JP2003504855A - 金属半導体コンタクトを備えたダイオード、および金属半導体コンタクトを備えたダイオードの製造方法 - Google Patents

金属半導体コンタクトを備えたダイオード、および金属半導体コンタクトを備えたダイオードの製造方法

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JP2003504855A JP2001508515A JP2001508515A JP2003504855A JP 2003504855 A JP2003504855 A JP 2003504855A JP 2001508515 A JP2001508515 A JP 2001508515A JP 2001508515 A JP2001508515 A JP 2001508515A JP 2003504855 A JP2003504855 A JP 2003504855A
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Abstract

(57)【要約】 ダイオードは2つの金属電極(5、6)の間に配置された半導体基板を有しており、この半導体基板は高濃度にドープされた第1のゾーン(3)と、同じ導電型で低濃度にドープされた第2のゾーン(1)と、同じ導電型で第2のゾーン(1)よりも低濃度にドープされた第3のゾーン(2)とを有しており、第1のゾーンは第1の電極(6)へのオーム抵抗性の接合領域を形成しており、第2のゾーンは第2の電極(5)への整流性の接合領域を有しており、第3のゾーン(2)は第1のゾーン(3)と第2のゾーン(1)とを分離しており、第2のゾーン(1)は第2の電極(5)と第3のゾーン(2)との間に挿入されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 従来の技術 本発明は、第1のゾーンは高濃度にドープされて第1の電極に対するオーム抵
抗性の接合領域を形成しており、第2のゾーンは同じ導電型で低濃度にドープさ
れて第2の電極に対する整流性の接合領域を形成している、2つの金属電極の間
に配置された半導体基板を備えたダイオードに関する。
【0002】 この種の半導体ダイオードはショットキーダイオードとも称され、以前から周
知である。このダイオードは順方向での僅かな電圧降下と短いターンオフ時間と
を特徴としている。なぜならこれはpnダイオードまたはpinダイオードとは
異なり、少数キャリアを低下させて電流を止める必要がないからである。
【0003】 図4にはこのようなダイオードの簡単な実施例が示されている。高濃度にドー
プされたゾーン3の上方に低濃度にドープされたゾーン1が存在している。これ
ら2つのゾーン上にそれぞれ1つずつ薄い金属層、例えばアルミニウムから成る
層が堆積されている。基板の下面の金属層は第1の電極6を形成しており、この
電極は上方に位置する半導体基板のゾーン3とオーム抵抗的に接触している。半
導体の表面の金属層は第2の電極5を形成しており、この電極はゾーン1ととも
にダイオード特性を備えた金属‐半導体コンタクト部を形成している。第1の電
極6はダイオードのカソードであり、第2の電極5はダイオードのアノードであ
る。
【0004】 この種のモジュールを逆方向(阻止方向)で駆動する場合、所定の限界電圧で
、一方側の急激なpn接合の発生に相応してアバランシェ増幅による強い逆方向
電流の上昇が発生する。ただしこのような電流の上昇を発生させる限界電圧は、
たいていの場合ゾーン1で選択されたドープ濃度に相応して予測される値よりも
格段に小さい。この差は典型的には係数3程度である。その理由として、電極5
、6の縁部に電界強度の過上昇が発生することが挙げられる。したがってアバラ
ンシェ増幅がモジュールの縁部で始まる。その結果、図4に示されている構造を
有するダイオードはブレークダウン電圧の下方で高い逆方向電流を示す。アバラ
ンシェブレークダウンの際には高い損失電力がダイオードの縁部で発生する。こ
れは全ブレークダウン電流がこの領域に集中するためである。したがって図4に
示されている簡単な構造のダイオードは電圧制限素子としては適していない。
【0005】 こうした問題点の周知の解決手段は図5に示された構造である。こうした構造
は例えば B.J.Baliga, Power Semiconductor Devices, PWS Publishing Company
, Boston, USA, 1995 から知られる。ここではn型にドープされたゾーン1内へ
