JP5044117B2 - 炭化珪素バイポーラ型半導体装置 - Google Patents
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Description
型基板1の他方の面にn型ドリフト層2が形成され、n型ドリフト層2の中央部にp型電荷注入層3が形成されている。p型電荷注入層3の両側には、ターミネーション用のp型層51が形成されている。
μmのp型電荷注入層3の両端部分を深さ4μmまでメサエッチングで除去することにより形成される。メサ構造を形成した後、電界集中を緩和するためのターミネーション用のp型層52が形成される。素子表面は、アノード電極6を設ける部分を除いて当該表面に形成された二酸化珪素の膜(パッシベーション層4)で保護されている。
松波弘之編著 「半導体SiC技術と応用」 日刊工業新聞社 2003年3月31日 218−221頁 マテリアルス サイエンス フォーラム(Materials Science Forum)ボリューム389−393 2000年 1349−1352頁 International Conference on Silicon Carbide, III-Nitride and Related Materialsの予稿集 1997年 136−137頁 マテリアルス サイエンス フォーラム(Materials Science Forum)ボリューム483−485 2005年 969−972頁 ジャーナル オブ アプライド フィジックス(Journal of Applied Physics) ボリューム95 No.3 2004年 1485−1488頁 ジャーナル オブ アプライド フィジックス(Journal of Applied Physics) ボリューム92 No.8 2004年 4699−4704頁 ジャーナル オブ クリスタル グロウス(Journal of Crystal Growth) ボリューム262 2004年 130−138頁
らの層をエピタキシャル成長させる工程において、n+基板1に存在するベーサルプレー
ン転位(basal plane dislocation)の一部がSiCエピタキシャル膜にそのまま伝播す
る。
陥として発生し、その面積は通電時間の増加に伴って拡大する。
本発明は、メサ型形状をもつ炭化珪素バイポーラ型半導体装置において、積層欠陥の発生およびその面積拡大を抑制し、これにより順方向電圧の増加を抑制することを目的としている。
前記炭化珪素ドリフト層の表面にエピタキシャル成長法により第2導電型の炭化珪素電荷注入層が形成され、
前記炭化珪素ドリフト層および前記炭化珪素電荷注入層が形成された側の素子面にメサ構造が形成された炭化珪素バイポーラ型半導体装置であって、
メサ壁部またはメサ壁部およびメサ周辺部に、その表面とpn接合界面とを空間的に分離する通電劣化防止層が形成されていることを特徴とする。
通常は不純物濃度の相違によって第2導電型の炭化珪素電荷注入層との境界が区別される。しかし、炭化珪素導電層と炭化珪素電荷注入層との境界は必ずしも明確である必要はない。
前記通電劣化防止層が、イオン打ち込みによって形成した第2導電型の炭化珪素導電層である場合で且つ、不純物濃度が十分高い炭化珪素低抵抗層の場合この炭化珪素低抵抗層は、抵抗が小さいので逆方向電圧の印加時に実質的に等電位となる。ここで「実質的に等電位」とは、炭化珪素低抵抗層の表面側のみが等電位である場合を含み、またメサ壁部やメサ周辺部の表面における電界集中を抑止できる程度に電位差が充分に小さい場合を含む。
このように金属膜を設けることで、逆方向電圧の印加時においてメサ壁部やメサ周辺部の表面電位が全体として等電位となる。このため、層全体に電界分布が無く、逆方向電圧の印加時においてメサ壁部やメサ周辺部の表面を通じた電流の流れが抑制される。すなわち、メサ壁面やメサ端部近傍の表面に形成された欠陥や荒れにより生ずる電界集中が防止され、これらの欠陥や荒れを起点とした耐電圧の低下やリーク電流の発生を抑制することができる。
炭化珪素単結晶へのイオン打ち込みによって形成されたアモルファス層は、高抵抗であるので、メサ壁部の表面には電界分布は存在するが、抵抗によって逆方向電圧の印加時にメサ壁部やメサ周辺部の表面を通じた電流の流れが抑制される。すなわち、メサ壁面やメサ端部近傍の表面に形成された欠陥や荒れにより生ずる電界集中が防止され、これらの欠陥や荒れを起点とした耐電圧の低下やリーク電流の発生を抑制することができる。
