JPH11204804A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】低コストで、逆回復特性およびサージ電流耐量
が大きい、高耐圧のダイオードを得ること。 【解決手段】ｎ^- 基板１の一方の表面層に高濃度のｐ⁺
層２をイオン注入と熱拡散で形成し、ｐ⁺ 層２に溝３を
形成し、溝３の底面４はｎ^- 基板１とｐ⁺ 層２で形成さ
れるｐｎ接合境界面５に達しない深さで、ダイオードの
耐圧に相当した電圧を確保できるように、ｐｎ接合境界
面５から伸びる空乏層の先端部が溝３の底面４に達しな
い深さとする。ｐ⁺ 層２の表面、側面８および底面４に
アノード電極９となる金属電極を形成し、ｎ⁺ 層１１の
表面にカソード電極１２となる金属電極を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、メサ型もしくは
プレーナ型のダイオードなどの半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】高速スイッチングが可能で、低飽和電圧
が得られるといった、絶縁ゲート型バイポーラトランジ
スタ（ＩＧＢＴ）のような素子の発達に伴い、これと組
み合わせる、フリーホイールダイオード（ＦＷＤ）など
のダイオードの特性の改善も進められている。

【０００３】図４は従来のダイオードの要部構造図で、
同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ
線で切断した断面図である。尚、図４（ｂ）には説明の
都合上、空乏層の先端部３１、３２も示した。図４にお
いて、ｎ^- 基板１の一方の表面層に、ｐ⁺ 層２２とｐ^-
層２７からなるｐ層が形成され、他方の表面祖層にｎ⁺
層２２が形成される。通常、ｐｉｎ構造のダイオードで
は、このｐ層は全面に亘って平坦に形成されるが、ダイ
オードの特性改善のために、近年、前記のように低濃度
のｐ^- 層２７と、そこに選択的に形成された、より高濃
度のｐ⁺ 層２２でｐ層が構成されるものもある。図４で
は高濃度のｐ⁺ 層２２の平面パターンはストライプ状で
あるが、円形、多角形の島状に形成するものもある。ま
たｐ層を形成する領域の濃度は図示されるような２種類
ではなく複数種類の場合もある。ｐ^- 層２７、ｐ⁺ 層２
２の表面にはアノード電極２９となる金属電極が形成さ
れ、ｎ⁺ 層１１の表面にはカソード電極１２となる金属
電極が形成される。また、半導体チップの周辺の構造
は、素子耐圧を確保するために、良く知られている周辺
耐圧構造１３となっている。

【０００４】このダイオードに順電圧を印加すると、ｐ
^- 層２７とｎ^- 基板１のｐｎ接合が順回復し、ｐ^- 層２
７からｎ^- 基板１へ正孔の注入が起こり、ｎ^- 基板１で
伝導度変調が起こり、電流はｐ^- 層２７を通って流れ
る。もし、この動作状態でこのダイオードを逆回復動作
させると、ｎ^- 基板１へ注入される正孔の密度が小さい
ため、スイッチング損失が小さく、ソフトリカバリーな
特性など良好な逆回復特性が得られる。さらに、この順
電圧を高くすると、えん層電圧の高い、ｐ⁺ 層２２とｎ
^- 基板１のｐｎ接合を通って電流が流れるようになり、
伝導度変調がさらに進み、大電流を流しても、ダイオー
ドの順電圧降下は大きくならない。しかし、この動作状
態でダイオードを逆回復動作させると、ｐｎ接合に蓄積
したキャリヤが掃きだされ、最終的にｐ^- 層２７とｎ^-
基板１のｐｎ接合が回復するため、前記のように、スイ
ッチング損失の小さい、ソフトリカバリーな特性とな
る。

