JP5564884B2

JP5564884B2 - ショットキーバリアダイオード

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Publication number: JP5564884B2
Application number: JP2009234462A
Authority: JP
Inventors: 富仁宮崎
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2009-10-08
Filing date: 2009-10-08
Publication date: 2014-08-06
Anticipated expiration: 2029-10-08
Also published as: JP2011082392A

Description

本発明はショットキーバリアダイオードに関する。

窒化ガリウム（ＧａＮ）は、シリコン（Ｓｉ）に比べて約３倍のバンドギャップ、約１０倍の高い絶縁破壊電界強度、さらに大きな飽和電子速度などの様々な優れた特性を有している。ＧａＮは、従来のＳｉパワーデバイスでは困難な高耐圧化と、低損失化、すなわち低オン抵抗化との両立が期待できるため、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）などのパワーデバイス（電力用半導体素子）への応用が期待されている。

このようなショットキーバリアダイオードとして、ＧａＮ支持基体と、このＧａＮ支持基体上に形成されたＧａＮエピタキシャル層と、このＧａＮエピタキシャル層上に形成されたショットキー電極とを備えたショットキーバリアダイオードが開示されている（たとえば特許文献１）。

特開２００６−１００８０１号公報

上記特許文献１に開示のようなショットキーバリアダイオードにおいては、耐圧を向上するために、ショットキー電極のバリアハイトを向上することが望まれている。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、耐圧を向上できるショットキーバリアダイオードを提供することである。

本発明者は、ショットキーバリアダイオードにおいてバリアハイト（障壁の高さ）を向上する要因を鋭意研究した結果、障壁の高さはショットキー電極中の酸素（Ｏ）濃度に起因していることを見い出した。そこで、本発明者はバリアハイトが効果的に向上する条件を鋭意研究した結果、ショットキー電極が４×１０¹⁹ｃｍ^-3以上の酸素濃度を有する場合にバリアハイトを効果的に向上できることを見い出した。

すなわち、本発明のショットキーバリアダイオードは、基板と、基板上に形成された窒化ガリウム（ＧａＮ）層と、ＧａＮ層上に接して形成されたショットキー電極とを備え、ショットキー電極は、卑金属で、かつ４×１０¹⁹ｃｍ^-3以上の酸素（Ｏ）濃度を有する。

本発明のショットキーバリアダイオードによれば、ショットキー電極は酸素と結合しやすい卑金属である。この卑金属をショットキー電極の材料として、４×１０¹⁹ｃｍ^-3以上の酸素濃度を有している。このため、ショットキー電極のバリアハイトを効果的に向上することができる。したがって、耐圧を向上することができる。

上記ショットキーバリアダイオードにおいて好ましくは、ＧａＮ層とショットキー電極との界面の炭素（Ｃ）のピーク濃度は、１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上である。

本発明者はショットキーバリアダイオードにおいてバリアハイト（障壁の高さ）を向上する要因をさらに鋭意研究した結果、障壁の高さはＧａＮ層とショットキー電極との界面の炭素濃度にも起因していることを見い出した。そこで、本発明者はバリアハイトが効果的に向上する条件を鋭意研究した結果、ＧａＮ層とショットキー電極との界面の炭素のピーク濃度が１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上である場合に、バリアハイトをさらに向上できることを見い出した。したがって、ＧａＮ層とショットキー電極との界面の炭素のピーク濃度が１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上であると、耐圧をより向上することができる。

以上のように、本発明のショットキーバリアダイオードによれば、耐圧を向上することができる。

本発明の実施の形態におけるショットキーバリアダイオードを概略的に示す斜視図である。図１において線分ＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。本発明の実施の形態におけるショットキーバリアダイオードの製造方法を示すフローチャートである。比較例１のショットキーバリアダイオードの製造方法を示すフローチャートである。本発明例１のショットキーバリアダイオードのＳＩＭＳによる分析結果を示す図である。比較例１のショットキーバリアダイオードのＳＩＭＳによる分析結果を示す図である。熱処理工程（Ｓ７２）前の本発明例１および比較例１のショットキーバリアダイオードについて、電圧と電流密度との関係を示す図である。熱処理工程（Ｓ７２）後の本発明例１および比較例１のショットキーバリアダイオードについて、電圧と電流密度との関係を示す図である。ショットキー電極がＰｄ（パラジウム）の場合のアニール時間とバリアハイトとの関係を示す図である。ショットキー電極がＰｔ（白金）の場合のアニール時間とバリアハイトとの関係を示す図である。ショットキー電極がＴｉ（チタン）の場合のアニール温度とバリアハイトとの関係を示す図である。ショットキー電極がＷ（タングステン）の場合のアニール温度とバリアハイトとの関係を示す図である。ショットキー電極がＡｌ（アルミニウム）の場合のアニール温度とバリアハイトとの関係を示す図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

