JP2006351587A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 動作時の寄生容量が低くて且つ高耐圧を可能とするショットキー接合を含む半導体装置およびその製造方法を提供すること。
【解決手段】 Ｎ型エピタキシャル層２上面にショットキーメタル５と接するショットキー接合を有し、該ショットキー接合を取り囲む負の固定電荷領域４をＮ型エピタキシャル層２上面に有し、負の固定電荷領域４の有する負電荷により該電荷領域４直下のＮ型エピタキシャル層２層内に空乏層を形成し、ショットキー接合による空乏層と一体と成った空乏層が伸張して耐電圧を向上させると共に反対導電型のＰ型半導体層を含まないので寄生容量を生ぜず、高耐圧で且つ低容量なショットキー接合を含む半導体装置となる。
【選択図】 図１

Description

本発明はショットキーバリアダイオードの高速化に関する。

従来の半導体装置としては、高濃度Ｎ型半導体基板の上層にＮ型エピタキシャル層が形成され、該エピタキシャル層の表面から層内へ延在した環状の高濃度Ｐ型環状層が形成され、Ｎ型エピタキシャル層と高濃度Ｐ型環状層とで占められた半導体基板の第一主面の該高濃度Ｐ型環状層で囲われたＮ型エピタキシャル層の表面と該エピタキシャル層表面から外周の高濃度Ｐ型環状層へはみ出た面に窓開けされた絶縁皮膜が覆って形成され、該絶縁皮膜で覆われない半導体基板の第一主面である高濃度Ｐ型環状層表面と該高濃度Ｐ型環状層表面で囲まれたＮ型エピタキシャル層の表面とを覆って絶縁皮膜の周辺へ延在したショットキーメタルが形成され、半導体基板の第二主面である高濃度Ｎ型半導体基板の表面にメタライズ層が形成されたものがあった（例えば、非特許文献１参照）。

図３は、前記非特許文献１に記載された従来の半導体装置を示すものである。図３において、１１は高濃度Ｎ型半導体基板、１２はＮ型エピタキシャル層、１３は絶縁皮膜、１４は高濃度Ｐ型環状層、１５はショットキーメタル、１６はメタライズ層を各々示しており、Ｎ型エピタキシャル層１２とショットキーメタル１５との界面がショットキー接合として機能し、逆バイアスを掛けた際にＮ型エピタキシャル層１２とショットキーメタル１５との界面よりＮ型エピタキシャル層１２層内へ現れている空乏層とＮ型エピタキシャル層１２と高濃度Ｐ型環状層１４との界面からＮ型エピタキシャル層１２へ現れている空乏層とが連続一体に拡がって、空乏層全体として水平方向へ大きく拡がるので該空乏層の曲率を小さくする作用があり、電界集中の発生が生じにくくなって耐電圧を向上させる効果が有った。
M.P.Lepselter and S.M.Sze 「Silicon Schottky Barrier Diode Near-ldeal-V Characteristics」 Bell Syst.tech.J., ４７ １９６８年 Ｐ．１９５

しかしながら、前記従来の構成では、空乏層と高濃度Ｐ型環状層１４とが静電容量成分を有し、寄生容量と成って現れる。

この事は、半導体装置に高周波成分を含む入力が加わった際に半導体装置としての動作に遅延を生じさせ、加わった入力を正確に反映した動作が出来なくなり、半導体装置としての高周波特性が制限されるという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、動作時の寄生容量が低くて且つ高耐圧を可能とするショットキー接合を含む半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明に係る半導体装置は、一導電型半導体層の表面に有するショットキー接合により該半導体層内に形成される第一の空乏層と、ショットキー接合を環状に取り囲んで半導体層の表面に有する一電荷型の絶縁層により該半導体層内に形成される第二の空乏層とを有し、逆バイアス印加に際して前記第一の空乏層と前記第二の空乏層とが連続一体に伸張する事を特徴とする。

