JP5651410B2

JP5651410B2 - シリコンカーバイドショットキーバリアダイオードおよびその製造方法

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Publication number: JP5651410B2
Application number: JP2010190414A
Authority: JP
Inventors: 修一小野; 新井　学; 学新井
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2010-08-27
Filing date: 2010-08-27
Publication date: 2015-01-14
Anticipated expiration: 2030-08-27
Also published as: JP2012049347A

Description

本発明はシリコンカーバイド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し、特に、ガードリング層を備えたシリコンカーバイド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。

シリコンカーバイド（ＳｉＣ）は、絶縁破壊電界がシリコンの約１０倍、熱伝導率がシリコンの約３倍、電子の飽和速度がシリコンの約２倍と大きいことから、シリコンを用いたパワーデバイスと比較して、デバイスの高耐圧化が容易であり、更に、デバイス能動層を薄層かつ高濃度化することによって低損失パワーデバイスを実現できる材料として着目されている。特に、ＳｉＣショットキーバリアダイオードは、２０００年代初頭に、ＳｉＣデバイス中で最も早く実用化され、スイッチング回路に搭載した場合に、同性能の耐圧を持つシリコンバイポーラ型のファーストリカバリーダイオードと比較して、逆回復時間と回復電流が小さいために、回路の低損失化が実現できるデバイスとなっている。

一方ＳｉＣの物性を活かして、高い耐圧特性を示すショットキーバリアダイオードを実現するためには、逆方向バイアス動作時にシリコンパワーデバイスと同様にショットキー接合終端部に集中する電界を緩和する必要がある（非特許文献１参照）。

図５に従来のこの種のＳｉＣショットキーバリアダイオードの構造を示す。高不純物濃度のｎ型六方晶ＳｉＣからなるｎ⁺型ＳｉＣ基板１上に、不純物濃度がｎ⁺型ＳｉＣ基板より低い不純物濃度のｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２と、ｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２よりも不純物濃度の低いｎ^-型ＳｉＣエピタキシャル層３が形成されている。ｎ^-型ＳｉＣエピタキシャル層３上には、ｎ^-型ＳｉＣエピタキシャル層にショットキー接触するショットキー電極５が形成され、ｎ⁺型ＳｉＣ基板１の裏面側にはオーミック電極６が形成されている。そして、ショットキー電極５の外周部に、一部が重なるように、ガードリング層９が形成されている。なお、７はパッド電極、８はパッシベーション膜である。

一般的にＳｉＣショットキーバリアダイオードでは、ＪＴＥ（Junction Termination Extension）のようなＰ型のイオン注入層（Ｐ型ガードリング層）を用いたガードリング構造が形成されている。このようなガードリング構造としては、ＳｉＣに対してＰ型の不純物となるホウ素やアルミニウムを、５００℃程度の高温でイオン注入し、その後、１５００℃以上の熱処理を行うことで形成されるのが一般的である（非特許文献２参照）。

また、ガードリング構造の別の例として、アルゴンイオンを注入することにより結晶欠陥領域（高抵抗ガードリング層）を形成して高抵抗ガードリング構造を形成する方法も知られている。アルゴンは、ＳｉＣに対してＰ型やＮ型の不純物とならないため、イオン注入によって結晶構造を崩し、ＳｉＣのバンドギャップ内で、伝導帯から深いエネルギー準位にアクセプター型トラップを形成することによって、電界が緩和される。このような高抵抗ガードリング構造は、逆方向動作におけるリーク電流が大きいという課題があることも知られている（非特許文献３参照）。

以上説明したような従来のＰ型ガードリング構造では、Ｐ型層が空乏化することで、ガードリング構造の外周端に集中する電界を緩和し、所望の耐圧を確保している。そのため、注入した不純物イオンを十分に活性化させるための１５００℃以上の高温の活性化処理を行う必要があった。

また高抵抗ガードリング構造では、高抵抗層に電界が集中した際、ショットキー電極端とガードリング層の外周端の高抵抗層を介してリーク電流を流すことで、過度の電界集中が発生しないようにしている。従って、ショットキー電極端からガードリング層の外周端までに寸法を所望の耐圧が得られる程度長く設定する必要があった。

