JP2017139289A - ダイオード - Google Patents

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Abstract

【課題】高い逆方向耐圧を実現することができる技術を開示する。
【解決手段】半導体基板４の上面は、第１範囲４０と、第１範囲４０を一巡する第２範囲４２を備える。半導体基板４の上面は、第１範囲４０で高くて第２範囲４２で低く、第１範囲４０と第２範囲４２の境界に沿って段差４４が延びている。ショットキー電極膜１２は、第１範囲４０において半導体基板４の上面にショットキー接触している。積層電極膜１４は、ショットキー電極膜１２に積層されるとともにフィールドプレート電極１６と連続している。層間絶縁膜５０は、ショットキー電極膜１２の端部１２ａと段差４４と第２範囲４２を覆っている。フィールドプレート電極１６は、ショットキー電極膜１２の端部１２ａを覆う層間絶縁膜５０と段差４４を覆う層間絶縁膜５０を覆って第２範囲４２を覆う層間絶縁膜５０上まで延びている。下面電極２０は、半導体基板４の下面に形成されている。
【選択図】図１

Description

本明細書で開示する技術は、ダイオードに関する。
特許文献１に、半導体基板の上面の一部に接しているアノード電極と、半導体基板の下面に接しているカソード電極を備えるＳＢＤ（Schottky Barrier Diodeの略）が開示されている。半導体基板の上面は、第１範囲と、第１範囲を一巡する第２範囲を有する。半導体基板の上面は第１範囲で高くて第２範囲で低く、第１範囲と第２範囲の境界に沿って段差が延びている。アノード電極は第１範囲において半導体基板の上面とショットキー接触する。カソード電極は半導体基板の下面とオーミック接触する。半導体基板の上面に上記の段構造（いわゆるメサ構造）を採用することにより、アノード電極の端部近傍に生じやすい電界集中を緩和して逆方向耐圧を改善することを図っている。
特開２０１３−１０２０８１号公報
特許文献１には、半導体基板が上記のメサ構造を有しない場合において、アノード電極に接続されているとともに、半導体基板の上面に層間絶縁膜を介して対向するフィールドプレート電極をさらに備えることによって、アノード電極の端部近傍への電界集中の緩和を図るという着想も示されている。
そのため、上記のメサ構造を有するＳＢＤにおいて、アノード電極に接続されているフィールドプレート電極をさらに備える種々の構成を採用することも想定し得る。
しかしながら、そのような構成を採用する場合であっても、フィールドプレート電極の配置の仕方によっては、アノード電極の端部近傍における電界集中を緩和する効果が不足し、必要な逆方向耐圧を確保できない場合がある。
本明細書では、高い逆方向耐圧を実現することができる技術を開示する。
本明細書が開示するダイオードは、半導体基板と上面電極と層間絶縁膜とフィールドプレート電極と下面電極を備えている。半導体基板の上面は、第１範囲と第２範囲を備えており、第２範囲は第１範囲を一巡している。半導体基板の上面は、第１範囲で高くて第２範囲で低く、第１範囲と第２範囲の境界に沿って段差が延びている。上面電極は、第１範囲において半導体基板の上面にショットキー接触しているとともに第１範囲内に留まっている。層間絶縁膜は、上面電極の端部と段差と第２範囲とに亘ってこれらを覆っている。フィールドプレート電極は、上面電極に導通しており、層間絶縁膜のうちの上面電極の端部を覆う部分と段差を覆う部分を覆っているとともに、層間絶縁膜のうちの第２範囲を覆う部分上まで延びている。下面電極が半導体基板の下面に形成されている。ここで「（上面電極が）第１範囲内に留まっている」とは、上面電極の端部が第１範囲の端部まで到達している場合と、上面電極の端部が第１範囲の端部から離間した位置の第１範囲上に配置されている場合を含む。