付加的にリング状に延在するp型にドープされた層7が埋め込まれている。アノ
ード5はプレーナ技術による通常のステップで、一方ではn型にドープされた第
2のゾーン1とp型にドープされた層7とにコンタクト接続されており、他方で
はアノード5の外側縁部が半導体基板の表面の酸化層8上に位置している。延在
するp型ドープ層7はガードリングと称される。このようにして縁部の電界強度
の低減が達成される。アバランシェブレークダウンは有利にはもはや縁部では発
生せず、電流は均一にガードリング7内の第2のゾーン1の表面にわたって分布
するようになる。縁部での局所的なブレークダウンは所望のブレークダウン限界
電圧を下回る電圧でも発生しないので、ガードリングを備えたショットキーダイ
オードは電圧制限に使用される。
【0006】 ただしこの種のダイオードの製造には高いコストがかかる。というのは、1つ
にはゾーン1のような平坦で低濃度のドープゾーンをゾーン3のような高濃度の
ドープゾーンの上方に製造することは、一般にエピタキシプロセスを適用しなけ
ればならないため複雑である点が挙げられる。さらにガードリング7をパターニ
ングして埋め込まなければならず、また酸化層8をパターニングし、続いてアノ
ード5を所望の形状でその上に堆積できるようにしなければならない。
【0007】 本発明の利点 本発明によれば、電圧制限素子として適しており簡単かつ低コストに製造でき
る冒頭に言及した形式のダイオードが提供される。こうした利点は、本発明のダ
イオードで第1のゾーンおよび第2のゾーンが半導体基板の第3のゾーンによっ
て分離されており、この第3のゾーンは同じ導電型で第2のゾーンよりも低濃度
にドープされていることにより達成される。
【0008】 個々のゾーンの寸法およびドープ濃度を適切に選択することにより、第2の電
極から第3のゾーンへの接合領域でのブレークダウン電圧は第2の電極から高濃
度にドープされた第2のゾーンへの接合領域でのブレークダウン電圧よりも大き
いことが保証される。このため第2のゾーンがブレークダウン電圧に達した場合
にも第3のゾーンに接する第2の電極の縁部での縁部電界強度は第2のゾーンに
接する領域の電界強度よりも小さく、アバランシェブレークダウンは第2のゾー
ン内でしか発生しない。
【0009】 したがって周知のガードリングおよびこのガードリングの製造に必要なプロセ
スステップを省略することができる。本発明のダイオードは同じ導電型のゾーン
しか必要としないので、唯一のドーパント剤を使用するだけでよい。
【0010】 有利には寸法およびゾーンのドープ濃度は第2の電極と第3のゾーンとのコン
タクト領域で計算されるブレークダウン電圧が第2の電極と第2のゾーンとのコ
ンタクト領域でのブレークダウン電圧の少なくとも3倍の大きさとなるように選
定される。
【0011】 第1の実施形態によれば、第2のゾーンは第3のゾーンの表面上方で隆起して
おり、第2の電極は蓋状に第2のゾーンをカバーしており、かつ第3のゾーンに
接触して包囲するフランジを有している。この種のダイオードは例えば、最初に
第2のゾーンを第3のゾーンの全表面上に形成し、続いて局所的に除去し、第3
のゾーンを局所的に再び露出させる製造プロセスにより形成される。
【0012】 局所的な除去のステップはブレードソーを用いた切削またはマスキングプロセ
スおよびエッチングプロセスを含む。
【0013】 第2の実施形態では、第2のゾーンはプレーナかつアイランド状に第3のゾー
ン内へ埋め込まれており、第2の電極は平坦でありかつ縁部領域で第3のゾーン
に接触している。このダイオードは例えば、ドーパント剤を第3のゾーンの濃度
でドープされた半導体基板の表面上に堆積し、このドーパントを拡散させる製造
プロセスにより形成される。
【0014】 電極と半導体基板とのコンタクト接続を改善するために、有利には少なくとも
1つの電極が酸素を含まない半導体基板の表面に被着される。通常は半導体結晶
上に存在する酸素を除去するために、スパッタリング、超高真空での加熱、また
は適切なエッチングによる表面処理が課題となる。スパッタリング処理(例えば
アルゴンイオンによるスパッタリング)は特に続いて電極を金属のスパッタリン
グにより半導体基板上に形成する場合に簡単かつ有利である。
【0015】 本発明の別の特徴および利点を以下に図示の実施例に則して説明する。
【0016】 図面 図1、図2、図3にはそれぞれ本発明の半導体ダイオードの構造が断面図で示
されている。図4、図5には前述した通り従来のショットキーダイオードの同様
