JP2020013821A - ダイオード構造を有する半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 アノード電極とバリアハイト調整領域との間のバリアハイトを調整して、所望の特性を有する半導体装置を実現する【解決手段】 ダイオード構造を有する半導体装置であって、ドリフト領域とアノード領域との間に位置するバリア領域と、バリア領域からアノード電極に向けて延びているピラー領域と、ピラー領域とアノード電極の間に位置しており、アノード電極にショットキー接触しているバリアハイト調整領域とを備えている。バリアハイト調整領域の不純物濃度は、１×１０１７〜５×１０１８／ｃｍ３の範囲内であるとともに、半導体基板の厚み方向において一定である。そして、バリアハイト調整領域の厚み方向における寸法は、０．０１〜０．５μｍの範囲内である。【選択図】 図１

Description

本明細書で開示される技術は、少なくとも一部にダイオード構造を有する半導体装置に関する。

特許文献１に、ダイオード構造を有する各種の半導体装置が開示されている。これらの半導体装置は、ドリフト領域とアノード領域との間に位置するバリア領域と、バリア領域からアノード電極に向けて延びているピラー領域と、ピラー領域とアノード電極の間に位置しており、アノード電極にショットキー接触しているバリアハイト調整領域とを備えている。

上記した半導体装置では、アノード電極とカソード電極との間に順バイアスの電圧が印加されると、アノード電極とバリア領域が、バリアハイト調整領域とピラー領域を介して短絡する。このため、バリア領域とアノード電極との間の電位差は、アノード電極とバリアハイト調整領域との間のショットキー界面での電圧降下とほぼ等しくなる。ショットキー界面における電圧降下は、アノード領域とバリア領域の間のｐｎ接合のビルトイン電圧よりも十分に小さいので、アノード領域からドリフト領域への正孔の注入が抑制される。これにより、逆回復電流が小さくなり、逆回復時間も短くなるので、スイッチング損失を小さくすることができる。

次いで、アノード電極とカソード電極との間に逆バイアスの電圧が印加されると、アノード電極とバリアハイト調整領域との間のショットキー界面によって逆電流が制限される。特に、アノード電極とバリアハイト調整領域との間のバリアハイトが、バリアハイト調整領域によって高く調整されているので、逆電流が良好に制限される。加えて、この逆バイアス時には、バリアハイト調整領域とアノード電極との間のショットキー界面から伸びる空乏層だけでなく、アノード領域とバリア領域の間のｐｎ接合の界面から伸びる空乏層によっても電界が分担される。これにより、バリアハイト調整領域とアノード電極の間のショットキー界面にかかる電界が軽減され、逆バイアスに対する耐圧を向上することができる。

特開２０１４−１５７９３０号公報

上記した半導体装置では、アノード電極とバリアハイト調整領域との間のバリアハイトに応じて、順バイアス時の電圧降下（順電圧）や逆バイアス時の漏れ電流といった特性が変化する。本明細書は、アノード電極とバリアハイト調整領域との間のバリアハイトを調整して、所望の特性を有する半導体装置を実現するための技術を提供する。

特許文献１の半導体装置では、バリアハイト調整領域の不純物濃度が、１×１０^１４〜１×１０^１７／ｃｍ^３の範囲内に設定されている。本発明者らの検証によると、図３に示すように、バリアハイト調整領域の不純物濃度がこの範囲内にあると、当該不純物濃度を変化させても、アノード電極とバリアハイト調整領域との間のバリアハイトはさほど変化しなかった。これに対して、バリアハイト調整領域の不純物濃度を、１×１０^１７／ｃｍ^３以上の範囲まで高めていくと、アノード電極とバリアハイト調整領域との間のバリアハイトも、当該不純物濃度に応じて上昇した。この知見に基づいて、本発明者らは、バリアハイト調整領域の不純物濃度を１×１０^１７／ｃｍ^３以上の範囲で選択することにより、アノード電極とバリアハイト調整領域との間のバリアハイトを細かに調整して、所望の特性を有する半導体装置が得られることを見出した。

