(57)【要約】【課題】高電圧駆動素子の為のＳｉＣなど素子基板において結晶欠陥が多く、リーク電流が多く実用上への影響が大きいことが課題となっている。【解決手段】基板上の絶縁膜の上にＳｉＣ膜などの単結晶化合物半導体を形成して素子基板としてショットキーダイオードを形成し、基板からの電界及び単結晶化合物半導体の一部にトレンチによる溝を形成し側壁に酸化膜を設け、その溝に形成した導電体からの電界及び素子の表層に設けたフィールドプレートからの絶縁膜を介した電界によりショットキーダイオードのアノードに印加される電界を緩和することによりＳｉＣなど単結晶化合物半導体の結晶欠陥の影響を少なくするようにしたことを特徴とする発明である。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
化合物半導体において、絶縁膜上に形成する単結晶化合物半導体層の格子定数と近いＳｉ基板、ＳｉＣ基板、Ｇｅ基板など材料をベース基板として絶縁膜層を介して単結晶化合物半導体層を有することを特徴とした素子基板を用いて、或いはこの基板の絶縁膜層の上に形成する単結晶化合物半導体層にトレンチを形成してそのトレンチが絶縁膜層まで到達しそのトレンチの側壁に絶縁膜を形成してその酸化膜の側面に導電体を設け、或いは素子表面に酸化膜を介してフィールドプレート層を設けた半導体素子において、単結晶化合物半導体層に形成されたショットキーダイオードの使用時に少なくとも逆バイアスがかかるショットキー接合面に電界が緩和されるような手段を有することを特徴とする半導体素子とそれを用いた半導体装置。
【請求項２】
請求項１において、酸化膜を介して電界を印加する手段として、ベース基板と化合物半導体層との間の絶縁膜、トレンチ側壁の絶縁膜、素子表面の絶縁膜の少なくとも一つの絶縁膜を介して電界緩和をする手段を有することを特徴とする半導体素子とそれを用いた半導体装置
【請求項３】
化合物半導体において、絶縁膜上に形成する単結晶化合物半導体層の格子定数と近いＳｉ基板、ＳｉＣ基板、Ｇｅ基板など材料をベース基板として絶縁膜層を介して単結晶化合物半導体層を有することを特徴とした素子基板を用いて、或いはこの基板の絶縁膜層の上に形成する単結晶化合物半導体層にトレンチを形成してそのトレンチが絶縁膜層まで到達しそのトレンチ部分に絶縁膜を形成して単結晶化合物半導体層を一個或いは複数個の絶縁分離形状とした素子基板を用いて、単結晶化合物半導体層に形成されたショットキーダイオードのショットキー電極界面が基板と並行面には無いようにした素子構造を特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１，２，３において、単結晶化合物半導体は単結晶ＳｉＣであり、ベース基板はＳｉＣ或いは、シリコンとするとすることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明はパワー系化合物半導体、とりわけＳｉＣ基板やＧａＮ基板を用いる半導体装置の基板構造と素子構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】図１において、従来から公表されている単結晶ＳｉＣ基板の形成方法を示す。図１−ａの様にＳｉ基板１の上にＳｉＣ膜２を成長させた後に、図１−ｂの様にＳｉ基板１を除去したＳｉＣ膜２の上にさらにＳｉＣ膜３を成長させて必要な厚さ得る方法である。その上に図１−ｃに示すようにカソード１１１、アノード１１２からなるショットキーダイオードを形成する。【０００３】しかしながら、図１に示すようなＳｉをベースにＳｉＣを成長させる方法は、大口径化には適しているものの、縦方向の結晶欠陥が多くて素子を形成した場合にはリーク電流が大きいということが課題となっている。図２においてこの結晶欠陥の発生の様子を概念的に示す。各論文で報告されているように、３Ｃと称される図１−ａに示す手法で形成したＳｉＣ基板の結晶欠陥は図２−ｂに概念図を示すように５４度の傾斜角を持つことが知られている。また、Ｓｉ基板を用いずに昇華法と称される手法で成長させたＳｉＣ基板では図２−ａに概念図を示すように基板面に対して垂直方向にその欠陥が多いことが知られている。【０００４】図３−ａにおいて、ショットキーダイオードの代表的な断面図を示す。