(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソース領域層と、ドレイン領域層と、前記ソース領域層と前記ドレイン領域層の間に電流を導通させるための低ドープチャネル領域層と、印加電位を変化させて前記チャネル領域層の伝導特性を制御するように配設されたゲート電極と、前記ゲート電極が配設された前面とを有する高温利用可能なＳｉＣ電界効果トランジスタであって、
前記ソース領域層と、前記ドレイン領域層と、前記チャネル領域層は、前記前面から縦方向に分離されて、前記トランジスタの動作時に前記前面の電界を低減し、
前記トランジスタは、前記ソース領域層と前記ドレイン領域層を前記前面から分離し、前記ソース領域層と前記ドレイン領域層と同じ第１の導電タイプに低ドープされた第１のＳｉＣ層を備え、
前記第１のＳｉＣ層のドーピング濃度は１０１６ｃｍ−３より低く、
更に、前記ゲート電極は触媒金属からなり、特定のガス原子／分子を吸収し得るように露出されて、前記ゲート電極の電位に影響を与え、前記トランジスタをガスセンサとして機能できるようにし、
前記ゲート電極は前記トランジスタの活性領域全体を覆うように配設され、
前記ソース領域層と前記ドレイン領域層は、前記活性領域から所定の距離において、ソース電極とドレイン電極により接続され、前記ソース電極と前記ドレイン電極が、容器封入またはパッケージングにより雰囲気から保護されることを特徴とするトランジスタ。
【請求項２】
前記第１のＳｉＣ層のドーピング濃度は、２×１０１５ｃｍ−３より低いことを特徴とする請求項１に記載のトランジスタ。
【請求項３】
前記ゲート電極は、前記前面に配設されることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のトランジスタ。
【請求項４】
前記ゲート電極は、絶縁層により、前記低ドープの第１のＳｉＣ層から分離されることを特徴とする請求項３に記載のトランジスタ。
【請求項５】
前記ソース領域層と前記ドレイン領域層は、横型、すなわち水平型の電界効果トランジスタを形成するために横方向に分離されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のトランジスタ。
【請求項６】
前記第１の導電タイプは、ｎ型であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のトランジスタ。
【請求項７】
前記第１の導電タイプは、ｐ型であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のトランジスタ。
【請求項８】
前記トランジスタは、エンハンスメントモードまたはデプレッションモードのいずれかで動作し得ることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のトランジスタ。
【請求項９】
雰囲気中で、通過する排気ガスの組成を感知するために、自動車のエンジンのシリンダからの前記排気ガスの流れに挿入されることにより、前記ガス組成を感知するための請求項１〜８のいずれかに記載のトランジスタの使用方法。
【請求項１０】
前記ソース領域層および／または前記ドレイン領域層が、エピタキシャル成長させた層にドーパントを注入するか、またはドーパントを供給しながらエピタキシャル成長させる第１のステップと、その後に、その上部にＳｉＣの低ドープ層をエピタキシャル再成長させる第２のステップと、を行うことにより製造される、請求項１〜８のいずれかに記載の高温利用可能なＳｉＣ電界効果トランジスタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】（技術分野）
本発明は、ソース領域層と、ドレイン領域層と、ソース領域層とドレイン領域層の間に電流を導通させるための低ドープチャネル領域層と、印加電位を変化させてチャネル領域層の伝導特性を制御するように配設されたゲート電極と、ゲート電極が配設された前面とを有する高温利用可能なＳｉＣ電界効果トランジスタ、前記トランジスタの使用、およびその製造方法に関する。
【０００２】（背景技術）
極めて厳しい条件下で機能しなければならない半導体デバイスの材料として、ＳｉＣは非常に適した特性を数多く備えている。バンドギャップ幅が広く、熱安定性が優れていることにより、ＳｉＣの半導体デバイスは最高１０００Ｋの温度で理論上十分に機能できる。しかしながら、デバイス構造のある種のメカニズムにより、故障することなく動作可能な最高温度がかなり低レベルまで制限されることがある。
