JPH02291123A - 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」二の利用分野） 本発明は，高抵抗炭化珪累単結晶層が電気絶縁層とチャ
ネル層とを兼ねる炭化珪素半導体装置，特に絶縁ゲート
型電界効果トランジスタに関する。

（従来の技術） 珪素（Ｓ１）を初めとして，ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）
やリン化ガリウム（ＧａＰ　）などの化合物半導体を用
いた半導体装置（例えば，ダイオード，トランシスタ，
集積回路，大規模集積回路，発光ダイオド，半導体レー
ザ，および電荷結合素子）がエレクトロニクスの各分野
において広範囲に実用化されている。

炭化珪素（ＳｉＣ）は広い禁制帯幅（２．　２〜３．　
３ｅＶ）を有する半導体祠料であって，熱的，化学的，
および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。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
，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１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，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，該方法で得られ
た炭化珪素単結晶を基板としてその上に気相成長法（Ｃ
ＶＤ法）や液相エピタキシャル成長法（ＬＰＢ法）で炭
化珪素単結晶層をエビ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，拐られた単結晶の面
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Ｇ）。

これらの問題点を解決するために，本発明者らは，安価
で入手の容易な珪素単結晶基板−Ｌ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を提案
したく特開昭５９−２０３７９９号）。

該方法において，炭化珪素を気相成長させる際に不純物
を添加すれば，得られた炭化珪素単結晶における不純物
濃度および伝導型を制御することが可能である。そして
，この方法により珪素基板上に形成した炭化珪素単結晶
層を利用して，各種の半導体装置（例えば，ダイオード
やトランジスタ）を製造する方法が開発されている（特
願昭５８−２４６５１１号，同昭５８−２４９９８１号
，および同昭５８−２５２１５７号）。

従来，これらの炭化珪素半導体装置（例えば電界効果ト
ランジスタ）においては，チャネル層となる口型（また
はｐ型）の炭化珪素弔結晶層をｐ型（またはｎ型）の炭
化珪素単結晶層上に形成し，これら両層のｐｎ接合によ
り該チャ不ル層を半導体基板から電気的に絶縁していた
。しかしながら．このような構造の半導体装置では，　
ｐｎ接合に逆ハイアス電圧を印加した場合に，炭化珪素
単結晶層中に存在する結晶欠陥により，半導体基板とチ
ャネル層との間にリーク電流が発生する。従って，チャ
ネル層を半導体基板から電気的に完全に絶縁することが
困難であり，良好なトランジスタ特性が得られなかった
。

これに対し，半導体基板とチャネル層とを電気的に絶縁
するために，上記のような炭化珪素単結晶層間のρｎ接
合に代えて，半導体基板とチャネル層との間に，イオン
注入法で形成した高抵抗炭化珪素単結晶層を電気絶縁層
として用いることを先に特許出願した。このような構造
を有する炭化珪素半導体装置は５００℃付近の高温領域
まで素子特性が劣化しないという利点を有する。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら，炭化珪素弔結晶を用いて，特に絶縁ゲー
ト型電界効果トランジスタ　（ＭＯＳＦＥＴ）などを形
成する場合には，電気絶縁層上にチャネル層を形成した
後，該チャネル層にドレイン領域とソース領域とを設け
る必要がある。また，該チャネル層」二には，さらにゲ
ート絶縁膜を形成する必要がある。従って，製造工程を
簡略化するために」二記の電気絶縁層とチャネル層とを
単一の高抵抗炭化珪素単結晶層で構成することが考えら
れるがこの場合には，電気絶縁層およびチャネル層とし
て機能するのに充分な抵抗を有する炭化珪素１３，結晶
層の形成方法が問題となる。このような形成方法として
は，例えば上記の気相成長法により，炭化珪素単結晶層
を成長させる際に不純物を添加する方法や，予め成長さ
せた炭化珪素単結晶層に不純物を熱拡散させる方法など
がある。

しかしながら，気相成長の際に添加された炭化珪素単結
晶層中の不純物は，室温では全てがイオン化しているわ
けではなく，温度が上昇するにつれて，該炭化珪素単結
晶層中のキャリア濃度が−ヒ昇ずる。従って，該炭化珪
素単結晶層の抵抗率は，温度が上昇するにつれて低下す
る。また，不純物を添加しながら気相成長させると，炭
化珪素単結晶の成長層表面に多くの凹凸が発生する。従
って炭化珪素単結晶からなるチャネル層の表面の平坦性
が低下し，該チャネル層七に形成されるゲート絶縁膜の
特性に悪影響を及ぼすことになる。

