JP2013074148A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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義幸 中木
Kenichi Otsuka
健一 大塚
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    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
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    • H01L29/861Diodes
    • H01L29/872Schottky diodes

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device capable of having a sufficient surge current resistance by relaxing electric field concentration, and a manufacturing method thereof.SOLUTION: A semiconductor device comprises: an n-type semiconductor layer 1 as a semiconductor layer of a first conductivity type made of silicon carbide; a p++-type semiconductor layer 5a as a first impurity layer of a second conductivity type formed by surrounding an element region of a schottky diode on a plan view in a surface layer of the n-type semiconductor layer 1; a p++-type semiconductor layer 5b as a second impurity layer of the second conductivity type formed by surrounding the element region from the outside of at least the p++-type semiconductor layer 5a on the plan view in the surface layer of the n-type semiconductor layer 1; and an anode electrode 3 formed on the element region extending to a surface layer of the p++-type semiconductor layer 5a. Impurity concentration of the p++-type semiconductor layer 5a is 1×10cmor higher.

Description

本発明は半導体装置およびその製造方法に関し、特に、パワー半導体デバイスの素子構造およびその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to an element structure of a power semiconductor device and a manufacturing method thereof.

SiC(炭化珪素)−SBD(Schottky Barrier Diode)が例えばインバータの還流ダイオードとして使用される場合、トランジスタが高速スイッチングする時の逆回復時には、SBDに過電流が流れショットキー電極端部に電流が集中し、ショットキー電極が破壊する場合がある。   When SiC (Silicon Carbide) -SBD (Schottky Barrier Diode) is used as a free-wheeling diode of an inverter, for example, overcurrent flows through SBD and current concentrates at the Schottky electrode end during reverse recovery when the transistor switches at high speed. However, the Schottky electrode may be destroyed.

これを抑止するために、例えばショットキー電極とコンタクトをとっているp+型半導体層でショットキー電極端部近傍を形成する構造がある(例えば特許文献1)。特許文献1ではn型注入層を用いることでさらに特性向上を図っているとされている。   In order to suppress this, there is a structure in which, for example, a p + type semiconductor layer in contact with the Schottky electrode is formed in the vicinity of the Schottky electrode end (for example, Patent Document 1). In Patent Document 1, it is said that the characteristics are further improved by using an n-type injection layer.

また、SiC−JBS(Junction Barrier Schottky)において、ショットキー電極下部に離散したp型半導体層を形成して、順方向のサージ大電流が流れても素子破壊を抑制する構成も知られている(例えば、特許文献1の先行例でもある特許文献2)。   Further, in SiC-JBS (Junction Barrier Schottky), a configuration is also known in which a discrete p-type semiconductor layer is formed under a Schottky electrode to suppress element breakdown even when a forward surge large current flows ( For example, Patent Document 2), which is a preceding example of Patent Document 1.

特開2009−277809号公報([0030]−[0040]および図4)JP 2009-277809 ([0030]-[0040] and FIG. 4) 特許3708057号公報(図15)Japanese Patent No. 3770857 (FIG. 15)

十分なサージ電流耐性を得るためには、アノード電極端部において比較的高濃度のp+型半導体層を形成することが必要である。しかし、アノード電極端部近傍にp+型半導体層を形成した素子構造において、逆方向に高電圧が印加された際に、このp+型半導体層端部の電界が上昇し、場合によっては素子破壊が生じるという問題がある。   In order to obtain sufficient surge current resistance, it is necessary to form a p + type semiconductor layer having a relatively high concentration at the end of the anode electrode. However, in an element structure in which a p + type semiconductor layer is formed in the vicinity of the anode electrode end, when a high voltage is applied in the opposite direction, the electric field at the end of the p + type semiconductor layer rises, and in some cases, the element is destroyed. There is a problem that arises.

また、作製効率向上のため、基板面より下部にアノード電極とp+型半導体層との接合点を形成した場合には、p+型半導体層端部の電界がさらに上昇するため、電界緩和構造が必要である。   In addition, in order to improve the production efficiency, when the junction point between the anode electrode and the p + type semiconductor layer is formed below the substrate surface, the electric field at the end of the p + type semiconductor layer further increases, so an electric field relaxation structure is necessary. It is.

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、電界集中を緩和することで十分なサージ電流耐性を有した半導体装置およびその製造方法の提供を目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device having sufficient surge current resistance by relaxing electric field concentration and a method for manufacturing the same.

本発明にかかる半導体装置は、炭化珪素からなる第1導電型の半導体層と、前記半導体層表層において、ショットキーダイオードの素子領域を平面視上囲んで形成された、第2導電型の第1不純物層と、前記半導体層表層において、前記素子領域を、少なくとも前記第1不純物層の平面視上外側から囲んで形成された、第2導電型の第2不純物層と、前記第1不純物層表層まで延設して前記素子領域上に形成されたアノード電極とを備え、前記第1不純物層の不純物濃度が1×1020cm-3以上であることを特徴とする。 The semiconductor device according to the present invention includes a first conductivity type semiconductor layer made of silicon carbide, and a second conductivity type first layer formed by surrounding the element region of the Schottky diode in plan view in the semiconductor layer surface layer. A second conductivity type second impurity layer formed by surrounding at least the element region from the outside in a plan view of the impurity layer and the semiconductor layer surface layer; and the first impurity layer surface layer And an anode electrode formed on the element region, wherein the impurity concentration of the first impurity layer is 1 × 10 20 cm −3 or more.

本発明にかかる半導体装置の製造方法は、上記の半導体装置を製造する方法であって、(a)前記半導体層上に注入マスクを配設し、前記半導体層表層内に1×1020cm-3以上の濃度の不純物を注入する工程と、(b)前記工程(a)において形成された、前記半導体層表層においてショットキーダイオードの素子領域を平面視上囲む前記第1不純物層および前記第2不純物層が露出するように、前記半導体層表層をエッチングする工程と、(c)前記注入マスクを除去し、前記第1不純物層および前記第2不純物層を活性化させる工程と、(d)前記第1不純物層および前記第2不純物層を犠牲酸化させる工程と、(e)前記工程(d)において形成された犠牲酸化膜を除去し、前記第1不純物層表層まで延設したショットキーダイオードのアノード電極を形成する工程とを備えることを特徴とする。 A method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a method for manufacturing the semiconductor device described above, wherein (a) an implantation mask is provided on the semiconductor layer, and 1 × 10 20 cm in the semiconductor layer surface layer. A step of implanting an impurity having a concentration of 3 or more; and (b) the first impurity layer and the second impurity layer formed in the step (a) and surrounding the element region of the Schottky diode in plan view in the semiconductor layer surface layer. Etching the surface layer of the semiconductor layer so that the impurity layer is exposed; (c) removing the implantation mask and activating the first impurity layer and the second impurity layer; Sacrificial oxidation of the first impurity layer and the second impurity layer; and (e) a Schottky diode formed by removing the sacrificial oxide film formed in the step (d) and extending to the surface layer of the first impurity layer. Characterized in that it comprises a step of forming an anode electrode of.

本発明にかかる半導体装置によれば、炭化珪素からなる第1導電型の半導体層と、前記半導体層表層において、ショットキーダイオードの素子領域を平面視上囲んで形成された、第2導電型の第1不純物層と、前記半導体層表層において、前記素子領域を、少なくとも前記第1不純物層の平面視上外側から囲んで形成された、第2導電型の第2不純物層と、前記第1不純物層表層まで延設して前記素子領域上に形成されたアノード電極とを備え、前記第1不純物層の不純物濃度が1×1020cm-3以上であることにより、第1不純物層端部における電界集中を緩和し、十分なサージ電流耐性を有することができる。 According to the semiconductor device of the present invention, the first conductivity type semiconductor layer made of silicon carbide and the second conductivity type semiconductor layer formed on the surface of the semiconductor layer so as to surround the element region of the Schottky diode in plan view. A first impurity layer; a second impurity layer of a second conductivity type formed by surrounding the element region from at least the outer side in plan view of the first impurity layer in the surface layer of the semiconductor layer; and the first impurity And an anode electrode formed on the element region so as to extend to the surface of the layer, and the impurity concentration of the first impurity layer is 1 × 10 20 cm −3 or more, so that at the end of the first impurity layer Electric field concentration can be alleviated and sufficient surge current resistance can be obtained.

本発明にかかる半導体装置の製造方法によれば、上記の半導体装置を製造する方法であって、(a)前記半導体層上に注入マスクを配設し、前記半導体層表層内に1×1020cm-3以上の濃度の不純物を注入する工程と、(b)前記工程(a)において形成された、前記半導体層表層においてショットキーダイオードの素子領域を平面視上囲む前記第1不純物層および前記第2不純物層が露出するように、前記半導体層表層をエッチングする工程と、(c)前記注入マスクを除去し、前記第1不純物層および前記第2不純物層を活性化させる工程と、(d)前記第1不純物層および前記第2不純物層を犠牲酸化させる工程と、(e)前記工程(d)において形成された犠牲酸化膜を除去し、前記第1不純物層表層まで延設したショットキーダイオードのアノード電極を形成する工程とを備えることにより、不純物注入領域端部における電界集中を緩和し、十分なサージ電流耐性を有することができる。また、工程を簡略化でき、製造タクトも向上させることができる。 According to a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, there is provided a method for manufacturing the semiconductor device described above, wherein (a) an implantation mask is provided on the semiconductor layer, and 1 × 10 20 is provided in the surface layer of the semiconductor layer. a step of implanting an impurity having a concentration of cm −3 or more, and (b) the first impurity layer formed in the step (a) surrounding the element region of the Schottky diode in plan view in the semiconductor layer surface layer and the step Etching the surface layer of the semiconductor layer so that the second impurity layer is exposed; (c) removing the implantation mask and activating the first impurity layer and the second impurity layer; A step of sacrificing the first impurity layer and the second impurity layer; and (e) a Schottky extending from the sacrificial oxide film formed in the step (d) to the surface layer of the first impurity layer. By and forming an anode electrode of the diode, and reduce the electric field concentration in the impurity implantation region end may have a sufficient surge current resistance. Further, the process can be simplified and the manufacturing tact can be improved.