しかしながら、バリアハイト調整領域の不純物濃度を、１×１０^１７／ｃｍ^３以上の値に設定したところ、半導体装置の特性に無視できない個体差が生じることが確認された。このような製造品質の低下は、工業製品である半導体装置において、看過できない問題である。半導体装置の特性に個体差が生じるのは、アノード電極とバリアハイト調整領域との間のバリアハイトが、製品間で安定していないためであり、その要因としては、バリアハイト調整領域の表面（即ち、アノード電極との接触面）における不純物濃度が、製品間でばらついていると考えられた。しかしながら、半導体装置の製造工程において、バリアハイト調整領域の不純物濃度は、比較的に正しくコントロールすることができる。従って、半導体基板にバリアハイト調整領域を形成した段階では、バリアハイト調整領域の不純物濃度に、有意な個体差は確認されなかった。

さらに検証を重ねた結果、発明者らは、上記の個体差（製造品質の低下）をもたらす要因が、半導体装置の製造工程で実施されるエッチングにあることを突き止めた。半導体装置の製造工程では、通常、一又は複数のエッチングが実施される。特に、半導体基板上の絶縁膜にコンタクトホールを形成する工程では、半導体基板の表面が露出するまでエッチングが継続されるが、このときに半導体基板の表面も僅かにエッチングされてしまう。このとき、バリアハイト調整領域の不純物濃度が、半導体基板の厚み方向に沿って変化していれば、半導体基板に生じたエッチング量に応じて、バリアハイト調整領域の表面に現れる不純物濃度も変化してしまう。従来の技術では、バリアハイト調整領域の不純物濃度について、その厚み方向のプロファイルまで十分に管理されておらず、例えばバリアハイト調整領域をイオン注入によって形成した場合では、その不純物濃度が厚み方向に沿って大きく変化していた。この場合、上述したエッチング量が製品間で変動すれば、バリアハイト調整領域の表面における不純物濃度も製品間でばらついてしまう。

以上のことから、バリアハイト調整領域の不純物濃度が、厚み方向に沿って一定であれば、エッチング量が製品間で変動したとしても、バリアハイト調整領域の表面における不純物濃度を、製品間で一定とすることができる。この知見に基づいて、本明細書は次の半導体装置を開示する。この半導体装置は、ダイオード構造を有する半導体装置であって、半導体基板と、半導体基板の一方の主面に設けられたカソード電極と、半導体基板の他方の主面に設けられたアノード電極とを備える。半導体基板は、カソード電極に接触しているｎ型のカソード領域と、アノード電極に接触しているｐ型のアノード領域と、カソード領域とアノード領域との間に位置するとともにカソード領域よりも不純物濃度が低いｎ型のドリフト領域と、ドリフト領域とアノード領域との間に位置するとともにドリフト領域よりも不純物濃度が高いｎ型のバリア領域と、バリア領域からアノード電極に向けて延びているｎ型のピラー領域と、ピラー領域とアノード電極との間に位置するとともにアノード電極にショットキー接触しているｐ型のバリアハイト調整領域とを備える。

この半導体装置では、バリアハイト調整領域の不純物濃度は、１×１０^１７〜５×１０^１８／ｃｍ^３の範囲内であるとともに、半導体基板の厚み方向において一定である。また、バリアハイト調整領域の厚み方向における寸法（いわゆる厚み）は、０．０１〜０．５μｍの範囲内である。ここで、本明細書において不純物濃度が一定であるとは、不純物濃度が実質的に一定であることを意味し、具体的には、不純物濃度を常用対数で表現したときに、その変動幅が中央値に対して±１０パーセント以内であることを意味する。