他方，予め成長させた炭化珪素単結晶層に不純物を熱拡
散させて高抵抗層を形成する場合には炭化珪素中におけ
る不純物の拡敗定数が小さく，１，６００℃以−トの高
い拡散温度が必要である。従って，不純物濃度を制御す
ることが困難であり，しかも用いた半導体基板や炭化珪
素単結晶層が劣化するおそれがあるため，不純物熱拡散
法は炭化珪素半導体装置のプロセス技術として適当では
ない。

本発明は１二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，高温領域においても電気絶縁層
およびチャネル層として機能する高抵抗炭化珪素単結晶
層を有する炭化珪素半導体装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発ｌυｊは，電気絶縁層占チャ不ル層とを有ずる炭化
珪素半導体装置であって，該電気絶縁層およびチャネル
層が単一の高抵抗炭化珪素単結晶層から構成され，かつ
該高抵抗炭化珪素単結晶層が半導体基板上に成長させた
炭化珪素単結晶層に所定量のイオンを注入して，その表
面領域にイオン注入層を形成し，該イオン注入層を熱ア
ニール処理することにより形成され，そのことにより上
記１」的か達成される。

上記イオン注入層を形成する際には，イオン注入は１回
で行うこともできろし，複数回に分けて行うこともでき
る。この場合，注入条件を適切に調節することにより，
所定の不純物濃度および層厚を有ずるイオン注入層が得
られる。注入するイオンとしては，例えば，ホウ素（Ｂ
）イオン，アルミニウｌ、（Ａ１）イオン，ガリウム（
６ａ）イオンなどのＩ■族元素イオンが挙げられ，特に
ホウ素イオンが好ましい。

得られたイオン注入層は，次いで熱アニール処理が施さ
れる。熱アニール処理は，不活性ガス（例えば．　Ａｒ
ガス）雰囲気下，約ＬＯＯＧ〜１　３００℃の温度で行
われる。この熱アニール処理により−１一記イオン注入
層は活性化されて高い抵抗率を有するようになり，電気
絶縁層およびチャネル層として機能し得る高抵抗炭化珪
素単結晶層が形成される。

（実施例） 以下に本発明の実施例について説明する。

第１図（ａ．）は，本発明の炭化珪素半導体装置の例で
ある絶縁ゲート型電界効果トランシスタ（Ｍ口ＳＦＥＴ
）を示す，、該ＭＯＳＦＥＴは以下のようにして作製さ
れた。

まず，第１図（ト））に示すように，気相成長（［Ｖｌ
１）法により，Ｓ１単結晶基板１」二にノンドープ８１
（：単結晶層２を成長させた。次いで，イオン注入装置
を用いて，ノンドープＳｉＣ単結晶層２の表面領域にホ
ウ素イオン（”Ｂ“）を２回に分けて注入することによ
り，第１図（Ｃ）に示ずようなＢイメ゛ン注入層３を形
成した。なお，注入条件は，加速電圧かそれぞれ２　０
　０　ｋ　ｅ　ｖおよびＨ）Ｏｋｅｌ，Ｉであり，Ｂイ
オンの注入量がそれぞれｌ　ＸＩＯ”ｃｍ−２および５
　Ｘ　ｌ［］”ｃｍ−２であった。

そして，約１．，０００〜１，３００℃にて熱アニール
処理を行うことにより，Ｂイオン注入層３を活性化させ
２第１図（ｄ）に示すような高抵抗ＳｉＣ単結晶層（す
なわち，電気絶縁層およびチャネル層）４を形成した。

該高抵抗ＳｉＣ単結晶層４の抵抗率を測定したところ，
広い温度領域にわたって，抵抗率の低下はほよんど観察
されず，上記の高抵抗ＳｉＣ単結晶層４が電気絶縁層お
よびチャネル層として充分な性能を有することがわかっ
た。

