JP2012099832A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】この方法は、低い抵抗率のSiC基板における厚い低不純物層の従来のCVD成長より低いコストソリューションを可能にする。縦型パワーデバイスでは不要な付加的な抵抗を表す高不純物基板を使用する代わりに、本発明のデバイスはnドリフト領域として低不純物ウェーハを使用する。
【選択図】図2
Description
本発明の目的は、ウェーハ全体(図2)が高電圧パワーデバイスのドリフト領域として使用することができるような質を有する低不純物n型又はp型結晶からSiCウェーハを作製するための方法を提供することである。この方法は、エピタキシーのために基板として用いられる低い抵抗率のSiCウェーハにおける厚い(>100μm)低不純物層の従来のCVD成長より低いコスト解決法を提供する。本発明は、IGBTのようなSiCスイッチング装置の新しい効率的な設計をも可能にする。
本発明の最も重要な利点は、低い抵抗基板なしに半導体構造を作製することができることである。この基板は、縦型パワーデバイスの場合、不要な付加的な抵抗だけを表す。ウェーハ全体は、非常に高い電圧(15kVよりも大きい)を阻止することができる低不純物nドリフト領域(図2)から成る。
バイポーラ装置での適切な操作を可能にするために、ドリフト領域は幾つかの要件を満たさなければならない。第一の要件は高電圧を維持するための低ドーピングであり、典型的には1013〜1014cm−3の正味のキャリア濃度と、100〜300μm程度の十分な厚みである。
−ケイ素及び炭素原子を含むガスの流れをエンクロージャーに導入し、
−種結晶の温度が、種結晶が、熱せられたエンクロージャーに導入されたSi及びCを含む種の分圧下で分解する温度より低いままになるように、種炭化ケイ素結晶を含むエンクロージャーを1900℃を超える温度に熱し、
−バルク結晶が成長するように、十分な時間の間、1900℃を超える温度とケイ素ガス及び炭素ガスの流れとを維持し、
−その成長の時間の間、n型又はp型の結晶を作るためにドーパントの流れを結晶に導入し、
−内因性準位の濃度をドーパントとして作用する浅い不純物の濃度以下に減少させるために、十分ゆっくりした速度で成長温度から室温まで結晶を冷却し、
−メタン、エチレン及びプロパンの群の炭化水素から炭素を含有するガスを選択し、及び
−シラン、クロロシラン化合物及びメチルシラン化合物の群からケイ素を含有するガスを選択する、各ステップ。
4HポリタイプのSiC単結晶が、400μm/hの平均成長速度を有するHTCVD炉で成長した。少量の窒素流れが、低n型ドーピングをもたらすために炉に供給されたシラン、エチレン及びキャリアガス流れに加えられた。ウェーハはこの結晶からスライスされ、研磨され、容量−電圧(C−V)、深部準位時間分解分光(DLTS)、二次イオン質量分析(SIMS)及び時間分解フォトルミネッセンス(TRPL)の技術を用いて解析される。CV及びDLTS測定は、少なくとも一つの深い準位による窒素ドナーの補償のためにこれらのウェーハで実施することは可能でないと確認された。SIMS測定は、3×1015cm−3の濃度のTi混入を明らかにした。一方、B、Al及びVのような他の不純物は、少なくとも1桁低い濃度を有していた。研磨された後又は1時間1600℃でアニールされた後、このようなウェーハに実行されたTRPL測定は、実験のセットアップの検出限界(<5ns)より小さい減衰時間を示した。このようなウェーハを本発明の目的にとって適切でない。
成長システムを変形し、遷移金属のような望ましくない不純物が成長雰囲気に放たれるのを防ぐ構成要素を選択することにより、成長結晶へのTi混入が抑えられた。低不純物n型4HSiC結晶が先の例の条件と比較した条件で成長した。この結晶におけるTi濃度は5×1013cm−3に減少した。しかしながら、この結晶のas-polishedウェーハにおけるDLTS測定は、それぞれ4.5×1015cm−3と3×1015cm−3の濃度を有する伝導帯から約0.66eVと1.5eVに位置する深い準位の存在を示した。同じ基板においてTRPLで測定されたキャリア寿命は5nsより小さかった。その後、ウェーハは水素環境において1600℃で1時間アニールされた。アニール後、as-polishedウェーハにおいてDLTSで確認された深い準位の濃度は極めて減少した(図5)。TRPL測定は、約20nsの光寿命を有する自由キャリアの再結合は水素でアニールされたウェーハで観測されることも示した。この結果は、ウェーハに存在し、効率的な再結合チャネルとして作用する内因性欠陥の水素の種によるアニール又はパッシベーションとして解釈できる。ケイ素空格子点及び炭素空格子点のような内因性欠陥、及び寿命キラーとして作用するケイ素アンチサイトは、例えば半絶縁性SiC結晶において確認されている(特許文献5)。
