JP5169428B2 - 炭化珪素半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、炭化珪素を材料とする半導体装置およびその製造方法に関するものである。

従来、ショットキーバリアダイオードの逆方向リーク電流を抑制するための半導体装置として、ショットキーバリアダイオードを構成するショットキー電極下に複数個のｐ形半導体領域を形成してショットキーバリアダイオードの内部にｐｎ接合部を設けたジャンクションバリアショットキーダイオードが知られている。このジャンクションバリアショットキーダイオードは、ショットキー電極下に形成されたｐ形半導体領域によってショットキー電極とｎ形半導体層との接合面積が減少するので、順方向電圧印加時の抵抗（オン抵抗）が増加するという問題があり、これを解消するため、ジャンクションバリアショットキーダイオードの内部にキャリア密度の低い低不純物濃度層を設け、この低不純物濃度層に接して前記ｐ形半導体領域を設けることにより、逆方向電圧印加時にｐｎ接合部に発生する空乏層を低不純物濃度層方向すなわち水平方向に広げて、逆方向リーク電流の通電路をピンチオフするシリコン半導体装置がある（例えば、特許文献１参照）。

特開平２−１５１０６７号公報（第１図）

ところが、上記のようなシリコン半導体装置の構造をそのまま炭化珪素半導体装置に適用した場合、炭化珪素半導体はシリコン半導体よりもキャリア密度が高く空乏層がシリコン半導体に比べて広がりにくいので、炭化珪素半導体装置では空乏層の広がりによって逆方向リーク電流の通電路をピンチオフできないという問題がある。炭化珪素半導体装置において逆方向リーク電流の通電路を空乏層によってピンチオフするためには、シリコン半導体装置に比べてｐ形半導体領域の設置間隔を狭め、且つ設置個数を増加する必要があるが、このようにｐ形半導体領域の設置間隔を狭め且つ設置個数を増加すると、ショットキー電極とｎ形半導体層の接触面積が減少するため、オン抵抗が増加し、その結果順方向電流が低減して所望の特性を得ることができないという問題が生じる。特に、炭化珪素半導体は高温動作時に順方向電流が低減するという特性があるので、２００℃以上で動作させる炭化珪素半導体装置においてはこの現象が顕著になる。

この発明は上記のような問題を解決するためになされたもので、逆方向リーク電流を低減し、順方向電流の低減も抑制できる炭化珪素半導体装置を得るものである。

この発明に係る炭化珪素半導体装置は、第１導電型の不純物を有する第１導電型の炭化珪素半導体基板と、前記炭化珪素半導体基板の表面に形成され、前記炭化珪素半導体基板よりも第１導電型の不純物の濃度が低い第１導電型の炭化珪素半導体層と、前記炭化珪素半導体層の内部に形成され、前記炭化珪素半導体層よりも第１導電型の不純物の濃度が低い第１導電型の低不純物濃度炭化珪素層と、前記炭化珪素半導体層の内部に、全面を前記低不純物濃度炭化珪素層によって覆うように形成され、前記炭化珪素半導体層の水平方向に間隔をおいて設けられた第２導電型の埋め込み領域と、前記炭化珪素半導体層の表面に形成されたショットキー電極とを備えたことを特徴とする。

この発明に係る炭化珪素半導体装置によれば、第１導電型の炭化珪素半導体層の内部に、第１導電型の低不純物濃度炭化珪素層と、全面を前記低不純物濃度炭化珪素層によって覆うように形成され、前記炭化珪素半導体層の水平方向に間隔をおいて設けられた第２導電型の埋め込み領域を備えるので、逆方向リーク電流を低減し、順方向電流の低下も抑制できる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による炭化珪素半導体装置の構成を示す断面図であり、図２（ａ）〜（ｃ）および図３（ａ）〜（ｂ）は本実施の形態による炭化珪素半導体装置の製造工程を示す断面図である。

