(57)【要約】【課題】ダングリングボンドに起因するエネルギー準位の少ない高品質なヘテロ半導体領域５０を形成し、逆方向リーク電流をさらに低減する。【解決手段】半導体基体１００の第一主面２１とヘテロ接合を形成するヘテロ半導体領域５０が配置され、ヘテロ半導体領域５０は半導体基体１００を構成する半導体材料とバンドギャップの異なるヘテロ半導体材料からなり、アノード電極５１がへテロ半導体領域５０に接触し、カソード電極５２が半導体基体１００に接触した半導体装置であって、へテロ半導体領域５０内およびヘテロ接合に存在するダングリングボンドの少なくとも一部が終端されている。【選択図】図１
2008004680.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基体と、
前記半導体基体を構成する半導体材料とバンドギャップの異なるヘテロ半導体材料からなり且つ前記半導体基体の第一主面とヘテロ接合を形成するヘテロ半導体領域と、
前記へテロ半導体領域に接触するアノード電極と、
前記半導体基体に接触するカソード電極とを有する半導体装置であって、
前記へテロ半導体領域内および前記ヘテロ接合に存在するダングリングボンドの少なくとも一部が終端されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
半導体基体と、
前記半導体基体を構成する半導体材料とバンドギャップの異なるヘテロ半導体材料からなり且つ前記半導体基体の第一主面とヘテロ接合を形成するヘテロ半導体領域と、
前記ヘテロ接合に隣接し且つゲート絶縁膜を介して接触するゲート電極と、
前記ヘテロ半導体領域に接触するソース電極と、
前記半導体基体に接触するドレイン電極とを有する半導体装置であって、
前記へテロ半導体領域内および前記ヘテロ接合に存在するダングリングボンドの少なくとも一部が終端されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
半導体基体と、前記半導体基体を構成する半導体材料とバンドギャップの異なるヘテロ半導体材料からなり且つ前記半導体基体の第一主面とヘテロ接合を形成するヘテロ半導体領域と、前記へテロ半導体に接触するアノード電極と、前記半導体基体に接触するカソード電極とを有する半導体装置の製造方法において、
前記へテロ半導体領域を形成した後に、前記へテロ半導体領域内および前記ヘテロ接合に存在するダングリングボンドの少なくとも一部を終端させる工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
半導体基体と、前記半導体基体を構成する半導体材料とバンドギャップの異なるヘテロ半導体材料からなり且つ前記半導体基体の第一主面とヘテロ接合を形成するヘテロ半導体領域と、前記ヘテロ接合に隣接し且つゲート絶縁膜を介して接触するゲート電極と、前記ヘテロ半導体領域に接触するソース電極と、前記半導体基体に接触するドレイン電極とを有する半導体装置の製造方法において、
前記へテロ半導体領域を形成した後に、前記へテロ半導体領域内および前記ヘテロ接合に存在するダングリングボンドの少なくとも一部を終端させる工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記へテロ半導体領域内および前記へテロ接合に存在するダングリングボンドの少なくとも一部を終端させる工程は、終端元素を含む雰囲気中で熱処理を実施する工程であることを特徴とする請求項３又は４記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記へテロ半導体領域内および前記へテロ接合に存在するダングリングボンドの少なくとも一部を終端させる工程は、終端元素を含むプラズマを用いた処理を実施する工程であることを特徴とする請求項３又は４記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記へテロ半導体領域内および前記へテロ接合に存在するダングリングボンドの少なくとも一部を終端させる工程において、前記へテロ半導体領域は、前記終端元素を含む雰囲気、又は前記終端元素を含むプラズマに直接曝されることを特徴とする請求項５又は６記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記終端元素は、酸素、水素、フッ素のうち少なくともいずれかひとつであることを特徴とする請求項５乃至７いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記へテロ半導体材料は、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコンのいずれかであることを特徴とする請求項３乃至８いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記半導体基体を構成する半導体材料は、炭化珪素であることを特徴とする請求項３乃至９いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヘテロ接合を有する半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素は、シリコンと比較して絶縁破壊電界強度がひと桁大きく、またシリコンと同様に熱酸化が行えることから、次世代の半導体材料として注目されている。中でも電力変換用素子への応用への期待が高く、近年、炭化珪素を材料に用いた高耐圧かつ低損失のパワートランジスタが提案されている。パワートランジスタの低損失化には、低オン抵抗化が必須であるが、効果的にオン抵抗を低減可能なパワートランジスタの構造例として、次に述べるような電界効果トランジスタが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
Ｎ＋型の炭化珪素基板上にＮ−型の炭化珪素エピタキシャル層が形成され、炭化珪素エピタキシャル層の所定領域内に電界緩和領域が形成されている。前記の所定領域上には、炭化珪素とバンドギャップの異なる多結晶シリコンからなるヘテロ半導体領域が形成されている。ヘテロ半導体領域は、炭化珪素エピタキシャル層とヘテロ接合を形成している。このヘテロ接合部に隣接して、ゲート絶縁膜を介してゲート電極が配置されている。ヘテロ半導体領域にソース電極が接触し、炭化珪素基板にドレイン電極が接触している。
【特許文献１】特開平２００３−３１８３９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前述の多結晶シリコンからなるヘテロ半導体領域中、及びヘテロ半導体領域と炭化珪素エピタキシャル層とのヘテロ接合界面にはシリコンのダングリングボンド（未結合手）が存在している。これらのダングリングボンドは、シリコンのバンドギャップ中にエネルギー準位を形成する。このエネルギー準位が、キャリアの再結合中心や捕獲中心として働くため、ヘテロ接合近傍の電界強度が高くなった際には、これらのエネルギー準位を介した電荷の移動が生じる。そのため、ソース電極とドレイン電極間の逆方向リーク電流値の低減化には限界があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その第１の特徴は、半導体基体の第一主面とヘテロ接合を形成するヘテロ半導体領域が配置され、ヘテロ半導体領域は半導体基体を構成する半導体材料とバンドギャップの異なるヘテロ半導体材料からなり、アノード電極がへテロ半導体領域に接触し、カソード電極が半導体基体に接触した半導体装置であって、へテロ半導体領域内およびヘテロ接合に存在するダングリングボンドの少なくとも一部が終端されていることである。
【０００６】
本発明の第２の特徴は、半導体基体の第一主面とヘテロ接合を形成するヘテロ半導体領域が配置され、ヘテロ半導体領域は半導体基体を構成する半導体材料とバンドギャップの異なるヘテロ半導体材料からなり、ゲート電極がヘテロ接合に隣接し且つゲート絶縁膜を介して接触し、ソース電極がへテロ半導体領域に接触し、ドレイン電極が半導体基体に接触した半導体装置であって、へテロ半導体領域内およびヘテロ接合に存在するダングリングボンドの少なくとも一部が終端されていることである。
【０００７】
本発明の第３の特徴は、第１及び第２の特徴に係わる半導体装置の製造方法において、へテロ半導体領域を形成した後に、へテロ半導体領域内およびヘテロ接合に存在するダングリングボンドの少なくとも一部を終端させる工程を実施することである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ダングリングボンドを終端する元素によってダングリングボンドの少なくとも一部を終端させることで、ダングリングボンドに起因するエネルギー準位の少ない高品質なヘテロ半導体領域を形成し、逆方向リーク電流をさらに低減する半導体装置及びその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付している。
【００１０】
＜第１の実施形態＞