【０００３】  導入部で規定された公知のＳｉＣ電界効果トランジスタは、電荷注入メカニズムが原因となり、より高い温度で機能しないことがある。ゲート電極とＳｉＣのエピタキシャル層との間に絶縁層がある場合、例えば、シリコンと比較すると、ＳｉＣの伝導帯エッジと絶縁材料（通常、二酸化ケイ素）の伝導帯エッジとの電子のエネルギー障壁は小さい。これがＳｉＣでの高電界と結びつき、ＳｉＣから絶縁層への電荷注入により生じる絶縁層の絶縁破壊の可能性が高くなる。この影響は、障壁低下により温度とともに増大し、予想以上にかなり低い温度で機能しないことがある。
【０００４】  より高温で故障を引き起こす前述した別のメカニズムは、周囲雰囲気中のガスとコンタクト金属被膜が反応する結果、それが劣化することである。
【０００５】  ＳｉＣ電界効果トランジスタの可能な使用方法として、例えば、自動車の内燃機関のシリンダからの排気ガスの流れに配置して、通過する排気ガスの組成を感知するためのガスセンサが挙げられる。このような公知のセンサは、比較的低い温度でしか耐故障性を備えていないことがあり、シリンダから離れた距離にあり、排気ガスが著しく冷却されたシステムの位置にセンサを配置しなければならないため応答時間が長くなり、さらにセンサは複数のシリンダからの排気が組み合わさったものしか検出できないため、個々のシリンダを調節することができない。ＳｉＣは、材料として、各シリンダを固有の熱安定性に対して別々にモニタできる程度の近さにＳｉＣ電界効果トランジスタを配置できる可能性を備えている。このように近くに配置することにより、応答時間がかなり短縮され、点火しない場合に各シリンダを個々に調節する機会が得られる。これにより、ガソリンの消費量が減少し、発生する排気ガスがよりクリーンなものになるため、より環境にやさしいシステムが得られる。この特定の使用分野は、非常に高い温度に耐性を持つ電界効果トランジスタの非常に好適な応用ではあるが、本発明は、この特定の使用分野のみに限定されるものではないことに留意されたい。
【０００６】（発明の開示）
本発明の目的は、公知のＳｉＣ電界効果トランジスタよりもかなり高温で安定した動作を行い、有益なガスセンサとして機能するように構成されてもよいが、他の可能な応用も見い出せるＳｉＣ電界効果トランジスタを提供することである。
【０００７】  本発明によれば、上記目的は、ソース領域層と、ドレイン領域層と、チャネル領域層とを前面から縦方向に離して配置し、トランジスタの動作時に前面での電界を低減することにより得られる。
【０００８】
前面から、ソース、ドレインおよびチャネルからなる活性領域を分離することにより、前面付近の電界が低減される。つまり、前面にある場合に絶縁層内への上述した電荷注入が減少され、絶縁層は、実際最高８００℃まで、以前よりもかなり高い温度に対して耐性のあるものとなり得る。
【０００９】  さらに、トランジスタの活性領域が表面から分離されているため、表面の影響に対するトランジスタの動作の感度が低減される。
【００１０】
また、前面から活性領域を分離することにより、距離をおいてソースとドレインが接続されている活性領域全体にわたってゲート電極を配置できるため、ガスセンサとして使用する場合、触媒ゲート電極を除くすべての電極がカプセル封入により大気から保護されることで、寿命を延ばすことができる。
【００１１】  このように活性領域を前面の位置から移すことにより別の利点が得られ、すなわち、不連続のゲート電極が使用可能であり、その状態でもデバイスが機能するという利点が得られる。ゲート金属層は時間が経過すると不連続になるが、それでも機能し、他のタイプのデバイスに関して動作しなくなることがないため、この利点は非常に重要な特徴である。また、これは、本発明の好適な実施形態を構成するものである。
【００１２】  本発明の別の好適な実施形態によれば、トランジスタは、ソース領域層とドレイン領域層を前面から分離し、ソース領域層およびドレイン領域層と同じ第１の導電タイプにより低ドープされたＳｉＣの第１の層を備える。このような低ドープ層は、ゲート電位を介してチャネル領域層の伝導特性を効率的に制御するために使用されてよく、ノーマリオフおよびノーマリオンデバイス、すなわちエンハンスメントモードおよびデプレッションモードでそれぞれ動作するデバイスに必要な特徴を与える。第１の層のドーピング濃度は、１０１６ｃｍ−３より低く、好ましくは２×１０１５ｃｍ−３より低い。
