JP2010153620A - ダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】耐圧を安定化させ、かつクランピング電圧を低く維持することが可能なダイオードを提供する。
【解決手段】本発明のダイオードは、第１の導電型をもつ半導体基板と、半導体基板の一方の面に設けられて半導体基板との間に接合を形成する第１の導電型と同じ導電型でかつ不純物濃度が半導体基板より高い第１の半導体層と、第１の半導体層の中央領域における表面に形成され、第１の導電型と反対の第２の導電型の第２の半導体層と、第１の半導体層の表面における第２の半導体層の外周部に形成された、第２の導電型の第３の半導体層とを有し、第３の半導体層の厚さが、第２の半導体層より厚く形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、アバランシェ降伏型の高耐圧の定電圧ダイオードに関する。

アバランシェブレークダウン現象を利用した定電圧ダイオードは、基準電圧回路や保護回路等の種々の電子回路に広く使用されている（例えば、特許文献１参照）。
従来の定電圧ダイオードにおいては、図４に示すように、エピ層１０２と半導体層１０３との界面においてより空乏層を伸ばし、エピ層１０２に伸びる空乏層が半導体基板１０１に達し、リーチスルー降伏を起こすことにより耐圧を得ている。
特開２００６−４１３８５号公報

上述した従来の定電圧ダイオードにおいては、主接合部分がリーチスルー降伏するが、エピ層１０２の厚さのバラツキにより主接合部分の耐圧が大きくばらついてしまう。
また、メサ溝部分Ｍのベベル角θｍが負（θｍ＞９０°）であるため、メサ溝部分Ｇの耐圧ＶRBGがエピ層１０２及び半導体層１０３の界面Ａの耐圧ＶRBAより低い。
また、上述した従来の定電圧ダイオードにおいては、エピ層１０２の厚さによる主接合部分の耐圧のバラツキと、メサ溝部分Ｇの耐圧ＶRBGのバラツキとにより、設計上の耐圧が安定して得られない問題がある。
また、メサ溝部分Ｇにおいて先にブレークダウンを起こした場合、メサ溝部分Ｇの領域のみに降伏による電流が流れるため、電流量を多く取ることができずに、クランピング電圧が低くならず、回路を十分に保護することができない場合がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、耐圧を安定化させ、かつクランピング電圧を低く維持することが可能なダイオードを提供することを目的とする。

本発明のダイオードは、第１の導電型をもつ半導体基板と、前記半導体基板の一方の面に設けられて前記半導体基板との間に接合を形成する第１の導電型と同じ導電型でかつ不純物濃度が前記半導体基板より高い第１の半導体層と、前記第１の半導体層の中央領域における表面に形成され、第１の導電型と反対の第２の導電型の第２の半導体層と、前記第１の半導体層の表面における前記第２の半導体層の外周部に形成された、前記第２の導電型の第３の半導体層とを有し、前記第３の半導体層の厚さが、前記第２の半導体層より厚く形成されていることを特徴とする。

本発明のダイオードは、前記第１の半導体層及び前記第３の半導体層側面に形成されたダイオードを分離するメサ溝と、前記第１の半導体層及び前記第３の半導体層の界面とのなす第１のベベル角が、前記第１の半導体層及び前記第２の半導体層の界面と、前記第１の半導体層及び前記第３の半導体層の界面とのなす第２のベベル角より大きいことを特徴とする。

本発明のダイオードは、前記第１の半導体層及び前記第２の半導体層の界面下の第１の半導体層の厚さが、ダイオードのアバランシェ降伏する際の空乏層の厚さより厚いことを特徴とする。

本発明のダイオードは、前記第２の半導体層の不純物濃度が、前記第３の半導体層の不純物濃度より高いことを特徴とする。

本発明のダイオードは、前記第１の半導体層の不純物濃度が、前記半導体基板の不純物濃度より低いことを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、第１の半導体層と第２の半導体層との界面にてブレークダウンを起こすため、従来のように不安定な定電圧ダイオードの側部（メサ溝部分）にてブレークダウンを発生することなくので、耐圧を安定化させ、かつ平面視にて見た定電圧ダイオードの中央部分に平均的に降伏による電流が流れるため、電流量を多く取ることができ、クランピング電圧を低することが可能であり、回路を十分に保護することができる。

