JP2013197134A - ダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】リカバリ特性に優れたダイオードを提供すること。
【解決手段】ダイオード１Ａは、半導体上層４の表面から深部に向けて伸びている緩和領域４２を備えている。緩和領域４２は、カソード領域１０とアノード領域２０の間に配置されている。緩和領域４２に用いられる材料の絶縁破壊電界強度が、半導体上層４の材料の絶縁破壊電界強度よりも大きい。
【選択図】図１

Description

本明細書で開示される技術は、ダイオードに関する。

例えば、絶縁分離技術を利用して、複数種類の半導体素子を集積した高耐圧ＩＣの開発が進められている。このような高耐圧ＩＣには、ダイオードが組み込まれている。

ダイオードは、ｎ型のカソード領域と、ｐ型のアノード領域と、カソード領域とアノード領域の間に設けられているｎ型のドリフト領域を備えている。この種のダイオードの一例が特許文献１に開示されている。

特開平１１−２３３７９５号公報

この種のダイオードでは、リカバリ時において、半導体層の表面部に電界が集中する。この電界集中によってアバランシェ現象が発生すると、リカバリ電荷量が増大し、スイッチング損失が増大する。

本明細書で開示される技術は、リカバリ特性に優れたダイオードを提供することを目的としている。

本明細書で開示されるダイオードは、半導体層とカソード電極とアノード電極と緩和領域を備えている。カソード電極は、半導体層の表面に設けられている。アノード電極は、半導体層の表面に設けられており、カソード電極から離れている。緩和領域は、半導体層の表面から深部に向けて伸びている。半導体層は、第１導電型のカソード領域と第２導電型のアノード領域と第１導電型のドリフト領域を有している。カソード領域は、半導体層の表面部に設けられており、カソード電極に電気的に接続される。アノード領域は、半導体層の表面部に設けられており、アノード電極に電気的に接続される。ドリフト領域は、カソード領域とアノード領域の間に設けられており、カソード領域の不純物濃度よりも薄い。緩和領域は、カソード領域とアノード領域の間に配置されている。また、緩和領域に用いられる材料の絶縁破壊電界強度が、半導体層の材料よりも大きい。

上記態様のダイオードでは、緩和領域が半導体層の表面部の電界を負担する。緩和領域の絶縁破壊電界強度が大きいので、緩和領域の存在する箇所でアバランシェ現象の発生が抑えられる。リカバリ電荷量の増加が抑えられ、スイッチング損失の増大が抑制される。

図１は、図２のI-I線に対応した要部断面図であり、ダイオード１Ａの構成を示す。 図２は、ダイオード１Ａが形成されているＳＯＩ基板の要部平面図を示す（なお、ＳＯＩ基板上の電極等は削除した状態で図示されている）。 図３は、カソード領域のレイアウトが異なるダイオード１Ａの変形例を示す。 図４は、カソード領域のレイアウトが異なるダイオード１Ａの他の変形例を示す。 図５は、要部断面図であり、ダイオード１Ｂの構成を示す。 図６は、要部断面図であり、ダイオード１Ｃの構成を示す。 図７は、ダイオード１Ｃのアノード領域の拡大要部断面図を示す。

本明細書で開示される技術の特徴を整理しておく。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。
（第１特徴）ダイオードは、半導体層とカソード電極とアノード電極と緩和領域を備えていてもよい。カソード電極は、半導体層の表面に設けられていてもよい。アノード電極は、半導体層の表面に設けられており、カソード電極から離れていてもよい。緩和領域は、半導体層の表面から深部に向けて伸びていてもよい。
（第２特徴）半導体層は、ＳＯＩ基板の半導体上層でもよく、エピタキシャル基板でもよく、多結晶シリコン基板の溝内に形成された半導体層であってもよい。
（第３特徴）半導体層は、第１導電型のカソード領域と、第２導電型のアノード領域と、第１導電型のドリフト領域と、を有していてもよい。カソード領域は、半導体層の表面部に設けられており、カソード電極に電気的に接続されていてもよい。アノード領域は、半導体層の表面部に設けられており、アノード電極に電気的に接続されていてもよい。ドリフト領域は、カソード領域とアノード領域の間に設けられており、カソード領域の不純物濃度よりも薄くてもよい。
（第４特徴）緩和領域は、カソード領域とアノード領域の間に配置されていてもよい。また、緩和領域に用いられる材料の絶縁破壊電界強度が、半導体層の材料の絶縁破壊電界強度よりも大きくてもよい。例えば、半導体層の材料がシリコンの場合、緩和領域には酸化シリコン、Ｓｉ_３Ｎ_４、ポーラスＳｉＯ_２、又はＣＶＤ膜が用いられる。
（第５特徴）緩和領域は、アノード領域のカソード領域側の端部に接触していてもよい。この態様によると、緩和領域は、電界が集中する箇所に対応して配置される。アバランシェ現象を効果的に抑制することができる。
（第６特徴）緩和領域は、アノード領域よりも深く形成されていてもよい。この態様によると、緩和領域は、電界が集中する箇所の大部分に対応して配置される。アバランシェ現象をより効果的に抑制することができる。
（第７特徴）緩和領域に用いられる材料が絶縁体であってもよい。この態様によると、リカバリ電流が緩和領域を迂回するように流れるので、リカバリ電流の電流経路を半導体層の表面から深部に向けて拡散させることができる。これにより、リカバリ電流の電流経路と電界が集中する箇所を不一致にすることができる。
（第８特徴）半導体層は、第２導電型の低濃度領域をさらに有していてもよい。低濃度領域は、第１アノード領域よりも深く形成されており、アノード領域よりも薄い不純物濃度であってもよい。
（第９特徴）ダイオードは、半導体層を一巡する絶縁分離トレンチで囲まれる島領域に形成されていてもよい。この場合、第８特徴において、低濃度領域は、絶縁分離トレンチに沿って島領域の周縁を一巡していてもよい。ダイオードの低濃度領域は、絶縁分離トレンチの側面に接していてもよい。

