JP2012004318A - Bipolar semiconductor device - Google Patents

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Koji Nakayama
浩二 中山
Shuichi Tsuchida
秀一 土田
Tetsuya Miyazawa
哲哉 宮澤
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Central Research Institute of Electric Power Industry
Kansai Electric Power Co Inc
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a bipolar semiconductor device arranged to prevent minority carriers from reaching a substrate and the forward voltage from increasing even under conditions such as a high temperature and a high current density.SOLUTION: A SiC pin diode 20 has: an n-type SiC substrate 21; an n-type drift layer 23; and an n-type buffer layer 22 formed between the n-type SiC substrate 21 and n-type drift layer 23 and having a thickness of 20 μm. The n-type buffer layer 22 serves as a trap of holes from p-type anode layers 24 and 25, and prevents the holes (minority carriers) from reaching the n-type SiC substrate 21. Since the holes (minority carriers) are prevented from reaching the n-type SiC substrate 21 in this way, a stacking fault can be prevented from spreading from the n-type SiC substrate 21 and therefore the forward voltage can be prevented from increasing.

Description

この発明は、電流通電に伴い順方向電圧が経時増加する要因である積層欠陥の核となる欠陥を低減させることが可能なバイポーラ半導体素子に関する。   The present invention relates to a bipolar semiconductor device capable of reducing defects that become the core of stacking faults, which are factors that cause forward voltage to increase with current application.

炭化珪素(SiC)などのワイドギャップ半導体材料は、シリコン(Si)に比べて絶縁破壊電界強度が約10倍高い等の優れた特性を有しており、高い耐逆電圧特性を有する高耐圧バイポーラパワー半導体素子に好適な材料として注目されている。   Wide-gap semiconductor materials such as silicon carbide (SiC) have excellent characteristics such as about 10 times higher dielectric breakdown field strength than silicon (Si), and high breakdown voltage bipolar with high reverse voltage resistance. It attracts attention as a suitable material for power semiconductor elements.

pinダイオードやバイポーラトランジスタ、GTO(ゲートターンオフトランジスタ)、GCT(ゲート転流型ターンオフトランジスタ)などのバイポーラ半導体素子は、ショットキーダイオードやMOSFETなどのユニポーラ半導体素子に比べてビルトイン電圧が高いが、少数キャリアの注入によるドリフト層の伝導度変調によりオン抵抗が大幅に小さくなる。   Bipolar semiconductor elements such as pin diodes, bipolar transistors, GTO (gate turn-off transistor), and GCT (gate commutation type turn-off transistors) have a higher built-in voltage than unipolar semiconductor elements such as Schottky diodes and MOSFETs. The on-resistance is significantly reduced by the conductivity modulation of the drift layer by the implantation of.

したがって、電力用途などの高電圧大電流領域では、損失を小さくするために、バイポーラ半導体素子が用いられている。SiCでこれらのバイポーラ半導体素子を構成すると、Siの素子に比べて格段に優れた性能を実現できる。   Accordingly, bipolar semiconductor elements are used in high voltage and large current regions such as power applications in order to reduce loss. When these bipolar semiconductor elements are made of SiC, it is possible to achieve performance that is significantly superior to that of Si elements.

例えば、SiCで構成した10kVの高耐圧pinダイオード素子の場合、順方向電圧がSiのpinダイオードの約1/3であり、オフ時の速度に該当する逆回復時間が約1/20以下と高速である。また、電力損失をSiのpinダイオードの約1/5以下に低減でき省エネルギー化に大きく貢献できる。SiCのpinダイオード以外にもSiCのnpnトランジスタやSiCのSIAFET、SiCのSIJFETなどが開発され同様の電力損失低減効果が報告されている(例えば非特許文献1)。この他、ドリフト層として反対極性のp型半導体層を用いたSiCのGTOなども開発されている(例えば非特許文献2)。   For example, in the case of a 10 kV high voltage pin diode element composed of SiC, the forward voltage is about 1/3 that of a Si pin diode, and the reverse recovery time corresponding to the off-time speed is as fast as about 1/20 or less. It is. In addition, power loss can be reduced to about 1/5 or less of Si pin diodes, which can greatly contribute to energy saving. In addition to SiC pin diodes, SiC npn transistors, SiC SIAFETs, SiC SIJFETs, and the like have been developed and similar power loss reduction effects have been reported (for example, Non-Patent Document 1). In addition, SiC GTO using a p-type semiconductor layer of opposite polarity as a drift layer has been developed (for example, Non-Patent Document 2).

ところで、SiCバイポーラ半導体素子では、順方向に電流を流すと、順方向電圧が増大する「順方向電圧ドリフト」という現象が存在する。この順方向電圧ドリフトは、積層欠陥がドリフト層中に拡大することにより発生する。この積層欠陥の種となる欠陥には、基底面転位(ベーサルプレーン転位)と表面欠陥(ハーフループ)が存在する。このうち、基底面転位は、基板に多数存在する。この基板へ少数キャリアが到達すると、基板から積層欠陥がドリフト層中に向かって拡大する。   By the way, in the SiC bipolar semiconductor element, there is a phenomenon called “forward voltage drift” in which the forward voltage increases when a current flows in the forward direction. This forward voltage drift is generated by stacking faults expanding into the drift layer. Defects that become seeds of this stacking fault include basal plane dislocations (basal plane dislocations) and surface defects (half loops). Among these, many basal plane dislocations exist in the substrate. When minority carriers reach this substrate, stacking faults expand from the substrate into the drift layer.

そこで、特許文献1(米国特許第6849874号明細書)では、ドリフト層と基板との間に基板と同程度の不純物濃度のバッファ層を形成して、ドリフト層から基板へ少数キャリアが到達するのを防ぐ技術が示されている。この技術によるSiCバイポーラ半導体素子の半導体積層構造を図8の左側に模式的に示し、上記半導体積層構造の各半導体層に対応する電子密度分布K1と正孔密度分布K2を図8の右側に模式的に示す。図8の右側には、室温で電流密度100A/cm程度の電流を流す場合の電子密度分布K1と正孔密度分布K2を示している。 Therefore, in Patent Document 1 (US Pat. No. 6,889,874), a buffer layer having an impurity concentration similar to that of the substrate is formed between the drift layer and the substrate, and minority carriers reach the substrate from the drift layer. Technology to prevent this is shown. A semiconductor laminated structure of an SiC bipolar semiconductor device according to this technique is schematically shown on the left side of FIG. 8, and an electron density distribution K1 and a hole density distribution K2 corresponding to each semiconductor layer of the semiconductor laminated structure are schematically shown on the right side of FIG. Indicate. The right side of FIG. 8 shows an electron density distribution K1 and a hole density distribution K2 when a current of about 100 A / cm 2 is passed at room temperature.

このバッファ層を有するSiCバイポーラ半導体素子では、図8の右側に示すように、室温で電流密度100A/cm程度の電流を流す場合は、少数キャリアとしての正孔が基板に到達しておらず、基板からの積層欠陥の拡大は見られなかった。 In the SiC bipolar semiconductor device having this buffer layer, as shown on the right side of FIG. 8, when a current having a current density of about 100 A / cm 2 flows at room temperature, holes as minority carriers do not reach the substrate. No expansion of stacking faults from the substrate was observed.

しかし、200℃を超える高温下や、電流密度200A/cm以上の電流を通電する場合、図9の右側に符号Mで示すように、少数キャリアとしての正孔が基板に到達しており、基板からの積層欠陥の拡大が起こった。これは、温度や電流の増大によるものだけでなく、積層欠陥が連続した準位を形成し、拡散係数が大きくなるため、少数キャリアが基板まで運ばれるためである。すなわち、バッファ層だけでは、正孔(少数キャリア)が基板へ到達するのを防ぐことができず、基板から積層欠陥が拡大し、順方向電圧ドリフトが発生した。 However, when energizing a current having a current density of 200 A / cm 2 or higher under a high temperature exceeding 200 ° C., as indicated by a symbol M on the right side of FIG. 9, holes as minority carriers have reached the substrate, An increase in stacking faults from the substrate occurred. This is not only due to an increase in temperature and current, but also because stacking faults form continuous levels and the diffusion coefficient increases, so that minority carriers are carried to the substrate. That is, the buffer layer alone could not prevent holes (minority carriers) from reaching the substrate, the stacking faults expanded from the substrate, and forward voltage drift occurred.

米国特許第6849874号明細書US Pat. No. 6,849,874

松波弘之編著、「半導体SiC技術と応用」、218−221頁、日刊工業新聞社刊Edited by Hiroyuki Matsunami, “Semiconductor SiC Technology and Applications”, pages 218-221, published by Nikkan Kogyo Shimbun A.K.Agarwal et.al、Materials Science Forum Volume 389−393、2000年、1349−1352頁A. K. Agarwal et. al, Materials Science Forum Volume 389-393, 2000, pp. 1349-1352.

そこで、この発明の課題は、高温や電流密度が高い条件下でも基板へ少数キャリアが到達するのを防いで、順方向電圧の増大を防ぐことができるバイポーラ半導体素子を提供することにある。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a bipolar semiconductor device capable of preventing minority carriers from reaching a substrate even under conditions of high temperature and high current density and preventing an increase in forward voltage.

上記課題を解決するため、この発明のバイポーラ半導体素子は、炭化けい素半導体で作製された基板と、
上記基板上に形成されていると共に炭化けい素半導体で作製された第1導電型のバッファ層と、
上記バッファ層上に形成されていると共に炭化けい素半導体で作製された第1導電型のドリフト層と、
上記ドリフト層上に形成されていると共に炭化けい素半導体で作製された第2導電型の半導体層とを備え、
上記第1導電型のバッファ層の厚さを、13μm以上としたことを特徴としている。
In order to solve the above problems, a bipolar semiconductor element of the present invention includes a substrate made of a silicon carbide semiconductor,
A buffer layer of a first conductivity type formed on the substrate and made of a silicon carbide semiconductor;
A drift layer of a first conductivity type formed on the buffer layer and made of a silicon carbide semiconductor;
A second conductivity type semiconductor layer formed on the drift layer and made of a silicon carbide semiconductor;
The thickness of the first conductivity type buffer layer is 13 μm or more.

この発明によれば、上記基板と第1導電型のドリフト層との間に形成されていて上記第2導電型の半導体層からの少数キャリアのトラップとして働く第1導電型のバッファ層の厚さを13μm以上としたことで、高温や電流密度が高い条件下でも少数キャリアが基板へ到達することを防止できる。これにより、基板から積層欠陥が拡大するのを防いで、順方向電圧の増大を防止できるバイポーラ半導体素子を実現できる。   According to the present invention, the thickness of the first conductivity type buffer layer formed between the substrate and the first conductivity type drift layer and serving as a trap for minority carriers from the second conductivity type semiconductor layer. By setting the thickness to 13 μm or more, minority carriers can be prevented from reaching the substrate even under conditions of high temperature and high current density. Thereby, it is possible to realize a bipolar semiconductor element capable of preventing the stacking fault from expanding from the substrate and preventing the forward voltage from increasing.

