JP2011055002A - 半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁破壊電界強度が高く、逆回復電流が回路に流れない半導体モジュールを提供する。
【解決手段】半導体モジュール２０は、スイッチング素子２３と、スイッチング素子２３と逆並列に接続された還流ダイオード１０とを備える。還流ダイオード１０は、炭化珪素を主材料として形成されたｎ型半導体層４，６と、ｎ型半導体層４の一方の面の表層部に形成されたｐ型半導体層５と、ｎ型半導体層４の一方の面およびｐ型半導体層５に接合されたアノード電極１，３と、ｎ型半導体層６の他方の面に接合されたカソード電極７とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ダイオードの電極構造に関する。

従来、珪素（Ｓｉ）を主材料とするＰｉＮダイオードが、還流ダイオード（ＦＷＤｉ（Free Wheeling Diode））として使用されてきた。還流ダイオードＦＷＤｉとは、負荷にインダクタンス成分のあるインバーター等の回路において、その回路に接続されたパワーデバイスがターンオフ（開放）したときに負荷のインダクタンスに蓄えられた電流エネルギーを循環または消散させ、回路全体を保護する目的で回路に組み込まれたダイオードであり、転流ダイオードとも呼ばれる。スイッチング回路等においても側路に使用される。ＰｉＮダイオードを還流ダイオードＦＷＤｉとして利用する理由は、ＰｉＮダイオードはバイポーラ型のダイオードであり、順方向バイアスで大電流を通電させる場合に、伝導度変調により電圧降下を低くできるからである。ところがＰｉＮダイオードを利用すると、順方向バイアス状態から急峻に逆バイアス状態に至る過程で伝導度変調によりＰｉＮダイオードに残留したキャリアが逆回復電流として回路へ流れてしまう。Ｓｉを主材料とするＰｉＮダイオードでは残留するキャリアの寿命が長いため、多くの残留キャリアが存在するからである。

一方、Ｓｉを主材料とするショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）を還流ダイオード（ＦＷＤｉ）として用いると、大きな逆回復電流が回路に流れるという問題は生じない。ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）は、ユニポーラ型のダイオードであり、伝導度変調によるキャリアをほとんど有しないからである。このショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）とは、金属と半導体とを接合させたダイオードをいい、接合点であるショットキー界面の電位障壁（ショットキーバリア）を利用して整流性を持たせたダイオードである。

しかし、このようなショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）を用いると、次は新たな問題が生じる。まずショットキーバリアダイオードの構成から簡単に説明する。図４は、従来のショットキーバリアダイオード４０の断面図である。ショットキーバリアダイオード４０は、外部導体（図示せず）と接続される平坦な第１のアノード電極４１と、第１のアノード電極４１に隣接する第２のアノード電極４３と、第２のアノード電極４３に接合する半導体層であるＳｉ（珪素）のｎ型エピタキシャル層４４と、ｎ型Ｓｉ基板４６と、外部導体（図示せず）と接続されるカソード電極４７とを含む。このショットキーバリアダイオード４０では、第２のアノード電極４３の下にさらにｐ型半導体層４５が形成されている。これはいわゆる接合障壁制御ショットキー構造（ＪＢＳ（Junction Barrier controlled Schottky）構造）と呼ばれる。

Ｓｉを主材料とするショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）４０の問題とは、絶縁破壊を起こす電界強度が低いことである。これは、高耐圧にすることが困難なことを意味する。逆回復電流が回路に流れない、高耐圧のショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）を作製すると、通電時に大きな抵抗が生じるため、実用的な範囲では耐圧２００Ｖ程度が限界である。

また、従来のショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）では、所望の電気的特性を発揮させることができないため、回路に利用可能な半導体モジュールに搭載することが困難である。これは順方向に電流が流れる際の経路であるショットキー電極界面４８が、本来予定されている電気的特性を得ることができないことに起因する。例えば、第１のアノード電極４１と接続される外部導体（図示せず）に埃等が付着し凹凸がある場合を考えると、第１のアノード電極４１は平坦であるため、外部導体と接続される際に第１のアノード電極４１の凸部分がショットキー界面４８に局所的に強い圧力を加え、ショットキー電極界面４８の電気的特性を劣化させてしまう。また外部導体と第１のアノード電極４１を超音波によりワイヤボンディングする場合を考えると、ショットキー界面４８に直接超音波が伝わりショットキー界面４８の構造が変化することにより、その電気的特性が変化する場合がある。

