JP2015222784A

JP2015222784A - シリコンカーバイドショットキーバリアダイオード

Info

Publication number: JP2015222784A
Application number: JP2014106918A
Authority: JP
Inventors: 暢久松村; Nobuhisa Matsumura
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2014-05-23
Filing date: 2014-05-23
Publication date: 2015-12-10

Abstract

【課題】所望の高い耐圧を持ちながらアバランシェ耐量が高いＳｉＣショットキーバリアダイオードを提供する。【解決手段】第１の導電型のシリコンカーバイド層２表面にショットキー電極３を備え、該ショットキー電極の周囲に一部が重畳するようにガードリング層を備える。このガードリング層は、第１の導電型のシリコンカーバイド層に第２の導電型となる不純物イオンが注入された領域が再結晶化し、かつ注入された不純物イオンの一部が活性化されて第２の導電型を示す領域からなる第１のガードリング領域８および第２のガードリング領域９により構成され、第１のガードリング領域の下部あるいは外周側面を覆い、ショットキー電極の周囲に重畳しないように第２のガードリング層が配置される。第２のガードリング領域の不純物濃度は、第１のガードリング領域の不純物濃度より低い。【選択図】図１

Description

本発明はシリコンカーバイドショットキーバリアダイオードに関し、特に、ガードリング層を備えたシリコンカーバイドショットキーバリアダイオードに関する。

シリコンカーバイド（ＳｉＣ）は、絶縁破壊電界がシリコンの約１０倍、熱伝導率がシリコンの約３倍、電子の飽和速度がシリコンの約２倍と大きいことから、シリコンを用いたパワーデバイスと比較して、デバイスの高耐圧化が容易であり、更に、デバイス能動層を薄層かつ高濃度化することによって低損失パワーデバイスを実現できる材料として着目されている。特に、ＳｉＣショットキーバリアダイオードは、２０００年代初頭に、ＳｉＣデバイスの中で最も早く実用化され、スイッチング回路に搭載した場合に、同性能の耐圧を持つシリコンバイポーラ型のファーストリカバリーダイオードと比較して、逆回復時間と回復電流が小さいために、回路の低損失化が実現できるデバイスとなっている。

一方ＳｉＣの物性を活かして、高い耐圧特性を示すショットキーバリアダイオードを実現するためには、逆方向バイアス動作時にシリコンパワーデバイスと同様にショットキー接合終端部に集中する電界を緩和する必要がある（非特許文献１参照）。

図５に従来のこの種のＳｉＣショットキーバリアダイオードの構造を示す。高不純物濃度のｎ型六方晶ＳｉＣからなるｎ＋型ＳｉＣ基板１上に、ｎ＋型ＳｉＣ基板１よりも不純物濃度の低いｎ−型ＳｉＣエピタキシャル層２が形成されている。ｎ−型ＳｉＣエピタキシャル層２上には、ｎ−型ＳｉＣエピタキシャル層２にショットキー接触するショットキー電極３が形成され、ｎ＋型ＳｉＣ基板１の裏面側にはオーミック電極４が形成されている。そして、ショットキー電極３の外周部に、一部が重なるように、ガードリング層５が形成されている。なお、６はパッド電極、７はパッシベーション膜である。

一般的にＳｉＣショットキーバリアダイオードでは、ＪＴＥ（Junction Termination Extension）のようなＰ型のイオン注入層（Ｐ型ガードリング層）を用いたガードリング構造が形成されている。このようなガードリング構造は、ＳｉＣに対してＰ型の不純物となるホウ素やアルミニウムを、５００℃程度の高温でイオン注入し、その後、注入した不純物イオンを十分に活性化させるため１５００℃以上の熱処理を行うことで形成されるのが一般的である（非特許文献２参照）。

また、ガードリング構造の別の例として、アルゴンイオンを注入することにより結晶欠陥領域（高抵抗ガードリング層）を形成して高抵抗ガードリング構造を形成する方法も知られている。アルゴンは、ＳｉＣに対してＰ型やＮ型の不純物とならないため、イオン注入によって結晶構造を崩し、ＳｉＣのバンドギャップ内で、伝導帯から深いエネルギー準位にアクセプター型トラップを形成することによって、電界が緩和される。このような高抵抗ガードリング構造は、逆方向動作におけるリーク電流が大きいという課題があることも知られている（非特許文献３参照）。