【００１３】  本発明の別の好適な実施形態によれば、ＳｉＣのエピタキシャル層にソース領域層とドレイン領域層の両方が埋め込まれ、横型、すなわち水平型の電界効果トランジスタを形成するように横方向に分離される。このような横型トランジスタは有益な機能を備え、このようなトランジスタの組み合わせ構造において、ソース領域層とドレイン領域層のバーを横方向に交互に埋め込むことが可能になる。
【００１４】  本発明の別の好適な実施形態によれば、第１の導電タイプとは反対の第２の導電タイプにより低ドープされたＳｉＣの第２の層がソース領域層とドレイン領域層の下に配設され、その上に配設されたチャネル領域層に影響を与える。このように、第２の層とゲート電極が反対方向からチャネル領域層に影響を与えることにより、ソース領域層とドレイン領域層との間に可能な導電チャネルが出現するため、非常に感度の良好なトランジスタが得られる。
【００１５】  本発明の別の好適な実施形態によれば、ＳｉＣのエピタキシャル層に、ソース領域層およびドレイン領域層の一方が埋め込まれ、前面とは反対の位置にあるトランジスタの後側に他方が配設されて、ソース領域層とドレイン領域層を縦方向に分離させて、縦型電界効果トランジスタを形成する。このような縦型トランジスタが特に有益である応用例もある。
【００１６】  本発明の別の好適な実施形態によれば、第１の導電タイプはｎ形である。これは、ＳｉＣでは正孔移動度よりも電子移動度がかなり高いため、デバイスの可能な伝導率を最大にしたい場合に好適である。しかしながら、本発明の別の好適な実施形態によれば、第１の導電タイプはｐ形である。正孔の伝導が好ましい場合もあり、このようなトランジスタは、障壁の高さがより高いため高温でより安定した状態になり、例えば、ガスセンサとしてトランジスタが使用される場合、トランジスタは電流の変動を示せばよいだけなので、全電流がより低いものであることは重要ではない。
【００１７】  本発明の非常に好適な実施形態によれば、ゲート電極は、ゲート電極の電位に影響を与え、トランジスタをガスセンサとして機能させるために特定のガス原子／分子を吸収できるように露出した、前面に配設された触媒金属からなる。これは、上述した理由からこのタイプのトランジスタの非常に有益な使用方法であり、ゲート電極は露出されてよく、それでもゲート電極が配設されている前面からピーク電界が取り除かれ、非常に高い温度でトランジスタを安定して動作させることができる。
【００１８】  最後に記載した実施形態をさらに発展させた本発明の好適な実施形態によれば、触媒ゲート金属は、炭化水素を分解し水素を吸収するように適用される。このようなトランジスタは、各個々のシリンダの機能をモニタリングするために、非常に高い温度環境下で自動車のエンジンにあるシリンダからの排気ガス中の炭化水素の存在を感知する際の使用に非常に適している。
【００１９】  また、本発明は、例えば、自動車にあるシリンダから出る排出ガスの組成を感知するために、５００℃を超える温度、好ましくは６００℃を超える温度環境下で上述したトランジスタを使用することを含む。
【００２０】  また、本発明は、高温利用可能なＳｉＣ電界効果トランジスタを製造する方法を含む。エピタキシャル成長させたＳｉＣ層に埋め込まれたソース領域層および／またはドレイン領域層が、エピタキシャル成長させた層へドーパント注入するか、またはドーパントを供給しながらエピタキシャル成長させる第１のステップの後、上部にＳｉＣの低ドープ層をエピキタキシャル再成長させる第２のステップを行うことにより製造される。このタイプのトランジスタの製造は比較的容易なものであろう。
【００２１】  本発明のさらなる利点および有益な特徴は、以下の記載および他の従属請求項から明らかであろう。
【００２２】  以下、添付の図面を参照して、例示的に述べる本発明の好適な実施形態について記載する。
【００２３】（発明を実施するための最良の形態）
