JP2009094433A

JP2009094433A - 炭化珪素装置

Info

Publication number: JP2009094433A
Application number: JP2007266312A
Authority: JP
Inventors: Akimasa Kinoshita; 明将木下; Takasumi Oyanagi; 孝純大柳; Kenji Fukuda; 憲司福田; Tsutomu Yao; 勉八尾
Original assignee: Hitachi Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: Hitachi Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2007-10-12
Filing date: 2007-10-12
Publication date: 2009-04-30

Abstract

【課題】炭化珪素基板との密着性がよく、ショットキーバリアハイトのばらつきが小さいとともに逆方向電圧印加時のリーク電流が少ない炭化珪素ショットキーバリアダイオードを実現することを課題とする。
【解決手段】炭化珪素と金属とのショットキー電極界面が炭化金属と金属シリサイド、金属とシリコンと炭素の３元系化合物又はこれらの混合物であることを特徴とするJBS（Junction Barrier controlled Schottky diode：接合障壁ショットキーダイオード）構造の炭化珪素ショットキーバリアダイオードである。
【選択図】図３

Description

本発明は、炭化珪素半導体装置に関し、特に炭化珪素基板上に形成したショットキーバリアダイオードに関するものである。

炭化珪素（ＳｉＣ）は、シリコン（Ｓｉ）と比較して、１．バンドギャップが広い、２．絶縁破壊強度が大きい、３．電子の飽和ドリフト速度が大きいなどの優れた物性を有する。したがって、炭化珪素（ＳｉＣ）を基板材料として用いることにより、シリコン（Ｓｉ）の限界を超えた高性能の高耐圧な電力用半導体素子が製造できる。
また、炭化珪素には、シリコン等の半導体と同様に、金属を表面に堆積させることにより整流特性のあるショットキーバリアダイオードを製造できる。これらの理由から、炭化珪素を基板材料とした高耐圧で低オン抵抗のショットキーバリアダイオードが実現できることが知られている。

図１Ａは、従来の炭化珪素ショットキーバリアダイオードの断面構造図である。１×１０^１８ｃｍ^−３の窒素がドーピングされた厚さ３００μｍの（０００１）面を有する高濃度ｎ型炭化珪素基板１表面上に、１．８×１０^１６ｃｍ^−３の窒素がドーピングされた厚さ６μｍのｎ型の炭化珪素エピタキシャル層２を持ち、高濃度にリンをドーピングされたチャンネルストッパー３、高濃度のアルミニウムがドーピングされたｐ型で形成された不純物領域４、さらに電界を分散させるための、アルミニウムがドーピングされたｐ型で形成された不純物領域５が電界緩和領域４から、周囲に１．５μｍ間隔で６本持ち、裏面にオーミック電極６、０．５μｍの厚さの酸化シリコンで形成された層間絶縁膜である７、ショットキー電極８、アルミニウムで形成された電極パッド９をもつショットキーバリアダイオードである。

図１Ｂは、そのマスクレイアウト図である。図１ＢのI-I線にそった断面が図１Ａにあたる。チャンネルストッパー３は構造全体を囲むように配置され、ショットキー電極８の形状は角に電界の集中が起こらないように、150μmの曲率を持った正方形をもち、ショットキー電極８の周囲は終端構造用のｐ型領域４と等間隔に４μｍ重なるように配置され、終端構造用のｐ型領域４とＦＬＲ構造用のｐ型領域５は等間隔になるように角の曲率を変化させた形状をもち、電極パッド９は外部装置との接続のため一部を露出するようにパッシベーション膜１０が形成されている。

理想的な整流特性を有するダイオードは逆方向電圧を印加したときに電流は流れず、順方向電圧の印加に対しては抵抗を有しない。しかし、一般的に製造されるダイオードは逆方向電圧を印加すると微量の電流（リーク電流）が流れ、順方向にはいくらかの抵抗（オン抵抗）を有する。ショットキー界面を有する装置、例えばショットキーバリアダイオードはショットキーバリアハイトが大きいとリーク電流を抑えて耐圧を上げることができるが、オン抵抗が大きくなる。逆にショットキーバリアハイトが小さいとオン抵抗が小さくなるが、リーク電流が大きくなる。このように、逆方向電気特性のリーク電流と順方向電気特性のオン抵抗にはトレードオフの関係がある。これらの理由から、ショットキーバリアダイオード製造には用途に応じて金属が選択されるが、製造されたショットキーバリアダイオードのショトッキーバリアハイトは、半導体の電子親和力と金属の仕事関数によって特徴付けられるため、必ずしも用途に最適なショットキーバリアダイオードを製造することができない。

