JP7125943B2 - 炭化ケイ素スーパージャンクションパワー半導体デバイスおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、炭化ケイ素(SiC)ベースのスーパージャンクション(SJ)パワー半導体デバイス、典型的にはSiCベースの縦型SJパワー半導体デバイス、およびその製造方法に関する。
パワー半導体デバイスは、さまざまな電子システムを流れる電流フローを制御するスイッチとして使用される。パワー半導体デバイスは、とりわけこのようなパワー半導体デバイスの適用範囲を規定する3つの主要パラメータによって特徴付けることができる。この3つの主要パラメータとは、オン状態におけるデバイスの等価オーミック抵抗であるオン状態抵抗RON、オン状態からオフ状態、またその逆に切り換えるために必要なスイッチング時間、およびデバイスがオフ状態にとどまることができる最大電圧である絶縁破壊電圧である。縦型パワー半導体デバイスにおいて、オン状態では電流が半導体ウェハの第1の主要側から半導体ウェハの第2の主要側に垂直方向に流れるのに対して、オフ状態では取るに足らない電流がデバイスを流れるのみである。阻止接合部の空間電荷領域における電界を低下させることによって絶縁破壊電圧を増加させるために、厚みがあって不純物濃度が比較的低いドリフト層が使用される。しかし、その一方で、厚みがあって不純物濃度が低いドリフト層を利用することにより、オン状態抵抗が悪化する。絶縁破壊電圧の増加に伴うオン状態抵抗RONの大幅な増加は、パワー半導体デバイスにとって重大な制約である。スーパージャンクション(SJ)技術は、限度をシフトさせて所与の絶縁破壊電圧についてオン状態電圧を減少させることを可能にする。シリコンベースのパワー半導体デバイスでは、SJパワー半導体デバイスがハイパワーおよび高電圧用途で広く使用されている。SJパワー半導体デバイスは、n型ピラーおよびp型ピラーと名付けられたpドープ領域およびnドープ領域が垂直方向に交互になった構造によって特徴付けられるSJドリフト層構造を含む。
上記に鑑みて、本発明の目的は、ボイドを導入することなく、ドーピングをうまく制御して、時間およびコスト効率のよい態様で製造して、優れた再現可能な結果を確実に得ることができるSiCベースのスーパージャンクション(SJ)パワー半導体デバイスを提供することである。本発明の別の目的は、ボイドを導入することなく、ドーピングをうまく制御して、時間およびコスト効率のよい態様でこのようなSiCベースのSJパワー半導体デバイスを製造することである。
本発明に係るパワー半導体デバイスは、第1の主面と第2の主面とを有する半導体ウェハを備える。上記半導体ウェハは、第1の導電型を有する第1の半導体層と、複数の柱状または板状の第1の半導体領域とを含み、上記第1の半導体領域は、上記第1の主面および上記第2の主面に対して垂直な垂直方向に、上記第1の主面と上記第2の主面との間の上記第1の半導体層の中に延在している。上記第1の半導体領域は、上記第1の導電型とは異なる第2の導電型を有する。上記第1の半導体層は、六方晶炭化ケイ素の層である。
柱状または板状の第1の半導体領域に立方晶炭化ケイ素を使用することにより、六方晶炭化ケイ素におけるトレンチを六方晶炭化ケイ素で再充填する際にしばしば発生するボイドおよび欠陥なしに確実にパワー半導体デバイスを製造することができる。なぜなら、立方晶炭化ケイ素は、炭化ケイ素の適合性の高いポリタイプであるからである。六方晶炭化ケイ素と立方晶炭化ケイ素との間の価電子帯オフセットが無いことにより、好ましい電子特性を有する接合部が六方晶炭化ケイ素と立方晶炭化ケイ素との間にもたらされる。
例示的な実施形態において、上記パワー半導体デバイスは、上記第1の半導体層がドリフト層であるSJパワー半導体デバイスであり、上記ドリフト層は、少なくとも3μmの上記垂直方向における厚みを有し、2×1017cm-3未満のドーピング濃度を有する。比較的低いドーピング濃度を有するドリフト層を使用することにより、パワー半導体デバイスの阻止接合部の空間電荷領域における電界を低下させることによって絶縁破壊電圧を増加させることができる。
