專利名稱：半導(dǎo)體裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種由傳導(dǎo)雜質(zhì)的能級位于比與動作溫度相對應(yīng)的熱激發(fā)能更深的 位置處的半導(dǎo)體材料形成的半導(dǎo)體裝置。
背景技術(shù)：
以往，已知一種利用金剛石半導(dǎo)體形成pn結(jié)二極管的技術(shù)(參照非專利文獻(xiàn)1)。 在金剛石半導(dǎo)體中，傳導(dǎo)雜質(zhì)的能級位于比與動作溫度相對應(yīng)的熱激發(fā)能更深的位置處。 具體地說，能級最淺的受主(acceptor)和施主(donor)分別是B (硼)和P (磷)，但是B和 P的能級分別是0. 37eV和0. 6eV,比標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的熱激發(fā)能0. 026eV大1位以上。因此，在金 剛石半導(dǎo)體中無法得到較高的載流子密度，從而電阻值變得非常大，因此很難使高密度的 電流流過由金剛石半導(dǎo)體形成的pn結(jié)元件。具體地說，在非專利文獻(xiàn)1所公開的金剛石pn 二極管中，電流密度最大也就是幾A/cm2(8V)左右，這是比由碳化硅形成的pn結(jié)二極管等 低2位以上的值。本發(fā)明是鑒于上述問題而完成的，其目的在于提供一種能夠使高密度的電流流過 的半導(dǎo)體裝置。非專利文獻(xiàn) 1 :M. Kubovic et al.，Diamond&RelatedMaterials，Vol. 16(2007) pp.1033-103
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所涉及的半導(dǎo)體裝置將具有第一導(dǎo)電型的第一半導(dǎo)體和具有與第一導(dǎo)電 型不同的第二導(dǎo)電型并且雜質(zhì)濃度高于第一半導(dǎo)體的雜質(zhì)濃度的第二半導(dǎo)體層進(jìn)行接合， 以與第一半導(dǎo)體層整流接觸的方式形成第一電極，并且以與第二半導(dǎo)體層歐姆接觸的方式 形成第二電極。


圖1是表示本發(fā)明的第一實施方式的接合元件的結(jié)構(gòu)的示意圖。圖2是用于說明圖1所示的接合元件的動作原理的能帶(Energie band)圖。圖3是表示本發(fā)明的第二實施方式的接合元件的結(jié)構(gòu)的示意圖。圖4是用于說明圖3所示的接合元件的制造方法的流程的截面工序圖。圖5是表示圖3所示的接合元件的電流_電壓特性的圖。圖6是表示圖3所示的接合元件的正向電流密度_電壓特性的圖。圖7示出對圖3所示的接合元件正向施加電壓時的發(fā)光特性。圖8是表示本發(fā)明的第三實施方式的接合元件的結(jié)構(gòu)的示意圖。圖9是表示圖8所示的接合元件的電流_電壓特性的圖。圖10是表示本發(fā)明的第四實施方式的接合元件的結(jié)構(gòu)的示意圖。圖11是用于說明圖10所示的接合元件的制造方法的流程的截面工序圖。
圖12是表示本發(fā)明的第五實施方式的接合元件的結(jié)構(gòu)的示意圖。圖13是用于說明圖12所示的接合元件的制造方法的流程的截面工序圖。
具體實施例方式以下，參照

本發(fā)明的實施方式的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)。此外，以下參照的附 圖是示意圖，要注意厚度與平面尺寸的關(guān)系、各層厚度的比例等與實際不同。即，具體的厚 度、平面尺寸要參照以下的說明進(jìn)行判斷。另外，當(dāng)然附圖相互之間也包含相互的尺寸關(guān) 系、比例不同的部分。另外，下面，以將本發(fā)明應(yīng)用到由金剛石半導(dǎo)體形成的pn結(jié)二極管的 情況為例進(jìn)行說明，這是權(quán)宜的選擇，本發(fā)明能夠應(yīng)用到例如氧化鋅(ZnO)、氮化鋁(AlN)、 氮化硼(BN)等施主能級和受主能級中的至少一方位于比與動作溫度相對應(yīng)的熱激發(fā)能更 深的位置處的所有半導(dǎo)體材料。另外，即使是硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、砷化鎵 (GaAs)、鍺(Ge)等在室溫條件下具有較淺的雜質(zhì)能級的材料，在熱激發(fā)能變得足夠低的低 溫條件下使其進(jìn)行動作時也能夠應(yīng)用本發(fā)明。此外，在以下的說明中，在事先沒有特別說明 的情況下，將在半導(dǎo)體襯底上形成了外延層、其它的膜、電極的結(jié)構(gòu)稱為“金剛石襯底”或者 簡稱為“襯底”。[第一實施方式][接合元件的結(jié)構(gòu)]首先，參照圖1說明本發(fā)明的第一實施方式的接合元件的結(jié)構(gòu)。圖1是表示本發(fā) 明的第一實施方式的接合元件的結(jié)構(gòu)的示意圖。如圖1所示，本發(fā)明的第一實施方式的接合元件1具備第一導(dǎo)電型的半導(dǎo)體層2、 與半導(dǎo)體層2相接合的第二導(dǎo)電型的半導(dǎo)體層3、與半導(dǎo)體層2整流接觸(肖特基接觸)的 電極層4以及與半導(dǎo)體層3歐姆接觸的電極層5。在本實施方式中，利用η型的金剛石半導(dǎo) 體形成半導(dǎo)體層2。利用ρ型的金剛石半導(dǎo)體形成半導(dǎo)體層3。