JP2003258271A - 炭化けい素ショットキーダイオードおよびその製造方法 - Google Patents
炭化けい素ショットキーダイオードおよびその製造方法Info
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Abstract
イオードにおいて、順サージ電流耐量を向上させるため
の電極構造と形成方法を与える. 【解決手段】 本発明によれば、ガードリング4を有す
るSiCショットキーダイオードにおいて、ガードリン
グ4に電気的接続をとる第2の電極層6としてショット
キー電極層5とは別の材料を用いることによって、ガー
ドリング4に対するオーミック性を確保することによ
り、整流性能を劣化させることなく、順サージ電流に対
する耐量を向上させることができ、信頼性の高いSiC
ショットキーダイオードを得ることができる。
Description
けい素(以下SiCと記す)を用いたSiCショットキ
ーダイオードの構造およびその製造方法であって、特に
順方向サージ耐量を向上させることに関するものであ
る。
電界強度を持つため、大電力、高耐圧の電力用デバイス
への応用が展開されている。ショットキーダイオードは
少数キャリアの注入がほとんど無いため高速スイッチン
グができる。また構造が簡単なため、製造が比較的容易
でSiCデバイスの実用化の一番手となった。従来のS
iのショットキーダイオードでは、高耐圧化しようとす
ると、シリーズ抵抗分が急激に大きくなる結果、順電圧
が高くなり、実用的でなくなってくる。また、バンドギ
ャップが小さいため、特に、接合温度が上がると少数キ
ャリアの注入が多くなり、高速スイッチングができなく
なる。Siに対してSiCは広いバンドギャップを持つ
ため高耐圧、高温動作においても少数キャリアの注入は
少なく、また、高い最大電界強度を持つため高耐圧の領
域においてもシリーズ抵抗分はそれほど大きくならな
い。
ードの構造の例を説明する図である。SiCショットキ
ーダイオードでは安定した耐圧と高信頼度を得るために
ショットキー電極層5周辺部にn型SiCエピタキシャ
ル層2とは逆の導電型のガードリング4を設けている。
ショットキー電極層5はn型SiCエピタキシャル層2
とガードリング4の表面に形成されている。ショットキ
ー電極層5はn型SiCエピタキシャル層2の界面でシ
ョットキー接合を作り、ガードリング4とも電気的に接
続されている。SiC基板はシリーズ抵抗を下げるため
にn+型SiC層1の表面に耐圧を確保するのに必要な
濃度と厚さを持つn型SiCエピタキシャル層2が形成
され、n+型SiC層1の裏面にはオーミック電極層8
を形成したときにオーミック電極特性が確保されるよう
にn型不純物をイオン注入したn++型SiC層7が形
成されている構成になっている。このn++型SiC層
7の表面にNi等のオーミック電極層8が蒸着などの方
法により形成させている。
ショットキーダイオード使用される電源等の機器におけ
る性能を最大にするような障壁高さが選ばれ、さらに信
頼度確保の点から金属や金属間化合物あるいはシリサイ
ド等から選ばれる。Ti、Mo、Ni、Al、Al−T
i合金などが用いられる例が多い。SiCの場合、不純
物の拡散係数が小さいため、ガードリング4の形成に
は、イオン注入による不純物導入法が広く用いられてい
る。しかしながらこのイオン注入法だけではガードリン
グ4のSiC表面にオーミック接触に必要な1×10
18個/cc望ましくは3×1019個/cc以上の高濃度
表面を露出させることは困難である。
ットキー電極層5はガードリング4の電極ともなってい
る。耐圧を確保するため両者は同電位になっている。し
かしながら、特にTi、Ni、Moあるいはこれらの合
金などの場合、良好なショットキー接合が得られてもP
型のガードリング4に対しては十分なオーミック接触と
なっていない。
方向にサージ電流が入力されると素子が破壊しやすいと
いう現象を見出した。特にTi、Ni、Moあるいはこ
れらの合金などのショットキー障壁高さが低い場合に顕
著である。このようなSiCショットキーダイオードの
場合、実用領域の順電流をはるかに超える順サージ電流
の領域で、順方向に大電流がながれると突然少数キャリ
アの注入が始まり、急激に順電圧が下がる。負性抵抗特
性を示すため、素子構造のわずかな不均一により、Si
Cショットキーダイオードのごく一部に大電流が集中す
るため順サージ電流に弱いという現象が生じると考えら
れる。SiCショットキーダイオードを試作し原因を究
明したところ、ガードリング4で十分なオーミック接触
が得られているとSiCショットキーダイオードの順方
向にサージ電流が入力されても素子が破壊されにくいと
いうことがわかった。
るSiCショットキーダイオードにおいて、ガードリン
グ4に対するオーミック性を向上させることにより、順