【０００５】前記のｐ^- 層２７の濃度はできるだけ低
く、また拡散深さを浅く形成する方が逆回復特性にとっ
て好ましい。しかし、ダイオードに逆電圧を印加した場
合、ｐ ^- 層２７に広がった空乏層の先端部３１がアノー
ド電極２９に到達するという、所謂、パンチスルーを起
こして、ダイオードの耐圧を低下させる。このパンチス
ルーを防止する働きも前記のｐ⁺ 層２２にもたせてい
る。それは、逆電圧印加時のｐ⁺ 層２２とｎ^- 基板１の
ｐｎ接合境界面２５から、ｎ^- 基板１に広がる空乏層が
ｐ^- 層２７の直下ではピンチオフ（両側から広がった空
乏層がくっつくこと）し、ｎ^- 基板１内に広く空乏層が
広がることで、反対側のｐ^- 層２７内の空乏層の先端部
３１の伸びが抑制さるためである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前記のダイオードの逆
回復特性には、ｐ層の不純物濃度が大きな影響を与え
る。図４のようなダイオードでは、前述したように、逆
回復動作が低濃度のｐ^- 層２７によって決まるために、
良好な逆回復特性を得ることができる。また、順方向特
性では高濃度のｐ⁺ 層２２により、大電流領域での順電
圧降下（オン電圧のこと）を小さくできてサージ電流耐
量を向上させ、また、この高濃度のｐ⁺ 層２２により、
前述したように耐圧特性も良好となる。

【０００７】しかし、この構造では、ｐ層を構成してい
るｐ^- 層２７とｐ⁺ 層２２の２つの層を形成しなければ
ならない。このことは、２回のイオン注入工程と選択的
なイオン注入のための専用のフォト工程と、２回の熱処
理工程が必要となり、製造工程数が多く、製造コストが
高くなる。また、イオン注入を２回行うことから結晶欠
陥も発生し易くなる。さらに、ｐ層が平坦でなく波打つ
ために空乏層の先端部３１、３２の伸びが均一でなく波
打ち、そのため空乏層が狭い箇所で電界集中３３が生じ
る可能性もある。

【０００８】この発明の目的は、低コストで、逆回復特
性およびサージ電流耐量が大きい、高耐圧の半導体装置
を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、第１導電形半導体基板の一方の主面に第２導電形
半導体層を形成し、他方の主面に高濃度の第１導電形半
導体層を形成し、前記第２導電形半導体層内に所定の深
さの溝を少なくとも一つ以上形成し、前記第２導電形半
導体層の露出面に第１主電極を選択的に形成し、前記第
１導電形半導体層表面に第２主電極を選択的に形成する
構成とする。

【００１０】第１導電形半導体基板と第２導電形半導体
層で形成されるｐｎ接合境界面と、前記溝の底面との距
離が半導体装置の耐圧を確保する長さであるとよい。こ
れは逆耐圧印加時に第２導電形半導体層に形成された溝
の底面に空乏層が達しないようにすることで、パンチス
ルーを防止し、耐圧を確保することにある。第２導電形
半導体領域の表面濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3ないし１×１
０²⁰ｃｍ^-3であり、第２導電形半導体層に形成される溝
の底面の表面濃度が１×１０¹⁶ｃｍ ^-3ないし１×１０¹⁷
ｃｍ^-3であると効果的である。これは、第２導電形半導
体領域の表面濃度を１×１０¹⁸ｃｍ^-3より小さくすると
サージ電流耐量が低下し、１×１０²⁰ｃｍ^-3より大きく
するとイオン注入による結晶欠陥が発生し易くなり好ま
しくない。一方、第２導電形半導体層に形成される溝の
底面の表面濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3より大きくすると、
ソフトリカバリー特性などの逆回復特性が阻害され、１
×１０¹⁶ｃｍ^-3より小さくすると、パンチスルー現象が
生じて、耐圧特性が低下し、好ましくない。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１はこの発明の第１実施例のダ
イオードの要部構成図で、同図（ａ）は平面図、同図
（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した断面図であ
る。図１において、ｎ^- 基板１の一方の表面層に高濃度
のｐ⁺ 層２をイオン注入と熱拡散で形成する。このｐ⁺
層２にドライエッチングで溝３を形成する。この溝３の
平面パターンはストライプ状で、溝３の底面４はｎ^- 基
板１とｐ⁺ 層２で形成されるｐｎ接合境界面５に達しな
い深さで、ダイオードの耐圧に相当した電圧を確保でき
るように、このｐｎ接合境界面５から伸びる空乏層の先
端部（図示されていない）が前記の溝３の底面４に達し
ない深さとする。ｐ⁺ 層２の拡散プロフィルは後述する
図３に示すように、表面で濃度が高く、深さ方向で低く
なっている。従って、溝３の底面４の表面濃度はｐ⁺ 層
２の表面濃度に比べると低くなっている。この底面４か
らｐｎ接合境界面５までを低濃度のｐ^- 層７とする。ｐ
⁺ 層２の表面、側面８および底面４にアノード電極９と
なる金属電極を形成し、ｎ⁺ 層１１の表面にカソード電
極１２となる金属電極を形成する。