また、一実施形態のバイポーラ半導体素子では、上記第1導電型のバッファ層の厚さを、20μm以上とした。   In one embodiment, the thickness of the first conductivity type buffer layer is 20 μm or more.

この実施形態によれば、順方向電圧の増大を略完全に防止できる。   According to this embodiment, an increase in the forward voltage can be prevented almost completely.

また、一実施形態のバイポーラ半導体素子では、上記第1導電型のバッファ層の厚さを、50μm以下とした。   In one embodiment, the thickness of the first conductivity type buffer layer is 50 μm or less.

この実施形態によれば、上記第1導電型のバッファ層の厚さを50μm以下としたので、結晶成長時間が抑えられると共にバッファ層の抵抗を抑えて素子の損失の増大を抑えることができる。   According to this embodiment, since the thickness of the first conductivity type buffer layer is set to 50 μm or less, the crystal growth time can be suppressed and the resistance of the buffer layer can be suppressed to suppress an increase in the loss of the element.

また、一実施形態のバイポーラ半導体素子では、上記ドリフト層の上に形成された第2導電型の半導体層がアノードであるダイオードである。   In one embodiment, the bipolar semiconductor device is a diode in which the second conductivity type semiconductor layer formed on the drift layer is an anode.

この実施形態によれば、高温や電流密度が高い条件下でも基板へ少数キャリアが到達するのを防いで、基板から積層欠陥が拡大するのを防止できるので、順方向電圧の増大を防止できるダイオードを実現できる。   According to this embodiment, the minority carriers can be prevented from reaching the substrate even under conditions of high temperature and high current density, and the stacking fault can be prevented from expanding from the substrate, so that the forward voltage can be prevented from increasing. Can be realized.

また、一実施形態のバイポーラ半導体素子では、上記第1導電型の基板がコレクタ層であると共に上記ドリフト層上に形成されている第2導電型の半導体層がベース層であり、
さらに、上記ベース層上に形成されていると共に炭化けい素半導体で作製された第1導電型のエミッタ層を有するトランジスタである。
In one embodiment, the first conductivity type substrate is a collector layer, and the second conductivity type semiconductor layer formed on the drift layer is a base layer.
Further, the transistor has a first conductivity type emitter layer formed on the base layer and made of a silicon carbide semiconductor.

この実施形態によれば、高温や電流密度が高い条件下でも基板へ少数キャリアが到達するのを防いで、基板から積層欠陥が拡大するのを防止できるので、順方向電圧の増大を防止できるトランジスタを実現できる。   According to this embodiment, the minority carriers can be prevented from reaching the substrate even under conditions of high temperature and high current density, and the stacking fault can be prevented from expanding from the substrate, so that the forward voltage can be prevented from increasing. Can be realized.

また、一実施形態のバイポーラ半導体素子では、上記基板がコレクタ層であり、
上記第2導電型の半導体層上に形成されていると共に第1導電型の炭化けい素半導体で作製されたエミッタ層を有するIGBTである。
In one embodiment of the bipolar semiconductor device, the substrate is a collector layer,
The IGBT is formed on the second conductivity type semiconductor layer and has an emitter layer made of the first conductivity type silicon carbide semiconductor.

この実施形態によれば、高温や電流密度が高い条件下でも基板へ少数キャリアが到達するのを防いで、基板から積層欠陥が拡大するのを防止できるので、安定した特性を長時間維持できる信頼性が高いIGBTが得られる。   According to this embodiment, since minority carriers can be prevented from reaching the substrate even under conditions of high temperature and high current density, and stacking faults can be prevented from expanding from the substrate, it is possible to maintain stable characteristics for a long time. IGBT with high property is obtained.

この発明のバイポーラ半導体素子によれば、基板と第1導電型のドリフト層との間に形成されていて第2導電型の半導体層からの少数キャリアのトラップとして働く第1導電型のバッファ層の厚さを20μm以上とした。これにより、高温や電流密度が高い条件下でも少数キャリアが基板へ到達することを防止でき、基板から積層欠陥が拡大するのを防いで、順方向電圧の増大を防止できるバイポーラ半導体素子を実現できる。   According to the bipolar semiconductor element of the present invention, the buffer layer of the first conductivity type formed between the substrate and the drift layer of the first conductivity type and serves as a trap for minority carriers from the semiconductor layer of the second conductivity type. The thickness was 20 μm or more. As a result, it is possible to realize a bipolar semiconductor device capable of preventing minority carriers from reaching the substrate even under conditions of high temperature and high current density, preventing a stacking fault from expanding from the substrate, and preventing an increase in forward voltage. .

この発明のバイポーラ半導体素子の第1実施形態としてのSiC pinダイオードの断面を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the cross section of the SiC pin diode as 1st Embodiment of the bipolar semiconductor element of this invention. この発明のバイポーラ半導体素子の第2実施形態としてのnpnバイポーラトランジスタの断面を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the cross section of the npn bipolar transistor as 2nd Embodiment of the bipolar semiconductor element of this invention. この発明のバイポーラ半導体素子の第3実施形態としてのIGBTの断面を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the cross section of IGBT as 3rd Embodiment of the bipolar semiconductor element of this invention. 上記第1実施形態のSiCバイポーラ半導体素子のストレステスト後の電流電圧特性を示す図である。It is a figure which shows the current-voltage characteristic after the stress test of the SiC bipolar semiconductor element of the said 1st Embodiment. 比較例のSiCバイポーラ半導体素子のストレステスト後の電流電圧特性を示す図である。It is a figure which shows the current-voltage characteristic after the stress test of the SiC bipolar semiconductor element of a comparative example. バッファ層の厚さと順方向電圧の増大ΔVfとの関係を示す特性図である。It is a characteristic view showing the relationship between the thickness of the buffer layer and the increase ΔVf of the forward voltage. 上記第1実施形態のSiCバイポーラ半導体素子の半導体積層構造と対応するキャリア密度分布を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the carrier density distribution corresponding to the semiconductor laminated structure of the SiC bipolar semiconductor element of the said 1st Embodiment. 従来のSiCバイポーラ半導体素子の半導体積層構造と対応するキャリア密度分布(室温,低電流密度)を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the carrier laminated distribution (room temperature, low current density) corresponding to the semiconductor laminated structure of the conventional SiC bipolar semiconductor element. 従来のSiCバイポーラ半導体素子の半導体積層構造と対応するキャリア密度分布(高温,高電流密度)を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the carrier density distribution (high temperature, high current density) corresponding to the semiconductor laminated structure of the conventional SiC bipolar semiconductor element.

以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the illustrated embodiments.

(第1の実施の形態)
図1に、この発明のバイポーラ半導体素子の第1実施形態としてのpn接合ダイオード(pinダイオード)20の断面図である。この第1実施形態では、第1の導電型としてのn型の4H型SiCで作製した基板21の上に、以下に説明する半導体層を形成する。なお、4H型の「H」は六方晶を表し、4H型の「4」は原子積層が4層周期となる結晶構造を表している。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view of a pn junction diode (pin diode) 20 as a first embodiment of a bipolar semiconductor device of the present invention. In the first embodiment, a semiconductor layer described below is formed on a substrate 21 made of n-type 4H SiC as the first conductivity type. The 4H type “H” represents a hexagonal crystal, and the 4H type “4” represents a crystal structure in which the atomic stacking has a four-layer period.

上記n型の4H型SiC基板21上に、順次、n型4H−SiC、p型(第2の導電型)4H−SiCをエピタキシャル成長させて、後述するように、エピタキシャルpinダイオード20を作製する。   On the n-type 4H-type SiC substrate 21, n-type 4H—SiC and p-type (second conductivity type) 4H—SiC are epitaxially grown in sequence to produce an epitaxial pin diode 20 as described later.

図1に示すn型の4H型SiC基板21は、改良レーリー法によって成長させたインゴットをオフ角θを8度にしてスライスし、鏡面研磨することによって作製した。ホール効果測定法によって求めたSiC基板21のキャリヤ密度は8×1018cm−3、厚さは400μmである。 The n-type 4H SiC substrate 21 shown in FIG. 1 was prepared by slicing an ingot grown by the modified Rayleigh method with an off angle θ of 8 degrees and mirror-polishing. The carrier density of the SiC substrate 21 determined by the Hall effect measurement method is 8 × 10 18 cm −3 and the thickness is 400 μm.

カソードとなる基板21のC面(カーボン面)に、CVD法によって窒素ドープn型SiC層(n型成長層)とアルミニウムドープp型SiC層(p型成長層)を順次エピタキシャル成長で形成する。上記窒素ドープn型SiC層であるn型成長層が、図1に示すn型のバッファ層22とn型のドリフト層23となる。また、バッファ層22はドナー密度7×1017cm−3、膜厚は20μmである。また、ドリフト層23はドナー密度約5×1015cm−3、膜厚は300μmである。 A nitrogen-doped n-type SiC layer (n-type growth layer) and an aluminum-doped p-type SiC layer (p-type growth layer) are sequentially formed by epitaxial growth on the C-plane (carbon surface) of the substrate 21 serving as the cathode. The n-type growth layer, which is the nitrogen-doped n-type SiC layer, becomes the n-type buffer layer 22 and the n-type drift layer 23 shown in FIG. The buffer layer 22 has a donor density of 7 × 10 17 cm −3 and a film thickness of 20 μm. The drift layer 23 has a donor density of about 5 × 10 15 cm −3 and a film thickness of 300 μm.

一方、上記アルミニウムドープp型SiC層であるp型成長層が、アノードとなるp型接合層24とp+型コンタクト層25となる。このp型接合層24はアクセプタ密度5×1017cm−3、膜厚は1.5μmである。また、p+型コンタクト層25はアクセプタ密度約1×1018cm−3、膜厚は0.5μmである。 On the other hand, the p-type growth layer, which is the aluminum-doped p-type SiC layer, becomes the p-type junction layer 24 and the p + -type contact layer 25 that become the anode. The p-type bonding layer 24 has an acceptor density of 5 × 10 17 cm −3 and a film thickness of 1.5 μm. The p + type contact layer 25 has an acceptor density of about 1 × 10 18 cm −3 and a film thickness of 0.5 μm.

この実施形態のpinダイオード20は、上記SiC基板21の上に、n型バッファ層22、n型ドリフト層23、p型接合層24およびp+型コンタクト層25を順次形成したものであるが、作製時の処理条件を以下により詳しく説明する。   The pin diode 20 of this embodiment is formed by sequentially forming an n-type buffer layer 22, an n-type drift layer 23, a p-type junction layer 24, and a p + type contact layer 25 on the SiC substrate 21. The processing conditions will be described in more detail below.

