JP2013135078A

JP2013135078A - ダイオード

Info

Publication number: JP2013135078A
Application number: JP2011284375A
Authority: JP
Inventors: Fumikazu Niwa; 史和丹羽
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-12-26
Filing date: 2011-12-26
Publication date: 2013-07-08

Abstract

【課題】ディープ領域を有するとともにリカバリ耐量が高いダイオードを提供する。
【解決手段】半導体基板を有するダイオードであって、半導体基板は、半導体基板の上面に露出する範囲に形成されたｐ型のアノード領域と、前記上面に露出する範囲に形成されており、アノード領域と繋がっており、アノード領域よりも深い位置まで広がるｐ型のディープ領域と、半導体基板の端部とディープ領域との間の外周領域と、アノード領域及びディープ領域の下側、及び、外周領域内に広がるｎ型のカソード領域を有する。前記上面に露出する範囲において、アノード領域に近い側のディープ領域の平均ｐ型不純物濃度が、外周領域に近い側のディープ領域の平均ｐ型不純物濃度よりも低い。
【選択図】図１

Description

本明細書が開示する技術は、ダイオードに関する。

特許文献１には、ｐ型のアノード領域とｎ型のカソード領域を有するダイオードが開示されている。半導体基板の端部とアノード領域と間の外周領域には、カソード領域とＦＬＲ等が形成されている。カソード領域は、アノード領域の下側と外周領域内に広がっている。

特開２０１０−１７７２４３号公報

アノード領域の端部に、アノード領域よりも深い位置まで広がるｐ型のディープ領域を設けたダイオードが存在する。このダイオードによれば、周辺領域の耐圧特性の向上を図ることができる。しかしながら、従来のこのタイプのダイオードは、リカバリ耐性が高くない。すなわち、ダイオードに順電圧が印加されると、ダイオードに電流が流れる。このとき、アノード領域からカソード領域にホールが流入することで、カソード領域のホールの濃度が高くなる。ホールは外周領域内のカソード領域にも流入するので、外周領域内のカソード領域も多量のホールが存在する状態となる。その後に、ダイオードへの印加電圧が順電圧から逆電圧に切り換わると、ダイオードがリカバリ動作を行う。すなわち、カソード領域内に存在するホールがアノード側に流れる。このとき、外周領域内のカソード領域に存在するホールの大部分が、ディープ領域を介して流れる。したがって、ディープ領域に過電流が流れ易い。このため、従来のダイオードは、リカバリ耐量が低いという問題があった。したがって、本明細書では、ディープ領域を有するとともにリカバリ耐量が高いダイオードを提供する。

本明細書が開示するダイオードは、半導体基板を有する。半導体基板は、半導体基板の上面に露出する範囲に形成されたｐ型のアノード領域と、前記上面に露出する範囲に形成されており、アノード領域と繋がっており、アノード領域よりも深い位置まで広がるｐ型のディープ領域と、アノード領域及びディープ領域の下側、及び、ディープ領域と半導体基板の端部との間の外周領域内に広がるｎ型のカソード領域を有している。前記上面に露出する範囲において、アノード領域に近い側のディープ領域の平均ｐ型不純物濃度が、外周領域に近い側のディープ領域の平均ｐ型不純物濃度よりも低い。

このダイオードでは、アノード領域側のディープ領域の平均ｐ型不純物濃度が、外周領域側のディープ領域の平均ｐ型不純物濃度よりも低い。このように、アノード領域側のディープ領域のｐ型不純物濃度を低くすることで、ディープ領域の電気抵抗が高くなる。これによって、リカバリ動作時にディープ領域にホールが流れ難くなる。このため、この構成によれば、リカバリ耐量を向上することができる。また、外周領域側のディープ領域のｐ型不純物濃度を高くしておくことで、外周領域の耐圧特性を確保することができる。すなわち、外周領域側のディープ領域のｐ型不純物濃度は、外周領域内の電界分布に大きく影響する。このため、外周領域側のディープ領域のｐ型不純物濃度を下げると、外周領域の耐圧特性が低下する。上記のように外周領域側のディープ領域のｐ型不純物濃度を高くしておくことで、外周領域の耐圧特性を確保することができる。以上に説明したように、このダイオードは、リカバリ耐量と外周領域の耐圧特性が共に優れる。