上記のダイオードでは、フィールドプレート電極が、層間絶縁膜のうちの上面電極の端部を覆う部分と段差を覆う部分を覆っているとともに、層間絶縁膜のうちの第２範囲を覆う部分上まで延びている。そのため、逆バイアス印加時に、層間絶縁膜のうちの段差と第２範囲の上方に位置する部分内、及び、半導体基板のうちの段差と第２範囲の下方に位置する部分内にも空乏層を延ばすことができる。そのため、上面電極の端部近傍への電界集中を十分に緩和することができる。従って、上記の構成によると、高い逆方向耐圧を実現することができる。
第１実施例のＳＢＤ２の断面図。 図１のＳＢＤ２の逆バイアス印加時の状態を示す図。 第２実施例のＳＢＤ１０２の断面図。 図３のＳＢＤ１０２の逆バイアス印加時の状態を示す図。 第３実施例のＳＢＤ２０２の断面図。 図５のＳＢＤ２０２の逆バイアス印加時の状態を示す図。
（第１実施例）
図１に示すように、本実施例のＳＢＤ２は、半導体基板４と、上面電極１０と、フィールドプレート電極１６と、層間絶縁膜５０と、保護膜６０と、下面電極２０を有する。
半導体基板４は、Ｇａ２Ｏ３によって形成されているｎ型の半導体基板である。半導体基板４は、ｎ型不純物濃度が高い下層３０と、下層３０に比べてｎ型不純物濃度が低い上層３２を有している。上層３２は下層３０上に積層されている。ここでいう不純物濃度は、当該層における平均不純物濃度のことを意味する。上層３２は、ＳＢＤ２のドリフト層として機能する。上層３２の上面は半導体基板４の上面に露出しており、下層３０の下面は半導体基板４の下面に露出している。
半導体基板４の上面は、いわゆるメサ構造を有している。具体的には、半導体基板４の上面は、第１範囲４０と、第１範囲４０を一巡する第２範囲４２を備えている。半導体基板４の上面は、第１範囲４０で高く、第２範囲４２で低い。また、第１範囲４０と第２範囲４２との境界に沿って段差４４が延びている。
上面電極１０は、ショットキー電極膜１２と積層電極膜１４とを有する。ショットキー電極膜１２は、半導体基板４の上面の第１範囲４０の全面にショットキー接触している。ショットキー電極膜１２は、第１範囲４０内に留まっており、第２範囲４２上には延びていない。ショットキー電極膜１２の端部１２ａは、第１範囲４０の端部４０ａまで到達している。また、積層電極膜１４は、ショットキー電極膜１２の上面のうち、層間絶縁膜５０で覆われている端部１２ａを除く部分に積層されているとともに、フィールドプレート電極１６に連続している。図中の境界線１５は、積層電極膜１４とフィールドプレート電極１６との境界を仮想的に示している。上面電極１０は、ＳＢＤ２のアノード電極として機能する。
層間絶縁膜５０は、ショットキー電極膜１２の端部１２ａと、段差４４と、第２範囲４２とに亘ってこれらを覆っている絶縁膜である。層間絶縁膜５０は、ＺｒＯ２によって形成されている。他の例では、層間絶縁膜５０はＨｆＯ２によって形成されていてもよい。層間絶縁膜５０の比誘電率はＳｉＯ２の比誘電率よりも大きく、また、上層３２の比誘電率よりも大きい。
フィールドプレート電極１６は、積層電極膜１４と連続して形成されている。フィールドプレート電極１６は、層間絶縁膜５０のうち、ショットキー電極膜１２の端部１２ａを覆う部分と段差４４を覆う部分とを覆って形成されているとともに、層間絶縁膜５０のうちの第２範囲４２を覆う部分の上側まで延びている。
本実施例では、半導体基板４の上面の第１範囲４０とショットキー電極膜１２との接合界面の高さは、フィールドプレート電極１６のうちの第２範囲４２上の層間絶縁膜５０を覆っている部分と層間絶縁膜５０のうちの第２範囲４２上の部分との界面の高さよりも高い。
保護膜６０は、上面電極１０の一部と、フィールドプレート電極１６と、層間絶縁膜５０の一部とを覆う絶縁膜である。保護膜６０は、ポリイミドによって形成されている。
下面電極２０は、下層３０の下面にオーミック接触している。下面電極２０はＳＢＤ２のカソード電極として機能する。本実施例では、下面電極２０は、下層３０の下面全域に接しているが、変形例では、下面電極２０は、半導体基板４の下面の一部に接していてもよい。
