半導体装置及び半導体装置の製造方法
【課題】良好な電流増幅率が得られる半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る半導体装置は、半導体基板と、半導体基板上に設けられ、炭化ケイ素から形成される第１導電型の第１伝導層１２と、第１伝導層１２上に設けられ、第１伝導層１２の不純物濃度より低い不純物濃度を有し、炭化ケイ素から形成される第１導電型の第２伝導層１４と、第２伝導層１４中に設けられ、第１導電型とは異なる導電型の第２導電型のベース領域１６と、ベース領域１６中に設けられ、表面がベース領域１６の表面と同一平面にあると共に、５×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下の不純物濃度を有する第１導電型のエミッタ領域１８とを備える。
【解決手段】本発明に係る半導体装置は、半導体基板と、半導体基板上に設けられ、炭化ケイ素から形成される第１導電型の第１伝導層１２と、第１伝導層１２上に設けられ、第１伝導層１２の不純物濃度より低い不純物濃度を有し、炭化ケイ素から形成される第１導電型の第２伝導層１４と、第２伝導層１４中に設けられ、第１導電型とは異なる導電型の第２導電型のベース領域１６と、ベース領域１６中に設けられ、表面がベース領域１６の表面と同一平面にあると共に、５×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下の不純物濃度を有する第１導電型のエミッタ領域１８とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。特に、本発明は、炭化ケイ素系半導体を用いたプレーナ型バイポーラトランジスタとしての半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化ケイ素（以下、「ＳｉＣ」という場合がある）等のワイドバンドギャップ化合物半導体は、Ｓｉ半導体、ＧａＡｓ等の化合物半導体に比べ、高耐圧、高出力、高温度等の過酷な環境下で動作する電子デバイス材料として注目されている。また、窒化ガリウム（ＧａＮ）等の窒化物系化合物半導体に比べてＳｉＣは、不純物添加によって容易にｐ型化できる。したがって、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とを要するバイポーラトランジスタへ応用することができる。
【０００３】
従来、ｎ＋型ＳｉＣ基板と、ｎ＋型ＳｉＣ基板上に形成されるｎ−型ＳｉＣエピタキシャル領域と、ｎ−型ＳｉＣエピタキシャル領域中に形成されるｐ型ベース領域と、ｐ型ベース領域中に形成されるｎ＋型エミッタ領域と、ｐ型ベース領域中であってｎ＋型エミッタ領域の隣に形成されるｐ＋型ベースコンタクト領域とを備え、ｐ型ベース領域内に空乏層が形成されないときのｐ型ベース領域内のフリーキャリア濃度が、ｐ型ベース領域に空乏層が形成されるときの空乏層内の空間電荷濃度よりも小さくなるようにしたバイポーラトランジスタが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
特許文献１に記載のバイポーラトランジスタは、上記構成を備えることにより、高い電流増幅率を発揮することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２４７５４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
バイポーラトランジスタの性能としては、コレクタ電流のベース電流に対する比である電流増幅率が重要である。電流増幅率は、主としてエミッタ注入効率に基づいて決定される。エミッタ注入効率は、ベース正孔電流とエミッタ電子電流とに基づいて決定され、ベース正孔電流はエミッタ不純物濃度とエミッタ深さとに基づいて決定される。更に、エミッタ電子電流は、ベース不純物濃度とベース幅とに基づいて決定される。しかし、特許文献１に記載のバイポーラトランジスタは、エミッタ領域の不純物濃度、及びベース領域の不純物濃度の最適化を図っておらず、バイポーラトランジスタの性能の向上には限界がある。
【０００７】
したがって、本発明の目的は、良好な電流増幅率が得られる半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記目的を達成するため、半導体基板と、半導体基板上に設けられ、炭化ケイ素から形成される第１導電型の第１伝導層と、第１伝導層上に設けられ、第１伝導層の不純物濃度より低い不純物濃度を有し、炭化ケイ素から形成される第１導電型の第２伝導層と、第２伝導層中に設けられ、第１導電型とは異なる導電型の第２導電型のベース領域と、ベース領域中に設けられ、表面がベース領域の表面と同一平面にあると共に、５×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下の不純物濃度を有する第１導電型のエミッタ領域とを備える半導体装置が提供される。
【０００９】
また、上記半導体装置は、ベース領域は、１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下の不純物濃度を有することが好ましい。
【００１０】
また、上記半導体装置は、エミッタ領域の表面の一部に設けられるエミッタ電極を更に備え、エミッタ電極の端部から、ベース領域とエミッタ領域との境界までの距離が、エミッタ領域中の少数キャリアの平均の拡散距離以上にすることもできる。
【００１１】
また、上記半導体装置は、ベース領域に接するエミッタ領域の表面濃度が、ベース領域とエミッタ領域との間に形成される真性ベース領域に接するエミッタ領域の濃度よりも低くすることもできる。
【００１２】
また、本発明は、上記目的を達成するため、半導体基板を準備する工程と、半導体基板上に炭化ケイ素から形成される第１導電型の第１伝導層を形成する工程と、第１伝導層上に第１伝導層の不純物濃度より低い不純物濃度を有し、炭化ケイ素から形成される第１導電型の第２伝導層を形成する工程と、第２伝導層の一部の領域に、加速エネルギーを段階的に変化させつつ第１導電型とは異なる導電型の第２導電型の不純物原子をイオン注入してベース領域を形成する工程と、表面がベース領域の表面と同一平面上にあると共に、ベース領域の一部の領域に加速エネルギーを段階的に変化させつつ第１導電型の不純物原子をイオン注入して５×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下の不純物濃度を有するエミッタ領域を形成する工程とを備える半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る半導体装置及び半導体装置の製造方法によれば、良好な電流増幅率が得られる半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態に係る半導体装置の断面図である。
【図２】本実施の形態に係る半導体装置において、エミッタ濃度及びベース濃度を様々に変化させた場合における電流増幅率の分布図である。
【図３Ａ】本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程の流れを示す図である。
【図３Ｂ】本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程の流れを示す図である。
【図４】実施例に係る半導体装置の断面図である。
【図５】（ａ）は、図４のＸ１−Ｘ２方向における不純物濃度の分布図であり、（ｂ）は、図４のＹ１−Ｙ２方向における不純物濃度の分布図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
［実施の形態］
（半導体装置の構成）
図１は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の断面の概要を示す。
【００１６】
