JP4613682B2 - Silicon carbide semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は炭化珪素半導体装置およびその製造方法に関するものであり、詳しくは、省電力用のショットキーダイオードを有する炭化珪素半導体装置およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a silicon carbide semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more particularly to a silicon carbide semiconductor device having a power-saving Schottky diode and a method for manufacturing the same.
金属と半導体とを接合したショットキー接合を含む半導体装置では、多数キャリアによって動作が支配されるため、少数キャリアの蓄積効果が大きく影響するpn接合と比較して、スイッチング速度が大きいという利点がある。このため、電力のスイッチング素子用として、これまで耐圧性能に優れた炭化珪素(SiC)を用いたショットキーダイオードが提案されてきた。しかし、SiCを用いたショットキー障壁の利用においては、逆方向バイアスにおける耐圧が高くなるだけでなく、順方向バイアスにおけるショットキー障壁に起因する接触抵抗も大きくなってしまい、電力消費量が多くなるという問題が生じる。 In a semiconductor device including a Schottky junction in which a metal and a semiconductor are joined, the operation is dominated by majority carriers. Therefore, there is an advantage that the switching speed is higher than that of a pn junction in which a minority carrier accumulation effect greatly affects. . For this reason, Schottky diodes using silicon carbide (SiC) having excellent breakdown voltage performance have been proposed for power switching elements. However, in using a Schottky barrier using SiC, not only the breakdown voltage in the reverse bias increases, but also the contact resistance due to the Schottky barrier in the forward bias increases, resulting in an increase in power consumption. The problem arises.
上記問題を解決するために、特開2000−49363号公報(特許文献1)に記載のショットキーダイオードが開示されている。図5を参照して、このショットキーダイオード100では、高濃度n型不純物のn+型SiC基板101の上に第1のバンドギャップを有する第1のn-型SiC層(4H(Hexagonal)−SiC層又は6H-SiC層:4又は6は1周期の積層数)102が位置している。この第1のn-型SiC層102上には、第1のバンドギャップよりも小さい第2のバンドギャップを有する第2のn-型SiC層(3C(Cubic)−SiC層)103が形成されている。第2のn-型SiC層103を貫通して第1のn-型SiC層102に達するように溝部104が設けられている。この溝部104の壁面および第2のn-型SiC層103の表面を被覆するように金属層105が形成されている。この金属105は、第2のn-型SiC層103および第1のn-型SiC層102の双方とショットキー接触しており、アノード電極となるものである。また、n+型SiC基板101の裏面101bにオーミック接触する金属層106が設けられており、この金属層106はカソード電極となるものである。
In order to solve the above problem, a Schottky diode described in JP 2000-49363 A (Patent Document 1) is disclosed. Referring to FIG. 5, in this Schottky
上記の構成によれば、小さいバンドギャップの第2のn-型SiC層103と金属層105との界面におけるショットキー障壁は小さくなる。このため、順方向バイアスにおいてはバンドギャップの小さい半導体層(3C−SiC層)である第2のn-型SiC層103においてショットキー障壁に起因する接触抵抗を低くすることができる。また、逆方向バイアスにおいては、上記溝部104の底の幅を大きくし、第2のn-型SiC層103のメサ構造の幅を小さくすることにより、金属層105と第2のn-型SiC層103との界面から第2のn-型SiC層103に延びる空乏層によりピンチオフを生じさせてメサ部分の電位障壁を高くすることができる。このため、バンドギャップの大きいSiC層(4H−SiC層又は6H-SiC層)である第1のn-型SiC層102で耐圧性能を確保できる。この結果、SiCを用いた場合、逆方向バイアスにおける耐圧を確保した上で、順方向バイアスにおけるショットキー障壁に起因する接触抵抗を小さくできるので、上記問題とされる電力消費を軽減することができる。
上記の電力消費を軽減したSiCショットキーダイオードでは、4H−SiC層又は6H−SiC層の上にこれらSiC層よりバンドギャップを小さくしたn型SiC層として3C−SiC層が形成されている。このため、上記のショットキーダイオードは次の問題を有する。 In the SiC Schottky diode with reduced power consumption, a 3C-SiC layer is formed on the 4H-SiC layer or 6H-SiC layer as an n-type SiC layer having a band gap smaller than that of the SiC layer. For this reason, the above Schottky diode has the following problems.
(1)3C−SiC層は、4H−SiC層又は6H−SiC層に比べて耐熱性が劣る。この理由は、順方向バイアス電流を流しやすくするために、バンドギャップの小さい3C−SiCを用いることにより、温度上昇に伴い価電子帯の電子が伝導帯に移りやすくなるからである。この結果、温度上昇により金属的な特性を示し、半導体としての特性が損なわれることになり、すなわち耐熱性が劣化する。 (1) The 3C—SiC layer is inferior in heat resistance to the 4H—SiC layer or the 6H—SiC layer. The reason for this is that by using 3C-SiC having a small band gap in order to make a forward bias current flow easily, electrons in the valence band easily move to the conduction band as the temperature rises. As a result, the metallic characteristics are exhibited by the temperature rise, and the characteristics as a semiconductor are impaired, that is, the heat resistance is deteriorated.
