JPWO2009104299A1 - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
六方晶SiCの基板の主表面の、(0001)面に直交する面とのなす最小角度が1°以下である方向、たとえば(0001)方向に垂直な[0001]方向とのなす最小角度が1°以下である方向を向くように準備する。以上のようにして準備した基板の一方の主表面上に、横型の半導体装置を形成する。このことにより、六方晶SiCの基板の主表面が(0001)方向に沿った方向を向いた横型の半導体装置に比べ、耐電圧の値を大きく改善することができた。
Description
本発明は半導体装置および半導体装置の製造方法に関し、より特定的には、基板の結晶面の方向を制御することにより、耐電圧およびオン抵抗の値を改善させた、横型の半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。
近年、半導体装置が使用される装置の高性能化に伴い、半導体装置に対しては動作の高速化、低損失化がますます要求されるようになっている。そのためには、半導体装置の耐電圧を大きくさせ、オン抵抗を低下させることが重要である。
一般的に、たとえば六方晶の炭化ケイ素(SiC)の基板を用いて形成させたMOSダイオードなどの縦型の半導体装置の場合は、たとえば多結晶タイプの4H−SiCの基板を(0001)面に沿った方向となるよう形成させた場合には、駆動時には基板に垂直な方向である[0001]方向に沿った方向に電界が発生する。しかし、たとえばMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)やJFET(Junction Field Effect Transistor)などの横型の半導体装置については、たとえばSiCの基板を4H−SiC(0001)面に沿った方向となるよう形成させた場合、以下のような特性を認めることができる。すなわち、たとえば以下に示す(非特許文献1)の横型半導体装置のように、[0001]方向に交差する方向(すなわち(0001)面に沿った方向)に電界が生じる。
Masato Noborio 他3名、「Materials Science Forum」、2006年、Vols.527−529、p.1305−1308
Masato Noborio 他3名、「Materials Science Forum」、2006年、Vols.527−529、p.1305−1308
一般的には、(0001)面に沿った方向の絶縁破壊電界は、(0001)面に交差する方向の絶縁破壊電界に比べて小さくなることが知られており、具体的には、(0001)面の方向に交差する方向の絶縁破壊電界の約3/4となる。したがって(0001)面に沿った方向に形成される電極間の耐電圧は、(0001)面に交差する方向となるよう準備した場合の、(0001)面に交差する方向に形成される電極間の耐電圧のおよそ0.6倍と小さくなる。すなわち、発生する電界の大きさは、基板の結晶面に対して異方性を持つということが知られている。
以上より、たとえば非特許文献1のように、横型半導体装置を4H−SiC基板の主表面が(0001)面に沿った方向となるよう準備した場合には、縦型の半導体装置に比べて横型の半導体装置は絶縁破壊電界や耐電圧の値が小さくなるということである。
また、電子移動度についても同様のことが言える。4H−SiC基板の主表面を(0001)面に沿った方向となるよう準備した縦型の半導体装置の抵抗を形成する主成分であるドリフト層においては、4H−SiC基板の(0001)面に垂直な方向に電流が流れる。しかし、たとえば4H−SiC基板の主表面を(0001)面に沿った方向となるよう形成した横型の半導体装置の場合は、(0001)面に沿った方向に電流が流れる。(0001)面に沿った方向の絶縁破壊電界は、(0001)面に交差する方向の絶縁破壊電界に比べて小さくなるのと同様に、(0001)面に沿った方向の電子移動度は、(0001)面に交差する方向の電子移動度の約0.8倍であることが知られている。したがって、たとえば4H−SiC基板の主表面が(0001)面に沿った方向となるよう準備した場合には、たとえば4H−SiC基板の主表面が(0001)面に交差する方向となるよう準備した場合に比べて、電子移動度の値が小さいために電流の値が小さくなるという問題がある。以上により、たとえば4H−SiC基板の主表面が(0001)面に沿った方向となるよう準備した場合、基板を形成する材料(この場合はSiC)が持つ理論値よりも、半導体装置の電流の値が小さくなるなどの問題が起こりうる。その結果としてオン抵抗が大きくなる。
そこで、本発明は上述した問題を解決するために鑑みなされたものであり、その目的は、基板の結晶面の方向を制御して、耐電圧およびオン抵抗の値を改善させた横型の半導体装置およびその半導体装置の製造方法を提供することである。
本発明における半導体装置は、主表面の、(0001)面に直交する面とのなす最小角度が1°以下である、六方晶炭化ケイ素からなる基板と、基板の一方の主表面上に配置された半導体層と、半導体層の一方の表面層に形成されたソース領域と、半導体層の表面層において、ソース領域と距離を隔てて形成されたドレイン領域とを備える、半導体装置である。このように、基板を準備する結晶面を規定することにより、耐電圧およびオン抵抗の値を改善させた横型の半導体装置を提供することができる。
本発明における半導体装置は、基板の主表面が(0001)面に交差する方向、すなわち(0001)面となす角が直角に近い結晶面である。たとえば基板の主表面の、(11−20)面と等価な面とのなす最小角度が1°以下であることが考えられる。または、基板の主表面の、(1−100)面と等価な面とのなす最小角度が1°以下であることが考えられる。
本発明における半導体装置は、半導体層の一方の主表面上の、ソース領域とドレイン領域との間に存在する表面層に、ゲート領域をさらに備える構造である。
または、本発明における半導体装置は、半導体層の一方の主表面上の、ソース領域とドレイン領域との間に存在する表面層に、ゲート絶縁膜をさらに備え、ゲート絶縁膜の一方の主表面上に、ゲート電極をさらに備える構造である。あるいは、本発明における半導体装置は、半導体層の一方の主表面上の、ソース領域とドレイン領域との間に存在する表面層の上部に、半導体層とショットキー接触するゲート電極をさらに備える構造である。