炭化珪素ショットキーバリアダイオードは、炭化珪素基板に金属を堆積するだけで、その整流性を得ることが出来る。しかし、炭化珪素ショットキーバリアダイオードの製造プロセスにより、ショットキー界面に炭素原子が不均一に残留しリーク電流のばらつきなどが顕在化し、製造された炭化珪素ショットキーバリアダイオードは不安定な電気特性を示す。

また、堆積した金属と炭化珪素基板の密着性は必ずしも良いとは限らず、例えば金属堆積後に４００℃〜６００℃程度の温度でアニールすることにより、その密着性を確保しようという試みがなされている（非特許文献１）。例えば、ニッケルなどは４００℃程度の温度のアニールでニッケルシリサイド層が形成されることが知られている。しかし、炭化珪素ではニッケルとシリコンが結びつくことにより、炭素原子（又は分子）が単独で界面に残るためにその特性がばらつくことや特性不良を引き起こすことが懸念される。
Mater. Sci. Forum, 556-557(2007)873 J. Mater. Res., Vol. 10(1994)668 Microelectronic Enginneering 60(2002)269

本発明は、炭化珪素基板との密着性がよく、ショットキーバリアハイトのばらつきが小さいとともに逆方向電圧印加時のリーク電流が少ない炭化珪素ショットキーバリアダイオードを実現することを課題とする。

上記課題は次のような手段により解決される。
（１）炭化珪素と金属とのショットキー電極界面が炭化金属と金属シリサイド、金属とシリコンと炭素の３元系化合物又はこれらの混合物であることを特徴とするJBS構造の炭化珪素ショットキーバリアダイオード。
（２）上記金属としてIVa、Va、VIa族の金属を用いることを特徴とする（１）に記載のJBS構造の炭化珪素ショットキーバリアダイオード。
（３）炭化珪素とIVa、Va、VIa族以外の金属とのショットキー電極界面がIVa、Va、VIa族の金属からなる炭化金属とIVa、Va、VIa族以外の金属からなる金属シリサイドであることを特徴とする炭化珪素ショットキーバリアダイオード。
（４）炭化珪素とチタンとのショットキー電極界面が炭化チタンとチタンシリサイド、チタンとシリコンと炭素の３元系化合物（TiｘSiｙCｚ）又はこれらの混合物であることを特徴とするJBS構造の炭化珪素ショットキーバリアダイオード。
（５）（３）に記載のショットキーバリアダイオードにおいて、炭化珪素とニッケルとのショットキー電極界面が炭化チタンとニッケルシリサイドであることを特徴とする炭化珪素ショットキーバリアダイオード

本発明によれば、炭化金属を形成しやすい金属を用いてショットキー界面に炭化金属と金属シリサイドを形成することで、炭化珪素基板との密着性がよく、ショットキーバリアハイトのばらつきが小さい炭化珪素ショットキーバリアダイオードが得られる。しかもＪＢＳ構造とすることで逆方向電圧印加時のリーク電流が少ない炭化珪素ショットキーバリアダイオードを実現することができる。

本発明は、炭化珪素上のショットキー界面を有する装置において、ショットキー界面に密着性を向上するための金属シリサイド層と、特性不良を引き起こす炭素原子を消費するための金属炭化物を同時に有するショットキー界面を有する装置に関するものである。

本発明らは、炭化珪素上に堆積したチタンを４００℃以上の温度でアニールすることにより、界面の状態が変化していくとともに、その特性が安定化していくことを見出した。
また炭化珪素上にチタンを堆積し４００℃、５００℃、６００℃、７００℃でアニールした後、ショットキーバリアハイトを測定し、Ｘ線回折（X-ray Diffraction;ＸＲＤ）によって結晶構造の変化を調べた。

図２は炭化珪素上にチタンを堆積した後のアニール温度とショットキーバリアハイトの関係である。ショットキーバリアハイトはアニール温度が４００℃、５００℃とアニール温度を上げると増加し、６００℃以上では減少することが確認できた。これにより、金属を堆積した後にアニール温度を選択することにより、ショットキーバリアハイトを変化させリーク電流やオン抵抗を制御できることが分かる。特に、アニール温度を上げることによりショットキーバリアハイトのばらつきが小さくなり、特性のばらつきをなくし安定した性能を持つ装置が製造可能であることが確認できる。

ＸＲＤによる測定ではアニール温度の上昇とともにチタンのピークが消えることが確認された。これは、アニール温度の上昇とともに、界面でチタンと炭化珪素の反応が進行していったためである。非特許文献２によると、アニール温度７００℃で炭化チタン（ＴｉＣ）とチタンシリサイド（Ｔｉ_５Ｓｉ_３）が形成されていることが報告されており、炭素原子はショットキー界面には存在しない。また、１０００℃のアニールでチタンとシリコンと炭素の３元系化合物Ｔｉ_３ＳｉＣ_２が形成されることが報告されている（非特許文献３）。従って、図２に示したアニール温度の上昇に伴いショットキーバリアハイトのばらつきが小さくなっていったのは、特性不良を起こす懸念があるとして挙げた炭素原子がチタンと反応することで消費されたためである。特性劣化を引き起こす炭素原子を消費することで、リーク電流やオン抵抗のばらつきをなくし安定化が実現する。

