JP4224253B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化珪素基板上に形成される炭化珪素半導体装置及びその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
炭化珪素(シリコンカーバイド、SiC)は、珪素(Si)に比べてバンドギャップが大きいことから高い絶縁耐性を有しており、また、高温においても安定な性質を有する半導体である。このような特性から、SiCは、次世代のパワーデバイスや高周波デバイス、高温動作デバイス等への応用が期待されている。
【0003】
SiCは、立方晶系の3C−SiCや六方晶系の6H−SiC、4H−SiC、あるいは菱面体系の15R−SiC等の多くの結晶構造をとりうることが知られている。この中で、実用的なSiCの半導体装置を作製するために一般的に使用されているのが6H−SiC及び4H−SiCである。
【0004】
この6H−SiC及び4H−SiC層では、c軸の結晶軸に垂直な(0001)面にほぼ一致する面を主面とする基板が広く用いられている。
【0005】
SiC半導体装置は、SiC基板上にエピタキシャル成長層を形成した後、同層に不純物ドーピングやエッチングなど、装置の種類に応じ加工を加えることにより形成される。例えば、ダイオードであれば、p型ドープ層、i層(イントリンシック(真性半導体)層)、n型ドープ層などを基板上に形成することになり、FETの場合には、ソース・ドレイン領域や、チャネル層などを基板上に設けることになる。
【0006】
大容量で高耐圧のパワーデバイスは、素子の縦方向、つまり素子の上面から裏面に向かって電流が流れたり、上面と裏面との間に電圧が印加されたりする縦型の素子構造をしたものが多い。このような縦型半導体装置は、上面と裏面のそれぞれに電極が設けられた構成となっている。
【0007】
図10は、SiC基板を用いた従来のショットキーダイオードを示す断面図である。同図に示すように、縦型半導体装置がショットキーダイオードの場合、n型のSiC基板101の主面上(上面上)にはn型不純物を含むSiCからなる厚さ20μmのエピタキシャル成長層103が設けられ、エピタキシャル成長層103の上には、Au(金)からなるショットキー電極106と電界集中を防ぐためのガードリング105とが設けられている。また、SiC基板101の裏面上にはNi(ニッケル)からなるオーミック電極が設けられている。
【0008】
また、縦型MOSFETの場合には、基板の上面上にソース電極及びゲート電極が、裏面上にオーミック電極であるドレイン電極が設けられた構造となっている。
【0009】
次に、SiCを用いた縦型半導体装置を製造する際のエピタキシャル成長技術について説明する。
【0010】
図7は、炭化珪素膜形成用の一般的な縦型薄膜成長装置の構成を概略的に示す図である。同図に示すように、一般的な炭化珪素の薄膜成長装置は、反応炉50と、基板51を固定するためのカーボン製のサセプタ52と、支持軸53と、試料を加熱するためのコイル54と、反応炉50に原料ガス55,希釈ガス56及びドーパントガス57を供給するためのガス供給系58と、反応炉50内からガスを排気するためのガス排気系59と、圧力調整のためのバルブ60とを備えている。
【0011】
この装置では、原料ガス55、希釈ガス56及びドーパントガス57は、矢印で示すように、ガス供給系58から反応炉50に供給される。原料ガス55,希釈ガス56及びドーパントガス57は反応炉50内に入った後、排気管61を通り、ガス排気系59により排気される。反応炉50内の圧力は圧力調整用のバルブ60によって調節される。また、支持軸53により支えられたサセプタ52は、反応炉50の周りに巻かれたコイル54を用いた高周波誘導加熱により加熱される。
【0012】
この縦型薄膜成長装置を用いてSiC基板上にエピタキシャル成長層を形成する手順は以下の通りである。
【0013】
まず、反応炉50に希釈ガス(例えば水素ガス)を導入して、炉内の圧力を大気圧または大気圧以下に調整する。この状態で、コイル54に高周波電力を印加して基板51を加熱し、基板温度を1500℃以上とする。
【0014】
次に、炭素を含むガス(例えばプロパン)及び珪素を含むガス(例えばシラン)を導入すると同時に、ドーパントガス57をガス供給系58から供給することにより、基板51の上にn型もしくはp型にドーピングされたエピタキシャル成長層を形成させることができる。なお、n型ドーピングの場合には例えば窒素、p型ドーピングの場合には例えばアルミニウムを含むガスがドーパントガス57として用いられる。
【0015】
次に、原料ガス55及びドーパントガス57の供給を止めて、コイル54への高周波電力の印加を停止して加熱を終了し、基板51を冷却する。
【0016】
この方法により、基板51上にエピタキシャル成長層を形成させることができる。なお、このエピタキシャル成長層の厚みやキャリア密度は、SiC半導体装置が所望の耐圧やオン電流を得られるように決定される。
【0017】
図9は、従来のSiC層の成長方法における、原料ガス及び不純物ドーパントガスの流量と基板温度の時間変化とを示す図である。
【0018】
同図に示すように、従来のSiC層の成長方法では、基板温度がエピタキシャル成長温度(例えば1500℃)に達してから原料ガス及び不純物ドーパントガスの供給を開始する。そして、エピタキシャル成長中は、原料ガス及びドーパントガスの流量を一定とする。その後、原料ガス及びドーパントガスの供給を止めると同時に基板の加熱を中止し、SiC層の成長を止める。
【0019】
以上のような方法を用いることにより、従来の縦型半導体装置のSiC層が形成される。
【0020】
【発明が解決しようとする課題】
上述の通り、SiCを用いた縦型半導体装置は、電力消費が小さく、且つ耐圧性が高いため、パワーデバイスとして各種機器に好ましく用いられる。ところが、機器の動作状況によっては、定格値を超える高電圧が半導体装置に印加されることがあり、図10に示すような従来のショットキーダイオードでは、一時的に絶縁破壊を起こすことがあった。
【0021】
この絶縁破壊は、高い逆バイアス電圧が印加され、半導体装置のエピタキシャル成長層に広がった空乏層がSiC基板内にまで到達することにより起こる。一般的に、SiC基板の結晶性はエピタキシャル成長層の結晶性に比べて劣り、且つ不純物ドーパント濃度も高い。このため、基板内に形成された空乏層において加速されたキャリアによって破壊現象が発生し、これによって半導体装置の破壊が引き起こされると考えられる。
【0022】
このような不具合を避けるために、エピタキシャル成長層を、定格値を超える電圧が印加されても空乏層が基板に到達しないように十分厚くするという対策が従来から施されている。
【0023】
しかしながら、半導体装置のエピタキシャル成長層の厚みを2倍厚くすることは、この層における抵抗成分が2倍大きくなることに相当するため、半導体装置における電力損失が大きくなるという新たな問題が生じていた。
【0024】
このように、従来技術では、SiCを用いて素子を作製しても、その優れた物性値から期待されるような高耐圧性や超低損失性といった特性を得ることが困難であった。
【0025】
本発明の目的は、機器での使用に耐え得る高耐圧性を有する半導体素子及びその製造方法を提供することにある。
【0026】
本発明の半導体装置は、第1導電型の不純物を含む半導体基板と、上記半導体基板上に設けられ、上記半導体基板よりも高い濃度で第1導電型の不純物を含むエピタキシャル成長により形成された半導体からなる第1の高濃度不純物ドープ層と、上記第1の高濃度不純物ドープ層の上に設けられ、上記第1の高濃度不純物ドープ層よりも低い濃度で第1導電型の不純物を含む第1の半導体層とを備え、動作時には、キャリアが上記半導体基板、上記第1の高濃度不純物ドープ層及び上記第1の半導体層を通過して走行する。
【0027】
これにより、逆方向バイアスの印加時に、第1の高濃度不純物ドープ層の上方から延びる空乏層が、第1の高濃度不純物ドープ層内に止められて半導体基板に到達しにくくすることができるので、半導体装置の耐圧性を向上させることができる。加えて、半導体基板第1の半導体層との間にドーパント濃度が低い高抵抗な領域を挟まないので、従来の半導体装置に比べて電気抵抗を低減することができる。
【0028】
上記半導体基板はSi,SiC,GaN,GaAs,InPのうちから選ばれた1つの材料から構成されていることにより、高耐圧で低損失の半導体装置を実現することができる。
【0029】
上記半導体基板、上記第1の高濃度不純物ドープ層及び上記第1の半導体層は共にSiCから構成されていることにより、高耐圧で低損失の上、放熱性の良好な半導体装置を実現することができる。このため、消費電力が小さく、且つ熱の蓄積を起こしにくい半導体装置として、耐圧性が要求される各種機器において、好ましく利用され得る。
【0030】
上記第1の高濃度不純物ドープ層はエピタキシャル成長により形成されていることにより、第1の高濃度不純物ドープ層の結晶欠陥の密度を低くすることができるので、半導体装置の耐圧性を向上させることができる。
【0031】
上記第1の高濃度不純物ドープ層に含まれる不純物の濃度は、1×1018atoms・cm-3以上1×1020atoms・cm-3以下であることが好ましい。第1の高濃度不純物ドープ層に含まれる不純物の濃度が1×1018atoms・cm-3以上であることで、逆方向バイアスの印加時に、第2の半導体層を必要以上に厚くすることなく所定の耐圧性を確保することができる。また、第1の高濃度不純物ドープ層に含まれる不純物の濃度が1×1020atoms・cm-3以下であることにより、第1の高濃度不純物ドープ層の結晶性が良好に保たれるので、半導体装置の耐圧性を良好に保つことができる。
【0032】
上記第1の高濃度不純物ドープ層の厚みは、10nm以上且つ1000nm以下であることにより、逆方向バイアス印加時に空乏層が第1の半導体層に到達するのを防ぐと共に、動作時における半導体装置の電力損失を小さくすることができる。
【0033】
記第1の高濃度不純物ドープ層に含まれる不純物は、in-situドーピングによって導入されたものであることにより、第1の高濃度不純物ドープ層の結晶性を良好に保つことができる。
【0034】
上記第1の半導体層は、エピタキシャル成長により形成されていることにより、第1の半導体層の結晶性を良好にすることができるので、半導体装置の耐圧を高めることができる。
【0035】
上記第1の半導体層の上に設けられ、上記第1の半導体層とショットキー接触するショットキー電極と、上記半導体基板の裏面上に設けられ、上記半導体基板とオーミック接触するオーミック電極とをさらに備えていることにより、高耐圧で低損失のショットキーダイオードを実現することができる。
【0036】
また、上記第1の半導体層の上に設けられ、上記ショットキー電極を囲む絶縁体からなるガードリングをさらに備えていることにより、上記第1の半導体層の上端部において、電界集中による絶縁破壊の発生を防止することができる。
【0037】
上記第1の半導体層の上方に設けられ、第2導電型の不純物を含む第2の半導体層と、上記第2の半導体層の上に設けられた上部電極と、上記半導体基板の裏面上に設けられた下部電極とをさらに備え、pnダイオードとして機能する半導体装置を実現することもできる。
【0038】
この場合、上記第1の半導体層と上記第2の半導体層との間に設けられ、上記第2の半導体層よりも高濃度で第2導電型の不純物を含む第2の高濃度不純物ドープ層をさらに備えていることにより、第1の半導体層第2の半導体層との間の電気抵抗が低減されるので、動作時の電力損失をさらに低減することができる。
【0039】
上記第2の半導体層はエピタキシャル成長されたSiCから構成されていることにより、第2の半導体層の結晶性が良好になっているので、好ましい。
【0040】
上記第1の半導体層のうち一部の領域に第2導電型の不純物イオンを注入して設けられ、チャネルとして機能する第1のウェルと、上記第1の半導体層と上記第1のウェルの上に設けられたゲート絶縁膜と、上記ゲート絶縁膜の上に設けられたゲート電極と、上記第1のウェルのうち、上記ゲート電極の両側方に位置する領域に第1導電型の不純物イオンを注入して設けられた上記第2のウェルと、上記第2のウェルの上に設けられた第1の電極と、上記半導体基板の裏面上に設けられた第2の電極とをさらに備え、縦型構造のMISFETとして機能する半導体装置を実現することもできる。
【0041】
本発明の半導体装置の製造方法は、薄膜成長装置の反応炉に第1の原料ガス、第2の原料ガス及び不純物ドーパントガスを供給して、半導体基板上に、上記半導体基板よりも高濃度に第1導電型の不純物を上記第1の原料ガスに含まれる構成元素のあるべき位置に含む第1の高濃度不純物ドープ層をエピタキシャル成長させる工程(a)と、上記工程(a)の後に上記第1の高濃度不純物ドープ層の上に上記第1の高濃度不純物ドープ層よりも低濃度に第1導電型の不純物を含む第1の半導体層をエピタキシャル成長させる工程(b)とを含み、上記工程(a)の開始時には、上記工程(b)の開始時に比べ上記第1の原料ガスの供給量を小さくして上記第1の原料ガスと上記第2の原料ガスとの供給量の比を変え上記不純物ドーパントガスの供給量を大きくする
【0042】
この方法により、第1の高濃度不純物ドープ層の結晶において、第1の原料ガスに含まれる第1の高濃度不純物ドープ層の構成元素のあるべき位置に第1導電型の不純物が取り込まれやすくなるので、第1の高濃度不純物ドープ層の不純物濃度を高くすることができる。
【0043】
上記工程(a)の開始時には、上記工程(b)の開始時に比べ上記不純物ドーパントガスの供給量を大きくすることにより、さらに効率的に第1の半導体層の不純物濃度を高くすることができるようになる。
【0044】
上記工程(a)の開始時には、上記工程(b)の開始時に比べ基板温度を低くすることにより、第1の半導体層の形成速度を第2の半導体層の形成速度よりも落とすことができるので、第1の半導体層に含まれる不純物濃度を、第2の半導体層に含まれる不純物濃度よりも高くすることができる。
【0045】
上記工程(a)は、上記不純物ドーパントガスの供給量を連続的に減少させる工程(a1)をさらに含むことにより、第1の半導体層において、深さ方向の不純物濃度の変化を緩やかにすることができるので、第1の半導体層の電気抵抗を低減することができる。
【0046】
上記半導体基板はSiCから構成されていることにより、高耐圧で低損失な半導体装置を形成することができる。
【0047】
上記第1の高濃度不純物ドープ層及び第1の半導体層は共にSiCから構成されていることにより、高耐圧で低損失な半導体装置を形成することができる。
【0048】
上記不純物ドーパントガスは窒素またはホスフィンであり、上記第1の原料ガスは炭素の原料ガスであることにより、窒素はSiC結晶中の炭素のあるべき位置に入りやすいので、高濃度でn型の不純物を含む第1の半導体層を効率的に形成することが可能になる。
【0049】
上記第1の原料ガスは、プロパン,メタン,アセチレン,エタン,エチレン,プロピレン及びブタンのうちから選ばれた1つであることが好ましい。
【0050】
上記不純物ドーパントガスはトリメチルアルミニウムガスまたはジボランガスであり、上記第1の原料ガスはシリコンの原料ガスであることにより、AlはSiC結晶中のシリコンのあるべき位置に入りやすいので、第1の半導体層がp型半導体であっても効率的に製造することが可能になる。
【0051】
上記第1の原料ガスはシランガスまたはジシランガスであることが好ましい
【0052】
【発明の実施の形態】
−素子構成についての検討−
本願発明者らは、電気抵抗を増加させずにSiC半導体装置の耐圧性を向上させるために、エピタキシャル成長層の厚さを必要以上に厚くすることなく耐圧性を向上させる方法を検討した。
【0053】
そして、検討の過程において、エピタキシャル成長層の厚さを変えた複数のショットキーダイオードを作製し、その耐圧性と抵抗値について測定した。
【0054】
その結果、予想通り、10μm程度に薄くしたエピタキシャル成長層を有するショットキーダイオードでは、図10に示すショットキーダイオードに比べて耐圧性と共に抵抗値も小さくなっていた。しかしながら、本願発明者らは、ショットキーダイオードの抵抗値は、シミュレーション等で予測される値よりも大きくなることに気付いた。そして、この原因について調べたところ、SiC基板101とエピタキシャル成長層103との間にドーパント濃度が含まれない領域、もしくはドーパント濃度が低い領域が存在するためであることが分かった。このような低抵抗な領域は、ドーパントガスの供給を開始した直後に、ドーパントガスの供給が不安定になることにより生じると考えられた。これは、低いドーパント濃度のエピタキシャル成長層を形成する場合にはさらに顕著になる。
【0055】
このため、電気的特性の良いSiC半導体装置を作製するために、耐圧性の向上のみならず、電気抵抗の低減をも図ることができる方法が探索された。
【0056】
種々の検討の結果、本願発明者らは、不純物を含む基板上に、より高濃度の不純物を含み、基板と同じ導電型のSiC層を設けることにより、半導体装置の動作時に空乏層が基板に達するのを防ぐことができることを見いだした。
【0057】
また、高濃度に不純物をドーピングしたSiC層を設けることにより、従来エピタキシャル成長層と基板との間に存在した不純物濃度が低い領域を無くすことができることも確認された。すなわち、基板上に高濃度で不純物を含むドープ層(以下、「高濃度不純物ドープ層」と称する)を設けることで、耐圧性が向上すると同時に、電気抵抗の低減も図ることができることが分かった。
【0058】
−SiC層の成長条件の検討−
次に、本願発明者らは、図7に示す縦型薄膜成長装置を用いて、高濃度不純物ドープ層をより効率良く成長するための条件について検討を行った。その結果、次のような手順で高濃度不純物ドープ層を成長させることとした。
【0059】
図2は、本発明のSiC層の成長方法における、原料ガス及び不純物ドーパントガスの流量と基板温度の時間変化とを示す図である。
【0060】
ここで、図9に示す従来のエピタキシャル成長層の形成方法と比較すると、本発明のSiC層の形成方法においては、不純物ドーパントガスである窒素の供給量とプロパンガスの供給量が工程中で変化していることが分かる。すなわち、高濃度不純物ドープ層を形成する際には、窒素ガスの流量を1.0mL/min程度に大きくすると共に、炭素の原料ガスであるプロパンガスの流量を0.6mL/min程度に小さくし、エピタキシャル成長層の形成工程では窒素ガスの流量を0.2mL/min、プロパンガスの流量を3.0mL/minとする。また、Siの原料ガスであるシランガスの流量はSiC層の形成工程を通して3.0mL/minに調節されており、原料ガスのC(炭素)/Si比は、高濃度不純物ドープ層の形成時では、0.6に、エピタキシャル成長層の形成工程では、3になっている。
