JP2012190981A - 高耐圧半導体整流装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】高耐圧ダイオードは、第1導電型の半導体基板と、前記半導体基板上に形成した第1導電型の半導体からなるドリフト層と、前記ドリフト層の上に形成した第2導電型の半導体からなるバッファ層と、前記バッファ層の上に形成した第2導電型の高濃度半導体領域と、前記半導体基板と前記バッファ層との間に逆電圧を印加したときの半導体装置の端部領域の電界を緩和するために、前記端部領域に形成したメサ終端部と、前記メサ終端部に形成した第2導電型の半導体からなる電界緩和領域を有することを特徴とする。
【選択図】なし
Description
従来、逆バイアス時に電界を緩和するメサ構造部およびイオン打ち込みで形成したJTE領域を備え、メサ角度およびメサ底面に形成したJTE領域の不純物濃度を所定の範囲内とし、メサコーナー部のパッシベーション膜を500nm以上の厚さにするSiCのPiNダイオードが知られている。
(第1の実施の形態)
本実施の形態の高耐圧半導体整流装置は、第1導電型の基板と、前記第1導電型の基板上に形成した第1導電型のドリフト層と、前記ドリフト層の上に形成した第2導電型のバッファ層と、前記第2導電型のバッファ層の上に形成した第2導電型の高濃度半導体領域と、前記第1導電型基板と前記第2導電型のバッファ層との間に逆電圧を印加したときの半導体装置の端部領域の電界を緩和するために、前記端部領域に形成したメサ終端部と、前記メサ終端部に形成した第2導電型の電界緩和領域を有することを特徴とする。
前記ドリフト層の不純物濃度は、5.0×1013cm−3〜5.0×1015cm−3であることが好ましい。その理由は、SiC−PiNダイオードの適用範囲と考えられる1kV〜20kV程度の耐圧を持たせるためである。
この第2導電型のバッファ層の不純物濃度は、5.0×1015cm−3〜5.0×1017cm−3であることが好ましい。その理由は、不純物濃度が高すぎるとpn接合部に電界集中が発生してしまい、耐圧が下がってしまうが、逆に不純物濃度が低すぎると導通時のアノード電極からのホール注入量が減りすぎてしまうことによる。
このバッファ層の上部に形成した第2導電型の高濃度半導体領域22の不純物濃度は、5.0×1018cm−3よりも高いことが好ましい。その理由は、アノード電極におけるコンタクト抵抗を低減するためである。
図5の半導体整流装置の概略断面図において示すように、第2導電型の高濃度半導体領域であるp型高濃度半導体領域22と、第2導電型の電界緩和領域であるp型JTE領域16との距離をLpであらわすと、上記シミュレーションの結果を表す図6のグラフに示すように、Lpの値が、10μmを越えた領域から、耐圧が、不純物濃度の変動によって、左右される程度が低減し、好ましい特性を示す。
次に、図1に示す本実施の形態の半導体整流装置の製造方法を、工程断面図である図3、及び図4を用いて説明する。
まず、図3(a)に示すように、n+型の4H−SiC基板12上に、エピタキシャル成長により、ドリフト層となるn−型のSiC層14およびp型のバッファ層20を形成する。
高耐圧半導体整流装置の第2の実施の形態を、PiN型ダイオードの模式図である図7を用いて説明する。この実施の形態は、アノード電極24がp型高濃度半導体領域22よりも面積が大きいことを特徴としている。このようなPiN型ダイオードは、次のような特性を有する。すなわち、アノード電極24がp型バッファ層20と接することで、PiNダイオードのターンオフ時に、キャリアの排出がスムーズに進むため、ターンオフ特性が改善する。
高耐圧半導体整流装置の第3の実施の形態を、PiN型ダイオードの断面模式図である図8を用いて説明する。この実施の形態は、前記バッファ層20の上に、アノード電極24およびp型高濃度半導体領域22が複数存在していることを特徴としている。このPiN型ダイオードは、次のような特性を有している。すなわち、電極およびp型高濃度半導体領域22の面積を小さくすることにより、PiNダイオードのスイッチング特性を改善することができる。さらに、これらの領域を複数存在させることにより、チップ全体に電流を均一化させられるため、通電時に局所的に熱が集中することを回避できる。
図9は、この実施の形態のPiN型ダイオードの平面図である。この実施の形態において、複数のアノード電極24が、p型高濃度半導体領域22に取り囲まれて配置されている。
高耐圧半導体整流装置の第4の実施の形態を、PiN型ダイオードの断面模式図である図10を用いて説明する。この実施の形態のPiN型ダイオードは、複数のp型高濃度半導体領域22と1つのアノード電極24を備えていることを特徴としている。このPiN型ダイオードは、次のような特徴を有している。すなわち、p型高濃度半導体領域22の面積を小さくすることにより、PiNダイオードのターンオフ特性を改善することができる。また、これらの領域を複数存在させることにより、チップ全体に電流を均一化させられるため、通電時に局所的に熱が集中することを回避できる。さらに、電極がバッファ層と接することで、PiNダイオードのターンオフ時に、キャリアの排出がスムーズに進むため、ターンオフ特性がさらに改善する。
