JP2009224603A - ダイオードの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ２種類の金属電極を有するダイオードを製造する容易な製造方法を提供する。
【解決手段】 n型半導体領域２０の表面にp型半導体領域３０を結晶成長させる工程と、p型半導体領域３０の表面３１にオーミック接合Ｊｒするオーミック電極４０（第１金属膜）を形成する工程と、オーミック電極４０の表面４１に開口を有するマスクを形成する第３工程と、マスクの開口からオーミック電極４０とp型半導体領域３０をエッチングしてn型半導体領域２０を露出させる工程と、露出したn型半導体領域２０の表面の少なくとも一部にショットキー接合Ｊｓするショットキー電極５０（第２金属膜）を形成する工程を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、n型半導体領域の表面にショットキー接合する金属電極を備えたショットキーダイオードに関する。

n型半導体領域の表面にショットキー接合する金属電極を備えたショットキーダイオードが知られている。この種のショットキーダイオードにおいて、n型半導体領域の表面にp型半導体領域を分散して配置したダイオードが知られている。この種のダイオードは、JBS（Junction Barrier Schottky）型のダイオードと称されている。JBS型ダイオードの一例が特許文献１に開示されている。

図９に、JBS型ダイオード１００の基本的な構成を示す。ダイオード１００を形成する半導体基板１０３は、n型不純物を高濃度に含んでいるn⁺型のカソード領域１１０と、n型半導体領域１１２と、p型半導体領域１１４を備えている。p型半導体領域１１４は、複数個に分割されて、n型半導体領域の表面に分散して配置されている。半導体基板１０３の裏面に、カソード電極１０４が設けられている。カソード電極１０４は、カソード領域１１０にオーミック接合している。半導体基板１０３の表面１０３ａに、アノード電極１０２が設けられている。アノード電極１０２は、n型半導体領域１１２とp型半導体領域１１４の表面にショットキー接合Ｊｓしている。

アノード電極１０２にカソード電極１０４よりも高い電圧を印加すると（順方向電圧を印加すると）、アノード電極１０２から、ショットキー接合Ｊｓとn型半導体領域１１２とカソード領域１１０を介して、カソード電極１０４に電流が流れる。
カソード電極１０４にアノード電極１０２よりも高い電圧を印加すると（逆方向電圧を印加すると）、p型半導体領域１１４とn型半導体領域１１２と間のpn接合面から空乏層が広がる。複数個のp型半導体領域１１４がn型半導体領域１１２の表面に分散して配置されていると、空乏層が広く広がり、高い耐圧を得ることができる。JBS型ダイオードは、p型半導体領域１１４が形成されていない従来のショットキーダイオードよりも、耐圧を向上させることができる。

特開平１０−３２１８７９号公報

図９のJBS型ダイオード１００では、アノード電極１０２とp型半導体領域１１４の間もショットキー接合Ｊｓしており、p型半導体領域１１４を形成しているのも関わらず、p型半導体領域１１４とn型半導体領域１１２で形成されるpn接合ダイオードを十分に活用することができない。p型半導体領域１１４とn型半導体領域１１２で形成されるpn接合ダイオードを活用できれば、順方向の抵抗を下げられるのに、その利点を享受していない。

p型半導体領域１１４とn型半導体領域１１２とのpn接合をpn接合ダイオードとして機能させるためには、p型半導体領域１１４とアノード電極１０２の間をオーミック接合させるのが望ましい。仮に、p型半導体領域１１４にオーミック接合するとともに、n型半導体領域１１２にショットキー接合Ｊｓする金属を利用してアノード電極１０２を形成することができれば、JBS型ダイオードと、pn接合ダイオードの両者の特性を兼ね備えたダイオードを実現することができる。ところが、そのような金属は存在しない。このため、１つの金属電極でアノード電極１０２を形成する場合は、オーミック接合又はショットキー接合Ｊｓのいずれかを犠牲にしなければならない。

したがって、JBS型ダイオードと、pn接合型ダイオードの両者の特性を兼ね備えたダイオードを実現するためには、２種類の金属電極を使い分ける必要がある。例えば、半導体基板１０３の表面１０３ａのうち、p型半導体領域１１４の表面に接する部分にはp型半導体領域１１４にオーミック接合する種類の金属を選択してアノード電極を形成し、n型半導体領域１１２の表面に接する部分にはn型半導体領域１１２にショットキー接合する種類の金属を選択してアノード電極を形成すれば、JBS型ダイオードとpn接合型ダイオードの両者の特性を兼ね備えたダイオードを実現することができる。

