JP2013254858A - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、炭化珪素基板を用いた半導体装置およびその製造方法に関し、特に、ショットキーバリアダイオード(Schottky Barrier diode)とpnダイオードとを複合した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ダイオードという)を炭化珪素基板に設けた半導体装置およびその製造方法に適用して有効な技術に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device using a silicon carbide substrate and a method for manufacturing the same, and in particular, a junction barrier Schottky diode (Junction Barrier Schottky diode: hereinafter referred to as JBS) that combines a Schottky Barrier diode and a pn diode. The present invention relates to a technology effective when applied to a semiconductor device provided with a diode) on a silicon carbide substrate and a manufacturing method thereof.
炭化珪素(SiC)の絶縁破壊電界が珪素(Si)の絶縁破壊電界よりも約10倍大きいことから、SiC製のダイオードは、Si製のダイオードと比べて、耐圧を維持するドリフト層を薄く、かつ高濃度にすることができる。このため、pnダイオードと比べてスイッチング時のリカバリ損失が小さく、pnダイオードと同程度の導通損失のショットキーバリアダイオードを作製することができる。 Since the breakdown field of silicon carbide (SiC) is about 10 times larger than the breakdown field of silicon (Si), the SiC diode has a thinner drift layer that maintains the breakdown voltage than the Si diode. In addition, the concentration can be increased. Therefore, the recovery loss at the time of switching is smaller than that of the pn diode, and a Schottky barrier diode having the same conduction loss as that of the pn diode can be manufactured.
pnダイオードは導通時に少数キャリアである正孔がnドリフト層に注入されるためリカバリ損失がショットキーバリアダイオードに比べて大きい。例えば非特許文献1には、5.5kV耐圧の4H−SiCダイオードにおける正孔のライフタイムが0.6〜3.8μs(300〜550K)、正孔の拡散長が16〜22μm(不純物濃度6×1014cm−3)であることが記載されている。
The pn diode has a larger recovery loss than the Schottky barrier diode because holes, which are minority carriers, are injected into the n drift layer when conducting. For example,
ところで、ショットキーバリアダイオードはリカバリ損失が小さいものの、ブロッキング状態における逆方向リーク電流が大きいという問題がある。そこで、逆方向リーク電流の低減を目的としてJBSダイオードと呼ばれる半導体装置が提案されている。JBSダイオードにおいては、例えばn型の炭化珪素からなる基板上に設けられたn型の炭化珪素からなるドリフト層の表面に複数のp型の炭化珪素からなる領域(以下、p領域という)が互いに離間した状態で設けられている。このドリフト層の表面上には複数のp領域とオーミック接触され、かつ、ドリフト層にショットキー接触されるアノード電極が設けられ、基板の裏面にはカソード電極が設けられている。なお、ドリフト層に添加されたn型不純物の濃度は基板に添加されたn型不純物の濃度よりも低いことから、基板をn+基板、ドリフト層をn−ドリフト層と記す。 By the way, although the Schottky barrier diode has a small recovery loss, there is a problem that the reverse leakage current in the blocking state is large. Therefore, a semiconductor device called a JBS diode has been proposed for the purpose of reducing reverse leakage current. In a JBS diode, for example, a plurality of p-type silicon carbide regions (hereinafter referred to as p-regions) are formed on the surface of a drift layer made of n-type silicon carbide provided on a substrate made of n-type silicon carbide. It is provided in a separated state. An anode electrode that is in ohmic contact with a plurality of p regions and in Schottky contact with the drift layer is provided on the surface of the drift layer, and a cathode electrode is provided on the back surface of the substrate. Since the concentration of the n-type impurity added to the drift layer is lower than the concentration of the n-type impurity added to the substrate, the substrate is referred to as an n + substrate and the drift layer is referred to as an n − drift layer.
このJBSダイオードにおいては、アノード電極に正の電圧が印加された順方向導通状態の場合、アノード電極からショットキー接触したn−ドリフト層へ電流が流れ、ショットキーバリアダイオードとして動作する。一方、カソード電極に正の電圧が印加されたブロッキング状態の場合、p領域から拡がる空乏層が、n−ドリフト層とアノード電極との間のショットキー接触面にかかる電界を緩和して逆方向リーク電流を低減するようになっている。 In this JBS diode, in a forward conduction state in which a positive voltage is applied to the anode electrode, current flows from the anode electrode to the n − drift layer in Schottky contact, and operates as a Schottky barrier diode. On the other hand, in the blocking state in which a positive voltage is applied to the cathode electrode, the depletion layer extending from the p region relaxes the electric field applied to the Schottky contact surface between the n − drift layer and the anode electrode and reverse leakage The current is reduced.
ところで、順方向導通状態においては、p領域とn−ドリフト層との接合間にも順方向電圧が印加されるので、p領域からn−ドリフト層に正孔が注入される。通常、p領域とn−ドリフト層との接合間に、例えば約2.6V以上の順方向電圧が印加されると、多量の正孔が注入される。しかし、通常は多量の正孔が注入されないように構造設計されているため、p領域からn−ドリフト層に注入される正孔は、スイッチング時のリカバリ電流には影響を及ぼさない。 By the way, in the forward conduction state, a forward voltage is also applied between the junction of the p region and the n − drift layer, so that holes are injected from the p region into the n − drift layer. Usually, when a forward voltage of, for example, about 2.6 V or more is applied between the junction of the p region and the n − drift layer, a large amount of holes are injected. However, since the structure is usually designed so that a large amount of holes are not injected, the holes injected from the p region into the n − drift layer do not affect the recovery current at the time of switching.
ところが、n−ドリフト層に正孔が注入され、n−ドリフト層内に存在する基底面転位において電子と正孔とが再結合すると、放出されたエネルギーによって、基底面転位を核とした積層欠陥が成長する。積層欠陥は4H−SiCの伝導帯端の0.2eV下にエネルギー準位を形成し(例えば非特許文献2参照)、この積層欠陥の成長によって、オン電圧が経時的に上昇し、また、逆方向リーク電流も経時的に増加するという問題が生じる。この現象は、炭化珪素等の化合物半導体で見られる現象であり、通電劣化現象と呼ばれる。JBSダイオードにおける通電劣化現象は、特に、オン電圧が高い高耐圧ダイオードにおいて顕著に現れる。その理由は、オン電圧が高いと、p領域とn−ドリフト層との接合間に大きな電圧が印加され、p領域からn−ドリフト層に正孔が注入され易いからである。 However, n - holes are injected into the drift layer, n - stacking fault in the basal plane dislocation that exists in the drift layer and the electrons and holes the recombination, which by the released energy, and the basal plane dislocations and the core Will grow. The stacking fault forms an energy level below 0.2 eV of the conduction band edge of 4H—SiC (see, for example, Non-Patent Document 2), and the on-state voltage increases with time due to the growth of the stacking fault. There arises a problem that the direction leakage current also increases with time. This phenomenon is a phenomenon observed in a compound semiconductor such as silicon carbide, and is referred to as an energization deterioration phenomenon. The energization deterioration phenomenon in the JBS diode is particularly noticeable in a high breakdown voltage diode having a high on-voltage. This is because, when the ON voltage is high, the p region and the n - large voltage across the junction between the drift layer is applied, the p region n - is because holes are injected into the drift layer easily.
そこで、例えば特許文献1には、アノード電極とp領域とをショットキー接触とすることによって、JBSダイオードにおける上記通電劣化現象を抑制する方法が開示されている。アノード電極に正の電圧が印加された順方向導通状態において、アノード電極とp領域との接合間は逆方向電圧が印加された状態となり、p領域とn−ドリフト層との接合間に十分な電圧が印加されないので、p領域からn−ドリフト層に正孔が注入されない。
Thus, for example,
また、例えば非特許文献3には、1.2kV耐圧のJBSダイオードおよび3.5kV耐圧のJBSダイオードに、それぞれ順方向に直流(DC)ストレスを印加した場合、3.5kV耐圧のJBSダイオードにおいてオン電圧の増大および逆方向リーク電流の増大が生じたが、1.2kV耐圧のJBSダイオードにおいてはこれら劣化が生じなかったことが開示されている。
Further, for example, in
しかしながら、通電劣化現象を回避するために、アノード電極とp領域とをショットキー接触にする上記特許文献1に記載された方法では、p領域からドリフト層に正孔が注入されないため、伝導度変調が起こらず、サージ耐量が低いという問題がある。通常動作時より大きなサージ電流が瞬間的に流れる際に伝導度変調が起こらずに、アノード電極とカソード電極との間の電位差が大きくなると、JBSダイオード自身、または、JBSダイオードに電気的に接続されるパワー系素子のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)が破壊に至る可能性がある。
However, in order to avoid the current deterioration phenomenon, in the method described in
本発明の目的は、炭化珪素基板を用いた半導体装置において、JBSダイオードのサージ耐量を低下させることなく、通電劣化現象を抑制または防止することのできる技術を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a technique capable of suppressing or preventing a current deterioration phenomenon in a semiconductor device using a silicon carbide substrate without reducing the surge resistance of a JBS diode.
