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JP4356764B2 - 炭化珪素半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、炭化珪素(以下、SiCという)を用いて構成されたショットキーバリアダイオード(以下、SBDという)等の半導体素子を備えるSiC半導体装置に関するものである。
従来より、SBD、PNダイオード、MOSFET、IGBT等の高耐圧半導体素子では、外周領域に備えられる終端構造としてリサーフ構造やガードリング構造などが用いられている。図10は、SBDを備えたSiC半導体装置の断面構造を示した図である。この図に示されるように、SBDは、n+型基板J1の上に備えられたn-型ドリフト層J2の表面に部分的に開口部が形成された絶縁膜J3が形成され、この絶縁膜J3の開口部においてn-型ドリフト層J2と接触するようにショットキー電極J4が形成されている。そして、n+型基板J1の裏面と接触するようにオーミック電極J5が形成され、SBDが構成されている。
また、SBDの終端構造として、ショットキー電極J4の両端位置において、ショットキー電極J4と接するように、n-型ドリフト層J2の表層部にp型リサーフ層J6が配置されていると共に、このp型リサーフ層J6よりもSBDの外周を囲むように複数個のp型ガードリング層J7が配置されている。このようなp型リサーフ層J6およびp型ガードリング層J7を配置することにより、SBDの外周において電界が広範囲に伸びるようにでき、電界集中を緩和できるため、耐圧を向上させることができる。このため、高耐圧なSiC半導体装置とすることが可能となる(例えば、特許文献1参照)。
特開2004−335815号公報
しかしながら、終端構造を構成する部分が例えばAl(アルミニウム)のような拡散係数が低い物質を用いて形成された場合、終端構造を構成する部分からそれに隣接するn-型ドリフト層J2に掛けて濃度プロファイルが急峻になる。このため、終端構造を構成する部分のうち最も半導体素子側(セル側)、例えば図10の構造の場合には、p型リサーフ層J6の内側(内周側)の端部において、逆方向電圧印加時に電界集中が生じ、ブレークダウンが生じ易くなるという現象が起き、耐圧低下を招くという問題がある。
本発明は上記点に鑑みて、終端構造を構成する部分のうち最も半導体素子側の部分の内側の端部において、逆方向電圧印加時の電界集中を緩和できるようにし、耐圧低下を防止できるようにすることを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明では、主表面(1a)および裏面(1b)を有し、第1導電型の炭化珪素からなる基板(1)と、基板(1)の主表面(1a)上に形成され、基板(1)よりも低不純物濃度とされた第1導電型の炭化珪素からなるドリフト層(2)と、ドリフト層(2)におけるセル部に形成された半導体素子(10)と、セル部の外周領域に形成され、ドリフト層(2)の表層部において、セル部を囲むように形成された第2導電型のリサーフ層(6)を含む終端構造と、リサーフ層(6)の内側となるセル部側に形成され、リサーフ層(6)から離間して配置された第2導電型の環状の電界緩和層(8)と、を備え、電界緩和層(8)は、リサーフ層(6)の内側において複数個同心円状に並べられ、互いに離間するように配置されていると共に、深さが0.3〜1.0μmとされ、かつ、リサーフ層(6)よりも第2導電型不純物濃度が濃くされており、複数個の電界緩和層(8)のうちの最も外周側に位置する外周層(8a)がリサーフ層(6)の内側の端部と接触もしくはリサーフ層(6)の内部に含まれていることを第1の特徴としている。
このように、リサーフ層(6)の内側において、リサーフ層(6)から離間して配置される電界緩和層(8)を形成している。このため、逆方向電圧印加時に、電界が複数の電界緩和層(8)の下方にまで伸びるようにできる。これにより、リサーフ層(6)を形成する不純物として拡散係数の低いものが用いられていても、終端構造を構成する部分のうち最もセル部側に位置しているリサーフ層(6)の内側の端部において電界集中を緩和でき、耐圧低下を防止することが可能となる。
