JP2020127014A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
この構成によれば、SiC半導体層のショットキーメタルとの接合部が平坦もしくは5nm以下の凹凸構造である。これにより、逆方向リーク電流を従来と同程度に抑えながら、順方向電圧を低減することができる。
前記半導体装置は、前記ショットキーメタル上に形成されたアノード電極を含み、前記アノード電極は、前記ショットキーメタルとの接合部にチタン層を含むことが好ましい。その場合、前記アノード電極は、前記チタン層上に形成されたアルミニウム層を含んでいてもよい。
また、前記半導体装置は、前記ニッケルコンタクト層上に形成されたチタン層を含むカソード電極を含んでいてもよい。その場合、前記ニッケルコンタクト層と前記カソード電極との間には、チタンおよびカーボンを含む合金層がさらに形成されていてもよい。
また、前記半導体装置は、前記SiC半導体層の前記接合部を取り囲むように形成された第2導電型のガードリングを含んでいてもよい。その場合、前記SiC半導体層がn型SiCからなり、前記ガードリングがp型SiCからなっていてもよい。
半導体装置に接続される負荷が誘導性であるときには、負荷に流れる電流を遮断すると、負荷に逆起電力が発生する。この逆起電力に起因して、アノード側が正となる逆電圧が、アノード−カソード間にかかる場合がある。このような場合に、ガードリングの抵抗値を比較的低くできるので、ガードリング内に流れる電流による発熱を抑制することができる。その結果、デバイスが熱破壊することを防止することができる。つまり、誘導負荷耐量(L負荷耐量)を向上させることができる。
したがって、前述のガードリングのドーパント濃度と、ショットキーメタルのフィールド絶縁膜上の乗り上がり量とを組み合わせれば、優れた誘導負荷耐量(L負荷耐量)を実現することができる。
上記課題を解決するための半導体装置の製造方法は、第1導電型のSiC半導体層の表面に、10nm〜150nmの厚さを有するモリブデンからなるショットキーメタルを形成する工程と、前記ショットキーメタルの表面を露出させた状態で前記ショットキーメタルを熱処理し、前記SiC半導体層の前記ショットキーメタルとの接合部を、平坦もしくは5nm以下の凹凸構造にする工程とを含む。
さらにこの構造において、モリブデンからなるショットキーメタルの厚さが10nm〜150nmであるため、ショットキーメタルからSiC半導体層に加わる応力を緩和でき、しかもその応力のばらつきを小さくすることができる。そのため、この方法によって得られる半導体装置を量産した場合に、逆方向リーク電流のばらつきを小さくすることができる。その結果、逆方向リーク電流が一定範囲に収まるような品質の半導体装置を安定して供給することができる。
これらの方法によれば、熱処理時にショットキーメタル(モリブデン)が酸化されて、ショットキーメタルの表面部が酸化モリブデンに変質することを防止することができる。
また、前記半導体装置の製造方法は、前記ショットキーメタルの形成前に、前記SiC半導体層の裏面にニッケルコンタクト層を形成し、当該ニッケルコンタクト層を熱処理する工程を含むことが好ましい。
図1は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の平面図である。図2は、図1の切断面線II−IIから見た断面図である。図3は、図2の破線円内の拡大図である。
半導体装置1は、SiCが採用された素子であり、たとえば、平面視正方形のチップ状である。なお、半導体装置1は、平面視長方形であってもよい。そのサイズは、図1の紙面における上下左右方向の長さがそれぞれ0.5mm〜20mmである。すなわち、半導体装置1のチップサイズは、たとえば、0.5mm/□〜20mm/□である。
基板5の厚さは、50μm〜600μmであり、その上のドリフト層6の厚さは、3μm〜100μmであってもよい。また、基板5およびドリフト層6に含まれるn型ドーパントとしては、たとえば、N(窒素)、P(リン)、As(ひ素)等を使用できる。基板5およびドリフト層6のドーパント濃度の関係は、基板5のドーパント濃度が相対的に高く、ドリフト層6のドーパント濃度が基板5に比べて相対的に低い。具体的には、基板5のドーパント濃度は、1×1018〜1×1020cm−3であり、ドリフト層6のドーパント濃度は、5×1014〜5×1016cm−3であってもよい。
ショットキーメタル11は、コンタクトホール9を介してドリフト層6の表面6Aに接しており、ドリフト層6との間にショットキー障壁を形成している。具体的には、ショットキーメタル11は、モリブデン(Mo)からなり、10nm〜150nmの厚さを有している。このショットキーメタル11は、コンタクトホール9に埋め込まれているとともに、フィールド絶縁膜10におけるコンタクトホール9の周縁部を上から覆うように、フィールド絶縁膜10に乗り上がっている。より具体的には、ショットキーメタル11は、ガードリング2がショットキーメタル11の外周縁19よりも外方に延びる(張り出す)ようにフィールド絶縁膜10に乗り上がっていることが好ましい。ガードリング2を外方へ張り出させるためには、たとえば、ショットキーメタル11のフィールド絶縁膜10上に乗り上がった部分(乗り上がり部18)のコンタクトホール9の周縁から外周縁19までの幅W(乗り上がり量)を、10μm〜60μmとすることが好ましい。なお、コンタクトホール9の周縁とは、この実施形態では、フィールド絶縁膜10の厚さが0(ゼロ)の位置を示している。したがって、たとえばコンタクトホール9が上端から下端にかけて径が狭まるテーパ状に形成されている場合、幅Wは、コンタクトホール9の周縁の下端から測定される。