【0061】
また、基板温度は、高濃度ドープ層の形成工程では1500℃に設定し、エピタキシャル成長層の形成工程では1600℃に設定することとした。
【0062】
この高濃度不純物ドープ層の形成工程においては、次の3つの工夫により、SiCへの不純物の導入が図られている。
【0063】
まず工夫の第1は、高濃度不純物ドープ層の形成工程で、窒素ガスの供給量を大きくしていることである。エピタキシャル成長中のSiC表面で窒素ガス濃度が上がれば、SiC結晶に取り込まれる窒素の量も増加する。
【0064】
工夫の第2は、高濃度不純物ドープ層の形成工程で、炭素の原料ガスの供給量を小さくしていることである。これにより、SiC結晶中の炭素が入るべき位置に窒素が入りやすくなり、SiC層に取り込まれる不純物濃度を上げることができる。
【0065】
なお、不純物によって炭素とシリコンのどちらの位置に入りやすいかは多少異なっている。窒素は炭素の位置に入りやすいため、不純物が窒素の場合はプロパンガスの供給量を小さくするのが好ましく、Alはシリコンの位置に入りやすいため、不純物がAlの場合にはシランガスの供給量を小さくするのが好ましい。
【0066】
次に、工夫の第3は、高濃度不純物ドープ層の形成工程において、基板温度をできるだけ低く設定していることである。これにより、SiC層を低速で成長させることができるので、不純物の取り込み量を多くすることができる。
【0067】
以上の理由から、本発明のSiC層の形成方法を用いれば、不純物濃度が1×1018atoms・cm-3を越えるSiC層を効率良く形成することができる。
【0068】
以下に、この方法を用いたSiC半導体装置及びSiC半導体基板の実施例を説明する。
【0069】
(第1の実施形態)
まず、本発明の第1の実施形態として、基板とエピタキシャル成長層との間に基板に比べて不純物濃度の高い、高濃度不純物ドープ層を備えたSiC基板の製造方法について以下に説明する。
【0070】
図1(a)〜(c)は、本発明の第1の実施形態に係るSiC基板の製造方法を示す断面図である。
【0071】
まず、図1(a)に示す工程で、SiCからなる基板1を準備する。基板1としては、[11 -20]方向に8度のオフ角度がついた直径50mmのn型の(0001)面SiC基板(4H−SiC基板)を用いる。基板1のドーパント濃度は約1×1018atoms・cm-3である。
【0072】
この基板1を、流量が5L/minの酸素でバブリングされた水蒸気雰囲気中に置き、1100℃で約3時間熱酸化処理を施す。これにより、基板1の表面に厚さ約40nm(400Å)の熱酸化膜を形成し、その後、バッファード弗酸(弗酸:フッ化アンモニウム水溶液=1:7)により、その熱酸化膜を除去する。
【0073】
次に、図1(b)に示す工程で、CVD法により基板1上に高濃度不純物ドープ層2を形成する。以下にその具体的な方法を以下に述べる。
【0074】
まず、図7に示す縦型薄膜成長装置のサセプタ52に基板1を設置し、反応炉50内を10-5Pa程度の真空度になるまで減圧する。次いで、ガス供給系58より、希釈ガス56である水素ガスを2L/minの流量で供給して反応炉50内の圧力を90kPaとする。反応炉50内の圧力はバルブ60を調節することにより制御される。水素ガスの流量を維持した状態で、誘導加熱装置を用いて、コイル54に、20.0kHz、20kWの高周波電力を印加し、サセプタ52を加熱する。本工程中、基板1の温度は1500℃で一定となるように制御される。
【0075】
次に、水素ガスの流量を2L/minとして一定に保ったまま、原料ガス55のプロパンガスとシランガス、及びn型ドーパントである窒素ガスを反応炉50のガス供給口より供給する。原料ガス55及びドーパントガス57はそれぞれ水素ガスで希釈して供給する。
【0076】
高濃度不純物ドープ層2の形成開始直後のシランガス、プロパンガス及び窒素ガスの流量はそれぞれ3.0mL/min、0.6mL/min及び1.0mL/minとする。
【0077】
シランガス(モノシラン)は、1分子につき1個のSiを有し、プロパンガスは1分子につき3個の炭素を有しているので、この場合の原料ガスの炭素/シリコン比は0.6である。このままの状態で、少なくとも10分間は原料ガス及び窒素ガスを流し続ける。なお、炭素/シリコン比とは、単位時間あたりに反応炉50に供給されるCとSiの原子数比、つまり(炭素原子数)/(シリコン原子数)の値のことを意味する。
【0078】
その後、図2に示すように、プロパンガスの流量を連続的に増加させると共に、窒素ガス(不純物ドーパントガス)の流量を連続的に減少させて、5分後にそれぞれ3.0mL/min及び0.2mL/minとなるようにする。この間、シランガスの流量は3.0mL/minで一定にしておく。
【0079】
この工程により、厚みが約100nmで、ドーパント濃度が約1×1019atoms・cm-3のn型の高濃度不純物ドープ層2が基板1上に形成される。
【0080】
次に、図1(c)に示す工程で、引き続きCVD法により高濃度不純物ドープ層2上にエピタキシャル成長層を形成する。具体的な方法を以下に述べる。
【0081】
まず、基板温度を上昇させて、1600℃で一定となるようにする。そして、本工程中、シランガス、プロパンガス及び窒素ガスの流量はそれぞれ3.0mL/min、3.0mL/min及び0.2mL/minとする。
【0082】
この時の炭素/シリコン比は3であり、高濃度不純物ドープ層2形成時の炭素/シリコン比に比べて高い値となっている。この工程により、厚みが約10μmで、キャリア密度が約1×1016atoms・cm-3のn型のエピタキシャル成長層3が高濃度不純物ドープ層2上に形成される。
【0083】
この方法によって形成したSiC薄膜の深さ方向のドーパント濃度分布について、2次イオン質量分析装置(SIMS)を用いて測定した。その結果、高濃度不純物ドープ層2において、窒素の濃度が一旦増加してから上方に向かって徐々に減少すること、及び高濃度不純物ドープ層2の厚みは約100nmであることが分かった。
【0084】
以上の方法によって作製された本実施形態のSiC基板は、基板1と、基板1上に設けられた厚さ100nmの高濃度不純物ドープ層2と、高濃度不純物ドープ層2の上に設けられた厚さ10μmのn型SiCからなるエピタキシャル成長層3とを備えている。
【0085】
ここで、本実施形態のSiC基板における高濃度不純物ドープ層2は、厚みが100nmで不純物濃度が1×1019atoms・cm-3である例を示したが、厚みは少なくとも10nm以上1000nm以下が好ましく、不純物濃度は1×1018atoms・cm-3以上1×1020atoms・cm-3以下であることが好ましい。これは、以下の理由による。
【0086】
図8は、4H−SiCのn型ドープ層における不純物濃度と抵抗率とをまとめた表を示す図である。
【0087】
ここで、抵抗率ρ(Ω・cm)の半導体の抵抗値R(Ω)は、電流の流れる断面積をS(cm2 )、厚みをL(cm)とすると、次式で表される。
【0088】
R=ρ×(L/S) (1)
図8と式(1)とから、高濃度不純物ドープ層2とエピタキシャル成長層3の抵抗値を比較してみる。高濃度不純物ドープ層2の厚みが100nmで不純物濃度が1×1019atoms・cm-3で、エピタキシャル成長層3の厚みが10μmで不純物濃度が1×1016atoms・cm-3の場合、抵抗率はそれぞれ0.015(Ω・cm)と1(Ω・cm)で、厚みの比は1:100であるので、エピタキシャル成長層3の抵抗値は、高濃度不純物ドープ層2の抵抗値よりも約4桁近く大きくなる。この場合、高濃度不純物ドープ層2の抵抗値は、エピタキシャル成長層3の抵抗値に比べると、無視できる程小さいと言える。
【0089】
次に、高濃度不純物ドープ層2の厚みを1000nm、不純物濃度を1×1018atoms・cm-3まで下げた場合、高濃度不純物ドープ層2の抵抗率は0.065
(Ω・cm)、高濃度不純物ドープ層2とエピタキシャル成長層3との厚みの比は1:10となるので、高濃度不純物ドープ層2の抵抗値は、エピタキシャル成長層3の抵抗値の1%弱(0.65%)となる。これ以上高濃度不純物ドープ層2の抵抗値が大きくなると、抵抗値を無視できなくなるため、高濃度不純物ドープ層2の厚みは1000nm以下が好ましく、不純物濃度は1×1018atoms・cm-3以上であることが好ましい。
【0090】
また、不純物濃度が高いと抵抗値は小さくなるが、不純物濃度が1×1020atoms・cm-3を越えるとSiCの結晶性が悪くなり、耐圧性の低下を来すおそれがあるため、高濃度不純物ドープ層2の不純物濃度は1×1018atoms・cm-3以上1×1020atoms・cm-3以下とする。
【0091】
また、高濃度不純物ドープ層2の厚みの範囲について、10nm以上としたのは、厚みが10nmを下回ると、十分な耐圧性が得られないおそれがあるからである。
【0092】
なお、図8に示すのはn型不純物を含む4H−SiC層の場合であり、6H−SiC層の場合や不純物がp型の場合は抵抗率が異なってくる。しかし、これらの場合でも、図8に示すような、不純物濃度と抵抗率との逆比例関係が成立するので、高濃度不純物ドープ層2は、厚みが10nm〜1000nmで不純物濃度の範囲を1×1018atoms・cm-3以上1×1020atoms・cm-3以下としてよい。
【0093】
以上のように、本実施形態のSiC基板では、抵抗値を上げることなく耐圧性の向上が図られている。本実施形態のSiC基板を用いたデバイスの耐圧性については、以後の実施形態で説明する。
【0094】
なお、本実施形態のSiC層の形成方法においては、不純物ドーパントガスとして窒素を用いて高濃度不純物ドープ層2及びエピタキシャル成長層3を形成したが、基板1と同じ導電性を示すドーパントであればリンを含むホスフィン(PH3)、他の不純物を含むドーパントガスを用いても差し支えない。
【0095】
なお、本実施形態においては、n型のSiC基板を使用したため不純物ドーパントガスとして窒素を用いて高濃度不純物ドープ層を形成したが、p型のSiC基板を使用する場合にはp型の不純物を含む不純物ドーパントガス、例えばTMA(トリメチルアルミニウム)ガスやジボランガスを用いる。この時には、高濃度不純物ドープ層2の形成工程において、シランガスの流量をプロパンガスの流量よりも小さくすれば、より好ましい。
【0096】
本実施形態の方法では、図1(b)に示す高濃度不純物ドープ層2の形成工程における基板温度を1500℃としたが、1500℃以上で、エピタキシャル成長層形成時の基板温度よりも低い温度であればよい。
【0097】
また、本実施形態の方法では、in-situドーピングによって高濃度不純物ドープ層2に窒素を導入したが、イオン注入によって窒素イオンを導入することも可能である。ただし、イオン注入を行なうと結晶構造に損傷が入りやすいので、本実施形態の方法を採ることが好ましい。
【0098】
なお、図2(b)に示す高濃度不純物ドープ層2の形成工程では、シランガスの供給量を一定にしてプロパンガスの供給量を減らしているが、シランガスの供給量を変化することによって炭素/シリコン比を変えることもできる。
【0099】
なお、本実施形態の半導体装置の製造方法において、炭素の原料ガスとしてプロパンガスを用いたが、その他にメタン(CH4),アセチレン(C22),エタン(C26),エチレン(C24),プロピレン(C36)及びブタン(C410)を用いることもできる。
【0100】
また、Siの原料ガスとして、シランガスの他にジシラン(Si26)を用いることもできる。
【0101】
(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態として、第1の実施形態に係るSiC基板を用いて作製したショットキーダイオードについて説明する。
【0102】
図3(a)〜(c)は、本実施形態に係るショットキーダイオードの製造工程を示す断面図である。
【0103】
図3(c)に示すように、本実施形態のショットキーダイオードは、n型の4H−SiCからなる基板11と、基板11の主面上に設けられ、基板11よりも高濃度のn型不純物を含む厚さ約100nmの高濃度不純物ドープ層12と、高濃度不純物ドープ層12上に設けられ、n型不純物を含むSiCからなる厚さ10μmのエピタキシャル成長層13と、エピタキシャル成長層13の上に設けられ、その一部が開口したシリコン酸化物(SiO2)からなるガードリング15と、エピタキシャル成長層13のうちガードリング15が開口した領域の上に設けられたAuからなるショットキー電極16と、基板11の裏面上に蒸着により形成されたNiからなるオーミック電極14とを備えている。そして、基板11、高濃度不純物ドープ層12及びエピタキシャル成長層13に含まれるn型不純物の濃度は、それぞれ1×1018atoms・cm-3、1×1019atoms・cm-3及び1×1016atoms・cm-3である。
【0104】
次に、本実施形態のショットキーダイオードの製造方法について説明する。
【0105】
まず、図3(a)に示す工程で、CVD法により基板11上に高濃度不純物ドープ層12を形成する。ここで、基板11としては、[11 -20]方向に8度のオフ角度がついた直径50mmのn型の(0001)面SiC基板(4H−SiC基板)を用いる。
【0106】
以下に、高濃度不純物ドープ層12を形成するための具体的な方法を説明する。なお、この手順は第1の実施形態と同じである。
【0107】
まず、図7に示す縦型薄膜成長装置のサセプタ52に基板11を設置した後、反応炉50内を10-5Pa程度の真空度になるまで減圧する。次いで、ガス供給系58より希釈ガス56である水素ガスを2L/minの流量で供給し、反応炉50内の圧力を90kPaとする。反応炉50内の圧力は、バルブ60により調節することができる。続いて、水素ガスの流量を維持しながら、誘導加熱装置を用いて、20.0kHz、20kWの高周波電力をコイル54に印加し、サセプタ52を加熱する。本工程において、基板11の温度は1500℃で一定となるように制御される。
【0108】
次に、水素ガスの流量を2L/minとして一定に保ったまま、炭素の原料ガスであるプロパンガスとシリコンの原料ガスであるシランガス、及びn型ドーパントである窒素ガスを反応炉50のガス供給口より供給する。
【0109】
高濃度不純物ドープ層12の形成開始直後のシランガス、プロパンガス及び窒素ガスの流量はそれぞれ3.0mL/min、0.6mL/min及び1.0mL/minとする。この場合の原料ガスの炭素/シリコン比は0.6である。続いて、少なくとも10分間はこれらの流量値を一定としたまま原料ガス及び窒素ガスを流し続ける。
【0110】
その後、シランガスの流量を3.0mL/minで一定としたまま、プロパンガスの流量を連続的に増加させ、さらに、窒素ガスの流量を連続的に減少させて、5分後にそれぞれ3.0mL/min及び0.2mL/minとなるようにする。なお、ここで、原料ガス及び窒素ガスの流量を急激に変えず、連続的に変えることにより、高濃度不純物ドープ層12中の窒素濃度の変化を緩やかにすることができるので、高濃度不純物ドープ層12の抵抗値を下げることができる。
【0111】
以上の工程により、厚みが約100nmで、窒素濃度が約1×1019atoms・cm-3のn型の高濃度不純物ドープ層12が基板11上にエピタキシャル成長される。
【0112】
次に、図3(b)に示す工程では、高濃度不純物ドープ層12上にエピタキシャル成長層13を形成する。具体的な方法を以下に述べる。
【0113】
まず、基板温度を上昇させて、1600℃で一定となるようにする。本工程において、シランガス、プロパンガス及び窒素ガスの流量はそれぞれ3.0mL/min、3.0mL/min及び0.2mL/minである。この時の炭素/シリコン比は3であり、高濃度不純物ドープ層12の形成時の炭素/シリコン比に比べて高い値となっている。この工程により、厚みが約10μmで、キャリア密度(窒素濃度)が約1×1016atoms・cm-3のエピタキシャル成長層13が高濃度不純物ドープ層12上に形成される。
【0114】
次に、図3(c)に示す工程で、基板11の裏面に、真空蒸着装置を用いてニッケル(Ni)を蒸着した後、1000℃で加熱することでNiからなるオーミック電極14を形成する。
【0115】
続いて、エピタキシャル成長層13の上にCVD法などによりシリコン酸化膜を形成した後、その一部をエッチングにより開口してガードリング15を形成する。次いで、エピタキシャル成長層13のうちガードリング15が開口した領域の上に、金(Au)を蒸着してなるショットキー電極16を形成する。
【0116】
このようにして形成した本実施形態のショットキーダイオードについて、電流電圧特性を調べた。比較のために、基板上に高濃度不純物ドープ層を形成しない従来の方法でエピタキシャル成長層を形成したSiC基板についても同様のショットキーダイオードを作製して、電流電圧特性を調べた。以下、従来の方法で作製されたこのショットキーダイオードを「従来のショットキーダイオード」と称する。ここで作製された従来のショットキーダイオードは、図9に示すショットキーダイオードと異なり、エピタキシャル成長層の厚みは約10μm、キャリア密度は1×1016atoms・cm-3とし、高濃度不純物ドープ層を設けないことを除いては、本実施形態のショットキーダイオードと同じ素子構成とした。
【0117】
これらのショットキーダイオードに電圧を印加した時の動作特性について測定した。
【0118】
図4は、本実施形態のショットキーダイオード及び従来のショットキーダイオードの電流−電圧特性を示す図である。ここではショットキー電極側に印加する電圧を正電圧とする。
【0119】
同図に示すように、本実施形態のショットキーダイオードでは、従来のショットキーダイオードに比べて同じ電圧に対するオン電流が約2倍近い値になっていることが分かった。
【0120】
これは、本実施形態のショットキーダイオードにおいて、基板11とエピタキシャル成長層13との間に不純物濃度の低い低抵抗な領域が生じないため、抵抗値が小さくなり、順方向電圧を印加した時のオン電流が大きくなったからであると考えられる。
【0121】
一方、オン電流が流れ始めるときの順方向電圧であるオン電圧は、両ダイオードとも約1Vで差は見られなかった。
【0122】
次に、両ショットキーダイオードの耐圧特性を比較するために、逆バイアス電圧を印加して絶縁破壊を起こす電圧である逆耐圧について測定した。
【0123】
この結果、本実施形態のショットキーダイオードの耐圧は、従来のショットキーダイオードに比べて約20%近く高くなっていることが分かった。
【0124】
これは、本実施形態のショットキーダイオードでは、基板に比べて高いドーパント濃度の高濃度不純物ドープ層が設けられているために、逆バイアス電圧を印加した際に、ショットキー電極側から広がる空乏層が基板にまで到達しないことに起因すると考えられる。
