A first conductor layer 101 is an n-type semiconductor layer that has 4H-SiC as a main composition, and includes n-type impurities. A second conductor layer 102 is a p-type semiconductor layer that has 4H-SiC as a main composition, and includes p-type impurities. To protect a pn junction formed at an interface between the adjacent first conductor layer 101 and the second conductor layer 102, an insulating film 103 is so formed on a side wall 104 as to coat an end 31. The direction of an axis C1 extending in the normal direction of the principal surface of the side wall 104 tilts in a range of 25-45° from a (0001) axis direction toward a (01-10) axis direction. Consequently, since an interface state (interface state density) between the insulating film and the end of the pn junction is decreased, the leakage current is reduced and current properties are improved. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、4H−SiC(積層周期が4である4回周期六方晶炭化珪素)を主組成とし、PN接合を形成する隣接したP型半導体層およびN型半導体層を備えたSiC半導体装置に関する。   The present invention relates to a SiC semiconductor device having 4H-SiC (4-period hexagonal silicon carbide having a stacking period of 4) as a main composition and having adjacent P-type and N-type semiconductor layers forming a PN junction. .

SiCは、絶縁破壊電界が高く、従来のSi半導体装置では実現できなかった高耐圧、超低損失の半導体装置の実現を目指した研究開発が活発に行われている。SiCを用いた半導体装置としてPNダイオードや、PiNダイオード、NPNトランジスタなどがある。以下、従来の半導体装置の構造を説明する。   SiC has a high dielectric breakdown electric field, and research and development aiming at realization of a semiconductor device having a high breakdown voltage and an ultra-low loss that could not be realized by a conventional Si semiconductor device is being actively conducted. Examples of semiconductor devices using SiC include PN diodes, PiN diodes, and NPN transistors. Hereinafter, the structure of a conventional semiconductor device will be described.

図11は、4H−SiC基板を用いて作製された従来のSiC半導体装置(PiNダイオード)の構造の一例を示している。本図は、PN接合端部の終端例も示している。SiC半導体装置2aにおいて、高濃度のN型不純物を含むSiCからなるNバルク層201上に、低濃度のN型不純物を含むSiCからなるNドリフト層202が形成されており、Nドリフト層202上に、高濃度のP型不純物を含むSiCからなるPアノード層203が形成されている。隣接したNドリフト層202およびPアノード層203の界面にはPN接合が形成されている。 FIG. 11 shows an example of the structure of a conventional SiC semiconductor device (PiN diode) manufactured using a 4H—SiC substrate. This figure also shows an example of termination of the PN junction end. In SiC semiconductor device 2a, on N + bulk layer 201 made of SiC containing a high concentration of N-type impurity, N made of SiC containing a low concentration of N type impurity - and drift layer 202 is formed, N - drift On the layer 202, a P + anode layer 203 made of SiC containing a high-concentration P-type impurity is formed. A PN junction is formed at the interface between the adjacent N drift layer 202 and P + anode layer 203.

このPN接合がNドリフト層202およびPアノード層203の表面に露出した端部41を被覆するように、熱酸化膜などの絶縁物からなるPN接合第1保護膜204およびPN接合第2保護膜205が形成されている。このように、PN接合端部に対して、不活性化処理がなされている。Pアノード層203上では、PN接合第1保護膜204およびPN接合第2保護膜205の一部が除去されて形成された開口部にアノード電極206が形成されている。アノード電極206上には、外部との電気的な接続用の引き出し電極207が形成されている。Nドリフト層202が形成された主面と対向するNバルク層201の主面上にはカソード電極208が形成されている。 The PN junction first protective film 204 and the PN junction second made of an insulator such as a thermal oxide film so that the PN junction covers the end 41 exposed on the surfaces of the N drift layer 202 and the P + anode layer 203. A protective film 205 is formed. In this way, the inactivation process is performed on the end portion of the PN junction. On the P + anode layer 203, an anode electrode 206 is formed in an opening formed by removing a part of the PN junction first protective film 204 and the PN junction second protective film 205. On the anode electrode 206, a lead electrode 207 for electrical connection with the outside is formed. A cathode electrode 208 is formed on the main surface of the N + bulk layer 201 facing the main surface on which the N drift layer 202 is formed.

図12は、4H−SiC基板を用いて作製された従来のSiC半導体装置(NPNトランジスタ)の構造の一例を示している。本図は、PN接合端部の終端例も示している。SiC半導体装置2bにおいて、高濃度のN型不純物を含むSiCからなるNバルク層211上に、低濃度のN型不純物を含むSiCからなるNドリフト層212が形成されており、Nドリフト層212上に、P型不純物を含むSiCからなるP型ベース層213が形成されている。P型ベース層213の表面領域には、高濃度のP型不純物を含むPベースコンタクト層214が形成されている。また、P型ベース層213上には、高濃度のN型不純物を含むSiCからなるNエミッタ層215が形成されている。 FIG. 12 shows an example of the structure of a conventional SiC semiconductor device (NPN transistor) manufactured using a 4H—SiC substrate. This figure also shows an example of termination of the PN junction end. In SiC semiconductor device 2b, on N + bulk layer 211 made of SiC containing a high concentration of N-type impurity, N made of SiC containing a low concentration of N type impurity - and drift layer 212 is formed, N - drift A P-type base layer 213 made of SiC containing P-type impurities is formed on the layer 212. In the surface region of the P-type base layer 213, a P + base contact layer 214 containing a high-concentration P-type impurity is formed. On the P-type base layer 213, an N + emitter layer 215 made of SiC containing a high-concentration N-type impurity is formed.

ドリフト層212の表面のうち、P型ベース層213が形成されていない領域の表面にはP型デバイス終端層216が形成されている。Nドリフト層212が形成されているNバルク層211の主面とは反対側のNバルク層211の主面上にはコレクタ電極217が形成されている。Nエミッタ層215上にはエミッタ電極218が形成されており、Pベースコンタクト層214上にはベース電極219が形成されている。隣接したP型ベース層213およびNエミッタ層215の界面にはPN接合が形成されている。このPN接合がP型ベース層213およびNエミッタ層215の表面に露出した端部42を被覆するように、熱酸化膜などの絶縁物からなるPN接合保護膜220が形成されている。このように、PN接合端部に対して、不活性化処理がなされている。なお、非特許文献1にはSiC−PNダイオードが記載されており、非特許文献2にはSiC−NPNトランジスタが記載されている。
Camara N.他3名, "Influence of mesa wall etching on forward bias degradation in 4H-SiC pin diodes", 5th European Conference on Silicon Carbide and Related Materials(ECSCRM2004), (Italy), Trans Tech Publications Inc., Aug.31-Sept.4, p.560-561 Anant K. Agarwal他10名, "Recent Progress in SiC Bipolar Junction Transistors", Proceedings of 2004 International Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs, Institute of Electrical Engineers of Japan, p.361-364
A P-type device termination layer 216 is formed on the surface of the N - drift layer 212 in a region where the P-type base layer 213 is not formed. N - collector electrode 217 is formed on the main surface of the opposite side of the N + bulk layer 211 and the main surface of the N + bulk layer 211 drift layer 212 is formed. An emitter electrode 218 is formed on the N + emitter layer 215, and a base electrode 219 is formed on the P + base contact layer 214. A PN junction is formed at the interface between the adjacent P-type base layer 213 and N + emitter layer 215. A PN junction protective film 220 made of an insulator such as a thermal oxide film is formed so that the PN junction covers the end portion 42 exposed on the surfaces of the P-type base layer 213 and the N + emitter layer 215. In this way, the inactivation process is performed on the end portion of the PN junction. Non-Patent Document 1 describes a SiC-PN diode, and Non-Patent Document 2 describes a SiC-NPN transistor.
Camara N. and 3 others, "Influence of mesa wall etching on forward bias degradation in 4H-SiC pin diodes", 5th European Conference on Silicon Carbide and Related Materials (ECSCRM2004), (Italy), Trans Tech Publications Inc., Aug. 31-Sept.4, p.560-561 Anant K. Agarwal and 10 others, "Recent Progress in SiC Bipolar Junction Transistors", Proceedings of 2004 International Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs, Institute of Electrical Engineers of Japan, p.361-364

図11に示されるPiNダイオードのPN接合端部においては、絶縁膜の形成処理が不十分となる場合がある。そのため、ダイオードの逆方向漏れ電流が大きく、電流特性に影響を与えるという問題があった。   In the PN junction end portion of the PiN diode shown in FIG. 11, the insulating film formation process may be insufficient. Therefore, there is a problem that the reverse leakage current of the diode is large and affects the current characteristics.

