JPH0878431A - 炭化けい素たて型バイポーラトランジスタおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】炭化けい素たて型バイポーラトランジスタの可
制御電流の増大およびスイッチング時の安全動作領域の
拡大を図る。 【構成】ｎコレクタ層、ｐベース層、ｎエミッタ層が順
に積層された炭化けい素バイポーラトランジスタにおい
て、ｎエミッタ層の表面からｐベース層に達するトレン
チを形成し、そのトレンチの底部にベース電極を設け、
ベース電極の上に絶縁膜を介してエミッタ電極を設け
る。エミッタ電極とベース電極間の分離距離を横方向で
なく、たて方向に取ることにより、基板の面積を有効に
活用できる。また、エミッタ層の幅を狭くできるので、
ベース電極から遠い無効な領域が減らせ、かつ、ベース
電極からのコレクタ電流の引出しが速く進むのでキャリ
アの残留によるターンオフ失敗がなく、安全動作領域の
広いバイポーラトランジスタができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高耐圧、大電流を制御す
るバイポーラトランジスタの構造およびその製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】交互に導伝型の異なる三層の半導体層か
らなるバイポーラトランジスタはシリコン半導体の主流
をなしている。高耐圧、大電流用のたて型バイポーラト
ランジスタの断面図を図６に示す。高比抵抗のｎドリフ
ト層１の一方の主表面から、アクセプタ形成型不純物の
拡散によりｐベース層２が形成され、その表面層の一部
に、ドナー形成型不純物の選択的な拡散によりｎエミッ
タ領域３が形成されてい。ｎドリフト層１の他方の主表
面には、やはりドナー形成型不純物の拡散によりｎコレ
クタ層４が形成され、ｎエミッタ領域３、ｐベース層
２、ｎコレクタ層４の表面には、それぞれエミッタ電極
５、ベース電極６、コレクタ電極７が設けられている。
このｎｐｎバイポーラトランジスタの動作は、ベース電
極６からエミッタ電極５へ、少いベース電流を流すこと
により、コレクタ電極７からエミッタ電極５へ大きなコ
レクタ電流を流すことができるというもので、特に高比
抵抗のｎドリフト層１に多量のキャリアが注入され、伝
導度変調が起きて、オン電圧が小さくなる特長がある。
このように、高耐圧で大電流を処理するために、素子の
裏面のコレクタ電極７から表面のエミッタ電極５へと電
流を流す構造になっていて、少ないベース電流によって
大きなコレクタ電流を制御できる。

【０００３】従来、シリコン半導体の分野では、このベ
ースおよびエミッタ領域は、それぞれｐ型層、ｎ型領域
を形成する不純物を熱拡散して形成している。最近、シ
リコン以外の半導体材料として炭化けい素（以下ＳｉＣ
と略す）が注目を集めている。ＳｉＣは、最大電界強度
が、シリコンと比較して一桁以上大きく、バンドギャッ
プが大きいため、高耐圧素子や、高温用半導体素子に最
適と考えられている。しかしながら、ＳｉＣはシリコン
と異なり不純物の拡散によってｐ型やｎ型の拡散深さの
深い領域を形成することが困難であるため、ｐｎ接合の
主たる形成方法は、エピタキシャル成長法かイオン注入
法によっている。エピタキシャル成長法によりｐｎ接合
を形成したＳｉＣバイポーラトランジスタの例の断面図
を、図７に示す（フォンミュンヒ他：ソリッドステート
エレクトロニクス誌２１巻４７９ページ１９７８年）。
ｎコレクタ層１４、ｎドリフト層１１、ｐベース層１
２、ｎエミッタ層１３を順にエピタキシャル成長により
積層したＳｉＣ基板の、最上層のｎエミッタ層１３を部
分的に除去してその下層のｐベース層１２を露出させ、
エミッタ電極１５、ベース電極１６、コレクタ電極１７
が設けられている。なお、１８はシリコン酸化膜であ
り、表面や接合表面の保護、安定化の作用をする。Ｓｉ
Ｃはシリコンと同様に熱酸化によりシリコン酸化膜を成
長させることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ベースから供給される
電流は、エミッタへと流れることによって、コレクタ電
流を制御するが、ベース電極から遠いエミッタ部分には
殆どベース電流が流れないので、その分は無効な面積と
なり、制御可能な電流を減らしてしまう。また、スイッ
チング時に、コレクタ電流をベース電極から引き抜く
際、ベースから遠いエミッタ部分では、キャリアが残留
した状態で電圧が再印加され、ターンオフ失敗して素子
が破壊することがある。従って、微細化は、素子特性を
向上させる上で特に重要である。従来のバイポーラトラ
ンジスタでは、ベース・エミッタ間の電極の分離のた
め、両電極の間には一定の距離が必要であり、その距離
は少なくとも１０μｍ程度となっていた。このように、
従来のバイポーラトランジスタの特性を制限しているの
は、微細化の困難な構造になつていることによる。

