JP2007220878A - 炭化珪素半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 素子破壊を防止し得る炭化珪素半導体装置を提供する。
【解決手段】 本発明の炭化珪素半導体装置は、第１導電型の炭化珪素基板２０と、該炭化珪素基板の一方の面にアノードのための電極３０と、炭化珪素基板の他方の面にカソードのための電極４０と、炭化珪素基板の一方の面側の層の所定位置で所定の間隔を有してアノード電極と電気的なコンタクトを得る第２導電型の炭化珪素領域５０と、炭化珪素基板の他方の面側の層において、一方の面層からの空乏層のリーチスルーを誘因すべく、第２導電型の領域に対向する位置でカソード電極と電気的なコンタクトを得る第１導電型の高濃度領域をリーチスルー誘因領域６０として備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は炭化珪素半導体装置に関するものであり、特に炭化珪素基板の一方の面層の所定位置でアノード電極へ印加される逆方向電圧によって生じる電界強度を緩和するための炭化珪素領域を備える炭化珪素半導体装置に関するものである。

炭化珪素基板を用いた炭化珪素半導体装置が特許文献１に開示されている。当該炭化珪素半導体装置は、アノード電極の端部下に位置する第１導電型の炭化珪素基板の一方の面層にアノード電極に印加される電圧によって生じる電界集中を緩和するための第２導電型の炭化珪素領域をガードリングとして備えている。ガードリングは、アノード電極へ印加される逆方向電圧によって生じる電界集中、すなわち炭化珪素基板の面層においてアノード電極の端部下に位置する箇所での電界集中を緩和し、電界集中で生じる素子破壊を防止している。

ところで、前記したガードリングを備えた炭化珪素半導体装置はアノード電極に逆方向電圧が印加されると、印加電圧に応じてアノード電極下からカソード電極に向かって空乏層を形成する。このとき、カソード電極に向かって形成される空乏層は、ドリフト間隔が狭いガードリング下においてカソード電極と最も早く接触する。この接触により、いわゆるリーチスルーが生じると、アノード電極およびカソード電極間が電気的に接続され電流が流れる。
特開２００３−２５８２７１

ところで、前記したような逆方向電圧の特性指標として、指定の温度および逆電力で非繰り返しで許容し得る逆電力ピーク値を示す定格サージ逆電力（以降、単にＰ_ＲＳＭと略称する）が用いられている。例えば良好なＰ_ＲＳＭ特性を示す炭化珪素半導体装置としてＰｉＮ接合を用いた炭化珪素半導体装置が知られており、他方、特許文献１に示されたショットキー接合を用いた炭化珪素半導体装置はＰｉＮ接合を用いた炭化珪素半導体装置と比較してＰ_ＲＳＭが悪いことが知られている。

ショットキー接合を用いた炭化珪素半導体装置は、ＰｉＮ接合を用いた炭化珪素半導体装置よりも比較的低い逆電力で素子破壊を招く恐れがあり、これが危惧されている。なぜなら、ショットキー接合は金属−半導体接合で形成されているので温度が上昇すると１０００℃以下の低温で界面反応が進行して障壁が小さくなって破壊し易いのに対し、ＰｉＮ接合は１５００℃以上に温度が上昇しても拡散現象がほとんど生じずに破壊し難いからである。この現象は、Ｓｉ製ショットキーバリアダイオード（以降、ＳＢＤと略称する）では耐圧が１００V程度と低いので顕在化しなかったが、ＳｉＣ製ＳＢＤでは耐圧が１０００V程度と高いので耐える電流値が、Ｓｉ製SBDの場合の１０分の１に小さくなって顕在化する。
従って、本発明は上記した事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は低い逆電力で素子破壊を招くことが無いように、逆方向電圧においてはＰｉＮ接合を用いた半導体装置として機能させて素子破壊を防止し得る炭化珪素半導体装置を提供することにある。