また、図12に示されるNPNトランジスタのP型ベース層213およびNエミッタ層215間のPN接合端部においても、不活性化処理が不適切となる場合がある。これによって、ベースから注入したベース電流が絶縁物−半導体界面に存在する界面準位を介してリークしてしまうため、その分のベース電流が電流増幅作用に寄与することができなくなる。そのため、トランジスタの電流増幅率が小さくなってしまい、電流特性に影響を与えるという問題があった。 Further, the deactivation process may be inappropriate at the PN junction end between the P-type base layer 213 and the N + emitter layer 215 of the NPN transistor shown in FIG. As a result, the base current injected from the base leaks through the interface state existing at the insulator-semiconductor interface, and the base current corresponding to the base current cannot contribute to the current amplification function. Therefore, there is a problem that the current amplification factor of the transistor becomes small and affects the current characteristics.

本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであって、リーク電流を低減し、電流特性を向上することができるSiC半導体装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a SiC semiconductor device that can reduce leakage current and improve current characteristics.

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、請求項1に記載の発明は、4H−SiCを主組成とし、PN接合を形成する第1導電型の第1の半導体層および第2導電型の第2の半導体層と、前記第1の半導体層および前記第2の半導体層の表面に露出した前記PN接合を被覆する絶縁膜とを備えたSiC半導体装置において、前記PN接合が露出した端部は、[0001]軸方向または[000−1]軸方向から<01−10>軸方向へ25度以上45度以下傾いた軸に垂直な主面を有していることを特徴とするSiC半導体装置である。   The present invention has been made to solve the above problems, and the invention according to claim 1 includes a first semiconductor layer of a first conductivity type having a main composition of 4H—SiC and forming a PN junction, and An SiC semiconductor device comprising: a second semiconductor layer of a second conductivity type; and an insulating film that covers the PN junction exposed on the surfaces of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. The exposed end portion has a main surface perpendicular to an axis inclined from 25 degrees to 45 degrees in the <01-10> axial direction from the [0001] axial direction or the [000-1] axial direction. The SiC semiconductor device is characterized.

請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の半導体装置において、前記主面は、[0001]軸方向または[000−1]軸方向から<01−10>軸方向へ30度以上39度以下傾いた軸に垂直な主面であることを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the first aspect, the main surface is 30 degrees or more 39 in the <01-10> axial direction from the [0001] axial direction or the [000-1] axial direction. The main surface is perpendicular to an axis inclined at a degree or less.

請求項3に記載の発明は、請求項1または請求項2に記載の半導体装置において、前記主面は、[0001]軸方向または[000−1]軸方向から<01−10>軸方向へ35.3度傾いた{03−38}面であることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the first or second aspect, the main surface extends from the [0001] axial direction or the [000-1] axial direction to the <01-10> axial direction. It is a {03-38} plane inclined by 35.3 degrees.

請求項4に記載の発明は、請求項1〜請求項3のいずれかの項に記載の半導体装置において、前記PN接合は、前記[0001]軸方向または前記[000−1]軸方向から<01−10>軸方向へ25度未満傾いた軸、あるいは45度を超えて傾いた軸に垂直な面と前記主面とが交差した交差部から隔離していることを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in the semiconductor device according to any one of the first to third aspects of the present invention, the PN junction is less than the [0001] axial direction or the [000-1] axial direction. 01-10> An axis inclined by less than 25 degrees in the axial direction, or a plane perpendicular to an axis inclined by more than 45 degrees and the principal surface are separated from the intersecting portion.

本発明によれば、絶縁膜とPN接合の端部との間の界面準位(界面準位密度)が減少するので、リーク電流を低減し、電流特性を向上することができるという効果が得られる。   According to the present invention, since the interface state (interface state density) between the insulating film and the end of the PN junction is reduced, the effect of reducing the leakage current and improving the current characteristics is obtained. It is done.

以下、図面を参照し、本発明を実施するための最良の形態について説明する。まず、本発明の説明に用いる結晶軸を説明する。本発明の記載においては、結晶学のミラー指数に基づいた六方晶系の結晶軸を使用する。本発明のSiC半導体装置の基体となる4H−SiC基板の主面の法線方向に伸びる結晶軸は[0001]軸または[000−1]軸であり、各々の結晶軸に対応した主面は(0001)面または(000−1)面である。なお、[000−1]は以下の[数1]に示される表記と等価である。   The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. First, crystal axes used for explaining the present invention will be described. In the description of the present invention, a hexagonal crystal axis based on the Miller index of crystallography is used. The crystal axis extending in the normal direction of the main surface of the 4H—SiC substrate serving as the base of the SiC semiconductor device of the present invention is the [0001] axis or the [000-1] axis, and the main surface corresponding to each crystal axis is The (0001) plane or the (000-1) plane. [000-1] is equivalent to the notation shown in the following [Equation 1].

Figure 2006303469
Figure 2006303469

また、等価な複数の結晶軸をまとめて< >で表す。例えば、<01−10>軸は、[01−10]軸、[0−110]軸、[1−100]軸、[−1100]軸、[10−10]軸、[−1010]軸と等価である。同様に、等価な複数の結晶面をまとめて{ }で表す。例えば、{0001}面は、(0001)面、(000−1)面と等価である。   A plurality of equivalent crystal axes are collectively represented by <>. For example, the <01-10> axis includes the [01-10] axis, [0-110] axis, [1-100] axis, [-1100] axis, [10-10] axis, and [-1010] axis. Is equivalent. Similarly, a plurality of equivalent crystal planes are collectively represented by {}. For example, the {0001} plane is equivalent to the (0001) plane and the (000-1) plane.

次に、本発明の第1の実施形態を説明する。図1は、本実施形態によるSiC半導体装置の断面構造を示している。SiC半導体装置1a(SiC−PNダイオード)において、第1導電体層101は、4H−SiCを主組成とし、N型不純物を含むN型半導体層である。第1導電体層101上には第2導電体層102が形成されている。第2導電体層102は、4H−SiCを主組成とし、P型不純物を含むP型半導体層である。第1導電体層101および第2導電体層102の側壁104は、第1導電体層101の主面101aに対して傾きを有する傾斜面となっている。   Next, a first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 shows a cross-sectional structure of the SiC semiconductor device according to the present embodiment. In the SiC semiconductor device 1a (SiC-PN diode), the first conductor layer 101 is an N-type semiconductor layer containing 4H—SiC as a main composition and containing an N-type impurity. A second conductor layer 102 is formed on the first conductor layer 101. The second conductor layer 102 is a P-type semiconductor layer having a main composition of 4H—SiC and containing P-type impurities. The side walls 104 of the first conductor layer 101 and the second conductor layer 102 are inclined surfaces that are inclined with respect to the main surface 101 a of the first conductor layer 101.

隣接した第1導電体層101および第2導電体層102の界面にはPN接合が形成されている。このPN接合を保護するため、PN接合が第1導電体層101および第2導電体層102の表面に露出した端部31を被覆するように、熱酸化膜などの絶縁物からなる絶縁膜103が側壁104上に形成されている。   A PN junction is formed at the interface between the adjacent first conductor layer 101 and second conductor layer 102. In order to protect the PN junction, the insulating film 103 made of an insulating material such as a thermal oxide film so that the PN junction covers the end portion 31 exposed on the surfaces of the first conductor layer 101 and the second conductor layer 102. Is formed on the side wall 104.

