(57)【要約】【課題】高い耐圧特性及び電流増幅率を維持しつつ、逆方向動作時の電圧降下量を低減する。【解決手段】エミッタ領域６は、ベース領域４を介さずにコレクタ領域３と接するように、ベース領域４で覆われていない領域Ａを有する。これにより、逆方向動作時には、コレクタ領域３とベース領域４間のＰＮダイオードがオン状態になる前にコレクタ領域３とエミッタ領域６との間に還流電流が流れるために、電圧降下量を低減することができる。また、コレクタ領域３とエミッタ領域６間の電圧がコレクタ領域３とベース領域４間のＰＮダイオードの内蔵電位より低い場合には、コレクタ領域３とエミッタ領域６間を多数キャリアである電子電流が流れるために、逆方向動作が遮断する際の逆回復特性が良好になり、逆回復時の損失を低減することができる。【選択図】図１
2006066781.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体から成るコレクタ領域と、
前記コレクタ領域の所定領域に形成された第２導電型のベース領域と、
前記ベース領域の所定領域に形成された第１導電型のエミッタ領域とを備え、
前記コレクタ領域と前記エミッタ領域は第１導電型の接続領域を介して接続されていることを特徴とする炭化珪素半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の炭化珪素半導体装置であって、
前記エミッタ領域に接続されたエミッタ電極と、
前記ベース領域に接続されたベース電極とを備え、
前記ベース領域と前記エミッタ電極又は前記ベース電極とは、絶縁膜を介して前記接続領域の少なくとも一部を挟持するように対向配置されていることを特徴とする炭化珪素半導体装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の炭化珪素半導体装置であって、
前記接続領域は、前記コレクタ領域の一部により構成されていることを特徴とする炭化珪素半導体装置。
【請求項４】
第１導電型の炭化珪素半導体基体から成るコレクタ領域の所定領域に第２導電型のベース領域を形成する工程と、
前記ベース領域の所定領域に第１導電型のエミッタ領域を形成する工程と、
前記コレクタ領域と前記エミッタ領域とを接続する第１導電型の接続領域を形成する工程と
を有することを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化珪素半導体装置及びその製造方法に関し、より詳しくは、高い耐圧特性及び電流増幅率を維持しつつ、逆方向動作時の電圧降下量を低減するための技術に係わる。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体基体が炭化珪素（ＳｉＣ）から成る縦型バイポーラトランジスタは、半導体基体がシリコン（Ｓｉ）から成るものと比較して、同じ耐圧を得るにもコレクタ領域の厚みが小さくてよく、またコレクタ領域の伝導度向上に必要なベース電流が小さくて済むことから、耐圧特性に優れ、より高い電流増幅率を実現することができる（例えば非特許文献１を参照）。このような背景から、近年、半導体基体が炭化珪素から成るバイポーラトランジスタは、電力変換用の半導体装置としての利用が期待されている。また特に、このバイポーラトランジスタを直流電流を交流電流に変換するインバータ素子として利用した場合には、バイポーラトランジスタは、ベース電極に正電位を印加する順方向動作に加えて、ベース電極をエミッタ電極と同電位にして受動素子として機能させる逆方向動作が可能であることから、双方向素子としての応用が期待できる。
【非特許文献１】Yi Tang, Jeffery B. Fedison, and T. Paul Chow, Materials Science Forum Vols.389-393(2002), pp.1329-1332
