JP6018501B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
実施形態に係る別の半導体装置は、第1半導体部と、電極と、を含む。前記第1半導体部は、第1界面部を有し第1元素を含有するSiCを含む。前記電極は、前記第1界面部に電気的に接続される。前記第1元素は、N、P及びAsのうちの少なくとも1つである。前記第1元素がPまたはAsの場合には、前記第1元素は前記第1界面部においてSiCのCサイトに位置する。前記第1元素がNの場合には、前記第1元素は前記第1界面部においてSiCのSiサイトに位置する。
実施形態に係る別の半導体装置は、SiCを材料とする基板と、前記基板の上に設けられSiCを含む第1導電形の第1半導体領域と、前記第1半導体領域の一部の上に設けられSiCを含む第2導電形の第2半導体領域と、前記第2半導体領域の一部の上に設けられ、第1界面部を有し、第1導電形の不純物である第1元素を含有するSiCを含む第3半導体領域と、前記第2半導体領域の一部の上に設けられ、第2界面部を有し、前記第3半導体領域と並置され、第2導電形の不純物である第2元素を含有するSiCを含む第4半導体領域と、前記第2半導体領域の上に設けられた絶縁膜と、前記絶縁膜の上に設けられた制御電極と、前記第1界面部及び前記第2界面部に電気的に接続された第1電極と、前記基板と接する第2電極と、を含む。前記第1界面部の厚さは、1ナノメートル以下である。前記第3半導体領域における前記第1元素の面密度は、前記第1界面部において極大となる。前記第1元素は、N、P及びAsのうちの少なくとも1つである。前記第1元素がPまたはAsの場合には、前記第1元素は前記第1界面部においてSiCのCサイトに位置する。前記第1元素がNの場合には、前記第1元素は前記第1界面部においてSiCのSiサイトに位置する。前記第2界面部の厚さは、1ナノメートル以下である。前記第4半導体領域における前記第1元素の面密度は、前記第2界面部において極大となる。前記第2元素は、B、Al及びGaのうちの少なくとも1つである。前記第2元素は、前記第2界面部においてSiCのCサイトに位置する。
実施形態に係る別の半導体装置の製造方法は、導電形を与える不純物である第1元素が導入され、SiCを材料とする第1半導体部の表面近傍のみにSiまたはCのイオンを注入する工程と、前記第1半導体部の上に前記第1半導体部と接して電極を形成する工程と、前記電極を形成した後、400℃以上700℃以下でアニールする工程と、を含む。前記第1元素は、B、Al及びGaのうちの少なくとも1つである。前記第1半導体部にSiまたはCのイオンを注入する工程では、Siのイオンを注入することを含む。前記第1元素は、SiCのCサイトを置換するる。
実施形態に係る別の半導体装置の製造方法は、導電形を与える不純物である第1元素が導入され、SiCを材料とする第1半導体部の表面近傍のみにSiまたはCのイオンを注入する工程と、前記第1半導体部の上に前記第1半導体部と接して電極を形成する工程と、前記電極を形成した後、400℃以上700℃以下でアニールする工程と、を含む。前記第1元素が、P及びAsのうちの少なくとも1つである場合、前記第1半導体部にSiまたはCのイオンを注入する工程では、Siのイオンを注入することを含む。前記第1元素が、Nの場合、前記第1半導体部にSiまたはCのイオンを注入する工程では、Cのイオンを注入することを含む。前記第1元素がPまたはAsの場合には、前記第1元素はSiCのCサイトを置換する。前記第1元素がNの場合には、前記第1元素はSiCのSiサイトを置換する。
また、以下の説明において、n+、n、n−及びp+、p、p−の表記は、各導電形における不純物濃度の相対的な高低を表す。すなわち、n+はnよりもn形の不純物濃度が相対的に高く、n−はnよりもn形の不純物濃度が相対的に低いことを示す。また、p+はpよりもp形の不純物濃度が相対的に高く、p−はpよりもp形の不純物濃度が相対的に低いことを示す。
図1は、第1の実施形態に係る半導体装置の構成を例示する模式的断面図である。
図1に表した第1の実施形態に係る半導体装置110は、基板200と、第1半導体領域202と、第2半導体領域210と、第3半導体領域230と、第4半導体領域220と、第1電極240と、第2電極262と、制御電極260と、絶縁膜250と、を備える。
上記のような半導体装置110において、各部のパターンの微細化が進むと、半導体装置110内の第3半導体領域230及び第4半導体領域220の両方に、単一の金属材料にてオーミック接続した電極を形成することが望ましい。
図2において縦軸は状態密度(DOS:Density of states)を表している。図2に表したように、C欠陥ができると、ギャップ中状態(in-gap state)の出現や伝導帯エッジのバンド構造の変化が発生し、局所的な抵抗変化領域ができることになる。つまり、C欠陥は、電流の面内不均一をもたらす。
