JP2008251772A - 半導体装置 - Google Patents

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千春 太田
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譲司 西尾
Takashi Shinohe
孝 四戸
Hiroshi Kono
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    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/86Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable only by variation of the electric current supplied, or only the electric potential applied, to one or more of the electrodes carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched
    • H01L29/861Diodes
    • H01L29/872Schottky diodes

Abstract

【課題】安定した耐圧を実現するショットキー電極の終端構造を提供する。
【解決手段】第1導電型の半導体基板1と、半導体基板1上に形成され、活性領域とそれを取り囲む素子終端領域を有する第1導電型の半導体層2と、半導体層2の活性領域の表面に形成され、半導体層2とはショットキー障壁を形成する第1の電極7と、半導体基板の裏面に形成された第2の電極10と、半導体層の表面で、活性領域端部から素子終端領域にかけて形成された第2導電型の第1半導体領域3と、半導体層の表面で、第1半導体領域の内部表面で、第1の電極7の端部下に形成された第2導電型の第2半導体領域4と、第2半導体領域4上において、第1の電極7と電気的に接続され、且つ活性領域2と離間して形成され、第1の電極とは異なる材料で形成された第3の電極11とを有する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、ショットキー障壁を形成する電極を有する半導体装置に係わる。
従来、電力制御用装置、スイッチング電源、インバータ等に、電力用ダイオードあるいはスイッチング素子が使用されている。この種の半導体装置では、より低損失化を図るために、オン抵抗と耐圧というの相反する特性の改良が必要とされている。また、信頼性向上のためには、スイッチング動作時のサージ電流への耐性向上も必要とされている。
例えば、特許文献1においては、SiCショットキーダイオードのアノード電極端における逆方向電界集中を避けるために、アノード電極終端部に高不純物濃度のガードリングを設ける構造が開示されている。また、特許文献2においては、SiCショットキーダイオードにおけるアノード電極終端部のガードリング層の濃度をあまり高くない中濃度に設定し、ガードリング層のアノード電極端部に相当する部分のみを高濃度化することによりサージ電流に対する耐性を向上させている。
特開2003−158259号公報 特開2005−135972号公報
しかしながら特許文献2の技術では、ショットキーダイオードのアノード電極は、第1導電型低濃度層とはショットキー障壁を有している一方で、ガードリング内第2導電型の第1の半導体領域(中濃度層)およびガードリング内第2導電型の第2の半導体領域(高濃度層)とは比較的高抵抗の接合を有している。
一般的に逆方向電圧が印加された場合、上記ガードリング内第1の半導体領域は同電位になることが望ましいとされているものの、アノード電極とガードリング内の第1の半導体領域および第2の半導体領域との間の抵抗が高いために、これらの領域では同電位になりにくい。このため、素子表面において活性領域外周を取り囲むガードリング内の第1の半導体領域の偏った領域に電界が集中し、活性領域でなく終端部分において耐圧が抑制されてしまう。このように、第1の半導体領域にかかる電圧を半導体外周で均一にすることが必須であることが明らかになった。
また、現実問題として、まったく設計通りの構造を作製することができれば理論的には均一な特性がえられるが、実際のプロセスでは微小であっても合わせずれなどによる素子構造の不均一さが生じる。
また、大面積の素子の特性評価においては、電荷バランスの不均一さにより理論値に比べて耐圧が著しく低下するという問題点があることが分かってきている。
