JP2008541478A - 炭化珪素デバイスおよびその製作方法 - Google Patents
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Abstract
たとえばサイリスタのような高電圧炭化珪素(SiC)デバイスが提供される。第1の導電型を有する第1のSiC層が第2の導電型を有する電圧遮断用SiC基板の第1の表面上に備えられる。SiCの第1の領域が第1のSiC層上に備えられ、この領域は第2の導電型を有する。SiCの第2の領域が第1のSiC層内に備えられる。SiCの第2の領域は第1の導電型を有し、SiCの第1の領域に隣接している。第1の導電型を有する第2のSiC層が電圧遮断用SiC基板の、第1の表面とは反対側の第2の表面上に備えられる。第1、第2、および第3の電極がそれぞれSiCの第1の領域、SiCの第2の領域、および第2のSiC層上に備えられる。高電圧SiCデバイスの作製に関する方法も提供される。
Description
本発明は電力半導体デバイスと電力半導体デバイスの作製方法に関するものであり、より具体的には高電圧炭化珪素デバイスと高電圧炭化珪素デバイスの作製方法に関するものである。
電力デバイスは大電流を運び高電圧を支持するために広く用いられている。最近の電力デバイスは一般には単結晶シリコン半導体材料から作製されている。電力デバイスの1形態がサイリスタである。サイリスタはオフ状態からオン状態へ、またはその逆にスイッチができる双安定パワー半導体デバイスである。サイリスタ、高電力バイポーラ接合トランジスタ(HPBJT)或は電力用金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)のようなパワー半導体デバイスは大量の電流を制御したり通過させたり、また高い電圧を遮断することのできる半導体デバイスである。
サイリスタは一般的によく知られていて、通常は陽極、陰極、およびゲートの3端子を持つ。サイリスタはゲートと陰極間に短い電流パルスを印加するとオンになる。サイリスタが一旦オンになると、ゲートはデバイスをオフに切り替える制御ができなくなる。オフに切り替えるのは陽極と陰極間に逆バイアスを印加することによって達成される。しかしながら、特別設計のゲート・ターンオフ・サイリスタ(GTO)は通常は逆方向ゲート・パルスによってオフになる。GTOサイリスタはある種のトリガー入力によって導通となり、その後はダイオードのように振舞う。
サイリスタは過渡電流di/dtおよびdv/dt容量という観点では非常に素朴なデバイスである。通常のシリコンサイリスタにおける順方向電圧(VF)ドロップは約1.5V から2Vの範囲であり、いくつかのより高い電力のデバイスでは約3Vである。それゆえに、サイリスタは大量の電流を制御、或は通過させることができて、高電圧を効率的に遮断する(すなわち、電圧スイッチする)ことができる。VFが所定の電流におけるデバイスのオン状態の電力損失を決めるが、スイッチング電力損失が高い動作周波数でのデバイスの接合温度に影響を及ぼす支配的な要因である。このために通常のサイリスタを用いて可能なスイッチング周波数は、他の多くの電力デバイスに比べて制限される。
サイリスタの2つのパラメータは内蔵電位(これは与えられた半導体材料のバンドギャップによって決められる)と固有オン抵抗(すなわち、デバイスがオンになったときの直線領域のデバイス抵抗)である。サイリスタの固有オン抵抗は通常はできるだけ小さくして、サイリスタに印加される所定の電圧に対して単位面積当たり大きな電流を供給できるようにしている。固有オン抵抗が小さいほど、所定の電流定格に対してVFドロップが小さくなる。所定の半導体材料に対して最小のVFはその内蔵電位(電圧)である。
従来のサイリスタのいくつかは、シリコン制御整流器(SCR)の例のようにシリコン(Si)或は砒化ガリウム(GaAs)を用いて製作されている。しかしながら、SiあるいはGaAsで形成されたサイリスタは少数キャリア寿命やドリフト領域の厚さのような、SiあるいはGaAsの材料それ自体に原因するある種の特性限界を持つ。固有オン抵抗に寄与する最大の要因はサイリスタの、厚い、ドーピング濃度の低いドリフト領域の抵抗である。MOSFETのような多数キャリアデバイスでは固有オン抵抗は軽くドープされたドリフト層のドーピング濃度と厚さで決まる。少数キャリア(或はバイポーラ)デバイスでは、電子と正孔の両方のキャリアがこのドリフト層に注入され、固有オン抵抗を大幅に低下させる。この効果は電導度変調とよばれる。サイリスタの定格電圧が増加すると、通常、ドリフト領域の厚さが増加し、ドリフト領域のドーピング濃度が減少する。効果的な電導度変調のためには、通常は非常に長い少数キャリア寿命が必要となる。同時に、ドリフト層の体積が増大するためにドリフト層に蓄積されるキャリア数が通常は増加する。それゆえに、高い遮断電圧を有するデバイスでは、スイッチング時間と周波数を決定する要因である、ドリフト層内の過剰キャリアを取り除くために要する時間が劇的に増大する。
電力デバイスを開発する努力の1側面に炭化珪素(SiC)デバイスを電力デバイスとして用いる方向がある。炭化珪素はシリコンに比べると広いバンドギャップ、小さな誘電率、高い破壊電界強度、大きな熱伝導率、および大きな飽和電子ドリフト速度を持つ。これらの特性のために炭化珪素電力デバイスは従来のシリコンベースの電力デバイスに比べて高温で、高い電力レベルで、小さな固有オン抵抗を持って、高いスイッチング周波数を持って動作することが期待される。シリコンデバイスに対する炭化珪素デバイスの優位性に関する理論的な解析は非特許文献1に見ることができる。非特許文献1の開示内容は、参照することによって、全体をここで開示されているかのように、ここに取り込まれているものとする。炭化珪素で作製されるサイリスタは本発明の譲受人に譲渡された特許文献1、発明者エドモンド(Edmond)ら、発明の名称「炭化珪素サイリスタ(Silicon Carbide Thyristor)」に記述されている。この特許文献1の開示内容は、参照することによって、全体をここで開示されているかのように、ここに取り込まれているものとする。
