JP2005508087A - 縦型デバイスのための裏面オーミックコンタクトの低温形成 - Google Patents
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Abstract
半導体デバイスのための炭化珪素に対するオーミックコンタクトを形成する方法は、炭化珪素基板の表面中に不純物原子を注入し、それにより不純物原子の濃度が増加している炭化珪素基板上に層を形成する工程、注入された炭化珪素基板をアニールする工程、及び炭化珪素基板の注入表面上に金属層を堆積させる工程を含む。その金属は、堆積後のアニール工程を必要とせずに、炭化珪素基板上において、堆積したままの状態でオーミックコンタクトを形成する。
Description
【発明の開示】
【０００１】
発明の分野
本発明は、半導体材料に対するオーミックコンタクトに関するものである。特に、本発明は、複数の半導体材料を含むデバイスに対してオーミックコンタクトを形成する方法に関するものである。
【０００２】
発明の背景
マイクロエレクトロニクスでは、回路は、半導体デバイスの順次接続から作製される。一般的に言えば、半導体デバイスは、特定の仕事を達成するための特定の回路内における電流の流れによって動作し、且つ前記流れを制御するために用いられる。回路において半導体デバイスを接続するために、半導体デバイスに対して適当なコンタクトが作製される。半導体デバイスが有する高い導電性及び他の化学的性質の故に、前記デバイスに対してコンタクトを作製するのに最も有用で都合の良い材料は金属である。
【０００３】
半導体デバイスと回路との間の金属コンタクトは、デバイス又は回路の動作を最低限又は好ましくはまったく妨害すべきではない。更に、金属コンタクトは、作製される又は付着される半導体材料と物理的化学的に適合性でなければならない。これらの所望の特性を示すコンタクトのタイプは「オーミックコンタクト」として公知である。
【０００４】
オーミックコンタクトは、通常は、半導体の体抵抗又は広がり抵抗に比べて無視できるコンタクト抵抗を有する金属・半導体コンタクトと規定される（Sze, Physics of Semiconductor Devices, Second Edition, 1981, page 304）。前記文献で更に記載されているように、適当なオーミックコンタクトは、それが付着されるデバイスの性能を有意に変化させず、また、前記デバイスの活性領域にわたる電圧降下と比較して相応に小さい電圧降下によって必要な電流を供給できる。
【０００５】
オーミックコンタクト及びオーミックコンタクトを製造する方法は当業において公知である。例えば、その全文を本明細書に援用するGlassらに与えられた米国特許第５，４０９，８５９号及び第５，３２３，０２２号（Glass特許）では、白金とｐ型炭化珪素から作製されたオーミックコンタクト構造、及びそのオーミックコンタクトを作製する方法を考察している。オーミックコンタクト及びそれらを作製する方法は公知であるが、オーミックコンタクト、特に炭化珪素基板を用いて製造されるオーミックコンタクトを製造する公知の方法は、適当に実施したときでも難しい。
【０００６】
オーミックコンタクトの作製と関連のある問題は、無数であって且つ累積的である。低いホール濃度又は電子濃度に起因して半導体の導電率が制限されると、オーミックコンタクトの形成が妨害又は阻止され得る。同様に、半導体内のホール又は電子の低い移動度も、オーミックコンタクトの形成を妨害又は阻止し得る。Glass特許で考察されているように、コンタクト金属と半導体との間の仕事関数の差は、ポテンシャル障壁を生じさせ、その結果として、印加された電圧に対して整流（非オーム）電流を示すコンタクトが生じ得る。大きく異なる電子・ホール濃度と密接にコンタクトしている２つの同じ半導体材料の間でも、オーミックコンタクトではなく整流へと誘導するポテンシャル障壁（ビルトイン・ポテンシャル）が存在しているかもしれない。Glass特許では、これらの問題は、ｐ型ＳｉＣ基板とコンタクト金属との間に別のｐ型ドープトＳｉＣ層を挿入することによって対処した。
【０００７】
より新しい世代のガリウム及びインジウムに基づく半導体デバイス用にオーミックコンタクトを形成するときに更なる困難な問題が生じた。半導体と金属との間にオーミックコンタクトを形成する場合には、それらの界面において半導体とコンタクト金属とを正確に合金化する必要がある。オーミックコンタクト金属が堆積される半導体表面におけるホール／電子濃度を選択的に増加させることは、オーミックコンタクトを達成するためのコンタクトプロセスを向上させる有効な手段として公知である。そのプロセスは、典型的には、珪素及び炭化珪素の技術における選択的ドーピング法として充分に認識されているイオン注入によって達成される。しかしながら、炭化珪素の場合では、イオン注入は、通常は、炭化珪素結晶格子に対する損傷を最少にするために高温（典型的には＞６００℃）で行なう。注入された原子を「活性化」して所望の高いキャリア濃度を達成する場合には、しばしば珪素過剰圧力下で１６００℃を超えるアニール温度がしばしば要求される。このイオン注入法のために必要とされる装置は特殊なものであり、高価である。
【０００８】
高温イオン注入及びその後のアニールの後に、注入された基板表面にコンタクト金属を堆積させ、９００℃を超える温度アニールする。窒化ガリウム又は窒化インジウムガリウムを含む半導体デバイス上にコンタクトを形成するこの方法は、それらの化合物が高温で解離するので、実現不可能である。
【０００９】
この問題に対する一つの理論的解答は、半導体デバイスを完成させるのに必要な脆弱なエピタキシャル層（例えば、窒化ガリウム層）を成長させる前に、基板上にオーミックコンタクトを形成することであると考えられる。しかしながら、このアプローチは、望ましくない汚染物、すなわちコンタクト金属が、エピタキシャル成長システム中に挿入されるので、望ましくない。汚染金属は、格子成長、ドーピング、反応速度又はこれらの因子のすべてを妨害することによって、エピタキシャル成長に影響を及ぼすことがある。更に、金属不純物は、エピタキシャル層の光学的性質及び電気的性質を劣化させることがある。
【００１０】
同様に、金属・酸化物・半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴＳ）のような多くの半導体デバイスでは、半導体酸化物（例えば、二酸化珪素）の層が必要である。従来のイオン注入法及び注入アニーリングプロセス又はコンタクト金属アニーリングプロセスと関連のある高温によって、酸化物層上に高い応力が掛かり、それにより酸化物層、半導体・酸化物界面及びデバイス自体が損傷することがある。又は、酸化物層を創出する前にオーミックコンタクトを形成するのは、酸化物層を形成するために用いられる酸化環境がオーミックコンタクトに悪影響を及ぼすので、実用的ではない。
【００１１】
炭化珪素上に感温エピタキシャル層（例えば、ある種のＩＩＩ族窒化物）の任意の層が劣化するのを防止するのに充分に低い温度において、オーミックコンタクトを形成しようとする表面近傍のキャリア濃度を増加させ、炭化珪素をアニールし、金属コンタクトを加え、そしてそのコンタクトをアニールすることによって、オーミックコンタクトを、炭化珪素上にうまく形成できることを発見した。
【００１２】
しかしながら、前記技術では、エピタキシャル層に影響を及ぼす可能性がある第二のアニールが依然として必要である。
而して、上記した製造問題を示さない半導体デバイスと共に用いるためのオーミックコンタクトを形成する実用的で経済的な方法に関するニーズが存在する。また、オーミックコンタクトを含むが、製造するのがより経済的である半導体デバイスのタイプに関するニーズも存在する。
【００１３】
発明の目的及び概要
オーミックコンタクトを含み、炭化珪素を含むことができ、経済的に製造され、そして選択の幅が増した金属から形成されるオーミックコンタクトを含むことができる半導体デバイスを提供することは本発明の目的である。
【００１４】
