JP4530432B2 - 注入工程を使用してＳｉＣ半導体層を有する半導体デバイスを製造する方法 - Google Patents

Description

発明の技術分野および従来の技術
本発明は、ａ）第１のＳｉＣ半導体層を成長させる工程と、工程ａ）に続いて、ｂ）前記第１の層中に下位の層として第２のドーピングした表面層を形成するため、不純物ドーパントを注入する工程とを含む、少なくとも３層のドーピングした層を順次積層したＳｉＣの半導体層を有する半導体デバイス（device／装置）を製造する方法、および前記方法を実施することにより製造した半導体デバイスに関するものである。
このようなイオン注入技術は、すべての種類の半導体デバイス、たとえば各種のダイオード、トランジスタ、サイリスタ等の製造に使用することができ、不純物の含有量および分布の両方を制御することができるため、デバイスの製造に魅力的な技術である。この技術は、Ｓｉデバイスのためには十分に開発されているが、このようなデバイスのイオン注入に良好に使用されている方法は、ＳｉＣデバイスのためには、ＳｉとＳｉＣでは性質が全く異なるため、利用することができない。このようなＳｉＣのデバイスは、主としてＳｉと比較して、ＳｉＣの優れた特性、すなわち極端な条件で十分機能するＳｉＣの能力から利益を得ることができる適用分野で実用的に使用されている。ＳｉＣはバンドギャップ・エネルギー（bandgap energy）が大きいため、熱安定性が高く、前記材料から製作されたデバイスは、高温、すなわち１０００Ｋまでの温度で稼動させることができる。
さらに、ＳｉＣは熱伝導度が高く、破壊電場がＳｉより５倍高いため、ＳｉＣデバイスは高集積度で配列することができる。したがって、ＳｉＣはデバイスのブロッキング（blocking）状態で高電圧が生じることがあるような条件で動作する高電力デバイスの材料として適している。
したがって、このデバイス製造技術を制御する手段と、高品質で、特に高電力適用分野に適したＳｉＣ半導体デバイスを大量に生産することのできるＳｉＣを見いだすことが望まれている。
序文で定義した種類の周知の、すなわち注入工程を使用する方法は、いくつかの制限を有する。イオン注入の主要な制限の１つは、ドーピング濃度を高めることができるのみで、これはイオン注入により、不純物の中心の密度を増加させることができるだけであることを意味する。しかし、デバイスの適用分野によっては、高濃度にドーピングした層の上に低濃度にドーピングした層を有する構造が望ましいが、ＳｉＣへの注入技術と、高品質のこのような構造を得るために、メサ（mesa）構造の代わりにプレーナ（planar）構造を形成する可能性に関連する利点を用いることは今のところ成功していない。第１に、ＳｉＣに注入することができる深さは大幅に制限されている。この最大注入深さは、ＳｉＣ表面に射出されるイオンの加速度エネルギーによって与えられる。さらに、このような層の最少深さは、範囲の競合により前記加速度エネルギーとともに増大し、これは高い加速度エネルギーを用いながら注入により形成した層の制限が非常に広く、層の最小厚みが、デバイスの適用分野によっては大きすぎてしまう。したがって、高エネルギー注入の破損プロファイル（damage profile）は注入されたＳｉＣ層の表面にまで広がる。このように、低濃度にドーピングした表面層では、注入による破損が電荷キャリアにとって寿命を短くするものとして作用し、補償の形成によりキャリアの移動度が大幅に減少する。したがって、下部の層を形成するために注入技術を使用してＳｉＣの上面に厚い層を有する層を形成することは不可能であり、表面から離れたところでＳｉＣに注入することにより層を形成すると、注入した層の上面の品質が非常に低下した。
発明の概要
本発明の目的は、上述の問題を大幅に解決することを可能にする、序文に述べたような方法を提供することにある。
