JP5342182B2 - ショットキーバリアダイオードおよびその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、基板上に形成された半導体層と、該半導体層表面に形成されたショットキー電極と、前記基板の裏面に形成されたオーミック電極とを備えたショットキーバリアダイオードおよびその製造方法に関する。

ショットキーバリアダイオードは、スイッチング電源として広く用いられているため、高耐圧と低いオン抵抗が要求されている。従来のシリコン（Ｓｉ）系材料を用いたショットキーバリアダイオードにおいては、高耐圧を実現するため、逆バイアスにおいて空乏層が広がるドリフト層の厚さを厚くするとともにキャリア濃度を低くする必要があるのに対し、オン抵抗の低減を実現するため、順バイアスにおいては電子が走行するドリフト層の厚さを薄くし、かつ、キャリア濃度を高くする必要があった。このため、Ｓｉ系材料を用いたショットキーバリアダイオードにおいては、高耐圧と低いオン抵抗との双方を実現することは困難であった。

これに対し、窒化ガリウム（ＧａＮ）半導体は、絶縁膜破壊耐圧が高くドリフト層の厚さを薄くしても高い耐圧が得られるため、近年、高耐圧と低いオン抵抗との双方を実現できるショットキーバリアダイオードとして、ＧａＮ半導体を用いたショットキーバリアダイオードが注目されている。ＧａＮ半導体を用いたショットキーバリアダイオードは、多数キャリアによる動作のため、ＰＮ接合ダイオードに比べると順方向の電圧降下が低く、スイッチング速度が速いという特徴を有する。

このＧａＮ半導体を用いたショットキーバリアダイオードについて、順方向電圧の低下が望まれている。順方向電圧を低くするためには、ショットキー電極材料として障壁ポテンシャルを低下させる金属を使用する方法がある。

ところが、ＧａＮ半導体を用いたショットキーバリアダイオードには、順方向電圧を低くすると逆方向のリーク電流が大きくなるという関係がある。このため、順方向電圧を低くできる金属を採用することは、順方向のリーク電流を増大させる結果となってしまう。したがって、ショットキー電極に障壁ポテンシャルを低下させる金属を使用したショットキーバリアダイオードは、リーク電流が大きくなってしまい、この大きなリーク電流に起因して消費電力が増加してしまうという問題があった。

そこで、近年、順方向電圧の低下および逆方向リーク電流の低下の双方を実現可能であるショットキーバリアダイオードとして、図９に示すショットキーバリアダイオードのように、ＧａＮ層１０３，１０４表面にショットキー電極１０５を設けたショットキーバリアダイオードが提案されている（たとえば、特許文献１および特許文献２参照）。

このようなショットキーバリアダイオードにおいては、ＧａＮ層１０３，１０４表面に複数のトレンチ溝を設け、トレンチ溝表面にショットキー障壁を形成するバリア金属層、すなわちショットキー電極１０５を形成することによって、トレンチ溝内に形成されたショットキー電極１０５の櫛状部間の間隔を狭めることができる。この結果、図７に示すショットキーバリアダイオードでは、逆バイアスにおいて、各櫛状部側面から広がるように空乏層１０７を大きく形成することができる。このため、図９に示すショットキーバリアダイオードでは、ショットキー電極１０５に障壁ポテンシャルを低下させる金属を使用して順方向電圧を低下させた場合であっても、適切に空乏層１０７を広げることができるため、逆方向リーク電流を低減することができる。なお、このＧａＮ層１０３，１０４は、基板１０１上に形成されるとともに、ＧａＮ層１０４は、ＧａＮ層１０３よりもｎ型不純物濃度が高くなるように形成されている。また、基板１０１裏面には、オーミック電極１０６が形成される。

