JP3963151B2

JP3963151B2 - Silicon carbide semiconductor device

Info

Publication number: JP3963151B2
Application number: JP2002379331A
Authority: JP
Inventors: 秀明田中; 正勝星; トロンナムチャイクライソン; 哲也林; 佐一郎金子
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-12-27
Filing date: 2002-12-27
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2022-12-27
Also published as: JP2004214268A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は炭化珪素半導体装置に関する。
【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ＩＣ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、シリコンを基本として記述されているが、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】
ショットキー接合を炭化珪素へ適用し、高耐圧なダイオードを実現するためには、ショットキー電極端部における電界集中を緩和するために、ショットキー電極端部に電界緩和領域として拡散層を形成する必要があるが、この拡散層を形成する際の1500℃以上の高温熱処理によって炭化珪素基板表面が劣化し、劣化した炭化珪素基板表面には良好なショットキー接合が形成できず、高耐圧なダイオードを実現することが難しいという問題があった。
【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を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決する手段】
上記課題を解決するため、本発明は、炭化珪素半導体基体上、前記炭化珪素半導体基体とはバンドギャップの異なる半導体材料と前記炭化珪素半導体基体との間に第一の接合を有する炭化珪素半導体装置であって、前記半導体材料と接することによりキャリアに対するエネルギー障壁を形成する材料と前記半導体材料との間に形成される第二の接合を有し、前記第一の接合によって形成されるダイオードと前記第二の接合によって形成されるダイオードとが、極性を同一方向にして直列に接続されている炭化珪素半導体装置を構成する。
【０００７】
【発明の効果】
本発明の実施により、高耐圧な炭化珪素ダイオードを提供することが可能となる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【０００９】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態について、図１及び図２に従って説明する。
【００１０】
図１は本発明の第１の実施形態による炭化珪素半導体装置の断面図である。
【００１１】
図１において、Ｎ^＋型のＳｉＣ基板１の上にＮ⁻型のＳｉＣエピタキシャル層２を形成することにより第一導電型であるＮ型の炭化珪素半導体基体が形成されている。すなわち、炭化珪素半導体基体がＳｉＣ基板１とＳｉＣエピタキシャル層２とから構成されている。この炭化珪素半導体基体上、第一主面側すなわちＳｉＣエピタキシャル層２側に、炭化珪素半導体基体とはバンドギャップの異なる半導体材料であるＮ⁻型の多結晶シリコンすなわちポリシリコンからなる第一の半導体領域７が形成され、ＳｉＣエピタキシャル層２と第一の半導体領域７との間に第一の接合が形成されている。第一の半導体領域７の上面には、ポリシリコンと接することによりキャリアに対するエネルギー障壁を形成する材料である、ポリシリコンとショットキー接触する金属からなるショットキー電極３が形成され、第一の半導体領域７とショットキー電極３との間に第二の接合が形成されている。第一の半導体領域７の上方、ショットキー電極３の上面には表面（アノード）電極４（以下、単に表面電極４という）が形成されている。また、ＳｉＣ基板１の裏面には裏面（カソード）電極５（以下、単に裏面電極５という）が金属等の導体材料によって形成されている。
【００１２】
以下に、本実施形態による炭化珪素半導体装置の具体的な動作について、図１中のＡ点からＢ点にいたるエネルギーバンド構造を示した図２を用いて説明する。
【００１３】
図２の(ａ)は熱平衡状態、すなわち表面電極４、裏面電極５のいずれも接地とした状態におけるエネルギーバンド構造を示している。このエネルギーバンド構造からも判るように、本実施形態の構造の場合、第一の半導体領域７とＳｉＣエピタキシャル層２と間の第一の接合（以下、ヘテロ接合と呼ぶ）における障壁２０によるダイオードと、第一の半導体領域７とショットキー電極３との間の第二の接合であるショットキー接合における障壁２２によるダイオードとが、極性を同一方向にして、すなわち、順方向を同一方向（したがって逆方向も同一方向）にして直列に接続された状態になる。このため、表面電極４に然るべき正の電圧を印加し、裏面電極５を接地の状態にすると、電子が裏面電極５からＳｉＣ基板１、ＳｉＣエピタキシャル層２、第一の半導体領域７、ショットキー電極３を経て表面電極４へと流れる。つまり、本半導体装置は、この場合に、ダイオードの順方向特性を示す。
