(57)【要約】  高速スイッチング時にも高い信頼性を持つメサ側ｐｎ接合ダイオード炭化珪素半導体装置を提供する。  第１導電型の炭化珪素半導体基板１と、炭化珪素半導体基板１上に形成された第１導電型のドリフト層２と、ドリフト層２上に形成された第２導電型のアノード層３と、外周部が平坦なメサ底面を成し、アノード層３からドリフト層２に至る断面の側面がアノード層３の表面に対して斜めに形成されたメサ側面を有するメサ構造と、アノード層３の端部からメサ底面にまでメサ側面を含むように、ドリフト層２との界面の断面がアノード層３の表面に対して斜めになるように形成された第２導電型の低ドーピング領域４とアノード層３の端部に接する低ドーピング領域４内のメサ側面側の領域およびメサ側面の下部でメサ底面につながる箇所に形成された、低ドーピング領域４より第２導電型不純物濃度が高い、第２導電型の高ドーピング領域５と備える。
2017073264.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の炭化珪素半導体基板と、
前記炭化珪素半導体基板上に形成された第１導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層上に形成された第２導電型のアノード層と、
外周部が平坦なメサ底面を成し、前記アノード層から前記ドリフト層に至る断面の側面が前記アノード層の表面に対して斜めに形成されたメサ側面を有するメサ構造と、
前記アノード層の端部から前記メサ底面にまで前記メサ側面を含むように、前記ドリフト層との界面の断面が前記アノード層の表面に対して斜めになるように形成された第２導電型の低ドーピング領域と、
前記アノード層の端部に接する前記低ドーピング領域内の前記メサ側面側の領域および前記メサ側面の下部で前記メサ底面につながる箇所に形成された、前記低ドーピング領域より第２導電型不純物の不純物濃度が高い、第２導電型の高ドーピング領域と
を備えたことを特徴とする炭化珪素半導体装置。
【請求項２】
前記メサ側面が前記アノード層の表面に対して成す角度が１０度以上８０度以下であることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項３】
前記ドリフト層と低ドーピング領域との界面が前記アノード層の表面に対して成す角度が１０度以上８０度以下であることを特徴とする請求項２に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項４】
前記高ドーピング領域の不純物濃度が前記アノード層の不純物濃度よりも低いことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項５】
前記高ドーピング領域の不純物濃度が前記低ドーピング領域の不純物濃度の２倍以上である
ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項６】
前記高ドーピング領域の不純物濃度が前記低ドーピング領域の不純物濃度よりも一桁以上高いことを特徴とする請求項５に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項７】
前記アノード層の端部に接する前記低ドーピング領域内の前記メサ側面側の領域および前記メサ側面の下部でメサ底面につながる箇所を含む領域に形成された前記高ドーピング領域がつながっていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項８】
前記アノード層の端部に接する前記低ドーピング領域内の前記メサ側面側の領域および前記メサ側面の下部でメサ底面につながる箇所を含む領域に形成された前記高ドーピング領域が分離していることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項９】
前記メサ側面が前記アノード層表面に対して成す角度と前記ドリフト層と低ドーピング領域との界面が前記アノード層の表面に対して成す角度とが異なることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項１０】
第１導電型の炭化珪素半導体基板と、
前記炭化珪素半導体基板上に形成された第１導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層上に形成された第２導電型のアノード層と、
外周部が平坦なメサ底面を成し、前記アノード層から前記ドリフト層に至る断面の側面が前記アノード層の表面に対して垂直に形成されたメサ側面を有するメサ構造と、
前記アノード層の端部から前記メサ底面にまで前記メサ側面を含むように、前記ドリフト層との界面の断面が前記アノード層の表面に対して斜めになるように形成された第２導電型の低ドーピング領域と