本発明の実施の形態1による半導体装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the semiconductor device by Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1による半導体装置を示す平面図である。1 is a plan view showing a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1による特性図である。It is a characteristic view by Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1による特性図である。It is a characteristic view by Embodiment 1 of this invention. 本発明の変形例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the modification of this invention. 本発明の実施の形態2による半導体装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the semiconductor device by Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2による半導体装置を示す平面図である。It is a top view which shows the semiconductor device by Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2による特性図である。It is a characteristic view by Embodiment 2 of this invention. 本発明の変形例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the modification of this invention. 本発明の製造方法に関する断面図である。It is sectional drawing regarding the manufacturing method of this invention. 本発明の実施の形態2による特性図である。It is a characteristic view by Embodiment 2 of this invention. 本発明の変形例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the modification of this invention. 本発明の変形例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the modification of this invention.

<実施の形態1>
<構成>
図1は本発明に係る実施の形態1のSiC−SBDの構成を示す断面図である。図1に示すようにSiC−SBDは、例えばポリタイプが4Hで、n型(第1導電型)不純物を比較的高濃度(n+)に含んだ炭化珪素基板2上に、例えば厚さ4〜30μmのn型不純物を比較的低濃度(n−)に含んだドリフト層であるn型半導体層1を備え、当該n型半導体層1上層(表層)部にp型(第2導電型)不純物を含んだp−型半導体層4、p++型半導体層5aおよびp++型半導体層5bを、選択的に配設した構成を有している。p−型半導体層4、p++型半導体層5aおよびp++型半導体層5bはそれぞれ、n型半導体層1上の素子領域を平面視上囲んで形成される。
<Embodiment 1>
<Configuration>
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the SiC-SBD according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, SiC-SBD has, for example, a thickness of 4 to 4 on a silicon carbide substrate 2 having a polytype of 4H and containing an n-type (first conductivity type) impurity at a relatively high concentration (n +). An n-type semiconductor layer 1 which is a drift layer containing an n-type impurity of 30 μm at a relatively low concentration (n−) is provided, and a p-type (second conductivity type) impurity is formed in an upper layer (surface layer) of the n-type semiconductor layer 1 The p− type semiconductor layer 4, the p ++ type semiconductor layer 5 a, and the p ++ type semiconductor layer 5 b including s are selectively disposed. The p− type semiconductor layer 4, the p ++ type semiconductor layer 5 a and the p ++ type semiconductor layer 5 b are formed so as to surround the element region on the n type semiconductor layer 1 in plan view.

n型半導体層1は、炭化珪素基板2上に、例えば化学気相成長(CVD:Chemical Vapor Deposition)法を用いたエピタキシャル結晶成長により形成することができる。   The n-type semiconductor layer 1 can be formed on the silicon carbide substrate 2 by, for example, epitaxial crystal growth using a chemical vapor deposition (CVD) method.

p−型半導体層4およびp++型半導体層で囲まれた素子領域内のn型半導体層1上部を覆うように、物理気相成長法によりTi(チタン)膜で構成されるアノード電極3が形成されている。TiはSiCに対して適度の仕事関数を有するため、低オン電圧で逆方向特性も満足し得る特性を有しているため、適材として用いている。   An anode electrode 3 composed of a Ti (titanium) film is formed by physical vapor deposition so as to cover the upper portion of the n-type semiconductor layer 1 in the element region surrounded by the p− type semiconductor layer 4 and the p ++ type semiconductor layer. Has been. Since Ti has an appropriate work function with respect to SiC, it has a characteristic that can satisfy reverse characteristics at a low on-voltage, and is therefore used as an appropriate material.

また、アノード電極3が配設された側とは反対の炭化珪素基板2の主面(裏面)の上は、図示していないが例えばニッケルシリサイド等の金属シリサイド膜で覆われてオーミック電極となり、金属シリサイド膜は、半田接合に適したメタライズ膜で覆われており、金属シリサイド膜とメタライズ膜とでカソード電極を構成している。   The main surface (back surface) of the silicon carbide substrate 2 opposite to the side on which the anode electrode 3 is disposed is covered with a metal silicide film such as nickel silicide, which is not shown, but becomes an ohmic electrode. The metal silicide film is covered with a metallized film suitable for solder bonding, and the metal silicide film and the metallized film constitute a cathode electrode.

図2は、図1に示したSiC−SBDを、アノード電極3が形成された側から見た平面図であるが、ここではカソード電極は省略している。なお、図2のA−B線での矢示方向断面が図1の断面図である。   FIG. 2 is a plan view of the SiC-SBD shown in FIG. 1 viewed from the side on which the anode electrode 3 is formed, but the cathode electrode is omitted here. In addition, the arrow direction cross section in the AB line | wire of FIG. 2 is sectional drawing of FIG.

環状に形成されたp−型半導体層4は、逆方向電圧印加時に電界強度を下げるための電界緩和構造の一例である。ここでは単一リングとしたが、複数個のリング形状等、他の構造でもよい。   The p − type semiconductor layer 4 formed in an annular shape is an example of an electric field relaxation structure for reducing the electric field strength when a reverse voltage is applied. Although a single ring is used here, other structures such as a plurality of ring shapes may be used.

p++型半導体層5a(第1不純物層)およびp++型半導体層5b(第2不純物層)は、p−型半導体層4上において選択的に、やはり環状に形成されている。図においては、p++型半導体層5aがp++型半導体層5bよりも内側に離間して、素子領域を囲む形状となっている。また図においては、p++型半導体層5bは複数のリング形状となっているが、単数であってもよい。   The p ++ type semiconductor layer 5 a (first impurity layer) and the p ++ type semiconductor layer 5 b (second impurity layer) are selectively formed in a ring shape on the p− type semiconductor layer 4. In the figure, the p ++ type semiconductor layer 5a is separated from the inside of the p ++ type semiconductor layer 5b to surround the element region. In the figure, the p ++ type semiconductor layer 5b has a plurality of ring shapes, but it may be singular.

SiC−SBDの逆方向に急峻な電圧が印加された際には、形成されたp++型半導体層の内、アノード電極3に接しているp++型半導体層5a(図において、素子領域を最も内側で平面視上囲む層)でサージ電流を流すこととなる。   When a steep voltage is applied in the reverse direction of SiC-SBD, of the formed p ++ type semiconductor layers, the p ++ type semiconductor layer 5a in contact with the anode electrode 3 (in the drawing, the element region is located on the innermost side). A surge current is caused to flow in the surrounding layer in plan view.

図3(a)において、SiC−SBDに、時間長さが1μsで立ち上がり速度10ns未満の逆方向サージ電流を印加したとき、素子にダメージがない最大ピークサージ値(dV/dt)の改善効果を示す。横軸にドーズ量(cm-3)、縦軸にp++型半導体層を形成していないSBDを基準とするサージ耐量比を示す。横軸において「SBD」と記載している点は、p++型半導体層を形成していないSBDの場合の値である。 In FIG. 3A, when a reverse surge current having a time length of 1 μs and a rising speed of less than 10 ns is applied to SiC-SBD, the effect of improving the maximum peak surge value (dV / dt) that does not damage the element is obtained. Show. The horizontal axis represents the dose (cm −3 ), and the vertical axis represents the surge resistance ratio based on the SBD in which no p ++ type semiconductor layer is formed. The point described as “SBD” on the horizontal axis is a value in the case of an SBD in which no p ++ type semiconductor layer is formed.

特許文献1[0038]に記載された濃度、プロセスシミュレーション等を行うことにより類推できる濃度、および、特許文献2における、ドーズ量5×1014cm-2とし、加速電圧10〜200keVで多段階に分けてアルミニウムのイオン注入を行うことでボックス型のプロファイルを形成するとの記載に基づいて、プロセスシミュレーション等を行うことにより類推できる濃度(具体的には、2×1019cm-3未満)である1×1019cm-3では、最大ピークサージ値の改善効果は見られず(すなわち、サージ耐量比の上昇が見られず)、ドーズ量の濃度1×1020cm-3近傍で急激に最大ピークサージ値の改善効果が生じる(すなわち、サージ耐量比の急激な上昇が見られる)ことを見出した。 The concentration described in Patent Document 1 [0038], the concentration that can be inferred by performing a process simulation, and the like, and the dose amount 5 × 10 14 cm −2 in Patent Document 2 are set in multiple stages at an acceleration voltage of 10 to 200 keV. It is a concentration (specifically, less than 2 × 10 19 cm −3 ) that can be estimated by performing a process simulation or the like based on the description that a box-type profile is formed by performing ion implantation of aluminum separately. At 1 × 10 19 cm −3 , the improvement effect of the maximum peak surge value is not observed (that is, no increase in surge withstand ratio is observed), and the maximum concentration is rapidly increased around 1 × 10 20 cm −3. It has been found that an improvement effect of the peak surge value is produced (that is, a rapid rise in the surge withstand ratio is observed).