【0125】
これらの結果から、基板とエピタキシャル成長層との間に、基板と同じ導電型で、基板よりも高い濃度の不純物を含んだ高濃度不純物ドープ層が存在することにより、オン電流が大きく、且つ逆耐圧も大きいショットキーダイオードが作製できることが示された。
【0126】
なお、エピタキシャル成長層を厚く形成した図10に示す従来のショットキーダイオードの場合には、オン電流がさらに小さくなっている。そのため、本実施形態のショットキーダイオードは、図10に示す従来のショットキーダイオードと比べた場合、動作時の消費電力を著しく低減することができる。
【0127】
以上の特性を有しているので、本実施形態のショットキーダイオードは、各種電子機器に好ましく用いられる。例えば、本実施形態のショットキーダイオードをプラズマディスプレイ(PDP)に用いた場合には、消費電力が小さいことと、放熱性がSiよりも良いことから、熱の発生及び蓄積を抑えることができ、放熱に必要な部品数を減らすことができる。
【0128】
また、本実施形態のショットキーダイオードでは、従来のショットキーダイオードよりも耐圧性が向上しているので、ガードリング15を設けない場合にも、逆バイアス印加時に絶縁破壊を起こしにくくなっている。これにより、製造工程をより簡素化でき、製造コストの低減を図ることも可能になる。
【0129】
また、本実施形態のショットキーダイオードの製造方法では、特別な機器を用いることなくオン電流の増加と、耐圧の向上とが実現されたショットキーダイオードを容易に製造することができるという利点もある。
【0130】
なお、本実施形態のショットキーダイオードにおける高濃度不純物ドープ層12の厚みは、第1の実施形態と同様に、10nm以上1000nm以下が好ましく、不純物濃度の範囲も、1×1018atoms・cm-3以上1×1020atoms・cm-3以下であることが好ましい。
【0131】
なお、本実施形態のショットキーダイオードでは、基板11、エピタキシャル成長層13及び両者の間に存在する高濃度不純物ドープ層12のドーパントとして窒素を用いたが、これに代えて他のn型不純物を用いてもよいし、Alなどのp型不純物を用いてもよい。この場合でも、本実施形態と同様の効果を得ることができる。
【0132】
なお、本実施形態のショットキーダイオードにおいて、基板として4H−SiC基板を用いたが、6H−SiC基板や、3C−SiC基板及び15R−SiC基板などを用いることもできる。
【0133】
なお、本実施形態のショットキーダイオードにおいては、基板及びエピタキシャル成長層の材料としてSiCが用いられたが、これに代えてSi、ガリウムナイトライド(GaN)、ガリウムヒ素(GaAs)及びインジウムリン(InP)などの半導体を用いることもできる。GaNやInPの場合には、不純物としてはSi等が用いられる。これは、以下の実施形態においても共通である。
【0134】
(第3の実施形態)
本発明の第3の実施形態として、第1の実施形態のSiC基板を利用したpnダイオードの例を説明する。
【0135】
図5(a)〜(c)は、本発明の第3の実施形態に係るpnダイオードの製造工程を示す断面図である。
【0136】
図5(c)に示すように、本実施形態のpnダイオードは、n型の4H−SiCからなる基板21と、基板21の主面上に設けられ、例えば窒素を含む厚さが100nmのSiCからなる高濃度n型ドープ層22と、高濃度n型ドープ層22の上に設けられ、窒素を含む厚さ約10μmのn型SiC層23と、n型SiC層23の上に設けられ、例えばAlを含む厚さが10nmの高濃度p型ドープ層27と、高濃度p型ドープ層27上に設けられ、Alを含む厚さ約2.5μmのp型SiC層28と、p型SiC層28上に設けられたNiとAlとを積層してなる上部電極26と、基板21の裏面上に設けられたNiからなる下部電極24とを備えている。
【0137】
基板21、高濃度n型ドープ層22及びn型SiC層23中の窒素濃度は、それぞれ1×1018atoms・cm-3,1×1019atoms・cm-3及び1×1016atoms・cm-3であり、高濃度p型ドープ層27及びp型SiC層28に含まれるAl濃度はそれぞれ1×1019atoms・cm-3,1×1018atoms・cm-3である。
【0138】
本実施形態のpnダイオードは、基板21の主面上に基板21よりも高濃度でn型不純物を含む高濃度n型ドープ層22を備えると共に、n型SiC層23とp型SiC層28との間に高濃度でp型不純物を含む高濃度p型ドープ層27を備えている。
【0139】
このため、n型SiC層23のみならずp型SiC層28中にも、抵抗が大きい領域が存在しないので、本実施形態のpnダイオードの抵抗値は従来のpnダイオードよりも小さくなっている。
【0140】
加えて、逆方向バイアス印加時には、pn接合から延びる空乏層が高濃度n型ドープ層22内で止められるので、従来のpnダイオードに比べて耐圧性も向上している。
【0141】
次に、本実施形態のpnダイオードの製造方法について説明する。
【0142】
まず、図5(a)に示す工程で、第1及び第2の実施形態と同様の手順により、基板21の主面上に高濃度n型ドープ層22及びn型SiC層23を順次形成する。具体的な手順を以下に説明する。
【0143】
図7に示す縦型薄膜成長装置のサセプタ52に基板21を設置した後、反応炉50内を10-5Pa程度の真空度になるまで減圧する。次いで、ガス供給系58より希釈ガス56である水素ガスを2L/minの流量で供給し、反応炉50内の圧力を90kPaとする。
【0144】
続いて、水素ガスの流量を維持しながら、誘導加熱装置を用いて、20.0kHz、20kWの高周波電力をコイル54に印加し、サセプタ52を加熱する。本工程において、基板21の温度は1500℃で一定となるように制御される。
【0145】
次に、水素ガスの流量を2L/minとして一定に保ったまま、炭素の原料ガスであるプロパンガスとシリコンの原料ガスであるシランガス、及びn型ドーパントである窒素ガスを反応炉50のガス供給口より供給する。
【0146】
高濃度n型ドープ層22の形成開始直後のシランガス、プロパンガス及び窒素ガスの流量は、それぞれ3.0mL/min、0.6mL/min及び1.0mL/minとする。この場合の原料ガスの炭素/シリコン比は0.6である。続いて、少なくとも10分間はこれらの流量値を一定としたまま原料ガス及び窒素ガスを流し続ける。
【0147】
その後、シランガスの流量を3.0mL/minで一定としたまま、プロパンガスの流量を連続的に増加させ、さらに、窒素ガスの流量を連続的に減少させて、5分後にそれぞれ3.0mL/min及び0.2mL/minとなるようにする。この手順により、厚みが約100nmで、窒素濃度が約1×1019atoms・cm-3のn型の高濃度n型ドープ層22を基板21上にエピタキシャル成長させる。
【0148】
続いて、基板温度を上昇させて、1600℃で一定となるようにする。
【0149】
ここで、シランガス、プロパンガス及び窒素ガスの流量はそれぞれ3.0mL/min、3.0mL/min及び0.2mL/minとする。この時の炭素/シリコン比は3である。
【0150】
この手順により、厚みが約10μmで、キャリア密度(窒素濃度)が約1×1016 atoms・cm-3のn型SiC層23が高濃度n型ドープ層22上にエピタキシャル成長される。
【0151】
次に、図5(b)に示す工程で、n型SiC層23の上に高濃度p型ドープ層27及びp型SiC層28を順次形成する。具体的な手順を以下に説明する。
【0152】
まず、シランガス、プロパンガス及び窒素ガスの供給を止めた後、基板温度を1500℃まで下げ、その温度で保持する。次いで、シランガス及びプロパンガスをそれぞれ1.0mL/min、3.0mL/minの流量で反応炉50に供給する。これと同時にAlの原料ガスであるTMAガスを、1mL/minの流量で反応炉50内に供給する。
【0153】
この状態で約10分程度保持した後、シランガスの流量を連続的に増加させるとともにTMAガスの流量を連続的に減少させて、5分後にそれぞれ3.0mL/min及び0.5mL/minとなるようにする。この間、プロパンガスの流量は3.0mL/minで一定にしておく。
【0154】
このような手順により、高濃度p型ドープ層27がエピタキシャル成長される。
【0155】
続いて、基板温度を1600℃まで上げて、このままの温度に保持する。この状態で、プロパンガス、シランガス及びTMAガスの流量はそれぞれ3.0mL/min、3.0mL/min、0.2mL/minのまま保持する。この手順により、厚みが約2.5μmで、キャリア濃度が約1×1018atoms・cm-3のp型SiC層28がエピタキシャル成長により形成される。
【0156】
次に、図5(c)に示す工程で、p型SiC層28上及び基板21の裏面上に、真空蒸着装置を用いてそれぞれNi/Al及びNiを蒸着した後、1000℃で加熱することで、それぞれNi/Al及びNiからなる上部電極26及び下部電極24を形成する。
【0157】
以上の工程により、本実施形態のpnダイオードが作製される。
【0158】
本実施形態のpnダイオードの製造方法において、n型SiC層23を形成する前に高濃度n型ドープ層22を形成しているので、n型SiC層23中で窒素濃度の低下が抑えられている。そのため、本実施形態のpnダイオードでは、基板21とn型SiC層23との間の抵抗値が低減されている。
【0159】
加えて、本実施形態のpnダイオードでは、高濃度p型ドープ層27を設けることにより、p型SiC層28中の抵抗値も低減されている。
【0160】
また、図5(b)に示す工程において、高濃度p型ドープ層27を形成する際に、p型SiC層の形成時よりも原料ガスの炭素/シリコン比を大きくすることにより、Alの高濃度p型ドープ層27への取り込みの増加が図られている。
【0161】
次に、高濃度n型ドープ層22と高濃度p型ドープ層27とが設けられていない従来のpnダイオードと本実施形態のpnダイオードについて、電流電圧特性を調べた。ここで、従来のpnダイオードとしては、高濃度n型ドープ層22及び高濃度p型ドープ層27以外の素子構成が本実施形態のpnダイオードと同じものを用いた。
【0162】
両pnダイオードに電圧を印加した時の動作特性について測定した結果、本実施形態のpnダイオードでは、従来のpnダイオードに比べて同じ電圧に対するオン電流が増加していることが確認できた(図示せず)。
【0163】
また、両pnダイオードの逆耐圧について測定したところ、本実施形態のpnダイオードよりも逆耐圧が大きくなっていることが確認された。
【0164】
以上のように、本実施形態のpnダイオードは、耐圧性が向上すると共に消費電力の低減も図られているので、各種機器に好ましく用いられる。特に、pnダイオードはショットキーダイオードに比べて耐圧性を高く設計することができるので、耐圧性を要求される機器に利用される。
【0165】
なお、本実施形態のpnダイオードでは、高濃度n型ドープ層22と高濃度p型ドープ層27とを設けたが、高濃度p型ドープ層27を設けない場合でも耐圧性及び電流駆動力の向上を図ることができる。
【0166】
なお、本実施形態のpnダイオードでは、4H−SiC基板を用いたが、これ以外のポリタイプからなる基板を用いても、高耐圧で、消費電力が低減されたpnダイオードが作製される。
【0167】
(第4の実施形態)
本発明の第4の実施形態として、第1の実施形態に係るSiC基板を用いて作製された縦型構造のMOSFET(以下、縦型MOSFETと略記する)について以下に説明する。
【0168】
図6(a)〜(c)は、本発明の第4の実施形態に係る縦型MOSFETの製造工程を示す断面図である。
【0169】
図6(c)に示すように、本実施形態の縦型MOSFETは、n型不純物を含むSiCからなる基板31と、基板31の主面上に設けられ、基板31に比べて高い濃度でn型不純物を含むSiCからなる高濃度不純物ドープ層32と、高濃度不純物ドープ層32上に設けられ、n型不純物を含むSiCからなるエピタキシャル成長層33と、エピタキシャル成長層33の上に設けられたSiO2 からなるゲート酸化膜43と、ゲート酸化膜43上に設けられたゲート電極46と、エピタキシャル成長層33の一部にイオン注入により設けられたp型ウェル41と、p型ウェル41のうち、ゲート電極46の両側方に位置する領域に設けられたn型ウェル42と、n型ウェル42の上に設けられ、Niからなるソース電極44と、基板31の裏面上に設けられたNiからなるドレイン電極35とを備えている。
【0170】
そして、基板31、高濃度不純物ドープ層32、エピタキシャル成長層33及びn型ウェルには、それぞれ濃度が1×1018atoms・cm-3、1×1019atoms・cm-3、1×1016atoms・cm-3及び1×1019atoms・cm-3の窒素などのn型不純物が含まれている。また、p型ウェル41には、濃度が1×1017atoms・cm-3のAlなどのp型不純物が含まれている。
【0171】
次に、本実施形態の縦型MOSFETの製造方法について説明する。
【0172】
まず、図6(a)に示す工程で、CVD法により、SiCからなる基板31上に高濃度不純物ドープ層32を形成する。基板1として[11 -20]方向に8度のオフ角度がついた直径50mmのn型の(0001)面SiC基板(4H−SiC基板)を用いる。この基板のドーパント濃度は約1×1018atoms・cm-3である。具体的な方法を以下に述べる。
【0173】
まず、図7に示す縦型薄膜成長装置のサセプタ52に基板31を設置し、反応炉50内を10-5Pa程度の真空度になるまで減圧する。次いで、ガス供給系58より、水素ガスを2L/minの流量で供給して反応炉50内の圧力を90kPaとする。反応炉50内の圧力はバルブ60を調節することにより制御される。水素ガスの流量を維持した状態で、誘導加熱装置を用いてコイル54に高周波電力を印加し、サセプタ52を加熱する。本工程中、基板1の温度は1500℃で一定となるように制御される。
【0174】
次に、水素ガスの流量を2L/minとして一定に保ったまま、原料ガス55のプロパンガスとシランガス、及びn型ドーパントの窒素ガスを反応炉50のガス供給口より供給する。原料ガス55及びドーパントガス57はそれぞれ水素ガスで希釈して供給する。
【0175】
高濃度不純物ドープ層2の形成開始直後のシランガス、プロパンガス及び窒素ガスの流量はそれぞれ3.0mL/min、0.6mL/min及び1.0mL/minとする。この場合の原料ガスの炭素/シリコン比は0.6である。そして、このままの状態で、少なくとも10分間は原料ガス及び窒素ガスを流し続ける。
【0176】
その後、図2に示すように、プロパンガスの流量を連続的に増加させると共に、窒素ガス(不純物ドーパントガス)の流量を連続的に減少させて、5分後にそれぞれ3.0mL/min及び0.2mL/minとなるようにする。この間、シランガスの流量は3.0mL/minで一定にしておく。
【0177】
この工程により、厚みが約100nmで、ドーパント濃度が約1×1019atoms・cm-3のn型の高濃度不純物ドープ層32が基板31上に形成される。
【0178】
次に、図6(b)に示す工程で、引き続きCVD法により高濃度不純物ドープ層32上にエピタキシャル成長層33を形成する。具体的な方法を以下に述べる。
【0179】
まず、高濃度不純物ドープ層2が形成されたSiC基板1の温度を上昇させて1600℃で一定となるようにする。そして、本工程中、シランガス、プロパンガス及び窒素ガスの流量はそれぞれ3.0mL/min、3.0mL/min及び0.2mL/minとする。
【0180】
この時の炭素/シリコン比は3であり、高濃度不純物ドープ層2形成時の炭素/シリコン比に比べて高い値となっている。この工程により、厚みが約10μmで、キャリア密度が約1×1016atoms・cm-3のn型のエピタキシャル成長層が高濃度不純物ドープ層32上に形成される。
【0181】
次に、図6(c)に示す工程で、エピタキシャル成長層33にAlイオンをイオン注入した後、活性化アニールを行う。
【0182】
これにより、エピタキシャル成長層33の一部が、ドーパント濃度が1×1017atoms・cm-3で、MOSFETのチャネルとして機能するp型ウェル41となる。
【0183】
次に、窒素イオンをp型ウェル41に注入した後、活性化アニールを行う。
【0184】
これにより、p型ウェルの一部が、ドーパント濃度が1×1019atoms・cm-3で、MOSFETのソースのコンタクト層として機能するn型ウェル12となる。
【0185】
次いで、約1100℃で基板を熱酸化することにより、基板上にSiO2からなる厚さ30nmのゲート酸化膜43を形成する。
【0186】
その後、電子ビーム(EB)蒸着装置を用いてn型ウェル42の上面及び基板31の裏面にNiを蒸着する。続いて、加熱炉内で基板を1000℃に加熱することで、n型ウェル42上にはオーミック電極であるソース電極44を、基板31の裏面上にはオーミック電極となるドレイン電極35を、それぞれ形成する。
【0187】
続いて、ゲート酸化膜43上にAlを蒸着して、ゲート電極46を形成する。なお、ゲート長は約2μmとする。
【0188】
以上の方法により、本実施形態の縦型MOSFETが製造される。
【0189】
次に、本実施形態に係る縦型MOSFETの性能を調べるために、縦型MOSFETのドレイン電流とゲート電圧との関係を測定した。その結果について以下に説明する。
【0190】
まず、比較のために、SiC基板に比べて高いドーパント濃度の高濃度不純物ドープ層を基板上に形成せずに作製した縦型MOSFETを準備した。この縦型MOSFETの素子構成は、高濃度不純物ドープ層を除いて本実施形態の縦型MOSFETと同一とした。この縦型MOSFETを以後、「従来の縦型MOSFET」と称す。
【0191】
次に、本実施形態及び従来の縦型MOSFETの電流電圧特性を調べた。具体的には、両縦型MOSFETの耐圧及びオン電流を測定して比較した。
【0192】
その結果、本実施形態の縦型MOSFETでは、従来の縦型MOSFETに比べて耐圧が約2倍近く高くなり、オン電流も約20%近く高くなっていることが確認された(図示せず)。
【0193】
この結果から、従来の縦型MOSFETでは、上述のように基板の上に活性領域となるエピタキシャル成長層が形成されているため、ソース−ドレイン間に電圧を印加した場合にpn接合から広がった空乏層が基板に到達してしまい、基板内で絶縁破壊が生じやすくなっていると考えられる。また、基板31とエピタキシャル成長層33との間に抵抗成分が存在するためにオン電流が低下していると考えられる。
【0194】
これに対し、本実施形態の縦型MOSFETでは、電圧印加時に、pn接合部から広がる空乏層が、高濃度不純物ドープ層32でとどまるため、耐圧が向上すると考えられる。さらに、基板31とエピタキシャル成長層33との間に高濃度不純物ドープ層32が設けられることにより抵抗成分が低減され、オン電流が増加するものと考えられる。
