JP3793841B2 - 接合型ｆｅｔ半導体装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、ＦＥＴ半導体装置及び特に、高ドープされた接触層を有するソースとしての第１接触部を、その第１の表面にゲートとしての２つの第２接触部間に含んでいる、第１半導体領域を有する縦形のＪ−ＦＥＴ（接合形電界効果トランジスタ）半導体装置に関する。
【０００２】
電力スイッチング技術分野では、できるだけ静的及び動的損失が少なく、僅かな経費で制御可能な高速のスイッチング素子が求められている。このような電力デバイスは、例えば回転数可変のインバータの直流スイッチ又はモータ分岐回路の単相又は三相の交流スイッチとして使用されている。その低い電力損は、効率の高いコンパクトな装置を可能にする。
【０００３】
６００Ｖ、１２００Ｖ、１８００Ｖ・・・の阻止電圧には、今日では大抵ある順方向のしきい値電圧を有するシリコンのＩＧＢＴが使用される。
【０００４】
しかしこの従来技術における欠点は、それがバイポーラＩＧＢＴによる極めてダイナミックなモータ制御の場合、バイポーラの蓄積電荷により惹起されるスイッチの開閉損失により出力の低下を来すことにある。
【０００５】
シリコン製で高速のユニポーラのパワーＭＯＳＦＥＴを使用することにより、スイッチング損失は確かに劇的に低減されるが、しかし導通損失ないしは阻止電圧の範囲内における固有の導通抵抗は問題であり、そのためチップ面積を大きく選択しなければならず、これはかなりの高コストを意味し、従ってまたしばしばＩＧＢＴに決定的な影響を及ぼす。
【０００６】
この分野の改良されたＦＥＴとして、ティハニー（Tihany）によるドイツ特許第４３０９７６４号明細書にＳｉテクノロジーによるＭＯＳＦＥＴが、またミットレーナ（Mitlehner）等による国際特許出願公開９７／２３９１１号明細書に、特にＳｉＣ技術で製造可能な縦形のＪ−ＦＥＴが提案されている。この従来技術のＪ−ＦＥＴは、接触部の下の第１半導体領域内に第２半導体領域を持ち、その際第１と第２半導体領域は逆の導電形を有する。第２半導体領域は、ドレインに対してソースを遮蔽する役目をし、接触部を越えて半導体の表面上の突出部内に達しており、そのため第１半導体領域内に、第１半導体領域と第２半導体領域との間に形成されたｐｎ接合の空乏帯域により下方を制限され、導通状態で電流を接触部から又は接触部に運ぶ、少なくとも１つのチャネル領域を形成する。
【０００７】
しかし第１半導体領域内に第２半導体領域を形成することは、製造に費用を要する。特にＳｉＣ等の内部にデバイスを製造することは、その熱特性の故に困難である。即ち、ＳｉＣ内への拡散によって、第２半導体領域の寸法を後から適合させることはもはや不可能であり、そのため注入は第２半導体領域の全ての所望の範囲について、極めて厳密に行われなければならない。また他方ＳｉＣで阻止能力の高いデバイスを製造することは、ＳｉＣがＳｉに比べて極めて高いブレークダウン電界強度と極めて良好な導通特性を有するため、重要である。
【０００８】
本発明の課題は、損失が少なく、高速かつ耐短絡性の、容易に、従って価格的に有利に製造することのできるスイッチング素子を提供することにある。その際阻止電圧は典型的には６００Ｖ、１２００Ｖ、１８００Ｖの範囲にある。
【０００９】
この課題は、本発明により請求項１の特徴を有する縦形のＪ−ＦＥＴ半導体装置により解決される。本発明の好ましい実施形態は従属請求項の対象である。
【００１０】
本発明では、少なくとも幾つかの第２導電形の半導体領域を従来技術のようにそれらの上にもう１つの別のエピタキシー層が配置された「島」として形成せず、全ての第２導電形の半導体領域をデバイスの表面部分として例えばイオン注入により形成する。本発明の半導体素子の構造は、製造技術上極めて単純なものであり、従ってＳｉＣのような取り扱いの困難な材料からなるデバイスの製造を極めて価格的に有利なものとできる。