図１は、本実施の形態におけるショットキーバリアダイオードを概略的に示す斜視図であり、図２は、断面図である。なお、図２は、図１における線分ＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。図１および図２に示すように、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）１０は、ＧａＮ基板２と、ＧａＮ層３と、ショットキー電極４と、フィールドプレート（ＦＰ）電極１６と、絶縁層１７と、オーミック電極６とを備えている。ＧａＮ層３は、ＧａＮ基板２の表面２ａ上に形成されている。絶縁層１７は、ＧａＮ層３の表面３ａ上に形成されている。ショットキー電極４は、ＧａＮ層３の表面３ａ上で、かつ絶縁層１７の開口部の内部に形成されている。フィールドプレート電極１６は、絶縁層１７の開口部に位置するショットキー電極４と接続されているとともに、この絶縁層１７に重なるように形成されている。オーミック電極６は、ＧａＮ基板２の裏面２ｂ下に形成されている。

ＧａＮ基板２は、表面２ａと裏面２ｂとを有している。ＧａＮ基板２は、たとえば自立基板であり、たとえば１００μｍ以上の厚みを有している。また、ＧａＮ基板２のキャリア濃度は、たとえば１×１０¹⁶ｃｍ^-3程度である。なお、本実施の形態では、基板としてＧａＮ基板を用いているが、用いる基板はＧａＮに限定されず、サファイア基板などを用いていてもよい。

ＧａＮ層３は、ＧａＮ基板２の表面２ａと接する面と反対側の表面３ａを有している。ＧａＮ層３は、たとえば５μｍ程度の厚みを有している。ＧａＮ層３の導電型は特に限定されないが、容易に形成できる観点からｎ型であることが好ましい。

絶縁層１７は、内部にショットキー電極４を配置するための開口部を有している。絶縁層１７は、たとえばシリコン窒化膜（ＳｉＮ_x）などにより構成されている。

ショットキー電極４は、ＧａＮ層３と接触する位置であり、かつ絶縁層１７の開口部に形成されている。ショットキー電極４は、ＧａＮ層３とショットキー接合を形成する。

ショットキー電極４は、卑金属であり、たとえばアルカリ金属、アルカリ土類金属、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｗなどである。卑金属とは、イオン化傾向が水素（Ｈ）よりも大きい金属を意味する。卑金属は酸素と結合しやすいため、ショットキー電極４中の酸素濃度を高めることができる。なお、ショットキー電極は複数の層を含んでいてもよい。

またショットキー電極４は、４×１０¹⁹ｃｍ^-3以上の酸素濃度を有し、好ましくは５×１０¹⁹ｃｍ^-3以上の酸素濃度を有する。本発明者は、ショットキー電極４中の酸素濃度が４×１０¹⁹ｃｍ^-3以上の場合、ショットキー電極４となるべき金属層を形成した後に熱処理を行なうと、バリアハイトを効果的に向上できることを見い出した。このため、ショットキーバリアダイオード１０の耐圧を向上することができる。ショットキー電極４中の酸素濃度が５×１０¹⁹ｃｍ^-3以上であると、バリアハイトをより向上できる。ショットキー電極４中の酸素濃度の上限は、順方向電圧Ｖｆの扱い易さから、たとえば５×１０²¹ｃｍ^-3である。

ここで、上記「酸素濃度」とは、ショットキー電極４の酸素濃度を厚み方向にＳＩＭＳで測定したとの最も低い酸素濃度を意味する。

またショットキー電極４は、４．５×１０¹⁸ｃｍ^-3以上の炭素濃度を有することが好ましい。この場合、バリアハイトをさらに向上することができる。ここで、上記「炭素濃度」とは、ショットキー電極４の炭素濃度を厚み方向にＳＩＭＳで測定したとの最も低い炭素濃度を意味する。

ＧａＮ層３とショットキー電極４との界面１１の炭素のピーク濃度は、１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上であることが好ましく、３×１０¹⁹ｃｍ^-3以上であることがより好ましい。本発明者は、ＧａＮ層３とショットキー電極４との界面１１の炭素のピーク濃度が１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上の場合、ショットキー電極４となるべき金属層を形成した後に熱処理を行なうと、バリアハイトをさらに効果的に向上できることを見い出した。ＧａＮ層３とショットキー電極４との界面１１の炭素のピーク濃度が３×１０¹⁹ｃｍ^-3以上の場合、バリアハイトをより一層向上できる。ショットキー電極４中の炭素濃度の上限は、ショットキー電極４が膨れることを抑制する観点から、たとえば１×１０²¹ｃｍ^-3である。

