(57)【要約】【課題】炭化珪素単結晶基板の表面から成長させた炭化珪素エピタキシャル膜の表面にショットキー電極が設けられ、ショットキー電極の上にパッド電極が設けられたショットキーバリアダイオードにおいて、ショットキー電極に形成されたピンホールを起因とする順方向通電時における過剰電流および逆方向リーク電流の増加を確実に防止すること。【解決手段】ショットキー電極とパッド電極との間に、炭化珪素エピタキシャル膜とのショットキー障壁高さが、ショットキー電極と炭化珪素エピタキシャル膜とのショットキー障壁高さ以上である中間金属膜を設けた。これにより、パッド電極と炭化珪素エピタキシャル膜とのショットキー障壁高さが、ショットキー電極と炭化珪素エピタキシャル膜とのショットキー障壁高さよりも小さい場合であってもピンホールを通じた電流が抑制される。【選択図】図１
2007149839.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化珪素単結晶基板の表面から成長させた炭化珪素エピタキシャル膜の表面にショットキー電極が設けられ、ショットキー電極の上に、外部と電気的に接続するためのパッド電極が設けられたショットキーバリアダイオードであって、
ショットキー電極とパッド電極との間に、炭化珪素エピタキシャル膜とのショットキー障壁高さが、ショットキー電極と炭化珪素エピタキシャル膜とのショットキー障壁高さ以上である中間金属膜が設けられていることを特徴とするショットキーバリアダイオード。
【請求項２】
前記パッド電極と炭化珪素エピタキシャル膜とのショットキー障壁高さが、前記ショットキー電極と炭化珪素エピタキシャル膜とのショットキー障壁高さよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のショットキーバリアダイオード。
【請求項３】
請求項１または２に記載のショットキーバリアダイオードを用いて順方向および逆方向へのスイッチ動作を行い、前記中間金属膜によって、ショットキー電極のピンホールを通じた順方向通電時における過剰電流を防止することを特徴とするショットキーバリアダイオードの使用方法。
【請求項４】
請求項１または２に記載のショットキーバリアダイオードを用いて順方向および逆方向へのスイッチ動作を行い、前記中間金属膜によって、ショットキー電極のピンホールを通じた逆方向リーク電流を抑制することを特徴とするショットキーバリアダイオードの使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ショットキーバリアダイオードおよびその使用方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、炭化珪素単結晶基板の表面から成長させた炭化珪素エピタキシャル膜の表面にショットキー電極が設けられ、ショットキー電極の上に、外部と電気的に接続するためのパッド電極が設けられたショットキーバリアダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素（ＳｉＣ）は、Ｓｉと比べてバンドギャップが約３倍、飽和ドリフト速度が約２倍、絶縁破壊電界強度が約１０倍と優れた物性値を有するワイドギャップ半導体であることから、電力用半導体装置の材料として開発が進み、現在ではＳｉＣを用いたショットキーバリアダイオードが市販されるに至っている。
【０００３】
図３は、従来のＳｉＣショットキーバリアダイオードの断面図である。このＳｉＣショットキーバリアダイオード１１では、昇華法などにより結晶成長させたＳｉＣのバルク単結晶をウエハ状にスライスして得られたＳｉＣ単結晶基板２の表面から、化学気相蒸着（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）によってＳｉＣエピタキシャル膜３を成長させた
基板が用いられ、ＳｉＣエピタキシャル膜３の表面にはスパッタ法、真空蒸着法などによりショットキー電極４が形成され、ＳｉＣ単結晶基板２の他方の表面にはオーミック電極７が形成される（特許文献１および特許文献２）。
【０００４】
