JP4064085B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ショットキ接合を有する半導体装置に関し、特に、ワイドバンドギャップ半導体を用いたショットキダイオードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭化シリコンは、シリコンに比較して熱的安定性が良く、また、熱伝導度が高いため、高温動作が可能であり、小型化、高密度化にも適している。また、降伏電界がシリコンの約１０倍と大きいため、大きな電圧阻止能力（逆方向耐圧）が得られる。
【０００３】
図５は、全体が５００で表される、従来構造のショットキダイオードの断面図である。ショットキダイオード５００は、炭化シリコン基板５０１を含み、炭化シリコン基板５０１の上面には、白金からなるショットキ電極５０２が設けられている。また、下面には、ニッケルからなるオーミック電極５０３が設けられている。オーミック電極５０３は、外部主電極となる導通板５０５の上に、半田層５０４で接合されている。導通板５０５は、銅からなり、ヒートシンクとしても機能する。
【０００４】
ショットキ電極５０２の上には、アルミニウムからなるボンディングワイヤ５０６が超音波圧着により溶融接着されている。ボンディングワイヤ５０６の接着は、炭化シリコン基板５０１を導通板５０５に固定した後に行われる。ショットキ電極５０２は、ボンディングワイヤ５０６を介して他方の外部主電極（図示せず）に接続される。
ショットキダイオード５００では、上述のように降伏電界が高いことから、所定の逆方向耐圧（電圧阻止能力）を得るために必要な炭化シリコン基板５０１の厚みを薄くできる。このため、電極５０２、５０３間の距離を小さくでき、電流通電時の通電損失（定常損失）を大幅に低減できる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
かかる降伏電界は、ショットキ接合近傍の空乏層の幅に依存し、また、空乏層の幅は、炭化シリコン基板５０１の表面準位に大きく影響される。
ショットキダイオード５００では、ショットキ電極５０２上にボンディングワイヤ５０６を溶融接着させる工程において、ショットキ接合界面近傍の炭化シリコン基板５０１にストレスがかかる。このため、炭化シリコン基板５０１の表面準位が変化して逆方向耐圧が低下し、設計通りの電圧阻止能力が得られなかった。
これに対して、炭化シリコン基板５０１にかかるストレスを低減するために、溶融接着時の圧力を小さくした場合、ショットキ電極５０２とボンディングワイヤ５０６との接触抵抗が大きくなり通電損失が増加するとともに、接着強度が低下して、熱的ストレスがかかった場合に損傷が発生した。
【０００６】
そこで、本発明は、ボンディングワイヤの溶融接着によりショットキ接合界面近傍の表面準位が変化しても、所定の逆方向耐圧を得ることができるショットキダイオード及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ショットキ接合を有する半導体装置であって、第１導電型の半導体基板と、該半導体基板の上面に設けられた第２導電型のウエル領域と、該半導体基板及び該ウエル領域の上面上に設けられ、該半導体基板とショットキ接合するショットキ電極と、該ショットキ電極上に電気的に接続された接続導体とを含み、該接続導体が、該ウエル領域の上方の該ショットキ電極に選択的に接続されたことを特徴とする半導体装置である。
かかる半導体装置では、半導体基板とウエル領域とのｐｎ接合界面近傍に空乏層が形成されている。かかる空乏層は、接続導体の接続の影響を受けないため、所望の逆方向耐圧を得ることができる。
【０００８】
また、本発明は、上記接続導体と上記ショットキ電極との接続面が、上記ウエル領域の上方に位置する該ショットキ電極の上面に含まれることを特徴とする半導体装置でもある。
かかる構造の半導体装置を用いることにより、表面準位の変化による逆方向耐圧の低下を防止できる。
【０００９】
上記接続導体は、上記ショットキ電極に溶着されたものであっても良い。
