JPH01194315A - 炭化珪素半導体素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は炭化珪素半導体素子の構造に関するものである
。

（従来の技術） 珪素（Ｓｉ）半導体を初めとして、砒化ガリウム（Ｇａ
Ａｓ　）やリン化ガリウム（ＧａＰ）等の化合物半導体
材料を用いたダイオード、トランジスタ、ＩＣ１ＬＳＩ
、発光ダイオード、半導体レーザ、ＣＣＤ等の半導体素
子がエレクトロニクスの各種分野で広く実用に供せられ
ている。一方、炭化珪素半導体はこれらの半導体材料に
比べて禁制帯幅が広く（２，２〜３．３ｅＶ）また熱的
、化学的及び機械的に極めて安定で、放射線損傷にも強
いという特徴をもっている。従って、炭化珪素を用いた
半導体素子は他の半導体材料を用いた素子では使用困難
な高温、大電力、放射線照射等の苛酷な条件で使用する
ことができ、高い信顛性と安定性を呈する素子として広
範な分野での応用が期待される。

このように炭化珪素半導体素子は広範な応用分野が期待
されながら未だ実用化が阻まれている原因は、生産性を
考慮した工業的規模での量産に必要となる高品質で大面
積の炭化珪素単結晶を得るための結晶成長技術の確立が
遅れていることにある。従来、研究室規模で、昇華再結
晶法（レーリー法とも称される）等により成長させた炭
化珪素単結晶を用いて、あるいはこの単結晶上に気相成
長法や液相成長法でエピタキシャル成長させた炭化珪素
単結晶膜を用いてダイオードやトランジスタの製作が試
みられている。

この技術はＲ，Ｂ、Ｃａｍｐｂｅｌｌ　ａｎｄ　Ｈ，−
Ｃ，Ｃｈａｎｇ、”ＳｉｌｉｃｏｎＣａｒｂｉｄｅ　Ｊ
ｕｎｃｔｉｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅｓ”、ｉｎ　　Ｓｅｍ１
ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓａｎｄ　　Ｓｅｍｉｍｅｔａｌｓ
’、　　ｅｄｓ、　　Ｒ，に、Ｗｉｌｌａｒｄｓｏｎ　
　ａｎｄ　　Ａ、Ｃ。

Ｂｅｅｒ　　（Ａｃａｄｅｍｉｃ　Ｐｒｅｓｓ＋　　Ｎ
ｅｗＹｏｒｋ＋　　１９７１）＋　　ｖｏｌ　　７１Ｐ
ａｓｔ　Ｂ　Ｃｈａｐ　９．Ｐ６２５〜Ｐ６８３に記載
されている。しかしながら、上記方法では小面積の炭化
珪素単結晶しか得られず、また該炭化珪素多結晶の寸法
、形状を制御することが困難であり、炭化珪素結晶に存
在する結晶多形の制御及び不純物濃度の制御も容易でな
く、従ってこれらの炭化珪素単結晶を用いて、工業的規
模で半導体素子を製造する技術は確立されていない。

最近、本発明者らは、気相成長法（ＣＶＤ法）を用いる
ことによって、珪素単結晶基板上に良質で、且つ大面積
の炭化珪素単結晶を成長させる方法を確立し、特願昭５
８−７６８４２号にて出願している。

この方法は珪素単結晶基板上に低温ＣＶＤ法で炭化珪素
薄膜を形成した後昇温しでＣＶＤ法で炭化珪素単結晶を
成長させる技術である。この方法によれば、安価で入手
の容易な珪素単結晶基板を用いて結晶多形、不純物濃度
、寸法、形状等が制御された大面積で高品質の炭化珪素
単結晶膜を供給することができるとともに、この方法は
量産形態にも適し、高い生産性が期待される製造方法で
ある。さらに、上記発明により可能となった珪素基板上
の炭化珪素膜を用いてダイオード、トランジスタを初め
とする各種半導体素子を製作する方法についても特許出
願がなされている（特願昭５８−２４６５１１号、同５
Ｂ−２４９９８１号、同５８−２５２１５７号）。

従来、これら炭化珪素を用いた電界効果トランジスタに
おいて、チャネル層となる炭化珪素単結晶層は、これと
伝導型を異にする（チャネル層がｎ型ならｐ型の、チャ
ネル層がｐ型ならｎ型の）炭化珪素単結晶上に形成され
ていて、これらのｐｎ接合によりチャネル層と基板とを
電気的に分離する構造が用いられていた。しかしながら
、このような構造の素子では各結晶に欠陥等が含まれて
いるので、ｐｎ接合に逆バイアス電圧を印加した場合に
基板リーク電流を生じるおそれがある。つまり、従来の
ｐｎ接合によりチャネル層と基板とを電気的に分離する
構造では、チャネル層と基板とを完全に電気的に分離す
ることは難しく、良好なトランジスタ特性を得ることは
できなかった。