一導電型半導体層はＮ型シリコン半導体層で、一電荷型の絶縁層は、シリコン酸化膜で該酸化膜を負電荷に保つイオンを有していればよい。

一導電型半導体層はＰ型シリコン半導体層で、一電荷型の絶縁層は、シリコン酸化膜で該酸化膜を正電荷に保つイオンを有してもよい。

酸化膜を負電荷に保つイオンは、Ａｌ、Ｃｌ、Ｆ、のイオンの内一つまたは、それらの複数を含むイオンであればよい。

酸化膜を正電荷に保つイオンは、Ｎａ、Ｋ、Ｃｓ、Ｃａ、のイオンの内一つまたは、それらの複数を含むイオンであればよい。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、高濃度Ｎ型半導体基板の上層にエピタキシャル成長させたＮ型半導体層を形成し、半導体基板の第一主面であるＮ型半導体層の表面に熱酸化法にて酸化膜である絶縁皮膜を形成する初期酸化工程と、初期酸化工程終了後の絶縁皮膜にフォトリソグラフィーを用いて環状に酸化膜に負の電荷を帯びさせる性質を有するイオンをイオン注入する事によってＮ型半導体層の上に環状な負の電荷を有する負の固定電荷領域を形成する固定電荷領域形成工程と、固定電荷領域形成工程終了後のＮ型半導体層上の負の固定電荷領域で囲まれた絶縁皮膜をフォトリソグラフィーを用いた選択的エッチング除去を施し、負の固定電荷領域で囲まれたＮ型半導体層の表面を露出させてショットキー接続形成用窓を形成する窓開け工程と、窓開け工程終了後の半導体基板の第一主面を占めるＮ型半導体層の露出面と、負の固定電荷領域と絶縁皮膜との表面を覆ってメタル層を蒸着にて形成し、フォトリソグラフィーを用いた選択的エッチング除去を施してＮ型半導体層の表面から負の固定電荷領域もしくは絶縁皮膜表面の周辺まで延在するショットキーメタルを形成し、半導体基板の第二主面である高濃度Ｎ型半導体基板表面を研削研磨して厚み調整の後、該高濃度Ｎ型半導体基板表面に蒸着にてメタライズ層を形成するメタル形成工程と、を備える。

酸化膜に負の電荷を帯びさせる性質を有するイオンは、Ａｌ、Ｃｌ、Ｆ、のイオンの内一つまたは、それらの複数を含むイオンであればよい。

本構成には、一導電型半導体に対する反対導電型半導体を含まないので、一導電型半導体と反対導電型半導体との間に発生する寄生容量を解消することができる。

以上のように、本発明の半導体装置およびその製造方法によれば、動作時の寄生容量を解消して、高耐圧で且つ高周波特性に優れたものとする事ができる。

以下本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、本発明の実施の形態における半導体装置の断面を示す図である。図１において、１は高濃度Ｎ型半導体基板、２はＮ型エピタキシャル層、３は絶縁皮膜、４は負の固定電荷領域、５はショットキーメタル、６はメタライズ層を各々示している。高濃度Ｎ型半導体基板１の上層にＮ型エピタキシャル層２が形成され、Ｎ型エピタキシャル層２の第一主面中央に窓開けされた酸化膜又は窒化膜および両方から成る絶縁皮膜３で該Ｎ型エピタキシャル層２の第一主面を覆って形成され、該絶縁皮膜３のＮ型エピタキシャル層２の第一主面中央に開けられた窓周辺部に酸化膜に負の電荷を帯びさせる性質を有するＡｌ、Ｃｌ、Ｆ等のイオンを含んだ酸化膜から成る環状な負の固定電荷領域４が形成され、Ｎ型エピタキシャル層２表面から負の固定電荷領域４もしくは絶縁皮膜３表面周辺まで延在したＴｉ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ａｌ等から成る単層または多層のショットキーメタル５が形成され、半導体基板の第二主面である高濃度Ｎ型半導体基板１の表面にＡｕ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｎｉ等から成る単層または多層のメタライズ層６が形成されて、Ｎ型エピタキシャル層２とショットキーメタル５との界面でショットキー接合を成す半導体装置である。

かかる構成によれば負の固定電荷領域４が有する負の固定電荷が作用して該負の固定電荷領域４とＮ型エピタキシャル層２との界面より該Ｎ型エピタキシャル層２の層内へ拡がる第一の空乏層と、Ｎ型エピタキシャル層２とショットキーメタル５との界面より該Ｎ型エピタキシャル層２の層内へ拡がる第二の空乏層がゼロバイアスの時点より連続一体に存在しており、逆バイアスを掛けられた際に空乏層全体としては水平方向への拡がりが大きくなって伸張し、空乏層の曲率を小さくさせる作用が働いて電界集中部分の発生が起こりにくくなるので電界集中に起因する降伏現象が抑制されて耐電圧を向上させる効果を有する。また、Ｎ型エピタキシャル層２の層内と負の固定電荷領域４との関係はＮ型半導体と負電荷の絶縁体なので空乏層の伸張に伴う寄生容量を発生させることなく耐電圧の向上が可能となる。