この電界緩和層は、通電劣化防止層から連続して形成されていることが好ましい。
また、電界緩和層は、JTE(Junction Termination Extension)構造であることが好ましい。
電界緩和層の外周縁部には、イオン打ち込みによって、第1導電型である第2の通電劣化防止層が形成されていることが好ましい。
また本発明の炭化珪素バイポーラ型半導体装置は、逆方向電圧の印加時における耐圧性能が高い。
1の上に、エピタキシャル成長法によって不純物濃度が低いn型ドリフト層2が形成されている。
p型電荷注入層3からn型ドリフト層2へのpn接合界面を介した通電経路となる領域は、台状のメサを形成することによって素子構造が周囲から分離されている。このメサ型形状は、エピタキシャル成長法により形成されたn型ドリフト層2およびp型電荷注入層3をメサエッチング法の一種である反応性イオンエッチング法によりエッチングして形成される。
0℃の熱処理を行う。
例えば、素子表面のパッシベーション膜4の形成時に熱酸化によって素子裏面に形成された膜をn+基板1から剥離した後、電子線加熱蒸着器を用いてニッケル等を蒸着し、その
後熱処理を行うことによって形成される。
n+基板1:厚さ350μm、不純物濃度7.5×1018cm-3
n型ドリフト層2:厚さ60μm、不純物濃度5×1014cm-3
p型電荷注入層3:厚さ2μm、不純物濃度3×1018cm-3
メサ壁部7の高さ:4μm
p型導電層20:厚さ640nm、不純物濃度1.5×1017cm-3
p型導電層20は、メサ壁部7の表面とpn接合界面とを空間的に分離する通電劣化防止層として機能する。p型導電層20を設けることによって、メサ壁部7の表面における電子と正孔の再結合が防止される。これにより、メサ壁部7の表面に存在する荒れ、欠陥に起因する積層欠陥の発生およびその面積拡大が大幅に抑制される。
また、p型導電層20の不純物濃度は、好ましくは1018cm-3以下、より好ましくは1×1017cm-3〜5×1017cm-3、さら好ましくは1×1017cm-3〜2×1017cm-3である。
界緩和層31を形成している。この電界緩和層31は、p型の不純物をイオン打ち込みすることによって形成される。
電界緩和層31は、メサの周囲に環状に形成される。また、電界緩和層31は、p型導電層20から連続して形成されていることが好ましい。
n+基板1:厚さ350μm、ドーピング濃度7.5×1018cm-3
n型ドリフト層2:厚さ60μm、ドーピング濃度5×1014cm-3
p型電荷注入層3:厚さ2μm、ドーピング濃度3×1018cm-3
メサ壁部7の高さ:4μm
p型低抵抗層11:厚さ120nm、ドーピング濃度2.5×1020cm-3
p型導電層21:厚さ440nm、ドーピング濃度1.5×1017cm-3
上述したように、p型低抵抗層11は、メサ壁部7の表面とpn接合界面とを空間的に分離する通電劣化防止層として機能する。p型低抵抗層11を設けることによって、メサ壁部7の表面における電子と正孔の再結合が防止される。これにより、メサ壁部7の表面に存在する荒れ、欠陥に起因する積層欠陥の発生およびその面積拡大を大幅に抑制される
。
また、p型低抵抗層11の不純物濃度は、好ましくは1019cm-3以上、より好ましく
は1×1019cm-3〜1×1022cm-3、さら好ましくは1×1020cm-3〜1×1021cm-3である。不純物濃度が薄過ぎると逆方向電圧の印加時にp型低抵抗層11が等電位にならなくなる。一方、不純物濃度が濃すぎると、p型低抵抗層11の形成時に新たな結晶欠陥を生じ易くなる。
p型導電層21の不純物濃度は、好ましくは1×1018cm-3以下、より好ましくは1×1017cm-3〜5×1017cm-3、さらに好ましくは1×1017cm-3〜2×1017cm-3である。不純物濃度が濃過ぎると、p型導電層21からn型ドリフト層2へ電荷が注入される場合がある。また、不純物濃度が薄過ぎると、イオン打ち込みを深く行う必要がある。
電界緩和層31は、メサの周囲に環状に形成される。また、電界緩和層31は、p型低抵抗層11から連続して形成されていることが好ましい。
以下、図6を参照しながら、本実施形態のpnダイオードの製造方法の一例について説明する。
基板1の上に、厚さ60μm、不純物濃度5×1014cm-3のn型ドリフト層2をエピタキシャル成長法により形成する。このn型ドリフト層2の上に、厚さ2μm、不純物濃度3×1018cm-3のp型電荷注入層3をエピタキシャル成長法により形成する。
