JP2012028640A

JP2012028640A - Ｐｎ接合ダイオードおよびその製造方法

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Publication number: JP2012028640A
Application number: JP2010167382A
Authority: JP
Inventors: Shinichiro Matsunaga; 慎一郎松永
Original assignee: Advanced Power Device Research Association
Current assignee: Advanced Power Device Research Association
Priority date: 2010-07-26
Filing date: 2010-07-26
Publication date: 2012-02-09
Anticipated expiration: 2030-07-26
Also published as: JP5294336B2

Abstract

【課題】耐圧が高い（逆電流が生じにくい）ＰＮ接合ダイオードおよびその製造方法を提供すること。
【解決手段】Ｎ型ＧａＮ層２、Ｐ型ＧａＮ層３が積層され、これらＮ型ＧａＮ層２およびＰ型ＧａＮ層３が台状に加工されてメサ部４が形成されている。このメサ部４の側壁（周壁）には、所定の厚さの絶縁膜５Ａが形成されている。また、メサ部４の上部に露出するＰ型ＧａＮ層３の上面と絶縁膜５Ａの上端面には、Ｐ型ＧａＮ層３の上面（メサ部４の上面）よりも大きなＰ側の電極６が形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明はＰＮ接合ダイオードに関し、更に詳しくは、III族窒化物半導体で形成された高耐圧なＰＮ接合ダイオードおよびその製造方法に関する。

III族窒化物半導体では破壊電界強度が高いため、シリコンなどのバンドギャップが小さい半導体にくらべ不純物濃度を高くして同じ耐圧クラスで抵抗を大幅に下げることが可能である。近年、このようなIII族窒化物半導体を用いて半導体基板の厚さ方向に電流経路をとる、所謂縦型のＰＮ接合ダイオードが注目されている。

III族窒化物半導体として、例えば窒化ガリウム（以下ＧａＮと表記する）の場合、ＰＮ接合ダイオードを作る際に、Ｐ型ＧａＮをエピタキシャル成長させるとアクセプタ不純物がエピタキシャル装置内に残り易いという問題点がある。このＰ型ＧａＮエピタキシャル層の成長後に、低濃度のＮ型ＧａＮエピタキシャル層を成長させると、装置内に残っていたＰ型の不純物がＮ型ＧａＮエピタキシャル層に混入してＰＮ接合部の界面の不純物濃度のプロファイルが曖昧になったり、その後のＮ型濃度が薄くなったりするという問題がある。

したがって、通常、Ｎ型ＧａＮのエピタキシャル成長後にＰ型ＧａＮのエピタキシャル成長を行うことが行われており、表面側にＰ型ＧａＮが存在する構造が一般的である。また、Ｐ型ＧａＮは活性化率が低いため高濃度に不純物を添加する必要があるが、これにより結晶の規則性が崩れ表面にクラックが発生しやすくなる。そのため、Ｐ型ＧａＮの膜厚は数１００ｎｍで通常の１μｍよりも薄くなってしまう。

図１１は、従来のＰＮ接合ダイオード１００の断面図を示す。このＰＮ接合ダイオード１００は、基板１０１の上にＮ型ＧａＮ層１０２とＰ型ＧａＮ層１０３とがエピタキシャル成長され、これらＮ型ＧａＮ層１０２とＰ型ＧａＮ層１０３にメサ１０４が形成され、このメサ１０４の上面にＰ側電極１０５が形成され、メサ１０４の側方のＮ型ＧａＮ層１０２の上にＮ側電極１０６が形成されている。

このようなＰＮ接合ダイオードにおいては、上記の問題を解決することが要望されている。更に、ショットキーバリアダイオードにおいては、表面電極の端部には横方向への電界もかかるために電極下よりも高い電界強度となり耐圧を低下させやすいことが知られている。この問題を解決するための方策として、ショットキーバリアダイオードでは、電極端部の電界を緩和するためのさまざまな構造が用いられている（例えば、特許文献１および２参照）。