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。 The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。 Of the inventions disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.
代表的な一実施の形態による半導体装置は、炭化珪素基板に縦型のダイオードが設けられた半導体装置において、第1導電型の炭化珪素基板の表面側に、アノード電極とオーミック接触する第2導電型の第1領域と、アノード電極とショットキー接触する第2導電型の第2領域と、アノード電極とショットキー接触する第1導電型の第3領域と、第1領域および第2領域の隣接間に配置された第1導電型の第4領域とを設け、第1領域と第3領域との間に第2領域と第4領域とを配置したことを特徴とするものである。 A semiconductor device according to a typical embodiment is a semiconductor device in which a vertical diode is provided on a silicon carbide substrate, and the second conductive material is in ohmic contact with the anode electrode on the surface side of the first conductive silicon carbide substrate. A first region of the mold, a second region of the second conductivity type that makes a Schottky contact with the anode electrode, a third region of the first conductivity type that makes a Schottky contact with the anode electrode, and adjacent to the first region and the second region A fourth region of the first conductivity type disposed between them is provided, and a second region and a fourth region are disposed between the first region and the third region.
また、代表的な一実施の形態による半導体装置の製造方法は、第1導電型の炭化珪素からなる基板上に形成された該基板よりも不純物濃度の低い第1導電型の炭化珪素からなる半導体層の表面側に、第1導電型とは異なる第2導電型の複数の第1領域を互いに離間させた状態で形成する工程と、前記半導体層の表面側に第2導電型の複数の第2領域を互いに離間させた状態で形成するとともに、該第2領域の隣接間に第1導電型の第3領域を形成する工程と、前記第1領域にオーミック接触し、かつ、前記第2領域および前記第3領域にショットキー接触するアノード電極を形成する工程とを有し、前記第1領域と前記第2領域との隣接間に第1導電型の第4領域を形成し、前記第1領域と前記第3領域との間に、前記第2領域と前記第4領域とを形成する工程を有することを特徴とするものである。 Also, a method of manufacturing a semiconductor device according to a typical embodiment includes a semiconductor made of silicon carbide of a first conductivity type having a lower impurity concentration than that of the substrate formed on the substrate made of silicon carbide of the first conductivity type. Forming a plurality of first regions of a second conductivity type different from the first conductivity type on the surface side of the layer in a state of being separated from each other; and a plurality of second regions of a second conductivity type on the surface side of the semiconductor layer. Forming two regions in a state of being separated from each other, forming a third region of the first conductivity type adjacent to the second region, making ohmic contact with the first region, and the second region And forming an anode electrode in Schottky contact with the third region, forming a fourth region of the first conductivity type between the first region and the second region, and Between the region and the third region, the second region and the fourth region. It is characterized in further comprising the step of forming and.
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下の通りである。 The effects obtained by typical ones of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.
炭化珪素基板を用いた半導体装置において、JBSダイオードのサージ耐量を低下させることなく、通電劣化現象を抑制または防止することができる。 In a semiconductor device using a silicon carbide substrate, the energization deterioration phenomenon can be suppressed or prevented without reducing the surge resistance of the JBS diode.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiments, and the repetitive description thereof will be omitted.
また、実施の形態において、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。 In the embodiment, when it is necessary for the sake of convenience, the description will be divided into a plurality of sections or embodiments. However, unless otherwise specified, they are not irrelevant to each other. There are some or all of the modifications, details, supplementary explanations, and the like.
また、実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。 Further, in the embodiment, when referring to the number of elements (including the number, numerical value, quantity, range, etc.), unless explicitly stated or in principle limited to a specific number, It is not limited to the specific number, and it may be more or less than the specific number.
さらに、実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。 Furthermore, in the embodiment, it is needless to say that the constituent elements (including element steps and the like) are not necessarily essential unless otherwise specified or apparently essential in principle. . Similarly, in the embodiment, when referring to the shape, positional relationship, etc. of the component, etc., the shape, etc., is substantially changed to the shape, etc., unless explicitly stated or otherwise considered in principle. Approximate or similar. The same applies to the above numerical values and ranges.
また、実施の形態においても、JBSダイオードのドリフト層に添加されたn型不純物の濃度が基板に添加されたn型不純物の濃度よりも低いことから、基板をn+基板、ドリフト層をn−ドリフト層と記す。また、p型の炭化珪素からなる領域をp領域、n型の炭化珪素からなる領域をn領域、n−型の炭化珪素からなる領域をn−領域という。 Also in the embodiment, since the concentration of the n-type impurity added to the drift layer of the JBS diode is lower than the concentration of the n-type impurity added to the substrate, the substrate is the n + substrate and the drift layer is the n − This is referred to as a drift layer. A region made of p-type silicon carbide is called a p region, a region made of n-type silicon carbide is called an n region, and a region made of n − -type silicon carbide is called an n − region.
(実施の形態1)
上記したように炭化珪素基板にダイオードを形成した場合、pnダイオードよりもスイッチング時のリカバリ損失が小さく、pnダイオードと同程度の導通損失が得られるショットキーバリアダイオードを作製することができるが、ショットキーバリアダイオードは、ブロッキング状態における逆方向リーク電流が大きいという問題がある。そこで、その逆方向リーク電流を低減するためにJBSダイオードが提案されている。
(Embodiment 1)
When a diode is formed on a silicon carbide substrate as described above, a Schottky barrier diode can be manufactured that has a recovery loss during switching smaller than that of a pn diode and can provide a conduction loss comparable to that of a pn diode. The key barrier diode has a problem that the reverse leakage current in the blocking state is large. Thus, a JBS diode has been proposed to reduce the reverse leakage current.
このJBSダイオードの一例の構造を図19に示す。符号81は炭化珪素からなるn+基板、符号82は炭化珪素からなるn−ドリフト層、符号83は炭化珪素からなるp領域、符号84はアノード電極、符号85はカソード電極である。アノード電極84とn−ドリフト層82とはショットキー接触であり、アノード電極84とp領域83とはオーミック接触である。
An example of the structure of this JBS diode is shown in FIG.
上記したように、このJBSダイオードでは、アノード電極84に正の電圧が印加された順方向導通状態の場合、アノード電極84からn−ドリフト層82へ電流が流れてショットキーバリアダイオードとして動作する。一方、カソード電極85に正の電圧が印加されたブロッキング状態の場合、p領域83から拡がる空乏層が、n−ドリフト層82とアノード電極84との間のショットキー接触面にかかる電界を緩和して逆方向リーク電流を低減するようになっている。
As described above, in the JBS diode, when a positive voltage is applied to the
また、上記したように、このJBSダイオードでは、順方向導通状態の場合、p領域83とn−ドリフト層82との接合間にも順方向電圧が印加されるので、p領域83からn−ドリフト層82に正孔が注入される。通常、p領域83とn−ドリフト層82との接合間に、例えば約2.6V以上の順方向電圧が印加されると、多量の正孔が注入される。しかし、通常は多量の正孔が注入されないように構造設計されているため、p領域83からn−ドリフト層82に注入される正孔は、スイッチング時のリカバリ電流には影響を及ぼさない。
Further, as described above, in this JBS diode, in the forward conduction state, a forward voltage is also applied between the junction of
ところが、n−ドリフト層82に正孔が注入され、n−ドリフト層82内に存在する基底面転位において電子と正孔とが再結合すると、放出されたエネルギーによって基底面転位を核とした積層欠陥Fが成長する。この積層欠陥Fは4H−SiCの伝導帯端の0.2eV下にエネルギー準位を形成する(非特許文献2参照)。そして、この積層欠陥Fの成長によってオン電圧が経時的に上昇し、また、逆方向リーク電流も経時的に増加する(通電劣化現象)。この現象は、炭化珪素等の化合物半導体で見られる現象である。JBSダイオードにおける通電劣化現象は、特に、オン電圧が高い高耐圧ダイオードにおいて顕著に現れる。その理由は、オン電圧が高いと、p領域83とn−ドリフト層82との接合間に大きな電圧が印加され、p領域83からn−ドリフト層82に正孔が注入され易いからである。
However, n - holes are injected into the
次に、本発明者によって見出されたJBSダイオードの通電劣化現象の原因およびその回避手段、ならびにJBSダイオードにおけるp領域の効果について、図20〜図26を参照して詳細に説明する。 Next, the cause of the energization deterioration phenomenon of the JBS diode found by the present inventor and the means for avoiding it, and the effect of the p region in the JBS diode will be described in detail with reference to FIGS.