この第一原理計算により、p形ドーパントであるB、Al及びGa、n形ドーパントであるN、P及びAsを種々のサイトに導入した場合の電子状態について、計算を行った。
SiC基板の表面の近傍での欠陥発生の機構を解明するために、SiC基板の表面での欠陥の生成エネルギーを第一原理計算により求めた。SiC基板のC面の最表面のC欠陥生成に必要なエネルギーは0.75eV、SiC基板のSi面の最表面のSi欠陥生成に必要なエネルギーは4.6eVである。水素終端のとれたSiC基板の最表面の元素は、ダングリングボンドを有している。したがって、最表面の元素は高いエネルギー状態にあり、簡単に離脱して欠陥を発生させることが分かる。
先ず、下限について、詳細に示す。
4H−SiCの最表面の元素の面密度は、2原子(SiとCのペア層)÷ユニットセルの面積=2÷(格子定数a×格子定数a×√3÷2)=2.4×1015/cm2程度である。
X=(電荷)×(面密度)×(分極の長さ)/誘電率
から計算できる。より詳細に説明すると、
X(ボルト)=(電荷)×(面密度)×(分極の長さ)/誘電率
=(電荷2×1.602×10−19クーロン)×(面密度cm−2)×
(分極の長さ×10−8cm)/(比誘電率ε)/[8.854×10−12(fard
/m)]
=1.81×10−14(数面密度cm−2単位)×(分極の長さÅ単位
)/(比誘電率)
となる。ここでSiC基板中のドーパントの電荷は1、数面密度が1013cm−2程度、誘電率10である。下限を考えるので、分極の長さは最大値を採用して、10Å程度とする。よって、
X=1.81×10−14×1×1013×10/10=0.18(V)
となる。n形では、0.1V程度にしたいので、0.56×1013cm−2以上が必要であり、p形では、1.7V程度にしたいので、9.4×1013cm−2以上が必要である。これ以下では、必要なシフト量が得られず、抵抗が大きくなってしまう。
最表面の元素のうち50%のドーパントのパイルアップすると、モノレイヤがドーパントに代わることになる。実質的には、この段階で、多くのCサイト(Nの場合のみSiサイト)がドーパントになっているので、50%(1.22×1015/cm2)で十分である。
図1に表したように、半導体装置110では、第1半導体領域202の表面上の一部に、複数の第2半導体領域210が互いに間隔を隔て設けられる。第2半導体領域210は、第1半導体領域202の表面から内部の途中の深さまで選択的に形成される。
図3は、第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を例示するフローチャートである。
図4(a)〜図9は、第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を例示する模式的断面図である。
図3に表したように、半導体装置の製造方法は、第1半導体領域の形成(ステップS100)、第2半導体領域の形成(ステップS102)、第3半導体領域の形成(ステップS104)、イオン注入(ステップS106)、第4半導体領域の形成(ステップS108)、イオン注入(ステップS110)、アニール(ステップS112)、絶縁膜の形成(ステップS114)、第1電極の形成(ステップS116)、低温アニール(ステップS118)、制御電極の形成(ステップS120)、第2電極の形成(ステップS122)及び低温アニール(ステップS124)を備える。
図10(a)及び(b)において縦軸は元素の面密度、横軸は深さ方向の位置を表している。図10(a)には低温アニール前のイオン打ち込みにより打ち込まれたAl及びSiの面密度の分布が表されている。図10(a)に表したように、Siは、p+のSiC(第4半導体領域220)と金属(第1電極240)との界面225の近傍に導入されている。SiをSiC中に打ち込むので、Si自体の分布は大きな値を持つが、打ち込まれたSiのみを表すと、図10(a)に表されるような分布になる。ここに示したように、打ち込むSi(或いはC)は、表面部分だけにすることが特徴となる。
(2)第1電極240とp+領域(第4半導体領域220)との界面での接触抵抗を小さくすることができる。接触抵抗として、1×10−6Ωcm2を実現している。
(3)本実施形態では、添加物質のパイルアップを目的とした低温アニールを行っている。その結果、チャネル移動度が従来(高温熱工程通過後、ピーク値20cm2/Vs)の一桁程度大きい値(本実施形態のプロセス通過後、ピーク値200cm2/Vs)になる。この移動度の向上は、オン抵抗に直接的な影響を与えるので、デバイス特性向上に極めて有効である。
(4)第1電極240の材料として、TiN、ポリシリコン及びWであっても大きな違いは見られなかった。すなわち、本実施形態では電極材料の依存性が低い。
図11は、第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法を例示するフローチャートである。