図１において炭化珪素半導体装置は、ｎ形半導体基板１と、このｎ形半導体基板１の表面に形成され、前記ｎ形半導体基板１よりもｎ形不純物の濃度が低いｎ⁻形半導体層２と、ｎ⁻形半導体層２の内部に形成され、前記ｎ⁻形半導体層２よりもｎ形不純物の濃度が低いｎ⁻⁻形低不純物濃度層３と、ｎ⁻形半導体層２の内部にｎ⁻⁻形低不純物濃度層３と接して形成され、ｎ⁻形半導体層２の水平方向に所定の間隔をおいて配設され、全面をｎ⁻⁻形低不純物濃度層３によって覆ったｐ形埋め込み領域４と、前記ｎ⁻形半導体層２の表面に形成されたショットキー電極５を備えている。また、ｎ形半導体基板１の裏面にはオーミック電極６が形成され、前記ｎ⁻形半導体層２の表面には、半導体装置の耐圧を向上させるため、ショットキー電極５の端部を囲むようにｐ形終端部７が形成されている。

ここで、ｎ形（第１導電型）不純物の濃度とは、実際のｎ形不純物の濃度から実際のｐ形（第２導電型）不純物の濃度を差し引いた、実効的なｎ形不純物の濃度のことを指すものであり、ｐ形不純物の濃度についても同様である。

上記ｎ形半導体基板１、ｎ⁻形半導体層２、ｎ⁻⁻形低不純物濃度層３、ｐ形埋め込み領域４、ｐ形終端部７はいずれも炭化珪素半導体で形成されている。また、ショットキー電極５はチタン、ニッケル，モリブデン等の金属膜で形成され、ｎ⁻形半導体層２とショットキー接合を成している。一方、オーミック電極６はニッケル等の金属膜で形成され、ｎ形半導体基板１とオーミック接合を成している。また、ｎ形半導体基板１は約２０ｍΩ・ｃｍ程度の抵抗率を有する炭化珪素基板であり、ｎ⁻形半導体層２およびｎ⁻⁻形低不純物濃度層３はそれぞれ例えば１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、１〜３×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の不純物濃度で形成されている。また、ｐ形埋め込み領域４とｐ形終端部７は１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上の不純物濃度で形成されている。
なお、図１においてはｐ形埋め込み領域４の断面を矩形で構成しているが、断面形状は矩形に限られず、曲部を有していてもよい。また、図１には３個のｐ形埋め込み領域４を設けた例を示しているが、実際の素子では、半導体の大きさに応じた個数が配列される。

次にこの炭化珪素半導体装置の製造方法について説明する。
まず、図２（ａ）に示すように、抵抗率が約２０ｍΩ・ｃｍであるｎ形半導体基板１上に不純物濃度が１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３になるようにｎ⁻形半導体層２ａをエピタキシャル成長させる。そして、このｎ⁻形半導体層２ａのエピタキシャル成長の途中でｎ形不純物の導入量を減らし、ｎ形不純物の濃度がｎ⁻形半導体層２ａよりも低い３×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３となるように調整してｎ⁻⁻形低不純物濃度層３をｎ⁻形半導体層２ａの表面に形成する。そして再度不純物濃度が１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３になるようにｎ形不純物の導入量を調整してｎ⁻⁻形低不純物濃度層３の表面上にｎ⁻形半導体層２ｂを形成して、４層の炭化珪素半導体を製造する。

次に、図２（ｂ）に示すように、前記工程で形成したｎ⁻形半導体層２ｂ上に、フォトリソグラィにより所定の位置に開口部８ａ〜８ｃを有する注入用マスク８を形成する。そして、この注入用マスク８上からアルミニウムやホウ素等のｐ形不純物をイオン注入してｎ⁻⁻形低不純物濃度層３と接するｐ形埋め込み領域４を形成する。このとき、ｐ形埋め込み領域４の全面がｎ⁻⁻形低不純物濃度層３によって覆われるように、ｐ形不純物の注入エネルギーを設定する。この後、薬品を用いて注入用マスク８を除去する。

そして、図２（ｃ）に示すように、ｎ⁻形半導体層２ｂの表面に、開口部９ａ、９ｂを有する注入用マスク９を前記工程と同様にフォトリソグラフィにより形成する。そしてこの注入用マスク９上からアルミニウムやホウ素等のｐ形不純物を再度注入することにより、開口部９ａ、９ｂの下のｎ⁻形半導体層２ｂの表面にｐ形終端部７を形成する。この後、薬品を用いて注入用マスク９を除去する。そして、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中で１５００〜１８００℃の温度で熱処理してｐ形不純物を活性化させる。炭化珪素中の不純物は高温でもほとんど拡散しないので、熱処理の後にも微細な不純物濃度分布を維持することができる。
なお、イオン注入前の状態がｎ⁻形半導体２であった領域とｎ⁻⁻形低不純物濃度層３であった領域とでｐ形不純物濃度に差異が生じるが、ｐ形埋め込み領域４およびｐ形終端部７は不純物濃度が１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であればよいので、その影響はほとんどない。また、前記ｐ形埋め込み領域４形成工程とｐ形終端部７形成工程はその順序を入れ替えてもよい。

