JP2017059741A - Semiconductor device, method of manufacturing the same, and power conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置およびその製造方法ならびに電力変換装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, a manufacturing method thereof, and a power conversion device.
半導体装置(半導体デバイス、半導体素子)の1つとして、ショットキーバリアダイオード(Schottky Barrier Diode:SBD)が知られている。ショットキーバリアダイオードでは、逆方向電圧が印加された場合、ショットキー接合界面の端部に電界が集中することによって逆方向リーク電流が増大する。 As one of semiconductor devices (semiconductor devices, semiconductor elements), a Schottky Barrier Diode (SBD) is known. In a Schottky barrier diode, when a reverse voltage is applied, the reverse leakage current increases due to the concentration of the electric field at the end of the Schottky junction interface.
特許文献1には、ショットキー接合界面の端部における電界集中を抑制するために、炭化ケイ素(SiC)系のショットキーバリアダイオードにおいて、ショットキー接合界面の端部に隣接する半導体層に、他の領域とは異なる導電特性を有する領域を、イオン注入によって形成することが開示されている。
In
特許文献2,3には、ショットキー接合界面の端部における電界集中を抑制するために、窒化ガリウム(GaN)系のショットキーバリアダイオードにおいて、ショットキー接合界面の端部に隣接する半導体層に、他の領域よりも電気抵抗が比較的に高い高抵抗領域をイオン注入によって形成することが開示されている。
In
特許文献1の技術では、窒化ガリウム(GaN)系のn型半導体層にはイオン注入によってp型半導体領域を形成することが困難であるため、窒化ガリウム(GaN)系のショットキーバリアダイオードに適用できない。また、本発明者によれば、特許文献2,3の技術では、逆方向リーク電流が抑制されるどころか、逆に逆方向リーク電流が増大することが分かった。その原因は、ショットキー接合界面に隣接する高抵抗領域を介して逆方向リーク電流が流れやすくなるためであると考えられる。
In the technique of
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決し、以下の形態として実現できる。 The present invention solves at least a part of the problems described above and can be realized as the following forms.
(1)本発明の一形態は、半導体装置を提供する。この半導体装置は、半導体層と;前記半導体層の上に形成され、開口部を有する絶縁膜と;前記開口部の内側から前記絶縁膜の上にわたって形成され、前記開口部の内側を通じて前記半導体層とショットキー接合界面を形成する電極とを備え、前記半導体層は、前記電極と前記ショットキー接合界面を形成する第1の領域と;前記ショットキー接合界面より外側に形成され、前記電極との間に前記絶縁膜を挟み、前記第1の領域より高い電気抵抗を有する第2の領域とを含む。この形態によれば、第2の領域を介した逆方向リーク電流を防止するとともに、第2の領域によってショットキー接合界面の端部における電界集中を抑制できる。その結果、逆方向リーク電流を効果的に抑制できる。 (1) One embodiment of the present invention provides a semiconductor device. The semiconductor device includes: a semiconductor layer; an insulating film formed on the semiconductor layer and having an opening; and formed from the inside of the opening to the insulating film, and through the inside of the opening And an electrode that forms a Schottky junction interface, and the semiconductor layer is formed on the electrode and a first region that forms the Schottky junction interface; And a second region having an electric resistance higher than that of the first region with the insulating film interposed therebetween. According to this embodiment, reverse leakage current through the second region can be prevented, and electric field concentration at the end of the Schottky junction interface can be suppressed by the second region. As a result, the reverse leakage current can be effectively suppressed.
(2)上述の半導体装置において、前記第2の領域は、前記半導体層が広がる面方向において、前記ショットキー接合界面の端部と前記電極の端部との中間点より、前記ショットキー接合界面側に存在してもよい。この形態によれば、ショットキー接合界面の端部における電界集中を効果的に抑制できる。 (2) In the above-described semiconductor device, the second region has an interface between the end portion of the Schottky junction interface and the end portion of the electrode in the plane direction in which the semiconductor layer extends. May be present on the side. According to this embodiment, electric field concentration at the end of the Schottky junction interface can be effectively suppressed.
(3)上述の半導体装置において、前記第2の領域は、前記半導体層が広がる面方向において、前記ショットキー接合界面の端部から0.5μm以上離れていてもよい。この形態によれば、第2の領域を介した逆方向リーク電流を十分に防止できる。 (3) In the semiconductor device described above, the second region may be separated from the end portion of the Schottky junction interface by 0.5 μm or more in a plane direction in which the semiconductor layer extends. According to this form, the reverse leakage current through the second region can be sufficiently prevented.
(4)上述の半導体装置において、前記第2の領域は、前記半導体層が広がる面方向において、前記ショットキー接合界面の端部から5.0μm以内に存在してもよい。この形態によれば、ショットキー接合界面の端部における電界集中を効果的に抑制できる。 (4) In the semiconductor device described above, the second region may exist within 5.0 μm from an end of the Schottky junction interface in a plane direction in which the semiconductor layer extends. According to this embodiment, electric field concentration at the end of the Schottky junction interface can be effectively suppressed.
(5)上述の半導体装置において、前記第2の領域は、前記半導体層が広がる面方向において、前記ショットキー接合界面の端部から1.0μm以内に存在してもよい。この形態によれば、ショットキー接合界面の端部における電界集中をいっそう抑制できる。 (5) In the semiconductor device described above, the second region may exist within 1.0 μm from an end of the Schottky junction interface in a plane direction in which the semiconductor layer extends. According to this embodiment, electric field concentration at the end of the Schottky junction interface can be further suppressed.
