JP3793605B2

JP3793605B2 - ダイオード

Info

Publication number: JP3793605B2
Application number: JP17895096A
Authority: JP
Inventors: 進村上; 光幸松崎; 実菅野; 五月小林; 貴広阿部
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-07-09
Filing date: 1996-07-09
Publication date: 2006-07-05
Anticipated expiration: 2016-07-09
Also published as: JPH1027917A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置に係り、特に高耐圧、低リーク電流、かつ高信頼を達成できるダイオードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
メサ型半導体装置（少なくとも１個のｐｎ接合が主表面からエッチングによって溝が形成され、溝の側壁にｐｎ接合が露出する半導体装置）を高耐圧化するために従来から種々の技術が提案されている。
【０００３】
例えば、メサ型の半導体装置の高耐圧化に関する従来技術として、特開昭60−186071号公報に記載された技術が知られている。この従来技術は、メサ溝内壁をガラスで被覆した半導体装置の製造方法において、メサ溝を形成した後に熱処理等により、ｐｎ接合部を当初の位置より移動させることにより、高耐圧が得られるとされている。
【０００４】
さらに、メサ型の半導体装置の耐薬品性を電気的安定性を満たし、信頼性向上に関する他の従来技術として、特開平6−124940 号公報に記載された技術が知られている。この従来技術は、表面安定化に使用するガラス被膜として下層部に亜鉛系ガラス、上層部に鉛系ガラスとした２層構造からなり、電気的安定性は亜鉛系ガラスで達成し、耐薬品性は鉛系ガラスで実現できるものとされている。
【０００５】
また、プレーナ型半導体装置の高耐圧及び高信頼性に関する他の従来技術として、特公昭64−7939号公報に記載された技術が知られている。この従来技術は、表面安定化膜としてｐｎ接合表面に形成された正の界面電荷を有する熱酸化膜を環状に囲むよう過酸化水素処理をした負の界面電荷を有するシリコン酸化物を形成することにより、高耐圧及び高信頼性が実現できるものとされている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術では、ダイオードに逆バイアス電圧が印加される阻止状態において、半導体表面に形成される反転層によるチャネル電流によるリーク電流増大と逆バイアス電圧を印加したまま高温にさらす、いわゆる高温バイアス試験によるリーク電流増大や耐圧低下に関する問題については考慮されていなかった。
【０００７】
本発明の目的は、従来の半導体装置及びその製造方法の問題点を解決したダイオードを提供することにある。
【０００８】
本発明の目的を具体的に言えば、高い逆方向電圧が印加された阻止状態でのリーク電流を低減でき、高温逆バイアス試験等の寿命試験によるリーク電流の増大や耐圧低下を防止できる極めて信頼性の高いダイオードを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために本発明は、一対の主表面を有し、一方の主表面から基板と反対導電型の不純物を拡散してｐｎ接合を形成した後に、一方の主表面から所定の領域にｐｎ接合が露出するようメサ型に溝を設け、このメサ部にガラス被膜が形成されているダイオードにおいて、ガラス被膜中の第３族元素が半導体表面に拡散された第３族元素拡散領域を有するようにするか、あるいはメサ部に二酸化珪素膜を介してガラス被膜を形成した後、ガラス被膜中の第３族元素を半導体表面に拡散した第３族元素拡散領域を有するようにしたものである。