メサを形成した後、素子表面に熱酸化膜を形成し、この熱酸化膜を剥離することによっ
て、SiCの表面欠陥を低減する。
次に、図6(b)に示したように、メサ壁部7およびその近傍のメサ周辺部に斜め上方からアルミニウムをイオン打ち込みして、メサ壁部7の表面からの深さが640nm、ドーピング濃度が1.5×1017cm-3であるp型導電層21を形成する。同時に、表面からの深さが400nm、ドーピング濃度が6×1017cm-3であるp型ターミネーション31aを形成する。
p型低抵抗層11を形成した後、注入イオンを活性化するため、アルゴンガス雰囲気中で1800℃の熱処理を行う。その後、熱酸化膜を形成しこれをパッシベーション膜4とする(図6(d))。
器を用いてニッケルを蒸着し、熱処理を行うことでカソード電極を形成する。同様に、p型電荷注入層3の表面に形成されたパッシベーション膜4のうち、アノード電極を形成する領域を除去し、コンタクト層42の表面に電子線加熱蒸着器を用いてアルミニウム、チタン等を蒸着し、熱処理を行うことでアノード電極を形成する。
理を行う。
また、メサ壁部7からその近傍におけるメサ周辺部10まで連続してp型導電層22を形成することが好ましい。これにより、メサ端部近傍におけるメサ周辺部10においても、その表面とpn接合界面とが空間的に分離され、メサ周辺部10の表面における電子と正孔の再結合が防止される。
電界緩和層31を形成することによって、逆方向電圧の印加時に、電界緩和層31を形成した領域に空乏層が広がり、この空乏層によって耐圧性能がさらに向上する。
電界緩和層31の1つの態様では、p型の不純物の濃度がそれぞれ異なり、径方向に連続した複数の環状の層から電界緩和層31が構成されている。特に、JTE(Junction Termination Extension)構造であることが好ましい。
以下、図8を参照しながら、第5の実施形態のpnダイオードの製造方法の一例について説明する。なお、p型導電層22を形成するまでの工程は、基本的に図6(a)から図6(b)までの工程と同じである。すなわち、n+基板1の上にn型ドリフト層2および
p型電荷注入層3をエピタキシャル成長法により形成し、反応性イオンエッチング法によりエッチングしてメサを形成する。次にアルミニウムをイオン打ち込みしてp型ターミネーション31bを形成し、続いてメサ壁部7およびメサ端部近傍のメサ周辺部にアルミニウムをイオン打ち込みしてp型導電層22を形成する。この際、同時にp型ターミネーション31aが形成される。
その後、n+基板1の表面に形成されたパッシベーション膜を除去し、電子線加熱蒸着
器を用いてニッケルを蒸着し、熱処理を行うことでカソード電極を形成する。同様に、図8(b)に示したように、p型電荷注入層3の表面に形成されたパッシベーション膜4のうち、メサ表面およびメサ周辺部の一部の領域を除去する。次に、図8(c)に示したように、このSiCが露出したメサ壁部およびその近傍におけるメサ周辺部に、電子線加熱蒸着装置を用いてアルミニウム、ニッケル等を約10nm蒸着し、金属膜12を形成する
。また、メサ上面に電子線加熱蒸着器を用いてアルミニウム、チタンを蒸着し、熱処理を行うことでアノード電極を形成する。また、p型電荷注入層3の表面も覆うように金属膜12を形成することで、金属膜12をアノード電極として併用することが可能である。
図10は、本発明の炭化珪素バイポーラ型半導体装置(pnダイオード)における第7の実施形態を示した断面図である。なお、上述した実施形態と対応する構成要素は同一の符号で示しその詳細な説明を省略する。
このn型層41を設けることによって、図11(b)に示したように、順方向への通電
時に積層欠陥の発生および面積拡大を促進させるエネルギーを与えるpn接合界面43と、メサ周辺部の表面に存在する表面欠陥領域44とが空間的に分離される。すなわち、n型層41は第2の通電劣化防止層として機能する。
例えば、上記の実施形態ではpnダイオードを例として説明したが、これ以外のバイポーラ型半導体装置、例えばサイリスタ、ゲートターンオフサイリスタ(GTO)、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)、バイポーラ接合トランジスタ(BJT)などにも本発明を適用できる。
2 n型ドリフト層
3 p型電荷注入層
4 パッシベーション膜
5 カソード電極
6 アノード電極
