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JP3943749B2 - Schottky barrier diode - Google Patents

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JP3943749B2
JP3943749B2 JP05159199A JP5159199A JP3943749B2 JP 3943749 B2 JP3943749 B2 JP 3943749B2 JP 05159199 A JP05159199 A JP 05159199A JP 5159199 A JP5159199 A JP 5159199A JP 3943749 B2 JP3943749 B2 JP 3943749B2
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layer
schottky barrier
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barrier diode
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勉 八尾
俊之 大野
秀勝 小野瀬
三郎 及川
良孝 菅原
勝則 浅野
智基 林
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Kansai Electric Power Co Inc
Hitachi Ltd
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Kansai Electric Power Co Inc
Hitachi Ltd
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ショットキーバリアダイオードに係り、特に高耐圧化、大電流化に適したショットキーバリアダイオードの構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
インバータ等の電力変換機器の高電圧化および動作周波数の高周波化に伴い、電力変換機器を構成する半導体スイッチング素子および該スイッチング素子と逆並列接続する環流ダイオードあるいはフリーホイルダイオードの高耐圧化および高速化が強く求められている。これらのダイオードは高電圧大電流を低損失で整流する機能が要求されるため、一般的にはpn接合ダイオードが採用される。
【0003】
pn接合ダイオードは、通電時に半導体内部に少数キャリアが蓄積されて、ターンオフ時には過渡的に大きな逆回復電流が流れる。またこの逆電流は半導体内部に損失を発生し、またノイズを発生する。
【0004】
逆回復電流特性を改善したpn接合ダイオードは種々開発されているが、少数キャリアを利用するこの種のダイオードにおいては逆回復電流の低減には本質的に限界がある。
【0005】
一方、ショットキーバリアダイオードは、半導体内部で電荷を運ぶ担体が多数キャリアのみで少数キャリアの注入および蓄積がないため、ターンオフ時の逆電流はきわめて小さくすることができる。しかし、シリコンを基材とする従来のショットキーバリアダイオードは通電時のオン抵抗が高く、発生損失が大きくなるため、高電圧大電流の電力変換機器への適用は困難である。
【0006】
基材をSiCとすれば、前記問題点は解消することができる。しかし逆電圧を印加した時の漏れ電流が大きくなる。特に高温状態で耐電圧近くの逆電圧が印加されると、漏れ電流が増加し逆電圧阻止状態における損失が増大する。この損失が素子内で局部的に発生すると、部分的な熱暴走によって素子が熱破壊される場合がある。
【0007】
図6は従来の、Siを基材としたショットキーバリアダイオードの逆電圧印加時の漏れ電流を低減する構成を示す図である。図は、B.J.Baliga氏によって、Solid−state Electronics,Vo.l28,No.11,pp.1089−1093(1985)に、Junction−Barrier−Controlled Schottky(JBS)Rectifierという技術として発表されたものである。
【0008】
図において、11はSiを基材とした半導体基板、12は高不純物濃度のn+型層、13は低不純物濃度のn−型層であり、半導体基板11はn+型層12およびn−型層13により構成される。14はn−型層13表面のショットキー障壁部分に形成した複数個のp+型層、15はn−型層13の表面にショットキー障壁を形成するショットキー金属、16はn−型層13表面に低抵抗でオーム接触するカソード電極である。131はn−型層13の主表面、151は主表面131に形成されたショットキー障壁である。
【0009】
前記複数個のp+型層14は、互いに間隔をあけて分散配置される。この間隔は逆電圧印加時に、p+型層14とn−型層13の各pn接合からn−型層に向かって拡がる空乏層が互いに重なる程度であり、空乏層が互いに重なることにより、ショットキー障壁に印加される逆電圧よる電界強度を低減し、ショットキー障壁部分での漏れ電流を低減する。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来のSiを基材にしたショットキーバリアダイオードに関する技術をSiCを基材にしたショットキーバリアダイオードに適用すれば逆電圧特性を向上させ得ることが期待できる。
【0011】
しかしながら、前記Siを基材とした半導体基板における技術をそのままSiCを基材とした半導体基板を用いたショットキーダイオードに適用するには多大の困難を伴う。
【0012】
すなわち、図6においてp+型層14相互間の距離は、介在するショットキー障壁に印加される逆電圧の電界強度を低減するために、逆電圧印加時に各p+型層から伸びる空乏層が互いに重なる程度にその間隔を低減する必要がある。また数100ないし数1000Vの高い逆電圧に対して逆電圧阻止能力を保持するためには、p+型層14は比較的深い高濃度層として形成しなければならない。