次に、本実施例のＳＢＤ２の動作を説明する。上面電極１０と下面電極２０の間に、上面電極１０がプラスとなる電圧（即ち順方向バイアス）を印加すると、半導体基板４側から上面電極１０に向かって電子が移動する。これにより、上面電極１０から下面電極２０に電流が流れる。
また、上面電極１０と下面電極２０の間に、下面電極２０がプラスとなる電圧（即ち逆方向バイアス）を印加すると、図２に示すように、半導体基板４及び層間絶縁膜５０内に延びる空乏層９０が形成される。空乏層９０は、半導体基板４内のうち、ｎ型不純物濃度が低い上層３２内には延びるが、ｎ型不純物濃度が高い下層３０内には延びない。なお、図２では、空乏層９０内の電位分布を示す等電位線を仮想的に図示している（図中の破線参照）。
本実施例では、積層電極膜１４と連続しているフィールドプレート電極１６が設けられているため、空乏層９０は上面電極１０の端部（即ちショットキー電極膜１２の端部１２ａ）から側方に離れた位置まで延びる。また、本実施例では、半導体基板４の上層３２の上面が上記のメサ構造を有している。さらに、フィールドプレート電極１６は、層間絶縁膜５０のうちのショットキー電極膜１２の端部１２ａを覆う部分と段差４４を覆う部分とを覆って形成されているとともに、層間絶縁膜５０のうちの第２範囲４２を覆う部分の上側まで延びている。そのため、層間絶縁膜５０のうち、段差４４と第２範囲４２の上方に位置する部分内、及び、上層３２のうち、段差４４と第２範囲４２の下方に位置する部分内にも空乏層９０を延ばすことができる。その結果、ショットキー電極膜１２の端部１２ａ近傍への電界集中を十分に緩和することができる。そのため、本実施例のＳＢＤ２によると、高い逆方向耐圧を実現することができる。
また、上記の通り、本実施例では、上面電極１０は、ショットキー電極膜１２と積層電極膜１４とが積層された構造を有する。ショットキー電極膜１２の端部１２ａは層間絶縁膜５０によって覆われている。そのため、ＳＢＤ２を製造する際に、半導体基板４の上面の第１範囲４０にショットキー電極膜１２を形成した後で層間絶縁膜５０を形成することができる。そのため、半導体基板４の上面が清浄である間にショットキー電極膜１２を形成することができ、安定したショットキー界面を得ることができる。
（第２実施例）
続いて、図３、図４を参照して、第２実施例のＳＢＤ１０２について、第１実施例と異なる点を中心に説明する。図３、図４では、第１実施例のＳＢＤ２と同様の要素は図１と同じ符号を用いて示し、詳細な説明を省略する。本実施例のＳＢＤ１０２は、上層３２内に高抵抗領域３４が形成されている点が第１実施例とは異なる。
高抵抗領域３４は、第１範囲４０の端部４０ａから段差４４を経て第２範囲４２に亘る範囲の上層３２の上面側に形成されているｎ型領域である。本実施例では、高抵抗領域３４の下面は、下層３０から離間している。高抵抗領域３４のｎ型不純物濃度は、上層３２のｎ型不純物濃度よりも低い。また、高抵抗領域３４の比誘電率は、上層３２の比誘電率より大きく、層間絶縁膜５０の比誘電率より小さい。また、フィールドプレート電極１６の外延１６ａは、高抵抗領域３４の形成範囲上に留まっている。また、変形例では、高抵抗領域３４は、不純物を添加する処理をしないで形成されたいわゆるｉ型の領域であってもよい。
次に、本実施例のＳＢＤ１０２の動作を説明する。ＳＢＤ１０２に順方向バイアスを印加する場合の動作は第１実施例のＳＢＤ２の場合と同様であるため、説明を省略する。一方、一方、ＳＢＤ１０２に逆方向バイアスを印加すると、図４に示すように、半導体基板４及び層間絶縁膜５０内に延びる空乏層１９０が形成される。上記の通り、本実施例では、上層３２内に高抵抗領域３４が設けられている。高抵抗領域３４のｎ型不純物濃度は上層３２のｎ型不純物濃度よりも低いため、高抵抗領域３４内には上層３２に比べてさらに空乏層が延びやすい。そのため、本実施例の構成によると、ショットキー電極膜１２の端部１２ａ近傍への電界集中をより緩和することができる。また、上記の通り、フィールドプレート電極１６の外延１６ａは、高抵抗領域３４の形成範囲上に留まっている。そのため、フィールドプレート電極１６の外延１６ａ近傍への電界集中も十分に緩和することができる。