【００１４】
次に、表面電極４を接地、裏面電極５に正の高電圧を印加した状態、すなわち逆方向電圧印加時の場合、エネルギーバンド構造は図２の(ｂ)のように変化する。この際、ヘテロ接合界面に生じた障壁２０により電子２１は遮られ、遮断状態を保持する。また、ヘテロ接合界面に蓄積された電子２１によって、電界がシールドされるため、ＳｉＣエピタキシャル層２と比較して、第一の半導体領域７には電界が殆ど及ばない。つまり、第一の半導体領域７の電位はショットキー電極３の電位と限りなく等しくなり、接地に近い状態になる。そのため、第一の半導体領域７とショットキー電極３のエネルギーバンド構造は、図２の(ａ)の熱平衡状態と殆ど変わらない。よって、本半導体装置に対して逆方向に高い電圧が印加されても、第一の半導体領域７はブレークダウンを起こさずに遮断状態を保持する。なお、この遮断状態において、蓄積された電子２１の一部が、ヘテロ接合界面に生じた障壁２０をトンネリングすることで、第一の半導体領域７からＳｉＣエピタキシャル層２へと移動しようとするが、第一の半導体領域７とショットキー電極３の界面に発生したショットキー障壁により、ショットキー電極３から第一の半導体領域７への電子の供給が遮られるため、ヘテロ接合によるダイオードは擬似的に開放状態になり、電子は第一の半導体領域７からＳｉＣエピタキシャル層２へは流れない。そのため、本素子は高い遮断性を有している。なお、前述のように、逆方向に高電圧が印加された状態でも、第一の半導体領域７には電界が殆ど及ばないため、所定のショットキー接合によるダイオードの耐圧でも充分に効果がある。
【００１５】
従来技術においては、ショットキー接合を炭化珪素へ適用し、高耐圧なダイオードを実現するためには、ショットキー電極端部における電界集中を緩和するために、図７に示すように、ショットキー電極端部に電界緩和領域６として拡散層を形成する必要がある。炭化珪素に拡散層を形成するには、イオン注入法が用いられている。しかしながら、炭化珪素にイオン注入を用いて不純物を導入する場合、基板を高温に保持した状態で注入を行う高温イオン注入や、注入後の不純物の活性化に1500℃以上の高温熱処理が必要になる。これらの高温プロセスは炭化珪素基板表面の劣化を招く。ショットキー接合は、接触する基板の表面状態の影響を受け易く、劣化した炭化珪素基板表面には良好なショットキー接合が形成できない。そのため、高耐圧なダイオードを実現することが難しいという問題があった。
【００１６】
これに対して、本実施形態による炭化珪素半導体装置は、その製造工程において、ＳｉＣへのイオン注入が不要であり、上記の1500℃以上の高温熱処理を必要とせず、簡便なプロセスで製造することができる。すなわち、本実施形態による炭化珪素半導体装置は、1500℃以上の高温熱処理を必要としない簡便なプロセスで製造することができ、しかも、高耐圧ダイード特性を有している。
【００１７】
また、本実施形態においては、ＳｉＣとバンドギャップの異なる半導体材料にポリシリコンを用いているため、伝導度制御やエッチングなどのプロセスが容易になる。
【００１８】
さらに、本実施形態による炭化珪素半導体装置における第一の接合であるヘテロ接合によるダイオードは、金属固有の仕事関数で耐圧が一義的に決まるショットキーダイオードとは異なり、半導体材料の導電型、及び不純物濃度を変えることにより任意の耐圧を得ることができるという特徴を有する。
【００１９】
さらに、半導体材料と第二の接合を形成する材料に、半導体材料とショットキー接触する金属を用いているため、より簡便なプロセスで、遮断性の高い高耐圧なダイオードを実現できる。
【００２０】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について、図３に従って説明する。
【００２１】
図３は本発明の第２の実施形態による炭化珪素半導体装置の断面図である。
【００２２】
図３において、Ｎ^＋型のＳｉＣ基板１の上にＮ⁻型のＳｉＣエピタキシャル層２を形成することにより第一導電型であるＮ型の炭化珪素半導体基体が形成されている。この炭化珪素半導体基体上、第一主面側に、炭化珪素半導体基体とはバンドギャップの異なる半導体材料であるＮ⁻型のポリシリコンからなる第一の半導体領域７が形成され、ＳｉＣエピタキシャル層２と第一の半導体領域７との間に第一の接合が形成されている。第一の半導体領域７の上面には、ポリシリコンと接することによりキャリアに対するエネルギー障壁を形成する材料である、ポリシリコンとショットキー接触する金属からなるショットキー電極３が形成され、第一の半導体領域７とショットキー電極３との間に第二の接合が形成されている。第一の半導体領域７の上方、ショットキー電極３の上面には表面電極４が形成されている。また、ＳｉＣ基板１の裏面には裏面電極５が形成されている。
【００２３】
本実施形態による炭化珪素半導体装置は、さらに、ＳｉＣエピタキシャル層２の所定の位置に電界緩和領域６を有し、この電界緩和領域６は表面電極４と同電位になるように電気的に接続され、したがって、表面電極４と同電位であるショットキー電極３と同電位に固定されている。
【００２４】
本実施形態による炭化珪素半導体装置は、第１の実施形態の動作及び効果に加えて、逆方向電圧印加時に、表面電極４、したがってショットキー電極３と同電位に固定された電界緩和領域６とＳｉＣエピタキシャル層２との間のＰＮ接合にも逆方向に電圧が印加され、その接合界面からＳｉＣエピタキシャル層２側に空乏層が伸び、第一の接合であるヘテロ接合界面に掛かる電界を緩和するため、逆方向電圧印加時における漏れ電流が、より低減され、さらに遮断性を向上することができ、遮断状態を実現するのがさらに容易となる。すなわち、オフ性（遮断特性）をより向上することができる。
