JP2006253520A - 半導体ダイオード装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 複雑な工程や処理を追加することなく、ショットキーダイオードやｐｎ接合ダイオードの逆方向耐圧を改善する。
【解決手段】 ｎ型半導体であるＳｉＣ基板１０上に設けられたショットキー電極１１を取り囲むように、基板１０表面を被覆するパッシベーション膜２３の中に負の固定電荷を導入する。これにより、パッシベーション膜２３直下に薄い補助空乏層２４が形成され、ショットキー金属層１１直下の主空乏層１４の端部のコーナー部１５の曲がりが緩やかになるため電界集中が緩和され、逆方向耐圧が向上する。ＳｉＮ膜中に負の固定電荷を導入するには、成膜時のＳｉＨ₄ガスとＮＨ₃ガスとの流量比を適切に制御するだけでよいので特に面倒な工程の追加を要しない。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ショットキーダイオードやＰＮ接合ダイオードなどの半導体ダイオード装置及びその製造方法に関する。

シリコンカーバイド（ＳｉＣ）は非常に安定なIV-IV族半導体であり、シリコン（Ｓｉ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ）等と比較して禁制帯幅が広く、絶縁破壊電界と熱伝導率が大きいという特徴を持つ。そのため、ＳｉＣを利用した半導体デバイスは、高温条件下で動作可能なデバイス、或いは高耐圧・低損失の大電力用デバイス等として注目されている。こうしたデバイスの１つであるＳｉＣを用いたショットキーダイオードは比較的古くから研究されている。現在のところ、ＳｉＣショットキーダイオードはディスクリートデバイスとして使用されているが、将来は高集積回路の基本素子となるものと期待されている。

図５は従来のＳｉＣショットキーダイオード１の概略断面構造を示す図である。このショットキーダイオード１では、ｎ型半導体であるＳｉＣ基板１０の下面に例えばニッケル（Ｎｉ）等から成るオーミック電極層１２が形成されている。一方、ＳｉＣ基板１０の上面（オーミック電極層１２の反対側の面）には例えばチタン（Ｔｉ）又はＮｉ等から成るショットキー金属層１１が形成されている。なお、ショットキー金属層１１に直接ワイヤをボンディングすることが難しい場合には、ショットキー金属層１１の上面に薄くアルミニウム（Ａｌ）等による電極層を形成し、この金属層にワイヤをボンディングするとよい。このショットキー金属層１１の周囲には、ＳｉＣ基板１０の上面を被覆するようにパッシベーション膜１３が形成される。パッシベーション膜１３は例えばＳｉＮ、ＳｉＯ₂等から成る。

上記構造により、ｎ型半導体であるＳｉＣ基板１０とショットキー金属層１１との界面にショットキー接合面が形成され、ショットキー金属層１１がアノード電極、オーミック電極層１２がカソード電極となる。オーミック電極層１２とショットキー金属層１１との間に順方向バイアス電圧を印加した場合、ショットキー金属層１１からショットキー接合を経てＳｉＣ基板１０へと電流が流れる。一方、図５に示すように、オーミック電極層１２を接地しショットキー金属層１１に逆方向バイアス電圧Ｖｒを印加し、この逆バイアス電圧Ｖｒを大きくしてゆくと或る電圧までは殆ど電流が流れないが、或る電圧で以て降伏が起こり急に電流が流れ始める。このときの電圧が逆方向耐圧である。

上記のように逆方向バイアス電圧を印加した状態では、ショットキー接合面の下方に空乏層１４が形成されるが、印加される電圧による電界はその空乏層１４の端部のコーナー部１５に集中する傾向がある。そのため、空乏層１４のコーナー部１５がその周囲よりも高電界状態となって設計通りの逆方向耐圧が得られなくなったり、リーク電流が増大してしまったりすることがある。

上記のような問題を解決するために、非特許文献１に記載の方法が従来知られている。この方法では、ショットキー電極１１の端部にホウ素（Ｂ）イオンを注入することにより高抵抗のエッジターミネーションを形成し、これによってショットキー金属層１１の端部に電界が集中することを緩和している。しかしながら、上記のこうした方法では一般的なショットキーダイオードの製造プロセスにイオン注入工程を追加しなければならず、製造プロセスが複雑になりその分だけコスト上昇要因となる。また、通常、イオン注入を行った後に活性化熱処理を行う必要があるが、それによって基板の表面が荒れ、特性劣化の原因となる場合がある。また、適当なエッジターミネーションを形成するために活性化熱処理による活性化率を制御する必要があるが、活性化率を安定させるのは難しく特性のばらつきが生じ易い。

