JP2007095975A - ダイヤモンドパワー半導体デバイス及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】逆方向リーク電流を抑制したダイヤモンドパワー半導体デバイスと、その製造方法を提供する。
【解決手段】電極とダイヤモンド薄膜を設けた基板からなり、デバイス領域が非エピタキシャル膜及び成長丘状ヒロックの異常成長領域のないダイヤモンド薄膜上に形成されるダイヤモンドパワー半導体デバイス。エピタキシャルダイヤモンド薄膜の異常成長粒子や成長丘などの結晶欠陥を検査し、これを避けて電極用パターンを形成する。
【選択図】 図２

Description

本発明のダイヤモンドパワー半導体デバイスは、電子線照射、イオン注入、レーザ、X線、その他粒子ビーム、プラズマなどの高電圧パルス発生装置、電車、自動車などの高電圧電源機器、受発電及び送電用機器はじめ各種産業機器、家電機器などの分野のパワー半導体デバイスとして用いることが出来る。
本発明によるダイヤモンドパワー半導体デバイスは、高電圧を扱う機器の小型化および低消費電力化が実現でき、既存のシリコンやSiCのダイオードに置き換わるばかりでなく、新たな高電圧を用いる産業分野への展開が期待される。

パワー半導体素子では、SiCやGaNなど新たなワイドバンドギャップ材料を用いることによって、各種ダイオードやトランジスタの開発がおこなわれ、電子線照射、イオン注入、レーザ、X線その他粒子ビーム、プラズマなどの高電圧パルス発生装置、電車、自動車などの高電圧電源機器、受発電及び送電用機器はじめ各種産業機器、家電機器などの分野への応用が研究されている。 ワイドバンドギャップの特徴を生かした、従来のシリコンパワー半導体デバイスでは実現が困難なデバイスとそれを用いた電力機器の実現が期待されている。このような応用の実現には、高電圧において大きな耐圧が得られることが必要不可欠である。そのために、材料的観点と構造的観点から研究・開発が進められている。
材料的観点からは、絶縁破壊電圧の高い材料が有望であり、4HSiC、6HSiCなどの炭化珪素や窒化ガリウムやアルミニウム窒化ガリウムなどの窒化物及びそれらを組み合わせた材料系、ダイヤモンドやナノ結晶ダイヤモンドなどの炭素系材料の探索や開発がおこなわれている。 一方、ダイヤモンドは、バンドギャップが5.5eVと広く、熱伝導性、絶縁破壊耐圧、耐熱性などに極めて優れた特性を有し、炭化珪素や窒化ガリウムに比べてさらに優れた材料であると示唆されており（非特許文献１参照）、 材料特性を考慮してパワー半導体としての性能指数を比較した数値では、3倍以上の数値を示されている。

ダイヤモンドのパワー半導体応用としては、古くからデバイスの基本ともいうべきショットキーバリアダイオードの研究がなされているので、ここで例にとって述べる。ダイヤモンドを高パワーにて極限環境下で長期動作させるためには、ダイオード逆方向電圧印加時のリーク電流の低減が必要である。実際のパワー半導体デバイス分野にて、高耐圧高電流素子を実現する場合には、電流を上下に流すことができるように、上部にショットキー電極を、下部にオーミック電極を設置した縦型構造が採用される。ダイヤモンドを用いたこの縦型デバイスについての開発もなされているが、まだ十分な特性は得られておらず、パワーデバイスとして重要な逆方向リーク電流は1×10⁵A/cm2と大きい。また特にその原因や改善策については未だ検討されていない（非特許文献２）。
一方、ショットキー電極及びオーミック電極が同一平面上にあり、プレーナ構造を有するダイヤモンドショットーバリアダイオードを作成した場合も、異常成長粒子や成長丘が、n値の劣化に影響を与えられることが示されている（非特許文献３参照）が、最も重要なリーク電流特性に及ぼす影響や、その原因や改善策については未だ検討されていない。
IEEE Electron Device Letters, 25,298 (2004) W.Huang et al, 17thInt`l Symp.Power Semicond.Devices and IC`s, Proc.p319 (2005) S.Yamanaka et al. J.Appl. Phys. 84,6095(1998)