本実施の形態に係る半導体装置１は、一例として、ＩＶ−ＩＶ族のワイドギャップ半導体としてのＳｉＣ系半導体から主として形成されるプレーナ型バイポーラトランジスタである。具体的に、半導体装置１は、半導体基板としてのＳｉＣ基板１０と、ＳｉＣ基板１０上に設けられ、ＳｉＣから形成される第１導電型の第１伝導層１２と、第１伝導層１２上に設けられ、第１伝導層１２の不純物濃度より低い不純物濃度を有してＳｉＣから形成される第１導電型の第２伝導層１４と、第２伝導層１４中に設けられ、第１導電型とは異なる導電型の第２導電型のベース領域１６と、ベース領域１６中に設けられ、表面がベース領域１６の表面と同一平面にある第１導電型のエミッタ領域１８とを備える。更に、半導体装置１は、ベース領域１６の表面の一部に設けられるベース電極２０と、エミッタ領域１８の表面の一部に設けられるエミッタ電極２と、ＳｉＣ基板１０の第１伝導層１２と接している側の反対側の表面（以下、「ＳｉＣ基板１０の裏面」ということがある）に設けられる裏面電極２５とを備える。
【００１７】
ＳｉＣ基板１０は、３Ｃ型、２Ｈ型、４Ｈ型、６Ｈ型等のポリタイプのＳｉＣ基板を用いることができる。例えば、ＳｉＣ基板１０として、４Ｈ−ＳｉＣ｛０００１｝オフ基板、６Ｈ−ＳｉＣ｛０００１｝オフ基板等を用いることができる。ＳｉＣ基板１０のオフ角は、３度以上１０度以下の範囲から選択することが好ましい。なお、３Ｃ型、２Ｈ型、４Ｈ型、６Ｈ型の数字はｃ軸方向の繰返し周期を示しており、Ｃは立方晶、Ｈは六方晶を示す。
【００１８】
第１伝導層１２は、ＳｉＣから形成されると共に、第１導電型としてのｎ型の不純物が添加されたｎ＋型ＳｉＣ層である。ｎ型の不純物としては、リン（Ｐ）、窒素（Ｎ）、ヒ素（Ａｓ）等を用いることができる。また、第２伝導層１４は、ＳｉＣから形成されると共にｎ型の不純物が添加されたｎ型ＳｉＣ層、又はｎ−型ＳｉＣ層である。第２伝導層１４の不純物濃度は、少なくとも第１伝導層１２の不純物濃度より低い濃度である。また、第２伝導層１４は、第１伝導層１２の抵抗率より高い抵抗率を有する。したがって、第２伝導層１４は、第１伝導層１２に対して高抵抗層としての機能を有する。なお、第１伝導層１２及び第２伝導層１４はそれぞれ、化学気相蒸着法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ法：ＣＶＤ法）、分子線エピタキシー法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ法：ＭＢＥ法）、溶液成長法等の結晶成長技術を用いて形成することができる。したがって、第１伝導層１２及び第２伝導層１４はそれぞれ、ＳｉＣ基板１０のポリタイプに応じたポリタイプを有して形成される。
【００１９】
ベース領域１６は、第２導電型としてのｐ型の不純物が添加されたＳｉＣから形成される。ｐ型の不純物としては、アルミニウム（Ａｌ）等を用いることができる。そして、エミッタ領域１８は、ｎ型の不純物が添加されたＳｉＣから形成される。エミッタ領域１８はベース領域１６中に形成されるので、上面視にてエミッタ領域１８は、ベース領域１６の面積より小さい面積を有する。更に、ベース電極２０は、ベース領域１６の表面の一部の領域にオーミック接触して設けられる。同様に、エミッタ電極２２は、エミッタ領域１８の表面の一部の領域にオーミック接触して設けられる。
【００２０】
ベース電極２０及びエミッタ電極２２はそれぞれ、金属材料の単層構造、又は積層構造から構成することができる。例えば、ベース電極２０及びエミッタ電極２２はそれぞれ、ニッケル層とアルミニウム層との２層構造を有して形成することができる。なお、ベース電極２０及びエミッタ電極２２はそれぞれ、ｎ層構造（ｎは、３以上の整数）を有して形成することもできる。
【００２１】
また、エミッタ電極２２は、エミッタ電極２２の端部２２ａから、ベース領域１６とエミッタ領域１８との境界１７までの距離（以下、単に「当該距離」という）が、エミッタ領域１８中の少数キャリアであるホールの平均の拡散距離以上となるエミッタ領域１８の表面の位置に端部２２ａが配置されるように形成される。ここで、本発明者は、当該距離が１０μｍの場合、半導体装置１の電流増幅率が５０であり、当該距離が３μｍの場合、電流増幅率が１５であり、当該距離が２μｍの場合、電流増幅率が１０であり、当該距離が１μｍの場合、電流増幅率が５であるという実験結果を得た。これにより、本実施の形態では、電流増幅率を向上させることを目的として、一例として、エミッタ電極２２は、端部２２ａと境界１７との距離が２μｍ以上となるエミッタ領域１８の表面の位置に形成することが好ましい。なお、本実施の形態に係る境界１７は、半導体装置１の表面に位置する境界である。
【００２２】
ここで、本実施の形態において、エミッタ領域１８の不純物濃度は５×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下であることが好ましい。これは、本発明者が得た以下の知見に基づくものである。
【００２３】
まず、バイポーラトランジスタのエミッタ電子電流密度（Ｊｎ）及びベース正孔電流密度（Ｊｐ）は、以下の式（１）及び式（２）で表すことができる。
【００２４】
【数１】
【００２５】
【数２】
【００２６】
ここで、ｑは電荷量、ｎｉは真性キャリア濃度、Ｄｐは正孔の拡散係数、Ｄｎは電子の拡散係数、ＶＢＥはベース−エミッタ間の順方向電圧、ｋはボルツマン定数、Ｔは温度、Ｎａはアクセプタ濃度、Ｎｄはドナー濃度、ＷＥはエミッタ幅、ＷＢはベース幅である。また、ＥＥｖはエミッタ−ベース接合領域におけるエミッタの伝導帯エネルギー準位であり、ＥＢｖはエミッタ−ベース接合領域におけるベースの伝導帯エネルギー準位である。更に、ＥＥｃはエミッタ−ベース接合領域におけるエミッタの価電子帯エネルギー準位であり、ＥＢｃはエミッタ−ベース接合領域におけるベースの価電子帯エネルギー準位である。実際のエミッタ電流の値は、エミッタ電子電流密度にエミッタ領域の面積を乗じて求められ、実際のベース電流の値は、ベース正孔電流密度にベース領域の面積を乗じて求められる。
【００２７】
ここで、コレクタ電流の値は、ベース領域内でキャリアの再結合が実質的に発生しない場合、エミッタ電流の値と略同一である。よって、エミッタ電子電流密度とベース正孔電流密度との比が電流増幅率として算出される。したがって、上記式（１）及び式（２）を参照すると明らかなように、電流増幅率は、エミッタ領域の不純物濃度、及びベース領域の不純物濃度、並びに、エミッタの伝導帯とベースの伝導帯との伝導帯エネルギー差と、エミッタの価電子帯とベースの価電子帯との価電子帯エネルギー差とに依存して決定される。
【００２８】
そして、通常、エミッタ領域の不純物濃度及びベース領域の不純物濃度は、エミッタ領域及びベース領域を低抵抗化してバイポーラトランジスタの特性を向上させるべく、可能な限り高い濃度にされる。また、通常、エミッタ領域の不純物濃度をベース領域の不純物濃度より高い濃度にすることで電流増幅率の向上を図っている。しかしながら、本発明者は、ＳｉＣにおいては、ＳｉＣに不純物原子を添加してＳｉＣの不純物濃度を高濃度化すると、エミッタの伝導帯及び価電子帯のエネルギー準位が狭バンドギャップ効果により変化して（すなわち、バンドギャップが狭まって）、電流増幅率が低下する知見を得た。そこで、本発明者は、図１に示すようなバイポーラトランジスタにおいて、ベース濃度及びエミッタ濃度を様々に変化させて、バイポーラトランジスタの電流増幅率の変化を測定した。
【００２９】
図２は、本実施の形態に係る半導体装置において、エミッタ濃度及びベース濃度を様々に変化させた場合における電流増幅率の分布を示す。
【００３０】
図２を参照すると、良好な電流増幅率（例えば、電流増幅率が１以上）が安定的に得られるエミッタ濃度には最適な濃度範囲があることを本発明者は発見した。すなわち、ベース領域の不純物濃度（図２におけるベース濃度）が１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下であって、エミッタ領域の不純物濃度（図２におけるエミッタ濃度）が５×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下の不純物濃度であれば、電流増幅率が良好な値になることを、本発明者は発見した。
【００３１】
より詳細には、上記式（１）を参照すると、エミッタ濃度であるドナー濃度（Ｎｄ）が高く、エミッタ深さであるエミッタ幅（ＷＥ）が広い場合、ベース電流であるベース正孔電流密度（Ｊｐ）は小さくなる。しかしながら、Ｎｄを高くした場合、エミッタの価電子帯エネルギー準位（ＥＥｖ）が低下して、正孔に対するエミッタの障壁が小さくなるので、Ｊｐが増加する効果も生じる。したがって、Ｊｐを低下させるためには、Ｎｄを決定してＷＥを広くすることを要する。