ここで、上記「炭素のピーク濃度」とは、ＧａＮ層３とショットキー電極４との界面１１をＳＩＭＳで測定したときの炭素のピーク濃度の値を意味する。

また、ＧａＮ層３とショットキー電極４との界面１１の酸素のピーク濃度は、４．５×１０²⁰ｃｍ^-3以上であることが好ましい。この場合、バリアハイトをさらに効果的に向上することができる。ここで、上記「酸素のピーク濃度」とは、ＧａＮ層３とショットキー電極４との界面１１をＳＩＭＳで測定したときの酸素のピーク濃度の値を意味する。

ショットキー電極は、１層であってもよく、上述したショットキー電極４上に別の層が形成された構成、つまり２層以上であってもよい。

フィールドプレート電極１６は、電界集中を緩和するために形成されており、たとえば平面形状が直径２２０μｍ程度のリング形状である。

フィールドプレート電極１６とショットキー電極４とで電極１５を構成している。つまり、電極１５は、絶縁層１７の開口部の内部においてＧａＮ層３の表面３ａに接触する部分であるショットキー電極４と、絶縁層１７に重なる部分であるフィールドプレート電極１６とを含む。

フィールドプレート電極１６と、絶縁層１７とは、フィールドプレート構造を形成する。このフィールドプレート構造により電界集中を緩和することで、ショットキーバリアダイオード１０の耐圧をさらに向上することができる。以下、フィールドプレート構造について説明する。

絶縁層１７の厚みｔは、たとえば１０ｎｍ以上５μｍ以下である。絶縁層１７の厚みｔが１０ｎｍ以上の場合、絶縁層１７の耐性が低くなることを抑制でき、絶縁層１７が先に破壊されずにフィールドプレート構造の効果が発現される。一方、絶縁層１７の厚みが５μｍ以下であれば、フィールドプレート構造による電界緩和が得られる。

フィールドプレート長Ｌは、たとえば１μｍ以上１ｍｍ以下である。フィールドプレート長Ｌが１μｍ以上の場合、フィールドプレート構造の作製が容易となり、フィールドプレート構造の効果が安定して得られる。一方、フィールドプレート長Ｌが１ｍｍ以下の場合、フィールドプレート構造による電界緩和が得られる。

ここで、フィールドプレート長Ｌとは、フィールドプレート電極１６が絶縁層１７と重なる長さである。本実施の形態の場合、フィールドプレート長Ｌとは、ショットキーバリアダイオード１０の、平面形状が円形の電極１５の中心を通る断面において、フィールドプレート電極１６が絶縁層１７と重なっている長さである。つまり、絶縁層１７の開口部の平面形状が円形状であって、電極１５の一部であるショットキー電極４の平面形状が円形である場合、フィールドプレート長Ｌとは、電極１５の半径方向における、フィールドプレート電極１６が絶縁層１７と重なる長さである。さらに言い換えると、フィールドプレート長Ｌとは、ショットキー電極４の平面形状に対する重心と、当該平面形状の外周部上のある一点とを結ぶような直線の方向において、フィールドプレート電極１６が絶縁層１７と重なっている長さをいう。

さらに、図２に示すように、絶縁層１７は、電極１５がＧａＮ層３に接触する部分である開口部に面する、端面１７ａを有している。端面１７ａは、ＧａＮ層３の表面３ａに対し、角度θを形成するように傾斜している。電極１５において絶縁層１７に重なる部分であるフィールドプレート電極１６は、端面１７ａに接着するように、絶縁層１７に重ねられている。

端面１７ａが表面３ａに対し傾斜しているために、フィールドプレート構造による電界緩和の効果を増大させることができる。その結果、ショットキーバリアダイオード１０の耐圧を一層向上させることができる。このような絶縁層１７の端面１７ａの傾斜は、ウエットエッチングやドライエッチングなどによって形成することができる。端面１７ａは、角度θがたとえば０．１°以上６０°以下の範囲であるように形成される。傾斜の角度が０．１°以上の場合、角度の再現性が得やすい。一方、傾斜の角度が６０°以下の場合、電界緩和の効果が大きくなる。

続いて、図１〜図３を参照して、本実施の形態におけるショットキーバリアダイオード１０の製造方法について説明する。なお、図３は、本実施の形態におけるショットキーバリアダイオードの製造方法を工程順に示すフローチャートである。

まず、基板準備工程（Ｓ１０）を実施する。この基板準備工程（Ｓ１０）では、ＧａＮ基板２を準備する。このＧａＮ基板２としては、任意の製造方法で形成された基板を用いることができるが、たとえばＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy：ハイドライド気相成長）法で作製された、（０００１）面の表面２ａを有するＧａＮ基板２を準備する。

次に、ＧａＮ層形成工程（Ｓ２０）を実施する。このＧａＮ層形成工程（Ｓ２０）では、ＧａＮ基板２の表面２ａ上にＧａＮ層３を形成する。

具体的には、ＧａＮ基板２上に、たとえばＯＭＶＰＥ（Organo-Metallic Vapor Phase Epitaxy：有機金属気相成長）法などの気相成長法によりＧａＮ層３を成長する。

