JP2007220888A - 超格子構造による耐放射線性を有する炭化珪素半導体素子およびその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】原子炉または核融合炉の近傍などの過酷な放射線照射環境下においても安定に動作させることが可能な炭化珪素半導体素子およびその運転方法を提供する。
【解決手段】炭化珪素エピタキシャル膜の上に形成される表面保護膜、層間絶縁膜などの絶縁膜を、ＳｉＯ₂膜とＳｉＮ膜とが交互に積層された多層膜などの超格子多層構造とし
て、絶縁膜内における多数の界面で外部からの放射線を反射、散乱させることにより素子内部への放射線の侵入を抑制する。
【選択図】なし

Description

本発明は、例えば原子力発電所内、原子力船、宇宙環境で使用される飛行体などの耐放射線性が要求される用途に用いられる炭化珪素半導体素子およびその運転方法に関する。

ＭＯＳトランジスタ等の半導体素子は、γ線に代表されるような放射線が照射されると、例えば、素子内部で電離が生じて電子・正孔対が発生して移動度が低い正孔が捕獲されたり、ゲート酸化膜と半導体との界面に界面準位が形成されたりする等の要因で、不要なリーク電流が流れるなど電気的特性の変動、劣化を生じる。

そのため、強い電離放射線の存在する原子力発電所内、原子力船、宇宙環境で使用される航空機、人工衛星、惑星探査機などでは，放射線環境下でも安定に動作可能な半導体素子の開発が望まれている。

一方、このような放射線環境下において使用される半導体素子には、高温環境下での使用を要求される場合が多い。例えば、原子炉や核融合炉の近傍で使用される半導体センサ、人工衛星に搭載される集積回路、電源回路などは、高温の放射線環境での使用が前提となっているため、放射線環境下において高温での安定な動作が可能な半導体素子が要望されている。

しかし、従来より汎用されているシリコン単結晶を用いた半導体素子では、耐放射線性および高温下での使用に限界がある。
炭化珪素（ＳｉＣ）は、シリコン（Ｓｉ）に比べて、約１０倍の絶縁破壊電界強度、約３倍の熱伝導率を有するとともに、比較的大きな電子移動度を持つことから、従来のＳｉ系パワー半導体素子に比べて飛躍的な性能向上を実現可能とする半導体材料として期待されている。さらに、禁制帯幅が広く、熱伝導率が高いことから高温環境下での使用に適しており、格子定数が小さいので原子核の変位損傷をおこす放射線エネルギーの閾値が高く欠陥導入率が低いことなどの理由から、耐熱・耐放射線性素子を実現するための材料として注目されている。

最近では、直径３インチまでの４Ｈ−ＳｉＣ、６Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板が市販されるようになり、Ｓｉの性能限界を大幅に超える各種スイッチング素子の報告が相次いでなされるなど、高性能ＳｉＣ素子の開発が進められている（特許文献１〜３など）。

このような状況下、耐熱・耐放射線性素子として期待されている炭化珪素半導体素子においては、さらに耐放射線を高める技術が検討されている。
特開２００５−３１１３４７号公報 特開２００５−３１１３４８号公報 特開２００５−１１６８９３号公報

本発明は、過酷な放射線照射環境下においても安定に動作させることが可能な炭化珪素半導体素子を提供することを目的としている。
また本発明は、原子炉または核融合炉の近傍や宇宙環境等における高放射線環境下においても素子を安定に動作させることが可能な炭化珪素半導体素子の運転方法を提供するこ
とを目的としている。

本発明者らは上記目的を達成するために鋭意検討した結果、素子の絶縁膜を超格子構造の多層膜とすることにより、膜内における多数の界面で放射線が反射、散乱されることにより素子内部への放射線の侵入が抑制され、耐放射線性が向上することを見出し本発明を解決するに至った。

本発明の炭化珪素半導体素子は、炭化珪素単結晶基板の表面から成長させた炭化珪素エピタキシャル膜の上に、超格子多層構造を有する絶縁膜が形成されていることを特徴としている。

上記発明において、絶縁膜は、ＳｉＯ₂膜とＳｉＮ膜とが交互に積層された多層膜であ
ることが好ましい。
上記発明において、絶縁膜は、表面保護膜または層間絶縁膜であることが好ましい。