(6)上述の半導体装置において、前記半導体層は、上面と側面とを有する台地状を成すメサ構造を有し、前記ショットキー接合界面は、前記上面に形成され、前記第2の領域は、少なくとも前記側面に形成されてもよい。この形態によれば、メサ構造によってショットキー接合界面の端部における電界集中をいっそう抑制できる。 (6) In the above semiconductor device, the semiconductor layer has a plateau-like mesa structure having an upper surface and side surfaces, the Schottky junction interface is formed on the upper surface, and the second region is It may be formed on at least the side surface. According to this embodiment, the electric field concentration at the end of the Schottky junction interface can be further suppressed by the mesa structure.
(7)上述の半導体装置において、前記半導体層は、窒化ガリウム(GaN)から主に成ってもよい。この形態によれば、窒化ガリウム(GaN)系の半導体装置において、逆方向リーク電流を効果的に抑制できる。 (7) In the semiconductor device described above, the semiconductor layer may be mainly made of gallium nitride (GaN). According to this embodiment, reverse leakage current can be effectively suppressed in a gallium nitride (GaN) based semiconductor device.
(8)上述の半導体装置において、前記第2の領域は、ホウ素(B)、ネオン(Ne)、アルゴン(Ar)、亜鉛(Zn)、炭素(C)、鉄(Fe)、窒素(N)、フッ素(F)およびマグネシウム(Mg)のうち少なくとも1つを、1×1015cm-3以上1×1022cm-3以下の範囲で含有してもよい。この形態によれば、第2の領域を容易に実現できる。
(8) In the above semiconductor device, the second region includes boron (B), neon (Ne), argon (Ar), zinc (Zn), carbon (C), iron (Fe), and nitrogen (N). In addition, at least one of fluorine (F) and magnesium (Mg) may be contained in the range of 1 × 10 15
(9)上述の半導体装置において、前記電極は、ニッケル(Ni)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、イリジウム(Ir)のうち少なくとも1つから主になる金属層を含んでもよい。この形態によれば、ショットキー接合界面を形成する電極を容易に実現できる。 (9) In the semiconductor device described above, the electrode may include a metal layer mainly composed of at least one of nickel (Ni), palladium (Pd), platinum (Pt), and iridium (Ir). According to this embodiment, an electrode that forms a Schottky junction interface can be easily realized.
本発明の一形態は、半導体装置の製造方法を提供する。この製造方法は、マスクが形成された半導体層における前記マスクの周囲をエッチングすることによって、前記マスクが形成された部位を上面とするメサ構造を形成するエッチング工程と;前記エッチング工程を終えた後、前記上面にマスクが形成された前記メサ構造を有する半導体層における前記マスクの周囲に、前記半導体層の電気抵抗を高くする原子をイオン注入するイオン注入工程と;前記イオン注入を終えた後、前記マスクを除去する除去工程と;前記除去工程を終えた後、開口部を有する絶縁膜を前記上面から前記メサ構造の周囲にわたって形成するとともに、前記開口部の内側を通じて前記上面とショットキー接合する電極を、前記開口部の内側から、前記メサ構造の周囲に広がる前記絶縁膜の上にわたって形成する工程とを備える。この形態によれば、エッチング工程に使用したマスクを利用した自己整合によって、イオン注入工程に使用するマスクを別途作製する必要がないため、製造コストを抑制できる。 One embodiment of the present invention provides a method for manufacturing a semiconductor device. The manufacturing method includes: an etching step of forming a mesa structure with a portion where the mask is formed as an upper surface by etching the periphery of the mask in a semiconductor layer where the mask is formed; and after the etching step is finished An ion implantation step of ion-implanting atoms to increase the electrical resistance of the semiconductor layer around the mask in the semiconductor layer having the mesa structure with the mask formed on the upper surface; A removal step of removing the mask; and after finishing the removal step, an insulating film having an opening is formed from the upper surface to the periphery of the mesa structure, and Schottky junction is formed with the upper surface through the inside of the opening. Forming an electrode over the insulating film extending from the inside of the opening to the periphery of the mesa structure; Obtain. According to this embodiment, since it is not necessary to separately prepare a mask used for the ion implantation process by self-alignment using the mask used for the etching process, manufacturing cost can be suppressed.
本発明は、半導体装置およびその製造方法以外の種々の形態で実現でき、例えば、上記形態の半導体装置を備える電力変換装置、ならびに、上記形態の製造方法を実施する製造装置などの形態で実現できる。 The present invention can be realized in various forms other than the semiconductor device and the manufacturing method thereof. For example, the present invention can be realized in the form of a power conversion device including the semiconductor device of the above form and a manufacturing apparatus that performs the manufacturing method of the above form. .
本願発明によれば、第2の領域を介した逆方向リーク電流を防止するとともに、第2の領域によってショットキー接合界面の端部における電界集中を抑制できる。その結果、逆方向リーク電流を効果的に抑制できる。 According to the present invention, reverse leakage current through the second region can be prevented, and electric field concentration at the end of the Schottky junction interface can be suppressed by the second region. As a result, the reverse leakage current can be effectively suppressed.
