(57)【要約】【課題】ショットキーダイオードにおいて、原子レベルで凹凸がなく、結晶欠陥や汚染物を挟まない清浄なショットキー界面を形成することによって、電気特性を向上させること。【解決手段】表面が第一の結晶方位面の半導体基板と、前記半導体基板の表面から侵入した金属原子からなり、前記半導体基板の第二の結晶方位面でショットキー障壁を形成する金属部とを有することを特徴とするショットキーダイオードによって解決する。【選択図】    図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面が第一の結晶方位面の半導体基板と、
前記半導体基板の表面から侵入した金属原子からなり、前記半導体基板の第二の結晶方位面でショットキー障壁を形成する金属部と
を有することを特徴とするショットキーダイオード。
【請求項２】
前記半導体基板はＳｉ，ＳｉＧｅ，ＳｉＣ及びＣのうちのいずれか一種の単結晶からなり、
前記金属原子は置換メタルであることを特徴とする請求項１に記載のショットキーダイオード。
【請求項３】
半導体基板の上に金属膜を形成する工程と、
前記半導体基板の一部の領域を前記半導体基板の特定の結晶方位面に沿って侵入した前記金属膜中の金属原子に置換する置換工程とを有することを特徴とするショットキーダイオードの製造方法。
【請求項４】
前記金属膜はＡｌ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｕ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｃｒ及びＮｂのうちのいずれか一種よりなることを特徴とする請求項３に記載のショットキーダイオードの製造方法。
【請求項５】
前記置換工程では、前記半導体基板を３００乃至５００℃の温度でアニールすることを特徴とする請求項４に記載のショットキーダイオードの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体と金属との接合により生じるショットキー障壁を利用したショットキーダイオード及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ショットキーダイオードは半導体と金属を接触させた際に生じるショットキー障壁により整流効果を得る２端子素子である。典型的なショットキーダイオードは、図１に示すように、シリコン単結晶からなる半導体基板１の上に絶縁体層２が形成されており、絶縁体層２に設けられた開口部７を介してアルミニウム等の金属、或いは種々のシリサイドよりなる上部電極層３と半導体基板１とが接触した構造となっている。半導体基板１と上部電極層３との接触部にショットキー障壁が形成され、上部電極層３及び半導体基板１はそれぞれ別の接続端子（図示せず）に繋がれる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このような構造を持つショットキーダイオードは、ＰＮ接合ダイオードと比較して、スイッチング速度が早く、順方向電圧降下が小さいという優れた特性があり、個別部品や集積回路を構成する素子として特に高周波動作が必要な回路で使用されている。
【０００４】
図１の構造を持つショットキーダイオードは図２に示すような製造方法によって作製される。
【０００５】
まず、図２（ａ）に示すように、半導体基板１の上に絶縁体層２を形成する。その後、絶縁体層２の上にフォトレジストを塗布してフォトレジスト膜６を形成し、露光及び現像処理を施して、フォトレジスト膜６の一部を開口する。このフォトレジスト膜６をマスクとして絶縁体層２をエッチングし、図２（ｂ）のように、半導体基板１１の一部分が露出する開口部７を形成する。次に、必要に応じて、開口部７より露出した半導体基板１の表面をクリーニングする。その後、図２（ｃ）のように、半導体基板１の上側全面に金属膜を形成し、フォトリソグラフィー法によってこの金属膜をパターニングすることにより、開口部７を介して半導体基板１に接触する上部電極層３を形成する。これにより、ショットキーダイオードが完成する。
【０００６】
【特許文献１】
特開平０９−２４６５７３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来のショットキーダイオードには上述した製造方法に起因して、以下のような問題点があった。
【０００８】
ショットキーダイオードでは、ショットキー障壁面に原子レベルの平坦性が要求される。しかし、半導体基板１の表面は鏡面研磨によって平坦化されているものの、原子レベルでは多くの凹凸が存在する。
【０００９】