なお、ＧａＮ層３を形成した後に、熱処理をしてもよい。この場合、熱処理温度は、たとえば４００℃以上８００℃以下、好ましくは６００℃以上７００℃以下である。ＧａＮ層３に熱処理をすることで、後述する金属層形成工程（Ｓ７１）で形成する金属層のバリアハイトを向上できるので、ショットキー電極４のバリアハイトをより向上することができる。

次に、絶縁層形成工程（Ｓ３０）を実施する。この絶縁層形成工程（Ｓ３０）では、ＧａＮ層３の表面３ａ上に絶縁層１７を形成する。

具体的には、ＧａＮ層３上に、たとえばプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学蒸着）により、ＳｉＮ_xよりなる絶縁層１７を成膜する。絶縁層１７の形成方法は特に限定されないが、プラズマＣＶＤ法により形成することが好ましい。この場合、金属層を形成する工程に先立ってプラズマＣＶＤ法によりＧａＮ層３上に絶縁層１７を形成する。なお、プラズマＣＶＤ法により絶縁層１７を形成する工程では、たとえば３００℃以上４００℃以下の温度で絶縁層１７を形成する。この場合、絶縁層１７の膜質を向上し、後述する金属層形成工程（Ｓ７１）で形成する金属層のバリアハイトを向上できるので、ショットキー電極４のバリアハイトを向上することができる。

絶縁層１７の膜厚ｔは、たとえば１μｍ程度である。このとき原料ガスとしてたとえば₃、ＳｉＨ₄（モノシラン）、ＮＨ₃（アンモニア）、Ｈ₂（水素）、窒素（Ｎ₂）などを用いてＳｉＮ_xを成膜する。なお、ＮＨ₃を用いずにＳｉＨ₄およびＮ₂からＳｉＮ_xを成膜すれば、絶縁層１７中の水素濃度を低くすることができるので好ましい。

次に、オーミック電極形成工程（Ｓ４０）を実施する。オーミック電極形成工程（Ｓ４０）では、ＧａＮ基板２の裏面２ｂにオーミック電極６を形成する。

具体的には、たとえば以下の工程を実施する。まず、ＧａＮ基板２の裏面２ｂを有機洗浄および塩酸で洗浄する。その後、たとえばＥＢ（Electron Beam）蒸着法、抵抗加熱蒸着法などにより、Ｔｉ、Ａｌ、Ａｕなどの金属材料を裏面２ｂの全体に形成する。その後、たとえば窒素雰囲気下で約２分間６００℃で熱処理して、金属材料の合金化を行ない、オーミック電極６を形成する。

次に、絶縁層エッチング工程（Ｓ５０）を実施する。この絶縁層エッチング工程（Ｓ５０）では、絶縁層形成工程（Ｓ３０）で形成した絶縁層１７においてショットキー電極４を形成する領域に開口部を形成する。

具体的には、フォトリソグラフィーにより、ショットキー電極４となるべき領域が開口した開口部を有するレジストを絶縁層１７上に形成する。その後、たとえばＢＨＦ（Buffered Hydrogen Fluoride：バッファードフッ酸）により、レジストの開口部から露出している絶縁層１７をウエットエッチングする。さらに有機洗浄をした後、リムーバーにより、レジストの除去を行なう。リムーバーは、たとえば東京応化製の商品名ストリッパー１０４やストリッパー１０５などを用いることができる。このようにして絶縁層１７をエッチングし、絶縁層１７に開口部を形成する。この時点で、開口部ではＧａＮ層３が露出している。開口部の側面が、たとえば直径の最大値が２００μｍである円錐台の円錐面形状をなすように、形成することができる。

次に、炭素供給工程（Ｓ６０）を実施する。この炭素供給工程（Ｓ６０）では、絶縁層１７の開口部に炭素を供給する。

具体的には、絶縁層エッチング工程（Ｓ５０）後の開口部を有する絶縁層１７を備えた積層体の開口部に、レジストを形成する。その後、レジスト全面を露光する。次いで、現像処理をして、光が当たったレジスト全面を除去する。つまり、レジストを形成し、その後レジストを除去する。これにより、レジストを構成する炭素の一部が開口部に残る。つまり、絶縁層１７の開口部（ＧａＮ層３の表面３ａ）に炭素を供給することができる。

次に、金属層形成工程（Ｓ７１）および熱処理工程（Ｓ７２）を含むショットキー電極形成工程（Ｓ７０）を実施する。ショットキー電極形成工程（Ｓ７０）では、まず、金属層形成工程（Ｓ７１）を実施する。この金属層形成工程（Ｓ７１）では、絶縁層エッチング工程（Ｓ５０）において形成した絶縁層１７の開口部の内部にＧａＮ層３と接するように金属層を形成する。

