JP2009076874A - ショットキーバリアダイオードおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フィールドプレート構造により逆方向耐電圧の向上したショットキーバリアダイオードを提供する。
【解決手段】このショットキーバリアダイオード１は、ＧａＮ自立基板２の表面２ａ上に形成された、ＧａＮエピタキシャル層３を備える。また、ＧａＮエピタキシャル層３の表面３ａ上に形成され、開口部が形成されている絶縁層４を備える。絶縁層４中の水素濃度は、３．８×１０²²ｃｍ^-3未満である。また、電極５を備える。電極５は、開口部の内部に、ＧａＮエピタキシャル層３に接触するように形成されたショットキー電極と、ショットキー電極に接続するとともに、絶縁層４に重なるように形成された、フィールドプレート電極とによって、構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、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、逆方向耐電圧の向上した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。

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、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。

従来、ＧａＮ基板を用いたショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）、ｐｎ接合ダイオード、ＭＩＳ（metal-insulator-semiconductor）トランジスタなどの半導体素子が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。従来、パワーデバイスに用いられるＧａＮ材料としては、サファイアやＳｉＣ（シリコンカーバイド）などの異種基板上に形成されたＧａＮエピタキシャル層が、一般的に用いられてきた。これに対し、ＧａＮ基板上に形成したＧａＮエピタキシャル層は、異種基板上に形成したＧａＮエピタキシャル層に対し、不純物濃度が低く、転位密度が低い。そのため、ＧａＮ基板上にＧａＮエピタキシャル成長を行なうことで、高耐圧・低オン抵抗のパワーデバイスを実現できることが開示されている（たとえば、非特許文献１参照）。

また、パワーデバイスの電極端部への電界集中を抑制し高耐圧化を図るための構造として、フィールドプレート（ＦＰ）構造が開示されている（たとえば、非特許文献２参照）。
特開２００６−１００８０１号公報 田辺達也他「ＧａＮ基板上ＧａＮエピタキシャル成長とパワーデバイスへの応用」、ＳＥＩテクニカルレビュー第１７０号、２００７年１月、ｐ３４〜ｐ３９ 高田賢治他「ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ パワーデバイス」、東芝レビュー５９巻７号、２００４年７月、ｐ３５〜ｐ３８

本発明者は、ＧａＮ基板を用いたショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）の高耐圧化について検討を進めた。その結果、本発明者は、ＧａＮ基板上に形成したＧａＮエピタキシャル層を用いて作製したＳＢＤにフィールドプレート（ＦＰ）構造を適用しても、フィールドプレート構造によるショットキー電極端の電界集中緩和に基づく逆方向耐電圧上昇の効果が抑制される、という問題があることを初めて明らかにした。つまり、ＧａＮ基板上に形成したＧａＮエピタキシャル層を用いて、ＳＢＤを作製した場合、ＳＢＤにＦＰ構造を適用しても、ＦＰ構造によるショットキー電極端の電界集中緩和に基づく、逆方向リーク電流の減少・逆方向耐電圧の上昇という効果が抑制される場合があった。

それゆえに、本発明の主たる目的は、フィールドプレート構造によるショットキー電極端の電界集中緩和に基づく逆方向耐電圧上昇の効果が抑制されることのない、逆方向耐電圧の向上したショットキーバリアダイオードを提供することである。また、本発明の他の目的は、逆方向耐電圧の向上した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である。

本発明者は、ＧａＮ基板上に形成したＧａＮエピタキシャル層を用いて作製したＳＢＤにＦＰ構造を適用しても、ＦＰ構造によるショットキー電極端の電界集中緩和に基づく逆方向耐電圧上昇の効果が抑制される理由について検討した。その結果、以下の理由を推定した。

ＦＰ構造を構成する窒化絶縁膜をプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相成長）によって成膜する際には、通常、原料ガスとしてアンモニアを用いている。そのため、成膜時にアンモニア分子が解離し、水素ラジカル、水素イオンなどが発生する。本明細書では水素ラジカル、水素イオンを含む用語として、「水素種」を用いる。水素種の発生により水素が半導体層に取り込まれることで、結果的に窒化絶縁膜中の水素濃度も上昇する。ＦＰ構造を有するＳＢＤでは、水素が半導体層に取り込まれると悪影響を及ぼす。

つまり、本発明者は、半導体層中に取り込まれた水素によって、ＦＰ構造によるショットキー電極端の電界集中緩和に基づく逆方向耐電圧上昇の効果が抑制されると推定した。そこで、本発明を以下のような構成とした。

本発明に係るショットキーバリアダイオードは、主表面を有する半導体層を備える。また、主表面上に形成され、開口部が形成されている窒化絶縁膜を備える。また、開口部の内部に、主表面に接触するように形成されたショットキー電極を備える。また、ショットキー電極に接続するとともに、窒化絶縁膜に重なるように形成された、フィールドプレート電極を備える。そして、窒化絶縁膜中の水素濃度は、３．８×１０²²ｃｍ^-3未満である。

