JP4126359B2 - 炭化けい素ショットキーダイオードおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は、半導体材料として炭化けい素（以下ＳｉＣと記す）を用いたＳｉＣショットキーダイオードの構造およびその製造方法であって、特に順方向サージ耐量を向上させることに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＳｉＣは広いバンドギャップ、高い最大電界強度を持つため、大電力、高耐圧の電力用デバイスへの応用が展開されている。ショットキーダイオードは少数キャリアの注入がほとんど無いため高速スイッチングができる。また構造が簡単なため、製造が比較的容易でＳｉＣデバイスの実用化の一番手となった。
従来のＳｉのショットキーダイオードでは、高耐圧化しようとすると、シリーズ抵抗分が急激に大きくなる結果、順電圧が高くなり、実用的でなくなってくる。また、バンドギャップが小さいため、特に、接合温度が上がると少数キャリアの注入が多くなり、高速スイッチングができなくなる。
Ｓｉに対してＳｉＣは広いバンドギャップを持つため高耐圧、高温動作においても少数キャリアの注入は少なく、また、高い最大電界強度を持つため高耐圧の領域においてもシリーズ抵抗分はそれほど大きくならない。
【０００３】
図１０は従来のＳｉＣショットキーダイオードの構造の例を説明する図である。
ＳｉＣショットキーダイオードでは安定した耐圧と高信頼度を得るためにショットキー電極層５周辺部にｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２とは逆の導電型のガードリング４を設けている。ショットキー電極層５はｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２とガードリング４の表面に形成されている。ショットキー電極層５はｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２の界面でショットキー接合を作り、ガードリング4とも電気的に接続されている。
ＳｉＣ基板はシリーズ抵抗を下げるためにｎ＋型ＳｉＣ層１の表面に耐圧を確保するのに必要な濃度と厚さを持つｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２が形成され、ｎ＋型ＳｉＣ層１の裏面にはオーミック電極層８を形成したときにオーミック電極特性が確保されるようにｎ型不純物をイオン注入したｎ＋＋型ＳｉＣ層７が形成されている構成になっている。
このｎ＋＋型ＳｉＣ層７の表面にＮｉ等のオーミック電極層８が蒸着などの方法により形成させている。
【０００４】
ショットキー電極層５は、本発明のＳｉＣショットキーダイオード使用される電源等の機器における性能を最大にするような障壁高さが選ばれ、さらに信頼度確保の点から金属や金属間化合物あるいはシリサイド等から選ばれる。Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ａｌ−Ｔｉ合金などが用いられる例が多い。
ＳｉＣの場合、不純物の拡散係数が小さいため、ガードリング４の形成には、イオン注入による不純物導入法が広く用いられている。
しかしながらこのイオン注入法だけではガードリング４のＳｉＣ表面にオーミック接触に必要な１×１０１８個／cc望ましくは３×１０１９個／cc以上の高濃度表面を露出させることは困難である。
【０００５】
一方、ショットキー接合を得るためのショットキー電極層５はガードリング４の電極ともなっている。耐圧を確保するため両者は同電位になっている。しかしながら、特にＴｉ、Ｎｉ、Ｍｏあるいはこれらの合金などの場合、良好なショットキー接合が得られてもＰ型のガードリング４に対しては十分なオーミック接触となっていない。
【０００６】
従来のＳｉＣショットキーダイオードの順方向にサージ電流が入力されると素子が破壊しやすいという現象を見出した。特にＴｉ、Ｎｉ、Ｍｏあるいはこれらの合金などのショットキー障壁高さが低い場合に顕著である。
このようなＳｉＣショットキーダイオードの場合、実用領域の順電流をはるかに超える順サージ電流の領域で、順方向に大電流がながれると突然少数キャリアの注入が始まり、急激に順電圧が下がる。負性抵抗特性を示すため、素子構造のわずかな不均一により、ＳｉＣショットキーダイオードのごく一部に大電流が集中するため順サージ電流に弱いという現象が生じると考えられる。
ＳｉＣショットキーダイオードを試作し原因を究明したところ、ガードリング４で十分なオーミック接触が得られているとＳｉＣショットキーダイオードの順方向にサージ電流が入力されても素子が破壊されにくいということがわかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ガードリング４を有するＳｉＣショットキーダイオードにおいて、ガードリング４に対するオーミック性を向上させることにより、順サージ電流に対する耐量を向上させるための電極層構造およびその製造方法を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決しようとする手段】
