(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高不純物濃度の半導体下地板上にエピタキシャル層と、前記エピタキシャル層上に前記エピタキシャル層より低不純物濃度の低濃度層とを有し、前記低濃度層の表面にショットキー接合を形成する電極を設けたショットキーバリアダイオードの製造方法において、前記エピタキシャル層の表面に熱酸化により酸化膜を形成する工程と、前記酸化膜への窓開け後に、形成温度が１０００℃以下で少なくとも前記エピタキシャル層上に前記低濃度層をエピタキシャル法により形成する工程と、前記低濃度層の表面にショットキー電極を形成する工程を備え、前記低濃度層の表面までドーパントが拡散していないことを特徴とするショットキーバリアダイオードの製造方法。
【請求項２】
前記エピタキシャル層の表面に熱酸化により酸化膜を形成する工程前において、前記エピタキシャル層の表面層は、逆電圧印加時に空乏層を広げて互いに連結させるための逆導電型領域が前記酸化膜への窓開けがなされる部分において形成されるように、逆導電型不純物の選択的な導入がなされたもの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バリアダイオードの製造方法。
【請求項３】
前記エピタキシャル層の表面に熱酸化により酸化膜を形成する工程前において、前記エピタキシャル層の表面層は、ガードリングが形成されるように、逆導電型不純物の選択的な導入がなされたもの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バリアダイオードの製造方法。
【請求項４】
分子線エピタキシャル法により前記低濃度層を成長する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の製造方法。
【請求項５】
ガス分子線エピタキシャル法により前記低濃度層を成長することを特徴とする請求項４に記載のショットキーバリアダイオードの製造方法。
【請求項６】
前記低濃度層の膜厚を１００nm以下とすることを特徴とする請求項４または５に記載のショットキーバリア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、金属−半導体界面からなるショットキ接合を利用した半導体整流装置であるショットキーバリアダイオード（以下ＳＢＤと略す）の製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
半導体に対してショットキーバリアを生じる材料を接合すると、thermo-emmisionが支配的な場合には式（１）で示す整流特性が得られる。
J =J0 ｛exp(qV/kT)-1｝                  （１）
J0は逆方向飽和電流密度であり、次式であらわされる。
J0=A* T2exp ｛-q( φb - Δφb )/kT｝    （２）
Δφb は鏡像効果によるバリア高さの減少分であり、次式であらわされる。
Δφb =(qEmax /4πεs )1/2                      （３）
0004312306.tif 000002
ここで、
J   : 電流密度
V   : 印加電圧
φb : バリア高さ
A * : リチャードソン定数
T   : 温度
q   : 電荷量
k   : ボルツマン定数
E max  : ショットキー接合における最大電界強度
Nd   : ドナー濃度
εs   : 半導体の誘電率
ξ    : フェルミレベルと伝導帯の底との差
である。
【０００３】
式（２) から明らかなように、バリア高さφb が高くなると、J0が小さくなるので、逆漏れ電流を抑えることができる。しかし実効的なバリア高さは、( φb - Δφb ) であり、鏡像効果によるバリア高さの減少分Δφb が逆方向特性を劣化させている。
【０００４】
逆漏れ電流の増加を防ぐには式（２）における鏡像効果による減少分△φb を少なくすればよい。式（３）、（４）に示すようにショットキ障壁高さの減少分△φb は最大電界強度の平方根に比例し、更に最大電界強度はキャリア濃度の平方根に比例する。
【０００５】
