JP4586775B2

JP4586775B2 - 炭化珪素半導体装置

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Publication number: JP4586775B2
Application number: JP2006201032A
Authority: JP
Inventors: 星　　正勝; トロンナムチャイクライソン; 林　　哲也; 佐一郎金子; 秀明田中
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2006-07-24
Filing date: 2006-07-24
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2023-01-22
Also published as: JP2006287264A

Description

この発明は、炭化珪素半導体装置に関する。

従来、ガードリング構造を備えた炭化珪素半導体装置としては、図８に示すようなものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。図８に示すように、この炭化珪素半導体装置５０は、ｎ^＋型の炭化珪素からなる基板領域５１上に、ｎ⁻型のカソード領域５２が形成されている。このカソード領域５２の表層部には、ｐ型のアノード領域５３と、このアノード領域５３を取り囲むように環状をなしたｐ型のガードリング領域５４が形成されている。また、このアノード領域５３に接するようにアノード電極５５が形成されている。さらに、基板領域５１の裏面には、カソード電極５６が形成されている。なお、ガードリング領域５４は、アノード領域５３並びにアノード電極５５とは接しておらず、フローティング状態となっている。

次に、この炭化珪素半導体装置５０における周辺耐圧構造の機能について説明する。例えば、アノード電極５５を接地し、カソード電極５６に正電位を印加すると、ｐ型のアノード領域５３とｎ型のカソード領域５２の接合部に逆バイアスがかかり、高耐圧を得るために低不純物濃度で形成されているカソード領域５２に空乏層が広がる。

アノード領域５３とカソード領域５２との間に形成される接合面は、平坦な部分ばかりではなく、アノード領域５３の端部では、図８に示すように湾曲している。そのため、平面接合部よりも湾曲している接合部のほうが電界強度は高くなっており、仮にガードリング領域５４が無い場合、アノード領域５３の平坦な接合面で期待される降伏電圧より低い電圧で、アノード領域５３端部の湾曲している接合部においてアバランシェ降伏が起こる。

しかし、アノード領域５３の端部の隣にｐ型のガードリング領域５４を配置すると、カソード電位が上昇して、アノード領域５３から伸びた空乏層が隣接するｐ型のガードリング領域５４に達した時点でアノード領域５３の湾曲部の横方向の電界上昇が緩和される。カソード電位がさらに上昇すると、ガードリング領域５４から空乏層が伸び始める。このように、ガードリング領域５４が存在すると、アノード領域５３の端部への電界集中を防ぐことができ、耐圧を向上させることができる。
特開平１１−２６６０１４号公報（第１頁、図１）

しかしながら、図８に示すような従来構造では、カソード領域５２の所定の位置に、カソード領域５２とは異なる導電型のガードリング領域５４を有する構造であるため、製造時においてはカソード領域５２への局所的不純物ドーピングが必須となる。このとき、カソード領域５２の局所的不純物ドーピングには主にイオン注入法が用いられるが、カソード領域５２は結晶欠陥の回復がシリコン材料に比べて難しい炭化珪素材料からなるため、イオン注入時に発生する結晶欠陥を低減するために高温に加熱しながらのイオン注入となる。さらに、ドーピングした不純物の活性化には１５００℃前後の高温の熱処理工程を要するが、この高温の熱処理中にカソード領域５２の表面の劣化を招いてしまう。図８では、一例として、ＰＮダイオードの耐圧構造、つまり、主領域にアノード領域５３を配置し、それを取り囲むようにガードリング領域５４を環状に配置した場合について説明したが、例えばアノード領域５３の代わりに主領域にＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ、若しくはバイポーラトランジスタなどを配置し、スイッチ素子の耐圧構造として機能している場合には、上記した高温の熱処理工程によってチャネル移動度の低下やゲート絶縁膜の信頼性の低下を招くことになる。