ダイヤモンドをパワー半導体デバイスに応用することは、理論特性からは期待されているものの、実際には耐圧が低く、逆方向リーク電流も大きいことがわかっているが、これを改善するための方策はまだわかっていない。SiCなど従来検討されているワイドバンドギャップ材料で可能な特性には遠く至っていないという課題があった。
本発明者は、これまでの知見とは異なる立場で、ダイヤモンドの欠陥が重要特性であるリーク電流に及ぼす影響を検討した結果、その改善のための特性を有するダイヤモンドの構造、すなわち、非エピタキシャル異常成長粒及びピラミッド状成長丘など異常成長した結晶欠陥を含まないダイヤモンド面に形成されたダイヤモンドが初期の目的を達成できることを見出した。本発明は、ダイヤモンドパワー半導体デバイス及びその製造方法を提供する。

本発明者らはこれらの課題に対して鋭意検討を行い、逆方向リーク電流を発現する原因が非エピタキシャル異常成長粒及びピラミッド状成長丘など異常成長した結晶欠陥そのものにあることを突き止め、逆方向リーク電流を極力小さくすることの可能な構造のダイヤモンドを用いたダイヤモンドパワー半導体デバイスを発明するに至った。
本発明のダイヤモンドパワー半導体デバイスは、結晶欠陥をも含むデバイスではなく、結晶欠陥を全く含まない領域にデバイス動作領域を有するダイヤモンドパワー半導体デバイスである。
すなわち、本発明は、電極とダイヤモンド薄膜を設けた基板からなり、デバイス領域が非エピタキシャル膜及び成長丘状ヒロックの異常成長領域のないダイヤモンド薄膜上に形成されることを特徴とするダイヤモンドパワー半導体デバイスである。
また、本発明は、ダイヤモンド薄膜を、ｐ型もしくはn型として形成することができる不純物を添加したダイヤモンド薄膜とすることができる。
さらに、本発明は、n型を形成することができる不純物をリンとすることができる。
また、本発明は、ｐ型を形成することができる不純物をホウ素とすることができる。
さらに、本発明は、基板上に、マイクロ波CVD法により、エピタキシャルダイヤモンド薄膜を作成し、当該エピタキシャルダイヤモンド薄膜上に、電極を形成するに際し、予めエピタキシャルダイヤモンド薄膜の異常成長粒子や成長丘などの結晶欠陥を検査し、これを避けて電極用パターンを形成することを特徴とするダイヤモンパワー半導体デバイスの製造方法である。
さらにまた、本発明では、マイクロ波CVD法により、エピタキシャルダイヤモンド薄膜を作成するに際して、n型若しくはｐ型を形成することができる不純物を添加することができる。

さらに、本発明は、本発明のダイヤモンドパワー半導体デバイスにおいて、ショットキー電極が上面、オーミック電極が下面にあり縦型構造を有することを特徴とするダイヤモンドショットーバリアダイオードとすることができる。
また、本発明は、高濃度ホウ素添加ダイヤモンド単結晶の上に、マイクロ波CVD法で形成した低濃度ホウ素添加ホモエピタキシャルダイヤモンド薄膜を用い、高濃度ホウ素添加ダイヤモンド側にオーミック電極形成し、次いで、基板上面の低濃度ホウ素添加ダイヤモンド薄膜側にショットキー電極を形成するに際し、このショットキー電極形成の際、予めエピタキシャルダイヤモンド薄膜の異常成長粒子や成長丘などの結晶欠陥を検査し、これを避けてショットキー電極用パターンを形成することができる。
さらに、本発明は、パワー半導体デバイスの中で、ｐ及びｎ電極が上面および下面に分かれて配置されている縦型構造を有するダイヤモンドｐiｎダイオードである。
また、本発明は、パワー半導体デバイスの中で、ｐ型もしくはn型の半導体をドリフト層として利用する縦型構造を有するダイヤモンドMOSトランジスタである。
さらに、本発明は、パワー半導体デバイスの中で、ｐ型とn型の半導体を４層に積層した縦型構造を有するダイヤモンドサイリスタである。

本発明のダイヤモンドパワー半導体素子では、各種ダイオードやトランジスタ、サイリスタなどデバイスの逆方向リーク電流を低く抑制することが可能であり、各種パワー半導体回路に用いることで高い逆方向電圧に耐えることが可能である。より具体的用途としては、電子線照射、イオン注入、レーザ、X線その他粒子ビーム、プラズマなどの高電圧パルス発生装置、電車、自動車などの高電圧電源機器、受発電及び送電用機器はじめ各種産業機器、家電機器などの分野への利用が実現できる。

