TWI680504B - 具備碳化矽層之半導體裝置 - Google Patents

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川村啓介
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Abstract

本發明係一種具備碳化矽層之半導體裝置，其中，在確保半導體裝置之品質的同時，提高半導體裝置之縱方向的耐壓。半導體裝置係具備：Si(矽)基板，和加以形成於Si基板的表面之SiO2(氧化矽)層，和加以形成於SiO2層的表面之Si層，和加以形成於Si層的表面上之SiC(碳化矽)層。SiO2層之厚度係1μm以上20μm以下。

Description

具備碳化矽層之半導體裝置
本發明係有關具備SiC(碳化矽)層之半導體裝置。
SiC係比較於Si(矽)，能帶隙為大，而具有高絕緣破壞電場強度。因此，SiC係作為具有高耐壓之半導體裝置的材料而被加以期待。另外，3C-SiC(具有3C型之結晶構造的SiC)係從與GaN(氮化鎵)的晶格常數接近之情況，可作為為了使GaN之基材基板而使用者。GaN之絕緣破壞電場強度係較3C-SiC之絕緣破壞電場為大之故，由將3C-SiC作為緩衝層者，可實現更高耐壓之GaN之半導體裝置。
作為為了使3C-SiC層成長之基材基板，係Si基板或塊狀之SiC基板則被廣泛使用。其中，塊狀的SiC基板係在目前僅存在有4英吋程度的構成，而具有大口徑化困難的問題。對於為了以廉價取得大口徑之寬禁帶半導體，係使用Si基板者為佳。
對於下記專利文獻1~3係加以揭示有有關以 SiC為始，使用寬禁帶半導體之半導體裝置的技術。對於下記專利文獻1係加以記載有：於將立方晶{001}面作為表面之單結晶基板上，經由磊晶成長而使2種類之元素A、B所成之化合物單結晶(SiC或GaN等)成長之方法。在此方法中，具備：使反相位範圍邊界面以及因元素A及B引起之層積缺陷，於表面各等效地產生於平行之<110>方向同時，使化合物單結晶成長之工程(I)，和使因在工程(I)中產生之元素A引起之層積缺陷，與反相位範圍邊界面會合消滅之工程(II)，和使因在工程(I)中產生之元素B引起之層積缺陷，自我消滅之工程(III)，和完全地使反相位範圍邊界會合消滅之工程(IV)。工程(IV)係與工程(II)及(III)並行，或在工程(II)及(III)之後加以進行。
對於下記專利文獻2係加以揭示有：準備具有特定厚度之表面Si層與埋入絕緣層之Si基板，在碳系氣體環境中加熱上述Si基板而使表面Si層變成為單結晶SiC層之單結晶SiC基板的製造方法。在此製造方法中，在使表面Si層變成為單結晶SiC層時，與埋入絕緣層之界面附近的Si層則作為殘存Si層而加以殘留。埋入絕緣層係經由具有1~200nm厚度之SiO2(氧化矽)而成，而SiC層係具有100nm程度的厚度。
對於下記專利文獻3係加以揭示有：具備SOI(Silicon On Insulator)基板，和作為加以形成於SOI基板上之緩衝層的AlN(氮化鋁)層，和作為加以形成於 AlN層上之通道層的GaN層，和作為加以形成於GaN層上之阻障層的AlGaN(氮化鋁鎵)層，和加以形成於AlGaN層上之源極電極，汲極電極，及閘極電極的半導體裝置。
先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本特開2011-84435號公報
專利文獻2：日本特開2009-302097號公報
專利文獻3：日本特開2008-34411號公報
SiC係比較於Si而具有非常高之絕緣破壞電場強度。具體而言，Si之絕緣破壞電場強度係為0.3MV/cm，而3C-SiC之絕緣破壞電場強度係為1.2MV/cm。隨之，在具有將Si基板作為基材基板而形成SiC層之構造的半導體裝置中，對於為了提升縱方向(Si基板之主面的法線方向)之耐壓提升，如增加SiC層之厚度即可。
