JP5644536B2 - Power semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、電力用半導体装置に関し、特に電力用半導体装置のサージ電流に対する耐量を向上させることを目的にするものである。 The present invention relates to a power semiconductor device, and in particular, an object thereof is to improve a resistance to surge current of the power semiconductor device.
SiCショットキーダイオードの順方向にサージ電流が流れた場合、特にTi、Ni、Moあるいはこれらの合金などのショットキー障壁高さが低い金属を電極とした場合に、ジュール発熱による自己発熱効果により、ダイオードの温度が上昇する場合があった。ダイオード温度が上昇すると、SiC材料の半導体部分の移動度が低下し、ダイオードの順方向抵抗値の増大をもたらす。その結果として、サージ電流によるジュール発熱が更に増加し温度上昇を招く。以上の正帰還効果により素子温度は急激に上昇し、ショットキーダイオードが素子破壊に至る場合があった。 When a surge current flows in the forward direction of the SiC Schottky diode, especially when a metal having a low Schottky barrier height such as Ti, Ni, Mo or an alloy thereof is used as an electrode, due to the self-heating effect due to Joule heating, The temperature of the diode sometimes increased. As the diode temperature increases, the mobility of the semiconductor portion of the SiC material decreases, resulting in an increase in the forward resistance of the diode. As a result, Joule heat generation due to surge current further increases, leading to a temperature rise. Due to the positive feedback effect described above, the element temperature suddenly rises and the Schottky diode may be destroyed.
このようなサージ電流が流れての温度上昇による正帰還効果によりショットキーダイオードの素子破壊を防止するために、JBS(Junction Barrier Controlled Schottky)ないしはMPS(Merged PiN Schottky Diode)と称されるダイオード構造が提案されている。例えば、JBSダイオードでは、ショットキーダイオードと比べて、大電流駆動時における順方向電圧が小さくなり、順方向のサージ電流に対してより破壊しにくくなることが知られていた(例えば、特許文献1など)。 A diode structure called JBS (Junction Barrier Controlled Schottky) or MPS (Merged PiN Schottky Diode) is used in order to prevent the element destruction of the Schottky diode due to the positive feedback effect due to the temperature rise caused by such surge current flow. Proposed. For example, it has been known that a JBS diode has a smaller forward voltage when driven at a large current than a Schottky diode, and is less likely to be destroyed by a forward surge current (for example, Patent Document 1). Such).
また、不純物濃度が1017〜1020cm−3のp形の半導体領域と3×1016cm−3以下のn形半導体領域とがニッケルとアルミニウムの混合電極と接触し、p形の半導体領域と電極とをオーミック接合させたJBSダイオードが知られていた(例えば、特許文献2)。 In addition, a p-type semiconductor region having an impurity concentration of 10 17 to 10 20 cm −3 and an n-type semiconductor region having an impurity concentration of 3 × 10 16 cm −3 or less are in contact with a mixed electrode of nickel and aluminum, and the p-type semiconductor region A JBS diode in which an electrode and an electrode are in ohmic contact is known (for example, Patent Document 2).
さらに、JBSダイオードの局所的な過熱現象の発生を抑制するために、JBSダイオードのp領域を素子の中心部などの過熱されやすい箇所に密に配置すること、ワイアボンドのボンディング点の直下にもJBSダイオードのp領域を形成することが知られていた(例えば、特許文献3)。 Further, in order to suppress the occurrence of local overheating phenomenon of the JBS diode, the p region of the JBS diode is densely arranged at a place where the overheating such as the central portion of the element is easily overheated. It has been known to form a p region of a diode (for example, Patent Document 3).
しかしながら、SiCを用いたMOSFET半導体装置のように高圧、大電流で動作し、高速スイッチングが可能な半導体装置とともに使用されるSiCのJBSダイオードにおいては、サージ電流が大きくなり、過熱の度合いが増大する場合があった。そのため、JBSダイオードのp領域から電極(ショットキー電極)までの抵抗は、従来知られているより低く、できる限り低くする必要がある。 However, in a SiC JBS diode that is used with a semiconductor device that operates at a high voltage and a large current and is capable of high-speed switching, such as a MOSFET semiconductor device using SiC, the surge current increases and the degree of overheating increases. There was a case. Therefore, the resistance from the p region of the JBS diode to the electrode (Schottky electrode) is lower than conventionally known, and needs to be as low as possible.