本発明は、半導体デバイスのための金属・半導体オーミックコンタクトを形成する方法によって上記の目的を達成する。本発明方法は、初期導電型を有する半導体基板の表面中に選択されたドーパント材料を注入する工程を含む。注入されたドーパントは、半導体基板と同じ導電型を提供する。ドーパントの注入後には、注入されたドーパント原子を活性化させるのに且つ有効キャリア濃度を増加させるのに充分な温度及び時間で、注入された半導体基板をアニールする。次に、半導体材料の注入された表面上に金属を堆積させた後、アニールする。本発明では、適当なドーパント及び金属を選択すると、更なるアニールを行なわずともオーミックコンタクトが形成されるので、構造の残りの部分にアニールによる悪影響が及ぼされない。
【００１５】
また、本発明は、表面と第一導電型とを有する半導体基板を含む半導体デバイスによって上記の目的も達成する。半導体基板は、表面から離れて延びている基板においてキャリア濃度増加領域を含む。更に、前記デバイスは、金属とキャリア濃度増加領域との界面においてオーミックコンタクトを形成するために、基板の表面上に堆積された金属層も含む。
【００１６】
本発明の上記及び他の目的、利点及び特徴、及び等価物が達成される方法は、例示的態様を説明している添付の図面と共に本発明の以下の詳細な説明を考慮すれば更に容易に理解される。
【００１７】
詳細な説明
本発明は、オーミックコンタクトを含む半導体デバイス、及び前記オーミックコンタクトを形成する方法である。
【００１８】
炭化珪素のようなワイドバンドギャップ半導体及びそれらから形成される半導体デバイスを熟知している当業者には、本発明が、ｎ型炭化珪素（ＳｉＣ）を用いる半導体デバイスとオーミックコンタクトとを作製する場合に最も有用であることが理解される。而して、説明を容易にするために、本発明及び実施例に関する以下の説明は、ＳｉＣを用いている本発明の態様に関するものである。しかしながら、当業者は、本発明は、ＩＩＩ族窒化物（例えば、窒化ガリウム、窒化アルミニウムガリウム、及び窒化インジウムガリウム）のような他のワイドバンドギャップ半導体材料と共に用いられるように容易に適合させ得ることを直ちに認識するだろう。
【００１９】
広範な面において、本発明は、初期導電型を付与するドーパントの初期濃度を有する半導体基板を含む半導体デバイスである。好ましい態様では、半導体基板はｎ型炭化珪素である。
【００２０】
クレームされる半導体デバイスは、エピタキシャル層と反対側にある半導体基板の表面から、エピタキシャル層に隣接している表面の方へと延びているキャリア濃度増加領域によって半導体基板が画定されることを更に特徴としている。キャリア濃度増加領域における基板上に金属層を堆積させて、金属と基板との界面にオーミックコンタクトを形成する。好ましい態様では、金属は、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、及び白金（Ｐｔ）から成る群より選択する。
【００２１】
図１には、本発明による半導体デバイス１０の概略図が示してある。デバイス１０は、説明用にＳｉＣであると考えられる半導体基板１２を含む。しかしながら、本発明の実施において、基板として他のワイドバンドギャップ半導体材料を用い得ることを理解すべきである。
【００２２】
半導体デバイスを完成させるのに要する追加の成分１４がＳｉＣ基板１２に隣接している。例えば及び図１で代表されているように、半導体デバイスは、ｐ型及びｎ型の半導体材料から成る連続エピタキシャル層１４ａ，１４ｂ，及び１４ｃを有する発光ダイオード（ＬＥＤ）であることができる。好ましい態様では、本発明は、その上に電気的コンタクトが形成される導電性半導体基板に対して隣接しているいくつかのエピタキシャル層から成るＬＥＤ、金属酸化物・半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、レーザー、又はショットキー整流器のような半導体デバイスである。以下で考察しているように、本発明によるデバイスは、低融点又は低解離温度を有する材料を含むか又は感温構造を含む半導体デバイスに特に適する。そのような材料としては、窒化ガリウム、窒化インジウムガリウム及び窒化アルミニウムガリウムのようなＩＩＩ族窒化物を含み、又はＳｉＣ−ＳｉＯ２界面のような感受性のある界面を含むデバイスが挙げられる。
【００２３】
クレームされるデバイスは、半導体基板の裏面上にキャリア濃度増加領域１６を有することを更に特徴としている。言い換えれば、このＳｉＣの場合における半導体基板では、エピタキシャル層と反対側にある半導体基板の表面近くのキャリア濃度は、半導体基板の残りの部分で示されるキャリア濃度に比べて高い。
【００２４】
キャリア濃度増加領域１６に対する境界として機能するラインは、基板１２におけるキャリア濃度が突然変化する鋭い境界が存在しないという事実を表現するために点線で示してある。キャリア濃度が初期キャリア濃度に等しくなるまで、基板の裏面からの距離が離れるにつれてキャリア濃度は低下する。以下で考察しているように、キャリア濃度増加領域は、半導体材料と通常関連のあるドーパントを用いる室温イオン注入法によって形成される。
【００２５】
例えば、図１において、１０で広範に示してあるクレームされるデバイスの好ましい態様は、窒素でドープされたｎ型ＳｉＣ基板を含む。ＳｉＣ基板１２は、好ましくはわずな程度から高度までドープされており、約１ｘ１０１５ 〜 約１ｘ１０１９ｃｍ−３の初期キャリア濃度を有する。「わずな程度」及び「高度」という用語は、不正確であり、初期キャリア濃度が著しく変化し得ることを示すために意図的に用いている。エピタキシャル層１４に対して反対側にある表面における選択されたドーパント材料のイオン注入によって、基板１２の残部に比べてより高いキャリア濃度を含む領域１６が創出される。燐（Ｐ）は好ましい注入ドーパントであり、好ましくは、イオン注入は、約１ｘ１０１９〜 約１ｘ１０２０ｃｍ−３のキャリア濃度を示し且つ初期キャリア濃度に比べて常に高い、基板の裏面上におけるキャリア濃度増加領域１６を創出するレベルで行なわれる。
【００２６】
出願人は特定の理論によって束縛されたくないが、事実は、キャリア濃度増加領域１６を形成すると、特にイオン注入によって該領域を形成すると、オーミック特性を示す金属コンタクトを創出できることを示唆している。好ましい態様では、すべての半導体デバイスと一緒に用いるのに適する融点、蒸気圧及び物理的化学的性質を有する選択されたコンタクト金属１８を、キャリア濃度増加領域１６におけるＳｉＣ基板の表面に堆積させて、該金属と該基板との間に界面２０を形成する。好ましい金属としては、銀、チタン、アルミニウム、ニッケル、及び白金が挙げられる。好ましくは、選択される金属は、白金を下回るか又は等しい仕事関数を有する。好ましくは、金属は、デバイスの意図される用途にしたがって選択する。例えば、コンタクトの反射率が重要である用途では、好ましくは、 アルミニウム又は銀を選択することができる。極めて安定で非反応性のコンタクト金属が必要とされる用途（例えば、極端な温度を要する用途）では、好ましくは、コンタクト金属用に白金を選択することができる。本発明の方法は、ＩＩＩ族窒化物（例えば、Ｇａ，Ａｌ及びＩｎの窒化物、及びそれらの３成分及び４成分の組合せ）から発光ダイオード（ＬＥＤｓ）を形成する場合に特に有利である。第一に、コンタクトアニール工程を除くと、コンタクト金属を加える前に、ＳｉＣ基板にＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層を加える技術が向上する。更に、加えられるドーパントとして燐を用いると、オーミックコンタクトのための金属に関する選択の幅がより広くなる。特に、銀（Ａｇ）又はアルミニウム（Ａｌ）のような反射金属をオーミックコンタクトとして用いることが可能なので、本方法で形成されるＬＥＤの光出力を実質的に増強できる。
【００２７】
また、出願人は、特定の理論に束縛されたくないが、キャリア濃度増加領域を創出させて、コンタクト金属のための受容体として機能させることは有用であると考えられる。而して、別の態様では、本発明は、既に説明した半導体デバイスで用いられるオーミックコンタクトを形成する方法を含む。
【００２８】
広範な面では、本発明は、半導体デバイスのための金属・半導体コンタクトを形成する方法である。好ましい態様では、本方法は、ｎ型炭化珪素基板の中に燐を注入する工程を含む。しかしながら、当業者は、本発明が、他の半導体材料と一緒に用いられるように容易に適合し得ることを直ちに認識するだろう。アニール工程の後に、選択されたドーパント材料を注入する。このアニール工程では、注入されたＳｉＣ基板を、注入された燐原子を活性化させてＳｉＣ基板における注入ドーパント原子のキャリア濃度を効率的に増加させるのに充分な温度及び時間でアニールする。次に、ＳｉＣ基板の注入された表面上にコンタクト金属を堆積させる。
