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図面 (10)

課題

本発明の第一の目的は、低不純物n型又はp型結晶から、高電圧パワーデバイスベース層として使用できる質を有するSiCウェーハを作製するための方法である。本発明の第二の目的は、非常に高い電圧を阻止することができる新規半導体構造である。

解決手段

この方法は、低い抵抗率SiC基板における厚い低不純物層の従来のCVD成長より低いコスソリューションを可能にする。縦型パワーデバイスでは不要な付加的な抵抗を表す高不純物基板を使用する代わりに、本発明のデバイスはnドリフト領域として低不純物ウェーハを使用する。

概要

背景

現在、シリコンパワーデバイスにより実現する最も高い破壊電圧はIGBTGTOに対して4.5〜6.5kVの範囲であり、サイリスタに対して9〜12kVの範囲である。今日、高めの電圧を扱うためのこれらスイッチング装置能力は、直列操作直列演算)の要件のような技術因子、及びシリコン半導体物理特性により制限される。高めの電圧(>10kV)の電気送信システムは広めのバンドギャップ炭化ケイ素半導体の高めの臨界電場から利益を得ると考えられている。加えて、同等の電圧定格のために、炭化ケイ素装置はそれらのシリコン片方より低いオン抵抗と低いスイッチングのロスの利点を提供する。

SiC基板1に析出した低不純物電圧阻止層3を有する、従来技術に従う例の構造が図1に示されている。現在のところ、このような全ての電圧支持SiC層は、高不純物(高ドーピング)のオフ(オフオリエント)したSiC基板1においてエピタキシャル成長する。このような層3を成長させるための確立した方法は、1600℃付近の温度で実行されるCVD技術である。CVD技術の利点は、SiCバイポーラ装置に必要な、低n型又はp型ドーピング(典型的には1015cm−3の範囲及びより低い)と長いキャリア寿命(数百ナノ秒)の要件を満たすその能力にある。CVDプロセスの主な不利益はその遅い成長速度と、従って100μmより厚い層に対してコスト高になる点にある。例えば、ND〜3×1014cm−3で5〜10μm/hの範囲の成長速度で、20kVの阻止層のための250μm厚のドリフト領域のために、既存のCVDプロセスは25〜50時間の成長時間を必要とする。

シリコンの技術では、エピタキシャルパワーデバイス構造の高いコストは、伝導基板で成長した厚い低不純物エピレイヤーの代わりに、低不純物シリコンウェーハをドリフト領域として用いることにより取り組まれてきた。最新式のハイパワーシリコンデバイスのための出発ウェーハは、フロート領域で成長したSi結晶から作られた4〜6インチ中性子変換ウェーハである。例えば、5kVスイッチング装置のドリフト領域は、2×1013cm−3のドーピングを有する約500μm厚のシリコンウェーハを用いる。

現在、この技術はシリコンパワーデバイスを10kVレンジまでの電圧操作能力に限定する。25kVのシリコンデバイスは、1012cm−3又はそれ以下のドリフト領域として2mm厚のウェーハを使用すること、及び400μsの担体寿命を必要とする。炭化ケイ素スイッチング装置は、同じ阻止電圧を実現するために、1桁薄いドリフト領域、1〜2桁高いドーピング及び低めの担体寿命を使用する一方、低めのオン抵抗と低めのスイッチングロスの利点をもたらす。

しかしながら、低不純物のマイクロ秒レンジの寿命を有するSiCウェーハ不足のために、このアプローチは現在の最新式の炭化ケイ素ウェーハによって使用できる。現在、SiCウェーハは、低めのレンジの抵抗率(n型、約0.015Ωcm及びp型約2.5Ωcm)と、半絶縁性フォーム(ρ>106Ωcm)において基板として用いるために利用できる。低い抵抗率の基板のために、浅いドーパントの濃度(例えば、窒素又はアルミニウム)は典型的には1018cm−3又はそれより高いレンジにある一方、半絶縁性基板は浅い準位(例えば窒素)より高い密度の深い準位(内因性又は外因性)を含む。従って、逆電圧支持能力を有しない低い抵抗率の基板も、自由キャリアの寿命が数ナノ秒よりも短い半絶縁性基板も、パワーデバイスのドリフト領域として用いることができない。

