JP6485303B2 - 半導体装置およびその製造方法ならびに電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法ならびに電力変換装置に関する。

半導体装置（半導体デバイス、半導体素子）の１つとして、ショットキーバリアダイオード（Schottky Barrier Diode：ＳＢＤ）が知られている。ショットキーバリアダイオードでは、逆方向電圧が印加された場合、ショットキー接合界面の端部に電界が集中することによって逆方向リーク電流が増大する。

特許文献１には、ショットキー接合界面の端部における電界集中を抑制するために、炭化ケイ素（ＳｉＣ）系のショットキーバリアダイオードにおいて、ショットキー接合界面の端部に隣接する半導体層に、他の領域とは異なる導電特性を有する領域を、イオン注入によって形成することが開示されている。

特許文献２，３には、ショットキー接合界面の端部における電界集中を抑制するために、窒化ガリウム（ＧａＮ）系のショットキーバリアダイオードにおいて、ショットキー接合界面の端部に隣接する半導体層に、他の領域よりも電気抵抗が比較的に高い高抵抗領域をイオン注入によって形成することが開示されている。

特許第５３０６３９２号公報 特許第２０１５−７６５７７号公報 特許第２０１３−４２１８３号公報

特許文献１の技術では、窒化ガリウム（ＧａＮ）系のｎ型半導体層にはイオン注入によってｐ型半導体領域を形成することが困難であるため、窒化ガリウム（ＧａＮ）系のショットキーバリアダイオードに適用できない。また、本発明者によれば、特許文献２，３の技術では、逆方向リーク電流が抑制されるどころか、逆に逆方向リーク電流が増大することが分かった。その原因は、ショットキー接合界面に隣接する高抵抗領域を介して逆方向リーク電流が流れやすくなるためであると考えられる。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決し、以下の形態として実現できる。
［形態１］半導体装置であって、ドナー元素としてケイ素（Ｓｉ）を含有し、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主になるｎ型の特性を有する半導体層と、前記半導体層の上に形成され、開口部を有する絶縁膜と、前記開口部の内側から前記絶縁膜の上にわたって形成され、前記開口部の内側を通じて前記半導体層とショットキー接合界面を形成する電極とを備え、前記半導体層は、前記電極と前記ショットキー接合界面を形成し、ｎ型の特性を有する第１の領域と、前記ショットキー接合界面より外側に形成され、前記電極との間に前記絶縁膜を挟み、前記第１の領域より高い電気抵抗を有し、ｎ型の特性を有する第２の領域とを含み、前記第２の領域は、ホウ素（Ｂ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、炭素（Ｃ）、鉄（Ｆｅ）、窒素（Ｎ）、フッ素（Ｆ）のうち少なくとも１つを、１×１０ ¹⁵ ｃｍ ^-3 以上１×１０ ²² ｃｍ ^-3 以下の範囲で含有する、半導体装置。
［形態２］半導体装置の製造方法であって、ドナー元素としてケイ素（Ｓｉ）を含有し、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主になるｎ型の特性を有する半導体層であってマスクが形成された半導体層における前記マスクの周囲をエッチングすることによって、前記マスクが形成された部位を上面とするメサ構造を形成するエッチング工程と、前記エッチング工程を終えた後、前記上面にマスクが形成された前記メサ構造を有する半導体層における前記マスクの周囲に、前記半導体層の電気抵抗を高くするイオン注入種をイオン注入するイオン注入工程と、前記イオン注入を終えた後、前記マスクを除去する除去工程と、前記除去工程を終えた後、開口部を有する絶縁膜を前記上面から前記メサ構造の周囲にわたって形成するとともに、前記開口部の内側を通じて前記上面とショットキー接合する電極を、前記開口部の内側から、前記メサ構造の周囲に広がる前記絶縁膜の上にわたって形成する工程とを備え、前記イオン注入種は、ホウ素（Ｂ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、炭素（Ｃ）、鉄（Ｆｅ）、窒素（Ｎ）、フッ素（Ｆ）のうち少なくとも１つを含み、前記イオン注入工程は、半導体層における前記マスクの周囲の領域が前記イオン注入種を１×１０ ¹⁵ ｃｍ ^-3 以上１×１０ ²² ｃｍ ^-3 以下の範囲で含有するように、前記イオン注入種をイオン注入する工程を含む、半導体装置の製造方法。

（１）本発明の一形態は、半導体装置を提供する。この半導体装置は、半導体層と；前記半導体層の上に形成され、開口部を有する絶縁膜と；前記開口部の内側から前記絶縁膜の上にわたって形成され、前記開口部の内側を通じて前記半導体層とショットキー接合界面を形成する電極とを備え、前記半導体層は、前記電極と前記ショットキー接合界面を形成する第１の領域と；前記ショットキー接合界面より外側に形成され、前記電極との間に前記絶縁膜を挟み、前記第１の領域より高い電気抵抗を有する第２の領域とを含む。この形態によれば、第２の領域を介した逆方向リーク電流を防止するとともに、第２の領域によってショットキー接合界面の端部における電界集中を抑制できる。その結果、逆方向リーク電流を効果的に抑制できる。

（２）上述の半導体装置において、前記第２の領域は、前記半導体層が広がる面方向において、前記ショットキー接合界面の端部と前記電極の端部との中間点より、前記ショットキー接合界面側に存在してもよい。この形態によれば、ショットキー接合界面の端部における電界集中を効果的に抑制できる。