または、本発明における半導体装置は、半導体層の一方の主表面上の、ソース領域とドレイン領域との間に存在する表面層に、ゲート絶縁膜をさらに備え、ゲート絶縁膜の一方の主表面上に、ゲート電極をさらに備える構造である。あるいは、本発明における半導体装置は、半導体層の一方の主表面上の、ソース領域とドレイン領域との間に存在する表面層の上部に、半導体層とショットキー接触するゲート電極をさらに備える構造である。
本発明における半導体装置の製造方法は、主表面の、(0001)面に直交する面とのなす最小角度が1°以下である、六方晶炭化ケイ素からなる基板を準備する工程と、基板の一方の主表面上に配置された半導体層を形成する工程と、半導体層の一方の表面層に形成されたソース領域と、半導体層の表面層において、ソース領域と距離を隔てて形成されたドレイン領域とを形成する工程とを備える。以上のように、基板を準備する結晶面を規定する工程を踏むことにより、耐電圧およびオン抵抗の値を改善させた横型の半導体装置を提供することができる。
上述した製造方法により形成した半導体装置においても、たとえば基板の主表面の、(11−20)面と等価な面とのなす最小角度が1°以下であることが考えられる。または、基板の主表面の、(1−100)面と等価な面とのなす最小角度が1°以下であることが考えられる。
本発明における半導体装置の製造方法は、半導体層の一方の主表面上の、ソース領域とドレイン領域との間に存在する表面層に、ゲート領域を形成する工程をさらに備える。または、本発明における半導体装置の製造方法は、半導体層の一方の主表面上の、ソース領域とドレイン領域との間に存在する表面層に、ゲート絶縁膜を形成する工程と、ゲート絶縁膜の一方の主表面上に、ゲート電極を形成する工程とをさらに備える。あるいは、本発明における半導体装置の製造方法は、半導体層の一方の主表面上の、ソース領域とドレイン領域との間に存在する表面層の上部に、半導体層とショットキー接触するゲート電極を形成する工程をさらに備える。
本発明における半導体装置は、主表面の、(0001)面に直交する面とのなす最小角度が1°以下である、SiCの基板を用いることにより、耐電圧およびオン抵抗を改善させた横型の半導体装置を提供することができる。
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。なお、各実施の形態において、同一の機能を果たす部位には同一の参照符号が付されており、その説明は、特に必要がなければ、繰り返さない。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。図2は、本発明の実施の形態1において、図1のフローチャートの工程(S10)および工程(S20)を行なった後の状態を示す概略図である。図3は、本発明の実施の形態1において、図1のフローチャートの工程(S30)を行なった後の状態を示す概略図である。図4は、本発明の実施の形態1において、図1のフローチャートの工程(S40)を行なった後の状態を示す概略図である。図5は、本発明の実施の形態1において、図1のフローチャートの工程(S60)を行なった後の状態を示す概略図である。図6は、本発明の実施の形態1において、図1のフローチャートの工程(S70)を行なった後の状態を示す概略図である。
図1は、本発明の実施の形態1における半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。図2は、本発明の実施の形態1において、図1のフローチャートの工程(S10)および工程(S20)を行なった後の状態を示す概略図である。図3は、本発明の実施の形態1において、図1のフローチャートの工程(S30)を行なった後の状態を示す概略図である。図4は、本発明の実施の形態1において、図1のフローチャートの工程(S40)を行なった後の状態を示す概略図である。図5は、本発明の実施の形態1において、図1のフローチャートの工程(S60)を行なった後の状態を示す概略図である。図6は、本発明の実施の形態1において、図1のフローチャートの工程(S70)を行なった後の状態を示す概略図である。
本発明の実施の形態1は、半導体装置のうち、図6に示す横型のJFET10の製造方法を示したものである。横型のJFET10は、図6に示すように、たとえば六方晶を形成するSiCからなり、導電型がn型であるn型基板11と、n型基板11の一方の主表面上に形成されたp型半導体層12と、p型半導体層12の上に形成されたn型半導体層13と、電子が供給されるソース領域15と、電子が取り出されるドレイン領域17と、ソース領域15とドレイン領域17との間に配置され、ソース領域15とドレイン領域17との間を電気的に接続および遮断するゲート領域16とを有する半導体装置である。なお、SiCとしては、4H−SiCと呼ばれる多結晶タイプのものが好ましい。
本発明の実施の形態1におけるJFET10を構成する、SiCからなり、導電型がn型であるn型基板11は、その主表面の、(0001)面に直交する面とのなす最小角度が1°以下である方向、たとえば(0001)面の方向に垂直な[0001]方向とのなす最小角度が1°以下である方向を向くように準備する。この[0001]方向に沿った方向に主表面を持つ結晶面として、たとえば(11−20)面と等価な面や(1−100)面と等価な面を挙げることができる。そこで、たとえば(11−20)面と等価な面とのなす最小角度が1°以下となるように、n型基板11を準備することが好ましい。または、(1−100)面と等価な面とのなす最小角度が1°以下となるように、n型基板11を準備することが好ましい。
