JPH09172159A - SiC半導体装置 - Google Patents
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- H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 半導体装置、特にパワーデバイスのオン抵抗
を低減する。 【解決手段】 Siから形成された結晶成長層を有する
半導体デバイス構造が、SiCのようなバンドギャップ
の広い材料上に配置され、次にそれがSiのような半導
体基板上に配置される。
を低減する。 【解決手段】 Siから形成された結晶成長層を有する
半導体デバイス構造が、SiCのようなバンドギャップ
の広い材料上に配置され、次にそれがSiのような半導
体基板上に配置される。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置に関し、
特に、高電圧半導体装置に関する。更に、本発明は、高
濃度、高ブレイクダウン電圧を必要とする半導体装置に
関する。
特に、高電圧半導体装置に関する。更に、本発明は、高
濃度、高ブレイクダウン電圧を必要とする半導体装置に
関する。
【0002】
【従来の技術】炭化シリコン(SiC)は、シリコン
(Si)より広いバンドギャップを有し、それゆえに、
SiCは、Siより高い臨界アバランシ電界を有し、高
電圧装置においてシリコンより100倍高い性能の電位
を備える。特に、3C−SiCはSiより約4倍高い臨
界アバランシ電界を有し、6H−SiCはSiより約8
倍高い臨界アバランシ電界を有し、4H−SiCはSi
より約10倍高い臨界アバランシ電界を有する。SiC
の高い臨界電界は、より高いドーピングとより薄いドリ
フト領域を許容し、これにより通常のSiパワーデバイ
スに比べてSiCパワーデバイスのオン抵抗を低減する
ことができる。
(Si)より広いバンドギャップを有し、それゆえに、
SiCは、Siより高い臨界アバランシ電界を有し、高
電圧装置においてシリコンより100倍高い性能の電位
を備える。特に、3C−SiCはSiより約4倍高い臨
界アバランシ電界を有し、6H−SiCはSiより約8
倍高い臨界アバランシ電界を有し、4H−SiCはSi
より約10倍高い臨界アバランシ電界を有する。SiC
の高い臨界電界は、より高いドーピングとより薄いドリ
フト領域を許容し、これにより通常のSiパワーデバイ
スに比べてSiCパワーデバイスのオン抵抗を低減する
ことができる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、一般に、Si
Cデバイスには問題がある。即ち、ドーパントをSiC
材料中に拡散させることが困難であった。特に、SiC
中へのドーパントの拡散には1800℃の領域の温度が
必要となる。他のSiCの使用の問題は、SiCが半導
体装置のチャネル材料として使われた場合、この材料は
低いMOSチャネルキャリア移動度を示し、チャネルの
導電率が低下することである。そこで、本発明は、かか
る欠陥を解決し、オン抵抗を低減した半導体装置の構造
を提供することを目的とする。
Cデバイスには問題がある。即ち、ドーパントをSiC
材料中に拡散させることが困難であった。特に、SiC
中へのドーパントの拡散には1800℃の領域の温度が
必要となる。他のSiCの使用の問題は、SiCが半導
体装置のチャネル材料として使われた場合、この材料は
低いMOSチャネルキャリア移動度を示し、チャネルの
導電率が低下することである。そこで、本発明は、かか
る欠陥を解決し、オン抵抗を低減した半導体装置の構造
を提供することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明は、上述の従来技
術の欠陥を解決する半導体構造を提供するものであり、
該半導体装置はSiC材料のボディ上にSiの薄い結晶
成長層を有するものである。該薄い結晶成長層は約3μ