【００３２】
同様に上記式（２）を参照すると、ベース濃度であるアクセプタ濃度（Ｎａ）が低く、ベース幅（ＷＢ）が狭い場合、エミッタ電流であるエミッタ電子電流密度（Ｊｎ）は大きくなる。しかしながら、Ｎａを低くした場合、ＷＢを狭くすると耐圧が低下して、半導体装置１の動作が困難になる場合がある。したがって、Ｊｎを増加させるためには、Ｎａを決定してＷＢを狭くすることを要する。そして、電流増幅率（Ｊｎ／Ｊｐ）を増加させるには、Ｎｄを高めるか、又はＷＥを広くするか、若しくは、Ｎａを低くするか、又はＷＢを狭くすることを要するが、Ｎｄを高くすると電流増幅率が増加しない場合がある。
【００３３】
図２においては、ＷＥを０．２μｍ、ＷＢを０．３μｍに設定して、良好な電流増幅率が安定的に得られるエミッタ濃度を検討した。この場合、ＷＥを広げるか、又はＷＢを狭くすることにより、電流増幅率は上昇する。具体的に、ＷＥ又はＷＢは５μｍ以下程度であるので、エミッタ濃度の範囲は、５×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下であることが好ましいとの知見を、本発明者は得た。本発明の実施の形態に係る半導体装置１は、斯かる知見に基づくものである。
【００３４】
また、本実施の形態においては、ベース領域１６に接するエミッタ領域１８の表面濃度を、真性ベース領域に接するエミッタ領域１８の濃度よりも低くする、又は同程度にすることができる。ここで、表面濃度とは、エミッタ領域１８の表面近傍における濃度であり、好ましくは、外部に露出している表面から１ｎｍ〜１０ｎｍ程度、エミッタ領域１８の内側における濃度である。また、真性ベース領域とは、エミッタ領域１８直下のベース領域１６である。図１を参照すると真性ベース領域は、一例として、エミッタ領域１８とベース領域１６とが接している面のうち半導体装置１の表面に略平行な領域に該当する（例えば、図１では、エミッタ電極２２の下方であって、ベース領域１６とエミッタ領域１８とが接している領域が、真性ベース領域である）。そして、真性ベース領域に接するエミッタ領域１８とは、真性ベース領域とエミッタ領域１８とが接合する接合面の領域である。
【００３５】
本実施の形態のようにベース領域１６に接するエミッタ領域１８の表面濃度を、真性ベース領域に接するエミッタ領域１８の濃度よりも低くする又は同程度にすると、半導体装置１の表面側からＳｉＣ基板１０の底部側に向かって不純物濃度が下がることがないので、ＳｉＣ基板１０に不純物を導入して半導体装置１を製造した場合であっても、バンドギャップナローイング効果を抑制することができる。
【００３６】
なお、エミッタ領域１８の不純物濃度は、半導体装置１の表面から裏面電極２５側に向けて変化させることができる。例えば、エミッタ領域１８の表面側から裏面電極２５側に向けて徐々に不純物濃度を大きくすることができる。換言すると、エミッタ領域１８の表面における不純物濃度（以下、「表面濃度」という）を、ベース領域１６とエミッタ領域１８との界面であって、エミッタ領域１８の表面から半導体装置１の深さ方向に沿って最も離れた（つまり、最も深い）ベース領域１６（以下、「真性ベース領域」という）に接するエミッタ領域１８の不純物濃度よりも低くすることができる。
【００３７】
（半導体装置の製造工程）
図３Ａ及びＢは、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程の流れの一例を示す。
【００３８】
まず、所定のポリタイプを有するＳｉＣ基板１０を準備する。次に、準備したＳｉＣ基板１０上にｎ＋型の第１伝導層１２とｎ型の第２伝導層１４とをこの順に結晶成長させる。これにより、図３Ａの（ａ）に示すような半導体積層構造体１ａが得られる。
【００３９】
続いて、図３Ａの（ｂ）に示すように、半導体積層構造体１ａの第２伝導層１４の表面に、形成すべきベース領域１６に対応する部分に開口３０ａを有するマスク３０をフォトリソグラフィー法を用いて形成する。そして、イオン注入法を用いて開口３０ａから第２伝導層１４の表面に向けてｐ型用の不純物原子を打ち込む。これにより、図３Ａの（ｂ）に示すように、第２伝導層１４内にｐ型伝導領域としてのベース領域１６が形成された半導体積層構造体１ｂが得られる。ここで、本実施の形態においてイオン注入は、加速エネルギーを段階的に変化させつつｐ型用の不純物原子を第２伝導層１４の一部の領域に打ち込むことにより実施する。具体的には、加速エネルギーを段階的に小さくして（すなわち、加速エネルギーが段階的に小さくなる方向に変化させて）、不純物原子を第２伝導層１４に打ち込むことにより、第２伝導層１４中にベース領域１６を形成する。
【００４０】
例えば、イオン注入は、以下のように実施できる。まず、第１の加速エネルギーで、不純物イオンが第１のドーズ量となるように１段階目のイオン注入を実施する。次に、第１の加速エネルギーよりも小さい第２の加速エネルギーで、不純物イオンが第１のドーズ量よりも少ない第２のドーズ量となるように２段階目のイオン注入を実施する。そして、第２の加速エネルギーよりも小さい第３の加速エネルギーで、不純物イオンが第２のドーズ量よりも少ない第３のドーズ量となるように３段階目のイオン注入を実施する。なお、イオン注入は、３段階に限られず、ｎ段階（但し、ｎは４以上の整数）実施することができる。
【００４１】
次に、マスク３０を除去して半導体積層構造体１ｂを洗浄する。そして、図３Ｂの（ａ）に示すように、マスク３０を除去した半導体積層構造体１ｂの第２伝導層１４の表面に、形成すべきエミッタ領域１８に対応する部分に開口３１ａを有するマスク３１をフォトリソグラフィー法を用いて形成する。そして、イオン注入法を用いて開口３１ａからベース領域１６の表面に向けてｎ型用の不純物原子を打ち込む。これにより、図３Ｂの（ａ）に示すように、第２伝導層１４内であると共にベース領域１６内の一部の領域に、ｎ型伝導領域としてのエミッタ領域１８が形成された半導体積層構造体１ｃが得られる。ここで、エミッタ領域１８を形成する場合に用いるイオン注入法も、ベース領域１６を形成する場合と同様に、加速エネルギーを段階的に変化させて実施する。具体的には、エミッタ領域１８を形成する場合も加速エネルギーを段階的に小さくして、ｎ型用の不純物原子をベース領域１６に打ち込むことにより実施する。
【００４２】
続いて、マスク３１を除去して半導体積層構造体１ｃを洗浄する。そして、フォトリソグラフィー法、真空蒸着法（又は、スパッタ法等の成膜技術）等を用いて、ベース領域１６の表面の一部にベース電極２０と、エミッタ領域１８の表面の一部にエミッタ電極２２とを形成する。更に、ＳｉＣ基板１０の裏面に裏面電極２５を形成する。これにより、図３Ｂの（ｂ）に示すような半導体装置１が得られる。
【００４３】
なお、ベース領域１６及びエミッタ領域１８をイオン注入法を用いて形成した後、マスク３１を除去した半導体積層構造体１ｃに対して、所定の雰囲気下、所定の温度、所定の時間のアニール処理を施すこともできる。また、ベース電極２０とベース領域１６との間、エミッタ電極２２とエミッタ領域１８との間、及び裏面電極２５とＳｉＣ基板１０の裏面との間のそれぞれをオーミック接触させるべく、所定の加熱処理を施すこともできる。
【００４４】
（実施の形態の効果）
本実施の形態に係る半導体装置１は、ＳｉＣ基板１０内にイオン注入法により形成されたベース領域１６及びエミッタ領域１８を有すると共に、エミッタ領域１８の不純物濃度が５×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下に制御されているので、ＳｉＣの狭バンドギャップ効果による影響を低減でき、良好な電流増幅率を発揮することができる。
【００４５】
また、本実施の形態に係る半導体装置１の製造方法によれば、イオン注入法によりベース領域１６及びエミッタ領域１８を形成するので、半導体装置１の表面を実質的に平坦な表面（すなわち、凹凸の少ない表面）にすることができる。これにより、半導体装置１の表面に電極配線を施した場合であっても、配線の断線等を低減させることができるので、半導体装置１の製造歩留りを大幅に向上させることができる。また、例えば、ＳｉＣ基板１０上にベース領域及びエミッタ領域を連続的に結晶成長させ、エミッタ領域及びベース領域の一部をエッチング除去した後に除去した領域にエミッタ電極及びベース電極をそれぞれ形成する場合に比べ、本実施の形態に係る半導体装置１の製造方法はエッチング工程を要さないので、半導体装置１の製造工程を簡略化でき、半導体装置１の歩留りを向上させることができる。
