JP2007305906A - ダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】チップサイズを小さくしても所望の特性が得られ、かつ高耐圧であるダイオードを提供する。
【解決手段】互いに反対側に位置する第１主面及び第２主面を有するダイオードにおいて、カソード電極に接触して形成された第１導電型の第１半導体領域と、第２半導体領域と、主電極に接触して形成された第２導電型の第３半導体領域と、前記第１主面と交差する面に形成された第１導電型の第４半導体領域とを有しており、前記第３半導体領域は前記第１半導体領域および前記第４半導体領域に直接接合されておらず、前記第２半導体領域を介して前記第１半導体領域および前記第４半導体領域に接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ダイオード技術に関し、特に、ダイオード構造に適用して有効な技術に関するものである。

ダイオードの一例として、メサ型構造のｐｉｎダイオードがある。

メサ型のｐｉｎダイオードとしては、例えば特開平１０−１０７２９９号公報（特許文献１）には高電力のパルスが印加されたときの界面での放電を防止するために、メサの側面にリンを拡散した層を形成してさらに深さを浅く濃度はＩ層よりも濃く形成することにより高電圧印加時のメサ界面での放電を防止する構造が開示されている。

また、特開平６−１０４４５８号公報（特許文献２）では界面での表面リーク電流を防止するために、メサの側面にボロンをイオン注入した電気絶縁性を示す高抵抗領域の形成することによりメサ界面でのリーク電流を防止する構造が開示されている。

また、特開平１０−２７９１７号公報（特許文献３）ではメサ部分を有するｎ領域のメサ部分にｐ型不純物を拡散してメサ部分でのリーク電流を防止する構造が開示されている。

また、特開平５−２９１６０５号公報（特許文献４）には、メサ型の半導体受光素子として、メサ型の側面においてリーク電流を防止するためにメサ側面にｐ⁻ＩｎＰをエピタキシャル成長させる構造が開示されている。

また、特開平８−１６２６６３号公報（特許文献５）には、メサ型の半導体受光素子においてメサ型の側面においてリーク電流を防止するためにメサ側面にＩｎＡｌＡｓ高抵抗層とｎ^＋ＩｎＰ層を形成する構造が開示されている。

また、特開平６−１２４９４０号公報（特許文献６）には、メサ型のダイオードとして、メサ部分のパシベーション膜を下層に亜鉛ガラスを主成分とするガラスと上層に鉛を主成分とするガラスを形成することにより亜鉛ガラスによりメサ表面のリーク電流を防止し、鉛ガラスで酸やアルカリの薬品耐性を向上する構造が開示されている。
特開平１０−１０７２９９号公報（段落〔００１０〕〜〔００１３〕、図２〜図５等） 特開平６−１０４４５８号公報（段落〔０００５〕〜〔０００６〕、図１等） 特開平１０−２７９１７号公報（段落〔００１４〕〜〔００１６〕、図１等） 特開平５−２９１６０５号公報（段落〔０００４〕、〔００１１〕〜〔００１２〕、図１等） 特開平８−１６２６６３号公報（段落〔００１５〕〜〔００２０〕、図１、図２等） 特開平６−１２４９４０号公報（段落〔００１２〕〜〔００１３〕、図１等）

近年、モバイル機器の普及や、コストダウンの要請により、ダイオードなどの半導体素子は小型化の傾向がある。

ダイオードの小型化について本発明者が検討した所、ダイオードには以下のような問題があることを見出した。

すなわち、導電型がｎ型である半導体基板上に不純物濃度が極めて低い半導体領域であるｉ層を形成させ、ｉ層上に導電型がｐ型である半導体領域を形成する３層構造のｐｉｎダイオードにおいて、ｉ層領域に可動イオンが浸入し反転層を生成するため、所望の特性が得られなくなるという問題である。

また、反転層の生成を防止するため、上側主面と交差する面に不純物濃度が高い半導体領域であるｎ型拡散層を形成すると、ｐ型半導体領域とｎ型拡散層との間にｐｎ接合が形成される。このため、ｐｉｎ接合以外での容量が増加し、所望の特性が得られなくなったり、ｐｎ間でのなだれ降伏による耐圧劣化が生じるという問題がある。