窒化絶縁膜中の水素濃度を低くするということは、つまりは窒化絶縁膜を形成するときに発生する水素種の量を低減させるということであり、これによって水素の半導体層への悪影響を排除することができる。したがって、窒化絶縁膜中の水素濃度を３．８×１０²²ｃｍ^-3未満、好ましくは２．０×１０²²ｃｍ^-3未満、より好ましくは１．６×１０²²ｃｍ^-3以下と規定することにより、水素濃度の高い窒化絶縁膜を用いる場合と比べて、水素が半導体層に取り込まれる悪影響を排除することができる。そのため、フィールドプレート構造によるショットキー電極端への電界集中の緩和に基づく、逆方向耐電圧上昇の効果が抑制されることはない。つまり、大きな電界緩和効果が得られ、逆方向耐電圧を上昇させることができる。窒化絶縁膜中の水素濃度は低いほど好ましく、たとえば窒化絶縁膜中の水素濃度が２．０×１０²²ｃｍ^-3未満であればより好ましい。なお、現状では、水素濃度の検出限界は１．０×１０¹⁷ｃｍ^-3である。

ここでフィールドプレート構造とは、窒化絶縁膜と、窒化絶縁膜上に形成されたフィールドプレート電極と、によって構成される構造である。フィールドプレート電極はショットキー電極と電気的に接続されており、ショットキー電極とフィールドプレート電極とは同電位である。フィールドプレート構造によって、デバイス破壊の原因となる動作時のショットキー電極端部での電界集中を緩和し、ショットキーバリアダイオードの高耐圧化、高出力化を可能としている。窒化絶縁膜とは、たとえばＳｉＮ_x（シリコン窒化膜）やＡｌＮ（窒化アルミニウム）などの、絶縁性を有する、窒化物を含む膜をいう。

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、半導体層は、窒化ガリウム基板を含む。この場合は、半導体層に窒化ガリウム基板を適用することにより、逆方向リーク電流が低減し、電界緩和の効果がより顕著に現れる。

また好ましくは、窒化ガリウム基板の転位密度は、１×１０⁸ｃｍ^-2以下である。この場合は、低転位密度の窒化ガリウム基板を適用することにより、さらに逆方向リーク電流が低減し、電界緩和の効果が一層顕著に現れる。窒化ガリウム基板の転位密度は低いほど好ましい。たとえば、窒化ガリウム基板の転位密度が１×１０⁶ｃｍ^-2以下であればより好ましい。なお、現状では、窒化ガリウム基板の転位密度の下限値は１×１０³ｃｍ^-2程度である。

また好ましくは、半導体層においてショットキー電極と接触する領域の転位密度は、１×１０⁸ｃｍ^-2以下である。この場合は、さらに逆方向リーク電流が低減し、電界緩和の効果が一層顕著に現れる。半導体層においてショットキー電極と接触する領域の転位密度は低いほど好ましい。たとえば、半導体層においてショットキー電極と接触する領域の転位密度が１×１０⁶ｃｍ^-2以下であればより好ましい。なお、現状では、半導体層においてショットキー電極と接触する領域の転位密度の下限値は１×１０³ｃｍ^-2程度である。

また好ましくは、ショットキー電極の材質は、金（Ａｕ）、プラチナ（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、コバルト（Ｃｏ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、タングステン（Ｗ）、およびチタン（Ｔｉ）からなる群より選ばれた少なくとも一種の物質を含む。この場合は、ショットキー電極の材質として金などを用いることにより、低リーク電流ショットキー電極を実現できるので、フィールドプレート構造による電界緩和が起こる。その結果逆方向リーク電流が減少し、逆方向耐電圧が上昇する。

また好ましくは、窒化絶縁膜の厚みは、１０ｎｍ以上５μｍ以下である。窒化絶縁膜の厚みが１０ｎｍ未満であれば、窒化絶縁膜の耐圧が低く、窒化絶縁膜が先に破壊されてフィールドプレート構造の効果は得られない。また、窒化絶縁膜の厚みが５μｍ超であれば、フィールドプレート構造による電界緩和自体が得られない。窒化絶縁膜の厚みは、たとえば耐圧１ｋＶ設計においては、０．２μｍ以上２μｍ以下であればより好ましい。

また好ましくは、ショットキーバリアダイオードは、窒化絶縁膜上に形成された第２絶縁膜をさらに備える。この場合は、窒化絶縁膜と第２絶縁膜とは、積層構造とされている。このとき、半導体層との界面に水素濃度の低い窒化絶縁膜を形成すれば、第２絶縁膜中の水素濃度に関わらず、逆方向リーク電流が低減し電界緩和が起こる効果を得ることができる。第２絶縁膜の材質は、たとえばＳｉＮ_x、ＳｉＯ₂（シリコン酸化膜）、ＳｉＯＮ（シリコン酸窒化膜）などを用いることができる。第２絶縁膜が窒化絶縁膜上に積層している場合、第２絶縁膜に耐圧を負担させることができるので、窒化絶縁膜の厚みは、半導体層との界面の水素濃度を低くしてフィールドプレート構造の効果が得られるために必要な厚みである０．５ｎｍ以上であればよい。つまり、窒化絶縁膜の厚みは０．５ｎｍ以上５μｍ以下とすることができる。

また好ましくは、窒化絶縁膜の屈折率は、１．７以上２．２以下である。屈折率が２．２以下の場合、窒化絶縁膜中の絶縁性が低くなることを抑制できるので、導電性が高くなることを抑制でき、その結果として逆方向リーク電流を抑制できる。屈折率が１．７以上の場合、膜密度の低下を抑制することができるので、窒化絶縁膜の耐圧を向上することができる。

また好ましくは、フィールドプレート電極の、窒化絶縁膜と重なる長さは、１μｍ以上１ｍｍ以下である。上記長さが１μｍ未満であれば、制御が困難となり、安定してフィールドプレート構造の効果が得られない。また、上記長さが１ｍｍ超であれば、フィールドプレート構造による電界緩和自体が得られない。上記長さは、たとえば耐圧１ｋＶ設計においては空乏層幅は２μｍ以上２０μｍ以下に拡がるので、５μｍ以上４０μｍ以下であればより好ましい。

