JP5607120B2 - 炭化珪素ショットキダイオード - Google Patents

Description

本発明は、炭化珪素ショットキダイオードに関するものである。

炭化珪素ショットキダイオードが、特許文献１に半導体装置として開示されている。この炭化珪素ショットキダイオードは、特許文献１の図１に示すようにn型の炭化珪素半導体基板の裏面上および裏面上に電極を備えており、表面上の電極は従来から知られたショットキ電極である。

ショットキ電極が形成される炭化珪素半導体基板には、当該ショットキ電極の周囲を取囲むように不純物が導入されており、この不純物の導入によってガードリング（Ｐ型不純物領域３）が形成されている。

前記ショットキ電極は、端部が炭化珪素半導体基板の表面上においてガードリングに接するように形成され、耐圧向上が図られている。

また炭化珪素半導体基板の表面上には、ショットキ電極の周囲に絶縁膜として酸化膜が形成されている。この酸化膜は、いわゆるパッシベーションであり、このパッシベーションによって空乏層の広がりを制御できるとともにｐｎ接合面を保護することができ、もって外部から汚染物質の進入を防止して特性の劣化防止を図ることができる。

ところでパッシベーションとショットキ電極との位置関係は、特許文献１に示す以外に例えば特許文献２に示す配置構造も考えられる（本願の図３参照）。

特許文献２の炭化珪素ショットキダイオードは、図３に示すように特許文献１の炭化珪素ショットキダイオードと異なり、ショットキ電極の端が絶縁膜上にかかるように配置されており、換言すれば絶縁膜の端がショットキ電極およびガードリング間に挟持されている。

このように、絶縁膜がガードリングとショットキ電極との間で挟持されるように配置することで、耐圧の向上が確認されている。
特開２００５−７９３３９ 特開２００６−３２４５８５

ところで、前記した図３に示す炭化珪素ショットキダイオードは、時に耐圧変動を招くことがある。しかし、この耐圧変動を引起こす原因は解明されていない。
そこで発明者は、耐圧変動を招き難い炭化珪素ショットキダイオードの条件を求めるべく、実験を繰り返した。

本発明は上記した事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、耐圧変動が抑制し得る炭化珪素ショットキダイオードを提供することにある。

本発明は、前記目的を達成するために創案されたものであり、炭化珪素半導体基板の表面に形成されるショットキ電極と、該ショットキ電極の周囲を取囲むべく、炭化珪素半導体基板の表面に不純物が導入されて成るガードリングと、該ガードリング上に延在すると共に当該ガードリングの周囲を取囲むように前記炭化珪素半導体基板の表面上に延在する絶縁膜と、を備え、前記ショットキ電極は前記炭化珪素半導体基板の表面上において前記ガードリングに接し、かつ前記絶縁膜上にも延在する炭化珪素ショットキダイオードにおいて、前記ガードリングの幅寸法比を１０、前記ショットキ電極が前記ガードリングに接する幅寸法比を１、前記絶縁膜上に延在する前記ショットキ電極の先端から前記ガードリングの外周端までの離間距離比をＸとするとき、前記離間距離比Ｘは、３〜９内に設定されていることを特徴とする。

本発明の本発明の炭化珪素ショットキダイオードは、ガードリングの幅寸法比を１０とし、ショットキ電極がガードリングに接する幅寸法比を１とし、絶縁膜上に延在するショットキ電極の先端からガードリングの外周端までの離間距離比をＸとし、該離間距離比Ｘを３〜９内に設定する。これにより、絶縁膜の膜厚の違いによる耐圧変動を抑制することができる。

以下、図面を用いて、本発明の実施形態を詳細に説明するが、以下の説明では、実施の形態に用いる図面について同一の構成要素は同一の符号を付し、かつ重複する説明は可能な限り省略する。