【実施例】
【００４６】
以下、本発明の実施例に係る半導体装置について説明する。
【００４７】
図４は、実施例に係る半導体装置の断面の概要を示す。
【００４８】
実施例に係る半導体装置２は、図１に示す実施の形態に係る半導体装置１と略同様の構成を備える。よって、相違点を除き詳細な説明は省略する。
【００４９】
半導体装置２は、４度オフのＳｉＣ基板１０と、ＳｉＣ基板１０上に設けられるｎ＋型ＳｉＣ伝導層１１と、ｎ＋型ＳｉＣ伝導層１１上に設けられ、５μｍの厚さを有するｎ型ＳｉＣ伝導層１３と、ｎ型ＳｉＣ伝導層１３中に設けられ、３μｍの深さを有するｐ型のベース領域１６と、ベース領域１６中に設けられ、表面がベース領域１６の表面と同一平面にあると共に１．２μｍの深さを有するｎ型のエミッタ領域１８とを備える。また、半導体装置２は、ベース領域１６の表面の一部の領域に設けられるベース電極２０と、エミッタ領域１８の表面の一部の領域に設けられるエミッタ電極２２と、ＳｉＣ基板１０の裏面に設けられる裏面電極２５とを備える。
【００５０】
半導体装置２のベース領域１６は、イオン注入法を用い、加速エネルギーを２０ｋｅＶから３００ｋｅＶまで段階的に変化させて不純物原子としてのＡｌをｎ型ＳｉＣ伝導層１３に打ち込むことにより形成した。具体的に、まず、加速エネルギーを１５０ｋｅＶに設定して、ドーズ量が１×１０１３ｃｍ−２となるように不純物であるアルミニウムイオン（Ａｌイオン）をイオン注入した。次に、加速エネルギーを１００ｋｅＶに設定して、ドーズ量が４×１０１２ｃｍ−２となるようにＡｌイオンをイオン注入した。更に、加速エネルギーを５０ｋｅＶに設定して、ドーズ量が２×１０１２ｃｍ−２となるようにＡｌイオンをイオン注入した。その後、１７００℃から１９００℃の範囲の温度、アルゴン又は真空中でアニールを施した。
【００５１】
また、エミッタ領域１８も、不純物原子としてのＰを用いてベース領域１６と同様にしてイオン注入法を用いて形成した。また、ベース電極２０及びエミッタ電極２２はそれぞれ、ニッケル層とアルミニウム層との２層の金属層構造で形成した。そして、エミッタ電極２２の端部Ｘ１からベース領域１６とエミッタ領域１８との境界１７までの距離は２μｍとした。
【００５２】
図５は、実施例に係る半導体装置の不純物濃度分布を示し、具体的には、図５（ａ）は、図４のＸ１−Ｘ２方向（半導体装置の表面に水平な方向）における不純物濃度の分布を示し、図５（ｂ）は、図４のＹ１−Ｙ２方向（半導体装置の厚さに沿った方向）における不純物濃度の分布を示す。
【００５３】
ここで、ベース領域１６の不純物濃度、エミッタ領域１８の不純物濃度を様々に変化させて半導体装置を製造した。以下に述べるエミッタ領域１８の不純物濃度の値は、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示す「エミッタ濃度」に該当する値である。すなわち、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、エミッタ濃度分布とベース濃度分布との交点に該当する部分の濃度を「エミッタ濃度」とした。このエミッタ濃度が、「真性ベース領域に接するエミッタ領域の濃度」に該当する。なお、「エミッタ濃度」においては、エミッタ濃度とベース濃度とが略同一の値となる。ただし、本実施例において「エミッタ濃度とベース濃度とが略同一」とは、エミッタ濃度（又はベース濃度）を基準としてベース濃度（又はエミッタ濃度）が、エミッタ濃度（又はベース濃度）の２〜３倍程度の濃度差であることを含むものとする。
【００５４】
実施例に係る半導体装置２においては、「エミッタ濃度」は、エミッタ電極２２の端部であるＸ１からベース電極２０のエミッタ電極２２側の端部であるＸ２に向かって３μｍの距離であって、エミッタ電極２２とエミッタ領域１８との界面、すなわちエミッタ領域１８の表面の位置Ｙ１からＳｉＣ基板１０の裏面Ｙ２に向かって１．２μｍの深さの位置の濃度である。
【００５５】
その結果、エミッタ領域１８の不純物濃度（エミッタ濃度）が５×１０１７ｃｍ−３未満の場合、エミッタ抵抗が非常に高いか、若しくは、半導体装置２に電流が実質的に流れず、電流増幅率が１未満であった。また、エミッタ濃度が５×１０１９ｃｍ−３を超える場合、エミッタ抵抗は低い値であったものの電流増幅率が１未満であった。一方、エミッタ濃度が５×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下の範囲内であれば、電流増幅率が１以上である半導体装置２を安定的に製造することができた。
【００５６】
以上の結果は、エミッタ濃度を５×１０１７ｃｍ−３未満の低濃度にした場合、エミッタガンメル数が低下することに伴うベース電流密度の増加によって電流増幅率が低下したと考えられた。また、エミッタ濃度を５×１０１９ｃｍ−３を超える高濃度にすると、狭バンドギャップ効果によってベース電流密度が増加すると共にエミッタ電子電流も減少することにより、電流増幅率が低下したと考えられた。
【００５７】
また、エミッタ電極２２の端部Ｘ１と境界１７との距離を様々に変化させたところ、当該距離が２μｍ未満の場合、電流増幅率が低下した。これは、ｎ型のエミッタ領域１８内に注入された少数キャリアである正孔の平均の拡散距離が多数キャリアの平均の拡散距離より大きいことに起因して、ベース電流密度が増大したことが原因と考えられた。
【００５８】
以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
【符号の説明】
【００５９】
１、２ 半導体装置
１ａ、１ｂ、１ｃ 半導体積層構造体
１０ ＳｉＣ基板
１１ ｎ＋型ＳｉＣ伝導層
１２ 第１伝導層
１３ ｎ型ＳｉＣ伝導層
１４ 第２伝導層
１６ ベース領域
１７ 境界
１８ エミッタ領域
２０ ベース電極
２２ エミッタ電極
２２ａ 端部
３０、３１ マスク
３０ａ、３１ａ 開口
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。特に、本発明は、炭化ケイ素系半導体を用いたプレーナ型バイポーラトランジスタとしての半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化ケイ素（以下、「ＳｉＣ」という場合がある）等のワイドバンドギャップ化合物半導体は、Ｓｉ半導体、ＧａＡｓ等の化合物半導体に比べ、高耐圧、高出力、高温度等の過酷な環境下で動作する電子デバイス材料として注目されている。また、窒化ガリウム（ＧａＮ）等の窒化物系化合物半導体に比べてＳｉＣは、不純物添加によって容易にｐ型化できる。したがって、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とを要するバイポーラトランジスタへ応用することができる。
【０００３】
従来、ｎ＋型ＳｉＣ基板と、ｎ＋型ＳｉＣ基板上に形成されるｎ−型ＳｉＣエピタキシャル領域と、ｎ−型ＳｉＣエピタキシャル領域中に形成されるｐ型ベース領域と、ｐ型ベース領域中に形成されるｎ＋型エミッタ領域と、ｐ型ベース領域中であってｎ＋型エミッタ領域の隣に形成されるｐ＋型ベースコンタクト領域とを備え、ｐ型ベース領域内に空乏層が形成されないときのｐ型ベース領域内のフリーキャリア濃度が、ｐ型ベース領域に空乏層が形成されるときの空乏層内の空間電荷濃度よりも小さくなるようにしたバイポーラトランジスタが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
特許文献１に記載のバイポーラトランジスタは、上記構成を備えることにより、高い電流増幅率を発揮することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２４７５４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
