(57)【要約】【課題】  絶縁破壊耐性の高く、高い歩留まりが得られる炭化ケイ素半導体装置を提供する。【解決手段】  ｎ型の炭化ケイ素傾斜基板２の主表面上に、エピタキシャル成長法によって炭化ケイ素からなるｎ型の耐圧層３が形成されている。ｎ型の耐圧層３に平面形状が長方形のｐ型炭化ケイ素領域４が形成されている。ｐ型炭化ケイ素領域４の表面にｐ型コンタクト電極５が形成されている。ｐ型炭化ケイ素領域４では、アバランシェ絶縁破壊が生じやすくなる炭化ケイ素結晶の（１１−２０）面１４ａと平行になるｐ型炭化ケイ素領域４の外周部の部分が短辺側に位置する。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主表面を有する炭化ケイ素傾斜基板と、
前記炭化ケイ素傾斜基板の前記主表面に成長された第１導電型の炭化ケイ素層と、
前記炭化ケイ素層の表面に形成された素子となる第２導電型領域と
を備え、
前記第２導電型領域では、前記第２導電型領域に印加される電圧に伴って前記第２導電型領域の外周部に生じる電界に対して、アバランシェ絶縁破壊に基づく所定の結晶面の面方位と同じ方向の電界の成分が、前記結晶面の面方位と同じ方向でない電界の成分よりも小さくなるように前記外周部が形成された、炭化ケイ素半導体装置。
【請求項２】
前記結晶面と平行に位置する前記第２導電型領域の前記外周部の部分が、所定の前記結晶面と平行でない前記第２導電型領域の前記外周部の部分よりも狭く設定された、請求項１記載の炭化ケイ素半導体装置。
【請求項３】
前記炭化ケイ素層における所定の前記結晶面は（１１−２０）結晶面である、請求項１または２に記載の炭化ケイ素半導体装置。
【請求項４】
前記第２導電型領域は、前記外周部の前記炭化ケイ素層の表面における平面形状が多角形とされて前記炭化ケイ素層における所定の深さにまで形成された、請求項１〜３のいずれかに記載の炭化ケイ素半導体装置。
【請求項５】
前記第２導電型領域は、所定の前記結晶面と前記炭化ケイ素層の表面との交線が前記多角形をなす各辺と交差するように形成された、請求項１〜４のいずれかに記載の炭化ケイ素半導体装置。
【請求項６】
前記第２導電型領域は、所定の前記結晶面と前記炭化ケイ素層の表面との交線が前記多角形をなす各辺のうち最も短い辺と平行になるように形成された、請求項１〜４のいずれかに記載の炭化ケイ素半導体装置。
【請求項７】
前記平面形状は長辺と短辺を有する長方形であり、
前記交線は前記短辺と略平行になるように配置された、請求項６記載の炭化ケイ素半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は炭化ケイ素半導体装置に関し、特に、高電圧で大電流の電力を制御する炭化ケイ素半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電力を制御するパワー用の半導体装置では、破壊電界強度等を等しくする観点から、一般的には半導体基板面内において対称な構造を有する素子が形成される。すなわち、半導体基板を真上から見たときに、素子の形状が対称（線対称、点対称）になるように素子がレイアウトされる。素子は、半導体基板の表面に成長された所定の結晶成長層に形成される。このとき、半導体基板として、基板表面と結晶成長における結晶面とのなす角度（オフ角度）が０度である半導体基板の場合には、その半導体基板の表面上にエピタキシャル成長された結晶成長層の表面と、その結晶成長層の結晶面とのなす角度は０度なる。そのため、その結晶成長層に形成される素子の形状の対称性が反映されて、３次元的にも対称な素子の構造が得られることになる。
【０００３】
ところが、半導体装置としてＳｉＣ（炭化ケイ素）を用いた半導体装置では、ＳｉＣの結晶面が面対称性を有していないこと、そして、ＳｉＣのエピタキシャル成長の条件の制限から基板面と結晶面とが数度の角度をなす傾斜基板が用いられることにより、半導体基板を真上から見たときに、たとえ線対称になるように素子の形状がレイアウトされていても、基板結晶方位を考慮すると、３次元構造的には対称な素子の構造が得られることにはならない。