【００１１】
本発明のＪ−ＦＥＴ半導体装置では、２つの接触部が各々第２導電形の半導体領域の１つと接続しており、その際第１導電形と第２導電形の半導体領域は反対の導電形を有し、第２接触部と接続している第３半導体領域は、第１半導体領域内において、第１接触部と接続している第４半導体領域の下方に延びており、上から見て水平面上の突出部内で２つの第２導電形の半導体領域が少なくとも部分的に重なり、第１導電形の半導体領域内の、２つの第２導電形の半導体領域間に少なくとも１つのチャネル領域が形成されている。
【００１２】
本発明の好ましい実施形態においては、第１接触部は少なくとも１つの開口を持ち、そのため第１接触部と、第１接触部の下の第４半導体領域との間に電気的接続が生ずる。それにより第４半導体領域の浮遊は回避される。
【００１３】
もう１つの好ましい実施形態では、デバイスに誘電性不活性化部を設け、この誘電性不活性化層は、第１半導体領域、第２半導体領域の表面上の各々第１接触部と第２接触部との間に設け、酸化物層又は第１半導体領域、第２半導体領域と反対の導電形を有するようにドープされた半導体層を含む。それにより比較的高い安定性が得られる。
【００１４】
本発明の利点は、本発明のＪ−ＦＥＴ半導体装置の損失電力が概ね今日一般的なＳｉ−ＩＧＢＴのそれより低い点にある。更にまた、第１接触部（ソース）の高ドープされた接触層の下の第２半導体領域が阻止電圧により妨害されることなく必要な遮蔽を行えるため、垂直なドリフト領域の縦方向の寸法ｗ_{ch vert}を大きく選択できる点にある。
【００１５】
本発明のもう１つの利点は、大面積の第４半導体領域が第１接触部（ソース）の下の高ドープされた接触層に接しているため、出力容量が低い点にある。そのため、第２接触部（ゲート）の電荷の移行が少なくなり、スイッチング損失の更なる低減も達成される。
【００１６】
更に本発明のＪ−ＦＥＴの静的損失は、ドリフト帯域が最大限に利用されているため低い。
【００１７】
本発明の他の特徴及び利点を、以下に記載する本発明の特別な実施形態から添付の図面に基づき明らかにする。
【００１８】
ユニポーラのパワーデバイスの導通損は、基板及び接触部の抵抗の他に、とりわけ電圧を担う、比較的低くドープされた電界効果トランジスタのｎ帯域のチャネル及びドリフトの抵抗により決定される。Ｊ−ＦＥＴ構造を、所謂スイッチオフの可能な、正常にスイッチオンされるデバイスとして、或いは直列に接続し、正常にスイッチオフされるデバイスとして低電圧用のＭＯＳＦＥＴを有するＪ−ＦＥＴと考える場合、ドリフト抵抗、従ってＪ−ＦＥＴの導通損は、ドリフト帯域のできるだけ高い導電率を、電流を拡散するためのチップ面を最大限に利用して達成することにより削減できる。
【００１９】
本発明によれば、これは、これらの部分領域内におけるソース領域の、ドレイン電圧からの遮蔽を、第１のｎドープされた半導体領域内の電流の拡散ができるだけ損なわれないように形成することにより達成される。これは、直接ｎ⁺⁺ドープされたソース領域に連結されている適切な半導体材料、この場合特にＳｉＣの最大限の電界のポアソン式に対応する高いドーズ量を有するｐ注入により達成される。実験的な測定では、このような構造で、既に約１５Ｖでソースの下方の全ての第２の半導体領域は空乏化される。その際縦形のチャネルの横方向の寸法ｗ_{ch vert}は、ｎ⁺⁺ドープされたソース領域の下方のｐ帯域が阻止電圧により損なわれずに必要な遮蔽を達成できるので、極めて大きな間隔で自由に選択可能である。その際この表面積の小さいエミッタ範囲のエミッタ効率は、当業者に一般に公知であるように、高い電流においてもほぼ十分なものである。
【００２０】
更に本発明の構造の特別な利点は、大面積のｐ領域がｎ⁺⁺ドープされたソースの入口に短絡状態で付着しているので、入力容量を低く保持できることにある。従って、大面積のゲート部分の電荷の移行が入力負荷回路により行われるのでスイッチング損失も低い儘である。
