JP2005259798A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 従来、ショットキーバリアダイオードのＶＦ、ＩＲ特性はトレードオフの関係にあり、低ＶＦ化を実現するにはリーク電流の増大が避けられない問題があった。
【解決手段】 ショットキー金属層６に例えばＴｉに微量のＡｌを含有した金属層でショットキーバリアダイオードを構成することにより、純粋なＴｉの順方向電圧ＶＦを大幅に増加させることなく、低ＩＲ化を実現できるので、順方向損失を抑え、逆方向損失を低減し、低消費電力化が図ることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体装置に関し、特にショットキーバリアダイオードの順方向電圧ＶＦを抑えつつ、低逆方向リーク電流（低ＩＲ）化を実現した半導体装置に関する。
ショットキーバリアダイオードは、半導体層に所定の金属層を接触させた場合に形成されるショットキー障壁の整流作用を利用した半導体素子である。一般のＰＮ接合ダイオードより高速動作が可能で、順方向電圧降下が小さいという特性を持つ。
仕事関数の異なる金属と半導体基板とが接触すると、フェルミ準位が一致するように両者のエネルギーバンド図が変化して、両者の間にショットキー障壁が発生する。この障壁の高さ、すなわち仕事関数差（以下本明細書ではこの仕事関数差をφＢｎと称する）は、ショットキーバリアダイオードの特性を決定する要因となる。このφＢｎは金属に固有の値である。
例えば図５に示すように、ショットキーバリアダイオードのＮ型半導体基板１側に負、Ｎ−のエピタキシャル層２上の金属層１３側に正の電圧を印加すると電流が流れ、このときの電流を順方向電流ＩＦ、電圧を順方向電圧ＶＦと称する。一方その逆方向、すなわちＮ型半導体基板１側に正、金属層１３側に負の電圧を印加すると電流はほとんど流れない。この時の漏れ電流を逆方向リーク電流ＩＲ、電圧を逆方向電圧ＶＲと称する。
あるショットキーバリアダイオードについて考えた場合、φＢｎが小さいと、ショットキーバリアダイオードの順方向電圧ＶＦは低いが、逆方向電圧時のリーク電流ＩＲは増加してしまう。すなわち順方向電圧ＶＦとリーク電流ＩＲはトレードオフの関係にある。
図５には、従来のショットキーバリアダイオードＤ２を示す。図５（Ａ）は平面図であり、図５（Ｂ）は図５（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。尚、平面図においては、ショットキー金属層１３およびアノード電極７および絶縁膜５を省略している。
基板は、Ｎ＋型半導体基板１に、例えばエピタキシャル成長などによりＮ−型半導体層２を積層したものである。Ｎ−型エピタキシャル層２表面には、ショットキー接合を形成する金属層１３を設ける。このショットキー金属層１３は例えばＭｏであり、ショットキー金属層１３とＮ−型エピタキシャル層２がコンタクトする領域がショットキー接合領域となる。
ショットキー接合領域最外周には、所定の耐圧を確保するためＰ＋型不純物を拡散したガードリング領域４が設けられ、その一部がショットキー金属層１３とコンタクトする。
ショットキー金属層１３全面を覆ってＡｌ等よりなるアノード電極７を設け、基板裏面にはカソード電極８を設ける（例えば、特許文献１参照）。尚、符号５は、Ｓｉ酸化膜等の絶縁膜である。
特開平６−２２４４１０号公報 （第２頁、第２図）
近年、低消費電力の観点からショットキーバリアダイオードの順方向電圧ＶＦを小さくすることが望まれている。
順方向電圧ＶＦを小さくする手法として、第１に、ショットキー金属層を仕事関数φＢの小さい金属に変更する手法があるが、前記のように逆方向電流ＩＲが増加してしまう。
第２に、ショットキー金属層とエピタキシャル層の接触面積を増大する手法があるが、素子自体が大型化してしまったり、接触面積に比例して逆方向電流ＩＲも大きくなってしまう。
第３に、エピタキシャル層の膜厚を薄くし抵抗を小さくし、順方向電圧ＶＦを小さくする手法があるが、耐圧が低下してしまう。