伊藤明、他２名、「エクセレント・リバース・ブロッキング・キャラクタリスティックス・オブ・ハイ-ボルテージ・4H-SiC ショットキー・レクティファイアズ・ウィズ・ボロン-インプランテッド・エッジ・ターミネーション(Excellent Reverse Blocking Characteristics of High-Voltage 4H-SiC Schottky Rectifiers with Boron-Implanted Edge Termination)」、アイトリプルイー・エレクトロン・デバイス・レターズ(IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS), VOL.17, NO.3, March 1996, p.139-141

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その主な目的は、イオン注入のような面倒な工程を追加することなく、単純な製造プロセスで以て逆方向耐圧を改善することができる半導体ダイオード装置、及びその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために成された本発明は、ｎ型又はｐ型半導体基板の表面上又は表面付近の一部に、ショットキー接合面を形成するための金属層又はｐｎ接合面を形成するための半導体層を設けるとともに、前記半導体基板の表面上にパッシベーション膜を形成して成る半導体ダイオード装置において、
前記パッシベーション膜のうち少なくとも前記金属層又は半導体層を取り囲む部分に、前記半導体基板のキャリアと同極性の固定電荷を持たせたことを特徴としている。

ここで、この半導体ダイオード装置がショットキーダイオードである場合には、ｎ型又はｐ型半導体基板の表面上の一部に金属層を形成してショットキー接合面を形成する。また、この半導体ダイオード装置がｐｎ接合ダイオードである場合には、ｎ型又はｐ型半導体基板の表面付近の一部に、その半導体とは反対のつまりｐ型又はｎ型半導体層を設けてｐｎ接合面を形成する。

また、本発明に係る半導体ダイオード装置では、半導体基板がｎ型半導体である場合にはパッシベーション膜には負の固定電荷を持たせ、半導体基板がｐ型半導体である場合にはパッシベーション膜には正の固定電荷を持たせる。

なお、上記「半導体基板」はウエハ自体であってもよいが、一般的にはこうしたウエハの上にＣＶＤ法等によりウエハと同一の伝導型（ｐ型又はｎ型）のエピタキシャル単結晶層を形成し、その層の表面にショットキー接合面を形成したりその層の表面近くにｐｎ接合面を形成したりするから、その場合には上記「半導体基板」はエピタキシャル単結晶層を含むものとする。

本発明に係る半導体ダイオード装置では、固定電荷を有するパッシベーション膜の下方の基板表面近傍おいて、この電荷と同極性であるキャリアが反発して表面から離れる方向に移動するため、表面近傍に一種の空乏層（以下、本明細書ではこの空乏層を補助空乏層といい、逆方向バイアス電圧によってショットキー電極層又は半導体層の下方に形成される空乏層を主空乏層と呼んで区別する）が主空乏層と連続するように形成される。通常、補助空乏層の厚さは主空乏層よりも薄いが、補助空乏層が存在することにより主空乏層の端部のコーナー部の曲率半径は相対的に大きくなる。それにより、そのコーナー部への電界集中が緩和され、逆方向耐圧が向上するとともに、逆方向バイアス電圧印加時のリーク電流も低減させることができる。

本発明の具体的な一実施態様として、半導体基板をｎ型ＳｉＣ基板として、その表面に金属層を形成したショットキーダイオード装置であって、パッシベーション膜に負の固定電荷を持たせた構成とすることができる。この構成によれば、絶縁破壊電界、耐熱性、熱伝導性、低損失性等が優れた大電力パワー用に好適なＳｉＣショットキーダイオードの逆方向耐圧を改善することができる。

本発明に係る半導体ダイオード装置においてパッシベーション膜は、固定電荷を導入することが可能でありさえすれば、従来から使用されている各種の材料を使用することができる。例えば、ＳｉＯ₂、ＳｉＮ等の無機材料のほか、ポリイミド等の有機材料でもよい。