B Jayant Baliga、「Silicon Carbide Power Devices」、（米国）、World Scientific、2005年、ｐ．38−70 松波弘之編著、「半導体ＳｉＣ技術と応用」、日刊工業新聞社、2003年、ｐ．143−185 Dev Alok他, IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS、Vol.15、No.10、1994年、p．394−395

従来提案されているガードリング構造の内、Ｐ型ガードリング構造は、１５００℃以上の熱処理を行う必要があり、低温で形成できる方法が望まれている。一方、高抵抗ガードリング構造では、逆方向リーク抵抗の低減が望まれている。さらに、高抵抗ガードリング構造では、ガードリング構造の小型化が望まれている。

本発明は、上記のようなに実状に鑑み、低温の熱処理で形成することができ、かつ所望の特性を得ることができるＳｉＣショットキーバリアダイオードとその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明は、Ｎ型のシリコンカーバイド層表面にショットキー電極を備え、該ショットキー電極の周囲に一部が重畳するように形成されたガードリング層を備えたシリコンカーバイドショットキーバリアダイオードにおいて、前記ガードリング層は、前記Ｎ型のシリコンカーバイド層にＰ型となる不純物イオンが注入された領域が９００℃〜１３００℃の熱処理により再結晶化した領域からなり、かつ注入された前記不純物イオンの活性化率が１％以下のＰ型を示す領域であることを特徴とする。

本願請求項２に係る発明は、Ｎ型のシリコンカーバイド層表面にショットキー電極を備え、該ショットキー電極の周囲に一部が重畳するように形成されたガードリング層を備えたシリコンカーバイドショットキーバリアダイオードの製造方法において、前記Ｎ型のシリコンカーバイド層表面の前記ガードリング層形成予定領域に、Ｐ型となる不純物イオンを、少なくとも前記シリコンカーバイド層に結晶欠陥が生じる注入条件でイオン注入する工程と、該イオン注入領域を再結晶化すると共に、注入された前記不純物イオンの活性化率が１％以下となる温度範囲で熱処理し、Ｐ型の前記ガードリング層を形成する工程と、前記Ｎ型のシリコンカーバイド層表面に、ショットキー接触するショットキー電極を、該ショットキー電極の周囲が前記Ｐ型のガードリング層と一部重畳するように形成する工程と、を含み、前記不純物イオンが、ホウ素あるいはアルミニウムであり、注入量が、５×１０ ¹³ ｃｍ ^-2 〜５×１０ ¹⁵ ｃｍ ^-2 であり、前記熱処理の温度範囲が、９００℃〜１３００℃であることを特徴とする。

本発明の製造方法により形成したＳｉＣショットキーバリアダイオードは、従来報告されている高抵抗ガードリング構造と、Ｐ型ガードリング構造の中間的特性を持ったガードリング層を備えることにより、従来の高抵抗ガードリング構造と比較して、逆方向リーク電流を低減し、１５００℃程度の高温処理を必要とする従来方法より低温の熱処理しか行っていないにもかかわらず、同等の逆方向リーク電流特性を有するＳｉＣショットキーダイオードを得ることができる。

さらに本発明のＳｉＣショットキーバリアダイオードは、従来の高抵抗ガードリング構造ほど、ショットキー電極端からガードリング外周端までの距離を長くする必要はなく、半導体装置の小型化ができるという利点もある。

本発明の製造方法によれば、従来よりも数１００度以上低い温度で処理すればよいので、通常のシリコン半導体装置の製造工程で使用する製造装置を用意するだけでよく、ＳｉＣショットキーバリアダイオードを低コストで製造できるという利点がある。

本発明の実施例のＳｉＣショットキーバリアダイオードの断面図である。本発明のガードリング層と従来の高抵抗ガードリング層を用いたＳｉＣショットキーバリアダイオードの逆方向電圧-流特性を示す図である。本発明のガードリング構造と従来の高抵抗ガードリング構造を用いたＳｉＣショットキーバリアダイオードの逆方向耐圧を示す図である。本発明のガードリング層の電圧−電流特性を示す図である。従来のＳｉＣショットキーバリアダイオードの断面図である。

