JP2009532902A - 接合障壁ショットキー整流器およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は空軍研究所承認番号F33615−01−D−2103号の下で米国政府の助成によりなされた。米国政府は本発明において一定の権利を有する。
第1の伝導型の半導体材料を含む基板層、
基板層上の第1の伝導型の半導体材料を含む任意のバッファ層、
基板層上あるいはバッファ層上のドリフト層であって、ドリフト層が第1の伝導型の半導体材料を含むドリフト層;
ドリフト層上の中央部分に第1の伝導型と異なる第2の伝導型の半導体材料の多数の領域を含む中央領域であって、第2の伝導型の半導体材料の領域が上面と側壁を有する中央領域;および、
第2の伝導型の半導体材料の多数の領域と隣接し、且つ第2の伝導型の半導体材料の多数の領域の上面にあっても良い、ドリフト層上の第1の伝導型の半導体材料のエピタキシャルオーバーグロースドリフト領域を含む半導体デバイスが提供される。
上述の半導体デバイス;および
基板層上に形成された少なくとも1つの追加的パワーコンポーネントを含む集積回路が提供される。
第2の伝導型と異なる第1の伝導型の半導体材料のドリフト層上の、第2の伝導型の半導体材料の層を選択的にエッチングして、ドリフト層の材料を露出させることによる、ドリフト層上における第2の伝導型の半導体材料の領域を多数含む中央領域の形成であって、第2の伝導型の半導体材料の領域が上面と側壁を有する中央領域の形成;
第2の伝導型の半導体材料の領域に隣接し、且つ第2の伝導型の半導体材料の領域の上面の、ドリフト層の露出面上における第1の伝導型の半導体材料のドリフト領域のエピタキシャルオーバーグロース;および
ドリフト領域のエッチングによる第2の伝導型の半導体材料の領域の上面の少なくとも一部の露出を含む半導体デバイスの製造方法であって;
ドリフト層が半導体基板上にあるか、あるいはドリフト層が第1の伝導型の半導体材料を含むバッファ層上にありかつバッファ層が半導体基板上にある半導体デバイスの製造方法が提供される。
・JBS整流器の逆方向遮断性能と順方向伝導性能(オン抵抗)間のデザインのトレードの相当に優れた最適化を可能とする、注入により物理的に可能なものよりも大きなp領域の深さ(通常高KeV注入で<0.5μmに対してエピタキシャル工程では>1μm)を含む、正確且つ容易に制御できる垂直p+−n接合のサイズ;
・P+トレンチを作成する際に任意のp型外部「母線」の追加が自由、且つ簡便。ゲート抵抗を低下させることによりJBS整流器のスイッチ性能を向上させるため、p型外部「母線」は、オーバーグロースさせたN−ドリフト領域内に埋め込むことも露出させて金属コンタクトすることもできる、全てのp型フィンガーとの接続が可能である;
・効率的な伝導性変調を目的とした高ドーピングp型材料は、高温でのポストアニールを行うことなく得られ、これにより高温アニール(>1500℃)によるSiCショットキーコンタクト領域表面の劣化がなくなるため、ショットキーダイオードの理想的性質および性能が改善される一方、同時にp+−nダイオードの伝導性変調が改善される;
・p−n接合の近傍において、伝導性変調の効率を損なうことなく、高い信頼性で電界勾配を緩和するための階段および/あるいは傾斜p−n接合の自由な形成;
・p−n接合領域の注入損傷および注入散在がなくなる。これにより、(1)容易な空乏および少数キャリアの寿命の向上、およびこれによる伝導性変調の向上を目的とした階段および/あるいは傾斜p−n接合の容易な二次加工、(2)注入によるp−n接合の構造(ドーピングおよびジオメトリを意味する)の予期しない変動による問題の回避、および(3)p―n接合の近傍における信頼度の高い電界勾配の緩和が生じる。
・p+−n接合がより堅牢且つその信頼性が高ければ、逆漏出電流および温度による閾値電圧のシフトが低下する。
・注入P型ドーパントの不完全な活性化および注入により誘発された意図しない欠陥の生成に関する懸念の解消により、歩留まりが非常に高くなり、またこれによって製造コストが低下する。
・デバイス性能の向上のためにオン抵抗(あるいはVF)および漏出電流(あるいは遮断能力)を最適化することを目的とした、第1のドリフト層と異なる第2のドリフト層の自由なドーピング。