続いて，　［’：Ｖｆｌ法またはプラズマＣＶＤ法によ
り，高抵抗ＳＩＣ単結晶層４上にＳｉｎ，膜を形成した
。次いで，ポトリソグラフィーを用いて．　Ｓｌ０２膜
の所定領域をエッチンクにより開口して，フィールド絶
縁膜５とした（第１図（Ｃ））。なお，エツチンクには
フッ化水素（１什）溶液を用いた。そして，イオン注入
装置を用い，フィールド絶縁膜５をマスクとして，高抵
抗Ｓ＋［単結晶層４の開ｉ−１１領域にリンイオン（３
１Ｐ”）を注入した。注入条件は，加速電圧力月００ｋ
ｅＶであり，Ｐイオンの注入量が３×１０１４ｃｍ−２
であった。次いで，約１，０００　〜１　２０［］　℃
にて熱アニール処理を行うことにより，Ｐイオン注入領
域を活性化させ，第１図（ｅ）に示すようなソース領域
６およびドレイン領域７を形成した。

さらに，ゲート領域に対応する部分のフィールド絶縁膜
５をエッチングにより除去した後，酸素雰囲気下，　１
，１００℃にて４時間熱酸化を行うことにより，ゲート
絶縁膜８を形成した。最後に．ンス領域６およひトレイ
ン領域７に対応ずる開１１部分と，ゲート領域に対応ず
る部分のゲート絶縁１Ｊ 膜８上とに，それぞれアルミニウム（八１）を真空蒸着
した後，ホトリソグラフィーを用いて．ソース電極９，
ドレイン電極１０，およびゲート電極ｌ１を形成するこ
とにより，第１図（ａ）に示すようなＭ０ＳＦＩＥＴを
得た。

このようにして得られたＭＯＳＦＥＴにおいては，高抵
抗ＳｉＣ単結晶層４は電気絶縁層としてだけでなくチャ
ネル層としても作用する。つまり，ゲート電極１１に電
圧を印加すると，高抵抗ＳｉＣ単結晶層４の表面にチャ
ネル領域が発生し，該チャネル領域を通じてソース領域
６とドレイン領域７との間に電流が流れ，ＦεＴ動作が
行われる。このＭＯＳＦεＴのトランジスタ特性につい
て調べたところ，第２図に示すような特性図が得られた
。

比較のために，Ｂイオン注入層３に代えて．ホウ素不純
物を添加しながら気相成長させた炭化珪素単結晶層を用
いること以外は上記の実施例と同様にして，　ＭＯＳＦ
ＢＴを作製した。得られたＭＯＳＦＩＥＴのトランジス
タ特性を第３図に示す。

第２図および第３図から明らかなように，本実施例のＭ
ＯＳＦＢＴでは，電気絶縁層およびチャネル層として，
Ｂイオンを注入した高抵抗ＳｉＣ単結晶層４が用いられ
ているため，ゲート絶縁膜８の特性が向上すると共に，
チャネル層のソース領域６およびドレイン領域７から８
１単結晶基板１へのリク電流が低減された。また，この
ような良好なトランジスタ特性は高温領域まで安定であ
った。

（発明の効果） 本発明によれば，電気絶縁層およびチャネル層として作
用する高抵抗炭化珪素単結晶層をイオン注入法で形成す
るため．高温領域まで素子特性が安定な炭化珪素半導体
装置が得られる。このような炭化珪素半導体装置は，特
に高温動作用の半導体装置として有用である。また，本
発明は，通常のイオン注入技術を利用しているた約，種
々の炭化珪素半導体装置（例えば，ゲート絶縁型電界効
果トランジスタなど）を工業的規模で生産することが可
能になる。

１　？ 例である絶縁ゲート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図は該電界効果トランジ
スタの素子特性を示す図，第３図は従来の方法で製造さ
れた絶縁ゲート型電界効果トランシスタの素子特性を示
す図である。

１・・・Ｓｉ単結晶基板，２・・ノンドープＳｉＣ単結
晶層，３・・Ｂイオン注入層，４・・・電気絶縁層およ
びチャネル層（高抵抗ＳｉＣ単結晶層），５・・フィル
ド絶縁膜，６・・・ソース領域，７・　ドレイン領域８
・・ゲート絶縁膜，９・・ソース電極，１０・・ドレイ
ン電極，１１・ゲート電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電気絶縁層とチャネル層とを有する炭化珪素半導体
   装置であって、 該電気絶縁層およびチャネル層が単一の高抵抗炭化珪素
   単結晶層から構成され、該高抵抗炭化珪素単結晶層が、
   半導体基板上に成長させた炭化珪素単結晶層に所定量の
   イオンを注入して、その表面領域にイオン注入層を形成
   し、該イオン注入層を熱アニール処理することにより形
   成される、炭化珪素半導体装置。