サージ電流に対する耐量を向上させるための電極層構造
およびその製造方法を提供するものである。
めに、請求項1記載の発明は第一導電型の炭化けい素基
板の表面にショットキー電極層を形成し該ショットキー
電極層の周辺に第二導電型のガードリングを形成する炭
化けい素ショットキーダイオードにおいて、前記ガード
リング表面には前記ショットキー電極と異なる材質の第
二の電極層を形成することを特徴とする炭化けい素ショ
ットキーダイオードである。請求項2記載の発明は前記
第一導電型はn型であり、前記炭化けい素基板の結晶型
は4H、6Hまたは3Cであることを特徴とする請求項
1記載の炭化けい素ショットキーダイオードである。請
求項3記載の発明は前記ショットキー電極層はTi、N
i、Moまたはこれらの合金であり、前記第二の電極層
はAl、Au、Ptまたはこれらの合金であることを特
徴とする請求項1または請求項2記載の炭化けい素ショ
ットキーダイオードである。請求項4記載の発明は炭化
けい素基板の表面に、イオン注入により第二導電型のガ
ードリングを形成し、該ガードリングの内側の前記炭化
けい素表面にショットキー電極層を形成し、該ショット
キー電極層をマスク材料として前記炭化けい素基板の表
面をエッチングし、前記ガードリングの高濃度表面を露
出させ、少なくとも該高濃度面に第二の電極層を形成す
ることを特徴とする炭化けい素ショットキーダイオード
の製造方法である。
する。図1は本発明の第1の実施の形態に係るSiCシ
ョットキーダイオードの構造を説明するための図であ
る。SiC基板はシリーズ抵抗を下げるためにn+型S
iC層1の表面に耐圧を確保するのに必要な濃度と厚さ
を持つn型SiCエピタキシャル層2が形成され、n+
型SiC層1の裏面にはオーミック電極層8を形成した
ときにオーミック電極特性が確保されるようにn型不純
物をイオン注入したn++型SiC層7が形成されてい
る。
ットキー電極層5の周辺部にn型SiCエピタキシャル
層2の導電型とは逆の導電型のガードリング4を設けて
いる。ショットキー電極層5はガードリング4の内側の
n型SiCエピタキシャル層2の表面とガードリング4
の一部表面に形成されている。ショットキー電極層5は
n型SiCエピタキシャル層2との界面においてショッ
トキー接合を作る。ショットキー電極層5は、Ti、N
i、Moまたはこれらの合金であり、ショットキー障壁
高さが低いものが望ましい。
層6は、ガードリング4がp型であるのでp型SiCに
対してオーミック特性が得られやすいAl、Au、Pt
またはこれらの合金である。製造工程簡略化のため、p
型のガードリング4に対する第2の電極層6はショット
キー電極層5の上にも配置されている。n++型SiC
層7の表面にNiによるオーッミク電極層8が形成され
ている。
ーダイオードにおいてショットキー電極層5に正電圧
を、オーッミク電極層8に負電圧を印加するとショット
キー電極層5とn型SiCエピタキシャル層2の間に形
成されたショットキー接合が順バイアスされ、ショット
キー電極層5からオーッミク電極層8に向かって電流が
流れる。この時p型のガードリング4に対する第2の電
極層6はショットキー電極層5と電気的に接続されてい
るのでp型のガードリング4とn型SiCエピタキシャ
ル層2との間にあるpn接合も順バイアスされる。pn
接合の障壁高さはショットキー接合の障壁高さより高い
ため実用的な順電流の領域ではpn接合には電流が流れ
ないか流れても僅かである。
層6のオーミック特性が不十分の場合、実用領域の順電
流をはるかに超える順サージ電流の領域で、SiCショ
ットキーダイオードのシリーズ抵抗分は大きいままであ
るため、SiCショットキーダイオードの順電圧は大き
くなり、ある順電圧になると突然少数キャリアが注入さ
れ、負性抵抗特性を示し、順電圧が急激に下がる。負性
特性を示すため、素子構造のわずかな不均一により、S
iCショットキーダイオードのショットキー接合部のご
く一部に大電流が集中するために順サージ電流に弱いと
いう現象が生じる。
2の電極層6としてp型SiCに対してオーミック特性
を得やすいAl、Au、Ptまたはこれらの合金を用い
る。従って、p型のガードリングに対する第2の電極層
6のオーミック特性がよい。このため、実用領域の順電
流をはるかに超える順サージ電流の領域になり、SiC
ショットキーダイオードの順電圧が大きくなってくる
と、p型のガードリング4とn型SiCエピタキシャル
層2との間にあるpn接合から少数キャリアが注入され
はじめる。SiCショットキーダイオード部分だけだと
負性抵抗を示し破壊しやすくなる順電流値、順電圧値に
なる前からpn接合から少数キャリアの注入がが少しづ
つ行われ、SiCショットキーダイオードのショットキ
ー接合の部分まで拡散しシリーズ抵抗を下げる結果、負
性抵抗が緩やかになり、順方向のサージ電流に対して破
壊しにくくなる。