上記課題を解決するために、n 型の炭化けい素基板の表面近傍にｐ型のガードリングを形成し、該ガードリングに接すると共にリング内側の表面に延在するショットキー電極層を前記炭化けい素基板の表面に形成した炭化けい素ショットキーダイオードにおいて、前記ガードリング表面には前記ショットキー電極層と異なるオーミック電極層を有し、該オーミック電極層が前記ショットキー電極層上にのみ延在することを特徴とする炭化けい素ショットキーダイオード。
ショットキー電極層はＴｉ、Ｎｉ、Ｍｏまたはこれらの合金であり、オーミック電極層はＡｌ、Ａｕ、Ｐｔまたはこれらの合金であることを特徴とする。
n 型の炭化けい素基板の表面に、イオン注入によりｐ型のガードリングを形成し、該ガードリングに接すると共にリング内側の表面に延在するショットキー電極層を前記炭化けい素基板の表面に形成し、該ショットキー電極層をマスク材料として前記炭化けい素基板の表面をエッチングし、前記ガードリングの高濃度表面を露出させ、少なくとも該高濃度面にオーミック電極層を形成することを特徴とする炭化けい素ショットキーダイオードの製造方法。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面で説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態に係るＳｉＣショットキーダイオードの構造を説明するための図である。
ＳｉＣ基板はシリーズ抵抗を下げるためにｎ＋型ＳｉＣ層１の表面に耐圧を確保するのに必要な濃度と厚さを持つｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２が形成され、ｎ＋型ＳｉＣ層１の裏面にはオーミック電極層８を形成したときにオーミック電極特性が確保されるようにｎ型不純物をイオン注入したｎ＋＋型ＳｉＣ層７が形成されている。
【００１０】
安定した耐圧と高信頼度を得るためにショットキー電極層５の周辺部にｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２の導電型とは逆の導電型のガードリング４を設けている。ショットキー電極層５はガードリング４の内側のｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２の表面とガードリング４の一部表面に形成されている。ショットキー電極層５はｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２との界面においてショットキー接合を作る。
ショットキー電極層５は、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｍｏまたはこれらの合金であり、ショットキー障壁高さが低いものが望ましい。
【００１１】
ｐ型のガードリング４に対する第２の電極層６は、ガードリング４がｐ型であるのでｐ型ＳｉＣに対してオーミック特性が得られやすいＡｌ、Ａｕ、Ｐｔまたはこれらの合金である。製造工程簡略化のため、ｐ型のガードリング４に対する第２の電極層６はショットキー電極層５の上にも配置されている。
ｎ＋＋型ＳｉＣ層７の表面にＮｉによるオーッミク電極層８が形成されている。
【００１２】
第1の実施の形態に係るＳｉＣショットキーダイオードにおいてショットキー電極層５に正電圧を、オーッミク電極層８に負電圧を印加するとショットキー電極層５とｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２の間に形成されたショットキー接合が順バイアスされ、ショットキー電極層５からオーッミク電極層８に向かって電流が流れる。
この時ｐ型のガードリング４に対する第２の電極層６はショットキー電極層５と電気的に接続されているのでｐ型のガードリング４とｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２との間にあるｐｎ接合も順バイアスされる。ｐｎ接合の障壁高さはショットキー接合の障壁高さより高いため実用的な順電流の領域ではｐｎ接合には電流が流れないか流れても僅かである。
【００１３】
ｐ型のガードリング４に対する第２の電極層６のオーミック特性が不十分の場合、
実用領域の順電流をはるかに超える順サージ電流の領域で、ＳｉＣショットキーダイオードのシリーズ抵抗分は大きいままであるため、ＳｉＣショットキーダイオードの順電圧は大きくなり、ある順電圧になると突然少数キャリアが注入され、負性抵抗特性を示し、順電圧が急激に下がる。負性特性を示すため、素子構造のわずかな不均一により、ＳｉＣショットキーダイオードのショットキー接合部のごく一部に大電流が集中するために順サージ電流に弱いという現象が生じる。
【００１４】
本発明はｐ型のガードリング４の対する第２の電極層６としてｐ型ＳｉＣに対してオーミック特性を得やすいＡｌ、Ａｕ、Ｐｔまたはこれらの合金を用いる。従って、ｐ型のガードリングに対する第２の電極層６のオーミック特性がよい。
このため、実用領域の順電流をはるかに超える順サージ電流の領域になり、ＳｉＣショットキーダイオードの順電圧が大きくなってくると、ｐ型のガードリング４とｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２との間にあるｐｎ接合から少数キャリアが注入されはじめる。
ＳｉＣショットキーダイオード部分だけだと負性抵抗を示し破壊しやすくなる順電流値、順電圧値になる前からｐｎ接合から少数キャリアの注入がが少しづつ行われ、ＳｉＣショットキーダイオードのショットキー接合の部分まで拡散しシリーズ抵抗を下げる結果、負性抵抗が緩やかになり、順方向のサージ電流に対して破壊しにくくなる。
