(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高不純物濃度の半導体基板と、該半導体基板の上に形成され該半導体基板より低不純物濃度の第１導電型である第１半導体層と、第１半導体層の領域内に形成され、第１導電型と異なる第２導電型からなりガードリングとして機能する１本以上の第２半導体層と、少なくとも第１半導体層の上面の一部の領域に形成された第１のバリアメタルと、第１のバリアメタルとは異なる領域に同じ層で形成された第２のバリアメタルと、を備え、た半導体装置において、
前記第２のバリアメタルは、前記１本以上の第２半導体層のうち最も内側の第２半導体層の上面の少なくとも一部の領域及び前記第１半導体層の上面における前記最も内側の第２半導体層より内側の一部の領域の上にわたってリング状に形成されており、
前記第２のバリアメタルの第１半導体層に対する第２のバリアハイトは、前記第１のバリアメタルの第１半導体層に対する第１のバリアハイトより高くなるように形成することで、微小電流領域は低順方向電圧特性のカーブとし、高電流領域ではガードリングからの小数キャリアの注入を促進させて低順方向電圧特性のカーブとし、順方向電圧降下の低減する構成とし、
第２半導体層の第２導電型の不純物濃度は１０＋１７／ｃｍ３以上であり、第２のバリアメタルの第１半導体層に対する第２のバリアハイトは０．７０ｅＶ以上になるように形成されており、
第２のバリアハイトと第１のバリアハイトの差が、次式の関係にあることを特徴とする半導体装置。
１００Ａ／ｃｍ２×∫ρ（ｔ）ｄｔ−１０Ａ／ｃｍ２×∫ρ（ｔ）ｄｔ＋βｌｎ１０＞（φ２−φ１）／ｑ
但し、式中の記号は次のとおりである。
ρ：抵抗率（Ω・ｃｍ）
ｔ：Ｎ−エピタキシャル層の厚さ
φ１：第１のバリアハイト
φ２：第２のバリアハイト
β：ｋＴ／ｑ
ｋ：ボルツマン定数
Ｔ：ジャンクション温度
ｑ：電子の電荷量
ｌｎ：e（=2.718……）を底とする対数（Logarithmic Natural）
【請求項２】
第１のバリアメタルの第１領域上の面積（Ｓ１）と、第２のバリアメタルの第１領域上の面積（Ｓ２）の比（Ｓ２／Ｓ１）が０．０１以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関し、例えば、ガードリングを使用したショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）のような半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ダイオードは、整流素子として整流回路に広く使用されている。ダイオードは順方向では電流を導通させ、逆方向では、電流を遮断し電圧を維持するという性質を持ち、その特性には素子自体の消費電力を低減させるために、各電流密度に於いて順方向電圧を小さくすること、逆方向電流を小さくすることが主に求められている。
【０００３】
ダイオードは、大きく分けて２種類あり、金属と半導体の界面にできるバリアハイト（電位障壁の高さ）を利用したショットキーバリアダイオードと、Ｐ型半導体とＮ型半導体界面に形成されるジャンクションのバリアハイトを利用したＰＮ接合ダイオードがある。
【０００４】
金属と半導体の接触によって生じる電位障壁の整流作用を利用したショットキーバリアダイオードは、伝導現象が多数キャリアによるため、高速動作が可能であり、電位障壁の高さが金属に依存するため、順方向電圧降下を小さくできる等の特徴を有し、高周波信号回路、電源整流回路、逆接防止回路等に広く使用されている。
【０００５】
ショットキーバリアダイオードでは、順方向電圧を印加すると電位障壁が下がり、Ｎ型シリコンから金属へ電子が流れ（順方向特性）、逆方向電圧が印加されるとＮ型シリコンから金属へ移動する電子の流れはなくなる（逆方向特性）。
【０００６】
ところで、逆方向への印加電圧を増加していく際に、リーク電流が増加しデバイスが局所的に破壊する可能性がある。そこで、より高い逆阻止電圧（耐圧）であって、高い逆方向電圧がかけられた状態でリーク電流を低く抑えることができる逆方向特性を得るために、ショットキーバリアダイオードにガードリングを設ける構成が知られている。
【０００７】
Ｓｉを用いた整流素子に於いて、およそ１００Ｖ以下の低耐圧素子で、ショットキーバリアダイオードと、ＰＮ接合ダイオードの両者を比較すると次の様な特徴がある。
【０００８】
ショットキーバリアダイオードは、順方向電圧降下が小さいことが長所であるが、逆方向電流が大きいということが短所であり、逆方向電流は選択するバリアメタルによって大きく違いが出て来る。一方、ＰＮ接合ダイオードは、逆方向電流が小さいというメリットがあるが、順方向電圧降下が大きいという短所がある。
【０００９】
２００Ｖ以上の耐圧で比較すると、逆方向電流の特性の長短は変わらないが、順方向電圧降下で、電流電圧特性の長短が変わる。ダイオードでは、耐圧を高くするためにはドリフト抵抗を高くするが、ショットキーバリアダイオードはこのドリフト抵抗成分によって順方向電圧降下が高くなってしまう。
【００１０】
これに対して、ＰＮ接合ダイオードの一種である高速ダイオード（ＦＲＤ：Fast Recovery Diode）では高電流密度領域で順方向電圧降下中のドリフト抵抗によって占められる比率が小さくなる。これは、ＰＮジャンクションが所定の電界値に達することによって、Ｐ層から少数キャリアが注入され伝導度変調をするため、ドリフト抵抗が小さくなることに起因している。
【００１１】
