JP5167478B2

JP5167478B2 - 半導体装置及びその製造方法

Info

Publication number: JP5167478B2
Application number: JP2006044370A
Authority: JP
Inventors: 洋人立野
Original assignee: 国立大学法人鹿児島大学
Priority date: 2005-02-22
Filing date: 2006-02-21
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2026-02-21
Also published as: JP2006270074A

Description

本発明は、ダイオード等に好適な半導体装置及びその製造方法に関する。

トランジスタを構成するＰ型半導体、Ｎ型半導体は、主に夫々ＩＶ族元素にＩＩＩ価イオン、Ｖ価イオンをドープすることにより生成されている。そして、このようなトランジスタが集積回路（ＩＣ）等に使用されている。

しかしながら、ＩＣではインプラントイオンの数が少なく、また、シリコンウェハ上に機能素子がローカルノードとして点在するため、インプラントイオンが容易に拡散しやすい。このため、十分な耐熱性及び高集積性を得ることが困難である。

D. Long: Energy Bands in Semiconductors, Interscience, New York, 1968

本発明は、高い耐熱性を得ることができる半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

本願発明者は、前記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。

本発明に係る半導体装置は、ｐ型の第１の半導体領域と、前記第１の半導体領域と隣接し、ダングリングボンドを電子の供給源とするｎ型の第２の半導体領域と、を有し、前記第１の半導体領域及び前記第２の半導体領域はシリコン又は炭化珪素からなることを特徴とする。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、ｐ型の第１の半導体領域内にダングリングボンドを発生させて、前記ダングリングボンドを電子の供給源とするｎ型の第２の半導体領域を形成する工程を有し、前記第１の半導体領域及び前記第２の半導体領域はシリコン又は炭化珪素からなることを特徴とする。

本発明によれば、ｎ型半導体領域が、ダングリングボンドを電子の供給源として構成されているため、ｎ型不純物を電子の供給源とする従来の半導体装置と比較して、高い耐熱性を得ることができる。

以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。但し、ここでは、便宜上、半導体装置の断面構造については、その製造方法と共に説明する。図１Ａ乃至図１Ｂは、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す模式図である。

本実施形態では、図１Ａに示すように、Ｂ（ホウ素）イオンがドーピングされたｐ型のＳｉ基板１の表面の２箇所にｎ型のエミッタ領域２ｅ及びコレクタ領域２ｃを形成する。例えば、Ｓｉ基板１の厚さは６２５±１５μｍ程度であり、その比抵抗は１０〜２０（Ω・ｃｍ）であり、その表面は（１−１−１）面となっている。エミッタ領域２ｅ及びコレクタ領域２ｃの形成に当たっては、二次イオン質量分析器（ＩＭＡ（Ion Micro Analyzer））により加速電圧を２０ｋＶ、イオン電流を１０μＡとして、希ガス元素のイオンであるＡｒ⁺及びＨｅ⁺を２時間程度、Ｓｉ基板１の２箇所にイオン照射する。この結果、Ｓｉ基板１の格子原子が蹴り出され、空格子が生じ、Ｓｉ基板１の表面から比較的深い位置までダングリングボンドが生成される。これらのダングリングボンドが生成された領域がｎ型のエミッタ領域２ｅ及びコレクタ領域２ｃとなる。なお、エミッタ領域２ｅ及びコレクタ領域２ｃの間隔は、例えば１．５ｍｍ程度とし、エミッタ領域２ｅ及びコレクタ領域２ｃの直径は、例えば０．５ｍｍ程度とする。

次に、図１Ｂに示すように、Ｓｉ基板１上に厚さが２０μｍ〜３０μｍ程度のマイカ箔３を形成する。次いで、マイカ箔３のエミッタ領域２ｅ及びコレクタ領域２ｃに整合する２箇所の領域並びにこれらの中心近傍の領域にコンタクトホールを形成する。その後、これらのコンタクトホール内に炭素電極塗料を用いて電極４を埋め込む。なお、各コンタクトホールの直径は、例えば０．３ｍｍとする。続いて、電極４毎にＣｕ配線５を形成する。