また、電界緩和層(8)を複数個並べる場合、複数個の電界緩和層(8)のうち最も外側に位置するものから内側に位置するものにかけて徐々に深さが浅くされるようにすると好ましい。
このような構成とされた場合、逆方向電圧印加時に、電界が複数の電界緩和層(8)の下方に沿って広い範囲に伸び、更なる電界緩和が実現できる。これにより、より耐圧低下を防止することが可能となる。
た、電界緩和層(8)は、深くなるほど濃度が薄くなるように構成されていても良い。
また、本発明は、リサーフ層(6)の内側となるセル部側に形成され、リサーフ層(6)の内側方向において徐々に深さが浅くなるようにテーパ状に形成された第2導電型の環状の電界緩和層(8)を備えていることを第2の特徴としている。
このように、リサーフ層(6)の内側において、リサーフ層(6)の内側方向において徐々に深さが浅くなるような電界緩和層(8)を形成している。このため、逆方向電圧印加時に、電界が複数の電界緩和層(8)の下方にまで伸びるようにできる。これにより、リサーフ層(6)を形成する不純物として拡散係数の低いものが用いられていても、終端構造を構成する部分のうち最もセル部側に位置しているリサーフ層(6)の内側の端部において電界集中を緩和でき、耐圧低下を防止することが可能となる。
このような電界緩和層(8)は、例えばリサーフ層(6)の内側の端部に繋がり、該端部から延設された構成とされる。この場合、電界緩和層(8)をリサーフ層(6)と同じ不純物濃度としても構わない。
また、本発明は、リサーフ層(6)の内側となるセル部側に形成され、深さが深くなるほど、かつ、リサーフ層(6)の内側に至るほど、第2導電型不純物濃度が薄くなるように形成された第2導電型の環状の電界緩和層(8)を備えていることを第3の特徴としている。
このように、リサーフ層(6)の内側において、リサーフ層(6)の内側方向において深さが深くなるほど、かつ、リサーフ層(6)の内側に至るほど、第2導電型不純物濃度が薄くなるような電界緩和層(8)を形成している。このため、逆方向電圧印加時に、電界が複数の電界緩和層(8)の下方や内部にまで伸びるようにできる。これにより、リサーフ層(6)を形成する不純物として拡散係数の低いものが用いられていても、終端構造を構成する部分のうち最もセル部側に位置しているリサーフ層(6)の内側の端部において電界集中を緩和でき、耐圧低下を防止することが可能となる。
このような電界緩和層(8)を構成する第2導電型不純物としては、例えば第2導電型をp型とする場合にはボロンを用いることができる。
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態について説明する。図1に、本実施形態にかかるSBDを備えたSiC半導体装置の断面図を示す。また、図2に、図1に示すSiC半導体装置の上面レイアウト図を示す。なお、図1は、図2のA−A断面に相当する断面図である。また、図2は、断面図ではないが、各構成要素のレイアウト構成の理解を容易にするために、基本的には図1中と同じハッチングを示してある。以下、これらを参照して、本実施形態のSiC半導体装置について説明する。
図1に示すように、SiC半導体装置は、例えば2×1018〜1×1021cm-3程度不純物濃度とされた炭化珪素からなるn+型基板1を用いて形成されている。n+型基板1の上面を主表面1a、主表面1aの反対面である下面を裏面1bとすると、主表面1a上には、基板1よりも低いドーパント濃度、例えば1×1015〜5×1016cm-3程度不純物濃度とされた炭化珪素からなるn-型ドリフト層2が積層されている。これらn+型基板1およびn-型ドリフト層2のセル部にSBD10が形成されていると共に、その外周領域に終端構造が形成されることでSiC半導体装置が構成されている。
具体的には、n-型ドリフト層2の表面には、セル部において部分的に開口部3aが形成されたシリコン酸化膜などで構成された絶縁膜3が形成され、この絶縁膜3の開口部3aにおいてn-型ドリフト層2と接触するように、例えばMo(モリブデン)もしくはTi(チタン)にて構成されたショットキー電極4が形成されている。絶縁膜3に形成された開口部3aは、図2に示すように円形状とされており、ショットキー電極4はこの円形状の開口部3aにおいてn-型ドリフト層2にショットキー接続されている。そして、n+型基板1の裏面と接触するように、例えばニッケル、チタン、モリブデン、タングステン等により構成されたオーミック電極5が形成されている。これにより、SBD10が構成されている。