【0195】
以上のことから、基板に比べて高いドーパント濃度の高濃度不純物ドープ層を有するSiC基板を用いることにより、高耐圧で高利得の縦型MOSFETを作製することができることが分かる。
【0196】
なお、本実施形態の縦型MOSFETにおいては、p型ウェルをチャネルとして用いたが、基板、n型ドープ層及びn型ウェルをp型にし、p型ウェルをn型としてもよい。
【0197】
また、本実施形態の縦型MOSFETにおいて、活性領域のエピタキシャル成長層の厚みを10μmとしたが、必要に応じて厚みを変えてもよい。
【0198】
また、本実施形態の縦型MOSFETにおいても第2及び第3の実施形態と同様に、4H−SiC以外のポリタイプからなる基板を用いることができる。
【0199】
なお、本実施形態においては、縦型MOSFETの例を説明したが、第1の実施形態に係るSiC基板は、いかなる構成の縦型構造のSiC半導体装置においても上述の効果の発揮することができる。
【0200】
【発明の効果】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、SiC基板とSiCからなるエピタキシャル成長層との間に、該SiC基板と同じ導電型の不純物を含み、且つ該SiC基板に比べて高濃度の不純物を含む高濃度不純物ドープ層を形成することを特徴とする。この方法により、従来に比べて高耐圧で且つ電力損失が低減された半導体装置を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)〜(c)は、本発明の第1の実施形態に係るSiC基板の製造方法を示す断面図である。
【図2】本発明のSiC層の成長方法における、原料ガス及び不純物ドーパントガスの流量と基板温度の時間変化とを示す図である。
【図3】(a)〜(c)は、本発明の第2の実施形態に係るショットキーダイオードの製造工程を示す断面図である。
【図4】本発明の第2の実施形態に係るショットキーダイオード及び従来のショットキーダイオードの電流−電圧特性を示す図である。
【図5】(a)〜(c)は、本発明の第3の実施形態に係るpnダイオードの製造工程を示す断面図である。
【図6】(a)〜(c)は、本発明の第4の実施形態に係る縦型MOSFETの製造工程を示す断面図である。
【図7】SiC膜の形成に用いられる一般的な縦型薄膜成長装置の構成を概略的に示す図である。
【図8】4H−SiCのn型ドープ層における不純物濃度と抵抗率とをまとめた表を示す図である。
【図9】従来のSiC層の成長方法における、原料ガス及び不純物ドーパントガスの流量と基板温度の時間変化とを示す図である。
【図10】従来のショットキーダイオードを示す断面図である。
【符号の説明】
1,11,21,31 基板
2,12,32 高濃度不純物ドープ層
3,13,33 エピタキシャル成長層
14 オーミック電極
15 ガードリング
16 ショットキー電極
22 高濃度n型ドープ層
23 n型SiC層
24 下部電極
26 上部電極
27 高濃度p型ドープ層
28 p型SiC層
35 ドレイン電極
41 p型ウェル
42 n型ウェル
43 ゲート酸化膜
44 ソース電極
46 ゲート電極
50 反応炉
51 基板
52 サセプタ
53 支持軸
54 コイル
55 原料ガス
56 希釈ガス
57 ドーパントガス
58 ガス供給系
59 ガス排気系
60 バルブ
61 排気管
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a silicon carbide semiconductor device formed on a silicon carbide substrate and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
Silicon carbide (silicon carbide, SiC) is a semiconductor having high insulation resistance because it has a larger band gap than silicon (Si), and is stable even at high temperatures. From such characteristics, SiC is expected to be applied to next-generation power devices, high-frequency devices, high-temperature operation devices, and the like.
[0003]
It is known that SiC can take many crystal structures such as cubic 3C—SiC, hexagonal 6H—SiC, 4H—SiC, or rhombohedral 15R—SiC. Among these, 6H—SiC and 4H—SiC are generally used for producing practical SiC semiconductor devices.
[0004]
In the 6H—SiC and 4H—SiC layers, substrates having a main surface substantially coincident with the (0001) plane perpendicular to the c-axis crystal axis are widely used.
[0005]
An SiC semiconductor device is formed by forming an epitaxial growth layer on a SiC substrate and then processing the layer according to the type of device such as impurity doping or etching. For example, in the case of a diode, a p-type doped layer, an i layer (intrinsic (intrinsic semiconductor) layer), an n-type doped layer, and the like are formed on a substrate. In the case of an FET, a source / drain region, A channel layer or the like is provided on the substrate.
[0006]
High-capacity, high-withstand-voltage power devices have a vertical element structure in which current flows in the vertical direction of the element, that is, from the upper surface to the back surface, or a voltage is applied between the upper surface and the back surface. There are many. Such a vertical semiconductor device has a configuration in which electrodes are provided on the upper surface and the back surface, respectively.
[0007]
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a conventional Schottky diode using a SiC substrate. As shown in the figure, when the vertical semiconductor device is a Schottky diode, an epitaxial growth layer 103 having a thickness of 20 μm made of SiC containing n-type impurities is formed on the main surface (upper surface) of the n-type SiC substrate 101. A Schottky electrode 106 made of Au (gold) and a guard ring 105 for preventing electric field concentration are provided on the epitaxial growth layer 103. An ohmic electrode made of Ni (nickel) is provided on the back surface of SiC substrate 101.
[0008]
In the case of a vertical MOSFET, a source electrode and a gate electrode are provided on the upper surface of the substrate, and a drain electrode which is an ohmic electrode is provided on the rear surface.
[0009]
Next, an epitaxial growth technique when manufacturing a vertical semiconductor device using SiC will be described.
[0010]
FIG. 7 is a diagram schematically showing a configuration of a general vertical thin film growth apparatus for forming a silicon carbide film. As shown in the figure, a typical silicon carbide thin film growth apparatus includes a reaction furnace 50, a carbon susceptor 52 for fixing a substrate 51, a support shaft 53, and a coil 54 for heating a sample. A gas supply system 58 for supplying the source gas 55, the dilution gas 56 and the dopant gas 57 to the reaction furnace 50, a gas exhaust system 59 for exhausting the gas from the reaction furnace 50, and pressure adjustment And a valve 60.
[0011]
In this apparatus, the source gas 55, the dilution gas 56, and the dopant gas 57 are supplied from the gas supply system 58 to the reaction furnace 50 as indicated by arrows. The raw material gas 55, the dilution gas 56 and the dopant gas 57 enter the reaction furnace 50, pass through the exhaust pipe 61, and are exhausted by the gas exhaust system 59. The pressure in the reaction furnace 50 is adjusted by a pressure adjusting valve 60. The susceptor 52 supported by the support shaft 53 is heated by high-frequency induction heating using a coil 54 wound around the reaction furnace 50.
[0012]
The procedure for forming an epitaxial growth layer on a SiC substrate using this vertical thin film growth apparatus is as follows.
[0013]
First, a dilution gas (for example, hydrogen gas) is introduced into the reaction furnace 50, and the pressure in the furnace is adjusted to atmospheric pressure or lower than atmospheric pressure. In this state, high frequency power is applied to the coil 54 to heat the substrate 51, and the substrate temperature is set to 1500 ° C. or higher.
[0014]
Next, a gas containing carbon (for example, propane) and a gas containing silicon (for example, silane) are introduced, and at the same time, a dopant gas 57 is supplied from the gas supply system 58, whereby an n-type or a p-type is formed on the substrate 51. A doped epitaxial growth layer can be formed. In the case of n-type doping, for example, nitrogen, and in the case of p-type doping, for example, a gas containing aluminum is used as the dopant gas 57.
[0015]
Next, the supply of the source gas 55 and the dopant gas 57 is stopped, the application of the high frequency power to the coil 54 is stopped, the heating is finished, and the substrate 51 is cooled.
[0016]
By this method, an epitaxial growth layer can be formed on the substrate 51. The thickness and carrier density of this epitaxial growth layer are determined so that the SiC semiconductor device can obtain a desired breakdown voltage and on-current.
[0017]
FIG. 9 is a diagram showing the flow rate of the source gas and the impurity dopant gas and the time change of the substrate temperature in the conventional SiC layer growth method.
[0018]
As shown in the figure, in the conventional SiC layer growth method, the supply of the source gas and the impurity dopant gas is started after the substrate temperature reaches the epitaxial growth temperature (for example, 1500 ° C.). During the epitaxial growth, the flow rates of the source gas and the dopant gas are kept constant. Thereafter, the supply of the source gas and the dopant gas is stopped, and at the same time, the heating of the substrate is stopped, and the growth of the SiC layer is stopped.
[0019]
By using the above method, the SiC layer of the conventional vertical semiconductor device is formed.
[0020]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, since a vertical semiconductor device using SiC has low power consumption and high pressure resistance, it is preferably used for various devices as a power device. However, depending on the operating conditions of the device, a high voltage exceeding the rated value may be applied to the semiconductor device, and the conventional Schottky diode as shown in FIG. 10 may temporarily cause dielectric breakdown. .
