JP2018006646A - Silicon carbide semiconductor device and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高耐圧・低損失の炭化珪素(SiC)半導体素子、及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a high breakdown voltage and low loss silicon carbide (SiC) semiconductor element and a method for manufacturing the same.
SiCは、シリコン(Si)に比べて絶縁破壊電界強度が約10倍高い等の優れた特性を有しており、高耐圧パワー半導体素子に好適な材料として注目されている。 SiC has excellent characteristics such as about 10 times higher dielectric breakdown field strength than silicon (Si), and has attracted attention as a material suitable for a high voltage power semiconductor element.
一般に、比較的低耐圧のパワー半導体素子は電界効果トランジスタ(FET)などのユニポーラデバイスが用いられる。一方、高耐圧パワー半導体素子は、少数キャリア注入によって、耐圧維持層の電気伝導度を向上させる効果(伝導度変調効果)を活用したバイポーラデバイスであるPiNダイオードやサイリスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)などを用いるのが一般的である。特に、電力インフラ、高速鉄道、医療用加速電源、産業用高圧電源などに用いられる電力変換器の高性能化、小型化のために、10kV超級の耐電圧を有するパワー素子の実現が期待されている。 In general, a unipolar device such as a field effect transistor (FET) is used as a power semiconductor element having a relatively low breakdown voltage. On the other hand, a high breakdown voltage power semiconductor element is a bipolar device utilizing an effect of improving the electrical conductivity of the breakdown voltage maintenance layer (conductivity modulation effect) by minority carrier injection. Etc. are generally used. In particular, the realization of power devices with a withstand voltage exceeding 10 kV is expected in order to improve the performance and size of power converters used in power infrastructure, high-speed railways, medical acceleration power supplies, industrial high-voltage power supplies, etc. Yes.
非特許文献1には、200μm以上の厚さを有する高純度SiC成長層を活用し、空間変調された電界集中緩和構造を導入することによって、20kV超級の高耐圧を有するSiC PiNダイオードが開示されている。
Non-Patent
多くの電力変換システムでは、パワー素子を、定格値(仕様の最大値)の50%以下の電流で用いることが圧倒的に多い。超高耐圧応用で有望な整流ダイオードであるSiCを用いたPiNダイオードもその限りではない。 In many power conversion systems, power elements are overwhelmingly used with a current of 50% or less of the rated value (maximum value of the specification). The PiN diode using SiC, which is a promising rectifier diode for ultra-high voltage application, is not limited thereto.
しかしながら、SiCは、禁制帯幅が約3.3eVと広いため、pn接合の拡散電位は、約2.8Vと高い。そのため、SiC PiNダイオードは、電圧が約2.8Vになるまで、ほとんど電流が流れない固有の順方向特性を持つ。従って、低電流域で使用する場合でも、約3Vのオン電圧が必要となり、定格値(仕様の最大値)の50%以下の低電流域で使用する場合、電力損失が比較的大きくなってしまい、低損失というSiCの特徴を十分に発揮できない。 However, since SiC has a wide forbidden band width of about 3.3 eV, the diffusion potential of the pn junction is as high as about 2.8V. Therefore, the SiC PiN diode has an inherent forward characteristic in which almost no current flows until the voltage reaches about 2.8V. Therefore, even when used in a low current range, an on-voltage of about 3 V is required, and when used in a low current range of 50% or less of the rated value (maximum value of the specification), the power loss becomes relatively large. Therefore, the SiC characteristic of low loss cannot be fully exhibited.
本発明は、上記課題に鑑みなされたもので、その主な目的は、オン電圧の低い、高耐圧・低損失のSiC半導体素子、及びその製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and a main object thereof is to provide a SiC semiconductor device having a low on-voltage, a high withstand voltage and a low loss, and a manufacturing method thereof.
本発明に係るSiC半導体素子は、第1導電型のSiC基板の一方の主面上に、PiNダイオードが形成された第1領域と、ショットキーバリアダイオードが形成された第2領域とが並列して形成されたSiC半導体素子であって、SiC基板の一方の主面上に、第1導電型のSiCからなる耐圧維持層が形成されており、第1領域において、耐圧維持層上に、第2導電型のSiCからなるエピタキシャル層が選択的に形成され、かつ、エピタキシャル層上に、オーミック接合された第1電極が形成されており、第2領域において、耐圧維持層上に、ショットキー接合された第2電極が形成されており、SiC基板の他方の主面上に、第3電極が形成されており、第1電極及び前記第2電極は、電気的に導通していることを特徴とする。 In the SiC semiconductor device according to the present invention, the first region where the PiN diode is formed and the second region where the Schottky barrier diode is formed are arranged in parallel on one main surface of the SiC substrate of the first conductivity type. A breakdown voltage maintaining layer made of SiC of the first conductivity type is formed on one main surface of the SiC substrate, and in the first region, the breakdown voltage maintaining layer is formed on the breakdown voltage maintaining layer. An epitaxial layer made of SiC of two conductivity types is selectively formed, and a first electrode that is ohmic-bonded is formed on the epitaxial layer, and a Schottky junction is formed on the breakdown voltage maintaining layer in the second region. The second electrode is formed, the third electrode is formed on the other main surface of the SiC substrate, and the first electrode and the second electrode are electrically conductive. And
本発明に係るSiC半導体素子の製造方法は、上記SiC半導体素子の製造方法であって、第1導電型のSiC基板の一方の主面上に、第1導電型のSiCからなる耐圧維持層をエピタキシャル成長で形成する工程(a)と、耐圧維持層上に、第2導電型のSiCからなるエピタキシャル層をエピタキシャル成長で形成する工程(b)と、エピタキシャル層の一部をエッチングにより選択的に除去して、耐圧維持層を露出する工程(c)と、エピタキシャル層上にオーミック接合する第1電極を形成するとともに、露出した耐圧維持層上にショットキー接合する第2電極を形成する工程(d)とを有することを特徴とする。 A method for manufacturing a SiC semiconductor device according to the present invention is a method for manufacturing the SiC semiconductor device, wherein a breakdown voltage maintaining layer made of SiC of the first conductivity type is formed on one main surface of the SiC substrate of the first conductivity type. A step (a) of forming by epitaxial growth, a step (b) of forming an epitaxial layer made of SiC of the second conductivity type on the breakdown voltage maintaining layer by epitaxial growth, and a part of the epitaxial layer is selectively removed by etching. A step (c) of exposing the breakdown voltage maintaining layer; and a step (d) of forming a first electrode that forms an ohmic junction on the epitaxial layer and a second electrode that forms a Schottky junction on the exposed breakdown voltage maintaining layer. It is characterized by having.