そして、n型基板11の一方の主表面上に、エピタキシャル成長により、p型半導体層12を形成させ、さらにp型半導体層12の上に、同じくエピタキシャル成長により、n型半導体層13を形成させる。なお、エピタキシャル成長を行なうのは、半導体装置の浮遊容量を最小にするためである。さらに、n型半導体層13の一方の主表面から一定の深さ以内の領域、すなわち表面層に、図6に示すように、ソース領域15と、ドレイン領域17とを、距離を隔てて形成させる。さらに、ソース領域15とドレイン領域17との間に存在する表面層に、ゲート領域16を形成させる。ソース領域15およびドレイン領域17は、n型半導体層13よりも高濃度の導電型がn型である不純物(n型不純物)を含む領域である。また、ゲート領域16は、p型半導体層12よりも高濃度の導電型がp型である不純物(p型不純物)を含む領域である。なお、JFET10については、半導体の導電型(p型とn型)に関して、上述した配置と逆の配置としてもよい。すなわち、たとえばp型SiCからなり、導電型がp型であるp型基板の一方の主表面上に、n型半導体層、p型半導体層を順次形成させた構成としてもよい。
さらに、ソース領域15、ゲート領域16、ドレイン領域17のそれぞれの上部表面に接触するように、オーミック電極19が形成されている。オーミック電極19は、ソース領域15、ゲート領域16、ドレイン領域17とオーミック接触可能な材料、たとえばニッケルシリサイド(NiSi)から形成される。
そして、隣接するオーミック電極19同士の間には、酸化膜18が形成されている。より具体的には、絶縁層としての酸化膜18が、n型半導体層13の上部表面において、オーミック電極19が形成されている領域以外の領域全体を覆うように形成されている。これにより、隣り合うオーミック電極19同士の間が絶縁されている。
以下、図1〜図6を参照しながら、本発明の実施の形態1における半導体装置の製造方法を説明する。本発明の実施の形態1における半導体装置であるJFET10の製造方法においては、まず、図1に示すように、基板準備工程(S10)を行なう。具体的には、先述のように、結晶が六方晶であるSiCからなり、導電型がn型であるn型基板11(図2〜図6参照)を、その主表面が(0001)面に直交する面とのなす最小角度が1°以下である方向、たとえば(0001)面の方向に垂直な[0001]方向とのなす最小角度が1°以下である方向を向くように準備する。この[0001]方向に沿った方向に主表面を持つ結晶面として、たとえば(11−20)面と等価な面や(1−100)面と等価な面を挙げることができる。そこで、たとえば(11−20)面と等価な面とのなす最小角度が1°以下となるように、n型基板11を準備することが好ましい。または、(1−100)面と等価な面とのなす最小角度が1°以下となるように、n型基板11を準備することが好ましい。
次に、図1に示すように、エピタキシャル成長工程(S20)を実施する。具体的には、図2に示すように、先の工程(S10)にて準備されたn型基板11の一方の主表面上に、たとえば気相エピタキシャル成長によりSiCからなるp型半導体層12、n型半導体層13を順次積層形成させる工程である。なお、電流が流れるn型半導体層13における電流の経路を制御するため(電流の経路の幅が極度に広がることを抑制するため)、p型半導体層12を配置する。気相エピタキシャル成長においては、たとえば材料ガスとしてシラン(SiH4)ガスおよびプロパン(C3H8)ガスを用い、キャリアガスとして水素(H2)ガスを採用することができる。また、p型半導体層12を形成するためのp型不純物源としては、たとえばジボラン(B2H6)やトリメチルアルミニウム(TMA)を、n型半導体層13を形成するためのn型不純物源としては、たとえば窒素(N2)ガスを採用することができる。
次に、図1に示すように、第1イオン注入工程(S30)を行なう。具体的には、高濃度のn型不純物を含む領域であるソース領域およびドレイン領域が形成される工程である。図3を参照して、まず、n型半導体層13の上部表面13A上にレジストが塗布された後、露光および現像が行なわれ、所望のソース領域15およびドレイン領域17の形状に応じた領域に開口を有するレジスト膜が形成される。そして、このレジスト膜をマスクとして用いて、たとえばリン(P)などのn型不純物がイオン注入によりn型半導体層13に導入される。なお、Pの代わりに、窒素(N)をイオン注入してもよい。また、イオン注入の代わりに、n型エピタキシャル層を埋め込み成長させることにより、第1イオン注入工程(S30)を行なうこともできる。これにより、ソース領域15およびドレイン領域17が形成される。
次に、第2イオン注入工程(S40)が実施される。この工程(S40)では、高濃度のp型不純物を含む領域であるゲート領域が形成される。具体的には、図4を参照して、まず、工程(S30)と同様の手順で所望のゲート領域16の形状に応じた領域に開口を有するレジスト膜が形成される。そして、このレジスト膜をマスクとして用いて、たとえばアルミニウム(Al)などのp型不純物がイオン注入によりn型半導体層13に導入される。なお、Alの代わりに、ホウ素(B)をイオン注入してもよい。また、イオン注入の代わりに、p型エピタキシャル層を埋め込み成長させることにより、第2イオン注入工程(S40)を行なうこともできる。これにより、ゲート領域16が形成される。なお、上述した第1イオン注入工程(S30)および第2イオン注入工程(S40)については、工程を行なう順序は問わない、すなわち順序を逆に工程を行なってもよい。
次に、活性化アニール工程(S50)が実施される。この工程(S50)では、工程(S40)において形成されたレジスト膜が除去された後、工程(S30)および(S40)においてイオン注入が実施されたn型半導体層13が加熱されることにより、上記イオン注入によって導入された不純物を活性化させる熱処理である活性化アニールが実施される。活性化アニールは、たとえばアルゴン(Ar)ガス雰囲気中において熱処理を実施することにより行なうことができる。なお、Arガス雰囲気の代わりに、たとえばネオン(Ne)などの不活性ガス雰囲気中にて熱処理を行なうことにより、活性化アニールを行なってもよい。また、真空中にて熱処理を行なうことにより、活性化アニールを行なうこともできる。
次に、酸化膜形成工程(S60)が実施される。この工程(S60)では、図5を参照して、工程(S10)〜(S50)までが実施されて所望のイオン注入層を含むn型半導体層13および、p型半導体層12とn型基板11が熱酸化される。これにより、二酸化珪素(SiO2)からなる酸化膜18が、フィールド酸化膜として、n型半導体層13の上部表面13Aを覆うように形成される。
