JP2001077379A - ショットキーバリア半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 シリコン基板上に金属層が設けられショット
キー接合構造が形成されたショットキーバリア半導体装
置において、製品ごとにほぼ一定のバリアハイトが得ら
れ、安定した順方向特性、逆方向特性が得られるショッ
トキーバリア半導体装置を提供する。 【解決手段】 シリコンからなるエピ層３の表面３ｂに
金属層４が設けられショットキー接合構造が形成された
ショットキーバリアダイオード１において、エピ層３の
表面が（１００）面である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、シリコンからな
る一導電型半導体基板の表面に金属層が設けられショッ
トキー接合構造が形成されたショットキーバリア半導体
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一導電型半導体基板上に金属層が設けら
れショットキー接合構造が形成されたショットキーバリ
ア半導体装置は、スイッチング特性が高速で、ＰＮ接合
を利用した場合よりも順方向電圧（Ｖ_F）が低く消費電
力が小さい優れた性質により、整流素子などに利用され
ている。これら順方向電圧や逆方向電流は金属層と半導
体基板間の障壁であるバリアハイト（ショットキー障壁
値）によって左右され、バリアハイトが高いほど順方向
電圧は高くなり、逆方向電流は低くなる。

【０００３】ショットキーバリア半導体装置では半導体
基板としてシリコン基板が多く使われており、バルク結
晶から得られた所定濃度の不純物を含有するシリコン基
板の（１１１）面に、さらにシリコンのエピタキシャル
層を形成し、そのエピタキシャル層の（１１１）面に、
金属層を設けた構造が最も一般的である。このようなシ
リコン基板を用いたショットキーバリア半導体装置にお
いて、前記バリアハイトは、理論的には、シリコン基
板の導電型（ｎ型かｐ型か）、シリコン基板の結晶
軸、ショットキー接合構造を形成する金属によって決
まる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
技術で実際に製造されるショットキーバリア半導体装置
では、エピタキシャル層と金属層との間にシリコン酸化
物やシリサイドが生成してしまう等の理由により、必ず
しも理論値通りの値にはならず製品ごとにバリアハイト
がばらついてしまっていた。このバリアハイトのばらつ
きによって、順方向特性および逆方向特性が変わり、シ
ョットキーバリア半導体装置の主特性が製品ごとに安定
せず重大な問題であったこのような問題を防ぐために、
金属層を形成する前のエピタキシャル層表面を酸やアル
カリ水溶液で前処理する等の工夫がなされてはいるが、
要求される品質に対して十分な程、バリアハイトが安定
するような方法は開発されていない。

【０００５】特に、上記シリコン基板を用いたショット
キーバリア半導体装置は、最近では、電池で駆動される
携帯用パソコン等の小型電子機器に搭載されるようにな
り、以前にも増して安定した性能が求められている。こ
れら携帯用の電子機器は３Ｖの電圧で駆動されることが
多く、この３Ｖで駆動する回路に組み込まれるショット
キーバリア半導体装置としては、バリアハイトが０．６
ｅｖ前後の値であると順方向特性と逆方向特性のバラン
スがとれることから好ましいとされている。

【０００６】勿論、この０．６ｅｖ付近でもバリアハイ
トが製品ごとに安定していることは重要である。図６に
は、バリアハイトが０．６ｅｖ付近の値をとるときの、
バリアハイトと順方向電圧の関係（図６（ａ））と、バ
リアハイトと逆方向電流の関係（図６（ｂ））を示し
た。図６（ａ）、（ｂ）の各グラフは、半導体基板がＮ
型のシリコン基板であって、その不純物濃度が１×１０
¹⁶ｃｍ^-3であり、Ｔｊ値（ショットキー接合温度）が室
温（ＲＴ）または１００℃とした場合の、理論値をプロ
ットしたものである。

【０００７】図６から明らかなように、バリアハイトに
対して順方向電圧は直線的に変動し、逆方向電流は指数
関数的に変動する。特に、バリアハイトが０．６ｅｖよ
りも小さい領域では、バリアハイトがわずかに変動する
と、順方向電圧が比例して変動することに加えて、逆方
向電流の絶対値が大きく変動してしまうので、この領域
では特に逆方向特性の安定のためにバリアハイトの安定
が重要である。