従って、逆電圧印加時のもれ電流を低減する方法としては、バリア金属の接触する半導体表面層のキャリア濃度= 不純物濃度を低くする方法がある。
【０００６】
しかし、単一層で不純物濃度を低くすると、シリーズ抵抗が増加し、電流を流した時の順方向電圧の増大を招く。
【０００７】
また、式（１）からバリア高さφb が高い時は、より大きい順方向電圧V を印加しないと、同じ順方向電流が得られないことがわかる。
【０００８】
このようにＳＢＤの順方向特性と逆方向特性にはトレードオフの関係があるが、このトレードオフの関係を改善して、順方向電圧を低くし、しかも逆方向特性も改善する試みがなされている。
【０００９】
例えば、ジャンクションバリアショットキーダイオード（Junction Barrier Schottky Diode 以下ＪＢＳと略す、 Chang,H. -R. and Baliga, B. J.,Solid State Electron., Vol.29, (1986) p.359 参照 ）や、トレンチモスバリアショットキーダイオード（Trench MOS Barrier Schottky Diode 以下ＴＭＢＳと略す、 Mehrotra, M., Baliga,B. J., Solid-state Electron. Vol.38, (1995) p.801 参照 ）、トレンチジャンクションバリアショットキーダイオード（Trench Junction Barrier Schottoky Diode 以下ＴＪＢＳと略す、 Kim, H. -S., Kim,S. -D., Han,M. -K. and Choi,Y. -I.,Jpn. J. Appl. Phys., Vol.34, (1995), p.913参照 ）、デュアルメタルトレンチショットキーダイオード（Dual Metal Trench Shcottky Diode 以下ＤＭＴＳと略す、 Schoen, K. J., Henning,J. P., Woodall,J. M., CooperJr., J. A. and Melloch, M. R., IEEE Electron Device Lett., Vol.19, (1998), p.97.参照）などである。これらは、ｐｎ接合やＭＯＳ構造等により、逆電圧印加時の空乏層を互いに連結させ（ピンチオフという）、表面での電界強度を低下させて、漏れ電流の増大を抑えたＳＢＤである。
【００１０】
しかし、このような構造のＳＢＤは、その製造に微細プロセスが必要であり、実現は容易でない。
【００１１】
トレードオフの関係を改善を図ったＳＢＤとしてはまた、特開平７−１１５２１１号公報に、エピタキシャル層の不純物に濃度勾配をつけ、深部では不純物濃度を高く、表面側では不純物濃度を低くした構造が開示されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
特開平７−１１５２１１号公報に記載されたＳＢＤの製造方法は、エピタキシャル成長時に不純物濃度を制御する方法と、低濃度のエピタキシャル層を成長した後サブストレートからの不純物の拡散を利用する方法である。
【００１３】
図８は、エピタキシャル成長により濃度勾配をつけた従来のＳＢＤの断面図である。
【００１４】
主面がほぼ（１１１）面の高不純物濃度のｎ+ 下地板１０上に、厚さ３μm のｎエピタキシャル層１１と、ｎエピタキシャル層１１より低不純物濃度のｎ- 低濃度層１２とを成長したエピタキシャルウェハを用いた。２０は、電界集中を防ぐためのｐガードリングである。２１は保護膜としての酸化膜である。３１はクロム（以下Ｃｒと記す）のバリア金属膜、３２はアルミニウム（以下Ａｌと記す）のキャップ金属膜である。９０は、金／ニッケル／チタン（以下それぞれＡｕ、Ｎｉ、Ｔｉと記す）からなるオーミック電極である。
【００１５】
しかし、エピタキシャル成長時に不純物濃度を制御する方法では、モノシラン（ＳｉＨ4 ）やジクロロシラン（ＳｉＨ2 Ｃｌ2 ）のような原料ガスの熱分解反応を利用するため、成長温度が１０００℃以上と高く、オートドーピングや拡散が起きやすく、順方向特性に影響しない厚さ（例えば１μm以下）の精密な不純物濃度制御は困難である。
【００１６】