本発明は、以上の問題点を解決するために、次の構成を採用する。
本発明の炭化珪素半導体装置は、第１導電型の炭化珪素基板と、該炭化珪素基板の一方の面にアノードのための電極と、炭化珪素基板の他方の面にカソードのための電極と、炭化珪素基板の一方の面側の層の所定位置で所定の間隔を有してアノード電極と電気的なコンタクトを得る第２導電型の炭化珪素領域と、を備えた炭化珪素半導体装置において、炭化珪素基板の他方の面側の層において、一方の面層からの空乏層のリーチスルーを誘因すべく、第２導電型の領域に対向する位置でカソード電極と電気的なコンタクトを得る第１導電型の高濃度領域をリーチスルー誘因領域として備えることを特徴とする。

炭化珪素領域は、ガードリングであることを特徴とする。
炭化珪素基板は、一方の面側に低濃度層を他方の面側に高濃度層を有することを特徴とする。
炭化珪素基板の一方の面側の層の所定の間隔に、所定の微細間隔で配置される第２導電型の微細炭化珪素領域を備えることを特徴とする。

本発明の炭化珪素半導体装置は、炭化珪素基板の他方の面層において、一方の面層からの空乏層のリーチスルーを誘因すべく、第２導電型領域に対向する位置にカソード電極と電気的なコンタクトを得るリーチスルー誘因領域を備えることにより、逆方向電圧におけるリーチスルーを誘因し、当該リーチスルーによって炭化珪素基板の一方の面の第２導電型領域と他方の面のリーチスルー誘因領域との間でＰｉＮダイオードとして機能させることができる。これにより本発明の炭化珪素半導体装置は、逆方向電圧においてＰｉＮダイオードとして機能することから、ＰｉＮダイオードの良好な特性により、素子破壊を防止することができる。

以下、図面を用いて、本発明の印刷装置の実施の形態を詳細に説明するが、以下の説明では、各実施の形態に用いる図面について同一の構成要素は同一の符号を付し、かつ重複する説明は可能な限り省略する。

本発明の炭化珪素半導体装置１０は、図１に示すように、ショットキー障壁によりＰｉＮダイオード（以降、単にＰｉＮＤと略称する）と比較して順方向におけるビルトイン電圧が低く、低い順方向電圧でもって動作可能のショットキーバリアダイオードとして機能するための構成を備えており、具体的には第１導電型としてのｎ型の炭化珪素半導体基板２０と、該半導体基板２０の一方の面にアノード電極３０と、炭化珪素半導体基板２０の他方の面にカソードのための電極４０（以降、単にカソード電極４０と称する）と、炭化珪素半導体基板２０の一方の面側の層に所定の間隔を有してアノード電極３０と電気的なコンタクトを得る第２導電型としてのｐ型の炭化珪素領域と、アノード電極３０間に配置されたパッシベーション層７０とを備えている。

更に、本発明の炭化珪素半導体装置１０は、炭化珪素半導体基板２０の他方の面側の層においてｐ型の炭化珪素領域と対向する位置に、本発明の特徴であるリーチスルー誘因領域６０を備えている。

炭化珪素半導体基板２０は、一方の面側にｎ型の低濃度層２１を有し、他方の面側にｎ型の高濃度層２２を有している。
低濃度層２１は例えば層厚が１０μｍで形成されており、当該低濃度層２１はドリフト領域と称されている。

ところで、ｐ型の炭化珪素領域は、炭化珪素半導体基板２０の一方の面側の層において、チャネル間隔として例えば１ｍｍ乃至１０ｍｍの間隔を有するアノード電極３０端に対応する位置に、例えば１0μｍ乃至１０0μｍの幅間隔を有し、０．５μｍ以下の深さ寸法で配置されている。ｐ型の炭化珪素領域は、アノード電極３０に逆方向に印加される電圧によって生じる電界強度を緩和して逆方向電圧における耐圧を向上させるための、いわゆるガードリングである。尚、以降の説明において当該炭化珪素領域をガードリング５０と称して説明を行う。