ここで、本発明の実施の形態では、一例として環状の負の固定電荷領域４を一箇所としたが各々の間に絶縁皮膜３を有して隔てた二重あるいはそれ以上の複数の負の固定電荷領域４を形成しても良い。

なお、本実施の形態において、一導電型をＮ型とし、一電荷型を負電荷として説明したが、一導電型をＰ型として、一電荷型を正電荷としても良い。

この場合、ショットキーメタル５は、Ｗから成るショットキーメタルとし、負の固定電荷領域４は酸化膜である絶縁皮膜にＮａ、Ｋ、Ｃｓ、Ｃａ、のイオンの内いずれか一つまたは複数のイオンを有する正の固定電荷領域に反転させる事となる。

この様な半導体装置の製造方法は、図２を参考にできる。図２は、本発明の製造過程に沿った断面を示すものである。

図２（ａ）〜（ｄ）において、１は高濃度Ｎ型半導体基板、２はＮ型エピタキシャル層、３は絶縁皮膜、３ａはショットキー接続形成用窓、４は負の固定電荷領域、５はショットキーメタル、６はメタライズ層を各々示しており、図２（ａ）は、高濃度Ｎ型半導体基板１の上層に、例えばエピタキシャル成長させたＮ型エピタキシャル層２を同導電型のＮ型半導体層として形成し、半導体基板の第一主面である該エピタキシャル層２の表面に熱酸化法にて酸化膜である絶縁皮膜３を形成する初期酸化工程の終了時点の断面を示している。

ここで、高濃度Ｎ型半導体基板１はＳｉから成る半導体で、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、等をドーパントとして含み、比抵抗１０ｍΩｃｍから１ｍΩｃｍ程度で１０ｍｍ×１０ｍｍ角から０．１ｍｍ×０．１ｍｍ角で厚さは３００μｍ程度、Ｎ型エピタキシャル層２は比抵抗１０Ωｃｍから０．１Ωｃｍ程度で厚さ１０μｍから１μｍ程度、熱酸化時の温度は１０００℃程度で絶縁皮膜３の膜厚は５０００Å程度とすることが好ましい。

図２（ｂ）は、初期酸化工程終了後の絶縁皮膜３にフォトリソグラフィーを用いて、酸化膜に負の電荷を帯びさせる性質を有するイオンであるＡｌ、Ｃｌ、Ｆ、等のイオンを含むイオンを環状にイオン注入する事によってＮ型エピタキシャル層２の上に環状な負の電荷を有する負の固定電荷領域４を形成する固定電荷領域形成工程の終了時点の断面を示している。

図２（ｃ）は、固定電荷領域形成工程終了後のＮ型エピタキシャル層２上の負の固定電荷領域４で囲まれた絶縁皮膜３をフォトリソグラフィーを用いた選択的エッチング除去にて、負の固定電荷領域４で囲まれたＮ型エピタキシャル層２表面を露出させるショットキー接続形成用窓３ａを形成する窓開け工程終了時点の断面を示している。

図２（ｄ）は、窓開け工程終了後の半導体基板の第一主面を占めるＮ型エピタキシャル層２の露出面と、負の固定電荷領域４と絶縁皮膜３との表面を覆ってＴｉ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ａｌ等から成る単層または多層のメタル層を蒸着にて形成し、フォトリソグラフィーを用いた選択的エッチング除去を施してＮ型エピタキシャル層２表面から負の固定電荷領域４もしくは絶縁皮膜３表面の周辺まで延在するＴｉ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ａｌ等から成る単層または多層のショットキーメタル５を形成し、半導体基板の第二主面である高濃度Ｎ型半導体基板１表面を研削研磨して厚み調整の後、該高濃度Ｎ型半導体基板１表面に蒸着にてＡｕ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｎｉ等から成る単層または多層のメタライズ層６を形成するメタル形成工程終了時点の断面を示しており、図１と同様な半導体装置が完成する。

