特開 2019-165044 半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2019-165044(P2019-165044A)

(43)【公開日】2019年9月26日

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/331 20060101AFI20190830BHJP

   H01L 29/732 20060101ALI20190830BHJP

   H01L 29/872 20060101ALI20190830BHJP

   H01L 21/28 20060101ALI20190830BHJP

【ＦＩ】

   H01L29/72 P

   H01L29/86 301M

   H01L29/86 301E

   H01L29/86 301D

   H01L21/28 301R

   H01L21/28 301B

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2018-50468(P2018-50468)

(22)【出願日】2018年3月19日

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】317011920

【氏名又は名称】東芝デバイス＆ストレージ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100108062

【弁理士】

【氏名又は名称】日向寺 雅彦

(74)【代理人】

【識別番号】100168332

【弁理士】

【氏名又は名称】小崎 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100146592

【弁理士】

【氏名又は名称】市川 浩

(74)【代理人】

【識別番号】100157901

【弁理士】

【氏名又は名称】白井 達哲

(74)【代理人】

【識別番号】100172188

【弁理士】

【氏名又は名称】内田 敬人

(72)【発明者】

【氏名】白石 達也

【テーマコード（参考）】

4M104

5F003

【Ｆターム（参考）】

4M104AA01

4M104AA03

4M104AA04

4M104AA05

4M104BB02

4M104BB04

4M104BB18

4M104CC01

4M104EE06

4M104EE15

4M104EE17

4M104EE18

4M104FF17

4M104GG03

4M104GG11

4M104HH20

5F003BA11

5F003BG07

5F003BH08

5F003BH18

5F003BH93

5F003BH99

5F003BJ93

5F003BM01

5F003BM02

(57)【要約】

【課題】特性の変動を抑制できる半導体装置を提供する。
【解決手段】実施形態に係る半導体装置は、第１導電形の第１半導体領域、第１電極、第２導電形の第２半導体領域、第１導電形の第３半導体領域、第２電極、第３電極、第１層、及び第２層を備える。第１半導体領域は、第１領域及び第２領域を有する。第１電極は、第１領域の上に設けられる。第２半導体領域は、第２領域の上に設けられる。第３半導体領域は、第２半導体領域の一部の上に設けられる。第２電極は、第３半導体領域の上に設けられ、第１電極から離間する。第３電極は、第２半導体領域の別の一部及び第１半導体領域の一部の上に設けられ、第１電極及び第２電極から離間する。第１層は、第３電極の上に設けられ、Ｔｉ、Ｎｉ、及びＶからなる群より選択された少なくとも１つを含む。第２層は、第１層の上に設けられ、Ｎ及びＯからなる群より選択された少なくとも１つと、Ｓｉと、を含む。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１方向に並ぶ第１領域及び第２領域を有する第１導電形の第１半導体領域と、
前記第１領域の上に設けられた第１電極と、
前記第２領域の上に設けられた第２導電形の第２半導体領域と、
前記第２半導体領域の一部の上に設けられた第１導電形の第３半導体領域と、
前記第３半導体領域の上に設けられ、前記第１方向において前記第１電極から離間した第２電極と、
前記第２半導体領域の別の一部及び前記第１半導体領域の一部の上に設けられ、前記第１電極及び前記第２電極から離間した第３電極と、
前記第３電極の上に設けられ、チタン、ニッケル、及びバナジウムからなる群より選択された少なくとも１つを含む第１層と、
前記第１層の上に設けられ、窒素及び酸素からなる群より選択された少なくとも１つと、シリコンと、を含む第２層と、
を備えた半導体装置。

【請求項2】

前記第１層及び前記第２層は、さらに、前記第１半導体領域の上及び前記第２半導体領域の上に設けられた請求項１記載の半導体装置。

【請求項3】

前記第１電極の上に設けられ、チタン、ニッケル、及びバナジウムからなる群より選択された少なくとも１つを含む第３層をさらに備えた請求項１または２に記載の半導体装置。

【請求項4】

前記第２電極の上に設けられ、チタン、ニッケル、及びバナジウムからなる群より選択された少なくとも１つを含む第４層をさらに備えた請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体装置。