本発明の炭化珪素ショットキダイオード１０は、図２に示すようにn型の炭化珪素半導体基板１の表面に形成されるアノードのためのショットキ電極２と、該ショットキ電極２の周囲を取囲むべく、炭化珪素半導体基板１の表面にｐ型のガードリング３と、該ガードリング３上に延在すると共に当該ガードリング３の周囲を取囲むように炭化珪素半導体基板１の表面上に延在する絶縁膜４と、炭化珪素半導体基板１の裏面に形成されるカソードのための裏面電極５と、ショットキ電極２上に形成される半田とを備えており、ショットキ電極２は炭化珪素半導体基板１の表面上においてガードリング３に接し、かつ絶縁膜４上にも延在するように形成されている。

炭化珪素半導体基板１は、窒素濃度５Ｅ１８ｃｍ−３で示される濃度のバルク基板１１と、該バルク基板上に１Ｅ１６ｃｍ−３で示される濃度でエピタキシャル成長させて成るエピタキシャル層１２とを有しており、バルク基板１１は例えば３５０μｍの厚さ寸法を有し、エピタキシャル層１２は例えば１０μｍの厚さ寸法を有している。

炭化珪素半導体基板１のエピタキシャル層１２の表面近傍には、ガードリング３が形成されている。このガードリング３は、エピタキシャル層１２の表面に所定形状のマスクを施した後、ｐ型の不純物として例えばＡｌを３０−４００keＶの条件で多段にイオン注入することで、平面から見て矩形を基調とするリング状に形成される。尚、前記した注入条件により、ガードリング３は、２Ｅ１７ｃｍ−３〜５Ｅ１７ｃｍ−３の不純物濃度に設定される。

ガードリング３は、そのリング内径が３００μｍを有するように形成されており、リングを成す線を断面で見ると、その形状は矩形状であり、例えば横幅寸法が１００μｍおよび表面からの深さ寸法が０．５μｍとなるように形成されている。

炭化珪素半導体基板１のエピタキシャル層１２の表面には、ショットキ電極２が形成されている。詳細にはショットキ電極２はガードリング３によって規定されるリング形状の内側全面に亘って延在しており、その端部はガードリング３の内側において該ガードリング３の一部に接して更に絶縁膜４上に延在する。

ところで、ショットキ電極２は、複数種類の金属を用いた積層構造であり、例えばチタンを０．５μｍの厚さ寸法で蒸着させた後、その上に順にアルミを３μｍの厚さ寸法で蒸着させて形成される。

炭化珪素半導体基板１のエピタキシャル層１２の表面上に形成される絶縁膜４は、積層構造であり、例えば下から順に熱酸化膜を０．０６μｍの厚さ寸法およびＰＳＧを１μｍの厚さ寸法で形成後、更にその上に窒化膜を０．１μｍの厚さ寸法で形成する。

熱酸化膜は、ドライ酸化膜（乾燥酸化膜）であり、当該乾燥酸化膜の形成後にＮＯ又はＮ_２Ｏを用いてアニールを施してもよい。

また、熱酸化膜上に形成される窒化膜は、熱酸化膜の端から約４μｍ内側で終端するように形成されている（図４参照）。

前記した構造の絶縁膜４は、図２に示すようにガードリング３の周囲を取囲むように延在しており、またガードリング３の外周側、すなわちガードリング３外側の当該ガードリング３が形成されないエピタキシャル層１２の表面上にも延在するように形成されている。その延在する長さ寸法は、ガードリング３の外周から例えば５０μｍに設定されている。

また、ガードリング３の内側表面の例えば１０μｍには絶縁膜４が延在しておらず、この部位にはショットキ電極２の端部が延在している。ガードリング３の内側表面に延在するショットキ電極２により、ガードリング３およびショットキ電極２が電気的に接続される。

ショットキ電極２は、ガードリング３の内側表面から該ガードリング３の表面上に形成された絶縁膜４上にも延在しており、絶縁膜４上に延在するショットキ電極２の先端からガードリングの外周端までの離間距離比をＸ、ショットキ電極２がガードリング３の内側表面において接する幅寸法比を１、ガードリングの横幅寸法比（リングを成す線の横幅寸法比）を１０とするとき、離間距離比は３〜９となるように設定されている。

ここで前記した構成の炭化珪素ショットキダイオード１０の動作を説明する。
先ず、裏面電極５を接地し、ショットキ電極２に正電圧を印加すると、順バイアスとなり、ショットキ電極２から裏面電極５方向へ電流が流れる。

