JP2003318413A

JP2003318413A - 高耐圧炭化珪素ダイオードおよびその製造方法

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Publication number: JP2003318413A
Application number: JP2002297032A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Shimoida; 良雄下井田; Saichiro Kaneko; 佐一郎金子; Hideaki Tanaka; 秀明田中; Masakatsu Hoshi; 星　　正勝; Tronnamchai Kleison; トロンナムチャイクライソン; Teruyoshi Mihara; 輝儀三原; Tetsuya Hayashi; 林　　哲也
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-02-19
Filing date: 2002-10-10
Publication date: 2003-11-07
Anticipated expiration: 2022-10-10
Also published as: JP4282972B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高耐圧な炭化珪素ダイオードおよびその製造方
法を提供する。【解決手段】第一の半導体基体である炭化珪素半導体基
体１００と、炭化珪素半導体基体１００とはバンドギャ
ップの異なる第二の半導体層である多結晶シリコン層３
からなるヘテロ接合１０１とを有し、炭化珪素半導体基
体１００の第一主面側に低濃度Ｎ型の多結晶シリコン層
３が堆積されており、前記第一主面と対向する前記炭化
珪素半導体基体１００の第二主面側に金属電極４が形成
されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高耐圧炭化珪素ダ
イオードおよびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】

【非特許文献】“パワーデバイス・パワーＩＣハンドブ
ック電気学会高性能高機能パワーデバイス・パワーＩ
Ｃ調査専門委員会編コロナ社ｐ．１２〜２１”。

【０００３】従来の炭化珪素を用いた高耐圧のダイオー
ドを得るための接合としては、上記非特許文献に記載さ
れるＰＮ接合と、ショットキー接合とがある。上記非特
許文献では、これらの接合はシリコンを基本に記述して
あるが、炭化珪素においても広く適用されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ＰＮ接合を炭化珪素へ
適用し、高耐圧を得るためには、深い拡散領域を形成す
る必要があり、そのためには高エネルギーのイオン注入
による不純物導入が欠かせない。高エネルギーのイオン
注入を行うと炭化珪素中に欠陥が発生し、リーク電流の
増加の原因となりやすい。

【０００５】本発明の目的は、上記課題を解決し、高耐
圧な炭化珪素ダイオードおよびその製造方法を提供する
ことにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は、第一の半導体基体である例えば炭化珪素
半導体基体とはバンドギャップの異なる第二の半導体層
からなる接合を有し、該第二の半導体層はシリコン、ア
モルファスシリコン、多結晶シリコンのいずれかである
高耐圧炭化珪素ダイオードを提供する。

【０００７】

【発明の効果】本発明によれば、高エネルギーのイオン
注入による不純物導入が不要であり、高耐圧な炭化珪素
ダイオードおよびその製造方法を提供することができ
る。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
の形態について詳細に説明する。なお、以下で説明する
図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その
繰り返しの説明は省略する。実施の形態１本発明の実施の形態１について図１を用いて説明する。
図１は、本実施の形態１における高耐圧炭化珪素ダイオ
ードの断面構造図である。まず、構成について説明す
る。例えば高濃度Ｎ型の炭化珪素（ＳｉＣ）半導体基板
１上には、低濃度Ｎ型の炭化珪素エピタキシャル領域２
が形成されている。炭化珪素基板１としては、例えば抵
抗率が数ｍから数１０ｍΩｃｍ、厚さが２００〜４００
μｍ程度のものを用いることができる。エピタキシャル
領域２としては、例えばＮ型の不純物濃度が１０^１５〜
１０^１８cm^−３、厚みが数〜数１０μｍのものを用いる
ことができる。本実施の形態１では、一例として炭化珪
素基板１上にエピタキシャル領域２を形成した基板で説
明するが、抵抗率の大きさに関わらず炭化珪素基板１の
みで形成された基板を使用してもかまわない。また、こ
こで用いられる炭化珪素のポリタイプは、４Ｈが代表的
であるが、６Ｈ、３Ｃ等その他のポリタイプでも構わな
い。エピタキシャル領域２の表面の一部には、第二の半
導体層の一例として炭化珪素よりもバンドギャップの小
さい多結晶シリコン層３が堆積されている。多結晶シリ
コン層３には例えば不純物が導入されており、ここでは
Ｎ型低濃度にドープされている。他にも多結晶シリコン
層３に不純物が導入されていない所謂ノンドープの場
合、高濃度にドープされている場合、さらにはＰ型にド
ープされている場合でも同様の効果を得ることが可能で
ある。本実施の形態においては炭化珪素基板１の裏面側
には金属電極４が形成されている。金属電極４は炭化珪
素基板１とオーミック接続されており、金属材料として
は、例えばＴｉ（チタン）５０００Åとその上にＮｉ
（ニッケル）３０００Åを堆積したもの等を用いること
ができる。このように、本実施の形態１では多結晶シリ
コン層３をアノード、金属電極４をカソードとした縦型
のダイオードを構成する場合について説明する。

【０００９】次に、本実施の形態１の動作について説明
する。金属電極４をカソード、多結晶シリコン層３をア
ノードとして両方の間に電圧を印加すると、多結晶シリ
コン層３と炭化珪素エピタキシャル領域２の接合界面に
おいて整流作用が生じ、ダイオード特性が得られる。我
々の行った実験により得られた結果から多結晶シリコン
層３をＮ型低濃度とし、Ｎ型炭化珪素エピタキシャル領
域２を１０^１６cm^−３、厚み１０μｍ程度とすると、特
別なエッジターミネーション技術を使っていないにも関
わらず、ダイオードの逆方向耐圧として９００Ｖ程度が
得られた。図１５は、本実施の形態１の高耐圧炭化珪素
ダイオードにおいて、半導体カーブトレーサを用いて測
定した接合の逆方向の電流−電圧特性を示す図である。
横軸に逆方向に印加される電圧の値を示し、縦軸に逆方
向に流れる電流を示す。逆方向に電圧が印加されても、
逆方向の電流はほとんど流れず、リーク電流が少ない特
性となっている。本発明者らの実験では、９００Ｖ以上
の高電圧を印加した場合に、急激に逆方向電流が流れる
結果が得られた。つまり、接合の逆方向耐圧が９００Ｖ
以上あることを示している。また、我々のさらなる実験
により、多結晶シリコン層３をＮ型高濃度、炭化珪素側
を上記と同一条件とした場合にも良好なダイオード特性
が得られた。この場合、ダイオードの逆方向耐圧は１０
０Ｖ程度となった。このとき、ダイオードの順方向特性
に相当する電圧降下Vfは多結晶シリコン層３の不純物種
類並びに不純物濃度によって変化し、約０．２Vから約
２．０Vの間の任意の値が得られている。