図1は、本発明の第1の実施形態に係るパワー半導体デバイスの部分断面図である。第1の実施形態に係るパワー半導体デバイスは、スーパージャンクション(SJ)パワーダイオード100である。SJパワーダイオード100は、第1の主面3と第1の主面3とは反対側の第2の主面4とを有する半導体ウェハ101を備える。半導体ウェハ101は、第1の主面3から第2の主面4に向かって順番に、p+型アノード層8と、n-型ドリフト層2と、n+型基板層9とを含む。ドリフト層2は、特許請求の範囲における第1の半導体層の一例であり、基板層9は、特許請求の範囲における第2の半導体層の一例である。アノード層8、ドリフト層2および基板層9は、4H-SiCまたは6H-SiCなどの六方晶ポリタイプを有する炭化ケイ素(SiC)でできている。また、アノード層8、ドリフト層2および基板層9は、単結晶であってもよく、全て同じ結晶方位を有していてもよい。ドリフト層の厚みd1およびドーピング濃度は、SJパワーダイオード100の電圧クラスによって決まる。典型的には、ドリフト層は、少なくとも3μm、より典型的には少なくとも4μmの垂直方向における厚みd1を有し、2×1017cm-3未満、より典型的には1×1017cm-3未満のドーピング濃度を有する。1.2kVデバイスでは、ドリフト層は、約8~10μmの厚みを必要とするのに対して、6.5kVデバイスでは、ドリフト層は、阻止電圧を維持するために約40~50μmの厚みを必要とするであろう。
3,33,43,53,63 第1の主面
4,34,44,54,64 第2の主面
5 第1の半導体領域
6 n-型ドリフト層の部分
7 (p型)第2の半導体領域
8 (p+型)アノード層
9 (n+型)基板層(第2の半導体層)
10 第1の電極層
11 第2の電極層
30 n型層
40 (n+型)ソース層
41 (n型)チャネル層
50 (n+型)ソース層
51 (p型)ベース層
56 トレンチゲート電極
61 (n+型)バッファ層
62 (p型)コレクタ層
100 SJパワーダイオード
101,301,401,501,601 半導体ウェハ
300 SJトレンチJBS整流器
400 SJトレンチJFET
500 SJトレンチMOSFET
600 SJトレンチIGBT
A アノード端子
C コレクタ端子
D ドレイン端子
K カソード端子
E エミッタ端子
S ソース端子
G ゲート端子
d1 ドリフト層の層厚み
d2 隣接する第1の半導体領域の各対の間の距離
d3 アノード層8の厚み
d3′ n型層30の厚み
d3″ ソース層40およびチャネル層41の総厚み
d3′″ ベース層51の厚み
wH 第1の半導体領域の水平方向幅
wV,wV′,wV″,wV′″ 第1の半導体領域の垂直方向幅
Claims (13)
- スーパージャンクションパワー半導体デバイスであって、
第1の主面(3;33;43;53;63)と第2の主面(4;34;44;54;64)とを有する半導体ウェハ(101;301;401;501;601)を備え、前記半導体ウェハ(101;301;401;501;601)は、
第1の導電型を有する第1の半導体層(2;32;42;52)と、
複数の柱状または板状の第1の半導体領域(5)とを含み、前記第1の半導体領域(5)は、前記第1の主面(3;33;43;53;63)および前記第2の主面(4;34;44;54;64)に対して垂直な垂直方向に、前記第1の主面(3;33;43;53;63)と前記第2の主面(4;34;44;54;64)との間の前記第1の半導体層(2;32;42;52)の中に延在し、前記第1の半導体領域(5)は、前記第1の導電型とは異なる第2の導電型を有し、
前記第1の半導体層(2;32;42;52)は、六方晶炭化ケイ素の層であり、
前記第1の半導体領域(5)は、3Cポリタイプ立方晶炭化ケイ素の領域であり、
前記3Cポリタイプ立方晶炭化ケイ素は、多結晶であることを特徴とする、スーパージャンクションパワー半導体デバイス。 - スーパージャンクションパワー半導体デバイスであって、
第1の主面(3;33;43;53;63)と第2の主面(4;34;44;54;64)とを有する半導体ウェハ(101;301;401;501;601)を備え、前記半導体ウェハ(101;301;401;501;601)は、
第1の導電型を有する第1の半導体層(2;32;42;52)と、
複数の柱状または板状の第1の半導体領域(5)とを含み、前記第1の半導体領域(5)は、前記第1の主面(3;33;43;53;63)および前記第2の主面(4;34;44;54;64)に対して垂直な垂直方向に、前記第1の主面(3;33;43;53;63)と前記第2の主面(4;34;44;54;64)との間の前記第1の半導体層(2;32;42;52)の中に延在し、前記第1の半導体領域(5)は、前記第1の導電型とは異なる第2の導電型を有し、
前記第1の半導体層(2;32;42;52)は、六方晶炭化ケイ素の層であり、
前記第1の半導体領域(5)は、3Cポリタイプ立方晶炭化ケイ素の領域であり、