[0021]
This breakdown occurs when a high reverse bias voltage is applied and the depletion layer that has spread over the epitaxial growth layer of the semiconductor device reaches the SiC substrate. In general, the crystallinity of an SiC substrate is inferior to that of an epitaxial growth layer, and the impurity dopant concentration is high. For this reason, it is considered that the breakdown phenomenon occurs due to the accelerated carriers in the depletion layer formed in the substrate, which causes the breakdown of the semiconductor device.
[0022]
In order to avoid such inconveniences, a measure has been conventionally taken to make the epitaxial growth layer sufficiently thick so that the depletion layer does not reach the substrate even when a voltage exceeding the rated value is applied.
[0023]
However, increasing the thickness of the epitaxially grown layer of the semiconductor device by two times corresponds to increasing the resistance component in this layer by a factor of two, thus causing a new problem of increased power loss in the semiconductor device.
[0024]
As described above, in the prior art, even if an element is manufactured using SiC, it is difficult to obtain characteristics such as high pressure resistance and ultra-low loss as expected from its excellent physical property values.
[0025]
An object of the present invention is to provide a semiconductor device having a high pressure resistance that can withstand use in equipment and a method for manufacturing the same.
[0026]
  The semiconductor device of the present invention includes a first conductivity type impurity.Semiconductor substrateAnd aboveSemiconductor substrateAbove and aboveSemiconductor substrateContains impurities of the first conductivity type at a higher concentration thanFormed by epitaxial growthA first high-concentration impurity doped layer made of a semiconductor and the first high-concentration impurity-doped layer are provided on the first high-concentration impurity-doped layer and contain a first conductivity type impurity at a concentration lower than that of the first high-concentration impurity-doped layer.First semiconductor layerAnd in operation, the carrier is aboveSemiconductor substrateThe first high-concentration impurity doped layer and the aboveFirst semiconductor layerDrive through the road.
[0027]
  As a result, when a reverse bias is applied, the depletion layer extending from above the first high-concentration impurity doped layer is stopped in the first high-concentration impurity doped layer.Semiconductor substrateTherefore, the pressure resistance of the semiconductor device can be improved. in addition,Semiconductor substrateWhenFirst semiconductor layerSince a high-resistance region with a low dopant concentration is not interposed between the two, the electric resistance can be reduced as compared with a conventional semiconductor device.
[0028]
  the aboveSemiconductor substrateIs made of one material selected from Si, SiC, GaN, GaAs, and InP, a high breakdown voltage and low loss semiconductor device can be realized.
[0029]
  the aboveSemiconductor substrateThe first high-concentration impurity doped layer and the aboveFirst semiconductor layerSince both are made of SiC, it is possible to realize a semiconductor device with high breakdown voltage, low loss, and good heat dissipation. For this reason, it can be preferably used in various devices that require pressure resistance as a semiconductor device that consumes less power and does not easily accumulate heat.
[0030]
Since the first high-concentration impurity doped layer is formed by epitaxial growth, the density of crystal defects in the first high-concentration impurity doped layer can be lowered, so that the breakdown voltage of the semiconductor device can be improved. it can.
[0031]
The concentration of impurities contained in the first high-concentration impurity doped layer is 1 × 1018atoms · cm-31 × 10 or more20atoms · cm-3The following is preferable. The concentration of impurities contained in the first high-concentration impurity doped layer is 1 × 1018atoms · cm-3As described above, when the reverse bias is applied, a predetermined withstand voltage can be ensured without making the second semiconductor layer thicker than necessary. The concentration of impurities contained in the first high-concentration impurity doped layer is 1 × 1020atoms · cm-3Since the crystallinity of the first high-concentration impurity doped layer is kept good by the following, the pressure resistance of the semiconductor device can be kept good.
[0032]
The thickness of the first high-concentration impurity doped layer is not less than 10 nm and not more than 1000 nm, thereby preventing the depletion layer from reaching the first semiconductor layer when a reverse bias is applied, and of the semiconductor device during operation. Power loss can be reduced.
[0033]
  UpSince the impurities contained in the first high-concentration impurity doped layer are introduced by in-situ doping, the crystallinity of the first high-concentration impurity doped layer can be kept good.
[0034]
  the aboveFirst semiconductor layerIs formed by epitaxial growth,First semiconductor layerSince the crystallinity of the semiconductor device can be improved, the breakdown voltage of the semiconductor device can be increased.The
[0035]
  the aboveFirst semiconductor layerAbove and aboveFirst semiconductor layerAnd Schottky electrode in contact with SchottkySemiconductor substrateProvided on the back of the aboveSemiconductor substrateAnd an ohmic electrode that is in ohmic contact with each other, a Schottky diode having a high breakdown voltage and a low loss can be realized.
[0036]
  Also, aboveFirst semiconductor layerAnd further comprising a guard ring made of an insulator surrounding the Schottky electrode.First semiconductor layerIt is possible to prevent the occurrence of dielectric breakdown due to electric field concentration at the upper end of the.
[0037]
  the aboveFirst semiconductor layerAnd includes an impurity of the second conductivity type.Second semiconductor layerAnd aboveSecond semiconductor layerAn upper electrode provided above, andSemiconductor substrateAnd a lower electrode provided on the back surface of the semiconductor device, and a semiconductor device functioning as a pn diode can be realized.
[0038]
  In this case, the aboveFirst semiconductor layerAnd aboveSecond semiconductor layerBetween the above andSecond semiconductor layerAnd further comprising a second high-concentration impurity doped layer containing a second conductivity type impurity at a higher concentration thanFirst semiconductor layerWhenSecond semiconductor layerTherefore, the power loss during operation can be further reduced.
[0039]
  the aboveSecond semiconductor layerIs composed of epitaxially grown SiC,Second semiconductor layerSince the crystallinity of is favorable, it is preferable.
[0040]
  the aboveFirst semiconductor layerA first well which is provided by implanting impurity ions of the second conductivity type in a part of the first region and functions as a channel;First semiconductor layerAnd a gate insulating film provided on the first well, a gate electrode provided on the gate insulating film, and a region located on both sides of the gate electrode in the first well. The second well provided by implanting first conductivity type impurity ions; the first electrode provided on the second well;Semiconductor substrateIt is also possible to realize a semiconductor device that further includes a second electrode provided on the back surface of the semiconductor device and functions as a MISFET having a vertical structure.
[0041]
  In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, a first source gas, a second source gas, and an impurity dopant gas are supplied to a reaction furnace of a thin film growth apparatus, and the semiconductor substrate has a higher concentration than the semiconductor substrate. Impurities of the first conductivity typeAt the position where the constituent elements contained in the first source gas should beIncludeFirst heavily doped layerEpitaxially growing the step (a) and the step (a) after the stepFirst heavily doped layerAbove aboveFirst heavily doped layerAnd a step (b) of epitaxially growing a first semiconductor layer containing a first conductivity type impurity at a lower concentration than the first step, when the step (a) is started, the first step is compared to the start of the step (b). The feed rate of the first source gas and the second feed gas is changed by reducing the feed rate of the source gas of,the aboveIncrease the supply amount of impurity dopant gas.
[0042]
  This wayFirst heavily doped layerIn the first source gasFirst heavily doped layerSince the first conductivity type impurities are likely to be taken into the positions where the constituent elements ofFirst heavily doped layerThe impurity concentration of can be increased.
[0043]
At the start of the step (a), the impurity concentration of the first semiconductor layer can be increased more efficiently by increasing the supply amount of the impurity dopant gas than at the start of the step (b). become.
[0044]
Since the substrate temperature is lowered at the start of the step (a) compared to the start of the step (b), the formation rate of the first semiconductor layer can be made lower than the formation rate of the second semiconductor layer. The impurity concentration contained in the first semiconductor layer can be made higher than the impurity concentration contained in the second semiconductor layer.
[0045]
The step (a) further includes the step (a1) of continuously reducing the supply amount of the impurity dopant gas, thereby moderating the change in the impurity concentration in the depth direction in the first semiconductor layer. Therefore, the electrical resistance of the first semiconductor layer can be reduced.
[0046]
Since the semiconductor substrate is made of SiC, a semiconductor device having a high breakdown voltage and a low loss can be formed.
[0047]
  the aboveFirst high concentration impurityDoped layers andFirst semiconductor layerSince both are made of SiC, a high breakdown voltage and low loss semiconductor device can be formed.
[0048]
Since the impurity dopant gas is nitrogen or phosphine, and the first source gas is a carbon source gas, nitrogen easily enters the position of carbon in the SiC crystal. The first semiconductor layer containing can be efficiently formed.
[0049]
The first source gas is preferably one selected from propane, methane, acetylene, ethane, ethylene, propylene, and butane.
[0050]
Since the impurity dopant gas is trimethylaluminum gas or diborane gas, and the first source gas is a source gas of silicon, Al is likely to enter the position of silicon in the SiC crystal, so that the first semiconductor layer Even if it is a p-type semiconductor, it becomes possible to manufacture efficiently.
[0051]
The first source gas is preferably silane gas or disilane gas
[0052]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
-Examination of element configuration-
The inventors of the present application have studied a method for improving the withstand voltage without increasing the thickness of the epitaxial growth layer more than necessary in order to improve the withstand voltage of the SiC semiconductor device without increasing the electric resistance.
[0053]
In the course of the study, a plurality of Schottky diodes having different epitaxial growth layers were produced, and the withstand voltage and resistance values were measured.
[0054]
As a result, as expected, the Schottky diode having the epitaxially grown layer thinned to about 10 μm had a lower breakdown voltage and a lower resistance value than the Schottky diode shown in FIG. However, the inventors of the present application have noticed that the resistance value of the Schottky diode is larger than a value predicted by simulation or the like. And when this cause was investigated, it turned out that it is because the area | region where dopant concentration is not contained between SiC substrate 101 and epitaxial growth layer 103, or the area | region where dopant concentration is low exists. Such a low resistance region was considered to be caused by the unstable supply of the dopant gas immediately after the supply of the dopant gas was started. This becomes more remarkable when an epitaxial growth layer having a low dopant concentration is formed.
[0055]
For this reason, in order to fabricate a SiC semiconductor device having good electrical characteristics, a method was sought that not only improved withstand voltage but also reduced electrical resistance.
[0056]
As a result of various studies, the inventors of the present application provide a SiC layer having a higher concentration of impurities and the same conductivity type as that of the substrate on the substrate including impurities, whereby the depletion layer is formed on the substrate during the operation of the semiconductor device. I found that I can prevent it from reaching.
[0057]
It was also confirmed that by providing a SiC layer doped with an impurity at a high concentration, a region having a low impurity concentration existing between the conventional epitaxial growth layer and the substrate can be eliminated. That is, it was found that by providing a doped layer containing impurities at a high concentration (hereinafter referred to as “high concentration impurity doped layer”) on the substrate, the withstand voltage can be improved and the electrical resistance can be reduced. .
[0058]
-Examination of SiC layer growth conditions-
Next, the inventors of the present application examined conditions for growing a high-concentration impurity doped layer more efficiently using the vertical thin film growth apparatus shown in FIG. As a result, the high concentration impurity doped layer was grown by the following procedure.
[0059]
FIG. 2 is a diagram showing the flow rate of the source gas and the impurity dopant gas and the time change of the substrate temperature in the SiC layer growth method of the present invention.
[0060]
Here, in comparison with the conventional epitaxial growth layer forming method shown in FIG. 9, in the SiC layer forming method of the present invention, the supply amount of nitrogen, which is an impurity dopant gas, and the supply amount of propane gas change during the process. I understand that That is, when forming a high concentration impurity doped layer, the flow rate of nitrogen gas is increased to about 1.0 mL / min, and the flow rate of propane gas, which is a carbon source gas, is decreased to about 0.6 mL / min. In the epitaxial growth layer forming step, the flow rate of nitrogen gas is 0.2 mL / min, and the flow rate of propane gas is 3.0 mL / min. In addition, the flow rate of the silane gas, which is the Si source gas, is adjusted to 3.0 mL / min throughout the SiC layer forming process, and the C (carbon) / Si ratio of the source gas is the same as that during the formation of the high concentration impurity doped layer. , 0.6, and 3 in the epitaxial growth layer forming step.
[0061]
Further, the substrate temperature is set to 1500 ° C. in the process of forming the highly doped layer, and is set to 1600 ° C. in the process of forming the epitaxial growth layer.
[0062]
In the step of forming the high-concentration impurity doped layer, introduction of impurities into SiC is attempted by the following three devices.
[0063]
The first contrivance is to increase the supply amount of nitrogen gas in the step of forming the high concentration impurity doped layer. If the nitrogen gas concentration increases on the SiC surface during epitaxial growth, the amount of nitrogen taken into the SiC crystal also increases.
[0064]
The second contrivance is to reduce the supply amount of the carbon source gas in the step of forming the high concentration impurity doped layer. Thereby, nitrogen can easily enter the position where carbon in the SiC crystal should enter, and the concentration of impurities taken into the SiC layer can be increased.
[0065]
It should be noted that the position of carbon or silicon that is likely to enter depending on impurities is somewhat different. Since nitrogen easily enters the carbon position, it is preferable to reduce the supply amount of propane gas when the impurity is nitrogen, and since Al easily enters the silicon position, the supply amount of silane gas is reduced when the impurity is Al. It is preferable to make it smaller.
[0066]
Next, the third idea is that the substrate temperature is set as low as possible in the step of forming the high concentration impurity doped layer. Thereby, since the SiC layer can be grown at a low speed, the amount of impurities taken up can be increased.
[0067]
For the above reasons, when the method for forming a SiC layer of the present invention is used, the impurity concentration is 1 × 10 5.18atoms · cm-3It is possible to efficiently form a SiC layer exceeding the thickness.
[0068]
Examples of the SiC semiconductor device and the SiC semiconductor substrate using this method will be described below.
[0069]
(First embodiment)
First, as a first embodiment of the present invention, a method for manufacturing a SiC substrate having a high concentration impurity doped layer having a higher impurity concentration than the substrate between the substrate and the epitaxial growth layer will be described below.
[0070]
1A to 1C are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing an SiC substrate according to the first embodiment of the present invention.
[0071]
First, a substrate 1 made of SiC is prepared in the step shown in FIG. As the substrate 1, an n-type (0001) plane SiC substrate (4H-SiC substrate) having a diameter of 50 mm and having an off angle of 8 degrees in the [11-20] direction is used. The dopant concentration of the substrate 1 is about 1 × 1018atoms · cm-3It is.
[0072]
The substrate 1 is placed in a water vapor atmosphere bubbled with oxygen having a flow rate of 5 L / min, and is subjected to thermal oxidation at 1100 ° C. for about 3 hours. Thereby, a thermal oxide film having a thickness of about 40 nm (400 mm) is formed on the surface of the substrate 1, and then the thermal oxide film is removed by buffered hydrofluoric acid (hydrofluoric acid: ammonium fluoride aqueous solution = 1: 7). To do.
[0073]
Next, in the step shown in FIG. 1B, a high concentration impurity doped layer 2 is formed on the substrate 1 by the CVD method. The specific method is described below.
[0074]
First, the substrate 1 is placed on the susceptor 52 of the vertical thin film growth apparatus shown in FIG.-FiveThe pressure is reduced until the degree of vacuum is about Pa. Next, hydrogen gas as the dilution gas 56 is supplied from the gas supply system 58 at a flow rate of 2 L / min, and the pressure in the reaction furnace 50 is set to 90 kPa. The pressure in the reaction furnace 50 is controlled by adjusting the valve 60. In a state where the flow rate of hydrogen gas is maintained, a high frequency power of 20.0 kHz and 20 kW is applied to the coil 54 using an induction heating device to heat the susceptor 52. During this step, the temperature of the substrate 1 is controlled to be constant at 1500 ° C.
[0075]
Next, the propane gas and the silane gas of the source gas 55 and the nitrogen gas as the n-type dopant are supplied from the gas supply port of the reaction furnace 50 while keeping the hydrogen gas flow rate constant at 2 L / min. The source gas 55 and the dopant gas 57 are supplied after being diluted with hydrogen gas.