ところで、少数キャリアを利用したショットキーバリアダイオードの先行技術としては、本出願人の出願した先行発明（特許文献１参照）が挙げられる。これは、ガードリングで終端したショットキーバリアダイオードのバリアメタルを、バリアハイトが高いメタルを用いて、１０Ａ／ｃｍ２の電流密度から高い電流密度領域で伝導度変調を起させ、定格での順方向電圧降下を小さくするという技術である。
【００１２】
なお、ショットキーバリアダイオードにおいて、ｎ型Ｓｉとのバリアハイトについての具体的な値を示すものとして、非特許文献１がある。
【００１３】
また、従来、バリアメタルを堆積させる領域を２領域として、全体の素子としてのバリアハイトを調整し、順方向電圧（ＶＦ）と逆方向電流（ＩＲ）を調整させる技術が知られている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２０００−５８８７５号公報
【特許文献２】特開平１０−１２５９３７号公報
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】ISBN  0-471-05661-8  S.M.Sze  Physics of Semiconductor Device P292
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、上記の先行技術では、次の様な問題がある。特許文献１記載の発明では、バリアメタルを０．７ｅＶ以上のバリアハイトが高いメタルに限定している。そのため、半導体と高いバリアハイトを形成するバリアメタルにおいては、少数キャリアが注入されて伝導度変調が起こり、抵抗成分で決まる順方向電圧降下が小さくなるが、バリアハイトで決まる順方向電圧の値がもともと高いため、その値以下にはできないという問題がある。
【００１７】
また、半導体と低いバリアハイトを形成するバリアメタルを用いた周知技術のショットキーバリアダイオードでは、バリアハイトで決まる順方向電圧降下は小さいが、少数キャリアが注入して伝導度変調が起こるという現象がないため、抵抗成分で決まる順方向電圧降下の値が小さくなることはないという問題がある。
【００１８】
つまり、バリアハイトを高くすることによる、少数キャリアの注入を促し順方向電圧降下の値を小さくするという側面と、バリアハイト自体の高さによって順方向電圧降下が高くなるという相反する効果が有り、当業者らは逆方向電流等、他の特性とのバランスをとって上記トレードオフを考慮して設計している。
【００１９】
特許文献２記載の発明では、順方向電圧（ＶＦ）と逆方向電流（ＩＲ）を、バリアハイトを適宜調整して、最適化するという目的を達成しているが、少数キャリアの注入するという概念がなく、伝導度変調させて順方向電圧降下を図るということを開示していない。よって、バリアハイトのみの調整で、順方向電圧降下と逆方向電流のトレードオフから脱却した技術とは言いがたい。
【００２０】
本発明は、上記従来のショットキーバリアダイオードのような半導体装置設計に於いては順方向電圧と逆方向電流のトレードオフが有るという課題を鑑みて、トレードオフからの脱却を目的としている。具体的には、低いバリアハイトのメタルを用いると従来では伝導度変調は起こらない所を、伝導度変調を起させる構成とすることによりドリフト抵抗を低減し、順方向電圧降下の低減を実現させることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明は上記課題を解決するために、高不純物濃度の半導体基板と、該半導体基板の上に形成され該半導体基板より低不純物濃度の第１導電型である第１半導体層と、第１半導体層の領域内に形成され、第１導電型と異なる第２導電型からなりガードリングとして機能する１本以上の第２半導体層と、少なくとも第１半導体層の上面の一部の領域に形成された第１のバリアメタルと、第１のバリアメタルとは異なる領域に同じ層で形成された第２のバリアメタルと、を備えた半導体装置において、前記第２のバリアメタルは、前記１本以上の第２半導体層のうち最も内側の第２半導体層の上面の少なくとも一部の領域及び前記第１半導体層の上面における前記最も内側の第２半導体層より内側の一部の領域の上にわたってリング状に形成されており、前記第２のバリアメタルの第１半導体層に対する第２のバリアハイトは、前記第１のバリアメタルの第１半導体層に対する第１のバリアハイトより高くなるように形成されていることを特徴とする半導体装置を提供する。
【００２２】
第２半導体層の第２導電型の不純物濃度は１０＋１７／ｃｍ３以上であり、第２のバリアメタルの第１半導体層に対する第２のバリアハイトは０．７０ｅＶ以上になるように形成されていることが好ましい。
【００２３】
半導体基板はＮ＋基板であり、第１半導体層はＮ−エピタキシャル層であり、第２半導体層はＰ＋型半導体層であることが好ましい。
【００２４】
第２のバリアハイトと第１のバリアハイトの差が、次式の関係にあることが好ましい。  １００Ａ／ｃｍ２×∫ρ（ｔ）ｄｔ−１０Ａ／ｃｍ２×∫ρ（ｔ）ｄｔ＋βｌｎ１０＞（φ２−φ１）／ｑ
但し、式中の記号は次のとおりである。
ρ：抵抗率（Ω・ｃｍ）
ｔ：Ｎ−エピタキシャル層の厚さ
φ１：第１のバリアハイト
φ２：第２のバリアハイト
ｋ：ボルツマン定数
ｑ：電子電荷量
ｌｎ：ｅ（＝2.718……）を底とする対数（Logarithmic Natural）
【００２５】
第１のバリアメタルがＰｄ２Ｓｉであり、第２のバリアメタルがＰｔＳｉであることが好ましい。
【００２６】
第１のバリアメタルがＭｏであり、第２のバリアメタルがＰｄ２Ｓｉであることが好ましい。
【００２７】
第１のバリアメタルの第１領域上の面積（Ｓ１）と、第２のバリアメタルの第１領域上の面積（Ｓ２）の比（Ｓ２／Ｓ１）が０．０１以下であることが好ましい。