ショットキー電極４の上には、パッド電極６が設けられ、パッド電極６を介して、例えばワイヤボンディング、半田による接続、端子による接続などにより回路基板などの外部回路へ電気的に接続される。
【特許文献１】特開２０００−２９９４７９号公報
【特許文献２】特開２００３−２４３３２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記のＳｉＣショットキーダイオードを製造する過程において、図４に拡大して示したように、ショットキー電極４に微小な穴(ピンホール９)が形成されることがある。このようにピンホール９が形成されると、局所的にパッド電極６とＳｉＣエピタキシャル膜３とが直接に接合する部分が形成される。
【０００６】
パッド電極６には、特許文献２のように金などが用いられることもあるが、アルミニウムのように仕事関数の小さな金属材料が用いられることが多く、この局所的に形成されたパッド電極６とｎ型のＳｉＣエピタキシャル膜３との接合部分におけるショットキー障壁高さ（ＳＢＨ：Schottky Barrier Height）は、ショットキー電極４とＳｉＣエピタキシ
ャル膜３との接合部分におけるＳＢＨに比べて小さくなる。
【０００７】
このように局所的にＳＢＨが小さくなると、ピンホール９を通じて電流が流れ易くなり、順方向動作時において過剰電流が生じ、逆方向動作時において逆方向リーク電流が増大する。このように性能が低下したものは製品として出荷できず、歩留まりが低下してしまう。
【０００８】
本発明は、ショットキー電極に形成されたピンホールを起因とする順方向通電時における過剰電流および逆方向リーク電流の増加を確実に防止可能なショットキーバリアダイオードを提供することを目的としている。
【０００９】
また本発明は、ショットキー電極に形成されたピンホールを起因とする順方向通電時における過剰電流および逆方向リーク電流の増加を確実に防止可能なショットキーバリアダイオードの使用方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のショットキーバリアダイオードは、炭化珪素単結晶基板の表面から成長させた炭化珪素エピタキシャル膜の表面にショットキー電極が設けられ、ショットキー電極の上に、外部と電気的に接続するためのパッド電極が設けられたショットキーバリアダイオードであって、
ショットキー電極とパッド電極との間に、炭化珪素エピタキシャル膜とのショットキー障壁高さが、ショットキー電極と炭化珪素エピタキシャル膜とのショットキー障壁高さ以上である中間金属膜が設けられていることを特徴としている。
【００１１】
本発明のショットキーバリアダイオードは、前記パッド電極と炭化珪素エピタキシャル膜とのショットキー障壁高さが、前記ショットキー電極と炭化珪素エピタキシャル膜とのショットキー障壁高さよりも小さいことを特徴としている。
【００１２】
本発明のショットキーバリアダイオードの使用方法は、上記のショットキーバリアダイオードを用いて順方向および逆方向へのスイッチ動作を行い、前記中間金属膜によって、ショットキー電極のピンホールを通じた順方向通電時における過剰電流を防止することを特徴としている。
【００１３】
本発明のショットキーバリアダイオードの使用方法は、上記のショットキーバリアダイオードを用いて順方向および逆方向へのスイッチ動作を行い、前記中間金属膜によって、ショットキー電極のピンホールを通じた逆方向リーク電流を抑制することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のショットキーダイオードは、ショットキー電極に形成されたピンホールを起因とする順方向通電時における過剰電流および逆方向リーク電流の増加を確実に防止できる。そのため、量産する際における歩留まりを向上させることができる。
【００１５】