また好ましくは、上記半導体層において窒化絶縁膜と接触する領域が窒化ガリウム系の化合物である。この場合は、半導体層において窒化絶縁膜と接触する領域に窒化ガリウム系の化合物を適用することにより、逆方向リーク電流が低減し、電界緩和の効果がより顕著に現れる。なお、窒化ガリウム系の化合物とは、たとえばＡｌ_xＧａ_yＩｎ_(1-x-y)Ｎ（０≦ｘ＜１、０＜ｙ≦１）で表される化合物である。

本発明に係るショットキーバリアダイオードの製造方法は、半導体層を形成する工程を備える。また、半導体層上に、開口部の形成された窒化絶縁膜を形成する工程を備える。また、開口部の内部に、半導体層に接触するようにショットキー電極を形成する工程を備える。また、ショットキー電極に接続するとともに窒化絶縁膜に重なるように、フィールドプレート電極を形成する工程を備える。そして、窒化絶縁膜を形成する工程では、主要成分としてアンモニアを含まない原料ガスを用いる。

この場合は、気相成長によって窒化絶縁膜を形成するときの原料ガスとして、水素種発生の主要因であるアンモニアを用いずに、窒化絶縁膜を形成する。これにより、窒化絶縁膜中の水素濃度が低減できる。つまり、窒化絶縁膜形成時の水素種の影響を低減させることができるので、水素が半導体層に取り込まれ、悪影響を及ぼすことを排除することができる。したがって、フィールドプレート構造により大きな電界緩和効果が得られ、逆方向耐電圧を上昇させることができる。この製造方法としては、プラズマＣＶＤを用いて、ＳｉＨ₄（モノシラン）とＮ₂からＳｉＮ_xを成膜して、窒化絶縁膜を形成する方法が好ましい。

ここで、原料ガスは、主要成分としてアンモニアを含まないものであればよいものとする。原料ガス中に不可避的に低濃度のアンモニアが含まれていても、水素種の発生はごくわずかであるために実質的に影響はない。したがって、不可避的にアンモニアを含むガスも、原料ガスに含まれるものとする。

本発明に係るショットキーバリアダイオードの他の製造方法は、半導体層を形成する工程を備える。また、半導体層上に、開口部の形成された窒化絶縁膜を形成する工程を備える。また、開口部の内部に、半導体層に接触するようにショットキー電極を形成する工程を備える。また、ショットキー電極に接続するとともに窒化絶縁膜に重なるように、フィールドプレート電極を形成する工程を備える。そして、窒化絶縁膜を形成する工程では、窒化絶縁膜を、物理蒸着法を用いて形成する。

この場合は、真空蒸着、イオンプレーティング、スパッタリングなどの物理蒸着法を用いて窒化絶縁膜を形成するので、水素種発生の主要因であるアンモニアを用いずに、窒化絶縁膜を形成することができる。これにより、窒化絶縁膜中の水素濃度が低減できる。つまり、窒化絶縁膜形成時の水素種の影響がないので、水素が半導体層に取り込まれ、悪影響を及ぼすことを排除することができる。したがって、フィールドプレート構造により大きな電界緩和効果が得られ、逆方向耐電圧を上昇させることができる。

上記ショットキーバリアダイオードの製造方法において好ましくは、窒化絶縁膜を形成する工程の後、ショットキー電極を形成する工程に先立ち、窒化絶縁膜上に積層するように第２絶縁膜を形成する工程をさらに備える。この場合は、窒化絶縁膜と第２絶縁膜とは、積層構造に形成される。このとき、半導体層との界面に水素濃度の低い窒化絶縁膜を形成すれば、第２絶縁膜中の水素濃度に関わらず、逆方向リーク電流が低減し電界緩和が起こる効果を得ることができる。

本発明のショットキーバリアダイオードでは、フィールドプレート構造によるショットキー電極端の電界集中緩和に基づく逆方向耐電圧上昇の効果が抑制されることなく、逆方向耐電圧が向上している。また、本発明のショットキーバリアダイオードの製造方法では、逆方向耐電圧の向上したショットキーバリアダイオードを、容易に製造することができる。

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。

（実施の形態１）
図１は、本発明のショットキーバリアダイオードの断面図である。図２は、図１に示すショットキーバリアダイオードの斜視図である。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）１は、半導体層を構成するＧａＮ自立基板２およびＧａＮエピタキシャル層３を備える。ＧａＮエピタキシャル層３は、ＧａＮ自立基板２の表面２ａ上に形成されている。ＳＢＤ１はまた、窒化絶縁膜としての絶縁層４を備える。絶縁層４は、主表面としてのＧａＮエピタキシャル層３の表面３ａ上に形成されている。

ＳＢＤ１はさらに、ＧａＮエピタキシャル層３の表面３ａに接触するとともに絶縁層４に重なるように形成されている電極５と、ＧａＮ自立基板２の裏面２ｂ側に形成されている電極６とを備える。絶縁層４には開口部が形成されており、電極５は絶縁層４の開口部の内部に形成されている。電極５は、たとえば平面形状が円形となるように、形成されている。