[0076]
The flow rates of silane gas, propane gas, and nitrogen gas immediately after the start of the formation of the high-concentration impurity doped layer 2 are 3.0 mL / min, 0.6 mL / min, and 1.0 mL / min, respectively.
[0077]
Silane gas (monosilane) has 1 Si per molecule, and propane gas has 3 carbons per molecule, so the carbon / silicon ratio of the source gas in this case is 0.6. . In this state, the source gas and nitrogen gas are kept flowing for at least 10 minutes. The carbon / silicon ratio means the ratio of the number of C and Si atoms supplied to the reaction furnace 50 per unit time, that is, the value of (number of carbon atoms) / (number of silicon atoms).
[0078]
Thereafter, as shown in FIG. 2, the flow rate of propane gas is continuously increased and the flow rate of nitrogen gas (impurity dopant gas) is continuously decreased. After 5 minutes, 3.0 mL / min and 0. 2 mL / min. During this time, the flow rate of silane gas is kept constant at 3.0 mL / min.
[0079]
By this step, the thickness is about 100 nm and the dopant concentration is about 1 × 10.19atoms · cm-3N-type high concentration impurity doped layer 2 is formed on substrate 1.
[0080]
Next, in the step shown in FIG. 1C, an epitaxial growth layer is subsequently formed on the high-concentration impurity doped layer 2 by the CVD method. A specific method is described below.
[0081]
First, the substrate temperature is raised so as to be constant at 1600 ° C. In this step, the flow rates of silane gas, propane gas, and nitrogen gas are 3.0 mL / min, 3.0 mL / min, and 0.2 mL / min, respectively.
[0082]
The carbon / silicon ratio at this time is 3, which is a higher value than the carbon / silicon ratio when the high concentration impurity doped layer 2 is formed. By this step, the thickness is about 10 μm and the carrier density is about 1 × 10.16atoms · cm-3N-type epitaxial growth layer 3 is formed on heavily doped impurity layer 2.
[0083]
The dopant concentration distribution in the depth direction of the SiC thin film formed by this method was measured using a secondary ion mass spectrometer (SIMS). As a result, it was found that in the high concentration impurity doped layer 2, the nitrogen concentration once increased and then gradually decreased upward, and the thickness of the high concentration impurity doped layer 2 was about 100 nm.
[0084]
The SiC substrate of the present embodiment manufactured by the above method was provided on the substrate 1, the high-concentration impurity doped layer 2 having a thickness of 100 nm provided on the substrate 1, and the high-concentration impurity doped layer 2. And an epitaxial growth layer 3 made of n-type SiC having a thickness of 10 μm.
[0085]
Here, the high concentration impurity doped layer 2 in the SiC substrate of the present embodiment has a thickness of 100 nm and an impurity concentration of 1 × 10 6.19atoms · cm-3The thickness is preferably at least 10 nm to 1000 nm, and the impurity concentration is 1 × 10 10.18atoms · cm-31 × 10 or more20atoms · cm-3The following is preferable. This is due to the following reason.
[0086]
FIG. 8 is a diagram showing a table summarizing the impurity concentration and resistivity in the 4H—SiC n-type doped layer.
[0087]
Here, the resistance value R (Ω) of a semiconductor having a resistivity ρ (Ω · cm) represents the cross-sectional area through which a current flows, S (cm2 ), Where the thickness is L (cm),
[0088]
R = ρ × (L / S) (1)
8 and equation (1), the resistance values of the high-concentration impurity doped layer 2 and the epitaxial growth layer 3 will be compared. The thickness of the high-concentration impurity doped layer 2 is 100 nm and the impurity concentration is 1 × 1019atoms · cm-3The thickness of the epitaxial growth layer 3 is 10 μm and the impurity concentration is 1 × 1016atoms · cm-3In this case, the resistivity is 0.015 (Ω · cm) and 1 (Ω · cm), respectively, and the thickness ratio is 1: 100. Therefore, the resistance value of the epitaxial growth layer 3 is the same as that of the high-concentration impurity doped layer 2. It becomes almost 4 digits larger than the resistance value. In this case, it can be said that the resistance value of the high-concentration impurity doped layer 2 is negligibly small compared to the resistance value of the epitaxial growth layer 3.
[0089]
Next, the thickness of the high concentration impurity doped layer 2 is 1000 nm, and the impurity concentration is 1 × 10 5.18atoms · cm-3The resistivity of the high concentration impurity doped layer 2 is 0.065.
(Ω · cm) Since the ratio of the thickness of the high-concentration impurity doped layer 2 and the epitaxial growth layer 3 is 1:10, the resistance value of the high-concentration impurity doped layer 2 is less than 1% of the resistance value of the epitaxial growth layer 3 (0.65%). If the resistance value of the high-concentration impurity doped layer 2 becomes larger than this, the resistance value cannot be ignored. Therefore, the thickness of the high-concentration impurity doped layer 2 is preferably 1000 nm or less, and the impurity concentration is 1 × 10.18atoms · cm-3The above is preferable.
[0090]
Further, when the impurity concentration is high, the resistance value is small, but the impurity concentration is 1 × 10.20atoms · cm-3If it exceeds 1, the crystallinity of SiC deteriorates and the pressure resistance may be lowered. Therefore, the impurity concentration of the high-concentration impurity doped layer 2 is 1 × 10 6.18atoms · cm-31 × 10 or more20atoms · cm-3The following.
[0091]
The reason why the thickness range of the high-concentration impurity doped layer 2 is 10 nm or more is that if the thickness is less than 10 nm, sufficient pressure resistance may not be obtained.
[0092]
Note that FIG. 8 shows the case of a 4H—SiC layer containing an n-type impurity, and the resistivity differs in the case of a 6H—SiC layer or when the impurity is p-type. However, even in these cases, the inversely proportional relationship between the impurity concentration and the resistivity as shown in FIG. 8 is established. Therefore, the high concentration impurity doped layer 2 has a thickness of 10 nm to 1000 nm and an impurity concentration range of 1 ×. 1018atoms · cm-31 × 10 or more20atoms · cm-3The following may be used.
[0093]
As described above, in the SiC substrate of this embodiment, the breakdown voltage is improved without increasing the resistance value. The pressure resistance of the device using the SiC substrate of this embodiment will be described in the following embodiments.
[0094]
In the SiC layer forming method of the present embodiment, the high-concentration impurity doped layer 2 and the epitaxial growth layer 3 are formed using nitrogen as an impurity dopant gas. Containing phosphine (PHThree), Dopant gas containing other impurities may be used.
[0095]
In this embodiment, since an n-type SiC substrate is used, nitrogen is used as an impurity dopant gas to form a high concentration impurity doped layer. However, when a p-type SiC substrate is used, p-type impurities are added. Impurity dopant gas containing, for example, TMA (trimethylaluminum) gas or diborane gas is used. At this time, it is more preferable that the flow rate of the silane gas is smaller than the flow rate of the propane gas in the step of forming the high concentration impurity doped layer 2.
[0096]
In the method of the present embodiment, the substrate temperature in the step of forming the high-concentration impurity doped layer 2 shown in FIG. 1B is 1500 ° C., but is 1500 ° C. or higher and lower than the substrate temperature at the time of epitaxial growth layer formation. I just need it.
[0097]
In the method of this embodiment, nitrogen is introduced into the high-concentration impurity doped layer 2 by in-situ doping, but nitrogen ions can also be introduced by ion implantation. However, since the crystal structure is easily damaged when ion implantation is performed, it is preferable to adopt the method of this embodiment.
[0098]
In the step of forming the high concentration impurity doped layer 2 shown in FIG. 2B, the supply amount of propane gas is reduced while the supply amount of silane gas is kept constant. However, by changing the supply amount of silane gas, carbon / The silicon ratio can also be changed.
[0099]
In the semiconductor device manufacturing method of the present embodiment, propane gas is used as the carbon source gas, but methane (CHFour), Acetylene (C2H2), Ethane (C2H6), Ethylene (C2HFour), Propylene (CThreeH6) And butane (CFourHTen) Can also be used.
[0100]
In addition to silane gas, disilane (Si2H6) Can also be used.
[0101]
(Second Embodiment)
As a second embodiment of the present invention, a Schottky diode manufactured using the SiC substrate according to the first embodiment will be described.
[0102]
3A to 3C are cross-sectional views illustrating the manufacturing process of the Schottky diode according to the present embodiment.
[0103]
As shown in FIG. 3C, the Schottky diode of the present embodiment is provided on the main surface of the substrate 11 made of n-type 4H—SiC and has a higher concentration than the substrate 11. On the high-concentration impurity doped layer 12 having a thickness of about 100 nm containing impurities, an epitaxial growth layer 13 having a thickness of 10 μm made of SiC containing n-type impurities, and on the epitaxial growth layer 13. Silicon oxide (SiO2) provided and partially opened2), A Schottky electrode 16 made of Au provided on a region of the epitaxial growth layer 13 where the guard ring 15 is opened, and an ohmic contact made of Ni formed on the back surface of the substrate 11 by vapor deposition. And an electrode 14. The concentrations of the n-type impurities contained in the substrate 11, the high-concentration impurity doped layer 12, and the epitaxial growth layer 13 are 1 × 10, respectively.18atoms · cm-31 × 1019atoms · cm-3And 1 × 1016atoms · cm-3It is.
[0104]
Next, a method for manufacturing the Schottky diode of this embodiment will be described.
[0105]
First, in the step shown in FIG. 3A, the high concentration impurity doped layer 12 is formed on the substrate 11 by the CVD method. Here, as the substrate 11, an n-type (0001) plane SiC substrate (4H-SiC substrate) having a diameter of 50 mm and having an off angle of 8 degrees in the [11-20] direction is used.
[0106]
Hereinafter, a specific method for forming the high concentration impurity doped layer 12 will be described. This procedure is the same as that in the first embodiment.
[0107]
First, the substrate 11 is placed on the susceptor 52 of the vertical thin film growth apparatus shown in FIG.-FiveThe pressure is reduced until the degree of vacuum is about Pa. Next, hydrogen gas as the dilution gas 56 is supplied from the gas supply system 58 at a flow rate of 2 L / min, and the pressure in the reaction furnace 50 is set to 90 kPa. The pressure in the reaction furnace 50 can be adjusted by a valve 60. Subsequently, a high frequency power of 20.0 kHz and 20 kW is applied to the coil 54 using an induction heating device while maintaining the flow rate of hydrogen gas, and the susceptor 52 is heated. In this step, the temperature of the substrate 11 is controlled to be constant at 1500 ° C.
[0108]
Next, while the hydrogen gas flow rate is kept constant at 2 L / min, propane gas, which is a carbon source gas, silane gas, which is a silicon source gas, and nitrogen gas, which is an n-type dopant, are supplied to the reactor 50. Supply from mouth.
[0109]
The flow rates of silane gas, propane gas, and nitrogen gas immediately after the start of the formation of the high concentration impurity doped layer 12 are 3.0 mL / min, 0.6 mL / min, and 1.0 mL / min, respectively. In this case, the carbon / silicon ratio of the source gas is 0.6. Subsequently, the source gas and the nitrogen gas are kept flowing for at least 10 minutes while keeping these flow rate values constant.
[0110]
Thereafter, with the silane gas flow rate kept constant at 3.0 mL / min, the propane gas flow rate was continuously increased, and the nitrogen gas flow rate was continuously decreased. Min and 0.2 mL / min. Here, since the change in the nitrogen concentration in the high concentration impurity doped layer 12 can be moderated by continuously changing the flow rates of the source gas and the nitrogen gas without suddenly changing, the high concentration impurity doping The resistance value of the layer 12 can be lowered.
[0111]
Through the above steps, the thickness is about 100 nm and the nitrogen concentration is about 1 × 10.19atoms · cm-3The n-type heavily doped impurity layer 12 is epitaxially grown on the substrate 11.
[0112]
Next, in the step shown in FIG. 3B, the epitaxial growth layer 13 is formed on the high concentration impurity doped layer 12. A specific method is described below.
[0113]
First, the substrate temperature is raised so as to be constant at 1600 ° C. In this step, the flow rates of silane gas, propane gas, and nitrogen gas are 3.0 mL / min, 3.0 mL / min, and 0.2 mL / min, respectively. The carbon / silicon ratio at this time is 3, which is higher than the carbon / silicon ratio at the time of forming the high concentration impurity doped layer 12. By this step, the thickness is about 10 μm, and the carrier density (nitrogen concentration) is about 1 × 10.16atoms · cm-3The epitaxial growth layer 13 is formed on the high concentration impurity doped layer 12.
[0114]
Next, in the step shown in FIG. 3C, after the nickel (Ni) is deposited on the back surface of the substrate 11 using a vacuum deposition apparatus, the ohmic electrode 14 made of Ni is formed by heating at 1000 ° C. .
[0115]
Subsequently, after a silicon oxide film is formed on the epitaxial growth layer 13 by CVD or the like, a part thereof is opened by etching to form a guard ring 15. Next, a Schottky electrode 16 formed by depositing gold (Au) is formed on a region of the epitaxial growth layer 13 where the guard ring 15 is opened.
[0116]
The current-voltage characteristics of the Schottky diode of this embodiment formed as described above were examined. For comparison, a similar Schottky diode was fabricated on a SiC substrate in which an epitaxial growth layer was formed by a conventional method in which a high concentration impurity doped layer was not formed on the substrate, and the current-voltage characteristics were examined. Hereinafter, this Schottky diode manufactured by the conventional method is referred to as “conventional Schottky diode”. Unlike the Schottky diode shown in FIG. 9, the conventional Schottky diode fabricated here has an epitaxial growth layer thickness of about 10 μm and a carrier density of 1 × 10.16atoms · cm-3The element configuration is the same as that of the Schottky diode of this embodiment except that the high-concentration impurity doped layer is not provided.
[0117]
The operating characteristics when a voltage was applied to these Schottky diodes were measured.
[0118]
FIG. 4 is a diagram showing current-voltage characteristics of the Schottky diode of this embodiment and the conventional Schottky diode. Here, the voltage applied to the Schottky electrode side is a positive voltage.
[0119]
As shown in the figure, in the Schottky diode of this embodiment, it has been found that the on-current for the same voltage is nearly twice as large as that of the conventional Schottky diode.
[0120]
This is because, in the Schottky diode of this embodiment, a low resistance region with a low impurity concentration does not occur between the substrate 11 and the epitaxial growth layer 13, so that the resistance value becomes small and the on-state when a forward voltage is applied is reduced. This is probably because the current has increased.
[0121]
On the other hand, the on-voltage, which is the forward voltage when the on-current starts to flow, is about 1 V for both diodes, and no difference was observed.
[0122]
Next, in order to compare the breakdown voltage characteristics of both Schottky diodes, the reverse breakdown voltage, which is a voltage that causes breakdown by applying a reverse bias voltage, was measured.
[0123]
As a result, it was found that the breakdown voltage of the Schottky diode of this embodiment is nearly 20% higher than that of the conventional Schottky diode.
[0124]
This is because, in the Schottky diode of this embodiment, a high concentration impurity doped layer having a higher dopant concentration than that of the substrate is provided, and therefore, when a reverse bias voltage is applied, a depletion layer that spreads from the Schottky electrode side. Is considered to be caused by not reaching the substrate.
[0125]
From these results, a high-concentration impurity doped layer having the same conductivity type as the substrate and containing a higher concentration of impurities than the substrate exists between the substrate and the epitaxially grown layer, so that the on-current is large and the reverse breakdown voltage is increased. A large Schottky diode can be fabricated.
[0126]
In the case of the conventional Schottky diode shown in FIG. 10 in which the epitaxial growth layer is formed thick, the on-current is further reduced. Therefore, the Schottky diode of this embodiment can significantly reduce power consumption during operation as compared with the conventional Schottky diode shown in FIG.
[0127]
Since it has the above characteristics, the Schottky diode of this embodiment is preferably used for various electronic devices. For example, when the Schottky diode of the present embodiment is used for a plasma display (PDP), since power consumption is small and heat dissipation is better than Si, generation and accumulation of heat can be suppressed, The number of parts required for heat dissipation can be reduced.
