JP2014045211A - SiC半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】n+型のSiC基板2上に、n−型のSiCエピタキシャル層4を形成し、SiCエピタキシャル層4上に、フィールド絶縁膜5を形成する。このフィールド絶縁膜5を貫通して、SiCエピタキシャル層4の表面に、アノード電極7をショットキー接合させる。一方、SiC基板2の裏面には、カソード電極3をオーミック接触させる。これにより、ショットキーバリアダイオード1を形成する。このショットキーバリアダイオード1において、SiCエピタキシャル層4の表層部に、アノード電極7のショットキーメタル9に接するガードリング13を形成する。そして、このガードリング13の表層部17におけるp型不純物濃度を、n型不純物濃度よりも小さくする。
【選択図】図1
Description
SiCが採用された各種パワーデバイス(ダイオード、MISFETなど)は、たとえば、モータ制御システム、電力変換システムなど、各種パワーエレクトロニクス分野におけるシステムに主として使用される。
たとえば、n型のSiC半導体層と、当該SiC半導体層にショットキー接合されたショットキー電極とを有するSiCショットキーバリアダイオードにおいて、ショットキー電極の終端部に接するように、SiC半導体層にp型のガードリングが形成された構造が提案されている(たとえば、特許文献1参照)。これにより、ショットキー電極の終端部付近にpn接合による空乏層が広がり、ショットキー電極の終端部への電界集中が緩和される。
本発明の目的は、アバランシェ降伏時の電流集中を緩和することができ、耐圧およびアバランシェ耐量をともに向上させることができる、SiC半導体装置を提供することである。
また、請求項2に記載のように、前記ガードリングが、2000Å以上の深さを有している場合、当該ガードリングにおける前記SiC半導体層の前記表面から1000Åの深さ位置までの部分の前記第2導電型の不純物濃度が、前記第1導電型の不純物濃度よりも小さいことが好ましい。
また、前記電極が、請求項4に記載のように、前記SiC半導体層との接合により電位障壁を形成する障壁形成電極を含んでいてもよい。その場合、当該障壁形成電極は、請求項5記載のように、前記SiC半導体層との接合によりショットキー接合を形成する金属からなっていてもよく、請求項6記載のように、前記SiC半導体層との接合によりヘテロ接合を形成するポリシリコンからなっていてもよい。
MISトランジスタ構造(トランジスタ素子)の周囲にガードリングが形成されているため、SiC半導体層とガードリングとのpn接合により、トランジスタ素子の周囲に空乏層が広がる。これにより、素子表面での電界強度を緩和することができる。よって、デバイスの耐圧を向上させることができる。
これにより、アバランシェ降伏時、ガードリング付近の電流密度を分散させることができるか、電流密度の分散とともに、電流密度が比較的高い部分を、フィールド絶縁膜の開口内におけるソース電極の外縁部よりも内側の位置にシフトさせることができる。その結果、アバランシェ降伏が生じても、ソース電極におけるガードリングとの接合部分の外縁部へ向かう電流の密度を緩和することができる。よって、アバランシェ降伏によるデバイス破壊を防止することができる。
図1(a)(b)は、本発明の第1実施形態に係るショットキーバリアダイオードの模式図であって、図1(a)は平面図、図1(b)は断面図をそれぞれ示す。
このショットキーバリアダイオード1は、SiCが採用されたショットキーバリアダイオード1であり、たとえば、図1(a)に示すように、平面視正方形のチップ状である。チップ状のショットキーバリアダイオード1は、図1(a)の紙面における上下左右方向の長さがそれぞれ数mm程度である。
SiC基板2の表面には、SiC基板2よりも低濃度のn−型(たとえば、濃度が1×1015〜1×1017cm−3)のSiCエピタキシャル層4(SiC半導体層)が積層されている。SiCエピタキシャル層4の厚さは、たとえば、1μm〜100μmである。
フィールド絶縁膜5には、SiCエピタキシャル層4の中央部を露出させる開口6が形成されている。フィールド絶縁膜5上には、アノード電極7が形成されている。
ショットキーメタル9は、n型のSiCとの接合によりショットキー接合を形成する金属(たとえば、Ni、Auなど)からなる。SiCに接合されるショットキーメタル9は、SiC半導体との間に、たとえば、0.7eV〜1.7eVの高さのショットキー障壁(電位障壁)を形成する。また、ショットキーメタル9の厚さは、この実施形態では、たとえば、0.01μm〜5μmである。
ショットキーバリアダイオード1の最表面には、表面保護膜11が形成されている。表面保護膜11の中央部には、コンタクトメタル10を露出させる開口12が形成されている。ボンディングワイヤなどは、この開口12を介してコンタクトメタル10に接合される。