図3(b)に、同一ウエハ内に形成された素子を用いて測定したコンタクト抵抗の濃度依存性を示す。横軸にp+濃度(cm-3)、縦軸にコンタクト抵抗(Ωcm2)を示す。 FIG. 3B shows the concentration dependence of the contact resistance measured using elements formed in the same wafer. The horizontal axis represents p + concentration (cm −3 ), and the vertical axis represents contact resistance (Ωcm 2 ).

一方で繰り返しサージ逆電力の改善効果は、アノード電極3とp++型半導体層5aとの接触抵抗に依存していると見られ、p++型半導体層の濃度を5×1019cm-3から1×1020cm-3とすることで、2桁程度の低抵抗化が見られている(図3(b)においては、1×101(Ωcm2)から1×10-1(Ωcm2)へ低抵抗化している)。よって、p++型半導体層の濃度を1×1020cm-3以上とすることで、有効な改善効果が得られることが確認された。 On the other hand, the improvement effect of repetitive surge reverse power is considered to depend on the contact resistance between the anode electrode 3 and the p ++ type semiconductor layer 5a, and the concentration of the p ++ type semiconductor layer is changed from 5 × 10 19 cm −3 to 1 ×. By setting it to 10 20 cm −3 , the resistance is reduced by about two digits (in FIG. 3B, from 1 × 10 1 (Ωcm 2 ) to 1 × 10 −1 (Ωcm 2 )). Low resistance). Therefore, it was confirmed that an effective improvement effect can be obtained by setting the concentration of the p ++ type semiconductor layer to 1 × 10 20 cm −3 or more.

また図4に、複数のp++型半導体層の形成間隔を変えたときにp++型半導体層周辺に発生するブレークダウン時の電界比を示す。横軸にp++型半導体層の形成間隔(μm)、縦軸に最大電界強度比を示す。   FIG. 4 shows an electric field ratio at the time of breakdown generated around the p ++ type semiconductor layer when the formation interval of the plurality of p ++ type semiconductor layers is changed. The horizontal axis represents the p ++ type semiconductor layer formation interval (μm), and the vertical axis represents the maximum electric field strength ratio.

p++型半導体層5aおよびp++型半導体層5bである2本のリングを所定の間隔で形成した。それぞれのp++型半導体層の濃度は2×1020cm-3とした。 Two rings, which are the p ++ type semiconductor layer 5a and the p ++ type semiconductor layer 5b, were formed at a predetermined interval. The concentration of each p ++ type semiconductor layer was 2 × 10 20 cm −3 .

図4を参照すると、概ね形成間隔を2μm程度を中心とした値とすると、間隔を設けない場合(すなわち、単一リング形状の場合)と比べて、電界緩和効果が向上することが分かる。一方で、p++型半導体層自身の幅には、電界緩和効果との依存性は見られなかった。   Referring to FIG. 4, it can be seen that when the formation interval is approximately a value of about 2 μm, the electric field relaxation effect is improved as compared with a case where no interval is provided (that is, a single ring shape). On the other hand, the dependency of the width of the p ++ type semiconductor layer on the electric field relaxation effect was not observed.

高濃度となるp++型半導体層5aをアノード電極3端部に設ける際、特にp−型半導体層4の濃度を1×1017〜2.5×1017cm-3程度の低濃度で作製する場合には、p++型半導体層を従来の場合と同様の単一リングとしてしまってはその外周部に高電界が発生し、アバランシェ特性を示す直前に当該箇所で絶縁破壊が生じうることが分かった。 When the p ++ type semiconductor layer 5a having a high concentration is provided at the end of the anode electrode 3, the concentration of the p− type semiconductor layer 4 is particularly prepared at a low concentration of about 1 × 10 17 to 2.5 × 10 17 cm −3. In some cases, it was found that if the p ++ type semiconductor layer is formed as a single ring similar to the conventional case, a high electric field is generated at the outer periphery thereof, and dielectric breakdown may occur at the relevant location immediately before exhibiting the avalanche characteristics. .

しかし、本実施の形態に示すようにp++型半導体層を複数のリング形状(p++型半導体層5aおよびp++型半導体層5b)に分けることで、高電界発生を抑制できることが見出された。例えばp++型半導体層の各リングの幅を1μmとし、2μmの間隔で設けることで、改善効果が発揮された。   However, as shown in the present embodiment, it has been found that the generation of a high electric field can be suppressed by dividing the p ++ type semiconductor layer into a plurality of ring shapes (p ++ type semiconductor layer 5a and p ++ type semiconductor layer 5b). For example, when the width of each ring of the p ++ type semiconductor layer is 1 μm and provided at intervals of 2 μm, the improvement effect is exhibited.

アノード電極3端部を十分に濃度の高いp++型半導体層5aで保護できているため、p−型半導体層4の構造を自由に設計可能となり、2種類のp型の半導体層のみでも終端構造の縮小化にも寄与できるようになる。   Since the end portion of the anode electrode 3 can be protected by the p ++ type semiconductor layer 5a having a sufficiently high concentration, the structure of the p− type semiconductor layer 4 can be freely designed, and the termination structure can be formed by using only two types of p type semiconductor layers. It will be possible to contribute to the downsizing.

<製造方法>
次に、SiC−SBDの製造方法を説明する。
<Manufacturing method>
Next, the manufacturing method of SiC-SBD is demonstrated.

比抵抗が例えば15〜25mΩcmの炭化珪素基板2を準備し、炭化珪素基板2の一方の主面上にn型半導体層1を、例えばCVD法を用いたエピタキシャル結晶成長により形成する。   A silicon carbide substrate 2 having a specific resistance of, for example, 15 to 25 mΩcm is prepared, and n-type semiconductor layer 1 is formed on one main surface of silicon carbide substrate 2 by, for example, epitaxial crystal growth using a CVD method.

ここでn型半導体層1には、n型不純物としてリン(P)または窒素(N)を3×1015〜3×1016cm-3の濃度で導入することが望ましいが、ここではn型半導体層1の厚さを8〜9μmとし、不純物濃度を6×1015cm-3とした。 Here, it is desirable to introduce phosphorus (P) or nitrogen (N) into the n-type semiconductor layer 1 as an n-type impurity at a concentration of 3 × 10 15 to 3 × 10 16 cm −3. The thickness of the semiconductor layer 1 was 8 to 9 μm, and the impurity concentration was 6 × 10 15 cm −3 .

次に、n型半導体層1上に、環状の開口部を有する注入マスクを形成する。当該注入マスクの開口部は、環状のp−型半導体層4の形成領域に対応する部分である。   Next, an implantation mask having an annular opening is formed on the n-type semiconductor layer 1. The opening of the implantation mask is a portion corresponding to the formation region of the annular p − type semiconductor layer 4.

その後、注入マスクの上方からアルミニウム(Al)等のp型不純物のイオン注入(不純物注入)を行い、p−型半導体層4を形成する。ここでは、濃度が、例えば1×1017〜2×1017cm-3となるように注入条件を設定した。あるいは、300〜700keVの加速エネルギーで、7×1012〜1.5×1013cm-2の総注入量になるようにイオン注入の条件を設定することができる。 Thereafter, ion implantation (impurity implantation) of a p-type impurity such as aluminum (Al) is performed from above the implantation mask to form the p − type semiconductor layer 4. Here, the implantation conditions were set so that the concentration was, for example, 1 × 10 17 to 2 × 10 17 cm −3 . Alternatively, the ion implantation conditions can be set so that the total implantation amount is 7 × 10 12 to 1.5 × 10 13 cm −2 at an acceleration energy of 300 to 700 keV.

次に、先に示した手法によりp++型半導体層5aおよびp++型半導体層5bを形成する。p++型半導体層5aおよびp++型半導体層5bの形成するために、加速エネルギーは30〜90keV程度、濃度は1×1020〜5×1020cm-3となるように注入条件を設定した。基板温度は例えば200℃としたが、加熱なしの状態から700℃程度までであってよい。 Next, the p ++ type semiconductor layer 5a and the p ++ type semiconductor layer 5b are formed by the method described above. In order to form the p ++ type semiconductor layer 5a and the p ++ type semiconductor layer 5b, the implantation conditions were set so that the acceleration energy was about 30 to 90 keV and the concentration was 1 × 10 20 to 5 × 10 20 cm −3 . The substrate temperature is 200 ° C., for example, but may be from about 700 ° C. without heating.

次に、注入マスクを除去した後、注入された不純物の活性化アニール処理に先立って、減圧CVD法により厚さ1μm未満(例えば厚さ30nm)のグラファイト膜を、n型半導体層1が形成された炭化珪素基板2の全表層に形成する。   Next, after removing the implantation mask, prior to the activation annealing treatment of the implanted impurities, a graphite film having a thickness of less than 1 μm (for example, 30 nm) is formed on the n-type semiconductor layer 1 by a low pressure CVD method. It is formed on the entire surface layer of the silicon carbide substrate 2.