上記した半導体装置では、バリアハイト調整領域の不純物濃度が、半導体基板の厚み方向において一定となっている。このような構造によると、半導体装置の製造工程において、半導体基板の受けるエッチング量が製品間で変動したとしても、バリアハイト調整領域の表面における不純物濃度は、製品間で一定に維持される。これにより、バリアハイト調整領域の不純物濃度を１×１０^１７以上に設定した場合でも、バリアハイト調整領域によるバリアハイトが製品間で安定し、半導体装置の特性に個体差が生じることを避けることができる。即ち、半導体装置の製造品質を維持しながら、バリアハイト調整領域の不純物濃度を比較的に高く設定することによって、半導体装置２に所望の特性を具備させることができる。ここで、バリアハイト調整領域の厚みは、その本来の機能を維持するために、０．０１〜０．５μｍの範囲とされている。

上記した半導体装置は、ダイオードの機能のみを有する半導体装置（いわゆるディスクリート半導体装置）であってもよい。あるいは、半導体装置は、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）やＲＣ−ＩＧＢＴ（Reverse-Conducting Insulated Gate Bipolar Transistor）といった、その一部にダイオードの機能を併せ持つ半導体装置であってもよい。

実施例の半導体装置２の構成を模式的に示す断面図である。 ピラー領域１６及びバリアハイト調整領域１７における不純物濃度のプロファイルを示す。図中の横軸が示す「深さ」は、半導体基板４の厚み方向における半導体基板４の上面からの距離を示す。 バリアハイト調整領域１７の不純物濃度と、アノード電極２２とバリアハイト調整領域１７との間のバリアハイトとの間の関係を示す。

図面を参照して、実施例の半導体装置２について説明する。図１に示すように、本実施例の半導体装置２は、半導体基板４と、半導体基板４の下面（一方の主面）に設けられたカソード電極２０と、半導体基板４の上面（他方の主面）に設けられたアノード電極２２とを備える。半導体基板４は、シリコン基板である。但し、半導体基板４は、シリコン基板に代えて、例えば炭化シリコンといった他の半導体材料の基板であってもよい。半導体基板４には、ｎ型のカソード領域６と、ｎ型のバッファ領域８と、ｎ型のドリフト領域１０と、ｎ型のバリア領域１２と、ｐ型のアノード領域１４と、ｐ型のバリアハイト調整領域１７が設けられている。カソード電極２０とアノード電極２２は、例えばアルミニウムといった金属を用いて構成されている。

カソード領域６は、半導体基板４の下面に沿って設けられており、カソード電極２０に接触している。カソード領域６の不純物濃度は十分に高く、カソード領域６はカソード電極２０にオーミック接触している。一例ではあるが、カソード領域６の不純物濃度は、１×１０^１７〜５×１０^２０／ｃｍ^３程度とすることができる。カソード領域６には、ｎ型の不純物として、例えばリンがドープされている。

アノード領域１４は、半導体基板４の上面に沿って設けられており、アノード電極２２に接触している。アノード領域１４の一部には、ｐ型のコンタクト領域１８が設けられている。コンタクト領域１８の不純物濃度は十分に高く、コンタクト領域１８はアノード電極２２にオーミック接触している。一例ではあるが、コンタクト領域１８の不純物濃度は、１×１０^１７〜５×１０^２０／ｃｍ^３程度とすることができる。アノード領域１４（コンタクト領域１８を含む）には、ｐ型の不純物として、例えばボロン又はアルミニウムがドープされている。

ドリフト領域１０は、カソード領域６とアノード領域１４との間に位置している。ドリフト領域１０の不純物濃度は、カソード領域６の不純物濃度よりも低い。一例ではあるが、ドリフト領域１０の不純物濃度は、１×１０^１２〜１×１０^１５／ｃｍ^３程度とすることができる。ドリフト領域１０には、ｎ型の不純物として、例えばリンがドープされている。ドリフト領域１０の不純物濃度や厚み（半導体基板４の厚み方向における寸法）は、半導体装置２に必要とされる耐圧性等に応じて、適宜設計することができる。