かかる製造方法によれば、負の固定電荷領域４は熱拡散等の熱履歴がかからない事が特徴と考えられるので、熱拡散してガードリングを形成することが非常に困難なＳｉＣ等に応用が可能である。

また、かかる製造方法によれば、熱拡散を施さないので高濃度Ｎ型半導体基板１が有するドーパントがＮ型エピタキシャル層２へ拡散されて該半導体基板１から該エピタキシャル層２へかけての濃度勾配が緩やかに変化する事を考慮する必要が無いので、熱拡散を施す製造方法よりもＮ型エピタキシャル層２の厚さを薄く出来るので、通電時の順方向電圧降下を小さく抑える事が可能となる。

ショットキーバリアダイオードとして有用であり、特に高周波タイプに適している。

本発明の実施の形態における半導体装置の断面図 本発明の実施の形態における製造過程に沿った断面図 従来の半導体装置の断面図

符号の説明

１ 高濃度Ｎ型半導体基板
２ Ｎ型エピタキシャル層
３ 絶縁皮膜
３ａ ショットキー接続形成用窓
４ 負の固定電荷領域
５ ショットキーメタル
６ メタライズ層
１１ 高濃度Ｎ型半導体基板
１２ Ｎ型エピタキシャル層
１３ 絶縁皮膜
１４ 高濃度Ｐ型環状層
１５ ショットキーメタル
１６ メタライズ層

Claims (7)

1. 一導電型半導体層の表面に有するショットキー接合により該半導体層内に形成される第一の空乏層と、
   前記ショットキー接合を環状に取り囲んで前記半導体層の表面に有する一電荷型の絶縁層により該半導体層内に形成される第二の空乏層とを有し、
   逆バイアス印加に際して前記第一の空乏層と前記第二の空乏層とが連続一体に伸張する事を特徴とする半導体装置。
2. 前記一導電型半導体層はＮ型シリコン半導体層で、
   前記一電荷型の絶縁層は、シリコン酸化膜で該酸化膜を負電荷に保つイオンを有する事を特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記一導電型半導体層はＰ型シリコン半導体層で、
   前記一電荷型の絶縁層は、シリコン酸化膜で該酸化膜を正電荷に保つイオンを有する事を特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
4. 前記イオンは、Ａｌ、Ｃｌ、Ｆ、のイオンの内一つまたは、それらの複数を含むイオンである事を特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
5. 前記イオンは、Ｎａ、Ｋ、Ｃｓ、Ｃａ、のイオンの内一つまたは、それらの複数を含むイオンである事を特徴とする請求項１または３に記載の半導体装置。
6. 高濃度Ｎ型半導体基板の上層にエピタキシャル成長させたＮ型半導体層を形成し、半導体基板の第一主面である前記Ｎ型半導体層の表面に熱酸化法にて酸化膜である絶縁皮膜を形成する初期酸化工程と、
   前記初期酸化工程終了後の前記絶縁皮膜にフォトリソグラフィーを用いて環状に酸化膜に負の電荷を帯びさせる性質を有するイオンをイオン注入する事によって前記Ｎ型半導体層の上に環状な負の電荷を有する負の固定電荷領域を形成する固定電荷領域形成工程と、
   前記固定電荷領域形成工程終了後の前記Ｎ型半導体層上の前記負の固定電荷領域で囲まれた前記絶縁皮膜をフォトリソグラフィーを用いた選択的エッチング除去を施し、前記負の固定電荷領域で囲まれた前記Ｎ型半導体層の表面を露出させてショットキー接続形成用窓を形成する窓開け工程と、
   前記窓開け工程終了後の半導体基板の第一主面を占める前記Ｎ型半導体層の露出面と、前記負の固定電荷領域と前記絶縁皮膜との表面を覆ってメタル層を蒸着にて形成し、フォトリソグラフィーを用いた選択的エッチング除去を施して前記Ｎ型半導体層の表面から前記負の固定電荷領域もしくは前記絶縁皮膜表面の周辺まで延在するショットキーメタルを形成し、半導体基板の第二主面である前記高濃度Ｎ型半導体基板表面を研削研磨して厚み調整の後、該高濃度Ｎ型半導体基板表面に蒸着にてメタライズ層を形成するメタル形成工程と、を含む事を特徴とする半導体装置の製造方法。
7. 前記イオンは、Ａｌ、Ｃｌ、Ｆ、のイオンの内一つまたは、それらの複数を含むイオンであることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。

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