JPH04218969A - ショットキーバリア半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、逆高耐圧と高速性を実
現したショットキーバリア半導体装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近来、スイッチング電源の高周波化に伴
い、整流用の素子としてショットキーバリアダイオード
が、高速応答性や低損失（低順方向電圧）の観点から、
広く応用されている。

【０００３】しかし、ショットキーバリアダイオードは
、逆電圧印加時に、半導体層とショットキーバリア電極
との接合部分の周辺の逆耐圧が、中央部分の逆耐圧に比
して低い、つまり周辺部に電界が集中するという現象が
ある。またＧａＡｓ等の３−５族化合物等からなる半導
体基板では、表面の不安定性等で逆高耐圧化が困難であ
る。

【０００４】そこで、従来では、ｎ＋　型の半導体基板
１の上面にｎ−　型のエピタキシャル層２を形成して下
面に電極３を形成し、またエピタキシャル層２の主表面
の中央にショットキーバリア電極４を形成し、更に保護
膜として窒化膜５を形成したショットキバリアダイオー
ドにおいて、ショットキーバリア電極４の周囲に連続し
てフィールドプレート６を形成して逆耐圧向上を図った
もの（図１１）、或はショットキーバリア電極４の周囲
の下部にＰ＋　層からなるガードリング７を形成して逆
耐圧向上を図ったもの（図１２）、或はショットキーバ
リア電極４の周辺に薄膜の副電極８を形成して逆方向電
流をその副電極８に流しながらショットキーバリア電極
４のブレークダウンを避けたもの（図１３）、或はエピ
タキシャル層を符号９で示すようにｎ型にして、ショッ
トキーバリア電極４の周囲の下部に逆導電型の不純物を
それによって導電型が反転しない程度にイオン注入しリ
ング状のｎ−　型の領域１０を形成して耐圧の向上を図
ったもの（図１４）（特開昭５５−１５６３７２号公報
）が提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１１
に示す構造のものはフィールドプレート６による静電容
量が増加して応答速度が遅くなり、また図１２に示す構
造のものは順方向電流が増大した際にガードリング７か
らの少数キャリアの注入によって応答速度が遅くなり、
更に図１３に示す構造のものは副電極８によって静電容
量が増大して応答速度が遅くなると共に故意に逆電流を
漏らしているため逆電流ノイズが大きくなり、更に図１
４に示すものはガードリング１０の導電型が反転しては
ならないつまりエピタキシャル層９や基板１と同一導電
型である必要があるという問題があった。

【０００６】そこで本発明は、半絶縁化層を設けて、導
電型の拘束を受けず、応答速度を犠牲にすることなく、
逆耐圧の向上を図ったショットキーバリア半導体装置を
提供せんとするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このために本発明は、半
導体層と、該半導体層との間にショットキーバリアを生
じさせるように該半導体層の主表面上に被着されたショ
ットキーバリア電極とからなるショットキーバリア半導
体装置において、上記ショットキーバリア電極で覆われ
ない上記半導体層の主表面に半絶縁化層を形成して構成
した。

【０００８】

【作用】本発明では、逆電圧印加時に、半絶縁化層に形
成される空乏層がショットキーバリア電極の下面に形成
される空乏層とスムースに接続され、この結果ショット
キーバリア電極周縁部の電界集中が緩和され、逆耐圧が
著しく向上する。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。図
２はその一実施例のショットキーバリアダイオードの製
造工程を示す図である。ここでは、まずＧａＡｓからな
る厚さ３００μｍ、不純物濃度約１．０×１０１８ｃｍ
−２のｎ＋　型のバンドギャップの広い半導体基板２１
の上面に、不純物濃度１〜２×１０１５ｃｍ−２程度の
ｎ型のエピタキシャル層２２を１０〜２０μｍの厚さ成
長形成する（図２のＡ）。次に、そのエピタキシャル層
２２の上面に３μｍのホトレジスト２３を写真製版する
（図２のＢ）。そして、そのホトレジスト２３をマスク
とし不純物としてＢ＋をイオン注入装置を使って１×１
０１２ｃｍ−２程度の濃度、２００ｋｅＶ程度のエネル
ギーで打ち込み、環状の半絶縁化層２４を形成する（図
２のＣ）。この場合の飛程は０．５μｍ程度である。こ
の後、ホトレジスト２３を除去し（図２のＤ）、４００
℃程度のＮ２　中で１分間程度のアニールを行なう。こ
のとき、必要があればＡｓ蒸気圧中で行なう。次に、蒸
着後のホトリソグラフィ又はリストオフ蒸着によってシ
ョットキーバリア電極としてＡｌ（アルミニウム）を少
なくとも中央のイオン注入していない部分を覆うように
ＥＢ蒸着等で蒸着してＡｌ電極２５を形成する（図２の
Ｅ）。そして、基板２１の下面にＡｕ−Ｇｅの合金から
なる金属によりオーミック電極２６を蒸着する（図２の
Ｆ）。この後、４００℃程度のＮ２　中で１分間程度の
熱処理を行なう。 次に例えばＳｉＮｘのような絶縁膜２７をプラズマＣＶ
Ｄ等で低温（２７０℃、３分）で飛着させてから、ホト
リスグラフィを使用してワイヤボンドに必要な窓部分を
除去形成する（図２のＧ）。