第４に、エピタキシャル層３の不純物濃度を大きくすることにより比抵抗を小さくし、順方向電圧ＶＦを小さくする手法があるが、耐圧が低下したり、ショットキー接合部の空乏層の広がりが小さくなり、容量が増大してショットキーバリアダイオードの高速動作を妨げてしまう。
本発明はかかる課題に鑑みてなされ、第１に、一導電型の半導体層と、該半導体層表面とショットキー接合を形成する金属層と、を少なくとも具備する半導体装置において、前記金属層はショットキー金属に微量のＡｌを含有する合金から構成される金属層であることにより解決するものである。
また、前記半導体層は、半導体基板上に形成されたエピタキシャル層であることを特徴とするものである。
第２に、一導電型半導体基板と、該半導体基板上に設けられた一導電型半導体層と、該半導体層表面とショットキー接合を形成する金属層と、を具備する半導体装置において、前記金属層はショットキー金属に微量のＡｌを含有することにより解決するものである。
また、前記ショトキー金属は、Ｔｉであることを特徴とするものである。
また、前記Ａｌの濃度は、０．０５ｗｔ．％〜０．５ｗｔ．％程度であることを特徴とするものである。
第３に、ＴｉにＡｌが０．０５ｗｔ．％〜０．５ｗｔ．％程度含有された合金と、少なくとも一部に半導体層が露出した半導体基板を用意し、該半導体基板に前記合金から成る薄膜を形成する工程とを少なくとも有することにより解決するものである。
これにより、ショットキーバリアダイオードの順方向電圧ＶＦを抑えつつ、低ＩＲ化を実現できるので、順方向損失を抑え、逆方向損失を低減し、低消費電力化が図れる。
また、エピタキシャル層の膜厚や不純物濃度は従来のままなので、耐圧や高速動作を低下させることがない。
本発明の実施の形態を図１から図４を用いて詳細に説明する。
図１には、本発明のショットキーバリアダイオードＤ１を示す。図１（Ａ）は平面図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＡ−Ａ線の断面図である。尚、図１（Ａ）では表面の金属層３およびアノード電極７および絶縁膜５を省略している。
本発明のショットキーバリアダイオードＤ１は、一導電型半導体基板１と、一導電型半導体層２と、微量のＡｌを含有するショットキー金属層３とから構成される。尚、図５に示す従来構造と同一構成要素は同一符号とする。
基板は、Ｎ＋型半導体基板１上に、例えばエピタキシャル成長などによりＮ−型半導体層２を積層したものである。
Ｎ−型半導体層２表面には、その表面とショットキー接合を形成する金属層３を設ける。この金属層は例えばＴｉに微量のＡｌを含有した金属である。
従来構造において、金属層１３は、純粋なショットキー金属であるＴｉ、Ｃｒ、Ｍｏ等であったが、本発明の構造においては、ショットキー金属に微量のＡｌを含有することを特徴とする。
このことにより、詳しくは後述するが、ショットキーバリアダイオードの順方向電圧ＶＦを抑えつつ、低ＩＲ化を実現することができる。
更にこのショットキー金属層３全面を覆ってアノード電極７となる例えばＡｌ層等を設け、Ｎ＋型半導体基板１裏面には、カソード電極８を設ける。
なお、基板外周には耐圧を確保するためにＰ＋型不純物を拡散したガードリング領域４が設けられ、その一部がショットキー金属層３とコンタクトする。この高濃度不純物領域４の内側に配置されたＮ−エピタキシャル層２表面がショットキー接合領域となる。
図２は、本発明と従来のショットキーバリアダイオードの特性図であり、順方向電圧ＶＦと順方向電流ＩＦの関係を示す。ＴｉにＡｌを０．０５ｗｔ．％、０．１ｗｔ．％、０．２ｗｔ．％、０．３ｗｔ．％、０．５ｗｔ．％、１．０ｗｔ．％、２．０ｗｔ．％含有したインゴットを使い、例えばＥＢ蒸着によりショットキー金属層３を形成した本発明構造の実施例の特性と純粋なＴｉとＭｏでショットキー金属層１３を形成した従来構造の特性を示す。