前記アノード層の端部に接する前記低ドーピング領域内の前記メサ側面側の領域および前記メサ側面の下部で前記メサ底面につながる箇所に形成された、前記低ドーピング領域より第２導電型不純物濃度が高い、第２導電型の高ドーピング領域と
を備えたことを特徴とする炭化珪素半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、炭化珪素半導体装置に関するものであり、特に、電力用半導体装置として用いられる炭化珪素ｐｎ接合ダイオード半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高耐圧かつ低損失を実現することができる次世代の半導体装置として、炭化珪素（ＳｉＣ）を用いた炭化珪素半導体装置が注目されている。従来の半導体装置に用いられてきたシリコン（Ｓｉ）と比較して、ＳｉＣは絶縁破壊電界強度が約１０倍となることから、炭化珪素半導体装置は特に高耐圧の電力用半導体装置への適用が期待されている。【０００３】
高耐圧の電力用半導体装置の一つに、ｐｎ接合ダイオードがある。従来のＳｉＣｐｎ接合ダイオードでは、素子分離やアノード端の電界集中緩和のために、アノード部にメサ構造を形成している（例えば特許文献１）。さらには、そのメサ構造を垂直ではなく、斜めに形成しているものがある（例えば特許文献２）。また、メサ周辺部にＰ型の電界緩和層を設けることで、炭化珪素半導体Ｎ型層と電界緩和層とのＰＮ接合に空乏層が形成され、炭化珪素半導体装置のオフ状態、すなわち一定の電圧が印加された静的な状態での電界が緩和されることが知られている（例えば特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１６５６０４号公報
【特許文献２】特開２００９−１０１２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１のようにアノード部に垂直メサ構造を形成した場合、メサ端部に電界が集中してしまう。特許文献２のように、メサ形状を垂直ではなく斜めにすることで、電界をメサ端部だけでなくアノード端部にも分散することが可能であるが、特許文献２の構造ではスイッチング時にメサ端部およびアノード端部への電界が集中し、素子不良を招く恐れがあることを発明者らは見出した。スイッチング時においてメサ端部およびアノード端部に電界が集中するメカニズムは、以下の通りであると考えられる。【０００６】
上述のように、炭化珪素半導体装置のオフ状態、すなわち、一定の電圧が印加された静的な状態においては、電界緩和層導入により形成された空乏層によって電圧が保持され、アノード端部およびメサ端部に高電界が印加されることはない。しかし、炭化珪素半導体装置がオン状態からオフ状態へと切り替わるスイッチング状態では、高速に高電圧が印加されることになるため空乏層領域からの電荷の掃き出しが間に合わず、空乏層端がアノード端部およびメサ端部に達し、アノード端部およびメサ端部に電界が集中することがある。特に、炭化珪素半導体装置では、アクセプタレベルが従来のシリコン半導体と比較して深いこと、およびシリコンよりも深い準位が多いことから、スイッチング時に電荷の掃き出しが間に合わず、電界緩和が十分に発揮されないケースが多い。【０００７】
このようなスイッチング時においても電界緩和を行なうために、電界緩和層におけるｐ型不純物量を増加させ空乏層の伸びを抑制する対策が考えられるが、スイッチング時における電界緩和を考慮して電界緩和層のｐ型ドーズ量を最適化すると、静的なオフ状態における電界が増大してしまい耐圧低下を招く恐れがあった。つまり、従来の炭化珪素半導体装置においては、静的なオフ状態における電界緩和と、動的なスイッチング時における電界緩和の両立が困難となり、素子耐圧を十分に向上させることが困難となっていた。【０００８】
本発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、オフ状態における電界集中を抑制しつつ、スイッチング時における電界を緩和し、素子耐圧を向上させることができる炭化珪素半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明にかかる炭化珪素半導体装置は、第１導電型の炭化珪素半導体基板と、炭化珪素半導体基板上に形成された第１導電型のドリフト層と、ドリフト層上に形成された第２導電型のアノード層と、外周部が平坦なメサ底面を成し、アノード層からドリフト層に至る断面の側面がアノード層の表面に対して斜めに形成されたメサ側面を有するメサ構造と、アノード層の端部からメサ底面にまでメサ側面を含むように、ドリフト層との界面の断面がアノード層の表面に対して斜めになるように形成された第２導電型の低ドーピング領域と、アノード層の端部に接する低ドーピング領域内のメサ側面側の領域およびメサ側面の下部でメサ底面につながる箇所をに形