その後、図３（ａ）に示すように、ｎ形半導体基板１の裏面にスパッタリング法によってニッケルの金属膜６ａを成膜した後、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中で１０００℃に昇温して熱処理を行い、オーミック電極６を形成する。

そして、図３（ｂ）に示すように、ｎ⁻形半導体層２ｂの表面上に、例えばチタン、ニッケル，モリブデン等の炭化珪素とショットキー接触を成す金属をスパッタリングや電子ビーム蒸着等の方法により成膜し、金属膜５ａを形成する。その後、フォトレジストによって金属膜５ａ上にパターニングを実施し、酸などによって不要部分の金属を除去することによりショットキー電極５を形成する。
なお、このショットキー電極５の形成は、予め金属膜が不要となる部分にフォトレジストが残るようなパターニングを金属膜５ａの成膜前に実施してから、金属膜５ａをｎ⁻形半導体層２ｂの表面に成膜した後、アセトン等の有機溶剤によりフォトレジストをその上に成膜された金属膜とともに除去し、電極として必要な部分のみに金属膜を残すリフトオフ法を用いて行ってもよい。

このように形成された炭化珪素半導体装置においては、ショットキー電極５とオーミック電極６との間に順方向電圧が印加された場合、順方向電流はショットキー電極５からｎ⁻形半導体層２を通り、ｐ形埋め込み領域４の間を通ってｎ形半導体基板１へ流れる。このとき、ｐ形埋め込み領域４は全面がｎ⁻⁻形低不純物濃度層３によって覆われているので、ショットキー電極５とｎ⁻形半導体層２の接触はｐ形埋め込み領域４によって妨げられない。このように、順方向電流はｐ形埋め込み領域４に遮られることなくショットキー電極５からｎ⁻形半導体層２へ流れるので、オン抵抗を低減でき、その結果、順方向電流の低減を抑制できる。

一方、ショットキー電極５とオーミック電極６との間に逆方向電圧が印加された場合、ｐ形埋め込み領域４とｎ⁻⁻形低不純物濃度層３の接触部から空乏層が広がる。ここで、ｎ⁻⁻形低不純物濃度層３のｎ形不純物の濃度はｎ⁻形半導体層２のｎ形不純物の濃度よりも小さいので、上記空乏層はｎ⁻⁻形低不純物濃度層３の方向に広がって形成されることになる。ｐ形埋め込み領域４はｎ⁻⁻形低不純物濃度層３によって全面が覆われているので、前記空乏層は水平方向・垂直方向の両方に広がり、特に水平方向に広がった空乏層は隣接する空乏層と互いに連結するので、逆方向リーク電流の通電経路はピンチオフされ、逆方向リーク電流を抑制できる。

本実施の形態によれば、ｐ形埋め込み領域４の全面をｎ⁻⁻形低不純物濃度層３で覆うことにより、順方向電流はｐ形埋め込み領域４に遮られることなくショットキー電極５からｎ⁻形半導体層２へ流れるので、順方向電流の低減を抑制することができる。特に、炭化珪素半導体は高温動作時に順方向電流が低下するという特性があるので、２００℃以上で動作させる炭化珪素半導体装置においてその効果が顕著になる。また、逆電圧印加時にはｐｎ接合部の空乏層が水平方向のみならず垂直方向にも広がるので、逆方向リーク電流を効率的に抑制できる。

なお、本実施の形態では、ｐ形埋め込み領域４の全面をｎ⁻⁻形低不純物濃度層３によって覆っていたが、図４に示すように、ｐ形埋め込み領域４の上下面をそれぞれｎ⁻⁻形低不純物濃度層３とｎ⁻形半導体層２との境界面３ａ、３ｂと面一に形成してもよいし、上下面のいずれか一方を境界面３ａまたは３ｂと面一に形成してもよい。また、図５に示すようにｐ形埋め込み領域４の上面がｎ⁻⁻形低不純物濃度層３とｎ⁻形半導体層２との境界面３ａからショットキー電極５側へ突出し、この上面をｎ⁻形半導体層２に覆うようにしてもよいし、図６に示すように、ｐ形埋め込み領域４の下面がｎ⁻⁻形低不純物濃度層３とｎ⁻形半導体層２との境界面３ｂからｎ形半導体基板１側へ突出し、上面をｎ⁻⁻形低不純物濃度層３で、下面をｎ⁻形半導体層２にそれぞれ覆うように構成してもよい。さらに、図７に示すように、ｐ形埋め込み領域４がｎ⁻⁻形低不純物濃度層３とｎ⁻形半導体層２との境界面３ａおよび３ｂの両方を貫通し、その上面および下面を半導体層２で覆うようにすることもできる。これらの炭化珪素半導体装置は、実施の形態１と同様の工程で製造される。