【００２８】
第１のバリアメタル及び第２のバリアメタルの上面にアノード電極が形成されており、半導体基板の下面にカソード電極が形成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００２９】
本発明に係る半導体装置は、Ｎ−エピタキシャル層と接合する第１のバリアメタルはバリアハイトの低いメタルを用いるとともに、Ｎ−エピタキシャル及びＰ＋ガードリングにわたって上面にバリアハイトの高い第２のバリアメタルを設ける構成としたので、微小電流領域は低ＶＦ特性のカーブとし、高電流領域ではＰ＋ガードリングからの小数キャリアの注入を積極的にさせて低ＶＦ特性のカーブとし、順方向電圧降下の低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る半導体装置の実施例であるショットキーバリアダイオードの構成を説明する図であり、（ａ）は断面図を示し、（ｂ）、（ｃ）は要部拡大図である。
【図２】上記実施例のショットキーバリアダイオードの原理を説明するための、従来技術のショットキーバリアダイオードと比較するＶＦ特性を示すシミュレーショングラフである。
【図３】上記実施例のショットキーバリアダイオードの効果を確認するために行った、従来技術のショットキーバリアダイオードと比較したシミュレーション試験の結果を示すＶＦ特性を示す図である。
【図４】従来例のショットキーバリアダイオードの構成を説明する断面図である。
【図５】ショットキーバリアダイオードのＶＦ特性の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明に係る半導体装置を実施するための形態を実施例に基づき図面を参照して、以下説明する。本発明は、半導体装置に関し、特に、ショットキーバリアダイオードに最適に適用されるものであり、以下の発明に係る半導体装置は、ショットキーバリアダイオードにおいて説明する。
【００３２】
（本発明の概要）
ショットキーバリアダイオードでは、通常、あまり利用されていない小数キャリアの注入を積極的に利用する構成である。少数キャリアの注入箇所については、諸説がある。バリアハイトが高いメタルから注入する説と、Ｐ＋ガードリング下のＰＮジャンクションから注入される説がある。どちらの説も正しいが、注入され始める電界、注入される面積等で少数キャリアの注入量が決まる。
【００３３】
本発明者らは鋭意研究開発を重ねた結果、ショットキーバリアダイオードにおける小数キャリアの注入が低電界でも可能である、という効果が得られる箇所は、ＰＮジャンクションとショットキー界面の３重点(ガードリングの側面に形成されるＰＮ接合と、アノード電極下のショットキーメタルと半導体の界面の交点)であるという、きわめて重要な知見を得た。
【００３４】
上記３重点(ガードリングの側面に形成されるＰＮ接合と、アノード電極下のショットキーメタルと半導体の界面の交点)での少数キャリアの注入効果の新たな知見を利用し、本発明に係る半導体装置では、Ｐ＋ガードリングにおけるバリアメタルとの境界の表面にバリアハイトが高い金属を堆積させる構成を特徴としている。
【００３５】
なお、本発明におけるバリアハイトは、バリアメタルのｎ型Ｓｉとのバリアハイトを示しており、具体的な値としては、上記非特許文献１（ISBN 0-471-05661-8 S.M.Sze Physics of Semiconductor Device P292）に記載されている。
【００３６】
（本発明の原理）
図４は、従来例のガードリング付きショットキーバリアダイオード２０の断面構造を示す図であり、２１はＰ＋ガードリング、２２はＮ−エピタキシャル層、２３はＮ＋基板、２４はアノード電極、２５はカソード電極、２６は酸化膜（ＳｉＯ２膜）、２７はバリアメタルである。
【００３７】
図５は、ショットキーバリアダイオードの順方向における電圧（ＶＦ）と電流密度（ＩＦ）の特性（「ＶＦ特性」という。）の模式的なカーブを示すグラフである。図５に示すように、ＶＦ特性のカーブにおける、微小電流領域（ア）、中電流領域（イ）、高電流領域（ウ）の３つの領域について、それぞれＶＦ特性と、ショットキーバリアダイオードのバリアハイトの高低等との関係について、以下、図２を参照して説明する。
【００３８】
図２は、シュミレーションによる、ショットキーバリアダイオードの順方向におけるＶＦ特性を示すグラフである。図２において、一点鎖線（低バリアハイトＳＢＤ）は、図４に示すショットキーバリアダイオードのバリアメタルを、低バリアハイトで形成した場合のＶＦ特性を示す。
【００３９】
点線（高バリアハイトＳＢＤ）は、図４に示すショットキーバリアダイオードのバリアメタルを、高バリアハイトで形成した場合のＶＦ特性を示す。実線（出願構造ＳＢＤ）は、後記する実施例１に示す本発明に係るショットキーバリアダイオードのＶＦ特性を示す。
【００４０】
図５における微小電流領域（ア）では、ＶＦ特性は、内部抵抗による電圧降下の影響が無視できる位小さい為、特にバリアハイトの高低で決定される。その理由は次のとおりである。一般的に、バリアメタルと半導体との界面に存在するエネルギー障壁があり、これがバリアハイトと呼ばれる。微小電流領域での電流は、エネルギー障壁に電位差をつけた際の多数キャリアがエネルギー障壁を乗り越えるキャリア数に比例し、図５の片対数グラフでは一定の正の傾きを持った直線になる電流電圧特性を持つ。
【００４１】
電流電圧特性は、バリアハイトが高くなると、エネルギー障壁を乗り越える多数キャリアが少なくなる為に低電流側に平行にシフトし、エネルギー障壁が低いと多数キャリアが多くなる為に高電流側に平行にシフトする。結果として、低電流領域でみられるVF特性である電流電圧特性は、次の様に見える。
