(57)【要約】      （修正有）【課題】量産性に優れ、欠陥密度が少なく優れた絶縁破壊電界を示すショットキーバリアダイオードを可能とする積層体、及びショットキーバリアダイオードを提供する。【解決手段】積層体１は、ｎ型酸化物半導体層１０と、ショットキー電極層２０を備え、ｎ型酸化物半導体層１０の終端表面１１が単分子膜７０を有する。単分子膜７０は、カルボン酸基、ホスホン酸基及びリン酸エステル基から選択される１種以上を含む化合物分子、又は有機シラン分子から構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型酸化物半導体層と、ショットキー電極層を備え、
前記ｎ型酸化物半導体層の終端表面が単分子膜を有することを特徴とする積層体。
【請求項２】
前記単分子膜が、カルボン酸基、ホスホン酸基及びリン酸エステル基から選択される１種以上を含む化合物分子、又は有機シラン分子から構成されることを特徴とする請求項１に記載の積層体。
【請求項３】
前記単分子膜が、自己集積化分子膜であることを特徴とする請求項１又は２に記載の積層体。
【請求項４】
前記ｎ型酸化物半導体層が、酸化インジウム及び酸化ガリウムから選択される１種以上を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の積層体。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の積層体を有するショットキーバリアダイオード。
【請求項６】
請求項５に記載のショットキーバリアダイオードを有する電気機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ショットキー特性を有する電極層（ショットキー電極層）とｎ型酸化物半導体層を備えた積層体、その積層体を含むショットキーバリヤーダイオード及び電気機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
大電流、高消費電力を実現するショットキーバリアダイオードとして、安価なＳｉウェハー基板にＳｉＣやＧａＮエピタキシャル成長させた例が開示されている（例えば特許文献１〜３）。
ＳｉＣに関しては、パワー半導体として好適な結晶構造は４Ｈ−ＳｉＣとされ、絶縁破壊電界として３ＭＶ／ｃｍ以上を実現している。しかしながら、格子の不整合が大きいため、Ｓｉ上に欠陥の少ない単結晶を歩留まりよくエピタキシャル成長させるのは困難である。３Ｃ−ＳｉＣであれば、Ｓｉウェハーに微細加工を施すか、Ｓｉ（２１１）面を使用することでエピタキシャル成長できるが、バンドギャップが狭くなるため、絶縁破壊電界は１．２ＭＶ／ｃｍに留まっている。
【０００３】
一方、ＧａＮも４Ｈ−ＳｉＣと同様に絶縁破壊電界が３ＭＶ／ｃｍ以上であり、量産のためＳｉ上に結晶成長する試みがなされている。しかし、Ｓｉと格子の不整合の点ではＳｉＣほどではないものの、ＡｌＮ等のバッファ層を介さないと結晶成長が困難であり、量産性に課題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１６４６３８号公報
【特許文献２】特開２０１０−４０９７２号公報
【特許文献３】特開２０１３−２２７１９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、量産性に優れ、欠陥密度が少なく優れた絶縁破壊電界を示すショットキーバリアダイオードを可能とする積層体、及び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する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、以下の積層体等が提供される。
１．ｎ型酸化物半導体層と、ショットキー電極層を備え、
前記ｎ型酸化物半導体層の終端表面が単分子膜を有することを特徴とする積層体。
２．前記単分子膜が、カルボン酸基、ホスホン酸基及びリン酸エステル基から選択される１種以上を含む化合物分子、又は有機シラン分子から構成されることを特徴とする１に記載の積層体。