かかる半導体装置では、接続導体が溶着されても、所望の逆方向耐圧を得ることができる。
【００１０】
上記接続導体がボンディングワイヤからなり、該ボンディングワイヤの溶着部の直径が、該ボンディングワイヤの直径の、略１．３倍以上であることが好ましい。
溶着部の直径をこのように制御することにより、通電損失を小さくすることができる。
【００１１】
上記接続導体は、上記ショットキ電極を押圧するように固定された導電性基体であっても良い。
かかる半導体装置では、接続導体がショットキ電極を押圧しても、所望の逆方向耐圧を得ることができる。
【００１２】
上記導電性基体が上記ショットキ電極を押圧する圧力は、略３０ｋｇｆ／ｃｍ２以上であることが好ましい。
ショットキ電極を押圧する圧力をこのように制御することにより、通電損失を小さくすることができる。
【００１３】
上記半導体基板は、炭化シリコン、窒化ガリウム、及びダイヤモンドからなる材料群から選択される１の材料からなることが好ましい。
かかる半導体装置では、外部主電極の間の通電損失を小さくできる。
【００１４】
また、本発明は、ショットキ接合を有する半導体装置の製造方法であって、第１導電型の半導体基板を準備する工程と、該半導体基板の上面に、第２導電型のウエル領域を形成する工程と、該半導体基板及び該ウエル領域の上面上に、ショットキ電極を形成する工程と、該ショットキ電極上に、接続導体を電気的に接続する接続工程とを含み、該接続工程が、該ウエル領域の上方の該ショットキ電極に、選択的に該接続導体を接続する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法でもある。
かかる半導体装置の製造方法では、接続導体の接続工程における逆方向耐圧の低下を防止できる。
【００１５】
上記接続工程は、ボンディングワイヤからなる接続導体を、上記ショットキ電極上に溶着する工程を含むものであっても良い。
かかる半導体装置の製造方法では、ボンディングワイヤの溶着工程における逆方向耐圧の低下を防止できる。
【００１６】
上記接続工程は、導電性基体からなる接続導体を、上記ショットキ電極を押圧するように固定する工程を含むものであっても良い。
かかる半導体装置の製造方法では、導電性基体の固定工程における逆方向耐圧の低下を防止できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本実施の形態にかかるショットキダイオードの断面図である。ショットキダイオード１００は、ｎ型の炭化シリコン基板１を含む。炭化シリコン基板１の上面側には、所定の深さのｐ型のウエル領域７が形成されている。また、ウエル領域７を含む炭化シリコン基板１の上面には、チタン、ニッケル等からなるショットキ電極２が設けられている。
【００１８】
一方、炭化シリコン基板１の下面には、ニッケル等からなるオーミック電極３が設けられている。オーミック電極３は、半田層４により、銅等からなる導通板５に接続されている。導通板５は、一方の外部主電極となるとともに、放熱板としても機能する。
【００１９】
ショットキ電極２の上には、例えばアルミニウムからなるボンディングワイヤ６が、超音波圧着法により、溶融接着されている。図１に示すように、ショットキ電極２とボンディングワイヤ６とが接触する接合面は、ウエル領域の上方に位置する、ショットキ電極２の上面に含まれるようになる。
ボンディングワイヤ６の他端は、他方の外部主電極（図示せず）に接続されている。
【００２０】
次に、ショットキダイオード１００の製造方法について、簡単に説明する。
まず、ｎ型の炭化シリコン基板１を準備し、炭化シリコン基板１の上面から、Ａｌ、Ｂ等のｐ型イオンを選択注入してｐ型のウエル領域７を形成する。
次に、炭化シリコン基板１の下面上に、例えばニッケルを蒸着し、所定の熱処理を行うことにより、オーミック電極３を形成する。更に、炭化シリコン基板１の上面上に、例えばニッケルを蒸着し、ショットキ電極２を形成する。両面に電極２、３が形成された炭化シリコン基板１は、例えば銅からなる導通板５上に、オーミック電極３を半田層３で接続することにより固定する。
