JP7442428B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本明細書に開示の技術は、半導体装置の製造方法に関する。

特許文献１には、酸化ガリウムにより構成された半導体基板にＭｇ等のイオンを注入する技術が開示されている。これによって、ｎ型キャリア濃度が低い半導体層が形成される。

特開２０１８－１３７３９３号公報

特許文献１のように、酸化ガリウムにより構成された半導体基板にＭｇ等の２族元素をイオン注入することで、酸化ガリウム中のキャリア濃度を制御することができる。例えば、酸化ガリウム基板に２族元素をイオン注入することで、ｎ型キャリア濃度が低い半導体層を形成したり、ｐ型の半導体層を形成することができる。この種の技術では、イオン注入を実施した後に半導体基板が熱処理される。熱処理によって、半導体基板中に注入された元素が活性化する。また、熱処理によって、半導体基板中に注入された元素が半導体基板中で拡散する。従来は、酸化ガリウムにより構成された半導体基板に２族元素を注入した場合に、注入された元素の拡散領域の厚みを制御することが困難であった。したがって、元素が拡散しすぎて拡散領域の厚みが過剰に厚くなる場合や、元素の拡散が不十分で拡散領域の厚みが過剰に薄くなる場合があった。本明細書では、酸化ガリウムにより構成された半導体基板に２族元素をイオン注入する技術において、元素の拡散領域の厚みを正確に制御する技術を提案する。

本明細書が開示する半導体装置の製造方法は、半導体基板を準備する工程と、イオン注入工程と、拡散領域を形成する工程を有する。半導体基板を準備する前記工程では、Ｓｎ（すなわち、錫）を含む酸化ガリウムにより構成された第１半導体層と、前記第１半導体層上に配置されているとともに前記第１半導体層よりもＳｎの含有濃度が低いｎ型の酸化ガリウムにより構成された第２半導体層とを有する半導体基板を準備する。前記イオン注入工程では、前記第２半導体層に２族元素をイオン注入する。拡散領域を形成する前記工程では、前記イオン注入工程後に前記半導体基板を熱処理することによって、前記第２半導体層の表面から前記第２半導体層と前記第１半導体層の界面までの範囲に前記２族元素が拡散した拡散領域を形成する。

実験により、Ｓｎの含有濃度が高い酸化ガリウム中では、２族元素の拡散が抑制されることが判明した。上記半導体基板では、Ｓｎの含有濃度が高い酸化ガリウムにより第１半導体層が構成されており、Ｓｎの含有濃度が低い酸化ガリウムにより第２半導体層が構成されている。イオン注入工程ではＳｎの含有濃度が低い酸化ガリウムにより構成された第２半導体層に２族元素をイオン注入し、その後に半導体基板を熱処理して拡散領域を形成する。熱処理中に、第２半導体層に注入された２族元素は、Ｓｎの含有濃度が低い第２半導体層中では容易に拡散する。したがって、第２半導体層の表面から第２半導体層と第１半導体層の界面までの範囲に２族元素が拡散した拡散領域を形成することができる。第１半導体層中のＳｎの含有濃度が高いので、第２半導体層と第１半導体層の界面まで拡散した２族元素がそれ以上第１半導体層に拡散することが抑制される。したがって、元素の拡散領域の厚みを、第２半導体層の表面から第２半導体層と第１半導体層の界面までの厚みと略同じ厚みに正確に制御することができる。

半導体基板１２の断面図。 イオン注入工程の説明図。 図２、４のＩＩＩ－ＩＩＩ線の位置におけるＭｇ濃度を例示するグラフ。 熱処理工程後の半導体基板１２の断面図。 電極形成後の半導体基板１２の断面図。

本明細書が開示する技術要素を、以下に列記する。なお、以下の各技術要素は、それぞれ独立して有用なものである。

本明細書が開示する一例の製造方法では、前記第１半導体層におけるＳｎの濃度が１×１０^１７／ｃｍ^３以上であってもよい。

このように、第１半導体層におけるＳｎの濃度を１×１０^１７／ｃｍ^３以上とすることで、第１半導体層中における２族元素の拡散をより効果的に抑制できる。

本明細書が開示する一例の製造方法は、前記第２半導体層の表面に、前記拡散領域外の領域の表面から前記拡散領域の表面に至る範囲を覆い、端部が前記拡散領域上に配置されており、前記拡散領域外の前記領域にショットキー接触するショットキー電極を形成する工程をさらに有していてもよい。

