JP2835544B2 - 整流用半導体装置 - Google Patents
整流用半導体装置Info
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-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/86—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable only by variation of the electric current supplied, or only the electric potential applied, to one or more of the electrodes carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched
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- H01L29/872—Schottky diodes
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は整流用半導体装置の構造
に関するものである。
に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】周知のように、整流用半導体装置の特性
改善、特に順方向及び逆方向特性、スイッチング速度に
ついて、改善のための開発が進められ、種々の構造が提
案されている。
改善、特に順方向及び逆方向特性、スイッチング速度に
ついて、改善のための開発が進められ、種々の構造が提
案されている。
【０００３】従来技術の代表例としては、特公昭５９−
３５１８３「ショットキバリア半導体装置」や特開昭６
０−７４５８２「ピンチ整流器」があり、構造例を図１
の断面構造図に示す。Ｎは一導電型半導体、Ｎ+は高濃
度の一導電型半導体、Ｐ+は逆導電型半導体領域、Ｍは
金属層、Ａはアノ−ド、Ｃはカソ−ドである。なお、
Ｎ、Ｎ+、Ｐ+等は符号をあらわすと共に、半導体の導電
型を例示するものである。
３５１８３「ショットキバリア半導体装置」や特開昭６
０−７４５８２「ピンチ整流器」があり、構造例を図１
の断面構造図に示す。Ｎは一導電型半導体、Ｎ+は高濃
度の一導電型半導体、Ｐ+は逆導電型半導体領域、Ｍは
金属層、Ａはアノ−ド、Ｃはカソ−ドである。なお、
Ｎ、Ｎ+、Ｐ+等は符号をあらわすと共に、半導体の導電
型を例示するものである。
【０００４】即ち、一導電型半導体Ｎと金属層Ｍにより
形成するショットキ接触面ｅに複数個の逆導電型半導体
領域Ｐ+を一導電型半導体Ｎのショットキ接触面ｅを
（２）はさむごとく形成する。しかして、逆方向電圧が
印加されると、一対のＰ+領域から一導電型半導体Ｎの
チャネル領域内に空乏層が成長し、相互に重なり合った
時から、ショットキ接触面ｅを横切る逆漏れ電流の逆電
圧依存性を減少する構造として提案されている。
形成するショットキ接触面ｅに複数個の逆導電型半導体
領域Ｐ+を一導電型半導体Ｎのショットキ接触面ｅを
（２）はさむごとく形成する。しかして、逆方向電圧が
印加されると、一対のＰ+領域から一導電型半導体Ｎの
チャネル領域内に空乏層が成長し、相互に重なり合った
時から、ショットキ接触面ｅを横切る逆漏れ電流の逆電
圧依存性を減少する構造として提案されている。
【０００５】しかして、図１の従来構造は、図３の電子
ポテンシアル分布図の「従来」の曲線に示すように、逆
方向電圧ＶRの印加によって形成される一導電型半導体
Ｎチャネル領域内のポテンシアルを高め、ショットキ接
触面ｅにかかる電界強度Ｅの増大を、二つの空乏層が重
なり合う逆電圧から高い電圧領域にわたって、低い増加
率に抑え、結果的に二つの空乏層が重なり合う逆電圧か
ら高電圧領域までの逆漏れ電流の増加を減少させる効果
を期待している。
ポテンシアル分布図の「従来」の曲線に示すように、逆
方向電圧ＶRの印加によって形成される一導電型半導体
Ｎチャネル領域内のポテンシアルを高め、ショットキ接
触面ｅにかかる電界強度Ｅの増大を、二つの空乏層が重
なり合う逆電圧から高い電圧領域にわたって、低い増加