本発明によれば、オン電圧の低い、高耐圧・低損失のSiC半導体素子、及びその製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a SiC semiconductor element having a low on-voltage, a high withstand voltage and a low loss, and a manufacturing method thereof.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to the following embodiment. Moreover, it can change suitably in the range which does not deviate from the range which has the effect of this invention.
図1は、SiCパワーダイオードの一般的な順方向特性を示した図で、矢印Aで示したグラフは、PiNダイオードの特性を示し、矢印Bで示したグラフは、ショットキーバリアダイオード(以下、「SBD」という)特性を示す。 FIG. 1 is a diagram showing a general forward characteristic of a SiC power diode. A graph indicated by an arrow A indicates a characteristic of a PiN diode. "SBD") characteristic.
図1に示すように、PiNダイオードは、オン電圧(約3V)は高いものの、伝導度変調効果により、オン抵抗は小さい。一方、SBDは、オン電圧(約1V)は低いが、オン抵抗は大きい。 As shown in FIG. 1, the PiN diode has a high on-voltage (about 3 V), but has a small on-resistance due to the conductivity modulation effect. On the other hand, the SBD has a low on-state voltage (about 1 V) but a large on-resistance.
本発明は、SiCパワー素子として、SiCダイオードに着目し、低電流域では、オン電圧の低いSBDとして動作し、高電流域では、オン抵抗の小さいPiNダイオードとして動作するような、ハイブリッド構造を採用する。 The present invention focuses on SiC diodes as SiC power elements, and adopts a hybrid structure that operates as an SBD with a low on-voltage in a low current region and operates as a PiN diode with a low on-resistance in a high current region. To do.
図2は、本発明の一実施形態におけるSiC半導体素子の構成を模式的に示した図で、(a)は断面図、(b)は平面図を示す。 2A and 2B are diagrams schematically showing a configuration of a SiC semiconductor element according to an embodiment of the present invention, in which FIG. 2A is a cross-sectional view and FIG.
本実施形態におけるSiC半導体素子10は、n+型(第1導電型)のSiC基板11の一方の主面上に、PiNダイオードが形成された第1領域20と、SBDが形成された第2領域21とが並列して形成されている。本実施形態では、図2(b)に示すように、第2領域21は、平面視で、第1領域20を取り囲んで形成されている。
The
図2(a)に示すように、SiC基板11の上面(一方の主面)上に、n−型(第1導電型)のSiCからなる耐圧維持層12が形成されている。そして、第1領域20において、n−耐圧維持層12上に、p+型(第2導電型)のSiCからなるエピタキシャル層13が選択的に形成されている。さらに、p+エピタキシャル層13上に、オーミック接合されたアノード電極(第1電極)14aが形成されている。また、SiC基板11の裏面(他方の主面)上に、カソード電極(第3電極)15が形成されている。これにより、第1領域20において、PiNダイオードが形成されている。
As shown in FIG. 2A, a breakdown
一方、第2領域21において、n−耐圧維持層12上に、ショットキー接合されたアノード電極(第2電極)14bが形成されている。これにより、第2領域21において、SBDが形成されている。
On the other hand, in the
ここで、第1電極14a及び第2電極14bは、電気的に導通しており、SiC半導体素子10のアノード電極として機能する。通常、第1電極14a及び第2電極14bは、同一の金属材料等で一体的に形成される。例えば、第1電極14a及び第2電極14bをチタン(Ti)で形成した場合、p+エピタキシャル層13とのオーミック接合を図るために、p+エピタキシャル層13上に、例えば、チタンとアルミニウム(Al)の合金からなる接合層や、チタンとアルミニウムの積層構造(Ti/Al)(不図示)を形成しておくことが好ましい。これにより、チタンで構成された第1電極14aは、接合層を介してp+エピタキシャル層13とオーミック接合される。また、チタンで構成された第2電極14bは、n−耐圧維持層12とショットキー接合される。
Here, the
一方、第3電極15は、n+型SiC基板11とオーミック接合しており、SiC半導体素子10のカソード電極として機能する。例えば、第3電極15をニッケル(Ni)で形成することにより、n+型SiC基板11とオーミック接合することができる。
On the other hand, the
このように、本実施形態におけるSiC半導体素子10は、SiC基板11上に、PiNダイオードとSBDとが並列に形成されたハイブリッド構造をなす。これにより、SiC半導体素子10は、低電流域では、オン電圧の低いSBDとして動作し、高電流域では、オン抵抗の小さいPiNダイオードとして動作する。その結果、PiNダイオード固有の高い耐圧を維持しつつ、低電流域において、オン電圧の低い低損失のSiC半導体素子を実現することができる。
As described above, the