【0013】
SiC基板の場合には、その接合破壊電界がSiの約10倍という物性上の特徴を生かした接合設計になるので、n−型層13の不純物濃度はSiの場合の70ないし100倍の高濃度に設定できる。このような高濃度に設定すると、空乏層の拡がりは著しく少なくなり、空乏層のピンチオフ効果を発揮するためにはp+型層14の間隔は1μm程度またはそれ以下のきわめて狭い値にする必要がある。
【0014】
また、前記深いp+型層の形成はSi基板では、ボロンやアルミニウム等のアクセプタ不純物を熱拡散法で拡散させて形成することができる。しかし、SiC基板中では、これらの不純物の熱拡散係数はきわめて小さいのでこの拡散法は実際上適用することできず、イオン注入法で直接形成しなければならない。
【0015】
しかし、イオン注入法によって1μm程度の深い打ち込み層を選択的に形成することはきわめて困難である。すなわち、厚い膜厚でかつ間隔の狭い注入マスクの形成がきわめて困難になるからである。
【0016】
例えば、注入マスクとしてホトレジストを使用する場合、深さ1μmのボロンの注入には約4μmの膜厚が必要である。この厚いレジストを幅および間隔を1μm以下の範囲で精度よく加工することは困難である。このように、漏れ電流を低減することのできるSi基板での前記従来例の構造を、SiC基板を用いた高耐圧のSiCショットキーバリアダイオードにそのまま適用することは困難である。
【0017】
本発明は、前記種々の問題点に鑑みてなされたもので、漏れ電流を低減して、逆電圧阻止能力を向上した高耐圧、大電流のショットキーバリアダイオードを提供する。
【0018】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために次のような手段を採用した。
【0019】
低不純物濃度を有する第1導電型の第1半導体層、および高不純物濃度を有する第1導電型の第2半導体層とからなるSiC半導体基板と、
前記第1半導体層の主表面に第1のイオン注入エネルギーでイオン注入して形成した、
深さおよび相互間の間隔が比較的大きな第2導電型の複数の第1表面層と、
前記第1表面層相互間に前記第1のイオン注入エネルギーより小さな第2のイオン注入エネルギーでイオン注入して形成した、深さおよび相互間の間隔が前記第1表面層より小さな第2導電型の第2表面層と、
前記第1半導体層の主表面に接合し、前記第1表面層および第2表面層と低抵抗でオーム接触するショットキー金属と、
前記第2半導体層にオーム接触するカソード電極とからなる。
【0020】
前記ショットキーバリアダイオードにおいて、
前記第2表面層相互間の間隔は、前記ショットキー金属およびカソード電極間に逆バイアス電圧を印加したとき、前記ショットキー金属およびカソード電極により構成されるショットキバリアダイオード素子の降伏電圧よりも低い第1電圧において、隣接する前記第2表面層に広がる空乏層が互いに重なり、
前記第1表面層相互間の間隔は、前記ショットキー金属およびカソード電極間に逆バイアス電圧を印加したとき、前記第1電圧よりも高い第2電圧において、隣接する前記第1表面層に広がる空乏層が互いに重なる距離に設定したことを特徴とする。
【0021】
また、前記ショットキーバリアダイオードにおいて、
前記第2表面層相互間の間隔は0.10ないし1.0μmであり、前記第1表面層相互間の間隔は3ないし25μmであることを特徴とする。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態を図1ないし図2を用いて説明する。
【0023】
図1は本実施形態に係るショットキーバリアダイオードの単位セルを示す斜視図、図2は本実施形態に係るショットキーバリアダイオードの単位セルの配置例を示す斜視図である。
【0024】
これらの図において、1はSiCを基材とした半導体基板、2は不純物濃度約3×1019,厚さ約300μmの低抵抗のn+型層、3は不純物濃度約1×1016,厚さ約12μmの高抵抗のn−型層、4は深さ約1μm、幅約1μm、ボロン注入量約1×1015/cm2の比較的高濃度の第1表面層を形成するp+型層であり、第1表面層4は単位セルの周辺に沿って設けられる。41は第1表面層4で囲まれた表面に設けた深さおよび幅が約0.15μm、ボロン注入量約1×1014/cm2の比較的高濃度のストライプ状の第2表面層を形成するp+型層であり、第2表面層41は単位セルの周縁部において前記第1表面層4と接している。
【0025】
31は主表面の隣接する二つの第2表面層41間に露出した幅約0.2μmの前記n−型層3の表面露出部分である。
【0026】
5は前記主表面にはアノード電極となるTi/AlまたはPt等のショットキー金属であり、前記主表面において前記第1表面層4および第2表面層41に低抵抗接触する。
【0027】
51はショットキー金属5と前記n−型層3の表面露出部分31との接する部分に形成されるショットキー障壁である。
【0028】
6は前記n+型層2が露出する他方の主表面に低抵抗でオーム接触するNi等のカソード電極である。
【0029】
次に各部の作用について説明する。
【0030】
ダイオードとしての整流作用はショットキー金属5と前記n−型層3との間に形成したショットキー障壁51の部分で行われる。すなわち、ショットキー金属5がカソード電極6に対して正電位になるように電圧が印加されたとき、電子はショットキー障壁51(概ね0.1ないし0.5V程度の比較的低い障壁電圧)を越えてショットキー金属5側からn−型層3側に流れる。
【0031】
また、前記とは逆方向に電圧が印加されたときは、電子はショットキー障壁51で塞ぎ止められて電流の流れは阻止される。
【0032】
深さ、幅および相互の間隔が異なる2種類のp+型層である層4および層41の作用は次の通りである。
【0033】
すなわち、逆電圧印加時において空乏層は、ショットキー障壁51、第1表面層4および第2表面層41の各表面よりn−型層3内に拡がり、約100Vの逆電圧において隣接する第2表面層41から拡がった空乏層が互いに重なる。
