JP2002009303A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ショットキーバリアダイオードにおいて、順
方向特性を犠牲にすることなく、逆方向特性を向上を図
ることにある。 【解決手段】 シリコン基板２上にエピ層３及び金属層
４が順に設けられているショットキーバリアダイオード
１において、エピ層３の不純物の濃度Ｎ_SBD（ｘ）は、
エピ層３表面からシリコン基板２に向かって、式（１−
１）に従って大きくなる。 【数１】 （ＷＮ_SBDは式（１―１）に従った濃度分布範囲の厚さ
であり、ｘ（０＜ｘ≦ＷＮ_SBD）は前記範囲内で深さを
示し、Ｎ_SBD（ｘ）は任意のｘにおける不純物濃度、ＮL
は最も金属層４側の濃度、ＮHは最もシリコン基板２側
の濃度である。）

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、ショットキー接
合を有する半導体装置及びＰＮ接合を有する半導体装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体層と金属層間に形成されるショッ
トキー接合を利用したショットキーバリアダイオード
（ＳＢＤ）や、半導体層のＰＮ接合を利用した高速ダイ
オード（ファーストリカバリーダイオード、ＦＲＤ）な
どの半導体装置は、優れた逆回復特性と順方向電圧の低
さという利点を有し各種デバイスに用いられている。こ
れらＳＢＤやＦＲＤでは、シリコンウェハなどからなる
半導体基板上に、シリコンのエピタキシャル層が設けら
れており、エピタキシャル層の不純物濃度は半導体基板
より小さい。図１３には、従来のショットキーバリアダ
イオードにおける不純物濃度分布の例を示した。図１３
中、縦軸は不純物濃度であり、横軸はショットキー接合
面（エピタキシャル層と金属層との境界面）を０（ゼ
ロ）としたときの基板深さを示したものである。図１３
に示すように、半導体基板（Ｎ＋）は濃度が高く、エピ
タキシャル層（Ｎ−）は濃度が低く、それぞれの濃度は
一定である。

【０００３】ショットキー接合構造において逆方向特性
を良好なものとする、つまり逆方向電圧により発生する
電流を減少させたり、アバランシェ耐量を向上させるた
めには、逆方向電圧を印加したときに、エピタキシャル
層と金属層との境界部分に生じる電界強度をなるべく下
げることが重要である。この電界強度を下げるために
は、エピタキシャル層の不純物濃度を下げることが有効
であることが知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１３
のような不純物濃度分布を有するエピタキシャル層の不
純物の濃度を下げると、当然抵抗が上がり、順方向電圧
が上がり順方向特性が低下する。以上のように、従来の
不純物濃度分布では、逆方向特性を向上させるために
は、順方向特性を犠牲にしなければならなかった。上記
のトレードオフ関係は、ＦＲＤにおけるエピタキシャル
層のＰＮ接合の電界強度を下げる場合にも言えることで
ある。

【０００５】本発明の課題は、ショットキー接合あるい
はＰＮ接合を有する半導体装置において、順方向特性を
犠牲にすることなく、逆方向特性の向上を図ることにあ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
め、請求項１に記載の発明は、例えば図１、図２に示す
ように、半導体基板（シリコン基板２）上に不純物を含
有するエピタキシャル層（エピ層３）が形成され、この
エピタキシャル層上に金属層（４）が設けられ、エピタ
キシャル層と金属層間でショットキー接合が形成されて
いる半導体装置（ショットキーバリアダイオード１）に
おいて、エピタキシャル層の不純物の濃度は、エピタキ
シャル層表面から前記半導体基板に向かって、主に式
（１−１）に従って大きくなることを特徴とする。

【数４】 式（１−１）で、ＷＮ_SBDは式（１―１）に従った濃度
分布範囲の厚さであり、ｘ（０＜ｘ≦ＷＮ_SBD）は前記
範囲内で上からの深さを示し、Ｎ_SBD（ｘ）は任意のｘ
における不純物濃度、ＮLは前記範囲内で最も金属層側
の濃度、ＮHは前記範囲内で最も半導体基板側の濃度で
ある。

【０００７】請求項１に記載の発明によれば、エピタキ
シャル層の不純物濃度は、金属層側から半導体基板に向
かって、主に式（１−１）の二次関数に従って大きくな
ることから、金属層側が小さく、金属層から離れるほど
大きくなる。逆電圧を印加した場合のショットキー接合
面の電界強度には、エピタキシャル層全体の不純物濃度
が影響するものであるが、請求項１のように接合面に近
いほど濃度を下げることによって、この部分の電界強度
を抑制することができ、逆方向特性が良好なものとな
る。また、前記接合面の濃度を抑えても半導体基板に向
かって深さ方向の二乗に比例して濃度は大きくなってい
き、エピタキシャル層全体としては十分な不純物量を含
有することになるので、順方向特性を犠牲にすることは
ない。