JBSダイオードのp領域の抵抗を下げるためには、p領域にイオン注入する不純物濃度を多くすればする程良いが、一方で、p領域にあまり多くの不純物をイオン注入すると、イオン注入により結晶欠陥が増大し、リーク電流が増加する問題が発生する場合があった。 In order to lower the resistance of the p region of the JBS diode, it is better to increase the impurity concentration of ions implanted into the p region. On the other hand, if too much impurity ions are implanted into the p region, crystal defects are caused by ion implantation. In some cases, there is a problem that leakage current increases.
この発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、JBSダイオードのp領域から電極までの抵抗が小さく、リーク電流の小さなJBSダイオードである電力用半導体装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to obtain a power semiconductor device which is a JBS diode having a small resistance from the p region to the electrode of the JBS diode and a small leakage current. And
この発明に係る電力用半導体装置は、第一導電型のSiC基板と、前記SiC基板の第一主面に形成され、前記SiC基板よりも不純物濃度の低い第一導電型でSiCのドリフト層と、前記ドリフト層に形成された第二導電型でSiCの第一の半導体領域と、前記第一の半導体領域の表層側に形成され、前記第一の半導体領域よりも不純物濃度が高濃度である第二導電型でSiCの第二の半導体領域と、前記ドリフト層の表面に形成され前記第一導電型の領域とショットキー接続し、前記第二の半導体領域とオーミック接続するショットキー電極と、前記ショットキー電極の表面に形成されたアノード電極と、前記アノード電極の表面で、前記第一の半導体領域の直上に形成され、上面から見て前記第一の半導体領域の領域を含むように前記第一の半導体領域よりも広い面積に形成された、ワイアボンドのファーストボンドと、前記SiC基板の前記第一主面に対向する第二主面に形成されたカソード電極とを備えたものである。
A power semiconductor device according to the present invention includes a first conductivity type SiC substrate, a first conductivity type SiC substrate formed on a first main surface of the SiC substrate and having a lower impurity concentration than the SiC substrate, The second conductivity type SiC first semiconductor region formed in the drift layer and the surface layer side of the first semiconductor region, and the impurity concentration is higher than that of the first semiconductor region. A second semiconductor region of SiC of the second conductivity type, a Schottky electrode formed on the surface of the drift layer and Schottky connected to the region of the first conductivity type, and ohmic connected to the second semiconductor region; An anode electrode formed on the surface of the Schottky electrode, and the surface of the anode electrode is formed immediately above the first semiconductor region and includes the region of the first semiconductor region as viewed from above. Formed wider area than one semiconductor region, those having a first bond of wire bonds, and a cathode electrode formed on the second main surface opposed to said first main surface of the SiC substrate.
この発明によれば、サージ電流による素子破壊が抑制され、かつ、ダイオードに逆バイアスが加えられた場合のリーク電流の少ない電力用半導体装置を得ることができる。 According to the present invention, it is possible to obtain a power semiconductor device in which element destruction due to surge current is suppressed and leakage current is small when a reverse bias is applied to a diode.
実施の形態1.