【００２１】
安定性を高めるため、ソース接触部のある第２のエピタキシー層の側縁に、例えばＳｉＯ₂からなる誘電性の不活性化部又はｐｎ絶縁の役目をする別のｐ注 入を行ってもよい。
【００２２】
以下、２つの実施例に基づきこれらの特徴を詳述する。この場合ｎドープ基板から出発する。但し本発明はこの導電形に制限されるものではなく、また当然明細書に記載の全ての導電形を反対に選択できるものである。
【００２３】
図１は本発明のＳｉＣからなるＪ−ＦＥＴ半導体構造の断面図を示す。その際符号１は基板を表し、その上に更にエピタキシャル層が施されている。基板１の導電形はｎ形の実施形態で示されている。基板１の下側にはドレイン接触部１０があり、該部１０を介し基板１を通って電流が流れる。
【００２４】
基板１上に、第１半導体領域２が第１のｎドープされたエピタキシャル層として形成されている。このエピタキシャル層の表面４にドリフト領域、即ち第１半導体領域２内の抵抗を外側から調整することのできるゲート接触部９が配置されている。このゲート接触部９は同じ高さに配置されており、ゲート接触部９とソース接触部７との間の電圧を介して、同じ高さのゲート接触部９間の領域内のキャリアが空乏化され、それによりドリフト抵抗が高まる。即ちこのトランジスタは阻止し始める。
【００２５】
第１半導体領域２の上方及び両ゲート電極９間には、本発明のＪ−ＦＥＴ半導体装置の場合、連続する第１半導体領域２と第２半導体領域３が生じるように、第１半導体領域から延長するもう１つのｎドープされたエピタキシャル層が施されている。該エピタキシャル層の露出する表面４はソースの役目をし、その上にソース接触部７からキャリアが半導体に注入されるオーミック接触層８が生じるよう、強く、即ちｎ⁺⁺ドープされている。
【００２６】
図１には、ソース接触部７からゲート接触部９間を通ってドレイン１０に至る電流路が、ドリフト領域内にある２つの流線１３により示されている。
【００２７】
本発明の重要な特徴は、第１半導体領域２に対して反対の導電形を有するようにドープされた第４半導体領域６が、ソース接触部７に直に接して配置されていることである。言い換えれば、本発明ではソースの接触層８の下に、直接第４半導体領域６がｐドープされた島として注入されている。その際所望のドーピング分布は、イオン注入時のイオンエネルギーを調整することによる侵入分布により調整される。
【００２８】
第４半導体領域６は、ドレイン１０に対してソース接触部７を遮蔽する。ソース接触部７の下でｐドープされた部分６により覆われた面が、接触部７の下で中心に位置していると有利である。しかしソース接触部７からの電流が半導体中で過剰に阻止されないように、ｐドープされた部分により接触層８がその横方向全体の寸法で覆われておらず、接触層８の縁部は被覆されないままとする。この縁部を介して、ソース接触部７から半導体へと電流が流れる。接触層８の縁部の効率は大電流においても十分なものであり、既に本出願人による従来技術の通常のＳｉ環状エミッタトランジスタでも利用されている。
【００２９】
しかしｎ⁺⁺接触層８の縁部を介し、ソース接触部７へのドレイン１０のパンチスルーが可能なので、ゲート接触部９の下にも、各々第１半導体領域２の表面４に沿って側方に第１半導体領域２内に延びる第３半導体領域５をｐドープ領域として注入する。特にこのｐドープ領域は、上から見てソース接触部７がゲート９により形成される「リング」（丸形に限定されない）内に囲まれるように、連続した部分を形成する。その際ｎドープされた第１半導体領域内のｐドープされた島の幾何学的な配列は、両方の第３半導体領域５がゲート接触部９の下で第１エピタキシャル層の第１半導体領域２内に、ソースと接続された第４半導体領域６が位置する平面上の突出部に第４半導体領域６を少なくとも部分的に、即ち特に縁部で重複する程度に延びるように選択される。従ってソースへのドレインのパンチスルーは最小化され、制御チャネル１１はその寸法ｗ_{ch vert}により限定される。