この目的は、本発明によれば、工程ｂ）に引き続き、前記第２のＳｉＣ層の上面に第３のＳｉＣの半導体層をエピタキシャル成長させる工程ｃ）により達成される。イオン注入とその後に行うエピタキシャル成長の組み合わせは、先ず第１の層を成長させた後、第３の層のエピタキシャル成長を行う前にさらに処理工程を行うため、再成長と呼ばれるが、注入した構造の上にそのような再成長を実施することは、メサの周囲に異なる結晶配向をもつエッチングしたメサ構造の上に再成長させるよりも複雑ではないため、非常に有利である。さらに、再成長に使用する表面は、イオン注入がこの条件を変化させないため、再成長の最適な結果が得られるように、たとえば第１の層のエピタキシャル成長により、すでに前記第２の層の表面配向を決定することにより選択することができる。また、たとえば水素エッチングによりこの配向を得ることもできる。このような方法のもう１つの利点は、その上の層を破損することなく、半導体構造内部に深く注入することにより得られたある種の層を置くことができることである。これは、注入による破損は、注入された容積に限定され、他のデバイスの部分に影響を与えないためである。このように、低濃度にドーピングした層中のキャリアの寿命および移動度に有害な損傷を与えることなく、低濃度にドーピングした層を、注入した層の上面に形成させることが可能となる。もちろん、注入した層の上面に形成した層は低濃度にドーピングした層でなければならないことはなく、所期のどのようなドーピング濃度でも差し支えない。したがって、埋込構造の深さは、注入エネルギーにより制限されることはなく、前記注入にこれより低いエネルギーを使用することが可能であり、これにより注入した層と他の層との境界がさらに明確になる。このように、注入と再成長との組み合わせにより、ＳｉＣ中に設計した埋込構造を製作することができ、このようにして形成した半導体デバイスのすべての層に高品質が得られる。
本発明の好ましい実施例によれば、前記工程ｃ）における前記成長が、工程ｂ）において注入したドーパントを電気的に活性化し、注入による破損を減少させるような高温で行われる。したがって、前記第３の層のエピタキシャル成長は、注入したドーパントを活性化するために通常必要とするアニーリング工程の代わりにこのように行われる。しかし、再成長手順に追加のアニーリング工程を含めることも可能である。
本発明の他の好ましい実施例によれば、工程ｃ）において、前記第３の半導体層を、化学蒸着により成長させる。化学蒸着は、ＳｉＣの層をエピタキシャル成長させるのに最も頻繁に使用され、このように成長させた層を高品質にすることが可能である。このようなＣＶＤ成長は、注入した第２の層がこの成長中に自動的にアニーリングされるような高温で通常行われる。
本発明の他の好ましい実施例によれば、工程ｂ）における注入が、上面を除いて前記第１の半導体層に包囲された、第２のドーピングした表面層を形成するために行われ、工程ｃ）において、前記第２の半導体層を完全に埋め込むため、前記第３の半導体層を、前記第２の層と、それに隣接し、それを包囲する前記第１の層の領域上面にエピタキシャル成長させる。これは、埋込構造、すなわち１つの層が他の層により完全に包囲され、したがってこの層への接合がこの構造を有する半導体デバイスのバルク（bulk，内部）において行われる構造を形成するための有利な方法を構成する。
本発明の他の好ましい実施例によれば、工程ｂ）において、前記第１および第２の層の間にｐｎ接合を形成するため、ａ）ｎ型およびｂ）ｐ型のうちいずれかの、第１の導電型の不純物ドーパントが、第２の反対の導電型にドーピングされた前記第１の半導体層に注入される。このことは、これが他の半導体層の下に置かれており、したがって前記第２の層が半導体構造中に埋め込まれる場合にも、半導体デバイスにｐｎ接合を形成するために注入技術を使用することを可能にする。
本発明の他の好ましい実施例によれば、工程ｂ）において、不純物ドーパントとしてホウ素が注入され、この注入は第１の半導体層を４００〜６００℃の温度に保持しながら行われる。実験によれば、このようにして得られた層上へのＳｉＣの再成長が好結果の原因となることが示されている。