図2は、本発明の第1実施形態のガードリング13におけるn型およびp型不純物濃度それぞれのプロファイルを示す図である(第1例)。図3は、本発明の第1実施形態のガードリング13におけるn型およびp型不純物濃度それぞれのプロファイルを示す図である(第2例)。図4は、ガードリング13におけるn型およびp型不純物濃度それぞれのプロファイルを示す図である(参考例)。
これに対し、p型のガードリング13には、n型不純物に加えて、p型不純物(B(ホウ素)、Al(アルミニウム)など)が含有されている。p型不純物は、ガードリング13全体にわたって均一に含有されているのではなく、SiCエピタキシャル層4の表面からの深さが大きくなるに従って濃度が増加するように含有されている。具体的には、p型不純物は、SiCエピタキシャル層4の表面近傍(深さ0〜約200Å)ではガードリング13にほぼ含有されておらず、約200Å〜1000Åの深さ位置において、ベースとなるSiCエピタキシャル層4の濃度よりも小さな濃度範囲(1.0×1014cm−3〜1.0×1016cm−3)で増加する。そして、約1000Åの深さ位置において、SiCエピタキシャル層4の濃度(1.0×1016cm−3)にほぼ一致し、約1000Åから最深部の4600Åの深さ位置において、SiCエピタキシャル層4の濃度よりも大きな濃度範囲(1.0×1016cm−3〜1.0×1020cm−3)で増加する。すなわち、図2の例では、ガードリング13における、SiCエピタキシャル層4の表面から1000Å以下の深さdまで(たとえば、ガードリング13の深さDを100としたときに、0〜30%の深さ位置)の表層部17において、p型不純物濃度がn型不純物濃度よりも小さくなっている。
そして、ガードリング13では、図2および図3に示す例のように、SiCエピタキシャル層4の表面から1000Å以下の深さdまで(ガードリング13の深さDを100としたときに、0〜30%の深さ位置)の表層部17において、p型不純物濃度がn型不純物濃度よりも小さくなっている。つまり、ガードリング13の表層部17では、p型不純物濃度<n型不純物濃度となっており、当該表層部17は、p型の性質というよりもむしろn型の性質を示す。
図5(a)(b)は、本発明の第2実施形態に係る電界効果トランジスタの模式図であって、図5(a)は平面図、図5(b)は内部拡大図をそれぞれ示す。図6は、本発明の第2実施形態に係る電界効果トランジスタの模式断面図であって、図5(b)の切断線VI−VIでの切断面を示す。
電界効果トランジスタ21の表面には、ソースパッド22が形成されている。ソースパッド22は、四隅が外方へ湾曲した平面視略正方形状であり、電界効果トランジスタ21の表面のほぼ全域を覆うように形成されている。このソースパッド22には、その一辺の中央付近に除去領域23が形成されている。この除去領域23は、ソースパッド22が形成されていない領域である。
次に、電界効果トランジスタ21の内部構造について説明する。
電界効果トランジスタ21は、n+型(たとえば、濃度が1×1018〜1×1021cm−3)のSiC基板25を備えている。
電界効果トランジスタ21には、図5(a)に示すように、平面視でSiCエピタキシャル層26の中央部に配置され、電界効果トランジスタ21として機能する活性領域27が形成されている。
また、活性領域27において、一定のピッチで行列状に配列されたボディ領域28の各間の領域(隣り合うボディ領域28の側面により挟まれるボディ間領域32)は、一定(たとえば、2.8μm)幅を有する格子状である。
複数のガードリング35のうち、最も内側のガードリング36(全体幅w3)には、n+型領域38とp+型領域39とが互いに隣接して形成されている。これらのn+型領域38およびp+型領域39は、当該ガードリング36の全周にわたって平面視四角環状に形成されている。n+型領域38は、n+型のソース領域31を形成する工程と同一のイオン注入工程、p+型領域39は、p+型のボディコンタクト領域30を形成する工程と同一のイオン注入工程で、それぞれ形成することができる。また、最も内側のガードリング36以外のガードリング37の全体幅w4は、たとえば、1μm〜3μmである。
SiC基板25の裏面には、その全域を覆うようにドレイン電極47が形成されている。このドレイン電極47は、すべての単位セルに対して共通の電極となっている。ドレイン電極47としては、たとえば、SiC基板25側から順にTi、Ni、AuおよびAgが積層された積層構造(Ti/Ni/Au/Ag)を適用することができる。
たとえば、第1実施形態のショットキーバリアダイオード1において、ショットキーメタル9を、図7(a)(b)に示すように、ポリシリコン52に置き換えることにより、ポリシリコン52を、SiCエピタキシャル層4に対してヘテロ接合させたヘテロジャンクションダイオード51を構成することができる。SiCに接合されるポリシリコン52は、SiC半導体との間に、たとえば、0.5eV〜1.8eVの高さの電位障壁を形成する。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
