JP6584976B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、半導体装置およびその製造方法に関する。

ダイヤモンド半導体は、５．５ｅＶという大きなバンドギャップエネルギーを有するワイドギャップ半導体である。強固で、高熱伝導率（２０Ｗ／ｃｍ・Ｋ）を有するばかりでなく、高キャリア移動度（電子４５００ｃｍ^２／Ｖ・ｓｅｃ、ホール３８００ｃｍ^２／Ｖ・ｓｅｃ）、高破壊電界強度（１０ＭＶ／ｃｍ）などのすぐれた材料物性を有する。そのためダイヤモンド半導体は、超高耐圧・超高効率の半導体として優れた特性を有する材料である。

これまでに、ダイヤモンド半導体を用いたパワーデバイスの開発が盛んに行われている。

特開２００８−１８６９３６号公報

本発明が解決しようとする課題は、低いオン抵抗を有する半導体装置を提供することである。

実施形態の半導体装置は、第１導電型の第１のダイヤモンド半導体層と、第１のダイヤモンド半導体層上に設けられた第１導電型の第１の炭化珪素層と、第１の炭化珪素層上に設けられた第１の電極と、第１のダイヤモンド半導体層の、第１の炭化珪素層と反対側に設けられた第２のダイヤモンド半導体層と、第２のダイヤモンド半導体層上に設けられた第２の炭化珪素層と、を備える。

第１の実施形態の半導体装置の模式断面図である。 第１の実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図である。 第２の実施形態の半導体装置の模式断面図である。 第３の実施形態の半導体装置の模式断面図である。 第３の実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図である。 第４の実施形態の半導体装置の模式断面図である。 第４の実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図である。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。

本明細書中、同一又は類似する部材については、同一の符号を付し、重複する説明を省略することがある。

以下、第１導電型がｎ型、第２導電型がｐ型である場合を例に説明する。また、以下の説明において、ｎ^＋、ｎ、ｎ⁻および、ｐ^＋、ｐ、ｐ⁻の表記は、各導電型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型の不純物濃度が相対的に高く、ｎ⁻はｎよりもｎ型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型の不純物濃度が相対的に高く、ｐ⁻はｐよりもｐ型の不純物濃度が相対的に低いことを示す。なお、ｎ^＋型、ｎ⁻型を単にｎ型、ｐ^＋型、ｐ⁻型を単にｐ型と記載する場合もある。

本明細書中、ｉ型の半導体（アンドープ半導体）とは、真性半導体を意味する。いいかえれば、積極的にｎ型不純物またはｐ型不純物を導入していない半導体を意味する。半導体の製造に伴い不可避的に導入される不純物については、これを許容する概念とする。

本明細書中、部品等の位置関係を示すために、図面の上方向を「上」、図面の下方向を「下」と記述する。本明細書中、「上」、「下」の概念は、必ずしも重力の向きとの関係を示す用語ではない。以下に説明する実施形態は、以下に図示または説明された向きとは異なる向きで実施可能である。

（第１の実施形態）
本実施形態の半導体装置は、第１導電型の第１のダイヤモンド半導体層と、第１のダイヤモンド半導体層上に設けられた第１導電型の第１の炭化珪素層と、第１の炭化珪素層上に設けられた第１の電極と、を備える。

図１は、本実施形態の半導体装置１００の模式断面図である。本実施形態の半導体装置１００は、ＰＩＮダイオードである。

半導体装置１００は、第２の電極１０と、ｐ型の半導体層１２と、ｉ型、ｎ型又はｐ型の第２のダイヤモンド半導体層１４と、ｎ型の第１のダイヤモンド半導体層１６と、ｎ^＋型の第１の炭化珪素層１８と、第１の電極２０と、第２の炭化珪素層２２と、第１の絶縁層２４と、フィールドプレート電極４０と、メサ構造６０と、を備える。

第１のダイヤモンド半導体層１６の導電型はｎ型である。ダイヤモンド半導体層に用いられるｎ型不純物は、例えばＰ（リン）である。第１のダイヤモンド半導体層１６におけるｎ型不純物濃度は、オン抵抗低減するため１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であることが好ましい。

第１の炭化珪素層１８は、第１のダイヤモンド半導体層１６上に設けられている。第１の炭化珪素層１８の導電型は、ｎ^＋型である。炭化珪素層に用いられるｎ型不純物は、例えばＮ（窒素）、Ａｓ（ヒ素）、Ｐ（リン）又はＳｂ（アンチモン）である。第１の炭化珪素層１８のｎ型不純物濃度は、オン抵抗を低減するため、例えば１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である。

第１の電極２０は、第１の炭化珪素層１８上に設けられている。第１の電極は、ＰＩＮダイオードのカソード（陰極）である。第１の電極２０は、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｒｕ（ルテニウム）、ＷＣ（タングステンカーバイド）、Ａｕ（金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｐｔ（白金）又はＲｈ（ロジウム）を含むことが、第１の炭化珪素層と良好な接合を形成する上で好ましい。特にＮｉは良好なオーミック接合を形成できるため好ましい。