不純物の活性化アニールにおいて、高温に曝された炭化珪素基板2表層から構成元素であるSiおよび炭素(C)が蒸発する際に、SiおよびCの蒸発条件が異なり、かつ、結晶軸が傾いているために、SiおよびCの蒸発量が炭化珪素基板2面内で異なることになる。上記のグラファイト膜は、SiおよびCの蒸発量が炭化珪素基板2の面内で異なることにより、炭化珪素基板2の表層にステップバンチングと呼ばれる凹凸面が形成されることを防止するために設けられる。   In the activation annealing of impurities, when Si and carbon (C) as constituent elements are evaporated from the surface layer of the silicon carbide substrate 2 exposed to a high temperature, the evaporation conditions of Si and C are different and the crystal axis is inclined. Therefore, the evaporation amounts of Si and C are different within the silicon carbide substrate 2 surface. The above graphite film is provided to prevent the formation of an uneven surface called step bunching on the surface layer of the silicon carbide substrate 2 due to different amounts of evaporation of Si and C within the surface of the silicon carbide substrate 2. .

グラファイト膜の形成後、炭化珪素基板2にはアルゴン雰囲気中で約1700℃の活性化アニール処理が施され、p−型半導体層4、p++型半導体層5aおよびp++型半導体層5bが完成する。   After the formation of the graphite film, the silicon carbide substrate 2 is subjected to activation annealing at about 1700 ° C. in an argon atmosphere to complete the p− type semiconductor layer 4, the p ++ type semiconductor layer 5 a and the p ++ type semiconductor layer 5 b.

次に、グラファイト膜を除去した後、n型半導体層1が形成された炭化珪素基板2の全表層に、酸素雰囲気での熱酸化により犠牲酸化膜を形成する。   Next, after removing the graphite film, a sacrificial oxide film is formed by thermal oxidation in an oxygen atmosphere on the entire surface layer of the silicon carbide substrate 2 on which the n-type semiconductor layer 1 is formed.

犠牲酸化膜は、活性化アニール処理等で生じた炭化珪素層における表層変質層を酸化膜に改質し、最終的に除去するための膜である。犠牲酸化膜を除去することで、安定したショットキー界面となる炭化珪素層表層を得ることができる。   The sacrificial oxide film is a film for modifying the surface altered layer in the silicon carbide layer generated by activation annealing or the like into an oxide film and finally removing it. By removing the sacrificial oxide film, a surface layer of the silicon carbide layer that becomes a stable Schottky interface can be obtained.

さらに犠牲酸化をして、その犠牲酸化膜を除去することで、p++型半導体層5aおよびp++型半導体層5bの最表層の濃度が低い状態でしか形成されていない箇所が取り除かれることとなり、p++型半導体層5aとアノード電極3とのコンタクト抵抗は十分に小さくできる。   Further, sacrificial oxidation is performed and the sacrificial oxide film is removed, so that a portion of the p ++ type semiconductor layer 5a and the p ++ type semiconductor layer 5b that is formed only in a state where the concentration of the outermost layer is low is removed. The contact resistance between the type semiconductor layer 5a and the anode electrode 3 can be made sufficiently small.

次に、オーミック電極形成のために、炭化珪素基板2の裏面を機械加工で1〜200μmの厚さで除去した後、厚さ50〜200nmのNi膜を形成する。その後、真空中で1000℃のアニールを実施し、炭化珪素層に接するNi膜をシリサイド化して、Niシリサイド膜を形成する。   Next, in order to form an ohmic electrode, the back surface of the silicon carbide substrate 2 is removed by machining to a thickness of 1 to 200 μm, and then a Ni film having a thickness of 50 to 200 nm is formed. Thereafter, annealing at 1000 ° C. is performed in vacuum, and the Ni film in contact with the silicon carbide layer is silicided to form a Ni silicide film.

次に、p++型半導体層5aおよびp++型半導体層5bが配設された側の主面に残る犠牲酸化膜をフッ酸溶液により除去した後、スパッタリング法により、p++型半導体層5aおよびp++型半導体層5bが配設された側の主面全面に、厚さ100〜500nmのTi膜を形成する。   Next, the sacrificial oxide film remaining on the main surface on the side where the p ++ type semiconductor layer 5a and the p ++ type semiconductor layer 5b are disposed is removed with a hydrofluoric acid solution, and then the p ++ type semiconductor layer 5a and the p ++ type semiconductor are formed by sputtering. A Ti film having a thickness of 100 to 500 nm is formed on the entire main surface on the side where the layer 5b is provided.

当該Ti膜がp++型半導体層5aおよびp++型半導体層5bの配設された領域上に残るようにエッチングを行い、Ti膜で構成されるアノード電極3を形成する。ここでは、ターゲットパワー密度2〜10Wcm-2で膜厚200nm形成した。 Etching is performed so that the Ti film remains on the region where the p ++ type semiconductor layer 5a and the p ++ type semiconductor layer 5b are disposed, and the anode electrode 3 composed of the Ti film is formed. Here, a film thickness of 200 nm was formed at a target power density of 2 to 10 Wcm −2 .

その後、ショットキー障壁高さの安定化のために、不活性ガス雰囲気中、あるいは、真空中で400〜700℃、より望ましくは450℃のアニール処理を実施する。   Thereafter, in order to stabilize the height of the Schottky barrier, annealing is performed at 400 to 700 ° C., more preferably 450 ° C. in an inert gas atmosphere or in a vacuum.

なお、図示は省略するが、アノード電極3およびカソード電極を形成した後、厚さ2〜20μmのAlまたはCu等で構成される配線層を形成し、当該配線層と、p−型半導体層4およびp++型半導体層表層の保護のために、例えば厚さ3〜20μmのポリイミド樹脂層を形成する。   Although illustration is omitted, after the anode electrode 3 and the cathode electrode are formed, a wiring layer made of Al or Cu having a thickness of 2 to 20 μm is formed, and the wiring layer and the p − type semiconductor layer 4 are formed. In order to protect the surface layer of the p ++ type semiconductor layer, for example, a polyimide resin layer having a thickness of 3 to 20 μm is formed.

また、炭化珪素基板2の裏面のNiシリサイド膜上にはTi/Ni/Auの積層膜で構成されるメタライズ膜を形成することで、金属シリサイド膜とメタライズ膜とでカソード電極を形成することで完成する。   Further, by forming a metallized film composed of a Ti / Ni / Au laminated film on the Ni silicide film on the back surface of the silicon carbide substrate 2, a cathode electrode is formed by the metal silicide film and the metallized film. Complete.

<変形例>
図5は、複数の互いに離散した構造であるp++型半導体層51(第1不純物層)を、アノード電極3端部近傍に備えたSiC−SBDの断面図である。p++型半導体層51は、図においては2つのリング形状に分かれているが、例えば4μmピッチのメッシュを仮想し、その中に例えば2μm程度のドットを配置したような構成とすることができる。あるいは、1μm幅のリングを3μmピッチで複数個配置することができる。図に示すように、アノード電極3が複数のp++型半導体層51表層に跨って延設されている。
<Modification>
FIG. 5 is a cross-sectional view of a SiC-SBD provided with a plurality of p ++ type semiconductor layers 51 (first impurity layers) having discrete structures near the end of the anode electrode 3. Although the p ++ type semiconductor layer 51 is divided into two ring shapes in the figure, it can be configured such that, for example, a mesh with a pitch of 4 μm is assumed, and dots of about 2 μm, for example, are arranged therein. Alternatively, a plurality of rings having a width of 1 μm can be arranged at a pitch of 3 μm. As shown in the figure, the anode electrode 3 extends across the surface layers of the plurality of p ++ type semiconductor layers 51.

互いに離間して形成された複数個のp++型半導体層51は、空間平均した実効的な濃度が1019cm-3程度に低下することで、p++型半導体層51周辺に発生していた高電界を抑制することができる。このように、アノード電極3とのコンタクトが確保でき、電界の緩和も可能となる。 The plurality of p ++ type semiconductor layers 51 formed so as to be separated from each other has a high electric field generated around the p ++ type semiconductor layer 51 because the effective concentration obtained by spatial averaging decreases to about 10 19 cm −3. Can be suppressed. In this way, contact with the anode electrode 3 can be ensured, and the electric field can be relaxed.

<効果>
本発明にかかる実施の形態によれば、半導体装置において、炭化珪素からなる第1導電型の半導体層としてのn型半導体層1と、n型半導体層1表層において、ショットキーダイオードの素子領域を平面視上囲んで形成された、第2導電型の第1不純物層としてのp++型半導体層5aと、n型半導体層1表層において、素子領域を、少なくともp++型半導体層5aの平面視上外側から囲んで形成された、第2導電型の第2不純物層としてのp++型半導体層5bと、p++型半導体層5a表層まで延設して素子領域上に形成されたアノード電極3とを備え、p++型半導体層5aの不純物濃度が1×1020cm-3以上であることで、p++型半導体層5a端部における電界集中を緩和し、順方向および逆方向に高電圧が印加された際の十分なサージ電流耐性を有することができる。
<Effect>
According to the embodiment of the present invention, in the semiconductor device, the n-type semiconductor layer 1 as the first conductivity type semiconductor layer made of silicon carbide and the Schottky diode element region in the surface layer of the n-type semiconductor layer 1 are provided. In the p ++ type semiconductor layer 5a as the first impurity layer of the second conductivity type and the surface layer of the n-type semiconductor layer 1 formed so as to be surrounded in plan view, at least the element region is outside in plan view of the p ++ type semiconductor layer 5a. A p ++ type semiconductor layer 5b as a second impurity layer of the second conductivity type, and an anode electrode 3 extending to the surface layer of the p ++ type semiconductor layer 5a and formed on the element region. When the impurity concentration of the p ++ type semiconductor layer 5a is 1 × 10 20 cm −3 or more, the electric field concentration at the end of the p ++ type semiconductor layer 5a is alleviated, and a high voltage is applied in the forward and reverse directions. Ten It may have a surge current resistance.

