JP2009164237A - ショットキーバリアダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】ガードリング部の耐圧がジャンクションバリアより十分に小さくなるようにすることで、ガードリングを先にブレークダウンさせて入射するサージをガードリングで吸収することのできるショットキーバリアダイオードを提供する。
【解決手段】本発明のショットキーバリアダイオードは、表面に第１導電型の半導体層を有する半導体基板と、前記第１導電型の半導体層の表面から所定の深さに設けられたジャンクションバリアを構成する第２導電型の半導体層と、前記第１導電型の半導体層の表面で前記第２導電型の半導体層を囲むように環状に形成された第２導電型の半導体層からなるガードリングと、第１導電型の半導体層の表面に形成され、開口を有する絶縁層と、前記開口内で前記第１導電型の半導体層及び前記第２導電型の半導体層とに接するように配設された金属層とを具備したショットキーバリアダイオードであって、前記金属層の外縁が、前記ガードリング上に位置することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ショットキーバリアダイオードに関し、特にサージに対する耐性の向上に係わるものである。

仕事関数の異なる半導体（基板）と金属（層）との接触により形成されるショットキー接合は、その障壁により整流作用を有するため、ショットキーバリアダイオードとして使用されている。このショットキーバリアダイオードは、順方向の電圧降下が低く高速応答特性に優れていることからスイッチング電源用の整流素子として広く用いられている。また、スイッチング電源では、整流を行うショットキーバリアダイオードの順方向降下電圧とリーク電流とが電源効率を決定する大きな要因となっており、この順方向電圧の降下およびリーク電流をできる限り小さくすることが望まれている。さらに、回路設計上、定格電圧以上の耐圧がショットキーバリアダイオードに要求されることが多い。

図７は、従来のショットキーバリアダイオードの一例を示すものである。このショットキーバリアダイオードは、Ｎ^＋型シリコン基板１０１にエピタキシャル成長によりＮ⁻型エピタキシャル層１０２を形成し、この表面をシリコン酸化膜１０３で被覆するとともに、このＮ⁻型エピタキシャル層１０２上のシリコン酸化膜１０３を開口してシリコン表面を露出し、露出したシリコン表面にチタン、バナジウム、クロム、モリブデン、タングステン、パラジウム、プラチナ等の各種金属から選択されたショットキーメタル１０４を、真空蒸着やスパッタリングなどの方法で接触させて構成される。このショットキーメタル１０４とＮ⁻型エピタキシャル層１０２によりショットキー接合構造が形成されている。そしてショットキーメタル１０４の縁部における逆方向電圧に対する耐圧特性が中心部より低下する現象を防ぐために高濃度Ｐ型半導体領域で構成されたガードリング１０５が形成されている。そしてたとえば銀またはアルミニウムからなるアノード電極１０６、たとえばニッケルや金などからなるカソード側電極１０７が形成されている（特許文献１）。

しかしながら、ガードリングを備えた前記従来の構成では、ガードリングと電極端部との位置あわせには高精度のマスクあわせ技術が必要とされる。このことは、高度なマスクの製造、位置ずれによる不良率の増加などをもたらすおそれがある。

そこで、この問題を解決すべく、低コストでもれ電流を効果的に阻止可能なショットキーバリアダイオードが提案されている。

さらに、図８（ａ）および（ｂ）に示すように、表面に金属層の形成されたショットキー接合領域に、Ｎ⁻型半導体層１０２にジャンクションバリアを形成するＰ^＋型領域１０７を設けた構造が広く用いられている（特許文献２）。これはＮ⁻型半導体層１０２と複数のＰ^＋型領域１０７との間に形成されるＰＮ接合により逆方向電圧印加時に空乏層を広げ、これによりショットキー接合領域の電界強度の増大を抑制し、リーク電流の低減をはかるようにしたものである。すなわち、この領域は、Ｎ⁻型半導体層１０２に複数のＰ^＋型領域１０７を形成することで、逆方向電圧が印加されたときに、ショットキ接合による整流部分とＰＮ接合による整流部分とをもつ整流複合領域を構成している。なお図８（ｂ）は図８（ａ）の要部拡大図である。

