JP2015153958A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

半導体装置およびその製造方法 Download PDF

Info

Publication number
JP2015153958A
JP2015153958A JP2014027936A JP2014027936A JP2015153958A JP 2015153958 A JP2015153958 A JP 2015153958A JP 2014027936 A JP2014027936 A JP 2014027936A JP 2014027936 A JP2014027936 A JP 2014027936A JP 2015153958 A JP2015153958 A JP 2015153958A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
diamond semiconductor
semiconductor layer
type
diamond
electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2014027936A
Other languages
English (en)
Other versions
JP6203074B2 (ja
Inventor
鈴木 真理子
Mariko Suzuki
真理子 鈴木
酒井 忠司
Tadashi Sakai
忠司 酒井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP2014027936A priority Critical patent/JP6203074B2/ja
Priority to EP15153086.2A priority patent/EP2908349B1/en
Priority to CN201510071076.8A priority patent/CN104851920B/zh
Priority to US14/619,565 priority patent/US9331150B2/en
Publication of JP2015153958A publication Critical patent/JP2015153958A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6203074B2 publication Critical patent/JP6203074B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/0405Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising semiconducting carbon, e.g. diamond, diamond-like carbon
    • H01L21/041Making n- or p-doped regions
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • H01L29/0603Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions
    • H01L29/0607Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions for preventing surface leakage or controlling electric field concentration
    • H01L29/0611Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions for preventing surface leakage or controlling electric field concentration for increasing or controlling the breakdown voltage of reverse biased devices
    • H01L29/0615Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions for preventing surface leakage or controlling electric field concentration for increasing or controlling the breakdown voltage of reverse biased devices by the doping profile or the shape or the arrangement of the PN junction, or with supplementary regions, e.g. junction termination extension [JTE]
    • H01L29/0619Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions for preventing surface leakage or controlling electric field concentration for increasing or controlling the breakdown voltage of reverse biased devices by the doping profile or the shape or the arrangement of the PN junction, or with supplementary regions, e.g. junction termination extension [JTE] with a supplementary region doped oppositely to or in rectifying contact with the semiconductor containing or contacting region, e.g. guard rings with PN or Schottky junction
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • H01L29/0684Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by the shape, relative sizes or dispositions of the semiconductor regions or junctions between the regions
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/12Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/16Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only elements of Group IV of the Periodic Table
    • H01L29/1602Diamond
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/40Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/43Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/47Schottky barrier electrodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66007Multistep manufacturing processes
    • H01L29/66015Multistep manufacturing processes of devices having a semiconductor body comprising semiconducting carbon, e.g. diamond, diamond-like carbon, graphene
    • H01L29/66022Multistep manufacturing processes of devices having a semiconductor body comprising semiconducting carbon, e.g. diamond, diamond-like carbon, graphene the devices being controllable only by variation of the electric current supplied or the electric potential applied, to one or more of the electrodes carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched, e.g. two-terminal devices
    • H01L29/6603Diodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • 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

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)

Abstract

【課題】超高耐圧で低オン抵抗の半導体装置を提供する。
【解決手段】実施形態の半導体装置は、p型の第1のダイヤモンド半導体層と、第1のダイヤモンド半導体層上に配置され、p型不純物濃度が第1のダイヤモンド半導体層のp型不純物濃度より低く、表面が酸素終端されたp型の第2のダイヤモンド半導体層と、第2のダイヤモンド半導体層上に配置され、表面が酸素終端された複数のn型の第3のダイヤモンド半導体層と、第2のダイヤモンド半導体層上および複数の第3のダイヤモンド半導体層上に配置され、第2のダイヤモンド半導体層および複数の第3のダイヤモンド半導体層との接合がショットキー接合である第1の電極と、を備える。
【選択図】図1

