JP4532536B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、炭化珪素基板をベースとする半導体装置に関する。特に、炭化珪素基板と電極のオーミック接合面におけるコンタクト抵抗を低減した半導体装置に関する。

例えばショットキーダイオードなど、ベースとなる半導体基板として４Ｈ構造又は６Ｈ構造の炭化珪素基板を用いた半導体装置が知られている。本明細書では、「炭化珪素基板」を単に「基板」と称することがある。基盤の表面には電極が形成されている。基板と少なくともひとつの電極の間は、抵抗値が電流や電圧によらずにほぼ一定のオーミック接合を形成している。オーミック接合面における抵抗（コンタクト抵抗）は、小さい方が好ましい。
特許文献１には、コンタクト抵抗の低い半導体装置が開示されている。この半導体装置は、炭化珪素からなる半導体基板において、電極と接触する部位（半導体基板の表層）にエピタキシャル成長させた３Ｃ構造が形成されている。３Ｃ構造は、４Ｈ構造や６Ｈ構造よりもバンドギャップが低いのでコンタクト抵抗を低減することができる。

特開２００３−８６８０２号公報

コンタクト抵抗は低いほど良い。本発明は、原理的にコンタクト抵抗を一層低減することが可能な半導体装置を提供することを目的とする。

基板の表層でエピタキシャル成長させた３Ｃ構造層は、基板の表面に一様に広がっている。従って、４Ｃ構造又は６Ｈ構造の基板と電極の間を流れる電子は、３Ｃ構造層をその厚み方向に横切るように流れる。このため、電子の通路の幅（電子の流れる方向に交差する断面の幅）が大きい。電子の速度（移動度）は、電子の通路の幅が広くなるほど電子の錯乱要因が増大するので遅くなる。逆にいえば、電子の通路の幅が狭いほど電子の錯乱要因が減るので、電子の実質的な速度が理論的な電子移動度に近くなる。この効果は「量子細線効果」と呼ばれている。
本発明は、この量子細線効果を利用して炭化珪素基板と電極の間のコンタクト抵抗を低減する。

本発明は、４Ｈ構造又は６Ｈ構造のｎ型炭化珪素基板と、そのｎ型炭化珪素基板の表面に形成されている電極を備えている半導体装置に具現化できる。この半導体装置は、炭化珪素基板の表層に、複数の３Ｃ構造層が形成されている。複数の３Ｃ構造層の各々は、ｎ型炭化珪素基板の表面に対して傾斜しているとともにｎ型炭化珪素基板の４Ｈ構造又は６Ｈ構造に挟まれており、表面側の端面が上記電極に接していることを特徴とする。

上記の半導体装置は、３Ｃ構造層が、基板の表面に対して傾斜しており、その端面が電極に接触している。基板のうち、４Ｈ構造又は６Ｈ構造の部分に存在する電子は、４Ｈ構造又は６Ｈ構造よりもバンドギャップが低い３Ｃ構造層に移動する。３Ｃ構造層に移動した電子は、３Ｃ構造層に沿って移動して電極へ達する。すなわち、３Ｃ構造層の厚みが電子の通路の幅を規定する。３Ｃ構造層の厚みによって電子の通路の幅が規定されるので、前述した量子細線効果によって電子は理論値に近い速度で電極へ移動する。量子細線効果によって、電子が電極に高速で移動できるので、コンタクト抵抗が低減される。

上記の半導体装置は、複数の３Ｃ構造層が形成されており、基板を平面視したときに、隣接する３Ｃ構造層の一部がオーバーラップしていることが好ましい。
そのような構成を採用することによって、基板の表面と平行に一様に拡がる３Ｃ構造層を形成する場合に比べて、４Ｈ構造又は６Ｈ構造の部分と３Ｃ構造層との境界面を広くすることができる。３C構造層の両面が４Ｈ構造又は６Ｈ構造の部分と接しているので、境界面の面積は、理論的には、３C構造層が基板の表面に平行に拡がっている場合に比べて２倍以上となる。境界面が広いので、４Ｈ構造又は６Ｈ構造の部分から３Ｃ構造へ移動する電子の量（単位時間当たりの電子の量）を増大することができる。４Ｈ構造又は６Ｈ構造の部分から３Ｃ構造へ多量の電子を移動させることができるのでコンタクト抵抗を低減することができる。
量子細線効果と、４Ｈ構造又は６Ｈ構造の部分と３Ｃ構造層との境界面を増大させる効果の相乗効果によって、コンタクト抵抗を一層低減することができる。