本発明の他の好ましい実施例によれば、工程ｃ）において、前記第３の半導体層を、前記注入により得られた第２の半導体層のドーピング濃度より低いドーピング濃度で成長させる。この方法により、イオン注入によって得られた層の上面に、高品質で低いドーピング濃度の層を形成させることが可能になり、本発明の他の好ましい実施例によれば、工程ｃ）において、前記第３の半導体層を、低いドーピング濃度を与えながら成長させる。このことは、ドーピング濃度が１０¹⁷ｃｍ^-3未満であることを意味し、ドーピングは前記の成長中にドーパントを供給することなく、成長工程中に避けられない窒素による不純物取り込みによってのみ得ることができる。これは本発明の好ましい実施例を構成するが、もちろん他のドーピング濃度も可能である。
本発明の他の好ましい実施例によれば、前記方法は工程ｂ）およびｃ）による注入および再成長の工程を数回交互に連続して行うことを含む。このような方法により、構造中の任意の深さに、任意の数の注入した埋込層を有する半導体構造を製作することができる。
本発明の他の好ましい実施例によれば、連続した厚い注入した層を形成するため、層の再成長を注入工程の条件に整合させ、引き続いてその注入工程で得られた層を、前に再成長させた層全体に延ばし、前の注入工程で得られた層に接続する。したがって、このような一連の連続した再成長および注入工程は、注入技術を用いて高品質の厚い層を形成するのにも使用することができ、従来よりもはるかに厚い層が注入によって得られる。
本発明の他の好ましい実施例によれば、厚い埋込層を有する半導体デバイスを形成するため、再成長工程を、前記の厚い連続注入層を形成する最後の注入工程後に行う。この方法により、厚い埋込半導体層を注入技術を使用して、ＳｉＣ中に形成することができる。
独立のデバイスクレームによる半導体デバイスも、本発明により提供される。この半導体デバイスの利点は、対応する方法のクレームについて説明したものと同様である。
本発明のこれ以上の好ましい特長および利点は、下記の説明および他の従属クレームから明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
下に添付した図面を参照して、例として引用する本発明の好ましい実施例について説明する。
図１は、従来の技術により製造した半導体構造と、注入による破損を半導体層の深さの関数として示すグラフを対称的に示す。
図２は、図１に対応する本発明の好ましい実施例による方法で製造された半導体構造と、注入による破損を半導体層の深さの関数として示すグラフを対称的に示す。
図３Ａ〜図３Ｆは、注入により製造した厚い埋込半導体層が、本発明の好ましい実施例による方法で、注入と再成長工程を交互に繰り返すことによりどのように形成されるかを示す概略図である。
図４は、本発明による方法を利用して得られる高電圧Ｊ−ＦＥＴの形態のデバイスを示す概略図である。
本発明の好ましい実施例の詳細な説明
図１は、中間層を形成するために注入技術を用いて、少なくとも３層の半導体層を順次積層したＳｉＣの半導体層を製造する、従来の技術による方法の欠点を明らかに示している。この方法では、低濃度にドーピングしたｎ型の第１のＳｉＣ層１を、高濃度にドーピングしたｎ型の基板層２の上にエピタキシャル成長させており、これによりデバイスに対する良好なオーム接触を得ている。その後、ｐ型の不純物ドーパントを、高い加速度エネルギーを用いて第１の層１中に注入し、前記第１の層中にｐ型の第２のドーピングした層３を形成する。その後、第２の層３をアニーリング（annealing）するため、層を高温に加熱しなければならない。第２の層３を通る垂直方向に、下記の順序で層が形成される。第２の層３の下に第１の層１があり、前記第２の層の上に位置する前記第１の層１の、低濃度にドーピングされたｎ型領域で構成される第３の層４がその上にある。深さの関数として注入による損傷を示した右のグラフは、この第３の層４が大幅に損傷していることを示している。この損傷は、補償（compensation）の形成により、寿命を短縮し、キャリアの移動度を劇的に減少させる。
