JP2020174167A - ダイオード構造及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】マージ型PINショットキーダイオード構造を小型化し、リーク特性を向上し、高周波要件を満たす。【解決手段】ダイオード構造1は、第1金属層10、第1導電型半導体層11、第2導電型半導体層12、トレンチ部13及び第2金属層14を備える。第1導電型半導体層は、第1金属層上に形成される。第2導電型半導体層は第1導電型半導体層上に形成される。第1導電型半導体層と第2導電型半導体層とは逆の導電型を有し、それらの間にPN接合が形成される。トレンチ部は、第2導電型半導体層及び第1導電型半導体層の中に形成される。第1接触面は、トレンチ部と第1導電型半導体層との間に形成され、第2接触面は、トレンチ部と第2導電型半導体層との間に形成される。第2金属層は、第2導電型半導体層及びトレンチ部の上に形成される。【選択図】図1

Description

本開示はダイオード構造に関するものであり、より具体的には、トレンチマージ型PINショットキーダイオード構造及びその製造方法に関するものである。
ダイオードは回路システムにおける一般的な部品の1つであり、様々な種類の製品機器において広く使用されている。ダイオード構造は実用上の要求に応じて変更できる。例えば、PINダイオード及びショットキーダイオードの両方をパワーダイオードとして使用することができる。PINダイオードは降伏耐圧が高く且つ逆電流が低いが、スイッチング速度は遅い。一方、ショットキーダイオードはスイッチング速度が速く、導通電圧降下が低く、且つ順方向導通電流が高いが、リーク特性が劣る。従って、PINダイオード及びショットキーダイオードを1つのダイオード構造に一体化することで、マージ型PINショットキーダイオード構造を形成し、最良のスイッチング特性を実現することができる。しかしながら、従来のマージ型PINショットキーダイオード構造では、PINダイオードとショットキーダイオードとが相互に複雑に積層されている。従って、従来のマージ型PINショットキーダイオード構造は全体の体積が大きく、構造を小型化するうえで適さない。さらに、従来のマージ型PINショットキーダイオード構造のリーク特性は、高周波要件を満たすことができない。
従って、先行技術における上述の問題に対処するためのトレンチマージ型PINショットキーダイオード構造及びその製造方法を提供する必要がある。同時に、全体構造を単純化し、プロセスの精度を向上させ、ダイオード構造の特性を最適化するという目的を達成する。
本開示の目的は、ダイオード構造及びその製造方法を提供することである。トレンチマージ型PINショットキーダイオード構造を形成するために、トレンチ部はダイオード構造内に構築される。これは全体構造のサイズの最小化とダイオード構造の特性の最適化を同時に行ううえで有益である。これにより、ダイオード構造の単位密度が増大し、スナップバックの問題が解消され、高周波要件が満たされる。これは、高速回復時間(低スイッチング損失)及びソフトリカバリー(低ピーク電圧、低EMI、及び高システム効率)の特性の最適化という目的を達成するうえで有益である。
本開示の別の目的は、ダイオード構造及びその製造方法を提供することである。トレンチ部をダイオード構造内に導入することは、異なる導電性半導体層間の界面の精度を向上させダイオード構造の性能を最適化するよう、製造プロセスにおいて導電性半導体材料のドープを制御するうえで有益である。一方、トレンチ部の設計は、実用上の要求に応じて、半導体ユニットとしての領域を取り囲むよう変更できる。これにより、ダイオード構造の単位密度が増大し、スナップバックの問題が解消され、高周波要件が満たされる。これは、高速回復時間(低スイッチング損失)及びソフトリカバリー(低ピーク電圧、低EMI、及び高システム効率)の特性を最適化するという目的を達成するうえで有益である。
