JP2019106419A - 半導体装置 - Google Patents

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香次 田中
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Abstract

【課題】ｎ型領域およびｐ型領域とその両方に接触する金属電極との間のオーミック抵抗を低減させる。【解決手段】ダイオードとしての半導体装置１０は、半導体基板の表層部に形成されたｎ型領域であるｎカソード層４ａおよびｐ型領域であるｐカソード層４ｂと、その両方と接触する金属電極であるカソード電極６とを備える。カソード電極６は、ｎカソード層４ａおよびｐカソード層４ｂの両方に接触する第１金属層６ａと、第１金属層上に形成された第２金属層６ｂとを含む。第１金属層６ａにおける第２金属層６ｂとの接触面の酸素濃度は、第１金属層６ａにおけるｎカソード層４ａおよびｐカソード層４ｂとの接触面の酸素濃度よりも低い。【選択図】図１

Description

本発明は、電力用半導体装置に関するものである。
例えば、ダイオードやＲＣ−ＩＧＢＴ（Reverse-Conducting Insulated Gate Bipolar Transistor）など、半導体基板の一方の表層部に形成されたｎ型領域およびｐ型領域と、そのｎ型領域およびｐ型領域の両方に接触する金属電極とを備える構造を有する電力用半導体装置が知られている。
一方、下記の特許文献１には、シリコン基板の表面に成長した自然酸化膜を５〜１５Å程度の厚さにし、当該シリコン基板の表面に酸素と反応しやすい金属膜を形成し、さらに当該金属膜上にニッケル膜を形成することによって、電極を形成する技術が開示されている。また、下記の特許文献２には、２層の金属膜の形成を真空状態で連続的に行うことで、金属層の間に自然酸化膜が形成されることを防止する技術が開示されている。
特開平４−３２４９３１号公報 特開平８−１１１４５５号公報
例えばダイオードのカソード側にｐ型領域とｎ型領域とからなるパターンが形成された半導体装置には、ｎ型領域およびｐ型領域の両方にオーミック接触する金属電極が設けられる。ダイオードの順方向電圧（ＶＦ）を低減させるためには、ｎ型領域およびｐ型領域と金属電極との間の接触抵抗（オーミック抵抗）を低減させる必要があり、金属電極の材料の選択が重要となる。
上記のようなダイオードでは、ｎ型領域およびｐ型領域に接触する金属電極として、異なる金属種からなる多層構造の金属電極が用いられる。しかし、多層構造の金属電極のうち、ｎ型領域およびｐ型領域に接触する金属層が酸化しやすい性質を持つ場合、当該金属層の表面が酸化して、ｎ型領域およびｐ型領域と金属電極とのオーミック抵抗が増加して、ダイオードの順方向電圧が上昇する恐れがある。
本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、ｎ型領域およびｐ型領域の両方に接触する金属電極のオーミック抵抗を低減できる半導体装置を提供することを目的とする。
本発明に係る半導体装置は、半導体基板の表層部に形成されたｎ型領域およびｐ型領域と、前記ｎ型領域および前記ｐ型領域の両方と接触する金属電極とを備え、前記金属電極は、前記ｎ型領域および前記ｐ型領域の両方と接触する第１金属層と、前記第１金属層上に形成された第２金属層と、を含み、前記第１金属層における前記第２金属層との接触面の酸素濃度は、前記第１金属層における前記ｎ型領域および前記ｐ型領域との接触面の酸素濃度よりも低い。
本発明によれば、金属電極とｎ型領域およびｎ型領域とのオーミック抵抗を低減できる。
本発明の実施の形態に係る半導体装置の断面構造を示す図である。
図１は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の断面構造を示す図である。本実施の形態では、半導体装置の例として、Ｓｉ（シリコン）を半導体材料とするダイオードを示す。
図１のように、半導体装置１０は、半導体基板の上面側の表層部に形成されたｐ型領域であるｐアノード層１と、ｐアノード層１の下に形成されたｎ−型領域であるｎ−ドリフト層２と、ｎ−ドリフト層２の下に形成されたｎ型領域であるｎバッファ層３と、ｎバッファ層３の下に形成されたｎ型領域であるｎカソード層４ａならびにｐ型領域であるｐカソード層４ｂとを備えている。ｎカソード層４ａおよびｐカソード層４ｂは、半導体基板の下面（裏面）に達している。すなわち、ｎカソード層４ａおよびｐカソード層４ｂは、半導体基板の裏面側の表層部に形成されている。
半導体基板の上面上には、ｐアノード層１とオーミック接触するアノード電極５が形成されている。また、半導体基板の裏面上には、ｎカソード層４ａおよびｐカソード層４ｂの両方とオーミック接触するカソード電極６が形成されている。よって、ｐカソード層４ｂとｐカソード層４ｂとは、第１金属層６ａを通じて短絡されている。
カソード電極６は、ｎカソード層４ａおよびｐカソード層４ｂの両方に接触する第１金属層６ａと、第１金属層６ａの上（図１における第１金属層６ａの下側）に形成された第２金属層６ｂとを含む多層構造を有している。第１金属層６ａは、Ａｌ（アルミニウム）またはＡｌ−Ｓｉ系合金、あるいは、Ｎｉ（ニッケル）またはＮｉ−Ｓｉ系合金で形成され、ｎカソード層４ａおよびｐカソード層４ｂとオーミック接触する。第２金属層６ｂは、第１金属層６ａとは異なる金属種で形成され、第１金属層６ａとオーミック接触する。
