JP2539427B2 - 炭化珪素半導体素子の製造方法 - Google Patents

炭化珪素半導体素子の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 <技術分野> 本発明は炭化珪素単結晶の成長用基板として独特の珪
素単結晶基板を用いて得られた炭化珪素単結晶を利用し
て形成した半導体素子構造に関するものである。
<従来技術> 炭化珪素半導体は広い禁制帯幅(2.2〜3.3eV)をもち
また熱的,化学的および機械的に極めて安定で放射線損
傷にも強いという特徴をもっている。従って、炭化珪素
を用いた半導体素子は従来珪素(Si)等の他の半導体で
は使用が困難な高温下,高出力駆動,放射線照射下等の
苛酷な条件下で使用できる素子材料として広範な分野で
の応用が期待される。しかしながら、炭化珪素半導体は
このような多くの利点、可能性を有する材料であるにも
かかわらず、実用化が阻まれているのは、生産性を考慮
した工業的規模での量産に必要な寸法・形状を制御性良
く規定した大面積かつ高品質の単結晶を安定に供給し得
る結晶成長技術が確立されていなかったところに原因が
ある。
従来、研究室規模では昇華再結晶法(レーリー法とも
称される)等で炭化珪素単結晶を成長させたり、このレ
ーリー法で得られた単結晶片上に気相成長法や液相成長
法で、より大きな炭化珪素単結晶をエピタキシャル成長
させることによって最小限実用可能なサイズの炭化珪素
単結晶を得ている。しかしながら、これらの単結晶は小
面積であり、寸法や形状を高精度に制御することは困難
である。また炭化珪素に存在する結晶多形(ポリタイ
プ)および不純物濃度の制御も容易でない。
一方、最近本発明者らによって珪素単結晶基板上に気
相成長法(CVD法)で良質かつ大面積の3c型炭化珪素単
結晶を成長させる方法が提案されている(特願昭58−76
842号)。この方法は安価で入手の容易な珪素単結晶基
板上に結晶多形,不純物濃度,寸法・形状等を制御した
大面積で高品質の炭化珪素単結晶を成長形成できる方法
である。また珪素単結晶基板の表面を炭化水素ガス雰囲
気下で加熱し炭化することで炭化珪素の薄膜を表面に形
成し、この薄膜上にCVD法により炭化珪素単結晶を成長
させる方法も開発されている。しかしながら、これらの
方法を用いても、珪素単結晶基板と得られた炭化珪素単
結晶の間の格子定数の相違にともなう内部応力は完全に
は除去することができず、反り,クラックを生じ、素子
作製段階では問題が生じる。
<発明の目的> 本発明は上述の問題点に鑑み、平坦な表面を有しかつ
この面に段差又は凹凸に形成した珪素単結晶基板を成長
用基板として用い、前記段差または凹凸の深さよりも薄
い膜厚の炭化珪素膜を成長させることで炭化珪素単結晶
成長領域を分割し、成長層内で内部応力の低減された結
晶性の良い炭化珪素単結晶を形成しこの炭化珪素単結晶
にpn接合ダイオードあるいはショットキーバリア接合型
電界効果トランジスタ等種々の半導体素子や集積回路等
を得る技術を提供することを目的とする。
<実施例1> 第1図,第2図,第3図はそれぞれ本発明の実施例の
説明に供する炭化珪素単結晶半導体素子の製作工程図で
あり、ダイオードとMES・FETの製作工程を例示してい
る。第4図は結晶成長に用いる成長装置の一例を示す構
成図である。
第1図(A)に示す如く結晶成長される面(111)に
設定された結晶成長用支持基板として用いる珪素単結晶
基板15の結晶成長用面にアルミニウム(Al)のマスク16
を選択的に形成した後、この面をフロンガス(CF4)と
酸素ガス(O2)を用いたリアクティブイオンエッチング
(RIE)法により、第1図(B)に示す如くマスク16の
被覆されていない部分に約3μmの深さで底面が平坦に
なるようにエッチングされた凹陥部を形成し、次にマス
ク16を除去して炭化珪素単結晶成長用基板14とする。15
分間のエッチングで凹凸の高低差は5μm程度となる。
またAlのマスク16は1mm径であり相互の配置間隔は1mmに
設定されている。この平坦な表面をもちかつ凹凸形状が
形成された珪素単結晶基板14を第4図に示す成長装置の
試料台2上に載置する。次に第4図の成長装置について