しかしながら、p型半導体領域１１４とn型半導体領域１１２が半導体基板１０３の表面１０３ａに配置されている従来のダイオード１００では、２種類の金属電極を作り分ける工程が煩雑になるという問題がある。従来のダイオード１００では、半導体基板１０３の表面１０３ａの部分的範囲を選択してp型半導体領域１１４を形成する工程と、そうして形成されたp型半導体領域１１４の形成範囲を選択して、p型半導体領域１１４にオーミック接合する金属電極を形成する工程が必要とされる。例えば、半導体基板１０３の表面１０３ａの選択した部分的範囲にイオン注入してp型半導体領域１１４を形成し、そのp型半導体領域１１４が形成された部分的範囲を選択してオーミック接合用の金属電極を形成しなければならない。イオン注入範囲を規制する手法と、金属電極を形成する範囲を規制する手法は全く相違しており、従来のダイオード１００では形成範囲を規制する工程が実施しづらい。
本発明は、n型半導体領域とp型半導体領域が並置されており、n型半導体領域に対応する範囲とp型半導体領域に対応する範囲とで異なる種類の金属で形成されている電極を有するダイオードを製造する容易な製造方法を提供することを目的としている。

本発明のダイオードの製造方法は、第１工程から第５工程を備えている。
第１工程では、n型半導体領域の表面にp型半導体領域を結晶成長させる。第２工程では、p型半導体領域の表面にオーミック接合する第１金属膜を形成する。第３工程では、第１金属膜の表面に、開口を有するマスクを形成する。第４工程では、マスクの開口から第１金属膜とp型半導体領域をエッチングして、n型半導体領域を露出させる。第５工程では、露出したn型半導体領域の表面の少なくとも一部にショットキー接合する第２金属膜を形成する。

ここで、ショットキー接合とは、半導体と金属との間に、ショットキー障壁が存在する接合のことをいう。ショットキー接合では、半導体のバリアハイトと金属のバリアハイトの間に差が生じている。一方、オーミック接合とは、実質的なショットキー障壁が存在しない接合をいう。オーミック接合では、半導体のバリアハイトと金属のバリアハイトの間に大きな差が存在しない。オーミック接合に順方向の電圧を印加すると、オームの法則に従って電圧に比例した電流が流れる。

上記したダイオードの製造方法によると、第４工程でマスクの開口から第１金属膜とp型半導体領域をエッチングしてn型半導体領域を露出させた時点で、半導体基板の表面に分散して形成されたp型半導体領域と、そのp型半導体領域の表面に選択的に形成された第１金属膜の積層構造を同時に得ることができる。本製造方法によれば、p型半導体領域を分散して形成する工程と、そのp型半導体領域の表面に金属電極を選択的に形成する工程を同時に行うことができる。n型半導体領域にショットキー接合する第２金属膜を備えており、p型半導体領域にオーミック接合する第１金属膜を備えており、ショットキーダイオード構造とpn接合ダイオード構造を備えているダイオードを簡単に製造することができる。JBS型ダイオードとpn接合型ダイオードの両者の特性を兼ね備えたダイオードを簡単に製造することができる。

第４工程と第５工程の間に、第３工程で形成したマスクを除去する工程をさらに備えていることが好ましい。また、第５工程では、露出したn型半導体領域の表面と、p型半導体領域の側面と、第１金属膜の側面と、第１金属膜の表面を第２金属膜が被覆するように、第２金属膜を形成することが好ましい。すなわち、第５工程では、表面側の全域を被覆するように第２金属膜を形成することが好ましい。第２金属膜を形成するのと同時に、第２金属膜と第１金属膜を電気的に接続することができる。