本発明のＳｉＣショットキーバリアダイオードのガードリング層は、従来報告されている高抵抗ガードリング構造と、イオン注入されたＰ型不純物を十分に活性化した場合のＰ型ガードリング構造との中間的特性を示す層で構成される。即ち、本発明のガードリング層は、イオン注入によって生じた結晶欠陥は、熱処理によって回復（再結晶化）している。さらにイオン注入された不純物イオンの活性化率は１％以下程度のため、不純物イオン濃度が非常に低い領域となっている。従って、本発明のガードリング層は、不純物イオンの注入量を低く設定すると共に、注入した不純物イオンの活性化率を高くして形成した不純物イオン濃度の低い領域、即ち、注入量が少ないためイオン注入によって結晶欠陥がほとんど発生しない領域に、活性化したイオン種が低濃度で存在する領域とは異なる。

また本発明のＳｉＣショットキーバリアダイオードの製造方法は、通常のＰ型ガードリング層を形成するためのイオン注入を行った後、このイオン注入によって生じた結晶欠陥は再結晶化するが、注入された不純物イオンは、ほとんど活性化しない温度範囲で熱処理することで形成することができる。以下、本発明の実施例について、製造工程に従い説明する。

図１は、本発明の実施例のＳｉＣショットキーバリアダイオードの断面図である。高不純物濃度のｎ型六方晶ＳｉＣからなるｎ⁺型ＳｉＣ基板１上に、不純物濃度がｎ⁺型ＳｉＣ基板より低いｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２と、ｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２よりも不純物濃度の低いｎ^-型ＳｉＣエピタキシャル層３が形成されている。ｎ^-型ＳｉＣエピタキシャル層３上には、ｎ^-型ＳｉＣエピタキシャル層にショットキー接触するショットキー電極５が形成されている。そして、ショットキー電極５の外周部に、一部が重なるように本発明のガードリング層４が形成されている。ショットキー電極５上には、パッド電極７が形成されており、更にｎ^-型ＳｉＣエピタキシャル層３の露出する表面、ショットキー電極５、パッド電極７を覆うようにパッシベーション層８が形成されている。このパッシベーション層８は、本発明のショットキーダイオードをパッケージに組立てる際に、パッド電極７上にワイヤーボンディングを行なうため開口が形成されている。また、ｎ⁺型ＳｉＣ基板１の裏面側には、オーミック電極６が形成されている。

なお、ガードリング層４は、通常の半導体装置の製造方法に従い、例えば、ｎ^-型ＳｉＣエピタキシャル層３に、フォトレジストやＣＶＤ酸化膜等のマスクをパターニングすることによる選択イオン注入する。注入するイオン種としてホウ素を用いる場合、注入エネルギー３０ｋｅＶ、注入量１×１０¹⁵ｃｍ^-2を、室温でイオン注入する。その後、イオン注入によって生じた結晶欠陥を回復させるために、窒素やアルゴン等の不活性ガス雰囲気で、１０５０℃で９０分程度の熱処理を行う。この熱処理によって、イオン注入によって結晶欠陥が生じた部分は再結晶化する。一方、１０５０℃程度の熱処理では、注入されたイオンの活性化率は非常に低く、一般的には１％以下と言われ、Ｐ型の導電型は示すが、非常に不純物濃度の低い領域となる。

このような構造のＳｉＣショットキーバリアダイオードの耐圧は、ｎ^-型ＳｉＣエピタキシャル層３の不純物濃度と厚さに依存し、図１に示す構造の場合、不純物濃度が５×１０¹⁵ｃｍ^-3から２×１０¹⁶ｃｍ^-3、深さが５μｍ以上となるように設定することで、耐圧１０００Ｖ以上の動作が可能である。

また、不純物濃度５×１０¹⁵ｃｍ^-3、厚さ１０μｍの場合、１２００Ｖ以上の逆方向耐圧を得ることができた。

図２は、本発明と従来の高抵抗ガードリング層を備えたＳｉＣショットキーバリアダイオードの逆方向電流―電圧特性を比較した図である。図２に示すように、本発明の方が、逆方向のリーク電流が小さいことがわかる。このような特性は、注入するイオン種はアルミニウムであっても同様であることが確認されている。

本発明のガードリング層を形成するためには、上記実施例に限定されず、ＳｉＣショットキーバリアダイオードの所望の特性が得られる範囲で、以下の条件を適宜設定すればよい。まず、注入するイオン種はホウ素あるいはアルミニウムとし、注入エネルギーは３０〜１８０ｅＶ、注入量は５×１０¹³ｃｍ^-2〜５×１０¹⁵ｃｍ^-2の範囲に設定する。注入エネルギーを一定として注入量を増加させると、不純物イオンが注入された領域のアモルファス化の度合いが強まり、熱処理による結晶性の回復が悪くなる傾向となる。そこで、本発明では、以下に説明する熱処理条件で所望の再結晶化が生じるように、上記の注入量に設定している。注入エネルギーは、注入深さを決めるために設定している。