炭化珪素基板の表面に対して傾斜しており表面側の端面が電極に接している３Ｃ構造層が形成された半導体装置は、次の方法により製造することができる。
まず、結晶の０００１面が基板表面に対して傾斜している４Ｈ構造又は６Ｈ構造のｎ型炭化珪素基板の表層に、窒素イオンとリンイオンのいずれか一方を常温にてイオン注入する。次に、ｎ型炭化珪素基板を加熱して、ｎ型炭化珪素基板の表層に、各０００１面に沿って拡がっているとともに４Ｈ構造又は６Ｈ構造に挟まれている複数の３Ｃ構造層を形成する。次に、そのｎ型炭化珪素基板の表面に、各々の３Ｃ構造層の端面に接する電極を形成する。

加熱によって３Ｃ構造層を形成する場合、３Ｃ構造層は０００１面（Ｃ面と呼ばれることもある）に沿って成長し易い性質がある。従って、ベースとなる基板として結晶の０００１面が基板表面に対して傾斜している４Ｈ構造又は６Ｈ構造のｎ型炭化珪素基板を用いることによって、ｎ型炭化珪素基板の表面に対して傾斜している３Ｃ構造層が形成された半導体装置を容易に製造することができる。

本発明によれば、量子細線効果を利用してコンタクト抵抗を低減した半導体装置を提供することができる。

実施例の半導体装置の付加的な技術的特徴を列記する。
炭化珪素基板は、ｎ型の半導体基板である。
炭化珪素基板の表面に窒素イオンとリンイオンのいずれか一方を高濃度で注入する。注入する際の温度は常温である。
イオン注入した炭化珪素基板を１２００［℃］〜１６００［℃］の範囲で加熱する。
イオン注入した炭化珪素基板を、ほぼ１００［℃／秒］の速度で上記範囲まで加熱する。
加熱後に、ほぼ１００［℃／秒］の速度で常温まで冷却する。

（第１実施例） 図面を参照して、本発明に好適な半導体装置を説明する。本実施例の半導体装置は、ショットキーダイオード１００（以下、ダイオード１００と称する）である。図１は、ダイオード１００の模式的断面図である。なお図１は断面図であるが、図面を理解しやすくするために断面を示すハッチングの一部を省略している。
ダイオード１００は、ｎ型の炭化珪素基板１０（以下、基板１０と称する）に形成されている。基板１０の全体は、４Ｈ構造を有している。「４Ｈ構造」とは、結晶構造が六方晶である結晶をいう。基板１０の一方の表面にアノード電極８が形成されており、他方の表面にカソード電極６が形成されている。基板１０のアノード電極８と接する側にｎ⁻型のドリフト層２が形成されている。基板１０のカソード電極６と接する側にｎ^＋型のカソード層４が形成されている。ドリフト層２とカソード層４は接している。即ち、基板１０は、ドリフト層２とカソード層４の２層構造を有している。
カソード電極６とカソード層４の界面では、抵抗値が電圧や電流に依存せずに一定である。別言すれば、カソード電極６とカソード層４の界面はオーミック接触である。
アノード電極８とドリフト層２の間の界面にはショットキー障壁が形成されている。すなわち、アノード電極８からドリフト層２へ向かって電流が流れるが、ドリフト層２からアノード電極８へ向かって電流は流れない。

基板１０の一方の表層（カソード電極６の側の表層）１０ａに、複数の３Ｃ構造層１２が形成されている。「３Ｃ構造」とは、結晶構造が立方晶である構造をいう。３Ｃ構造層１２の表面側の端面がカソード電極６に接触している。３Ｃ構造層１２は、基板１０の表面に対して斜めに伸びている。隣接する３Ｃ構造層１２（例えば、図１において符号１２ａと１２ｂで示した２つの３Ｃ構造層）は、図１中において符号Ａで示す範囲でオーバーラップしている。別言すれば、隣接する３Ｃ構造層１２ａと１２ｂは、基板１０を平面視したときに、少なくとも一部がオーバーラップしている。
ダイオード１００では、隣接するいずれの３Ｃ構造層もオーバーラップしている。

３Ｃ構造層１２は、立方晶であるため、積層欠陥が発生しやすい。積層欠陥がバンドギャップを小さくする作用を奏する。通常、六方晶である４Ｈ構造や６Ｈ構造の場合、炭化珪素のバンドギャップは約３．２［ｅＶ］である。他方、立方晶である３Ｃ構造の場合、炭化珪素のバンドギャップは約２．２［ｅＶ］である。立方晶である３Ｃ構造のバンドギャップは、六方晶である４Ｈ構造や６Ｈ構造のバンドギャップよりも低い。従って、基板１０の表層でカソード電極６と接する部位が３Ｃ構造である方が、４Ｈ構造や６Ｈ構造であるよりもコンタクト抵抗を低減することができる。