n型半導体領域とp型半導体領域の半導体材料は、炭化珪素であるのが好ましい。
従来の技術で説明したp型半導体領域１１４（図９参照）は、n型半導体領域１１２の表面の一部にp型不純物をイオン注入し、その後に熱処理を行って不純物を活性化することで形成されている。イオン注入技術を利用してp型半導体領域１１４を形成すると、p型半導体領域１１４に欠陥が形成されてしまう。また、半導体材料が炭化珪素の場合には、注入したp型不純物を活性化するために１６００℃以上の高温で熱処理を行う必要がある。高温で熱処理を行うと、炭化珪素の表面に昇華現象が発生して表面荒れが発生する。これにより、逆方向電圧の印加時のリーク電流が増大してダイオードの特性が劣化する。一方、本製造方法では、n型半導体領域の表面に結晶成長させてp型半導体領域を形成している。p型不純物をイオン注入しておらず、高温の熱処理を実施する必要もない。逆方向電圧の印加時のリーク電流を低減化し、ダイオードの特性を向上させることができる。したがって、本製造方法は、半導体材料が炭化珪素の場合に特に有用である。

半導体材料が炭化珪素の場合、第１金属膜は、チタン、アルミニウム、ニッケルのいずれかの金属、又はそれらから選択される２種以上の積層であり、第２金属膜は、モリブデン、チタン、ニッケルのいずれかの金属であることが好ましい。
第１金属膜が上記した材料であれば、炭化珪素のp型半導体領域と第１金属膜が良好にオーミック接合する。第２金属膜が上記した材料であれば、炭化珪素のn型半導体領域と第２金属膜が良好にショットキー接合する。

本発明によると、p型半導体領域にオーミック接合し、n型半導体領域にショットキー接合するアノード電極を備えており、ショットキーダイオード構造とpn接合ダイオード構造を備えているダイオードを容易に製造することができる。

以下に説明する実施例の特徴を整理しておく。
（第１特徴） p型半導体領域の表面の全域に亘ってオーミック電極が形成されている。p型半導体領域の側面とオーミック電極の側面との間に段差が形成されていない。
（第２特徴） ショットキー電極が、p型半導体領域が配置されていない半導体基板の表面と、p型半導体領域の側面と、オーミック電極の側面と、オーミック電極の表面を被覆している。ショットキー電極の表面を表面配線が被覆している。表面配線の表面は平坦化されている。（図１）
（第３特徴） ショットキー電極が、p型半導体領域が配置されていない半導体基板の表面と、p型半導体領域の側面と、オーミック電極の側面と、オーミック電極の表面を被覆している。ショットキー電極の表面が平坦化されている。（図８）

図１に、JBS(Junction Barrier Schottky）型ダイオードと、pn接合型ダイオードの両者の特性を兼ね備えたハイブリッド型のダイオード１の要部断面図を示す。
ダイオード１は、ＳｉＣの半導体基板３を用いて形成されている。半導体基板３には、n^＋型のカソード領域１０と、n型半導体領域２０が順に積層されている。ダイオード１は、n型半導体領域２０の表面に設けられている複数個のp型半導体領域３０を備えている。隣り合うp型半導体領域３０は、n型半導体領域２０の表面に間隔を空けて配置されており、p型半導体領域３０間には凹部４が形成されている。ダイオード１は、各々のp型半導体領域３０の表面３１に設けられているオーミック電極４０（第１金属膜）を備えている。オーミック電極４０は、p型半導体領域３０とオーミック接合Ｊｒしている。オーミック電極４０は、チタン、アルミニウム、ニッケルのいずれかの金属、又はそれらから選択される２種以上の積層によって形成されている。

ダイオード１は、p型半導体領域３０が配置されていないn型半導体領域２０の表面と、p型半導体領域３０の側面３３と、オーミック電極４０の側面と、オーミック電極４０の表面４１を被覆しているショットキー電極５０を備えている。ショットキー電極５０は、モリブデン、チタン、ニッケルのいずれかの金属によって形成されている。ショットキー電極５０は、p型半導体領域３０が配置されていないn型半導体領域２０の表面とショットキー接合Ｊｓしている。ショットキー電極５０とオーミック電極４０によってアノード電極６０が形成されている。したがって、アノード電極６０は、p型半導体領域３０とn型半導体領域２０の双方と電気的に接続されている。ダイオード１は、アノード電極６０の表面を被覆している表面配線６２を備えている。表面配線６２は凹部４を充填している。表面配線６２は、表面６２ａが平坦化されている。表面配線６２は、アルミニウムによって形成されている。また、ダイオード１は、カソード領域１０の裏面にオーミック接合しているカソード電極７０を備えている。