次に熱処理温度範囲は、イオン注入によって結晶に欠陥を生じさせた後、再結晶化させると共に、注入した不純物イオンの活性化率の低い温度範囲に設定している。イオン注入後の熱処理温度の下限は、再結晶化するといわれている８００℃（例えば、T.NakamuraらによってMaterials Science Forum Vols.389-393、2002年、p839-842に、イオン注入された領域が８００℃以上で再結晶化すると報告されている）より高い温度である９００℃に設定することにより、確実に再結晶化させている。さらに、熱処理温度の上限は、注入した不純物イオンがアクセプターとして活性化する活性化率が１％程度となる１５００℃（例えば、J.Appl.Phys.,Vol.91,No.7,1 April 2002年p.4242-４248に、アルミニウムイオンおよびホウ素イオンは、１５００℃ではほとんど活性化していないと報告されている）より低い１３００℃に設定することで、注入した不純物イオンのほとんどがアクセプターとして活性化しないことになる。従って本発明では、熱処理温度を９００℃〜１３００℃の温度範囲としている。

なお、結晶性が十分に回復していないと、従来の高抵抗ガードリング構造と同一となり、逆方向バイアス時のリーク電流が増加してしまうので、本発明の効果は得られない。上述の通り、本発明では、逆方向バイアス時のリーク電流が低減されるため、本発明のガードリング構造は、従来の高抵抗ガードリング構造とは相違することがわかる。

次に本発明のガードリング層が、従来のＰ型ガードリング層と異なることを説明する。まず、本発明のガードリング層と従来のガードリング層は、不純物濃度が異なる。先に説明したとおり、従来のガードリング層は、イオン注入によって形成したＰ型層を空乏化することによって、電界集中を緩和している。従って、Ｐ型層は、ある程度不純物濃度が高くなっている。これに対し本発明のガードリング層は、注入したイオンは、一部しか活性化されていない。従って、不純物濃度は低いことがわかる。

ところで、低不純物濃度のイオン注入領域を形成する場合、注入量を少なくし、注入した不純物の活性化率を高くして形成することもできる。このように活性化率を高くしてイオン注入領域を形成する場合は、活性化のための熱処理は、当然高くなる。すなわち、１５００℃程度の熱処理を行う必要がある。その結果、イオン注入領域は、イオン注入によって発生した結晶欠陥（注入量が少ないため、結晶欠陥は少ない）は回復し、不純物濃度の低いイオン注入領域となる。しかし、このように不純物濃度の低い領域をガードリング層とすると、低濃度のＰ型層は、空乏化されず、十分な耐圧を得ることができない。

これに対し、本発明のガードリング層は、低濃度のＰ型層でありながら、十分な耐圧を得ることができた。つまり、本発明のガードリング層は、従来のＰ型ガードリング層とは全く異なる構成であることがわかる。

次に、本発明のガードリング構造が、従来の高抵抗ガードリング構造とは異なることを説明する。先に説明したように、高抵抗ガードリング構造では、高抵抗ガードリング層を微少な電流が流れる。従って、十分な耐圧を確保するためには、図５にＷ３で示す寸法を長く設定する必要がある。図３は、ガードリング層の横方向の寸法と耐圧の関係を説明する図で、従来例の場合、Ｗ３に相当する寸法が横軸となり、ショットキー電極と重畳する寸法は２０μｍとしている。高抵抗ガードリング構造では、高抵抗ガードリング層に電流を流すことによって、過度の電界集中が発生しないようにしている。従って、ある程度Ｗ３の寸法を大きくしないと高耐圧が得られないことになる。

これに対して本発明のガードリング構造は、図１に示すＷ２の寸法、即ちショットキー電極と重なり合う寸法をある程度大きくすれば、十分な耐圧が得られることを確認した。図３には、Ｗ１＝２０μｍとして、Ｗ２の寸法を横軸として耐圧との関係を示している。図３に示すように、本発明のガードリング構造ではＷ２＝５μｍで、８００Ｖ以上の耐圧が得られることが確認された。