図1の紙面内上方向(第1導電体層101の主面101aの法線方向)に伸びる結晶軸は[0001]軸である。また、[0001]軸に垂直に図1の紙面内左方向に伸びる結晶軸は[01−10]軸である。第1導電体層101の主面101aは(0001)面である。側壁104の主面の法線方向に伸びる軸C1の向きは、[0001]軸方向から[01−10]軸方向へθ1傾いている。θ1の範囲は、25度以上45度以下であることが望ましい。さらに、θ1の範囲が30度以上39度以下であることがより望ましい。さらに、θ1が35.3度であることがより望ましい。θ1が35.3度である場合には、側壁104の主面は(03−38)面となる。六方晶の(03−38)面は立方晶の(001)面に相当し、絶縁物−半導体界面準位が少ない。ただし、製造条件による誤差を考慮するならば、θ1が34度以上36度以下となることが望ましい。   The crystal axis extending in the upper direction in FIG. 1 (the normal direction of the main surface 101a of the first conductor layer 101) is the [0001] axis. The crystal axis extending in the left direction in FIG. 1 perpendicular to the [0001] axis is the [01-10] axis. The main surface 101a of the first conductor layer 101 is a (0001) plane. The direction of the axis C1 extending in the normal direction of the main surface of the side wall 104 is inclined by θ1 from the [0001] axis direction to the [01-10] axis direction. The range of θ1 is desirably 25 degrees or more and 45 degrees or less. Furthermore, it is more desirable that the range of θ1 is not less than 30 degrees and not more than 39 degrees. Furthermore, it is more desirable that θ1 is 35.3 degrees. When θ1 is 35.3 degrees, the main surface of the sidewall 104 is a (03-38) plane. The hexagonal (03-38) plane corresponds to a cubic (001) plane and has a small number of insulator-semiconductor interface states. However, if an error due to manufacturing conditions is taken into consideration, it is desirable that θ1 be 34 degrees or more and 36 degrees or less.

上記においては、側壁104の主面の傾きを挙げて説明したが、より詳細には、第1導電体層101および第2導電体層102の表面に露出したPN接合端を含む端部31を含んだ主面の傾きが上記の条件を満たすことが望ましい。端部31は、側壁104において、PN接合端P1の近傍の領域であり、PN接合端P1を中心とした半径0.1μm以内または半径0.3μm以内または半径0.5μm以内の領域である。すなわち、端部31は[0001]軸方向から[01−10]軸方向へ25度以上45度以下傾いた軸に垂直な主面内にあり、微視的には、その主面は端部31の主面であり、巨視的には、その主面は側壁104の主面である。表面に荒れの無い理想的な状態では、端部31の主面と側壁104の主面は一致する。   In the above description, the inclination of the main surface of the side wall 104 has been described. More specifically, the end portion 31 including the PN junction end exposed on the surfaces of the first conductor layer 101 and the second conductor layer 102 is formed. It is desirable that the inclination of the included main surface satisfies the above conditions. The end 31 is a region in the vicinity of the PN junction end P1 on the side wall 104, and is a region within a radius of 0.1 μm, within a radius of 0.3 μm, or within a radius of 0.5 μm around the PN junction end P1. That is, the end portion 31 is in a main surface perpendicular to an axis inclined from 25 degrees to 45 degrees from the [0001] axis direction to the [01-10] axis direction. Microscopically, the main surface is an end portion. 31, and macroscopically, the main surface is the main surface of the side wall 104. In an ideal state where the surface is not rough, the main surface of the end portion 31 and the main surface of the side wall 104 coincide.

なお、第1導電体層101の主面101aは(000−1)面であってもよく、軸C1は[000−1]軸方向から[01−10]軸方向へθ1の傾きを有しているとしてもよい。また、[01−10]軸に等価な結晶軸を考慮すれば、軸C1は[0001]軸方向または[000−1]軸方向から<01−10>方向へθ1傾いていればよい。また、θ1が35.3のとき、軸C1に垂直な平面は{03−38}面である。   The principal surface 101a of the first conductor layer 101 may be a (000-1) plane, and the axis C1 has an inclination of θ1 from the [000-1] axis direction to the [01-10] axis direction. It may be. In consideration of a crystal axis equivalent to the [01-10] axis, the axis C1 may be inclined by θ1 from the [0001] axis direction or the [000-1] axis direction to the <01-10> direction. When θ1 is 35.3, the plane perpendicular to the axis C1 is the {03-38} plane.

2つの半導体層の界面のPN接合は、[0001]軸方向または[000−1]軸方向から<01−10>軸方向へ25度未満傾いた軸、あるいは45度を超えて傾いた軸に垂直な第1の面と、[0001]軸方向または[000−1]軸方向から<01−10>軸方向へ25度以上45度以下傾いた軸に垂直な第2の面(例えば側壁104の主面)とが交差して形成される交差部から隔離した位置で第2の面上に露出していることが望ましい。   The PN junction at the interface between the two semiconductor layers has an axis inclined less than 25 degrees from the [0001] axis direction or the [000-1] axis direction to the <01-10> axis direction, or an axis inclined more than 45 degrees. A first vertical surface and a second surface (for example, the side wall 104) perpendicular to an axis tilted from the [0001] axial direction or the [000-1] axial direction to the <01-10> axial direction by 25 degrees or more and 45 degrees or less. It is desirable to be exposed on the second surface at a position isolated from the intersecting portion formed by intersecting with the main surface.

次に、軸C1の傾きθ1の範囲を上記の範囲とする理由を説明する。図2は、4H−SiC表面のダングリングボンド数(未結合手の数)の数値計算結果である。横軸は4H−SiC表面の法線の、<0001>軸方向から<01−10>軸方向または<11−20>軸方向へ測った傾斜角度であり、縦軸は単位面積当たりのダングリングボンド数である。傾斜角度が90度の場合、4H−SiC表面は{01−10}面または{11−20}面となる。   Next, the reason why the range of the inclination θ1 of the axis C1 is the above range will be described. FIG. 2 is a numerical calculation result of the number of dangling bonds (number of unbonded hands) on the 4H—SiC surface. The horizontal axis is the inclination angle measured from the <0001> axial direction to the <01-10> axial direction or the <11-20> axial direction, and the vertical axis is dangling per unit area. The number of bonds. When the inclination angle is 90 degrees, the 4H—SiC surface is a {01-10} plane or a {11-20} plane.

図2に示されるように、傾斜角度が0度から増加するとダングリングボンド数は単調に減少し、傾斜角度が35.3度で最小となる。傾斜角度が35.3度を過ぎて増加すると、ダングリングボンド数は単調に増加する。従来の半導体装置において、PN接合端を含む主面は{01−10}面あるいは{11−20}面であった。図2において、{01−10}面のダングリングボンド数は点Aで表され、{11−20}面のダングリングボンド数は点Bで表されている。   As shown in FIG. 2, when the tilt angle increases from 0 degree, the dangling bond number decreases monotonously, and the tilt angle becomes minimum at 35.3 degrees. When the tilt angle increases beyond 35.3 degrees, the number of dangling bonds increases monotonously. In the conventional semiconductor device, the main surface including the PN junction end is the {01-10} plane or the {11-20} plane. In FIG. 2, the number of dangling bonds on the {01-10} plane is represented by point A, and the number of dangling bonds on the {11-20} plane is represented by point B.

単位面積当たりのダングリングボンド数が減少すると、界面準位(界面準位密度)が減少し、その結果、リーク電流が減少する。したがって、従来構造よりもリーク電流を減少させるためには、単位面積当たりのダングリングボンド数は0.3×1016(cm−2)以下であることが望ましく、それに対応して傾斜角度は25度以上45度以下であることが望ましい。また、単位面積当たりのダングリングボンド数が0.2×1016(cm−2)以下であることがより望ましく、それに対応して傾斜角度は30度以上39度以下であることが望ましい。また、傾斜角度は、ダングリングボンド数が最小となる35.3度であることがさらに望ましい。 When the number of dangling bonds per unit area decreases, the interface state (interface state density) decreases, and as a result, the leakage current decreases. Therefore, in order to reduce the leakage current as compared with the conventional structure, the number of dangling bonds per unit area is desirably 0.3 × 10 16 (cm −2 ) or less, and the inclination angle is 25 correspondingly. It is desirable that it is not less than 45 degrees and not more than 45 degrees. Further, the number of dangling bonds per unit area is more preferably 0.2 × 10 16 (cm −2 ) or less, and the inclination angle is preferably 30 ° to 39 ° correspondingly. The inclination angle is more preferably 35.3 degrees at which the number of dangling bonds is minimized.

