特開 2024-55476 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】P2024055476

(43)【公開日】2024-04-18

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 29/872 20060101AFI20240411BHJP

   H01L 29/861 20060101ALI20240411BHJP

   H01L 29/47 20060101ALI20240411BHJP

【ＦＩ】

H01L29/86 301M

H01L29/86 301D

H01L29/91 F

H01L29/48 M

H01L29/48 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022162428

(22)【出願日】2022-10-07

(71)【出願人】

【識別番号】520366927

【氏名又は名称】ウィル セミコンダクター （シャンハイ） カンパニー リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】弁理士法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】岡田 哲也

(72)【発明者】

【氏名】岡田 喜久雄

(72)【発明者】

【氏名】萩原 澪美

【テーマコード（参考）】

4M104

【Ｆターム（参考）】

4M104AA01

4M104AA03

4M104AA10

4M104BB02

4M104BB03

4M104CC03

4M104FF02

4M104GG02

4M104GG03

4M104HH17

(57)【要約】

【課題】ライフタイムキラーを用いることなく、電子の低注入＋長ライフタイム構造を得る。
【解決手段】半導体装置１０は、半導体基材１２と、半導体基材１２の一方側の表面上に形成されたアノード電極２０と、半導体基材１２の他方側の表面上に形成されたカソード電極２２と、半導体基材１２内の前記アノード電極２０側に形成されたＰ層１６と、半導体基材１２内のカソード電極２２側であって、前記Ｐ層１６の他方側に形成されたＮ層１４と、を含む。カソード電極２２とＮ層１４とは、ショットキ接合されており、カソード電極２２は、仕事関数が４．２～４．３の範囲の金属であり、Ｎ層１４のキャリア濃度は１×ｅ^１２～１×ｅ^１８／ｃｍ^３の範囲である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体基材と、
前記半導体基材の一方側の表面上に形成されたアノード電極と、
前記半導体基材の他方側の表面上に形成されたカソード電極と、
前記半導体基材内の前記アノード電極側に形成されたＰ層と、
前記半導体基材内の前記カソード電極側であって、前記Ｐ層の他方側に形成されたＮ層と、
を含み、
前記カソード電極と前記Ｎ層とは、ショットキ接合されており、
前記カソード電極は、仕事関数が４．２～４．３の範囲の金属であり、
前記Ｎ層のキャリア濃度は１×ｅ^１２～１×ｅ^１８／ｃｍ^３の範囲である、
半導体装置。

【請求項2】

請求項１に記載の半導体装置であって、
前記カソード電極の金属は、アルミニウムまたはアルミニウム・シリコン合金を主成分とする、
半導体装置。

【請求項3】

請求項１または２に記載の半導体装置であって、
前記半導体基材は、シリコンウエハから構成される、
半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、半導体装置、特にリカバリー損失の低減に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体装置では、ＰＮ接合を用いた電流制御を利用する。ダイオードは、ＰＮ接合を有し、Ｐ側のアノードから、Ｎ側のカソードへの電流を許容し、反対方向の電流を遮断する。そして、導通時はアノードから正孔、カソードから電子というキャリアを大量に注入し、導通時の順方向電圧降下ＶＦを下げている。

【0003】

一方、リカバリー時は、注入された正孔と電子（キャリア）をアノードとカソードにそれぞれ排出するため、大量のキャリアがあると、リカバリー損失Ｅｒｒが大きくなる。

【0004】

特許文献１では、ライフタイムキラーを設けて内部のキャリアを消滅させることで、キャリアの排出を速くすることが示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】国際公開ＷＯ２０１７／１４６１４８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ここで、ライフタイムキラーは、半導体の結晶欠陥を形成することにより設けられ、その処理のために大規模な装置と作業工程が必要になる。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示に係る半導体装置は、半導体基材と、前記半導体基材の一方側の表面上に形成されたアノード電極と、前記半導体基材の他方側の表面上に形成されたカソード電極と、前記半導体基材内の前記アノード電極側に形成されたＰ層と、前記半導体基材内の前記カソード電極側であって、前記Ｐ層の他方側に形成されたＮ層と、を含み、前記カソード電極と前記Ｎ層とは、ショットキ接合されており、前記カソード電極は、仕事関数が４．２～４．３の範囲の金属であり、前記Ｎ層のキャリア濃度は１×ｅ^１２～１×ｅ^１８／ｃｍ^３の範囲である。

【発明の効果】

【0008】

本開示に係る半導体装置によれば、ライフタイムキラーを用いることなく、電子の低注入＋長ライフタイム構造が得られる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施形態に係る半導体装置の構成を示す模式図である。