図11に表したように、半導体装置の製造方法は、第1半導体領域の形成(ステップS200)、第2半導体領域の形成(ステップS202)、第3半導体領域の形成(ステップS204)、第4半導体領域の形成(ステップS206)、アニール(ステップS208)、絶縁膜の形成(ステップS210)、イオン注入(ステップS212)、第1電極の形成(ステップS214)、低温アニール(ステップS216)、制御電極の形成(ステップS218)、イオン注入(ステップS220)、第2電極の形成(ステップS222)及び低温アニール(ステップS224)を備える。
ステップS200の第1半導体領域の形成では、図12(a)に表したように、n+のSiCの基板200の表面上にn−のSiC半導体層である第1半導体領域202が形成される。
図15は、第3の実施形態に係る半導体装置を例示する模式的断面図である。
図15に表したように、第3の実施形態に係る半導体装置130は、第1半導体領域202の上に第5半導体領域214を備える点、第2半導体領域212をエピタキシャル成長によって形成する点で第1の実施形態に係る半導体装置110と相違する。
図16に表したように、第3の実施形態に係る半導体装置の製造方法は、第1半導体領域の形成(ステップS300)、第2半導体領域の形成(ステップS302)、第5半導体領域の形成(ステップS304)、第3半導体領域の形成(ステップS306)、イオン注入(ステップS308)、第4半導体領域の形成(ステップS310)、イオン注入(ステップS312)、アニール(ステップS314)及び絶縁膜の形成(ステップS316)を備える。絶縁膜の形成以降の工程は、図3に表した第1の実施形態に係る半導体装置110の製造方法と同様である。
ステップS300の第1半導体領域の形成では、図17(a)に表したように、n+のSiCの基板200の表面上にn−のSiC半導体層である第1半導体領域202が形成される。
図18は、第4の実施形態に係る半導体装置を例示する模式的断面図である。
図18に表したように、第4の実施形態に係る半導体装置140は、SiCを用いたIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)である。半導体装置140では、半導体装置110におけるn形(n+)のSiCの基板200の代わりに、p形(p+)のSiCの基板201が用いられる。半導体装置140では、半導体装置110の第1半導体領域202の代わりに、n形半導体層206が用いられる。n形半導体層206は、n+のSiCであるn+半導体層203と、n−のSiCであるn−半導体層204との積層構造を有する。
図19に表したように、第4の実施形態に係る半導体装置の製造方法は、n+半導体層の形成(ステップS400)、n−半導体層の形成(ステップS402)、第2半導体領域の形成(ステップS404)、第3半導体領域の形成(ステップS406)、イオン注入(ステップS408)、第4半導体領域の形成(ステップS410)及びイオン注入(ステップS412)を備える。ステップS412のイオン注入以降の工程は、図3に表した第1の実施形態に係る半導体装置110の製造方法と同様である。
図20は、第5の実施形態に係る半導体装置を例示する模式的断面図である。
図20に表したように、第5の実施形態に係る半導体装置150は、第5半導体領域214を備える点、第2半導体領域212をエピタキシャル成長によって形成する点で第4の実施形態に係る半導体装置140と相違する。
図21に表したように、第5の実施形態に係る半導体装置の製造方法は、n+半導体層の形成(ステップS500)、n−半導体層の形成(ステップS502)、第2半導体領域の形成(ステップS504)、第5半導体領域の形成(ステップS506)、第3半導体領域の形成(ステップS508)、イオン注入(ステップS510)、第4半導体領域の形成(ステップS512)、イオン注入(ステップS514)、アニール(ステップS516)及び絶縁膜の形成(ステップS518)を備える。
図22(a)〜(C)は、ダイオードを例示する模式的断面図である。
図22(a)には、一般的なダイオード169が表され、図22(b)及び(c)には、第6の実施形態に係るダイオード161及び162が表されている。
Claims (11)
- 第1界面部を有し第1元素を含有するSiCを含む第1半導体部と、
前記第1界面部に電気的に接続された電極と、
を備え、
前記第1界面部の厚さは、1ナノメートル以下であり、
前記第1半導体部における前記第1元素の面密度は、前記第1界面部において極大となり、
前記第1元素は、B、Al及びGaのうちの少なくとも1つであり、
前記第1元素は、前記第1界面部においてSiCのCサイトに位置した、半導体装置。 - 前記第1界面部における前記第1元素の前記面密度は、9.4×1013cm−2以上1.22×1015cm−2以下である請求項1記載の半導体装置。
- 第1界面部を有し第1元素を含有するSiCを含む第1半導体部と、
前記第1界面部に電気的に接続された電極と、
を備え、
前記第1界面部の厚さは、1ナノメートル以下であり、