次に、本実施形態による半導体装置1aの製造方法を、図3を参照して説明する。N型SiC基板を構成する第1導電型層101上に、CVD(Chemical Vapor Deposition)法などによってP型SiCを堆積し、第2導電型層102を形成する(図3(a))。第2導電型層102のCVD成長を容易にするために、第1導電型層101の主面101aに対して、化学的機械研磨が施されているほうが好ましいが、無くてもよい。第2導電体層102は、イオン注入法によってAlやBを第1導電体層101の表面に注入し、1500℃以上に加熱することによって形成してもよい。   Next, the method for fabricating the semiconductor device 1a according to the present embodiment will be explained with reference to FIG. P-type SiC is deposited on the first conductivity type layer 101 constituting the N-type SiC substrate by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method or the like to form the second conductivity type layer 102 (FIG. 3A). In order to facilitate the CVD growth of the second conductivity type layer 102, the main surface 101a of the first conductivity type layer 101 is preferably subjected to chemical mechanical polishing, but may be omitted. The second conductor layer 102 may be formed by injecting Al or B into the surface of the first conductor layer 101 by ion implantation and heating to 1500 ° C. or higher.

続いて、第2導電体層102上に図示せぬエッチングマスクを形成し、エッチングマスクのパターニングを行った後、ドライエッチング装置内でエッチングマスクの窓部分にドライエッチング処理を施す。ドライエッチング処理は例えば下記の条件で行う。エッチングに用いるガス種はCFとOの混合ガスであり、混合ガス全体に占めるOの混合比は流量比で10〜90%程度であるとする。ガス種として、CHF、CF、あるいはCFとOとの組み合わせで構成される混合ガスを用いてもよい。 Subsequently, after forming an etching mask (not shown) on the second conductor layer 102 and patterning the etching mask, a dry etching process is performed on the window portion of the etching mask in a dry etching apparatus. For example, the dry etching process is performed under the following conditions. The gas type used for etching is a mixed gas of CF 4 and O 2 , and the mixing ratio of O 2 occupying the entire mixed gas is about 10 to 90% in terms of flow rate. As a gas species, CHF, CF 6 , or a mixed gas composed of a combination of CF 3 and O 2 may be used.

上記のエッチングガスをドライエッチング装置の処理室中の誘導コイル付近に導入した後、誘導コイルへ200W〜1000Wの2.45GHz高周波電力を印加し、CFおよびOのプラズマを生成する。誘導コイルへ印加する電力として、高密度にプラズマを形成可能な2.45GHzのマイクロ波を用いることが望ましいが、13.56MHzのラジオ波を用いてもよい。 After the etching gas is introduced in the vicinity of the induction coil in the processing chamber of the dry etching apparatus, 2.45 GHz high frequency power of 200 W to 1000 W is applied to the induction coil to generate CF 4 and O 2 plasma. As the power applied to the induction coil, it is desirable to use a 2.45 GHz microwave capable of forming plasma with high density, but a 13.56 MHz radio wave may be used.

通常、アスペクト比の高いエッチングを行うためには、試料が載置される試料台には、例えば1000V程度の高い電圧を印加し、正の電荷を帯びたプラズマを積極的に試料に照射し、異方性を強める。本実施形態では、PN接合が露出したエッチング面が、SiC基板の主面に対して斜めとなるようにするため、試料台に印加する電圧を、例えば0〜500V程度に調整してエッチングを行う。この電圧は300V以下であることが望ましく、さらに200V以下であることがより望ましい。これによって、[0001]軸方向から[01−10]軸方向へ25度以上45度以下傾いた軸に垂直な主面を有する側壁104が形成される(図3(b))。   Usually, in order to perform etching with a high aspect ratio, a high voltage of, for example, about 1000 V is applied to the sample stage on which the sample is placed, and the sample is positively irradiated with positively charged plasma, Increase anisotropy. In this embodiment, etching is performed by adjusting the voltage applied to the sample stage to, for example, about 0 to 500 V so that the etching surface where the PN junction is exposed is inclined with respect to the main surface of the SiC substrate. . This voltage is desirably 300 V or less, and more desirably 200 V or less. As a result, the side wall 104 having a principal surface perpendicular to the axis inclined from 25 degrees to 45 degrees from the [0001] axis direction to the [01-10] axis direction is formed (FIG. 3B).

続いて、熱酸化法によって第1導電型層101および第2導電型層102上に絶縁膜103を形成し、絶縁膜103をパターニングする(図3(c))。絶縁膜103によって、露出したPN接合が保護される。絶縁膜の形成方法として、CVD法により堆積させた絶縁膜を用いてもよい。熱酸化時に使うガスとしては、O、NO、NOなどを用いることができる。熱酸化膜を形成するときの炉の温度は、例えば900〜1400℃の範囲である。これは、ガス種ごとの良好な絶縁膜の形成条件と製造上の制限とによるものである。以上の工程を経て、半導体装置1aが完成する。 Subsequently, an insulating film 103 is formed on the first conductive type layer 101 and the second conductive type layer 102 by a thermal oxidation method, and the insulating film 103 is patterned (FIG. 3C). The exposed PN junction is protected by the insulating film 103. As a method for forming the insulating film, an insulating film deposited by a CVD method may be used. As a gas used at the time of thermal oxidation, O 2 , N 2 O, NO, or the like can be used. The furnace temperature when forming the thermal oxide film is, for example, in the range of 900 to 1400 ° C. This is due to favorable insulating film formation conditions for each gas type and manufacturing restrictions. The semiconductor device 1a is completed through the above steps.

上述したように、本実施形態において、P型半導体層およびN型半導体層の表面に露出したPN接合の端部は、[0001]軸方向または[000−1]軸方向から<01−10>軸方向へ、前述した角度だけ傾いた軸に垂直な主面を有し、この主面内でPN接合が半導体層の表面に露出している。これによって、保護用の絶縁膜によってPN接合の端部を被覆しても、絶縁膜とPN接合の端部との間の界面準位(界面準位密度)が従来よりも減少しているため、ダイオードの逆方向リーク電流を低減し、電流特性を向上することができる。   As described above, in this embodiment, the end portion of the PN junction exposed on the surfaces of the P-type semiconductor layer and the N-type semiconductor layer is <01-10> from the [0001] axial direction or the [000-1] axial direction. A main surface perpendicular to the axis inclined by the aforementioned angle in the axial direction is provided, and the PN junction is exposed on the surface of the semiconductor layer in this main surface. As a result, even if the end portion of the PN junction is covered with the protective insulating film, the interface state (interface state density) between the insulating film and the end portion of the PN junction is reduced as compared with the conventional case. The reverse leakage current of the diode can be reduced and the current characteristics can be improved.

次に、本発明の第2の実施形態を説明する。図4は、本実施形態によるSiC半導体装置の断面構造を示している。SiC半導体装置1b(SiC−PiNダイオード)において、Nバルク層111は、高濃度のN型不純物を含んだ低抵抗の4H−SiCを含む層であり、N型SiC基板を構成している。Nバルク層111上にはNドリフト層112が形成されている。Nドリフト層112は、低濃度のN型不純物を含んだ高抵抗の4H−SiCを含む層である。 Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 4 shows a cross-sectional structure of the SiC semiconductor device according to the present embodiment. In the SiC semiconductor device 1b (SiC-PiN diode), the N + bulk layer 111 is a layer containing 4H-SiC having a low resistance containing a high concentration of N-type impurities, and constitutes an N-type SiC substrate. An N drift layer 112 is formed on the N + bulk layer 111. The N drift layer 112 is a layer containing high-resistance 4H—SiC containing a low concentration N-type impurity.

