JPH0322526A - 炭化珪素半導体装置の製造方法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は，炭化珪素半導体装置の製造方法に関し．特に
イオン注入法により形威されたｐｎ接合を有する炭化珪
素半導体装置の製造方法に関する。

（従来の技術） 珪素（Ｓｉ）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，トランジスタ
，集積回路，大規模集積回路，発光ダイオード，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（２．２〜３．３ｅ
Ｖ）を有する半導体材料であって，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，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
し得る結晶戒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，その上に気相戒長法（
ＣＶＤ法）や液相エピタキシャル成長法（ＬＰＥ法）で
炭化珪素単結晶層をエビタキシャル或長させることによ
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，得られた単結晶の面
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い。

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上に，大きな面積を有す
る良質の炭化珪素単結晶を気相或長させる方法を提案し
た（特開昭５９−２０３７９９号）。

該方法において，炭化珪素を気相或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威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，これらの各種炭化珪素半導体装置においては，素
子形威領域を半導体基板から電気的に分離する方法とし
て＋ｐｎ接合が用いられてきた。ｐｎ接合を形威する方
法としては．例えば上記の気相戒長法において．炭化珪
素単結晶層を戒長させる際に適当な不純物を添加するこ
とにより，ｐ型層およびｎ型層を形成する方法や．気相
戒長法で得られたｐ型層（またはｎ型層）に不純物イオ
ンを注入することにより，その所定領域にｎ型層（また
はＰ型層）を形威する方法などがある。

しかしながら．このような方法では，　ｐｎ接合を構威
するｐ型層およびｎ型層中に多数の結晶欠陥が発生する
。また，ｐ型層およびｎ型層を階段的に形戒するのが困
難である。それゆえ．これらの方法で形威されたｐｎ接
合を有する半導体装置では該ｐｎ接合に逆バイアス電圧
を印加した場合に，リーク電流が発生する。従って，素
子形威領域を半導体基板から電気的に完全に分離するこ
とが困難であり，良好な素子特性が得られなかった。

本発明は上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，素子形成領域を半導体基板から電
気的に分離するのに充分な整流特性を持ったｐｎ接合を
有する炭化珪素半導体装置の製造方法を提供することに
ある。

（課題を解決するための手段） 本発明は，炭化珪素からなるｐ型層およびｎ型層で構威
される少なくとも１つのｐｎ接合を有する炭化珪素半導
体装置の製造方法であって，半導体基板の上方に炭化珪
素単結晶層を或長させる工程と，該炭化珪素単結晶層に
■族元素イオンを注入し，熱アニール処理を施すことに
より，該ｐ型層を形成する工程と，該炭化珪素単結晶層
に■族元素イオンを注入し，熱アニール処理を施すこと
により．該ｎ型層を形成する工程とを包含し，そのこと
により上記目的が達威される。

本発明の製造方法においては，　ｐｎ接合を構或するｐ
型層およびｎ型層は，いずれもイオン注入法により形威
される。まず，半導体基板の上方に炭化珪素単結晶層を
成長させ，続いて該炭化珪素単結晶層に所定の不純物イ
オンを注入することにより，イオン注入層を形成する。

この場合，注入条件を適切に調節することにより，所定
の不純物濃および層厚を有するイオン注入層が得られる
。ｐ型層を形成するための注入イオンとしては．ホウ素
（Ｂ）イオン．アルごニウム（ＡＩ）イオン，ガリウム
（Ｇａ）イオンなどの■族元素イオンが用いられる。ｎ
型層を形戒するための注入イオンとしては，窒素（Ｎ）
イオン．リン（Ｐ）イオン，ヒ素（Ａｓ）イオンなどの
■族元素イオンが用いられる。

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，八ｒガ
ス）雰囲気下，約１，０００　〜１，４００゜Ｃの温度
で行われる。この熱アニール処理により，上記イオン注
入層は活性化されて，ｐ型層またはｎ型層となる。

ｐｎ接合を構威するｐ型層およびｎ型層の形威順序は特
に重要ではない。例えば．半導体基板の上方に形威され
た炭化珪素単結晶層に■族元素イオン（またはＶ族元素
イオン）を注入し，続いて熱アニール処理を施すことな
く．Ｖ族元素イオン（または■族元素イオン）を注入し
．得られた両方のイオン注入層に熱アニール処理を施す
ことにより．ｐ型層およびｎ型層を一時に形威すること
ができる。あるいは，半導体基板の上方に形威された炭
化珪素単結晶層に■族元素イオン（またはＶ族元素イオ
ン）を注入し，熱アニール処理を施すことにより，まず
ｐ型層（またはｎ型層）を形威し，続いてこのＰ型層（
またはｎ型層）にＶ族元素イオン（または■族元素イオ
ン）を注入し，再度熱アニール処理を施すことにより，
ｎ型層（またはｐ型層）を段階的に形威することができ
る。