の断面図が示されている。
【0017】 実施例の説明 図1には本発明のダイオードが概略的な断面図で示されている。高濃度でn型
にドープされたいわゆるnの幅W3の第1の半導体ゾーン3の上方に、低濃度
でn型にドープされたいわゆるnの幅W2の第3のゾーン2が存在している。
ここで幅W3は有利には幅W2より小さい。
【0018】 このことは製造上の観点から有利である。なぜなら第1のゾーンの形成はドー
パント原子が表面からnドープ基板内へ拡散することにより行われ、これに対
して低濃度にドープされた薄い層を高濃度にドープされた支持体上に形成するに
は複雑なエピタキシプロセスの適用が必要となるからである。
【0019】 ゾーン2の上方には平均的な濃度でn型にドープされたいわゆるnの幅W1の
第2のゾーン1が存在している。このゾーンはアノード5の薄い金属層とともに
図示のダイオードの本来のショットキーコンタクトを形成している。ゾーン1は
幅およびドープ濃度に関して所望の阻止電圧UZが得られるように構成されてい
る。
【0020】 基板の全ての縁部に深さTの凹部4が切削されている。この凹部は第2のゾー
ン1を通って低濃度でn型にドープされた第3のゾーン2へ達している。アノー
ド5は蓋状にゾーン1の表面全体にわたって延在しており、凹部4の領域では垂
直方向の側方エッジ9を有している。凹部4内で露出している第3のゾーン2の
表面は蓋状部分のフランジ10によりカバーされている。
【0021】 第2のゾーン3の下面のメタライゼーション層はダイオードのカソード6を形
成している。
【0022】 凹部4の領域で低減されている幅WR2と低濃度でn型にドープされた第3の
ゾーン2のドープ濃度とは、アノード5と第3のゾーン2との直接の接合領域で
アノード5から第2のゾーン1への接合領域でのブレークダウン電圧UZの少な
くとも3倍の大きさのブレークダウン電圧UZRが生じるように選定されている
。この理由は、前述したように、縁部領域すなわちフランジ10および側方エッ
ジ9の領域での電界強度をアノードの中央部での電界強度よりも小さくして、第
2のゾーン1でのアバランシェブレークダウンを制限するためである。
【0023】 さらにpnダイオードの場合とは異なってショットキーダイオードの逆方向電
流の主成分はバリアの高さ(熱電子電流)によって求められ、しかもこのバリア
の高さは阻止電圧に依存しているので(鏡面電荷によるバリアの低減)、アノー
ド5の縁部の第3のゾーン2への接合領域の逆方向電流は第2のゾーン1の中央
領域の逆方向電流よりも小さい。
【0024】 図示のダイオードは次のように製造される。均一にnドープされた半導体基
板から基板の表面近傍の層へドーパント原子が埋め込まれる。この埋め込みは例
えば表面にドーパント原子を印加して続いて拡散させるか、またはイオンインプ
ランテーションすることにより行われる。これによりガウスプロフィルを備えた
濃度分布が得られる。このようにしてドープされた2つの表面ゾーンと不変のド
ーパント濃度を有する中央のゾーンとを備えた半導体基板が得られる。2つの表
面ゾーンはダイオード完成後のゾーン1、3に相応し、中央のゾーンは第3のゾ
ーン2する。
【0025】 これに続くステップでは2つの表面ゾーンのうち低濃度にドープされたゾーン
が局所的に除去され、ドープ濃度不変の第3のゾーンが露出される。こうした局
所的な除去のステップはブレードソーを用いて例えば複数の溝を基板表面に切削
することにより行われる。溝の間にアイランド状に隆起した高いドープ濃度を有
する領域が残ることになる。
【0026】 当該の表面に堆積されるショットキーコンタクトの特性を改善するために、切
削に続けて半導体表面の表面エッチング(Anaetung)を行うことができる。これ
により結晶構造内部への切削によって障害を受けた表面が除去され、その下方の
損なわれていない結晶領域が露出される。
【0027】 凹部の形成はウェットケミカルエッチングまたは気相エッチングなどの他のプ
ロセスにより相応のマスク技術を使用して行うことができる。
【0028】 電極5、6を被着する前に付加的に適切な基板の表面処理、例えばフッ化水素
酸HFでのエッチングまたは超高真空でのアニーリングなどを行うことができる
。これにより通常ならば基板表面につねに存在する酸素が除去され、ショットキ
ーコンタクトに対する改善された表面特性が得られる。
【0029】 続いて基板の2つの表面に金属層が設けられる。このために有利にはスパッタ
リングプロセスが使用される。これは金属を堆積する前に、例えばアルゴンイオ