本実施の形態では、ｎカソード層４ａおよびｐカソード層４ｂと第１金属層６ａとの間のオーミック抵抗、ならびに、第１金属層６ａと第２金属層６ｂとの間のオーミック抵抗を小さくするために、第１金属層６ａの表面の酸素濃度を低くする。ただし、ｎカソード層４ａおよびｐカソード層４ｂの表面には、第１金属層６ａが形成される前に自然酸化膜が形成されるため、第１金属層６ａにおけるｎカソード層４ａおよびｐカソード層４ｂとの接触面の酸素濃度は、第１金属層６ａにおける第２金属層６ｂとの接触面の酸素濃度よりも大きくなる。すなわち、第１金属層６ａにおけるｎカソード層４ａおよびｐカソード層４ｂとの接触面の酸素濃度をｃ１、第１金属層６ａにおける第２金属層６ｂとの接触面の酸素濃度をｃ２とすると、ｃ１＞ｃ２の関係が成り立つ。逆に言えば、本実施の形態では、ｃ１＞ｃ２の関係が成り立つ程度に、第１金属層６ａにおける第２金属層６ｂとの接触面の酸素濃度を小さくする必要がある。なお、ｃ１は、Ａｌに対して１／１０〜１／１００オーダーであり、ｃ２は、Ａｌに対して１／１０００オーダーかそれ以下であることが好ましい。
第１金属層６ａにおけるｎカソード層４ａおよびｐカソード層４ｂとの接触面の酸素濃度を小さくしながら、第１金属層６ａにおける第２金属層６ｂとの接触面の酸素濃度をそれよりも小さくする（つまりｃ１＞ｃ２の関係が成り立つようにする）手法としては、以下のようなものが考えられる。
例えば、ｎカソード層４ａおよびｐカソード層４ｂが形成された半導体基板の裏面の自然酸化腹を除去した後、第１金属層６ａおよび第２金属層６ｂを、同一のチャンバー内で真空を維持したまま連続的にスパッタ法で形成するとよい。
また例えば、ｎカソード層４ａおよびｐカソード層４ｂが形成された半導体基板の裏面の自然酸化腹を除去した後、第１金属層６ａをスパッタ法で形成し、前処理により第１金属層６ａの表面の自然酸化膜を除去し、その直後に第２金属層６ｂをスパッタ法で形成してもよい。
あるいは、ｎカソード層４ａおよびｐカソード層４ｂが形成された半導体基板の裏面の自然酸化腹を除去した後、第１金属層６ａをスパッタで形成し、薬液により第１金属層６ａの表面の自然酸化膜を除去しながら第１金属層６ａの表面をＺｎ（亜鉛）の層に置換し、その後、Ｚｎの層を第２金属層６ｂに置換してもよい。
本実施の形態によれば、ｎカソード層４ａおよびｐカソード層４ｂと第１金属層６ａとの間のオーミック抵抗ならびに第１金属層６ａと第２金属層６ｂとの間のオーミック抵抗を小さくすることができる。つまり、第１金属層６ａおよび第２金属層６ｂからなるカソード電極６のオーミック抵抗を低減でき、それによってダイオードの順方向電圧を下げることができる。
また、第１金属層６ａの材料として、Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉ系合金、ＮｉまたはＮｉ−Ｓｉ系合金といった一般的な材料を用いることができるため、カソード電極６のオーミック抵抗以外の電極特性（例えば、密着力やはんだ濡れ性など）に悪影響を及ぼすこともない。
第１金属層６ａは、Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｓｉ系合金のいずれでもよい。ただし、第１金属層６ａがＡｌまたはＡｌ−Ｓｉ系合金の場合は、Ａｌがドーパントとして寄与することによりｎカソード層４ａの不純物濃度が下がり、ダイオードの順方向電圧が上昇するおそれがある。それに対し、第１金属層６ａがＮｉまたはＮｉ−Ｓｉ系合金の場合、Ｎｉはドーパントとして寄与しないため、ＡｌまたはＡｌ−Ｓｉ系合金を用いるよりも、ダイオードの順方向電圧を低くできるという利点がある。
なお、本実施の形態では半導体材料としてＳｉを用いたが、それに代えてＳｉＣ（炭化珪素）やＧａＮ（窒化ガリウム）等のワイドバンドギャップ半導体を用いた場合でも、同様の効果が得られる。また、ワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体装置では、Ｓｉを用いた半導体装置と比較して、高電圧、大電流、高温での動作に優れるという利点も得られる。
また、本実施の形態では半導体装置をダイオードとしたが、例えばＲＣ−ＩＧＢＴなど、ｎ型領域およびｐ型領域のパターンに接触する金属電極を備える他の半導体装置であってもよく、その場合も同様の効果が得られる。ＲＣ−ＩＧＢＴは、ＩＧＢＴとＦＷＤ（Free Wheeling Diode）とを１チップ化したデバイスであり、本実施の形態をＲＣ−ＩＧＢＴに応用した場合、ｐカソード層４ｂがＩＧＢＴのコレクタとなり、ｎカソード層４ａがＦＷＤのカソードとなる。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
１０ 半導体装置、１ ｐアノード層、２ ｎ−ドリフト層、３ ｎバッファ層、４ａ ｎカソード層、４ｂ ｐカソード層、５ アノード電極、６ カソード電極、６ａ 第１金属層、６ｂ 第２金属層。