半導(dǎo)體層3的雜質(zhì)濃度被 設(shè)定成高于半導(dǎo)體層2的雜質(zhì)濃度。此外，期望將半導(dǎo)體層3的雜質(zhì)濃度設(shè)定成比半導(dǎo)體 層2的雜質(zhì)濃度高1位以上。另外，設(shè)半導(dǎo)體層2的傳導(dǎo)雜質(zhì)的能級(在本實施方式中是 施主能級)位于比與接合元件1的動作溫度相對應(yīng)的熱激發(fā)能更深的位置(所謂的深能級 (deep level))。另外，設(shè)半導(dǎo)體層2是η型半導(dǎo)體，半導(dǎo)體層3是ρ型半導(dǎo)體，但是也可以 半導(dǎo)體層2是ρ型半導(dǎo)體，半導(dǎo)體層3是η型半導(dǎo)體。作為構(gòu)成電極層4和電極層5的材料，可以自由地選擇各自適合的材料，但是根據(jù) 本發(fā)明，能夠由相同的材料形成電極層4和電極層5。S卩，在一般已知的pn結(jié)型二極管的 情況下，兩個傳導(dǎo)層都要求低電阻的歐姆接觸?？墒牵瑢τ谌缃饎偸菢拥膶拵栋雽?dǎo)體， 在與一方的導(dǎo)電型傳導(dǎo)層的接觸中呈現(xiàn)低接觸電阻的電極材料在與另一方的導(dǎo)電型傳導(dǎo) 層的接觸中呈現(xiàn)較強(qiáng)的整流性而無法得到低電阻。相對于此，本發(fā)明所涉及的接合元件是 將一方的電極設(shè)為歐姆接觸、將另一方的電極設(shè)為肖特基接觸的結(jié)構(gòu)，因此利用一種電極 材料能夠容易地實現(xiàn)與P層、η層的同時接觸。作為適于這種同時接觸的材料能夠例示鈦 (Ti)。Ti對于半導(dǎo)體層3呈現(xiàn)低電阻(歐姆特性)，對于半導(dǎo)體層2呈現(xiàn)理想的整流性(肖 特基特性)。因而，期望利用相同的材料形成電極層4和電極層4。由此，還能夠縮短電極 的形成工藝，提高產(chǎn)量，降低制造成本。形成電極層4和電極層5的材料除了上述Ti以外，也可以是鋁(Al)、鎳(Ni)、鉬
5(Mo)、鎢(W)、鉭(Ta)、鉬(Pt)等，還可以是由含有這些元素的兩種以上的元素構(gòu)成的合金、 這些元素的碳化物、氮化物以及硅化物。用于良好地形成兩個電極的要點(diǎn)在于進(jìn)行材料設(shè) 計并優(yōu)化成膜條件使得電極層5的接觸電阻最小。這樣得到的電極對于電極層4也自動優(yōu) 化，在電極層4中呈現(xiàn)非常好的整流性。[接合元件的動作原理]接著，參照圖2的(a) (d)說明本發(fā)明的第一實施方式的接合元件1的動作原 理。圖2的(a) (d)示出本發(fā)明的第一實施方式的接合元件1的能帶圖，圖中的黑圓點(diǎn) 和白圓點(diǎn)分別表示與傳導(dǎo)有關(guān)的電子和空穴。圖2的(a)示出在零偏壓時被置于熱平衡狀態(tài)的接合元件1的能帶圖。如圖所示， 在零偏壓且處于熱平衡狀態(tài)時，在半導(dǎo)體層2的左側(cè)由于肖特基接觸而形成寬度Wsb的耗盡 層，在半導(dǎo)體層2的右側(cè)由于半導(dǎo)體層2和半導(dǎo)體層3相接合形成的pn結(jié)(雙極性結(jié))而 形成寬度WPN1+WPN2的耗盡層。Wpni和Wpn2表示從pn結(jié)的結(jié)點(diǎn)分別向半導(dǎo)體層2和半導(dǎo)體層 3延伸的耗盡層的寬度。另外，在半導(dǎo)體層2的兩個耗盡層之間形成寬度W1的中性區(qū)域，在 中性區(qū)域的導(dǎo)帶和較深的施主能級處存在電子。另外，在半導(dǎo)體層3的中性區(qū)域的價帶處 存在空穴。此外，圖中將半導(dǎo)體層3的受主能級設(shè)為較淺的能級進(jìn)行了圖示，但是在能級較 深的情況下，在受主能級處也存在空穴。圖2的(b)示出施加正向電壓Vf時的接合元件1的能帶圖。如圖所示，半導(dǎo)體層 2的導(dǎo)帶處所存在的傳導(dǎo)電子被移出到半導(dǎo)體層3，與空穴重新結(jié)合而消失。另一方面，半 導(dǎo)體層3的空穴擴(kuò)散至半導(dǎo)體層2中。并且，一部分空穴在正向施加電壓的初期與較深的施 主能級的束縛傳導(dǎo)電子重新結(jié)合而消失，但是大多數(shù)空穴不與傳導(dǎo)電子重新結(jié)合而消失， 而是通過半導(dǎo)體層2，在電極層4的擴(kuò)散電位與正向電壓Vf的合成電場中緩慢加速并到達(dá) 電極層4。另一方面，存在于電極層4中的電子被電極層4與半導(dǎo)體層2之間的肖特基勢壘 遮擋而無法侵入到半導(dǎo)體層2中。也就是說，在正向施加電壓的狀態(tài)下，無法向半導(dǎo)體層2 注入電子而使半導(dǎo)體層2整個區(qū)域耗盡，結(jié)果是對于作為少數(shù)載流子的空穴起到良導(dǎo)體的 作用。由于半導(dǎo)體層2具有如上所述的傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)，因此能夠?qū)雽?dǎo)體層3的雜質(zhì)濃度設(shè) 定成比半導(dǎo)體層2的雜質(zhì)濃度高。因此，也能夠相應(yīng)地實現(xiàn)半導(dǎo)體層3的低電阻化，能夠?qū)?半導(dǎo)體層3的雜質(zhì)濃度設(shè)為IO19 102°/cm3左右。這樣，根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式的接 合元件1，能夠在正向特性中實現(xiàn)極低電阻。