【００４２】
バリアハイトが高くなると、ＶＦ特性のカーブは全体として右方向にシフトする（図２の高バリアハイトＳＢＤ参照）。バリアハイトが低くなると左方向にシフトする（図２の低バリアハイトＳＢＤ参照）。理想的なダイオードは、ＶＦ特性のカーブは全体として、限り無く左方向に０Ｖ近くに位置し、僅かな電圧で多くの電流を流すことが求められる。
【００４３】
そこで、基本的なショットキーバリアダイオードの特性を出すためには、ショットキーバリアダイオード面（バリアメタルがＮ−エピタキシャル層と接合したアクティブ領域）はバリアハイトの低いメタルが求められる。
【００４４】
本発明に係る半導体装置では、ショットキーバリアダイオード面（本発明では、後記する図１における第１のバリアメタルがＮ−エピタキシャル層と接合したアクティブ領域）をバリアハイトの低い第１のバリアメタルを使用することで、低ＶＦである左方向にシフトさせるようにした（図２の出願構造ＳＢＤ参照）。
【００４５】
中電流領域（イ）では、ＳｉウエハにおけるＮ−エピタキシャル層の抵抗成分とＮ＋基板の抵抗成分の和で大きく影響される。但し、一般的にＮ＋基板の抵抗値はＮ―エピタキシャル層の抵抗値の比較して十分小さい為、無視して良い。その為、エピタキシャル層の抵抗が大きく効いていると考えて差し支えない。
【００４６】
小電流領域においては図５の片対数グラフにおいて直線であったが、中電流領域では電流が大きくなる事によりエピタキシャル層の抵抗成分による電圧降下が大きくなる為、ＶＦカーブは小電流領域の直線状の電圧−電流特性を延長した電圧値よりも電圧降下の値だけ正方向に電圧値がシフトする。グラフが片対数の為、ＶＦカーブは直線から傾斜角度が徐々に小さくなる曲線状に移行する。
【００４７】
耐圧の低いショットキーバリアダイオードを作る時は、比抵抗が低く、エピタキシャル層が薄いＳｉウエハを使用するので、抵抗成分が小さくなり、中電流領域（イ）では、ＶＦ特性のカーブの傾きは、オームの法則によって、立つ方向となる（傾斜角度が大きくなる）。
【００４８】
逆に、耐圧の高いショットキーバリアダイオードを作る時は、比抵抗が高く、エピタキシャル層が厚いＳｉウエハを使用するから、抵抗成分が大きくなり、中電流領域（イ）では、ＶＦ特性のカーブの傾きは寝てくる（傾斜角度が小さくなる）。
【００４９】
高電流領域（ウ）では、Ｐ＋ガードリングからＮ−エピタキシャル層への少数キャリアの注入効果、又は高バリアハイトを持つバリアメタルからの少数キャリアの注入効果によって決定される領域であるとされている。その理由は次のとおりである。
【００５０】
高電流領域になると、ＰＮジャンクション、ショットキー界面等のエネルギー障壁がある箇所に高い電界（電位差）が発生する為に、多数キャリアのみではなく、少数キャリアもエネルギー障壁を越えて注入される。その結果、少数キャリアと多数キャリアが再結合する事を起因に、伝導度変調という抵抗値が変わる現象が起こる。
【００５１】
この様に、中電流領域ではＶＦ特性の電圧値の大半が抵抗成分による電圧降下で占められていた事に対し、高電流領域においては、この抵抗成分が伝導度変調により小さくなる為、抵抗成分による電圧降下も小さくなり、中電流領域の延長上の電圧値と比較して電圧が小さい方向にシフトする。
【００５２】
本発明においては、従来技術のようなＰ＋ガードリング及び、バリアメタルからの少数キャリア注入ではなく、Ｐ＋ガードリング上のバリアメタルを少数キャリアのソース源とする事を特徴の一つとしており、他にこの箇所を少数キャリアのソース源と開示した刊行物は本出願前に公知ではない。
【００５３】
このＰ＋ガードリング上のバリアメタルは、Ｐ＋ガードリングとの界面に対して少数キャリア（正孔）に対するエネルギー障壁が小さい為、Ｎ−エピタキシャル層と比較して、小さな電界で注入を実現する事ができる。なぜなら、Ｐ型の不純物濃度を上げる事によって、Ｐ層のフェルミ準位が価電子帯側にシフトし、バリアメタルのフェルミ準位とのエネルギー準位差が小さくなる為である。
【００５４】
なお、このエネルギー準位差つまりエネルギー障壁差を小さくする為には、仕事関数が高いバリアメタルを選択するか、Ｐ型の不純物濃度を上げると良い。但し、通常のＰＮダイオード於いても深さ方向に対しては一見同じ構造が実現されるが、この構造に於いてはＸｊ（ジャンクション深さ）の深さに位置するＰＮ接合だけに高電界が集中し、バリアメタルとＰ＋ガードリングの界面には高い電界が発生しない為、注入量は多くならない。
【００５５】
つまり、少数キャリアを低電圧にて多く注入する為には、
（１）少数キャリアのエネルギー障壁を小さくする、
（２）エネルギー障壁がある界面に高電界がかかる構造にする、
という２要件を満たす必要がある。
【００５６】
一方、ショットキーバリアダイオードに用いられるＰ＋ガードリング上のバリアメタルでは、少数キャリアソースの近くにＰ＋ガードリングの側面と接するＮ−エピタキシャル層が存在する為、ＰＮ接合ダイオードに見られるＰ＋層領域で電界が緩和され少数キャリアソースに高電界がかからないという現象が無い。その為、少数キャリアのエネルギー障壁に対して、低電圧で高電界をかける事ができ、低電圧印加において少数キャリアの注入をする事を実現できる。
【００５７】
ところで、バリアメタルが低い材料は仕事関数が小さく、バリアハイトが高い材料は仕事関数が高い事は周知の事実である。よって、メタルと半導体の界面に於ける少数キャリアのエネルギー障壁は、仕事関数が小さければ高くなり、仕事関数が高ければ小さくなる為、前者は少数キャリアの注入が少なくなり、後者は少数キャリアの注入が多くなる。