率に抑え、結果的に二つの空乏層が重なり合う逆電圧か
ら高電圧領域までの逆漏れ電流の増加を減少させる効果
を期待している。
【０００６】ところが、特に、ショットキバリアハイト
φBの小さな金属層Ｍを選択したショットキ接触では、
図４（ｂ）の逆方向特性図の「従来」の曲線に示すよう
に、空乏層が重なり合うに至るまでの小さな逆電圧領域
で逆漏れ電流ＪRは大きな数値となる。従って、前記提
案の従来構造は実用化段階に問題があった。
φBの小さな金属層Ｍを選択したショットキ接触では、
図４（ｂ）の逆方向特性図の「従来」の曲線に示すよう
に、空乏層が重なり合うに至るまでの小さな逆電圧領域
で逆漏れ電流ＪRは大きな数値となる。従って、前記提
案の従来構造は実用化段階に問題があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】解決しようとする問題
点は、一導電型半導体に形成されるショットキ接触面に
おける電界強度の増大に逆漏れ電流が依存することであ
る。
点は、一導電型半導体に形成されるショットキ接触面に
おける電界強度の増大に逆漏れ電流が依存することであ
る。
【０００８】
【課題を解決しようとする手段】一導電型半導体、金属
層及びそれらの間に介在せしめた第２の一導電型半導体
層から成り、その第２の一導電型半導体層は、前記の一
導電型半導体と金属層によるショットキバリアハイトと
同等程度の電子ポテンシアルを保持するようにしたこと
を特徴とする。それにより、順方向電圧降下特性を大幅
に低下させることなく、高い逆方向電圧領域まで逆漏れ
電流を小さな値に抑制（３）した整流用半導体装置を提
供する。
層及びそれらの間に介在せしめた第２の一導電型半導体
層から成り、その第２の一導電型半導体層は、前記の一
導電型半導体と金属層によるショットキバリアハイトと
同等程度の電子ポテンシアルを保持するようにしたこと
を特徴とする。それにより、順方向電圧降下特性を大幅
に低下させることなく、高い逆方向電圧領域まで逆漏れ
電流を小さな値に抑制（３）した整流用半導体装置を提
供する。
【０００９】なお、前記の第２の一導電型半導体層をＰ
otential Ｅqualized Ｌayerと称し、以下の明細書及
び図面では略して、ＰＥＬで表す。
otential Ｅqualized Ｌayerと称し、以下の明細書及
び図面では略して、ＰＥＬで表す。
【００１０】
【作用】ショットキ接触面をもつ整流用半導体装置の逆
漏れ電流密度ＪRは次の式で示されることが知られてい
る。 ＪR＝ＪS・ｅｘｐ｛ｑ／ｋＴ（ｑＥ／４πεｓｉ）1/2｝ ここで、ＪS＝（Ａ）Ｔ2ｅｘｐ（−ｑφB／ｋＴ）であ
り、（Ａ）はリチャ−ドソン定数である。即ち、逆漏れ
電流密度ＪRは温度が一定ならば、ショットキ接触金属
のバリアハイトφBと接触面にかかる電界強度Ｅに大き
く依存する。ショットキ接触面をもつ整流用半導体装置
にとって、小さな順方向電圧降下を得るためにはバリア
ハイトφBの小さな金属が望ましい。しかしながら、前
記の式からわかるように小さなφBの金属の選択は大き
な逆漏れ電流密度ＪRを生ずる結果となる。一方、ショ
ットキ接触面に印加される電界強度Ｅは半導体構造の工
夫により低減し得る因子である。即ち、電界強度Ｅの減
少、究極的にＥ＝０になし得れば、前記の式のＥを含む
指数項が１に限りなく近づき、逆漏れ電流密度ＪRは電
界強度Ｅに依存しなくなる。換言すれば、逆方向印加電
圧に依存しないバリアハイトφBと温度で決まる最小の
一定値になし得る。このことが本発明構造の意図する理
論的背景である。
漏れ電流密度ＪRは次の式で示されることが知られてい
る。 ＪR＝ＪS・ｅｘｐ｛ｑ／ｋＴ（ｑＥ／４πεｓｉ）1/2｝ ここで、ＪS＝（Ａ）Ｔ2ｅｘｐ（−ｑφB／ｋＴ）であ
り、（Ａ）はリチャ−ドソン定数である。即ち、逆漏れ
電流密度ＪRは温度が一定ならば、ショットキ接触金属
のバリアハイトφBと接触面にかかる電界強度Ｅに大き
く依存する。ショットキ接触面をもつ整流用半導体装置
にとって、小さな順方向電圧降下を得るためにはバリア
ハイトφBの小さな金属が望ましい。しかしながら、前
記の式からわかるように小さなφBの金属の選択は大き