【００１０】ここで、イオン注入後の半絶縁化層２４の
シート抵抗は、１０７　〜１０１０（Ω／□）程度にも
達する。この値は基本的には注入濃度、イオン種、基板
（エピタキシャル層２２）の濃度、イオン注入後の熱処
理等の条件で変化するが、後処理温度を４５０℃、４分
以上行なわなければ、問題ない。

【００１１】また、この半絶縁化層２４は、イオン注入
によって結晶損傷が生じ、半導体中に深い順位が形成さ
れ、フリーキャリアのトラップが行なわれることによっ
て起こると言われている。従って、イオン注入後のアニ
ールによって、損傷等による深い順位を減少させ過ぎる
ことのないよう、熱処理を行なう必要がある。

【００１２】図３にこの注入後のアニール温度に対する
逆方向抵抗の特性を示した。これは、不純物Ｂ＋　のイ
オン打ち込みをエネルギーが１７０ｋｅＶ、濃度が５×
１０１２ｃｍ−２の条件で行なって作成したショットキ
ーバリアダイオードを各温度で１０分間アニールしたも
のを、ショットキーバリア電極としてのＡｌ電極２３を
負としオーミック電極２６を正とする１００Ｖの電圧を
印加した際の逆方向抵抗特性を示したものである。また
図４はアニール時間に対する逆方向抵抗の特性を示す図
であり、イオン打ち込みは不純物がＢ＋　、エネルギー
が１７０ｋｅＶ、濃度が１×１０１３ｃｍ−２の条件で
行なったも場合のものである。アニール温度は○印線が
４５０℃、△印線が４００℃、□印線が３５０℃である
。以上より、実工程では、オーミック電極２６の４５０
℃、１分程度が最大の熱処理となり、問題はない。

【００１３】上記のようにして作成されたショットキー
バリアダイオードは、Ａｌ金属２５を負、オーミック電
極２６を正とする逆方向電圧を印加した際、図１に示す
ように、半絶縁化層２４に形成される空乏層２４ａにＡ
ｌ電極２５の下面に形成される空乏層２２ａが連続的に
滑らかに接続されて、電界の集中が緩和される。この結
果、逆耐圧特性が著しく向上する。

【００１４】なお、上記第１実施例ではショットキーバ
リア電極としてＡｌ電極２５の単層としたが、これをＴ
ｉＡｌ、ＭｏＡｌ、ＷＡｌ、更にこの上にＴｉ等のバッ
ファを含むＡｕ系の金属を重ねてもよい。また、ホトレ
ジストをマスクとしたが、Ａｌ等の金属を注入マスクと
することもできる。またイオン注入ソースとしては、損
傷によるトラップレベルを形成させるような不純物であ
れば、Ｂ＋　の他にＯ＋　、Ｓｉ＋　、Ｃｒ＋　等でも
利用でき、また化合物半導体ではそれを構成するいずれ
か一方を含む同族原子でもよい。また表面損傷領域の均
一化、深さの確保のために、多重注入を行なうこともで
きる。 また、前述したようにイオン注入濃度、注入エネルギー
、イオン種等によっ最適なアニール条件を見つける必要
がある場合がある。また、電力用、高温用のように高い
信頼性が要求される用途に対しては、イオン注入後のア
ニールを電極付設以前に行なう必要がある。これはイオ
ン注入による損傷が電極を構成する金属の拡散を促し易
いためである。但し、比較的厳しくない用途に対して、
電極をマスクしてからイオン注入を行ない、その後にア
ニールしても良く工程が簡略化できる。