本発明の目的は、絶縁破壊電界強度が高く、逆回復電流が回路に流れない半導体モジュールを提供することである。

本発明による半導体モジュールは、スイッチング素子と、前記スイッチング素子と逆並列に接続された還流ダイオードと、を備え、
前記還流ダイオードは、炭化珪素を主材料として形成されたｎ型半導体層と、前記ｎ型半導体層の一方の面の表層部に形成されたｐ型半導体層と、前記ｎ型半導体層の一方の面および前記ｐ型半導体層に接合されたアノード電極と、前記ｎ型半導体層の他方の面に接合されたカソード電極と、を有する。

本発明によれば、ｎ型半導体層を炭化珪素ＳｉＣを主材料として形成することにより、高い絶縁破壊電界強度を持ち、かつ高耐圧なショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）を得ることができる。このようなショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）を還流ダイオードＦＷＤｉとして回路に組み込むことにより、逆回復電流およびそれにより生じていたエネルギー損失を激減できる。また過電流から素子破壊の危険性も大きく減らすことができる。

本発明のショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）と、圧接によりショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）に接続された外部導体の断面図である。 ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）を搭載した圧接型半導体モジュールの断面図である。 圧接型半導体モジュールの回路図である。 従来のショットキーバリアダイオードの断面図である。 製造過程にあるショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）を示す図である。

実施の形態１．
図１は、本発明のショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）１０と、圧接によりショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）１０に接続された外部導体１２−１、１２−２の断面図である。ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）１０とは、金属と半導体とを接合させたダイオードをいう。

本実施の形態によるショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）１０の特徴は、外部導体１２−１に接続するアノード電極１の厚さに凹凸を設け、アノード電極１の凸部分２がｐ型半導体層５に、凹部分がｎ型半導体層であるｎ型エピタキシャル層４に対応する（上下の関係になる）よう配置したことである。ここで凹凸とは、周囲の高さ方向の起伏の状態から相対的に定まる表面の状態であって、例えば、ある領域の最も高い位置と最も低い位置の中央値を基準値として、基準値よりも高い部分を凸部分、基準値よりも低い部分を凹部分などと定義することができる。このように配置したことにより、外部導体１２−１に凹凸が存在していてもその凸部分がショットキー界面８に強い圧力を加えることはなく、したがってショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）１０の本来の電気的特性を得ることができる。

本発明によるショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）１０を詳しく説明する。ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）１０は、少なくとも第１のアノード電極１と、第２のアノード電極３と、ｎ型エピタキシャル層４と、ｐ型半導体層５と、ｎ型半導体基板６と、カソード電極７とから構成されている。

各構成要素を説明すると、第１のアノード電極１は、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）１０と外部導体１２−１との接続を確保するための電極である。第１のアノード電極１は、その一方の側で外部導体１２−１と接続し、他方の側では第２のアノード電極３と接合している。第１のアノード電極１が外部導体１２−１と接続する側の厚さには、凹凸が設けられている。このアノード電極１の凸部分２が外部導体１２−１と電気的な接続を確保するのに利用される。図１によれば、第１のアノード電極１に付された凹凸の凸部分２および凹部分は、いずれも直角の輪郭を有するように記載されているが、必ずしも直角に限られない。凹凸であればその形状は問わない。

次に第２のアノード電極３は、平坦な板状の電極であり、一方の面は第１のアノード電極１と接合し、他方の面はｎ型エピタキシャル層４およびｐ型半導体層５と接合する。他方の面は、ｎ型エピタキシャル層４と接合する領域と、ｐ型半導体層５と接合する領域とに分けることができる。本実施の形態では、単に「アノード電極」と言及するときは第１のアノード電極１および第２のアノード電極３のいずれをも指すとする。なお、第２のアノード電極３を省略して、第１のアノード電極１の他方の側をｎ型エピタキシャル層４およびｐ型半導体層５と接合するよう構成してもよい。

続いて、ｎ型エピタキシャル層４は、例えばＳｉ等を主材料として形成された低濃度の半導体層である。上述のように、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）１０は金属と半導体とを接合させたダイオードであるところ、アノード電極が「金属」に、ｎ型エピタキシャル層４が「半導体」に相当する。アノード電極とｎ型エピタキシャル層４との接合面は、ショットキー界面８と呼ばれる。ｎ型エピタキシャル層４は、他方でｎ型半導体基板６と接合している。