な逆漏れ電流密度ＪRを生ずる結果となる。一方、ショ
ットキ接触面に印加される電界強度Ｅは半導体構造の工
夫により低減し得る因子である。即ち、電界強度Ｅの減
少、究極的にＥ＝０になし得れば、前記の式のＥを含む
指数項が１に限りなく近づき、逆漏れ電流密度ＪRは電
界強度Ｅに依存しなくなる。換言すれば、逆方向印加電
圧に依存しないバリアハイトφBと温度で決まる最小の
一定値になし得る。このことが本発明構造の意図する理
論的背景である。
【００１１】
【実施例】図２は本発明の実施例を示す断面構造図であ
り、図１と同一符号は同一部分を示す。図２では、第１
の一導電型半導体Ｎの表面にトレンチ溝２を設け、Ｎの
凸部１を形成する。又、凸部１には、第１の一導電型半
導体Ｎと金属層Ｍが形成するショットキ接触面ｅに接し
て、第２の一導電型半導体ＰＥＬを（４）第１の一導電
型半導体Ｎと金属層Ｍ間に介在させる。このＰＥＬの介
在により、ＮとＭ間のショットキ接触によるバリアハイ
トと同等程度の電子ポテンシアルをＭと接するＰＥＬの
接触面に形成させるものである。なお、トレンチ溝２に
沿って設けた逆導電型半導体Ｐ+は凸部１の側部からの
空間電荷層を作用せしめるものであり、本発明者等の特
願平３−１１５３４１「ショットキバリア半導体装置」
で提案したものである。
り、図１と同一符号は同一部分を示す。図２では、第１
の一導電型半導体Ｎの表面にトレンチ溝２を設け、Ｎの
凸部１を形成する。又、凸部１には、第１の一導電型半
導体Ｎと金属層Ｍが形成するショットキ接触面ｅに接し
て、第２の一導電型半導体ＰＥＬを（４）第１の一導電
型半導体Ｎと金属層Ｍ間に介在させる。このＰＥＬの介
在により、ＮとＭ間のショットキ接触によるバリアハイ
トと同等程度の電子ポテンシアルをＭと接するＰＥＬの
接触面に形成させるものである。なお、トレンチ溝２に
沿って設けた逆導電型半導体Ｐ+は凸部１の側部からの
空間電荷層を作用せしめるものであり、本発明者等の特
願平３−１１５３４１「ショットキバリア半導体装置」
で提案したものである。
【００１２】前記の実施例を更に詳述する。４００μｍ
厚さのＮ+型低抵抗シリコン基板の上にＮ型高抵抗シリ
コンとして、１Ω・ｃｍ、８μｍ厚さにエピタキシアル
結晶成長堆積したＮ／Ｎ+エピタキシアルシリコン基板
に、公知の手法であるイオン注入法でボロン原子を打込
み、第２の一導電型半導体ＰＥＬをショットキ接触面予
定領域内に形成する。最終的には、ＰＥＬはボロン濃度
１.３×１０11Ａtoms／ｃｍ3、深さ１μｍになるように
イオン注入条件を調整した。次に、公知の手法のＣＨcl
3、ＣＦ4ガスを使用したＲＩＥによりストライプ状のト
レンチ溝２を１０００本形成した。トレンチ溝２の形状
は図２に示したようにほぼ基板面に垂直な、幅１.０μ
ｍ、深さ２.５μｍ、くり返しピッチ３.０μｍで長さ３
ｍｍの形状とした。次に、トレンチ溝２の内壁にのみ公
知の気相拡散法で、表面濃度５×１０19〜１×１０20Ａ
toms／ｃｍ3、深さ０.２５μｍの高濃度ボロン拡散層に
よる逆導電型半導体Ｐ+を形成した。その後、凸部１上
面のＰＥＬ、逆導電型半導体Ｐ+のそれぞれの表面の酸
化膜マスクを化学エッチにより除去して、各部の表面を
露出させる。 さらに、ショットキバリアメタル（例
えばクロム）を蒸着する。その後、カ ソ−ドＣ側の
オ−ミック金属Ｂ（例えば、Ｃｒ、Ｎｉ等）を形成し、
本発明 の整流用半導体装置を完成した。
厚さのＮ+型低抵抗シリコン基板の上にＮ型高抵抗シリ
コンとして、１Ω・ｃｍ、８μｍ厚さにエピタキシアル
結晶成長堆積したＮ／Ｎ+エピタキシアルシリコン基板
に、公知の手法であるイオン注入法でボロン原子を打込
み、第２の一導電型半導体ＰＥＬをショットキ接触面予
定領域内に形成する。最終的には、ＰＥＬはボロン濃度
１.３×１０11Ａtoms／ｃｍ3、深さ１μｍになるように
イオン注入条件を調整した。次に、公知の手法のＣＨcl
3、ＣＦ4ガスを使用したＲＩＥによりストライプ状のト
レンチ溝２を１０００本形成した。トレンチ溝２の形状
は図２に示したようにほぼ基板面に垂直な、幅１.０μ
ｍ、深さ２.５μｍ、くり返しピッチ３.０μｍで長さ３
ｍｍの形状とした。次に、トレンチ溝２の内壁にのみ公