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、一般に、半導体基体がシリコンから成る場合、逆方向動作時の電圧降下量はベース領域とコレクタ領域との間に形成されるＰＮダイオードの内蔵電位（約０．６［Ｖ］）程度で済むのに対して、半導体基体が炭化珪素から成る場合には、逆方向動作時の電圧降下量は２［Ｖ］以上になる。このため、半導体基体が炭化珪素から成るバイポーラトランジスタは、半導体基体がシリコンから成るものと比較して、逆方向動作時の損失が大きく、双方向素子としての応用に難点があった。なお、このような問題を解決するために、コレクタ領域の所定位置にショットキーダイオードを内蔵する方法も考えられるが、この方法を用いた場合には、順方向動作時にベース領域からコレクタ領域に注入された正孔がショットキーダイオード近傍で対消滅しやすくなり、電流増加率が低下してしまう。すなわち、ベース領域の電流容量を確保する必要があるために、ベース駆動回路での損失が増加する。
【０００４】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、高い耐圧特性及び電流増幅率を維持しつつ、逆方向動作時の電圧降下量を低減することが可能な炭化珪素半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述の課題を解決するために、本発明に係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体から成るコレクタ領域と、コレクタ領域の所定領域に形成された第２導電型のベース領域と、ベース領域の所定領域に形成された第１導電型のエミッタ領域とを備え、コレクタ領域とエミッタ領域は第１導電型の接続領域を介して接続されている。また、本発明に係る炭化珪素半導体装置の製造方法は、第１導電型の炭化珪素半導体基体から成るコレクタ領域の所定領域に第２導電型のベース領域を形成する工程と、ベース領域の所定領域に第１導電型のエミッタ領域を形成する工程と、コレクタ領域とエミッタ領域とを接続する第１導電型の接続領域を形成する工程とを有する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明に係る炭化珪素半導体装置及びその製造方法によれば、エミッタ領域はコレクタ領域と接しているので、高い耐圧特性及び電流増幅率を維持しつつ、逆方向動作時の電圧降下量を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態となる炭化珪素半導体装置の構成について詳しく説明する。
【０００８】
［炭化珪素半導体装置の構成］
始めに、図１を参照して、本発明の実施形態となる炭化珪素半導体装置の構成について説明する。なお、図１は、本発明の第１の実施形態となる炭化珪素半導体装置の断面構成図を示し、２つの構成単位（セル）が対設している状態を表している。
【０００９】
本発明の実施形態となる炭化珪素半導体装置１は、図１に示すように、ポリタイプが４ＨタイプのＮ＋型である炭化珪素から成る基板領域２と、この基板領域２上に形成されたＮ−型のコレクタ領域３と、基板領域２とコレクタ領域３の接合面に対向する主面（コレクタ領域３表面）に接するようにコレクタ領域３の一部に形成されたＰ型のベース領域４と、ベース領域４に接するようにコレクタ領域３の一部に形成されたＰ＋型のベースコンタクト領域５とＮ＋型のエミッタ領域６と、基板領域２，ベースコンタクト領域５，及びエミッタ領域６にそれぞれオーミック接続されたコレクタ電極７，ベース電極８，及びエミッタ電極９と、コレクタ領域３とエミッタ電極９を電気的に絶縁する絶縁膜１０と、ベース領域４の露出表面に形成された絶縁膜１１と、コレクタ電極７，ベース電極８，及びエミッタ電極９にそれぞれ接続されたコレクタ端子Ｃ，ベース端子Ｂ，及びエミッタ端子Ｃとを有する。
【００１０】