具体的には、たとえば以下の工程を実施する。まず、ＧａＮ層３および絶縁層１７の表面を洗浄する。次いで、ショットキー電極４となるべき金属層を形成する。この金属層形成工程（Ｓ７１）では、ショットキー電極４となるべき卑金属よりなる金属層を形成する。この金属層は、任意の方法で形成でき、たとえばＥＢ法、抵抗加熱蒸着法などにより形成できる。その後、フォトリソグラフィーを用いて、ショットキー電極４となるべき領域上にレジストを形成する。この状態で、ショットキー電極４となるべき領域以外の金属層をエッチングにより除去する。次いで、レジストを除去する。これにより、ショットキー電極４となるべき金属層が形成される。この金属層の形状は、たとえば平面形状が円形となるように形成することができる。

なお、金属層形成工程（Ｓ７１）において金属層を形成する方法はエッチングに限定されず、リフトオフなどにより形成してもよい。

この金属層形成工程（Ｓ７１）では、卑金属の金属層を形成しているので、炭素供給工程（Ｓ６０）で供給した炭素により酸素を取り込みやすい。このため、形成された金属層には酸素が多く取り込まれている。また、金属層形成工程（Ｓ７１）を実施すると、炭素供給工程（Ｓ６０）により絶縁層１７の開口部、つまりＧａＮ層３の表面３ａには炭素が供給されているので、ＧａＮ層３と金属層との界面には炭素が多く存在する。

その後、この金属層を熱処理する（熱処理工程（Ｓ７２））。熱処理工程（Ｓ７２）を実施することにより、金属層からショットキー電極４にすることができる。このとき、金属層は卑金属であるので、酸素をさらに取り込みやすい。本発明者は、この熱処理工程（Ｓ７２）により、金属層は酸素を多く含んでいるため、ショットキー電極４のバリアハイトが高くなることを見い出した。このため、ショットキー電極４のバリアハイトは向上している。

ショットキー電極形成工程（Ｓ７０）により形成されたショットキー電極４は、卑金属で、かつ４×１０¹⁹ｃｍ^-3以上、好ましくは５×１０¹⁹ｃｍ^-3以上の酸素濃度を有する。また、ＧａＮ層３とショットキー電極４との界面１１の炭素のピーク濃度は、好ましくは１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上である。

なお、金属層形成工程（Ｓ７１）において、２層以上の金属層を形成してもよい。この場合には、ＧａＮ層３と接触する金属層が卑金属であればよい。

次に、フィールドプレート電極形成工程（Ｓ８０）を実施する。フィールドプレート電極形成工程（Ｓ８０）では、ショットキー電極４に接続するとともに、絶縁層１７に重なるようにフィールドプレート電極１６を形成する。

具体的には、たとえば以下の工程により実施する。フィールドプレート電極１６となるべき電極材料を形成する。この電極材料は、任意の方法で形成でき、たとえばＥＢ法、抵抗加熱蒸着法などにより形成できる。その後、フォトリソグラフィーを用いて、フィールドプレート電極１６となるべき領域上にレジストを形成する。この状態で、フィールドプレート電極１６となるべき領域以外の電極材料をエッチングにより除去する。その後、レジストを除去する。これにより、フィールドプレート電極１６を形成することができる。

なお、フィールドプレート電極の形成方法はエッチングに限定されず、リフトオフなどにより形成されてもよい。

また、フィールドプレート電極１６は、ショットキー電極４と同じ材料で形成してもよい。または、絶縁層１７との接着性のよい材料など、ショットキー電極４の材料と異なる材料を用いて、フィールドプレート電極１６を形成してもよい。

以上の工程（Ｓ１０〜Ｓ８０）を実施することによって、図１および図２に示すショットキーバリアダイオード１０を製造することができる。

なお、上述した製造方法は、ショットキー電極４を形成した後にフィールドプレート電極１６を形成する例を説明したが、ショットキー電極４およびフィールドプレート電極１６を同時に形成してもよい。

この場合には、たとえば以下の工程を実施する。ショットキー電極４となるべき金属層およびフィールドプレート電極１６となるべき電極材料をたとえば蒸着法などにより形成する。その後、フォトリソグラフィーを用いて、ショットキー電極４およびフィールドプレート電極１６となるべき領域上にレジストを形成する。この状態で、フィールドプレート電極１６となるべき領域以外の電極材料をエッチングにより同時に除去する。その後、レジストを除去する。