以下、本発明の一実施形態による定電圧ダイオード（ツェナーダイオード）を図面を参照して説明する。図１は、本実施形態における定電圧ダイオードの断面構造を示す概念図である。
この図において、ｎ型の半導体基板１（カソード側）の上（上面）に、半導体基板１と同一の導電型であり、半導体基板１より不純物濃度が低い第１の半導体層２がエピタキシャル層にて形成されている。
第１の半導体層２の上に、上記半導体基板１及び第１の半導体層２（カソード側）と異なる導電型、すなわちＰ型の第２の半導体層３（アノード側）が形成されている。

さらに、第１の半導体層２の上に、第２の半導体層３の外周部を囲むように、第２の半導体層３と同一の導電型であり、第２の半導体層３よりも不純物濃度の低い第４の半導体層４が形成されている。
ここで、第２の半導体層３に比較して第３の半導体層４は厚く形成されている。すなわち、第３の半導体層４と平面視にて重なる直下の第１の半導体層２の厚さは、第２の半導体層３と平面視で重なる直下の第１の半導体層２の厚さに比較して薄く形成されている。

半導体基板１と第１の半導体層２とにおける不純物（ｎチャネル型）濃度の関係は、第１の半導体層２の不純物濃度＜半導体基板１の不純物濃度の関係となっている。
また、第２の半導体層３と第３の半導体層４とにおける不純物（ｐチャネル型）濃度の関係は、第３の半導体層４の不純物濃度＜第２の半導体層３の不純物濃度の関係となっている。
定電圧ダイオードの図１における横方向の端部（側部）において、第１の半導体層２と第３の半導体層４との接続部（界面）は、メサ溝５０の側壁１００における位置Ｑで終端されている。
このメサ溝５０の側壁１００上には、酸化膜などの絶縁性の保護膜（ガラス、酸化膜、窒化膜など）２００が形成されている。
また図示しないが、半導体基板１の下面と、第２の半導体層３の上面とには、それぞれ電極が構成されている。

上記第１の半導体層２と第２の半導体層３との接合部を第１の主接合部５とし、第１の半導体層２と第３の半導体層４との接合部を接合部６とすると、平面視において第１の主接合部５は接合部６に囲まれた状態となっている。
また、第１のベベル角θmは、従来例において説明したように、上記接合部６と第１の半導体層２の側部とのなす角度、すなわち接合部６と第１の半導体層２におけるメサ溝５０の側壁１００とが、第１の半導体層２内においてなす角度とする。
また、第２のベベル角θｉは、第１の主接合部５と、第１の半導体層２及び第３の半導体層４の接合部とが、第１の半導体層２内においてなす角度とする。

ここで、空乏層の境界面は、半導体層表面あるいは、異なる半導体層の接合部に対して垂直に形成される。
このため、図２に示すように、メサ溝５０の側壁１００にて終端する接合部６の位置Ｑと、メサ溝５０の側壁１００の表面において終端する空乏層の境界面における位置Ｐとの距離、すなわちメサ溝５０の側壁１００に沿った空乏層の厚さが、接合部６に垂直な方向における空乏層の境界面までの厚さに比較して短くなる。すなわち、定電圧半導体の側部における厚さが薄くなることにより、メサ溝部分Ｇにおける第１の半導体層２内の領域に電界が集中して、降伏が起こるため、接合部６における耐圧が低下してしまう。
上述した理由により、第１のベベル角θmが負（θｍ＞９０°）である場合、第１のベベル角θmが正（θｍ＜９０）の場合に比較して、定電圧ダイオードの逆方向バイアスに対する耐圧が低下する。

このため、第１のベベル角θmを正となるように定電圧ダイオードを形成することが考えられる。
しかしながら、定電圧ダイオードの製造方法は、図３に示すように、ウェハ上に複数の定電圧ダイオード領域Ｄを形成し、各定電圧ダイオード領域Ｄを分離するように、定電圧ダイオード領域Ｄの外周部にメサ溝５０を形成し、第１の半導体層２及び第３の半導体層４の接合部を保護するため、メサ溝の側壁１００上に酸化膜などの絶縁性の保護膜２００を形成する。
そして、矢印Ｃにてウェハを切断し、各定電圧ダイオード領域Ｄを分離することにより、定電圧ダイオードを作成する。上述した簡易な製造方法により、定電圧ダイオードの製造原価を低下させている。この製造方法によるため、ベベル角θmは負として形成されることになる。
したがって、第１のベベル角θmを正とするためには、さらなる工程を必要とすることになるので、製造原価が上昇してしまう。