換言之，本發(fā)明的第一實施方式的接合元件1 能夠?qū)崿F(xiàn)比一般已知的pn結(jié)型元件(pn結(jié)二極管等)高的電流密度。圖2的(C)示出從正向施加電壓的狀態(tài)再次恢復(fù)為零偏壓狀態(tài)時的接合元件1的 能帶圖。如圖所示，接合元件的能帶與圖2的(a)所示的能帶大致相同，但是不同點(diǎn)在于半 導(dǎo)體層2的中性區(qū)域消失，半導(dǎo)體層2耗盡。這是因為從整流性的電極層4難以提供通過 正向施加電壓的過程而消失的施主束縛傳導(dǎo)電子，并且由于中間區(qū)域的帶隙較深而在短時 間內(nèi)也不會生成電子空穴對。此外，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)半導(dǎo)體層2的施主濃度和厚度以及半導(dǎo) 體層3的雜質(zhì)濃度，能夠使半導(dǎo)體層2的中性區(qū)域?qū)挾萕l在零偏壓的熱平衡狀態(tài)下為零。 具體地說，期望調(diào)節(jié)半導(dǎo)體層2的厚度使得在將熱平衡狀態(tài)下的電極層4的整流接觸在半 導(dǎo)體層2形成的耗盡層的寬度設(shè)為Wsb、將熱平衡狀態(tài)下的半導(dǎo)體層2與半導(dǎo)體層3的pn結(jié) 在半導(dǎo)體層2側(cè)形成的耗盡層的寬度設(shè)為Wpni時，半導(dǎo)體層2的厚度Ll滿足Ll ( WSB+WPN1。在這種情況下，即使在熱平衡狀態(tài)下也能夠成為如圖2的(c)所示那樣的能帶圖，能夠消除 初始效果。圖2的(d)示出施加反向電壓V時的接合元件1的能帶圖。如圖所示，對被耗盡 后的半導(dǎo)體層2的整個區(qū)域施加反向電壓V的結(jié)果是半導(dǎo)體層3的空穴被形成在pn結(jié)部 分的較大的能量勢壘阻擋而無法移動到半導(dǎo)體層2。另一方面，電子被肖特基勢壘阻擋而不 存在于半導(dǎo)體層2中，因此無法反向流動(即使存在也被pn結(jié)的能量勢壘遮擋而無法移動 到半導(dǎo)體層3的區(qū)域)。從以上的說明中明顯可知，根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式的接合元件1，通過在半導(dǎo) 體層2內(nèi)形成耗盡層，在正向施加電壓時，存在于電極層4的電子無法移動到半導(dǎo)體層2。 因此，半導(dǎo)體層3的大多數(shù)空穴不會與半導(dǎo)體層2內(nèi)的傳導(dǎo)電子重新結(jié)合而消失，而能夠擴(kuò) 散到半導(dǎo)體層2并且到達(dá)電極層4。因而，根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式的接合元件1，能夠 不受電阻值的影響而對于空穴發(fā)揮良導(dǎo)體的作用，能夠流過與由Si、SiC半導(dǎo)體形成的半 導(dǎo)體元件相同或者其以上的電流。另外，眾所周知，以往的包括金剛石pn 二極管在內(nèi)的普通的pn 二極管，由于少數(shù) 載流子相互注入相對的傳導(dǎo)區(qū)域，因此在高速地響應(yīng)方面存在缺陷。因此，使用為逆變器等 回流二極管的情況下轉(zhuǎn)換損失變大。然而，本發(fā)明的第一實施方式的接合元件1是雖然具 有pn結(jié)但是實際進(jìn)行單極性動作的半導(dǎo)體元件，因此能夠非常高速地從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?截止?fàn)顟B(tài)，還能夠非常高速地從截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。因而，如果以本發(fā)明的第一實施 方式的接合元件1替換以往的Pn 二極管，則能夠大幅地降低轉(zhuǎn)換損失。[第二實施方式][接合元件的結(jié)構(gòu)]接著，參照圖3說明本發(fā)明的第二實施方式的接合元件的結(jié)構(gòu)。圖3是表示本發(fā) 明的第二實施方式的接合元件的結(jié)構(gòu)的示意圖。如圖3所示，本發(fā)明的第二實施方式的接合元件10具備襯底6、形成在襯底6的整 個表面的第二導(dǎo)電型的半導(dǎo)體層7、在半導(dǎo)體層7的上部呈臺狀依次層疊的第二導(dǎo)電型的 半導(dǎo)體層3和第一導(dǎo)電型的半導(dǎo)體層2、與半導(dǎo)體層2整流接觸的電極層4以及與半導(dǎo)體層 7歐姆接觸的電極層5。在本實施方式中，襯底6由通過高溫高壓合成制造出的單晶體金剛 石Ib(OOl)襯底形成。半導(dǎo)體層7由ρ+型的金剛石半導(dǎo)體形成。半導(dǎo)體層3由ρ型的金剛 石半導(dǎo)體形成，雜質(zhì)濃度低于半導(dǎo)體層7的雜質(zhì)濃度。半導(dǎo)體層2由η型的金剛石半導(dǎo)體 形成，雜質(zhì)濃度低于半導(dǎo)體層3的雜質(zhì)濃度。此外，襯底6也可以是Ib以外的類型，另外， 也可以是其它面取向的襯底，還可以是多晶體襯底。為了容易獲得歐姆接觸而設(shè)有半導(dǎo)體 層7。通過將半導(dǎo)體層3與半導(dǎo)體層7 —體化來將半導(dǎo)體層7設(shè)為本發(fā)明所涉及的第二半 導(dǎo)體層，能夠得到更高的電流密度。如下示出半導(dǎo)體層2、半導(dǎo)體層3以及半導(dǎo)體層7的雜 質(zhì)種類、雜質(zhì)濃度、層厚的一例。