SiC層112上にはPアノード層113が形成されている。Pアノード層113は、高濃度のP型不純物を含んだ低抵抗の4H−SiCを含む層である。Nドリフト層112およびPアノード層113の側壁119は、Nバルク層111の主面111aに対して傾きを有する傾斜面となっている。隣接したNドリフト層112およびPアノード層113の界面にはPN接合が形成されている。 A P + anode layer 113 is formed on the N SiC layer 112. The P + anode layer 113 is a layer that includes low-resistance 4H—SiC containing a high concentration of P-type impurities. Sidewalls 119 of N drift layer 112 and P + anode layer 113 are inclined surfaces having an inclination with respect to main surface 111 a of N + bulk layer 111. A PN junction is formed at the interface between the adjacent N drift layer 112 and P + anode layer 113.

このPN接合を保護するため、PN接合がNドリフト層112およびPアノード層113の表面に露出した端部32を被覆するように、熱酸窒化物などの絶縁物からなるPN接合第1保護膜114が側壁119上に形成されている。PN接合第1保護膜114上には、窒化物などの絶縁物からなるPN接合第2保護膜115が形成されている。(0001)面に垂直な方向から半導体装置1bを見た場合に、PN接合第1保護膜114およびPN接合第2保護膜115は、Nドリフト層112を取り囲むようにリング状に形成されている。 In order to protect this PN junction, the first PN junction made of an insulator such as thermal oxynitride is used so as to cover the end 32 exposed on the surfaces of the N drift layer 112 and the P + anode layer 113. A protective film 114 is formed on the side wall 119. A PN junction second protective film 115 made of an insulator such as a nitride is formed on the PN junction first protective film 114. When the semiconductor device 1 b is viewed from a direction perpendicular to the (0001) plane, the PN junction first protective film 114 and the PN junction second protective film 115 are formed in a ring shape so as to surround the N drift layer 112. Yes.

アノード層113上では、PN接合第1保護膜114およびPN接合第2保護膜115の一部が除去されて形成された開口部にアノード電極116が形成されている。アノード電極116は、Pアノード層113とオーミック接触を形成しており、例えばPアノード層113側からTi、Alの順に堆積された積層膜を900℃以上で焼鈍処理することによって形成された電極である。アノード電極116上には、外部との電気的な接続用の引き出し電極117が形成されている。引き出し電極117は、Al、Ni、またはAuなどからなる。Nドリフト層112が形成された主面111aと対向するNバルク層111の主面上にはカソード電極118が形成されている。カソード電極118はN+バルク層111とオーミック接触を形成しており、例えばNiを堆積した後900℃以上で焼鈍処理することによって形成された電極である。 On the P + anode layer 113, an anode electrode 116 is formed in an opening formed by removing a part of the PN junction first protective film 114 and the PN junction second protective film 115. The anode electrode 116 is in ohmic contact with the P + anode layer 113, and is formed, for example, by annealing a laminated film deposited in the order of Ti and Al from the P + anode layer 113 side at 900 ° C. or higher. Electrode. On the anode electrode 116, an extraction electrode 117 for electrical connection with the outside is formed. The extraction electrode 117 is made of Al, Ni, Au, or the like. A cathode electrode 118 is formed on the main surface of the N + bulk layer 111 facing the main surface 111a on which the N drift layer 112 is formed. The cathode electrode 118 is in ohmic contact with the N + bulk layer 111, and is an electrode formed by, for example, annealing at 900 ° C. or higher after depositing Ni.

図4の紙面内上方向(Nバルク層111の主面111aの法線方向)に伸びる結晶軸は[0001]軸である。また、[0001]軸に垂直に図4の紙面内左方向に伸びる結晶軸は[01−10]軸である。側壁119の主面の法線方向に伸びる軸C2の向きは、[0001]軸方向から[01−10]軸方向へ向かってθ2傾いている。θ2の範囲は、25度以上45度以下であることが望ましい。さらに、θ2の範囲が30度以上39度以下であることがより望ましい。さらに、θ2が35.3度であることがより望ましい。ただし、製造条件による誤差を考慮するならば、θ2が34度以上36度以下となることが望ましい。上記の主面は、側壁119全体における巨視的な主面であってもよいし、PN接合の端部32の近傍の微視的な領域における主面であってもよい。 The crystal axis extending in the upper direction in FIG. 4 (N + normal direction of the main surface 111a of the bulk layer 111) is the [0001] axis. Further, the crystal axis extending in the left direction in FIG. 4 perpendicular to the [0001] axis is the [01-10] axis. The direction of the axis C2 extending in the normal direction of the main surface of the side wall 119 is inclined by θ2 from the [0001] axis direction toward the [01-10] axis direction. The range of θ2 is desirably 25 degrees or more and 45 degrees or less. Furthermore, it is more desirable that the range of θ2 is 30 degrees or more and 39 degrees or less. Furthermore, it is more desirable that θ2 is 35.3 degrees. However, if an error due to manufacturing conditions is taken into consideration, it is desirable that θ2 be 34 degrees or more and 36 degrees or less. The main surface may be a macroscopic main surface in the entire side wall 119 or a main surface in a microscopic region near the end portion 32 of the PN junction.

次に、本実施形態による半導体装置1bの製造方法を、図5〜図6を参照して説明する。直列抵抗を下げる低抵抗のNバルク層111の主面111a上に、耐圧を確保するために必要な不純物濃度と厚さを持つ高抵抗のNドリフト層112を、CVD法などによって形成する(図5(a))。続いて、Nドリフト層112の表面上にPアノード層113を、CVD法などによって形成する(図5(b))。Pアノード層113は、イオン注入によってNドリフト層112の表面にAlまたはBを注入した後、1500℃以上に加熱することによって形成してもよい。 Next, the method for fabricating the semiconductor device 1b according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS. On the main surface 111a of the low-resistance N + bulk layer 111 that lowers the series resistance, a high-resistance N drift layer 112 having an impurity concentration and a thickness necessary for ensuring a breakdown voltage is formed by a CVD method or the like. (FIG. 5 (a)). Subsequently, a P + anode layer 113 is formed on the surface of the N drift layer 112 by a CVD method or the like (FIG. 5B). The P + anode layer 113 may be formed by injecting Al or B into the surface of the N drift layer 112 by ion implantation and then heating to 1500 ° C. or higher.

続いて、第1の実施形態と同様にして、ドライエッチング処理を施し、側壁119を露出させる。さらに、露出したPN接合を含む側壁119の表面上に、1200℃のNOガスを用いて熱酸窒化膜を形成することによって、PN接合第1保護膜114を形成する。続いて、PN接合第1保護膜114の表面上に、CVD法によって窒化膜を堆積することによって、PN接合第2保護膜115を形成する。このPN接合第2保護膜115はPN接合の保護膜として作用すると共に、後述する電極エッチング時の酸処理からPN接合第1保護膜114を保護する効果を有している。上記のようにして形成したPN接合第1保護膜114およびPN接合第2保護膜115の一部を酸処理により除去し、Pアノード層113の一部を露出させる(図5(c))。 Subsequently, as in the first embodiment, a dry etching process is performed to expose the side wall 119. Further, a PN junction first protective film 114 is formed by forming a thermal oxynitride film using N 2 O gas at 1200 ° C. on the surface of the sidewall 119 including the exposed PN junction. Subsequently, a PN junction second protective film 115 is formed on the surface of the PN junction first protective film 114 by depositing a nitride film by a CVD method. The PN junction second protective film 115 acts as a protective film for the PN junction and has an effect of protecting the PN junction first protective film 114 from acid treatment during electrode etching described later. Part of the PN junction first protective film 114 and the PN junction second protective film 115 formed as described above is removed by acid treatment to expose part of the P + anode layer 113 (FIG. 5C). .