３Ｃ構造層以外のカソード層４に存在する電子は、バンドギャップの低い３Ｃ構造層１２へ移動する。電子は、帯状の３Ｃ構造層１２の内部をカソード電極６に向かって移動する。従って、３Ｃ構造層１２を移動する電子の通路幅は３Ｃ構造層１２の幅で規定される。３Ｃ構造層１２の幅は、約１０〜１００［ナノメートル］である。そのような幅を電子が移動する際は、電子の錯乱要因が減って、電子の移動速度（移動度）は理論的な電子移動度に近くなる。電子の実際の移動速度が理論値に近くなるので、コンタクト抵抗が低減される。

カソード層４内に存在する電子は、３Ｃ構造層１２ａ、１２ｂの夫々の表面（４Ｈ構造の領域と接している界面）から３Ｃ構造層１２へ移動する。ダイオード１００では、隣接する３Ｃ構造層１２ａ、１２ｂが、その一部でオーバーラップしている。このオーバーラップにより、４Ｈ構造の領域と３Ｃ構造層１２との界面の面積が、３Ｃ構造層が基板１０の表面に一様に形成されている場合よりも大きい。３Ｃ構造層１２の両面が４Ｈ構造の領域と接している。従って、３Ｃ構造層１２と４Ｈ構造の領域との界面の面積は、理論的には、３C構造層が基板の表面に平行に拡がっている場合に比べて２倍以上となる。
４Ｈ構造の領域と３Ｃ構造層１２の界面の面積が大きいので、４Ｈ構造の領域から３Ｃ構造層１２へ大量の電子が移動することができる。この界面の面積を増大させている点も、コンタクト抵抗を低減することに貢献している。

図２を用いて、ダイオード１００の製造方法を説明する。
図２（Ａ）は、ｎ^＋型のカソード層４とｎ⁻型のドリフト層２が形成されている基板１０を示している。カソード層４の表層（基板１０の表層）１０ａに、窒素イオンを注入する（イオン注入）。リンイオンを注入する際のドーピング濃度は、１×１０^２０［ｃｍ^−３］以上が好ましい。注入は室温で実施される。なお、ドーピング濃度は、好ましくは６×１０^２０［ｃｍ^−３］以上である。また、イオン注入は、通常では約５００［℃］で実施されるが、本製造方法では、構造欠陥を発生し易くするために、室温もしくはそれよりも低い温度で実施される。
図２において基板１０に描かれている斜めの破線は、炭化珪素結晶の０００１面（Ｃ面とも呼ばれる）を表している。
通常より高濃度のイオンをドーピングすることによって（すなわち、炭化珪素の結晶内に過剰なイオンを注入することによって）、加熱時に炭化珪素の結晶構造が歪み、構造欠陥が発生しやすくなる。

次に、イオンを注入した基板１０をアニール処理する。即ち、加熱する。基板１０は、１２００［℃］〜１６００［℃］の範囲で加熱される。この温度範囲では、積層欠陥が発生し易い。他方、１６００［℃］を超えると４Ｈ構造や６Ｈ構造が生じ易く、積層欠陥が発生し難くなる。
イオン注入した基板１０を、ほぼ１００［℃／秒］の速度で上記範囲まで加熱する。また、加熱後に、ほぼ１００［℃／秒］の速度で常温まで冷却する。
基板１０を上記の温度範囲（及び温度の時間変化率）で加熱（及び冷却）すると、基板１０の０００１面に沿って３Ｃ構造層１２が形成される（図２（Ｂ））。
基板１０の０００１面は基板１０の表面に対して傾斜しているから、形成される３Ｃ構造層１２も、０００１面に沿って、基板１０の表面に対して傾斜する。
最後に、基板１０の一方の表面にアノード電極８を形成し、他方の表面にカソード電極６を形成する（図２（Ｃ））。３Ｃ構造層１２は、その端面が基板１０の表面に露出しており、カソード電極６に接触する。
こうしてダイオード１００が製造される。

上記の製造方法では、０００１面が表面に対して傾斜している炭化珪素基板１０を用いた。そのような基板１０を採用することによって、カソード電極６に接触しているとともに、基板１０の表面に対して斜め方向に拡がっている３Ｃ構造層１２を容易に作成することができる。

（第２実施例） 次に第２実施例について説明する。この実施例の半導体装置は、ＭＯＳ型ＦＥＴ２００である。図３に、ＭＯＳＦＥＴ２００の模式的断面図を示す。図３では、図面を理解しやすくするために、一部の断面のハッチングを省略している。
ＭＯＳＦＥＴ２００は、炭化珪素基板２１０（以下、基板２１０と称する）に形成されている。
図３において基板２１０の下側に、ｎ^＋型のドレイン層２０４が形成されている。ドレイン層２０４の上に、ｎ⁻型のドリフト層２０２が形成されている。ドリフト層２０２の上に、ｐ型のボディ層２０１が形成されている。