また、SBD10の外周領域に形成された終端構造として、ショットキー電極4の両端位置において、ショットキー電極4と接するように、n-型ドリフト層2の表層部にp型リサーフ層6が形成されていると共に、p型リサーフ層6の外周をさらに囲むように複数個のp型ガードリング層7等が配置され、終端構造が構成されている。p型リサーフ層6は、例えばAlを不純物として用いて構成されたものであり、例えば、5×1016〜1×1018cm-3程度の不純物濃度で構成されている。これらp型リサーフ層6やp型ガードリング層7は、図2に示すようにセル部を囲むように円環状とされ、これらを配置することにより、SBD10の外周において電界が広範囲に伸びるようにでき、電界集中を緩和できるため、耐圧を向上させることができる。
さらに、終端構造を構成する部分のうち最もセル部側に位置しているp型リサーフ層6の内側(内周側)の端部よりもさらに内側に、p型電界緩和層8が形成されている。このp型電界緩和層8は、図2に示すように、セル部の外縁(ショットキー電極4の外縁)に沿うような円環状とされ、同心円状に複数個(本実施形態では2個)配置されている。例えば、p型電界緩和層8は、5×1017〜5×1020cm-3程度の不純物濃度で構成され、幅(図2の径方向寸法)が0.5〜2.0μm程度、各p型電界緩和層8の間隔が0.5〜2.5μm程度、深さが0.3〜1.0μm程度とされている。
また、本実施形態では、複数のp型電界緩和層8のうちの最も外周側に位置する外周層8aがp型リサーフ層6の内側の端部と接触もしくはリサーフ層6の内部に含まれるように配置され、それよりも内周側に位置する内周層8bが外周層8aから一定間隔空けて配置された構造とされている。
このような構造のSBD10を備えたSiC半導体装置では、ショットキー電極4をアノード、オーミック電極5をカソードとして、ショットキー電極4に対してショットキー障壁を超える電圧を印加すると、ショットキー電極4とオーミック電極の間に電流が流れる。
一方、外周部領域に関しては、逆方向電圧印加時に、p型リサーフ層6の内周側において複数のp型電界緩和層8の下方に電界が伸びる。このため、p型リサーフ層6やp型ガードリング層7を形成する不純物として拡散係数の低いAl等が用いられていても、終端構造を構成する部分のうち最もセル部側に位置しているp型リサーフ層6の内側の端部において電界集中を緩和でき、耐圧低下を防止することが可能となる。
次に、本実施形態にかかるSiC半導体装置の製造方法について説明する。図3は、図1に示すSiC半導体装置の製造工程を示した断面図である。なお、図3中では図を簡略化してp型ガードリング層7を省略してある。
まず、図3(a)に示す工程では、n+型基板1の主表面1aにn-型ドリフト層2をエピタキシャル成長させる。続いて、図3(b)に示す工程では、LTO(low-temperature oxide)等で構成されたマスク11を配置したのち、フォトリソグラフィ・エッチング工程にてマスク11のうちp型リサーフ層6およびp型ガードリング層7の形成予定領域を開口させる。そして、このマスク11を用いて例えばAlなどのp型不純物をイオン注入し、熱処理などによって活性化することでp型リサーフ層6およびp型ガードリング層7を形成する。
次に、図3(c)に示す工程では、マスク11を除去したのち、再びLTO等で構成されたマスク12を配置したのち、フォトリソグラフィ・エッチング工程にてマスク12のうちp型電界緩和層8の形成予定領域を開口させる。そして、このマスク12を用いて例えばAlなどのp型不純物をイオン注入し、熱処理などによって活性化することでp型電界緩和層8を形成する。その後、図3(d)に示す工程では、マスク12を除去したのち、例えば、プラズマCVDによりシリコン酸化膜を成膜したのち、これをリフロー処理することで絶縁膜3を成膜し、フォトリソグラフィ・エッチング工程を経て、絶縁膜3に対して開口部3aを形成する。
