(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主表面（１ａ）とその反対面である裏面（１ｂ）とを有した第１導電型の半導体基板（１）と、
前記半導体基板の主表面上に設けられ、前記半導体基板よりも低濃度で、かつ、４Ｈ−ＳｉＣ又は６Ｈ−ＳｉＣで構成された第１導電型の第１の半導体層（２）と、
前記第１の半導体層の上面に設けられ、前記第１の半導体層よりもバンドギャップが小さく、かつ、３Ｃ−ＳｉＣで構成された第１導電型の第２の半導体層（３）と、
前記第２の半導体層を貫通して前記第１の半導体層に達する溝部（４）と、
前記半導体基板の裏面にオーミック接触された第１の金属層（６）と、
前記第２の半導体層にショットキー接触されていると共に、前記溝部を介して前記第１の半導体層にもショットキー接触された第２の金属層（５）とを備えていることを特徴とするショットキーダイオード。
【請求項２】
前記溝部における底面の幅をＷｔとし、前記第２の半導体層のうち、前記溝部の幅（Ｗｔ）と同方向の幅をＷｍとすると、前記第２の半導体層における幅Ｗｍは、前記第１金属層側が前記第２の金属層よりも低電圧となる逆方向バイアスがかけられた時に、前記第２の半導体層の下方において、前記第１の半導体層内に延びる空乏層がピンチオフするように設定されてい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】
前記第２の半導体層は前記溝部によってメサ形状を構成しており、前記溝部の幅Ｗｔは、前記メサ形状をなす第２の半導体層における幅Ｗｍよりも大きくなっていることを特徴とする請求項２に記載のショットキーダイオード。
【請求項４】
前記溝部の深さは、前記第２の半導体層の厚みよりも大きくなっていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のショットキーダイオード。
【請求項５】
前記主表面は、（０００１）Ｓｉ面であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載のショットキーダイオード。
【請求項６】
主表面（１ａ）とその反対面である裏面（１ｂ）とを有した第１導電型の半導体基板（１）を用意する工程と、
前記半導体基板の主表面上に、該半導体基板よりも低濃度で、かつ、４Ｈ−ＳｉＣ又は６Ｈ−ＳｉＣで構成された第１導電型の第１の半導体層（２）を形成する工程と、
前記第１の半導体層の上面に前記第１の半導体層よりもバンドギャップが小さく、かつ、３Ｃ−ＳｉＣで構成された第１導電型の第２の半導体層（３）を形成する工程と、
前記第２の半導体層を貫通して前記前記第１の半導体層に達する溝部（４）を形成する工程と、
前記半導体基板の裏面に、該半導体基板とオーミック接触となる第１の金属層（６）を形成する工程と、
前記溝内を含む前記第２の半導体層上に、前記第２の半導体層及び前記第１の半導体層にショットキー接触となる第２の金属層（５）を形成する工程と、
を含む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７】
前記溝部を形成する工程は、前記溝部の深さが前記第２の半導体層の厚みよりも大きくなるようにすることを特徴とする請求項６に記載のショットキーダイオードの製造方法。
【請求項８】
前記第２の半導体層を形成する工程は、エピタキシャル成長によって前記第１の半導体層上に前記第２の半導体層を形成することを特徴とする請求項６又は７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、金属と半導体とのショットキー障壁を利用したショットキーダイオード（ショットキー・バリア・ダイオード）及びその製造方法に関し、高速スイッチング用のダイオードやＭＥＳＦＥＴに適用して好適である。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、金属と半導体とのショットキー障壁を利用したショットキーダイオードが知られている。このショットキーダイオードは、多数キャリアが動作を支配する多数キャリアデバイスであり、ＰＮ接合ダイオードのように少数キャリアの蓄積効果がないため、スイッチング速度が早いということで有効である。
