JP4956060B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置とその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.
従来、半導体装置として、マイクロ波発振動作をするIMPATT(IMPact ionization Avalanche Transit Time)ダイオードという構造が知られている。このIMPATTダイオードの動作原理は、半導体に交流を印加し、半導体中でインパクトイオン化によるキャリアを生成し、生成したキャリアを飽和ドリフト速度で移動させるものである。さらに詳細には、pn接合ダイオードに降伏電圧以下でかつ降伏電圧に近い逆バイアスを印加し、さらにこの逆バイアスに交流バイアスを乗せて印加し、逆バイアスと交流バイアスの和である印加バイアスが降伏電圧を越えるように調整する。これによって、印加バイアスが降伏電圧以下のときは降伏を起こさず電流が流れない状態となり、降伏電圧を越えたときはアバランシェ降伏を起こして大電流が流れる状態となる。その結果、印加する交流電圧の周波数と同じ周波数の大電流を外部回路に供給することが可能となる。なお、アバランシェ降伏による電流は、アバランシェ降伏電圧を超えた途端に指数関数的に増大していく。 2. Description of the Related Art Conventionally, a structure called an IMPATT (Impactation Avalanche Transit Time) diode that performs a microwave oscillation operation is known as a semiconductor device. The operating principle of this IMPATT diode is that an alternating current is applied to a semiconductor, carriers are generated by impact ionization in the semiconductor, and the generated carriers are moved at a saturation drift velocity. More specifically, a reverse bias that is equal to or less than the breakdown voltage and close to the breakdown voltage is applied to the pn junction diode, and an AC bias is applied to the reverse bias. Adjust to exceed the voltage. As a result, when the applied bias is less than or equal to the breakdown voltage, no breakdown occurs and no current flows. When the applied bias exceeds the breakdown voltage, an avalanche breakdown occurs and a large current flows. As a result, a large current having the same frequency as the frequency of the AC voltage to be applied can be supplied to the external circuit. The current due to avalanche breakdown increases exponentially as soon as the avalanche breakdown voltage is exceeded.
一般的なIMPATTダイオードの概略的な構造は、p+型の半導体基板上に、n型のアバランシェ降伏層と、i型の飽和速度の電子が走行するドリフト層と、n+型のオーミックコンタクト層とを形成し、n+型のオーミックコンタクト層の上面と半導体基板の下面にオーミック接合した電極を設けた構造となっている。なお、半導体基板がn+型の場合には、アバランシェ降伏層はp型となり、ドリフト層上面のオーミックコンタクト層はp+型となる。ここで、i型とは不純物濃度が低いintrinsic(中性)型を意味している。 A general structure of a general IMPATT diode is that an n-type avalanche breakdown layer, a drift layer in which electrons of an i-type saturation velocity travel, an n + -type ohmic contact layer on a p + -type semiconductor substrate. And an electrode in ohmic contact is provided on the upper surface of the n + -type ohmic contact layer and the lower surface of the semiconductor substrate. When the semiconductor substrate is n + type, the avalanche breakdown layer is p-type and the ohmic contact layer on the upper surface of the drift layer is p + -type. Here, the i type means an intrinsic type having a low impurity concentration.
このIMPATTダイオードにおけるドリフト層は、アバランシェ降伏で発生した電子が上面電極に到達する時間を調整する目的で設けられる層であり、この電子の到達時間と印加する交流バイアスの周波数のマッチングが合わないと、お互いの波を打ち消しあってしまい、効率よく外部に高周波を出力することができない。つまり、ドリフト層はIMPATTダイオードに印加する交流バイアスの周波数に合わせてその厚さと濃度が決定されており、ドリフト層厚と濃度が決まることで初めて降伏電圧が決定されるので、任意の電圧で降伏を起こす設計をすることは非常に困難であった。 The drift layer in this IMPATT diode is a layer provided for the purpose of adjusting the time for electrons generated by avalanche breakdown to reach the upper surface electrode, and the arrival time of the electrons and the frequency of the applied AC bias do not match. They cancel each other's waves and cannot efficiently output high frequencies to the outside. In other words, the thickness and concentration of the drift layer are determined in accordance with the frequency of the AC bias applied to the IMPATT diode, and the breakdown voltage is determined only when the drift layer thickness and concentration are determined. It was very difficult to design for
また、従来のIMPATTダイオードのアバランシェ降伏層は、上記したように、平滑な半導体基板上に形成され、半導体基板と逆の導電型の層であるので、アバランシェ降伏の開始点は、周囲よりも強い電界が掛かった部位となる。そのため、結晶欠陥や濃度のばらつきなどに起因して局所的に大電流が流れてしまうという問題点があった。アバランシェ降伏が起きる際、大きな電圧印加時に非常に大きな電流が流れることになるが、電圧と電流の積は素子内で熱に変換され、局所的には数千度もの高温になるため、素子内部に結晶欠陥(貫通欠陥)や電極材料の異常拡散が起き、上面電極と下面電極との間が短絡を起こしてしまう。従来のSiを用いたIMPATTダイオードでは、熱伝導率が低いので、小電流しか流すことができない。このような破壊を抑制するためには、指数関数的に増大するアバランシェ電流を小さく抑えるために、印加バイアスを抑制する必要があった。 In addition, since the avalanche breakdown layer of the conventional IMPATT diode is formed on a smooth semiconductor substrate as described above and is a layer having a conductivity type opposite to that of the semiconductor substrate, the starting point of the avalanche breakdown is stronger than the surroundings. It becomes the part where the electric field was applied. For this reason, there is a problem that a large current flows locally due to crystal defects, concentration variations, and the like. When avalanche breakdown occurs, a very large current flows when a large voltage is applied, but the product of voltage and current is converted into heat in the element, and locally becomes a high temperature of several thousand degrees. Crystal defects (penetration defects) and abnormal diffusion of the electrode material occur, causing a short circuit between the upper surface electrode and the lower surface electrode. In the conventional IMPATT diode using Si, only a small current can flow because of its low thermal conductivity. In order to suppress such breakdown, it is necessary to suppress the applied bias in order to suppress the avalanche current that increases exponentially.
ところで、IMPATTダイオードではないが、固体中への電子の電界放射効果を利用した電力素子が従来提案されている(たとえば、特許文献1参照)。具体的には、この電力素子はトレンチゲート型絶縁ゲートバイポーラトランジスタであり、第1導電型コレクタ層と第2導電型ベース層とからなるpn接合の一部に先鋭化された部分を備え、その曲率半径が0.5μm以下とした構造を有するものである。このような電力素子において、大電流を流しても熱による破壊を回避するために、たとえば素子材料を熱伝導率の高いSiCやGaN、ダイヤモンドで形成することが開示されている。 By the way, although it is not an IMPATT diode, the power element using the field emission effect of the electron in solid is proposed conventionally (for example, refer to patent documents 1). Specifically, this power element is a trench gate type insulated gate bipolar transistor, and includes a sharpened portion at a part of a pn junction composed of a first conductivity type collector layer and a second conductivity type base layer, It has a structure with a curvature radius of 0.5 μm or less. In such a power element, it is disclosed that, for example, the element material is made of SiC, GaN, or diamond having high thermal conductivity in order to avoid thermal damage even when a large current flows.
上述したような熱伝導率の高いSiCやGaN、ダイヤモンドなどの材料はワイドバンドギャップ半導体であり、このようなワイドバンドギャップ半導体をIMPATTダイオードとして適用した例は今まで知られていない。また、仮に、従来知られているIMPATTダイオードの構造にそのままこれらのワイドバンドギャップ半導体材料を適用した場合、たとえばSiCで作製したIMPATTダイオードを電子レンジ用途として使用し、2.45GHzの高周波を出力しようとした場合、ドリフト層で決まるアバランシェ降伏電圧は1,000Vを超えてしまう。そのため、昇圧トランス、保護回路、絶縁などの部品点数が増加し、コストや重量の増加および信頼性の低下を招いてしまうという問題点があった。 The materials such as SiC, GaN, and diamond having high thermal conductivity as described above are wide band gap semiconductors, and no examples of applying such wide band gap semiconductors as IMPATT diodes have been known so far. Also, if these wide bandgap semiconductor materials are applied as they are to the known IMPATT diode structure, for example, an IMPATT diode made of SiC is used as a microwave oven and a high frequency of 2.45 GHz will be output. In this case, the avalanche breakdown voltage determined by the drift layer exceeds 1,000V. For this reason, the number of parts such as a step-up transformer, a protection circuit, and insulation is increased, resulting in an increase in cost and weight and a decrease in reliability.