また、本実施形態におけるSiC半導体素子10は、図2(a)に示すように、p+エピタキシャル層13が、n−耐圧維持層12上をエピタキシャル成長により選択的に形成されたメサ構造をなしている。そのため、p+エピタキシャル層13とn−耐圧維持層12の接合界面近傍では、イオン注入により選択的に形成したプレーナ構造の場合に比べて、イオン注入による誘起欠陥がない。これにより、誘起欠陥による小数キャリアのライフタイムの短縮が起きないため、高い伝導度変調効果を維持することができる。その結果、PiNダイオード固有の低いオン抵抗を維持しつつ、低電流域において、オン電圧の低い低損失のSiC半導体素子を実現することができる。
In addition, as shown in FIG. 2A, the
ところで、本実施形態におけるSiC半導体素子10は、等価回路的には、PiNダイオードと、SBDとが並列接続された構成をなしている。このような構成をなすSiC半導体素子10の電流−電圧特性は、図1を参照しながら説明すると、理想的には、電圧をゼロから上げていった場合、電流は、ある閾値電圧(SiCのpn接合の拡散電位)までの期間は、SBDの動作モードでほぼ線形に増加し、ある閾値電圧を超えると、PiNダイオードの動作モードに切り替わって、急激に増加する。
By the way, the
しかしながら、図3に示すように、SiC半導体素子10の電流−電圧特性において、SBDの動作モード(SBDモード)から、PiNダイオードの動作モード(PiNモード)に切り替わるとき、矢印Cで示すように、電圧が不連続に降下する現象(スナップバック現象)が生じる場合がある。もし、このようなスナップバック現象が生じると、SiC半導体素子10の特性が安定しないため、実用上、大きな問題となる。また、SiC半導体素子10が、複数の第1領域(PiNダイオード形成領域)20を有する場合、図3に示すスナップバック電圧VSがばらつくと、VSの低い第1領域20のPiNダイオードに電流が集中することによって、その領域が破壊されるという問題が生じる。
However, as shown in FIG. 3, in the current-voltage characteristics of the
このようなスナップバック現象が発生する原因は、図4に示すように、SBDモードにおける電流分布に、横方向の広がりが生じ、その結果、PiNダイオードを構成するp+/n−接合に、印加電圧が全て印加されないため、ある閾値電圧になっても、PiNダイオードの動作が始まらないためである。 The cause of the occurrence of such a snapback phenomenon is that, as shown in FIG. 4, the current distribution in the SBD mode is laterally spread, and as a result, applied to the p + / n − junction constituting the PiN diode. This is because the operation of the PiN diode does not start even when a certain threshold voltage is reached because no voltage is applied.
次に、図5を参照しながら、SiC半導体素子10におけるスナップバック電圧VSを、電流分布モデルを用いて解析する。
Next, referring to FIG. 5, the snapback voltage V S in the
図5に示すように、SBDモード時の電流分布の横方向の広がりを、傾斜線Gで近似する。そして、n−耐圧維持層12を、境界線Hによって、横方向の広がりがある領域12aと、横方向の広がりがない領域12bと分ける。ここで、領域12aにおける抵抗成分をR1SPとし、領域12bにおける抵抗成分をR2spとすると、p+エピタキシャル層13の中央におけるp+/n−接合に印加される電圧VJは、以下の式(1)で表される。
As shown in FIG. 5, the horizontal spread of the current distribution in the SBD mode is approximated by an inclined line G. Then, the n − breakdown
ここで、JFSは、ユニポーラ動作時にSBD部を介して素子(セル)全体に流れる順方向電流密度である。 Here, J FS is a forward current density that flows through the entire element (cell) via the SBD portion during unipolar operation.
VJがSiCのpn接合の拡散電位Vdに等しいとき、PiNダイオードの動作が始まる。このときのスナップバック電圧VSは、以下の式(2)で表される。 When V J is equal to the diffusion potential V d of the pn junction of SiC, the operation of the PiN diode begins. The snapback voltage V S at this time is expressed by the following equation (2).
ここで、PiNダイオードが形成される第1領域20の幅をP、SBDが形成される第2領域21の幅をS、n−耐圧維持層12の厚みをdとしたとき、rp=P/d、rs=S/dである。ここで、rp、rsは、PiNダイオード領域の幅P、及びSBD領域の幅Sを、n−耐圧維持層12の厚みdで規格化した値である。また、第1領域20の幅Pは、図5に示すように、第1領域20の全幅の1/2(P=S)とする。なお、図2(b)に示した示したように、第1領域20が矩形の場合、第1領域20の幅Pは、幅の狭い方の全幅の1/2とする。また、第2領域21の幅Sは、第1領域20の外周を区画する辺と、第2領域21の外周を区画する辺との間の最小値とする。
Here, when the width of the
また、傾斜線Gと境界線Hとの角度をθとしている。また、φ'Bは、SBDのショットキー接合における電圧降下で、以下の式(3)で表される。 The angle between the inclined line G and the boundary line H is θ. Φ ′ B is a voltage drop in the SBD Schottky junction and is expressed by the following equation (3).