また、例えば図９に示すように、主領域構造として局所的不純物ドーピングを必要としない、アノード電極５５が直接カソード領域５２に接するショットキー・バリア・ダイオードのような構造では、アノード電極５５の端部の電界集中を回避するエッジ保護領域５７とガードリング領域５４とを形成するためだけに、局所的不純物ドーピングが必要となり、特性への影響だけでなく、プロセスが複雑になるという問題を有していた。

そこで、本発明は、上記のような従来の問題を解決するためになされたものであり、カソード領域に局所的な不純物ドーピングを必要とせず、製造工程が簡単であり、従来と同等の耐圧保持機能を有する耐圧構造を備えた炭化珪素半導体装置を提供することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、炭化珪素半導体装置であって、ドリフト領域である第一導電型の炭化珪素半導体基体と、炭化珪素半導体基体の一主面に設けられたアノード電極と、炭化珪素半導体基体の一主面に対向する反対側の主面に設けられたカソード電極と、炭化珪素半導体基体の一主面に接してアノード電極を取り囲むように環状をなし、且つ炭化珪素半導体基体よりバンドギャップが小さい半導体材料で構成され、炭化珪素半導体基体とのヘテロ接合界面にエネルギー障壁を有する電界緩和領域とを有し、電界緩和領域がアノード電極と接すると共に、該電界緩和領域と一主面とが接する部分のうち、アノード電極から最も離れた部分の電位が少なくともカソード電極の電位とほぼ同電位となるように、電界緩和領域が所定値以上の幅を有していることを要旨とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の炭化珪素半導体装置であって、電界緩和領域が、少なくとも同心円状に同一導電型の不純物濃度分布を有すると共に、不純物濃度の高い領域においては一主面とは接しないように絶縁層を介していることを特徴とする。

本発明によれば、カソード領域に接する電界緩和領域がカソード領域とはバンドギャップが異なる材料で構成されているため、カソード領域への不純物導入が不要となり、その製造工程が簡便となる。また、本発明では、不純物導入をイオン注入法を行う必要がないため、高温の熱処理工程が不要となる。このため、熱処理工程に伴うチャネル移動度の低下やゲート絶縁膜の信頼性の低下などの素子特性の低下を回避することができる。

以下、本発明に係る炭化珪素半導体装置の詳細を図面に示す実施の形態に基づいて説明する。但し、図面は模式的なものであり、各層の厚みや厚みの比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係る炭化珪素半導体装置の第１の実施の形態を示している。本実施の形態の炭化珪素半導体装置１０は、炭化珪素のポリタイプが例えば４Ｈタイプであり、第一導電型としてのｎ^＋型の炭化珪素からなる炭化珪素基板領域１１と、この炭化珪素基板領域１１の上（一主面側）に形成されたｎ⁻型の炭化珪素でなるカソード領域１２と、このカソード領域１２における炭化珪素基板領域１１との接合界面に対向する一主面に接しているアノード電極１３とを備えている。なお、炭化珪素基板領域１１とカソード領域１２とは、ドリフト領域としての炭化珪素半導体基体を構成している。また、炭化珪素基板領域１１の他の主面（裏面）には、カソード電極１４が形成されている。

なお、アノード電極１３とカソード領域１２との接合部（接合界面）はショットキー接続をしており、炭化珪素基板領域１１とカソード電極１４との接合部はオーミック接続している。すなわち、図１に示すように、本実施の形態は、主領域構造としてショットキー・バリア・ダイオードを形成した例である。

また、本実施の形態の炭化珪素半導体装置１０においては、ショットキー・バリア・ダイオードの周辺構造として、アノード電極１３の外周に接し、且つ環状をなすように配置されたエッジ保護領域１６と、アノード電極１３並びにエッジ保護領域１６と同心円状に、且つ互いに接しないように環状に配置された複数の電界緩和領域１７が形成されている。また、カソード領域１２の表面には、これらエッジ保護領域１６と電界緩和領域１７を覆うように絶縁膜１８が形成されている。