本発明のショットキーダイオードの使用方法によれば、ショットキー電極に形成されたピンホールを起因とする順方向通電時における過剰電流および逆方向リーク電流の増加を確実に防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら本発明について説明する。図１は、本発明のショットキーバリアダイオードにおける実施例を示した断面図である。このショットキーバリアダイオード１は、ｎ型のＳｉＣ単結晶基板２の表面に、ｎ型のＳｉＣエピタキシャル膜３が設けられている。
【００１７】
ＳｉＣエピタキシャル膜３の表面には、モリブデンを材料としたショットキー電極４が設けられている。一方、その反対側におけるＳｉＣ単結晶基板２の表面には、ニッケルを材料としたオーミック電極７が設けられている。ショットキー電極４の上面側には、アルミニウムを材料としたパッド電極６が設けられている。
【００１８】
本実施例では、ショットキー電極４とパッド電極６との間に、ニッケルを材料とした中間金属膜５が設けられている。図２に拡大して示したように、ＳｉＣショットキーバリア
ダイオードを製造する過程において、ショットキー電極４にピンホール９が形成されることがあるが、このような場合には、ピンホール９において、中間金属膜５とＳｉＣエピタキシャル膜３との間で局所的なショットキー接合が形成される。
【００１９】
中間金属膜５の材料であるニッケルは、ＳｉＣエピタキシャル膜３との接合部分におけるＳＢＨが、モリブデンを材料としたショットキー電極４とＳｉＣエピタキシャル膜３との接合部分におけるＳＢＨに比べて大きくなる。
【００２０】
したがって、ピンホール９を通じた電流が充分に抑制され、順方向動作時にはピンホール９を通じた過剰電流が防止されると共に、逆方向動作時にはピンホール９を通じた逆方向リーク電流が充分に抑制される。
【００２１】
本実施例において、ＳｉＣ単結晶基板２は、不純物として５×１０18ｃｍ-3の窒素がドープされた４Ｈ−ＳｉＣ単結晶の基板である。
ＳｉＣエピタキシャル膜３は、ＣＶＤによりＳｉＣ単結晶基板２の表面から成長させた膜厚３０μｍの４Ｈ−ＳｉＣ単結晶である。
【００２２】
符号８は、ショットキー電極４の周縁部に形成されたイオン注入層（ＪＴＥ：Junction
Termination Extension）であり、アルミイオンを注入した後に熱処理して形成される。このイオン注入層８は、ショットキー電極４の周縁部における電界集中を緩和して耐電圧性を向上するためのものである。
【００２３】
ショットキー電極４は、膜厚が１００ｎｍであり、スパッタ法によりモリブデンを堆積した後、熱処理して形成したものである。
中間金属膜５は、膜厚が５０ｎｍであり、モリブデンを堆積した後熱処理を施し、その後スパッタ法によりニッケルを堆積して形成したものである。
【００２４】
パッド電極６は、膜厚が２μｍであり、電子ビーム蒸着により形成したものである。
オーミック電極７は、膜厚が３５０ｎｍであり、電子ビーム蒸着によりニッケルを堆積した後、熱処理して形成したものである。
【００２５】
以上に本発明の実施例を示したが、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において各種の変形、変更が可能である。その一例を以下に説明する。
【００２６】
本発明では、ショットキー電極とパッド電極との間に、ＳｉＣエピタキシャル膜とのＳＢＨが、ショットキー電極と炭化珪素エピタキシャル膜とのＳＢＨ以上となる中間金属膜が設けられる。
【００２７】
一般的に、金属とｎ型半導体との接触により生じるＳＢＨは、ｑΦｎ＝ｑ（Φｍ−χ）の式で与えられる。ここで、ｑΦｎは、ｎ型半導体に金属を接触させたときのＳＢＨであり、Φｍは金属の仕事関数、χはｎ型半導体の電子親和力である。
【００２８】
したがって、ＳｉＣエピタキシャル膜がｎ型である場合には、中間金属膜の金属材料には、ショットキー電極の金属材料の仕事関数に近いもの、またはそれよりも仕事関数が大きいものを用いることが好ましい。
【００２９】
一方、金属とｐ型半導体との接触により生じるＳＢＨは、ｑΦｐ＝Ｅｇ−ｑ（Φｍ−χ）の式で与えられる。ここで、ｐ型半導体に金属を接触させたときのＳＢＨであり、Φｍは金属の仕事関数、χはｐ型半導体の電子親和力、Ｅｇはｐ型半導体のバンドギャップで
ある。
【００３０】