図１に、高温利用可能であり、排他的ではないが、特にガスセンサとして使用するのに適した電界効果トランジスタが示されている。このトランジスタは、後側の金属被覆層１の上部に、ｐ形にドープされたＳｉＣ基板層と、その上部に同様にｐ形で非常に低くドープされた第２の層３を備える。第２の層３の上部には、ｎ形のソース領域層４とドレイン領域層５が配設され、同様にｎ形にドープされたチャネル領域層６により横方向に分離される。層４〜６の上部には、ｎ形に非常に低くドープされた第１の薄膜層７が配設される。図に示す領域外にあるソースおよびドレインのバー４、５の端部にコンタクトが形成される。層４〜７の上部には、ゲート電極１２が配設され、例えば、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４またはＡｌＮの絶縁層１３により、ゲート電極１２と第１の層７が分離されてよい。ガスセンサとして使用する場合、ゲート電極１２は、プラチナ、パラジウムまたはイリジウムなどの触媒金属からなる。第１の層７と第２の層３のドーピング濃度は、通常、１０１６ｃｍ−３より低く、好ましくは２×１０１５ｃｍ−３より低い。ゲート電極１２は、印加される電位によりチャネル領域層６の伝導特性を制御するために適用され、第１の層７によりチャネル領域層に影響を与えるため、この第１の層７は薄いものでなければならない。第１の層７と第２の層３の厚みは、０．５μｍであってよいのに対して、基板層２の厚みは、３００μｍであってよく、図に示す異なる層の比率は実際のものに関連させる必要はなく、主に説明を明確にするために選択している。このように、チャネル領域層６は、下方から第２の層３により、そして上方からゲート電極１２により影響を与えられることになる。デバイスは、チャネル領域６のドーピングレベルおよび厚みに応じて、エンハンスメントモードまたはデプレッションモードのいずれか、すなわち、ノーマリオフデバイスまたはノーマリオンデバイスのいずれかで動作する。
【００２４】  トランジスタの前面１４から距離をおいてチャネル６を埋め込み、さらにソース領域層４とドレイン領域層５を埋め込むことにより、表面での電界が低減されるため、絶縁層１３への電荷注入が低レベルに保たれる。
【００２５】  トランジスタの前面１４から距離をおいてチャネル６を埋め込み、さらにソース領域層４とドレイン領域層５を埋め込むことにより、ゲート電極は活性領域および距離をおいて設けられたソースおよびドレイン電極にわたって適用されてよいため、ガスセンサとして使用する場合、ゲート電極のみが雰囲気に露出され、ソースおよびドレイン電極はパッケージングにより保護される。
【００２６】  このデバイスの炭化水素ガスセンサとしての機能は以下の通りである。このデバイスがノーマリオンタイプのもので、デプレッションモードで動作する場合、通常、ソース領域層４からチャネル領域層６を介してドレイン領域層５に電流が流れることになる。雰囲気中に炭化水素が放出されると、ゲート電極１２の触媒金属は、ゲート電極の表面でガス分子をガスイオンに分解し、水素イオンは、ゲート金属により吸収されて、絶縁層１３との境界面に拡散することにより、ゲート電極の仕事関数、ひいてはチャネル領域６の導電チャネルの幅に影響を与えることにより、電流に影響を与える。言い換えれば、排気ガスの流れに炭化水素が存在すると、このような電流の変化を測定することによりその存在が測定可能である。
【００２７】  図４および図５に、炭化水素の存在が実際どのように検出され測定されるかが示されており、これらのグラフは、本願発明者等により製造された、本発明によるトランジスタとして前面１４での電界を低減させるのに有効でないタイプのＳｉＣ電界効果トランジスタで実行した測定から得られたものである。測定は、６００℃で実行された。図４は、単位がｍＡのドレイン電流ＩＤ対単位がボルトのドレインバイアスＶを示す。ゲート金属が露出された雰囲気中において、線ａは１％Ｏ２に相当し、線ｂは３％Ｈ２＋１％Ｏ２に相当する。実際、ガス応答、すなわち水素パルスへの応答は、電流レベルを１００μＡに維持し、接地された基板とのソースとドレインのコンタクト間の電圧降下の変化を測定することにより測定された。約１Ｖの電圧変化が測定された。図５は、０．１ｍＡの一定のドレイン電流で上述した測定を行う間の単位がボルトのソースおよびドレイン間にかかる電圧Ｖ対単位が秒の時間のグラフであり、約３０秒後に水素パルスが与えられている。
【００２８】  図２は、図１に示す実施形態と第２の低ドープ層３が、ソース領域層４とドレイン領域層５を分離しながら、第１の層７に延びる点のみが異なる本発明の第２の好適な実施形態によるトランジスタを示す。言い換えれば、導電チャネルは、このトランジスタにおいて、第２の層３とゲート１２が反対方向からどのように第１の層７を空乏化するかを示す破線間の第１の層７に形成されている。