さらに、SiCショットキーバリアダイオードにおいて、上記第1の半導体領域と第2の半導体領域はイオン注入で形成されることが多いが、第2の半導体領域の濃度をアノード電極間の抵抗を下げるために高くした場合、イオン注入層にダメージが入ることが分かっており、逆方向電圧が印加された場合にこのダメージが逆方向電流を増加させる要因となり耐圧が著しく低下するという問題がある。この問題を回避するために第2の半導体領域はあまり高い濃度に設定しないという方策をとると、アノード電極との界面抵抗を下げることができず、逆方向電圧印加時に第1の半導体領域内の電荷を素子全体で均一にし難くなるというトレードオフが生じる。
また上記ダメージを低減するためにイオン注入温度を高温にするという手段もあるが、素子作製のスループットを考慮するとなるべく室温で注入層を形成したいというニーズがある。
そこで第2の半導体領域をあまり高濃度化せずにアノード電極との界面抵抗をさらに低抵抗化し、第1の半導体領域にかかる電圧を均一にし、安定した耐圧を提供できる半導体デバイスの実現が求められている。
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、安定した耐圧を実現することができる構成を有する半導体装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために本発明の半導体装置の第1は、第1導電型の半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、活性領域とそれを取り囲む素子終端領域を有する第1導電型の半導体層と、前記半導体層の前記活性領域の表面に形成され、前記半導体層とはショットキー障壁を形成する第1の電極と、前記半導体基板の裏面に形成された第2の電極と、前記半導体層の表面で、前記活性領域端部から前記素子終端領域にかけて形成された第2導電型の第1半導体領域と、前記第2導電型の第1半導体領域の内部表面で、前記第1の電極の端部下に形成された第2導電型の第2半導体領域と、前記第2の半導体領域上において、前記第1の電極と電気的に接続され、かつ前記活性領域と離間して形成され、前記第1の電極とは異なる材料で形成された第3の電極とを有することを特徴とする。
本発明の半導体装置の第2は、第1導電型の半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、活性領域とそれを取り囲む素子終端領域を有する第1導電型の半導体層と、前記半導体層の上に形成され、前記活性領域を露出するように形成されたコンタクトホールを有する絶縁膜と、前記半導体層の表面で、前記活性領域端部から前記素子終端領域にかけて形成された第2導電型の第1半導体領域と、前記第1半導体領域の内部表面で、前記第1半導体領域内に収まるように形成された第2導電型の第2半導体領域と、前記第1の半導体領域の表面内に収まるように、前記コンタクトホールの周縁部における前記第2の半導体領域上に形成されたオーミックコンタクト電極と、前記コンタクトホールを埋め込むように、前記半導体層の前記活性領域上と前記オーミックコンタクト電極上に形成され、前記オーミックコンタクト電極とは異なる材料で形成されるとともに前記活性領域とはショットキー障壁を形成するショットキーコンタクト電極と、前記半導体基板の裏面に形成された裏面電極とを有することを特徴とする。
本発明によれば、逆方向電圧印加時に終端構造に印加される電圧を終端構造全体でほぼ一定にすることができ、電界集中が起こりにくく安定した高い耐圧を得ることが可能になり、さらにサージ耐量にも優れるようになる。
本発明においては、第2の電極に対し第1の電極に逆方向電圧を印加した場合、第1の電極は第2導電型の第2半導体領域と低抵抗接合をなしていることと、第2半導体領域の不純物濃度が1×1018〜1×1020/cm3であることから、第2半導体領域の電位は、第1の電極の電位と等しくなり、第2半導体領域に接する第2導電型の第1半導体領域の電位も同電位になる。従って第1半導体領域の電位は素子周辺部全てに渡ってほぼ等しくなり、ある特定の点で電界集中するという問題を回避することができ、従って安定して高い耐圧を得ることができる。
また、本発明においては、第2半導体領域と低抵抗接合をなす、前記第1の電極とは別の伝導性材料の領域(第3の電極)を具備することと、終端構造として第1半導体領域を有し、第2半導体領域は第1半導体領域の内部に配置されていることを特徴とする。