【００１０】このように炭化珪素と多結晶シリコンによ
る接合において、あたかもショットキー接合のごときダ
イオード特性を示し、１ｋＶ近い高耐圧が得られること
を発見したのは我々の実験が最初である。

【００１１】また、我々のさらなる実験により、多結晶
シリコン層３をＮ型高濃度、炭化珪素側を上記と同一条
件とした場合にも良好なダイオード特性が得られた。こ
の場合、ダイオードの逆方向耐圧は１００Ｖ程度となっ
た。以上の実験結果をもとに、本発明の動作について図
１１〜図１４を用いて説明する。図１１〜図１４は半導
体のバンド構造を示す図である。図１１中、左側が多結
晶シリコン、右側が炭化珪素（４Ｈ−ＳｉＣ）のエネル
ギーバンドの状態であり、両者が接触していない状態を
示している。真空準位１８に対し多結晶シリコンの電子
親和力をχ１、バンドギャップをＥ_ｇ１とする。同様に
炭化珪素の電子親和力をχ２、バンドギャップをＥ_ｇ２
とすると、それぞれの電子親和力およびバンドギャップ
が異なるため、図１１のようなバンド構造が仮定でき
る。多結晶シリコンの伝導帯の底Ｅ_ｃ１が炭化珪素の伝
導帯の底Ｅ_ｃ _２よりも低いエネルギーレベルになり、多
結晶シリコンの価電子帯の上限Ｅ_ｖ１が炭化珪素の価電
子帯の上限Ｅ_ｖ２より高いエネルギーレベルにある。こ
こで両者を接触させると、図１２に示すようになる。図
１２は多結晶シリコン中の不純物がＮ型であるとし、炭
化珪素の不純物もＮ型であるとする。多結晶シリコンの
フェルミレベルは不純物濃度で決まり、例えば図１２に
示すような位置になり、炭化珪素のフェルミレベルも濃
度で決まる図１２中のごときレベルとなるとする。両者
が接触した場合にはフェルミレベルＥ_ｆが一致する必要
があり、それぞれ導電帯の底のレベルは図１２のごとき
関係になる。ここで、多結晶シリコンの伝導帯の底Ｅ
_ｃ１と同エネルギーバンド図上のピーク値とのエネルギ
ー差がダイオードとしての順方向の障壁１９として存在
する。ここで多結晶シリコン側は接合のビルトインポテ
ンシャルにより電子２０が発生し、多結晶シリコン側の
界面に溜まる。その様子を示したのが図１３である。炭
化珪素側にはビルトインポテンシャルによる空乏層が広
がっている。ここで炭化珪素側に伸張した空乏層に見合
う電気力線が多結晶シリコン側に終端する必要がある
が、この電子２０がその役目を果たしている。つまり、
電気力線は電子２０で終端され、多結晶シリコン側は電
界がシールドされる。実質的には多結晶シリコン側にほ
とんど電界が印加されない。次に、ダイオードの逆方向
特性の説明を行う。アノード側（多結晶シリコン側）に
対しカソード側（炭化珪素側）に正の電圧が印加される
と、接合の界面から空乏層が炭化珪素側に伸張する。電
子２０はカソード側に引き付けられるが、図１２のごと
く界面に障壁１９が存在するために、電子２０は界面に
溜まる。図１４にはカソード側に５００Ｖを印加した場
合のエネルギーバンド図の計算結果を示す。カソードに
高電圧が印加された場合でも多結晶シリコンと炭化珪素
の界面の障壁は残る。そのため、かなりの高電圧がカソ
ードに印加された場合でも先に多結晶シリコンでブレー
クダウンを起こすということは無く、炭化珪素側の機構
により耐圧を決めることが可能になる。以上がＮ型多結
晶シリコンとＮ型炭化珪素の組み合わせによりショット
キー接合のごとき高耐圧が得られる理由である。また、
逆方向耐圧が多結晶シリコン中のＮ型不純物の濃度に依
存しているのは実験事実であり、本発明の構成を用いれ
ば不純物濃度を変えることで、接合の逆方向耐圧、順方
向特性を変えることができるという効果を持つ。以上、
Ｎ型多結晶シリコンとＮ型炭化珪素の場合を代表して説
明した。多結晶シリコンがＰ型の場合、または炭化珪素
がＰ型の場合にはそれぞれ異なるバンド構造が仮定でき
る。本実施の別の形態として図２に示すように、Ｐ型高
濃度炭化珪素基板１’の上にＰ型低濃度炭化珪素エピタ
キシャル領域２’を形成し、その上の一部にＰ型多結晶
シリコン層３を堆積した構成も考えられる。また、この
本実施の別の形態においても、上記Ｎ型炭化珪素の場合
と同様に、多結晶シリコン層３に不純物が導入されてい
ない所謂ノンドープの場合、高濃度にドープされている
場合、さらにはN型にドープされている場合でも同様の
効果を得ることが可能である。なお、本実施の形態１
は、第一の半導体基体（炭化珪素半導体基体１００）
と、前記第一の半導体基体（炭化珪素半導体基体１０
０）とはバンドギャップの異なる第二の半導体層（多結
晶シリコン層３）からなるヘテロ接合１０１を有し、例
えば第一の半導体基体が炭化珪素半導体基体からなり、
例えば第二の半導体層がシリコン、アモルファスシリコ
ン、多結晶シリコンの少なくともいずれかである。本実
施の形態１では、第二の半導体層は多結晶シリコン層３
の場合を例示している。以上説明したように、このよう
な構成をとることで、簡易な構造で、高耐圧ダイオード
を得ることが可能になり、高エネルギーのイオン注入の
必要がなく、ダメージによる欠陥等の影響も無く、製造
工程が容易にできる。また、結晶性回復のための１６０
０℃以上の高温アニールも必要無く、表面モフォロジー
（凹凸形状）の悪化が起きない。