次に、ウエル領域７の上方のショットキ電極２上に、例えばアルミニウムからなるボンディングワイヤ６を超音波圧着法により溶融接着する。かかる超音波圧着工程では、ショットキ電極２の表面にボンディングワイヤ６を加圧しながら、所定の振幅で振動させる。このため、圧着工程中に、ショットキ電極２と炭化シリコン基板１との界面近傍にもストレスが加えられる。加えられる圧力、振幅等の条件により、ボンディングワイヤ６の先端のつぶれ幅（図１中にＢで表示）が変化し、圧着条件が厳しいほどつぶれ幅が大きくなる。一方、ボンディングワイヤ６の他端は、同じく超音波圧着法により、外部主電極（図示せず）に溶融接着される。
なお、ボンディングワイヤ６の溶着には、熱圧着法等を使用することもできるが、いずれの方法を用いた場合でも、ショットキ電極２と炭化シリコン基板１との界面近傍にはストレスが加えられる。
【００２１】
ショットキ電極２と炭化シリコン基板１との間のショットキ接合の逆方向耐圧特性は、炭化シリコン基板１の表面準位により大きく影響される。従って、図５に示す従来構造のように、ボンディングワイヤ５０６とショットキ電極５０２との接合面の下部にショットキ接合が存在する場合には、ボンディングワイヤ５０６の圧着工程で加えられるストレスにより、炭化シリコン基板１の表面準位が容易に変わり、逆方向耐圧（電流阻止能力）も変化してしまう。
【００２２】
これに対して、本実施の形態にかかるショットキダイオード１００では、炭化シリコン基板１とウエル領域７で、素子特性に見合う十分な逆方向耐圧特性を備えるｐｎ接合が形成されている。ショットキ電極２とウエル領域７とのショットキ界面における逆方向耐圧（耐圧Ａ）が圧着工程の影響で変化しても、炭化シリコン基板１とウエル領域７とのｐｎ接合界面における逆方向耐圧（耐圧Ｂ）は変化しない。
従って、耐圧Ｂを、ショットキダイオード１００に要求される逆方向耐圧以上になるように設計しておけば、耐圧Ａの変動は素子特性に影響しない。
【００２３】
なお、ウエル領域７の不純物濃度等を調整して、ショットキ電極２とウエル領域７との界面がオーミック接触となるようにしても構わない。この場合には、ショットキ電極２とウエル領域７との界面近傍には、空乏層は形成されない。
【００２４】
図２は、ショットキ電極２に溶着されるボンディングワイヤ６の、最大つぶれ幅／ワイヤ径と、外部主電極の間で発生する電圧降下との関係である。
図２の横軸が最大つぶれ幅／ワイヤ径を示し、縦軸が電圧降下を示す。ここで、最大つぶれ幅は、図１のＢの大きさ（直径）であり、圧着することにより広がったボンディングワイヤ６のワイヤ径をいう。また、ワイヤ径は、図１のＡの大きさ（直径）をいう。
ボンディングワイヤ６の材料に、アルミニウム、金のいずれを用いた場合も、最大つぶれ幅／ワイヤ径が１．３より小さくなると、電圧降下が大きくなる。これは、ボンディングワイヤ６とショットキ電極２との溶着部分の抵抗が大きくなるためと考えられる。一方、最大つぶれ幅／ワイヤ径が１．３より大きくなると、電圧降下はほぼ一定となる。
従って、電圧降下を低減するためには、最大つぶれ幅／ワイヤ径は、略１．３以上とすることが好ましい。
【００２５】
このように、本実施の形態にかかるショットキダイオード１００では、炭化シリコン基板１中にウエル領域７を形成することにより、ボンディングワイヤ６の溶着により発生していた、逆方向耐圧の低下を防止できる。
【００２６】
また、最大つぶれ幅／ワイヤ径を略１．３以上とすることにより、通電損失の小さいショットキダイオード１００を得ることができる。
【００２７】
実施の形態２．
図３は、全体が２００で表される、本実施の形態にかかるショットキダイオードの断面図である。図３中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
ショットキダイオード２００では、ｎ型の炭化シリコン基板１の上面側に、複数のｐ型ウエル領域７が形成されている。炭化シリコン基板１の上面には、チタン、ニッケル等からなるショットキ電極２が設けられている。
