JP4042336B2 - 炭化珪素半導体素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は炭化珪素を素材とする半導体素子、すなわち炭化珪素半導体素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
炭化珪素は、半導体素子の素材としてシリコンより優れた点が多く、電力用半導体や高周波半導体への利用を目指して実用化のための研究が精力的におこなわれている。
炭化珪素の結晶構造には6H型や4H型、3C型があり、その単結晶は昇華法によって作製される。炭化珪素半導体素子は、単結晶基板にCVD（化学的気相成長法）により所定のキャリア濃度のエピタキシャル成長層を形成したり、局所的に伝導性の制御を行うためにイオン注入を実施して作製される。また、炭化珪素を、たとえば１１００〜１２００℃の高温の酸化雰囲気中に曝すと、炭化珪素中の炭素は酸化されて二酸化炭素（ＣＯ₂ ）となり、一方炭化珪素中の珪素は酸化されて、表面に二酸化珪素（ＳｉＯ₂ ）膜が形成される。その熱酸化膜を半導体素子の絶縁膜として利用することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
昇華法による基板やエピタキシャル成長層は、製造装置内に残留もしくは混入した大気中の窒素ガスを取り込んで、ｎ型の伝導性を示す傾向にある。特にエピタキシャル成長工程は、１５００℃以上の高温で、しかも長時間におよぶ工程である。また、ドーパントのイオン注入も活性化率向上のため、１０００℃以上の高温でおこなわれることが多い。
【０００４】
熱酸化の際に、炭化珪素中の炭素はＣＯ₂ガスになって、系外に排出される。その際、取り込まれた窒素もガスとして外部に排出されるが，その一部は炭化珪素中の珪素原子と結合して熱酸化膜との界面近傍の炭化珪素中に極微細な窒化珪素粒子が形成される。例えば整流素子の−種であるショットキダイオードを作製する場合に、熱酸化膜を除去してその表面にショットキー電極を形成しても，その金属／半導体界面に窒化珪素の微粒子が分散した層が存在するため，良好な整流特性が得られないという問題があった。
【０００５】
また，熱酸化膜を利用してＭＯＳ型の電界効果型トランジスタ（以下ＭＯＳＦＥＴと記す）を作製する場合には、酸化膜／半導体の境界に近い半導体層に形成されるチヤネル層に窒化珪素の微粒子が存在するため、チヤネル層を移動するキャリアがこの窒化珪素微粒子により散乱を受け、移動度が低くなってしまうという問題があった。
【０００６】
これらの問題に鑑み本発明の目的は、窒化珪素微粒子の発生を抑え，特性の良好なショットキーダイオードやＭＯＳＦＥＴ等の炭化珪素半導体素子を提供することにある．
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題解決のため本発明は、炭化珪素半導体基板上に炭化珪素エピタキシャル層を成長した炭化珪素半導体素子において、炭化珪素エピタキシャル層に含まれる窒素濃度が2 ×１０ ¹⁴ /cm ³ 以上１×１０¹⁵/cm³以下であり、該炭化珪素エピタキシャル層が、窒素以外のＶ b 属元素、またはＶＩ族元素を含み、窒素以外のＶ b 属元素、またはＶＩ族元素の濃度が、１×１０ ¹⁵ /cm ³ 以上であるものとする。
炭化珪素エピタキシャル層中の窒素濃度を抑制することにより窒化珪素微粒子の生成を抑えることができる。
【０００８】
特に、炭化珪素エピタキシャル層がｎ型の場合には、燐、批素もしくはアンチモン等の窒素以外のＶb 属元素、またはＶＩ族元素をドーパントとし、窒素の取り込みを避けることが重要である。炭化珪素エピタキシャル層が、アルミニウムもしくはほう素等のＩＩＩ族元素、またはＩＩ族元素を含んでいても、また、それら窒素以外のＶb 属元素、またはＶＩ族元素、ＩＩＩ族元素、ＩＩ族元素の濃度が、１×１０¹⁵/cm³以上であっても良いことは勿論である。
【０００９】