【請求項5】

前記第１領域の上に設けられた第１導電形の第４半導体領域をさらに備え、
前記第４半導体領域における第１導電形の不純物濃度は、前記第１半導体領域における第１導電形の不純物濃度よりも高く、
前記第１電極は、前記第４半導体領域の上に設けられた請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体装置。

【請求項6】

前記第１半導体領域、前記第２半導体領域、前記第３半導体領域、及び前記第４半導体領域は、シリコンを含み、
前記第３電極は、アルミニウム、コバルト、及びタングステンからなる群より選択された少なくとも１つを含む請求項５記載の半導体装置。

【請求項7】

第１半導体領域と、
前記第１半導体領域の一部の上に設けられ、アルミニウム、コバルト、及びタングステンからなる群より選択された少なくとも１つを含む第１電極と、
前記第１半導体領域の別の一部の上及び前記第１電極の上に設けられ、チタン、ニッケル、及びバナジウムからなる群より選択された少なくとも１つを含む第１層と、
前記第１層の上に設けられ、窒素及び酸素からなる群より選択された少なくとも１つと、シリコンと、を含む第２層と、
を備えた半導体装置。

【請求項8】

前記第１半導体領域の下に設けられた第１導電形の第２半導体領域と、
前記第２半導体領域の下に設けられた第２電極と、
をさらに備え、
前記第１半導体領域は、第１導電形であり、
前記第２半導体領域における第１導電形の不純物濃度は、前記第１半導体領域における第１導電形の不純物濃度よりも高い請求項７記載の半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、半導体装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ショットキーバリアダイオードを含む半導体装置がある。この半導体装置の特性の変動は、小さいことが望ましい。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００１−８５７０５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明が解決しようとする課題は、特性の変動を抑制できる半導体装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0005】

実施形態に係る半導体装置は、第１導電形の第１半導体領域と、第１電極と、第２導電形の第２半導体領域と、第１導電形の第３半導体領域と、第２電極と、第３電極と、第１層と、第２層と、を備える。前記第１半導体領域は、第１方向に並ぶ第１領域及び第２領域を有する。前記第１電極は、前記第１領域の上に設けられている。前記第２半導体領域は、前記第２領域の上に設けられている。前記第３半導体領域は、前記第２半導体領域の一部の上に設けられている。前記第２電極は、前記第３半導体領域の上に設けられ、前記第１方向において前記第１電極から離間している。前記第３電極は、前記第２半導体領域の別の一部及び前記第１半導体領域の一部の上に設けられ、前記第１電極及び前記第２電極から離間している。前記第１層は、前記第３電極の上に設けられ、チタン、ニッケル、及びバナジウムからなる群より選択された少なくとも１つを含む。前記第２層は、前記第１層の上に設けられ、窒素及び酸素からなる群より選択された少なくとも１つと、シリコンと、を含む。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】第１実施形態に係る半導体装置の断面図である。

【図2】第１実施形態に係る半導体装置の等価回路を表す電気回路図である。

【図3】第２実施形態に係る半導体装置の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下に、本発明の各実施形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
また、本願明細書と各図において、既に説明したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
以下の説明及び図面において、ｎ^＋、ｎ、ｎ⁻及びｐの表記は、各導電形における不純物濃度の相対的な高低を表す。すなわち、「＋」が付されている表記は、「＋」及び「−」のいずれも付されていない表記よりも不純物濃度が相対的に高く、「−」が付されている表記は、いずれも付されていない表記よりも不純物濃度が相対的に低いことを示す。また、これらの表記は、それぞれの領域にｐ形不純物とｎ形不純物の両方が含まれている場合には、それらの不純物が補償しあった後の正味の不純物濃度の相対的な高低を表す。
以下で説明する各実施形態について、各半導体領域のｐ形とｎ形を反転させて各実施形態を実施してもよい。