ガードリング５０は、アノード電極３０と電気的にコンタクトを得るべく、例えば０・０５μｍ乃至０．１μｍの深さ寸法を有した高濃度のｐ型領域５１と、該高濃度のｐ型領域を取り囲むｐ型領域５２とを備えている。

アノード電極３０に逆方向電圧が印加されると、印加電圧に応じてアノード電極３０下からカソード電極４０に向かって空乏層が形成される。このとき、アノード電極３０下に所定の間隔を有して配置されたガードリングにも電圧が印加されている。アノード電極３０に逆方向電圧が印加されると、該アノード電極３０と良好な特性で電気的に接続されている高濃度のｐ型領域５１を介してｐ型領域５２に電圧が印加されると、該ｐ型領域５２の周囲、すなわちガードリング５０の周囲にカソード電極４０に向かって空乏層が形成される。

ところで、カソード電極４０に向かって形成される空乏層はドリフト間隔が狭いアノード電極３０下に配置されたガードリング５０下においてカソード電極４０と最も早く接触する。この接触により、いわゆるリーチスルーが生じると、アノード電極３０およびカソード電極４０間が電気的に接続されて電流が流れる。

リーチスルー誘因領域６０は、炭化珪素半導体基板２０に埋め込み形成されており、具体的には低濃度層２１の他方の面側に深さ寸法が例えば１μｍ乃至２μｍおよび幅寸法が例えば０．５ｍｍ乃至５ｍｍで埋め込み形成されており、低濃度層２１の一方の面と電気的に接続されている。

尚、リーチスルー誘因領域６０は、第１導電型としてのｎ型の高濃度の領域であり、当該高濃度領域により、アノード電極３０下からカソード電極４０に向かって伸長する空乏層によるリーチスルーを誘因している。

アノード電極３０は、複数種類の金属層を積層して形成されており、例えばはチタン（Ｔｉ）層３１を形成し、該チタン層３１上にアルミ（Ａｌ）層３２を積層して形成されている。ところで、チタン層３１には、ガードリング５０の高濃度のｐ型領域５１上に位置する箇所には、アルミ系の金属（Ｔｉ−ＡｌやＮｉ−Ｔｉ−Ａｌ）がオーミック接触領域３３として設けられている。

アノード電極３０のオーミック接触領域３３下に高濃度のｐ型領域５１が配置されており、高濃度のｐ型領域５１はアノード電極３０と良好なオーミック接触を得ている。これにより、高濃度のｐ型領域５１を有するガードリング５０は、アノード電極３０と電気的に良好なオーミック接触を得ることができる。

ところで、ガードリング５０はｐ型の炭化珪素領域であり、ｐ型の炭化珪素領域とｎ型のリーチスルー誘因領域６０との間にはｎ型の低濃度層２１が配置されており、ＰｉＮ接合としての構成を備えている。これにより本発明の炭化珪素半導体装置１０はＰｉＮＤとして機能させることができる。

ところで、ＰｉＮＤはＩ_ＦＳＭおよびＰ_ＲＳＭなどのサージ耐量特性が良好なことが知られており、本発明の炭化珪素半導体装置１０をＰｉＮＤとして機能させることで良好なサージ耐量特性を得ることができる。

本発明の炭化珪素半導体装置１０は、逆方向電圧において積極的にＰｉＮＤとして機能させるためのリーチスルー誘因領域６０を備えており、当該リーチスルー誘因領域６０によりリーチスルーを積極的に誘因する。これにより、図２に示すように、印加電圧による炭化珪素半導体の素子破壊を招く前にリーチスルーによってカソード電極４０からアノード電極３０へ電流を流すことができる。

次に、本発明の炭化珪素半導体装置１０の動作を説明する。
アノード電極３０に順方向電圧が印加されると、当該アノード電極３０下のガードリング５０間に位置するチャネル領域において電位障壁を移動する電子により、図１の位置Ｂで示される箇所でアノード電極３０およびカソード電極４０間に電流が流れ、いわゆるＳＢＤとして機能する。