バイポーラトランジスタの性能としては、コレクタ電流のベース電流に対する比である電流増幅率が重要である。電流増幅率は、主としてエミッタ注入効率に基づいて決定される。エミッタ注入効率は、ベース正孔電流とエミッタ電子電流とに基づいて決定され、ベース正孔電流はエミッタ不純物濃度とエミッタ深さとに基づいて決定される。更に、エミッタ電子電流は、ベース不純物濃度とベース幅とに基づいて決定される。しかし、特許文献１に記載のバイポーラトランジスタは、エミッタ領域の不純物濃度、及びベース領域の不純物濃度の最適化を図っておらず、バイポーラトランジスタの性能の向上には限界がある。
【０００７】
したがって、本発明の目的は、良好な電流増幅率が得られる半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記目的を達成するため、半導体基板と、半導体基板上に設けられ、炭化ケイ素から形成される第１導電型の第１伝導層と、第１伝導層上に設けられ、第１伝導層の不純物濃度より低い不純物濃度を有し、炭化ケイ素から形成される第１導電型の第２伝導層と、第２伝導層中に設けられ、第１導電型とは異なる導電型の第２導電型のベース領域と、ベース領域中に設けられ、表面がベース領域の表面と同一平面にあると共に、５×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下の不純物濃度を有する第１導電型のエミッタ領域とを備える半導体装置が提供される。
【０００９】
また、上記半導体装置は、ベース領域は、１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下の不純物濃度を有することが好ましい。
【００１０】
また、上記半導体装置は、エミッタ領域の表面の一部に設けられるエミッタ電極を更に備え、エミッタ電極の端部から、ベース領域とエミッタ領域との境界までの距離が、エミッタ領域中の少数キャリアの平均の拡散距離以上にすることもできる。
【００１１】
また、上記半導体装置は、ベース領域に接するエミッタ領域の表面濃度が、ベース領域とエミッタ領域との間に形成される真性ベース領域に接するエミッタ領域の濃度よりも低くすることもできる。
【００１２】
また、本発明は、上記目的を達成するため、半導体基板を準備する工程と、半導体基板上に炭化ケイ素から形成される第１導電型の第１伝導層を形成する工程と、第１伝導層上に第１伝導層の不純物濃度より低い不純物濃度を有し、炭化ケイ素から形成される第１導電型の第２伝導層を形成する工程と、第２伝導層の一部の領域に、加速エネルギーを段階的に変化させつつ第１導電型とは異なる導電型の第２導電型の不純物原子をイオン注入してベース領域を形成する工程と、表面がベース領域の表面と同一平面上にあると共に、ベース領域の一部の領域に加速エネルギーを段階的に変化させつつ第１導電型の不純物原子をイオン注入して５×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下の不純物濃度を有するエミッタ領域を形成する工程とを備える半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る半導体装置及び半導体装置の製造方法によれば、良好な電流増幅率が得られる半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態に係る半導体装置の断面図である。
【図２】本実施の形態に係る半導体装置において、エミッタ濃度及びベース濃度を様々に変化させた場合における電流増幅率の分布図である。
【図３Ａ】本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程の流れを示す図である。
【図３Ｂ】本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程の流れを示す図である。
【図４】実施例に係る半導体装置の断面図である。
【図５】（ａ）は、図４のＸ１−Ｘ２方向における不純物濃度の分布図であり、（ｂ）は、図４のＹ１−Ｙ２方向における不純物濃度の分布図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
［実施の形態］
（半導体装置の構成）
図１は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の断面の概要を示す。
【００１６】
本実施の形態に係る半導体装置１は、一例として、ＩＶ−ＩＶ族のワイドギャップ半導体としてのＳｉＣ系半導体から主として形成されるプレーナ型バイポーラトランジスタである。具体的に、半導体装置１は、半導体基板としてのＳｉＣ基板１０と、ＳｉＣ基板１０上に設けられ、ＳｉＣから形成される第１導電型の第１伝導層１２と、第１伝導層１２上に設けられ、第１伝導層１２の不純物濃度より低い不純物濃度を有してＳｉＣから形成される第１導電型の第２伝導層１４と、第２伝導層１４中に設けられ、第１導電型とは異なる導電型の第２導電型のベース領域１６と、ベース領域１６中に設けられ、表面がベース領域１６の表面と同一平面にある第１導電型のエミッタ領域１８とを備える。更に、半導体装置１は、ベース領域１６の表面の一部に設けられるベース電極２０と、エミッタ領域１８の表面の一部に設けられるエミッタ電極２と、ＳｉＣ基板１０の第１伝導層１２と接している側の反対側の表面（以下、「ＳｉＣ基板１０の裏面」ということがある）に設けられる裏面電極２５とを備える。
【００１７】
ＳｉＣ基板１０は、３Ｃ型、２Ｈ型、４Ｈ型、６Ｈ型等のポリタイプのＳｉＣ基板を用いることができる。例えば、ＳｉＣ基板１０として、４Ｈ−ＳｉＣ｛０００１｝オフ基板、６Ｈ−ＳｉＣ｛０００１｝オフ基板等を用いることができる。ＳｉＣ基板１０のオフ角は、３度以上１０度以下の範囲から選択することが好ましい。なお、３Ｃ型、２Ｈ型、４Ｈ型、６Ｈ型の数字はｃ軸方向の繰返し周期を示しており、Ｃは立方晶、Ｈは六方晶を示す。
【００１８】
第１伝導層１２は、ＳｉＣから形成されると共に、第１導電型としてのｎ型の不純物が添加されたｎ＋型ＳｉＣ層である。ｎ型の不純物としては、リン（Ｐ）、窒素（Ｎ）、ヒ素（Ａｓ）等を用いることができる。また、第２伝導層１４は、ＳｉＣから形成されると共にｎ型の不純物が添加されたｎ型ＳｉＣ層、又はｎ−型ＳｉＣ層である。第２伝導層１４の不純物濃度は、少なくとも第１伝導層１２の不純物濃度より低い濃度である。また、第２伝導層１４は、第１伝導層１２の抵抗率より高い抵抗率を有する。したがって、第２伝導層１４は、第１伝導層１２に対して高抵抗層としての機能を有する。なお、第１伝導層１２及び第２伝導層１４はそれぞれ、化学気相蒸着法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ法：ＣＶＤ法）、分子線エピタキシー法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ法：ＭＢＥ法）、溶液成長法等の結晶成長技術を用いて形成することができる。したがって、第１伝導層１２及び第２伝導層１４はそれぞれ、ＳｉＣ基板１０のポリタイプに応じたポリタイプを有して形成される。
【００１９】
ベース領域１６は、第２導電型としてのｐ型の不純物が添加されたＳｉＣから形成される。ｐ型の不純物としては、アルミニウム（Ａｌ）等を用いることができる。そして、エミッタ領域１８は、ｎ型の不純物が添加されたＳｉＣから形成される。エミッタ領域１８はベース領域１６中に形成されるので、上面視にてエミッタ領域１８は、ベース領域１６の面積より小さい面積を有する。更に、ベース電極２０は、ベース領域１６の表面の一部の領域にオーミック接触して設けられる。同様に、エミッタ電極２２は、エミッタ領域１８の表面の一部の領域にオーミック接触して設けられる。
【００２０】
ベース電極２０及びエミッタ電極２２はそれぞれ、金属材料の単層構造、又は積層構造から構成することができる。例えば、ベース電極２０及びエミッタ電極２２はそれぞれ、ニッケル層とアルミニウム層との２層構造を有して形成することができる。なお、ベース電極２０及びエミッタ電極２２はそれぞれ、ｎ層構造（ｎは、３以上の整数）を有して形成することもできる。
【００２１】