本開示の一態様によれば、ダイオード構造が提供される。ダイオード構造は、第1金属層、第1導電型半導体層、第2導電型半導体層、少なくとも1つのトレンチ部、及び第2金属層を備える。第1導電型半導体層は第1金属層上に形成される。第2導電型半導体層は第1導電型半導体層上に形成される。第1導電型半導体層と第2導電型半導体層とは逆の導電型を有する。第1導電型半導体層と第2導電型半導体層との間にPN接合が形成される。少なくとも1つのトレンチ部は第2導電型半導体層及び第1導電型半導体層の中に入り込むように配置される。少なくとも1つのトレンチ部と第1導電型半導体層との間に第1接触面が形成され、少なくとも1つのトレンチ部と第2導電型半導体層との間に第2接触面が形成される。第2金属層は、第2導電型半導体層及び少なくとも1つのトレンチ部の上に形成される。
一実施形態において、トレンチ部はポリシリコン材料層により形成され、ポリシリコン材料層と第1導電型半導体層との間、及びポリシリコン材料層と第2導電型半導体層との間に酸化物層が配置される。
一実施形態において、トレンチ部は導電材料層により形成され、導電材料層と第1導電型半導体層との間、及び導電材料層と第2導電型半導体層との間に酸化物層が配置される。
一実施形態において、第1導電型半導体層はN型半導体層であり、第2導電型半導体層はP+型半導体層である。
一実施形態において、第1接触面の面積は第2接触面の面積よりも小さい。
一実施形態において、第2導電型半導体層は、少なくとも1つのトレンチ部の側壁から少なくとも1つのトレンチ部の底部に向かって延びる。
一実施形態において、第1金属層はカソード電極であり、第2金属層はアノード電極である。
一実施形態において、ダイオード構造は、第1金属層と第1導電型半導体層との間に配置された第1導電型ドープ半導体層をさらに備える。
一実施形態において、少なくとも1つのトレンチ部は、少なくとも1つの領域を取り囲み半導体ユニットを画定する。
本開示の別の態様によれば、ダイオード構造の製造方法が提供される。製造方法は、以下の工程(a)〜(e)を含む。(a)基板を提供する工程であって、基板は第1金属層及び第1導電型半導体層を備え、第1導電型半導体層は第1金属層上に形成される、工程、(b)第1導電型半導体層の表面から第1導電型半導体層の中に入り込むように配置された少なくとも1つのトレンチを形成する工程、(c)第1導電型半導体層の表面を通して第1導電型半導体層の一部の中に第2導電型半導体材料をドープし、第2導電型半導体層を形成する工程であって、第1導電型半導体層と第2導電型半導体層とは逆の導電型を有し、第1導電型半導体層と第2導電型半導体層との間にPN接合が形成される、工程、(d)少なくとも1つのトレンチ内に導電材料を充填し、少なくとも1つのトレンチ部を形成する工程であって、少なくとも1つのトレンチ部と第1導電型半導体層との間に第1接触面が形成され、少なくとも1つのトレンチ部と第2導電型半導体層との間に第2接触面が形成される、工程、(e)第2導電型半導体層及び少なくとも1つのトレンチ部の上に第2金属層を形成する工程。
一実施形態において、前記工程(b)は、以下の工程(b1)及び(b2)を含む。(b1)第1導電型半導体層をエッチングして少なくとも1つのトレンチを形成する工程、(b2)少なくとも1つのトレンチの内壁上に酸化物層を形成する工程。
一実施形態において、導電材料はポリシリコン材料又は金属材料である。
一実施形態において、第1導電型半導体層はN型半導体層であり、第2導電型半導体層はP+型半導体層である。
一実施形態において、第1接触面の面積は第2接触面の面積よりも小さい。
一実施形態において、第2導電型半導体層は、少なくとも1つのトレンチ部の側壁から少なくとも1つのトレンチ部の底部に向かって延びる。
一実施形態において、第2導電型半導体層は拡散法又はイオン注入法により形成される。
一実施形態において、第1金属層はカソード電極であり、第2金属層はアノード電極である。
一実施形態において、基板は、第1金属層と第1導電型半導体層との間に配置された第1導電型ドープ半導体層をさらに備える。
一実施形態において、少なくとも1つのトレンチ部は、少なくとも1つの領域を取り囲み半導体ユニットを画定する。
本開示の上述の内容は、以下の詳細な説明及び添付図面を参照した後に、当業者にとってより容易に明らかとなるであろう。