【0034】
さらに高い逆電圧を印加すると空乏層はさらに拡張し、約800Vの逆電圧において隣接する第1表面層4から拡がった空乏層が互いに重なる。さらに高い逆電圧を印加すると空乏層はn−型層3内をn+型層2に向かって一様に拡がり、約1200Vにおいてその先端はn+型層2に到達し、以後、素子はパンチスルーにより降伏する。
【0035】
ショットキー障壁にかかる逆方向電界は、逆電圧の印加によってはじめは逆電圧の増加とともに強くなる。逆電圧が第2表面層41から拡がる空乏層が重なる電圧以上になると、この部分のピンチオフ効果によってさらに高い強度の電界の印加は抑制される。
【0036】
さらに高い逆電圧が印加されると、今度は第1表面層4から拡がる空乏層が重なり、ショットキー障壁51および第2表面層41のpn接合に印加される電界強度の増大を抑制する。
【0037】
このような作用によって、逆方向の高電圧印加時のショットキー障壁での漏れ電流の増大を抑制することができ、高耐圧、低リーク電流のショットキーバリアダイオードを得ることができる。
【0038】
図2は前述した本実施形態に係るショットキーバリアダイオードの単位セルの配置例を示す斜視図であり、図においてショットキーバリアダイオードは6個の単位セルを併置して構成している。なお、図において図1に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。半導体チップ内に併置するセルの個数は半導体チップの電流容量によって決定され、通常は数百万のセルが併置される。
【0039】
図において、主表面に比較的深くかつ広い幅で形成した第1表面層4は、例えば3ないし5μm間隔で格子状に配置する。
【0040】
また、前記主表面の前記第1表面層4によって囲まれた領域には、比較的浅くかつ幅の狭いストライプ状の第2表面層41を例えば0.2ないし0.35μm間隔で配置する。
【0041】
なお、前記間隔はショットキーバリアダイオードの耐電圧によって適正な値に設計される。すなわち、設計耐電圧によってn−型層3の不純物濃度の値が変えられるので、前記不純物濃度に応じて前記第1表面層4の間隔および第2表面層41の間隔は適正化されなければならない。通常の高耐圧素子といわれる600Vないし5,000Vのショットキーバリアダイオードでは第1表面層4の間隔は3ないし25μm、第2表面層41の間隔は0.1ないし1.0μmが適切である。
【0042】
図3はチップ周縁部にターミネーションを適用した例を示す図である。図2には表示していないが、チップ周縁部においては周縁部の電界を緩和するために図3に示すような特別の工夫が必要である。
【0043】
図において、40はショットキー金属5が終端するチップの周縁部に形成したp+型層である。p+型層40はボロンを約1×1015/cm2の高濃度で注入して形成した幅約30μm、深さ2ないし3μmの注入層である。また、この層は前記第1表面層4である第1表面層4より著しく深く形成され、n−型層3とで構成されるpn接合は表面から著しく深い位置まで形成される。p+型層40は、例えば特開昭60−74481号公報に示された、いわゆるガードリングとしての作用を奏するもので、接合周縁部の電界集中を緩和する必要のある高耐圧のダイオードに適用される手段である。なお、前記ターミネーションには、以上のほかにフィールドリミッティングリング(FLR)、フィールドフレート(FP)あるいはジャンクション・ターミネーション・エクステンション(JTE)などの手法が適用できる。
【0044】
図4(a)および図4(b)は前記単位セルの二次元構造の他の例を示す図である。図4(a)において、主表面に比較的深くかつ広い幅で形成した第1表面層4は単位セルの周縁部に形成する。また、前記主表面の前記第1表面層4によって囲まれた領域には、比較的浅くかつ幅の狭い第2表面層41を格子状に配置する。
【0045】
図4(b)において、主表面に比較的深くかつ広い幅で形成した第1表面層4は単位セルの周縁部に形成する。また、前記主表面の前記第1表面層4によって囲まれた領域には、比較的浅く表面積の狭い第2表面層41を島状に配置する。
なお、図において図1ないし図3に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。
【0046】
図4(a)および図4(b)に示す二次元構造の単位セルにおいても、図1に示す二次元構造の単位セルと同様に、逆方向の高電圧印加時のショットキー障壁での漏れ電流の増大を抑制することができ、高耐圧、低リーク電流のショットキーバリアダイオードを得ることができる。
【0047】
図5は本実施形態に係るショットキーバリアダイオードの製造方法を示す図である。なお、図において図1ないし図4に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。
【0048】
図5(a)は、n−型層3の主表面を示す図であり、下部のn+型層2は省略して図示している。次に図5(b)において、n−型層3の表面に選択的にイオンを注入して第1表面層4を形成する。イオン注入は、イオン注入量を約1×1015/cm2とし、打ち込みエネルギーを500KeV、300KeV、50KeVの3段階で注入して第1表面層4を形成する。このとき注入マスクとして厚さ4.0μmのホトレジスト膜を使用する。次に図5(c)において、注入マスクとして厚さ0.3μmのホトレジスト膜を使用して注入量を約1×1014/cm2とし、打ち込みエネルギーを50KeVとしてボロンを注入して第2表面層41を形成する。次に図5(d)において、約1500℃のアニールを行い活性化処理する。その後、Ti/Al等のショットキー金属5を表面に蒸着する。以上の工程によりデバイスの機能領域が形成される。