また、エミッタ電極２２は、エミッタ電極２２の端部２２ａから、ベース領域１６とエミッタ領域１８との境界１７までの距離（以下、単に「当該距離」という）が、エミッタ領域１８中の少数キャリアであるホールの平均の拡散距離以上となるエミッタ領域１８の表面の位置に端部２２ａが配置されるように形成される。ここで、本発明者は、当該距離が１０μｍの場合、半導体装置１の電流増幅率が５０であり、当該距離が３μｍの場合、電流増幅率が１５であり、当該距離が２μｍの場合、電流増幅率が１０であり、当該距離が１μｍの場合、電流増幅率が５であるという実験結果を得た。これにより、本実施の形態では、電流増幅率を向上させることを目的として、一例として、エミッタ電極２２は、端部２２ａと境界１７との距離が２μｍ以上となるエミッタ領域１８の表面の位置に形成することが好ましい。なお、本実施の形態に係る境界１７は、半導体装置１の表面に位置する境界である。
【００２２】
ここで、本実施の形態において、エミッタ領域１８の不純物濃度は５×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下であることが好ましい。これは、本発明者が得た以下の知見に基づくものである。
【００２３】
まず、バイポーラトランジスタのエミッタ電子電流密度（Ｊｎ）及びベース正孔電流密度（Ｊｐ）は、以下の式（１）及び式（２）で表すことができる。
【００２４】
【数１】
【００２５】
【数２】
【００２６】
ここで、ｑは電荷量、ｎｉは真性キャリア濃度、Ｄｐは正孔の拡散係数、Ｄｎは電子の拡散係数、ＶＢＥはベース−エミッタ間の順方向電圧、ｋはボルツマン定数、Ｔは温度、Ｎａはアクセプタ濃度、Ｎｄはドナー濃度、ＷＥはエミッタ幅、ＷＢはベース幅である。また、ＥＥｖはエミッタ−ベース接合領域におけるエミッタの伝導帯エネルギー準位であり、ＥＢｖはエミッタ−ベース接合領域におけるベースの伝導帯エネルギー準位である。更に、ＥＥｃはエミッタ−ベース接合領域におけるエミッタの価電子帯エネルギー準位であり、ＥＢｃはエミッタ−ベース接合領域におけるベースの価電子帯エネルギー準位である。実際のエミッタ電流の値は、エミッタ電子電流密度にエミッタ領域の面積を乗じて求められ、実際のベース電流の値は、ベース正孔電流密度にベース領域の面積を乗じて求められる。
【００２７】
ここで、コレクタ電流の値は、ベース領域内でキャリアの再結合が実質的に発生しない場合、エミッタ電流の値と略同一である。よって、エミッタ電子電流密度とベース正孔電流密度との比が電流増幅率として算出される。したがって、上記式（１）及び式（２）を参照すると明らかなように、電流増幅率は、エミッタ領域の不純物濃度、及びベース領域の不純物濃度、並びに、エミッタの伝導帯とベースの伝導帯との伝導帯エネルギー差と、エミッタの価電子帯とベースの価電子帯との価電子帯エネルギー差とに依存して決定される。
【００２８】
そして、通常、エミッタ領域の不純物濃度及びベース領域の不純物濃度は、エミッタ領域及びベース領域を低抵抗化してバイポーラトランジスタの特性を向上させるべく、可能な限り高い濃度にされる。また、通常、エミッタ領域の不純物濃度をベース領域の不純物濃度より高い濃度にすることで電流増幅率の向上を図っている。しかしながら、本発明者は、ＳｉＣにおいては、ＳｉＣに不純物原子を添加してＳｉＣの不純物濃度を高濃度化すると、エミッタの伝導帯及び価電子帯のエネルギー準位が狭バンドギャップ効果により変化して（すなわち、バンドギャップが狭まって）、電流増幅率が低下する知見を得た。そこで、本発明者は、図１に示すようなバイポーラトランジスタにおいて、ベース濃度及びエミッタ濃度を様々に変化させて、バイポーラトランジスタの電流増幅率の変化を測定した。
【００２９】
図２は、本実施の形態に係る半導体装置において、エミッタ濃度及びベース濃度を様々に変化させた場合における電流増幅率の分布を示す。
【００３０】
図２を参照すると、良好な電流増幅率（例えば、電流増幅率が１以上）が安定的に得られるエミッタ濃度には最適な濃度範囲があることを本発明者は発見した。すなわち、ベース領域の不純物濃度（図２におけるベース濃度）が１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下であって、エミッタ領域の不純物濃度（図２におけるエミッタ濃度）が５×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下の不純物濃度であれば、電流増幅率が良好な値になることを、本発明者は発見した。
【００３１】
より詳細には、上記式（１）を参照すると、エミッタ濃度であるドナー濃度（Ｎｄ）が高く、エミッタ深さであるエミッタ幅（ＷＥ）が広い場合、ベース電流であるベース正孔電流密度（Ｊｐ）は小さくなる。しかしながら、Ｎｄを高くした場合、エミッタの価電子帯エネルギー準位（ＥＥｖ）が低下して、正孔に対するエミッタの障壁が小さくなるので、Ｊｐが増加する効果も生じる。したがって、Ｊｐを低下させるためには、Ｎｄを決定してＷＥを広くすることを要する。
【００３２】
同様に上記式（２）を参照すると、ベース濃度であるアクセプタ濃度（Ｎａ）が低く、ベース幅（ＷＢ）が狭い場合、エミッタ電流であるエミッタ電子電流密度（Ｊｎ）は大きくなる。しかしながら、Ｎａを低くした場合、ＷＢを狭くすると耐圧が低下して、半導体装置１の動作が困難になる場合がある。したがって、Ｊｎを増加させるためには、Ｎａを決定してＷＢを狭くすることを要する。そして、電流増幅率（Ｊｎ／Ｊｐ）を増加させるには、Ｎｄを高めるか、又はＷＥを広くするか、若しくは、Ｎａを低くするか、又はＷＢを狭くすることを要するが、Ｎｄを高くすると電流増幅率が増加しない場合がある。
【００３３】
図２においては、ＷＥを０．２μｍ、ＷＢを０．３μｍに設定して、良好な電流増幅率が安定的に得られるエミッタ濃度を検討した。この場合、ＷＥを広げるか、又はＷＢを狭くすることにより、電流増幅率は上昇する。具体的に、ＷＥ又はＷＢは５μｍ以下程度であるので、エミッタ濃度の範囲は、５×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下であることが好ましいとの知見を、本発明者は得た。本発明の実施の形態に係る半導体装置１は、斯かる知見に基づくものである。
【００３４】
また、本実施の形態においては、ベース領域１６に接するエミッタ領域１８の表面濃度を、真性ベース領域に接するエミッタ領域１８の濃度よりも低くする、又は同程度にすることができる。ここで、表面濃度とは、エミッタ領域１８の表面近傍における濃度であり、好ましくは、外部に露出している表面から１ｎｍ〜１０ｎｍ程度、エミッタ領域１８の内側における濃度である。また、真性ベース領域とは、エミッタ領域１８直下のベース領域１６である。図１を参照すると真性ベース領域は、一例として、エミッタ領域１８とベース領域１６とが接している面のうち半導体装置１の表面に略平行な領域に該当する（例えば、図１では、エミッタ電極２２の下方であって、ベース領域１６とエミッタ領域１８とが接している領域が、真性ベース領域である）。そして、真性ベース領域に接するエミッタ領域１８とは、真性ベース領域とエミッタ領域１８とが接合する接合面の領域である。
【００３５】
本実施の形態のようにベース領域１６に接するエミッタ領域１８の表面濃度を、真性ベース領域に接するエミッタ領域１８の濃度よりも低くする又は同程度にすると、半導体装置１の表面側からＳｉＣ基板１０の底部側に向かって不純物濃度が下がることがないので、ＳｉＣ基板１０に不純物を導入して半導体装置１を製造した場合であっても、バンドギャップナローイング効果を抑制することができる。
【００３６】
なお、エミッタ領域１８の不純物濃度は、半導体装置１の表面から裏面電極２５側に向けて変化させることができる。例えば、エミッタ領域１８の表面側から裏面電極２５側に向けて徐々に不純物濃度を大きくすることができる。換言すると、エミッタ領域１８の表面における不純物濃度（以下、「表面濃度」という）を、ベース領域１６とエミッタ領域１８との界面であって、エミッタ領域１８の表面から半導体装置１の深さ方向に沿って最も離れた（つまり、最も深い）ベース領域１６（以下、「真性ベース領域」という）に接するエミッタ領域１８の不純物濃度よりも低くすることができる。
【００３７】
（半導体装置の製造工程）
図３Ａ及びＢは、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程の流れの一例を示す。
【００３８】
まず、所定のポリタイプを有するＳｉＣ基板１０を準備する。次に、準備したＳｉＣ基板１０上にｎ＋型の第１伝導層１２とｎ型の第２伝導層１４とをこの順に結晶成長させる。これにより、図３Ａの（ａ）に示すような半導体積層構造体１ａが得られる。
