KR100482845B1 - 탄화규소 백투백 쇼트키 장벽 다이오드 구조체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 두 개의 소자의 연결을 위한 접합 매개물이 불필요하고, 높은 항복 전압을 용이하게 구현할 수 있으며, 서어지 전류에도 쉽게 파괴되지 않는 탄화규소 백투백 쇼트키 장벽 다이오드 구조체를 제공하고자 한다.

본 발명에 따른 탄화규소 백투백 쇼트키 장벽 다이오드 구조체는 몸체의 중심부에 위치하는 것으로, 반도체 소자를 제조하기 위한 대상물질로서 모재를 이루는 탄화규소 단결정 기판; 탄화규소 단결정 기판의 상면 및 하면에 각각 형성되며, 항복 전압에 관여하는 상부 및 하부 탄화규소 에피탁시층; 및 상부 및 하부 에피탁시층의 표면에 각각 형성되며, 탄화규소와 쇼트키 특성을 보이는 한편 전극 역할을 수행하는 상부 및 하부 쇼트키 금속접합층을 포함하여 구성된다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 한 개의 탄화규소 단결정 기판의 양쪽면에 쇼트키 금속접합층이 각각 형성되어 있는 구조로 되어 있으므로, 한 개의 소자로 두 개의 소자를 잇대어 붙인 것과 동일한 전기적 특성을 발휘할 수 있고, 오믹 접합이 필요하지 않아 제조공정을 줄일 수 있으며, 고장 확률을 낮추고, 높은 항복전압을 용이하게 구현할 수 있으며, 우수한 서어지 흡수능력을 발휘할 수 있다.

Description

탄화규소 백투백 쇼트키 장벽 다이오드 구조체{Silicon carbide back-to-back Schottky barrier diode structure}

본 발명은 반도체 다이오드 구조체에 관한 것으로서, 더 상세하게는 한 개의 탄화규소 단결정 기판의 양쪽면에 쇼트키 금속접합층이 각각 형성되어 있는 구조로서, 두 개의 소자의 연결을 위한 금속접합층과 같은 접합 매개물이 불필요하고, 높은 항복 전압을 용이하게 구현할 수 있으며, 서어지 전류에도 쉽게 파괴되지 않는탄화규소 백투백 쇼트키 장벽 다이오드 구조체에 관한 것이다.

일반적으로, 쇼트키 다이오드는 가장 단순한 구조의 반도체로 알려져 있다. 예를 들어 pn 다이오드는 p형 반도체 영역과 n형 반도체 영역의 2가지의 서로 다른 불순물 영역이 필요하며 각각의 영역은 금속 전극과 접합되어 있다. 이에 반해 쇼트키 다이오드는 그 불순물 농도가 낮은 n형 혹은 p형 반도체 영역중 어느 한 가지의 불순물 영역만 있어도 이를 금속과 접합하면 쇼트키 다이오드를 제조할 수 있으며, 이에 따라 가장 간단한 구조의 다이오드라고 할 수 있다.

실리콘 쇼트키 다이오드는 제조하기가 용이하다는 장점이 있는 반면에, 그 특성상 200V 이상의 항복 전압을 얻기가 힘들다. 쇼트키 다이오드의 장점을 이용하면서도 높은 항복 전압이 필요한 경우에는 여러 개의 쇼트키 다이오드를 직렬로 연결하여 사용하여야 한다. 따라서, 높은 항복 전압의 쇼트키 다이오드는 여러 개의 쇼트키 다이오드를 금속적인 접합 방법을 통하여 직렬 연결하여 사용하므로, 제조공정이 번거로울 뿐만이 아니라 반도체 자체의 문제 이외에도 금속접합 등의 패키지에 의하여 불량이 발생할 확률이 높다. 특히 서어지 처리를 위해서는 백투백 구조를 사용할 수 있는데 이 또한 별도로 제작된 두 개의 다이오드를 서로 역방향으로 배열하여 패키지하는 방식을 주로 사용하였다.