十分な伝導率を有する適切なベース材料が利用できないので(n型材料の0.02Ωcmに対して約8Ωcm)、「低い抵抗率」のp型基板に作製された縦型SiC半導体パワーデバイスは、これまでのところ理論にのみ存在する。この不足の理由は、最も一般的な結晶成長プロセスの現在の技術にあると考えられる。アルミニウムの組み込みは、特に高不純物濃度の場合に昇華成長炉で制御することが困難である。さらに、炭化ケイ素における全ての知られたアクセプタイオン化エネルギーは比較的高い。従って、エピタキシーにより成長したn型ドリフト領域を有するp型基板を用いる基板のような魅力的なIGBTを作製することは可能でない。さらに、適切なベース材料の利用性をも考えると、推定されるIGBT構造の逆方向エミッタの近くで寿命変調によってデバイスパラメータを調節することは限られた可能性しかない(図1)。

分かっている限りでは、エピタキシャルのSiC基板において実現したIGBT構造は、満足できない技術的なパラメータにより損なわれる。全ての場合で、ベース材料は非常に低い伝導率を有するp型だった。この場合、酸化物応力が非常に高く、信頼度が非常に低下することになるので(十分な遮断対策の使用を除く)、MOSゲートを用いた典型的なIGBT構造の成功の実現は可能ではないようである。

概要

本発明の第一の目的は、低不純物n型又はp型結晶から、高電圧パワーデバイスのベース層として使用できる質を有するSiCウェーハを作製するための方法である。本発明の第二の目的は、非常に高い電圧を阻止することができる新規半導体構造である。この方法は、低い抵抗率のSiC基板における厚い低不純物層の従来のCVD成長より低いコストソリューションを可能にする。縦型パワーデバイスでは不要な付加的な抵抗を表す高不純物基板を使用する代わりに、本発明のデバイスはnドリフト領域として低不純物ウェーハを使用する。

目的

加えて、同等の電圧定格のために、炭化ケイ素装置はそれらのシリコンの片方より低いオン抵抗と低いスイッチングのロスの利点を提供する

効果

実績

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請求項1

前面及び裏面を有する基板層として働く第一伝導性タイプドリフト領域、前記ドリフト領域の前面に配された第一コンタクト電極、前面に配され、かつ少なくとも前記第一伝導性タイプのキャリアの前記ドリフト領域への入射を制御する制御領域、及び前記ドリフト領域の裏面に第二コンタクト電極を有する、前記ドリフト領域が前記第一コンタクト電極と前記第二コンタクト電極の間でキャリア流れを運ぶように配された半導体装置において、前記ドリフト領域が、1015cm−3より低い正味キャリア濃度と少なくとも50nsのキャリア寿命を有する炭化ケイ素ウェーハから成り、前記炭化ケイ素ウェーハが前記ドリフト領域の裏面又は前面を形成する表面であって、1°より小さいオフアクシス角度でミラー指数の方向にオフ配向されている表面を有することを特徴とする半導体装置。

請求項2

前記制御領域が、前記ドリフト領域内の前面の表面に配され、スペースで分離されている、所定の深さを有する第二伝導性タイプの少なくとも二つのベース領域;前記前面の表面に位置し、前記第二伝導性タイプの前記ベース領域内にある前記第一伝導性タイプのソース領域;前記ソース領域を有する前記ベース領域内の前面の表面に配され、前記ソース領域と前記ベース領域の端の間に配されたチャネル領域;前記チャネル領域を制御するためのゲート電極;及び前記ゲート電極を前記チャネル領域から電気的に分離するためのゲート絶縁領域を有することを特徴とする請求項1に記載の装置。

請求項3

前記ゲート絶縁領域が、前記ソース領域の上に重なった前記チャネル領域の上に位置し、前記ベース領域の間のスペースに完全に重なっていることを特徴とする請求項2に記載の装置。

請求項4

前記第一コンタクト電極が、前記ソース領域と前記ベース領域に共通するオーミックコンタクトを備えたエミッタ電極であり、前記ゲート電極から電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項2に記載の装置。

請求項5

前記第一コンタクト電極が、前記ドリフト領域の前面全体にわたって延びたエミッタ電極であることを特徴とする請求項1に記載の装置。

請求項6

前記第二コンタクト電極が前記ドリフト領域の裏側の表面に配された層を形成するコレクタ電極であることを特徴とする請求項1に記載の装置。

請求項7

コレクタ領域が前記ドリフト領域内の裏側表面に位置していることを特徴とする請求項1に記載の装置。

請求項8

前記コレクタ領域が前記第二コンタクト電極とオーミックコンタクトを形成していることを特徴とする請求項7に記載の装置。

請求項9

前記コレクタ領域が第二伝導性タイプであることを特徴とする請求項7に記載の装置。

請求項10

前記コレクタ領域が前記ドリフト領域の裏面全体にわたって延び、フィールドストップ領域を備えていることを特徴とする請求項7に記載の装置。

請求項11

前記コレクタ領域が小さい領域で区切られた幾つかのユニットに分けられ、前記第二コンタクト電極がそれぞれのコレクタユニット及び前記ドリフト領域又は前記ドリフト領域内のフィールドストップ領域と共通のオーミックコンタクトを形成していることを特徴とする請求項7に記載の装置。

