KR20130049919A

KR20130049919A - 실리콘카바이드 쇼트키 배리어 다이오드 소자 및 이의 제조 방법

Info

Publication number: KR20130049919A
Application number: KR1020110114972A
Authority: KR
Inventors: 홍경국; 이종석
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2011-11-07
Filing date: 2011-11-07
Publication date: 2013-05-15
Also published as: US20140363959A1; US8779439B2; US8936964B2; US20130112991A1

Abstract

본 발명은 실리콘카바이드 쇼트키 배리어 다이오드 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 통전부 이온 주입을 통하여 온저항을 저감시킬 수 있도록 한 실리콘카바이드 쇼트키 배리어 다이오드 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 내전압 특성을 향상시키기 위하여 저농도 통전 영역을 두껍게 형성할 경우, 소자의 순방향 전압 인가 시 온저항이 증가되어 전류 특성이 약화되는 단점을 보완하고자, 소자 통전 에피층 영역에 n+ 이온을 주입시켜, 순방향 전압 인가 시 도핑 농도가 높은 통전 영역으로 전류가 흐르게 하여 온 저항이 낮아지고, 역전압 인가 시 항복 전압의 저감이 없는 소자가 구현될 수 있도록 한 실리콘카바이드 쇼트키 배리어 다이오드 소자 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

실리콘카바이드 쇼트키 배리어 다이오드 소자 및 이의 제조 방법{Silicon carbide schottky-barrier diode and method for manufacturing thr same}

본 발명은 실리콘카바이드 쇼트키 배리어 다이오드 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 통전부 이온 주입을 통하여 온저항을 저감시킬 수 있도록 한 실리콘카바이드 쇼트키 배리어 다이오드 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

최근 응용 기기의 대형화 및 대용량화 추세에 따라 높은 항복전압과 높은 전류 및 고속 스위칭 특성을 갖는 전력용 반도체 소자의 필요성이 대두되고 있다.

현재, 높은 항복전압과 전류 특성 및 고속 스위칭 특성 등을 충족시켜줄 수 있는 유일한 소자로서, 기존의 실리콘(Si) 소자보다 우수한 특성을 나타내는 실리콘 카바이드(SiC) 전력소자가 주목받고 있으며, 그에 따라 활발한 연구와 더불어 시장 진입의 초기 상태에 있다.

일반적인 실리콘카바이드(silicon carbide, SiC) 쇼트키 배리어 다이오드(schottky barrier diode, SBD)의 경우, 소자의 파괴 전압을 향상시키기 위하여 저농도 에피층을 적용하고 그 두께도 증가시키고 있지만, 두꺼운 저농도 에피층이 통전 영역에 존재할 경우, 순방향 전압 인가 시 통전 영역의 저항이 증가하게 되어 소자 온저항 특성이 약화되는 단점이 있다.

이러한 단점으로 인해 실리콘카바이드 쇼트키 다이오드의 개발 방향은 최소한의 에피층 두께를 사용하여 내 전압 특성이 향상된 종단 구조를 적용하는 것으로 진행되는 것이 일반적이다.

따라서, 쇼트키 배리어 다이오드에 있어서 온저항 특성은 전류가 흐르는 쇼트키 컨택과 캐소드 전극 사이의 거리와 도핑농도에 의존하고, 또한 항복전압 특성도 쇼트키 컨택과 캐소드 전극사이의 거리와 도핑농도에 의존하지만, 전계 집중 효과(Electric Field Crowding Effect)로 인하여 주로 쇼트키 접합의 종단(edge)에 터미네이션(termination)을 어떻게 해주느냐에 따라 결정된다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 내전압 특성을 향상시키기 위하여 저농도 통전 영역을 두껍게 형성할 경우, 소자의 순방향 전압 인가 시 온저항이 증가되어 전류 특성이 약화되는 단점을 보완하고자, 소자 통전 에피층 영역에 n+ 이온을 주입시켜, 순방향 전압 인가 시 도핑 농도가 높은 통전 영역으로 전류가 흐르게 하여 온 저항이 낮아지고, 역전압 인가 시 항복 전압의 저감이 없는 소자가 구현될 수 있도록 한 실리콘카바이드 쇼트키 배리어 다이오드 소자 및 이의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는: 저면에 오믹 금속층이 접합된 n+ 기판의 상면에 증착된 1차 n- 에피층과; 상기 1차 n- 에피층의 중앙 영역에 n+ 이온이 주입되어 형성된 n+ 에피층과; 상기 n+ 에피층 위에 증착된 쇼트키 금속층; 으로 구성된 것을 특징으로 하는 실리콘카바이드 쇼트키 배리어 다이오드 소자를 제공한다.