【０００８】請求項２に記載の発明は、図８に示すよう
に、Ｐ型あるいはＮ型の導電型を有する半導体基板（シ
リコン基板１２）上に、同じ導電型であり不純物を含有
するエピタキシャル層（エピ層１３）が形成され、この
エピタキシャル層の上部に、エピタキシャル層とは異な
るＰ型あるいはＮ型の導電型を有する半導体領域（Ｐ型
領域１１）が設けられ、エピタキシャル層と前記半導体
領域間でＰＮ接合が形成されている半導体装置（ファー
ストリカバリーダイオード１０）において、ＰＮ接合よ
り下のエピタキシャル層の不純物の濃度は、前記半導体
基板に向かって、主に式（１−２）に従って大きくなる
ことを特徴とする。

【数５】 式（１−２）で、ＷＮ_PNは式（１−２）に従った濃度分
布範囲の厚さであり、ｘ（０＜ｘ≦ＷＮ_PN）は前記範囲
内で上からの深さを示し、Ｎ_PN（ｘ）は任意のｘにおけ
る不純物濃度、ＮLは前記範囲内で最もＰＮ接合側の濃
度、ＮHは前記範囲内で最も半導体基板側の濃度であ
る。

【０００９】請求項２に記載の発明によれば、エピタキ
シャル層の不純物濃度は、ＰＮ接合側から半導体基板に
向かって、主に式（１−２）の二次関数に従って大きく
なることから、ＰＮ接合側が小さく、ＰＮ接合部分から
離れるほど大きくなる。逆電圧を印加した場合の前記Ｐ
Ｎ接合部分の電界強度には、エピタキシャル層全体の不
純物濃度が影響するものであるが、請求項２のようにＰ
Ｎ接合部分に近いほど濃度を下げることによって、この
部分の電界強度を抑制することができ、逆方向特性が良
好なものとなる。また、ＰＮ接合部分の濃度を抑えても
半導体基板に向かって深さ方向の二乗に比例して濃度は
大きくなっていき、エピタキシャル層全体としては十分
な不純物量を含有することになるので、順方向特性を犠
牲にすることはない。

【００１０】請求項１及び請求項２で、「主に式（１−
１）、式（１−２）に従って大きくなる」であるから、
エピタキシャル層の不純物濃度分布においてこれらの式
に従わない部分があってもよく、濃度が深さに対して変
化しない領域や、式（１−１）、式（１−２）では表せ
ない直線や曲線に従う部分があってもよい。

【００１１】請求項１または２に記載の半導体装置にお
いて、ＮLが１×１０¹³よりも小さい場合には実際の工
程上制御が難しい。一方、６．０×１０¹⁴よりも大きい
と所望の低い電解強度が得られない。また、ＮHが２×
１０¹⁵よりも小さい場合にはエピタキシャル層全体の抵
抗値が上がり順方向特性が低下し、１×１０¹⁷よりも大
きいと所望の低い電解強度が得られない。よって、請求
項３に記載の発明のように、式（１−１）、式（１−
２）のＮL、ＮHは、それぞれ１×１０¹³(１／ｃｍ³)≦
ＮL≦６．０×１０¹⁴(１／ｃｍ³)、２×１０¹⁵(１／ｃ
ｍ³)≦ＮH≦１×１０¹⁷(１／ｃｍ³)の範囲の値であるこ
とが好ましい。

【００１２】請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の
いずれか記載の半導体装置において、 （２）、（３）で表されることを特徴とする。

【数６】 （式（２）、式（３）で、ｑは素電荷（電気素量）、ε
0は真空の誘電率、εsiはシリコン基板の誘電率、Ｖｂ
ｉはビルトイン電位、ＷＮはＷＮ_SBDまたはＷＮ_{P N}を表
す。） 式（２）は、前記式（１）から導いた下記ポアソンの方
程式（１’）の一次積分であり、式（３）は式（１’）
の二次積分である。

【数７】

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態について説明する。なお、以下において、
不純物濃度の単位を省略することがあるが全て１／ｃｍ
³である。図１には、本発明の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を示す。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、酸化膜６，
６、電極７，８とからなる。シリコン基板（半導体基
板）２は、シリコンのバルク結晶からウェハとして切り
出されたもので、数百μｍ程度の厚さを有する。不純物
としてリン、ヒ素あるいはアンチモン等を含有するＮ型
の半導体基板で、不純物濃度は、１×１０¹⁸〜１×１０
²⁰ｃｍ^-3である。