(2)他の問題は、オン抵抗が高くなることである。上記SiCショットキーダイオードでは、バンドギャップの小さい半導体層3C−SiC層を得るために、イオン注入又はエピタキシャル成長を用いている。詳細には、第1のn-型SiC層上に同一結晶構造のものをホモエピタキシャル成長させた後にその成長させた部分の結晶構造を3C−SiC層に変化させるためにイオン注入をする方法、または第1のn-型SiC層上に直接ヘテロエピタキシャルにより3C−SiC層を成長させる方法を用いている。しかし、イオン注入では、熱処理を行なっても完全に結晶性が改善せず、また、エピタキシャル成長では、ヘテロエピタキシャル成長となるため良好な結晶性の層を形成することが難しい。このため、イオン注入及びエピタキシャル成長で形成した3C-SiC層はともにキャリアに対する散乱が多く、3C-SiC自体での電気抵抗(オン抵抗)が高くなる。このため、バンドギャップの観点からは順方向バイアス電流を向上しやすくても、結晶性が良好でないことからオン抵抗は高くなってしまい、最終的な電力消費の軽減を十分達成することができない。 (2) Another problem is that the on-resistance becomes high. In the SiC Schottky diode, ion implantation or epitaxial growth is used to obtain the semiconductor layer 3C-SiC layer having a small band gap. Specifically, a method of performing ion implantation to change the crystal structure of the grown portion after homoepitaxial growth of the same crystal structure on the first n − -type SiC layer to a 3C—SiC layer, or A method of growing a 3C—SiC layer by heteroepitaxial directly on the first n − -type SiC layer is used. However, ion implantation does not completely improve the crystallinity even when heat treatment is performed, and epitaxial growth makes it difficult to form a layer with good crystallinity because heteroepitaxial growth occurs. For this reason, both of the 3C—SiC layers formed by ion implantation and epitaxial growth have a large amount of scattering with respect to carriers, and the electrical resistance (ON resistance) of 3C—SiC itself increases. For this reason, even if it is easy to improve the forward bias current from the viewpoint of the band gap, the on-resistance becomes high because the crystallinity is not good, and the final reduction of power consumption cannot be sufficiently achieved.
本発明の目的は、順方向バイアスにおけるショットキー障壁を低くした上で、結晶性に優れてオン抵抗が低く、かつ耐熱性を十分に確保した炭化珪素半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a silicon carbide semiconductor device having excellent crystallinity, low on-resistance, and sufficient heat resistance, and a method for manufacturing the same, with a low Schottky barrier in forward bias. Objective.
本発明の炭化珪素半導体装置は、第1導電型の六方晶炭化珪素半導体基板と、第1導電型の第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層と、第1導電型の第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層と、ショットキー金属層と、オーミック金属層とを備えている。六方晶炭化珪素半導体基板は主表面とその反対面の裏面を有している。第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層は、六方晶炭化珪素半導体基板の主表面上にエピタキシャル成長され、六方晶炭化珪素半導体基板よりも低い不純物濃度である。第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層は、第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層上にエピタキシャル成長され、かつ第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層と同じ結晶構造を有し、かつ第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層よりも高い積層欠陥密度を有している。ショットキー金属層は、第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層にショットキー接触されている。オーミック金属層は、六方晶炭化珪素半導体基板の裏面にオーミック接触されている。 A silicon carbide semiconductor device of the present invention includes a first conductivity type hexagonal silicon carbide semiconductor substrate, a first conductivity type first hexagonal silicon carbide epitaxial layer, and a first conductivity type second hexagonal silicon carbide epitaxial layer. And a Schottky metal layer and an ohmic metal layer. The hexagonal silicon carbide semiconductor substrate has a main surface and a back surface opposite to the main surface. The first hexagonal silicon carbide epitaxial layer is epitaxially grown on the main surface of the hexagonal silicon carbide semiconductor substrate and has a lower impurity concentration than that of the hexagonal silicon carbide semiconductor substrate. The second hexagonal silicon carbide epitaxial layer is epitaxially grown on the first hexagonal silicon carbide epitaxial layer and has the same crystal structure as that of the first hexagonal silicon carbide epitaxial layer. Has a high stacking fault density. The Schottky metal layer is in Schottky contact with the second hexagonal silicon carbide epitaxial layer. The ohmic metal layer is in ohmic contact with the back surface of the hexagonal silicon carbide semiconductor substrate.
上記構成により、順方向バイアスにおけるショットキー障壁を低くした上で、第2のエピタキシャル層自体が結晶性に優れてオン抵抗が低く、かつ耐熱性を十分に確保したショットキーダイオードを実現することができる。 With the above configuration, it is possible to realize a Schottky diode in which the second epitaxial layer itself has excellent crystallinity, low on-resistance, and sufficient heat resistance while lowering the Schottky barrier in the forward bias. it can.
具体的には、第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層は積層欠陥密度が高いので、積層欠陥密度の低い層と比べてショットキー障壁の高さが低下する。そのため、順方向バイアスにおける電流は流れやすい。 Specifically, since the second hexagonal silicon carbide epitaxial layer has a high stacking fault density, the height of the Schottky barrier is reduced as compared with a layer having a low stacking fault density. Therefore, the current in the forward bias tends to flow.
また、第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層と第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層とにバンドギャップの大きい六方晶炭化珪素を用いているため、温度を上昇させても電子が荷電子帯から伝導帯へ移りにくくなるため、半導体としての特性を損ないにくくなるので、耐熱性を向上させることができる。 Further, since hexagonal silicon carbide having a large band gap is used for the first hexagonal silicon carbide epitaxial layer and the second hexagonal silicon carbide epitaxial layer, electrons move from the valence band to the conduction band even if the temperature is increased. Since it becomes difficult to move, it becomes difficult to impair the characteristics as a semiconductor, so that heat resistance can be improved.