第２のダイヤモンド半導体層１４は、第１のダイヤモンド半導体層１６の、第１の炭化珪素層１８と反対側に設けられている。言い換えると、第１のダイヤモンド半導体層１６は、第２のダイヤモンド半導体層１４上に設けられている。第２のダイヤモンド半導体層１４の導電型は、ｉ型、ｎ型又はｐ型である。ダイヤモンド半導体層に用いられるｐ型不純物は、例えばＢ（ボロン）である。第２のダイヤモンド半導体層１４の不純物濃度は、高耐圧化のため５×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であることが好ましい。

半導体層１２は、第２のダイヤモンド半導体層１４の、第１のダイヤモンド半導体層１６と反対側に設けられている。言い換えると、第２のダイヤモンド半導体層１４は、半導体層１２上に設けられている。半導体層１２の導電型は、ｐ型である。半導体層１２の不純物濃度は、オン抵抗低減のため１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であることが好ましい。

半導体層１２は、ダイヤモンドを含むダイヤモンド半導体層であることが、第２のダイヤモンド半導体層１４との間の格子歪みを低減させる上で好ましい。なお、半導体層１２としては、Ｓｉ（シリコン）基板等のＳｉを含む半導体層も、好ましく用いることができる。

メサ構造６０は、第２のダイヤモンド半導体層１４上に、第１のダイヤモンド半導体層１６と第２のダイヤモンド半導体層１４を含んで設けられている。メサ構造６０の断面は、例えば台形状である。メサ構造６０の側面である第２の面５２は、第１のダイヤモンド半導体層１６上及び第２のダイヤモンド半導体層１４上に設けられている。メサ構造の上面である第３の面５４は、第１の炭化珪素層１８と接する第１のダイヤモンド半導体層１６上に設けられている。第１の面５０は、メサ構造６０の側方の第２のダイヤモンド半導体層１４の上面である。第１の面５０の面方位と、第２の面５２の面方位は、異なっている。ここで面方位はＸＲＤ（Ｘ−ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ：Ｘ線回折）により評価することが出来る。

第２の炭化珪素層２２は、第１の面５０上及びメサ構造６０（第１のダイヤモンド半導体層１６及び第２のダイヤモンド半導体層１４）上の第２の面５２上に設けられている。第２の炭化珪素層２２は、表面リーク電流低減のためアンドープ炭化珪素層であることが好ましい。

第１の絶縁層２４は、第１の炭化珪素層１８上及び第２の炭化珪素層２２上に設けられている。第１の絶縁層２４は、パッシベーション層である。第１の絶縁層２４は、表面リーク電流低減のため酸化物、窒化物又はフッ化物を含む事が好ましい。第１の絶縁層２４は、特に、酸化シリコンを含むことが、密着性の高い高品質な絶縁膜となるため好ましい。また、第１の絶縁層２４は、第１の炭化珪素層１８及び第２の炭化珪素層２２を酸化することにより形成されることが、質の高い酸化シリコンを含む層が得られるため好ましい。

第２の電極１０は、半導体層１２に電気的に接続されている。第２の電極１０は、半導体層１２にオーミック接合されていることが好ましい。たとえば、Ｔｉ（チタン）／Ｐｔ（白金）／Ａｕ（金）からなる電極を電子ビームにより蒸着し、Ａｒ（アルゴン）ガス雰囲気中で熱処理した電極は、ダイヤモンド半導体層に対して良いオーミック電極である。そのため、半導体層１２がダイヤモンド半導体層である場合は、Ｔｉ（チタン）／Ｐｔ（白金）／Ａｕ（金）からなる電極は、第２の電極１０として好ましく用いることができる。

フィールドプレート電極４０は、第３の面５４上の第１の絶縁層２４上に設けられている。フィールドプレート電極４０は、半導体装置１００内の電界集中の緩和に用いられる。フィールドプレート電極４０は、第１の電極２０に電気的に接続されていることが、容易に電界集中の緩和を行うことができるため好ましい。

図２は、本実施形態の半導体装置１００の製造方法を示す模式断面図である。

本実施形態の半導体装置１００の製造方法は、ｐ型の半導体層１２上にｉ型、ｎ型又はｐ型の第２のダイヤモンド半導体層１４を形成し、第２のダイヤモンド半導体層１４上にｎ型の第１のダイヤモンド半導体層１６を形成し、第２のダイヤモンド半導体層１４上に第１のダイヤモンド半導体層１６と第２のダイヤモンド半導体層１４を含むメサ構造６０を形成し、第２のダイヤモンド半導体層１４上及びメサ構造６０上に第２の炭化珪素層２２を形成し、第１のダイヤモンド半導体層１６上にｎ^＋型の第１の炭化珪素層１８を形成し、第１の炭化珪素層１８上及び第２の炭化珪素層２２上に第１の絶縁層２４を形成し、第１の炭化珪素層１８上に第１の炭化珪素層１８と電気的に接続される第１の電極２０を形成し、半導体層１２に電気的に接続される第２の電極１０を形成する。