Description

本発明の実施形態は、半導体装置およびその製造方法に関する。
ダイヤモンド半導体は、5.5eVという大きなバンドギャップエネルギーを有するワイドギャップ半導体である。強固で、高熱伝導率(20W/cm・K)を有するばかりでなく、高キャリア移動度(電子4500cm/V・sec、ホール3800cm/V・sec)、高破壊電界強度(10MV/cm)などのすぐれた材料物性を有する。そのためダイヤモンド半導体は、超高耐圧・超高効率の半導体として優れた特性を有する材料である。
これまでに、ダイヤモンド半導体を用いた、ショットキー接合を有するダイオードやトランジスタなどの開発が盛んに行われている。
特開2009−260278号公報
本発明が解決しようとする課題は、超高耐圧で低オン抵抗の半導体装置およびその製造方法を提供することである。
実施形態の半導体装置は、p型の第1のダイヤモンド半導体層と、第1のダイヤモンド半導体層上に配置され、p型不純物濃度が第1のダイヤモンド半導体層のp型不純物濃度より低く、表面が酸素終端されたp型の第2のダイヤモンド半導体層と、第2のダイヤモンド半導体層上に配置され、表面が酸素終端された複数のn型の第3のダイヤモンド半導体層と、第2のダイヤモンド半導体層上および複数の第3のダイヤモンド半導体層上に配置され、第2のダイヤモンド半導体層および複数の第3のダイヤモンド半導体層との接合がショットキー接合である第1の電極と、を備える。
第1の実施形態の半導体装置の模式断面図。 第1の実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式図。 第2の実施形態の半導体装置の模式断面図。
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
以下の説明において、n+、n、n−および、p+、p、p−の表記は、各導電型における不純物濃度の相対的な高低を表す。すなわちn+はnよりもn型の不純物濃度が相対的に高く、n−はnよりもn型の不純物濃度が相対的に低いことを示す。また、p+はpよりもp型の不純物濃度が相対的に高く、p−はpよりもp型の不純物濃度が相対的に低いことを示す。なお、n+型、n−型を単にn型、p+型、p−型を単にp型と記載する場合もある。
また、以下の説明において、「上」とは説明の目的で使用されているものであり、永久的な相対位置を示すものではない。以下に説明する実施形態は、以下に図示または説明された向きとは異なる向きで実施可能である。
(第1の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、p型の第1のダイヤモンド半導体層と、第1のダイヤモンド半導体層上に配置され、p型不純物濃度が第1のダイヤモンド半導体層のp型不純物濃度より低く、表面が酸素終端されたp型の第2のダイヤモンド半導体層と、第2のダイヤモンド半導体層上に配置され、表面が酸素終端された複数のn型の第3のダイヤモンド半導体層と、第2のダイヤモンド半導体層上および複数の第3のダイヤモンド半導体層上に配置され、第2のダイヤモンド半導体層および複数の第3のダイヤモンド半導体層との接合がショットキー接合である第1の電極と、を備える。
図1は、本実施形態の半導体装置100の模式断面図である。本実施形態の半導体装置100は、ショットキーダイオードである。
第1のダイヤモンド半導体層12の導電型はp+型である。p型不純物としては、たとえばB(ボロン)が好ましく用いられる。p型の第1のダイヤモンド半導体層12におけるp型不純物濃度は、後述する第2のダイヤモンド半導体層14に多くのホールを注入するため、たとえば、1018atoms/cm以上であることが好ましい。
第2のダイヤモンド半導体層14の導電型はp−型である。p型の第2のダイヤモンド半導体層14は、ドリフト層である。p型不純物としては、たとえばB(ボロン)が好ましく用いられる。p型の第2のダイヤモンド半導体層14におけるp型不純物濃度は、高耐圧化のため、1×1015atoms/cm以上5×1016atoms/cm以下であることが好ましい。
複数の第3のダイヤモンド半導体層16の導電型はn型である。n型不純物としては、たとえばP(リン)が好ましく用いられる。複数のn型の第3のダイヤモンド半導体層16におけるn型不純物濃度は、高耐圧化のため、1×1015atoms/cm以上5×1018atoms/cm以下であることが好ましい。また、複数の第3のダイヤモンド半導体層16は、順方向バイアスの印加で空乏化される。
p型の第2のダイヤモンド半導体層14の幅tp1とn型の第3のダイヤモンド半導体層16の幅tn1は、高耐圧化のためと低オン抵抗化、高スイッチング速度化の観点から、0.5μm〜10μmの範囲にあることが好ましく、n型の第3のダイヤモンド半導体層16の埋め込み深さは0.3〜1μmの範囲にあることが好ましい。tp1とtn1は、たとえば、耐圧5kV級のダイオードであれば、それぞれ4μmおよび2μmであることが好ましい。また、n型の第3のダイヤモンド半導体層16の埋め込み深さは0.5μmであることが好ましい。
p型の第2のダイヤモンド半導体層の表面20は、{100}面から±10度以内の面方位を有することが好ましい。また、複数のn型の第3のダイヤモンド半導体層の側面22は、{110}面から±10度以内の面方位を有することが好ましい。
第1の電極18はショットキーダイオードのカソード(陰極)である。第1の電極18とp型の第2のダイヤモンド半導体層14および複数のn型の第3のダイヤモンド半導体層16との接合は、ショットキー接合である。第1の電極18は、Ni(ニッケル)、Al(アルミニウム)、Ti(チタン)、Mo(モリブデン)、Ru(ルテニウム)、WC(タングステンカーバイド)、Au(金)、Pd(パラジウム)、Ir(イリジウム)、Pt(白金)およびRh(ロジウム)からなる第1の群から選択される少なくとも一種類の金属を備えることが好ましい。