さらに、第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層と第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層とが同じ結晶構造のものからなるので、エピタキシャル成長は、従来のへテロエピタキシャル成長と異なりホモエピタキシャル成長となり、第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層は結晶性に優れた層となる。あるいは、従来必要となる場合があったイオン注入が不要となり、イオン注入時に生じる結晶性の悪化を生じることもないため、第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層は結晶性に優れた層となる。 Further, since the first hexagonal silicon carbide epitaxial layer and the second hexagonal silicon carbide epitaxial layer have the same crystal structure, the epitaxial growth is different from the conventional heteroepitaxial growth and is homoepitaxial growth, and the second hexagonal silicon carbide epitaxial layer is formed. The epitaxial layer is a layer having excellent crystallinity. Alternatively, ion implantation, which may be necessary in the past, is no longer necessary, and the crystallinity that occurs during ion implantation is not deteriorated. Therefore, the second hexagonal silicon carbide epitaxial layer is a layer having excellent crystallinity.
さらには、第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層が結晶性に優れていることから、キャリアに対する散乱が生じにくく抵抗への影響が少ないため、オン抵抗を低減することもできる。 Furthermore, since the second hexagonal silicon carbide epitaxial layer is excellent in crystallinity, scattering with respect to carriers hardly occurs and the influence on the resistance is small, so that the on-resistance can be reduced.
本発明の炭化珪素半導体装置は、第1導電型の六方晶炭化珪素半導体基板と、第1導電型の第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層と、第1導電型の第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層と、前記第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層を貫通して、前記第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層に達する溝部が設けられ、ショットキー金属層と、オーミック金属層とを備えている。六方晶炭化珪素半導体基板は主表面とその反対面の裏面を有している。第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層は、六方晶炭化珪素半導体基板の主表面上にエピタキシャル成長され、六方晶炭化珪素半導体基板よりも低い不純物濃度である。第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層は、第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層上にエピタキシャル成長され、かつ第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層と同じ結晶構造を有し、かつ第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層よりも高い積層欠陥密度を有している。ショットキー金属層は、第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層の上面と、溝部の端面および底面とにショットキー接触されている。オーミック金属層は、六方晶炭化珪素半導体基板の裏面にオーミック接触されている。 A silicon carbide semiconductor device of the present invention includes a first conductivity type hexagonal silicon carbide semiconductor substrate, a first conductivity type first hexagonal silicon carbide epitaxial layer, and a first conductivity type second hexagonal silicon carbide epitaxial layer. And a groove that penetrates through the second hexagonal silicon carbide epitaxial layer and reaches the first hexagonal silicon carbide epitaxial layer, and includes a Schottky metal layer and an ohmic metal layer. The hexagonal silicon carbide semiconductor substrate has a main surface and a back surface opposite to the main surface. The first hexagonal silicon carbide epitaxial layer is epitaxially grown on the main surface of the hexagonal silicon carbide semiconductor substrate and has a lower impurity concentration than that of the hexagonal silicon carbide semiconductor substrate. The second hexagonal silicon carbide epitaxial layer is epitaxially grown on the first hexagonal silicon carbide epitaxial layer and has the same crystal structure as that of the first hexagonal silicon carbide epitaxial layer. Has a high stacking fault density. The Schottky metal layer is in Schottky contact with the top surface of the second hexagonal silicon carbide epitaxial layer and the end surface and bottom surface of the groove. The ohmic metal layer is in ohmic contact with the back surface of the hexagonal silicon carbide semiconductor substrate.
上記方法により、逆方向電圧を印加した場合は、溝部の端面および底面から空乏層が伸びるため、低いオン抵抗を維持したまま、耐圧を向上させることが可能となる。 When a reverse voltage is applied by the above method, the depletion layer extends from the end face and the bottom face of the groove, so that the breakdown voltage can be improved while maintaining a low on-resistance.
溝部の端面および底面にショットキー接触するショットキー金属層の仕事関数を、第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層の上面にショットキー接触するショットキー金属層の仕事関数よりも大きくすることにより、溝部の端面および底面から空乏層が伸びやすくなり、耐圧特性を向上させることが可能となる。 By making the work function of the Schottky metal layer in Schottky contact with the end face and the bottom surface of the groove part larger than the work function of the Schottky metal layer in Schottky contact with the upper surface of the second hexagonal silicon carbide epitaxial layer, The depletion layer easily extends from the end face and the bottom face, and the breakdown voltage characteristics can be improved.
本発明の炭化珪素半導体装置の製造方法は、第1導電型の六方晶炭化珪素半導体基板上にCVD法により、成長温度1500〜1700℃で、六方晶炭化珪素半導体基板よりも低い不純物濃度の第1導電型の第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層をエピタキシャル成長する工程と、第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層上に、CVD法により、成長温度1200℃〜1400℃の成長温度で、第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層と同じ結晶構造を有する第1導電型の第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層をホモエピタキシャル成長する工程とを備える。 The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention includes a first conductivity type hexagonal silicon carbide semiconductor substrate formed by CVD at a growth temperature of 1500 to 1700 ° C. and having an impurity concentration lower than that of the hexagonal silicon carbide semiconductor substrate. A step of epitaxially growing a first conductivity type first hexagonal silicon carbide epitaxial layer, and a first hexagonal carbonization at a growth temperature of 1200 ° C. to 1400 ° C. by a CVD method on the first hexagonal silicon carbide epitaxial layer; And homoepitaxially growing a first conductivity type second hexagonal silicon carbide epitaxial layer having the same crystal structure as that of the silicon epitaxial layer.