【００１２】また、前記第一の半導体基体（炭化珪素半
導体基体１００）の第一主面側に前記第二の半導体層
（多結晶シリコン層３）とのヘテロ接合１０１を有し、
前記第一主面と対向する前記第一の半導体基体（炭化珪
素半導体基体１００）の第二主面側に金属電極４が形成
されている。

【００１３】このような構成をとることで、一般的な炭
化珪素半導体基板を用いて上記ヘテロ接合１０１を有す
る集積度の高い縦型の高耐圧ダイオードを実現できる。
また、従来例のショットキー接合とは異なり、多結晶シ
リコン層３中の不純物濃度を変えることで任意に障壁高
さが変えられるという特徴を持つ。このことは、ダイオ
ードのＶ_ｆを自由に制御できるという利点となり、素子
としての応用が広く期待できることは言うまでもない。

【００１４】本実施の形態１における図１の高耐圧炭化
珪素ダイオードの製造方法について、図９を用いて説明
する。図９（ａ）では例えばＮ型高濃度の炭化珪素半導
体基板上１にＮ型低濃度の炭化珪素エピタキシャル領域
２が形成された半導体基体１００を用意する。まず、エ
ピタキシャル領域２の表面は、例えば薄い犠牲酸化膜の
付け剥がしによる洗浄化の後、一般的なＲＣＡ洗浄等の
工程により洗浄される。同（ｂ）には半導体基体１００
上に多結晶シリコン層３が堆積される工程が示される。
多結晶シリコン層３の厚みとしては例えば数十から数千
Åが適当である。同（ｃ）には多結晶シリコン層３に所
望の不純物を導入する工程が示される。この多結晶シリ
コン層３への不純物導入工程においては、多結晶シリコ
ン層３の上にさらに堆積され、不純物が高濃度にドーピ
ングされた堆積膜（デポジション膜）から９００〜１０
００℃程度の熱処理により不純物が多結晶シリコン層３
中に拡散導入されても構わない。または薄い堆積膜を介
してイオン注入により不純物を直接多結晶シリコン層３
中に導入しても構わない。さらに、気相からの不純物の
導入も可能である。この場合には、一般的な気相拡散法
を用いることができる。具体的には、拡散炉において、
不純物をガスとしてキャリアガスとともに導入する。ガ
スの比率は、マスフローコントローラを用いたガス混合
装置により精密に制御できる。キャリアガスは通常アル
ゴンなどの不活性ガスが用いられる。同（ｄ）には多結
晶シリコン層３上にマスク材１３がパターニングされる
工程が示される。同（ｅ）にはこのマスク材１３でカバ
ーされていない多結晶シリコン層３の部分がエッチング
される工程が示される。さらに、同（ｆ）には多結晶シ
リコン層３上のマスク材１３が除去され、半導体基体１
００の裏面に金属電極４が形成される。裏面の金属電極
４と炭化珪素基板１がオーミック接続となるよう、必要
により１０００℃程度のＲＴＡ（RapidThermal Annea
l）が施される。なお、本実施の形態１における図９
（ａ）〜（ｆ）に示す製造方法は、前記第一の半導体基
体（炭化珪素半導体基体１００）の第一主面側を清浄す
る工程（図９（ａ））と、前記第一主面上に多結晶シリ
コン層３を堆積する工程（図９（ｂ））と、前記多結晶
シリコン層３に不純物を導入する工程（図９（ｃ））
と、前記多結晶シリコン層３を選択的にエッチングする
工程（図９（ｄ）と（ｅ））とを有する。このような構
成の製造方法によれば、前記のような顕著な効果を有す
る図１、図２に示した高耐圧炭化珪素ダイオードを簡易
に形成できる。

【００１５】また、図９（ｃ）の前記不純物を導入する
工程は、高濃度にドープされた堆積膜からの不純物導
入、イオン注入による不純物導入、または気相からの不
純物導入により行われ、前記多結晶シリコン層３の所望
の領域に異なる種類もしくは濃度の不純物を導入する。
このような構成の製造方法によれば、所望の濃度の多結
晶シリコン膜を簡易に形成できる。以上により炭化珪素
と多結晶シリコンの接合を持つダイオードが形成され
る。本実施の形態１による高耐圧炭化珪素ダイオードの
製造方法を用いれば、簡易な製造工程で高耐圧のダイオ
ードが形成可能であり、多結晶シリコンと炭化珪素によ
る接合が形成された後に１０００℃程度の熱処理工程が
入ってもダイオード特性が失われることが無いという特
有の効果がある。

【００１６】実施の形態２本発明の実施の形態２について図３を用いて説明する。
図３は本発明の実施の形態２における高耐圧炭化珪素ダ
イオードの断面構造を示す。まず、構成について説明す
る。例えば高濃度Ｎ型の炭化珪素半導体基板１上には、
低濃度Ｎ型の炭化珪素エピタキシャル領域２が形成され
ている。炭化珪素基板１としては、例えば抵抗率が数ｍ
から数１０ｍΩｃｍ、厚さが２００〜４００μｍ程度の
ものを用いることができる。エピタキシャル領域２とし
ては、例えばＮ型の不純物濃度が１０^１５〜１０^１８ｃ
ｍ^−３、厚みが数〜数１０μｍのものを用いることがで
きる。本実施の形態２においても、一例として炭化珪素
基板１上にエピタキシャル領域２を形成した基板で説明
するが、抵抗率の大きさに関わらず炭化珪素基板１のみ
で形成された基板を使用してもかまわない。また、ここ
で用いられる炭化珪素のポリタイプは、４Ｈが代表的で
あるが、６Ｈ、３Ｃ等その他のポリタイプでも構わな
い。エピタキシャル領域２の表面の一部には、第二の半
導体層の一例として炭化珪素よりもバンドギャップの小
さい多結晶シリコン層３が堆積されている。多結晶シリ
コン層３には例えば不純物が導入されており、ここでは
Ｎ型にドープされている。