【００２５】
なお、本実施形態においては電界緩和領域６を誘電体にて形成しているが、電界緩和領域６を第二導電型であるＰ⁻型のＳｉＣで形成してもよく、また、電界緩和領域６が第一の半導体領域７と同電位になるように電気的に接続されていてもよく、上記と同様の効果を得ることができる。
【００２６】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について、図４に従って説明する。
【００２７】
図４は本発明の第３の実施形態による炭化珪素半導体装置の断面図である。
【００２８】
図４において、Ｎ^＋型のＳｉＣ基板１上にＮ⁻型のＳｉＣエピタキシャル層２を有する炭化珪素半導体基体上に、溝（トレンチ）１２（以下、単に溝１２という）が形成され、その溝１２を充填するようにＮ⁻型のポリシリコンからなる第一の半導体領域７、及びポリシリコンとショットキー接触する金属からなるショットキー電極３が形成され、ショットキー電極３の上面には表面電極４が形成されている。また、ＳｉＣ基板１の裏面には裏面電極５が形成されている。
【００２９】
本実施形態による炭化珪素半導体装置は、第１の実施形態の動作及び効果に加えて、溝１２部の側壁に沿ってヘテロ接合が形成されているため、溝１２部を形成しない場合と比較して、素子単位面積あたりのヘテロ接合面積を大きくすることができ、オン抵抗（順方向抵抗）を下げることができる。
【００３０】
なお、上記第１〜第３の実施形態のいずれにおいても、ショットキー電極３の上面に表面電極４を有する構造になっているが、ショットキー電極３のみの構造でも同様の効果を得ることができる。
【００３１】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について、図５に従って説明する。
【００３２】
図５は本発明の第４の実施形態による炭化珪素半導体装置の断面図である。
【００３３】
図５において、Ｎ^＋型のＳｉＣ基板１上にＮ⁻型のＳｉＣエピタキシャル層２を有する炭化珪素半導体基体上に、Ｎ⁻型のポリシリコンからなる第一の半導体領域７が形成され、その第一の半導体領域７に接するように、Ｎ⁻型のポリシリコンに接することによりキャリアに対するエネルギー障壁を形成する材料であるＰ^＋型のポリシリコンからなる第二の半導体領域８が形成されている。ＳｉＣエピタキシャル層２と第二の半導体領域８は層間絶縁膜１３を介して電気的に絶縁されている。第二の半導体領域８の上面には表面電極４が形成されている。また、ＳｉＣ基板１の裏面には裏面電極５が形成されている。
【００３４】
以下に、本実施形態によるの具体的な動作について説明する。
【００３５】
本実施形態による炭化珪素半導体装置は、第一の接合である、第一の半導体領域７とＳｉＣエピタキシャル層２との間のヘテロ接合によるダイオードと、第二の接合である、第一の半導体領域７と第二の半導体領域８と間のＰＮ接合によるダイオードとが、極性を同一方向にして、すなわち、順方向を同一方向（したがって逆方向も同一方向）にして、直列に接続された状態になっており、このため、表面電極４に然るべき正の電圧を印加し、裏面電極５を接地の状態にすると、電子が裏面電極５からＳｉＣ基板１、ＳｉＣエピタキシャル層２、第一の半導体領域７、第二の半導体領域８を経て表面電極４へと流れる。つまり、この炭化珪素半導体装置は、この場合に、ダイオードの順方向特性を示す。
【００３６】
次に、表面電極４を接地し、裏面電極５に正の高電圧を印加した状態、すなわち逆バイアス状態の場合、図２の（ｂ）に示したように、第一の半導体領域７とＳｉＣエピタキシャル層２との間のヘテロ接合に生じた障壁２０により電子２１は遮られ、遮断状態を保持する。なお、この遮断状態において、蓄積された電子２１の一部が、ヘテロ接合界面に生じた障壁２０をトンネリングすることで、第一の半導体領域７からＳｉＣエピタキシャル層２へと移動しようとするが、第一の半導体領域７と第二の半導体領域８との間のＰＮ接合によって、第二の半導体領域８から第一の半導体領域７への電子の供給が遮られるため、ヘテロ接合によるダイオードは擬似的に開放状態になり、電子２１は第一の半導体領域７からＳｉＣエピタキシャル層２へは流れない。そのため、本炭化珪素半導体装置は高い遮断性を有している。なお、前述のように、逆方向に高電圧が印加された状態でも、第一の半導体領域７に及ぶ電界が小さいため、ＰＮ接合による所定のダイオードの耐圧でも充分に効果がある。
【００３７】
本実施形態においては、第二の接合によるダイオードがＰＮ接合ダイオードであるため、第二の接合によるダイオードがショットキーダイオードの場合と比較して遮断性が向上し、オフ性のより高い高耐圧なダイオードを実現できる。
【００３８】
（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態について、図６に従って説明する。
【００３９】
図６は本発明の第５の実施形態による炭化珪素半導体装置の断面図である。
【００４０】