【０００４】
たとえば、ダイオード等を構成する注入領域の深さ方向に延在する面（外周部の側壁または側面）を考えると、傾斜方向に互いに対向する平行な外周部の面において電圧印加時に形成される電界の方向は、結晶方位が１８０度異なる結晶面方位の方向に相当する。また、傾斜方向の下流側と上流側にそれぞれ位置する外周部の側壁を考えると、下流側に位置する側壁と上流側に位置する側壁とでは、結晶面とのなす角度が異なることになる。このようなＳｉＣを用いた半導体装置を開示した文献として特許文献１がある。
【特許文献１】特開２０００−１８８４０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＳｉＣを用いた半導体装置では、絶縁破壊電界強度が結晶面方位により異なる。そのため、基板面とＳｉＣの結晶面とが角度を有する傾斜基板を用いた半導体装置では、半導体基板を真上から見たときに、たとえ対称になるように素子がレイアウトされていても、素子をなす領域において傾斜した方向の一方の側に位置する部分では、傾斜方向の他方の部分より低い電圧で絶縁破壊が起こることがある。そのため半導体装置の性能を下げるという問題がある。
【０００６】
また、ＳｉＣの半導体基板では、欠陥を比較的多く含むため、素子の内部にこれらの欠陥を含んでしまう割合が高くなる。特に、これらの欠陥が上述した絶縁破壊の起こりやすい領域に位置していると、その部分において局所的に絶縁破壊が生じて素子が破壊されたり素子の寿命が低下するために、半導体装置としての歩留まりが低下するという問題があった。
【０００７】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は絶縁破壊耐性の高く、高い歩留まりが得られる炭化ケイ素半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る炭化ケイ素半導体装置は、主表面を有する炭化ケイ素傾斜基板と第１導電型の炭化ケイ素層と第２導電型領域とを備えている。第１導電型の炭化ケイ素層は、炭化ケイ素傾斜基板の主表面に成長されている。第２導電型領域は、炭化ケイ素層の表面に形成されて素子となる。その第２導電型領域では、第２導電型領域に印加される電圧に伴って第２導電型領域の外周部に生じる電界に対して、アバランシェ絶縁破壊に基づく所定の結晶面の面方位と同じ方向の電界の成分が、結晶面の面方位と同じ方向でない電界の成分よりも小さくなるように外周部が形成されている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る炭化ケイ素半導体装置では、第２導電型領域の外周部に生じる電界に対して、アバランシェ絶縁破壊に基づく所定の結晶面の面方位と同じ方向の電界の成分が、結晶面の面方位と同じ方向でない電界の成分よりも小さくされていることで、アバランシェ絶縁破壊が生じるのを抑制することができる。また、アバランシェ破壊が生じる領域が狭められて、この領域内に欠陥等が存在する確率が低くなって、素子が破壊されたり素子の寿命が低下するのを低減することができる結果、炭化ケイ素半導体装置の歩留まりを向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
実施の形態１
本発明の実施の形態１に係る炭化ケイ素半導体装置として、ｐｎダイオードを例に挙げて説明する。図１および図２に示すように、ｎ型の炭化ケイ素傾斜基板２の主表面上に、エピタキシャル成長法によって炭化ケイ素からなるｎ型の耐圧層３が形成されている。そのｎ型の耐圧層３にｐ型炭化ケイ素領域４が形成されている。そのｐ型炭化ケイ素領域４の表面にｐ型コンタクト電極５が形成されている。
【００１１】