【００１７】炭化珪素基板１の裏面側には金属電極４が
形成されている。金属電極４は炭化珪素基板１とオーミ
ック接続されており、金属材料としては、例えばＴｉ
（チタン）５０００Åとその上にＮｉ（ニッケル）３０
００Åを堆積したものを用いることができる。ここまで
は実施の形態１の構成と同等である。本実施の形態２に
特徴的なことは、上記多結晶シリコン層３の周囲を取り
囲むように不純物種類もしくは不純物濃度の異なる多結
晶シリコン層５が形成されていることである。具体的な
構成としては、Ｎ型の多結晶シリコン層３の周囲に、多
結晶シリコン層３とエピタキシャル領域２とのヘテロ接
合よりも耐圧が高くなる、例えば多結晶シリコン層３よ
り低濃度の多結晶シリコン層５が形成されている。すな
わち、Ｎ型多結晶シリコン層３と炭化珪素からなるダイ
オードＤ１と周辺のＮ型低濃度の多結晶シリコン層５と
炭化珪素からなるダイオードＤ２が電気的には並列に接
続されている構成される。次に、動作について説明す
る。基本的なダイオードとしての動作は、実施の形態１
で説明したとおりである。ここでは、本実施の形態２に
特徴的な動作のみ説明する。従来例にあるようなＰＮ接
合やショットキー接合におけるダイオードでは素子領域
の最外周において、電界が集中しやすく、耐圧の低下や
リーク電流の増大の原因になりやすい。しかし、本実施
の形態２では、ダイオードの外周部に図１５で示した耐
圧の高いＮ型低濃度の多結晶シリコン層５が堆積されて
いるため、端部を有するこの部分での耐圧が高くなる。
言い換えると、ダイオードに逆方向の電圧が印加され、
特に最外周におけるヘテロ接合界面の電界が顕著に高く
なっていく場合でも、もともと端部に形成されたヘテロ
接合部の耐圧が高いので、周辺での逆方向リーク電流の
増大が抑えられる。結果的に、Ｎ型低濃度の多結晶シリ
コン層５と炭化珪素とのヘテロ接合がエッジターミネー
ションの働きを担うことが可能となり、炭化珪素中での
形成が必要なＰＮ接合等による外周部の特別なエッジタ
ーミネーション技術を必要としないで、簡易に高耐圧の
ダイオードが得られ、製造工程の簡易化が可能であると
いう特有の効果がある。なお、本実施の形態では一例と
して、周辺部のヘテロ接合部にＮ型低濃度の多結晶シリ
コン層５で説明しているが、中心部のヘテロ接合部と比
べて耐圧が大きくなるノンドープ型もしくはP型の多結
晶シリコン層を用いても良い。また、本実施の形態は、
同一の多結晶シリコン層（３、５）の内部で不純物種類
や不純物濃度の異なる領域を任意に設定できるという本
発明の利点を生かした例であり、素子の応用範囲を広め
ることができる。また、本実施の形態で例示した以外に
も、用途に応じた所望の耐圧を持つ領域を選択的に形成
することが可能であり、例えばそれぞれ任意の不純物種
類や不純物濃度を有する複数の多結晶シリコン層を同一
の炭化珪素基板上に形成する等、応用範囲の広い製品が
製造可能になる。図４には本実施の形態２の他の構成を
示す。基本的な構成は、図３の構成と同様である。異な
る部分を説明すると、Ｎ型低濃度炭化珪素エピタキシャ
ル領域２上に堆積した多結晶シリコン層の周辺部（多結
晶シリコン層３よりも低濃度の多結晶シリコン層５）
は、酸化膜７上に乗り上げて形成されている。つまり、
多結晶シリコン層の周辺部で炭化珪素と直接接続してい
る部分がＮ型低濃度になっている（多結晶シリコン層３
よりも低濃度の多結晶シリコン層５）。本発明において
は、炭化珪素上に多結晶シリコン層を堆積するだけで特
別なエッジターミネーションを必要とせずに高耐圧のダ
イオードが得られることを特徴としているが、このよう
な構成とすることで、非常に簡易な一種のエッジターミ
ネーションとの組み合わせにより、多結晶シリコン層最
外周のエッジ部直下でさらなる電界緩和を行うことも可
能である。本実施の形態２における高耐圧炭化珪素ダイ
オードの製造方法については、実施の形態１に示した製
造方法が適用されるが、図９（ｃ）において、多結晶シ
リコン層３中に所望の濃度になるよう不純物を導入する
工程を設けることで実現できる。具体的には堆積膜また
は気相からの不純物導入を中心部と周辺部で分けて行う
か、イオン注入を多結晶シリコンの中心部と周辺部で打
ち分けることで行うことができる。

【００１８】ここまでは、ローカルに不純物種類もしく
は不純物濃度を打ち分けた場合について効果を説明して
きたが、図２０に示すように層状に不純物種類もしくは
不純物濃度を変えることで別の効果も得ることができ
る。例えば図２０では、ヘテロ接合界面に接する部分に
はＮ型低濃度の多結晶シリコン層２５を配置して、さら
にＮ型高濃度の多結晶シリコン層２６を積層している。
つまり、耐圧の高いＮ型低濃度の多結晶シリコン層２５
でヘテロ接合を形成することで耐圧（逆方向特性）を維
持し、外部電極と接続する表面にはオーミック接続が可
能なＮ型高濃度の多結晶シリコン層２６を形成すること
で、オン抵抗（順方向特性）を向上することが可能とな
る。このように、層状に不純物種類もしくは不純物濃度
を打ち分けた場合についても特有の効果を有する。