まず、ｐ型の半導体層１２上にｉ型、ｎ型又はｐ型の第２のダイヤモンド半導体層１４を、例えばエピタキシャル成長法により形成する。半導体層１２としては、例えばダイヤモンド半導体基板が好ましく用いられる。なおＳｉ基板等を半導体層１２として用いても良い。

本実施形態の製造方法におけるダイヤモンド半導体層のエピタキシャル成長には、マイクロ波プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化学気相成長）法が好ましく用いられる。

ダイヤモンド半導体において、不純物のドーピングをイオン注入や固相拡散で行うことは困難である。そのため、ダイヤモンド半導体層の形成においては、通常、ダイヤモンド半導体層の形成時にドーピングをおこなう。

本実施形態におけるｐ型のダイヤモンド半導体層を形成するための原料ガスとしては、Ｈ_２（水素）ガスと、ＣＨ_４（メタン）ガスと、ｐ型不純物ガスとしてのＢ_２Ｈ_６（ジボラン）ガスと、を用いることが好ましい。また、本実施形態におけるｎ型のダイヤモンド半導体層を形成するための原料ガスとしては、Ｈ_２（水素）ガスと、ＣＨ_４（メタン）ガスと、ｎ型不純物ガスとしてのＰＨ_３（ホスフィン）ガスと、を用いることが好ましい。また、ＣＨ_４ガスとＨ_２ガスとの比を制御してαパラメータを調整することが好ましい。

次に、第２のダイヤモンド半導体層１４上に、ｎ型の第１のダイヤモンド半導体層１６を、例えばエピタキシャル成長法により形成する（図２（ａ））。

次に、第２のダイヤモンド半導体層１４の一部と第１のダイヤモンド半導体層１６の一部を、例えばフォトリソグラフィー法とＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ：反応性イオンエッチング）法により除去し、第２のダイヤモンド半導体層１４上に第１のダイヤモンド半導体層１６と第２のダイヤモンド半導体層１４を含むメサ構造６０を形成する。（図２（ｂ））。

次に、第２のダイヤモンド半導体層１４上及びメサ構造６０上に第２の炭化珪素層２２を、例えばＣＶＤ法により形成する（図２（ｃ））。第２の炭化珪素層２２はアンドープ炭化珪素層であることが好ましい。なお、第２の炭化珪素層２２を、張り合わせ法やＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：分子線エピタキシー）法により形成しても良い。

次に、第１のダイヤモンド半導体層１６上に、例えばイオン注入を第２の炭化珪素層２２に行うことにより、ｎ^＋型の第１の炭化珪素層１８を形成する。これにより第１のダイヤモンド半導体層１６上の第２の炭化珪素層２２は消失し、第１のダイヤモンド半導体層１６と第１の炭化珪素層１８は直接接することが好ましい。

次に、第１の炭化珪素層１８上及び第２の炭化珪素層２２上に、例えばＣＶＤ法により、第１の絶縁層２４を形成する。なお、第１の炭化珪素層１８及び第２の炭化珪素層２２を酸化することにより第１の絶縁層２４を形成しても良い。

次に、例えばフォトリソグラフィー法とエッチング法により、第１の炭化珪素層１８上の第１の絶縁層２４を除去する。

次に、第１の炭化珪素層１８と電気的に接続される第１の電極２０を第１の炭化珪素層１８上に、またフィールドプレート電極４０を第１の炭化珪素層１８上の第１の絶縁層２４上に、Ｎｉを電子ビーム蒸着により堆積した後に１０００℃で熱処理することにより形成する。

次に、半導体層１２の、第２のダイヤモンド半導体層１４と反対側に、半導体層１２と電気的に接続される第２の電極１０を、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを電子ビーム蒸着により堆積した後に６００℃で熱処理することにより形成し、本実施形態の半導体装置１００を得る。

上記の方法により製造した半導体装置の不純物濃度をＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：二次イオン質量分析法）により測定したところ、半導体層１２として用いたダイヤモンド半導体基板中のｐ型不純物（Ｂ）濃度は５×１０^２０ｃｍ^−３、第１のダイヤモンド半導体層１６中のｎ型不純物（Ｐ）濃度は１×１０^２０ｃｍ^−３、第１の炭化珪素層１８中のｎ型不純物（Ｎ）濃度は１×１０^１９ｃｍ^−３、第２のダイヤモンド半導体層１４中のｎ型不純物（Ｂ）及びｐ型不純物（Ｐ）の濃度は、ＳＩＭＳの下限（１×１０^１５ｃｍ^−３）以下であった。この半導体装置のＩ−Ｖ特性を測定したところ、±１０Ｖにおける整流比は１０桁以上、５Ｖにおける順方向電流密度は１０００Ａ／ｃｍ^２であった。また、逆方向の電圧は１０ｋＶまで加えてもブレークダウンは発生しなかった。