このようにして形成された半導体装置においては、図１に示すように、エミッタ領域２ｅとコレクタ領域２ｃとの間にｐ型の領域が存在し、このｐ型の領域がベースとして作用する。つまり、バイポーラトランジスタが形成されている。そして、このバイポーラトランジスタは、ダングリングボンドを用いて構成されているため、従来のｎ型不純物及びｐ型不純物を用いて構成されたバイポーラトランジスタと比較して、熱的安定性に優れている。即ち、従来のバイポーラトランジスタでは、高温になるとドーピングされているイオンの拡散に伴って動作が不安定となるが、本実施形態に係るバイポーラトランジスタでは、そのような拡散が生じない。また、イオンの拡散が生じないため、集積性を向上させることも可能である。

なお、上述のような効果はバイポーラトランジスタだけでなくダイオードにおいても同様に得られる。

次に、本願発明者が実際に行った実験の結果について説明する。

先ず、上述の実施形態と同様にして、ｎ型の領域を１箇所のみに形成することにより、ダイオードを作製し、基板のドナー濃度及び拡散電位を求めた。ここでは、先ず、逆バイアス電圧Ｖ_R（Ｖ）と空乏層容量Ｃ（Ｆ／ｃｍ²）との関係を求めた。一般に、逆バイアス電圧Ｖ_Rと空乏層容量Ｃとの関係は、下記数１で表される。ここで、ｑは電子１個当たりの電荷（Ｃ）、ε_sは半導体の誘電率（Ｆ／ｃｍ）、Ｎ_Bはドナー濃度（ｃｍ^-3）、Ｖ_biは拡散電位（Ｖ）である。

数１から明らかなように、１／Ｃ²はＶ_Rの１次関数で表され、その傾きからドナー濃度Ｎ_Bが求められ、１／Ｃ²が０となるときの切片（Ｖ_Rの値）から拡散電位Ｖ_biを求めることができる。実際に測定して得られた結果を図２に示す。図２より、ドナー濃度Ｎ_Bは３．９×１０¹³（ｃｍ^-3）であり、拡散電位Ｖ_biは０．３５（Ｖ）であった。このドナー濃度Ｎ_Bの値は、一般に多用されているｎ型不純物領域とｐ型不純物領域とからなるダイオードのドナー濃度の１０^-3〜１０^-4程度と低い。

本願発明者は、ダイオードの耐熱性を評価するために、２０℃〜３００℃の間でダイオード特性の測定を行った。２０℃、１００℃、２００℃、３００℃で測定した結果を、夫々図３、図４、図５、図６に示す。図３〜図５から、温度が上昇するに連れてダイオード特性が消失していく過程を読み取ることができる。このような傾向は、熱励起によるキャリアの影響による。また、図６では、ほとんどダイオード特性が残っていない。更に、本願発明者が３００℃まで加熱した後に２０℃まで温度を下げたダイオードについてその特性を測定したところ、図７に示すような結果が得られた。つまり、３００℃まで昇温すると、一旦ダイオード特性が消失するが、その後に降温することにより、再度ダイオード特性が発現するようになる。

次に、上述の実施形態と同様にして作製したダイオードの温度特性を測定した結果を図８に示す。温度により、３つの段階（ＳｔａｇｅＩ、ＳｔａｇｅＩＩ、ＳｔａｇｅＩＩＩ）が出現した。ＳｔａｇｅＩ（約１００℃以上）では、活性化エネルギーが１．１ｅＶであった。この値は、Ｓｉのギャップエネルギー（１．１７ｅＶ）とほぼ一致しており、ＳｔａｇｅＩは真性領域となっていることを示唆している。このような比較的低い温度から真性領域の出現は、ホウ素（Ｂ）によるアクセプタをダングリングボンドの電子が局所的に補償しているため、結晶の純度が上がったように見える。なお、高温下では、電気伝導度に大きな影響を与える主なキャリアは、熱励起でギャップエネルギーを超えるようになった電子となり、ダイオード特性が消失し始める。