第1の電極18と接する、p型の第2のダイヤモンド半導体層の表面20と、複数のn型の第3のダイヤモンド半導体層の表面28と、は酸素終端されている。たとえば、第2のダイヤモンド半導体層の表面20と複数の第3のダイヤモンド半導体層の表面28を、エネルギー分散型X線分光法(EDX)により、酸素終端されているかどうかを分析する。
ここでEDXは、たとえば、透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope、TEM)や走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope、SEM)などの顕微鏡により本実施形態の半導体装置100の断面を観察し、そのTEMやそのSEMに付属したEDX装置を用いることにより好ましく行うことができる。
EDX装置による分析の空間分解能は一般的に5nm程度である。そのため、必ずしも表面において酸素が検出されなくても、p型の第2のダイヤモンド半導体層14および複数のn型の第3のダイヤモンド半導体層16が第1の電極18と接する界面から5nm以内の範囲において、O(酸素)がEDX装置の測定下限値以上に検出されれば、p型の第2のダイヤモンド半導体層の表面20と、複数のn型の第3のダイヤモンド半導体層の表面28と、は酸素終端されているものとする。
本実施形態の半導体装置100は、第1のダイヤモンド半導体層12に電気的に接続される第2の電極10を、さらに好ましく備えることができる。第2の電極10は、ショットキーダイオードの陽極(アノード)である。第2の電極10は、たとえば、図1に示されるように、第1のダイヤモンド半導体層12の、第2のダイヤモンド半導体層14が配置された面とは反対側の面に配置される。なお、第2の電極10の配置としてはこれに限らず、疑似縦型構造を用いた配置など、公知の電極の配置をいずれも好ましく用いることができる。
第2の電極10とダイヤモンド半導体層との接触は、オーミックであることが好ましい。たとえば、Ti(チタン)/Pt(白金)/Au(金)からなる電極を電子ビームにより蒸着し、Ar(アルゴン)ガス雰囲気中で熱処理した電極は、ダイヤモンド半導体層に対して良いオーミック電極であるため、第2の電極10として好ましく用いることができる。
酸素終端されたダイヤモンド半導体の表面においては、導電型がn型であるとp型であるとを問わず、そのフェルミ準位が、ダイヤモンド半導体層の上に配置された同一の金属との界面で、強くピン止めされる。
そのため、本実施形態の半導体装置100においては、p型の第2のダイヤモンド半導体層14に対しても、複数のn型の第3のダイヤモンド半導体層16に対しても、同一の金属を第1の電極18に用いることにより、良好なショットキー接合を形成することができる。
n型ダイヤモンド半導体層においては、第1の電極18との界面で、フェルミ準位が伝導帯から4.3eVの準位にピン止めされる。そのため、ショットキー障壁が高いことから、順方向バイアスの印加で、n型のダイヤモンド半導体層は空乏化される。また、第1の電極18からn型の第3のダイヤモンド半導体層16には電子が移動しにくい。そのため、p型の第2のダイヤモンド半導体層14からn型の第3のダイヤモンド半導体層16に注入されたホールは、第1の電極18に到達するまで、電子との再結合などにより消滅しにくい。
さらに、n型の第3のダイヤモンド半導体層16における価電子帯は、ホールにとっての障壁が小さくなるように、第1の電極18との界面で湾曲される。そのため、本実施形態の半導体装置100においては、ホールにとっての抵抗が小さくなり、低いバイアス電圧で大きなオン電流が流れることから、低オン抵抗が実現可能となる。
また、n型の第3のダイヤモンド半導体層18が配置されておらずp型の第2のダイヤモンド半導体層14と第1の電極18が接する部分は、p型ショットキーダイオードである。そのため、本実施形態の半導体装置100は、全体として、低いバイアス電圧で大きなオン電流が流れ、低オン抵抗が実現可能となる。なお、本実施形態の半導体装置100は、ホールが導電に寄与するユニポーラデバイスである。
逆方向バイアスの印加においては、p型の第2のダイヤモンド半導体層14に生じた空乏層が、隣接する複数のn型の第3のダイヤモンド半導体層16に広がる。そのため、ショットキー接合界面における電界が緩和され、半導体装置100の高耐圧化が実現可能となる。
ダイヤモンド半導体において、不純物のドーピングをイオン注入や固相拡散で行うことは困難である。そのため、ダイヤモンド半導体層の形成においては、通常、ダイヤモンド半導体層の形成時にドーピングをおこなう。
特に、ダイヤモンド半導体への、n型不純物のドーピングは困難である。ここで、n型不純物の、ダイヤモンド半導体への取り込みの効率は、取り込みをさせるダイヤモンド半導体の面方位に依存して異なる。たとえば、n型不純物がP(リン)の場合、面方位が{111}である基板に{111}面を<111>方向に形成するときには、P(リン)の取り込み効率は0.02%程度である。
これに対し、面方位が{110}である基板に{110}面を<110>方向に形成するときのP(リン)の取り込み効率は0.0002%程度である。
そこで、効率良くn型不純物をダイヤモンド半導体にドープするため、n型のダイヤモンド半導体を形成するときには、{111}面を<111>方向に形成することが好ましい。なおこのときには、CH(メタン)ガスとH(水素)ガスとの比を制御してαパラメータを調整することが好ましい。