本発明の炭化珪素半導体素子の運転方法は、原子炉または核融合炉の近傍における高放射線環境下に設置された機器の回路に組み込まれた上記炭化珪素半導体素子を動作させることを特徴としている。

また本発明の炭化珪素半導体素子の運転方法は、宇宙環境で使用される航空機、人工衛星、または惑星探査機に設置される電源回路または集積回路に組み込まれた上記炭化珪素半導体素子を動作させることを特徴としている。

本発明の炭化珪素半導体素子は、過酷な放射線照射環境下においても安定に動作させることができる。
本発明の炭化珪素半導体素子の運転方法によれば、原子炉または核融合炉の近傍や宇宙環境等における高放射線環境下においても素子を安定に動作させることができる。

以下、本発明について詳細に説明する。炭化珪素単結晶基板としては、昇華法あるいはＣＶＤ法によって得られたバルク結晶をスライスしたものが使用できる。昇華法（改良レーリー法）による場合、例えば、坩堝に炭化珪素粉末を入れて、２２００〜２４００℃で加熱して気化し、種結晶の表面に典型的には０．８〜１ｍｍ／ｈの速度で堆積させてバルク成長させる。得られたインゴットを所定の厚さに、所望の結晶面が表出するようにスライスする。エピタキシャル膜へのベーサルプレーン転位の伝搬を抑制する等のために、切り出したウエハの表面を、研磨砥粒を用いた研磨処理、水素エッチング、化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）などにより処理して鏡面状に平滑化すること
が好ましい。

この炭化珪素単結晶基板の表面から、炭化珪素単結晶エピタキシャル膜を成長させる。炭化珪素単結晶には結晶多形（ポリタイプ）が存在するが、例えば、４Ｈ−ＳｉＣ（六方晶四回周期型）、６Ｈ−ＳｉＣ（六方晶六回周期型）、２Ｈ−ＳｉＣ（六方晶二回周期型）、１５Ｒ−ＳｉＣ（菱面十五回周期型）などが炭化珪素単結晶基板として用いられる。エピタキシャル成長を行う結晶面としては、例えば（０００１）Ｓｉ面、（０００−１）Ｃ面、（１１−２０）面、（０１−１０）面、（０３−３８）面などが挙げられる。

（０００１）Ｓｉ面、（０００−１）Ｃ面でエピタキシャル成長させる場合、［０１−１０］方向、［１１−２０］方向、あるいは［０１−１０］方向と［１１−２０］方向と
の中間方向のオフ方位に、例えば１〜１２°のオフ角で傾斜させて切り出した基板を使用し、この結晶面からステップフロー成長技術により炭化珪素をエピタキシャル成長させる。

炭化珪素単結晶膜のエピタキシャル成長はＣＶＤ法を用いて行われる。Ｃの原料ガスとしてはプロパン等が用いられ、Ｓｉの原料ガスとしてはシラン等が用いられる。これらの原料ガスと、水素等のキャリアガスと、ドーパントガスとの混合ガスを炭化珪素単結晶基板の表面に供給する。ドーパントガスとしては、ｎ型エピタキシャル膜を成長させる場合には窒素等が用いられ、ｐ型エピタキシャル膜を成長させる場合にはトリメチルアルミニウム等が用いられる。

これらのガス雰囲気下、例えば１５００〜１６００℃、４０〜８０Ｔｏｒｒの条件で、２〜２０μｍ／ｈの成長速度で炭化珪素をエピタキシャル成長させる。これにより、炭化珪素単結晶基板と同一の結晶型の炭化珪素がステップフロー成長する。

エピタキシャル成長を行うための具体的な装置としては、縦型ホットウォール炉を用いることができる。縦型ホットウォール炉には、石英で形成された水冷２重円筒管が設置され、水冷２重円筒管の内部には、円筒状断熱材、グラファイトで形成されたホットウォール、および炭化珪素単結晶基板を縦方向に保持するための楔形サセプタが設置されている。水冷２重円筒管の外側周囲には、高周波加熱コイルが設置され、高周波加熱コイルによりホットウォールを高周波誘導加熱し、ホットウォールからの輻射熱により、楔形サセプタに保持された炭化珪素単結晶基板を加熱する。炭化珪素単結晶基板を加熱しながら水冷２重円筒管の下方より反応ガスを供給することによって、炭化珪素単結晶基板の表面に炭化珪素がエピタキシャル成長する。

