JP2008172008A - SiCショットキー障壁半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】温度変動に対しても逆方向漏れ電流の増加が少なく安定して動作するSiCショットキー障壁半導体装置を提供する。
【解決手段】第1導電型のSiC半導体基板と、この基板上に形成され、この基板よりも不純物濃度の低い第1導電型の半導体層と、この半導体層の上に形成され、この半導体層とショットキー接合を形成し、ショットキー障壁高さが1eV以下となるアノード電極と、ショットキー界面に形成された第2導電型の複数の接合障壁部と、ショットキー界面で、複数の接合障壁部の外側に形成された第2導電型の接合終端部とを具備し、複数の接合障壁部は、接合終端部よりも深く形成されていると共に、複数の接合障壁部間の間隔が接合障壁部深さの0.6倍以下であり、接合障壁部の幅wと接合障壁部間の間隔sとの関係がs/(w+s)<0.33を満足する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、SiC半導体層にショットキー障壁を形成する電極層が設けられて成るショットキー障壁半導体装置に係わる。
SiCショットキー障壁ダイオードはスイッチング特性が高速動作可能であり、順方向の損失が比較的小さいために高周波用回路などに用いられている。従来のSiCショットキー障壁ダイオードにおいて、電極層と半導体層との接合で形成されるショットキー障壁は、電極に用いられる金属などの材料によって変化させることが可能で、ショットキー障壁高さに応じて順方向の立上り電圧と逆方向漏れ電流とが変化する。ショットキー障壁高さが高くなる電極材料としてはニッケル(Ni)があり、これを電極材料に用いた場合は立上り電流が高くなるものの、逆方向漏れ電流が抑制される。逆にショットキー障壁高さが低くなる材料としては、チタンシリサイド(TiSi2)があり、これを用いるとショットキー障壁高さは低くなるが、逆方向漏れ電流は大きくなる。このように、順方向立上り電圧の低い電極材料は逆方向の漏れ電流が大きくなり、両方共に低くするということはできなかった。
一方、ショットキー障壁半導体装置の逆方向漏れ電流を低くすることにより逆方向の耐圧を高くするために、ショットキー接合部に接合障壁部を設ける構造が開示されている(特許文献1参照)。この特許文献では、その第1図に開示されているように、接合障壁部(4)によって第1の半導体領域(2)側に形成される空乏層により、逆方向の漏れ電流を減少させ耐圧を向上させている。
特公昭59−35183号公報
上記のように、実用的な電極材料を使用するショットキー障壁の特性は、その電極材料に応じた順方向立上り電圧および漏れ電流の特性を有しており、従来はその相反特性を避けることができなかった。また、逆方向の漏れ電流を抑制するために、前述のドリフト層とするSiC半導体層の表面にその半導体層と異なる導電型の半導体領域を形成すると、その領域は動作領域としては働かずドリフト層の動作面積が小さくなってしまう。そうなると電極層とSiC半導体基板の裏面に設けられるオーム性電極との間の直列抵抗の増大を招いてしまうという問題がある。また、SiCショットキー障壁半導体装置には、高温での動作保障を求められており、特に漏れ電流の温度依存性を考える時、高温において漏れ電流をより強力に抑制することが必要となり、更に高度な漏れ電流抑制技術が求められている。
以上の状況を鑑みて最も良好な組合せ条件を探してみると、オン電圧を下げるために低い仕事関数を持つショットキー電極材料を選択し、漏れ電流対策として逆方向漏れ電流を抑制するJBS(Junction Barrier controlled Schottky)構造を用いればよいことが分かる。低すぎる仕事関数を持つショットキー電極材料では逆方向漏れ電流が大きすぎてダイオード特性を得ること自体が困難になるが、1.2eV以上のショットキー障壁高さを持つと従来の同耐圧のSi−PiNダイオードの立上がり電圧を上回ってしまうことから、SiCダイオードを用いることにより期待される十分な低損失化を損なう恐れがある。少なくともSi−PiNダイオードと同等の立上り電圧を持たせるためには、ショットキー障壁高さは1eV以下とすることが必須となる。