また、サブストレートからの不純物の拡散を利用する方法では、表面の不純物濃度がエピタキシャル層の厚さに依存し、やはり精密な制御が困難である。また、エピタキシャル層の厚さが厚くなると、拡散に要する時間が長くなるという問題もある。
【００１７】
イオン注入法によりエピタキシャル層の表面層に逆導電型の不純物を注入して表面付近のキャリアを補償することにより、表面層の高抵抗化を図る方法も原理的には考えられるが、実際にキャリア濃度や厚さを精密に制御することの技術的難度は高い。
【００１８】
このような状況に鑑み本発明の目的は、シリーズ抵抗の増加を招くことなく逆漏れ電流を抑えたＳＢＤを、容易に、しかも安定して製造できる方法を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題解決のため本発明は、高不純物濃度の半導体下地板上にエピタキシャル層と、前記エピタキシャル層上に前記エピタキシャル層より低不純物濃度の低濃度層とを有し、前記低濃度層の表面にショットキー接合を形成する電極を設けたショットキーバリアダイオードの製造方法において、前記エピタキシャル層の表面に熱酸化により酸化膜を形成する工程と、前記酸化膜への窓開け後に、形成温度が１０００℃以下で少なくとも前記エピタキシャル層上に前記低濃度層をエピタキシャル法により形成する工程と、前記低濃度層の表面にショットキー電極を形成する工程を備え、前記低濃度層の表面までドーパントが拡散していないこととする。
【００２０】
そのようにすれば、低濃度層を形成後に高温加熱する工程がないことにより、下地板やエピタキシャル層から低濃度層へのオートドーピング等が抑止され、低濃度層表面が低濃度に保たれる。
【００２１】
前記エピタキシャル層の表面に熱酸化により酸化膜を形成する工程前において、前記エピタキシャル層の表面層は、逆電圧印加時に空乏層を広げて互いに連結させるための逆導電型領域が前記酸化膜への窓開けがなされる部分において形成されるように、逆導電型不純物の選択的な導入がなされたものであることとするとよい。
【００２２】
そのようにすれば、後記のように、低濃度層をもつＪＢＳが実現される。
【００２３】
前記エピタキシャル層の表面に熱酸化により酸化膜を形成する工程前において、前記エピタキシャル層の表面層は、ガードリングが形成されるように、逆導電型不純物の選択的な導入がなされたものであることとするとよい。
【００２４】
ガードリングを形成することにより、表面電界が緩和され、高耐圧化が図られるが、本発明の効果は変わらない。
【００２５】
低濃度層の成膜温度が１０００℃以下であることが重要である。
【００２６】
１０００℃を越える成膜をおこなうと、オートドーピング等が起き、低濃度層の表面の濃度が高くなってしまう。
【００２７】
成膜温度が１０００℃以下の具体的な方法としては、分子線エピタキシャル法やガス分子線エピタキシャル法であればよい。
【００２８】
低濃度層の膜厚が１００nm以下であれば、直列抵抗成分は余り問題にならないが、膜厚が１００nmを大きく越えると、順方向電圧が大きくなり始める。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【００３０】
〔実施例１〕
図１は、本発明第一の実施例のＳＢＤの断面図である。
【００３１】
主面がほぼ（１１１）面の高不純物濃度のｎ+ サブストレート１０上に、低不純物濃度の厚さ３μm のｎエピタキシャル層１１を成長したエピタキシャルウェハを用いた。２０は、電界集中を防ぐためのガードリングである。２１は保護膜としての酸化膜層である。２２は、不純物濃度が約一桁小さくなっているｎ- 低濃度層である。３１はクロム（以下Ｃｒと記す）のバリア金属膜、３２はアルミニウム（以下Ａｌと記す）のキャップ金属膜である。９０は、金／ニッケル／チタン（以下それぞれＡｕ、Ｎｉ、Ｔｉと記す）からなるオーミック電極である。
【００３２】
次に本発明のＳＢＤの製造方法について図を参照しながら説明する。図２（ａ）〜（ｆ）は図１のＳＢＤの製造工程順の断面図である。
【００３３】
まず、ｎサブストレート１０を準備する。ｎ+ サブストレート１０は、例えば砒素（Ａｓ）ドープ、不純物濃度２×１０19cm-3、厚さ５００μm である。ｎ+ サブストレート１０の表面の全面に、ＳｉＨ4 の熱分解により１１００℃でｎエピタキシャル層１１を成長する。ｎエピタキシャル層１１の不純物濃度は１．５×１０16cm-3である。