電極５は、絶縁層４の開口部の内部においてＧａＮエピタキシャル層３の表面３ａに接触する部分であるショットキー電極と、絶縁層４に重なる部分であるフィールドプレート電極とを含む。フィールドプレート電極と、絶縁層４とは、フィールドプレート構造を形成する。また、上記ショットキー電極は、ＧａＮエピタキシャル層３とショットキー接合を形成する。一方電極６は、ＧａＮ自立基板２とオーミック接合を形成する、オーミック電極である。

絶縁層４は、シリコン窒化膜（ＳｉＮ_x）によって形成することができる。また絶縁層４中の水素濃度は、３．８×１０²²ｃｍ^-3未満、好ましくは２．０×１０²²ｃｍ^-3未満、より好ましくは１．６×１０²²ｃｍ^-3以下とすることができる。このように、膜中水素濃度の低いＳｉＮ_xを、フィールドプレート構造を形成する絶縁膜として適用することができる。この場合、水素濃度の高い絶縁層を用いる場合と比べて、絶縁層形成時に水素種が発生してＧａＮエピタキシャル層３に悪影響を与えることを抑制できる。そのため、フィールドプレート構造によるショットキー電極端への電界集中の緩和に基づく逆方向耐電圧上昇の効果が抑制されることはない。つまり、ＳＢＤ１では大きな電界緩和効果が得られ、逆方向耐電圧を上昇させることができる。

絶縁層４の屈折率は、好ましくは１．７以上２．２以下、より好ましくは１．８以上２．１以下である。このような屈折率を有するＳｉＮ_xを、フィールドプレート構造を形成する絶縁膜として適用することができる。この場合、屈折率が大きくなると、Ｓｉがリッチな膜になる。Ｓｉがリッチな膜になるということは、Ｓｉに近い組成の膜となるので、絶縁物であるＳｉＮ_xに比べて導電性が高くなる。このため、屈折率が高すぎると、絶縁層４による逆方向リーク電流が発生してしまう。この観点から、本発明者は絶縁層４の屈折率に着目して、逆方向リーク電流の発生を抑制する屈折率を鋭意研究した結果、屈折率が２．２以下の場合に効果的であることを見出した。屈折率が２．１以下の場合、より効果的に逆方向リーク電流の発生を抑制することができる。

一方、本発明者は絶縁層４の膜密度と膜耐圧とに相関関係があることに着目して、膜密度が低いと、膜を構成する物質が密に詰まっていないため屈折率が低くなり、膜耐圧が十分に得られないことを見出した。この観点から、本発明者が鋭意研究した結果、屈折率が１．７のときの膜耐圧は１ＭＶ／ｃｍであり、屈折率が１．８５のときの膜耐圧は９ＭＶ／ｃｍであるという知見を得た。この知見から、屈折率が１．７以上の場合、１ＭＶ／ｃｍの膜耐圧を維持することができるため、好ましい。屈折率が１．８以上の場合、膜密度をより向上できるので、膜耐圧をより向上することができる。なお、上記のように屈折率が１．７以上の膜密度の高い絶縁層４が、たとえば平行平板型プラズマＣＶＤにより形成される場合には、２００ｍＷ／ｃｍ²を超える高いプラズマパワー密度を要する。この場合、反応ガスの解離が促進され、ＳｉとＮとの結合が促進される。その結果、屈折率が１．７以上の膜密度の高い絶縁層４を実現することができる。

なお、上記「屈折率」は、たとえば分光エリプソメータにより６３３ｎｍの波長に対して分光エリプソメトリー（偏光解析法）を用いて測定される値である。

ＧａＮ自立基板２およびＧａＮエピタキシャル層３が半導体層を構成している。すなわち、半導体層はＧａＮ基板を含む。ＧａＮ自立基板２の転位密度は、１×１０⁸ｃｍ^-2以下であることが望ましい。これにより、ＧａＮエピタキシャル層３の転位密度も、ＧａＮ自立基板２と同等で１×１０⁸ｃｍ^-2以下となり、ＳＢＤ１における逆方向リーク電流が低減し、電界緩和の効果がより顕著に現れる。なお、転位密度は、たとえば溶融ＫＯＨ中のエッチングによりできるピットの個数を数えて、単位面積で割るという方法によって測定することができる。

また、半導体層はＧａＮエピタキシャル層３を含む。ＧａＮエピタキシャル層３において電極５のうちのショットキー電極と接触する領域３ｃの転位密度は、１×１０⁸ｃｍ^-2以下が望ましく、１×１０⁶ｃｍ^-2以下がより望ましい。これにより、上述したように、電界緩和の効果がより顕著に現れる。

また、半導体層において窒化絶縁膜と接触する領域が窒化ガリウム系の化合物である。本実施の形態では、半導体層において絶縁層４と接触しているのはＧａＮエピタキシャル層３であるので、窒化ガリウム系の化合物としてＧａＮを用いている。

電極５の材質は、金、プラチナ、ニッケル、パラジウム、コバルト、銅、銀、タングステン、およびチタンからなる群より選ばれた少なくとも一種の物質を含むことが望ましい。電極５の、ＧａＮエピタキシャル層３の表面３ａに接触する部分は、ショットキー電極であるために、ショットキー電極の材質として上記材料を用いることになる。これにより、低リーク電流を実現できる。

図１に、絶縁層４の厚みを寸法ｔとして示す。絶縁層４の厚み（寸法ｔ）は、１０ｎｍ以上５μｍ以下であることが望ましい。絶縁層４の厚み（寸法ｔ）が１０ｎｍ未満であれば、絶縁層４の耐圧が低く、絶縁層４が先に破壊されてフィールドプレート構造の効果は得られない。また、絶縁層４の厚みが５μｍ超であれば、フィールドプレート構造による電界緩和自体が得られない。