ところで本発明の炭化珪素半導体装置１０は、順方向の電圧が更に高くなると、図１の位置Ｂで示されるチャネル領域での電子の移動に加えて、図１の位置Ａで示されるガードリング５０およびリーチスルー誘因領域６０間でも電子の移動が生じて電流が流れる。すなわち、順方向の電圧がＰｉＮＤのビルトイン電圧より高くなると、順方向の電圧がアノード電極３０を介してガードリング５０に印加され、図１の位置Ａで示される箇所において、該ガードリング５０から低濃度層２１およびリーチスルー誘因領域６０を介してカソード電極４０へ電流が流れる。

前記したように、本発明の炭化珪素半導体装置１０は、印加される順方向電圧が低いときはＳＢＤとして動作し、印加される電圧が高くなるとＳＢＤとしての動作に加えて更にＰｉＮＤとしても動作する。これにより、本発明の炭化珪素半導体装置１０は、ＳＢＤおよびＰｉＮＤとして動作することから、図２に示すようにビルトイン電圧の低減を図ることができ、かつ良好なＩ_ＦＳＭ特性を得ることができる。

次に、アノード電極３０に逆方向電圧が印加されたときの動作を説明する。
アノード電極３０に逆方向の電圧が印加されると、炭化珪素半導体装置１０は先ずＳＢＤとして機能する。すなわちアノード電極３０下にあるガードリング５０の形状に応じてアノード電極３０からカソード電極４０に向かって伸長する空乏層がドリフト領域に形成される。

具体的には、チャネル領域において図１の位置Ｂで示されるアノード電極３０下および図１の位置Ａで示されるガードリング５０下からカソード電極４０に向かってドリフト領域に空乏層が形成される。空乏層は逆方向電圧の印加量に応じてアノード電極３０側からカソード電極４０へ向かって伸長しており、ガードリング５０下において最もカソード電極４０に接近する。

ガードリング５０に対向する位置にリーチスルー誘因領域６０が形成されていることから、所定の値以上の逆方向電圧が印加されると、アノード電極３０側からカソード電極４０へ向かって、図１の位置Ａにおいて伸長する空乏層がリーチスルー誘因領域６０と接触する。

ところで、図１に示すように、ｎ型のガードリング５０およびｎ型のリーチスルー誘因領域６０との間にｎ型の低濃度層２１を有しており、図１の位置ＡにおいてＰｉＮＤとしての構成を備えている。これにより、図３に示すように逆方向電圧が所定値以上になるまではＳＢＤとして動作し、逆方向電圧が所定値以上になると、ＰｉＮＤとしても動作することから、炭化珪素半導体装置１０は、良好なＰ_ＲＳＭを得ることがでる。

ところで、リーチスルー誘因領域６０はｎ型の高濃度領域であり、ｎ型の高濃度層２２を介してカソード電極４０に電気的に接続されていることから、ドリフト領域においてアノード電極３０側からカソード電極４０へ伸長する空乏層がリーチスルー誘因領域６０に接触すると、アノード電極３０およびカソード電極４０間に電流が流れる、いわゆるリーチスルーが発生する。これにより、本発明の炭化珪素半導体装置１０は、リーチスルー発生前と比較して、より多くの電流を流すことができ、良好なＰ_ＲＳＭを得て素子破壊を防止することができる。

前記したように、本発明の炭化珪素半導体装置１０は、アノード電極３０とオーミック接触を得るガードリング５０と、該ガードリング５０に対向する位置にリーチスルー誘因領域６０を備えることから、印加される電圧が低いときはＳＢＤとして動作して低ビルトイン電圧の良好な特性を得ることができ、所定の電圧値より高くなるとＰｉＮＤとしても動作し、Ｉ_ＦＳＭおよびＰ_ＲＳＭなどが良好なサージ耐量特性を得ることができる。更に、本発明の炭化珪素半導体装置１０は、ガードリング５０に対向する位置にリーチスルー誘因領域６０を備えることにより、リーチスルーを積極的に誘引することから、リーチスルーの発生により、多くの電流を流すことができ、良好なＰ_ＲＳＭ特性を得ることができ素子破壊の発生を防止することができる。