上記方法により、第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層中に、第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層よりも高い密度の積層欠陥を導入することができる。この結果、本発明の炭化珪素半導体装置を効率よく安定生産することができる。 By the above method, stacking faults having a higher density than that of the first hexagonal silicon carbide epitaxial layer can be introduced into the second hexagonal silicon carbide epitaxial layer. As a result, the silicon carbide semiconductor device of the present invention can be efficiently and stably produced.
図1は、本発明の炭化珪素半導体装置を示す図である。本発明の炭化珪素半導体装置は、主表面とその反対面の裏面1bとを有し、第1導電型の六方晶炭化珪素半導体基板1と、六方晶炭化珪素半導体基板1の主表面上にエピタキシャル成長され、その六方晶炭化珪素半導体基板1よりも低い不純物濃度の第1導電型の第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層2と、第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層2上にエピタキシャル成長され、かつ第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層2と同じ結晶構造を有し、かつ第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層2よりも高い積層欠陥密度を有する第1導電型の第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層3と、第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層3にショットキー接触されたショットキー金属層5と、六方晶炭化珪素半導体基板1の裏面1bにオーミック接触されたオーミック金属層4とを備える。なお、第1導電型は、n型でもp型でもよい。
FIG. 1 is a diagram showing a silicon carbide semiconductor device of the present invention. The silicon carbide semiconductor device of the present invention has a main surface and a
ショットキー金属層5には、Ti、Niなどを用いることができる。また、オーミック金属層4には、Ti、Niなどを用いることができる。
Ti, Ni, or the like can be used for the
第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層3の積層欠陥密度は500cm-1以上であり、第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層2の積層欠陥密度はそれより小さくする。第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層の積層欠陥密度は、好ましくは750cm-1以上、より好ましくは1000cm-1以上、さらに非常に好ましくは1250cm-1以上とする。第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層2の積層欠陥密度は、500cm-1未満であればよく、良好な結晶性を確保する観点から250cm-1以下、さらに好ましくは100cm-1以下、さらに非常に好ましくは50cm-1以下とするのがよい。これらの積層欠陥密度の範囲内であれば、第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層2の比抵抗をそれほど上昇させずに、ショットキー障壁を低くすることができるからである。六方晶炭化珪素半導体基板の積層欠陥密度は10cm-1程度である。
The stacking fault density of the second hexagonal silicon
上記の半導体装置はショットキーダイオード10を構成しており、アノード電極(ショットキー金属層)5と、カソード電極(オーミック金属層)4とを備えている。本半導体装置では、第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層2は積層欠陥フリー(低積層欠陥密度)とされ、第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層3に積層欠陥が導入され、アノード電極のショットキー金属層5が、第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層2および第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層3にショットキー接触している。積層欠陥密度の高い6H-SiCまたは4H-SiCエピタキシャル層にショットキー障壁を形成すると、積層欠陥密度の低い上記六方晶炭化珪素エピタキシャル層と比べて、その障壁高さが低くなる。なお、積層欠陥密度の高い4H-SiC基板を用いて、その基板から積層欠陥を引き継いだ4H-SiCエピタキシャル層について、上記のショットキー障壁高さが低下することは、たとえばB.J.Skromme et.al., Effects of Structural Defects on Diode Properties in 4H-SiC, Mat.Res.Soc.Symp.Proc.Vol.742,K3.4.1-6に示されている。
The semiconductor device described above constitutes a
この構成により、上述のように、順方向バイアスにおけるショットキー障壁を低くした上で、結晶性に優れてオン抵抗が低く、かつ耐熱性を十分に確保することができる。 With this configuration, as described above, the Schottky barrier in the forward bias is lowered, the crystallinity is excellent, the on-resistance is low, and sufficient heat resistance can be ensured.
具体的には、第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層3を積層欠陥密度の高い層としているため、ショットキー障壁の高さが低下する。そのため、順方向バイアスにおいて電流が流れやすくなる。
Specifically, since the second hexagonal silicon
また、六方晶炭化珪素半導体基板1、第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層2、および第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層3にバンドギャップの大きい4H−SiCもしくは6H−SiCを用いているため、温度を上昇させても電子が価電子帯から伝導帯へ移りにくくなるため、半導体としての特性を損ないにくくなるので、耐熱性を向上させることができる。
Since the hexagonal silicon
さらに、第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層2と、第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層3とは同じ結晶構造のものからなるので、イオン注入は不要となる。そのため、第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層3はホモエピタキシャル成長となり、結晶性の優れたものとすることができる。あるいは、第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層3は、第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層2よりも積層欠陥密度が高いためイオン注入が不要となり、イオン注入時に生じる欠陥よりも積層欠陥による結晶性の方が結晶性は良好のため、結晶性の優れたものとすることができる。
Furthermore, since the first hexagonal silicon
さらには、結晶性が良好なため、キャリアに対する散乱が生じにくく抵抗への影響が少ない。そのため、オン抵抗を小さくすることもできる。 Furthermore, since the crystallinity is good, scattering with respect to carriers hardly occurs and the influence on the resistance is small. Therefore, the on-resistance can be reduced.