上記いずれの構成においても、ｐ形埋め込み領域４の上面をｎ⁻形半導体層２またはｎ⁻⁻形低不純物濃度層３で覆うことにより、順方向電流はｐ形埋め込み領域４に遮られることなく、ショットキー電極５からｎ⁻形半導体層２へ流れ、順方向電流の低減を抑制できる。また、ｐ形埋め込み領域４の全面をｎ⁻⁻形低不純物濃度層３によって覆わなくてもよいので、ｐ形埋め込み領域４の形成位置に裕度を設けることができ、炭化珪素半導体装置の製造が容易になる。

実施の形態２．
図８（ａ）〜（ｃ）および図９（ａ）〜（ｃ）は本発明の実施の形態２による炭化珪素半導体装置製造工程を示す断面図である。実施の形態１に示した炭化珪素半導体装置は、本実施の形態に係る製造方法で製造することもできる。
まず、図８（ａ）に示すように、炭化珪素からなり抵抗率が２０ｍΩ・ｃｍ程度のｎ形半導体基板１の上に、不純物濃度が例えば１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３のｎ⁻形半導体層２をエピタキシャル成長させる。

このように形成したｎ⁻形半導体層２の表面に、図８（ｂ）に示すように、開口部１０ａ〜１０ｄを有する注入用マスク１０をフォトリソグラィにより形成する。そしてこの注入用マスク１０の上からアルミニウムもしくはホウ素などのｐ形不純物をイオン注入して、注入用マスク１０の開口部１０ａ〜１０ｄ下のｎ⁻形半導体層２にｐ形不純物を注入する。このとき、ｐ形不純物の注入量は注入された領域がｐ形半導体とはならずに、例えば不純物濃度が１〜３×^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度のｎ形半導体となるように設定する。このようにしてｎ⁻形半導体層２内にｎ⁻⁻形低不純物濃度層３を形成する。この後、薬品を用いて注入用マスク１０を除去する。

次に、ｎ⁻形半導体層２の表面に、図８（ｃ）に示すように、開口部１１ａ〜１１ｃを有する注入用マスク１１を前記工程と同様にフォトリソグラフィにより形成する。そしてこの注入用マスク１１の上からアルミニウムやホウ素等のｐ形不純物を再度注入して、開口部１１ａ〜１１ｃ下のｎ⁻形半導体層２内部に、上面をｎ⁻形半導体層２によって覆うようにｎ⁻⁻形低不純物濃度層３と接するｐ形埋め込み領域４を形成する。この後、薬品を用いて注入用マスク１１を除去する。

そして、ｎ形半導体基板１のｎ⁻形半導体層２の表面に、図９（ａ）に示すように、開口部１２ａ、１２ｂを有する注入用マスク１２を前記工程と同様にフォトリソグラフィにより形成する。そしてこの注入用マスク１２の上からアルミニウムやホウ素等のｐ形不純物を再度注入することにより、開口部１２ａ、１２ｂ下のｎ⁻形半導体層２の表面にｐ形終端部７を形成する。この後、薬品を用いて注入用マスク１２を除去する。そして、誘導加熱炉等を用いてアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気中で１５００〜１８００℃程度の温度で熱処理を行うことにより注入したｐ形不純物を活性化させる。
なお、前記ｎ⁻⁻形低不純物濃度層３形成工程、前記ｐ形埋め込み領域４形成工程およびｐ形終端部７形成工程はその順序を入れ替えてもよい。