ショットキーダイオードのカソード電極に結晶欠陥が存在すると欠陥に沿ってリーク電流が流れるためにショットキーダイオードの逆バイアス電流、印加電圧の関係は図３−ｃの様になる。すなわち、一定の電圧まではリークは欠陥に依存せずに少なく、結晶欠陥降伏電圧Ｖｐを越えると欠陥に沿った電流が増加し始める。そして、ショットキー接合の降伏電圧に到達するとトンネル現象や電子雪崩の為に電流が流れ始める。このように逆バイアス電圧が印加され、結晶欠陥降伏電圧Ｖｐを越えるとリーク電流が増大し始めて、このリーク電流よりショットキー降伏電圧Ｖｑに到達する前に大きなリーク電流が発生しているのが現実である。素子として欲しいはショットキー接合の降伏電圧Ｖｑまでリーク電流は極少であるが、ＳｉＣ基板特有の大量の結晶欠陥のためにショットキー接合面で存在する結晶欠陥のために結晶欠陥降伏電圧Ｖｐ以上の印加電圧からリーク電流が発生し始めるのが現実である。【０００５】このデータから考察できることは、（Ａ）ショットキー接合を横切るような結晶欠陥がありそこに電圧が印加され、結晶欠陥に沿って電界が発生するが、それが何らかの手段で緩和されれば結晶欠陥によるリーク電流は激減する可能性があるということ、（Ｂ）結晶欠陥にショットキー界面に電界がかからない方向だけにショットキー接合面があれば欠陥によるリーク電流は発生しないということである。【０００６】図３のモデルから（Ａ）の様な考察に基づきリーク低減の為に着想できることは、何らかの手段によりショットキー界面に印加される電界を緩和することである。これには、絶縁膜上に化合物半導体を形成して、その上にショットキーダイオードを形成して、アノードからの電界を絶縁膜により緩和する構造が考えられる。また、この場合には、絶縁膜上の化合物半導体にトレンチを形成し、その側壁に酸化膜を形成して、その内側に設けるポリ半導体、又は導体から酸化膜を介して電界を緩和する手法も考えられる。また、公知になっている、素子表面に絶縁膜を介して電極を形成するフィールドプレートを設ける手段も有効である。【０００７】また、（Ｂ）の様な考察に基づき縦型の結晶欠陥が多い場合には、ショットキー接合面が絶縁膜分離構造上の縦方向だけに有ればよいという構造である。【０００８】この様な考察に基づいたショットキーダイオードはこれまで開示されていない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】高電圧駆動素子の用途が拡大するにつれてそれらの素子のコストダウン、より性能の高い素子の実用化が重要な課題となってきている。ＳｉＣ基板やＧａＮ基板上に形成するショットキーダイオードはこのニーズに合ったものである。インダクタンスをＭＯＳＦＥＴなどでスイッチングさせる場合に、この素子はＰＮ接合で問題の逆回復時間がないために高速にインダクタンスの誘起電流を解消するものである。本発明は、高耐圧に適したＳｉＣの様な化合物半導体を用いて、そのＳｉＣの特徴的な縦方向の結晶欠陥に起因したリーク電流を解消、或いは緩和する方法について開示するものである。以下の事例では、ＳｉＣ基板を例に発明内容を開示するがＧａＮ基板、その他の化合物半導体基板においても同様である。【００１０】本発明が解決しようとする課題は、化合物半導体に特有な縦方向の結晶欠陥の影響を解消すること、或いは、緩和することにより、安価な基板を用いることができるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】本発明の構成は、図３の考察に基づく絶縁膜上に形成する単結晶ＳｉＣ層に形成し、ショットキーダイオードの界面を縦方向だけにするものであり、また、ショットキーダイオードの界面にかかる電圧を緩和する方法の開発である。【００１２】絶縁膜上に形成した単結晶ＳｉＣ層にショットキーダイオードを形成することにより、ショットキー電極の界面に印加される電界を緩和することが可能である。絶縁膜分離の下面の電位がショットキーダイオードの界面の電位を基板方向に緩和させることができるためである。これには、絶縁膜上に化合物半導体を形成して、その上にショットキーダイオードを形成して、カソードからの電界を絶縁膜により緩和する構造が考えられる。また、この場合には、絶縁膜上の化合物半導体にトレンチを形成し、その側壁に酸化膜を形成して、その内側に設けるポリ半導体、又は導体から酸化膜を介して電界を緩和する手法も考えられる。また、素子表面に絶縁膜を介して電極を形成するフィールドプレートを設ける手段も有効である。