炭化珪素が潜在的に優位であるとされるが、炭化珪素でサイリスタを含む電力デバイスを作製することは困難である。例えば、これらの高電圧デバイスは通常、厚さが約300μmから約400μmまでの範囲の、高濃度ドープされたn型炭化珪素基板上に軽くドープされたエピタキシャル層を用いて形成される。低抵抗率のp型炭化珪素基板は入手できない。これは手に入るアクセプタ(アルミニウムとホウ素)が深いエネルギー準位を作り、キャリアの凍結をもたらしてしまうからである。このような理由で、n型基板だけを用いなければならず、その結果、得られる高電圧デバイスの極性を制限することになってしまう。例えばp−チャネル絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ(IGBT)およびpnpnサイリスタだけしか実現できない。更に、実現できるデバイスは1方向の電圧を遮断することができるだけである。
さらには、基板とエピタキシャル層の界面でブロッキング接合を形成するためには、平坦な端面終端構造を形成するか、端面斜面化工程を用いてデバイスの端面での未成熟降伏が起こりにくくしなければならない。デバイスの裏面上に平坦な端面終端構造を形成することは困難であり、300μmから400μmの厚さのn型基板を除去した後に多くの処理工程が必要になるので、実現するのに経費がかかる。端面の斜面化は基板を通してのエッチング工程、或はデバイスの側面の磨き/研磨工程を含み、電圧遮断用エピタキシャル層が基板に比べて通常ははるかに薄いのでこれは困難である。
本発明のいくつかの実施例は高電圧炭化珪素(SiC)デバイスを提供するものである。第1の導電型を有する第1のSiC層が第2の導電型を有する電圧遮断用SiC基板の第1の表面上に備えられる。第2の導電型を有するSiCの第1の領域が該第1のSiC層上に備えられる。SiCの第2の領域が該第1のSiC層内に備えられる。該SiCの第2の領域は第1の導電型を有し、該SiCの第1の領域に隣接している。第1の導電型を有する第2のSiC層が該電圧遮断用SiC基板の、第1の表面とは反対側の第2の表面上に備えられる。第1および第2の電極がそれぞれ該SiCの第1の領域および該第2のSiC層の上に備えられる。
本発明の更なる実施例では、電圧遮断用基板は約1.0x1015cm−3以下のキャリア密度を有する4H−SiCの高純度基板を含んでいる。電圧遮断用基板は約100 μmより厚い厚さを有している。第1の導電型はp型SiCであってよく、第2の導電型はn型SiCであってよい。代替として、第1の導電型はn型SiCであってよく、第2の導電型はp型SiCであってよい。
本発明のなお更なる実施例では、第1のSiC層は約1.0x1015cm−3から約1.0x1019cm−3までの範囲のキャリア密度を有する。第2のSiC層は約1.0x1016cm−3から約1.0x1021cm−3までの範囲のキャリア密度を有する。SiCの第1の領域は約1.0x1017cm−3から約1.0x1021cm−3までの範囲のキャリア密度を有する。
本発明のいくつかの実施例では、第1のSiC層は約0.1μmから約20.0μmまでの範囲の厚さを有する。第2のSiC層は約0.5 μmから約50.0μmまでの範囲の厚さを有する。SiCの第1の領域は約0.1 μmから約10.0μmまでの範囲の厚さを有する。
本発明の更なる実施例では、SiC デバイスはサイリスタである。SiCの第1の領域はサイリスタの陽極領域であり、SiCの第2の領域はサイリスタのゲート領域であり、第2のSiC層はサイリスタの陰極領域である。第3の電極がSiCの第2の領域上に備わっている。第1、第2、および第3の電極はそれぞれ陽極電極、陰極電極,およびゲート電極である。デバイスは第1、第2、および第3の電極上に、それぞれ、第1、第2、および第3の被覆層を更に含んでもよい。
本発明のなお更なる実施例では、SiCの第2の領域は約1.0x1017cm−3から約1.0x1021cm−3までの範囲のキャリア密度を有していて、約0.1μmから約2.0μmまでの範囲で第1のSiC層内へ伸びている。電圧遮断用基板は双方向電圧遮断用の層であり、端面終端構造を有している。本発明の或る実施例では、電圧遮断用基板はボール型に成長した基板である。端面終端構造は電圧遮断用基板の第1の表面と第1のSiC層との間に第1のブロッキング接合を備え、電圧遮断用基板の第2の表面と第2のSiC層との間に第2のブロッキング接合を備える。
本発明のいくつかの実施例は炭化珪素 (SiC) サイリスタを提供するものである。第1の導電型を有する第1のSiC層は第2の導電型を有する電圧遮断用SiC基板の第1の表面上に備えられる。SiC陽極領域は第1のSiC層上に備えられて、第2の導電型を有している。SiCゲート領域は該第1のSiC層内に備えられる。SiCゲート領域は第1の導電型を有し、該SiC陽極領域に隣接する。第1の導電型を有するSiC陰極層は該電圧遮断用SiC基板の、該第1の表面とは反対側の第2の表面上に備えられる。陽極電極、ゲート電極 、および陰極電極はそれぞれSiC陽極領域、SiCゲート領域、およびSiC陰極層上に備えられる。
