(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＣ基板と、
上記ＳｉＣ基板上に形成され、マイクロパイプの引継ぎを抑制するために、不純物濃度が１×１０18ｃｍ-3以上の不純物を含む少なくとも１つの高濃度ＳｉＣ層を含む抑制層と、
上記抑制層の上に形成された活性領域とを備え、
上記活性領域は、
キャリア走行領域として機能する少なくとも１つの第１のＳｉＣ層と、
上記第１のＳｉＣ層よりも高濃度のキャリア用不純物を含み、上記第１のＳｉＣ層よりも膜厚が薄い少なくとも１つの第２のＳｉＣ層と
を積層して構成されている半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
上記抑制層は、
上記高濃度ＳｉＣ層よりも低濃度の不純物を含む少なくとも１つの低濃度ＳｉＣ層をさらに有し、
上記高濃度ＳｉＣ層と上記低濃度ＳｉＣ層とが交互に形成されており、
上記高濃度ＳｉＣ層の厚さが１０ｎｍ以上で且つ１０００ｎｍ以下であり、
上記低濃度ＳｉＣ層の厚さが１０ｎｍ以上で且つ１０００ｎｍ以下であることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置に関し、特にＳｉＣ層を備えた半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
炭化珪素（シリコンカーバイド、ＳｉＣ）は、珪素（Ｓｉ）に比べてバンドギャップが大きい半導体であることから、高い絶縁耐性を有し、また、高温においても安定な半導体であることから、次世代のパワーデバイスや高周波デバイス、高温動作デバイス等への応用が期待されている。ＳｉＣの結晶は、立方晶系の３Ｃ−ＳｉＣ、六方晶系の６Ｈ−ＳｉＣ，４Ｈ−ＳｉＣや菱面体系の１５Ｒ−ＳｉＣ等複数のタイプを有する。この中で、実用的なＳｉＣの半導体デバイスを作製するために一般的に使用されているのが６Ｈ−ＳｉＣ及び４Ｈ−ＳｉＣである。また、ｃ軸の結晶軸に垂直な（０００１）面にほぼ一致する面を主面とする基板が広く用いられている。
【０００３】
図１１は、従来のＳｉＣの縦型薄膜成長装置の断面図である。同図に示すように、従来のＳｉＣの縦型薄膜成長装置は、反応炉１００と、ガス供給系１０７と、ガス排気系１１１と、試料を加熱するためのコイル１０３とから構成されている。ドーピングガス１０６は、ガス供給系１０７から管を通じて反応炉１００内の上部へ供給され、ガス供給系１０７からそれぞれ別の管によって送られた原料ガス１０４と希釈ガス１０５とは、互いに混合された後、反応炉１００内の上部に供給される。原料ガス１０４，希釈ガス１０５及びドーピングガス１０６を反応炉１００に供給する管には、流量を調節する流量計１０８，１０９，１１０がそれぞれ備えられている。また、反応炉１００の内側には、反応炉１００の下面から垂直に伸びた支持軸１１４と、支持軸１１４により支えられたサセプタ１０１とが備えられている。また、原料ガス１０４と、希釈ガス１０５と、ドーピングガス１０６とは反応炉１００内に導入された後、矢印１１２に示すように、ガス排気系１１１により排気される。反応炉１００内の圧力はバルブ１１３によって調節される。また、支持軸１１４により支えられたサセプタ１０１は、反応炉１００の周りに巻かれたコイル１０３を用いた高周波誘導加熱により加熱される。反応炉１００の周辺部１１５には冷却水が循環されている。
【０００４】
従来のＳｉＣ結晶層の形成は、上述の薄膜成長装置を用いたＣＶＤ法により行なっていた。以下にその手順を示す。
【０００５】
まず、ＳｉＣ基板１０２を反応炉１００内のサセプタ１０１上にセットする。次に、反応炉１００の上部より水素ガスを導入して、反応炉内の圧力を大気圧または大気圧以下に調整する。この状態で、コイル１０３に高周波電力を印加して基板１０２を加熱し、基板温度を１５００℃以上に保持する。
【０００６】
続いて、炭素を含むガス（例えばプロパン）及び珪素を含むガス（例えばシラン）を導入することにより、基板１０２の表面にＳｉＣ結晶を成長させることができる。
【０００７】
ここで、ドープ層を形成する場合には、ドーピングガス１０６（ｎ型ドープ層の場合には例えば窒素、ｐ型ドープ層の場合には例えばアルミニウム）を反応炉１００の上部よりガス供給系１０７から流量計１１０を通して供給する。
【０００８】
次に、結晶成長の終了後、原料ガス１０４の供給を止め、コイル１０３への高周波電力の印加を停止して加熱を終了し、基板１０２を冷却する。これにより、ＳｉＣ基板上にＳｉＣ結晶層が形成される。
【０００９】
図１２は、従来のＳｉＣ結晶層の成長工程において、原料ガス，希釈ガスの流量及び基板温度の時間変化のプロセスを示す図である。基板を加熱させながら希釈ガスの供給を開始し、基板温度が所望の温度に達した後に、原料ガスを供給する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＳｉＣウエハにはマイクロパイプと呼ばれる基板を貫通する欠陥（マイクロパイプ欠陥と称す）が存在しており、このウエハ全体の結晶性が良好というわけではない。ＳｉＣウエハ内部のマイクロパイプ欠陥を減らすための研究も行なわれているが、現在の技術では、ＳｉＣウエハ内部でのマイクロパイプ欠陥の発生を抑制することは困難である。
【００１１】
従って、従来の技術では、このウエハを基板として用いて半導体素子を作製する際に、熱化学的気相成長（ＣＶＤ）法によって基板上に成長されるＳｉＣ薄膜が基板中のマイクロパイプ欠陥を引き継いでしまい、結晶性が悪くなるという不具合があった。このために、ＳｉＣを基板として素子を作製しても、その優れた物性値から期待されるような高温動作性、高耐圧性といった特性を得ることが困難であった。
【００１２】