本発明は、上記事情を考慮して成されたもので、その目的とするところは、温度変動に対しても逆方向漏れ電流の増加が少なく安定して動作するSiCショットキー障壁半導体装置を提供することにある。
上記課題を解決するために本発明のSiCショットキー障壁半導体装置は、第1導電型のSiC半導体基板と、前記SiC半導体基板の上面に形成され、前記SiC半導体基板よりも不純物濃度の低い第1導電型の半導体層と、前記半導体層の上に形成され、前記半導体層とショットキー接合を形成し、ショットキー障壁高さが1eV以下となる第1の電極と、それぞれが前記第1の電極に接するように形成され、前記半導体層の上面からの深さがd1、幅がw、互いの間隔がsである第2導電型の複数の接合障壁部と、前記第1の電極に接するように、かつ各接合障壁部の外側に形成され、前記半導体層の上面からの深さがd2である第2導電型の接合終端部と、前記SiC半導体基板の下面に形成された第2の電極とを具備し、前記深さd1と深さd2との関係はd1/d2≧1であり、前記間隔sと深さd1との関係がs/d1≦0.6であり、前記幅wと間隔sとの関係がs/(w+s)≦0.33を満足することを特徴とする。
本発明によれば、温度変動に対しても逆方向漏れ電流の増加が少なく安定して動作するSiCショットキー障壁半導体装置を提供することが可能になる。
実施形態の説明の前に、発明の前提条件或いは本発明者等が行った実験・調査により明らかにされた、前記課題の原因とその解決策の有効性について説明する。
一般にダイオードの耐圧は、図8に示すように、逆方向にバイアスを印加した際に流れる逆方向電流値(IRMAX)をあらかじめ決定し、その値に達したときの電圧の値として決められる。PiNダイオードの場合、p/n接合に逆バイアスが掛かり、空乏層からキャリアが生成し、なだれ増倍で発生した電流が、あらかじめ決定された逆方向電流の値を超えた電圧が耐圧(アバランシェ電圧)となるが、この耐圧はドリフト層濃度とドリフト層厚さによって決まる。このような耐圧特性をアバランシェ支配と呼ぶ。
一方、ショットキー障壁ダイオードに逆方向バイアスを印加した場合、ショットキー電極にかかる電界により電極からの漏れ電流が増大し、アバランシェ電圧を迎えるより前に逆方向電流が増大し、あらかじめ決定した逆方向電流の値を超えると、その時点の電圧が耐圧となるので、ダイオードの耐圧がアバランシェで決定される耐圧よりも低いという状態となる場合があり、このような耐圧特性を漏れ電流支配と呼ぶ。
SiCショットキー接合半導体装置においては、オン抵抗を低くかつ所定の逆電圧耐圧(VB)を満足する必要がある。オン抵抗を低くするために、ショットキー障壁高さが0.9eVとなるTiSi2をショットキー電極材料に用いると、逆方向漏れ電流が規格値から外れてしまう不良の多いことが調査の結果明らかになってきた。これは、図8に示すように、逆電圧−逆電流特性において、逆電流の立ち上がりがソフトになると、所定の逆電流測定電圧(VB)における逆電流(漏れ電流)が大きくばらつき、規格外となる確率が大きくなるためである。
そこで、デバイスシミュレータを用いてデバイス構造と電気特性との関係を調査した。デバイス構造は、図1に示すように、ショットキー界面に複数の接合障壁部を有するダイオードを対象とした。即ちn型半導体領域22に、複数のp型半導体領域(接合障壁部)26を設けた構造で、参照番号24はp型の接合終端部である。このような構造において、接合障壁部間の寸法sが±0.1μm振れると、逆方向耐圧が±200Vという大幅な変化をもたらすことが計算結果から明らかになった。このときの計算条件は、図1におけるp型半導体領域26間の寸法sの中心値は0.65μmで、p型半導体領域26の幅wは0.5μm、深さd1は0.6μm、ドリフト層の不純物濃度は1.0×1016/cm3とした。この時、定格漏れ電流密度を6mA/cm2とし、逆方向漏れ電流密度がこの値に達した電圧を耐圧と定義した。逆電圧−逆電流特性をとると、逆電流はソフトに立ち上がっており、耐圧は漏れ電流で決まっていた。実際の素子の逆電圧−逆電流特性の試験においてもアバランシェ電流は観測されず、漏れ電流で定格漏れ電流を超えるのが常であった。