続いて、アノード電極116および引き出し電極117を、以下のようにして形成する。Pアノード層113およびPN接合第2保護膜115の表面上にTiおよびAlをこの順に堆積し、アノード電極116に対応する部分を残して、酸処理により除去する。さらに、アノード電極116およびPN接合第2保護膜115の表面上に、例えばAlを蒸着法によって堆積させた後、引き出し電極117に対応する部分を残して、酸処理により除去する(図6(a))。 Subsequently, the anode electrode 116 and the extraction electrode 117 are formed as follows. Ti and Al are deposited in this order on the surfaces of the P + anode layer 113 and the PN junction second protective film 115, leaving a portion corresponding to the anode electrode 116 and removed by acid treatment. Further, for example, Al is deposited on the surfaces of the anode electrode 116 and the PN junction second protective film 115 by an evaporation method, and then removed by acid treatment, leaving a portion corresponding to the extraction electrode 117 (FIG. 6A )).

続いて、Nバルク層111の裏側から、蒸着法などによってNiを堆積した後、900℃以上の焼鈍処理を行い、カソード電極118を形成する(図6(b))。以上の工程を経て、半導体装置1bが完成する。 Subsequently, Ni is deposited from the back side of the N + bulk layer 111 by vapor deposition or the like, and then annealed at 900 ° C. or more to form the cathode electrode 118 (FIG. 6B). The semiconductor device 1b is completed through the above steps.

本実施形態によれば、第1の実施形態と同様に絶縁膜とPN接合の端部との間の界面準位(界面準位密度)が従来よりも減少するので、ダイオードの逆方向リーク電流を低減し、電流特性を向上することができる。   According to the present embodiment, since the interface state (interface state density) between the insulating film and the end of the PN junction is reduced as compared with the first embodiment, the reverse leakage current of the diode is reduced. And the current characteristics can be improved.

次に、本発明の第3の実施形態を説明する。図7は、本実施形態によるSiC半導体装置の断面構造を示している。SiC半導体装置1cはSiC−NPNトランジスタであり、単位セル10を基本構造とし、単位セル10と同一の構造が図7の紙面横方向に複数配置された構造となっている。図7においては、基本構造のみが図示され、その繰り返しの構造の図示は省略されている。SiC半導体装置1cにおいて、Nバルク層121は、高濃度のN型不純物を含んだ低抵抗の4H−SiCを含む層であり、N型SiC基板を構成している。Nバルク層121上にはNドリフト層122が形成されている。Nドリフト層122は、低濃度のN型不純物を含んだ高抵抗の4H−SiCを含む層である。 Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 7 shows a cross-sectional structure of the SiC semiconductor device according to the present embodiment. The SiC semiconductor device 1c is a SiC-NPN transistor, and has a unit cell 10 as a basic structure, and has a structure in which a plurality of the same structures as the unit cell 10 are arranged in the horizontal direction in FIG. In FIG. 7, only the basic structure is shown, and the repeated structure is not shown. In the SiC semiconductor device 1c, the N + bulk layer 121 is a layer containing 4H—SiC having a low resistance containing a high concentration of N-type impurities, and constitutes an N-type SiC substrate. An N drift layer 122 is formed on the N + bulk layer 121. The N drift layer 122 is a layer containing high-resistance 4H—SiC containing a low concentration N-type impurity.

ドリフト層122上には、P型不純物を含む4H−SiCを主組成としたP型ベース層123が形成されている。P型ベース層123上にはNエミッタ層124が形成されている。Nエミッタ層124は、高濃度のN型不純物を含んだ低抵抗の4H−SiCを含む層である。Nエミッタ層124は、CVD法によって形成されるが、イオン注入によって、PもしくはNをP型ベース層123の表面に注入した後、1500℃以上に加熱することによって形成してもよい。 On the N drift layer 122, a P-type base layer 123 having 4H—SiC containing P-type impurities as a main composition is formed. An N + emitter layer 124 is formed on the P-type base layer 123. The N + emitter layer 124 is a layer containing 4H—SiC having a low resistance and containing a high concentration of N-type impurities. The N + emitter layer 124 is formed by a CVD method, but may be formed by injecting P or N into the surface of the P-type base layer 123 by ion implantation and then heating to 1500 ° C. or higher.

P型ベース層123の表面領域には、高濃度のP型不純物を含むPベースコンタクト層125が形成されている。Nドリフト層122の表面のうち、P型ベース層123が形成された領域を除いた領域にはP型デバイス終端層126が形成されている。P型ベース層123およびNエミッタ層124の側壁131は、Nバルク層121の主面121aに対して傾きを有する傾斜面となっている。隣接したP型ベース層123およびNエミッタ層124の界面にはPN接合が形成されている。 In the surface region of the P-type base layer 123, a P + base contact layer 125 containing a high-concentration P-type impurity is formed. A P-type device termination layer 126 is formed in a region of the surface of the N drift layer 122 excluding the region where the P-type base layer 123 is formed. Side walls 131 of the P-type base layer 123 and the N + emitter layer 124 are inclined surfaces that are inclined with respect to the main surface 121 a of the N + bulk layer 121. A PN junction is formed at the interface between the adjacent P-type base layer 123 and N + emitter layer 124.

このPN接合を保護するため、PN接合がP型ベース層123およびNエミッタ層124の表面に露出した端部33を被覆するように、熱酸化膜あるいは熱酸窒化物などの絶縁物からなるPN接合保護膜127が側壁131上に形成されている。PN接合保護膜127はNエミッタ層124、P型ベース層123、Pベースコンタクト層125、P型デバイス終端層126、およびNドリフト層122の表面の全体あるいは一部を被覆するように形成されており、主にP型ベース層123およびNエミッタ層124間のPN接合を保護する役目を有している。 In order to protect the PN junction, the PN junction is made of an insulating material such as a thermal oxide film or a thermal oxynitride so as to cover the end portion 33 exposed on the surfaces of the P-type base layer 123 and the N + emitter layer 124. A PN junction protective film 127 is formed on the side wall 131. The PN junction protective film 127 covers all or part of the surfaces of the N + emitter layer 124, the P-type base layer 123, the P + base contact layer 125, the P-type device termination layer 126, and the N drift layer 122. Thus, it mainly serves to protect the PN junction between the P-type base layer 123 and the N + emitter layer 124.

エミッタ層124上にはエミッタ電極128が形成されており、Pベースコンタクト層125上にはベース電極129が形成されている。エミッタ電極128はNエミッタ層124とオーミック接触を形成しており、例えばNiを堆積した後に、900℃以上の温度で焼鈍した電極である。ベース電極129はPベースコンタクト層125とオーミック接触を形成しており、例えばPベースコンタクト層125側からTiおよびAlをこの順に積層させた後、900℃以上の温度で焼鈍した積層膜からなる電極である。Nドリフト層122が形成されているNバルク層121の主面とは反対側のNバルク層121の表面上にはコレクタ電極130が形成されている。コレクタ電極130は、例えば蒸着法によってNiを堆積した後に、900℃以上の温度で焼鈍した電極である。 An emitter electrode 128 is formed on the N + emitter layer 124, and a base electrode 129 is formed on the P + base contact layer 125. The emitter electrode 128 is in ohmic contact with the N + emitter layer 124 and is an electrode annealed at a temperature of 900 ° C. or higher after depositing, for example, Ni. The base electrode 129 is formed an ohmic contact with the P + base contact layer 125, for example, after being stacked from P + base contact layer 125 side of Ti and Al in this order, a laminated film and annealed at 900 ° C. or higher temperature It is an electrode. A collector electrode 130 is formed on the surface of the N + bulk layer 121 opposite to the main surface of the N + bulk layer 121 where the N drift layer 122 is formed. The collector electrode 130 is an electrode annealed at a temperature of 900 ° C. or higher after Ni is deposited by, for example, an evaporation method.

