JP5046083B2

JP5046083B2 - 炭化珪素半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP5046083B2
Application number: JP2006227650A
Authority: JP
Inventors: 明将木下; 憲司福田; 勉八尾; 孝西; 光央岡本
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2006-08-24
Filing date: 2006-08-24
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2026-08-24
Also published as: JP2008053418A

Description

本発明は、炭化珪素半導体装置の製造方法に関し、特に炭化珪素基板上に形成したショットキーバリアダイオード（以下ＳＢＤと略称する）の製造方法に関するものである。

炭化珪素（ＳｉＣ）は、シリコン（Ｓｉ）と比較して、１．バンドギャップが広い、２．絶縁破壊強度が大きい、３．電子の飽和ドリフト速度が大きいなどの優れた物性を有する。したがって、炭化珪素（ＳｉＣ）を基板材料として用いることにより、シリコン（Ｓｉ）の限界を超えた高性能の高耐圧な電力用半導体素子が製造できる。

また、炭化珪素（ＳｉＣ）には、シリコン（Ｓｉ）等の半導体と同様に、金属を表面に堆積させることにより整流特性のあるＳＢＤを製造できる。これらの理由から、炭化珪素（ＳｉＣ）を基板材料とした高耐圧で低オン抵抗のＳＢＤが実現できると考えられ、数多くの研究開発が行われている。

炭化珪素ＳＢＤの耐圧を上げる方法として、ショットキー電極の終端領域にイオン注入でガードリングを形成した構造が使われている（非特許文献１）。
図１は、一般的な構造の断面図である。この構造では、高濃度ｎ型基板１上に低濃度ｎ型ドリフト層２が堆積されている。その後、ｐ型不純物をイオン注入法によってｐ型領域３が形成される。イオン注入されたｐ型不純物は格子間に留まったままであるためキャリアを放出せずｐ型領域として動作しない。そのため、活性化と呼ばれる高温処理を行うことによって、ｐ型不純物は格子サイトに置換（活性化）されｐ型領域として動作する。その後、高濃度ｎ型基板１上にオーミック電極（金属又はシリサイド）５を形成し、低濃度ｎ型ドリフト層２上にショットキー電極４として２上に金属を堆積させる。ショットキー電極４の終端はイオン注入と活性化によって形成したｐ型領域３と重なるように形成される。その結果、逆方向に高電圧をかけたときのショットキー電極終端部での電界集中が緩和され、所定の阻止特性を有する高耐圧ＳＢＤとして動作する。

イオン注入されたｐ型不純物の活性化を行うために１６００℃以上の温度でアルゴン雰囲気中で高温処理されるが、活性化によりＳｉＣの表面が汚染又は損傷等を受けているため、活性化後の炭化珪素２表面上にショットキー電極４を堆積させると電気特性が劣化する。電気特性の劣化は漏洩電流に顕著に現れ、高耐圧ＳＢＤとして動作しない。このため、高温の活性化を行うプロセスで漏洩電流の少ないＳＢＤを歩留まりよく製造はできない問題がある。

炭化珪素（ＳｉＣ）は、熱酸化によって二酸化珪素層を炭化珪素（ＳｉＣ）表面上に形成する。この二酸化珪素層をフッ化水素酸によって処理することにより取り除くことができる。この方法は炭化珪素（ＳｉＣ）表面を新たな損傷を与えることなく取り除くことができる。炭化珪素（ＳｉＣ）表面の汚染又は損傷等した層を取り除く方法として知られており、犠牲酸化と呼ばれている。さらに、二酸化珪素の厚さは酸化時間と温度により制御できるため、炭化珪素表面の研削厚さを制御することが可能である。

ＳＢＤ製造工程において、高温活性化の後ショットキー電極を形成する前に、この犠牲酸化を行う製造工程は知られている(特許文献１)。

しかしながら、活性化後に行う犠牲酸化で表面から取り除く量が少なければ漏洩電流の劇的な減少が見られないことが発明者らの実験によって明らかになった。
米国特許第６９０５９１６号明細書 IEEE Electron Device Lett., vol.17 (1996)139

本発明は、炭化珪素半導体装置において、活性化後に生じる汚染又は損傷等により劣化した炭化珪素表面上のショットキー電極形成による漏洩電流の問題を解決し、高耐圧ＳＢＤを効率良く製造するプロセスを提供することを課題とする。