・「サージ電流保護」向上JBSダイオードのために第2のN−層をP+領域までエッチバックしてP+領域を露出させるか、あるいはP+半導体を埋め込んだままとしながらもオーミックコンタクト形成のために外部P+母線を用いて二次加工コストを低下させる一方で、高電圧定格JBSダイオードにおけるサージ電流能力の度合いはなお維持するための、第2の再成長N−層の柔軟な後続処理。
・ショットキーコンタクトN−領域とP+領域の相対面積はRonあるいはVFを決定する因子の1つであるため、より狭いP+構造によりショットキー面積が増大し、これによりRonおよびVFが低下する。さらに、隣接する2つのP+領域間のより広い間隔あるいはより大きなショットキー面積によって、ピーク電流密度の低下を助長することができ、よりすぐれたサージ電流保護を提供する。構造化N−ドリフト層をP+領域で充填してp−n接合を形成する場合、N−領域を横切るトレンチの幅は、再成長P+が平坦化し、キーホール(すなわち、再成長時に過剰なアスペクト比により半導体内に形成される空隙)がなくなるための妥当なアスペクト比を可能とするのに十分な大きさである必要がある。対照的に、この開示によりP+領域上におけるN−ドリフト層の再成長が教示されるため、従来のフォトリソグラフィあるいは利用できる他の何らかの技術を用いると、構造化N−ドリフト領域上でのP+の再成長によって製造するものよりも、後者がより小さくあるいは狭くなることがある。
・構造化P+領域上での第2のN−ドリフト領域の自己平坦化再成長は、その全文を参照文献として本明細書に援用する2005年8月8日出願の米国特許出願第11/198,298号に記載のように、P+トレンチの結晶学的配向を最適化することによって容易に達成することができる。この実施形態においては、第2の再成長N−領域をエッチバックしてオーミックコンタクトのためのP+領域を露出し、‘298号明細書で明示されたエピタキシャル再成長工程により提供される自己平坦化効果により、P+層に作られるトレンチが減少した残留波動によって第2のN−ドリフト領域で満たされることが可能となるため、N−ドリフト層内のトレンチをP+層で満たす場合よりも広くすることができる(すなわち、アスペクト比が低くなる)。この方法では、後続の金属化工程の連続的被覆を達成するために必要なポストエピ平坦化およびパターン形成を単純化することができる。
2 N+バッファ層
3 N型ドリフト層
4 P型領域(例:フィンガー)
5 金属コンタクト用P型母線
6 (a)P型不動態化ガードリング;(b)埋め込まれたP型ガードリング;(c)P型エピタキシャル再成長あるいは注入JTE領域;(d)全てのエピタキシャル層をエッチングして基板に達したメサエッジ終端
7 P型トレンチ
8 N型自己平坦化ドリフト領域
9 分離絶縁および不動態化絶縁
10 露出したP+領域およびN型ドリフト領域上の陽極金属コンタクト
11 背面の陰極金属コンタクト
Claims (50)
- 第1の伝導型の半導体材料を含む基板層;
前記基板層上の前記第1の伝導型の半導体材料を含む任意のバッファ層、
前記基板層上あるいはバッファ層上のドリフト層であって、前記ドリフト層が前記第1の伝導型の半導体材料を含むドリフト層;
前記ドリフト層上の中央部分上の前記第1の伝導型と異なる第2の伝導型の半導体材料の多数の領域を含む中央領域であって、前記第2の伝導型の半導体材料の前記領域が上面と側壁を有する中央領域;および、
前記第2の伝導型の半導体材料の前記多数の領域と隣接し、且つ前記第2の伝導型の半導体材料の前記多数の領域の上面にあってもよい、前記ドリフト層上の前記第1の伝導型の半導体材料のエピタキシャルオーバーグロースドリフト領域を含む半導体デバイス。 - 前記第2の伝導型の半導体材料の前記領域が第1および第2の対向する末端を有する多数の間隔の開いた延長セグメントを含む、請求項1に記載のデバイス。
- 前記第1の伝導型の半導体材料が前記第2の伝導型の半導体材料の前記多数の領域の上面にある、請求項1に記載のデバイス。
- 前記デバイスが前記バッファ層を含む、請求項1に記載のデバイス。
- 前記バッファ層が1×1018/cm3よりも大きなドーパント濃度および/あるいは約0.5μmの厚さを有する、請求項4に記載のデバイス。