特表２００５−５０３６７５号公報 特開２００７−３０５６０９号公報

ここで、ＧａＮ層内に伸びる空乏層は、ＧａＮ層の不純物濃度およびショットキー電極の材料を調整しても約１００ｎｍ程度しか広がらない。このため、図９に示すショットキーバリアダイオードでは、ＧａＮ層表面に空乏層を適切に形成するために、ＧａＮ層１０３，１０４表面のトレンチ溝の幅Ｄを２００ｎｍ以下にする必要がある。しかしながら、化合物半導体材料であるＧａＮ層にエッチング処理などを用いて２００ｎｍ以下幅のトレンチ溝を加工することは非常に高度な技術を用いる必要があるため、生産性を上げることが難しいという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、順方向電圧の低減および逆方向リーク電流の低減を維持できるとともに生産性の高いショットキーバリアダイオードおよびその製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかるショットキーバリアダイオードは、基板と、前記基板の表面に形成された半導体層と、前記半導体層に形成されたショットキー電極と、前記基板の裏面に形成されたオーミック電極とを備えたショットキーバリアダイオードにおいて、前記半導体層は、先細の凸部を有する凹凸形状を示し、前記ショットキー電極は、少なくとも前記凸部の上部表面に形成されることを特徴とする。

また、この発明にかかるショットキーバリアダイオードは、上記発明において、前記基板上に形成されるとともに開口領域を有する選択成長マスク膜をさらに備え、前記半導体層における先細の凸部は、前記選択成長マスク膜の開口領域上にあることを特徴とする。

また、この発明にかかるショットキーバリアダイオードは、上記発明において、前記半導体層は、窒化物系化合物半導体によって形成されることを特徴とする。

また、この発明にかかるショットキーバリアダイオードは、上記発明において、前記窒化物系半導体層は、III族の元素としてＡｌ、ＧａおよびＩｎのうち少なくとも一つを含むことを特徴とする。

また、この発明にかかるショットキーバリアダイオードは、上記発明において、前記凸部は、前記半導体層の積層方向を含む断面が略三角形状であることを特徴とする。

また、この発明にかかるショットキーバリアダイオードは、上記発明において、前記半導体層は、少なくとも前記ショットキー電極と接触する上部に低抵抗層を備え、前記低抵抗層は、該低抵抗層の下層部よりも低い電気抵抗を有することを特徴とする。

また、この発明にかかるショットキーバリアダイオードの製造方法は、基板上に開口領域を有する選択成長マスク膜を形成するマスク形成工程と、前記選択成長マスク膜における開口領域に、上部表面が先細の凸部を有する凹凸形状となる半導体層を選択的に形成する半導体形成工程と、先細の凸部を有する前記半導体層の上部表面にショットキー電極を形成するショットキー電極形成工程と、前記基板の裏面にオーミック電極を形成するオーミック電極形成工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、選択成長という簡易な方法を用いて、先細の凸部を有する凹凸形状を有する半導体層を形成するため生産性の高いショットキーバリアダイオードを製造できるとともに、この先細の凸部を有する半導体層に形成されたショットキー電極を形成することによって半導体層表面に空乏層を適切に形成できることから、順方向電圧を低減するとともに、逆方向リーク電流を低減したショットキーバリアダイオードを実現することが可能になる。

以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。図面の記載において、同一部分には同一の符号を付している。さらに、図面は模式的なものであり、各層の厚みと幅との関係、各層の比率などは、現実のものとは異なることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。

図１は、実施の形態１にかかるショットキーバリアダイオードの断面図である。図１に示すように、実施の形態１にかかるショットキーバリアダイオード１００は、基板１上に形成された半導体層であるＧａＮ層３，４と、該ＧａＮ層３，４の上部表面に金属材料で形成されたショットキー電極５と、基板１の裏面に形成されたオーミック電極６とを備える。

基板１は、順バイアスにおいて、オーミック電極６と半導体層であるＧａＮ層３，４とを電気的に接続するため、導電性基板であることを要する。そして、基板１は、表面にＧａＮ層３，４を形成できるものであればよい。このため、基板１は、たとえば、ＧａＮ基板であるほか、Ｓｉ（１１１）基板であってもよい。