바람직하게는, 상기 1차 n- 에피층과 n+ 에피층 위에 2차 n- 에피층이 더 증착 형성된 것을 특징으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: 웨이퍼 상태의 n+ 기판 위에 1차 n- 에피층이 증착되는 단계와; 상기 1차 n- 에피층의 중앙 영역에 n+ 이온을 주입하여 n+ 에피층을 형성하는 단계와; 상기 n+ 기판의 저부에 오믹 금속층을 증착하고, n+ 에피층 위에 쇼트키 금속층을 직접 증착시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 1차 n- 에피층 및 n+ 에피층 위에 쇼트키 금속층을 사이에 두고 2차 n- 에피층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 n- 에피층을 추가로 증착하고, 다시 그 중앙영역에 이온주입에 의한 n+ 에피층을 더 두껍게 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면, 순방향 전압 인가 시 온저항이 증가되어 전류 특성이 약화되는 단점을 보완하고자, 소자 통전 에피층 영역에 n+ 이온을 주입시켜, n+ 에피층을 형성시켜 줌으로써, 순방향 전압 인가 시 도핑 농도가 높은 통전 영역(n+ 에피층)으로 전류가 흐르게 하여 온 저항이 낮아지고, 역전압 인가 시 항복 전압의 저감이 없는 소자를 제공할 수 있다.

도 1 내지 도 4는 본 발명에 따른 실리콘카바이드 쇼트키 배리어 다이오드 소자의 제조 과정을 나타낸 개략적 단면도,
도 5는 본 발명에 따른 실리콘카바이드 쇼트키 배리어 다이오드 소자 및 전류 흐름 상태를 설명하는 개략적 단면도,
도 6은 본 발명의 실험예를 위한 실리콘카바이드 쇼트키 배리어 다이오드 소자 구조와, 기존의 소자 구조를 나타낸 개략적 단면도,
도 7 및 도 8은 본 발명의 실험예 결과를 나타내는 그래프.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명의 이해를 돕기 위하여, 본 발명의 실리콘카바이드 쇼트키 배리어 다이오드 소자 제조 공정을 첨부한 도 1 내지 도 4를 참조로 설명하면 다음과 같다.

우선, 웨이퍼 상태의 n+ 기판(10) 위에 1차 n- 에피층(11)이 증착된다(도 1 참조).

이때, n+ 기판(10)의 도핑 농도는 10¹⁸/㎤ 급이 바람직하고, 1차 n- 에피층(11)의 도핑 농도는 10¹⁵~ 10¹⁶/㎤ 급이 바람직하며, 상기 1차 n- 에피층의(11) 두께는 n+ 이온이 주입될 수 있는 두께 정도가 되어야 하며, 이에 약 2 μm 이상으로 형성되도록 한다.

다음으로, 상기 1차 n- 에피층(11)의 중앙 영역에 n+ 이온을 주입하여 n+ 에피층(13)을 형성하는 단계가 진행된다(도 2 참조).

즉, 상기 1차 n- 에피층(11)의 중앙 영역을 제외한 나머지 영역에 마스크를 씌운 다음, 1차 n- 에피층(11)의 중앙 영역에 n+ 이온을 주입함으로써, 상기 1차 n- 에피층(11)의 중앙 영역에 n+ 에피층(13)이 형성된다.