本発明は、活性化により劣化した炭化珪素（ＳｉＣ）表面を除去する方法を、酸化により形成された二酸化珪素層をフッ化水素酸等により除去し、除去する量を酸化により形成された二酸化珪素層を４０ｎｍ以上とすることを特徴とする。
より詳細には次のような手段により解決される。
（１）ショットキー電極の終端領域の下の第１導電型の低濃度の炭化珪素膜に、イオン注入により第２導電型の領域を形成し高温活性化処理する工程を含む炭化珪素半導体装置の製造方法において、第１導電型の低濃度の炭化珪素膜上へのショットキー電極形成に先立って、上記高温活性化処理する工程後に、上記炭化珪素膜表面を犠牲酸化する工程及び犠牲酸化により形成された４０ｎｍ以上の二酸化珪素層を除去する工程を備えたことを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
（２）犠牲酸化によって形成された１４０ｎｍ未満の二酸化珪素層を除去することを特徴とする（１）の炭化珪素半導体装置の製造方法。
（３）犠牲酸化によって形成した１４０ｎｍ以上の二酸化珪素層を除去することを特徴とする（１）の炭化珪素半導体装置の製造方法。
（４）表面を犠牲酸化する工程及び犠牲酸化により形成された４０ｎｍ以上の二酸化珪素層を除去する工程を、複数回繰り返して行うことを特徴とする（１）の炭化珪素半導体装置の製造方法。
（５）第１導電型の低濃度の炭化珪素膜は、結晶学的面指数が（０００１）面又は（０００−１）面を有する第１導電型の炭化珪素基板上に堆積されていることを特徴とする（１）ないし（４）のいずれかに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。

本発明によれば、炭化珪素半導体装置において、活性化後に生じる汚染又は損傷等により劣化した炭化珪素表面上のショットキー電極形成による漏洩電流の問題を解決し、高耐圧ＳＢＤを効率良く製造することができる。

図２は、本発明に係る実施例である炭化珪素ＳＢＤの製造工程説明図である。図２Ａにおいて、たとえば、１×１０^１８ｃｍ^−３の窒素がドーピングされた厚さ３００μｍの（０００１）面を有する高濃度ｎ型基板１表面上には、たとえば、５×１０^１５ｃｍ^−３の窒素がドーピングされた厚さ６μｍの低濃度ｎ型ドリフト層２が堆積される。

前記炭化珪素基板に、終端構造用のｐ型領域を形成するために図２Ｂにおいて、たとえば、アルミニウム（Ａｌ）を注入する。注入するアルミニウムイオンの入射エネルギーと注入量は、たとえば、２００ｋｅＶで４×１０^１６／ｃｍ^２、１２０ｋｅＶで２×１０^１６／ｃｍ^２、７０ｋｅＶで１．６×１０^１６／ｃｍ^２、３０ｋｅＶで１×１０^１６／ｃｍ^２の４段階で行い、Ａｌ濃度３×１０^２０／ｃｍ^３で厚さ０．３μｍの領域３を形成する。

前記炭化珪素基板で、終端構造用のｐ型領域３を形成するために注入されたアルミニウムを活性化するために、図２Ｃにおいて、たとえば、Ａｒ雰囲気中において１８００℃で３０秒間の活性化を行う。活性化後汚染又は損傷等の層６が生じる。

前記炭化珪素基板から、図２Ｄにおいて、活性化後に生じた汚染又は損傷等の層６を除去するため、たとえば、１２００℃の酸素雰囲気中で１８０分の酸化を行い５０ｎｍの二酸化珪素層７を形成する。その結果、活性化で生じた汚染又は損傷等の層４を二酸化珪素層７の中に取り込まれる。その後、たとえば、５％フッ化水素酸に１０分間さらすことにより炭化珪素基板上に形成された二酸化珪素層７を除去する（図２Ｅ）。この酸化、フッ化水素酸処理を、たとえば、３回繰り返すことにより合計１５０ｎｍの二酸化珪素層７と同時に活性化で生じた汚染又は損傷等の層６が除去される。

図２Ｆにおいて、前記炭化珪素基板上に、たとえば、ニッケルを９．０×１０^−８Ｔｏｒｒで蒸着することによりショットキー電極４を形成する。ショットキー電極４の終端部分は、ＳＢＤを高耐圧素子として動作させるために、たとえば、ショットキー電極４の端とｐ型領域３が４μｍ重なるようにする。たとえば、裏面にオーミック電極５を形成する場合は、たとえば、ショットキー電極４の形成前にニッケルを５０ｎｍ蒸着してアルゴン雰囲気中において１０００℃で２分の処理を行う。

図３は、発明を実施するための最良の形態に示した高温処理された炭化珪素（ＳｉＣ）について、活性化後に酸化処理を行わずショットキー電極を形成したＳＢＤの逆方向電流−電圧特性である。
図４は、発明を実施するための最良の形態に示した高温処理された炭化珪素（ＳｉＣ）について、活性化後に二酸化珪素を合計１４０ｎｍ形成し、フッ化水素酸処理で除去した後ショットキー電極を形成したＳＢＤの逆方向電流−電圧特性である。活性化後に二酸化珪素を合計１４０ｎｍ形成することにより漏洩電流の少ないＳＢＤが９個中１個から９個中９個に改善されたことが確認できる。漏洩電流の少ないＳＢＤは、逆方向電圧を１００Ｖ印加した時に流れる電流値が１０^−６Ａ／ｃｍ^２以下のＳＢＤとする。