近年、ホウ素を添加して成る炭化珪素単結晶層が高抵抗
性を有することが見出され、このホウ素添加炭化珪素単
結晶層を分離層として用いた電界効果トランジスタが開
発されている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、分離層にホウ素添加の高抵抗炭化珪素単
結晶層を用いた電界効果トランジスタでも、チャネル層
と基板とを完全に電気的に分離するには不十分であった
。

本発明は上記の実情に着目してなされてものであって、
チャネル層と基板とを充分に電気的に分離することので
きる炭化珪素半導体素子を提供することを目的とするも
のである。

（課題を解決するための手段） 本発明の炭化珪素半導体素子は、炭化珪素半導体を用い
た素子であって、ホウ素添加炭化珪素単結晶層と、不純
物が添加されていない無添加炭化珪素単結晶層とを多段
に積層して形成された絶縁分離層を備えており、そのこ
とにより上記目的が達成される。

（作用） ホウ素添加炭化珪素単結晶層と、無添加炭化珪素単結晶
層とを多段に積層して形成される絶縁分離層は、従来の
ホウ素添加炭化珪素単結晶層だけから形成される絶縁分
離層、あるいはｐｎ接合により電気的に分離する構造に
比べて、基板リーク電流を大きく減少することができる
。また、上記絶縁分離層によって基板とチャネル層とを
電気的に分離することができるから、同一基板上に複数
の素子を電気的に分離した状態で形成することができる
。

（実施例） 以下にショットキーゲート型電界効果トランジスタ、接
合ゲート型電界効果トランジスタ及びショットキーゲー
ト型電界効果トランジスタとｐｎ接合ダイオードの集積
素子について説明するが、他の組合せでも良く、またバ
イポーラトランジスタ、接合ゲート型電界効果トランジ
スタ等他の素子に適用することもできる。

実力」１− ショットキーゲート型電界効果トランジスタ第１図は本
発明の１実施例を示す炭化珪素電界効果トランジスタの
断面模式図である。この炭化珪素電界効果トランジスタ
は以下のようにして作製される。

珪素単結晶基板１の表面にホウ素を添加した高抵抗炭化
珪素単結晶層２（抵抗率１００Ω・ｃｍ以上）をＣＶＤ
法により約２μｍ成長させ、続いて該高抵抗炭化珪素単
結晶層２の表面に不純物を添加しないノンドープ炭化珪
素単結晶層３をＣＶＤ法により約２μｍ成長させる。こ
の積層を２回繰り返すことにより、絶縁分離層４を形成
する。次に、この絶縁分離層４の表面にチャネル層とし
て厚さ約０．５μｍのノンドープｎ型炭化珪素単結晶層
５をＣＶＤ法により重畳形成する。次に、チャネル層５
の表面にオーミック電極となるニッケル（Ｎｉ）を蒸着
し、フォトリソグラフィを用いることでパターン化し、
ソース電極６及びドレイン電極７を形成する。さらに、
ソース電極６とドレイン電極７との間に金（Ａｕ）を蒸
着することにより、ゲート電極８を形成し、ショットキ
ーゲート型電界効果トランジスタを得る。

このように、チャネル層５の下方の絶縁分離層４に、ホ
ウ素が添加された高抵抗炭化珪素単結晶層２と、不純物
が添加されていないノンドープ炭化珪素単結晶３とを複
数層積層して形成される積層構造を用いることにより、
チャネル層５からの基板リーク電流を減少することがで
き、ドレイン電流をゲート電圧で確実に制御できる良好
なトランジスタ特性を有するショットキーゲート型電界
効果トランジスタが得られる。

なお、本実施例においては、ホウ素が添加された高抵抗
炭化珪素単結晶層２と、ノンドープ炭化珪素単結晶層３
を２段積層することにより、絶縁分離層４を形成したが
、絶縁分離層４の積層数には限定されず、１段あるいは
３段以上それらを積層するようにしても良い。また、ホ
ウ素添加炭化珪素単結晶層２及びノンドープ炭化珪素単
結晶層３の膜厚は適宜変更することができる。

実施勇ｌ 接合ゲート型電界効果トランジスタ 第２図は、本発明の接合ゲート型電界効果トランジスタ
の断面模式図である。この接合ゲート型電界効果トラン
ジスタは以下のようにして作製される。

実施例１の場合と同様に、珪素単結晶基板１表面にホウ
素が添加された炭化珪素単結晶層２と、不純物が添加さ
れていないノンドープ炭化珪素層３とを交互に３層積層
して絶縁分離層９を形成する。この絶縁分離層９の表面
にチャネル層としてノンドープｎ型炭化珪素単結晶層５
をＣＶＤ法により約０．５μｍ成長させ、続いて接合ゲ
ートとしてのアルミニウム添加ｐ型炭化珪素単結晶層１
０を約２μｍ重畳して形成する。この重畳形成したｐ型
炭化珪素単結晶層１０をアルミニウム（Ａｔ）をマスク
としたりアクティブイオンエツチングによりソース及び
ドレイン電極を形成する部分ａ、ｂを約２．２μｍエツ
チングする。次に、その炭化珪素単結晶層５．１００表
面にオーミック電極としてニッケル（Ｎｉ）を蒸着し、
フォトリソグラフィを用いてソース電極６、ドレイン電
極７及びゲート型ｉｌｌをそれぞれ形成して、ｐｎ接合
型電界効果トランジスタが得られる。