これらの電界緩和の組み合わせにより、ショットキー界面に印加される電界が大幅に緩和される。【００１３】また、縦型の結晶欠陥が支配的なＳｉＣ基板においては絶縁分離された上のＳｉＣ膜にトレンチを形成して、その側壁（側面）にショットキーダイオードを形成することにより、縦方向の結晶欠陥を横断しないショットキー界面を実現することができる。【００１４】この様に素子基板はＳｉ基板において実用化されて実績のある基板の貼り合せ技術、トレンチ技術、実用化が始まっているスマートカット技術などをＳｉＣへ転用をすることにより原理的には可能である。また、絶縁膜上のＳｉＣ部分は必要に応じて、トレンチ分離をすることにより、複数個のショットキーダイオードを基板上に搭載することができる。
【発明の効果】
【００１５】高電圧駆動に適したＳｉＣ基板の実用化の期待は大きいが、これまで縦方向の結晶欠陥が大きくその影響を排除することができなくて、ひたすら結晶欠陥の低減に工数をかけてきた。その結果として実用化にはまだ無理ではあるものの結晶欠陥はある程度は減ってきた。一方で、作成工程が複雑になり、工数の面でコストアップが大きい。本発明による横型素子とベース基板に絶縁膜を介してＳｉＣ層を形成し、また、酸化膜分離による素子分離構造によりＳｉＣ面積の有効利用を図った高電圧駆動素子基板と素子構造は、製造方法も簡素であり、コスト面でも画期的な手法である。本発明により、ＳｉＣ膜をトレンチエッチング技術により溝を作りＳｉＣを除去し溝の底にシリコン酸化膜を露出させ、その溝の側壁にショットキーダイオードを形成して、横方向素子とすることにより、縦方向の結晶欠陥がショットキー面を横断しない構造は画期的である。また、トレンチ溝により各素子を分離することにより、複数個の独立した素子を一つの基板上に形成することも同時に可能になる。さらには、そこにＭＯＳＦＥＴなどの素子を形成することにより、個々の素子が完全分離となり複数の高電圧素子を組み合わせて集積回路を形成することができる。ＳｉＣの高電圧駆動の集積回路を可能にする素子基板を実用化することができる画期的なものである。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】公知のＳｉＣ基板の構造を示す断面図
【図２】ＳｉＣ膜に発生する結晶欠陥の概念図
【図３】ＳｉＣ膜に形成したショットキーダイオード構造図と印加電圧とリーク電流の関係図
【図４】本発明のポリＳｉＣ基板上の絶縁膜の上のＳｉＣ膜に形成したショットキーダイオードの断面図と電界緩和の図
【図５】本発明のポリＳｉＣ基板上の絶縁膜の上のＳｉＣ膜に形成したショットキーダイオードの断面図とトレンチ構造による素子分離とトレンチ層から電界緩和の構造図
【図６】本発明のポリＳｉＣ基板上の絶縁膜の上の薄いＳｉＣ膜の縦方向面だけに形成したショットキーダイオードの断面図
【図７】本発明のポリＳｉＣ基板上の絶縁膜の上の厚いＳｉＣ膜の縦方向面だけに形成したショットキーダイオードの断面図
【図８】本発明に用いるスマートカット手法によるポリＳｉＣ基板上のシリコン酸化膜とＳｉＣ膜の素子基板の形成方法
【図９】本発明の図５−ａの絶縁分離膜の上に形成したＳｉＣ膜上に形成したショットキーダイオードの製造工程図
【図１０】本発明の図５−ｂの絶縁分離膜上に形成したＳｉＣ膜のトレンチ部分に電界緩和層を設けたショットキーダイオードの製造工程図
【図１１】本発明の図６の絶縁分離膜上に形成した薄いＳｉＣ膜上に設けたショットキーダイオードの製造工程図
【図１２】本発明の図７の絶縁分離膜上に形成した厚いＳｉＣ膜上に設けたショットキーダイオードの製造工程図
【発明を実施するための形態】
【００１７】図４に本発明の実施例としてポリＳｉＣ基板５の上にシリコン酸化膜４を介して形成された単結晶ＳｉＣ３にショットキーダイオードを形成した構造を示す。ショットキー界面に印加される電界は図３と比べてシリコン酸化膜の存在によって緩和される。その為に結晶欠陥が存在してもリーク電流が発生する電圧はＶｐから高電圧側にシフトする。シリコン酸化膜の存在による電界の状況を図４−ｂに示す。酸化膜下の基板電位の影響によりアノード近傍のＳｉＣ膜内の電界強度が大きく緩和される。これにより図４−ｃの破線の様に高電圧まで結晶欠陥リークが出ない構造となる。
【００１８】図５において、素子分離の為にトレンチ分離構造とした事例を示す。その他の部分は共通である。