【００３９】
続いて、図３Ａの（ｂ）に示すように、半導体積層構造体１ａの第２伝導層１４の表面に、形成すべきベース領域１６に対応する部分に開口３０ａを有するマスク３０をフォトリソグラフィー法を用いて形成する。そして、イオン注入法を用いて開口３０ａから第２伝導層１４の表面に向けてｐ型用の不純物原子を打ち込む。これにより、図３Ａの（ｂ）に示すように、第２伝導層１４内にｐ型伝導領域としてのベース領域１６が形成された半導体積層構造体１ｂが得られる。ここで、本実施の形態においてイオン注入は、加速エネルギーを段階的に変化させつつｐ型用の不純物原子を第２伝導層１４の一部の領域に打ち込むことにより実施する。具体的には、加速エネルギーを段階的に小さくして（すなわち、加速エネルギーが段階的に小さくなる方向に変化させて）、不純物原子を第２伝導層１４に打ち込むことにより、第２伝導層１４中にベース領域１６を形成する。
【００４０】
例えば、イオン注入は、以下のように実施できる。まず、第１の加速エネルギーで、不純物イオンが第１のドーズ量となるように１段階目のイオン注入を実施する。次に、第１の加速エネルギーよりも小さい第２の加速エネルギーで、不純物イオンが第１のドーズ量よりも少ない第２のドーズ量となるように２段階目のイオン注入を実施する。そして、第２の加速エネルギーよりも小さい第３の加速エネルギーで、不純物イオンが第２のドーズ量よりも少ない第３のドーズ量となるように３段階目のイオン注入を実施する。なお、イオン注入は、３段階に限られず、ｎ段階（但し、ｎは４以上の整数）実施することができる。
【００４１】
次に、マスク３０を除去して半導体積層構造体１ｂを洗浄する。そして、図３Ｂの（ａ）に示すように、マスク３０を除去した半導体積層構造体１ｂの第２伝導層１４の表面に、形成すべきエミッタ領域１８に対応する部分に開口３１ａを有するマスク３１をフォトリソグラフィー法を用いて形成する。そして、イオン注入法を用いて開口３１ａからベース領域１６の表面に向けてｎ型用の不純物原子を打ち込む。これにより、図３Ｂの（ａ）に示すように、第２伝導層１４内であると共にベース領域１６内の一部の領域に、ｎ型伝導領域としてのエミッタ領域１８が形成された半導体積層構造体１ｃが得られる。ここで、エミッタ領域１８を形成する場合に用いるイオン注入法も、ベース領域１６を形成する場合と同様に、加速エネルギーを段階的に変化させて実施する。具体的には、エミッタ領域１８を形成する場合も加速エネルギーを段階的に小さくして、ｎ型用の不純物原子をベース領域１６に打ち込むことにより実施する。
【００４２】
続いて、マスク３１を除去して半導体積層構造体１ｃを洗浄する。そして、フォトリソグラフィー法、真空蒸着法（又は、スパッタ法等の成膜技術）等を用いて、ベース領域１６の表面の一部にベース電極２０と、エミッタ領域１８の表面の一部にエミッタ電極２２とを形成する。更に、ＳｉＣ基板１０の裏面に裏面電極２５を形成する。これにより、図３Ｂの（ｂ）に示すような半導体装置１が得られる。
【００４３】
なお、ベース領域１６及びエミッタ領域１８をイオン注入法を用いて形成した後、マスク３１を除去した半導体積層構造体１ｃに対して、所定の雰囲気下、所定の温度、所定の時間のアニール処理を施すこともできる。また、ベース電極２０とベース領域１６との間、エミッタ電極２２とエミッタ領域１８との間、及び裏面電極２５とＳｉＣ基板１０の裏面との間のそれぞれをオーミック接触させるべく、所定の加熱処理を施すこともできる。
【００４４】
（実施の形態の効果）
本実施の形態に係る半導体装置１は、ＳｉＣ基板１０内にイオン注入法により形成されたベース領域１６及びエミッタ領域１８を有すると共に、エミッタ領域１８の不純物濃度が５×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下に制御されているので、ＳｉＣの狭バンドギャップ効果による影響を低減でき、良好な電流増幅率を発揮することができる。
【００４５】
また、本実施の形態に係る半導体装置１の製造方法によれば、イオン注入法によりベース領域１６及びエミッタ領域１８を形成するので、半導体装置１の表面を実質的に平坦な表面（すなわち、凹凸の少ない表面）にすることができる。これにより、半導体装置１の表面に電極配線を施した場合であっても、配線の断線等を低減させることができるので、半導体装置１の製造歩留りを大幅に向上させることができる。また、例えば、ＳｉＣ基板１０上にベース領域及びエミッタ領域を連続的に結晶成長させ、エミッタ領域及びベース領域の一部をエッチング除去した後に除去した領域にエミッタ電極及びベース電極をそれぞれ形成する場合に比べ、本実施の形態に係る半導体装置１の製造方法はエッチング工程を要さないので、半導体装置１の製造工程を簡略化でき、半導体装置１の歩留りを向上させることができる。
【実施例】
【００４６】
以下、本発明の実施例に係る半導体装置について説明する。
【００４７】
図４は、実施例に係る半導体装置の断面の概要を示す。
【００４８】
実施例に係る半導体装置２は、図１に示す実施の形態に係る半導体装置１と略同様の構成を備える。よって、相違点を除き詳細な説明は省略する。
【００４９】
半導体装置２は、４度オフのＳｉＣ基板１０と、ＳｉＣ基板１０上に設けられるｎ＋型ＳｉＣ伝導層１１と、ｎ＋型ＳｉＣ伝導層１１上に設けられ、５μｍの厚さを有するｎ型ＳｉＣ伝導層１３と、ｎ型ＳｉＣ伝導層１３中に設けられ、３μｍの深さを有するｐ型のベース領域１６と、ベース領域１６中に設けられ、表面がベース領域１６の表面と同一平面にあると共に１．２μｍの深さを有するｎ型のエミッタ領域１８とを備える。また、半導体装置２は、ベース領域１６の表面の一部の領域に設けられるベース電極２０と、エミッタ領域１８の表面の一部の領域に設けられるエミッタ電極２２と、ＳｉＣ基板１０の裏面に設けられる裏面電極２５とを備える。
【００５０】
半導体装置２のベース領域１６は、イオン注入法を用い、加速エネルギーを２０ｋｅＶから３００ｋｅＶまで段階的に変化させて不純物原子としてのＡｌをｎ型ＳｉＣ伝導層１３に打ち込むことにより形成した。具体的に、まず、加速エネルギーを１５０ｋｅＶに設定して、ドーズ量が１×１０１３ｃｍ−２となるように不純物であるアルミニウムイオン（Ａｌイオン）をイオン注入した。次に、加速エネルギーを１００ｋｅＶに設定して、ドーズ量が４×１０１２ｃｍ−２となるようにＡｌイオンをイオン注入した。更に、加速エネルギーを５０ｋｅＶに設定して、ドーズ量が２×１０１２ｃｍ−２となるようにＡｌイオンをイオン注入した。その後、１７００℃から１９００℃の範囲の温度、アルゴン又は真空中でアニールを施した。
【００５１】
また、エミッタ領域１８も、不純物原子としてのＰを用いてベース領域１６と同様にしてイオン注入法を用いて形成した。また、ベース電極２０及びエミッタ電極２２はそれぞれ、ニッケル層とアルミニウム層との２層の金属層構造で形成した。そして、エミッタ電極２２の端部Ｘ１からベース領域１６とエミッタ領域１８との境界１７までの距離は２μｍとした。
【００５２】
図５は、実施例に係る半導体装置の不純物濃度分布を示し、具体的には、図５（ａ）は、図４のＸ１−Ｘ２方向（半導体装置の表面に水平な方向）における不純物濃度の分布を示し、図５（ｂ）は、図４のＹ１−Ｙ２方向（半導体装置の厚さに沿った方向）における不純物濃度の分布を示す。
【００５３】
ここで、ベース領域１６の不純物濃度、エミッタ領域１８の不純物濃度を様々に変化させて半導体装置を製造した。以下に述べるエミッタ領域１８の不純物濃度の値は、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示す「エミッタ濃度」に該当する値である。すなわち、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、エミッタ濃度分布とベース濃度分布との交点に該当する部分の濃度を「エミッタ濃度」とした。このエミッタ濃度が、「真性ベース領域に接するエミッタ領域の濃度」に該当する。なお、「エミッタ濃度」においては、エミッタ濃度とベース濃度とが略同一の値となる。ただし、本実施例において「エミッタ濃度とベース濃度とが略同一」とは、エミッタ濃度（又はベース濃度）を基準としてベース濃度（又はエミッタ濃度）が、エミッタ濃度（又はベース濃度）の２〜３倍程度の濃度差であることを含むものとする。