したがって、ＳｉＣエピタキシャル膜がｐ型である場合には、中間金属膜の金属材料には、ショットキー電極の金属材料の仕事関数に近いもの、またはそれよりも仕事関数が小さいものを用いることが好ましい。
【００３１】
しかし、金属膜を堆積した後の熱処理によってＳｉＣとの合金が形成されることによりＳＢＨの大きさは変化するので、中間金属膜とショットキー電極の金属材料における仕事関数の大小は、必ずしも上記に限定されるものではない。
【００３２】
ＳｉＣエピタキシャル膜がｎ型である場合のショットキー電極、中間金属膜、およびパッド電極に用いられる金属材料の好ましい組み合わせを以下に例示する。
【００３３】
＜具体例１＞
ショットキー電極：Ｔｉ（仕事関数４．３３ｅＶ）
中間金属膜：Ｎｉ(仕事関数５．１５ｅＶ)
パッド電極：Ａｌ（仕事関数４．２８ｅＶ）
【００３４】
＜具体例２＞
ショットキー電極：Ｗ(仕事関数４．５５ｅＶ)
中間金属膜：Ｎｉ(仕事関数５．１５ｅＶ)
パッド電極：Ａｌ（仕事関数４．２８ｅＶ）
【００３５】
＜具体例３＞
ショットキー電極：Ｔｉ（仕事関数４．３３ｅＶ）
中間金属膜：Ｎｉ(仕事関数５．１５ｅＶ)
パッド電極：Ｍｏ(仕事関数４．６ｅＶ)
【００３６】
＜具体例４＞
ショットキー電極：Ｗ(仕事関数４．５５ｅＶ)
中間金属膜：Ｎｉ(仕事関数５．１５ｅＶ)
パッド電極：Ｍｏ(仕事関数４．６ｅＶ)
【００３７】
＜具体例５＞
ショットキー電極：Ｗ(仕事関数４．５５ｅＶ)
中間金属膜：Ｎｉ(仕事関数５．１５ｅＶ)
パッド電極：Ｔｉ（仕事関数４．３３ｅＶ）
ショットキー電極および中間金属膜を堆積する方法としては、スパッタ法、真空蒸着法、電子ビーム蒸着法などが挙げられる。
【００３８】
パッド電極を堆積する方法としては、メッキ法、スパッタ法、真空蒸着法、電子ビーム蒸着法などが挙げられる。
本発明において、ＳｉＣ単結晶基板としては、例えば、改良レーリー法によりバルク成長させたもの、ＣＶＤ法によってバルク成長させたものなどを用いることができる。
【００３９】
ＳｉＣ単結晶基板には各種の結晶型のものを使用でき、その具体例としては、４Ｈ−ＳｉＣ（六方晶四回周期型）、６Ｈ−ＳｉＣ（六方晶六回周期型）、３Ｃ（立方晶三回周期型）などが挙げられる。
【００４０】
ＳｉＣ単結晶基板のエピタキシャル成長を行う結晶面、結晶方位は特に限定されず、Ｓ
ｉＣ単結晶基板のエピタキシャル成長を行う結晶面としては、例えば（０００１）Ｓｉ面、（０００−１）Ｃ面、（１１−２０）面、（０１−１０）面、（０３−３８）面などが挙げられる。
【００４１】
（０００１）Ｓｉ面、（０００−１）Ｃ面でエピタキシャル成長させる場合、例えば、[０１−１０]方向、[１１−２０]方向、あるいは[０１−１０]方向と[１１−２０]方向との中間方向のオフ方位に、好ましくは１〜１２°のオフ角で傾斜させて切り出した基板を使用し、この結晶面からステップフロー成長技術によりＳｉＣをエピタキシャル成長させる。ＳｉＣ単結晶基板のエピタキシャル成長させる側の表面は、研磨処理などで平滑化し、必要に応じて水素エッチング、化学機械研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａ
ｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）などにより処理して鏡面状に平滑化する。
【００４２】
このＳｉＣ単結晶基板の平滑化した表面からＣＶＤによってＳｉＣ単結晶膜をエピタキシャル成長させる。Ｃの原料ガスとしはプロパン等が用いられ、Ｓｉの原料ガスとしてはシラン等が用いられる。これらの原料ガスと、水素等のキャリアガスと、ドーパントガスとの混合ガスをＳｉＣ単結晶基板の表面に供給し、ＳｉＣをエピタキシャル成長させる。これにより、ＳｉＣ単結晶基板と同一の結晶型であるＳｉＣ単結晶がステップフロー成長し、ＳｉＣエピタキシャル膜が形成される。
【００４３】
本発明では、ショットキー電極の周縁部における電界集中を緩和するために、上記の実施例のようなイオン注入層など、従来公知である各種の手段および構造を適用することができる。上記の実施例では、イオン注入層８中のアルミイオン濃度は、中心から外部に向かって濃度が低くなるように制御され、アルミイオン濃度は中心において２．２×１０18ｃｍ-3、外部において３×１０17ｃｍ-3となっている。アルミイオンを注入した後、アルミニウムを電気的に活性化するために、例えば１７００℃で熱処理が施される。