【０００５】また、図７のＳｉＣトランジスタを引用し
た論文には、そのトランジスタの製造方法が、詳しく記
述されているが、その工程は次のように、特に多くのフ
ォトエッチング工程を含む長い工程となっている。ｐ
ベース層１２のエピタキシャル成長、活性ベース領域
の選択的なエッチング、ｎエミッタ層１１のエピタキ
シャル成長、ｎコレクタ領域とｐベース領域の選択的
なエッチング、ｎエミッタ領域の選択的なエッチン
グ、熱酸化膜の形成、Ｎｉ膜の烝着、パターニン
グ、シンター、（エミッタ電極）Ａｌ／Ｓｉ膜の烝
着、パターニング、シンター、（ゲート電極）Ｎｉ膜
の烝着、シンター、（コレクタ電極）。

【０００６】以上の問題に鑑み、本発明の目的は、微細
化に適した、しかも簡単な工程で製造できるＳｉＣバイ
ポーラトランジスタおよびその製造方法を提供すること
にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の課題解決のため、
本発明のＳｉＣバイポーラトランジスタは、第一導電型
コレクタ層上の第二導電型ベース層と、そのベース層上
の第一導電型エミッタ層と、そのベース層に接して設け
られたベース電極と、エミッタ層に接して設けられたエ
ミッタ電極と、コレクタ層の裏面に設けられたコレクタ
電極とを有するものにおいて、ベース電極が前記エミッ
タ層の表面からトレンチ状に掘り下げられたベース層表
面上に形成されているものとする。

【０００８】そして、前記トレンチの底部に設けられた
ベース電極の上に絶縁膜が形成されているものとする。
また、二つのエミッタ層に挟まれたベース電極の上に絶
縁膜を介してエミッタ電極が延長されているものとす
る。また、第一伝導型コレクタ層と第二伝導型ベース層
との間に第一伝導型ドリフト層を有していてもよい。

【０００９】上記の炭化けい素たて型バイポーラトラン
ジスタの製造方法としては、第一導電型コレクタ層、第
二導電型ベース層、第一導電型エミッタ層が順に積層さ
れた炭化けい素基板の第一導電型エミッタ層の表面上に
フォトレジストを塗布しパターン形成して、第一導電型
エミッタ層を貫通し、第二導電型ベース層に達するトレ
ンチを形成した後、金属膜を堆積してトレンチ底部にベ
ース電極を形成し、其以外の部分の金属膜はリフトオフ
除去するものとする。

【００１０】

【作用】上記の手段を講じ、ベース電極が前記エミッタ
層の表面からトレンチ状に掘り下げられたベース層表面
上に形成されているものとすることによって、エミッタ
電極とベース電極間の分離距離をたて方向にとれるた
め、横方向の分離距離は小さくできる。

【００１１】また、トレンチ底部のベース電極の上に絶
縁膜を形成すれば、両電極間の絶縁性が高められる。更
に二つのエミッタ層に挟まれたベース電極上に絶縁膜を
介してエミッタ電極を形成すれば、エミッタ層の幅を狭
くできる。上記の炭化けい素たて型バイポーラトランジ
スタの製造方法としては、第二導電型ベース層に達する
トレンチを形成した後、金属膜を堆積してトレンチ底部
にベース電極を形成し、其以外の部分の金属膜はリフト
オフ除去することにより、フォトエッチング工程は一度
で済む。

【００１２】

【実施例】以下に、図を参照しながら、本発明の実施例
を説明する。図１に本発明の実施例のＳｉＣバイポーラ
トランジスタの断面図を示す。エピタキシャル成長法に
より、下からｎコレクタ層２４、ｎドリフト層２１、ｐ
ベース層２２、ｎエミッタ層２３を積層したＳｉＣ基板
の、最上層のｎエミッタ層２３の表面から、ｎエミッタ
層２３を貫通しｐベース層２２に達するトレンチ２９が
設けられている。そのトレンチ２９の底面にはベース電
極２６が設けられ、その上には絶縁膜３０が充填されて
いる。エミッタ層２３および絶縁膜３０の上には連続し
たエミッタ電極２５が、コレクタ層２４の裏面には、コ
レクタ電極２７が設けられている。