成された、低ドーピング領域より第２導電型不純物濃度が高い、第２導電型の高ドーピング領域とを備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明にかかる炭化珪素半導体装置によれば、静的なオフ状態における電界は低ドーピング領域により緩和され、高速スイッチング動作時には、少なくともアノード端部の下側およびメサ端部に第２導電型の高ドーピング領域を設けたことにより、電界集中を抑制できるので、高い信頼性の炭化珪素半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の実施の形態１に係るｐｎ接合ダイオードの断面模式図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係るｐｎ接合ダイオードの製造方法を説明する断面模式図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係るｐｎ接合ダイオードの製造方法を説明する断面模式図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係るｐｎ接合ダイオードの製造方法を説明する断面模式図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係るｐｎ接合ダイオードの製造方法を説明する断面模式図である。
【図６】この発明の実施の形態１に係るｐｎ接合ダイオードの製造方法を説明する断面模式図である。
【図７】この発明の実施の形態１に係るｐｎ接合ダイオードの製造方法を説明する断面模式図である。
【図８】この発明の実施の形態１に係るｐｎ接合ダイオードの高電界部を説明する断面模式図である。
【図９】この発明の実施の形態１に係る別の形態のｐｎ接合ダイオードの断面模式図である。
【図１０】この発明の実施の形態１に係る別の形態のｐｎ接合ダイオードの断面模式図である。
【図１１】この発明の実施の形態２に係るｐｎ接合ダイオードの断面模式図である。
【図１２】この発明の実施の形態２に係る別の形態のｐｎ接合ダイオードの断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施の形態１．
まず、本発明の実施の形態１にかかる炭化珪素半導体装置の構成を説明する。
図１は、実施の形態１にかかる炭化珪素半導体装置であるｐｎ接合ダイオードの構成を示す断面模式図である。図１に示すように、本実施の形態のｐｎ接合ダイオードは、低抵抗でｎ型の炭化珪素半導体基板１の第１の主面上に炭化珪素からなるｎ型のドリフト層２が形成されている。ドリフト層２の上には、ｐ型のアノード層３が形成されている。本実施の形態のｐｎ接合ダイオードは、断面が台形状のメサ型であり、アノード層３からドリフト層２にかけて側面が斜めに切り落とされたメサ構造をしている。
【００１３】
断面の側面がアノード層３表面に対して斜めの部分（メサ側面と呼ぶ。）から切り落とされた後の平坦部（メサ底面と呼ぶ。）にかけて、アノード層３に接続されるように、ドリフト層２の表面側のアノード層３端部からメサ底面にまで、メサ側面に接しメサ側面を含むように、所定の幅でｐ型の低ドーピング領域４が形成されている。その低ドーピング領域４のメサ側面側に、アノード層３端部からメサ底面にかけてｐ型の高ドーピング領域５が形成されている。
アノード層３の表面上にはアノード電極７が形成されており、炭化珪素半導体基板１の下側にカソード電極８が形成されている。また、メサ底部の低ドーピング領域４の外周側には、外側低ドーピング領域９が形成されており、低ドーピング領域４、高ドーピング領域５が形成されたドリフト層２とアノード層３のメサ側面とメサ底面の表面側には絶縁層６が形成されている。絶縁層６は、アノード層３の表面のアノード電極７の周囲にも形成されている。
【００１４】
メサ側面は、メサ底面およびアノード層３の表面に対して傾斜しており、その角度は、電界緩和の観点から、１０度以上８０度以下などであればよい。また、メサ構造の形状は、断面が直線状でもよいし、曲線状であってもよい。
また、低ドーピング領域４とドリフト層２との界面も、メサ底面およびアノード層３の表面に対して傾斜しており、その角度は、１０度以上８０度以下などである。
【００１５】
次に、本発明の本実施の形態の炭化珪素半導体装置であるｐｎ接合ダイオードの製造方法を図２〜図７を用いて説明する。図２〜図７は、本実施の形態の炭化珪素半導体装置であるｐｎ接合ダイオードの製造方法を説明するための各工程のｐｎ接合ダイオードの断面模式図である。
【００１６】