本願発明の目的は、チップサイズを小さくしても所望の特性が得られ、かつ高耐圧であるダイオードを提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

すなわち、本発明は、互いに反対側に位置する第１主面及び第２主面を有し、カソード電極に接触して形成された第１導電型の第１半導体領域と、第２半導体領域と、主電極に接触して形成された第２導電型の第３半導体領域と、前記第１主面と交差する面に形成された第１導電型の第４半導体領域とを有しており、前記第３半導体領域は前記第１半導体領域および前記第４半導体領域に直接接合されておらず、前記第２半導体領域を介して前記第１半導体領域および前記第４半導体領域に接続されているダイオードである。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

すなわち、主電極と接触する第３半導体領域と反転層生成防止用の第４半導体領域との間にｐｎ接合が形成されないため、チップサイズを小さくしても所望の特性が得られる。

以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。

また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。

本実施の形態を説明するための全図において同一機能を有するものは同一の符号を付すようにし、その繰り返しの説明は原則として省略する。以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は本実施の形態１であるダイオードの構造を示す断面図である。本実施の形態１のダイオード１００はｐｉｎ（Positive Intrinsic Negative）ダイオードである。

図１において、本実施の形態１であるダイオード１００は主面１１（第１主面）および主面１２（第２主面）とを有し、主面１２を持ち、高不純物濃度であるｎ^＋型層１（第１半導体領域）上にｉ層２（第２半導体領域）が任意の厚さで形成されている。

ｉ層２は真性半導体領域（Intrinsic）であり、一般的に不純物濃度が極めて低く、純度が高い半導体領域であるが、目的に合った動作を確保した上で、若干の不純物が含まれてしまうことを排除するものではない。

ｉ層２のｎ^＋型層１との接合面と反対側の主面１１にはｎ^＋型層１と反対導電型でｉ層２よりも高不純物濃度であるｐ^＋型主接合３（第３半導体領域）が主面１１から主面１２の方向に向かって選択的に形成されている。ｐ^＋型主接合３の主面１１以外の部分は、周囲をｉ層２により囲まれている。

また、ダイオード１００はメサ形状をなしており、ダイオード１００を主面１１側から見た端部、すなわち図１に示す両肩部には主面１１と交差する面が形成されており、ｎ^＋型層１にまで達している。

主面１１と交差する面にはｎ^＋型層１と同導電型で同電位のｎ^＋型拡散層４（第４半導体領域）が形成され、ｎ^＋型層１に接合されており、ｎ^＋型層１とｎ^＋型拡散層４は電気的に接続されている。

また、ｉ層２はｎ^＋型層１、ｐ^＋型主接合３およびｎ^＋型拡散層４に接合されている。また、ｐ^＋型主接合３とｎ^＋型拡散層４とは直接接合されておらず、ｉ層２を介してｐ^＋型主接合３とｎ^＋型拡散層４とにそれぞれ接続されている。

また、ダイオード１００は主面１１においてｐ^＋型主接合３と接続される主電極５（第２電極）、および主面１２においてｎ^＋型層１に接続されるカソード電極６（第１電極）が形成されている。

また、ダイオード１００は熱酸化ＳｉＯ₂膜やリンガラス等で形成された層間膜７および第１パッシベーション膜８と、この第１パッシベーション膜８と主電極５上に形成されたプラズマＣＶＤ法で形成される窒化珪素（Ｐ−ＳｉＮ）などの第２パッシベーション膜９を有しており、主電極５の一部が露出している。

次に、図２を用いて本発明の実施の形態１であるダイオード１００の特徴について説明する。図２は本実施の形態１であるダイオードの特徴を説明するための断面図である。

ｐｉｎダイオードでは、不純物を添加し、不純物濃度が高いｐ層とｎ層が不純物を添加しないｉ層を介して接続されており、例えばＮａイオン等の可動イオンがｉ層に浸入するとｉ層の被浸入箇所が反転層となり、リーク電流の原因となったり、容量が変動するため所望の特性が得られないという問題が生じる。