Claims (6)

  1. 半導体基板の表層部に形成されたｎ型領域およびｐ型領域と、
    前記ｎ型領域および前記ｐ型領域の両方と接触する金属電極とを備え、
    前記金属電極は、
    前記ｎ型領域および前記ｐ型領域の両方と接触する第１金属層と、
    前記第１金属層上に形成された第２金属層と、
    を含み、
    前記第１金属層における前記第２金属層との接触面の酸素濃度は、前記第１金属層における前記ｎ型領域および前記ｐ型領域との接触面の酸素濃度よりも低い、
    半導体装置。
  2. 前記第１金属層は、ＡｌまたはＡｌ−Ｓｉ系合金により形成されている、
    請求項１記載の半導体装置。
  3. 前記第１金属層は、ＮｉまたはＮｉ−Ｓｉ系合金により形成されている、
    請求項１記載の半導体装置。
  4. 前記第１金属層は、前記ｎ型領域および前記ｐ型領域の両方とオーミック接触し、
    前記第２金属層は、前記第１金属層とオーミック接触している、
    請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の半導体装置。
  5. 前記半導体装置は、前記ｎ型領域および前記ｐ型領域をカソード側に備えるダイオードである、
    請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の半導体装置。
  6. 前記半導体装置は、前記ｐ型領域をコレクタとするＩＧＢＴと前記ｎ型領域をカソードとするダイオードとを備えるＲＣ−ＩＧＢＴである、
    請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の半導体装置。
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