【０００８】この発明は、上記実状に鑑みてなされたも
ので、シリコン基板上に金属層が設けられショットキー
接合構造が形成されたショットキーバリア半導体装置に
おいて、製品ごとにほぼ一定のバリアハイトが得られ、
安定した順方向特性、逆方向特性が得られるショットキ
ーバリア半導体装置を提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の請求項１に記載の発明は、シリコンからな
る一導電型半導体基板の表面に金属層が設けられショッ
トキー接合構造が形成されたショットキーバリア半導体
装置において、前記一導電型半導体基板の表面の少なく
とも一部が（１００）面であることを特徴とする。

【００１０】請求項１に記載の発明によれば、ショット
キーバリア半導体装置において、ショットキー接合構造
が形成される半導体基板の表面の少なくとも一部が（１
００）面であることによって、結果として、製品毎にほ
ぼ一定のバリアハイトが得られるようになり、安定した
順方向特性、逆方向特性が得られるショットキーバリア
半導体装置となる。

【００１１】請求項１に記載のショットキーバリア半導
体装置において、「少なくとも一部が（１００）面であ
る」とは、半導体基板表面の全てが（１００）面でなく
てもよいということであり、たとえば請求項２に記載の
発明のように、一導電型半導体基板の表面に規則的な凹
凸が形成されている場合に、その凹凸面の一部が（１０
０）面であってもよいということである。請求項２に記
載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加え
て、ショットキー接合を形成する半導体基板表面の表面
積が大きくなることから、順方向電圧が下がり、エピ層
の表面形状が平坦である同じ大きさのショットキーバリ
ア半導体装置よりもより大きな順方向電流が流せるの
で、デバイスとして有用である。ここで、「規則的な凹
凸」とは、たとえばサンドブラスト等で機械的に表面を
荒らす等によって形成されるランダムな「荒れ」ではな
く、断面形状において凸部と凹部が規則的に繰り返され
ているようなものを言う。

【００１２】請求項３に記載の発明は、請求項１または
２に記載のショットキーバリア半導体装置において、一
導電型半導体基板の表面の一部に、一導電型半導体基板
の導電型とは逆の導電型を有する逆半導体領域が形成さ
れていることを特徴とする。ここで、逆半導体領域は、
一導電型半導体基板がＮ型であればＰ型であり、一導電
型半導体基板がＮ型であればＰ型である。

【００１３】また、請求項４に記載の発明は、請求項１
または２に記載のショットキーバリア半導体装置におい
て、一導電型半導体基板の表面の一部に酸化膜が設けら
れ、一導電型半導体基板と酸化膜と金属層によりＭＯＳ
（Metal Oxide Semiconductor）構造が形成されている
ことを特徴とする。

【００１４】請求項３あるいは４に記載の発明によれ
ば、請求項１または２に記載の発明の効果に加えて、逆
方向電圧が印加されたときに、ＭＯＳ構造や逆半導体領
域の周囲に空乏層が形成され、逆方向電流（リーク電
流）が通過しにくくなることから、逆方向特性が向上す
る。

【００１５】請求項１〜４のいずれか記載のショットキ
ーバリア半導体装置において、請求項５に記載の発明の
ようにバリアハイトの値が０．５５〜０．７０ｅＶであ
ってもよい。より好ましくは０．５８〜０．６２ｅＶで
ある。請求項５に記載の発明によれば、０．５５〜０．
７０ｅＶの範囲のバリアハイトを有するショットキーバ
リア半導体装置は、すでに述べたような携帯用の小型電
子機器に搭載されるタイプのものであるから、この範囲
のバリアハイトが安定したショットキーバリア半導体装
置は工業的に非常に有用である。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
いて、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の
ショットキーバリア半導体装置の一例としてのショット
キーバリアダイオードの一例である。図１のショットキ
ーバリアダイオード１は、シリコン基板２、エピタキシ
ャル層（以下、エピ層）３、金属層４、ガードリング
５，５、酸化膜６，６、電極７，８とからなる。

【００１７】シリコン基板２は、シリコンのバルク結晶
から、（１００）面に対して平行に切り出されたもの
で、不純物としてヒ素あるいはアンチモン等を所定の濃
度（１×１０¹⁹ｃｍ^-3）含有したＮ型の半導体基板であ
り、厚さが２００〜３００μｍ程度である。このシリコ
ン基板２は（１００）面に対して平行に切り出されたも
のであるから、シリコン基板２の上面（エピ層３との境
界面）は（１００）面である。

【００１８】エピ層３（一導電型半導体基板）は、エピ
タキシャル成長によってシリコン基板２上に形成したシ
リコン薄膜で、たとえば数μｍ〜数十μｍの膜厚を有
し、不純物を所定の濃度、たとえば５×１０¹⁵〜１×１
０¹⁶ｃｍ^-3含有するＮ型半導体基板である。エピ層３
は、シリコン基板２の（１００）面にエピタキシャル成
長して形成されるものであるから、エピ層３も（１０
０）面に平行に成長し、その表面３ｂ（１００）面であ
る。