ダイオード１は、pn接合ダイオードの構造（pn接合ダイオード領域Ｊ１と称する）とショットキーダイオードの構造（ショットキーダイオード領域Ｊ２と称する）を備えている。pn接合ダイオード領域Ｊ１では、カソード電極７０とカソード領域１０とn型半導体領域２０とp型半導体領域３０とオーミック電極４０が順に積層されている。ショットキーダイオード領域Ｊ２では、カソード電極７０とカソード領域１０とn型半導体領域２０とショットキー電極５０が順に積層されている。

ここで、一般的に、ショットキーダイオードは、pn接合ダイオードと比較すると、順方向電圧降下が低く、順方向電圧が低い値でアノード・カソード間に電流を流すことができる。一方、pn接合ダイオードは、ショットキーダイオードと比較すると、順方向電圧が高い範囲でアノード・カソード間に流れる電流の電流密度が高く、順方向抵抗が低い。本実施例のダイオード１は、pn接合ダイオード領域Ｊ１とショットキーダイオード領域Ｊ２の双方を備えている。したがって、ダイオード１は、ショットキーダイオード領域Ｊ２によって順方向電圧が低い値でアノード・カソード間に電流を流すことができるともに、pn接合ダイオード領域Ｊ１によって順方向電圧が高い範囲でアノード・カソード間に流れる電流の電流密度が高い。ダイオード１によると、順方向電圧が高い範囲でアノード・カソード間の順方向抵抗が低い。ダイオード１は、ショットキーダイオードとpn接合ダイオードの両者の特性を兼ね備えている。

アノード・カソード間に逆方向電圧を印加すると、p型半導体領域３０とn型半導体領域２０とのpn接合３０ａから空乏層が伸びる。空乏層によってショットキー接合Ｊｓの接合面を覆うことができる。このため、逆バイアス時の耐圧が高い。したがって、ダイオード１は、JBS型ダイオードとpn接合ダイオードの両者の特性を兼ね備えている。

次に、図２から図７を参照し、ダイオード１の製造方法のうち特徴のある工程を説明する。
図２に示すように、n⁺型のカソード領域１０を準備する。カソード領域１０のn型不純物の濃度は1×10¹⁸/cm³とする。カソード領域１０の厚さは３５０μｍとする。カソード領域１０に表面に、n型半導体領域２０を結晶成長させる。結晶成長は、減圧下において、シランと、プロパンと、水素と、不純物を導入するガスとして窒素との混合ガス雰囲気で、１６００℃の温度で行う。n型不純物の濃度が5×10¹⁵/cm³であり、厚さが１５μｍのn型半導体領域２０が形成される。本明細書では、カソード領域１０とn型半導体領域２０を併せて半導体基板３と称している。

図３に示すように、n型半導体領域２０の表面に、p型半導体領域３０を結晶成長させる。結晶成長は、減圧下において、シランと、プロパンと、水素と、不純物を導入するガスとしてトリメチルアルミニウムとの混合ガス雰囲気で、１６００℃の温度で行う。p型不純物の濃度が1×10²⁰/cm³であり、厚さが１μｍのp型半導体領域３０が形成される。

次に、図４に示すように、p型半導体領域３０の表面に、p型半導体領域３０とオーミック接合Ｊｒするオーミック電極４０を、厚さが０．５μｍに至るまで電子ビーム蒸着する。オーミック電極４０として、チタン、アルミニウム、ニッケル、またはそれらから選択される２種以上の積層を用いる。

次に、図５に示すように、オーミック電極４０の表面に、開口５を備えているマスクＭを形成する。マスクＭは、レジストを用い、フォトリソグラフィ技術によって形成する。

次に、図６に示すように、マスクＭの開口５からオーミック電極４０とp型半導体領域３０（併せて図５参照）をエッチングする。オーミック電極４０は、塩素系ガスを用いてドライエッチングする。p型半導体領域３０は、四弗化炭素系のガスを用いてドライエッチングする。その後に、硫酸系の除去液によってマスクＭを除去する。

次に、図７に示すように、表面側の全面に、厚さが０．５μｍに至るまでモリブデン、チタン、ニッケルのいずれかの金属を電子ビーム蒸着する。金属膜によって、ショットキー電極５０が形成される。ショットキー電極５０は、n型半導体領域２０の表面の一部にショットキー接合Ｊｓしており、オーミック電極４０と電気的に接続している。