まず、図２に示すように、炭化珪素半導体基板１の上にドリフト層２を形成する。ここでは４Ｈのポリタイプを有するｎ型（第１導電型）で低抵抗の炭化珪素半導体基板１を用意し、その上に化学気相堆積（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により窒素（Ｎ）がドープされたｎ型（第１導電型）の炭化珪素エピタキシャル層であるドリフト層２をエピタキシャル成長させる。ドリフト層２の不純物濃度は、例えば１×１０１４ｃｍ−３〜１×１０１６ｃｍ−３、厚さが１〜２００μｍなどであれば良く、炭化珪素半導体装置の設計耐圧に応じて適宜選択すればよい。
【００１７】
つづいて、図３に示すように、ドリフト層２の表面にｐ型不純物をイオン注入することにより、ｐ型のアノード層３を形成する。注入するイオンは、例えばＡｌとし、注入する深さは、ドリフト層２の厚さを超えない０．１〜３μｍ程度とする。また、イオン注入されたＡｌの不純物濃度は、１×１０１８〜１×１０２１ｃｍ-３の範囲でドリフト層２のｎ型不純物濃度より多いものとする。なお、アノード層３は、ドリフト層２の上にｐ型ＳｉＣ層をエピタキシャル成長して形成してもよい。
【００１８】
次に、アノード層３の上に例えばＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によりシリコン酸化膜を形成し、フォトリソグラフィーによりシリコン酸化膜を所定の形状にパターニングした後、シリコン酸化膜をエッチングマスクとしてエッチングすることによりメサ形状を形成する。ここで、シリコン酸化膜の端面をフッ化水素酸などを用いて等方性エッチングにより斜め形状にし、この端面が斜めになったシリコン酸化膜をマスクとしてＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）を行なうことにより、図４に示すように、斜め形状のメサ構造を形成することができる。メサの高さ、すなわち、アノード層３表面からメサ底面までの深さ方向の長さは、例えば１μｍ以上、１０μｍ以下とすることができる。
【００１９】
つづいて、アノード層３端部に接するドリフト層２の領域のメサ側面からメサ底面の所定の位置に所定の幅でｐ型不純物イオンを注入することにより、図５に示すように、低ドーピング領域４を形成する。さらに、アノード層３の端部からメサ底面にかけてのメサ部の斜め形状の箇所にｐ型不純物イオンを注入することによって、図６に示すように、高ドーピング領域５を形成する。低ドーピング領域４形成時には、低ドーピング領域４の外側のメサ底面の表層部に外側低ドーピング領域９を同時に形成してもよい。
【００２０】
低ドーピング領域４と高ドーピング領域５とは、それぞれ、不純物濃度が１×１０１７〜１×１０１９ｃｍ-３、１．０×１０１８／ｃｍ３〜１．０×１０２１／ｃｍ３などであればよい。高ドーピング領域５の不純物濃度は、低ドーピング領域４の不純物濃度の２倍以上であればよく、より望ましくは、１桁以上高くする。また、高ドーピング領域５の不純物濃度は、アノード層３の不純物濃度より低い方が望ましい。
【００２１】
イオン注入によって形成されたアノード層３と、低ドーピング領域４、高ドーピング領域５とは、イオン注入後に不活性ガス雰囲気中で１３００〜２０００℃、１０秒〜１時間の熱処理を行なうことにより活性化される。つづいて、アノード層３などが形成された基板の表側全面にＣＶＤ法などにより酸化珪素などの絶縁層６を形成し、図７に示すように、アノード層３の上部に開口を設ける。次に、アノード層３などが形成されている面と反対側の基板の裏側に接するように、炭化珪素半導体基板１上に、スパッタ法などにより、炭化珪素半導体基板１とオーミック接合するカソード電極８を形成する。つづいて、アノード層３の表面側の所定の箇所に、アノード層３とオーミック接合するＮｉなどからなるアノード電極７を形成する。アノード電極７を所望の形状にパターニングする方法としては、例えば、パターニングされたレジストマスク上に金属膜をスパッタ法などにより形成し、その後にレジストマスクと直上に存在する金属膜を除去するリフトオフ法を用いればよい。
【００２２】
このようにして、図１に示す、本発明の実施の形態１に係る炭化珪素半導体装置であるｐｎ接合ダイオードを製造することができる。
【００２３】
次に、本発明の実施の形態１に係る炭化珪素半導体装置であるＳｉＣ−ｐｎ接合ダイオードの動作について説明する。
本実施の形態のＳｉＣ−ｐｎ接合ダイオードにおいて、アノード電極７に対してカソード電極８に負の電圧を印加すると、アノード電極７からカソード電極８に電流が流れ、ｐｎ接合ダイオードは導通状態（オン状態）となる。一方、アノード電極７に対してカソード電極８に正の電圧を印加すると、アノード層３とドリフト層２の間のｐｎ接合によって電流が阻止され、ｐｎ接合ダイオードは阻止状態（オフ状態）となる。
【００２４】
ＳｉＣ−ｐｎ接合ダイオードが阻止状態（オフ状態）のときに、アノード層３からメサ底部の外周端にかけて電圧がかかる。この中で特に電界が強くなるのは、図８のアノード端部１０とメサ端部１１であり、本実施の形態では、低ドーピング領域４および高ドーピング領域５などにより電界を緩和する。