【００１４】エピ層３は、エピタキシャル成長によって
形成した、たとえば３〜５０μｍ膜厚のシリコン薄膜
で、シリコン基板２と同様の不純物を含有するＮ型半導
体である。エピ層３は本発明に特徴的な不純物濃度分布
を有し、これについては後述する。

【００１５】金属層４は、例えばクロム、モリブデン、
タングステン等の金属を、真空蒸着やスパッタリングな
どの方法で薄膜に形成したもので、エピ層３と金属層４
とによりショットキー接合が形成される。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
ての役目を担う。電極７はアノード側、電極８はカソー
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
に電圧をかける場合に順方向電圧（Ｖ_F）、逆に下から
上に電流が流れるように電圧をかける場合に逆方向電圧
（Ｖ_R）という。なお、図１では図示しないが、金属層
４の縁部における逆方向電圧に対する耐性を高めるため
に、公知のガードリング構造やフィールドプレート構造
を設けてもよい。

【００１６】前述したようにエピ層３は、本発明に特有
な不純物濃度分布を有するもので、その不純物分布は主
に式（１−１）で表す曲線に従い、エピ層３のショット
キー接合面側が小さく、シリコン基板２に向かって大き
くなる。

【数８】 式（１−１）で、ＷＮ_SBDは式（１―１）に従う濃度分
布範囲の厚さであり、ｘ（０＜ｘ≦ＷＮ_SBD）は前記範
囲内で上からの深さを示し、Ｎ_SBD（ｘ）は任意のｘに
おける不純物濃度、ＮLは前記範囲内で最も金属層４側
の濃度、ＮHは前記範囲内で最もシリコン基板２側の濃
度である。

【００１７】図２には、式（１−１）に従った不純物濃
度のグラフの一例を示した。図２で、縦軸が不純物濃度
を、横軸がｘを示し、ｘ＝ＷＮ_SBDを超えたＮ＋部分は
シリコン基板２の不純物濃度を示している。このような
不純物濃度分布を採るときのエピ層３の電界Ｅ（ｘ）、
および逆方向電圧を印加したときの電位Ｖ（ｘ）は、以
下の式（２）、（３）で表すことができる。

【数９】 式（２）、式（３）で、ｑは素電荷（電気素量）、ε0
は真空の誘電率、εsiはシリコン基板２の誘電率、Ｖｂ
ｉはショットキー接合面における電位障壁（ビルトイン
電位）、ＷＮ＝ＷＮ_SBDである。

【００１８】ところで、逆方向電圧を印加するとエピ層
３のショットキー接合面から深さ方向に空乏層が形成さ
れる。そして、式（２）、式（３）で表される電界強度
分布や電位分布は、エピ層３のショットキー接合面から
空乏層の範囲で生じるものである。

【００１９】次に、図２のように表され式（１−１）に
従う不純物濃度分布の具体例を図３（ａ）に示し、この
図３（ａ）のときのエピ層３の電界強度分布や電位分布
を、式（２）、式（３）から求め図３（ｂ）、（ｃ）に
示した。まず、図３（ａ）では、式（１−１）のＮH、
ＮLについて、ＮH＝３．３×１０¹⁵、ＮL＝１×１０¹⁴
として求めた本発明の不純物濃度分布を白丸○で示し
た。なお、図３（ａ）では、議論を空乏層に限って行う
ため便宜的に、逆方向電圧１１０Ｖの場合に、以下の式
（４）で求めた空乏層の厚さＳ2（＝９．１０μｍ）を
式（１−１）のＷＮ_SBDとして用い計算している。

【数１０】

【００２０】さらに、図３（ａ）では、比較として図１
３で示したような均一分布の濃度分布を▲で、および一
次関数（一次分布）に従うグラフを●で示した。ここで
一次関数の濃度分布は、次の式（５）に従う。

【数１１】 式（５）で、ＮL、ＮHは式（１−１）と全く同じ値を用
いた。ＷＮ_SBDは下記式（６）で求めた空乏層の厚さＳ1
（＝８．０５μｍ）を用いている。

【数１２】

【００２１】また、均一分布の不純物濃度Ｎdは、Ｎd＝
１／２（ＮH＋ＮL）である１．７×１０¹⁵としている。
このＮｄ値は従来の耐圧１００Ｖ系のＳＢＤとして妥当
な値である。なお図３（ａ）でＮHはＮdの約２倍、ＮL
はＮdの約６／１００倍である。ここで均一分布の空乏
層の厚みをＳ0とすると、次式（７）で表すことができ
る。