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図1は本発明の実施の形態1に係る電力用半導体装置であるショットキーダイオードを示す断面図である。第1の実施の形態に係るショットキーダイオード100では、炭化珪素(SiC)のN−型のエピタキシャル層1(第一導電型の半導体領域、ドリフト層)の下にN+型のSiC基板2(カソード領域)が設けられている。SiC基板2は、第1主面2aの面方位が、<0001>シリコン面から4°または8°オフした、4Hのポリタイプを有する低抵抗炭化珪素基板である。エピタキシャル層1の不純物濃度は、SiC基板2の不純物濃度よりも低い。SiC基板2の第2主面2bにはシリサイドからなるカソード電極3(ドレイン電極)が形成され、電気的に接続できるようになっている。ここで、エピタキシャル層1の不純物濃度は、2×1014個/cm3以上、2×1016個/cm3以下などであればよい。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view showing a Schottky diode which is a power semiconductor device according to
N−型のエピタキシャル層1の上部にTiのショットキー電極4が形成され、更に上部にはアノード電極5が形成されている。アノード電極5(Al電極)はワイアボンド6により他の電極(図示されていない)に接続される。ワイアボンド6のファーストボンド7(1stボンド)は、ワイアボンド6の形成工程で発生する。ファーストボンド7直下のショットキー電極4の下のエピタキシャル層1の内部には、第二導電型のp領域8(第一の半導体領域)が形成され、p領域8の上部、表層側には第二導電型の、より不純物が高濃度なp+領域9(第二の半導体領域)が形成されている。p+領域9とショットキー電極4はオーミック接触しており、エピタキシャル層1とショットキー電極4はショットキー接続している。また、ショットキー電極4の周囲のエピタキシャル層1の表層部には、第二導電型の終端構造10が形成されている。終端構造10の不純物濃度は、1×1016個/cm3以上、1×1018個/cm3以下などであればよい。
A Ti Schottky
p領域8及びp+領域9は、Alイオンを注入することで形成される。Alイオンの他に、Bなどの不純物を注入しても同様の効果を実現できる。p領域8の望ましい不純物濃度は1×1017個/cm3以上、1×1018個/cm3以下である。p+領域9の望ましい不純物濃度は1×1020個/cm3以上、5×1020個/cm3以下である。
The
図2は、本発明の実施の形態1に係るショットキーダイオード100を示す上面図を示している。図2において、p領域8及びp+領域9は、ファーストボンド7およびアノード電極5、ショットキー電極4の下部にあるが、位置関係を明確にするために、透視して見た図としている。ここで、ファーストボンド7は、上面から見てp領域8が形成されている領域を含むように、p領域8よりも広い面積に形成されている。p領域8は、破線で示している。また、終端構造10は、アノード電極5、ショットキー電極4の周囲に形成されている。
FIG. 2 is a top view showing the Schottky
ここで、p領域8の深さは、0.3〜2μm程度であればよく、また、p+領域9の深さは、0.05〜0.1μm程度であればよい。p領域8の深さは、エピタキシャル層1の厚さより小さいものとする。
Here, the depth of the
つづいて、本実施の形態の電力半導体装置であるJBSダイオード100について、図3〜図5を用いて説明する。図3〜図5は、本実施の形態の電力半導体装置の製造工程を説明するための断面模式図である。
Next, a
まず、4Hのポリタイプを有する第一導電型の低抵抗SiC基板2の第1主面2a上に第一導電型のエピタキシャル層1をエピタキシャル成長する。次に、図3に示すように、エピタキシャル層1に、第二導電型のAlなどの不純物をイオン注入とその後に活性化アニールを行うことにより、p領域8、p+領域9、終端構造10を形成する。つづいて、図4に示すように、SiC基板2の第2主面2bに接して、カソード電極3をスパッタ法などにより形成する。次に、図5に示すように、SiC基板2の第1主面2a上にショットキー電極4およびAl電極を第1主面2a側から順にスパッタ法などにより形成する。最後に、ファーストボンド7がp領域8、p+領域9の直上になるようにワイアボンド6を形成し、図1に示す電力用半導体であるJBSダイオードを形成する。
First, the first conductivity type
ここで、Alイオンを注入する場合、p領域8のイオン注入時の加速エネルギーは、200〜900KeVなどであればよく、p+領域9のイオン注入時の加速エネルギーは、40〜300KeVなどであればよい。また、Bイオンを注入する場合は、p領域8のイオン注入時の加速エネルギーは、40〜200KeVなどであればよい。
Here, when Al ions are implanted, the acceleration energy at the time of ion implantation in the
次に本実施の形態にかかる構造を有するJBSダイオード100の動作について説明する。
Next, the operation of the
まず、通常動作時について説明する。通常の動作時に流れる電流は、サージ電流に対して桁違いに小さい。このためダイオード両端電圧はバイポーラ動作が始まる電圧よりも小さな値となる。このときの電流はショットキー界面(ショットキー電極4とエピタキシャル層1の間の界面)を介する電流となり、通常のショットキーダイオードとして機能する。