また、特許文献1に記載の電力用素子では、第1導電型半導体領域と第2導電型半導体領域との間の接合部に電界集中部を形成する際に、第1導電型半導体領域の上面を異方性エッチングでV字型の溝を形成し、熱酸化を行って先端部の先鋭化を行って電界集中部を形成した後に、第2導電型半導体領域をエピタキシャル成長させている。このとき、エッチングはエッチャントの濃度のばらつき、系の温度分布、エッチング領域の不純物濃度のばらつきなどにより、エッチングレートが大きく異なってしまい、一部がオーバエッチとなり、電界集中部の高さにばらつきが生じてしまうという問題点があった。また、先鋭化された電界集中部の先端部は、先鋭であるが故に物理的強度が弱く、その後の工程において先端が破損してしまうことがあり、これによっても電界集中部の高さにばらつきが生じてしまうという問題点があった。
In the power element described in
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、pn接合に逆バイアスを印加してアバランシェ降伏を起こさせる半導体装置において、大電流を流すことができるとともに、コストや重量の増加および信頼性の低下を招くことがない半導体装置とその製造方法を提供することを目的とする。また、半導体装置内に設けられる電界集中部の高さにばらつきが生じない半導体装置とその製造方法を提供することも目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and in a semiconductor device in which a reverse bias is applied to a pn junction to cause avalanche breakdown, a large current can flow, and an increase in cost and weight, and reliability. It is an object of the present invention to provide a semiconductor device and a method for manufacturing the same that do not cause a decrease in the temperature. Another object of the present invention is to provide a semiconductor device in which the height of the electric field concentration portion provided in the semiconductor device does not vary and a manufacturing method thereof.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、第1導電型の半導体基板上に該半導体基板と同一種類のワイドバンドギャップ半導体によって順にエピタキシャルに形成された第2導電型半導体層、ドリフト層、および第2導電型半導体のオーミックコンタクト層と、前記半導体基板の下面と前記オーミックコンタクト層の上面にそれぞれ形成された第1と第2の電極と、前記第2導電型半導体層内にその前記半導体基板側界面から上に向かって凸状に形成された第1導電型半導体の複数の電界集中部と、を備え、前記第1および第2の電極間に逆バイアス電圧を印加して、前記複数の電界集中部と前記第2導電型半導体層とのpn接合部分にアバランシェ降伏を起こさせることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, the present invention provides a second conductivity type semiconductor that is epitaxially formed on a first conductivity type semiconductor substrate in order by a wide band gap semiconductor of the same type as the semiconductor substrate. Layer, drift layer, and ohmic contact layer of the second conductivity type semiconductor, first and second electrodes respectively formed on the lower surface of the semiconductor substrate and the upper surface of the ohmic contact layer, and the second conductivity type semiconductor layer A plurality of electric field concentration portions of a first conductivity type semiconductor formed in a convex shape upward from the semiconductor substrate side interface, and applying a reverse bias voltage between the first and second electrodes Then, avalanche breakdown is caused in a pn junction portion between the plurality of electric field concentration portions and the second conductive type semiconductor layer.
また、本発明は、第1導電型の半導体基板上に該半導体基板と同一種類のワイドバンドギャップ半導体によって順にエピタキシャルに形成された第2導電型半導体層、ドリフト層、および第2導電型半導体のオーミックコンタクト層と、前記半導体基板の下面と前記オーミックコンタクト層の上面にそれぞれ形成された第1と第2の電極と、前記第2導電型半導体層内にその前記半導体基板側界面に接して形成され、前記第2導電型半導体層よりも高い濃度の第2導電型不純物によって形成される複数の電界集中部と、を備え、前記第1および第2の電極間に逆バイアス電圧を印加して、前記半導体基板と前記複数の電界集中部とのpn接合部分にアバランシェ降伏を起こさせることを特徴とする。 The present invention also provides a second conductivity type semiconductor layer, a drift layer, and a second conductivity type semiconductor that are epitaxially formed on a first conductivity type semiconductor substrate in order by a wide band gap semiconductor of the same type as the semiconductor substrate. An ohmic contact layer, first and second electrodes formed on the lower surface of the semiconductor substrate and the upper surface of the ohmic contact layer, respectively, and formed in contact with the semiconductor substrate side interface in the second conductivity type semiconductor layer And a plurality of electric field concentration portions formed by second conductivity type impurities having a concentration higher than that of the second conductivity type semiconductor layer, and applying a reverse bias voltage between the first and second electrodes. An avalanche breakdown is caused in a pn junction portion between the semiconductor substrate and the plurality of electric field concentration portions.
さらに、本発明は、第1導電型の半導体基板上に、該半導体基板と同一種類のワイドバンドギャップ半導体によって順にエピタキシャルに形成された第2導電型半導体層、ドリフト層、および第2導電型半導体のオーミックコンタクト層と、前記半導体基板の下面と前記オーミックコンタクト層の上面にそれぞれ形成された第1と第2の電極と、前記半導体基板内にその前記第2導電型半導体層側界面に接して形成され、前記第2導電型半導体層よりも高い濃度の第2導電型不純物によって形成される複数の電界集中部と、を備え、前記第1および第2の電極間に逆バイアス電圧を印加して、前記半導体基板と前記複数の電界集中部とのpn接合部分にアバランシェ降伏を起こさせることを特徴とする。 Furthermore, the present invention provides a second conductivity type semiconductor layer, a drift layer, and a second conductivity type semiconductor formed on a first conductivity type semiconductor substrate in an epitaxial manner by a wide band gap semiconductor of the same type as that of the semiconductor substrate. An ohmic contact layer, first and second electrodes respectively formed on a lower surface of the semiconductor substrate and an upper surface of the ohmic contact layer, and in contact with the second conductive semiconductor layer side interface in the semiconductor substrate And a plurality of electric field concentration portions formed by the second conductivity type impurities having a higher concentration than the second conductivity type semiconductor layer, and applying a reverse bias voltage between the first and second electrodes. Then, avalanche breakdown is caused in a pn junction portion between the semiconductor substrate and the plurality of electric field concentration portions.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、逆バイアス電圧の印加によりpn接合部分にアバランシェ降伏を起こさせる半導体装置の製造方法であって、第1導電型の半導体基板上に、該半導体基板と同一種類のワイドバンドギャップ半導体によって第1の第2導電型半導体層をエピタキシャルに形成する工程と、所定の口径の孔を所定の面密度で形成したマスクを用いて、前記第1の第2導電型半導体層に第1導電型不純物をイオン注入し、注入した第1導電型不純物を活性化させて、前記第1の第2導電型半導体層内にその前記半導体基板側界面から上に向かって凸状に電界集中部を形成することにより当該電界集中部と前記第1の第2導電型半導体層との間に前記pn接合部分を形成する工程と、前記第1の第2導電型半導体層上に、前記半導体基板と同一種類のワイドバンドギャップ半導体によってドリフト層および第2導電型半導体のオーミックコンタクト層を順にエピタキシャルに形成する工程と、前記半導体基板の下面と前記オーミックコンタクト層の上面にそれぞれ前記逆バイアス電圧を印加するための第1と第2の電極を形成する工程と、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, the present invention is a method of manufacturing a semiconductor device in which an avalanche breakdown is caused in a pn junction portion by applying a reverse bias voltage, on a semiconductor substrate of a first conductivity type. In addition, the step of epitaxially forming the first second conductivity type semiconductor layer using the same type of wide band gap semiconductor as the semiconductor substrate, and a mask in which holes having a predetermined diameter are formed with a predetermined surface density, A first conductivity type impurity is ion-implanted into the first second conductivity type semiconductor layer, the implanted first conductivity type impurity is activated, and the semiconductor substrate side is provided in the first second conductivity type semiconductor layer. Forming the pn junction portion between the electric field concentration portion and the first second-conductivity-type semiconductor layer by forming an electric field concentration portion convexly upward from the interface; Second conductivity type A step of epitaxially forming a drift layer and an ohmic contact layer of a second conductivity type semiconductor in order on the conductor layer by using the same type of wide band gap semiconductor as the semiconductor substrate, and a lower surface of the semiconductor substrate and an upper surface of the ohmic contact layer Forming a first electrode and a second electrode for applying the reverse bias voltage respectively.
また、本発明は、逆バイアス電圧の印加によりpn接合部分にアバランシェ降伏を起こさせる半導体装置の製造方法であって、第1導電型の半導体基板上に、該半導体基板と同一種類のワイドバンドギャップ半導体によって第2導電型半導体層をエピタキシャルに形成する工程と、所定の口径の孔を所定の面密度で形成したマスクを用いて、前記第2導電型半導体層に第2導電型不純物をイオン注入し、注入した第2導電型不純物を活性化させて、前記第2導電型半導体層内にその前記半導体基板側界面に接しかつ前記第2導電型半導体層よりも高い濃度の第2導電型不純物を含む複数の電界集中部を形成することにより当該電界集中部と前記半導体基板との間に前記pn接合部分を形成する工程と、前記第2導電型半導体層上に、前記半導体基板と同一種類のワイドバンドギャップ半導体によってドリフト層および第2導電型半導体のオーミックコンタクト層を順にエピタキシャルに形成する工程と、前記半導体基板の下面と前記オーミックコンタクト層の上面にそれぞれ前記逆バイアス電圧を印加するための第1と第2の電極を形成する工程と、を備えることを特徴とする。 The present invention also relates to a method of manufacturing a semiconductor device in which an avalanche breakdown is caused in a pn junction portion by applying a reverse bias voltage, and a wide band gap of the same type as the semiconductor substrate is formed on a first conductivity type semiconductor substrate. Epitaxially implanting a second conductivity type impurity into the second conductivity type semiconductor layer using a step of epitaxially forming a second conductivity type semiconductor layer with a semiconductor and a mask having holes with a predetermined diameter formed at a predetermined surface density Then, the implanted second conductivity type impurity is activated so that the second conductivity type impurity in the second conductivity type semiconductor layer is in contact with the interface on the semiconductor substrate side and has a higher concentration than the second conductivity type semiconductor layer. Forming a pn junction portion between the electric field concentration portion and the semiconductor substrate, and forming the semiconductor on the second conductivity type semiconductor layer. A step of epitaxially forming a drift layer and an ohmic contact layer of a second conductivity type semiconductor in sequence using a wide band gap semiconductor of the same type as the substrate; and applying the reverse bias voltage to the lower surface of the semiconductor substrate and the upper surface of the ohmic contact layer, respectively. Forming a first electrode and a second electrode to be applied.