[0128]
In addition, since the Schottky diode of this embodiment has higher breakdown voltage than the conventional Schottky diode, even when the guard ring 15 is not provided, it is difficult for dielectric breakdown to occur during reverse bias application. Thereby, the manufacturing process can be further simplified, and the manufacturing cost can be reduced.
[0129]
In addition, the Schottky diode manufacturing method of the present embodiment also has an advantage that it is possible to easily manufacture a Schottky diode that realizes an increase in on-current and an improvement in breakdown voltage without using a special device. .
[0130]
Note that the thickness of the high-concentration impurity doped layer 12 in the Schottky diode of this embodiment is preferably 10 nm or more and 1000 nm or less, as in the first embodiment, and the impurity concentration range is also 1 × 10 10.18atoms · cm-31 × 10 or more20atoms · cm-3The following is preferable.
[0131]
In the Schottky diode of this embodiment, nitrogen is used as a dopant for the substrate 11, the epitaxial growth layer 13, and the high-concentration impurity doped layer 12 existing between them, but other n-type impurities are used instead. Alternatively, a p-type impurity such as Al may be used. Even in this case, the same effect as in the present embodiment can be obtained.
[0132]
In the Schottky diode of this embodiment, a 4H—SiC substrate is used as a substrate, but a 6H—SiC substrate, a 3C—SiC substrate, a 15R—SiC substrate, or the like can also be used.
[0133]
In the Schottky diode of this embodiment, SiC is used as the material for the substrate and the epitaxial growth layer. Instead, Si, gallium nitride (GaN), gallium arsenide (GaAs), and indium phosphide (InP) are used. Such semiconductors can also be used. In the case of GaN or InP, Si or the like is used as the impurity. This is common in the following embodiments.
[0134]
(Third embodiment)
As a third embodiment of the present invention, an example of a pn diode using the SiC substrate of the first embodiment will be described.
[0135]
FIGS. 5A to 5C are cross-sectional views showing a process for manufacturing a pn diode according to the third embodiment of the present invention.
[0136]
As shown in FIG. 5C, the pn diode of the present embodiment is provided on a substrate 21 made of n-type 4H—SiC and on the main surface of the substrate 21, for example, SiC having a thickness of 100 nm containing nitrogen. Provided on the high-concentration n-type doped layer 22 and the high-concentration n-type doped layer 22, provided on the n-type SiC layer 23 having a thickness of about 10 μm containing nitrogen, and the n-type SiC layer 23, For example, a high-concentration p-type doped layer 27 having a thickness of 10 nm containing Al, a p-type SiC layer 28 having a thickness of about 2.5 μm, which is provided on the high-concentration p-type doped layer 27, and p-type SiC The upper electrode 26 formed by laminating Ni and Al provided on the layer 28 and the lower electrode 24 formed of Ni provided on the back surface of the substrate 21 are provided.
[0137]
The nitrogen concentration in substrate 21, high concentration n-type doped layer 22 and n-type SiC layer 23 is 1 × 10, respectively.18atoms · cm-3, 1 × 1019atoms · cm-3And 1 × 1016atoms · cm-3The Al concentration contained in the high-concentration p-type doped layer 27 and the p-type SiC layer 28 is 1 × 10 3 respectively.19atoms · cm-3, 1 × 1018atoms · cm-3It is.
[0138]
The pn diode of this embodiment includes a high-concentration n-type doped layer 22 containing n-type impurities at a higher concentration than the substrate 21 on the main surface of the substrate 21, and an n-type SiC layer 23 and a p-type SiC layer 28. A high-concentration p-type doped layer 27 containing a p-type impurity at a high concentration is provided.
[0139]
For this reason, since there is no region having a large resistance not only in the n-type SiC layer 23 but also in the p-type SiC layer 28, the resistance value of the pn diode of this embodiment is smaller than that of the conventional pn diode.
[0140]
In addition, when a reverse bias is applied, the depletion layer extending from the pn junction is stopped in the high-concentration n-type doped layer 22, so that the withstand voltage is improved as compared with the conventional pn diode.
[0141]
Next, a method for manufacturing the pn diode of this embodiment will be described.
[0142]
First, in the step shown in FIG. 5A, a high-concentration n-type doped layer 22 and an n-type SiC layer 23 are sequentially formed on the main surface of the substrate 21 by the same procedure as in the first and second embodiments. . A specific procedure will be described below.
[0143]
After the substrate 21 is placed on the susceptor 52 of the vertical thin film growth apparatus shown in FIG.-FiveThe pressure is reduced until the degree of vacuum is about Pa. Next, hydrogen gas as the dilution gas 56 is supplied from the gas supply system 58 at a flow rate of 2 L / min, and the pressure in the reaction furnace 50 is set to 90 kPa.
[0144]
Subsequently, a high frequency power of 20.0 kHz and 20 kW is applied to the coil 54 using an induction heating device while maintaining the flow rate of hydrogen gas, and the susceptor 52 is heated. In this step, the temperature of the substrate 21 is controlled to be constant at 1500 ° C.
[0145]
Next, while the hydrogen gas flow rate is kept constant at 2 L / min, propane gas, which is a carbon source gas, silane gas, which is a silicon source gas, and nitrogen gas, which is an n-type dopant, are supplied to the reactor 50. Supply from mouth.
[0146]
The flow rates of silane gas, propane gas, and nitrogen gas immediately after the start of the formation of the high-concentration n-type doped layer 22 are 3.0 mL / min, 0.6 mL / min, and 1.0 mL / min, respectively. In this case, the carbon / silicon ratio of the source gas is 0.6. Subsequently, the source gas and the nitrogen gas are kept flowing for at least 10 minutes while keeping these flow rate values constant.
[0147]
Thereafter, with the silane gas flow rate kept constant at 3.0 mL / min, the propane gas flow rate was continuously increased, and the nitrogen gas flow rate was continuously decreased. Min and 0.2 mL / min. This procedure resulted in a thickness of about 100 nm and a nitrogen concentration of about 1 × 1019atoms · cm-3The n-type high-concentration n-type doped layer 22 is epitaxially grown on the substrate 21.
[0148]
Subsequently, the substrate temperature is raised so as to be constant at 1600 ° C.
[0149]
Here, the flow rates of silane gas, propane gas, and nitrogen gas are 3.0 mL / min, 3.0 mL / min, and 0.2 mL / min, respectively. The carbon / silicon ratio at this time is 3.
[0150]
By this procedure, the thickness is about 10 μm and the carrier density (nitrogen concentration) is about 1 × 1016 atoms · cm-3The n-type SiC layer 23 is epitaxially grown on the high-concentration n-type doped layer 22.
[0151]
Next, a high-concentration p-type doped layer 27 and a p-type SiC layer 28 are sequentially formed on the n-type SiC layer 23 in the step shown in FIG. A specific procedure will be described below.
[0152]
First, after the supply of silane gas, propane gas, and nitrogen gas is stopped, the substrate temperature is lowered to 1500 ° C. and held at that temperature. Next, silane gas and propane gas are supplied to the reactor 50 at flow rates of 1.0 mL / min and 3.0 mL / min, respectively. At the same time, TMA gas, which is an Al source gas, is supplied into the reactor 50 at a flow rate of 1 mL / min.
[0153]
After holding in this state for about 10 minutes, the flow rate of silane gas is continuously increased and the flow rate of TMA gas is continuously decreased to reach 3.0 mL / min and 0.5 mL / min, respectively, after 5 minutes. Like that. During this time, the flow rate of propane gas is kept constant at 3.0 mL / min.
[0154]
By such a procedure, the high concentration p-type doped layer 27 is epitaxially grown.
[0155]
Subsequently, the substrate temperature is raised to 1600 ° C. and maintained at this temperature. In this state, the flow rates of propane gas, silane gas, and TMA gas are maintained at 3.0 mL / min, 3.0 mL / min, and 0.2 mL / min, respectively. By this procedure, the thickness is about 2.5 μm and the carrier concentration is about 1 × 10.18atoms · cm-3The p-type SiC layer 28 is formed by epitaxial growth.
[0156]
Next, in the step shown in FIG. 5C, Ni / Al and Ni are deposited on the p-type SiC layer 28 and the back surface of the substrate 21 using a vacuum deposition apparatus, respectively, and then heated at 1000 ° C. Thus, the upper electrode 26 and the lower electrode 24 made of Ni / Al and Ni, respectively, are formed.
[0157]
Through the above steps, the pn diode of this embodiment is manufactured.
[0158]
In the manufacturing method of the pn diode of the present embodiment, since the high concentration n-type doped layer 22 is formed before the n-type SiC layer 23 is formed, a decrease in nitrogen concentration in the n-type SiC layer 23 is suppressed. Yes. Therefore, in the pn diode of the present embodiment, the resistance value between the substrate 21 and the n-type SiC layer 23 is reduced.
[0159]
In addition, in the pn diode of this embodiment, by providing the high-concentration p-type doped layer 27, the resistance value in the p-type SiC layer 28 is also reduced.
[0160]
In the step shown in FIG. 5B, when the high-concentration p-type doped layer 27 is formed, by increasing the carbon / silicon ratio of the source gas as compared with the formation of the p-type SiC layer, Increasing incorporation into the concentration p-type doped layer 27 is intended.
[0161]
Next, the current-voltage characteristics were examined for a conventional pn diode in which the high-concentration n-type doped layer 22 and the high-concentration p-type doped layer 27 are not provided and the pn diode of this embodiment. Here, as the conventional pn diode, the same element configuration as that of the pn diode of the present embodiment except for the high-concentration n-type doped layer 22 and the high-concentration p-type doped layer 27 was used.
[0162]
As a result of measuring the operating characteristics when a voltage was applied to both pn diodes, it was confirmed that the on-current for the same voltage was increased in the pn diode of this embodiment compared to the conventional pn diode (not shown). )
[0163]
Further, when the reverse breakdown voltage of both pn diodes was measured, it was confirmed that the reverse breakdown voltage was larger than that of the pn diode of this embodiment.
[0164]
As described above, the pn diode of the present embodiment is preferably used for various devices because it has improved withstand voltage and reduced power consumption. In particular, a pn diode can be designed to have a higher withstand voltage than a Schottky diode, and thus is used in a device that requires a withstand voltage.
[0165]
In the pn diode of this embodiment, the high-concentration n-type doped layer 22 and the high-concentration p-type doped layer 27 are provided. However, even when the high-concentration p-type doped layer 27 is not provided, the breakdown voltage and the current driving capability are improved. Improvements can be made.
[0166]
In addition, although the 4H-SiC substrate was used in the pn diode of this embodiment, a pn diode with high breakdown voltage and reduced power consumption can be manufactured even if a substrate made of other polytypes is used.
[0167]
(Fourth embodiment)
As a fourth embodiment of the present invention, a vertical structure MOSFET (hereinafter abbreviated as a vertical MOSFET) manufactured using the SiC substrate according to the first embodiment will be described below.
[0168]
6A to 6C are cross-sectional views illustrating the manufacturing process of the vertical MOSFET according to the fourth embodiment of the present invention.
[0169]
As shown in FIG. 6C, the vertical MOSFET of this embodiment is provided on a substrate 31 made of SiC containing an n-type impurity and on the main surface of the substrate 31, and has a higher concentration than that of the substrate 31. High-concentration impurity doped layer 32 made of SiC containing n-type impurities, epitaxial growth layer 33 made of SiC containing n-type impurities, and SiO provided on epitaxial growth layer 332 Of the gate oxide film 43, the gate electrode 46 provided on the gate oxide film 43, the p-type well 41 provided by ion implantation in a part of the epitaxial growth layer 33, and the gate electrode of the p-type well 41. N-type well 42 provided in regions located on both sides of 46, source electrode 44 made of Ni provided on n-type well 42, and drain electrode made of Ni provided on the back surface of substrate 31. 35.
[0170]
The substrate 31, the high concentration impurity doped layer 32, the epitaxial growth layer 33, and the n-type well each have a concentration of 1 × 10 5.18atoms · cm-31 × 1019atoms · cm-31 × 1016atoms · cm-3And 1 × 1019atoms · cm-3N-type impurities such as nitrogen are contained. The p-type well 41 has a concentration of 1 × 10.17atoms · cm-3P-type impurities such as Al.
[0171]
Next, a method for manufacturing the vertical MOSFET of this embodiment will be described.
[0172]
First, in the step shown in FIG. 6A, a high concentration impurity doped layer 32 is formed on a substrate 31 made of SiC by a CVD method. As the substrate 1, an n-type (0001) plane SiC substrate (4H-SiC substrate) having a diameter of 50 mm and having an off angle of 8 degrees in the [11-20] direction is used. The dopant concentration of this substrate is about 1 × 1018atoms · cm-3It is. A specific method is described below.
[0173]
First, the substrate 31 is set on the susceptor 52 of the vertical thin film growth apparatus shown in FIG.-FiveThe pressure is reduced until the degree of vacuum is about Pa. Next, hydrogen gas is supplied from the gas supply system 58 at a flow rate of 2 L / min, and the pressure in the reaction furnace 50 is set to 90 kPa. The pressure in the reaction furnace 50 is controlled by adjusting the valve 60. In a state where the flow rate of hydrogen gas is maintained, high frequency power is applied to the coil 54 by using an induction heating device to heat the susceptor 52. During this step, the temperature of the substrate 1 is controlled to be constant at 1500 ° C.
[0174]
Next, the propane gas and silane gas of the source gas 55 and the nitrogen gas of the n-type dopant are supplied from the gas supply port of the reaction furnace 50 while keeping the hydrogen gas flow rate constant at 2 L / min. The source gas 55 and the dopant gas 57 are supplied after being diluted with hydrogen gas.
[0175]
The flow rates of silane gas, propane gas, and nitrogen gas immediately after the start of the formation of the high-concentration impurity doped layer 2 are 3.0 mL / min, 0.6 mL / min, and 1.0 mL / min, respectively. In this case, the carbon / silicon ratio of the source gas is 0.6. Then, in this state, the source gas and nitrogen gas continue to flow for at least 10 minutes.
[0176]
Thereafter, as shown in FIG. 2, the flow rate of propane gas is continuously increased and the flow rate of nitrogen gas (impurity dopant gas) is continuously decreased. After 5 minutes, 3.0 mL / min and 0. 2 mL / min. During this time, the flow rate of silane gas is kept constant at 3.0 mL / min.
[0177]
By this step, the thickness is about 100 nm and the dopant concentration is about 1 × 10.19atoms · cm-3The n-type high concentration impurity doped layer 32 is formed on the substrate 31.
[0178]
Next, in the step shown in FIG. 6B, the epitaxial growth layer 33 is subsequently formed on the high-concentration impurity doped layer 32 by the CVD method. A specific method is described below.
[0179]
First, the temperature of the SiC substrate 1 on which the high-concentration impurity doped layer 2 is formed is raised so as to be constant at 1600 ° C. In this step, the flow rates of silane gas, propane gas, and nitrogen gas are 3.0 mL / min, 3.0 mL / min, and 0.2 mL / min, respectively.
[0180]
The carbon / silicon ratio at this time is 3, which is a higher value than the carbon / silicon ratio when the high concentration impurity doped layer 2 is formed. By this step, the thickness is about 10 μm and the carrier density is about 1 × 10.16atoms · cm-3The n-type epitaxial growth layer is formed on the high concentration impurity doped layer 32.
[0181]
Next, in the step shown in FIG. 6C, after ion implantation of Al ions into the epitaxial growth layer 33, activation annealing is performed.
[0182]
Thereby, a part of the epitaxial growth layer 33 has a dopant concentration of 1 × 10 5.17atoms · cm-3Thus, the p-type well 41 functions as a channel of the MOSFET.
[0183]
Next, after implanting nitrogen ions into the p-type well 41, activation annealing is performed.
[0184]
As a result, a part of the p-type well has a dopant concentration of 1 × 10 5.19atoms · cm-3Thus, the n-type well 12 functions as a contact layer for the source of the MOSFET.
[0185]
Next, the substrate is thermally oxidized at about 1100 ° C. to form SiO on the substrate.2A gate oxide film 43 having a thickness of 30 nm is formed.