ダイオード１０の縦断面図。ダイオード１０のディープ領域２４の表層におけるｐ型不純物濃度分布を示すグラフ。ダイオード１０のディープ領域２４の形成工程の一例を示す図。変形例のダイオードの縦断面図。従来のディープ領域を有するダイオードの縦断面図。

最初に、以下に説明する実施例の特徴を列記する。なお、ここに列記する特徴は、何れも独立して有効なものである。

（特徴１）ディープ領域はアノード領域から外周領域側に向かうに従って深くなる第１領域と、第１領域よりも外周領域側に位置しており、外周領域側に向かうに従って浅くなる第２領域を有しており、第１領域の深さの変化率が第２領域の深さの変化率よりも小さい。

ダイオードに高い逆電圧が印加されると、半導体層の中の電界が高い部分においてアバランシェ電流が流れる。従来のディープ領域を有するダイオードでは、図５に示すようにディープ領域２４のアノード領域２０側のコーナー部２４ｚがアノード領域２０側に突き出している。このため、その部分で、電界が集中し易く、アバランシェ電流が流れ易かった。上記特徴１のように第１領域の深さの変化率を小さくすれば、コーナー部分がアノード領域側に突き出す量が減るので、ディープ領域近傍での電界分布が均一化され、ディープ領域近傍でアバランシェ電流が流れ難くなる。すなわち、ダイオードのアバランシェ耐量を向上させることができる。

（特徴２）半導体基板の上面には、アノード領域及びアノード領域に近い側のディープ領域と接しており、外周領域に近い側のディープ領域と接していないアノード電極が形成されている。

このような構成によれば、リカバリ耐性をより向上させることができる。

図１に示すダイオード１０は、半導体基板１２と、半導体基板１２の上面及び下面に形成された電極、絶縁膜等によって構成されている。半導体基板１２内には、アノード領域２０と、カソード領域２２と、ディープ領域２４と、複数のＦＬＲ（フィールドリミッティングリング）２６が形成されている。半導体基板１２の端面１２ａとディープ領域２４の間の領域は、ダイオードの主電流が流れない外周領域２８である。

アノード領域２０は、ｐ型であり、半導体基板１２の上面に臨む範囲に形成されている。アノード領域２０は、半導体基板１２を上面側から平面視したときに半導体基板１２の略中央に形成されている。アノード領域２０は、高濃度アノード領域２０ａと低濃度アノード領域２０ｂを有している。高濃度アノード領域２０ａは、ｐ型不純物濃度が高い領域である。半導体基板１２の上面に臨む範囲には、複数の高濃度アノード領域２０ａが島状に形成されている。低濃度アノード領域２０ｂは、高濃度アノード領域２０ａよりもｐ型不純物が低い領域である。低濃度アノード領域２０ｂは、高濃度アノード領域２０ａの側方及び下側に形成されている。