【００１５】図５図は第２の実施例のショットキーバリ
アダイオードの製造工程を示す図である。ここでは、第
１の実施例と同様のものには同一の符号を付した。この
実施例を示す図５のＡ〜Ｄは、図２のＡ〜Ｄと同一であ
る。この実施例ではショットキーバリア電極を形成する
際に、薄いＴｉ膜（厚さ１００〜５００オングストロー
ム）２８とＡｌ膜（厚さほぼ３μｍ）２９をメタルマス
ク、又はリフトオフ等によって順次連続蒸着して作成す
る（図５のＥ）。次に４００℃で１０分程度の熱処理を
行なって、下層のＴｉ膜２８とエピタキシャル層２２と
の間に共融物を作り、安定化させる。Ａｌのみでは、Ｇ
ａＡｓからなるエピタキシャル層２２の表面との共融量
が少なく、経時的にショットキーバリア特性が不安定と
なり、順方向電圧（Ｖｆ）等が変動する問題があるが、
これが防止できる。次に、エピタキシャル層２２の表面
との共融量の少ないＡｌ膜３０をオーバレイ状に選択的
に蒸着して、フィールドプレート効果を持たせ、更に逆
耐圧を上げる。上記のような多重層のショットキーバリ
ア電極を使用した場合、イオン化傾向の違いにより外部
から侵入した湿気によって電極部分が腐食し易いが、単
一金属（Ａｌ膜３０）をオーバーレイすることでこれを
防ぐことができる。また、ショットキーバリア電極を構
成する下層の金属がＴｉ膜２８とＡｌ膜２９のように原
子量の少ない金属の場合、連続で高温に曝される電力用
の場合には、注入層（半絶縁化層２４）への固相拡散が
問題となる場合があるが、これを防止するにはＴｉ膜２
８とＡｌ膜２９に代えて、Ｗ膜やＭｏ膜を使用すれば良
い。

【００１６】図６は第３の実施例のショットキーバリア
ダイオードの製造工程を示す図である。ここでは、半導
体基板２１の上面にｎ−　型のエピタキシャル層３１を
形成して（図６のＡ）、そのエピタキシャル層３１の上
面全面にイオン注入による半絶縁化層２４を形成して（
図６のＢ）、ホトリソグラフィによりその一部をエッチ
ング除去して窓３２を形成し（図６のＣ）、その部分に
ショットキーバリア電極としてＡｌ電極２５を蒸着形成
した（図６のＤ）ものである。作用・効果は図１に示し
た工程で作成したものと同等である。

【００１７】なお、上記実施例では半導体基板２１やエ
ピタキシャル層２２、３１にＧａＡｓを使用したが、Ｉ
ｎＰ、ＧａＰ、ＧａＡｓＰ、ＧａＡｌＡｓ、Ｓｉ、Ｇｅ
等を使用することもできる。また、このショットキーバ
リアダイオードを集積回路内に構成する場合には、オー
ミック電極２６を表面側に形成する。また、ここではｎ
型半導体で説明したが当然ながらｐ型半導体でも同様に
作成できる。また、図７、図８に示すように、エピタシ
キャル層２２の表面の終端部は必ずしも半絶縁化層２４
に変換する必要はない。その終端部に、例えば図９に示
すように環状にＰ＋　層又はＰ＋　層からなる高濃度領
域３３を形成しても良く、また可動イオン等により半絶
縁化層２４の表面が反転するのを防ぐために金属膜３４
を半絶縁化層２４の周縁の上面又はその上面から高濃度
領域３３の上面にかけて形成すること（図１０）も、ま
た図示しないが半絶縁化層２４の周辺に形成することも
できる。また、電極の形成は上記の方法の他に、電極用
金属を全面に蒸着してからホトリソグラフィ、エッチン
グ、リフトオフ等により除去してもよい。また、半絶縁
化層２４は、比較的薄い（約０．５μｍ）ために、モー
ルド樹脂の応力等の組み立て時の影響を回避するために
ポリイミド等のような有機系の樹脂を使用してパッシベ
ーションを行なうこともできる。