炭化珪素半導体素子が不純物イオンを注入した領域を有する場合にも、窒素の取り込みを避け、イオン注入領域に含まれる窒素濃度が１×１０¹⁵/cm³以下であるものとする。
イオン注入領域についても、ｎ型の場合には燐、批素もしくはアンチモン等の窒素以外のＶb 属元素、またはＶＩ族元素をドーパントとし、窒素の取り込みを避けることとする。
【００１０】
不純物イオンがアルミニウムもしくはほう素等のＩＩＩ族元素、またはＩＩ族元素である場合は問題無い。
半導体素子が金属／半導体界面が形成するショットキー障壁により整流特性を有するショットキーダイオードの場合には、窒化珪素微粒子の生成を抑えることにより後述のように良好な界面特性を有するショットキーダイオードが得られる。
【００１１】
半導体素子が熱酸化膜を有する場合には、特に熱酸化工程で窒化珪素微粒子を発生しやすいので、熱酸化される部分の窒素濃度を低く抑えて置くことが重要である。
半導体素子がＭＯＳＦＥＴの場合には、後述のようにチヤネル層を走行するキャリアが窒化珪素微粒子による散乱を受けないので高移動度を有する炭化珪素ＭＯＳＦＥＴが得られる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
［実施例１］
図２は本発明実施例１の炭化珪素ショットキーダイオード（以下SBDと記す）の断面図である。4H型の炭化珪素基板（以下SiC 基板と記す）11上に、ｎ^- エピタキシャル層12を成長したエピタキシャルウェハを使用して製作した、３mm角、電極面積が３．１４mm² のSBDである。13はｎ^- エピタキシャル層12とショットキ接合を形成するチタン（Ti）のショットキー電極、14はSiC 基板11の裏面に設けられたチタン、ニッケル、金（Ti/Ni/Au）のカソード電極、15は酸化膜、16はほう素イオンの注入と熱処理で形成されたガードリングである。
【００１３】
以下に製造方法を詳しく説明する。4H型でシリコン面（以下Si面と記す）を（11-20 ）方向に８度傾けた（この角度をオフアングルという）直径２インチのSiC 基板11を使用した。SiC 基板11はｎ型でキャリア濃度が１×１０¹⁸/cm³である。ただし、6H型や3C型でもよいし，またC 面や（11-20 ）面でも良い。あるいはオフアングルの方向や角度が異なっても本発明の適用には何の影響も及ばさない。
【００１４】
最初にSiC 基板11の裏面側に燐イオンのイオン注入により、ｎ⁺ カソード層17を形成する。加速電圧は５０kV、ドーズ量は５×１０¹⁴/cm²である。ついで、製造装置内に残留もしくは混入した大気中の窒素ガスを避けるため、ロードロック式のエピタキシャル成膜装置を用いて、アルゴンガスによるパージと、８００℃ベークとを３回繰り返した後、燐ドープのｎ^- エピタキシャル層12を成膜する。ｎ^- エピタキシャル層12は、厚さ１０μmでｎ型、キャリア濃度が１×１０¹⁶/cm³である。原料ガスは、モノシラン（ＳｉＨ₄ ）、プロパン（Ｃ₃ Ｈ₈ ）とフォスフィン（ＰＨ₃ ）であり、ＳｉＣコートのグラファイトサセプタを用いたＲＦ加熱により、成膜温度は１５００℃、時間は５時間である。このエピタキシャル成長中に裏面のｎ⁺ カソード層17に注入された燐イオンが熱処理され活性化する。なお、ロードロック式でないエピタキシャル成膜装置の場合は、意図しない窒素のドープがおき、その濃度は１×１０¹⁶/cm³以上にも達する。
【００１５】
ポジタイプのフォトレジストを使ってガードリング16のパターニングをする。
続いて、ほう素を３０〜１８０keV の加速電圧でボックス状にイオン注入した後、１６００℃で３０分間のアニールをおこない、深さ約０．５μm のガードリング16を形成する。
１１００℃、５時間のパイロジェニック酸化により、厚さ３０nmの酸化膜15を形成してパターニングした後、ショットキー電極13としてTiをスパッタ蒸着し、２００℃、５分間の熱処理をし、次いでカソード電極14としてTi/Ni/Auをスパッタ蒸着し、チップ化した。
【００１６】