これにより、絶縁層１７の開口部の内部においてＧａＮ層３の表面３ａに接触する部分であるショットキー電極４と、ショットキー電極４に接続するとともに絶縁層１７に重なる部分であるフィールドプレート電極１６とを含む電極１５が形成される。つまり、フィールドプレート電極１６の直径が、絶縁層１７に形成された開口部の直径よりも大きいために、絶縁層１７上に電極１５の一部が重なって、フィールドプレート電極１６となっている。

以上説明したように、本実施の形態では、ショットキー電極は卑金属でかつ４×１０¹⁹ｃｍ^-3以上、好ましくは５×１０¹⁹ｃｍ^-3以上の酸素濃度を有する。卑金属は酸素と結合しやすいので、４×１０¹⁹ｃｍ^-3以上、好ましくは５×１０¹⁹ｃｍ^-3以上の酸素濃度を有するショットキー電極４を形成することができる。これにより、熱処理工程（Ｓ７２）を実施することにより、バリアハイトを効果的に向上することができるので、ショットキーバリアダイオード１０の耐圧を向上することができる。

なお、本実施の形態では、フィールドプレート構造を有するショットキーバリアダイオードを例に挙げて説明したが、本発明のショットキーバリアダイオードはフィールドプレート構造を有していなくてもよい。

本実施例では、卑金属で、かつ４×１０¹⁹ｃｍ^-3以上の酸素濃度を有するショットキー電極の効果について調べた。

（本発明例１）
本発明例１のショットキーバリアダイオードは、図１および図２に示す上述した実施の形態のショットキーバリアダイオード１０の製造方法にしたがって、製造した。

具体的には、基板準備工程（Ｓ１０）では、ＨＶＰＥ法で作製され、主表面が（０００１）面のｎ型ＧａＮ自立基板を準備した。このＧａＮ基板は、５×１０¹⁸ｃｍ^-3のキャリア濃度を有し、４００μｍの厚みを有していた。

次に、ＧａＮ層形成工程（Ｓ２０）では、ＯＭＶＰＥ法により、ＧａＮ基板上にｎ型ＧａＮ層３をエピタキシャル成長した。このＧａＮ層３は、１×１０¹⁶ｃｍ^-3のキャリア濃度を有し、５．０μｍの厚みを有していた。

次に、絶縁層形成工程（Ｓ３０）では、プラズマＣＶＤによりＳｉＮ_xよりなる絶縁層１７を成膜した。この絶縁層１７は、０．５μｍの厚みを有していた。

次に、オーミック電極形成工程（Ｓ４０）では、以下の工程を実施した。まず、ＧａＮ基板２の裏面２ｂを有機洗浄および塩酸洗浄した。その後、ＧａＮ基板２の裏面２ｂに、ＥＢ蒸着法と抵抗加熱蒸着法とにより、２０ｎｍの厚さのＴｉ、１００ｎｍの厚さのＡｌ、２０ｎｍの厚さのＴｉ、および２００ｎｍの厚さのＡｕをこの順で積層した。この金属層を形成した後に、窒素を含む雰囲気中、６００℃で２分間、この金属層を熱処理して、合金化をした。これにより、オーミック電極６を形成した。

次に、絶縁層エッチング工程（Ｓ５０）では、以下の工程を実施した。まず、フォトリソグラフィを用いて絶縁層１７上にパターニングを行なった。その後、ＢＨＦにより絶縁層１７のウエットエッチングを行なった。次いで、有機洗浄処理をした後、リムーバーを用いて、レジストを除去した。これにより、絶縁層１７をエッチングし、絶縁層１７に開口部を形成した。この開口部の側面が、直径の最大値が２００μｍである円錐台の円錐面形状をなすように形成された。

次に、炭素供給工程（Ｓ６０）では、以下の工程を実施した。まず、開口部を有する絶縁層１７の全面にレジストを形成した。その後、レジスト全面を露光した。次いで、現像処理をして、光が当たったレジスト全面を除去した。

次に、ショットキー電極形成工程（Ｓ７０）およびフィールドプレート電極形成工程（Ｓ８０）を以下のように同時に行なった。まず、１０％の塩酸での洗浄により、ＧａＮ層３および絶縁層１７の表面を洗浄した。次いで、２００ｎｍの厚みを有するＮｉをＥＢ蒸着法により、ＧａＮ層３に接触する位置（つまり、絶縁層１７の開口部）および絶縁層１７の上に形成した。その後、フォトリソグラフィーを用いて、ショットキー電極４およびフィールドプレート電極１６となるべき領域上にレジストを形成した。この状態で、塩酸：硝酸＝１０：１の溶液を用いて、ショットキー電極４およびフィールドプレート電極１６となるべき領域以外の金属層を除去した。次いで、上記と同様のリムーバーを用いてレジストを除去することにより、ＧａＮ層３と接触する位置および絶縁層１７の上にＮｉよりなる金属層を形成した（金属層形成工程（Ｓ７１））。