知の気相拡散法で、表面濃度５×１０19〜１×１０20Ａ
toms／ｃｍ3、深さ０.２５μｍの高濃度ボロン拡散層に
よる逆導電型半導体Ｐ+を形成した。その後、凸部１上
面のＰＥＬ、逆導電型半導体Ｐ+のそれぞれの表面の酸
化膜マスクを化学エッチにより除去して、各部の表面を
露出させる。 さらに、ショットキバリアメタル（例
えばクロム）を蒸着する。その後、カ ソ−ドＣ側の
オ−ミック金属Ｂ（例えば、Ｃｒ、Ｎｉ等）を形成し、
本発明 の整流用半導体装置を完成した。
【００１３】本発明構造は、要部をなす第２の一導電型
半導体ＰＥＬの形成が最も重要であり図３のポテンシア
ルバンド図により、以下に説明する。実施例では、第１
の一導電型半導体Ｎの不純物濃度は１×１０16Ａtoms／
ｃｍ3であるから、（５）その電子ポテンシアルハイトは
ｄＥｃ＝０.２０５ｅＶである。一方、ショットキ接触
を形成する金属層Ｍとして、クロムを選んだ場合、その
バリアハイトφB＝０.６１ｅＶである。しかして、前記
せる本発明構造の意図せる理論的背景である金属層Ｍと
のショットキ接触面での電界強度Ｅの減少、究極的にＥ
＝０を求めるためには、φB＝Ｄ＋ｄＥｃの関係の成立
が望ましい。そのためには第１の一導電型半導体Ｎに逆
導電型不純物、例えば、ボロンの混入を調整して、１.
３×１０11Ａtoms／ｃｍ3（Ｄ＝０.４０５ｅＶ）になる
第２の一導電型半導体ＰＥＬを介在させることにより達
成し得た。
半導体ＰＥＬの形成が最も重要であり図３のポテンシア
ルバンド図により、以下に説明する。実施例では、第１
の一導電型半導体Ｎの不純物濃度は１×１０16Ａtoms／
ｃｍ3であるから、（５）その電子ポテンシアルハイトは
ｄＥｃ＝０.２０５ｅＶである。一方、ショットキ接触
を形成する金属層Ｍとして、クロムを選んだ場合、その
バリアハイトφB＝０.６１ｅＶである。しかして、前記
せる本発明構造の意図せる理論的背景である金属層Ｍと
のショットキ接触面での電界強度Ｅの減少、究極的にＥ
＝０を求めるためには、φB＝Ｄ＋ｄＥｃの関係の成立
が望ましい。そのためには第１の一導電型半導体Ｎに逆
導電型不純物、例えば、ボロンの混入を調整して、１.
３×１０11Ａtoms／ｃｍ3（Ｄ＝０.４０５ｅＶ）になる
第２の一導電型半導体ＰＥＬを介在させることにより達
成し得た。
【００１４】前記の実施例では、ショットキ接触による
バリアハイトと同等程度の電子ポテンシアルを形成する
ＰＥＬ層を介在させるため、一導電型半導体Ｎのショッ
トキ接触面近傍に逆導電型半導体不純物を混入すること
により達成した。しかして、ＰＥＬ層を形成する他の手
段としては、一導電型半導体をエピタキシアル成長法に
より堆積形成するなど、いずれの手段であっても、ショ
ットキ接触を形成し、かつ、ショットキ接触のバリアハ
イトの電子ポテンシアルと同等程度となる一導電型半導
体層であればよい。
バリアハイトと同等程度の電子ポテンシアルを形成する
ＰＥＬ層を介在させるため、一導電型半導体Ｎのショッ
トキ接触面近傍に逆導電型半導体不純物を混入すること
により達成した。しかして、ＰＥＬ層を形成する他の手
段としては、一導電型半導体をエピタキシアル成長法に
より堆積形成するなど、いずれの手段であっても、ショ
ットキ接触を形成し、かつ、ショットキ接触のバリアハ
イトの電子ポテンシアルと同等程度となる一導電型半導
体層であればよい。
【００１５】このように完成した本発明構造のアノ−ド
Ａからカソ−ドＣまでの電子ポテンシアル分布図を図４
（ａ）、（ｂ）に示す。（ａ）は逆方向電圧ＶR＝０の
場合、（ｂ）はＶRが大なる場合で、それぞれ、チャネ
ルの中心線上のポテンシァルをあらわす。即ち、逆導電
型半導体Ｐ+のはさむチャネル内には第１の電子ポテン
シアル制御領域が形成され、又、ＰＥＬの領域ではショ
ットキ接触によるバリアハイトφBの大きさに電子ポテ
ンシアルが制御されている。
Ａからカソ−ドＣまでの電子ポテンシアル分布図を図４
（ａ）、（ｂ）に示す。（ａ）は逆方向電圧ＶR＝０の
場合、（ｂ）はＶRが大なる場合で、それぞれ、チャネ
ルの中心線上のポテンシァルをあらわす。即ち、逆導電
型半導体Ｐ+のはさむチャネル内には第１の電子ポテン
シアル制御領域が形成され、又、ＰＥＬの領域ではショ