図２は、本発明の好ましい実施例による方法を使用して製造した半導体構造を示す。この方法では、基板層２の上面に、ＳｉＣの第１の半導体層１をエピタキシャル成長させる工程ａ）が最初に行われる。その後、比較的低いエネルギーを用いて、前記第１の層１中に第２の表面層３を形成するため、ｐ型のイオンが注入される。第２の層３は、比較的低いエネルギーによりイオンを注入する可能性のため、比較的明確な境界が与えられる。その後、第３の工程ｃ）を行い、この工程で化学蒸着技術を使用して、第１の層１と第２の層３の上面に、ＳｉＣの第３の層４をエピタキシャル成長させるが、これは、この成長中に層を高温、好ましくは１５００℃を超える温度に加熱し、このことにより、工程ｂ）で注入した例えばアルミニウムである不純物ドーパントが電気的に活性化し、注入による損傷が減少する。イオン注入が下の層の配向を変化させず、層を成長させる表面が望ましい品質を有するため、この再成長により、前記第３の層が非常に高品質になる。このことは明らかに、好ましくは第１の層１および第３の層４と異なる型にドーピングされている埋込層３が、高い注入エネルギーを使用することなく、任意の深さに埋め込まれることを示している。さらに、右のグラフは注入による損傷が注入された容積に限定され、他のデバイス部分に影響しないことを示している。
図３には、再成長工程と注入工程を連続的に行うことにより、どのように厚くした埋込構造を形成することが可能になるかが示されている。図３Ａは、どのようにして第１の層１に埋込層３が形成されるかを示す。図３Ｂは、第１の層１および第２の層３の上面に、その層をアニーリングしながら、第３の層４が実質的に前記第２の層に相当する厚みにエピタキシャル成長していることを示す。図３Ｃは、別の注入層３’を形成するため、どのようにさらに注入工程を行うかを示し、図３Ｄに従ってさらに再成長を行う。この一連の工程は、必要な限り反復することが可能で、この場合、最後の層を上にエピタキシャル成長させる前に、このような３層の注入層を形成して、図３Ｆに示す最終の結果を得る。このようにして、注入工程により得られた層を、前に再成長させた層全体を通して延長させるため、層の再成長を注入工程の条件に整合させることによって、３層の注入層を相互に追加することにより厚い第２の埋込層を得ることが可能となった。図３Ａ〜図３Ｆで、左側に縦型の厚い層を得るために、この方法をどのように使用するかが示されている。この方法のもう１つの利点は、ベベル（bevel）型も形成されることで、これは各図の右の部分に示されている。
図２および図３Ａ〜図３Ｆに示す注入層の、横方向の延長部分は、マスキング等、従来の半導体処理技術を使用することにより達成された。
図４は５埋込グリッドを使用する、本発明の方法により得られたデバイス構造の例として、高電圧Ｊ−ＦＥＴを示す。この半導体デバイスは、下部ドレイン５、ドレインへの接触を良好にするために高度にドーピングしたｎ型基板層６、高濃度にドーピングしたｐ型ゲート層８が埋め込まれた低濃度にドーピングしたｎ型ドリフト領域層７、およびソース１０への接触層を形成するための高濃度にドーピングした追加のｎ型層を有する。隣接するゲート層８間の導電チャネル１１の幅は、前記ゲートに供給する電圧を変化させることにより変化させることができ、デバイスを通過する電流はこのようにして制御し、このチャネル領域をｐ型層に切り替えることにより完全に切断することができる。埋込層８は、注入工程により形成されており、その後、層７の残部をその上に成長させ、次にその上に高濃度にドーピングした層９を得るため、ドーパント（dopant）の導入を行っている。このようにして、半導体デバイスの深部の必要な箇所にｐｎ接合を形成することができ、しかもその上に最適な結晶品質の層を得ることができる。
本発明はもちろん、上述の好ましい実施例に限定されるものではなく、当業者には本発明の基本的な概念から逸脱することなく多くの可能性および変更ができることは明白である。
上述のドーパントの導電型を変化させて、たとえばｎ型のドーパントをｐ型の第１の層に注入したり、ある環境では注入する層と同一の導電型のドーパントを注入することも望ましいことがあり、この代替方法も本発明の範囲内であることを意図している。
さらに、本発明による方法を使用して製造した半導体デバイスは、ＳｉＣが唯一の半導体材料である必要はなく、前記第１、第２、および第３の層だけがＳｉＣで、必要があればデバイスはヘテロ特性（hetero-character）を有するものであってもよい。
「層」の定義は広く解釈することができ、すべての種類の容積拡大および形状が含まれる。