次に、図１に示すように、ショットキー電極５０の上に、アルミニウムを蒸着して凹部４を充填する表面配線６２を形成する。表面配線６２の表面を平坦化する。また、半導体基板３の裏面３ｂ（カソード領域１０の裏面）にニッケルを蒸着して、カソード電極７０を形成する。

本実施例のダイオード１の製造方法によると、図６に示すように、マスクＭの開口５からオーミック電極４０とp型半導体領域３０をエッチングしてn型半導体領域２０を露出させた時点で、半導体基板３の表面３ａに分散して形成されたp型半導体領域３０と、そのp型半導体領域３０に選択的に形成されたオーミック電極４０の積層構造を同時に得ることができる。p型半導体領域３０を分散して形成する工程と、そのp型半導体領域３０の表面３１にオーミック電極４０を選択的に形成する工程を同時に行うことができる。p型半導体領域３０にオーミック接合Ｊｒし、n型半導体領域２０にショットキー接合Ｊｓするアノード電極６０を備えており、ショットキーダイオードの構造とpn接合ダイオード領域の構造を備えているダイオード１を、容易に製造することができる。

また、本実施例のダイオード１の製造方法によると、図７に示すように、表面側の全域を被覆するようにショットキー電極５０を形成している。ショットキー電極５０を形成するのと同時に、ショットキー電極５０とオーミック電極４０を電気的に接続することができる。

また、本実施例のダイオード１の製造方法によると、n型半導体領域２０の表面から結晶成長させることによってp型半導体領域３０を形成している。p型半導体領域３０を形成するためにp型不純物をイオン注入していない。また、注入したp型不純物を活性化させるために高温の熱処理を実施する必要もない。n型半導体領域２０の表面に表面荒れが発生し難い。逆方向電圧印加時のリーク電流を低減化し、ダイオード１の特性を向上させることができる。

本実施例では、ショットキー電極５０が表面配線６２で被覆されている場合について説明した。ショットキー電極５０と表面配線６２に代わって、図８に示すダイオード２のように、表面が平坦化されているショットキー電極５３を備えていてもよい。この場合には、表面配線６２を形成する工程を省略することができる。

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

ダイオード１の要部断面図である。 ダイオード１の製造方法を示す。 ダイオード１の製造方法を示す。 ダイオード１の製造方法を示す。 ダイオード１の製造方法を示す。 ダイオード１の製造方法を示す。 ダイオード１の製造方法を示す。 ダイオード２の要部断面図である。 従来技術によるダイオード１００の要部断面図である。

符号の説明

１，２：ダイオード
３：半導体基板
５：開口
１０：カソード領域
２０：n型半導体領域
３０：p型半導体領域
４０：オーミック電極
５０：ショットキー電極
６０：アノード電極
７０：カソード電極
Ｊ１：pn接合ダイオード領域
Ｊ２：ショットキーダイオード領域
Ｊｒ：オーミック接合
Ｊｓ：ショットキー接合
Ｍ：マスク

Claims (4)

1. n型半導体領域の表面にp型半導体領域を結晶成長させる第１工程と、
   前記p型半導体領域の表面にオーミック接合する第１金属膜を形成する第２工程と、
   前記第１金属膜の表面に開口を有するマスクを形成する第３工程と、
   前記マスクの開口から前記第１金属膜と前記p型半導体領域をエッチングして前記n型半導体領域を露出させる第４工程と、
   露出した前記n型半導体領域の表面の少なくとも一部にショットキー接合する第２金属膜を形成する第５工程を備えていることを特徴とするダイオードの製造方法。
2. 前記第４工程と前記第５工程の間に、前記マスクを除去する工程をさらに備えており、
   前記第５工程では、前記第２金属膜が、露出した前記n型半導体領域の表面と前記p型半導体領域の側面と前記第１金属膜の側面と前記第１金属膜の表面を被覆することを特徴とする請求項１に記載のダイオードの製造方法。
3. 前記n型半導体領域と前記p型半導体領域の半導体材料が、炭化珪素であることを特徴とする請求項１又は２に記載のダイオードの製造方法。
4. 前記第１金属膜は、チタン、アルミニウム、ニッケルのいずれかの金属、又はそれらから選択される２種以上の積層であり、
   前記第２金属膜は、モリブデン、チタン、ニッケルのいずれかの金属であることを特徴とする請求項３に記載のダイオードの製造方法。

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