特開２０１０−４０６９７号公報特開２００９−１９４２２５号公報

しかしながら、上記のＰＮ接合ダイオードにおいては、ＰＮ接合はデバイス表面に近い部分に存在することになり、高電圧の逆バイアスがかかるとき、メサ端部のＰＮ接合端部に高電界が生じてしまう。

すなわち、図１１に示すように、Ｐ側電極１０５がメサ上面の幅よりも短い場合、メサ１０４の側壁近傍のＰＮ接合には電界が集中して高電界が生じ、耐圧が下がる、すなわち逆電流が増大するという問題がある。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ＰＮ接合面に高電界が生じにくく、耐圧が高い（逆電流の生じにくい）ＰＮ接合ダイオードおよびその製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、基板と、前記基板上に、エピタキシャル成長された、III族窒化物半導体でなるＮ型半導体層と、前記Ｎ型半導体層の上に積層するようにエピタキシャル成長された、III族窒化物半導体でなるＰ型半導体層と、を備え、前記Ｎ型半導体層および前記Ｐ型半導体層がメサ形状をなすように形成されたＰＮ接合ダイオードであって、前記メサ形状の側壁に形成された絶縁膜と、前記Ｐ型半導体層の上面および前記絶縁膜の上端面に亘って形成された電極とを有することを特徴とする。

また、本発明にかかるＰＮ接合ダイオードの製造方法は、基板上に、III族窒化物半導体でなる、Ｎ型の第１の半導体層とＰ型の第２の半導体層とが積層するようにエピタキシャル成長させる工程と、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層がメサ形状をなすように形成する工程と、メサ形状をなす前記第１の半導体層と前記第２の半導体層の全面を覆うように絶縁膜を形成する工程と、異方性エッチングにより、前記メサ形状の側壁以外の前記絶縁膜を除去する工程と、前記第２の半導体層上面および前記メサ形状の側壁に残存する前記絶縁膜の上端面に亘って電極を形成する工程と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、ＰＮ接合面の端部に高電界が生じないために耐圧を上げる（逆電流を下げる）ことができる、III族窒化物半導体でなるＰＮ接合ダイオードを実現することができる。また、この発明によれば、耐圧を上げる（逆電流を下げる）ことができる、III族窒化物半導体でなるＰＮ接合ダイオードを容易に製造できるという効果がある。

図１は、本発明の実施の形態にかかるＰＮ接合ダイオードの平面図である。図２は、図１のII−II断面図である。図３は、本発明の実施の形態にかかるＰＮ接合ダイオードの製造工程を示す工程断面図である。図４は、本発明の実施の形態にかかるＰＮ接合ダイオードの製造工程を示す工程断面図である。図５は、本発明の実施の形態にかかるＰＮ接合ダイオードの製造工程を示す工程断面図である。図６は、本発明の実施の形態にかかるＰＮ接合ダイオードの製造工程を示す工程断面図である。図７は、本発明の実施の形態にかかるＰＮ接合ダイオードの製造工程を示す工程断面図である。図８は、本発明の実施の形態にかかるＰＮ接合ダイオードの耐圧限界時の電位分布のシミュレーション結果を示す図である。図９は、従来のＰＮ接合ダイオードの耐圧限界時の電位分布のシミュレーション結果を示す図である。図１０は、電極端部とメサ端部との距離（Ｌｏｓ）と、耐圧との関係を示す図である。図１１は、従来のＰＮ接合ダイオードの断面図である。

以下に、本発明を実施するための形態であるＰＮ接合ダイオードおよびその製造方法について図面を参照して説明する。但し、図面は模式的なものであり、各層の厚みや比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。したがって、具体的な寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。