この構成によれば、ショットキー電極の端部周辺における電界集中を抑制することができる。

実施形態の製造方法では、まず、図１に示す半導体基板１２を準備する。半導体基板１２から半導体装置が製造される。半導体基板１２は、β型の酸化ガリウム（すなわち、β－Ｇａ_２Ｏ_３）により構成されている。半導体基板１２は、Ｓｎドープ層１４とドリフト層１６を有している。

Ｓｎドープ層１４は、Ｓｎがドープされたβ－Ｇａ_２Ｏ_３の単結晶により構成されている。Ｓｎドープ層１４の上面１４ａは、（００１）面とすることができる。Ｓｎドープ層１４の厚みは、約４００μｍとすることができる。Ｓｎドープ層１４内のＳｎの濃度は、１×１０^１７ｃｍ^－３以上とすることができる。Ｓｎは、酸化ガリウム中でドナーとして機能する。したがって、Ｓｎドープ層１４はｎ型層である。Ｓｎドープ層１４のｎ型キャリア濃度は、１×１０^１７ｃｍ^－３以上とすることができる。

ドリフト層１６は、Ｓｎドープ層１４上に配置されており、Ｓｎドープ層１４の上面１４ａに接している。すなわち、上面１４ａは、ドリフト層１６とＳｎドープ層１４の界面である。ドリフト層１６は、Ｓｉ（珪素）がドープされたβ－Ｇａ_２Ｏ_３の単結晶により構成されている。ドリフト層１６の上面１６ａは、（００１）面とすることができる。ドリフト層１６の厚みは、１μｍ以上とすることができ、例えば、約５μｍとすることができる。ドリフト層１６内のＳｉの濃度は、例えば、約２×１０^１６ｃｍ^－３とすることができる。Ｓｉは、酸化ガリウム中でドナーとして機能する。ドリフト層１６は、Ｓｎドープ層１４よりも低いｎ型キャリア濃度（例えば、約２×１０^１６ｃｍ^－３のキャリア濃度）を有するｎ型層である。ドリフト層１６内のＳｎの濃度は、Ｓｎドープ層１４内のＳｎの濃度よりも低い。例えば、ドリフト層１６内のＳｎの濃度を、１×１０^１７ｃｍ^－３未満とすることができる。ドリフト層１６は、実質的にＳｎを含まなくてもよいし、低濃度にＳｎを含んでいてもよい。ドリフト層１６は、エピタキシャル成長によって形成することができる。または、Ｓｎドープ層１４上にドリフト層１６が既に形成されている半導体基板１２を購入してもよい。

半導体基板１２を準備したら、図２に示すように、ドリフト層１６の上面１６ａにフォトリソグラフィによってレジスト５０を形成する。ここでは、開口部５２を有するレジスト５０を形成する。開口部５２内において、ドリフト層１６の上面１６ａが露出している。レジスト５０を形成したら、レジスト５０を介してドリフト層１６に２族元素をイオン注入する。２族元素として、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）のうちの少なくとも１つをイオン注入することができる。レジスト５０が存在する範囲では、レジスト５０がドリフト層１６への２族元素の注入を防止する。したがって、２族元素は、開口部５２内でドリフト層１６に注入される。ここでは、ドリフト層１６の上面１６ａ近傍の浅い位置に２族元素を注入する。イオン注入後に、レジスト５０を除去する。

図３は、２族元素としてＭｇをドリフト層１６に注入した場合のＭｇの濃度の分布を示している。図３は、図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線の位置（すなわち、開口部５２の下部の半導体基板１２内）における濃度分布を示している。図３は、注入エネルギーを１４０ｋｅＶとし、ドーズ量を５×１０^１４ｃｍ^－２としてＭｇをイオン注入した場合の濃度分布を示している。図３のグラフＡはイオン注入の直後（すなわち、後述する熱処理工程の前）における濃度分布を示しており、図３のグラフＢは熱処理工程の後における濃度分布を示している。グラフＡに示すように、イオン注入の直後においては、注入されたＭｇの大部分がドリフト層１６の上面１６ａの近傍の深さ範囲（すなわち、深さ１μｍ以下の範囲）に存在しており、特に深さ０．１～０．３μｍの深さ範囲でＭｇの濃度が高い。深さが１μｍよりも深い範囲では、Ｍｇの濃度は低い。深さが１μｍよりも深い範囲では、Ｍｇの濃度は、検出下限値である１×１０^１５ｃｍ^－３前後である。

