碳化硅半导体元件及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种双极半导体元件及其制作方法。为了防止使用有碳化硅半导体的双极半导体元件的时效变化造成的顺向电压的增大，以相对碳化硅半导体的结晶的（０００－１）碳面的偏斜角θ为８度的面为结晶成长面，在该成长面上将缓冲层、漂移层及其它ｐ型及ｎ型半导体层以膜厚每小时ｈ的增加速度大于或等于现有的３倍、即１０μｍ／ｈ的成膜速度成膜。为提高成膜速度，大幅度增加原料气体的硅烷、丙烷及掺杂剂气体的流量。（*该技术在2024年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及适合控制大电流的碳化硅双极半导体元件。
技术介绍
碳化硅(SiC)等宽隙半导体材料与硅(Si)相比，具有绝缘破坏电场强度约10倍高等的优良特性，作为具有高的耐反向电压特性的高耐压双极功率半导体元件所优选的材料受到关注。pin正负本征二极管、双极晶体管、GTO栅极通断晶闸管、GCT栅极换向晶闸管等双极半导体元件与肖脱基二极管及MOSFET等单极半导体元件相比，具有内部电压虽高，但通过少数载流子的注入得到的漂移层的传导度调制来大幅降低接通电阻的特征。因此，在电力用途等高电压大电流领域，为减小损失，使用有双极半导体元件。由SiC构成这些双极半导体元件时，与Si元件相比，可实现极其优良的性能。例如，由SiC构成的10kV的高耐压pin二极管的顺向电压为Si的pin二极管的约三分之一。表示SiC的pin二极管截止时的动作速度的反向回复时间小于或等于Si的pin二极管的约二十分之一，是高速的。另外，SiC的pin二极管的电力损失小于或等于Si的pin二极管的约五分之一，十分有助于省能量化。除SiC的pin二极管以外，还开发了SiC的npn晶体管及SiC的SIAFET、SiC的SIJFET等，报告了同样的降低电力损失的效果(例如非专利文献1)。此外，作为漂移层使用有相反极性的p型半导体层的SiC的GTO等也正在开发(例如非专利文献2)。在SiC的结晶集合面的{0001}面上，如图7的SiC的结晶的立体图所示，存在独立面即(0001)硅面1和(000-1)碳面2。括号内的“-”为负号，将其称作极性。(0001)硅面1是结晶以硅(Si)为终端的面。(000-1)碳面2是结晶以碳(C)为终端的面。作为n型掺杂剂的氮(N)主要以置换碳(C)的形式被取入SiC结晶中。以硅为终端的(0001)硅面1与以碳为终端的(000-1)碳面2相比，表面显现的碳量少。因此，碳向氮(N)的置换被抑制，得到高纯度的外延层。由此，有关SiC外延成长的研究报告几乎都是关于(0001)硅面1的。在SiC的外延成长中，使用容易控制成长速度及外延层的纯度的化学气相堆积法(CVD法)。但是，在CVD法中，由于载流子气体使用氢，故成长中从成长表面引起碳(C)的脱离，成长速度被抑制。因此，通常的成长速度为5～10μm/h。在由SiC制作上述现有的双极半导体元件时，例如将具有距(0001)硅面1的偏斜角(オフ)θ为8度的面1a而形成的n型4H-SiC用作衬底。4H型的“4”表示原子层积为4层周期的结晶结构，“H”表示六方晶。在该衬底上，使用CVD法以5～10μm/h的成长速度使用于缓和施加电压时的电场的SiC的漂移层外延成长并形成。非专利文献1松波弘之编著，「半導体SiC技術と応用」，218-221页，日刊工業新聞社刊非专利文献2A.K.Agarwal et.al，Materials Science Forum Volume 389-393，2000年，1349-1352页在这样得到的现有的双极半导体元件中，如材料科学论坛卷389-393(2002)第1259-1264页(Materials Science Forum Vols.389-393(2000)pp.1259-1264)中所报告地，在对新的双极半导体元件开始通电之后，具有随着通电时间(使用时间)的增加，顺向电压增大的时效变化的现象。该现象被称作“顺向电压劣化”。对新的双极半导体元件以电流密度100A/cm2顺向通电1小时，以通电开始之后和通电1小时后的电流密度100A/cm2的“顺向压差ΔVf”表示顺向电压劣化的程度。顺向电压劣化现象是因从衬底向漂移层传播的被称作基本面位错(ベ一サルプレ一ン転位)的线状的缺陷而引起的。以基本面位错为起点，被称作层积缺陷的面状的缺陷在漂移层中产生，漂移层成为高电阻层，其结果，电流难以流动。在现有的pin晶体管的情况中，在开始使用初期，顺向电流密度100A/cm2的顺向电压为3.5V，但在以100A/cm2的电流密度通电1小时后，顺向电压增大到20V，顺向压差ΔVf达到16.5V左右。其结果，元件内部的电力损失显著增大，产生由元件内部的发热破坏元件的情况。SiC双极元件与Si元件相比，尽管具有非常优良的初期特性，但由于该顺向电压劣化，可靠性显著降低。因此，难以实现可长时间运行，电力损失小且可靠性高的变换器等电力变换装置。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种半导体装置，其表示顺向电压劣化的顺向压差ΔVf小于或等于1.0V，可靠性高。