（ＰＮ接合ダイオード）
図１および図２に示すように、この実施の形態にかかるＰＮ接合ダイオード１０は、例えばサファイアでなる基板１と、この基板１の上に、順次エピタキシャル成長されたＮ型ＧａＮ層２、Ｐ型ＧａＮ層３が積層され、これらＮ型ＧａＮ層２およびＰ型ＧａＮ層３が台形状に加工されてメサ部４が形成されている。このメサ部４の側壁（周壁）には、所定の厚さの絶縁膜５Ａが形成されている。また、メサ部４の上部に露出するＰ型ＧａＮ層３の上面と絶縁膜５Ａの上端面に亘って、Ｐ側の電極６が形成されている。さらに、メサ部４の側方で露出したＮ型ＧａＮ層２の上面には、Ｎ側の電極８が形成されている。

本実施の形態にかかるＰＮ接合ダイオード１においては、図２に示すように、Ｐ型ＧａＮ層３の上面周縁（メサ部４の上面周縁）よりもＰ側の電極６の端部が側方に突出するように、絶縁膜５Ａの上端面に重なるように形成されている。電極６の端部とＰ型ＧａＮ層３の上面の端部との距離Ｌｏｓは、１μｍ程度に設定されている。このように電極６の端部がＰ型ＧａＮ層３の上面の周縁から側方に庇状に延在するように形成されている。

図８は、本発明の実施の形態にかかるＰＮ接合ダイオードの耐圧限界時の電位分布のシミュレーション結果を示す図である。シミュレーションの条件は、Ｎ型ＧａＮ層２のキャリア濃度が５×１０^１６ｃｍ^−３、Ｐ型ＧａＮ層３のキャリア密度は、１×１０^１８ｃｍ^−３、メサ部４の高さ１．５μｍ、Ｐ型ＧａＮ層３の表面からＰＮ接合７までの距離（Ｙｊ）が０．７μｍ程度、電極６の端部とＰ型ＧａＮ層３の上面の端部との距離Ｌｏｓは、２μｍである。同図に示すように、電極６がＰＮ接合７の端部より基板面に対して水平方向外側に延びているため、等電位線はＰＮ接合７とほぼ平行になり、ＰＮ接合７の端部における電界強度の増加が抑えられるために耐圧が向上する。本実施の形態にかかるＰＮ接合ダイオードでは、耐圧３８５Ｖであった。

これに対して、図９は、従来のＰＮ接合ダイオードの耐圧限界時の電位分布のシミュレーション結果を示す図である。図９におけるシミュレーション条件は、図１１の構造のＰＮ接合ダイオード１００においてＮ型ＧａＮ層１０２のキャリア濃度、メサ１０４の高さ、Ｐ型ＧａＮ層３の表面からＰＮ接合１０７までの距離（Ｙｊ）については図８と同様であるが、電極１０５がＰ型ＧａＮ層１０３の上部のみに形成されている点で異なる。このシミュレーション結果から、Ｐ側電極１０５がメサ１０４の上面よりも小さい場合には、メサ側壁のＰＮ接合１０７の端部で等電位線が折れ曲がり間隔が狭くなる、即ち電界強度が高くなることがわかる。このように電界強度が他よりも高くなる部分があると、電界集中が発生して素子の破壊に繋がるおそれがある。図９に示した従来のＰＮ接合ダイオードでは耐圧が３３３Ｖであった。すなわち、本発明によれば従来のＰＮ接合ダイオードより１５％以上耐圧を向上することができる。

図１０は、Ｐ型ＧａＮ層３の表面からＰＮ接合７までの距離（Ｙｊ）が０．７μｍの場合の、Ｌｏｓと耐圧（ＢＶ）の相関を示すシミュレーション結果である。この図から判るように、電極端部がメサ部４の周縁より側方に突出して電極端縁とメサ部４の周縁との距離が０より長ければ耐圧を向上させる効果がある。更に、本発明者は、電極６のオーバーサイズ（Ｌｏｓ）をＹｊの値の４倍以上に大きくしても耐圧向上の効果は飽和してくるという知見を得た。すなわち、Ｙｊが小さければＬｏｓも小さくてよく、Ｘｊが０．３μｍ程度であればオーバーサイズ量も１．２μｍ程度でよい。