まず、本発明者によって見出されたJBSダイオードおよびpnダイオードにおける通電劣化現象の電気特性への影響について説明する。図20および図21は、それぞれ通電ストレス印加前後のJBSダイオードの順方向および逆方向の電流−電圧特性、図22および図23は、それぞれ通電ストレス印加前後のpnダイオードの順方向および逆方向の電流−電圧特性、図24は、積層欠陥を含むJBSダイオードに逆方向電圧を印加したときのnショットキー界面のエネルギーバンド図、図25は、積層欠陥を含むpnダイオードに逆方向電圧を印加したときのエネルギーバンド図、図26は、JBSダイオードに逆電圧を印加してショットキー界面の電界強度が1.5MV/cmになったときのショットキー界面に露出した積層欠陥面積(アクティブ面積で規格化)と逆方向リーク電流との関係を計算した結果を示している。 First, the influence on the electrical characteristics of the energization deterioration phenomenon in the JBS diode and pn diode found by the present inventor will be described. 20 and 21 are current-voltage characteristics in the forward and reverse directions of the JBS diode before and after application of the energization stress, respectively. FIGS. 22 and 23 are currents in the forward and reverse directions of the pn diode before and after application of the energization stress, respectively. -Voltage characteristics, FIG. 24 is an energy band diagram of an n Schottky interface when a reverse voltage is applied to a JBS diode including a stacking fault, and FIG. 25 is a voltage applied to a pn diode including a stacking fault. Fig. 26 shows the stacking fault area exposed at the Schottky interface when the reverse voltage is applied to the JBS diode and the electric field strength at the Schottky interface is 1.5 MV / cm (normalized by the active area). ) And the reverse leakage current are calculated.
通電ストレスによって積層欠陥を成長させると、積層欠陥は伝導キャリアをトラップするため、図20および図22の順方向特性に示したようにオン電圧が増加する。一方、通電ストレスによって積層欠陥を成長させた後の逆方向特性は、図21および図23に示したようにJBSダイオードにおいてはリーク電流が増加するが、pnダイオードにおいてはリーク電流がほとんど変化しなかった。これは、以下に示す理由による。 When a stacking fault is grown by energization stress, the stacking fault traps conduction carriers, so that the ON voltage increases as shown in the forward characteristics of FIGS. On the other hand, as shown in FIGS. 21 and 23, the reverse characteristics after growing stacking faults due to energization stress increase the leakage current in the JBS diode, but the leakage current hardly changes in the pn diode. It was. This is due to the following reason.
JBSダイオードにおける逆方向リーク電流は、nショットキー界面におけるトンネル電流が主成分である。図24に示したように積層欠陥は4H−SiCの伝導帯端の0.2eV下にエネルギー準位を形成する(非特許文献2参照)ため、積層欠陥がnショットキー界面近傍まで拡張すると、ショットキー障壁の低下や積層欠陥を経由したトンネルによってリーク電流が増加する。ショットキー界面におけるトンネル確率は、ショットキー障壁高さをφ、電界強度をF、電子質量をm、プランク定数をh、電子エネルギーをEとすると、下記のようになる。 The reverse leakage current in the JBS diode is mainly composed of the tunnel current at the n Schottky interface. As shown in FIG. 24, the stacking fault forms an energy level below 0.2 eV of the conduction band edge of 4H—SiC (see Non-Patent Document 2). Therefore, when the stacking fault extends to the vicinity of the n Schottky interface, Leakage current increases due to lowering of the Schottky barrier and tunneling through stacking faults. The tunneling probability at the Schottky interface is as follows, assuming that the Schottky barrier height is φ, the electric field strength is F, the electron mass is m, the Planck constant is h, and the electron energy is E.
ショットキー界面近傍の積層欠陥によるショットキー障壁の低下を考慮してリーク電流を計算すると、電界強度が1.5MV/cmのとき図26のようになり、欠陥面積が微小だったとしても、リーク電流が非常に大きくなることがわかる。このように局所的にリーク電流が大きい場所が存在することは電界集中を引き起こし、ダイオードの信頼性を低下させる。 When the leakage current is calculated in consideration of the reduction of the Schottky barrier due to stacking faults near the Schottky interface, the leakage current is as shown in FIG. 26 when the electric field strength is 1.5 MV / cm. It can be seen that the current becomes very large. The presence of a location where the leak current is locally large in this way causes electric field concentration and reduces the reliability of the diode.
オン電圧の増加は、積層欠陥部分の抵抗が高くなったとして説明することができ、積層欠陥の面積が小さければ無視できるのに対して、逆方向リーク電流については、図26に示すように、積層欠陥の面積が小さくても影響が大きい。 The increase in the on-voltage can be explained as an increase in the resistance of the stacking fault portion, and can be ignored if the stacking fault area is small. On the other hand, as shown in FIG. Even if the area of the stacking fault is small, the influence is large.
JBSダイオードにおいて積層欠陥が成長すると逆方向リーク電流が増加するのに対して、pnダイオードにおいては、逆方向電圧印加時にpn接合が最大電界となるが、4H−SiCのバンドギャップが3.26eVと大きいため、図25に示すように積層欠陥のエネルギー準位と、価電子帯端の間のエネルギー差も大きく、積層欠陥を経由したトンネル電流がほとんど流れず、リーク電流はほとんど変化しない。 When the stacking fault grows in the JBS diode, the reverse leakage current increases, whereas in the pn diode, the pn junction has the maximum electric field when the reverse voltage is applied, but the band gap of 4H-SiC is 3.26 eV. Since it is large, as shown in FIG. 25, the energy difference between the stacking fault energy level and the valence band edge is also large, the tunnel current passing through the stacking fault hardly flows, and the leakage current hardly changes.
以上のことにより、通電劣化による信頼性低下を回避するには、積層欠陥がnショットキー界面近傍まで拡張しない構造とすればよい。順方向導通状態において、p領域から注入された正孔は、電子と再結合するため注入箇所から離れるほど減少していき、拡散長程度まで拡がる。このため、正孔注入が起こるp領域と、nショットキー界面との間隔が正孔の拡散長より広ければ、積層欠陥がnショットキー界面近傍まで拡張する確率を低減することができる。 From the above, in order to avoid a decrease in reliability due to deterioration of energization, a structure in which stacking faults do not extend to the vicinity of the n Schottky interface may be used. In the forward conduction state, holes injected from the p region are recombined with electrons, so that they decrease as they move away from the injection site and expand to the diffusion length. Therefore, if the distance between the p region where hole injection occurs and the n Schottky interface is wider than the hole diffusion length, the probability that the stacking fault extends to the vicinity of the n Schottky interface can be reduced.
拡散長は、拡散係数をDとライフタイムをτとすると、下記のようになる。 The diffusion length is as follows, where D is the diffusion coefficient and τ is the lifetime.
従って、不純物濃度および温度に依存するが、4H−SiCのエピタキシャル層の場合、正孔の拡散長は10μm程度であり(非特許文献1参照)、3kV級ダイオードの場合は7μmとなる。また、不純物イオン注入をした領域には再結合中心が導入されるので、ライフタイムはイオン注入によって低減する。 Therefore, although depending on the impurity concentration and temperature, the diffusion length of holes is about 10 μm in the case of 4H—SiC epitaxial layer (see Non-Patent Document 1), and 7 μm in the case of a 3 kV class diode. In addition, since recombination centers are introduced into the region where impurity ions have been implanted, the lifetime is reduced by ion implantation.
次に、本発明者によって見出されたJBSダイオードにおけるp領域の効果(JBSダイオードを高サージ耐量とするための方法)について説明する。 Next, the effect of the p region in the JBS diode found by the present inventor (method for making the JBS diode high surge resistance) will be described.
JBSダイオードでは、アノード電極とカソード電極との間の電圧(順方向電圧)を上げていくと、1V程度でnショットキー領域に電流が流れ始める。アノード電極とオーミック接触しているp領域がないJBSダイオードの場合、電流が大きくなると、自己発熱で温度が上昇し、抵抗が増大する。このため、流せる電流には上限があり、それ以上の電流を流そうとすると、アノード電極とカソード電極との間の電圧(順方向電圧)が大きくなって、いずれ破壊に至る。一方、アノード電極とオーミック接触しているp領域があるJBSダイオードの場合、p領域とドリフト層との接合間に高い電圧が印加されると、p領域からドリフト層に正孔が注入されて伝導度変調が起きる。これによって抵抗が下がり、より大きな電流を流すことができる。すなわち、サージ耐量を増大させることができる。 In the JBS diode, when the voltage (forward voltage) between the anode electrode and the cathode electrode is increased, current starts to flow in the n Schottky region at about 1V. In the case of a JBS diode having no p region in ohmic contact with the anode electrode, when the current increases, the temperature rises due to self-heating and the resistance increases. For this reason, there is an upper limit to the current that can be flowed, and if a current larger than that is flowed, the voltage (forward voltage) between the anode electrode and the cathode electrode increases and eventually breaks down. On the other hand, in the case of a JBS diode having a p region that is in ohmic contact with the anode electrode, when a high voltage is applied between the junction of the p region and the drift layer, holes are injected from the p region into the drift layer and conducted. Degree modulation occurs. This reduces the resistance and allows a larger current to flow. That is, the surge resistance can be increased.