特開２００１−７７３７９号公報 特開２００２−２４６６１１号公報

上記図８に示したショットキーバリアダイオードにおいては、ガードリングで耐圧を決定したいが、ガードリングとジャンクションバリアを形成するための半導体層とを同時形成すると、設計上、ガードリングとジャンクションバリアを構成する半導体層との耐圧が同じになる。このときガードリングとジャンクションバリアを構成する半導体層（Ｐ^＋型領域）を形成する際に濃度や形状にばらつきが生じ、耐圧が低下することがある。
また、サージ入射時は、ガードリングに接続される直列抵抗成分の影響で耐圧が増加することもある。
このような場合、ガードリングと低濃度エピタキシャル層との接合よりもジャンクションバリアの方が先にブレークダウンが生じる事がある。するとそこに局所的に過電流が流れこむため、サージに対して弱くなるという問題があった。
このため、ガードリングの耐圧がジャンクションバリアと低濃度エピタキシャル層との接合の耐圧よりも十分に低くなるようにしなければ、サージに対して弱くなってしまうという問題があった。
本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、ガードリングの底部端縁の曲率部分での局所的電界集中による耐圧低下を利用して、過電流がガードリングのみに流れるようにし、ジャンクションバリアの破壊を防止し、耐圧を確実に確保することのできるショットキーバリアダイオードを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のショットキーバリアダイオードは、表面に第１導電型の半導体層を有する半導体基板と、前記第１導電型の半導体層の表面から所定の深さに設けられた第２導電型の半導体層と、前記第１導電型の半導体層の表面で前記第２導電型の半導体層を囲むように環状に形成された第２導電型の半導体層からなるガードリングと、第１導電型の半導体層の表面に形成され、開口を有する絶縁層と、前記開口内で前記第１導電型の半導体層及び前記第２導電型の半導体層とに接するように配設された金属層とを具備したショットキーバリアダイオードであって、前記金属層の外縁が、前記ガードリング上に位置することを特徴とする。
この構成によれば、金属層の外縁が、前記ガードリング上に位置するため、ガードリングの端縁には、電界がかからないため、絶縁膜上から空乏層が伸びるのを防ぐようにし、ガードリングの底部外縁部分でブレークダウンを起こすようにし、上記ショットキー接合を構成する金属層の形成されたいわゆる整流複合領域におけるジャンクションバリアよりもガードリング部の方がブレークダウンを起こし易くする。これにより過電流がガードリングのみに流れ込むようにし、サージに対して強いショットキーバリアダイオードを得ることが出来る。

また本発明は、上記ショットキーバリアダイオードにおいて、前記絶縁層が前記ガードリングの外縁にかかる開口を有し、前記金属層は前記絶縁層の内側に当接し、前記金属層の外縁が前記絶縁層の内縁と一致したことを特徴とする。
この構成によれば、絶縁膜上には金属層が形成されないために、電界がかからないため、絶縁膜上から空乏層が伸びるのを防ぐようにし、ガードリングの底部外縁部分でブレークダウンを起こすようにし、上記ショットキー接合を構成する金属層の形成されたいわゆる整流複合領域におけるジャンクションバリアよりもガードリング部の方がブレークダウンを起こし易くする。

また本発明は、上記ショットキーバリアダイオードにおいて、前記ガードリングの外縁コーナー部分で、前記ガードリングから延びる空乏層の厚さＷｓｉ１が局所的に薄くなるように構成されたものを含む。
この構成によれば、前記ガードリングの外縁コーナー部分で、前記ガードリングから延びる空乏層の厚さＷｓｉ１が局所的に薄くなっているため、ジャンクションバリアよりもガードリング部の方がブレークダウンを起こし易くなる。

また本発明は、上記ショットキーバリアダイオードにおいて、複合整流部分で前記前記ジャンクションバリアを構成する第２導電型の半導体層と前記ガードリングは同一工程で形成されることを特徴とする。
この構成によれば、製造が容易となる。

また本発明は、上記ショットキーバリアダイオードにおいて、前記半導体基板は、第１導電型の半導体層としてのＮ⁻エピタキシャル成長層を形成したＮ^＋シリコン基板であり、前記第２導電型の半導体層は、逆方向電圧印加時に隣接する第２導電型の半導体層から広がる空乏層同士がＮ⁻エピタキシャル成長層内でつながる程度の不純物濃度に設定されたものを含む。

また本発明は、上記ショットキーバリアダイオードにおいて、前記金属層は、ニッケル、モリブデン、チタン、タングステン、アルミニウム、プラチナおよびコバルトのいずれかを含むショットキーメタル層と、アルミニウムを含む電極層とで構成されるものを含む。