【００１９】なお、本実施の形態２は、前記第二の半導
体層（多結晶シリコン）が不純物種類もしくは不純物濃
度の異なる領域（多結晶シリコン層３および５）を持
つ。このような構成により、Ｎ型低濃度の多結晶シリコ
ン層５と炭化珪素との接合がエッジターミネーションの
働きを担うことが可能となり、炭化珪素中のＰＮ接合等
による周辺の特別なエッジターミネーション技術を必要
としないで、簡易に高耐圧のダイオードが得られ、製造
工程の簡易化が可能である。また、同一の多結晶シリコ
ン層（３、５）の内部もしくは同一基板上に複数形成さ
れた多結晶シリコン層において不純物種類及び不純物濃
度の異なる領域を任意に設定できるため、素子の応用範
囲を広めることができる。また、不純物種類もしくは不
純物濃度を層状に変えた場合には、耐圧耐圧（逆方向特
性）を維持しつつ、外部電極との接続はオーミック接続
が可能となり、オン抵抗（順方向特性）を向上すること
ができる。

【００２０】また、前記第二の半導体層（多結晶シリコ
ン）中の不純物種類もしくは不純物濃度が中心部と周辺
部とで異なり（多結晶シリコン層３とそれより低濃度の
多結晶シリコン層５）、少なくとも前記周辺部（多結晶
シリコン層５）のヘテロ接合における耐圧が前記中心部
（多結晶シリコン層３）のヘテロ接合に比べて大きくな
るべく形成されている。このような構成により、ダイオ
ードの周辺には例えばＮ型低濃度の多結晶シリコン層５
が堆積されているため、この部分でのダイオードとして
の耐圧が高くなる。言い換えると、ダイオードに逆方向
の電圧が印加され、特に周辺における界面の電界が顕著
に高くなっていく場合でも、周辺部のヘテロ接合の耐圧
が高いので、周辺での逆方向リーク電流が抑制される。

【００２１】実施の形態３本発明の実施の形態３について図５を用いて説明する。
図５は本発明の実施の形態３における高耐圧炭化珪素ダ
イオードの断面構造を示している。まず、構成について
説明する。本実施の形態３では、例えば高濃度Ｎ型の炭
化珪素半導体基板１上には、低濃度Ｎ型の炭化珪素エピ
タキシャル領域２が形成されている。炭化珪素基板１と
しては、例えば抵抗率が数ｍから数１０ｍΩｃｍ、厚さ
が２００〜４００μｍ程度のものを用いることができ
る。エピタキシャル領域２としては、例えばＮ型の不純
物濃度が１０^１５〜１０^１８ｃｍ^−３、厚みが数〜数１
０μｍのものを用いることができる。本実施の形態３に
おいても、一例として炭化珪素基板１上にエピタキシャ
ル領域２を形成した基板で説明するが、抵抗率の大きさ
に関わらず炭化珪素基板１のみで形成された基板を使用
してもかまわない。また、ここで用いられる炭化珪素の
ポリタイプは、４Ｈが代表的であるが、６Ｈ、３Ｃ等そ
の他のポリタイプでも構わない。ここまでは実施の形態
１の構成と変わらない。本実施の形態３に特有の構成と
しては、エピタキシャル領域２の表面の一部に溝が形成
され、多結晶シリコン層８が溝１４の内部を充填するよ
うに堆積されていることである。図５においては１つの
溝に多結晶シリコンが充填されている場合を例示してい
るが、溝が複数形成されていてもかまわないし、また溝
の側壁もしくは底部の一部にヘテロ接合が形成されてい
れば溝が完全に多結晶シリコンで充填されていなくても
かまわない。また多結晶シリコン層８には例えば不純物
が導入されている。ここでは多結晶シリコン層８はＮ型
低濃度にドープされているものとして説明を行う。炭化
珪素基板１の裏面側には金属電極４が形成されている。
金属電極４は炭化珪素基板１とオーミック接続されてお
り、金属材料としては、例えばＴｉ（チタン）５０００
Åとその上にＮｉ（ニッケル）３０００Åを堆積したも
ので構わない。すなわち、本実施の形態３は、前記第一
の半導体基体（エピタキシャル領域２）の第一主面側の
一部に１つもしくは複数の溝を有し、少なくとも前記溝
の底部もしくは側壁に前記ヘテロ接合部１０１が形成さ
れている。

【００２２】次に、基本動作については実施の形態１と
同等であるが、このような構成により、多結晶シリコン
層８と炭化珪素２との接合１０１が溝１４の側壁に沿っ
て形成されているために、炭化珪素の深い部分へもダイ
オードが形成されることである。つまり、実施の形態１
で述べた効果に加え、ヘテロ接合面積を効率よく増やす
ことが容易にできるため、さらに高耐圧ダイオードとし
ての応用範囲が広がるという特有の効果がある。本実施
の形態３の高耐圧炭化珪素ダイオードの製造方法につい
ては図１０に示す。図１０（ａ）では例えばＮ型高濃度
の炭化珪素半導体基板上１にＮ型低濃度の炭化珪素エピ
タキシャル領域２が形成された半導体基体１００を用意
する。同（ｂ）ではエピタキシャル領域２上の一部分に
溝１４を開口する工程を示している。ここで表面を清浄
化する工程が行なわれる。同（ｃ）では多結晶シリコン
層１５が堆積される工程を示している。同（ｄ）では多
結晶シリコン層１５に所望の不純物を導入する工程を示
している。この工程においては、多結晶シリコン層１５
の上にさらに堆積された高濃度にドーピングされた堆積
膜から９００〜１０００℃程度の熱処理により不純物が
多結晶シリコン層１５中に拡散導入されても構わない。
またはイオン注入により不純物を直接多結晶シリコン層
１５中に導入しても構わない。同（ｅ）では多結晶シリ
コン層１５上にマスク材１６がパターニングされる工程
を示している。同（ｆ）ではこのマスク材でカバーされ
ていない多結晶シリコン層１５の部分がエッチングされ
る工程を示している。さらに同（ｆ）では多結晶シリコ
ン層１５上のマスク材１６が除去され、半導体基体１０
０の裏面に金属電極１７が形成される。裏面の金属電極
１７と炭化珪素基板１がオーミック接続となるよう、必
要により１０００℃程度のＲＴＡが施される。なお、本
実施の形態３における図１０（ａ）〜（ｆ）に示す製造
方法は、前記第一の半導体基体（炭化珪素半導体基体１
００）の第一主面側を清浄する工程の前に、前記第一の
半導体基体（エピタキシャル領域２）の前記第一主面側
の一部に溝部（溝１４）を形成する工程を行ない、前記
第一の半導体基体（炭化珪素半導体基体１００）の第一
主面側を清浄する工程後、前記第二の半導体層（多結晶
シリコン層８）を前記溝部（溝１４）の内部に堆積する
工程を行う。このような構成の製造方法によれば、溝に
沿って高耐圧のダイオードを簡易な工程で形成できる。
なお、前記多結晶シリコン層を堆積する工程の後に、１
３００℃以下の熱処理を行う工程は、実施の形態１の図
９（ｃ）や実施の形態３の図１０（ｄ）の工程におい
て、多結晶シリコン層３または１５の上に堆積され、不
純物が高濃度にドーピングされた堆積膜からの多結晶シ
リコン層３または１５への不純物導入工程における９０
０〜１０００℃程度の熱処理や、裏面の金属電極４また
は１７と炭化珪素基板１がオーミック接続となるような
１０００℃程度のＲＴＡに対応する。すなわち、接合形
成後にも１３００℃程度までの熱処理が可能となり、デ
バイス応用範囲の広いダイオードが形成可能である。