【００１０】
さらに、該第３族元素拡散領域の深さが基板半導体の外因性デバイ長以下となるようにしたり、該第３族元素拡散領域の単位面積当りの不純物総量が、１× １０¹³／cm³以下となるようにしたものである。
【００１１】
さらに、ガラス被膜を形成した後に水素あるいは水素を含むガス中でアニールすることにより、基板の導電型に対して実質的なガラス被膜中の電荷密度を−３〜＋２×１０¹¹／cm²に制御するようにしたものである。
【００１２】
さらに、ガラスの組成を酸化鉛，二酸化珪素，アルミナ系とし、第３族元素をアルミニウムとなるようにしたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
【００１４】
（実施例１）
図１は本発明によるダイオードの第１実施例を示す断面図である。図において、１はｎ型半導体領域であり、一方の主表面に高不純物濃度のｐ⁺型半導体領域２が形成され、他方の主表面に高不純物濃度のｎ⁺型半導体領域３が形成され、一方の主表面から所定の領域にｐｎ接合が露出するようメサ溝が設けられ、このメサ部にガラス被膜６が順次形成され、さらにガラス被膜６と接触するｎ型半導体領域１表面には、本発明によるガラス被膜中の周期率表の第３族元素が拡散された第３族元素拡散領域４が形成されている。また、アノード層となるｐ⁺型半導体領域２にはアノード電極２０が、カソード層となるｎ⁺型半導体領域３にはカソード電極３０がそれぞれオーミック接触して形成されている。
【００１５】
次に、本発明による図１に示したダイオードの製造方法について述べる。
【００１６】
まず、ｎ型半導体領域１となるシリコン基板としてＣＺ（１１１）のｎ型３５〜４５Ωcmを用い、一方の主表面に表面不純物濃度が１×１０¹⁹／cm²以上のＢ（ボロン）を４０±５μｍの深さにイオン打ち込み法あるいはボロンナイトライドを拡散源とした熱拡散法でｐ⁺型半導体領域２を形成し、他方の主表面には表面不純物濃度が１×１０²⁰／cm²以上のＰ（リン）を４５±１０μｍの深さにイオン打ち込み法あるいは次亜塩素酸リンを用いてｎ⁺型半導体領域３を形成した後、ドライ酸化あるいはウェット酸化により約２〜３μｍの二酸化珪素膜を形成する。続いて、通常のホトリソグラフィにより一方の主表面の二酸化珪素膜の一部を除去した後、Ｕ０１エッチャントで約６０μｍエッチングしｐ⁺型半導体領域２とｎ型半導体領域１からなるｐｎ接合が露出するようメサ溝を形成する。その後、上記の工程で使用した二酸化珪素膜をＨＦを含む酸で除去し、スクリーン印刷法によりペースト状の鉛系ガラス（主成分：ＰｂＯ，ＳｉＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃)を上記メサ部に５５±１０μｍ塗布し、ガラス焼成として酸素雰囲気中で７８０〜８５０℃，４０分の熱処理をし、ガラス被膜６を形成した。
【００１７】
このガラス焼成時に本発明の特長とするガラス被膜中の周期率表の第３族元素が拡散されるよう、第３族元素拡散領域４を形成する。
【００１８】
図２は本発明によるダイオードの第１実施例に示した第３族元素拡散領域４の不純物濃度分布を示したものであり、本発明では第３族元素としてアルミニウムを使用しており、表面のアルミニウムの濃度は約２×１０¹⁸／cm³、深さは約０.０５μｍであった。
【００１９】
その後、アノード層となるｐ⁺型半導体領域２及びカソード層となるｎ⁺型半導体領域３表面に形成されていたシリコン酸化膜等の絶縁膜を希釈フッ化水素酸で除去した後、Ｃｒ−Ｎｉ−Ａｇ電極を通常のホトリソグラフィと蒸着及びリフトオフプロセス、あるいは無電解ニッケルめっきにより、アノード電極２０及びカソード電極３０を形成し、ダイオードを製造する。