ｐ型半導体層５は、例えばＳｉを主材料としたｐ型半導体層である。ｐ型半導体層５は第２のアノード電極３の下に形成されており、その接合面もまた、ショットキー界面９と呼ばれる。このｐ型半導体層５は、ショットキー界面８での電界の増大を防止するために設けられている。すなわちｐ型半導体層５によれば、逆バイアス時には、ショットキー界面８のｎ型エピタキシャル層４側の電界強度を減少させリーク電流を減らすことができる。

ｎ型半導体基板６は、高濃度の材料、例えばＳｉを主材料としたｎ型半導体基板である。ｎ型半導体基板６は、一方でｎ型エピタキシャル層４と接合し、他方でカソード電極７と接合している。

カソード電極７は、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）１０と外部導体１２−２との接続を確保するための電極である。カソード電極７は、その一方の側で外部導体１２−２と接続し、他方の側ではｎ型半導体基板６と接合している。

以上のように構成されたショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）１０内を流れる電流は、アノード電極からショットキー界面８、ｎ型エピタキシャル層４およびｎ型半導体基板６を介してカソード電極７へ至る。

上述のように、ｐ型半導体層５が第２のアノード電極３の下に形成されている構造は、接合障壁制御ショットキー構造（ＪＢＳ（Junction Barrier controlled Schottky）構造）と呼ばれている。上記ｐ型半導体層５の説明において言及したように、ＪＢＳ構造ではｐ型半導体層５は逆方向バイアス時のショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）１０の特性に深い関連がある。一方ＪＢＳ構造を有するショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）１０では、ショットキー界面８が電流制御の基本的な役割を担っている。順方向バイアス時には、ショットキー界面８を通って電流が流れるからである。文献（「Rhoderick,E.H. And Williams,R.H. 著Metal Semiconductor Contacts, 2nd edition, Chap. 1, Oxford University Press (1988)」）に記載されているように、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）１０の電気的特性は、ショットキー界面８の構造に鋭敏に依存する。したがって、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）１０に電極を接続する等の場合には、ショットキー界面８の構造を変化させないよう留意する必要がある。

そこで、第１のアノード電極１の凸部分２がｐ型半導体層５の上部（第１のアノード電極１の電極面に垂直な方向）に位置するように配置する。換言すれば、第１のアノード電極１の凹部分がｎ型エピタキシャル層４のショットキー界面８の上（外部導体１２−１側）に位置するように配置する。このとき、アノード電極の凸部分２の上部が平坦であって、第１のアノード電極１の凸部分２の幅をＷａ、ｐ型半導体層５の幅をＷｐとすると、Ｗａ≦Ｗｐである。この条件を満たす限り、凸部分２に埃等による圧力が加えられてもショットキー界面８の構造に影響を与えないからである。凸部分２の上部が平坦でない場合には上述のようにして所定の基準値を求め、その基準値よりも高い部分を凸部分、基準値よりも低い部分を凹部分などと定義して、凸部分２の幅およびｐ型半導体層５の幅を定めてもよい。なお、図１は断面図であることから、「幅」という語は「大きさ」である言い換えることができる。したがって、第１のアノード電極１の凸部分２の大きさが、ｐ型半導体層５の大きさ以下であるということができる。

このような電極構造は、以下のような製造プロセスで実現される。まず、ｐ型半導体層５の形成までのプロセスは、蒸着、結晶成長、イオン注入等の周知の技術を利用して行われるのでその詳細な説明は省略する。図５は、製造過程にあるショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）１０（図１）を示す。ｐ型半導体層５（図１）が形成されると、第２のアノード電極３（図１）を形成に際して、Ｓｉウェハー５２上のダイオード素子領域５４外にアラインメントマーカ５６が形成される。アラインメントマーカ５６は、ｐ型半導体層５（図１）の形状と、第１のアノード電極１（図１）の形状の位置合わせのために用いられる。