【0008】

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る半導体装置の断面図である。
図１に表したように、第１実施形態に係る半導体装置１００は、ｎ⁻形（第１導電形）半導体領域１（第１半導体領域）、ｐ形（第２導電形）ベース領域２（第２半導体領域）、ｎ形エミッタ領域３（第３半導体領域）、ｎ^＋形コレクタ領域４（第４半導体領域）、コレクタ電極１１（第１電極）、エミッタ電極１２（第２電極）、ベース電極１３（第３電極）、第１層２１、及び第２層２２を有する。

【0009】

ｎ⁻形半導体領域１は、第１領域１ａ及び第２領域１ｂを有する。ここでは、第１領域１ａから第２領域１ｂに向かう方向をＸ方向（第１方向）とする。また、Ｘ方向に垂直な方向をＺ方向とし、Ｘ方向及びＺ方向に垂直な方向をＹ方向とする。また、説明のために、図面において上方を「上」と言い、その反対方向を「下」と言うが、これらの方向は、重力の方向とは無関係である。

【0010】

第１領域１ａと第２領域１ｂは、Ｘ方向において並んでいる。ｎ^＋形コレクタ領域４は、第１領域１ａの上に設けられている。コレクタ電極１１は、ｎ^＋形コレクタ領域４の上に設けられ、ｎ^＋形コレクタ領域４と電気的に接続されている。例えば、コレクタ電極１１のＸ方向における長さは、ｎ^＋形コレクタ領域４のＸ方向における長さよりも長い。このため、コレクタ電極１１は、ｎ^＋形コレクタ領域４の上及びｎ⁻形半導体領域１の一部の上に設けられている。

【0011】

ｐ形ベース領域２は、第２領域１ｂの上に設けられている。ｎ形エミッタ領域３は、ｐ形ベース領域２の一部の上に設けられている。エミッタ電極１２は、ｎ形エミッタ領域３の上に設けられ、ｎ形エミッタ領域３と電気的に接続されている。エミッタ電極１２は、Ｘ方向においてコレクタ電極１１から離間している。例えば、エミッタ電極１２のＸ方向における長さは、ｎ形エミッタ領域３のＸ方向における長さよりも短い。

【0012】

ベース電極１３は、ｐ形ベース領域２の別の一部の上及びｎ⁻形半導体領域１の一部の上に設けられ、これらの半導体領域と電気的に接続されている。ベース電極１３は、コレクタ電極１１及びエミッタ電極１２から離間している。ベース電極１３は、例えば、コレクタ電極１１とエミッタ電極１２との間に位置している。

【0013】

ｎ⁻形半導体領域１、ｐ形ベース領域２、ｎ形エミッタ領域３、及びｎ^＋形コレクタ領域４は、例えば、シリコンを主成分として含む。あるいは、ｎ⁻形半導体領域１、ｐ形ベース領域２、ｎ形エミッタ領域３、及びｎ^＋形コレクタ領域４は、炭化シリコン、ガリウムヒ素、又は窒化ガリウムを主成分として含んでいても良い。
コレクタ電極１１、エミッタ電極１２、及びベース電極１３は、アルミニウム、コバルト、及びタングステンからなる群より選択された少なくとも１つを含む。

【0014】

第１層２１は、ベース電極１３の上に設けられている。第１層２１は、ベース電極１３の上に加えて、ベース電極１３の周りにおいて、ｎ⁻形半導体領域１の上及びｐ形ベース領域２の上に設けられても良い。第１層２１は、チタン、ニッケル、及びバナジウムからなる群より選択された少なくとも１つを含む。

【0015】

第２層２２は、第１層２１の上に設けられている。第２層２２は、窒素及び酸素からなる群より選択された少なくとも１つと、シリコンと、を含む。例えば、第２層２２は、窒化シリコンを含む絶縁層である。

【0016】

第２層２２の上には、絶縁層２３が設けられていても良い。絶縁層２３は、窒素及び酸素からなる群より選択された少なくとも１つと、シリコンと、を含む。例えば、絶縁層２３は、酸化シリコンを含む。絶縁層２３の厚さは、第２層２２の厚さよりも大きい。