図６において、Ｎ^＋型のＳｉＣ基板１上にＮ⁻型のＳｉＣエピタキシャル層２を有する炭化珪素半導体基体上に、Ｎ⁻型のポリシリコンからなる第一の半導体領域７が形成され、第一の半導体領域７と接するようにＰ⁻型のポリシリコンからなる第二の半導体領域８が形成されている。また、第二の半導体領域８に接するようにＮ^＋型のポリシリコンからなる高濃度コンタクト領域９が形成されている。第二の半導体領域８及び高濃度コンタクト領域９は層間絶縁膜１３によってＳｉＣエピタキシャル層２とは電気的に絶縁されている。第二の半導体領域８上にはゲート絶縁膜１０を介してゲート電極１１が形成されている。また、高濃度コンタクト領域９に接するように表面電極４が形成されている。さらに、ＳｉＣ基板１の裏面には裏面電極５が形成されている。
【００４１】
本実施形態による炭化珪素半導体装置は、第一の接合である、第一の半導体領域７とＳｉＣエピタキシャル層２との間のヘテロ接合によるダイオード、第二の接合である、第一の半導体領域７と第二の半導体領域８との間のＰＮ接合によるダイオード及び第二の半導体領域８と高濃度コンタクト領域９との間のＰＮ接合によるダイオードが直列に接続された状態になっている。なお、第一の接合によるダイオードと第二の接合によるダイオードとは極性を同一方向にして接続され、第二の半導体領域８と高濃度コンタクト領域９との間のＰＮ接合によるダイオードは、それらとは逆方向の極性を有するように接続されている。
【００４２】
以下に、本実施形態による炭化珪素半導体装置の具体的な動作について説明する。
【００４３】
表面電極４を接地し、裏面電極５に正の高電圧を印加した状態、すなわち逆バイアス状態における動作は、第４の実施形態における炭化珪素半導体装置の動作と同様に、良好な遮断状態が保持される。
【００４４】
次に、裏面電極５を接地し、ゲート電極１１及び表面電極４に然るべき正の電圧を印加した場合、ゲート電極１１から印加された電圧によりＰ⁻型の第二の半導体領域８が反転し、電子が裏面電極５からＳｉＣ基板１、ＳｉＣエピタキシャル層２、第一の半導体領域７、第二の半導体領域８を経て表面電極４へと流れる。つまり、この炭化珪素半導体装置はダイオードの順方向特性を示す。この場合に、ゲート絶縁膜１０とゲート電極１１が、キャリアに対するエネルギー障壁を形成する材料である第二の半導体領域８の構成材料の導電型を反転させる手段となる。
【００４５】
ここで、ポリシリコン中に形成されたＰＮ接合（上記第一の接合以外の接合）によるダイオードは、第二の半導体領域８が反転することにより消失するため、ＰＮ接合ダイオードによる電圧降下を低減することができ、オン電圧（順方向電流を流すための電圧）をより低くすることができる。
【００４６】
さらに、この状態で、ゲート電極１１に印加している正電圧を取り除くと、Ｎ型に反転していた第二の半導体領域８がＰ⁻型になり、表面電極４と裏面電極５は電気的に絶縁され、遮断状態になる。すなわち、本実施形態による炭化珪素半導体装置は、ゲート電極１１に印加する電圧によって電流をオン・オフする機能、すなわちスイッチ機能を有する。
【００４７】
なお、本実施形態による炭化珪素半導体装置においては、第二の半導体領域８の構成材料の導電型を反転させる手段部であるスイッチ部にゲート絶縁膜１０とゲート電極１１からなるＭＩＳ構造のスイッチを用いているが、ショットキー金属からなるゲート電極を用いたＭＳ構造のスイッチを用いてもよい。
【００４８】
また、第１〜第５の実施形態のいずれにおいても、ＳｉＣとバンドギャップの異なる半導体として、ポリシリコンを使用しているが、ＳｉＣよりバンドギャップが狭い半導体材料であれば、単結晶シリコン、アモルファスシリコン等、いずれの材料を用いても同様の効果を得ることができる。
【００４９】
また、第１〜第５の実施形態のいずれにおいても、第一導電型をＮ型、第二導電型をＰ型として説明しているが、第一導電型をＰ型、第二導電型をＮ型とした場合でも、同様の効果を得ることができる。
【００５０】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による炭化珪素半導体装置の断面図である。
【図２】第１の実施形態による炭化珪素半導体装置におけるエネルギーバンド構造を示した図である。
【図３】本発明の第２の実施形態による炭化珪素半導体装置の断面図である。
【図４】本発明の第３の実施形態による炭化珪素半導体装置の断面図である。
【図５】本発明の第４の実施形態による炭化珪素半導体装置の断面図である。
【図６】本発明の第５の実施形態による炭化珪素半導体装置の断面図である。
【図７】従来の技術による炭化珪素ショットキーダイオードの断面図である。
【符号の説明】
１…ＳｉＣ基板、２…ＳｉＣエピタキシャル層、３…ショットキー電極、４…表面（アノード）電極、５…裏面（カソード）電極、６…電界緩和領域、７…第一の半導体領域、８…第二の半導体領域、９…高濃度コンタクト領域、１０…ゲート絶縁膜、１１…ゲート電極、１２…溝（トレンチ）、１３…層間絶縁膜、２０…障壁、２１…電子、２２…ショットキー障壁。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a silicon carbide semiconductor device.
[0002]
[Prior art]
[Non-patent literature]
“Power Device / Power IC Handbook Electrical Society of Japan High Performance and High Performance Power Device / Power IC Research Committee, Corona, p. 12-21”.