したがって、本実施形態においては、上述したように、ガードリングとして第３の半導体層４を第２の半導体層３の外周部に設けることにより、接合部６の他に第１の主接合部５を形成している。この第１の主接合部５の面と、第１の半導体層２及び第３の半導体層４の接合部の面とのなす第２のベベル角θiを形成している。
そして、このベベル角θiが上記ベベル角θｍの角度より小さくなるように形成することにより、以下に示す理由により、定電圧ダイオードの逆バイアスに対する耐圧を安定化させることができる。

耐圧が不安定となる原因として、メサ溝５０の製造におけるメサ溝５０の側壁１００の角度がばらつくことにより、側壁１００に沿って形成される空乏層の厚さがばらつき、結果的に、メサ溝部分Ｇにおける高耐圧降伏の電圧がデバイス個々で変動することになる。
このため、第３の半導体層４に比較して不純物濃度の高い第２の半導体層３と、第１の半導体層２との界面である第１の主接合部５において電界集中を起こさせ、電界集中を分散させることにより、メサ溝部分Ｇにおける電界集中の一極集中が起こらないようにし、メサ溝部分Ｇにおける電界集中を緩和させる。

さらに、第２のベベル角θｉの領域Ｆを形成するため、接合部６における第１の半導体層２の厚さが薄くなっているが、第３の半導体層４の不純物濃度を、第２の半導体層３の不純物濃度より低くすることにより、第３の半導体層４内にも空乏層が伸びるため、空乏層内の電界が低減されて領域Ｇの耐圧は向上することになる。また、第３の半導体層４の不純物濃度を低下させることにより、接合部６における第１の半導体層２内で伸びる空乏層の厚さを相対的に減少させ、定電圧ダイオード側部での降伏の前に、第１の主接合部５における高耐圧降伏を起こすようになっているため、空乏層が半導体基板１に対して接するリーチスルーによる降伏を起こさせないので、定電圧ダイオードの側部のみに降伏電流が流れて、クランピング電圧を上昇させることがない。

すなわち、本実施形態においては、第１の主接合部５の高耐圧降伏を、接合部６における降伏より低い電圧で発生させるように、第１の主接合部５における第１の半導体層２と第２の半導体層３の不純物濃度を決定する。
そして、第１の半導体層２の不純物濃度は上記工程にて設定されるため、第３の半導体層４の不純物濃度と厚さとは、第１の主接合部５にて高耐圧降伏が先に起こるように設定されている必要がある。
ここで、第１の主接合部５において高耐圧降伏が起こる電圧において、第３の半導体層４の不純物濃度及び接合部６における第１の半導体層２の厚さは、接合部６において、第１の半導体層２内の空乏層が半導体基板１に達しない数値に設定されている必要があることを意味する。

したがって、接合部６における第１の半導体層２の厚さ、及び第３の半導体層４の不純物濃度は以下の式を満足させる必要がある。
ｄ＞（Ｎａ／Ｎｂ）｛２ε・（Ｎa＋Ｎb）・（Ｖd＋Ｖ）／（ｅ・（Ｎa・Ｎb））｝
左辺のｄが接合部６における第１の半導体層２の厚さであり、右辺が第１の半導体層２にて伸びる空乏層の距離を示しており、ここで、Ｎaが第３の半導体層４の不純物濃度であり、Ｎbが第１の半導体層２の不純物濃度であり、εが半導体の誘電率、ｅが電荷量、Ｖが逆方向電圧、Ｖdが拡散電位である。

また、第１の主接合部５にて高耐圧降伏を起こさせて、ツェナー定電圧ダイオードとしての高耐圧降伏の電圧を安定させるため、領域Ｆにおける第２のベベル角θｉが第１のベベル角θｍより小さくなるように形成し、領域Ｆにおける電界を緩和させている。ここで、領域Ｆは、第２のベベル角θiが形成されている第３の半導体層４の内部の領域である。
この構造により、領域Ｇのみにおいて電界集中が起こらず、第１の半導体層２と第２の半導体層３とが接合している第１の主接合面５にも電界集中が分担され、かつ第１の主接合部５において高耐圧降伏を起こすようにしているため、第１の半導体層２と第２の半導体層３との不純物濃度により、高耐圧降伏の電圧を制御することができ、安定した高耐圧降伏の電圧を得ることができる。

