JP6202944B2 - 炭化珪素半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
この発明は、ショットキー接合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。
ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）はユニポーラデバイスであるため、通常のバイポーラダイオードと比較してスイッチング損失を小さくできるが、シリコンを構成材料とするＳＢＤは実用的に耐圧が５０Ｖ程度以下ものしか得られないため、高電圧のインバータ等の用途には向いていない。それに対し炭化珪素を構成材料とするＳＢＤは、容易に数ｋＶ程度の耐圧を有するものが得られるので、近年電力変換回路への応用が注目されている。
このような炭化珪素を構成材料とするＳＢＤとしては、例えば特許文献１に記載されているようなデバイスが知られている。特許文献１において開示されたＳＢＤにおいては、静的な高電圧の印加時においてガードリング領域とｎ型の半導体層との間のＰＮ接合の周囲に発生する空乏層を延ばすために、ショットキー電極をガードリング領域の外周端を越してオーバレイ構造としている。このような構造を採用することにより、空乏層がｎ型の半導体層中に延びやすくなり、本ＳＢＤはより高い電圧阻止能力を保持している。
ところが、このようなＳＢＤを高周波スイッチング動作をさせると、ショットキー電極の外周端辺りで電界集中が生じ、ＳＢＤが耐圧劣化を引き起こすことが懸念される。
すなわち、導通状態から阻止状態に遷移するスイッチング動作時においては、急激に上昇する電圧、すなわち高dv/dtの電圧がＳＢＤに印加される。この時ガードリング領域とｎ型の半導体層との間のＰＮ接合を充電するために、dv/dtの値に比例した変移電流がＳＢＤのガードリング領域に流れることとなる。ガードリング領域は固有の抵抗値を有しており、dv/dtの値に比例した変移電流が流れるとそこに変移電流に比例した電界がガードリング領域内に発生することとなる。
従来のＳＢＤでは、ショットキー電極のオーバレイ構造を採用しているが、ショットキー電極の外周端には、エッチングにより形成する際にエッチング残渣が先端の尖った形状で発生する。このような先端が尖ったショットキー電極の残渣が存在する状況で、ＳＢＤの高周波スイッチング動作を行うと、変移電流により発生する電界が上記残渣部で集中しやすくなり、それによりショットキー電極の外周端辺りでの不具合を招く可能性が懸念される。
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、高周波スイッチング動作においても耐圧劣化を引き起こす恐れのない炭化珪素半導体装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、この発明に係る炭化珪素半導体装置では、第１導電型のドリフト層と、ドリフト層の表面に形成された環状の第２導電型のガードリング領域と、ドリフト層の表面上において、ガードリング領域を取り囲むように形成されたフィールド絶縁膜と、ガードリング領域の内側においてドリフト層の表面を覆うように形成され、外周端がフィールド絶縁膜上に存在するショットキー電極と、ショットキー電極上に形成され、ショットキー電極の外周端を越えてフィールド絶縁膜と接している表面電極パッドとを備え、ガードリング領域は、ガードリング領域より高い不純物濃度を有する第２導電型の高濃度領域を表面電極パッド下に有し、表面電極パッドの外周端は、ガードリング領域の上方に存在し、ショットキー電極の外周端にはエッチング残渣が形成されており、表面電極パッドはエッチング残渣を覆うように形成されている。
上記のような構成としたため、本発明に係る炭化珪素半導体装置によれば、ショットキー電極の端部のエッチング残渣が導電性の表面電極パッドで覆われることとなるため、変移電流によりガードリング領域内発生した電界が形成する等電位面がエッチング残渣の周囲で湾曲することなく、この部分において電界集中を引き起こす恐れはなくなり、その結果として、高周波スイッチング動作においても信頼性の高い炭化珪素半導体装置が得られる、という効果を奏する。
＜実施の形態１＞
図１は本発明の実施の形態１に係る炭化珪素半導体装置のチップの構成を模式的に示す平面図（ａ）及びＡ−Ａ断面図（ｂ）である。ここでは炭化珪素基板１の上に、半導体素子としてＳＢＤを備える例を示す。なお、説明の便宜上、図１（ａ）においては炭化珪素基板１の平面的な位置関係を理解するのに必要な構成要素だけが表示されているので、詳細は図１（ｂ）を参照されたい。
図１は本発明の実施の形態１に係る炭化珪素半導体装置のチップの構成を模式的に示す平面図（ａ）及びＡ−Ａ断面図（ｂ）である。ここでは炭化珪素基板１の上に、半導体素子としてＳＢＤを備える例を示す。なお、説明の便宜上、図１（ａ）においては炭化珪素基板１の平面的な位置関係を理解するのに必要な構成要素だけが表示されているので、詳細は図１（ｂ）を参照されたい。