本発明はおもに高電圧デバイスおよびサイリスタを参照して上に記しているが、高電圧デバイスおよびサイリスタを作製する方法もここに提供される。
さて本発明は、本発明の実施例が示されている添付の図面を参照して以下により完全に記述する。しかしながら本発明は、いろいろ別の形態で実施されることもあるので、ここに開示した実施例だけに制限されていると考えるべきではない。むしろ、この開示事項が完全であり、完璧であり、本発明の技術範囲を当業者に完全に伝達するように、これらの実施例が提供されているものである。図においては、層や領域のサイズや相対的な大きさは説明を明瞭にするために誇張されている。ある要素や層が他の要素や層「の上に」、「に接続して」、あるいは「に結合して」といわれた場合に、それが他の要素の直接上に、接続して、或は結合している場合もあれば、介在する要素或は層が存在してもよいということは理解されよう。それと比べて、或る要素が他の要素或は層「の直接上に」、「に直接接合して」或は「に直接結合して」いると言われた時には、介在する要素や層は存在しない。全体を通して同様の番号は同様の要素を指している。ここで用いられるように、「および/または」という用語は、関連して挙げられた項目を1つ以上含むすべてのいかなる組み合わせを含むものである。
「第1の」、「第2の」などという用語はここではいろいろな要素、部品、領域,層および/または区画を記述するために用いられるが、これらの要素、部品、領域,層および/または区画はこれらの用語によって制限されるものではない、ということは理解されよう。これらの用語は1つの要素、部品、領域,層および/または区画を他の要素、部品、領域,層および/または区画から区別するためだけに用いられる。このように以下に論じられる第1の要素、部品、領域,層および/または区画は、本発明の教えるところから逸脱することなしに、第2の要素、部品、領域,層および/または区画ということもできる。
さらに、「より下に」あるいは「底に」および「より上に」あるいは「最上部に」などという相対関係を表す用語は、図に示されたような1つの要素の他の要素に対する関係を記述するためにここでは用いられる。相対的な関係を表す用語は、図に示された方位に加えて、デバイスの異なる方位に広げることも意図されているものと理解されよう。たとえば、図の中のデバイスが逆さまになった場合には、他の要素の「下側に」にあると記述された要素は、このときは、他の要素の「上側に」向くであろう。それゆえに、例としてあげた用語「下側に」は図の特定の方位に依存して「下側に」と「上側に」の両方の方位に拡大するものとする。同様に、1つの図の中のデバイスが逆さまになった場合は、他の要素「の下に」あるいは「の下方に」として記述された要素は、そのときは、他の要素「の上方に」向くであろう。それゆえに、例としてあげた「の下に」あるいは「の下方に」という用語は「の上方に」と「の下方に」の両方の方位に拡大できるものとする。
本発明の実施例は本発明の理想化された実施例を概略的に示す断面図を参照してここに記述される。それゆえ、例えば製作技術および/または公差などに原因して、本図面の形からの変形が起こりうる。このように、本発明の実施例はここに示した領域の特定の形にだけ限定しようとするものではなく、例えば製造技術に由来する変形を含んだものであるべきである。例えば、長方形で示されているイオン注入された領域は、通常は、丸まっていたり、湾曲していたりする。或はまた、イオン注入濃度は、先端部でイオン注入領域から非イオン注入領域へ階段的に変化するのではなく、勾配をもって変化する。同様に、イオン注入によって形成された埋め込み領域というのは埋め込み領域とイオン注入が行われた表面の間の領域にも実際はいくらかの注入イオンが存在している。このように図に示される領域は本来、概略的であり、その形はデバイスのある領域の形を正確に示そうとするものではなく、本発明の技術範囲を制限しようとするものでもない。
本発明の実施例は、いろいろな層/領域に対して特定の極性の電導型に言及して記述されている。しかしながら、当業者には理解されるところであるが、領域/層の極性は逆になって、反対の極性のデバイスを提供することになってもよい。例えば「第1の導電型」および「第2の導電型」という用語はn型或はp型のような反対の電導型を言っているが、ここに記述され図示されているそれぞれの実施例はその相補型の実施例も含んでいるものとする。
本発明のいくつかの実施例は、ここで議論するように、炭化珪素の電圧遮断用基板を含んだサイリスタおよび/または他の電力デバイスを提供するものである。このように、本発明の実施例がサイリスタについて記述していても、本発明の実施例は金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ(IGBT)、或は他の高電圧電力デバイスのような他のデバイスにも用いてもよい。
本発明のいくつかの実施例によれば、高電圧電力デバイスが電圧遮断用基板上に提供される。このように電圧遮断して、キャリア注入するpn接合は電圧遮断用基板の第1と第2の対向する面上に炭化珪素層を形成することによって備えられる。すなわち電圧遮断用基板は双方向遮断能力を持つ高電圧デバイスを提供することを可能とする。更に、ここに議論する本発明のいくつかの実施例によれば、終端構造を備えるために約300μmから約400μmまでの範囲の基板を除去することはもはや必要ないので、それゆえに、多重方向の電圧遮断を可能にする。(電圧遮断用基板とその上に形成された層との間である)pnブロッキング接合の位置が明瞭に規定されており、電圧遮断用の層(基板)がデバイスの厚さの大部分を占めているので、本発明のいくつかの実施例によれば端面の斜面化工程も簡単化される。このように、本発明のいくつかの実施例によれば、高電圧デバイスはn型および/またはp型炭化珪素基板上に実現され、これは更にここで議論するように、高電圧デバイスにおいて可能となる極性を増加させることになる。