【００３０】
ゲート９の下の第３半導体領域５と、ソース７の下の第４半導体領域６との間に、第１半導体領域２と第３半導体領域５との間に形成されたｐｎ接合の空乏帯域により境界付けられて、チャネル領域１１が延びている。このチャネル領域１１を流れる電流は、幾本かの電流線１３により示されている。それらは第４半導体領域６による遮蔽物の横のソースの接触層８の縁から出発し、ゲートの下の第３半導体領域５とソース接触部７の下の第４半導体領域６との間を、第２の層３の第２半導体領域を通って狭まりながら延びている。ゲートの下の第３半導体領域５の下方で電流密度は再び低下する、即ち電流線は放散している。
【００３１】
図１のＪ−ＦＥＴ半導体装置を使って、電流の拡散により重要な部分領域内の阻止電圧又はドレインのポテンシャルに対してソース領域の遮蔽を損なわれることなく、半導体内で電流の拡散に使える面積を高度に利用できる。
【００３２】
特に、本発明をインバータに使用すると有利である。インバータに使用する場合、接続されたデバイスは「ノーマリーオフ」で動作しなければならない。即ち電流停止の場合、例えばゲート制御中に全てのスイッチング素子は自動的に阻止状態に至る。これは、特に本発明による高遮断性のＪ−ＦＥＴ半導体装置において、低圧用のＭＯＳＦＥＴ又は低圧用のＳＭＡＲＴ−ＦＥＴをＳｉＣのＪ−ＦＥＴの前に接続する直列回路を実現することで容易に可能であり、その際低電圧用のＦＥＴは、各々公知のＳｉ技術で製造可能である。このような直列回路では、高遮断性の半導体デバイスの制御は、Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴにおいて、適切にコントロールされたＳｉ技術で組立てられる。直列の低圧用のＭＯＳＦＥＴのもう１つの利点は、誘導性負荷を持つインバータの場合、低圧用のＭＯＳＦＥＴの作り付けダイオードが直列の高い阻止電圧にとってもフリーホイールダイオードの役目をするため、元来必要なフリーホイールダイオードを省略できる点にある。
【００３３】
図２に示した本発明のもう１つの実施形態では、電気的接続はソース接触部７とソースの下の第４半導体領域６との間に設けられている。そのため第４半導体領域６の電位は明確に規定され、第４半導体領域６の「浮遊」は回避される。即ちソース接触部７をも形成する金属化層１２で満たされたｎ⁺⁺接触層８内の開口１４により接触が図られ、その結果ソース接触部７は島状の第４半導体領域６と短絡される。１つだけの開口１４を有するこの実施形の他に、複数の小さい開口を有する実施形態も可能である。実際にはソース接触部７と第４半導体領域６との間のｎ⁺⁺層８の１つの大きな開口と、多孔性にまで至る複数の小さな開口の選択は、デバイスを製造する際の機械的及び電気的要件により決定される。
【００３４】
図２による実施形態のその他の領域は図１に準じ、同じ符号が付けてある。
【００３５】
本発明のもう１つの実施形態（図示せず）では、メサ型に類似する、ソース接触部７がその上にある第２のエピタキシー層（第２半導体領域３）の側面に、ｐｎ絶縁の役目をする誘電性の不活性化部を設ける。この誘電性不活性化部は安定性を高め、ＳｉＯ₂からできているか又は第１半導体領域の導電形と逆の導電形にドープされた層であってもよい。
【００３６】
本発明のＪ−ＦＥＴ半導体装置の構造が、基板内に注入された「島」を持つ構造よりも簡単に実現できることは、このデバイスの半導体材料としてＳｉＣを使用するために、更に改善された可能性をもたらす。従って一層高度の遮断性が、良好な導通特性の下で達成される。即ち本発明の構造ではドリフト帯域が特に有利に使用されることから、特に低い静的損失を実現することができる。
【００３７】