また、絶縁体層２をエッチングして開口部７を形成する際には、通常、微細加工が可能なことから異方性エッチング法が用いられる。従って、絶縁体層２をエッチングする際に、開口部７によって露出した半導体基板１もラジカル原子やイオンが照射される。その結果、図３（ａ）のように半導体基板１の表層付近に、結晶欠陥が多数存在する結晶欠陥部４を生じてしまう。
【００１０】
さらに、エッチング装置から成膜装置に搬送する際に、半導体基板１の露出面が大気に晒されてしまう。これにより、自然酸化、大気中の汚染粒子の拡散、又は汚染粒子との反応によって、半導体基板１の露出面が汚染され、図３（ｂ）のように、汚染部５を形成される。これら結晶欠陥部４や汚染部５を除去するためにクリーニングを行うが、結晶欠陥部４や汚染部５を完全に除去することは困難である。
【００１１】
このようなクリーニング処理が行われた後に、半導体基板１は上部電極層３を形成するためにスパッタやＣＶＤ等の成膜装置内に配置されるが、この成膜装置内の雰囲気にも汚染粒子は存在している。
【００１２】
つまり、前述した従来の製造方法により製造されたショットキーダイオードには、実際、図３（ｃ）のようにショットキー界面に格子欠陥部４や汚染部５が存在している。
【００１３】
従って、従来のショットキーダイオードでは十分な特性を得ることができず、特にリーク電流の低減が要求される次世代のショットキーダイオードの製造に適用することができない。
【００１４】
以上から、本発明は結晶欠陥や汚染物を挟まない清浄なショットキー界面を有し、良好なダイオード特性を示すショットキーダイオード及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は上述の課題を解決するために、本発明に係るショットキーダイオードは、表面が第一の結晶方位面の半導体基板と、前記半導体基板の表面から侵入した金属原子からなり、前記半導体基板の第二の結晶方位面でショットキー障壁を形成する金属部とを有している。
【００１６】
上記のショットキーダイオードによれば、半導体基板の結晶方位面と金属部とによってショットキー障壁を形成するので、原子レベルでも凹凸のないショットキー界面を形成することができる。また、このショットキー界面は格子欠陥や汚染粒子の存在する半導体表面ではなく、格子欠陥や汚染粒子の存在しない半導体基板内に侵入した位置で形成されるので、清浄なショットキー界面を得ることができる。これにより良好な特性を有するショットキーダイオードが得られる。
【００１７】
また、本発明に係るショットキーダイオードの製造方法は、半導体基板の上に金属膜を形成する工程と、前記半導体基板の一部の領域を前記半導体基板の特定の結晶方位面に沿って侵入し前記金属膜中の金属原子に置換する置換工程とを有する。
【００１８】
上記のショットキーダイオードの製造方法によれば、金属膜中の金属原子は半導体基板の特定の結晶方位面に沿って半導体基板内に侵入し、半導体基板を構成する原子と置換されるので、原子レベルでも凹凸のないショットキー界面を形成することができる。また、半導体基板が種々の雰囲気に晒されて格子欠陥を生じたり汚染されても、金属膜中の金属原子との置換工程の際に、格子欠陥は消滅し、汚染物は金属中に分散してショットキー界面には残留しない。これにより、清浄なショットキー界面を得ることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面に基づいて、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
（第一の実施の形態）
図４は本発明の第一の実施形態のショットキーダイオードを示す断面図である。本実施形態のショットキーダイオードは一方の接続端子（図示せず）に繋がるシリコン（Ｓｉ）単結晶よりなる半導体基板１１と、半導体基板１１との間でショットキー障壁を形成し他方の接続端子（図示せず）と繋がるアルミニウム（Ａｌ）よりなる上部電極層１３と、電流の通り道を規定する酸化シリコンよりなる絶縁体膜１２とより構成される。
【００２０】
尚、図４は断面図であるため上部電極層１３と半導体基板１１との界面をＶ字形に描写しているが、実際には３次元的に逆四角錐に形状を有している。即ち、上部電極層１３は錐を形成する４面で半導体基板１１と接触している。
【００２１】
上部電極層１３は半導体基板１１の｛１１１｝面で接触している。このように、｛１１１｝面のみがアルミニウム原子が接触することによって、上部電極層１３と半導体基板１１との界面は原子レベルでも凹凸がない面となる。さらに、ショットキー界面を３次元的に形成できるので、ショットキー界面が２次元的である従来のショットキーダイオードと比較して、素子の小型化を図ることができる。
【００２２】
図５（ａ）〜（ｄ）は、本実施の形態のショットキーダイオードの製造方法を工程順に示す断面図である。
【００２３】