３．前記単分子膜が、自己集積化分子膜であることを特徴とする１又は２に記載の積層体。
４．前記ｎ型酸化物半導体層が、酸化インジウム及び酸化ガリウムから選択される１種以上を含むことを特徴とする１〜３のいずれかに記載の積層体。
５．１〜４のいずれかに記載の積層体を有するショットキーバリアダイオード。
６．５に記載のショットキーバリアダイオードを有する電気機器。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、量産性に優れ、欠陥密度が少なく優れた絶縁破壊電界を示すショットキーバリアダイオードを可能とする積層体、及びショットキーバリアダイオードを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態に係る積層体を含むショットキーバリヤダイオードの概略断面図である。
【図２】図１に示すショットキーバリヤダイオードの半導体部分及び裏面電極部の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の積層体は、ｎ型酸化物半導体層と、ショットキー電極層を備え、ｎ型酸化物半導体の終端表面が単分子膜を有する。
【００１０】
ｎ型酸化物半導体の終端部とは、ウエハから個別に切り分けられたショットキーバリヤダイオードのｎ型酸化物半導体層が外気と触れる部分である。この終端部を単分子膜で覆うと、水分、酸素、空気中の炭酸ガス、硫化物、窒素酸化物、炭化水素成分、ハロゲン、アルカリ金属成分等が終端部表面に吸着したり、ｎ型酸化物半導体層内部へ拡散することによりショットキーバリヤダイオードの特性に影響を与えることを抑制できる。特に、長時間使用する際に、特性の変化を抑制できる。
【００１１】
また、ｎ型酸化物半導体層とショットキー電極層との間の一部に、絶縁膜を介在させることが好ましい。ｎ型酸化物半導体とショットキー電極層との間の一部に絶縁層が介在することにより、ショットキー電極層への電力の集中を緩和させ、耐電圧性を向上させられる。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態に係る積層体を含むショットキーバリヤダイオードの概略断面図である。図２は、図１に示すショットキーバリヤダイオードの半導体部分及び裏面電極部の概略断面図である。
【００１３】
図１の積層体１は、ｎ型酸化物半導体層１０と、その上にショットキー電極層２０を備え、ｎ型酸化物半導体層１０とショットキー電極層２０との間の一部に、絶縁膜３０が形成されている。ｎ型酸化物半導体１０の終端表面１１には単分子膜７０が形成されている。
図示するように、絶縁膜介在領域Ａと絶縁膜非介在領域Ｂがある。絶縁膜非介在領域Ｂでは、ｎ型酸化物半導体層１０とショットキー電極層２０は接触している。絶縁膜３０は、絶縁膜非介在領域Ｂに向かって薄くなり、角度θ（３０度）でテーパーしている。
ショットキー電極層２０の上には、アルミニウム層４０が形成されている。
【００１４】
この実施形態では、ショットキー電極層２０は、ショットキー特性を有する金属からなる第１の層２１と、ショットキー特性を有する金属からなる第２の層２２の積層体である。第１の層２１と第２の層２２はそれぞれ別の金属層とすることが望ましい。第１の層２１は、ｎ型酸化物半導体層１０と接触（作用）しショットキー特性を発揮する層である。第２の層２２は、この層自身もショットキー特性を有し、且つ、上部に積層されるアルミニウム層からアルミニウム原子が第１の層２１に侵入し、ショットキー特性を低下させたり、電気的な抵抗層になることを防ぐ役割を担っている。第１の層２１を厚くしても、アルミニウムの拡散や反応を抑制し難いため、第２の層２２を設け材質の違う積層構造とするのが好ましい。このように機能分離することにより、より安定的に、ショットキー特性を保つことができるようになる。
【００１５】
ｎ型酸化物半導体層１０のショットキー電極層２０が設けられた面と対向する面に、オーミック電極層５０がある。このオーミック電極層５０の詳細を図２に示す。図２において、符号１０はｎ型酸化物半導体層を示し、符号５０はオーミック電極層であり、オーミック電極層は支持基板を含む場合もある。