図１（実線−リンドープ）は、このようにして作製したSBD の逆方向電流電圧特性図である。
同図に比較例として、従来の製造方法による窒素ドープのエピタキシャル層をもつSBD （破線−チッ素ドープ）の逆方向電流電圧特性も示した。
従来の製造方法による窒素ドープのSBD では、例えば逆電圧４００V でのもれ電流が約３０mA/cm²であるのに対し、本実施例１のSBD のもれ電流は１．５mA/cm²であり、１／２０になっていることがわかる。
【００１７】
すなわち、上のエピタキシャル層12の成膜工程で、ロードロック式のエピタキシャル成膜装置を用いて、十分に製造装置内の窒素ガスを避ける操作をおこない、燐ドープのｎ^- エピタキシャル層12を成膜したことにより、表面近傍の窒化珪素微粒子が殆ど発生しなかったためと考えられる。ＳｉＭＳ分析法によりエピタキシャル層12の窒素濃度を測定したところ、２×１０¹⁴/cm³であった。
【００１８】
確認のため、エピタキシャル層12の成膜工程で、ロードロック式のエピタキシャル成膜装置でのパージ条件やベーク条件を変えて、窒素濃度の異なるSBD を作製し、その逆方向特性を測定した。窒素濃度と燐濃度との和は、１×１０¹⁶/cm³とした。
図３は、逆電圧４００V でのもれ電流の窒素濃度依存性を示す特性図である。
【００１９】
窒素濃度が１×１０¹⁵/cm³以下であれば、漏れ電流は３mA/cm²以下に抑えられるが、１×１０¹⁵/cm³を越すともれ電流が急増している。従って、窒素濃度を１×１０¹⁵cm^-3以下に抑えることが重要である。尚、イオン注入種は窒素以外のVb属元素であればどれでもよい。また、ｐ型のエピタキシャルウェハの場合には、アルミニウムを用いても同様の結果が得られる。
【００２０】
［実施例２］図４は本発明実施例２のSiC ＭＯＳＦＥＴの断面図である。実施例１と同種の4H型のSiC 基板21を使用した。SiC 基板21上にトリメチルアルミニウムを使ってアルミニウムをドープしたｐ^- エピタキシャル層22を成長した。このとき、実施例１と同様に、ロードロツク式のエピタキシャル成膜装置を用いて、アルゴンガスによるパージと、８００℃ベークとを３回繰り返した後、ｐ^- エピタキシャル層22を成膜した。
【００２１】
ポジタイプのフォトレジストを使ってパターニングをした後、燐を３０〜１８０keV の加速電圧でボックス状にイオン注入し、１６００℃で３０分間のアニールをおこない、深さ約０．５μm のｎ⁺ ソース領域27およびｎ⁺ ドレイン領域28を形成する。
１１００℃、５時間のパイロジェニック酸化により、厚さ３０nmのゲート酸化膜25を形成してパターニングした後、Ti/Ni/Auをスパッタ蒸着しパターニングしてソース電極24、ドレイン電極23、ケート電極26、基板電極29を形成して、チップ化した。
【００２２】
このようにして作製したＭＯＳＦＥＴのチャネルでのキャリア移動度を測定したところ、１１５cm²/Vsと従来の窒素汚染を避けない方法によりｐ^- エピタキシャル層を形成したものの移動度５cm²/Vsの約２０倍以上の値を示した。
これは、上のｐ^- エピタキシャル層22の形成工程で、製造装置内に残留もしくは混入した大気中の窒素汚染を避ける方法を取ったことにより、表面近傍の窒化珪素微粒子が殆ど発生しなかったためと考えられる。ＳＩＭＳ分析法によりｐ^- エピタキシャル層22の窒素濃度を測定したところ、２×１０¹⁴/cm³であった。
【００２３】
確認のため、ｐ^- エピタキシャル層22の形成工程で、ドープガスの比率を変えて、窒素濃度の異なるＭＯＳＦＥＴを作製し、その移動度特性を測定した。窒素濃度と燐濃度との和は、１×１０¹⁶/cm³とした。
図５は、キャリア移動度の窒素濃度依存性を示す特性図である。窒素濃度が１×１０¹⁵/cm³以下であれば、キャリア移動度は１００cm²/Vs以上であるが、１×１０¹⁵/cm³を越すと急速に低下している。従って、窒素濃度を１×１０¹⁵cm^-3以下に抑えることが重要である。
【００２４】