【００５８】
よって、Ｐ＋ガードリング上にあるバリアメタルが、バリアハイトの低い材料を使用すると、Ｐ＋ガードリングからの少数キャリアの注入効果が少なく、高電流領域（ウ）では、ＶＦ特性のカーブは全体として右側にシフトする（図２の低バリアハイトＳＢＤ参照）。  
【００５９】
逆にＰ＋ガードリング上にあるバリアメタルが、バリアハイトの高いメタルを使用すると、Ｐ＋ガードリングからの少数キャリアの注入が積極的に行われ、高電流領域（ウ）では、ＶＦ特性のカーブは全体として左側方向にシフトする（図２の高バリアハイトＳＢＤ参照）。
【００６０】
一般的な表現をすると、高電流領域（ウ）では、Ｐ＋ガードリングとＮ−エピタキシャル層とで形成されるＰＮダイオードにおけるＶＦ特性のカーブの一部が現れている形になっている。即ち、このＰＮダイオードを通して流れる小数キャリアによる電流と電圧の特性カーブが現れる。
【００６１】
ショットキーバリアダイオードのＶＦ特性のカーブ全体としては、ショットキーバリアダイオード面（バリアメタルがＮ−エピタキシャル層と接合したアクティブ領域）によるＶＦ特性のカーブと、Ｐ＋ガードリングのＰ層とＮ−エピタキシャル層とで形成されるＰＮダイオードのＶＦ特性のカーブが重なって、図２に示すような、それぞれのショットキーバリアダイオードのＶＦ特性のカーブを描く。
【００６２】
以上のとおりの、図５に示す３つの電流領域におけるＶＦ特性を考慮して、本発明に係る半導体装置では、微小電流領域（ア）ではＶＦ特性のカーブを出来る限り左方向にシフトさせるために、ショットキーバリアダイオード面（本発明では、後記する図１における第１のバリアメタルがＮ−エピタキシャル層と接合したアクティブ領域）の領域はバリアハイトの低いメタルを用いる構成とした。
【００６３】
さらに、高電流領域（ウ）では、Ｐ＋ガードリングからの小数キャリアの注入を積極的にさせて、理想的なダイオードに近づける（ＶＦ特性のカーブを左方向にシフトする）ために、Ｐ＋ガードリングの上にバリアハイトの高いメタルを用いる構成とした。
【００６４】
本発明では、このような構成とすることにより、微小電流領域（ア）、中電流領域（イ）、及び高電流領域（ウ）の領域について、ＶＦ特性のカーブを、図２の実線（出願構造ショットキーバリアダイオード）で示すように、全体として左方向にシフトさせ、低電圧で多くの電流を流すＶＦ特性（これを「低ＶＦ特性」という）を得ようとするものである。
【実施例１】
【００６５】
本発明に係る半導体装置の実施例１を、図１（ａ）〜（ｃ）に示すショットキーバリアダイオードにおいて説明する。このショットキーバリアダイオード１は、高不純物濃度の半導体基板２と、この半導体基板２の上に形成され半導体基板２より低不純物濃度の第１導電型である第１半導体層３と、第１半導体層３の領域内に形成され、第１導電型と異なる第２導電型からなりガードリングとして機能する１本以上の第２半導体層４と、第１半導体層３の上面であってその周縁部に沿って形成された絶縁膜５と、少なくとも第１半導体層３の上面の一部の領域に形成された第１のバリアメタル６と、第１のバリアメタル６とは異なる領域に同じ層で形成された第２のバリアメタル７と、第１のバリアメタル６及び第２のバリアメタル７の上面に形成されたアノード電極８と、半導体基板２の下面に形成されたカソード電極９と、を備えている。
【００６６】
ここで、高不純物濃度、低不純物濃度とは、通常Ｓｉの場合では、高不純物濃度は１０＋１９／ｃｍ３以上のＳｕｂ基板と呼ばれるものであり、低不純物濃度は、１０＋１５／ｃｍ３以上〜１０＋１９／ｃｍ３のものである。
【００６７】
本実施例１では、半導体基板２、第１半導体層３、第２半導体層４及び絶縁膜５は、具体的には、それぞれＮ＋基板２、Ｎ−エピタキシャル層３、Ｐ＋ガードリング４及び酸化膜５で形成されており、実施例１の説明もこれらで説明する。
【００６８】
また、本実施例１では、Ｎ−エピタキシャル層３は、２Ω・ｃｍ１０μｍのρｔを採用している。Ｐ＋ガードリング４は、その不純物濃度は１０＋１７／ｃｍ３以上のもので形成する。この不純物濃度以上にする事により、アノード電極との十分なオーミックコンタクトをとる事ができる。本シミュレーションに於いてはＰ＋ガードリング４の不純物濃度はＣｓ：１×１０＋１９／ｃｍ３を採用している。バリアメタル１とバリアメタル２が、Ｎ−エピタキシャル層に接触している面積Ｓ１とＳ２の比は２：３としている。
【００６９】
なお、Ｎ＋基板２、Ｎ−エピタキシャル層３、Ｐ＋ガードリング４及び酸化膜５は、それぞれ高不純物濃度の半導体基板２、第１半導体層３、ガードリング４及び絶縁膜５と同じ符号を付ける。
【００７０】
以上、実施例１のショットキーバリアダイオード１の構成の概要を説明したが、このショットキーバリアダイオード１の特徴的な構成は、次のとおりである。図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、第２のバリアメタル７は、Ｐ＋ガードリング４（図示はしないが、２本以上のＰ＋ガードリングを備えた構成では、最も内側のＰ＋ガードリング）及びＰ＋ガードリング４内側のＮ−エピタキシャル層３の両方の上面に、その両方の上面の領域にわたって、リング状に形成されている。
【００７１】
より詳細には、第２のバリアメタル７は、Ｐ＋ガードリング４の上面の少なくとも一部の領域１２と、Ｎ−エピタキシャル層３の上面であってＰ＋ガードリング４内側の一部の領域１３とにわたって、形成されている。第２のバリアメタル７は、第１のバリアメタル６と同層で同じ厚さに形成されている。
【００７２】