[0003]
As a conventional junction for obtaining a high breakdown voltage diode using silicon carbide, there are a PN junction and a Schottky junction described in the above non-patent document. In the non-patent literature, these junctions are described on the basis of silicon, but are widely applied to silicon carbide.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In order to apply a Schottky junction to silicon carbide and realize a high breakdown voltage diode, a diffusion layer is formed as an electric field relaxation region at the Schottky electrode end to alleviate electric field concentration at the Schottky electrode end. Although it is necessary, the silicon carbide substrate surface deteriorates due to the high-temperature heat treatment at 1500 ° C. or higher when forming this diffusion layer, and a high Schottky junction cannot be formed on the deteriorated silicon carbide substrate surface. There was a problem that it was difficult to realize.
[0005]
An object of the present invention is to solve the above problems and provide a silicon carbide diode having a high breakdown voltage.
[0006]
[Means for solving the problems]
In order to solve the above problems, the present invention provides a silicon carbide semiconductor device having a first junction between a silicon carbide semiconductor substrate and a semiconductor material having a band gap different from that of the silicon carbide semiconductor substrate. A second junction formed between the semiconductor material and a material that forms an energy barrier against carriers by contact with the semiconductor material, the diode formed by the first junction, and the A diode formed by the second junction constitutes a silicon carbide semiconductor device connected in series with the same polarity in the same direction.
[0007]
【The invention's effect】
By implementing the present invention, it is possible to provide a silicon carbide diode having a high breakdown voltage.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0009]
(First embodiment)
First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0010]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a silicon carbide semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
[0011]
In FIG. 1, an N ⁻ type SiC epitaxial layer 2 is formed on an N ⁺ type SiC substrate 1 to form an N type silicon carbide semiconductor substrate which is a first conductivity type. That is, the silicon carbide semiconductor substrate is composed of SiC substrate 1 and SiC epitaxial layer 2. On the silicon carbide semiconductor substrate, on the first main surface side, that is, the SiC epitaxial layer 2 side, a first semiconductor made of N ^- type polycrystalline silicon, that is, polysilicon, which is a semiconductor material having a band gap different from that of the silicon carbide semiconductor substrate. Region 7 is formed, and a first junction is formed between SiC epitaxial layer 2 and first semiconductor region 7. On the upper surface of the first semiconductor region 7 is formed a Schottky electrode 3 made of a metal that is in Schottky contact with polysilicon, which is a material that forms an energy barrier against carriers by contacting polysilicon. A second junction is formed between the region 7 and the Schottky electrode 3. A surface (anode) electrode 4 (hereinafter simply referred to as a surface electrode 4) is formed above the first semiconductor region 7 and on the upper surface of the Schottky electrode 3. Further, a back surface (cathode) electrode 5 (hereinafter simply referred to as a back surface electrode 5) is formed on the back surface of the SiC substrate 1 by a conductive material such as metal.
[0012]
The specific operation of the silicon carbide semiconductor device according to the present embodiment will be described below with reference to FIG. 2 showing the energy band structure from point A to point B in FIG.
[0013]
FIG. 2A shows an energy band structure in a thermal equilibrium state, that is, in a state where both the front electrode 4 and the back electrode 5 are grounded. As can be seen from this energy band structure, in the case of the structure of the present embodiment, the diode formed by the barrier 20 in the first junction (hereinafter referred to as a heterojunction) between the first semiconductor region 7 and the SiC epitaxial layer 2 The diode by the barrier 22 in the Schottky junction that is the second junction between the first semiconductor region 7 and the Schottky electrode 3 has the same polarity, that is, the forward direction is the same direction (and thus the reverse direction). The direction is also the same direction) and connected in series. Therefore, when an appropriate positive voltage is applied to the front electrode 4 and the back electrode 5 is grounded, electrons are transferred from the back electrode 5 to the SiC substrate 1, SiC epitaxial layer 2, first semiconductor region 7, and Schottky electrode. 3 to the surface electrode 4. That is, in this case, the semiconductor device shows the forward characteristics of the diode.
[0014]
Next, when the front electrode 4 is grounded and a positive high voltage is applied to the back electrode 5, that is, when a reverse voltage is applied, the energy band structure changes as shown in FIG. At this time, the electrons 21 are blocked by the barrier 20 generated at the heterojunction interface, and the blocked state is maintained. In addition, since the electric field is shielded by the electrons 21 accumulated at the heterojunction interface, the electric field hardly reaches the first semiconductor region 7 as compared with the SiC epitaxial layer 2. That is, the potential of the first semiconductor region 7 is infinitely equal to the potential of the Schottky electrode 3 and is in a state close to ground. Therefore, the energy band structure of the first semiconductor region 7 and the Schottky electrode 3 is almost the same as the thermal equilibrium state of FIG. Therefore, even if a high voltage is applied to the semiconductor device in the reverse direction, the first semiconductor region 7 maintains the cutoff state without causing breakdown. In this cutoff state, a part of the accumulated electrons 21 tries to move from the first semiconductor region 7 to the SiC epitaxial layer 2 by tunneling the barrier 20 generated at the heterojunction interface. Since the supply of electrons from the Schottky electrode 3 to the first semiconductor region 7 is blocked by the Schottky barrier generated at the interface between the first semiconductor region 7 and the Schottky electrode 3, the diode by the heterojunction is simulated. It becomes an open state, and electrons do not flow from the first semiconductor region 7 to the SiC epitaxial layer 2. Therefore, this element has a high blocking property. As described above, even when a high voltage is applied in the reverse direction, since the electric field hardly reaches the first semiconductor region 7, the diode withstand voltage of a predetermined Schottky junction is sufficiently effective.