(a)半導(dǎo)體層 2 :P (磷)、7X1016/cm3、0.07ym(b)半導(dǎo)體層3汨(硼)、3.5\1018/0113、0.7口111(c)半導(dǎo)體層 7 :B(硼)、4X1027cm3、1.4ym[接合元件的制造方法]接著，參照圖4說明本發(fā)明的第二實施方式的接合元件10的制造方法。圖4是表示本發(fā)明的第二實施方式的接合元件10的制造方法的流程的截面工序圖。在制造接合元件10時，首先如圖4的(a)所示那樣，使用微波等離子體CVD (化學(xué) 氣相沉淀)法，在用硝酸和硫酸的混合酸等充分清洗后的高溫高壓合成金剛石Ib(OOl)襯 底6的表面按順序同質(zhì)外延生長半導(dǎo)體層7、半導(dǎo)體層3以及半導(dǎo)體層2。此外，作為金剛 石的原料氣體能夠使用甲烷(CH4)和氫氣(H2),作為ρ型雜質(zhì)氣體能夠使用乙硼烷(B2H6), 作為η型雜質(zhì)氣體能夠使用磷化氫(PH3)。另外，也可以與微波等離子體CVD法一起利用作 為金剛石薄膜合成法而眾所周知的熱絲CVD法。接著，如圖4的(b)所示，使用光刻/真空蒸鍍/剝離法在半導(dǎo)體層2的表面上形 成金屬掩模8，將金屬掩模8作為蝕刻掩模，利用電感耦合型等離子體蝕刻(ICP)法或者反 應(yīng)離子蝕刻(RIE)法進(jìn)行蝕刻直到半導(dǎo)體層7露出為止，由此形成如圖4的(c)所示那樣 的由半導(dǎo)體層3和半導(dǎo)體層2構(gòu)成的臺結(jié)構(gòu)。此外，在半導(dǎo)體層2和半導(dǎo)體層3的膜厚較 薄的情況下，也可以將光致抗蝕劑掩模用作蝕刻掩模來簡化工序。接著，在通過硫酸和過氧化氫水的混合液等剝離掉金屬掩模8之后，在用硝酸和 硫酸的混合酸等充分清洗襯底6之后，使用光刻/真空蒸鍍/剝離法或者真空蒸鍍/光刻/ 蝕刻法，如圖4的(d)所示那樣在半導(dǎo)體層2和半導(dǎo)體層7的表面分別進(jìn)行成膜來一次形 成期望形狀的電極層4和電極層5。最后根據(jù)需要，為了加強(qiáng)半導(dǎo)體層2和半導(dǎo)體層7與電 極層4和電極層5的密合性，在真空或者惰性氣體環(huán)境中進(jìn)行420°C、30分鐘的熱處理，從 而一系列的制造工序結(jié)束。此外，為了降低電極電阻(注意不是接觸電阻)，也可以在電極 層4和電極層5上進(jìn)一步層疊其它的金屬膜(Pt、Au、Al等)。另外，在上述說明中，用相同 材料一次形成了電極層4和電極層5，但是也可以依次形成以使電極層4具有肖特基特性、 電極層5具有歐姆特性。[實驗例]圖5示出通過上述制造方法制造出的接合元件10的IV特性(臺直徑70 μ m)。此 外，圖中縱軸表示電流的絕對值的對數(shù)。如圖所示，在施加電壓V = O -4[V]的期間，電 流值在測量器的檢測界限以下而無法進(jìn)行測量。從該情形確認(rèn)出能夠得到非常好的整流特 性。此外，當(dāng)計算施加電壓V= 士 4V時的整流比時，接合元件10的整流比達(dá)到大約12位。 該值比非專利文獻(xiàn)1所記載的普通的Pn結(jié)二極管的整流比高2位以上。圖6示出擴(kuò)大測量區(qū)域來測量與圖5相同的接合元件10的正向特性的結(jié)果，是將 縱軸設(shè)為電流密度并以線性軸繪制出的曲線圖。如圖所示，從施加電壓V = 3V附近開始電 流上升，之后電流呈線性增大。當(dāng)從近似直線處開始向外接出導(dǎo)通電壓Vf時，導(dǎo)通電壓Vf 是4. 3V。另外，當(dāng)根據(jù)直線的斜率算出pn 二極管的導(dǎo)通電阻率RwS時，導(dǎo)通電阻率RonS是 O.SmQcm2。此外，該值與以往已知的導(dǎo)通電阻率RfflS相比也是非常低的值。另外，當(dāng)著眼于電流密度時，接合元件10的電流密度與非專利文獻(xiàn)1所記載的普 通的pn結(jié)二極管相比為1000倍以上的值。另外，施加電壓是比非專利文獻(xiàn)1所記載的普 通的Pn結(jié)二極管的偏置電壓低2V的值。因此，本發(fā)明的第二實施方式的接合元件10用完 全不同的方法解決了非專利文獻(xiàn)1所記載的普通的pn結(jié)二極管所存在的內(nèi)部電阻較高、無 法實現(xiàn)大電流密度的問題。圖7示出向與圖5、6相同的接合元件10正向施加電壓時的發(fā)光特性。在對普通 Wpn結(jié)二極管正向施加電壓的情況下，少數(shù)載流子相互注入相對的傳導(dǎo)區(qū)域，從而會觀察到電子與空穴的重新結(jié)合所產(chǎn)生的發(fā)光。在金剛石Pn 二極管的情況下，在波長235nm處觀 察到由激子產(chǎn)生的尖銳的發(fā)光和在波長300nm 700nm的區(qū)域觀察到來自缺陷能級的大面 積的發(fā)光。與此相對地，在接合元件10中，如圖7所示那樣，即使注入大電流(電流密度 1800A/cm2)也沒有觀察到任何發(fā)光。這表示接合元件10是雖然具有pn結(jié)但是實際進(jìn)行單 極性動作的半導(dǎo)體元件。[第三實施方式][接合元件的結(jié)構(gòu)]在第二實施方式的接合元件中，為了容易獲得歐姆接觸而在作為第二半導(dǎo)體層的 半導(dǎo)體層3下設(shè)置了半導(dǎo)體層7。因此，在第二實施方式的接合元件中，主要由半導(dǎo)體層3 的電阻成分來規(guī)定正向動作時的電流密度。