このような構成とすることで、第１のバリアメタル６とＮ−エピタキシャル層３との界面１５でショットキーバリアが形成され、また、第２のバリアメタル７とＰ＋ガードリング４内側のＮ−エピタキシャル層３との界面１６でショットキーバリアが形成される。
【００７３】
第２のバリアメタル７のＮ−エピタキシャル層３に対する第２のバリアハイトは、第１のバリアメタル６のＮ−エピタキシャル層３に対する第１のバリアハイトより高くする。そして、Ｎ−エピタキシャル層３に対する第２のバリアメタル７の第２のバリアハイトは、０．７０ｅＶ以上になるように形成する。
【００７４】
上記のように第１のバリアハイトより第２のバリアハイトを高くなるように、また上記第２のバリアハイトの数値範囲となるように、第１のバリアメタル６及び第２のバリアメタル７の材料をそれぞれ選択する。例えば、第１のバリアメタル６はＰｄ２Ｓｉで形成し、第２のバリアメタル７はＰｔＳｉで形成する。
【００７５】
（作用）
以上の構成から成る実施例１のショットキーバリアダイオード１の作用を説明する。本発明では、第２のバリアメタル７のＮ−エピタキシャル層３に対する第２のバリアハイトは、第１のバリアメタル６のＮ−エピタキシャル層３に対する第１のバリアハイトより高くした。
【００７６】
その結果、上記図５における高電流領域（ウ）において、第１のバリアメタル６のみを設けた構成に比較して、小数キャリアが低い電界で注入され（つまり低い順方向電圧で注入され）、低電圧領域から伝導度変調する効果がある。
【００７７】
この小数キャリアの注入は、図１（ｃ）に示すように、第２のバリアメタル７から、Ｐ＋ガードリング４との界面１６を通り、さらにＰ＋ガードリング４の内側の面とＮ−エピタキシャル層３とのＰＮ接合部（アクティブ側のＰＮ接合領域）１７を通過して行われる。なお、界面１６において小数キャリアの注入が生じる領域は、Ｐ＋ガードリング４の内側縁１８に近接する領域１９である。
【００７８】
ところで、実施例１のショットキーバリアダイオード１は、第１のバリアメタル６は、第２のバリアメタル７より低い第１のバリアハイトを使用している。そのため、ショットキーバリアダイオード１は、図４に示す構造であって、且つ第２のバリアメタル７のような高いバリアハイトのみを用いたショットキーバリアダイオードと比較すると、バリアハイトの低い第１のバリアメタル６とＮ−エピタキシャル層３との界面１５におけるショットキーバリアのバリアハイトによって決まる順方向電圧の立ち上がりが、低電圧側にシフトし、かつ低電圧での少数キャリアの注入を保つことができる。
【００７９】
このような作用効果を奏する実施例１のショットキーバリアダイオード１は、特許文献１（本出願人の出願に係る特開２０００−５８８７５号公報）記載の発明において、少数キャリア注入の作用を解析して、少数キャリア注入に必要な箇所（図１の１６，１７）だけを残し、他の面積の大部分を占めるアクティブの整流領域を、低バリアハイトのショットキー接合にした構成により実現することができる。
【００８０】
一方、比較対象とする特許文献１記載の発明は、本発明においての第１のバリアメタルと第２のバリアメタル７を双方ともバリアハイトが０．７ｅＶ以上の同じ材料の金属を用いた構造に相当する。
【００８１】
両者を比較すると、特許文献１記載の発明では、微小電流領域、中電流領域に対しては高バリアハイトを有するＳＢＤの特性となる事に対し、実施例１のショットキーバリアダイオード１においては基準となる微小電流領域、中電流領域の特性が低バリアハイトのメタルＳＢＤとなり、高電流領域においては特許文献１記載の発明で提唱された構造と同じ少数キャリアの注入を保つ事が可能になる。この結果、図５における微小電流領域（ア）のＶＦ特性の低減を実現する。
【００８２】
ところで、上記実施例１では、第１のバリアメタル６がＰｄ２Ｓｉで形成され、第２のバリアメタル７をＰｔＳｉで形成されている。このような材料を使用すれば、整流回路を動作させた状態での導通損失において、逆方向損失は殆ど変えずに順方向損失だけを低減することができ、システム全体で低損失化することができる。
【００８３】
一般的には、整流回路のオンオフのデューティー比によって、ダイオードの導通損失である順方向損失と逆方向損失のバランスが決まるが、本発明では、第２のバリアメタル７であるＰｔＳｉは高バリアハイトであり、逆方向損失がＰｄ２Ｓｉより１桁程小さいため、たとえ、デューティー比が数％としオフ時間が長くとも、１００Ａ／ｃｍ２以上の電流密度で順方向を動作させると、逆方向損失は限りなく順方向損失に対して無視できる。
【００８４】
つまり、素子においての損失全体を考慮した際、第１のバリアメタル６をＰｔＳｉにする事による素子損失の低減の効果は十分反映されない為、逆方向電流に関しては低バリアハイトのショットキー界面を持つＰｄ２Ｓｉの特性で十分であり、第１のバリアメタル６をＰｄ２Ｓｉにする事によって順方向特性であるＶＦ特性を低ＶＦ化する事を実現する事ができる。そのため、バリアメタルがＰｄ２Ｓｉにおいて、更に低ＶＦ特性化して素子損失の大部分を占める順方向損失を低減した場合の方が、整流回路において省エネルギー化につながる。
【００８５】
また、実施例１のショットキーバリアダイオード１のでは、第１のバリアメタル６を低バリアハイトであるＰｄ２Ｓｉとし、第２のバリアメタル７を低バリアハイトであるＰｔＳｉとすることで、微少電流領域（１）における低ＶＦ特性化に加えて、高電流領域（ウ）における定格電流についても上記小数キャリアによる伝導度変調を効かせて、更に低ＶＦ特性化を実現することができる。
【実施例２】
【００８６】
