JP2005327961A - ショットキーバリアダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】 ショットキーバリアダイオードの剥離を抑制し、かつ、ダイオードとしての特性の向上が図られるショットキーバリアダイオードを提供する。
【解決手段】 ｎ型の炭化珪素基板１の一方の主表面にドーパント濃度が比較的低いｎ型のＳｉＣ層２が形成されている。ＳｉＣ層２の全面に接合するように、アノード電極となるショットキーバリア金属３が形成されている。ショットキーバリア金属３の全面を覆うように緩衝膜としてのドーパント濃度の比較的高いｎ型のＳｉＣ膜４が形成されている。ＳｉＣ膜４の全面を覆うように接続用金属膜５が形成されている。その接続用金属膜５の全面を覆うように半田７が形成されている。半田７に金属板配線８が接続されている。炭化珪素基板１の他方の主表面に、カソード電極となる金属電極９が形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明はショットキーバリアダイオードに関し、特に、半導体パワーモジュールに適用されるショットキーバリアダイオードに関するものである。

半導体パワーモジュールは、インバータあるいはインバータを構成する素子として、家電、産業、自動車、鉄鋼および電鉄などの分野において幅広く使用されている。省エネルギー化のために電力変換機器のインバータ化に対応するために、半導体パワーモジュールには小型化と電力損失の低減等が求められている。

特に、半導体パワーモジュールの小型化を図るために、半導体パワーモジュールにおいては半導体素子の上に他の半導体素子を積層接続する構造が採用されている。たとえば電力変換回路中の半導体パワーモジュールにおいて、ショットキーバリアダイオードが還流ダイオードとして適用される場合に、そのショットキーバリアダイオードと他の半導体素子を接続するために、ショットキーバリアダイオードのアノード電極はダイボンド可能な構造を有していることが必要とされる。

すなわち、ショットキーバリアダイオードのショットキーバリア金属の上に保護膜となる接続用金属膜が形成され、その接続用金属膜の上に他の半導体素子と繋がる金属板配線を接続する半田が形成されている。特に、半田は、金属板配線を接続するために接続用金属膜の全面（ダイボンド領域の全面）に形成されることが求められる。

接続用金属膜上に半田を形成する際に、半田の膜厚を制御することは製造方法上困難であるため、半田の膜厚は比較的厚くならざるを得ず、半田の膜厚としてはたとえば１μｍ程度の厚さになってしまう。

また、接続用金属膜においても、半田との間に合金を形成して接続用金属膜と半田とを接合するために、数百ｎｍ（たとえば３００〜５００ｎｍ）程度のある程度の膜厚が求められることになる。

このようにして、ショットキーバリア金属の上に形成される接続用金属膜および半田のそれぞれの膜厚が厚くなるために、半導体パワーモジュールとして使用された場合に生じる接続用金属膜および半田の熱収縮が無視できなくなって、その熱収縮が下地のショットキーバリア金属に応力を与えることになる。

ショットキーバリア金属に応力が生じることによって、ショットキーバリア金属とショットキーバリア金属の下地の半導体層との間に剥離が生じてしまう。このような、ショットキーバリア金属と半導体層との剥離を抑制するために、特許文献１では、半導体層であるＳｉＣとの結合力を高めるために、ショットキーバリア金属として金属とシリコンとの化合物である金属シリサイドを適用する手法が提案されている。
特開平１１−１７１９７号公報

しかしながら、上述した手法では、ショットキーバリア金属となる金属シリサイドの金属として、ニッケルやクロムの限られた金属しか適用できないという問題があった。そのため、ショットキーダイオードとして障壁の高さが限定されてしまい、たとえば耐圧や順方向電圧降下特性などのダイオードとしての特性を改善することができないという問題があった。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、ショットキーバリアダイオードの剥離を抑制し、かつ、ダイオードとしての特性の向上が図られるショットキーバリアダイオードを提供することである。

本発明に係るショットキーバリアダイオードは、半導体層とショットキーバリア金属と導電膜と半田とを有している。半導体層は所定の基板上に形成されている。ショットキーバリア金属は、半導体層に接合するように形成されている。導電膜はショットキーバリア金属上に形成されている。半田は導電膜に接するように形成され、他の素子と接続するための板状配線が接合される。その導電膜とショットキーバリア金属との間に、半田および導電膜の応力がショットキーバリア金属へ及ぶのを阻止するための緩衝膜を備えている。

この構成によれば、導電膜とショットキーバリア金属との間に、半田および導電膜の応力がショットキーバリア金属へ及ぶのを阻止するための緩衝膜を備えていることで、ショットキーバリア金属と半導体層との界面において剥離が生じるのを抑制することができるとともに、従来のショットキーバリアダイオードと比べるとショットキーバリア金属として適用される金属の制約がなくなって、耐圧や順方向電圧降下特性などのダイオードとしての特性を容易に改善することができる。