本発明のダイヤモンドパワー半導体デバイス、それを実現するための製造方法は、結晶欠陥を含まないデバイス作製のための手法としては、予めダイヤモンド基板上の結晶欠陥を検査して、当該デバイスの動作領域のマスクパターン作製工程において指定座標を回避してパターン形成することにある。
本発明のパワー半導体デバイスの種類としては、ショットキー電極が上面、オーミック電極が下面にあり縦型構造を有するダイヤモンドショットキーバリアダイオードが例として挙げられる。またダイオードとして、ｐ及びｎ電極が上面および下面に分かれて配置されている縦型構造を有するｐiｎダイオードが挙げられる。さらには、縦型構造を有するｐ型もしくはn型のMOSトランジスタ、ｐ型とn型の半導体を４層に積層したサイリスタなどが挙げられる。
また本発明は、電極とダイヤモンド薄膜を設けた基板からなり、デバイス領域が非エピタキシャル膜及び成長丘状ヒロックの異常成長領域のないダイヤモンド薄膜上に形成されることを特徴とするダイヤモンドパワー半導体デバイスの製造方法である。結晶欠陥を含まないデバイス作製のための手法としては、予めダイヤモンド基板上の結晶欠陥を検査して、結晶欠陥の位置について、座標指定を行うことが望ましいが、結晶欠陥の位置を記憶させさせできれば、座標指定に限らずどのような方法でもよい。具体的には、欠陥サイズはサブμから数十μｍであるので、光学顕微鏡にてレーザーを用いた光学的欠陥検査装置を用いてもよいし、反射X線トポグラフィーによるマッピング、カソードルミネッセンスによるマッピング（430nmのバンドA発光を評価）、フォトルミネッセンスによるマッピングなどを用いることができ、この部分を除いてダイヤモンドパワー半導体を作成する。
当該デバイスの動作領域のマスクパターン作製工程において指定座標を回避してパターン形成することが望ましい。

（ショットキーバリアダイオードの製造）
試料としては、高濃度ホウ素添加ダイヤモンド単結晶の上に、マイクロ波CVD法反応槽内の炭素に対するホウ素の濃度が100ｐｐｍで1μm形成した低濃度ホウ素添加ホモエピタキシャルダイヤモンド薄膜を用いた。
アクセプタ濃度は1.5×10¹⁵/cm3であった。基板裏面の高濃度ホウ素添加ダイヤモンド側にTi/Pt/Auオーミック電極形成し、合金化アニールを実施した。その次に基板上面の低濃度ホウ素添加ダイヤモンド薄膜側に、30μmのショットキー電極をPｔで形成した。このショットキー電極形成の際、予めエピタキシャルダイヤモンド薄膜の異常成長粒子や成長丘などの結晶欠陥を検査し、これを避けてショットキー電極用パターンを形成して作製した。このデバイスを測定したところ、逆方向電流は5×10^-8A/cm2以下であり、極めて少ないリーク電流であった（図２参照）。

（比較例1）
比較検討のため、実施例と同様に、ショットキーバリアダイオードを例に取り上げた。試料としては、高濃度ホウ素添加ダイヤモンド単結晶の上に、マイクロ波CVD法反応槽内の炭素に対するホウ素の濃度が100ｐｐｍで1μm形成した低濃度ホウ素添加ホモエピタキシャルダイヤモンド薄膜を用いた。アクセプタ濃度は1.5×10¹⁵/cm3であった。基板裏面の高濃度ホウ素添加ダイヤモンド側にTi/Pt/Auオーミック電極形成し、合金化アニールを実施した。その次に基板上面の低濃度ホウ素添加ダイヤモンド薄膜側に、30μmのショットキー電極をPｔで形成した。このショットキー電極形成の際、予めエピタキシャルダイヤモンド薄膜の異常成長粒子や成長丘などの結晶欠陥を検査し、前者の異常成長粒子が1個存在する領域上にショットキー電極用パターンを形成して作製した。このデバイスを測定したところ、逆方向電流は5×10^-4A/cm2以上であり、従来技術で報告されている非特許文献2記載のものと同程度の大きなリーク電流を観測した（図３参照）。