【0017】

図１に表したように、コレクタ電極１１及びエミッタ電極１２の上には、それぞれ、層２１ａ（第３層）及び層２１ｂ（第４層）が設けられていても良い。第１層２１、層２１ａ、及び層２１ｂは、Ｘ方向において互いに離間している。層２１ａ及び２１ｂは、第１層２１と同様に、チタン、ニッケル、及びバナジウムからなる群より選択された少なくとも１つを含む。例えば、第２層２２及び絶縁層２３は、第１層２１、層２１ａ、及び層２１ｂの上に連続的に設けられている。

【0018】

絶縁層２３の上には、例えば、半導体装置１００を封止するための、絶縁性の樹脂層２８が設けられる。樹脂層２８は、例えば、エポキシ樹脂またはポリイミドなどを含む。

【0019】

図２は、第１実施形態に係る半導体装置の等価回路を表す電気回路図である。
図２に表したように、半導体装置１００では、ｎ⁻形半導体領域１（ｎ^＋形コレクタ領域４）、ｐ形ベース領域２、及びｎ形エミッタ領域３により、バイポーラトランジスタＢＪＴが構成されている。さらに、半導体装置１００では、ｎ⁻形半導体領域１及びベース電極１３とがショットキー接合することで、ショットキーバリアダイオードＳＢＤが構成されている。このショットキーバリアダイオードＳＢＤの順方向は、ベース電極１３からコレクタ電極１１に電流が流れる方向である。

【0020】

第１実施形態の効果を説明する。
第１実施形態に係る半導体装置１００では、ｎ⁻形半導体領域１とベース電極１３との間でショットキーバリアダイオードＳＢＤが構成されている。すなわち、図２に表したように、ショットキーバリアダイオードＳＢＤがコレクタ電極１１とベース電極１３との間に接続される。これにより、ベース電極１３に流入する電流（ベース電流）を所定の値に保ち、バイポーラトランジスタＢＪＴの出力をより安定化できる。一方で、ショットキーバリアダイオードＳＢＤの特性（例えば順方向電圧）は、ｎ⁻形半導体領域１とベース電極１３との間の界面の状態に依存する。例えば、樹脂層２８や半導体装置１００の外部から水分等の不純物が界面に移動し、界面の状態が変化すると、ショットキーバリアダイオードＳＢＤの特性も変動する。この結果、半導体装置１００の特性が変動する。
ｎ⁻形半導体領域１とベース電極１３との間の界面に不純物が移動することを抑制するためには、ベース電極１３の上に、バリア性の高い、シリコンを含む絶縁層（第２層２２）を設けることが効果的である。

【0021】

一方で、第２層２２は、水素を含む場合がある。第２層２２が水素を含む場合、時間の経過や半導体装置１００の製造過程において、水素がｎ⁻形半導体領域１とベース電極１３との間の界面に移動し、ショットキーバリアダイオードＳＢＤの特性を変動させる可能性がある。
そこで、半導体装置１００では、ベース電極１３と第２層２２との間に、チタン、ニッケル、及びバナジウムからなる群より選択された少なくとも１つを含む第１層２１を設けている。これらの元素は、水素を吸蔵し易い。より具体的には、これらの元素は、ベース電極１３に含まれるアルミニウム、コバルト、またはタングステン等よりも、水素を吸蔵し易い。第１層２１を設けることで、第２層２２に含まれる水素がｎ⁻形半導体領域１とベース電極１３との間の界面に到達し難くなり、ショットキーバリアダイオードＳＢＤの特性の変動を抑制できる。
このため、本実施形態によれば、半導体装置１００の特性の変動を抑制でき、半導体装置１００の信頼性を向上できる。

【0022】

第１層２１は、さらに、ベース電極１３の周りにおいて、ｎ⁻形半導体領域１の上及びｐ形ベース領域２の上に設けられていることが望ましい。この構成によれば、水分や水素が、ベース電極１３の周りのｎ⁻形半導体領域１やｐ形ベース領域２の表面に移動し、これらの表面を伝ってｎ⁻形半導体領域１とベース電極１３との界面へ移動してくることを抑制できる。このため、半導体装置１００の信頼性をさらに向上できる。