【数１３】 式（６）、式（７）において、ｑ、ε0、εsi、Ｖｂｉ
は前記式（２）、（３）同様である。式（７）でＳ0＝
９．２３μｍとなる。

【００２２】図３（ｂ）には、二次分布（本発明）、一
次分布、均一分布それぞれについて、図３（ａ）の不純
物濃度分布を用い、式（２）から求めた深さ方向に対す
る電界強度を示した。図３（ｃ）には、式（３）から求
めた深さ方向に対する１１０Ｖ印加時の電位分布を示し
た。均一分布及び一次分布の場合の電界強度、電位分布
の求め方は周知であるのでここでは省略する。

【００２３】図３（ｂ）から分かるように、ｘ＝０、つ
まりショットキー接合面における最大電界強度は、均一
分布が２．４０×１０⁵、一次分布が２．０９×１０⁵で
あるのに対し、本発明の二次分布では１．６７×１０⁵
となり、均一分布に対して約３０％、一次分布に対して
約２０％低下し、エピ層３表面の電界強度の低減に極め
て効果的で、逆方向特性を向上させることができる。ま
た図３（ｃ）から分かるように、逆方向電圧を印加した
ときのエピ層３の深さ方向の電位分布は均一分布、一次
分布、二次分布いずれもほとんど変わらない。本発明の
二次分布では、エピ層３表面の電界強度が低下しても、
エピ層３全体の電位は均一分布、一次分布同様に稼ぐこ
とができるので、実デバイスの耐圧が低下してしまう等
の点で問題はない。

【００２４】加えて、二次分布であれば、シリコン基板
２に向かうほど不純物濃度が大きくなるので、エピ層３
全体の不純物量としてある程度含有させることが可能と
なり、その分抵抗を下げることができ、順方向特性を犠
牲にすることはない。逆に言えば、エピ層３全体として
不純物をある程度含有させても、本発明のように表面側
の不純物濃度をシリコン基板２側に比べてかなり下げれ
ば、表面側の電界強度を十分抑制することができる。

【００２５】ところで前述のように、図３で議論した均
一分布、一次分布、二次分布の空乏層の厚みは、Ｓ0＝
９．２３μｍ、Ｓ1＝８．０５μｍ、Ｓ2＝９．１０μｍ
となり、均一分布に比較すると、一次分布が最も空乏層
が薄くなり、二次分布も多少薄くなる。このように空乏
層の厚みが薄くなれば、その分エピタキシャル層を薄く
することができ、より薄型のショットキーバリアダイオ
ードを作製することができ、エピ層全体としての抵抗を
小さくでき順方向特性を上げることもできる。

【００２６】一方、均一分布に比較して二次分布の空乏
層が薄くなるという利点を、エピ層３を薄くするのでは
なく、逆に薄くなる分（ここでは、９．２３−９．１０
＝０．１３μｍ）をエピ層に上乗せし、図４に示すよう
な濃度分布としてもよい。図４は、図２の濃度分布グラ
フの横軸にΔＷＮ（０．１３μｍ）分エピ層に厚みを加
えたグラフである。ΔＷＮ部分の不純物濃度は、深さ
（ｘ）に無関係にＮL値で一定とする。電界強度はエピ
層の厚みに反比例することから、エピ層の厚みが大きく
なることによって、逆方向特性に関わる前記電界強度が
より小さくなる。本発明の二次分布では後述するように
ＮL値を下げることで電界強度を下げることができる
が、電界強度をより一層下げたいが、工程の都合上ＮL
値を下げることに限界があるような場合には、図４のよ
うにエピ層を厚くすることは特に有効である。

【００２７】次に、本発明で好ましいＮL、ＮHの具体的
な値について検討してみる。図５の白丸○は図３（ｂ）
と全く同じグラフ、つまり、ＮH＝３．３×１０¹⁵、ＮL
＝１×１０¹⁴で、逆電圧として１１０Ｖを想定した系の
電界強度である。一方、図５の黒丸●は、耐圧１１０Ｖ
で、ＮH＝３．３×１０¹⁵、ＮL＝１×１０ ¹³のときの電
界強度である。図５において、ＮL値が１×１０¹⁴から
１×１０¹³という１／１０に下がることで、最大電界強
度（ｘ＝０時）は、１．６７×１０ ⁵から１．５８×１
０⁵に下がり、５．４％下がり、ＮL値を下げることが最
大電界強度を下げることに有効であることが分かる。

【００２８】なお、同様の計算を均一分布や一次分布で
行ったところ、均一分布で不純物濃度（Ｎｄ）を１×１
０¹⁴から１×１０¹³に下げたときは最大電界強度の下が
り幅は１．７％であった。また、一次分布（ＮH＝３．
３×１０¹⁵）においてＮL値を１×１０¹⁴から１×１０
¹³に下げたときの下がり幅は１．９％であり、この点か
らも本発明においては、ＮL値を下げることが効果的で
あることが分かる。しかしながら、ＮL値の下限値につ
いては、工程上の実際の限界によってほぼ決まってしま
い、１×１０¹³未満の濃度は現実的ではない。