【００２３】以上により炭化珪素と多結晶シリコンの接
合を持つダイオードが形成される。本実施の形態３によ
る高耐圧炭化珪素ダイオードの製造方法を用いれば、簡
易な製造工程で高耐圧のダイオードが形成可能であると
いう特有の効果がある。

【００２４】以上述べてきた実施の形態１〜３において
は、裏面電極をカソード、多結晶シリコンをアノードと
した２端子のダイオードとして説明してきた。多結晶シ
リコン層の電位を固定するには、さらに該多結晶シリコ
ン層上にオーミック接続となる金属が形成されることが
考えられる。本発明の本質にはあまり影響しないが、具
体的実施の形態としていくつか例をあげておく。図６は
その一例であり、図１の多結晶シリコン層３の上に直接
金属層９が形成されている。この場合、多結晶シリコン
層３と金属層９が直接オーミック接続となるように、多
結晶シリコンが高濃度である必要がある。また、金属層
９が直接炭化珪素に接触することが無いよう、金属層９
の大きさは多結晶シリコン層３より小さくしておく必要
がある。さらに、図７に示すような構成が考えられる。
図７では多結晶シリコン層３の最外周部が酸化膜上に乗
り上げた構成になっている。このような構成において
は、金属層９が直接炭化珪素と接触することが無いの
で、多結晶シリコン層３の大きさに対して金属層９の大
きさを大きくすることが可能である。また、図８に示す
構成も考えられる。図８はダイオードを上面から見た平
面レイアウト図になっており、ダイオードは四角形の多
結晶シリコン層３の直下で形成されている。多結晶シリ
コン層３の形状は円形でも構わない。多結晶シリコン層
３は多結晶シリコン層３のランナー部１０により、パッ
ド領域１１に直接接続されている。金属層１２がパッド
領域１１上に形成される。パッド領域１１の多結晶シリ
コン層が高濃度になっていれば、金属層１２と多結晶シ
リコン層との間で低抵抗なオーミック接続を実現するこ
とが可能である。そのため、実際のデバイスにおいて、
あるダイオード領域と離れた部分で金属層１２と多結晶
シリコン層がオーミック接続されるため、ダイオード部
である多結晶シリコン層３の不純物濃度は所望の濃度に
自由に設定することが可能になる。なお、図８の構成で
は、細いランナー部１０にしているが、ダイオードの用
途として大きな電流を流す必要がある場合には太くして
おくか、別の金属で裏打ちをしておけば良い。

【００２５】実施の形態４図１６は、本発明の第４の実施の形態を示している。図
１６は、図６で例示した、低濃度Ｎ型炭化珪素エピタキ
シャル領域２と多結晶シリコン層３が接触し、かつ多結
晶シリコン層３の上に第一の表面電極９が形成された部
分に対応した断面図である。前記図６との相違点は、炭
化珪素半導体基体１００中に、多結晶シリコン層３が形
成されているヘテロ接合１０１の近傍に例えばＰ型炭化
珪素からなる電界緩和領域２２が形成されており、その
Ｐ型炭化珪素からなる電界緩和領域２２は多結晶シリコ
ン層３の近傍に配置されている。また、電界緩和領域２
２は所定の間隔で配置されている。すなわち、低濃度Ｎ
型炭化珪素エピタキシャル領域２の第一主面に接するよ
うに電界緩和領域２２を有し、電界緩和領域２２は前記
第二の半導体層の周辺に配置されている。本実施の形態
においては、電界緩和領域２２をＰ型炭化珪素で形成し
た場合を例示しているが、酸化ケイ素等の誘電体材料を
配置しても以下で説明する効果を得ることができる。

【００２６】なお、電界緩和領域２２をＰ型炭化珪素で
形成する場合には、低濃度Ｎ型炭化珪素エピタキシャル
領域２へ高エネルギーのイオン注入によりP型不純物導
入をすることで形成することになるが、このP型不純物
導入によるリーク電流の増加は生じない。これは、高エ
ネルギーのイオン注入によって炭化珪素に欠陥が発生す
るものの、形成した高耐圧ダイオードを流れる電流経路
（多結晶シリコン層３と低濃度Ｎ型炭化珪素エピタキシ
ャル領域２との接触部分）とは異なる部分にしか炭化珪
素の欠陥が発生しないためである。

【００２７】次に、動作について説明する。例えば第一
の表面電極９を接地電位とし、裏面金属電極４に正電位
を印加した所謂ダイオードの逆バイアス状態において
は、低濃度Ｎ型の炭化珪素エピタキシャル領域２には多
結晶シリコン層３との接合１０１界面から空乏層が伸張
するとともに、電界緩和領域２２とのＰＮ接合界面から
も空乏層が伸張する。このとき、低濃度Ｎ型炭化珪素エ
ピタキシャル領域２を挟んで対面する電界緩和領域２２
同士の距離が小さい場合、それぞれの電界緩和領域２２
から伸びた空乏層によって、多結晶シリコン層３と接す
る低濃度Ｎ型炭化珪素エピタキシャル領域２が空乏化さ
れる。すなわち、図６で示した第３の実施の形態に比べ
て、接合１０１界面にかかる電界を電界緩和領域２２か
ら伸びた空乏層によって緩和することができるため、逆
バイアス状態における漏れ電流を低減し、さらに遮断性
を向上することができる。