mの厚さであることが好ましい。本発明の構造は、パワ
ーMOSFET、トレンチパワーMOSFET、ダイオ
ード、および他の半導体装置にも使用することができ
る。コスト低減のために、上記SiC層は高ドープのS
i基板上に形成することができる(3C−SiCは、S
i上に容易に成長できることが文献に報告されてい
る)。例えば、結晶成長したシリコン層を有するパワー
MOSFETのような構造は、現行のプロセスを用いた
現行のシリコンパワーMOSFET製造設備で製造可能
である。本発明の構造を利用した(例えばパワーMOS
FETのような)デバイスのドリフト領域は主にSiC
から成り、SiCのドーピングはSiのドーピングより
ずっと高くできるため、(一方、従来のSiデバイスと
同じ電圧を供給でき)、本発明の新しいデバイス構造
は、従来のSiパワーデバイスに比べてより低いオン抵
抗を提供することができる。しかし、本発明のデバイス
構造のブレイクダウン電圧は、なおも、少なくともSi
中の一部に形成されたPボディ/N-ドリフト領域接合
の臨界電位により限定される。例えば、高電圧デバイス
(例えば60Vより高い)では、本発明のデバイス構造
では、従来のSiデバイスに比べて20%−90%低い
オン抵抗の提供が期待される。本発明の新しい構造で
は、Pボディ/N-ドリフト領域接合を、完全にSi中
に、またはSi/SiCヘテロ接合に形成することがで
きる。大きな改良としては、Si層はより薄く形成さ
れ、Pボディ拡散はPボディ/N-ドリフト領域接合が
SiC中に形成されるように作られることが好ましい。
しかし、そのような構造は、Si中でのドーパントの拡
散に比べて、高温で、長時間のSiC中へのドーパント
の拡散が必要となる。他のバンドギャップの広い半導体
材料を利用した構造が、説明したSiC材料の代わりに
使用でき、本発明に採用できることは留意すべきであ
る。本発明の他の特徴および長所は、添付図面を用いて
言及する以下の記載から明らかになるであろう。
術の欠陥を解決する半導体構造を提供するものであり、
該半導体装置はSiC材料のボディ上にSiの薄い結晶
成長層を有するものである。該薄い結晶成長層は約3μ
mの厚さであることが好ましい。本発明の構造は、パワ
ーMOSFET、トレンチパワーMOSFET、ダイオ
ード、および他の半導体装置にも使用することができ
る。コスト低減のために、上記SiC層は高ドープのS
i基板上に形成することができる(3C−SiCは、S
i上に容易に成長できることが文献に報告されてい
る)。例えば、結晶成長したシリコン層を有するパワー
MOSFETのような構造は、現行のプロセスを用いた
現行のシリコンパワーMOSFET製造設備で製造可能
である。本発明の構造を利用した(例えばパワーMOS
FETのような)デバイスのドリフト領域は主にSiC
から成り、SiCのドーピングはSiのドーピングより
ずっと高くできるため、(一方、従来のSiデバイスと
同じ電圧を供給でき)、本発明の新しいデバイス構造
は、従来のSiパワーデバイスに比べてより低いオン抵
抗を提供することができる。しかし、本発明のデバイス
構造のブレイクダウン電圧は、なおも、少なくともSi
中の一部に形成されたPボディ/N-ドリフト領域接合
の臨界電位により限定される。例えば、高電圧デバイス
(例えば60Vより高い)では、本発明のデバイス構造
では、従来のSiデバイスに比べて20%−90%低い
オン抵抗の提供が期待される。本発明の新しい構造で
は、Pボディ/N-ドリフト領域接合を、完全にSi中
に、またはSi/SiCヘテロ接合に形成することがで
きる。大きな改良としては、Si層はより薄く形成さ
れ、Pボディ拡散はPボディ/N-ドリフト領域接合が
SiC中に形成されるように作られることが好ましい。
しかし、そのような構造は、Si中でのドーパントの拡
散に比べて、高温で、長時間のSiC中へのドーパント
の拡散が必要となる。他のバンドギャップの広い半導体
材料を利用した構造が、説明したSiC材料の代わりに
