JPH01196873A - 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】 （技術分野） 本発明は炭化珪素半導体装置に関するものである。

（従来の技術） 珪素（Ｓｔ）半導体を初めとして、砒化ガリウム（Ｇａ
Ａｓ）やリン化ガリウム（ＧａＰ）等の化合物半導体材
料を用いたダイオード、トランジスタ、ＩＣ１ＬＳＩ、
発光ダイオード、半導体レーザ、ＣＣＤ等の半導体装置
がエレクトロニクスの各種分野で広く実用に供せられて
いる。一方、炭化珪素半導体はこれらの半導体材料に比
べて禁制帯幅が広く（２，２〜３．３ｅＶ）、また熱的
、化学的及び機械的に極めて安定で、放射線損傷にも強
いという特徴をもっている。従って、炭化珪素を用いた
半導体装置は他の半導体材料を用いた装置では使用困難
な高温、大電力、放射線照射等の苛酷な条件でも使用す
ることができ、高い信頬性と安定性を呈する装置として
広範な分野での応用が期待されている。

このように炭化珪素半導体装置は広範な応用分野が期待
されながら未だ実用化が阻まれている原因は、生産性を
考慮した工業的規模での量産に必要となる高品質で大面
積の炭化珪素単結晶を得るための結晶成長技術の確立が
遅れていることにある。従来、研究室規模で、昇華再結
晶法（レーリー法とも称される）等により成長させた炭
化珪素単結晶を用いて、あるいはこの単結晶上に気相成
長法や液相成長法でエピタキシャル成長させた炭化珪素
単結晶膜を用いてダイオードやＩ−ランジスタの製作が
試みられている。

この技術はＲ，Ｂ、Ｃａｍｐｂｅｌｌ　ａｎｄ　Ｉｔ、
　−Ｃ，Ｃｈａｎｇ＋“５ｉｌｉｃｏｎ　Ｃａｒｂｉｄ
ｅ　Ｊｕｎｃｔｉｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅｓ”、　　ｉｎ”
Ｓｅｍ１ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ　ａｎｄ　Ｓｅｍｉｍｅ
ｔａｌｓ”、　　ｅｄｓ、　　Ｒ，Ｋ。

Ｗｉｌｌａｒｄｓｏｎ　ａｎｄ　Ａ、Ｃ，Ｂｅｅｒ　　
（Ａｃａｄｅｍｉｃ　Ｐｒｅｓｓ、ＮｅｗＹｏｒｋ、　
　１９７１）、　　ｖｏｌ　７　、　　Ｐａ５ｔ　Ｂ　
Ｃｈａｐ　９．Ｐ６２５〜Ｐ６８３に記載されている。

しかしながら、上記方法では炭化珪素単結晶は小面積の
ものしか得られず、また該炭化珪素単結晶の寸法、形状
を制御することが困難であり、炭化珪素結晶に存在する
結晶多形の制御及び不純物濃度の制御も容易でなく、従
ってこのようにして製造された炭化珪素単結晶を用い、
工業的規模で半導体装置を製造することはできない。

最近、本発明者らは、気相成長法（ＣＶＤ法）を用いる
ことによって、珪素単結晶基板上に良質で、且つ大面積
の炭化珪素単結晶を成長させる方法を確立し、特願昭５
８−７６８４２号にて出願している。

この方法は珪素単結晶基板上に低温ＣＶＤ法で炭化珪素
薄膜を形成した後、昇温しでＣＶＤ法で炭化珪素単結晶
を成長させる技術である。この方法によれば、安価で人
手の容易な珪素単結晶基板を用いて結晶多形、不純物濃
度、寸法、形状等が制御された大面積で高品質の炭化珪
素単結晶膜を供給することができるとともに、この方法
は量産形態にも適し、高い生産性が期待される製造方法
である。さらに、上記発明により可能となった珪素基板
上の炭化珪素膜を用いてダイオード、トランジスタを初
めとする各種半導体装置を製作する方法についても特許
出願がなされている（特願昭５８−２４６５１１号、同
５８−２４９９８１号、同５８−２５２１５７号）。