バッファ領域８は、カソード領域６とドリフト領域１０との間に位置している。バッファ領域８の不純物濃度は、カソード領域６の不純物濃度よりも低いが、ドリフト領域１０の不純物濃度よりも高い。一例ではあるが、バッファ領域８の不純物濃度は、１×１０^１６〜１×１０^１９／ｃｍ^３程度とすることができる。バッファ領域８には、ｎ型の不純物として、例えばリンがドープされている。バッファ領域８は、逆バイアス時において空乏層の延びを制限するために設けられている。但し、バッファ領域８は、必ずしも必要とされず、省略されてもよい。

バリア領域１２は、ドリフト領域１０とアノード領域１４との間に位置している。バリア領域１２の不純物濃度は、カソード領域６の不純物濃度よりも低いが、ドリフト領域１０の不純物濃度よりも高い。一例ではあるが、バリア領域１２の不純物濃度は、１×１０^１５〜１×１０^１８／ｃｍ^３程度とすることができる。バリア領域１２には、ｎ型の不純物として、例えばリンがドープされている。バリア領域１２は、後述するピラー領域１６やバリアハイト調整領域１７を介して、アノード電極２２へ電気的に接続されている。

ピラー領域１６は、バリア領域１２からアノード電極２２に向けて延びている。なお、ピラー領域１６は、バリア領域１２から連続して延びているが、アノード電極２２とはバリアハイト調整領域１７によって隔てられている。バリア領域１２の不純物濃度は、カソード領域６の不純物濃度よりも低いが、ドリフト領域１０の不純物濃度よりも高い。一例ではあるが、ピラー領域１６の不純物濃度は、１×１０^１５〜１×１０^１８／ｃｍ^３程度とすることができる。ピラー領域１６には、ｎ型の不純物として、例えばリンがドープされている。特に限定されないが、本実施例の半導体装置２では、半導体基板４に平行な方向に沿って、複数のピラー領域１６が間隔を空けて繰り返し設けられている。

バリアハイト調整領域１７は、ピラー領域１６とアノード電極２２との間に位置している。バリアハイト調整領域１７は、半導体基板４の上面に位置しており、アノード電極２２にショットキー接触している。バリアハイト調整領域１７の不純物濃度は、アノード領域１４の不純物濃度よりも低い。一例ではあるが、バリアハイト調整領域１７の不純物濃度は、１×１０^１４〜１×１０^１７／ｃｍ^３程度とすることができる。また、バリアハイト調整領域１７の厚みは比較的に薄く、０．０１〜０．５μｍ程度である。これにより、バリアハイト調整領域１７とアノード電極２２との間に、ショットキー界面２４が形成されている。

半導体装置２の動作について説明する。アノード電極２２とカソード電極２０の間に順バイアスの電圧が印加されると、アノード電極２２とバリア領域１２との間が、バリアハイト調整領域１７とピラー領域１６を介して短絡する。このため、バリア領域１２とアノード電極２２との間の電位差は、ショットキー界面２４での電圧降下とほぼ等しくなる。ショットキー界面２４での電圧降下は、アノード領域１４とバリア領域１２との間のｐｎ接合のビルトイン電圧よりも十分に小さい。従って、コンタクト領域１８やアノード領域１４からドリフト領域１０への正孔の注入が抑制される。このとき、アノード電極２２とカソード電極２０との間では、主に、ショットキー界面２４から、ピラー領域１６、バリア領域１２、ドリフト領域１０、バッファ領域８、カソード領域６を順に通る経由で電流が流れる。

次いで、アノード電極２２とカソード電極２０との間に逆バイアスの電圧が印加されると、アノード電極２２とバリアハイト調整領域１７との間のショットキー界面２４によって逆電流が制限される。本実施例の半導体装置２では、ショットキー界面２４におけるバリアハイトが、バリアハイト調整領域１７の存在によって高められているので、逆電流が良好に制限される。また、上述したように、順バイアス時においてドリフト領域１０への正孔の注入が抑制されているので、逆回復電流が小さく、逆回復時間も短い。これにより、スイッチング損失が抑制される。