なお、ダングリングボンドにより生じたキャリアと同数のキャリアが生成される温度がダイオード特性の熱限界となる。そして、上述のドナー濃度Ｎ_Bが３．９×１０¹³（ｃｍ^-3）のダイオードでは、図４に示すように、１００℃でも十分なダイオード特性が得られている。このとき、図８より、導電率σの自然対数は−１０程度である。従って、このダイオードのドナー濃度を１０⁴倍程度とすると、導電率σの自然対数は−６程度となり、このときの温度は、図８より３００℃程度となる。なお、上述のダイオードのドナー濃度を１０⁴倍程度とした場合には、一般に多用されているｎ型不純物領域とｐ型不純物領域とからなるダイオードのドナー濃度と同程度となる。また、ＳｉＣのギャップエネルギーはＳｉのそれの約２．６倍であるため、半導体基板をＳｉＣから構成した場合には、耐熱温度が９００℃程度のトランジスタが得られると考えられる。

また、本願発明者は、上述の実施形態のようにして作製したバイポーラトランジスタについて、ベース電流Ｉ_Bを変化させながら、コレクタ−エミッタ間電圧Ｖ_CEとコレクタ電流Ｉ_Cとの関係を求めた。この結果を図９に示す。また、図１０には、コレクタ−エミッタ間電圧が５Ｖのときのベース電流Ｉ_Bとコレクタ電流Ｉ_Cとの関係を示す。図１０より、電流増幅率ｈ_fe（＝Ｉ_C／Ｉ_E）は１．１であった。

更に、本願発明者は、ｐ型炭化珪素基板にヘリウムイオンを加速電圧２０ｋＶで打ち込むことにより、この打ち込み場所にダングリングボンドを発生させ、この場所の導電型をｎ型とした。このようにして作成したｐｎダイオードの耐熱特性を図１１に示す。図１１に示すように、４００℃以下においてダイオード特性が発現した。

なお、ダングリングボンドの発生に当たっては、Ａｒ及びＨｅ等の希ガス元素のイオンの他、Ｄ（重水素）イオン又はＨイオンをｐ型の半導体領域に打ち込んでもよい。但し、打ち込んだイオンとダングリングボンドとの結合を防止するためには、希ガス元素のイオンを打ち込むことが好ましい。

本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程準に示す断面図である。図１Ａに引き続き、半導体装置の製造方法を工程準に示す断面図である。逆バイアス電圧Ｖ_R（Ｖ）と空乏層容量Ｃ（Ｆ／ｃｍ²）との関係を示すグラフである。２０℃でのダイオード特性を示すグラフである。１００℃でのダイオード特性を示すグラフである。２００℃でのダイオード特性を示すグラフである。３００℃でのダイオード特性を示すグラフである。３００℃から２０℃に温度変化させた後のダイオード特性を示すグラフである。ダイオードの温度特性を示すグラフである。コレクタ−エミッタ間電圧Ｖ_CEとコレクタ電流Ｉ_Cとの関係を示すグラフである。ベース電流Ｉ_Bとコレクタ電流Ｉ_Cとの関係を示すグラフである。ダイオードの耐熱特性を示すグラフである。

符号の説明

１：Ｓｉ基板
２ｅ：エミッタ領域
２ｃ：コレクタ領域
３：マイカ箔
４：電極
５：Ｃｕ配線

Claims

ｐ型の第１の半導体領域と、
前記第１の半導体領域と隣接し、ダングリングボンドを電子の供給源とするｎ型の第２の半導体領域と、
を有し、
前記第１の半導体領域及び前記第２の半導体領域はシリコン又は炭化珪素からなることを特徴とする半導体装置。
前記第１の半導体領域は、シリコン又は炭化珪素にｐ型の不純物を導入して構成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記第２の半導体領域との間で前記第１の半導体領域を挟み込むｎ型の第３の半導体領域を有し、前記第３の半導体領域はシリコン又は炭化珪素からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
前記第２の半導体領域は、ｐ型のシリコン又は炭化珪素への希ガス元素イオンの打ち込みにより形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置。
ｐ型の第１の半導体領域内にダングリングボンドを発生させて、前記ダングリングボンドを電子の供給源とするｎ型の第２の半導体領域を形成する工程を有し、
前記第１の半導体領域及び前記第２の半導体領域はシリコン又は炭化珪素からなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記第２の半導体領域の形成と並行して、前記第２の半導体領域との間で前記第１の半導体領域を挟み込むｎ型の第３の半導体領域を形成し、前記第３の半導体領域はシリコン又は炭化珪素からなることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
前記ダングリングボンドを発生させる際に、前記第１の半導体領域に対して希ガス元素イオンを打ち込むことを特徴とする請求項５又は６に記載の半導体装置の製造方法。