ディープ領域２４は、アノード領域２０と繋がっているｐ型の領域である。ディープ領域２４は、半導体基板１２の上面に臨む範囲に形成されており、アノード領域２０よりも深い位置まで広がっている。すなわち、略一定の深さで広がっているアノード領域２０よりも深くまで広がっているｐ型領域が、ディープ領域２４である。図１のセンターライン２４Ｃは、アノード領域２０から外周領域２８に向かう方向におけるディープ領域２４の中心を示している。以下では、センターライン２４Ｃよりもアノード領域２０側のディープ領域２４を内周側ディープ領域２４ａといい、センターライン２４Ｃよりも外周領域２８側のディープ領域２４を外周側ディープ領域２４ｂという。図２は、半導体基板１２の上面に露出する範囲のディープ領域２４内のｐ型不純物濃度Ｄｐの分布を、アノード領域２０から外周領域２８に向かう方向に沿って示している。図２に示すように、最もアノード領域２０側の位置から外周領域２８側に向かうに従って、ｐ型不純物濃度Ｄｐは徐々に増加する。ｐ型不純物濃度Ｄｐは、位置Ｘ１においてピークとなる。ｐ型不純物濃度Ｄｐは、位置Ｘ１から外周領域２８側に向かうに従って減少する。位置Ｘ１は、外周側ディープ領域２４ｂ内に存在する。位置Ｘ１は、ディープ領域２４のうちの最も深い位置と略一致する。図２のようにｐ型不純物濃度が分布しているので、内周側ディープ領域２４ａの平均ｐ型不純物濃度は、外周側ディープ領域２４ｂの平均ｐ型不純物濃度よりも低い。また、図１に示すように、ディープ領域２４は、最もアノード領域２０側の位置から外周領域２８側に向かうに従って深くなる第１領域２４ｄを有している。第１領域２４ｄ内における深さの変化率ｄｚ／ｄｘ（絶対値）は、比較的小さい。すなわち、第１領域２４ｄ内では、ディープ領域２４とカソード領域２２との境界の傾きが小さい。ディープ領域２４は、外周側ディープ領域２４ｂ内で最も深くなる。その最も深い位置から外周領域２８側では、ディープ領域２４は外周領域２８側に向かうに従って浅くなる。このときの深さの変化率ｄｚ／ｄｘ（絶対値）は、大きい。すなわち、ディープ領域２４とカソード領域２２との境界が、大きく傾いている。以下では、この深さの変化率ｄｚ／ｄｘが大きい領域を、第２領域２４ｅという。第２領域２４ｅでは、第１領域２４ｄよりも、深さの変化率ｄｚ／ｄｘが遥かに大きい。

外周領域２８内には、複数のＦＬＲ２６が形成されている。ＦＬＲ２６は、ｐ型領域である。ＦＬＲ２６は、半導体基板１２の上面に露出している。ＦＬＲ２６は、ディープ領域２４と略同じ深さまで広がっている。

カソード領域２２は、ｎ型であり、アノード領域２０及びディープ領域２４の下側と、外周領域２８内に広がっている。カソード領域２２は、低濃度カソード領域２２ａと高濃度カソード領域２２ｂを有する。低濃度カソード領域２２ａは、いわゆるドリフト領域であり、比較的低いｎ型不純物濃度を有する。低濃度カソード領域２２ａは、アノード領域２０及びディープ領域２４と接している。外周領域２８内の低濃度カソード領域２２ａは、ディープ領域２４と最もディープ領域２４側のＦＬＲ２６の間に広がっており、これらを分離している。また、低濃度カソード領域２２ａは、各ＦＬＲ２６を互いに分離している。低濃度カソード領域２２ａは、半導体基板１２の端面１２ａに露出している。高濃度カソード領域２２ｂは、低濃度カソード領域２２ａの下側に形成されている。高濃度カソード領域２２ｂは、半導体基板１２の下面全体に露出している。

半導体基板１２の上面には、層間絶縁膜４０と、アノード電極４２と、ＦＬＲ電極４４が形成されている。層間絶縁膜４０は、外周領域２８内の低濃度カソード領域２２ａの上面と、外周側ディープ領域２４ｂの上面を覆うように形成されている。アノード電極４２は、アノード領域２０の上面に形成されている。アノード電極４２は、高濃度アノード領域２０ａに対してオーミック接続されている。また、アノード電極４２は、層間絶縁膜４０に覆われていない範囲のディープ領域２４（すなわち、内周側ディープ領域２４ａ）の上面にも形成されている。したがって、アノード電極４２と半導体基板１２の接触面の端部４２ａは、内周側ディープ領域２４ａ上に存在している。ＦＬＲ電極４４は、各ＦＬＲ２６上に形成されている。半導体基板１２の下面の略全体には、カソード電極４６が形成されている。カソード電極４６は、高濃度カソード領域２２ｂに対してオーミック接続されている。

