JPH02203564A - 炭化珪素半導体装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、炭化珪素半導体装置、特にＭＩＳ構造を有す
る炭化珪素半導体装置に関する。

（従来の技術） 炭化珪素（ＳｉＣ）は広い禁制帯幅（２，３〜３．３ｅ
Ｖ　）を有する半導体材料であって、熱的、化学的９機
械的に極めて安定であり、放射線損傷にも強いという優
れた特徴を持っている。また、炭化珪素における電子の
飽和移動速度は、珪素（Ｓｉ）などの他の半導体材料の
場合に比べて大きい。一般に。

珪素のような従来の半導体材料を用いた半導体装置は、
特に高温、高出力駆動、高周波動作、放射線照射などの
苛酷な条件下では使用が困難である。

従って、炭化珪素を用いた半導体装置は、このような苛
酷な条件下でも使用し得る半導体装置として広範な分野
での応用が期待されている。

しかしながら、大きな面積を有し、かつ高品質の炭化珪
素単結晶を、生産性を考慮した工業的規模で安定に供給
し得る結晶成長技術は確立されていない。それゆえ、炭
化珪素は、上述のような多くの利点および可能性を有す
る半導体材料であるにもかかわらず、その実用化が阻ま
れている。

従来、研究室規模では９例えば昇華再結晶法（レーリー
法）で炭化珪素単結晶を成長させたり。

この方法で得られた炭化珪素単結晶を基板として。

その上に気相成長法（ＣＶＤ法）や液相エピタキシャル
成長法（ＬＰＩＩｉ法）で炭化珪素単結晶をエピタキシ
ャル成長させることにより、半導体装置の試作が可能な
サイズの炭化珪素単結晶を得ている。

しかしながら、これらの方法では、得られた単結晶の面
積が小さく、その寸法や形状を高精度に制御することは
困難である。また、炭化珪素が有する結晶多形および不
純物濃度の制御も容易ではない。

これらの問題点を解決するために、安価で人手の容易な
珪素単結晶基板上に、大きな面積を有する良質の炭化珪
素単結晶を気相成長させる方法が開発されている（特開
昭５９−２０３７９９号）。この方法によれば、炭化珪
素を気相成長させる際に適当な不純物を添加することに
より、得られた炭化珪素単結晶における伝導型や不純物
濃度を制御することが可能である。それゆえ、この方法
は、炭化珪素単結晶を用いた各種の半導体装置の開発に
大きく貢献している。

現在、広く実用化されている半導体装置の中で。

珪素を用いたＭＩＳ構造の半導体装置（例えば、　ＭＩ
Ｓ型電界効果トランジスタ）は、特に重要な位置を占め
ている。これに対し、珪素に代えて炭化珪素（特に、β
型炭化珪素）を用いたＭＩＳ型電界効果トランジスタが
開発されてきている。一般に、　Ｍｉｓ型電界効果トラ
ンジスタを種々の電子回路に応用する場合には、その閾
値電圧を正確に制御しなければならない。ＭＩＳ型電界
効果トランジスタの閾値電圧は、半導体層とゲート電極
との仕事関数差や、半導体層と絶縁膜との界面における
電荷密度などの関数である。そこで、特に半導体層とゲ
ート電極との仕事関数差の影響を抑えるために、珪素を
用いたＭＩＳ型電界効果トランジスタでは、ゲート電極
の材料として多結晶珪素が一般に用いられている。つま
り、ゲート電極として、半導体層と同種の材料を用いる
ことにより、これらの間の仕事関数差をなくすことがで
きるのである。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、従来開発されてきた炭化珪素を用いたＭ
ＩＳ型電界効果トランジスタでは、ゲート電極の材料と
して多結晶珪素やアルミニウムが用いられてきた。従っ
て、炭化珪素半導体層と、これらの材料からなるゲート
電極との仕事関数差が大きく、得られた電界効果トラン
ジスタの閾値電圧の絶対値が大きくなると共に、その値
自体を正確に制御することが困難であった。