【００２９】
最も広範な態様では、半導体基板は、わずかな、中程度の、又は高度の初期ドーパント濃度を有することができるｎ型又はｐ型の基板を含むことができる。例えば、ｎ型ＳｉＣが基板である場合、ＳｉＣ基板は、約１ｘ１０１５（わずかにドープされた）〜 約１ｘ１０１９ｃｍ−３（高度にドープされた）の初期ドーパント濃度を有することができる。「わずかに」、「中程度に」及び「高度に」という用語は、不正確であり、基板材料におけるドーパントの初期濃度が変化し得ることを示すために用いている。試験からは、中程度から高度にドープされた基板が、本発明では最良の結果を達成することが分かった。
【００３０】
次に、燐をｎ型炭化珪素基板に注入し、アニールした。好ましくは、燐の注入は、室温で行い、その後のアニールは、約１０００℃を超える温度で、最も好ましくは約１３００℃を超える温度行なう。好ましい態様では、ｎ型ＳｉＣ基板は、はじめに窒素でドープする。
【００３１】
当業者には、ドーパント材料の注入は、高温で達成できることは容易に認識される。実際に、ＳｉＣ格子構造に対する損傷を減少させるために、ＳｉＣの場合では、高温注入が典型的に好ましい。しかしながら、ＳｉＣを用いる場合、高温イオン注入は、本発明の商業的な使用に関して制約がある。注入中にＳｉＣ基板を加熱する能力を有するイオン注入装置は、特殊で高価であるので、低いコストで大量生産の用途のためではなく、 研究開発用に意図されている。更に、ＳｉＣ基板を高温まで加熱するときには、ＳｉＣ基板は、破壊しないような速度で加熱及び冷却しなければならない。それにより生産プロセスの速度は低下する。
【００３２】
而して、室温注入は、本発明において使用するには、好ましい注入法である。燐を室温で注入した後に、基板ウエハーを１３００℃にし且つ１００以上保つことができる単純排気炉（simple vented furnace）において基板ウエハーをアニールする工程によって、満足の行く結果が得られ、且つ処理量も大幅に増加することを発見した。
【００３３】
ドーパントの室温注入は、好ましくは、半導体基板の注入表面近傍にドーパント濃度増加領域が創出されるように行なう。図２は、本発明による注入プロセスの概略図である。この実施例では、約１ｘ１０１８ｃｍ−３の初期ドーパント濃度を有するｎ型ＳｉＣ基板２２に対して、１０１５ｃｍ−２以上のドーズ量、２５ 〜 １００ｋｅＶのエネルギーで、燐原子２４を注入する。いくつかの場合では、２つ以上の注入エネルギーを用いて、ブロックドーパント分布又は段階状ドーパント分布を創出する。「ブロック分布」とは、ドーパント原子の濃度が所定の厚さにわたって実質的に等しいままであるドーパント分布を意味している。ブロック分布は、複数の注入エネルギーを用いることによって近似することができる。一つの態様では、注入プロセスによって、該注入された表面からの距離が大きくなるにしたがい減少する注入されたドーパントの濃度を有する、約１０２０〜１０２１ｃｍ−３の該注入された表面近傍の全化学ドーパント濃度を有する、ＳｉＣ基板の注入表面近傍の領域２６が約１０００オングストロームの深さで生成される。ドーパント濃度増加領域２６の外部のドーパント濃度は、初期ドーパント濃度と実質的に同じままである。キャリア濃度増加領域２６の境界は、領域２６と基板の残部との間のキャリア濃度変化は明確ではなく段階的であることを示すために破線で示してある。当業者は、所望の濃度及び厚さを達成するために注入エネルギー又はドーズ量を容易に変化させ得ることを認識すべきである。例えば、複数回の注入を行なって、たとえいくらかの材料がその後の加工工程中に除去されてもオーミックコンタクトを作製できるように、ドーパント濃度増加領域をより厚く創出できる。
【００３４】
上記したように、注入された基板をアニールする必要がある。注入されたドーパントイオンのいくらかは注入直後は「活性」ではないので、アニーリングが必要である。「活性」という用語は、注入された基板の総キャリア濃度に寄与する注入イオンの有用性（availability）を説明するために用いている。
【００３５】
注入中、ドーパントイオンによってＳｉＣ基板の結晶格子は実質的に衝撃される。これらのイオンは、結晶格子中へと衝突し、保持される。この衝撃によって、ドーパントイオンが、存在する結晶格子中へ完全には挿入されない。それ自体は衝撃によって損傷を受け得る結晶格子において、ドーパントイオンの多くの初期配置は、イオンが「活性化」する妨げとなり得る。注入されたＳｉＣ基板をアニール（すなわち、加熱）すると、注入イオン及び基板の結晶格子が、より規則的に再配置され、ドーパント注入中に受けた損傷から回復できるメカニズムが提供される。
【００３６】
説明のために概算数を用いると、注入プロセスは次のように考えることができる。１００個の燐イオンを、初期濃度がｘ個の燐原子であるｎ型ＳｉＣ基板中に注入する場合、注入直後に、前記基板は、「ｘ＋１０」個の燐イオンを有する基板に対応する特性を示すことができるのみである。しかし、次に、その基板をアニールして、注入されたイオンを結晶格子中の位置に定着させると、基板は、「ｘ＋９０」個の燐イオンを有する基板に対応する特性を示すことができる。而して、アニール工程は、注入された燐イオンの約８０個を活性化させた。
【００３７】
試験を行なうと、室温で注入されたＳｉＣ基板を、約１０００℃超の温度で、また特に約１３００℃超の温度で、約２時間以下アニールすると、満足の行く結果が得られることが分かる。温度及び時間は、注入されたドーズ量の更に完全な活性化を達成するために、容易に調節することができる。
【００３８】
上記注入基板を含む半導体デバイスは、少なくとも１つのエピタキシャル層を有する。エピタキシャル層は、当業者に公知の任意の方法によって成長させることができる。しかしながら、所望のエピタキシャル層又はその後に加工されたデバイスは、注入基板の高温アニールに耐えることができない材料（例えば、窒化ガリウム又は酸化珪素）から成っているかもしれないか又は前記材料を含んでいるかもしれない。その場合は、エピタキシャル層は、ドーパント注入後に形成してもよい。エピタキシャル層が高温アニールに耐えることができる材料から成っている場合（例えば、炭化珪素エピタキシャル層）、エピタキシャル層は、ドーパント注入及び活性化の前に形成することができる。
【００３９】
半導体基板が注入され、そして充分にアニールされたドーパント濃度増加領域が確立された後に、オーミックコンタクトを形成させるために選択された金属を、キャリア濃度増加領域における基板の表面に対して施用する。金属は、適当に高い融点及び蒸気圧を有する電気的コンタクトを形成するときに典型的に用いられるほとんど任意の金属をであることができ、また基板材料と互いに悪影響を及ぼさない。好ましい金属としては、銀、アルミニウム、ニッケル、チタン及び白金が挙げられる。好ましくは、金属の仕事関数は、白金の仕事関数以下である。
【００４０】
好ましくは、コンタクト金属は、基板表面上に堆積させて、オーミックコンタクト層を形成させる。上記したように、また原出願の方法による改良では、注入ドーパントとして燐を用いると、コンタクト金属がより広範囲で選択されることによってオーミックコンタクトが提供され、その結果として、更なるアニール工程を行なわずにオーミックコンタクトが得られる。
【００４１】
本発明の更に特定の態様では、本発明によるオーミックコンタクトは、最初は、燐原子を１０１５ｃｍ−２のドーズ量で２５ｋｅＶのエネルギーで注入され、続いて第二の注入は、１０１５ｃｍ−２のドーズ量で５０ｋｅＶのエネルギーで注入され、続いて第三の注入では、１０１５ｃｍ−２のドーズ量で１００ｋｅＶのエネルギーで注入されたｎ型ＳｉＣ基板を用いて創出した。注入後には、炉中において、アルゴン雰囲気下で、７５分間１３００℃で活性化アニールを行なった。その後に、１５０オングストロームの厚さで、注入表面上にコンタクト金属としてチタンを堆積させた。得られたコンタクトは、更にアニールを行なわなくても、満足の行くオーミック特性を示した。
【００４２】