（作用） このように炭化珪素単結晶層に所定の不純物イオンを注
入することにより，ｐ型層およびｎ型層を階段的に形成
することができる。しかも．気相戒長法を用いた場合の
ように接合部分から結晶欠陥が発生することもない。こ
のようなｐ型層およびｎ型層から構威されるｐｎ接合は
，良好な整流特性を有しており．素子形成領域を半導体
基板から電気的に充分に分離することができる。従って
，本発明の製造方法により得られる各種の炭化珪素半導
体装置は良好な素子特性を有する。

（実施例） 以下に本発明の実施例について説明する。

夫旌班土 第１図（ａ）は，本発明の炭化珪素半導体装置の一実施
例であるｐｎ接合ダイオードを示す。このｐｎ接合ダイ
オードは以下のようにして作製された。

まず，第ｌ図（ｂ）に示すように，気相成長（ＣＶＯ）
法により，Ｓｉ単結晶基板ｌ上にノンドープＳｉＣ単結
晶層２を１　，　３５０℃で成長させた。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（Ｉｌｕ−）を注入し，続いてリ
ンイオン（：ｌｌｐ“）を注入することにより，第１図
（Ｃ）に示すようなＢイオン注入層３およびＰイオン注
入層４を形威した。なお，注入条件は，加速電圧がそれ
ぞれ２００　ｋｅＶおよび１００　ｋｅＶであり，Ｂイ
オンおよびＰイオンの注入量がそれぞれＩ　ＸＩＯ”ｃ
ｍ−２および３　ＸＩＯ”ｃ『２であった。

そして．約１，０００〜１　，　３００゜Ｃ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およびＰ
イオン注入層４を活性化させ．第１図（ｄ）に示すよう
なｐ型層５およびｎ型層６を形威した。

続いて，ｎ型層６上にアルミニウム（ＡＬ）を真空蒸着
した後．ホトリソグラフィーを用いて，所定領域に＾ｌ
蒸着膜７を形威した。このＡＩ蒸着膜７をマスクとして
反応性イオンエッチング（ＲＩＩＥ　）により，ｎ型層
６と，ｐ型層５の表面部分とをエッチングして，第１図
（ｅ）に示すようなメザ構造を形成した。そして，　Ａ
Ｉ蒸着膜７はエッチングにより除去した。なお，エッチ
ング６こはリン酸（Ｈ３ＰＯ４）溶液を用いた。最後に
．ｐ型層５およびｎ型層６上に，それぞれアルミニウム
（ＡＩ）を真空蒸着した後，ホトリソグラフィーを用い
てパクーニングを行ない，、ｐ側電極８およびｎ側電極
９を形成することにより，第１図（ａ）に示すようなｐ
ｎ接合ダイオードを得た。

比較のために，Ｂイオン注入層３およびＰイオン注入Ｎ
４に代えて，それぞれホウ素不純物およびリン不純物を
添加しながら気相戒長させた炭化珪素単結晶層を用いて
ｐｎ接合を形威すること以外は上記の実施例と同様にし
て，従来のｐｎ接合ダイオードを作製した。

このようにして得られた本実施例のｐｎ接合ダイオード
および従来のｐｎ接合ダイオードを．電流一電圧特性に
ついて調べた。その結果をそれぞれ第２図および第３図
に示す。なお，実線は室温における電流−電圧特性を示
し，点線は３００゜Ｃにおける電流一電圧特性を示す。

これらの図から明らかなように．本実施例のｐｎ接合ダ
イオードでは，Ｂｑ ｌ０ イオンを注入したｐ型層と．Ｐイオンを注入したｎ型層
とからｐｎ接合が形成されているので，従来のｐｎ接合
ダイオードに比べてリーク電流が大幅に低減され，特に
高′ａ領域まで安定な整流特性が得られた。

裏施脳Ｌ 第４図（ａ）は，本発明の炭化珪素半導体装置の他の実
施例である絶縁ゲート型電界効果トランジスタ（ＭＯＳ
ＦＥＴ）を示す。このＭＯＳＦＥＴは以下のようにして
作製された。

まず．第４図（ｂ）に示すように，気相成長（ＣＶＤ）
法により，Ｓｉ単結晶基板ｌｌ上にノンドープＳｉＣ単
結晶層１２を１　，　３５０゜Ｃで戒長させた。次いで
，イオン注入装置を用いて，ノンドープＳｉＣ単結晶層
１２の表面領域にアルミニウムイオン（Ｚ７ＡＩ−）を
注入することにより．第４図（Ｃ）に示すようなＡＩイ
オン注入層ｌ３を形威した。なお，注入条件は．加速電
圧が２００　ｋｅＶであり，　ＡＩイオンの注入量がそ
れぞれＩ　ＸＩＯＩ５ｃｎｒ２テあッタ。