本実施形態においては、第2のダイヤモンド半導体層の表面20が{100}面から±10度以内の面方位を有し、第3のダイヤモンド半導体層の側面22が{110}面から±10度以内の面方位を有し、第2のダイヤモンド半導体層の底面24が{100}面から±10度以内の面方位を有するものとする。これにより、第3のダイヤモンド半導体層16の形成される方向が<111>方向に近くなるため、効率良くn型不純物を取り込ませながら第3のダイヤモンド半導体層16を形成することができる。
以下、本実施形態の半導体装置の製造方法を示す。
本実施形態の半導体装置の製造方法は、p型の第1のダイヤモンド半導体層上にp型不純物濃度が第1のダイヤモンド半導体層のp型不純物濃度より低いp型の第2のダイヤモンド半導体層をエピタキシャル成長によって形成し、第2のダイヤモンド半導体層上に溝を形成し、溝内に複数のn型の第3のダイヤモンド半導体層をエピタキシャル成長によって形成し、第1のダイヤモンド半導体層に電気的に接続される第2の電極を形成し、第2のダイヤモンド半導体層表面と複数のn型の第3のダイヤモンド半導体層表面とを酸素終端し、第2のダイヤモンド半導体層上および複数の第3のダイヤモンド半導体層上に、第2のダイヤモンド半導体層および複数の第3のダイヤモンド半導体層との接合がショットキー接合である第1の電極を形成するものである。
図2は、本実施形態の半導体装置100の製造方法を示す模式図である。
まず、図2(a)の模式断面図に示すように、第1のダイヤモンド半導体層12の上に、第2のダイヤモンド半導体層14を、エピタキシャル成長により形成する。ここで、本実施形態の製造方法におけるエピタキシャル成長には、たとえば、マイクロ波プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)を用いることが好ましい。
第1のダイヤモンド半導体層12の主面および第2のダイヤモンド半導体層の表面20は{100}面から±10度以内の面方位を有することが好ましい。また、さらに、本実施形態におけるp型のダイヤモンド半導体層を形成するための原料ガスとしては、たとえば、H(水素)ガスと、CH(メタン)ガスと、p型不純物ガスとしてB(ジボラン)ガスを、用いることが好ましい。
次に、図2(b)の模式断面図に示すように、たとえばフォトリソグラフィー法とRIE(Reactive Ion Etching)法により、第2のダイヤモンド半導体層14上に、複数の溝26を形成する。ここで、第2のダイヤモンド半導体層の底面24は、{100}面から±10度以内の面方位を有することが好ましい。
次に、図2(c)の模式断面図に示すように、たとえばマイクロ波プラズマCVDにより、溝26内に複数のn型の第3のダイヤモンド半導体層16を形成する。ここで、複数のn型の第3のダイヤモンド半導体層の側面22は、{110}面から±10度以内の面方位を有することが好ましい。
本実施形態におけるn型のダイヤモンド半導体層を形成するための原料ガスとしては、たとえば、H(水素)ガスと、CH(メタン)ガスと、n型不純物ガスとしてPH(ホスフィン)ガスとを用いることが好ましい。HガスとCHガスとn型不純物との比を適宜選択することにより、不純物濃度が適切に制御されたn型のダイヤモンド半導体層を形成することが好ましい。特に、CHガスとHガスとの比を制御してαパラメータを調整し、<111>方向にn型のダイヤモンド半導体層16を形成するようにすることが好ましい。
図2(d)は、図2(c)の模式断面図に示した半導体装置を紙面上から見た模式図である。第2のダイヤモンド半導体層の表面20が{100}面の面方位を有する場合には、図2(d)に示した半導体装置の、第2のダイヤモンド半導体層の表面20に垂直な方向、すなわち紙面に垂直な方向は、<100>方向となる。
複数のn型の第3のダイヤモンド半導体層の側面22が{110}面の面方位を有する場合には、図2(d)に示した半導体装置の、複数のn型の第3のダイヤモンド半導体層の側面22に垂直な方向、すなわち紙面右の方向は、[01−1]方向または<110>方向となる。また、紙面上の方向は、[011]方向または<110>方向となる。
次に、図2(e)の模式断面図に示すように、第1のダイヤモンド半導体層12の、第2のダイヤモンド半導体層14が配置された面と反対側の面に、第1のダイヤモンド半導体層12に電気的に接続される第2の電極10を形成する。ここで、第2の電極10の形成は、たとえば、Ti(チタン)/Pt(白金)/Au(金)を電子ビーム蒸着により堆積させた後に、Ar(アルゴン)ガス雰囲気中600℃の温度で、10分間熱処理することによりおこなう。
次に、第2のダイヤモンド半導体層の表面20と、複数の第3のダイヤモンド半導体層の表面28とを、酸素終端する。ここで酸素終端には、たとえば、酸素プラズマアッシングによる処理などの公知の方法を好ましく用いることができる。
次に、第1の電極18を、第2のダイヤモンド半導体層14の上と複数の第3のダイヤモンド半導体16の上に形成する。第2のダイヤモンド半導体層の表面20と複数の第3のダイヤモンド半導体層の表面28が酸素終端されていることにより、第1の電極18との間に良好なショットキー接合が形成される。ここで、第1の電極18の形成には、たとえば、電子ビーム蒸着を用いることが好ましい。
本実施形態の半導体装置100によれば、上記構成を備えることにより、超高耐圧で低オン抵抗の半導体装置100およびその製造方法の提供が可能となる。