そして、この半導体装置1によれば、ドリフト層6のショットキーメタル11との接合部61が平坦もしくは5nm以下の凹凸構造13である。これにより、逆方向バイアス状態で流れるリーク電流(逆方向リーク電流)を従来と同程度に抑えながら、使用環境(周囲温度等)に依らず、順方向電圧を低減することができる。
まず、基板5の表面5A上に、ドリフト層6をエピタキシャル成長させる(ステップS1)。次に、たとえばCVD(Chemical Vapor Deposition:化学気相成長)法によって、ドリフト層6の表面6Aにマスクを形成し、当該マスクを介して、ドリフト層6の表面6Aへ向かって不純物を注入する。その後、ドリフト層6を熱処理することによって、ドリフト層6の表面部に選択的にガードリング2が形成される(ステップS2)。
そして、最後に、ニッケルコンタクト層7上にカソード電極8を形成することによって、図1等に示す半導体装置1が得られる。
たとえば、半導体装置1は、図5〜図7に示す変形形態で実施することができる。
図5では、ニッケルコンタクト層7とカソード電極8との間に、カーボン層16が形成されている。カーボン層16は、基板5の裏面5Bに堆積したニッケルと基板(SiC)5中のシリコンとが、図4のステップS4の熱処理によって反応してニッケルシリサイド(ニッケルコンタクト層7)が形成される際、当該反応に寄与せずに余ったカーボン(C)がニッケルコンタクト層7の表面に析出して形成された層である。
また、図7では、フィールド絶縁膜10が省略されており、ガードリング2は、その全体がドリフト層6の表面6Aに露出している。そして、図2ではフィールド絶縁膜10に乗り上がっていたショットキーメタル11は、ガードリング2がショットキーメタル11の外周縁19よりも外方に延びる(張り出す)ように、その終端部がガードリング2の内周部を全周に亘って覆っている。これにより、ショットキーメタル11の終端部は、ガードリング2の内周部に接合されている。
また、ニッケルコンタクト層7を抵抗加熱炉で熱処理し、ショットキーメタル11を誘導加熱炉で熱処理してもよい。
本発明の実施形態は、本発明の技術的内容を明らかにするために用いられた具体例に過ぎず、本発明はこれらの具体例に限定して解釈されるべきではなく、本発明の精神および範囲は添付の請求の範囲によってのみ限定される。
<実施例1、比較例1および参考例1>
図4のフローに倣って、図1に示した構造の半導体装置1を12枚(SiCウエハ単位)作製した(実施例1)。ショットキーメタル11の厚さは100nmとした。
<評価>
(1)TEM画像
参考例1および比較例1で得られた半導体装置のショットキー界面をTEMで撮影した。得られた画像を図8および図9に示す。
一方、図9に示すように、比較例1では、ショットキー界面に約20nm深さの凹部(図9で黒ずんだ部分)が複数形成されてなる凹凸構造が形成されていることがわかった。また、モリブデン(Mo)の内部に結晶界面が現れていることがわかった。
(2)VfとIrとの関係
次に、実施例1および比較例1それぞれにおいて、1mAの順方向電流を流すために必要な順方向電圧Vf(1mA)と、逆方向リーク電流Irとの関係を調べた。図10は、実施例1および比較例1それぞれの、VfとIrとの相関図である。
(3)Vf−If特性
次に、実施例1および比較例1それぞれのVf−If特性を調べた。図11は、実施例1および比較例1それぞれの、If−Vf曲線(Ta=25℃)である。図12は、実施例1および比較例1それぞれの、If−Vf曲線(Ta=125℃)である。
(4)逆方向リーク電流のばらつき
実施例1および比較例1それぞれの逆方向リーク電流の工程能力指数Cpkを調べた。その結果、実施例1がCpk=1.82であり、Cpk=0.38の参考例1に比べて、逆方向リーク電流のばらつきが小さいことがわかった。
2 ガードリング
5 基板
6 ドリフト層
6A 表面
61 接合部
7 ニッケルコンタクト層
11 ショットキーメタル
12 アノード電極
121 チタン層
122 アルミニウム層
13 凹凸構造
16 カーボン層
17 合金層
18 乗り上がり部
19 外周縁
Claims (25)
- 表面および裏面を有するSiC半導体層と、
前記SiC半導体層の前記表面に接し、多層構造を有するアノード電極と、
前記SiC半導体層の前記裏面に形成されたカソード電極とを含み、
前記アノード電極と前記SiC半導体層の前記表面との間にショットキー接合部が形成され、
前記SiC半導体層の前記ショットキー接合部のみに、断面視において繰り返し配列された複数の微細な凹部が形成されており、
前記アノード電極の一部は、前記微細な凹部に埋め込まれており、
前記多層構造は、第1層、前記第1層上の第2層および前記第2層上の第3層を含む、半導体装置。 - 前記第1層および前記第2層は、前記第3層よりも薄い、請求項1に記載の半導体装置。
- 前記第2層の厚さは、60nm〜190nmである、請求項1または2に記載の半導体装置。