【００２５】
ここで、アノード端部１０およびメサ端部１１では、メサ側面とメサ底面との成す角度によって電界強度が変わる。メサ端部１１では、メサ側面が斜めで無くメサ底面とアノード層３表面に対して垂直であると、等電位線が急峻に曲げられ密集し、特に電界が大きくなる。アノード端部１０では、メサ側面がメサ底面とアノード層３表面に対して小さな角度を有する場合、メサ側面が、アノード層３の幅よりドリフト層２の幅を相対的に大きくする角度でドリフト層２およびアノード層３を切り取ることになり、電気力線がアノード層３側に曲げられ密集し、電界が大きくなる。本実施の形態では、メサ側面がメサ底面とアノード層３表面に対して１０度〜８０度に傾斜しているために、アノード端部１０およびメサ端部１１近傍の等電位線の曲がりが緩やかになり、アノード端部１０およびメサ端部１１の電界を緩和できる。
【００２６】
メサ側面の傾斜角度が８０度を超えると、メサ端部１１の角度が急峻となり、メサ端部１１に電界が集中する。逆にメサ側面の傾斜角度が１０度未満であれば、アノード端部１０の電界強度が大きくなる。メサ側面の傾斜角度が１０度未満の場合はさらに、同じ断面横方向の構造であればメサの高さが低くなり、アノード層３とメサ端部１１との距離が短くなるため、メサ端部１１の電界強度も大きくなり、ＳｉＣ−ｐｎ接合ダイオードの耐圧が低下する。メサ部の高さの大きくして断面横方向の長さを長くすると、炭化珪素半導体装置のチップの面積が増大してしまう。
【００２７】
また、本実施の形態とは異なり、低ドーピング領域４だけを形成し高ドーピング領域５を形成しない場合にＳｉＣ−ｐｎ接合ダイオードを高速スイッチングすると、アノード端部１０およびメサ端部１１に電界が集中し、耐圧が低下する場合がある。その理由を以下で説明する。
【００２８】
ＳｉＣ−ｐｎ接合ダイオードのオフ状態、すなわち、一定の電圧が印加された静的な状態においては、低ドーピング領域４により形成された空乏層によって電圧が保持され、アノード端部１０およびメサ端部１１に高電界が印加されることはない。しかしながら、ＳｉＣ−ｐｎ接合ダイオードが高速でオン状態からオフ状態へと切り替わるスイッチング状態では、空乏層領域からの電荷の掃き出しが間に合わないことがある。特に、炭化珪素半導体装置では、アルミニウム（Ａｌ）の場合には１８０ｍｅＶ以上、ホウ素（Ｂ）の場合は３００ｍｅＶ以上と、ｐ型アクセプタのイオン化エネルギーがシリコンの場合と比較して数倍程度大きくなるため、ｐ型アクセプタ準位からのキャリアの放出に非常に時間がかかる。
【００２９】
さらに、炭化珪素半導体中には、ホウ素（Ｂ）よりもイオン化エネルギーが大きい深い準位が多く存在し、これらが電荷を捕獲するため、空乏層領域からの電荷の掃き出しの遅延はより顕著になる。空乏層領域からの電荷の掃き出しがスイッチング速度より十分速くない場合、高電界がかかる空乏層領域は、静的な状態よりも拡がることになる。よって、本実施の形態とは異なり高ドーピング領域５を形成しない場合、高速スイッチング時に空乏層端がアノード端部１０およびメサ端部１１に達し、アノード端部１０およびメサ端部１１に電界が集中することになる。
【００３０】
これに対して、本実施の形態のように、アノード端部１０およびメサ端部１１に高ドーピング領域５を形成すると、高速スイッチング時に低ドーピング領域４とドリフト層２のｐｎ接合界面から伸長してきた空乏層が高ドーピング領域５で止まるため、アノード端部１０およびメサ端部１１に電界が集中することを回避できる。さらに、静的な状態においては、静的な状態における電界緩和に適正に設計された低ドーピング領域４によって電界集中は発生しない。このようにして、本実施の形態により、高速スイッチング時においても静的な状態においても、高い素子耐圧を実現する炭化珪素半導体装置を提供することができる。
【００３１】
ここで、高ドーピング領域５の不純物濃度は、十分に高ければ高速スイッチング時のアノード端部１０およびメサ端部１１への電界集中を完全に防ぐことができるが、炭化珪素半導体装置が使用される周波数帯がわかっている場合、高ドーピング領域５の不純物濃度は、最大周波数でスイッチング時に空乏層端がアノード端部１０およびメサ端部１１に達しない程度に低くした方が、高速スイッチング時の耐圧をより向上することができる。
【００３２】