請求項12

前記ドリフト領域の裏面が逆阻止のために接合終端エクステンションを備えていることを特徴とする請求項1に記載の装置。

請求項13

前記ドリフト領域の前面が順方向阻止のために接合終端エクステンションを備えていることを特徴とする請求項1に記載の装置。

請求項14

前記ドリフト領域の裏面に設けられた構造と前面における構造を一直線に並べるために、前記ドリフト領域の前面が位置合わせマークを備えていることを特徴とする請求項1に記載の装置。

請求項15

前記半導体装置がIGBTであることを特徴とする請求項1に記載の装置。

請求項16

前記炭化ケイ素ウェーハの表面がオンアクシス配向を有することを特徴とする請求項1に記載の装置。

技術分野

0001

本発明は、ウェーハ注入された自由キャリアバイポーラパワーデバイスのために利益のある寿命再結合させるために、不純物内因性欠陥又は構造欠陥のいずれかに起因する深い準位の十分な濃度を有する低不純物(低ドーピング)n型又はp型炭化ケイ素ウェーハを、15kV又はそれ以上の電圧阻止能力を有するIGBTのようなハイパワーデバイス構造のベース領域として用いることに関する。

背景技術

0002

現在、シリコンパワーデバイスにより実現する最も高い破壊電圧はIGBTとGTOに対して4.5〜6.5kVの範囲であり、サイリスタに対して9〜12kVの範囲である。今日、高めの電圧を扱うためのこれらスイッチング装置能力は、直列操作直列演算)の要件のような技術因子、及びシリコン半導体物理特性により制限される。高めの電圧(>10kV)の電気送信システムは広めのバンドギャップ炭化ケイ素半導体の高めの臨界電場から利益を得ると考えられている。加えて、同等の電圧定格のために、炭化ケイ素装置はそれらのシリコン片方より低いオン抵抗と低いスイッチングのロスの利点を提供する。

0003

SiC基板1に析出した低不純物電圧阻止層3を有する、従来技術に従う例の構造が図1に示されている。現在のところ、このような全ての電圧支持SiC層は、高不純物(高ドーピング)のオフ(オフオリエント)したSiC基板1においてエピタキシャル成長する。このような層3を成長させるための確立した方法は、1600℃付近の温度で実行されるCVD技術である。CVD技術の利点は、SiCバイポーラ装置に必要な、低n型又はp型ドーピング(典型的には1015cm−3の範囲及びより低い)と長いキャリア寿命(数百ナノ秒)の要件を満たすその能力にある。CVDプロセスの主な不利益はその遅い成長速度と、従って100μmより厚い層に対してコスト高になる点にある。例えば、ND〜3×1014cm−3で5〜10μm/hの範囲の成長速度で、20kVの阻止層のための250μm厚のドリフト領域のために、既存のCVDプロセスは25〜50時間の成長時間を必要とする。

0004

シリコンの技術では、エピタキシャルパワーデバイス構造の高いコストは、伝導基板で成長した厚い低不純物エピレイヤーの代わりに、低不純物シリコンウェーハをドリフト領域として用いることにより取り組まれてきた。最新式のハイパワーシリコンデバイスのための出発ウェーハは、フロート領域で成長したSi結晶から作られた4〜6インチ中性子変換ウェーハである。例えば、5kVスイッチング装置のドリフト領域は、2×1013cm−3のドーピングを有する約500μm厚のシリコンウェーハを用いる。

0005

現在、この技術はシリコンパワーデバイスを10kVレンジまでの電圧操作能力に限定する。25kVのシリコンデバイスは、1012cm−3又はそれ以下のドリフト領域として2mm厚のウェーハを使用すること、及び400μsの担体寿命を必要とする。炭化ケイ素スイッチング装置は、同じ阻止電圧を実現するために、1桁薄いドリフト領域、1〜2桁高いドーピング及び低めの担体寿命を使用する一方、低めのオン抵抗と低めのスイッチングロスの利点をもたらす。