【００１９】金属層４は、たとえば、チタン、バナジウ
ム、クロム、モリブデン、タングステン、パラジウム、
白金等の各種金属から選択されて、真空蒸着やスパッタ
リングなどの方法でエピ層３の表面３ｂ上に形成された
もので、バリアメタルとして機能する。この金属層４と
前記エピ層３によりショットキー接合構造が形成され
る。

【００２０】ガードリング５，５は、金属層４の縁部に
おける逆方向電圧に対する耐圧特性が中心部より低下す
る現象を防ぐために、金属層４の周囲に設けられたＰ型
半導体領域である。酸化膜６，６は、シリコン酸化膜か
らなり、絶縁膜および保護膜としての役目を果たす。電
極７はたとえば銀またはアルミニウムからなるアノード
側の電極であり、電極８はたとえばニッケルや金などか
らなるカソード側の電極である。したがって、ショット
キーバリアダイオード１では、図１中の上から下に電流
が流れるよう電圧をかける場合に順方向特性、逆向きに
電圧をかける場合に逆方向特性となる。

【００２１】上記構成を有するショットキーバリアダイ
オード１であって、金属層４をバナジウムまたはモリブ
デンから形成したものを作製した。エピ層３の抵抗につ
いて、０．５Ωｃｍと０．９Ωｃｍの２種類作製した。
そして、これら作製したショットキーバリアダイオード
の順方向・逆方向特性を求め、これらの値から、周知の
理論式よりバリアハイトの値を求め、図２の表にまとめ
た。

【００２２】図２の表中、２回目の欄に結果が記載され
ているものは、再現性を確認するため全く同じ製法でシ
ョットキーバリアダイオードを作製したものである。ま
た、従来品と比較するため、図１と全く同様の構造を有
するショットキーバリアダイオードであって、シリコン
基板およびエピ層の表面が（１１１）面であるものを作
製し、同様にバリアハイトを求めその結果を図２の表に
示した。図１では本発明に関する結果は実施例として、
従来品に関する結果は比較例として示している。

【００２３】まず、図２の結果について以下に考察す
る。エピ層の抵抗が０．５Ωｃｍのとき、結晶面が（１
００）のダイオードでは、１回目も２回目もバリアハイ
トが０．５８ｅＶで同じ値であるのに対し、結晶面が
（１１１）のダイオードでは１回目が０．５２ｅＶ、２
回目が０．５６ｅＶであり、０．０４ｅＶ異なる。ま
た、エピ層の抵抗が０．９Ωｃｍのとき、結晶面が（１
００）のダイオードでは、１回目の２回目も０．５８ｅ
Ｖで同じ値であるのに対し、結晶面が（１１１）のダイ
オードでは、１回目が０．５４ｅＶ、２回目が０．５６
ｅＶであり、０．０２ｅＶ異なる。

【００２４】これらの結果から、従来品の結晶面が（１
１１）である場合には製品ごとにバリアハイト値が異な
り再現性に乏しいが、（１００）である場合には、１回
目も２回目も同じ値であり安定したバリアハイトが得ら
れ再現性が高いことが分かる。比較例２のようにバリア
ハイトが０．５４ｅＶから０．５６ｅＶまで変動したと
き、実際のデータとして、順方向電圧が２１ｍＶ上昇
し、逆方向電流が約１／２になった。このようにバリア
ハイトが変動すると、ショットキーバリアダイオードと
しての性能が変動し、特にこの結果では逆方向特性が目
立って変動し、製品としては好ましくない。

【００２５】バナジウム、モリブデンの両方の結果か
ら、全く同じ条件であれば結晶面（１００）の方が結晶
面（１１１）よりもバリアハイトの値は若干高くなって
いる。バリアハイトが高くなればその分順方向特性は低
下するが、エピ層を薄くし抵抗を小さくするといった工
夫により、ショットキーバリアダイオード全体としてバ
リアハイトの上昇による順方向特性低下分をキャンセル
することができることから、大きな問題ではない。工業
的には、バリアハイトの値が安定することの方が重要で
ある。

【００２６】また、たとえば、実施例１と実施例２、実
施例３と実施例４を比較して明らかなように、結晶面が
（１００）のダイオードでは、エピ層の抵抗が変わって
もバリアハイトの値が変わらない。これに対して結晶面
（１１１）のダイオードでは、エピ層の抵抗が変わると
バリアハイトが変動してしまう。バリアハイトの値は、
前述のように理論的にはエピ層の抵抗値とは関係なく、
このことから、結晶面（１００）のときにはより理論値
に近い値が得られていると考えられる。