その後、金属層を窒素雰囲気中、６００℃で、２分間熱処理を行った（Ｓ７２）。これにより、絶縁層１７の開口部の内部においてＧａＮ層３の表面３ａに接触する部分であるＮｉよりなるショットキー電極４と、ショットキー電極４に接続するとともに絶縁層１７に重なる部分であるフィールドプレート電極１６とを含む電極１５を形成した。電極１５の直径が、絶縁層１７に形成された開口部の直径よりも大きいために、絶縁層１７上に電極１５の一部が重なった、フィールドプレート電極１６とした。以上より、図１および図２に示す本発明例１のショットキーバリアダイオードを製造した。

（比較例１）
図４は、比較例１のショットキーバリアダイオードの製造方法を示すフローチャートである。図４に示すように、比較例１のショットキーバリアダイオードは基本的には本発明例１と同様に製造したが、炭素供給工程（Ｓ６０）を実施しなかった点、および絶縁層エッチング工程（Ｓ５０）でＳＰＭによりレジストを除去した点において主に異なっていた。

具体的には、基板準備工程（Ｓ１０）、ＧａＮ層形成工程（Ｓ２０）、および絶縁層形成工程（Ｓ３０）を、本発明例１と同様に実施した。

次に、絶縁層エッチング工程（Ｓ５０）では、本発明例１と同様にレジストを形成した後、リムーバーの代わりに、硫酸と過酸化水素の混合物であるＳＰＭを用いて、レジストを除去した。

次に、本発明例１と同様にショットキー電極となるべき金属層およびフィールドプレート電極となるべき電極材料を形成した。

次に、熱処理工程（Ｓ７２）とオーミック電極形成工程（Ｓ４０）とを、以下のように同時に行なった。まず、本発明例１と同様に、オーミック電極となるべき金属層を形成した。その後、ショットキー電極となるべき金属層と、オーミック電極となるべき金属層とを、本発明例１の熱処理工程（Ｓ７２）と同様に熱処理した。これにより、ショットキー電極４、オーミック電極６、およびＦＰ電極１６を形成した。以上より、比較例１のショットキーバリアダイオードを製造した。

（評価方法）
本発明例１および比較例１のショットキーバリアダイオードについて、ショットキー電極表面からＧａＮ層に向けてＳＩＭＳにより酸素濃度および炭素濃度を測定した。その結果をそれぞれ図５および図６に示す。なお、図５および図６の各々は、本発明例１および比較例１のショットキーバリアダイオードのＳＩＭＳによる分析結果を示す図である。図５および図６中、横軸はショットキー電極表面からの距離（単位：μｍ）を示し、縦軸は酸素または炭素の濃度（単位：Ａｔｏｍｓ／ｃｍ³）を示す。図５および図６において、横軸が０．２μｍの位置は、ショットキー電極とＧａＮ層との界面である。

図５に示すように、本発明例１のショットキーバリアダイオードのショットキー電極において、ショットキー電極の酸素濃度を厚み方向にＳＩＭＳで測定すると、最も低い酸素濃度は、４×１０¹⁹ｃｍ^-3以上であり、ＧａＮ層とショットキー電極との界面の炭素のピーク濃度は、１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上であった。また、比較例１のショットキーバリアダイオードのショットキー電極において、ショットキー電極の酸素濃度を厚み方向にＳＩＭＳで測定したときに、最も低い酸素濃度は、４×１０¹⁹ｃｍ^-3未満であり、ＧａＮ層とショットキー電極との界面の炭素のピーク濃度は、１×１０¹⁹ｃｍ^-3未満であった。

また、本発明例１および比較例１の熱処理前のショットキーバリアダイオードおよび本発明例１および比較例１の熱処理後のショットキーバリアダイオードについて、バリアハイトを測定した。バリアハイトの測定方法としては、セミオートプローバーを用い、順方向特性を測定した。その結果を下記の表１に示す。

さらに、本発明例１および比較例１の熱処理前のショットキーバリアダイオード、および本発明例１および比較例１の熱処理後のショットキーバリアダイオードについて、逆バイアスを印加したときの耐圧をそれぞれ測定した。逆方向耐電圧の測定方法としては、高耐圧プローバーを用いてフッ素系不活性液体中に浸漬させた状態で電流と電圧とを測定するという方法を用いた。その結果をそれぞれ図７および図８に示す。なお、図７は、金属層形成後に熱処理を行なわなかった比較例１および本発明例１の電圧（逆方向電圧）と電流（電流密度）との関係を示す図である。図８は、金属層形成後に熱処理を行なった比較例１および本発明例１の電圧（逆方向電圧）と電流（電流密度）との関係を示す図である。図７および図８中、横軸は、逆方向電圧（単位：Ｖ）を示し、縦軸は、電流密度（単位：Ａ／ｃｍ²）を示す。