本発明の目的は、基板中のマイクロパイプ欠陥がＳｉＣ膜に引き継がれることを抑制する手段を講ずることにより、ＳｉＣの高温動作性、高耐圧性を生かした半導体装置の製造を可能にすることにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、ＳｉＣ基板と、上記ＳｉＣ基板上に形成され、マイクロパイプの引継ぎを抑制するために、不純物濃度が１×１０18ｃｍ-3以上の不純物を含む少なくとも１つの高濃度ＳｉＣ層を含む抑制層と、上記抑制層の上に形成された活性領域とを備え、上記活性領域は、キャリア走行領域として機能する少なくとも１つの第１のＳｉＣ層と、上記第１のＳｉＣ層よりも高濃度のキャリア用不純物を含み、上記第１のＳｉＣ層よりも膜厚が薄い少なくとも１つの第２のＳｉＣ層とを積層して構成されている。
【００１４】
これにより、ＳｉＣ基板中に含まれるマイクロパイプ欠陥の上方への成長が、抑制層によって抑制されるので、活性領域中のマイクロパイプ欠陥の密度を低下させることができる。このことにより、半導体装置の耐圧性、高温動作性等の性能を向上させることができる。
【００１５】
また、上記抑制層は、上記高濃度ＳｉＣ層よりも低濃度の不純物を含む少なくとも１つの低濃度ＳｉＣ層をさらに有し、上記高濃度ＳｉＣ層と上記低濃度ＳｉＣ層とが交互に形成されており、上記高濃度ＳｉＣ層の厚さが１０ｎｍ以上で且つ１０００ｎｍ以下であり、上記低濃度ＳｉＣ層の厚さが１０ｎｍ以上で且つ１０００ｎｍ以下であることにより、高濃度ＳｉＣ層と低濃度ＳｉＣ層との間に不純物の急峻な変化が形成され、マイクロパイプの成長をより効果的に抑制することができるようになる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図７は、本実施形態のＳｉＣ膜の成長に使用される縦型結晶成長装置の構造を概略的に示す図である。同図に示すように、この縦型結晶成長装置は、反応炉１の中に、基板３ａを載置するためのカーボン製サセプタ４と、サセプタ４を支持するための支持軸５と、反応炉１の石英管２と、石英管２の外側に巻きつけられ、サセプタ４を高周波電流により誘導加熱するためのコイル６とを備えている。石英管２は、二重石英管等からなり、冷却水を流せるように構成されている。また、反応炉１に供給する各種ガスのボンベ等を配置したガス供給系８と、反応炉１から各種ガスを排出するための真空ポンプ等を配置したガス排出システム１５とが設けられている。ガス供給系８と反応炉１とは、原料ガスを供給するための原料ガス供給管７と、水素等の希釈ガスを供給するための希釈ガス供給管９と、不活性ガスやドーピングガスなどの添加ガスを供給するための添加ガス供給管１２とによって接続されており、原料ガス供給管７と希釈ガス供給管９とは、途中で合流して反応炉１に接続されている。そして、原料ガス供給管７及び希釈ガス供給管９の合流前の部位には、それぞれガス流量を調整するための流量計１０，１１が介設されている。また、ガス排出システム１５と反応炉１とは排気管１４によって接続され、排気管１４には、排出されるガスの流量によって反応炉１内の圧力を調節するための圧力調整バルブ１６が介設されている。
【００２３】
ここで、この結晶成長装置の特徴は、添加ガス供給管１２にパルスバルブ２０が介設されていることと、反応炉１内には添加ガス供給管１２の先端から直径が約２ｃｍのガス導入管１３が延び、このガス導入管１３の先端が基板３の上面よりも約５ｃｍ上方に位置する部位で開口していることである。
【００２４】
サセプタ４には、高温に加熱された時に脱ガスが起こらないように厚みが約１００μｍのＳｉＣ膜がコーティングされている。ただし、このＳｉＣ膜の厚みは脱ガスの発生を防止できる厚みよりも厚ければいくらでもよい。
【００２５】
この装置において、ガス供給系８から原料ガス供給管７を通って供給される原料ガスと、希釈ガス供給管９を通って供給される希釈ガスとは合流した後、反応炉１の上部から反応炉１内に導入される。そのとき、原料ガス及び希釈ガスの流量は、各流量計１０，１１によって調整される。
【００２６】
一方、添加ガス供給管１２を経て供給されるドーピングガスや不活性ガスなどの添加ガスは、パルスバルブ２０の周期的な開閉に応じてパルス状に基板３の表面に供給される。このパルスバルブ２０が開いている期間（パルス幅）及び閉じている期間（パルスとパルスの間隔）は任意に設定することができ、例えばパルスバルブ２０が開いている期間が１００μｓ、閉じている期間が４ｍｓの場合には、１秒間におよそ２４０回の開閉が繰り返されることになる。ガス導入管１３の先端と基板３ａとの距離は接近している方が好ましいが、接近しすぎると狭い範囲にしかガスをパルス状で供給する効果が発揮できないので、５ｃｍ程度の間隔を持っていることが好ましい。
【００２７】
そして、原料ガス，希釈ガス及び添加ガスは、排気管１４を通ってガス排気系１５により外部に排気される。
【００２８】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態であるショットキーダイオードについて、以下に説明する。
【００２９】
図１は、本発明の第１の実施形態に係るショットキーダイオードに使用されるＳｉＣ基板を示す断面図である。
【００３０】
同図に示すように、本実施形態に係るショットキーダイオードに使用されるＳｉＣ基板は、ＳｉＣからなる原基板３ｂと、原基板３ｂの上に形成され、ＳｉＣからなる厚さ１００ｎｍのアンドープ層２２（低濃度ＳｉＣ層）とアンドープ層２２に比べて高濃度の窒素を含むＳｉＣからなる厚さ２０ｎｍの不純物ドープ層２３（高濃度ＳｉＣ層）とが交互に各５層ずつ積層された抑制層３０と、抑制層３０の上に形成された厚さ３μｍのＳｉＣからなるアンドープＳｉＣ層２４とを備えている。
【００３１】