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係わる半導体装置は、高濃度のＮ型不純物が添加された炭化珪素基板１の上に炭化珪素基板１より不純物濃度が低いＮ型の炭化珪素エピタキシャル層２を配置した炭化珪素半導体基体（半導体基体）１００上に形成されている。炭化珪素半導体基体１００の第一主面２１側の所定領域には電界緩和領域３が配置されている。電界緩和領域３は、第一主面２１を含む炭化珪素半導体基体１００の上部に配置され、例えばＰ型の炭化珪素や絶縁層を用いることができる。炭化珪素半導体基体１００の第一主面２１側の第２の所定領域上には、炭化珪素とバンドギャップの異なるＰ型の多結晶シリコンからなるＰ型ヘテロ半導体領域５０が配置されている。Ｐ型ヘテロ半導体領域５０と炭化珪素エピタキシャル層２との間にはヘテロ接合が形成されている。Ｐ型ヘテロ半導体領域５０に接触するようにアノード電極５１が配置されている。炭化珪素基板１に接触するようにカソード電極５２が配置されている。
【００１１】
次に、図１に示した半導体装置の具体的な動作について説明する。アノード電極５１に然るべき電圧を印加し、カソード電極５２を接地の状態にする。電子がカソード電極５２から炭化珪素基板１、炭化珪素エピタキシャル層２、Ｐ型へテロ半導体領域５０を経てアノード電極５１へと流れる。つまり、図１の半導体装置は、ダイオードの順方向特性を示す。
【００１２】
次に、アノード電極５１を接地の状態とし、カソード電極５２に高電圧を印加する、すなわち逆方向電圧を印加する。この場合、Ｐ型ヘテロ半導体領域５０と炭化珪素エピタキシャル層２とのヘテロ接合界面に生じたエネルギー障壁により電子は遮られ、遮断状態を保持する。また、ヘテロ接合界面に蓄積された電子によって、電界がシールドされるため、炭化珪素エピタキシャル層２と比較して、Ｐ型へテロ半導体領域５０には電界が殆ど及ばない。そのため、本半導体装置に対して逆方向に高い電圧が印加されても、Ｐ型へテロ半導体領域５０は絶縁破壊を起こさずに遮断状態を保持する。このように、第１の実施形態に係わる半導体装置は順方向及び逆方向ともにダイオードとして動作する。
【００１３】
次に、図２（ａ）〜図２（ｃ）を参照して、図１に示した半導体装置（ダイオード）の製造方法を説明する。
【００１４】
（イ）先ず図２（ａ）に示すように、エピタキシャル成長法を用いて、高濃度のＮ型の炭化珪素基板１上に炭化珪素基板１より不純物濃度が低いＮ型の炭化珪素エピタキシャル層２を形成して、炭化珪素半導体基体１００を用意する。その後、炭化珪素半導体基体１００の第一主面２１側の所定領域に電解緩和領域３を形成する。
【００１５】
（ロ）図２（ｂ）に示すように、ヘテロ半導体材料として多結晶シリコンを堆積する。その後、多結晶シリコンの中にボロン（Ｂ）イオンをイオン注入して活性化熱処理を行うことにより、Ｐ型ヘテロ半導体領域５０を形成する。なお、多結晶シリコンへの不純物導入は、イオン注入以外にも拡散法などでもよい。
【００１６】
（ハ）図２（ｃ）に示すように、Ｐ型ヘテロ半導体領域５０が直接プラズマに曝されるように、終端元素プラズマ処理を行う。ここで、「終端元素プラズマ処理」とは、酸素、水素、フッ素などの終端元素を含むプラズマを用いた処理を言い、例えば、終端元素を含むプラズマに直接Ｐ型へテロ半導体領域５０を曝す処理である。ここでは、終端元素として酸素を用いた酸素プラズマ処理を行う。これにより、Ｐ型ヘテロ半導体領域５０の内部およびＰ型ヘテロ半導体領域５０と炭化珪素エピタキシャル層２とのヘテロ接合界面に存在するダングリングボンドの少なくとも一部が酸素で終端される。酸素プラズマ処理の条件は、例えば、酸素ガス流量：８００ｃｃｍ、圧力：１Ｔｏｒｒ、印加パワー：８００Ｗ、基板温度：２５０℃、処理時間：６０分である。
【００１７】
（二）最後に、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程を実施することにより、Ｐ型ヘテロ半導体領域５０を図１に示したような形状にパターニングする。その後、層間絶縁膜６２を堆積し、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程により、層間絶縁膜６２上にＰ型ヘテロ半導体領域５０が露出するコンタクトホールを開孔する。その後、Ｐ型へテロ半導体領域５０に接するようにチタン及びアルミニウム（Ｔｉ／Ａｌ）を成膜してアノード電極５１を形成する。炭化珪素基板１に接するようにＴｉ／Ａｌを成膜してカソード電極５２を形成する。以上の工程を実施することにより、図１に示したような半導体装置が完成する。
【００１８】