因此，在本實施方式中，通過將半導(dǎo)體層3與半 導(dǎo)體層7 —體化而將半導(dǎo)體層7設(shè)為第二半導(dǎo)體層，來降低第二半導(dǎo)體層的電阻，實現(xiàn)更大 的電流密度。下面，參照圖8說明本發(fā)明的第三實施方式的接合元件的結(jié)構(gòu)。圖8是表示 本發(fā)明的第三實施方式的接合元件的結(jié)構(gòu)的示意圖。如圖8所示，本發(fā)明的第三實施方式的接合元件20具備襯底6、形成在襯底6的整 個表面的第二導(dǎo)電型的半導(dǎo)體層7、形成在半導(dǎo)體層7的上部的第一導(dǎo)電型的半導(dǎo)體層2、 與半導(dǎo)體層2整流接觸的電極層4以及與半導(dǎo)體層7歐姆接觸的電極層5。在本實施方式 中，襯底6由通過高溫高壓合成制造出的單晶體金剛石Ib(OOl)襯底形成。半導(dǎo)體層7由 P+型的半導(dǎo)體形成。半導(dǎo)體層2由η型的金剛石半導(dǎo)體形成，雜質(zhì)濃度低于半導(dǎo)體層7的 雜質(zhì)濃度。此外，襯底6也可以是Ib以外的類型，另外，也可以是其它面取向的襯底，還可 以是多晶體襯底。如下示出半導(dǎo)體層2和半導(dǎo)體層7的雜質(zhì)種類、雜質(zhì)濃度、層厚的一例。(a)半導(dǎo)體層 2 :P (磷)、7X1016/cm3、0. 16μπι(b)半導(dǎo)體層 7 :B(硼)、5X1027cm3、5ym作為半導(dǎo)體層7，只要費(fèi)米能級沒有衰退為價帶，則不僅可以使用呈現(xiàn)普通的ρ型 半導(dǎo)體的傳導(dǎo)特性的半導(dǎo)體層，還可以使用呈現(xiàn)跳躍傳導(dǎo)、雜質(zhì)帶傳導(dǎo)的半導(dǎo)體層。在半導(dǎo) 體層7的費(fèi)米能級衰退為價帶的情況下，半導(dǎo)體層7呈現(xiàn)金屬的傳導(dǎo)特性而無法形成pn 二 極管。與此相對地，在半導(dǎo)體層7的費(fèi)米能級沒有衰退為價帶的情況下，即使是跳躍傳導(dǎo)、 雜質(zhì)帶傳導(dǎo)也能夠形成Pn 二極管。金剛石由于介電常數(shù)較低為5. 7(大致為硅的介電常 數(shù)的一半)，因此硼的受主能級較深為360meV。因而，硼濃度為5X 102°/cm3時的傳導(dǎo)特性 呈現(xiàn)經(jīng)由硼原子的跳躍傳導(dǎo)，但是費(fèi)米能級還沒有衰退為價帶。因此，在金剛石的情況下， 即使是硼濃度為5X 102°/cm3的高濃度的半導(dǎo)體層7也能夠與半導(dǎo)體層2形成pn結(jié)。作為 電極層4、5，可以自由地選擇各自適合的材料，也能夠與上述實施方式同樣地使用相同的材 料。作為相同電極材料的一例，能夠例示鈦(Ti)。鈦對于半導(dǎo)體層7表現(xiàn)出良好的歐姆接 觸，對于半導(dǎo)體層2表現(xiàn)出理想的整流性。[接合元件的制造方法]本發(fā)明的第三實施方式的接合元件20的制造方法除了形成半導(dǎo)體層3的工序以 外，與上述第二實施方式的接合元件10的制造方法相同，因此下面省略其說明。[實驗例]圖9示出通過上述制造方法制造出的接合元件20的IV特性(臺直徑70 μ m)。此 外，圖中縱軸表示電流的絕對值的對數(shù)。如圖所示可知，能夠得到非常好的整流特性(在V
9=士4V時為12位以上)。另外，在反偏壓達(dá)到6V為止都將漏電流抑制在10_13A以下，并且 在正偏壓為3V時電流已經(jīng)達(dá)到10_2A，實現(xiàn)了比第一實施方式的接合元件的電流(在正偏壓 為3V時大約10_3A，參照圖6)大大約1位的電流。并且，本接合元件20的導(dǎo)通電阻率RqnS 為0. ImQcm2以下，正偏壓為4V時的電流密度J達(dá)到了 3200A/cm2。這樣，根據(jù)本發(fā)明的第 三實施方式的接合元件20，整流比、導(dǎo)通電阻率以及電流密度都實現(xiàn)了超過第一實施方式 的接合元件的性能的值。[第四實施方式][接合元件的結(jié)構(gòu)]接著，參照圖10說明本發(fā)明的第四實施方式的接合元件的結(jié)構(gòu)。圖10是表示本 發(fā)明的第四實施方式的接合元件的結(jié)構(gòu)的示意圖。如圖10所示，本發(fā)明的第四實施方式的接合元件30具備襯底9、在襯底9的表面 側(cè)呈臺狀依次層疊的半導(dǎo)體層3和半導(dǎo)體層2、與半導(dǎo)體層2整流接觸的電極層4以及與襯 底9的背面?zhèn)葰W姆接觸的電極層5。在本實施方式中，襯底9由通過高溫高壓合成制造出 的高濃度硼摻雜(200ppm)低電阻p+型單晶體金剛石IIb(OOl)襯底形成。半導(dǎo)體層3由ρ 型的金剛石半導(dǎo)體形成，雜質(zhì)濃度低于襯底9的雜質(zhì)濃度。半導(dǎo)體層2由η型的金剛石半 導(dǎo)體形成，雜質(zhì)濃度低于半導(dǎo)體層3的雜質(zhì)濃度。此外，襯底9如果是低電阻則也可以是其 它類型，另外，也可以是其它面取向的襯底，還可以是低電阻的多晶體襯底。另外，也可以在 襯底9與半導(dǎo)體層3之間插入ρ+型的外延層。另外，也可以通過將半導(dǎo)體層3與襯底9 一 體化來將襯底9自身設(shè)為本發(fā)明所涉及的第二半導(dǎo)體層。[接合元件的制造方法]接著，參照圖11說明本發(fā)明的第四實施方式的接合元件30的制造方法。圖11是 表示本發(fā)明的第四實施方式的接合元件30的制造方法的流程的截面工序圖。