【００１９】図６においては、シリコン酸化膜上の浅いＳｉＣ膜に横方向（面方向）のショットキー界面がない構造の事例を示す。トレンチで形成したトレンチ溝にショットキー金属を埋め尽くすことによりトレンチの側壁をショットキー界面とすることにより、縦方向だけになる構造である。これにより縦方向の結晶欠陥に依存しない構造とすることができる。ショットキーダイオードの耐圧はショットキーバリアで決まる耐圧Ｖｑとなる。
【００２０】図７においては、シリコン酸化膜上の厚いＳｉＣ膜に横方向（面方向）のショットキー界面がない構造の事例を示す。トレンチで形成したトレンチ溝の側面にショットキー金属を形成する方法として、斜め４５度の角度から全方位にわたりスパッタ或いは蒸着により形成することができる。この斜め蒸着手法、スパッタ手法により、薄いショットキー金属を形成してショットキーダイオードをトレンチ側面に形成することができる。これにトレンチの側壁をショットキー界面とすることにより、縦方向だけになる構造である。これにより縦方向の結晶欠陥に依存しない構造とすることができる。ショットキーダイオードの耐圧はショットキーバリアで決まる耐圧Ｖｑとなる。
図７−ｂにおいては、トレンチで形成したトレンチ溝を絶縁構造とすることにより、各素子を分離することができる。
【００２１】図８において、シリコン酸化膜上にＳｉＣ膜を形成する方法を述べる。図８−ａはＳｉＣの種結晶基板である。結晶欠陥を減らした結晶性の良い基板が種基板となる。図８−ｂはポリＳｉＣ６にシリコン酸化膜を形成した状態を表す。図８−ｃは種結晶基板８にスマ−トカット用に水素イオン注入をした状態で、その深さが１μｍであり破線で示すスマートカット層３４で示す部位である。図８−ｄこの状態の種基板に図８−ｂのポリＳｉＣにシリコン酸化膜を形成した基板を反転させ貼り合わせた状態を示す。種結晶基板は結晶欠陥が少なくしたといえど、少しの結晶欠陥でも反りが発生しているので、吸着用ステージに載せ載せて貼り合わせることがこのましい。貼り合わせは、シリコン酸化膜の界面を介して行うために、容易に室温で貼り合わせが可能である。また、ポリＳｉＣには反りがないため、貼り合わせた状態で反りは無くなる。その後、数百度の高温にすることにより、スマートカット面３５から劈開して薄いＳｉＣ層３５がポリＳｉＣ基板５のシリコン酸化膜４上に形成された状態となる。その状態を図８−ｅに示す。この状態において、薄いＳｉＣ層３５の表面を研磨して、結晶欠陥部を除去し、その上に必要な厚さの厚いＳｉＣ層３８をエピタキシャル成長させた状態が図８−ｆである。
【００２２】図９において図４に示す構造のショットキー構造の製造工程手順を示す。図９−ａは図８−ｆにより作成した基板である。この基板に公知のレジスト５０、フォトリソグラフィー技術、イオン注入技術によりＮ＋層を形成したのが図９−ｂである。さらに、トレンチを形成しそこにトレンチ酸化膜５２を充填した状態が図９−ｃである。その後ショットキーのアノード部分１１４のＳｉＣを露出させた状態が図９−ｄである。その後、ショットキー金属膜１１２を形成したのが図９−ｅである。さらに、カソード電極１１６、アノード電極１１３を形成した状態が図９−ｆである。
【００２３】図１０において図５に示す構造のショットキー構造の製造工程手順を示す。図４に対して、アノード部近傍にトレンチ構造によりＳｉＣの断面方向に酸化膜を形成して電界緩和の効果を創出し、さらにフィールドプレートにより表面から電界緩和の効果を創出するものである。図１０−ａ、ｂは図９−ａ、ｂと同様である。図１０−ｃはトレンチ溝５１を形成した状態である。この状態でトレンチ溝の露出しているＳｉＣ側壁を酸化することにより、幅狭いトレンチ溝はトレンチ酸化膜５２で充填される。また、幅広いトレンチ溝には、側壁にトレンチ側壁酸化膜５３が形成される。この状態で公知の手段でポリシリコンによりトレンチ部Ｎ＋埋め戻し層５４を形成する。図１０−ｃはこの状態を示している。さらに図９−ｄ、ｅと同様な工程によりショットキーのアノード金属膜１１２を形成したのが図１０−ｄである。図１０−ｅはこの状態で、フィールドプレート１２０、カソード電極１１６、アノード電極１１３を形成したものである。