本発明は、縦型デバイス、例えば光検出器、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザー、パワーデバイス、例えば金属・酸化膜・半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴｓ）、絶縁ゲートバイポーラートランジスタ（ＩＧＢＴｓ）、ｐｎ接合及びショットキー整流器、及びマイクロ波装置、例えばＳＩＴ（静電誘導トランジスタ）のために実質的な利点を提供する。検出器、ＬＥＤｓ及びレーザーの場合は、エピタキシャル成長されたＩＩＩ族窒化物の層、すなわち窒化ガリウム及び窒化インジウムガリウムの層は、当該層にひどい損傷を与えると考えられる温度でアニールしない。窒化インジウムガリウムの場合は、高温における時間は、合金のインジウム成分が増すにつれて更に重要となる。裏面コンタクトアニール温度を排除すると、ＳｉＣ基板上で成長された歪ヘテロエピタキシャル膜における割れの可能性又は当該層におけるインジウム又はガリウムの成分の解離の可能性も低下する。
【００４３】
ＳｉＣのホモエピタキシャル膜が基板上で成長され、且つ熱的に成長されるか又は熱的に再成長される（再酸化又はアニールされる）パワーデバイスの場合は、酸化物はデバイス性能において統合的な役割を有し、またより低いアニール温度が有利である。裏面金属コンタクトは、ＳｉＣ・二酸化珪素界面を成長させるのに必要な酸化雰囲気に曝すことができない。而して、裏面オーミックコンタクトは、二酸化珪素を成長させた（再酸化又は再成長させた）後に、堆積させ、そしてアニールしなければならない。不都合なことに、その後で基板の裏側にコンタクトを形成するために、従来技術の約８５０℃以上（更に典型的には９００℃ 〜 １０５０℃）のアニール温度が必要であるが、熱膨張の速度の組合せが悪いので、ＳｉＣ・二酸化珪素界面において欠陥が生じる。それは、ＭＯＳＦＥＴｓ及びＩＧＢＴｓにとっては特に悪い。而して、コンタクトアニールを排除することによって、本発明は、これらのタイプのデバイスの製造及び性能に関して有意な利点を提供する。
【００４４】
別の面では、本発明は、本発明の注入及びオーミックコンタクトの面を含む発光ダイオードである。図３は、全体を３０で示してある上記発光ダイオードの例示的該略図である。この態様では、発光ダイオード３０は、第一表面３２及び第二表面３３をそれぞれ有するｎ型炭化珪素３１を含む。該ダイオードは、基板３１の第一表面３２上にＩＩＩ族窒化物活性層３４を含む。上記態様で説明したように、該ダイオードは、基板３１においてキャリア濃度が増加していて、且つ基板３１の第二表面３３から第一表面３２の方へと延びていて、且つ第二表面３３から第一表面３２の方へと燐濃度が徐々に低下していることを特徴とする領域３５を更に含む。
【００４５】
オーミックコンタクト３６は、基板の第二表面上に存在し、もう１つのオーミックコンタクト３７は、デバイス３０のもう一方の側に作製される。図示してある態様では、ダイオード３０は、活性領域３４とオーミックコンタクト３７との間にある導電路部分を提供する追加のｐ型コンタクト層４０を含む。
【００４６】
活性領域３４は、ホモ結合、シングルへテロ接合、ダブルヘテロ接合、超格子、及び量子井戸構造を典型的に含むことができる多くの構造のうちの１つ以上の構造であることができることも、これらのデバイスに精通している者及び当業者によって理解される。活性層のこれらの構造は、当業において充分に理解され、例示的デバイス及び構造は、通常に譲渡された且つ同時継続の出願第６０／２９４，３０８号（２００１年５月３0日に出願された）及び第６０／２９４，３７８号（２００１年５月３0日に出願された）において記載されている。これらの双方の内容は、その全文を本明細書に援用する。
【００４７】
同様に、活性領域３４及び活性領域３４を形成する構造は、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウム、窒化アルミニウムガリウム、窒化インジウムガリウム、窒化アルミニウムインジウム、及び窒化アルミニウムインジウムガリウムから成ると一般的に理解されるＩＩＩ族窒化物化合物の１種類以上から典型的に形成される。また、前記化合物は、しばしば、ＩｎｘＧａｙＡｌ（１−Ｘ−Ｙ）Ｎのように略記され、それらの略語及びそれらの意味は、当業において充分に理解されており、本明細書では特に詳細に考察しない。
【００４８】
更に好ましい態様では、基板３１に対するオーミックコンタクト３６は、アルミニウム、チタン、ニッケル、銀及び白金から成る群より選択される。いくつかの用途では、銀は、多くの利点を提供する。利点としては、貴金属としてのその高い加工性及びコンタクト用途のためのその優れた電気的性質が挙げられる。銀及びアルミニウムは、ＬＥＤ３０のような光デバイスの効率及び出力を向上させる高い反射特性の故に、発光ダイオードにとって特に有利である。他の金属は、他の用途により適し得る。例えば、チタン及びニッケルは、優れた電気特性を提供するが、屈折率は高くない。
【００４９】
ＳｉＣ技術は、まだ緒についたばかりであり、多くの提案されているデバイス及び材料構造は、試験又は開発されなければならない。このプロセスを更に開発すれば、アニール温度はより低くなり、究極的には、金属と半導体との間に堆積としてオーミックコンタクトが生成する（すなわち、アニールを要しない）。
【００５０】
不要な実験を行なわずに本発明を実行できるように、ある種の好ましい態様を参照しながら本発明を詳細に説明してきた。しかしながら、成分及びパラメーターの多くは、本発明の範囲及び精神から逸脱せずに、ある程度まで変化又は変更させてもよいことは当業者には容易に認識される。更に、表題又は見出しなどは、本明細書の読者の理解を助けるために提供しているのであって、本発明の範囲を限定するものであると考えるべきではない。而して、上記の請求の範囲及び合理的な拡張と等価物のみが、本発明の知的財産権を規定する。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明による半導体デバイスの概略横断面図である。
【図２】本発明による方法で用いられるドーパント注入の概略横断面図である。
【図３】本発明による発光ダイオードの概略横断面図である。
【０００１】
発明の分野
本発明は、半導体材料に対するオーミックコンタクトに関するものである。特に、本発明は、複数の半導体材料を含むデバイスに対してオーミックコンタクトを形成する方法に関するものである。
【０００２】
発明の背景
マイクロエレクトロニクスでは、回路は、半導体デバイスの順次接続から作製される。一般的に言えば、半導体デバイスは、特定の仕事を達成するための特定の回路内における電流の流れによって動作し、且つ前記流れを制御するために用いられる。回路において半導体デバイスを接続するために、半導体デバイスに対して適当なコンタクトが作製される。半導体デバイスが有する高い導電性及び他の化学的性質の故に、前記デバイスに対してコンタクトを作製するのに最も有用で都合の良い材料は金属である。
【０００３】
半導体デバイスと回路との間の金属コンタクトは、デバイス又は回路の動作を最低限又は好ましくはまったく妨害すべきではない。更に、金属コンタクトは、作製される又は付着される半導体材料と物理的化学的に適合性でなければならない。これらの所望の特性を示すコンタクトのタイプは「オーミックコンタクト」として公知である。
【０００４】
オーミックコンタクトは、通常は、半導体の体抵抗又は広がり抵抗に比べて無視できるコンタクト抵抗を有する金属・半導体コンタクトと規定される（Sze, Physics of Semiconductor Devices, Second Edition, 1981, page 304）。前記文献で更に記載されているように、適当なオーミックコンタクトは、それが付着されるデバイスの性能を有意に変化させず、また、前記デバイスの活性領域にわたる電圧降下と比較して相応に小さい電圧降下によって必要な電流を供給できる。
【０００５】
オーミックコンタクト及びオーミックコンタクトを製造する方法は当業において公知である。例えば、その全文を本明細書に援用するGlassらに与えられた米国特許第５，４０９，８５９号及び第５，３２３，０２２号（Glass特許）では、白金とｐ型炭化珪素から作製されたオーミックコンタクト構造、及びそのオーミックコンタクトを作製する方法を考察している。オーミックコンタクト及びそれらを作製する方法は公知であるが、オーミックコンタクト、特に炭化珪素基板を用いて製造されるオーミックコンタクトを製造する公知の方法は、適当に実施したときでも難しい。