また、原基板３ｂの内部には、約１００個ｃｍ-2のマイクロパイプ欠陥２５が含まれており、マイクロパイプ欠陥２５のうち一部は抑制層３０を貫通してアンドープＳｉＣ層２４に到達している。
【００３２】
次に、図２は、本実施形態に係るパワー半導体デバイスであるショットキーダイオードの概略的な断面図である。ここで、基板として、マイクロパイプ欠陥２５の引継ぎを抑制する機能を持つ抑制層３０とアンドープＳｉＣ層２４とが原基板３ｂ上に設けられたものを用いる。この基板を以下デバイス用基板３５とする。
【００３３】
図２に示すように、４Ｈ−ＳｉＣ基板であるデバイス用基板３５の主面上には、以下に説明する方法により形成されたアンドープ層３６とｎ型ドープ層３７（δドープ層）とを交互に５０層ずつ積層した活性領域４０が設けられている。ここで、デバイス用基板３５の厚さは約１００μｍである。ｎ型ドープ層３７の厚さは約１０ｎｍで、ｎ型ドープ層３７中の窒素のピーク濃度は１×１０18atoms ・ｃｍ-3である。アンドープ層３６の厚さは約５０ｎｍで、アンドープ層３６中の窒素濃度は約５×１０15atoms ・ｃｍ-2であって、活性領域４０全体の厚さは約３０００ｎｍ（３μｍ）である。活性領域４０の最上部はアンドープ層３６によって構成されており、活性領域４０の最上部のアンドープ層３６の上には、シリコン酸化膜からなるガードリング３１と、ガードリング３１に設けられた開口部において活性領域４０の最上部のアンドープ層３６にショットキーコンタクトするＮｉ合金からなるショットキー電極３２とが設けられている。また、デバイス用基板３５の裏面には、デバイス用基板３５にオーミックコンタクトするＮｉ合金からなるオーミック電極３３が設けられている。このオーミック電極３３は、デバイス用基板３５のいずれかに接触していればよく、デバイス用基板３５の側面に接触していてもよい。
【００３４】
次に、本発明の第１の実施形態に係るショットキーダイオードの製造方法について以下に説明する。
【００３５】
原基板３ｂとして、[ 1 1 -2 0]方向に８度のオフ角度がついた直径５０ｍｍのｎ型の（０００１）面ＳｉＣ基板（４Ｈ−ＳｉＣ基板）を用いる。このときに、原基板３ｂの表面を観察したところ、約１００個ｃｍ-3の密度でマイクロパイプ欠陥２５が観測された。
【００３６】
まず、原基板３ｂを、流量５（Ｌ／ｍｉｎ）で酸素をバブリングされた水蒸気雰囲気中に置き、１１００℃で３時間ほどの熱酸化処理により、原基板３ｂの表面に約４０ｎｍ（４００Å）の熱酸化膜を形成した後、バッファードフッ化水素酸（フッ化水素酸：フッ化アンモニウム水溶液＝１：７）により、その熱酸化膜を除去した。その後、表面の熱酸化膜が除去された原基板３ｂをサセプタ４に設置し、反応炉１を１×１０-6Ｐａ（≒１×１０-8Torr）程度の真空度になるまで排気した。
【００３７】
次に、希釈ガスとして水素ガスを流量２（Ｌ／ｍｉｎ）で、アルゴンガスを流量１Ｌ／ｍｉｎで、それぞれガス供給系８より供給して反応炉１内の圧力を９．３×１０4 Ｐａ（７×１０2 Torr）とする。反応炉１内の圧力は、バルブ１６を調節することにより制御される。この流量を維持しながら、誘導加熱装置を用いて、コイル６に２０．０ｋＨｚ、２０ｋＷの高周波電力を印加して、サセプタ４を加熱する。原基板３ｂの温度は１６００℃で一定に制御しておく。
【００３８】
次に、水素ガスとアルゴンガスの流量をそれぞれ２（Ｌ／ｍｉｎ）と１（Ｌ／ｍｉｎ）として一定に保ったまま、炭素（Ｃ）の原料ガスとしてプロパンガスを流量２（ｍＬ／ｍｉｎ）で、シリコン（Ｓｉ）の原料ガスとしてシランガスを流量３（ｍＬ／ｍｉｎ）でそれぞれ反応炉１のガス供給口より供給する。原料ガスは、それぞれ流量５０（ｍＬ／ｍｉｎ）の水素ガスで希釈して供給する。プロパンガスとシランガスを、上述の流量で加熱されたサセプタ４上の原基板３ｂに供給することにより、原基板３ｂ上に厚さ約１００ｎｍの不純物を加えない４Ｈ−ＳｉＣ結晶の薄膜（アンドープ層２２；低濃度ドープ層）をエピタキシャル成長させる。このとき、窒素ガスなどを使用しなくても、残留ガスなどによって窒素などのキャリア用不純物がある程度導入されることがあるので、本実施形態及び後述する各実施形態においては、製造工程上窒素を導入する処理を行なって形成されたものではないという意味で、「アンドープ」という文言を用いることとする。
【００３９】
続いて、プロパンガス，シランガス及び水素ガスの流量を保持したまま、不純物ドーピングガスとして窒素を導入することによって、厚さ約２０ｎｍの不純物ドープ層２３（高濃度ドープ層）を上記アンドープ層２２の上に形成する。この際、不純物ドープ層２３の厚みは、パルスバルブ１を動作する時間によって調節する。本実施形態においては、パルスバルブが開いている時間を１０２μｓ、閉じている時間を４ｍｓとする。この条件のもとでは、不純物濃度が１×１０18atoms・ｃｍ-3であることが、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）によって確認されている。
【００４０】
続いて、パルスバルブの動作を停止した状態で不純物ドープ層２３の上に厚みが約１００ｎｍのアンドープ層２２を成長させた。その後、再度上述の条件でパルスバルブを動作させて、アンドープ層２２の上に不純物ドープ層２３を形成する。以下同様に、アンドープ層２２と不純物ドープ層２３の形成を繰り返して、厚みが約２０ｎｍの不純物ドープ層２３と厚みが約１００ｎｍのアンドープ層２２とを、各５層ずつ交互に形成する。ここで、アンドープ層２２とアンドープ層２３が積層されている部分を抑制層３０とする。
【００４１】
次に、この抑制層３０の上に、厚みが約３μｍの不純物を導入しないアンドープＳｉＣ層２４を上述の結晶成長装置を用いて形成する。これにより、本実施形態のショットキーダイオードに用いられるＳｉＣ薄膜を備えたＳｉＣ基板が作製される。