(第2の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、複数のn型の第3のダイヤモンド半導体層16の形状が、第1の実施形態の複数のn型の第3のダイヤモンド半導体層16の形状と異なっていること以外は、第1の実施形態と同様である。ここで、第1の実施形態の半導体装置と重複する点については、記載を省略する。
図3は、本実施形態の半導体装置100の模式断面図である。
本実施形態の半導体装置100においては、図3(b)に示されるように、[110]方向における、単位長さあたりのn型の第3のダイヤモンド半導体層16の側面22の数が、第1の実施形態の半導体装置100の側面22の数より多い。これにより、n型の第3のダイヤモンド半導体層16を形成する過程で形成される、{111}面またはこれに近い面方位を有する面の数が増える。したがって、より短時間で複数の第3のダイヤモンド半導体層16を形成することができる。
本実施形態の半導体装置100によれば、上記構成を備えることにより、より短時間で製造できる、超高耐圧で低オン抵抗の半導体装置100およびその製造方法の提供が可能となる。
以下、実施例を説明する。
(実施例1)
第1の実施形態の構造の半導体装置100を製造した。
まず、p型の第1のダイヤモンド半導体層12の上にHガスとCHガスとBガスを供給し、マイクロ波プラズマCVDにより、p型の第2のダイヤモンド半導体層14を形成した。ここで、p型の第1のダイヤモンド半導体層12の主面およびp型の第2のダイヤモンド半導体層の表面20の面方位は、{100}面であった。
次に、フォトリソグラフィー法とRIE法により、第2のダイヤモンド半導体層14の上に、複数の溝26を形成した。ここで、第2のダイヤモンド半導体層の底面24の面方位は、{100}面であった。溝26の側面の面方位は、{110}面であった。また、tn1とtp1はそれぞれ2μmおよび4μmであった。さらに、溝26の深さは0.5μmであった。
次に、CHガスとHガスとPHガスを供給し、溝26内に複数のn型のダイヤモンド半導体層16を形成した。このとき、CHガスとHガスとの比を制御してαパラメータを調整し、<111>方向に複数のn型のダイヤモンド半導体層16を形成するようにした。複数のn型の第3のダイヤモンド半導体層の側面22の面方位は{110}面であった。
SIMS(2次イオン質量分析法)による分析の結果、第1のダイヤモンド半導体層12におけるB濃度は5×1020atoms/cmであった。また、第2のダイヤモンド半導体層14におけるB濃度は1×1015atoms/cmであった。さらに、第3のダイヤモンド半導体層におけるP濃度は5×1017atoms/cmであった。
次に、第1のダイヤモンド半導体層12の、第2のダイヤモンド半導体層14が配置された面と反対側の面に、第1のダイヤモンド半導体層12に電気的に接続される第2の電極10を形成した。ここで、第2の電極10の形成は、Ti(チタン)/Pt(白金)/Au(金)を電子ビーム蒸着により堆積させた後に、Ar(アルゴン)ガス雰囲気中600℃の温度で、10分間熱処理することによりおこなった。
次に、酸素プラズマアッシングにより、第2のダイヤモンド半導体層の表面20と、複数の第3のダイヤモンド半導体層の表面28とを、酸素終端した。
次に、電子ビーム蒸着により、Ptからなる第1の電極18を、第2のダイヤモンド半導体層の表面20と複数の第3のダイヤモンド半導体層の表面28との上に形成した。
製造した半導体装置100のI−V特性を測定したところ、±10Vにおける整流比10桁以上、オン抵抗0.1mΩcm(3V)という結果が得られた。また、逆方向バイアスを10kVまで加えたが、ブレークダウンはおこらなかった。
(実施例2)
第2の実施形態の構造の半導体装置100を製造した。
n1とtp1はそれぞれ2μmおよび4μmであった。また、tn2とtp2はそれぞれ2μmおよび4μmであった。そのほかは、実施例1と同様に製造した。
製造した半導体装置100のI−V特性を測定したところ、±10Vにおける整流比10桁以上、オン抵抗0.1mΩcm(3V)という結果が得られた。また、逆方向バイアスを10kVまで加えたが、ブレークダウンはおこらなかった。
以上述べた少なくとも一つの実施形態の半導体装置によれば、p型の第1のダイヤモンド半導体層と、第1のダイヤモンド半導体層上に配置され、p型不純物濃度が第1のダイヤモンド半導体層のp型不純物濃度より低く、表面が酸素終端されたp型の第2のダイヤモンド半導体層と、第2のダイヤモンド半導体層上に配置され、表面が酸素終端された複数のn型の第3のダイヤモンド半導体層と、第2のダイヤモンド半導体層上および複数の第3のダイヤモンド半導体層上に配置され、第2のダイヤモンド半導体層および複数の第3のダイヤモンド半導体層との接合がショットキー接合である第1の電極と、を備えることにより、超高耐圧で低オン抵抗の半導体装置の提供が可能となる。
本発明のいくつかの実施形態及び実施例を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態及び実施例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態や実施例及びその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
10 第2の電極
12 第1のダイヤモンド半導体層
14 第2のダイヤモンド半導体層
16 第3のダイヤモンド半導体層
18 第1の電極
20 第2のダイヤモンド半導体層の表面
22 第3のダイヤモンド半導体層の側面
24 第2のダイヤモンド半導体層の底面
26 溝
28 第3のダイヤモンド半導体層の表面
100 半導体装置