但在將Si基板作為基材基板而形成SiC層之半導體裝置中，晶格常數或熱膨脹係數相互不同之Si與SiC則構成異質界面之故，而對於僅增加SiC層之厚度的 情況，係容易引起基板的變形，或對於SiC層之斷裂的發生。其結果，對於經由加厚SiC層而提升半導體裝置之縱方向的耐壓，係有界限。
然而，對於使用上述專利文獻1之技術而形成SiC層的情況，係可抑止斷裂之發生同時，形成比較厚之SiC層者，但有著工程產生複雜化等之問題。
本發明係為了解決上述課題之構成，其目的係為確保半導體裝置之品質的同時，提高半導體裝置之縱方向的耐壓者。
依照本發明之一的狀況之半導體裝置係具備：Si基板，和加以形成於Si基板表面之SiO2層，和加以形成於SiO2層表面之Si層，和加以形成於Si層表面上之SiC層，而SiO2層之厚度係1μm以上20μm以下。
在上述半導體裝置中，理想為SiC層係3C-SiC，而SiC層之厚度係0.1μm以上3μm以下。
在上述半導體裝置中，理想為Si層之厚度係5nm以上10nm以下。
在上述半導體裝置中，理想為更具備加以形成於SiC層之半導體元件。
在上述半導體裝置中，理想為更具備加以形成於SiC層表面上之氮化物半導體層，和加以形成於氮化物半導體層之半導體元件。
如根據本發明，在確保半導體裝置之品質的同時，可提高半導體裝置之縱方向的耐壓者。
1‧‧‧Si(矽)基板
1a‧‧‧Si基板的背面
2‧‧‧SiO2(氧化矽)層
3‧‧‧Si層
4‧‧‧SiC(碳化矽)層
5‧‧‧GaN(氮化鎵)層
6‧‧‧AlGaN(氮化鋁鎵)層
7‧‧‧氮化物半導體層
8a，8b‧‧‧不純物範圍
11‧‧‧源極電極
12‧‧‧汲極電極
13‧‧‧閘極電極
14‧‧‧電阻電極
15‧‧‧肖特基電極
16‧‧‧閘極絕緣層
圖1係顯示在本發明之第1實施形態的半導體裝置之構成的剖面圖。
圖2係顯示SiC層之厚度，和斷裂發生之有無及SiC層之結晶性的關係表。
圖3係顯示基板之尺寸及SiO2層之厚度，和基板之彎曲量Wt之關係表。
圖4係顯示在本發明之第2實施形態的半導體裝置之構成的剖面圖。
圖5係顯示在本發明之第3實施形態的半導體裝置之構成的剖面圖。
以下，依據圖面而說明本發明之實施形態。
(第1實施形態)
圖1係顯示在本發明之第1實施形態的半導體裝置之構成的剖面圖。
參照圖1，在本實施形態之半導體裝置係包含GaN-HEMT(High Electron Mobility Transistor)。半導體裝置係具備：Si基板1，和SiO2層(埋入玻璃層)2，和Si層3，和SiC層4，和GaN層5，和AlGaN層6，和源極電極11及汲極電極12，和閘極電極13。GaN層5及AlGaN層6係構成氮化物半導體層7。對於氮化物半導體層7係加以形成HEMT(半導體元件的一例)。
Si基板1係具有p型或n型之導電型亦可。
SiO2層2係加以形成於Si基板1的表面。SiO2層2之厚度係1μm以上20μm以下。SiO2層2之厚度係1.2μm以上者為佳。SiO2層2之厚度係10μm以下者為佳，而5μm以下者為更佳。
Si層3係加以形成於SiO2層2之表面。Si層3之厚度係5nm以上10nm以下者為佳。然而，Si層3係例如，由氧化構成Si層3之Si者而形成SiO2，經由蝕刻此SiO2之時，加以薄膜化至上述之範圍為止亦可。
Si基板1、SiO2層2、及Si層3係構成SOI(Silicon On Insulator)基板。SiO2層2及Si層3係例如，使用貼合法或SIMOX(Separation by IMplanted OXygen)法等而加以形成。
SiC層4係加以形成於Si層3的表面。SiC層4係例如，經由3C-SiC、4H-SiC、或6H-SiC等而成。特別是，SiC層4則為加以磊晶成長於Si基板1者之情況，一般而言，SiC層4係經由3C-SiC而成。此情況，SiC層 4之厚度係0.1μm以上者為佳，而0.5μm以上者更佳。另外，SiC層4之厚度係3μm以下者為佳，而2μm以下者為更佳。