第1導電型の半導体層の表面に、第2導電型の第1半導体領域を具備しない構造の場合、第2導電型の第2半導体領域と接合をなす低抵抗領域(第3の電極)の位置の合わせずれなどにより、第3の電極が第1導電型の半導体層と接してしまい、第1導電型の半導体層と第1の電極との間のショットキー接合状態が一部変化してしまう問題が生じる。
然しながら、本発明の構造によれば、万が一第3の電極が第2導電型の第2半導体領域よりも活性領域内側に張り出してしまった場合でも、第2導電型の第1半導体領域と接するに留まるためショットキー界面に影響を与えることがなく、順方向特性には全く影響することなく逆方向特性の向上が可能になる。
また、耐圧構造として具備しているフィールドプレート端の真下は電界集中が起こりやすく、第2導電型の第1半導体領域を具備することによりフィールドプレート端で起こる電界集中を緩和することができる。
以下、本発明の詳細を実施形態を通じて説明する。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型としているが、逆にすることも可能である。またこの構造は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。
(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した断面図である。ここではショットキー接合をなす半導体装置の一例として、縦型のショットキーバリアダイオード(SBD)について説明する。なお、半導体基板及び半導体層はSiCからなっている。
図1に示すように、低抵抗のn型半導体基板1上にn-型半導体層2が形成されている。n-型半導体層2の表面には、終端構造としてのp-型不純物を含むリサーフ層3およびコンタクトホール端にp+型不純物濃度を含むエッジターミネーション層4を形成している。またn-型半導体層2の表面にはp-型リサーフ層3を囲むようにp-型ガードリング層5が形成されており、耐圧構造として機能する。この場合、ガードリング層は複数層ある方が効果を高くすることができる。
リサーフ層3とガードリング層5は同程度の不純物濃度で、その濃度は例えば1×1017〜1×1018/cm3である。また素子終端部には半導体の電位を固定するn+型チャネルストッパ6を配しており、この濃度は例えば1×1018〜2×1020/cm3である。
-型不純物層2の一部表面とリサーフ層3の一部表面に接するようにアノード電極(第1の電極,ショットキーコンタクト電極)7が設けられている。ここでn-型不純物層2の前記一部表面は活性領域に相当し、この活性領域においてアノード電極7とn-型不純物層2とがショットキー接合を形成している。電極材料はn型SiCとショットキー接合する材料、たとえばTi、Ni、Au、Moであればよく、ここではNiを使用する。
アノード電極7上にはこれと電気的に接続されたメタルフィールドプレート8が形成されている。メタルフィールドプレート8は活性領域以外の半導体層2上に絶縁膜9を介して形成される。メタルフィールドプレートの材料としては、最表面はワイヤボンディングしやすいような材料が好ましく、例えばAlやAuなどがあるが、ここではAlを使用する。
またショットキー電極7とメタルフィールドプレート8との界面の密着度があまり良くない場合には、密着度をあげるような材料をショットキー電極7とメタルフィールドプレート8間の中間層としてはさむと良く、ここではTiを使用する。また絶縁膜の材料としては、例えばSiO2およびSiNが使用されることが多いが、ここではSiO2を使用する。
フィールドプレートの端部は逆方向電界が印加された際に電界が集中しやすいので、フィールドプレート端部下にはp-リサーフ層3またはp-型ガードリング層5が配置されるとより高耐圧に適す。裏面にはカソード電極(第2の電極、裏面電極)10が設けられており、この材料は例えばNiが使用される。またNiの表面にコンタクト抵抗の低い金属層を形成すると更によい。
またp+型エッジターミネーション層4とアノード電極7との間には、エッジターミネーション層4とオーミック接合ができるような第3の電極(オーミックコンタクト電極)11が配置されており、例えばTi/Alにより形成される。このTi/Al電極11は900℃以上で熱処理し、第3の電極とエッジターミネーション層4との間で5×10-4Ωcm2以下の抵抗値であることを要件とする。