次に、本発明に係る半導体装置の実施例２のショットキーバリアダイオード１について説明する。この実施例２は、実施例１とほぼ同じ構成であるが、バリアメタルの構成が異なる。即ち、第１のバリアメタル６はＭｏで形成され、第２のバリアメタル７はＰｄ２Ｓｉで形成されている。なお、以下の実施例２〜４の記載において、ショットキーバリアダイオードの各部分についての符号は、実施例１と同じ符号を使用する。
【００８７】
第１のバリアメタル６をバリアハイトが０．７ｅＶ以下であるＭｏで形成すると、従来のショットキーバリアダイオードでは、伝導度変調が起こらない。そして、Ｍｏのショットキーバリアダイオードにおいては、エピタキシャル抵抗のρｔが小さい低耐圧素子では、低ＶＦ特性を示すが、エピタキシャル抵抗のρｔが大きい高耐圧素子では、高電流領域においても少数キャリアの注入がされず抵抗成分が電圧降下となってＶＦ特性に効いてくる中電流領域と同傾向のＶＦカーブを示すため、低ＶＦ特性化が難しい。
【００８８】
なお、ここではエピタキシャル抵抗のρｔのみの大小について言及したが、正確には、基板の抵抗も考慮されるべきである。しかし、一般的に基板の抵抗はエピタキシャル抵抗と比較して十分小さい為、大まかな設計ではあまり考慮されないので、上記のとおりエピタキシャル抵抗について言及した。
【００８９】
高耐圧でＰＮ接合型ダイオードが用いられている理由は、ＰＮ接合型ダイオードは内部電界によって小電流領域においても高いＶＦ特性を示しているが、小電流領域から伝導度変調によってこの抵抗成分を打ち消しているため、中電流領域、高電流領域でみるとＶＦの増加が少なく、結果的にショットキーバリアダイオードよりも低ＶＦを示す事ができる為である。
【００９０】
本実施例は、第１のバリアメタル６にＭｏを用いたショットキーバリアダイオードにおいても、伝導度変調を起すことができ、エピタキシャル抵抗のρｔを高くした高耐圧素子に於いても高電流領域まで低ＶＦ値を示すことができる。
【実施例３】
【００９１】
次に、本発明に係る半導体装置の実施例３のショットキーバリアダイオード１について説明する。この実施例３は、実施例１とほぼ同じ構成であるが、次のように、第１のバリアハイトφ１と第２のバリアハイトφ２との差について特に限定する構成を採用した点に特徴がある。
【００９２】
即ち、この実施例３は、第１のバリアハイトφ１と第２のバリアハイトφ２との差を、次の式１の関係にある構成としたものである。
【００９３】
１００Ａ／ｃｍ２×∫ρ（ｔ）ｄｔ−１０Ａ／ｃｍ２×∫ρ（ｔ）ｄｔ＋βｌｎ１０＞（φ２−φ１）／ｑ  ………（式１）
但し、式１中の記号は次のとおりである。
ρ：抵抗率（Ω・ｃｍ）
ｔ：Ｎ−エピタキシャル層の厚さ
β：ｋＴ／ｑ
ｋ：ボルツマン定数
Ｔ：ジャンクション温度
ｑ：電子の電荷量
ｌｎ：e（=2.718……）を底とする対数（Logarithmic Natural） 
【００９４】
この式１の意味は、第１のバリアメタル６の１００Ａ／ｃｍ２の電流密度における電圧が、第２のバリアメタル７のバリアハイトφ２が伝導度変調を起す電圧（電流密度が１０Ａ／ｃｍ２の順方向電圧）より高くなっていることを示唆している。
【００９５】
なお、βｌｎ１０は、バリアハイトに起因する電流が１０倍になるために要する電圧になり、グラフの傾きの逆数に相当する。およそ室温にてβｌｎ１０は、約９１ｍＶ程度となる。
【００９６】
つまり、式１の第一項、第二項は、電流密度が１０Ａ／ｃｍ２から１００Ａ／ｃｍ２になった際に第１のバリアメタルのＮ−エピタキシャル層の抵抗に起因する電圧降下があるが、この電圧降下に由来する電圧の増分を意味する。実質的には、第二項は殆ど無視する事ができる。そして、式（１）の第三項は、電流密度が１０Ａ／ｃｍ２から１００Ａ／ｃｍ２になった際のバリアハイトを超える電流密度を１０倍にする為の電圧の増分を意味する。
【００９７】
よって、式（１）の左辺は、第１のバリアメタルの電流密度が１０Ａ／ｃｍ２から１００Ａ／ｃｍ２になる際の電圧の正方向のシフトを示す。また、式（１）の右辺は、１０Ａ／ｃｍ２において第１のバリアメタルを第２のバリアメタルと比較した際のＶＦの差を示す。
【００９８】
式（１）の条件を満たせば、整流面積の大部分を占める第１のバリアメタルが占める領域の電流密度が１００Ａ／ｃｍ２となった際の電圧値が、小数キャリアの注入を担う第２のバリアメタルが占める領域の電流密度が１０Ａ／ｃｍ２となる電圧値より大きいという条件を満たす事となり、小数キャリアの注入が始まる。
【００９９】
よって、１００Ａ／ｃｍ２以上の電流密度を、少数キャリアの注入によって伝導度変調を発生させ、低ＶＦ化を実現させる高電流密度領域にする事ができる。
【０１００】
このように上記式１を考慮した構成にすれば、実使用上は１００Ａ／ｃｍ２以上の定格電流とするため、定格電流でのＶＦ特性を低くすることを実現できる。
【０１０１】
例えば、Ｎ−エピタキシャル層のρｔ積が小さい場合は式（１）の条件を満たさない傾向になる。第２のバリアメタルから少数キャリアが注入される電圧値自体は小さくとも、この電圧値の電圧を印加している状態で、整流の大部分を担う第１のバリアメタルは定格電流密度より多く流れており、定格電流密度は未だ伝導度変調が起こっていない中電流領域にあるため、低ＶＦ特性化が実現できない現象が起きる。
【０１０２】
逆にＮ−エピタキシャル層のρｔ積が大きい場合は、式（１）の条件を満たす傾向になる。第２のバリアメタルから少数キャリアが注入される電圧値が小さいため、整流の大部分を担う第１のバリアメタルは定格電流密度になると前記少数キャリアが注入される電圧値よりも高電圧側にＶＦ特性カーブがシフトし、少数キャリアが注入される電圧を超えることができる。そのために、定格電流密度においては伝導度変調が生じていて、定格電流密度は高電流領域に位置する事ができる為に低ＶＦ化を実現する事ができる。