Claims (7)

  1. p型の第1のダイヤモンド半導体層と、
    前記第1のダイヤモンド半導体層上に配置され、p型不純物濃度が前記第1のダイヤモンド半導体層のp型不純物濃度より低く、表面が酸素終端されたp型の第2のダイヤモンド半導体層と、
    前記第2のダイヤモンド半導体層上に配置され、表面が酸素終端された複数のn型の第3のダイヤモンド半導体層と、
    前記第2のダイヤモンド半導体層上および前記複数の第3のダイヤモンド半導体層上に配置され、前記第2のダイヤモンド半導体層および前記複数の第3のダイヤモンド半導体層との接合がショットキー接合である第1の電極と、
    を備えることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記複数の第3のダイヤモンド半導体層のn型不純物がP(リン)であり、リン濃度が1×1015atoms/cm以上5×1018atoms/cm以下であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記複数の第3のダイヤモンド半導体層が、順方向バイアスの印加で空乏化されることを特徴とする請求項1または請求項2記載の半導体装置。
  4. 前記第2のダイヤモンド半導体層の表面が{100}面から±10度以内の面方位を有し、前記複数の第3のダイヤモンド半導体層の側面が{110}面から±10度以内の面方位を有することを特徴とする請求項1ないし請求項3いずれか一項記載の半導体装置。
  5. 前記第1の電極が、Ni(ニッケル)、Al(アルミニウム)、Ti(チタン)、Mo(モリブデン)、Ru(ルテニウム)、WC(タングステンカーバイド)、Au(金)、Pd(パラジウム)、Ir(イリジウム)、Pt(白金)およびRh(ロジウム)からなる第1の群から選択される少なくとも一種類の金属を備えることを特徴とする請求項1ないし請求項4いずれか一項記載の半導体装置。
  6. 前記第1のダイヤモンド半導体層に電気的に接続される第2の電極をさらに備えることを特徴とする請求項1ないし請求項5いずれか一項記載の半導体装置。
  7. p型の第1のダイヤモンド半導体層上に、p型不純物濃度が前記第1のダイヤモンド半導体層のp型不純物濃度より低いp型の第2のダイヤモンド半導体層をエピタキシャル成長によって形成し、
    前記第2のダイヤモンド半導体層上に溝を形成し、
    前記溝内に複数のn型の第3のダイヤモンド半導体層をエピタキシャル成長によって形成し、
    前記第1のダイヤモンド半導体層に電気的に接続される第2の電極を形成し、
    前記第2のダイヤモンド半導体層表面と前記複数のn型の第3のダイヤモンド半導体層表面とを酸素終端し、
    前記第2のダイヤモンド半導体層上および前記複数の第3のダイヤモンド半導体層上に、前記第2のダイヤモンド半導体層および前記複数の第3のダイヤモンド半導体層との接合がショットキー接合である第1の電極を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
JP2014027936A 2014-02-17 2014-02-17 半導体装置およびその製造方法 Active JP6203074B2 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014027936A JP6203074B2 (ja) 2014-02-17 2014-02-17 半導体装置およびその製造方法
EP15153086.2A EP2908349B1 (en) 2014-02-17 2015-01-29 Semiconductor device and method of manufacturing the same
CN201510071076.8A CN104851920B (zh) 2014-02-17 2015-02-11 半导体装置以及其制造方法
US14/619,565 US9331150B2 (en) 2014-02-17 2015-02-11 Semiconductor device and method of manufacturing the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014027936A JP6203074B2 (ja) 2014-02-17 2014-02-17 半導体装置およびその製造方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2015153958A true JP2015153958A (ja) 2015-08-24
JP6203074B2 JP6203074B2 (ja) 2017-09-27