【０００６】
オーミックコンタクトの作製と関連のある問題は、無数であって且つ累積的である。低いホール濃度又は電子濃度に起因して半導体の導電率が制限されると、オーミックコンタクトの形成が妨害又は阻止され得る。同様に、半導体内のホール又は電子の低い移動度も、オーミックコンタクトの形成を妨害又は阻止し得る。Glass特許で考察されているように、コンタクト金属と半導体との間の仕事関数の差は、ポテンシャル障壁を生じさせ、その結果として、印加された電圧に対して整流（非オーム）電流を示すコンタクトが生じ得る。大きく異なる電子・ホール濃度と密接にコンタクトしている２つの同じ半導体材料の間でも、オーミックコンタクトではなく整流へと誘導するポテンシャル障壁（ビルトイン・ポテンシャル）が存在しているかもしれない。Glass特許では、これらの問題は、ｐ型ＳｉＣ基板とコンタクト金属との間に別のｐ型ドープトＳｉＣ層を挿入することによって対処した。
【０００７】
より新しい世代のガリウム及びインジウムに基づく半導体デバイス用にオーミックコンタクトを形成するときに更なる困難な問題が生じた。半導体と金属との間にオーミックコンタクトを形成する場合には、それらの界面において半導体とコンタクト金属とを正確に合金化する必要がある。オーミックコンタクト金属が堆積される半導体表面におけるホール／電子濃度を選択的に増加させることは、オーミックコンタクトを達成するためのコンタクトプロセスを向上させる有効な手段として公知である。そのプロセスは、典型的には、珪素及び炭化珪素の技術における選択的ドーピング法として充分に認識されているイオン注入によって達成される。しかしながら、炭化珪素の場合では、イオン注入は、通常は、炭化珪素結晶格子に対する損傷を最少にするために高温（典型的には＞６００℃）で行なう。注入された原子を「活性化」して所望の高いキャリア濃度を達成する場合には、しばしば珪素過剰圧力下で１６００℃を超えるアニール温度がしばしば要求される。このイオン注入法のために必要とされる装置は特殊なものであり、高価である。
【０００８】
高温イオン注入及びその後のアニールの後に、注入された基板表面にコンタクト金属を堆積させ、９００℃を超える温度アニールする。窒化ガリウム又は窒化インジウムガリウムを含む半導体デバイス上にコンタクトを形成するこの方法は、それらの化合物が高温で解離するので、実現不可能である。
【０００９】
この問題に対する一つの理論的解答は、半導体デバイスを完成させるのに必要な脆弱なエピタキシャル層（例えば、窒化ガリウム層）を成長させる前に、基板上にオーミックコンタクトを形成することであると考えられる。しかしながら、このアプローチは、望ましくない汚染物、すなわちコンタクト金属が、エピタキシャル成長システム中に挿入されるので、望ましくない。汚染金属は、格子成長、ドーピング、反応速度又はこれらの因子のすべてを妨害することによって、エピタキシャル成長に影響を及ぼすことがある。更に、金属不純物は、エピタキシャル層の光学的性質及び電気的性質を劣化させることがある。
【００１０】
同様に、金属・酸化物・半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴＳ）のような多くの半導体デバイスでは、半導体酸化物（例えば、二酸化珪素）の層が必要である。従来のイオン注入法及び注入アニーリングプロセス又はコンタクト金属アニーリングプロセスと関連のある高温によって、酸化物層上に高い応力が掛かり、それにより酸化物層、半導体・酸化物界面及びデバイス自体が損傷することがある。又は、酸化物層を創出する前にオーミックコンタクトを形成するのは、酸化物層を形成するために用いられる酸化環境がオーミックコンタクトに悪影響を及ぼすので、実用的ではない。
【００１１】
炭化珪素上に感温エピタキシャル層（例えば、ある種のＩＩＩ族窒化物）の任意の層が劣化するのを防止するのに充分に低い温度において、オーミックコンタクトを形成しようとする表面近傍のキャリア濃度を増加させ、炭化珪素をアニールし、金属コンタクトを加え、そしてそのコンタクトをアニールすることによって、オーミックコンタクトを、炭化珪素上にうまく形成できることを発見した。
【００１２】
しかしながら、前記技術では、エピタキシャル層に影響を及ぼす可能性がある第二のアニールが依然として必要である。
而して、上記した製造問題を示さない半導体デバイスと共に用いるためのオーミックコンタクトを形成する実用的で経済的な方法に関するニーズが存在する。また、オーミックコンタクトを含むが、製造するのがより経済的である半導体デバイスのタイプに関するニーズも存在する。
【００１３】
発明の目的及び概要
オーミックコンタクトを含み、炭化珪素を含むことができ、経済的に製造され、そして選択の幅が増した金属から形成されるオーミックコンタクトを含むことができる半導体デバイスを提供することは本発明の目的である。
【００１４】
本発明は、半導体デバイスのための金属・半導体オーミックコンタクトを形成する方法によって上記の目的を達成する。本発明方法は、初期導電型を有する半導体基板の表面中に選択されたドーパント材料を注入する工程を含む。注入されたドーパントは、半導体基板と同じ導電型を提供する。ドーパントの注入後には、注入されたドーパント原子を活性化させるのに且つ有効キャリア濃度を増加させるのに充分な温度及び時間で、注入された半導体基板をアニールする。次に、半導体材料の注入された表面上に金属を堆積させた後、アニールする。本発明では、適当なドーパント及び金属を選択すると、更なるアニールを行なわずともオーミックコンタクトが形成されるので、構造の残りの部分にアニールによる悪影響が及ぼされない。
【００１５】
また、本発明は、表面と第一導電型とを有する半導体基板を含む半導体デバイスによって上記の目的も達成する。半導体基板は、表面から離れて延びている基板においてキャリア濃度増加領域を含む。更に、前記デバイスは、金属とキャリア濃度増加領域との界面においてオーミックコンタクトを形成するために、基板の表面上に堆積された金属層も含む。
【００１６】
本発明の上記及び他の目的、利点及び特徴、及び等価物が達成される方法は、例示的態様を説明している添付の図面と共に本発明の以下の詳細な説明を考慮すれば更に容易に理解される。
【００１７】
詳細な説明
本発明は、オーミックコンタクトを含む半導体デバイス、及び前記オーミックコンタクトを形成する方法である。
【００１８】
炭化珪素のようなワイドバンドギャップ半導体及びそれらから形成される半導体デバイスを熟知している当業者には、本発明が、ｎ型炭化珪素（ＳｉＣ）を用いる半導体デバイスとオーミックコンタクトとを作製する場合に最も有用であることが理解される。而して、説明を容易にするために、本発明及び実施例に関する以下の説明は、ＳｉＣを用いている本発明の態様に関するものである。しかしながら、当業者は、本発明は、ＩＩＩ族窒化物（例えば、窒化ガリウム、窒化アルミニウムガリウム、及び窒化インジウムガリウム）のような他のワイドバンドギャップ半導体材料と共に用いられるように容易に適合させ得ることを直ちに認識するだろう。
【００１９】
広範な面において、本発明は、初期導電型を付与するドーパントの初期濃度を有する半導体基板を含む半導体デバイスである。好ましい態様では、半導体基板はｎ型炭化珪素である。
【００２０】
クレームされる半導体デバイスは、エピタキシャル層と反対側にある半導体基板の表面から、エピタキシャル層に隣接している表面の方へと延びているキャリア濃度増加領域によって半導体基板が画定されることを更に特徴としている。キャリア濃度増加領域における基板上に金属層を堆積させて、金属と基板との界面にオーミックコンタクトを形成する。好ましい態様では、金属は、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、及び白金（Ｐｔ）から成る群より選択する。
【００２１】
図１には、本発明による半導体デバイス１０の概略図が示してある。デバイス１０は、説明用にＳｉＣであると考えられる半導体基板１２を含む。しかしながら、本発明の実施において、基板として他のワイドバンドギャップ半導体材料を用い得ることを理解すべきである。
【００２２】