先ず、この実施形態のpinダイオード20は、材料ガスとして、シラン(SiH)およびプロパン(C)を用いる。ドーパントガスとして窒素(N)およびトリメチルアルミニウム(Al(CH)) を用いる。また、キャリアガスとして水素(H)を用いる。各ガスの流量は、sccm(standard cc per minute)または、slm(standard liter minute)で表す。圧力は、kPa(kilo pascal)で表す。また、以下の説明において、各ガスの名称の後に付したかっこ内の数値は流量を表す。また、基板21の温度は1550℃に保たれており、処理チャンバー内の圧力は5.6kPaに保たれている。 First, the pin diode 20 of this embodiment uses silane (SiH 4 ) and propane (C 3 H 8 ) as material gases. Nitrogen (N 2 ) and trimethylaluminum (Al (CH 3 ) 3 ) are used as dopant gases. Further, hydrogen (H 2 ) is used as a carrier gas. The flow rate of each gas is represented by sccm (standard cc per minute) or slm (standard liter minute). The pressure is expressed in kPa (kilo pascal). Moreover, in the following description, the numerical value in the parenthesis attached after the name of each gas represents a flow rate. Further, the temperature of the substrate 21 is maintained at 1550 ° C., and the pressure in the processing chamber is maintained at 5.6 kPa.

カソードとなるn型4HSiC基板21のC面にバッファ層22を形成する工程では、シラン(30sccm)、プロパン(12sccm)、窒素(30sccm)および水素(10slm)を供給する。この工程の処理時間は80分である。   In the step of forming the buffer layer 22 on the C-plane of the n-type 4HSiC substrate 21 serving as the cathode, silane (30 sccm), propane (12 sccm), nitrogen (30 sccm) and hydrogen (10 slm) are supplied. The processing time for this step is 80 minutes.

また、ドリフト層23の形成工程では、シラン(30sccm)、プロパン(12sccm)、窒素(0.2sccm)および水素(10slm)を供給する。この工程の処理時間は1200分である。また、P型接合層24の形成工程では、シラン(30sccm)、プロパン(12sccm)、トリメチルアルミニウム(15sccm)および水素(10slm)を供給する。この工程の処理時間は6分である。また、p+型コンタクト層25の形成工程では、シラン(30sccm)、プロパン(12sccm)、トリメチルアルミニウム(30sccm)および水素(10slm)を供給する。この工程の処理時間は2分である。   In the step of forming the drift layer 23, silane (30 sccm), propane (12 sccm), nitrogen (0.2 sccm), and hydrogen (10 slm) are supplied. The processing time for this step is 1200 minutes. In the step of forming the P-type bonding layer 24, silane (30 sccm), propane (12 sccm), trimethylaluminum (15 sccm), and hydrogen (10 slm) are supplied. The processing time for this step is 6 minutes. In the step of forming the p + -type contact layer 25, silane (30 sccm), propane (12 sccm), trimethylaluminum (30 sccm) and hydrogen (10 slm) are supplied. The processing time for this step is 2 minutes.

上記の各形成工程の処理により、この第1実施形態のpinダイオード用のSiCエピタキシャルウェーハを作製できる。   The SiC epitaxial wafer for pin diode of this 1st Embodiment is producible by the process of each said formation process.

一方、この第1実施形態のエピタキシャルpinダイオード20用のSiCエピタキシャルウェーハに対する比較例としてのpinダイオード用のSiCエピタキシャルウェーハを作製した。この比較例のpinダイオード用のSiCエピタキシャルウェーハは、n型4H型SiC基板21上に、膜厚20μmのn型バッファ層22に替えて膜厚2.5μmのn型バッファ層を形成した点だけが上記第1実施形態と相違する。よって、ここでは、上記比較用のpinダイオード用のSiCエピタキシャルウェーハを作製するときの処理条件として、SiC基板上にバッファ層を形成する工程だけを説明する。   On the other hand, a SiC epitaxial wafer for a pin diode as a comparative example with respect to the SiC epitaxial wafer for the epitaxial pin diode 20 of the first embodiment was produced. The SiC epitaxial wafer for pin diodes of this comparative example is only that the n-type buffer layer having a film thickness of 2.5 μm is formed on the n-type 4H SiC substrate 21 instead of the n-type buffer layer 22 having a film thickness of 20 μm. Is different from the first embodiment. Therefore, here, only the step of forming a buffer layer on the SiC substrate will be described as a processing condition for producing the SiC epitaxial wafer for the comparative pin diode.

まず、基板の温度は1550℃に保たれており、処理チャンバー内の圧力は5.6kPaに保たれている。基板のC面にバッファ層を形成する工程では、シラン(30sccm)、プロパン(12sccm)、窒素(30sccm)および水素(10slm)を供給する。この工程の処理時間は10分である。   First, the temperature of the substrate is maintained at 1550 ° C., and the pressure in the processing chamber is maintained at 5.6 kPa. In the step of forming a buffer layer on the C-plane of the substrate, silane (30 sccm), propane (12 sccm), nitrogen (30 sccm), and hydrogen (10 slm) are supplied. The processing time for this step is 10 minutes.

次に、この第1実施形態となるSiCエピタキシャルウェーハと、比較用のSiCエピタキシャルウェーハとのそれぞれに、次に説明する加工を施すことによって、図1に示すこの実施形態のpinダイオード20および比較用pinダイオードを作製できる。   Next, each of the SiC epitaxial wafer according to the first embodiment and the comparative SiC epitaxial wafer are processed as described below, whereby the pin diode 20 of this embodiment shown in FIG. A pin diode can be fabricated.

まず、反応性イオンエッチング(RIE)によりSiCエピタキシャルウエーハの両端部を除去してメサ構造に加工する。このRIEにおけるエッチングガスとしては、CF(4弗化炭素)とOを用いて、プラズマ処理装置により、圧力5Pa、高周波電力260Wの条件で深さ約2.5μmまでエッチングした。また、このときのマスク材料として、CVDによって堆積したSiO膜(厚さ10μm)を用いた。 First, both ends of the SiC epitaxial wafer are removed by reactive ion etching (RIE) and processed into a mesa structure. As an etching gas in this RIE, CF 4 (carbon tetrafluoride) and O 2 were used, and etching was performed to a depth of about 2.5 μm by a plasma processing apparatus under conditions of a pressure of 5 Pa and a high frequency power of 260 W. Further, as a mask material at this time, a SiO 2 film (thickness 10 μm) deposited by CVD was used.

次に、エッチングにより形成したメサ底部での電界集中を緩和するために、メサ底部に幅250μm、深さ0.7μmのp型JTE(ジャンクション・ターミネーション・エクステンション)26を設けた。このp型JTE26は、Alイオン注入により形成した。このAlイオン注入のエネルギーは30〜450keVの間で6段階に変え、トータルドーズ量は1.2×1013cm−2である。また、このp型JTE26の形成時には、JTE26の注入層がボックスプロファイルとなるように設計した。イオン注入は全て室温で行い、イオン注入のマスクには、グラファイト(厚さ5μm)を用いた。注入イオンの活性化のための熱処理をアルゴンガス雰囲気中で1700℃、3分の条件で行った。アニールの後、温度1200℃、3時間のウェット酸化により保護膜としての熱酸化膜27を形成した。なお、図1において、30は、絶縁保護膜(もしくは酸化膜)である。 Next, in order to alleviate electric field concentration at the bottom of the mesa formed by etching, a p-type JTE (junction termination extension) 26 having a width of 250 μm and a depth of 0.7 μm was provided on the mesa bottom. The p-type JTE 26 was formed by Al ion implantation. The energy of the Al ion implantation is changed in six steps between 30 to 450 keV, and the total dose is 1.2 × 10 13 cm −2 . In addition, when the p-type JTE 26 was formed, the JTE 26 injection layer was designed to have a box profile. Ion implantation was all performed at room temperature, and graphite (thickness 5 μm) was used as a mask for ion implantation. Heat treatment for activating the implanted ions was performed in an argon gas atmosphere at 1700 ° C. for 3 minutes. After the annealing, a thermal oxide film 27 as a protective film was formed by wet oxidation at a temperature of 1200 ° C. for 3 hours. In FIG. 1, reference numeral 30 denotes an insulating protective film (or oxide film).

次に、基板21の下面に、Ni(厚さ350nm)を形成しカソード電極28とする。P+型コンタクト層25上に、Ti(チタン:厚さ350nm)とAl(アルミニウム:厚さ100nm)の膜をそれぞれを蒸着し、アノード電極29とする。アノード電極29は、Ti層29aとAl層29bから構成されている。最後に、1000℃で20分間の熱処理を行って、カソード電極28およびアノード電極29をそれぞれオーミック電極にする。pn接合のサイズは直径が2.6mmφでありほぼ円形である。なお、この実施形態ではアルミニウムイオン注入によってp型JTE26を形成したが、ボロン(B)のイオン注入を用いた場合でも同様の効果がある。   Next, Ni (thickness 350 nm) is formed on the lower surface of the substrate 21 to form the cathode electrode 28. A film of Ti (titanium: thickness 350 nm) and Al (aluminum: thickness 100 nm) is deposited on the P + type contact layer 25 to form an anode electrode 29. The anode electrode 29 is composed of a Ti layer 29a and an Al layer 29b. Finally, heat treatment is performed at 1000 ° C. for 20 minutes to make the cathode electrode 28 and the anode electrode 29 ohmic electrodes, respectively. The size of the pn junction is 2.6 mmφ and is almost circular. In this embodiment, the p-type JTE 26 is formed by aluminum ion implantation. However, the same effect can be obtained even when boron (B) ion implantation is used.

この第1実施形態のpinダイオード20の耐電圧は20kVであり、オン電圧は5.0Vである。上記のpinダイオード20に順方向に電流密度200A/cmで1時間通電し、通電開始直後と1時間通電後の室温での電流電圧特性をカーブトレーサで測定した。この測定の結果は、順方向電流密度200A/cmでの通電開始直後の順方向電流電圧特性と、1時間通電後の順方向電流電圧特性との順方向電圧差ΔVfは、0.1V以下であり、ほとんど差がなかった。したがって、この第1実施形態のpinダイオード20は、上述の1時間の通電後もほとんど劣化していなかった。 The pin diode 20 of the first embodiment has a withstand voltage of 20 kV and an on-voltage of 5.0V. The pin diode 20 was energized in the forward direction at a current density of 200 A / cm 2 for 1 hour, and the current-voltage characteristics at room temperature immediately after starting energization and after energization for 1 hour were measured with a curve tracer. As a result of this measurement, the forward voltage difference ΔVf between the forward current voltage characteristic immediately after the start of energization at a forward current density of 200 A / cm 2 and the forward current voltage characteristic after 1 hour energization is 0.1 V or less. There was almost no difference. Therefore, the pin diode 20 of the first embodiment hardly deteriorated even after the energization for 1 hour described above.

一方、上記比較用pinダイオードについて、上記第1実施形態に対して行ったのと同じ上述の条件で通電をして、通電開始直後と1時間通電後の室温での電流電圧特性をカーブトレーサで測定した。この測定の結果、順方向電圧差ΔVfは、20V以下であり、順方向電圧の増大が見られた。   On the other hand, the comparative pin diode was energized under the same conditions as those described for the first embodiment, and the current-voltage characteristics at room temperature immediately after energization and after 1 hour energization were measured with a curve tracer. It was measured. As a result of this measurement, the forward voltage difference ΔVf was 20 V or less, and an increase in the forward voltage was observed.