次に、オーミック電極形成工程(S70)が実施される。この工程(S70)では、図6を参照して、ソース領域15、ゲート領域16およびドレイン領域17のそれぞれの上部表面に接触するように、たとえばNiSiからなるオーミック電極19が形成される。具体的には、まず、工程(S30)と同様の手順で所望のオーミック電極19の形状に応じた領域に開口を有するレジスト膜が形成される。そして、当該レジスト膜をマスクとして用いて、たとえばRIE(Reactive Ion Etching;反応性イオンエッチング)により、ソース領域15、ゲート領域16、ドレイン領域17上の酸化膜18(フィールド酸化膜)が除去される。
その後、たとえばNiが蒸着されることにより、酸化膜18から露出したソース領域15、ゲート領域16およびドレイン領域17上、およびレジスト膜上にNi層が形成される。さらに、レジスト膜が除去されることにより、レジスト膜上のNi層が除去(リフトオフ)されて、酸化膜18から露出したソース領域15、ゲート領域16およびドレイン領域17上にNi層が残存する。そして、たとえばアルゴン(Ar)雰囲気中にて950℃程度で約2分間加熱する熱処理が実施されることにより、Ni層がシリサイド化する。これにより、図6に示すように、ソース領域15、ゲート領域16およびドレイン領域17にオーミック接触可能なNiSiからなるオーミック電極19が形成される。
オーミック電極を形成する方法としては、上述したリフトオフ法の他に、いったん全面に成膜した後に、フォトリソグラフィー技術により成膜が不必要な場所をエッチング除去する方法を用いることも可能である。具体的には、先述のように、オーミック電極形成工程(S70)を行なう際の、ソース領域15、ゲート領域16、ドレイン領域17上の酸化膜18(フィールド酸化膜)が除去された後、たとえばNiが蒸着されることにより、Ni層が形成される。その後、形成されたNi層の上部表面にレジストが塗布された後、露光および現像が行なわれ、所望のソース領域15、ゲート領域16およびドレイン領域17上以外の領域に開口を有するレジスト膜が形成される。そして、このレジスト膜をマスクとして用いて、たとえばウェットエッチングにより、Ni層が不必要な領域(ソース領域15、ゲート領域16およびドレイン領域17上以外の領域)のNi層が除去される。以上により、所望のソース領域15、ゲート領域16およびドレイン領域17上にNi層が残存する。以後は上述と同様に、たとえばAr雰囲気中にて950℃程度で約2分間加熱する熱処理が実施されることにより、Ni層がシリサイド化する。これにより、図6に示すように、ソース領域15、ゲート領域16およびドレイン領域17にオーミック接触可能なNiSiからなるオーミック電極19が形成される。
本発明の実施の形態1にて、先述のように、JFET10については、半導体の導電型(p型とn型)に関して、上述した配置と逆の配置としてもよい。仮にp型半導体層12の上部表面にオーミック電極19を形成する場合、オーミック電極として、チタン(Ti)とAlからなる合金(TiAl)を用いてもよい。具体的には、たとえば上述したリフトオフ法やフォトリソグラフィー技術を用いて、ソース領域15、ゲート領域16およびドレイン領域17にTi層およびAl層が順次形成される。以後は上述と同様に、たとえばAr雰囲気中にて950℃程度で約2分間加熱する熱処理が実施されることにより、ソース領域15、ゲート領域16およびドレイン領域17にオーミック接触可能なTiAlからなるオーミック電極19が形成される。
以上の工程を踏むことにより形成されたJFET10は、逆方向にバイアスされたp−n接合に形成される空乏層を用いて、電流の流れる領域の断面積を変化させることにより、ソース領域15とドレイン領域17との間に流れる電流を制御するものである。したがって、ソース領域15とドレイン領域17との間に電流を流す、すなわちn型基板11の主表面に沿った方向に電流を流す、横型構造となっている。このため、本発明の実施の形態1のように、n型基板11は、その主表面が(0001)面に直交する面とのなす最小角度が1°以下である方向、たとえば(0001)面に垂直な[0001]方向とのなす最小角度が1°以下である方向を向くように準備する。このことにより、たとえば主表面が(0001)面に沿った方向を向くように準備した場合に比べて、先述のように、絶縁破壊電界や耐電圧、電子移動度の値を大きくすることができ、かつ、オン抵抗の値を小さくすることができる。
(実施の形態2)
図7は、本発明の実施の形態2における半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。また、図8は、本発明の実施の形態2において、図7のフローチャートの工程(S80)を行なった後の状態を示す概略図である。
図7は、本発明の実施の形態2における半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。また、図8は、本発明の実施の形態2において、図7のフローチャートの工程(S80)を行なった後の状態を示す概略図である。
本発明の実施の形態2においては、半導体装置のうち、図8に示す横型のMOSFET20の製造方法を示している。横型のMOSFET20は、図8に示すように、ソース領域15およびドレイン領域17の、それぞれの上部表面に接触するように、オーミック電極19が形成されている。そしてゲート領域16の上部表面には、n型半導体層13の上部表面13A(図2〜図5参照)のうち、ソース領域15とドレイン領域17の上部表面以外の領域と同様に、酸化膜18が形成される。このうち特に、ゲート領域16の上部表面に形成する酸化膜18は、ゲート酸化膜として用いる。そして、酸化膜18(ゲート酸化膜)の上部表面に、ゲート電極21が形成される。以上の点においてのみ、本発明の実施の形態1における横型のJFET10と異なる。
本発明の実施の形態2における横型のMOSFET20の製造方法は、図7および図8に示すとおり、基板準備工程(S10)から活性化アニール工程(S50)までは、先の本発明の実施の形態1における横型のJFET10と同じである。ただし、第2イオン注入工程(S40)により形成されるゲート領域16については、図8に示すように、n型半導体層13および、p型半導体層12の一部に係る深さまで形成させる。このことにより、p型半導体層12と連結しており、ゲート領域16の反転によるMOSFET20の動作をスムーズに行なうことができる。また、この場合のゲート領域16に注入するp型不純物の濃度は、p型半導体層12に含まれるp型不純物の濃度と同程度で、誤差が10%以内の範囲となるように調整することが好ましい。