【0049】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ショットキ接合を形成する第1導電型のSiC半導体基板の主表面に、深さおよび相互間の間隔の大きい第2導電型の第1表面層と、深さおよび相互間の間隔の小さい第2導電型の第2表面層を形成したので、逆方向漏れ電流を低減した高耐圧、大電流のショットキーバリアダイオードを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係るショットキーバリアダイオードの単位セルを示す斜視図である。
【図2】本発明の実施形態に係るショットキーバリアダイオードの単位セルの配置例を示す斜視図である。
【図3】チップ周縁にターミネーションを適用した例を示す図である。
【図4】単位セルの二次元構造の他の例を示す図である。
【図5】本実施形態に係るショットキーバリアダイオードの製造方法を示す図である。
【図6】従来のショットキーバリアダイオードの漏れ電流を低減する構成を示す図である。
【符号の説明】
1 半導体基板
2 n+型層
3 n−型層
4 p+型層(第1表面層)
5 ショットキー金属
6 カソード電極
31 n−型層の表面露出部分
41 p+型層(第2表面層)
51 ショットキー障壁
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a Schottky barrier diode, and more particularly to a structure of a Schottky barrier diode suitable for high breakdown voltage and large current.
[0002]
[Prior art]
With the increase in voltage and operating frequency of power conversion equipment such as inverters, higher withstand voltage and higher speed of semiconductor switching elements constituting power conversion equipment and freewheeling diodes or freewheeling diodes connected in reverse parallel to the switching elements Is strongly demanded. Since these diodes are required to have a function of rectifying high voltage and large current with low loss, pn junction diodes are generally employed.
[0003]
In the pn junction diode, minority carriers are accumulated in the semiconductor when energized, and a large reverse recovery current flows transiently when turned off. In addition, this reverse current generates a loss in the semiconductor and generates noise.
[0004]
Various pn junction diodes having improved reverse recovery current characteristics have been developed. However, in this type of diode using minority carriers, there is an inherent limitation in reducing the reverse recovery current.
[0005]
On the other hand, in the Schottky barrier diode, the reverse current at turn-off can be made extremely small because the carrier for carrying charge inside the semiconductor is only the majority carrier and there is no injection and accumulation of minority carriers. However, a conventional Schottky barrier diode based on silicon has a high on-resistance when energized and a large generation loss, so that it is difficult to apply to a high-voltage and large-current power conversion device.
[0006]
If the base material is SiC, the above problem can be solved. However, the leakage current increases when a reverse voltage is applied. In particular, when a reverse voltage close to the withstand voltage is applied in a high temperature state, the leakage current increases and the loss in the reverse voltage blocking state increases. If this loss occurs locally in the device, the device may be thermally destroyed by partial thermal runaway.