従来、炭化珪素を用いた電界効果トランジスタとしては
、第４図（ａ）　（ｂ）に示すように、ＭｒＳ型電界効
果トランジスタやショットキーゲート型電界効果トラン
ジスタ等が作製されている。

、第４図（ａ）に示す旧Ｓ型電界効果トランジスタは、
ｐ型珪素単結晶基板３１の表面に形成されたｎ型炭化珪
素成長層３２及びｎ型炭化珪素成長層３３（チャネル層
）と、該炭化珪素成長層３３の表面に形成された絶縁層
３４及びゲート電極３８と、該ゲート電挽３８を挾んで
炭化珪素成長層３３の表面に形成されたｎ型不純物注入
層３５及びドレイン電極３７と、ｎ型不純物注入層３９
及びソース電極３６とを有している。

また、第４図（ｂ）に示すショットキーゲート型電界効
果トランジスタは、ｎ型珪素単結晶基板４１の表面に形
成されたＰ型炭化珪素成長層４２及びｎ型炭化珪素成長
層４３（チャネル層）と、該ｎ型炭化珪素成長Ｎ４３の
表面に形成されたゲート電極４８と、該ゲート電極４８
を挾んでｎ型炭化珪素成長層４３の表面に形成されたド
レイン電極４７及びソース電極４６とを有している。

上記のような構造の電界効果トランジスタは、ともにゲ
ート電極３８．４８に印加する電圧を変えてチャネル層
３３．４３内に広がる空乏層幅を変えることにより、ソ
ース電極３６．４６−ドレイン電極３７．４７間に流れ
る電流を制御することができる。

（発明が解決しようとする課題） ところが、このような従来構造の電界効果トランジスタ
はプレーナ構造であり、次のような問題を有していた。

■いずれの構造の電界効果トランジスタにおいても、チ
ャネル層３３．４３と、珪素基板３１．４１との電気的
絶縁分離は、炭化珪素成長層中に形成されたｐｎ接合に
よってなされている。ところが、現在の結晶成長技術に
よって得られる上記炭化珪素ｐ’ｎ接合は、高温などの
苛酷な条件では充分な整流性を示さず、このような苛酷
な条件では珪素基板３１．４１あるいは下部炭化珪素成
長層３２．４２を流れるリーク電流が大きくなる。

■トランジスタを大電流、大出力の条件で使用するには
、複数個の素子を並列に接続することが望ましい。しか
し、従来のプレーナ構造の電界効果トランジスタでは、
そのような構造にすると構造が複雑となるため、複数個
の素子を並列に接続することができない。

（課題を解決するための手段） 本発明は上述の実情に鑑みてなされたものであり、その
目的とするところは、高温、大電力等の苛酷な条件にお
いても良好な特性を示し、また構造が複雑化することな
く複数個の素子を並列に接続することが可能な炭化珪素
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） 本発明の炭化珪素半導体装置は、基板の一方の面に設け
られた炭化珪素半導体層と、該炭化珪素半導体層の表面
に設けられた第１の電極と、該基板の他方の面に設けら
れた第２の電極と、該炭化珪素半導体層の側面上に設け
られた第３の電極とを備えており、そのごとにより上記
目的が達成される。

（作用） 基板の一方の面に設けた炭化珪素半導体層の表面に第１
の電極を設けると共に、基板の他方の面に第２の電極を
設けて、電流が炭化珪素半導体層の膜厚方向を流れるよ
うに構成し、該炭化珪素半導体層の側面上に設けられた
第３の電極に印加する電圧によって、前記電流を制御す
るように構成することにより、電流はこの炭化珪素半導
体にて形成されるチャネル層だけを流れることになり、
リーク電流を生じることがない。また、複数の素子を基
板に並列に設け、該基板の片側面を共通の電極として使
用できるので、素子構造を複雑化することなく複数個の
素子を並列に接続することがで、きる。