そして、図3(e)に示す工程では、開口部3a内を含めて絶縁膜3の上にMoもしくはTiで構成される金属層を形成したのち、この金属層をパターニングすることでショットキー電極4を形成する。さらに、n+型基板1の裏面1b側にニッケル、チタン、モリブデン、タングステン等により構成される金属層を形成することにより、オーミック電極5を形成する。これにより、図1に示したSBD10を備えたSiC半導体装置が完成する。
以上説明したように、本実施形態のSiC半導体装置では、p型リサーフ層6の内周側において、p型リサーフ層6から離間して配置されるp型電界緩和層8を形成している。このため、逆方向電圧印加時に、電界が複数のp型電界緩和層8の下方にまで伸びるようにできる。これにより、p型リサーフ層6やp型ガードリング層7を形成する不純物として拡散係数の低いAl等が用いられていても、終端構造を構成する部分のうち最もセル部側に位置しているp型リサーフ層6の内側の端部において電界集中を緩和でき、耐圧低下を防止することが可能となる。
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態について説明する。図4は、本実施形態にかかるSBD10を備えたSiC半導体装置の断面図である。本実施形態のSiC半導体装置は、第1実施形態に対してp型電界緩和層8の構成を変更したものであり、その他に関しては第1実施形態と同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。
図4に示すように、本実施形態では、円環状のp型電界緩和層8が複数個例えば一定間隔空けて配置形成されているが、p型電界緩和層8は、外側に配置されたものから内側に配置されたものにかけて、徐々に深さが浅くなるような構造とされている。
このような構成とされた場合、逆方向電圧印加時に、電界が複数のp型電界緩和層8の下方に沿って広い範囲に伸び、更なる電界緩和が実現できる。これにより、より耐圧低下を防止することが可能となる。
なお、このような構成のSiC半導体装置は、基本的には上述した図3の製造工程により形成されるが、図3(c)に示す工程のように1つのマスク12を用いて複数のp型電界緩和層8を一度に形成するのではなく、1つずつ異なるマスクを用いて各p型電界緩和層8を形成することになる。そして、外側に位置するp型電界緩和層8を形成する場合と比べて内側に位置するp型電界緩和層8を形成する場合の方のイオン注入エネルギーを低く設定し、イオン注入深さが浅くなるようにすることで、本実施形態のようなSiC半導体装置を形成することが可能となる。
(第3実施形態)
本発明の第3実施形態について説明する。図5は、本実施形態にかかるSBD10を備えたSiC半導体装置の断面図である。本実施形態のSiC半導体装置は、第1実施形態に対してp型電界緩和層8の構成を変更したものであり、その他に関しては第1実施形態と同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。
図5に示すように、本実施形態も、第1実施形態と同様に、円環状のp型電界緩和層8を複数個例えば一定間隔空けて配置形成してあるが、各p型電界緩和層8の濃度プロファイルを第1実施形態に対して変更している。具体的には、各p型電界緩和層8は、ショットキー電極4側となる表面側においてp型不純物濃度が高く、深くなるに連れて徐々にp型不純物濃度が低くなっている。
このような構成とされた場合、逆方向電圧印加時に、電界が複数のp型電界緩和層8の下方やp型電界緩和層8の内部にわたって広い範囲に伸び、更なる電界緩和が実現できる。これにより、より耐圧低下を防止することが可能となる。
なお、このような構成のSiC半導体装置は、基本的には上述した図3の製造工程により形成されるが、図3(c)に示す工程において、例えば、p型電界緩和層8を形成するためのイオン注入のドーズ量を深さに応じて調整し、深くなるほどドーズ量を少なくするようにしたり、Alに代えて拡散しやすいB(ボロン)を浅めにイオン注入しておき、熱処理時にBを深い位置まで拡散させるようにしたりすれば良い。
(第4実施形態)