以上説明したように、本発明の第１の実施の形態によれば、酸素プラズマ処理によって、Ｐ型ヘテロ半導体領域５０の内部およびＰ型ヘテロ半導体領域５０と炭化珪素エピタキシャル層２とのヘテロ接合界面に存在するダングリングボンドが終端される。よって、Ｐ型へテロ半導体領域５０を構成するシリコンのエネルギーバンド中には、特許文献１に開示された電界効果トランジスタに発生するエネルギー準位が殆ど存在しない。そのため、このエネルギー準位を介してキャリアが再結合したり捕獲されたりすることがない。すなわち、逆方向電圧をダイオードに印加した時、アノード電極５１とカソード電極５２間の電荷の移動が激減するため、第１の実施の形態による半導体装置は、高い逆方向耐圧を有していることに加えて、逆方向電圧印加時のリーク電流をも低減することが可能である。
【００１９】
なお、図３は、第１の実施の形態を適用して製造した半導体装置（ダイオード）の逆方向における電流−電圧特性を示す。特許文献１の半導体装置（従来技術）に対して、第１の実施の形態を適用して製造した半導体装置（本発明）は、逆方向のリーク電流値が減少していることがわかる。
【００２０】
図２（ｃ）に示したように、Ｐ型ヘテロ半導体領域５０を形成した後に、Ｐ型ヘテロ半導体領域５０を直接酸素プラズマに曝すことで、より効果的にダングリングボンドを終端することが出来る。なお、酸素プラズマ処理の条件における圧力と温度を上記条件より高く設定すると、更に効果的である。
【００２１】
Ｐ型ヘテロ半導体領域５０に多結晶シリコンを用いているので、エッチングや不純物ドーピングなどの半導体製造プロセスを容易に行うことができる。
【００２２】
半導体基体１００を構成する半導体材料にワイドバンドギャップ半導体である炭化珪素を用いることで、より高耐圧な半導体装置を提供できる。
【００２３】
＜第２の実施形態＞
図４に示すように、本発明の第２の実施形態に係わる半導体装置は、図１と同様にして、炭化珪素基板１と炭化珪素基板１上に配置された炭化珪素エピタキシャル層２とからなる炭化珪素半導体基体１００上に形成されている。炭化珪素半導体基体１００の第一主面２１側の所定領域に電界緩和領域３が配置されている。
【００２４】
炭化珪素半導体基体１００の第一主面２１側の所定領域上には、炭化珪素とバンドギャップの異なるＮ型の多結晶シリコンからなるＮ型ヘテロ半導体領域４が配置されている。炭化珪素エピタキシャル層２とＮ型ヘテロ半導体領域４との間にはヘテロ接合が形成されている。ヘテロ接合が形成された部分に隣接して、ゲート絶縁膜５を介してゲート電極６が配置されている。Ｎ型ヘテロ半導体領域４に接触するようにソース電極７が配置されている。炭化珪素基板１に接触、すなわち炭化珪素半導体基体１００に接触するようにドレイン電極８が配置されている。また、ソース電極７とゲート電極６は層間絶縁膜６２によって電気的に絶縁されている。なお、図４には図示していないが、電界緩和領域３とソース電極７は紙面奥行き方向で接触している。
【００２５】
次に、図４に示した半導体装置の具体的な動作について説明する。この半導体装置は、ヘテロ接合の障壁高さをゲート電極６からの電界によって変化させることでスイッチ動作を行う電界効果トランジスタである。このため、トランジスタのチャネル領域における電圧降下がない分、オン抵抗の低減が可能としている。また、ソース電極７とドレイン電極８間に高電圧が印加された場合、ヘテロ接合界面のＮ型ヘテロ半導体領域４側に形成される蓄積層によって電界が終端されてＮ型ヘテロ半導体領域４は絶縁破壊を生じないことに加えて、電界緩和領域３によってヘテロ接合界面に印加される電界が緩和されるため、高いソース電極７とドレイン電極８間の耐圧を確保できる。
【００２６】
次に、図５（ａ）〜図５（ｄ）を参照して、図４に示した半導体装置（電界効果トランジスタ）の製造方法を説明する。
【００２７】
（Ａ）先ず図５（ａ）に示すように、エピタキシャル成長法を用いて、高濃度のＮ型の炭化珪素基板１上に炭化珪素基板１より不純物濃度が低いＮ型の炭化珪素エピタキシャル層２を形成して、炭化珪素半導体基体１００を用意する。その後、炭化珪素半導体基体１００の第一主面２１側の所定領域に電解緩和領域３を形成する。
【００２８】
（Ｂ）図５（ｂ）に示すように、ヘテロ半導体材料として多結晶シリコンを堆積する。その後、この多結晶シリコンへ砒素（Ａｓ）イオンをイオン注入して活性化熱処理を行うことにより、Ｎ型ヘテロ半導体領域４を形成する。なお、多結晶シリコンへの不純物導入は、イオン注入以外にも拡散法などでもよい。その後、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程を実施することにより、Ｎ型ヘテロ半導体領域４をパターニングする。
【００２９】