この第3の電極の他の候補としては、Ti、Al、Al/Ti/Alなどがあり、全て900℃以上での熱処理を必要とする。またポリシリコンやSiを含むコンポジット膜などの導電性材料を使用することも可能である。この第3の電極はエッジターミネーション層4上に、ショットキー接合部に隣接して配置されるが、ショットキー電極7側の中央方向に数μm張り出してもよい。この張り出した部分は、p-型リサーフ層3との間において半導体装置の特性上の問題はない。
次に、上記半導体装置の動作について説明する。アノード電極に逆方向電圧が印加された場合、前記第3の電極はアノード電極7と同電位になり、第3の電極とオーミック接合をなすエッジターミネーション層4も同電位になるためエッジターミネーション層4に接するリサーフ層3の電位もほぼ同電位になる。従ってリサーフ層3の電位はその全てに渡ってほぼ等しくなる。
電位は、活性領域からはカソード電極10側へ、リサーフ層3からはカソード電極10側および素子周辺部へ広がるため、リサーフ層3にも常に高い電界がかかることになる。然しながら、リサーフ層3全体で同電位が保てていれば、電界が一点に集中してそこからの漏れ電流およびアバランシェ電流により素子終端部で耐圧が抑制されてしまう問題を回避することができる。従って、ドリフト層が持つ耐圧値まで素子に逆方向電圧を印加することができる。
また、逆方向電圧が印加されている状態から順方向電圧を印加した場合、素子にはサージ電流が流れることになる。上記エッジターミネーション層4とアノード電極7との間が高抵抗であると、p型層からn型層へホールの注入が行われにくく、したがって素子のサージ耐性が脆弱になってしまうという問題があった。然しながら、本発明によれば上記エッジターミネーション層4とアノード電極7との間の低抵抗化が図れるため、エッジターミネーション層へのホールの注入が容易に起こり、素子へのサージ電流を低く抑えることができる。
次に、図1に示した半導体装置の製造方法について説明する。図1の半導体装置は、中心線C−C´線に対し線対称なので、以下の図面では右半分だけ図示することにする。まず、図2に示すようにn+型半導体基板1上にn型半導体層2を成膜する。n型半導体層の濃度は3×1015〜3×1016/cm3であり、ここでは1×1016/cm3とする。またn型半導体層の厚みは数μm〜数十μmであり、ここでは8μmとする。
その後、図3に示す半導体表面にn+型チャネルストッパ層6とp-型リサーフ3およびガードリング5を形成する。マスクパターンを形成することにより選択的に不純物注入層を形成する。n型のイオン種にはN(窒素)およびP(リン)を用いる。そのドーピング濃度はドリフト層濃度によって決定されるが、完全にn+ になればよく、例えば約1×1014〜1×1016/cm2であり、ここでは2×1015/cm2とする。
p型リサーフ3およびガードリング5はエピタキシャル濃度と設計耐圧により決定され、例えば約1×1012〜5×1013/cm2であり、ここでは2×1013/cm2とする。p型イオン種としてはSiCに対してはアルミ(Al)、ボロン(B)などが使用されるが、微細パターンに適すAlをここでは使用する。イオン加速エネルギーとしては、例えば360〜10keVとする。
その後、p+型エッジターミネーション層4を形成する。イオン種は前述同様Alを例にとる。p型エッジターミネーション層4がp-リサーフ層3内部に包含されるよう、イオン注入エネルギーの最高値としては、上記リサーフ3及びガードリング5の最高エネルギーよりも低くする必要があり、ここでは180〜10keVを例にとる。p+型エッジターミネーション層4の不純物濃度は1×1018〜1×1020/cm3とする。これらのウエルを活性化させるために、イオン注入後1500〜1750℃の高温で活性化アニールを行う。
その後図4に示すように、フィールドプレート酸化膜9を酸化および蒸着により形成する。次に裏面にカソード電極10を形成する。このときの電極材料はオーミック接合しやすい材料が適しており、ここでは例えばNiとする。その後表面のフィールドプレート酸化膜9を選択的にエッチングすることにより、p型エッジターミネーション層4のショットキー接合側の一部の上にコンタクトホールを開口、オーミック接合可能なコンタクト電極11を選択的に蒸着する。電極材料はここではTi/Alとする。
その後のプロセスの都合上、最表面のメタルは、フィールドプレート酸化膜9の開口部エッチングの際一緒にエッチングされないように、後述の熱処理後にフッ酸系に不溶な材料であることが望ましい。その後、約1000℃の熱処理によりn型半導体基板1とカソード電極10との間、およびp型エッジターミネーション層4と第3の電極11との間のコンタクトを低抵抗とする。半導体材料と低抵抗コンタクト材料の組み合わせにより、低抵抗にする必要性に応じて熱処理の有無、温度を規定する。