図2は、本発明の炭化珪素半導体装置を示す図である。図2を参照して、高いn型不純物濃度のn+六方晶炭化珪素半導体基板1の主表面に、それより不純物濃度が低いn-第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層2が形成されている。六方晶炭化珪素エピタキシャル層2の上に、積層欠陥密度が高いn-第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層3が形成されている。このn-第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層3は、n-第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層2と同じ結晶構造を有するものであり、n-第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層2上にホモエピタキシャル成長により形成されるものである。このため、n+六方晶炭化珪素半導体基板1が4H−SiCである場合には、n-第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層2およびn-第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層3も4H−SiCであり、n+六方晶炭化珪素半導体基板1が6H−SiCである場合には、n-第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層2およびn-第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層3も6H−SiCである。
FIG. 2 is a diagram showing a silicon carbide semiconductor device of the present invention. Referring to FIG. 2, n − first hexagonal silicon
n-第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層3の表面には溝部7が形成されている。この溝部7は、n-第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層3を貫通し、n-第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層2に達している。アノード電極となるショットキー金属層5は、n-第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層3とショットキー接触するとともにn-第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層2ともショットキー接触している。また、n+六方晶炭化珪素半導体基板1の裏面1bにはカソード電極となるオーミック金属層4が六方晶炭化珪素半導体基板1とオーミック接触している。ショットキー金属層5には、Ti、Niなどを用いることができる。また、オーミック金属層4には、Ti、Niなどを用いることができる。
また、順方向バイアスの電流密度を十分確保するため、n-第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層3の幅w2は、n-第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層2の溝部底の幅w1と同じ程度であることが望ましい。n-第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層2がショットキー金属層5と接している面積と、n-第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層3がショットキー金属層5と接触している面積とが同じ程度であることが望ましい。
Further, in order to secure a sufficient current density of the forward bias, n - the width w 2 of the second hexagonal silicon
n-第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層3の積層欠陥密度は500cm-1以上であり、n-第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層2の積層欠陥密度はそれより小さくする。n-第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層の積層欠陥密度は、好ましくは750cm-1以上、より好ましくは1000cm-1以上、さらに非常に好ましくは1250cm-1以上とする。n-第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層2の積層欠陥密度は、500cm-1未満であればよく、良好な結晶性を確保する観点から250cm-1以下、さらに好ましくは100cm-1以下、さらに非常に好ましくは50cm-1以下とするのがよい。これらの積層欠陥密度の範囲内であれば、n-第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層2の比抵抗をそれほど上昇させずに、ショットキー障壁を低くすることができるからである。六方晶炭化珪素半導体基板の積層欠陥密度は10cm-1程度である。
The stacking fault density of the n − second hexagonal silicon
上記の構成においては、ショットキー金属層5に相対的に正の電位を、オーミック金属層4に相対的に負の電位を印加する順方向バイアスでは、SiCの伝導帯の電子は低いショットキー障壁を持つn-第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層3とショットキー金属層5との界面を通って金属層側に高密度で流れる。すなわちこの場合、オン抵抗は低く、電力消費量は抑制される。一方、ショットキー金属層5に相対的に負の電位を、オーミック金属層4に相対的に正の電位を印加する逆方向バイアスでは、n-第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層3とショットキー金属層5との界面においてショットキー障壁が高くなり、SiCの伝導帯の電子は上記界面を金属層側に向かって流れることが妨げられる。
In the above configuration, in the forward bias in which a relatively positive potential is applied to the
また、n-第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層2とショットキー金属層5との界面では、電圧印加しない状態でn-第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層3とショットキー金属層5との界面よりもショットキー障壁は高かったのであるから、電子の流れはより強く妨げられる。また、n-第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層3とショットキー金属層5との界面でn-第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層3の側に張り出す空乏層は、溝部7の底の位置レベルとn-第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層2およびn-第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層3の界面の位置レベルとの間隔dと上記幅w1との関係において、実質的にアノードとカソードとの両電極間の電流を遮断する。
Further, n - at the interface between the first hexagonal silicon
n-第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層2とショットキー金属層5との界面とオーミック金属層4との間の距離は、n-第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層3とショットキー金属層5との界面とオーミック金属層4との間の距離より短いので、耐圧性能は、n-第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層2によって決められる。n-第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層は、積層欠陥密度が低く、かつ不純物濃度が低い第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層から形成されるので、六方晶炭化珪素が有する本来の高い耐圧性能を確保することができる。
n - the distance between the interface and the
上記本発明の実施の形態における炭化珪素半導体装置は、耐熱性を向上し順方向バイアス電流を流しやすくした上で、逆バイアスにおける耐圧性能をも確保することを達成できる。しかし、逆バイアスでの耐圧性はどのようにでもできるので、本発明の最も広い目的である、順方向バイアスにおけるショットキー障壁を低くした上で、結晶性に優れてオン抵抗が低く、かつ耐熱性を十分に確保するためには、次に示す炭化珪素半導体装置がその根幹となる要素を含む。すなわち、オン抵抗を低くして耐熱性を確保しようとする場合、図1に示す炭化珪素半導体装置が最もシンプルな構成で、その機能を果たす。 The silicon carbide semiconductor device according to the above-described embodiment of the present invention can achieve high withstand voltage performance in reverse bias while improving heat resistance and allowing a forward bias current to flow easily. However, since the withstand voltage in reverse bias can be set in any way, the widest purpose of the present invention, which is the Schottky barrier in the forward bias, is low, the on-resistance is low, and the heat resistance is high. In order to sufficiently secure the characteristics, the following silicon carbide semiconductor device includes a basic element. That is, when it is intended to ensure heat resistance by lowering the on-resistance, the silicon carbide semiconductor device shown in FIG. 1 fulfills its function with the simplest configuration.