【００４２】
図９に、不純物ドープ層とアンドープ層とを交互に形成して積層構造にするＳｉＣ薄膜の成長方法において、不純物（窒素）を含むガス，原料ガス（プロパンガスとシランガス）及び希釈ガス（水素ガス）の流量と基板温度の時間変化のプロセスについて示す。同図を参照すると、ＳｉＣの結晶成長過程において、基板温度を上昇させながら希釈ガスの供給を開始し、一定量の供給を保持する。基板温度が１６００℃程度に達した後、原料ガスの供給を開始する。その後、不純物を含むガスをパルス状に供給する。
【００４３】
この方法によって形成されたＳｉＣ薄膜中に含まれる不純物の深さ方向の濃度分布を、ＳＩＭＳにより測定した。
【００４４】
図８は、ＳＩＭＳによって測定された、ＳｉＣ薄膜における窒素濃度の深さ方向の分布を示す図である。パルスバルブ２０を開いている時間を１０２μｓ、閉じている時間を４ｍｓの条件で測定している。同図から、本実施形態において形成された不純物ドープ層内の窒素の濃度分布は、アンドープ層との境界部分で極めて急峻な変化をしていることが分かる。
【００４５】
図１０（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本実施形態において成長された薄膜表面と、窒素を導入せずに成長されたＳｉＣ薄膜表面とを、レーザ顕微鏡を用いて撮影した写真図である。窒素を導入せずに成長されたＳｉＣ薄膜表面には、マイクロパイプ欠陥が観測されているが（図１０（ｂ）参照）、本実施形態において形成されたＳｉＣ薄膜表面では、消滅したマイクロパイプ欠陥が観測されている（図１０（ａ）参照）。このように、本実施形態において形成されたＳｉＣ薄膜では、マイクロパイプ欠陥の密度が大幅に減少することが確認された。窒素を導入せずに成長させたＳｉＣ薄膜表面のマイクロパイプ欠陥の密度は、原基板の表面での密度（約１００個ｃｍ-2）と比べてあまり変化しておらず、約９０個ｃｍ-2であったのに対し、本実施形態のＳｉＣ薄膜の成長方法により形成されたＳｉＣ薄膜表面では、マイクロパイプ欠陥の密度は約３０個ｃｍ-2であった。これらの結果より、本実施形態のＳｉＣ薄膜の成長方法を用いることによってＳｉＣ薄膜内のマイクロパイプ欠陥を減らすことが可能となることが分かる。
【００４６】
ここで、本実施形態において、ＳｉＣ薄膜内でマイクロパイプ欠陥の成長が抑制される理由は、２つ考えられる。
【００４７】
１つは、ＳｉＣの結晶中に導入された窒素等の不純物の影響である。マイクロパイプ欠陥は、ＳｉＣ結晶中のらせん転位が重なることにより生じると考えられるが、炭素原子より大きい窒素原子がＳｉＣ結晶中に導入されることにより、マイクロパイプ欠陥は平面欠陥に変形され、結果としてマイクロパイプ欠陥の成長が抑制されると考えられている。
【００４８】
もう１つは、本発明で新たに用いられた不純物ドープ層の影響である。窒素を高濃度で含む不純物ドープ層とアンドープ層の界面には、結晶の歪みが存在すると考えられ、発明者らは、この歪みがマイクロパイプ欠陥の成長を抑制すると推定している。このため、マイクロパイプ欠陥の成長を抑制するためには、不純物ドープ層とアンドープ層を積層する構造の利用が有効であると考えられる。
【００４９】
尚、ＳｉＣ基板を製造する際などに、ＳｉＣを減圧下で昇華させてから再結晶させる昇華法がよく用いられるが、結晶の成長速度が速いため、本実施形態で行なうような急峻な不純物濃度の変化を実現できない。よって、本実施形態では、ＳｉＣの結晶成長にＣＶＤ法を用いる。
【００５０】
次に、本実施形態に係るショットキーダイオードは、以下の手順により形成される。
【００５１】
尚、デバイス用基板３５としては、上述したＳｉＣ薄膜を備えたＳｉＣ基板、つまり、マイクロパイプ欠陥の引継ぎを抑制するための抑制層が形成されたＳｉＣ基板を使用する。
【００５２】
まず、デバイス用基板３５を図７に示す結晶成長装置内に設置し、先に説明した結晶成長装置を用いたＣＶＤを行なって、デバイス用基板３５の上に、厚み約５０ｎｍのアンドープ層３６と厚み約１０ｎｍのｎ型ドープ層３７とを交互にエピタキシャル成長させて、活性領域４０を形成する。その後、基板上にシリコン酸化膜を形成した後、その一部を開口してガードリング３１を形成する。次に、デバイス用基板３５の裏面にＮｉ合金からなるオーミック電極３３を形成し、基板上のガードリング３１の開口領域の上に、Ｎｉ合金からなるショットキー電極３２を形成する。これにより、本実施形態に係るショットキーダイオードが形成される。
【００５３】
本実施形態に係るショットキーダイオードのデバイス用基板３５において、原基板３ｂ上にアンドープ層とドープ層とが交互に５層ずつ形成されるが、これに限らず、何層であってもマイクロパイプ欠陥の成長を抑制する効果を発揮することができる。アンドープ層とドープ層が各１層ずつであっても、窒素濃度の急峻な変化により、マイクロパイプ欠陥の成長を抑制する効果があると考えられる。
【００５４】
また、本実施形態においてデバイス用基板３５中のアンドープ層の厚さを１００ｎｍとしたが、好ましい厚さの範囲は、１０ｎｍ以上で且つ１０００ｎｍ以下である。ドープ層についても、本実施形態においては厚さを２０ｎｍとしたが、アンドープ層と同様に、１０ｎｍ以上で且つ１０００ｎｍ以下であることが望ましい。これは、ドープ層の厚さが１０ｎｍより薄い場合、不純物によるマイクロパイプ欠陥の緩和機能が働かず、１０００ｎｍを越えた場合、ドープ層中の不純物（本実施形態では窒素）がＳｉＣ薄膜の結晶性を低下させる可能性があるからである。また、ドープ層は、アンドープ層に比べて薄いことが望ましい。これは、不純物元素を導入されたＳｉＣ層に生じる格子不整合による格子の歪み等を、アンドープ層において緩和するために、ドープ層よりも厚いアンドープ層が必要であるからである。
