(57)【要約】【課題】イオン注入と高温熱処理の組み合わせを用いずに、高耐圧な半導体装置を提供する。【解決手段】第一の半導体材料からなる半導体基体１００の第一主面に形成されたトレンチ４Ａ、４Ｂと、トレンチ４Ａ、４Ｂの近傍の第一主面に、第一の半導体材料（Ｎ−型炭化珪素エピタキシャル層２）と、第一の半導体材料とはバンドギャップが異なる第二の半導体材料（Ｎ−型多結晶シリコン層３）とにて形成されるヘテロ接合とからなる電界緩和領域５Ａ、５Ｂを有する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の半導体材料からなる半導体基体の第一主面に形成された溝部と、前記溝部の近傍の前記第一主面に、前記第一の半導体材料と前記第一の半導体材料とはバンドギャップが異なる第二の半導体材料とにて形成されるヘテロ接合とからなる電界緩和領域を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記電界緩和領域が環状に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
環状に配置された前記電界緩和領域の内側の前記半導体基体の第一主面側にダイオードを有することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
環状に配置された前記電界緩和領域の内側の前記半導体基体の第一主面側にスイッチ素子を有することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記スイッチ素子が、前記半導体基体からなるドレイン領域と、前記第一の半導体材料とはバンドギャップが異なる第二の半導体材料からなるソース領域と、前記半導体基体と前記ソース領域に隣接して絶縁膜を介して配置されたゲート電極と、前記ソース領域に接するように形成されたソース電極と、前記ドレイン領域に接するように形成されたドレイン電極とを有するスイッチ素子であることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第一の半導体材料が、炭化珪素であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項７】
前記第二の半導体材料が、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコンであることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、前記第一の半導体材料と前記第一の半導体材料とはバンドギャップが異なる第二の半導体材料からなるヘテロ接合を形成する工程と、前記第二の半導体材料をエッチングすると同時に前記溝部を形成する工程とを少なくとも備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【非特許文献】“パワーデバイス・パワーＩＣハンドブック  電気学会  高性能高機能パワーデバイス・パワーＩＣ調査専門委員会  編  コロナ社  ｐ．１２〜２１”。
【０００３】
従来の炭化珪素を用いた高耐圧のダイオードを得るための接合としては、上記非特許文献に記載されるＰＮ接合と、ショットキー接合とがある。上記非特許文献では、これらの接合はシリコンを基本に記述してあるが、炭化珪素においても広く適用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ショットキー接合を炭化珪素へ適用し、高耐圧なダイオードを実現するためには、ショットキー電極端部における電界集中を緩和するために、ショットキー電極端部に電界緩和領域として拡散層を形成する必要がある。この拡散層を形成する際には、イオン注入が用いられるため、活性化熱処理中に炭化珪素基板表面が荒れてしまい、荒れた炭化珪素基板表面には良好なショットキー接合が形成できず、高耐圧なダイオードを実現することが難しいという問題があった。
本発明の目的は、上記課題を解決し、高耐圧な半導体装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、第一の半導体材料からなる半導体基体の第一主面に形成された溝部と、その近傍の前記第一主面に、前記第一の半導体材料と該半導体材料とはバンドギャップの異なる第二の半導体材料とで形成されるヘテロ接合とからなる電界緩和領域を有する。