これに対し本願出願人は、低温の熱処理でガードリング層を形成することができ、かつ所望の特性を得ることができるＳｉＣショットキーバリアダイオードとその製造方法を提案している（特許文献１）。具体的には、ガードリング層形成領域に不純物イオンを注入して結晶欠陥を生じさせた後、このイオン注入領域を再結晶化すると共に注入したイオンの一部を活性化させるため、９００℃〜１３００℃程度の比較的低温の熱処理を行い、ガードリング層を形成するもので、従来の高抵抗ガードリング層とは異なる特性を有するガードリング構造を形成することができる。

B Jayant Baliga、「Silicon Carbide Power Devices」、（米国）、World Scientific、2005年、ｐ．38−70 松波弘之編著、「半導体ＳｉＣ技術と応用」、日刊工業新聞社、2003年、ｐ．143−185 Dev Alok他, IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS、Vol.15、No.10、1994年、p．394−395

特開２０１２−４９３４７号公報

本願出願人が先に提案したガードリング構造では、１５００℃程度の高温処理を必要とする従来方法より比較的低温の熱処理のみでガードリング層を形成することができた。しかしながら、本願出願人が提案したガードリング構造を備えたＳｉＣショットキーバリアダイオードであっても、急峻な電圧あるいは電流が印加されたときに、アバランシェ降伏が生じ、素子が破壊してしまうという問題が生じていた。

例えば、図６に従来のＳｉＣショットキーバリアダイオードの逆方向電流特性を示す。図６において、従来例１は本願出願人が先に提案した方法によりガードリング層を形成する際の不純物イオンの注入量を１×１０¹⁴ｃｍ^-2とした場合、従来例２は不純物イオンの注入量を１×１０¹⁵ｃｍ^-2とした場合で、その他の注入条件やガードリング層を形成する際の熱処理条件等は同一として形成し、それぞれの素子のブレークダウン特性を示している。両者を比較した場合、従来例１は耐圧が低く、一方従来例２は耐圧は高いことがわかる。しかし従来例２に示す素子の方がアバランシェ耐量が低く、アバランシェ降伏が生じると素子の破壊に至ってしまう。

一般的にアバランシェ耐量を高くするためには、図６の従来例１に示すような所定の電圧でブレークダウンする特性とする必要があることが知られている。しかしながら、本願出願人が先に提案したガードリング構造では、注入量の調整のみでブレークダウン電圧を所定の値に調整することは困難であった。本発明はこのような問題点を解消し、所望の高い耐圧を持ちながらアバランシェ耐量が高いＳｉＣショットキーバリアダイオードを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明は、第１の導電型のシリコンカーバイド層表面にショットキー電極を備え、該ショットキー電極の周囲に一部が重畳するようにガードリング層を備えたシリコンカーバイドショットキーバリアダイオードにおいて、前記ガードリング層は、前記第１の導電型のシリコンカーバイド層に第２の導電型となる不純物イオンが注入された領域が再結晶化し、かつ注入された前記不純物イオンの一部が活性化されて第２の導電型を示す領域からなる第１のガードリング層および第２のガードリング層により構成され、前記第１のガードリング層は、前記ショットキー電極の周囲に一部が重畳するように配置され、前記第２のガードリング層は、前記第１のガードリング層の下部あるいは外周側面に接触し、前記ショットキー電極の周囲に重畳しないように配置され、前記第２のガードリング領域の不純物濃度は、前記第１のガードリング領域の不純物濃度より低いことを特徴とする。

本願請求項２に係る発明は、請求項１記載のシリコンカーバイドショットキーバリアダイオードにおいて、前記第１のガードリング層および前記第２のガードリング層は、Ｎ型のシリコンカーバイド層にＰ型となる不純物イオンが注入された領域が再結晶化した領域からなり、かつ注入された前記Ｐ型となる不純物イオンの一部が活性化されてＰ型の導電型を示す領域であることを特徴とする。