基板２１０の一方の表面（ドレイン層２０４が形成されている側の面）に、ドレイン電極２０６が形成されている。基板２１０の他方の表面（ボディ層２０１が形成されている側の面）に、ソース電極２０８が形成されている。
ボディ層２０１には、ボディ層２０１を貫通してドリフト層２０２に達するトレンチ２１４が形成されている。図示を省略しているが、トレンチ２１４の内壁には、絶縁膜が形成されており、その内側に導電性物質が充填されている。トレンチ２１４内部の導電性物質が、ゲート電極を形成する。
図示を省略しているがトレンチ２１４の上面には絶縁層が形成されている。ボディ層２０１の表面にソース電極２０８が形成されている。ソース電極２０８とトレンチ２１４内の導電性物質は、絶縁層によって絶縁されている。
トレンチ２１４の両側には、ｎ^＋型のソース領域２１５が形成されている。隣接するソース領域２１５の間に、ボディコンタクト領域２１３が形成されている。なお、図３では、ひとつのトレンチとその両側のソース領域とさらにその両側のボディコンタクト領域にのみ符号を付しており、その他のトレンチ、ソース領域、及びボディコンタクト領域には符号を付していない。
ソース領域２１５とボディコンタクト領域２１３は、それらの表面でソース電極２０８に接している。ボディ層２０１はボディコンタクト領域２１３を介してソース電極２０８に導通している。
ソース電極２０８とドレイン電極２０６の間の物質がトランジスタを形成する。

基板２１０の一方の表層（ドレイン電極２０６に対向している面）２１０ａに、複数の３Ｃ構造層２１２が形成されている。３Ｃ構造層２１２を形成する方法は、前述したので割愛する。
ドレイン電極２０６とドレイン層２０４との界面は、オーミック接触を形成している。すなわち、ドレイン電極２０６とドレイン層２０４と間の電気抵抗は、印加する電流や電圧の大きさに依存せずにほぼ一定である。
３Ｃ構造層２１２は、その端面がドレイン電極２０６に接している。また、３Ｃ構造層２１２は、基板２１０の表面に対して傾斜している。
ＭＯＳＦＥＴ２１０には、ショットキーダイオード１００と同様に、基板表面に対して傾斜している３Ｃ構造層２１２が形成されている。３Ｃ構造層２１２の効果は、前述したショットキーダイオード１００が有する３Ｃ構造層１２と同じである。

第１実施例のダイオード１００、及び第２実施例のＭＯＳＦＥＴ２００の技術的特徴は、次のとおり別言することができる。
４Ｈ構造又は６Ｈ構造を有しており、結晶の０００１面が基板表面に対して傾斜しているｎ型の炭化珪素基板と、炭化珪素基板の表面に形成されている電極を備える半導体装置であり、炭化珪素基板の表層に、表面側の端面が電極に接しているとともに、０００１面に沿って拡がっている３Ｃ構造層が形成されていることを特徴とする半導体装置。炭化珪素基板と電極の界面はオーミック接触を形成している。特に、複数の３Ｃ構造層が形成されており、基板を平面視したときに、隣接する３Ｃ構造層の一部がオーバーラップしている。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
実施例では、炭化珪素基板１０に窒素イオンを注入した。窒素イオンに代えてリンイオンを注入してもよい。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

第１実施例のダイオードの模式的側面図である。 図２（Ａ）−（Ｃ）は、ダイオードの製造工程を説明する図である。 第２実施例の半導体装置の模式的側面図である。

符号の説明

２：ドリフト層
４：カソード層
６：カソード電極
８：アノード電極
１０、２１０：炭化珪素基板
１２、２１２：３Ｃ構造層
１００：ショットキーダイオード（半導体装置）
２００：ＭＯＳＦＥＴ（半導体装置）
２０１：ボディ層
２０２：ドリフト層
２０４：ドレイン層
２０６：ドレイン電極
２０８：ソース電極

Claims (2)

1. ４Ｈ構造又は６Ｈ構造のｎ型炭化珪素基板と、
   前記ｎ型炭化珪素基板の表面に形成されている電極と、を備えており、
   前記ｎ型炭化珪素基板の表層に、複数の３Ｃ構造層が形成されており、
   前記複数の３Ｃ構造層の各々が、前記ｎ型炭化珪素基板の表面に対して傾斜しているとともに前記ｎ型炭化珪素基板の４Ｈ構造又は６Ｈ構造に挟まれており、表面側の端面が前記電極に接していることを特徴とする半導体装置。
2. 前記複数の３Ｃ構造層は、前記ｎ型炭化珪素基板を平面視したときに、隣接する前記３Ｃ構造層の一部がオーバーラップしていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。

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