前記第1半導体部における前記第1元素の面密度は、前記第1界面部において極大となり、
前記第1元素は、N、P及びAsのうちの少なくとも1つであり、
前記第1元素がPまたはAsの場合には、前記第1元素は前記第1界面部においてSiCのCサイトに位置し、
前記第1元素がNの場合には、前記第1元素は前記第1界面部においてSiCのSiサイトに位置した、半導体装置。 - 前記第1界面部における前記第1元素の前記面密度は、0.56×1013cm−2以上1.22×1015cm−2以下である請求項3記載の半導体装置。
- 前記第1半導体部と並置され第2界面部を有し第2元素を含有するSiCを材料とする第2半導体部をさらに備え、
前記電極は、前記第2界面部に電気的に接続され、
前記第2界面部の厚さは、1ナノメートル以下であり、
前記第2半導体部における前記第2元素の面密度は、前記第2界面部において極大となり、
前記第2元素は、N、P及びAsのうちの少なくとも1つであり、
前記第2元素がPまたはAsの場合には、前記第1元素は前記第2界面部においてSiCのCサイトに位置し、
前記第2元素がNの場合には、前記第1元素は前記第2界面部においてSiCのSiサイトに位置した、請求項1記載の半導体装置。 - 前記第1界面部における前記第1元素の面密度は、9.4×1013cm−2以上1.22×1015cm−2以下であり、
前記第2界面部における前記第2元素の面密度は、0.56×1013cm−2以上1.22×1015cm−2以下である請求項5記載の半導体装置。 - SiCを材料とする基板と、
前記基板の上に設けられSiCを含む第1導電形の第1半導体領域と、
前記第1半導体領域の一部の上に設けられSiCを含む第2導電形の第2半導体領域と、
前記第2半導体領域の一部の上に設けられ、第1界面部を有し、第1導電形の不純物である第1元素を含有するSiCを含む第3半導体領域と、
前記第2半導体領域の一部の上に設けられ、第2界面部を有し、前記第3半導体領域と並置され、第2導電形の不純物である第2元素を含有するSiCを含む第4半導体領域と、
前記第2半導体領域の上に設けられた絶縁膜と、
前記絶縁膜の上に設けられた制御電極と、
前記第1界面部及び前記第2界面部に電気的に接続された第1電極と、
前記基板と接する第2電極と、
を備え、
前記第1界面部の厚さは、1ナノメートル以下であり、
前記第3半導体領域における前記第1元素の面密度は、前記第1界面部において極大となり、
前記第1元素は、N、P及びAsのうちの少なくとも1つであり、
前記第1元素がPまたはAsの場合には、前記第1元素は前記第1界面部においてSiCのCサイトに位置し、
前記第1元素がNの場合には、前記第1元素は前記第1界面部においてSiCのSiサイトに位置し、
前記第2界面部の厚さは、1ナノメートル以下であり、
前記第4半導体領域における前記第1元素の面密度は、前記第2界面部において極大となり、
前記第2元素は、B、Al及びGaのうちの少なくとも1つであり、
前記第2元素は、前記第2界面部においてSiCのCサイトに位置した、半導体装置。 - 前記第1界面部における前記第1元素の面密度は、0.56×1013cm−2以上1.22×1015cm−2以下であり、
前記第2界面部における前記第2元素の面密度は、9.4×1013cm−2以上1.22×1015cm−2以下である請求項7記載の半導体装置。 - 導電形を与える不純物である第1元素が導入され、SiCを材料とする第1半導体部の表面近傍のみにSiまたはCのイオンを注入する工程と、
前記第1半導体部の上に前記第1半導体部と接して電極を形成する工程と、
前記電極を形成した後、400℃以上700℃以下でアニールする工程と、
を備え、
前記第1元素は、B、Al及びGaのうちの少なくとも1つであり、
前記第1半導体部にSiまたはCのイオンを注入する工程では、Siのイオンを注入することを含み、
前記第1元素は、SiCのCサイトを置換している、半導体装置の製造方法。 - 導電形を与える不純物である第1元素が導入され、SiCを材料とする第1半導体部の表面近傍のみにSiまたはCのイオンを注入する工程と、
前記第1半導体部の上に前記第1半導体部と接して電極を形成する工程と、
前記電極を形成した後、400℃以上700℃以下でアニールする工程と、
を備え、
前記第1元素が、P及びAsのうちの少なくとも1つである場合、前記第1半導体部にSiまたはCのイオンを注入する工程では、Siのイオンを注入することを含み、
前記第1元素が、Nの場合、前記第1半導体部にSiまたはCのイオンを注入する工程では、Cのイオンを注入することを含み、
前記第1元素がPまたはAsの場合には、前記第1元素はSiCのCサイトを置換し、
前記第1元素がNの場合には、前記第1元素はSiCのSiサイトを置換している、半導体装置の製造方法。 - 前記第1元素を前記第1半導体部にイオン打ち込みによって導入する請求項9または10に記載の半導体装置の製造方法。
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