이러한 이온 주입 후, 손상된 웨이퍼 표면을 안정화하기 위해 1400~1600℃ 온도에서의 고온 열처리나 수소 등과 같은 가스 분위기에서의 열처리가 수행될 수 있고, 또한 내전압 특성 향상을 위해 n- 에피층(11)을 추가로 증착한 후, 다시 그 중앙영역에 이온주입에 의한 n+ 에피층(13)이 더 두껍게 형성될 수 있다.

첨부한 도 7은 1차 n- 에피층(11) 및 n+ 에피층(13) 위에 내전압 특성 향상을 위해 2차 n- 에피층(12)을 추가로 증착한 예를 나타내며, 도핑 농도는 1차 n- 에피층의 그것과 유사한 것을 권장한다.

이때, 추가로 증착된 2차 n- 에피층(12)의 중앙영역에 이온주입에 의한 n+ 에피층(13)이 더 형성되면, 첨부한 도 6의 (c) 도면에서 보듯이 n+ 에피층(13)은 쇼트키 금속층(14)과 바로 인접하여 고농도 통전 영역이 될 수 있다.

다음으로, 상기 웨이퍼 하부 즉, n+ 기판(10)의 저부에 오믹 금속층(15)을 증착하고, 상부면에는 쇼트키 금속층(14)을 증착함으로써, 본 발명의 실리콘카바이드 쇼트키 배리어 다이오드 소자가 완성된다.

바람직하게는, 상기 쇼트키 금속층(14)은 Ti 등과 같은 금속을 이용할 수 있고, 내전압 특성을 향상시키기 위하여 추가적인 종단 구조를 적용할 수 있으며, 상기 오믹 금속층(15)은 Ni 등과 같은 금속을 이용할 수 있고, 각 금속층(14,15)은 각 특성을 구현하기 위해 열처리될 수 있다.

한편, 통전 특성을 향상시키기 위하여 첨부한 도 6의 (c) 도면에서 보듯이 2차 n-에피층을 형성하지 않고, 곧바로 n+ 에피층(13) 위에 쇼트키 금속층(14)을 증착시킬 수 있으며, 이때에는 쇼트키 접합 특성 확보를 위한 별도의 열처리 조건과 접합 금속이 적용될 수 있고, 항복 조건 확보를 위한 종단 구조 최적화 단계가 필요할 수 있다.

상기와 같은 공정을 통하여 제조된 본 발명의 실리콘카바이드 쇼트키 배리어 다이오드 소자에 대한 구성을 첨부한 도 5를 참조로 정리해보면, 저면에 오믹 금속층(15)이 접합된 n+ 기판(10)의 상면에 증착된 1차 n- 에피층(11)과, 1차 n- 에피층(11)의 중앙 영역에 n+ 이온이 주입되어 형성된 n+ 에피층(13)과, n+ 에피층(13) 위에 증착된 쇼트키 금속층(14)으로 구성되고, 상기 1차 n- 에피층(11)과 n+ 에피층(13) 위에 쇼트키 금속층(14)을 사이에 두고 2차 n- 에피층(12)이 더 증착 형성되는 구조를 갖게 된다.

따라서, 첨부한 도 5에서 보듯이 순방향 전압 인가 시, 쇼트키 금속층(14)과 2차 n- 에피층(12)과 n+ 에피층(13)과 n+기판(10)쪽으로 전류가 차례로 흐르는 상태가 되며, 상기 1차 및 2차 n- 에피층(11,12) 및 이온주입에 따른 n+ 에피층(13)의 도핑농도, 그리고 각 에피층의 두께에 따라 온저항 및 항복 전압 정도가 다르지만, 최적화 확보시 이온 주입에 의한 순방향 온저항의 저감이 항복전압의 저감없이 개선 가능하고, 또한 전류 밀도가 향상된 만큼 소자의 면적을 줄일 수 있어 원가 절감의 효과를 얻을 수 있다.

실험예

본 발명에 따른 실리콘카바이드 쇼트키 배리어 다이오드 소자의 온-저항 저감 효과를 알아보기 위하여 TCAD를 활용하여 시뮬레이션하였는 바, 그 결과는 첨부한 도 7 및 도 8에 나타낸 바와 같다.