例えば、高速スイッチング時のｄＶ／ｄｔが１〜１０ｋＶ／μｓ以上である場合、深い準位に捕獲されたキャリアがスイッチング速度に応答できず少数しか掃き出されないことがあるため、高ドーピング領域５の不純物濃度は低ドーピング領域４の不純物濃度よりも深い準位の密度分程度高くしておくことが望ましい。炭化珪素半導体装置内に存在する深い準位の密度は、炭化珪素半導体装置の作製条件にもよるが、例えば不純物濃度の５０％程度であることがある。よって、この場合、製造工程の濃度のばらつきまで考慮して、高ドーピング領域５の不純物濃度は低ドーピング領域４の不純物濃度の２倍以上にするとよい。さらに、高速スイッチング時のｄＶ／ｄｔが１０〜１００ｋＶ／μｓ以上である場合、Ａｌアクセプタに捕獲されたキャリアの中でも応答できないものが増えるため、高ドーピング領域５の不純物濃度は低ドーピング領域４の不純物濃度よりも一桁以上高くすればよい。以上の場合分けに用いたｄＶ／ｄｔの値は一例であり、炭化珪素半導体装置の構造や設計耐圧に応じて変更されてもよい。
【００３３】
なお、高ドーピング領域５は、図１に示したようにアノード端部１０からメサ端部１１までつながっている必要は無く、図９にその断面模式図を示すように、アノード端部１０とメサ端部１１とにそれぞれ分離して設けられていてもよい。高ドーピング領域５は、少なくとも、アノード層３の端部に接する低ドーピング領域４内のメサ側面側と、メサ側面の下部でメサ底面につながる箇所が高濃度になっていればよい。
また、図１０にその断面模式図を示すように、アノード端部１０からメサ端部１１にかけて、間隙を挟んでいくつかにわかれていてもよい。高ドーピング領域５の配置は、耐圧、動作周波数に合わせて不純物濃度、全長、注入領域幅、間隙幅、間隙数を適正に設計して配置すればよい。
【００３４】
なお、本実施の形態では高ドーピング領域５は全て同じ不純物濃度としたが、不純物濃度は全域で一定である必要は無く、例えばアノード層３側から外周部にかけて順次低濃度になるように変化させてもよい。さらに、低ドーピング領域４の不純物濃度も全域で一定である必要は無く、例えばアノード端部１０から外周部にかけて低濃度に変化していってもよい。
【００３５】
また、外側低ドーピング領域９は、無くてもよく、複数で構成されていてもよい。さらに、低ドーピング領域４と外側低ドーピング領域９との間の間隙は必要な耐圧に応じて適正に設定すればよい。また、低ドーピング領域４と外側低ドーピング領域９との間隙構造がメサ側壁部にまで及んでいてもよい。低ドーピング領域４と外側低ドーピング領域９との個数、間の幅は、設計耐圧が高いほど、低ドーピング領域４，９全体の全長を長くし、電界が均一に分布するように間隙数を増やす方がよい。
【００３６】
また、本実施の形態の製造方法においては、低ドーピング領域４を注入した後に高ドーピング領域５を注入した例を示したが、これらの注入の順序はどちらでもよい。イオン注入の際は、イオンは上面より垂直に注入してもよいし、作製中の炭化珪素半導体装置を回転させるなどして、斜めから注入してもよい。さらに、２つ以上のマスクを用いて注入することで、メサ底部とメサ側面の注入イオン分布を細やかに制御することもできる。
【００３７】
さらに、本実施の形態の製造方法においては、カソード電極８はアノード電極７形成前に行なう例を説明したが、カソード電極８は、アノード電極７形成などの表面側の工程が全て終わった後で形成してもよい。
【００３８】
また、本実施の形態の製造方法においては、エッチングマスクに傾斜を形成してエッチングすることにより斜めのメサ構造を形成する方法について説明したが、マスクのシリコン酸化膜に傾斜を形成せずに、ＲＩＥのガス種や圧力、電力等のエッチング条件を調整することで、斜めのメサ構造を形成してもよい。
さらに、炭化珪素において、ｎ型の不純物としては窒素（Ｎ）やリン（Ｐ）を、ｐ型の不純物としてはアルミニウム（Ａｌ）やホウ素（Ｂ）を用いることができる。
【００３９】
実施の形態２．
上述した実施の形態１にかかる炭化珪素半導体装置においては、メサ側面の傾斜角度、メサ部分の低ドーピング領域４と高ドーピング領域５の界面（以後、高周波界面と呼ぶ。）の傾斜角度、およびメサ部の低ドーピング領域４とドリフト層２の界面（以後、低周波界面と呼ぶ。）の傾斜角度がほぼ一致する例を説明したが、本実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置では、メサ側面の傾斜角度、高周波界面の傾斜角度、および低周波界面の傾斜角度が異なる炭化珪素半導体装置について説明する。その他の点については、実施の形態１と同様であるので、詳しい説明は省略する。
【００４０】
図１１は、本発明の本実施の形態の炭化珪素半導体装置であるＳｉＣ−ｐｎ接合ダイオードの断面模式図である。
図１１において、メサ部はアノード層３表面に対して垂直に形成されている。これに対して、本実施の形態１のＳｉＣ−ｐｎ接合ダイオードの高周波界面および低周波界面は、メサ部において、アノード層３表面に対して斜めに形成されており、アノード層３表面に対する成す角度は、１０度以上、８０度以下である。
【００４１】
また、図１２は、本発明の本実施の形態の別の形態の炭化珪素半導体装置であるＳｉＣ−ｐｎ接合ダイオードの断面模式図である。図１２においては、メサ側面はアノード層３表面に対して斜めに形成されているが、低ドーピング領域４とアノード層３表面とが成す角度とメサ側面とアノード層３表面とが成す角度とが異なる。