前記第1の半導体領域(5)は、それぞれ、前記第2の導電型を有する六方晶炭化ケイ素の第2の半導体領域(7)によって前記第1の半導体層(2;32;42;52)から分離されることを特徴とする、スーパージャンクションパワー半導体デバイス。 - スーパージャンクションパワー半導体デバイスであって、
第1の主面(3;33;43;53;63)と第2の主面(4;34;44;54;64)とを有する半導体ウェハ(101;301;401;501;601)を備え、前記半導体ウェハ(101;301;401;501;601)は、
第1の導電型を有する第1の半導体層(2;32;42;52)と、
複数の柱状または板状の第1の半導体領域(5)とを含み、前記第1の半導体領域(5)は、前記第1の主面(3;33;43;53;63)および前記第2の主面(4;34;44;54;64)に対して垂直な垂直方向に、前記第1の主面(3;33;43;53;63)と前記第2の主面(4;34;44;54;64)との間の前記第1の半導体層(2;32;42;52)の中に延在し、前記第1の半導体領域(5)は、前記第1の導電型とは異なる第2の導電型を有し、
前記第1の半導体層(2;32;42;52)は、六方晶炭化ケイ素の層であり、
前記第1の半導体領域(5)は、3Cポリタイプ立方晶炭化ケイ素の領域であり、
各々の第1の半導体領域(5)は、前記半導体ウェハ(101;301;401;501;601)の前記第1の主面(3;33;43;53)に面した前記第1の半導体層(2;32;42;52)の第1の主要側(23)から少なくとも3μmの深さまで前記垂直方向に前記第1の半導体層(2;32;42;52)の中に延在していることを特徴とする、スーパージャンクションパワー半導体デバイス。 - スーパージャンクションパワー半導体デバイスであって、
第1の主面(3;33;43;53;63)と第2の主面(4;34;44;54;64)とを有する半導体ウェハ(101;301;401;501;601)を備え、前記半導体ウェハ(101;301;401;501;601)は、
第1の導電型を有する第1の半導体層(2;32;42;52)と、
複数の柱状または板状の第1の半導体領域(5)とを含み、前記第1の半導体領域(5)は、前記第1の主面(3;33;43;53;63)および前記第2の主面(4;34;44;54;64)に対して垂直な垂直方向に、前記第1の主面(3;33;43;53;63)と前記第2の主面(4;34;44;54;64)との間の前記第1の半導体層(2;32;42;52)の中に延在し、前記第1の半導体領域(5)は、前記第1の導電型とは異なる第2の導電型を有し、
前記第1の半導体層(2;32;42;52)は、六方晶炭化ケイ素の層であり、
前記第1の半導体領域(5)は、3Cポリタイプ立方晶炭化ケイ素の領域であり、
前記第1の主面(3;33;43;53)および前記第2の主面(4;34;44;54)に対して平行な水平方向において互いに隣接している隣接する第1の半導体領域(5)の各対は、前記第1の半導体層(2;32;42;52)の部分(6)によって前記水平方向に互いに分離され、その結果、前記第1の半導体領域(5)は、前記水平方向において前記第1の半導体層(2;32;42;52)の前記部分(6)と交互になり、
各々の第1の半導体領域(5)では、前記第1の主面(3;33;43;53)および前記第2の主面(4;34;44;54)に対して垂直な垂直方向における前記第1の半導体領域(5)の垂直方向幅(w V ,w V ′,w V ″,w V ′″)は、前記水平方向における前記第1の半導体領域(5)の水平方向幅(w H )の少なくとも2倍であり、任意の第1の半導体領域(5)の前記垂直方向幅(w V ,w V ′,w V ″,w V ′″)は、前記垂直方向における当該第1の半導体領域(5)の最大幅であり、任意の第1の半導体領域(5)の前記水平方向幅(w H )は、前記水平方向における当該第1の半導体領域(5)の最大幅であることを特徴とする、スーパージャンクションパワー半導体デバイス。 - 各々の第1の半導体領域(5)の前記垂直方向幅(w V ,w V ′,w V ″,w V ′″)は、少なくとも3μmである、請求項4に記載のスーパージャンクションパワー半導体デバイス。
- 隣接する第1の半導体領域(5)の各対の間の距離(d 2 )は、2μmから20μmの範囲内である、請求項4または5に記載のスーパージャンクションパワー半導体デバイス。
- 前記スーパージャンクションパワー半導体デバイス(100;300;400;500;600)は、前記第1の半導体層(2;32;42;52)がドリフト層であるスーパージャンクションパワーデバイスであり、前記ドリフト層は、少なくとも3μmの前記垂直方向における厚み(d 1 )を有し、2×10 17 cm -3 未満のドーピング濃度を有する、請求項1から6のいずれか1項に記載のスーパージャンクションパワー半導体デバイス。