さらに、本発明は、逆バイアス電圧の印加によりpn接合部分にアバランシェ降伏を起こさせる半導体装置の製造方法であって、所定の口径の孔を所定の面密度で形成したマスクを用いて、第1導電型の半導体基板の表面領域に第2導電型不純物をイオン注入し、注入した第2導電型不純物を活性化させて、前記半導体基板の表面領域に第2導電型半導体の複数の電界集中部を形成することにより当該電界集中部と前記半導体基板との間に前記pn接合部分を形成する工程と、前記半導体基板上に、該半導体基板と同一種類のワイドバンドギャップ半導体によって、前記複数の電界集中部よりも低い濃度の第2導電型不純物を含む第2導電型半導体層、ドリフト層、および第2導電型半導体のオーミックコンタクト層を順にエピタキシャルに形成する工程と、前記半導体基板の下面と前記オーミックコンタクト層の上面にそれぞれ前記逆バイアス電圧を印加するための第1と第2の電極を形成する工程と、を備えることを特徴とする。 Furthermore, the present invention is a method of manufacturing a semiconductor device in which an avalanche breakdown is caused in a pn junction portion by applying a reverse bias voltage, and the first method uses a mask in which holes having a predetermined diameter are formed with a predetermined surface density. A second conductivity type impurity is ion-implanted into the surface region of the conductive type semiconductor substrate, the implanted second conductivity type impurity is activated, and a plurality of electric field concentration portions of the second conductivity type semiconductor are formed in the surface region of the semiconductor substrate. Forming the pn junction between the electric field concentrating portion and the semiconductor substrate, and forming the plurality of electric fields on the semiconductor substrate by a wide band gap semiconductor of the same type as the semiconductor substrate. The second conductive type semiconductor layer containing the second conductive type impurity having a lower concentration than the concentrated portion, the drift layer, and the ohmic contact layer of the second conductive type semiconductor are sequentially epitaxially formed. A step of forming, characterized in that it comprises the steps of forming first and second electrodes for applying each of the reverse bias voltage lower surface of the semiconductor substrate and the upper surface of the ohmic contact layer.
本発明によれば、複数の電界集中部を半導体装置内に設けることによって、電界集中部の先端部分での電位が局所的に高くなり、その結果、アバランシェ降伏が、電界集中部を設けない場合のアバランシェ降伏電圧よりも低い電圧で生じ、駆動電圧を下げることができるという効果を有する。また、電界集中部を半導体装置内のpn接合面に均等に分布するように設けたので、アバランシェ降伏による局所的な過熱を抑制すると共に、電界集中部を増やすことによって、アバランシェ降伏電流を増大させることができるという効果も有する。 According to the present invention, by providing a plurality of electric field concentration portions in the semiconductor device, the potential at the tip of the electric field concentration portion is locally increased, and as a result, the avalanche breakdown does not provide the electric field concentration portion. This occurs at a voltage lower than the avalanche breakdown voltage, and has the effect that the drive voltage can be lowered. In addition, since the electric field concentration portion is provided so as to be evenly distributed on the pn junction surface in the semiconductor device, local overheating due to avalanche breakdown is suppressed, and the avalanche breakdown current is increased by increasing the electric field concentration portion. It has the effect that it can be done.
また、本発明によれば、イオン注入により、既に形成された半導体層または半導体基板内に周囲に比べて不純物濃度を変化させた電界集中部を形成するようにしたので、物理的に電界集中部の先端部が他の部分よりも突出することがなく、電界集中部が、その後の工程によって破損することがないとともに、電界集中部の高さにばらつきが生じてしまうことを防ぐことができるという効果を有する。 In addition, according to the present invention, the electric field concentration portion in which the impurity concentration is changed as compared with the surroundings is formed in the already formed semiconductor layer or semiconductor substrate by ion implantation. The electric field concentration part is not damaged by the subsequent process, and variation in the height of the electric field concentration part can be prevented. Has an effect.
以下に添付図面を参照して、本発明にかかる半導体装置とその製造方法の最良な実施の形態を詳細に説明する。なお、これらの実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の実施の形態で用いられる半導体装置の断面図は模式的なものであり、層の厚みと幅との関係や各層の厚みの比率などは現実のものとは異なる。 Exemplary embodiments of a semiconductor device and a method for manufacturing the same according to the present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying drawings. Note that the present invention is not limited to these embodiments. The cross-sectional views of the semiconductor devices used in the following embodiments are schematic, and the relationship between the thickness and width of the layers, the ratio of the thicknesses of the layers, and the like are different from the actual ones.
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態にかかる半導体装置の構成を模式的に示す断面図である。この半導体装置は、内部のpn接合部に逆バイアスを印加してアバランシェ降伏を起こさせて大電流を取り出すIMPATTダイオードであり、熱伝導率の大きなワイドバンドギャップ半導体であるp型の半導体基板1上に、半導体基板1と同一の材料でn型の半導体層21,22からなるアバランシェ降伏層2、半導体基板1とアバランシェ降伏層2よりも十分に不純物濃度が低いi型半導体層からなるドリフト層3、およびn+型の半導体材料からなるオーミックコンタクト層4が順次積層され、半導体基板1に接する側の第1のn型半導体層21内には、p型の半導体材料からなる複数の電界集中部8が設けられる。また、オーミックコンタクト層4の上面にはオーミック接合した第1の電極5が備えられ、半導体基板1の下面にはオーミック接合した第2の電極6が備えられている。ここで、アバランシェ降伏層2は、n型の半導体層21,22の2層から構成されるが、これらは電界集中部8を形成するための都合上設けられるものである。つまり、p型の電界集中部8はイオン注入によってn型の半導体層21のほぼ上面から形成される。そのため、n型の半導体層22を形成しないと、電界集中部8の直上の層は十分に不純物濃度の低いドリフト層となってしまい、電界集中部8の上部にはpn接合を形成しにくくなる。そのために、n型の半導体層21の上層にさらにn型の半導体層22が設けられることが望ましい。なお、素子の仕様その他により必要に応じて省略することも可能である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. This semiconductor device is an IMPATT diode that applies a reverse bias to an internal pn junction to cause avalanche breakdown to extract a large current, and is on a p-
この半導体装置において、半導体基板1、アバランシェ降伏層2、ドリフト層3およびオーミックコンタクト層4は、同一種類の半導体材料によって構成され、それぞれは導入される不純物の種類および濃度が異なっているものである。ここで、ドリフト層3を構成するi型半導体層は、非常に低い不純物濃度を有する半導体層であり、具体的にはその不純物濃度が1×1014cm-3程度以下である半導体層であると定義される。この不純物の導電型はn型でもp型でもよいが、アバランシェ降伏層2とドリフト層3と同じ導電型とすることが、製造上好ましい。また、第1と第2の電極5,6として、n型半導体のオーミックコンタクトにはNiなどの材料を用いることができ、p型半導体のオーミックコンタクトにはAl−Tiなどの材料を用いることができる。