（第３実施例）
続いて、図５、図６を参照して、第３実施例のＳＢＤ２０２について、第２実施例と異なる点を中心に説明する。図５、図６では、上記の各実施例のＳＢＤ２、１０２と同様の要素は同じ符号を用いて示し、詳細な説明を省略する。本実施例のＳＢＤ２０２は、高抵抗領域３４の下面が下層３０に到達しているとともに、高抵抗領域３４が半導体基板４の側面まで到達している点と、ショットキー電極膜１２の端部１２ａが第１範囲４０の端部４０ａから離間した位置に配置されている点が第２実施例とは異なる。
次に、本実施例のＳＢＤ２０２の動作を説明する。ＳＢＤ２０２に順方向バイアスを印加する場合の動作も、上記の各実施例のＳＢＤ２、１０２と同様であるため、詳しい説明を省略する。一方、ＳＢＤ２０２に逆方向バイアスを印加すると、図６に示すように、半導体基板４及び層間絶縁膜５０内に延びる空乏層２９０が形成される。本実施例では、上記の通り、高抵抗領域３４の下面が下層３０に到達している。そのため、ショットキー電極膜１２の端部１２ａ近傍の空乏層２９０内の等電位線の間隔がほぼ一定になり、ショットキー電極膜１２の端部１２ａ近傍における電位の変化が不規則になり難くなる。そのため、ショットキー電極膜１２の端部１２ａ近傍における電界集中を十分に緩和することができる。また、本実施例では、ショットキー電極膜１２の端部１２ａが第１範囲４０の端部４０ａから離間した位置に配置されていることも、ショットキー電極膜１２の端部１２ａ近傍への電界集中の緩和に貢献している。さらに、本実施例では、高抵抗領域３４が半導体基板４の側面まで到達している。そのため、空乏層２９０をショットキー電極膜１２の端部１２ａ及びフィールドプレート電極１６の外延１６ａから離れた位置まで形成することができる。
以上、本明細書に開示の技術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、以下の変形例を採用してもよい。
（変形例１）上面電極１０は、ショットキー電極膜１２と積層電極膜１４が一体に形成されたものであってもよい。
（変形例２）半導体基板４は、ＧａＮ，Ｓｉ，ＳｉＣ等、Ｇａ２Ｏ３以外の材料によって形成されていてもよい。特に、半導体基板４がＳｉ又はＳｉＣによって形成される変形例においては、層間絶縁膜５０と上層３２との間に熱酸化膜がさらに形成されていてもよい。
本明細書が開示する技術要素について、以下に列記する。なお、以下の各技術要素は、それぞれ独立して有用なものである。
本明細書が開示するダイオードにおいて、半導体基板は、ｎ型不純物濃度が高い下層とｎ型不純物濃度が低い上層の積層構造を備えていてもよい。上層が、第１範囲と第２範囲に露出していてもよい。第１範囲の端部から段差を経て第２範囲に亘る範囲の上層の上面側に上層よりｎ型不純物濃度がさらに低い高抵抗領域が形成されていてもよい。
ｎ型不純物濃度が低い上層には、下層に比べて空乏層が延びやすい。そのため、上記の構成によると、逆バイアス印加時に上層内に十分に空乏層を延ばすことができる。そして、ｎ型不純物濃度がさらに低い高抵抗領域には、上層に比べてさらに空乏層が延びやすい。そのため、上記の構成によると、上面電極の端部近傍への電界集中を十分に緩和することができる。
高抵抗領域が、前記下層に到達していてもよい。
この構成によると、上面電極の端部近傍の空乏層内の電位分布の間隔（即ち、等電位線の間隔）がほぼ一定になり、上面電極の端部近傍における電位の変化が不規則になり難くなる。そのため、上面電極の端部近傍における電界集中を十分に緩和することができる。
高抵抗領域が、半導体基板の側面に到達していてもよい。