一方、図1におけるp型半導体領域26の幅をw、p型半導体領域26の間隔をsとするとき、s/(w+s)の値が0.33以下の場合で、しかもp型半導体領域26の深さd1と接合終端部深さd2との比(d1/d2)を1以上程度とした場合には、図4に示すように、深さd1に対するp型半導体領域26の間隔sの比(s/d1)が0.6以下の場合に、ブレークダウンがアバランシェを伴って急峻に生じ、定格漏れ電流6mA/cmを超える電流がアバランシェ支配によって起こることが分かった。ここで、s/(w+s)の値とオン抵抗の関係を図5に示す。0.33以下でアバランシェ支配となり、0.14以上で低いオン抵抗を実現できる。
また、p型半導体領域26の深さd1が接合終端部24の深さd2と同程度の場合には(d1/d2≒1)、アバランシェ電流によって耐圧が決定されるような逆方向電圧−逆電流特性を実現するためには、p型半導体領域26の間隔sを非常に狭くせざるを得なくなり、オン抵抗を大きく上昇させてしまう結果をもたらすことが分かった。
より詳細には、p型半導体領域26の間隔を1μm以下にした場合にはオン抵抗の上昇が懸念される。そこで、p型半導体領域26の間隔部分に窒素をイオン注入して、1.2×1016/cm3とドリフト層の2割増しの不純物濃度に高めることによって、オン抵抗の上昇は無視できるレベルに押さえ込むことが出来ることも別途行なった実験によって確認できた。間隔部分のキャリア濃度上昇のためにアバランシェ支配の耐圧が低下する様子は、本発明者等の実験の範囲では認められなかった。
アバランシェ支配で耐圧が決まる構造を採用することによって、図1に示すp型半導体領域26の間隔が±0.1μm振れても、逆方向耐圧が±20Vという小さな変化に収まることを、前述と同様の計算によって確認した。
また、アバランシェ電流の温度依存性が、漏れ電流の温度依存性よりもかなり小さいという計算結果も得られており、アバランシェ支配で耐圧が決まる構造を採用することによって、高温においても安定な動作を保障できることが分かった。
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。なお、以下の実施形態では第1導電型をn型、第2導電型をp型としている。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係わる半導体装置の基本構造を示す断面模式図である。図1に示すように、まず低抵抗のn+ 型SiC基板21の上にキャリア濃度5〜8×1015/cm3、厚みが8μm程度のホモエピタキシャル成長させたn型ドリフト層22を形成した後に、基板21の裏面にオーム性電極20を形成した。
ドリフト層22の表面中央領域に選択的にAlイオンを注入した接合障壁部26を深さd1=1.1μmで形成した。この接合障壁部26は、図2の上面図(但し、後述の電極23は省いている)に示すように、幅w=1.3μm、間隔s=0.6μmに保ちながら複数短冊状に配列した。この接合障壁部26は、図3に示すように島状とすることもできる。次に複数の接合障壁部26を取り囲むように、ドリフト層22の表面周辺領域に選択的にAlイオンを注入した接合終端部24を深さd2=0.6μmで形成した。
注入イオンを活性化させるために、1600℃、5分、Ar雰囲気でアニールを行なった後、作製した構造の寸法を図4および図5に示す要件に照らし合わせて確認を行なった。まず接合障壁部26の深さ(d1=1.1μm)は接合終端部24の深さ(d2=0.6μm)よりも深く、即ち図4の縦軸(接合障壁部深さd1/接合終端部深さd2)の値は1.8であった。次に接合障壁部26同士の間隔(s=0.6μm)を接合障壁部26の深さ(d1=1.1μm)で割った値は0.545であり、0.6以下になっていることが確認できた。更に、接合障壁部26の幅(w=1.3μm)と接合障壁部26同士の間隔(s=0.6μm)との関係(s/(w+s))が0.32であり、0.33以下になっていることが確認できた。また、図5から分かるように0.14よりも大きな値なので、オン抵抗上昇を招く恐れのない領域であることも確認できた。
フィールド酸化膜25を形成するにあたっては、ドライ酸化を行なった後にCVDで酸化膜を堆積したものをパターニングして形成した。ショットキー接合形成のためのコンタクトホール形成をした後に、ショットキー電極23としてTiSi2をスパッタで形成した。ショットキー電極23上にパッド電極(図示せず)を形成してSiCショットキー障壁ダイオードを完成した。