また、この炭化珪素半導体装置１では、エミッタ領域６は、ベース領域４を介さずにコレクタ領域３と接するように、ベース領域４で覆われていない領域Ａを有する。なお、この炭化珪素半導体装置１では、エミッタ領域６はベース領域４を介さずにコレクタ領域３に接しているが、逆バイアス状態にある遮断状態においては、コレクタ領域３側にビルトイン電界が印加され、空乏層はコレクタ領域３側に伸びるので、ベース領域４と絶縁膜１０に挟まれたコレクタ領域３は空乏化し、コレクタ領域３とエミッタ領域６間の漏れ電流を遮断することができる。また、コレクタ領域３とエミッタ領域６は直接接しているが、例えば図２に示すように、エミッタ領域６とは不純物濃度が異なるＮ型の接続領域１２を介して接続するようにしてもよい。
【００１１】
さらに、この炭化珪素半導体装置１では、コレクタ領域３とエミッタ領域６とが接する領域Ａは、ベース領域４と絶縁膜１０を介したエミッタ電極９とにより挟持されている。なお、図１や図２に示す炭化珪素半導体装置１では、コレクタ領域３とエミッタ領域６とが接する領域Ａはベース領域４とエミッタ電極９とで挟持されているが、図３や図４に示すように、ベース領域４とベース電極９とで挟持するようにしてもよい。
【００１２】
［炭化珪素半導体装置の動作］
次に、上記炭化珪素半導体装置１の動作を順方向動作及び逆方向動作に分けて説明する。
【００１３】
〔順方向動作〕
始めに、上記炭化珪素半導体装置１の順方向動作について説明する。
【００１４】
例えば、エミッタ電極９を接地し、コレクタ電極７に正電位を印加した状態でベース電極８を接地電位とした場合、コレクタ領域３とエミッタ領域６との間にはベース領域４によってＰＮ接合による伝導電子に対するエネルギー障壁が形成されているために、炭化珪素半導体装置１は遮断状態を保持する。そして、この状態でベース電極８に正電位を印加した場合、炭化珪素半導体装置１は導通状態に切り替わる。具体的には、ベース電極８に印加される正電位が増加するのに応じて、ベース領域４と絶縁膜１０に挟まれたコレクタ領域２に拡がっていたビルトイン空乏層が後退し、コレクタ領域３とエミッタ領域６との間に電子電流が流れ始める。つまり、低いベース電圧でコレクタ電流が流れ始める。
【００１５】
さらに、ベース電極８の電位がベース領域４とエミッタ領域６間に形成されるＰＮダイオードの内蔵電位まで増加すると、ベース領域４からエミッタ領域６にベース電流が流れ始めることによって、コレクタ領域３とエミッタ領域６間のポテンシャル障壁が低下し、コレクタ領域３からエミッタ領域６にコレクタ電流が流れ始める。そしてさらに、ベース領域４からコレクタ領域３中に正孔が注入されると、コレクタ領域３の伝導度が高まり、コレクタ電流はさらに低抵抗で流れるようになる。
【００１６】
ここで、この実施形態では、ベース領域４からコレクタ領域３に正孔が注入されるバイポーラ動作を例として炭化珪素半導体装置１の順方向動作について説明したが、ベース電極８に印加する電圧をベース領域４とエミッタ領域６との間のＰＮダイオードの内蔵電位以下として炭化珪素半導体装置１をモノポーラ動作させてもよい。なお、炭化珪素半導体装置１をモノポーラ動作させた場合には、バイポーラ動作時と比較して、コレクタ領域３を流れる電流にとって抵抗の低減代は大きい。
【００１７】
次に、ベース電極８に０又は負電位を印加すると、炭化珪素半導体装置１は導通状態から遮断状態へと切り替わる。すなわち、ベース領域４からのベース電流の供給が止まり、コレクタ領域３に注入されていた正孔は徐々に枯渇する。そしてこの結果、コレクタ領域３に再び空乏層が拡がり、コレクタ領域３とエミッタ領域６との間にあるベース領域３におけるポテンシャル障壁が元の状態に戻った時点でコレクタ電流は遮断される。また、ベース領域４と絶縁膜１０に挟まれたコレクタ領域３においても、再びビルトイン空乏層が拡がり、コレクタ領域３とエミッタ領域６間が遮断される。
【００１８】
〔逆方向動作〕
次に、上記炭化珪素半導体装置１の逆方向動作について説明する。
【００１９】