尚、本発明の主要な構成をＪＢＳ（Ｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｓｃｈｏｔｔｋｙ）およびＭＰＳ（Ｍｅｒｇｅｄ ＰｉＮ ｄｉｏｄｅ ａｎｄ Ｓｃｈｏｔｔｋｙ Ｂａｒｒｉｅｒ ｄｉｏｄｅ）と称される炭化珪素半導体装置に適用してもよく、具体的には図４に示すように、前記した炭化珪素半導体装置１０の構成において、炭化珪素半導体基板２０の一方の面側の層のチャネル領域に所定の微細化された間隔、例えば約１μｍの間隔でｎ型の微細炭化珪素領域を備える。

微細炭化珪素領域はアノード電極３０に電気的に接続されており、アノード電極３０に逆方向電圧が印加されると、微細化炭化珪素領域から空乏層がカソード電極４０に向かって形成される。前記した空乏層は、チャネル領域に微細化されて配置されている微細化炭化珪素領域により、低電圧でも形成される。これにより、チャネル領域間における漏れ電流を低減することができる。

尚、前記したように、図４に示す炭化珪素半導体装置は、図５に示すように良好なＰ_ＲＳＭ特性を得て素子破壊を防止することができるとともに、逆方向において漏れ電流を低減することができる。

尚、前記した実施例ではｎ型を第１導電型およびｐ型を第２導電型とした例で説明したが、ｐ型を第１導電型およびｎ型を第２導電型としても本発明の炭化珪素半導体装置を形成することができる。

前記した実施例では、炭化珪素半導体装置１０の構成を具体的な寸法を用いて説明したが当該寸法に限る必要は無く、所望の性能および所望の特性を得るべく各種寸法やｎ型およびｐ型の不純物濃度を適宜変更してもよい。

本発明の炭化珪素半導体装置を示す図である。 本発明の炭化珪素半導体装置および従来の炭化珪素半導体装置の特性を示す図である。 本発明の炭化珪素半導体装置の素子破壊特性および従来の炭化珪素半導体装置の素子破壊特性を示す図である。 本発明を応用した炭化珪素半導体装置を示す図である。 本発明を応用した炭化珪素半導体装置の素子破壊特性を示す図である。

符号の説明

１０ 本発明の炭化珪素半導体装置
２０ 炭化珪素半導体基板
２１ 低濃度層
２２ 高濃度層
３０ アノード電極
３１ チタン層
３２ アルミ層
３３ オーミック接触領域
４０ カソード電極
５０ ガードリング
５１ 高濃度のｐ型領域
５２ ｐ型領域
６０ リーチスルー誘因領域
７０ パッシベーション層

Claims (4)

1. 第１導電型の炭化珪素基板と、該炭化珪素基板の一方の面にアノードのための電極と、前記炭化珪素基板の他方の面にカソードのための電極と、前記炭化珪素基板の一方の面側の層の所定位置で所定の間隔を有して前記アノード電極と電気的なコンタクトを得る第２導電型の炭化珪素領域と、を備えた炭化珪素半導体装置において、
   前記炭化珪素基板の他方の面側の層において、前記一方の面層からの空乏層のリーチスルーを誘因すべく、前記第２導電型の領域に対向する位置で前記カソード電極と電気的なコンタクトを得る第１導電型の高濃度領域をリーチスルー誘因領域として備えることを特徴とする炭化珪素半導体装置。
2. 前記炭化珪素領域は、ガードリングであることを特徴とする請求項１記載の炭化珪素半導体装置。
3. 前記炭化珪素基板は、前記一方の面側に低濃度層を前記他方の面側に高濃度層を有することを特徴とする請求項１記載の炭化珪素半導体装置。
4. 前記炭化珪素基板の一方の面側の層の前記所定の間隔に、所定の微細間隔で配置される第２導電型の微細炭化珪素領域を備えることを特徴とする請求項１記載の炭化珪素半導体装置。

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