この構成によれば、ガードリングの外側には金属層が形成されないために、電界がかからないため、絶縁膜上から空乏層が伸びるのを防ぐようにし、ガードリングの底部外縁部分でブレークダウンを起こすようにし、ジャンクションバリアよりもガードリング部分の接合の方がブレークダウンを起こし易くする。これにより電流がガードリングに流れ込み、サージに対して強いショットキーバリアダイオードを得ることが出来る。

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係るショットキーバリアダイオードの断面図である。本実施の形態のショットキーバリアダイオードは、表面に第１導電型の半導体層として低濃度であるＮ⁻シリコン層２を有するＮ^＋シリコン基板１と、前記Ｎ⁻シリコン層２の表面から所定の深さに設けられたジャンクションバリアを構成する複数のＰ型領域７（第２導電型の半導体層）と、前記Ｎ⁻シリコン層２の表面でジャンクションバリアＪＢを形成するＰ型領域７を囲むように環状に形成された第２導電型の半導体層としてのＰ型領域からなるガードリング６と、Ｎ⁻シリコン層２の表面に形成され、開口を有する酸化シリコン層からなる絶縁層３と、前記開口内で前記Ｎ⁻シリコン層２及び前記Ｐ型領域７とに接するように配設されたショットキーメタル４およびこの上層に形成された電極層５としての金属層とを具備したショットキーバリアダイオードであって、前記金属層の外縁が、前記ガードリング６上に位置することを特徴とする。

ここでは、Ｎ^＋シリコン基板１の表面に形成されたＮ⁻シリコン層２上に開口部を備えたシリコン酸化膜３がその開口部からＮ⁻シリコン層２表面が露出するよう形成され、露出したＮ⁻シリコン層２表面にニッケル、チタン、モリブデンなどからなるショットキーメタル４を蒸着しショットキー接触状態を構成している。この開口部の外縁はガードリング６上に位置するように構成され、絶縁膜３の内側面とショットキーメタル４および電極層５の外側面が前記シリコン基板表面に対して垂直な面で当接している。またＮ⁻シリコン層２の表面にはイオン注入法などでボロンを注入することで形成された高濃度Ｐ型領域であるガードリング６が環状に形成され、アルミニウムからなる電極５がショットキーメタル４上を被覆している。さらに、Ｎ^＋型シリコン基板１のＮ⁻シリコン層２と相対向する側にはオーミック接続された金、銀などからなる電極８が形成されている。

この構成によれば、図２に要部拡大説明図を示すように、絶縁膜３上には金属層が形成されないために、電界がかからないため、絶縁膜３上から空乏層が伸びにくいようにしているため、ガードリングの底部外縁部分で空乏層９とガードリングとが近くなり、電界集中によりブレークダウンを起こしやすくする。従って、ジャンクションバリアよりもガードリング部分の接合の方がブレークダウンを起こし易くなる。これにより電流がガードリングに流れ込み、サージに対して強いショットキーバリアダイオードを得ることが出来る。

次にこのショットキーバリアダイオードの製造方法について説明する。
図３（ａ）乃至（ｃ）はこのショットキーバリアダイオードの製造工程を示す図である。なお、本実施の形態では、金属層がガードリング６の外縁よりも内側にくるようにし、ガードリング６のコーナー部すなわち底部外縁で空乏層との距離が小さくなるようにしたことを特徴とする。他の工程は通例の方法に従うためここでは簡単に説明する。
まず、図３（ａ）に示すように、Ｎ^＋シリコン基板１表面にエピタキシャル成長法により、低濃度であるＮ⁻シリコン層２を形成し、この上層にレジストＲを塗布しフォトリソグラフィによりレジストパターンを形成する。

この後図３（ｂ）に示すように、このレジストパターンをマスクとして、ガードリング６およびジャンクションバリアを構成するＰ型領域７を形成するためのイオン注入を行う。
ここで、ジャンクションバリアを構成するＰ型領域７は低濃度、ガードリング６を構成するＰ型領域とジャンクションバリアを構成するＰ型領域７とは同一のイオン注入工程で形成される。そしてイオン注入後レジストパターンＲを除去し、拡散のためのアニール工程を経て、ガードリング６とジャンクションバリアを構成するＰ型領域７とを形成する。ここで高濃度のＰ型シリコン層であるガードリング６は幅３０μｍ深さ２μｍ、高濃度のＰ型シリコン層（ジャンクションバリアを構成するＰ型領域）７は幅０．３μｍ深さ２μｍ、両者の不純物濃度は１×１０¹⁶／ｃｍ³〜６×１０¹⁷／ｃｍ³としている。