高耐圧半導体整流装置の第5の実施の形態を、PiN型ダイオードの断面模式図である図11を用いて説明する。この実施の形態のPiN型ダイオードは、p型JTE領域16の外側に、第2のp型JTE領域30を備えることを特徴としている。このPiN型ダイオードは、次のような特性を有している。すなわち、p型JTE領域16の不純物濃度が所望の値よりも、高濃度に振れた場合にも第2のp型JTE領域30が電界を緩和するため、耐圧歩留まりをより向上する効果が得られる。
なお、このp型JTE領域は2つよりも多くても構わない。
高耐圧半導体整流装置の第6の実施の形態を、PiN型ダイオードの断面模式図である図12を用いて説明する。この実施の形態のPiN型ダイオードは、p型JTE領域16の外側に、p型ガードリング領域32を備えることを特徴としている。このPiN型ダイオードは、次のような特性を有している。すなわち、p型JTE領域16の不純物濃度が所望の値よりも、高濃度に振れた場合にもp型ガードリング領域32が電界を緩和するため、耐圧歩留まりをより向上する効果が得られる。
このp型ガードリング領域は、2つよりも多くても構わない。
高耐圧半導体整流装置の第7の実施の形態を、PiN型ダイオードの断面模式図である図13を用いて説明する。この実施の形態のPiN型ダイオードは、p型バッファ層20の中に、p型JTE領域が入ることを特徴としている。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
12 SiC基板
14 n−型SiC領域
16 p型JTE領域
18 n型チャンネルストップ領域
20 p型バッファ層
22 p型高濃度半導体領域
24 第1の電極
26 第2の電極
28 パッシベーション膜
30 第2のp型JTE領域
32 p型ガードリング領域
Claims (10)
- 第1導電型の半導体基板と、
前記第1導電型の半導体基板上に形成した第1導電型の半導体からなるドリフト層と、
前記ドリフト層の上に形成した第2導電型の半導体からなるバッファ層と、
前記バッファ層の上部に形成した第2導電型の高濃度半導体領域と、
前記半導体基板と前記バッファ層との間に逆電圧を印加したときの半導体装置の端部領域の電界を緩和するために、前記端部領域に形成したメサ終端部と、
前記メサ終端部に形成した第2導電型の半導体からなる電界緩和領域を有することを特徴とする半導体整流装置。 - 前記高濃度半導体領域と前記電界緩和領域の距離が、前記半導体基板と前記バッファ層の距離の1/10よりも長いことを特徴とする請求項1記載の半導体整流装置。
- 前記高濃度半導体領域と前記電界緩和領域との距離が、10μm以上であることを特徴とする請求項1記載の半導体整流装置。
- 前記バッファ層の不純物濃度が、前記電界緩和領域の不純物濃度よりも低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半導体整流装置。
- 前記バッファ層の不純物濃度が、5.0×1015cm−3〜5.0×1017cm−3である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半導体整流装置。
- 前記バッファ層の上部に、複数の高濃度半導体領域を配置したことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれかに記載の半導体整流装置。
- 前記バッファ層の上部に形成した前記高濃度半導体領域の不純物濃度が5.0×1018cm−3よりも高いことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれかに記載の半導体整流装置。
- 前記ドリフト層の不純物濃度が、5.0×1013cm−3〜5.0×1015cm−3であることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれかに記載の半導体整流装置。
- 前記半導体が、炭化珪素であることを特徴とする請求項1から請求項8のいずれかに記載の半導体整流装置。
- 第1導電型半導体のドリフト層上に第2導電型のバッファ層を形成するステップと、
前記第2導電型のバッファ層の上部に第2導電型の高濃度半導体領域を形成するステップと、
前記ドリフト層の第1の部分を覆い、前記ドリフト層の第2の部分を露出させ、メサ構造を形成するために、前記バッファ層を選択的にエッチングするステップと、
前記ドリフト層に、前記第2導電型の電界緩和領域を形成するために、第2導電型のドーパントを選択的にイオン注入するステップとを備えたことを特徴とする半導体整流装置の製造方法。
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