【００１５】
ショットキー電極層５に負電圧を、オーミック電極層８に正電圧を印加するとショットキー電極層５とｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２の間のショットキー接合が逆バイアスされまたｐ型のガードリング４とｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２との間にあるｐｎ接合も逆バイアスされ電流はほとんど流れなくなる。
【００１６】
図２は本発明の第２の実施の形態に係るＳｉＣショットキーダイオードの構造を説明するための図である。
本実施例は、ｐ型のガードリング４の内側ｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２の表面の一部にｐ型層９をイオン注入で形成し、ＭＰＳ（Merged p-i-n/Schottky）構造としたものである。
【００１７】
第２の実施の形態に係るＳｉＣショットキーダイオードにおいてショットキー電極層５に正電圧を、オーッミク電極層８に負電圧を印加するとショットキー電極層５とｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２の間にあるショットキー接合が順バイアスされ、ショットキー電極層５からオーッミク電極層８に向かって電流が流れる。
この時ｐ型のガードリング４とｐ型のガードリング４の内側に形成されたｐ型層９に対する共通の第２の電極層６とはショットキー電極層５と電気的に接続されているのでｐ型のガードリング４ならびにｐ型層９とｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２との間にあるｐｎ接合も順バイアスされる。ｐｎ接合の障壁高さはショットキー接合の障壁高さより高いため実用的な順電流の領域ではｐｎ接合には電流が流れないか流れても僅かである。但し、実用領域の順電流をはるかに超える順サージ電流の領域でＳｉＣショットキーダイオードの順電圧が大きくなってくると、ｐ型のガードリング４とｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２との間にあるｐｎ接合から少数キャリアが注入されはじめる。ショットキー接合に対してpｎ接合の割合が大きくなるため第１の実施例より少数キャリアの効果が大きくなる。
従って、第１の実施例に比べて大電流における順電圧は小さくなり、順方向のサージ電流に対してより破壊しにくくなるが順電流が大きくなると少数キャリアの注入が多くなり高速スイッチング特性が悪くなる可能性がある。
【００１８】
ショットキー電極層５に負電圧を、オーッミク電極層８に正電圧を印加するとショットキー電極層５とｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２の間にあるショットキー接合が逆バイアスされまたｐ型のガードリング４ならびにｐ型層９とｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２との間にあるｐｎ接合も逆バイアスされ電流は流れなくなる。
逆バイアス時に隣接するｐ型のガードリング４とｐ型層９が空乏層でつながるように狭く設計するとシットキー障壁にかかる電界が緩和されされ漏れ電流が小さくなる。
【００１９】
図３は本発明の第３の実施の形態に係るＳｉＣショットキーダイオードの構造を説明するための図である。
ｐ型のガードリング４をイオン注入で形成すると最大の不純物濃度はイオン打ち込みをしたｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２の表面より、少しｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２に入り込んだ内部の面となる。ガードリングの表面濃度を最大となるようにｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２の表面をエッチングした構造である。この製造方法を次に示す。
【００２０】
図４から図９本発明の第３の実施の形態に係るＳｉＣショットキーダイオードの製造工程を説明するための図である。これらの図を用い製造工程を説明する。
まず、高不純物濃度のｎ＋型のＳｉＣ層１の表面に濃度１×１０１６個／cm３で厚さ１０μｍの低不純物濃度のｎ型のＳｉＣエピタキシャル層２をエピタキシアル法によって成長させる。しかる後にｎ型のＳｉＣエピタキシャル層２の表面にＣＶＤ法によりＳｉの酸化膜３を２．０μｍを成長させる（図４）。
【００２１】
ｎ型のＳｉＣエピタキシャル層２上の酸化膜３を弗酸系のエッチング液を利用した写真工程によりガードリング４を形成する部分だけ除去し、酸化膜３の窓明部３１を形成する（図５）。
【００２２】
しかる後、窓明け部３１よりｐ型不純物となるボロン及び（または）Alを加速電圧３０〜１５０ｋｅＶで、１０１４個／cm２イオン注入する。
ｎ＋型のＳｉＣ層１の裏面にオーミック接触を得るためにｎ型不純物となるP（燐）を加速電圧３０〜１３０ｋｅＶで、１０１５個／cm２イオン注入し、ｎ＋＋型ＳｉＣ層７形成する。