次に、実施例のダイオード１０の動作を、図５の従来のダイオードと比較して説明する。なお、図５においては、図１のダイオード１０に対応する構成要素に、図１と同じ参照番号を付している。図５の従来のダイオードは、ディープ領域２４が略一定の深さで形成されており、また、ディープ領域２４内のｐ型不純物濃度が略一定である点で実施例のダイオード１０と相違する。

図５の従来のダイオードに順電圧を印加すると、アノード電極４２からカソード電極４６に向かって電流が流れる。このとき、アノード領域２０から低濃度カソード領域２２ａにホールが流入するので、低濃度カソード領域２２ａのホールの濃度が高くなる。ホールの濃度は、外周領域２８内の低濃度カソード領域２２ａ内でも高くなる。その後、ダイオードに逆電圧が印加されると、低濃度カソード領域２２ａ内のホールが、アノード電極４２に向かって流れる。このとき、外周領域２８内の低濃度カソード領域２２ａ内のホールが、矢印９０に示すように、ディープ領域２４の表面近傍を通って、端部４２ａ近傍のアノード電極４２に流れる。外周領域２８内の低濃度カソード領域２２ａ内のホールが一斉にディープ領域２４に流れるので、ディープ領域２４における電流密度が極めて高くなる。このため、従来のダイオードは、リカバリ動作時にディープ領域２４にストレスが加わり易く、リカバリ耐性が低い。

これに対し、実施例のダイオード１０では、内周側ディープ領域２４ａのｐ型不純物濃度が低い。また、アノード電極４２と半導体基板１２の接触面の端部４２ａが、内周側ディープ領域２４ａ上に位置している。このため、図１の矢印９２に示す電流経路（図５の矢印９０に示す電流経路に対応する電流経路）が高抵抗化されている。したがって、リカバリ動作時にディープ領域２４にホールが流れ難く、ディープ領域２４に高いリカバリ電流が流れることが抑制される。したがって、ダイオード１０はリカバリ耐性が高い。また、外周側ディープ領域２４ｂは、ｐ型不純物濃度が高い。外周側ディープ領域２４ｂとＦＬＲ２６によって、外周領域２８の耐圧が確保される。このように、内周側ディープ領域２４ａを低濃度とし、外周側ディープ領域２４ｂを高濃度とすることで、リカバリ電流の低減と、外周領域２８の耐圧とを両立させることができる。

また、ダイオードに定常的に高い逆電圧が印加されると、半導体層内で電界が集中する箇所でアバランシェ電流が流れることがある。図５の従来のダイオードでは、ディープ領域２４のコーナー部２４ｚがアノード領域２０側に突き出ている。このため、コーナー部２４ｚ付近の低濃度カソード領域２２ａ内で電界が集中し易い。したがって、その位置でアバランシェ電流が流れ易い。このため、従来のダイオードはアバランシェ耐性が低い。

これに対し、実施例のダイオード１０では、アノード領域２０側のディープ領域２４に、深さの変化率ｄｚ／ｄｘが小さい第１領域２４ｄが形成されている。このため、図５のコーナー部２４ｚのようにアノード領域２０側に突き出ている部分が無い。したがって、ダイオード１０では、逆電圧印加時におけるディープ領域２４付近の電界分布が、従来よりも均一化する。このため、ダイオード１０では、アバランシェ電流が流れ難い。すなわち、ダイオード１０はアバランシェ耐性が高い。また、外周領域２８側の第２領域２４ｅでは、深さの変化率ｄｚ／ｄｘが大きい。このため、ディープ領域２４（ディープ領域２４のうちの最も深い領域）の近くにＦＬＲ２６を配置することができる。したがって、ディープ領域２４によって外周領域２８内の電界分布の均一化を図ることできる。すなわち、ディープ領域２４とＦＬＲ２６によって、外周領域２８の耐圧が確保される。また、第２領域２４ｅの深さの変化率ｄｚ／ｄｘが大きいことで、ダイオード１０の小型化も図られている。

次に、実施例のダイオード１０の製造方法について説明する。なお、実施例のダイオード１０の構成要素のうち、ディープ領域２４以外の構成要素は従来公知の方法により形成される。このため、ここでは、ディープ領域２４の製造方法についてのみ説明する。