【００４２】
つぎに、本実施の形態のＳｉＣ−ｐｎ接合ダイオードの製造方法において、実施の形態１のＳｉＣ−ｐｎ接合ダイオードの製造方法と異なる点を説明する。
本実施の形態においては、メサ構造を形成する前に低ドーピング領域４をイオン注入し、その後、エッチングなどによりメサ構造を形成する。低ドーピング領域４のイオン注入は、炭化珪素半導体基板１を含むその段階のウエハー状態の基板を回転させて素子表面に対して斜め方向からイオン注入するなどの方法により形成する。より細やかな注入イオン分布の制御のために、イオン注入は複数回に分けて行なってもよく、複数のマスクを用いても良い。また、低ドーピング領域４とドリフト層２の界面の角度は、イオン注入の方向を調整することによって調整することができる。高ドーピング領域５もこの段階で行なってもよい。
このように、低ドーピング領域４形成後に所定の形状のレジストマスク越しにＲＩＥなどのエッチングを行なうことにより、メサ側面をアノード層表面に対して垂直または任意の角度の斜めに形成できる。
【００４３】
高周波界面はスイッチング時の空乏層端、低周波界面は静的な状態の空乏層端とおおよそ一致する。メサ部における空乏層の傾斜角度は、実施の形態１のメサ側面の傾斜角度と同様の原理により、メサ部にかかる電界の分布および炭化珪素半導体装置の耐圧に大きく影響するため、炭化珪素半導体装置の設計耐圧等の仕様に応じて設計すればよい。本実施の形態のように、高周波界面２１および低周波界面２２の傾斜角度を決定することで、実施の形態１のようにエッチングによってメサ傾斜角度を決定するよりも自由に空乏層の傾斜角度を調整することができ、炭化珪素半導体装置の耐圧をより向上させることができる。
【００４４】
なお、上記実施の形態において、各領域の不純物濃度が濃度プロファイルを有する場合において、各領域の「不純物濃度［ｃｍ−３］」とは各領域における不純物濃度のピーク値を示すものとし、各領域の「厚さ」は不純物濃度が当該領域における不純物濃度のピーク値の１／１０の値以上となる領域までの厚さとする。
【００４５】
また、上記実施の形態では、第１導電型をｎ型とし第２導電型をｐ型として説明したが、その逆であってもよい。また、メサ部にｐｎ接合を有する炭化珪素半導体装置であれば、例えばＳＢＤ（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ  Ｂａｒｒｉｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）、ＪＢＳ（Ｊｕｎｃｔｉｏｎ  Ｂａｒｒｉｅｒ  Ｓｃｈｏｔｔｋｙ）ダイオード、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＢＪＴ（Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）といった炭化珪素半導体装置であっても、本発明は有効である。
また、ｐｎ接合ダイオードについて例示して説明するため、便宜上、ｐｎ接合を形成するｐ型領域をアノード層、ｎ型領域をドリフト層と呼んで説明したが、各領域の名称は適宜変更されてもよい。
【符号の説明】
【００４６】
１  炭化珪素半導体基板、２  ドリフト層、３  アノード層、４  低ドーピング領域、５  高ドーピング領域、６  絶縁層、７  アノード電極、８  カソード電極、９  外側低ドーピング領域。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年11月15日(2017.11.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の炭化珪素半導体基板と、
前記炭化珪素半導体基板上に形成された第１導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層上に形成された第２導電型のアノード層と、
外周部が平坦なメサ底面を成し、前記アノード層から前記ドリフト層に至る断面の側面が前記アノード層の表面に対して斜めに形成されたメサ側面を有するメサ構造と、
前記アノード層の端部から前記メサ底面にまで前記メサ側面を含むように、前記ドリフト層との界面の断面が前記アノード層の表面に対して斜めになるように形成された第２導電型の低ドーピング領域と、
前記アノード層の端部に接する前記低ドーピング領域内の前記メサ側面側の領域および前記メサ側面の下部で前記メサ底面につながる箇所に形成された、前記低ドーピング領域より第２導電型不純物の不純物濃度が高い、前記アノード層に接する第２導電型の高ドーピング領域と
を備えことを特徴とする炭化珪素半導体装置。
【請求項２】