【００１６】
この実施形態では、オーミック電極層５０は、酸化されても導電性を有する金属又は導電性金属酸化物からなる層５１、酸素の拡散を防ぐ拡散防止層５２、シリコンとの接触抵抗を減らすためのシリサイドを形成する金属層５３、及びシリコンウエハ５４から構成される。さらに、好ましくは、電極を取り出すための裏面コンタクト層６０を形成する。オーミック電極層５０を、ｎ型に高濃度ドープされたβ―Ｇａ２Ｏ３基板、α―Ｇａ２Ｏ３基板、ＩｎＧａＯ３基板に用いることもできる。酸化物基板を用いる場合、オーミック電極層を介しても、介さなくてもよく、電極を取り出すための裏面コンタクト層６０を形成してもよい。エピタキシャル成長を行う場合、酸化物基板の表面を酸素プラズマにて処理した後に、酸化物をエピタキシャル成長させると欠陥の少ないエピタキシャル膜が得られやすくなる。
【００１７】
ｎ型酸化物半導体層としては、ｎ型にドーピングされたβ―Ｇａ２Ｏ３層や、ｎ型にドーピングされたα―Ｇａ２Ｏ３層等を使用できる。
【００１８】
性能を発揮しやすい点から好ましい基板は、バンドギャップが大きいｎ型にドーピングされたβ―Ｇａ２Ｏ３やα―Ｇａ２Ｏ３からなるｎ型酸化物半導体層を含む基板である。これらの基板は、結晶性の良い欠陥の少ないｎ型酸化物半導体層を形成するのに有利である。さらに好ましい基板としては、ｎ型にドーピングされたシリコンウエハ上に形成されたｎ型酸化物半導体である。一般的にシリコンウエハは大量生産されており、容易に入手でき、さらにオーミックコンタクト層を介して、ｎ型酸化物半導体層を形成することにより好適に使用される。
【００１９】
絶縁膜の厚みは、高電圧に耐えるために、好ましくは０．１μｍから３０μｍである。０．１μｍ未満では、ショットキーバリヤダイオード素子の耐電圧が低下する場合があり、３０μｍ超では、形成するのに時間が掛かりすぎ、高価になる場合がある。より好ましくは、０．５μｍから１５μｍであり、さらに好ましくは、１μｍから１０μｍである。
【００２０】
絶縁膜介在領域と絶縁膜非介在領域の境界領域では、絶縁膜をテーパー加工することが好ましい。テーパー加工することにより、境界領域での膜厚の急激な変動を抑えることができ、素子の耐電圧性を低下させない。テーパー角は、好ましくは１５度から７０度である。１５度未満では境界領域が広くなりすぎ、素子の取り数が低下することがある。７０度超では、急激な膜厚変動により耐電圧性が低下する場合がある。より好ましくは、２０度から６０度であり、さらに好ましくは、２５度から５０度である。
テーパー加工された絶縁膜のエッチングには、通常用いられているドライエッチング、ウエットエッチング等の方法が用いることができる。
【００２１】
絶縁膜は、酸化ケイ素、酸化アルミニウム及び窒化珪素から選択される１種又は２種以上の単一膜又は積層膜とすることが好ましい。ｎ型酸化物半導体層と接触する絶縁膜は、酸化物が望ましい。窒化物を成膜する場合に、ｎ型酸化物半導体層を還元し、キャリヤーを発生する恐れがあるためである。酸化ケイ素と酸化アルミニウムを比べた場合、酸化アルミニウムの方が酸素不導体としての作用があるので、絶縁膜として好ましい。
【００２２】
ｎ型酸化物半導体層は、酸化インジウム及び酸化ガリウムから選択される１種以上を含むことが好ましい。
【００２３】
具体的には、β―Ｇａ２Ｏ３相、α―Ｇａ２Ｏ３相又はＩｎＧａＯ３相の単一結晶相からなることが好ましい。