ここに用いられているように、「電圧遮断用基板」とは高電圧デバイスのための双方向電圧遮断用の層を提供することができるn型あるいはp型高純度炭化珪素基板を指している。本発明のいくつかの実施例では、電圧遮断用基板は約1.0x1015cm−3以下のキャリア密度を持ち、約100 μmより厚い厚さを持つ4H−SiC基板である。電圧遮断用基板と電圧遮断用基板を作製する方法に関する詳細は本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第xx/xxx、xxx号(クライアント参照番号第P0475)、2005年2月7日出願、発明の名称「少数キャリア寿命が増大した炭化珪素結晶を製造する工程(Process for Producing Silicon Carbide Crystals Having Increased Minority Carrier Lifetimes)」、に記述されている。この文献の開示内容は参照することによって、あたかも全体がここに開示されているかのように、ここに取り込まれているものとする。
さて、図1を参照して、本発明のいくつかの実施例による高電圧炭化珪素デバイスを議論しよう。図1に示すように、炭化珪素(SiC)電圧遮断用基板10が提供されている。上に論じたように、基板10の極性は多形の3C,2H,4H、6Hあるいは15Rをもつn型あるいはp型SiCである。例示目的だけのために、図1に示された本発明の実施例により論じられるデバイスはp型SiC基板10を含み、それゆえ、pnpnデバイスがここで論じられるものとしよう。本発明のいくつかの実施例では、基板10は約1.0x1015cm−3以下のキャリア密度を持ち、約100μmより厚い厚さを持つ高純度4H−SiC基板である。
本発明のいくつかの実施例では、基板10はボール型に成長した基板である。ボール型に成長した基板は本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第10/686,795号2003年10月16日出願、発明の名称「ボール型に成長した炭化珪素のドリフト層を用いた電力半導体デバイスを形成する方法およびそれによって形成された電力半導体デバイス(Methods of Forming Power Semiconductor Devices using Boule−Grown Silicon Carbide Drift Layers and Power Semiconductor Devices Formed Thereby)」に記述されている。この文献の開示内容は参照することによって、あたかも全体がここに開示されているかのように、ここに取り込まれているものとする。
図1に更に示してあるように、第1のSiC層14が基板10の第1の表面10A上に備えられる。第1のSiC層14はp型あるいはn型のSiCのエピタキシャル層またはイオン注入層である。当業者にはよく知られていることであるが、炭化珪素のドープされた領域はエピタキシャル成長および/またはイオン注入によって形成される。例えば、炭化珪素のp型領域はp型ドーパントの存在する中でのエピタキシャル成長によって、或はアンドープ、p型あるいはn型エピタキシャル層にp型ドーパントをイオン注入することによって形成される。エピタキシャル成長でできる構造はイオン注入でできる構造とは異なる。このように「エピタキシャル領域あるいは層」あるいは「イオン注入された領域あるいは層」という用語は炭化珪素の異なる領域を構造的に区別している。
図1に示した本発明の実施例によれば、第1のSiC層14はp型基板10上に備えられたn型エピタキシャル層である。n型SiC エピタキシャル層14は約1.0x1015cm−3から約1.0x1019cm−3までの範囲のキャリア密度を持ち、約0.1μmから約20.0μmまでの範囲の厚さをもつ。
第2のSiC層12が基板10の第2の表面10B上に備えられる。第2のSiC層12はp型或はn型SiCエピタキシャル層或はイオン注入された層である。図1に示された本発明の実施例によれば、第2のSiC層12はp型基板10の第2の表面10B上に備えられたn+エピタキシャル層である。ここに用いられているように、「p+」あるいは「n+」は同一の、或は別の層、或は基板の隣接する、或は他の領域に存在するキャリア密度よりも高いキャリア密度によって区画された領域を指している。同様に「p−」あるいは「n−」は同一の、或は別の層、或は基板の隣接する、或は他の領域に存在するキャリア密度よりも低いキャリア密度によって区画された領域を指している。n+エピタキシャル層12は本発明のいくつかの実施例によるサイリスタの陰極領域を供給するものである。n+エピタキシャル層12は約1.0x1016cm−3 から約1.0x1021cm−3の範囲のキャリア密度をもち、約0.5μmから約50.0μmの範囲の厚さをもつ。
SiCの第1の領域22は第1のSiC層14上に備えられる。図1に示した本発明の実施例では、SiCの第1の領域22はSiCのp+の領域であり、本発明のいくつかの実施例によるサイリスタの陽極フィンガー/陽極領域を提供するものである。SiCのp+ の領域22は約1.0x1017cm−3から約1.0x1021cm−3までの範囲のキャリア密度をもち、約0.1μmから約10.0μmまでの範囲の厚さをもつ。