ショットキー電極５は、障壁ポテンシャルを低下させる金属膜によって形成され、たとえば、Ｐｔ膜、ＮｉおよびＡｕの二層膜、Ｐｄ膜、Ｔｉ膜、ＴｉおよびＡｕの二層膜、または、Ｗ膜によって形成される。オーミック電極６は、たとえばＴｉ／Ｎｉ／Ａｕの多層膜によって形成される。

ＧａＮ層３，４は、ショットキーバリアダイオード１００におけるキャリア移動層としての機能を有する。ＧａＮ層３，４は、キャリアを円滑に移動させるため、ｎ型不純物として、たとえばＳｉを含んでいる。そして、ＧａＮ層３，４のうち、上部であるＧａＮ層４は、下部であるＧａＮ層３よりも、ｎ型不純物の含有量が多く、ＧａＮ層３よりも低抵抗となっている。

さらに、ＧａＮ層３，４は、図１に示すように、上部表面が先細の凸部を有する凹凸形状を示す。具体的には、この凸部は、ＧａＮ層３，４の積層方向を含む断面が略三角形状になっている。このため、ＧａＮ層３，４表面に形成されるショットキー金属５は、先細の凸部を有するＧａＮ層３，４の上部表面に形成されることとなる。すなわち、ショットキー電極５は、先細の凸部を有するＧａＮ層３，４の各斜面表面に連続して形成されることとなる。

このように、ショットキーバリアダイオード１００においては、先細の凸部を有するＧａＮ層３，４の凸部の各斜面表面にショットキー電極５が形成されるため、ショットキー電極５に挟まれたＧａＮ層３，４は、平坦であるＧａＮ層上部表面にショットキー電極を形成する場合と比較し、狭い領域を有している。

この結果、ショットキーバリアダイオード１００は、図２に示すように逆バイアスの場合には、ＧａＮ層３の各凸部の斜面側面から広がるような形で空乏層７を大きく形成することができる。すなわち、この空乏層７は、ＧａＮ層４の下部領域であるＧａＮ層３に大きく形成される。このため、ショットキーバリアダイオード１００では、逆バイアスにおいて、ＧａＮ層３，４におけるキャリアの流れを、このように大きく広がるように形成された空乏層７によって適切に遮断することができるため、逆方向リークを十分に低減することができる。なお、空乏層７は１００ｎｍ程度広がることができるため、逆バイアスにおいて、低抵抗領域であるＧａＮ層４の全領域に空乏層７が形成されるように、図１に示すＧａＮ層４とＧａＮ層３との境界におけるショットキー電極５間の間隔Ｄ１が２００ｎｍ程度となるように、ＧａＮ層３，４上部表面の先細の凸部分の形状が設定される。

また、このショットキーバリアダイオード１００では、ショットキー電極に障壁ポテンシャルを低下させる金属を使用するとともに、図３に示すように、ＧａＮ層３よりも低抵抗であるＧａＮ層４をＧａＮ層３上部に設けて順方向電流が流れる領域を低抵抗化しているため、順方向電圧を低くすることができる。

ここで、本実施の形態では、基板１上に開口領域を有する選択成長マスク膜２を形成し、選択成長マスク膜２の開口領域にＧａＮ層３，４を選択的に成長させることによって、表面に先細の凸部を有するＧａＮ層３，４を形成している。このため、ＧａＮ層３，４における先細の凸部は、選択成長マスク膜２の開口領域上にあることとなる。この選択成長マスク膜２は、ＳｉＮ_ｘ、ＳｉＯ_２など、膜表面にＧａＮ層が形成しない材料によって形成される。ＧａＮ層３，４は、この選択成長マスク膜２が形成されていない基板１が露出した開口領域上で成長する。

つぎに、図１に示すショットキーバリアダイオード１００の製造方法について詳細に説明する。図４−１〜図４−５は、図１に示すショットキーバリアダイオード１００の製造方法を説明した断面図である。