[0007]
FIG. 6 is a diagram showing a conventional configuration for reducing leakage current when a reverse voltage is applied to a Si-based Schottky barrier diode. The figure shows J. et al. By Baliga, Solid-state Electronics, Vo. l28, no. 11, pp. 1089-1093 (1985) was announced as a technology called Junction-Barrier-Controlled Schottky (JBS) Rectifier.
[0008]
In the figure, 11 is a semiconductor substrate based on Si, 12 is an n + type layer having a high impurity concentration, 13 is an n− type layer having a low impurity concentration, and the semiconductor substrate 11 is an n + type layer 12 and an n− type layer. 13. 14 is a plurality of p + type layers formed on the Schottky barrier portion on the surface of the n− type layer 13, 15 is a Schottky metal forming a Schottky barrier on the surface of the n− type layer 13, and 16 is the n− type layer 13. The cathode electrode is in ohmic contact with the surface with low resistance. 131 is a main surface of the n − -type layer 13, and 151 is a Schottky barrier formed on the main surface 131.
[0009]
The plurality of p + type layers 14 are dispersedly arranged at intervals. This interval is such that depletion layers extending from the pn junctions of the p + type layer 14 and the n − type layer 13 toward the n − type layer overlap each other when a reverse voltage is applied, and the depletion layers overlap each other. The electric field strength due to the reverse voltage applied to the barrier is reduced, and the leakage current in the Schottky barrier portion is reduced.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
It can be expected that the reverse voltage characteristics can be improved by applying the conventional technique related to a Schottky barrier diode based on Si to a Schottky barrier diode based on SiC.
[0011]
However, it is very difficult to apply the technology for a semiconductor substrate based on Si to a Schottky diode using a semiconductor substrate based on SiC as it is.
[0012]
That is, in FIG. 6, the distance between the p + -type layers 14 is such that depletion layers extending from the respective p + -type layers overlap each other when the reverse voltage is applied in order to reduce the electric field strength of the reverse voltage applied to the intervening Schottky barrier. It is necessary to reduce the interval to an extent. In order to maintain the reverse voltage blocking capability against a high reverse voltage of several hundreds to several thousand volts, the p + type layer 14 must be formed as a relatively deep high concentration layer.
[0013]
In the case of a SiC substrate, the junction breakdown electric field has a junction design that takes advantage of the physical property of about 10 times that of Si, so the impurity concentration of the n − -type layer 13 is 70 to 100 times higher than that of Si. Can be set to concentration. When such a high concentration is set, the spread of the depletion layer is remarkably reduced. In order to exhibit the pinch-off effect of the depletion layer, the interval between the p + -type layers 14 needs to be an extremely narrow value of about 1 μm or less. .
[0014]
The deep p + type layer can be formed by diffusing acceptor impurities such as boron and aluminum by a thermal diffusion method on a Si substrate. However, in a SiC substrate, the thermal diffusion coefficient of these impurities is very small, so this diffusion method cannot be applied in practice, and must be formed directly by an ion implantation method.
[0015]
However, it is extremely difficult to selectively form a deep implantation layer of about 1 μm by ion implantation. That is, it is very difficult to form an implantation mask having a large thickness and a narrow interval.
[0016]
For example, when a photoresist is used as an implantation mask, a film thickness of about 4 μm is required for implantation of boron having a depth of 1 μm. It is difficult to accurately process this thick resist with a width and interval of 1 μm or less. As described above, it is difficult to directly apply the structure of the conventional example with the Si substrate capable of reducing the leakage current to the high breakdown voltage SiC Schottky barrier diode using the SiC substrate.
[0017]
The present invention has been made in view of the above-mentioned various problems, and provides a high-breakdown-voltage, high-current Schottky barrier diode with reduced leakage current and improved reverse voltage blocking capability.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
The present invention employs the following means in order to solve the above problems.
[0019]
A SiC semiconductor substrate comprising a first semiconductor layer of a first conductivity type having a low impurity concentration and a second semiconductor layer of a first conductivity type having a high impurity concentration;
The main surface of the first semiconductor layer was formed by ion implantation with a first ion implantation energy.
A plurality of first surface layers of a second conductivity type having a relatively large depth and spacing between each other;
A second conductivity type formed by ion implantation between the first surface layers with a second ion implantation energy smaller than the first ion implantation energy and having a depth and an interval between the first surface layers smaller than those of the first surface layer. A second surface layer of
A Schottky metal bonded to the main surface of the first semiconductor layer and in ohmic contact with the first surface layer and the second surface layer with low resistance;
The cathode electrode is in ohmic contact with the second semiconductor layer.