【００５５】
また、本実施形態において、ドープ層に導入された窒素濃度は１×１０18ａｔｏｍｓ・ｃｍ-3程度であるが、パルスバルブを開ける時間を長くすることにより、１×１０19ａｔｏｍｓ・ｃｍ-3程度に濃くすることもできる。これにより、マイクロパイプ欠陥を抑制する効果がさらに大きくできると考えられる。
【００５６】
尚、本実施形態において、ドープ層に導入する不純物として窒素を用いたが、他にもＰ，Ａｌ，Ｂ，Ｎｅ等を含むガスを用いてこれらの不純物をドープ層に導入してもよい。
【００５７】
デバイス用基板３５中のアンドープＳｉＣ層内では、従来のＳｉＣ基板に比べてマイクロパイプ欠陥の密度が大きく減少しているので、この基板上に堆積したＳｉＣ層中でのマイクロパイプ欠陥の密度も低く抑えられている。これにより、本実施形態に係るショトキーダイオードの活性領域中の結晶性も向上し、高耐圧等の特徴を持ったショットキーダイオードを形成することが可能となる。
【００５８】
また、第１の実施形態の薄膜形成方法を用いて基板中のマイクロパイプ欠陥の密度を減少させた基板を用いることにより、活性領域にマイクロパイプ欠陥を含んだデバイスはなくなり、デバイス製造の際の歩留まりを上げることができる。
【００５９】
尚、本実施形態のショットキーダイオードにおいては、電流は基板平面に対して垂直方向に流れる。基板の下部にはマイクロパイプ欠陥が比較的高濃度で含まれるが、電流の通路としてのみ機能する場合には、マイクロパイプ欠陥が存在しても、デバイスの性能にはほとんど影響しない。
【００６０】
本実施形態においては、マイクロパイプの成長を抑制する抑制層３０とアンドープＳｉＣ層２４を備えた基板（デバイス用基板３５）の上に活性領域４０を形成したが、デバイス用基板３５中のアンドープＳｉＣ層を活性領域としてショットキーダイオードを形成することもできる。
【００６１】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態は、第１の実施形態に係るショットキーダイオードに使用されるＳｉＣ基板と同じデバイス用基板３５を用いて作製されるショットキーダイオードである。電流が基板平面に対して平行に流れるところが第１実施形態のショットキーダイオードと異なっている。
【００６２】
図３は、第２の実施形態に係るパワー半導体デバイスである、ショットキーダイオードの概略的な構造を示す断面図である。
【００６３】
同図に示すように、ｎ型の４Ｈ−ＳｉＣ基板であるデバイス用基板３５の主面上には、第１の実施形態で説明した方法と同じ方法により形成されたアンドープ層３６とｎ型ドープ層３７（δドープ層）とを交互に５０層ずつ積層した活性領域４０が設けられている。ここで、デバイス用基板３５として、第１の実施形態において使用された、マイクロパイプの成長を抑制する抑制層３０を備えた基板を用いる。この基板の厚さは約１００μｍで、デバイス用基板３５のアンドープＳｉＣ層には不純物がドープされておらず、ほぼ半絶縁性状態となっている。ｎ型ドープ層３７の厚さは約２ｎｍで、ｎ型ドープ層３７中の窒素のピーク濃度は１×１０18atoms ・ｃｍ-3である。アンドープ層３６の厚さは約５０ｎｍで、アンドープ層３６中の窒素濃度は約５×１０15atoms ・ｃｍ-3である。
【００６４】
ここで、本実施形態においては、活性領域４０の上ではなく側方にショットキー電極４５が設けられている。すなわち、活性領域４０を堀り込んでデバイス用基板３５に達する溝が形成され、この溝の側面上の活性領域４０にショットキーコンタクトするＮｉ合金からなるショットキー電極４５が設けられている。つまり、活性領域４０内のアンドープ層３６及びｎ型ドープ層３７の各第１の側面にショットキーコンタクトするショットキー電極４５が設けられている。また、活性領域４０を挟んでショットキー電極４５に対向するように引き出し用ドープ層４１が形成されている。つまり、活性領域４０のアンドープ層３６及びｎ型ドープ層３７の各第１の側面とはある間隔を隔てた領域に高濃度の不純物を導入して形成された引き出し用ドープ層４１が設けられている。この引き出し用ドープ層４１は活性領域４０及び原基板３ｂの一部に窒素のイオン注入を行なうことにより形成されたもので、引き出し用ドープ層４１における窒素の濃度は、約１×１０18atoms ・ｃｍ-3である。そして、引き出し用ドープ層４１の上には、引き出し用ドープ層４１にオーミックコンタクトするＮｉ合金からなるオーミック電極４２が設けられている。ショットキー電極４５と引き出し用ドープ層４１との間隔は約１０μｍである。つまり、活性領域４０内のアンドープ層３６及びｎ型ドープ層３７の各第２の側面に引き出し用ドープ層４１を介して接続されたオーミック電極４２が設けられている。
【００６５】
また、引き出し用のドープ層４１は必ずしも設ける必要はない。例えば、活性領域４０にトレンチを形成して、トレンチに電極材料（Ｎｉなど）を埋め込んで、活性領域４０と電極材料とをオーミックコンタクトさせる処理を行なうことにより、活性領域に直接オーミックコンタクトするオーミック電極を設けてもよい。
【００６６】
図３に示す本実施形態に係るショットキーダイオードは、以下の手順により形成される。
【００６７】
まず、デバイス用基板３５として、第１の実施形態において用いられたものと同じＳｉＣ基板、つまり、基板３上にマイクロパイプ欠陥の引継ぎを抑制するための抑制層３０とアンドープＳｉＣ層２４とが形成されたものを使用する。このデバイス用基板３５を、図７に示す結晶成長装置内に設置し、第１の実施形態で説明したＣＶＤを行なって、デバイス用基板３５の上に、厚み約５０ｎｍのアンドープ層３６と厚み約２ｎｍのｎ型ドープ層３７とを交互にエピタキシャル成長させて、活性領域４０を形成する。次に、活性領域４０及び基板３ｂの一部に窒素のイオン注入を行なって、引き出し用ドープ層４１を形成する。また、活性領域４０の一部をドライエッチングにより除去して、溝を形成する。その後、引き出し用ドープ層４１の上にＮｉ合金からなるオーミック電極４２を形成する。次に、溝の側壁にＮｉ合金からなるショットキー電極４５を形成する。これにより、本実施形態に係るショットキーダイオードが形成される。