まず、図４−１に示すように、基板１上に、プラズマ化学気相成長法（ＰＣＶＤ）を用いて、１００ｎｍの膜厚のＳｉＮ_ｘ膜またはＳｉＯ_２膜を形成する。そして、ＳｉＮ_ｘ膜またはＳｉＯ_２膜上にフォトレジストを塗布後、フォトリソ法を用いてフォトレジストを所定のパターンに加工し、このフォトレジストをマスクとしてＳｉＮ_ｘ膜またはＳｉＯ_２膜をエッチングすることによって選択成長マスク膜２を形成する。たとえば、ＳｉＮ_ｘ膜またはＳｉＯ_２膜によって形成される選択成長マスク膜２は、図５に示すように、幅０．６μｍの直線状の開口領域Ｐａ１を有するパターンＰ１に形成される。なお、選択成長マスク膜２がＳｉＮ_ｘ膜で形成される場合には、ＣＦ_４をエッチングガスとして用いたＲＩＥエッチングを行ない、ＳｉＯ_２膜で形成される場合には、緩衝フッ酸を用いたウェットエッチングを行なう。

そして、選択成長マスク膜２形成後、基板１表面を、たとえば１１００℃で熱洗浄する。その後、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いることによって、ＧａＮ層３を成長させる。ＧａＮ層３の積層においては、キャリアガスとして１００％の水素ガスを使用し、原料ガスとして、III族元素用のトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を反応室内に５８μｍｏｌ／ｍｉｎの流量で導入するとともに、IV族元素用のアンモニアを１２リットル／ｍｉｎの流量で反応室内に導入する。そして、ＧａＮ層３へのｎ型不純物としてＳｉを添加するために、シランガスを用いる。ＧａＮ層３には、たとえば１×１０^１６／ｃｍ^−３の濃度でＳｉが導入されるように、シランガス濃度が調整される。また、ＧａＮ層３成長時の基板温度は、たとえば１０５０℃に設定される。

ここで、ＧａＮ層３は、まず、露出した基板１上で成長を開始する。ＧａＮ層３は、選択成長マスク膜２間を埋めるように成長した後、図４−２に示す矢印Ｙ２のように横方向に成長するとともに矢印Ｙ１のように縦方向に成長する。このため、図４−３のように、ＧａＮ層３上部表面は、先細の凸部形状を維持するように成長を行なう。そして、たとえば１×１０^１８／ｃｍ^−３の濃度でＳｉが導入されるようにシランガス濃度を調整して、図４−４に示すように、ＧａＮ層３よりも高いＳｉ濃度を有するＧａＮ層４をＧａＮ層３上に成長させる。このＧａＮ層４は、ＧａＮ層３よりもＳｉ濃度が高いため、ＧａＮ層３よりも低抵抗となる。そして、このＧａＮ層３とＧａＮ層４との境界領域における横方向の幅が２００ｎｍ程度となるように、選択成長マスク膜２のパターン形状、ＧａＮ層３，４の成長条件および膜厚は設定される。たとえば、選択成長マスク膜２が図５に示すように幅０．６μｍの直線状の開口領域Ｐａ１を有するパターンＰ１に形成される場合には、ＧａＮ層３，４の先細の凸部形状頂点位置における膜厚は、たとえば約１０μｍに設定される。もちろん、選択成長マスク膜２のパターン形状、ＧａＮ層の成長条件に応じて、１０μｍ以上の厚さでＧａＮ層３，４を形成してもよい。

次いで、図４−５に示すように、ＧａＮ層３，４上部表面に、たとえば厚さ１００ｎｍのＰｔをスパッタ法または真空蒸着法によって形成することによって、ショットキー電極５を形成する。ＧａＮ層３，４表面は、先細の凸部を有することから、このＧａＮ層３，４上部表面に形成されるショットキー電極５は、ＧａＮ層３，４上の先細の凸部斜面に連続してそれぞれ形成されることとなる。その後、基板１の裏面にＴｉ／Ｎｉ／Ａｕからなるオーミック電極６を形成することによって、ショットキーバリアダイオード１００を製造することができる。なお、ショットキー電極５のパターンを調整することによって、複数のショットキーバリアダイオードが並列に接続したパワー半導体装置を製造することも可能である。

