JP4026312B2

JP4026312B2 - 炭化珪素半導体ショットキーダイオードおよびその製造方法

Info

Publication number: JP4026312B2
Application number: JP2000320877A
Authority: JP
Inventors: 慎次荻野
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2000-10-20
Filing date: 2000-10-20
Publication date: 2007-12-26
Anticipated expiration: 2020-10-20
Also published as: JP2002134760A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は炭化珪素を素材とする半導体ショットキーダイオード、すなわち炭化珪素ショットキーダイオードおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
炭化珪素は、半導体素子の素材としてシリコンより優れた点が多く、電力用半導体や高周波半導体への利用を目指して実用化のための研究が精力的におこなわれている。
炭化珪素の結晶構造には6H型や4H型があり，その単結晶は昇華法によって作製される。単結晶は通常（0001）方向に成長させるが、その際、らせん転位の一種であるマイクロパイプが結晶の成長方向に発生し、結晶中を貫通する。マイクロパイプは結晶欠陥であり、削減のための努力はされているが、通常、単結晶１cm²あたり数個あるのが現状である。
炭化珪素半導体装置の作成には、炭化珪素単結晶基板上に、CVD法により所定のキャリア濃度のエピタキシャル層を形成することが多い。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、基板を貫通するマイクロパイプは、エピタキシャル層中にも伝搬し、半導体装置の特性に悪影響をおよぼす。例えば、ショットキーダイオードなどの歩留まりを著しく低下させる要因の−つとなっている。
整流素子の−種であるショットキーダイオードの金属−半導体界面にマイクロパイプが存在すると、マイクロパイプ及びその周辺部では、正常なショットキー接合が形成できないため、マイクロパイプ及びその周辺部に電流が集中してショットキーダイオード全体の特性を劣化させる。
【０００４】
マイクロパイプのない部分を選んでショットキーダイオードを作製することも考えられるが、大面積化するに従ってマイクロパイプの無い預域を選択することは困難になってくる。通常の単結晶を用いて電極面積が１mm² 以上のショットキーダイオードを作製しようとすると、著しく歩留まりが低下してしまう。
本発明の目的は、マイクロパイプの影響を無くした、大面積の炭化珪素ショットキーダイオード、およびそのような炭化珪素ショットキーダイオードを、歩留まりよく製造する方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題解決のため本発明は、炭化珪素半導体基板との界面に整流作用を有するショットキー電極と、基板裏面に設けられた金属電極を有する炭化珪素ショットキーダイオードにおいて、炭化珪素基板に存在するマイクロパイプの影響を抑制する手段を有するものとする。
【０００６】
炭化珪素基板に存在するマイクロパイプの影響を抑制する手段が、マイクロパイプの表面近傍部分にイオン注入およびその後のアニールによる再結晶領域であるものとする。
イオン注入によりイオン注入された領域は一旦アモルファス状態になるが、その後のアニールにより再結晶化し、マイクロパイプの電気的特性への影響が抑えられる。
【０００７】
特に、再結晶領域を表面層と逆導電型とすれば、マイクロパイプとショットキー電極とが逆導電型領域で遮断されるので、特性への影響が一層抑えられる。
更に、再結晶領域が逆導電型のガードリングと同じ深さであれば、ガートリングと同時に形成できるので、工程を増やす必要が無く容易に実行できる。
または、マイクロパイプの表面露出部を覆う絶縁膜を有してもよい。
【０００８】
その場合も、絶縁膜によりマイクロパイプとショットキー電極とが遮断されるので、マイクロパイプの電気的特性への影響が抑えられる。
絶縁膜は二酸化珪素膜であっても酸化窒化珪素膜であっても良い。
上記のような炭化珪素ショットキー素子の製造方法としては、炭化珪素半導体基板に存在するマイクロパイプの分布を可視化してそのパターンを記憶しておき、そのパターンを基にして半導体基板上に形成したマスクをパターニングし、マイクロパイプの表面近傍部分に半導体基板と逆導電型の不純物をイオン注入し、高温熱処理をおこなった後、ショットキー電極、オーミック電極を形成するものとする。
【０００９】
炭化珪素半導体基板に存在するマイクロパイプの分布パターンを記憶しておき、そのパターンを基にして半導体基板上に形成したマスクをパターニングし、マイクロパイプの表面近傍部分に半導体基板と逆導電型の不純物をイオン注入し、高温熱処理すれば、全てのマイクロパイプの表面近傍部分に再結晶領域を形成でき、不活性化できる。
【００１０】
また、マイクロパイプの分布パターンを基にしてその絶縁膜をパターニングして、マイクロパイプの表面露出部とその近傍を絶縁膜で覆った後、ショットキー電極、オーミック電極を形成しても良い。その場合も、全てのマイクロパイプの表面露出部を絶縁膜で覆うことができ、不活性化できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
［実施例１］
図１は本発明実施例１の炭化珪素ショットキーダイオード（以下SBDと記す）の断面図である。4H型の炭化珪素基板（以下SiC 基板と記す）11上に、ｎ^-エピタキシャル層12を成長したエピタキシャルウェハを使用して製作した、３mm角、電極面積が３．１４mm²のSBDである。13はｎ^-エピタキシャル層12とショットキー接合を形成するニッケル（Ni）のショットキー電極、14はSiC 基板11の裏面に設けられたアルミニウム（Al）のアノード電極、15は酸化膜、17はマイクロパイプ、16、18はそれぞれほう素イオンの注入と熱処理で形成されたガードリング、再結晶領域である。
【００１２】
以下に製造方法を詳しく説明する。4H型でシリコン面（以下Si面と記す）を（11-20 ）方向に８度傾けた（この角度をオフアングルという）をSiC 基板11上に、ｎ^-エピタキシャル層12をCVDで成長した直径２インチのエピタキシャルウェハを使用した。ただし、6H型でもC面でもあるいはオフアングルの方向や角度が異なっても本発明の適用には何の影響も及ばさない。