さらに、逆バイアスにおける耐圧性を確保するためには、溝部7の端面および底面にショットキー接触するショットキー金属層の仕事関数を、第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層3の上面にショットキー接触するショットキー金属層の仕事関よりも大きくするほうが良い。
Furthermore, in order to ensure the breakdown voltage in the reverse bias, the work function of the Schottky metal layer that makes a Schottky contact with the end face and the bottom surface of the
上記の第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層2の主表面は、basal面(六方晶の(0001)面)に対してオフを有する面であるようにするのがよい。これは、第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層3に積層欠陥を生成させやすくするためである。
The main surface of the first hexagonal silicon
次に、上記図1の炭化珪素半導体装置の製造方法について説明する。n+六方晶炭化珪素半導体基板1の主表面に、CVD法により、成長温度1500〜1700℃で六方晶炭化珪素半導体基板1よりも低い不純物濃度のn−の第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層2をエピタキシャル成長する。その後、n−第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層2上に、CVD法により、成長温度1200℃〜1400℃の成長温度で、n−第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層2と同じ結晶構造を有するn−第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層3をホモエピタキシャル成長する。この方法により、n−第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層3中に積層欠陥を、n−第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層2よりも高密度で導入することができる。ここで、成長温度は、たとえばn+六方晶炭化珪素半導体基板1を載せるサセプタの上面の温度とする。n−第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層2の成長温度は、良好な結晶性を得るために1500℃以上とするのがよい。第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層2の成長上限温度は1700℃とするのがよい。
Next, a method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device of FIG. 1 will be described. An n − first hexagonal silicon
上記のn−第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層2の主表面は、basal面に対してオフを有する面であるようにできる。上記主表面をbasal面に対してオフを有する面とすることにより、上記条件下でn−第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層3に積層欠陥を導入しやすくなる。たとえばオフ角度は(0001)面に対して、1°〜90°の範囲とするのがよい。
The above n - first hexagonal main surface of the silicon
また、上記n−第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層の成長工程のCVD法におけるSi系ガスとC系ガスの比率(C/Si比)を、n−第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層の成長工程のCVD法におけるC/Si比よりも高くすることができる。この条件を課すことにより、積層欠陥をn−第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層に導入するのがさらに容易になる。 Further, the n - ratio of Si-based gas and C-containing gas in the CVD method of the second hexagonal silicon carbide epitaxial layer growth step of (C / Si ratio), n - growth process of the first hexagonal silicon carbide epitaxial layer The C / Si ratio in the CVD method can be made higher. By imposing this condition, the stacking faults the n - in even easier to introduce into the second hexagonal silicon carbide epitaxial layer.
上記の六方晶は、積層方向の1周期に含まれる層数が4の4H-SiCでもよいし、また上記層数が6の6H-SiCでもよい。4H-SiC及び6H-SiCは高温で安定であり、耐熱性に優れる。また、積層欠陥を導入することによりショットキー障壁を低くすることができる。 The hexagonal crystal may be 4H—SiC having four layers included in one period in the stacking direction, or 6H—SiC having six layers. 4H—SiC and 6H—SiC are stable at high temperatures and have excellent heat resistance. Moreover, the Schottky barrier can be lowered by introducing stacking faults.
上記実施の形態における製造方法を包含することになるが、本発明の製造方法を、より包括的に説明すれば、本発明の炭化珪素半導体装置の製造方法は、第1導電型の六方晶炭化珪素半導体基板1上にCVD法により、成長温度1500〜1700℃で、六方晶炭化珪素半導体基板1よりも低い不純物濃度の第1導電型の第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層2をエピタキシャル成長する工程と、第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層2上に、CVD法により、成長温度1200℃〜1400℃の成長温度で、第1導電型の第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層3をエピタキシャル成長する工程とを備える。この方法により、第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層2より高密度の積層欠陥を第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層3に導入することができる。
Although the manufacturing method in the above embodiment is included, the manufacturing method of the present invention will be described more comprehensively. The manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device of the present invention is a hexagonal carbonization of the first conductivity type. A step of epitaxially growing a first conductivity type first hexagonal silicon
また、第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層の成長工程のCVD法におけるSi系ガスとC系ガスの比率(C/Si)比を、第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層の成長工程のCVD法における(C/Si)比よりも高くすることができる。この方法により、さらに第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層に積層欠陥を高密度で導入することが容易化される。 In addition, the ratio of the Si-based gas to the C-based gas (C / Si) ratio in the CVD method in the growth process of the second hexagonal silicon carbide epitaxial layer is the same as that in the CVD method in the growth process of the first hexagonal silicon carbide epitaxial layer. C / Si) ratio. This method further facilitates the introduction of stacking faults at a high density into the second hexagonal silicon carbide epitaxial layer.
次に示すショットキーダイオードの試験体を用いて、本発明の効果を検証した。
(本発明例1)
図1に示す試験体を以下の方法にて作製した。まず、n型4H−SiC基板(比抵抗:0.02Ωcm、Si面(0001面)、8°off、積層欠陥密度:10cm-1)上に、以下の条件により第1n型4H−SiCエピタキシャル層(膜厚:7.4μm、不純物濃度:5×1015cm-3、積層欠陥密度:10cm-1)および第2n型4H−SiCエピタキシャル層(膜厚:0.1μm、不純物濃度:5×1015cm-3、積層欠陥密度:5000cm-1)をCVDエピタキシャル成長法により積層した。
(第1n型4H−SiCエピタキシャル層の成長条件)
温度 1500℃
雰囲気 水素:12slm、シラン:4sccm、プロパン:2.67sccm、窒素:0.001sccm
圧力 750Torr
(第2n型4H−SiCエピタキシャル層の成長条件)
温度 1350℃
雰囲気 水素:12slm、シラン:4sccm、プロパン:5.33sccm、窒素:0.015sccm
圧力 750Torr
エピタキシャル成長後、オーミック電極として、裏面にNiを蒸着し、その後Ar雰囲気中で1000度、2分間の熱アニールを実施した。裏面のオーミック電極を作製した後、第2n型4H−SiCエピタキシャル層上にNiを蒸着し、ショットキーダイオードを作製した。
The effects of the present invention were verified using the following test pieces of Schottky diodes.