【００６８】
ここで、基板として用いたＳｉＣ基板のアンドープＳｉＣ層中では、従来のＳｉＣ基板に比べてマイクロパイプ欠陥の密度が大きく減少しているので、この基板上に堆積したＳｉＣ層中のマイクロパイプ欠陥の密度も低く抑えられている。これにより、本実施形態に係るショットキーダイオードの活性領域中の結晶性も向上し、高耐圧等の特徴を持ったショットキーダイオードを形成することが可能となる。
【００６９】
また、第１の実施形態の薄膜形成方法を用いて基板中のマイクロパイプ欠陥の密度を減少させた基板を用いることにより、活性領域にマイクロパイプ欠陥を含んだデバイスはなくなり、デバイス製造の際の歩留まりを上げることができる。
【００７０】
本実施形態においては、第１の実施形態において使用されたものと同じ、抑制層を備えた基板（デバイス用基板３５）の上に活性領域４０を形成したが、デバイス用基板３５のアンドープＳｉＣ層を活性領域としてショットキーダイオードを形成することもできる。
【００７１】
（第３の実施形態）
図４（ａ），（ｂ）は第３の実施形態における縦型パワーＭＯＳＦＥＴの平面図及び断面図である。ただし、図４（ａ）においては、ソース電極５９を除去し、かつ、層間絶縁膜５８を透明体として扱ったときの平面状態を示している。
【００７２】
図４（ａ），（ｂ）に示すように、本実施形態における縦型パワーＭＯＳＦＥＴは、多数のセルをマトリックス状に配置した構造を有している。
【００７３】
ここで、基板としては、マイクロパイプ欠陥の引継ぎを抑制するための抑制層３０が設けられたＳｉＣの原基板３が用いられている。これを以下ＳｉＣ基板６０と表記する。そのドープ層（δドープ層）とアンドープ層とからなる積層構造の上のアンドープＳｉＣ層には、ｎ型の不純物が含まれている。
【００７４】
そして、本実施形態のパワーＭＯＳＦＥＴは、ＳｉＣ基板６０と、ＳｉＣ基板６０の上に形成され濃度約２×１０17atoms ・ｃｍ-3の窒素がドープされたｎ- ＳｉＣ層５１と、ｎ- 型ＳｉＣ層５１の上に形成され濃度約１×１０16atoms ・ｃｍ-3の窒素がドープされたｐ型ＳｉＣ層５２と、ｐ型ＳｉＣ層５２内にイオン注入により形成され濃度約１×１０18atoms ・ｃｍ-3のアルミニウムを含むｎ+ 型ソース領域５４と、ｐ型ＳｉＣ層５２のうち２つのセルのソース領域５４同士の間に挟まれた領域にイオン注入により形成され濃度約１×１０18atoms ・ｃｍ-3のアルミニウムを含むｐ+ 型コンタクト領域５５と、ｐ型ＳｉＣ層５２を貫通してｎ- 型ＳｉＣ層５１に達するトレンチ６１と、トレンチ６１の側面及び底面に沿って形成され、δドープ層及びアンドープ層の積層膜からなる平均濃度約２×１０17atoms ・ｃｍ-3のアルミニウムを含む活性領域５３と、活性領域５３の上に形成されたＳｉＯ2 からなるゲート絶縁膜５６と、ゲート絶縁膜５６の上に形成されたポリシリコンからなるゲート電極５７と、ゲート電極５７を覆う層間絶縁膜５８と、基板上を覆い、各セルのｎ+ 型ソース領域５４及びｐ+ 型コンタクト領域５５にコンタクトするＮｉ合金膜からなるソース電極５９と、ＳｉＣ基板６０の裏面を覆うＮｉ合金膜からなるドレイン電極５０とを備えている。
【００７５】
そして、上記活性領域５３は、高濃度（例えば１×１０18atoms ・ｃｍ-3）のアルミニウムを含む厚みが約１０ｎｍのｐ型ドープ層５３ａと、アンドープのＳｉＣ単結晶からなる厚み約５０ｎｍのアンドープ層５３ｂとを交互に、各々５層ずつ積層して構成されている。つまり、トータルの厚みが約３００ｎｍである。そして、ｐ型ドープ層５３ａは、量子効果によるアンドープ層５３ｂへのキャリアの浸みだしが可能な程度に薄く形成されていることから、キャリアのしみ出しに伴ってｐ型ドープ層５３ａには負の電荷がトラップされる。
【００７６】
本実施形態の縦型パワーＭＯＳＦＥＴによると、ポリシリコンゲート電極５７にバイアスを付加した状態で、ドレイン電極５０とソース電極５９との間に電圧を印加することにより、ゲート絶縁膜５６とｐ型ＳｉＣ層５２及びｎ- 型ＳｉＣ層５１との間に介在する活性領域５３をキャリア（電子）が走行する。そして、ゲート電極５７に印加される電圧によってソース・ドレイン間の電流が変調され、スイッチング動作が得られる。
【００７７】
次に、本実施形態における縦型パワーＭＯＳＦＥＴの製造方法について説明する。
【００７８】
まず、ＳｉＣ基板６０の上にin-situ ドープによって濃度２×１０17atoms ・ｃｍ-3の窒素をドープしながらｎ- 型ＳｉＣ層５１を、図７に示した結晶成長装置を用いたＣＶＤによりエピタキシャル成長させた後、in-situ ドープによって濃度１×１０16atoms ・ｃｍ-3のアルミニウムをドープしながらｐ型ＳｉＣ層５２をエピタキシャル成長させる。
【００７９】
次に、トレンチ形成領域を開口したシリコン酸化膜及びＮｉ膜からなるエッチングマスクを形成し、ＣＦ4 とＯ2 とを用いた反応性イオンエッチングを行なって、ｐ型ＳｉＣ層５２を貫通し、ｎ- 型ＳｉＣ層５１の途中に達するトレンチ６１を形成する。
【００８０】
次に、第１の実施形態において説明した手順に従って、ｐ型ドープ層５３ａとアンドープ層５３ｂとを交互に５層ずつ積層してなる活性領域５３を形成する。活性領域５３における平均のアルミニウム濃度は、約１×１０17atoms ・ｃｍ-3であり、活性領域５３のトータルの厚みは、３００ｎｍである。