従来のｐｉｎダイオードでは、図１および図２に示す第１パッシベーション膜８や第２パッシベーション膜９などの保護膜を設けることにより、可動イオンの浸入を防止する手段が採られていた。

ところが、近年のチップサイズの小型化に伴い、主面１１と交差する面の角度が急峻になるため、図２に示す第１パッシベーション膜８や第２パッシベーション膜９などの保護膜に欠損部１０が生じる可能性が高い。

そして、主面１１と交差する面に図２に示すようなｎ^＋型拡散層４が形成されていない場合、保護膜の欠損部１０からｉ層２に可動イオンが浸入することによりダイオードの信頼性が低下してしまう。

図２に示す本実施の形態１のダイオード１００は、主面１１と交差する面にｎ^＋型拡散層４が形成されているため、仮に主面１１と交差する面を覆う第１パッシベーション膜８および第２パッシベーション膜９の一部が欠損しており欠損部１０が存在しても、可動イオンはｎ^＋型拡散層４にトラップされる。

したがって、可動イオンはｉ層２まで浸入しないので、ダイオードの信頼性低下を防止できる。

また、ダイオード１００はｐ^＋型主接合３とｎ^＋型拡散層４とが直接接合されておらず、ｉ層２を介して接続されているため、ｐ^＋型主接合３とｎ^＋型拡散層４とでのｐｎ接合は形成されない。

したがって、本実施の形態１によれば、ｐｉｎ接合以外のｐｎ接合が存在しないので、容量増加を防止することができる。また、ｐｎ間でのなだれ降伏による耐圧劣化も生じない。

ここで、ｐ^＋型主接合３とｎ^＋型拡散層４との最短距離について説明する。

図２において、ｐ^＋型主接合３とｎ^＋型拡散層４との最短距離は、ｐ^＋型主接合３とｎ^＋型層１との最短距離と同等以上になるように形成している。

このように形成することにより、実装時の電流をｐ^＋型主接合３、ｉ層２、ｎ^＋型層１の順に確実に流すことができ、所望の特性を得ることができる。

一方、耐圧性能の観点からは本発明者が検討した結果、ｐ^＋型主接合３とｎ^＋型拡散層４との最短距離が５μｍ以上であれば、ｐｉｎ型ダイオードに通常用いるｉ層２の不純物濃度範囲において、耐圧１００Ｖ以上を確保できることがわかった。

次に、本実施の形態１であるダイオード１００の製造方法について図を用いて説明する。図３〜図９は本実施の形態１のダイオードの製造方法を説明するためのウェハの断面図である。

まず、図３に示すように、高不純物濃度であるｎ^＋型層１を準備し、ｎ^＋型層１上に気相成長により低不純物濃度であるｉ層２を任意の厚さ（主面１１からｎ^＋型層１とｉ層２との接合面までの長さ）で形成する。

次に、図４に示すように、ｉ層２上に例えば熱酸化法により絶縁膜である層間膜７を形成した後、通常のフォトエッチングにより一部の層間膜７を除去し、選択的にｐ^＋型主接合３を熱拡散あるいはイオン打ち込みによって形成する。

次に、図５に示すように、ウェハを主面１１から見た端部、すなわち図５に示す左右の肩部をエッチングによりｉ層２を貫通してｎ^＋型層１に達するまで主面１１と交差する面を形成し、メサ形状を形成する。

ここで、主面１１と交差する面、すなわちメサ形状の側面を形成する工程を機械的なダイシングにより行う場合、メサ形状の側面に破砕層が形成されるが、チップサイズが小さくなると、該破砕層でキャリアが再結合し易くなるため、低電流で順抵抗が大きくなるという問題が生じる。

すなわち、本実施の形態１のダイオード１００は主面１１と交差する面を形成する工程において、エッチングによりｉ層２を貫通してｎ^＋型層１に達するようにすることにより、破砕層の発生を防止することができる。