(Invention Example 1)
The test body shown in FIG. 1 was produced by the following method. First, on the n-type 4H—SiC substrate (specific resistance: 0.02 Ωcm, Si face (0001 face), 8 ° off, stacking fault density: 10 cm −1 ), the first n-type 4H—SiC epitaxial layer is formed under the following conditions. (Film thickness: 7.4 μm, impurity concentration: 5 × 10 15 cm −3 , stacking fault density: 10 cm −1 ) and second n-type 4H—SiC epitaxial layer (film thickness: 0.1 μm, impurity concentration: 5 × 10 15 cm −3 , stacking fault density: 5000 cm −1 ) were stacked by a CVD epitaxial growth method.
(Growth conditions for first n-type 4H-SiC epitaxial layer)
Temperature 1500 ° C
Atmosphere Hydrogen: 12 slm, Silane: 4 sccm, Propane: 2.67 sccm, Nitrogen: 0.001 sccm
Pressure 750 Torr
(Growth conditions for second n-type 4H-SiC epitaxial layer)
Temperature 1350 ° C
Atmosphere Hydrogen: 12 slm, Silane: 4 sccm, Propane: 5.33 sccm, Nitrogen: 0.015 sccm
Pressure 750 Torr
After epitaxial growth, Ni was vapor-deposited on the back surface as an ohmic electrode, and then thermal annealing was performed at 1000 ° C. for 2 minutes in an Ar atmosphere. After producing the ohmic electrode on the back surface, Ni was evaporated on the second n-type 4H—SiC epitaxial layer to produce a Schottky diode.
(比較例)
図1に示す構造において、第2n型4H−SiCエピタキシャル層も、第1n型4H−SiCエピタキシャル層と同じ成長条件で成長し、その他の作製条件は同一として比較例も作製した。この場合、第2n型4H−SiCエピタキシャル層と便宜上記載しているが、第1n型4H−SiCエピタキシャル層と同じ成長条件で成長しているため、第2n型4H−SiCエピタキシャル層と第1n型4H−SiCエピタキシャル層の積層欠陥密度に差は無く、両者の間に明確な境界は存在しない。
(Comparative example)
In the structure shown in FIG. 1, the second n-type 4H—SiC epitaxial layer was also grown under the same growth conditions as the first n-type 4H—SiC epitaxial layer, and the other production conditions were the same, and a comparative example was also produced. In this case, the second n-type 4H-SiC epitaxial layer is described for convenience, but the second n-type 4H-SiC epitaxial layer and the first n-type epitaxial layer are grown under the same growth conditions as the first n-type 4H-SiC epitaxial layer. There is no difference in the stacking fault density of the 4H—SiC epitaxial layer, and there is no clear boundary between them.
順方向電圧を変えて電流密度を測定した結果を図3に示す。図3の結果は、第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層を第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層の積層欠陥密度よりも高くした本発明例1では、素子のオン電流の目安となる電流密度100A/cm-2となる順方向電圧が約0.3V小さくなることを示し、実効的なオン抵抗は約20%小さくできる。このオン抵抗の低減はきわめて大きく、電力消費の低減に寄与することができる。しかも、耐圧性能は上記のように従来と同じ性能を確保することができる。 The result of measuring the current density while changing the forward voltage is shown in FIG. The result of FIG. 3 shows that in Example 1 of the present invention in which the second hexagonal silicon carbide epitaxial layer is higher than the stacking fault density of the first hexagonal silicon carbide epitaxial layer, the current density is 100 A / cm, which is a measure of the on-state current of the device. This shows that the forward voltage at −2 is reduced by about 0.3 V, and the effective on-resistance can be reduced by about 20%. This reduction in on-resistance is extremely large and can contribute to a reduction in power consumption. In addition, as described above, the pressure resistance performance can ensure the same performance as the conventional one.
(本発明例2)
図2に示す試験体を以下の方法により作製した。まず、n型4H−SiC基板(比抵抗:0.02Ωcm、Si面(0001面)、8°off、積層欠陥密度:10cm-1)上に、以下の条件により第1n型4H−SiCエピタキシャル層(膜厚:7.4μm、不純物濃度:5×1015cm-3、積層欠陥密度:10cm-1)、および第2n型4H−SiCエピタキシャル層(膜厚:0.1μm、不純物濃度:5×1015cm-3、積層欠陥密度:5000cm-1)をCVDエピタキシャル成長法により積層した。エピタキシャル成長条件は、本発明例1と同様である。エピタキシャル成長後、フォトリソグラフと、RIEエッチングを利用して、W1=1μm、W2=1μm、d=0.2μmとなるように、溝を形成した。溝形成後、オーミック電極として、裏面にNiを蒸着し、その後Ar雰囲気中で1000度、2分間の熱アニールを実施した。裏面のオーミック電極を作製した後、第2n型4H−SiCエピタキシャル層上にNiを蒸着し、ショットキーダイオードを作製した。
(Invention Example 2)
The test body shown in FIG. 2 was produced by the following method. First, on the n-type 4H—SiC substrate (specific resistance: 0.02 Ωcm, Si face (0001 face), 8 ° off, stacking fault density: 10 cm −1 ), the first n-type 4H—SiC epitaxial layer is formed under the following conditions. (Film thickness: 7.4 μm, impurity concentration: 5 × 10 15 cm −3 , stacking fault density: 10 cm −1 ), and second n-type 4H—SiC epitaxial layer (film thickness: 0.1 μm, impurity concentration: 5 × 10 15 cm −3 , stacking fault density: 5000 cm −1 ) were stacked by a CVD epitaxial growth method. Epitaxial growth conditions are the same as in Example 1 of the present invention. After the epitaxial growth, grooves were formed by using photolithography and RIE etching so that W1 = 1 μm, W2 = 1 μm, and d = 0.2 μm. After forming the groove, Ni was vapor-deposited on the back surface as an ohmic electrode, and then thermal annealing was performed at 1000 degrees for 2 minutes in an Ar atmosphere. After producing the ohmic electrode on the back surface, Ni was evaporated on the second n-type 4H—SiC epitaxial layer to produce a Schottky diode.