【００８１】
次に、約１１００℃の温度下で活性領域５３の表面部を熱酸化することにより、熱酸化膜を形成する。さらに、その上にポリシリコン膜を堆積した後、熱酸化膜及びポリシリコン膜をパターニングして、トレンチ６１を埋めるゲート絶縁膜５６とポリシリコンゲート電極５７とを形成する。このとき、２つのセルの中間部位に熱酸化膜及びポリシリコン膜の一部を残して、これをイオン注入マスクとする。そして、ゲート電極５７及びイオン注入マスクの上からｐ型ＳｉＣ層５２内に窒素イオン（Ｎ+ ）の注入を行なって、濃度１×１０18atoms ・ｃｍ-3の窒素を含むｎ+ 型のソース領域５４を形成する。
【００８２】
次に、イオン注入マスクのみを除去した後、基板上にシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜５８を堆積し、イオン注入マスクで覆っていた領域を開口する。そして、層間絶縁膜５８の上からｐ型ＳｉＣ層５２内にアルミニウムイオン（Ａｌ+ ）を注入して、濃度１×１０18atoms ・ｃｍ-3のアルミニウムを含むｐ+ 型コンタクト領域５５を形成する。
【００８３】
次に、層間絶縁膜５８のうちｎ+ ソース領域５４の一部の上にある部分のみをエッチングにより除去してから、Ｎｉ合金膜を基板の表面及び裏面に蒸着し、ソース電極５９とドレイン電極５０を形成する。この手順により、本実施形態のパワーＭＯＳＦＥＴが作製される。
【００８４】
尚、本実施形態では、マイクロパイプの引継ぎを抑制するための抑制層３０を備えた原基板３ｂがＳｉＣ基板６０として用いられているため、抑制層３０の上に形成される活性層においては、従来の方法により作成されたＳｉＣ基板に比べてマイクロパイプ欠陥の密度が大きく減少している。この基板上に堆積したＳｉＣ層中のマイクロパイプ欠陥の密度も低く抑えられている。これにより、本実施形態に係るパワーＭＯＳＦＥＴの活性領域中の結晶性も向上し、高耐圧等の特徴を持ったパワーＭＯＳＦＥＴを形成することが可能となる。
また、第１の実施形態の薄膜形成方法を用いて基板中のマイクロパイプ欠陥の密度を減少させた基板を用いることにより、活性領域にマイクロパイプ欠陥を含んだデバイスはなくなり、デバイス製造の際の歩留まりを上げることができる。
【００８５】
尚、本実施形態のパワーＭＯＳＦＥＴにおいては、電流は基板平面に対して垂直方向に流れる。基板の下部にはマイクロパイプ欠陥が比較的高濃度で含まれるが、電流の通路としてのみ機能する場合には、マイクロパイプ欠陥が存在してもデバイスの性能にはほとんど影響しない。
【００８６】
（第４の実施形態）
図５は、第４の実施形態に係るＭＥＳＦＥＴの概略を示す断面図である。本実施形態のＭＥＳＦＥＴは、基板として、第１の実施形態において用いられたものと同じＳｉＣ基板、つまり、マイクロパイプ欠陥の引継ぎを抑制するための抑制層とアンドープＳｉＣ層とが形成されたＳｉＣ基板が用いられている。
【００８７】
このＳｉＣ基板は、ＳｉＣからなる基板３ｂと、各５層のアンドープ層２２と不純物ドープ層２３とが交互に積層された抑制層３０と、厚さ３μｍのアンドープＳｉＣ層２４とから構成されている。
【００８８】
図５に示すように、本実施形態のＭＥＳＦＥＴは、ＳｉＣ基板と、ＳｉＣ基板の上に形成された、厚みが約２００ｎｍ（２０００Å）のｎ型ドープ層であるＳｉＣ薄膜（チャネル層７２）と、チャネル層７２の上に形成され、チャネル層７２とショットキーコンタクトしている金（Ａｕ）からなるゲート長約０．５μｍのゲート電極７４と、ゲート電極の両側方にゲート電極７４と接しないようにそれぞれ設けられ、チャネル層７２とオーミックコンタクトしているＮｉからなるソース電極７３及びドレイン電極７５とを備えている。チャネル層７２は、２×１０17atoms・ｃｍ-3の密度でキャリアとなる不純物を含んでおり、ＭＥＳＦＥＴのチャネル層として機能する。
【００８９】
次に、本実施形態に係るＭＥＳＦＥＴの製造方法を以下に説明する。
【００９０】
まず、図７の結晶成長装置を用いたＣＶＤ法により、基板上に厚みが約２００ｎｍのｎ型ドープ層であるチャネル層７２を形成する。このとき、チャネル層中のキャリア密度が２×１０17atoms・ｃｍ-3となるように不純物を導入しておく。
【００９１】
次に、チャネル層７２の上面に、真空蒸着装置により、ソース電極７３，ドレイン電極７５としてニッケル（Ｎｉ）を蒸着する。続いて、オーミックコンタクトをとるために１０００℃で３分間アニールを行なう。
【００９２】
次に、チャネル層７２の上面に金（Ａｕ）を蒸着して、ゲート長約０．５μｍのゲート電極７４を形成し、ゲート電極７４とチャネル層７２との間にショットキーコンタクトをとる。これにより、本実施形態のＭＥＳＦＥＴが形成される。
【００９３】
このＭＥＳＦＥＴについて、性能を評価するために、ドレイン電流とゲート電圧との関係を調べた。比較のために、ドープ層２３を形成しないＳｉＣ薄膜についても同様のＭＥＳＦＥＴを形成して、電流電圧特性を調べた。作製したＭＥＳＦＥＴのチャネル層の厚みは約２００ｎｍ（２０００Å）、キャリア密度は２×１０17atoms・ｃｍ-3、ゲート長は約０．５μｍとして、両ＭＥＳＦＥＴのキャリア密度及びチャネル層の厚みがほぼ同じになるようにした。この条件で、両ＭＥＳＦＥＴにおける、しきい値電圧付近の相互コンダクタンスを測定した。その結果、積層構造の不純物ドープ層を形成したＳｉＣ薄膜を用いたＭＥＳＦＥＴの相互コンダクタンスは、ドープ層２３を形成しないで成長させたＳｉＣ薄膜を用いたＭＥＳＦＥＴの相互コンダクタンスに比べて約２倍近く高くなっていることが分かった。
【００９４】
これは、本実施形態で用いた基板のＳｉＣ薄膜ではマイクロパイプ欠陥の密度が減少するために結晶性が向上し、チャネル層を流れるキャリアの移動度が向上したことによるものと考えられる。