すなわち、界面の炭素原子を金属と反応させることで炭化金属とし、同時に形成される金属シリサイド層にてショットキーバリアハイトを制御するショットキーバリアダイオードは、その特性を安定化させる効果がある。
IVa、Va、VIa族の金属は、炭化物を形成しやすい金属であるとされている（特開2000-208438号公報）。これらの金属を用いることで、同様の効果が得られると考えられる。

ところが、炭化金属を形成しやすい金属として、チタンを選択した場合には、チタンを堆積した後の熱処理によって形成されたショットキーバリアハイトは、６００℃以上では処理温度の上昇とともに小さくなることが図２に示したように確認されている。その結果、逆方向電圧印加時のリーク電流が大きくなるため素子耐圧が著しく低下する。そのため、チタンを選択した場合にはＪＢＳ構造でショットキーバリアダイオードを作製して、逆方向電圧印加時のリーク電流を低減させることが望ましい。ショットキー界面を形成する物質によりショットキーバリアハイトの値が変化するため、目的に応じてＪＢＳ構造等のショットキー界面を有する装置とする必要がある。

ＪＢＳ構造のようなショットキー界面を有する装置であれば本発明の効果は得られる。特に、図２で示されているように、ばらつきを抑えるために高温でアニールしてもショットキーバリアハイトが小さくなる場合は、リーク電流を抑えるためにＪＢＳ構造が有効である。
ショットキー電極８がチタンシリサイドと炭化チタンで形成されていることから、形成されたショットキー界面に特性劣化を起こすと懸念される炭素原子が存在せず、特性の安定したショットキーバリアダイオードを提供することができる。

図３Bは、本発明の実施例として示した炭化珪素ＪＢＳ構造のマスクレイアウト図の一例である。図３ＢのII-II線にそった断面が図３Ａにあたる。
従来例として示した図１の炭化珪素ショットキーバリアダイオード構造の低濃度第一導電型のエピタキシャル層２表面のショットキー電極領域に、例えば高濃度のアルミニウムがドーピングされた幅２μｍの幅が２μｍの間隔を持ってストライプ状に配置されているｐ型の領域１１が形成されている。
ショットキー電極８がチタンシリサイドと炭化チタンで形成されていることから、特性劣化を起こすと懸念される炭素原子が存在せず、特性の安定したショットキーバリアダイオードを提供することができる。

図４のA〜Fは、本発明の実施例に示したＪＢＳ構造のダイオードの製造工程を示した断面構造図である。
図４Ａにおいて、１×１０^１８ｃｍ^−３の窒素がドーピングされた厚さ３００μｍの（０００１）面を有する高濃度ｎ型基板１表面上には、１．８×１０^１６ｃｍ^−３の窒素がドーピングされた厚さ６μｍの低濃度ｎ型ドリフト層２が堆積される。

前記炭化珪素基板に、チャンネルストッパー用のｎ型領域３を形成するために図４Ｂにおいてリンを注入する。図４Ｃにおいて、終端構造用のｐ型領域４とＦＬＲ構造用のｐ型領域５とＪＢＳ構造用のｐ型領域１１を形成するためにアルミニウムを注入する。チャンネルストッパー用のｎ型領域３を形成するために注入されたリンと終端構造用のｐ型領域４とＦＬＲ構造用のｐ型領域５とＪＢＳ構造用のｐ型領域１１を形成するために注入されたアルミニウムを活性化するために、Ａｒ雰囲気中において１６５０℃で２４０秒間の活性化を行う。

図４Ｄにおいて、前記炭化珪素基板裏面にオーミック電極６を形成する。前記炭化珪素基板上に、層間絶縁膜７を形成し、ショットキー電極を形成する部分に、例えばチタンを真空中で蒸着し、例えばチタンシリサイドと炭化チタンからなるショットキー電極８を形成するために、例えばアルゴン雰囲気中で５００℃で５分間の処理を行う。ショットキー電極８の終端部分は、ショットキーバリアダイオードを高耐圧素子として動作させるために、ショットキー電極８の端とｐ型領域４が重なるようにする。

図４Ｅにおいて、ショットキー電極を外部装置と接続するためのパッドとしてアルミニウム電極９を形成する。図４Ｆにおいて、表面に高電圧による放電を防ぐためのパッシベーション膜１０としてプラズマCVD法で形成されたシリコン窒化膜を堆積する。