次に、以上のような発明者による検討結果に基づき、炭化珪素基板にJBSダイオードを設けた半導体装置の具体的な構造の一例について図1〜図4を参照して説明する。 Next, an example of a specific structure of a semiconductor device in which a JBS diode is provided on a silicon carbide substrate will be described with reference to FIGS.
図1は、本実施の形態1のJBSダイオードチップの全体平面図、図2は図1のI−I線の断面図、図3は図1のII−II線の断面図である。なお、図1では図面を見易くするためにアノード電極の下層のJBSダイオードチップの表面を透かして見せている。また、図1は平面図であるが図面を見易くするためにハッチングを付している。 1 is an overall plan view of a JBS diode chip according to the first embodiment, FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II in FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line II-II in FIG. In FIG. 1, the surface of the JBS diode chip below the anode electrode is shown through to make the drawing easier to see. Further, FIG. 1 is a plan view, but is hatched for easy understanding of the drawing.
JBSダイオードチップ(半導体装置)を構成するn+基板1は、例えばn+型の炭化珪素からなり、その表面上には、例えばn−型の炭化珪素からなるn−ドリフト層(半導体層)2がエピタキシャル法等によって形成されている。n−ドリフト層2の不純物濃度は、n+基板1の不純物濃度よりも低く、例えば2×1015cm−3程度、n−ドリフト層2の厚さは、例えば30μm程度である。 An n + substrate 1 constituting a JBS diode chip (semiconductor device) is made of, for example, n + type silicon carbide, and an n − drift layer (semiconductor layer) 2 made of, for example, n − type silicon carbide is formed on the surface thereof. Is formed by an epitaxial method or the like. The impurity concentration of the n − drift layer 2 is lower than the impurity concentration of the n + substrate 1, for example, about 2 × 10 15 cm −3 , and the thickness of the n − drift layer 2 is, for example, about 30 μm.
このn−ドリフト層2の表面(n+基板1と接する面とは反対側の面)側のアクティブ領域(活性領域)には、例えばp型の炭化珪素からなる、複数の第1p領域(第1領域)3と複数の第2p領域(第2領域)4とが互いに離間した状態で形成されている。 The active region (active region) on the surface of the n − drift layer 2 (the surface opposite to the surface in contact with the n + substrate 1) has a plurality of first p regions (first regions) made of, for example, p-type silicon carbide. 1 region) 3 and a plurality of second p regions (second regions) 4 are formed in a state of being separated from each other.
第1p領域3および第2p領域4は、図1に示すように、例えばストライプ状に配置されている。すなわち、第1p領域3および第2p領域4は、例えば一方向(図1の上下方向)に延在する平面線状に形成されており、その延在方向に交差する幅方向(図1の左右方向)に沿って並んで配置されている。この第1p領域3および第2p領域4は、上記幅方向に沿って予め決められた単位の構造が繰り返されて配置されるが、その繰り返しの単位の構造は図1に示したものに限定されるものではなく種々変更可能である。
As shown in FIG. 1, the
各第1p領域3のn−ドリフト層2の表面に露出する部分の不純物濃度は、例えば1×1020cm−3程度、第1p領域3の深さ(n−ドリフト層2の表面からの深さ)は、例えば0.3〜1.0μmである。また、第2p領域4のn−ドリフト層2の表面に露出する部分の不純物濃度は、第1p領域3の不純物濃度よりも低く、例えば1×1019cm−3以下、第2p領域4の深さ(n−ドリフト層2の表面からの深さ)は、第1p領域3と同程度であり、例えば0.3〜1.0μmである。
The impurity concentration of the portion exposed to the surface of the n − drift layer 2 in each
また、互いに隣接する第2p領域4,4の隣接間には、n−ドリフト層2の一部分で構成される第1n−領域(第3領域)2aが配置されている。また、各第1p領域3の幅方向の両側において、第1p領域3と第2p領域4との隣接間には、n−ドリフト層2の一部分で構成される第2n−領域(第4領域)2bが配置されている。
In addition, a first n − region (third region) 2 a configured by a part of the n − drift layer 2 is disposed between adjacent
このようなn−ドリフト層2の表面側においてアクティブ領域の外周の終端領域には、図1および図3に示すように、ガードリング(第5領域)5aと、その外周に、例えば2重に配置されたフローティングガードリング6,6とが形成されている。
As shown in FIG. 1 and FIG. 3, a guard ring (fifth region) 5a and an outer periphery of the terminal region on the outer periphery of the active region on the surface side of the n − drift layer 2 are doubled, for example. Arranged floating
内側のガードリング5aは、例えば、p型の炭化珪素からなり、アクティブ領域を取り囲むように平面無端枠状に形成されている。ガードリング5aにおいてn−ドリフト層2の表面に露出する部分の不純物濃度は、例えば1×1019cm−3以下であり、ガードリング5aの深さ(n−ドリフト層2の表面からの深さ)は、例えば0.5〜2.0μm程度である。また、ガードリング5aの平面幅は、製造プロセスにおける合わせずれを考慮して、上記した第1p領域3および第2p領域4の各々の平面幅よりも広く、例えば20μm以上の幅で形成されている。また、ガードリング5aは、第1p領域3とは分離(絶縁)されているが、第2p領域4とは第2p領域4の長手方向両端部分を通じて直接接続されている。このため、ガードリング5aを第2p領域4と同時に形成しても良い。
The
外側の各フローティングガードリング6,6は、例えばp型の炭化珪素からなり、ガードリング5aを取り囲むように平面無端枠状に形成されている。各フローティングガードリング6,6は、互いに分離(絶縁)されているとともに、ガードリング5aとも分離(絶縁)されている。フローティングガードリング6においてn−ドリフト層2の表面に露出する部分の不純物濃度は、例えば1×1019cm−3以下であり、フローティングガードリング6の深さ(n−ドリフト層2の表面からの深さ)は、例えば0.5〜2.0μm程度である。このフローティングガードリング6は、第2p領域4やガードリング5aと同時に形成しても良い。
Each of the outer floating
このようなn−ドリフト層2の表面上においてアクティブ領域には、図2および図3に示すように、絶縁膜9aが形成されている。絶縁膜9aは、例えば熱酸化膜または堆積酸化膜からなり、その厚さは、例えば0.5〜1.0μm程度である。
As shown in FIGS. 2 and 3, an insulating
また、n−ドリフト層2の表面上において終端領域には、絶縁膜9bおよびパッシベーション膜10が下層から順に形成されている。絶縁膜9bは、例えば熱酸化膜または堆積酸化膜からなり、上記した絶縁膜9aと同時に形成しても良い。絶縁膜9bとパッシベーション膜10との合計の厚さは、例えば5μm程度である。
In addition, in the termination region on the surface of the n − drift layer 2, an insulating film 9 b and a
このような絶縁膜9a,9b上には、アノード電極11が形成されている。アノード電極11は、例えばニッケル(Ni)からなり、絶縁膜9a,9bに形成された孔12を通じて、第1p領域3にオーミック接触し、かつ、第1n−領域2a、第2p領域4およびガードリング5aにショットキー接触した状態でそれぞれの領域に電気的に接続されている。
An
一方、JBSダイオードチップのn+基板1の裏面(n−ドリフト層2と接する面とは反対側の面)には、カソード電極13が形成されている。カソード電極13は、例えばNiまたはチタン(Ti)により形成されている。
On the other hand, a
このような本実施の形態1のJBSダイオードチップにおいては、第2n−領域2bの表面が上記した絶縁膜9aによって覆われており、アノード電極11と第2n−領域2bとは絶縁膜9aにより分離(絶縁)されている。したがって、アノード電極11が第2n−領域2bに接触することがなく、この第2n−領域2b表面部分にショットキー接触部分が形成されることはない。
In such a JBS diode chip according to the first embodiment, the surface of the second n - region 2b is covered with the insulating
また、上記したようにアノード電極11がオーミック接触する第1p領域3と、アノード電極11がショットキー接触する第1n−領域2aとの間には、アノード電極11がショットキー接触する第2p領域4と、第2n−領域2bとが配置されている。これにより、アノード電極11がオーミック接触する第1p領域3と、アノード電極11がショットキー接触する第1n−領域2aとの間隔LA(図2参照)が充分に確保されている。そして、この間隔LAが、正孔の拡散長(すなわち、上記数2に示した(Dτ)1/2)よりも広く形成されている。具体的には、間隔LAが、例えば7μm以上とされている。このような構成により、第1p領域3から注入される正孔がnショットキー界面まで到達しないので、積層欠陥拡張によるリーク電流の増大を抑制または防止することができる。
As described above, the
次に、図4は本実施の形態1のJBSダイオードチップの回路図を示している。 Next, FIG. 4 shows a circuit diagram of the JBS diode chip of the first embodiment.