上記のような構成において、ショットキー電極側に逆方向電圧を印加した場合、溝の底面および端面から空乏層が伸びるため、1kV印加時におけるリーク電流が、本発明例1と比較して2桁程度低減する。 In the configuration as described above, when a reverse voltage is applied to the Schottky electrode side, the depletion layer extends from the bottom and end surfaces of the groove, so that the leakage current when applying 1 kV is 2 digits compared to Example 1 of the present invention. Reduce the degree.
図4に示す試験体を以下の方法により作製した。溝7の形成までの作製プロセスは本発明例2と同一である。溝7の形成後、オーミック電極4として、裏面にNiを蒸着し、その後Ar雰囲気中で1000度、2分間の熱アニールを実施した。裏面のオーミック電極4を作製した後、第2n型4H−SiCエピタキシャル層の凸部の表面25にNiを蒸着し、かつ、溝部の底面および端面26にAuを蒸着し、最後にNiとAuの上27にAlを積層し、NiとAuを電気的に接続した。
The test body shown in FIG. 4 was produced by the following method. The manufacturing process up to the formation of the
上記のような構成において、ショットキー電極側に逆方向電圧を印加した場合、溝の底面および端面から空乏層が本発明例1と比較して伸びやすくなるため、本発明1の1kV印加時におけるリーク電流が、本発明例1と比較して4桁程度低減する。 In the configuration as described above, when a reverse voltage is applied to the Schottky electrode side, the depletion layer is likely to extend from the bottom and end surfaces of the groove as compared with Example 1 of the present invention. The leakage current is reduced by about 4 digits as compared with the first example of the present invention.
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
本発明は、その独自の構造に拠り、耐圧性能を確保した上でオン抵抗を低減したショットキーダイオードを実現できるので、省電力用のダイオードとして広く用いられることが期待される。 Since the present invention can realize a Schottky diode with reduced on-resistance while ensuring withstand voltage performance due to its unique structure, it is expected to be widely used as a power-saving diode.
1 六方晶炭化珪素半導体基板、2 第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層、3 第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層、4 オーミック金属層、5 ショットキー金属層、7 溝部、10 炭化珪素半導体装置、d 溝部の底と第1及び第2のエピタキシャル層界面との距離、W1 溝部底の第1のエピタキシャル層の幅、W2 第2のエピタキシャル層の幅。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記六方晶炭化珪素半導体基板の主表面上にエピタキシャル成長され、前記六方晶炭化珪素半導体基板よりも低い不純物濃度の第1導電型の第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層と、
前記第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層上にエピタキシャル成長され、かつ前記第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層と同じ結晶構造を有し、かつ前記第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層よりも高い積層欠陥密度を有する、第1導電型の第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層と、
前記第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層にショットキー接触されたショットキー金属層と、
前記六方晶炭化珪素半導体基板の裏面にオーミック接触されたオーミック金属層とを備えた、炭化珪素半導体装置。 A hexagonal silicon carbide semiconductor substrate of the first conductivity type having a main surface and a back surface opposite to the main surface;
A first conductivity type first hexagonal silicon carbide epitaxial layer epitaxially grown on the main surface of the hexagonal silicon carbide semiconductor substrate and having a lower impurity concentration than the hexagonal silicon carbide semiconductor substrate;
Epitaxially grown on the first hexagonal silicon carbide epitaxial layer, has the same crystal structure as the first hexagonal silicon carbide epitaxial layer, and has a higher stacking fault density than the first hexagonal silicon carbide epitaxial layer A first conductivity type second hexagonal silicon carbide epitaxial layer;
A Schottky metal layer in Schottky contact with the second hexagonal silicon carbide epitaxial layer;
A silicon carbide semiconductor device comprising: an ohmic metal layer in ohmic contact with the back surface of the hexagonal silicon carbide semiconductor substrate.
前記第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層に、CVD法により、成長温度1200℃〜1400℃の成長温度で、前記第1六方晶炭化珪素エピタキシャル層と同じ結晶構造を有する第1導電型の第2六方晶炭化珪素エピタキシャル層をホモエピタキシャル成長する工程とを備える、炭化珪素半導体装置の製造方法。 A first conductivity type first hexagonal silicon carbide epitaxial layer having a lower impurity concentration than that of the hexagonal silicon carbide semiconductor substrate at a growth temperature of 1500 to 1700 ° C. by CVD on the first conductivity type hexagonal silicon carbide semiconductor substrate. Epitaxially growing the layers;
A first conductivity type second hexagon having the same crystal structure as that of the first hexagonal silicon carbide epitaxial layer is formed on the first hexagonal silicon carbide epitaxial layer by a CVD method at a growth temperature of 1200 ° C. to 1400 ° C. And a method for homoepitaxially growing a crystalline silicon carbide epitaxial layer.
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