A.第1実施形態
図1は、半導体装置100の構成を模式的に示す断面図である。図1には、相互に直交するXYZ軸が図示されている。図1のXYZ軸のうち、X軸は、図1の紙面左から紙面右に向かう軸である。+X軸方向は、紙面右に向かう方向であり、−X軸方向は、紙面左に向かう方向である。図1のXYZ軸のうち、Y軸は、図1の紙面手前から紙面奥に向かう軸である。+Y軸方向は、紙面奥に向かう方向であり、−Y軸方向は、紙面手前に向かう方向である。図1のXYZ軸のうち、Z軸は、図1の紙面下から紙面上に向かう軸である。+Z軸方向は、紙面上に向かう方向であり、−Z軸方向は、紙面下に向かう方向である。図1のXYZ軸は、他の図のXYZ軸に対応する。
A. First Embodiment FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a
半導体装置100は、窒化ガリウム(GaN)を用いて形成されたGaN系の半導体装置である。本実施形態では、半導体装置100は、縦型ショットキーバリアダイオードである。本実施形態では、半導体装置100は、電力制御に用いられ、パワーデバイスとも呼ばれる。半導体装置100は、基板110と、半導体層120と、絶縁膜130と、アノード電極140と、カソード電極150とを備える。
The
半導体装置100の基板110は、X軸およびY軸に沿って広がる板状を成す半導体である。基板110の厚さ(Z軸方向の長さ)は、100μm以上500μm以下が好ましく、本実施形態では、約300μmである。
The
本実施形態では、基板110は、窒化ガリウム(GaN)から主に成る。本明細書の説明において、「窒化ガリウム(GaN)から主に成る」とは、モル分率において窒化ガリウム(GaN)を90%以上含有することを意味する。本実施形態では、基板110は、n型の特性を有するn型半導体である。本実施形態では、基板110は、ケイ素(Si)をドナー元素として含有する。本実施形態では、基板110に含まれるケイ素(Si)濃度の平均値は、約1×1018cm-3である。
In the present embodiment, the
半導体装置100の半導体層120は、基板110の上に形成されている。本実施形態では、本実施形態では、半導体層120は、基板110の+Z軸方向側に形成されている。半導体層120は、エピタキシャル成長(結晶成長)によって形成された半導体層である。本実施形態では、半導体層120は、X軸およびY軸に沿って広がる。半導体層120の厚さ(Z軸方向の長さ)は、5μm以上30μm以下が好ましく、本実施形態では、約10μmである。
The
本実施形態では、半導体層120は、窒化ガリウム(GaN)から主に成る。本実施形態では、半導体層120は、n型の特性を有するn型半導体である。本実施形態では、半導体層120は、ケイ素(Si)をドナー元素として含有する。本実施形態では、半導体層120に含まれるケイ素(Si)濃度の平均値は、約1×1016cm-3である。半導体層120は、低抵抗領域120aと、高抵抗領域120bとを含む。
In the present embodiment, the
半導体層120の低抵抗領域120aは、アノード電極140とショットキー接合界面SBを形成する第1の領域である。ショットキー接合界面SBは、低抵抗領域120aとアノード電極140とが接触することによってショットキー接合する界面である。低抵抗領域120aは、高抵抗領域120bより低い電気抵抗を有する。本実施形態では、低抵抗領域120aは、半導体層120における+Z軸方向側の表面の一部を構成するとともに、半導体層120における−Z軸方向側の表面の全域を構成する。低抵抗領域120aは、半導体層120のうちイオン注入の影響を受けていない領域である。
The
半導体層120の高抵抗領域120bは、低抵抗領域120aより高い電気抵抗を有する第2の領域である。高抵抗領域120bは、ショットキー接合界面SBより外側に形成されている。高抵抗領域120bは、アノード電極140との間に絶縁膜130を挟む。本実施形態では、高抵抗領域120bは、半導体層120における+Z軸方向側の表面の一部を構成する。
The
高抵抗領域120bは、半導体層120のうち、半導体層120の電気抵抗を高くする原子がイオン注入された領域である。高抵抗領域120bは、半導体層120の電気抵抗を高くする原子として、ホウ素(B)、ネオン(Ne)、アルゴン(Ar)、亜鉛(Zn)、炭素(C)、鉄(Fe)、窒素(N)、フッ素(F)およびマグネシウム(Mg)のうち少なくとも1つを、1×1015cm-3以上1×1022cm-3以下の範囲で含有することが好ましい。本実施形態では、高抵抗領域120bは、半導体層120の電気抵抗を高くする原子として、1×1015cm-3以上1×1022cm-3以下の範囲でホウ素(B)を含有する。
The
逆方向リーク電流を抑制する観点から、高抵抗領域120bは、半導体層120が広がる面方向(X軸方向およびY軸方向)において、ショットキー接合界面SBの端部Eiとアノード電極140の端部Eeとの中間点Pcより、ショットキー接合界面SB側に存在することが好ましい。
From the viewpoint of suppressing the reverse leakage current, the
逆方向リーク電流を抑制する観点から、高抵抗領域120bは、半導体層120が広がる面方向(X軸方向およびY軸方向)において、ショットキー接合界面SBの端部Eiから0.5μm以上離れていることが好ましい。また、逆方向リーク電流を抑制する観点から、高抵抗領域120bは、半導体層120が広がる面方向(X軸方向およびY軸方向)において、5.0μm以内に存在することが好ましく、1.0μm以内に存在することがいっそう好ましい。つまり、ショットキー接合界面SBの端部Eiと高抵抗領域120bとの間の距離Dsは、0.5μm以上5.0μm以下であることが好ましく、0.5μm以上1.0μm以下であることがいっそう好ましい。
From the viewpoint of suppressing reverse leakage current, the
半導体装置100の絶縁膜130は、半導体層120の上に形成された絶縁体である。本実施形態では、絶縁膜130は、半導体層120の+Z軸方向側に形成されている。絶縁膜130は、開口部138を有する。本実施形態では、開口部138の内側にショットキー接合界面SBが形成される。本実施形態では、絶縁膜130は、酸化アルミニウム(Al2O3)から主に成る絶縁層(厚さ:約100nm)の上に、酸化ケイ素(SiO2)から主に成る絶縁層(厚さ:約500nm)を積層した多層膜である。
The insulating
半導体装置100のアノード電極140は、開口部138の内側を通じて半導体層120とショットキー接合界面SBを形成するショットキー電極である。本実施形態では、アノード電極140の厚さ(Z軸方向の長さ)は、約100nmである。アノード電極140は、ニッケル(Ni)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、イリジウム(Ir)などの少なくとも1つから主に成る1層以上の金属層によって構成される。本実施形態では、カソード電極150は、ニッケル(Ni)から主に成る1層の金属層によって構成される。
The
アノード電極140は、絶縁膜130における開口部138の内側から絶縁膜130の上にわたって形成されている。これによって、アノード電極140は、半導体層120との間に絶縁膜130を挟むフィールドプレート構造を形成する。ショットキー接合界面SBの端部Eiにおける電界集中を抑制する観点から、アノード電極140におけるフィールドプレート構造の長さLfは、1.0μm以上が好ましく、5.0μm以上がさらに好ましく、10μm以上がいっそう好ましい。半導体装置100の集積度を向上させる観点から、長さLfは、1mm以下であることが好ましい。