（実施例） 以下に本発明の一実施例として、珪素基板上に成長させ
た炭化珪素半導体を用いた縦型電界効果トランジスタの
構成と、その製造方法を説明する。

珪素基板上に炭化珪素単結晶膜を形成する方法について
は、前述の方法のいずれかを採用することができる。ま
た、珪素基板上に部分的に炭化珪素を形成するには選択
成長技術を用いても良いし、または珪素基板全面に炭化
珪素単結晶膜を形成した後、炭化珪素単結晶膜を選択的
にエツチング除去しても良い。

上記選択成長技術は、珪素基板上にシリコン酸化膜ある
いはシリコン窒化膜を部分的に形成し、次にその表面全
面に炭化珪素を形成した後、前記シリコン酸化膜あるい
はシリコン窒化膜を剥離し、この膜の剥離と同時に膜表
面の炭化珪素も剥離させることにより、珪素基板上に炭
化珪素を部分的に形成する技術である。

ズ緊ｌ飢上 縦型炭化珪素旧Ｓ型電界効果トランジスタこの縦型炭化
珪素旧Ｓ型電界効果トランジスタは以下のようにして作
製される。

第２図（ａ）に示すように、ｎ型珪素単結晶基板ｌの表
面の一部に、炭化珪素単結晶からなる炭化珪素成長層２
をモノシラン（Ｓｉｌ１４）とプロパン（Ｃ，Ｈ，）を
用いた化学的気相成長法（ＣＶＤ）法を用いて厚さ約５
μｍ形成する。この炭化珪素成長層２は不純物を添加し
ないで形成し、形成された成長層２の導電型はｎ型を示
す。次いで、その炭化珪素成長層２の表面の一部にアル
ミニウム層３を円形状（直径約２μｍ）に真空蒸着する
（第２図（ｂ）及び山））。

次に、このアルミニウム層３をマスクとして、リアクテ
ィブイオンエツチングを行うことにより、第２図（Ｃ）
に示すようなメサ構造の炭化珪素成長層２を得る。次に
、該成長層２の表面に形成されたアルミニウム層３をエ
ツチング除去した後、このものを酸素雰囲気中で１０５
０°Ｃ１６時間、熱処理することにより、炭化珪素成長
層２及び珪素基板１表面上に絶縁用熱酸化膜（ＳｉＯ□
）４を形成する。

炭化珪素成長層２の表面に形成された酸化膜４の膜厚は
約５０ｎｍである（第２図（ｄ））。次いで、炭化珪素
成長層２表面に形成されている酸化膜４をフォトリソグ
ラフィを用いることによってエツチング除去すると共に
、フォトレジスト５を第２図（ｅ）に示すように、珪素
基板１表面の酸化膜４の表面及び炭化珪素成長層２の突
出端面２ａの周囲とその炭化珪素成長層２の突出端部の
角部表面に形成された酸化膜４との間に亘ってそれぞれ
形成する。

次に、このような積層体の表面全面にチタン−アルミニ
ウムａを真空蒸着しく第２図（ｆ））　、その後フォト
レジスト５を除去する。フォトレジスト５０表面に形成
されたチタン−アルミニウム膜はフォトレジスト５の除
去と同時に除去され、炭化珪素成長層２の突出端面にソ
ース電極６及び成長層２の側面上にゲート電極８が形成
される。その後、珪素基板全面面にオーミック電極とし
てニッケルを真空蒸着してドレイン電極７を形成し、第
１図（ａ）及び第２図（ｇ）に示す構成の炭化珪素半導
体装置を得る。

このようにして作製された炭化珪素半導体装置は、珪素
基板１裏面に形成されたニッケル膜をドレイン電極７と
して用い、またメサ構造の炭化珪素成長層２の突出端面
に形成されたチタン−アルミニウム膜をソース電極６と
して用い、このソース電極６及びドレイン電極７間に流
れる電流を上記ゲート電極８に印加する電圧を変えて炭
化珪素成長Ｎ２内に広がる空乏層９幅を変化させること
により制御し得る電界効果トランジスタである。