SiCの第2の領域20は第1のSiC層14の中に備えられている。図1に示した本発明の実施例では、SiCの第2の領域20はSiCのn+領域であり、本発明のいくつかの実施例によるサイリスタのゲート領域を提供する。SiCのn+領域20は約1.0x1017cm−3から約1.0x1021cm−3までの範囲のキャリア密度をもち、約0.1から約2.0μmまでの範囲で第1のSiC層14の中に伸びている。
オーミック電極26、28および30がそれぞれSiCの第2の領域20、SiCの第1の領域22および第2のSiC層12上に備えられる。ここに用いられるように、「オーミック電極」という用語は,Vを電極の両端の電圧、Iを電流とした時に、実質的にすべての期待される動作周波数と電流において,電極に関するインピーダンスがインピーダンス=V/Iという関係式で実質的に与えられるという性質を持つ電極を指している(すなわち、オーミック電極に関わるインピーダンスはすべての動作周波数において実質的に同じである)。オーミック電極26、28および30は,本発明のいくつかの実施例によるサイリスタに対しては,それぞれゲート電極、陽極電極、および陰極電極を提供する。本発明のいくつかの実施例では、SiCの第2の領域20および第2のSiC層12のようなn+領域上に備えられるオーミック電極は、例えば、ニッケル(Ni)電極を含む。さらに、たとえばSiCの第1の領域22のようなp+領域上に備えられるオーミック電極は、例えば、Al/(チタン(Ti)) 電極のようなアルミニウム(Al)ベースの電極を含む。これらの金属は例示目的のためだけに提供されたものであり、本発明の技術範囲を逸脱することなしに、他の適当な金属も用いることができるということは理解されよう。金属被覆層32、34、36がオーミック電極26、28、30上にそれぞれ設けられる。これらの金属被覆層は、例えば、金、銀、アルミニウム、白金、および/または銅を含む。被覆層として他の適当な高電導率金属を用いてもよい。被覆層32、34および36は約0.5μmから約20μmまでの範囲の厚さを持つ。被覆層32、34および36が存在するために、当業者には理解されるように、半田付けおよび/またはワイヤ・ボンディング時に適したデバイスを提供することになる。
図1に更に示されているように、本発明のいくつかの実施例によれば、デバイスの端部は斜面化されている。端面斜面化工程は端面終端構造を備えるために行われる。本発明のいくつかの実施例によれば、pnブロッキング接合が基板10の第1の表面10Aと第1のSiC層14との間、基板10の第2の表面10Bと第2のSiC層12との間に備わっている。端面斜面化は非特許文献2に詳細に論じられている。その内容は参照することによって、あたかも全体が開示されているかのように、ここに取り込まれているものとする。
図1に関連して論じた本発明の実施例は、pnpnサイリスタを含んでいるが、本発明の実施例はこの構成に限定されるものではない。例えば、反対の電導型を持つデバイスも供給される。特に、本発明の技術範囲を逸脱することなしに、n型SiC基板10と、基板10の第1の表面10A上のp型の第1のSiC層14と、基板10の第2の表面10B上のSiCのp+層12と、n+SiCの第1の領域22と、およびp+SiCの第2の領域20とを持つデバイスが供給される。
図1に関して上に論じたように、本発明のいくつかの実施例によるデバイスは、双方向電圧遮断用の層を備えることができる電圧遮断用基板上に備えられている。電圧遮断用基板上にデバイスを備えることは、p型およびn型の電導率を持つ基板を持つ高電圧電力デバイスを供給することを可能とし、これはデバイスで実現可能な極性を増加させることになる。更に、基板の表面とその上に備わった層との間のpn接合は容易に識別できるので、ここに論じたように多方向の遮断ができるデバイスを提供できることになる。
さて、図2Aから2Fまでを参照して、本発明のいくつかの実施例による電圧遮断用基板上の電力デバイス、例えばサイリスタを作製する処理ステップを論じよう。図2Aに示すように、第1のSiC層14が炭化珪素(SiC)電圧遮断用基板10の第1の表面10A上に形成される。SiC基板10はn型或はp型炭化珪素である。例示の目的のためだけに、図2Aから図2FのSiC基板10はp型SiC基板であるとする。本発明のいくつかの実施例では、基板10は約1.0x1015cm−3以下のキャリア密度を持ち、約100μmより厚い厚さを持つ高純度4H‐SiC基板である。本発明のいくつかの実施例では、電圧遮断用基板は本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第xx/xxx、xxx号(クライアント参照番号第P0475)、2005年2月7日出願、発明の名称「少数キャリア寿命が増大した炭化珪素結晶を製造する工程(Process for Producing Silicon Carbide Crystals Having Increased Minority Carrier Lifetimes)」、にて議論されている方法を用いて作製される。この文献の開示内容は参照することによってここに取り込まれているものとする。