次に、図６に示すようにメサ形状の側面に、ｉ層２を被覆してｎ^＋型拡散層４を形成する。なお、ｎ^＋型拡散層４を形成する方法として、例えば熱拡散による方法やイオン打ち込みによる方法を挙げることができる。

次に、図７に示すように層間膜７上にさらにリンガラス（ＰＳＧ）膜を形成した絶縁膜である第１パッシベーション膜８を形成した後、フォトエッチングによって第１パッシベーション膜８の窓明けを行い、表面にアルミニウムあるいはシリコン入りアルミニウムを蒸着し、通常のフォトエッチングによって主電極５を形成する。

次に、図８に示すように表面に絶縁膜のプラズマ窒化シリコン膜である第２パッシベーション膜９を形成し、通常のフォトエッチングによってパターニングして主電極５の一部を露出させる。

次に、図１に示すように主面１２に、例えば金あるいは金―アンチモン電極を蒸着して、蒸着後３００〜４５０℃で熱処理してカソード電極６を形成した後、個片化し、ダイオード１００が完成する。

なお、この個片化工程は機械的なダイシングとすることができる。ダイシングによりｎ^＋型層１の側面に破砕層が発生しても、不純物濃度が高い領域であるため、抵抗値に影響はない。

ただし、ダイシングに際して、切断箇所上部の第１パッシベーション膜８および第２パッシベーション膜９はフォトエッチングにより、取り除いておくことが好ましい。切断前に第１パッシベーション膜８および第２パッシベーション膜９を取り除くことにより、ダイシングの際、第１パッシベーション膜８または第２パッシベーション膜９にクラックが生じるのを防止する事ができる。

（実施の形態２）
図９は本発明の実施の形態２のダイオード１０１の構造を示す断面図である。

ダイオード１０１とダイオード１００との相違点はダイオード１０１のメサ形状の側面（第４半導体領域の第１主面と交差する面）には第１パッシベーション膜８および第２パッシベーション膜９が形成されていない点である。

本実施の形態２によれば、メサ形状の側面には第１パッシベーション膜８および第２パッシベーション膜９が形成されていないので、最終的な個片化工程において、第１パッシベーション膜８および第２パッシベーション膜９の一部を取り除く必要がない。

仮に図９に示すように、メサ形状の側面にある可動イオンはｎ^＋拡散層４にトラップされるので、第１パッシベーション膜８および第２パッシベーション膜９が形成されていなくても反転層は生成されない。

すなわち、本実施の形態２によれば、前記実施の形態１よりも容易に、前記実施の形態１で説明した効果を有するダイオードを得ることができる。

（実施の形態３）
図１０は本発明の実施の形態３のダイオード１０２の構造を示す断面図である。

ダイオード１０２とダイオード１００との相違点はダイオード１０２のメサ形状の側面（第４半導体領域の第１主面と交差する面）が、ｎ^＋型層１にまで達していない点である。ダイオード１０２のメサ形状の側面は、ｎ^＋型拡散層４とｎ^＋型層１との最短距離が、ｐ^＋型主接合３とｎ^＋型層１との最短距離よりも短くなるように形成されている。

また、ダイオード１０２ではｎ^＋型拡散層４とｎ^＋型層１とは直接接合されておらず、ｉ層２を介して接続されている。

ダイオード１０２では、ｎ^＋型拡散層４をｎ^＋型層１に接合しないことにより、ダイオード１００と比較してｐ^＋型主接合３とｎ^＋型拡散層４との最短距離を短く（例えば、ｐ^＋型主接合３とｎ^＋型拡散層４との最短距離をｐ^＋型主接合３とｎ^＋型層１との最短距離よりも短く）しても、実装時の電流をｐ^＋型主接合３、ｉ層２、ｎ^＋型層１の順に確実に流すことができるので、チップサイズをより小型化できる。

