JP2015216270A - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
この半導体装置は、たとえば、本発明の半導体装置の製造方法によって製造できる。当該半導体装置の製造方法は、第1導電型のSiCからなる半導体層に複数のトレンチを形成する工程と、前記トレンチの内面に第2導電型不純物を注入することによって、各前記トレンチの内面に沿って第2導電型コラム領域を形成すると共に、隣り合う前記第2導電型コラム領域の間に第1導電型コラム領域を形成する工程と、前記トレンチに絶縁膜を埋め込む工程とを含む(請求項13)。
より具体的には、SiCからなる半導体層にスーパージャンクション構造を形成する方法として、トレンチに第2導電型のSiCを埋め込む方法と、マルチエピタキシャル成長法とが検討されている。マルチエピタキシャル成長法とは、複数周期に亘って第2導電型の不純物を注入(イオン注入)しながらSiCをエピタキシャル成長させる方法である。この場合、トレンチを半導体層に形成しないで、第2導電型の不純物領域を形成できる。
前記第2導電型コラム領域は、一方表面および他方表面が前記トレンチの内面に沿うように形成されていてもよい(請求項2)。
これにより、一方の第1導電型コラム領域との界面から延びる空乏層と、他方の第1導電型コラム領域との界面から延びる空乏層とを一体にして、第1導電型コラム領域の全域を空乏化できる。その結果、スーパージャンクション構造による耐圧向上の効果をより良好に達成できる。
これにより、半導体層の表裏面の間において、絶縁膜が埋め込まれた部分の容量を選択的に低減できる。よって、半導体層の表裏面の間の容量を全体として低減できる。
本発明の半導体装置は、前記半導体層上に配置され、前記第1導電型コラム領域と共にショットキー接合を形成する表面電極を含んでいてもよい(請求項6)。つまり、この構成によれば、ショットキーバリアダイオードを含む半導体装置を提供できる。
これにより、逆方向電圧印加時に半導体層の表面にかかる電界強度を低減できる。その結果、逆方向電圧印加時におけるリーク電流を低減できる。
本発明の半導体装置は、前記第1導電型コラム領域の表面部に選択的に形成され、当該表面部の電界強度を緩和するための電界緩和部をさらに含んでいてもよい(請求項8)。
前記電界緩和部は、前記第1導電型コラム領域の表面に対する不純物注入によって形成された第2導電型の表面注入層を含んでいてもよい(請求項9)。
前記電界緩和部は、前記第1導電型コラム領域の表面に選択的に形成された第2トレンチと、前記第2トレンチの内面に対する不純物注入によって形成された第2導電型の内面注入層とを含んでいてもよい(請求項10)。
トレンチの内面に沿う第2導電型コラム領域によって形成される電界は、トレンチの深さ方向に沿って均一であることが望ましい。しかし、トレンチの内面に対する不純物の注入により第2導電型コラム領域を形成する場合、トレンチの底部に沿う第2導電型コラム領域の不純物濃度が比較的に高く形成されることがある。
そこで、請求項11に記載の発明によれば、トレンチの底部に沿う第2導電型コラム領域が、半導体層の表面部よりも不純物濃度が高い高濃度領域に形成されているので、トレンチの底部に沿う第2導電型コラム領域によって形成される電界が高くなることを効果的に抑制できる。これにより、トレンチの底部およびエッジ部における第2導電型コラム領域の不純物濃度が高く形成されたとしても、トレンチの底部およびエッジ部における電界集中を効果的に緩和できる。
この場合において、前記高濃度領域の不純物濃度は、前記第2導電型コラム領域の不純物濃度と同一か、またはそれよりも高いことが好ましい(請求項12)。
本発明の半導体装置の一例としてのショットキーバリアダイオード1は、その表面を法線方向から見た平面視(以下、単に「平面視」と言う。)において、四角形状のSiC半導体層6を含む。SiC半導体層6は、図1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。
図3(a)(b)に示すように、SiC半導体層6は、n+型のSiC基板9と、n型のSiCエピタキシャル層10とを含む。本実施形態におけるSiCエピタキシャル層10は、ドリフト層として形成されている。SiC基板9の厚さは、たとえば50μm〜600μmであり、SiCエピタキシャル層10の厚さは、たとえば3μm〜100μmである。また、SiC基板9の不純物濃度は、たとえば1×1018cm−3〜1×1020cm−3であり、SiCエピタキシャル層10の不純物濃度は、たとえば5×1014cm−3〜5×1017cm−3である。n型不純物としては、たとえば、窒素(N)、リン(P)、ひ素(As)などを使用できる。
各表面注入層16は、n型コラム領域13の表面部に形成されている。各表面注入層16は、トレンチ8のストライプ方向に関して、互いに間隔を空けて形成されている。各表面注入層16のストライプ方向の幅W4は、たとえば0.5μm〜5μmであり、各表面注入層16間の幅W5は、たとえば1μm〜10μmである。各表面注入層16のストライプ方向と直交する方向の幅は、いずれもn型コラム領域13の幅W2と同一である。