一方、炭化ケイ素傾斜基板２の裏面にはｎ型コンタクト電極６が形成されている。この炭化ケイ素半導体装置１では、炭化ケイ素傾斜基板２の真上から見たｐ型炭化ケイ素領域４の形状は長方形（矩形）とされ、その角部は電界の集中を抑制するために丸みを帯びている。なお、この明細書でいう矩形あるいは多角形は、数学的な矩形等を意図するものではなく、たとえば角部が丸みを帯びたものや製造上のばらつきによるものも包含し、一見して矩形等とわかる程度のものをいう。
【００１２】
次に、上述した炭化ケイ素半導体装置１の製造方法について簡単に説明する。まず、基板表面と結晶成長における結晶面とが所定の角度（約数度）だけずれたｎ型の炭化ケイ素傾斜基板２が用意される。そのｎ型の炭化ケイ素傾斜基板２の主表面上にエピタキシャル成長法によって、炭化ケイ素を成長させることによりｎ型の耐圧層３が形成される。
【００１３】
そのｎ型の耐圧層３の所定の領域にｐ型の不純物を注入することによって、ｐ型炭化ケイ素領域４が形成される。これにより、ｐ型炭化ケイ素領域４は、表面における外形形状をもって所定の深さにまで形成されることになる。そのｐ型炭化ケイ素領域４の表面上に、たとえばスパッタ法等によってアルミニウム層からなるｐ型コンタクト電極５が形成される。一方、炭化ケイ素傾斜基板２の裏面には、たとえばスパッタ法等によってニッケル層からなるｎ型コンタクト電極６が形成される。
【００１４】
図３に示すように、炭化ケイ素の結晶構造１０は六角柱の結晶構造（六方晶）を有している。炭化ケイ素傾斜基板２では、その炭化ケイ素の（０００１）結晶面１１の傾斜方向（１１−２０）方向１３に沿って、その結晶面１１とのなす角度がたとえば８度となるように基板面が切り出されている。このため、その炭化ケイ素傾斜基板２の表面にエピタキシャル成長されるｎ型の耐圧層３においても、炭化ケイ素の（０００１）結晶面１１とｎ型の耐圧層３の表面とがなす角度は８度となる。
【００１５】
本炭化ケイ素半導体装置では、図１に示すように、平面形状が長方形のｐ型炭化ケイ素領域４は、その長辺が傾斜方向１６に平行になり短辺が傾斜方向と直交するようにｎ型の耐圧層３に形成されている。傾斜方向１６は、（１１−２０）方向１３のｎ型の耐圧層３の表面への投影線として示される。
【００１６】
図２〜図４に示すように、炭化ケイ素結晶の（０００１）軸１２は、炭化ケイ素基板２の表面の法線またはｎ型の耐圧層３の表面の法線とは傾斜角度に対応する角度（８度）をなしている。また、炭化ケイ素結晶の（０００１）面１１も、炭化ケイ素基板２の表面またはｎ型の耐圧層３の表面とは傾斜角度に対応する角度（８度）をなしている。炭化ケイ素結晶の（１１−２０）面１４ａ，１４ｂとｐ型炭化ケイ素領域４の傾斜方向に対向するように位置する側壁（外周部）との配置関係は、傾斜方向の上流側に位置する外周部４ａと傾斜方向の下流側に位置する外周部４ｂとで異なる。
【００１７】
ところで、ｐ型炭化ケイ素領域４は、ｎ型の耐圧層３の表面から所定の深さにわたって形成されて、ｐ型炭化ケイ素領域の外周部を構成する側壁（側面）と底（面）とが角度をなしているために、外周部の角の部分では電界２１が集中しやすくなる。
【００１８】
また、炭化ケイ素半導体装置では、アバランシェ絶縁破壊電界強度に対して結晶面の依存性があり、（１１−２０）面１４のアバランシェ絶縁破壊電界強度が他の結晶方位面に比べて低い性質がある。そして、炭化ケイ素半導体装置では、炭化ケイ素傾斜基板の影響により絶縁破壊が起こりやすい部分がある。その炭化ケイ素半導体装置におけるｐ型炭化ケイ素領域４はｐ型不純物を注入することにより形成されるため、注入条件等によっては外周部の底の部分ではある程度の曲率半径をもった曲面となる。
【００１９】
そのため、図４に示すように、特に、傾斜方向の下流側に位置する外周部の４ａと炭化ケイ素結晶の（１１−２０）面１４ａとの配置関係では、この曲面の一部には（１１−２０）面１４ａと平行になる部分４４が存在する。ｐ型炭化ケイ素領域４に印加される電圧に伴ってｐ型炭化ケイ素領域４の外周部に生じる電界のうち、その平行になっている部分４４においては、（１１−２０）面１４ａの面方位（１１−２０）方向１３と同じ方向の電界の成分が生じることになり、この電界の成分がアバランシェ絶縁破壊を招きやすくする。