このようにして製造したショットキー障壁ダイオードは検査の結果、85%を超える歩留まりで良品を得ることができた。また、逆方向電気特性測定において150℃まで加熱した状態で耐圧を測定したが、所定の1200Vまで印加しても漏れ電流密度は6mA/cm2 以下であり、更に電圧を上げていったときに1300Vにてアバランシェ電流が観測された。
(第2の実施形態)
図6は、本発明の第2の実施形態に係わる半導体装置の基本構造を示す断面模式図である。図6に示すようにまず低抵抗のn+ 型SiC基板31の上にホモエピタキシャル成長させたn型第1ドリフト層321をキャリア濃度で約0.7〜1×1016/cm3程度、厚みが10μmになるように形成した後に、複数のp型埋め込み層37を選択Alイオン注入を行うことによって形成した。p型埋め込み層37は、図2と同様な短冊型や、図3と同様な島状とすることができる。更に、先のホモエピタキシャル成長させたn型第1ドリフト層321と同じキャリア濃度と厚みの第2のドリフト層322を形成した後に、基板31の裏面にオーム性電極30を形成した。
続いて第2のドリフト層322の表面中央領域に選択的にAlイオンを注入した接合障壁部36を1.1μmの深さで形成した。この接合障壁部36は、幅w=1.3μmおよび間隔s=0.6μmに保ちながら複数短冊状に配列した。接合障壁部36は、第1の実施形態と同様に複数の島状としても良い。次いで複数の接合障壁部36を取り囲むように、第2のドリフト層322の表面周辺領域に選択的にAlイオンを注入して、接合終端部34をd2=0.6μmの深さで形成した。
注入イオンを活性化させるために、1600℃で5分間、Ar雰囲気中でアニールを行なった後、作製した構造の寸法を図4および図5に示す要件に照らし合わせて確認を行なった。まず接合障壁部36の深さ(d1=1.1μm)は接合終端部34の深さ(d2=0.6μm)よりも深く、即ち図1の縦軸(接合障壁部深さd1/接合終端部深さd2)の値は1.8であった。次に接合障壁部36同士の間隔(s=0.6μm)を接合障壁部36の深さ(d1=1.1μm)で割った値は0.545であり、0.6以下になっていることが確認できた。更に、接合障壁部36の幅(w=1.3μm)と接合障壁部36同士の間隔(s=0.6μm)との関係(s/(w+s))が0.32であり、0.33以下になっていることが確認できた。また、図5から分かるように0.14よりも大きな値なので、オン抵抗上昇を招く恐れのない領域であることも確認できた。
続いてフィールド酸化膜35を形成するにあたっては、ドライ酸化を行なった後にCVDで酸化膜を堆積したものをパターニングして形成した。ショットキー接合形成のためのコンタクトホール形成をした後に、ショットキー電極33としてTiSi2 をスパッタで形成した。ショットキー電極33上にパッド電極(図示せず)を形成してSiCショットキー障壁ダイオードを完成した。
このようにして製造したショットキー障壁ダイオードは検査の結果、85%を超える歩留まりで良品を得ることができた。また、逆方向電気特性測定において150℃まで加熱した状態で耐圧を測定したが、所定の2400Vまで印加しても漏れ電流密度は6mA/cm2以下であり、更に電圧を上げていったときに2600Vにてアバランシェ電流が観測された。
以上のように、複数の埋め込みp型層37を有するSuper−SBD(Schottky Barrier Diode)においても、第1の実施形態と同様な効果を奏することができる。
(第3の実施形態)
図7は、本発明の第3の実施形態に係わる半導体装置の基本構造を示す断面模式図である。図7に示すようにまず低抵抗のn+ 型SiC基板41の上にホモエピタキシャル成長させたn型ドリフト層42をキャリア濃度で約5〜8×1015/cm3程度、厚みが8μmになるように形成した後、SiC基板41の裏面にオーム性電極40を形成した。
続いてドリフト層42の表面中央領域に選択的にAlイオンを注入した接合障壁部46を深さd1=1.1μmで形成した。この接合障壁部46は、幅W=1.3μmおよび間隔S=0.6μmに保ちながら複数短冊状に配列した。接合障壁部46は、図3と同様に島状としても良い。
次にドリフト層42の表面周辺領域傍に、選択的にAlイオンを注入した接合終端部44を、深さD2=0.6μmで形成した。今度は、接合障壁部46同士の間隔の部分48に、窒素(N)を平均体積密度が3×1016/cm3になるようにイオン注入を行った。