結晶で成長した内因性欠陥の濃度を減少させるために成長条件を変化させることにより、先の実施例の結果は考慮された。この例では、エチレン/シランガスの混合気体のインプットC/Si比は増加した。図6は、このような結晶からスライスされ、研磨されたウェーハが1.5eVでDLTSにより確認された実質的に低めの深い準位の濃度(しかしZ1/2準位と同等な濃度)を有することを示す。水素又はアルゴン環境で1600℃でアニールすると、深い準位の両方の濃度は先の例(図6)のように減少する。しかしながら、水素を含む環境でアニールされた基板のキャリア寿命は3倍になり、約60nsまで増加した(図7)。しかしながら、同じ結晶から切られ、純粋なアルゴン環境でアニールされた別なウェーハのキャリア寿命は、TRPLシステムの検出限界より低いままである。
第二実施形態では、本発明は、本発明の実施形態のいずれかに従って製造される低不純物ウェーハを用いたハイパワーバイポーラ装置構造を提案する。
限定的な例ではない。図9がアクティブなデバイス層として低不純物n−基板を用いた仮定の新しいIGBT構造の断面を示す。
Claims (17)
- 前面及び裏面を有する基板層として働く第一伝導率タイプのドリフト領域、
ドリフト領域の前面に配された第一コンタクト電極、
前面に配され、かつ少なくとも第一伝導率タイプのキャリアのドリフト領域への入射を制御する制御領域、及び
ドリフト領域の裏面に第二コンタクト電極を有する、ドリフト領域が第一コンタクト電極と第二コンタクト電極の間でキャリア流れを運ぶように配された半導体装置において、
ドリフト領域が、1015cm−3より低い正味のキャリア濃度と少なくとも50nsのキャリア寿命を有する炭化ケイ素ウェーハから成ることを特徴とする半導体装置。 - 制御領域が、
ドリフト領域内の前面の表面に配され、スペースで分離されている、所定の深さを有する第二伝導率タイプの少なくとも二つのベース領域;
前面の表面に位置し、第二伝導率タイプのベース領域内にある第一伝導率タイプのソース領域;
ソース領域を有するベース領域内の前面の表面に配され、ソース領域とベース領域の端の間に配されたチャネル領域;
チャネル領域を制御するためのゲート電極;及び
ゲート電極をチャネル領域から電気的に分離するためのゲート絶縁領域
を有することを特徴とする請求項1に記載の装置。 - ゲート絶縁領域が、ソース領域の上に重なったチャネル領域の上に位置し、ベース領域の間のスペースに完全に重なっていることを特徴とする請求項2に記載の装置。
- 第一電極が、ソース領域とベース領域に共通するオーミックコンタクトを備えたエミッタ電極であり、ゲート電極から電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項2に記載の装置。
- 第一電極が、ドリフト領域の前面全体にわたって延びたエミッタ電極であることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 第二コンタクト電極がドリフト領域の裏側の表面に配された層を形成するコレクタ電極であることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- コレクタ領域がドリフト領域内の裏側表面に位置していることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- コレクタ領域が第二電極とオーミックコンタクトを形成していることを特徴とする請求項7に記載の装置。
- コレクタ領域が第二伝導率タイプであることを特徴とする請求項7に記載の装置。
- コレクタ領域がドリフト領域の裏面全体にわたって延び、フィールドストップ領域を備えていることを特徴とする請求項7に記載の装置。
- コレクタ領域が小さい領域で区切られた幾つかのユニットに分けられ、第二コンタクト電極がそれぞれのコレクタユニット及びドリフト領域又はドリフト領域内のフィールドストップ領域と共通のオーミックコンタクトを形成していることを特徴とする請求項7に記載の装置。
- ドリフト領域の裏面が逆阻止のために接合終端エクステンションを備えていることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- ドリフト領域の前面が順方向阻止のために接合終端エクステンションを備えていることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- ドリフト領域の裏面に設けられた構造と前面における構造を一直線に並べるために、ドリフト領域の前面が位置合わせマークを備えていることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- デバイスがIGBTであることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 炭化ケイ素ウェーハがドリフト領域の裏面又は前面を形成する表面を有し、1°より小さいオフアクシス角度でミラー指数の方向にオフされていることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 炭化ケイ素ウェーハの表面がオンアクシスの配向を有することを特徴とする請求項16に記載の装置。
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