また、図１に示す寸法Ｌは、フィールドプレート長を示す。フィールドプレート長とは、フィールドプレート電極が絶縁層４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とは、図１に示すような、ＳＢＤ１の、平面形状円形の電極５の中心を通る断面において、フィールドプレート電極が絶縁層４と重なっている長さである。つまり、絶縁層４の開口部の平面形状が円形状であって、電極５の一部であるショットキー電極の平面形状が円形である場合、フィールドプレート長とは、ショットキー電極の半径方向における、フィールドプレート電極が絶縁層４と重なる長さである。

換言すると、フィールドプレート長とは、ショットキー電極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が絶縁層と重なっている長さをいう。このようなフィールドプレート長は、１μｍ以上１ｍｍ以下であることが望ましい。フィールドプレート長が１μｍ未満であれば、制御が困難となり、安定してフィールドプレート構造の効果が得られない。また、フィールドプレート長が１ｍｍ超であれば、フィールドプレート構造による電界緩和自体が得られない。

次に、ＳＢＤ１の製造方法について説明する。図３は、ショットキーバリアダイオードの製造方法の各工程を示す流れ図である。図１〜図３を参照して、本発明のショットキーバリアダイオードの製造方法について説明する。

まず、図３に示す工程（Ｓ１０）において、ＧａＮ自立基板２を形成する。具体的には、ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy、ハイドライド気相成長法）で作製された、ｎ導電型の、（０００１）面ＧａＮ自立基板２を準備する。ＧａＮ自立基板２のキャリア濃度はたとえば３×１０¹⁸ｃｍ^-3であり、厚みはたとえば４００μｍであり、平均転位密度はたとえば１×１０⁶ｃｍ^-2である。次に工程（Ｓ２０）において、エピタキシャル膜を形成する。具体的には、ＧａＮ自立基板２上に、キャリア密度がたとえば５×１０¹⁵ｃｍ^-3であり厚みがたとえば７μｍであるｎ導電型エピタキシャル膜を、ＯＭＶＰＥ（Organo-Metallic Vapor Phase Epitaxy、有機金属気相成長）法により成長して、ＧａＮエピタキシャル層３を作製する。この工程（Ｓ１０）および工程（Ｓ２０）により、ＧａＮ自立基板２と、ＧａＮエピタキシャル層３とを含む半導体層を形成することができる。

次に工程（Ｓ３０）において、窒化絶縁膜を形成する。具体的には、ＧａＮエピタキシャル層３上に、絶縁層４としてＳｉＮ_xを、プラズマＣＶＤによりＮＨ₃（アンモニア）を用いずにＳｉＨ₄、Ｎ₂（窒素）から成膜する。つまり、主要成分としてＮＨ₃を含まない原料ガスを用いて、絶縁層４を形成する。絶縁層４の膜厚（寸法ｔ）は、たとえば約１００ｎｍである。次に工程（Ｓ４０）において、オーミック電極を形成する。具体的には、ＧａＮ自立基板２の裏面２ｂを有機洗浄および塩酸洗浄した後に、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ（２０ｎｍ／１００ｎｍ／２０ｎｍ／２００ｎｍ）を、ＥＢ（Electron Beam）蒸着法を用いて裏面２ｂの全体に形成する。その後、窒素雰囲気下で約２分間６００℃に加熱し、合金化を行ない、オーミック電極としての電極６を形成する。

次に工程（Ｓ５０）において、窒化絶縁膜のエッチングを行なう。具体的には、フォトリソグラフィーにより、絶縁層４上にパターニングを行なう。その後、ＢＨＦ（Buffered Hydrogen Fluoride、バッファードフッ酸）により、絶縁層４のウェットエッチングを行なう。その後、有機洗浄によってレジストの除去を行なう。このようにして絶縁層４をエッチングし、絶縁層４に開口部を形成する。この時点で、開口部ではＧａＮエピタキシャル層３が露出している。開口部はたとえば、その側面が、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、形成することができる。

次に工程（Ｓ６０）において、ショットキー電極およびフィールドプレート電極を形成する。具体的には、フォトリソグラフィーによりパターニングを行なう。続いて、塩酸洗浄によるＧａＮエピタキシャル層３の表面処理を、室温で３分間行なった後、電極材料としてＮｉ／Ａｕ（８０ｎｍ／３００ｎｍ）を、ＥＢ蒸着法と抵抗加熱蒸着法とにより形成する。その後レジストを除去する際に、レジスト上に成膜された電極材料は同時に除去され（リフトオフ）、電極５が形成される。電極５の形状は、絶縁層４に形成された開口部よりも直径の大きい形状とすることができ、たとえば平面形状が直径２２０μｍの円形となるように形成することができる。

これにより、絶縁層４の開口部の内部においてＧａＮエピタキシャル層３の表面３ａに接触する部分であるショットキー電極と、ショットキー電極に接続するとともに絶縁層４に重なる部分であるフィールドプレート電極と、が形成される。つまり、電極５の直径が、絶縁層４に形成された開口部の直径よりも大きいために、絶縁層４上に電極５の一部が重なって、フィールドプレート電極となるようになっている。