説明する。水冷式横型二重石英管1内に黒鉛製試料台2
が載置された石英製支持台3を設置し、反応管1の外胴
部に巻回されたワークコイル4に高周波電流を流してこ
の試料台2を誘導加熱する。試料台2は水平に設置して
もよく、適当に傾斜させてもよい。反応管1の片端には
ガス流入口となる枝管5が設けられ、二重石英管1の外
側の石英管には枝管6,7を介して冷却水が供給される。
反応管1の他端はステンレス製フランジ8で閉塞されか
つフランジ周縁に配設された止め板9,ボルト10,ナット1
1,O−リング12にてシールされている。フランジ8の中
央にはガス出口となる枝管13が設けられている。この成
長装置を用いて以下の如く結晶成長を行なう。Alマスク
16を除去した凹凸を有する珪素単結晶基板14にシランガ
ス(SiH4)とプロパンガス(C3H8)を原料ガスとして用
いた化学的気相成長法(CVD法)により炭化珪素単結晶
膜を成長させる。この成長工程は、まず珪素単結晶基板
14上にキャリア形成用ガスとしてジボランガス(B2H6
を付加することで約5μmのp型炭化珪素単結晶膜17を
凹凸の各平坦面毎に成長させ次に、B2H6ガスの供給を絶
ち、連続してノンドープn型珪素単結晶膜18を0.5μm
成長させる。炭化珪素半導体膜17,18形成後、炭化珪素
単結晶膜18上にソース電極19及びドレイン電極20として
Al、ゲート用ショットキー電極21として金(Au)を真空
蒸着で形成し、ショットキー接合形の電界効果トランジ
スタ(FET)を凹凸の各平坦部分に複数個並設して形成
することができる。このように凹凸を形成した珪素単結
晶基板14上に炭化珪素単結晶17,18を各凹凸の平坦面に
沿って分割形成することで、内部応力が低減され、結晶
性の良い炭化珪素単結晶を用いてFETが形成できる。相
互コンダクタンス(gm)は凹凸を形成しない珪素単結晶
基板を用いた場合0.5mSであるが、上記実施例では2mSと
大きくなり、特性の向上が得られる。上記実施例におい
て、p型炭化珪素単結晶膜17はCVD法で成長させる以外
に珪素単結晶基板14の表面を炭化させることにより形成
してもよい。即ち、キャリアガスとして水素(H2)ガス
を毎分10、また表面の炭化用としてプロパン(C3H8
ガスを毎分1.0cc程度流し、さらにキャリア形成用とし
てB2H6ガスを付加しワークコイル4に高周波電流を供給
して黒鉛試料台2を誘導加熱し、珪素単結晶基板14の温
度を約1350℃まで昇温する。この温度で珪素単結晶基板
14の表面は炭化されかつ表面よりBが侵入してp型炭化
珪素単結晶の薄い膜が形成される。また必要があればこ
の炭化珪素単結晶薄膜上に珪素原料のモノシラン(Si
H4)ガスと炭素原料のプロパン(C3H8)ガスを共に毎分
0.9ccの流量で供給しさらにB2H6ガスを付加することに
よりCVD法で充分な厚さのp型炭化珪素単結晶膜を成長
させる。
p型炭化珪素単結晶膜17上に重畳される炭化珪素の膜
は単結晶以外に多結晶やアモルファスの膜であってもFE
Tとして動作させることは可能である。
<実施例2> 上記実施例1においては凹凸を形成した珪素単結晶基
板14上に成長させた炭化珪素単結晶上に電界効果トラン
ジスタのみを形成したが、本実施例では凸部平坦面にFE
T、凹部平坦面にダイオードを形成している。第1図
(c)に示す如く凹凸を形成した珪素単結晶基板14上に
成長させた炭化珪素単結晶膜17,18上にエッチング用マ
スクとしてAlを被覆した後第2図(A)に示す如くCF4
とO2ガスを用いたリアクティブイオンエッチングにより
凹部平坦面の周縁部のみを部分的にエッチングしてn型
炭化珪素単結晶膜18を除去し、p型炭化珪素単結晶膜17
を露呈させる。凹部には露呈されたp型炭化珪素結晶膜
17表面とn型炭化珪素単結晶膜18表面の各々にダイオー
ド用電極22を形成してこの領域をp−n接合ダイオード
とする。凸部平坦面には上記実施例1と同様にAlのソー
ス電極19,ドレイン電極20及びAuのゲート用ショットキ
ー電極21を形成し、FETとして利用する。以上により第
2図(B)に示す如くダイオードとMES・FETを複数個同
一基板上に配列形成することができる。
上記実施例2において凹部又は凸部の平坦面の1つに
複数の異種素子を形成してもよい。