図7の紙面内上方向(Nバルク層121の主面121aの法線方向)に伸びる結晶軸は[0001]軸である。また、[0001]軸に垂直に図7の紙面内左方向に伸びる結晶軸は[01−10]軸である。側壁131の主面の法線方向に伸びる軸C3の向きは、[0001]軸方向から[01−10]軸方向へ向かってθ3傾いている。θ3の範囲は、25度以上45度以下であることが望ましい。さらに、θ3の範囲が30度以上39度以下であることがより望ましい。さらに、θ3が35.3度であることがより望ましい。ただし、製造条件による誤差を考慮するならば、θ3が34度以上36度以下となることが望ましい。上記の主面は、側壁131全体における巨視的な主面であってもよいし、PN接合の端部33の近傍の微視的な領域における主面であってもよい。 The crystal axis extending in the upper direction in FIG. 7 (N + normal direction of the main surface 121a of the bulk layer 121) is the [0001] axis. Further, the crystal axis extending in the left direction in FIG. 7 perpendicular to the [0001] axis is the [01-10] axis. The direction of the axis C3 extending in the normal direction of the main surface of the side wall 131 is inclined by θ3 from the [0001] axis direction toward the [01-10] axis direction. The range of θ3 is desirably 25 degrees or more and 45 degrees or less. Furthermore, it is more desirable that the range of θ3 is 30 degrees or more and 39 degrees or less. Furthermore, it is more desirable that θ3 is 35.3 degrees. However, if an error due to manufacturing conditions is taken into consideration, it is desirable that θ3 be 34 degrees or more and 36 degrees or less. The main surface may be a macroscopic main surface in the entire side wall 131 or a main surface in a microscopic region near the end portion 33 of the PN junction.

図8は、[000−1]軸方向に半導体装置1cを見た平面図である。エミッタ電極128およびベース電極129は角が丸まった長方形であり、長軸が<11−20>軸方向を向くように、各々が複数個ずつ配置されている。また、P型デバイス終端層126は、セル構造全体を取り囲むようにリング状に配置されている。   FIG. 8 is a plan view of the semiconductor device 1c viewed in the [000-1] axial direction. The emitter electrode 128 and the base electrode 129 have a rectangular shape with rounded corners, and a plurality of emitter electrodes 128 and a plurality of base electrodes 129 are arranged so that the major axis faces the <11-20> axis direction. The P-type device termination layer 126 is arranged in a ring shape so as to surround the entire cell structure.

次に、本実施形態による半導体装置1cの製造方法を、図9〜図10を参照して説明する。直列抵抗を下げる低抵抗のNバルク層121の主面121a上に、耐圧を確保するために必要な不純物濃度と厚さを持つ高抵抗のNドリフト層122を、CVD法などによって形成する。続いて、Nドリフト層122の表面上に、トランジスタのベース層として作用させるために必要な不純物濃度と厚さを持つP型ベース層123を、CVD法などによって形成する。続いて、P型ベース層123の表面上に、トランジスタのエミッタ層として作用させるためのNエミッタ層124を、CVD法などによって形成する(図9(a))。Nエミッタ層124は、イオン注入によってNもしくはPをP型ベース層123の表面に注入した後、1500℃以上に加熱することによって形成してもよい。 Next, the method for fabricating the semiconductor device 1c according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS. On the main surface 121a of the low-resistance N + bulk layer 121 that lowers the series resistance, a high-resistance N drift layer 122 having an impurity concentration and a thickness necessary for ensuring a breakdown voltage is formed by a CVD method or the like. . Subsequently, a P-type base layer 123 having an impurity concentration and a thickness necessary for acting as a base layer of the transistor is formed on the surface of the N drift layer 122 by a CVD method or the like. Subsequently, an N + emitter layer 124 for acting as an emitter layer of the transistor is formed on the surface of the P-type base layer 123 by a CVD method or the like (FIG. 9A). The N + emitter layer 124 may be formed by injecting N or P into the surface of the P-type base layer 123 by ion implantation and then heating to 1500 ° C. or higher.

続いて、P型ベース層123およびNエミッタ層124の周縁部をドライエッチングによって除去し、P型デバイス終端層126を形成するための溝を形成する(図9(b))。さらに、第1の実施形態と同様にして、ドライエッチング処理を施し、側壁131を露出させる。 Subsequently, the peripheral portions of the P-type base layer 123 and the N + emitter layer 124 are removed by dry etching to form a groove for forming the P-type device termination layer 126 (FIG. 9B). Further, as in the first embodiment, a dry etching process is performed to expose the side wall 131.

続いて、以下のようにして、P型デバイス終端部126およびPベースコンタクト層125を形成する。イオン注入マスクとして酸化膜を、CVD法によってNドリフト層122、P型ベース層123、およびNエミッタ層124の表面上に形成した後、写真工程(露光および現像)を経て、酸処理によって、P型デバイス終端層126に対応した位置の酸化膜を除去し、その部分のNドリフト層122を露出させる。続いて、イオン注入によって、例えばAlを露出部位から注入する。 Subsequently, the P-type device termination portion 126 and the P + base contact layer 125 are formed as follows. An oxide film as an ion implantation mask is formed on the surfaces of the N drift layer 122, the P-type base layer 123, and the N + emitter layer 124 by a CVD method, followed by a photographic process (exposure and development), and an acid treatment. Then, the oxide film at the position corresponding to the P-type device termination layer 126 is removed, and the portion of the N drift layer 122 is exposed. Subsequently, for example, Al is implanted from the exposed portion by ion implantation.

さらに、イオン注入マスクとして酸化膜を、CVD法によってNドリフト層122、P型ベース層123、およびNエミッタ層124の表面上に形成した後、写真工程を経て、酸処理によって、Pベースコンタクト層125に対応した位置の酸化膜を除去し、その部分のP型ベース層123を露出させる。続いて、イオン注入によって、例えばAlを、高濃度となるように露出部位から注入する。注入した不純物を活性化するために、イオン注入マスクとして用いた酸化膜を除去してから、1500℃以上の熱処理を施し、Pベースコンタクト層125およびP型デバイス終端層126を形成する(図9(c))。 Further, an oxide film is formed as an ion implantation mask on the surfaces of the N drift layer 122, the P-type base layer 123, and the N + emitter layer 124 by a CVD method, and then a photographic process is performed to perform P + by acid treatment. The oxide film at the position corresponding to the base contact layer 125 is removed, and the P-type base layer 123 at that portion is exposed. Subsequently, for example, Al is implanted from the exposed portion so as to have a high concentration by ion implantation. In order to activate the implanted impurities, the oxide film used as an ion implantation mask is removed, and then a heat treatment at 1500 ° C. or higher is performed to form a P + base contact layer 125 and a P-type device termination layer 126 (FIG. 9 (c)).

続いて、以下のようにしてPN接合保護膜127を形成する。構造全体を熱酸化もしくは熱酸窒化して、全面に絶縁膜(一部図示省略)を形成した後、写真工程を経て、酸処理によって、Nエミッタ層124およびPベースコンタクト層125に対応した位置の絶縁膜を除去し、Nエミッタ層124およびPベースコンタクト層125の表面の一部を露出させる。残った絶縁膜がPN接合保護膜127となる(図10(a))。 Subsequently, a PN junction protective film 127 is formed as follows. The whole structure is thermally oxidized or thermally oxynitrided to form an insulating film (not shown) on the entire surface, and then subjected to a photographic process, and then acid treatment to correspond to the N + emitter layer 124 and the P + base contact layer 125 The insulating film at the position is removed, and parts of the surfaces of the N + emitter layer 124 and the P + base contact layer 125 are exposed. The remaining insulating film becomes the PN junction protective film 127 (FIG. 10A).