本発明は上記従来の問題点を解決するものであり、その
目的とするところは、閾値電圧の値を任意に、精度良く
、かつ再現性良く制御することが可能なＭＩＳ構造を有
する炭化珪素半導体装置（例えば、　Ｍｉｓ型電界効果
トランジスタ）を提供することにある。

（課題を解決するための手段および作用）本発明は、炭
化珪素半導体層と、絶縁膜と、電極からなるＭＩＳ構造
を有する炭化珪素半導体装置であって、該電極が多結晶
炭化珪素で形成されており、そのことにより上記目的が
達成される。

本発明の炭化珪素半導体装置（例えば、　Ｍｉｓ型電界
効果トランジスタ）においては、半導体層とゲート電極
との両方に炭化珪素が用いられる。従って、これらの間
の仕事関数差による影響を抑え。

閾値電圧の変化を非常に小さくすることができる。

しかも、チャンネル領域に、イオン注入技術などを用い
て所定量の不純物を添加することにより。

閾値電圧の正負および絶対値を任意に、精度良く。

かつ再現性良く制御することができる。しかも。

本発明の炭化珪素半導体装置は、電極として多結晶珪素
を用いた従来の珪素半導体装置と全く同様の工程で製造
し得る。従って９例えば電界効果トランジスタにおける
ソース領域およびドレイン領域を自己整合的に形成し得
るというような従来の製造工程の長所を活かすこともで
きる。

ＭＩＳ構造における電極を構成する上記多結晶炭化珪素
は１例えばＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、スパッタリン
グ法、電子ビーム蒸着法などの方法を用いて形成される
。

また、上記の絶縁膜としては、シリコン酸化膜やシリコ
ン窒化膜などが用いられる。特に、シリコン熱酸化膜は
、優れた電気的特性を有するので好ましい。なお、絶縁
膜として酸化膜を用いた場合には、一般にｒＭＩｓ構造
」に代えてｒ　ＭＯ３構造」という用語が使用される。

本発明の炭化珪素半導体装置では、　Ｍｉｓ構造におけ
る電極として多結晶炭化珪素を用いているため、該電極
の上に配線用の層を設けなければならない。このような
配線層に用いる材料としては。

アルミニウム、タングステン、モリブデン、白金などの
金属またはシリサイド、あるいはこれらの材料からなる
積層体が挙げられる。

（実施例） 以下に本発明の実施例について説明する。

本実施例では、ｐ型炭化珪素を用いたｎチャンネル反転
型のＭＯＳ型電界効果トランジスタの場合について説明
する。

まず、第１図（ｂ）に示すように、気相成長法（ＣＶＤ
法）により、Ｓｉ単結晶基板１上に、アルミニウムをド
ープしたｐ型β−ＳｉＣ単結晶層２（厚さ１０μｍ）を
成長させた。原料ガスとしては、シラン（ＳｉＨ，）お
よびプロパン（Ｃ３Ｈ８）を用いた。また、基板温度は
１３５０℃であった。ここでは、ｐ型の不純物材料とし
てトリメチルアルミニウム（ＴＭ＾）を用い。

ＳｉＣ単結晶の成長時に所定量のＴＭＡガスを反応管中
に導入することにより＋　　５　Ｘ　１０”ｃｍ−’の
キャリア濃度を有するｐ型β−ＳｉＣ単結晶層２を得た
。

次いで、このｐ型β−ＳｉＣ単結晶層２上に、酸素雰囲
気中、　１１００℃にて３時間の熱酸化を行なうことに
より、シリコン熱酸化膜３（厚さ５０ｎｍ）を形成した
。そして、第２図（Ｃ）に示すように、シリコン熱酸化
膜３上の所定位置に、プラズマＣＶＤ法を用いたりフト
オフ法により、多結晶炭化珪素膜（厚さ２００　ｎｒｎ
）からなるゲート電極４を形成した。

原料ガスとしては、シラン（ＳＩ８４）およびメタン（
ＣＨ，）を用いた。また、基板温度は８００℃であった
。ここでは、多結晶炭化珪素膜の成長時に所定量のホス
フィン（ｐＨ，）を原料ガスに添加することにより、５
ＸＩＯ−’Ω・ｃｍの低抵抗率を有する多結晶炭化珪素
膜を得た。