単一結晶相を形成する組成は、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＝９０〜１００原子％、又はＧａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＝４５〜５５原子％である。Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＝９０〜１００原子％の場合は、Ｉｎがドーピングされるか、もしくはドーピングされていないβ―Ｇａ２Ｏ３、α−Ｇａ２Ｏ３を形成することができる。基板の選定、成膜の条件、結晶化させる温度等によりβ―Ｇａ２Ｏ３、α−Ｇａ２Ｏ３を形成することができる。β―Ｇａ２Ｏ３を形成する場合は、ｎ型ドーピングされたβ―Ｇａ２Ｏ３基板を使用できる。一方、α−Ｇａ２Ｏ３を形成する場合は、サファイヤ上に製膜しその後剥離して製造できる。具体的には、サファイヤ基板上に、ミストＣＶＤ、イオンプレーティング、スパッタリング等によりｎ型にドーピングしたＧａ２Ｏ３膜を加熱下で形成したり、形成後加熱により結晶化して形成することができ、サファイヤ基板から剥離して基板として使用することができる。
組成がＧａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＝４５〜５５原子％である場合は、ＩｎＧａＯ３相を形成することができる。
【００２４】
ｎ型酸化物半導体層の厚みは特に限定されないが、通常、０．１μｍ以上１００μｍ以下であり、好ましくは０．５μｍ以上５０μｍ以下である。
【００２５】
ショットキー電極層として、仕事関数の大きな金属からなる金属層の２種以上を積層した積層体、又は仕事関数の大きな金属からなる金属層と仕事関数の大きな金属の酸化物からなる金属酸化物層の積層体を用いることかできる。仕事関数は、通常４．４ｅＶ以上であり、好ましくは４．５ｅＶ以上である。仕事関数の上限は、通常６．５ｅＶである。具体的な金属は、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｍｏ及びＴｉ等であり、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｔｉ等が好適に使用される。
仕事関数の大きな金属が高価な金属である場合、その金属はｎ型酸化物半導体と接するごく薄い層として使用し、他の金属からなる層を積層するとよい。
仕事関数は、光電子分光法により測定することができる。
【００２６】
ショットキー電極層を、ショットキー特性を有する金属層と、ｎ型酸化物半導体層側に、金属層の金属の酸化物を含むショットキー特性を有する金属酸化物層とを含む積層体とすることができる。ショットキー電極層として、金属層と金属酸化物層の積層体を用いるとき、仕事関数の大きな金属層を成膜した後に、熱処理等によりｎ型酸化物半導体層と接触している金属層の部分を酸化させて金属酸化物層とし、酸化されていない金属層の部分を金属層とすることもできる。
【００２７】
ショットキー電極層の厚みは特に限定されないが、通常、０．０２μｍ以上１０μｍ以下であり、好ましくは０．０５μｍ以上５μｍ以下である。図１において、第１のショットキー層２１は、通常、０．０２μｍ以上１μｍ以下であり、好ましくは０．０３μｍ以上０．５μｍ以下である。第２のショットキー層２２は、通常、０．０２μｍ以上１μｍ以下であり、好ましくは０．０３μｍ以上０．５μｍ以下である。
【００２８】
単分子膜は、カルボン酸基、ホスホン酸基及びリン酸エステル基から選択される１種以上を含む化合物分子、又は有機シラン分子から構成することができる。
カルボン酸基を含む化合物として、Ｒ−ＣＯＯＨと表される化合物等が挙げられる。Ｒは、例えば、アルキル基、アリール基等の炭化水素基を示す。
ホスホン酸基を含む化合物として、Ｒ−ＰＯ３Ｈ２と表される化合物等が挙げられる。Ｒは、例えば、アルキル基、アリール基等の炭化水素基を示す。
リン酸エステル基を含む化合物として、ＲＯ−ＰＯ３Ｈ２と表される化合物等が挙げられる。Ｒは、例えば、アルキル基、アリール基等の炭化水素基を示す。
【００２９】
有機シラン化合物としては、Ｒ−ＳｉＸ３と表される化合物等が挙げられる。Ｘは、例えば、塩素、臭素、ヨウ素等のハロゲン原子、−ＯＣＨ３、−ＯＣ２Ｈ５等のアルコキシ基を示す。Ｒは、例えば、アルキル基、アリール機等の炭化水素基を示す。
また、ヘキサメチルジシラザン：［（ＣＨ３）３Ｓｉ］２ＮＨ等のシラザン化合物を用いることができる。
【００３０】