- 前記基板層、前記ドリフト層、前記中央領域および前記ドリフト層の前記半導体材料が炭化ケイ素である、請求項1に記載のデバイス。
- 前記第1の伝導型の前記半導体材料がn型半導体材料であり且つ前記第2の伝導型の前記半導体材料がp型半導体材料である、請求項1に記載のデバイス。
- 前記ドリフト層が1μmよりも大きな厚さを有する、請求項1に記載のデバイス。
- 前記中央領域が0.5μmよりも大きな厚さを有する、請求項1に記載のデバイス。
- 前記中央領域が1×1019/cm3よりも大きなあるいはこれに等しいドーパント濃度を有する、請求項1に記載のデバイス。
- 前記基板層が1×1018/cm3これによりも大きなドーパント濃度を有する、請求項1に記載のデバイス。
- 前記ドリフト層および前記ドリフト領域がそれぞれ1×1014/cm3から1×1017/cm3のドーパント濃度を有する、請求項1に記載のデバイス。
- 前記ドリフト領域が前記ドリフト層と異なるドーパント濃度を有する、請求項1に記載のデバイス。
- 前記ドリフト層と反対側の前記基板上のオーミックコンタクト材料および前記中央領域上のオーミックコンタクト材料をさらに含む、請求項1に記載のデバイス。
- 前記第2の伝導型の半導体材料の前記領域が前記延長セグメントの前記第1の末端と接続する第1の母線および前記延長セグメントの前記第2の末端と接続する第2の母線をさらに含む、請求項2に記載のデバイス。
- 前記第1および第2の母線がそれぞれ第1の幅を有し且つ前記の突起したセグメントが前記の第1の幅よりも狭い第2の幅を有する、請求項15に記載の方法。
- 前記第1および第2の母線が第1および第2の対向する末端を有し且つ前記第1の母線の前記第1の末端が第3の母線によって前記第2の母線の前記第1の末端と接続する、請求項15に記載の方法。
- 前記第1の母線の前記第2の末端が第4の母線によって前記第2の母線の前記第2の末端と接続する、請求項17に記載の方法。
- 前記オーミックコンタクト材料上の金属層および前記ドリフト領域の少なくとも1部分と接触するショットキー金属層をさらに含む、請求項14に記載のデバイス。
- 前記中央領域上の前記オーミックコンタクト材料上の前記金属層が前記ショットキー金属層と異なる組成を有する、請求項19に記載のデバイス。
- 前記デバイスの周縁部分にエッジ終端構造をさらに含む、請求項1に記載のデバイス。
- 前記エッジ終端構造上に絶縁層をさらに含む、請求項21に記載のデバイス。
- 前記エッジ終端構造が前記ドリフト層内に注入された前記第2の伝導型の半導体材料の領域を含む、請求項21に記載のデバイス。
- 前記エッジ終端構造がメサエッジ終端を含む、請求項21に記載のデバイス。
- 前記エッジ終端構造が前記中央領域を囲む前記ドリフト層上の前記第2の伝導型の半導体材料の1つあるいはそれ以上の連続領域を含む、請求項21に記載のデバイス。
- 前記中央領域を囲む前記第2の伝導型の半導体材料の前記1つあるいはそれ以上の連続領域と隣接する前記第1の伝導型のエピタキシャル成長半導体材料をさらに含む、請求項25に記載のデバイス。
- 前記中央領域を囲む前記第2の伝導型の半導体材料の前記1つあるいはそれ上の連続領域の上に前記第1の伝導型の前記エピタキシャル成長半導体材料がある、請求項26に記載のデバイス。
- 請求項1に記載の半導体デバイス、および
前記基板層上に形成された少なくとも1つの追加的パワーコンポーネントを含む、集積回路。 - 前記の少なくとも1つの追加的パワーコンポーネントがバイポーラ接合トランジスタ(BJT)、接合型電界効果トランジスタ(JFET)、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)、ゲートターンオフサイリスタ(GTO)およびその組合せからなる群より選択される、請求項28に記載の集積回路。
- 第2の伝導型と異なる第1の伝導型の半導体材料のドリフト層上の前記第2の伝導型の半導体材料の層を選択的にエッチングして前記ドリフト層の材料を露出させることによる前記ドリフト層上の前記第2の伝導型の半導体材料の多数の領域を含む中央領域の形成であって、前記第2の伝導型の半導体材料の前記領域が上面と側壁を有する形成;