【００１２】図１の構造では、図４のｐ層の濃度をｐ^-
層２７とｐ⁺ 層２２の２種類を用いた場合と基本的には
同様の特性が得られる。図１のダイオードの製造工程で
は、ｐ層形成の際の不純物イオン注入工程、熱拡散処理
工程がそれぞれ図４のダイオードの場合の２回から、１
回となること、またこのイオン注入回数が減ったため
に、イオン注入によるシリコン結晶へのダメージを少な
くでき、又高温熱処理の工程が少ないために、結晶欠陥
等の導入を低く抑えることができる。そのために、素子
特性、特に順電圧降下などのオン特性が改善される。ま
た、製造工程数が減るために、製造コストの低減を図る
ことができる。

【００１３】さらに詳細に説明すると、図１のダイオー
ドの製造工程では、ｐ⁺ 層２の不純物プロフィルを予め
調べておき、それに応じて溝３の深さを決定し、溝３の
底面４に露出するｐ^- 層７の不純物濃度を調整する。溝
３の底面４がｐｎ接合境界面５を超えてｎ^- 基板１に入
り込むと、ダイオードが逆阻止状態を維持できなくなる
ため、底面４の位置はｐ層（ｐ⁺ 層２およびｐ^- 層７）
内に来なくてはならない。ｐ^- 層７は濃度が低い程良好
な逆回復特性を得られる。しかし、ダイオードの耐圧が
２５００Ｖクラスの場合、ｐ^- 層７の厚さを２μｍ程度
にすると、耐圧確保の点から、ｐ^- 層７の表面濃度は１
×１０¹⁶ｃｍ^-3以上の濃度が必要となり、一方、逆回復
特性から１×１０¹⁷ｃｍ^-3を上限とすると良好な特性が
得られる。 この構造のｐ⁺ 層２は従来の構造のように
ピンチオフの効果はないが、サージ電流耐量を向上させ
る効果がある。つぎに、そのことについて説明する。

【００１４】順電圧を印加した場合、順電圧が低い状態
では、低濃度のｐ^- 層７もｐ⁺ 層２からも同様に電流は
流れる。しかし、高い状態にすると、ｐ⁺ 層２からの正
孔の注入が多くなり、ｎ^- 基板１内の伝導度変調が大き
くなり、サージ電流のような大電流でもダイオードの順
電圧降下が小さく抑えられ、サージ電流耐量が向上す
る。一方、逆回復時には、高濃度のためにｐ⁺ 層２のラ
イフタイムがｐ^- 層７より短く、ｐ⁺ 層２を流れるキャ
リヤが早く消滅して、最終的にはｐ^- 層７を流れる電流
で逆回復特性が決まり、良好な逆回復特性が得られる。
前記のサージ電流耐量を向上させるためには、高濃度の
ｐ⁺ 層２の表面濃度を１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上にする必要
がある。しかし、１×１０²⁰ｃｍ^-3を超えるとイオン注
入量が多くなり過ぎて、結晶欠陥を発生させ易くなるの
で、ｐ⁺ 層２の表面濃度の上限は１×１０²⁰ｃｍ^-3と
し、実用的には１×１０¹⁹ｃｍ^-3が好ましい。

【００１５】ｐ層を構成するｐ^- 層７とｐ⁺ 層２の表面
パターンの面積の比率を変えると、順方向特性、逆回復
特性が変化する。ｐ^- 層７の比率が高くなり過ぎると、
逆回復特性は向上するものの、サージ電流のような大電
流領域での特性が悪化し、逆の場合、逆回復特性が悪化
する。そのため、それぞれの兼ね合いを見ながら面積の
割合は調整される。