【００１３】
SiC 基板11はｎ型でキャリア濃度が１×１０¹⁸cm^-3、ｎ^-エピタキシャル層12は、厚さ１０μmでｎ型、キャリア濃度が１×１０¹⁵cm^-3である。
使用したエピタキシャルウェハのマイクロパイプの分布を図５に示す。このようにマイクロパイプは、斜光の当て方により可視化できる。平均で１cm²当たり約１０個のマイクロパイプが見られる。予め、このパターンをレーザ描画装置に記憶させておく。
【００１４】
ポジタイプのフォトレジストを使ったガードリング16のパターニングの際に、図５のマイクロパイプの分布図を記憶装置から呼出し、マイクロパイプを中心にして直径１５μm の領域をレーザ描画でパターニングした。
続いて、ほう素を３０〜１８０keV の加速電圧でボックス状にイオン注入した後、１６００℃で３０分間のアニールをおこない、深さ約０．５μm のガードリング16と再結晶領域18とを形成した。
【００１５】
１２００℃での熱酸化により、厚さ５０nmの酸化膜15を形成してパターニングした後、ショットキー電極13としてNi、カソード電極14としてAlをスパッタ蒸着し、チップ化した。
図２（点線−マイクロパイプ不活性化）は、このようにして作製したSBD の逆方向電流電圧特性図である。このSBD は元々、ショットキー電極13の下に２個のマイクロパイプを有していたものである。
【００１６】
同図に比較例として、従来の製造方法によるマイクロパイプのある部分で作ったSBD （実線−マイクロパイプあり）と、マイクロパイプの無い部分で作ったSBD （破線−マイクロパイプ無し）との逆方向電流電圧特性を示した。マイクロパイプありのSBD は、ショットキー電極の下に１個のマイクロパイプを有していた。
従来の製造方法によるマイクロパイプありのSBD では、１個のマイクロパイプがあっても、耐圧がほとんどなかったのに対し、本実施例１のSBD の耐圧は、６００V 以上であり、マイクロパイプが無しのSBD とほぼ同程度の特性を示すことがわかる。
【００１７】
すなわち、上の再結晶領域18の形成工程で、イオン注入した領域の結晶性は一旦非晶質状態になるが、その後の熱処理により結晶性が回復して、他の領域とほとんど変わらないショットキー接合が形成されたと考えられる。すなわち、マイクロパイプ17が不活性化されたことになることから、マイクロパイプ不活性化処理と名付けた。このマイクロパイプ不活性化処理は、ほう素をイオン注入するので、ガードリング16の形成を兼ねることができた。
【００１８】
尚、イオン注入種はアルミニウムを用いても同様の結果が得られた。また、ｐ型のエピタキシャルウェハの場合には、チッ素またはリンをイオン注入することにより同様の結果を得ることができる。
［実施例２］図３は本発明実施例２のSiCSBDの断面図である。
【００１９】
実施例１と同種の、4H型のSiC 基板21上にｎ^-エピタキシャル層22を成長したエピタキシャルウェハを使用して、３mm角、電極面積が３．１４mm²のSBDを製作した。23はｎ^-エピタキシャル層22とショットキー接合を形成するニッケル（Ni）のショットキー電極、24はSiC 基板11の裏面に設けられたアルミニウム（Al）のカソード電極、25は酸化膜、27はマイクロパイプ、26はほう素イオンの注入と熱処理で形成されたガードリングである。
【００２０】
実施例１と異なる点は、マイクロパイプ27の表面を酸化膜25が覆っている点である。以下に製造方法を説明する。まず実施例１と同様に、マイクロパイプのパターンをレーザ描画装置に記憶させて置く。ポジタイプのフォトレジストを使ったガードリング16のパターニングをした後、エピタキシャルウェハにほう素をイオン注入し、１６００℃で活性化する。
【００２１】
次に、１２００℃で厚さ５０nmの熟酸化膜をエピタキシャルウェハ全面に形成した後、ネガタイプのフォトレジストを使ったフィールド酸化膜のパターニングの際に、先のマイクロパイプの分布図を参照しながら、マイクロパイプを中心にして直径１５μmの領域をレーザ描画でパターニングする。バッファードフツ酸で不要部分の熱酸化膜をエッチング除去した後、ショットキー電極13としてNi、カソード電極14としてAlをスパッタ蒸着し、チップ化した。
【００２２】
図４（□印マイクロパイプ不活性化）は、このようにして作製したSBD の逆方向電流電圧特性図である。このSBD は、ショットキー電極13の下に２個のマイクロパイプを有していた。
同図に比較例として、図２と同様に従来の製造方法によるマイクロパイプのある部分で作ったSBD （実線−マイクロパイプあり）と、マイクロパイプの無い部分で作ったSBD （破線−マイクロパイプ無し）との逆方向電流電圧特性を示した。マイクロパイプありのSBD は、ショットキー電極の下に１個のマイクロパイプを有していた。
【００２３】
従来の製造方法によるマイクロパイプありのSBD では、１個のマイクロパイプがあっても、耐圧がほとんどなかったのに対し、本実施例２のSBD の耐圧は、６００V 以上であり、マイクロパイプが無しのSBD とほぼ同程度の特性を示すことがわかる。
絶縁膜としては上記の熱酸化による二酸化珪素膜の他に、たとえばCVDによる二酸化珪素膜，酸化窒化珪素膜などでも同様の結果を得ることができた。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、マイクロパイプ及びその周辺部をイオン注入およびその後のアニールによるマイクロパイプの表面近傍部分の再結晶化、もしくはマイクロパイプの表面露出部分を絶縁膜で覆う不活性化とすることにより、マイクロパイプがない場合とほとんど同程度の特性を示す炭化珪素ショットキーダイオードを得ることができた。
【００２５】
また、本発明の製造方法によって基板上のマイクロパイプの分布状態に依存することなく再現性良く、大面積の炭化珪素ショットキーダイオードを作製することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例１のSiCSBDの断面図
【図２】実施例１のSiCSBDおよび比較例の電流−電圧特性図
【図３】本発明実施例２のSiCSBDの断面図
【図４】実施例２のSiCSBDおよび比較例の電流−電圧特性図
【図５】使用したSiC エピタキシャルウェハのマイクロパイプ分布図
【符号の説明】
11、21 SiC 基板
12、22 ｎ^-エピタキシャル層
13、23 ショットキー電極
14、24 アノード電極
15、25 二酸化珪素膜
16、26 ガードリング
17、27 マイクロパイプ
18 再結晶領域