(実験例)
次に、この第1実施形態に対応するpinダイオードと上記比較用pinダイオードに対応するダイオードの比較実験を行った。この比較実験による実験条件は、先ず、本実施形態のダイオードおよび比較用ダイオードのサイズを10mm×10mmとして高温パッケージに実装し、室温での各ダイオードの電流電圧特性を測定した。次に、この高温パッケージの温度を70℃とし、各ダイオードに直流50Aの電流を10時間通電した。この通電後、室温での各ダイオードの電流電圧特性を測定した。この測定の結果、バッファ層の厚さが20μmである本実施形態のダイオードの電流電圧特性は、図4に示すように、通電前の電流電圧特性S1と通電後の電流電圧特性S2との差は殆どなかった。なお、上記実験において、n型のバッファ層22の厚さを20μm以上(例えば、30μm,40μm,50μm)とした場合にも、通電前の電流電圧特性と通電後の電流電圧特性との差は殆どなかった。
(Experimental example)
Next, a comparison experiment was conducted between the pin diode corresponding to the first embodiment and the diode corresponding to the comparison pin diode. The experimental conditions of this comparative experiment were as follows. First, the size of the diode of this embodiment and the comparative diode was 10 mm × 10 mm and mounted in a high temperature package, and the current-voltage characteristics of each diode at room temperature were measured. Next, the temperature of the high temperature package was set to 70 ° C., and a current of 50 A DC was applied to each diode for 10 hours. After this energization, the current-voltage characteristics of each diode at room temperature were measured. As a result of this measurement, the current-voltage characteristic of the diode of this embodiment having a buffer layer thickness of 20 μm is the difference between the current-voltage characteristic S1 before energization and the current-voltage characteristic S2 after energization, as shown in FIG. There was almost no. In the above experiment, even when the thickness of the n-type buffer layer 22 is 20 μm or more (for example, 30 μm, 40 μm, 50 μm), the difference between the current-voltage characteristics before energization and the current-voltage characteristics after energization is There was almost no.

一方、バッファ層の厚さが2.5μmである比較用ダイオードの電流電圧特性は、図5に示すように、通電前の電流電圧特性S11と比較して、通電後の電流電圧特性S12では順方向電圧が大幅に増大していた。   On the other hand, the current-voltage characteristic of the comparative diode having a buffer layer thickness of 2.5 μm is forward in the current-voltage characteristic S12 after energization as compared to the current-voltage characteristic S11 before energization, as shown in FIG. The directional voltage increased significantly.

なお、上記実験において、バッファ層の厚さを0〜20μmに変化させて、順方向電圧の増大幅ΔVfのバッファ層厚さ依存特性を求めた結果を図6に示す。図6において、横軸はバッファ層の厚さ(μm)を示し、縦軸は各バッファ層厚さでの順方向電圧の増大幅ΔVfを、バッファ層の厚さ(μm)が零の場合(つまりバッファ層が無い場合)の順方向電圧の増大幅ΔVfmaxで規格化した値ΔVf/ΔVfmaxを示している。上記順方向電圧の増大幅ΔVfは、順方向電流が100(A/cm)での順方向電圧の増大幅である。図6に示すように、バッファ層の厚さが20μmでは、順方向電圧の増大幅ΔVfが零であり、バッファ層の厚さが13μmを下回ると順方向電圧の増大幅ΔVfが急増している。 FIG. 6 shows the result of determining the buffer layer thickness dependence characteristics of the forward voltage increase width ΔVf by changing the thickness of the buffer layer from 0 to 20 μm in the above experiment. In FIG. 6, the horizontal axis indicates the thickness (μm) of the buffer layer, the vertical axis indicates the forward voltage increase width ΔVf at each buffer layer thickness, and the buffer layer thickness (μm) is zero ( That is, the value ΔVf / ΔVfmax normalized by the forward voltage increase width ΔVfmax when there is no buffer layer is shown. The forward voltage increase width ΔVf is the forward voltage increase width when the forward current is 100 (A / cm 2 ). As shown in FIG. 6, when the buffer layer thickness is 20 μm, the forward voltage increase width ΔVf is zero, and when the buffer layer thickness is less than 13 μm, the forward voltage increase width ΔVf increases rapidly. .

次に、図7を参照して、上記膜厚が20μmのバッファ層22の存在による順方向電圧の増大防止効果を定性的に説明する。図7の左側には、上記第1実施形態のpinダイオード20の積層構造を模式的に示し、図7の右側には、上記積層構造に対応するキャリア密度分布を模式的に示している。図7において、曲線K1は電子密度分布を表し、曲線K2は正孔密度分布を表している。前述の如く、n型SiC基板21とn型のドリフト層23との間に形成されている厚さを20μmとしたn型のバッファ層22が、p型のアノード層24,コンタクト層25からの少数キャリアである正孔のトラップとして働く。これにより、図7の右側に符号Gで示すように、高温や電流密度が高い条件下でも正孔(少数キャリア)がn型SiC基板21へ到達することを防止でき、n型SiC基板21から積層欠陥が拡大するのを防いで、順方向電圧の増大を防止できるpinダイオード20を実現できる。   Next, referring to FIG. 7, the effect of preventing the increase in the forward voltage due to the presence of the buffer layer 22 having a thickness of 20 μm will be qualitatively described. The left side of FIG. 7 schematically shows the laminated structure of the pin diode 20 of the first embodiment, and the right side of FIG. 7 schematically shows the carrier density distribution corresponding to the laminated structure. In FIG. 7, a curve K1 represents an electron density distribution, and a curve K2 represents a hole density distribution. As described above, the n-type buffer layer 22 having a thickness of 20 μm formed between the n-type SiC substrate 21 and the n-type drift layer 23 is formed from the p-type anode layer 24 and the contact layer 25. It works as a trap for holes that are minority carriers. As a result, as indicated by the symbol G on the right side of FIG. 7, holes (minority carriers) can be prevented from reaching the n-type SiC substrate 21 even under conditions of high temperature and high current density. It is possible to realize the pin diode 20 that can prevent the stacking fault from expanding and prevent the forward voltage from increasing.

SiCのバッファ層は不純物濃度が高く散乱の影響を受けやすいことから、SiCのバッファ層の移動度は、100cm/Vs程度まで低下する(”Step-controlled epitaxial growth of SiC: high quality homoepiaxy,” H.Matsunami and T.Kimoto, materials Science and Engineering, R20(1997), 125-166(中p152))。一方、積層欠陥は量子井戸のようにふるまうため、積層欠陥中の移動度は、不純物の散乱の影響を受けず、1000cm/Vs程度まで上昇する。そのため、積層欠陥の拡散係数は、アインシュタインの関係より、バッファ層の拡散係数の10倍程度となる。なお、アインシュタインの関係は次式の通り。D/μ=kT/e、(D:拡散係数、μ:移動度、k:ボルツマン定数、T:温度、e:電子の電荷) 一方、積層欠陥の拡散距離Lは、L=(τD)1/2 (L:拡散距離、τ:ライフタイム)であり、拡散係数の1/2乗に比例する。よって、バッファ層の拡散距離の3.2倍程度となり、バッファ層の拡散距離を2.5μmとした場合、積層欠陥の拡散距離Lは8μm程度となる。 Since the SiC buffer layer has a high impurity concentration and is susceptible to scattering, the mobility of the SiC buffer layer decreases to about 100 cm 2 / Vs (“Step-controlled epitaxial growth of SiC: high quality homoepiaxy,” H. Matsunami and T. Kimoto, materials Science and Engineering, R20 (1997), 125-166 (middle p152)). On the other hand, since the stacking fault behaves like a quantum well, the mobility in the stacking fault is not affected by the scattering of impurities and rises to about 1000 cm 2 / Vs. Therefore, the diffusion coefficient of the stacking fault is about 10 times the diffusion coefficient of the buffer layer due to the Einstein relationship. Einstein's relationship is as follows. D / μ = kT / e, (D: diffusion coefficient, μ: mobility, k: Boltzmann constant, T: temperature, e: electron charge) On the other hand, the diffusion distance L of the stacking fault is L = (τD) 1 / 2 (L: diffusion distance, τ: lifetime), which is proportional to the 1/2 power of the diffusion coefficient. Accordingly, when the diffusion distance of the buffer layer is about 3.2 times and the diffusion distance of the buffer layer is 2.5 μm, the diffusion distance L of the stacking fault is about 8 μm.

以上のように、この第1実施形態のSiC pinダイオード20によれば、n型SiC基板21とn型のドリフト層23との間に形成されている厚さを20μmとしたn型のバッファ層22が、少数キャリアとしての正孔のトラップとして働いて、正孔(少数キャリア)が基板21へ到達することを防ぐ。これにより、基板21から積層欠陥が拡大することを防いで、順方向電圧劣化がほとんど生じなくなるので、長時間の使用が可能となり寿命が長くなる。また、この第1実施形態では、順方向の電圧劣化によるオン抵抗の増加がないので、内部損失も増加することがなく、安定した特性を長時間維持できる信頼性が高いpinダイオードが得られる。   As described above, according to the SiC pin diode 20 of the first embodiment, the n-type buffer layer formed between the n-type SiC substrate 21 and the n-type drift layer 23 has a thickness of 20 μm. 22 acts as a trap for holes as minority carriers, preventing holes (minority carriers) from reaching the substrate 21. As a result, the stacking fault is prevented from expanding from the substrate 21 and the forward voltage deterioration hardly occurs, so that it can be used for a long time and the life is extended. In the first embodiment, since there is no increase in on-resistance due to forward voltage degradation, an internal loss does not increase, and a highly reliable pin diode that can maintain stable characteristics for a long time can be obtained.

尚、上記第1実施形態では、n型基板21とn型ドリフト層23との間に厚さを20μmとしたn型のバッファ層22を形成したが、n型のバッファ層22の厚さを20μm以上(例えば、30μm,40μm,50μm等)としてもよい。但し、このn型のバッファ層22の厚さは、50μm以下とすることが望ましい。n型のバッファ層22の厚さを50μmよりも厚くすると、結晶成長時間がかかる上にバッファ層の抵抗が大きくなり、素子の損失の増大を招く。   In the first embodiment, the n-type buffer layer 22 having a thickness of 20 μm is formed between the n-type substrate 21 and the n-type drift layer 23. However, the thickness of the n-type buffer layer 22 is reduced. It is good also as 20 micrometers or more (for example, 30 micrometers, 40 micrometers, 50 micrometers, etc.). However, the thickness of the n-type buffer layer 22 is desirably 50 μm or less. If the thickness of the n-type buffer layer 22 is thicker than 50 μm, the crystal growth time is increased and the resistance of the buffer layer increases, leading to an increase in device loss.