一方、ショットキ電極２を接地し、裏面電極５に正電圧を印加した場合、ショットキ電極２から印加される電圧により、ガードリング３電圧を印加すると、逆バイアスとなり遮断特性を示す。この遮断特性が当該炭化珪素ショットキダイオード１０の耐圧であり、炭化珪素ショットキダイオード１０の性能指標の一つとして用いられている。

ところで、前記した耐圧の変動幅は一定であることが指標として好ましい。つまり、炭化珪素ショットキダイオード１０を複数作成すると、炭化珪素および絶縁膜の界面の固定電荷に差を招き易く、このような場合であっても炭化珪素ショットキダイオード１０の耐圧の乖離幅（乖離値）が狭いことが一定の品質を確保する上で重要となる。そこで発明者は実験を重ね各炭化珪素ショットキダイオード１０における耐圧の乖離幅が小さくなる好適条件を見出した。

次に、好適条件について図を用いて説明する。
図１（ａ）には、条件の異なる複数の半導体装置の耐圧特性がグラフに纏められており、図１（ｂ）には、好適条件を説明するためのガードリング３周辺の拡大図が示されている。

先ず、条件内容を説明する。
図１（ｂ）に示すように、ガードリング３の幅寸法比を１０とし、ショットキ電極２がガードリング３に接する幅寸法比を１とし、絶縁膜４上に延在するショットキ電極２の先端からガードリング３の外周端までの離間距離比をＸとするとき、離間距離比Ｘが３〜９内に設定されている。この設定は、図１（ａ）に示す耐圧特性がグラフに基づいている。

図１（ａ）に示すグラフは、絶縁膜４上に延在するショットキ電極２の先端からガードリングの外周端までの離間距離比と耐圧との関係を示すグラフであり、離間距離比を−４〜９まで１ずつ遷移させたときの耐圧の変動状態を纏めたものである。

このグラフには、各離間距離比における複数の炭化珪素ショットキダイオード１０の耐圧が示されており、各離間距離比における耐圧の最大値および最小値が棒グラフ（バー）によって示されており、各離間距離比における平均値が丸印で示されている。

ところでグラフにおける離間距離比のマイナス表記は、ショットキ電極２がガードリング３の外周端よりも、外側に延在していることを示している。

例えば本実施例においては、離間距離比が−１ときとき、ショットキ電極２がガードリング３の外周端より１０μｍ外側まで延在しており、離間距離比が−４のとき、ショットキ電極２がガードリング３の外周端より４０μｍ外側まで延在していることを示している。

尚、図１（ａ）に示すグラフにおいて、いずれの炭化珪素ショットキダイオード１０も絶縁膜４がガードリング３の外周端より５０μｍ外側まで延在している。

図１（ａ）のグラフで明らかなように、離間距離比を３〜９に設定すると、耐圧変動の乖離幅が小さく、それ以下に離間距離比を設定すると耐圧変動の乖離幅が大きくなる。

尚、図１（ａ）のグラフに示されていないが、離間距離比が１０のとき、すなわちショットキ電極２の端部がガードリング３上に延在しないとき、耐圧は３００Ｖ程度しか得ることができず、これについては別途行った実験で確認されている。

ところで発明者は、離間距離比を３〜９に設定すると、耐圧変動の乖離幅が小さくなることについて、以下のように考えている。

ショットキ電極２端部が外側になるにつれて絶縁膜４に加わる電界が強くなるが、絶縁膜４自体の耐圧に起因しているのではないかと考えた。これは、別途行った絶縁膜４自体の耐圧を求めた実験に基づいている。

この実験結果は図５に示すグラフに纏められており、当該グラフから明らかなように絶縁膜４自体に４５０Ｖ〜６５０Ｖと耐圧にバラツキがある。

そこで、ショットキ電極２端部が外側になるにつれ、すなわち離間距離比が３未満になるに従い、ショットキ電極２が絶縁膜４の影響を受け易く、もって耐圧がバラツキ易いのではないかと発明者は考えている。