次に、本実施形態の半導体装置１００の作用効果を説明する。

ダイヤモンド半導体においては、オーミック接合を形成することが困難であった。この点、炭化珪素のバンドギャップは４Ｈ−ＳｉＣで３．３ｅＶ、６Ｈ−ＳｉＣで２．９ｅＶ、３Ｃ−ＳｉＣで２．２ｅＶであり、ダイヤモンドのバンドギャップ（５．４７ｅＶ）より小さい。そのため、第１の炭化珪素層１８は第１のダイヤモンド半導体層１６と第１の電極２０の中間に配置されるコンタクト層として作用し、良好なオーミック接合を提供することが可能になる。

また、炭化珪素の格子定数は０．３０９ｎｍ〜０．４３６ｎｍであり、ダイヤモンド半導体の格子定数が０．３５７ｎｍである。そのため、格子定数が互いに近いことから、歪みの小さく抵抗の低い炭化珪素層の形成が可能である。

さらに炭化珪素層のドーピングはイオン注入により容易に制御することが可能である。そのため、ｎ型不純物を第１の炭化珪素層１８に導入することにより、より良いオーミック接合を形成することが出来る。

特にｎ型ダイヤモンド半導体においては、ショットキー障壁が４ｅＶ以上と高く、かつ表面準位によりフェルミ準位が強固にピン止めされるため、オーミック接合を形成することが難しいという問題があった。第１の炭化珪素層１８をｎ型ダイヤモンド半導体（第１のダイヤモンド半導体層１６）と電極の間に設けることによりｎ型ダイヤモンド半導体と電極の間に生じていたフェルミ準位のピン止めを緩和することができるため、ｎ型ダイヤモンド半導体と電極の間の障壁を小さくすることが出来る。特にＮｉを電極に用いることにより、良好なオーミック接合を形成することが出来る。

酸化物、窒化物又はフッ化物等を含む絶縁層はダイヤモンド半導体への密着性が悪く剥離しやすいため、半導体装置の高耐圧化に必要な膜厚を有する絶縁層を設けることは困難である。

本実施形態の半導体装置においては、第１のダイヤモンド半導体層１６及び第２のダイヤモンド半導体層１４上に第２の炭化珪素層２２を設け、第２の炭化珪素層２２上に第１の絶縁層２４を設けている。これにより、密着性の高い絶縁層を得ることができるため、表面リーク電流が低減したパッシベーション膜を得ることができる。また、上記絶縁層上にフィールドプレート電極を設けることができるため、電界緩和の効果を用いてさらに高耐圧の素子を得ることができる。

酸化シリコンを含む第１の絶縁層２４は、良好な酸化膜を得ることができるため本実施形態の半導体装置に特に好ましい。また、炭化珪素層を酸化して形成された酸化シリコンは、密着性がさらに高くなるため好ましく用いられる。

以上、本実施形態の半導体装置によれば、低いオン抵抗を有する半導体装置が提供される。

（第２の実施形態）
本実施形態の半導体装置は、第２のダイヤモンド半導体層上に設けられた、第１の炭化珪素層より第１導電型不純物濃度が低い第１導電型の第３の炭化珪素層をさらに備える点で、第１の実施形態と異なっている。ここで、第１の実施形態と重複する点については、その記載を省略する。

図３は、本実施形態の半導体装置２００の模式断面図である。

第３の炭化珪素層２６は、第２のダイヤモンド半導体層１４上に設けられている。言い換えると、第３の炭化珪素層２６は、第１のダイヤモンド半導体層１６及び第２のダイヤモンド半導体層１４と第１の絶縁層２４の間に設けられている。言い換えると、第３の炭化珪素層２６は、メサ構造６０上に設けられている。第３の炭化珪素層２６中のｎ型不純物濃度は、第１の炭化珪素層１８中のｎ型不純物濃度より低い。第３の炭化珪素層２６は、半導体装置２００内に発生する電界の集中を緩和する。第３の炭化珪素層２６への不純物の導入は、例えばイオン注入により行うことが出来る。

本実施形態の半導体装置２００を製造して不純物濃度をＳＩＭＳにより測定したところ、半導体層１２として用いたダイヤモンド半導体基板中のｐ型不純物（Ｂ）濃度は５×１０^２０ｃｍ^−３、第１のダイヤモンド半導体層１６中のｎ型不純物（Ｐ）濃度は１×１０^１９ｃｍ^−３、第１の炭化珪素層１８中のｎ型不純物（Ｎ）濃度は１×１０^１９ｃｍ^−３、第３の炭化珪素層２６中のｎ型不純物（Ｎ）濃度は２×１０^１７ｃｍ^−３、第２のダイヤモンド半導体層中のｎ型不純物（Ｂ）及びｐ型不純物（Ｐ）の濃度は、ＳＩＭＳの下限（１×１０^１５ｃｍ^−３）以下であった。この半導体装置のＩ−Ｖ特性を測定したところ、±１０Ｖにおける整流比は１０桁以上、５Ｖにおける順方向電流密度は１０００Ａ／ｃｍ^２であった。また、逆方向の電圧は１５ｋＶまで加えてもブレークダウンは発生しなかった。