<実施例3> 上記実施例1,2においては凹凸を有する珪素基板上全
面に成長させた炭化珪素単結晶膜の略々全域に素子形成
を行なっているが、本実施例では凹凸を有する珪素基板
上の一部の炭化珪素単結晶を除去して素子を形成してい
る。
まず、実施例1と同様に凹凸を有する珪素基板14に第
1図(C)に示す如く炭化珪素単結晶膜17,18を形成す
る。次に、素子形成領域にのみAlマスク23を形成する。
次にCF4とO2を用いたリアクティブイオンエッチングに
よりAlマスク23の被覆されていない部分の炭化珪素単結
晶をエッチング除去し、第3図(A)に示す如く部分的
に炭化珪素単結晶膜17,18を残在させる。次に残在する
炭化珪素単結晶膜17,18上にMESFETのソース,ドレイン
用電極19,20としてAlを、ゲート電極21としてAuを蒸着
し、第3図(B)に示す如くMES・FETを形成する。本実
施例では凸部平坦面にMES・FETを形成しているが凹部平
坦面に形成しても良い。また炭化珪素単結晶膜17,18の
除去された珪素基板表面に不純物を気相拡散させて、こ
の部分にSiベースのダイオード等半導体素子を形成した
複合半導体基板とすることもできる。
さらに上記各実施例ではダイオードとMES・FETの作製
について説明したが、MOS・FETやpnpトランジスタある
いは論理回路や集積回路を形成することも容易である。
珪素基板のエッチングとしてはリアクティブイオンエ
ッチングを用いたが他のエッチング法を用いてもよい。
また珪素単結晶基板14の成長面は凹凸形状に加工する以
外に段階状に加工して段差を形成しても良く双方を混合
した加工状態としても良い。この場合、段差又は凹凸の
高低差は0.5μm以上にすることが炭化珪素単結晶膜の
成長厚さとの関係から望ましい。分断された個々の炭化
珪素単結晶膜は素子を形成するためのウェハーとしては
充分な面積を有するように成長されるので素子形成上問
題は生じない。
<発明の効果> 本発明によれば、内部応力の低減された良質の炭化珪
素単結晶膜を用いて素子を形成することにより、素子の
特性を大幅に改善することができ、炭化珪素半導体の利
点を活かした広範な応用分野を開拓することが可能とな
る。
【図面の簡単な説明】
第1図,第2図及び第3図はそれぞれ本発明の実施例を
説明する炭化珪素半導体素子の製作工程断面図である。
第4図は炭化珪素成長装置の断面図である。 14……珪素単結晶基板、16,23……アルミニウムマス
ク、17……p型炭化珪素単結晶膜、18……n型炭化珪素
単結晶膜、19……ソース電極、20……ドレイン電極、21
……ショットキーゲート電極、22……ダイオード用電
極。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤井 良久 大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャー プ株式会社内 (72)発明者 植本 敦子 大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャー プ株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−209856(JP,A)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】珪素単結晶基板上に段差又は凹凸を形成し
    た後、前記段差又は凹凸に対応して分断された珪素単結
    晶基板の各平坦面上に、前記段差又は凹凸の深さよりも
    薄い膜厚の炭化珪素膜を成長させ、前記炭化珪素膜への
    給電手段を形成することを特徴とする炭化珪素半導体素
    子の製造方法。
  2. 【請求項2】珪素単結晶基板面に形成された段差又は凹
    凸の高低差が0.5μm以上である特許請求の範囲第1項
    記載の炭化珪素半導体素子の製造方法。
  3. 【請求項3】珪素単結晶基板面として(111)面を用い
    た特許請求の範囲第1項又は第2項記載の炭化珪素半導
    体素子の製造方法。
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