(第2の実施の形態)
次に、図2に、この発明のバイポーラ半導体素子の第2実施形態を示す。図2は、第2実施形態としてのnpnバイポーラトランジスタ50の断面図である。この第2実施形態でも、n型の4H型SiCの基板を採用している。このn型の4H型SiCの基板上に、n型4H−SiC、p型4H−SiC、n型4H−SiCの順番で連続的にエピタキシャル成長させ、npnバイポーラトランジスタ50を作製した。
(Second embodiment)
Next, FIG. 2 shows a second embodiment of the bipolar semiconductor device of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view of an npn bipolar transistor 50 as the second embodiment. The second embodiment also employs an n-type 4H SiC substrate. On this n-type 4H-type SiC substrate, n-type 4H-SiC, p-type 4H-SiC, and n-type 4H-SiC were successively epitaxially grown in this order to produce an npn bipolar transistor 50.

この第2実施形態のnpnパイポーラトランジスタは、n型の4H型SiCを用いた基板の(000−1)カーボン面上に、n型4H−SiC、p型4H−SiC、n型4H−SiCの順番で連続的にエピタキシャル成長させ、npnバイポーラトランジスタ50を作製した。   In the npn bipolar transistor of the second embodiment, n-type 4H-SiC, p-type 4H-SiC, and n-type 4H-SiC are formed on a (000-1) carbon surface of a substrate using n-type 4H-type SiC. The npn bipolar transistor 50 was manufactured by epitaxial growth continuously in the order of.

n型の4H型SiCの基板51は、改良レーリー法によって成長したインゴットをオフ角θが8度となるようにスライスし、鏡面研磨することによって作製した。コレクタとなる基板51はn型であり、ホール効果測定法によって測定したキャリヤ密度は8×1018cm−3、厚さは400μmである。この基板51のC面上に、CVD法によって窒素ドープn型SiC層のバッファ層52とドリフト層53を成膜する。 The n-type 4H-type SiC substrate 51 was prepared by slicing an ingot grown by the modified Rayleigh method so that the off angle θ was 8 degrees, and mirror polishing. The substrate 51 serving as a collector is n-type, the carrier density measured by the Hall effect measurement method is 8 × 10 18 cm −3 , and the thickness is 400 μm. A buffer layer 52 and a drift layer 53 of a nitrogen-doped n-type SiC layer are formed on the C surface of the substrate 51 by a CVD method.

このドリフト層53の上にアルミドープp型SiCのp型成長層54、および窒素ドープn型SiC層のn型成長層55を順番にエピタキシャル成長法で成膜した。バッファ層52とドリフト層53がn型コレクタ層になる。   On this drift layer 53, an aluminum-doped p-type SiC p-type growth layer 54 and a nitrogen-doped n-type SiC layer n-type growth layer 55 were sequentially formed by an epitaxial growth method. The buffer layer 52 and the drift layer 53 become an n-type collector layer.

上記バッファ層52はドナー密度7×1017cm−3、膜厚は20μmである。また、ドリフト層53はドナー密度約5×1015cm−3、膜厚は15μmである。また、p型ベース層となるp型成長層54はアクセプタ密度2×1017cm−3、膜厚は1μmである。n型成長層55はドナー密度約7×1017cm−3、膜厚は0.75μmである。 The buffer layer 52 has a donor density of 7 × 10 17 cm −3 and a film thickness of 20 μm. The drift layer 53 has a donor density of about 5 × 10 15 cm −3 and a film thickness of 15 μm. The p-type growth layer 54 to be the p-type base layer has an acceptor density of 2 × 10 17 cm −3 and a film thickness of 1 μm. The n-type growth layer 55 has a donor density of about 7 × 10 17 cm −3 and a film thickness of 0.75 μm.

次に、この実施形態のnpnバイポーラトランジスタ50を作製するときの処理条件を説明する。材料ガスとして、シラン(SiH)およびプロパン(C)を用いる。ドーパントガスとして窒素(N)およびトリメチルアルミニウム{Al(CH)}を用いる。また、キャリアガスとして水素(H)を用いる。基板の温度は1550℃に保たれており、処理チャンバー内の圧力は5.6kPaに保たれている。各ガスの流量は、sccm(standard cc per minute)または、slm(standard liter minute)で表す。また、圧力は、kPa(kilo pascal)で表す。そして、以下の説明において、各ガスの名称の後に付したかっこ内の数値は流量を表す。 Next, processing conditions for manufacturing the npn bipolar transistor 50 of this embodiment will be described. Silane (SiH 4 ) and propane (C 3 H 8 ) are used as material gases. Nitrogen (N 2 ) and trimethylaluminum {Al (CH 3 ) 3 } are used as dopant gases. Further, hydrogen (H 2 ) is used as a carrier gas. The temperature of the substrate is kept at 1550 ° C., and the pressure in the processing chamber is kept at 5.6 kPa. The flow rate of each gas is represented by sccm (standard cc per minute) or slm (standard liter minute). The pressure is expressed in kPa (kilo pascal). In the following description, the numerical value in parentheses after the name of each gas represents the flow rate.

コレクタとなるn型4HSiC基板51のC面上にバッファ層52を形成する工程では、シラン(30sccm)、プロパン(12sccm)、窒素(30sccm)および水素(10slm)を供給する。この工程の処理時間は80分である。また、ドリフト層53を形成する工程では、シラン(30sccm)、プロパン(12sccm)、窒素(0.2sccm)および水素(10slm)を供給する。この工程の処理時間は60分である。   In the step of forming the buffer layer 52 on the C-plane of the n-type 4HSiC substrate 51 serving as a collector, silane (30 sccm), propane (12 sccm), nitrogen (30 sccm) and hydrogen (10 slm) are supplied. The processing time for this step is 80 minutes. In the step of forming the drift layer 53, silane (30 sccm), propane (12 sccm), nitrogen (0.2 sccm), and hydrogen (10 slm) are supplied. The processing time for this step is 60 minutes.

また、P型成長層54の形成工程では、シラン(30sccm)、プロパン(12sccm)、トリメチルアルミニウム(6sccm)および水素(10slm)を供給する。この工程の処理時間は4分である。また、n型成長層55の形成工程では、シラン(30sccm)、プロパン(12sccm)、窒素(30sccm)および水素(10slm)を供給する。この工程の処理時間は3分である。上記の各工程の処理により、この第2実施形態のnpnバイポーラトランジスタ用のSiCエピタキシャルウェーハができる。   In the step of forming the P-type growth layer 54, silane (30 sccm), propane (12 sccm), trimethylaluminum (6 sccm) and hydrogen (10 slm) are supplied. The processing time for this step is 4 minutes. In the step of forming the n-type growth layer 55, silane (30 sccm), propane (12 sccm), nitrogen (30 sccm), and hydrogen (10 slm) are supplied. The processing time for this step is 3 minutes. The SiC epitaxial wafer for the npn bipolar transistor of the second embodiment can be obtained by the processing of each of the above steps.

一方、この第2実施形態のnpnバイポーラトランジスタ50用のSiCエピタキシャルウェーハに対する比較例としてのnpnバイポーラトランジスタ用のSiCエピタキシャルウェーハを作製した。この比較例のnpnバイポーラトランジスタ用のSiCエピタキシャルウェーハは、n型4H型SiC基板51上に膜厚20μmのn型バッファ層52に替えて膜厚2.5μmのn型バッファ層を形成した点だけが上記第2実施形態と相違する。よって、ここでは、上記比較用のnpnバイポーラトランジスタ用のSiCエピタキシャルウェーハを作製するときの処理条件として、SiC基板上にバッファ層を形成する工程だけを説明する。   On the other hand, a SiC epitaxial wafer for an npn bipolar transistor as a comparative example with respect to the SiC epitaxial wafer for the npn bipolar transistor 50 of the second embodiment was manufactured. The SiC epitaxial wafer for the npn bipolar transistor of this comparative example is only that an n-type buffer layer having a film thickness of 2.5 μm is formed on the n-type 4H SiC substrate 51 in place of the n-type buffer layer 52 having a film thickness of 20 μm. Is different from the second embodiment. Therefore, here, only the step of forming the buffer layer on the SiC substrate will be described as a processing condition for producing the SiC epitaxial wafer for the comparative npn bipolar transistor.

まず、基板の温度は1550℃に保たれており、処理チャンバー内の圧力は5.6kPaに保たれている。基板のC面にバッファ層を形成する工程では、シラン(30sccm)、プロパン(12sccm)、窒素(30sccm)および水素(10slm)を供給する。この工程の処理時間は10分である。   First, the temperature of the substrate is maintained at 1550 ° C., and the pressure in the processing chamber is maintained at 5.6 kPa. In the step of forming a buffer layer on the C-plane of the substrate, silane (30 sccm), propane (12 sccm), nitrogen (30 sccm), and hydrogen (10 slm) are supplied. The processing time for this step is 10 minutes.

そして、この第2実施形態および比較用のSiCエピタキシャルウエーハに以下に説明する加工を施すことにより図2に示す第2実施形態のnpnバイポーラトランジスタ50および比較例を作製できる。   Then, the npn bipolar transistor 50 and the comparative example of the second embodiment shown in FIG. 2 can be produced by performing the following processing on the second embodiment and the SiC epitaxial wafer for comparison.

まず、反応性イオンエッチング(RIE)によりn型成長層55を幅10μm、深さ0.75μm、ピッチ23μmでエッチングし、エミッタとなるn型成長層55を残す。このRIEのエッチングガスとしては、CFとOを用い、圧力は0.05Torr、高周波電力260Wの条件でエッチングした。また、このときのマスク材料として、CVDによって堆積したSiO膜(厚さ10μm)を用いた。 First, the n-type growth layer 55 is etched by reactive ion etching (RIE) with a width of 10 μm, a depth of 0.75 μm, and a pitch of 23 μm, leaving an n-type growth layer 55 that becomes an emitter. As the etching gas for RIE, CF 4 and O 2 were used, and the etching was performed under the conditions of a pressure of 0.05 Torr and a high frequency power of 260 W. Further, as a mask material at this time, a SiO 2 film (thickness 10 μm) deposited by CVD was used.

次に、ベース領域において素子分離を行うために、反応性イオンエッチング(RIE)によりメサ構造にする。このRIEのエッチングガスにはCFとOを用い、圧力は0.05Torr、高周波電力260Wの条件で深さ約1μmまでエッチングした。このときのマスク材料として、CVDによって堆積したSiO膜(厚さ10μm)を用いた。 Next, in order to perform element isolation in the base region, a mesa structure is formed by reactive ion etching (RIE). CF 4 and O 2 were used as the etching gas for this RIE, and the etching was performed to a depth of about 1 μm under the conditions of a pressure of 0.05 Torr and a high frequency power of 260 W. As a mask material at this time, a SiO 2 film (thickness 10 μm) deposited by CVD was used.