第1のSiC層14はp型あるいはn型炭化珪素層であり、基板10の第1の表面10A上に成長されるか、或は本発明の技術範囲を逸脱することなしに基板10の第1の表面10A内にイオン注入されてもよい。第1のSiC層14がn型にイオン注入される領域のときは、例えば、窒素或は燐イオンがイオン注入される。一方、第1のSiC層がp型にイオン注入される領域のときは、Al或はホウ素(B)イオンがイオン注入される。図2Aから図2Fまでに関して議論される本発明の実施例では、第1のSiC層14はp型基板10の第1の表面10A上に形成されたn型エピタキシャル層である。n型SiCエピタキシャル層14は約1.0x1015cm−3から約1.0x1019cm−3までの範囲のキャリア密度を持ち、約0.1μmから約20.0 μmまでの範囲の厚さを持つ。
第2のSiC層12は基板10の第2の表面10B上に形成される。第2のSiC層12はp型あるいはn型SiCであり、基板の第2の表面10B上に成長されてもよいし、基板10の第2の表面10B内にイオン注入されてもよい。図2Aから図2Fにおける本発明の実施例によれば、第2のSiC層12はp型基板10の第2の表面10B上に備えられたn+エピタキシャル層である。n+エピタキシャル層12は本発明のいくつかの実施例によるサイリスタの陰極領域を提供する。n+エピタキシャル層12は約1.0x1016cm−3 から約1.0x1021cm−3までの範囲のキャリア密度を持ち、約0.5μmから約50.0μmまでの範囲の厚さを持つ。
第3のSiC層16は第1のSiC層14上に形成される。第3のSiC層16はp型あるいはn型SiCであり、第1のSiC層14の表面上に成長されるか、第1のSiC層14の表面内にイオン注入されて形成される。図2Aから図2Fまでに示した本発明の実施例によれば、第3のSiC層16は第1のSiC層14の表面上に備えられたp+エピタキシャル層である。第3のSiC層16は約1.0x1017cm−3から約1.0x1021cm−3までの範囲のキャリア密度をもち、約0.1から約10.0 μmまでの範囲の厚さをもつ。
さて図2Bと図2Cを参照すると、SiCの第1の領域22が、SiCの第1の領域22の位置に対応する開口をもつマスク層100によって第3のSiC層16をパターン化することによって形成される。このようにして、SiCの第1の領域22が第1のSiC層14上に備えられる。上に論じたように、SiCの第1の領域22は本発明のいくつかの実施例によるサイリスタの陽極フィンガー/陽極領域を提供する。
図2Cに更に示すように、SiCの第2の領域20は第1のSiC層14内にイオン注入で形成される。(不図示の)イオン注入マスクが備えられて、注入イオンをSiCの第2の領域20上に収束する。図2Cに示された本発明の実施例では、SiCの第2の領域20はSiCのn+領域であり、それゆえに、イオン注入されるイオンは、例えば窒素或は燐イオンである。SiCの第2の領域20は、本発明のいくつかの実施例によるサイリスタのゲート領域を提供するものである。SiCのn+領域20は約1.0x1017cm−3から約1.0x1021cm−3までの範囲のキャリア密度を持ち、イオン注入された領域は約0.1から約2.0μmまでの範囲で第1のSiC層14の内部へ伸びている。
図2Dに示したように、本発明のいくつかの実施例によればデバイスの端部は斜面化される。斜面化は例えばプラズマ・エッチングや機械的な研磨によって行われる。端面の斜面化工程は端面終端構造を提供するために行われる。本発明のいくつかの実施例によれば、pnブロッキング接合が基板10の第1の表面10Aと第1のSiC層14との間、基板10の第2の表面10Bと第2のSiC層12との間に備わっている。端面斜面化は非特許文献2に詳細に論じられている。その内容は参照することによってここに取り込まれているものとする。(不図示の)犠牲酸化膜層がデバイスの表面上に形成され、除去されて、端面斜面化工程の間に生じたデバイスの表面の損傷を修復する。
図2Eを参照して、SiCの第2の領域20、SiCの第1の領域22および第2のSiC層12上に金属を成膜してそれぞれ第1、第2、および第3の電極26、28、および30を設ける。当業者には理解されることであるが、酸化層をデバイスの表面に形成して、第1、第2、および第3の電極26、28、および30に対応する窓を酸化層内に開ける。したがって金属が窓の中に成膜される。上に論じたように、ニッケル(Ni)がn+領域上のオーミック電極として成膜され、Al/TiのようなAlベースの金属化合物がp+領域上のオーミック電極として成膜される。オーミック電極26、28、および30は本発明のいくつかの実施例によるサイリスタの、それぞれ、ゲート電極、陽極電極、陰極電極を提供する。金属が成膜されると、成膜された金属は不活性雰囲気中で約500℃から約1200℃までの範囲の温度で熱処理される。
図2Fを参照すると、オーミック電極26、28、および30上に金属を成膜して、それぞれ金属被覆層32、34および36を提供する。これら金属被覆層は例えば金、銀、アルミニウム、白金、および/または銅を含む。他の適当な高電導率金属を被覆層として用いてもよい。被覆層32、34、および36は約0.5μmから約10μmまでの範囲の厚さを持つ。当業者には理解されることであるが、被覆層32、34、および36が存在すると半田付けおよび/またはワイヤ・ボンディングに適したデバイスを提供することになる。
本発明の実施例による高電圧デバイスの作製におけるプロセス工程はここに示した特定の順序で論じられてきたが、当業者には理解されることであるが、本発明の技術範囲を逸脱することなしに、図2Aから図2Fまでの工程の順序は変えてもよい。したがって、本発明はここに記述された作業の順序に正確に制限されるものと思ってはいけない。本発明は本開示事項に照らして当業者には明らかである作製の他の順序に広げることも意図されている。