[0020]
In the Schottky barrier diode,
An interval between the second surface layers is lower than a breakdown voltage of a Schottky barrier diode element constituted by the Schottky metal and the cathode electrode when a reverse bias voltage is applied between the Schottky metal and the cathode electrode . At one voltage, depletion layers extending in adjacent second surface layers overlap each other,
The space between the first surface layers is a depletion that spreads to adjacent first surface layers at a second voltage higher than the first voltage when a reverse bias voltage is applied between the Schottky metal and the cathode electrode. It is characterized in that the distance is set so that the layers overlap each other.
[0021]
In the Schottky barrier diode,
The distance between the second surface layers is 0.10 to 1.0 μm, and the distance between the first surface layers is 3 to 25 μm.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0023]
FIG. 1 is a perspective view showing a unit cell of a Schottky barrier diode according to the present embodiment, and FIG. 2 is a perspective view showing an arrangement example of unit cells of the Schottky barrier diode according to the present embodiment.
[0024]
In these figures, 1 is a semiconductor substrate based on SiC, 2 is an impurity concentration of about 3 × 10 19 , a low resistance n + type layer having a thickness of about 300 μm, and 3 is an impurity concentration of about 1 × 10 16 and a thickness. N-type layer 4 having a high resistance of about 12 μm, 4 is a p + type layer forming a relatively high concentration first surface layer having a depth of about 1 μm, a width of about 1 μm, and a boron implantation amount of about 1 × 10 15 / cm 2. The first surface layer 4 is provided along the periphery of the unit cell. 41 is a second surface layer in the form of a stripe having a relatively high concentration and having a depth and width of about 0.15 μm and a boron implantation amount of about 1 × 10 14 / cm 2 provided on the surface surrounded by the first surface layer 4. The second surface layer 41 is in contact with the first surface layer 4 at the periphery of the unit cell.
[0025]
Reference numeral 31 denotes a surface exposed portion of the n − -type layer 3 having a width of about 0.2 μm exposed between two adjacent second surface layers 41 on the main surface.
[0026]
5 is a Schottky metal such as Ti / Al or Pt which serves as an anode electrode on the main surface, and makes a low resistance contact with the first surface layer 4 and the second surface layer 41 on the main surface.
[0027]
A Schottky barrier 51 is formed at a portion where the Schottky metal 5 and the surface exposed portion 31 of the n − -type layer 3 are in contact with each other.
[0028]
Reference numeral 6 denotes a cathode electrode made of Ni or the like which is in ohmic contact with the other main surface where the n + type layer 2 is exposed with low resistance.
[0029]
Next, the operation of each part will be described.
[0030]
The rectifying action as a diode is performed in a Schottky barrier 51 portion formed between the Schottky metal 5 and the n − -type layer 3. That is, when a voltage is applied so that the Schottky metal 5 has a positive potential with respect to the cathode electrode 6, the electrons have a Schottky barrier 51 (a relatively low barrier voltage of about 0.1 to 0.5 V). It flows from the Schottky metal 5 side to the n − type layer 3 side.
[0031]
Further, when a voltage is applied in the opposite direction, the electrons are blocked by the Schottky barrier 51 and current flow is blocked.
[0032]
The operation of the layer 4 and the layer 41 which are two kinds of p + type layers having different depths, widths, and mutual distances is as follows.
[0033]
That is, when a reverse voltage is applied, the depletion layer extends into the n − -type layer 3 from each surface of the Schottky barrier 51, the first surface layer 4, and the second surface layer 41, and is adjacent to each other at a reverse voltage of about 100V. Depletion layers extending from the surface layer 41 overlap each other.
[0034]
When a higher reverse voltage is applied, the depletion layer further expands, and depletion layers extending from the adjacent first surface layers 4 overlap each other at a reverse voltage of about 800V. When a higher reverse voltage is applied, the depletion layer spreads uniformly in the n − type layer 3 toward the n + type layer 2, and at about 1200 V, the tip reaches the n + type layer 2. Surrender.
[0035]
The reverse electric field applied to the Schottky barrier becomes stronger as the reverse voltage is increased by applying the reverse voltage. When the reverse voltage becomes equal to or higher than the voltage at which the depletion layers extending from the second surface layer 41 overlap, the application of an electric field having a higher intensity is suppressed by the pinch-off effect of this portion.
[0036]
When a higher reverse voltage is applied, a depletion layer extending from the first surface layer 4 is overlapped this time, and an increase in electric field strength applied to the pn junction of the Schottky barrier 51 and the second surface layer 41 is suppressed.