図１に示されるように、横型のダイオード１Ａは、ｎ型又はｐ型の半導体下層２と埋込み絶縁層３とｎ^-型の半導体上層４が積層したＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板５に形成されている。図２に示されるように、ダイオード１Ａは、絶縁分離トレンチ８で囲まれた半導体上層４の島領域内に形成されている。絶縁分離トレンチ８は、半導体上層４の表面から半導体上層４を貫通して埋込み絶縁層３まで達しており、平面視したときに半導体上層４の一部を一巡している。一例では、半導体下層２と半導体上層４の材料には単結晶シリコンが用いられており、埋込み絶縁層３の材料には酸化シリコンが用いられている。埋込み絶縁層３は、耐圧５００Ｖ以上を実現するために、その厚みが約３μｍ以上に設定されている。半導体上層４は、耐圧５００Ｖ以上を実現するために、その不純物濃度が約７×１０^１４ｃｍ^−３であり、厚みが約１０〜２０μｍである。

図１に示されるように、ダイオード１Ａは、半導体上層４の表面に設けられているカソード電極６とアノード電極７とＬＯＣＯＳ酸化膜３２と抵抗性フィールドプレート３４を備えている。カソード電極６とアノード電極７は、半導体上層４の表面において、両者間に距離を置いて配置されており、電気的に絶縁している。カソード電極６とアノード電極７の材料にはチタン（Ｔｉ）／窒化チタン（ＴｉＮ）／アルミニウム（Ａｌ）の積層電極が用いられており、チタンが半導体上層４に接触している。そのチタン部分では、必要に応じて、チタンにシリコンが混入したシリサイドが用いられてもよい。ＬＯＣＯＳ酸化膜３２は、カソード電極６とアノード電極７の間に設けられている。抵抗性フィールドプレート３４は、ＬＯＣＯＳ酸化膜３２の表面に設けられており、一端がカソード電極６に電気的に接続されており、他端がアノード電極７に電気的に接続されている。ＬＯＣＯＳ酸化膜３２と抵抗性フィールドプレート３４は、半導体上層４の表面部において、カソード電極６とアノード電極７の間の電位分布を均一化する。

半導体上層４の表面部には、ｎ型のカソード領域１０とｐ型のアノード領域２０が形成されている。カソード領域１０は、カソード電極６に電気的に接続している。アノード領域２０は、アノード電極７に電気的に接続している。カソード領域１０とアノード領域２０の間には、ドリフト領域３０が形成されている。ドリフト領域３０は、半導体上層４にカソード領域１０とアノード領域２０を形成した残部である。ドリフト領域３０には、必要に応じて、高耐圧化のための半導体領域（例えば、リサーフ領域）が形成されていてもよい。