下記の実施例1〜3および比較例1は、本発明による電流密度の分散効果を証明するために行ったものである。
<実施例1>
(1)ショットキーバリアダイオードの作製
図1(a)(b)で説明したショットキーバリアダイオードとほぼ同等の構造を有するショットキーバリアダイオードを作製した。
次いで、当該エピタキシャル層に対して、p型不純物(B)を、ドーズ量1.5×1011cm−2、加速エネルギ30keVで注入した。続いて、n型不純物(P)を、ドーズ量3.0×1015cm−2、加速エネルギ180keVで注入した。次いで、1150℃でアニール処理することにより、n型およびp型不純物を活性化させた。これにより、4500Åの深さのガードリングを選択的に形成した。
<実施例2>
n型不純物のドーズ量および加速エネルギを、それぞれ3.0×1011cm−2および30keVとしたこと以外は、実施例1と同様の方法によりショットキーバリアダイオードを作製した。
<実施例3>
n型不純物のドーズ量および加速エネルギを、それぞれ1.5×1012cm−2および30keVとしたこと以外は、実施例1と同様の方法によりショットキーバリアダイオードを作製した。
<比較例1>
ガードリングを形成する際にn型不純物を注入しなかったこと以外は、実施例1と同様の方法によりショットキーバリアダイオードを作製した。
<電流密度シミュレーション>
実施例1〜3および比較例1により得られたショットキーバリアダイオードのアノード−カソード間に逆電圧(760V)を印加したときの、エピタキシャル層内の電流密度分布をシミュレーションした。結果を図8〜図11に示す。なお、図8〜図11において、図1(a)(b)に示された各部の対応部分は同一参照符号で示す。
これに対して、図8に示すように、実施例1のショットキーバリアダイオードでは、ショットキーメタルの外縁部に、他の部分に比べて大きな電流が集中していることが確認されたが、その電流の大きさはデバイス破壊を起こすほどのものではない。すなわち、ショットキーメタルの外縁部へ向かう電流の密度が緩和されていることが確認できた。
4 SiCエピタキシャル層
9 ショットキーメタル
14 (ショットキーメタルの)外縁部
17 (ガードリングの)表層部
21 電界効果トランジスタ
26 SiCエピタキシャル層
28 ボディ領域
29 ドリフト領域
31 ソース領域
33 ゲート絶縁膜
34 ゲート電極
35 ガードリング
40 (ガードリングの)表層部
41 層間絶縁膜
42 コンタクトホール
43 コンタクトホール
44 ソース電極
51 ヘテロジャンクションダイオード
52 ポリシリコン
この構成によれば、フィールド絶縁膜の開口を介して、電極がSiC半導体層に接合されている。第1導電型のSiC半導体層の表層部には、電極におけるSiC半導体層との接合部分の終端部(開口内における電極の外縁部)に接するように、第2導電型のガードリングが形成されている。そして、当該ガードリングにおいて、電極と接する表層部の第2導電型の不純物濃度が、第1導電型の不純物濃度よりも小さい。つまり、ガードリングの表層部では、第2導電型の不純物濃度<第1導電型の不純物濃度となっており、当該表層部は、第2導電型の性質というよりもむしろ第1導電型の性質を示す。
また、請求項3に記載のように、前記ガードリングが、2000Å以上の深さを有している場合、当該ガードリングにおける前記SiC半導体層の前記表面から1000Åの深さ位置までの部分の前記第2導電型の不純物濃度が、前記第1導電型の不純物濃度よりも小さいことが好ましい。
また、前記電極が、請求項5に記載のように、前記SiC半導体層との接合により電位障壁を形成する障壁形成電極を含んでいてもよい。その場合、当該障壁形成電極は、請求項6記載のように、前記SiC半導体層との接合によりショットキー接合を形成する金属からなっていてもよく、請求項7記載のように、前記SiC半導体層との接合によりヘテロ接合を形成するポリシリコンからなっていてもよい。
この構成によれば、第1導電型のSiC半導体層に、SiCからなるMIS(Metal Insulator Semiconductor)トランジスタ構造が形成されており、このMISトランジスタ構造を取り囲むように第2導電型のガードリングが形成されている。
MISトランジスタ構造(トランジスタ素子)の周囲にガードリングが形成されているため、SiC半導体層とガードリングとのpn接合により、トランジスタ素子の周囲に空乏層が広がる。これにより、素子表面での電界強度を緩和することができる。よって、デバイスの耐圧を向上させることができる。
図1(a)(b)は、本発明の参考例に係るショットキーバリアダイオードの模式図であって、図1(a)は平面図、図1(b)は断面図をそれぞれ示す。