半導体デバイスを完成させるのに要する追加の成分１４がＳｉＣ基板１２に隣接している。例えば及び図１で代表されているように、半導体デバイスは、ｐ型及びｎ型の半導体材料から成る連続エピタキシャル層１４ａ，１４ｂ，及び１４ｃを有する発光ダイオード（ＬＥＤ）であることができる。好ましい態様では、本発明は、その上に電気的コンタクトが形成される導電性半導体基板に対して隣接しているいくつかのエピタキシャル層から成るＬＥＤ、金属酸化物・半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、レーザー、又はショットキー整流器のような半導体デバイスである。以下で考察しているように、本発明によるデバイスは、低融点又は低解離温度を有する材料を含むか又は感温構造を含む半導体デバイスに特に適する。そのような材料としては、窒化ガリウム、窒化インジウムガリウム及び窒化アルミニウムガリウムのようなＩＩＩ族窒化物を含み、又はＳｉＣ−ＳｉＯ２界面のような感受性のある界面を含むデバイスが挙げられる。
【００２３】
クレームされるデバイスは、半導体基板の裏面上にキャリア濃度増加領域１６を有することを更に特徴としている。言い換えれば、このＳｉＣの場合における半導体基板では、エピタキシャル層と反対側にある半導体基板の表面近くのキャリア濃度は、半導体基板の残りの部分で示されるキャリア濃度に比べて高い。
【００２４】
キャリア濃度増加領域１６に対する境界として機能するラインは、基板１２におけるキャリア濃度が突然変化する鋭い境界が存在しないという事実を表現するために点線で示してある。キャリア濃度が初期キャリア濃度に等しくなるまで、基板の裏面からの距離が離れるにつれてキャリア濃度は低下する。以下で考察しているように、キャリア濃度増加領域は、半導体材料と通常関連のあるドーパントを用いる室温イオン注入法によって形成される。
【００２５】
例えば、図１において、１０で広範に示してあるクレームされるデバイスの好ましい態様は、窒素でドープされたｎ型ＳｉＣ基板を含む。ＳｉＣ基板１２は、好ましくはわずな程度から高度までドープされており、約１ｘ１０１５ 〜 約１ｘ１０１９ｃｍ−３の初期キャリア濃度を有する。「わずな程度」及び「高度」という用語は、不正確であり、初期キャリア濃度が著しく変化し得ることを示すために意図的に用いている。エピタキシャル層１４に対して反対側にある表面における選択されたドーパント材料のイオン注入によって、基板１２の残部に比べてより高いキャリア濃度を含む領域１６が創出される。燐（Ｐ）は好ましい注入ドーパントであり、好ましくは、イオン注入は、約１ｘ１０１９〜 約１ｘ１０２０ｃｍ−３のキャリア濃度を示し且つ初期キャリア濃度に比べて常に高い、基板の裏面上におけるキャリア濃度増加領域１６を創出するレベルで行なわれる。
【００２６】
出願人は特定の理論によって束縛されたくないが、事実は、キャリア濃度増加領域１６を形成すると、特にイオン注入によって該領域を形成すると、オーミック特性を示す金属コンタクトを創出できることを示唆している。好ましい態様では、すべての半導体デバイスと一緒に用いるのに適する融点、蒸気圧及び物理的化学的性質を有する選択されたコンタクト金属１８を、キャリア濃度増加領域１６におけるＳｉＣ基板の表面に堆積させて、該金属と該基板との間に界面２０を形成する。好ましい金属としては、銀、チタン、アルミニウム、ニッケル、及び白金が挙げられる。好ましくは、選択される金属は、白金を下回るか又は等しい仕事関数を有する。好ましくは、金属は、デバイスの意図される用途にしたがって選択する。例えば、コンタクトの反射率が重要である用途では、好ましくは、 アルミニウム又は銀を選択することができる。極めて安定で非反応性のコンタクト金属が必要とされる用途（例えば、極端な温度を要する用途）では、好ましくは、コンタクト金属用に白金を選択することができる。本発明の方法は、ＩＩＩ族窒化物（例えば、Ｇａ，Ａｌ及びＩｎの窒化物、及びそれらの３成分及び４成分の組合せ）から発光ダイオード（ＬＥＤｓ）を形成する場合に特に有利である。第一に、コンタクトアニール工程を除くと、コンタクト金属を加える前に、ＳｉＣ基板にＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層を加える技術が向上する。更に、加えられるドーパントとして燐を用いると、オーミックコンタクトのための金属に関する選択の幅がより広くなる。特に、銀（Ａｇ）又はアルミニウム（Ａｌ）のような反射金属をオーミックコンタクトとして用いることが可能なので、本方法で形成されるＬＥＤの光出力を実質的に増強できる。
【００２７】
また、出願人は、特定の理論に束縛されたくないが、キャリア濃度増加領域を創出させて、コンタクト金属のための受容体として機能させることは有用であると考えられる。而して、別の態様では、本発明は、既に説明した半導体デバイスで用いられるオーミックコンタクトを形成する方法を含む。
【００２８】
広範な面では、本発明は、半導体デバイスのための金属・半導体コンタクトを形成する方法である。好ましい態様では、本方法は、ｎ型炭化珪素基板の中に燐を注入する工程を含む。しかしながら、当業者は、本発明が、他の半導体材料と一緒に用いられるように容易に適合し得ることを直ちに認識するだろう。アニール工程の後に、選択されたドーパント材料を注入する。このアニール工程では、注入されたＳｉＣ基板を、注入された燐原子を活性化させてＳｉＣ基板における注入ドーパント原子のキャリア濃度を効率的に増加させるのに充分な温度及び時間でアニールする。次に、ＳｉＣ基板の注入された表面上にコンタクト金属を堆積させる。
【００２９】
最も広範な態様では、半導体基板は、わずかな、中程度の、又は高度の初期ドーパント濃度を有することができるｎ型又はｐ型の基板を含むことができる。例えば、ｎ型ＳｉＣが基板である場合、ＳｉＣ基板は、約１ｘ１０１５（わずかにドープされた）〜 約１ｘ１０１９ｃｍ−３（高度にドープされた）の初期ドーパント濃度を有することができる。「わずかに」、「中程度に」及び「高度に」という用語は、不正確であり、基板材料におけるドーパントの初期濃度が変化し得ることを示すために用いている。試験からは、中程度から高度にドープされた基板が、本発明では最良の結果を達成することが分かった。
【００３０】
次に、燐をｎ型炭化珪素基板に注入し、アニールした。好ましくは、燐の注入は、室温で行い、その後のアニールは、約１０００℃を超える温度で、最も好ましくは約１３００℃を超える温度行なう。好ましい態様では、ｎ型ＳｉＣ基板は、はじめに窒素でドープする。
【００３１】
当業者には、ドーパント材料の注入は、高温で達成できることは容易に認識される。実際に、ＳｉＣ格子構造に対する損傷を減少させるために、ＳｉＣの場合では、高温注入が典型的に好ましい。しかしながら、ＳｉＣを用いる場合、高温イオン注入は、本発明の商業的な使用に関して制約がある。注入中にＳｉＣ基板を加熱する能力を有するイオン注入装置は、特殊で高価であるので、低いコストで大量生産の用途のためではなく、 研究開発用に意図されている。更に、ＳｉＣ基板を高温まで加熱するときには、ＳｉＣ基板は、破壊しないような速度で加熱及び冷却しなければならない。それにより生産プロセスの速度は低下する。
【００３２】
而して、室温注入は、本発明において使用するには、好ましい注入法である。燐を室温で注入した後に、基板ウエハーを１３００℃にし且つ１００以上保つことができる単純排気炉（simple vented furnace）において基板ウエハーをアニールする工程によって、満足の行く結果が得られ、且つ処理量も大幅に増加することを発見した。
【００３３】