実施の形態１
本発明の実施の形態１に係るショットキーバリアダイオードについて説明する。図１に示すように、ｎ型の炭化珪素（ＳｉＣ）基板１の一方の主表面にドーパント濃度が比較的低いｎ型のＳｉＣ層２が形成されている。そのＳｉＣ層２上にシリコン酸化膜６が形成されている。そのシリコン酸化膜６にＳｉＣ層２の表面を露出する開口部６ａが形成されている。

開口部６ａ内に露出したＳｉＣ層２の全面に接合するように、ショットキーバリアダイオードにおいてアノード電極となるショットキーバリア金属３が形成されている。そのショットキーバリア金属３の全面を覆うように緩衝膜としてのドーパント濃度の比較的高いｎ型のＳｉＣ膜４が形成されている。ドーパント濃度としては、縮退半導体を形成する程度の濃度が好ましい。

そのＳｉＣ膜４の全面を覆うように、保護膜を兼ね半田との接合を行なうための接続用金属膜５が形成されている。その接続用金属膜５の全面を覆うように半田７が形成されている。その半田７にアノード電極と他の半導体素子（図示せず）とを接続する金属板配線８が接続されている。

半田７は、その製造方法からたとえば１μｍ程度の厚さを有する。また、接続用金属膜５は、半田７との間に合金を形成して接続用金属膜５と半田７とを接合するために、たとえば数百ｎｍ程度の厚さを有する。一方、ｎ型の炭化珪素（ＳｉＣ）基板１の他方の主表面には、カソード電極となるオーミック接続の金属電極９が形成されている。

上述したショットキーバリアダイオードを適用した半導体パワーモジュールでは、ショットキーバリアダイオードの温度が上昇すると、比較的熱膨張係数の大きい半田７が熱膨張を起こすことで、接続用金属膜５には、図２に示すように、ある位置（一点鎖線３０）に対して接続用金属膜５を拡張する方向に力２１が作用する。

上述したショットキーバリアダイオードでは、ＳｉＣ層２の熱膨張係数（４．３×１０^-6Ｋ^-1）とほぼ等しい熱膨張係数を有するｎ型のＳｉＣ膜４が、ショットキーバリア金属３と接続用金属膜５との間に形成されている。これにより、接続用金属膜５を拡張する方向に作用する力２１が、ＳｉＣ膜４によってショットキーバリア金属３へ及ぶのを阻止することができる。

さらに、ショットキーバリア金属３においては、ＳｉＣ膜４との界面近傍に作用する力２３と、ＳｉＣ層２との界面近傍に作用する力２４とは、ほぼ同じ大きさで同じ方向に収縮力として作用することになる。

これらによって、ショットキーバリア金属３内では比較的大きなずれ応力が発生することがなくなって、ショットキーバリア金属３とＳｉＣ層２との界面において剥離が生じるのを阻止することができる。

なお、ショットキーバリア金属３そのものも熱膨張を起こすことになるが、ショットキーバリア金属３は他の半田７や接続用金属膜５の膜厚と比べると薄く、その膜厚は数十〜１００ｎｍ程度である。そのため、ショットキーバリア金属３の熱膨張が、ＳｉＣ層２、接続用金属５および半田７へ影響を及ぼすことはほとんどないと考えられる。

一方、緩衝膜を備えない従来のショットキーバリアダイオードでは、図３に示すように、ＳｉＣ層１０２に接合されるようにショットキーバリア金属１０３が形成され、そのショットキーバリア金属１０３上に接合用金属膜１０５が直接形成されている。その接合用金属膜１０５上に半田１０７が形成されている。

ＳｉＣ半導体層１０２の熱膨張係数は、接続用金属膜１０５の熱膨張係数よりも小さい。そのため、ショットキーバリア金属１０３において、接続用金属膜１０５との界面近傍では、ある位置（一点鎖線３０）に対してショットキーバリア金属１０３を拡張する方向に力１２３が作用する一方、ＳｉＣ層１０２との界面近傍では、ショットキーバリア金属１０３を縮める方向に力１２４が作用することになる。

そのため、ショットキーバリア金属１０３では、力１２３と力１２４とが反対方向にずれ応力として作用することになる。ショットキーバリア金属１０３にずれ応力が作用することで、ショットキーバリア金属１０３とＳｉＣ層１０２との界面において剥離が生じたり、ショットキーバリアダイオードとしての特性が劣化することになる。

上述したショットキーバリアダイオードでは、ショットキーバリア金属３と接続用金属膜５との間にＳｉＣ層２と熱膨張係数がほぼ等しいｎ型のＳｉＣ膜４が形成されていることで、ショットキーバリア金属３内では比較的大きなずれ応力が発生することがなくなる。その結果、ショットキーバリア金属３とＳｉＣ層２との界面において剥離が生じるのを阻止することができる。

そして、剥離を防止しようとして半導体層との結合力を強めるためにショットキーバリア金属として適用される金属が限られていた従来のショットキーバリアダイオードと比べると、ショットキーバリア金属３と接続用金属膜５との間にＳｉＣ層２と熱膨張係数がほぼ等しいｎ型のＳｉＣ膜４を形成してショットキーバリア金属３内のずれ応力を抑制するという構造を採用することによって、ショットキーバリア金属として適用される金属としては従来のような制限がなくなって、白金（Ｐｔ）やチタン（Ｔｉ）等の金属も適用することができる。その結果、ショットキーバリアダイオードとして耐圧や順方向電圧降下特性などのダイオードとしての特性を容易に改善することができる。