ンによる通常の酸化層のスパッタリング除去をその場で行うことができるからで
ある。金属層の堆積後、基板を個々のモジュールとして通常のように個別化する
。このために局所的な除去のステップと同様に有利にはブレードソーが使用され
、基板はそれぞれ予め切削された凹部の中央で相互に切断される(ダイシング)
。基板のダイシングに使用されるブレードソーのブレードは凹部4を切削するの
に使用されるブレードよりも格段に狭い。基板のダイシング後、図1に断面図で
示されている構造が得られる。
【0030】 具体的な実施例の数値を挙げると、シリコンから成るショットキーダイオード
の製造には48Vの制限電圧が採用される。均一なドープ濃度1.8×1015 /cm、ウェハ厚さW1+W2+W3=120μmの基板内でドープ物質がゾ
ーン1(前面)およびゾーン3(後面)へ印加および拡散により埋め込まれる。
ガウス分布型のドープ濃度プロフィルがゾーン1、3で得られる。nドープされ
た第2のゾーン1では表面濃度は1.075×1016/cm、nドープさ
れた第1のゾーン3の表面濃度は1×1020/cmに選定されている。拡散
長さはどちらの場合にも17μmである。第2のゾーン1をリング状に包囲する
凹部4の深さTは35μmである。個々のモジュールをダイシングする前の凹部
4の幅は約100μmである。電極5、6ははんだ付け可能な層の系から成り、
Cr、NiV、Agから成る層の厚さはそれぞれ約80nm、約150nm、約
80nmである。ダイオードを相互に分離する際には、例えば40μm幅の狭い
ブレードのブレードソーが使用され、これにより凹部4とこの凹部内で露出され
金属でカバーされた第3のゾーン2の表面とが得られる。
【0031】 アイランド状の第2のゾーン1がその間に存在する第3のゾーン2の領域によ
り分離された表面はプレーナのパターニングによっても達成することができる。
この実施例は図2に示されている。ここではnドープされた第2のゾーン1とn ドープされた第3のゾーン2とが共通の平坦な表面を有しており、この表面で
はアノード5が第2のゾーン1の全体、縁部領域11、および第3のゾーン2の
表面の一部をカバーしている。こうした構成から得られる効果は図1のケースと
同様である。ゾーン1、3に対するドープ濃度プロフィルは図1に関して上述し
たように選定される。その際に低濃度にドープされるゾーンの幅はさらに幾分小
さく選定してもよい(48Vのブレークダウン電圧UZに対してW1+W2≧8
μmでなければならない)。重要なのはアノード5が全ての方向で第2のゾーン
1の側方の拡散に関して突出しており、縁部領域11が第3のゾーン2の表面で
第2のゾーン1を完全に包囲するリングを形成することである。
【0032】 本発明のショットキーダイオードの第3の実施例が図3に示されている。この
実施例は図2の実施例に相応している。ここでは付加的に例えばSiOから成
る絶縁層8が半導体基板の縁部に設けられており、この絶縁層上にアノード5の
縁部が延在している。したがってこの実施例では、縁部が高オーム抵抗性の第3
のゾーン2による電界強度の低減手段に加えてさらにフィールドプレートの効果
が得られる。
【0033】 ここで説明したダイオードおよびその製造方法、特に図1の手法はシリコンを
有するダイオードの製造にも適しているが、特にシリコンカーバイドを半導体材
料として有するダイオードの製造に適している。この種のSiCダイオードは高
温および高電圧(50V以上)での適用に対して特に重要である。このような電
圧のもとでは従来のシリコンから成るダイオードは高い逆方向電流および阻止損
失のために使用が困難となっている。ここでシリコンカーバイドはドーパント原
子の拡散係数が低いために半導体材料として良好に適している。ただし拡散係数
が低いと同時にこの材料の処理は困難となる。なぜならドーパント剤を半導体基
板の表面へ印加して拡散させるドープが阻害されたり不可能となったりするから
である。したがって図1に示されている構造のシリコンカーバイドから成るショ
ットキーダイオードを製造するには、ゾーン1、2をエピタキシによりSiC基
板上に堆積する。その場合凹部4の形成は例えばフッ素を含有するガスに基づく
ドライエッチングにより行われる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の半導体ダイオードの構造の断面図である。
【図2】 本発明の半導体ダイオードの構造の断面図である。
【図3】 本発明の半導体ダイオードの構造の断面図である。