Ｔｉに含有するＡｌが増えるにしたがって、順方向電圧ＶＦは増加し、Ａｌの含有量が１．０ｗｔ．％では、純粋なＭｏよりも順方向電圧ＶＦが悪くなる。例えば、順方向電流ＩＦが５００ｍＡの場合、従来の純粋なＴｉでは、ＶＦ＝４００ｍＶであるが、ＴｉにＡｌを０．１ｗｔ．％含有したショットキーバリアダイオードでは、ＶＦ＝４２０ｍＶ、０．５ｗｔ．％では、ＶＦ＝４９０ｍＶ、１．０ｗｔ．％では、ＶＦ＝５２０ｍＶと増加し、純粋なＭｏのＶＦ＝５００ｍＶを超える。
図３は、本発明と従来のショットキーバリアダイオードの特性図であり、順方向電流ＩＦが５００ｍＡでの順方向電圧ＶＦと逆方向電圧が３０Ｖでの逆方向のリーク電流ＩＲの関係を示す。ＴｉにＡｌを０．０５ｗｔ．％、０．１ｗｔ．％、０．２ｗｔ．％、０．３ｗｔ．％、０．５ｗｔ．％、１．０ｗｔ．％、２．０ｗｔ．％含有したインゴットを使い、例えばＥＢ蒸着によりショットキー金属層３を形成した本発明構造の実施例の特性と純粋なＴｉとＭｏでショットキー金属層１３を形成した従来構造の特性を示す。
Ｔｉに含有するＡｌが増えるにしたがって、逆方向電流ＩＲは急激に減少するが、ＶＦはあまり増加せず、Ａｌの含有量が０．５ｗｔ．％以上の濃度では純粋なＭｏよりも順方向電圧ＶＦが大きくなる。従来の純粋なＴｉのリーク電流ＩＲは例えば１６９μＡとした場合、順方向電流ＶＦは３４４ｍＶであるが、ＴｉにＡｌを０．０５ｗｔ．％添加した本発明のショットキーバリアダイオードの実施例では、ＩＲは５７μＡで６６％減少しているのに対して、ＶＦは３５１ｍＶでわずか２％の増加であり、Ａｌを０．１ｗｔ．％添加した実施例では、ＩＲは３４μＡで８０％減少しているのに対して、ＶＦは３６６ｍＶでわずか６％の増加であり、Ａｌを０．３ｗｔ．％添加した実施例では、ＩＲは１５μＡで９１％減少しているのに対して、ＶＦは３８４ｍＶでわずか１２％の増加であり、Ａｌを０．５ｗｔ．％添加した実施例では、ＩＲは３μＡで９８％減少しているのに対して、ＶＦは４９０ｍＶで４２％の増加である。
以上より、本発明の実施形態では、ショットキー金属であるＴｉにＡｌを０．０５ｗｔ．％〜０．５ｗｔ．％程度含有したショットキー金属層３によりショットキーバリアダイオードを構成することにより、純粋なＴｉの順方向電圧ＶＦを大幅に増加させることなく、低ＩＲ化を実現できるので、順方向損失を抑え、逆方向損失を低減し、低消費電力化が図ることができる。
また、ショットキー金属であるＴｉにＡｌを０．０５ｗｔ．％〜０．５ｗｔ．％程度含有したショットキー金属層３によりショットキーバリアダイオードを構成することにより、純粋なＴｉの金属層で構成したショットキーバリアダイオードと純粋なＭｏの金属層で構成したショットキーバリアダイオードの間の特性（順方向電圧ＶＦやリーク電流ＩＲ）を得ることができ、使用目的に応じたショットキーバリアダイオードの特性を得ることができる。
また、本発明の実施形態では、ショットキー金属層とエピタキシャル層の接触面積を増大させることがないので、素子は従来の大きさのままである。
さらに、エピタキシャル層３の膜厚を薄くし抵抗を小さくしたり、不純物濃度を大きくすることにより比抵抗を小さくする必要がないので、耐圧が低下したり、ショットキー接合部の空乏層の広がりが小さくなり容量が増大してショットキーバリアダイオードの高速動作を妨げることもない。
上記実施例では、ショットキー金属であるＴｉに微量のＡｌを添加した金属層によりショットキーバリアダイオードを構成したが、ショットキーバリアダイオードの使用目的に応じて、ショットキー金属を選び、Ａｌの添加濃度を決め、所望の特性を得ることができることは言うまでもない。
また、本発明の特徴であるショットキー金属に微量のＡｌを添加した金属でショットキー金属層を形成することに加え、従来のショットキー金属層とエピタキシャル層２の接触面積を増大する手法やエピタキシャル層２の膜厚を薄くしたり、エピタキシャル層２の不純物濃度を大きくする手法を合わせて採用することももちろん可能である。
また、上記実施例では、Ｎ＋型半導体基板１上にＮ−型半導体層２を積層し、Ｎ−型半導体層２表面に、例えばＴｉに微量のＡｌを含有した金属層３を設けたショットキーバリアダイオードを説明したが、ＩＣを構成するＰ型半導体基板にＮ−型半導体層を設け、Ｎ−型半導体層表面に、例えばＴｉに微量のＡｌを含有した金属層を設けショットキーバリアダイオード素子を構成してもよい。