ここでは高電圧デバイスの特定の実施例、例えばサイリスタが論じられたが、本発明の実施例はこの構成に限定されるものではない、ということも理解されるであろう。例えば、本発明のいくつかの実施例によるデバイスは光活性のデバイスのでもよい。例えば光活性デバイスは本発明の譲受人に譲渡された特許文献2、発明の名称「大面積炭化珪素デバイスおよびその製作方法(Large Area Silicon Carbide Devices and Manufacturing Methods Therefor)」に論じられている。その開示内容は参照することによって、あたかも全体が開示されているかのように、ここに取り込まれているものとする。
図面と記述において本発明の典型的で好適なる実施例が開示された。特有の用語が用いられているが、それらは一般的な記述目的のためだけに用いられていて、制限することを目的とするものではない。本発明の技術範囲は引き続く請求項において開示されている。
Claims (34)
- 高電圧炭化珪素 (SiC) デバイスであって、
第2の導電型を有する電圧遮断用SiC基板の第1の表面上の、第1の導電型を有する第1のSiC層と、
第1のSiC層上にあって第2の導電型を有するSiCの第1の領域と、
第1のSiC層内にあって第1の導電型を有し、SiCの第1の領域に隣接しているSiCの第2の領域と、
電圧遮断用SiC基板の、第1の表面とは反対側の第2の表面上にあり、第1の導電型を有する第2のSiC層と、
SiCの第1の領域および第2のSiC層上にあるそれぞれ第1と第2の電極と、
を備えたことを特徴とするデバイス。 - 電圧遮断用基板はキャリア密度が約1.0x1015cm−3以下の4H−SiC高純度基板を含んで構成されていることを特徴とする請求項1に記載のデバイス。
- 電圧遮断用基板は約100 μmより厚い厚さを有することを特徴とする請求項2に記載のデバイス。
- 第1の導電型はp型SiCを含み、第2の導電型はn型SiCを含むことを特徴とする請求項1に記載のデバイス。
- 第1の導電型はn型SiCを含み、第2の導電型はp型SiCを含むことを特徴とする請求項1に記載のデバイス。
- 第1のSiC層は約1.0x1015cm−3から約1.0x1019cm−3までの範囲のキャリア密度をもち、
第2のSiC層は約1.0x1017cm−3から約1.0x1021cm−3までの範囲のキャリア密度をもち、
SiCの第1の領域は約1.0x1016cm−3から約1.0x1021cm−3までの範囲のキャリア密度を持つことを特徴とする請求項1に記載のデバイス。 - 第1のSiC層は約0.1μmから約20.0μmまでの範囲の厚さを持ち、
第2のSiC層は約0.5μmから約50.0μmまでの範囲の厚さを持ち、
SiCの第1の領域は約0.1μmから約10.0μmまでの範囲の厚さを持つことを特徴とする請求項1に記載のデバイス。 - SiCデバイスはサイリスタを含み、SiCの第1の領域はサイリスタの陽極領域を含み、SiCの第2の領域はサイリスタのゲート領域を含み、第2のSiC層はサイリスタの陰極領域を含んで構成されることを特徴とする請求項1に記載のデバイス。
- SiCの第2の領域上に第3の電極を更に備えていて、第1、第2、および第3の電極がそれぞれ陽極電極, 陰極電極、および ゲート電極を含んで構成されていることを特徴とし、デバイスが第1、第2、および第3の電極上にそれぞれ第1、第2、および第3の被覆層を更に備えていることを特徴とする請求項8に記載のデバイス。
- SiCの第2の領域は約1.0x1017cm−3から約1.0x1021cm−3までの範囲のキャリア密度をもち、第1のSiC層内に約0.1μmから約2.0μmまでの範囲で伸びていることを特徴とする請求項1に記載のデバイス。
- 電圧遮断用基板は双方向電圧遮断用の層であり、端面終端構造を持っていることを特徴とする請求項1に記載のデバイス。
- 電圧遮断用基板はボール型に成長した基板であることを特徴とする、請求項11に記載のデバイス。
- 端面終端は
電圧遮断用基板の第1の表面と第1のSiC層との間に第1のブロッキング接合を備え、
電圧遮断用基板の第2の表面と第2のSiC層との間に第2のブロッキング接合を備えることを特徴とする請求項1に記載のデバイス。 - 第2の導電型を持つ電圧遮断用SiC基板の第1の表面上の、第1の導電型をもつ第1のSiC層と、
第1のSiC層上にあって第2の導電型を持つSiC陽極領域と、
第1のSiC層の中にあり、第1の導電型を持ち、SiC陽極領域に隣接しているSiCゲート領域と、
電圧遮断用SiC基板の、第1の表面とは反対側の第2の表面上にあって第1の導電型をもつSiC陰極層と、
SiC陽極領域、SiCゲート領域およびSiC陰極層上にある、それぞれ、陽極電極、ゲート電極および陰極電極と、
を備えたことを特徴とする炭化珪素(SiC)サイリスタ。 - 電圧遮断用基板は双方向電圧遮断用の層であり、端面終端構造を持つことを特徴とする請求項14に記載のサイリスタ。
- 端面終端構造は
電圧遮断用基板の第1の表面と第1のSiC層との間に第1のブロッキング接合を備え、
電圧遮断用基板の第2の表面とSiC陰極層との間に第2のブロッキング接合を備えることを特徴とする請求項15に記載のサイリスタ。 - 高電圧炭化珪素 (SiC)デバイスを形成する方法であって、
第2の導電型を有する電圧遮断用SiC基板の第1の表面上に、第1の導電型を有する第1のSiC層を形成するステップと、
第2の導電型を有するSiCの第1の領域を第1のSiC層上に形成するステップと、
第1の導電型を有し、SiCの第1の領域に隣接しているSiCの第2の領域を第1のSiC層内に形成するステップと、