（比較例2）
比較検討のため、実施例と同様に、ショットキーバリアダイオードを例に取り上げた。試料としては、高濃度ホウ素添加ダイヤモンド単結晶の上に、マイクロ波CVD法反応槽内の炭素に対するホウ素の濃度が100ｐｐｍで1μm形成した低濃度ホウ素添加ホモエピタキシャルダイヤモンド薄膜を用いた。アクセプタ濃度は1.5×10¹⁵/cm3であった。基板裏面の高濃度ホウ素添加ダイヤモンド側にTi/Pt/Auオーミック電極形成し、合金化アニールを実施した。その次に基板上面の低濃度ホウ素添加ダイヤモンド薄膜側に、30μmのショットキー電極をPｔで形成した。このショットキー電極形成の際、予めエピタキシャルダイヤモンド薄膜の異常成長粒子や成長丘などの結晶欠陥を検査し、後者の成長丘が1個存在する領域上にショットキー電極用パターンを形成して作製した。このデバイスを測定したところ、逆方向電流は5×10^-5A/cm2以上であり、従来技術で報告されている非特許文献2記載のものと同程度の大きなリーク電流を観測した（図４参照）。

本発明のダイヤモンドパワー半導体素子では、各種ダイオードやトランジスタ、サイリスタなどデバイスの逆方向リーク電流を低く抑制することが可能であり、各種パワー半導体回路に用いることで高い逆方向電圧に耐えることが可能である。より具体的用途としては、電子線照射、イオン注入、レーザ、X線その他粒子ビーム、プラズマなどの高電圧パルス発生装置、電車、自動車などの高電圧電源機器、受発電及び送電用機器はじめ各種産業機器、家電機器などの分野への利用が実現できる。

本発明で述べている異常成長粒子及び成長丘の結晶欠陥写真 本発明の特性図 従来例との比較特性図 従来例との比較特性図

Claims (11)

1. 電極とダイヤモンド薄膜を設けた基板からなり、デバイス領域が非エピタキシャル膜及び成長丘状ヒロックの異常成長領域のないダイヤモンド薄膜上に形成されることを特徴とするダイヤモンドパワー半導体デバイス。
2. ダイヤモンド薄膜が、ｐ型もしくはn型を形成することができる不純物を添加したダイヤモンド薄膜を具備する請求項１に示したダイヤモンドパワー半導体デバイス。
3. n型を形成することができる不純物がリンである請求項２に記載したダイヤモンドパワー半導体デバイス。
4. ｐ型を形成することができる不純物がホウ素である請求項２に記載したダイヤモンドパワー半導体デバイス。
5. 基板上に、マイクロ波CVD法により、エピタキシャルダイヤモンド薄膜を作成し、当該エピタキシャルダイヤモンド薄膜上に、電極を形成するに際し、予めエピタキシャルダイヤモンド薄膜の異常成長粒子や成長丘などの結晶欠陥を検査し、これを避けて電極用パターンを形成することを特徴とするダイヤモンパワー半導体デバイスの製造方法。
6. マイクロ波CVD法により、エピタキシャルダイヤモンド薄膜を作成するに際して、n型若しくはｐ型を形成することができる不純物を添加する特徴とする請求項５のダイヤモンパワー半導体デバイスの製造方法。
7. 請求項１ないし請求項４に記載のダイヤモンドパワー半導体デバイスにおいて、ショットキー電極が上面、オーミック電極が下面にあり縦型構造を有することを特徴とするダイヤモンドショットーバリアダイオード。
8. 高濃度ホウ素添加ダイヤモンド単結晶の上に、マイクロ波CVD法で形成した低濃度ホウ素添加ホモエピタキシャルダイヤモンド薄膜を用い、高濃度ホウ素添加ダイヤモンド側にオーミック電極を形成し、次いで、基板上面の低濃度ホウ素添加ダイヤモンド薄膜側に、ショットキー電極を形成するに際し、このショットキー電極形成の際、予めエピタキシャルダイヤモンド薄膜の異常成長粒子や成長丘などの結晶欠陥を検査し、これを避けてショットキー電極用パターンを形成することを特徴とするダイヤモンドショットーバリアダイオードの製造方法。
9. 請求項１に記載のパワー半導体デバイスの中で、ｐ及びｎ電極が上面および下面に分かれて配置されている縦型構造を有するダイヤモンドｐiｎダイオード。
10. 請求項１に記載のパワー半導体デバイスの中で、ｐ型もしくはn型の半導体をドリフト層として利用する縦型構造を有するダイヤモンドMOSトランジスタ。
11. 請求項１に記載のパワー半導体デバイスの中で、ｐ型とn型の半導体を４層に積層した縦型構造を有するダイヤモンドサイリスタ。