また、本実施例の半導体装置２では、アノード電極２２とカソード電極２０の間に逆バイアスが印加されると、バリアハイト調整領域１７とアノード電極２２の間のショットキー界面２４から伸びる空乏層だけでなく、アノード領域１４とバリア領域１２との間のｐｎ接合の界面から伸びる空乏層によっても電界が分担される。これにより、バリアハイト調整領域１７とアノード電極２２の間のショットキー界面２４にかかる電界が軽減される。これにより、逆バイアスに対する耐圧も向上されている。

上記した半導体装置２では、アノード電極２２とバリアハイト調整領域１７との間のバリアハイト（即ち、ショットキー界面２４におけるバリアハイト）に応じて、順バイアス時の電圧降下（順電圧）や逆バイアス時の漏れ電流といった特性が変化する。従って、ショットキー界面２４におけるバリアハイトを調整することで、半導体装置２に所望する特性を具備させることができる。この点に関連して、本実施例の半導体装置２では、図２に示すように、バリアハイト調整領域１７の不純物濃度が、１×１０^１７〜５×１０^１８／ｃｍ^３の範囲内であるとともに、半導体基板４の厚み方向において一定となっている。

前述したように、バリアハイト調整領域１７の不純物濃度が、１×１０^１７以上の範囲内であると、アノード電極２２とバリアハイト調整領域１７との間のバリアハイトが、当該不純物濃度に応じて変化する（図３参照）。そのことから、バリアハイト調整領域１７の不純物濃度を１×１０^１７／ｃｍ^３以上の範囲で選択することにより、アノード電極２２とバリアハイト調整領域１７との間のバリアハイトを細かに調整して、半導体装置２に所望の特性を具備させることができる。その一方で、バリアハイト調整領域１７の不純物濃度を単に高めるだけでは、バリアハイト調整領域１７の表面（ショットキー界面２４）における不純物濃度の個体差によって、半導体装置２の製造品質を低下させるおそれがある。その理由は、先に説明したとおり、半導体装置２の製造工程において、半導体基板４の表面が意図せずエッチングされるとともに、そのエッチング量が製品間でばらつく（即ち、個体差が生じる）ためである。

上記の問題に関して、本実施例の半導体装置２では、バリアハイト調整領域１７の不純物濃度が、半導体基板４の厚み方向において一定となっている。これにより、半導体装置２の製造工程において、半導体基板４の受けるエッチング量が製品間で変動したとしても、バリアハイト調整領域１７の表面における不純物濃度は、製品間で一定に維持される。これにより、バリアハイト調整領域１７の不純物濃度を１×１０^１７以上に設定した場合でも、ショットキー界面２４におけるバリアハイトが製品間で安定し、半導体装置２の特性に個体差が生じることを避けることができる。即ち、半導体装置２の製造品質を維持しながら、バリアハイト調整領域１７の不純物濃度を比較的に高い範囲で調整することによって、半導体装置２に所望の特性を具備させることができる。

ここで、本明細書において不純物濃度が一定とは、不純物濃度が実質的に一定であることを意味し、具体的には、不純物濃度を常用対数で表現したときに、その変動幅が中央値に対して±１０パーセント以内であることを意味する。また、図２に示すように、バリアハイト調整領域１７には、ｐ型不純物だけでなくｎ型不純物も含まれるが、ｐ型不純物の濃度に対して、ｎ型不純物の濃度は十分に低い。従って、バリアハイト調整領域１７の不純物濃度は、実質的にｐ型不純物の濃度によって定まり、ｎ型不純物の存在については無視することができる。