そして、エッジ保護領域１６並びに電界緩和領域１７は、例えばｎ⁻型の多結晶シリコンからなる。このように、カソード領域１２とエッジ保護領域１６並びに電界緩和領域１７のそれぞれの接合部は、バンドギャップが異なる材料（炭化珪素と多結晶シリコン）によるヘテロ接合を形成している。つまり、その接合界面には、所定のエネルギー障壁が存在している。

なお、本実施の形態では、図１に示すように、アノード電極１３と電界緩和領域１７との間にエッジ保護領域１６を有しているが、エッジ保護領域１６は省略してもよい。また、本実施の形態では、図１に示すように、アノード電極１３を囲む電界緩和領域１７を２本設けているが、この電界緩和領域１７の数は単数でも３以上の複数であってもよい。ここで、電界緩和領域１７の数を複数とすれば、耐圧構造機能をさらに容易に果たすことができる。

次に、本実施の形態で示す周辺構造の機能について説明する。

まず、アノード電極１３に接地電位を印加して、カソード電極１４に正電位を徐々に印加していくと、ショットキー接合を有するアノード電極１３とカソード領域１２との接合部に逆バイアスがかかり、高耐圧を得るために低不純物濃度で形成されているカソード領域１２には空乏層が広がる。そして、アノード電極１３の直下のカソード領域１２の部分から伸びた空乏層がアノード電極１３に最も近い最内周の電界緩和領域１７に伸びた時点で、カソード領域１２の横方向（カソード領域１２とカソード電極１４との接合面方位と直交する方向）の電界上昇は鈍化し、アノード電極１３端部における電界集中は緩和される。そして、アノード電極１３端部の電界集中が緩和される分、アノード電極１３とカソード電極１４との間に印加できる電位差、つまり、本実施の形態で主領域構造として例示しているショットキー・バリア・ダイオードの耐圧を向上することができる。

このとき、アノード電極１３との接合界面から伸びている空乏層は、カソード領域１２と電界緩和領域１７とのヘテロ接合界面に到達する。電界緩和領域１７とカソード電極１４との間には、所定の電位差が生じているが、この電位差は以下に示すようなヘテロ接合の特性により、ほぼカソード領域１２側で保持されるため、上記した耐圧は維持される。

次に、半導体のエネルギーバンド構造を図５〜図７に示すバンド構造図を用いて説明する。なお、図５〜図７において、左側に電界緩和領域１７に対応するｎ⁻型シリコンのエネルギーバンド構造を、右側にカソード領域１２に対応する４Ｈタイプのｎ⁻型炭化珪素のエネルギーバンド構造を示している。なお、本実施の形態においては電界緩和領域１７が多結晶シリコンからなる場合を説明するが、図５〜図７ではシリコンのエネルギーバンド構造を用いて説明する。また、この説明ではヘテロ接合の特性を理解し易くするため、ヘテロ接合界面に界面準位が存在しない場合の理想的な半導体ヘテロ接合のエネルギー準位について例示している。

図５はシリコン及び炭化珪素の両者が接触していない状態を示している。図５中のシリコンの電子親和力をχ１、仕事関数（真空準位からフェルミ準位までのエネルギー）をφ１、フェルミエネルギー（伝導帯からフェルミ準位までのエネルギー）をδ１、バンドギャップをＥｇ１としている。同様に、炭化珪素の電子親和力をχ２、仕事関数をφ２、フェルミエネルギーをδ２、バンドギャップをＥｇ２とする。図５に示すように、シリコンと炭化珪素との接合面には、両者の電子親和力χの違いからエネルギー障壁ΔＥｃが存在し、その関係は下式（１）のように示すことができる。