ットキ接触によるバリアハイトφBの大きさに電子ポテ
ンシアルが制御されている。
【００１６】従って、本発明構造の逆方向特性について
は、図５の（ｂ）に示すように、高い逆電圧の印加でも
従来構造に比し、逆漏れ電流が極めて小さい。
は、図５の（ｂ）に示すように、高い逆電圧の印加でも
従来構造に比し、逆漏れ電流が極めて小さい。
【００１７】（６）一方、順方向特性については図５の
（ａ）に示すように、従来構造とほぼ同等の特性を得る
ことができた。
（ａ）に示すように、従来構造とほぼ同等の特性を得る
ことができた。
【００１８】本発明構造の他の実施例を図６及び図７に
示す。いずれも、金属層Ｍとのショットキ接触面に第２
の一導電型半導体のＰＥＬを介在せしめることに特徴が
ある。又、本発明の要旨を満たす範囲で種々の変形、変
換及び付加等の構造変更をなし得るものである。
示す。いずれも、金属層Ｍとのショットキ接触面に第２
の一導電型半導体のＰＥＬを介在せしめることに特徴が
ある。又、本発明の要旨を満たす範囲で種々の変形、変
換及び付加等の構造変更をなし得るものである。
【００１９】
【発明の効果】以上により、本発明構造によって意図し
たショットキバリア金属の順方向電圧降下特性をほぼ保
持しながら、逆方向高電圧印加時にも、ショットキ金属
／Ｎ型シリコン接触の電界強度Ｅをほぼ零に保つことが
できるため、結果として零電圧を含む逆方向印加電圧に
依存しない理論的最小値に近い逆漏れ電流値を得る。従
って、特に、逆方向特性に優れた、低損失の整流用半導
体装置を得るので電源機器をはじめ広く利用して、効
果、極めて大なるものである。
たショットキバリア金属の順方向電圧降下特性をほぼ保
持しながら、逆方向高電圧印加時にも、ショットキ金属
／Ｎ型シリコン接触の電界強度Ｅをほぼ零に保つことが
できるため、結果として零電圧を含む逆方向印加電圧に
依存しない理論的最小値に近い逆漏れ電流値を得る。従
って、特に、逆方向特性に優れた、低損失の整流用半導
体装置を得るので電源機器をはじめ広く利用して、効
果、極めて大なるものである。
【図１】従来の整流用半導体装置の断面構造図である。
【図２】本発明の実施例を示す断面構造図である。
【図３】本発明の説明のためのポテンシアルバンド図で
ある。
ある。
【図４】電子ポテンシアル分布図であり、（ａ）はＶR
が零の場合、（ｂ）はＶRが大なる場合である。
が零の場合、（ｂ）はＶRが大なる場合である。
【図５】特性図であり、（ａ）は順方向特性、（ｂ）は
逆方向特性である。（７）
逆方向特性である。（７）
【図６】本発明の他の実施例を示す断面構造図である。
【図７】本発明の他の実施例を示す断面構造図である。
Ｎ 一導電型半導体 Ｎ+ 高濃度の一導電型半導体 Ｐ+ 逆導電型半導体 ＰＥＬ 第２の一導電型半導体 Ｍ 金属層 Ａ アノ−ド Ｃ カソ−ド Ｂ オ−ミック金属 ＶR 逆方向電圧 ＪR 逆漏れ電流密度 ＶF 順方向電圧 ＪF 順方向電流密度 φB ショットキバリアハイト １ 凸部 ２ トレンチ溝 ＥC、ＥF、Ｅg、ＥV、Ｄ、ｄＥｃ 指定のポテンシアル
レベル
レベル
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 21/28 - 21/288 H01L 21/44 - 21/445 H01L 29/40 - 29/51 H01L 29/872
Claims (1)
- 【請求項１】一導電型半導体、金属層及びそれらの間に
介在せしめた第２の一導電型半導体層から成り、該第２
の一導電型半導体層は、該一導電型半導体に逆導電型不
純物を混入して形成し、且つ該一導電型半導体と該金属
層によるショットキバリアハイトと同等程度の電子ポテ
ンシァルを保持するようにしたことを特徴とする整流用
半導体装置。
Priority Applications (1)
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| JP29514891A JP2835544B2 (ja) | 1991-10-15 | 1991-10-15 | 整流用半導体装置 |
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