The
半導体装置100のカソード電極150は、基板110において半導体層120が形成されている側とは反対側に形成された裏面電極である。本実施形態では、カソード電極150は、基板110の−Z軸方向側に形成されている。カソード電極150は、基板110に対してオーミック接触する。本実施形態では、カソード電極150の厚さ(Z軸方向の長さ)は、約2μmである。カソード電極150は、アルミニウム−ケイ素(AlSi)、チタン(Ti)、銅(Cu)および金(Au)などの少なくとも1つから主に成る1層以上の金属層によって構成される。本実施形態ではカソード電極150は、チタン(Ti)から主に成る金属層に、アルミニウム−ケイ素(AlSi)から主に成る金属層を積層した多層構造を有する。
The
図2は、半導体装置100の製造方法を示す工程図である。まず、半導体装置100の製造者は、半導体層120を形成する(工程P110)。本実施形態では、製造者は、有機金属気相成長法(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)を用いたエピタキシャル成長によって、基板110の上に半導体層120を形成する。本実施形態では、製造者は、窒化ガリウム(GaN)から主に成る半導体層120を形成する。
FIG. 2 is a process diagram showing a method for manufacturing the
半導体層120を形成した後(工程P110)、製造者は、イオン注入工程を実施する(工程P120)。イオン注入工程(工程P120)において、製造者は、半導体層120の表面のうち低抵抗領域120aとして残す部分に、イオン注入用マスクを形成する。イオン注入用マスクは、本実施形態では、フォトレジストであり、他の実施形態では、絶縁膜であってもよいし、金属膜であってもよい。
After forming the semiconductor layer 120 (process P110), the manufacturer performs an ion implantation process (process P120). In the ion implantation process (process P120), the manufacturer forms an ion implantation mask on a portion of the surface of the
イオン注入用マスクを形成した後、製造者は、半導体層120におけるイオン注入用マスクの周囲に、半導体層120の電気抵抗を高くする原子をイオン注入する。これによって、半導体層120のうちイオン注入の影響を受けた部分が高抵抗領域120bとなる。イオン注入を終えた後、製造者は、イオン注入用マスクを除去する。
After forming the ion implantation mask, the manufacturer ion-implants atoms that increase the electrical resistance of the
イオン注入工程(工程P120)におけるイオン注入種は、ホウ素(B)、ネオン(Ne)、アルゴン(Ar)、亜鉛(Zn)、炭素(C)、鉄(Fe)、窒素(N)、フッ素(F)およびマグネシウム(Mg)のうち少なくとも1つが好ましく、本実施形態では、ホウ素(B)である。高抵抗領域120bに含まれるイオン注入種が1×1015cm-3以上1×1022cm-3以上となるように、イオン注入工程(工程P120)におけるイオン注入量は、1×1013cm-2以上1×1016cm-2以下の範囲であることが好ましい。イオン注入時のチャネリング効果を防止する観点から、イオン注入工程(工程P120)におけるイオン注入角度は、Z軸方向に対して5度以上10度以下であることが好ましい。
The ion implantation species in the ion implantation process (process P120) are boron (B), neon (Ne), argon (Ar), zinc (Zn), carbon (C), iron (Fe), nitrogen (N), fluorine ( At least one of F) and magnesium (Mg) is preferable, and in this embodiment, boron (B). The ion implantation amount in the ion implantation step (process P120) is 1 × 10 13 cm so that the ion implantation species included in the
イオン注入によって高くなった高抵抗領域120bの電気抵抗を維持するため、イオン注入工程(工程P120)において高抵抗領域120bを形成した後、製造者は、高抵抗領域120bに注入したイオンが活性化するような過剰な熱処理を実施しない。
In order to maintain the electrical resistance of the
イオン注入工程(工程P120)を行った後、製造者は、絶縁膜130を形成する(工程P130)。本実施形態では、製造者は、原子層体積法(ALD:Atomic Layer Deposition)を用いて、酸化アルミニウム(Al2O3)から主に成る絶縁層を形成した後、プラズマ化学気相成長法(プラズマCVD:Plasma Chemical Vapor Deposition)を用いて、酸化ケイ素(SiO2)から主に成る絶縁層を積層することによって、絶縁膜130を形成する。本実施形態では、製造者は、ドライエッチングによって絶縁膜130に開口部138を形成する。
After performing the ion implantation process (process P120), the manufacturer forms the insulating film 130 (process P130). In this embodiment, the manufacturer forms an insulating layer mainly made of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) using an atomic layer deposition (ALD) method, and then uses plasma chemical vapor deposition ( The insulating
絶縁膜130を形成した後(工程P130)、製造者は、アノード電極140およびカソード電極150を形成する(工程P140)。本実施形態では、電子ビーム蒸着法を用いて、ニッケル(Ni)から主に成る金属層として、アノード電極140を形成する。本実施形態では、製造者は、電子ビーム蒸着法を用いて、チタン(Ti)から主に成る金属層を形成した後、アルミニウム−ケイ素(AlSi)から主に成る金属層を積層することによって、カソード電極150を形成する。これらの工程を経て、半導体装置100が完成する。
After forming the insulating film 130 (process P130), the manufacturer forms the
図3は、距離Dsと逆方向リーク電流との関係を評価した結果を示すグラフである。図3の評価試験において、試験者は、距離Dsが異なる半導体装置を試料として用意した。各試料の構造は、距離Dsがそれぞれ異なる点を除き、上述した半導体装置100と同様である。試験者は、各試料に対して200Vの逆方向電圧を印加し、その際に流れる逆方向リーク電流を測定した。