電圧遮断用SiC基板の、第1の表面とは反対側の第2の表面上に、第1の導電型を有する第2のSiC層を形成するステップと、
SiCの第1の領域および第2のSiC層上にそれぞれ第1と第2の電極を形成するステップと、
を備えたことを特徴とする方法。 - SiC デバイスの側壁上に端面終端工程を施すステップを更に備えることを特徴とする請求項17に記載の方法。
- 端面終端工程はプラズマ・エッチングと機械的研磨の中の1つを含むことを特徴とする請求項17に記載の方法。
- 端面終端工程に引き続き、
デバイスの表面に犠牲酸化膜層を形成するステップと、
端面終端工程によって生じた損傷を取り除くために犠牲酸化膜層を除去するステップと、
を有することを特徴とする請求項19に記載の方法。 - 第1、第2、および第3の電極を形成するステップは
SiCの第2の領域と第2のSiC層上に第1の金属を成膜するステップと、
SiCの第1の領域上に第2の金属を成膜するステップと、
成膜された第1および第2の金属を不活性雰囲気中で約500℃から約1200℃までの範囲の温度で熱処理するステップと、
を含むことを特徴とする請求項17に記載の方法。 - 電圧遮断用基板はキャリア密度が約1.0x1015cm−3以下の4H−SiC高純度基板を含んで構成されていることを特徴とする請求項17に記載の方法。
- 電圧遮断用基板は約100 μmより厚い厚さを有することを特徴とする請求項22に記載の方法。
- 第1の導電型はp型SiCを含み、第2の導電型はn型SiCを含むことを特徴とする請求項17に記載の方法。
- 第1の導電型はn型SiCを含み、第2の導電型はp型SiCを含むことを特徴とする請求項17に記載の方法。
- SiCの第1の領域を形成するステップは
第1のSiC層上に第2の導電型を持つ第3のSiC層を形成するステップと、
SiCの第1の領域を供給するために第3のSiC層をパターン化するステップと、
を備えることを特徴とする請求項17に記載の方法。 - 第1のSiC層が約 1.0x1015cm−3から約1.0x1019cm−3までの範囲のキャリア密度を有し、
第2のSiC層が約1.0x1017cm−3から約1.0x1021cm−3までの範囲のキャリア密度を有し、
第3のSiC層が約1.0x1016cm−3から約1.0x1021cm−3までの範囲のキャリア密度を有することを特徴とする請求項26に記載の方法。 - 第1のSiC層は約0.1μmから約20.0μmまでの範囲の厚さを持ち、
第2のSiC層は約0.5μmから約50.0μmまでの範囲の厚さを持ち、
第3のSiC層は約0.1μmから約10.0μmまでの範囲の厚さを持つことを特徴とする請求項26に記載の方法。 - SiCデバイスはサイリスタを含み、SiCの第1の領域はサイリスタの陽極領域を含み、SiCの第2の領域はサイリスタのゲート領域を含み、第2のSiC層はサイリスタの陰極領域を含んで構成されることを特徴とする請求項17に記載の方法。
- SiCの第2の領域上に第3の電極を形成するステップを更に備えていて、第1、第2、および第3の電極がそれぞれ陽極電極、陰極電極、および ゲート電極を含んで構成されていて、デバイスが第1、第2、および第3の電極上にそれぞれ第1、第2、および第3の被覆層を更に備えていることを特徴とする請求項29に記載の方法。
- SiCの第2の領域は約1.0x1017cm−3から約1.0x1021cm−3までの範囲のキャリア密度をもち、第1のSiC層内に約0.1 μmから約2.0 μmまでの範囲で伸びていることを特徴とする請求項17に記載の方法。
- 高電圧炭化珪素 (SiC) デバイスであって、
第2の導電型を有する電圧遮断用SiCエピ層の第1の表面上の、第1の導電型を有する第1のSiC層と、
第1のSiC層上にあって第2の導電型を有するSiCの第1の領域と、
第1のSiC層内にあって第1の導電型を有し、SiCの第1の領域に隣接しているSiCの第2の領域と、
電圧遮断用SiCエピ層の、第1の表面とは反対側の第2の表面上にあり、第1の導電型を有する第2のSiC層と、
SiCの第1の領域および第2のSiC層上にある、それぞれ第1と第2の電極と、
を備えたことを特徴とするデバイス。 - 第2の導電型を持つ電圧遮断用SiCエピ層の第1の表面上の、第1の導電型をもつ第1のSiC層と、
第1のSiC層上にあって、第2の導電型を持つSiC陽極領域と、
第1のSiC層の中にあり、第1の導電型を持ち、SiC陽極領域に隣接しているSiCゲート領域と、
電圧遮断用SiCエピ層の、第1の表面とは反対側の第2の表面上にあって、第1の導電型をもつSiC陰極層と、
SiC陽極領域、SiCゲート領域およびSiC陰極層上にある、それぞれ、陽極電極、ゲート電極および陰極電極と、
を備えたことを特徴とする炭化珪素(SiC)サイリスタ。 - 高電圧炭化珪素 (SiC) デバイスを形成する方法であって、
第2の導電型を有する電圧遮断用SiCエピ層の第1の表面上に、第1の導電型を有する第1のSiC層を形成するステップと、
第2の導電型を有するSiCの第1の領域を第1のSiC層上に形成するステップと、
第1の導電型を有し、SiCの第1の領域に隣接しているSiCの第2の領域を第1のSiC層内に形成するステップと、
電圧遮断用SiCエピ層の、第1の表面とは反対側の第2の表面上に、第1の導電型を有する第2のSiC層を形成するステップと、
SiCの第1の領域および第2のSiC層上にそれぞれ第1と第2の電極を形成するステップと、
を備えたことを特徴とする方法。
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