【００２０】
次に、本発明による第３族元素拡散領域４のダイオードの性能に及ぼす動作について述べる。
【００２１】
半導体表面に形成される表面安定化膜、本発明では鉛系ガラス６であるが、表面安定化膜の電荷密度の極性や絶対値の大きさによって、半導体表面の導電型及び導電率に変化が生じる。ここで言う電荷密度とは、ガラス被膜中のトラップ電荷，可動電荷，ガラス被膜とシリコン界面近傍の固定電荷，ガラス被膜とシリコン界面の界面トラップ電荷が半導体表面に実質的に影響するものと考え、デルタ関数的にガラスとシリコン界面のガラス側に存在しているとみなした単位面積当りの正味の電荷密度のことを示す。
【００２２】
図１において、アノード電極２０が負，カソード電極３０が正となる極性の逆方向電圧が印加されていると、ｐ⁺型半導体領域２とｎ型半導体領域１からなる主ｐｎ接合が逆バイアス状態となり、主ｐｎ接合からｐ⁺型半導体領域２とｎ型半導体領域１に空乏層が拡がる。ｎ型半導体領域１の不純物濃度がｐ⁺型半導体領域２の不純物濃度と比べて桁違いに低い場合は、空乏層はほとんどｎ型半導体領域１の方向に拡がると考えてよい。
【００２３】
上記の電荷密度の極性が負であれば、ｎ型半導体表面には自由キャリアとなる電子が欠乏した空乏層、あるいはｐ型反転層が形成される。このｐ型反転層は上記の主ｐｎ接合が逆バイアス状態となる電圧が印加された場合、ｎ型半導体領域表面における電界強度を緩和する働きを有するので、耐圧を高くできる利点を有する。しかしながら、上記の電荷密度の極性が正であれば、ｎ型半導体表面には自由キャリアとなる電子が蓄積した蓄積層が形成されるため、ｎ型半導体領域表面では上記空乏層は延びにくくなり、半導体表面の電界強度が高くなり過ぎ耐圧が低下する。このように逆バイアスされるｐｎ接合の特に低不純物濃度領域表面には反対導電型領域を形成することが耐圧を高める有効な手段である。
【００２４】
発明者らは、被覆ガラスとして鉛系ガラスを用いた場合、鉛系ガラス（主成分：ＰｂＯ，ＳｉＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃）中の周期率表の第３族元素であるアルミニウムをｎ型半導体領域１の表面に拡散して、ｎ型半導体領域１の表面に本発明による第３族元素拡散領域４を形成することにより、実質的に高耐圧化に有利なｐ型反転層を形成することができた。なお、第３族元素拡散領域４に存在している第３族元素の単位面積当りの不純物総量のうち電気的にアクセプタとして活性化される不純物総量が実質的にガラス被膜中の負電荷と等価的な役割を果たしている。ガラス被膜中の正味の電荷密度が半導体表面に及ぼす場合、半導体表面からの深さは、半導体中に存在するドナーやアクセプタの不純物濃度によって一義的に定まる外因性デバイ長以下であるため、アクセプタ型の不純物による第３族元素拡散領域４の存在により、実質的に等価なガラス被膜中の負電荷となるためには、第３族元素拡散領域４の深さを、上記外因性デバイ長以下としなければならない。
【００２５】
本発明では、ｎ型４０±５Ωcmのシリコン基板を使っており、外因性デバイ長の値は、０.３±０.０５μｍである。従って、本発明の実施例の図２に示したアルミニウムの拡散深さが０.０５μｍであることから、外因性デバイ長以下の値であり、図１に示した第３族元素拡散領域は、ガラス被膜中に負電荷として等価的に存在しているとみなすことができる。
【００２６】
また、主ｐｎ接合が逆バイアス状態となる電圧が印加されると、リーク電流がながれる。通常リーク電流は、空乏層内部で熱的に発生したキャリアによる発生電流と、上記空乏層以外の中性領域で熱的に発生した少数キャリアの拡散による拡散電流とからなる。室温ではほとんどリーク電流は発生電流からなる。