以上の製造方法によって、図１および図２に示すＳＢＤ１を製造することができる。このＳＢＤ１の製造方法では、絶縁層４を形成する工程（Ｓ３０）において、水素種発生の主要因であるアンモニアを用いずに、絶縁層４を形成している。これにより、絶縁層４中の水素濃度が低減できる。つまり、絶縁層４形成時の水素種のＧａＮエピタキシャル層３への影響を低減させることができるので、水素がＧａＮエピタキシャル層３に取り込まれ、悪影響を及ぼすことを排除することができる。したがって、フィールドプレート構造により大きな電界緩和効果が得られ、逆方向耐電圧を上昇させることができる。

ここで、窒化絶縁膜を形成する工程（Ｓ３０）では、絶縁層４を、物理蒸着法（ＰＶＤ、Physical Vapor Deposition）を用いて形成してもよい。ＰＶＤとしては、たとえば、真空蒸着やイオンプレーティングなどの蒸発系ＰＶＤ、スパッタリングなどを用いることができる。ＰＶＤでは、気相中でＧａＮエピタキシャル層３の表面に物理的手法により絶縁層４を形成する物質の薄膜を堆積させるので、水素種発生の主要因であるアンモニアを用いずに、絶縁層４を形成することができる。したがって、上記と同様に、水素がＧａＮエピタキシャル層３に取り込まれ、悪影響を及ぼすことを排除することができるので、フィールドプレート構造により大きな電界緩和効果が得られ、逆方向耐電圧を上昇させる効果が得られる。

また、上記のＳＢＤの製造方法においては、工程（Ｓ６０）においてショットキー電極およびフィールドプレート電極を同時に形成する例を説明したが、ショットキー電極を形成する工程の後にフィールドプレート電極を形成する工程を設けてもよい。つまり、図１および図２を参照して、絶縁層４に形成された開口部の内部に、ＧａＮエピタキシャル層３に接触するようにショットキー電極を形成し、続いて、ショットキー電極に接続するとともに絶縁層４に重なるように、フィールドプレート電極を形成してもよい。この場合、フィールドプレート電極は、ショットキー電極と同じ材質で形成してもよい。または、絶縁層４との接着性のよい材料など、ショットキー電極の材質と異なる材料を用いて、フィールドプレート電極を形成しても構わない。

また、本実施の形態では、半導体層としてＧａＮ自立基板２とＧａＮエピタキシャル層３とを含む構造を例に挙げて説明したが、本発明は特にこれに限定されない。半導体層として、ＧａＮ自立基板２を含んでいなくてもよく、ＧａＮ自立基板２の代わりに他の基板を用いてもよい。

（実施の形態２）
図４は、実施の形態２のショットキーバリアダイオードの断面図である。実施の形態２のＳＢＤ１１と、上述した実施の形態１のＳＢＤ１とは、基本的に同様の構成を備えている。しかし、実施の形態２では、絶縁層１４、１７の構成が図４に示すような構成となっている点で実施の形態１とは異なっている。

具体的には、図４に示すように、窒化絶縁膜としての絶縁層１４は、ＧａＮエピタキシャル層３の表面３ａ上に形成されている。第２絶縁膜としての絶縁層１７は、絶縁層１４上であってフィールドプレート電極の下に形成されている。つまり、絶縁層１４および絶縁層１７は、積層構造を成している。フィールドプレート電極は、絶縁層１７を介在させて、窒化絶縁膜としての絶縁層１４上に形成されており、絶縁層１４とともにフィールドプレート構造を構成している。

絶縁層１４は、実施の形態１の絶縁層４と同様に、プラズマＣＶＤによりＮＨ₃を用いずにＳｉＨ₄、Ｎ₂から成膜されたＳｉＮ_xである。つまり絶縁層１４は、主要成分としてＮＨ₃を含まない原料ガスを用いて、形成されている。絶縁層１４の膜厚は、０．５ｎｍ以上５μｍ以下とすることができ、たとえば約１００ｎｍである。一方、絶縁層１７は、ＮＨ₃を用いたプラズマＣＶＤにより成膜されたＳｉＮ_xである。絶縁層１７の膜厚は、たとえば約２００ｎｍである。

実施の形態２の構成によれば、絶縁層１７中の水素濃度は比較的高いものの、主要成分としてＮＨ₃を含まない原料ガスを用いて成膜されている絶縁層１４中の水素濃度は３．８×１０²²ｃｍ^-3未満と低くすることができる。つまり、図４に示すＳＢＤ１１では、ＧａＮエピタキシャル層３との界面に水素濃度の低い絶縁層１４が形成されている。絶縁層１７中の水素濃度に関わらず、絶縁層１７の形成時には絶縁層１４が形成されているので、ＧａＮエピタキシャル層３への水素の侵入を防止できる。その結果ＳＢＤ１１では、逆方向リーク電流が低減し電界緩和が起こる効果を得ることができる。ＳＢＤ１１のその他の構成については、実施の形態１のＳＢＤ１において説明した通りであるので、その説明は繰り返さない。

（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３におけるショットキーバリアダイオードの断面図である。実施の形態３のＳＢＤ２１と、上述した実施の形態１のＳＢＤ１とは基本的に同様の構成を備えている。しかし、実施の形態３では、半導体層の構成が図５に示すような構成となっている点で実施の形態１とは異なっている。

具体的には、図５に示すように、ＳＢＤ２１の半導体層は、支持基板２３と、ＧａＮ下地層２２と、ＧａＮエピタキシャル層３とを含んでおり、ＧａＮ自立基板を含んでいない。ＧａＮエピタキシャル層３においてショットキー電極と接触する領域３ｃの転位密度は、好ましくは１×１０⁸ｃｍ^-2以下であり、より好ましくは１×１０⁶ｃｍ^-2以下である。

