JPH039568A - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は電気絶縁層として窒化アルミニウム単結晶層を
有する炭化珪素半導体装置に関する。

（従来の技術） 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。また、炭化珪素中における
電子の飽和移動速度は、珪素（Ｓｔ）などの他の半導体
材料に比べて大きい。一般に。

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、高周波動作などの
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、それを用いた半導
体装置の実用化が阻まれている。

この問題点を解決するために、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、化学的気相成長法（ＣＶＤ法）で形成する方法
が提案されている（特開昭５９２０３７９９号）。この
方法では、炭化珪素単結晶を気相成長させる際に適当な
不純物を添加すれば、得られた炭化珪素単結晶の伝導型
や不純物濃度を制御することができる。それゆえ、この
方法で得られた炭化珪素単結晶を用いて各種の半導体装
置が開発されている。

従来、炭化珪素を用いた半導体装置においては。

珪素単結晶基板上に直接成長させた炭化珪素単結晶層に
、素子形成領域が設けられていた。しかしながら１珪素
単結晶の格子定数と、炭化珪素単結晶の格子定数との間
に、約２０％の差があるため。

珪素単結晶基板上に成長させた炭化珪素単結晶層内には
、格子不整合に起因する多数の結晶欠陥（例えば、積層
欠陥）が存在する。これらの結晶欠陥は半導体装置にお
けるリーク電流の発生原因となる。リーク電流は、これ
らの結晶欠陥を介して。

炭化珪素単結晶層内や珪素単結晶基板と炭化珪素単結晶
層との界面内、あるいは珪素単結晶基板内を流れる。リ
ーク電流が発生すると、半導体装置の特性が低下する６
、それゆえ、現在開発されている上記のような構造の炭
化珪素半導体装置は、充分な素子特性を有しておらず、
実用化されるまでには至っていない。

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、リーク電流が充分に低減され、良
好な素子特性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および作用）本発明は半導
体基板の上方に形成された炭化珪素単結晶層に素子形成
領域を設けた炭化珪素半導体装置であって、該炭化珪素
単結晶層が、電気絶縁層として作用する窒化アルミニウ
ム単結晶層上に形成されており、そのことにより上記目
的が達成される。

炭化珪素には、多くの結晶形（ポリタイプまたは多形と
称される）が存在し、α型とβ型とに大きく分類される
。α型炭化珪素（α−５ｉＣ）が六方晶系や菱面体晶系
に属する結晶構造を持ち、大きい禁制帯幅（２，９〜３
．３ｅＶ）を有するのに対し、β型炭化珪素（β−５ｉ
Ｃ）は立方晶系に属する閃亜鉛鉱型結晶構造を持ち、炭
化珪素の中で最も小さい禁制帯幅（２，２ｅＶ）を有す
る。他方１窒化アルミニウム（ＡＩＮ）は六方晶系に属
するウルツ鉱型結晶構造を持ち、炭化珪素に比べてかな
り大きい禁制帯幅（６，２ｅν）を有する。

一般に、閃亜鉛鉱型結晶構造の（１１１）軸方向と、ウ
ルツ鉱型結晶構造のＣ軸とを対比させると。

ウルツ鉱型結晶構造における結合の四面体構造は。

閃亜鉛鉱型結晶構造における同様の四面体構造を。

その（１１１）軸方向の結合のまわりに交互に１８０゜
回転した構造に大体対応している。従って、β型炭化珪
素単結晶を窒化アルミニウム単結晶層上に成長させれば
２両者の結晶構造が１１（１］しており。

かつその格子定数が比較的近い値を有するので界面にお
ける結晶構造の乱れや炭化珪素単結晶層内における結晶
欠陥の発生を低減させることができる。さらに、窒化ア
ルミニウムの禁制帯幅は。

炭化珪素に比べてかなり大きいので、窒化アルミニウム
単結晶層を電気絶縁層として用いれば、炭化珪素単結晶
層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。

このような理由により９本発明の炭化珪素半導体装置は
、リーク電流が充分に低減され、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。

災隻■上 第１図（ａ）は９本発明の炭化珪素半導体装置の一例で
あるｎ−チャネル反転型の？ＩＯＳ電界効果トランジス
タ（ＭＯＳＦＥＴ＞を示す。このＦＩＯ５ＦＥＴは以下
のようにして作製された。