【図2】一般的なダイオードのリカバリー時の電圧電流波形を示す。

【図3】一般的なダイオードの仕事関数によるカバリー時におけるリカバリー損失Ｅｒｒと、順方向電圧降下ＶＦの関係を示す図である。

【図4】本実施形態の半導体装置１０における正孔と電子の注入状態を示す模式図である。

【図5】ショットキ接合のエネルギーレベルを示す図である。

【図6】実施形態に係る半導体装置１０のリカバリー時の電流波形を示す図である。

【図7】導通時における半導体装置１０における深さ方向の電子密度を示す図である。

【図8】リカバリー損失Ｅｒｒおよび順方向電圧降下ＶＦの金属の仕事関数への依存性を示す特性図である。

【図9】リカバリー損失Ｅｒｒおよび順方向電圧降下ＶＦのＮ層におけるＮタイプキャリア（不純物）のドーピングキャリア濃度への依存性を示す特性図である。

【図10】実施形態に係る半導体装置１０のリカバリー時におけるリカバリー損失Ｅｒｒと、順方向電圧降下ＶＦの関係を示す図である。

【図11】実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態について以下に説明する。なお、以下の実施形態は本開示を限定するものではなく、また複数の例示を選択的に組み合わせてなる構成も本開示に含まれる。

【0011】

「半導体装置の構成」
図１は、実施形態に係る半導体装置の構成を示す模式図である。半導体装置１０は、半導体基材１２を含む。半導体基材１２は、例えばシリコン（Ｓｉ）ウエハから構成されるが、ＳｉＣや、酸化ガリウムなど、他の半導体でもよい。また、本実施形態では、Ｎタイプのキャリア（不純物）がドープされたＦＺ（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｚｏｎｅ）法によるＮタイプＦＺウエハが採用されている。

【0012】

半導体基材１２として、Ｎタイプが採用されているため、半導体基材１２の大部分はそのままＮ層１４となる。Ｎ層１４は、通常Ｎ－ドリフト層と呼ばれる。一方側の表面からＰタイプのキャリア（不純物）をドープすることでＮ層１４の一方側にＰ層１６が形成されている。

【0013】

そして、半導体基材１２の一方側の表面、すなわちＰ層１６上にアノード電極２０が形成されている。アノード電極２０は、アルミニウムなど金属で構成するとよい。

【0014】

半導体基材１２の他方側の表面（裏面）、すなわちＮ層１４上に他方側表面（裏面）上には、カソード電極２２が形成されている。カソード電極２２もアノード電極２０と同様に金属で形成することができる。

【0015】

このように、本実施形態では、カソード電極２２がＮ層１４に直接接しており、両者はショットキ接合されている。なお、このようなカソード電極２２の金属は、Ａｌ（アルミニウム）またはＡｌ－Ｓｉ合金（アルミニウム・シリコン合金）とすることができ、これらを主成分として形成することができる。

【0016】

そして、カソード電極２２の仕事関数は、４．２～４．３の範囲の金属、例えば上述のような金属を採用し、またＮ層１４のキャリア濃度は１×ｅ^１２～１×ｅ^１８／ｃｍ^３の範囲に設定してある。すなわち、半導体基材
１２は、シリコンに限らず、ＳｉＣや酸化ガリウムなどでもよく、またカソード電極２２はアルミニウムやアルミニウム合金に限らないが、両者の仕事関数差が４．２～４．３となるように選択される。

【0017】

これによって、カソード電極２２側からＮ層１４への電子注入量が適切に制御され、リカバリー損失を抑制しつつ、半導体装置１０、この例ではダイオードとしての順方向電圧降下ＶＦを比較的小さく維持することができる。

【0018】

本実施形態に係る半導体装置１０は、そのままダイオードとして使用できるが、ダイオードを組み込んだ各種素子に利用することができる。

【0019】

「リカバリー波形」
図２は、一般的なダイオードのリカバリー時の電圧電流波形を示す図である。まず、導通時にはアノード電極２０とカソード電極間の電圧は、順方向電圧降下ＶＦであり、ＰタイプおよびＮタイプのキャリアが十分ある状態において所定の小さな電圧となっており、所定の電流ＩＦが流れる。この例では、電圧Ｖｒｒはカソード電圧となる。

【0020】

ここで、逆方向電圧をかけることで、電流ＩＦは直線的に減少する。これはＮ層１４から正孔がＰ層１６を介しアノード電極２０へ、電子がカソード電極２２に引き抜かれることによって行われる。この際、電流Ｉｒｒは一旦大きく負にふれた後０に近づき、カソード電圧Ｖｒｒは、大きく正にふれた後、印加電圧に落ち着く。