続いて、リフトオフ法によってエミッタ電極128およびベース電極129を形成する。エミッタ電極128は、例えば蒸着法によってNエミッタ層124上にNiを堆積することによって形成される。ベース電極129は、例えば蒸着法によってTiおよびAlをこの順に積層することによって形成される。エミッタ電極材料およびベース電極材料を堆積した後、Nバルク層121の裏面上に、例えば蒸着法によってNiを堆積し、コレクタ電極130を形成する。コレクタ電極材料を堆積した後、900℃以上の焼鈍処理を施す。これによって、Nエミッタ層124およびエミッタ電極128間、Pベースコンタクト層125およびベース電極129間、Nバルク層121およびコレクタ電極130間にオーミック接触が形成される。以上の工程を経て、半導体装置1cが完成する。 Subsequently, an emitter electrode 128 and a base electrode 129 are formed by a lift-off method. The emitter electrode 128 is formed by depositing Ni on the N + emitter layer 124 by vapor deposition, for example. The base electrode 129 is formed by laminating Ti and Al in this order, for example, by vapor deposition. After depositing the emitter electrode material and the base electrode material, Ni is deposited on the back surface of the N + bulk layer 121 by, eg, vapor deposition to form the collector electrode 130. After depositing the collector electrode material, an annealing treatment at 900 ° C. or higher is performed. As a result, ohmic contacts are formed between the N + emitter layer 124 and the emitter electrode 128, between the P + base contact layer 125 and the base electrode 129, and between the N + bulk layer 121 and the collector electrode 130. The semiconductor device 1c is completed through the above steps.

本実施形態によれば、第1の実施形態と同様に絶縁膜とPN接合の端部との間の界面準位(界面準位密度)が従来よりも減少するので、ベース電流のリークを低減し、NPNトランジスタの電流増幅率を向上することができる。したがって、NPNトランジスタの電流特性が向上する。   According to the present embodiment, since the interface state (interface state density) between the insulating film and the end of the PN junction is reduced as compared with the prior art, the leakage of the base current is reduced as in the first embodiment. In addition, the current amplification factor of the NPN transistor can be improved. Therefore, the current characteristics of the NPN transistor are improved.

以上、図面を参照して本発明の実施形態について詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、本発明は、SiC−PiNダイオードおよびSiC−NPNトランジスタのみでなく、SiCサイリスタ、SiC−SIT(静電誘導トランジスタ)、およびSiC−GTOなどの各種半導体装置のPN接合の保護法として用いることができる。また、上述した実施形態において挙げた具体的な材料や層構成などは一例に過ぎず、適宜変更することができる。   As described above, the embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to these embodiments, and includes design changes and the like without departing from the gist of the present invention. . For example, the present invention is used as a method for protecting PN junctions of various semiconductor devices such as SiC thyristors, SiC-SITs (electrostatic induction transistors), and SiC-GTOs as well as SiC-PiN diodes and SiC-NPN transistors. Can do. In addition, the specific materials and layer configurations described in the above-described embodiments are merely examples, and can be changed as appropriate.

本発明の第1の実施形態によるSiC半導体装置の断面構造を示す模式断面図である。1 is a schematic cross-sectional view showing a cross-sectional structure of a SiC semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態における数値計算結果を示すグラフである。It is a graph which shows the numerical calculation result in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態によるSiC半導体装置の製造方法を説明するための模式断面図である。It is a schematic cross section for demonstrating the manufacturing method of the SiC semiconductor device by the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態によるSiC半導体装置の断面構造を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the cross-section of the SiC semiconductor device by the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態によるSiC半導体装置の製造方法を説明するための模式断面図である。It is a schematic cross section for demonstrating the manufacturing method of the SiC semiconductor device by the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態によるSiC半導体装置の製造方法を説明するための模式断面図である。It is a schematic cross section for demonstrating the manufacturing method of the SiC semiconductor device by the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態によるSiC半導体装置の断面構造を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the cross-section of the SiC semiconductor device by the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態によるSiC半導体装置の平面図である。It is a top view of the SiC semiconductor device by a 3rd embodiment of the present invention. 本発明の第3の実施形態によるSiC半導体装置の製造方法を説明するための模式断面図である。It is a schematic cross section for demonstrating the manufacturing method of the SiC semiconductor device by the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態によるSiC半導体装置の製造方法を説明するための模式断面図である。It is a schematic cross section for demonstrating the manufacturing method of the SiC semiconductor device by the 3rd Embodiment of this invention. 従来のSiC半導体装置の断面構造を示す模式断面図である。It is a schematic cross section showing a cross-sectional structure of a conventional SiC semiconductor device. 従来のSiC半導体装置の断面構造を示す模式断面図である。It is a schematic cross section showing a cross-sectional structure of a conventional SiC semiconductor device.

符号の説明Explanation of symbols

1a,1b,1c,2a,2b 半導体装置、10 単位セル、31,32,33,41,42 端部、101 第1導電型層、101a,111a,121a 主面、102 第2導電型層、103 絶縁膜、104,119,131 側壁、111,121,201,211 Nバルク層、112,122,202,212 Nドリフト層、113,203 Pアノード層、114,204 PN接合第1保護膜、115,205 PN接合第2保護膜、116,206 アノード電極、117,207 引き出し電極、118,208 カソード電極、123,213 P型ベース層、124,215 Nエミッタ層、125,214 Pベースコンタクト層、126,216 P型デバイス終端層、127,220 PN接合保護膜、128,218 エミッタ電極、129,219 ベース電極、130,217 コレクタ電極

1a, 1b, 1c, 2a, 2b Semiconductor device, 10 unit cell, 31, 32, 33, 41, 42 end, 101 first conductivity type layer, 101a, 111a, 121a main surface, 102 second conductivity type layer, 103 insulating film, 104, 119, 131 sidewall, 111, 121, 201, 211 N + bulk layer, 112, 122, 202, 212 N drift layer, 113, 203 P + anode layer, 114, 204 PN junction first Protective film, 115, 205 PN junction second protective film, 116, 206 anode electrode, 117, 207 lead electrode, 118, 208 cathode electrode, 123, 213 P-type base layer, 124, 215 N + emitter layer, 125, 214 P + base contact layer, 126,216 P-type device termination layer, 127,220 PN junction protective film, 128,21 The emitter electrode, 129,219 base electrode, 130,217 collector electrode

Claims (4)

4H−SiCを主組成とし、PN接合を形成する第1導電型の第1の半導体層および第2導電型の第2の半導体層と、前記第1の半導体層および前記第2の半導体層の表面に露出した前記PN接合を被覆する絶縁膜とを備えたSiC半導体装置において、
前記PN接合が露出した端部は、[0001]軸方向または[000−1]軸方向から<01−10>軸方向へ25度以上45度以下傾いた軸に垂直な主面を有している
ことを特徴とするSiC半導体装置。
A first conductive type first semiconductor layer and a second conductive type second semiconductor layer forming a PN junction with 4H—SiC as a main composition, and the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. In an SiC semiconductor device comprising an insulating film covering the PN junction exposed on the surface,
The exposed end of the PN junction has a principal surface perpendicular to an axis inclined from 25 degrees to 45 degrees in the <01-10> axial direction from the [0001] axial direction or the [000-1] axial direction. A SiC semiconductor device characterized by comprising:
前記主面は、[0001]軸方向または[000−1]軸方向から<01−10>軸方向へ30度以上39度以下傾いた軸に垂直な主面であることを特徴とする請求項1に記載のSiC半導体装置。   The main surface is a main surface perpendicular to an axis inclined at 30 degrees or more and 39 degrees or less from a [0001] axial direction or a [000-1] axial direction to a <01-10> axial direction. 2. The SiC semiconductor device according to 1. 前記主面は、[0001]軸方向または[000−1]軸方向から<01−10>軸方向へ35.3度傾いた{03−38}面であることを特徴とする請求項1に記載のSiC半導体装置。   The main surface is a {03-38} plane inclined by 35.3 degrees from the [0001] axial direction or the [000-1] axial direction to the <01-10> axial direction. The SiC semiconductor device described. 前記PN接合は、前記[0001]軸方向または前記[000−1]軸方向から<01−10>軸方向へ25度未満傾いた軸、あるいは45度を超えて傾いた軸に垂直な面と前記主面とが交差した交差部から隔離していることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかの項に記載のSiC半導体装置。

The PN junction includes an axis inclined less than 25 degrees from the [0001] axis direction or the [000-1] axis direction to the <01-10> axis direction, or a plane perpendicular to an axis inclined more than 45 degrees. The SiC semiconductor device according to any one of claims 1 to 3, wherein the SiC semiconductor device is isolated from an intersecting portion intersecting with the main surface.

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