カソード領域１０は、ｎ型の第１カソード領域１０ａとｎ⁺型の第２カソード領域１０ｂを備えている。第１カソード領域１０ａ及び第２カソード領域１０ｂは、イオン注入技術を利用して形成される。第１カソード領域１０ａの拡散深さは、第２カソード領域１０ｂの拡散深さよりも深い。このため、第２カソード領域１０ｂの全体は、第１カソード領域１０ａで覆われている。なお、第１カソード領域１０ａは、必要に応じて設けられていなくてもよい。図２に示されるように、カソード領域１０は、絶縁分離トレンチ８で囲まれる島領域の中央に配置されており、略矩形の形状を有している。また、第２カソード領域１０ｂは、複数個に分断されており、各第２カソード領域１０ｂの間にｐ⁺型のコンタクト調整領域１０ｃが形成されている。このように、第２カソード領域１０ｂとコンタクト調整領域１０ｃが、カソード領域１０の長手方向に沿って交互に繰り返し形成されている。コンタクト調整領域１０ｃは、カソード領域１０とカソード電極６の接触面積を減らし、順バイアス時に注入される電子量を調整するために形成されている。第１カソード領域１０ａと第２カソード領域１０ｂとコンタクト調整領域１０ｃは、カソード電極６にオーミック接触している。一例では、第１カソード領域１０ａの表面濃度は約１．８×１０^１７ｃｍ^−３であり、拡散深さは約３〜７μｍである。第２カソード領域１０ｂの表面濃度は約６×１０^２０ｃｍ^−３であり、拡散深さは約０．１〜０．５μｍである。コンタクト調整領域１０ｃの表面濃度は約１×１０^２０ｃｍ^−３であり、拡散深さは約０．３〜０．６μｍである。なお、図３に示されるように、コンタクト調整領域１０ｃは、必要に応じて設けられていなくてもよい。あるいは、図４に示されるように、第２カソード領域１０ｂとコンタクト調整領域１０ｃの繰り返し構造の間に、第１カソード領域１０ａが介在してもよい。なお、これらのレイアウトは一例であり、必要に応じて、第１カソード領域１０ａと第２カソード領域１０ａとコンタクト調整領域１０ｃの組合せには、様々なレイアウトを採用することができる。

アノード領域２０は、ｐ型の第１アノード領域２０ａとｐ⁺型の第２アノード領域２０ｂを備えている。第１アノード領域２０ａ及び第２アノード領域２０ｂは、イオン注入技術を利用して形成される。第１アノード領域２０ａの拡散深さは、第２アノード領域２０ｂの拡散深さよりも深い。このため、第２アノード領域２０ｂの全体は、第１アノード領域２０ａで覆われている。図２に示されるように、アノード領域２０は、絶縁分離トレンチ８で囲まれる島領域の周囲に配置されており、絶縁分離トレンチ８に沿って島領域の周縁を一巡している。第１アノード領域２０ａはアノード電極７にショットキー接触しており、第２アノード領域２０ｂはアノード電極７にオーミック接触している。第２アノード領域２０ａとアノード電極７がショットキー接触していると、順バイアス時において、アノード領域２０から注入される正孔量を抑えることができる。なお、第２アノード領域２０ａとアノード電極７がショットキー接触するためには、アノード電極７に用いられる材料の仕事関数が５．１６ｅＶ以下であればよい。このため、アノード電極７の材料は、チタンに代えて、ニッケル又は銅等を用いてもよい。一例では、第１アノード領域２０ａの表面濃度は約９×１０^１７ｃｍ^−３であり、拡散深さは約１〜２μｍである。第２アノード領域２０ｂの表面濃度は約１×１０^２０ｃｍ^−３であり、拡散深さは約０．２〜０．６μｍである。

ダイオード１Ａはさらに、半導体上層４の表面から深部に向けて伸びている緩和領域４２を備えている。緩和領域４２の材料は絶縁体であり、この例では酸化シリコンである。酸化シリコンの絶縁破壊電界強度は約１×１０^７Ｖ／ｃｍであり、シリコンの絶縁破壊電界強度は約３×１０^５Ｖ／ｃｍである。このため、緩和領域４２の絶縁破壊電界強度は、半導体上層４の絶縁破壊電界強度よりも大きい。緩和領域４２は、異方性エッチング技術を利用して半導体上層４の表面からトレンチを形成した後に、化学気相成長法を利用してそのトレンチ内に酸化シリコンを充填することで形成することができる。

図１に示されるように、緩和領域４２は、アノード領域２０のカソード側の端部に接している。換言すると、緩和領域４２は、アノード領域２０とドリフト領域３０のｐｎ接合面に対応して設けられており、アノード領域２０とドリフト領域３０の間に配置されている。緩和領域４２の深さは、アノード領域２０よりも深い。また、図２に示されるように、緩和領域４２は、アノード領域２０のカソード側の側面に沿って一巡している。