0006

しかしながら、低不純物のマイクロ秒レンジの寿命を有するSiCウェーハ不足のために、このアプローチは現在の最新式の炭化ケイ素ウェーハによって使用できる。現在、SiCウェーハは、低めのレンジの抵抗率(n型、約0.015Ωcm及びp型約2.5Ωcm)と、半絶縁性フォーム(ρ>106Ωcm)において基板として用いるために利用できる。低い抵抗率の基板のために、浅いドーパントの濃度(例えば、窒素又はアルミニウム)は典型的には1018cm−3又はそれより高いレンジにある一方、半絶縁性基板は浅い準位(例えば窒素)より高い密度の深い準位(内因性又は外因性)を含む。従って、逆電圧支持能力を有しない低い抵抗率の基板も、自由キャリアの寿命が数ナノ秒よりも短い半絶縁性基板も、パワーデバイスのドリフト領域として用いることができない。

0007

十分な伝導率を有する適切なベース材料が利用できないので(n型材料の0.02Ωcmに対して約8Ωcm)、「低い抵抗率」のp型基板に作製された縦型SiC半導体パワーデバイスは、これまでのところ理論にのみ存在する。この不足の理由は、最も一般的な結晶成長プロセスの現在の技術にあると考えられる。アルミニウムの組み込みは、特に高不純物濃度の場合に昇華成長炉で制御することが困難である。さらに、炭化ケイ素における全ての知られたアクセプタイオン化エネルギーは比較的高い。従って、エピタキシーにより成長したn型ドリフト領域を有するp型基板を用いる基板のような魅力的なIGBTを作製することは可能でない。さらに、適切なベース材料の利用性をも考えると、推定されるIGBT構造の逆方向エミッタの近くで寿命変調によってデバイスパラメータを調節することは限られた可能性しかない(図1)。

0008

分かっている限りでは、エピタキシャルのSiC基板において実現したIGBT構造は、満足できない技術的なパラメータにより損なわれる。全ての場合で、ベース材料は非常に低い伝導率を有するp型だった。この場合、酸化物応力が非常に高く、信頼度が非常に低下することになるので(十分な遮断対策の使用を除く)、MOSゲートを用いた典型的なIGBT構造の成功の実現は可能ではないようである。

先行技術

0009

US patent 5704985
US patent 60306612
US patent 6039812
US patent 6048398
SE 0103602-9
US patent 5712502

発明が解決しようとする課題

0010

(材料の目的と要約)
本発明の目的は、ウェーハ全体(図2)が高電圧パワーデバイスのドリフト領域として使用することができるような質を有する低不純物n型又はp型結晶からSiCウェーハを作製するための方法を提供することである。この方法は、エピタキシーのために基板として用いられる低い抵抗率のSiCウェーハにおける厚い(>100μm)低不純物層の従来のCVD成長より低いコスト解決法を提供する。本発明は、IGBTのようなSiCスイッチング装置の新しい効率的な設計をも可能にする。

0011

デバイスの目的と要約)
本発明の最も重要な利点は、低い抵抗基板なしに半導体構造を作製することができることである。この基板は、縦型パワーデバイスの場合、不要な付加的な抵抗だけを表す。ウェーハ全体は、非常に高い電圧(15kVよりも大きい)を阻止することができる低不純物nドリフト領域(図2)から成る。

図面の簡単な説明

0012

実質的なキャリア寿命を有する厚い低不純物ドリフト層が、高不純物p型SiC基板でエピタキシャル成長する従来技術の典型的なIGBTSiC基板の横断面図である。
N−SiCウェーハが実質的なキャリア寿命を有するドリフト領域を構成する裏面において選択的にインプラントエミッタと接合終端エクステンションを有する新しい高電圧IGBTの横断面図である。
窒素濃度が測定の検出限界より低いことを示す、低不純物(N−)4HSiCウェーハの窒素濃度のSIMプロファイルである。
上部が、n型伝導性を示す意図して作られた低不純物(N−)4HSiC基板におけるショットキーダイオード接触を用いる電流電圧測定を示し、下部が、容量−電圧によって測定された正味キャリア濃度が4×1014cm−3の平均値を生じることを示す。
水素環境アニールする前及び後の低n型不純物4HSiCウェーハで測定されたDLTSスペクトルである。
水素環境でアニールした後のZ1/2中心の濃度の減少を示す本発明で記述されるような変更した条件下で成長した低不純物4HSiCウェーハで測定されたDLTSスペクトルである。
アニール前アルゴン環境におけるアニール後及び水素環境におけるアニール後の、図6のウェーハで測定された室温での時間分解光ルミネセンス減衰曲線を示す図である。
N−SiCウェーハが実質的なキャリア寿命を有するドリフト領域を構成するフィールドストップ層とインプラントされたエミッタを有する新しい高電圧IGBTの横断面図である。
N−SiCウェーハが実質的なキャリア寿命を有するドリフト領域を構成するインプラントエミッタ、接合終端エクステンション及びアノード短絡回路を有する新しい高電圧IGBTの横断面図である。