[0015]
In the prior art, in order to apply a Schottky junction to silicon carbide and realize a high breakdown voltage diode, in order to reduce electric field concentration at the end of the Schottky electrode, as shown in FIG. It is necessary to form a diffusion layer as the electric field relaxation region 6 in the extreme part. In order to form a diffusion layer in silicon carbide, an ion implantation method is used. However, when impurities are introduced into silicon carbide using ion implantation, high-temperature ion implantation in which the substrate is kept at a high temperature and high-temperature heat treatment at 1500 ° C. or higher are required for activating the impurities after implantation. . These high temperature processes cause deterioration of the silicon carbide substrate surface. The Schottky junction is easily affected by the surface state of the contacting substrate, and a good Schottky junction cannot be formed on the deteriorated silicon carbide substrate surface. Therefore, there is a problem that it is difficult to realize a high voltage diode.
[0016]
On the other hand, the silicon carbide semiconductor device according to the present embodiment does not require ion implantation into SiC in the manufacturing process, and does not require the high-temperature heat treatment at 1500 ° C. or higher, and is manufactured by a simple process. Can do. That is, the silicon carbide semiconductor device according to the present embodiment can be manufactured by a simple process that does not require a high-temperature heat treatment at 1500 ° C. or higher, and has high withstand voltage die characteristics.
[0017]
In this embodiment, since polysilicon is used as a semiconductor material having a band gap different from that of SiC, processes such as conductivity control and etching are facilitated.
[0018]
Furthermore, the heterojunction diode, which is the first junction in the silicon carbide semiconductor device according to the present embodiment, differs from the Schottky diode whose breakdown voltage is uniquely determined by the work function inherent to the metal, and the conductivity type and impurities of the semiconductor material It has a feature that an arbitrary breakdown voltage can be obtained by changing the concentration.
[0019]
Furthermore, since the metal that forms the second junction with the semiconductor material is a metal that is in Schottky contact with the semiconductor material, a diode with high withstand voltage and high withstand voltage can be realized by a simpler process.
[0020]
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0021]
FIG. 3 is a cross-sectional view of a silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
[0022]
In FIG. 3, an N ⁻ type SiC epitaxial layer 2 is formed on an N ⁺ type SiC substrate 1 to form an N type silicon carbide semiconductor substrate which is a first conductivity type. On this silicon carbide semiconductor substrate, a first semiconductor region 7 made of N ⁻ type polysilicon, which is a semiconductor material having a band gap different from that of the silicon carbide semiconductor substrate, is formed on the first main surface side, and SiC epitaxial layer 2 A first junction is formed between the first semiconductor region 7 and the first semiconductor region 7. On the upper surface of the first semiconductor region 7 is formed a Schottky electrode 3 made of a metal that is in Schottky contact with polysilicon, which is a material that forms an energy barrier against carriers by contacting polysilicon. A second junction is formed between the region 7 and the Schottky electrode 3. A surface electrode 4 is formed above the first semiconductor region 7 and on the upper surface of the Schottky electrode 3. A back electrode 5 is formed on the back surface of the SiC substrate 1.
[0023]
The silicon carbide semiconductor device according to the present embodiment further has an electric field relaxation region 6 at a predetermined position of the SiC epitaxial layer 2, and the electric field relaxation region 6 is electrically connected so as to have the same potential as the surface electrode 4. Therefore, it is fixed to the same potential as the Schottky electrode 3 which is the same potential as the surface electrode 4.
[0024]
In addition to the operation and effect of the first embodiment, the silicon carbide semiconductor device according to the present embodiment includes an electric field relaxation region 6 fixed at the same potential as the surface electrode 4 and thus the Schottky electrode 3 when a reverse voltage is applied. A voltage is also applied in the opposite direction to the PN junction between the SiC epitaxial layer 2 and a depletion layer extends from the junction interface to the SiC epitaxial layer 2 side, thereby relaxing the electric field applied to the heterojunction interface as the first junction. Therefore, the leakage current at the time of applying the reverse voltage is further reduced, the interruption property can be further improved, and it becomes easier to realize the interruption state. That is, it is possible to further improve the off property (blocking property).
[0025]
In the present embodiment, the electric field relaxation region 6 is formed of a dielectric, but the electric field relaxation region 6 may be formed of P ⁻ type SiC which is the second conductivity type. 6 may be electrically connected so as to have the same potential as the first semiconductor region 7, and the same effect as described above can be obtained.
[0026]
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0027]
FIG. 4 is a cross-sectional view of a silicon carbide semiconductor device according to the third embodiment of the present invention.
[0028]
In FIG. 4, a groove (trench) 12 (hereinafter simply referred to as groove 12) is formed on a silicon carbide semiconductor substrate having an N ⁻ -type SiC epitaxial layer 2 on an N ⁺ -type SiC substrate 1. A first semiconductor region 7 made of N ⁻ type polysilicon and a Schottky electrode 3 made of a metal that is in Schottky contact with the polysilicon are formed so that the surface electrode 4 is formed on the upper surface of the Schottky electrode 3. Is formed. A back electrode 5 is formed on the back surface of the SiC substrate 1.