前記第2の伝導型の半導体材料の前記領域と隣接する前記ドリフト層の露出面上および前記第2の伝導型の半導体材料の前記領域の上面における前記第1の伝導型の半導体材料のドリフト領域のエピタキシャルオーバーグロース;および
前記第2の伝導型の半導体材料の前記領域の前記上面の少なくとも1部分の露出するための前記ドリフト領域のエッチングを含む半導体の製造方法であって、
前記ドリフト層が半導体基板上にあるか、あるいは前記ドリフト層が前記第1の伝導型の半導体材料を含むバッファ層上にあり、且つ前記バッファ層が前記半導体基板上にある、半導体の製造方法。 - 前記第2の伝導型の半導体材料の前記領域が第1および第2の対向する末端を有する多数の間隔の開いた延長セグメントを含む、請求項30に記載の方法。
- 前記第2の伝導型の半導体材料の前記領域が前記延長セグメントの前記第1の末端と接続する第1の母線および前記延長セグメントの前記第2の末端と接続する第2の母線をさらに含む、請求項31に記載の方法。
- 前記第1および第2の母線が第1の幅を有し且つ前記の突起した延長セグメントが前記の第1の幅よりも狭い第2の幅を有する、請求項32に記載の方法。
- 前記第1および第2の母線が第1および第2の対向する末端を有し且つ前記第1の母線の前記第1の末端が第3の母線によって前記第2の母線の前記第1の末端と接続する、請求項32に記載の方法。
- 前記第1の母線の前記第2の末端が第4の母線によって前記第2の母線の前記第2の末端と接続する、請求項34に記載の方法。
- 前記第1の伝導型の半導体材料の前記エピタキシャル成長層のエッチング時に前記第1および/あるいは第2の母線が露出する、請求項32に記載の方法。
- 前記第1の伝導型の半導体材料の前記エピタキシャル成長層のエッチング時に前記間隔の開いた多数の延長セグメントが露出しない、請求項36に記載の方法。
- 前記デバイスの周縁部分の前記ドリフト層、およびもし存在する場合は、任意のバッファ層をエッチングして下層の基板を露出させることをさらに含む、請求項30に記載の方法。
- 前記デバイスの周縁部分の前記ドリフト層内に注入された前記第2の伝導型の半導体材料の領域を形成することをさらに含む、請求項30に記載の方法。
- 前記ドリフト領域上および前記ドリフト層と反対側の前記半導体基板の表面にコンタクトを形成することをさらに含む、請求項30に記載の方法。
- コンタクトの形成が前記中央領域および前記ドリフト層の反対側の前記半導体基板の前記表面にオーミックコンタクト材料を蒸着することおよび前記オーミックコンタクト材料上に電気伝導性金属を蒸着することを含む、請求項40に記載の方法。
- 前記ドリフト層上にショットキー金属を蒸着することをさらに含む、請求項41に記載の方法。
- 前記ショットキー金属を蒸着する前に前記コンタクトをアニールすることをさらに含む、請求項42に記載の方法。
- アニールが900℃よりも高い温度で実施される、請求項43に記載の方法。
- 前記ドリフト領域上の前記オーミックコンタクト材料上の前記ショットキー金属および前記電気伝導性金属が同時に蒸着される、請求項42に記載の方法。
- 前記ドリフト領域上および前記ドリフト層と反対側の前記半導体基板の前記表面上のコンタクトをアニールすることをさらに含む、請求項45に記載の方法。
- アニールが500℃よりも高い温度で実施される、請求項46に記載の方法。
- 前記第2の伝導型の半導体材料の前記層を選択的にエッチングすることによる前記ドリフト層上および前記第2の伝導型の半導体材料の前記領域の周囲における前記第2の伝導型の前記半導体材料の1つあるいはそれ以上の連続領域の形成であって、且つ
前記ドリフト層の露出面上で第1の伝導型の半導体材料のエピタキシャル成長が第2の伝導型の半導体材料の前記1つあるいはそれ以上の連続領域と隣接する前記ドリフト層上における前記第1の伝導型の半導体材料のエピタキシャル成長を含む、請求項30に記載の方法。 - 前記ドリフト層が前記第1の伝導型の半導体材料を含むバッファ層上にあり且つ前記バッファ層が前記半導体基板上にある、請求項30に記載の方法。
- 請求項30に記載の方法で製造される半導体デバイス。
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