이때, 본 실험예에 적용된 소자 구조는 이온주입에 의한 n+ 에피층이 없는 기존 구조 즉, 통전 영역이 저농도로 도핑된 일반적인 구조(도 6의 (a)참조)와, 본 발명에따른 고농도 통전 영역인 n+ 에피층(13)이 일부에 형성된 구조(도 6의 (b)참조)와, 보다 두껍게 형성된 n+ 에피층(13) 위에 쇼트키 금속층(14)이 직접 증착된 구조(도 6의 (c)참조)를 이용하였다.

항복전압 시뮬레이션 결과, 도 7에서 보는 바와 같이 모두 동일한 항복 특성을 얻을 수 있으며, 이는 쇼트키 접합의 가장자리, 즉 쇼트키 에지 종단으로의 전계 집중으로 인한 항복이 주된 항복 메커니즘으로 작동하였음을 알 수 있었다.

그러나, 온-저항 특성을 보기 위해 I-V 특성 시뮬레이션을 수행한 결과, 도 8에서 보는 바와 같이 n+ 영역이 증가함에 따라 온-저항이 낮아져, 쇼트키 컨택까지 고농도 통전 영역이 전체로 확장되었을 경우(도 6의 (c)참조), 온-저항이 가장 낮음을 알 수 있었으며, 이는 순방향 전압 인가 시, 전류가 흐르는 통전 부분에 n+ 고농도 영역 즉, n+ 에피층(13)이 존재함으로 인하여 저항이 크게 낮아지는 것으로 파악할 수 있다.

한편, 상기와 같은 결과를 바탕으로, 통전부에만 n+ 영역을 형성시켜, 순방향 시에는 온-저항이 낮아져 특성이 향상되지만, 쇼트키 에지 종단 부분에 n- 영역이 존재하여 기존과 동일한 항복 특성을 확보할 수 있다는 결과를 확인할 수 있고, 또한 전계판 구조, 전계 제한 테구조 등 내전압 특성 향상을 위한 고전압 종단 구조를 적용한다면 모두 동일하게 항복전압의 상승효과를 얻을 수 있음은 자명한 일이다.

10 : n+ 기판
11 : 1차 n- 에피층
12 : 2차 n- 에피층
13 : n+ 에피층
14 : 쇼트키 금속층
15 :오믹 금속층

Claims

저면에 오믹 금속층(15)이 접합된 n+ 기판(10)의 상면에 증착된 1차 n- 에피층(11)과;
상기 1차 n- 에피층(11)의 중앙 영역에 n+ 이온이 주입되어 형성된 n+ 에피층(13)과;
상기 n+ 에피층(13) 위에 증착된 쇼트키 금속층(14);
으로 구성된 것을 특징으로 하는 실리콘카바이드 쇼트키 배리어 다이오드 소자.
청구항 1에 있어서,
상기 1차 n- 에피층(11)과 n+ 에피층(13) 위에 2차 n- 에피층(12)이 더 증착 형성된 것을 특징으로 하는 실리콘카바이드 쇼트키 배리어 다이오드 소자.
웨이퍼 상태의 n+ 기판(10) 위에 1차 n- 에피층(11)이 증착되는 단계와;
상기 1차 n- 에피층(11)의 중앙 영역에 n+ 이온을 주입하여 n+ 에피층(13)을 형성하는 단계와;
상기 n+ 기판(10)의 저부에 오믹 금속층(15)을 증착하고, n+ 에피층(13) 위에 쇼트키 금속층(14)을 직접 증착시키는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘카바이드 쇼트키 배리어 다이오드 소자 제조 방법.
청구항 3에 있어서,
상기 1차 n- 에피층(11) 및 n+ 에피층(13) 위에 쇼트키 금속층(14)을 사이에 두고 2차 n- 에피층(12)을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘카바이드 쇼트키 배리어 다이오드 소자 제조 방법.
청구항 3에 있어서,
상기 n- 에피층(11)을 추가로 증착하고, 다시 그 중앙영역에 이온주입에 의한 n+ 에피층(13)을 더 두껍게 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘카바이드 쇼트키 배리어 다이오드 소자 제조 방법.