図1は、本開示の第1実施形態に係るダイオード構造を示す断面図である。 図2Aは、本開示の第1実施形態に係る製造段階におけるダイオード構造を示す断面図である。 図2Bは、本開示の第1実施形態に係る製造段階におけるダイオード構造を示す断面図である。 図2Cは、本開示の第1実施形態に係る製造段階におけるダイオード構造を示す断面図である。 図2Dは、本開示の第1実施形態に係る製造段階におけるダイオード構造を示す断面図である。 図2Eは、本開示の第1実施形態に係る製造段階におけるダイオード構造を示す断面図である。 図2Fは、本開示の第1実施形態に係る製造段階におけるダイオード構造を示す断面図である。 図3は、本開示の第1実施形態に係るダイオード構造の製造方法を示すフローチャートである。 図4は、本開示の第2実施形態に係るダイオード構造を示す断面図である。 図5は、本開示の実施形態に係るトレンチの例示的な構造を示している。
本開示を、以下の実施形態を参照してより具体的に説明する。本開示の好ましい実施形態に関する以下の説明は、例示及び説明のみを目的として、本明細書に提示されることに留意されたい。包括的であること、又は開示された形態に正確に限定されることを意図するものではない。
図1は、本開示の第1実施形態に係るダイオード構造を示す断面図である。この実施形態において、ダイオード構造1は、例えば、高速回復エピタキシャルダイオード(FRED)であるが、これに限定されるものではない。ダイオード構造1は、第1金属層10、第1導電型半導体層11、第2導電型半導体層12、少なくとも1つのトレンチ部13、及び第2金属層14を備える。好ましくは、第1導電型半導体層11はN型半導体層であり、第1金属層10上に形成されるが、これに限定されるものではない。好ましくは、第2導電型半導体層12はP+型半導体層であり、第1導電型半導体層11上に形成されるが、これに限定されるものではない。第1導電型半導体層11と第2導電型半導体層12とは、逆の導電型を有する。第1導電型半導体層11と第2導電型半導体層12との間には、PN接合Jが形成される。この実施形態において、ダイオード構造1は、第1金属層10と第1導電型半導体層11との間に配置された第1導電型ドープ半導体層11aをさらに備える。好ましくは、第1導電型ドープ半導体層11aはN+型半導体層であるが、これに限定されるものではない。少なくとも1つのトレンチ部13は、第2導電型半導体層12及び第1導電型半導体層11の中に入り込むように配置される。少なくとも1つのトレンチ部13と第1導電型半導体層11との間に第1接触面M1が形成され、少なくとも1つのトレンチ部13と第2導電型半導体層12との間に第2接触面M2が形成される。第2金属層14は、第2導電型半導体層12及び少なくとも1つのトレンチ部13の上に形成される。この実施形態において、トレンチ部13はポリシリコン材料層13aにより形成され、ポリシリコン材料層13aと第1導電型半導体層11との間、及びポリシリコン材料層13aと第2導電型半導体層12との間に酸化物層13bが配置される。好ましくは、第1金属層10はカソード電極であり、第2金属層14はアノード電極である。このように、ダイオード構造1はトレンチマージ型PINショットキーダイオードを形成するように構成されている。トレンチ部13の構造を利用することにより、ダイオード構造1の逆バイアスでの降伏電圧の高電圧領域が向上する。例えば、ダイオード構造1は、1200Vから1800Vの範囲の降伏電圧を有する。同時に、スナップバックの問題が解消され、高周波要件が満たされる。これは、高速回復時間(低スイッチング損失)及びソフトリカバリー(低ピーク電圧、低EMI、及び高システム効率)の特性を最適化するという目的を達成するうえで有益である。
上述のダイオード構造1によれば、本開示は、ダイオード構造の製造方法をさらに提供する。図2A〜2Fは、本開示の第1実施形態に係るいくつかの製造段階におけるダイオード構造を示す断面図である。図3は、本開示の第1実施形態に係るダイオード構造の製造方法を示すフローチャートである。まず、工程S01において、基板10aが提供される。図2Aに示すように、この実施形態において、基板10aは第1金属層10及び第1導電型半導体層11を備え、第1導電型半導体層11は第1金属層10上に形成される。好ましくは、第1導電型半導体層11はN型半導体層であるが、これに限定されるものではない。この実施形態において、ダイオード構造1は、第1金属層10と第1導電型半導体層11との間に配置された第1導電型ドープ半導体層11aをさらに備える。好ましくは、第1導電型ドープ半導体層11aはN+型半導体層であるが、これに限定されるものではない。