【０００３】
そして、このショットキーダイオードの耐圧の向上を目的として、炭化珪素（ＳｉＣ）を使用したショットキーダイオードの研究が進められている。
この炭化珪素を使用したショットキーダイオードを図６に示す。高濃度のｎ+ 型炭化珪素基板５０の表面には低濃度のｎ- 型エピタキシャル層５１が形成されており、このｎ- 型エピタキシャル層５１上にＡｌ膜５２がｎ- 型エピタキシャル層５１とショットキー接触するように形成されている。そして、ｎ+ 型炭化珪素基板５０の裏面にはＴｉやＮｉからなる金属膜５３がｎ+ 型炭化珪素基板５０とオーミック接触するように形成されている。
【０００４】
また、ｎ- 型エピタキシャル層５１には、ショットキー障壁が大きくなる４Ｈや６Ｈの炭化珪素が使用されており、これにより耐圧向上が図られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ショットキーダイオードの電力消費は順方向バイアスにおけるショットキー障壁に起因する接触抵抗と逆方向バイアスにおけるリーク電流に依存する。このため、電力消費低減のためには、順方向バイアスにおいては低いショットキー障壁、逆バイアスにおいては高いショットキー障壁となることが理想である。
【０００６】
しかしながら、上記従来の炭化珪素を使用したショットキーダイオードでは、逆方向バイアスにおける耐圧が高くなるだけでなく、順方向バイアスにおけるショットキー障壁に起因する接触抵抗も大きくなってしまい、電力消費量が多くなるという問題がある。
本発明は上記問題に鑑みて成され、逆方向バイアスにおけるショットキー障壁が高く、順方向バイアスにおけるショットキー障壁が小さくできる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。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、以下の技術的手段を採用する。請求項１乃至５に記載の発明においては、半導体基板（１）よりも低濃度で、かつ、４Ｈ−ＳｉＣ又は６Ｈ−ＳｉＣで構成された第１の半導体層の上面に該第１の半導体層よりもバンドギャップが小さく、かつ、３Ｃ−ＳｉＣで構成された第２の半導体層（３）を備えると共に、第２の半導体層を貫通して第１の半導体層に達する溝部（４）を備え、第２の金属層（５）を第２の半導体層及び第１の半導体層にショットキー接触させていることを特徴としている。
【０００８】
このように、第１の半導体層よりもバンドギャップが小さな第２の半導体層を備え、この第２の半導体層も第２の金属層とショットキー接触させることによって、第１の半導体層と第２の半導体層間のショットキー障壁は大きくなり、第２の半導体層と第２の金属層間のショットキー障壁は小さくなる。このため、逆方向バイアスにおいては第１の半導体層にて耐圧を高くでき、順方向バイアスにおいては第２の半導体層にてショットキー障壁に起因する接触抵抗を低くすることができる。これにより、ショットキーダイオードの消費電力低減を図ることができる。
【０００９】
具体的には、請求項２に示すように、溝部における底面の幅をＷｔとし、第２の半導体層のうち、溝部の幅（Ｗｔ）と同方向の幅をＷｍとすると、第２の半導体層における幅Ｗｍに関して、逆方向バイアスがかけられた時に、第２の半導体層の下方において、第１の半導体層内に延びる空乏層がピンチオフするように設定すれば、ショットキー耐圧の高い溝部の底部で耐圧を持たせることができる。これにより、逆方向バイアス時にはショットキー障壁が低く、耐圧が低い第２の半導体層では耐圧を持たせないようにできる。
【００１０】