さらに図３（ｃ）に示すように、表面に酸化シリコン膜３を形成しこれをフォトリソグラフィによりパターニングし、開口を形成しガードリング６とジャンクションバリアを構成するＰ型領域７の形成された、Ｎ⁻シリコン層２にコンタクトするようにショットキーメタル４および電極５を形成しパターニングする。そして必要に応じて保護膜（図示せず）を形成し、ショットキーバリアダイオードを完成した。

他の工程については前記実施の形態と同様に形成される。従来例のショットキーバリアダイオードを図８に示したように、ショットキーメタルと電極層とで構成され、電界の印加される金属層が、ガードリング１０６の外縁を超えて配置され、空乏層がガードリングの外側までの延びるものに比べて、図１に示した本実施の形態のショットキーバリアダイオードは、ガードリング部でブレークダウンが起き易いことで、過電流がガードリングに流れ込むことになり、サージに対して強いショットキーバリアダイオードを得ることができる。他は従来例と同様に形成されている。

上記構成によれば、ガードリング６とジャンクションバリアを構成するＰ型領域７とを同一工程で形成することができ、イオン注入による、濃度差を形成することなしに、ガードリング部の底部外縁でブレークダウンを生じ易いようにし、サージに対して強いショットキーバリアダイオードを提供することが可能となる。

本実施の形態によれば、ジャンクションバリアを構成するＰ型領域とガードリングを構成するＰ型領域とを同一のマスクで形成することができるため製造工数の増大を招くことなく、サージに強いショットキーバリアダイオードを提供することが可能となる。

また、ＧＲ(ガードリング)の降伏電圧(耐圧)VBRgr、ＪＢ(ジャンクションバリア)の耐圧をVBRjbとする。ＪＢは微細ハ゜ターンであるため、サージ(ESD)に弱い。そこで本発明では、デバイスのサージ耐量を強くする為に、入射するサージは全てＧＲで吸収させるようにしている。
サージ入射時は、ＧＲ部の直列抵抗成分の影響で耐圧が増加する。その場合でもＧＲ部の耐圧が、ＪＢの耐圧を越えないように、次式

となる設計を行うようにすればよい。
例えばRgr 0.20Ω
ρp 0.01Ωcm 5.00E+18cm^-3
ρn 1Ωcm 5.00E+15cm^-3
ρnsub 0.003Ωcm 2.20E+19cm^-3
Xjp 0.5μｍ
Te 3μｍ
Tsub 160μｍ
S 0.15ｍｍ²
Is 30Ａ
とすると、
ΔVBRs＞6.0Ｖ
となるようにすればよいことがわかる。

なお、ガードリングおよびジャンクションバリアを構成するＰ型領域の不純物プロファイルは同じプロファイルになるため、構造が同じであればガードリング部およびジャンクションバリアの耐圧は等しくなる、ΔＶＢＲを上述の条件にするために、ガードリング外郭の底部に空乏層の曲率半径の小さくなる部分すなわち空乏層の深さの小さくなる部分を設けることで、ガードリング部の耐圧を低下させるようにすればよい。ちなみに曲率半径Ｗｓｉｌと耐圧Ｖとの関係は図４および図５に示すようになることがわかっている。図４中実線は平面、一点鎖線は円筒形、破線は球形の場合の耐圧を示す。図５は片側階段接合の場合を示す。図４に３００Ｋにおけるシリコン片側階段接合のつまり計算結果を示す。これより平面接合についての結果は直線で示すように曲率半径すなわち空乏層の深さは∞であることがわかる。曲率半径が有限で濃度が与えられた場合、破線で示す球形接合の降伏電圧は、一点鎖線で示す円筒型接合よりも常に小さい。また図５に突き抜け効果を示す。ここではエピタキシャル層に形成されたシリコン片側階段接合の不純物濃度に対する降伏電圧を示す。ここではエピタキシャル層の厚さｗがパラメータである。厚さが与えられると、降伏電圧は濃度が小さくなるにつれて一定値に近づく。図６は要部拡大説明図であり、この図からも、縦方向と横方向からの電界に影響があることがわかる。