実施例

0013

(材料の記述)
バイポーラ装置での適切な操作を可能にするために、ドリフト領域は幾つかの要件を満たさなければならない。第一の要件は高電圧を維持するための低ドーピングであり、典型的には1013〜1014cm−3の正味のキャリア濃度と、100〜300μm程度の十分な厚みである。

0014

第二の要件は、順方向バイアス下でドリフト領域に注入されるキャリアの十分な寿命であり、それでその結果生じる伝導変調が高い電流密度を可能にする。再結合中心として作用するバンドギャップ内欠陥準位の存在が、キャリアの寿命に不利な影響を及ぼすことになる。ゆえに、伝導帯価電子帯の両方とキャリアを交換することができる深い準位のような効率的な再結合中心の濃度は、所望の装置性能によって、同じ位低く保たれなければならない。幾つかの欠陥は、遷移金属及び内因性欠陥のようなSiCにおける深い準位を生じさせることが知られている。積層欠陥のような構造欠陥及び低角度境界は寿命キラー認定されているので避けなければならない。

0015

従来の昇華により、又は物理気輸送PVT)から成長した炭化ケイ素結晶から製造されたウェーハは、現在、パワーデバイスのドリフト領域として役立つには十分純粋ではない。PVT成長結晶からスライスされた最も高い純度のウェーハにおいてさえ、窒素濃度は5×1016cm−3程のままである。さらには、発明者の知る限り、層のエピタキシャル成長のための基板としてのみ用いられるこのようなウェーハにおける自由キャリアの寿命を検出することは決して可能ではなかった。

0016

本発明の一つの目的は、高めの純度かつ長い自由キャリアの寿命のウェーハが製造され得る低不純物炭化ケイ素結晶を成長させるための方法を提供することである。

0017

引例により開示する特許文献1、2及び3に記述されているように、高めの純度のSiC結晶を成長させるための好ましい方法は、いわゆる高温化学気相成長HTCVD)法である。この気相技術では、従来のCVD法のようにケイ素及び炭素を含有する原材料浄化ガスによって供給される。例えば、シラン(SiH4)がケイ素前駆体として使用される一方、メタン(CH4)又はエチレン(C2H4)のような炭化水素炭素前駆体として使用される。SiC結晶又はブールの成長は、所望の時間の長さの間、1900℃を超える温度まで熱せられたSiC種結晶ソースガス連続流れに晒すことにより実現する。その後、そこから所望の直径及び厚みのウェーハがスライスされ、研磨される。ヘリウム、アルゴン又は水素のようなキャリアガスが前駆体の輸送を援助するのに用いられる。

0018

本発明のためのHTCVD技術の幾つかの利点は、超高純度ガスの原材料としての使用、ケイ素に対する炭素のガス混合の比を最適化する能力、及び所望の量のドーピングソースガスを連続して供給する能力である。例えば、SiC結晶は、少量の窒素ガスをソースガス混合気体に導入することにより僅かにn型に作られる。窒素前駆体流れ速度が、例えば希釈構成を用いてマスフローコントローラによって制御される。その技術は、いわゆるオンアクシスオフアクシスの種の両方において単一のポリタイプ結晶を成長させることが可能な1900℃より高い成長温度を用いる。ここで、オンアクシスの種結晶は種として定められ、ここではソースガス混合気体に晒された表面が結晶面、例えば(0001)面と10分の数度以内で平行である。オフアクシスの種結晶は、わざと基準結晶面から2分の1度以上に晒された表面を有する。

0019

原子のステップの十分な密度をもたらすために8°までオフされた高不純物基板を用いる従来のCVD法と比べて、HTCVD法は、オンアクシスの又は僅かに間違って方向付けられた(1°以下)種結晶を用いて、種に実質的に低めのステップ密度を有するSiC結晶を成長させることが可能である。軸上のウェーハと少し間違って方向付けされたウェーハの両方ともこのような結晶からスライスされ、研磨される。このようなウェーハをハイパワーデバイスの電圧阻止層として用いることは、電場の異方性効果を減少させる利点がある。

0020

本発明は4Hポリタイプの成長、又は炭化ケイ素結晶の結晶格子変異体のために示されるが、その方法は、例えば6H、15R又は3Cのような他のポリタイプの低不純物結晶を成長させるのにも用いられることが明らかである。当該方法は、結晶格子のc軸に沿って、又は近くで成長した結晶のために示される。それは、例えば「数1」や「数2」のようなa軸方向又はSiC結晶格子のc軸とa軸の中間の方向のような他の方向に沿って成長した結晶にも当てはまる