図4の左のショットキーバリアダイオードSDnは、アノード電極11とカソード電極13との間に順方向に接続されている。このショットキーバリアダイオードSDnは、アノード電極11と上記した第1n−領域2aとの接触部に形成される。
The left Schottky barrier diode SDn in FIG. 4 is connected in the forward direction between the
図4の中央のpnダイオードD1は、ショットキーバリアダイオードSDnと並列にアノード電極11とカソード電極13との間に順方向に接続されている。このpnダイオードD1は、上記した第1p領域3とn−ドリフト層2との接合部に形成される。
The pn diode D1 in the center of FIG. 4 is connected in the forward direction between the
図4の右側のpnダイオードD2は、ショットキーバリアダイオードSDnと並列にアノード電極11とカソード電極13との間に順方向に接続されている。このpnダイオードD2は、上記した第2p領域4とn−ドリフト層2との接合部に形成される。
The pn diode D2 on the right side of FIG. 4 is connected in the forward direction between the
また、図4の右側のショットキーバリアダイオードSDpは、ショットキーバリアダイオードSDnと並列にアノード電極11とカソード電極13との間に逆方向に接続されている。このショットキーバリアダイオードSDpは、アノード電極11と上記した第2p領域4との接触部に形成される。
The Schottky barrier diode SDp on the right side of FIG. 4 is connected in the opposite direction between the
次に、本実施の形態1のJBSダイオードチップの動作について図2および図4を参照して説明する。 Next, the operation of the JBS diode chip of the first embodiment will be described with reference to FIG. 2 and FIG.
アノード電極11に正の電圧が印加される順方向導通状態においては、アノード電極11からショットキー接触した第1n−領域2aを通ってn−ドリフト層2へ電流が流れ、ショットキーバリアダイオードとして動作する。通常動作時より大きなサージ電流が瞬間的に流れる際に、アノード電極11の電位が高くなり、第1p領域3とn−ドリフト層2との接合間に大きな電圧が印加されても、第1p領域3からn−ドリフト層2に正孔が注入されて伝導度変調が起きるので、大きなサージ電流を吸収することができる。このため、サージ耐圧を確保できる。また、このとき、アノード電極11の電位が高くなっても、第2p領域4とn−ドリフト層2との接合間には大きな電圧が印加されず、第2p領域4からn−ドリフト層2へは正孔は注入されない。また、第1p領域3と第2p領域4とは分離(絶縁)されているので、第1p領域3を介して第2p領域4からn−ドリフト層2に正孔が注入されることもない。このため、炭化珪素特有の通電劣化現象を抑制または防止できる。
In a forward conduction state in which a positive voltage is applied to the
一方、カソード電極13に正の電圧が印加されるブロッキング状態においては、第1p領域3および第2p領域4から広がる空乏層が、アノード電極11と第1n−領域2aとの間のショットキー接触界面にかかる電界を緩和して逆方向リーク電流を低減することができる。
On the other hand, in a blocking state in which a positive voltage is applied to the
次に、本実施の形態1のJBSダイオードチップのガードリング5aの動作について説明する。
Next, the operation of the
上記のようにガードリング5aは、幅広に形成されているため、ガードリング5aとアノード電極11とがオーミック接触している場合、アノード電極11に正の電圧が印加されると、ガードリング5aとn−ドリフト層2との接合間には、第1p領域3とn−ドリフト層2との接合間よりも大きな電圧が印加される。この場合、第1p領域3から正孔が注入されるよりも早く、ガードリング5aからn−ドリフト層2に正孔が注入されうる。また、ガードリング5aとアノード電極11とがショットキー接触している場合、ガードリング5aと第1p領域3とが接続していると、第1p領域3を経由して、ガードリング5aからn−ドリフト層2に正孔が注入されうる。このため、これらの構造の場合、JBSダイオードチップの終端領域において通電劣化現象が生じる場合がある。
Since the
これに対して、本実施の形態1におけるJBSダイオードチップにおいては、ガードリング5aはアノード電極11とショットキー接触されており、かつ、第1p領域3とは接続されていないので、ガードリング5aからn−ドリフト層2に正孔が注入されることがなく、終端領域における通電劣化現象を抑制または防止することができる。
On the other hand, in the JBS diode chip according to the first embodiment, the
次に、本発明の実施の形態1のJBSダイオードの製造方法の一例について図1〜図8を参照して説明する。なお、図5〜図8は、図2に該当する部分の製造工程中の断面図である。 Next, an example of a method for manufacturing the JBS diode according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 5-8 is sectional drawing in the manufacturing process of the part applicable to FIG.
まず、図5に示すように、炭化珪素からなるn+基板1の表面上にn−ドリフト層2が積層された基体を準備する。n−ドリフト層2は、例えばエピタキシャル成長法により形成され、その不純物濃度は、例えば2×1015cm−3程度、その厚さは、例えば30μm程度である。 First, as shown in FIG. 5, a base body in which an n − drift layer 2 is laminated on the surface of an n + substrate 1 made of silicon carbide is prepared. The n − drift layer 2 is formed by, for example, an epitaxial growth method, and has an impurity concentration of, for example, about 2 × 10 15 cm −3 and a thickness of, for example, about 30 μm.
続いて、n−ドリフト層2の表面上にイオン注入用のマスク材15Aを塗布した後、マスク材15Aをパターニングする。その後、矢印に示すように、例えばアルミニウム(Al)のようなp型不純物をn−ドリフト層2にイオン注入して、複数の第2p領域4(図1および図2参照)を形成する。第2p領域4のn−ドリフト層2の表面に露出する部分の不純物濃度は、例えば1×1019cm−3程度、第2p領域4の深さは、例えば0.3〜1.0μm程度である。
Subsequently, after a
この時、同じマスク材15Aを用いて、終端領域のn−ドリフト層2にもp型不純物をイオン注入し、ガードリング5aおよびフローティングガードリング6,6(図1および図3参照)を形成する。ガードリング5aおよびフローティングガードリング6,6は、マスク材15Aとは別のイオン注入用のマスク材を用いて形成しても良い。
At this time, using the
次いで、マスク材15Aを除去した後、図6に示すように、n−ドリフト層2の表面上にイオン注入用のマスク材15Bを塗布し、これをパターニングする。このとき、マスク材15Bの開口部が第2p領域4にかからないようにマスク材15Bをパターニングする。
Next, after removing the
続いて、例えばAlのようなp型不純物をn−ドリフト層2にイオン注入して第1p領域3(図1および図2参照)を形成する。この第1p領域3のn−ドリフト層2の表面に露出する部分の不純物濃度は、例えば1×1020cm−3以下、第1p領域3の深さは、例えば0.3〜1.0μm程度である。
Subsequently, a p-type impurity such as Al is ion-implanted into the n − drift layer 2 to form a first p region 3 (see FIGS. 1 and 2). The impurity concentration of the exposed portion of the
また、第1p領域3の幅は、通常動作時に第1p領域3からn−ドリフト層2へ多量の正孔が注入されないように、n−ドリフト層2の不純物濃度、第1p領域3の深さ、およびアノード電極11とショットキー接触する第3n領域2aとの面積割合などにより設計されるが、例えば10μm以下が望ましい。
Further, the width of the
次いで、マスク材15Bを除去した後、例えば1700℃の温度でn+基板1およびn−ドリフト層2に対して熱処理を施してイオン注入されたAlを活性化することにより、図7に示すように、n−ドリフト層2の表面側に、第1p領域3、第2p領域4、第1n−領域2aおよび第2n−領域2bを形成する。
Next, after removing the
続いて、図8に示すように、n−ドリフト層2の表面(第1p領域3、第2p領域4、第1n−領域2aおよび第2n−領域2b)を覆うように絶縁膜9aを形成する。絶縁膜9aは、例えば熱酸化膜や堆積酸化膜である。このとき、パッシベーション膜10(図3参照)を同時に形成しても良い。その後、図2に示したように、n+基板1の裏面上に、例えばNiまたはTiからなるカソード電極13を形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 8, an insulating
次いで、図2に示したように、第1p領域3、第2p領域4および第1n−領域2aの表面側一部が露出されるような孔12を絶縁膜9aに形成する。このとき、第1p領域3に隣接するn−ドリフト層2の表面の第2n−領域2b上は絶縁膜9aで覆われるように絶縁膜9aを加工する。
Next, as shown in FIG. 2, a
続いて、n−ドリフト層2上に、例えばNiからなる金属膜を堆積した後、これを加工することにより、孔12を通じて第1p領域3、第2p領域4および第1n−領域2aに接触するようにアノード電極11を形成する。第1p領域3の不純物濃度を高濃度(例えば1×1020cm−3程度)としたため、第1p領域3はアノード電極11とオーミック接触する。一方、第2p領域4の不純物濃度を低濃度(例えば1×1019cm−3以下)としたため、第2p領域4はアノード電極11とショットキー接触する。また、第1n−領域2aの不純物濃度も低濃度(例えば2×1015cm−3程度)なので、第1n−領域2aはアノード電極11とショットキー接触する。
Subsequently, after depositing a metal film made of, for example, Ni on the n − drift layer 2, the metal film is processed to contact the
その後、図3に示したように、パッシベーション膜10を形成することにより、本実施の形態1によるJBSダイオードチップが略完成する。
Thereafter, as shown in FIG. 3, the
本実施の形態1によれば、以下の効果を得ることができる。 According to the first embodiment, the following effects can be obtained.