図５は、発明を実施するための最良の形態に示した高温処理された炭化珪素（ＳｉＣ）について、活性化後に形成された二酸化珪素膜厚と製造されたＳＢＤ中の漏洩電流の少ないＳＢＤの割合の関係である。活性化後に二酸化珪素膜を合計４０ｎｍ形成した炭化珪素（ＳｉＣ）にＳＢＤを製造すると漏洩電流の少ないＳＢＤは０％より大きくなるといえる。さらに、活性化後に二酸化珪素膜を合計４０ｎｍ以上、且つ１４０ｎｍ未満形成した炭化珪素（ＳｉＣ）にＳＢＤを製造すると漏洩電流の少ないＳＢＤは１００％に近づくといえる。特に活性化後に二酸化珪素膜を合計１４０ｎｍ以上形成した炭化珪素（ＳｉＣ）にＳＢＤを製造すると漏洩電流の少ないＳＢＤは１００％になるといえる。

なお、本実施例では、（０００１）面基板上の炭化珪素に製造されたＳＢＤの漏洩電流を減少させるための工程について説明したが、（０００−１）面基板にも、酸化条件は若干異なるが、同様に適用できる。

以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は前記実施例に限定されるものではない。そして、本発明の趣旨を逸脱することがなければ、種々の設計変更を行うことが可能である。
前記発明を実施するための最良の形態において、ある終端構造を持つ炭化珪素ＳＢＤにおける断面図に従って説明したが、イオン注入を伴うＳＢＤの構造であれば、本発明の趣旨を逸脱しない範囲の構造を持つＳＢＤに対応させることができることはいうまでもないことである。
例えば、図６に示すように、幾つもの第２導電型のリングでショットキー接合部を取り囲むことにより、ショットキー接合部の周囲の電界を緩和し高耐圧を実現するフィールドリミッティングリング（ＦＬＲ）構造を持つＳＢＤや、図７に示すように、ショットキー接合面にｐｎ接合を混在させることにより逆電流を抑えようとするジャンクションバリアショットキー（ＪＢＳ）ダイオードにも適用できる。

本発明に係る炭化珪素ＳＢＤの断面図である。炭化珪素ＳＢＤの製造工程を説明するための断面図である。活性化後に酸化処理を行わずショットキー電極を形成した炭化珪素ＳＢＤの電流−電圧特性図である。活性化後に二酸化珪素を合計１４０ｎｍ形成し、フッ化水素酸処理で除去した後ショットキー電極を形成した炭化珪素ＳＢＤの電流−電圧特性図である。活性化後に形成した二酸化珪素膜厚と製造されたＳＢＤ中の漏洩電流の少ないＳＢＤの割合の関係である。本発明に係るＦＬＲ構造を持つ炭化珪素ＳＢＤの断面図である。本発明に係るＪＢＳ構造を持つ炭化珪素ＳＢＤの断面図である。

符号の説明

１高濃度ｎ型基板
２低濃度ｎ型ドリフト層
３ｐ型不純物イオン注入領域
４ショットキー電極
５オーミック電極（金属又はシリサイド）
６活性化により生じる劣化層
７熱酸化によって生成される二酸化珪素層
８フィールドリミッティングリング構造
９ジャンクションバリアショットキー構造

Claims

ショットキー電極の終端領域の下の第１導電型の低濃度の炭化珪素膜に、イオン注入により第２導電型の領域を形成し高温活性化処理する工程を含む炭化珪素半導体装置の製造方法において、
上記第１導電型の低濃度の炭化珪素膜は、結晶学的面指数が（０００１）面又は（０００−１）面を有する第１導電型の炭化珪素基板上に堆積されており、
上記第１導電型の低濃度の炭化珪素膜上へのショットキー電極形成に先立って、上記高温活性化処理する工程後に、上記炭化珪素膜表面を犠牲酸化する工程及び犠牲酸化により形成された４０ｎｍ以上（ただし、５０ｎｍ未満を除く）の二酸化珪素層を除去する工程を備えたことを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
犠牲酸化によって形成された１４０ｎｍ未満の二酸化珪素層を除去することを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
犠牲酸化によって形成した１４０ｎｍ以上の二酸化珪素層を除去することを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
表面を犠牲酸化する工程及び犠牲酸化により形成された４０ｎｍ以上の二酸化珪素層を除去する工程を、複数回繰り返して行うことを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。