[0037]
By such an action, an increase in leakage current at the Schottky barrier when a reverse high voltage is applied can be suppressed, and a Schottky barrier diode having a high breakdown voltage and a low leakage current can be obtained.
[0038]
FIG. 2 is a perspective view showing an arrangement example of the unit cells of the Schottky barrier diode according to this embodiment described above. In the figure, the Schottky barrier diode is configured by juxtaposing six unit cells. In the figure, the same parts as those shown in FIG. The number of cells juxtaposed in the semiconductor chip is determined by the current capacity of the semiconductor chip, and usually several million cells are juxtaposed.
[0039]
In the figure, the first surface layer 4 formed on the main surface with a relatively deep and wide width is arranged in a lattice pattern at intervals of 3 to 5 μm, for example.
[0040]
Further, in the region surrounded by the first surface layer 4 on the main surface, stripe-shaped second surface layers 41 that are relatively shallow and narrow are arranged at intervals of 0.2 to 0.35 μm, for example.
[0041]
The interval is designed to an appropriate value depending on the withstand voltage of the Schottky barrier diode. That is, since the value of the impurity concentration of the n − -type layer 3 is changed by the design withstand voltage, the interval between the first surface layer 4 and the interval between the second surface layers 41 must be optimized according to the impurity concentration. . In a 600 V to 5,000 V Schottky barrier diode, which is called a normal high voltage device, the distance between the first surface layers 4 is 3 to 25 μm, and the distance between the second surface layers 41 is 0.1 to 1.0 μm.
[0042]
FIG. 3 is a diagram showing an example in which termination is applied to the peripheral portion of the chip. Although not shown in FIG. 2, a special device as shown in FIG. 3 is required in order to reduce the electric field at the peripheral edge of the chip.
[0043]
In the figure, reference numeral 40 denotes a p + type layer formed at the peripheral edge of the chip where the Schottky metal 5 terminates. The p + type layer 40 is an implanted layer having a width of about 30 μm and a depth of 2 to 3 μm formed by implanting boron at a high concentration of about 1 × 10 15 / cm 2 . In addition, this layer is formed to be significantly deeper than the first surface layer 4 that is the first surface layer 4, and the pn junction formed with the n − -type layer 3 is formed from the surface to a significantly deeper position. The p + type layer 40 functions as a so-called guard ring, as disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-74481, and is applied to a high breakdown voltage diode that needs to alleviate electric field concentration at the periphery of the junction. Means. In addition to the above, a technique such as a field limiting ring (FLR), a field freight (FP), or a junction termination extension (JTE) can be applied to the termination.
[0044]
FIG. 4A and FIG. 4B are diagrams showing another example of the two-dimensional structure of the unit cell. In FIG. 4A, the first surface layer 4 formed on the main surface with a relatively deep and wide width is formed at the peripheral edge of the unit cell. Further, a relatively shallow and narrow second surface layer 41 is arranged in a lattice pattern in a region surrounded by the first surface layer 4 on the main surface.
[0045]
In FIG. 4B, the first surface layer 4 formed on the main surface with a relatively deep and wide width is formed at the peripheral edge of the unit cell. Further, in the region surrounded by the first surface layer 4 on the main surface, the second surface layer 41 having a relatively shallow surface area and a small surface area is arranged in an island shape.
In the figure, the same parts as those shown in FIGS. 1 to 3 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
[0046]
In the unit cells having the two-dimensional structure shown in FIGS. 4A and 4B as well as the unit cell having the two-dimensional structure shown in FIG. An increase in current can be suppressed, and a Schottky barrier diode with high breakdown voltage and low leakage current can be obtained.
[0047]
FIG. 5 is a diagram showing a method for manufacturing the Schottky barrier diode according to the present embodiment. In the figure, the same parts as those shown in FIGS. 1 to 4 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
[0048]
FIG. 5A is a diagram showing the main surface of the n − type layer 3, and the lower n + type layer 2 is omitted. Next, in FIG. 5B, ions are selectively implanted into the surface of the n − -type layer 3 to form the first surface layer 4. In the ion implantation, the first surface layer 4 is formed by implanting an ion implantation amount of about 1 × 10 15 / cm 2 and implanting energy in three stages of 500 KeV, 300 KeV, and 50 KeV. At this time, a photoresist film having a thickness of 4.0 μm is used as an implantation mask. Next, in FIG. 5C, a photoresist film having a thickness of 0.3 μm is used as an implantation mask, the implantation amount is about 1 × 10 14 / cm 2 , boron is implanted with an implantation energy of 50 KeV, and the second surface is implanted. Layer 41 is formed. Next, in FIG. 5D, annealing is performed at about 1500 ° C. for activation treatment. Thereafter, a Schottky metal 5 such as Ti / Al is deposited on the surface. The functional region of the device is formed by the above process.