なお、前記実施の形態では、ショットキーメタル層として、ニッケル、モリブデン、チタンを用いたがこのほか、バナジウム、クロム、タングステン、パラジウム、アルミニウム、コバルト、プラチナ等の各種金属から選択可能であり、また成膜方法についても、真空蒸着やスパッタリングなどの方法が適用可能である。また電極５としてはアルミニウム、アルミニウム-シリコンなどが用いられる。

また、前記実施の形態では、ショットキーメタル４と電極５との２層構造で構成したが、材料の選択により、低抵抗でかつ最適範囲の仕事関数を持つ材料を選択することができれば単層構造で構成することも可能である。

また、ガードリングとジャンクションバリアを構成する第２導電型の半導体領域とを形成する手法は、上記実施の形態で説明したイオン注入法に限定されることなく、固層拡散法、又はガス拡散法等を用いてもよい。

以上、本発明の実施例を示したが、本発明の実施の形態は上述した図面及び記述に限定されるものではない。

本発明は、耐圧を確実に確保しながら、逆方向漏れ電流を低減することができるショットキーバリアダイオードとして有用である。

本発明の実施の形態に係るショットキーバリアダイオードの構成を示す断面図 本発明の実施の形態に係るショットキーバリアダイオードの要部拡大図 本発明の実施の形態に係るショットキーバリアダイオードの製造工程を示す断面図 曲率半径と耐圧との関係を示す図 曲率半径と耐圧との関係を示す図 本発明のショットキーバリアダイオードの要部説明図 従来のショットキーバリアダイオードの構成を示す断面図 従来のショットキーバリアダイオードの構成を示す断面図

符号の説明

１ Ｎ^＋型シリコン基板
２ Ｎ⁻型エピタキシャル層
３ シリコン酸化膜
４ ショットキーメタル
５ 電極
６ ガードリング
７ ジャンクションバリアを構成するＰ型領域
８ 電極
１０６ ガードリング
１０７ ジャンクションバリアを構成するＰ型領域

Claims (6)

1. 表面に第１導電型の半導体層を有する半導体基板と、
   前記第１導電型の半導体層の表面から所定の深さに設けられた第２導電型の半導体層と、
   前記第１導電型の半導体層の表面で前記第２導電型の半導体層を囲むように環状に形成された第２導電型の半導体層からなるガードリングと、
   第１導電型の半導体層の表面に形成され、開口を有する絶縁層と、
   前記開口内で前記第１導電型の半導体層及び前記第２導電型の半導体層とに接するように配設された金属層とを具備したショットキーバリアダイオードであって、
   前記金属層の外縁が、前記ガードリング上に位置するショットキーバリアダイオード。
2. 請求項１に記載のショットキーバリアダイオードであって、
   前記絶縁層は前記ガードリングの外縁にかかる開口を有し、
   前記金属層は前記絶縁層の内側に当接し、前記金属層の外縁が前記絶縁層の内縁と一致したことを特徴とするショットキーバリアダイオード。
3. 請求項１または２に記載のショットキーバリアダイオードであって、
   前記ガードリングの外縁コーナー部分で、前記ガードリングから延びる空乏層の厚さＷｓｉ１が局所的に薄くなるように構成されたショットキーバリアダイオード。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載のショットキーバリアダイオードであって、
   前記ガードリングと前記第２導電型の半導体層とは同一工程で形成されたショットキーバリアダイオード。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載のショットキーバリアダイオードであって、
   前記半導体基板は、第１導電型の半導体層としてのＮ⁻エピタキシャル成長層を形成したＮ^＋シリコン基板であり、
   前記第２導電型の半導体層は、逆方向電圧印加時に隣接する第２導電型の半導体層から広がる空乏層同士がＮ⁻エピタキシャル成長層内でつながる程度の不純物濃度に設定されたショットキーバリアダイオード。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載のショットキーバリアダイオードであって、
   前記金属層は、バナジウム、クロム、パラジウム、ニッケル、モリブデン、チタン、タングステン、アルミニウム、プラチナおよびコバルトのいずれかを含むショットキーメタル層と、アルミニウムを含む電極層とで構成されるショットキーバリアダイオード。

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