FIG. 3 is a graph showing the results of evaluating the relationship between the distance Ds and the reverse leakage current. In the evaluation test of FIG. 3, the tester prepared semiconductor devices having different distances Ds as samples. The structure of each sample is the same as that of the
各試料の距離Dsは、−3.0μm、0.0μm、0.5μm、1.0μm、5.0μm、10.0μmおよび15.0μmである。距離Dsが0.0μmとなる試料では、高抵抗領域120bは、ショットキー接合界面SBの端部Eiから外側に存在する。マイナスの値となる距離Dsは、高抵抗領域120bがショットキー接合界面SBの端部Eiより内側に入り込んだ長さを示す。各試料におけるフィールドプレート構造の長さLfは、それぞれ10.0μmである。
The distance Ds of each sample is −3.0 μm, 0.0 μm, 0.5 μm, 1.0 μm, 5.0 μm, 10.0 μm and 15.0 μm. In the sample having the distance Ds of 0.0 μm, the
図3の横軸は、ショットキー接合界面SBの端部Eiと高抵抗領域120bとの間の距離Dsを示す。図3の縦軸は、距離Dsが15μmである試料の逆方向リーク電流に対する各試料の逆方向リーク電流の比である逆方向リーク電流比を示す。図3の縦軸は、対数軸である。
The horizontal axis in FIG. 3 indicates the distance Ds between the end Ei of the Schottky junction interface SB and the
図3の評価結果によれば、逆方向リーク電流を抑制する観点から、距離Dsは0.0μmより大きいことが好ましい。言い換えると、高抵抗領域120bは、ショットキー接合界面SBより外側に位置することが好ましい。逆方向リーク電流をいっそう抑制する観点から、距離Dsは、0.5μm以上5.0μm以下であることが好ましく、0.5μm以上1.0μm以下であることがさらに好ましい。また、距離Dsと長さLfとの関係では、距離Dsは、長さLfの半分(5.0μm)より短いことが好ましい。言い換えると、高抵抗領域120bは、中間点Pcよりショットキー接合界面SB側に存在することが好ましい。
According to the evaluation results of FIG. 3, the distance Ds is preferably larger than 0.0 μm from the viewpoint of suppressing the reverse leakage current. In other words, the
以上説明した第1実施形態では、高抵抗領域120bは、ショットキー接合界面SBより外側に形成されているとともに、アノード電極140との間に絶縁膜130を挟む。そのため、高抵抗領域120bを介した逆方向リーク電流を防止するとともに、高抵抗領域120bによってショットキー接合界面SBの端部Eiにおける電界集中を抑制できる。その結果、逆方向リーク電流を効果的に抑制できる。
In the first embodiment described above, the
また、高抵抗領域120bは、面方向(X軸方向およびY軸方向)において、ショットキー接合界面SBの端部Eiとアノード電極140の端部Eeとの中間点Pcより、ショットキー接合界面SB側に存在するため、ショットキー接合界面SBの端部Eiにおける電界集中を効果的に抑制できる。
Further, the
また、高抵抗領域120bは、面方向(X軸方向およびY軸方向)において、ショットキー接合界面SBの端部Eiから0.5μm以上離れているため、高抵抗領域120bを介した逆方向リーク電流を十分に防止できる。
Further, since the
また、高抵抗領域120bは、面方向(X軸方向およびY軸方向)において、ショットキー接合界面SBの端部Eiから1.0μm以内に存在するため、ショットキー接合界面SBの端部Eiにおける電界集中をいっそう抑制できる。
Further, since the
B.第2実施形態
図4は、第2実施形態における半導体装置200の構成を模式的に示す断面図である。図4には、図1と同様に、XYZ軸が図示されている。
B. Second Embodiment FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a
半導体装置200は、窒化ガリウム(GaN)を用いて形成されたGaN系の半導体装置である。本実施形態では、半導体装置200は、縦型ショットキーバリアダイオードである。本実施形態では、半導体装置200は、電力制御に用いられ、パワーデバイスとも呼ばれる。
The
半導体装置200は、基板210と、半導体層220と、絶縁膜230と、アノード電極240と、カソード電極250とを備える。半導体装置200の基板210は、第1実施形態の基板110と同様である。半導体装置200のカソード電極250は、第1実施形態のカソード電極150と同様である。
The
半導体装置200の半導体層220は、メサ構造220mを有する点を除き、第1実施形態の半導体層120と同様である。メサ構造220mは、上面221と側面222とを有する台地状を成す。メサ構造220mの周囲には周囲面223が広がる。本実施形態では、メサ構造220mは、半導体層220に対する−Z軸方向のドライエッチングによって形成された構造である。本実施形態では、半導体層220の厚さ(Z軸方向の長さ)は、メサ構造220mの部分において約10μmである。
The
ショットキー接合界面SBの端部Eiにおける電界集中を抑制する観点から、メサ構造220mの高さHmは、絶縁膜230の厚さより厚いことが好ましい。加工性を確保する観点から、メサ構造220mの高さHmは、5.0μm以下であることが好ましい。ショットキー接合界面SBの端部Eiにおける電界集中を抑制する観点から、周囲面223に対する側面222の角度Amは、10°以上90°以下であることが好ましい。
From the viewpoint of suppressing electric field concentration at the end Ei of the Schottky junction interface SB, the height Hm of the
半導体層220は、低抵抗領域220aと、高抵抗領域220bとを含む。低抵抗領域220aは、メサ構造220mの上面221においてアノード電極240とショットキー接合界面SBを形成する点を除き、第1実施形態の低抵抗領域120aと同様である。高抵抗領域220bは、少なくともメサ構造220mの側面222に形成されている点を除き、第1実施形態の高抵抗領域120bと同様である。本実施形態では、高抵抗領域220bは、側面222の全域から周囲面223にわたって形成されている。
The
半導体装置200の絶縁膜230は、上面221から側面222を通じて周囲面223にわたって形成されている点、並びに、上面221に開口部238を有する点を除き、第1実施形態の絶縁膜130と同様である。
The insulating
半導体装置200のアノード電極240は、開口部238の内側から、周囲面223に広がる絶縁膜230の上にわたって形成されている点、並びに、開口部238の内側を通じて上面221にショットキー接合界面SBを形成する点を除き、第1実施形態のアノード電極140と同様である。
The