【0021】

リカバリー時のエネルギー損失は、Ｖｒｒ＊Ｉｒｒ＊時間であり、Ｖｒｒが正になったときから、Ｉｒｒが０になるまでの期間の損失がリカバリー損失Ｅｒｒとなる。

【0022】

図３は、一般的なダイオードのリカバリー時におけるリカバリー損失Ｅｒｒと、順方向電圧降下ＶＦの関係を示す図である。このように、順方向電圧降下ＶＦは、キャリア濃度が低くなると上昇する。一方、キャリア濃度が高いとリカバリー時に残留しているキャリアが多くなりリカバリー損失が大きくなるというトレードオフの関係がある。

【0023】

図４は、本実施形態の半導体装置１０における正孔と電子の注入状態を示す模式図である。このように、カソード電極２２とＮ層１４のショットキ接合により、電子注入量が抑制される。これによって、ライフタイムキラーを使用することなく、電子の低注入化＋長ライフタイム構造が得られる。

【0024】

図５は、ショットキ接合のエネルギーレベルを示す図である。このようにショットキ接合によって、エネルギー障壁が形成されるため、半導体側への電子の注入が抑制される。

【0025】

図６は、実施形態に係る半導体装置１０のリカバリー時の電流波形を示す図である。実施形態に係る半導体装置１０と、比較例として、カソード電極に隣接してＮタイプの高濃度キャリアドープ層を設けオーミック接合（電子高注入）を示してある。このように、本実施形態では、リカバリー時の電流量（Ｉｒｒ）が減少でき、リカバリー損失が抑制できることがわかる。

【0026】

図７は、導通時における半導体装置１０における深さ方向の電子密度を示す図である。なお、電荷中性の法則により電子と正孔の密度は一致するため、図７は正孔の密度を示すものともいえる。このように、本実施形態では、カソード電極２２からの電子注入が抑制されていることがわかる。なお、図中のキャリア濃度は、Ｎ層１４のドーピングキャリア濃度を示す。

【0027】

図８は、リカバリー損失Ｅｒｒおよび順方向電圧降下ＶＦの金属の仕事関数への依存性を示す特性図である。このように、仕事関数が大きくなるとリカバリー損失は小さくなるが、順方向電圧降下ＶＦが大きくなる。仕事関数４．２～４．３の範囲でリカバリー損失Ｅｒｒおよび順方向電圧降下ＶＦの両者が低くなっていることがわかる。

【0028】

図９は、リカバリー損失Ｅｒｒおよび順方向電圧降下ＶＦのＮ層１４におけるＮタイプキャリア（不純物）のドーピングキャリア濃度への依存性を示す特性図である。キャリア濃度がある程度以上高くなると、順方向電圧降下ＶＦは下がるが、リカバリー損失Ｅｒｒが上昇する。キャリア濃度が１×ｅ^１８／ｃｍ^３以下であれば、両者を安定した状態に維持できることがわかる。なお、ダイオードとしての機能を維持するためには、キャリア濃度を１×ｅ^１２～以上とすることが好ましく、従ってキャリア濃度は１×ｅ^１２～１×ｅ^１８／ｃｍ^３の範囲内とすることが好ましいことがわかる。

【0029】

図１０は、実施形態に係る半導体装置１０のリカバリー時におけるリカバリー損失Ｅｒｒと、順方向電圧降下ＶＦの関係を示す図であって、比較例として一般的な電子の高注入＋短ライフタイムの場合も示してある。このように、本実施形態に係る半導体装置１０によれば、電子の低注入＋長ライフタイム構造が得られ、順方向電圧降下ＶＦおよびリカバリー損失を低減することができる。

【0030】

＜製造工程＞
図１１は、実施形態に係る半導体装置１０の製造工程を示す図である。まず、半導体基材１２を用意する（Ｓ１１）。半導体基材１２としては、例えばＦＺ（浮遊帯（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｚｏｎｅ））シリコンウエハであって、Ｎタイプのものが利用される。

【0031】

表面側からのＰタイプの不純物をドープ（インプランテーション）し（Ｓ１２）、これを拡散して、Ｐ－のＰ層１６を形成する（Ｓ１２）。次に、コンタクトを形成し（Ｓ１４）、表面上に表面電極、すなわちアノード電極２０を形成する（Ｓ１５）。

【0032】

次に、裏面側を研磨し（Ｓ１６）、メタルの堆積によって、裏面電極、すなわちカソード電極２２を形成する（Ｓ１７）。

【0033】

すなわち、Ｎ層１４の上に直接カソード電極２２を形成し、ここにショットキ接合を形成する。

【0034】

このようにして、半導体装置１０が形成され、次にこれについて各種検査を行い（Ｓ１８）、製造工程を終了する。

【符号の説明】

【0035】

１０ 半導体装置、１２ 半導体基材、１４ Ｎ層、１６ Ｐ層、２０ アノード電極、２２ カソード電極。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】