[0049]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, on the main surface of the first conductivity type SiC semiconductor substrate that forms the Schottky junction, the second conductivity type first surface layer having a large depth and a large distance between each other, Since the second surface layer of the second conductivity type having a small depth and a small interval between them is formed, a high breakdown voltage, large current Schottky barrier diode with reduced reverse leakage current can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a unit cell of a Schottky barrier diode according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing an arrangement example of unit cells of the Schottky barrier diode according to the embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating an example in which termination is applied to the periphery of a chip.
FIG. 4 is a diagram showing another example of the two-dimensional structure of the unit cell.
FIG. 5 is a diagram showing a manufacturing method of the Schottky barrier diode according to the embodiment.
FIG. 6 is a diagram showing a configuration for reducing leakage current of a conventional Schottky barrier diode.
[Explanation of symbols]
1 semiconductor substrate 2 n + type layer 3 n− type layer 4 p + type layer (first surface layer)
5 Schottky metal 6 Cathode electrode 31 Surface exposed portion 41 of n− type layer p + type layer (second surface layer)
51 Schottky barrier

Claims (3)

低不純物濃度を有する第1導電型の第1半導体層、および高不純物濃度を有する第1導電型の第2半導体層とからなるSiC半導体基板と、
前記第1半導体層の主表面に第1のイオン注入エネルギーでイオン注入して形成した、深さおよび相互間の間隔が比較的大きな第2導電型の複数の第1表面層と、
前記第1表面層相互間に前記第1のイオン注入エネルギーより小さな第2のイオン注入エネルギーでイオン注入して形成した、深さおよび相互間の間隔が前記第1表面層より小さな第2導電型の第2表面層と、
前記第1半導体層の主表面に接合し、前記第1表面層および第2表面層と低抵抗でオーム接触するショットキー金属と、
前記第2半導体層にオーム接触するカソード電極とからなるショットキーバリアダイオード。
A SiC semiconductor substrate comprising a first semiconductor layer of a first conductivity type having a low impurity concentration and a second semiconductor layer of a first conductivity type having a high impurity concentration;
A plurality of first surface layers of a second conductivity type formed by ion implantation at a main surface of the first semiconductor layer with a first ion implantation energy and having a relatively large depth and distance between each other;
A second conductivity type formed by ion implantation between the first surface layers with a second ion implantation energy smaller than the first ion implantation energy and having a depth and an interval between the first surface layers smaller than those of the first surface layer. A second surface layer of
A Schottky metal bonded to the main surface of the first semiconductor layer and in ohmic contact with the first surface layer and the second surface layer with low resistance;
A Schottky barrier diode comprising a cathode electrode in ohmic contact with the second semiconductor layer.
請求項1の記載において、
前記第2表面層相互間の間隔は、前記ショットキー金属およびカソード電極間に逆バイアス電圧を印加したとき、前記ショットキー金属およびカソード電極により構成されるショットキバリアダイオード素子の降伏電圧よりも低い第1電圧において、隣接する前記第2表面層に広がる空乏層が互いに重なり、
前記第1表面層相互間の間隔は、前記ショットキー金属およびカソード電極間に逆バイアス電圧を印加したとき、前記第1電圧よりも高い第2電圧において、隣接する前記第1表面層に広がる空乏層が互いに重なる距離に設定したことを特徴とするショットキーバリアダイオード。
In the description of claim 1,
An interval between the second surface layers is lower than a breakdown voltage of a Schottky barrier diode element constituted by the Schottky metal and the cathode electrode when a reverse bias voltage is applied between the Schottky metal and the cathode electrode . At one voltage, depletion layers extending in adjacent second surface layers overlap each other,
The space between the first surface layers is a depletion spreading to adjacent first surface layers at a second voltage higher than the first voltage when a reverse bias voltage is applied between the Schottky metal and the cathode electrode. A Schottky barrier diode, characterized in that the layers are set at a distance overlapping each other.
請求項1ないし請求項2の何れか1の記載において、
前記第2表面層相互間の間隔は0.10ないし1.0μmであり、前記第1表面層相互間の間隔は3ないし25μmであることを特徴とするショットキーバリアダイオード。
In any one of Claims 1 to 2,
The distance between the second surface layers is 0.10 to 1.0 μm, and the distance between the first surface layers is 3 to 25 μm.
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