ΔＥｃ＝χ１−χ２…（１）
また、図６は、シリコン及び炭化珪素の両者を接触させ、シリコンと炭化珪素のヘテロ接合を形成したエネルギーバンド構造である。シリコン及び炭化珪素の両者を接触後も、エネルギー障壁ΔＥｃは接触前と同様に存在するため、シリコン側の接合界面には幅Ｗ１の電子の蓄積層が形成され、一方で炭化珪素側の接合界面には幅Ｗ２の空乏層が形成されると考えられる。ここで、両接合界面に生じる拡散電位をＶＤ、シリコン側の拡散電位成分をＶ１、炭化珪素側の拡散電位成分をＶ２とすると、ＶＤは両者のフェルミ準位のエネルギー差であるから、その関係は下式（２）〜（４）のように示される。

ＶＤ＝（δ１＋ΔＥｃ−δ２）／ｑ…（２）
ＶＤ＝Ｖ１＋Ｖ２…（３）
Ｗ２＝√（（２＊ε０＊ε２＊Ｖ２）／（ｑ＊Ｎ２））…（４）
ここで、ε０は真空中の誘電率、ε２は炭化珪素の比誘電率、Ｎ２は炭化珪素のイオン化不純物濃度を表す。なお、これらの式は、バンド不連続のモデルとしてAndersonの電子親和力に基づいており、理想的状態でさらに歪みの効果は考慮していない。

このように、図１に示した第１の実施の形態においては、図６に示すように電界緩和領域１７とカソード領域１２との接合界面にヘテロ障壁が存在しており、図７に示すように、カソード電極１４に所定の正電位が印加された状態では、ヘテロ接合界面のカソード領域１２側には印加したカソード電位に応じて空乏層が拡がる。それに対し、電界緩和領域１７側に存在する電子はヘテロ接合界面のエネルギー障壁ΔＥｃを越えることができず、その接合界面には電子が蓄積する。このことから、カソード電位に応じた電界がほとんどかからないため、多結晶シリコンからなる電界緩和領域１７側が先に臨界電界に達することが回避される。つまり、従来と同様に耐圧を維持することができる。

また、本実施の形態においては一例として、カソード領域１２としてｎ型の炭化珪素を、電界緩和領域１７としてのｎ型の多結晶シリコンを用いて説明しているが、ｎ型の炭化珪素とｐ型の多結晶シリコン、ｐ型の炭化珪素とｐ型の多結晶シリコン、ｐ型の炭化珪素とｎ型の多結晶シリコンの如何なる組み合わせでもよい。また、電界緩和領域１７の材料の一例として、多結晶シリコンを用いた例で説明したが、単結晶シリコン、アモルファスシリコンや、炭化珪素に比べてバンドギャップが小さい材料、ひいては炭化珪素とヘテロ接合を形成する材料であればどの材料でもよい。

さらに、本実施の形態においては、電界緩和領域１７の材料としてカソード領域１２とショットキー接合を形成する例えばニッケル（Ｎｉ）などの金属材料で形成してもよい。この場合、上記したヘテロ接合と類似した効果を奏し、同様の耐圧保持効果を容易に確保することができる。

このように、本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置１０では、図１に示すような構成とすることにより、従来構造の炭化珪素半導体装置と同様の動作を実現することができ、しかも従来構造と比べて以下のような特徴を有する。

すなわち、本実施の形態においては、カソード領域１２に接する電界緩和領域１７がカソード領域１２とバンドギャップが異なる材料で構成されているため、従来構造では必須であった局所的不純物ドーピングが不要となる。このため、その製造工程が簡便であると同時に、高温の熱処理工程が不要となるため、この熱処理工程による主領域構造におけるチャネル移動度の低下やゲート絶縁膜の信頼性低下などの素子性能低下を回避することができる。また、電界緩和領域１７を所定の位置に所定の本数配置することで、カソード領域１２の横方向に拡がる電界分布を緩和することができ、容易に従来と同等の耐圧構造機能を実現することができる。

以上、第１の実施の形態について説明したが、主領域構造に限定されるものではない。つまり、例えば図２に示した本実施の形態の変形例のように、アノード電極１３とカソード領域１２との間に、ｐ型の炭化珪素からなるアノード領域１５を有するようなＰＮダイオードが主領域構造として形成されていてもよい。さらには、ＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ、バイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴなどのスイッチ構造が主領域構造として形成されていてもよい。