なお、上記実施例において、絶縁膜（熱酸化膜ＳｉＯ□
）４は炭化珪素成長層２及び珪素基板１を熱処理するこ
とにより形成したが、この絶縁膜４はスパッタリング、
ＣＶＤ法等の他の方法により、炭化珪素成長層２及び珪
素基板１表面に直接形成しても良い。

尖施炎又 縦型炭化珪素ショットキーゲート型電界効果トランジス
タ この縦型炭化珪素ショットキーゲート型電界効果トラン
ジスタは以下のようにして作製される。

第３図（ａ）に示すように、ｎ型珪素Ｉ′ｎ結晶基板１
１の表面に、モノシラン（Ｓ　ｉ　ＩＩ　ａ　）とプロ
パン（ｃ　：ｌ　ＩＩ　８　）を用いた化学的気相成長
法（ＣＶＤ）法により、窒素ドナーを用いたｎ゛型炭化
珪素成長層Ｌ２ａを厚さ０．１　μｍ成長させる。次い
で、成長層１２ａの表面に不純物を添加しないでＣＶＤ
法によりｎ型炭化珪素成長層１２ｂを厚さ５μｍ成長さ
せ、さらにその表面に窒素ドナーを用いたｎ°型型化化
珪素成長層１２ｃ厚さ０．１　μｍ成長させる。次に、
第３図（ｂ）に示すように、上記成長層付基板表面のｎ
゛型型化化珪素成長層１２ｃ表面にアルミニウムを円形
状（直径３μｍ）に真空蒸着して複数個のアルミニウム
膜１３を形成する。次に、それらのアルミニウム膜１３
をマスクとして、リアクティブイオンエツチングを行う
ことにより、第３図（Ｃ）に示すようなメサ構造の炭化
珪素成長層１２　（１２ａ　、１２ｂ　、１２ｃ）を得
る。次に、この炭化珪素成長層１２上のアルミニウム膜
１３をエンチング除去した後、この積層体を酸素雰囲気
中で１０５０°Ｃ１６時間の熱処理を行うことにより、
炭化珪素成長層１２の表面に絶縁用熱酸化膜（ＳｉＯ□
）１４を形成する（第３図（ｄ））。次いで、炭化珪素
成長層１２の突出端面に形成された酸化膜１４のみを除
去し、そこにオーミック電極として、ニッケルを真空蒸
着してソース電極１６を形成する　（第３図（ｅ））。

次に、炭化珪素成長層１２側面の酸化膜１４を除去し、
次いでフォトレジスト１５を第３図（ｆ）に示すように
ソース電極１６から炭化珪素成長層１２の側面の上端部
に亘って、それらを覆うように形成する。次いで、その
積層体の表面全面に白金を真空蒸着して白金膜１８を形
成した後、前記フォトレジスト１５及びフォトレジスト
１５表面の白金膜１８を除去する。その後、珪素基板１
裏面にニッケルを真空蒸着することによりオーミック電
極としてドレイン電極１７を形成し、第１図（ｂ）及び
第３図（８）に示す構造の炭化珪素半導体装置が得られ
る。

上記のようにして得られた炭化珪素半導体装置も実施例
１と同様に、珪素基板１１裏面に形成されたニッケル膜
及びメサ構造の炭化珪素成長層１２上部に形成されたニ
ッケル膜をそれぞれドレイン電極１７及びソース電極１
６として用い、ソース・ドレイン電極１６．１７間に流
れる電流を、炭化珪素成長層１２とショットキー接合を
形成している白金ゲート電極１８に印加する電圧を変え
ることにより、炭化珪素成長層Ｉ２内に広がる空乏層１
９幅を変化させて制御し得る縦型ショットキーゲート型
電界効果１〜ランジスタである。