本発明のＳｉＣショットキーバリアダイオードは、本願出願人が先に提案したガードリング層に相当する第１のガードリング層の下部あるいは外周側面に不純物濃度の低い第２のガードリング層を備える構造とすることで、第１のガードリング層により所望の電圧範囲の逆方向耐圧を保ちながら、所定の電圧を超えると第２のガードリング層により所望の電圧でブレークダウンする構成とすることで、アバランシェ耐量を保つことを可能とした。ブレークダウン電圧は、第１および第２のガードリング層の不純物濃度や形成深さにより、適宜設定することが可能で、制御性良く形成することができる。

本発明の第１の実施例に係るＳｉＣショットキーバリアダイオードの説明図である。第１の実施例のＳｉＣショットキーバリアダイオードの逆方向電流特性を示すグラフである。本発明の第２の実施例に係るＳｉＣショットキーバリアダイオードの説明図である。本発明の第３の実施例に係るＳｉＣショットキーバリアダイオードの説明図である。従来のガードリング構造を備えたＳｉＣショットキーバリアダイオードの説明図である。従来のＳｉＣショットキーバリアダイオードの逆方向電流特性を示すグラフである。

本発明に係るＳｉＣショットキーバリアダイオードは、本願出願人が先に提案したガードリング層に相当する第１のガードリング層の下部あるいは外周側面に、それより不純物濃度の低い第２のガードリング層を備える構造となっている。本発明の第１および第２のガードリング層は、イオン注入によって生じた結晶欠陥が熱処理によって回復（再結晶化）しており、さらにイオン注入された不純物イオンの活性化率は、１％以下程度となっている。従って、本発明の第１および第２のガードリング層は、不純物イオンの注入量をそれぞれ低く設定すると共に、注入した不純物イオンの活性化率を高くして形成した不純物イオン濃度の低い領域、即ち、注入量が少ないためイオン注入によって結晶欠陥がほとんど発生しない領域に、活性化したイオン種が低濃度で存在する領域とは異なり、逆方向リーク電流を低減することができる。第１のガードリング層を形成する際の不純物イオンの注入量は、第２のガードリング層を形成する際の不純物イオンの注入量と比較して高く設定することで、第１のガードリング層の不純物イオン濃度は、第２のガードリング層の不純物イオン濃度より高くすることが可能である。

図１は、本発明の第１の実施例のＳｉＣショットキーバリアダイオードの断面図である。高不純物濃度のｎ型六方晶ＳｉＣからなるｎ＋ＳｉＣ基板１上に、ｎ＋ＳｉＣ基板より不純物濃度の低いｎ−型ＳｉＣエピタキシャル層２が形成されている。ｎ−型ＳｉＣエピタキシャル層２にはｎ−型ＳｉＣエピタキシャル層にショットキー接触するショットキー電極３が形成されている。そして、ショットキー電極３の外周部に、一部が重なるように本発明の第１のガードリング層８が形成され、さらに第１のガードリング層８の外周側面部に第２のガードリング層９が形成されている。ショットキー電極３上には、パッド電極６が形成されており、さらにｎ−型ＳｉＣエピタキシャル層２の露出する表面、ショットキー電極３、パッド電極６を覆うようにパッシベーション膜７が形成されている。このパッシベーション膜７は、本発明のＳｉＣショットキーバリアダイオードをパッケージに組立てる際に、パッド電極６上にワイヤーボンディングを行うため開口が形成されている。また、ｎ＋ＳｉＣ基板１の裏面側にはオーミック電極４が形成されている。

第１のガードリング層８および第２のガードリング層９は、通常の半導体装置の製造方法に従い、例えば、ｎ−型ＳｉＣエピタキシャル層２にフォトレジストやＣＶＤ酸化膜等からなるイオン注入マスクをパターニングすることにより選択イオン注入を行い、その後、イオン注入によって生じた結晶欠陥を回復するため、窒素やアルゴン等の不活性ガス雰囲気で熱処理を行って結晶欠陥が生じた部分を再結晶化すると共に、注入されたイオンの一部を活性化して形成する。