Claims

炭化珪素半導体基板との界面に整流作用を有するショットキー電極と、基板裏面に設けられたオーミック電極を有する炭化珪素半導体ショットキー素子において、炭化珪素半導体基板に存在するマイクロパイプの影響を抑制する不活性化手段が、マイクロパイプの表面近傍部分に炭化珪素半導体基板と逆導電型の不純物をイオン注入した後のアニールによる前記表面近傍部分の再結晶化をした再結晶領域であることを特徴とする炭化珪素半導体ショットキーダイオード。
炭化珪素半導体基板との界面に整流作用を有するショットキー電極と、基板裏面に設けられたオーミック電極を有する炭化珪素半導体ショットキー素子において、炭化珪素半導体基板に存在するマイクロパイプの影響を抑制する不活性化手段が、マイクロパイプの表面露出部分を覆った絶縁膜であることを特徴とする炭化珪素半導体ショットキーダイオード。
逆導電型の再結晶領域が逆導電型のガードリングと同じ深さを有することを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素半導体ショットキーダイオード。
絶縁膜が二酸化珪素膜または酸化窒化珪素膜であることを特徴とする請求項２に記載の炭化珪素半導体ショットキーダイオード。
炭化珪素半導体基板との界面に整流作用を有するショットキー電極と、基板裏面に設けられたオーミック電極を有する炭化珪素半導体ショットキーダイオードの製造方法において、炭化珪素半導体基板に存在するマイクロパイプの分布を可視化してそのパターンを記憶しておき、そのパターンを基にして半導体基板上に形成したマスクをパターニングし、マイクロパイプの表面近傍部分に炭化珪素半導体基板と逆導電型の不純物をイオン注入し、高温熱処理によりマイクロパイプの表面近傍部分の再結晶化をおこなった後、ショットキー電極、オーミック電極を形成することを特徴とする炭化珪素半導体ショットキーダイオードの製造方法。
炭化珪素半導体基板との界面に整流作用を有するショットキー電極と、基板裏面に設けられたオーミック電極を有する炭化珪素半導体ショットキーダイオードの製造方法において、炭化珪素半導体基板に存在するマイクロパイプの分布を可視化してそのパターンを記憶しておき、炭化珪素半導体基板を絶縁膜で覆い、前記のマイクロパイプの分布パターンを基にしてその絶縁膜をパターニングして、マイクロパイプの表面露出部とその近傍を絶縁膜で覆った後、ショットキー電極、オーミック電極を形成することを特徴とする炭化珪素半導体ショットキーダイオードの製造方法。