【００２９】ＮLの上限値については、現実的には、従
来用いられている均一分布の濃度を基準に考えることが
有用である。図６に、耐圧１１０Ｖを想定し、Ｎd＝
１．７×１０¹⁵、ＮL＝１．７×１０¹⁴、ＮH＝７．０×
１０¹⁵とし、図３同様に均一分布、一次分布、二次分布
（本発明）の不純物濃度分布を採った場合の電界強度を
計算し、示した。耐圧１１０Ｖの場合、均一分布の不純
物濃度（Ｎd）について、１０¹⁵程度の濃度とするのは
工業的に妥当である。ここではＮLはＮdの１／１０で、
ＮHはＮdの４．２倍である。

【００３０】図６から分かるように、エピ層３の最大電
界強度について、二次分布の場合、均一分布とほぼ同じ
値である。一次分布に至っては均一分布よりも大きくな
ってしまっている。この図６からも一次分布よりも二次
分布の方がより好ましいことが言える。一方、本発明の
二次分布であっても従来の均一分布濃度Ｎdの１／１０
程度のＮL、４．２倍のＮHであると、均一分布に比べて
電界強度の点で同程度であり特に有利であるとは言えな
い。

【００３１】さらに、図７には、耐圧３５Ｖを想定した
場合であって、ＮL＝５．０×１０^{1 4}、ＮH＝４．３×１
０¹⁶、Ｎd＝１．０×１０¹⁶として、図６同様に均一分
布、一次分布、二次分布（本発明）の不純物濃度分布を
採ったときの電界強度を計算し、示した。Ｎd＝１．０
×１０¹⁶は３５Ｖ系のショットキーバリアダイオードと
しては工業的に妥当な値であり、ＮH値はＮd値の４．３
倍であり、ＮL値はＮd値の５／１００倍に設定されてい
る。図７から分かるように、エピ層３の表面側の最大電
界強度について、二次分布の場合、均一分布とほぼ同じ
値である。一次分布に至っては均一分布よりも大きくな
ってしまっている。この図７からも一次分布よりも二次
分布の方がより好ましいことが言える。一方、本発明の
二次分布であっても均一分布に比べて電界強度の点で同
程度であり特に有利であるとは言えない。

【００３２】図６、図７から言えるのは、目的とする耐
逆電圧も考慮しながら、従来工業的に用いられている均
一分布における不純物濃度Ｎdを基準とすると、ＮL値の
上限値はＮd値の数％〜１０％程度の大きさまでであ
る。具体的には、ＮL値の上限値としては、どの程度の
耐圧のショットキーバリアダイオードとするかにより異
なるが６．０×１０¹⁴が限界であると考える。すなわ
ち、本発明では、ＮL値の範囲は、１×１０¹³≦ＮL≦
６．０×１０¹⁴であることが好ましい。

【００３３】さらに、ＮH値の上限はＮd値の数倍程度で
あることが、本発明の二次分布が従来のショットキーバ
リアダイオードに比して低い最大電界強度となる条件で
あると言える。また、下げ過ぎるとエピ層の抵抗値があ
がり順方向特性が低下する。よって、本発明のＮH値の
範囲は２×１０¹⁵〜１×１０¹⁷が好ましい。

【００３４】なお、図６及び図７において、一次分布の
場合、ｘが大きくなるに連れ電界強度は小さくなるが、
下限値を示した後再上昇している。このような電界分布
がダイオード中に存在することは不安定要因となり好ま
しくない。また、図６及び図７において、本発明の二次
分布と均一分布について空乏層の厚みを比較すると、図
６では均一分布が９．３４μｍ、二次分布が６．２９μ
ｍであり、図７では均一分布が２．１６μｍ、二次分布
が１．４６μｍであり、いずれも二次分布の方が薄くな
り、前述のように空乏層の厚みの点でも本発明が有用で
あることが更に示されている。

【００３５】以上の本発明のショットキーバリアダイオ
ード１によれば、エピ層３の不純物濃度分布が式（１−
１）の二次関数に従って、ショットキー接合面側からシ
リコン基板２に向かって大きくなることから、ショット
キー接合面に生じる最大電界強度が、従来の均一分布に
比較して飛躍的に小さくなり、逆方向特性が向上する。
また、不純物濃度はシリコン基板２に向かって深さの二
乗に比例して大きくなるので、エピ層３全体の不純物量
についてある程度含有させることが可能となり、その分
抵抗を下げることができ、順方向特性を犠牲にすること
はない。逆に言えば、本発明のようにエピ層３全体とし
ては不純物をある程度含有させても、表面側の不純物濃
度をシリコン基板２側に比べてかなり下げれば、表面側
の電界強度を十分抑制することができる。