次に、半導体基板１２を熱処理する。例えば、半導体基板１２を５００℃以上の温度で熱処理することができる。Ｓｎの濃度が低いドリフト層１６内では、２族元素が拡散し易い。ここでは、２族元素を上面１６ａから界面１４ａまでの範囲に拡散させる。これによって、図４に示すように、上面１６ａから界面１４ａまで伸びる拡散領域２０を形成する。また、レジスト５０によって２族元素の注入が防止された範囲には、２族元素がほとんど拡散していない非拡散領域２２が残存する。また、半導体基板１２を熱処理することで、半導体基板１２中の２族元素が活性化する。２族元素は、活性化すると酸化ガリウム中のＧａと置換し、アクセプタとなる。したがって、２族元素が活性化すると、ドリフト層１６中のｎ型キャリアが減少する。したがって、拡散領域２０内のｎ型キャリア濃度は、非拡散領域２２内のｎ型キャリア濃度よりも低くなる。このため、拡散領域２０内の導電率は、非拡散領域２２内の導電率よりも低い。このように、熱処理工程を実施することで、ドリフト層１６内に、導電率が低い拡散領域２０と導電率が高い非拡散領域２２が形成される。

また、Ｓｎの濃度が高いＳｎドープ層１４内には、２族元素が拡散し難い。特に、Ｓｎドープ層１４内のＳｎの濃度が１×１０^１７／ｃｍ^３以上である場合には、Ｓｎドープ層１４内で２族元素がほとんど拡散しない。このため、界面１４ａまで拡散した２族元素は、Ｓｎドープ層１４内へほとんど拡散しない。このため、拡散領域２０の拡大が界面１４ａで停止する。したがって、図４に示すように、拡散領域２０の下端の位置が界面１４ａと略一致するように拡散領域２０が形成される。したがって、この製造方法によれば、ドリフト層１６と略同じ厚みの拡散領域２０を形成することができる。この製造方法によれば、熱処理条件（例えば、温度、時間等）によらず拡散領域２０の拡大が界面１４ａで停止するので、拡散領域２０の厚みのばらつきを抑制できる。

図３のグラフＢは、グラフＡのＭｇ濃度分布を有する半導体基板１２に対して約１０００℃で約３０分の熱処理をした後のＭｇ濃度分布を示している。熱処理工程によってＭｇがドリフト層１６内で上面１６ａから界面１４ａまで拡散するので、上面１６ａから界面１４ａ付近までＭｇの濃度が約１×１０^１７ｃｍ^－３の一定の濃度で分布している。Ｍｇの濃度は、界面１４ａにおいて約１×１０^１８ｃｍ^－３まで上昇し、Ｓｎドープ層１４内では約１×１０^１５ｃｍ^－３（すなわち、検出下限値）まで急激に低下する。この結果から、熱処理工程において、Ｍｇが、ドリフト層１６内では拡散する一方で、Ｓｎドープ層１４内にはほぼ拡散しないことが分かる。したがって、ドリフト層１６内に、上面１６ａから界面１４ａまで伸びるとともに略一定のＭｇ濃度を有する拡散領域２０を形成することができる。

次に、図５に示すように、ドリフト層１６の上面１６ａに、ショットキー電極３０を形成する。ここでは、ショットキー電極３０が非拡散領域２２の表面から拡散領域２０の表面に跨る範囲を覆うとともにショットキー電極３０の外周端３０ａが拡散領域２０上に位置するように、ショットキー電極３０を形成する。ショットキー電極３０は、非拡散領域２２にショットキー接触する。次に、Ｓｎドープ層１４の下面１４ｂに、オーミック電極４０を形成する。オーミック電極４０は、下面１４ｂの略全域を覆っている。オーミック電極４０は、Ｓｎドープ層１４にオーミック接触する。以上の工程によって、半導体装置（すなわち、ショットキーバリアダイオード）が完成する。