SiCエピタキシャル層10の表面には、表面電極の一例としてのアノード電極17が形成されている。アノード電極17は、アクティブ領域7を覆うように形成されており、p型コラム領域12、n型コラム領域13および表面注入層16と電気的に接続されている。アノード電極17は、異なる導電材料が積層された積層構造を有している。
ショットキーバリアダイオード1の動作は次の通りである。アノード電極17に電圧が印加されていない状態(=0V)では、ショットキー障壁によって多数キャリアである電子の移動が制限されるため、電流は流れない。このとき、n型コラム領域13の全域が空乏化されていなくてもよい。スーパージャンクション構造によれば、n型コラム領域13の不純物濃度を比較的に高く形成できる。この場合、p型コラム領域12と、n型コラム領域13との界面における空乏層が拡がり難くなるが、電子の移動は、ショットキー障壁によって制限される。したがって、n型コラム領域13の全域が空乏化されていなくても、電流が流れることがない。
一方、アノード電極17に逆方向電圧が印加されると、p型コラム領域12およびn型コラム領域13間の各界面(各pn接合部)から空乏層が延びて、n型コラム領域13の全域が空乏化する。これにより、アノード電極17からカソード電極18に至る電流経路が閉じられる。そのため、多数キャリアである電子は、アノード電極17およびカソード電極18間を移動し得ないので、電流が流れることがない。
図4(a)(b)〜図7(a)(b)は、それぞれ図3(a)(b)のショットキーバリアダイオード1の製造工程の一部を示す図である。
まず、図4(a)(b)に示すように、n+型のSiC基板9が用意される。次に、n型の不純物を注入しながらSiCがエピタキシャル成長されて、SiC基板9上にn型のSiCエピタキシャル層10が形成される。これにより、SiC基板9およびSiCエピタキシャル層10を含むSiC半導体層6が形成される。
次に、図6(a)(b)に示すように、トレンチ8の形成時におけるハードマスク50を利用して、各トレンチ8の内面(各トレンチ8の側面および底部)にp型の不純物(たとえば、アルミニウム)が注入される。p型の不純物は、SiCエピタキシャル層10の表面に対して所定の傾斜角度をつけて各トレンチ8の内面に注入される。p型の不純物の注入条件は、たとえば、ドーピングエネルギーが30keV〜1200keVであり、ドーズ量が1×1010cm−2〜1×1013cm−2である。トレンチ8の内面に対するp型不純物の注入は、当該p型の不純物の注入を1回だけ実行する1段階注入であってもよいし、複数回に亘って行う多段階注入であってもよい。各トレンチ8の内面にp型の不純物が注入された後、ハードマスク50は除去される。
次に、図7(a)(b)に示すように、たとえばCVD法により、各トレンチ8を埋め戻して、SiCエピタキシャル層10の表面を覆うように絶縁膜14(本実施形態では、SiO2膜)が形成される。次に、絶縁膜14の不要な部分がエッチバックによって除去される。これにより、絶縁膜14が各トレンチ8に埋め込まれる。
以上の方法によれば、トレンチ8内面への不純物注入によってp型コラム領域12およびn型コラム領域13からなるスーパージャンクション構造を形成できるので、簡単かつ低コストで済むショットキーバリアダイオード1を提供できる。
図8(a)(b)に示すように、本実施形態のショットキーバリアダイオード2におけるSiCエピタキシャル層10は、n型の第1ドリフト層21と、第1ドリフト層21上に当該第1ドリフト層21よりも低濃度に形成された本発明の低濃度領域の一例としてのn−型の第2ドリフト層22とを含む。第1ドリフト層21の不純物濃度は、たとえば5×1014cm−3〜5×1017cm−3であり、第2ドリフト層22の不純物濃度は、たとえば1×1014cm−3〜1×1017cm−3である。つまり、本実施形態におけるn型コラム領域13は、第1ドリフト層21および第2ドリフト層22を含む構成となる。
本実施形態における表面注入層16は、その底部が第2ドリフト層22の途中部に位置している。表面注入層16の底部は、第1ドリフト層21と第2ドリフト層22との境界を横切って、第1ドリフト層21内に位置していてもよい。
図9(a)(b)〜図14(a)(b)は、それぞれ図8(a)(b)のショットキーバリアダイオード2の製造工程の一部を示す図である。
まず、図9(a)(b)に示すように、n+型のSiC基板9が用意される。次に、n型の不純物を選択的に注入しながらSiCがエピタキシャル成長されて、SiC基板9上に第1ドリフト層21および第2ドリフト層22をこの順に含むSiCエピタキシャル層10が形成される。次に、図4(a)(b)と同様の工程を経て、表面注入層16が形成される。