【０００６】
【発明の効果】
本発明によれば、イオン注入と高温熱処理の組み合わせを用いずに、高耐圧な半導体装置を提供することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態について、図１乃至図５に従って説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態による炭化珪素半導体装置の断面図である。
図１において、Ｎ＋型の炭化珪素基板１の上にＮ−型の炭化珪素エピタキシャル層２を形成することにより第一導電型であるＮ型の炭化珪素半導体基体１００が形成されている。すなわち、第一の半導体材料が炭化珪素である炭化珪素半導体基体１００が炭化珪素基板１と炭化珪素エピタキシャル層２とから構成されている。この炭化珪素半導体基体１００上、第一主面すなわち炭化珪素エピタキシャル層２の上面の所定の位置に、所定の深さを有するトレンチ（溝）４Ａ、４Ｂが環状に配置されている。トレンチ４Ａ、４Ｂの近傍の炭化珪素エピタキシャル層２の上面には、炭化珪素とはバンドギャップの異なる第二の半導体材料であるＮ−型の多結晶シリコンからなるＮ−型多結晶シリコン層３が形成され、炭化珪素エピタキシャル層２とＮ−型多結晶シリコン層３との間にヘテロ接合が形成されている。すなわち、トレンチ４Ａ、４Ｂとヘテロ接合から構成される電界緩和領域５Ａ、５Ｂが環状に配置されている。また、環状に配置された電界緩和領域５Ａ、５Ｂの内側における炭化珪素エピタキシャル層２の上面にも、Ｎ−型多結晶シリコン層３が形成され、炭化珪素と多結晶シリコンとによるヘテロ接合が形成されている。Ｎ−型多結晶シリコン層３の上面にはアノード電極６、炭化珪素基板１の裏面にはカソード電極７が金属等の導体材料によって形成されている。すなわち、図１に示した炭化珪素半導体装置は、炭化珪素と多結晶シリコンからなるヘテロ接合ダイオードの外周部に電界緩和領域５Ａ、５Ｂが環状に配置された構造となっている。
【０００８】
次に図１に示した本発明の第１の実施の形態による炭化珪素半導体装置の製造方法を、図２、図３を用いて説明する。
まず図２（Ａ）に示すようにＮ＋型の炭化珪素基板１の上にＮ−型の炭化珪素エピタキシャル層２を形成したＮ型の炭化珪素半導体基体１００を用意する。炭化珪素エピタキシャル層２の不純物濃度及び厚さは、例えば１×１０１６ｃｍ−３、１０μｍである。炭化珪素エピタキシャル層２の上面に、ＬＰ−ＣＶＤ法により多結晶シリコンを厚さ例えば５０００Å堆積した後、ＰＯＣｌ３雰囲気中にて８００℃２０分間の燐ドーピングを行い、Ｎ−型多結晶シリコン層３を形成する。さらにＮ−型多結晶シリコン層３の上面に酸化膜を堆積し、フォトリソグラフィとエッチングによりマスク材７０を形成する。
【０００９】
次に図２（Ｂ）に示すように反応性イオンエッチングにより、Ｎ−型多結晶シリコン層３をエッチングすると同時に炭化珪素エピタキシャル層２の一部をエッチングし、所定の深さを有するトレンチ４Ａ、４Ｂを形成する。トレンチ４Ａ、４Ｂの深さは例えば５０００Åである。トレンチ４Ａ、４Ｂを形成後、沸化水素酸水溶液によりマスク材７０を除去する。
【００１０】
次に図３（Ｃ）に示すようにＮ−型多結晶シリコン層３の上面、およびトレンチ４Ａ、４Ｂの内壁に沿って、層間絶縁膜３０を堆積した後、窒素雰囲気中にて９５０℃２０分間の熱処理を行い、層間絶縁膜３０を緻密にする。
【００１１】
次に図３（Ｄ）に示すように炭化珪素基板１の裏面にチタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）を順に堆積した後、窒素雰囲気中にて１０００℃１分間のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）を行い、カソード電極７を形成する。カソード電極７形成後、反応性イオンエッチングにより層間絶縁膜３０の所定の位置にコンタクトホールを開孔し、Ｎ−型多結晶シリコン層３の上面にチタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）を順に堆積し、アノード電極６を形成し、図１に示した本発明の第１の実施の形態による炭化珪素半導体装置を完成させる。