もちろん、本開示はこのような構成に限定されるものではない。次に、工程S02において、第1導電型半導体層11をエッチングして少なくとも1つのトレンチ13'が形成される。図2Bに示すように、少なくとも1つのトレンチ13'は、第1導電型半導体層11の表面S11から第1導電型半導体層11の中に入り込むように配置される。その後工程S03において、図2Cに示すように、少なくとも1つのトレンチ13'の内壁上に酸化物層13bが形成される。工程S04において、図2Dに示すように、第1導電型半導体層11の表面S11(図2C参照)を通して第1導電型半導体層11の一部の中に第2導電型半導体材料をドープし、第2導電型半導体層12を形成する。この実施形態において、第2導電型半導体層12は拡散法又はイオン注入法により形成される。好ましくは、第2導電型半導体層12はP+型半導体層であり、第1導電型半導体層11上に形成されるが、これに限定されるものではない。第1導電型半導体層11と第2導電型半導体層12とは、逆の導電型を有する。第1導電型半導体層11と第2導電型半導体層12との間には、PN接合Jが形成される。もちろん、第1導電型半導体層11及び第2導電型半導体層12の導電性は実用上の要求に応じて変更でき、本開示はこのような構成に限定されるものではない。その後工程S05において、少なくとも1つのトレンチ13'内に導電材料層13cを充填し、第1導電型半導体層11及び第2導電型半導体層12の中に入り込むように配置される少なくとも1つのトレンチ部13を形成する。従って、少なくとも1つのトレンチ部13と第1導電型半導体層11との間に第1接触面M1が形成され、少なくとも1つのトレンチ部13と第2導電型半導体層12との間に第2接触面M2が形成される。最後に、工程S06において、第2導電型半導体層12及び少なくとも1つのトレンチ部13の上に第2金属層14が形成される。このようにして、本開示のダイオード構造1が得られる。この実施形態において、導電材料層13cは、ポリシリコン材料又は金属材料により形成されるが、これに限定されるものではない。一実施形態において、図1に示すように、導電材料層13cはポリシリコン材料層13aで置き換えることができる。別の実施形態において、第1金属層10、第2金属層14、及び導電材料層13cの材料は、実用上の要求に応じて調整可能である。本開示はこのような構成に限定されるものではなく、本明細書において重複して説明しない。
トレンチ部13はダイオード構造1内に導入され、これは、製造プロセスにおいて導電性半導体材料のドープを制御するうえで有益である。これにより、第1導電型半導体層11と第2導電型半導体層12との間のPN接合Jの界面の精度が向上し、ダイオード構造1の性能が最適化される。さらに、ダイオード構造1はトレンチマージ型PINショットキーダイオードを形成し、これにより、逆バイアスにおける降伏電圧の高電圧領域が向上する。例えば、ダイオード構造1は、1200Vから1800Vの範囲の降伏電圧を有する。同時に、スナップバックの問題が解消され、高周波要件が満たされる。これは、高速回復時間(低スイッチング損失)及びソフトリカバリー(低ピーク電圧、低EMI、及び高システム効率)の特性を最適化するという目的を達成するうえで有益である。
図4は、本開示の第2実施形態に係るダイオード構造を示す断面図である。この実施形態において、ダイオード構造1aの構造、要素、及び機能は、図1におけるダイオード構造1のものと同様であり、本明細書において重複して説明しない。図1のダイオード構造1とは異なり、この実施形態において、第2導電型半導体層12は少なくとも1つのトレンチ部13の側壁から少なくとも1つのトレンチ部13の底部に向かってさらに延びる。これにより、少なくとも1つのトレンチ部13と第1導電型半導体層11との間に形成される第1接触面M1の面積は、少なくとも1つのトレンチ部13と第2導電型半導体層12との間に形成される第2接触面M2の面積よりも小さくなる。例えば、ショットキーチャネルモードを制御して、ダイオード構造1aの特性をさらに最適化することが可能である。これは、高速回復時間(低スイッチング損失)及びソフトリカバリー(低ピーク電圧、低EMI、及び高システム効率)の特性を最適化するという目的を達成するうえで有益である。