First, the normal operation will be described. The current that flows during normal operation is orders of magnitude smaller than the surge current. For this reason, the voltage across the diode is smaller than the voltage at which the bipolar operation starts. The current at this time becomes a current through the Schottky interface (interface between the
実施の形態1のダイオードがショットキーダイオードとして動作し、順方向バイアス電圧が印加されている場合、順方向電流は、p領域8がない領域(ショットキー界面)を流れ、ショットキー電極4に流入する。また、p領域8が設けられている、平面図の中央部分には電流が流れないため、オン電流が流れることによる発熱が中央部で発生せず、温度分布は、中央部で低いドーナツ状になる。さらに、熱がファーストボンド7を経由して放熱され、中央部の温度上昇は限りなく小さな値となる。
When the diode of the first embodiment operates as a Schottky diode and a forward bias voltage is applied, the forward current flows through a region where there is no p region 8 (Schottky interface) and flows into the
次にサージ電流が流れた場合について説明する。サージ電流が流れる場合、当初はショットキー界面に電流が流れる。電流の増加と共にダイオード両端電圧(アノード電極5、カソード電極3間電圧)は増加し、やがてpnダイオードが動作する電圧を超え、p領域8を経由して、pnダイオード部分にも電流が流れるようになる。ショットキーダイオードは中央部に形成されたp領域8(およびp+領域9)とエピタキシャル層1によるバイポーラ動作を行うことになる。
Next, a case where a surge current flows will be described. When surge current flows, current flows initially at the Schottky interface. As the current increases, the voltage across the diode (the voltage between the
このときの電流値によりp領域8(およびp+領域9)の温度は時間と共に上昇するが、上部に形成されているファーストボンド7が熱容量の大きなヒートシンクとして作用するので、p領域8(およびp+領域9)の温度上昇は抑制されることになる。
The temperature of the p region 8 (and the p + region 9) rises with time due to the current value at this time, but the
本発明の構造によれば、サージ電流の流れる近傍にワイアボンド6のファーストボンド7が形成されており、ファーストボンド7の大きさは、アノード電極5とp+領域9との接触面積(0.5mm×1mm)の大きさとほぼ等しい。すなわち熱容量の大きなヒートシンクがp+領域9の直上に存在することになる。また、p+領域9とショットキー電極4とがオーミック接続されている。このため、サージ電流が流れた場合にもジュール熱の発生が少なく、また、発生したジュール熱が直上のヒートシンクの放熱効果により放出されるので、発熱による素子の(p領域8、p+領域9)の温度上昇が抑制され、素子が素子破壊されることを抑制できる。また、このようにサージ電流による温度上昇が抑制されるために、サージ耐量が改善する。さらに、付随的な効果として通常動作時の素子温度の上昇を抑制することが可能となり、より大電流域での素子動作を可能とすることができる。
According to the structure of the present invention, the
さらに、p+領域9の不純物濃度を高くして、p領域8の不純物濃度を所定の値以下のしているため、イオン注入法でp領域8、p+領域9を形成した場合に、p+領域9近傍の欠陥が増加することを抑制でき、逆方向バイアスを印加した場合に、リーク電流が増加することを抑制できる。
Furthermore, since the impurity concentration of the p + region 9 is increased and the impurity concentration of the
なお、本実施の形態では、1個のp領域としていたが、図7に示されるように複数個の分割されたp領域8がワイアボンドの1stボンド7の直下に形成されたとしても同様の効果を奏する。また、本実施の形態では、p領域8の水平方向の大きさはワイアボンドのファーストボンド7より小さくなる場合について説明したが、p領域の水平方向の大きさがファーストボンド7の概略同じサイズであるか、ないしは若干大きめのサイズであっても同様の効果を奏する。
In the present embodiment, one p region is used. However, even if a plurality of divided
また、本実施の形態においては、ワイアボンド6の材料の例としてAlのワイアボンド6を用いて説明したが、ワイアボンド6の材料はこれに限るものではなく、Cuなどでもよく、また、別の手段(半田接続、リボンボンドなど)を用いて電気的な接続を実現しても本発明の効果に影響を及ぼすことはない。
In the present embodiment, the
さらに、本発明においては、p領域8は一様な濃度分布を有するものとして説明したが、p領域8の濃度の深度方向の分布ないしは水平方向の分布は、一様である必要はない。例えばp領域8の表面から深さ方向に、その濃度が徐々に濃くなっていき最深部近傍で最大値を取る分布を有している場合でも同様の効果を実現することが出来る。また、p領域8の中央部から水平方向に向かって不純物濃度が増加する分布であっても減少する分布であっても更には極値を持つ分布であっても以下に説明するのと同様の効果を実現することができる。