【図4】 従来のショットキーダイオードの断面図である。
【図5】 従来のショットキーダイオードの断面図である。

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1のゾーン(3)は高濃度にドープされて第1の電極(6
    )に対するオーム抵抗性の接合領域を形成しており、第2のゾーン(1)は同じ
    導電型で低濃度にドープされて第2の電極(5)に対する整流性の接合領域を形
    成している、 2つの金属電極(5、6)の間に配置された半導体基板を備えたダイオードにお
    いて、 2つのゾーン(1、3)は同じ導電型で第2のゾーン(1)よりも低濃度にド
    ープされた半導体基板の第3のゾーン(2)によって分離されており、 第2のゾーン(1)は第2の電極(5)と第3のゾーン(2)との間に含まれ
    ている、 ことを特徴とする2つの金属電極の間に配置された半導体基板を備えたダイオー
    ド。
  2. 【請求項2】 第2の電極(5)と第3のゾーン(2)との間のブレークダ
    ウン電圧は第2の電極(5)と第2のゾーン(1)との間のブレークダウン電圧
    の少なくとも3倍の高さである、請求項1記載のダイオード。
  3. 【請求項3】 第2のゾーン(1)は第3のゾーン(2)の表面上方で隆起
    しており、第2の電極(5)は蓋状に第2のゾーン(1)をカバーしており、か
    つ第3のゾーン(2)に接触して包囲するフランジ(10)を有する、請求項1
    または2記載のダイオード。
  4. 【請求項4】 第2のゾーン(1)はプレーナかつアイランド状に第3のゾ
    ーン(2)の表面に構成されており、第2の電極(5)は平坦でありかつ縁部領
    域(11)で第3のゾーン(2)に接触している、請求項1または2記載のダイ
    オード。
  5. 【請求項5】 絶縁層(8)が第3のゾーン(2)の表面に第2のゾーン(
    1)を包囲して構成されており、第2の電極(5)は縁部で絶縁層(8)に接触
    している、請求項1から4までのいずれか1項記載のダイオード。
  6. 【請求項6】 少なくとも1つの電極(5、6)は半導体基板の酸素を含ま
    ない表面に設けられている、請求項1から5までのいずれか1項記載のダイオー
    ド。
  7. 【請求項7】 半導体基板はSiまたはSiCである、請求項1から6まで
    のいずれか1項記載のダイオード。
  8. 【請求項8】 ダイオードの製造方法、例えば請求項1から7までのいずれ
    か1項記載のダイオードの製造方法において、 高濃度にドープされた第1のゾーン(3)と同じ導電型で低濃度にドープされ
    た第3のゾーン(2)とを設け、同じ導電型で第3のゾーン(2)よりは高い濃
    度でドープされた第2のゾーン(1)を形成し、第3のゾーン(2)の表面に金
    属電極(5)を堆積し、 該金属電極と第3のゾーン(2)とによって第2のゾーン(1)を包囲する、
    ことを特徴とするダイオードの製造方法。
  9. 【請求項9】 第2のゾーン(1)を第3のゾーン(2)の全表面上に形成
    し、続いて局所的に除去し、第3のゾーン(2)を局所的に再び露出させる、請
    求項8記載の方法。
  10. 【請求項10】 第2のゾーン(1)をエピタキシャル層成長により形成す
    る、請求項8記載の方法。
  11. 【請求項11】 局所的な除去のステップはブレードソーを用いた切削を含
    む、請求項9または10記載の方法。
  12. 【請求項12】 局所的な除去のステップはマスキングおよびエッチングを
    含む、請求項9または10記載の方法。
  13. 【請求項13】 電極(5、6)をスパッタリングにより堆積する、請求項
    8から12までのいずれか1項記載の方法。
  14. 【請求項14】 半導体基板の表面を電極(5、6)の堆積前にスパッタリ
    ングにより酸素なしで形成する、請求項8から13までのいずれか1項記載の方
    法。
  15. 【請求項15】 半導体基板を電極(5、6)の堆積前に超高真空で加熱し
    、表面から酸素を除去する、請求項8から14までのいずれか1項記載の方法。
  16. 【請求項16】 半導体基板を電極(5、6)の堆積前にエッチングする、
    請求項8から15までのいずれか1項記載の方法。
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