図１（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置は、比較的不純物濃度の高い第１導電型（ここではｎ型）の基板層１ａおよびその上面にエピタキシャル結晶成長させた比較的不純物濃度の低い第１導電型のドリフト層１ｂからなる炭化珪素基板１を用いて形成されている。材料である炭化珪素は、シリコンよりバンドギャップの広い半導体材料であり、そのため炭化珪素を構成材料とする半導体装置は、シリコンを構成材料とする半導体装置と比較して、より高温での動作が可能となっている。
ドリフト層１ｂの一方の表面部分には、終端領域としての第２導電型（ここではｐ型）のガードリング領域２が環状に形成されている。環状に形成されたガードリング領域２の内側及び外側においては、ドリフト層１ｂが一方の表面に露出している。ガードリング領域２はドリフト層１ｂとの間にＰＮ接合を形成している。ドリフト層１ｂの一方の表面上にはさらに、ガードリング領域２を取り囲むように、フィールド絶縁膜３が形成されている。フィールド絶縁膜３はその中央に開口部を有している。本実施の形態においては、フィールド絶縁膜３はシリコン酸化膜であるが、シリコン窒化膜であっても良い。
環状に形成されたガードリング領域２の内側において露出しているドリフト層１ｂを覆うようにショットキー電極４が形成されており、ドリフト層１ｂとの間でショットキー接合を形成している。また、ショットキー電極４はガードリング領域２の一部を覆うように延在しており、ガードリング領域２との間でオーミック接触を形成している。さらにショットキー電極４はフィールド絶縁膜３上にも延在しており、その外周端はフィールド絶縁膜３上に存在している。本実施の形態においては、ショットキー電極４は、その構成する金属はチタンであり、その厚みは約２００ｎｍである。ショットキー電極４を構成する金属は、炭化珪素基板とショットキー接合を形成する金属であればよく、モリブデン、ニッケル、金等の金属であっても良い。
ショットキー電極４の上には、外部端子との接続のための表面電極パッド５が積層されている。表面電極パッド５は、その外周端がショットキー電極４の外周端を越えてフィールド絶縁膜３に接している。本実施の形態においては、表面電極パッド５は、その構成する金属はアルミニウムであり、その厚みは約４．８μｍである。表面電極パッド５を構成する金属は、銅、モリブデン、ニッケル等の金属であっても良く、Ａｌ−Ｓｉのようなアルミニウム合金であっても良い。
炭化珪素基板１の一方の表面は、その上に形成されたフィールド絶縁膜３、ショットキー電極４及び表面電極パッド５を保護するように保護膜６で覆われている。保護膜６は、外部環境からの応力を緩和するため有機樹脂膜であることが望ましい。また、高温処理に耐える必要があるため、本実施の形態においては、保護膜６にはポリイミド樹脂膜が使用される。外部端子との接続のため、保護膜６は表面電極パッド５上において開口を有している。
炭化珪素基板１の他方の表面には裏面電極７が形成されている。裏面電極７は基板層１ａとの間でオーミック接触を形成している。裏面電極７は基板層１ａとの間でオーミック接触を形成するような金属であればよく、本実施の形態においてはニッケルであるが、他にアルミニウムやモリブデンであっても良い。
次に本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法について図４及び図５を用いて説明する。各図において、図１のＡ−Ａ断面が示されている。
比較的不純物濃度の高い第１導電型の基板層１ａおよびその上面にエピタキシャル結晶成長させた比較的不純物濃度の低い第１導電型のドリフト層１ｂから構成される炭化珪素基板１を用意し、公知の方法、例えば写真製版技術により所定の形状にパターニングしたレジスト膜９を用いる選択的なイオン注入により、ドリフト層１ｂの一方の表面部分に第２導電型のガードリング領域２を形成する（図４ａ）。ここで、第２導電型の領域には、例えば不純物イオンとしてアルミニウムイオンまたはホウ素イオンが注入され、１５００℃以上の高温でアニールされることにより不純物イオンが電気的に活性化され、所定の導電型の領域として形成される。
次に、例えばＣＶＤ法により、ドリフト層１ｂの一方の表面上に１μｍ程度の厚さのシリコン酸化膜を堆積し、その後写真製版とエッチングにより、中央のシリコン酸化膜を除去し、中央に開口部を有するフィールド絶縁膜３を形成する（図４ｂ）。開口部はガードリング領域２の一部を含む、ガードリング領域２の内側に形成される。
次に、炭化珪素基板１の基板層１ａが露出する面に裏面電極７を形成する（図４ｃ）。
次に、スパッタ法によりフィールド絶縁膜３の形成されたドリフト層１ｂの一方の表面上全面にショットキー電極４となる金属膜８を成膜し、さらに写真製版技術により、所定の形状のレジスト膜９を成膜する（図５ａ）。