更に本発明による縦形のＪ−ＦＥＴの構造では、低いゲート容量のため直接的なスイッチング損失は少ない。また本発明による構造の場合、Ｊ−ＦＥＴを例えば低電圧用の「ＳＩＰＭＯＳ」と直列接続できるので、多数の制御及びコントロール機能を、本発明のデバイスで、５０Ｖの水準でカバーできる。
【００３８】
本発明で提案したＳｉＣの縦形のＪＦＥＴの構造は、ゲート接触部９とソース接触部７との間に約２μmの高さを生じるように、比較的平面的なトレンチをエッチングすることにより、ゲートと「網状に」接触させることが可能であり、その結果高いセル密度、即ち高度の材料の利用を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による第１の実施例の断面図。
【図２】 本発明による第２の実施例の断面図。
【符号の説明】
１ 基板
２ 第１半導体領域
３ 第２半導体領域
４ 第１の表面
５ 第３半導体領域
６ 第４半導体領域
７ 第１接触部（ソース）
８ 高ドープされた接触層
９ 第２接触部（ゲート）
１０ ドレイン
１１ チャネル領域
１２ 金属化層
１３ 電流線
１４ 開口

Claims (6)

1. 第１導電形の第１半導体領域（２）及び該第１半導体領域（２）上に形成された第２半導体領域（３）を有し、
   該第２半導体領域（３）の表面部分に第１導電形に高ドープされた接触層（８）が形成され、
   該接触層（８）の表面上にソースとしての第１接触部（７）を有し、
   前記第１半導体領域（２）の表面上に、ゲートとしてのリング状の第２接触部（９）を有し、
   前記第１接触部（７）を、前記リング状の第２接触部（９）で上から見て取り囲んだ構造を持つ縦形のＪ−ＦＥＴ半導体装置において、
   第１導電形と反対導電形の第２導電形のリング状の第３半導体領域（５）が、前記第１半導体領域（２）内に形成されており、
   前記第２導電形の第４半導体領域（６）が、前記第１接触部（７）に直に接して配置され、前記接触層（８）の下に該接触層（８）に接するように、イオン注入により形成されており、かつ前記接触層（８）の縁部は前記第４半導体領域（６）により被覆されておらず、
   かつ前記リング状の第３半導体領域（５）は、該第１半導体領域（２）内で前記第４半導体領域（６）の下方に延びており、上から見て前記第３半導体領域（５）と前記第４半導体領域（６）が少なくとも部分的に重複しており、
   前記リング状の第３半導体領域（５）に前記第２接触部（９）が、前記第４半導体領域（６）に前記第１接触部（７）が各々接続しており、
   前記第１半導体領域（２）と前記第４半導体領域（６）間に、前記第２接触部（９）を介して前記第３半導体領域（５）に加わるゲート電圧により制御される少なくとも１つのチャネル領域（１１）が形成されたことを特徴とする縦型Ｊ−ＦＥＴ半導体装置。
2. 前記接触層（８）が少なくとも１つの開口（１４）を持ち、その結果第１接触部（７）とその下の第４半導体領域（６）との間に電気的接触が存在することを特徴とする請求項１記載の縦形Ｊ−ＦＥＴ半導体装置。
3. 前記接触層（８）と第１接触部（７）との間、および前記第３半導体領域（５）と第２接触部（９）との間に、誘電性の不活性層を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の縦形Ｊ−ＦＥＴ半導体装置。
4. 前記不活性層が酸化物層からなることを特徴とする請求項３記載の縦形Ｊ−ＦＥＴ半導体装置。
5. 前記不活性層が、第１導電形と反対の第２導電形にドープされた半導体層であることを特徴とする請求項３記載の縦形Ｊ−ＦＥＴ半導体装置。
6. 前記第１半導体領域（２）が基板（１）上に形成されており、前記基板（１）および第１から第４の半導体領域（２、３、５、６）がＳｉＣから形成されていることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の縦形Ｊ−ＦＥＴ半導体装置。

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