次に、ダイオード１Ａの動作を説明する。アノード電極７にカソード電極６よりも高電位が加わると、ダイオード１Ａは順バイアスされる。これにより、カソード領域１０からドリフト領域３０に電子が注入され、アノード領域２０からドリフト領域３０に正孔が注入される。これにより、ダイオード１Ａでは、アノード電極７からカソード電極６に向けて電流が流れる。

次に、カソード電極６にアノード電極７よりも高電位が加わると、ダイオード１Ａは逆バイアスされる。この逆バイアスが印加された直後のリカバリ時では、順バイアスのときにドリフト領域３０に注入されていた電子はカソード領域１０から排出され、正孔はアノード領域２０から排出される。このように、リカバリ時において、ダイオード１Ａにはリカバリ電流が流れる。このリカバリ電流の多くは、ドリフト領域３０の表面部に沿って流れる。

ここで、緩和領域４２が設けられていない場合を考える。リカバリ時では、アノード領域２０とドリフト領域３０のｐｎ接合面が高電界領域となる。この電界集中によってアバランシェ現象が発生すると、リカバリ電荷量が増大し、スイッチング損失を悪化させる。また、高電界領域は、アノード領域２０とドリフト領域３０のｐｎ接合面のうちの表面部である。このため、リカバリ電流の電流経路と高電界領域が一致する。この結果、場合によっては半導体上層４の表面部に大電流が流れ、素子破壊が問題となる。

ダイオード１Ａでは、半導体上層４の表面部に緩和領域４２が設けられている。特に、緩和領域４２は、アノード領域２０とドリフト領域３０のｐｎ接合面、すなわち高電界領域に対応して設けられている。また、緩和領域４２はアノード領域２０よりも深く形成されているので、高電界領域の全域に対応して設けられている。このため、緩和領域４２で電界を負担することができるので、アバランシェ現象の発生が抑えられ、リカバリ電荷量の増大が抑制される。また、緩和領域４２が設けられているので、リカバリ電流が緩和領域４２を迂回するように、半導体上層４の表面部から深部に向けて拡散して流れる。このため、リカバリ電流の電流経路と高電界領域が一致するということがない。この結果、半導体上層４の表面部を大電流が流れるという事態も抑制され、素子破壊も抑制される。

図５に示されるように、ダイオード１Ｂは、半導体上層４の表面から深部に向けて伸びている第２緩和領域４４をさらに備えていることを特徴としている。第２緩和領域４４の材料は、酸化シリコンである。この例では、第２緩和領域４４は、カソード領域１０のうちのアノード側の側面に接している。換言すると、第２緩和領域４４は、カソード領域１０とドリフト領域３０のｐｎ接合面に対応して設けられており、カソード領域１０とドリフト領域３０の間に配置されている。第２緩和領域４４の深さは、第１カソード領域１０ａよりも浅く、第２カソード領域１０ｂよりも深い。また、第２緩和領域４４は、カソード領域１０のアノード側の側面に沿って一巡している。第２緩和領域４４が設けられていると、カソード領域１０のアノード側端部の電界集中が緩和され、リカバリ電荷量の増大の抑制、素子破壊が抑制される。

図６に示されるように、ダイオード１Ｃは、ｐ⁻型の２つの低濃度領域２６ａ，２６ｂをさらに備えていることを特徴とする。低濃度領域２６ａ，２６ｂの拡散深さは、第１アノード領域２０ａ及び第２アノード領域２０ｂの拡散深さよりも深い。低濃度領域２６ｂはアノード電極７にショットキー接触している。

図７に示されるように、第１アノード領域２０ａは、カソード領域１０側の第１側面２０Ａと、カソード領域１０とは反対側の第２側面２０Ｅと、第１側面２０Ａと第２側面２０Ｅの間を伸びる底面２０Ｃを有している。第１側面２０Ａと底面２０Ｃの間には、第１コーナー部２０Ｂが存在している。第２側面２０Ｅと底面２０Ｃの間には、第２コーナー部２０Ｄが存在している。一方の低濃度領域２６ａは、第１アノード領域２０ａの第１コーナー部２０Ｂを覆っている。また、低濃度領域２６ａは、緩和領域４２も覆っている。他方の低濃度領域２６ｂは、第１アノード領域２０ａの第２コーナー部２０Ｄを覆っている。第１アノード領域２０ａの底面２６ａの一部は、低濃度領域２６ａ，２６ｂで覆われていない。一例では、低濃度領域２６ａ，２６ｂの表面濃度は約１．２×１０^１６ｃｍ^−３であり、拡散深さは約３〜５μｍである。

図７に示されるように、第２アノード領域２０ｂは、第１アノード領域２０ａ内で偏在して設けられている。この例では、第１アノード領域２０ａの第２側面２０Ｅ側（紙面左側）に偏在して設けられている。このため、第２アノード領域２０ｂの一部は、低濃度領域２６ｂと第１アノード領域２０ａが重複する位置に配置されている。