次に、図11(a)(b)に示すように、前述の図6(a)(b)と同様の工程を経て、p型コラム領域12と、n型コラム領域13とが形成される。
次に、図13(a)(b)に示すように、第1表面トレンチ24を形成すべき領域に選択的に開口を有するハードマスク51がSiCエピタキシャル層10上に形成される。次に、ハードマスク51を介するエッチングにより、第1表面トレンチ24が形成される。このとき、第1表面トレンチ24の底部は、第2ドリフト層22の深さ方向途中部に位置するように形成されてもよいし、第2ドリフト層22を貫通して、第1ドリフト層21の深さ方向途中部に至るように形成されてもよい。
以上のように、ショットキーバリアダイオード2によれば、n型コラム領域13は、ショットキー接合の界面部に、比較的に不純物濃度が低い第2ドリフト層22を有している。したがって、SiCエピタキシャル層10の表面部の不純物濃度を小さくできるので、逆方向電圧印加時にSiCエピタキシャル層10の表面にかかる電界強度を低減できる。その結果、逆方向電圧印加時におけるリーク電流を低減できる。
図15(b)に示すように、n型コラム領域13には、複数の第2電界緩和領域26が形成されている。各第2電界緩和領域26は、n型コラム領域13の表面に選択的に形成された本発明の第2トレンチの一例としての第2表面トレンチ27と、第2表面トレンチ27を取り囲むように、平面視環状に形成されたp型の第2内面注入層28とを含む。
アノード電極17は、SiCエピタキシャル層10の表面から第2表面トレンチ27に入り込むように形成されている。第2表面トレンチ27に入り込んだアノード電極17は、第2内面注入層28を介して、第2ドリフト層22およびn型コラム領域13と電気的に接続されている。アノード電極17(下層電極17a)は、n型コラム領域13との間でショットキー接合を形成している。
図16(a)(b)〜図21(a)(b)は、それぞれ図15(a)(b)のショットキーバリアダイオード2の製造工程の一部を示す図である。
まず、図16(a)(b)に示すように、n+型のSiC基板9が用意される。次に、n型の不純物を選択的に注入しながらSiCがエピタキシャル成長されて、SiC基板9上に第1ドリフト層21および第2ドリフト層22をこの順に含むSiCエピタキシャル層10が形成される。
次に、図18(a)(b)に示すように、前述の図6(a)(b)と同様の工程を経て、p型コラム領域12と、n型コラム領域13とが形成される。
次に、図20(a)(b)に示すように、第2表面トレンチ27を形成すべき領域に選択的に開口を有するハードマスク52が形成される。このハードマスク52を介するエッチングにより、第2表面トレンチ27が形成される。このとき、第2表面トレンチ27の底部は、第2ドリフト層22の深さ方向途中部に位置するように形成されてもよいし、第2ドリフト層22を貫通して、第1ドリフト層21の深さ方向途中部に至るように形成されてもよい。
以上のように、ショットキーバリアダイオード3によれば、電界緩和領域26が第2ドリフト層22に形成されている。第2電界緩和領域26において、第2内面注入層28と、第2ドリフト層22との界面には、pn接合部が形成されている。したがって、第2内面注入層28と第2ドリフト層22との界面(pn接合部)では、トレンチ8の深さ方向に直交する方向に空乏層が形成される。そのため、ショットキー接合の界面部における電界強度を効果的に緩和できる。
この場合、図20(a)(b)の工程において、ハードマスク52に代えて、第2表面トレンチ27を形成すべき領域に加えて、第1表面トレンチ24を形成すべき領域に選択的に開口を有するハードマスクが形成される。次に、当該ハードマスクを介するエッチングにより、第1表面トレンチ24および第2表面トレンチ27が形成される。
図22(a)(b)は、本発明の第4実施形態のショットキーバリアダイオード4の模式的な断面図である。図22(a)(b)において、図3(a)(b)に示す各部に相当する部分には、それらの各部に付した参照符号と同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
このようなショットキーバリアダイオード4は、図4(a)(b)の工程に代えて、図23(a)(b)〜図25(a)(b)の工程を実行することにより製造できる。図23(a)(b)〜図25(a)(b)は、図22(a)(b)のショットキーバリアダイオード4の製造工程の一部を示す図である。
次に、図25(a)(b)に示すように、高濃度領域41と同一のn型の不純物を選択的に注入しながらSiCをエピタキシャル成長させて、高濃度領域41上に低濃度領域42を形成する。これにより、高濃度領域41と、低濃度領域42とを含むSiCエピタキシャル層10が形成される。その後、前述の図5(a)(b)〜図7(a)(b)と同様の工程を経て、ショットキーバリアダイオード4が形成される。