次の酸化膜形成工程(S60)において、n型半導体層13の上部表面13A(図2〜図5参照)のうち、ゲート領域16の上部表面に形成する酸化膜18は、MOS構造の電界効果を生じさせるための酸化膜である。したがって、先の本発明の実施の形態1にて、酸化膜形成工程(S60)において形成した酸化膜18(フィールド酸化膜)よりも短時間の熱酸化を行なうことにより、所望の厚みの酸化膜18(ゲート酸化膜)を形成することができる。ここでゲート領域16の酸化膜18であるゲート酸化膜が形成された領域および、次の工程(S70)にてオーミック電極が形成される領域以外の領域に形成される酸化膜18の厚みは、たとえば先の本発明の実施の形態1にて形成した酸化膜18(フィールド酸化膜)よりも厚みが小さくなっている。なお、上述した酸化膜18(ゲート酸化膜)を形成させた後に、n型半導体層13の上部表面13Aのうち、たとえばゲート酸化膜が形成された領域および、次の工程(S70)にてオーミック電極が形成される領域以外の領域に対してのみ、さらに酸化膜の形成を続けてもよい。このことにより、ゲート酸化膜よりも厚みの大きいフィールド酸化膜を形成することができる。
次に、オーミック電極形成工程(S70)が行なわれる。具体的には、図8を参照して、ソース領域15およびドレイン領域17の、それぞれの上部表面に接触するように、たとえばNiSiからなるオーミック電極19が形成される。仮にp型半導体層の上部表面にオーミック電極19を形成する場合、オーミック電極として、チタン(Ti)とAlからなる合金(TiAl)を用いてもよい。
そして、ゲート電極形成工程(S80)が行なわれる。具体的には、図8を参照して、先の酸化膜形成工程(S60)にて、ゲート領域16の上部表面に形成された酸化膜18(ゲート酸化膜)の上部表面に接触するように、たとえばAl層からなるゲート電極21が形成される。具体的にはたとえば、まずオーミック電極形成工程(S70)が行なわれた後の、酸化膜18およびオーミック電極19の上部表面の全面に、たとえばAlが蒸着されることにより、Al層が形成される。その後、形成されたAl層の上部表面にレジストが塗布された後、露光および現像が行なわれ、所望のゲート領域16の上部表面に形成された酸化膜18(ゲート酸化膜)の上部表面以外の領域に開口を有するレジスト膜が形成される。そして、このレジスト膜をマスクとして用いて、たとえばウェットエッチングにより、Al層が不必要な領域(ゲート領域16の上部表面に形成された酸化膜18(ゲート酸化膜)の上部表面以外の領域)のAl層が除去される。以上により、所望のゲート領域16の上部表面に形成された酸化膜18(ゲート酸化膜)の上部表面にAl層が残存する。以上のようにして、所望の箇所にゲート電極21としてのAl層が形成される。
なお、ゲート電極21として、上述したAlの代わりに、多結晶シリコンを用いて、上述したAlの場合と同様の方法にてゲート電極を形成させることもできる。また、上述した方法の他に、たとえばリフトオフ法を用いて、ゲート電極21を形成させてもよい。
以上の工程を踏むことにより形成されたMOSFET20は、ゲート電極21に加える電圧の大きさに応じて、n型半導体層13の、ソース領域15とドレイン領域17との間に存在する表面層(特にゲート領域16付近)に形成されるチャネル層の状態を変化させることにより、ソース領域15とドレイン領域17との間に流れる電流の値を制御するものである。したがって、ソース領域15とドレイン領域17との間に電流を流す、すなわちn型基板11の主表面に沿った方向に電流を流す、横型構造となっている。このため、本発明の実施の形態2のように、n型基板11は、その主表面が(0001)面に直交する面とのなす最小角度が1°以下である方向、たとえば(0001)面に垂直な[0001]方向とのなす最小角度が1°以下である方向を向くように準備する。このことにより、たとえば主表面が(0001)面に沿った方向を向くように準備した場合に比べて、先述のように、絶縁破壊電界や耐電圧、電子移動度の値を大きくすることができ、かつ、オン抵抗の値を小さくすることができる。
以上の点においてのみ、本発明の実施の形態1と異なる。すなわち、本発明の実施の形態2の説明において、上述しなかった構成や条件、工程などは、全て本発明の実施の形態1に順ずる。
(実施の形態3)
図9は、本発明の実施の形態3における半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。図10は、本発明の実施の形態3において、図9のフローチャートの工程(S60)を行なった後の状態を示す概略図である。図11は、本発明の実施の形態3において、図9のフローチャートの工程(S80)を行なった後の状態を示す概略図である。
図9は、本発明の実施の形態3における半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。図10は、本発明の実施の形態3において、図9のフローチャートの工程(S60)を行なった後の状態を示す概略図である。図11は、本発明の実施の形態3において、図9のフローチャートの工程(S80)を行なった後の状態を示す概略図である。
本発明の実施の形態3においては、半導体装置のうち、図11に示す横型のMESFET30の製造方法を示している。横型のMESFET30は、図11に示すように、ソース領域15およびドレイン領域17の、それぞれの上部表面に接触するように、オーミック電極19が形成されている。そして、たとえば図6に示すJFET10や図8に示すMOSFET20に存在したゲート領域16は存在しない。そして、n型半導体層13の上部表面13Aのうち、JFET10やMOSFET20にゲート領域16が存在した領域の上部表面には、n型半導体層13とショットキー接触するゲート電極22が直接配置されている。以上の点においてのみ、本発明の実施の形態1における横型のJFET10と異なる。