【００２８】なお、図１６では電界緩和領域２２が接合
１０１面にて多結晶シリコン層３と全面接触している例
を示しているが、例えば図１７に示すように電界緩和領
域２２の一部が第一の表面電極と接触していれば、電界
緩和領域２２の電位はほぼ第一の表面電極９の電位に固
定されるため、より安定した電界緩和効果が発揮され
る。また、図１６および図１７で例示した実施の形態に
おいては、多結晶シリコン層３が電界緩和領域２２と接
している例を示したが、多結晶シリコン層３が電界緩和
領域２２とは接していなくても上記と同様の効果を有す
る。

【００２９】実施の形態５図１８は、本発明の第５の実施の形態を示しており、図
１７で例示した構造に対応する断面図である。図１７と
の相違点は、電界緩和領域２２に接して、低濃度Ｎ型炭
化珪素エピタキシャル領域２には接しないように、多結
晶シリコン層３並びに第一の表面電極９と接触した高濃
度多結晶シリコン層２３が形成されている点である。高
濃度多結晶シリコン層２３は多結晶シリコン層３より不
純物濃度が高く、第一の表面電極９とはオーミック接続
している。すなわち、電界緩和領域２２が前記第二の半
導体層と接しており、かつ、電界緩和領域２２と接する
一部の前記第二の半導体層の不純物濃度が他の部分に比
べて高くなっている。

【００３０】次に、動作について説明する。例えば第一
の表面電極９を接地電位とし、裏面金属電極４に正電位
を印加した所謂ダイオードの逆バイアス状態において、
低濃度Ｎ型炭化珪素エピタキシャル領域２には多結晶シ
リコン層３との接合１０１界面から空乏層が伸張すると
ともに、電界緩和領域２２とのＰＮ接合界面からも空乏
層が伸張する。このとき、本実施の形態５においては、
高濃度多結晶シリコン層２３が炭化珪素エピタキシャル
領域２には接しないように形成されているため、高濃度
多結晶シリコン層２３には逆バイアス時の電界が直接か
からないようになっている。つまり、上記実施の形態１
から実施の形態４で例示した場合と同様に、接合１０１
での耐圧を維持したまま、第一の表面電極９と多結晶シ
リコンがオーミック接続している。このことから、ロー
カルな不純物種類もしくは不純物濃度の打ち分けで、容
易に製造工程で順方向導通時の抵抗を低減することがで
きる。

【００３１】実施の形態６図１９は、本発明の第６の実施の形態を示しており、図
１で例示した構造に対応する断面図である。図１との相
違点は、エピタキシャル領域２に接して多結晶シリコン
層３に接しないように第二の表面電極２４が形成されて
おり、多結晶シリコン層３をアノード、第二の表面電極
２４をカソードとした横型のダイオードの場合を示して
いる。すなわち、前記第一の半導体基体の第一主面側に
前記第二の半導体層との接合を有し、さらに、前記第二
の半導体層とは接しないように、前記第一の半導体基体
の第一主面側に金属電極が形成されている。

【００３２】動作については、実施の形態１で説明した
図１の縦型ダイオードと同様であり、第二の表面電極４
をカソード、多結晶シリコン層３をアノードとして両方
の間に電圧を印加すると、多結晶シリコン層３と炭化珪
素エピタキシャル領域２の接合界面において整流作用が
生じ、ダイオード特性が得られる。つまり、本実施の形
態のように横型のダイオードの構成としても上記実施の
形態１から実施の形態５で例示した構成を実現すること
が可能であり、それぞれと同様の動作並びに効果を得る
ことができる。また、本実施の形態のような横型ダイオ
ードとすることで、同一基板上に不純物種類や不純物濃
度を変えた多結晶シリコン層３を複数形成することや、
同一基板上に他のデバイス構成と併せて複数の構成を形
成する所謂インテリジェント化が可能となり、その応用
範囲を広げることができる。

【００３３】上記実施の形態４から実施の形態６におい
ても、炭化珪素のポリタイプは４Ｈタイプ、６Ｈ、３Ｃ
等その他のポリタイプでも構わないし、第二の半導体層
として多結晶シリコンを用いて説明しているが、炭化珪
素とヘテロ接合を形成する半導体材料であればどの材料
でもかまわない。さらに、上記実施の形態４から実施の
形態６においても、低濃度Ｎ型炭化珪素エピタキシャル
領域２としてＮ型の炭化珪素を、多結晶シリコン層３と
してＮ型の多結晶シリコンを用いて説明しているが、Ｎ
型の炭化珪素とＰ型の多結晶シリコン、Ｐ型の炭化珪素
とＰ型の多結晶シリコン、Ｐ型の炭化珪素とＮ型の多結
晶シリコン、さらにはノンドープ多結晶シリコンを用い
た場合の如何なる組み合わせでもよい。

【００３４】また、本実施の形態１から本実施の形態６
において、第一の半導体基体として炭化珪素半導体基体
を一例に説明してきたが、炭化珪素以外にもシリコン、
ガリウムヒ素、ガリウムナイトライド、ダイヤモンドな
どの高耐圧ダイオードを形成可能な半導体材料を用いて
もよい。

【００３５】以上本発明を実施の形態に基づいて具体的
に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変
更可能であることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１のデバイスの断面構造図