窓明け部３１より注入されたｐ型不純物は、表面濃度が１０１８個／cm３以上、接合深さ０．５μｍとなるように、またｎ＋型のＳｉＣ層１の裏面のオーミック用ｎ＋＋型ＳｉＣ層７は表面濃度１０２０個／cm３、接合深さ０．５μｍとなるように注入される。
この後、マスク用としてｎ型のＳｉＣエピタキシャル層２表面に堆積した酸化膜３を弗酸系のエッチング液てエッチングして全て取り去ってしまう（図６）。
この後、不純物を活性化するためにアルゴン雰囲気中で１５００℃以上の温度で１０分間の熱処理を行う。
【００２３】
しかる後、ショットキー電極層５としてＴｉをＳｉ面にスパッタリング法にて堆積し、ガードリング４の一部とガードリング４の内側のｎ型のＳｉＣエピタキシャル層２表面に残るよう、ＣＦ４系ドライエッチングを利用した写真工程にて不必要なＴｉを除去する（図７）。
【００２４】
次いでこのショットキー電極層５のパターンをマスクとして、ガードリング４の表面濃度が最大になる領域までCF4系のガスを利用してｎ型のＳｉＣエピタキシャル層２の表面をエッチングする（図８）。
このときフォトレジストが残っていても，Ｔｉ電極が露出していてもどちらでもよい．
【００２５】
そして、P型のガードリング４の表面に対してオーミック電極となるようＡｌを、ショットキー電極層５とショットキー電極層５が形成されていないガードリング４の表面を含むｎ型のＳｉＣエピタキシャル層２の表面をに蒸着し、リン酸又はリン酸と硝酸の混酸系エッチング液を利用した写真工程にて、図８のようにガードリング４の領域上とショットキー電極上に第２の電極層６を形成する。次に、裏面のオーミック用ｎ＋＋型ＳｉＣ層７の表面にオーミック電極層８としてスパッタリング法によりＮｉ電極を形成する（図９）。
【００２６】
ｎ＋型のＳｉＣ層１、ｎ型のＳｉＣエピタキシャル層２、ｎ＋＋型ＳｉＣ層７で構成されるＳｉＣ基板は耐圧、順電圧の特性の点より４H、６Ｈあるいは３Ｃ型の結晶形であるｎ型のＳｉＣ基板が望ましいが，他の結晶型（たとえば１５R）でも構わない。ショットキー電極層５はＴｉのほかＮｉ、またはＭｏ及びこれらの合金であってもよい。Ｐ型ガードリング層４への第２の電極層６はＡｌの他、Ａｕ、Ｐｔまたはこれらの合金を用いてもかまわない。
Ｐ型ガードリング層４へのオーミック電極６はＡｌである例を示した。パッケージに組みたてるためにＡｌ面にＡｌボンディングすることができる。Ａｕ線ボンディングのために、Ａｌ上にさらにＡｕが堆積されていてもよいし、半田接続用にＡｌ−Ｎｉ−Ａｇのような電極システムであってもよい。
裏面のオーミック電極層８としてスパッタリング法によりＮｉ電極を形成したが、その他の金属を利用してもよいし、堆積法も電子ビームを利用した蒸着法などの他の方法であってもよい。
ｎ＋型のＳｉＣ層１、ｎ型のＳｉＣエピタキシャル層２、ｎ＋＋型ＳｉＣ層７で構成されるＳｉＣ基板について述べたが、ｐ型であってもかまわない。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、ガードリングを有するＳｉＣショットキーダイオードにおいて、ガードリングに電気的接続をとるガードリング電極層としてショットキー電極層とは別の材料を用いることによってガードリングに対するオーミック性を確保することにより整流性能を劣化させることなく、順サージ電流に対する耐量を向上させることができ、信頼性の高いＳｉＣショットキーダイオード替えられた。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態に係るＳｉＣショットキーダイオードの構造を説明するための図である。
【図２】 本発明の第２の実施の形態に係るＳｉＣショットキーダイオードの構造を説明するための図である。
【図３】 本発明の第３の実施の形態に係るＳｉＣショットキーダイオードの構造を説明するための図である。
【図４】 本発明の第３の実施の形態に係るＳｉＣショットキーダイオードの製造工程を説明するための図（１）である。
【図５】 本発明の第３の実施の形態に係るＳｉＣショットキーダイオードの製造工程を説明するための図（２）である。
【図６】 本発明の第３の実施の形態に係るＳｉＣショットキーダイオードの製造工程を説明するための図（３）である。
【図７】 本発明の第３の実施の形態に係るＳｉＣショットキーダイオードの製造工程を説明するための図（４）である。
【図８】 本発明の第３の実施の形態に係るＳｉＣショットキーダイオードの製造工程を説明するための図（５）である。
【図９】 本発明の第３の実施の形態に係るＳｉＣショットキーダイオードの製造工程を説明するための図（６）である。
【図１０】 従来のＳｉＣショットキーダイオードの構造の例を説明する図である。
【符号の説明】
１ ｎ＋型ＳｉＣ層
２ ｎ型ＳｉＣエピタキシアル層
３ 酸化膜
４ ガードリング
５ ショットキー電極層
６ 第２の電極層
７ ｎ＋＋型ＳｉＣ層
８ オーミック電極層
９ ｐ型層
【発明の属する分野】
本発明は、半導体材料として炭化けい素（以下ＳｉＣと記す）を用いたＳｉＣショットキーダイオードの構造およびその製造方法であって、特に順方向サージ耐量を向上させることに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＳｉＣは広いバンドギャップ、高い最大電界強度を持つため、大電力、高耐圧の電力用デバイスへの応用が展開されている。ショットキーダイオードは少数キャリアの注入がほとんど無いため高速スイッチングができる。また構造が簡単なため、製造が比較的容易でＳｉＣデバイスの実用化の一番手となった。