한편, 높은 항복 전압을 가진 탄화규소 쇼트키 다이오드에 대하여 많은 연구보고가 있었다. 탄화규소 쇼트키 다이오드는 한 쪽에는 쇼트키 접합 구조를, 다른한 쪽에는 오믹(ohmic) 접합 구조를 가지고 있다. 탄화규소와의 쇼트키 접합을 위하여 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 백금(Pt), 금(Au) 등의 여러 금속을 사용할 수 있는데, 금속의 종류에 따라 순방향 특성과 역방향 특성에서 차이가 있다. 예를 들면, Ti와 탄화규소 간의 쇼트키 접합은 Ni 쇼트키 접합에 비하여 전류밀도가 낮은 영역에서 순방향 전압강하가 작은 특성을 보인다. 특히 기판 배면의 오믹 접합은 특성이 우수한 탄화규소 쇼트키 다이오드를 제작하기 위하여 필수적인데 실리콘계 소자에 비하여 특별한 열처리 기술이 필요하다. 예를 들어, 니켈로 오믹 접합을 형성하려면 탄화규소 기판에 니켈막을 형성한 후 아르곤 분위기에서 950∼1050℃까지 가열한 후 1∼2분 동안 유지하여 오믹 접합을 형성한다. 오믹 접합을 형성하기 위한 고온 급속가열 공정은 탄화규소 쇼트키 다이오드를 제작하는데 있어 기술적인 어려움 중의 하나이다.

탄화규소는 실리콘보다 훨씬 높은 절연파괴전계 특성을 지니고 있어, 항복 전압이 매우 높으면서도 순방향 통전 시 전압강하가 작은 반도체를 제조할 수 있다. 국내외의 여러 연구단체들에 의해 두께가 10㎛인 n형 탄화규소 에피탁시 (epitaxy)층을 사용하여 항복 전압이 1,000V 이상인 쇼트키 다이오드가 제조되었음이 보고되고 있다. 약 10㎛ 두께의 에피탁시층을 사용하여 1,000V 이상의 항복 전압을 얻을 수 있음은 매우 획기적인 것으로, 특히 실리콘 소자에서 유사한 항복전압을 얻기 위해서는 약 100㎛ 두께의 에피탁시층이 필요함을 감안할 때, 탄화규소 소자가 실리콘 소자보다 항복전압 특성이 뛰어나다고 할 수 있다.

도 1 및 도 2는 종래 탄화규소 쇼트키 다이오드를 나타낸 것으로서, 도 1은 수직 구조도이고, 도 2는 등가회로도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 탄화규소 단결정 기판(100)의 한 쪽 표면에 탄화규소 에피탁시층(101)이 형성된 모재가 사용되고 있다. 에피탁시층(101)의 도펀트 (dopant)의 농도는 쇼트키 접합을 형성할 정도로 충분히 낮은 것이 사용되는데, 도펀트의 형(type)은 기판(100)과 동일한 것, 즉 기판(100)이 n형이면 에피탁시층 (101)도 n형이, 기판(100)이 p형이면 에피탁시층(101)도 p형이 사용된다. 전면과 배면에는 각각 금속접합 구조를 가지는데, 에피탁시층(101)의 표면에는 쇼트키 금속접합층(102)이, 그 배면인 단결정 기판(100)의 표면에는 오믹 금속접합층(103)이 존재한다.

이상과 같은 구조의 탄화규소 쇼트키 다이오드의 항복 전압은 주로 에피탁시층(11)의 두께에 의해 결정된다.

도 3은 상기 도 1과 같은 구조의 탄화규소 쇼트키 다이오드 2개를 같은 극끼리 서로 마주보도록 잇대어 제작한 구조를 보여주는 것으로서, 도 3의 (A)는 도 1의 구조를 가진 2개의 쇼트키 다이오드의 쇼트키 금속접합층(102) 간을 접합을 목적으로 하는 별도의 금속접합층(110)을 매개로 하여 서로 접착시킨 구조이고, 도 3의 (B)는 오믹 금속접합층(103) 간을 상기 금속접합층(110)을 매개로 하여 서로 접착시킨 구조이다.

도 4는 도 3의 백투백 쇼트키 다이오드 구조에 대한 등가회로를 나타낸 것으로서, 도 4의 (A)는 n형 탄화규소 기판과 n형 탄화규소 에피탁시층을 이용하여 만든 백투백 쇼트키 다이오드의 등가회로도이고, 도 4의 (B)는 p형 탄화규소 기판과 p형 탄화규소 에피탁시층을 이용하여 만든 백투백 쇼트키 다이오드의 등가회로도이다.

그런데, 이상과 같이 각각 별도로 제작된 탄화규소 쇼트키 다이오드 소자 2개를 금속접합층(110)을 매개로 하여 도 3의 (A) 및 (B)와 같이 서로 마주보는 구조로 제작하거나, 혹은 여러 개의 실리콘 다이오드를 서로 마주보는 구조로 잇대어 제작하여 백투백 구조의 다이오드를 제조할 경우 다음과 같은 단점 또는 문제점이 있다.