【００１２】
以上のように本実施の形態の半導体装置の製造方法は、第一の半導体材料（Ｎ−型炭化珪素エピタキシャル層２）と第一の半導体材料とはバンドギャップが異なる第二の半導体材料（Ｎ−型多結晶シリコン層３）からなるヘテロ接合を形成する工程と、第二の半導体材料をエッチングすると同時にトレンチ（溝部）４Ａ、４Ｂを形成する工程とを少なくとも備える。この製造方法によれば、第一の半導体材料である炭化珪素エピタキシャル層２の上面に第二の半導体材料であるＮ−型多結晶シリコン層３を堆積することでヘテロ接合を形成することができる。また、Ｎ−型多結晶シリコン層３をエッチングすると同時に炭化珪素エピタキシャル層２の一部をエッチングしトレンチ４Ａ、４Ｂを形成することができる。その結果、自己整合的に電界緩和領域５Ａ、５Ｂを形成することができる。
【００１３】
このように製造した第１の実施の形態における炭化珪素半導体装置の具体的な動作について、図１中のａ点からｂ点におけるエネルギーバンド構造を用いて説明する。
図４（Ａ）は熱平衡状態、すなわち、アノード電極６、カソード電極７のいずれも接地とした状態におけるエネルギーバンド構造を示している。
炭化珪素及びＮ−型多結晶シリコン層３の電子親和力χＳｉＣ、χＰｏｌｙの差により、熱平衡状態下にあるヘテロ接合界面におけるＮ−型多結晶シリコン層３側には蓄積層が形成され、ヘテロ接合界面には障壁φｈ５０が形成されている。
このため、本素子のアノード電極６に然るべき正の電圧を印加し、カソード電極７を接地の状態にすると、電子がカソード電極７から炭化珪素基板１、炭化珪素エピタキシャル層２、Ｎ−型多結晶シリコン層３を経て、アノード電極６へと流れる。つまり、ダイオードの順方向特性を示す。
【００１４】
次に、本素子のアノード電極６を接地、カソード電極７に正の高電圧を印加した状態、すなわち逆方向電圧印加時における動作について説明する。逆方向電圧印加時にはヘテロ接合界面に高電界が印加され、エネルギーバンド構造は図４（Ｂ）のように変化し、ヘテロ接合界面に生じた障壁φｈ５０（図４（Ａ）参照）により電子８０は遮られ、遮断状態を保持する。
また、ヘテロ接合界面におけるＮ−型多結晶シリコン層３側に蓄積された電子８０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、Ｎ−型多結晶シリコン層３には電界が殆ど及ばない。つまり、Ｎ−型多結晶シリコン層３の電位はアノード電極６の電位と限りなく等しくなり、接地に近い状態になる。そのため、Ｎ−型多結晶シリコン層３のエネルギーバンド構造は、図４（Ａ）の熱平衡状態と殆ど変わらない。よって、本素子に対して逆方向に高い電圧が印加されても、Ｎ−型多結晶シリコン層３はブレークダウンを起こさずに遮断状態を保持する。
【００１５】
以上のように本実施の形態の半導体装置は、第一の半導体材料からなる半導体基体１００の第一主面に形成されたトレンチ４Ａ、４Ｂと、トレンチ４Ａ、４Ｂの近傍の第一主面に、第一の半導体材料（Ｎ−型炭化珪素エピタキシャル層２）と、第一の半導体材料とはバンドギャップが異なる第二の半導体材料（Ｎ−型多結晶シリコン層３）とにて形成されるヘテロ接合とからなる電界緩和領域５Ａ、５Ｂを有する。従来のＰＮ接合炭化珪素高耐圧ダイオードでは、リーク電流の原因となる欠陥が発生しやすいイオン注入により深い拡散層を形成し、不純物の活性化に１５００℃以上の高温熱処理が必要であった。一方、ショットキー接合の場合は、ショットキー電極端部に電界緩和領域としてイオン注入により拡散層を形成し、その後の活性化熱処理により炭化珪素基板表面が荒れてしまい、その表面に良好なショットキー接合が形成できず、高耐圧なダイオードを実現することが難しかった。本実施の形態の半導体装置によれば、従来の拡散層を形成する電界緩和領域と異なり、イオン注入と高温の活性化熱処理の組み合わせを用いずに電界緩和領域５Ａ、５Ｂを形成できるため、炭化珪素エピタキシャル層２の表面が劣化することがないので、上記問題を解決し、高耐圧な半導体装置を提供することができる。また、接合を構成する材料が、従来の金属と炭化珪素の組み合わせによるショットキー接合ではなく、ともに半導体材料である炭化珪素と多結晶シリコンとの組み合わせによるヘテロ接合であるため、接合形成後に層間絶縁膜の熱処理や熱酸化などの熱プロセスを経ることが可能であり、応用範囲が極めて広いという特徴をも有している。