SiC層4係於由碳化Si層3之表面者而加以得到之SiC所成之基材層上，使用MBE(分子束磊晶)法、CVD(化學蒸鍍)法、或LPE(液相磊晶)法等，經由使SiC加以同質磊晶成長之時而加以形成亦可。SiC層4係僅經由碳化Si層3的表面而加以形成亦可。更且，SiC層4係經由夾持緩衝層而於Si層3表面上，使SiC加以異質磊晶成長之時而加以形成亦可。
GaN層5係加以形成於SiC層4的表面。對於GaN層5係未加以導入不純物，而GaN層5係成為HEMT之電子走行層。
AlGaN層6係加以形成於GaN層5的表面。AlGaN層6係具有n型之導電型，成為HEMT之障壁層。AlGaN層6係例如，經由HVPE(氫化物氣相磊晶)法、或MOCVD(有機金屬氣相成長)法等而加以形成。
SiC與GaN係晶格常數為近似。因此，SiC層4係達成作為GaN層5之緩衝層(基材層)的作用。然而，GaN層5及AlGaN層6係如加以形成於SiC層4表面上即可，而於SiC層4與GaN層5之間，例如，加以形成有AlN所成之緩衝層亦可。加以形成有HEMT情況之氮化物半導體層係如包含第1氮化物半導體層，和加以形成於第1氮化物半導體層表面，具有較第1氮化物半導 體層之能帶隙為寬的能帶隙之第2氮化物半導體層者即可，而經由GaN與AlGaN之組合外的氮化物半導體材料之組合加以構成亦可。
各源極電極11及汲極電極12係相互拉開間隔而加以形成於氮化物半導體層7之表面。閘極電極13係在氮化物半導體層7的表面中，加以形成於源極電極11及汲極電極12之間。各源極電極11及汲極電極12係電阻接觸於氮化物半導體層7。閘極電極13係肖特基接觸於氮化物半導體層7。各源極電極11及汲極電極12係例如，具有自氮化物半導體層7側，依序層積Ti(鈦)層及Al(鋁)層之構造。閘極電極13係例如，具有自氮化物半導體層7側依序層積Ni(鎳)層及Au(金)層之構造。各源極電極11，汲極電極12，及閘極電極13係例如，經由蒸鍍法、MOCVD法、或濺鍍法等而加以形成。
然而，為了固定Si基板1之背面的電位，而加以電性連接Si基板1之背面1a，和源極電極11或汲極電極12。
構成半導體裝置之各層的厚度係使用橢圓偏光量測器而加以測定。橢圓偏光量測器係將偏光的入射光照射至測定對象，將來自測定對象的反射光受光。在S偏光與P偏光中有著相位的偏差或反射率的不同之故，反射光之偏光狀態係成為與入射光的偏光狀態不同者。此偏光狀態的變化係依存於入射光的波長，入射角度，膜的光學常數，及膜厚等。橢圓偏光量測器係自所得到之反射光， 依據入射光的波長或入射角而算出膜的光學常數或膜厚。
本實施形態之半導體裝置的動作係如以下。源極電極11係經常保持為接地電位(成為基準的電位)。在未加以施加電壓於閘極電極13之狀態中，因GaN層5與AlGaN層6之能帶隙的差引起，而在AlGaN層6產生的電子係集中於在GaN層5之與AlGaN層6之異質接合界面，形成二次元電子氣體。伴隨著二次元電子氣體之形成，AlGaN層6內係在自與GaN層5之異質結合界面延伸於圖1中上方向之空乏層，和自與閘極電極13之接合界面延伸於圖1中下方向的空乏層，完全地加以空乏層化。另一方面，當加以施加正的電壓於閘極電極13時，經由電場效果而二次元電子氣體的濃度則變高。其結果，對於加以施加正的電壓於汲極電極12之情況，自汲極電極12流動電流至源極電極11。
如根據本實施形態，經由SiO2層2之厚度為1μm以上之時，可將SiC層4之厚度作為不會發生有斷裂程度之厚度之同時，可提高形成HEMT於氮化物半導體層7之半導體裝置之縱方向的耐壓者。另外，經由SiO2層2之厚度為20μm以下之時，可抑止Si基板1之彎曲者。其結果，在確保包含HEMT之半導體裝置之品質的同時，可提高包含HEMT之半導體裝置之縱方向的耐壓者。對於此，於以下，加以詳細說明。
理論上，SiO2之絕緣破壞電場強度係為2~8MV/cm。也就是，隨著SiO2層之厚度增加1μm，而半 導體裝置之縱方向的耐壓係僅增加200~800V。另外，理論上，3C型之SiC之絕緣破壞電場強度係為1.2MV/cm。也就是，隨著SiC層之厚度增加1μm，而半導體裝置之縱方向的耐壓係僅增加120V。