その後図5に示すようにショットキー接合部を開口し、ショットキーメタル7を形成する。ショットキーメタルは、前述のようにn型SiC層とショットキー接合する金属であればよく、ここでは例えばNiとする。また、ショットキーメタル7上に半田付けしやすいようにパッドメタル8を積層すると良く、ここではAlを積層する。ショットキーメタル7とパッドメタル8の密着性があまり良くない場合には、ショットキーメタル7とパッドメタル8の間に密着性の良い材料を挟めばよく、例えばTiを挿入する。
またパッドメタル8はショットキー界面よりも外側でパターニングし、メタルフィールドプレートとするとさらに高耐圧に適す。裏面電極5の表面にはコンタクト抵抗を下げるため、例えばTi/Ni/Au積層構造などを用いると良い。最後に耐圧構造の一環として表面にパッシベーションを施し素子は完成する。
第1の実施形態では、基板としてn型半導体を使用する場合について述べたが、導電型を逆にしてp型半導体としてもよい。この際、p型不純物としてはAl(アルミニウム)、B(ボロン)が使用できる。n型イオン注入層の不純物にはN(窒素)またはP(燐)を使用すればよい。またn+ 型エッジターミネーション層4とのオーミック接合の金属は、例えばNiを熱処理したものを採用すると良い。ショットキー電極としては、例えばPt,Moが使用できる。半導体基板裏面のオーミック電極には、Ti,Al,Ti/Alが使用できる。半導体層2はn型の方がオーミック抵抗は低くなる。
以上、第1の実施形態によれば、逆方向電圧印加時に終端構造に印加される電圧を素子全体でほぼ一定にすることができ、電界集中が起こりにくく安定した高い耐圧を得ることが可能になる。素子を大面積化した場合に本実施形態による構造は特に顕著な効果を表す。また、エッジターミネーション層4の濃度を比較的低くできることから、高濃度イオン注入層の問題点である注入層内のダメージを低減する事ができ、耐圧抑制要因を低減し安定した高耐圧化が図れる。さらに、エッジターミネーション層4を低濃度化できるため、イオン注入で形成する際に高温にしなくてもダメージの問題が低減され、素子作製のスループットが向上する。
(第2の実施形態)
第1の実施形態ではショットキーバリアダイオードを例示したが、本発明は半導体層とショットキー界面を作るデバイスであれば適用することができ、例えば図6に示すような、ショットキー界面に選択的にp型層12が埋め込まれているJBS(Junction Barrier controlled Schottky)の構造であっても、安定した耐圧性能を有しスイッチング時におけるサージ耐性のあるJBSを実現することができる。本実施形態においても、半導体基板及び半導体層はSiCからなっている。
さらに、図7に示すような半導体内に違う導電型の領域が選択的に埋め込まれている領域13を持つショットキーバリアダイオードであっても上述の本発明の効果は十分に得られる。導電型が反対であっても同様の効果が得られることは言うまでもない。
(第3の実施形態)
本発明は図8に示すようなJ−FET(Junction FET)にも適用できる。本実施形態においても、半導体基板及び半導体層はSiCからなっている。
図8において、参照番号14はソース電極、15はゲート領域、16はソース領域、17はゲート電極、18はドレイン電極である。細部は図示できないが、ソース電極14とゲート電極17は絶縁されている。
この場合、ソース電極14と半導体層2は通常オーミック接合となるように作製される場合が多いが、導電型の異なるエッジターミネーション層4とソース電極14が、必ずしも低抵抗コンタクトになるとは限らない。このような場合に、エッジターミネーション層4とコンタクト抵抗が低くなるような材料でコンタクト層11を形成することにより、安定した耐圧性能を有し、特にスイッチング時におけるサージ耐性のあるJ−FETを実現できる。
これまでの実施形態では、半導体材料としてSiCを使用してきたが、特に高耐圧化を狙うワイドバンドギャップ半導体材料であるGaNおよびダイヤモンドであっても、アノード電極と耐圧構造のエッジターミネーション層とのコンタクト抵抗をさらに低くする材料として利用することができる。この場合、エッジターミネーション材料と低抵抗コンタクト材料の組み合わせにより低抵抗コンタクトの熱処理は必ずしも必要でないことは言うまでもない。