本実施の形態1のJBSダイオードチップにおいては、通電ストレスにより積層欠陥が拡張しても、積層欠陥がnショットキー界面近傍まで到達することを防ぐことができ、ブロッキング状態における逆方向リーク電流の増加を防止することができる。 In the JBS diode chip of the first embodiment, even if the stacking fault is expanded due to energization stress, the stacking fault can be prevented from reaching the vicinity of the n Schottky interface, and the reverse leakage current increases in the blocking state. Can be prevented.
また、本実施の形態1のJBSダイオードチップにおいては、アノード電極11とオーミック接触する第1p領域3が大きなサージ電流を吸収するので、高いサージ耐量を得ることができる。
Further, in the JBS diode chip of the first embodiment, the
これらのことから、本実施の形態1のJBSダイオードチップにおいては、サージ耐量を低下させることなく、通電劣化現象を抑制または防止することができる。 For these reasons, in the JBS diode chip of the first embodiment, it is possible to suppress or prevent the energization deterioration phenomenon without reducing the surge withstand capability.
(実施の形態2)
本実施の形態2のJBSダイオードチップについて図9を参照して具体的に説明する。
(Embodiment 2)
The JBS diode chip according to the second embodiment will be specifically described with reference to FIG.
図9は、本実施の形態2のJBSダイオードチップのアクティブ領域の図2と同一箇所の要部断面図である。 FIG. 9 is a cross-sectional view of a main part of the active region of the JBS diode chip according to the second embodiment at the same location as in FIG.
本実施の形態2においては、n−ドリフト層2の表面側に、n−ドリフト層2よりも不純物濃度の高いn型の半導体層(第8領域)20が形成されている。この半導体層20は、電流拡散層としての機能を備えている。半導体層20に含有されている不純物は、例えば窒素(N)であり、その不純物濃度は、例えば1×1016cm−3程度である。
In the second embodiment, an n-type semiconductor layer (eighth region) 20 having an impurity concentration higher than that of the n − drift layer 2 is formed on the surface side of the n − drift layer 2. The
この場合、互いに隣接する第2p領域4,4の隣接間には、n型の半導体層20の一部分で構成される第1n領域(第3領域)20aが配置されている。また、各第1p領域3の幅方向の両側において、第1p領域3と第2p領域4との隣接間には、n型の半導体層20の一部分で構成される第2n領域(第4領域)20bが配置されている。そして、第1p領域3、第2p領域4、第1n領域20aおよび第2n領域20bは、半導体層20に内包されるように形成されている。
In this case, a first n region (third region) 20 a configured by a part of the n-
この場合、アノード電極11は、第1n領域20aとショットキー接触した状態で電気的に接続されている。また、第2n領域20bの表面は、絶縁膜9aによって覆われており、アノード電極11と第2n領域20bとは絶縁膜9aにより分離(絶縁)されている。この場合もアノード電極11がオーミック接触する第1p領域3と、アノード電極11がショットキー接触する第1n領域20aとの間に、第2p領域4と、第2n領域20bとが配置されている。これにより、第1p領域3と第1n領域20aとの間隔LA(図9参照)が充分に確保されている。そして、この間隔LAが、正孔の拡散長(上記数2参照)よりも広く形成されている。具体的には、間隔LAが、例えば7μm以上とされている。したがって、本実施の形態2においても第1p領域3から注入される正孔がnショットキー界面まで到達しないので、積層欠陥拡張によるリーク電流の増大を抑制または防止することができる。
In this case, the
また、前記実施の形態1においては、アノード電極11とショットキー接触する第1n−領域2a(図2参照)の表面面積が小さいのでオン抵抗の増加が懸念される。これに対して本実施の形態2においては、第1n領域20aがn−ドリフト層2よりも不純物濃度が高いn型の半導体層20で形成されていることにより、オン抵抗を低減できる。さらに、第1p領域3および第2p領域4も半導体層20内に設けたことにより、順方向通電時に電流を第1p領域3および第2p領域4の下部へ効率よく広がるように流すことができるので、オン抵抗をさらに低減することができる。
Further, in the first embodiment, since the surface area of the first n - region 2a (see FIG. 2) in Schottky contact with the
ただし、第1p領域3の下部は半導体層20下部のn−ドリフト層2まで達していても良い。この場合、第1p領域3からn−ドリフト層2への正孔の注入効率が上がる。また、順方向通電時に電流を第2p領域4の下部へ効率よく拡げることができ、オン抵抗を低減することができる。
However, the lower portion of the
(実施の形態3)
本実施の形態3のJBSダイオードチップについて図10および図11を参照して具体的に説明する。
(Embodiment 3)
The JBS diode chip according to the third embodiment will be specifically described with reference to FIG. 10 and FIG.
図10は、本実施の形態3のJBSダイオードチップの全体平面図、図11は図10のIII−III線の断面図である。なお、図10では図1と同様にアノード電極の下層のJBSダイオードチップの表面を透かして見せている。また、図10は平面図であるが図1と同様にハッチングを付している。 10 is an overall plan view of the JBS diode chip according to the third embodiment, and FIG. 11 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG. In FIG. 10, the surface of the JBS diode chip below the anode electrode is shown through as in FIG. FIG. 10 is a plan view, but is hatched in the same manner as FIG.
本実施の形態3のJBSダイオードチップのアクティブ領域の基本的な構造は、前記実施の形態1と同様である。また、前記実施の形態2と同様にn−ドリフト層2にn型の半導体層20を設けても良い。
The basic structure of the active region of the JBS diode chip of the third embodiment is the same as that of the first embodiment. Further, the n-
本実施の形態3のJBSダイオードチップにおいては、アクティブ領域の外周に平面無端枠状の第2p領域(第2領域)4aが形成されており、アクティブ領域内に配置された複数の平面線状の第2p領域4がその長手方向両端部を通じて平面枠状の第2p領域4aに電気的に接続されている。
In the JBS diode chip of the third embodiment, a planar endless frame-shaped second p region (second region) 4a is formed on the outer periphery of the active region, and a plurality of planar linear shapes arranged in the active region are formed. The
この第2p領域4aの平面幅、不純物の種類および濃度は、アクティブ領域内の第2p領域4と同じである。そして、アノード電極11は、第2p領域4aにショットキー接触した状態で電気的に接続されている。
The planar width, impurity type and concentration of the
この平面枠状の第2p領域4aの外周にはガードリング(第6領域)5bが配置されている。このガードリング5bは、例えば、p型の炭化珪素からなり、第2p領域4aを取り囲むように平面無端枠状に形成されている。
A guard ring (sixth region) 5b is disposed on the outer periphery of the planar frame-shaped
このガードリング5bのn−ドリフト層2の表面に露出する部分の不純物濃度は、前記実施の形態1で説明したガードリング5aの不純物濃度よりも高く、例えば1×1020cm−3程度である。このため、アノード電極11は、ガードリング5bにオーミック接触した状態で電気的に接続されている。
The impurity concentration of the portion exposed to the surface of the n − drift layer 2 of the
また、ガードリング5bの深さ(n−ドリフト層2の表面からの深さ)は、例えば0.5〜2.0μmである。この場合、ガードリング5bは第1p領域3と同時に形成してもよい。さらに、ガードリング5bの平面幅は、製造上の合わせずれを考慮して、第1p領域3および第2p領域4の各々の平面幅よりも広く、例えば20μm以上とされている。
The depth of the
このような第2p領域4aとガードリング5bとの間には、n−ドリフト層2の一部分で構成される第3n−領域(第7領域)2cが配置されており、ガードリング5bと第2p領域4,4aとが分離(絶縁)されている。また、第3n−領域2cの表面は絶縁膜9aによって覆われており、第3n−領域2cとアノード電極11とは分離(絶縁)されている。
Between the
このような本実施の形態3のJBSダイオードにおいては、アノード電極11がオーミック接触するガードリング5bと、アノード電極11がショットキー接触する第1n−領域2aとの間に、第2p領域4aと、第3n領域2cとが配置されている。これにより、ガードリング5bと第1n−領域2aとの間隔LB(図10参照)が充分に確保されている。そして、この間隔LBが、正孔の拡散長(上記数2参照)よりも広く形成されている。具体的には、間隔LBが、例えば7μm以上とされている。したがって、本実施の形態3においては、第1p領域3およびガードリング5bから注入される正孔がnショットキー界面まで到達しないので、積層欠陥拡張によるリーク電流の増大を抑制または防止することができる。
In such a JBS diode of the third embodiment, the
このような本実施の形態3によれば、前記した実施の形態1,2の効果に加えて、以下の効果を得ることができる。 According to the third embodiment, in addition to the effects of the first and second embodiments, the following effects can be obtained.