このようにして得られたｐｎ接合型電界効果トランジス
タにおいても、チャネル層５の下方の絶縁分離層９に、
ホウ素が添加された高抵抗炭化珪素単結晶層２と、不純
物が添加されていないノンドープ炭化珪素単結晶３とを
複数層積層して形成される積層構造を用いているので、
チャネル層５からの基板リーク電流を減少することがで
き、該電界効果トランジスタはドレイン電流をゲート電
圧で確実に制御できる良好なトランジスタ特性を有して
いる。

実施■ユ 電界効果トランジスタとｐｎ接合ダイオードの集積素子 実施例１で示した様に、珪素単結晶基板１上にホウ素が
添加された炭化珪素単結晶層２と、不純物が添加されて
いないノンドープ炭化珪素１１３とを交互に２層積層し
て、絶縁分離層４を形成する（第３図（ａ））。次に、
この絶縁分離層４の表面にショットキーゲート型電界効
果トランジスタ用のチャネル層及びｐｎ接合ダイオード
のｎ型層用として、ノンドープｎ型炭化珪素単結晶層１
２をＣＶＤ法により約０．５μ…重畳成長させる、次に
、第３図（ｂ）に示すように、電界効果トランジスタ作
成領域Ｃに酸化膜（ＳｉＯ□）１３を形成する。次いで
、この酸化膜付基板上にｐｎ接合ダイオード用のｐ復炭
化珪素単結晶層ｌＯをアルミニウムを添加することによ
り約２μ信成長させる（第３図（Ｃ））。ｐ型炭化珪素
単結晶層１０が成長した後、フン化水素酸で上記酸化膜
１３を除去することにより、この酸化膜１３上に形成さ
れている前記炭化珪素単結晶層１０を剥離させる（第３
図（ｄ））。炭化珪素単結晶層１０が剥離した跡に、炭
化珪素単結晶層１２の表面に電界効果トランジスタ用の
表面が形成される。次に、電界効果トランジスタ領域Ｃ
，ｌ！：ｐｎ接合ダイオード領域ｄとの間に、リアクテ
ィブエツチングを用いて溝１４を形成する。この溝１４
はｐ型炭化珪素単結晶層１０の側方部にｎ型炭化珪素単
結晶層１２の表面が残る位置に設ける０次に、電界効果
トランジスタ領域Ｃの炭化珪素単結晶層１２の表面にニ
ッケルを蒸着することによりソース電極６及びドレイン
電極７を、またソース電極６及びドレイン電極７の間に
おいて炭化珪素単結晶層１２の表面に金（Ａｕ）を蒸着
することによりゲート電極８を形成する。一方、ｐｎ接
合ダイオード領域ｄのｐ復炭化珪素単結晶層ｌＯ表面に
アルミニウム・シリコン合金、ｎ型炭化珪素単結晶層層
１２上にはニッケルを蒸着することにより、ダイオード
用電極１５．１６をそれぞれ形成する。

得られた素子は、上記したように良好なトランジスタ特
性を有する電界効果トランジスタとｐｎ接合ダイオード
とが同一基板ｌ上に形成されており、高密度化を図るこ
とができると共に、溝１４によって電界効果トランジス
タとｐｎ接合ダイオードとが共に絶縁□分離されている
から、リーク電流を生じることもない。

（発明の効果） このように本発明によれば、ホウ素添加炭化珪素層と、
無添加炭化珪素層とを多段に積層して形成される絶縁分
離層は、基板と素子本体部（例えば、チャネル層）とを
電気的に分離し、基板リーク電流を大きく減少すること
ができるから、炭化珪素単結晶を用いた半導体素子の特
性を大きく改善することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はショットキーゲート型電界効果トランジスタの
断面図、第２図は接合ゲート型電界効果トランジスタの
断面図、第３図（ａ）〜（ｅ）は集積素子の作製工程を
示す断面図である。 １・・・珪素基板、２・・・ホウ素添加炭化珪素単結晶
層、３・・・無添加炭化珪素単結晶層、４．９・・・絶
縁分離層、６・・・ソース電極、７・・・ドレイン電極
、８・・・ショットキーゲート電極、ｌＯ・・・ｐ型炭
化珪素単結晶層、１１ゲート電極、１２・・・ｎ型炭化
珪素単結晶層。 第１図 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、炭化珪素半導体を用いた素子であって、ホウ素添加
   炭化珪素単結晶層と、不純物が添加されていない無添加
   炭化珪素単結晶層とを多段に積層して形成された絶縁分
   離層を備えている炭化珪素半導体素子。