在制造接合元件30時，首先如圖11的(a)所示那樣使用公知的微波等離子體CVD 法或者熱絲CVD法，在用硝酸和硫酸的混合酸等充分清洗后的高濃度硼摻雜低電阻ρ+型單 晶體金剛石IIb(OOl)襯底9的表面依次同質(zhì)外延生長半導(dǎo)體層3和半導(dǎo)體層2。接著，如 圖11的(b)所示，在使用光刻/真空蒸鍍/剝離法在半導(dǎo)體層2的表面形成金屬掩模8之 后，將金屬掩模8作為蝕刻掩模，利用電感耦合型等離子體蝕刻(ICP)法或者反應(yīng)離子蝕刻 (RIE)法進(jìn)行蝕刻直到襯底9的表面露出為止，由此形成如圖11的(c)所示那樣形成具有 半導(dǎo)體層3和半導(dǎo)體層2的臺結(jié)構(gòu)。此外，也可以不使用金屬掩模8而使用光致抗蝕劑掩 模來簡化工序。接著，用硫酸和過氧化氫水的混合液等剝離金屬掩模8，用硝酸和硫酸的混合酸等 充分清洗襯底9。接著，如圖11的(d)所示那樣，在使用光刻/真空蒸鍍/剝離法或者真空 蒸鍍/光刻/蝕刻法在半導(dǎo)體層2的表面形成了期望形狀的電極層4之后，在襯底9的整 個背面通過真空蒸鍍進(jìn)行成膜來形成電極層5。最后根據(jù)需要，為了加強(qiáng)半導(dǎo)體層2和襯底 9與電極層4和電極層5的密合性，而在真空或者惰性氣體環(huán)境中進(jìn)行420°C、30分鐘的熱 處理，從而一系列的制造工序結(jié)束。此外，在本實施方式中，依次形成了電極層4和電極層 5，但是也可以用相同的材料一次形成電極層4和電極層5。[實驗例]在測量利用上述制造方法制造出的接合元件30的電特性時，與第一實施方式的接合元件1同樣地能夠得到良好的整流特性。另外，在詳細(xì)分析其正向特性時得出導(dǎo)通電 阻率‘S為0. 5m Ω cm2,電流密度J為4000A/cm2，能夠得到超過第一實施方式的接合元件1 的性能。上述第二實施方式的接合元件10是將電極層5配置在襯底6的表面?zhèn)鹊慕Y(jié)構(gòu)，因 此無法有效利用襯底6的表面。另外，由于是從電極層5流入的電流經(jīng)由半導(dǎo)體層7平行 于襯底表面進(jìn)行傳導(dǎo)的結(jié)構(gòu)，因此電極層5的接觸電阻和半導(dǎo)體層7的電阻成分變高。與 此相對地，在本實施方式中，由于將電極層5配置在襯底9的背面?zhèn)?，因此能夠有效利用襯 底6的表面。另外，由于從電極層5流入的電流與襯底9和pn結(jié)垂直并且均勻地侵入到襯 底9和pn結(jié)，因此能夠防止電極層5的接觸電阻、襯底9的電阻成分變高。[第五實施方式][接合元件的結(jié)構(gòu)]接著，參照圖12說明本發(fā)明的第五實施方式的接合元件的結(jié)構(gòu)。圖12是表示本 發(fā)明的第五實施方式的接合元件的結(jié)構(gòu)的示意圖。如圖12所示，本發(fā)明的第五實施方式的接合元件40具備第一導(dǎo)電型的襯底11、形 成在襯底11的整個表面的第一導(dǎo)電型的半導(dǎo)體層12、在半導(dǎo)體層12的上部呈臺狀形成的 與第一導(dǎo)電型不同的第二導(dǎo)電型的半導(dǎo)體層13、與半導(dǎo)體層13整流接觸的電極層4以及與 半導(dǎo)體層11歐姆接觸的電極層5。在本實施方式中，襯底11由通過升華法形成的N(氮) 高摻雜低電阻n+型單晶體4H-SiC襯底(電阻率15m Ω cm)形成，在表面上具有傾斜8°的 (OOOl)Si面。半導(dǎo)體層12是氮高摻雜(Nd > IO18CnT3)η+型傳導(dǎo)層，其厚度是0.5 μ m。半導(dǎo) 體層13由微量摻雜了受主能級與室溫的熱能相比足夠深的雜質(zhì)、例如硼(B)而得到的p—型 4H-SiC構(gòu)成，厚度為0. 2 μ m，雜質(zhì)濃度被設(shè)定成至少低于Na = 1016cm_3。此外，襯底11也可 以是其它多種形態(tài)，另外，面取向、傾斜角也不限定于上述情形。另外，如果襯底11質(zhì)量高， 則也可以省略半導(dǎo)體層12而在襯底11上直接形成臺狀的半導(dǎo)體層13。作為形成電極層4的材料，選擇對于半導(dǎo)體層13形成較大的肖特基勢壘的材料。 作為這種材料，能夠例示鈦(Ti)、鎳(Ni)、鉬(Mo)、鎢(W)、鉭(Ta)等、由包含這些元素的兩 種以上的元素構(gòu)成的合金、這些元素的碳化物、氮化物以及硅化物。用于良好地形成兩個電 極的要點(diǎn)在于進(jìn)行材料設(shè)計并優(yōu)化成膜條件使得電極層5的接觸電阻最小。這樣得到的電 極對于電極層4也自動優(yōu)化，在電極層4中呈現(xiàn)非常好的整流性。作為形成電極層5的材 料，選擇能夠?qū)σr底11實現(xiàn)低電阻的歐姆接觸的材料。作為這種材料，通過對M蒸鍍膜進(jìn) 行熱處理而形成的Ni2Si膜最為合適，但是不限定于此，也能夠使用鈷(Co)、Ta、Ti、Mo的蒸 鍍膜或者其熱處理膜。[接合元件的制造方法]接著，參照圖13說明本發(fā)明的第五實施方式的接合元件40的制造方法。圖13是 表示本發(fā)明的第五實施方式的接合元件40的制造方法的流程的截面工序圖。在制造接合元件40時，首先如圖13的(a)所示那樣，在使用公知的常壓CVD法在 通過公知的RCA清洗法充分清洗后的襯底11的(0001) Si面的表面按順序外延生長半導(dǎo)體 層12和半導(dǎo)體層13之后，對襯底11進(jìn)行熱氧化(此外，由于熱氧化膜較薄，因此省略圖 示)。接著，在使用SiO2常壓CVD/光刻/干蝕刻法在半導(dǎo)體層13的表面形成膜厚為1. 5 μ m 的SiO2掩模14之后，將SiO2掩模14作為蝕刻掩模，利用電感耦合型等離子體蝕刻(ICP) 法或者反應(yīng)離子蝕刻(RIE)法進(jìn)行蝕刻直到半導(dǎo)體層12 (或者襯底11)表面露出為止，由