ドーパントの室温注入は、好ましくは、半導体基板の注入表面近傍にドーパント濃度増加領域が創出されるように行なう。図２は、本発明による注入プロセスの概略図である。この実施例では、約１ｘ１０１８ｃｍ−３の初期ドーパント濃度を有するｎ型ＳｉＣ基板２２に対して、１０１５ｃｍ−２以上のドーズ量、２５ 〜 １００ｋｅＶのエネルギーで、燐原子２４を注入する。いくつかの場合では、２つ以上の注入エネルギーを用いて、ブロックドーパント分布又は段階状ドーパント分布を創出する。「ブロック分布」とは、ドーパント原子の濃度が所定の厚さにわたって実質的に等しいままであるドーパント分布を意味している。ブロック分布は、複数の注入エネルギーを用いることによって近似することができる。一つの態様では、注入プロセスによって、該注入された表面からの距離が大きくなるにしたがい減少する注入されたドーパントの濃度を有する、約１０２０〜１０２１ｃｍ−３の該注入された表面近傍の全化学ドーパント濃度を有する、ＳｉＣ基板の注入表面近傍の領域２６が約１０００オングストロームの深さで生成される。ドーパント濃度増加領域２６の外部のドーパント濃度は、初期ドーパント濃度と実質的に同じままである。キャリア濃度増加領域２６の境界は、領域２６と基板の残部との間のキャリア濃度変化は明確ではなく段階的であることを示すために破線で示してある。当業者は、所望の濃度及び厚さを達成するために注入エネルギー又はドーズ量を容易に変化させ得ることを認識すべきである。例えば、複数回の注入を行なって、たとえいくらかの材料がその後の加工工程中に除去されてもオーミックコンタクトを作製できるように、ドーパント濃度増加領域をより厚く創出できる。
【００３４】
上記したように、注入された基板をアニールする必要がある。注入されたドーパントイオンのいくらかは注入直後は「活性」ではないので、アニーリングが必要である。「活性」という用語は、注入された基板の総キャリア濃度に寄与する注入イオンの有用性（availability）を説明するために用いている。
【００３５】
注入中、ドーパントイオンによってＳｉＣ基板の結晶格子は実質的に衝撃される。これらのイオンは、結晶格子中へと衝突し、保持される。この衝撃によって、ドーパントイオンが、存在する結晶格子中へ完全には挿入されない。それ自体は衝撃によって損傷を受け得る結晶格子において、ドーパントイオンの多くの初期配置は、イオンが「活性化」する妨げとなり得る。注入されたＳｉＣ基板をアニール（すなわち、加熱）すると、注入イオン及び基板の結晶格子が、より規則的に再配置され、ドーパント注入中に受けた損傷から回復できるメカニズムが提供される。
【００３６】
説明のために概算数を用いると、注入プロセスは次のように考えることができる。１００個の燐イオンを、初期濃度がｘ個の燐原子であるｎ型ＳｉＣ基板中に注入する場合、注入直後に、前記基板は、「ｘ＋１０」個の燐イオンを有する基板に対応する特性を示すことができるのみである。しかし、次に、その基板をアニールして、注入されたイオンを結晶格子中の位置に定着させると、基板は、「ｘ＋９０」個の燐イオンを有する基板に対応する特性を示すことができる。而して、アニール工程は、注入された燐イオンの約８０個を活性化させた。
【００３７】
試験を行なうと、室温で注入されたＳｉＣ基板を、約１０００℃超の温度で、また特に約１３００℃超の温度で、約２時間以下アニールすると、満足の行く結果が得られることが分かる。温度及び時間は、注入されたドーズ量の更に完全な活性化を達成するために、容易に調節することができる。
【００３８】
上記注入基板を含む半導体デバイスは、少なくとも１つのエピタキシャル層を有する。エピタキシャル層は、当業者に公知の任意の方法によって成長させることができる。しかしながら、所望のエピタキシャル層又はその後に加工されたデバイスは、注入基板の高温アニールに耐えることができない材料（例えば、窒化ガリウム又は酸化珪素）から成っているかもしれないか又は前記材料を含んでいるかもしれない。その場合は、エピタキシャル層は、ドーパント注入後に形成してもよい。エピタキシャル層が高温アニールに耐えることができる材料から成っている場合（例えば、炭化珪素エピタキシャル層）、エピタキシャル層は、ドーパント注入及び活性化の前に形成することができる。
【００３９】
半導体基板が注入され、そして充分にアニールされたドーパント濃度増加領域が確立された後に、オーミックコンタクトを形成させるために選択された金属を、キャリア濃度増加領域における基板の表面に対して施用する。金属は、適当に高い融点及び蒸気圧を有する電気的コンタクトを形成するときに典型的に用いられるほとんど任意の金属をであることができ、また基板材料と互いに悪影響を及ぼさない。好ましい金属としては、銀、アルミニウム、ニッケル、チタン及び白金が挙げられる。好ましくは、金属の仕事関数は、白金の仕事関数以下である。
【００４０】
好ましくは、コンタクト金属は、基板表面上に堆積させて、オーミックコンタクト層を形成させる。上記したように、また原出願の方法による改良では、注入ドーパントとして燐を用いると、コンタクト金属がより広範囲で選択されることによってオーミックコンタクトが提供され、その結果として、更なるアニール工程を行なわずにオーミックコンタクトが得られる。
【００４１】
本発明の更に特定の態様では、本発明によるオーミックコンタクトは、最初は、燐原子を１０１５ｃｍ−２のドーズ量で２５ｋｅＶのエネルギーで注入され、続いて第二の注入は、１０１５ｃｍ−２のドーズ量で５０ｋｅＶのエネルギーで注入され、続いて第三の注入では、１０１５ｃｍ−２のドーズ量で１００ｋｅＶのエネルギーで注入されたｎ型ＳｉＣ基板を用いて創出した。注入後には、炉中において、アルゴン雰囲気下で、７５分間１３００℃で活性化アニールを行なった。その後に、１５０オングストロームの厚さで、注入表面上にコンタクト金属としてチタンを堆積させた。得られたコンタクトは、更にアニールを行なわなくても、満足の行くオーミック特性を示した。
【００４２】
本発明は、縦型デバイス、例えば光検出器、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザー、パワーデバイス、例えば金属・酸化膜・半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴｓ）、絶縁ゲートバイポーラートランジスタ（ＩＧＢＴｓ）、ｐｎ接合及びショットキー整流器、及びマイクロ波装置、例えばＳＩＴ（静電誘導トランジスタ）のために実質的な利点を提供する。検出器、ＬＥＤｓ及びレーザーの場合は、エピタキシャル成長されたＩＩＩ族窒化物の層、すなわち窒化ガリウム及び窒化インジウムガリウムの層は、当該層にひどい損傷を与えると考えられる温度でアニールしない。窒化インジウムガリウムの場合は、高温における時間は、合金のインジウム成分が増すにつれて更に重要となる。裏面コンタクトアニール温度を排除すると、ＳｉＣ基板上で成長された歪ヘテロエピタキシャル膜における割れの可能性又は当該層におけるインジウム又はガリウムの成分の解離の可能性も低下する。
【００４３】
ＳｉＣのホモエピタキシャル膜が基板上で成長され、且つ熱的に成長されるか又は熱的に再成長される（再酸化又はアニールされる）パワーデバイスの場合は、酸化物はデバイス性能において統合的な役割を有し、またより低いアニール温度が有利である。裏面金属コンタクトは、ＳｉＣ・二酸化珪素界面を成長させるのに必要な酸化雰囲気に曝すことができない。而して、裏面オーミックコンタクトは、二酸化珪素を成長させた（再酸化又は再成長させた）後に、堆積させ、そしてアニールしなければならない。不都合なことに、その後で基板の裏側にコンタクトを形成するために、従来技術の約８５０℃以上（更に典型的には９００℃ 〜 １０５０℃）のアニール温度が必要であるが、熱膨張の速度の組合せが悪いので、ＳｉＣ・二酸化珪素界面において欠陥が生じる。それは、ＭＯＳＦＥＴｓ及びＩＧＢＴｓにとっては特に悪い。而して、コンタクトアニールを排除することによって、本発明は、これらのタイプのデバイスの製造及び性能に関して有意な利点を提供する。
【００４４】
別の面では、本発明は、本発明の注入及びオーミックコンタクトの面を含む発光ダイオードである。図３は、全体を３０で示してある上記発光ダイオードの例示的該略図である。この態様では、発光ダイオード３０は、第一表面３２及び第二表面３３をそれぞれ有するｎ型炭化珪素３１を含む。該ダイオードは、基板３１の第一表面３２上にＩＩＩ族窒化物活性層３４を含む。上記態様で説明したように、該ダイオードは、基板３１においてキャリア濃度が増加していて、且つ基板３１の第二表面３３から第一表面３２の方へと延びていて、且つ第二表面３３から第一表面３２の方へと燐濃度が徐々に低下していることを特徴とする領域３５を更に含む。
【００４５】
オーミックコンタクト３６は、基板の第二表面上に存在し、もう１つのオーミックコンタクト３７は、デバイス３０のもう一方の側に作製される。図示してある態様では、ダイオード３０は、活性領域３４とオーミックコンタクト３７との間にある導電路部分を提供する追加のｐ型コンタクト層４０を含む。
【００４６】