（３）上述の半導体装置において、前記第２の領域は、前記半導体層が広がる面方向において、前記ショットキー接合界面の端部から０．５μｍ以上離れていてもよい。この形態によれば、第２の領域を介した逆方向リーク電流を十分に防止できる。

（４）上述の半導体装置において、前記第２の領域は、前記半導体層が広がる面方向において、前記ショットキー接合界面の端部から５．０μｍ以内に存在してもよい。この形態によれば、ショットキー接合界面の端部における電界集中を効果的に抑制できる。

（５）上述の半導体装置において、前記第２の領域は、前記半導体層が広がる面方向において、前記ショットキー接合界面の端部から１．０μｍ以内に存在してもよい。この形態によれば、ショットキー接合界面の端部における電界集中をいっそう抑制できる。

（６）上述の半導体装置において、前記半導体層は、上面と側面とを有する台地状を成すメサ構造を有し、前記ショットキー接合界面は、前記上面に形成され、前記第２の領域は、少なくとも前記側面に形成されてもよい。この形態によれば、メサ構造によってショットキー接合界面の端部における電界集中をいっそう抑制できる。

（７）上述の半導体装置において、前記半導体層は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成ってもよい。この形態によれば、窒化ガリウム（ＧａＮ）系の半導体装置において、逆方向リーク電流を効果的に抑制できる。

（８）上述の半導体装置において、前記第２の領域は、ホウ素（Ｂ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、炭素（Ｃ）、鉄（Ｆｅ）、窒素（Ｎ）、フッ素（Ｆ）およびマグネシウム（Ｍｇ）のうち少なくとも１つを、１×１０¹⁵ｃｍ^-3以上１×１０²²ｃｍ^-3以下の範囲で含有してもよい。この形態によれば、第２の領域を容易に実現できる。

（９）上述の半導体装置において、前記電極は、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）のうち少なくとも１つから主になる金属層を含んでもよい。この形態によれば、ショットキー接合界面を形成する電極を容易に実現できる。

本発明の一形態は、半導体装置の製造方法を提供する。この製造方法は、マスクが形成された半導体層における前記マスクの周囲をエッチングすることによって、前記マスクが形成された部位を上面とするメサ構造を形成するエッチング工程と；前記エッチング工程を終えた後、前記上面にマスクが形成された前記メサ構造を有する半導体層における前記マスクの周囲に、前記半導体層の電気抵抗を高くする原子をイオン注入するイオン注入工程と；前記イオン注入を終えた後、前記マスクを除去する除去工程と；前記除去工程を終えた後、開口部を有する絶縁膜を前記上面から前記メサ構造の周囲にわたって形成するとともに、前記開口部の内側を通じて前記上面とショットキー接合する電極を、前記開口部の内側から、前記メサ構造の周囲に広がる前記絶縁膜の上にわたって形成する工程とを備える。この形態によれば、エッチング工程に使用したマスクを利用した自己整合によって、イオン注入工程に使用するマスクを別途作製する必要がないため、製造コストを抑制できる。

本発明は、半導体装置およびその製造方法以外の種々の形態で実現でき、例えば、上記形態の半導体装置を備える電力変換装置、ならびに、上記形態の製造方法を実施する製造装置などの形態で実現できる。

本願発明によれば、第２の領域を介した逆方向リーク電流を防止するとともに、第２の領域によってショットキー接合界面の端部における電界集中を抑制できる。その結果、逆方向リーク電流を効果的に抑制できる。

半導体装置の構成を模式的に示す断面図である。 半導体装置の製造方法を示す工程図である。 距離と逆方向リーク電流との関係を評価した結果を示すグラフである。 第２実施形態における半導体装置２００の構成を模式的に示す断面図である。 第２実施形態における半導体装置２００の製造方法を示す工程図である。 半導体装置を製造する様子を示す説明図である。 半導体装置を製造する様子を示す説明図である。 第３実施形態における半導体装置の構成を模式的に示す断面図である。 電力変換装置の構成を示す説明図である。

Ａ．第１実施形態
図１は、半導体装置１００の構成を模式的に示す断面図である。図１には、相互に直交するＸＹＺ軸が図示されている。図１のＸＹＺ軸のうち、Ｘ軸は、図１の紙面左から紙面右に向かう軸である。＋Ｘ軸方向は、紙面右に向かう方向であり、−Ｘ軸方向は、紙面左に向かう方向である。図１のＸＹＺ軸のうち、Ｙ軸は、図１の紙面手前から紙面奥に向かう軸である。＋Ｙ軸方向は、紙面奥に向かう方向であり、−Ｙ軸方向は、紙面手前に向かう方向である。図１のＸＹＺ軸のうち、Ｚ軸は、図１の紙面下から紙面上に向かう軸である。＋Ｚ軸方向は、紙面上に向かう方向であり、−Ｚ軸方向は、紙面下に向かう方向である。図１のＸＹＺ軸は、他の図のＸＹＺ軸に対応する。

半導体装置１００は、窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いて形成されたＧａＮ系の半導体装置である。本実施形態では、半導体装置１００は、縦型ショットキーバリアダイオードである。本実施形態では、半導体装置１００は、電力制御に用いられ、パワーデバイスとも呼ばれる。半導体装置１００は、基板１１０と、半導体層１２０と、絶縁膜１３０と、アノード電極１４０と、カソード電極１５０とを備える。

半導体装置１００の基板１１０は、Ｘ軸およびＹ軸に沿って広がる板状を成す半導体である。基板１１０の厚さ（Ｚ軸方向の長さ）は、１００μｍ以上５００μｍ以下が好ましく、本実施形態では、約３００μｍである。