本発明の第4実施形態について説明する。図6は、本実施形態にかかるSBD10を備えたSiC半導体装置の断面図である。本実施形態のSiC半導体装置は、第1実施形態に対してp型電界緩和層8の構成を変更したものであり、その他に関しては第1実施形態と同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。
図6に示すように、本実施形態では、p型リサーフ層6の内側の端部の深さが徐々に浅くなるような傾斜面とすることでp型電界緩和層8を構成している。本実施形態のp型電界緩和層8は、p型リサーフ層6の一部として構成されているため、濃度はp型リサーフ層6と同等になっている。
このような構成とされた場合にも、逆方向電圧印加時に、電界が複数のp型電界緩和層8の下方において広い範囲に伸び、更なる電界緩和が実現できる。これにより、より耐圧低下を防止することが可能となる。
また、このような構成のSiC半導体装置は、以下の製造工程により製造される。図7は、本実施形態のSiC半導体装置の製造工程を示した断面図である。この製造工程は、基本的には上述した図3の製造工程のうち、図3(b)に示す工程を変更し、図3(c)に示す工程を無くしたものである。
まず、図7(a)に示す工程において、図3(a)と同様の工程を行い、図7(b)に示す工程において、図3(b)に示す工程と同様、n-型ドリフト層2の表面にマスク11を配置する。この後、フォトリソグラフィ・エッチング工程にてマスク11をパターニングする際に、マスク11のうちp型電界緩和層8の形成予定領域と対応する部分、つまりp型リサーフ層6の形成予定領域と対応する開口部の内側端部が傾斜面となるようにする。例えば、まず、マスク11のうちp型リサーフ層6やp型ガードリング層7の形成予定領域を開口させる。このとき、p型電界緩和層8の形成予定領域はマスク11が開口しないようにする。そして、p型リサーフ層6よりも内側の領域であって、p型電界緩和層8の形成予定領域を含めた領域やそれよりも外側の一定幅が開口し、マスク11の他の領域(p型リサーフ層6やp型ガードリング層7の形成予定領域を含めた領域)を覆うレジストマスクを配置し、レジストマスク(図示せず)を用いた等方性エッチングを行うことによりマスク11のうちp型電界緩和層8の形成予定領域と対応する部分が傾斜面となる。この後、マスク11を用いて例えばAlなどのp型不純物をイオン注入し、熱処理などによって活性化することでp型リサーフ層6およびp型ガードリング層7を形成すると同時にp型電界緩和層8を形成する。
そして、図7(c)、(d)に示す工程において、図3(d)、(e)に示す工程を行うことで、本実施形態のSiC半導体装置を形成することができる。
(第5実施形態)
本発明の第5実施形態について説明する。図8は、本実施形態にかかるSBD10を備えたSiC半導体装置の断面図である。本実施形態のSiC半導体装置は、第1実施形態に対してp型電界緩和層8の構成を変更したものであり、その他に関しては第1実施形態と同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。
図8に示すように、本実施形態では、第1実施形態と同様に、円環状のp型電界緩和層8をp型リサーフ層6の内側に配置形成しているが、p型リサーフ層6の内側端部を囲むようにp型電界緩和層8を形成している。p型電界緩和層8は、p型不純物をイオン注入したのち、熱処理時に拡散させることにより形成したものであり、拡散し易いBなどを用いて形成されている。このp型電界緩和層8のp型不純物濃度は、中心部から徐々に薄くなっている。
このような構成とされた場合、逆方向電圧印加時に、電界が複数のp型電界緩和層8の下方やp型電界緩和層8の内部にわたって広い範囲に伸び、更なる電界緩和が実現できる。これにより、より耐圧低下を防止することが可能となる。
なお、このような構成のSiC半導体装置は、基本的には上述した図3の製造工程により形成されるが、図3(c)に示す工程において、例えば、p型電界緩和層8を形成するためのイオン注入時に、Alに代えて拡散しやすいBを用い、熱処理時によりBを広範囲に拡散させるようにすれば良い。
(他の実施形態)