支持基板２３は、導電性の基板である。この支持基板２３上にＧａＮ下地層２２が形成されている。このＧａＮ下地層２２上にＧａＮエピタキシャル層３が形成されている。なお、支持基板２３とＧａＮ下地層２２とは、オーミック接触している。また、支持基板２３が金属の場合、オーミック電極６は省略されてもよい。その他の構成については、実施の形態２と同様であるので、その説明は繰り返さない。

なお、ＧａＮエピタキシャル層３の転位密度は領域３ｃと同じであっても異なっていてもよい。その他の構成については、実施の形態１と同様であるので、その説明は繰り返さない。

次に、ＳＢＤ２１の製造方法について説明する。図６は、本発明の実施の形態３におけるショットキーバリアダイオードの製造方法の各工程を示す流れ図である。本実施の形態におけるＳＢＤ２１の製造方法は、基本的には実施の形態１におけるＳＢＤ１の製造方法と同様の構成を備えているが、貼り合わせ基板を形成するための工程をさらに備えている点において異なる。

具体的には、実施の形態１の工程（Ｓ１０）と同様に、ＧａＮ自立基板２を準備する。次に、工程（Ｓ７１）で、ＧａＮ自立基板２の表面または裏面から不純物をイオン注入する。これにより、ＧａＮ自立基板２の表面または裏面近傍に不純物を多く含む層が形成される。次に、工程（Ｓ７２）で、イオン注入した面と支持基板２３とを貼り合わせる。次に、工程（Ｓ７３）で、ＧａＮ自立基板２と支持基板２３とが貼り合わされた状態で熱処理する。これにより、ＧａＮ自立基板２における不純物を多く含む領域を境界として、分割される。その結果、支持基板２３と、支持基板２３上にＧａＮ自立基板２よりも薄いＧａＮ下地層２２が形成された貼り合わせ基板を作成することができる。

次に、工程（Ｓ２０）では、ＧａＮ下地層２２上にＧａＮエピタキシャル層３を形成する。このＧａＮエピタキシャル層３において後述するショットキー電極と接触する領域の転位密度は、１×１０⁸ｃｍ^-2以下であることが好ましい。

次に、実施の形態１と同様に、絶縁層形成工程（Ｓ３０）、オーミック電極形成工程（Ｓ４０）、絶縁層エッチング工程（Ｓ５０）、ショットキー電極およびフィールドプレート電極形成工程（Ｓ６０）を実施する。

以上の工程（Ｓ１０〜Ｓ７３）を実施することにより、図５に示すショットキーバリアダイオード２１を製造することができる。

なお、本実施の形態では、ＧａＮ自立基板２を用いてＧａＮ下地層２２を形成し、さらにＧａＮ下地層２２を用いてＧａＮエピタキシャル層３を形成したが、特にこれに限定されない。

実施の形態３の構成によれば、半導体層はＧａＮ自立基板を含んでいない。つまり、高価なＧａＮ自立基板２の一部のみを使用している。このためＧａＮ自立基板２の残部を再利用できるので、製造コストを低減することができる。

以下、本発明の実施例について説明する。実施の形態１および実施の形態２で説明したＳＢＤ１、１１を作製し、逆方向耐電圧を測定する実験を行なった。なお、ＳＢＤ１の具体的な製造方法およびサイズなどの特性は、実施の形態１で説明した通りである。

一方ＳＢＤ１１の具体的な製造方法では、図３に示す窒化絶縁膜を形成する工程（Ｓ３０）において、ＮＨ₃を用いずにＳｉＨ₄、Ｎ₂からプラズマＣＶＤによりＳｉＮ_xを１００ｎｍ成膜して絶縁層１４を形成した。続いてＳｉＨ₄、ＮＨ₃、Ｈ₂からプラズマＣＶＤによりＳｉＮ_xを２００ｎｍ成膜して絶縁層１７を形成した。つまり、絶縁層１７は、窒化絶縁膜を形成する工程（Ｓ３０）の後、ショットキー電極を形成する工程（Ｓ６０）に先立ち、絶縁層１４上に積層するように形成された。エッチングする工程（Ｓ５０）では、絶縁層１４と絶縁層１７とのいずれもがエッチングされ、ＧａＮエピタキシャル層３が露出するように開口部が形成された。ＳＢＤ１１のその他の製造工程およびサイズなどの特性は、ＳＢＤ１と同様である。

また比較例として、従来のＮＨ₃を用いたプラズマＣＶＤによって、比較例としてのＳＢＤを作製した。比較例としてのＳＢＤの具体的な製造方法では、図３に示す絶縁層を形成する工程（Ｓ３０）において、ＮＨ₃を用いてＳｉＨ₄、ＮＨ₃、Ｈ₂からプラズマＣＶＤによりＳｉＮ_xを１００ｎｍ成膜して絶縁層を形成した。比較例としてのＳＢＤのその他の製造工程およびサイズなどの特性は、ＳＢＤ１と同様である。

各ＳＢＤについて、逆方向耐電圧の測定を実施した。また、各ＳＢＤの絶縁層中水素濃度の測定も実施した。水素濃度の測定方法としては、ＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometry、二次イオン質量分析）を用いた。

その結果、逆方向耐電圧は、本発明の実施例であるＳＢＤ１およびＳＢＤ１１ではいずれも４００Ｖであったのに対し、比較例としてのＳＢＤでは２００Ｖであった。

また、絶縁層中水素濃度は、ＳＢＤ１では１．６×１０²²ｃｍ^-3であった。ＳＢＤ１１では、１層目の絶縁層では１．６×１０²²ｃｍ^-3、２層目の絶縁層では３．８×１０²²ｃｍ^-3であった。比較例としてのＳＢＤでは、３．８×１０²²ｃｍ^-3であった。