また、p++型半導体層5aを高濃度化しても、p++型半導体層5bでp++型半導体層5aを囲み電界緩和構造を形成することで、図1に示すようなp−型半導体層4を低濃度で作製することができ、p−型半導体層4を小さく設計することが可能となる。   Even if the concentration of the p ++ type semiconductor layer 5a is increased, the p ++ type semiconductor layer 5b surrounds the p ++ type semiconductor layer 5a to form an electric field relaxation structure, thereby reducing the p− type semiconductor layer 4 as shown in FIG. The p − type semiconductor layer 4 can be designed to be small.

また、本発明にかかる実施の形態によれば、半導体装置において、第2不純物層としてのp++型半導体層5bが、第1不純物層としてのp++型半導体層5aとは離間して形成され、その不純物濃度が1×1020cm-3以上であることで、p++型半導体層5bでp++型半導体層5aを離間して囲み、電界緩和構造を形成することができる。 According to the embodiment of the present invention, in the semiconductor device, the p ++ type semiconductor layer 5b as the second impurity layer is formed apart from the p ++ type semiconductor layer 5a as the first impurity layer. When the impurity concentration is 1 × 10 20 cm −3 or more, the p ++ type semiconductor layer 5b is surrounded by the p ++ type semiconductor layer 5b so as to form an electric field relaxation structure.

また、本発明にかかる実施の形態によれば、半導体装置において、第1不純物層としてのp++型半導体層51が、各々が素子領域を平面視上囲むように互いに離間して形成された複数の層であることで、空間平均した実効的な濃度が低下することで、p++型半導体層51端部の電界を緩和することができる。   Further, according to the embodiment of the present invention, in the semiconductor device, a plurality of p ++ type semiconductor layers 51 as the first impurity layers are formed apart from each other so as to surround the element region in plan view. By being a layer, the effective concentration obtained by spatial averaging is reduced, so that the electric field at the end of the p ++ type semiconductor layer 51 can be relaxed.

また、本発明にかかる実施の形態によれば、半導体装置において、第1不純物層としてのp++型半導体層5aと第2不純物層としてのp++型半導体層5bとが、互いに1〜3μmの間隔で離間して形成されることで、順方向サージ耐量と逆回復時サージ耐量とを向上させることができる。   Further, according to the embodiment of the present invention, in the semiconductor device, the p ++ type semiconductor layer 5a as the first impurity layer and the p ++ type semiconductor layer 5b as the second impurity layer are spaced from each other by 1 to 3 μm. By forming them apart from each other, the forward surge resistance and the reverse recovery surge resistance can be improved.

<実施の形態2>
<構成>
図6は、本発明に係る実施の形態2のSiC−JBS型ダイオードの構成を示す断面図である。実施の形態1に示す構成とほぼ同一の構造であるが、アノード電極3下部にp++型半導体層50が形成してある点が異なる。
<Embodiment 2>
<Configuration>
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the configuration of the SiC-JBS diode according to the second embodiment of the present invention. The structure is almost the same as that shown in the first embodiment, except that a p ++ type semiconductor layer 50 is formed below the anode electrode 3.

アノード電極3にはTi(チタン)膜が用いられている。Tiは適度の仕事関数を有するため、低オン電圧で逆方向特性も満足し得る特性を有しているため、適材として用いている。   A Ti (titanium) film is used for the anode electrode 3. Since Ti has an appropriate work function, it has a low on-voltage and can satisfy reverse characteristics, and is therefore used as an appropriate material.

図7は、図6に示したSiC−JBS型ダイオードを、アノード電極3が形成された側から見た平面図であるが、ここではカソード電極は省略している。なお、図7のA−B線での矢示方向断面が図6の断面図である。   FIG. 7 is a plan view of the SiC-JBS diode shown in FIG. 6 as viewed from the side on which the anode electrode 3 is formed, but the cathode electrode is omitted here. In addition, the arrow direction cross section in the AB line | wire of FIG. 7 is sectional drawing of FIG.

p++型半導体層50(第4不純物層)は、例えば図7に示すようにそれぞれがストライプ状の平面視形状を有し、互いに離隔してn型半導体層1の素子領域上に分散配置されている。配置の一例としては、幅2〜30μmのストライプ状のp++型半導体層50を、互いに1〜20μmの間隔を開けて配置する。   For example, as shown in FIG. 7, the p ++ type semiconductor layers 50 (fourth impurity layers) each have a stripe-like plan view shape, and are distributed on the element region of the n-type semiconductor layer 1 so as to be separated from each other. Yes. As an example of the arrangement, striped p ++ type semiconductor layers 50 having a width of 2 to 30 μm are arranged with an interval of 1 to 20 μm.

なお、図6および図7では簡素化のため、p++型半導体層50を2個配置した例を示しているが、実際には半導体装置は1辺が数mmの方形であるため、さらに多くのp++型半導体層50が配置されることになる。   6 and 7 show an example in which two p ++ type semiconductor layers 50 are arranged for simplification. However, since the semiconductor device is actually a square having a side of several millimeters, more and more are shown. The p ++ type semiconductor layer 50 is disposed.

このSiC−JBS型ダイオードの動作としては、順方向に電圧が印加された場合には、p++型半導体層50が配設されていないn型半導体層1上の素子領域で、アノード電極3からn型半導体層1に向けて電流が流れるショットキー接合ダイオードとして機能する。   The operation of this SiC-JBS type diode is as follows. In the element region on the n-type semiconductor layer 1 where the p ++ type semiconductor layer 50 is not provided, when the voltage is applied in the forward direction, It functions as a Schottky junction diode in which a current flows toward the type semiconductor layer 1.

このとき、アノード電極3に接するn型半導体層1から鉛直下方に電流が流れるだけでなく、水平方向の広がり角を有して電流が流れるため、p++型半導体層50の近傍のアノード電極3から流れ出た電流は、p++型半導体層50の下方のn型半導体層1にも回り込む。このように電流が水平方向に広がることで順方向の抵抗が低くなる。   At this time, not only the current flows vertically downward from the n-type semiconductor layer 1 in contact with the anode electrode 3, but also the current flows with a horizontal spread angle, so that the current flows from the anode electrode 3 in the vicinity of the p ++ type semiconductor layer 50. The flowing current also flows into the n-type semiconductor layer 1 below the p ++ type semiconductor layer 50. Thus, the forward resistance decreases as the current spreads in the horizontal direction.

一方、SiC−JBS型ダイオードに逆方向に電圧が印加された場合には、p++型半導体層50およびp−型半導体層4の下方全面に広がるように空乏層が形成されるので、電圧が維持され低い逆方向電流が維持される。   On the other hand, when a voltage is applied to the SiC-JBS type diode in the reverse direction, a depletion layer is formed so as to spread all over the p ++ type semiconductor layer 50 and the p− type semiconductor layer 4, so that the voltage is maintained. And a low reverse current is maintained.

ここで、SiC−JBS型ダイオードに、定格電流をはるかに超える過電流が発生するような順方向電圧が印加された場合には、p++型半導体層50とn型半導体層1とで構成されるpn接合ダイオードにおいてもオン電圧を超え、p++型半導体層50からn型半導体層1に向けて電流が流れる。   Here, when a forward voltage that causes an overcurrent far exceeding the rated current is applied to the SiC-JBS type diode, the p ++ type semiconductor layer 50 and the n type semiconductor layer 1 are configured. Also in the pn junction diode, the on-voltage is exceeded, and a current flows from the p ++ type semiconductor layer 50 toward the n type semiconductor layer 1.

Tiで形成されるアノード電極3を用いたときの順方向サージ耐量(電流二乗時間積)を時間長さが10msの半波正弦波で測定した結果を、図8に示す。横軸にドーズ量(cm-3)、縦軸にp++型半導体層を形成していないSBDを基準とするサージ耐量比を示す。横軸において「SBD」と記載している点は、p++型半導体層を形成していないSBDの場合の値である。 FIG. 8 shows the result of measuring the forward surge resistance (current square time product) with a half-wave sine wave having a time length of 10 ms when the anode electrode 3 formed of Ti is used. The horizontal axis represents the dose (cm −3 ), and the vertical axis represents the surge resistance ratio based on the SBD in which no p ++ type semiconductor layer is formed. The point described as “SBD” on the horizontal axis is a value in the case of an SBD in which no p ++ type semiconductor layer is formed.

p++型半導体層の濃度を、特許文献1および特許文献2の記載に基づく濃度である1×1019cm-3とした場合では、順方向サージ耐量の改善効果は見られず(すなわち、サージ耐量比の上昇が見られず)、濃度1×1020cm-3近傍で急激に最大ピークサージ値の改善効果が生じる(すなわち、サージ耐量比の急激な上昇が見られる)ことを見出した。 When the concentration of the p ++ type semiconductor layer is 1 × 10 19 cm −3 , which is the concentration described in Patent Document 1 and Patent Document 2, no effect of improving the forward surge resistance is observed (that is, the surge resistance). No increase in the ratio was observed), and it was found that the effect of improving the maximum peak surge value abruptly occurred in the vicinity of the concentration of 1 × 10 20 cm −3 (that is, a rapid increase in the surge withstand ratio was observed).