【００３４】
次いで、ｎエピタキシャル層１１の表面に、フォトレジスト４０をパターニングして動作領域の外周部に開口部を有するマスクを形成し、ｐガードリング２０のためのｐ型不純物、例えばほう素（Ｂ）を選択的にイオン注入する〔図２（ａ）〕。イオン注入の加速電圧は１００keV 、ドーズ量は１×１０15cm-2である。
【００３５】
フォトレジストを除去後１１５０℃３０分間の酸化工程をおこなって、ｐガードリング２０を形成する。このとき、約０．５μmの熱酸化膜２１がウエハー全面（裏面を含む）に形成される。フォトリソグラフィによりその酸化膜２１の中央部を除去し、コンタクト領域６０を形成する〔同図（ｂ）〕。このときウエハの裏面にもフォトレジストを塗布して、ウエハーの裏面の酸化膜を残す。
【００３６】
フォトレジストを除去した後、分子線エピタキシャル（以下ＭＢＥと記す）法により、ｎ- 低濃度層２２を形成する〔同図（ｃ）〕。成長条件は、基板温度を７００℃に保持し，シリコン源を電子ビームで加熱して蒸発させ、５０nmの厚さに成膜した。成長速度は約０．０５nms -1である。ドーピングはおこなわなかった。ｎ- 低濃度層２２の不純物濃度は、同時に成膜した別のサンプルの広がり抵抗（ＳＲ）測定から、１×１０15cm-3であり、ｎエピタキシャル層１１よりも低いことを確認した。
【００３７】
ｎ- 低濃度層２２を成長したウェハをＭＢＥ装置から取り出し、電極成膜用の真空蒸着装置にてバリア金属膜３１として厚さ２００nmのＴｉを電子ビーム蒸着で形成し，次いでキャップ金属膜３２として厚さ１μm のＡｌを電子ビーム蒸着で形成した〔同図（ｄ）〕。
【００３８】
電極等のパターニングのため、フォトレジスト４１をパターニングする〔同図（ｅ）〕。
【００３９】
リン酸と硝酸との混合溶液からなるエッチング液で、キャップ金属膜３２をエッチングした後，フッ酸溶液でバリア金属膜３１をエッチングする。ついでフッ酸、硝酸、酢酸の混合溶液でｎ- 低濃度層２２をエッチングする〔同図（ｆ）〕尚、酸化膜２１で電極部以外の全面を覆っているので、ｎエピタキシャル層１１はエッチングされない。最後に裏面に金／ニッケル／チタン三層のオーミック電極９０を形成してＳＢＤを完成する。
【００４０】
本実施例１のＳＢＤの電流−電圧特性の測定をおこなった。図３（ａ）は、順方向の、図３（ｂ）は逆方向の電流−電圧特性図である。比較のため、従来のエピタキシャル成長によりｎ- 低濃度層を形成したＳＢＤ（比較例）の電流−電圧特性も記した。
【００４１】
実施例１のＳＢＤと比較例の特性とを比較すると、順方向特性には有意な差は見られない。しかし、Ｖｒ＝２０Ｖでの逆漏れ電流は、比較例の約１／５に低減されている。
【００４２】
種々の実験の結果、ｎ- 低濃度層２２の成長温度が１０００℃以下の場合には、エピタキシャル層１１との間にドーパントの拡散がほとんどなく、逆漏れ電流が低減された。しかし、成長温度が１０００℃を越すと、ドーパントがｎ- 低濃度層２２の表面まで拡散し、逆漏れ電流が抑制されなかった。従って、ｐガードリング２０の形成や、酸化膜２１の成膜も、予めｎ- 低濃度層２２の形成前におこなっておくか、或いはｎ- 低濃度層２２の形成後であれば１０００℃以下でおこなわねばならない。
【００４３】
また、ｎ- 低濃度層２２の厚さについて実験した。図４は、ｎ- 低濃度層２２の厚さの順方向電圧に与える影響を示す特性図である。横軸は、ｎ- 低濃度層２２の厚さ、縦軸は電流密度１７５Acm -2における順方向電圧である。
【００４４】
ｎ- 低濃度層２２の厚さが１００nmを越すと順方向電圧が増大しはじめ、２００nmを越すと急激に増大することがわかる。
【００４５】
従って、ｎ- 低濃度層２２の厚さは２００nm以下、できれば１００nm以下が望ましい。
【００４６】
〔実施例２〕
図５は、本発明第二の実施例のＳＢＤの断面図であり、ＪＢＳに適用した例である。
【００４７】