【００２９】  図３に、本発明の第３の好適な実施形態によるトランジスタが示されており、このトランジスタは、この場合ｎ形であり、デバイスの後側１８にドレイン領域を形成する基板層５’に、非常に低くドープされたｎ形層７が延びた縦型デバイスである。第１の層７には、ソース領域層４’が埋め込まれ、その一部分１５により横方向に分離される。さらに、ソース領域層４’の下側には、ｐ形に高ドープされた第３の層１６が配設され、ソース領域層４を越えて平行に延びるものであってよく、第３の層１６は第１の層の部分を空乏化し、破線を通ってソース領域層からドレイン領域層へ線１７に従った電流の流れが示されているように、縦型チャネルを形成する。さらに、この導電チャネルは、層７が低ドープされ、比較的薄いため、ゲート電極の電位により影響を与えられる。
【００３０】  ソース領域層とドレイン領域層とともに、チャネルをデバイスの前面１４から取り除く別の利点は、パッケージング内の触媒ゲート金属を除く構造全体を包囲できることで、雰囲気から臨界接触領域を保護できる点である。これにより、性能が著しく改良され、このようなトランジスタの温度安定性がさらに高められる。
【００３１】  本発明によるトランジスタは、少なくとも最高８００℃の非常に高温な温度で安定した動作ができるため、例えば、触媒ゲート金属を前面に適用することにより各シリンダを別々にモニタリングするために、シリンダに近接した位置で自動車エンジンの排気ガスの流れのガスセンサとして用いることができる。これにより、応答時間が速くなり、点火しなかった場合に各シリンダを個別に調節する機会が得られる。しかしながら、このタイプのトランジスタには、非常に高温の環境での応用が他にもあり、ゲート電極は、ゲートの電位が外部ソースにより制御される場合、別の触媒金属または非反応性金属のいずれかからなるものであってよい。
【００３２】  トランジスタは、以下のように製造されてよい。高ドープ基板（ｎ形またはｐ形のいずれか）で始まり、例えば、ＣＶＤにより、基板の片側に適切な導電タイプの低ドープ層が成長される。次に、適切なドーピング要素を注入およびアニールするか、またはエピタキシャル成長およびエッチングすることにより、高ドープソースおよびドレイン領域層が形成される。次に、その上部に、適切な導電タイプの別の低ドープエピタキシャル層が成長される。その後、ゲート酸化物または必要に応じて他の絶縁層、ソースへのオーミックコンタクト、ドレインおよびデバイスの背面およびゲート金属の処理が行われる。適切なドーパントは、例えば、ドナーとしてＮおよびＰ、アクセプタとしてＡｌおよびＢである。「高ドープされた」という表現は、通常、１０１９ｃｍ−３を超え、好ましくは１０２０ｃｍ−３を超えるドーピング濃度をさす。
【００３３】  本発明は、上述した好適な実施形態に限定されるものではないことは言うまでもないが、添付の請求項に規定されるように、本発明の基本的な趣旨から逸脱することなく、本発明の修正が多様に可能であることは当業者に明らかであろう。
【００３４】  上記のすべての実施形態において、ドーピングタイプが変更されてよく、すなわち、ｎ形からｐ形、またはその逆に変更されてよい。ガスセンサとしてトランジスタが使用される場合、これは特に重要な場合がある。
【００３５】  本願明細書および請求項で使用される「チャネル領域層」は、広義に解釈されるべきものであり、導電チャネルが形成される層を規定し、「チャネル領域層は前面から縦方向に分離される」は、例えば、導電チャネルが形成される第１の層が前面に延びるが、導電チャネルが前面から分離されている図２による実施形態も含む。したがって、その点でチャネル領域層は、第１の層の下部副層として理解され得る。
【００３６】  「触媒金属」は、ガス分子／原子を少なくとも吸収可能であり、ガス分子の分解も可能な金属として規定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の好適な実施形態による横型ＳｉＣ電界効果トランジスタの略図的断面図。
【図２】  本発明の第２の好適な実施形態による横型ＳｉＣ電界効果トランジスタの略図的断面図。
【図３】  本発明の第３の好適な実施形態による縦型ＳｉＣ電界効果トランジスタの略図的断面図。
【図４】  ゲート電極を２つの異なるガス組成に露出させてガスセンサとして使用するＳｉＣ電界効果トランジスタにおいて、ドレイン電流をドレインバイアスの関数として示すグラフを示す図。
【図５】  図４に関連するトランジスタが水素パルスに対して実行される場合のガスセンサの応答電圧対時間を示すグラフを示す図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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