<変形例1>
図9は、実施の形態2のSiC−JBS型ダイオードの変形例を示す断面図である。図9に示すように、p++型半導体層52a(第1不純物層)およびp++型半導体層52b(第2不純物層)、p++型半導体層53(第4不純物層)は、それぞれp−型半導体層4表層、n型半導体層1表層の凹み構造において形成されている。なお、p++型半導体層52aは、図5に示すように複数のリング形状に分かれていてもよい。
<Modification 1>
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a modification of the SiC-JBS type diode of the second embodiment. As shown in FIG. 9, the p ++ type semiconductor layer 52a (first impurity layer), the p ++ type semiconductor layer 52b (second impurity layer), and the p ++ type semiconductor layer 53 (fourth impurity layer) are each a p− type semiconductor layer. It is formed in a concave structure with four surface layers and one surface layer of the n-type semiconductor layer. The p ++ type semiconductor layer 52a may be divided into a plurality of ring shapes as shown in FIG.

p++型半導体層が高濃度であるため、イオン注入で形成するためには、低加速エネルギーを用いず、高いビーム電流が得られる中加速以上の注入エネルギーを用いることが望ましい場合がある。   Since the p ++ type semiconductor layer has a high concentration, in order to form by ion implantation, it may be desirable to use an implantation energy of medium acceleration or higher that can obtain a high beam current without using low acceleration energy.

このような場合には、それら表層に十分な濃度のイオンを注入してしまう低加速注入では、スループットの低下や安定性の低下が生じるおそれがある。よって、中加速以上の注入エネルギーを用いた場合に形成される構造について、以下説明する。   In such a case, low acceleration implantation in which ions of a sufficient concentration are implanted into these surface layers may cause a decrease in throughput and a decrease in stability. Therefore, a structure formed when an implantation energy of medium acceleration or higher is used will be described below.

図10(a)〜図10(c)に、p++型半導体層52aおよびp++型半導体層52b、p++型半導体層53の形成プロセスを示す。所望の箇所に酸化珪素、窒化珪素、高耐熱樹脂等からなるマスク10を形成する(図10(a))。   10A to 10C show a process for forming the p ++ type semiconductor layer 52a, the p ++ type semiconductor layer 52b, and the p ++ type semiconductor layer 53. FIG. A mask 10 made of silicon oxide, silicon nitride, high heat resistant resin, or the like is formed at a desired location (FIG. 10A).

例えば、90〜150keVのエネルギーで120〜190nmの範囲を2×1020cm-3となるように、アルミニウムイオン11を注入する(図10(b))。 For example, the aluminum ions 11 are implanted so that the energy in the range from 120 to 190 nm is 2 × 10 20 cm −3 at an energy of 90 to 150 keV (FIG. 10B).

続いて、弗化炭素系のガスで例えば140nm等の所望の深さにエッチングし、所望の表層濃度を得る(図10(c))。   Subsequently, etching is performed to a desired depth such as 140 nm with a fluorocarbon gas to obtain a desired surface layer concentration (FIG. 10C).

JBS型ダイオードにおいて逆回復時の耐性を向上させるため、p++型半導体層をアノード電極3端に設けるときには、作製プロセスコスト低減のため、p++型半導体層52aおよびp++型半導体層52b、p++型半導体層53は同一工程で作製するが、この時、p++型半導体層が従来例と同様の単一リングとなっては、p++型半導体層の外周部に高電界が発生し、アバランシェ特性を示す直前に当該箇所で絶縁破壊が生じうる。   In order to improve the resistance at the time of reverse recovery in the JBS type diode, when a p ++ type semiconductor layer is provided at the end of the anode electrode 3, the p ++ type semiconductor layer 52a, the p ++ type semiconductor layer 52b, and the p ++ type semiconductor layer are formed to reduce the manufacturing process cost. 53 is manufactured in the same process. At this time, if the p ++ type semiconductor layer becomes a single ring similar to the conventional example, a high electric field is generated at the outer periphery of the p ++ type semiconductor layer, immediately before the avalanche characteristic is exhibited. Dielectric breakdown can occur at the location.

図11に、複数のp++型半導体層の形成間隔を変えたときにp++型半導体層周辺に発生するブレークダウン時の最大電界値を示す。横軸にp++型半導体層の形成間隔(μm)、縦軸に電界強度(MV/cm)を示す。   FIG. 11 shows the maximum electric field value at the time of breakdown generated around the p ++ type semiconductor layer when the formation interval of the plurality of p ++ type semiconductor layers is changed. The horizontal axis indicates the p ++ type semiconductor layer formation interval (μm), and the vertical axis indicates the electric field strength (MV / cm).

p++型半導体層自身の幅は1μmとし、2本のリングを所定の間隔とした。p++型半導体層の濃度は2×1020cm-3(凡例○)、および、1×1020cm-3(凡例×)とした。また、凹み構造は深さ100nmとした。 The width of the p ++ type semiconductor layer itself was 1 μm, and the two rings were set at a predetermined interval. The concentration of the p ++ type semiconductor layer was 2 × 10 20 cm −3 (Legend ○) and 1 × 10 20 cm −3 (Legend ×). Moreover, the dent structure was 100 nm deep.

図11を参照すると、概ね形成間隔を3μm程度を中心とした値とすると、間隔を設けない場合(すなわち、単一リング形状の場合)と比べて、電界緩和効果が向上することが分かる。具体的には、電界強度を半減させることができることが分かる。一方で、p++型半導体層自身の幅には、電界緩和効果との依存性は見られなかった。   Referring to FIG. 11, it can be seen that when the formation interval is set to a value centering around 3 μm, the electric field relaxation effect is improved as compared with the case where no interval is provided (that is, in the case of a single ring shape). Specifically, it can be seen that the electric field strength can be halved. On the other hand, the dependency of the width of the p ++ type semiconductor layer on the electric field relaxation effect was not observed.

さらに凹み構造の深さは、50nm以上数百nm以下では、特に有意な特性変化は見られなかった。   Further, when the depth of the dent structure is 50 nm or more and several hundred nm or less, no significant characteristic change was observed.

このように、p++型半導体層を複数のリング形状(p++型半導体層52aおよびp++型半導体層52b)に分けることで、高電界発生を抑制できることが見出された。例えば、p++型半導体層52aおよびp++型半導体層52bの各リングの幅を1μmとし、3μmの間隔で設けることで、改善効果が発揮された。   Thus, it has been found that the generation of a high electric field can be suppressed by dividing the p ++ type semiconductor layer into a plurality of ring shapes (p ++ type semiconductor layer 52a and p ++ type semiconductor layer 52b). For example, the improvement effect was exhibited by setting the width of each ring of the p ++ type semiconductor layer 52a and the p ++ type semiconductor layer 52b to 1 μm and providing them at intervals of 3 μm.

<変形例2>
図12は、p−型半導体層4(第3不純物層)表層にp+型半導体層6(第2不純物層)を形成し、さらにp+型半導体層6表層に、単一リング形状のp++型半導体層52a(第1不純物層)形成した構造の断面図である。図12においては、p++型半導体層52a、p+型半導体層6、p++型半導体層53は、n型半導体層1表層の凹み構造に形成されているが、凹み構造でない箇所に形成されるものであってもよい。また、p++型半導体層53は備えられなくともよい。
<Modification 2>
In FIG. 12, a p + type semiconductor layer 6 (second impurity layer) is formed on the surface layer of the p − type semiconductor layer 4 (third impurity layer), and a p + type semiconductor having a single ring shape is formed on the surface layer of the p + type semiconductor layer 6. It is sectional drawing of the structure in which layer 52a (1st impurity layer) was formed. In FIG. 12, the p ++ type semiconductor layer 52a, the p + type semiconductor layer 6, and the p ++ type semiconductor layer 53 are formed in the concave structure of the surface layer of the n type semiconductor layer 1, but are formed in a portion that is not the concave structure. There may be. Further, the p ++ type semiconductor layer 53 may not be provided.

p+型半導体層6(第2不純物層)は、例えば濃度3×1017〜1×1019cm-3で、p++型半導体層52a(第1不純物層)より深く形成される。あるいは実効的に、p++型半導体層52aより深く、2×1013〜5×1014cm-2の注入量で形成される。 The p + type semiconductor layer 6 (second impurity layer) is formed deeper than the p + + type semiconductor layer 52a (first impurity layer), for example, at a concentration of 3 × 10 17 to 1 × 10 19 cm −3 . Alternatively, it is effectively formed deeper than the p ++ type semiconductor layer 52a with an implantation amount of 2 × 10 13 to 5 × 10 14 cm −2 .