（第２の実施の形態）
図３は、本発明に係る炭化珪素半導体装置の第２の実施の形態を示している。

本実施の形態の炭化珪素半導体装置２０では、図１に示した第１の実施の形態の炭化珪素半導体装置１０におけるエッジ保護領域１６並びに電界緩和領域１７を形成する代わりに、例えば多結晶シリコンでなるｎ⁻型の抵抗性領域２５がアノード電極２３の外周部に接するように形成されている点が異なる。なお、本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置２０における他の構成は、図１に示した第１の実施の形態と同様である。

すなわち、本実施の形態の炭化珪素半導体装置２０は、炭化珪素のポリタイプが例えば４Ｈタイプであり、第一導電型としてのｎ^＋型の炭化珪素からなる炭化珪素基板領域２１と、この炭化珪素基板領域２１の上に形成されたｎ⁻型のカソード領域２２と、このカソード領域２２における炭化珪素基板領域２１との接合界面に対向する一主面に接しているアノード電極２３とを備えている。また、炭化珪素基板領域２１の他の主面（裏面）には、カソード電極２４が形成されている。

なお、アノード電極２３とカソード領域２２との接合部はショットキー接続をしており、炭化珪素基板領域２１とカソード電極２４との接合部はオーミック接続している。本実施の形態においても、上記第１の実施の形態と同様に、主領域構造としてショットキー・バリア・ダイオードを形成している。

また、上記した抵抗性領域２５とカソード領域２２とが接する部分のうち、アノード電極２３から最も離れた部分の電位が少なくともカソード電極２４の電位とほぼ同電位となるように、抵抗性領域２５が所定値以上の幅を有している。つまり、アノード電極２３を接地電位として、カソード電極２４に正の電位を印加した場合に、少なくともアノード電極２３からカソード領域２２に伸びる空乏層幅よりも抵抗性領域２５の幅が大きくなっている。

このような構成にすることによって、カソード領域２２から横方向に広がる電位分布が抵抗性領域２５の抵抗広がりによって規定されるため、アノード電極２３端部の電界集中を緩和することができ、上記した第１の実施の形態と同様の耐圧を保持することができる。また、上記した第１の実施の形態においては、電界緩和領域同士もしくはエッジ保護領域との間隔を調整して所望の耐圧を得る必要があり、その間隔はフォトリソグラフィー工程における最小加工幅などの精度による制限を受けるのに対し、本実施の形態においては、抵抗性領域２５の不純物濃度を一義的に決めてしまえば、最適なカソード領域２２の電位分布が実現できるため、容易に所望の耐圧を得ることができる。

なお、第２の実施の形態においては、抵抗性領域２５に用いるヘテロ半導体材料として多結晶シリコンを用いた例で説明したが、単結晶シリコン、アモルファスシリコンや、炭化珪素に比べてバンドギャップが小さい材料、ひいては炭化珪素とヘテロ接合を形成する材料であれば他の材料を用いてもよい。

さらに、カソード領域２２としてｎ型の炭化珪素を、抵抗性領域２５としてｎ型の多結晶シリコンを用いて説明したが、ｎ型の炭化珪素とｐ型の多結晶シリコン、ｐ型の炭化珪素とｐ型の多結晶シリコン、ｐ型の炭化珪素とｎ型の多結晶シリコンの如何なる組み合わせでもよい。

（第３の実施の形態）
図４は本発明に係る炭化珪素半導体装置の第３の実施の形態を示す断面図である。

本実施の形態における炭化珪素半導体装置３０における上記した第２の実施の形態との相違点は、ｎ⁻型の抵抗性領域２５の一部に、不純物濃度の高いｎ^＋型の抵抗性領域２７が形成されており、且つこの抵抗性領域２７がカソード領域２２と接しないように、フィールド絶縁膜２８が形成されている。本実施の形態における他の構成は、上記した第２の実施の形態と同様である。なお、図４中、符号２６は抵抗領域２５、２７の上を覆う絶縁膜である。