本発明の実施の形態3における横型のMESFET30の製造方法は、図7および図8に示すとおり、基板準備工程(S10)から第1イオン注入工程(S30)までは、先の本発明の実施の形態1における横型のJFET10と同じである。ただし、上述のとおり、ゲート領域16の形成を行なわないため、第2イオン注入を行なわずに活性化アニール工程(S50)へと進む。活性化アニール工程(S50)および酸化膜形成工程(S60)においては、先の本発明の実施の形態1における横型のJFET10と同じである。
次に、オーミック電極形成工程(S70)が行なわれる。具体的には、図11を参照して、ソース領域15およびドレイン領域17の、それぞれの上部表面に接触するように、たとえばNiSiからなるオーミック電極19が形成される。仮にp型半導体層の上部表面にオーミック電極19を形成する場合、オーミック電極として、チタン(Ti)とAlからなる合金(TiAl)を用いてもよい。
そして、ゲート電極形成工程(S80)が行なわれる。具体的には、たとえばソース領域15とドレイン領域17との間に存在する、n型半導体層13の表面(n型半導体層13の上部表面13Aのうち、JFET10やMOSFET20にゲート領域16が存在した領域の上部表面)に、ゲート電極22が形成される工程である。具体的にはたとえば、まずオーミック電極形成工程(S70)が行なわれた後で、酸化膜18およびオーミック電極19の上部表面の全面にレジストが塗布された後、露光および現像が行なわれる。このことにより、所望のゲート電極22を形成したい領域の酸化膜18(n型半導体層13の上部表面13Aのうち、JFET10やMOSFET20にゲート領域16が存在した領域の上部表面)の形状に応じた領域に開口を有するレジスト膜が形成される。そして、このレジスト膜をマスクとして用いて、たとえばNiなどの、n型半導体層13とショットキー接触させることが可能な金属材料が蒸着されることにより、酸化膜18から露出した(ゲート電極22を形成したい)n型半導体層13の上部表面および酸化膜18上、およびオーミック電極19の上部表面のレジスト膜上にNi層が形成される。さらに、レジスト膜が除去されることにより、レジスト膜上のNi層が除去(リフトオフ)されて、酸化膜18から露出したn型半導体層13上にNi層が残存する。以上のようにして、所望の箇所にゲート電極22としてのNi層が形成される。
なお、仮にp型半導体層の上部表面にゲート電極22を形成する場合、ゲート電極22として、上述したNiの代わりに、Tiを用いて、上述したNiの場合と同様の方法にてゲート電極22を形成させることもできる。また、上述した方法の他に、たとえば上述したリフトオフ法とフォトリソグラフィー技術とを適宜組み合わせた任意の方法にて、ゲート電極22を形成させることができる。
以上の工程を踏むことにより形成されたMESFET30は、たとえば先述のJFET10のゲート領域に用いたp−n接合の代わりに、金属−半導体のショットキー接触(ゲート電極22とn型半導体層13)を用いている点において、JFET10と異なる。しかし、基本的にはJFET10と類似の動作を示す。具体的には、ソース領域15とドレイン領域17との間に流れる電流を制御するものである。したがって、ソース領域15とドレイン領域17との間に電流を流す、すなわちn型基板11の主表面に沿った方向に電流を流す、横型構造となっている。このため、本発明の実施の形態3のように、n型基板11は、その主表面が(0001)面に直交する面とのなす最小角度が1°以下である方向、たとえば(0001)面に垂直な[0001]方向とのなす最小角度が1°以下である方向を向くように準備する。このことにより、たとえば主表面が(0001)面に沿った方向を向くように準備した場合に比べて、先述のように、絶縁破壊電界や耐電圧、電子移動度の値を大きくすることができ、かつ、オン抵抗の値を小さくすることができる。
以上の点においてのみ、本発明の実施の形態1と異なる。すなわち、本発明の実施の形態3の説明において、上述しなかった構成や条件、工程などは、全て本発明の実施の形態1に順ずる。
(実施の形態4)
図12は、本発明の実施の形態4において、図1のフローチャートの工程(S10)および工程(S20)を行なった後の状態を示す概略図である。図13は、本発明の実施の形態4において、図1のフローチャートの工程(S30)を行なった後の状態を示す概略図である。図14は、本発明の実施の形態4において、図1のフローチャートの工程(S40)を行なった後の状態を示す概略図である。図15は、本発明の実施の形態4において、図1のフローチャートの工程(S60)を行なった後の状態を示す概略図である。図16は、本発明の実施の形態1において、図1のフローチャートの工程(S70)を行なった後の状態を示す概略図である。
図12は、本発明の実施の形態4において、図1のフローチャートの工程(S10)および工程(S20)を行なった後の状態を示す概略図である。図13は、本発明の実施の形態4において、図1のフローチャートの工程(S30)を行なった後の状態を示す概略図である。図14は、本発明の実施の形態4において、図1のフローチャートの工程(S40)を行なった後の状態を示す概略図である。図15は、本発明の実施の形態4において、図1のフローチャートの工程(S60)を行なった後の状態を示す概略図である。図16は、本発明の実施の形態1において、図1のフローチャートの工程(S70)を行なった後の状態を示す概略図である。
本発明の実施の形態4は、半導体装置のうち、図16に示す横型のRESURF−JFET40の製造方法を示したものである。横型のRESURF−JFET40は、図16に示すように、n型半導体層13の上に、エピタキシャル成長により、薄い第2のp型半導体層14をさらに形成させている。そして、ソース領域15、ゲート領域16およびドレイン領域17は、第2のp型半導体層14の一方の主表面から、第2のp型半導体層14およびn型半導体層13の両方に係るある一定の深さ以内の領域に形成させている。(図14〜図16参照)このような構造とすることにより、ゲート領域16とドレイン領域17との間の領域における電界強度分布を均一化し、電界集中を抑制させることが可能となる。また、第2のp型半導体層14の存在により、半導体装置内部における寄生抵抗を低下させることが可能となる。以上の点においてのみ、本発明の実施の形態1における横型のJFET10と異なる。