次いで、ホトレジスト溶液を全面に塗布し、ホトリソグ
ラフィによって所定のパターンのホトレジスト層８を設
けた後、エツチングにより、ゲート領域（長さ１０μｍ
）を形成した。引き続いて。

窒素イオンを注入することにより、第１図（ｄ）に示す
ようなｎ型のソース領域５およびドレイン領域６を形成
した。窒素イオンの注入量は３　Ｘ　１０１０１４ａ’
であった。ホトレジスト層８を除去した後、アルゴン雰
囲気中、　１１００℃にて３０分間の熱処理を行うこと
により、窒素イオンを注入したソース領域５およびドレ
イン領域６を低抵抗化した。そして。

ゲート電極４．ソース領域、およびドレイン領域にアル
ミニウムを蒸着することにより配線層７を形成し、第１
図（ａ）に示すようなβ−３ｉＣを用いたｎチャンネル
反転型のＭＯＳ型電界効果トランジスタを得た。

このようにして得られたＭＯＳ型電界効果トランジスタ
のゲート容量−ゲート電圧特性（Ｃ−Ｖ特性）を測定し
たところ、第２図の実線で表されるように、０，９Ｖと
いう低い閾値電圧を示した。

比較のために、ゲート電極４として多結晶珪素を用いる
こと以外は上記と同様にして、ｎチャンネル反転型のＭ
ＯＳ型電界効果トランジスタを作製した。このような従
来のＭＯＳ型電界効果トランジスタは、第２図の点線で
表されるように、１，７Ｖという高い閾値電圧を示した
。

このように１本実施例のＭＯＳ型電界効果トランジスタ
は、ゲート電極として、半導体層と同様に炭化珪素を用
いているため、これらの間の仕事関数差が小さく、その
影響を最小限に抑え得ることがわかった。

また、上記の炭化珪素を用いたＭＯＳ型電界効果トラン
ジスタのチャンネル領域へ窒素イオンまたはホウ素イオ
ンを注入することによって、閾値電圧がどのように変化
するかを調べたところ、第３図に示すように、注入イオ
ンの種類と、イオン注入量とを選択することにより、閾
値電圧の符号および絶対値を任意に、精度を良く、かつ
再現性良く制御し得ることがわかった。

（発明の効果） 本発明によれば、閾値電圧の符号および絶対値を任意に
、精度良くかつ再現性良く制御することが可能な炭化珪
素半導体装置（例えば、　Ｍｉｓ型電界効果トランジス
タ）が得られる。このような炭化珪素半導体装置は、様
々な分野への応用が期待され、特に珪素などの従来の半
導体材料では実現が不可能な、高温、高出力駆動、高周
波動作９放射線照射などの過酷な条件下でも使用し得る
半導体装置として実用化され得る。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の炭化珪素半導体装置の一実施例
であるＭ（ＩＳ型電界効果トランジスタの断面図。 第１図（ｂ）〜（ｄ）は該ＭＯ３型電界効果トランジス
タの製造工程を説明するための断面図、第２図は該ＭＯ
３型電界効果トランジスタ（実線）と、ゲート電極とし
て多結晶珪素を用いた従来のＭＯ３型電界効果トランジ
スタ（点線）とにおけるゲート容量−ゲート電圧特性を
表すグラフ図、第３図は本発明の炭化珪素半導体装置の
一実施例であるＭＯ３型電界効果トランジスタにおける
チャンネル領域へのイオン注入量と閾値電圧との関係を
表すグラフ図である。 １・・・Ｓｉ単結晶基板、２・・・ｐ型β−３ｉＣ単結
晶層。 ３・・・シリコン熱酸化膜、４・・・ゲート電極、５・
・・ソース領域、６・・・ドレイン領域、７・・・ＡＩ
配線層。 以上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、炭化珪素半導体層と、絶縁膜と、電極とからなるＭ
   ＩＳ構造を有する炭化珪素半導体装置であって、 該電極が多結晶炭化珪素で形成されている、炭化珪素半
   導体装置。