本実施例の半導体装置２の製造工程において、バリアハイト調整領域１７を形成する手法は特に限定されない。例えば、バリアハイト調整領域１７は、特開２０１８−４６２５０号公報に記載された手法によって形成することができる。この手法では、先ず、半導体基板４の上面をエッチングして、その表面に微細な凹凸を形成する。この凹凸の高さは、１ｎｍ〜１０ｎｍ程度である。次いで、Ｓｉを含有するアルミニウム膜を、凹凸を形成した半導体基板４の上面に堆積する。これにより、半導体基板４に形成された凹凸に、Ｓｉを含有するアルミニウムが充填される。一例ではあるが、アルミニウム膜のＳｉの含有率は、例えば１重量パーセント程度とすることができ、アルミニウム膜の厚みは６００ｎｍ以上とすることができる。そして、半導体基板４を加熱することによって、バリアハイト調整領域１７を形成する。半導体基板４に熱処理を行うことで、アルミニウム膜に含有されるＳｉ原子が拡散し、半導体基板４の凹凸な表面において結晶化していく。これにより、半導体基板４上には、バリアハイト調整領域１７として、アルミニウムを不純物として含有するｐ型半導体の領域が形成される。

あるいは、バリアハイト調整領域１７は、一般的なエピタキシャル成長によって形成することもできる。この場合は、バリアハイト調整領域１７を形成する位置に合わせて、半導体基板４の上面をエッチングした後に、例えばボロンといったｐ型不純物を添加しながら、半導体基板４の上面にエピタキシャル成長層を形成するとよい。なお、これらの手法は一例であり、バリアハイト調整領域１７の形成方法を限定するものではない。

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

本明細書で説明したバリアハイト調整領域１７の構成は、ダイオード構造を有する各種の半導体装置にも、同様に採用することができる。この場合、その半導体装置は、ダイオードの機能を有するディスクリートなものであってもよいし、ＭＯＳＦＥＴやＲＣ−ＩＧＢＴといった、その一部にダイオードの機能を併せ持つ半導体装置であってもよい。例えば特許文献１（特開２０１４−１５７９３０号公報）には、バリアハイト調整領域１７を有する各種の半導体装置が開示されている。これらの半導体装置においても、バリアハイト調整領域１７の不純物濃度を、１×１０^１７〜５×１０^１８／ｃｍ^３の範囲内に設定するとともに、半導体基板の厚み方向において一定とすることができる。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載された組合せに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示した技術は、複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：半導体装置
４：半導体基板
６：カソード領域
８：バッファ領域
１０：ドリフト領域
１２：バリア領域
１４：アノード領域
１６：ピラー領域
１７：バリアハイト調整領域
１８：コンタクト領域
２０：カソード電極
２２：アノード電極
２４：ショットキー界面

Claims (1)

1. ダイオード構造を有する半導体装置であって、
   半導体基板と、
   半導体基板の一方の主面に設けられたカソード電極と、
   半導体基板の他方の主面に設けられたアノード電極と、を備え、
   前記半導体基板は、
   前記カソード電極に接触しているｎ型のカソード領域と、
   前記アノード電極に接触しているｐ型のアノード領域と、
   前記カソード領域と前記アノード領域との間に位置するとともに、前記カソード領域よりも不純物濃度が低いｎ型のドリフト領域と、
   前記ドリフト領域と前記アノード領域との間に位置するとともに、前記ドリフト領域よりも不純物濃度が高いｎ型のバリア領域と、
   前記バリア領域から前記アノード電極に向けて延びているｎ型のピラー領域と、
   前記ピラー領域と前記アノード電極との間に位置するとともに、前記アノード電極にショットキー接触しているｐ型のバリアハイト調整領域と、を備え、
   前記バリアハイト調整領域の不純物濃度は、１×１０^１７〜５×１０^１８／ｃｍ^３の範囲内であるとともに、前記半導体基板の厚み方向において一定であり、
   前記バリアハイト調整領域の前記厚み方向における寸法は、０．０１〜０．５μｍの範囲内である、半導体装置。

Images