また、ダイオード１０２の製造方法においては、エッチングによりメサ形状を形成する時間を短縮することができるので、製造コストを低減することができる。

なお、ダイオード１０２はメサ形状の側面がｎ^＋型層１まで達していないので、ｉ層２が一部露出しており、可動イオンがｉ層２に浸入する可能性がある。しかし、ｎ^＋型拡散層４とｎ^＋型層１との最短距離が、ｐ^＋型主接合３とｎ^＋型層１との最短距離よりも短くなるように形成することにより、ダイオードの特性が変動してしまうリスクを低減することができる。

ところで、ダイオード１０２のメサ形状の側面（第４半導体領域の第１主面と交差する面）には第１パッシベーション膜８および第２パッシベーション膜９が形成されているが、前記実施の形態２で説明したダイオード１０１のようにメサ形状の側面は第１パッシベーション膜８および第２パッシベーション膜９が形成されていない構造としても良い。

第１パッシベーション膜８および第２パッシベーション膜９が形成されていなくても、可動イオンはｎ^＋拡散層４にトラップされるので、ｉ層２に反転層は生成されない。

ダイオード１０２をメサ形状の側面に第１パッシベーション膜８および第２パッシベーション膜９が形成されていない構造とすることにより、最終的な個片化工程において、第１パッシベーション膜８および第２パッシベーション膜９の一部を取り除く必要がなくなるので、容易に製造することが可能となる。

（実施の形態４）
図１１は本発明の実施の形態４のダイオード１０３を上面から見た平面図、図１２は図１１に示すＡ−Ａ’断面で切断したダイオード１０３の構造を示す断面図である。

ダイオード１０３とダイオード１００との相違点はダイオード１０３のカソード電極６が主面１１側に設けられており、横型構造をなしている、すなわち、キャリアが主面１１に沿って流れる点である。

図１２に示す通り、ダイオード１０３のｎ^＋型層１はダイオード１００とは異なり、主面１１から主面１２方向に向かって選択的に形成されている。そして、主面１２を持つのは第５半導体領域であるｉ層２より高い不純物濃度のｎ^＋型層１３である。

また、ダイオード１０３には主面１１においてｐ^＋型主接合３と接続される主電極５、および主面１１においてｎ^＋型拡散層４に接続されるカソード電極６が形成されている。

ダイオード１０３においても、ｐ^＋型主接合３とｎ^＋型拡散層４とが直接接合されておらず、ｉ層２を介して接続されているため、ｐ^＋型主接合３とｎ^＋型拡散層４とでのｐｎ接合は形成されない。

したがって、本実施の形態４によれば、横型構造のｐｉｎダイオードにおいて、ｐｉｎ接合以外のｐｎ接合が存在しないので、容量増加を防止することができる。また、ｐｎ間でのなだれ降伏による耐圧劣化も生じない。

ここで、図１２におけるｐ^＋型主接合３とｎ^＋型拡散層４との最短距離について説明する。図１２において、ｎ^＋型拡散層４はｎ^＋型層１には直接接合されておらず、電位が異なる。したがってダイオード１０３においては、耐圧性能の観点のみ考慮すれば良いため、ｐ^＋型主接合３とｎ^＋型拡散層４との最短距離が５μｍ以上であれば、ｐｉｎ型ダイオードに通常用いるｉ層２の不純物濃度範囲において、耐圧１００Ｖ以上を確保できる。

ただし、ｐ^＋型主接合３とｎ^＋型層１との最短距離は、ｐ^＋型主接合３とｎ^＋型層１３との最短距離よりも短くすることが好ましい。このように形成することにより、実装時の電流をｐ^＋型主接合３、ｉ層２、ｎ^＋型層１の順に確実に流すことができ、所望の特性を得ることができる。

以上、本発明者によってなされた発明を発明に実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記発明の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

例えば、本発明の実施の形態１〜４では、ｐｉｎダイオードの形状をメサ形状として説明したが、トレンチ構造としても良い。チップサイズが小さくなるにつれてメサ形状の方が、製造工程上容易であるため、小型ダイオードにはメサ形状が好適であるが、トレンチ形状を形成することができる程度のチップサイズであれば、ｐ^＋型主接合３とｎ^＋型拡散層４とをｉ層２を介して接続することにより、ダイオードの容量増加や耐性劣化を防止することができる。