11此形成如圖13的(b)所示那樣的半導(dǎo)體層I3的臺結(jié)構(gòu)。接著，通過用緩沖氫氟酸液輕微蝕刻襯底11除去襯底11的背面?zhèn)鹊臒嵫趸?使襯底11的襯底面露出，之后通過電子束蒸鍍法在襯底11的整個背面進(jìn)行成膜來形成大 約50nm的Ni。然后，立即將襯底11在1000°C的高純度氮環(huán)境下進(jìn)行急速熱處理，由此如 圖13的(c)所示那樣在襯底11的背面?zhèn)刃纬呻姌O層5。接著，通過將襯底11浸入到緩沖 氫氟酸液中，來徹底地除去SiO2掩模14和形成在其下面的較薄的熱氧化膜，使臺狀的襯底 表面露出。最后如圖13的(d)所示那樣，使用光刻/真空蒸鍍/剝離法或者真空蒸鍍/光 刻/蝕刻法，在半導(dǎo)體層13的表面形成期望形狀的電極層4，從而一系列的制造工序結(jié)束。[實驗例]在測量通過上述制造方法制造出的接合元件40的電特性時，與金剛石半導(dǎo)體裝 置同樣地能夠得到與普通的SiC-pn 二極管相比非常低的導(dǎo)通電阻和大電流密度。以上，針對應(yīng)用了由本發(fā)明人們完成的發(fā)明的實施方式進(jìn)行了說明，但是本發(fā)明 并不限定于由本實施方式形成本發(fā)明的公開的一部分的記述和附圖。例如，在上述實施方 式中，設(shè)半導(dǎo)體層2和半導(dǎo)體層3是相同的半導(dǎo)體材料，但是本發(fā)明所涉及的接合元件雖然 存在一定的限制，但是即使在由不同的半導(dǎo)體材料形成pn結(jié)的異質(zhì)結(jié)pn 二極管中也能夠 發(fā)揮同樣的效果。即，在形成異質(zhì)結(jié)的兩個半導(dǎo)體材料中禁帶寬度較窄的半導(dǎo)體材料形成 半導(dǎo)體層2的情況下，通過應(yīng)用本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)大電流密度和低導(dǎo)通電阻。但是，本發(fā)明對 于相反的結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生效果。這樣，根據(jù)本實施方式，由本領(lǐng)域技術(shù)人員等完成的其它實施方 式、實施例以及應(yīng)用技術(shù)等當(dāng)然都包含在本發(fā)明的范疇內(nèi)。產(chǎn)業(yè)上的可利用性根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種能夠使高密度的電流流過的半導(dǎo)體裝置。
權(quán)利要求
一種半導(dǎo)體裝置，其特征在于，具備第一導(dǎo)電型的第一半導(dǎo)體層，其具有第一雜質(zhì)濃度的雜質(zhì)；第二導(dǎo)電型的第二半導(dǎo)體層，其導(dǎo)電型與上述第一導(dǎo)電型不同，與上述第一半導(dǎo)體層相接合，具有高于上述第一雜質(zhì)濃度的第二雜質(zhì)濃度的雜質(zhì)；第一電極，其與上述第一半導(dǎo)體層整流接觸；以及第二電極，其與上述第二半導(dǎo)體層歐姆接觸。
2.一種半導(dǎo)體裝置，其特征在于，具備 襯底；第二導(dǎo)電型的第二半導(dǎo)體層，其被配設(shè)在上述襯底的整個表面，具有第二雜質(zhì)濃度的 雜質(zhì)；第一導(dǎo)電型的第一半導(dǎo)體層，其導(dǎo)電型與上述第二導(dǎo)電型不同，呈臺狀層疊在上述第 二半導(dǎo)體層的表面，具有低于上述第二雜質(zhì)濃度的第一雜質(zhì)濃度的雜質(zhì)； 第一電極，其與上述第一半導(dǎo)體層整流接觸；以及 第二電極，其與上述第二半導(dǎo)體層歐姆接觸。
3.一種半導(dǎo)體裝置，其特征在于，具備 襯底；第二導(dǎo)電型的第三半導(dǎo)體層，其被配設(shè)在上述襯底的整個表面，具有第三雜質(zhì)濃度的 雜質(zhì)；呈臺狀依次層疊在上述第三半導(dǎo)體層的表面的第二導(dǎo)電型的第二半導(dǎo)體層和與第二 導(dǎo)電型不同的第一導(dǎo)電型的第一半導(dǎo)體層，該第二導(dǎo)電型的第二半導(dǎo)體層具有低于上述第 三雜質(zhì)濃度的第二雜質(zhì)濃度的雜質(zhì)，該第一導(dǎo)電型的第一半導(dǎo)體層具有低于上述第二雜質(zhì) 濃度的第一雜質(zhì)濃度的雜質(zhì)；第一電極，其與上述第一半導(dǎo)體層整流接觸；以及 第二電極，其與上述第三半導(dǎo)體層歐姆接觸。