特に上記のようなＳｉＣショットキーダイオードにおいては、パッシベーション膜として負の固定電荷を導入したＳｉＮ膜を含むものとすることができる。ここでＳｉＮ膜とする理由は、安定的な負の固定電荷を導入し易いからである。但し、本来のパッシベーション膜としての安定性という点ではＳｉＯ₂膜のほうが良好である。そこで、負の固定電荷を導入したＳｉＮ膜と固定電荷を有しないＳｉＯ₂膜とを組み合わせてもよい。例えば、素子を形成した半導体ウエハのダイシング時に露出するエッジの部分には、ＳｉＮ膜が直接露出しないようにＳｉＯ₂膜で被覆する構造とするとよい。

また、上記構成において、パッシベーション膜の中に導入する負の固定電荷は、その界面電荷密度が５×１０¹¹〜１×１０¹³ [cm^-2]の範囲であるものとすることができる。この程度の電荷密度であれば後述する手法で比較的容易に実現することができ、しかも主空乏層のコーナー部の電界集中緩和の効果も十分に得られる。

また、本発明に係る半導体ダイオード装置の製造方法は、上記構成のＳｉＣショットキーダイオードを製造する方法であり、ＳｉＮ膜であるパッシベーション膜を形成する際に、成膜条件の一つであるシラン（ＳｉＨ₄）ガスとアンモニア（ＮＨ₃）ガスとの混合比又は流量比を制御することにより負の固定電荷を持たせることを特徴としている。

これによれば、パッシベーション膜の成膜条件を適切に設定するだけで上記発明に係る半導体ダイオード装置を製造することができるので、従来のようにイオン注入のような特別な工程を追加する必要がなく、製造コストの増加を抑えることができる。また、イオン注入後の活性化熱処理も行う必要がないので表面の荒れも生じない。

まず、本発明に係る半導体ダイオード装置の構造について例を挙げて説明する。
［実施例１］
図１は本発明の一実施例（実施例１という）であるショットキーダイオード１の概略断面構造を示す図である。既に説明した図５の構造と同一部分については同一符号を付して説明を省略する。

実施例１によるショットキーダイオード１の構造上の特徴は、本発明における半導体基板としてのＳｉＣ基板１０の表面を被覆しているＳｉＮであるパッシベーション膜２３の内部、特にＳｉＣ基板１０との界面に近い部分に、負の固定電荷２３ａが導入されていることである。この負の固定電荷２３ａはパッシベーション膜２３中で移動し得ない電荷であるため、パッシベーション膜２３としての性能、つまり絶縁性や不活性性などを何ら損なうものではない。

ＳｉＣ基板１０中のキャリアは電子であるから、パッシベーション膜２３中の上記固定電荷２３ａとは電気的極性が同じである。したがって、ＳｉＣ基板１０の表面（界面）直下では、パッシベーション膜２３中の負の固定電荷２３ａに対する電気的な反発によってキャリアである電子は表面から離れる方向つまり下方に移動する。そのため、ＳｉＣ基板１０表面下方には図１に示すように補助空乏層２４が形成される。ここでは、ショットキー金属層１１の直下に形成される主空乏層１４の厚さをｄ１、補助空乏層２４の厚さをｄ２としている。

補助空乏層２４は主空乏層１４を取り囲み、且つ連続している。補助空乏層２４は主空乏層１４よりも薄いため、両空乏層１４、２４の厚さｄ１、ｄ２の相違により段差ｄ３が生じるが、この段差ｄ３は主空乏層１４の厚さｄ１よりも小さい。それ故に、主空乏層１４の端部のコーナー部１５の曲率半径は図５に示した従来の構造に比較して大きくなる。即ち、コーナー部１５の丸みは緩やかになるため、逆方向バイアス電圧が印加された際にこの部分への電界集中は緩和される。それによってここでの降伏は生じにくくなり、逆方向耐圧を向上させることができる。