このショットキーバリアダイオード1は、SiCが採用されたショットキーバリアダイオード1であり、たとえば、図1(a)に示すように、平面視正方形のチップ状である。チップ状のショットキーバリアダイオード1は、図1(a)の紙面における上下左右方向の長さがそれぞれ数mm程度である。
ショットキーメタル9は、n型のSiCとの接合によりショットキー接合を形成する金属(たとえば、Ni、Auなど)からなる。SiCに接合されるショットキーメタル9は、SiC半導体との間に、たとえば、0.7eV〜1.7eVの高さのショットキー障壁(電位障壁)を形成する。また、ショットキーメタル9の厚さは、この参考例では、たとえば、0.01μm〜5μmである。
ショットキーバリアダイオード1の最表面には、表面保護膜11が形成されている。表面保護膜11の中央部には、コンタクトメタル10を露出させる開口12が形成されている。ボンディングワイヤなどは、この開口12を介してコンタクトメタル10に接合される。
図2は、本発明の参考例のガードリング13におけるn型およびp型不純物濃度それぞれのプロファイルを示す図である(第1例)。図3は、本発明の参考例のガードリング13におけるn型およびp型不純物濃度それぞれのプロファイルを示す図である(第2例)。図4は、ガードリング13におけるn型およびp型不純物濃度それぞれのプロファイルを示す図である(第3例)。
図5(a)(b)は、本発明の一実施形態に係る電界効果トランジスタの模式図であって、図5(a)は平面図、図5(b)は内部拡大図をそれぞれ示す。図6は、本発明の一実施形態に係る電界効果トランジスタの模式断面図であって、図5(b)の切断線VI−VIでの切断面を示す。
たとえば、参考例のショットキーバリアダイオード1において、ショットキーメタル9を、図7(a)(b)に示すように、ポリシリコン52に置き換えることにより、ポリシリコン52を、SiCエピタキシャル層4に対してヘテロ接合させたヘテロジャンクションダイオード51を構成することができる。SiCに接合されるポリシリコン52は、SiC半導体との間に、たとえば、0.5eV〜1.8eVの高さの電位障壁を形成する。
Claims (7)
- 第1導電型のSiC半導体層と、
前記SiC半導体層の表面に形成され、前記SiC半導体層の前記表面を露出させる開口を有するフィールド絶縁膜と、
前記フィールド絶縁膜の前記開口を介して前記SiC半導体層に接合された電極と、
前記SiC半導体層の表層部に形成され、前記電極における前記SiC半導体層との接合部分の終端部に接する第2導電型のガードリングとを含み、
前記ガードリングにおける前記電極と接する表層部の前記第2導電型の不純物濃度が、前記第1導電型の不純物濃度よりも小さい、SiC半導体装置。 - 前記ガードリングは、2000Å以上の深さを有しており、
当該ガードリングにおける前記SiC半導体層の前記表面から1000Åの深さ位置までの部分の前記第2導電型の不純物濃度が、前記第1導電型の不純物濃度よりも小さい、請求項1に記載のSiC半導体装置。 - 前記電極は、前記フィールド酸化膜における前記開口の周縁部を覆うように形成されている、請求項1または2に記載のSiC半導体装置。
- 前記電極が、前記SiC半導体層との接合により電位障壁を形成する障壁形成電極を含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載のSiC半導体装置。
- 前記障壁形成電極が、前記SiC半導体層との接合によりショットキー接合を形成する金属からなる、請求項4に記載のSiC半導体装置。
- 前記障壁形成電極が、前記SiC半導体層との接合によりヘテロ接合を形成するポリシリコンからなる、請求項4に記載のSiC半導体装置。
- 第1導電型のSiC半導体層と、
前記SiC半導体層に形成され、前記第1導電型のソース領域と、前記ソース領域に接する第2導電型のボディ領域と、前記ボディ領域に接する前記第1導電型のドリフト領域と、ゲート絶縁膜を介して前記ボディ領域に対向し、前記ドリフト領域と前記ソース領域との間に電流を流すために前記ボディ領域にチャネルを形成するためのゲート電極とを有するMISトランジスタ構造と、
前記SiC半導体層の表層部に形成され、前記MISトランジスタ構造を取り囲む前記第2導電型のガードリングと、
前記SiC半導体層の表面に形成され、前記ソース領域および前記ガードリングをそれぞれ露出させる開口を有するフィールド絶縁膜と、
前記フィールド絶縁膜の前記開口を介して、前記ソース領域および前記ガードリングにそれぞれ接合されたソース電極とを含み、
前記ガードリングにおける前記ソース電極と接する表層部の前記第2導電型の不純物濃度が、前記第1導電型の不純物濃度よりも小さい、SiC半導体装置。
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