- 前記第1の半導体層(2;32;42;52)は、単結晶である、請求項1~7のいずれか1項に記載のスーパージャンクションパワー半導体デバイス。
- 前記六方晶炭化ケイ素は、4H-SiCまたは6H-SiCである、請求項1~8のいずれか1項に記載のスーパージャンクションパワー半導体デバイス。
- 前記半導体ウェハ(101;301;401;501;601)は、前記第1の半導体層(2;32;42;52)の上の第2の半導体層(9;62)と、前記第2の半導体層(9;62)とのオーミック接触を形成するように前記第1の半導体層(2;32;42;52)とは反対側の前記第2の半導体層(9;62)の上に形成された電極層(11)とを備え、前記第2の半導体層(9;62)は、前記第1の半導体層(2;32;42;52)におけるドーピング濃度の少なくとも10倍の高さのドーピング濃度を有する、請求項1~9のいずれか1項に記載のスーパージャンクションパワー半導体デバイス。
- 請求項1~10のいずれか1項に記載のスーパージャンクションパワー半導体デバイスの製造方法であって、
六方晶炭化ケイ素の層として第1の半導体層(2)を形成するステップを備え、前記第1の半導体層(2)は、第1の主要側(23)と、前記第1の主要側(23)とは反対側の第2の主要側(24)とを有し、前記第1の半導体層(2)は、第1の導電型を有し、前記製造方法はさらに、
前記第1の半導体層(2)にその第1の主要側(23)から複数のトレンチ(20)を形成するステップと、
前記第1の導電型とは異なる第2の導電型を有する立方晶炭化ケイ素の層(25)で前記トレンチ(20)を再充填して、3Cポリタイプ立方晶炭化ケイ素の柱状または板状の領域として第1の半導体領域(5)を形成するステップとを備え、前記第1の半導体領域(5)は、前記第1の主要側(23)から前記第1の半導体層(2)の中に延在する、方法。 - スーパージャンクションパワー半導体デバイスの製造方法であって、
前記スーパージャンクションパワー半導体デバイスは、
第1の主面(3;33;43;53;63)と第2の主面(4;34;44;54;64)とを有する半導体ウェハ(101;301;401;501;601)を備え、前記半導体ウェハ(101;301;401;501;601)は、
第1の導電型を有する第1の半導体層(2;32;42;52)と、
複数の柱状または板状の第1の半導体領域(5)とを含み、前記第1の半導体領域(5)は、前記第1の主面(3;33;43;53;63)および前記第2の主面(4;34;44;54;64)に対して垂直な垂直方向に、前記第1の主面(3;33;43;53;63)と前記第2の主面(4;34;44;54;64)との間の前記第1の半導体層(2;32;42;52)の中に延在し、前記第1の半導体領域(5)は、前記第1の導電型とは異なる第2の導電型を有し、
前記第1の半導体層(2;32;42;52)は、六方晶炭化ケイ素の層であり、
前記第1の半導体領域(5)は、3Cポリタイプ立方晶炭化ケイ素の領域であり、
前記製造方法は、
六方晶炭化ケイ素の層として第1の半導体層(2)を形成するステップを備え、前記第1の半導体層(2)は、第1の主要側(23)と、前記第1の主要側(23)とは反対側の第2の主要側(24)とを有し、前記第1の半導体層(2)は、第1の導電型を有し、前記製造方法はさらに、
前記第1の半導体層(2)にその第1の主要側(23)から複数のトレンチ(20)を形成するステップと、
前記第1の導電型とは異なる第2の導電型を有する立方晶炭化ケイ素の層(25)で前記トレンチ(20)を再充填して、3Cポリタイプ立方晶炭化ケイ素の柱状または板状の領域として第1の半導体領域(5)を形成するステップとを備え、前記第1の半導体領域(5)は、前記第1の主要側(23)から前記第1の半導体層(2)の中に延在し、
前記立方晶炭化ケイ素の層(25)で前記トレンチ(20)を再充填するステップは、1100℃未満の温度での化学気相成長によってなされる、製造方法。 - 前記第1の主要側(23)および前記第2の主要側(24)に対して平行な水平方向において互いに隣接している前記第1の半導体領域(5)のうちの2つの第1の半導体領域(5)の間の領域における前記第1の半導体層(2)の前記第1の主要側(23)にパワーデバイスセルを形成するステップをさらに備える、請求項11または12に記載の製造方法。
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