図5は、本開示の実施形態に係るトレンチの例示的な構造を示している。この実施形態において、トレンチ13'は2次元に配置されている。例えば、トレンチ13'の一部はX軸に平行な方向に沿って配置され、トレンチ13'の一部はY軸に平行な方向に沿って配置される。トレンチ13'は、少なくとも1つの領域を取り囲み少なくとも1つの半導体ユニット1cを画定する。つまり、トレンチ13'の設計により、少なくとも1つのトレンチ部13は少なくとも1つの領域をさらに取り囲み、半導体ユニット1cを画定する。上述のように製造プロセスにおいてドープの制御が容易であることに加え、ダイオード構造の単位密度を増大し全体構造を最小化することでより有利となる。トレンチ13'の設計は、実用上の要求に応じて調整可能であることを強調しなければならない。この実施形態において、少なくとも1つの半導体ユニット1cの上面の輪郭は四角である。別の実施形態において、トレンチ13'で取り囲むことで、少なくとも1つの半導体ユニット1cの上面の輪郭は、例えば、円形、六角形、又はひし形とすることが可能であるが、これに限定されるものではない。本開示はこのような構成に限定されるものではなく、本明細書において重複して説明しない。さらに、この実施形態において、トレンチ13'により画定される半導体ユニット1cは、例えば、PINダイオードユニット又はショットキーダイオードユニットでもよい。別の実施形態において、トレンチ13'の設計を利用することは、PINダイオードユニット又はショットキーダイオードユニットの割合及び配置を電気的性能に応じて設定するうえで有益である。本開示はこのような構成に限定されるものではなく、本明細書において重複して説明しない。
要約すると、本開示は、ダイオード構造及びその製造方法を提供する。トレンチマージ型PINショットキーダイオード構造を形成するために、トレンチ部はダイオード構造内に形成される。これは、全体構造のサイズの最小化、及びダイオード構造の特性の最適化を同時に行ううえで有益である。さらに、トレンチ部をダイオード構造内に導入することは、異なる導電性半導体層間の界面の精度を向上させダイオード構造の性能を最適化するよう、製造プロセスにおいて導電性半導体材料のドープを制御するうえで有益である。一方、実用上の要求に応じてトレンチ部の設計を変更して半導体ユニットを画定することができ、これにより、ダイオード構造の単位密度が増大し、スナップバックの問題が解消され、高周波要件が満たされる。これは、高速回復時間(低スイッチング損失)及びソフトリカバリー(低ピーク電圧、低EMI、及び高システム効率)の特性を最適化するという目的を達成するうえで有益である。
本開示を、現時点で最も実用的且つ好ましい実施形態と考えられるものに関して説明したが、本開示を開示された実施形態に限定する必要は無いことを理解されたい。逆に、添付の請求項の精神及び範囲内に含まれる様々な変更及び類似する構成を包含することが意図され、添付の請求項はそのような変更及び類似する構造全てを包含するように最も広い解釈をされるべきものである。

Claims (19)

  1. ダイオード構造であって、
    第1金属層と、
    前記第1金属層上に形成された第1導電型半導体層と、
    前記第1導電型半導体層上に形成された第2導電型半導体層と、
    前記第2導電型半導体層及び前記第1導電型半導体層の中に入り込むように配置された少なくとも1つのトレンチ部と、
    前記第2導電型半導体層及び前記少なくとも1つのトレンチ部の上に形成された第2金属層とを備え、
    前記第1導電型半導体層と前記第2導電型半導体層とは逆の導電型を有し、前記第1導電型半導体層と前記第2導電型半導体層との間にPN接合が形成され、
    前記少なくとも1つのトレンチ部と前記第1導電型半導体層との間に第1接触面が形成され、前記少なくとも1つのトレンチ部と前記第2導電型半導体層との間に第2接触面が形成される、
    ダイオード構造。
  2. 請求項1に記載のダイオード構造であって、前記トレンチ部はポリシリコン材料層により形成され、前記ポリシリコン材料層と前記第1導電型半導体層との間、及び前記ポリシリコン材料層と前記第2導電型半導体層との間に酸化物層が配置される、ダイオード構造。
  3. 請求項1に記載のダイオード構造であって、前記トレンチ部は導電材料層により形成され、前記導電材料層と前記第1導電型半導体層との間、及び前記導電材料層と前記第2導電型半導体層との間に酸化物層が配置される、ダイオード構造。