以上のように、本発明のＳＢＤでは窒化絶縁膜中の水素濃度が低いために、水素濃度の高い窒化絶縁膜を用いる比較例としてのＳＢＤと比べて、逆方向耐電圧は２倍となり大きく増加していた。したがって、本発明のＳＢＤでは、窒化絶縁膜中の水素濃度が低減されている、つまり窒化絶縁膜形成時に水素が半導体層に取り込まれる悪影響が排除されているために、フィールドプレート構造により大きな電界緩和効果が得られ、逆方向耐電圧を上昇させることができることが示された。また、窒化絶縁膜と第２絶縁膜とを積層構造とした場合、半導体層との界面に水素濃度の低い窒化絶縁膜を形成すれば、同様の効果が得られることが明らかとなった。

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説明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。

本発明のショットキーバリアダイオードの断面図である。 図１に示すショットキーバリアダイオードの斜視図である。 ショットキーバリアダイオードの製造方法の各工程を示す流れ図である。 実施の形態２のショットキーバリアダイオードの断面図である。 実施の形態３におけるショットキーバリアダイオードの断面図である。 実施の形態３におけるショットキーバリアダイオードの製造方法の各工程を示す流れ図である。

符号の説明

１，１１，２１ ショットキーバリアダイオード、２ ＧａＮ自立基板、２ａ 表面、２ｂ 裏面、３ ＧａＮエピタキシャル層、３ａ 表面、３ｃ 領域、４，１４，１７ 絶縁層、５，６ 電極、２２ 下地層、２３ 支持基板。

Claims (14)

1. 主表面を有する半導体層と、
   前記主表面上に形成され、開口部が形成されている窒化絶縁膜と、
   前記開口部の内部に、前記主表面に接触するように形成されたショットキー電極と、
   前記ショットキー電極に接続するとともに、前記窒化絶縁膜に重なるように形成された、フィールドプレート電極と、を備え、
   前記窒化絶縁膜中の水素濃度は、３．８×１０²²ｃｍ^-3未満である、ショットキーバリアダイオード。
2. 前記半導体層は、窒化ガリウム基板を含む、請求項１に記載のショットキーバリアダイオード。
3. 前記窒化ガリウム基板の転位密度は、１×１０⁸ｃｍ^-2以下である、請求項２に記載のショットキーバリアダイオード。
4. 前記半導体層において前記ショットキー電極と接触する領域の転位密度は、１×１０⁸ｃｍ^-2以下である、請求項１から請求項３のいずれかに記載のショットキーバリアダイオード。
5. 前記ショットキー電極の材質は、金、プラチナ、ニッケル、パラジウム、コバルト、銅、銀、タングステン、およびチタンからなる群より選ばれた少なくとも一種の物質を含む、請求項１から請求項４のいずれかに記載のショットキーバリアダイオード。
6. 前記窒化絶縁膜の厚みは、１０ｎｍ以上５μｍ以下である、請求項１から請求項５のいずれかに記載のショットキーバリアダイオード。
7. 前記窒化絶縁膜上に形成された、第２絶縁膜をさらに備える、請求項１から請求項５のいずれかに記載のショットキーバリアダイオード。
8. 前記窒化絶縁膜の厚みは、０．５ｎｍ以上５μｍ以下である、請求項７に記載のショットキーバリアダイオード。
9. 前記窒化絶縁膜の屈折率は、１．７以上２．２以下である、請求項１から請求項８のいずれかに記載のショットキーバリアダイオード。
10. 前記フィールドプレート電極の、前記窒化絶縁膜と重なる長さは、１μｍ以上１ｍｍ以下である、請求項１から請求項９のいずれかに記載のショットキーバリアダイオード。
11. 前記半導体層において前記窒化絶縁膜と接触する領域が窒化ガリウム系の化合物である、請求項１から請求項１０のいずれかに記載のショットキーバリアダイオード。
12. 半導体層を形成する工程と、
    前記半導体層上に、開口部の形成された窒化絶縁膜を形成する工程と、
    前記開口部の内部に、前記半導体層に接触するようにショットキー電極を形成する工程と、
    前記ショットキー電極に接続するとともに前記窒化絶縁膜に重なるように、フィールドプレート電極を形成する工程と、を備え、
    前記窒化絶縁膜を形成する工程では、主要成分としてアンモニアを含まない原料ガスを用いる、ショットキーバリアダイオードの製造方法。
13. 半導体層を形成する工程と、
    前記半導体層上に、開口部の形成された窒化絶縁膜を形成する工程と、
    前記開口部の内部に、前記半導体層に接触するようにショットキー電極を形成する工程と、
    前記ショットキー電極に接続するとともに前記窒化絶縁膜に重なるように、フィールドプレート電極を形成する工程と、を備え、
    前記窒化絶縁膜を形成する工程では、前記窒化絶縁膜を、物理蒸着法を用いて形成する、ショットキーバリアダイオードの製造方法。
14. 前記窒化絶縁膜を形成する工程の後、前記ショットキー電極を形成する工程に先立ち、前記窒化絶縁膜上に積層するように第２絶縁膜を形成する工程をさらに備える、請求項１２または請求項１３に記載のショットキーバリアダイオードの製造方法。

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