JP3635956B2 - 炭化けい素ショットキーバリアダイオードの製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化けい素（以下ＳｉＣと記す）を用いたショットキーバリアダイオードの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高周波、大電力の制御を目的として、けい素（以下Ｓｉと記す）を用いた電力用半導体素子（以下パワーデバイスと称する）では、各種の工夫により高性能化が進められている。しかし、シリコン材料によるパワーデバイスでは、理論的な限界に近づいてきていることと、パワーデバイスは高温や放射線等の存在下で使用されることもあり、そのような条件下ではＳｉデバイスは使用できないことから、Ｓｉに代わる新しい材料の適用が検討されている。
【０００３】
ＳｉＣは広い禁制帯幅（４Ｈ型で３．２６ｅＶ、６Ｈ型で３．０２ｅＶ）をもつため、高温での電気伝導度の制御性に優れ、動作上限温度を高くできる。またＳｉより約１桁高い絶縁破壊電圧をもつため、厚さを薄くでき、定常状態におけるパワーロスを低減でき、また一方では高耐圧素子への適用が可能である。さらに、ＳｉＣはＳｉの約２倍の電子飽和ドリフト速度をもつので、高周波大電力制御にも適する。
【０００４】
このようなＳｉＣの物性を活かしたパワーデバイスのひとつにショットキーバリアダイオードがある。
ショットキーバリアダイオードは、ｐｎ接合ダイオードと比較して、順方向の電圧降下が小さく、スイッチング速度が速い。しかしながら、逆方向耐圧は、ｐｎ接合ダイオードと比較して低く、Ｓｉショットキーバリアダイオードでは数１０Ｖ程度である。このため、Ｓｉショットキーバリアダイオードは、主にコンピュータ用の駆動電源など低電圧機器に使用されていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、Ｓｉの代わりにＳｉＣ結晶を用いてショットキーバリアダイオードを作成すれば、その高い絶縁破壊電界強度により、逆方向耐圧を高くすることができ、ショットキーバリアダイオードをパワーテバイスとして使用することができるようになると期待される。
しかし、これまで試作されたＳｉＣショットキーバリアダイオードでは、逆方向絶縁耐圧が１００Ｖ程度であり、これを高めるための様々な工夫がなされている。
【０００６】
例えば、ｎ型エピタキシャルウェハを用いたショットキーバリアダイオードのショットキー電極周辺の表面層に、ほう素イオンを１×１０15ｃｍ-2のドーズ量でイオン注入して、逆導電型のガードリングを形成することにより、電極の端部の高電界を緩和する方法で、高耐圧化を図った例が報告されている［A.Itoh, IEEE, Electron Device Lett., 17(3) p.139 (1996)参照］。
【０００７】
ＳｉＣショットキーバリアダイオードの破壊は、主に電極端部で発生することが多かった。これは、ショットキー電極の端部では、電極中央部と比較して空乏層の広がりが小さく、局所的に高電界領域ができるためである。
このような状況に鑑み本発明の目的は、逆方向耐圧が高く、しかも製造の容易なＳｉＣショットキーバリアダイオードの製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題解決のため本発明は、炭化けい素結晶と、その表面に接触してショットキー接合を形成するショットキー電極と、表面の別の部分にオーミックな接触をするオーミック電極とからなる炭化けい素ショットキーバリアダイオードにおいて、炭化けい素結晶のショットキー電極の設けられる部分の表面層に、ショットキー電極の端部を含むリング状の同じ導電型の低濃度領域を有するものとする。
【０００９】
そのようにすると、逆バイアス時にショットキー電極端部下の空乏層幅が広がり、電界を緩和することができる。
その際に、炭化けい素ショットキーバリアダイオードの製造方法は、炭化けい素結晶と異なる導電型のイオンを注入し、１３００℃以下の熱処理温度で熱処理することにより低濃度領域を形成するものとする。
【００１０】
そのような方法で、確実にショットキー電極の端部を含むようなリング状の低濃度領域を形成することができる。
特に、熱処理温度を１３００℃以下とするので、ＳｉＣ表面の凹凸の発生を抑えることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照しながら本発明の実施例を説明する。
［実施例］