以上、本実施形態の半導体装置によれば、低いオン抵抗を有し逆方向電圧の高い半導体装置が提供される。

（第３の実施形態）
本実施形態の半導体装置は、第１導電型の第１のダイヤモンド半導体層と、第１のダイヤモンド半導体層上に設けられた第１導電型の第１の炭化珪素層と、第１の炭化珪素層上に設けられた第１の電極と、第１のダイヤモンド半導体層の、第１の炭化珪素層と反対側に設けられたｉ型又は第２導電型の第２のダイヤモンド半導体層と、第２のダイヤモンド半導体層の、第１のダイヤモンド半導体層と反対側に設けられた第２導電型の半導体層と、第１の炭化珪素層の周囲の第１のダイヤモンド半導体層上に設けられた第２導電型の第３のダイヤモンド半導体層と、を備える。ここで、第１の実施形態及び第２の実施形態と重複する点については、記載を省略する。

図４は、本実施形態の半導体装置３００の模式断面図である。本実施形態の半導体装置３００は、バイポーラトランジスタである。

第１の電極２０はバイポーラトランジスタのベース電極、第２の電極１０はコレクタ電極、第３の電極３６はエミッタ電極である。ｐ^＋型の第３のダイヤモンド半導体層２８はエミッタである。第２のダイヤモンド半導体層１４の導電型は、ｉ型又は第２導電型である。

第３の炭化珪素層３２は第３のダイヤモンド半導体層２８の周囲に設けられている。第３の炭化珪素層３２は、表面リーク電流低減のためアンドープ炭化珪素層であることが好ましい。

第２の絶縁層３４は、第１の炭化珪素層１８上の、第３の炭化珪素層３２と第１の電極２０及び第１の炭化珪素層１８の間に設けられている。第２の絶縁層３４は、パッシベーション層である。第２の絶縁層３４は、半導体装置３００の保護のため酸化物、窒化物又はフッ化物を含む事が好ましい。また、第２の絶縁層３４は、酸化シリコンを含むことが、密着性の高い高品質な絶縁膜となるため好ましい。また、第２の絶縁層３４は、第２の炭化珪素層２２を酸化することにより形成されることが、質の高い酸化シリコンを含む層が得られるため好ましい。

図５は、本実施形態の半導体装置３００の製造方法を示す模式断面図である。

本実施形態の半導体装置３００の製造方法は、半導体層１２上にｉ型又はｐ型の第２のダイヤモンド半導体層１４を形成し、第２のダイヤモンド半導体層１４上にｎ型の第１のダイヤモンド半導体層１６を形成し、第１のダイヤモンド半導体層１６上にｐ型の第３のダイヤモンド半導体層２８を形成し、第３のダイヤモンド半導体層２８の一部を除去し、第２のダイヤモンド半導体層１４上に第１のダイヤモンド半導体層１６と第２のダイヤモンド半導体層１４を含むメサ構造６０を形成し、第２のダイヤモンド半導体層１４及びメサ構造６０及び第３のダイヤモンド半導体層２８上に第２の炭化珪素層２２を形成し、第２の炭化珪素層２２上にｎ^＋型の第１の炭化珪素層１８を形成し、第１の絶縁層２４を第２の炭化珪素層２２、第１の炭化珪素層１８、第３の炭化珪素層３２及び第３のダイヤモンド半導体層２８上に形成し、第３のダイヤモンド半導体層２８上に第３のダイヤモンド半導体層２８と電気的に接続される第３の電極３６を形成し、第１の炭化珪素層１８上に第１の炭化珪素層１８と電気的に接続される第１の電極２０を形成し、半導体層１２と電気的に接続される第２の電極１０を形成する。

まず、ｐ型の半導体層１２上にｉ型又はｐ型の第２のダイヤモンド半導体層１４をエピタキシャル成長法により形成する。半導体層１２は、例えばダイヤモンド半導体基板が好ましく用いられる。なおＳｉ基板等を半導体層１２として用いても良い。

次に、第２のダイヤモンド半導体層１４上に、ｎ型の第１のダイヤモンド半導体層１６を、例えばエピタキシャル成長法により形成する。

次に、ｎ型の第１のダイヤモンド半導体層１６上に、ｐ型の第３のダイヤモンド半導体層２８を形成する（図５（ａ））。

次に、第３のダイヤモンド半導体層２８の一部を、例えばフォトリソグラフィー法とＲＩＥ法により除去する。次に、第２のダイヤモンド半導体層１４の一部と第１のダイヤモンド半導体層１６の一部を、例えばフォトリソグラフィー法とＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ：反応性イオンエッチング）法により除去し、第２のダイヤモンド半導体層１４上に第１のダイヤモンド半導体層１６と第２のダイヤモンド半導体層１４を含むメサ構造６０を形成する。（図５（ｂ））。