注入工程は上記の実施の形態における場合よりも1回増えるが、p++型半導体層52aを効率よく形成できるため、若干のスループット低下だけで、効率よく期待される素子が作製できる。   Although the implantation step is increased once compared with the case of the above embodiment, the p ++ type semiconductor layer 52a can be formed efficiently, so that an expected device can be efficiently produced with only a slight decrease in throughput.

図13は、中濃度のp+型半導体層60(第2不純物層)によるフローティングガードリング構造の断面図である。n型半導体層1表層にp+型半導体層6(第2不純物層)を形成し、p+型半導体層6表層に単一リング形状のp++型半導体層52a(第1不純物層)形成する。またn型半導体層1表層において、p+型半導体層6を平面視上囲むように、互いに離間したp+型半導体層60を形成する。   FIG. 13 is a cross-sectional view of a floating guard ring structure with a medium concentration p + -type semiconductor layer 60 (second impurity layer). A p + type semiconductor layer 6 (second impurity layer) is formed on the surface layer of the n type semiconductor layer 1, and a single ring-shaped p ++ type semiconductor layer 52 a (first impurity layer) is formed on the surface layer of the p + type semiconductor layer 6. In addition, in the surface layer of the n-type semiconductor layer 1, p + -type semiconductor layers 60 that are separated from each other are formed so as to surround the p + -type semiconductor layer 6 in plan view.

図13においては、p++型半導体層52a、p+型半導体層6、p++型半導体層53は、1表層の凹み構造において形成されているが、凹み構造でない箇所に形成されるものであってもよい。また、p++型半導体層53は備えられなくともよい。   In FIG. 13, the p ++ type semiconductor layer 52a, the p + type semiconductor layer 6, and the p ++ type semiconductor layer 53 are formed in a single-surface recess structure, but may be formed in a place other than the recess structure. . Further, the p ++ type semiconductor layer 53 may not be provided.

p+型半導体層6およびp+型半導体層60は、例えば濃度3×1017cm-3で形成され、p+型半導体層6は、p++型半導体層52aより深く形成される。あるいは実効的に、p++型半導体層52aより深く、2×1013〜2.5×1013cm-2の注入量で形成される。 The p + type semiconductor layer 6 and the p + type semiconductor layer 60 are formed with a concentration of 3 × 10 17 cm −3 , for example, and the p + type semiconductor layer 6 is formed deeper than the p + + type semiconductor layer 52a. Alternatively, it is effectively formed deeper than the p ++ type semiconductor layer 52a with an implantation amount of 2 × 10 13 to 2.5 × 10 13 cm −2 .

この構造でも、p++型半導体層52aを効率よく形成できるため、若干のスループット低下だけで、効率よく期待される素子が作製できる。   Even in this structure, since the p ++ type semiconductor layer 52a can be formed efficiently, an element expected efficiently can be manufactured with only a slight decrease in throughput.

<効果>
本発明にかかる実施の形態によれば、半導体装置において、第2不純物層としてのp+型半導体層60が、各々素子領域を平面視上囲むように互いに離間して形成された複数の層であり、その不純物濃度が第1不純物層としてのp++型半導体層52aの不純物濃度より低く、p++型半導体層52aが、最も内側から素子領域を囲む第2不純物層としてのp+型半導体層6表層に形成されることで、高濃度のp++型半導体層52aを囲む、中間濃度のp+型半導体層6およびp+型半導体層60によって電界緩和構造を形成し、p++型半導体層52a端部に発生する高電界を抑制することができる。
<Effect>
According to the embodiment of the present invention, in the semiconductor device, the p + type semiconductor layer 60 as the second impurity layer is a plurality of layers formed so as to be separated from each other so as to surround the element region in plan view. The impurity concentration is lower than the impurity concentration of the p ++ type semiconductor layer 52a as the first impurity layer, and the p ++ type semiconductor layer 52a is formed on the surface layer of the p + type semiconductor layer 6 as the second impurity layer surrounding the element region from the innermost side. Thus, an electric field relaxation structure is formed by the intermediate concentration p + type semiconductor layer 6 and the p + type semiconductor layer 60 surrounding the high concentration p + + type semiconductor layer 52a, and a high electric field generated at the end of the p + + type semiconductor layer 52a. Can be suppressed.

また、本発明にかかる実施の形態によれば、半導体装置において、半導体層としてのn型半導体層1表層において、素子領域を平面視上囲んで形成され、その不純物濃度が第2不純物層としてのp+型半導体層6より低い、第2導電型の第3不純物層としてのp−型半導体層4をさらに備え、p+型半導体層6が、p−型半導体層4表層に形成され、その不純物濃度が第1不純物層としてのp++型半導体層52aの不純物濃度より低く、p++型半導体層52aが、p+型半導体層6表層に形成されることで、高濃度のp++型半導体層52aを囲む中間濃度のp+型半導体層6、および、中間濃度のp+型半導体層6を囲むp−型半導体層4によって電界緩和構造を形成し、p++型半導体層52a端部に発生する高電界を抑制することができる。   According to the embodiment of the present invention, in the semiconductor device, in the surface layer of the n-type semiconductor layer 1 as the semiconductor layer, the element region is formed in plan view, and the impurity concentration is as the second impurity layer. A p − type semiconductor layer 4 as a third impurity layer of the second conductivity type lower than the p + type semiconductor layer 6 is further provided, and the p + type semiconductor layer 6 is formed in the surface layer of the p − type semiconductor layer 4, and its impurity concentration Is lower than the impurity concentration of the p ++ type semiconductor layer 52a as the first impurity layer, and the p ++ type semiconductor layer 52a is formed in the surface layer of the p + type semiconductor layer 6 so that an intermediate concentration surrounding the high concentration p ++ type semiconductor layer 52a is formed. The p + type semiconductor layer 6 and the p − type semiconductor layer 4 surrounding the intermediate concentration p + type semiconductor layer 6 form an electric field relaxation structure to suppress a high electric field generated at the end of the p + + type semiconductor layer 52a. It can be.

また、本発明にかかる実施の形態によれば、半導体装置において、第1不純物層としてのp++型半導体層52aと第2不純物層としてのp++型半導体層52bとが、半導体層としてのn型半導体層1表層の凹部に形成され、p++型半導体層52aとp++型半導体層52bとが、互いに2.5〜3μmの間隔で離間して形成されることで、中加速以上の注入エネルギーを用いて不純物を注入する場合にも、順方向サージ耐量と逆回復時サージ耐量向上させることができる。   Further, according to the embodiment of the present invention, in the semiconductor device, the p ++ type semiconductor layer 52a as the first impurity layer and the p ++ type semiconductor layer 52b as the second impurity layer are the n type semiconductor as the semiconductor layer. By forming the p ++ type semiconductor layer 52a and the p ++ type semiconductor layer 52b apart from each other at an interval of 2.5 to 3 μm, the injection energy of medium acceleration or higher is used. Even when impurities are implanted, the forward surge resistance and reverse recovery surge resistance can be improved.

また、本発明にかかる実施の形態によれば、半導体装置において、素子領域における半導体層としてのn型半導体層1表層に選択的に形成された、第2導電型の第4不純物層としてのp++型半導体層50をさらに備えることで、電流が水平方向の広がり角を有して流れるため、順方向の抵抗が低くなる。一方逆方向では、p++型半導体層50およびp−型半導体層4の下方全面に広がるように空乏層が形成され、低い逆方向電流が維持される。   Moreover, according to the embodiment of the present invention, in the semiconductor device, p ++ as the second conductivity type fourth impurity layer selectively formed on the surface layer of the n-type semiconductor layer 1 as the semiconductor layer in the element region. By further providing the type semiconductor layer 50, the current flows with a horizontal spread angle, so the forward resistance decreases. On the other hand, in the reverse direction, a depletion layer is formed so as to spread over the entire lower surface of the p ++ type semiconductor layer 50 and the p− type semiconductor layer 4, and a low reverse current is maintained.

また、本発明にかかる実施の形態によれば、半導体装置において、第1不純物層としてのp++型半導体層52aと第2不純物層としてのp++型半導体層52bと第4不純物層としてのp++型半導体層53とが、半導体層としてのn型半導体層1表層の凹部に形成されることで、中加速以上の注入エネルギーを用いて不純物を注入する場合にも、順方向サージ耐量と逆回復時サージ耐量向上させることができる。   According to the embodiment of the present invention, in the semiconductor device, the p ++ type semiconductor layer 52a as the first impurity layer, the p ++ type semiconductor layer 52b as the second impurity layer, and the p ++ type semiconductor as the fourth impurity layer. Since the layer 53 is formed in the concave portion of the surface layer of the n-type semiconductor layer 1 as a semiconductor layer, the forward surge resistance and reverse recovery surge can be obtained even when impurities are implanted using an implantation energy of medium acceleration or higher. The amount of resistance can be improved.