この構成によると、空乏層を上面電極の端部から半導体基板の側面方向に離れた位置まで形成することができる。
フィールドプレート電極の外延が、高抵抗領域の形成範囲上に留まっていてもよい。
この構成によると、フィールドプレート電極の外延近傍への電界集中も十分に緩和することができる。
上面電極が、ショットキー電極膜と積層電極膜を備えていてもよい。ショットキー電極膜は、第1範囲で半導体基板の上面に接していてもよい。層間絶縁膜は、ショットキー電極膜の端部を覆っていてもよい。積層電極膜は、層間絶縁膜で覆われていないショットキー電極膜に積層されており、フィールドプレート電極に連続していてもよい。
この構成によると、ダイオードの製造の際に、半導体基板の上面の第１範囲にショットキー電極膜を形成した後に層間絶縁膜を形成することができる。そのため、半導体基板の上面が清浄である間にショットキー電極膜を形成することができ、安定したショットキー界面を得ることができる。
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。
２：ＳＢＤ
４：半導体基板
１０上面電極
１２：ショットキー電極膜
１２ａ：端部
１４：積層電極膜
１５：境界線
１６：フィールドプレート電極
１６ａ：外延
２０：下面電極
３０：下層
３２：上層
３４：高抵抗領域
４０：第１範囲
４０ａ：端部
４２：第２範囲
４４：段差
５０：層間絶縁膜
６０：保護膜
９０：空乏層
１０２：ＳＢＤ
１９０：空乏層
２０２：ＳＢＤ
２９０：空乏層

Claims (6)

  1. 半導体基板と上面電極と層間絶縁膜とフィールドプレート電極と下面電極を備えているダイオードであり、
    前記半導体基板の上面は、第１範囲と第２範囲を備えており、前記第２範囲は前記第１範囲を一巡しており、前記半導体基板の上面が前記第１範囲で高くて前記第２範囲で低く、前記第１範囲と前記第２範囲の境界に沿って段差が延びており、
    前記上面電極は、前記第１範囲において前記半導体基板の上面にショットキー接触しているとともに前記第１範囲内に留まっており、
    前記層間絶縁膜は、前記上面電極の端部と前記段差と前記第２範囲とに亘ってこれらを覆っており、
    前記フィールドプレート電極は、前記上面電極に導通しており、前記層間絶縁膜のうちの前記上面電極の端部を覆う部分と前記段差を覆う部分を覆っているとともに、前記層間絶縁膜のうちの前記第２範囲を覆う部分上まで延びており、
    前記下面電極が前記半導体基板の下面に形成されている、
    ダイオード。
  2. 前記半導体基板は、ｎ型不純物濃度が高い下層とｎ型不純物濃度が低い上層の積層構造を備えており、
    前記上層が、前記第１範囲と前記第２範囲に露出しており、
    前記第１範囲の端部から前記段差を経て前記第２範囲に亘る範囲の前記上層の上面側に前記上層よりｎ型不純物濃度がさらに低い高抵抗領域が形成されている請求項１のダイオード。
  3. 前記高抵抗領域が、前記下層に到達している請求項２のダイオード。
  4. 前記高抵抗領域が、前記半導体基板の側面に到達している請求項２または３のダイオード。
  5. 前記フィールドプレート電極の外延が、前記高抵抗領域の形成範囲上に留まっている請求項２〜４のいずれかの１項に記載のダイオード。
  6. 前記上面電極が、ショットキー電極膜と積層電極膜を備えており、
    前記ショットキー電極膜は、前記第1範囲で前記半導体基板の上面に接しており、
    前記層間絶縁膜は、前記ショットキー電極膜の端部を覆い、
    前記積層電極膜は、前記層間絶縁膜で覆われていない前記ショットキー電極膜に積層されており、前記フィールドプレート電極に連続していることを特徴とする請求項１〜５のいずれかの１項に記載のダイオード。
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