첫째, 금속접합층(110)과 같이 두 개의 소자를 연결하기 위한 구조물이 필요하다. 즉, 복수의 소자를 전기적으로 연결하면서도 안정적인 구조물로 확고히 지지하기 위한 금속 또는 그 합금을 매개로 한 접합 구조물이 필요한 것이다.

둘째, 공정이 추가되고 제조 비용이 상승된다. 복수의 소자를 전기적으로 연결하면서도 안정적인 구조물로 확고히 지지하기 위하여 금속 또는 그 합금을 매개로 한 접합공정이 필요하며, 그로 인해 제조 비용이 상승하게 되는 것이다.

셋째, 금속과 반도체 간에 오믹 접합 공정이 필요하다. 대부분의 반도체에서 전극을 연결하기 위하여 오믹 접합 공정이 필요하다. 특히, 탄화규소에서는 오믹 접합 공정이 고온 급속 열처리를 필요로 하여 기술적인 어려움이 수반된다.

넷째, 금속접합이 많아질수록 고장 확률이 높아진다. 장시간 사용하였을 경우에 상기 금속접합층(110)의 계면에서 결함이 발생하여 고장날 확률이 있으며, 이는 금속 접합의 갯수가 많아질수록 고장 확률이 높아질 수 밖에 없다.

다섯째, 높은 항복전압을 구현하기 위해서는 많은 공정 단계가 필요하고, 서어지에 의한 순간적인 과열로 소자가 쉽게 파괴된다.

본 발명은 이상과 같은 종래 백투백 쇼트키 다이오드 구조체에 있어서의 단점 및 문제점을 감안하여 창출된 것으로서, 두 개의 소자의 연결을 위한 금속접합층과 같은 접합 매개물이 불필요하고, 높은 항복 전압을 용이하게 구현할 수 있으며, 서어지 전류에도 쉽게 파괴되지 않는 탄화규소 백투백 쇼트키 장벽 다이오드 구조체를 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 탄화규소 백투백 쇼트키 장벽 다이오드 구조체는,몸체의 중심부에 위치하는 것으로, 반도체 소자를 제조하기 위한 대상물질로서 모재를 이루며, 그 불순물 농도가 1×10¹⁸/㎤ 보다 높고 1×10²¹/㎤ 보다 낮은 값을 갖는 탄화규소 단결정 기판;

상기 탄화규소 단결정 기판의 상면 및 하면에 각각 형성되며, 항복 전압에 관여하는 것으로, 그 불순물 농도가 1×10¹³/㎤ 보다 높고 5×10¹⁷/㎤ 보다 낮은 값을 갖는 상부 및 하부 탄화규소 에피탁시층; 및

삭제

상기 상부 및 하부 에피탁시층의 표면에 각각 형성되며, 탄화규소와 쇼트키 특성을 보이는 한편 전극 역할을 수행하는 상부 및 하부 쇼트키 금속접합층을 포함하여 구성된 점에 그 특징이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 5는 본 발명에 따른 탄화규소 백투백 쇼트키 장벽 다이오드 구조체의 구조를 보여주는 도면이다.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 탄화규소 백투백 쇼트키 장벽 다이오드 구조체는 그 중심부에 위치하는 것으로, 반도체 소자를 제조하기 위한 대상물질로서 모재를 이루는 탄화규소 단결정 기판(500)과, 그 탄화규소 단결정 기판(500)의 상면 및 하면에 각각 형성되며, 항복 전압에 관여하는 상부 및 하부 탄화규소 에피탁시층(501)(502)과, 그 상부 및 하부 에피탁시층(501)(502)의 표면에 각각 형성되며, 탄화규소와 쇼트키 특성을 보이는 한편 전극 역할을 수행하는 상부 및 하부 쇼트키 금속접합층(503)(504)을 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 탄화규소 단결정 기판(500)은 불순물 농도가 1×10¹⁸/㎤ 보다 높고 1×10²¹/㎤ 보다 낮은 농도를 갖는 단결정 기판을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 상부 및 하부 탄화규소 에피탁시층(501)(502)은 불순물 농도가 1×10¹³/㎤ 보다 높고 5×10¹⁷/㎤ 보다 낮은 농도로 형성하는 것이 바람직하다. 이는 에피탁시층(501)(502)의 불순물 농도가 상기 단결정 기판(500)의 불순물 농도보다 낮아야 탄화규소와 금속간의 쇼트키 접합을 원활히 수행할 수 있기 때문이다.