In this semiconductor device, the
アバランシェ降伏層2の膜厚は、約0.1〜2.5μm程度であることが望ましい。また、ドリフト層3の厚さは、電界集中部8がない場合には動作点が700〜1,000V程度となるが、電界集中部8を設ける場合には、動作点を任意に下げることができる。なお、この場合には、動作点をどのくらいの電圧に設定するかによって、ドリフト層3の濃度とともにその厚さを任意に設定することができる。
The thickness of the
なお、本明細書で、ワイドバンドギャップ半導体とは、シリコンのバンドギャップ(約1.2eV)よりも大きいバンドギャップを有する半導体のことをいうものとする。また、本発明で使用される熱伝導率の大きなワイドバンドギャップ半導体として、たとえば、4H−SiC,6H−SiC,3C−SiCなどのSiC、ダイヤモンド、BNなどを用いることができる。また、使用される半導体材料として、イオン注入による電界集中部8の形成時に、イオン注入された不純物が注入方向に対してほぼ直角な方向に拡散しにくいような材料を選ぶことが望ましい。
In the present specification, the wide band gap semiconductor means a semiconductor having a band gap larger than that of silicon (about 1.2 eV). In addition, as the wide band gap semiconductor having a large thermal conductivity used in the present invention, for example, SiC such as 4H—SiC, 6H—SiC, 3C—SiC, diamond, BN, or the like can be used. Further, as the semiconductor material to be used, it is desirable to select a material that hardly diffuses the ion-implanted impurity in a direction substantially perpendicular to the implantation direction when the electric
図2は、電界集中部の断面形状の一例を模式的に示す断面図である。半導体層に設けられる電界集中部8は、アバランシェ降伏層2の基板側界面に、半導体基板1と同一のp型の不純物によって形成される凸状体によって形成される。このように凸状体とすることで、後述するように、凸状体の先端部のpn接合部分に高い電界がかかり、この部分でアバランシェ降伏が発生する。そのため、電界集中部8は、凸状体の先端部分に高い電界がかかるような構造であればよく、基板面に垂直方向の断面形状が、矩形状または半導体基板1に接する側の辺(以下、底辺という)の幅が先端部分の幅よりも長いテーパ形状(等脚台形状や三角形状)、底辺の幅が先端部分の幅よりも短い逆テーパ形状などの構造を有する。この図2に示される例では、三角形状を有している。この電界集中部8は、本第1の実施の形態では、電界を集中させるために、アバランシェ降伏層2内の導電型とは異なる導電型の不純物がイオン注入された半導体領域として形成される。また、この電界集中部8は、電界集中が起こる程度の面密度でアバランシェ降伏層2中に設けられる。その密度は、使用する半導体材料によって異なるもので、適宜実験によって求められるものである。なお、この電界集中部8の高さの底辺の幅に対する比であるアスペクト比が1以上であるようにすると、電界を集中させるためにさらに望ましい。
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing an example of the cross-sectional shape of the electric field concentration portion. The electric
この半導体装置の第1と第2の電極5,6には、半導体基板1と第1のn型半導体層21によって形成されるpn接合ダイオードに電界集中部8でのアバランシェ降伏電圧以下でかつアバランシェ降伏電圧に近い逆バイアスを、図示しない電源装置から印加し、さらにこの逆バイアスに交流バイアスを乗せて印加し、逆バイアスと交流バイアスの和である印加バイアスが電界集中部8での降伏電圧を越えるように調整する。つまり、半導体基板1の下面側に設けられる第2の電極6は負極となるように、第1の電極5は正極となるように、逆バイアスが印加され、さらに所定の大きさの交流電圧が印加される。
The first and
つぎに、このような構造を有する半導体装置の製造方法について説明する。図3−1〜図3−7は、本発明による半導体装置の第1の実施の形態の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である。なお、以下では、半導体材料としてSiCを用いた場合を例に挙げて説明する。まず、p型の不純物が導入されたSiC基板1Sに(図3−1)、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法などの製膜法によって所定の厚さを有する第1のn型SiC膜21Sを約0.1〜2.5μmの厚さの範囲でエピタキシャル成長させる(図3−2)。第1のSiC膜21は、電界集中部8を形成するために形成される。これは、後の工程で電界集中部8はイオン注入によって形成されるため、その先端部分はほぼ第1のSiC膜21と同一となるからである。
Next, a method for manufacturing a semiconductor device having such a structure will be described. 3-1 to 3-7 are cross-sectional views schematically showing an example of the procedure of the manufacturing method of the first embodiment of the semiconductor device according to the present invention. In the following, a case where SiC is used as a semiconductor material will be described as an example. First, a first n-
ここで、p型のSiC基板1Sの不純物濃度は、1×1018cm-3以上の高濃度であればよく、この例ではたとえば不純物濃度が1.4×1019cm-3であるとする。また、第1のn型SiC膜21Sには、n型の不純物として5×1018cm-3の濃度のPが注入されるものとする。ただし、第1のn型SiC膜21Sのn型の不純物の濃度はこれに限定されるものではなく、後に形成するドリフト層3Sの不純物濃度を下限とし、第2のn型SiC膜22Sの不純物濃度を上限として決定することが望ましい。なお、第2のn型SiC膜22Sと同じ濃度とする場合には、第1のn型SiC膜21Sと第2のn型SiC膜22Sとを連続して成膜することもできる。この場合には、後のp型不純物のイオン注入工程において、最表面へのp型不純物のイオン注入を抑制してp型半導体領域8を形成することができる。しかし、ここでは、後の工程で形成される第2のn型SiC膜22Sと同じ濃度とするが、第1のn型SiC膜21Sと第2のn型SiC膜22とを連続して形成せず、別々に形成する場合を説明する。第1のn型SiC膜21Sの膜厚として、1μmである場合を例に挙げる。なお、この第1のn型SiC膜21Sの厚さは、この半導体装置中に形成する電界集中部とほぼ同じ高さを有する。
Here, the impurity concentration of the p-
ついで、第1のn型SiC膜21Sの上面全面に、Al膜またはAlを含む合金膜(以下、Al含有膜という)31を、スパッタや蒸着などの各種成膜法やめっき法などを用いて堆積する(図3−3)。このとき、第1のn型SiC膜21Sの上面と金属(Al含有膜31)とのコンタクトを危惧する場合には、両者の間に介在層としての、たとえば20nm程度の極薄い絶縁膜を配置してもよい。ただし、この絶縁膜は、硫酸およびシュウ酸などの陽極酸化溶液に不溶であることが必要であり、たとえば、上記のようにSiCを材料として用いる場合には、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜などを用いることができる。
Next, an Al film or an Al-containing alloy film (hereinafter referred to as an Al-containing film) 31 is formed on the entire upper surface of the first n-
ついで、Al含有膜31を堆積させたp型SiC基板1Sを陽極とし、Pbなどの被酸化物を陰極として、これらを希硫酸中などの陽極酸化溶液中に浸漬し、両極間に所定の電圧を印加して、p型SiC基板1Sの上面に形成されたAl含有膜31を陽極酸化する。これにより、Al含有膜31中のAlは酸化されてアルマイトとなり、電気が通ったあとに微細な孔を無数に有するアルマイトマスク32が形成される(図3−4)。この陽極酸化処理において流した電流は、微細孔の口径と間隔、アルマイト化の速度に影響するので、所望の微細孔の口径と間隔が得られるように予め陽極酸化条件を求めておくことが望ましい。この例では、たとえば微細孔の口径は数十〜数百Å程度であり、その間隔は数千Å〜数μmであるような条件で陽極酸化が行わればよい。また、このような口径と間隔を有する微細孔の形状で、堆積させたAl含有膜31の厚み分全てがアルマイト化されるように陽極酸化処理を行って、約数〜数十μmの厚さを有するアルマイトマスク32を作製する。図4は、作製されたアルマイトマスクの上面図の一例を示す図である。この図4に示されるように、アルマイトマスク32は、電界集中部を形成する位置に微細孔34が形成された蜂の巣状の構造となっている。なお、陽極酸化溶液としては、希硫酸のほかに、燐酸、硫酸、シュウ酸、クロム酸、ホウ酸などの陽極酸化が可能な溶液を用いることができる。たとえば、陽極酸化溶液として4%燐酸を用いて、120Vの電圧を両極間に印加して陽極酸化を行うと、微細孔口径が330Åであり、微細孔の間隔が3,000Åであるアルマイトマスク32が作製される。ただし、この例では、アルマイトマスクの厚さが1.5μmであるとする。
Next, the p-
ついで、図3−4、図4で形成したアルマイトマスク32をマスクとして、第1のn型SiC膜21Sにp型不純物のイオン注入を行い電界集中部の基となるp型半導体領域8を形成する(図3−5)。たとえば、このとき第1のn型SiC膜21Sに10〜400keVで1×1018cm-3の濃度のAlイオンによる多段注入を行い、選択的にp型半導体領域8を形成する。なお、p型半導体領域8のp型の不純物の濃度はこれに限らず、8×1017cm-3以上1×1019cm-3以下の範囲とすることができる。図5は、イオン注入された断面の様子を模式的に示す図である。加速されたイオン種は注入方向だけでなく、エネルギに応じてその垂直な方向にも広がる。たとえば、SiCにAlやPをイオン注入する場合には、p型不純物がイオン注入された深さをLとすると、深さLの位置では、アルマイトマスク32(イオン注入時のマスクの開口部)の端部からL/4だけ不純物の拡散領域が広がることが知られている。その結果、これらの図3−5や図5に示されるように、p型半導体領域8は円錐形状(または円錐台形状)となる(その基板面に垂直な方向の断面形状は、上辺よりも下辺の方が長いテーパ形状となる)。