以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は前記実施例に限定されるものではない。そして、本発明の趣旨を逸脱することがなければ、種々の設計変更を行うことが可能である。

本実施例では、炭化珪素（０００１）面基板上の炭化珪素に製造されたショットキーバリアダイオードの構造について説明したが、（０００−１）面基板にも、同様に適用できる。また、炭化珪素基板上に製造されたショットキーバリアダイオードのショットキー界面を形成する金属をチタンを例として説明したが、チタンに限らずシリコンと化合してシリサイドを形成し炭化物を形成しやすいIVa、Va、VIa族金属であれば同様に適用できる。また、電界緩和構造としてｐ型で形成された不純物領域４、ｐ型で形成された不純物領域５は、フローティングリミッティングリング（ＦＬＲ）構造を構造例としてあげたが、ジャンクションターミネーションエクステンション（ＪＴＥ）構造、フローティングプレート構造等のような電界緩和構造でも本発明の効果は得られることはいうまでもない。また、ｎ型の炭化珪素基板にｐ型の電界緩和領域を形成した構造を構造例としてあげたが、ｐ型の炭化珪素基板にｎ型の電界緩和領域を形成した構造等のような異なる伝導型を利用した構造でも本発明の効果は得られることはいうまでもない。

次に例えば炭化珪素基板上に１層目として炭化金属を形成しにくいニッケルを、２層目として炭化珪素を形成しやすいチタンを蒸着し、1000℃でアニールすることで、ショットキー界面にはニッケルシリサイド層とともに、炭化チタンが同時に界面に存在することが、オージェ分析により確認されている。このように、炭化金属を形成しにくい金属を利用する場合でも、炭化金属を形成しやすい金属と合金又は混合物又は層状に堆積した構造から反応させることにより特性劣化を引き起こすと懸念される炭素原子は界面において炭化チタンの形態を取り、ショットキーバリアダイオードの特性が安定化する。

さらにニッケル以外のIVa、Va、VIa族金属以外の金属でも、IVa、Va、VIa族金属との合金又は混合物又は層状に堆積した構造を用いて反応させることにより、炭素原子が炭化金属又は金属とシリコンと炭素の３元系化合物を形成して炭素原子のない安定したショットキー界面を形成するため、IVa、Va、VIa族金属を用いてシリサイド又は炭化金属又は金属とシリコンと炭素の３元系化合物を形成した構造やIVa、Va、VIa族金属とIVa、Va、VIa族金属以外の金属の組み合わせによりシリサイド層又は炭化金属又は金属とシリコンと炭素の３元系化合物を形成した構造でも本発明の効果は得られることはいうまでもない。

従来の炭化珪素ショットキーバリアダイオードを説明するための図面である。炭化珪素上にチタンを堆積した後の熱処理温度とショットキーバリアハイトの関係を示す図面である。本発明に係る炭化珪素ＪＢＳ構造のショットキーバリアダイオードを説明するための図面である。炭化珪素ＪＢＳ構造のショットキーダイオードの製造工程を説明するための断面図である。

符号の説明

１高濃度第一導電型炭化珪素基板
２低濃度第一導電型炭化珪素ドリフト層
３第一導電型不純物イオン注入領域
４第二導電型不純物イオン注入領域（終端）
５第二導電型不純物イオン注入領域（ＦＬＲ）
６オーミック電極
７層間絶縁膜
８ショットキー電極
９電極パッド
１０パッシベーション膜
１１第二導電型不純物イオン注入領域（ＪＢＳ）

Claims

炭化珪素と金属とのショットキー電極界面が炭化金属と金属シリサイド、金属とシリコンと炭素の３元系化合物又はこれらの混合物であることを特徴とするJBS構造の炭化珪素ショットキーバリアダイオード。
上記金属としてIVa、Va、VIa族の金属を用いることを特徴とする請求項１に記載のJBS構造の炭化珪素ショットキーバリアダイオード。
炭化珪素とIVa、Va、VIa族以外の金属とのショットキー電極界面がIVa、Va、VIa族の金属からなる炭化金属とIVa、Va、VIa族以外の金属からなる金属シリサイドであることを特徴とする炭化珪素ショットキーバリアダイオード。
炭化珪素とチタンとのショットキー電極界面が炭化チタンとチタンシリサイド、チタンとシリコンと炭素の３元系化合物（TiｘSiｙCｚ）又はこれらの混合物であることを特徴とするJBS構造の炭化珪素ショットキーバリアダイオード。
請求項３記載のショットキーバリアダイオードにおいて、ショットキー電極界面が炭化チタンとニッケルシリサイドであることを特徴とする炭化珪素ショットキーバリアダイオード。