まず、図５（ａ）に示すように、｛１００｝表面を有するシリコン半導体基板１１上にＣＶＤ法を用いて酸化シリコンよりなる絶縁体層１２を３，０００Åの膜厚に形成する。この絶縁体層１２の上にフォトレジストを塗布してフォトレジスト膜１６を形成し、露光及び現像処置して、フォトレジスト膜１６に０．５μｍ四方の開口部１７を設ける。
【００２４】
次に、図５（ｂ）のように、フォトレジスト膜１６をマスクとして異方性エッチングを行い、絶縁体層１２に開口部１７を形成して半導体基板１１の表面の一部を露出させる。このとき、異方性エッチングにより半導体基板１１の表面にラジカル原子やイオンが照射されるため、格子欠陥部１０１が発生する。また、従来技術で述べたように、上部電極層を形成するまでの間に半導体基板１１の露出部に自然酸化膜や汚染物が付着して汚染部１０２が生じる。
【００２５】
次に、スパッタ法またはＣＶＤ法により、半導体基板１１の上側全面にアルミニウムを堆積させて厚さが５，０００Åのアルミニウム膜を形成した後、フォトリソグラフィー法によってアルミニウム膜をパターニングし、図５（ｃ）のように、絶縁体層１２の開口部１７を介して半導体基板１１と接触する上部電極層１３を形成する。
【００２６】
次いで、窒素雰囲気において３００〜５００℃、好ましくは４２５℃以下の温度で３０分間アニールする。このアニールによって、上部電極層１３を形成するアルミニウム原子と半導体基板１１を形成するシリコン原子は相互拡散する。上記の温度域では、アルミニウム原子は単結晶シリコンの＜１１１＞方向へ優先的に拡散するため、アルミニウムはシリコンの｛１１１｝面を界面としながら半導体基板１１の中に侵入し、シリコン原子とアルミニウム原子が置換される。これと同時に、露出部に存在した格子欠陥部１０１の格子欠陥は消滅し、汚染粒子はアルミニウム中に分散する。このようにして、図５（ｄ）のように原子配列の整ったシリコンの｛１１１｝面を界面とするＶ字形のショットキー界面が得られる。ここで、アニール温度を３００〜５００℃としたのは以下のような理由による。アニール温度が３００℃未満の場合は、アルミニウム原子とシリコン原子との相互拡散が殆ど行われないか、又は相互拡散速度が極めて遅く、アニール処理に時間を要してしまう。一方、アニール温度が５００℃を超えると、アルミニウム原子とシリコン原子がシリコン結晶の｛１１１｝面以外の結晶方位面でも相互拡散できるようになる。従って、アニール処置時の温度は３００〜５００℃とすることが必要である。但し、アルミニウム原子がシリコン結晶の｛１１１｝面を通過することをより確実に防止するために、アニール温度は３５０〜４５０℃以下とすることが好ましく、４２５℃以下とすることが更に好ましい。
上部電極層１３を形成する際にアルミニウムの上へ、例えばチタンよりなる第２の上部電極層（図示せず）を形成してもよい。チタンはアルミニウム中に拡散したシリコンと化合物を形成するので、アルミニウム中に分散して残留するシリコンを減らす役割を果たす。また、この化合物は導電性を有するため、そのまま電極の一部として用いることもできる。このような特徴を有する金属として、チタンの他にタングステン、コバルト、ニッケル及びタンタルがある。
ここで、チタン及びその珪化物はアルミニウムと比較して電気抵抗値が高いために、上述のような方法を用いた場合、上部電極層がアルミニウムのみから形成される場合と比較して高抵抗化する。このため、上部電極層の低抵抗化が求められる場合は第二の上部電極層をＣＭＰ法等によって除去してもよい。また、第二の上部電極層の除去により減少した上部電極層１３の厚さを所定の厚さとするために、第２の金属層を除去した後に更にアルミニウムを堆積させてもよい。
【００２７】
以上のような製造工程によれば、ショットキーダイオードは、ショットキー界面がシリコンの｛１１１｝面から形成されるので、原子レベルでも凹凸が存在しない。また、絶縁体層１２のエッチング時に生じた格子欠陥はシリコンとアルミニウムとを置換する際に消滅し、汚染粒子はアルミニウム中に分散するので、上部電極層１３と半導体基板１１とのショットキー界面には格子欠陥や汚染粒子が存在しない。従って、電気特性の良好なショットキーダイオードが得られる。
【００２８】
次に本発明のショットキーダイオードの電気特性について、図６を用いて説明する。
【００２９】
図６は本発明のショットキーダイオードの電流電圧特性（以下、Ｉ−Ｖ特性と記す。）を示すグラフである。横軸はショットキーダイオードへの印加電圧Ｖを表し、縦軸はショットキーダイオードに流れる電流Ｉを対数目盛で表している。点線は（数１）で表す従来のショットキーダイオードのＩ−Ｖ特性を、実線は（数２）で表す理想的なショットキー界面をもつショットキーダイオードのＩ−Ｖ特性を、一点鎖線は（数３）で表す並列抵抗ＲｐのＩ−Ｖ特性をそれぞれ示している。