Family

ID=52396625

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2014027936A Active JP6203074B2 (ja) 2014-02-17 2014-02-17 半導体装置およびその製造方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US9331150B2 (ja)
EP (1) EP2908349B1 (ja)
JP (1) JP6203074B2 (ja)
CN (1) CN104851920B (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109037356A (zh) * 2018-10-15 2018-12-18 无锡新洁能股份有限公司 一种高耐压的碳化硅肖特基二极管及其制造方法

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3004853B1 (fr) * 2013-04-22 2016-10-21 Centre Nat Rech Scient Procede de fabrication d'une diode schottky sur un substrat en diamant
RU174126U1 (ru) * 2016-12-27 2017-10-03 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ) Алмазный диод с барьером шоттки
EP3379580A1 (en) * 2017-03-22 2018-09-26 Evince Technology Ltd Diamond semiconductor device
JP6703683B2 (ja) * 2017-12-20 2020-06-03 国立研究開発法人産業技術総合研究所 単結晶ダイヤモンドおよびそれを用いた半導体素子
US10497817B1 (en) * 2018-07-09 2019-12-03 Wisconsin Alumni Research Foundation P-n diodes and p-n-p heterojunction bipolar transistors with diamond collectors and current tunneling layers
US10685716B1 (en) * 2019-04-11 2020-06-16 Yield Microelectronics Corp. Method of fast erasing low-current EEPROM array
US11380763B2 (en) * 2019-04-29 2022-07-05 Arizona Board Of Regents On Behalf Of Arizona State University Contact structures for n-type diamond
CN110504329A (zh) * 2019-07-24 2019-11-26 中山大学 一种低导通电阻高耐压金刚石功率二极管的制备方法
CN110690106A (zh) * 2019-10-22 2020-01-14 北京大学东莞光电研究院 一种单晶金刚石芯片的制备方法
CN111778549B (zh) * 2020-06-10 2022-02-25 湖南宇星碳素有限公司 一种直拉法制备硅单晶用单晶炉

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001085704A (ja) * 1999-09-14 2001-03-30 Hitachi Ltd SiCショットキーダイオード
JP2002359378A (ja) * 2001-03-28 2002-12-13 Toshiba Corp 半導体装置及びその製造方法
JP2009054640A (ja) * 2007-08-23 2009-03-12 National Institute Of Advanced Industrial & Technology 高出力ダイヤモンド半導体素子