このように、本実施の形態にかかるショットキーバリアダイオード１００は、選択成長マスク膜２を設けて選択成長マスク膜２以外の領域にＧａＮ層を選択的に成長させるだけで、先細の凸部を上部表面に有するＧａＮ層３，４を形成することができる。すなわち、本実施の形態においては、従来のように化合物半導体材料であるＧａＮ層上部表面に高度なエッチング技術を用いてトレンチ溝を加工せずとも、選択成長マスク膜２を設けて選択成長マスク膜２以外の領域にＧａＮ層を選択的に成長させるという簡易な工程を行なうだけで、従来技術におけるトレンチ溝形状と同様の効果を有する先細の凸部形状を上部表面に有するＧａＮ層３，４を形成できる。そして、本実施の形態においては、選択成長マスク膜２のパターン形状とＧａＮ層３，４の成長条件を調整することによって、このＧａＮ層３，４表面に形成される金属膜のショットキー電極５に挟まれたＧａＮ層３，４の幅を空乏層７の広がり距離に対応させた適切な間隔に調整できるため、空乏層７を適切に形成して逆方向リークを十分に低減することができる。したがって、本実施の形態によれば、順方向電圧の低減および逆方向リーク電流の低減を維持できるとともに生産性の高いショットキーバリアダイオードを提供することが可能になる。

なお、本実施の形態においては、選択成長マスク膜２が図５に示すように幅０．６μｍの直線状の開口領域Ｐａ１を有するパターンＰ１に形成される場合を例に説明したが、もちろんこれに限らず、図６に示すように、たとえば１辺が０．６μｍの正方形の開口部が、１０μｍ間隔で縦および横に複数配置する形成されてもよい。この場合も、この開口部Ｐａ２上で成長を開始するＧａＮ層３，４上部表面は先細の凸部を有する凹凸形状を示す。また、選択成長マスク膜２の開口部は、正方形に限らず、円または多角形などの形状であってもよい。また、選択成長によって成長するＧａＮ層３，４は、上部表面が先細の凸部を有する凹凸形状を示せばよいため、ＧａＮ層３，４はたとえば円錐形状であってもよい。

また、本実施の形態においては、選択成長マスク膜２が形成された基板１に直接ＧａＮ層３，４を形成した場合を説明したが、もちろん、基板１とＧａＮ層３，４との間に、ＡｌＮ層などのバッファ層を挿入してもよい。この場合、選択成長マスク膜２形成後、ＭＯＣＶＤ法を用いて、３ｎｍの膜厚にＡｌＮ層を成長後に、ＧａＮ層３，４を成長させる。ＡｌＮ層は、水素ガスをキャリアガスとして用い、原料ガスとして、III族元素用のトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を反応室内に１４μｍｏｌ／ｍｉｎの流量で導入するとともに、IV族元素用のアンモニアを１２リットル／ｍｉｎの流量で反応室内に導入する。また、ＡｌＮ層には、たとえば１×１０^１８／ｃｍ^−３の濃度でＳｉが導入されるように、シランガス濃度が調整される。

また、本実施の形態においては、基板１上に形成される半導体層としてＧａＮ層３，４を形成した場合を例に説明したが、もちろん、選択成長マスク膜２成長後にＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）、Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）などのIII族の元素としてＡｌ、Ｇａ、ＩｎおよびＢのうち少なくとも一つを含む窒化物半導体で半導体層を形成してもよい。この場合も、ＧａＮ層３，４を形成した場合と同様に、順方向電圧を低下できるとともに逆方向リーク電流を低減した生産性の高いショットキーバリアダイオードを製造することができる。

また、本実施の形態においては、基板１上に形成される半導体層が、２層のＧａＮ層３，４を備えるものであったが、本発明に係るショットキーバリアダイオードの半導体層はこのような多層構造に限られず、１種類の半導体材料からなる１層構造のものでもよい。