まず、第１図（ｂ）に示すように、　ＣＶＤ法により。

（１１１）面方位を有するＳｉ単結晶基板１上にβ−５
ｉＣ単結晶層２（層厚約５μｍ）を成長させた。

原料ガスとしては、シラン（Ｓｉ）Ｉ４）ガスとプロパ
ン（ＣＪｓ）ガスとを用いた。次いで、第１図（Ｃ）に
示すように、　ＣＶＤ法により、β−５ｉＣ単結晶層２
上に、電気絶縁層として作用するＡＩＮ単結晶Ｎ３（層
厚約２μｍ）を成長させた。原料ガスとしては、トリメ
チルアルミニウム（ＴＭＡ）ガスとアンモニア（ＮＨｓ
）ガスとを用いた。また、基板の加熱温度は、　１，３
００°Ｃであった。さらに、第１図（Ｃ）に示すように
、　ＣＶＤ法により、＾ＩＮ単結晶Ｎ３上に。

ホウ素（Ｂ）をドープした高抵抗β−３ｉＣ単結晶層４
（層厚的３μ１１）を形成した。原料ガスとしては、　
ＳｉＨ４ガスとＣＪｅガスとを用いた。Ｂをドープする
ための不純物ガスとしては、ジボラン（８２１１６）ガ
スを用いた。なお、得られた高抵抗β−５ｉＣ単結晶層
４の抵抗率を測定したところ、約５．０００Ω・ｃｍで
あった。

続いて、　ＣＶＤ法またはプラズマＣＶＤ法により。

高抵抗β−５ｉＣ単結晶層４上にＳｉｎ、膜を形成した
。

次いで、ホトリソグラフィーを用いて、　５ｉｎ２膜の
素子形成領域に対応する部分をエツチングにより開口し
、フィールド絶縁膜５とした（第１図（ｄ））。

なお　エツチングにはフッ化水素（）ＩＦ）溶液を用い
た。そして、酸素雰囲気下、約１，１００　’Ｃにて３
時間の熱酸化を行うことにより、高抵抗β−５ｉＣ単結
晶層４上に熱酸化膜１１（膜厚約５０ｎｍ　）を形成し
た後、さらにＣＶＤ法により、熱酸化膜ｌｌ上にリン（
Ｐ）をドープした多結晶Ｓｉ膜１２（膜厚約５００ｎ種
）を形成した。

次いで、第１図（ｅ）に示すように、ホトリソグラフィ
ーを用いて、ソース領域とドレイン領域とに対応する部
分の熱酸化膜１１および多結晶５１１１ｇ１２をエツチ
ングにより開口してゲート絶縁膜６およびゲート電極７
を形成した後、高抵抗β−５ｉＣ単結晶層４に窒素（Ｎ
）をイオン注入することによりｎ型のソース領域８およ
びドレイン領域９を形成した。注入条件は、加速電圧が
１６０　ｋｅＶであり。

Ｎイオン注入量が３Ｘ１０”ＣＩ−”であった。そして
。

Ａｒ雰囲気下、約１，１００’Ｃにて３０分間の熱アニ
ール処理を行うことにより、Ｎをイオン注入したソース
領域８およびドレイン領域９を低抵抗化した。

最後に、配線材料としてアルミニウム（Ａｔ）を真空蒸
着した後、ホトリソグラフィーを用いて、配線電極１０
を形成することにより、第１図（ａ）に示すようなｎ−
チャネル反転型ＭＯＳＦＥＴを得た。

比較のために＋　Ｓｉ単結晶基板上に直接成長させたβ
−５ｉＣ単結晶層に素子形成領域を設けた従来のｎ−チ
ャネル反転型ＭＯ３ＦＥＴ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−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２図および第３図に示す。これらの図から明ら
かなように３本実施例のＭＯＳＦＥＴでは、素子形成領
域を設けた高抵抗β−３ｉＣ単結晶層４が、電気絶縁層
として作用するＡＩＮ単結晶層３上に形成されているの
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タ
特性が得られた。