一方、炭化シリコン基板１の下面には、ニッケル等からなるオーミック電極３が設けられ、半田層４により、外部主電極となる導通板５に接続されている。
【００２８】
ショットキ電極２の上には、例えば銅からなる導電性基体８が載置されている。導電性基体８は複数の脚部を有し、かかる脚部でショットキ電極２上に支えられる。脚部とショットキ電極２との接触面は、ウエル領域７の上方に位置するショットキ電極２の表面に含まれる。更に、導電性基体８の上には、例えば銅からなる、もう一方の外部主電極９が載置されている。
【００２９】
ショットキ電極２、導電性基体８、外部主電極９の間は接着されず、矢印１０の方向に荷重をかけることにより固定される。ショットキダイオード２００は、矢印１０の方向に荷重をかけた状態で使用される。
【００３０】
ショットキダイオード２００では、矢印１０の方向に荷重をかけるために、導電性基体８の脚部が、炭化シリコン基板１とショットキ電極２とのショットキ界面近傍にストレスを与える。このため、炭化シリコン基板１の表面準位が影響を受け、ショットキ接合部分の逆方向耐圧が変化する。
しかしながら、ショットキダイオード２００では、炭化シリコン基板１とウエル領域７とのｐｎ接合界面近傍にも空乏層が形成されており、ショットキ電極２とウエル領域７とのショットキ界面における逆方向耐圧（耐圧Ａ）が荷重の影響で変化しても、炭化シリコン基板１とウエル領域７とのｐｎ接合界面における逆方向耐圧（耐圧Ｂ）は変化しない。
従って、耐圧Ｂを、ショットキダイオード２００に要求される逆方向耐圧以上になるように設計しておけば、耐圧Ａの変動は素子特性に影響しない。
【００３１】
なお、ウエル領域７の不純物濃度等を調整して、ショットキ電極２とウエル領域７との界面がオーミック接触となるようにしても構わない。この場合には、ショットキ電極２とウエル領域７との界面近傍には、空乏層は形成されない。
【００３２】
図４は、図３の矢印１０方向にかける荷重と、外部主電極５、９間で発生する電圧降下との関係である。図４に示すように、荷重が増加するに従って、電圧降下の値は小さくなり、約３０ｋｇｆ／ｃｍ２以上の荷重でほぼ一定の値となる。
従って、荷重を約３０ｋｇｆ／ｃｍ２以上とすることで、ショットキダイオード２００における電圧降下を小さくでき、通電損失の小さいショットキダイオード２００を得ることができる。
【００３３】
このように、本実施の形態にかかるショットキダイオード２００では、炭化シリコン基板１中にウエル領域７を形成することにより、荷重がかかることによる素子の逆方向耐圧の低下を防止できる。
【００３４】
また、外部主電極の間にかかる荷重を約３０ｋｇｆ／ｃｍ２以上とすることにより、通電損失の小さいショットキダイオード２００を得ることができる。
【００３５】
なお、上記実施の形態１、２では、炭化シリコンを基板材料に用いた場合について述べたが、窒化ガリウムやダイヤモンドのような他のワイドバンドギャップを基板材料に用いてもかまわない。更には、シリコンや砒化ガリウム等の半導体材料を用いてもかまわない。
【００３６】
また、ｐ型の炭化シリコン基板を用いて、かかる基板中に、ｎ型のウエル領域を形成しても構わない。
【００３７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１記載の半導体装置では、接続導体をショットキ電極に接続しても、所望の逆方向耐圧を得ることができる。
【００３８】
請求項２記載の半導体装置では、表面準位の変化による逆方向耐圧の低下を防止できる。
【００３９】
請求項３記載の半導体装置では、接続導体が溶着されても、所望の逆方向耐圧を得ることができる。
【００４０】
請求項４記載の半導体装置では、通電損失を小さくすることができる。
【００４１】
請求項５記載の半導体装置では、接続導体がショットキ電極を押圧しても、所望の逆方向耐圧を得ることができる。
【００４２】
請求項６記載の半導体装置では、通電損失を小さくすることができる。
【００４３】
請求項７記載の半導体装置では、外部主電極の間に通電損失を小さくできる。
【００４４】