本発明の実施の形態4における横型のRESURF−JFET40の製造方法は、エピタキシャル成長工程(S20)において、n型半導体層13を形成させた後、n型半導体層13の上に、エピタキシャル成長により、第2のp型半導体層14を形成させる。また、第1のイオン注入工程(S30)および第2のイオン注入工程(S40)においては、第2のp型半導体層14の一方の主表面から、第2のp型半導体層14およびn型半導体層13の両方に係るある一定の深さ以内の領域にソース領域15、ゲート領域16およびドレイン領域17が形成されるようにレジスト塗布、露光および現像を行なう。また、酸化膜形成工程(S60)においては、二酸化珪素(SiO2)からなる酸化膜18が、フィールド酸化膜として、第2のp型半導体層14の上部表面14Aを覆うように形成される。RESURF−JFET40の製造方法は、先の本発明の実施の形態1におけるJFET10の製造方法に対して、以上の点においてのみ異なる。
以上の点においてのみ、本発明の実施の形態1と異なる。すなわち、本発明の実施の形態4の説明において、上述しなかった構成や条件、工程などは、全て本発明の実施の形態1に順ずる。
以下は実施例により本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
以下の各実施例においては、先述した本発明の実施の形態1におけるJFET10を試作することによる評価を行なっている。したがって、図1から図6を適宜参照しながら説明を行なっている。
以下、実施例1としてのJFET10の形成方法を説明する。まず、図1に示す基板準備工程(S10)を行なう。六方晶をもつ半導体である、基板としてのSiCのウェハを、主表面が(0001)面に直交する面とのなす最小角度が1°以下である方向、たとえば(0001)面に垂直な[0001]方向とのなす最小角度が1°以下である方向を向くように準備する。なお、SiCとしては、4H−SiCと呼ばれる多結晶タイプのものが好ましい。この[0001]方向とのなす最小角度が1°以下であるような方向に主表面を持つ結晶面として、(11−20)面と等価な面の、導電型がn型であるSiCのウェハ(図2から図6におけるn型基板11に対応)を準備する。このn型基板11の一方の主表面上に、図1に示すエピタキシャル成長工程(S20)として、厚さ10μmでp型不純物濃度が1×1016cm−3のp型半導体層12、および厚さ0.7μmのn型不純物濃度が1×1017cm−3のn型半導体層13を順次エピタキシャル成長により形成させる。
続いて、図1に示す第1イオン注入工程(S30)として、Pのイオン注入を行なうことにより、n型半導体層13の表面からの深さが0.5μmで、不純物濃度が5×1018cm−3であるソース領域15およびドレイン領域17を形成する。また、図1に示す第2イオン注入工程(S40)として、Alのイオン注入を行なうことにより、n型半導体層13の表面からの深さが0.4μmで、不純物濃度が2×1018cm−3であるゲート領域16を形成する。
次に、図1に示す活性化アニール工程(S50)として、JFET10を形成中のSiCのウェハを、Arガス雰囲気中にて1700℃で30分間加熱を行なう。次に、図1に示す酸化膜形成工程(S60)として、JFET10を形成中のSiCのウェハを、酸素雰囲気中にて1300℃で60分間加熱を行なうことにより、フィールド酸化膜としての酸化膜18を形成する。続いて、オーミック電極形成工程(S70)として、ソース領域15、ゲート領域16、ドレイン領域17上の酸化膜18(フィールド酸化膜)が除去された後、たとえばNiが蒸着されることにより、オーミック電極19としてのNi層が、ソース領域15、ゲート領域16、ドレイン領域17の上部表面に形成される。以上の手順により本発明の実施例1としてのJFET10が形成される。
以下、実施例2としてのJFET10の形成方法を説明する。まず、図1に示す基板準備工程(S10)を行なう。六方晶を持つ半導体である、基板としてのSiCのウェハを、主表面が(0001)面に直交する面とのなす最小角度が1°以下である方向、たとえば(0001)面に垂直な[0001]方向とのなす最小角度が1°以下である方向を向くように準備する。この[0001]方向とのなす最小角度が1°以下であるような方向に主表面を持つ結晶面として、実施例2としてのJFET10は、(1−100)面と等価な面の、導電型がn型であるSiCのウェハ(図2から図6におけるn型基板11に対応)を準備する。以上の点においてのみ、実施例1としてのJFET10と異なる。すなわち、実施例2としてのJFET10の形成方法において、上述しなかった構成や条件、工程などは、全て実施例1としてのJFET10の形成方法に順ずる。
(比較例)
以下、上述した実施例1および実施例2としての、本発明の実施の形態1に則して形成したJFET10にたいする比較例としてのJFETの形成方法を説明する。まず、図1に示す基板準備工程(S10)を行なう。ここで、比較例としてのJFETは、六方晶を持つ半導体である、基板としてのSiCのウェハ(図2から図6におけるn型基板11参照)を、主表面が(0001)面に平行な方向に対する最小角度が8度をなす方向を向くように準備する。以上の点においてのみ、実施例1としてのJFET10と異なる。すなわち、比較例としてのJFETの形成方法において、上述しなかった構成や条件、工程などは、全て実施例1としてのJFET10の形成方法に順ずる。
以下、上述した実施例1および実施例2としての、本発明の実施の形態1に則して形成したJFET10にたいする比較例としてのJFETの形成方法を説明する。まず、図1に示す基板準備工程(S10)を行なう。ここで、比較例としてのJFETは、六方晶を持つ半導体である、基板としてのSiCのウェハ(図2から図6におけるn型基板11参照)を、主表面が(0001)面に平行な方向に対する最小角度が8度をなす方向を向くように準備する。以上の点においてのみ、実施例1としてのJFET10と異なる。すなわち、比較例としてのJFETの形成方法において、上述しなかった構成や条件、工程などは、全て実施例1としてのJFET10の形成方法に順ずる。