【0023】

（第２実施形態）
図３は、第２実施形態に係る半導体装置を表す断面図である。
第２実施形態に係る半導体装置２００は、図３に表したように、ｎ⁻形半導体領域３１（第１半導体領域）、ｎ^＋形カソード領域３２（第２半導体領域）、ｐ形ガードリング領域３３、アノード電極４１（第１電極）、カソード電極４２（第２電極）、第１層２１、及び第２層２２を有する。

【0024】

ｎ^＋形カソード領域３２は、カソード電極４２の上に設けられ、カソード電極４２と電気的に接続されている。ｎ⁻形半導体領域３１は、ｎ^＋形カソード領域３２の上に設けられている。ｐ形ガードリング領域３３は、ｎ⁻形半導体領域３１の一部の周りに、環状に設けられている。

【0025】

アノード電極４１は、ｎ⁻形半導体領域３１の上及びｐ形ガードリング領域３３の上に設けられ、ｎ⁻形半導体領域３１と電気的に接続されている。アノード電極４１は、ｎ⁻形半導体領域３１とショットキー接合している。

【0026】

第１層２１は、アノード電極４１の上、ｐ形ガードリング領域３３の上、及びｎ⁻形半導体領域３１の外周上に設けられている。第２層２２は第１層２１の上に設けられ、絶縁層２３は、第２層２２の上に設けられている。絶縁層２３の上には、例えば樹脂層２８が設けられている。

【0027】

ｎ⁻形半導体領域３１、ｎ^＋形カソード領域３２、及びｐ形ガードリング領域３３は、例えば、シリコンを主成分として含む。あるいは、ｎ⁻形半導体領域３１、ｎ^＋形カソード領域３２、及びｐ形ガードリング領域３３は、炭化シリコン、ガリウムヒ素、又は窒化ガリウムを主成分として含んでいても良い。
アノード電極４１及びカソード電極４２は、アルミニウム、コバルト、及びタングステンからなる群より選択された少なくとも１つを含む。

【0028】

本実施形態においても、アノード電極４１の上に、第１層２１及び第２層２２が設けられることで、水分及び水素による、ショットキーバリアダイオード（すなわち半導体装置２００）の経時的な特性の変動を抑制できる。これにより、半導体装置２００の信頼性を向上できる。
さらに、半導体装置２００では、第１層２１及び第２層２２が、アノード電極４１の上に加えて、ｎ⁻形半導体領域３１の上にも設けられているため、半導体装置２００の信頼性をさらに向上できる。

【0029】

以上で説明した各実施形態における、各半導体領域の間の不純物濃度の相対的な高低については、例えば、ＳＣＭ（走査型静電容量顕微鏡）を用いて確認することが可能である。なお、各半導体領域におけるキャリア濃度は、各半導体領域において活性化している不純物濃度と等しいものとみなすことができる。従って、各半導体領域の間のキャリア濃度の相対的な高低についても、ＳＣＭを用いて確認することができる。
また、各半導体領域における不純物濃度については、例えば、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析法）により測定することが可能である。

【0030】

以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

【符号の説明】

【0031】

１ ｎ⁻形半導体領域、 １ａ 第１領域、 １ｂ 第２領域、 ２ ｐ形ベース領域、 ３ ｎ形エミッタ領域、 ４ ｎ^＋形コレクタ領域、 １１ コレクタ電極、 １２ エミッタ電極、 １３ ベース電極、 ２１ 第１層、 ２１ａ、２１ｂ 層、 ２２ 第２層、 ２３ 絶縁層、 ３１ ｎ⁻形半導体領域、 ３２ ｎ^＋形カソード領域、 ３３ ｐ形ガードリング領域、 ４１ アノード電極、 ４２ カソード電極、 １００、２００ 半導体装置、 ＢＪＴ バイポーラトランジスタ、 ＳＢＤ ショットキーバリアダイオード

【図1】

【図2】

【図3】

【手続補正書】

【提出日】2018年8月10日

【手続補正1】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正の内容】

【図1】