また、本発明にかかる実施の形態によれば、半導体装置の製造方法において、(a)半導体層としてのn型半導体層1上に注入マスクを配設し、n型半導体層1表層内に1×1020cm-3以上の濃度の不純物を注入する工程と、(b)工程(a)において形成された、n型半導体層1表層においてショットキーダイオードの素子領域を平面視上囲む第1不純物層としてのp++型半導体層52aおよび第2不純物層としてのp++型半導体層52bが露出するように、n型半導体層1表層をエッチングする工程と、(c)注入マスクを除去し、p++型半導体層52aおよびp++型半導体層52bを活性化させる工程と、(d)p++型半導体層52aおよびp++型半導体層52bを犠牲酸化させる工程と、(e)工程(d)において形成された犠牲酸化膜を除去し、p++型半導体層52a表層まで延設したショットキーダイオードのアノード電極3を形成する工程とを備えることで、不純物注入領域端部における電界集中を緩和し、十分なサージ電流耐性を有することができる。また、プロセス簡素化により工程を減らすことができ、製造タクトも向上させることができる。よって、製造コストの低減や、量産性の向上が期待できる。 According to the embodiment of the present invention, in the method of manufacturing a semiconductor device, (a) an implantation mask is disposed on the n-type semiconductor layer 1 as a semiconductor layer, and 1 is formed in the surface layer of the n-type semiconductor layer 1. A step of implanting an impurity having a concentration of × 10 20 cm −3 or higher; and (b) a first impurity formed in step (a) surrounding the element region of the Schottky diode in a plan view in the n-type semiconductor layer 1 surface layer. Etching the surface layer of the n-type semiconductor layer 1 so that the p ++ type semiconductor layer 52a as the layer and the p ++ type semiconductor layer 52b as the second impurity layer are exposed, and (c) removing the implantation mask and removing the p ++ type semiconductor layer A step of activating the layer 52a and the p ++ type semiconductor layer 52b, a step of (d) sacrificing the p ++ type semiconductor layer 52a and the p ++ type semiconductor layer 52b, and (e) a shape in the step (d). The step of removing the sacrificial oxide film and forming the anode electrode 3 of the Schottky diode extending to the surface layer of the p ++ type semiconductor layer 52a. It can have surge current resistance. Further, the number of steps can be reduced by simplifying the process, and the manufacturing tact can be improved. Therefore, reduction of manufacturing cost and improvement of mass productivity can be expected.

本発明の実施の形態では、各構成要素の材質、材料、実施の条件等についても記載しているが、これらは例示であって記載したものに限られるものではない。   In the embodiment of the present invention, the material, material, conditions for implementation, etc. of each component are also described, but these are examples and are not limited to those described.

なお本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。   In the present invention, within the scope of the invention, free combinations of the respective embodiments, modifications of arbitrary components of the respective embodiments, or omission of arbitrary components of the respective embodiments are possible. .

1 n型半導体層、2 炭化珪素基板、3 アノード電極、4 p−型半導体層、5a,5b,50,51,52a、52b,53 p++型半導体層、6,60 p+型半導体層、10 マスク、11 アルミニウムイオン。   1 n-type semiconductor layer, 2 silicon carbide substrate, 3 anode electrode, 4 p-type semiconductor layer, 5a, 5b, 50, 51, 52a, 52b, 53 p ++ type semiconductor layer, 6, 60 p + type semiconductor layer, 10 mask 11 Aluminum ions.

Claims (10)

炭化珪素からなる第1導電型の半導体層と、
前記半導体層表層において、ショットキーダイオードの素子領域を平面視上囲んで形成された、第2導電型の第1不純物層と、
前記半導体層表層において、前記素子領域を、少なくとも前記第1不純物層の平面視上外側から囲んで形成された、第2導電型の第2不純物層と、
前記第1不純物層表層まで延設して前記素子領域上に形成されたアノード電極とを備え、
前記第1不純物層の不純物濃度が1×1020cm-3以上であることを特徴とする、
半導体装置。
A first conductivity type semiconductor layer made of silicon carbide;
A first impurity layer of a second conductivity type formed on the surface of the semiconductor layer so as to surround the element region of the Schottky diode in plan view;
In the semiconductor layer surface layer, a second impurity layer of a second conductivity type formed so as to surround the element region from at least the outside in a plan view of the first impurity layer;
An anode electrode extending to the surface layer of the first impurity layer and formed on the element region;
The impurity concentration of the first impurity layer is 1 × 10 20 cm −3 or more,
Semiconductor device.
前記第2不純物層が、前記第1不純物層とは離間して形成され、その不純物濃度が1×1020cm-3以上であることを特徴とする、
請求項1に記載の半導体装置。
The second impurity layer is formed apart from the first impurity layer and has an impurity concentration of 1 × 10 20 cm −3 or more.
The semiconductor device according to claim 1.
前記第2不純物層が、各々が前記素子領域を平面視上囲むように互いに離間して形成された複数の層であり、その不純物濃度が前記第1不純物層の不純物濃度より低く、
前記第1不純物層が、最も内側から前記素子領域を囲む前記第2不純物層表層に形成されることを特徴とする、
請求項1に記載の半導体装置。
The second impurity layer is a plurality of layers formed so as to be separated from each other so as to surround the element region in plan view, and the impurity concentration thereof is lower than the impurity concentration of the first impurity layer,
The first impurity layer is formed on the surface layer of the second impurity layer surrounding the element region from the innermost side.
The semiconductor device according to claim 1.
前記半導体層表層において、前記素子領域を平面視上囲んで形成され、その不純物濃度が前記第2不純物層より低い、第2導電型の第3不純物層をさらに備え、
前記第2不純物層が、前記第3不純物層表層に形成され、その不純物濃度が前記第1不純物層の不純物濃度より低く、
前記第1不純物層が、前記第2不純物層表層に形成されることを特徴とする、
請求項1に記載の半導体装置。
The semiconductor layer further includes a third impurity layer of a second conductivity type formed so as to surround the element region in plan view and having an impurity concentration lower than that of the second impurity layer.
The second impurity layer is formed on a surface layer of the third impurity layer, and an impurity concentration thereof is lower than an impurity concentration of the first impurity layer;
The first impurity layer is formed on a surface layer of the second impurity layer,
The semiconductor device according to claim 1.
前記第1不純物層が、各々が前記素子領域を平面視上囲むように互いに離間して形成された複数の層であることを特徴とする、
請求項1または2に記載の半導体装置。
The first impurity layer is a plurality of layers formed so as to be separated from each other so as to surround the element region in plan view,
The semiconductor device according to claim 1.
前記第1不純物層と前記第2不純物層とが、互いに1〜3μmの間隔で離間して形成されることを特徴とする、
請求項1、2、5のいずれかに記載の半導体装置。
The first impurity layer and the second impurity layer are formed to be spaced apart from each other by 1 to 3 μm,
The semiconductor device according to claim 1.
前記第1不純物層と前記第2不純物層とが、前記半導体層表層の凹部に形成され、
前記第1不純物層と前記第2不純物層とが、互いに2.5〜3μmの間隔で離間して形成されることを特徴とする、
請求項1、2、5のいずれかに記載の半導体装置。
The first impurity layer and the second impurity layer are formed in a recess of the semiconductor layer surface layer;
The first impurity layer and the second impurity layer are formed apart from each other at an interval of 2.5 to 3 μm,
The semiconductor device according to claim 1.
前記素子領域における前記半導体層表層に選択的に形成された、第2導電型の第4不純物層をさらに備えることを特徴とする、
請求項1〜7のいずれかに記載の半導体装置。
A fourth impurity layer of a second conductivity type, which is selectively formed on the surface layer of the semiconductor layer in the element region;
The semiconductor device according to claim 1.
前記第1不純物層と前記第2不純物層と前記第4不純物層とが、前記半導体層表層の凹部に形成されることを特徴とする、
請求項8に記載の半導体装置。
The first impurity layer, the second impurity layer, and the fourth impurity layer are formed in a recess of a surface layer of the semiconductor layer,
The semiconductor device according to claim 8.
請求項1〜9のいずれかに記載の半導体装置を製造する方法であって、
(a)前記半導体層上に注入マスクを配設し、前記半導体層表層内に1×1020cm-3以上の濃度の不純物を注入する工程と、
(b)前記工程(a)において形成された、前記半導体層表層においてショットキーダイオードの素子領域を平面視上囲む前記第1不純物層および前記第2不純物層が露出するように、前記半導体層表層をエッチングする工程と、
(c)前記注入マスクを除去し、前記第1不純物層および前記第2不純物層を活性化させる工程と、
(d)前記第1不純物層および前記第2不純物層を犠牲酸化させる工程と、
(e)前記工程(d)において形成された犠牲酸化膜を除去し、前記第1不純物層表層まで延設したショットキーダイオードのアノード電極を形成する工程とを備えることを特徴とする、
半導体装置の製造方法。
A method for manufacturing the semiconductor device according to claim 1,
(A) disposing an implantation mask on the semiconductor layer, and implanting an impurity having a concentration of 1 × 10 20 cm −3 or more into the semiconductor layer surface layer;
(B) The semiconductor layer surface layer formed in the step (a) so that the first impurity layer and the second impurity layer surrounding the element region of the Schottky diode in plan view are exposed in the semiconductor layer surface layer Etching the step;
(C) removing the implantation mask and activating the first impurity layer and the second impurity layer;
(D) sacrificial oxidation of the first impurity layer and the second impurity layer;
(E) removing the sacrificial oxide film formed in the step (d) and forming an anode electrode of a Schottky diode extended to the surface layer of the first impurity layer.
A method for manufacturing a semiconductor device.
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