本発明の第1の実施形態に係るSBD(ショットキーバリアダイオード)の断面図。 第1の実施形態の製造工程を説明する為のショットキーバリアダイオードの断面図。 第1の実施形態の製造工程を説明する為のショットキーバリアダイオードの断面図。 第1の実施形態の製造工程を説明する為のショットキーバリアダイオードの断面図。 第1の実施形態の製造工程を説明する為のショットキーバリアダイオードの断面図。 本発明の第2の実施形態に係るJBS(ジャンクションバリアコントロールドショットキー)の断面図。 第2の実施形態の変形例に係るSBDの断面図。 本発明の第3の実施形態に係るJ―FET(ジャンクションFET)の断面図。
符号の説明
1…n型半導体基板
2…n型半導体層
3…p型リサーフ層
4…エッジターミネーション層
5…ガードリング
6…n型チャネルストッパ
7…アノード電極
8…メタルフィールドプレート
9…絶縁膜
10…カソード電極
11…低抵抗コンタクト
12…p型JBS層
13…p型埋め込み層
14…ソース電極
15…ゲート領域
16…チャネル領域
17…ゲート電極
18…ドレイン電極

Claims (8)

  1. 第1導電型の半導体基板と、
    前記半導体基板上に形成され、活性領域とそれを取り囲む素子終端領域を有する第1導電型の半導体層と、
    前記半導体層の前記活性領域の表面に形成され、前記半導体層とはショットキー障壁を形成する第1の電極と、
    前記半導体基板の裏面に形成された第2の電極と、
    前記半導体層の表面で、前記活性領域端部から前記素子終端領域にかけて形成された第2導電型の第1半導体領域と、
    前記第2導電型の第1半導体領域の内部表面で、前記第1の電極の端部下に形成された第2導電型の第2半導体領域と、
    前記第2の半導体領域上において、前記第1の電極と電気的に接続され、かつ前記活性領域と離間して形成され、前記第1の電極とは異なる材料で形成された第3の電極と、
    を有することを特徴とする半導体装置。
  2. 前記第2半導体領域と前記第3の電極の接続はオーミック接合であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 第1導電型の半導体基板と、
    前記半導体基板上に形成され、活性領域とそれを取り囲む素子終端領域を有する第1導電型の半導体層と、
    前記半導体層の上に形成され、前記活性領域を露出するように形成されたコンタクトホールを有する絶縁膜と、
    前記半導体層の表面で、前記活性領域端部から前記素子終端領域にかけて形成された第2導電型の第1半導体領域と、
    前記第1半導体領域の内部表面で、前記第1半導体領域内に収まるように形成された第2導電型の第2半導体領域と、
    前記第1の半導体領域の表面内に収まるように、前記コンタクトホールの周縁部における前記第2の半導体領域上に形成されたオーミックコンタクト電極と、
    前記コンタクトホールを埋め込むように、前記半導体層の前記活性領域上と前記オーミックコンタクト電極上に形成され、前記オーミックコンタクト電極とは異なる材料で形成されるとともに前記活性領域とはショットキー障壁を形成するショットキーコンタクト電極と、
    前記半導体基板の裏面に形成された裏面電極と、
    を有することを特徴とする半導体装置。
  4. 前記第2半導体領域と前記第3の電極若しくはオーミック電極との界面抵抗が5×10-4Ωcm2以下であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体装置。
  5. 前記第1半導体領域における不純物濃度が1×1017〜1×1018/cm3であ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半導体装置。
  6. 前記半導体層の表面で、前記第2導電型の第1半導体領域の周囲を離間して囲むように形成され、不純物濃度が1×1017〜1×1018/cm3である第2導電型の第3半導体領域をさらに具備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半導体装置。
  7. 前記第2半導体領域における不純物濃度が1×1018〜1×1020/cm3であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の半導体装置。
  8. 前記半導体基板及び半導体層はSiCを含むことを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の半導体装置。
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