注入イオンを活性化させるために、1600℃、5分、Ar雰囲気でアニールを行なった後、作製した構造の寸法を図1および図2に示す要件に照らし合わせて確認を行なった。まず接合障壁部46の深さ(d1=1.1μm)は接合終端部44の深さ(d2=0.6μm)よりも深く、即ち図4の縦軸(接合障壁部深さd1/接合終端部深さd2)の値は1.8であった。次に接合障壁部46同士の間隔(s=0.6μm)を接合障壁部46の深さ(d1=1.1μm)で割った値は0.545であり、0.6以下になっていることが確認できた。更に、接合障壁部46の幅(w=1.3μm)と接合障壁部46同士の間隔(s=0.6μm)との関係(s/(w+s))が0.32であり、0.33以下になっていることが確認できた。また、図5から分かるように0.14よりも大きな値なので、オン抵抗上昇を招く恐れのない領域であることも確認できた。
続いてフィールド酸化膜45を形成するにあたっては、ドライ酸化を行なった後にCVDで酸化膜を堆積したものをパターニングして形成した。ショットキー接合形成のためのコンタクトホール形成をした後にショットキー電極43としてTiSi2をスパッタで形成した。ショットキー電極43上に、パッド電極(図示せず)を形成してSiCショットキー障壁ダイオードを完成した。
このようにして製造したショットキー障壁ダイオードは検査の結果、85%を超える歩留まりで良品を得ることができた。また、逆方向電気特性測定において150℃まで加熱した状態で耐圧を測定したが、所定の1200Vまで印加しても漏れ電流は6mA/cm2以下であり、更に電圧を上げていったときに1300Vにてアバランシェ電流が観測された。更に、接合障壁部46同士の間隔の部分48にイオン注入を実施した結果、オン抵抗が低減し期待通りの効果をもたらした。また、逆方向特性としての漏れ電流上昇などの付随的な悪影響は特に見られなかった。
このように、第3の実施形態によれば、第1の実施形態の効果に加え、p型半導体領域の間隔部分に窒素をイオン注入してドリフト層の2割増しの不純物濃度に高めることによって、オン抵抗の上昇は無視できるレベルに押さえ込むことが可能となる。
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。実施形態では第1導電型をn型、第2導電型をp型としたが、第1導電型がp型、第2導電型をn型とした場合にも同様の効果を得ることができる。また、本発明の実施形態における半導体装置はショットキー障壁ダイオードを例に取って説明したが、他の半導体装置を形成する場合にも適応でき、同様の効果が得られる。ショットキー電極材料はTiSi2を例にとって説明したが、ショットキー障壁高さが1eV以下となるような金属材料や化合物材料でもよく、適宜変更して用いることが可能である。
また、SiCショットキー障壁ダイオードは1200V級の耐圧のダイオードを例にとって説明したが、ダイオードの耐圧の仕様に応じて適宜変更可能である。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
本発明の第1の実施形態に係るショットキー障壁半導体装置の断面図。 第1の実施形態に係るショットキー障壁半導体装置の、アノード電極を省いた摸式的上面図。 第1の実施形態に係るショットキー障壁半導体装置の他の摸式的上面図。 本発明の効果を発現するための要因を説明する為の特性図。 本発明の効果を発現するための要因を説明する為の他の特性図。 第2の実施形態に係るショットキー障壁半導体装置の断面図。 第3の実施形態に係るショットキー障壁半導体装置の断面図。 漏れ電流支配とアバランシェ支配を説明する為の特性図。
符号の説明
20、30、40…オーム性電極(カソード)
21、31、41…n+ 型4H−SiC半導体基板
22、32、42、…n型エピタキシャル成長層(ドリフト層)
23、33、43…ショットキー接合電極(アノード)
24、34、44…接合終端構造
25、35、45…フィールド酸化膜
26,36、46…接合障壁部
37…p型埋め込み層
48…接合障壁部間の間隔部

Claims (11)

  1. 第1導電型のSiC半導体基板と、