更にMOS 界面のクーロン散乱によるチャネル移動度を改善する目的で、ｎ⁺ ソース領域27およびｎ⁺ ドレイン領域28との間に、燐イオンの注入によるカウンタードープ領域30を形成した。加速電圧は、３０kV、ドーズ量は２×１０¹¹/cm²とした。比較のため、窒素イオンの注入によりカウンタードープ領域を形成したものも作製した。両者を比較した結果，窒素のカウンタードープではチャネル移動度が１００cm²/Vsであったが燐ドープでは１５０cm²/Vsと大幅に向上させることができた。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、エピタキシャル層成長工程における窒素混入を避け、炭化珪素エピタキシャル層に含まれる窒素濃度を２×１０ ¹⁴ /cm ³ 以上１×１０¹⁵/cm³以下に抑制することにより、窒化珪素微粒子発生の影響を免れ、ショットキーダイオートやＭＯＳＦＥＴの特性を改善することができた。
【００２６】
更に、不純物領域形成の際にも、ｎ型ドーパントとして窒素以外の元素を用いることが有効であることを示した。
本発明により、ショットキーダイオートやＭＯＳＦＥＴ以外にも特性の優れた炭化珪素半導体素子を、再現性良く作製することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明実施例１のSiCSBDおよび比較例の電流−電圧特性図
【図２】 本発明実施例１のSiCSBDの断面図
【図３】 SiCSBDの漏れ電流の窒素濃度依存性を示す特性図
【図４】 本発明実施例２のSiCMOSFET の断面図
【図５】 SiCMOSFET のキャリア移動度の窒素濃度依存性を示す特性図
【符号の説明】
11、21 SiC 基板
12 ｎ^- エピタキシャル層
13 ショットキー電極
14 カソード電極
15二酸化珪素膜
16 ガードリング
22 ｐ^- エピタキシャル層
23 ソース電極
24 ドレイン電極
25 ゲート酸化膜
26 ゲート電極
27 ｎ⁺ ソース領域
28 ｎ⁺ ドレイン領域
29 基板電極
30 カウンタードープ領域

Claims (5)

1. 炭化珪素半導体基板上に炭化珪素エピタキシャル層を成長した炭化珪素半導体素子において、炭化珪素エピタキシャル層に含まれる窒素濃度が2 ×１０ ¹⁴ /cm ³ 以上１×１０¹⁵/cm³以下であり、該炭化珪素エピタキシャル層が、窒素以外のＶ b 属元素、またはＶＩ族元素を含み、窒素以外のＶ b 属元素、またはＶＩ族元素の濃度が、１×１０ ¹⁵ /cm ³ 以上であることを特徴とする炭化珪素半導体素子。
2. 炭化珪素半導体基板上に炭化珪素エピタキシャル層を成長した炭化珪素半導体素子において、炭化珪素エピタキシャル層に含まれる窒素濃度が2 ×１０ ¹⁴ /cm ³ 以上１×１０¹⁵/cm³以下であり、該炭化珪素エピタキシャル層が、ＩＩＩ族元素、またはＩＩ族元素を含み、ＩＩＩ族元素、ＩＩ族元素の濃度が、１×１０ ¹⁵ /cm ³ 以上であることを特徴とする炭化珪素半導体素子。
3. 前記炭化珪素エピタキシャル層に窒素以外のＶ b 属元素、ＶＩ族元素、ＩＩＩ族元素、またはＩＩ族元素の不純物イオンを注入した領域を有し、そのイオン注入領域に含まれる窒素濃度が2 ×１０ ¹⁴ /cm ³ 以上１×１０¹⁵/cm³以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の炭化珪素半導体素子。
4. 半導体素子が前記炭化珪素エピタキシャル層と金属とで形成するショットキー障壁により整流特性を有するショットキーバリアダイオードであることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素半導体素子。
5. 金属−熱酸化膜−半導体構造からなるＭＯＳ型ゲートを有し、前記イオン注入領域がソース領域およびドレイン領域であることを特徴とする請求項３に記載の炭化珪素半導体素子。

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