単分子膜は、好ましくは自己集積化分子膜である。自己集積化分子膜とは、自己集積化／自己組織化によって、形成される単分子膜である。これらは、有機分子の化学吸着過程で固体表面に形成される分子会合体である。吸着分子同士の相互作用によって会合体構成分子が密に集合し、分子配向と配列が高度に規則的な構造が自動的に形成されていることが特徴である。これらの自動的に形成される自己集積化／自己組織化膜により、ウエハのダイシング工程で発生した終端部表面の亀裂やボイド、凹凸等微細な傷等の表面を覆うことが可能となる。
【００３１】
樹脂でも封止できるが、自己集積化分子膜は、樹脂等が侵入できない微細な亀裂やボイド、凹凸等や傷等の表面を、自動的に自己集積化／自己組織化により覆うことができる。これにより、より安定的に作動する素子が得られる。
【００３２】
単分子膜は、単分子形成材を含む液に浸漬したり、単分子膜を形成する分子の蒸気に接触させたりして形成できる。例えば、ダイシングにより個別に分けられたショットキーバリヤダイオード素子を、洗浄・乾燥後に、ヘキサメチルジシラザン蒸気に接触させたり、ヘキサメチルジシラザン溶液に接触させることにより、自発的に自己集積化膜／自己組織化膜が形成される。
【００３３】
オーミック電極層は、ｎ型基板とｎ型酸化物半導体層をオーミックコンタクトさせるための機能を有しており、オーミック電極層とｎ型酸化物半導体層の間に金属インジウム層及び／又は酸化インジウム層を積層する構成が好適に用いられる。
ｎ型基板が、ｎ型にドーピングされたシリコンウエハの場合、シリコンと接触するオーミック層はシリサイドを形成する金属が使用され、ｎ型酸化物半導体層と接触する層に酸化されても導電性を有する金属又は導電性金属酸化物が使用される。シリサイドを形成する金属層と酸化されても導電性を有する金属又は導電性金属酸化物層の間には、酸素の拡散を防ぐ拡散防止層を挟むことができる。シリサイドを形成する金属としては、Ｍｏ、Ｔｉ、等が使用できる。酸化されても導電性を有する金属又は金属酸化物としては、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｎ、ＩｎＳｎ合金、Ｍｏ、Ｔｉ、ＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＭｏＯ２、ＴｉＯ２、インジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物等が使用できる。好ましくは、Ｉｎ、Ｓｎ、ＩｎＳｎ合金、インジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物である。酸素の拡散を防ぐ拡散防止層は、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｎ、ＩｎＳｎ合金、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ等が使用できる。
【００３４】
本発明のショットキーバリアダイオードは、交流電流を直流電流に変換するコンバーター等の電気機器に好適に使用できる。
【００３５】
上記に本発明の実施形態を説明したが、当業者は、本発明の特徴から実質的に離れることなく、これら例示である実施形態に多くの変更を加えることが容易である。これらの変更は本発明の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３６】
１  積層体
１０  ｎ型酸化物半導体層
１１  ｎ型酸化物半導体層の終端表面
２０  ショットキー電極層
２１  第１のショットキー層
２２  第２のショットキー層
３０  絶縁膜
４０  アルミニウム層
５０  オーミック電極層
５１  酸化されても導電性を有する金属又は導電性金属酸化物からなる層
５２  拡散防止層
５３  シリサイドを形成する金属層
５４  シリコンウエハ
６０  裏面コンタクト層
７０  単分子膜
θ  テーパー角
Ａ  絶縁膜介在領域
Ｂ  絶縁膜非介在領域
【図１】
2017112127.tif 000003
【図２】
2017112127.tif 000004