0021

0022

0023

好ましい方法が本発明の実現性を示すために記述されるが、いわゆる当業者は同じタイプの結果を実現する一方で、本発明を改良することもできる。特に、本発明を改良することにより改善されるキャリア寿命の実験値は、以下に与えられる例に限られないと解されるべきである。

0024

第一の実施形態(参考例)では、本発明は低不純物SiCウェーハを準備するための新規な方法に関する。ウェーハでは、これらのウェーハに作られた装置を操作することにより又は光励起により注入された自由キャリアがある速度で再結合する。第一の実施形態は、結晶自体又はこの結晶からスライスされたウェーハの後成熱処理先行する、決められた低n型又はp型ドーピングを用いたSiC結晶の成長に関する。

0025

本発明によれば、n型又はp型ドーピングは窒素のようなドーパントガスの導入と一体化したバックグラウンドドーピングの正確な制御により得られる。それで結晶のドーパント原子濃度は5×1015cm−3より低く、好ましくは1013〜1014cm−3の範囲になる。図3に示されるように、本発明によって成長した4H結晶における窒素濃度は、SIMSのような分析測定の検出限界より低い。このような結晶からスライスされ、研磨されたウェーハは1014cm−3の範囲の正味のキャリア濃度を有するn型の伝導性を示す(図4)。

0026

本発明によれば、低不純物結晶は、HTCVD技術のような純粋な気相法によって100μm/hより高い成長率で成長する。しかしながら、例えば開示する特許文献4に記述されているように、本発明は、純粋なガス前駆体の使用とSi及びCを含有する固体又は液体状態の原材料を結びつける方法により結晶を成長させることによっても実現する。特に、キャリア寿命が光学的に測定されるn型SiCウェーハを得るために、アクセプタ(例えばBとAl)を補償する遷移金属(例えばV、Tiなど)などの不純物の濃度を減少させる必要があることが知られている。これは、成長プロセスの間に意図的な不純物を結晶に放つことを防ぐ材料の選択と、成長プロセスの間に用いられるキャリアと前駆体ガスの両方のための浄化技術の使用を必要とする。特に炭素前駆体がメタンとして選択されるのが好ましい。それは、他の炭化水素より高い純度で製造され、さらにゲッタリングデバイスにより元の位置(インサイチュ)で浄化される。本発明の別な結果は、成長パラメータ及び結晶冷却速度が調節され、それで再結合中心として作用する内因性欠陥の密度が低く保たれ、残りの内因性欠陥がアニール化されることである。例えば、特許文献5の教示を用いて、as-grown結晶がケイ素空格子点を含むように成長条件が調節される。特に、ケイ素空格子点の濃度はこのような結晶のアニール処理によって減少することが分かった。もう一つの選択肢として、成長条件は、例えば炭素空格子点がas-grown結晶に存在するように選択される。

0027

先に述べた、引用によりこの明細書に開示した従来技術のHTCVD技術に従う炭化ケイ素単結晶を製造する早期に知られた方法の例として、以下のプロセスステップについて言及する:
−ケイ素及び炭素原子を含むガスの流れをエンクロージャーに導入し、
−種結晶の温度が、種結晶が、熱せられたエンクロージャーに導入されたSi及びCを含む種の分圧下で分解する温度より低いままになるように、種炭化ケイ素結晶を含むエンクロージャーを1900℃を超える温度に熱し、
バルク結晶が成長するように、十分な時間の間、1900℃を超える温度とケイ素ガス及び炭素ガスの流れとを維持し、
−その成長の時間の間、n型又はp型の結晶を作るためにドーパントの流れを結晶に導入し、
−内因性準位の濃度をドーパントとして作用する浅い不純物の濃度以下に減少させるために、十分ゆっくりした速度で成長温度から室温まで結晶を冷却し、
−メタン、エチレン及びプロパンの群の炭化水素から炭素を含有するガスを選択し、及び
−シラン、クロロシラン化合物及びメチルシラン化合物の群からケイ素を含有するガスを選択する、各ステップ。