しかも、本実施例に示した作製工程によれば、上記のよ
うに基板１１に並列に配置される各複数個の素子に対し
て、珪素基板１１表面に形成したニッケル膜１７がドレ
イン電極として共通に使用され、また各素子に形成した
白金ゲート電極１８が連続しているので、各素子のソー
ス電極１６を結ぶことによって容易に複数個の素子を並
列に接続することができる。

なお、上記実施例において、ショットキーゲート用電極
材料として、白金を用いたが、該電極材料は金（Ａｕ）
等の炭化珪素とショットキー接合を形成し得る他の材料
を用いても良い。

以上の実施例１及び２で作製された電界効果トランジス
タは、室温においても従来のプレーナ型トランジスタに
比べて以下のような良好な特性を示した。

従来のトランジスタの相互コンダクタンスの値は、プレ
ーナ構造のＭＩＳ型電界効果トランジスタ（第４図（ａ
）に示した）で０．８ｍＳ／ｍｍ、ショットキーゲート
型電界効果トランジスタ　（第４図（ｂ）に示した）で
１．７ｍＳ／ｍｍであった。ところが、本発明の縦型の
場合では、相互コンダクタンスの値は、旧Ｓ型電界効果
トランジスタ　（第１図（ａ）に示した）で２ｍＳ／ｍ
ｍ、ショットキーゲート型電界効果トランジスタ　（第
１図（ｂ）に示した）で２．５ｍＳ／ｍｍであった。

また、本発明のトランジスタは、４００°Ｃの高温にお
いても特性劣化が少なかった。つまり、４００　’Ｃに
おける相互コンダクタンスの値は、従来のプレーナ構造
の旧Ｓ型電界効果トランジスタで０．０５ｍ５／ｎｕｎ
、ショットキーゲート型電界効果トランジスタで０．１
５ｍ５／ｍｍまで特性が低下する。ところが、本発明の
縦型の場合、４００°Ｃにおける相互コンダクタンスの
値は、旧Ｓ型電界効果トランジスタで１．５ｍｓ／ｍｍ
　、ショットキーゲート型電界効果トランジスタで２．
３ｍＳ／ｍｍであった。また、実施例２による並列接続
素子において、大電流動作が可能なことも確認された。

（発明の効果） このように本発明によれば、高温、大電力等の苛酷な条
件でもリーク電流を生じることのない傍れた特性の炭化
珪素半導体装置を得ることができる。しかも、珪素基板
を共通の電極として使用することができるので、複数個
の素子を並列に接続することも可能となる。従って、従
来の半導体装置では使用不可能であった、大電力、大出
力の条件で使用することができる構造の簡単な炭化珪素
半導体装置を提供することができる。

↓−皿■匁遍厘笈疲労 第１図は本発明による縦型炭化珪素電界効果トランジス
タの一実施例を示し、第１図（ａ）は旧Ｓ型電界効果ト
ランジスタの断面図、第１図（ｂ）はショットキーゲー
ト型電界効果トランジスタの断面図、第２図（ａ）〜（
（至）は本発明による旧Ｓ型の縦型炭化珪素電界効果ト
ランジスタの作製工程の一実施例を示す断面図、第２図
（ｈ）は第２図（ｂ）の平面図、第３図（ａ）〜（（イ
）は本発明によるショットキーゲート型の縦型炭化珪素
電界効果トランジスタの作製工程の一実施例を示す断面
図、第４図（ａ）は従来の旧Ｓ型の電界効果トランジス
タの断面図、第４図（ｂ）は従来のショットキーゲート
型の電界効果トランジスタの断面図である。

１、１１・・・珪素基板、２．１２・・・炭化珪素成長
層、６．１６・・・ソース電極（第１の電極）、７．１
７・・・ドレイン電極（第２の電極）、８．１８・・・
ゲート電極（第３の電極）。

以上

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、基板の一方の面に設けられた炭化珪素半導体層と、
   該炭化珪素半導体層の表面に設けられた第１の電極と、
   該基板の他方の面に設けられた第２の電極と、該炭化珪
   素半導体層の側面上に設けられた第３の電極とを備えた
   炭化珪素半導体装置。