請求項４に記載の発明においては、溝部の深さは、第２の半導体層の厚みよりも大きくなっていることを特徴としている。これにより、第１の半導体層と第２の半導体層との界面が電圧印加時における電界集中によって絶縁破壊されることから防止できる。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、半導体基板（１）の主表面（１ａ）は、（０００１）Ｓｉ面であることを特徴としている。このように、主表面として（０００１）Ｓｉ面を採用することにより、結晶欠陥が少なく、かつショットキー障壁を高くすることができる。
請求項６乃至８に記載の発明においては、主表面（１ａ）とその反対面である裏面（１ｂ）とを有し、高濃度で構成された第１導電型の半導体基板（１）を用意する工程と、半導体基板の主表面上に、該半導体基板よりも低濃度である第１導電型の第１の半導体層（２）を形成する工程と、第１の半導体層の上面に第１の半導体層よりも電位障壁が小さな半導体で構成された低濃度の第１導電型の第２の半導体層（３）を形成する工程と、第２の半導体層を貫通して第１の半導体層に達する溝部（４）を形成する工程と、半導体基板の裏面に、該半導体基板とオーミック接触となる第１の金属層（６）を形成する工程と、溝部内を含む第２の半導体層上に、第２の半導体層及び第１の半導体層にショットキー接触となる第２の金属層（５）を形成する工程と、を含むことを特徴としている。
【００１２】
このような工程を用いてショットキーダイオードを製造することにより、請求項１に記載されたショットキーダイオードを製造することができる。請求項８に記載の発明においては、第２の半導体層を形成する工程は、エピタキシャル成長によって第１の半導体層上に第２の半導体層を形成することを特徴としている。
【００１３】
このようにエピタキシャル成長によって第２の半導体層を形成すれば、制御性よく第２の半導体層を形成することができる。
なお、上記した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。
図１に本発明の一実施形態を適用したショットキーダイオードの断面構成を示す。以下、この図に基づいてショットキーダイオードの構造について説明する。なお、本実施形態では移動度が大きくできるｎ型半導体に本発明の一実施形態を適用している。
【００１５】
ショットキーダイオードには、主表面１ａとその反対面である裏面１ｂを有する高濃度のｎ+ 型炭化珪素基板１が使用されている。このｎ+ 型炭化珪素基板１は、６Ｈ−ＳｉＣや４Ｈ−ＳｉＣ等の炭化珪素で構成されており、このｎ+ 型炭化珪素基板１の主要面１ａとしては（０００１）Ｓｉ面が採用されている。この（０００１）Ｓｉ面を用いることにより結晶欠陥を少なくできると共に、ショットキー障壁を高くすることができる。
【００１６】
ｎ+ 型炭化珪素基板１の主表面１ａ上には、ｎ+ 型炭化珪素基板１よりも低濃度な第１の半導体層としてのｎ- 型エピタキシャル層（以下、ｎ- 型エピ層という）２が形成されている。このｎ- 型エピ層２は、６Ｈ−ＳｉＣや４Ｈ−ＳｉＣ等の炭化珪素で構成されている。
そして、このｎ- 型エピ層２上には、ｎ- 型エピ層２と同等の濃度を有する第２の半導体層としてのｎ- 型層３が形成されている。このｎ- 型層３は３Ｃ−ＳｉＣで構成されている。３Ｃ−ＳｉＣは、６Ｈ−ＳｉＣや４Ｈ−ＳｉＣと比べてショットキー障壁が低くなっている。
【００１７】
このショットキーダイオードには、ｎ- 型層３を貫通してｎ- 型エピ層２まで達する溝部（トレンチ）４が形成されており、この溝部４によってｎ- 型層３及びｎ- 型エピ層２の表層部はメサ形状となっている。この溝部４は深さがｎ- 型層３の厚みよりも大きくなっており、ｎ- 型層３とｎ- 型エピ層２との境界部が溝部４の側面に位置している。
【００１８】
また、ｎ- 型層２の幅Ｗｍは、溝部４の底面の幅Ｗｔよりも狭く形成されていると共に、溝部４の深さよりも狭く形成されている。
さらに、溝部４内及びｎ- 型層３を覆うように第２の金属層としてのＡｌ膜５が備えられている。このＡｌ膜５がアノード電極を構成している。このＡｌ膜５とｎ- 型層３及びｎ- 型エピ層２とはショットキー接触している。