すなわち、通常、ガードリング5bは上記のように幅広に形成されるため、ガードリング5bとアノード電極11とがオーミック接触している場合、アノード電極11に正の電圧が印加されると、ガードリング5bとn−ドリフト層2との接合間には、第1p領域3とn−ドリフト層2との接合間よりも大きな電圧が印加される。このため、第1p領域3から正孔が注入されるよりも早く、ガードリング5bからn−ドリフト層2に正孔が注入される。これにより、本実施の形態3においては、サージ耐量の高いJBSダイオードチップを得ることができる。
That is, since the
(実施の形態4)
本実施の形態4のJBSダイオードチップについて図12および図13を参照して具体的に説明する。
(Embodiment 4)
The JBS diode chip according to the fourth embodiment will be specifically described with reference to FIGS.
図12は本実施の形態4のJBSダイオードチップのアクティブ領域の要部平面図、図13は図12のIV−IV線の断面図である。 FIG. 12 is a main part plan view of the active region of the JBS diode chip according to the fourth embodiment, and FIG. 13 is a cross-sectional view taken along the line IV-IV in FIG.
なお、JBSダイオードチップの全体平面図は図1や図10で説明したものと同じであり、図13は図1のI−I線に該当する箇所の断面を示している。また、図12では図1と同様にアノード電極の下層のJBSダイオードチップの表面部分を透かして見せている。また、図12は平面図であるが図1と同様にハッチングを付している。 The overall plan view of the JBS diode chip is the same as that described with reference to FIG. 1 and FIG. 10, and FIG. 13 shows a cross section of the portion corresponding to the line II in FIG. Further, in FIG. 12, the surface portion of the JBS diode chip below the anode electrode is shown in the same manner as in FIG. FIG. 12 is a plan view, but is hatched in the same manner as FIG.
本実施の形態4のJBSダイオードチップにおいては、第1p領域3に隣接するn−ドリフト層2の表面に、例えば複数のホール結合中心部が存在する第3n領域(第4領域)21が形成されている。この第3n領域21は、第1p領域3の平面外周を取り囲むように設けられている。
In the JBS diode chip of the fourth embodiment, a third n region (fourth region) 21 having, for example, a plurality of hole coupling centers is formed on the surface of the n − drift layer 2 adjacent to the
この第3n領域21は、イオン注入法等によって形成されており、その不純物は、例えば窒素(N)であり、その不純物濃度は、例えば5×1016cm−3程度である。また、第3n領域21の深さ(n−ドリフト層2の表面からの深さ)は、例えば0.5〜1.0μmである。第1p領域3と第2p領域4で挟まれた第3n領域21の幅は、第1p領域3および第2p領域4の各々から第3n領域21に拡がる空乏層幅の和より短い。
The
この第3n領域21は、イオン注入法によって形成されているので、第3n領域21における正孔のライフタイムは短く、第1p領域3からn−ドリフト層2に注入された正孔は第3n領域21内で電子との再結合により消滅し、第3n領域21のショットキー界面まで到達しない。そのため、積層欠陥拡張によるリーク電流の増大を防ぐことができる。
Since the
アノード電極11は、n−ドリフト層2の第1n−領域2a、第2p領域4および第3n領域21にショットキー接触し、かつ第1p領域3にオーミック接触している。この第1p領域3と第2p領域4とは、それらの幅方向に沿って予め決められた単位の構造が繰り返し配置されるが、その繰り返しの単位の構造は図12および図13に示したものに限定されるものではない。
The
n−ドリフト層2の不純物濃度は、例えば2×1015cm−3程度、第1p領域3のn−ドリフト層2の表面に露出する部分の不純物濃度は、例えば1×1020cm−3程度、第2領域4のn−ドリフト層2の表面に露出する部分の不純物濃度は、例えば1×1019cm−3以下である。また、n−ドリフト層2の厚さは、例えば30μm程度、第1p領域3および第2p領域4の深さ(n−ドリフト層2の表面からの深さ)は、例えば0.5〜1.0μmである。
The impurity concentration of the n − drift layer 2 is, for example, about 2 × 10 15 cm −3 , and the impurity concentration of the portion exposed to the surface of the n − drift layer 2 in the
このような本実施の形態4のJBSダイオードチップにおいても、アノード電極11がオーミック接触する第1p領域3と、アノード電極11がショットキー接触する第1n−領域(第3領域)2aとの間に、アノード電極11がショットキー接触する第2p領域4と第3n領域21とが配置されている。これにより、第1p領域3と第1n−領域2aとの間隔LA(図13参照)が充分に確保されている。そして、第1p領域3と、第1n−領域2aとの間隔LAが、正孔の拡散長(上記数2に示した(Dτ)1/2参照)よりも広く形成されている。具体的には、間隔LAが、例えば7μm以上とされている。これにより、第1p領域3から注入される正孔がnショットキー界面まで到達しないので、積層欠陥拡張によるリーク電流の増大を抑制または防止することができる。
Also in the JBS diode chip of the fourth embodiment, between the
なお、本実施の形態4においても前記実施の形態2と同様にn−ドリフト層2にn型の半導体層20を設けても良い。また、JBSダイオードチップの外周のガードリング5a,5bやフローティングガードリング6に関する構造は、前記実施の形態1,3で説明したのと同じである。
In the fourth embodiment, the n-
次に、本発明の実施の形態4のJBSダイオードチップの製造方法の一例について図12〜図17を参照して説明する。なお、図14〜図17は、図13に該当する部分の製造工程中の断面図である。 Next, an example of a method for manufacturing the JBS diode chip according to the fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 14-17 is sectional drawing in the manufacturing process of the part applicable to FIG.
まず、図14に示すように、前記実施の形態1と同様に、炭化珪素からなるn+基板1の表面上にn−ドリフト層2が積層された基体を準備する。 First, as shown in FIG. 14, similarly to the first embodiment, a base body in which an n − drift layer 2 is laminated on the surface of an n + substrate 1 made of silicon carbide is prepared.