従来のＳｉのショットキーダイオードでは、高耐圧化しようとすると、シリーズ抵抗分が急激に大きくなる結果、順電圧が高くなり、実用的でなくなってくる。また、バンドギャップが小さいため、特に、接合温度が上がると少数キャリアの注入が多くなり、高速スイッチングができなくなる。
Ｓｉに対してＳｉＣは広いバンドギャップを持つため高耐圧、高温動作においても少数キャリアの注入は少なく、また、高い最大電界強度を持つため高耐圧の領域においてもシリーズ抵抗分はそれほど大きくならない。
【０００３】
図１０は従来のＳｉＣショットキーダイオードの構造の例を説明する図である。
ＳｉＣショットキーダイオードでは安定した耐圧と高信頼度を得るためにショットキー電極層５周辺部にｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２とは逆の導電型のガードリング４を設けている。ショットキー電極層５はｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２とガードリング４の表面に形成されている。ショットキー電極層５はｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２の界面でショットキー接合を作り、ガードリング4とも電気的に接続されている。
ＳｉＣ基板はシリーズ抵抗を下げるためにｎ＋型ＳｉＣ層１の表面に耐圧を確保するのに必要な濃度と厚さを持つｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２が形成され、ｎ＋型ＳｉＣ層１の裏面にはオーミック電極層８を形成したときにオーミック電極特性が確保されるようにｎ型不純物をイオン注入したｎ＋＋型ＳｉＣ層７が形成されている構成になっている。
このｎ＋＋型ＳｉＣ層７の表面にＮｉ等のオーミック電極層８が蒸着などの方法により形成させている。
【０００４】
ショットキー電極層５は、本発明のＳｉＣショットキーダイオード使用される電源等の機器における性能を最大にするような障壁高さが選ばれ、さらに信頼度確保の点から金属や金属間化合物あるいはシリサイド等から選ばれる。Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ａｌ−Ｔｉ合金などが用いられる例が多い。
ＳｉＣの場合、不純物の拡散係数が小さいため、ガードリング４の形成には、イオン注入による不純物導入法が広く用いられている。
しかしながらこのイオン注入法だけではガードリング４のＳｉＣ表面にオーミック接触に必要な１×１０１８個／cc望ましくは３×１０１９個／cc以上の高濃度表面を露出させることは困難である。
【０００５】
一方、ショットキー接合を得るためのショットキー電極層５はガードリング４の電極ともなっている。耐圧を確保するため両者は同電位になっている。しかしながら、特にＴｉ、Ｎｉ、Ｍｏあるいはこれらの合金などの場合、良好なショットキー接合が得られてもＰ型のガードリング４に対しては十分なオーミック接触となっていない。
【０００６】
従来のＳｉＣショットキーダイオードの順方向にサージ電流が入力されると素子が破壊しやすいという現象を見出した。特にＴｉ、Ｎｉ、Ｍｏあるいはこれらの合金などのショットキー障壁高さが低い場合に顕著である。
このようなＳｉＣショットキーダイオードの場合、実用領域の順電流をはるかに超える順サージ電流の領域で、順方向に大電流がながれると突然少数キャリアの注入が始まり、急激に順電圧が下がる。負性抵抗特性を示すため、素子構造のわずかな不均一により、ＳｉＣショットキーダイオードのごく一部に大電流が集中するため順サージ電流に弱いという現象が生じると考えられる。
ＳｉＣショットキーダイオードを試作し原因を究明したところ、ガードリング４で十分なオーミック接触が得られているとＳｉＣショットキーダイオードの順方向にサージ電流が入力されても素子が破壊されにくいということがわかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ガードリング４を有するＳｉＣショットキーダイオードにおいて、ガードリング４に対するオーミック性を向上させることにより、順サージ電流に対する耐量を向上させるための電極層構造およびその製造方法を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決しようとする手段】
上記課題を解決するために、n 型の炭化けい素基板の表面近傍にｐ型のガードリングを形成し、該ガードリングに接すると共にリング内側の表面に延在するショットキー電極層を前記炭化けい素基板の表面に形成した炭化けい素ショットキーダイオードにおいて、前記ガードリング表面には前記ショットキー電極層と異なるオーミック電極層を有し、該オーミック電極層が前記ショットキー電極層上にのみ延在することを特徴とする炭化けい素ショットキーダイオード。
ショットキー電極層はＴｉ、Ｎｉ、Ｍｏまたはこれらの合金であり、オーミック電極層はＡｌ、Ａｕ、Ｐｔまたはこれらの合金であることを特徴とする。