ここで、A*は、有効リチャードソン定数で、以下の式(4)で表される。 Here, A * is an effective Richardson constant and is represented by the following equation (4).
ここで、m*は電子の有効質量、qは電子の素電荷、kはボルツマン定数、hはプランク定数である。 Here, m * is an effective mass of electrons, q is an elementary charge of electrons, k is a Boltzmann constant, and h is a Planck constant.
式(2)で示されるように、スナップバック電圧VSは、耐圧維持層12の構造によらず、(rp、rs)によって決定される。また、rp>(1/tanθ)のとき、スナップバックは発生しない。すなわち、スナップバックの発生の有無は、rp(=P/d)のみに依存する。
As shown in Expression (2), the snapback voltage V S is determined by (r p , r s ) regardless of the structure of the breakdown
図6は、本実施形態におけるSiC半導体素子10において、PiNダイオードの領域の幅Pを変えたときの順方向特性(電流−電圧特性)を、シミュレーションにより求めた図である。ここで、n−耐圧維持層12の厚みdを100μm、不純物濃度を7×1014cm−3としている。また、PiNダイオード領域の幅Pと、SBD領域の幅Sは、同じ値にしている。図中の矢印K1、K2、K3、K4で示したグラフは、それぞれ、PiNダイオード領域の幅Pを、50μm、75μm、100μm、150μmと変えたときの順方向特性を示す。なお、矢印Aで示した点線のグラフは、比較として、SiC半導体素子をPiNダイオードのみで構成した場合の順方向特性を示す。
FIG. 6 is a diagram obtained by simulation of the forward characteristics (current-voltage characteristics) when the width P of the PiN diode region is changed in the
ここで、シミュレーションは、二次元のポアソン方程式と二次元の電流連続の式(拡散、ドリフト)を同時に解く市販ソフトウェア(「DESSIS」;シノプシス社製)により行った。 Here, the simulation was performed by commercially available software (“DESSIS”; manufactured by Synopsys) that simultaneously solves a two-dimensional Poisson equation and a two-dimensional current continuity equation (diffusion, drift).
図6に示すように、PiNダイオード領域の幅Pが大きくなるとともに、スナップバック現象が抑制されることが分かる。これは、PiNダイオード領域の幅Pが大きくなると、図5における水平線Hが下方にシフトし、抵抗R2SPにおける電圧降下が減少するため、PiNダイオードを構成するp+/n−接合に印加される電圧が上昇するためである。 As shown in FIG. 6, it can be seen that the width P of the PiN diode region is increased and the snapback phenomenon is suppressed. This is applied to the p + / n − junction constituting the PiN diode because the horizontal line H in FIG. 5 shifts downward and the voltage drop across the resistor R 2SP decreases as the width P of the PiN diode region increases. This is because the voltage rises.
図7は、本実施形態におけるSiC半導体素子10において、スナップバック電圧VSのP/d依存性を、電流分布モデルより求めた上記式(3)を用いて計算した結果を示したグラフである。なお、n−耐圧維持層12の厚みdは、100μmと150μmの2通りとし、PiNダイオード領域の幅Pと、SBD領域の幅Sとを同じにした。また、SBDの動作時における電流分布の横方向の広がり角度(図5において、傾斜線Gと境界線Hとの角度θ)を42°とした。なお、本結果は上記の二次元シミュレーション結果と良い一致を示すことを確認している。
FIG. 7 is a graph showing the results of calculating the P / d dependency of the snapback voltage V S using the above equation (3) obtained from the current distribution model in the
図7に示すように、スナップバック電圧VSは、n−耐圧維持層12の構造によらず、P/dのみに依存することが分かる。これは、図5における抵抗R2SPを構成する半導体領域の厚さが、d−Ptanθで与えられ、この抵抗R2SPの影響が無視できるのは、d−Ptanθ=d、すなわちP/d=1/tanθとなる場合であるためである。
As shown in FIG. 7, it is understood that the snapback voltage V S depends only on P / d regardless of the structure of the n − breakdown
また、図7に示すように、P/d≧1のとき、スナップバック電圧VSは、SiCのpn接合の拡散電位(約2.8V)に漸近する。従って、P/d≧1(より好ましくはP/d≧1.2)とすることによって、スナップバック現象の発生を抑制することができる。 Further, as shown in FIG. 7, when P / d ≧ 1, the snapback voltage V S gradually approaches the diffusion potential (about 2.8 V) of the SiC pn junction. Therefore, the occurrence of the snapback phenomenon can be suppressed by setting P / d ≧ 1 (more preferably P / d ≧ 1.2).