【図２】本発明の実施の形態１における他の構成を有す
るデバイスの断面構造図

【図３】本発明の実施の形態２のデバイスの断面構造図

【図４】本発明の実施の形態２における他の構成を有す
るデバイスの断面構造図

【図５】本発明の実施の形態３のデバイスの断面構造図

【図６】本発明の各実施の形態に共通した電極形成方法
を示す断面構造図

【図７】本発明の各実施の形態に共通した電極形成方法
を示す断面構造図

【図８】本発明の各実施の形態に共通した電極形成方法
を示す平面レイアウト図

【図９】本発明の実施の形態１、２における製造方法を
示す断面構造図

【図１０】本発明の実施の形態３における製造方法を示
す断面構造図

【図１１】本発明の動作原理を説明するエネルギーバン
ド図

【図１２】本発明のＮ型高濃度多結晶シリコンと炭化珪
素の接合のエネルギーバンド図

【図１３】本発明のＮ型高濃度多結晶シリコンと炭化珪
素の接合のエネルギーバンド図

【図１４】本発明のＮ型低濃度多結晶シリコンと炭化珪
素の接合のエネルギーバンド図

【図１５】実験結果で得られたダイオードの逆方向Ｉ−
Ｖ特性図

【図１６】本発明の第４の実施の形態を示す断面図

【図１７】本発明の第４の別の実施の形態を示す断面図

【図１８】本発明の第５の実施の形態を示す断面図

【図１９】本発明の第６の実施の形態を示す断面図

【図２０】本発明の第３の別の実施の形態を示す断面図

【符号の説明】

１…高濃度Ｎ型炭化珪素基板２…低濃度Ｎ型炭化珪素エピタキシャル領域３…多結晶シリコン層４…裏面金属電極５…多結晶シリコン層６…一部が酸化膜上に乗り上げた多結晶シリコン層７…酸化膜８…溝内部の多結晶シリコン層９…第一の表面電極１０…多結晶シリコン層のランナー１１…パッド接続用の多結晶シリコン領域１２…パッド電極１３…マスク材１４…溝（トレンチ）１５…多結晶シリコン層１６…マスク材１７…金属電極１８…真空準位１９…障壁２０…電子２１…障壁２２…電界緩和領域２３…高濃度多結晶シリコン層２４…第二の金属電極２５…多結晶シリコン層（下層側）２６…多結晶シリコン層（上層側）１００…炭化珪素半導体基体１０１…ヘテロ接合

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田中秀明神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (72)発明者星正勝神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (72)発明者クライソントロンナムチャイ神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (72)発明者三原輝儀神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (72)発明者林哲也神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内Ｆターム(参考） 4M104 AA01 AA03 AA04 AA05 AA07 AA10 BB01 BB14 BB39 CC01 CC03 DD23 DD79 DD80 DD81 FF01 FF02 FF10 FF11 FF27 FF35 GG02 GG03 GG18 HH18

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第一の半導体基体と、前記第一の半導体基
体とはバンドギャップの異なる第二の半導体層からなる
ヘテロ接合を有することを特徴とする高耐圧ダイオー
ド。
【請求項２】前記第一の半導体基体が炭化珪素半導体基
体から成ることを特徴とする請求項１記載の高耐圧ダイ
オード。
【請求項３】前記第二の半導体層が単結晶シリコン、ア
モルファスシリコン、多結晶シリコンの少なくともいず
れかであることを特徴とする請求項1または２記載の高
耐圧ダイオード。
【請求項４】前記第一の半導体基体の第一主面側に前記
第二の半導体層とのヘテロ接合を有し、前記第一主面と
対向する前記第一の半導体基体の第二主面側に金属電極
が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３記載
の高耐圧ダイオード。
【請求項５】前記第一の半導体基体の第一主面側に前記
第二の半導体層とのヘテロ接合を有し、さらに、前記第
二の半導体層とは接しないように、前記第一の半導体基
体の第一主面側に金属電極が形成されていることを特徴
とする請求項１乃至３記載の高耐圧ダイオード。
【請求項６】前記第二の半導体層中に少なくとも不純物
種類もしくは不純物濃度の異なる領域を持つことを特徴
とする請求項１乃至５記載の高耐圧ダイオード。
【請求項７】前記第二の半導体層中の不純物種類もしく
は不純物濃度が中心部と周辺部とで異なり、少なくとも
前記周辺部のヘテロ接合における耐圧が前記中心部のヘ
テロ接合における耐圧に比べ大きくなるべく形成されて
いることを特徴とする請求項１乃至６記載の高耐圧ダイ
オード。
【請求項８】前記第一の半導体基体の第一主面側の一部
に１つもしくは複数の溝を有し、少なくとも前記溝の底
部もしくは側壁に沿って前記ヘテロ接合が形成されてい
ることを特徴とする請求項１乃至７記載の高耐圧ダイオ
ード。
【請求項９】前記第一主面に接するように電界緩和領域
を有し、前記電界緩和領域は前記ヘテロ接合の周辺もし
くは前記ヘテロ接合接するように配置されていることを
特徴とする前記請求項１乃至８記載の高耐圧ダイオー
ド。
【請求項１０】前記電界緩和領域が前記第二の半導体層
と接しており、かつ、前記電界緩和領域と接する一部の
前記第二の半導体層の不純物濃度が他の部分に比べて高
いことを特徴とする請求項９記載の高耐圧ダイオード。
【請求項１１】請求項１乃至１０のいずれかに記載の高
耐圧ダイオードの製造方法において、前記第一の半導体
基体の第一主面側を清浄する工程と、前記第一主面上に
多結晶シリコン層を堆積する工程と、前記多結晶シリコ
ン層に不純物を導入する工程と、前記多結晶シリコン層
を選択的にエッチングする工程とを有することを特徴と
する高耐圧ダイオードの製造方法。
【請求項１２】前記多結晶シリコン層を堆積する工程の
後に、１３００℃以下の熱処理を行う工程を有すること
を特徴とする請求項１１記載の高耐圧ダイオードの製造
方法。
【請求項１３】前記第一の半導体基体の第一主面側を清
浄する工程の前に、前記第一の半導体基体の前記第一主
面側の一部に溝部を形成する工程を行ない、前記第一の
半導体基体の第一主面側を清浄にする工程後、前記多結
晶シリコン層を前記溝部の内部に堆積する工程を行うこ
とを特徴とする請求項１１または１２記載の高耐圧ダイ
オードの製造方法。
【請求項１４】前記不純物を導入する工程において、高
濃度にドープされた堆積膜からの不純物導入、イオン注
入による不純物導入、または気相からの不純物導入によ
り選択的に行われ、前記多結晶シリコン層の所望の領域
に異なる種類もしくは濃度の不純物を導入することを特
徴とする請求項１１乃至１３記載の高耐圧ダイオードの
製造方法。