図5は、第2実施形態における半導体装置200の製造方法を示す工程図である。図6および図7は、半導体装置200を製造する様子を示す説明図である。まず、半導体装置200の製造者は、第1実施形態の半導体層120と同様に、半導体層220を形成する(工程P210)。
FIG. 5 is a process diagram illustrating a method for manufacturing the
半導体層220を形成した後(工程P210)、製造者は、エッチング工程を実施する(工程P215、図6)。エッチング工程(工程P215)において、製造者は、半導体層220にマスク810を形成した後、半導体層220におけるマスク810の周囲をエッチングすることによって、マスク810が形成された部位を上面221とするメサ構造220mを形成する。これによって、製造者は、製造途中にある半導体装置200として、半導体層220にメサ構造220mが形成された半導体装置200aを得る。本実施形態では、製造者は、ドライエッチングによってメサ構造220mを形成する。
After forming the semiconductor layer 220 (process P210), the manufacturer performs an etching process (process P215, FIG. 6). In the etching process (process P215), the manufacturer forms a
エッチング工程(工程P215)を終えた後、製造者は、イオン注入工程を実施する(工程P220、図7)。イオン注入工程(工程P220)において、製造者は、マスク810が残された半導体装置200aの半導体層220におけるマスク810の周囲に、半導体層220の電気抵抗を高くする原子をイオン注入する。これによって、製造者は、側面222から周囲面223にわたって高抵抗領域220bが形成された半導体装置200bを得る。第2実施形態のイオン注入工程(工程P220)は、エッチング工程(工程P215)で使用したマスク810を利用する点を除き、第1実施形態のイオン注入工程(工程P120)と同様である。
After finishing the etching process (process P215), the manufacturer performs an ion implantation process (process P220, FIG. 7). In the ion implantation process (process P220), the manufacturer ion-implants atoms that increase the electrical resistance of the
イオン注入工程(工程P220)を終えた後、製造者は、除去工程を実施する(工程P225)。除去工程(工程P225)において、製造者は、半導体装置200bの上面221からマスク810を除去する。
After finishing the ion implantation process (process P220), the manufacturer performs a removal process (process P225). In the removal process (process P225), the manufacturer removes the
除去工程(工程P225)を終えた後、製造者は、第1実施形態の絶縁膜130と同様に、絶縁膜230を形成する(工程P230)。その後、製造者は、第1実施形態と同様に、アノード電極240およびカソード電極250を形成する(工程P240)。これらの工程を経て、半導体装置200が完成する。
After finishing the removal process (process P225), the manufacturer forms the insulating
以上説明した第2実施形態によれば、第1実施形態と同様に、高抵抗領域220bを介した逆方向リーク電流を防止するとともに、高抵抗領域220bによってショットキー接合界面SBの端部Eiにおける電界集中を抑制できる。その結果、逆方向リーク電流を効果的に抑制できる。
According to the second embodiment described above, similarly to the first embodiment, reverse leakage current through the
また、ショットキー接合界面SBがメサ構造220mの上面221に形成され、高抵抗領域220bが側面222から周囲面223にわたって形成されている。そのため、メサ構造220mによってショットキー接合界面SBの端部Eiにおける電界集中をいっそう抑制できる。
Further, the Schottky junction interface SB is formed on the
また、エッチング工程(工程P215)に使用したマスク810を利用した自己整合によって、イオン注入工程(工程P220)に使用するマスクを別途作製する必要がないため、製造コストを抑制できる。
Further, since the mask used for the ion implantation process (process P220) does not need to be separately manufactured by self-alignment using the
C.第3実施形態
図8は、第3実施形態における半導体装置300の構成を模式的に示す断面図である。図8には、図1と同様に、XYZ軸が図示されている。
C. Third Embodiment FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a
半導体装置300は、絶縁膜230に代えて絶縁膜330を備える点、並びに、アノード電極240に代えてカソード電極340を備える点を除き、第2実施形態の半導体装置200と同様である。半導体装置300のカソード電極340は、ショットキー電極341と、配線電極342とを含む。
The
半導体装置300の絶縁膜330は、ショットキー電極341の上から上面221および側面222を通じて周囲面223にわたって形成されている点、並びに、ショットキー電極341の上に開口部338を有する点を除き、第2実施形態の絶縁膜230と同様である。
The insulating
半導体装置300におけるカソード電極340のショットキー電極341は、半導体層220の上面221にショットキー接合界面SBを形成する。本実施形態では、ショットキー電極341は、半導体層220側から順に、ニッケル(Ni)から主に成る金属層(厚さ:約100nm)と、パラジウム(Pd)から主に成る金属層(厚さ:約100nm)と、モリブデン(Mo)から主に成る金属層(厚さ:約20nm)とを積層した多層構造を有する。
The
半導体装置300におけるカソード電極340の配線電極342は、絶縁膜330の開口部338の内側から、周囲面223に広がる絶縁膜330の上にわたって形成されている。これによって、配線電極342は、半導体層220との間に絶縁膜330を挟むフィールドプレート構造を形成する。配線電極342は、開口部338の内側においてショットキー電極341と接触する。本実施形態では、配線電極342は、半導体層220側から順に、チタン(Ti)から主に成る金属層(厚さ:約20nm)と、窒化チタン(TiN)から主に成る金属層(厚さ:約200nm)と、チタン(Ti)から主に成る金属層(厚さ:約20nm)と、アルミニウム−ケイ素(AlSi)から主に成る金属層(厚さ:約2000nm)とを積層した多層構造を有する。
The
以上説明した第3実施形態によれば、第1実施形態と同様に、高抵抗領域220bを介した逆方向リーク電流を防止するとともに、高抵抗領域220bによってショットキー接合界面SBの端部Eiにおける電界集中を抑制できる。その結果、逆方向リーク電流を効果的に抑制できる。