Next, using the
その後、アルマイトマスク32を剥離し、熱処理を行って注入したイオン種を活性化させて、電界集中部8を形成する(図3−6)。この熱処理時において、SiC半導体層に注入されたAlイオンは熱拡散しにくいため、イオン注入時のプロファイルが大きく崩れることはない。このように、半導体材料がSiCである場合、イオン注入の活性化アニール後の熱拡散係数は非常に小さく、アニール前のイオン注入領域とほぼ同じ場所に留まることから、電界集中部8の形状が、イオン注入時の形状とほぼ同様に保たれる。特に、イオン注入種がAlとPの場合にこの効果が非常に大きい。また、イオン注入によって電界集中部8を形成するので、その頂点はどの点でもほぼ同じ高さを有することになる。
Thereafter, the anodized
ついで、第2のn型SiC膜22S、i型のSiC膜からなるドリフト層3S、ドリフト層3Sよりもn型の不純物を高濃度に導入したオーミックコンタクト層4Sを順にMOCVD法などでエピタキシャル成長させる(図3−7)。ここで、第2のn型SiC膜22Sは、上記の工程で形成されたp型の電界集中部8の先端部分にpn接合を形成するために形成される層である。すなわち、電界集中部8は第1のn型SiC膜21Sのほぼ上面から形成されるため、そのままではpn接合を形成することが困難であるが、第2のn型SiC膜22Sを設けることによって、p型の電界集中部8の先端部にpn接合を形成することができる。この例では、n型の不純物としてPが5×1018cm-3の濃度で第2のSiC膜22にドープされる。なお、n型の不純物の濃度はこれに限らず、1×1018cm-3以上3×1019cm-3以下の範囲とすることができ、p型の電界集中部8よりも高いことが望ましい。また、この例では、第2のn型SiC膜22Sを0.2μm、ドリフト層3Sを6μmの厚さで堆積する。勿論、これらの膜厚はこれらの値に限定されない。なお、これらの膜は、エピタキシャル成長中に流す窒素ガスの流量を変化させることによって、それぞれ連続的に形成することができる。また、オーミックコンタクト層4Sは、ドリフト層3Sをオーミックコンタクト層4Sの厚さ分だけ積み増しして形成した後、ドリフト層3Sの上から所定の厚さの範囲にNやPなどのイオンをイオン注入して活性化させることによって形成するようにしてもよい。オーミックコンタクト層4Sを構成するn型のSiC膜の不純物濃度は、1×1018cm-3以上の高濃度であればよく、ここではたとえば不純物濃度が1×1019cm-3のn型のSiC膜を形成したものとする。そして、オーミックコンタクト層4S上には、たとえばNiなどの電極材料を形成し、SiC基板1Sの裏側には、たとえばTi−Alなどの電極材料を形成し、熱処理をすることによりコンタクト抵抗を下げた第1と第2の電極を形成する。さらに、抵抗を下げるためには第1と第2の電極の上面にAuを成膜させるとよい。以上によって、図1に示される半導体装置が得られる。
Subsequently, the second n-
なお、図3−4〜図3−5では、アルマイトマスク32でイオン注入用のマスクを形成する場合を示したが、アルマイトマスク32の代わりにフォトリソグラフィ技術を用いて、第1のn型SiC膜21S上にレジストを塗布し、図4に示される蜂の巣状のパターンを有するイオン注入用のマスクを形成してもよい。
3-4 to 3-5 show the case where a mask for ion implantation is formed with the
また、図5において、アルマイトマスク32の微細孔の設計事項として、テーパ状に形成される電界集中部8の先端形状と高さに応じてイオン注入時の横方向広がり距離の最適値が変化する。たとえば、基板面に垂直な方向の微細孔の開口部の断面の距離がbである場合にはできあがり形状における素子間の間隔は中心部−中心部の距離で2b以上であることが望ましい。これは、中心部−中心部の距離が2b未満であると先端部の電界集中効率が悪くなり、つまりは発振効率が下がってしまうからである。一方、隣接する電界集中部の先端部の距離が異常に離れる場合には、先端部に集中する電界強度が低くなり、発振効率が下がってしまうので、電界集中部8間の距離は、発振効率が悪くならない程度に設定される必要がある。ただし、これは半導体材料、ドリフト層濃度、ドリフト層厚さ、その他層の形成条件により変化するのはいうまでもない。また、このような設計形状は通常の陽極酸化のみで所望の形状を実現することが難しい場合がある。そのような場合には、まず微細孔の口径に合わせた条件で陽極酸化を行い、その後その上にレジストなどを塗布し、パターニングすることによって、所望の微細孔の間隔になるように不要なアルマイトの微細孔を埋めてイオン注入マスクを形成する方法が有効である。
In FIG. 5, the optimum value of the lateral spreading distance at the time of ion implantation varies depending on the shape and height of the tip of the electric
つぎに、このような半導体装置(IMPATTダイオード)の動作について説明する。図6−1〜図6−3は、半導体装置の動作状態を模式的に示す図である。半導体装置の第1と第2の電極5,6との間に電圧が印加されていない場合には、図6−1に示されるように熱平衡状態にある。この半導体装置にアバランシェ降伏電圧VAよりも低い値の逆バイアス電圧V1を印加すると、図6−2に示されるように半導体装置内には電位が発生する。電界集中部8から離れた第1の電極5に近い位置では、等電位線は基板面とほぼ平行な方向に形成されるが、電界集中部8の先端部に近い位置では等電位線が立て込んでおり、密度が高くなっている。しかし、この状態では、まだアバランシェ降伏は発生していない状態である。そして、図6−3に示されるように、半導体装置にさらに高い値の逆バイアス電圧V2(>V1)を印加すると、電界集中部8の先端部に近い位置での等電位線が非常に立て込み、アバランシェ降伏電圧よりも局所的に電圧が高くなる。その結果、空乏層に強い電界がかかることでキャリアが発生し、アバランシェ降伏が発生する。電界集中部8から放出されたキャリア(電子)は、ドリフト層3を通過していくことによって、半導体装置から大電流が取り出される。
Next, the operation of such a semiconductor device (IMPATT diode) will be described. 6A to 6C are diagrams schematically illustrating the operation state of the semiconductor device. When no voltage is applied between the first and
なお、ワイドバンドギャップ半導体のアバランシェ降伏電圧を下げるためには、半導体装置内に形成される電界集中部のアスペクト比は1以上であることが望ましい。以下に、電界集中部のアスペクト比が1以上であることが望ましい点について説明する。図7−1は、pn接合が平坦に形成されている場合の電位の様子を示す図であり、図7−2は、アスペクト比が1未満の電界集中部付近の電位の様子を示す図であり、図7−3は、アスペクト比が1以上の電界集中部付近の電位の様子を示す図である。なお、図7−2と図7−3に示される電界集中部8の先鋭化された部分の曲率半径は同じものであるとする。
In order to reduce the avalanche breakdown voltage of the wide band gap semiconductor, it is desirable that the aspect ratio of the electric field concentration portion formed in the semiconductor device is 1 or more. Hereinafter, a description will be given of a point where it is desirable that the aspect ratio of the electric field concentration portion is 1 or more. FIG. 7A is a diagram illustrating a potential state when a pn junction is formed flat, and FIG. 7B is a diagram illustrating a potential state near an electric field concentration portion having an aspect ratio of less than 1. FIG. 7C is a diagram illustrating a state of the potential in the vicinity of the electric field concentration portion having an aspect ratio of 1 or more. It is assumed that the radius of curvature of the sharpened portion of the electric
図7−1に示されるように、p型層110とn-型層120とが積層され、pn接合が平坦に形成されている場合には、等電位線140はpn接合面に平行した線で描くことができる。この場合、空乏層130中に局所的な電界集中(等電位線140が他の部分よりも混み合う部分)が生じず、半導体材料固有の絶縁破壊電界強度によってアバランシェ降伏電圧が決定されることになる。
As shown in FIG. 7A, when the p-
また、図7−2に示されるように、p型層110とn-型層120との間のpn接合面に形成された電界集中部8のアスペクト比が1未満の場合には、電界集中部8付近で等電位線140が混み合うものの電界集中部8付近の等電位線140の混み具合が緩やかであり、電界集中を起こしにくい状態である。図8−1は、一般的に知られているアスペクト比が1未満の電界集中部の形成方法の一例を示す図である。従来では、半導体材料としてのシリコンをKOH水溶液でウェットエッチングすると、その(111)面が選択的に現れることを利用して、正四角錐状の電界集中部を形成していた。ここで、図8−2中の実線で示されるように正四角錐の断面を選択した場合には、図8−3に示されるようにそのアスペクト比は約0.707となる。また、図8−4中の実線で示されるように正四角錐の断面を選択した場合には、図8−5に示されるように、そのアスペクト比は0.5となる。つまり、従来のKOHでエッチングして電界集中部8を形成する方法では、アスペクト比が1以上の電界集中部8を形成するのは困難であり、電界集中を起こしにくい。
Further, as shown in FIG. 7B, when the aspect ratio of the electric
一方、図7−3に示されるように、p型層110とn-型層120との間のpn接合面に形成された電界集中部8のアスペクト比が1以上の場合には、等電位線140は電界集中部8のn-型層120に接する側の先端部付近で非常に混み合い、電界集中を起こしやすくなる。さらに、込み合った電界は、電界集中部8の先端部付近の電位を局所的に高め、半導体材料固有の絶縁破壊電界強度によって決定されるアバランシェ降伏電圧よりも低い印加電圧で電界集中部8の先端部付近でアバランシェ降伏を起こさせることができる。以上のように、電界集中部8のアスペクト比は、1以上であることが望ましい。
On the other hand, when the aspect ratio of the electric