図７は、実施の形態２にかかるショットキーバリアダイオードの断面図である。図７に示すように、実施の形態２にかかるショットキーバリアダイオード１００ａは、実施の形態１にかかるショットキーバリアダイオード１００と同様の構成を備えるが、ＧａＮ層４が形成されておらず、ＧａＮ層３に換えてＧａＮ層３と同様にｎ型不純物を含むＧａＮ層３ａが、ＧａＮ層３，４の形状と同様の形状に形成され、ショットキー金属５がＧａＮ層３ａの上部表面に形成される点で異なっている。

したがって、ショットキーバリアダイオード１００ａは、図８に示すように逆バイアスの場合には、ＧａＮ層３ａの各凸部の斜面側面から広がるような形で空乏層７ａを大きく形成することができる。このため、ショットキーバリアダイオード１００ａでは、ショットキーバリアダイオード１００と同様に、逆バイアスにおいて、ＧａＮ層３ａにおけるキャリアの流れを、空乏層７ａによって適切に遮断することができるため、逆方向リークを十分に低減することができる。

実施の形態１にかかるショットキーバリアダイオードの断面図である。 図１に示すショットキーバリアダイオードの逆バイアス時の状態を示す断面図である。 図１に示すショットキーバリアダイオードの順バイアス時の状態を示す断面図である。 図１に示すショットキーバリアダイオードの製造方法を説明する図である。 図１に示すショットキーバリアダイオードの製造方法を説明する図である。 図１に示すショットキーバリアダイオードの製造方法を説明する図である。 図１に示すショットキーバリアダイオードの製造方法を説明する図である。 図１に示すショットキーバリアダイオードの製造方法を説明する図である。 図１に示す選択成長マスクのパターンを示した平面図である。 図１に示す選択成長マスクの他のパターンを示した平面図である。 実施の形態２にかかるショットキーバリアダイオードの断面図である。 図７に示すショットキーバリアダイオードの逆バイアス時の状態を示す断面図である。 従来技術にかかるショットキーバリアダイオードの断面図である。

符号の説明

１００、１００ａ ショットキーバリアダイオード
１ 基板
２ 選択成長マスク
３、３ａ、４ ＧａＮ層
５ ショットキー電極
６ オーミック電極
７、７ａ 空乏層

Claims (6)

1. 基板と、前記基板の表面に形成された半導体層と、前記半導体層に形成されたショットキー電極と、前記基板の裏面に形成されたオーミック電極とを備えたショットキーバリアダイオードにおいて、
   前記基板上に形成されるとともに開口領域を有する選択成長マスク膜をさらに備え、
   前記半導体層は、先細の凸部を有する凹凸形状を示し、
   前記半導体層における先細の凸部は、前記選択成長マスク膜の開口領域上にあり、
   前記ショットキー電極は、少なくとも前記凸部の上部表面に形成されることを特徴とするショットキーバリアダイオード。
2. 前記半導体層は、窒化物系化合物半導体によって形成されることを特徴とする請求項１に記載のショットキーバリアダイオード。
3. 前記窒化物系半導体層は、ＩＩＩ族の元素としてＡｌ、ＧａおよびＩｎのうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項２に記載のショットキーバリアダイオード。
4. 前記凸部は、前記半導体層の積層方向を含む断面が略三角形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のショットキーバリアダイオード。
5. 前記半導体層は、少なくとも前記ショットキー電極と接触する上部に低抵抗層を備え、前記低抵抗層は、該低抵抗層の下層部よりも低い電気抵抗を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のショットキーバリアダイオード。
6. 基板上に開口領域を有する選択成長マスク膜を形成するマスク形成工程と、
   前記選択成長マスク膜における開口領域に、上部表面が先細の凸部を有する凹凸形状となる半導体層を選択的に形成する半導体形成工程と、
   先細の凸部を有する前記半導体層の上部表面にショットキー電極を形成するショットキー電極形成工程と、
   前記基板の裏面にオーミック電極を形成するオーミック電極形成工程と、
   を含むことを特徴とするショットキーバリアダイオードの製造方法。

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