このようにしてエピタキシャル膜を形成した炭化珪素単結晶基板を用いて、ドーパントのイオン注入およびアニール、絶縁膜の形成、電極形成など、素子に応じたプロセスを経て各種の半導体素子が作製される。

本発明が適用可能な半導体素子としては、ショットキーバリヤダイオード(ＳＢＤ)、接合電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）、金属／酸化膜／半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）などの各種ユニポーラ素子、ｐｎダイオード、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）、サイリスタ、ＧＴＯサイリスタ、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などの各種バイポーラ素子などが挙げられる。

本発明が適用可能な絶縁膜としては、例えば、外部環境からデバイスを隔離保護し、半導体素子の表面を機械的、化学的に保護するための表面保護膜（パッシベーション膜）、上下配線間を絶縁する層間絶縁膜などが挙げられる。

本発明において、上記絶縁膜は、超格子構造を有している。ここで超格子構造とは、通常は１００ｎｍ以下、例えば数百Å〜１００ｎｍ程度の厚さをもつ絶縁材料の膜を、隣接する膜の材料同士が互いに異なるように多数積層したものである。

このように絶縁膜を多層の膜とすることにより、絶縁膜内には多数の界面が形成されるので、過酷な放射線環境下においてもこれら多数の界面で外部からの放射線が反射、散乱され、これにより素子内部への放射線の侵入が抑制され、耐放射線性が向上する。

多層膜を構成する薄膜の積層数は、多いほど界面の数が増えるので放射線の遮蔽効果は向上するが、絶縁膜として要求される機能が十分に確保されること、絶縁膜全体の厚さ、生産性などを考慮して、必要な程度に外部からの放射線を遮蔽できる適切な積層数とされ
る。

上記絶縁膜としては、絶縁膜としての機能や、従来から知られている膜形成プロセスが適用できる点などから、ＳｉＯ₂膜とＳｉＮ膜とが交互に積層された多層膜が好ましい。
ＳｉＯ₂膜は、従来から知られている各種の方法、例えば、シランガスおよび酸素ガス
を反応ガスとして用いたＬＰＣＶＤ、ＡＰＣＶＤなどによって形成することができる。

ＳｉＮ膜は、ＳｉＨ₄およびＮＨ₃などを反応ガスとして用いたＬＰＣＶＤ、プラズマＣＶＤなどによって形成することができる。
上記のＳｉＯ₂膜形成工程とＳｉＮ膜形成工程とを交互に繰り返すことで、所定膜厚の
ＳｉＯ₂膜およびＳｉＮ膜を交互に積層してゆき、多層の絶縁膜を形成する。

本発明の炭化珪素半導体素子は、耐放射線性に優れているため、過酷な放射線環境下、特に高温環境下での使用に好適である。具体的には、例えば、原子炉や核融合炉の近傍で使用される機器、宇宙環境で使用される航空機、人工衛星、惑星探査機などに搭載される集積回路、電源回路に組み込んで動作させることができる。

以上に、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において各種の変形、変更が可能である。例えば、ＳｉＯ₂／ＳｉＮ多層膜の他、上記絶縁膜としては、高温プロセスで形成したＳｉＯ₂膜と、低温プロセスで形成したＳｉＯ₂膜とを交互に積層した多層膜などが使用できる。

Claims (5)

1. 炭化珪素単結晶基板の表面から成長させた炭化珪素エピタキシャル膜の上に、超格子多層構造を有する絶縁膜が形成されていることを特徴とする炭化珪素半導体素子。
2. 前記絶縁膜は、ＳｉＯ₂膜とＳｉＮ膜とが交互に積層された多層膜であることを特徴と
   する請求項１に記載の炭化珪素半導体素子。
3. 前記絶縁膜は、表面保護膜または層間絶縁膜であることを特徴とする請求項１または２に記載の炭化珪素半導体素子。
4. 原子炉または核融合炉の近傍における高放射線環境下に設置された機器の回路に組み込まれた請求項１〜３のいずれかに記載の炭化珪素半導体素子を動作させることを特徴とする炭化珪素半導体素子の運転方法。
5. 宇宙環境で使用される航空機、人工衛星、または惑星探査機に設置される電源回路または集積回路に組み込まれた請求項１〜３のいずれかに記載の炭化珪素半導体素子を動作させることを特徴とする炭化珪素半導体素子の運転方法。