以上、説明したように、本実施形態によるSiC半導体素子は、PiNダイオードが形成された第1領域20と、SBDが形成された第2領域21とを並列して形成し、第1領域20において、p+/n−接合を構成するp+領域を、メサ構造からなるp+エピタキシャル層13で構成することによって、オン電圧が低く、かつ、高耐圧・低損失のSiC半導体素子を実現することができる。
As described above, the SiC semiconductor device according to the present embodiment includes the
また、第1領域20の幅をP、n−耐圧維持層12の厚みをdとしたとき、P/d≧1にすることによって、スナップバック現象の発生を抑制したSiC半導体素子を実現することができる。
Moreover, when the width of the
図8は、試作したSiC半導体素子の構成を模式的に示した断面図である。なお、試作したSiC半導体素子は、図2に示した基本構成を備えると共に、実デバイスとして使用する際に要求される特性を満たす構成をさらに備えている。 FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a prototype SiC semiconductor device. Note that the prototyped SiC semiconductor element has the basic configuration shown in FIG. 2 and further includes a configuration that satisfies characteristics required for use as an actual device.
図8に示すように、試作したSiC半導体素子は、n+型のSiC基板11の上面に、PiNダイオードが形成された第1領域20と、SBDが形成された第2領域21とが並列して形成されている。
As shown in FIG. 8, the prototype SiC semiconductor device includes a
具体的には、n+SiC基板11の上面に、SiCからなるn−耐圧維持層12が形成されている。PiNダイオードが形成される第1領域20には、n−耐圧維持層12上に、SiCからなるp+エピタキシャル層13が選択的に形成されている。さらに、p+エピタキシャル層13上に、接合層30を介して、オーミック接合されたアノード電極14aが形成されている。一方、SBDが形成される第2領域21には、n−耐圧維持層12上に、ショットキー接合されたアノード電極14bが形成されている。また、n+SiC基板11の裏面には、カソード電極15が形成されている。
Specifically, an n − breakdown
p+エピタキシャル層13はメサ構造をしており、第1領域20と第2領域21との境界に沿って、n−耐圧維持層12の表面に、低濃度のp−電界緩和領域31が形成されている。これにより、逆バイアス時にp−電界緩和領域31が空乏化し、メサ構造底部近傍に形成されるpn接合界面の電界集中を緩和することができる。
The p + epitaxial layer 13 has a mesa structure, and a low-concentration p − electric
また、第2領域21に形成されたSBDは、n−耐圧維持層12の表面に、複数の離間したpバリア領域32が形成された接合障壁制御ショットキー構造をなしている。これにより、逆バイアス時に、pバリア領域32が、ショットキー界面の電界強度を低減し、これにより、逆バイアス時のリーク電流を低減することができる。
The SBD formed in the
さらに、SBDが形成される第2領域21の外周部22には、n−耐圧維持層12の表面に、複数のpイオン注入領域36が形成された終端構造が設けられている。ここで、各pイオン注入領域36は、低濃度のp−イオン注入領域35の中に形成され、最縁部に向かって、徐々に幅が狭くなっている。このような終端構造を設けることによって、逆バイアス時に終端構造部が内側から外周部に向かって徐々に空乏化して素子端部における電界集中を緩和し、オフ状態での耐圧を確保することができる。
Furthermore, the outer
図9は、試作したSiC半導体素子の基本特性(電流−電圧特性)を示した図で、(a)は順方向特性、(b)は逆方向特性を示す。ここで、図9(a)において、左側の縦軸は、電流値(対数目盛)を示し、右側の縦軸は、電流密度を示している。なお、試作したSiC半導体素子において、n−耐圧維持層12の厚みdを95μm、不純物濃度を6×1014cm−3とした。また、PiNダイオード領域の幅P、及びSBD領域の幅Sを、共に150μmとした。
FIG. 9 is a diagram showing basic characteristics (current-voltage characteristics) of a prototype SiC semiconductor device, where (a) shows forward characteristics and (b) shows reverse characteristics. Here, in FIG. 9A, the left vertical axis indicates the current value (logarithmic scale), and the right vertical axis indicates the current density. In the prototype SiC semiconductor device, the thickness d of the n − breakdown
図9(a)に示すように、順方向特性において、約0.8VでSBDダイオードとして電流が立ち上がり、その後、約3.5VでPiNダイオードの動作モードに移行するというほぼ設計通りの特性が得られた。そして、SBDの動作モード(SBDモード)から、PiNダイオードの動作モード(PiNモード)に切り替わるときに発生するスナップバック現象は見られなかった(このときのP/dは、1.05)。また、電流の片対数プロットから分かるように、SBDの特性も、ほぼ理想的なものが得られている(理想因子n=1.01)。また、図9(b)に示すように、逆方向特性において、11.3kVの高い絶縁破壊電圧が得られた。これは、n−耐圧維持層12から計算される理想耐圧(13.3kV)の85%の耐圧に相当する。
As shown in FIG. 9 (a), in the forward characteristics, the current rises as an SBD diode at about 0.8V, and then shifts to the operation mode of the PiN diode at about 3.5V. It was. No snapback phenomenon occurred when switching from the SBD operation mode (SBD mode) to the PiN diode operation mode (PiN mode) (P / d at this time is 1.05). As can be seen from the semilogarithmic plot of the current, the SBD characteristic is also almost ideal (ideal factor n = 1.01). Further, as shown in FIG. 9B, a high breakdown voltage of 11.3 kV was obtained in the reverse characteristics. This corresponds to a breakdown voltage of 85% of the ideal breakdown voltage (13.3 kV) calculated from the n − breakdown