請求項８記載の半導体装置の製造方法では、接続導体の接続工程における逆方向耐圧の低下を防止できる。
【００４５】
請求項９記載の半導体装置の製造方法では、ボンディングワイヤの溶着工程における逆方向耐圧の低下を防止できる。
【００４６】
請求項１０記載の半導体装置の製造方法では、導電性基体の固定工程における逆方向耐圧の低下を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１にかかるショットキダイオードの断面図である。
【図２】 最大つぶれ幅／ワイヤ径と電圧降下との関係である。
【図３】 本発明の実施の形態２にかかるショットキダイオードの断面図である。
【図４】 荷重と電圧降下との関係である。
【図５】 従来構造のショットキダイオードの断面図である。
【符号の説明】
１ 炭化シリコン基板、２ ショットキ電極、３ オーミック電極、４ 半田層、５ 導通板、６ ボンディングワイヤ、７ ウエル領域、１００ ショットキダイオード。

Claims (10)

  1. ショットキ接合を有する半導体装置であって、
    第１導電型の半導体基板と、
    該半導体基板の上面に設けられた第２導電型のウエル領域と、
    該半導体基板及び該ウエル領域の上面上に設けられ、該半導体基板とショットキ接合するショットキ電極と、
    該ショットキ電極上に電気的に接続された接続導体とを含み、
    該接続導体が、該ウエル領域の上方の該ショットキ電極に選択的に接続されたことを特徴とする半導体装置。
  2. 上記接続導体と上記ショットキ電極との接続面が、上記ウエル領域の上方に位置する該ショットキ電極の上面に含まれることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 上記接続導体が、上記ショットキ電極に溶着されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  4. 上記接続導体が、ボンディングワイヤからなり、該ボンディングワイヤの溶着部の直径が、該ボンディングワイヤの直径の、略１．３倍以上であることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
  5. 上記接続導体が、上記ショットキ電極を押圧するように固定された導電性基体からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  6. 上記導電性基体が上記ショットキ電極を押圧する圧力が、略３０ｋｇｆ／ｃｍ２以上であることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
  7. 上記半導体基板が、炭化シリコン、窒化ガリウム、及びダイヤモンドからなる材料群から選択される１の材料からなることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の半導体装置。
  8. ショットキ接合を有する半導体装置の製造方法であって、
    第１導電型の半導体基板を準備する工程と、
    該半導体基板の上面に、第２導電型のウエル領域を形成する工程と、
    該半導体基板及び該ウエル領域の上面上に、ショットキ電極を形成する工程と、
    該ショットキ電極上に、接続導体を電気的に接続する接続工程とを含み、
    該接続工程が、該ウエル領域の上方の該ショットキ電極に、選択的に該接続導体を接続する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  9. 上記接続工程が、ボンディングワイヤからなる接続導体を、上記ショットキ電極上に溶着する工程を含むことを特徴とする請求項８に記載の製造方法。
  10. 上記接続工程が、導電性基体からなる接続導体を、上記ショットキ電極を押圧するように固定する工程を含むことを特徴とする請求項８に記載の製造方法。
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