【００２７】
しかしながら、上記ｐ型反転層が強度に形成されていると、チャネル電流によるリーク電流の増大が発生し、高耐圧化とリーク電流の低減にはトレードオフの関係があることが判明した。
【００２８】
図３に正味の電荷密度Ｎとリーク電流及び耐圧との関係を示している。同図において、点線Ａ及びＢは初期の正味の電荷密度Ｎとリーク電流及び耐圧の関係を示し、実線Ａ′及びＢ′は上記逆バイアス電圧３２０Ｖを印加したまま、１５０℃の高温に１０００時間さらす、いわゆる高温逆バイアス試験後の、正味の電荷密度Ｎとリーク電流及び耐圧の関係を示している。なお、リーク電流の値は逆バイアス電圧を４００Ｖ印加したとき流れる電流の値とした。
【００２９】
図３において、正味の電荷密度Ｎが負の領域では、実質的にガラス被膜中の負電荷となる本発明による第３族元素拡散領域４に存在している第３族元素の単位面積当りの不純物総量のうち電気的にアクセプタとして活性化される不純物総量を変化させ負の電荷密度Ｎとし、正味の電荷密度Ｎが正の領域では、ガラスとシリコン界面でのシリコンのダングリングボンドやナトリウムイオン等に起因した正の電荷や、さらにガラス焼成後にｎ型半導体領域１上に形成された第３族元素拡散領域４に存在する電気的に活性なアクセプタを、６２０±５０℃の水素アニールを５〜１２０分の範囲で実施して、電気的に不活性にさせ実質的なガラス被膜中の負電荷密度の絶対値を減少した。
【００３０】
先ず、点線Ｂが示すように初期の耐圧は電荷密度が負大になるにつれて、単調に高くなったが、点線Ａが示すように初期のリーク電流は電荷密度Ｎが負大でも、正大でも増加傾向にあることが判明した。初期のリーク電流は電荷密度Ｎが１×１０¹¹／cm²が最も低い値を示した。
【００３１】
発明者らは、リーク電流の成分を評価した結果、電荷密度Ｎが負大では、ｎ型半導体領域１表面に形成された第３族元素拡散領域４の単位面積当りの第３族元素すなわちアルミニウムの総量が多いことによるチャネル電流であり、電荷密度Ｎが正大では、ｎ型半導体領域１表面が蓄積層になり、空乏層が殆どｎ型半導体領域１表面に拡がらず、比較的印加電圧が低い領域から主としてｐ⁺型半導体領域２表面でなだれ増倍が起こっていることを、レーザ光照射による誘起電流の観測結果から確かめ、なだれ増倍によるリーク電流の増加であることを確認した。次に、上記高温逆バイアス試験後では、実線Ｂ′が示すように耐圧は電荷密度の極性にかかわらず増加しており、特に電荷密度が正大の領域では増加割合が多い。しかしながら、実線Ａ′が示すようにリーク電流は電荷密度Ｎが負大でも、正大でも桁違いに増加していることが判明した。上記高温逆バイアス試験後ではリーク電流は電荷密度Ｎが−０.５×１０¹¹／cm²が最も低い値を示し、初期の電荷密度Ｎとして、−３×１０¹¹／cm²より負大、あるいは２×１０¹¹／cm²より正大で急増することを見出した。
【００３２】
発明者らは、リーク電流の成分を評価した結果、電荷密度Ｎが負大では、上記の初期に流れていたｎ型半導体領域１表面に形成された第３族元素拡散領域４の単位面積当りの第３族元素すなわちアルミニウムの総量が多いことによるチャネル電流に加えて、ガラス被膜の分極により新たにｎ型半導体領域１表面に正孔が誘起されチャネル抵抗が低下していることを突き止めた。一方、電荷密度Ｎが正大では、ガラス被膜の分極にｎ型半導体領域１表面及びｐ⁺型半導体表面が空乏化され、特にｐ⁺型半導体表面の空乏層での表面発生電流の著しい増加によるリーク電流であることを、レーザ光照射による誘起電流の観測により確認した。
【００３３】
以上詳述したように図３の結果から、信頼性を考慮した正味の電荷密度としては、−３×１０¹¹／cm²〜２×１０¹¹／cm²の間に最適値があることが判った。
【００３４】