図10は、試作したSiC半導体素子の順方向特性を、同じn−耐圧維持層12に、それぞれ単独で作製したPiNダイオード及びSBDの順方向特性と比較したグラフである。ここで、矢印M1の実線で示したグラフが、本実施形態におけるSiC半導体素子の順方向特性で、矢印A及びBの破線で示したグラフが、PiNダイオード及びSBDの順方向特性である。なお、単独で作製したPiNダイオード及びSBDの構造は、本実施形態におけるSiC半導体素子の第1領域20及び第2領域21に作製したPiNダイオード及びSBDの構造と同じである。また、単独で作製したPiNダイオード及びSBDの平面視における面積は、本実施形態におけるSiC半導体素子の第1領域20及び第2領域21の面積を足した面積である。
FIG. 10 is a graph comparing the forward characteristics of the fabricated SiC semiconductor element with the forward characteristics of a PiN diode and an SBD fabricated independently on the same n − breakdown
図10に示すように、本実施形態におけるSiC半導体素子のSBDの動作モードにおけるオン抵抗は、単独で作製したSBDのオン抵抗と、ほぼ同じ大きさを示した。これは、SBDが形成された第2領域21の面積が、単独で作製したSBDの面積の半分であるが、第2領域21での電流が、PiNダイオードが形成された第1領域20に広がったために、オン抵抗が低減されたためと考えられる。
As shown in FIG. 10, the on-resistance in the SBD operation mode of the SiC semiconductor element according to the present embodiment is almost the same as the on-resistance of the SBD manufactured independently. This is because the area of the
一方、本実施形態におけるSiC半導体素子のPiNダイオードの動作モードにおけるオン抵抗は、単独で作製したPiNダイオードのオン抵抗よりも若干大きくなった。これは、SBDが形成された第2領域21の分だけ、伝導度変調効果が発揮される領域が減少しため、オン抵抗が増加したためと考えられる。従って、PiNダイオードが形成される第1領域20の幅Pを、SBDが形成される第2領域の幅Sよりも大きくする(P>S)にすることによって、矢印M2の一点鎖線で示したグラフのように、PiNダイオードの動作モードにおけるオン抵抗を、単独で作製したPiNダイオードのオン抵抗により近づけることができる。
On the other hand, the on-resistance in the operation mode of the PiN diode of the SiC semiconductor element according to the present embodiment was slightly larger than the on-resistance of the PiN diode fabricated independently. This is presumably because the on-resistance is increased because the region where the conductivity modulation effect is exhibited is reduced by the amount of the
図11は、試作したSiC半導体素子の順方向特性を、同じn−耐圧維持層12の表面に、イオン注入によりp+層を形成してプレーナ型PiNダイオードを作製したハイブリッド構造のSiC半導体素子(SBD構造は同じ)の順方向特性と比較したグラフである。ここで、矢印Mで示したグラフが、本実施形態におけるSiC半導体素子の順方向特性で、矢印Nで示したグラフが、イオン注入によりpn接合を形成したプレーナ型PiNダイオードを備えたSiC半導体素子の順方向特性である。
11, the forward characteristics of the SiC semiconductor device fabricated, the same on the surface of the n - breakdown
図11に示すように、本実施形態におけるSiC半導体素子のPiNダイオードの動作モードにおけるオン抵抗は、プレーナ型PiNダイオードを備えたSiC半導体素子のオン抵抗よりも著しく小さかった。これは、プレーナ型PiNダイオードのp+イオン注入層には、イオン注入により誘起欠陥が多く発生し、これにより、小数キャリアのライフタイムが短縮されて、PiNダイオードの動作モードにおけるオン抵抗が上昇したためと考えられる。これに対して、本実施形態におけるPiNダイオードのp+エピタキシャル層は、イオン注入による誘起欠陥がないため、高い伝導度変調効果を維持することができ、その結果、低いオン抵抗を実現することができた。 As shown in FIG. 11, the on-resistance in the operation mode of the PiN diode of the SiC semiconductor element in the present embodiment was significantly smaller than the on-resistance of the SiC semiconductor element provided with the planar PiN diode. This is because a large number of induced defects are generated by ion implantation in the p + ion implantation layer of the planar type PiN diode, thereby reducing the lifetime of the minority carriers and increasing the on-resistance in the operation mode of the PiN diode. it is conceivable that. On the other hand, since the p + epitaxial layer of the PiN diode in this embodiment has no induced defects due to ion implantation, a high conductivity modulation effect can be maintained, and as a result, a low on-resistance can be realized. did it.
図12(a)〜(e)は、本実施形態におけるSiC半導体素子の製造方法を示した断面図である。 12A to 12E are cross-sectional views showing a method for manufacturing an SiC semiconductor device according to the present embodiment.