【００２０】
また、炭化ケイ素傾斜基板２では、結晶欠陥や不純物等の欠陥が存在するため、ｎ型の耐圧層３やｐ型炭化ケイ素領域４にも同様の欠陥がある面積密度をもって存在することになる。この欠陥の一部あるいはその全部が上述したアバランシェ絶縁破壊が生じやすい部分に存在すると、素子の寿命が短くなったり素子が破壊されたりする現象が生じて、素子の製造歩留まりを低下させることになる。
【００２１】
上述した炭化ケイ素半導体装置では、アバランシェ絶縁破壊が生じやすくなる（１１−２０）面１４ａと平行になるｐ型炭化ケイ素領域４の外周部の部分４４をより狭くするために、平面形状が長方形のｐ型炭化ケイ素領域４は、上述した（１１−２０）面１４ａと平行になる部分４４が短辺側に位置するように形成される。
【００２２】
これをｎ型の耐圧層３およびｐ型炭化ケイ素領域４の表面において平面的に捉えると、長方形のｐ型炭化ケイ素領域４における短辺側が傾斜方向１６と直交する方向１７と平行にされ、長辺側が傾斜方向１６と平行にされる。なお、この方向１７は、（１１−２０）面１４とｎ型の耐圧層３の表面との交線と平行である。
【００２３】
こうすることで、ｐ型炭化ケイ素領域４の長辺側が傾斜方向１６と直交する方向１７と平行な炭化ケイ素半導体装置の場合と比べて、（１１−２０）面１４と平行になるｐ型炭化ケイ素領域４の外周部の部分（領域）をより狭めることができ、ｐ型炭化ケイ素領域４の外周部に生じる電界に対して、（１１−２０）面１４の面方位（１１−２０）方向１３と同じ方向の電界の成分をより少なくすることができる。その結果、アバランシェ絶縁破壊が生じるのを抑制することができる。
【００２４】
そして、さらに、そのアバランシェ絶縁破壊が生じやすい領域が狭められることで、この領域内に欠陥等が存在する確率が低くなって、素子が破壊されたり素子の寿命が低下するのを低減することができる。これらの結果、炭化ケイ素半導体装置の歩留まりを向上することができる。
【００２５】
なお、上述した炭化ケイ素半導体装置１では、素子としてｐｎダイオードを例に挙げて説明したが、素子としてはｐｎダイオードに限られず、たとえば半導体層と金属被膜の接触によって形成されるショットキダイオードにも適用することができる。また、上述した構造は、ダイオードの他に、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）あるいはサイリスタ等のスッチング素子を構成する領域にも適用することが可能である。
【００２６】
さらに、上述した炭化ケイ素半導体装置１では、炭化ケイ素結晶における（０００１）面１１を（１１−２０）方向１３へ傾斜した傾斜基板を例に挙げて説明したが、その（０００１）面１１を（１−１００）方向１５へ傾斜させた傾斜基板を適用してもよい。この場合には、（１−１００）方向１５と直交する（１−１００）面とこれに直交する（０００１）面１１との交線（傾斜方向と直交する方向）と平行に位置する炭化ケイ素領域の側壁の表面における長さを、傾斜方向に平行に位置する側壁の表面における長さよりも短くすることで、同様の効果を得ることができる。
【００２７】
実施の形態２
本発明の実施の形態２に係る炭化ケイ素半導体装置として、ｐｎダイオードの他の例に挙げて説明する。図５および図６に示すように、本実施の形態に係る炭化ケイ素半導体装置１では、平面形状が長方形のｐ型炭化ケイ素領域４は、その長辺および短辺の双方が傾斜方向１６または傾斜方向と直交する方向１７と交差するようにｎ型の耐圧層３に形成されている。なお、これ以外の構成については前述した炭化ケイ素半導体装置の構成と同様なので、同一部材には同一符号を付しその説明を省略する。
【００２８】