n 型の炭化けい素基板の表面に、イオン注入によりｐ型のガードリングを形成し、該ガードリングに接すると共にリング内側の表面に延在するショットキー電極層を前記炭化けい素基板の表面に形成し、該ショットキー電極層をマスク材料として前記炭化けい素基板の表面をエッチングし、前記ガードリングの高濃度表面を露出させ、少なくとも該高濃度面にオーミック電極層を形成することを特徴とする炭化けい素ショットキーダイオードの製造方法。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面で説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態に係るＳｉＣショットキーダイオードの構造を説明するための図である。
ＳｉＣ基板はシリーズ抵抗を下げるためにｎ＋型ＳｉＣ層１の表面に耐圧を確保するのに必要な濃度と厚さを持つｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２が形成され、ｎ＋型ＳｉＣ層１の裏面にはオーミック電極層８を形成したときにオーミック電極特性が確保されるようにｎ型不純物をイオン注入したｎ＋＋型ＳｉＣ層７が形成されている。
【００１０】
安定した耐圧と高信頼度を得るためにショットキー電極層５の周辺部にｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２の導電型とは逆の導電型のガードリング４を設けている。ショットキー電極層５はガードリング４の内側のｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２の表面とガードリング４の一部表面に形成されている。ショットキー電極層５はｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２との界面においてショットキー接合を作る。
ショットキー電極層５は、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｍｏまたはこれらの合金であり、ショットキー障壁高さが低いものが望ましい。
【００１１】
ｐ型のガードリング４に対する第２の電極層６は、ガードリング４がｐ型であるのでｐ型ＳｉＣに対してオーミック特性が得られやすいＡｌ、Ａｕ、Ｐｔまたはこれらの合金である。製造工程簡略化のため、ｐ型のガードリング４に対する第２の電極層６はショットキー電極層５の上にも配置されている。
ｎ＋＋型ＳｉＣ層７の表面にＮｉによるオーッミク電極層８が形成されている。
【００１２】
第1の実施の形態に係るＳｉＣショットキーダイオードにおいてショットキー電極層５に正電圧を、オーッミク電極層８に負電圧を印加するとショットキー電極層５とｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２の間に形成されたショットキー接合が順バイアスされ、ショットキー電極層５からオーッミク電極層８に向かって電流が流れる。
この時ｐ型のガードリング４に対する第２の電極層６はショットキー電極層５と電気的に接続されているのでｐ型のガードリング４とｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２との間にあるｐｎ接合も順バイアスされる。ｐｎ接合の障壁高さはショットキー接合の障壁高さより高いため実用的な順電流の領域ではｐｎ接合には電流が流れないか流れても僅かである。
【００１３】
ｐ型のガードリング４に対する第２の電極層６のオーミック特性が不十分の場合、
実用領域の順電流をはるかに超える順サージ電流の領域で、ＳｉＣショットキーダイオードのシリーズ抵抗分は大きいままであるため、ＳｉＣショットキーダイオードの順電圧は大きくなり、ある順電圧になると突然少数キャリアが注入され、負性抵抗特性を示し、順電圧が急激に下がる。負性特性を示すため、素子構造のわずかな不均一により、ＳｉＣショットキーダイオードのショットキー接合部のごく一部に大電流が集中するために順サージ電流に弱いという現象が生じる。
【００１４】
本発明はｐ型のガードリング４の対する第２の電極層６としてｐ型ＳｉＣに対してオーミック特性を得やすいＡｌ、Ａｕ、Ｐｔまたはこれらの合金を用いる。従って、ｐ型のガードリングに対する第２の電極層６のオーミック特性がよい。
このため、実用領域の順電流をはるかに超える順サージ電流の領域になり、ＳｉＣショットキーダイオードの順電圧が大きくなってくると、ｐ型のガードリング４とｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２との間にあるｐｎ接合から少数キャリアが注入されはじめる。
ＳｉＣショットキーダイオード部分だけだと負性抵抗を示し破壊しやすくなる順電流値、順電圧値になる前からｐｎ接合から少数キャリアの注入がが少しづつ行われ、ＳｉＣショットキーダイオードのショットキー接合の部分まで拡散しシリーズ抵抗を下げる結果、負性抵抗が緩やかになり、順方向のサージ電流に対して破壊しにくくなる。
【００１５】
ショットキー電極層５に負電圧を、オーミック電極層８に正電圧を印加するとショットキー電極層５とｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２の間のショットキー接合が逆バイアスされまたｐ型のガードリング４とｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２との間にあるｐｎ接合も逆バイアスされ電流はほとんど流れなくなる。
【００１６】
図２は本発明の第２の実施の形態に係るＳｉＣショットキーダイオードの構造を説明するための図である。