次に、第２のダイヤモンド半導体層１４及びメサ構造６０及び第３のダイヤモンド半導体層２８上に第２の炭化珪素層２２を、例えばＣＶＤ法により形成する（図５（ｃ））。第２の炭化珪素層２２はアンドープであることが好ましい。なお、第２の炭化珪素層２２を、張り合わせ法やＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：分子線エピタキシー）法により形成しても良い。

次に、第１のダイヤモンド半導体層１６上の第２の炭化珪素層２２上に、例えばイオン注入を行うことにより、ｎ^＋型の第１の炭化珪素層１８を形成する（図５（ｄ））。これにより第１のダイヤモンド半導体層１６上の第２の炭化珪素層２２は消失し、第１のダイヤモンド半導体層１６と第１の炭化珪素層１８は直接接することが好ましい。

次に、第２の炭化珪素層２２、第１の炭化珪素層１８、第３の炭化珪素層３２及び第３のダイヤモンド半導体層２８上に、例えば、ＣＶＤ法により、第１の絶縁層２４を形成する。なお、第１の炭化珪素層１８、第２の炭化珪素層２２及び第３の炭化珪素層３２を酸化することにより第１の絶縁層２４を形成しても良い。

次に、例えばフォトリソグラフィー法とエッチング法により、第１の炭化珪素層１８上及び第３のダイヤモンド半導体層２８上の第１の絶縁層２４を除去する（図５（ｅ））。

次に、第３のダイヤモンド半導体層２８上に、第３のダイヤモンド半導体層２８と電気的に接続される第３の電極３６を、Ｎｉを電子ビーム蒸着により堆積した後に１０００℃で熱処理することにより形成する。

次に、第１の炭化珪素層１８上に第１の炭化珪素層１８と電気的に接続される第１の電極２０を、また半導体層１２と電気的に接続される第２の電極１０を、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを電子ビーム蒸着により堆積した後に６００℃で熱処理することにより形成し、本実施形態の半導体装置３００を得る。

上記の方法により製造した半導体装置３００の不純物濃度をＳＩＭＳにより測定したところ、半導体層１２として用いたダイヤモンド半導体基板中のｐ型不純物（Ｂ）濃度は５×１０^２０ｃｍ^−３、第１のダイヤモンド半導体層１６中のｎ型不純物（Ｐ）濃度は１×１０^１９ｃｍ^−３、第１の炭化珪素層１８中のｎ型不純物（Ｎ）濃度は１×１０^１９ｃｍ^−３、第３のダイヤモンド半導体層２８中のｎ型不純物（Ｎ）濃度は１×１０^２０ｃｍ^−３、第２のダイヤモンド半導体層中のｎ型不純物（Ｂ）及びｐ型不純物（Ｐ）の濃度は、ＳＩＭＳの下限（１×１０^１５ｃｍ^−３）以下であった。この半導体装置のＩ−Ｖ特性を測定したところ、±１０Ｖにおける整流比は１０桁以上、５Ｖにおける順方向電流密度は１０００Ａ／ｃｍ^２であった。また、逆方向の電圧は１５ｋＶまで加えてもブレークダウンは発生しなかった。

以上、本実施形態の半導体装置によれば、低いオン抵抗を有する半導体装置が提供される。

（第４の実施形態）
本実施形態の半導体装置は、第２導電型の半導体層と、半導体層上に設けられたｉ型又は第２導電型の第２のダイヤモンド半導体層と、第２のダイヤモンド半導体層上に設けられた第１の電極と、第１の電極の周囲の第２のダイヤモンド半導体層上に設けられた第２の炭化珪素層と、を備える。ここで、第１の実施形態乃至第３の実施形態と重複する点については、記載を省略する。

図６は、本実施形態の半導体装置４００の模式断面図である。本実施形態の半導体装置４００は、ショットキーダイオードである。第１の電極２０は、ショットキーダイオードのショットキー電極である。

図７は、本実施形態の半導体装置４００の製造方法を示す模式断面図である。

本実施形態の半導体装置４００の製造方法は、半導体層１２上にｉ型又はｐ型の第２のダイヤモンド半導体層１４を形成し、第２のダイヤモンド半導体層１４上に第２の炭化珪素層２２を形成し、第２の炭化珪素層２２上に第１の絶縁層２４を形成し、第２の炭化珪素層２２の一部及び第１の絶縁層２４の一部を除去し、第２のダイヤモンド半導体層１４上に第２のダイヤモンド半導体層１４と電気的に接続される第１の電極２０を形成し、半導体層１２と電気的に接続される第２の電極１０を形成する。

まず、ｐ型の半導体層１２上にｉ型又はｐ型の第２のダイヤモンド半導体層１４を、例えばエピタキシャル成長法により形成する（図７（ａ））。半導体層１２としては、例えばダイヤモンド半導体基板が好ましく用いられる。なおＳｉ基板等を半導体層１２として用いても良い。

次に、第２のダイヤモンド半導体層１４上に、第２の炭化珪素層２２を、例えばＣＶＤ法により形成する（図７（ｂ））。第２の炭化珪素層２２はアンドープであることが好ましい。なお、第２の炭化珪素層２２を、張り合わせ法やＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：分子線エピタキシー）法により形成しても良い。