【００１３】図から分かるように、エミッタ電極２５と
ベース電極２６とはたて方向に分離されているため、従
来のように両電極を横方向に分離するときより間隔を狭
くでき、面積効率を従来より、大幅に改善できる。従来
エミッタ電極２５は、個々のエミッタ層２３の上でＥ端
子との接続を取るか、或いは、Ｅ端子と接続する部分を
活性部分と別に設けていたが、本発明では、図１に示す
ようにエミッタ電極２５は、ｎエミッタ層２３と絶縁膜
３０の上に延長して形成できるので、ｎエミッタ層２３
の幅が狭くできるし、エミッタ電極部の形成が容易にな
る。

【００１４】図２に図１の実施例のトランジスタのエミ
ッタ電極２５と絶縁膜３０とを除いた状態の斜視図を示
す。ベース電極２６から外部へリード等を取り出すため
の広いベース電極部分２６ａを設ければ、島状に形成し
たｎエミッタ層２３の間のベース電極部分２６ｂは狭く
てもよい。ベース電極２６のパターンは、幾つか可能で
ある。図３（ａ）および（ｂ）にベース電極２６のパタ
ーンの例を示す。もっとも単純なものは、図３（ａ）に
示したようなストライプ構造であるが、図３（ｂ）のよ
うに格子状にしてもよい。

【００１５】このようなトレンチ構造をとることによ
り、エミッタ層２３の微細化が可能になり、図１の構造
のエミッタ層２３の幅を数μｍまで縮められる。従来の
バイポーラトランジスタでは、この距離は、数十μｍに
達したが、それと比較すると、約一桁の微細化が可能で
ある。このため、無効面積を減らして電流分布を均一化
し、電流密度を向上させることができ、可制御電流を増
大させることができる。また、エミッタ層２３の微細化
は、スイッチング時のターンオフ失敗の防止にも役立
つ。

【００１６】図１の実施例では、ｎコレクタ層２４とｐ
ベース層２２の間に、高比抵抗のｎドリフト層２１が挟
まれた高耐圧用のバイポーラトランジスタの例を示した
が、ｎドリフト層２１が無い場合もある。また、トレン
チ２９の側壁部に酸化膜を形成して、ｎエミッタ層２３
とｐベース層２２間の接合の露出部を安定化することも
できる。

【００１７】図４（ａ）ないし（ｃ）および図５（ａ）
ないし（ｃ）に、図１のＳｉＣバイポーラトランジスタ
の製造工程を説明するための各工程における断面図を示
す。ｎコレクタ層２４とｎドリフト層２１からなるサブ
ストレートの上に、ｐベース層２２とｎエミッタ層２３
をエピタキシャル成長法によって形成する〔図４
（ａ）〕。次に、フォトレジストを塗布し第一のフォト
マスクにより形成した第一パターン３１を用いてトレン
チエッチングを行う〔同図（ｂ）〕。この際、トレンチ
の幅は、０．５ないし５μｍとする。これは、以下の工
程で絶縁物をトレンチ内に埋め込むためである。次に、
Ａｌ／Ｓｉのスパッタ烝着により、トレンチ２９の底部
にベース電極２６を形成する〔同図（ｃ）〕。この時、
エミッタ層２３の上のレジスト上およびトレンチの側壁
にも僅かに金属膜が付着するが、全体を僅かにウェット
エッチングすることにより、トレンチ側壁部の金属膜は
除去できる。続いて、減圧ＣＶＤによりシリコン酸化膜
の絶縁膜３０を成膜しトレンチ２９に埋め込む〔図５
（ａ）〕。更に、エミッタ層２３の上の金属膜３２をリ
フトオフにより除去してエミッタ表面を露出させるとと
もに、表面を平坦にドライエッチングする〔図５
（ｂ）〕。最後に、Ｎｉ膜をスパッタ蒸着して、エミッ
タ電極２５を上部に形成し、コレクタ層２４の裏面にも
Ｎｉ膜からなるコレクタ電極２７を形成して完成する
〔同図（ｃ）〕。 上記のように、トレンチ形成用のフ
ォトレジストパターンを形成して、第二導電型ベース層
に達するトレンチを形成した後、金属膜を堆積してトレ
ンチ底部にベース電極を形成し、それ以外の部分の金属
膜はリフトオフ除去することにより、フォトエッチング
工程は一度で済ますことができる。