한편, 상기 탄화규소 에피탁시층(501)(502)의 도펀트의 형(type)은 탄화규소 단결정 기판(500)의 형과 동일한 것을 취한다. 즉, 기판(500)이 n형이면 에피탁시층(501)(502)도 n형으로, 기판(500)이 p형이면 에피탁시층(501)(502)도 p형으로 형성하는 것이다. 또한, 쇼트키 다이오드의 항복전압을 향상시키기 위하여 에피탁시층(501)(502)의 표면 일부를 전계산화막으로 덮거나, n형 기판(500) 및 n형 에피탁시층(501)(502)으로 이루어진 다이오드 구조체의 n형 에피탁시층(501)(502)의 일부 영역에 p형 도펀트를 이온 주입하거나, 반대로 p형 기판(500) 및 p형 에피탁시층 (501)(502)으로 이루어진 다이오드 구조체의 p형 에피탁시층(501)(502)의 일부 영역에 n형 도펀트를 이온 주입할 수도 있다.

상기 쇼트키 금속접합층(503)(504)은 저농도 에피탁시층(501)(502)의 표면에 형성시킨 박막의 금속층으로서 전압-전류 특성이 오믹 특성을 보이지 않고 오직 쇼트키 특성을 보인다. 이와 같은 금속접합층(503)(504)의 형성을 위해 Ni, Ti, Pt, Au, Ta 등이 사용될 수 있다.

이상과 같은 구조의 본 발명의 탄화규소 백투백 쇼트키 장벽 다이오드 구조체는 상기 도 3의 (B)의 다이오드 구조에서 단결정 기판(100)과 기판(100) 사이에 존재하는 2개의 오믹 금속접합층(103)과 2개의 소자의 연결을 위한 1개의 금속접합층(110)을 없앤 구조일 뿐만이 아니라, 도 3의 (B)의 구조에서 2개의 탄화규소 단결정 기판(100)으로 분리된 것을 한 개의 탄화규소 단결정 기판(100)을 공유하는 구조적 특징을 갖는다. 이와 같은 본 발명의 백투백 쇼트키 다이오드 구조체에 대한 등가회로는 도 4의 (B)와 같다.

한편, 이상과 같이 본 발명의 다이오드 구조체는 탄화규소 단결정 기판(500)의 양쪽면에 쇼트키 접합이 형성되어 있으므로, 2개의 쇼트키 다이오드가 서로 반대방향으로 직렬 연결된 것과 같은 전기적 특성을 갖는다. 그리고, 양쪽면의 쇼트키 금속접합층(503)(504)을 각각 양극과 음극으로 하여 각각의 쇼트키 다이오드의 항복전압 이하의 전압을 인가할 경우에는 도통되지 않는다. 또한, 탄화규소 쇼트키 다이오드의 항복전압 이상의 전압이 인가되어 도통되는 경우에, 탄화규소의 높은 열전도도, 우수한 내열성으로 인해 소자가 파괴될 확률이 매우 낮아진다. 뿐만 아니라, 양쪽면의 쇼트키 금속접합층(503)(504)을 각각 양극과 음극으로 사용할 수 있으므로, 오믹 접합이 불필요하며, 이에 따라 탄화규소의 오믹 접합을 위한 고온 급속 열처리 공정이 필요치 않게 된다.

이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 탄화규소 백투백 쇼트키 장벽 다이오드 구조체는 한 개의 탄화규소 단결정 기판의 양쪽면에 쇼트키 금속접합층이 각각 형성되어 있는 구조로 되어 있으므로, 다음과 같은 장점 및 효과를 갖는다.

첫째, 한 개의 소자로 두 개의 소자를 잇대어 붙인 것과 동일한 전기적 특성을 발휘할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 백투백 구조의 탄화규소 쇼트키 다이오드는 한 개의 몸체에 두 개의 쇼트키 다이오드가 역방향으로 직렬 배열된 구조이므로, 별도로 제작된 두 개의 탄화규소 쇼트키 다이오드를 마주보는 모양으로 잇댄 구조와 전기적으로 동일한 특성을 발휘할 수 있는 것이다.

둘째, 오믹 접합이 필요하지 않으며, 그에 따른 공정을 줄일 수 있다. 양쪽면의 쇼트키 접합 금속층을 각각 양극과 음극으로 사용할 수 있으므로, 전극과의 연결을 위한 별도의 오믹 접합이 필요하지 않다. 탄화규소의 오믹 접합을 위해서는 950℃ 이상의 온도에서 급속 열처리 공정이 필요한데, 이를 생략할 수 있으므로 공정 단계를 줄일 수 있다.