本专利技术的双极半导体元件具有衬底，该衬底形成有如下的面，该面相对以碳和硅的化合物即碳化硅为基体材料的第一导电型碳化硅半导体的结晶的(000-1)碳面具有规定的偏斜角。另外，该双极半导体元件具有以所述衬底的具有所述规定偏斜角的面为结晶的成长面，在所述成长面由第一或第二导电型碳化硅半导体以规定的形成速度形成的至少一个漂移层。根据本专利技术，通过如上所述地形成第一及第二导电型碳化硅半导体层，得到基本面位错少的半导体层。其结果，可得到顺向电压劣化少的寿命长的pn结二极管。本专利技术的其它观点在于，提供双极半导体元件，其具有形成有相对以碳(碳)和硅的化合物即碳化硅为基体材料的第一导电型碳化硅半导体的结晶的(000-1)碳面具有规定的外角的面的衬底。另外，该双极半导体元件具有，漂移层，其以所述衬底的具有所述规定外角的面为结晶的成长面，在所述成长面由第一导电型碳化硅的外延成长法以规定的成膜速度形成；第一或第二导电型碳化硅半导体的至少一层，其形成于所述漂移层上。根据本专利技术，通过如上所述地形成第一及第二导电型碳化硅半导体层，得到基本面位错少的半导体层。其结果，得到顺向电压劣化少的长寿命的双极晶体管。本专利技术的其它观点在于，提供双极半导体元件，其具有形成有相对以碳(碳)和硅的化合物即碳化硅为基体材料的第一导电型碳化硅半导体的结晶的(000-1)碳面具有规定的外角的面的构成阴极的衬底。另外，该双极半导体元件具有，漂移层，其以所述衬底的具有所述规定外角的面为结晶的成长面，在所述成长面由第一导电型碳化硅的外延成长法以规定的成膜速度形成；第二导电型碳化硅半导体层，其形成于所述漂移层上，构成阳极。根据本专利技术，通过如上所述地形成第一及第二导电型碳化硅半导体层，得到基本面位错少的半导体层。其结果，得到顺向电压劣化少的长寿命的IGBT。本专利技术的其它方面的双极半导体元件，具有构成为集电极的衬底，该衬底形成有相对以碳和硅的化合物即碳化硅为基体材料的第一导电型碳化硅半导体的结晶的(000-1)碳面具有规定的偏斜角的面。另外，该双极半导体元件还具有漂移层，其以具有所述规定偏斜角的面为结晶的成长面，在所述成长面由第一导电型碳化硅的外延成长法以规定的成膜速度形成；第二导电型基极层，其形成于所述漂移层上；第一导电型发射极层，其形成于所述基极层的一部分上。根据本专利技术，通过如上所述地形成第一及第二导电型碳化硅半导体层，得到基本面位错少的半导体层。其结果，得到顺向电压劣化少的长寿命的npn晶体管。本专利技术的其它方面的双极半导体元件，具有构成为集电极的衬底，该衬底形成有相对以碳和硅的化合物即碳化硅为基体材料的第一导电型碳化硅半导体的结晶的(000-1)碳面具有规定的偏斜角的面。另外，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双极半导体元件，其具有衬底和至少一个漂移层，所述衬底形成有如下的面，该面相对以碳和硅的化合物即碳化硅为基体材料的第一导电型碳化硅半导体的结晶的（０００－１）碳面具有规定的偏斜角，所述漂移层以所述衬底的具有所述规定偏斜角的 面为结晶的成长面，在所述成长面通过第一或第二导电型碳化硅半导体以规定的形成速度形成。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】JP 2003-12-3 405259/20031.一种双极半导体元件，其具有衬底和至少一个漂移层，所述衬底形成有如下的面，该面相对以碳和硅的化合物即碳化硅为基体材料的第一导电型碳化硅半导体的结晶的(000-1)碳面具有规定的偏斜角，所述漂移层以所述衬底的具有所述规定偏斜角的面为结晶的成长面，在所述成长面通过第一或第二导电型碳化硅半导体以规定的形成速度形成。2.一种双极半导体元件，其具有衬底，其形成有相对以碳(碳)和硅的化合物即碳化硅为基体材料的第一导电型碳化硅半导体的结晶的(000-1)碳面具有规定的外角的面；漂移层，其以所述衬底的具有所述规定外角的面为结晶的成长面，在所述成长面由第一导电型碳化硅的外延成长法以规定的成膜速度形成；第一或第二导电型碳化硅半导体的至少一个层，其形成于所述漂移层上。3.一种双极半导体元件，其具有构成阴极的衬底，其形成有相对以碳(碳)和硅的化合物即碳化硅为基体材料的第一导电型碳化硅半导体的结晶的(000-1)碳面具有规定的外角的面；漂移层，其以所述衬底的具有所述规定外角的面为结晶的成长面，在所述成长面由第一导电型碳化硅的外延成长法以规定的成膜速度形成所述双极半导体元件；第二导电型碳化硅半导体层，其形成于所述漂移层上，构成阳极。4.一种双极半导体元件，其具有衬底，其构成为集电极，形成有如下的面，该面相对以碳和硅的化合物即碳化硅为基体材料的第一导电型碳化硅半导体的结晶的(000-1)碳面具有规定的偏斜角；漂移层，其以具有所述规定偏斜角的面为结晶的成长面，在所述成长面通过第一导电型碳化硅的外延成长法以规定的成膜速度形成；第二导电型基极层，其形成于所述漂移层上；第一导电型发射极层，其形成于所述基极层的一部分上。5.一种双极半导体元件，其具有衬底，其构成为集电极，形成有如下的面，该面...

【专利技术属性】
技术研发人员：中山浩二，菅原良孝，浅野胜则，土田秀一，田功穗，三柳俊之，中村智宣，
申请(专利权)人：关西电力株式会社，财团法人电力中央研究所，
类型：发明
国别省市：JP[日本]