JP2012004318A - Bipolar semiconductor device - Google Patents
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Abstract
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/cm2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/cm2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/cm2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.
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. .
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
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-
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
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
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-
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
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(SiH4)およびプロパン(C3H8)を用いる。ドーパントガスとして窒素(N2)およびトリメチルアルミニウム(Al(CH3)3) を用いる。また、キャリアガスとして水素(H2)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
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
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
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
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
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、CF4(4弗化炭素)とO2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SiO2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 (
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-
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
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/cm2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/cm2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
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-
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/cm2)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
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、100cm2/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、1000cm2/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
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-
(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
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
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-
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
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
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(SiH4)およびプロパン(C3H8)を用いる。ドーパントガスとして窒素(N2)およびトリメチルアルミニウム{Al(CH3)3}を用いる。また、キャリアガスとして水素(H2)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
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
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-
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
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
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、CF4とO2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SiO2膜(厚さ10μm)を用いた。
First, the n-
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CF4とO2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SiO2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 (
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
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SiO2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-
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SiO2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
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
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
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
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8.0mΩcm2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/cm2)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/cm2であり、順方向電圧の変化は殆んどなかった。
The npn
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/cm2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/cm2であったが、1時間の通電後は15.0mΩ/cm2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
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
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-
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
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
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
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
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
まず、材料ガスとして、シラン(SiH4)およびプロパン(C3H8)を用いる。また、ドーパントガスとして窒素(N2)およびトリメチルアルミニウム{Al(CH3)3}を用いる。また、キャリアガスとして水素(H2)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-
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
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-
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
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
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SiO2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 +
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11mΩcm2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
一方で、上記比較例のIGBTでは、耐電圧は、900V、オン抵抗は11mΩcm2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
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
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
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-
Claims (6)
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.
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.
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.
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.
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.
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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- 2010-06-16 JP JP2010137578A patent/JP2012004318A/en active Pending
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