前述したように、イオン注入によってｎ型の耐圧層３に形成されるｐ型炭化ケイ素領域４の外周部の角の部分では、電界が比較的集中しやすくなる。また、炭化ケイ素半導体装置では、（１１−２０）面１４のアバランシェ絶縁破壊電界強度が他の結晶方位面に比べて低い性質があり、そして、炭化ケイ素傾斜基板の影響により絶縁破壊が起こりやすい部分がある。
【００２９】
そのため、（１１−２０）面１４と平行な位置関係となるｐ型炭化ケイ素領域の外周部の部分（領域）では、（１１−２０）面１４ａの面方位（１１−２０）方向１３と同じ方向の電界の成分が生じることになり、この電界の成分がアバランシェ絶縁破壊を招きやすくする。
【００３０】
本炭化ケイ素半導体装置１では、アバランシェ絶縁破壊が生じやすくなる（１１−２０）面１４ａと平行になるｐ型炭化ケイ素領域４の外周部の部分４４をさらに狭めるために、図７に示すように、平面形状が長方形のｐ型炭化ケイ素領域４は、上述した（１１−２０）面１４ａと平行になる部分４４が、外周部における底の４隅の角のうちの一つの角の部分に位置するように形成される。
【００３１】
こうすることで、ｐ型炭化ケイ素領域４の長辺側が傾斜方向１６と直交する方向１７と平行な炭化ケイ素半導体装置の場合と比べて、（１１−２０）面１１と平行になるｐ型炭化ケイ素領域４の外周部の部分（領域）をさらに狭めることができ、その結果、アバランシェ絶縁破壊が生じるのをさらに抑制することができる。
【００３２】
また、アバランシェ絶縁破壊が生じやすい領域がより狭められることで、この領域内に欠陥等が存在する確率がさらに低くなって、素子が破壊されたり素子の寿命が低下するのをより低減することができる。これらの結果、炭化ケイ素半導体装置の歩留まりをさらに向上することができる。
【００３３】
なお、ｐ型炭化ケイ素領域の平面形状として矩形（長方形）を前提とする場合に、傾斜方向と直交する方向とｐ型炭化ケイ素領域の短辺側とのなす角度と、アバランシェ絶縁破壊との関係（アバランシェ絶縁破壊の当該角度の依存性）については、次のように考えられる。
【００３４】
ｎ型の耐圧層およびｐ型炭化ケイ素領域の表面において平面的に捉えると、傾斜方向１６と直交する方向１７とｐ型炭化ケイ素領域４の短辺側とのなす角度が４５度以上の場合には、ｐ型炭化ケイ素領域４の長辺側と傾斜方向１６と直交する方向１７とのなす角度は４５度よりも小さくなる（図５参照）。そのため、（１１−２０）面１１と平行になるｐ型炭化ケイ素領域４の外周部の領域の面積が増加して、アバランシェ絶縁破壊が生じやすくなるおそれがある。したがって、この角度に基づく配置関係は好ましくない。
【００３５】
また、炭化ケイ素基板において傾斜を考慮しなければ（１１−２０）面と結晶的に等位な結晶面は、（１１−２０）面と１２０度をなす角度で２面存在する。その２つの面および（１１−２０）面のそれぞれがｎ型の耐圧層の表面と交差する部分を交線として図８に示す。交線１８は（１１−２０）面と表面とが交差する部分を示し、交線１９，２０は、それぞれ（１１−２０）面と１２０度をなす角度で存在する２面と表面とが交差する部分を示す。
【００３６】
平面形状が長方形のｐ型炭化ケイ素領域４の短辺側と交線１８とのなす角度を３０度にすると、他の２つの交線１９，２０のうち交線１９が長辺側と平行になる。この場合には、交線１９に対応する結晶面に対し、ｐ型炭化ケイ素領域４の外周部において平行になる部分が長辺側に沿って位置することになる。そのため、アバランシェ絶縁破壊が生じやすくなるおそれがあって、この角度に基づくｐ型炭化ケイ素領域４の配置関係は好ましくない。
【００３７】
そこで、図９に示すように、ｐ型炭化ケイ素領域４の短辺側と交線１８とのなす角度を１５度にすることで、２つの等位な結晶面のうちの一つの結晶面に対する交線１９と長辺側とのなす角度１５度となり、他の一つの結晶面に対する交線２０と長辺側または短辺側とのなす角度は４５度となる。これにより、ｐ型炭化ケイ素領域４の外周部において、（１１−２０）面および（１１−２０）面と１２０度をなす角度で存在する２面のいずれに対しても、平行になる部分が大幅に低減される。したがって、アバランシェ絶縁破壊を効果的に抑制する観点からは、当該角度に基づくｐ型炭化ケイ素領域４の配置関係が最も好ましいと考えられる。