本実施例は、ｐ型のガードリング４の内側ｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２の表面の一部にｐ型層９をイオン注入で形成し、ＭＰＳ（Merged p-i-n/Schottky）構造としたものである。
【００１７】
第２の実施の形態に係るＳｉＣショットキーダイオードにおいてショットキー電極層５に正電圧を、オーッミク電極層８に負電圧を印加するとショットキー電極層５とｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２の間にあるショットキー接合が順バイアスされ、ショットキー電極層５からオーッミク電極層８に向かって電流が流れる。
この時ｐ型のガードリング４とｐ型のガードリング４の内側に形成されたｐ型層９に対する共通の第２の電極層６とはショットキー電極層５と電気的に接続されているのでｐ型のガードリング４ならびにｐ型層９とｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２との間にあるｐｎ接合も順バイアスされる。ｐｎ接合の障壁高さはショットキー接合の障壁高さより高いため実用的な順電流の領域ではｐｎ接合には電流が流れないか流れても僅かである。但し、実用領域の順電流をはるかに超える順サージ電流の領域でＳｉＣショットキーダイオードの順電圧が大きくなってくると、ｐ型のガードリング４とｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２との間にあるｐｎ接合から少数キャリアが注入されはじめる。ショットキー接合に対してpｎ接合の割合が大きくなるため第１の実施例より少数キャリアの効果が大きくなる。
従って、第１の実施例に比べて大電流における順電圧は小さくなり、順方向のサージ電流に対してより破壊しにくくなるが順電流が大きくなると少数キャリアの注入が多くなり高速スイッチング特性が悪くなる可能性がある。
【００１８】
ショットキー電極層５に負電圧を、オーッミク電極層８に正電圧を印加するとショットキー電極層５とｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２の間にあるショットキー接合が逆バイアスされまたｐ型のガードリング４ならびにｐ型層９とｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２との間にあるｐｎ接合も逆バイアスされ電流は流れなくなる。
逆バイアス時に隣接するｐ型のガードリング４とｐ型層９が空乏層でつながるように狭く設計するとシットキー障壁にかかる電界が緩和されされ漏れ電流が小さくなる。
【００１９】
図３は本発明の第３の実施の形態に係るＳｉＣショットキーダイオードの構造を説明するための図である。
ｐ型のガードリング４をイオン注入で形成すると最大の不純物濃度はイオン打ち込みをしたｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２の表面より、少しｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２に入り込んだ内部の面となる。ガードリングの表面濃度を最大となるようにｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２の表面をエッチングした構造である。この製造方法を次に示す。
【００２０】
図４から図９本発明の第３の実施の形態に係るＳｉＣショットキーダイオードの製造工程を説明するための図である。これらの図を用い製造工程を説明する。
まず、高不純物濃度のｎ＋型のＳｉＣ層１の表面に濃度１×１０１６個／cm３で厚さ１０μｍの低不純物濃度のｎ型のＳｉＣエピタキシャル層２をエピタキシアル法によって成長させる。しかる後にｎ型のＳｉＣエピタキシャル層２の表面にＣＶＤ法によりＳｉの酸化膜３を２．０μｍを成長させる（図４）。
【００２１】
ｎ型のＳｉＣエピタキシャル層２上の酸化膜３を弗酸系のエッチング液を利用した写真工程によりガードリング４を形成する部分だけ除去し、酸化膜３の窓明部３１を形成する（図５）。
【００２２】
しかる後、窓明け部３１よりｐ型不純物となるボロン及び（または）Alを加速電圧３０〜１５０ｋｅＶで、１０１４個／cm２イオン注入する。
ｎ＋型のＳｉＣ層１の裏面にオーミック接触を得るためにｎ型不純物となるP（燐）を加速電圧３０〜１３０ｋｅＶで、１０１５個／cm２イオン注入し、ｎ＋＋型ＳｉＣ層７形成する。
窓明け部３１より注入されたｐ型不純物は、表面濃度が１０１８個／cm３以上、接合深さ０．５μｍとなるように、またｎ＋型のＳｉＣ層１の裏面のオーミック用ｎ＋＋型ＳｉＣ層７は表面濃度１０２０個／cm３、接合深さ０．５μｍとなるように注入される。
この後、マスク用としてｎ型のＳｉＣエピタキシャル層２表面に堆積した酸化膜３を弗酸系のエッチング液てエッチングして全て取り去ってしまう（図６）。
この後、不純物を活性化するためにアルゴン雰囲気中で１５００℃以上の温度で１０分間の熱処理を行う。
【００２３】
しかる後、ショットキー電極層５としてＴｉをＳｉ面にスパッタリング法にて堆積し、ガードリング４の一部とガードリング４の内側のｎ型のＳｉＣエピタキシャル層２表面に残るよう、ＣＦ４系ドライエッチングを利用した写真工程にて不必要なＴｉを除去する（図７）。