本実施形態では、基板１１０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成る。本明細書の説明において、「窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成る」とは、モル分率において窒化ガリウム（ＧａＮ）を９０％以上含有することを意味する。本実施形態では、基板１１０は、ｎ型の特性を有するｎ型半導体である。本実施形態では、基板１１０は、ケイ素（Ｓｉ）をドナー元素として含有する。本実施形態では、基板１１０に含まれるケイ素（Ｓｉ）濃度の平均値は、約１×１０¹⁸ｃｍ^-3である。

半導体装置１００の半導体層１２０は、基板１１０の上に形成されている。本実施形態では、本実施形態では、半導体層１２０は、基板１１０の＋Ｚ軸方向側に形成されている。半導体層１２０は、エピタキシャル成長（結晶成長）によって形成された半導体層である。本実施形態では、半導体層１２０は、Ｘ軸およびＹ軸に沿って広がる。半導体層１２０の厚さ（Ｚ軸方向の長さ）は、５μｍ以上３０μｍ以下が好ましく、本実施形態では、約１０μｍである。

本実施形態では、半導体層１２０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成る。本実施形態では、半導体層１２０は、ｎ型の特性を有するｎ型半導体である。本実施形態では、半導体層１２０は、ケイ素（Ｓｉ）をドナー元素として含有する。本実施形態では、半導体層１２０に含まれるケイ素（Ｓｉ）濃度の平均値は、約１×１０¹⁶ｃｍ^-3である。半導体層１２０は、低抵抗領域１２０ａと、高抵抗領域１２０ｂとを含む。

半導体層１２０の低抵抗領域１２０ａは、アノード電極１４０とショットキー接合界面ＳＢを形成する第１の領域である。ショットキー接合界面ＳＢは、低抵抗領域１２０ａとアノード電極１４０とが接触することによってショットキー接合する界面である。低抵抗領域１２０ａは、高抵抗領域１２０ｂより低い電気抵抗を有する。本実施形態では、低抵抗領域１２０ａは、半導体層１２０における＋Ｚ軸方向側の表面の一部を構成するとともに、半導体層１２０における−Ｚ軸方向側の表面の全域を構成する。低抵抗領域１２０ａは、半導体層１２０のうちイオン注入の影響を受けていない領域である。

半導体層１２０の高抵抗領域１２０ｂは、低抵抗領域１２０ａより高い電気抵抗を有する第２の領域である。高抵抗領域１２０ｂは、ショットキー接合界面ＳＢより外側に形成されている。高抵抗領域１２０ｂは、アノード電極１４０との間に絶縁膜１３０を挟む。本実施形態では、高抵抗領域１２０ｂは、半導体層１２０における＋Ｚ軸方向側の表面の一部を構成する。

高抵抗領域１２０ｂは、半導体層１２０のうち、半導体層１２０の電気抵抗を高くする原子がイオン注入された領域である。高抵抗領域１２０ｂは、半導体層１２０の電気抵抗を高くする原子として、ホウ素（Ｂ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、炭素（Ｃ）、鉄（Ｆｅ）、窒素（Ｎ）、フッ素（Ｆ）およびマグネシウム（Ｍｇ）のうち少なくとも１つを、１×１０¹⁵ｃｍ^-3以上１×１０²²ｃｍ^-3以下の範囲で含有することが好ましい。本実施形態では、高抵抗領域１２０ｂは、半導体層１２０の電気抵抗を高くする原子として、１×１０¹⁵ｃｍ^-3以上１×１０²²ｃｍ^-3以下の範囲でホウ素（Ｂ）を含有する。

逆方向リーク電流を抑制する観点から、高抵抗領域１２０ｂは、半導体層１２０が広がる面方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）において、ショットキー接合界面ＳＢの端部Ｅｉとアノード電極１４０の端部Ｅｅとの中間点Ｐｃより、ショットキー接合界面ＳＢ側に存在することが好ましい。

逆方向リーク電流を抑制する観点から、高抵抗領域１２０ｂは、半導体層１２０が広がる面方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）において、ショットキー接合界面ＳＢの端部Ｅｉから０．５μｍ以上離れていることが好ましい。また、逆方向リーク電流を抑制する観点から、高抵抗領域１２０ｂは、半導体層１２０が広がる面方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）において、５．０μｍ以内に存在することが好ましく、１．０μｍ以内に存在することがいっそう好ましい。つまり、ショットキー接合界面ＳＢの端部Ｅｉと高抵抗領域１２０ｂとの間の距離Ｄｓは、０．５μｍ以上５．０μｍ以下であることが好ましく、０．５μｍ以上１．０μｍ以下であることがいっそう好ましい。

半導体装置１００の絶縁膜１３０は、半導体層１２０の上に形成された絶縁体である。本実施形態では、絶縁膜１３０は、半導体層１２０の＋Ｚ軸方向側に形成されている。絶縁膜１３０は、開口部１３８を有する。本実施形態では、開口部１３８の内側にショットキー接合界面ＳＢが形成される。本実施形態では、絶縁膜１３０は、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）から主に成る絶縁層（厚さ：約１００ｎｍ）の上に、酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）から主に成る絶縁層（厚さ：約５００ｎｍ）を積層した多層膜である。