例えば、ベース電極８とエミッタ電極９を同電位にし、コレクタ電極７に所定の負電位を印加すると、コレクタ電極７とエミッタ電極７との間には、ベース領域４と絶縁膜１０に挟まれたコレクタ領域３を介して逆導通電流が流れる。この時、コレクタ領域３とベース領域４が順バイアス状態にある場合には、コレクタ領域３とベース領域４に伸びていた空乏層が無くなり、ベース領域４とエミッタ電極９に挟まれたコレクタ領域３近傍にコレクタ電界が拡がるため、コレクタ領域３とベース領域４間のＰＮダイオードがオン状態になる前に、コレクタ領域３とエミッタ領域６との間に還流電流が流れる。さらに、コレクタ領域３とエミッタ領域６間の電圧がＰＮダイオードの内蔵電位より低い電圧では、コレクタ領域３とエミッタ領域６間を多数キャリアである電子電流が流れ、逆方向動作が遮断する際の逆回復特性が良好なために、逆回復時の損失を低減することができる。
【００２０】
以上の説明から明らかなように、本発明の実施形態となる炭化珪素半導体装置１によれば、エミッタ領域６は、ベース領域４を介さずにコレクタ領域３と接するように、ベース領域４で覆われていない領域Ａを有する。そして、このような構成によれば、逆方向動作時には、コレクタ領域３とベース領域４間のＰＮダイオードがオン状態になる前にコレクタ領域３とエミッタ領域６との間に還流電流が流れるために、電圧降下量を低減することができる。また、コレクタ領域３とエミッタ領域６間の電圧がコレクタ領域３とベース領域４間のＰＮダイオードの内蔵電位より低い場合には、コレクタ領域３とエミッタ領域６間を多数キャリアである電子電流が流れるために、逆方向動作が遮断する際の逆回復特性が良好になり、逆回復時の損失を低減することができる。
【００２１】
以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。例えば、上記実施形態では、基板領域２を形成する炭化珪素のポリタイプは４Ｈタイプであるとしたが、６Ｈや３Ｃ等のその他のポリタイプであってもよい。また、上記実施形態では、炭化珪素半導体装置１は、コレクタ電極７とエミッタ電極９とをコレクタ領域３を挟んで対向するように配置し、コレクタ電極７とエミッタ電極９間の電流を縦方向に流す縦型構造であったが、図５乃至図８に示すように、コレクタ電極７とエミッタ電極９とを同一主面上に配置し、コレクタ電極７とエミッタ電極９間の電流を横方向に流す横型構造であってもよい。
【００２２】
また、上記実施形態では、コレクタ領域３とエミッタ領域６は絶縁膜１０に沿って横方向で繋がっているが、図９，１０に示すように、縦方向に繋がってもいてもよい。また、上記実施形態では、コレクタ領域３及びベース領域４をそれぞれＮ型及びＰ型としたが、コレクタ領域３及びベース領域４をそれぞれＰ型及びＮ型としてもよい。このように、この実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態となる炭化珪素半導体装置の構成を示す断面図である。
【図２】図１に示す炭化珪素半導体装置の応用例の構成を示す断面図である。
【図３】図１に示す炭化珪素半導体装置の応用例の構成を示す断面図である。
【図４】図２に示す炭化珪素半導体装置の応用例の構成を示す断面図である。
【図５】本発明の他の実施形態となる炭化珪素半導体装置の構成を示す断面図である。
【図６】本発明の他の実施形態となる炭化珪素半導体装置の構成を示す断面図である。
【図７】本発明の他の実施形態となる炭化珪素半導体装置の構成を示す断面図である。
【図８】本発明の他の実施形態となる炭化珪素半導体装置の構成を示す断面図である。
【図９】本発明の他の実施形態となる炭化珪素半導体装置の構成を示す断面図である。
【図１０】本発明の他の実施形態となる炭化珪素半導体装置の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２４】
１：炭化珪素半導体装置
２：基板領域
３：コレクタ領域
４：ベース領域
５：ベースコンタクト領域
６：エミッタ領域
７：コレクタ電極
８：ベース電極
９：エミッタ電極
１０，１１：絶縁膜
１２：接続領域
【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】
2006066781.tif 000010
【図９】
2006066781.tif 000011
【図１０】
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