【００１８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
半絶縁化層が空乏層として有効に機能するので、ショッ
トキーバリア電極の下面に形成される空乏層の周辺が連
続的に広げられ、著しく逆耐圧を向上させることができ
る。また、こ半絶縁化層は基板の導電型に拘束されるこ
とはなく、更にショットキーバリア電極の面積を特別広
くする必要もないので静電容量が増加して応答速度が劣
化するという問題が発生することもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　本発明の第１の実施例のショットキーバリ
アダイオードに逆電圧を印加した際の空乏層の説明図。

【図２】　　その第１の実施例のショットキーバリアダ
イオードの製造工程を示す図。

【図３】　　アニール温度に対するショットキーバリア
ダイオードの逆方向抵抗特性図。

【図４】　　アニール時間に対するショットキーバリア
ダイオードの逆方向抵抗特性図。

【図５】　　本発明の第２の実施例のショットキーバリ
アダイオードの製造工程を示す図。

【図６】　　本発明の第３の実施例のショットキーバリ
アダイオードの製造工程を示す図。

【図７】　　図１に示したショットキーバリアダイオー
ドをその半絶縁化層を周辺部分に形成しないように変形
した例の断面図。

【図８】　　図５に示したショットキーバリアダイオー
ドをその半絶縁化層を周辺部分に形成しないように変形
した例の断面図。

【図９】　　図８のショットキーバリアダイオードをそ
の半絶縁化層の周辺にガードリングを形成して変形した
例の断面図。

【図１０】　　図９のショットキーバリアダイオードを
その半絶縁化層の周辺上面に金属膜を形成して変形した
例の断面図。

【図１１】　　従来のショットキバリアダイオードの断
面図。

【図１２】　　従来の別のショットキバリアダイオード
の断面図。

【図１３】　　従来の更に別のショットキバリアダイオ
ードの断面図。

【図１４】　　従来の更に別のショットキバリアダイオ
ードの断面図。

【符号の説明】

２１：ＧａＡｓの半導体基板、２２：エピタキシャル層
、２３：ホトレジスト、２４：半絶縁化層、２５：Ａｌ
電極、２６：オーミック電極、２７：保護膜、２８：Ｔ
ｉ膜、２９：Ａｌ膜、３０：Ａｌ電極、３１：エピタキ
シャル層、３２：窓、３３：高濃度領域、３４：金属膜
。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　半導体層と、該半導体層との間にショ
   ットキーバリアを生じさせるように該半導体層の主表面
   上に被着されたショットキーバリア電極とからなるショ
   ットキーバリア半導体装置において、上記ショットキー
   バリア電極で覆われない上記半導体層の主表面に半絶縁
   化層を形成したことを特徴とするショットキーバリア半
   導体装置。
2. 【請求項２】　　上記半絶縁化層が、イオン注入による
   損傷により形成されていることを特徴とする請求項１の
   ショットキーバリア半導体装置。
3. 【請求項３】　　上記半絶縁化層を、環状に形成したこ
   とを特徴とする請求項１又は請求項２のショットキーバ
   リア半導体装置。
4. 【請求項４】　　上記半絶縁化層の外縁の外側に分離し
   て高濃度領域を形成したことを特徴とする請求項１乃至
   請求項３のショットキーバリア半導体装置。
5. 【請求項５】　　上記半絶縁化層の上面の上記主電極か
   ら分離した位置に金属膜を配置したことを特徴とする請
   求項１乃至請求項３のショットキーバリア半導体装置。
6. 【請求項６】　　上記半絶縁化層の上記高濃度領域部分
   の上、上記高濃度領域部分以外の部分の上、又は上記高
   濃度領域部分と上記高濃度領域部分以外の部分にまたが
   って上記主電極と非接触の金属膜を設けことを特徴とす
   る請求項４記載のショットキーバリア半導体装置。
7. 【請求項７】　　最終パッシベーション膜を有機系の樹
   脂膜で形成したことを特徴とする請求項１乃至請求項６
   のショットキーバリア半導体装置。