本第1の実施の形態では、電界集中部8の形成においてイオン注入を用いているが、SiCに注入されたイオン種は、イオン注入時および活性化アニール時に、イオン注入した方向に対してほぼ直角な方向にほとんど拡散しない。そこで、図5を用いて、アスペクト比が1以上となる電界集中部を形成することができる条件を考える。たとえばマスク(アルマイトマスク32)の開口部の直径をbとすると、イオン注入によって形成された電界集中部8の断面形状は、高さがLであり、上底がbであり、下底がb+L/2である等脚台形となる。この場合のアスペクト比は、その定義からL/(b+L/2)となり、これが1以上となるためには、b≦L/2にする必要がある。このような条件で、アバランシェ降伏層2(第1のn型半導体層21)とマスクを形成することによって、アスペクト比が1以上の電界集中部8を形成することができる。
In the first embodiment, ion implantation is used in the formation of the electric
なお、上述した説明では、p型半導体基板1にn型の半導体層を積層させ、その境界にp型の電界集中部をイオン注入で形成する場合を説明したが、図9に示されるように、上述した説明で導電型を入れ替えるように構成したものでもよい。図9は、本発明の第1の実施の形態にかかる半導体装置の構成の他の例を模式的に示す断面図である。この図9に示されるように、n型半導体基板1にp型の半導体層21,22からなるアバランシェ降伏層2を積層させ、p型のアバランシェ降伏層2のn型半導体基板1との境界にn型の半導体領域からなる電界集中部8をイオン注入で形成した半導体装置の断面の構造の一例を示す図である。この場合、n型半導体基板1のドーパントとしてはたとえばNまたはPを使用するのが好ましく、p型の半導体層のドーパントとしてはたとえばAlまたはBを使用するのが好ましい。
In the above description, the case where the n-type semiconductor layer is stacked on the p-
図10−1は、本発明にかかる半導体装置の第1の実施の形態の構造の他の例を模式的に示す断面図である。この図10−1の例では、図1の半導体装置において、ドリフト層3中のオーミックコンタクト層4との界面からx[μm]の位置に、所定の厚さのp+型半導体層11を具備したものとなっている。なお、このときp型半導体基板1とp+型半導体層11との間のドリフト層3aは、電界集中部8よりもn型不純物濃度が低いn-型とし、オーミックコンタクト層4とp+型半導体層11との間のドリフト層3bはi型としている。このような構造によれば、p+型半導体層11が電荷のクランプとして働き、つまり、ドリフト層3はi型半導体層から構成されるために電荷がほぼ0であると考えられ、半導体装置の第1と第2の電極5,6間に逆バイアスを印加すると、オーミックコンタクト層4とp+型半導体層との間は電荷による電界降下はほぼ0と考えられるので、この領域での電界分布をほぼ一定とすることができる。その結果、動作時における第1の電極5側における発熱が図1の場合に比して抑えられるので、上記のようにして作製した半導体装置をパッケージングした際に、第1の電極5側の半田付けの接合温度を図1の場合に比べて低くすることができ、壊れにくい半導体装置を実現することが可能となる。なお、この場合にも、図10−2に示すように、導電型を入れ替えるように構成してもよい。
FIG. 10A is a sectional view schematically showing another example of the structure of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. In the example of FIG. 10A, the semiconductor device of FIG. 1 includes a p +
この第1の実施の形態によれば、電界集中部8を半導体装置のpn接合面内に複数点設けることによって、局所的な降伏による過熱を抑制することができるという効果を有する。また、アバランシェ降伏の開始点である電界集中部8を増やすことによりアバランシェ降伏電流を増大させるという効果も有する。さらに、電界集中部8を設けることにより、従来のIMPATTダイオードにおける使用する周波数に依存した最適なドリフト層の膜厚と不純物濃度の組み合わせで決まるアバランシェ降伏電圧よりも低い電圧でアバランシェ降伏を起こすことを可能とし、ワイドバンドギャップ半導体でIMPATTダイオードを形成した場合における駆動電圧を下げることができるという効果を有する。
According to the first embodiment, by providing a plurality of electric
また、電界集中部8をイオン注入によって作製し、ウェットエッチングやドライエッチングなどのエッチングを用いないので、従来のようにエッチングした後に形成された先鋭化された電界集中部8が、その後の工程によって破損し、電界集中部8の高さにばらつきが生じてしまうことを防ぐことができる。さらに、電界集中部8の形成に、アルマイトマスク32を用いることで、電界集中部8の先端の径を数nm〜数百nmに容易に制御することができ、局所的に電界の偏りのない、安定したキャリア放出を可能にすることができる。
In addition, since the electric
(第2の実施の形態)
図11は、本発明の第2の実施の形態にかかる半導体装置の構成を模式的に示す断面図である。この半導体装置は、熱伝導率の大きなワイドバンドギャップ半導体であるp型の半導体基板1上に、半導体基板1と同一の材料でn型の半導体層からなるアバランシェ降伏層2、半導体基板1とアバランシェ降伏層2よりも不純物濃度が低いi型半導体層からなるドリフト層3、およびn+型の半導体材料からなるオーミックコンタクト層4が順次積層され、アバランシェ降伏層2内には、そのアバランシェ降伏層2よりもn型不純物濃度が高くされたn+型の半導体材料からなる複数の電界集中部8が設けられる。また、オーミックコンタクト層4の上面にはオーミック接合した第1の電極5が備えられ、半導体基板1の下面にはオーミック接合した第2の電極6が備えられている。
(Second Embodiment)
FIG. 11 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. This semiconductor device includes an
アバランシェ降伏層2に設けられる電界集中部8は、その基板面に垂直な方向の断面形状が、矩形状または半導体基板1に接する側の辺(以下、底辺という)の幅が先端部分の幅よりも長いテーパ形状を有する。この電界集中部8は、電界を集中させるために、アバランシェ降伏層2(n型半導体層)の不純物濃度に比して、2桁ほど高い不純物濃度を有するように設定されている。さらに、この電界集中部8は、電界集中が起こる程度の面密度でアバランシェ降伏層2中に設けられる。その面密度は、使用する半導体材料によって異なるもので、適宜実験によって求められるものである。なお、この場合においても、電界集中部8の高さの底辺の幅に対する比であるアスペクト比を1以上とすることが望ましい。
The electric
この半導体装置の場合、電界集中部8のn型不純物濃度を、アバランシェ降伏層2(n型半導体層)よりも高く設定することで、電界集中部8におけるアバランシェ降伏を起こしやすくしている。また、このとき、n+型の電界集中部8の下端部(n+型の電界集中部8とp型半導体基板1との間)からキャリアが発生する。なお、第1の実施の形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
In the case of this semiconductor device, by setting the n-type impurity concentration of the electric
このような構造を有する半導体装置の製造方法とその動作は第1の実施の形態で説明したものと基本的に同様であるので、その詳細な説明は省略する。ただし、第2の実施の形態では、図3−5におけるイオン注入工程でp型不純物がイオン注入される代わりに、n型半導体層21に、n型半導体層のn型不純物濃度に比して2桁ほど高い濃度のn型不純物をイオン注入する。なお、このときも電界集中部8の上部の径は数十〜数百Å程度であり、その間隔が数千Å〜数μmであることが望ましい。
Since the manufacturing method and operation of the semiconductor device having such a structure are basically the same as those described in the first embodiment, detailed description thereof will be omitted. However, in the second embodiment, instead of ion implantation of p-type impurities in the ion implantation step in FIG. 3-5, the n-
なお、上述した説明では、p型半導体基板1にn型の半導体層からなるアバランシェ降伏層2を形成し、アバランシェ降伏層2のp型半導体基板1側にn+型の電界集中部8をイオン注入で形成する場合を説明したが、上述した説明で導電型を入れ替えるように構成したものでもよい。すなわち、n型半導体基板にp型の半導体層からなるアバランシェ降伏層を形成し、このp型の半導体層(アバランシェ降伏層)のn型半導体基板側にp+型の電界集中部をイオン注入で形成したものでもよい。
In the above description, the
この第2の実施の形態によれば、第1の実施の形態の効果のほかに、半導体基板1と異なる導電型の電界集中部8をアバランシェ降伏層2中に形成し、基板側界面にpn接合を形成するようにしたので、第1の実施の形態の場合に比して、製造工程を簡略化することができるという効果を有する。
According to the second embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, the electric
(第3の実施の形態)
図12は、本発明の第3の実施の形態にかかる半導体装置の構成を模式的に示す断面図である。この半導体装置は、熱伝導率の大きなワイドバンドギャップ半導体であるp型の半導体基板1上に、半導体基板1と同一の材料でn型の半導体層からなるアバランシェ降伏層2、半導体基板1とアバランシェ降伏層2よりも不純物濃度が低いドリフト層3、およびn+型の半導体材料からなるオーミックコンタクト層4が順次積層され、アバランシェ降伏層2に接する側の半導体基板1内には、アバランシェ降伏層2よりもn型不純物濃度が高くされたn+型の半導体材料からなる複数の電界集中部8が設けられる。また、オーミックコンタクト層4の上面にはオーミック接合した第1の電極5が備えられ、半導体基板1の下面にはオーミック接合した第2の電極6が備えられている。なお、第1の実施の形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
(Third embodiment)
FIG. 12 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. This semiconductor device includes an
この第3の実施の形態における電界集中部8は、アバランシェ降伏層2内に電界集中部が形成される第1と第2の実施の形態と異なり、半導体基板1内に形成される。しかし、この場合にも、半導体基板1に設けられる電界集中部8は、その基板面に垂直な方向の断面形状が、矩形状かまたはアバランシェ降伏層2に接する側の辺(以下、上辺という)の幅が下端部分の辺(以下、底辺という)の幅よりも短いテーパ形状を有する。この電界集中部8は、電界を集中させるために、アバランシェ降伏層2内における不純物濃度に比して、不純物濃度が高く設定されている。さらに、この電界集中部8は、電界集中が起こる程度の面密度で半導体基板1の上面内に設けられる。その面密度は、使用する半導体材料によって異なるもので、適宜実験によって求められるものである。なお、この電界集中部8の高さの底辺の幅に対する比であるアスペクト比は1以上であることが望ましい。
Unlike the first and second embodiments in which the electric