一般而言，在作為功率裝置之半導體裝置中，在除了在半導體裝置之Si基板以外的部分，被要求560V程度之縱方向的耐壓。但過於增大SiC層之厚度時，成為容易於SiC層發生有斷裂。
本申請發明者們係對於SiC層之厚度，和斷裂發生之有無及SiC層之結晶性的關係進行調查。圖2係顯示SiC層之厚度，和斷裂發生之有無及SiC層之結晶性的關係表。
參照圖2，由將SiC層之厚度作為3μm以下、而理想為作為2μm以下者，可抑止斷裂發生。另一方面，由將SiC層4之厚度作為0.1μm以上、理想為作為0.5μm以上者，可確保SiC層4之結晶性。
將SiC層的厚度作為成3μm以下之情況，SiC層之縱方向的耐壓係理論上，成為360V以下。當考慮SiO2之絕緣破壞電場強度時，由將SiO2層之厚度作為1μm以上、理想為作為1.2μm以上者，可確保對於作為功率裝置之半導體裝置所要求之縱方向的耐壓。
另外，本申請發明者們係對於Si基板之尺寸及SiO2層之厚度，和Si基板之彎曲量的關係進行調查。圖3係顯示Si基板之尺寸及SiO2層之厚度，和Si基板之 彎曲量Wt之關係表。
參照圖3，準備直徑8英吋，厚度725μm之基板(試料1)、直徑8英吋，厚度1500μm之基板(試料2)、及直徑6英吋，厚度1500μm之基板(試料3)之3種類的Si基板。對於各試料1~3而言，各形成較0.5μm為大而5μm以下之厚度的SiO2層，較5μm為大而10μm以下之厚度的SiO2層，較10μm為大而20μm以下之厚度的SiO2層，及較20μm為大之厚度的SiO2層。測定SiO2層形成後之Si基板的彎曲量Wt。
其結果，對於形成較20μm為大厚度之SiO2層之情況，在試料1~3任一中，彎曲量的影響均為大。對於形成較10μm為大而20μm以下之厚度之SiO2層情況，在試料1及2中，彎曲量的影響為大之另一方面，在試料3中，幾乎未有彎曲量的影響。對於形成較5μm為大而10μm以下之厚度之SiO2層之情況，在試料1中，彎曲量的影響為大之另一方面，在試料2及3中，幾乎未有彎曲量的影響。對於形成較0.5μm為大而5μm以下之厚度之SiO2層之情況，在試料1~3任一中，幾乎均未有彎曲量的影響。
從以上的結果，由將SiO2層2之厚度作為20μm以下、而理想作為10μm以下、更理想作為5μm以下者，可抑止基板之彎曲。
加上，如根據本實施形態，因SiC層4則達成作為氮化物半導體層7之緩衝層之作用之故，可形成高 品質之氮化物半導體層7者。
[第2實施形態]
圖4係顯示在本發明之第2實施形態的半導體裝置之構成的剖面圖。
參照圖4，在本實施形態之半導體裝置係包含SBD(Schottky Barrier Diode)。半導體裝置係具備：Si基板1，和SiO2層2，和Si層3，和SiC層4，和電阻電極14及肖特基電極15。對於SiC層4係加以形成SBD(半導體元件的一例)。各SiO2層2，Si層3，及SiC層4之厚度係與第1實施形態和情況相同。半導體裝置係未具備氮化物半導體層。
SiC層4係具有n型之導電型。作為將SiC層4作為n型化之不純物，係例如可使用N(氮)、P(磷)、及As(砷)之中至少1種類者。
各電阻電極14及肖特基電極15係相互拉開間隔而加以形成於SiC層4之表面。SiC層4則具有n型之導電型之情況，電阻電極14係例如經由Ni或Al等而成。肖特基電極15係例如，經由Au、Pt(白金)、或Al-Ti合金等而成。電阻電極14及肖特基電極15係例如，經由蒸鍍法、MOCVD法、或濺鍍法等而加以形成。
然而，為了固定Si基板1之背面的電位，而加以電性連接Si基板1之背面1a，和電阻電極14或肖特基電極15亦可。
上述以外之半導體裝置的構成係因與圖1所示之第1實施形態的構成同樣之故，對於同一構件係附上同一符號，而未加以反覆其說明。
本實施形態之半導體裝置的動作係如以下。電阻電極14係經常保持為接地電位(成為基準的電位)。在未加以施加電壓於肖特基電極15之狀態，或加以施加負的電位於肖特基電極15之狀態中，成為逆方向偏壓，電流係未流動於SBD。另一方面，在加以施加正的電壓於肖特基電極15之狀態中，成為順方向偏壓，自肖特基電極15流動有電流至電阻電極14。