半導体装置１００のアノード電極１４０は、開口部１３８の内側を通じて半導体層１２０とショットキー接合界面ＳＢを形成するショットキー電極である。本実施形態では、アノード電極１４０の厚さ（Ｚ軸方向の長さ）は、約１００ｎｍである。アノード電極１４０は、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）などの少なくとも１つから主に成る１層以上の金属層によって構成される。本実施形態では、カソード電極１５０は、ニッケル（Ｎｉ）から主に成る１層の金属層によって構成される。

アノード電極１４０は、絶縁膜１３０における開口部１３８の内側から絶縁膜１３０の上にわたって形成されている。これによって、アノード電極１４０は、半導体層１２０との間に絶縁膜１３０を挟むフィールドプレート構造を形成する。ショットキー接合界面ＳＢの端部Ｅｉにおける電界集中を抑制する観点から、アノード電極１４０におけるフィールドプレート構造の長さＬｆは、１．０μｍ以上が好ましく、５．０μｍ以上がさらに好ましく、１０μｍ以上がいっそう好ましい。半導体装置１００の集積度を向上させる観点から、長さＬｆは、１ｍｍ以下であることが好ましい。

半導体装置１００のカソード電極１５０は、基板１１０において半導体層１２０が形成されている側とは反対側に形成された裏面電極である。本実施形態では、カソード電極１５０は、基板１１０の−Ｚ軸方向側に形成されている。カソード電極１５０は、基板１１０に対してオーミック接触する。本実施形態では、カソード電極１５０の厚さ（Ｚ軸方向の長さ）は、約２μｍである。カソード電極１５０は、アルミニウム−ケイ素（ＡｌＳｉ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）および金（Ａｕ）などの少なくとも１つから主に成る１層以上の金属層によって構成される。本実施形態ではカソード電極１５０は、チタン（Ｔｉ）から主に成る金属層に、アルミニウム−ケイ素（ＡｌＳｉ）から主に成る金属層を積層した多層構造を有する。

図２は、半導体装置１００の製造方法を示す工程図である。まず、半導体装置１００の製造者は、半導体層１２０を形成する（工程Ｐ１１０）。本実施形態では、製造者は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）を用いたエピタキシャル成長によって、基板１１０の上に半導体層１２０を形成する。本実施形態では、製造者は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成る半導体層１２０を形成する。

半導体層１２０を形成した後（工程Ｐ１１０）、製造者は、イオン注入工程を実施する（工程Ｐ１２０）。イオン注入工程（工程Ｐ１２０）において、製造者は、半導体層１２０の表面のうち低抵抗領域１２０ａとして残す部分に、イオン注入用マスクを形成する。イオン注入用マスクは、本実施形態では、フォトレジストであり、他の実施形態では、絶縁膜であってもよいし、金属膜であってもよい。

イオン注入用マスクを形成した後、製造者は、半導体層１２０におけるイオン注入用マスクの周囲に、半導体層１２０の電気抵抗を高くする原子をイオン注入する。これによって、半導体層１２０のうちイオン注入の影響を受けた部分が高抵抗領域１２０ｂとなる。イオン注入を終えた後、製造者は、イオン注入用マスクを除去する。

イオン注入工程（工程Ｐ１２０）におけるイオン注入種は、ホウ素（Ｂ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、炭素（Ｃ）、鉄（Ｆｅ）、窒素（Ｎ）、フッ素（Ｆ）およびマグネシウム（Ｍｇ）のうち少なくとも１つが好ましく、本実施形態では、ホウ素（Ｂ）である。高抵抗領域１２０ｂに含まれるイオン注入種が１×１０¹⁵ｃｍ^-3以上１×１０²²ｃｍ^-3以上となるように、イオン注入工程（工程Ｐ１２０）におけるイオン注入量は、１×１０¹³ｃｍ^-2以上１×１０¹⁶ｃｍ^-2以下の範囲であることが好ましい。イオン注入時のチャネリング効果を防止する観点から、イオン注入工程（工程Ｐ１２０）におけるイオン注入角度は、Ｚ軸方向に対して５度以上１０度以下であることが好ましい。

イオン注入によって高くなった高抵抗領域１２０ｂの電気抵抗を維持するため、イオン注入工程（工程Ｐ１２０）において高抵抗領域１２０ｂを形成した後、製造者は、高抵抗領域１２０ｂに注入したイオンが活性化するような過剰な熱処理を実施しない。

イオン注入工程（工程Ｐ１２０）を行った後、製造者は、絶縁膜１３０を形成する（工程Ｐ１３０）。本実施形態では、製造者は、原子層体積法（ＡＬＤ：Atomic Layer Deposition）を用いて、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）から主に成る絶縁層を形成した後、プラズマ化学気相成長法（プラズマＣＶＤ：Plasma Chemical Vapor Deposition)を用いて、酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）から主に成る絶縁層を積層することによって、絶縁膜１３０を形成する。本実施形態では、製造者は、ドライエッチングによって絶縁膜１３０に開口部１３８を形成する。

絶縁膜１３０を形成した後（工程Ｐ１３０）、製造者は、アノード電極１４０およびカソード電極１５０を形成する（工程Ｐ１４０）。本実施形態では、電子ビーム蒸着法を用いて、ニッケル（Ｎｉ）から主に成る金属層として、アノード電極１４０を形成する。本実施形態では、製造者は、電子ビーム蒸着法を用いて、チタン（Ｔｉ）から主に成る金属層を形成した後、アルミニウム−ケイ素（ＡｌＳｉ）から主に成る金属層を積層することによって、カソード電極１５０を形成する。これらの工程を経て、半導体装置１００が完成する。