図12(a)に示すように、n+型(第1導電型)のSiC基板11の一方の主面上に、n−型(第1導電型)のSiCからなる耐圧維持層12をエピタキシャル成長で形成する。ここで、SiC基板11は、例えば、4H−SiC単結晶基板を用いることができる。また、n−耐圧維持層12は、例えば、不純物濃度が1×1014〜2×1015cm−3の範囲が好ましい。また、n−耐圧維持層12の厚みは、30〜300μmの範囲が好ましい。
As shown in FIG. 12A, an n − type (first conductivity type) SiC breakdown
次に、図12(b)に示すように、n−耐圧維持層12上に、p+(第2導電型)のSiCからなるエピタキシャル層13をエピタキシャル成長で形成する。ここで、p+エピタキシャル層13は、例えば、不純物濃度が1×1018〜3×1020cm−3の範囲が好ましい。また、p+エピタキシャル層13の厚みは、0.3〜6μmの範囲が好ましい。
Next, as shown in FIG. 12B, an
次に、図12(c)に示すように、p+エピタキシャル層13の一部(第2領域21)をエッチングにより選択的に除去して、n−耐圧維持層12aを露出する。エッチングは、例えば、p+エピタキシャル層13の一部(第1領域20)に酸化膜を形成し、この酸化膜をマスクに、CF4、O2の混合ガスを用いた反応性イオンエッチングにより行うことができる。このエッチングにより、第1領域20に残存したp+エピタキシャル層13aは、メサ型構造をなしている。また、エッチングは、異方性の強くないエッチングが好ましく、これにより、p+エピタキシャル層13aは、側壁がやや傾斜したメサ構造が得られる。
Next, as shown in FIG. 12C, a part of the p + epitaxial layer 13 (second region 21) is selectively removed by etching to expose the n − breakdown
次に、図12(d)に示すように、残存したp+エピタキシャル層13aと、露出したn−耐圧維持層12aとの境界(第1領域20と第2領域21との境界)に沿って、n−耐圧維持層12の表面に、イオン注入により、p+エピタキシャル層よりも低濃度のp−型(第2導電型)の電界緩和領域31を形成する。p−電界緩和領域31は、例えば、アルミニウム(Al)をイオン注入により形成することができる。
Next, as shown in FIG. 12D, along the boundary between the remaining p + epitaxial layer 13a and the exposed n − breakdown
なお、図8に示した第2領域(SBD領域)21の外周部22に終端構造を設ける場合には、p−イオン注入領域35を、p−電界緩和領域31と同時にイオン注入で形成してもよい。
When a termination structure is provided on the outer
なお、p+エピタキシャル層13aを、側壁がほぼ垂直なメサ構造に形成した場合、n−耐圧維持層12の表面に、斜めイオン注入により、第1領域20と第2領域21との境界に沿って、p−電界緩和領域31を形成することができる。
In the case where the p + epitaxial layer 13a is formed in a mesa structure with substantially vertical sidewalls, along the boundary between the
次に、図12(e)に示すように、p+エピタキシャル層13a上にオーミック接合する第1電極14aを形成するとともに、露出したn−耐圧維持層12a上にショットキー接合する2電極14bを形成する。また、SiC基板11の他方の主面上に、第3電極15を形成する。ここで、第1電極14a及び第2電極14bは、例えば、チタン(Ti)で一体的に形成することができる。この場合、p+エピタキシャル層13aとのオーミック接合を図るために、p+エピタキシャル層13a上に、例えば、チタンとアルミニウム(Al)の合金からなる接合層や、チタンとアルミニウムの積層構造(Ti/Al)(不図示)を予め形成しておくことが好ましい。これにより、第1電極14aは、接合層を介してp+エピタキシャル層13とオーミック接合され、第2電極14bは、n−耐圧維持層12とショットキー接合される。また、第3電極15は、例えば、ニッケル(Ni)で形成することができる。これにより、第3電極15は、n+SiC基板11とオーミック接合される。
Next, as shown in FIG. 12E, a
以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。 As mentioned above, although this invention was demonstrated by suitable embodiment, such description is not a limitation matter and of course various modifications are possible.
例えば、上記実施形態では、図2(b)に示したように、SBDが形成される第2領域21を、PiNダイオードが形成される第1領域20を取り囲むように形成したが、これに限定されず、第1領域20と第2領域21とが、平面視で並列して形成されていれば、第1領域20及び第2領域21は、どのような形状であってもよい。
For example, in the above embodiment, as shown in FIG. 2B, the
図13は、本実施形態におけるSiC半導体素子の変形例を示した平面図である。 FIG. 13 is a plan view showing a modification of the SiC semiconductor element in the present embodiment.
図13に示すように、PiNダイオードが形成される第1領域20は、細長い形状からなり、これが複数個、互いに離間して並列されている。また、SBDが形成される第2領域21は、複数個の第1領域20を取り囲んで形成されている。第1領域20及び第2領域21を、このように構成することによって、PiNダイオードを構成する第1領域20に確実に順方向電圧が印加されてスナップバック現象を抑制でき、かつ多数素子の並列動作によって大電流を得ることができる。
As shown in FIG. 13, the
本変形例における第1領域20の幅Pは、図13に示すように、第1領域20における短辺の幅の1/2とする。また、第2領域21の幅Sは、隣接する第1領域20間の距離の1/2とする。
As shown in FIG. 13, the width P of the
図14は、本実施形態におけるSiC半導体素子の他の変形例を示した平面図である。 FIG. 14 is a plan view showing another modification of the SiC semiconductor device according to the present embodiment.