そして，　１，３００゜Ｃにて熱アニール処理を行うこ
？により．旧イオン注入層１３を活性化させ，第４図（
ｄ）に示すようなｐ型層１４を形成した。

続いて．ＣｖＤ法またはプラズマＣＶＤ法により，ｐ型
層１４上にＳｉＯｚ膜を形威した。次いで，ホトリソグ
ラフィーを用いて，　ＳｉＯ■膜の所定領域をエッチン
グにより開口して，フィールド絶縁膜１５とした（第４
図（ｅ））。なお，エッチングにはフソ化水素（ＨＦ）
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１５をマスクとして，ｐ型層１４の開口領域
に窒素イオン（”Ｎ”）を注入した。注入条件は，加速
電圧が５０ｋｅＶであり，Ｎイオンの注入量が３Ｘ１０
”ｃｍ〜２であった。次いで，約１　，　０００〜１　
，　２００゜Ｃにて熱アニール処理を行うことにより．
Ｎイオン注入領域を活性化させ　第４図（ｅ）に示すよ
うなｎ型層からなるソース領域ｌ６およびドレイン領域
ｌ７を形威した。

さらに，ゲート領域に対応する部分のフィールド絶縁膜
ｌ５をエッチングにより除去した後，酸素雰囲気下，　
１，１００゜Ｃにて４時間熱酸化を行うことにより．ゲ
ート絶縁膜ｌ８を形威した。最後に．ソ１ｌ ｌ２ ース領域１６およびドレイン領域１７に対応する開口部
分と，ゲート領域に対応する部分のゲート絶縁膜ｌ８上
とに，それぞれアルくニウム（ＡＩ）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１９，ドレ
イン電極２０，およびゲート電極２ｌを形成することよ
り，第４図（ａ）に示すようなＭＯＳＦＥＴを得た。

比較のために，　ＡＩイオン注入層ｌ３に代えて，アル
旦ニウム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
，従来のＭＯＳＦＥＴを作製した。

このようにして得られた本実施例のＭＯＳＦＥＴおよび
従来のＭＯＳＦＥＴを，トランジスタ特性（ドレイン電
流一ドレイン電圧特性）について調べた。その結果をそ
れぞれ第５図および第６図に示す。これらの図から明ら
かなように，本実施例のＭＯＳＦＥＴでは，　ＡＩイオ
ンを注入したｐ型層と，Ｎイオンを注入したｎ型層とか
らｐｎ接合が形威されているので，従来のＭＯＳＰＥＴ
に比べてリーク電流が大幅に低減され，ドレイン電流の
良好な飽和を示すトランジス夕特性が得られた。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＋　ｐｎ接合を構成するｐ型層およびｎ
型層をイオン注入法で形威するため．素子形成領域が半
導体基板から電気的に充分に分離され，良好な素子特性
を有する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各種の用途が考えられるが．素子特
性が高温領域まで安定であるので，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め，種々の炭化珪素半導
体装置（例えば，　ｐｎ接合ダイオードやゲート絶縁型
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。

４．゛　の　　なｉ゛日 第１図（ａ）〜（ｅ）は本発明の炭化珪素半導体装置の
一実施例であるｐｎ接合ダイオードの製造工程を説明す
るための断面図，第２図は該ｐｎ接合ダイオードの整流
特性を示す図．第３図は従来の方法で製ｌ３ １４ 造されたｐｎ接合ダイオードの整流特性を示す図第４図
（ａ）〜（ｅ）は本発明の他の実施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５図は該絶縁ゲート型電界効果トランジスタの
素子特性を示す図，第６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ジスタの素子特性を示す図で
ある。

１．１１・・・Ｓｉ単結晶基板，２．１２・・・ノンド
ープＳｉＣ単結晶層，３・・・Ｂイオン注入層，４・・
・Ｐイオン注入層，５．１４・・・ｐ型層，６・・・ｎ
型層，７・・・ＡＩ蒸着膜，８・・・ｐ側電極，９・・
・ｎ側電極，１３・・・ＡＩイオン注入層．１５・・・
フィールド絶縁膜，　１６・・・ソース領域（ｎ型層）
，１７・・・ドレイン領域（ｎ型層）．１８・・・ゲー
ト絶縁膜，１９・・・ソース電極，　２０・・・ドレイ
ン電極，２１・・・ゲート電極。

以上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、炭化珪素からなるｐ型層およびｎ型層で構成される
   少なくとも１つのｐｎ接合を有する炭化珪素半導体装置
   の製造方法であって、 半導体基板の上方に炭化珪素単結晶層を成長させる工程
   と、 該炭化珪素単結晶層にIII族元素イオンを注入し、熱ア
   ニール処理を施すことにより、該ｐ型層を形成する工程
   と、 該炭化珪素単結晶層にＶ族元素イオンを注入し、熱アニ
   ール処理を施すことにより、該ｎ型層を形成する工程と
   、 を包含する炭化珪素半導体装置の製造方法。