その後、図９（ｂ）に示すように、ｎ形半導体基板１の裏面に、スパッタリング等の方法によりニッケル等の金属膜６ａを成膜させた後、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気中で１０００℃程度の熱処理を加えることにより、オーミック電極６を形成する。
そして、図９（ｃ）に示すように、ｎ形半導体基板１のｎ⁻形半導体層２の表面にチタン等の炭化珪素とショットキー接触を形成する金属をスパッタリング等の方法により成膜し、フォトレジストによるパターニングを実施後、酸などにより不要となる金属を除去することによりショットキー電極５を形成する。

本実施の形態によれば、ｎ⁻形半導体層２にｐ形不純物をイオン注入することによってｎ⁻⁻形低不純物濃度層３を形成するので、実施の形態１に示した製造方法と比べてエピタキシャル成長工程を簡略化することができる。

本発明の実施の形態１における炭化珪素半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における炭化珪素半導体装置の製造工程を示す図である。 図２に続く本発明の実施の形態１における炭化珪素半導体装置の製造工程を示す図である。 本発明の実施の形態１における炭化珪素半導体装置の変形例を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における炭化珪素半導体装置の変形例を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における炭化珪素半導体装置の変形例を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における炭化珪素半導体装置の変形例を示す断面図である。 本発明の実施の形態２における炭化珪素半導体装置の製造工程を示す図である。 図８に続く本発明の実施の形態２における炭化珪素半導体装置の製造工程を示す図である。

符号の説明

１ ｎ形半導体基板（第１導電型の炭化珪素半導体基板）、 ２ ｎ⁻形半導体層（第１導電型の炭化珪素半導体層）、 ３ ｎ⁻⁻形低不純物濃度層（第１導電型の低不純物濃度炭化珪素層）、 ３ａ，３ｂ 境界面、 ４ ｐ形埋め込み領域（第２導電型の埋め込み領域）、 ５ ショットキー電極。

Claims (3)

1. 第１導電型の不純物を有する第１導電型の炭化珪素半導体基板と、
   前記炭化珪素半導体基板の表面に形成され、前記炭化珪素半導体基板よりも第１導電型の不純物の濃度が低い第１導電型の炭化珪素半導体層と、
   前記炭化珪素半導体層の内部に形成され、前記炭化珪素半導体層よりも第１導電型の不純物の濃度が低い第１導電型の低不純物濃度炭化珪素層と、
   前記炭化珪素半導体層の内部に、全面を前記低不純物濃度炭化珪素層によって覆うように形成され、前記炭化珪素半導体層の水平方向に間隔をおいて設けられた第２導電型の埋め込み領域と、
   前記炭化珪素半導体層の表面に形成されたショットキー電極と
   を備えた炭化珪素半導体装置。
2. 第１導電型の不純物を有する第１導電型の炭化珪素半導体基板の表面に、前記炭化珪素半導体基板よりも第１導電型の不純物の濃度が低い第１導電型の炭化珪素半導体層を形成する工程と、
   前記炭化珪素半導体層の表面に、前記炭化珪素半導体層よりも第１導電型の不純物の濃度が低い第１導電型の低不純物濃度炭化珪素層を形成する工程と、
   前記低不純物濃度炭化珪素層の表面に、前記炭化珪素半導体層と第１導電型の不純物の濃度が等しい第１導電型の炭化珪素半導体層を形成する工程と、
   前記炭化珪素半導体層の内部に、前記低不純物濃度炭化珪素層に全面を覆われ、前記炭化珪素半導体層の水平方向に間隔をおいて設けられた第２導電型の埋め込み領域を、第２導電型の不純物を注入して形成する工程と、
   前記炭化珪素半導体層の表面にショットキー電極を形成する工程と
   を備えた炭化珪素半導体装置の製造方法。
3. 第１導電型の不純物を有する第１導電型の炭化珪素半導体基板の表面に、前記炭化珪素半導体基板よりも第１導電型の不純物の濃度が低い第１導電型の炭化珪素半導体層を形成する工程と、
   第２導電型の不純物を注入することにより、前記炭化珪素半導体層よりも第１導電型の不純物濃度が低い第１導電型の低不純物濃度炭化珪素層を前記炭化珪素半導体層の内部に形成する工程と、
   前記炭化珪素半導体層の内部に、前記低不純物濃度炭化珪素層に全面を覆われ、前記炭化珪素半導体層の水平方向に間隔をおいて設けられた第２導電型の埋め込み領域を、第２導電型の不純物を注入して形成する工程と、
   前記炭化珪素半導体層の表面にショットキー電極を形成する工程と
   を備えた炭化珪素半導体装置の製造方法。

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