4.一種半導(dǎo)體裝置，其特征在于，具備 第二導(dǎo)電型的襯底，其具有第三雜質(zhì)濃度的雜質(zhì)；呈臺狀依次層疊在上述襯底的表面?zhèn)鹊牡诙?dǎo)電型的第二半導(dǎo)體層和與第二導(dǎo)電型 不同的第一導(dǎo)電型的第一半導(dǎo)體層，該第二導(dǎo)電型的第二半導(dǎo)體層具有低于上述第三雜質(zhì) 濃度的第二雜質(zhì)濃度的雜質(zhì)，該第一導(dǎo)電型的第一半導(dǎo)體層具有低于上述第二雜質(zhì)濃度的 第一雜質(zhì)濃度的雜質(zhì)；第一電極，其與上述第一半導(dǎo)體層整流接觸；以及 第二電極，其與上述襯底歐姆接觸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中的任一項所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 上述第一雜質(zhì)濃度比上述第二雜質(zhì)濃度至少低一位以上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任一項所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，上述第一半導(dǎo)體層的傳導(dǎo)雜質(zhì)的能級位于比與半導(dǎo)體裝置的動作溫度相對應(yīng)的熱激 發(fā)能更深的位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的任一項所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，在將熱平衡狀態(tài)下的上述第一電極的整流接觸在第一半導(dǎo)體層形成的耗盡層的寬度設(shè)為Wsb、將熱平衡狀態(tài)下的第一半導(dǎo)體層與第二半導(dǎo)體層的雙極性結(jié)在第一半導(dǎo)體層側(cè)形 成的耗盡層的寬度設(shè)為Wpni時，上述第一半導(dǎo)體層的厚度Ll滿足Ll ^ WSB+WPN1。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中的任一項所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，構(gòu)成為將從金剛石(C)、碳化硅(SiC)、氧化鋅(ZnO)、氮化鋁(AlN)以及氮化硼(BN)中 選擇的一個作為主材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至7中的任一項所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，該半導(dǎo)體裝置以在常溫以下的低溫條件下進(jìn)行動作為目的而制造出，該半導(dǎo)體裝置將 碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)、硅(Si)以及鍺(Ge)中的任一個作為主材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中的任一項所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 上述第一電極和上述第二電極由相同的電極材料形成。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中的任一項所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，上述第一電極和/或上述第二電極由從鈦(Ti)、鋁(Al)、鎳(Ni)、鉬(Mo)、鎢(W)、鉭 (Ta)、鉬(Pt)中選擇的一種元素構(gòu)成、或者由包含這些元素中的一種元素的兩種以上的元 素構(gòu)成的合金構(gòu)成、或者由從這些元素的碳化物、氮化物以及硅化物中選擇出的一種構(gòu)成。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中的任一項所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 上述第一半導(dǎo)體層的禁帶寬度小于上述第二半導(dǎo)體層的禁帶寬度。
全文摘要
在該接合元件(1)中，通過在半導(dǎo)體層(2)內(nèi)形成耗盡層，在正向施加電壓時，存在于電極層(4)的電子無法移動到半導(dǎo)體層(2)。因此，半導(dǎo)體層(3)的大多數(shù)空穴不會與半導(dǎo)體層(2)內(nèi)的傳導(dǎo)電子重新結(jié)合而消失，而是擴(kuò)散到半導(dǎo)體層(2)并且到達(dá)電極層(4)。由此，能夠不受電阻值的影響，對空穴發(fā)揮良導(dǎo)體的作用，能夠流過與由Si、SiC半導(dǎo)體形成的半導(dǎo)體元件相同或者其以上的電流。本發(fā)明能夠適用于金剛石、氧化鋅(ZnO)、氮化鋁(AlN)、氮化硼(BN)等施主能級和受主能級中的至少一方位于與對應(yīng)于動作溫度的熱激發(fā)能相比足夠深的位置處的所有半導(dǎo)體材料。另外，即使是如硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)、鍺(Ge)等那樣在室溫下具有較淺的雜質(zhì)能級的材料，在熱激發(fā)能變得足夠低的低溫條件下使其進(jìn)行動作時也能夠應(yīng)用本發(fā)明。
文檔編號H01L29/41GK101981702SQ20098011074
公開日2011年2月23日 申請日期2009年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月26日
發(fā)明者加藤宙光, 大串秀世, 小倉政彥, 山崎聰, 德田規(guī)夫, 桐谷范彥, 牧野俊晴, 谷本智 申請人:日產(chǎn)自動車株式會社