以上述べたように、本発明の炭化珪素ショットキダイオード１０は、ガードリング３の幅寸法比を１０とし、ショットキ電極２がガードリング３に接する幅寸法比を１とし、絶縁膜４上に延在するショットキ電極２の先端からガードリングの外周端までの離間距離比をＸとし、該離間距離比Ｘを３〜９内に設定することにより、耐圧変動を抑制することができ、もって耐圧特性の安定した炭化珪素ショットキダイオードを提供することができる。

次に、前記した実施例１の条件下において、絶縁膜４を構成するＰＳＧの膜厚によって耐圧変動があるのではないかと考え、ＰＳＧの膜厚を遷移させたときの耐圧を求め、これを図６に示すグラフに纏めた。

図６のグラフには、絶縁膜４を構成するＰＳＧの膜厚を１μｍのときの耐圧（白丸印の折れ線グラフ）と、2μｍのときの耐圧（黒丸印の折れ線グラフ）とが示されており、それぞれの膜厚において前記した実施例１と同様に絶縁膜４上に延在するショットキ電極２の先端からガードリングの外周端までの離間距離比と耐圧との関係を示すグラフであり、離間距離比を−４〜９まで１ずつ遷移させたときの耐圧の変動状態を纏めたものである。

当該グラフから明らかなように、ＰＳＧが1μｍのときより２μｍのとき乖離幅が狭く、更に離間距離比Ｘが４〜９において特に乖離幅が狭く耐圧が高いことが確認されている。尚、この乖離幅と耐圧との傾向について、発明者はＰＳＧの膜厚が薄いと、当該ＰＳＧを含む絶縁膜４において耐圧バラツキを誘引し易いのではないかと考えている。また、発明者は、少なくともＰＳＧの膜厚が1μｍより厚く、２μｍ以下の厚さ寸法までの範囲において同様な特性を得ることを確認している。

以上述べたいように、ＰＳＧの膜厚を1μｍより厚く２μｍ以下にすると共に、離間距離比Ｘを４〜９に設定することで、耐圧の乖離幅が狭く耐圧が高い炭化珪素ショットキダイオードを得ることができる。

（ａ）は本発明の離間距離比の変動と耐圧の関係を示すグラフであり、（ｂ）は離間距離比を示す断面図である。 本発明の炭化珪素ショットキダイオードの構造を示す断面図である。 従来の炭化珪素ショットキダイオードの構造を示す断面図である。 絶縁膜の詳細構造を示す断面図である。 絶縁膜における耐圧のバラツキを示すグラフである（実施例１）。 絶縁膜を構成するＰＳＧの膜厚が１μｍおよび２μｍのときの離間距離比の変動と耐圧の関係を示すグラフである（実施例２）。

１ 炭化珪素半導体基板
２ ショットキ電極
３ ガードリング
４ 絶縁膜
５ 裏面電極
６ 半田
１０ 炭化珪素ショットキダイオード
１１ バルク基板
１２ エピタキシャル層

Claims (4)

1. 炭化珪素半導体基板の表面に形成されるショットキ電極と、該ショットキ電極の周囲を取囲むべく、炭化珪素半導体基板の表面に不純物が導入されて成るガードリングと、該ガードリング上に延在すると共に当該ガードリングの周囲を取囲むように前記炭化珪素半導体基板の表面上に延在する絶縁膜とを備え、
   前記ショットキ電極は、前記炭化珪素半導体基板の表面上において前記ガードリングに接し、かつ、前記絶縁膜上にも延在し、
   前記ガードリング、前記絶縁膜及び前記ショットキ電極により構成される周辺耐圧構造を有する炭化珪素ショットキダイオードにおいて、
   前記絶縁膜は、下から順に熱酸化膜、ＰＳＧおよび窒化膜の順に積層された構造を有することを特徴とする炭化珪素ショットキダイオード。
2. 前記ＰＳＧの厚さ寸法は、１μｍより厚く２μｍ以下に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素ショットキダイオード。
3. 前記熱酸化膜は乾燥酸化膜であることを特徴とする請求項１又は２に記載の炭化珪素ショットキダイオード。
4. 前記窒化膜は、前記熱酸化膜の端から４μｍ内側で終端するように形成されてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の炭化珪素ショットキダイオード。

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