如根據本實施形態，在確保包含SBD之半導體裝置之品質的同時，可提高包含SBD之半導體裝置之縱方向的耐壓者。
然而，SiC層4係具有p型之導電型亦可。作為將SiC層4作為p型化之不純物，係例如可使用B(硼)、Al、Ga(鎵)、及In(銦)之中至少1種類者。SiC層4則具有p型之導電型之情況，電阻電極14係例如經由Au、Pt、或Al-Ti合金等而加以形成。肖特基電極15係例如，由Ni或Al等而加以形成。
[第3實施形態]
圖5係顯示在本發明之第3實施形態的半導體裝置之構成的剖面圖。
參照圖5，在本實施形態之半導體裝置係包含 n型MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)。半導體裝置係具備：Si基板1，和SiO2層2，和Si層3，和SiC層4，和不純物範圍8a及8b，和源極電極11及汲極電極12，和閘極電極13。對於SiC層4係加以形成n型MOSFET(半導體元件的一例)。各SiO2層2，Si層3，及SiC層4之厚度係與第1實施形態和情況相同。半導體裝置係未具備氮化物半導體層。
SiC層4係具有n型之導電型。各不純物範圍8a及8b係具有p型之導電型，相互拉開間隔而加以形成於SiC層4的表面。不純物範圍8a及8b係經由離子注入法或熱擴散法等而加以形成。作為為了將不純物範圍8a及8b作為p型化之不純物，係例如可使用B、Al、Ga、及In之中至少1種類者。
各源極電極11及汲極電極12係加以形成於各不純物範圍8a及8b之表面。閘極電極13係於不純物範圍8a與不純物範圍8b之間的SiC層4表面，夾持閘極絕緣層16而加以形成。閘極電極13及閘極絕緣層16係加以形成於源極電極11及汲極電極12之間。各源極電極11，汲極電極12，及閘極電極13係由Al或Cu(銅)等而成。閘極絕緣層16係例如由SiO2而成。閘極絕緣層16係亦可由Hf(鉿)、Zr(鋯)、Al、或Ti等之各氧化物，或此等之矽酸鹽化合物而成。各源極電極11，汲極電極12，及閘極電極13係例如，經由蒸鍍法、MOCVD法、或濺鍍法等而加以形成。閘極絕緣層16係例如，經 由電漿CVD法等而加以形成。
然而，為了固定Si基板1之背面的電位，而加以電性連接Si基板1之背面1a，和源極電極11或汲極電極12。
上述以外之半導體裝置的構成係因與圖1所示之第1實施形態的構成同樣之故，對於同一構件係附上同一符號，而未加以反覆其說明。
本實施形態之半導體裝置的動作係如以下。源極電極11係經常保持為接地電位(成為基準的電位)。在未加以施加電壓於閘極電極13之狀態，或加以施加負的電壓於閘極電極13之狀態中，對於源極電極11與汲極電極12之間係未流動有電流。另一方面，當加以施加正的電壓於閘極電極13時，存在於SiC層4內之電子則加以吸引至構成與閘極絕緣層16之界面的SiC層4表面，於不純物範圍8a與不純物範圍8a之間形成n型的反轉層。其結果，對於加以施加正的電壓於汲極電極12之情況，自汲極電極12流動電流至源極電極11。
如根據本實施形態，在確保包含MOSFET之半導體裝置之品質的同時，可提高包含MOSFET之半導體裝置之縱方向的耐壓者。
然而，半導體裝置係亦可包含p型MOSFET。此情況，SiC層4係作為p型之導電型，而不純物範圍8a及8b係作為n型之導電型。作為為了將不純物範圍8a及8b作為n型化之不純物，係例如可使用N、 P、及As之中至少1種類者。
[其他]
加以形成於半導體裝置之半導體元件係如為任意之構成即可，例如，亦可為二極體，電晶體，閘流器，或半導體雷射等。半導體元件係為橫型之構成(經由在加以形成於SiO2層之表面上的層之電性傳導而進行動作之構成)者為佳。
上述之實施形態係認為例示在所有的點，並非限制性的構成。本發明之範圍係並非上述之說明，而經由申請專利範圍所示，特意包含有與申請專利範圍均等意味及在範圍內之所有的變更者。

Claims (5)

  1. 一種半導體裝置，其特徵為具備：矽基板，和加以形成於前述矽基板表面之氧化矽層，和加以形成於前述氧化矽層表面之矽層，和加以形成於前述矽層表面上之碳化矽層；前述氧化矽層之厚度係1μm以上20μm以下；前述碳化矽層之厚度係0.1μm以上3μm以下者。