つまりＷ１＋Ｗ２＝２５μｍあれば、十分な耐圧が得られることがわかる。さらにＷ１＝１０μｍ程度まで寸法を小さくできることも確認され、ショットキーバリアダイオードを小型化するこも可能となる。

本発明のガードリング層について、さらに詳細に説明するため、ガードリング層を構成する半導体領域の特性について、以下に説明する。

まず、図１で説明したＳｉＣショットキーバリアダイオードを形成した半導体基板を使用し、不純物濃度が５×１０¹⁵ｃｍ^-3のｎ^-型ＳｉＣエピタキシャル層３の全面に、ホウ素イオンを注入エネルギー３０ｋｅＶ、注入量１×１０¹⁵ｃｍ^-2、室温でイオン注入する。その後、活性化のため、１０５０℃の加熱処理を行う。このように形成したイオン注入領域表面に、ショットキー電極としてチタン電極を形成し、このショットキー特性を調べた。ＳｉＣ基板の裏面には、オーミック電極を形成した。

図４は、オーミック電極６側を接地し、ショットキー電極側に正バイアスと負バイアスを印加した場合に電圧―電流特性を示している。測定温度は、２５℃、１００℃、１７５℃とした。図３に示すように、正バイアス時には、測定温度を上昇させた場合、電流の立ち上がり電圧が徐々に小さくなっている。さらに負バイアス時には、測定温度を上昇させた場合、ブレークダウン電圧が次第に大きくなっている。図４に示すように、本発明のガードリング層は、ｎ^-型ＳｉＣエピタキシャル層３との間で、ＰＮ接合が形成されていることが確認された。

しかしながら、本発明では、注入した不純物イオンを活性化するための熱処理温度は、通常より非常に低く設定しているため、イオン注入されたホウ素がアクセプターとして活性化する割合は、非常に低い。一般的には、ホウ素がアクセプターとして活性化される割合は、１５００℃で、１％未満であること、さらにＳｉＣに対してＰ型の不純物となるホウ素は、イオン化エネルギーが０．３ｅＶ程度と大きいため、室温におけるホール密度はさらに小さくなる。

１：ｎ⁺型ＳｉＣ基板、２：ｎ型ＳｉＣエピタキシャル層、３：ｎ^-型ＳｉＣエピタキシャル層、４：ガードリング層、５：ショットキー電極、６：オーミック電極、７：パッド電極、８：パッシベーション膜、９：ガードリング層

Claims

Ｎ型のシリコンカーバイド層表面にショットキー電極を備え、該ショットキー電極の周囲に一部が重畳するように形成されたガードリング層を備えたシリコンカーバイドショットキーバリアダイオードにおいて、
前記ガードリング層は、前記Ｎ型のシリコンカーバイド層にＰ型となる不純物イオンが注入された領域が９００℃〜１３００℃の熱処理により再結晶化した領域からなり、かつ注入された前記不純物イオンの活性化率が１％以下のＰ型を示す領域であることを特徴とするシリコンカーバイドショットキーバリアダイオード。
Ｎ型のシリコンカーバイド層表面にショットキー電極を備え、該ショットキー電極の周囲に一部が重畳するように形成されたガードリング層を備えたシリコンカーバイドショットキーバリアダイオードの製造方法において、
前記Ｎ型のシリコンカーバイド層表面の前記ガードリング層形成予定領域に、Ｐ型となる不純物イオンを、少なくとも前記シリコンカーバイド層に結晶欠陥が生じる注入条件でイオン注入する工程と、
該イオン注入領域を再結晶化すると共に、注入された前記不純物イオンの活性化率が１％以下となる温度範囲で熱処理し、Ｐ型の前記ガードリング層を形成する工程と、
前記Ｎ型のシリコンカーバイド層表面に、ショットキー接触するショットキー電極を、該ショットキー電極の周囲が前記Ｐ型のガードリング層と一部重畳するように形成する工程と、を含み、
前記不純物イオンが、ホウ素あるいはアルミニウムであり、
注入量が、５×１０ ¹³ ｃｍ ^-2 〜５×１０ ¹⁵ ｃｍ ^-2 であり、
前記熱処理の温度範囲が、９００℃〜１３００℃であることを特徴とするシリコンカーバイドショットキーバリアダイオードの製造方法。