（ＰＮ接合ダイオードの製造方法）
本実施の形態にかかるＰＮ接合ダイオード１０の製造方法を図３〜７に基づいて説明する。

先ず、図３に示すように、サファイアでなる基板１上に、第１の半導体層としてのＮ型ＧａＮ層２をエピタキシャル成長させる。なお、本実施の形態では、図示しないが、Ｎ型ＧａＮ層２を、低抵抗な高不純物濃度Ｎ型エピタキシャル層と高耐圧構造とするための低不純物濃度Ｎ型エピタキシャル層で構成している。

次に、Ｎ型ＧａＮ層２の上に、高不純物濃度のＰ型エピタキシャル層である、第２の半導体層としてのＰ型ＧａＮ層３をエピタキシャル成長させる。

その後、メサを残す部分のパターニングを行なう（不図示）。このとき、マスクとして用いる材料は、エッチング方法により適宜選択する。例えば塩素系のエッチャントによるエッチングによってレジストが耐えられない場合には、ＩＩＩ族窒化物半導体とのエッチング選択比が高いシリコン窒化膜や絶縁膜、金属膜をマスクとして用いる。エッチングによって高不純物濃度Ｎ型エピ層まで掘り下げた後に、マスクを取り除く。その結果、図４に示すような、Ｎ型ＧａＮ層２およびＰ型ＧａＮ層３でなるメサ部４が形成できる。

次に、図５に示すように、メサ部４の全面を覆うように絶縁膜５を成膜する。ここでは少なくとも絶縁膜５は１μｍ以上程度の厚さとなるようにメサ部４の側面にも等方的に例えば通常のプラズマＣＶＤ装置を用いて堆積させる。

そして、図６に示すように、絶縁膜５に異方性エッチングにてエッチバックを行って、メサ部４の側壁に絶縁膜５Ａを選択的に残すように加工する。ここでは、プラズマエッチャで異方性エッチングを行う他に、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）によってＰ型ＧａＮ層３が露出するまで削る方法を用いてもよい。

次に、図７に示すように、Ｐ型ＧａＮ層３の上面および絶縁膜５Ａの上端面に亘ってＰ側の電極６を形成する。

そして、図７に示すように、メサ部４を形成する溝の底部（Ｎ型ＧａＮ層２）上にフォトリソグラフィー技術とエッチング技術によってＮ側の電極８を形成する。なお、この電極８はエッチングではなくリフトオフ法によって形成してもよい。その後、各電極のコンタクト抵抗を下げるためのシンタリングを行う。このようにして、本実施の形態にかかるＰＮ接合ダイオード１０の製造が完了する。

本実施の形態では、基板１をサファイア基板としているが、エピタキシャル成長させるＩＩＩ族窒化物半導体の自立基板であっても、またその他の基板（例えばＳｉＣなど）であってもかまわない。

また、本実施の形態では、オーミック電極であるＮ側の電極８は、メサ部４側方の溝を形成した後に表面側から電極８を形成しているが、例えば裏面側から図示しない高濃度不純物エピタキシャル層までコンタクトを形成してもよいし、裏面側を削って高濃度不純物エピタキシャル層を露出させた後に裏面側からオーミック電極を形成していてもよい。