スイッチング時のｄＶ／ｄｔが１ｋＶ／μｓ以上である請求項１に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項３】
前記高ドーピング領域の第２導電型不純物濃度が、前記低ドーピング領域の第２導電型不純物濃度の２倍以上である請求項２に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項４】
スイッチング時のｄＶ／ｄｔが１０ｋＶ／μｓ以上である請求項２に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項５】
前記高ドーピング領域の第２導電型不純物濃度が前記低ドーピング領域の第２導電型不純物濃度よりも一桁以上高い請求項４に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項６】
前記アノード層と前記低ドーピング領域と前記高ドーピング領域との第２導電型不純物は、アルミニウムまたはホウ素である請求項１ないし５のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項７】
前記メサ側面が前記アノード層の表面に対して成す角度が１０度以上８０度以下であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項８】
前記ドリフト層と低ドーピング領域との界面が前記アノード層の表面に対して成す角度が１０度以上８０度以下であることを特徴とする請求項７に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項９】
前記高ドーピング領域の不純物濃度が前記アノード層の不純物濃度よりも低いことを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項１０】
前記アノード層の端部に接する前記低ドーピング領域内の前記メサ側面側の領域および前記メサ側面の下部でメサ底面につながる箇所を含む領域に形成された前記高ドーピング領域がつながっていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項１１】
前記アノード層の端部に接する前記低ドーピング領域内の前記メサ側面側の領域および前記メサ側面の下部でメサ底面につながる箇所を含む領域に形成された前記高ドーピング領域が分離していることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項１２】
前記メサ側面が前記アノード層表面に対して成す角度と前記ドリフト層と低ドーピング領域との界面が前記アノード層の表面に対して成す角度とが異なることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項１３】
第１導電型の炭化珪素半導体基板と、
前記炭化珪素半導体基板上に形成された第１導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層上に形成された第２導電型のアノード層と、
外周部が平坦なメサ底面を成し、前記アノード層から前記ドリフト層に至る断面の側面が前記アノード層の表面に対して垂直に形成されたメサ側面を有するメサ構造と、
前記アノード層の端部から前記メサ底面にまで前記メサ側面を含むように、前記ドリフト層との界面の断面が前記アノード層の表面に対して斜めになるように形成された第２導電型の低ドーピング領域と
前記アノード層の端部に接する前記低ドーピング領域内の前記メサ側面側の領域および前記メサ側面の下部で前記メサ底面につながる箇所に形成された、前記低ドーピング領域より第２導電型不純物濃度が高い、第２導電型の高ドーピング領域と
を備えたことを特徴とする炭化珪素半導体装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
本発明にかかる炭化珪素半導体装置は、第１導電型の炭化珪素半導体基板と、炭化珪素半導体基板上に形成された第１導電型のドリフト層と、ドリフト層上に形成された第２導電型のアノード層と、外周部が平坦なメサ底面を成し、アノード層からドリフト層に至る断面の側面がアノード層の表面に対して斜めに形成されたメサ側面を有するメサ構造と、アノード層の端部からメサ底面にまでメサ側面を含むように、ドリフト層との界面の断面がアノード層の表面に対して斜めになるように形成された第２導電型の低ドーピング領域と、アノード層の端部に接する低ドーピング領域内のメサ側面側の領域およびメサ側面の下部でメサ底面につながる箇所に形成された、低ドーピング領域より第２導電型不純物濃度が高い、前記アノード層に接する第２導電型の高ドーピング領域とを備えたことを特徴とするものである。
【国際調査報告】
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