【００３６】本発明は、ＳＢＤだけでなく高速ダイオー
ド（ＦＲＤ＝fast recovery diode）にも適用できる。
図８（ａ）には、高速ダイオード１０の断面構造を示し
た。高速ダイオード１０は、シリコン基板１２上にエピ
タキシャル層（エピ層）１３を設け、このエピ層１３の
上部にＰ型領域１１を形成したものである。図８（ａ）
において、符号１６はシリコン酸化膜、１７、１８は電
極である。図８（ｂ）には、ＦＲＤ１０の不純物濃度分
布を示した。図８（ｂ）では、横軸においてＰＮ接合面
を０（ゼロ）としてエピ層１３の深さを示し、縦軸は濃
度である。ＰＮ接合面からシリコン基板１２までのエピ
層の不純物分布は式（１−２）で表される。

【数１４】 式（１−２）で、ＷＮ_PNは式（１−２）に従った濃度分
布範囲の厚さであり、ｘ（０＜ｘ≦ＷＮ_PN）は前記範囲
内で上からの深さを示し、Ｎ_PN（ｘ）は任意のｘにおけ
る不純物濃度、ＮLは前記範囲内で最もＰＮ接合側の濃
度、ＮHは前記範囲内で最もシリコン基板１２側の濃度
である。

【００３７】また、式（１−２）の濃度分布を有するエ
ピ層１３に生じる逆電圧を印加したときの電界強度は前
記式（２）に従い、電位分布は前記式（３）に従う。こ
の場合、ＷＮ＝ＷＮ_PNである。ＦＲＤ１０では、図８
（ｂ）のような不純物濃度分布とすることで、上記のＳ
ＢＤ１同様に、順方向特性を犠牲にすることなく、エピ
タキシャル層のＰＮ接合面（ｘ＝０）の電界強度を下げ
ることができる。

【００３８】

【実施例】以下では、本発明の具体例について述べる
が、本発明はこれに限定されるものではない。

【００３９】（実施例１）図９には、耐圧（逆電圧）１
１０Ｖのショットキーバリアダイオードの製造方法を示
した。図９において、各層の厚さは相対的に正確ではな
く、説明の都合上便宜的に示している。まず、Ｎ型のシ
リコン基板（厚さ４４０μｍ、不純物濃度１０¹⁸〜１０
¹⁹ｃｍ ^-3）２８上に、エピタキシャル成長により厚さ約
１０μｍのエピ層２１を形成した。エピタキシャル成長
時、エピ層２１が前述の図３の不純物濃度分布を有する
ように不純物濃度が制御される。

【００４０】次いで、温度１０００℃、Ｏ₂雰囲気（we
t）下、約１〜１．５時間熱処理を行い、図９（ａ）に
示すように、約０．５μｍの酸化膜（ＳｉＯ₂）２２，
２３を形成した。次いで、酸化膜２２上に所定のパター
ンを有するようにフォトレジスト膜（図示せず）を形成
し、フォトレジスト膜で被われていない酸化膜２２の端
部と酸化膜２３をエッチングにより除去し、フォトレジ
スト膜を洗浄除去した。さらにシリコン基板２８の裏面
側と表面の両端部からリンを拡散によりドープし、Ｎ＋
＋領域２１ａ、２１ａ、２８ａを形成した（図９
（ｂ））。このとき、表面側の酸化膜２２にもリン原子
が取り込まれ、ナトリウムイオン等の可動イオンをゲッ
タリング固定する効果がある。

【００４１】さらに図９（ｃ）に示すように、酸化膜２
２の中央部を公知のフォトリソグラフィ技術を利用して
開口を形成し、中央部及び端部にモリブデン等の金属層
２５を形成した。中央部の金属層２５とエピ層２１によ
りショットキー接合が形成される。さらに、図９（ｄ）
に示すように上下面に電極２６、２７を設け、図１０に
示す不純物濃度分布を有するショットキーバリアダイオ
ード（ＳＢＤ）２０を得た。前述の図３と同様に、１×
１０¹⁴から３．３×１０¹⁵まで徐々に大きくなる不純物
濃度分布を有する。ショットキー接合部（ｘ＝０）の最
大電界強度は前述のごとく、約１．６７×１０⁵（Ｖ／
ｃｍ）と見積もられ、理論値に近い良好な値であった。