[0186]
Thereafter, Ni is vapor-deposited on the upper surface of the n-type well 42 and the rear surface of the substrate 31 using an electron beam (EB) vapor deposition apparatus. Subsequently, by heating the substrate to 1000 ° C. in a heating furnace, the source electrode 44 that is an ohmic electrode is formed on the n-type well 42, and the drain electrode 35 that is an ohmic electrode is formed on the back surface of the substrate 31, respectively. Form.
[0187]
Subsequently, Al is evaporated on the gate oxide film 43 to form the gate electrode 46. The gate length is about 2 μm.
[0188]
With the above method, the vertical MOSFET of the present embodiment is manufactured.
[0189]
Next, in order to investigate the performance of the vertical MOSFET according to this embodiment, the relationship between the drain current and the gate voltage of the vertical MOSFET was measured. The results will be described below.
[0190]
First, for comparison, a vertical MOSFET was prepared in which a high-concentration impurity doped layer having a higher dopant concentration than the SiC substrate was not formed on the substrate. The element structure of the vertical MOSFET is the same as that of the vertical MOSFET of the present embodiment except for the high concentration impurity doped layer. This vertical MOSFET is hereinafter referred to as “conventional vertical MOSFET”.
[0191]
Next, the current-voltage characteristics of the present embodiment and the conventional vertical MOSFET were examined. Specifically, the withstand voltage and on-current of both vertical MOSFETs were measured and compared.
[0192]
As a result, it was confirmed that the vertical MOSFET of this embodiment has a withstand voltage nearly twice as high as that of a conventional vertical MOSFET and an on-current is also about 20% higher (not shown). .
[0193]
From this result, in the conventional vertical MOSFET, since the epitaxial growth layer which becomes the active region is formed on the substrate as described above, when a voltage is applied between the source and the drain, the depletion layer spreads from the pn junction. Is likely to reach the substrate and cause dielectric breakdown within the substrate. Further, it is considered that the on-current is reduced because a resistance component exists between the substrate 31 and the epitaxial growth layer 33.
[0194]
On the other hand, in the vertical MOSFET according to the present embodiment, the depletion layer extending from the pn junction remains at the high-concentration impurity doped layer 32 when a voltage is applied, so that the breakdown voltage is considered to be improved. Furthermore, it is considered that the high concentration impurity doped layer 32 is provided between the substrate 31 and the epitaxial growth layer 33, whereby the resistance component is reduced and the on-current is increased.
[0195]
From the above, it can be seen that a vertical MOSFET having a high breakdown voltage and a high gain can be produced by using a SiC substrate having a high impurity concentration doped layer having a higher dopant concentration than the substrate.
[0196]
In the vertical MOSFET of this embodiment, the p-type well is used as a channel. However, the substrate, the n-type doped layer, and the n-type well may be p-type, and the p-type well may be n-type.
[0197]
In the vertical MOSFET of this embodiment, the thickness of the epitaxial growth layer in the active region is 10 μm, but the thickness may be changed as necessary.
[0198]
Also in the vertical MOSFET of this embodiment, a substrate made of a polytype other than 4H—SiC can be used as in the second and third embodiments.
[0199]
In the present embodiment, an example of a vertical MOSFET has been described. However, the SiC substrate according to the first embodiment can exhibit the above-described effect even in an SiC semiconductor device having a vertical structure of any configuration. .
[0200]
【The invention's effect】
The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes an impurity having the same conductivity type as that of the SiC substrate between the SiC substrate and the epitaxially grown layer made of SiC, and a high concentration of impurities that are higher in concentration than the SiC substrate. A concentration impurity doped layer is formed. By this method, it is possible to realize a semiconductor device having a higher withstand voltage and a reduced power loss as compared with the prior art.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A to 1C are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing an SiC substrate according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a flow rate of a source gas and an impurity dopant gas and a change in substrate temperature with time in a method for growing a SiC layer according to the present invention.
FIGS. 3A to 3C are cross-sectional views showing manufacturing steps of a Schottky diode according to a second embodiment of the present invention. FIGS.
FIG. 4 is a diagram showing current-voltage characteristics of a Schottky diode according to a second embodiment of the present invention and a conventional Schottky diode.
FIGS. 5A to 5C are cross-sectional views showing manufacturing steps of a pn diode according to a third embodiment of the present invention. FIGS.
FIGS. 6A to 6C are cross-sectional views showing a manufacturing process of a vertical MOSFET according to the fourth embodiment of the present invention. FIGS.
FIG. 7 is a diagram schematically showing a configuration of a general vertical thin film growth apparatus used for forming a SiC film.
FIG. 8 is a table showing a summary of impurity concentration and resistivity in an n-type doped layer of 4H—SiC.
FIG. 9 is a diagram showing a flow rate of a source gas and an impurity dopant gas and a change in substrate temperature with time in a conventional SiC layer growth method.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a conventional Schottky diode.
[Explanation of symbols]
1,11,21,31 substrate
2,12,32 Highly doped layer
3,13,33 Epitaxial growth layer
14 Ohmic electrode
15 Guard ring
16 Schottky electrode
22 High-concentration n-type doped layer
23 n-type SiC layer
24 Lower electrode
26 Upper electrode
27 High-concentration p-type doped layer
28 p-type SiC layer
35 Drain electrode
41 p-type well
42 n-type well
43 Gate oxide film
44 Source electrode
46 Gate electrode
50 reactor
51 substrates
52 Susceptor
53 Support shaft
54 coils
55 Source gas
56 Dilution gas
57 Dopant gas
58 Gas supply system
59 Gas exhaust system
60 valves
61 Exhaust pipe

Claims (23)

第1導電型の不純物を含む半導体基板と、
上記半導体基板上に設けられ、上記半導体基板よりも高い濃度で第1導電型の不純物を含むエピタキシャル成長により形成された半導体からなる第1の高濃度不純物ドープ層と、 上記第1の高濃度不純物ドープ層の上に設けられ、上記第1の高濃度不純物ドープ層よりも低い濃度で第1導電型の不純物を含む第1の半導体層とを備え、
動作時には、キャリアが上記半導体基板、上記第1の高濃度不純物ドープ層及び上記第1の半導体層を通過して走行する半導体装置。
A semiconductor substrate containing an impurity of a first conductivity type;
The provided semiconductor substrate, a first high concentration impurity doped layer made of a semiconductor which is formed by the epitaxial growth including a first conductivity type impurity at a higher concentration than the semiconductor substrate, the first high concentration impurity doped A first semiconductor layer that is provided on the layer and includes a first conductivity type impurity at a lower concentration than the first high-concentration impurity doped layer;
In operation, a semiconductor device in which carriers travel through the semiconductor substrate , the first high-concentration impurity doped layer, and the first semiconductor layer .
請求項1に記載の半導体装置において、
上記半導体基板はSi,SiC,GaN,GaAs及びInPのうちから選ばれた1つの材料から構成されていることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device is characterized in that the semiconductor substrate is made of one material selected from Si, SiC, GaN, GaAs and InP.
請求項2に記載の半導体装置において、
上記半導体基板、上記第1の高濃度不純物ドープ層及び上記第1の半導体層は共にSiCから構成されていることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 2,
The semiconductor device , the first high-concentration impurity doped layer, and the first semiconductor layer are all made of SiC.
請求項1〜のうちいずれか1つに記載の半導体装置において、
上記第1の高濃度不純物ドープ層に含まれる不純物の濃度は、1×1018atoms・cm-3以上1×1020atoms・cm-3以下であることを特徴とする半導体装置。
In the semiconductor device according to any one of claims 1 to 3 ,
A semiconductor device, wherein a concentration of impurities contained in the first high-concentration impurity doped layer is 1 × 10 18 atoms · cm −3 to 1 × 10 20 atoms · cm −3 .
請求項1〜のうちいずれか1つに記載の半導体装置において、
上記第1の高濃度不純物ドープ層の厚みは、10nm以上且つ1000nm以下であることを特徴とする半導体装置。
In the semiconductor device according to any one of claims 1 to 4 ,
The thickness of the said 1st high concentration impurity dope layer is 10 nm or more and 1000 nm or less, The semiconductor device characterized by the above-mentioned.
請求項1〜のうちいずれか1つに記載の半導体装置において、
記第1の高濃度不純物ドープ層に含まれる不純物は、in-situドーピングによって導入されたものであることを特徴とする半導体装置。
In the semiconductor device according to any one of claims 1 to 5 ,
On SL impurity contained in the first high concentration impurity doped layer, a semiconductor device which is characterized in that which has been introduced by in-situ doping.
請求項1〜のうちいずれか1つに記載の半導体装置において、
上記第1の半導体層は、エピタキシャル成長により形成されていることを特徴とする半導体装置。
In the semiconductor device according to any one of claims 1 to 6 ,
The semiconductor device, wherein the first semiconductor layer is formed by epitaxial growth.
請求項1〜のうちいずれか1つに記載の半導体装置において、
上記第1の半導体層の上に設けられ、上記第1の半導体層とショットキー接触するショットキー電極と、
上記半導体基板の裏面上に設けられ、上記半導体基板とオーミック接触するオーミック電極と
をさらに備えている半導体装置。
In the semiconductor device according to any one of claims 1 to 7 ,
Provided on the first semiconductor layer, and the Schottky electrode in contact the first semiconductor layer and the Schottky,
The provided semiconductor substrate on the back surface, the semiconductor device further comprising a ohmic electrode in contact the semiconductor substrate and ohmic.
請求項に記載の半導体装置において、
上記第1の半導体層の上に設けられ、上記ショットキー電極を囲む絶縁体からなるガードリングをさらに備えていることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 8 ,
A semiconductor device, further comprising a guard ring made of an insulator provided on the first semiconductor layer and surrounding the Schottky electrode.
請求項1〜のうちいずれか1つに記載の半導体装置において、
上記第1の半導体層の上方に設けられ、第2導電型の不純物を含む第2の半導体層と、
上記第2の半導体層の上に設けられた上部電極と、
上記半導体基板の裏面上に設けられた下部電極と
をさらに備え、
pnダイオードとして機能することを特徴とする半導体装置。
In the semiconductor device according to any one of claims 1 to 7 ,
Provided above the first semiconductor layer, a second semiconductor layer containing an impurity of the second conductivity type,
An upper electrode provided on the second semiconductor layer ;
A lower electrode provided on the back surface of the semiconductor substrate ,
A semiconductor device which functions as a pn diode.
請求項10に記載の半導体装置において、
上記第1の半導体層と上記第2の半導体層との間に設けられ、上記第2の半導体層よりも高濃度で第2導電型の不純物を含む第2の高濃度不純物ドープ層をさらに備えていることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 10 .
A second high-concentration impurity doped layer which is provided between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer and contains a second conductivity type impurity at a higher concentration than the second semiconductor layer; A semiconductor device characterized by that.
請求項10または11に記載の半導体装置において、
上記第2の半導体層はエピタキシャル成長されたSiCから構成されていることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 10 or 11 ,
The semiconductor device, wherein the second semiconductor layer is made of epitaxially grown SiC.
請求項1〜のうちいずれか1つに記載の半導体装置において、
上記第1の半導体層のうち一部の領域に第2導電型の不純物イオンを注入して設けられ、チャネルとして機能する第1のウェルと、
上記第1の半導体層と上記第1のウェルの上に設けられたゲート絶縁膜と、
上記ゲート絶縁膜の上に設けられたゲート電極と、
上記第1のウェルのうち、上記ゲート電極の両側方に位置する領域に第1導電型の不純物イオンを注入して設けられた上記第2のウェルと、
上記第2のウェルの上に設けられた第1の電極と、
上記半導体基板の裏面上に設けられた第2の電極と
をさらに備え、
縦型構造のMISFETとして機能することを特徴とする半導体装置。
In the semiconductor device according to any one of claims 1 to 7 ,
A first well which is provided by implanting impurity ions of the second conductivity type into a part of the first semiconductor layer and functions as a channel;
A gate insulating film provided on the first semiconductor layer and the first well;
A gate electrode provided on the gate insulating film;
The second well provided by implanting impurity ions of the first conductivity type in regions located on both sides of the gate electrode in the first well;
A first electrode provided on the second well;
A second electrode provided on the back surface of the semiconductor substrate ,
A semiconductor device which functions as a MISFET having a vertical structure.
薄膜成長装置の反応炉に第1の原料ガス、第2の原料ガス及び不純物ドーパントガスを供給して、半導体基板上に、上記半導体基板よりも高濃度に第1導電型の不純物を上記第1の原料ガスに含まれる構成元素のあるべき位置に含む第1の高濃度不純物ドープ層をエピタキシャル成長させる工程(a)と、
上記工程(a)の後に上記第1の高濃度不純物ドープ層の上に上記第1の高濃度不純物ドープ層よりも低濃度に第1導電型の不純物を含む第1の半導体層をエピタキシャル成長させる工程(b)とを含み、
上記工程(a)の開始時には、上記工程(b)の開始時に比べ上記第1の原料ガスの供給量を小さくして上記第1の原料ガスと上記第2の原料ガスとの供給量の比を変え、上記不純物ドーパントガスの供給量を大きくすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
The first source gas, the second source gas, and the impurity dopant gas are supplied to the reaction furnace of the thin film growth apparatus, so that the first conductivity type impurity is more concentrated on the semiconductor substrate than the semiconductor substrate . A step (a) of epitaxially growing a first high-concentration impurity-doped layer included at a position where a constituent element contained in the source gas should be ;
Epitaxially growing a first semiconductor layer comprising the above step (a) the first of the first conductivity type impurity at a low concentration than the first high concentration impurity doped layer on the high concentration impurity doped layer after the (B)
At the start of the step (a), the supply amount of the first source gas is made smaller than that at the start of the step (b), and the ratio of the supply amounts of the first source gas and the second source gas is compared. The method for manufacturing a semiconductor device is characterized in that the supply amount of the impurity dopant gas is increased .
請求項14に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程(a)の開始時には、上記工程(b)の開始時に比べ上記不純物ドーパントガスの供給量を大きくすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 14 ,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the supply amount of the impurity dopant gas is larger at the start of the step (a) than at the start of the step (b).
請求項14または15に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程(a)の開始時には、上記工程(b)の開始時に比べ基板温度を低くすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 14 or 15 ,
A method of manufacturing a semiconductor device, characterized in that the substrate temperature is lowered at the start of the step (a) as compared to the start of the step (b).
請求項14〜16のうちいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程(a)は、上記不純物ドーパントガスの供給量を連続的に減少させる工程(a1)をさらに含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to any one of claims 14 to 16 ,
The method (a) further includes a step (a1) of continuously reducing the supply amount of the impurity dopant gas.
請求項14〜17のうちいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記半導体基板はSiCから構成されていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device as described in any one of Claims 14-17 ,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the semiconductor substrate is made of SiC.
請求項18に記載の半導体装置の製造方法において、
上記第1の高濃度不純物ドープ層及び第1の半導体層は共にSiCから構成されていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 18 ,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein both the first high-concentration impurity doped layer and the first semiconductor layer are made of SiC.
請求項14〜19のうちいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記不純物ドーパントガスは窒素またはホスフィンであり、上記第1の原料ガスは炭素の原料ガスであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device as described in any one of Claims 14-19 ,
The semiconductor device manufacturing method, wherein the impurity dopant gas is nitrogen or phosphine, and the first source gas is a carbon source gas.
請求項20に記載の半導体装置の製造方法において、
上記第1の原料ガスは、プロパン,メタン,アセチレン,エタン,エチレン,プロピレン及びブタンのうちから選ばれた1つであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 20 ,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the first source gas is one selected from propane, methane, acetylene, ethane, ethylene, propylene, and butane.
請求項14〜19のうちいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記不純物ドーパントガスはトリメチルアルミニウムガスまたはジボランであり、
上記第1の原料ガスはシリコンの原料ガスであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device as described in any one of Claims 14-19 ,
The impurity dopant gas is trimethylaluminum gas or diborane,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the first source gas is a source gas of silicon.
請求項22に記載の半導体装置の製造方法において、
上記第1の原料ガスはシランガスまたはジシランガスであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 22 ,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the first source gas is silane gas or disilane gas.
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