- 前記アノード電極の外周部および前記SiC半導体層の前記表面の一部を覆う表面保護膜をさらに含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記表面保護膜は、窒化シリコン膜および前記窒化シリコン膜上のポリイミド膜を含む2層構造を有している、請求項4に記載の半導体装置。
- 前記ショットキー接合部を取り囲むように前記SiC半導体層に形成されたガードリングをさらに含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記SiC半導体層は、第1導電型を有している、請求項1〜6のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記SiC半導体層の前記表面に形成され、前記ショットキー接合部および前記ガードリングの内周部を選択的に露出させる開口を有するフィールド絶縁膜をさらに含む、請求項6に記載の半導体装置。
- 前記SiC半導体層の前記表面の一部は、前記フィールド絶縁膜の周囲から露出しており、
前記アノード電極の外周部および前記露出した前記SiC半導体層の前記表面の一部を覆う表面保護膜をさらに含む、請求項8に記載の半導体装置。 - 各前記微細な凹部は、20nm未満の深さを有している、請求項1〜9のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記アノード電極の外周部を越えて外側に延びるように前記SiC半導体層に形成されたガードリングをさらに含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記SiC半導体層の前記表面に形成され、10μm〜60μmの厚さを有するフィールド絶縁膜をさらに含む、請求項1〜7のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記アノード電極の外周部および前記SiC半導体層の前記表面の一部を覆う表面保護膜をさらに含み、
前記表面保護膜の周縁部は、前記SiC半導体層の端面にまで至っている、請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体装置。 - 前記複数の微細な凹部は、20nm未満の深さを有し、前記SiC半導体層において不規則に配列されている、請求項1〜13のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 表面および裏面を有するSiC半導体層と、
前記SiC半導体層の前記表面に接し、多層構造を有するアノード電極と、
前記アノード電極の外周部および前記SiC半導体層の前記表面の一部を覆う表面保護膜と、
前記SiC半導体層の前記裏面に形成されたカソード電極とを含み、
前記アノード電極と前記SiC半導体層の前記表面との間にショットキー接合部が形成され、
前記SiC半導体層の前記ショットキー接合部のみに、断面視において繰り返し配列された複数の微細な凹部が形成されており、
前記アノード電極の一部は、前記微細な凹部に埋め込まれており、
前記多層構造は、第1層、前記第1層上の第2層および前記第2層上の第3層を含む、半導体装置。 - 前記複数の微細な凹部は、5nm以下の深さを有し、前記SiC半導体層において不規則に配列されている、請求項15に記載の半導体装置。
- 前記第1層および前記第2層は、前記第3層よりも薄い、請求項15または16に記載の半導体装置。
- 前記第2層の厚さは、60nm〜190nmである、請求項15〜17のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記表面保護膜は、窒化シリコン膜および前記窒化シリコン膜上のポリイミド膜を含む2層構造を有している、請求項15〜18のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記ショットキー接合部を取り囲むように前記SiC半導体層に形成されたガードリングをさらに含む、請求項15〜19のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記SiC半導体層の前記表面に形成され、前記ショットキー接合部および前記ガードリングの内周部を選択的に露出させる開口を有するフィールド絶縁膜をさらに含む、請求項20に記載の半導体装置。
- 前記SiC半導体層の前記表面の一部は、前記フィールド絶縁膜の周囲から露出している、請求項21に記載の半導体装置。
- 前記アノード電極の外周部を越えて外側に延びるように前記SiC半導体層に形成されたガードリングをさらに含む、請求項15〜19のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記SiC半導体層の前記表面に形成され、10μm〜60μmの厚さを有するフィールド絶縁膜をさらに含む、請求項15〜20のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記表面保護膜の周縁部は、前記SiC半導体層の端面にまで至っている、請求項15〜24のいずれか一項に記載の半導体装置。
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