活性領域３４は、ホモ結合、シングルへテロ接合、ダブルヘテロ接合、超格子、及び量子井戸構造を典型的に含むことができる多くの構造のうちの１つ以上の構造であることができることも、これらのデバイスに精通している者及び当業者によって理解される。活性層のこれらの構造は、当業において充分に理解され、例示的デバイス及び構造は、通常に譲渡された且つ同時継続の出願第６０／２９４，３０８号（２００１年５月３0日に出願された）及び第６０／２９４，３７８号（２００１年５月３0日に出願された）において記載されている。これらの双方の内容は、その全文を本明細書に援用する。
【００４７】
同様に、活性領域３４及び活性領域３４を形成する構造は、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウム、窒化アルミニウムガリウム、窒化インジウムガリウム、窒化アルミニウムインジウム、及び窒化アルミニウムインジウムガリウムから成ると一般的に理解されるＩＩＩ族窒化物化合物の１種類以上から典型的に形成される。また、前記化合物は、しばしば、ＩｎｘＧａｙＡｌ（１−Ｘ−Ｙ）Ｎのように略記され、それらの略語及びそれらの意味は、当業において充分に理解されており、本明細書では特に詳細に考察しない。
【００４８】
更に好ましい態様では、基板３１に対するオーミックコンタクト３６は、アルミニウム、チタン、ニッケル、銀及び白金から成る群より選択される。いくつかの用途では、銀は、多くの利点を提供する。利点としては、貴金属としてのその高い加工性及びコンタクト用途のためのその優れた電気的性質が挙げられる。銀及びアルミニウムは、ＬＥＤ３０のような光デバイスの効率及び出力を向上させる高い反射特性の故に、発光ダイオードにとって特に有利である。他の金属は、他の用途により適し得る。例えば、チタン及びニッケルは、優れた電気特性を提供するが、屈折率は高くない。
【００４９】
ＳｉＣ技術は、まだ緒についたばかりであり、多くの提案されているデバイス及び材料構造は、試験又は開発されなければならない。このプロセスを更に開発すれば、アニール温度はより低くなり、究極的には、金属と半導体との間に堆積としてオーミックコンタクトが生成する（すなわち、アニールを要しない）。
【００５０】
不要な実験を行なわずに本発明を実行できるように、ある種の好ましい態様を参照しながら本発明を詳細に説明してきた。しかしながら、成分及びパラメーターの多くは、本発明の範囲及び精神から逸脱せずに、ある程度まで変化又は変更させてもよいことは当業者には容易に認識される。更に、表題又は見出しなどは、本明細書の読者の理解を助けるために提供しているのであって、本発明の範囲を限定するものであると考えるべきではない。而して、上記の請求の範囲及び合理的な拡張と等価物のみが、本発明の知的財産権を規定する。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明による半導体デバイスの概略横断面図である。
【図２】本発明による方法で用いられるドーパント注入の概略横断面図である。
【図３】本発明による発光ダイオードの概略横断面図である。
Claims (25)
- ｎ型炭化珪素基板の表面中に燐原子を注入し、それにより燐濃度が増加している該炭化珪素基板上に層を形成する工程；
該注入された炭化珪素基板をアニールする工程；及び
該燐が注入された炭化珪素と該堆積された金属との間にオーミックコンタクトを形成する該炭化珪素の注入された表面上に金属の層を堆積させる工程
を含む、半導体デバイスのための炭化珪素に対してオーミックコンタクトを形成する方法。 - 室温で該燐を注入する工程を含む請求項１記載の方法。
- 該注入された炭化珪素基板のアニール工程後に、該注入された表面に対して反対側にある該炭化珪素基板の表面上に少なくとも１つのエピタキシャル層を成長させる工程を含む請求項１記載の方法。
- 該注入された炭化珪素基板を、約１０００℃ 〜 約１３００℃の温度でアニールする請求項１記載の方法。
- 該注入された炭化珪素基板を、 約１３００℃以上の温度でアニールする請求項１記載の方法。
- 該金属を、チタン、アルミニウム、ニッケル、銀及び白金から成る群より選択する請求項１記載の方法。
- 該燐濃度が、該表面から離れるにつれて漸進的に低下する請求項１記載の方法。
- 該燐濃度が、該炭化珪素基板において所定の厚さにわたってほぼ等しい請求項１記載の方法。
- 該キャリア濃度増加層が、少なくとも約１０００Åの厚さである請求項１記載の方法。
- 複数の注入エネルギーレベルで燐を注入する工程を含む請求項１記載の方法。
- １０１５ｃｍ−２以上のドーズ量及び２５ｋｅＶの注入エネルギーレベルで燐原子を注入する工程を含む請求項１記載の方法。
- １０１５ｃｍ−２以上のドーズ量及び５０ｋｅＶの注入エネルギーレベルで燐原子を注入する工程を更に含む請求項１１記載の方法。
- １０１５ｃｍ−２以上のドーズ量及び１００ｋｅＶの注入エネルギーレベルで燐原子を注入する工程を更に含む請求項１２記載の方法。
- 第一表面及び第二表面を有するｎ型炭化珪素基板；
該炭化珪素基板の該第一表面上にある少なくとも１つのエピタキシャル層；
該炭化珪素基板において且つ該基板の該第二表面から該第一表面へと延びている燐濃度増加領域；及び
該金属と該キャリア濃度増加領域との界面においてオーミックコンタクトを形成する該半導体基板の該第二表面上に堆積された金属層
を含む半導体デバイス。 - 該金属を、チタン、アルミニウム、ニッケル、銀及び白金から成る群より選択する請求項１４記載の半導体デバイス。
- 第一表面と、第二表面と、及び炭化珪素基板に対してｎ型導電性を付与する初期キャリア濃度とを有する炭化珪素基板；
該炭化珪素基板の第一表面上にある少なくとも１つのエピタキシャル層；
該炭化珪素基板においてキャリア濃度が増加していて、且つ該炭化珪素基板の該第二表面から該第一表面の方へと延びている領域であって、燐濃度が該第二表面から該第一表面の方へと漸進的に低下していることを特徴とする前記領域；及び
該炭化珪素基板の該第二表面上にあるオーミックコンタクト
を含む半導体デバイス。 - 該炭化珪素基板における該初期キャリア濃度が、約１ｘ１０１４ ｃｍ−３超である請求項１６記載の半導体デバイス。
- 該キャリア濃度増加領域の該キャリア濃度が、約１ｘ１０１９ 〜 約１ｘ１０２０ｃｍ−３であって、該炭化珪素基板の残部における該キャリア濃度を超えている請求項１４又は１７記載の半導体デバイス。
- 該エピタキシャル層を、炭化珪素、ＩＩＩ族窒化物；及び珪素、ガリウム又はインジウムの酸化物から成る群より選択する請求項１４又は１６記載の半導体デバイス。
- それぞれ第一表面及び第二表面を有するｎ型炭化珪素基板；
該基板の該第一表面上にあるＩＩＩ族窒化物活性領域；
該活性領域上にあるエピタキシャル層；
該炭化珪素基板においてキャリア濃度が増加していて且つ該炭化珪素基板の該第二表面該から該第一表面の方へと延びている領域；
該基板の該第二表面上にあるオーミックコンタクト；及び
該エピタキシャル層上にあるオーミックコンタクト
を含む発光ダイオード。 - 該キャリア濃度増加領域が、該第二表面から該第一表面へと漸進的に低下する燐濃度によって特徴付けられる請求項２０記載の発光ダイオード。
- 該活性領域が、ホモ接合、シングルヘテロ接合、ダブルヘテロ接合、超格子及び量子井戸から成る群より選択される構造を含む請求項２０記載の発光ダイオード。
- 該構造の１つ以上の部分を、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウム、窒化アルミニウムガリウム、窒化インジウムガリウム、窒化アルミニウムインジウム、及び窒化アルミニウムインジウムガリウムから成る群より選択する請求項２２記載の発光ダイオード。
- 該活性領域を、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウム、窒化アルミニウムガリウム、窒化インジウムガリウム、窒化アルミニウムインジウム、及び窒化アルミニウムインジウムガリウムから成る群より選択する請求項２０記載の発光ダイオード。
- 該基板に対する害オーミックコンタクトを、チタン、アルミニウム、ニッケル、銀及び白金から成る群より選択する請求項２０記載の発光ダイオード。
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