次に、レジスト膜９をマスクとして金属膜８をエッチングし、所望の形状のショットキー電極４を形成する（図５ｂ）。金属膜８をエッチングにおいては、チップへのダメージを軽減するためウェット処理が望ましく、その場合形成されるショットキー電極４の端部は先端の尖った形状になりやすい。ここでは、この先端の尖った部分をエッチング残渣４ａと呼ぶ。
次に、エッチング残渣４ａを覆うようにショットキー電極４の上に表面電極パッド５を積層し、保護膜６を形成すると本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置が完成する（図５ｃ）。
次に本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の作用について説明する。本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置において、表面電極パッド５に対して裏面電極７に負の電圧を印加すると、裏面電極７から表面電極パッド５に電流が流れ、本装置は導通状態となる。逆に表面電極パッド５に対して裏面電極７に正の電圧を印加すると、ショットキー接合及びＰＮ接合が電流を阻止し、本装置は阻止状態となる。
導通状態から阻止状態に遷移するスイッチング動作時においては、急激に上昇する電圧、すなわち高dv/dtの電圧が装置に印加される。この時ガードリング領域とｎ型の半導体層との間のＰＮ接合の周囲には空乏層と呼ばれる電気二重層が発生するが、この空乏層は空乏層容量と呼ばれる静電容量を持っている。この空乏層容量を充電するために、dv/dtの値に比例した変移電流が装置のガードリング領域２内をＰＮ接合からショットキー電極４に向かって流れることとなる。ガードリング領域２は固有の抵抗値を有しており、dv/dtの値に比例した変移電流が流れるとそこに変移電流と上記抵抗値の積に比例した電界がガードリング領域２内に発生することとなる。
従来例のように、ショットキー電極４の端部に先端の尖ったエッチング残渣４ａが剥き出しのままとなっていると、変移電流によりガードリング領域２内発生した電界が形成する等電位面がエッチング残渣４ａの周囲で湾曲し、この部分に電界集中を引き起こす恐れがあった。
本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置においては、表面電極パッド５の外周端がショットキー電極４の外周端を越えてフィールド絶縁膜３と接するように構成したので、ショットキー電極４の端部のエッチング残渣４ａが導電性の表面電極パッド５で覆われることとなるため、変移電流によりガードリング領域２内発生した電界が形成する等電位面がエッチング残渣４ａの周囲で湾曲することなく、この部分に電界集中を引き起こす恐れはなくなった。
したがって、本実施の形態によれば、高周波スイッチング動作においても信頼性の高い炭化珪素半導体装置が得られる、という効果を奏する。
また、表面電極パッド５の外周端は、ガードリング領域２の上方に存在していることが望ましい。従来例のように表面電極パッド５の外周端をガードリング領域２の外周端を越してオーバレイ構造とすると、変移電流によりガードリング領域内発生した電界が形成する等電位面が、ガードリング領域２の外周端を越えて存在する表面電極パッド５により湾曲し、当該箇所において耐圧劣化を引き起こす可能性があるからである。したがって、このような構成とすることにより、高周波スイッチング動作においてもさらに信頼性の高い炭化珪素半導体装置が得られる、という効果が得られる。
＜実施の形態２＞
図２は本発明の実施の形態２に係る炭化珪素半導体装置のチップの構成を模式的に示す断面図である。平面図は図１と同様なので省略した。本実施の形態では、ガードリング領域２の中に、その表面から形成され、ガードリング領域２より高い不純物濃度を有するｐ型の高濃度領域２ａが形成されていることを特徴としている。その他の構成については、実施の形態１の構成と同様である。
図２は本発明の実施の形態２に係る炭化珪素半導体装置のチップの構成を模式的に示す断面図である。平面図は図１と同様なので省略した。本実施の形態では、ガードリング領域２の中に、その表面から形成され、ガードリング領域２より高い不純物濃度を有するｐ型の高濃度領域２ａが形成されていることを特徴としている。その他の構成については、実施の形態１の構成と同様である。
このような構成とすることにより、高濃度領域２ａには空乏層が広がらなくなるため、ガードリング領域２の固有の抵抗値を低減することができ、その抵抗値に比例して発生する電界を緩和することができる。したがって、本実施の形態によれば、高周波スイッチング動作においてもより信頼性の高い炭化珪素半導体装置が得られる、という効果が得られる。
＜実施の形態３＞