【００１８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のトレンチ
型ＳｉＣバイポーラトランジスタは、エミッタ層を貫通
して形成されたトレンチの底部にベース電極を設けるこ
とにより、エミッタ電極とベース電極との横方向分離距
離が短縮でき、基板の面積の利用効率が向上する。ま
た、エミッタ層の幅を単一セル当たり数μｍと従来より
一桁以上の微細化することによって、無効面積を減らし
て可制御電流の増大を図ることができる。また、エミッ
タ層の微細化は、スイッチング時のターンオフ失敗の防
止にも役立つ。

【００１９】上記の炭化けい素たて型バイポーラトラン
ジスタの製造方法としては、第二導電型ベース層に達す
るトレンチを形成した後、金属膜を堆積してトレンチ底
部にベース電極を形成し、其以外の部分の金属膜はリフ
トオフ除去することにより、フォトエッチング工程は一
度で済ますことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の炭化けい素たて型バイポーラ
トランジスタの断面図

【図２】図１の炭化けい素たて型バイポーラトランジス
タのエミッタ電極と絶縁膜を除去した状態の斜視図

【図３】（ａ）は本発明の実施例のバイポーラトランジ
スタのベース電極の配置を表す平面図。（ｂ）は別のベ
ース電極の配置を示す平面図

【図４】本発明の実施例のバイポーラトランジスタのの
製造工程を（ａ）から（ｃ）の順に示す断面図

【図５】図４に続く本発明の実施例のバイポーラトラン
ジスタのの製造工程を（ａ）から（ｃ）の順に示す断面
図

【図６】従来のシリコンたて型バイポーラトランジスタ
の断面図

【図７】従来のエピタキシャル成長法による炭化けい素
たて型バイポーラトランジスタの断面図

【符号の説明】

１、１１、２１ ｎドリフト層 ２、１２、２２ ｐベース層 ３、１３、２３ ｎエミッタ領域またはｎエ
ミッタ層 ４、１４、２４ ｎコレクタ層 ５、１５、２５ エミッタ電極 ６、１６、２６ ベース電極 ７、１７、２７ コレクタ電極 ８、１８ 酸化膜 ２９ トレンチ ３０ 絶縁膜 ３１ 第一パターン ３２ 金属膜

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】炭化けい素からなる第一導電型コレクタ層
   上の第二導電型ベース層と、そのベース層上の第一導電
   型エミッタ層と、そのベース層の表面に設けられたベー
   ス電極と、エミッタ層の表面に設けられたエミッタ電極
   と、第一導電型コレクタ層の裏面に設けられたコレクタ
   電極とを有するものにおいて、ベース電極が前記エミッ
   タ領域の表面からトレンチ状に掘り下げられたベース層
   の表面上に形成されていることを特徴とする炭化けい素
   たて型バイポーラトランジスタ。
2. 【請求項２】前記トレンチの底部に設けられたベース電
   極の上に絶縁膜が形成されていることを特徴とする請求
   項１に記載の炭化けい素たて型バイポーラトランジス
   タ。
3. 【請求項３】二つのエミッタ層に挟まれたベース電極の
   上に絶縁膜を介してエミッタ電極が延長されていること
   を特徴とする請求項２に記載の炭化けい素たて型バイポ
   ーラトランジスタ。
4. 【請求項４】第一導伝型コレクタ層と第二導伝型ベース
   層との間に第一導伝型ドリフト層を有することを特徴と
   する請求項１ないし３のいずれかに記載の炭化けい素た
   て型バイポーラトランジスタ。
5. 【請求項５】第一導電型コレクタ層、第二導電型ベース
   層、第一導電型エミッタ層が順に積層された炭化けい素
   基板の第一導電型エミッタ層の表面上にフォトレジスト
   を塗布しパターン形成して、第一導電型エミッタ層を貫
   通し、第二導電型ベース層に達するトレンチを形成した
   後、金属膜を堆積してトレンチ底部にベース電極を形成
   し、其以外の部分の金属膜はリフトオフ除去することを
   特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の炭化け
   い素たて型バイポーラトランジスタの製造方法。