つぎに、このような構造を有する半導体装置の製造方法について説明する。図13−1〜図13−6は、本発明による半導体装置の第3の実施の形態の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である。以下では、半導体材料としてSiCを用いた場合を例に挙げて説明する。まず、p型の不純物が導入されたSiC基板1Sの上面の全面に(図13−1)、Al膜またはAlを含む合金膜であるAl含有膜31を堆積する(図13−2)。ついで、第1の実施の形態と同様に、Al含有膜31を堆積させたp型のSiC基板1Sを陽極とし、Pbなどの被酸化物を陰極として、これらを希硫酸中などの陽極酸化溶液中に浸漬し、p型のSiC基板1Sの上面に形成されたAl含有膜31を陽極酸化して、微細孔が形成された図4に示されるようなアルマイトマスク32を形成する(図13−3)。なお、このとき形成されるアルマイトマスク32は、後の工程でアルマイトマスク32を用いて形成される電界集中部8の上部の径が数十〜数百Å程度であり、その間隔が数千Å〜数μmとなるように、微細孔が形成されることが望ましい。
Next, a method for manufacturing a semiconductor device having such a structure will be described. FIGS. 13-1 to 13-6 are cross-sectional views schematically showing an example of the procedure of the manufacturing method of the third embodiment of the semiconductor device according to the present invention. Hereinafter, a case where SiC is used as a semiconductor material will be described as an example. First, an Al-containing
ついで、図13−3、図4で形成したアルマイトマスク32をマスクとして、p型のSiC基板1SにP(リン)またはN(窒素)のn型不純物のイオン注入を行って、選択的にn型半導体領域8を形成する(図13−4)。このときのn型不純物の注入領域の深さは約0.3〜2.5μm程度が好ましい。たとえば、n型不純物の注入領域の深さを0.6μmとする場合には、p型のSiC基板1Sに10〜360keVのPイオンまたはNイオンによる多段注入を行う必要がある。その後、アルマイトマスク32を剥離し、熱処理を行って注入したイオン種を活性化させて、電界集中部8を形成する(図13−5)。この熱処理時において、SiC基板1Sに注入されたAlイオンは熱拡散しにくいため、イオン注入によって形成されたプロファイルが大きく崩れることはない。
Next, using the
ついで、電界集中部8が形成されたSiC基板1S上に、n型のSiC膜2S、i型のSiC膜からなるドリフト層3S、ドリフト層3Sよりもn型の不純物を高濃度で導入したオーミックコンタクト層4Sを順にMOCVD法などでエピタキシャル成長させる(図13−6)。そして、さらにオーミックコンタクト層4S上には、たとえばNiなどの第1の電極を形成し、SiC基板1Sの裏側には、たとえばAl−Tiなどを用いて第2の電極を形成する。以上によって、図12に示される半導体装置が得られる。
Next, an n-
なお、上述した説明では、p型半導体基板1にn型の半導体層からなるアバランシェ降伏層2を形成し、p型半導体基板1内のn型の半導体層(アバランシェ降伏層2)との境界付近にn+型の電界集中部8を形成する場合を説明したが、図14に示されるように、上述した説明で導電型を入れ替えるように構成したものでもよい。図14は、本発明の第3の実施の形態にかかる半導体装置の構成の他の例を模式的に示す断面図である。この図14に示されるように、n型半導体基板1にp型の半導体層を積層させてアバランシェ降伏層2を形成し、n型半導体基板1内のp型の半導体層(アバランシェ降伏層2)との境界付近にp+型の電界集中部8を形成した半導体装置の断面の構造の一例を示す図である。この場合、n型半導体基板1のドーパントとしてはたとえばNまたはPを使用するのが好ましく、p型の半導体層のドーパントとしてはたとえばAlまたはBを使用するのが好ましい。
In the above description, the
図15は、本発明にかかる半導体装置の第3の実施の形態の構造の他の例を模式的に示す断面図である。この図15の例では、図12の半導体装置において、ドリフト層3中のオーミックコンタクト層4との界面からx[μm]の位置に、所定の厚さのp+型半導体層11を具備したものとなっている。なお、このときp型半導体基板1とp+型半導体層11との間のドリフト層3aは、電界集中部8よりもn型不純物濃度が低いn-型とし、オーミックコンタクト層4とp+型半導体層11との間のドリフト層3bはi型としている。このような構造によれば、p+型半導体層11が電荷のクランプとして働く。つまり、ドリフト層3はi型半導体層から構成されるために電荷がほぼ0であると考えられ、半導体装置の第1と第2の電極5,6間に逆バイアスを印加すると、オーミックコンタクト層4とp+型半導体層との間は電荷による電界降下はほぼ0と考えられるので、この領域での電界分布をほぼ一定とすることができる。その結果、動作時における第1の電極5側における発熱が図12の場合に比して抑えられるので、上記のようにして作成した半導体装置をパッケージングした際に、第1の電極5側の半田付けの接合温度を図12の場合に比べて低くすることができ、壊れにくい半導体装置を実現することが可能となる。なお、この場合にも、導電型を入れ替えるように構成してもよい。このような第3の実施の形態でも、第1と第2の実施の形態と同様の効果を有する。
FIG. 15 is a sectional view schematically showing another example of the structure of the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. In the example of FIG. 15, the semiconductor device of FIG. 12 includes a p +
本実施の形態にかかる半導体装置は、大電流を流すことができるとともに、コストや重量の増加および信頼性の低下を招くことがない半導体装置とその製造方法に適用することができる。また、熱伝導率の高いSiCなどのワイドバンドギャップ半導体を使用することにより、優れた熱放出性を有し、冷却機器が不要となり、各種の機器の小型化、省スペース化なども可能となる。 The semiconductor device according to the present embodiment can be applied to a semiconductor device that can flow a large current and does not cause an increase in cost, weight, and reliability, and a manufacturing method thereof. In addition, by using a wide band gap semiconductor such as SiC with high thermal conductivity, it has excellent heat release properties, eliminates the need for cooling equipment, and enables downsizing and space saving of various equipment. .
たとえば、マイクロ波を使用した電子レンジなどの電子調理器に適用することができる。これは、分子振動を利用した機器への応用例であるが、他の食品処理・加工(加熱・乾燥・発酵・殺菌)にも適用可能である。また、家庭用、産業用、医療用ゴミ処理(医療用物・ゴミ処理)などにも適用することができる。 For example, the present invention can be applied to an electronic cooking device such as a microwave oven using a microwave. This is an application example to equipment using molecular vibration, but it can also be applied to other food processing / processing (heating, drying, fermentation, sterilization). The present invention can also be applied to household, industrial, and medical waste disposal (medical / garbage disposal).
さらに、無電極ランプ装置(紫外線、可視光線)、半導体製造装置(エッチング装置、アッシング装置、スパッタ装置、クリーニング装置など)などのプラズマを利用した機器や、レーダ、移動機器関係基地局の増幅器にも適用可能である。さらに、無線通信の分野に適用でき、GPS(Global Positioning System)などに応用したり、駐車禁止の取り締まり端末などに応用したりすることが可能である。その他に、医療用X線発生装置に対しても適用可能である。 Furthermore, it is also used in equipment using plasma such as electrodeless lamp devices (ultraviolet rays and visible light), semiconductor manufacturing devices (etching devices, ashing devices, sputtering devices, cleaning devices, etc.), and radar and mobile device related amplifiers. Applicable. Further, the present invention can be applied to the field of wireless communication, and can be applied to GPS (Global Positioning System) or the like, or can be applied to a parking prohibition control terminal. In addition, it can be applied to a medical X-ray generator.
以上のように、本発明にかかる半導体装置とその製造方法は、素子破壊を抑えながら効率よく大電流を流すことができる電子調理器、ゴミ処理用機器、無電極ランプ装置、半導体製造装置、無線通信分野の機器、医療用X線発生装置などに適している。 As described above, the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention are an electronic cooking device, a garbage disposal device, an electrodeless lamp device, a semiconductor manufacturing device, a wireless communication device that can efficiently flow a large current while suppressing element destruction. Suitable for devices in the communication field, medical X-ray generators, and the like.