According to the third embodiment described above, as in the first embodiment, reverse leakage current through the
また、第2実施形態と同様に、ショットキー接合界面SBがメサ構造220mの上面221に形成され、高抵抗領域220bが側面222から周囲面223にわたって形成されている。そのため、メサ構造220mによってショットキー接合界面SBの端部Eiにおける電界集中をいっそう抑制できる。
Similarly to the second embodiment, the Schottky junction interface SB is formed on the
また、カソード電極340がショットキー電極341と配線電極342とに分けて構成されているため、絶縁膜330との密着性に縛られることなく、ショットキー接合界面SBにおいてより高いショットキー障壁高さを実現可能なショットキー電極341の構成(材質および構造)を選定できる。その結果、逆方向リーク電流をいっそう効果的に抑制できる。
In addition, since the
D.第4実施形態
図9は、電力変換装置10の構成を示す説明図である。電力変換装置10は、交流電源Eから負荷Rに供給される電力を変換する装置である。電力変換装置10は、交流電源Eの力率を改善する力率改善回路の構成部品として、制御回路20と、トランジスタTRと、4つのダイオードD1と、コイルLと、ダイオードD2と、キャパシタCとを備える。本実施形態では、ダイオードD1,D2は、第1実施形態の半導体装置100と同様である。他の実施形態では、ダイオードD1,D2は、第2実施形態の半導体装置200と同様であってもよいし、第3実施形態の半導体装置300と同様であってもよい。
D. Fourth Embodiment FIG. 9 is an explanatory diagram showing a configuration of the
電力変換装置10のダイオードD1,D2は、ショットキーバリアダイオードである。電力変換装置10において、4つのダイオードD1は、交流電源Eの交流電圧を整流するダイオードブリッジDBを構成する。ダイオードブリッジDBは、直流側の端子として、正極出力端Tpと、負極出力端Tnとを有する。コイルLは、ダイオードブリッジDBの正極出力端Tpに接続されている。ダイオードD2のアノード側は、コイルLを介して正極出力端Tpに接続されている。ダイオードD2のカソード側は、キャパシタCを介して負極出力端Tnに接続されている。負荷Rは、キャパシタCと並列に接続されている。
Diodes D1 and D2 of
電力変換装置10のトランジスタTRは、FET(Field-Effect Transistor)である。トランジスタTRのソース側は、負極出力端Tnに接続されている。トランジスタTRのドレイン側は、コイルLを介して正極出力端Tpに接続されている。トランジスタTRのゲート側は、制御回路20に接続されている。電力変換装置10の制御回路20は、交流電源Eの力率が改善されるように、負荷Rに出力される電圧、および、ダイオードブリッジDBにおける電流に基づいて、トランジスタTRのソース−ドレイン間の電流を制御する。
The transistor TR of the
以上説明した第4実施形態によれば、ダイオードD1,D2の各デバイス特性を向上させることができる。その結果、電力変換装置10による電力変換効率を向上させることができる。
According to the fourth embodiment described above, the device characteristics of the diodes D1 and D2 can be improved. As a result, the power conversion efficiency by the
E.他の実施形態
本発明は、上述した実施形態、実施例および変形例に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現できる。例えば、実施形態、実施例および変形例における技術的特徴のうち、発明の概要の欄に記載した各形態における技術的特徴に対応するものは、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えおよび組み合わせを行うことが可能である。また、本明細書中に必須なものとして説明されていない技術的特徴については、適宜、削除することが可能である。
E. Other Embodiments The present invention is not limited to the above-described embodiments, examples, and modifications, and can be realized with various configurations without departing from the spirit thereof. For example, among the technical features in the embodiments, examples, and modifications, those corresponding to the technical features in each embodiment described in the summary section of the invention are for solving some or all of the above-described problems. Alternatively, in order to achieve part or all of the above-described effects, replacement and combination can be performed as appropriate. Further, technical features that are not described as essential in the present specification can be appropriately deleted.
上述の実施形態において、基板の材質は、窒化ガリウム(GaN)に限らず、ケイ素(Si)、サファイア(Al2O3)および炭化ケイ素(SiC)などのいずれであってもよい。 In the above-described embodiment, the material of the substrate is not limited to gallium nitride (GaN), and may be any of silicon (Si), sapphire (Al 2 O 3 ), silicon carbide (SiC), and the like.
上述の実施形態において、半導体層の材質は、窒化ガリウム(GaN)に限らず、他のIII族窒化物(例えば、窒化アルミニウム(AlN)および窒化インジウム(InN)など)であってもよいし、炭化ケイ素(SiC)であってもよい。 In the above-described embodiment, the material of the semiconductor layer is not limited to gallium nitride (GaN), but may be other group III nitrides (for example, aluminum nitride (AlN) and indium nitride (InN)), Silicon carbide (SiC) may be used.