この第2実施形態では、ベース端部での電界集中を緩和するためのガードリング56と、ベースのコンタクト領域57を同一プロセスのAl(アルミニウム)イオン注入によって形成した。ベースのコンタクト領域57は幅3μmでエミッタとの間隔は5μmであり、p型ガードリング56の幅は150μmである。コンタクト領域57,p型ガードリング56の深さは共に0.5μmである。   In the second embodiment, the guard ring 56 for relaxing the electric field concentration at the base end and the base contact region 57 are formed by Al (aluminum) ion implantation in the same process. The base contact region 57 has a width of 3 μm, a distance from the emitter of 5 μm, and the p-type guard ring 56 has a width of 150 μm. Both the contact region 57 and the p-type guard ring 56 have a depth of 0.5 μm.

p型ガードリング56、ベースのコンタクト領域57を形成する時のAlイオン注入のエネルギーは40〜560keVであり、トータルドーズ量は1.0×1013cm−2である。このイオン注入のマスクとしては、CVDにより形成したSiO膜(厚さ5μm)を用いた。また、イオン注入はすべて室温で行い、注入イオン活性化のための熱処理はアルゴンガス雰囲気中の温度1600℃、時間5分の条件で行った。 The energy of Al ion implantation when forming the p-type guard ring 56 and the base contact region 57 is 40 to 560 keV, and the total dose is 1.0 × 10 13 cm −2 . As a mask for this ion implantation, a SiO 2 film (thickness 5 μm) formed by CVD was used. All ion implantations were performed at room temperature, and the heat treatment for activating the implanted ions was performed under conditions of a temperature of 1600 ° C. in an argon gas atmosphere for 5 minutes.

次に、アニールの後、温度1150℃で2時間のウェット酸化によって熱酸化膜を形成し、さらにCVDによってSiO膜を堆積させ、合計2μmの酸化膜58を形成した。 Next, after annealing, a thermal oxide film was formed by wet oxidation at a temperature of 1150 ° C. for 2 hours, and a SiO 2 film was further deposited by CVD to form an oxide film 58 having a total thickness of 2 μm.

次に、SiC基板51の下面にコレクタ電極59Cを形成する。また、ベースのコンタクト領域57にベース電極59Bを形成する。また、エミッタ領域55にNiを蒸着してエミッタ電極69を形成する。次に、1000℃、20分間の熱処理を行ってそれぞれオーミック接合を形成した。   Next, collector electrode 59 </ b> C is formed on the lower surface of SiC substrate 51. A base electrode 59B is formed in the base contact region 57. Further, Ni is deposited on the emitter region 55 to form an emitter electrode 69. Next, heat treatment was performed at 1000 ° C. for 20 minutes to form ohmic junctions.

最後に、ベース電極59Bおよびエミッタ電極69をTi/Au電極70で覆って各電極端子を形成した。接合部の大きさは3.2mm×3.2mmである。なお、この第2実施形態では、Alイオン注入によってガードリング56を形成したが、B(硼素)イオン注入を用いた場合でも同様の効果がある。   Finally, the base electrode 59B and the emitter electrode 69 were covered with a Ti / Au electrode 70 to form each electrode terminal. The size of the joint is 3.2 mm × 3.2 mm. In the second embodiment, the guard ring 56 is formed by Al ion implantation, but the same effect can be obtained even when B (boron) ion implantation is used.

また、npnバイポーラトランジスタ50においては、基板51、バッファ層52、ドリフト層53、p型成長層54及びn型成長層55のそれぞれの接合面(図中水平方向に広がる面)は、すべて(000−1)カーボン面2から8度のオフ角をもつ面2aに平行になっている。   In the npn bipolar transistor 50, all of the junction surfaces (surfaces extending in the horizontal direction in the figure) of the substrate 51, the buffer layer 52, the drift layer 53, the p-type growth layer 54, and the n-type growth layer 55 are (000). -1) It is parallel to the surface 2a having an off angle of 8 degrees from the carbon surface 2.

こうして作製したnpnバイポーラトランジスタ50の耐圧は1400Vである。オン抵抗は8.0mΩcmであり、最大電流増幅率は約12であった。このnpnバイポーラトランジスタ50にベース電流0.6A、コレクタ電流14A(コレクタ電流密度200A/cm)を1時間通電し、通電前後の室温でのコレクタ特性をカーブトレーサで測定した。この実施形態のnpnバイポーラトランジスタ50では、通電開始直後と1時間通電後ともオン抵抗は8.0mΩ/cmであり、順方向電圧の変化は殆んどなかった。 The npn bipolar transistor 50 thus fabricated has a withstand voltage of 1400V. The on-resistance was 8.0 mΩcm 2 and the maximum current amplification factor was about 12. The npn bipolar transistor 50 was energized with a base current of 0.6 A and a collector current of 14 A (collector current density of 200 A / cm 2 ) for 1 hour, and the collector characteristics at room temperature before and after the energization were measured with a curve tracer. In the npn bipolar transistor 50 of this embodiment, the on-resistance was 8.0 mΩ / cm 2 immediately after the start of energization and after 1 hour of energization, and there was almost no change in the forward voltage.

一方、この第2実施形態の比較例(n型バッファ層の膜厚2.5μm)のnpnバイポーラトランジスタについても、ベース電流0.6A、コレクタ電流密度200A/cmで通電して試験した。この比較用のnpnバイポーラトランジスタの室温でのオン抵抗は、通電開始直後では、8.0mΩ/cmであったが、1時間の通電後は15.0mΩ/cmと非常に大きくなった。また、この比較例のnpnバイポーラトランジスタの室温での最大電流増幅率は、通電初期は約12であったものが、1時間通電後は約6と小さくなってしまった。 On the other hand, the npn bipolar transistor of the comparative example (thickness of the n-type buffer layer of 2.5 μm) of the second embodiment was also tested by applying current at a base current of 0.6 A and a collector current density of 200 A / cm 2 . The on-resistance at room temperature of this comparative npn bipolar transistor was 8.0 mΩ / cm 2 immediately after the start of energization, but became very large at 15.0 mΩ / cm 2 after energization for 1 hour. Further, the maximum current amplification factor at room temperature of the npn bipolar transistor of this comparative example was about 12 at the beginning of energization, but decreased to about 6 after energization for 1 hour.

これに対し、この第2実施形態のnpnバイポーラトランジスタ50の最大電流増幅率は通電開始直後と1時間通電後とで殆んど変化がなく、約12であった。このように、この第2実施形態のnpnバイポーラトランジスタ50は1時間の通電試験後でも順方向電圧劣化は殆んど生じていなかった。   On the other hand, the maximum current amplification factor of the npn bipolar transistor 50 of the second embodiment was about 12 with almost no change immediately after energization and after energization for 1 hour. As described above, in the npn bipolar transistor 50 of the second embodiment, almost no forward voltage deterioration occurred even after a 1-hour energization test.

以上のように、この第2実施形態のSiC npnバイポーラトランジスタ50によれば、n型SiC基板51とn型のSiCドリフト層53との間に形成されている厚さを20μmとしたn型のバッファ層52が、少数キャリアとしての正孔のトラップとして働いて、正孔(少数キャリア)が基板51へ到達することを防ぐ。これにより、SiC基板51から積層欠陥が拡大することを防いで、順方向電圧劣化がほとんど生じなくなるので、長時間の使用が可能となり寿命が長くなる。また、この第2実施形態では、順方向の電圧劣化によるオン抵抗の増加が殆どないので、内部損失も増加することがなく、安定した特性を長時間維持できる信頼性が高いnpnバイポーラトランジスタが得られる。   As described above, according to the SiC npn bipolar transistor 50 of the second embodiment, an n-type transistor having a thickness of 20 μm formed between the n-type SiC substrate 51 and the n-type SiC drift layer 53 is used. The buffer layer 52 acts as a trap for holes as minority carriers, and prevents holes (minority carriers) from reaching the substrate 51. This prevents the stacking faults from expanding from the SiC substrate 51, and almost no forward voltage deterioration occurs, so that it can be used for a long time and the life is extended. In the second embodiment, since there is almost no increase in on-resistance due to forward voltage degradation, an internal loss is not increased, and a highly reliable npn bipolar transistor capable of maintaining stable characteristics for a long time is obtained. It is done.

尚、上記第2実施形態では、n型基板51とn型ドリフト層53との間に厚さが20μmのn型のバッファ層52を形成したが、n型のバッファ層52の厚さを20μm以上(例えば、30μm,40μm,50μm等)としてもよい。但し、このn型のバッファ層52の厚さは、50μm以下とすることが望ましい。n型のバッファ層52の厚さを50μmよりも厚くすると、結晶成長時間がかかる上にバッファ層の抵抗が大きくなり、素子の損失の増大を招く。   In the second embodiment, the n-type buffer layer 52 having a thickness of 20 μm is formed between the n-type substrate 51 and the n-type drift layer 53. However, the thickness of the n-type buffer layer 52 is 20 μm. It is good also as above (for example, 30 micrometers, 40 micrometers, 50 micrometers, etc.). However, the thickness of the n-type buffer layer 52 is preferably 50 μm or less. If the thickness of the n-type buffer layer 52 is greater than 50 μm, the crystal growth time is increased and the resistance of the buffer layer increases, leading to an increase in device loss.

また、この第2実施形態でも、前述の第1実施形態で行ったのと同様に、バッファ層の厚さを0〜20μmに変化させて、順方向電圧の増大幅ΔVfのバッファ層厚さ依存特性を求めた結果、前述の図6に示す依存特性と同様であった。   Also in the second embodiment, the buffer layer thickness is changed from 0 to 20 μm as in the first embodiment, and the forward voltage increase width ΔVf depends on the buffer layer thickness. As a result of obtaining the characteristics, it was the same as the dependence characteristics shown in FIG.

(第3の実施の形態)
次に、図3に、この発明のバイポーラ半導体素子の第3実施形態としてのIGBT(インシュレーテッド・ゲート・バイポーラトランジスタ)80の断面を示す。
(Third embodiment)
Next, FIG. 3 shows a cross section of an IGBT (insulated gate bipolar transistor) 80 as a third embodiment of the bipolar semiconductor device of the present invention.

このIGBT80は、n型の6H型SiCによる基板71上に、膜厚の時間(h)当たりの増加速度が15μm/hで、p型6H−SiC層、n型6H−SiC層、p型6H−SiC層の順番で3つの層をエピタキシャル成長させ、以下に詳しく説明するようにして、IGBT80を作製した。このIGBT80では、p層とn層の主たる接合面(図において紙面に垂直な方向に広がる面)は、{0001}面となっている。   The IGBT 80 has a p-type 6H-SiC layer, an n-type 6H-SiC layer, and a p-type 6H on a substrate 71 made of n-type 6H-type SiC at a film thickness increase rate of 15 μm / h. Three layers were epitaxially grown in the order of -SiC layers, and an IGBT 80 was produced as described in detail below. In this IGBT 80, the main joint surface of the p layer and the n layer (the surface extending in the direction perpendicular to the paper surface in the figure) is the {0001} plane.