なお、本実施の形態においては、数１００Ｖ程度の耐圧を得る場合にはＮ型ＧａＮ層２中の不純物濃度を薄くすると共に、Ｎ型ＧａＮ層２の厚さも数μｍ以上にする必要がある。例えば、５００Ｖ程度の耐圧を得るにはＮ型ＧａＮ層が３×１０^１６ｃｍ^−３程度のキャリア濃度の場合、５μｍ程度の厚さが必要である。この場合、メサ部４の側方の溝が５μｍもの深さとなるため、この溝を絶縁物で平坦に埋めて、メサ部４上面よりも大きな電極構造を得るのは困難である。通常、平坦化は厚めに絶縁物を堆積させた後、リフローと呼ばれる熱処理によって流動性を良くして凹部に優先的に絶縁物を残す技術により行う。平坦化を行う絶縁物には流動性に優れるＳＯＧ（Spin On Glass）や不純物を混ぜることで流動性を上げたＢＰＳＧ（Boron Phosphorus Silicon Glass)などが知られている。しかし、両者共に１μｍ程度の段差を平坦化するのには良く用いられるが、本実施の形態のような５μｍもの溝には適用が難しい。

これに対して、本実施の形態では、メサ部４の側壁に絶縁膜５Ａを選択的に異方性エッチングにて残すため、Ｐ側電極６の下地となる絶縁膜５Ａを容易に形成することができ、Ｐ側の電極６をＰ型ＧａＮ層３の上面端部から側方へ庇状に延在させることが可能となる。

本実施の形態では、メサ部４の上端縁よりも１μｍ程度側方へ延在された電極を形成することで、絶縁膜５Ａを介してＰＮ接合部７に平行に等電位面が生じＰＮ接合７の端部での電位の急激な変動が抑えられるために、電界集中が緩和され、耐圧が向上する。

なお、絶縁膜５は、異方性エッチングを行っても、垂直方向からみると非常に厚いためメサ部４の側壁にのみ絶縁膜５Ａとして選択的に残すことができる。その後、絶縁膜５Ａの上端面に及ぶように電極を形成することで本発明の電極６が得られる。

（その他の実施の形態）
以上、この発明の実施の形態について説明したが、上記の実施の形態の開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものではない。この開示から当業者に様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。

例えば、上記の実施の形態では、絶縁膜５Ａを異方性エッチングによるエッチバックにより選択的に形成したが、メサ部４の高さが低い場合（メサ部４側方の溝が浅い場合）は、上記したＳＯＧやＢＰＳＧなどを用いて平坦化してもよい。

以上のように、本発明にかかるＰＮ接合ダイオードは、高耐圧なパワーデバイスとして有用であり、特に、半導体製造分野で利用することができる。

１基板
２Ｎ型ＧａＮ層
３Ｐ型ＧａＮ層
４メサ部
５，５Ａ絶縁膜
６電極
７ＰＮ接合
８電極
１０ＰＮ接合ダイオード

Claims

III族窒化物半導体でなるＮ型半導体層と、前記Ｎ型半導体層の上に積層されたIII族窒化物半導体でなるＰ型半導体層と、を備え、前記Ｎ型半導体層および前記Ｐ型半導体層がメサ形状をなすように形成されたＰＮ接合ダイオードであって、
前記メサ形状の側壁に形成された絶縁膜と、前記Ｐ型半導体層および前記絶縁膜の上端面に亘って形成された電極とを有することを特徴とするＰＮ接合ダイオード。
前記メサ形状は、断面が台形状であることを特徴とする請求項１に記載のＰＮ接合ダイオード。
前記電極のうち、前記絶縁膜の上端面に突出した部分の長さは、０より大きく、前記Ｐ型半導体層の厚さの４倍以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のＰＮ接合ダイオード。
基板上に、III族窒化物半導体でなる、Ｎ型の第１の半導体層とＰ型の第２の半導体層とが積層するようにエピタキシャル成長させる工程と、
前記第１の半導体層と前記第２の半導体層がメサ形状をなすように形成する工程と、
メサ形状をなす前記第１の半導体層と前記第２の半導体層の全面を覆うように絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に異方性エッチングを行って、メサ形状の前記第１の半導体層と前記第２の半導体層の側壁に前記絶縁膜を選択的に残す工程と、
前記第２の半導体層および前記絶縁膜の上端面に亘って、前記第２の半導体層の上面よりも大きな電極を形成する工程と、
を備えることを特徴とするＰＮ接合ダイオードの製造方法。