すなわち、上述した構成において、第１の半導体層２及び第３の半導体層４の不純物濃度の調整とともに、接合部６における第１の半導体層２及び第３の半導体層４の厚さが、第１の主接合部５にて高耐圧降伏が起こる電圧にて、空乏層が十分に伸びる厚さに調整されている必要がある。ここで、第１の主接合部１においては、第１の半導体層２の不純物濃度が接合部６にての設定で決定されるため、第２の半導体層３の不純物濃度の量により高耐圧降伏の電圧を任意に設定することになる。
この任意に設定された上記電圧により、接合部６における第３の半導体層４の不純物濃度及び厚さ、第１の半導体層２の厚さを設定することになる。
上述した構成によれば、第１の主接合部５における耐圧のバラツキを抑制することが可能となる。

すでに述べたように、図２に示すように、第３の半導体層４の不純物濃度を、第２の半導体層３の不純物濃度に比較して低くし、第３の半導体層４に第１の半導体層２と同様に空乏層が伸びるようにしている。
このため、接合部６における第１の半導体層２内での空乏層の伸びが減少、すなわち半導体基板１方向（下部方向）に伸びる長さが、第１の主接合部５における第１の半導体層２内における長さに比較して減少し、空乏層が半導体基板１に対して接するまえに、第１の主接合部５において高耐圧降伏することになる。

したがって、接合部６において、第１の半導体層２の空乏層が半導体基板１に接することによるリーチスルーによる降伏を起こすことが無くなり、落雷などによる電圧が急激に変化して、高い電圧がノイズとして入力されても、第１の主接合部５において高耐圧降伏するため、定電圧ダイオードの端部でしか降伏電流が流れない従来例に比較し、電流が広い面積部分を流れるため、電流密度が低減し、クランピング電圧を低下させ、保護対象の回路を予め設定した電圧にて保護することができる。

本発明の一実施形態による定電圧ダイオードの断面構造を示す概念図である。 図１における定電圧ダイオードにおける逆バイアス時における空乏層の形成状態を示す概念図である。 図１の定電圧ダイオードの製造方法を説明する概念図である。 従来の定電圧ダイオードの断面構造を示す概念図である。

符号の説明

１…半導体基板
２…第１の半導体層
３…第２の半導体層
４…第３の半導体層
５…第１の主接合部
６…接合部
５０…メサ溝
１００…側壁
２００…保護膜
θm…第１のベベル角
θi…第２のベベル角

Claims (5)

1. 第１の導電型をもつ半導体基板と、
   前記半導体基板の一方の面に設けられて前記半導体基板との間に接合を形成する第１の導電型と同じ導電型でかつ不純物濃度が前記半導体基板より高い第１の半導体層と、
   前記第１の半導体層の中央領域における表面に形成され、第１の導電型と反対の第２の導電型の第２の半導体層と、
   前記第１の半導体層の表面における前記第２の半導体層の外周部に形成された、前記第２の導電型の第３の半導体層と
   を有し、
   前記第３の半導体層の厚さが、前記第２の半導体層より厚く形成されていることを特徴とするダイオード。
2. 前記第１の半導体層及び前記第３の半導体層側面に形成されたダイオードを分離するメサ溝と、前記第１の半導体層及び前記第３の半導体層の界面とのなす第１のベベル角が、前記第１の半導体層及び前記第２の半導体層の界面と、前記第１の半導体層及び前記第３の半導体層の界面とのなす第２のベベル角より大きいことを特徴とするダイオード。
3. 前記第１の半導体層及び前記第２の半導体層の界面下の第１の半導体層の厚さが、ダイオードのアバランシェ降伏する際の空乏層の厚さより厚いことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のダイオード。
4. 前記第２の半導体層の不純物濃度が、前記第３の半導体層の不純物濃度より高いことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のダイオード。
5. 前記第１の半導体層の不純物濃度が、前記半導体基板の不純物濃度より低いことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のダイオード。

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