次に、このIGBT80の作製方法を説明する。すなわち、面方位が、(000−1)カーボン面から3.5度のオフ角θの面をもつn型の6H型SiCを用いた基板上に、15μm/hの成膜速度で、p型6H−SiC層、n型6H−SiC層、p型6H−SiC層を順次形成する。   Next, a method for manufacturing the IGBT 80 will be described. That is, a p-type film is formed on a substrate using n-type 6H-type SiC having a surface orientation of an off angle θ of 3.5 degrees from the (000-1) carbon surface at a film formation rate of 15 μm / h. A 6H—SiC layer, an n-type 6H—SiC layer, and a p-type 6H—SiC layer are sequentially formed.

上記SiC基板71は、改良レーリー法によって成長したインゴットを(000−1)カーボン面から3.5度傾いた面でスライスし、鏡面研磨することによって作製した。コレクタとなる基板71はn型で、厚さは400μm、ホール効果測定法によって求めたキャリヤ密度は5×1018cm−3である。 The SiC substrate 71 was prepared by slicing an ingot grown by the modified Rayleigh method at a surface inclined by 3.5 degrees from the (000-1) carbon surface and mirror polishing. The substrate 71 serving as a collector is n-type, has a thickness of 400 μm, and the carrier density obtained by the Hall effect measurement method is 5 × 10 18 cm −3 .

このSiC基板71上に、CVD法によって、アルミニウムドープp型SiC層、窒素ドープn型SiC層、アルミニウムドープp型SiC層の三層を連続的にエピタキシャル成長した。このp型SiC層は、図3のバッファ層72とドリフト層73となる。上記バッファ層72はアクセプタ密度が1×1017cm−3、膜厚は20μmである。また、ドリフト層73はアクセプタ密度が約5×1015cm−3、膜厚は15μmである。また、ドリフト層73の上に形成されるn型成長層74はドナー密度2×1017cm−3、膜厚は2μmである。このn型成長層74の上に形成されるp型成長層75はアクセプタ密度が約1×1018cm−3、膜厚は0.75μmである。 Three layers of an aluminum-doped p-type SiC layer, a nitrogen-doped n-type SiC layer, and an aluminum-doped p-type SiC layer were continuously epitaxially grown on this SiC substrate 71 by the CVD method. This p-type SiC layer becomes the buffer layer 72 and the drift layer 73 of FIG. The buffer layer 72 has an acceptor density of 1 × 10 17 cm −3 and a film thickness of 20 μm. The drift layer 73 has an acceptor density of about 5 × 10 15 cm −3 and a film thickness of 15 μm. The n-type growth layer 74 formed on the drift layer 73 has a donor density of 2 × 10 17 cm −3 and a film thickness of 2 μm. The p-type growth layer 75 formed on the n-type growth layer 74 has an acceptor density of about 1 × 10 18 cm −3 and a film thickness of 0.75 μm.

次に、このIGBT80を作製するときの処理条件を説明する。   Next, processing conditions when manufacturing this IGBT 80 will be described.

まず、材料ガスとして、シラン(SiH)およびプロパン(C)を用いる。また、ドーパントガスとして窒素(N)およびトリメチルアルミニウム{Al(CH)}を用いる。また、キャリアガスとして水素(H)を用いる。ここで、各ガスの流量は、sccm(standard cc per minute)または、slm(standard liter minute)で表す。また、圧力は、kPa(kilo pascal)で表す。また、以下の説明において、各ガスの名称の後に付したかっこ内の数値は流量を表す。 First, silane (SiH 4 ) and propane (C 3 H 8 ) are used as material gases. Further, nitrogen (N 2 ) and trimethylaluminum {Al (CH 3 ) 3 } are used as dopant gases. Further, hydrogen (H 2 ) is used as a carrier gas. Here, the flow rate of each gas is represented by sccm (standard cc per minute) or slm (standard liter minute). The pressure is expressed in kPa (kilo pascal). Moreover, in the following description, the numerical value in the parenthesis attached after the name of each gas represents a flow rate.

n型SiC基板71の温度は1550℃に保たれており、処理チャンバー内の圧力は5.6kPaに保たれている。このn型SiC基板71のC面上に、p型SiCバッファ層72を形成する工程では、シラン(30sccm)、プロパン(12sccm)、トリメチルアルミニウム(3sccm)および水素(10slm)を供給する。この工程の処理時間は80分である。   The temperature of the n-type SiC substrate 71 is kept at 1550 ° C., and the pressure in the processing chamber is kept at 5.6 kPa. In the step of forming the p-type SiC buffer layer 72 on the C-plane of the n-type SiC substrate 71, silane (30 sccm), propane (12 sccm), trimethylaluminum (3 sccm) and hydrogen (10 slm) are supplied. The processing time for this step is 80 minutes.

次に、p型SiCドリフト層73の形成工程では、シラン(30sccm)、プロパン(12sccm)、トリメチルアルミニウム(0.15sccm)及び水素(10slm)を供給する。処理時間は60分である。   Next, in the step of forming the p-type SiC drift layer 73, silane (30 sccm), propane (12 sccm), trimethylaluminum (0.15 sccm) and hydrogen (10 slm) are supplied. The processing time is 60 minutes.

次に、n型成長層74の形成工程では、シラン(30sccm)、プロパン(12sccm)、窒素(9sccm)および水素(10slm)を供給する。この工程の処理時間は8分である。また、p型成長層75の形成工程では、シラン(30sccm)、プロパン(12sccm)、トリメチルアルミニウム(30sccm)および水素(10slm)を供給する。この工程の処理時間は3分である。上記の各工程での処理により、このIGBT80用のSiCエピタキシャルウェーハができる。   Next, in the step of forming the n-type growth layer 74, silane (30 sccm), propane (12 sccm), nitrogen (9 sccm) and hydrogen (10 slm) are supplied. The processing time for this step is 8 minutes. In the step of forming the p-type growth layer 75, silane (30 sccm), propane (12 sccm), trimethylaluminum (30 sccm) and hydrogen (10 slm) are supplied. The processing time for this step is 3 minutes. The SiC epitaxial wafer for IGBT 80 can be obtained by the processing in each of the above steps.

一方、この第3実施形態のIGBT80用のSiCエピタキシャルウェーハに対する比較例としてのIGBT用のSiCエピタキシャルウェーハを作製した。この比較例のIGBT用のSiCエピタキシャルウェーハは、膜厚20μmのp型バッファ層72に替えて膜厚2.5μmのp型バッファ層を形成した点だけが上記第3実施形態と相違する。よって、ここでは、上記比較用のIGBT用のSiCエピタキシャルウェーハを作製するときの処理条件として、SiC基板上にバッファ層を形成する工程だけを説明する。   On the other hand, a SiC epitaxial wafer for IGBT was produced as a comparative example for the SiC epitaxial wafer for IGBT 80 of the third embodiment. The SiC epitaxial wafer for IGBT of this comparative example is different from the third embodiment only in that a p-type buffer layer having a film thickness of 2.5 μm is formed in place of the p-type buffer layer 72 having a film thickness of 20 μm. Therefore, here, only the step of forming a buffer layer on the SiC substrate will be described as a processing condition for producing the above-described comparative IGBT epitaxial wafer for IGBT.

まず、基板の温度は1550℃に保たれており、処理チャンバー内の圧力は5.6kPaに保たれている。基板のC面にバッファ層を形成する工程では、シラン(30sccm)、プロパン(12sccm)、トリメチルアルミニウム(3sccm)および水素(10slm)を供給する。この工程の処理時間は10分である。   First, the temperature of the substrate is maintained at 1550 ° C., and the pressure in the processing chamber is maintained at 5.6 kPa. In the step of forming the buffer layer on the C-plane of the substrate, silane (30 sccm), propane (12 sccm), trimethylaluminum (3 sccm) and hydrogen (10 slm) are supplied. The processing time for this step is 10 minutes.

次に、上記第3実施形態用および比較用のSiCエピタキシャルウェーハに、次に説明する加工を施すことによって、図3に示すIGBT80および比較例のIGBTを作製できる。   Next, the IGBT 80 shown in FIG. 3 and the IGBT of the comparative example can be manufactured by subjecting the SiC epitaxial wafers for the third embodiment and the comparative example to the processing described below.

まず、フォトリソグラフ法を用いて、p+成長層75の中央部をRIEでエッチングして、孔76aを設け、窒素をイオン注入することにより、エミッタとなるコンタクト領域76を形成する。次に、ゲート領域を形成するために、RIEによりp+成長層75とn+成長層74をエッチングして孔78a(図3では2つ)をあける。次に、孔78aの壁面にMOS構造を形成するために、CVDによりSiO膜を堆積させ、絶縁膜77を形成する。次に、n型SiC基板71のコレクタ領域にNiを蒸着してコレクタ端子79Cとする。また、コンタクト領域76にエミッタ電極79を蒸着する。次に、熱処理を行って、それぞれオーミック接合を形成する。さらに、絶縁膜77の上にMo電極を形成しゲート電極78とする。 First, by using photolithography, the central portion of the p + growth layer 75 is etched by RIE to form a hole 76a, and nitrogen is ion-implanted to form a contact region 76 to be an emitter. Next, in order to form a gate region, the p + growth layer 75 and the n + growth layer 74 are etched by RIE to form holes 78a (two in FIG. 3). Next, an SiO 2 film is deposited by CVD to form an insulating film 77 in order to form a MOS structure on the wall surface of the hole 78a. Next, Ni is deposited on the collector region of the n-type SiC substrate 71 to form the collector terminal 79C. Further, an emitter electrode 79 is deposited on the contact region 76. Next, heat treatment is performed to form ohmic junctions. Further, a Mo electrode is formed on the insulating film 77 to form a gate electrode 78.

こうして完成した本実施形態のIGBT80の耐電圧は、900V、オン抵抗は11mΩcmであり、コレクタエミッタ間電圧は−14Vである。また、このIGBT80に、−40Vのゲート電圧を印加し、コレクタ電流1.4Aを1時間通電し、通電開始時と1時間通電後の室温でのコレクタ特性をカーブトレーサで測定した。このIGBT80では、通電直後と1時間通電後のコレクタ−エミッタ間電圧はともに−14Vであり、ほとんど変化がなく、従ってほとんど劣化していないことが判った。 The IGBT 80 according to the present embodiment thus completed has a withstand voltage of 900 V, an on-resistance of 11 mΩcm 2 , and a collector-emitter voltage of −14 V. Further, a gate voltage of −40 V was applied to the IGBT 80, a collector current of 1.4 A was applied for 1 hour, and the collector characteristics at room temperature at the start of energization and after the energization for 1 hour were measured with a curve tracer. In this IGBT 80, it was found that the collector-emitter voltage immediately after energization and after energization for 1 hour was -14 V, almost no change and therefore almost no deterioration.