また、環状に配置された電界緩和領域５Ａ、５Ｂの内側の半導体基体１００の第一主面側にダイオードを有する。これにより、イオン注入と高温熱処理の組み合わせを用いないので、高耐圧なダイオードを提供できる。
さらに、本素子はＮ−型多結晶シリコン層３の端部、すなわちヘテロ接合の端部にトレンチ４Ａ、４Ｂを有しており、ヘテロ接合とトレンチ４Ａ、４Ｂからなる電界緩和領域５Ａ、５Ｂが環状に配置されている。一般的に、図５（Ａ）に示したような、接合の端部にトレンチ４を持たない構造の場合、ヘテロ接合の端部は電界が最も集中し易い。これは図５（Ａ）中に示すように、逆方向電圧印加時において、空乏層６０が接合の端部から三次元方向に伸び、空乏層６０の端部が曲率を持ってしまうためである。一方で図４（Ｂ）に示すごとく、本素子のように接合の端部にトレンチ４が形成されている場合、逆方向電圧印加時における空乏層６０の伸延は一次元方向のみになり、電界の集中を緩和することができる。つまり、より高い逆方向耐圧を実現することができる。
【００１６】
また、第一の半導体材料に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することができる。
さらに第一の半導体材料とはバンドギャップが異なる第二の半導体材料に多結晶シリコンを用いることで、プロセスにおけるエッチングや伝導度制御などのプロセスを簡易化することができる。なお、第二の半導体材料としては多結晶シリコンの他、単結晶シリコン、アモルファスシリコンを用いることにより、同様の効果が得られる。
【００１７】
（第２の実施の形態）
まず、本発明の第２の実施の形態について、図６に従って説明する。
図６は本発明の第２の実施の形態による炭化珪素半導体装置の断面図である。多数配列された単位セルの外周部における断面構造を示しており、単位セルが２つ連続した構造を示している。
図６において、Ｎ＋型の炭化珪素基板１の上にＮ−型の炭化珪素エピタキシャル層２を形成することにより第一導電型であるＮ型の炭化珪素半導体基体が形成されている。この炭化珪素半導体基体１００上、第一主面側すなわち炭化珪素エピタキシャル層２側に、所定の間隔でトレンチ４Ａ、４Ｂ、４Ｃが形成されている。炭化珪素エピタキシャル層２の第一主面側の所定の位置には炭化珪素半導体基体とはバンドギャップの異なる半導体材料として、Ｎ−型多結晶シリコン層３Ａ、３Ｂが形成され、炭化珪素エピタキシャル層２とＮ−型多結晶シリコン層３Ａ、３Ｂとの間にヘテロ接合が形成されている。また、Ｎ−型多結晶シリコン層３Ａ、３Ｂは素子動作時においてソース領域１１Ａ、１１Ｂとしても機能する。単位セルの最外周部のトレンチ４Ａを除くトレンチ４Ｂ、４Ｃの側壁部の炭化珪素エピタキシャル層２とソース領域１１Ａ、１１Ｂとに隣接してゲート絶縁膜１２を介して、ゲート電極１３Ａ、１３Ｂが形成されている。ソース領域となるＮ−型多結晶シリコン層３Ａ、３Ｂの上面にはソース電極１４が形成され、炭化珪素基板１の第二主面側にはドレイン電極１５が形成されている。ゲート電極１３Ａ、１３Ｂとソース電極１４は層間絶縁膜３０にて電気的に絶縁されている。
【００１８】
以下に第２の実施の形態における炭化珪素半導体装置の具体的な動作について説明する。
本素子はソース電極１４を接地し、ドレイン電極１５に正のドレイン電圧を印加して使用する。
この際にゲート電極１３Ａ、１３Ｂが接地されていると、素子の特性は第１の実施の形態におけるダイオードの逆方向特性と同じ特性を示す。すなわち、ソース電極１４とドレイン電極１５との間に電流は流れず遮断状態となる。
次にゲート電極１３Ａ、１３Ｂに然るべき正の電圧を印加すると、ゲート絶縁膜１２に隣接したＮ−型多結晶シリコン層３Ａ、３Ｂ及び炭化珪素エピタキシャル層２に電子が蓄積され、ヘテロ接合界面に形成された障壁φｈ５０（図４（Ａ）参照）の幅が薄くなり、その結果、所定のドレイン電圧でソース電極１４とドレイン電極１５との間に電流が流れる。すなわち導通状態となる。