셋째, 두 개의 소자의 연결을 위한 금속접합층이 없는 구조이므로, 공정을 줄이고 고장 확률을 낮출 수 있다. 본 발명에 따른 백투백 구조의 탄화규소 쇼트키 다이오드는, 종래 2개의 탄화규소 쇼트키 다이오드를 마주보는 형태로 잇댄 구조와 비교해 볼 때, 2개의 소자의 연결을 위한 금속접합층이 없는 구조이므로, 금속접합층 제조공정을 줄일 수 있다. 또한, 금속접합층이 없는 구조이므로, 서어지 전류가 흐를 때 금속접합층이 쉽게 용융됨으로써 발생하는 고장을 방지할 수 있다.

넷째, 실리콘 소자에 비해 항복 전압이 높은 소자를 제조하는데 유리하다. 동일한 구조의 실리콘 소자에 비해 탄화규소 소자는 훨씬 높은 항복 전압을 구현할 수 있다. 즉, 동일한 사양을 가진 n형 에피탁시 층에서 탄화규소 소자는 실리콘 소자에 비해 수배 높은 항복 전압을 얻을 수 있다. 이는 높은 항복 전압을 가진 소자를 제조하는데 탄화규소를 사용할 경우 유리한 점이다.

다섯째, 서어지 흡수능력이 우수하다. 본 발명에 따른 백투백 구조의 탄화규소 쇼트키 다이오드는 항복 전압 이하의 전압을 인가할 경우에는 어떤 방향으로든지 도통되지 않는다. 그리고, 항복 전압 이상의 전압이 인가되어 도통되더라도 물질 자체의 높은 열전도도와 높은 내열성으로 인하여 쉽게 파괴되지 않는다. 또한, 금속공정에 의한 극과 극간의 연결을 배제한 구조이므로, 도통시에 금속층의 파괴에 의한 고장을 방지할 수 있어 서어지 흡수용 소자로 탁월하다.

도 1은 종래 탄화규소 쇼트키 다이오드의 구조를 보여주는 도면.

도 2는 도 1의 다이오드의 등가회로도.

도 3의 (A) 및 (B)는 도 1의 탄화규소 쇼트키 다이오드 2개를 같은 극끼리 서로 마주보도록 잇대어 제작한 구조를 보여주는 도면.

도 4의 (A) 및 (B)는 도 3의 (A) 및 (B)의 각 다이오드 구조체에 대한 각각의 등가회로도.

도 5는 본 발명에 따른 탄화규소 백투백 쇼트키 장벽 다이오드 구조체의 구조를 보여주는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100,500...탄화규소 단결정 기판 101,501,502...탄화규소 에피탁시층

102,503,504...쇼트키 금속접합층 103...오믹 금속접합층

110...(두 소자간의 연결을 위한) 금속접합층

Claims (7)

1. 몸체의 중심부에 위치하는 것으로, 반도체 소자를 제조하기 위한 대상물질로서 모재를 이루며, 그 불순물 농도가 1×10¹⁸/㎤ 보다 높고 1×10²¹/㎤ 보다 낮은 값을 갖는 탄화규소 단결정 기판;

   상기 탄화규소 단결정 기판의 상면 및 하면에 각각 형성되며, 항복 전압에 관여하는 것으로, 그 불순물 농도가 1×10¹³/㎤ 보다 높고 5×10¹⁷/㎤ 보다 낮은 값을 갖는 상부 및 하부 탄화규소 에피탁시층; 및

   상기 상부 및 하부 에피탁시층의 표면에 각각 형성되며, 탄화규소와 쇼트키 특성을 보이는 한편 전극 역할을 수행하는 상부 및 하부 쇼트키 금속접합층을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 탄화규소 백투백 쇼트키 장벽 다이오드 구조체.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 탄화규소 단결정 기판이 n형으로 도핑되어 있고, 상기 상부 및 하부 탄화규소 에피탁시층도 n형으로 도핑되어 있는 것을 특징으로 하는 탄화규소 백투백 쇼트키 장벽 다이오드 구조체.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,

   상기 탄화규소 단결정 기판이 p형으로 도핑되어 있고, 상기 상부 및 하부 탄화규소 에피탁시층도 p형으로 도핑되어 있는 것을 특징으로 하는 탄화규소 백투백 쇼트키 장벽 다이오드 구조체.
6. 삭제
7. 삭제