図３は、距離Ｄｓと逆方向リーク電流との関係を評価した結果を示すグラフである。図３の評価試験において、試験者は、距離Ｄｓが異なる半導体装置を試料として用意した。各試料の構造は、距離Ｄｓがそれぞれ異なる点を除き、上述した半導体装置１００と同様である。試験者は、各試料に対して２００Ｖの逆方向電圧を印加し、その際に流れる逆方向リーク電流を測定した。

各試料の距離Ｄｓは、−３．０μｍ、０．０μｍ、０．５μｍ、１．０μｍ、５．０μｍ、１０．０μｍおよび１５．０μｍである。距離Ｄｓが０．０μｍとなる試料では、高抵抗領域１２０ｂは、ショットキー接合界面ＳＢの端部Ｅｉから外側に存在する。マイナスの値となる距離Ｄｓは、高抵抗領域１２０ｂがショットキー接合界面ＳＢの端部Ｅｉより内側に入り込んだ長さを示す。各試料におけるフィールドプレート構造の長さＬｆは、それぞれ１０．０μｍである。

図３の横軸は、ショットキー接合界面ＳＢの端部Ｅｉと高抵抗領域１２０ｂとの間の距離Ｄｓを示す。図３の縦軸は、距離Ｄｓが１５μｍである試料の逆方向リーク電流に対する各試料の逆方向リーク電流の比である逆方向リーク電流比を示す。図３の縦軸は、対数軸である。

図３の評価結果によれば、逆方向リーク電流を抑制する観点から、距離Ｄｓは０．０μｍより大きいことが好ましい。言い換えると、高抵抗領域１２０ｂは、ショットキー接合界面ＳＢより外側に位置することが好ましい。逆方向リーク電流をいっそう抑制する観点から、距離Ｄｓは、０．５μｍ以上５．０μｍ以下であることが好ましく、０．５μｍ以上１．０μｍ以下であることがさらに好ましい。また、距離Ｄｓと長さＬｆとの関係では、距離Ｄｓは、長さＬｆの半分（５．０μｍ）より短いことが好ましい。言い換えると、高抵抗領域１２０ｂは、中間点Ｐｃよりショットキー接合界面ＳＢ側に存在することが好ましい。

以上説明した第１実施形態では、高抵抗領域１２０ｂは、ショットキー接合界面ＳＢより外側に形成されているとともに、アノード電極１４０との間に絶縁膜１３０を挟む。そのため、高抵抗領域１２０ｂを介した逆方向リーク電流を防止するとともに、高抵抗領域１２０ｂによってショットキー接合界面ＳＢの端部Ｅｉにおける電界集中を抑制できる。その結果、逆方向リーク電流を効果的に抑制できる。

また、高抵抗領域１２０ｂは、面方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）において、ショットキー接合界面ＳＢの端部Ｅｉとアノード電極１４０の端部Ｅｅとの中間点Ｐｃより、ショットキー接合界面ＳＢ側に存在するため、ショットキー接合界面ＳＢの端部Ｅｉにおける電界集中を効果的に抑制できる。

また、高抵抗領域１２０ｂは、面方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）において、ショットキー接合界面ＳＢの端部Ｅｉから０．５μｍ以上離れているため、高抵抗領域１２０ｂを介した逆方向リーク電流を十分に防止できる。

また、高抵抗領域１２０ｂは、面方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）において、ショットキー接合界面ＳＢの端部Ｅｉから１．０μｍ以内に存在するため、ショットキー接合界面ＳＢの端部Ｅｉにおける電界集中をいっそう抑制できる。

Ｂ．第２実施形態
図４は、第２実施形態における半導体装置２００の構成を模式的に示す断面図である。図４には、図１と同様に、ＸＹＺ軸が図示されている。

半導体装置２００は、窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いて形成されたＧａＮ系の半導体装置である。本実施形態では、半導体装置２００は、縦型ショットキーバリアダイオードである。本実施形態では、半導体装置２００は、電力制御に用いられ、パワーデバイスとも呼ばれる。

半導体装置２００は、基板２１０と、半導体層２２０と、絶縁膜２３０と、アノード電極２４０と、カソード電極２５０とを備える。半導体装置２００の基板２１０は、第１実施形態の基板１１０と同様である。半導体装置２００のカソード電極２５０は、第１実施形態のカソード電極１５０と同様である。

半導体装置２００の半導体層２２０は、メサ構造２２０ｍを有する点を除き、第１実施形態の半導体層１２０と同様である。メサ構造２２０ｍは、上面２２１と側面２２２とを有する台地状を成す。メサ構造２２０ｍの周囲には周囲面２２３が広がる。本実施形態では、メサ構造２２０ｍは、半導体層２２０に対する−Ｚ軸方向のドライエッチングによって形成された構造である。本実施形態では、半導体層２２０の厚さ（Ｚ軸方向の長さ）は、メサ構造２２０ｍの部分において約１０μｍである。

ショットキー接合界面ＳＢの端部Ｅｉにおける電界集中を抑制する観点から、メサ構造２２０ｍの高さＨｍは、絶縁膜２３０の厚さより厚いことが好ましい。加工性を確保する観点から、メサ構造２２０ｍの高さＨｍは、５．０μｍ以下であることが好ましい。ショットキー接合界面ＳＢの端部Ｅｉにおける電界集中を抑制する観点から、周囲面２２３に対する側面２２２の角度Ａｍは、１０°以上９０°以下であることが好ましい。