【００４４】
上記の実施例では図示省略しているが、ショットキーダイオードのＳｉＣエピタキシャル膜表面などの必要な部位には、素子の保護等を目的としてＳｉＯ2などの酸化膜が形成
される。
【００４５】
オーミック電極、ショットキー電極、中間金属膜、およびパッド電極は、レジストを用いたフォトリソグラフィーを適用して形成することができる。このようなフォトリソグラフィーを用いた電極等の形成方法としては、ＳｉＣ単結晶基板またはＳｉＣエピタキシャル膜の表面に加熱によって保護酸化膜を形成し、次いで、所定の位置に開口部が形成されたレジスト膜を保護酸化膜の上に形成し、その後、バッファードフッ酸等により上記開口部の保護酸化膜を除去する方法が挙げられる。あるいは、所定の金属膜を堆積し、次いで、電極等を形成する部分にレジスト膜を形成し、その後、エッチングによりレジスト膜で覆われていない部分の金属膜を除去する方法を用いることができる。
【００４６】
上記のフォトリソグラフィー技術を用いて、ＳｉＣ単結晶基板の裏面にオーミック電極となる金属膜を形成し、次いで、アルゴン、窒素などの不活性ガスの雰囲気下で熱処理（シンター処理）してＳｉＣとの合金を形成し、オーミック電極とする。
【００４７】
オーミック電極を形成した後、同様にフォトリソグラフィー技術を用いて、ＳｉＣエピタキシャル膜の表面にショットキー電極となる金属膜を形成する。続いて、例えば中間金属膜となる金属膜をその上に形成した後、アルゴン、窒素などの不活性ガスの雰囲気下で熱処理（シンター処理）してショットキー電極とする。その後、上記のフォトリソグラフィー技術を用いて、中間金属膜の上にパッド電極となる金属膜を形成する。
【００４８】
本発明のショットキーダイオードは、パッド電極を介して、例えばアルミニウム等のワ
イヤボンディング、半田による接続、端子による接続などにより回路基板などの外部回路へ電気的に接続される。例えば、パッド電極を端子上にワイヤボンディングし、その後、端子の各端部を露出させた状態で、汎用の封止樹脂内に封止することにより、樹脂封止パッケージとしての半導体デバイスが得られる。このような半導体デバイスは、同一のＳｉＣ単結晶基板に複数のショットキーダイオードまたはショットキーダイオード以外の素子構造が形成された半導体モジュールであってもよい。
【００４９】
本発明のショットキーダイオードは、例えば、逆方向耐電圧が０．６〜５．０ｋＶ程度であるショットキーダイオードに好ましく適用できる。
なお、本発明のショットキーダイオードは、ショットキー電極にピンホールが形成されているものに限定されるものではなく、中間金属膜を設けたものを量産することによって歩留まりが向上する。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】図１は、本発明のショットキーバリアダイオードの実施例を示した断面図である。
【図２】図２は、本発明のショットキーバリアダイオードにおいて、ショットキー電極にピンホールが形成された場合を示した部分拡大断面図である。
【図３】図３は、従来のショットキーバリアダイオードを示した断面図である。
【図４】図４は、従来のショットキーバリアダイオードにおいて、ショットキー電極にピンホールが形成された場合を示した部分拡大断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１  ショットキーバリアダイオード
２  ＳｉＣ単結晶基板
３  ＳｉＣエピタキシャル膜
４  ショットキー電極
５  中間金属膜
６  パッド電極
７  オーミック電極
８  イオン注入層
９  ピンホール
【図１】
2007149839.tif 000003
【図２】
2007149839.tif 000004
【図３】
2007149839.tif 000005
【図４】
2007149839.tif 000006