使用でき、本発明に採用できることは留意すべきであ
る。本発明の他の特徴および長所は、添付図面を用いて
言及する以下の記載から明らかになるであろう。
【0005】
【発明の実施の形態】添付図面において、図1は、本発
明による新しいSiCパワーDMOSFET構造であっ
て、N型SiCドリフト領域11が従来型のN+Si基
板上に配置された構造を示す。SiC領域11はSiよ
り、より高濃度にドープされ、SiC領域11は、従来
技術のSiドリフト領域より小さい抵抗を有する一方、
高いブレイクダウン電圧をも有する。3μm厚のN-結
晶成長層12は、SiCドリフト領域11の上部に成長
される。従来の(P-チャネル領域13、14;ボディ
領域15、16;N+ソース17、18;多結晶ゲート
19;ゲート酸化膜20;層間酸化膜21;上を覆った
ソースコンタクト22のような)パワーMOSFET接
合が、N-結晶成長層12上に配置される。ドレインコ
ンタクト23が、基板10のボトム上に配置される。図
6を参照すると、SiC領域11中の電荷量が、同一の
ブレークダウン電圧のシリコンの電荷量の3倍以上であ
ることが示されている。図6は、P型Si51とN型S
iC52との接合50であって、対応するE電界が供給
されている接合を示す。SiMOSFETに比べて、ド
レイン領域がより低いオン抵抗を得るためには、高電圧
を維持するためのドリフト領域のドーピング(ND)は
高くすべきであり、高電圧を維持するためのドリフト領
域の厚さ(W)は小さくすべきである。言い代えれば、
ドレイン領域は、高いドーピング(ND)および最小膜
厚(W)を備えた阻止電圧を維持できなければならな
い。接合50において、ガウスの法則により、以下の式
が成立する。 εSi*ESi=εSiC*ESiC ESi〜(εSiC/εSi)*ESiC ESi〜0.82*ESiC、 3C−SiCの場合 ESiC〜1.21*ESi、 3C−SiCの場合 一般に、ドリフト領域の均一ドーピングに対して、以下
の関係が成立する。 Ec=qNDWc/ε 但し、Ecはブレイクダウンにおけるこの構造の臨界ア
バランシブレイクダウン電界である。 ESiC=1.21*Ec,Si E電界の傾き=dE/dY=qND/ε ドリフト領域ドーピングNDはEdrift,maxに比例し、
ドリフト領域厚さWはεに比例する。上述の式は、最短
距離でE電界が0になる(最小ドリフト領域厚さW)た
めには、ドリフト領域材料の誘電率(ε)が可能な限り
低くあるべきであることを示す。このように、より高い
ドリフト領域ドーピングに対しては、ドリフト領域は、
シリコンに比べてより高い臨界アバランシ電界を備えた
材料から形成されるべきである。より小さいドリフト領
域厚さに対して、ドリフト領域は、シリコンに比べてよ
り低い誘電率を備えた材料から形成されるべきである。
SiCはSiに比べて、より高い臨界アバランシ電界お
よびより低い誘電率を有する。このように、SiCはド
リフト領域材料として、ドリフト領域の抵抗を低くする
のに良く適し、ドリフト領域は、実質上SiCのような
材料から形成されるべきである。
明による新しいSiCパワーDMOSFET構造であっ
て、N型SiCドリフト領域11が従来型のN+Si基
板上に配置された構造を示す。SiC領域11はSiよ
り、より高濃度にドープされ、SiC領域11は、従来
技術のSiドリフト領域より小さい抵抗を有する一方、
高いブレイクダウン電圧をも有する。3μm厚のN-結
晶成長層12は、SiCドリフト領域11の上部に成長
される。従来の(P-チャネル領域13、14;ボディ
領域15、16;N+ソース17、18;多結晶ゲート
19;ゲート酸化膜20;層間酸化膜21;上を覆った
ソースコンタクト22のような)パワーMOSFET接
合が、N-結晶成長層12上に配置される。ドレインコ
ンタクト23が、基板10のボトム上に配置される。図
6を参照すると、SiC領域11中の電荷量が、同一の
ブレークダウン電圧のシリコンの電荷量の3倍以上であ