【００４２】（実施例２）図１１には、耐厚４００Ｖ用
のファーストリカバリーダイオードの製造方法を示し
た。図１１において、各層の厚さは相対的に正確ではな
く、便宜的に示したものである。まず、Ｎ型のシリコン
基板（厚さ４４０μｍ、不純物濃度１×１０¹⁹）３１上
に、エピタキシャル成長により厚さ４０μｍの主エピ層
３２を形成した。主エピ層３２のうち上部はＰ型半導体
を形成する接合部３２ｂであり、接合部３２ｂの下が本
発明におけるエピ層３２ａとなる。エピタキシャル成長
時に少なくともエピ層３２ａが本発明の二次関数の不純
物濃度分布を有するように実施例１同様に制御される。

【００４３】次いで、温度１１００℃、Ｏ₂雰囲気（we
t）下、約２時間熱処理を行い、図１１（ａ）に示すよ
うに、約１μｍの酸化膜（ＳｉＯ₂）３３、３４を形成
した。次に、公知のフォトリソグラフィ技術及びエッチ
ング方法により酸化膜３３の一部を除去し、開口を形成
し、ボロンイオンを注入し、前記接合部３２ｂにＰ型ア
ノード部となるＰ型領域３５ａと、ガードリング部３５
ｂ、３５ｂ…を形成した（図１１（ｂ））。Ｐ型領域３
５ａの不純物濃度は、表面（最上部）で１．１４×１０
¹⁷である。Ｐ型領域３５ａ等が形成された接合部３５ｂ
の厚さは約４μｍである。次に、前記Ｐ型領域３５ａと
ガードリング部３５ｂ、３５ｂ…上に酸化膜を形成す
る。この酸化膜は前記酸化膜３３と連続し一体となり、
酸化膜３６となる。

【００４４】続いて、酸化膜３６の端部と裏面側の酸化
膜３４をエッチングにより除去し、酸化膜を取り除いた
部分に不純物のリンを注入し、図１１（ｃ）に示すよう
に、Ｎ＋＋領域３１ａ、３２ｃ、３２ｃを形成する。次
いで、酸化膜３６の一部を除去し、Ｐ型領域３５ａ、ガ
ードリング部３５ｂ、３５ｂ…上を開口し、この開口し
た部分に電極３７、またシリコン基板３１の下面に電極
３８を設け、図１１（ｄ）に示すようにファーストリカ
バリーダイオード（ＦＲＤ）３０を得た。ＦＲＤ３０
は、図１２に示すように、１×１０¹⁴から１×１０¹⁵ま
で本発明に係る二次関数に従って大きくなる不純物濃度
分布を有する。ＰＮ接合部（ｘ＝０）の最大電界強度
は、約２．０５×１０⁵（Ｖ／ｃｍ）と見積もられ、良
好な値であった。

【００４５】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、エピタ
キシャル層の不純物濃度は、金属層側から半導体基板に
向かって、主に式（１−１）の二次関数に従って大きく
なることから、金属層側が小さく、金属層から離れるほ
ど大きくなる。逆電圧を印加した場合のショットキー接
合面の電界強度には、エピタキシャル層全体の不純物濃
度が影響するものであるが、請求項１のように接合面に
近いほど濃度を下げることによって、この部分の電界強
度を抑制することができ、逆方向特性が良好なものとな
る。また、前記接合面の濃度を抑えても半導体基板に向
かって深さ方向の二乗に比例して濃度は大きくなってい
き、エピタキシャル層全体としては十分な不純物量を含
有することになるので、順方向特性を犠牲にすることは
ない。

【００４６】請求項２に記載の発明によれば、エピタキ
シャル層の不純物濃度は、ＰＮ接合側から半導体基板に
向かって、主に式（１−２）の二次関数に従って大きく
なることから、ＰＮ接合側が小さく、ＰＮ接合部分から
離れるほど大きくなる。逆電圧を印加した場合の前記Ｐ
Ｎ接合部分の電界強度には、エピタキシャル層全体の不
純物濃度が影響するものであるが、請求項２のようにＰ
Ｎ接合部分に近いほど濃度を下げることによって、この
部分の電界強度を抑制することができ、逆方向特性が良
好なものとなる。また、ＰＮ接合部分の濃度を抑えても
半導体基板に向かって深さ方向の二乗に比例して濃度は
大きくなっていき、エピタキシャル層全体としては十分
な不純物量を含有することになるので、順方向特性を犠
牲にすることはない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の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を示す縦断面図である。

【図２】図１のショットキーバリアダイオードの不純物
濃度分布を示す図である。

【図３】（ａ）は本発明における不純物濃度分布の一例
を示し、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ（ａ）の不純物濃度
分布に基づいて求めた電界強度分布と電位分布を示す図
である。