［実施例２］
図２は本発明の他の実施例（実施例２という）によるショットキーダイオード１の概略断面構造を示す図である。上記実施例１ではパッシベーション膜２３を全てＳｉＮ膜としたが、パッシベーション膜としてはＳｉＮよりもＳｉＯ₂のほうが安定性が高い。そこで、この実施例２では、パッシベーション膜を、ショットキー金属層１１の周囲のみを負の固定電荷２３ａを導入したＳｉＮ膜２３で囲み、その周囲及び上部をＳｉＯ₂膜２５で被覆するという組み合わせ構造としている。図２に示すようにＳｉＣ基板１０をダイシングした場合、そのエッジはＳｉＯ₂膜２５に被覆されていてＳｉＮ膜２３は露出しない。そのため、実施例１の構造よりも信頼性に優れる。

ＳｉＣ基板１０の表面に形成される補助空乏層２４はショットーキー金属層１１の周囲のみに形成されるが、主空乏層１４のコーナー部１５の曲率半径が大きくなることは実施例１と同じであるので、同様の電界集中緩和効果が得られ、逆方向耐圧が向上しリーク電流は減少する。

［実施例３］
図３は本発明の他の実施例（実施例３という）によるショットキーダイオード１の概略断面構造を示す図である。この実施例３ではパッシベーション膜として、負の固定電荷２３ａを導入したＳｉＮ膜２３を上下から固定電荷を有さないＳｉＯ₂膜２５ａ、２５ｂで挟み込んでいる。ＳｉＣ基板１０と接触しているＳｉＯ₂膜２５ａは非常に薄いため、ＳｉＮ膜２３中の固定電荷２３ａはＳｉＣ基板１０の表面内部に十分に電界を及ぼし補助空乏層２４を形成する。したがって、こうした構造でも実施例１とほぼ同様の効果を奏する。即ち、負の固定電荷を持つ膜層は必ずしもＳｉＣ基板１０と接していなくてもよい。但し、ＳｉＣ基板１０表面との距離が離れるほどＳｉＣ基板１０内部での電界が弱くなるから、補助空乏層２４が薄くなって効果が減じる。したがって、可能である限り、ＳｉＣ基板１０の表面近くに固定電荷を導入するとよい。

なお、上記実施例はいずれもｎ型半導体であるＳｉＣ基板を使用したショットキーダイオードであるが、半導体の伝導型とパッシベーション膜に導入する固定電荷の極性とを共に入れ替えても構わない。また、ショットキーダイオードでなくｐｎ接合ダイオードにも本発明を適用可能であることも容易に想到し得る。また、基板がＳｉＣでなく、ＳｉやＧａＡｓ等、他の半導体であってもよいことも明らかである。さらに、パッシベーション膜は固定的に正又は負の固定電荷を導入可能であれば、ＳｉＮでなく、ＳｉＯ₂、或いはポリイミドなどの有機材料でもよい。

次に、図１に示す構造のＳｉＣショットキーダイオードの製造方法の一例について説明する。上記ショットキーダイオードを製造するために従来のプロセスと異なるのは、パッシベーション膜２３の成膜条件のみである。例えば、プラズマＣＶＤ法によりＳｉＮ膜を形成する場合、原料ガスとしてシラン（ＳｉＨ₄）ガスとアンモニア（ＮＨ₃）ガスの２種を用いるが、そのガスの混合比（流量比）を適切に設定することによりＳｉＮ膜に負の固定電荷を持たせることができる。

ＳｉＮ膜中への負の固定電荷の導入条件を調べるために、次のような実験を行った。即ち、温度：３００℃、圧力：８０Ｐａ、高周波電力：４０Ｗの成膜条件下で、ＳｉＨ₄ガスとＮＨ₃ガスとの流量比を変化させてＳｉＮ膜を形成し、Ａｌをゲート電極とするＭＩＳ（Metal-Insulator-Semiconductor）キャパシタを作製した。そして、このＭＩＳキャパシタの容量−電圧（Ｃ−Ｖ）特性を測定することで界面の固定電荷を評価した。図４にその測定結果を示す。