さらに、発明者らは、図３の説明で述べた負電荷密度の調整に関して、第３族元素拡散領域の単位面積当りの不純物総量が１×１０¹³／cm²以上あると、その後の水素アニールでも、正味の電荷密度Ｎの調整が極めて困難であることを見出し、第３族元素拡散領域の単位面積当りの不純物総量としては、１×１０¹³／ cm²以下が望ましいことを確認した。
【００３５】
（実施例２）
次に、本発明を適用したダイオードの他の実施例について図４を用いて説明する。図４（ａ）は本発明によるダイオードの第２実施例を示す断面図である。図４（ａ）において、図１に示した符号と同一のものは説明を省略する。５は高不純物濃度のｎ⁺型半導体領域であり、ダイオードのチップ周辺に、ｐ⁺型半導体領域２を取り囲むようにｎ型半導体領域１に隣接して形成されている。こうすることにより、主ｐｎ接合から延びる空乏層がチップ端部にまで延びるのを防止できるだけでなく、チャネル電流による異常なリーク電流増加も防止でき、さらにダイシング時にガラスを切らなくてすむので、ガラスのクラックの発生による耐圧不良を低減できる効果がある。
【００３６】
（実施例３）
図４（ｂ）は本発明によるダイオードの第３実施例を示す断面図である。図４（ｂ）において、図１に示した符号と同一のものは説明を省略する。７は二酸化珪素膜等の絶縁膜であり、ガラス被膜６と半導体表面との間に介在して形成されている。このように図１に対して二酸化珪素膜７を付加することにより、半導体表面の界面準位を低減することが可能となり、半導体表面を流れる表面発生電流の一層の低減を図ることができる。
【００３７】
以上詳述した本発明の各実施例を用いたダイオード及びその製造方法によれば、ダイオードの耐圧は約７００Ｖ以上であり、初期のリーク電流は逆方向印加電圧が４００Ｖで０.１μＡ以下となり、極めて阻止特性の優れたダイオード及びその製造方法であることを確認した。さらに、高温逆バイアス試験（ＤＣ３２０Ｖ，接合温度１５０℃，時間１０００ｈ）を実施したが、リーク電流は初期値の５０％増加にとどまり、高信頼性を示すことを確認した。
【００３８】
【発明の効果】
このようにして、本発明による鉛系ガラスで被覆されたメサ型ダイオードは、高耐圧でリーク電流が極めて少なく、高信頼性を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるダイオードの第１実施例の断面図。
【図２】本発明によるダイオードの安定化保護膜中の電荷密度調整の説明図。
【図３】本発明によるダイオードの安定化保護膜中の電荷密度と耐圧及びリーク電流の関係を示す図。
【図４】本発明による実施例を適用したダイオードの断面図。
【符号の説明】
１…ｎ型半導体領域、２…ｐ⁺型半導体領域、３…ｎ⁺型半導体領域、４…第３族元素拡散領域、５…ｎ⁺型半導体領域、６…ガラス被膜、７…二酸化珪素膜、２０…アノード電極、３０…カソード電極。

Claims

一対の主表面を有する半導体基板の一方の主表面から基板と反対導電型の不純物を拡散してｐｎ接合を形成した後に、該一方の主表面から所定の領域に溝部を設けてｐｎ接合が露出したメサ部を形成し、このメサ部にガラス被膜が形成されているダイオードにおいて、
前記ガラス被膜中の第３族元素が前記メサ部に露出したｎ型半導体表面に拡散した第３族元素拡散領域を有することを特徴とするダイオード。
請求項１において、前記第３族元素拡散領域の深さが前記基板半導体の外因性デバイ長以下であることを特徴とするダイオード。
請求項１または請求項２の何れかにおいて、前記第３族元素拡散領域の単位面積当りの不純物総量が、１×１０¹³／cm ^２以下であることを特徴とするダイオード。
請求項１乃至請求項３のいずれか１項において、前記ガラス皮膜が酸化鉛と、二酸化珪素と、アルミナとを主成分とした鉛系ガラスであることを特徴とするダイオード。