【００１９】
また、ｎ+ 型半導体基板１の裏面１ｂには第１の金属層としてのＮｉＡｌ膜６が形成されている。このＮｉＡｌ膜６はカソード電極を構成している。このＮｉＡｌ膜６とｎ+ 型半導体基板１とはオーミック接触している。
このように構成されたショットキーダイオードは、ＮｉＡｌ膜６側がＡｌ膜５側よりも高電位となる順方向バイアスがかけられたときには、電子をキャリアとした順方向電流が流れる。
【００２０】
このとき、電位障壁の低い３Ｃ−ＳｉＣで構成されたｎ- 型層３がＡｌ膜５と接触するようにしているため、電位障壁の低いｎ- 型層３を介して順方向電流が流れるようにできる。この順方向バイアス時における電圧−順方向電流特性をシミュレーションした。その結果を図２に示す。この図は、３Ｃ−ＳｉＣとＡｌとをショットキー接触させたときにおいて順方向バイアスを印加したときの電圧−順方向電流特性である。なお、図２において順方向電流は１μｍ2 当たりに流れる大きさで示してある。
【００２１】
この図に示されるように、３Ｃ−ＳｉＣとＡｌをショットキー接触させた場合において順方向電流が立ち上がるときの電圧値は低くなる。このため、３Ｃ−ＳｉＣからなるｎ- 型層３とＡｌ膜５とのショットキー接触を備えることにより、電位障壁を低くすることができる。これにより、順方向バイアスにおいては電位障壁の高さを３Ｃ−ＳｉＣの高さにでき、電位障壁を低くすることができる。
【００２２】
そして、ＮｉＡｌ膜６側がＡｌ膜５側よりも低電位となる逆方向バイアスがかけられたときには、ｎ- 型エピ層２及びｎ- 型層３とＡｌ膜５との間におけるショットキー障壁により逆方向電流が流れにくくなる。
この逆方向バイアスにおける空乏層の延びを図２中に点線で示す。この図に示されるように、空乏層は、炭化珪素と金属との仕事関数の差に応じてｎ- 型エピ層２及びｎ- 型層３内に延びる。そして、ｎ- 型エピ層２においては６Ｈ−ＳｉＣとＡｌの仕事関数差に相応して空乏層が延び、このｎ- 型エピ層２内に延びる空乏層によってｎ- 型エピ層２の下方においてピンチオフされる。なお、ｎ- 型層３の幅Ｗｍを上記幅で設定しているため、溝部４の両側から延びる空乏層によってピンチオフがし易くできる。
【００２３】
このため、逆方向バイアスにおけるショットキー耐圧は、ｎ- 型エピ層２を構成する４Ｈ−ＳｉＣ又は６Ｈ−ＳｉＣとＡｌ膜５とのショットキー障壁によって決定される。このように、逆方向バイアスにおいては電位障壁の高さを４Ｈ−ＳｉＣ又は６Ｈ−ＳｉＣの高さにでき、電位障壁を高くすることができる。
このように、金属と半導体との接触部分に、ショットキー障壁の高い４Ｈ−ＳｉＣ又は６Ｈ−ＳｉＣからなるｎ- 型エピ層２と、ショットキー障壁の低い３Ｃ−ＳｉＣからなるｎ- 型層３とを組み合わせることにより、逆方向バイアスにおけるショットキー障壁は高く、順方向バイアスにおける電位障壁が小さなショットキーダイオードにすることができる。これにより、ショットキーダイオードの消費電力低減を図ることができる。
【００２４】
また、上述したように、溝部４の深さがｎ- 型層３の厚みよりも大きくなるようにしており、ｎ- 型層３とｎ- 型エピ層２の界面がメサ形状の側面に位置するようになっている。これは溝部４の底面と側面との境界部では電界集中が発生し易く、この部位に結晶形が変化するｎ- 型層３とｎ- 型エピ層２との界面が位置すると電界集中によって絶縁破壊し易くなる可能性があるからであり、このようにｎ- 型層３とｎ- 型エピ層２との界面をメサ形状の側面に位置するようにすることで絶縁破壊を防止することができる。
【００２５】
次に、図１に示すショットキーダイオードの製造方法について説明する。図４〜図５にショットキーダイオードの製造工程を示す。
〔図４（ａ）に示す工程〕
まず、１００μｍ程度の６Ｈ−ＳｉＣ（又は４Ｈ−ＳｉＣ）からなる高濃度のｎ+ 型炭化珪素基板１を用意する。そして、このｎ+ 型炭化珪素基板１の主表面１ａ上に１０．０μｍ程度の膜厚で６Ｈ−ＳｉＣ（又は４Ｈ−ＳｉＣ）からなる低濃度のｎ- 型エピ層２をエピタキシャル成長させる。