続いて、n−ドリフト層2の表面上にイオン注入用のマスク材15Cを塗布した後、そのマスク材15Cをパターニングする。その後、矢印で示すように、例えば窒素(N)のようなn型不純物をn−ドリフト層2にイオン注入して、第3n領域21(図12および図13参照)を形成する。第3n領域21の不純物濃度は、例えば5×1016cm−3程度、第3n領域21の深さは、例えば0.5〜1.0μm程度である。
Subsequently, a
続いて、マスク材15Cを除去した後、図15に示すように、n−ドリフト層2の表面上にイオン注入用のマスク材15Aを塗布した後、マスク材15Aをパターニングする。その後、矢印で示すように、例えばAlのようなp型不純物をn−ドリフト層2にイオン注入して、第2p領域4(図12および図13参照)を形成する。第2p領域4のn−ドリフト層2の表面に露出する部分の不純物濃度は、例えば1×1019cm−3程度以下、第2p領域4の深さは、例えば0.5〜1.0μm程度である。
Subsequently, after removing the
次いで、マスク材15Aを除去した後、図16に示すように、n−ドリフト層2の表面上にイオン注入用のマスク材15Bを塗布し、これをパターニングする。このとき、マスク材15Bの開口部が第2p領域4にかからないようにマスク材15Bをパターニングする。
Next, after removing the
続いて、例えばAlのようなp型不純物をn−ドリフト層2にイオン注入して第1p領域3(図12および図13参照)を形成する。この第1p領域3のn−ドリフト層2の表面に露出する部分の不純物濃度は、例えば1×1020cm−3程度、第1p領域3の深さは、例えば0.5〜1.0μm程度である。
Subsequently, a p-type impurity such as Al is ion-implanted into the n − drift layer 2 to form a first p region 3 (see FIGS. 12 and 13). The impurity concentration of the exposed portion of the
また、第1p領域3の幅は、通常動作時に第1p領域3からn−ドリフト層2へ多量の正孔が注入されないように、n−ドリフト層2の不純物濃度、第1p領域3の深さ、およびアノード電極11とショットキー接触する第1n−領域2aとの面積割合などにより設計されるが、例えば10μm以下が望ましい。
Further, the width of the
また、ブロッキング動作時の第3n領域21の表面のショットキー界面におけるリーク電流を低減するため、第1p領域3と第2p領域4で挟まれた第3n領域21の幅は、第1p領域3および第2p領域4の各々から第3n領域21に拡がる空乏層幅の和より短く、例えば1.0μm以下である。
Further, in order to reduce the leakage current at the Schottky interface on the surface of the
次いで、マスク材15Bを除去した後、例えば1700℃の温度でn+基板1およびn−ドリフト層2に対して熱処理を施してイオン注入されたNおよびAlを活性化することにより、図17に示すように、n−ドリフト層2の表面側に第1p領域3、第2p領域4、第1n−領域2aおよび第3n領域21を形成する。
Next, after removing the
続いて、図13に示したように、n+基板1の裏面上に、例えばNiまたはTiからなるカソード電極13を形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 13, a
次いで、n−ドリフト層2上に、例えばNiからなる金属膜を堆積した後、これを加工することにより、第1p領域3、第2p領域4、第1n−領域2aおよび第3n領域21に接触するようにアノード電極11を形成する。第1p領域3の不純物濃度を高濃度(例えば1×1020cm−3程度)としたため、第1p領域3はアノード電極11とオーミック接触する。一方、第2p領域4の不純物濃度を低濃度(例えば1×1019cm−3以下)としたため、第2p領域4はアノード電極11とショットキー接触する。また、第3n領域21の不純物濃度も低濃度(例えば5×1016cm−3程度)なので、第3n領域21はアノード電極11とショットキー接触する。
Next, after depositing a metal film made of, for example, Ni on the n − drift layer 2, the
以上の製造工程により、本実施の形態4のJBSダイオードチップが略完成する。 Through the above manufacturing process, the JBS diode chip of the fourth embodiment is substantially completed.
本実施の形態4によれば、以下の効果を得ることができる。 According to the fourth embodiment, the following effects can be obtained.
本実施の形態4のJBSダイオードチップにおいては、通電ストレスにより積層欠陥が拡張しても、積層欠陥がnショットキー界面近傍まで到達することを防ぐことができ、ブロッキング状態における逆方向リーク電流の増加を防止することができる。 In the JBS diode chip according to the fourth embodiment, even when the stacking fault is expanded due to energization stress, the stacking fault can be prevented from reaching the vicinity of the n Schottky interface, and the reverse leakage current increases in the blocking state. Can be prevented.
また、本実施の形態4のJBSダイオードチップにおいては、アノード電極11とオーミック接触する第1p領域3が大きなサージ電流を吸収するので、高いサージ耐量を得ることができる。
Moreover, in the JBS diode chip of the fourth embodiment, the
これらのことから、本実施の形態4のJBSダイオードチップにおいては、サージ耐量を低下させることなく、通電劣化現象を抑制または防止することができる。 For these reasons, in the JBS diode chip of the fourth embodiment, it is possible to suppress or prevent the energization deterioration phenomenon without reducing the surge withstand capability.
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。 As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.
前記実施の形態1〜4において、第1p領域3を平面線状としたが、これに限定されるものではなく種々変更可能である。図18は、第1p領域3の平面形状の変形例を示したJBSダイオードチップの全体平面図である。ここでは、複数の平面島状(四角形状)の第1p領域3が一方向に沿って並んで配置されている。
In the first to fourth embodiments, the
本発明は、炭化珪素からなる基板にダイオードを備える半導体装置およびその製造方法に適用することができる。 The present invention can be applied to a semiconductor device including a diode on a substrate made of silicon carbide and a method for manufacturing the semiconductor device.
1 n+基板
2 n−ドリフト層
2a 第1n−領域
2b 第2n−領域
2c 第3n−領域
3 第1p領域
4,4a 第2p領域
5a,5b ガードリング
6 フローティングガードリング
9a,9b 絶縁膜
10 パッシベーション膜
11 アノード電極
12 孔
13 カソード電極
20 半導体層
20a 第1n領域
20b 第2n領域
21 第3n領域
1 n + substrate 2 n − drift layer 2a 1n − region 2b 2n −
Claims (15)
前記基板の主面上に形成され、前記基板よりも不純物濃度の低い第1導電型の炭化珪素からなる半導体層と、
前記半導体層の表面側に互いに離間して形成された第1導電型とは異なる第2導電型の複数の第1領域と、
前記半導体層の表面側に互いに離間して形成された第2導電型の複数の第2領域と、
前記第2領域の隣接間に配置された第1導電型の第3領域と、
前記第1領域と前記第2領域との隣接間に配置された第1導電型の第4領域と、
前記半導体層の表面上に形成され、前記第1領域にオーミック接触し、かつ、前記第2領域および前記第3領域にショットキー接触するアノード電極と、
前記基板の主面とは反対側の裏面に形成されたカソード電極とを備えることを特徴とする半導体装置。 A substrate made of silicon carbide of the first conductivity type;
A semiconductor layer made of silicon carbide of the first conductivity type formed on the main surface of the substrate and having an impurity concentration lower than that of the substrate;
A plurality of first regions of a second conductivity type different from the first conductivity type formed on the surface side of the semiconductor layer and spaced apart from each other;
A plurality of second regions of the second conductivity type formed on the surface side of the semiconductor layer and spaced apart from each other;
A third region of the first conductivity type disposed between adjacent the second region;
A fourth region of the first conductivity type disposed between adjacent the first region and the second region;
An anode electrode formed on the surface of the semiconductor layer, in ohmic contact with the first region, and in Schottky contact with the second region and the third region;
A semiconductor device comprising: a cathode electrode formed on a back surface opposite to the main surface of the substrate.
前記基板上に、該基板よりも不純物濃度の低い第1導電型の炭化珪素からなる半導体層を形成する工程と、
前記半導体層の表面側に第1導電型とは異なる第2導電型の複数の第1領域を互いに離間させた状態で形成する工程と、
前記半導体層の表面側に第2導電型の複数の第2領域を互いに離間させた状態で形成するとともに、前記第2領域の隣接間に第1導電型の第3領域を形成する工程と、
前記半導体層の上層に、前記第1領域にオーミック接触し、かつ、前記第2領域および前記第3領域にショットキー接触するアノード電極を形成する工程と、
前記基板の裏面にカソード電極を形成する工程とを有し、
前記第1領域と前記第2領域との隣接間に第1導電型の第4領域を形成し、前記第1領域と前記第3領域との間に、前記第2領域と前記第4領域とを形成する工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 Preparing a substrate made of silicon carbide of the first conductivity type;
Forming a semiconductor layer made of silicon carbide of the first conductivity type having a lower impurity concentration than the substrate on the substrate;
Forming a plurality of first regions of a second conductivity type different from the first conductivity type on the surface side of the semiconductor layer in a state of being separated from each other;
Forming a plurality of second conductivity type second regions on the surface side of the semiconductor layer in a state of being spaced apart from each other, and forming a first conductivity type third region adjacent to the second region;
Forming an anode electrode in ohmic contact with the first region and in Schottky contact with the second region and the third region on the semiconductor layer;
Forming a cathode electrode on the back surface of the substrate,
Forming a fourth region of a first conductivity type between the first region and the second region; and between the first region and the third region, the second region and the fourth region, A method for manufacturing a semiconductor device comprising a step of forming a semiconductor device.
前記複数の第1領域、前記複数の第2領域、前記第3領域および前記第4領域を形成した後、前記半導体層上に、前記第1領域と、前記第2領域と、前記第3領域と、前記第4領域とが露出される絶縁膜を形成する工程を有し、
前記アノード電極の形成工程においては、前記アノード電極が前記第4領域とショットキー接触することを特徴とする半導体装置の製造方法。 13. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 12, further comprising a step of ion-implanting impurities into the fourth region to form a hole recombination center.
After forming the plurality of first regions, the plurality of second regions, the third region, and the fourth region, the first region, the second region, and the third region on the semiconductor layer And forming an insulating film exposing the fourth region,
In the forming step of the anode electrode, the anode electrode is in Schottky contact with the fourth region.
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