【００１６】溝３の表面での幅と底面４での幅が図１で
は等しくなっているが、底面４の幅のほうが狭い逆台形
状の溝の断面形状にしてもよい。またこの溝構造は、ワ
イヤボンディングでの圧着力や、加圧接触構造での加圧
力などの、素子表面における力の分散効果もある。図２
はこの発明の第２実施例のダイオードの要部構成図で、
同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ
線で切断した断面図である。

【００１７】図２において、溝３ａの平面パターンが円
形状となっている点が図１と異なる。この平面パターン
は多角形であっても勿論構わない。また、溝３ａの表面
の幅が底部４の幅より狭い逆台形状でもよい。ここで
は、断面構造は図１（ｂ）と同じであるので説明は省略
する。図３はこの発明のダイオードのｐ層の拡散プロフ
ィルである。ｐ⁺ 層２はｐｎ接合境界面５までの深さが
７μｍである。不純物イオン種に例えばボロンを用い、
ドーズ量は約１×１０¹⁵ｃｍ^-2、拡散温度は１１５０℃
で、拡散時間は十数時間とした場合の拡散プロフィルで
ある。このダイオードの耐圧が２５００Ｖ相当とした場
合、溝３の底部４での表面濃度を１×１０¹⁶ｃｍ^-3、溝
の深さを５μｍ程度とするとよい。勿論、ダイオードの
耐圧、拡散プロフィルの形状が異なる場合はこの溝４の
深さは異なったものとなる。

【００１８】

【発明の効果】この発明によれば、ｐ層を構成するｐ^-
層とｐ⁺ 層の形成は、同一のイオン注入工程および熱拡
散工程で行われ、製造コストの低減を図ることができ
る。またイオン注入工程回数および熱拡散工程回数を１
回とすることができるために、結晶欠陥の導入が抑制さ
れ、ダイオードのオン特性などの素子特性が向上する。
またｐｎ接合面を平坦とすることで、従来のダイオード
の逆回復特性とサージ電流耐量を維持し、または向上さ
せつつ、耐圧特性も向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例のダイオードの要部構成
図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線で切
断した断面図

【図２】この発明の第２実施例のダイオードの要部構成
図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線で切
断した断面図

【図３】この発明のダイオードのｐ層の拡散プロフィル
を示す図

【図４】従来のダイオードの要部構造図で、（ａ）は平
面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した断面図

【符号の説明】

１ ｎ^- 基板 ２ ｐ⁺ 層 ３ 溝 ３ａ 溝 ４ 底面 ５ ｐｎ接合境界面 ７ ｐ^- 層 ８ 側面 ９ アノード電極 １１ ｎ⁺ 層 １２ カソード電極 １３ 周辺耐圧構造 ２２ ｐ⁺ 層 ２５ ｐｎ接合境界面 ２７ ｐ^- 層 ２９ アノード電極 ３１ 空乏層の先端部 ３２ 空乏層の先端部 ３３ 電界集中

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１導電形半導体基板の一方の主面に第２
   導電形半導体層が形成され、他方の主面に高濃度の第１
   導電形半導体層が形成され、前記第２導電形半導体層内
   に所定の深さの溝が少なくとも一つ以上形成され、前記
   第２導電形半導体層の露出面に第１主電極が選択的に形
   成され、前記第１導電形半導体層表面に第２主電極が選
   択的に形成されることを特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】第１導電形半導体基板と第２導電形半導体
   層で形成されるｐｎ接合境界面と、前記溝の底面との距
   離が半導体装置の耐圧を確保する長さであることを特徴
   とする請求項１記載の半導体装置。
3. 【請求項３】第２導電形半導体層の表面濃度が１×１０
   ¹⁸ｃｍ^-3ないし１×１０²⁰ｃｍ^-3であり、第２導電形半
   導体層に形成される溝の底面の表面濃度が１×１０¹⁶ｃ
   ｍ^-3ないし１×１０¹⁷ｃｍ^-3であることを特徴とする請
   求項１記載の半導体装置。