ここで、SiCエピタキシャル層10が一様な不純物濃度で形成されている場合、トレンチ8の底部に沿うp型コラム領域12によって形成される電界が、トレンチ8の側部に沿うp型コラム領域12によって形成される電界よりも高くなる。そのため、トレンチ8の底部およびエッジ部に電界が集中する場合がある。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はさらに他の形態で実施することもできる。
また、前述の第2実施形態における第1内面注入層25の厚さに関して、第1トレンチ24の底部に沿って形成された部分と第1トレンチ24の側面に沿って形成された部分とが、同一厚さであってもよい。
また、前述の各実施形態では、SiCエピタキシャル層10の表面に対して垂直なトレンチ8,24,27が形成された例について説明したが、トレンチ8,24,27は、開口から底部に向けて開口幅が狭まる断面視台形状(テーパ状)に形成されていてもよい。
本発明のショットキーバリアダイオード1〜4は、たとえば、電気自動車(ハイブリッド車を含む)、電車、産業用ロボットなどの動力源として利用される電動モータを駆動するための駆動回路を構成するインバータ回路に用いられるパワーモジュールに組み込むことができる。また、太陽電池、風力発電機その他の発電装置(とくに自家発電装置)が発生する電力を商用電源の電力と整合するように変換するインバータ回路に用いられるパワーモジュールにも組み込むことができる。
2 ショットキーバリアダイオード
3 ショットキーバリアダイオード
4 ショットキーバリアダイオード
6 SiC半導体層
8 トレンチ
12 p型コラム領域
13 n型コラム領域
14 絶縁膜
16 表面注入層
17 アノード電極
23 第1電界緩和領域
24 第1表面トレンチ
25 第1内面注入層
26 第2電界緩和領域
27 第2表面トレンチ
28 第2内面注入層
41 高濃度領域
W1 p型コラム領域の幅
W2 n型コラム領域の幅
W3 トレンチの幅
Claims (13)
- 第1導電型のSiCからなる半導体層と、
前記半導体層に形成された複数のトレンチと、
各前記トレンチの内面に沿って形成された第2導電型コラム領域と、
隣り合う前記第2導電型コラム領域の間に配置された第1導電型コラム領域と、
前記トレンチに埋め込まれた絶縁膜とを含む、半導体装置。 - 前記第2導電型コラム領域は、一方表面および他方表面が前記トレンチの内面に沿うように形成されている、請求項1に記載の半導体装置。
- 前記半導体層の表面に沿う方向に関して、前記第1導電型コラム領域の幅W2と、前記第1導電型コラム領域の両側の前記第2導電型コラム領域の各幅W1および前記トレンチの幅W3とが、式:W2≦W1+W1+W3を満たしている、請求項1または2に記載の半導体装置。
- 前記絶縁膜は、SiCよりも低い比誘電率を有する材料からなる、請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記絶縁膜は、SiO2からなる、請求項4に記載の半導体装置。
- 前記半導体層上に配置され、前記第1導電型コラム領域と共にショットキー接合を形成する表面電極を含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記第1導電型コラム領域は、前記ショットキー接合の界面部に、当該界面部の下方部よりも不純物濃度が低い低濃度領域を有している、請求項6に記載の半導体装置。
- 前記第1導電型コラム領域の表面部に選択的に形成され、当該表面部の電界強度を緩和するための電界緩和部をさらに含む、請求項1〜7のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記電界緩和部は、前記第1導電型コラム領域の表面に対する不純物注入によって形成された第2導電型の表面注入層を含む、請求項8に記載の半導体装置。
- 前記電界緩和部は、
前記第1導電型コラム領域の表面に選択的に形成された第2トレンチと、
前記第2トレンチの内面に対する不純物注入によって形成された第2導電型の内面注入層とを含む、請求項8または9に記載の半導体装置。 - 前記半導体層は、その表面から厚さ方向に向けて不純物濃度が高くなる濃度プロファイルを有しており、
前記トレンチの底部に沿う前記第2導電型コラム領域は、前記半導体層の表面部よりも不純物濃度が高い高濃度領域に形成されている、請求項1〜10のいずれか一項に記載の半導体装置。 - 前記高濃度領域の不純物濃度は、前記第2導電型コラム領域の不純物濃度と同一か、またはそれよりも高い、請求項11に記載の半導体装置。
- 第1導電型のSiCからなる半導体層に複数のトレンチを形成する工程と、
前記トレンチの内面に第2導電型不純物を注入することによって、各前記トレンチの内面に沿って第2導電型コラム領域を形成すると共に、隣り合う前記第2導電型コラム領域の間に第1導電型コラム領域を形成する工程と、
前記トレンチに絶縁膜を埋め込む工程とを含む、半導体装置の製造方法。
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