図１は、本発明にかかるＳｉＣショットキーダイオードの断面図である。図において、１は高不純物濃度のｎ+ サブストレート、２は低不純物濃度のｎエピタキシャル層、３は更に低不純物濃度の低濃度領域、４はニッケル（Ｎｉ）のショットキー電極、６はニッケル（Ｎｉ）のオーミック電極である。各層のディメンションは例えば、ＳｉＣ基板１の不純物濃度は５×１０18ｃｍ-3、厚さ３００μｍ、エピタキシャル層２の不純物濃度は１×１０16ｃｍ-3、厚さ１０μｍ、低濃度領域３の不純物濃度は約５×１０15ｃｍ-3、幅１００μｍである。ショットキー電極４、オーミック電極６の厚さはともに２００ｎｍとした。
【００１２】
以下このダイオードの作製方法を述べる。
ＳｉＣウェハとして低抵抗の４Ｈ型ＳｉＣ単結晶のサブストレート１上にｎエピタキシャル層２を成長させたエピタキシャルウェハを使用した。そのｎエピタキシャル層２の表面層に、最大１８０ｋｅＶの加速電圧でアルミニウム（Ａｌ）イオンを０．５μｍ程度の深さまで選択的に注入する。注入ドーズ量は、５×１０13ｃｍ-2であり、その時の不純物濃度は、２×１０18ｃｍ-3となる。その他のイオン種としてアクセプタとして働くＢ、Ｇａを用いることもできる。フォトレジスト等で注入領域を限定し、低濃度領域３は、外径１．２ｍｍ、内径１．０ｍｍのリング状である。注入後、常圧Ａｒ雰囲気中で１３００℃、３０分間のアニールをおこなった。１３００℃程度では、不純物の電気的活性化率は０．５％以下であり、低濃度領域３はｐ型に反転するに至らず、１０15ｃｍ-3オーダーの低濃度のｎ型となっている。なお、反転していないことは、同じ条件でイオン注入、熱処理した試料でダイオードを作って確認した。
【００１３】
サブストレート１の裏面にＮｉをスパッタ成膜した後、１０００℃、５分間の熱処理によりオーミック電極６を形成する。その後エピタキシャル層２の表面に、Ｎｉをスパッタ成膜し、ショットキー電極４とした。ショットキー電極４の直径は、１．１ｍｍであり、ショットキー電極４の端が低濃度領域３内に止まるようにした。
その結果、低濃度領域３を形成しない場合では平均約３００Ｖであった逆方向破壊電圧が、１０００Ｖ以上と向上した。
【００１４】
図１の構造とすることにより、逆電圧バイアス時の空乏層５が、ショットキー電極４の端部近傍においても十分広がるようになり、その結果逆方向耐圧を向上させることができたと考えられる。しかも先に述べた逆導電型のガードリングを形成する場合より一桁以上低いドーズ量ですむので、工程時間が短縮できる利点がある。また、逆導電型のガードリングを形成する場合のドーズ量によって、イオン注入部に発生する結晶欠陥はかなり多いと考えられるが、ドーズ量を低くすることにより、そのような結晶欠陥が及ぼす特性への悪影響を免れることができる。
【００１５】
熱処理温度を高くすれば、注入された不純物の活性化率が増すので、Ａｌのドーズ量を少なくして、熱処理温度を高くし、同様の低濃度領域を形成することもできる。しかしその場合はＳｉＣ表面に凹凸が発生しやすいので、本発明のように熱処理の低温化により、ＳｉＣ表面の凹凸の発生を防ぐことができる。また、酸化膜がＳｉＣ上に成膜された場合でもその酸化膜によるＳｉＣ露出部のエッチングを防止することができる。特に、１３００℃以下の熱処理であれば、発熱線としてタンタル線を用い、雰囲気管として石英管を用いた普及型の熱処理炉で加熱でき、タングステン炉のような特別の高温炉を用いる必要がない。
【００１６】
以上の実施例では４Ｈ−ＳｉＣのＳｉ面上に中間層を形成する例を述べたが、本発明の方法は４Ｈ−ＳｉＣのＣ面や６Ｈ−ＳｉＣのＳｉ、Ｃ面にも適用できると考えられる。
【００１７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば炭化けい素ショットキーバリアダイオードにおいて、炭化けい素結晶の表面層に、ショットキー電極の端部を含むリング状の同じ導電型の低濃度領域を設けることにより、電極端部の下の空乏層幅を広げ、電界集中を軽減して逆方向絶縁耐圧を向上させることができた。
【００１８】
そして、その製造方法は、炭化けい素結晶と異なる導電型のイオンを注入し、１３００℃以下の熱処理温度で熱処理することにより低濃度領域を容易に形成でき、かつＳｉＣ表面の凹凸の発生を抑えることができることを示した。
本発明は、Ｓｉショットキーダイオードを超えたパワーデバイスとしてのＳｉＣショットキーダイオードの発展、普及に極めて重要な貢献をなすものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例のショットキーバリアダイオードの断面図
【符号の説明】
１ ｎ+ サブストレート
２ ｎエピタキシャル層
３ 低濃度領域
４ ショットキー電極
５ 空乏層