図４を用いて、本発明のショットキーバリアダイオードの製造方法の一例を説明する。
まず、Ｎ＋型半導体基板１に、例えばエピタキシャル成長などによりＮ−型半導体層２を積層し、酸化膜（不図示）などの絶縁膜を全面に生成する。所定の耐圧を確保するために、予定のショットキー接合領域の周囲のみ酸化膜を開口して、Ｎ−型半導体層２表面の周囲にＰ＋型不純物を注入し拡散した高濃度不純物領域４を形成し、環状のＰ＋ガードリング領域４とする（図４（Ａ））。
次に、エピタキシャル層２表面を被覆する酸化膜５を除去して開口部を形成し、例えばＴｉ等のショットキー金属に微量のＡｌを含有したショットキー金属層３をエピタキシャル層２表面と高濃度不純物領域４の一部に例えば膜厚０．２μ程度蒸着して、シリサイド化のために４５０〜６００℃で熱処理を行う。これにより、エピタキシャル層２と金属層３とでショットキー接合を形成する。φＢｎはショットキー金属層３およびショットキー接合面積によって変化するため、チップサイズと所望の特性とを考慮してショットキー金属を適宜選択する（図４（Ｂ））。
Ｔｉ等のショットキー金属に微量のＡｌを含有したショットキー金属層３を蒸着するこの工程は本発明の特徴となる工程である。ＴｉにＡｌを０．０５ｗｔ．％〜０．５ｗｔ．％程度含有したインゴットを使い、例えばＥＢ蒸着によりショットキー金属層３を形成することにより、ショットキーバリアダイオードの順方向電圧ＶＦを抑えつつ、低ＩＲ化を実現できる。
更に、全面にアノード電極７となるＡｌ層を膜厚１．０〜６．０μ程度形成し、裏面には例えばＴｉ／Ｎｉ／Ａｕ等のカソード電極８を形成して、最終構造を得る（図４（Ｃ））。
本発明の半導体装置を説明するための（Ａ）平面図、（Ｂ）断面図である。 本発明と従来の半導体装置を説明するための特性図である。 本発明と従来の半導体装置を説明するための特性図である。 本発明の半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 従来の半導体装置を説明するための（Ａ）平面図、（Ｂ）断面図である。
符号の説明
１ Ｎ＋型半導体基板
２ Ｎ−型半導体層
３ 金属層
４ ガードリング領域
５ 絶縁膜
７ アノード電極
８ カソード電極
１３ 金属層
Ｄ１ ショットキーバリアダイオード
Ｄ２ ショットキーバリアダイオード

Claims (6)

  1. 一導電型の半導体層と、
    該半導体層表面とショットキー接合を形成する金属層と、
    を少なくとも具備する半導体装置において、前記金属層はショットキー金属に微量のＡｌを含有する合金から構成される金属層であることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記半導体層は、半導体基板上に形成されたエピタキシャル層であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 一導電型半導体基板と、
    該半導体基板上に設けられた一導電型半導体層と、
    該半導体層表面とショットキー接合を形成する金属層と、
    を具備する半導体装置において、前記金属層はショットキー金属に微量のＡｌを含有することを特徴とする半導体装置。
  4. 前記ショトキー金属は、Ｔｉであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体装置。
  5. 前記Ａｌの濃度は、０．０５ｗｔ．％〜０．５ｗｔ．％程度であることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
  6. ＴｉにＡｌが０．０５ｗｔ．％〜０．５ｗｔ．％程度含有された合金と、少なくとも一部に半導体層が露出した半導体基板を用意し、
    該半導体基板に前記合金から成る薄膜を形成する工程とを少なくとも有する半導体装置の製造方法。
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