  4. 請求項1に記載のダイオード構造であって、前記第1導電型半導体層はN型半導体層であり、前記第2導電型半導体層はP+型半導体層である、
    ダイオード構造。
  5. 請求項1に記載のダイオード構造であって、前記第1接触面の面積は前記第2接触面の面積よりも小さい、ダイオード構造。
  6. 請求項1に記載のダイオード構造であって、前記第2導電型半導体層は、前記少なくとも1つのトレンチ部の側壁から前記少なくとも1つのトレンチ部の底部に向かって延びる、ダイオード構造。
  7. 請求項1に記載のダイオード構造であって、前記第1金属層はカソード電極であり、前記第2金属層はアノード電極である、ダイオード構造。
  8. 請求項1に記載のダイオード構造であって、前記第1金属層と前記第1導電型半導体層との間に配置された第1導電型ドープ半導体層をさらに備える、ダイオード構造。
  9. 請求項1に記載のダイオード構造であって、前記少なくとも1つのトレンチ部は、少なくとも1つの領域を取り囲み半導体ユニットを画定する、ダイオード構造。
  10. 以下の工程(a)〜(e)を含む、ダイオード構造の製造方法。
    (a)基板を提供する工程であって、前記基板は第1金属層及び第1導電型半導体層を備え、前記第1導電型半導体層は前記第1金属層上に形成される、工程
    (b)前記第1導電型半導体層の表面から前記第1導電型半導体層の中に入り込むように配置された少なくとも1つのトレンチを形成する工程
    (c)前記第1導電型半導体層の前記表面を通して前記第1導電型半導体層の一部の中に第2導電型半導体材料をドープし、第2導電型半導体層を形成する工程であって、前記第1導電型半導体層と前記第2導電型半導体層とは逆の導電型を有し、前記第1導電型半導体層と前記第2導電型半導体層との間にPN接合が形成される、工程
    (d)前記少なくとも1つのトレンチ内に導電材料を充填し、少なくとも1つのトレンチ部を形成する工程であって、第1接触面が前記少なくとも1つのトレンチ部と前記第1導電型半導体層との間に形成され、第2接触面が前記少なくとも1つのトレンチ部と前記第2導電型半導体層との間に形成される、工程
    (e)前記第2導電型半導体層及び前記少なくとも1つのトレンチ部の上に第2金属層を形成する工程
  11. 請求項10に記載のダイオード構造の製造方法であって、前記工程(b)は、以下の工程(b1)及び(b2)を含む、製造方法。
    (b1)前記第1導電型半導体層をエッチングして前記少なくとも1つのトレンチを形成する工程
    (b2)前記少なくとも1つのトレンチの内壁上に酸化物層を形成する工程
  12. 請求項10に記載のダイオード構造の製造方法であって、前記導電材料はポリシリコン材料又は金属材料である、製造方法。
  13. 請求項10に記載のダイオード構造の製造方法であって、前記第1導電型半導体層はN型半導体層であり、前記第2導電型半導体層はP+型半導体層である、製造方法。
  14. 請求項10に記載のダイオード構造の製造方法であって、前記第1接触面の面積は前記第2接触面の面積よりも小さい、製造方法。
  15. 請求項10に記載のダイオード構造の製造方法であって、前記第2導電型半導体層は、前記少なくとも1つのトレンチ部の側壁から前記少なくとも1つのトレンチ部の底部に向かって延びる、製造方法。
  16. 請求項10に記載のダイオード構造の製造方法であって、前記第2導電型半導体層は拡散法又はイオン注入法により形成される、製造方法。
  17. 請求項10に記載のダイオード構造の製造方法であって、前記第1金属層はカソード電極であり、前記第2金属層はアノード電極である、製造方法。
  18. 請求項10に記載のダイオード構造の製造方法であって、前記基板は、前記第1金属層と前記第1導電型半導体層との間に配置された第1導電型ドープ半導体層をさらに備える、製造方法。
  19. 請求項10に記載のダイオード構造の製造方法であって、前記少なくとも1つのトレンチ部は、少なくとも1つの領域を取り囲み半導体ユニットを画定する、製造方法。
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