具体的に説明すると、第２のアノード電極３（図１）を形成する前に、フォトレジストをＳｉウェハー５２上にスピンコートでコーティングし、顕微鏡等により第２のアノード電極３（図１）用のマスクをｐ型半導体層５（図１）の形状に合わせて露光し、現像する。第２のアノード電極３（図１）用のマスクには、アラインメントマーカ５６のパターンが施されている。現像が終了すると、電子ビーム蒸着等により、パターニングされたフォトレジスト上に第２のアノード電極３（図１）用の金属（例えば、Ａｌ）を蒸着させ、続いて第１のアノード電極１（図１）用金属（例えば、Ａｌ）を第２のアノード電極３（図１）用金属の上に蒸着する。そしてフォトレジストを有機溶剤等で除去することにより、ｐ型半導体層５（図１）上に、第２のアノード電極３（図１）と、凸部分２（図１）がまだ存在しない第１のアノード電極１（図１）が形成される。このとき、アラインメントマーカ５６もダイオード素子領域５４外に形成されている。アラインメントマーカ５６とｐ型半導体層５（図１）の形状の相対位置は確定しているので、第１のアノード電極１（図１）に凸部分２（図１）を与えるためのマスクパターンをその相対位置に対応するように作製する。これにより、第１のアノード電極１の凸部分２（図１）のパターンと、ｐ型半導体層５（図１）の形状のパターンとを合わせることができる。

再びフォトレジストをＳｉウェハー５２上にスピンコートでコーティングし、顕微鏡等により凸部分２（図１）を第１のアノード電極１（図１）に与えるためのマスクをアラインメントマーカ５６に合わせ、露光し、現像する。その後電子ビーム蒸着等で、パターニングされたフォトレジスト上に第１のアノード電極１（図１）用の金属を蒸着する。このフォトレジストを除去すれば、凸部分２（図１）を有する第１のアノード電極１（図１）が形成されている。なお、蒸着時間を変えることにより、凸部分２（図１）の高さを変化させることができる。凸部分２（図２）が外部導体１２−１（図１）に圧接される際には、圧力により凸部分２（図２）は多少変形するが、その程度は微小であることから変形は無視でき、凸部分２（図２）は十分な強度を有する。

再び図１を参照して、このような構造によれば、仮に外部導体１２−１に埃等が付着し凹凸が生じても外部導体接続時にショットキー界面８の構造を変化させることはない。その理由は、埃等による外部導体１２−１の凸部分が第１のアノード電極１の凹部分に対峙する場合には、外部導体１２−１の凸部分が第１のアノード電極１の凹部分にはまり込むため、外部導体１２−１の凸部分がショットキー界面８に強い圧力を加えることはないからである。このとき外部導体２２−１の底面が第１のアノード電極１の凹部に接触しないようにする。超音波によりボンディングを行う場合には、超音波は第１のアノード電極１の凸部分を伝わるので、ショットキー界面８に局所的に強い圧力を加えることなくボンディングできる。一方、外部導体１２−１の凸部分が第１のアノード電極１の凸部分に接触する場合には、ショットキー界面９の構造は電流の制御に影響を与えることはないので外部導体１２−１の凸部分がショットキー界面９に強い圧力を加えても問題はない。その場合には少なくとも第２のアノード電極３とｐ型半導体層５とが電気的に接続されてさえいればよいからである。なお上述のようにＷａ≦Ｗｐでない場合であっても、ＷａとＷｐとの差が十分小さければ従来のようにショットキー界面８に強い圧力はかからないので、ショットキー界面８の構造を変化させることなくショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）１０を製造できる。

以上のようにＪＢＳ構造を持つショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）１０において、第１のアノード電極１の、ｐ型半導体層５に対応する部分の厚さをｎ型エピタキシャル層４に対応する部分の厚さより厚くすることにより、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）１０を外部導体１２−１および１２−２と接続してもショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）１０の持つ本来の電気特性を得ることができ、製品の作製工程時の歩留まりを向上できる。なお、これまでの説明はショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）１０の構造に関する第１の特徴の説明であるから、いうまでもなくｐ型半導体層５、ｎ型エピタキシャル層４およびｎ型基板６がＳｉではない、他の周知の材料から形成されている場合でも上述した効果が得られる。

実施の形態２．
続いて本発明の実施の形態２を説明する。実施の形態２の特徴は、実施の形態１のショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）１０において、ｎ型エピタキシャル層４を炭化珪素（ＳｉＣ）を主材料としたｎ型ＳｉＣ半導体層としたことである。ＳｉＣを用いたことによりＳｉの約１０倍の絶縁破壊電界強度が得られ、同時に、実施の形態１で説明した構造のショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）１０を利用することにより、ショットキー界面８が安定で、かつ半導体モジュールに搭載し所望の電気的特性を発揮できる。

ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）１０を適用した半導体モジュールの例を説明する。図２は、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）１０を搭載した圧接型半導体モジュール２０の断面図である。圧接型半導体モジュール２０は、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）１０と、スイッチング素子２３と、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）１０およびスイッチング素子２３を狭持する外部導体２２−１および２２−２と、これらの構成要素を固定して一体化する絶縁モジュール筐体２６−１および２６−２とを含む。

ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）１０は、実施の形態１のショットキーバリアダイオードであり、ｎ型エピタキシャル層４（図１）だけでなくｐ型半導体層５（図１）およびｎ型基板６（図１）も、ＳｉＣを主材料として形成されている。これは現在の技術で作製が容易だからであるが、他の適当な方法によりｐ型半導体層５（図１）およびｎ型基板６（図１）を別の材料により形成してもよい。

外部導体２２−１および２２−２は、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）１０に圧接されており、外部導体１２−１および１２−２（図１）に対応する。スイッチング素子２３は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、またはＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等、回路のスイッチングを行う半導体スイッチング素子である。図２には、１つのショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）１０と１つのスイッチング素子２３が示されているが、それぞれ複数個であってもよい。

図３の回路図を参照して、圧接型半導体モジュール２０を説明する。図３は、圧接型半導体モジュール２０の回路図である。図１および図２と同じ構成要素には同じ参照番号を付している。圧接型半導体モジュール２０では、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）１０とスイッチング素子２３とは逆並列に接続されている。図１を参照して説明したように、電流は、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）１０内を外部導体２２−１側の第１のアノード電極１からカソード電極７へと流れる。一方、スイッチング素子２３が例えばＩＧＢＴとすると、電極２４−１がコレクタ電極、電極２４−２がエミッタ電極、電極２４−３がゲート電極となるよう構成されている。このようにショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）１０とスイッチング素子２３とが逆並列に接続されていることにより、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）１０は還流ダイオードＦＷＤｉとして機能する。

このように、ＳｉＣを主材料としたｎ型エピタキシャル層４（図１）を形成することにより、高い絶縁破壊電界強度を持ち、かつ高耐圧なショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）１０およびそれを利用した半導体モジュール２０を得ることができる。また、このようなショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）１０を還流ダイオードＦＷＤｉとして回路に組み込むことにより、逆回復電流およびそれにより生じていたエネルギー損失を激減できる。さらに、スイッチング素子２３がオンする時（スイッチング時）にその素子に流れる電流に逆回復電流が重畳しないので、過電流から素子破壊の危険性も大きく減らすことができる。また、圧接型半導体モジュール２０はショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）１０を組み込んでいることから、当然に上述した実施の形態１に基づく効果を得ることもできる。

１ 第１のアノード電極、 ２ 凸部分、 ３ 第２のアノード電極、
４ ｎ型エピタキシャル層、 ５ ｐ型ＳｉＣ半導体層、 ６ ｎ型ＳｉＣ基板、
７ カソード電極、 ８ ショットキー界面、 ９ ショットキー界面、
１０ ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）、
２２−１，２２−２ 外部導体。

Claims (3)

1. スイッチング素子と、
   前記スイッチング素子と逆並列に接続された還流ダイオードと、を備え、
   前記還流ダイオードは、
   炭化珪素を主材料として形成されたｎ型半導体層と、
   前記ｎ型半導体層の一方の面の表層部に形成されたｐ型半導体層と、
   前記ｎ型半導体層の一方の面および前記ｐ型半導体層に接合されたアノード電極と、
   前記ｎ型半導体層の他方の面に接合されたカソード電極と、
   を有する半導体モジュール。
2. アノード電極は、一方の面に凹凸が付され、他方の面が平坦であり、金属で形成され、
   ｎ型半導体層の一方の面およびｐ型半導体層と前記アノード電極の他方の面とが接合され、
   前記アノード電極の凸部分が、前記ｐ型半導体層の上に位置するよう配置されたことを特徴とする請求項１記載の半導体モジュール。
3. アノード電極の凸部分上部が平坦であり、
   前記平坦な凸部分上部の大きさは、ｐ型半導体層の大きさ以下であることを特徴とする請求項２記載の半導体モジュール。

Images