一例として、第１のガードリング層８は、第１のガードリング層形成予定領域を開口するようにイオン注入マスクを形成し、ホウ素イオンを注入エネルギー３０ｋｅＶ、注入量１×１０¹⁵ｃｍ^-2を室温でイオン注入する。また、第２のガードリング層９は、第２のガードリング層形成予定領域を開口するように別のイオン注入マスクを形成し、ホウ素イオンを注入エネルギー３０ｋｅＶ、注入量１×１０¹⁴ｃｍ^-2、室温でイオン注入する。その後、１０５０℃で９０分程度の熱処理を行う。このように通常のイオン注入後の熱処理温度としては比較的低温の熱処理を行うことで、注入されたイオンの活性化率は１％程度とすることができ、ｐ型の導電型を示す不純物濃度の低い領域を形成することができる。本実施例では、第１のガードリング層８と第２のガードリング層９とを形成する際、イオン注入条件の注入量に差を設けることで、形成されるガードリング層の不純物イオン濃度に差を設けている。

図２は、本発明のガードリング層を備えたＳｉＣショットキーバリアダイオードの逆方向電流特性を示す。比較のため、図５で説明した従来例の逆方向電流特性も図示している。図２に示すように、本発明の逆方向電流特性は、従来例１に比べて耐圧が高く、従来例２と７００Ｖ程度までは同等の耐圧が得られることがわかる。一方、７００Ｖを越えると、ブレークダウン特性を示している。これは、本発明の第１のガードリング層８により７００Ｖ程度まで電流が抑制され、７００Ｖ程度を越えると第２のガードリング層９でブレークダウン特性を持たせることができたことを示している。このように形成したＳｉＣショットキーバリアダイオードに対し、急峻な電圧あるいは電流を印加した結果、破壊に至ることはなく、アバランシェ耐量が向上したことが確認できた。

次に、第２の実施例について説明する。図３は本発明の第２の実施例のＳｉＣショットキーバリアダイオードの断面図である。先に説明した第１の実施例とは、第２のガードリング層９の配置が相違している。即ち、第１のガードリング層８はショットキー電極３と一部が重なるように形成され、この第１のガードリング層８の下部に第２のガードリング層９を形成している。ここで、第２のガードリング層９は、ショットキー電極３には接触しない構造とすることで、高い耐圧を保持することが可能となる。

第１のガードリング層８および第２のガードリング層９は、実施例１同様、選択イオン注入により形成する。その際、同一のイオン注入マスクを使用し、２回のイオン注入を行うことになる。まず第２のガードリング層９を形成するため、ホウ素イオンを注入エネルギー１００ｋｅＶ、注入量１×１０¹⁴ｃｍ^-2、室温でイオン注入する。同じイオン注入マスクを使用し、第１のガードリング層８を形成するため、ホウ素イオンを注入エネルギー３０ｋｅＶ、注入量１×１０¹⁵ｃｍ^-2を室温でイオン注入する。その後、１０５０℃で９０分程度の熱処理を行う。このように通常のイオン注入後の熱処理温度としては比較的低温の熱処理を行うことで、注入されイオンの活性化率は１％程度とすることができ、ｐ型の導電型を示す不純物濃度の低い領域を形成することができる。本実施例でも、第１のガードリング層８と第２のガードリング層９は、注入エネルギーおよび注入量に差を設けることで、形成されるガードリング層の形成深さと不純物イオン濃度に差を設けている。

このように形成したガードリング層を備えたＳｉＣショットキーバリアダイオードの逆方向電流特性は、前述の第１の実施例同様、従来例１に比べて耐圧が高く、従来例２に比べてアバランシェ耐量を向上させることができる。

なお、実施例１と比較して、ショットキー電極３と第２のガードリング層９との間の寸法が短くなるため、ブレークダウン電圧は７００Ｖより低くなるが、ガードリング層を形成する際の注入条件等を適宜変更することで、形成深さ、不純物濃度を適宜設定し、所望の耐圧とブレークダウン電圧を設定することが可能となる。