本発明は、半導体装置、特にダイオードを有する半導体装置に適用できる。

本発明の一実施の形態１であるダイオードの構造を示す断面図である。 本発明の一実施の形態１であるダイオードの特徴を説明するための断面図である。 本発明の一実施の形態１であるダイオードの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の一実施の形態１であるダイオードの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の一実施の形態１であるダイオードの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の一実施の形態１であるダイオードの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の一実施の形態１であるダイオードの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の一実施の形態１であるダイオードの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の他の実施の形態２であるダイオードの構造を示す断面図である。 本発明の他の実施の形態３であるダイオードの構造を示す断面図である。 本発明の他の実施の形態４であるダイオードを上面（第１主面）からみた平面図である。 本発明の他の実施の形態４であるダイオードの構造を示す断面図である。

符号の説明

１ ｎ^＋型層１（第１半導体領域）
２ ｉ層２（第２半導体領域）
３ ｐ^＋型主接合３（第３半導体領域）
４ ｎ^＋型拡散層４（第４半導体領域）
５ 主電極（第２電極）
６ カソード電極（第１電極）
７ 層間膜
８ 第１パッシベーション膜
９ 第２パッシベーション膜
１０ 欠損部
１１ 主面（第１主面）
１２ 主面（第２主面）
１３ ｎ^＋型層
１００、１０１、１０２、１０３ ダイオード

Claims (6)

1. 互いに反対側に位置する第１主面及び第２主面を有し、
   第１電極に接触して形成され、第１不純物濃度で第１導電型の第１半導体領域と、
   前記第１不純物濃度よりも低い第２不純物濃度の第２半導体領域と、
   第２電極に接触して形成され、前記第２不純物濃度よりも高い第３不純物濃度で、前記第１導電型とは反対導電型である第２導電型の第３半導体領域と、
   前記第１主面と交差する面に形成され、前記第２不純物濃度よりも高い不純物濃度で、前記第１導電型である第４半導体領域とを有しており、
   前記第２半導体領域は前記第１半導体領域、前記第３半導体領域、および前記第４半導体領域に接合され、
   前記第３半導体領域は前記第１半導体領域および前記第４半導体領域に直接接合されておらず、前記第２半導体領域を介して前記第１半導体領域および前記第４半導体領域に接続されていることを特徴とするダイオード。
2. 請求項１に記載のダイオードにおいて、
   前記第１主面と交差する面はエッチングにより形成されることを特徴とするダイオード。
3. 請求項１に記載のダイオードにおいて、
   前記第３半導体領域と前記第４半導体領域との最短距離が５μｍ以上であることを特徴とするダイオード。
4. 請求項１に記載のダイオードにおいて、
   前記第１半導体領域は前記第２主面を持ち、
   前記第２半導体領域は前記第１主面を持ち、
   前記第３半導体領域は前記第１主面から前記第２主面方向に向かって選択的に形成されており、
   前記第４半導体領域は前記第１半導体領域に接合されていることを特徴とするダイオード。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のダイオードにおいて、
   前記第１半導体領域は前記第２主面を持ち、
   前記第２半導体領域は前記第１主面を持ち、
   前記第３半導体領域は前記第１主面から前記第２主面方向に向かって選択的に形成されており、
   前記第４半導体領域は前記第１半導体領域に直接接合されておらず、前記第２半導体領域を介して前記第１半導体領域に接続され、
   前記第４半導体領域と前記第１半導体領域との最短距離が、前記第３半導体領域と前記第１半導体領域との最短距離よりも短いことを特徴とするダイオード。
6. 請求項４〜５のいずれか１項に記載のダイオードにおいて、
   前記第４半導体領域の前記第１主面と交差する面にパッシベーション膜が形成されていないことを特徴とするダイオード。

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