【実施例４】
【０１０３】
次に、本発明に係る半導体装置の実施例４のショットキーバリアダイオード１について説明する。この実施例４は、実施例１及び実施例２とほぼ同じ構成であるが、第１のバリアメタル６の第１領域上の面積（Ｓ１）と、第２のバリアメタル７の第１領域上の面積（Ｓ２）の比（Ｓ２／Ｓ１）が０．０１以下とした構成と特徴とする。
【０１０４】
このような面積比とすることで、微少電流領域（１）においても、第２のバリアメタル７で形成される第２のバリアハイトより低い第１のバリアメタル６により形成される第１のバリアハイトを越える電流が主体となるため、ショットキーバリアダイオードは低ＶＦ特性を示す。
【０１０５】
（試験例）
本発明に係る半導体装置の効果を確認するために、実施例１のショットキーバリアダイオード１を、２つの従来技術のショットキーバリアダイオードと比較してシュミレーション試験を行った。図３は、このシュミレーション試験の結果を示す図であり、順方向における、本発明及び２つの従来技術について、それぞれのＶＦ特性（電圧（ＶＦ）と電流密度（ＪＦ）の特性）のカーブを示すグラフである。
【０１０６】
本発明及び２つの従来技術のショットキーバリアダイオードのいずれも、Ｎ−エピタキシャル層は３Ω・ｃｍで１４μｍのρｔを用いている。またＰ＋ガードリング４は不純物濃度が１×１０＋１８／ｃｍ３である。本発明のバリアメタル１とバリアメタル２が、Ｎ−エピタキシャル層に接触している面積Ｓ１とＳ２の比は１１０：１と面積Ｓ１を十分広くとっている。
【０１０７】
点線で示す従来技術は、バリアハイトが高い（φｂ＝０．８４ｅＶ）従来技術のショットキーバリアダイオードのＶＦ特性カーブを示す。２点鎖線で示す従来技術は、バリアハイトが低い（φｂ＝０．７２ｅＶ）従来技術の１０Ａ定格で定格の電流密度が２００Ａ／ｃｍ２のショットキーバリアダイオードのＶＦ特性カーブを示す。
【０１０８】
実線は、本発明の実施例１で示した構成のショットキーバリアダイオードのＶＦ特性カーブを示す。なお、このシュミレーション試験では、２つの従来技術のショットキーバリアダイオードも、第２のバリアメタル７の第２のバリアハイト以外については同じ条件とした。
【０１０９】
点線で示す従来技術では、バリアハイトが高いために、高電流領域では、少数キャリアの注入が多いために、ＶＦ特性カーブは立っている（傾斜角度が大きい）。しかし、微少電流領域では、低電圧では電流は流れにくいために、ＶＦ特性カーブは全体的に右方向に寄っており、この点で、ショットキーバリアダイオードとしては必ずしも好ましい特性を示していない。
【０１１０】
２点鎖線で示す従来技術では、バリアハイトが低いために、微少電流領域では低電圧でも電流は流れ易く、ＶＦ特性カーブは全体的に左方向に寄っているが、高電流領域では、少数キャリアの注入が少ないためにＶＦ特性カーブは寝ており（傾斜角度が緩やか）、この点で、ショットキーバリアダイオードとしては必ずしも好ましい特性を示していない。
【０１１１】
実施例４のショットキーバリアダイオード１は、バリアハイトの低い第１のバリアメタル６をＮ−エピタキシャル層３の上に設けるとともに、バリアハイトの高い第２のバリアメタル７をＮ−エピタキシャル層３及びＰ＋ガードリング４の一部の領域の上にわたって設けたので、高電流領域では、少数キャリアの注入が多いためにＶＦ特性カーブは立っており、微少電流領域では低電圧でも電流は流れに易く、ＶＦ特性カーブは全体的に左方向に寄っており、ショットキーバリアダイオードとしては好ましい特性を示している。
【０１１２】
以上、本発明に係る半導体装置を実施するための形態をショットキーバリアダイオードの実施例に基づいて説明したが、本発明はこのような実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的事項の範囲内でいろいろな実施例があることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【０１１３】
本発明に係る半導体装置は上記のような構成であるから、高周波信号回路、電源整流回路、逆接防止回路等に使用するショットキーバリアダイオードとして適用可能である。
【符号の説明】
【０１１４】
１  ショットキーバリアダイオード
２  高不純物濃度のＮ＋基板（半導体基板）
３  Ｎ−エピタキシャル層（第１半導体層）
４  Ｐ＋ガードリング（ガードリング）
５  酸化膜（絶縁膜）
６  第１のバリアメタル
７  第２のバリアメタル
８  アノード電極
９  カソード電極
１２  Ｐ＋ガードリング上面の一部の領域
１３  Ｎ−エピタキシャル層上面におけるＰ＋ガードリング内側の一部の領域
１５  第１のバリアメタルとＮ−エピタキシャル層との界面
１６  第２のバリアメタルとＰ＋ガードリング内側のＮ−エピタキシャル層との界面
１７  Ｐ＋ガードリングの内側の面とＮ−エピタキシャル層とのＰＮ接合部（アクティブ側のＰＮ接合領域）
１８  Ｐ＋ガードリングの内側縁
１９  第１のバリアメタルとＮ−エピタキシャル層との界面のＰ＋ガードリングの内側縁に近接する領域
２０  従来例のガードリング付きショットキーバリアダイオード
２１  Ｐ＋ガードリング
２２  Ｎ−エピタキシャル層
２３  Ｎ＋基板
２４  アノード電極
２５  カソード電極
２６  酸化膜（ＳｉＯ２膜）
２７  バリアメタル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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