【００２７】以上のショットキーバリアダイオード１に
よれば、ショットキー接合構造が形成されるエピ層３の
表面３ｂの結晶面が（１００）面であることによって、
結果として、製品毎にほぼ一定のバリアハイトが得られ
るようになり、安定した順方向特性、逆方向特性が得ら
れる。特に、逆方向電流はバリアハイトが小さくなるに
したがって大きくなり指数関数的に変動するので、本発
明はバリアハイトが低めほど有用である。

【００２８】次に上記ショットキーバリアダイオード１
の変形例を示す。 ＜変形例１＞図３は、本発明のショットキーバリア半導
体装置の第２の例としてショットキーバリアダイオード
１０を示したものである。図３において、ショットキー
バリアダイオード１と全く同様の部分については図１と
同一の符号を付して説明は省略する。ショットキーバリ
アダイオード１０において、ショットキーバリアダイオ
ード１と異なる点は、エピ層３の表面に凹部３ａ、３
ａ、３ａを設け、その凹部３ａ、３ａ、３ａに酸化膜
９，９，９を形成したところにある。この状態のエピ層
３の上面に金属層４を形成することによって、各凹部３
ａにＭＯＳ（Metal OxideSemiconductor）構造が形成さ
れる。エピ層３の凹部３ａ，３ａ，３ａが形成された部
分以外の表面３ｂと、金属層４とによりショットキー接
合構造が形成される。

【００２９】＜変形例２＞図４は、本発明のショットキ
ーバリア半導体装置の第３の例としてショットキーバリ
アダイオード２０を示したものである。図４において、
ショットキーバリアダイオード１と全く同様の部分につ
いては図１と同一の符号を付して説明は省略する。ショ
ットキーバリアダイオード２０において、ショットキー
バリアダイオード１と異なる点は、エピ層３の表面上部
に、Ｎ型のエピ層３とは逆の導電型を有するＰ型領域
（逆半導体領域）２１，２１，２１を設けたところにあ
る。エピ層３のＰ型領域２１，２１，２１が形成された
部分以外の表面３ｂと、金属層４とによりショットキー
接合構造が形成される。

【００３０】上記ショットキーバリアダイオード１０、
２０によれば、ショットキーバリアダイオード１と同様
の作用・効果が得られる上に、逆方向電圧が印加された
ときに、エピ層３の各凹部３ａに形成されたＭＯＳ構造
やＰ型領域２１，２１，２１の周囲に、空乏層が形成さ
れ、逆方向電流（リーク電流）が通過しにくくなること
から、逆方向特性が向上する。

【００３１】ところで、ショットキーバリアダイオード
１，１０，２０では、いずれもショットキー接合を形成
する面そのものは平坦であり、ショットキーバリアダイ
オードを形成する各層の主面に平行、言い換えれば電圧
が印加される方向に対してほぼ直交するようになってい
るが、本発明はこれに限定されない。

【００３２】たとえば、ショットキー接合を形成するエ
ピ層を図５のような形状に形成してもよい。図５
（ａ）、（ｂ）は、ショットキー接合を形成するエピ層
の上面（ショットキー接合面）の断面形状を示したもの
である。符号３０はショットキーバリアダイオードを形
成する各層の主面に平行な平行面３０である。各平行面
３０の周りには斜面３１，３２が形成され、エピ層の上
面にはこれらの面により規則的な凹凸が形成されてい
る。平行面３０は結晶面（１００）で、斜面３１，３２
は結晶面（１１１）である。また、図５（ｂ）に示すよ
うに、斜面の上下に主面と平行な平行面４０、４３をそ
なえた形状に形成してもよい。平行面４０，４３は結晶
面（１００）であり、斜面４１，４２は結晶面（１１
１）である。

【００３３】これらの規則的な凹凸は、エピタキシャル
成長工程後の平坦なエピ層の表面を、規則的に開口が形
成されたマスク（図示せず）を用いて異方性エッチング
することにより形成される。マスク開口の寸法を狭くし
てエッチングすれば、図５（ａ）の状態になり、マスク
開口の寸法を広くするか、浅めのエッチングを行えば図
５（ｂ）の状態になる。さらに、マスクの各開口の径は
数ミクロン〜数十ミクロン程度であり、この範囲内であ
って異方性エッチングによりエピ層が貫通してしまわな
いサイズが選択される。