次に、第２の炭化珪素層２２上に、例えばＣＶＤ法により、第１の絶縁層２４を形成する。なお、第２の炭化珪素層２２を酸化することにより、第１の絶縁層２４を形成しても良い。

次に、例えばフォトリソグラフィー法とエッチング法により、第２の炭化珪素層２２の一部及び第１の絶縁層２４の一部を除去し、第２のダイヤモンド半導体層１４の一部の表面を露出させる（図７（ｃ））。

次に、半導体層１２に電気的に接続される第２の電極１０を、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを電子ビーム蒸着により堆積した後に６００℃で熱処理することにより形成する。次に、例えばＮｉを電子ビーム蒸着で堆積することにより第２のダイヤモンド半導体層１４上に第１の電極２０を形成する。これにより、本実施形態の半導体装置４００を得る。

上記の方法により製造した半導体装置４００の不純物濃度をＳＩＭＳにより測定したところ、半導体層１２として用いたダイヤモンド半導体基板中のｐ型不純物（Ｂ）濃度は５×１０^２０ｃｍ^−３、第２のダイヤモンド半導体層１４中のｐ型不純物（Ｂ）の濃度は１×１０^１５ｃｍ^−３であった。この半導体装置のＩ−Ｖ特性を測定したところ、±１０Ｖにおける整流比は１０桁以上、５Ｖにおける順方向電流密度は１０００Ａ／ｃｍ^２であった。また、逆方向の電圧は６ｋＶまで加えてもブレークダウンは発生しなかった。

ｎ型ダイヤモンド半導体を用いたショットキーダイオードにおいては上述のとおりショットキー障壁が高いため高耐圧を維持できる。しかし、ショットキー障壁が４ｅＶ以上と高くかつｎ型ダイヤモンド半導体へのオーミック電極の作製が難しいため、主にｐ型ダイヤモンド半導体を用いたショットキーダイオードの開発が行われている。

酸化物、窒化物又はフッ化物等を含む絶縁層はダイヤモンド半導体への密着性が悪く剥離しやすいため、半導体装置の高耐圧化に必要な膜厚を有する絶縁層を設けることは困難である。

本実施形態の半導体装置においては、第２のダイヤモンド半導体層１４上に第２の炭化珪素層２２を設け、第２の炭化珪素層２２上に第１の絶縁層２４を設けている。これにより、密着性の高い絶縁層を得ることができるため、表面リーク電流が低減したパッシベーション膜を得ることができる。また、上記絶縁層上にフィールドプレート電極４０を設けることができるため、電界緩和の効果を用いてさらに高耐圧の素子を得ることができる。

以上、本実施形態の半導体装置によれば、逆方向電圧の高い半導体装置が提供される。

以上述べた少なくとも一つの実施形態の半導体装置によれば、第１導電型の第１のダイヤモンド半導体層と、第１のダイヤモンド半導体層上に設けられた第１導電型の第１の炭化珪素層と、第１の炭化珪素層上に設けられた第１の電極と、を備えることにより、低いオン抵抗を有する半導体装置の提供が可能となる。

本発明のいくつかの実施形態及び実施例を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態及び実施例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態や実施例及びその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０ 第２の電極
１２ 半導体層
１４ 第２のダイヤモンド半導体層
１６ 第１のダイヤモンド半導体層
１８ 第１の炭化珪素層
２０ 第１の電極
２２ 第２の炭化珪素層
２４ 第１の絶縁層
２６ 第３の炭化珪素層
２８ 第３のダイヤモンド半導体層
３２ 第３の炭化珪素層
３４ 第２の絶縁層
３６ 第３の電極
４０ フィールドプレート電極
５０ 第１の面
５２ 第２の面
５４ 第３の面
６０ メサ構造
１００ 半導体装置
２００ 半導体装置
３００ 半導体装置
４００ 半導体装置

Claims (23)