【００２６】
〔図４（ｂ）に示す工程〕
ｎ- 型エピ層２の上面からＳｉイオン及びＣイオンのイオン注入を行う。これにより、ｎ- 型エピ層２の表層部にダメージ層が形成される。このダメージ層は例えばアモルファス状態となっている。
なお、このとき注入されるＳｉイオンとＣイオンの比を１：１としており、後で行うアニール処理でＳｉイオンとＣイオンとを過不足なく反応させて、すべてＳｉＣとなるようにしている。
【００２７】
〔図４（ｃ）に示す工程〕
アニール処理を施し、ダメージ層を再結晶化させる。これにより、６Ｈ−ＳｉＣで構成されていたｎ- 型エピ層２の表層部の結晶性が変化して、３Ｃ−ＳｉＣからなるｎ- 型層３が形成される。
〔図５（ａ）に示す工程〕
次に、フォト・エッチングによりｎ- 型層３を貫通しｎ- 型エピ層２まで達する溝部４を形成する。これにより、ｎ- 型エピ層２の一部とｎ- 型層３とが部分的に突出したメサ形状となる。
【００２８】
〔図５（ｂ）に示す工程〕
ｎ+ 型炭化珪素基板１の裏面側にＮｉＡｌ膜６を成膜し、熱処理を施す等してｎ+ 型炭化珪素基板１とＮｉＡｌ膜６とをオーミック接触させる。これにより、ショットキーダイオードのカソード電極が形成される。
〔図５（ｃ）に示す工程〕
引き続き、溝部４内を含むｎ- 型層３の上面にＡｌ膜５を成膜し、ｎ- 型層３及びｎ- 型エピ層２とＡｌ膜５とをショットキー接触させる。これにより、これにより、ショットキーダイオードのカソード電極が形成され、ショットキーダイオードが完成する。
【００２９】
このように形成されたショットキーダイオードは、例えばパワースイッチング素子を作製するのに用いることができる。
（他の実施形態）
上記実施形態では、イオン注入によって３Ｃ−ＳｉＣからなるｎ- 型層３を形成したが、エピタキシャル成長によって３Ｃ−ＳｉＣからなるｎ- 型層３を形成してもよい。この場合、制御性よく３Ｃ−ＳｉＣを形成することが可能となるという効果も得られる。
【００３０】
また、上記実施形態では、ｎ- 型層３を形成するためにＳｉイオンとＣイオンをイオン注入したが、不純物として作用しないもの例えばアルゴン、水素、若しくはヘリウム等を使用しても同様の効果が得られる。
さらに、上記実施形態では、ショットキー障壁を小さくするためにｎ- 型層３を３Ｃ−ＳｉＣで構成したが、ｎ- 型エピ層２を構成する炭化珪素の結晶形よりも電位障壁が低いもので構成すれば、消費電力低減の効果を得ることができる。
【００３１】
そして、上記実施形態ではショットキー接触させる電極（アノード側電極）としてＡｌ膜５を用いたが、これは４Ｈ−ＳｉＣ又は６Ｈ−ＳｉＣとショットキー接触させたときの電位障壁が高く、３Ｃ−ＳｉＣとショットキー接触させたときの電位障壁が低いものを選択したからであり、その他の電極材料を用いても上記効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかわるショットキーダイオードの断面図である。
【図２】図１のショットキーダイオードにバイアスを印加していないときの空乏層の延びを示す図である。
【図３】３Ｃ−ＳｉＣとＡｌとをショットキー接触させたものに順方向バイアスを印加したときの電圧−順方向電流特性を示す図である。
【図４】図１に示すショットキーダイオードの製造工程を説明するための図である。
【図５】図４に続くショットキーダイオードの製造工程を説明するための図である。
【図６】従来におけるショットキーダイオードの断面図である。
【符号の説明】
１…ｎ+ 型炭化珪素基板、２…ｎ- 型エピ層、３…ｎ- 型層、４…溝部、
５…第２の金属層としてのＡｌ膜、６…第１の金属層としてのＮｉＡｌ膜。
【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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