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SE0101848D0 (sv) 2001-05-25 2001-05-25 Abb Research Ltd A method concerning a junction barrier Schottky diode, such a diode and use thereof
US6524900B2 (en) 2001-07-25 2003-02-25 Abb Research, Ltd Method concerning a junction barrier Schottky diode, such a diode and use thereof
US7728403B2 (en) * 2006-05-31 2010-06-01 Cree Sweden Ab Semiconductor device
WO2008136259A1 (ja) * 2007-04-27 2008-11-13 National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology ダイヤモンド半導体素子におけるショットキー電極及びその製造方法
JP2009044570A (ja) 2007-08-10 2009-02-26 Alpine Electronics Inc 車両死角補助システム
JP5099486B2 (ja) * 2007-08-23 2012-12-19 独立行政法人産業技術総合研究所 高出力ダイヤモンド半導体素子
US20090050899A1 (en) * 2007-08-23 2009-02-26 National Institute of Advanced Industrial Scinece and Technology High-output diamond semiconductor element
US20090224354A1 (en) * 2008-03-05 2009-09-10 Cree, Inc. Junction barrier schottky diode with submicron channels
US7851881B1 (en) * 2008-03-21 2010-12-14 Microsemi Corporation Schottky barrier diode (SBD) and its off-shoot merged PN/Schottky diode or junction barrier Schottky (JBS) diode
JP5565895B2 (ja) 2008-03-26 2014-08-06 日産自動車株式会社 半導体装置
US8778788B2 (en) * 2011-10-11 2014-07-15 Avogy, Inc. Method of fabricating a gallium nitride merged P-i-N Schottky (MPS) diode
JP6090763B2 (ja) 2011-10-17 2017-03-08 ローム株式会社 半導体装置
JP6139340B2 (ja) 2013-09-03 2017-05-31 株式会社東芝 半導体装置およびその製造方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001085704A (ja) * 1999-09-14 2001-03-30 Hitachi Ltd SiCショットキーダイオード
JP2002359378A (ja) * 2001-03-28 2002-12-13 Toshiba Corp 半導体装置及びその製造方法
JP2009054640A (ja) * 2007-08-23 2009-03-12 National Institute Of Advanced Industrial & Technology 高出力ダイヤモンド半導体素子

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109037356A (zh) * 2018-10-15 2018-12-18 无锡新洁能股份有限公司 一种高耐压的碳化硅肖特基二极管及其制造方法
CN109037356B (zh) * 2018-10-15 2024-05-10 无锡新洁能股份有限公司 一种高耐压的碳化硅肖特基二极管及其制造方法

Also Published As

Publication number Publication date
US9331150B2 (en) 2016-05-03
CN104851920A (zh) 2015-08-19
CN104851920B (zh) 2018-02-23
EP2908349A1 (en) 2015-08-19
US20150236097A1 (en) 2015-08-20
EP2908349B1 (en) 2017-05-31
JP6203074B2 (ja) 2017-09-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6203074B2 (ja) 半導体装置およびその製造方法
US11222985B2 (en) Power semiconductor device
US9136400B2 (en) Semiconductor device
JP6855700B2 (ja) 半導体装置およびその製造方法
JP6104575B2 (ja) 半導体装置
US9564491B2 (en) Semiconductor device
US10079282B2 (en) Semiconductor device and method of manufacturing the same
JP6018501B2 (ja) 半導体装置及びその製造方法
US20180158914A1 (en) Semiconductor device and method of manufacturing a semiconductor device
US20190363161A1 (en) Semiconductor device and method of manufacturing the same
JP4835157B2 (ja) ダイヤモンドn型半導体、その製造方法、半導体素子、及び電子放出素子
EP3159932B1 (en) Diamond semiconductor device, and method for producing same
JP6584976B2 (ja) 半導体装置およびその製造方法
US20200144055A1 (en) Semiconductor device
US10181515B2 (en) Semiconductor device
JP6646171B2 (ja) 半導体装置
US10170561B1 (en) Diamond semiconductor device
JP2016072353A (ja) Iii族窒化物半導体デバイスおよびその製造方法
JP2012019183A (ja) 窒化物系半導体素子及びその製造方法
JP2010199341A (ja) 半導体装置とその製造方法
US20200091296A1 (en) Semiconductor device

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20160325

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20170117

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20170404

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20170630

A911 Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911

Effective date: 20170710

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20170801

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20170829

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 6203074

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151