ることが示されている。図6は、P型Si51とN型S
iC52との接合50であって、対応するE電界が供給
されている接合を示す。SiMOSFETに比べて、ド
レイン領域がより低いオン抵抗を得るためには、高電圧
を維持するためのドリフト領域のドーピング(ND)は
高くすべきであり、高電圧を維持するためのドリフト領
域の厚さ(W)は小さくすべきである。言い代えれば、
ドレイン領域は、高いドーピング(ND)および最小膜
厚(W)を備えた阻止電圧を維持できなければならな
い。接合50において、ガウスの法則により、以下の式
が成立する。 εSi*ESi=εSiC*ESiC ESi〜(εSiC/εSi)*ESiC ESi〜0.82*ESiC、 3C−SiCの場合 ESiC〜1.21*ESi、 3C−SiCの場合 一般に、ドリフト領域の均一ドーピングに対して、以下
の関係が成立する。 Ec=qNDWc/ε 但し、Ecはブレイクダウンにおけるこの構造の臨界ア
バランシブレイクダウン電界である。 ESiC=1.21*Ec,Si E電界の傾き=dE/dY=qND/ε ドリフト領域ドーピングNDはEdrift,maxに比例し、
ドリフト領域厚さWはεに比例する。上述の式は、最短
距離でE電界が0になる(最小ドリフト領域厚さW)た
めには、ドリフト領域材料の誘電率(ε)が可能な限り
低くあるべきであることを示す。このように、より高い
ドリフト領域ドーピングに対しては、ドリフト領域は、
シリコンに比べてより高い臨界アバランシ電界を備えた
材料から形成されるべきである。より小さいドリフト領
域厚さに対して、ドリフト領域は、シリコンに比べてよ
り低い誘電率を備えた材料から形成されるべきである。
SiCはSiに比べて、より高い臨界アバランシ電界お
よびより低い誘電率を有する。このように、SiCはド
リフト領域材料として、ドリフト領域の抵抗を低くする
のに良く適し、ドリフト領域は、実質上SiCのような
材料から形成されるべきである。
【0006】図1を参照して、所望のトポリジがN-結
晶成長層12中に接合を提供するために使用することが
でき、それにより本発明による他のMOSゲートデバイ
スを得ることができる。図2は、本発明による構造を使
用したショットキバリヤダイオードを示す。図1の要素
に類似する要素は、同様の引用番号を有する。図1およ
び図2の構造の間の大きな相異は、(i)領域12が接
合を有しない(むしろ従来のガードリングが用いられ
る)こと、(ii)カソード22Aは、モリブデンのよう
な高い仕事関数の材料であることが好ましいことであ
る。上述のように、SiC材料中の電荷量は、同じブレ
イクダウン電圧のSi中の電荷量に比べてずっと高く、
それゆえに、デバイスの導電性は、同じブレイクダウン
電圧を有する従来のデバイス以上に改良される。図3
は、本発明の構造を用いたトレンチパワーMOSFET
を示す。特に、P+ボディ31から延びるPシリコン層
30は、ゲート酸化膜32に向かって配置され、該ゲー
ト酸化膜32はシリコン中にエッチングされたトレンチ
に沿っている。該トレンチは多結晶シリコンゲート33
で充填されている。N+ソース拡散領域34はP領域3
0、31中に拡散され、ソースコンタクト22は領域3
1、34およびゲート酸化膜32上に配置される。上で
議論したように、SiC材料中の電荷量は、同じブレイ
クダウン電圧のSiの電荷量よりずっと高い。図4のデ
バイスは、本発明によるMOSFETの代わりの具体例
であり、図1のデバイスに類似する。図4のデバイスで
は、P+ベース15および16が直接SiCドリフト領
域11に接続し、比較的狭い結晶成長層12を残す。図
5のデバイスは、P+領域31、P領域30およびN型
領域11の間の接合がSi/SiCヘテロ接合に形成さ
れる点を除いて、図3のデバイスに類似する。本発明に
ついては特別な具体例との関係で説明してきたが、多く
の他の変化、変形および他の用途は、当業者にとって明
らかになるであろう。それゆえに、本発明は、この特別
な説明により限定されるものではなく、添付の請求項に