図14に示すように、PiNダイオードが形成される第1領域20は、矩形からなり、これが、複数個、千鳥状に配列されている。また、SBDが形成される第2領域21は、複数個の第1領域20を取り囲んで形成されている。第1領域20及び第2領域21を、このように構成することによって、PiNダイオードを構成する第1領域20に確実に順方向電圧が印加されてスナップバック現象を抑制でき、かつ多数素子の並列動作によって大電流を得ることができる。
As shown in FIG. 14, the 1st area |
本変形例における第1領域20の幅Pは、図14に示すように、第1領域20における短辺の幅の1/2とする。また、第2領域21の幅Sは、隣接する第1領域20間の最小距離の1/2とする。
As shown in FIG. 14, the width P of the
なお、本実施形態における第1領域20の形状は、矩形に限定されず、多角形、円形、楕円形であってもよい。この場合、第1領域20の幅Pは、第1領域20の外周縁において、向かい合う二つの辺(または点)間の最小距離の1/2とする。
In addition, the shape of the 1st area |
また、上記実施形態では、図8に示したように、試作したSiC半導体素子のSBDを接合障壁制御ショットキー構造にしたが、勿論、SBDの構造はこれに限定されず、他の構造のものであってもよい。また、第2領域(SBD領域)21の外周部22に終端構造を設けたが、その構成は特に限定されず、また、必ずしも終端構造を設ける必要はない。
In the above embodiment, as shown in FIG. 8, the SBD of the prototype SiC semiconductor element has a junction barrier control Schottky structure. However, the structure of the SBD is not limited to this and is of another structure. It may be. Further, although the termination structure is provided on the outer
10 SiC半導体素子
11 SiC基板
12 耐圧維持層
13 エピタキシャル層
14a 第1電極(アノード電極)
14b 第2電極(アノード電極)
15 第3電極(カソード電極)
20 第1領域
21 第2領域
22 外周部
30 接合層
31 電界緩和領域
32 バリア領域
33 酸化膜
34 表面保護膜
35、36 イオン注入領域
10 SiC semiconductor device
11 SiC substrate
12 Withstand voltage maintenance layer
13 Epitaxial layer
14a First electrode (anode electrode)
14b Second electrode (anode electrode)
15 Third electrode (cathode electrode)
20 First region
21 Second area
22 outer periphery
30 bonding layers
31 Electric field relaxation region
32 Barrier area
33
Claims (10)
前記SiC基板の一方の主面上に、第1導電型のSiCからなる耐圧維持層が形成されており、
前記第1領域において、前記耐圧維持層上に、第2導電型のSiCからなるエピタキシャル層が選択的に形成され、かつ、前記エピタキシャル層上に、オーミック接合された第1電極が形成されており、
前記第2領域において、前記耐圧維持層上に、ショットキー接合された第2電極が形成されており、
前記SiC基板の他方の主面上に、第3電極が形成されており、
前記第1電極及び前記第2電極は、電気的に導通している、SiC半導体素子。 A SiC semiconductor in which a first region in which a PiN diode is formed and a second region in which a Schottky barrier diode (SBD) is formed are formed in parallel on one main surface of a first conductivity type SiC substrate. An element,
A breakdown voltage maintaining layer made of SiC of the first conductivity type is formed on one main surface of the SiC substrate,
In the first region, an epitaxial layer made of SiC of the second conductivity type is selectively formed on the breakdown voltage maintaining layer, and an ohmic junction first electrode is formed on the epitaxial layer. ,
In the second region, a second electrode having a Schottky junction is formed on the breakdown voltage maintaining layer,
A third electrode is formed on the other main surface of the SiC substrate,
The SiC semiconductor element, wherein the first electrode and the second electrode are electrically conductive.
第1導電型のSiC基板の一方の主面上に、第1導電型のSiCからなる耐圧維持層をエピタキシャル成長で形成する工程(a)と、
前記耐圧維持層上に、第2導電型のSiCからなるエピタキシャル層をエピタキシャル成長で形成する工程(b)と、
前記エピタキシャル層の一部をエッチングにより選択的に除去して、前記耐圧維持層を露出する工程(c)と、
前記エピタキシャル層上にオーミック接合する第1電極を形成するとともに、露出した前記耐圧維持層上にショットキー接合する第2電極を形成する工程(d)と
を有する、SiC半導体素子の製造方法。 A method for producing a SiC semiconductor device according to any one of claims 1 to 7,
A step (a) of forming a breakdown voltage maintaining layer made of SiC of the first conductivity type on one main surface of the SiC substrate of the first conductivity type by epitaxial growth;
Forming an epitaxial layer made of SiC of the second conductivity type on the breakdown voltage maintaining layer by epitaxial growth; and
A step (c) of selectively removing a part of the epitaxial layer by etching to expose the breakdown voltage maintaining layer;
Forming a first electrode that forms an ohmic junction on the epitaxial layer and forming a second electrode that forms a Schottky junction on the exposed breakdown voltage maintaining layer.
After the step (c) and before the step (d), the surface of the breakdown voltage maintaining layer is ion-implanted along the boundary between the remaining epitaxial layer and the exposed breakdown voltage maintaining layer by ion implantation. 10. The method of manufacturing an SiC semiconductor device according to claim 8, wherein the electric field relaxation region of the second conductivity type having a lower concentration than the epitaxial layer is formed.
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|---|---|---|---|---|
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| CN113474898A (en) * | 2019-02-07 | 2021-10-01 | 镁可微波技术有限公司 | Diode with straight segment anode |
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