【００５４】
実施例に係る半導体装置２においては、「エミッタ濃度」は、エミッタ電極２２の端部であるＸ１からベース電極２０のエミッタ電極２２側の端部であるＸ２に向かって３μｍの距離であって、エミッタ電極２２とエミッタ領域１８との界面、すなわちエミッタ領域１８の表面の位置Ｙ１からＳｉＣ基板１０の裏面Ｙ２に向かって１．２μｍの深さの位置の濃度である。
【００５５】
その結果、エミッタ領域１８の不純物濃度（エミッタ濃度）が５×１０１７ｃｍ−３未満の場合、エミッタ抵抗が非常に高いか、若しくは、半導体装置２に電流が実質的に流れず、電流増幅率が１未満であった。また、エミッタ濃度が５×１０１９ｃｍ−３を超える場合、エミッタ抵抗は低い値であったものの電流増幅率が１未満であった。一方、エミッタ濃度が５×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下の範囲内であれば、電流増幅率が１以上である半導体装置２を安定的に製造することができた。
【００５６】
以上の結果は、エミッタ濃度を５×１０１７ｃｍ−３未満の低濃度にした場合、エミッタガンメル数が低下することに伴うベース電流密度の増加によって電流増幅率が低下したと考えられた。また、エミッタ濃度を５×１０１９ｃｍ−３を超える高濃度にすると、狭バンドギャップ効果によってベース電流密度が増加すると共にエミッタ電子電流も減少することにより、電流増幅率が低下したと考えられた。
【００５７】
また、エミッタ電極２２の端部Ｘ１と境界１７との距離を様々に変化させたところ、当該距離が２μｍ未満の場合、電流増幅率が低下した。これは、ｎ型のエミッタ領域１８内に注入された少数キャリアである正孔の平均の拡散距離が多数キャリアの平均の拡散距離より大きいことに起因して、ベース電流密度が増大したことが原因と考えられた。
【００５８】
以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
【符号の説明】
【００５９】
１、２ 半導体装置
１ａ、１ｂ、１ｃ 半導体積層構造体
１０ ＳｉＣ基板
１１ ｎ＋型ＳｉＣ伝導層
１２ 第１伝導層
１３ ｎ型ＳｉＣ伝導層
１４ 第２伝導層
１６ ベース領域
１７ 境界
１８ エミッタ領域
２０ ベース電極
２２ エミッタ電極
２２ａ 端部
３０、３１ マスク
３０ａ、３１ａ 開口
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられ、炭化ケイ素から形成される第１導電型の第１伝導層と、
前記第１伝導層上に設けられ、前記第１伝導層の不純物濃度より低い不純物濃度を有し、炭化ケイ素から形成される第１導電型の第２伝導層と、
前記第２伝導層中に設けられ、前記第１導電型とは異なる導電型の第２導電型のベース領域と、
前記ベース領域中に設けられ、表面が前記ベース領域の表面と同一平面にあると共に、５×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下の不純物濃度を有する第１導電型のエミッタ領域と
を備える半導体装置。
【請求項２】
前記ベース領域は、１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下の不純物濃度を有する請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記エミッタ領域の表面の一部に設けられるエミッタ電極
を更に備え、
前記エミッタ電極の端部から、前記ベース領域と前記エミッタ領域との境界までの距離が、前記エミッタ領域中の少数キャリアの平均の拡散距離以上である請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記ベース領域に接する前記エミッタ領域の表面濃度が、前記ベース領域と前記エミッタ領域との間に形成される真性ベース領域に接する前記エミッタ領域の濃度よりも低い請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
半導体基板を準備する工程と、
前記半導体基板上に炭化ケイ素から形成される第１導電型の第１伝導層を形成する工程と、
前記第１伝導層上に前記第１伝導層の不純物濃度より低い不純物濃度を有し、炭化ケイ素から形成される第１導電型の第２伝導層を形成する工程と、
前記第２伝導層の一部の領域に、加速エネルギーを段階的に変化させつつ前記第１導電型とは異なる導電型の第２導電型の不純物原子をイオン注入してベース領域を形成する工程と、
表面が前記ベース領域の表面と同一平面上にあると共に、前記ベース領域の一部の領域に加速エネルギーを段階的に変化させつつ前記第１導電型の不純物原子をイオン注入して５×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下の不純物濃度を有するエミッタ領域を形成する工程と
を備える半導体装置の製造方法。
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられ、炭化ケイ素から形成される第１導電型の第１伝導層と、
前記第１伝導層上に設けられ、前記第１伝導層の不純物濃度より低い不純物濃度を有し、炭化ケイ素から形成される第１導電型の第２伝導層と、
前記第２伝導層中に設けられ、前記第１導電型とは異なる導電型の第２導電型のベース領域と、
前記ベース領域中に設けられ、表面が前記ベース領域の表面と同一平面にあると共に、５×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下の不純物濃度を有する第１導電型のエミッタ領域と
を備える半導体装置。
【請求項２】
前記ベース領域は、１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下の不純物濃度を有する請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記エミッタ領域の表面の一部に設けられるエミッタ電極
を更に備え、
前記エミッタ電極の端部から、前記ベース領域と前記エミッタ領域との境界までの距離が、前記エミッタ領域中の少数キャリアの平均の拡散距離以上である請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記ベース領域に接する前記エミッタ領域の表面濃度が、前記ベース領域と前記エミッタ領域との間に形成される真性ベース領域に接する前記エミッタ領域の濃度よりも低い請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
半導体基板を準備する工程と、
前記半導体基板上に炭化ケイ素から形成される第１導電型の第１伝導層を形成する工程と、
前記第１伝導層上に前記第１伝導層の不純物濃度より低い不純物濃度を有し、炭化ケイ素から形成される第１導電型の第２伝導層を形成する工程と、
前記第２伝導層の一部の領域に、加速エネルギーを段階的に変化させつつ前記第１導電型とは異なる導電型の第２導電型の不純物原子をイオン注入してベース領域を形成する工程と、
表面が前記ベース領域の表面と同一平面上にあると共に、前記ベース領域の一部の領域に加速エネルギーを段階的に変化させつつ前記第１導電型の不純物原子をイオン注入して５×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下の不純物濃度を有するエミッタ領域を形成する工程と
を備える半導体装置の製造方法。
【図１】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図２】
【公開番号】特開２０１０−１９２７１０（Ｐ２０１０−１９２７１０Ａ）
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−３５８２４（Ｐ２００９−３５８２４）
【出願日】平成２１年２月１８日（２００９．２．１８）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月１８日（２００９．２．１８）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
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