次に、第３の実施例について説明する。図４は本発明の第３の実施例のＳｉＣショットキーバリアダイオードの断面図である。先に説明した第１の実施例、第２の実施例とは、第２のガードリング層９の配置が相違している。図４に示すように第１の実施例と第２の実施例を組み合わせた構造とすることも可能である。

この場合、逆方向電流特性は前述の第２の実施例同様、従来例１に比べて耐圧が高く、従来例２に比べてアバランシェ耐量を向上させることができる。また、実施例１と比較して、ショットキー電極３と第２のガードリング層９との間の寸法が短くなるため、ブレークダウン電圧は７００Ｖより低くなるが、ガードリング層を形成する際の注入条件等を適宜変更することで、形成深さ、不純物濃度を適宜設定し、所望の耐圧とブレークダウン電圧を設定することが可能となる。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明のガードリング層を形成するためには、上記実施例に限定されず、ＳｉＣショットキーバリアダイオードの所望の特性が得られる範囲で、以下の条件を適宜設定すればよい。まず、注入するイオン種はホウ素あるいはアルミニウムとし、注入エネルギーは３０〜１８０ｋｅＶ、注入量は５×１０¹³ｃｍ^-2〜５×１０¹⁵ｃｍ^-2の範囲に設定する。注入エネルギーを一定として注入量を増加させると、不純物イオンが注入された領域のアモルファス化の度合いが強まり、熱処理による結晶性の回復が悪くなる傾向となる。そこで、本発明では、以下に説明する熱処理条件で所望の再結晶化が生じるように、上記の注入量に設定すればよい。注入エネルギーは、注入深さを決めるために設定している。

次に熱処理温度範囲は、イオン注入によって結晶に欠陥を生じさせた後、再結晶化させると共に、注入した不純物イオンの活性化率の低い温度範囲に設定している。イオン注入後の熱処理温度の下限は、再結晶化するといわれている８００℃より高い温度である９００℃に設定することにより、確実に再結晶化させている。さらに、熱処理温度の上限は、注入した不純物イオンがアクセプターとして活性化する活性化率が１％程度となる１５００℃より低い１３００℃に設定することで、注入した不純物イオンのほとんどがアクセプターとして活性化しないことになる。従って本発明では、熱処理温度を９００℃〜１３００℃の温度範囲としている。

１：ｎ＋型ＳｉＣ基板、２：ｎ−型ＳｉＣエピタキシャル層、３：ショットキー電極、４：オーミック電極、５：ガードリング層、６：パッド電極、７：パッシベーション膜、８：第１のガードリング層、９：第２のガードリング層

Claims

第１の導電型のシリコンカーバイド層表面にショットキー電極を備え、該ショットキー電極の周囲に一部が重畳するようにガードリング層を備えたシリコンカーバイドショットキーバリアダイオードにおいて、
前記ガードリング層は、前記第１の導電型のシリコンカーバイド層に第２の導電型となる不純物イオンが注入された領域が再結晶化し、かつ注入された前記不純物イオンの一部が活性化されて第２の導電型を示す領域からなる第１のガードリング層および第２のガードリング層により構成され、
前記第１のガードリング層は、前記ショットキー電極の周囲に一部が重畳するように配置され、前記第２のガードリング層は、前記第１のガードリング層の下部あるいは外周側面に接触し、前記ショットキー電極の周囲に重畳しないように配置され、
前記第２のガードリング層の不純物濃度は、前記第１のガードリング層の不純物濃度より低いことを特徴とするシリコンカーバイドショットキーバリアダイオード。
請求項１記載のシリコンカーバイドショットキーバリアダイオードにおいて、
前記第１のガードリング層および前記第２のガードリング層は、Ｎ型のシリコンカーバイド層にＰ型となる不純物イオンが注入された領域が再結晶化した領域からなり、かつ注入された前記Ｐ型となる不純物イオンの一部が活性化されてＰ型の導電型を示す領域であることを特徴とするシリコンカーバイドショットキーバリアダイオード。