半導体層２２０は、低抵抗領域２２０ａと、高抵抗領域２２０ｂとを含む。低抵抗領域２２０ａは、メサ構造２２０ｍの上面２２１においてアノード電極２４０とショットキー接合界面ＳＢを形成する点を除き、第１実施形態の低抵抗領域１２０ａと同様である。高抵抗領域２２０ｂは、少なくともメサ構造２２０ｍの側面２２２に形成されている点を除き、第１実施形態の高抵抗領域１２０ｂと同様である。本実施形態では、高抵抗領域２２０ｂは、側面２２２の全域から周囲面２２３にわたって形成されている。

半導体装置２００の絶縁膜２３０は、上面２２１から側面２２２を通じて周囲面２２３にわたって形成されている点、並びに、上面２２１に開口部２３８を有する点を除き、第１実施形態の絶縁膜１３０と同様である。

半導体装置２００のアノード電極２４０は、開口部２３８の内側から、周囲面２２３に広がる絶縁膜２３０の上にわたって形成されている点、並びに、開口部２３８の内側を通じて上面２２１にショットキー接合界面ＳＢを形成する点を除き、第１実施形態のアノード電極１４０と同様である。

図５は、第２実施形態における半導体装置２００の製造方法を示す工程図である。図６および図７は、半導体装置２００を製造する様子を示す説明図である。まず、半導体装置２００の製造者は、第１実施形態の半導体層１２０と同様に、半導体層２２０を形成する（工程Ｐ２１０）。

半導体層２２０を形成した後（工程Ｐ２１０）、製造者は、エッチング工程を実施する（工程Ｐ２１５、図６）。エッチング工程（工程Ｐ２１５）において、製造者は、半導体層２２０にマスク８１０を形成した後、半導体層２２０におけるマスク８１０の周囲をエッチングすることによって、マスク８１０が形成された部位を上面２２１とするメサ構造２２０ｍを形成する。これによって、製造者は、製造途中にある半導体装置２００として、半導体層２２０にメサ構造２２０ｍが形成された半導体装置２００ａを得る。本実施形態では、製造者は、ドライエッチングによってメサ構造２２０ｍを形成する。

エッチング工程（工程Ｐ２１５）を終えた後、製造者は、イオン注入工程を実施する（工程Ｐ２２０、図７）。イオン注入工程（工程Ｐ２２０）において、製造者は、マスク８１０が残された半導体装置２００ａの半導体層２２０におけるマスク８１０の周囲に、半導体層２２０の電気抵抗を高くする原子をイオン注入する。これによって、製造者は、側面２２２から周囲面２２３にわたって高抵抗領域２２０ｂが形成された半導体装置２００ｂを得る。第２実施形態のイオン注入工程（工程Ｐ２２０）は、エッチング工程（工程Ｐ２１５）で使用したマスク８１０を利用する点を除き、第１実施形態のイオン注入工程（工程Ｐ１２０）と同様である。

イオン注入工程（工程Ｐ２２０）を終えた後、製造者は、除去工程を実施する（工程Ｐ２２５）。除去工程（工程Ｐ２２５）において、製造者は、半導体装置２００ｂの上面２２１からマスク８１０を除去する。

除去工程（工程Ｐ２２５）を終えた後、製造者は、第１実施形態の絶縁膜１３０と同様に、絶縁膜２３０を形成する（工程Ｐ２３０）。その後、製造者は、第１実施形態と同様に、アノード電極２４０およびカソード電極２５０を形成する（工程Ｐ２４０）。これらの工程を経て、半導体装置２００が完成する。

以上説明した第２実施形態によれば、第１実施形態と同様に、高抵抗領域２２０ｂを介した逆方向リーク電流を防止するとともに、高抵抗領域２２０ｂによってショットキー接合界面ＳＢの端部Ｅｉにおける電界集中を抑制できる。その結果、逆方向リーク電流を効果的に抑制できる。

また、ショットキー接合界面ＳＢがメサ構造２２０ｍの上面２２１に形成され、高抵抗領域２２０ｂが側面２２２から周囲面２２３にわたって形成されている。そのため、メサ構造２２０ｍによってショットキー接合界面ＳＢの端部Ｅｉにおける電界集中をいっそう抑制できる。

また、エッチング工程（工程Ｐ２１５）に使用したマスク８１０を利用した自己整合によって、イオン注入工程（工程Ｐ２２０）に使用するマスクを別途作製する必要がないため、製造コストを抑制できる。

Ｃ．第３実施形態
図８は、第３実施形態における半導体装置３００の構成を模式的に示す断面図である。図８には、図１と同様に、ＸＹＺ軸が図示されている。

半導体装置３００は、絶縁膜２３０に代えて絶縁膜３３０を備える点、並びに、アノード電極２４０に代えてカソード電極３４０を備える点を除き、第２実施形態の半導体装置２００と同様である。半導体装置３００のカソード電極３４０は、ショットキー電極３４１と、配線電極３４２とを含む。

半導体装置３００の絶縁膜３３０は、ショットキー電極３４１の上から上面２２１および側面２２２を通じて周囲面２２３にわたって形成されている点、並びに、ショットキー電極３４１の上に開口部３３８を有する点を除き、第２実施形態の絶縁膜２３０と同様である。

半導体装置３００におけるカソード電極３４０のショットキー電極３４１は、半導体層２２０の上面２２１にショットキー接合界面ＳＢを形成する。本実施形態では、ショットキー電極３４１は、半導体層２２０側から順に、ニッケル（Ｎｉ）から主に成る金属層（厚さ：約１００ｎｍ）と、パラジウム（Ｐｄ）から主に成る金属層（厚さ：約１００ｎｍ）と、モリブデン（Ｍｏ）から主に成る金属層（厚さ：約２０ｎｍ）とを積層した多層構造を有する。