【００９５】
この結果から、マイクロパイプ欠陥の成長を抑制する抑制層３０を備えた基板を用いることにより、低消費電流、低電圧駆動、高利得という特徴を持ったＭＥＳＦＥＴを形成することが可能であることが示された。
【００９６】
また、第１の実施形態の薄膜形成方法を用いて基板中のマイクロパイプ欠陥の密度を減少させた基板、すなわち抑制層３０とアンドープＳｉＣ層２４を備えた原基板３ｂ、を用いることにより、活性領域にマイクロパイプ欠陥を含んだデバイスはなくなり、デバイス製造の際の歩留まりを上げることができる。
【００９７】
尚、本実施の形態においては、ｎ型のドープ層をチャネル層としてＭＥＳＦＥＴを作製したが、ｎ型及びｐ型のドープ層を形成してＭＯＳＦＥＴを作製することもできる。
【００９８】
また、本実施形態においては、アンドープＳｉＣ層２４の上にチャネル層７２を形成したが、これに代えて、アンドープＳｉＣ層２４の上に厚さ約１００ｎｍのアンドープ層７６と厚さ約２０ｎｍのδドープ層７７とを交互に２回以上積層させた積層部８０を形成してもよい。
【００９９】
図６は、本実施形態において、チャネル層７２の代わりに積層部８０を設けたＭＥＳＦＥＴの概略を示す断面図である。
【０１００】
積層部８０を活性領域として用いることにより、キャリア移動度を向上させることができるので、ＭＥＳＦＥＴの性能を向上させることができる。
【０１０１】
【発明の効果】
本発明の半導体装置によれば、マイクロパイプ欠陥の成長を抑制するＳｉＣからなる抑制層を半導体装置に備えることにより、ＳｉＣの高温動作性、高耐圧性を生かした半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態のＳｉＣ薄膜の成長方法により形成されるＳｉＣ薄膜を備えたＳｉＣ基板の断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るショットキーダイオードを示す断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係るショットキーダイオードを示す断面図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明の第３の実施形態に係る縦型ＭＯＳＦＥＴの上面図及び本発明の第３の実施形態に係る縦型ＭＯＳＦＥＴの断面図である。
【図５】本発明の第４の実施形態に係るＭＥＳＦＥＴを示す断面図である。
【図６】本発明の第４の実施形態に係り、チャネル層を不純物ドープ層とアンドープ層とからなる抑制層で構成したＭＥＳＦＥＴを示す断面図である。
【図７】本発明で用いられる、不純物のパルスドーピングが可能なＳｉＣ薄膜の成長装置の概略を示す図である。
【図８】本発明の第１の実施形態において、不純物ドープ層とアンドープ層とからなる抑制層について、窒素の深さ方向の濃度分布を示す図である。
【図９】本発明の第１の実施形態において用いられるＳｉＣ薄膜の成長方法において、不純物ドープ層とアンドープ層とからなる積層構造を形成する場合の、不純物を含むガス，原料ガス及び希釈ガスの流量と基板温度の時間変化のプロセスを示す図である。
【図１０】（ａ），（ｂ）はそれぞれ本発明の半導体装置に基板として用いられるＳｉＣ薄膜の表面と、従来の方法により形成されたＳｉＣ薄膜の表面のレーザ顕微鏡写真図である。
【図１１】従来のＳｉＣ薄膜の成長装置の概略を示す図である。
【図１２】従来のＳｉＣ薄膜の成長方法において、原料ガス及び希釈ガスの流量及び基板温度の時間変化のプロセスを示す図である。
【符号の説明】
１          反応炉
２          石英管
３ａ        基板
３ｂ        原基板
４          サセプタ
５          支持軸
６          コイル
７          原料ガス供給管
８          ガス供給系
９          希釈ガス供給管
１０，１１  流量計
１２        添加ガス供給管
１３        ガス導入管
１４        排気管
１５        ガス排気系
１６        圧力調整バルブ
２２        アンドープ層
２３        不純物ドープ層
２４        アンドープＳｉＣ層
２５        マイクロパイプ欠陥
３０        抑制層
３１        ガードリング
３２        ショットキー電極
３３        オーミック電極
３５        基板
３６        アンドープ層
３７        ｎ型ドープ層
４０        活性領域
４１        引き出し用ドープ層
４２        オーミック電極
４５        ショットキー電極
５０        ドレイン電極
５１        ｎ-型ＳｉＣ層
５２        ｐ型ＳｉＣ層
５３        活性領域
５４        ソース領域
５５        ｐ+型コンタクト領域
５６        ゲート絶縁膜
５７        ゲート電極
５８        層間絶縁膜
５９        ソース電極
６０        ＳｉＣ基板
６１        トレンチ
７２        チャネル層
７３        ソース電極
７４        ゲート電極
７５        ドレイン電極
７６        アンドープ層
７７        δドープ層
８０        積層部
【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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