上記各実施形態で説明したp型電界緩和層8の特徴に関しては、適宜組み合わせることが可能である。例えば、第2実施形態で説明したp型電界緩和層8の深さが変わるものに関して、第3実施形態で示したようにp型電界緩和層8の深さが深くなるほど濃度が薄くなるような構成を採用しても良い。
また、上記各実施形態では、各図においてp型電界緩和層8の数の一例を示したが、これに限るものではない。また、図2において、SBD10を備えたSiC半導体装置の上面レイアウト図を示したが、この他のレイアウトとしても構わない。例えば、図9に示すように、p型電界緩和層8、p型リサーフ層6を角を丸めた正方形の環状としても構わない。
さらに、上記実施形態では、セル部に形成される半導体素子としてSBD10を例に挙げて説明したが、従来より知られているPNダイオード、MOSFET、IGBT等に関しても、上記各実施形態で示した終端構造を採用することにより、上記した効果を得ることが可能となる。そして、上記実施形態では、第1導電型をn型とし、第2導電型をp型とするSiC半導体装置について説明したが、各導電型を反転させた構造としても良い。
また、上記実施形態では、p型電界緩和層8をn-型ドリフト層2の表面から形成された構造としているが、n-型ドリフト層2の表面よりも深い位置にのみ形成されたものとしても構わない。
本発明の第1実施形態にかかるSBDを備えたSiC半導体装置の断面図である。 図1に示すSiC半導体装置の上面レイアウト図を示す。 図1に示すSiC半導体装置の製造工程を示した断面図である。 本発明の第2実施形態にかかるSBDを備えたSiC半導体装置の断面図である。 本発明の第3実施形態にかかるSBDを備えたSiC半導体装置の断面図である。 本発明の第4実施形態にかかるSBDを備えたSiC半導体装置の断面図である。 図6に示すSiC半導体装置の製造工程を示した断面図である。 本発明の第5実施形態にかかるSBDを備えたSiC半導体装置の断面図である。 他の実施形態に示すSiC半導体装置の上面レイアウト図を示す。 従来のSBDを備えたSiC半導体装置の断面図である。
符号の説明
1…n+型基板、1a…主表面、1b…裏面、2…n-型ドリフト層、3…絶縁膜、3a…開口部、4…ショットキー電極、5…オーミック電極、6…p型リサーフ層、7…p型ガードリング層、8…p型電界緩和層、8a…外周層、8b…内周層、10…SBD、11…マスク、12…マスク

Claims (3)

  1. 主表面(1a)および裏面(1b)を有し、第1導電型の炭化珪素からなる基板(1)と、
    前記基板(1)の前記主表面(1a)上に形成され、前記基板(1)よりも低不純物濃度とされた第1導電型の炭化珪素からなるドリフト層(2)と、
    前記ドリフト層(2)におけるセル部に形成された半導体素子(10)と、
    前記セル部の外周領域に形成され、前記ドリフト層(2)の表層部において、前記セル部を囲むように形成された第2導電型のリサーフ層(6)を含む終端構造と、
    前記リサーフ層(6)の内側となる前記セル部側に形成され、前記リサーフ層(6)から離間して配置された第2導電型の環状の電界緩和層(8)と、を備え
    前記電界緩和層(8)は、前記リサーフ層(6)の内側において複数個同心円状に並べられ、互いに離間するように配置されていると共に、深さが0.3〜1.0μmとされ、かつ、前記リサーフ層(6)よりも第2導電型不純物濃度が濃くされており、
    前記複数個の電界緩和層(8)のうちの最も外周側に位置する外周層(8a)がリサーフ層(6)の内側の端部と接触もしくはリサーフ層(6)の内部に含まれていることを特徴とする炭化珪素半導体装置。
  2. 前記電界緩和層(8)は、第2導電型不純物濃度が5×1017〜5×1020cm-3 されていることを特徴とする請求項に記載の炭化珪素半導体装置。
  3. 前記リサーフ層(6)は、第2導電型不純物の濃度が5×10 16 〜1×10 18 cm -3 とされていることを特徴とする請求項1または2に記載のショットキーバリアダイオードを備えた炭化珪素半導体装置。
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