６ オーミック電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化けい素（以下ＳｉＣと記す）を用いたショットキーバリアダイオードの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高周波、大電力の制御を目的として、けい素（以下Ｓｉと記す）を用いた電力用半導体素子（以下パワーデバイスと称する）では、各種の工夫により高性能化が進められている。しかし、シリコン材料によるパワーデバイスでは、理論的な限界に近づいてきていることと、パワーデバイスは高温や放射線等の存在下で使用されることもあり、そのような条件下ではＳｉデバイスは使用できないことから、Ｓｉに代わる新しい材料の適用が検討されている。
【０００３】
ＳｉＣは広い禁制帯幅（４Ｈ型で３．２６ｅＶ、６Ｈ型で３．０２ｅＶ）をもつため、高温での電気伝導度の制御性に優れ、動作上限温度を高くできる。またＳｉより約１桁高い絶縁破壊電圧をもつため、厚さを薄くでき、定常状態におけるパワーロスを低減でき、また一方では高耐圧素子への適用が可能である。さらに、ＳｉＣはＳｉの約２倍の電子飽和ドリフト速度をもつので、高周波大電力制御にも適する。
【０００４】
このようなＳｉＣの物性を活かしたパワーデバイスのひとつにショットキーバリアダイオードがある。
ショットキーバリアダイオードは、ｐｎ接合ダイオードと比較して、順方向の電圧降下が小さく、スイッチング速度が速い。しかしながら、逆方向耐圧は、ｐｎ接合ダイオードと比較して低く、Ｓｉショットキーバリアダイオードでは数１０Ｖ程度である。このため、Ｓｉショットキーバリアダイオードは、主にコンピュータ用の駆動電源など低電圧機器に使用されていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、Ｓｉの代わりにＳｉＣ結晶を用いてショットキーバリアダイオードを作成すれば、その高い絶縁破壊電界強度により、逆方向耐圧を高くすることができ、ショットキーバリアダイオードをパワーテバイスとして使用することができるようになると期待される。
しかし、これまで試作されたＳｉＣショットキーバリアダイオードでは、逆方向絶縁耐圧が１００Ｖ程度であり、これを高めるための様々な工夫がなされている。
【０００６】
例えば、ｎ型エピタキシャルウェハを用いたショットキーバリアダイオードのショットキー電極周辺の表面層に、ほう素イオンを１×１０15ｃｍ-2のドーズ量でイオン注入して、逆導電型のガードリングを形成することにより、電極の端部の高電界を緩和する方法で、高耐圧化を図った例が報告されている［A.Itoh, IEEE, Electron Device Lett., 17(3) p.139 (1996)参照］。
【０００７】
ＳｉＣショットキーバリアダイオードの破壊は、主に電極端部で発生することが多かった。これは、ショットキー電極の端部では、電極中央部と比較して空乏層の広がりが小さく、局所的に高電界領域ができるためである。
このような状況に鑑み本発明の目的は、逆方向耐圧が高く、しかも製造の容易なＳｉＣショットキーバリアダイオードの製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題解決のため本発明は、炭化けい素結晶と、その表面に接触してショットキー接合を形成するショットキー電極と、表面の別の部分にオーミックな接触をするオーミック電極とからなる炭化けい素ショットキーバリアダイオードにおいて、炭化けい素結晶のショットキー電極の設けられる部分の表面層に、ショットキー電極の端部を含むリング状の同じ導電型の低濃度領域を有するものとする。
【０００９】
そのようにすると、逆バイアス時にショットキー電極端部下の空乏層幅が広がり、電界を緩和することができる。
その際に、炭化けい素ショットキーバリアダイオードの製造方法は、炭化けい素結晶と異なる導電型のイオンを注入し、１３００℃以下の熱処理温度で熱処理することにより低濃度領域を形成するものとする。
【００１０】
そのような方法で、確実にショットキー電極の端部を含むようなリング状の低濃度領域を形成することができる。
特に、熱処理温度を１３００℃以下とするので、ＳｉＣ表面の凹凸の発生を抑えることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照しながら本発明の実施例を説明する。
［実施例］
図１は、本発明にかかるＳｉＣショットキーダイオードの断面図である。図において、１は高不純物濃度のｎ+ サブストレート、２は低不純物濃度のｎエピタキシャル層、３は更に低不純物濃度の低濃度領域、４はニッケル（Ｎｉ）のショットキー電極、６はニッケル（Ｎｉ）のオーミック電極である。各層のディメンションは例えば、ＳｉＣ基板１の不純物濃度は５×１０18ｃｍ-3、厚さ３００μｍ、エピタキシャル層２の不純物濃度は１×１０16ｃｍ-3、厚さ１０μｍ、低濃度領域３の不純物濃度は約５×１０15ｃｍ-3、幅１００μｍである。ショットキー電極４、オーミック電極６の厚さはともに２００ｎｍとした。
【００１２】
以下このダイオードの作製方法を述べる。