Furthermore, in the present invention, the
また、終端構造10は、素子の周辺部分に耐圧を改善するために通常形成されるが、本願の効果に影響を及ぼすものではない。
Further, the
なお、p+領域9とショットキー電極4とがオーミック接続されているが、この間のオーミック接触を実現するには、p+領域9の不純物濃度としては、不純物濃度は1×1020個/cm3以上、5×1020個/cm3以下程度の濃度が必要となる。また、図6にその断面図を示すように、p+領域9の上に、p+領域9との接触抵抗をより低くさせるためのオーミック電極11を別に設けてもよい。
The p + region 9 and the
また、本実施の形態のSiCJBSダイオードは、SiCMOSFETなどのSiCスイッチング素子と組み合わせて用いた場合に、高速駆動を容易にする点で、より効果を奏する。 Further, the SiC JBS diode of the present embodiment is more effective in facilitating high-speed driving when used in combination with SiC switching elements such as SiC MOSFETs.
実施の形態2.
実施の形態2は、実施の形態1で示したショットキーダイオード構造の変形である。実施の形態2によれば、図7に示されるように2つの領域でp型の半導体層が形成されている。p領域8、p+領域9が形成される位置は、ショットキーダイオードが実際の電力変換機に用いる場合にワイアボンドなどにより接続されるアノード電極5のフロント面の直下になるように設計されている。
The second embodiment is a modification of the Schottky diode structure shown in the first embodiment. According to the second embodiment, a p-type semiconductor layer is formed in two regions as shown in FIG. The positions where the
本実施の形態における動作は、実施の形態1と同様であるので、繰り返し説明しないが。また、本実施の形態によればp領域8、p+領域9は2箇所形成されていることになるが、図8に示すように、より多数個のp領域が形成されると共にその直上にワイアボンドのファーストボンド7が形成されれば、同様の効果を奏する。このように、実施の形態1においては、ファーストボンド7の直下にp領域8が一箇所形成されていたが、実施の形態1の変形例として示されるように複数個のp領域から構成されていたとしても同様の効果を実現できる。また、複数のファーストボンド7のそれぞれにp領域8、p+領域9を形成しているため、温度上昇をより抑制できる。また、実施の形態1の電力用半導体装置と同様に、逆方向バイアスを印加した場合に、リーク電流が増加することを抑制できる。
Since the operation in this embodiment is the same as that in
実施の形態3.
実施の形態3を図9に基づいて説明する。実施の形態3は実施の形態1で示したショットキーダイオード構造の変形例を示している。基本的なサージ電流耐量の改善と通常動作時の低抵抗化の両立を実現する発明である。本実施の形態によれば、p領域8はダイオードのフロント面全面に渡って形成されている。
The third embodiment will be described with reference to FIG. The third embodiment shows a modification of the Schottky diode structure shown in the first embodiment. This invention realizes both improvement of basic surge current withstand capability and reduction of resistance during normal operation. According to the present embodiment, the
実施の形態3に係わるp領域8、p+領域9は、図9にその断面図を示すように、一様に分布しているのではなく、局所的にドットの密度の高いところと低いところを形成している点にある。ワイアボンド6のファーストボンド7はp領域8、p+領域9の密度の高い部位に形成されている。p領域8、p+領域9のドットの径は、1〜20μm程度、望ましくは、3〜10μm程度であればよい。
The
本実施の形態の電力用半導体装置においても、p領域8、p+領域9をドット状に多数形成し、ドットの密度の高いところに対応してファーストボンド7が形成されているため、温度上昇を抑制できる。また、実施の形態1の電力用半導体装置と同様に、逆方向バイアスを印加した場合に、リーク電流が増加することを抑制できる。なお、本実施の形態ではp領域8はドット形状に形成されていたが、短いストライプ形状に形成されたとしても同様の効果を実現することができる。
Also in the power semiconductor device of the present embodiment, a large number of
1 エピタキシャル層、2 ドレイン領域、3 ドレイン電極、4 ショットキー電極、5 Al電極、6 ワイアボンド、7 ファーストボンド、8 p領域、9 p+領域、10 終端構造、11 オーミック電極、100 ショットキーダイオード。 1 epitaxial layer, 2 drain region, 3 drain electrode, 4 Schottky electrode, 5 Al electrode, 6 wire bond, 7 first bond, 8 p region, 9 p + region, 10 termination structure, 11 ohmic electrode, 100 Schottky diode.