以上に説明したように、この製造方法によれば、ショットキーバリアダイオードを製造することができる。ショットキーバリアダイオードに逆電圧が印加されると、ドリフト層１６が空乏化する。このとき、ショットキー電極３０の外周端３０ａ近傍のドリフト層１６内で電界が集中し易い。しかしながら、上記の製造方法により製造されたショットキーバリアダイオードでは、ショットキー電極３０の外周端３０ａの下部に導電率が低い拡散領域２０が配置されている。拡散領域２０によって外周端３０ａ近傍での電界集中が抑制される。したがって、上記の製造方法によれば、逆方向耐圧が高いショットキーバリアダイオードを製造できる。

また、上記の製造方法では、Ｓｎドープ層１４内に２族元素が拡散し難いので、半導体基板１２の厚み方向において２族元素の拡散範囲をドリフト層１６内に制限することができる。したがって、拡散領域２０の厚みをドリフト層１６の厚みと略一致させることができる。このため、拡散領域２０の厚みのばらつきを抑制できる。したがって、量産時に、ショットキーバリアダイオードの逆方向耐圧のばらつきを抑制できる。

また、上記の製造方法では、ドリフト層１６内で２族元素が拡散し易いので、２族元素の濃度が比較的一定な拡散領域２０を形成することができる。このため、拡散領域２０内において導電率が比較的均一に分布する。したがって、ショットキーバリアダイオードの逆方向耐圧のばらつきを抑制できる。

なお、上述した実施形態では、拡散領域２０が、低いｎ型キャリア濃度を有するｎ型層であった。しかしながら、拡散領域２０がｐ型層であってもよい。ショットキー電極３０の外周端３０ａの下部にｐ型の拡散領域２０を形成することでも、外周端３０ａ近傍での電界集中を抑制できる。注入する２族元素の濃度等を制御することで、ｐ型の拡散領域２０を形成できる場合がある。

また、上述した実施形態では、イオン注入工程においてドリフト層１６の上面１６ａ近傍に２族元素を注入したが、ドリフト層１６に２族元素を注入する深さは任意である。上述した実施形態よりも深い位置へ２族元素を注入してもよい。

また、上述した実施形態では、ショットキーバリアダイオードを形成したが、他の半導体装置の製造に本明細書に開示の技術を用いてもよい。この技術は、拡散領域を有する任意の半導体装置の製造に用いることができる。この技術によれば、拡散領域を有する任意の半導体装置において、拡散領域の厚さのばらつきを抑制し、半導体装置の特性のばらつきを抑制できる。

上述した実施形態のＳｎドープ層１４は、第１半導体層の一例である。上述した実施形態のドリフト層１６は、第２半導体層の一例である。

以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。

１２：半導体基板、１４：Ｓｎドープ層、１６：ドリフト層、２０：拡散領域、２２：非拡散領域、３０：ショットキー電極、４０：オーミック電極

Claims (3)

1. 半導体装置の製造方法であって、
   Ｓｎを含む酸化ガリウムにより構成された第１半導体層（１４）と、前記第１半導体層上に配置されているとともに前記第１半導体層よりもＳｎの含有濃度が低いｎ型の酸化ガリウムにより構成された第２半導体層（１６）とを有する半導体基板（１２）を準備する工程と、
   前記第２半導体層に２族元素をイオン注入するイオン注入工程と、
   前記イオン注入工程後に前記半導体基板を熱処理することによって、前記第２半導体層の表面から前記第２半導体層と前記第１半導体層の界面までの範囲に前記２族元素が拡散した拡散領域（２０）を形成する工程、
   を有する製造方法。
2. 前記第１半導体層におけるＳｎの濃度が１×１０^１７／ｃｍ^３以上である請求項１に記載の製造方法。
3. 前記第２半導体層の表面に、前記拡散領域外の領域の表面から前記拡散領域の表面に至る範囲を覆い、端部が前記拡散領域上に配置されており、前記拡散領域外の前記領域にショットキー接触するショットキー電極を形成する工程をさらに有する請求項１または２に記載の製造方法。
   

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