次に、ダイオード１Ｃの特徴を説明する。ダイオード１Ｃは、低濃度領域２６ａ，２６ｂを備えていることを特徴とする。低濃度領域２６ａ，２６ｂが設けられていると、アノード領域２０とドリフト領域３０のｐｎ接合の電界強度が低く抑えられる。このため、リカバリ時において、アノード領域２０に流入する正孔によって引き起こされるダイナミックアバランシェ現象が抑えられ、リカバリ電荷量も抑えられる。この結果、ダイオード１Ｃのスイッチング損失が小さいものとなる。

ダイオード１Ｃの他の特徴を列記する。
（１）図７に示されるように、ダイオード１Ｃでは、第２アノード領域２０ｂが、低濃度領域２６ｂと第１アノード領域２０ａが重複する位置に配置されている。このため、第２アノード領域２０ｂが第１アノード領域２０ａ内においてカソード領域１０とは反対側に偏在して設けられている。この構成によると、順バイアス時の電流経路が、アノード領域２０において広がるので、ドリフト領域３０の広い範囲を電流経路として利用することができ、オン抵抗を低下させることができる。

（２）図７に示されるように、低濃度領域２６ｂは、絶縁分離トレンチ８の側面に接している。このため、低濃度領域２６ｂと絶縁分離トレンチ８の界面における表面再結合効果を利用した電流経路が形成されるので、リカバリ時において、リカバリ電流の一部がこの界面に形成される電流経路を流れる。この結果、リカバリ電流の電流集中が緩和されるので、ダイナミックアバランシェ現象の発生が抑えられる。

（３）図７に示されるように、緩和領域４２は、低濃度領域２６ａによって覆われている。このため、緩和領域４２の角部の電界集中が緩和される。

（４）図７に示されるように、本実施例のダイオード１Ｃでは、第１アノード領域２０ａの底面２０Ｃの一部が低濃度領域２６ａ，２６ｂによって覆われていない。例えば、低濃度領域２６ａ，２６ｂが第１アノード領域２０ａを完全に覆うように形成されていても、第１アノード領域２０ａのコーナー部２０Ｂ，２０Ｄ及び緩和領域４２の角部の電界を緩和するという点で有益である。しかしながら、そのような大きな低濃度領域２６ａ，２６ｂが設けられていると、不純物濃度が薄く調整されていても、順バイアス時の正孔の注入量が増加する虞がある。本実施例のダイオード１Ｃのように、低濃度領域２６ａ，２６ｂが第１アノード領域２０ａのコーナー部２０Ｂ，２０Ｄのみを選択的に被覆することで、低濃度領域２６ａ，２６ｂの形成範囲を大きくすることなく、電界集中を緩和することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、上記実施例では半導体材料にシリコンを用いたものを例示したが、この例に代えて、炭化珪素半導体、窒化物半導体等のワイドバンドギャップの化合物半導体を用いてもよい。
また、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合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合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し得るものであり、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。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ：ダイオード
２：半導体下層
３：埋込み絶縁層
４：半導体上層
５：ＳＯＩ基板
６：カソード電極
７：アノード電極
１０：カソード領域
２０：アノード領域
３０：ドリフト領域
４２，４４：緩和領域

Claims (4)

1. 半導体層と、
   前記半導体層の表面に設けられているカソード電極と、
   前記半導体層の表面に設けられており、前記カソード電極から離れているアノード電極と、
   前記半導体層の表面から深部に向けて伸びている緩和領域と、を備えており、
   前記半導体層は、
   表面部に設けられており、前記カソード電極に電気的に接続される第１導電型のカソード領域と、
   表面部に設けられており、前記アノード電極に電気的に接続される第２導電型のアノード領域と、
   前記カソード領域と前記アノード領域の間に設けられており、前記カソード領域の不純物濃度よりも薄い第１導電型のドリフト領域と、を有しており、
   前記緩和領域は、前記カソード領域と前記アノード領域の間に配置されており、
   前記緩和領域に用いられる材料の絶縁破壊電界強度が、前記半導体層の材料の絶縁破壊電界強度よりも大きいダイオード。
2. 前記緩和領域は、前記アノード領域の前記カソード領域側の端部に接触している請求項１に記載のダイオード。
3. 前記緩和領域は、前記アノード領域よりも深く形成されている請求項１又は２に記載のダイオード。
4. 前記緩和領域に用いられる材料は、絶縁体である請求項１〜３のいずれか一項に記載のダイオード。

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