各層の材料に関するすべての定義は、もちろんＳｉＣが関係する場合、意図したドーピングとともに避けられない不純物も含まれる。「ＳｉＣの半導体層」も、たとえばＳｉＣより少量のＩＩＩＢ族元素など、少量の他の元素がその層に添加される場合も含むと解釈される。
半導体デバイスの生産に、パッシベーション（passivation）など、当業者に周知の、多数の従来の処理工程を、本発明の方法による工程と組み合わせることができる。
上に、前記第１の半導体層を工程ａ）でエピタキシャル成長させると説明したが、この第１の層に基板を使用し、工程ａ）での成長を、昇華技術を用いて達成することも本発明の範囲内である。

Claims (10)

1. ｎ型とｐ型のうちの一方の導電タイプのＳｉＣ半導体の第１の層（１）と、ｎ型とｐ型のうちの他の一方の導電タイプのドーピングされた層としての第２の層（３）であり前記第２の層（３）の上面を除いて前記第１の層（１）に包囲された第２の層（３）と、前記第２の層（３）の前記上面を隣接して包囲する前記第１の層（１）の上面と前記第２の層（３）の前記上面との上に配置された前記ｎ型とｐ型のうちの一方の導電タイプのＳｉＣ半導体の第３の層（４）とを有する半導体デバイスを製造する方法において、ａ）前記第１の層（１）を成長させる工程と、工程ａ）に続く、ｂ）成長された前記第１の層（１）の一部に不純物ドーパントを注入して前記第２の層（３）に変換する工程と、工程ｂ）に続く、ｃ）前記第２の層（３）の前記上面を隣接して包囲する前記第１の層（１）の前記上面と前記第２の層（３）の前記上面との上に前記第３の層（４）をエピタキシャル成長させる工程を含み、前記第３の層（４）の前記エピタキシャル成長が、前記第１の層（１）の前記成長の後に前記第１の層（１）の前記一部に注入した前記不純物ドーパントを電気的に活性化し、注入による破損を減少させる、１５００℃より高い温度で行われることを特徴とする方法。
2. 前記工程ｃ）において、前記第３の層（４）を、化学蒸着（ＣＶＤ）により成長させることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記工程ｂ）において注入される前記不純物ドーパントが、ｐ型であることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 前記工程ｂ）において、前記不純物ドーパントとしてホウ素が注入されることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 前記工程ｂ）において、前記不純物ドーパントとしてアルミニウムが注入されることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
6. 前記工程ｂ）における前記注入を、前記第１の層（１）を４００から６００℃の温度に保持しながら行うことを特徴とする、請求項４に記載の方法。
7. 前記工程ｃ）において、前記第３の層（４）を、前記第２の層（３）のドーピング濃度より低いドーピング濃度で成長させることを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記工程ａ）および前記工程ｃ）において、前記第１の層（１）および前記第３の層（４）を、ｎ型ドーパントでドーピングしながらエピタキシャル成長させることを特徴とする、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記工程ｃ）において、前記第３の層（４）を、前記第２の層（３）のドーピング濃度より低いドーピング濃度を与えながら成長させることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 前記工程ｂ）および前記工程ｃ）による前記注入および前記成長を数回交互に連続して行うことを特徴とする、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の方法。

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