【００３０】
図６に記載の回路は従来のショットキーダイオードの等価回路であり、ショットキー界面に存在する格子欠陥や汚染物に起因して、ショットキーダイオードに対して直列に抵抗Ｒｓ、並列に抵抗Ｒｐが繋がった構成になっている。
【００３１】
このような抵抗Ｒｓ，Ｒｐによって、従来のショットキーダイオードでは以下のような問題が生じる。
【００３２】
電流Ｖ及び電圧Ｉが小さい場合、ショットキーダイオードは並列抵抗Ｒｐとほぼ同じＩ−Ｖ特性を示し、電流Ｉはほとんど並列抵抗Ｒｐに流れる。つまり、並列抵抗Ｒｐが存在しない理想的なショットキーダイオードと比較して、並列抵抗を流れる電流Ｖｄ／Ｒｐだけ多く電流が流れてしまう。この並列抵抗Ｒｐを流れる電流が、リーク電流を多くする原因となる。
【００３３】
一方、電流Ｉが多くなると、直列抵抗Ｒｓでの電圧降下が大きくなり、所望の電流値を得るために、直列抵抗Ｒｓが存在しない理想的なショットキーダイオードと比較して、直列抵抗にかかる電圧ＲｓＩだけ余分に電圧を印加しなければならない。つまり消費電力が大きくなってしまう。
【００３４】
このように、従来のショットキーダイオードでは、理想的なショットキーダイオードの電流電圧特性は得られない。
【００３５】
これに対して、本発明のショットキーダイオードでは、ショットキー界面に格子欠陥や汚染物が存在しないので、寄生抵抗Ｒｓ，Ｒｐは生じない。従って、本発明のショットキーダイオードは図６において実線で示す理想的なショットキーダイオードの電流電圧特性を得ることができる。
（第二の実施の形態）
図７は、本実施の形態のショットキーダイオードを示す断面図である。本実施の形態のショットキーダイオードは、ショットキー界面の形状が第一の実施の形態とは異なり、下側に広がった逆Ｖ字状である。
【００３６】
例えば、図８（ａ）に示すように、絶縁体層１２を異方性エッチングして開口部１７を形成する際に半導体基板１１がエッチングされると、次のアニール工程で、金属層１３中のアルミニウム原子がシリコン半導体基板１１中に侵入するときに、図８（ｂ）にＡで示す面に沿ってアルミニウム原子が侵入してシリコン原子と置換されるだけでなく、Ｂで示す面に沿ってもアルミニウム原子が侵入してシリコン原子と置換される。その結果、図７に示すような形状のショットキー界面が形成される。
【００３７】
本実施の形態においても、第一の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
（第三の実施の形態）
第一及び第二の実施の形態では｛１００｝表面を有するシリコン単結晶の半導体基板を用いてショットキーダイオードを製造した場合について説明したが、｛１００｝表面以外の半導体基板を使用する場合にも適用することができる。この場合、それぞれの半導体基板の表面の結晶方位面に応じて特徴的なショットキー界面の形状を得ることができる。
【００３８】
図９は本発明の第三の実施形態について示すショットキーダイオードの断面図である。本実施の形態においては｛１１０｝表面の半導体基板１１と上部電極層１３によって形成されるショットキー界面が矩形状に形成されている。ショットキー界面が半導体基板１１の｛１１１｝面である点は第一及び第二の実施形態と同様である。
【００３９】
第３の実施形態のショットキーダイオードは半導体基板１１の表面の結晶方位面が｛１１０｝であること以外は第一の実施形態と同じであるため、ここではその製造方法の説明を省略する。
【００４０】
尚、本発明は上述した第一、第二及び第三の実施の形態に限定するものではない。例えば、上記の実施の形態では、半導体基板としてシリコン単結晶ウエハを想定したが、本発明はシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ），シリコンカーバイド（ＳｉＣ）などの珪素化合物，カーボン（Ｃ），ガリウム砒素（ＧａＡｓ），インジウムリン（ＩｎＰ），ガリウムナイトライド（ＧａＮ）等の単結晶ウエハの場合にも適用することができる。
【００４１】
また、半導体基板に侵入する金属としてアルミニウム（Ａｌ）を想定したが、本発明はコバルト（Ｃｏ），ニッケル（Ｎｉ），チタン（Ｔｉ），白金（Ｐｔ），パラジウム（Ｐｄ），ルテニウム（Ｒｕ），金（Ａｕ），銀（Ａｇ），銅（Ｃｕ），クロム（Ｃｒ）及びニオブ（Ｎｂ）にも適用することができる。
【００４２】
さらに、上述した実施の形態ではいずれも半導体基板の｛１１１｝面をショットキー界面とする場合について説明したが、｛１１１｝面以外の面によってショットキー界面を形成してもよい。半導体基板の｛１１１｝面以外の面よりなるショットキー界面を形成するには、アニール温度、アニール時間及び絶縁体層の開口部より露出する半導体基板の形状を変えればよい。