このような構成にすることによって、カソード領域２２には接しない抵抗性領域２７の抵抗値を任意に変えることが可能となる。つまり、抵抗性領域２５とカソード領域２２とが接して形成されているヘテロ接合部の耐圧（ヘテロ障壁の高さ）を維持しながら、抵抗性領域２５の抵抗分布、すなわち、カソード領域２２に広がる電位分布を積極的に所望の値に設定することができるため、上記した第２の実施の形態で得られる効果に加えて、耐圧構造領域の設計自由度を高めることができる。

なお、第３の実施の形態においては、抵抗性領域２５に用いるヘテロ半導体材料として多結晶シリコンを用いて説明したが、炭化珪素に比べてバンドギャップが小さい材料、ひいては炭化珪素とヘテロ接合を形成する材料であれば他の材料を用いてもよい。

さらに、カソード領域２２としてｎ型の炭化珪素を、抵抗性領域２５としてｎ型の多結晶シリコンを用いて説明しているが、ｎ型の炭化珪素とｐ型の多結晶シリコン、ｐ型の炭化珪素とｎ型の多結晶シリコンの如何なる組み合わせでもよい。

以上、第１〜第３の実施の形態においては一例として、炭化珪素のポリタイプに４Ｈタイプを用いて説明したが、６Ｈ、３Ｃ等のその他のポリタイプを用いてもよい。さらに、本発明の主旨を逸脱しない範囲での変形を含むことは言うまでもない。

本発明に係る炭化珪素半導体装置の第１の実施の形態を示す断面図である。第１の実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の変形例を示す断面図である。本発明に係る炭化珪素半導体装置の第２の実施の形態を示す断面図である。本発明に係る炭化珪素半導体装置の第３の実施の形態を示す断面図である。本発明の動作原理を説明するシリコンと炭化珪素とが接触する前のエネルギーバンド構造図である。本発明の動作原理を説明するシリコンと炭化珪素とが接触した後のエネルギーバンド構造図である。本発明の動作原理を説明する電圧印加時のエネルギーバンド構造図である。従来の炭化珪素半導体装置の断面図である。従来の他の炭化珪素半導体装置の断面図である。

符号の説明

１０、２０、３０炭化珪素半導体装置
１１炭化珪素基板領域
１２カソード領域
１３アノード電極
１４カソード電極
１５アノード領域
１６エッジ保護領域
１７電界緩和領域
１８絶縁膜
２１炭化珪素基板領域
２２カソード領域
２３アノード電極
２４カソード電極
２５、２７抵抗性領域

Claims

ドリフト領域である第一導電型の炭化珪素半導体基体と、
前記炭化珪素半導体基体の一主面に設けられたアノード電極と、
前記炭化珪素半導体基体の一主面に対向する反対側の主面に設けられたカソード電極と、
前記炭化珪素半導体基体の一主面に接して前記アノード電極を取り囲むように環状をなし、且つ前記炭化珪素半導体基体よりバンドギャップが小さい半導体材料で構成され、前記炭化珪素半導体基体とのヘテロ接合界面にエネルギー障壁を有する電界緩和領域と、
を有し、前記電界緩和領域が前記アノード電極と接すると共に、該電界緩和領域と前記一主面とが接する部分のうち、前記アノード電極から最も離れた部分の電位が少なくとも前記カソード電極の電位とほぼ同電位となるように、前記電界緩和領域が所定値以上の幅を有していることを特徴とする炭化珪素半導体装置。
前記電界緩和領域が、少なくとも同心円状に同一導電型の不純物濃度分布を有すると共に、前記不純物濃度の高い領域においては前記一主面とは接しないように絶縁層を介していることを特徴とする請求項１記載の炭化珪素半導体装置。