ック電極層8に正電圧を印加するとショットキー電極層
5とn型SiCエピタキシャル層2の間のショットキー
接合が逆バイアスされまたp型のガードリング4とn型
SiCエピタキシャル層2との間にあるpn接合も逆バ
イアスされ電流はほとんど流れなくなる。
iCショットキーダイオードの構造を説明するための図
である。本実施例は、p型のガードリング4の内側n型
SiCエピタキシャル層2の表面の一部にp型層9をイ
オン注入で形成し、MPS(Merged p-i-n/Schottky)
構造としたものである。
ーダイオードにおいてショットキー電極層5に正電圧
を、オーッミク電極層8に負電圧を印加するとショット
キー電極層5とn型SiCエピタキシャル層2の間にあ
るショットキー接合が順バイアスされ、ショットキー電
極層5からオーッミク電極層8に向かって電流が流れ
る。この時p型のガードリング4とp型のガードリング
4の内側に形成されたp型層9に対する共通の第2の電
極層6とはショットキー電極層5と電気的に接続されて
いるのでp型のガードリング4ならびにp型層9とn型
SiCエピタキシャル層2との間にあるpn接合も順バ
イアスされる。pn接合の障壁高さはショットキー接合
の障壁高さより高いため実用的な順電流の領域ではpn
接合には電流が流れないか流れても僅かである。但し、
実用領域の順電流をはるかに超える順サージ電流の領域
でSiCショットキーダイオードの順電圧が大きくなっ
てくると、p型のガードリング4とn型SiCエピタキ
シャル層2との間にあるpn接合から少数キャリアが注
入されはじめる。ショットキー接合に対してpn接合の
割合が大きくなるため第1の実施例より少数キャリアの
効果が大きくなる。従って、第1の実施例に比べて大電
流における順電圧は小さくなり、順方向のサージ電流に
対してより破壊しにくくなるが順電流が大きくなると少
数キャリアの注入が多くなり高速スイッチング特性が悪
くなる可能性がある。
ミク電極層8に正電圧を印加するとショットキー電極層
5とn型SiCエピタキシャル層2の間にあるショット
キー接合が逆バイアスされまたp型のガードリング4な
らびにp型層9とn型SiCエピタキシャル層2との間
にあるpn接合も逆バイアスされ電流は流れなくなる。
逆バイアス時に隣接するp型のガードリング4とp型層
9が空乏層でつながるように狭く設計するとシットキー
障壁にかかる電界が緩和されされ漏れ電流が小さくな
る。
iCショットキーダイオードの構造を説明するための図
である。p型のガードリング4をイオン注入で形成する
と最大の不純物濃度はイオン打ち込みをしたn型SiC
エピタキシャル層2の表面より、少しn型SiCエピタ
キシャル層2に入り込んだ内部の面となる。ガードリン
グの表面濃度を最大となるようにn型SiCエピタキシ
ャル層2の表面をエッチングした構造である。この製造
方法を次に示す。
係るSiCショットキーダイオードの製造工程を説明す
るための図である。これらの図を用い製造工程を説明す
る。まず、高不純物濃度のn+型のSiC層1の表面に
濃度1×1016個/cm3で厚さ10μmの低不純物濃
度のn型のSiCエピタキシャル層2をエピタキシアル
法によって成長させる。しかる後にn型のSiCエピタ
キシャル層2の表面にCVD法によりSiの酸化膜3を
2.0μmを成長させる(図4)。
膜3を弗酸系のエッチング液を利用した写真工程により
ガードリング4を形成する部分だけ除去し、酸化膜3の
窓明部31を形成する(図5)。
なるボロン及び(または)Alを加速電圧30〜150k
eVで、1014個/cm2イオン注入する。n+型のS
iC層1の裏面にオーミック接触を得るためにn型不純
物となるP(燐)を加速電圧30〜130keVで、1
015個/cm2イオン注入し、n+ +型SiC層7形成
する。窓明け部31より注入されたp型不純物は、表面
濃度が1018個/cm3以上、接合深さ0.5μmとな
るように、またn+型のSiC層1の裏面のオーミック
用n++型SiC層7は表面濃度1020個/cm3、接
合深さ0.5μmとなるように注入される。この後、マ
スク用としてn型のSiCエピタキシャル層2表面に堆
積した酸化膜3を弗酸系のエッチング液てエッチングし
て全て取り去ってしまう(図6)。この後、不純物を活
性化するためにアルゴン雰囲気中で1500℃以上の温
度で10分間の熱処理を行う。
iをSi面にスパッタリング法にて堆積し、ガードリン
グ4の一部とガードリング4の内側のn型のSiCエピ
タキシャル層2表面に残るよう、CF4系ドライエッチ
ングを利用した写真工程にて不必要なTiを除去する
(図7)。
ンをマスクとして、ガードリング4の表面濃度が最大に
なる領域までCF4系のガスを利用してn型のSiCエピ
タキシャル層2の表面をエッチングする(図8)。この
ときフォトレジストが残っていても,Ti電極が露出し
ていてもどちらでもよい.