【００３８】
上述した炭化ケイ素半導体装置では、ｐｎダイオードの他に、前述したように、たとえばショットキダイオード、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴあるいはサイリスタ等を構成する素子領域にも適用することが可能である。
【００３９】
また、傾斜基板についても、前述したように、炭化ケイ素結晶における（０００１）面を（１１−２０）方向へ傾斜した傾斜基板の他に、その（０００１）面を（１−１００）方向へ傾斜させた傾斜基板を適用しても同様の効果を得ることができる。
【００４０】
さらに、上述した各実施の形態では、素子を構成するｐ型炭化ケイ素領域の平面形状が矩形状（長方形）の場合を例に挙げて説明したが、ｐ型炭化ケイ素領域の平面形状としては長方形に限られず、実質的に多角形状であればよい。
【００４１】
この場合にも、ｐ型炭化ケイ素領域において最も短い辺が傾斜方向と直交する方向と平行にされるか、多角形を構成する各辺のいずれもが傾斜方向（または傾斜方向と直交する方向）と交差するようにｎ型の耐圧層に形成されていることで、アバランシェ絶縁破壊が生じるのを抑制することができる。
【００４２】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示にすぎず、これに制限されるものではない。本発明は上記で説明した範囲ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施の形態１に係る炭化ケイ素半導体装置の平面図である。
【図２】同実施の形態において、図１に示す断面線ＩＩ−ＩＩにおける断面図である。
【図３】同実施の形態において、炭化ケイ素半導体装置における炭化ケイ素の結晶構造を示す斜視図である。
【図４】同実施の形態において、図２および図３に示す炭化ケイ素半導体装置と結晶面との位置関係を示す斜視図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係る炭化ケイ素半導体装置の平面図である。
【図６】同実施の形態において、図５に示す断面線ＶＩ−ＶＩにおける断面図である。
【図７】同実施の形態において、図５および図６に示す炭化ケイ素半導体装置と結晶面との位置関係を示す斜視図である。
【図８】同実施の形態において、アバランシェ絶縁破壊の所定角度依存性を説明するための炭化ケイ素半導体装置の第１の平面図である。
【図９】同実施の形態において、アバランシェ絶縁破壊の所定角度依存性を説明するための炭化ケイ素半導体装置の第２の平面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１  炭化ケイ素半導体装置、２  炭化ケイ素傾斜基板、３  ｎ型の耐圧層、４  ｐ型の炭化ケイ素領域、５  ｐ型のコンタクト電極、６  ｎ型のコンタクト電極、１０  炭化ケイ素結晶、１１  （０００１）面、１２  （０００１）方向、１３，１３ａ，１３ｂ  （１１−２０）方向、１４，１４ａ，１４ｂ  （１１−２０）面、１５  （１−１００）方向、１６  傾斜方向、１７  傾斜方向と直交する方向、１８〜２０  交線、２１  電界。
【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】
2007081144.tif 000007
【図６】
2007081144.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
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