例えば１オフ時（ゲート電圧がＯＶ）におけるリーク電
流を比較すると、ドレイン電圧が５■の場合。

従来のＭＯＳＦＥＴでは５μＡであったのに対し９本実
施例のＭＯＳＦＥＴでは３ｎＡであった。

災施拠１ 本実施例では、Ｂをドープした高抵抗β−３ｉＣ単結晶
層４（層厚的３μｍ）に代えて、Ｎをドープしたｎ型の
β−５ｉＣ単結晶層（層厚的０．５μｍ）を用いること
以外は実施例１と同様にして、デブリーシシンモードの
ＭＯＳＦＥＴを作製した。このＭＯＳＦＥＴは、上記の
ｎ型β−５ｉＣ単結晶層をチャネル層とし、ゲート電圧
の印加により該チャネル層に広がる空乏層を利用して、
該チャネル層を流れる電流を制御するノーマリオン型の
ＭＯＳＦＥＴである。なお、上記のβ−５ｉＣ単結晶層
にＮをドープするための不純物ガスとしては１窒素（Ｎ
２）ガスを用いた。また、得られたｎ型β−５ｉＣ単結
晶層のキャリア濃度は＋　　５ＸＩＯ”ｃｍ−’であっ
た。

比較のために、　Ｓｉ単結晶基板上に成長させたｐ型Ｓ
ｉＣ単結晶層上に形成したｎ型ＳｉＣ単結晶層に。

素子形成領域を設けた。従来のノーマリオン型間５ＦＥ
Ｔ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−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４図および第５図に示す。これらの図から明ら
かなように９本実施例のＭＯＳＦＥＴでは、素子形成領
域を設けたｎ型β−５ｉＣ単結晶層が、電気絶縁層とし
て作用するＡＩＮ単結晶層上に形成されているので、従
来のＭＯＳＦＥＴに比べてリーク電流が著しく低減され
、ドレイン電流の良好な飽和を示すトランジスタ特性が
得られた。例えば、オフ時（ゲート電圧が一３Ｖ）にお
けるリーク電流を比較すると、ドレイン電圧が５■の場
合、従来のＭＯＳＦＥＴでは１０μＡであったのに対し
９本実施例のＭＯＳＰＩ！Ｔでは１５ｐＡであった。

（発明の効果） 本発明によれば、素子形成領域を設ける炭化珪素単結晶
層が窒化アルミニウム単結晶層上に形成されるので、リ
ーク電流が著しく低減され。

非常に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５珪素のよう
な他の半導体材料を用いた半導体装置では使用が困難な
条件下（例えば、高温、高出力駆動、高周波動作、放射
線照射など）においても使用が可能な半導体装置として
有用である。さらに１本発明の炭化珪素半導体装置は、
従来の炭化珪素半導体装置と同様に珪素基板を用いて作
製することができ　しかも通常の化学的気相成長法（Ｃ
ＶＤ法）で窒化アルミニウム単結晶層を形成し得るので
、従来の製造方法により工業的規模で生産することが可
能になる。

４、　゛　　の　　　な量゛Ｈ 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ｎ−チャネル反転型ＭＯＳ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ドレイン電流−ドレ
イン電圧特性を示すグラフ、第３図は従来の炭化珪素を
用いたｎ−チャネル反転型ＭＯＳ電界効果トランジスタ
のドレイン電流−ドレイン電圧特性を示すグラフ、第４
図は本発明の他の実施例であるノーマリオン型ＭＯＳ電
界効果トランジスタのドレイン電流−ドレイン電圧特性
を示すグラフ。

第５図は従来の炭化珪素を用いたノーマリオン型ＭＯＳ
電界効果トランジスタのドレイン電流−ドレイン電圧特
性を示すグラフである。

ｌ・・・Ｓｉ単結晶基板、２・・・β−５ｉＣ単結晶層
、３・・・ＡＩＮ単結晶層、４・・・高抵抗β−３ｉＣ
単結晶層。

５・・・フィールド絶縁膜、６・・・ゲート絶縁膜、７
・・・ゲート電極、８・・・ソース領域、９・・・ドレ
イン領域。

１０・・・配線電極、１１・・・熱酸化膜、　１２・・
・多結晶Ｓｉ膜。

第２図 １　　２　　３４　　５ Ｆ゛シイ電圧（ｖ） 第３図 ２３４５ ド゛しイン常民（Ｖ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体基板の上方に形成された炭化珪素単結晶層に
   素子形成領域を設けた炭化珪素半導体装置であって、 該炭化珪素単結晶層が、電気絶縁層として作用する窒化
   アルミニウム単結晶層上に形成された、炭化珪素半導体
   装置。