さらにゲート電極１３Ａ、１３Ｂに印加している正の電圧を取り除くと、ゲート絶縁膜１２に隣接したＮ−型多結晶シリコン層３Ａ、３Ｂ及び炭化珪素エピタキシャル層２に電子の蓄積層がなくなり、ヘテロ接合界面における障壁φｈ５０の幅が広がり、遮断状態となる。
【００１９】
本実施の形態では、環状に配置された電界緩和領域５の内側の半導体基体１００の第一主面側にスイッチ素子を有している。これにより、イオン注入と高温熱処理の組み合わせを用いないので、高耐圧なスイッチ素子を提供できる。
また、このスイッチ素子は、半導体基体１００からなるドレイン領域と、第一の半導体材料とはバンドギャップが異なる第二の半導体材料からなるソース領域１１Ａ、１１Ｂと、半導体基体１００とソース領域１１Ａ、１１Ｂに隣接してゲート絶縁膜１２を介して配置されたゲート電極１３Ａ、１３Ｂと、ソース領域１１Ａ、１１Ｂに接するように形成されたソース電極１４と、ドレイン領域に接するように形成されたドレイン電極１５とを有するスイッチ素子である。本素子は、ドレイン電圧印加時に電界が最も集中し易い、多数配列された単位セルの外周部に、第１の実施の形態と同様な電界緩和領域５を有しているため、ドレイン電圧印加時の外周部における電界を緩和することができ、高いドレイン耐圧を有している。
【００２０】
なお、第２の実施の形態においては、スイッチ素子として縦型のＭＯＳＦＥＴを例に説明したが、ソース領域、ドレイン領域及び駆動領域からなる活性領域を有するスイッチ素子であればいずれでもよく、第２の実施の形態のみに限定されるものではない。
例えば、ＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴなどのユニポーラデバイス、ＩＧＢＴに代表されるバイポーラデバイス、ＲＥＳＵＲＦ構造を有したＭＯＳＦＥＴなどの横型のスイッチ素子、いずれのスイッチ素子においても同様の効果を得ることができる。
【００２１】
また、本発明のいずれの実施の形態においても第一導電型をＮ型、第二導電型をＰ型として説明しているが、第一導電型をＰ型、第二導電型をＮ型としても同じ効果を得ることができる。
【００２２】
さらに、本発明のいずれの実施の形態においても、第一の半導体材料を炭化珪素、第二の半導体材料を多結晶シリコンとして説明しているが、いずれも上記半導体材料にのみ限定されるものではない。
例えば、窒化ガリウム、ダイヤモンド、酸化亜鉛などに代表されるワイドギャップ半導体は無論のこと、ゲルマニウム、砒化ガリウム、窒化インジウムなど、いずれの半導体材料においても同様の効果を得ることができる。
また、本発明の主旨を逸脱しない範囲における変形を含むことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による炭化珪素半導体装置の断面図を示した図
【図２】（Ａ）、（Ｂ）は本発明の第１の実施の形態による炭化珪素半導体装置の製造方法を示した図
【図３】（Ｃ）、（Ｄ）は本発明の第１の実施の形態による炭化珪素半導体装置の製造方法を示した図
【図４】（Ａ）、（Ｂ）は本発明の第１の実施の形態による炭化珪素半導体装置におけるエネルギーバンド構造を示した図
【図５】（Ａ）、（Ｂ）は本発明の第１の実施の形態による炭化珪素半導体装置における空乏層の拡がりを示した模式図
【図６】本発明の第２の実施の形態による炭化珪素半導体装置の断面図を示した図
【符号の説明】
１…Ｎ＋型炭化珪素基板
２…Ｎ−型炭化珪素エピタキシャル層
３、３Ａ、３Ｂ…Ｎ−型多結晶シリコン層
４、４Ａ、４Ｂ、４Ｃ…トレンチ（溝）
５、５Ａ、５Ｂ…電界緩和領域
６…アノード電極
７…カソード電極
１１Ａ、１１Ｂ…ソース領域
１２…ゲート絶縁膜
１３Ａ、１３Ｂ…ゲート電極
１４…ソース電極
１５…ドレイン電極
３０、３０Ａ、３０Ｂ…層間絶縁膜
５０…障壁φｈ
６０…空乏層
７０…マスク材
８０…電子
１００…炭化珪素基体
【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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【図６】
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