以上のように、本発明の実施の形態に則した結晶面となるよう基板を形成させた、実施例1および実施例2としてのJFET10および、従来から実施されている、主表面が(0001)面に沿った方向を向いている比較例としてのJFETを、他の条件は全て同じにして形成した。そして、それぞれのJFETに対して、耐電圧およびオン抵抗を測定した。なお、耐電圧とは、ソース領域の上のオーミック電極と、ドレイン領域の上のオーミック電極との間に加えることができる最大電圧であり、単位はV(ボルト)である。また、オン抵抗とは、ゲート領域の上のオーミック電極に加える電圧により、ソース領域とドレイン領域との間に電流を流してJFETを駆動させるオン状態時における、ソース領域の上のオーミック電極と、ドレイン領域の上のオーミック電極との間の電気抵抗である。その測定結果を次の表1に示す。
表1の結果より、実施例1、実施例2とも、耐電圧の大きさが比較例に比べて100V以上改善している。また、比較例の耐電圧の大きさを1とした場合、実施例1、実施例2とも1.6倍以上の耐電圧の大きさを測定している。さらに、比較例のオン抵抗の大きさを1とした場合、実施例1のオン抵抗は0.83倍、実施例2のオン抵抗は0.85倍となり、オン抵抗についても大きく改善している。これは、SiCの基板を(0001)面に交差する方向となるよう、横型の半導体装置を形成したことにより、従来のようにSiCの基板を(0001)面に沿った方向となるよう形成した場合と比べ、耐電圧の値が大きくなり、オン抵抗の値が小さくなることを示している。SiCの基板を(0001)面に交差する、たとえば(0001)面に直交する面とのなす最小角度が1°以下である方向となるよう、横型の半導体装置を形成することにより、絶縁破壊電界および耐電圧、さらにオン抵抗の値を大きく改善することができる。横型の半導体装置においては、基板の主表面に沿った方向に電流が流れ、電界が加わる。基板の主表面に沿った方向の耐電圧の値や電子移動度を大きくすることができるため、SiCの基板を(0001)面に交差する、たとえば(0001)面に直交する面とのなす最小角度が1°以下である方向となるよう、半導体装置を形成することが、たとえば電流の許容値を大きくすることをも可能にすると考えられる。
今回開示された実施の形態および実施例は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上述した実施の形態ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
本発明の半導体装置の製造方法は、耐電圧およびオン抵抗を改善させる技術として特に優れている。
Claims (12)
- 主表面の、(0001)面に直交する面とのなす最小角度が1°以下である、六方晶炭化ケイ素からなる基板と、
前記基板の一方の主表面上に配置された半導体層と、
前記半導体層の一方の表面層に形成されたソース領域と、
前記半導体層の前記表面層において、前記ソース領域と距離を隔てて形成されたドレイン領域とを備える、半導体装置。 - 前記基板の主表面の、(11−20)面と等価な面とのなす最小角度が1°以下である、請求項1に記載の半導体装置。
- 前記基板の主表面の、(1−100)面と等価な面のなす最小角度が1°以下である、請求項1に記載の半導体装置。
- 前記半導体層の一方の主表面上の、前記ソース領域と前記ドレイン領域との間に存在する表面層に、ゲート領域をさらに備える、請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記半導体層の一方の主表面上の、前記ソース領域と前記ドレイン領域との間に存在する表面層に、ゲート絶縁膜をさらに備え、
前記ゲート絶縁膜の一方の主表面上に、ゲート電極をさらに備える、請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置。 - 前記半導体層の一方の主表面上の、前記ソース領域と前記ドレイン領域との間に存在する表面層の上部に、前記半導体層とショットキー接触するゲート電極をさらに備える、請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 主表面の、(0001)面に直交する面とのなす最小角度が1°以下である、六方晶炭化ケイ素からなる基板を準備する工程と、
前記基板の一方の主表面上に配置された半導体層を形成する工程と、
前記半導体層の一方の表面層に形成されたソース領域と、
前記半導体層の前記表面層において、前記ソース領域と距離を隔てて形成されたドレイン領域とを形成する工程とを備える、半導体装置の製造方法。 - 前記基板の主表面の、(11−20)面と等価な面とのなす最小角度が1°以下である、請求項7に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記基板の主表面の、(1−100)面と等価な面とのなす最小角度が1°以下である、請求項7に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記半導体層の一方の主表面上の、前記ソース領域と前記ドレイン領域との間に存在する表面層に、ゲート領域を形成する工程をさらに備える、請求項7〜9のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記半導体層の一方の主表面上の、前記ソース領域と前記ドレイン領域との間に存在する表面層に、ゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜の一方の主表面上に、ゲート電極を形成する工程とをさらに備える、請求項7〜9のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記半導体層の一方の主表面上の、前記ソース領域と前記ドレイン領域との間に存在する表面層の上部に、前記半導体層とショットキー接触するゲート電極を形成する工程をさらに備える、請求項7〜9のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
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