Claims (7)
前記SiC基板の第一主面に形成され、前記SiC基板よりも不純物濃度の低い第一導電型でSiCのドリフト層と、
前記ドリフト層に形成された第二導電型でSiCの第一の半導体領域と、
前記第一の半導体領域の表層側に形成され、前記第一の半導体領域よりも不純物濃度が高濃度である第二導電型でSiCの第二の半導体領域と、
前記ドリフト層の表面に形成され前記第一導電型の領域とショットキー接続し、前記第二の半導体領域とオーミック接続するショットキー電極と、
前記ショットキー電極の表面に形成されたアノード電極と、
前記アノード電極の表面で、前記第一の半導体領域の直上に形成され、上面から見て前記第一の半導体領域の領域を含むように前記第一の半導体領域よりも広い面積に形成された、ワイアボンドのファーストボンドと、
前記SiC基板の前記第一主面に対向する第二主面に形成されたカソード電極とを備えたことを特徴とする電力用半導体装置。 A first conductivity type SiC substrate;
A drift layer of SiC formed on the first main surface of the SiC substrate and having a first conductivity type having a lower impurity concentration than the SiC substrate;
A first semiconductor region of SiC of the second conductivity type formed in the drift layer;
A second semiconductor region of SiC of the second conductivity type formed on the surface layer side of the first semiconductor region and having a higher impurity concentration than the first semiconductor region; and
A Schottky electrode formed on the surface of the drift layer and Schottky connected to the first conductivity type region, and ohmic connected to the second semiconductor region;
An anode electrode formed on the surface of the Schottky electrode;
Formed on the surface of the anode electrode, directly above the first semiconductor region, and formed in a wider area than the first semiconductor region so as to include the region of the first semiconductor region when viewed from above; First bond of wire bond,
A power semiconductor device comprising: a cathode electrode formed on a second main surface opposite to the first main surface of the SiC substrate.
前記SiC基板の第一主面に形成され、前記SiC基板よりも不純物濃度の低い第一導電型でSiCのドリフト層と、A drift layer of SiC formed on the first main surface of the SiC substrate and having a first conductivity type having a lower impurity concentration than the SiC substrate;
前記ドリフト層に形成された第二導電型でSiCのドット状に複数形成された第一の半導体領域と、A first semiconductor region formed in a plurality of SiC dots in the second conductivity type formed in the drift layer;
前記複数の第一の半導体領域の表層側に形成され、前記複数の第一の半導体領域よりも不純物濃度が高濃度である第二導電型でSiCの複数の第二の半導体領域と、A plurality of second semiconductor regions of SiC of the second conductivity type formed on the surface layer side of the plurality of first semiconductor regions and having a higher impurity concentration than the plurality of first semiconductor regions;
前記ドリフト層の表面に形成され前記第一導電型の領域とショットキー接続し、前記複数の第二の半導体領域とオーミック接続するショットキー電極と、A Schottky electrode formed on the surface of the drift layer and Schottky connected to the first conductivity type region, and in ohmic contact with the plurality of second semiconductor regions;
前記ショットキー電極の表面に形成されたアノード電極と、An anode electrode formed on the surface of the Schottky electrode;
前記アノード電極の表面で、上面から見て前記第一の半導体領域のドット密度の高い部分に対応して形成された、ワイアボンドのファーストボンドと、First wire bond formed on the surface of the anode electrode corresponding to the high dot density portion of the first semiconductor region as viewed from above,
前記SiC基板の前記第一主面に対向する第二主面に形成されたカソード電極とを備えたことを特徴とする電力用半導体装置。A power semiconductor device comprising: a cathode electrode formed on a second main surface opposite to the first main surface of the SiC substrate.
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