（付記１）表面が第一の結晶方位面の半導体基板と、
前記半導体基板の表面から侵入した金属原子からなり、前記半導体基板の第二の結晶方位面でショットキー障壁を形成する金属部と
を有することを特徴とするショットキーダイオード。
（付記２）前記半導体基板はＳｉ，ＳｉＧｅ，ＳｉＣ及びＣのうちのいずれか一種の単結晶からなり、
前記金属原子は置換メタルであることを特徴とする付記１に記載のショットキーダイオード。
（付記３）前記第一の結晶方位面は｛１００｝面であり、前記第二の結晶方位面は｛１１１｝面であることを特徴とする付記２に記載のショットキーダイオード。
（付記４）前記第二の結晶方位面は四角錘状に形成されることを特徴とする付記３に記載のショットキーダイオード。
（付記５）前記第一の結晶方位面は｛１１０｝面であり、前記第二の結晶方位面は｛１１１｝面であることを特徴とする付記１に記載のショットキーダイオード。
（付記６）半導体基板の上に金属膜を形成する工程と、
前記半導体基板の一部の領域を前記半導体基板の特定の結晶方位面に沿って侵入した前記金属膜中の金属原子に置換する工程とを有することを特徴とする半導体装置のショットキーダイオード。
（付記７）前記特定の結晶方位面が｛１１１｝面であることを特徴とする付記６に記載のショットキーダイオードの製造方法。
（付記８）前記金属膜はＡｌ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｕ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｃｒ及びＮｂのうちのいずれか一種よりなることを特徴とする付記６に記載のショットキーダイオードの製造方法。
（付記９）前記置換工程では前記半導体基板を３００乃至５００℃の温度でアニールすることを特徴とする付記６に記載のショットキーダイオードの製造方法。
（付記１０）前記置換工程では前記半導体基板を３５０乃至４２５℃の温度でアニールすることを特徴とする付記６に記載のショットキーダイオードの製造方法。
【００４３】
【発明の効果】
以上述べたように本発明のショットキーダイオードによれば、半導体基板と上部電極層との置換処理によってショットキー界面を構成したので、原子レベルでも凹凸のないショットキー界面を形成することができる。
【００４４】
また、製造工程の中で、半導体基板の露出部が種々の雰囲気に晒されて格子欠陥を生じたり汚染されても、半導体基板と上部電極層との置換工程の際に格子欠陥は消滅し、汚染物は上部電極に分散してショットキー界面には残留しないので、清浄なショットキー界面を得ることができる。
【００４５】
このようなショットキーダイオードによって、電気特性を向上させることができる。
【００４６】
さらに、本発明のショットキーダイオードではショットキー界面を３次元的に形成するので、一素子当たりに必要な面積が減り、集積度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は従来のショットキーダイオードの構造を示す断面図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｃ）は従来のショットキーダイオードの製造方法を示す断面図である。
【図３】図３（ａ）〜（ｃ）は従来のショットキーダイオードの製造方法の問題点を示す断面図である。
【図４】図４は本発明の第一の実施形態に係るショットキーダイオードの構造を示す断面図である。
【図５】図５（ａ）〜（ｄ）は本発明の第一の実施形態に係るショットキーダイオードの製造方法を示す断面図である。
【図６】図６は本発明に係るショットキーダイオードの電流電圧特性を示すグラフである。
【図７】図７は本発明の第二の実施形態に係るショットキーダイオードの構造を示す断面図である。
【図８】図８は本発明の第一及び第二の実施形態に係る絶縁体層のエッチング工程を示す断面図である。
【図９】図９は本発明の第三の実施形態に係るショットキーダイオードの構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・半導体基板、  ２・・・絶縁体層、  ３・・・上部電極層、
４・・・格子欠陥部、５・・・汚染部、  ６・・・フォトレジスト、
７・・・開口部、  １１・・・半導体基板、  １２・・・絶縁体層、
１３・・・上部電極層、１４・・・格子欠陥部、  １６・・・フォトレジスト、
１７・・・開口部、  １８・・・露出部、  １０１・・・格子欠陥部、
１０２・・・汚染部
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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