半導体装置３００におけるカソード電極３４０の配線電極３４２は、絶縁膜３３０の開口部３３８の内側から、周囲面２２３に広がる絶縁膜３３０の上にわたって形成されている。これによって、配線電極３４２は、半導体層２２０との間に絶縁膜３３０を挟むフィールドプレート構造を形成する。配線電極３４２は、開口部３３８の内側においてショットキー電極３４１と接触する。本実施形態では、配線電極３４２は、半導体層２２０側から順に、チタン（Ｔｉ）から主に成る金属層（厚さ：約２０ｎｍ）と、窒化チタン（ＴｉＮ）から主に成る金属層（厚さ：約２００ｎｍ）と、チタン（Ｔｉ）から主に成る金属層（厚さ：約２０ｎｍ）と、アルミニウム−ケイ素（ＡｌＳｉ）から主に成る金属層（厚さ：約２０００ｎｍ）とを積層した多層構造を有する。

以上説明した第３実施形態によれば、第１実施形態と同様に、高抵抗領域２２０ｂを介した逆方向リーク電流を防止するとともに、高抵抗領域２２０ｂによってショットキー接合界面ＳＢの端部Ｅｉにおける電界集中を抑制できる。その結果、逆方向リーク電流を効果的に抑制できる。

また、第２実施形態と同様に、ショットキー接合界面ＳＢがメサ構造２２０ｍの上面２２１に形成され、高抵抗領域２２０ｂが側面２２２から周囲面２２３にわたって形成されている。そのため、メサ構造２２０ｍによってショットキー接合界面ＳＢの端部Ｅｉにおける電界集中をいっそう抑制できる。

また、カソード電極３４０がショットキー電極３４１と配線電極３４２とに分けて構成されているため、絶縁膜３３０との密着性に縛られることなく、ショットキー接合界面ＳＢにおいてより高いショットキー障壁高さを実現可能なショットキー電極３４１の構成（材質および構造）を選定できる。その結果、逆方向リーク電流をいっそう効果的に抑制できる。

Ｄ．第４実施形態
図９は、電力変換装置１０の構成を示す説明図である。電力変換装置１０は、交流電源Ｅから負荷Ｒに供給される電力を変換する装置である。電力変換装置１０は、交流電源Ｅの力率を改善する力率改善回路の構成部品として、制御回路２０と、トランジスタＴＲと、４つのダイオードＤ１と、コイルＬと、ダイオードＤ２と、キャパシタＣとを備える。本実施形態では、ダイオードＤ１，Ｄ２は、第１実施形態の半導体装置１００と同様である。他の実施形態では、ダイオードＤ１，Ｄ２は、第２実施形態の半導体装置２００と同様であってもよいし、第３実施形態の半導体装置３００と同様であってもよい。

電力変換装置１０のダイオードＤ１，Ｄ２は、ショットキーバリアダイオードである。電力変換装置１０において、４つのダイオードＤ１は、交流電源Ｅの交流電圧を整流するダイオードブリッジＤＢを構成する。ダイオードブリッジＤＢは、直流側の端子として、正極出力端Ｔｐと、負極出力端Ｔｎとを有する。コイルＬは、ダイオードブリッジＤＢの正極出力端Ｔｐに接続されている。ダイオードＤ２のアノード側は、コイルＬを介して正極出力端Ｔｐに接続されている。ダイオードＤ２のカソード側は、キャパシタＣを介して負極出力端Ｔｎに接続されている。負荷Ｒは、キャパシタＣと並列に接続されている。

電力変換装置１０のトランジスタＴＲは、ＦＥＴ（Field-Effect Transistor）である。トランジスタＴＲのソース側は、負極出力端Ｔｎに接続されている。トランジスタＴＲのドレイン側は、コイルＬを介して正極出力端Ｔｐに接続されている。トランジスタＴＲのゲート側は、制御回路２０に接続されている。電力変換装置１０の制御回路２０は、交流電源Ｅの力率が改善されるように、負荷Ｒに出力される電圧、および、ダイオードブリッジＤＢにおける電流に基づいて、トランジスタＴＲのソース−ドレイン間の電流を制御する。

以上説明した第４実施形態によれば、ダイオードＤ１，Ｄ２の各デバイス特性を向上させることができる。その結果、電力変換装置１０による電力変換効率を向上させることができる。

Ｅ．他の実施形態
本発明は、上述した実施形態、実施例および変形例に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現できる。例えば、実施形態、実施例および変形例における技術的特徴のうち、発明の概要の欄に記載した各形態における技術的特徴に対応するものは、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えおよび組み合わせを行うことが可能である。また、本明細書中に必須なものとして説明されていない技術的特徴については、適宜、削除することが可能である。

上述の実施形態において、基板の材質は、窒化ガリウム（ＧａＮ）に限らず、ケイ素（Ｓｉ）、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）および炭化ケイ素（ＳｉＣ）などのいずれであってもよい。

上述の実施形態において、半導体層の材質は、窒化ガリウム（ＧａＮ）に限らず、他のIII族窒化物（例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）および窒化インジウム（ＩｎＮ）など）であってもよいし、炭化ケイ素（ＳｉＣ）であってもよい。