ｎエピタキシャル層１１に選択的にほう素をイオン注入した後、図示しない熱酸化を形成する。このとき注入されたイオンが活性化され、同時にｐ拡散領域７０が形成された。電極形成部を窓開けした後、実施例１と同様にしてＭＢＥ法によりｎ- 低濃度層２２を形成した。バリア金属膜３１としてＴｉ、その上キャップ金属膜３２としてＡｌを蒸着し、パターニングした。
【００４８】
その結果、通常のエピタキシャル法によりｎ- 低濃度層を形成した従来のＪＢＳに比べ、Ｖｒ＝２０Ｖでの逆漏れ電流が約１／２に低減された。すなわち、図３の比較例に比べると、逆れ電流が約１／８に低減された。
【００４９】
[参考例]図６は、本発明参考例のＳＢＤの断面図であり、ＴＭＢＳに適用した例である。
【００５０】
エピタキシャル層１１の表面層に幅１．２μｍ、深さ１．２μｍの溝状のトレンチ５０を形成し、その内面に熱酸化膜５１を形成した。ＣＶＤ法によりトレンチに多結晶シリコン５２を埋め込み、トレンチ頂上面の多結晶シリコンおよび酸化膜を除去した後、実施例１と同様にしてＭＢＥ法によりｎ- 低濃度層２２を形成した。更に、バリア金属膜３１としてＴｉ、その上キャップ金属膜３２としてＡｌを蒸着し、パターニングした。
【００５１】
その結果、通常のエピタキシャル法によりｎ- 低濃度層を形成した従来のＴＭＢＳに比べ、Ｖｒ＝２０Ｖでの逆漏れ電流が約１／２に低減された。すなわち、図３の比較例に比べると、逆漏れ電流が約１／１０に低減された。
【００５２】
[実施例３]図７は、本発明第三の実施例のＳＢＤの断面図である。
【００５３】
実施例１の製造方法において、ＭＢＥ法によるｎ- 低濃度層２２の成長の際のシリコン原料を、固体のシリコンからシランガスに変更したＧＳＭＢＥ(ガスソース  ＭＢＥ)によるものである。
【００５４】
その場合、酸化膜２１上では、シランは分解しないので図に示すように、酸化膜２１で囲まれたｎエピタキシャル層１１上にのみ、ｎ- 低濃度層２２が成長する。成長条件は、ほぼ実施例１と同様で良い。
【００５５】
この方法によれば、電極のパターニング後のｎ- 低濃度層２２のパターニング工程を省略することができる利点がある。
【００５６】
他にも、バックグランドの真空度が１０-7Pa台のロードロック式のＣＶＤ(化学的気相成長法)装置を使ってｎ- 低濃度層２２を成長しても同様の結果が得られた。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、表面に低濃度層を設けたショットキーバリアダイオードの製造方法において、酸化膜形成や、逆導電型領域の形成等の高温熱処理をともなう操作をおこなった後、例えば分子線エピタキシー法のような方法で１０００℃以下の低温で低濃度層を形成し、その低濃度層表面へのショットキー電極の形成をおこなうことにより、低濃度層の不純物濃度が維持され、順方向と逆方向の両方向の特性を共に改善したＳＢＤを供給することが可能となる。実施例で示したように、通常のＳＢＤのみに限らず、ＪＢＳ、ＴＭＢＳにも適用され、順方向電圧を同じにしたとき、逆漏れ電流を１／８〜１／１０に低減できた。低濃度層の厚さを１００nm以下に抑えることにより、シリーズ抵抗の増加を抑えられる。
【００５８】
よって本発明は、低電圧電源用の整流素子としてのショットキーバリアダイオードの普及発展に大きな貢献をなすものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明実施例１のＳＢＤの断面図
【図２】  （ａ）〜（ｆ）は実施例１のＳＢＤの製造工程順の部分断面図
【図３】  実施例１のＳＢＤおよび比較例の電流−電圧特性図
【図４】  順方向電圧の低濃度層厚さ依存性を示す特性図
【図５】  本発明実施例２のＳＢＤの断面図
【図６】  本発明参考例のＳＢＤの断面図
【図７】  本発明実施例３のＳＢＤの断面図
【図８】  従来のＳＢＤの断面図
【図１】
0004312306.tif 000003
【図２】
0004312306.tif 000004
【図３】
0004312306.tif 000005
【図４】
0004312306.tif 000006
【図５】
0004312306.tif 000007
【図６】
0004312306.tif 000008
【図７】
0004312306.tif 000009
【図８】
0004312306.tif 000010