よってのみ限定されるべきである。
晶成長層12中に接合を提供するために使用することが
でき、それにより本発明による他のMOSゲートデバイ
スを得ることができる。図2は、本発明による構造を使
用したショットキバリヤダイオードを示す。図1の要素
に類似する要素は、同様の引用番号を有する。図1およ
び図2の構造の間の大きな相異は、(i)領域12が接
合を有しない(むしろ従来のガードリングが用いられ
る)こと、(ii)カソード22Aは、モリブデンのよう
な高い仕事関数の材料であることが好ましいことであ
る。上述のように、SiC材料中の電荷量は、同じブレ
イクダウン電圧のSi中の電荷量に比べてずっと高く、
それゆえに、デバイスの導電性は、同じブレイクダウン
電圧を有する従来のデバイス以上に改良される。図3
は、本発明の構造を用いたトレンチパワーMOSFET
を示す。特に、P+ボディ31から延びるPシリコン層
30は、ゲート酸化膜32に向かって配置され、該ゲー
ト酸化膜32はシリコン中にエッチングされたトレンチ
に沿っている。該トレンチは多結晶シリコンゲート33
で充填されている。N+ソース拡散領域34はP領域3
0、31中に拡散され、ソースコンタクト22は領域3
1、34およびゲート酸化膜32上に配置される。上で
議論したように、SiC材料中の電荷量は、同じブレイ
クダウン電圧のSiの電荷量よりずっと高い。図4のデ
バイスは、本発明によるMOSFETの代わりの具体例
であり、図1のデバイスに類似する。図4のデバイスで
は、P+ベース15および16が直接SiCドリフト領
域11に接続し、比較的狭い結晶成長層12を残す。図
5のデバイスは、P+領域31、P領域30およびN型
領域11の間の接合がSi/SiCヘテロ接合に形成さ
れる点を除いて、図3のデバイスに類似する。本発明に
ついては特別な具体例との関係で説明してきたが、多く
の他の変化、変形および他の用途は、当業者にとって明
らかになるであろう。それゆえに、本発明は、この特別
な説明により限定されるものではなく、添付の請求項に
よってのみ限定されるべきである。
【0007】
【発明の効果】Si半導体装置のドリフト領域にSiC
を用いることより、ドーパント拡散の容易性、MOSチ
ャネルの高いキャリア移動度を維持しつつ、半導体装
置、特にパワーデバイスのオン抵抗の低減が可能とな
る。
を用いることより、ドーパント拡散の容易性、MOSチ
ャネルの高いキャリア移動度を維持しつつ、半導体装
置、特にパワーデバイスのオン抵抗の低減が可能とな
る。
【図1】 本発明の構造を用いたパワーDMOSFET
デバイスの断面図である。
デバイスの断面図である。
【図2】 本発明の構造を用いたショットキバリアダイ
オードデバイスの断面図である。
オードデバイスの断面図である。
【図3】 本発明の構造を用いたトレンチパワーMOS
FETデバイスの断面図である。
FETデバイスの断面図である。
【図4】 本発明の構造を用いたパワーDMOSFET
デバイスの代わりの具体例の断面図である。
デバイスの代わりの具体例の断面図である。
【図5】 本発明の構造を用いたトレンチパワーMOS
FETデバイスの代わりの具体例の断面図である。
FETデバイスの代わりの具体例の断面図である。
【図6】 本発明の図4のデバイスによる、P型シリコ
ンおよびN型炭化シリコンの接合の断面図および対応す
る上記接合を横切るE電界分布である。
ンおよびN型炭化シリコンの接合の断面図および対応す
る上記接合を横切るE電界分布である。
【図7】 図1のデバイス構造のより高い電圧を供給す
る接合の断面図および対応するE電界分布である。
る接合の断面図および対応するE電界分布である。
10 N+基板、11 N-ドリフト領域、12 N-結
晶成長層、15、16P+ベース領域、17、18 N+
ソース、19 多結晶シリコンゲート、20ゲート酸化
膜、21 層間酸化膜、22 ソースコンタクト、23
ドレインコンタクト。
晶成長層、15、16P+ベース領域、17、18 N+