1 半導体基板
2 アバランシェ降伏層
3 ドリフト層
4 オーミックコンタクト層
5 第1の電極
6 第2の電極
8 電界集中部
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記半導体基板の下面と前記オーミックコンタクト層の上面にそれぞれ形成された第1と第2の電極と、
前記第2導電型半導体層内にその前記半導体基板側界面から上に向かって凸状に形成された第1導電型半導体の複数の電界集中部と、
を備え、前記第1および第2の電極間に逆バイアス電圧を印加して、前記複数の電界集中部と前記第2導電型半導体層とのpn接合部分にアバランシェ降伏を起こさせることを特徴とする半導体装置。 A second conductivity type semiconductor layer, a drift layer, and an ohmic contact layer of the second conductivity type semiconductor, which are epitaxially formed in order by a wide band gap semiconductor of the same type as the semiconductor substrate on the first conductivity type semiconductor substrate;
First and second electrodes respectively formed on the lower surface of the semiconductor substrate and the upper surface of the ohmic contact layer;
A plurality of electric field concentration portions of a first conductivity type semiconductor formed in a convex shape upward from the semiconductor substrate side interface in the second conductivity type semiconductor layer;
And a reverse bias voltage is applied between the first and second electrodes to cause avalanche breakdown at a pn junction portion between the plurality of electric field concentration portions and the second conductivity type semiconductor layer. Semiconductor device.
前記半導体基板の下面と前記オーミックコンタクト層の上面にそれぞれ形成された第1と第2の電極と、
前記第2導電型半導体層内にその前記半導体基板側界面に接して形成され、前記第2導電型半導体層よりも高い濃度の第2導電型不純物によって形成される複数の電界集中部と、
を備え、前記第1および第2の電極間に逆バイアス電圧を印加して、前記半導体基板と前記複数の電界集中部とのpn接合部分にアバランシェ降伏を起こさせることを特徴とする半導体装置。 A second conductivity type semiconductor layer, a drift layer, and an ohmic contact layer of the second conductivity type semiconductor, which are epitaxially formed in order by a wide band gap semiconductor of the same type as the semiconductor substrate on the first conductivity type semiconductor substrate;
First and second electrodes respectively formed on the lower surface of the semiconductor substrate and the upper surface of the ohmic contact layer;
A plurality of electric field concentration portions formed in the second conductive type semiconductor layer in contact with the semiconductor substrate side interface and formed by a second conductive type impurity having a concentration higher than that of the second conductive type semiconductor layer;
And a reverse bias voltage is applied between the first and second electrodes to cause avalanche breakdown at a pn junction portion between the semiconductor substrate and the plurality of electric field concentration portions.
前記半導体基板の下面と前記オーミックコンタクト層の上面にそれぞれ形成された第1と第2の電極と、
前記半導体基板内にその前記第2導電型半導体層側界面に接して形成され、前記第2導電型半導体層よりも高い濃度の第2導電型不純物によって形成される複数の電界集中部と、
を備え、前記第1および第2の電極間に逆バイアス電圧を印加して、前記半導体基板と前記複数の電界集中部とのpn接合部分にアバランシェ降伏を起こさせることを特徴とする半導体装置。 A second conductivity type semiconductor layer, a drift layer, and an ohmic contact layer of the second conductivity type semiconductor, which are epitaxially formed in order by a wide band gap semiconductor of the same type as the semiconductor substrate on the first conductivity type semiconductor substrate;
First and second electrodes respectively formed on the lower surface of the semiconductor substrate and the upper surface of the ohmic contact layer;
A plurality of electric field concentration portions formed in the semiconductor substrate in contact with the second conductivity type semiconductor layer side interface and formed by a second conductivity type impurity having a higher concentration than the second conductivity type semiconductor layer;
And a reverse bias voltage is applied between the first and second electrodes to cause avalanche breakdown at a pn junction portion between the semiconductor substrate and the plurality of electric field concentration portions.
第1導電型の半導体基板上に、該半導体基板と同一種類のワイドバンドギャップ半導体によって第1の第2導電型半導体層をエピタキシャルに形成する工程と、
所定の口径の孔を所定の面密度で形成したマスクを用いて、前記第1の第2導電型半導体層に第1導電型不純物をイオン注入し、注入した第1導電型不純物を活性化させて、前記第1の第2導電型半導体層内にその前記半導体基板側界面から上に向かって凸状に電界集中部を形成することにより当該電界集中部と前記第1の第2導電型半導体層との間に前記pn接合部分を形成する工程と、
前記第1の第2導電型半導体層上に、前記半導体基板と同一種類のワイドバンドギャップ半導体によってドリフト層および第2導電型半導体のオーミックコンタクト層を順にエピタキシャルに形成する工程と、
前記半導体基板の下面と前記オーミックコンタクト層の上面にそれぞれ前記逆バイアス電圧を印加するための第1と第2の電極を形成する工程と、を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device in which an avalanche breakdown is caused in a pn junction by applying a reverse bias voltage,
Forming a first second conductivity type semiconductor layer epitaxially on a first conductivity type semiconductor substrate with a wide bandgap semiconductor of the same type as the semiconductor substrate;
A first conductivity type impurity is ion-implanted into the first second conductivity type semiconductor layer using a mask in which holes having a predetermined diameter are formed at a predetermined surface density, and the implanted first conductivity type impurities are activated. Then, an electric field concentration portion is formed in the first second conductivity type semiconductor layer so as to protrude upward from the interface on the semiconductor substrate side, whereby the electric field concentration portion and the first second conductivity type semiconductor are formed. Forming the pn junction portion between the layers;
A step of epitaxially forming a drift layer and an ohmic contact layer of a second conductivity type semiconductor in order on the first second conductivity type semiconductor layer by a wide band gap semiconductor of the same type as the semiconductor substrate;
Forming a first electrode and a second electrode for applying the reverse bias voltage to the lower surface of the semiconductor substrate and the upper surface of the ohmic contact layer, respectively.
第1導電型の半導体基板上に、該半導体基板と同一種類のワイドバンドギャップ半導体によって第2導電型半導体層をエピタキシャルに形成する工程と、
所定の口径の孔を所定の面密度で形成したマスクを用いて、前記第2導電型半導体層に第2導電型不純物をイオン注入し、注入した第2導電型不純物を活性化させて、前記第2導電型半導体層内にその前記半導体基板側界面に接しかつ前記第2導電型半導体層よりも高い濃度の第2導電型不純物を含む複数の電界集中部を形成することにより当該電界集中部と前記半導体基板との間に前記pn接合部分を形成する工程と、
前記第2導電型半導体層上に、前記半導体基板と同一種類のワイドバンドギャップ半導体によってドリフト層および第2導電型半導体のオーミックコンタクト層を順にエピタキシャルに形成する工程と、
前記半導体基板の下面と前記オーミックコンタクト層の上面にそれぞれ前記逆バイアス電圧を印加するための第1と第2の電極を形成する工程と、を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device in which an avalanche breakdown is caused in a pn junction by applying a reverse bias voltage,
Forming a second conductivity type semiconductor layer epitaxially on the first conductivity type semiconductor substrate with a wide band gap semiconductor of the same type as the semiconductor substrate;
Using a mask in which a hole having a predetermined aperture is formed with a predetermined surface density, a second conductivity type impurity is ion-implanted into the second conductivity type semiconductor layer, and the implanted second conductivity type impurity is activated, Forming a plurality of electric field concentration portions in the second conductivity type semiconductor layer in contact with the semiconductor substrate side interface and containing a second conductivity type impurity having a higher concentration than the second conductivity type semiconductor layer; Forming the pn junction between the semiconductor substrate and the semiconductor substrate;
A step of epitaxially forming a drift layer and an ohmic contact layer of a second conductivity type semiconductor in order on the second conductivity type semiconductor layer by a wide band gap semiconductor of the same type as the semiconductor substrate;
Forming a first electrode and a second electrode for applying the reverse bias voltage to the lower surface of the semiconductor substrate and the upper surface of the ohmic contact layer, respectively.
所定の口径の孔を所定の面密度で形成したマスクを用いて、第1導電型の半導体基板の表面領域に第2導電型不純物をイオン注入し、注入した第2導電型不純物を活性化させて、前記半導体基板の表面領域に第2導電型半導体の複数の電界集中部を形成することにより当該電界集中部と前記半導体基板との間に前記pn接合部分を形成する工程と、
前記半導体基板上に、該半導体基板と同一種類のワイドバンドギャップ半導体によって、前記複数の電界集中部よりも低い濃度の第2導電型不純物を含む第2導電型半導体層、ドリフト層、および第2導電型半導体のオーミックコンタクト層を順にエピタキシャルに形成する工程と、
前記半導体基板の下面と前記オーミックコンタクト層の上面にそれぞれ前記逆バイアス電圧を印加するための第1と第2の電極を形成する工程と、を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device in which an avalanche breakdown is caused in a pn junction by applying a reverse bias voltage,
A second conductivity type impurity is ion-implanted into the surface region of the first conductivity type semiconductor substrate using a mask in which holes of a predetermined diameter are formed with a predetermined surface density, and the implanted second conductivity type impurities are activated. Forming a pn junction portion between the electric field concentration portion and the semiconductor substrate by forming a plurality of electric field concentration portions of a second conductivity type semiconductor in the surface region of the semiconductor substrate;
A second conductive type semiconductor layer, a drift layer, and a second layer including a second conductive type impurity having a lower concentration than the plurality of electric field concentration portions on the semiconductor substrate by the same type of wide band gap semiconductor as the semiconductor substrate. A step of epitaxially forming ohmic contact layers of a conductive semiconductor in sequence;
Forming a first electrode and a second electrode for applying the reverse bias voltage to the lower surface of the semiconductor substrate and the upper surface of the ohmic contact layer, respectively.
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