上述の実施形態において、基板および半導体層に含まれるドナー元素は、ケイ素(Si)に限らず、ゲルマニウム(Ge)および酸素(O)などであってもよい。 In the above-described embodiment, the donor element contained in the substrate and the semiconductor layer is not limited to silicon (Si), but may be germanium (Ge), oxygen (O), or the like.
上述の実施形態において、基板および半導体層は、n型半導体に限らず、p型半導体であってもよい。p型半導体に含まれるアクセプタ元素は、マグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)および炭素(C)などであってもよい。 In the above-described embodiment, the substrate and the semiconductor layer are not limited to n-type semiconductors but may be p-type semiconductors. The acceptor element contained in the p-type semiconductor may be magnesium (Mg), zinc (Zn), carbon (C), or the like.
上述の実施形態において、絶縁膜の材質は、電気絶縁性を有する材質であればよく、二酸化ケイ素(SiO2)の他、窒化ケイ素(SiNx)、酸化アルミニウム(Al2O3)、窒化アルミニウム(AlN)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化ハフニウム(HfO2)、酸窒化ケイ素(SiON)、酸窒化アルミニウム(AlON)、酸窒化ジルコニウム(ZrON)、酸窒化ハフニウム(HfON)などの少なくとも1つであってもよい。絶縁膜は、単層であってもよいし、2層以上であってもよい。 In the above-described embodiment, the material of the insulating film may be any material having electrical insulation properties, and in addition to silicon dioxide (SiO 2 ), silicon nitride (SiNx), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), aluminum nitride ( AlN), zirconium oxide (ZrO 2 ), hafnium oxide (HfO 2 ), silicon oxynitride (SiON), aluminum oxynitride (AlON), zirconium oxynitride (ZrON), hafnium oxynitride (HfON), etc. There may be. The insulating film may be a single layer or two or more layers.
上述の実施形態において、各電極の材質は、上述の実施形態の材質に限らず、他の材質であってもよい。 In the above-described embodiment, the material of each electrode is not limited to the material of the above-described embodiment, and may be other materials.
10…電力変換装置
20…制御回路
100…半導体装置
110…基板
120…半導体層
120a…低抵抗領域
120b…高抵抗領域
130…絶縁膜
138…開口部
140…アノード電極
150…カソード電極
200…半導体装置
200a,200b…半導体装置
210…基板
220…半導体層
220a…低抵抗領域
220b…高抵抗領域
220m…メサ構造
221…上面
222…側面
223…周囲面
230…絶縁膜
238…開口部
240…アノード電極
250…カソード電極
300…半導体装置
330…絶縁膜
338…開口部
340…カソード電極
341…ショットキー電極
342…配線電極
810…マスク
DESCRIPTION OF
Claims (11)
半導体層と、
前記半導体層の上に形成され、開口部を有する絶縁膜と、
前記開口部の内側から前記絶縁膜の上にわたって形成され、前記開口部の内側を通じて前記半導体層とショットキー接合界面を形成する電極と
を備え、
前記半導体層は、
前記電極と前記ショットキー接合界面を形成する第1の領域と、
前記ショットキー接合界面より外側に形成され、前記電極との間に前記絶縁膜を挟み、前記第1の領域より高い電気抵抗を有する第2の領域と
を含む、半導体装置。 A semiconductor device,
A semiconductor layer;
An insulating film formed on the semiconductor layer and having an opening;
An electrode that is formed from the inside of the opening to the top of the insulating film, and that forms a Schottky junction interface with the semiconductor layer through the inside of the opening,
The semiconductor layer is
A first region forming the electrode and the Schottky junction interface;
And a second region formed outside the Schottky junction interface, sandwiching the insulating film between the electrodes and having a higher electric resistance than the first region.
前記半導体層は、上面と側面とを有する台地状を成すメサ構造を有し、
前記ショットキー接合界面は、前記上面に形成され、
前記第2の領域は、少なくとも前記側面に形成された、半導体装置。 A semiconductor device according to any one of claims 1 to 5,
The semiconductor layer has a mesa structure having a plateau shape having an upper surface and side surfaces;
The Schottky junction interface is formed on the upper surface,
The semiconductor device, wherein the second region is formed at least on the side surface.
マスクが形成された半導体層における前記マスクの周囲をエッチングすることによって、前記マスクが形成された部位を上面とするメサ構造を形成するエッチング工程と、
前記エッチング工程を終えた後、前記上面にマスクが形成された前記メサ構造を有する半導体層における前記マスクの周囲に、前記半導体層の電気抵抗を高くする原子をイオン注入するイオン注入工程と、
前記イオン注入を終えた後、前記マスクを除去する除去工程と、
前記除去工程を終えた後、開口部を有する絶縁膜を前記上面から前記メサ構造の周囲にわたって形成するとともに、前記開口部の内側を通じて前記上面とショットキー接合する電極を、前記開口部の内側から、前記メサ構造の周囲に広がる前記絶縁膜の上にわたって形成する工程と
を備える、半導体装置の製造方法。 A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
An etching step of forming a mesa structure with the portion where the mask is formed as an upper surface by etching the periphery of the mask in the semiconductor layer where the mask is formed;
After the etching step, an ion implantation step of ion-implanting atoms that increase the electrical resistance of the semiconductor layer around the mask in the semiconductor layer having the mesa structure with the mask formed on the upper surface;
A removal step of removing the mask after finishing the ion implantation;
After finishing the removing step, an insulating film having an opening is formed from the upper surface to the periphery of the mesa structure, and an electrode that forms a Schottky junction with the upper surface through the inside of the opening is formed from the inside of the opening And a step of forming over the insulating film extending around the mesa structure.
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