ＳｉＣウェハとして低抵抗の４Ｈ型ＳｉＣ単結晶のサブストレート１上にｎエピタキシャル層２を成長させたエピタキシャルウェハを使用した。そのｎエピタキシャル層２の表面層に、最大１８０ｋｅＶの加速電圧でアルミニウム（Ａｌ）イオンを０．５μｍ程度の深さまで選択的に注入する。注入ドーズ量は、５×１０13ｃｍ-2であり、その時の不純物濃度は、２×１０18ｃｍ-3となる。その他のイオン種としてアクセプタとして働くＢ、Ｇａを用いることもできる。フォトレジスト等で注入領域を限定し、低濃度領域３は、外径１．２ｍｍ、内径１．０ｍｍのリング状である。注入後、常圧Ａｒ雰囲気中で１３００℃、３０分間のアニールをおこなった。１３００℃程度では、不純物の電気的活性化率は０．５％以下であり、低濃度領域３はｐ型に反転するに至らず、１０15ｃｍ-3オーダーの低濃度のｎ型となっている。なお、反転していないことは、同じ条件でイオン注入、熱処理した試料でダイオードを作って確認した。
【００１３】
サブストレート１の裏面にＮｉをスパッタ成膜した後、１０００℃、５分間の熱処理によりオーミック電極６を形成する。その後エピタキシャル層２の表面に、Ｎｉをスパッタ成膜し、ショットキー電極４とした。ショットキー電極４の直径は、１．１ｍｍであり、ショットキー電極４の端が低濃度領域３内に止まるようにした。
その結果、低濃度領域３を形成しない場合では平均約３００Ｖであった逆方向破壊電圧が、１０００Ｖ以上と向上した。
【００１４】
図１の構造とすることにより、逆電圧バイアス時の空乏層５が、ショットキー電極４の端部近傍においても十分広がるようになり、その結果逆方向耐圧を向上させることができたと考えられる。しかも先に述べた逆導電型のガードリングを形成する場合より一桁以上低いドーズ量ですむので、工程時間が短縮できる利点がある。また、逆導電型のガードリングを形成する場合のドーズ量によって、イオン注入部に発生する結晶欠陥はかなり多いと考えられるが、ドーズ量を低くすることにより、そのような結晶欠陥が及ぼす特性への悪影響を免れることができる。
【００１５】
熱処理温度を高くすれば、注入された不純物の活性化率が増すので、Ａｌのドーズ量を少なくして、熱処理温度を高くし、同様の低濃度領域を形成することもできる。しかしその場合はＳｉＣ表面に凹凸が発生しやすいので、本発明のように熱処理の低温化により、ＳｉＣ表面の凹凸の発生を防ぐことができる。また、酸化膜がＳｉＣ上に成膜された場合でもその酸化膜によるＳｉＣ露出部のエッチングを防止することができる。特に、１３００℃以下の熱処理であれば、発熱線としてタンタル線を用い、雰囲気管として石英管を用いた普及型の熱処理炉で加熱でき、タングステン炉のような特別の高温炉を用いる必要がない。
【００１６】
以上の実施例では４Ｈ−ＳｉＣのＳｉ面上に中間層を形成する例を述べたが、本発明の方法は４Ｈ−ＳｉＣのＣ面や６Ｈ−ＳｉＣのＳｉ、Ｃ面にも適用できると考えられる。
【００１７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば炭化けい素ショットキーバリアダイオードにおいて、炭化けい素結晶の表面層に、ショットキー電極の端部を含むリング状の同じ導電型の低濃度領域を設けることにより、電極端部の下の空乏層幅を広げ、電界集中を軽減して逆方向絶縁耐圧を向上させることができた。
【００１８】
そして、その製造方法は、炭化けい素結晶と異なる導電型のイオンを注入し、１３００℃以下の熱処理温度で熱処理することにより低濃度領域を容易に形成でき、かつＳｉＣ表面の凹凸の発生を抑えることができることを示した。
本発明は、Ｓｉショットキーダイオードを超えたパワーデバイスとしてのＳｉＣショットキーダイオードの発展、普及に極めて重要な貢献をなすものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例のショットキーバリアダイオードの断面図
【符号の説明】
１ ｎ+ サブストレート
２ ｎエピタキシャル層
３ 低濃度領域
４ ショットキー電極
５ 空乏層
６ オーミック電極
Claims (1)
- 炭化けい素結晶と、その表面に接触してショットキー接合を形成するショットキー電極と、表面の別の部分にオーミックな接触をするオーミック電極と、炭化けい素結晶のショットキー電極の設けられる部分の表面層にショットキー電極の端部を含んで設けられたリング状の同じ導電型の低濃度領域を有する炭化けい素ショットキーバリアダイオードの製造方法において、炭化けい素結晶と異なる導電型のイオンを注入し、１３００℃以下の熱処理温度で熱処理することにより前記の低濃度領域を形成することを特徴とする炭化けい素ショットキーバリアダイオードの製造方法。
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