ソース、19 多結晶シリコンゲート、20ゲート酸化
膜、21 層間酸化膜、22 ソースコンタクト、23
ドレインコンタクト。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 29/91 D
Claims (21)
- 【請求項1】 半導体基板と、 上記半導体基板上に配置されたドリフト領域を形成する
バンドギャップの広い材料と、 上記バンドギャップの広い材料上に配置された半導体材
料の結晶成長層とを含む半導体装置。 - 【請求項2】 上記ドリフト領域を形成するバンドギャ
ップの広い材料が、低誘電率、高キャリア移動度の材料
である請求項1に記載の半導体装置。 - 【請求項3】 上記半導体材料の結晶成長層が約3μm
の厚みである請求項1に記載の半導体装置。 - 【請求項4】 上記半導体基板材料がシリコンである請
求項1に記載の半導体装置。 - 【請求項5】 上記ドリフト領域を形成するバンドギャ
ップの広い材料が炭化シリコンである請求項1に記載の
半導体装置。 - 【請求項6】 上記半導体材料の結晶成長層がシリコン
である請求項1に記載の半導体装置。 - 【請求項7】 上記半導体基板材料がシリコンであり、 上記ドリフト領域を形成するバンドギャップの広い材料
が炭化シリコンであり、 上記半導体材料の結晶成長層がシリコンである請求項1
に記載の半導体装置。 - 【請求項8】 ドープされた半導体基板と、 上記ドープされた半導体基板上に配置されたドリフト領
域を形成するドープされたバンドギャップの広い材料
と、 上記バンドギャップの広い材料上に配置された半導体材
料のドープされた結晶成長層とを含むMOSFET半導
体装置。 - 【請求項9】 上記ドリフト領域を形成するドープされ
たバンドギャップの広い材料が、低誘電率、高キャリア
移動度の材料である請求項8に記載のMOSFET半導
体装置。 - 【請求項10】 上記半導体材料の結晶成長層が約3μ
mの厚みである請求項8に記載のMOSFET半導体装
置。 - 【請求項11】 上記半導体基板材料がシリコンである
請求項8に記載のMOSFET半導体装置。 - 【請求項12】 上記ドリフト領域を形成するバンドギ
ャップの広い材料が炭化シリコンである請求項8に記載
のMOSFET半導体装置。 - 【請求項13】 上記半導体材料の結晶成長層がシリコ
ンである請求項8に記載のMOSFET半導体装置。 - 【請求項14】 上記半導体基板材料がシリコンであ
り、 上記ドリフト領域を形成するバンドギャップの広い材料
が炭化シリコンであり、 上記半導体材料の結晶成長層がシリコンである請求項8
に記載のMOSFET半導体装置。 - 【請求項15】 ドープされた半導体基板と、 上記ドープされた半導体基板上に配置されたドリフト領
域を形成するドープされたバンドギャップの広い材料
と、 上記バンドギャップの広い材料上に配置された半導体材
料のドープされた結晶成長層とを含む半導体ダイオー
ド。 - 【請求項16】 上記ドリフト領域を形成するドープさ
れたバンドギャップの広い材料が、低誘電率、高キャリ
ア移動度の材料である請求項15に記載の半導体ダイオ
ード。 - 【請求項17】 上記半導体材料の結晶成長層が約3μ
mの厚みである請求項15に記載の半導体ダイオード。 - 【請求項18】 上記半導体基板材料がシリコンである
請求項15に記載の半導体ダイオード。 - 【請求項19】 上記ドリフト領域を形成するバンドギ
ャップの広い材料が炭化シリコンである請求項15に記
載の半導体ダイオード。 - 【請求項20】 上記半導体材料の結晶成長層がシリコ
ンである請求項15に記載の半導体ダイオード。 - 【請求項21】 上記半導体基板材料がシリコンであ
り、 上記ドリフト領域を形成するバンドギャップの広い材料
が炭化シリコンである請求項15に記載の半導体ダイオ
ード。
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