【００２４】
次いでこのショットキー電極層５のパターンをマスクとして、ガードリング４の表面濃度が最大になる領域までCF4系のガスを利用してｎ型のＳｉＣエピタキシャル層２の表面をエッチングする（図８）。
このときフォトレジストが残っていても，Ｔｉ電極が露出していてもどちらでもよい．
【００２５】
そして、P型のガードリング４の表面に対してオーミック電極となるようＡｌを、ショットキー電極層５とショットキー電極層５が形成されていないガードリング４の表面を含むｎ型のＳｉＣエピタキシャル層２の表面をに蒸着し、リン酸又はリン酸と硝酸の混酸系エッチング液を利用した写真工程にて、図８のようにガードリング４の領域上とショットキー電極上に第２の電極層６を形成する。次に、裏面のオーミック用ｎ＋＋型ＳｉＣ層７の表面にオーミック電極層８としてスパッタリング法によりＮｉ電極を形成する（図９）。
【００２６】
ｎ＋型のＳｉＣ層１、ｎ型のＳｉＣエピタキシャル層２、ｎ＋＋型ＳｉＣ層７で構成されるＳｉＣ基板は耐圧、順電圧の特性の点より４H、６Ｈあるいは３Ｃ型の結晶形であるｎ型のＳｉＣ基板が望ましいが，他の結晶型（たとえば１５R）でも構わない。ショットキー電極層５はＴｉのほかＮｉ、またはＭｏ及びこれらの合金であってもよい。Ｐ型ガードリング層４への第２の電極層６はＡｌの他、Ａｕ、Ｐｔまたはこれらの合金を用いてもかまわない。
Ｐ型ガードリング層４へのオーミック電極６はＡｌである例を示した。パッケージに組みたてるためにＡｌ面にＡｌボンディングすることができる。Ａｕ線ボンディングのために、Ａｌ上にさらにＡｕが堆積されていてもよいし、半田接続用にＡｌ−Ｎｉ−Ａｇのような電極システムであってもよい。
裏面のオーミック電極層８としてスパッタリング法によりＮｉ電極を形成したが、その他の金属を利用してもよいし、堆積法も電子ビームを利用した蒸着法などの他の方法であってもよい。
ｎ＋型のＳｉＣ層１、ｎ型のＳｉＣエピタキシャル層２、ｎ＋＋型ＳｉＣ層７で構成されるＳｉＣ基板について述べたが、ｐ型であってもかまわない。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、ガードリングを有するＳｉＣショットキーダイオードにおいて、ガードリングに電気的接続をとるガードリング電極層としてショットキー電極層とは別の材料を用いることによってガードリングに対するオーミック性を確保することにより整流性能を劣化させることなく、順サージ電流に対する耐量を向上させることができ、信頼性の高いＳｉＣショットキーダイオード替えられた。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態に係るＳｉＣショットキーダイオードの構造を説明するための図である。
【図２】 本発明の第２の実施の形態に係るＳｉＣショットキーダイオードの構造を説明するための図である。
【図３】 本発明の第３の実施の形態に係るＳｉＣショットキーダイオードの構造を説明するための図である。
【図４】 本発明の第３の実施の形態に係るＳｉＣショットキーダイオードの製造工程を説明するための図（１）である。
【図５】 本発明の第３の実施の形態に係るＳｉＣショットキーダイオードの製造工程を説明するための図（２）である。
【図６】 本発明の第３の実施の形態に係るＳｉＣショットキーダイオードの製造工程を説明するための図（３）である。
【図７】 本発明の第３の実施の形態に係るＳｉＣショットキーダイオードの製造工程を説明するための図（４）である。
【図８】 本発明の第３の実施の形態に係るＳｉＣショットキーダイオードの製造工程を説明するための図（５）である。
【図９】 本発明の第３の実施の形態に係るＳｉＣショットキーダイオードの製造工程を説明するための図（６）である。
【図１０】 従来のＳｉＣショットキーダイオードの構造の例を説明する図である。
【符号の説明】
１ ｎ＋型ＳｉＣ層
２ ｎ型ＳｉＣエピタキシアル層
３ 酸化膜
４ ガードリング
５ ショットキー電極層
６ 第２の電極層
７ ｎ＋＋型ＳｉＣ層
８ オーミック電極層
９ ｐ型層
Claims (3)
- n 型の炭化けい素基板の表面近傍にｐ型のガードリングを形成し、該ガードリングに接すると共にリング内側の表面に延在するショットキー電極層を前記炭化けい素基板の表面に形成した炭化けい素ショットキーダイオードにおいて、前記ガードリング表面には前記ショットキー電極層と異なるオーミック電極層を有し、該オーミック電極層が前記ショットキー電極層上にのみ延在することを特徴とする炭化けい素ショットキーダイオード。
- 前記ショットキー電極層はＴｉ、Ｎｉ、Ｍｏまたはこれらの合金であり、前記オーミック電極層はＡｌ、Ａｕ、Ｐｔまたはこれらの合金であることを特徴とする請求項１記載の炭化けい素ショットキーダイオード。
- n 型の炭化けい素基板の表面に、イオン注入によりｐ型のガードリングを形成し、該ガードリングに接すると共にリング内側の表面に延在するショットキー電極層を前記炭化けい素基板の表面に形成し、該ショットキー電極層をマスク材料として前記炭化けい素基板の表面をエッチングし、前記ガードリングの高濃度表面を露出させ、少なくとも該高濃度面にオーミック電極層を形成することを特徴とする炭化けい素ショットキーダイオードの製造方法。
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