【００２４】図１１において図６に示す構造のショットキー構造の製造工程手順を示す。薄いＳｉＣ膜に縦方向のショットキ−電極面が無い構造である。図１１−ａ、ｂ、ｃは図９−ａ、ｂ、ｃ、ｄと同様にショットキーのカソード１１１、アノード部１１４を形成したものである。図１１−ｄはアノード部の薄いＳｉＣ膜をシリコン酸化膜４の界面までエッチング除去した状態を示している。図１１−ｅは、ショットキー金属膜１１２を形成した状態を示し、図１１−ｆはカソード電極１１６、アノード電極１１３を形成した状態を示す。参考のため、図１１−ｇは図１１の一連の工程の途中で図９−ｃで示したようなトレンチ酸化膜を形成した事例の構造図である。
【００２５】図１２において図７に示す構造のショットキー構造の製造工程手順を示す。厚いＳｉＣ膜に縦方向のショットキ−電極面が無い構造である。図１１−ａ、ｂ、ｃ、ｄは図１０−ａ、ｂ、ｃと同様にショットキーのカソード１１１、アノード部１１４を形成したものである。厚いＳｉＣ膜をシリコン酸化膜４の界面までエッチング除去した状態を示している。図１１−ｅはアノード部のショットキー金属膜１１７を形成した状態を示している。トレンチ溝が深いため、金属膜の形成は斜め方向１２１から蒸着或いはスパッタがなされている。その後、ショットキー金属１１７は必要な部分だけ残して除去されてショットキー金属膜１１２となる。図１２−ｆはカソード電極１１６、アノード電極１１３を形成した状態を示す。さらに図１２−ｇは表面にフィールドプレート１２０を形成した状態を示している。
【００２６】以上の事例では絶縁膜としてシリコン酸化膜の事例を紹介したが、アルミナ、あるいは窒化アルミ、他の絶縁性の高い材料を用いることも有効である。トレンチ部の絶縁物としてもシリコン酸化膜のみならずアルミナ、窒化アルミやその他の絶縁物を使用することも可能である。
【００２７】以上の図５から１２の事例では単結晶化合物半導体としてＳｉＣを事例に説明したがＧａＮなど他の化合物半導体においても同様である。また基板としてはＳｉやＳｉＣの他にＧｅなど格子定数が化合物半導体に近い材料の使用も可能であり、サファイア基板のような絶縁基板の使用も可能である。
【産業上の利用の可能性】
【００２８】ＳｉＣ基板やＧａＮ基板などを用いた高電圧駆動素子は、車においてはハイブリッド車普及、電気自動車の普及に伴ってますます重要度が増してくる。また、家庭においてはスマートグリッド化の普及に伴って家電製品の電動化やエネルギー管理のために高電圧素子の役割が重要になってくる。本発明によるＳｉ基板上或いはポリＳｉＣ基板上に絶縁膜を介して単結晶ＳｉＣ薄膜を形成し、その中に素子を形成し、それらの素子の逆バイアスとなる接合部の結晶欠陥リークが電界緩和により減少するという大きな効果を創出し、当該分野の素子の普及に大きく貢献するものとなる。ＧａＮなどの他の化合物半導体においても同様な期待がある。また、酸化膜分離構造により絶縁分離の素子を形成できる手法はＳｉＣやＧａＮなどの化合物半導体としては画期的であり、化合物半導体の集積回路の実用化のベースとなるものである。
【符号の説明】
【００２９】１・・・Ｓｉ基板  ２・・・ＳｉＣ膜  ３・・・ＳｉＣ基板  ４・・・シリコン酸化膜
５・・・ポリＳｉＣ基板      ８・・・種ＳｉＣ結晶基板
２０・・・平坦化ステージ    ２１・・・平坦化ステージの吸気孔
３４・・・スマートカット層      ３５・・・薄いＳｉＣ層
３７・・・薄いＳｉＣ層        ３８・・・厚いＳｉＣ層
５０・・・レジストマスク        ５１・・・トレンチ溝    ５２・・・トレンチ酸化膜
５３・・・トレンチ側壁酸化膜      ５４・・・トレンチ部Ｎ＋埋め戻し層
６７・・・素子境界部      ６８・・・素子分離部
１０３・・・垂直方向の欠陥          １０４・・・５４度の結晶欠陥
１０５・・・ＰＮ接合面の結晶欠陥
１１１・・・ショットキーダイオードのカソード（Ｎ＋層）
１１２・・・ショットキー金属膜  １１３・・・ショットキーダイオードのアノード電極
１１４・・・ショットキーダイオードのアノード部      １１５・・・結晶欠陥電流
１１６・・・カソード電極        １１７・・・ショットキー金属膜
１２０・・・フィールドプレート      １２１・・・斜め蒸着
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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