上述の実施形態において、基板および半導体層に含まれるドナー元素は、ケイ素（Ｓｉ）に限らず、ゲルマニウム（Ｇｅ）および酸素（Ｏ）などであってもよい。

上述の実施形態において、基板および半導体層は、ｎ型半導体に限らず、ｐ型半導体であってもよい。ｐ型半導体に含まれるアクセプタ元素は、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）および炭素（Ｃ）などであってもよい。

上述の実施形態において、絶縁膜の材質は、電気絶縁性を有する材質であればよく、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）の他、窒化ケイ素（ＳｉＮｘ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）、酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）、酸窒化ジルコニウム（ＺｒＯＮ）、酸窒化ハフニウム（ＨｆＯＮ）などの少なくとも１つであってもよい。絶縁膜は、単層であってもよいし、２層以上であってもよい。

上述の実施形態において、各電極の材質は、上述の実施形態の材質に限らず、他の材質であってもよい。

１０…電力変換装置
２０…制御回路
１００…半導体装置
１１０…基板
１２０…半導体層
１２０ａ…低抵抗領域
１２０ｂ…高抵抗領域
１３０…絶縁膜
１３８…開口部
１４０…アノード電極
１５０…カソード電極
２００…半導体装置
２００ａ，２００ｂ…半導体装置
２１０…基板
２２０…半導体層
２２０ａ…低抵抗領域
２２０ｂ…高抵抗領域
２２０ｍ…メサ構造
２２１…上面
２２２…側面
２２３…周囲面
２３０…絶縁膜
２３８…開口部
２４０…アノード電極
２５０…カソード電極
３００…半導体装置
３３０…絶縁膜
３３８…開口部
３４０…カソード電極
３４１…ショットキー電極
３４２…配線電極
８１０…マスク

Claims (9)

1. 半導体装置であって、
   ドナー元素としてケイ素（Ｓｉ）を含有し、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主になるｎ型の特性を有する半導体層と、
   前記半導体層の上に形成され、開口部を有する絶縁膜と、
   前記開口部の内側から前記絶縁膜の上にわたって形成され、前記開口部の内側を通じて前記半導体層とショットキー接合界面を形成する電極と
   を備え、
   前記半導体層は、
   前記電極と前記ショットキー接合界面を形成し、ｎ型の特性を有する第１の領域と、
   前記ショットキー接合界面より外側に形成され、前記電極との間に前記絶縁膜を挟み、前記第１の領域より高い電気抵抗を有し、ｎ型の特性を有する第２の領域と
   を含み、
   前記第２の領域は、ホウ素（Ｂ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、炭素（Ｃ）、鉄（Ｆｅ）、窒素（Ｎ）、フッ素（Ｆ）のうち少なくとも１つを、１×１０ ¹⁵ ｃｍ ^-3 以上１×１０ ²² ｃｍ ^-3 以下の範囲で含有する、半導体装置。
2. 前記第２の領域は、前記半導体層が広がる面方向において、前記ショットキー接合界面の端部と前記電極の端部との中間点より、前記ショットキー接合界面側に存在する、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記半導体層が広がる面方向において、前記第２の領域と、前記ショットキー接合界面の端部と、の距離は、０．５μｍ以上５．０μｍ以下である、請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記半導体層が広がる面方向において、前記第２の領域と、前記ショットキー接合界面の端部と、の距離は、０．５μｍ以上１．０μｍ以下である、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の半導体装置。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の半導体装置であって、
   前記半導体層は、上面と側面とを有する台地状を成すメサ構造を有し、
   前記ショットキー接合界面は、前記上面に形成され、
   前記第２の領域は、少なくとも前記側面に形成された、半導体装置。
6. 前記電極は、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）のうち少なくとも１つから主になる金属層を含む、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の半導体装置。
7. 請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の半導体装置を備える電力変換装置。
8. 半導体装置の製造方法であって、
   ドナー元素としてケイ素（Ｓｉ）を含有し、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主になるｎ型の特性を有する半導体層であってマスクが形成された半導体層における前記マスクの周囲をエッチングすることによって、前記マスクが形成された部位を上面とするメサ構造を形成するエッチング工程と、
   前記エッチング工程を終えた後、前記上面にマスクが形成された前記メサ構造を有する半導体層における前記マスクの周囲に、前記半導体層の電気抵抗を高くするイオン注入種をイオン注入するイオン注入工程と、
   前記イオン注入を終えた後、前記マスクを除去する除去工程と、
   前記除去工程を終えた後、開口部を有する絶縁膜を前記上面から前記メサ構造の周囲にわたって形成するとともに、前記開口部の内側を通じて前記上面とショットキー接合する電極を、前記開口部の内側から、前記メサ構造の周囲に広がる前記絶縁膜の上にわたって形成する工程と
   を備え、
   前記イオン注入種は、ホウ素（Ｂ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、炭素（Ｃ）、鉄（Ｆｅ）、窒素（Ｎ）、フッ素（Ｆ）のうち少なくとも１つを含み、
   前記イオン注入工程は、半導体層における前記マスクの周囲の領域が前記イオン注入種を１×１０ ¹⁵ ｃｍ ^-3 以上１×１０ ²² ｃｍ ^-3 以下の範囲で含有するように、前記イオン注入種をイオン注入する工程を含む、半導体装置の製造方法。
9. 請求項８に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記イオン注入工程は、前記イオン注入種を、前記マスクから前記半導体層に向かう方向に対して５度以上１０度以下の注入角度でイオン注入する工程を含む、半導体装置の製造方法。

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