ディープ領域２４を形成する際には、図３に示すように、ｎ型半導体基板の上面に、マスク５０を形成する。このとき、ディープ領域２４を形成すべき範囲２４ｆ上に、開口５０ａを設ける。マスク５０は、外周領域２８に近い側ほどマスク５０の開口率が高くなるようにパターニングして形成する。次に、マスク５０を介して半導体基板にｐ型不純物を注入する。外周領域２８に近い側ほどマスク５０の開口率が高いので、範囲２４ｆのうちの外周領域２８に近い位置ほど高濃度にｐ型不純物が注入される。次に、半導体基板を加熱して、注入したｐ型不純物を拡散、活性化させる。これによって、ディープ領域２４を形成する。外周領域２８に近い領域ほど高濃度にｐ型不純物が注入されているので、図２に示すように外周領域２８に近い領域でｐ型不純物濃度が高いディープ領域２４が形成される。また、ｐ型不純物が高濃度に存在しているほど、より多くのｐ型不純物が深い位置まで拡散する。したがって、図１に示すように、外周領域２８に近い領域でより深くまで広がる形状のディープ領域２４が形成される。この方法によれば、容易に図１のディープ領域２４を形成することができる。

なお、マスク５０のパターンを十分に細かくすることで、図２に示すように、内周側ディープ領域２４ａ内において、外周領域２８側に向かうに従ってｐ型不純物濃度がなだらかに上昇する（単純増加する）分布を得ることができる。このような分布が得られれば、図１に示すように、外周領域２８側に向かうに従ってなだらかに深くなる（深さが単純増加する）第１領域２４ｄを形成することができる。このような構成によれば、よりアバランシェ耐性が改善される。

また、注入範囲を変えながらｐ型イオンの注入を複数回行うことで、ディープ領域２４を形成してもよい。外周領域２８に近い位置ほどｐ型不純物を高濃度に注入し、その後、熱処理を行うことで、図１に示すディープ領域２４を形成することができる。

以上に説明したように、実施例の構成によれば、リカバリ耐性とアバランシェ耐性が共に優れるダイオードを提供することができる。なお、上述した実施例では、外周領域２８にＦＬＲが形成されていたが、これに代えて、リサーフ等の他の耐圧構造が形成されていてもよい。また、外周領域２８全体にｎ型領域が広がっていてもよい。また、図４に示すように、ディープ領域２４が、第１領域２４ｄと第２領域２４ｅの間に、略深さが一定となる領域２４ｇを有していてもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：ダイオード
１２：半導体基板
２０：アノード領域
２２：カソード領域
２４：ディープ領域
２４ａ：内周側ディープ領域
２４ｂ：外周側ディープ領域
２４ｄ：第１領域
２４ｅ：第２領域
２６：ＦＬＲ
２８：外周領域
４０：層間絶縁膜
４２：アノード電極
４２ａ：端部
４４：ＦＬＲ電極
４６：カソード電極
５０：マスク

Claims

半導体基板を有するダイオードであって、
半導体基板は、
半導体基板の上面に露出する範囲に形成されたｐ型のアノード領域と、
前記上面に露出する範囲に形成されており、アノード領域と繋がっており、アノード領域よりも深い位置まで広がるｐ型のディープ領域と、
アノード領域及びディープ領域の下側、及び、半導体基板の端部とディープ領域との間の外周領域内に広がるｎ型のカソード領域、
を有しており、
前記上面に露出する範囲において、アノード領域に近い側のディープ領域の平均ｐ型不純物濃度が、外周領域に近い側のディープ領域の平均ｐ型不純物濃度よりも低い、
ダイオード。
ディープ領域はアノード領から外周領域側に向かうに従って深くなる第１領域と、第１領域よりも外周領域側に位置しており、外周領域側に向かうに従って浅くなる第２領域を有しており、第１領域の深さの変化率が第２領域の深さの変化率よりも小さいダイオード。
前記上面には、アノード領域及びアノード領域に近い側のディープ領域と接しており、外周領域に近い側のディープ領域と接していないアノード電極が形成されている請求項１または２のダイオード。