    前記SiC半導体基板の上面に形成され、前記SiC半導体基板よりも不純物濃度の低い第1導電型の半導体層と、
    前記半導体層の上に形成され、前記半導体層とショットキー接合を形成し、ショットキー障壁高さが1eV以下となる第1の電極と、
    それぞれが前記第1の電極に接するように形成され、前記半導体層の上面からの深さがd1、幅がw、互いの間隔がsである第2導電型の複数の接合障壁部と、
    前記第1の電極に接するように、かつ各接合障壁部の外側に形成され、前記半導体層の上面からの深さがd2である第2導電型の接合終端部と、
    前記SiC半導体基板の下面に形成された第2の電極と、
    を具備し、
    前記深さd1と深さd2との関係は、
    d1/d2≧1
    であり、前記間隔sと深さd1との関係が、
    s/d1≦0.6
    であり、前記幅wと間隔sとの関係が、
    s/(w+s)≦0.33
    を満足することを特徴とするSiC半導体装置。
  2. 第1導電型のSiC半導体基板と、
    前記SiC半導体基板上に形成され、前記SiC半導体基板よりも不純物濃度の低い第1導電型の半導体層と、
    前記半導体層の上に形成され、前記半導体層とショットキー接合を形成し、ショットキー障壁高さが1eV以下となる第1の電極と、
    それぞれが前記第1の電極に接するように形成された第2導電型の複数の接合障壁部と、
    前記第1の電極に接するように、かつ各接合障壁部の外側に形成された第2導電型の接合終端部と、
    前記SiC半導体基板の下面に形成された第2の電極と、
    を具備し、
    逆方向電圧を定格最大耐電圧値まで印加した際に発生する漏れ電流の大きさが、使用最高温度における定格電流値を下回ると共に、逆方向印加電圧を前記定格最大耐電圧値以上に上昇させた時に、前記定格電流値を超える逆方向電流を発生させる主機構がアバランシェとなるように前記接合障壁部が形成されて成る事を特徴とするSiC半導体装置。
  3. 前記複数の接合障壁部の、前記半導体層の上面からの深さがd1、幅がw、互いの間隔がsであり、前記接合終端部の前記半導体層の上面からの深さがd2であるとき、
    前記深さd1と深さd2との関係は、
    d1/d2≧1
    であり、前記間隔sと深さd1との関係が、
    s/d1≦0.6
    であり、前記幅wと間隔sとの関係が、
    s/(w+s)≦0.33
    を満足することを特徴とする請求項2に記載のSiC半導体装置。
  4. 前記幅wと間隔sとの関係が
    0.14≦s/(w+s)
    であることを特徴とする請求項1または3に記載のSiC半導体装置。
  5. 前記複数の接合障壁部は、島状あるいは短冊状に形成されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載のSiC半導体装置。
  6. 前記半導体基板上に形成された前記半導体層と、これに接する前記第1の電極とで、ショットキーダイオードのショットキー接合を構成することを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載のSiC半導体装置。
  7. 前記第1の電極はTiSi2を含むことを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載のSiC半導体装置。
  8. 前記半導体層の中に、第2導電型の複数の埋込み領域をさらに具備することをことを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載のSiC半導体装置。
  9. 前記複数の埋め込み領域は、島状あるいは短冊状に形成されていることを特徴とする請求項8に記載のSiC半導体装置。
  10. 前記複数の接合障壁部の相互間の前記半導体層上面に、前記半導体層よりも不純物濃度が高い第1導電型の高不純物濃度領域をさらに具備することを特徴とする請求項1乃至9のいずれかに記載のSiC半導体装置。
  11. 前記SiC半導体基板の結晶多形が4Hであることを特徴とする請求項1乃至10のいずれかに記載のSiC半導体装置。
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