（Ｃ）図５（ｃ）に示すように、終端元素を含む雰囲気中で熱処理を実施する。ここでは、終端元素として水素を用いて水素雰囲気中において熱処理を施す。具体的には、Ｎ型ヘテロ半導体領域４が直接水素雰囲気中に曝されるように熱処理を行う。これにより、Ｎ型ヘテロ半導体領域４の内部およびＮ型ヘテロ半導体領域４と炭化珪素エピタキシャル層２とのヘテロ接合界面に存在するダングリングボンドの少なくとも一部が水素で終端される。水素雰囲気中での熱処理の条件は、例えば圧力：７６０Ｔｏｒｒ、基板温度：４５０℃、時間：６０分である。
【００３０】
（Ｄ）図５（ｄ）に示すように、例えばＣＶＤ法によりゲート絶縁膜５を堆積し、さらにゲート電極６となるアルミニウムを堆積する。その後、フォトリソグラフィ工程とエッチング工程を実施することにより、アルミニウムをパターニングしてゲート電極６を形成する。
【００３１】
（Ｅ）最後に、例えばＣＶＤ法により層間絶縁膜６２を堆積する。その後、フォトリソグラフィ工程とエッチング工程を実施することにより層間絶縁膜６２を選択的に除去してＮ型ヘテロ半導体領域４が露出したコンタクトホールを開孔する。Ｎ型ヘテロ半導体領域４に接するようにチタン及びアルミニウム（Ｔｉ／Ａｌ）を成膜してソース電極７を形成する。また、炭化珪素基板１に接するようにＴｉ／Ａｌを成膜してドレイン電極８を形成する。以上の工程を実施することにより、図４に示したような電界効果トランジスタが完成する。
【００３２】
以上説明したように、本発明の第２の実施の形態によれば、水素雰囲気中での熱処理によって、Ｎ型ヘテロ半導体領域４の内部およびＮ型ヘテロ半導体領域４と炭化珪素エピタキシャル層２とのヘテロ接合界面に存在するダングリングボンドが終端されている。よって、第１の実施形態における半導体装置と同様、逆方向の電圧を印加した時におけるリーク電流が減少する。また、ゲート電極６に正の電圧を印加した場合、すなわちオン状態において、ダングリングボンドが終端されたことで、ゲート電界が効率良くヘテロ接合部に印加されるため、しきい値電圧が低くなり、同じゲート電圧でも、より駆動力が向上する、すなわちより低いオン抵抗を実現することができる。  上記のように、本発明は、第１乃至第２の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００３３】
終端元素を、第１の実施の形態においては酸素、第２の実施の形態においては水素を用いて説明したが、ダングリングボンドをヘテロ半導体領域の内部およびヘテロ接合界面に存在するダングリングボンドを終端する元素（フッ素など）であれば、いずれも同様の効果を得ることができる。水素、酸素、フッ素は半導体プロセスにおいて、一般的な元素であり、特殊な装置を用いずにダングリングボンドの終端処理を行うことができる。
【００３４】
また、終端元素を含むプラズマを用いた処理と終端元素を含む雰囲気中での熱処理とを組み合わせて実施しても構わない。
【００３５】
炭化珪素基体１００をＮ型として説明しているが、Ｐ型を用いることもできる。
【００３６】
さらには、ヘテロ半導体領域を、第１の実施の形態においてはＰ型、第２の実施の形態においてはＮ型を用いて説明したが、その逆を用いても構わない。
【００３７】
また、本発明の第１及び第２の実施の形態においては、ヘテロ半導体材料に多結晶シリコンを用いて説明しているが、半導体基体とヘテロ接合を形成する半導体材料であれば、何れでも良く、例えば、単結晶シリコン、アモルファスシリコンなどを用いることができる。
【００３８】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係わる半導体装置の構成を示す断面図である。
【図２】図２（ａ）〜図２（ｃ）は、図１に示した半導体装置（ダイオード）の製造方法を示す主要な工程断面図である。
【図３】第１の実施の形態を適用して製造した半導体装置（ダイオード）の逆方向における電流−電圧特性を示すグラフである。
【図４】本発明の第２の実施形態に係わる半導体装置の構成を示す断面図である。
【図５】図５（ａ）〜図５（ｄ）は、図４に示した半導体装置（電界効果トランジスタ）の製造方法を示す主要な工程断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１・・・炭化珪素基板
２・・・炭化珪素エピタキシャル層
３・・・電界緩和領域
４・・・ヘテロ半導体領域（Ｎ型）
５・・・ゲート絶縁膜
６・・・ゲート電極
７・・・ソース電極
８・・・ドレイン電極
５０・・・ヘテロ半導体領域（Ｐ型）
５１・・・アノード電極
５２・・・カソード電極
６２・・・層間絶縁膜
１００・・・炭化珪素半導体基体
【図１】
2008004680.tif 000003
【図２】
2008004680.tif 000004
【図３】
2008004680.tif 000005
【図４】
2008004680.tif 000006
【図５】
2008004680.tif 000007