【図４】本発明のショットキーバリアダイオードの不純
物濃度分布の他の例を示す図である。

【図５】本発明に係る不純物濃度分布で、ＮL値を変え
た場合の電界強度分布の変化を示す図である。

【図６】本発明の不純物濃度分布に基づいて求めた電界
強度分布を示す図である。

【図７】本発明の不純物濃度分布に基づいて求めた電界
強度分布を示す図である。

【図８】本発明の半導体装置の一例としてのファースト
リカバリーダイオードを示すもので、（ａ）は縦断面図
であり、（ｂ）は不純物濃度分布を示す図である。

【図９】本発明のショットキーバリアダイオードの製造
方法を示す縦断面図である。

【図１０】図９の製造方法で得られたショットキーバリ
アダイオードの不純物濃度分布を示す図である。

【図１１】本発明のファーストリカバリーダイオードの
製造方法を示す縦断面図である。

【図１２】図１１の製造方法で得られたファーストリカ
バリーダイオードの不純物濃度分布を示す図である。

【図１３】従来のショットキーバリアダイオードの不純
物濃度分布を示す図である。

【符号の説明】

１、２０ ショットキーバリアダイオード（半導体装
置） ２、１２、２８、３１ シリコン基板 ３、１３、２１、３２ａ エピ層（エピタキシャル
層） ４、２５ 金属層 ６、１６、２２、３６ 酸化膜 ７、８、１７、１８、２６、２７、３７、３８ 電極 １０、３０ ファーストリカバリーダイオード（半導
体装置） １１、３５ａ Ｐ型領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 仙田 孝雄 神奈川県秦野市曽屋1204番地 日本インタ ー株式会社内 Ｆターム(参考） 4M104 AA01 BB13 BB16 BB18 CC03 DD16 DD26 DD34 DD37 FF10 FF34 FF35 GG02 GG03 HH17 HH20

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板上に不純物を含有するエピタキ
   シャル層が形成され、このエピタキシャル層上に金属層
   が設けられ、エピタキシャル層と金属層間でショットキ
   ー接合が形成されている半導体装置において、 エピタキシャル層の不純物の濃度は、エピタキシャル層
   表面から前記半導体基板に向かって、主に式（１−１）
   に従って大きくなることを特徴とする半導体装置。 【数１】 （式（１−１）で、ＷＮ_SBDは式（１―１）に従った濃
   度分布範囲の厚さであり、ｘ（０＜ｘ≦ＷＮ_SBD）は前
   記範囲内で上からの深さを示し、Ｎ_SBD（ｘ）は任意の
   ｘにおける不純物濃度、ＮLは前記範囲内で最も金属層
   側の濃度、ＮHは前記範囲内で最も半導体基板側の濃度
   である。）
2. 【請求項２】Ｐ型あるいはＮ型の導電型を有する半導体
   基板上に、同じ導電型であり不純物を含有するエピタキ
   シャル層が形成され、このエピタキシャル層の上部に、
   エピタキシャル層とは異なるＰ型あるいはＮ型の導電型
   を有する半導体領域が設けられ、エピタキシャル層と前
   記半導体領域間でＰＮ接合が形成されている半導体装置
   において、 ＰＮ接合より下のエピタキシャル層の不純物の濃度は、
   前記半導体基板に向かって、主に式（１−２）に従って
   大きくなることを特徴とする半導体装置。 【数２】 （式（１−２）で、ＷＮ_PNは式（１−２）に従った濃度
   分布範囲の厚さであり、ｘ（０＜ｘ≦ＷＮ_PN）は前記範
   囲内で上からの深さを示し、Ｎ_PN（ｘ）は任意のｘにお
   ける不純物濃度、ＮLは前記範囲内で最もＰＮ接合側の
   濃度、ＮHは前記範囲内で最も半導体基板側の濃度であ
   る。）
3. 【請求項３】式（１−１）、式（１−２）のＮL、ＮH
   は、それぞれ１×１０¹³(１／ｃｍ³)≦ＮL≦６．０×１
   ０¹⁴(１／ｃｍ³)、２×１０¹⁵(１／ｃｍ³) ≦ＮH≦１×
   １０^{1 7}（１／ｃｍ³)の範囲の値であることを特徴とする
   請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 【請求項４】深さｘに対する電界強度を│Ｅ（ｘ）│、
   逆方向電圧Ｖを印加したときの深さｘに対する電位をＶ
   （ｘ）とすると、│Ｅ（ｘ）│、Ｖ（ｘ）はそれぞれ式
   （２）、（３）で表されることを特徴とする請求項１〜
   ３のいずれか記載の半導体装置。 【数３】 （式（２）、式（３）で、ｑは素電荷（電気素量）、ε
   0は真空の誘電率、εsiはシリコン基板の誘電率、Ｖｂ
   ｉはビルトイン電位、ＷＮはＷＮ_SBDまたはＷＮ_{P N}を表
   す。）