0028

以下の例は、本発明の低不純物及び寿命の要件を満たすと特定された条件を示す。

0029

(実施例1)
4HポリタイプのSiC単結晶が、400μm/hの平均成長速度を有するHTCVD炉で成長した。少量の窒素流れが、低n型ドーピングをもたらすために炉に供給されたシラン、エチレン及びキャリアガス流れに加えられた。ウェーハはこの結晶からスライスされ、研磨され、容量−電圧(C−V)、深部準位時間分解分光(DLTS)、二次イオン質量分析(SIMS)及び時間分解フォトルミネッセンス(TRPL)の技術を用いて解析される。CV及びDLTS測定は、少なくとも一つの深い準位による窒素ドナーの補償のためにこれらのウェーハで実施することは可能でないと確認された。SIMS測定は、3×1015cm−3の濃度のTi混入を明らかにした。一方、B、Al及びVのような他の不純物は、少なくとも1桁低い濃度を有していた。研磨された後又は1時間1600℃でアニールされた後、このようなウェーハに実行されたTRPL測定は、実験セットアップの検出限界(<5ns)より小さい減衰時間を示した。このようなウェーハを本発明の目的にとって適切でない。

0030

(実施例2)
成長システムを変形し、遷移金属のような望ましくない不純物が成長雰囲気に放たれるのを防ぐ構成要素を選択することにより、成長結晶へのTi混入が抑えられた。低不純物n型4HSiC結晶が先の例の条件と比較した条件で成長した。この結晶におけるTi濃度は5×1013cm−3に減少した。しかしながら、この結晶のas-polishedウェーハにおけるDLTS測定は、それぞれ4.5×1015cm−3と3×1015cm−3の濃度を有する伝導帯から約0.66eVと1.5eVに位置する深い準位の存在を示した。同じ基板においてTRPLで測定されたキャリア寿命は5nsより小さかった。その後、ウェーハは水素環境において1600℃で1時間アニールされた。アニール後、as-polishedウェーハにおいてDLTSで確認された深い準位の濃度は極めて減少した(図5)。TRPL測定は、約20nsの光寿命を有する自由キャリアの再結合は水素でアニールされたウェーハで観測されることも示した。この結果は、ウェーハに存在し、効率的な再結合チャネルとして作用する内因性欠陥の水素の種によるアニール又はパッシベーションとして解釈できる。ケイ素空格子点及び炭素空格子点のような内因性欠陥、及び寿命キラーとして作用するケイ素アンチサイトは、例えば半絶縁性SiC結晶において確認されている(特許文献5)。

0031

(実施例3)
結晶で成長した内因性欠陥の濃度を減少させるために成長条件を変化させることにより、先の実施例の結果は考慮された。この例では、エチレン/シランガスの混合気体のインプットC/Si比は増加した。図6は、このような結晶からスライスされ、研磨されたウェーハが1.5eVでDLTSにより確認された実質的に低めの深い準位の濃度(しかしZ1/2準位と同等な濃度)を有することを示す。水素又はアルゴン環境で1600℃でアニールすると、深い準位の両方の濃度は先の例(図6)のように減少する。しかしながら、水素を含む環境でアニールされた基板のキャリア寿命は3倍になり、約60nsまで増加した(図7)。しかしながら、同じ結晶から切られ、純粋なアルゴン環境でアニールされた別なウェーハのキャリア寿命は、TRPLシステムの検出限界より低いままである。

0032

15kV以上の阻止電圧を有するデバイスの電流密度の要求を満たすために、TRPLで光崩壊により測定される寿命の値を数マイクロ秒の値まで増加させるために、本発明の第一実施形態の教示が使用され、改良されることが理解される。光学的に測定される寿命値がバイポーラ装置から抽出された値と異なることも理解される。しかしながら、本発明は、以下に主張する低不純物SiC結晶における寿命値を増加させる第一の方法を教示する。

0033

(デバイスの記述)
第二実施形態では、本発明は、本発明の実施形態のいずれかに従って製造される低不純物ウェーハを用いたハイパワーバイポーラ装置構造を提案する。

0034

本発明は、低不純物ウェーハをドリフト領域として用いて高抵抗基板の問題を解決する。ドリフト領域は同時に装置構造のためのメカニカルサポートとして働く。このようなウェーハは、第一実施形態で記述されるオンアクシスプロセスによって成長する。約150μmを超える厚みのために、材料は別な処理ステップに対して十分な機械的安定度を有する。エミッタは、裏面から、マスクした又はマスクしていない裏面へのイオン注入により実現する(図8及び9)。この注入は、特に適用の要求のために調節されるエミッタ効率及び少数キャリアの寿命を得るために最適化される。さらに、逆阻止装置を得るために、単純なプロセスステップを用いて、ウェーハの裏面で平面接合エッジ終端の実現が可能になる(図2)。ここで公開した開示は、非常に高い阻止電圧を阻止することができる単一のスイッチング装置を作製する機会を提供する。これは、シリコンにおいて、複雑な制御回路を必要とするスイッチング装置の直列接続を使用することによってのみ実現する(例SiC:250〜280μm厚のドリフト領域、ND−NA=3×1014cm−3、20kV阻止電圧)。