してオーミック電極となるようAlを、ショットキー電
極層5とショットキー電極層5が形成されていないガー
ドリング4の表面を含むn型のSiCエピタキシャル層
2の表面をに蒸着し、リン酸又はリン酸と硝酸の混酸系
エッチング液を利用した写真工程にて、図8のようにガ
ードリング4の領域上とショットキー電極上に第2の電
極層6を形成する。次に、裏面のオーミック用n++型
SiC層7の表面にオーミック電極層8としてスパッタ
リング法によりNi電極を形成する(図9)。
キシャル層2、n++型SiC層7で構成されるSiC
基板は耐圧、順電圧の特性の点より4H、6Hあるいは
3C型の結晶形であるn型のSiC基板が望ましいが,
他の結晶型(たとえば15R)でも構わない。ショット
キー電極層5はTiのほかNi、またはMo及びこれら
の合金であってもよい。P型ガードリング層4への第2
の電極層6はAlの他、Au、Ptまたはこれらの合金
を用いてもかまわない。P型ガードリング層4へのオー
ミック電極6はAlである例を示した。パッケージに組
みたてるためにAl面にAlボンディングすることがで
きる。Au線ボンディングのために、Al上にさらにA
uが堆積されていてもよいし、半田接続用にAl−Ni
−Agのような電極システムであってもよい。裏面のオ
ーミック電極層8としてスパッタリング法によりNi電
極を形成したが、その他の金属を利用してもよいし、堆
積法も電子ビームを利用した蒸着法などの他の方法であ
ってもよい。n+型のSiC層1、n型のSiCエピタ
キシャル層2、n++型SiC層7で構成されるSiC
基板について述べたが、p型であってもかまわない。
SiCショットキーダイオードにおいて、ガードリング
に電気的接続をとるガードリング電極層としてショット
キー電極層とは別の材料を用いることによってガードリ
ングに対するオーミック性を確保することにより整流性
能を劣化させることなく、順サージ電流に対する耐量を
向上させることができ、信頼性の高いSiCショットキ
ーダイオード替えられた。
ットキーダイオードの構造を説明するための図である。
ットキーダイオードの構造を説明するための図である。
ットキーダイオードの構造を説明するための図である。
ットキーダイオードの製造工程を説明するための図
(1)である。
ットキーダイオードの製造工程を説明するための図
(2)である。
ットキーダイオードの製造工程を説明するための図
(3)である。
ットキーダイオードの製造工程を説明するための図
(4)である。
ットキーダイオードの製造工程を説明するための図
(5)である。
ットキーダイオードの製造工程を説明するための図
(6)である。
造の例を説明する図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 第一導電型の炭化けい素基板の表面にシ
ョットキー電極層を形成し該ショットキー電極層の周辺
に第二導電型のガードリングを形成する炭化けい素ショ
ットキーダイオードにおいて、前記ガードリング表面に
は前記ショットキー電極と異なる材質の第二の電極層を
形成することを特徴とする炭化けい素ショットキーダイ
オード。 - 【請求項2】 前記第一導電型はn型であり、前記炭化
けい素基板の結晶型は4H、6Hまたは3Cであること
を特徴とする請求項1記載の炭化けい素ショットキーダ
イオード。 - 【請求項3】 前記ショットキー電極層はTi、Ni、
Moまたはこれらの合金であり、前記第二の電極層はA
l、Au、Ptまたはこれらの合金であることを特徴と
する請求項1または請求項2記載の炭化けい素ショット
キーダイオード。 - 【請求項4】 炭化けい素基板の表面に、イオン注入に
より第二導電型のガードリングを形成し、該ガードリン
グの内側の前記炭化けい素表面にショットキー電極層を
形成し、該ショットキー電極層をマスク材料として前記
炭化けい素基板の表面をエッチングし、前記ガードリン
グの高濃度表面を露出させ、少なくとも該高濃度面に第
二の電極層を形成することを特徴とする炭化けい素ショ
ットキーダイオードの製造方法。
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