[0029]
In the silicon carbide semiconductor device according to the present embodiment, in addition to the operation and effect of the first embodiment, the heterojunction is formed along the side wall of the groove 12 portion. Therefore, compared with the case where the groove 12 portion is not formed. Thus, the heterojunction area per element unit area can be increased, and the on-resistance (forward resistance) can be lowered.
[0030]
In any of the first to third embodiments, the surface electrode 4 is provided on the upper surface of the Schottky electrode 3. However, the same effect can be obtained with the structure having only the Schottky electrode 3. it can.
[0031]
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0032]
FIG. 5 is a cross-sectional view of a silicon carbide semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention.
[0033]
In FIG. 5, a first semiconductor region 7 made of N ⁻ type polysilicon is formed on a silicon carbide semiconductor substrate having an N ⁻ type SiC epitaxial layer 2 on an N ⁺ type SiC substrate 1, and A second semiconductor region 8 made of P ⁺ type polysilicon, which is a material that forms an energy barrier against carriers by contacting N ⁻ type polysilicon, is formed so as to be in contact with one semiconductor region 7. SiC epitaxial layer 2 and second semiconductor region 8 are electrically insulated via interlayer insulating film 13. A surface electrode 4 is formed on the upper surface of the second semiconductor region 8. A back electrode 5 is formed on the back surface of the SiC substrate 1.
[0034]
The specific operation according to this embodiment will be described below.
[0035]
The silicon carbide semiconductor device according to the present embodiment has a first junction, which is a diode by a heterojunction between the first semiconductor region 7 and the SiC epitaxial layer 2, and a first semiconductor region which is a second junction. 7 and the diode by the PN junction between the second semiconductor region 8 have the same polarity, that is, the forward direction is the same direction (and therefore the reverse direction is the same direction), and are connected in series. Therefore, when an appropriate positive voltage is applied to the front electrode 4 and the back electrode 5 is grounded, electrons are transferred from the back electrode 5 to the SiC substrate 1, the SiC epitaxial layer 2, and the first semiconductor region 7. Then, it flows to the surface electrode 4 through the second semiconductor region 8. That is, this silicon carbide semiconductor device shows the forward characteristic of the diode in this case.
[0036]
Next, in the state where the front electrode 4 is grounded and a positive high voltage is applied to the back electrode 5, that is, in the reverse bias state, as shown in FIG. 2B, the first semiconductor region 7 and the SiC The electrons 21 are blocked by the barrier 20 generated at the heterojunction with the epitaxial layer 2, and the blocked state is maintained. In this cutoff state, a part of the accumulated electrons 21 tries to move from the first semiconductor region 7 to the SiC epitaxial layer 2 by tunneling the barrier 20 generated at the heterojunction interface. Since the supply of electrons from the second semiconductor region 8 to the first semiconductor region 7 is blocked by the PN junction between the first semiconductor region 7 and the second semiconductor region 8, the heterojunction diode is pseudo Therefore, the electrons 21 are opened, and the electrons 21 do not flow from the first semiconductor region 7 to the SiC epitaxial layer 2. Therefore, this silicon carbide semiconductor device has a high barrier property. As described above, even when a high voltage is applied in the reverse direction, the electric field reaching the first semiconductor region 7 is small, so that even a withstand voltage of a predetermined diode by a PN junction is sufficiently effective.
[0037]
In the present embodiment, since the diode by the second junction is a PN junction diode, the blocking performance is improved as compared with the case where the diode by the second junction is a Schottky diode, and the withstand voltage is higher and the withstand voltage is higher. A diode can be realized.
[0038]
(Fifth embodiment)
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0039]
FIG. 6 is a cross-sectional view of a silicon carbide semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention.
[0040]
In FIG. 6, a first semiconductor region 7 made of N ⁻ type polysilicon is formed on a silicon carbide semiconductor substrate having an N ⁻ type SiC epitaxial layer 2 on an N ⁺ type SiC substrate 1. A second semiconductor region 8 made of P ⁻ type polysilicon is formed in contact with the semiconductor region 7. Further, a high concentration contact region 9 made of N ⁺ type polysilicon is formed so as to be in contact with the second semiconductor region 8. The second semiconductor region 8 and the high concentration contact region 9 are electrically insulated from the SiC epitaxial layer 2 by the interlayer insulating film 13. A gate electrode 11 is formed on the second semiconductor region 8 via a gate insulating film 10. A surface electrode 4 is formed so as to be in contact with the high concentration contact region 9. Further, a back electrode 5 is formed on the back surface of the SiC substrate 1.
[0041]
The silicon carbide semiconductor device according to the present embodiment is a first junction, a diode by a heterojunction between the first semiconductor region 7 and the SiC epitaxial layer 2, and a first semiconductor region 7 which is a second junction. A diode by a PN junction between the second semiconductor region 8 and a diode by a PN junction between the second semiconductor region 8 and the high-concentration contact region 9 are connected in series. The diode by the first junction and the diode by the second junction are connected in the same direction, and the diode by the PN junction between the second semiconductor region 8 and the high-concentration contact region 9 Are connected to have opposite polarities.