図３は本発明の実施の形態３に係る炭化珪素半導体装置のチップの構成を模式的に示す断面図である。平面図は図１と同様なので省略した。本実施の形態では、フィールド絶縁膜３の開口部がテーパ形状となっていることを特徴としている。その他の構成については、実施の形態１の構成と同様である。
図３は本発明の実施の形態３に係る炭化珪素半導体装置のチップの構成を模式的に示す断面図である。平面図は図１と同様なので省略した。本実施の形態では、フィールド絶縁膜３の開口部がテーパ形状となっていることを特徴としている。その他の構成については、実施の形態１の構成と同様である。
具体的には、フィールド絶縁膜３の開口部はフィールド絶縁膜３の厚みが開口部との境界から外部に遠ざかるにしたがって厚くなるようなテーパ形状を有している。フィールド絶縁膜３の開口部がテーパ形状となることで、ショットキー電極４の端部における電界がより緩和されてチップの信頼性がさらに向上する。したがって、本実施の形態によれば、高周波スイッチング動作においてもより信頼性の高い炭化珪素半導体装置が得られる、という効果が得られる。
なお、以上の実施の形態の説明においては、半導体素子がＳＢＤであり、終端領域にガードリング領域２が設けられた構成を示したが、本発明に係る炭化珪素半導体装置の半導体素子および終端領域の構造はこれに限定されるものではない。例えば、半導体素子は同じくショットキー接合を有するＪＢＳ（Junction Barrier Schottky diode）やＭＰＳ（Merged PiN Schottky diode）でもよいし、終端領域は、ガードリング領域２に替えてＪＴＥ（Junction Termination Extension）を設けてもよいし、図６に示されるように、ガードリング領域２に付加してフィールドリミッティングリング１０を設けてもよい。また、第１導電型をｎ型、第２導電型をｐ型としたが、その逆であっても、本発明の作用・効果が発揮されることは言うまでもないことである。
この発明に係る炭化珪素半導体装置は、交流から直流への変換、直流から交流への変換、あるいは周波数変換等の電力変換を行う機器に適用することにより、その機器の電力変換効率の向上に寄与することができる。
１ 炭化珪素基板
１ａ 基板層
１ｂ ドリフト層
２ ガードリング領域
２ａ 高濃度領域
３ フィールド絶縁膜
４ ショットキー電極
４ａ エッチング残渣
５ 表面電極パッド
６ 保護膜
７ 裏面電極
８ 金属膜
９ レジスト膜
１０ フィールドリミッティングリング
１ａ 基板層
１ｂ ドリフト層
２ ガードリング領域
２ａ 高濃度領域
３ フィールド絶縁膜
４ ショットキー電極
４ａ エッチング残渣
５ 表面電極パッド
６ 保護膜
７ 裏面電極
８ 金属膜
９ レジスト膜
１０ フィールドリミッティングリング
Claims (3)
- 第１導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層の表面に形成された環状の第２導電型のガードリング領域と、
前記ドリフト層の表面上において、前記ガードリング領域を取り囲むように形成されたフィールド絶縁膜と、
前記ガードリング領域の内側において前記ドリフト層の表面を覆うように形成され、外周端が前記フィールド絶縁膜上に存在するショットキー電極と、
前記ショットキー電極上に形成され、前記ショットキー電極の外周端を越えて前記フィールド絶縁膜と接している表面電極パッドと、
を備え、
前記ガードリング領域は、前記ガードリング領域より高い不純物濃度を有する第２導電型の高濃度領域を前記表面電極パッド下に有し、
前記表面電極パッドの外周端は、前記ガードリング領域の上方に存在し、
前記ショットキー電極の外周端にはエッチング残渣が形成されており、
前記表面電極パッドは前記エッチング残渣を覆うように形成されていることを特徴とする炭化珪素半導体装置。 - 前記フィールド絶縁膜の開口部がテーパ形状となっていることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素半導体装置。
- 第１導電型の基板層と前記基板層上に形成された第１導電型のドリフト層を有する炭化珪素基板を用意する工程と、
前記ドリフト層の表面に第２導電型のガードリング領域を形成する工程と、
前記前記ドリフト層の表面上の一部おいて前記ガードリング領域を取り囲むようにフィールド絶縁膜を形成する工程と、
前記フィールド絶縁膜上と前記ドリフト層上とに金属膜を形成した後、ウェット処理により前記金属膜をエッチングすることで、外周端が前記フィールド絶縁膜上に存在するとともに前記外周端にエッチング残渣を有するショットキー電極を形成する工程と、
前記ショットキー電極上において、前記ショットキー電極の外周端を越えて前記フィールド絶縁膜と接し、前記エッチング残渣を覆うように表面電極パッドを形成する工程と
を備えた炭化珪素半導体装置の製造方法。
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