7 メサ壁部
8 メサ端部
9 メサ上部
10 メサ周辺部
11 p型低抵抗層
12 金属膜
13 アモルファス層
20 p型導電層
21 p型導電層
22 p型導電層
31 電界緩和層
31a〜31g p型ターミネーション
41 n型層
42 コンタクト層
43 pn接合界面
44 表面欠陥領域
Claims (13)
- 炭化珪素単結晶基板の表面にエピタキシャル成長法により第1導電型の炭化珪素ドリフト層が形成され、
前記炭化珪素ドリフト層の表面にエピタキシャル成長法により第2導電型の炭化珪素電荷注入層が形成され、
前記炭化珪素ドリフト層および前記炭化珪素電荷注入層が形成された側の素子面にメサ構造が形成された炭化珪素バイポーラ型半導体装置であって、
メサ壁部またはメサ壁部およびメサ周辺部に、その表面とpn接合界面とを空間的に分離する通電劣化防止層が形成され、
前記通電劣化防止層が、イオン打ち込みによって形成され、
前記通電劣化防止層が、第2導電型の炭化珪素導電層であり、
前記通電劣化防止層の内側に、当該通電劣化防止層から前記炭化珪素ドリフト層への電荷注入を防止する第2導電型の内側炭化珪素導電層が形成され、
前記内側炭化珪素導電層の不純物濃度が、前記炭化珪素電荷注入層の不純物濃度よりも低いことを特徴とする炭化珪素バイポーラ型半導体装置。 - 前記通電劣化防止層が、逆方向電圧の印加時に実質的に等電位となる第2導電型の炭化珪素低抵抗層であることを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素バイポーラ型半導体装置。
- 炭化珪素単結晶基板の表面にエピタキシャル成長法により第1導電型の炭化珪素ドリフト層が形成され、
前記炭化珪素ドリフト層の表面にエピタキシャル成長法により第2導電型の炭化珪素電荷注入層が形成され、
前記炭化珪素ドリフト層および前記炭化珪素電荷注入層が形成された側の素子面にメサ構造が形成された炭化珪素バイポーラ型半導体装置であって、
メサ壁部またはメサ壁部およびメサ周辺部に、その表面とpn接合界面とを空間的に分離する通電劣化防止層が形成され、
前記通電劣化防止層が、イオン打ち込みによって形成され、
前記通電劣化防止層が、第2導電型の炭化珪素導電層であり、
前記通電劣化防止層の表面に、金属膜が形成されていることを特徴とする炭化珪素バイポーラ型半導体装置。 - 前記金属膜が、メサ壁部において、その高さ方向の全体に形成されていることを特徴とする請求項3に記載の炭化珪素バイポーラ型半導体装置。
- 前記通電劣化防止層が、メサ壁部において、少なくともpn接合界面からメサ端部までの領域に形成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の炭化珪素バイポーラ型半導体装置。
- 前記通電劣化防止層が、メサ壁部において、その高さ方向の全体に形成されていることを特徴とする請求項5に記載の炭化珪素バイポーラ型半導体装置。
- 前記通電劣化防止層が、アモルファス層であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の炭化珪素バイポーラ型半導体装置。
- 前記アモルファス層が、メサ壁部において、その高さ方向の全体に形成されていることを特徴とする請求項7に記載の炭化珪素バイポーラ型半導体装置。
- メサ周辺部に、第2導電型の電界緩和層が形成されていることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の炭化珪素バイポーラ型半導体装置。
- 前記電界緩和層が、前記通電劣化防止層から連続して形成されていることを特徴とする請求項9に記載の炭化珪素バイポーラ型半導体装置。
- 前記電界緩和層が、第2導電型の不純物の濃度がそれぞれ異なり、径方向に連続した複数の環状の層からなることを特徴とする請求項10に記載の炭化珪素バイポーラ型半導体装置。
- 前記電界緩和層が、JTE(JunctionTerminationExtension)構造であることを特徴とする請求項9〜11のいずれかに記載の炭化珪素バイポーラ型半導体装置。
- 前記電界緩和層の外周縁部に、イオン打ち込みによって、第1導電型である第2の通電劣化防止層が形成されていることを特徴とする請求項9〜12のいずれかに記載の炭化珪素バイポーラ型半導体装置。
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