[0042]
The specific operation of the silicon carbide semiconductor device according to the present embodiment will be explained below.
[0043]
The operation in the state in which the front electrode 4 is grounded and the positive high voltage is applied to the back electrode 5, that is, in the reverse bias state is maintained in a good cut-off state, similar to the operation of the silicon carbide semiconductor device in the fourth embodiment. Is done.
[0044]
Next, when the back electrode 5 is grounded and an appropriate positive voltage is applied to the gate electrode 11 and the front electrode 4, the P ⁻ -type second semiconductor region 8 is inverted by the voltage applied from the gate electrode 11, Electrons flow from the back electrode 5 to the front electrode 4 through the SiC substrate 1, the SiC epitaxial layer 2, the first semiconductor region 7, and the second semiconductor region 8. That is, this silicon carbide semiconductor device exhibits the forward characteristics of the diode. In this case, the gate insulating film 10 and the gate electrode 11 serve as means for inverting the conductivity type of the constituent material of the second semiconductor region 8 which is a material forming an energy barrier against carriers.
[0045]
Here, since the diode by the PN junction (junction other than the first junction) formed in the polysilicon disappears when the second semiconductor region 8 is inverted, the voltage drop due to the PN junction diode is reduced. The on-voltage (voltage for flowing forward current) can be further reduced.
[0046]
Further, in this state, when the positive voltage applied to the gate electrode 11 is removed, the second semiconductor region 8 that has been inverted to the N type becomes the P ⁻ type, and the front electrode 4 and the back electrode 5 are electrically connected. Insulated and shuts off. That is, the silicon carbide semiconductor device according to the present embodiment has a function of turning on / off current by a voltage applied to the gate electrode 11, that is, a switch function.
[0047]
In the silicon carbide semiconductor device according to the present embodiment, a switch having a MIS structure composed of the gate insulating film 10 and the gate electrode 11 is provided in the switch portion which is a means for inverting the conductivity type of the constituent material of the second semiconductor region 8. Although used, an MS structure switch using a gate electrode made of a Schottky metal may be used.
[0048]
In any of the first to fifth embodiments, polysilicon is used as a semiconductor having a band gap different from that of SiC. However, if the semiconductor material has a narrower band gap than SiC, single crystal silicon, amorphous The same effect can be obtained by using any material such as silicon.
[0049]
In any of the first to fifth embodiments, the first conductivity type is described as N type and the second conductivity type is defined as P type. However, the first conductivity type is defined as P type, and the second conductivity type is defined as P type. Even in the case of the N type, the same effect can be obtained.
[0050]
[Brief description of the drawings]
1 is a cross-sectional view of a silicon carbide semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an energy band structure in the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment.
FIG. 3 is a cross sectional view of a silicon carbide semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross sectional view of a silicon carbide semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross sectional view of a silicon carbide semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross sectional view of a silicon carbide semiconductor device according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view of a silicon carbide Schottky diode according to the prior art.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... SiC substrate, 2 ... SiC epitaxial layer, 3 ... Schottky electrode, 4 ... Front surface (anode) electrode, 5 ... Back surface (cathode) electrode, 6 ... Electric field relaxation region, 7 ... 1st semiconductor region, 8 ... 1st Two semiconductor regions, 9 ... high concentration contact region, 10 ... gate insulating film, 11 ... gate electrode, 12 ... groove (trench), 13 ... interlayer insulating film, 20 ... barrier, 21 ... electron, 22 ... Schottky barrier.

Claims

Formed on the first main surface side of the first conductivity type silicon carbide semiconductor substrate between the first semiconductor region made of a semiconductor material having a band gap different from that of the silicon carbide semiconductor substrate and the silicon carbide semiconductor substrate. A silicon carbide semiconductor device having a first junction and having an electrode formed so as to be in contact with the second main surface of the silicon carbide semiconductor substrate, wherein the silicon carbide semiconductor device is in contact with the first semiconductor region to thereby prevent an energy barrier against carriers. Having a second junction formed between the material forming the first semiconductor region and the diode formed by the first junction and the diode formed by the second junction, A silicon carbide semiconductor device characterized by being connected in series with the same polarity.

2. The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein a material that forms an energy barrier against the carrier is a metal that is in Schottky contact with the first semiconductor region .

Wherein a material material forming the energy barrier of the first semiconductor region and the same type with respect to the carrier, and carbide of claim 1, characterized in that it has a different conductivity type as said first semiconductor region Silicon semiconductor device.

4. The silicon carbide semiconductor device according to claim 3, further comprising means for inverting a conductivity type of a material forming an energy barrier against the carriers.

The groove is formed in a part on the first main surface side of the silicon carbide semiconductor substrate, and the first bonding and the second bonding are formed along the groove. 2. The silicon carbide semiconductor device according to 2, 3 or 4.

In a predetermined position of the silicon carbide semiconductor substrate, has an electric field relaxation region made of second conductivity type silicon carbide so as to be in contact with the first main surface side, and the electric field relaxation region is the first semiconductor region , 6. The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the silicon carbide semiconductor device is electrically connected so as to have the same potential as a material forming an energy barrier against the carriers.

7. The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the first semiconductor region is single crystal silicon, polycrystalline silicon, or amorphous silicon.