ＳｉＨ₄ガス／ＮＨ₃ガス流量を５０／４０[sccm]とした場合には、Ｃ−Ｖ曲線が点線で示す理論曲線よりも正電圧側（図４中で右方向）にシフトしている。これは、ＳｉＮ膜中に負の固定電荷が発生していることを示している。このとき、Ｃ−Ｖ曲線のシフト量を電荷量に換算すると、１．３×１０¹²[cm^-2]の電荷密度となる。一方、ＳｉＨ₄ガス／ＮＨ₃ガス流量を５０／８０[sccm]とした場合、つまりＮＨ₃ガス流量を増加させた場合には、Ｃ−Ｖ曲線が理論曲線よりも負電圧側（図４中で左方向）にシフトしている。これは、ＳｉＮ膜中に正の固定電荷が発生していることを示している。この結果によれば、プラズマＣＶＤ法でＳｉＮ膜を形成する際の成膜条件、具体的にはＳｉＨ₄ガス／ＮＨ₃ガスの流量を適切に制御することで、ＳｉＮ膜中に所望の電荷密度の負の（又は正の）固定電荷を導入できることが分かる。

上記製造方法の例では、パッシベーション膜を形成する際の成膜条件を適宜に制御することでＳｉＮ膜中に負の固定電荷を導入することができ、それ以外に特別な付加工程を必要としない。したがって、製造プロセス自体は従来のショットキーダイオードの製造手順と基本的には変わらず製造コストも殆ど同じで済む。

なお、上述したのはＳｉＮ膜中に負又は正の固定電荷を導入する方法であって、膜の材料によって電荷導入の方法は適宜に変更する。例えばＳｉＯ₂膜では、プラズマＣＶＤ法又は熱ＣＶＤ法等で堆積させたＳｉＯ₂を水蒸気雰囲気中で熱処理することにより、負の固定電荷を膜中に導入することができる。

本発明の一実施例（実施例１）によるＳｉＣショットキーダイオードの概略断面構造図。 本発明の他の実施例（実施例２）によるＳｉＣショットキーダイオードの概略断面構造図。 本発明の他の実施例（実施例３）によるＳｉＣショットキーダイオードの概略断面構造図。 ＳｉＨ₄ガスとＮＨ₃ガスとの流量比を変化させてＳｉＮ膜を形成したＭＩＳキャパシタの容量−電圧（Ｃ−Ｖ）特性の測定結果を示すグラフ。 従来の一般的なＳｉＣショットキーダイオードの概略断面構造図。

符号の説明

１…ショットキーダイオード
１０…ＳｉＣ基板
１１…ショットキー金属層
１２…オーミック電極層
１４…主空乏層
１５…主空乏層端部のコーナー部
２３…パッシベーション膜（ＳｉＮ膜）
２３ａ…負の固定電荷
２４…補助空乏層
２５…ＳｉＯ₂膜

Claims (6)

1. ｎ型又はｐ型半導体基板の表面上又は表面付近の一部に、ショットキー接合面を形成するための金属層又はｐｎ接合面を形成するための半導体層を設けるとともに、前記半導体基板の表面上にパッシベーション膜を形成して成る半導体ダイオード装置において、
   前記パッシベーション膜のうち少なくとも前記金属層又は半導体層を取り囲む部分に、前記半導体基板のキャリアと同極性の固定電荷を持たせたことを特徴とする半導体ダイオード装置。
2. 前記半導体基板をｎ型ＳｉＣ基板として、その表面に金属層を形成したショットキーダイオード装置であって、前記パッシベーション膜に負の固定電荷を持たせたことを特徴とする請求項１に記載の半導体ダイオード装置。
3. 前記パッシベーション膜は負の固定電荷を導入したＳｉＮ膜を含むことを特徴とする請求項２に記載の半導体ダイオード装置。
4. 前記パッシベーション膜の中に導入する負の固定電荷は、その界面電荷密度が５×１０¹¹〜１×１０¹³ [cm^-2]の範囲であることを特徴とする請求項３に記載の半導体ダイオード装置。
5. 請求項３又は４に記載の半導体ダイオード装置の製造方法であって、ＳｉＮ膜である前記パッシベーション膜を形成する際に、成膜条件の一つであるシラン（ＳｉＨ₄）ガスとアンモニア（ＮＨ₃）ガスとの混合比又は流量比を制御することにより負の固定電荷を持たせるようにしたことを特徴とする半導体ダイオード装置の製造方法。
6. 前記パッシベーション膜の成膜を熱ＣＶＤ法又はプラズマＣＶＤ法のいずれかにより行うことを特徴とする請求項５に記載の半導体ダイオード装置の製造方法。
   

Images