なお、上述したショットキーバリアダイオードでは、半導体層としてＳｉＣ層２を適用し、緩衝膜としてＳｉＣ膜４を適用した場合を例に挙げて説明した。緩衝膜としては、ＳｉＣ膜の他に、熱膨張係数５．１×１０^-6Ｋ^-1のモリブデン（Ｍｏ）膜、熱膨張係数４．９×１０^-6Ｋ^-1のクロム（Ｃｒ）膜、あるいは、熱膨張係数４．４×１０^-6Ｋ^-1のタングステン（Ｗ）膜等のＳｉＣ層２の熱膨張係数とほぼ同じ熱膨張係数を有する材料を適用してもよい。また、ＳｉＣ層の代わりにＳｉ層を適用してもよい。

実施の形態２
ここでは、ショットキーバリアダイオードにおける半導体層と緩衝膜のバリエーションについて説明する。前述したショットキーバリアーダイオードでは、ショットキーバリア金属が接合する半導体層としてＳｉＣ層を例に挙げて説明した。半導体層としては、ＳｉＣ層の他に、窒化ガリウム（ＧａＮ）層またはガリウム砒素（ＧａＡｓ）層を適用することができる。

半導体層として熱膨張係数５．５９×１０^-6Ｋ^-1の窒化ガリウム（ＧａＮ）層を適用する場合には、緩衝膜としては、ドーパント濃度が比較的高く熱膨張係数がほぼ同じ窒化ガリウム（ＧａＮ）を適用することができる他、熱膨張係数５．７×１０^-6Ｋ^-1のジルコニウム（Ｚｒ）、熱膨張係数５．９×１０^-6Ｋ^-1のハフニウム（Ｈｆ）を適用することができる。

そして、半導体層として熱膨張係数５．７×１０^-6Ｋ^-1のガリウム砒素（ＧａＡｓ）層を適用する場合には、緩衝膜としては、ドーパント濃度が比較的高く熱膨張係数がほぼ同じガリウム砒素（ＧａＡｓ）を適用することができる。また、ガリウム砒素は窒化ガリウムの熱膨張係数とほぼ同じ熱膨張係数を有するので、窒化ガリウムの場合と同様に、緩衝膜として、熱膨張係数５．７×１０^-6Ｋ^-1のジルコニウム（Ｚｒ）、熱膨張係数５．９×１０^-6Ｋ^-1のハフニウム（Ｈｆ）も適用することができる。

本発明の実施の形態１に係るショットキーバリアダイオードの一断面図である。 同実施の形態において、ショットキーバリアダイオードの熱膨張の様子を説明するための部分断面図である。 同実施の形態において、比較のための従来のショットキーバリアダイオードの熱膨張の様子を説明するための部分断面図である。

符号の説明

１ 炭化珪素基板、２ ＳｉＣ層、３ ショットキーバリア金属、４ ＳｉＣ膜、５ 接続用金属膜、６ シリコン酸化膜、６ａ 開口部、７ 半田、８ 金属板配線。

Claims (5)

1. 所定の基板上に形成された半導体層と、
   前記半導体層に接合するように形成されたショットキーバリア金属と、
   前記ショットキーバリア金属上に形成された導電膜と、
   前記導電膜に接するように形成され、他の素子と接続するための板状配線が接合される半田と
   を有し、
   前記導電膜と前記ショットキーバリア金属との間に、前記半田および前記導電膜の応力が前記ショットキーバリア金属へ及ぶのを阻止するための緩衝膜を備えた、ショットキーバリアダイオード。
2. 前記緩衝膜は、前記半導体層と実質的に同じ熱膨張係数を有する材料から形成された、請求項１記載のショットキーバリアダイオード。
3. 前記半導体層は炭化珪素（ＳｉＣ）から形成され、
   前記緩衝膜は、炭化珪素（ＳｉＣ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）およびタングステン（Ｗ）からなる群から選ばれるいずれかから形成された、請求項１または２に記載のショットキーバリアダイオード。
4. 前記半導体層は窒化ガリウム（ＧａＮ）から形成され、
   前記緩衝膜は、所定の不純物がドーピングされた窒化ガリウム（ＧａＮ）、ジルコニウム（Ｚｒ）およびハフニウム（Ｈｆ）からなる群から選ばれるいずれかから形成された、請求項１または２に記載のショットキーバリアダイオード。
5. 前記半導体層はガリウム砒素（ＧａＡｓ）から形成され、
   前記緩衝膜は、所定の不純物がドーピングされたガリウム砒素（ＧａＡｓ）、ジルコニウム（Ｚｒ）およびハフニウム（Ｈｆ）からなる群から選ばれるいずれかから形成された、請求項１または２に記載のショットキーバリアダイオード。

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