一方で、上記比較例のIGBTでは、耐電圧は、900V、オン抵抗は11mΩcmであり、コレクタエミッタ間電圧は−14Vである。また、この比較例のIGBTに、−40Vのゲート電圧を印加し、コレクタ電流1.4Aを1時間通電し、通電開始時と1時間通電後の室温でのコレクタ特性をカーブトレーサで測定した。この比較例のIGBTでは、通電直後のコレクタ−エミッタ電圧は−14Vだったのに対し、1時間通電後のコレクタ−エミッタ電圧は−29Vと大きくなった。 On the other hand, in the IGBT of the comparative example, the withstand voltage is 900V, the on-resistance is 11 mΩcm 2 , and the collector-emitter voltage is −14V. Further, a gate voltage of −40 V was applied to the IGBT of this comparative example, a collector current of 1.4 A was applied for 1 hour, and the collector characteristics at room temperature at the start of energization and after the energization for 1 hour were measured with a curve tracer. In the IGBT of this comparative example, the collector-emitter voltage immediately after energization was −14 V, whereas the collector-emitter voltage after 1 hour energization was as large as −29 V.

これに対し、本実施形態のIGBT80によれば、上述の如く、n型SiC基板71とp型のSiCドリフト層73との間に形成されている厚さを20μmとしたp型のバッファ層72が、少数キャリアとしての電子のトラップとして働いて、電子(少数キャリア)が基板71へ到達することを防ぐ。これにより、SiC基板71から積層欠陥が拡大することを防いで、順方向電圧劣化がほとんど生じなくなるので、長時間の使用が可能となり寿命が長くなる。また、この第3実施形態では、順方向の電圧劣化によるオン抵抗の増加が殆どないので、内部損失も増加することがなく、安定した特性を長時間維持できる信頼性が高いIGBTが得られる。   On the other hand, according to the IGBT 80 of the present embodiment, as described above, the p-type buffer layer 72 formed between the n-type SiC substrate 71 and the p-type SiC drift layer 73 has a thickness of 20 μm. However, it acts as a trap for electrons as minority carriers, preventing electrons (minority carriers) from reaching the substrate 71. As a result, the stacking fault is prevented from expanding from the SiC substrate 71 and the forward voltage deterioration hardly occurs, so that it can be used for a long time and the life is extended. Further, in this third embodiment, since there is almost no increase in on-resistance due to forward voltage degradation, an internal loss is not increased, and a highly reliable IGBT that can maintain stable characteristics for a long time can be obtained.

尚、上記第3実施形態では、n型SiC基板71とp型SiCドリフト層73との間に厚さが20μmのp型のSiCバッファ層72を形成したが、p型のSiCバッファ層72の厚さを20μm以上(例えば、30μm,40μm,50μm等)としてもよい。但し、このp型のバッファ層72の厚さは、50μm以下とすることが望ましい。p型のバッファ層72の厚さを50μmよりも厚くすると、結晶成長時間がかかる上にバッファ層の抵抗が大きくなり、素子の損失の増大を招く。   In the third embodiment, the p-type SiC buffer layer 72 having a thickness of 20 μm is formed between the n-type SiC substrate 71 and the p-type SiC drift layer 73. The thickness may be 20 μm or more (for example, 30 μm, 40 μm, 50 μm, etc.). However, the thickness of the p-type buffer layer 72 is preferably 50 μm or less. If the thickness of the p-type buffer layer 72 is greater than 50 μm, the crystal growth time is increased and the resistance of the buffer layer increases, leading to an increase in device loss.

また、この第3実施形態でも、前述の第1実施形態で行ったのと同様に、バッファ層の厚さを0〜20μmに変化させて、順方向電圧の増大幅ΔVfのバッファ層厚さ依存特性を求めた結果、前述の図6に示す依存特性と同様であった。   Also in the third embodiment, the buffer layer thickness is changed from 0 to 20 μm as in the first embodiment, and the forward voltage increase width ΔVf depends on the buffer layer thickness. As a result of obtaining the characteristics, it was the same as the dependence characteristics shown in FIG.

尚、以上では、この発明のSiC バイポーラ半導体素子の実施形態として、SiC pinダイオード、npnバイポーラトランジスタ、およびIGBTを説明したが、この発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、SIAFET、SIJFET、サイリスタ、GTO、MCT(Mos Controlled Thyristor)、SiCGT(SiC Commutated Gate Thyristor)、EST(Emitter Switched Thyristor)、BRT(Base Resistance Controlled Thyristor)などの各種の4H−SiCバイポーラ半導体素子の作製にも応用可能である。当然ながら、反対極性の素子(例えばnpnトランジスタに対するpnpトランジスタ)などの各種の4H−SiCバイポーラ素子にも変形応用可能であり、6H−SiCなどの多の結晶構造を用いたSiCバイポーラ素子に適用できるものである。   In the above, the SiC pin diode, the npn bipolar transistor, and the IGBT have been described as the embodiments of the SiC bipolar semiconductor device of the present invention. However, the present invention is not limited to the above embodiment, and the SIAFET, SIJFET are not limited thereto. Applicable to various 4H-SiC bipolar semiconductor devices such as thyristors, GTO, MCT (Mos Controlled Thyristor), SiCGT (SiC Commutated Gate Thyristor), EST (Emitter Switched Thyristor), BRT (Base Resistance Controlled Thyristor) It is. Of course, the present invention can be applied to various 4H-SiC bipolar elements such as elements having opposite polarities (for example, pnp transistors for npn transistors), and can be applied to SiC bipolar elements using various crystal structures such as 6H-SiC. Is.

この発明のSiC バイポーラ半導体素子は、高耐圧でオン電圧が低いことから、通電損失を抑制でき、大電流での使用が可能となるので、一例として、家電分野、産業分野、電気自動車などの車両分野、送電などの電力系統分野等において、例えばインバータなどの電力制御装置等に組み込まれて使用される電力制御装置に適用すると、スイッチング損失を低減でき、大電流での使用が可能となると共に信頼性を向上できる。   Since the SiC bipolar semiconductor element of the present invention has a high withstand voltage and a low on-voltage, it can suppress current loss and can be used with a large current. As an example, a vehicle such as a home appliance field, an industrial field, or an electric vehicle When applied to a power control device incorporated in a power control device such as an inverter in the field, power system field such as power transmission, etc., switching loss can be reduced, and it can be used with a large current and is reliable. Can be improved.

20 pinダイオード
21 n型SiC基板
22 n型SiCバッファ層
23 n型SiCドリフト層
24 p型接合層
25 p+型コンタクト層
26 p型JTE
27 熱酸化膜
28 カソード電極
29 アノード電極
30 絶縁保護膜
50 npnバイポーラトランジスタ
51 n型SiC基板(コレクタ層)
52 n型SiCバッファ層(コレクタ層)
53 n型SiCドリフト層(コレクタ層)
54 p型成長層(ベース層)
55 n型成長層(エミッタ層)
56 p型ガードリング
57 コンタクト領域
58 酸化膜
59B ベース電極
69 エミッタ電極
71 6H型SiC基板
72 p型SiCバッファ層
73 p型SiCドリフト層
74 n型成長層
75 p型成長層
76 コンタクト領域
77 絶縁膜
78 ゲート電極
79 エミッタ電極
70 IGBT
20 pin diode 21 n-type SiC substrate 22 n-type SiC buffer layer 23 n-type SiC drift layer 24 p-type junction layer 25 p + type contact layer 26 p-type JTE
27 Thermal oxide film 28 Cathode electrode 29 Anode electrode 30 Insulating protective film 50 npn bipolar transistor 51 n-type SiC substrate (collector layer)
52 n-type SiC buffer layer (collector layer)
53 n-type SiC drift layer (collector layer)
54 p-type growth layer (base layer)
55 n-type growth layer (emitter layer)
56 p-type guard ring 57 contact region 58 oxide film 59B base electrode 69 emitter electrode 71 6H-type SiC substrate 72 p-type SiC buffer layer 73 p-type SiC drift layer 74 n-type growth layer 75 p-type growth layer 76 contact region 77 insulating film 78 Gate electrode 79 Emitter electrode 70 IGBT

Claims (6)

炭化けい素半導体で作製された基板と、
上記基板上に形成されていると共に炭化けい素半導体で作製された第1導電型のバッファ層と、
上記バッファ層上に形成されていると共に炭化けい素半導体で作製された第1導電型のドリフト層と、
上記ドリフト層上に形成されていると共に炭化けい素半導体で作製された第2導電型の半導体層とを備え、
上記第1導電型のバッファ層の厚さを、13μm以上としたことを特徴とするバイポーラ半導体素子。
A substrate made of a silicon carbide semiconductor;
A buffer layer of a first conductivity type formed on the substrate and made of a silicon carbide semiconductor;
A drift layer of a first conductivity type formed on the buffer layer and made of a silicon carbide semiconductor;
A second conductivity type semiconductor layer formed on the drift layer and made of a silicon carbide semiconductor;
A bipolar semiconductor element, wherein a thickness of the first conductivity type buffer layer is 13 μm or more.
請求項1に記載のバイポーラ半導体素子において、
上記第1導電型のバッファ層の厚さを、20μm以上としたことを特徴とするバイポーラ半導体素子。
The bipolar semiconductor device according to claim 1, wherein
A bipolar semiconductor element, wherein a thickness of the first conductivity type buffer layer is 20 μm or more.
請求項1または2に記載のバイポーラ半導体素子において、
上記第1導電型のバッファ層の厚さを、50μm以下としたことを特徴とするバイポーラ半導体素子。
The bipolar semiconductor device according to claim 1 or 2,
A bipolar semiconductor element, wherein a thickness of the first conductivity type buffer layer is 50 μm or less.
請求項1から3のいずれか1つに記載のバイポーラ半導体素子において、
上記基板が、カソードであり、上記ドリフト層の上に形成された第2導電型の半導体層がアノードであるダイオードであることを特徴とするバイポーラ半導体素子。
In the bipolar semiconductor device according to any one of claims 1 to 3,
A bipolar semiconductor device, wherein the substrate is a diode, and the second conductivity type semiconductor layer formed on the drift layer is an anode.
請求項1から3のいずれか1つに記載のバイポーラ半導体素子において、
上記基板がコレクタ層であると共に上記ドリフト層上に形成されている第2導電型の半導体層がベース層であり、
さらに、上記ベース層上に形成されていると共に炭化けい素半導体で作製された第1導電型のエミッタ層を有するトランジスタであることを特徴とするバイポーラ半導体素子。
In the bipolar semiconductor device according to any one of claims 1 to 3,
The substrate is the collector layer and the second conductivity type semiconductor layer formed on the drift layer is the base layer,
A bipolar semiconductor device comprising a transistor having a first conductivity type emitter layer formed on the base layer and made of a silicon carbide semiconductor.
請求項1から3のいずれか1つに記載のバイポーラ半導体素子において、
上記基板がコレクタ層であり、
上記第2導電型の半導体層上に形成されていると共に第1導電型の炭化けい素半導体で作製されたエミッタ層を有するIGBTであることを特徴とするバイポーラ半導体素子。
In the bipolar semiconductor device according to any one of claims 1 to 3,
The substrate is a collector layer,
A bipolar semiconductor device, characterized in that it is an IGBT formed on the second conductivity type semiconductor layer and having an emitter layer made of a first conductivity type silicon carbide semiconductor.
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