（評価結果）
表１に示すように、卑金属で、かつ４×１０¹⁹ｃｍ^-3以上の酸素濃度を有していたショットキー電極を備えた本発明例１のショットキーバリアダイオードでは、熱処理によりバリアハイトが０．７０ｅＶ向上した。一方、４×１０¹⁹ｃｍ^-3未満の酸素濃度を有していたショットキー電極を備えた比較例１のショットキーバリアダイオードでは、熱処理によりバリアハイトが低下した。このことから、４×１０¹⁹ｃｍ^-3以上の酸素濃度を有することにより、熱処理によりバリアハイトを効果的に向上できることがわかった。

図７および図８に示すように、卑金属で、かつ４×１０¹⁹ｃｍ^-3以上の酸素濃度を有していたショットキー電極を備えた本発明例１のショットキーバリアダイオードでは、熱処理により耐圧を向上できることがわかった。一方、４×１０¹⁹ｃｍ^-3未満の酸素濃度を有していたショットキー電極を備えた比較例１のショットキーバリアダイオードでは、熱処理により耐圧が低下した。このことから、ショットキー電極が４×１０¹⁹ｃｍ^-3以上の酸素濃度を有することにより、熱処理により効果的に耐圧が向上することがわかった。

以上より、卑金属で、かつ４×１０¹⁹ｃｍ^-3以上の酸素濃度を有するショットキー電極を備えることにより、熱処理をするとバリアハイトを効果的に向上できるので、耐圧を向上することができることが確認できた。

本実施例では、ショットキー電極が卑金属である場合に、熱処理工程を行なうことにより、バリアハイトが向上する効果について調べた。

各試料のショットキーバリアダイオードは基本的には比較例１と同様に製造したが、金属層形成工程（Ｓ７１）および熱処理工程（Ｓ７２）においてのみ異なっていた。

具体的には、各試料における金属層形成工程（Ｓ７１）では、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｗ、およびＡｌを用いた。また、金属層としてＰｄ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｗ、およびＡｌを用いた各試料についての熱処理工程（Ｓ７２）では、窒素雰囲気中、それぞれ図９〜図１３に示す所定の条件で熱処理した。なお、図１１〜図１３に示す金属層としてＴｉ、Ｗ、Ａｌを用いた各試料は、２分間熱処理した。また、金属層としてＰｄ、Ｐｔを用いた試料については、熱処理工程（Ｓ７２）を実施しなかったショットキーバリアダイオードも作製した。

金属層としてＰｄ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｗ、およびＡｌを用いたショットキーバリアダイオードについて、実施例１と同様にバリアハイトをそれぞれ測定した。その結果を図９〜図１３に示す。図９および図１０中、横軸はアニール（熱処理）時間（単位：分）を示し、縦軸はバリアハイト（単位：ｅＶ）を示す。なお、熱処理工程（Ｓ７２）を実施しなかったショットキーバリアダイオードは、アニール時間を０分としている。図１１〜図１３中、横軸はアニール（熱処理）温度（単位：℃）を示し、縦軸はバリアハイト（単位：ｅＶ）を示す。

図９および図１０に示すように、金属層として貴金属を用いたショットキー電極を備えたショットキーバリアダイオードでは、いずれの熱処理条件であっても、熱処理によりショットキー電極のバリアハイトが低下した。一方、図１１〜図１３に示すように、金属層として卑金属を用いたショットキー電極を備えたショットキーバリアダイオードでは、所定の熱処理条件を選択すれば、熱処理によりショットキー電極のバリアハイトを向上することができることがわかった。

以上より、本実施例によれば、ショットキー電極となるべき金属層に卑金属を用いることにより、所定の条件で熱処理をするとバリアハイトを向上できることがわかった。

本発明者は、このことから、熱処理によりショットキー電極のバリアハイトを向上するためには、卑金属の酸素と結合しやすい性質に起因することを見出した。そして、上述した実施例１の実験により本発明を完成した。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

２ＧａＮ基板、２ａ，３ａ表面、２ｂ裏面、３ＧａＮ層、４ショットキー電極、６オーミック電極、１０ショットキーバリアダイオード、１１界面、１５電極、１６フィールドプレート（ＦＰ）電極、１７絶縁層、１７ａ端面。

Claims

基板と、
前記基板上に形成された窒化ガリウム層と、
前記窒化ガリウム層上に接して形成されたショットキー電極とを備え、
前記ショットキー電極は、イオン化傾向が水素よりも大きい金属である卑金属で、かつ４×１０¹⁹ｃｍ^-3以上の酸素濃度を有し、
前記窒化ガリウム層と前記ショットキー電極との界面の炭素のピーク濃度は、１×１０ ¹⁹ ｃｍ ^-3 以上である、ショットキーバリアダイオード。