0035

ここで公開した解決法の最も重要な利点は、縦型パワーデバイスの場合に不要な付加的な抵抗を表す基板なしに半導体構造を作製する可能性である。ウェーハ全体は、非常に高い電圧(15kVより大きい)を阻止することができる低不純物n−ドリフト領域から成る。さらに、逆方向エミッタがウェーハ裏面へのイオン注入を介して慎重に設計される。これは、選択的に付加的なフィールドストップ領域を用いて又は用いずに実現する。裏面エミッタにおいて接合終端エクステンション(JTE)を実現することにより、逆阻止装置が可能になる。別な利点は、少数キャリアの寿命を調節するために逆方向pn接合局所的に照射する可能性である。SiCウェーハ自体は可視光を通すので、前面の制御セルに対するウェーハ裏面における構造の調節は、リソグラフィー用のラージギャップ対物レンズを用いて容易に実行される。従って、調節は前面の位置合わせマークに対して実行される。さらに、HTCVDプロセスはオンアクシス成長を実行する可能性をもたらす。ゆえに、例えば電気破壊フィールドの異方性による否定的な影響は最小化され又は排除される。

0036

(例)
限定的な例ではない。図9アクティブデバイス層として低不純物n−基板を用いた仮定の新しいIGBT構造の断面を示す。

0037

N−ウェーハは装置の所望な阻止電圧に従ってドープ処理されなければならない。層の最小の厚みは薄いウェーハを扱う技術の能力によって与えられる。技術プロセスの状態を考慮すると、この限界は150μmぐらいに見出される。しかしながら、別な発展型はこの厚みをより低い値にシフトさせることができる。pウエルベース領域_5がドリフト領域に注入され、選択的なエピタキシャル成長により拡散又は創出される。この層の深さは用いられる技術に依存して数ナノメートル〜数マイクロメートルになる。ドーピングは1×1016cm−3から1020cm−3より高い値にまでなる。典型的には、それは数1018cm−3〜1019cm−3の範囲にある。pウエルの間の隙間は数μm〜100μmの範囲にある。N−ウェーハの表面及びpウエルの内部にn型ソース領域が位置している。ソース領域と表面のpウエルの端との距離が装置のチャネルの長さを定める。これは1μm〜100μmの間であり、パワーデバイスでは典型的には2〜4μm程の値である。ソース領域は、p領域に対して用いられるより高いドーピングによって(典型的には1019cm−3より大きい)、n型伝導性の領域で形成される。デバイスの周囲では、JTE(特許文献6)が実行される。ソース領域に多少重なり、pウエルの間の間隔に完全に重なったチャネル領域の上に、ゲート酸化膜が位置する。ゲート酸化膜として、全て一般的な二酸化ケイ素窒化ケイ素又は他の新しい誘電体のような薄いフィルム絶縁体が用いられる。熱で成長した又は析出した約80nm厚二酸化ケイ素層が、パワーデバイスにとって典型的である。ゲート材料として、金属、金属ケイ化物又はポリシリコンのような高伝導材料が用いられる。このゲートは、広範囲の前面のエミッタコンタクトから電気的に絶縁している。このコンタクト層は普通、厚いアルミニウム又は別な金属によって形成される。pウエル(酸化物、ゲート電極)の上の層は制御領域として作用する。その構造の裏面には、コレクタコンタクト領域がある。このコレクタコンタクトアクティブ領域(pウエル)と反対側の全領域にわたって位置するか、低不純物ウェーハとのオーミックコンタクトを有する小さい領域によって間隔をあけられる。コレクタ領域(裏面エミッタ)は低不純物ウェーハと反対の伝導性を有し、そのドーピングはウェーハのドーピングを超える。典型的な値は、1017cm−3〜1019cm−3である。この層の深さと形成に対して、pウエルのルールが当てはまる。順方向の注入を維持する一方で阻止の場合に十分な遮断効果保障するために、幅と間隔は数μm程度の範囲で選択される。逆阻止のために、前面のJTEに対応するJTEが実行される。裏面の層は透明なSiCウェーハのために前面の構造に位置合わせがなされる。これは、シリコンの解決法に比べて重要な利点である。さらに、ウェーハ全体が装置のアクティブ領域として働くという事実のため、裏面構造は表面での直接の選択されたドーピングにより形成される。

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