【００３４】本発明のショットキーバリアダイオードに
おいて、図５のようにエピ層の上面に規則的な凹凸を設
けることによって、すでに述べた本発明のショットキー
バリアダイオードが有する作用・効果に加えて、エピ層
の表面積が大きくなり順方向電圧が下がることから、エ
ピ層表面が平坦な同じ大きさのダイオードよりも、大き
な順方向電流が流せるので、デバイスとして有用であ
る。

【００３５】なお、本発明は上記の実施例に限らず、た
とえば、エピ層表面に図５に示すような規則的な凹凸が
形成されるとともに、図３、図４に示すようなＭＯＳ構
造やＰ型領域が形成されていてもよい。

【００３６】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、ショッ
トキーバリア半導体装置において、ショットキー接合構
造が形成される半導体基板の表面の少なくとも一部が
（１００）面であることによって、結果として、製品毎
にほぼ一定のバリアハイトが得られるようになり、安定
した順方向特性、逆方向特性が得られるショットキーバ
リア半導体装置となる。

【００３７】請求項２に記載の発明によれば、請求項１
記載の発明の効果に加えて、ショットキー接合を形成す
る半導体基板の表面の表面積が大きくなることから、順
方向電圧が下がり、エピ層表面が平坦な同じ大きさのシ
ョットキーバリア半導体装置よりもより大きな順方向電
流が流せるので、デバイスとして有用である。

【００３８】請求項３あるいは４に記載の発明によれ
ば、請求項１または２記載の発明の効果に加えて、逆方
向電圧が印加されたときにＭＯＳ構造や逆半導体領域の
周囲に空乏層が形成され、逆方向電流（リーク電流）が
通過しにくくなることから、逆方向特性が向上する。

【００３９】請求項５に記載の発明によれば、０．５５
〜０．７０ｅＶの範囲のバリアハイトを有するショット
キーバリア半導体装置は、すでに述べたような携帯用の
小型電子機器に搭載されるタイプのものであるから、こ
の範囲のバリアハイトが安定したショットキーバリア半
導体装置は工業的に非常に有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のショットキーバリア半導体装置の一例
としてのショットキーバリアダイオードの断面図であ
る。

【図２】図１のショットキーバリアダイオードのバリア
ハイトを示す図表である。

【図３】本発明のショットキーバリア半導体装置の第２
の例としてのショットキーバリアダイオードの断面図で
ある。

【図４】本発明のショットキーバリア半導体装置の第３
の例としてのショットキーバリアダイオードの断面図で
ある。

【図５】本発明のショットキーバリアダイオードのエピ
層表面形状の他の例を示す一部断面図である。

【図６】ショットキーバリア半導体装置のバリアハイト
の違いによる物性変化を示すグラフであり、（ａ）は順
方向電圧を示し、（ｂ）は逆方向電流を示すものであ
る。

【符号の説明】

１，１０，２０ ショットキーバリアダイオード（シ
ョットキーバリア半導体装置） ２ シリコン基板 ３ エピタキシャル層（一導電型半導体基板） ３ａ 凹部 ３ｂ 表面 ４ 金属層 ５ ガードリング ６ 酸化膜 ７、８ 電極 ９ 酸化膜 ２１ Ｐ型領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4M104 AA01 BB02 BB05 BB06 BB07 BB08 BB09 BB13 BB14 BB16 BB18 CC03 FF06 FF31 FF35 GG03 HH17

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリコンからなる一導電型半導体基板の
   表面に金属層が設けられショットキー接合構造が形成さ
   れたショットキーバリア半導体装置において、 前記一導電型半導体基板の表面の少なくとも一部が（１
   ００）面であることを特徴とするショットキーバリア半
   導体装置。
2. 【請求項２】 一導電型半導体基板の表面に規則的な凹
   凸が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の
   ショットキーバリア半導体装置。
3. 【請求項３】 一導電型半導体基板の表面の一部に、前
   記一導電型半導体基板の導電型とは逆の導電型を有する
   逆半導体領域が形成されていることを特徴とする請求項
   １または２に記載のショットキーバリア半導体装置。
4. 【請求項４】 一導電型半導体基板の表面の一部に酸化
   膜が設けられ、前記一導電型半導体基板と酸化膜と金属
   層によりＭＯＳ構造が形成されていることを特徴とする
   請求項１または２に記載のショットキーバリア半導体装
   置。
5. 【請求項５】 バリアハイトの値が、０．５５〜０．７
   ０ｅＶであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか
   記載のショットキーバリア半導体装置。