1. 第１導電型の第１のダイヤモンド半導体層と、
   前記第１のダイヤモンド半導体層上に設けられた第１導電型の第１の炭化珪素層と、
   前記第１の炭化珪素層上に設けられた第１の電極と、
   前記第１のダイヤモンド半導体層の、前記第１の炭化珪素層と反対側に設けられた第２のダイヤモンド半導体層と、
   前記第２のダイヤモンド半導体層上に設けられた第２の炭化珪素層と、
   を備える半導体装置。
2. 前記第２のダイヤモンド半導体層の、前記第１のダイヤモンド半導体層と反対側に設けられた第２導電型の半導体層をさらに備える請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記第２のダイヤモンド半導体層上に設けられ、前記第１の炭化珪素層より第１導電型不純物濃度が低い第１導電型の第３の炭化珪素層をさらに備える請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記第２のダイヤモンド半導体層の、前記第１のダイヤモンド半導体層と反対側に設けられた第２導電型の半導体層と、
   前記第１のダイヤモンド半導体層上に設けられ、前記第１の炭化珪素層が周囲に設けられた第２導電型の第３のダイヤモンド半導体層と、
   をさらに備える請求項１に記載の半導体装置。
5. 前記第２の炭化珪素層は、前記第１のダイヤモンド半導体層の側面にさらに設けられている請求項１乃至請求項４いずれか一項記載の半導体装置。
6. 第１導電型の第１のダイヤモンド半導体層と、
   前記第１のダイヤモンド半導体層上に設けられた第１導電型の第１の炭化珪素層と、
   前記第１の炭化珪素層上に設けられた第１の電極と、
   前記第１のダイヤモンド半導体層の、前記第１の炭化珪素層と反対側に設けられた第２のダイヤモンド半導体層と、
   前記第２のダイヤモンド半導体層の、前記第１のダイヤモンド半導体層と反対側に設けられた第２導電型の半導体層と、
   前記第２のダイヤモンド半導体層上に設けられ、前記第１の炭化珪素層より第１導電型不純物濃度が低い第１導電型の第３の炭化珪素層と、
   を備える半導体装置。
7. 前記第１のダイヤモンド半導体層上に設けられ、前記第１の炭化珪素層が周囲に設けられている第２導電型の第３のダイヤモンド半導体層をさらに備える請求項６に記載の半導体装置。
8. 前記第１のダイヤモンド半導体層上又は前記第２のダイヤモンド半導体層上に設けられた第２の炭化珪素層をさらに備える請求項６又は請求項７に記載の半導体装置。
9. 前記第２のダイヤモンド半導体層上の、前記第１のダイヤモンド半導体層と前記第２のダイヤモンド半導体層を含んで設けられたメサ構造をさらに備える請求項１乃至請求項８いずれか一項に記載の半導体装置。
10. 第１導電型の第１のダイヤモンド半導体層と、
    前記第１のダイヤモンド半導体層上に設けられた第１導電型の第１の炭化珪素層と、
    前記第１の炭化珪素層上に設けられた第１の電極と、
    前記第１のダイヤモンド半導体層の側面に設けられ、前記第１の炭化珪素層より第１導電型不純物濃度が低い第１導電型の第３の炭化珪素層と、
    を備える半導体装置。
11. 前記第１のダイヤモンド半導体層の、前記第１の炭化珪素層と反対側に設けられた第２のダイヤモンド半導体層と、
    前記第２のダイヤモンド半導体層の、前記第１のダイヤモンド半導体層と反対側に設けられた第２導電型の半導体層と、
    をさらに備える請求項１０に記載の半導体装置。
12. 前記第１のダイヤモンド半導体層の、前記第１の炭化珪素層と反対側に設けられたｉ型又は第２導電型の第２のダイヤモンド半導体層と、
    前記第２のダイヤモンド半導体層の、前記第１のダイヤモンド半導体層と反対側に設けられた第２導電型の半導体層と、
    前記第１のダイヤモンド半導体層上に設けられ、前記第１の炭化珪素層が周囲に設けられた第２導電型の第３のダイヤモンド半導体層と、
    をさらに備える請求項１０に記載の半導体装置。
13. 前記第１のダイヤモンド半導体層上又は前記第２のダイヤモンド半導体層上に設けられた第２の炭化珪素層をさらに備える請求項１１又は請求項１２に記載の半導体装置。
14. 前記第２のダイヤモンド半導体層上の、前記第１のダイヤモンド半導体層と前記第２のダイヤモンド半導体層を含んで設けられたメサ構造をさらに備える請求項１１乃至請求項１３いずれか一項に記載の半導体装置。
15. 前記第２の炭化珪素層上に設けられた第１の絶縁層をさらに備える請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項８又は請求項１３に記載の半導体装置。
16. 前記第１の絶縁層は酸化物、窒化物又はフッ化物を含む請求項１５に記載の半導体装置。
17. 前記第１の絶縁層は酸化シリコンを含む請求項１５又は請求項１６に記載の半導体装置。
18. 前記第１の絶縁層上に設けられたフィールドプレート電極をさらに備える請求項１５乃至請求項１７いずれか一項に記載の半導体装置。
19. 前記半導体層はダイヤモンドを含む請求項２、請求項４、請求項６、請求項７、請求項８、請求項１１、請求項１２、請求項１３又は請求項１４に記載の半導体装置。
20. 前記半導体層に電気的に接続された第２の電極をさらに備える請求項２、請求項４、請求項６、請求項７、請求項８、請求項１１、請求項１２、請求項１３、請求項１４又は請求項１９に記載の半導体装置。
21. ダイヤモンド半導体層上に炭化珪素層を形成し、
    前記炭化珪素層上に絶縁層を形成する、
    半導体装置の製造方法。
22. 前記絶縁層は酸化シリコンである、
    請求項２１記載の半導体装置の製造方法。
23. 前記酸化シリコンは前記炭化珪素層を酸化することにより形成される、
    請求項２２記載の半導体装置の製造方法。
    

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