  2. 如申請專利範圍第1項記載之半導體裝置，其中，前述碳化矽層係3C-SiC。
  3. 如申請專利範圍第1項記載之半導體裝置，其中，前述矽層之厚度係5nm以上10nm以下者。
  4. 如申請專利範圍第1項記載之半導體裝置，其中，更具備加以形成於前述碳化矽層之半導體元件者。
  5. 如申請專利範圍第1項記載之半導體裝置，其中，更具備加以形成於前述碳化矽層表面上之氮化物半導體層，和加以形成於前述氮化物半導體層之半導體元件者。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5667586A (en) * 1995-01-30 1997-09-16 International Business Machines Corporation Method for forming a single crystal semiconductor on a substrate
US5759908A (en) * 1995-05-16 1998-06-02 University Of Cincinnati Method for forming SiC-SOI structures
TW201005141A (en) * 2008-06-10 2010-02-01 Air Water Inc Method for manufacturing nitrogen compound semiconductor substrate, nitrogen compound semiconductor substrate, method for manufacturing single crystal sic substrate, and single crystal sic substrate

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3920103B2 (ja) * 2002-01-31 2007-05-30 大阪府 絶縁層埋め込み型半導体炭化シリコン基板の製造方法及びその製造装置
JP4802624B2 (ja) * 2005-09-07 2011-10-26 信越半導体株式会社 貼り合わせｓｏｉウェーハの製造方法
JP2011029594A (ja) * 2009-06-22 2011-02-10 Shin Etsu Handotai Co Ltd Ｓｏｉウェーハの製造方法及びｓｏｉウェーハ

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5667586A (en) * 1995-01-30 1997-09-16 International Business Machines Corporation Method for forming a single crystal semiconductor on a substrate
US5759908A (en) * 1995-05-16 1998-06-02 University Of Cincinnati Method for forming SiC-SOI structures
TW201005141A (en) * 2008-06-10 2010-02-01 Air Water Inc Method for manufacturing nitrogen compound semiconductor substrate, nitrogen compound semiconductor substrate, method for manufacturing single crystal sic substrate, and single crystal sic substrate

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