JP4126359B2

JP4126359B2 - Silicon carbide Schottky diode and manufacturing method thereof

Info

Publication number: JP4126359B2
Application number: JP2002055589A
Authority: JP
Inventors: 正章清水; 祐介福田; 恒一西川
Original assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2002-03-01
Filing date: 2002-03-01
Publication date: 2008-07-30
Anticipated expiration: 2022-03-01
Also published as: JP2003258271A

Description

【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は、半導体材料として炭化けい素（以下ＳｉＣと記す）を用いたＳｉＣショットキーダイオードの構造およびその製造方法であって、特に順方向サージ耐量を向上させることに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＳｉＣは広いバンドギャップ、高い最大電界強度を持つため、大電力、高耐圧の電力用デバイスへの応用が展開されている。ショットキーダイオードは少数キャリアの注入がほとんど無いため高速スイッチングができる。また構造が簡単なため、製造が比較的容易でＳｉＣデバイスの実用化の一番手となった。
従来のＳｉのショットキーダイオードでは、高耐圧化しようとすると、シリーズ抵抗分が急激に大きくなる結果、順電圧が高くなり、実用的でなくなってくる。また、バンドギャップが小さいため、特に、接合温度が上がると少数キャリアの注入が多くなり、高速スイッチングができなくなる。
Ｓｉに対してＳｉＣは広いバンドギャップを持つため高耐圧、高温動作においても少数キャリアの注入は少なく、また、高い最大電界強度を持つため高耐圧の領域においてもシリーズ抵抗分はそれほど大きくならない。
【０００３】
図１０は従来のＳｉＣショットキーダイオードの構造の例を説明する図である。
ＳｉＣショットキーダイオードでは安定した耐圧と高信頼度を得るためにショットキー電極層５周辺部にｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２とは逆の導電型のガードリング４を設けている。ショットキー電極層５はｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２とガードリング４の表面に形成されている。ショットキー電極層５はｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２の界面でショットキー接合を作り、ガードリング4とも電気的に接続されている。
ＳｉＣ基板はシリーズ抵抗を下げるためにｎ^＋型ＳｉＣ層１の表面に耐圧を確保するのに必要な濃度と厚さを持つｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２が形成され、ｎ^＋型ＳｉＣ層１の裏面にはオーミック電極層８を形成したときにオーミック電極特性が確保されるようにｎ型不純物をイオン注入したｎ^＋＋型ＳｉＣ層７が形成されている構成になっている。
このｎ^＋＋型ＳｉＣ層７の表面にＮｉ等のオーミック電極層８が蒸着などの方法により形成させている。
【０００４】
ショットキー電極層５は、本発明のＳｉＣショットキーダイオード使用される電源等の機器における性能を最大にするような障壁高さが選ばれ、さらに信頼度確保の点から金属や金属間化合物あるいはシリサイド等から選ばれる。Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ａｌ−Ｔｉ合金などが用いられる例が多い。
ＳｉＣの場合、不純物の拡散係数が小さいため、ガードリング４の形成には、イオン注入による不純物導入法が広く用いられている。
しかしながらこのイオン注入法だけではガードリング４のＳｉＣ表面にオーミック接触に必要な１×１０^１８個／cc望ましくは３×１０^１９個／cc以上の高濃度表面を露出させることは困難である。
【０００５】
一方、ショットキー接合を得るためのショットキー電極層５はガードリング４の電極ともなっている。耐圧を確保するため両者は同電位になっている。しかしながら、特にＴｉ、Ｎｉ、Ｍｏあるいはこれらの合金などの場合、良好なショットキー接合が得られてもＰ型のガードリング４に対しては十分なオーミック接触となっていない。
【０００６】
従来のＳｉＣショットキーダイオードの順方向にサージ電流が入力されると素子が破壊しやすいという現象を見出した。特にＴｉ、Ｎｉ、Ｍｏあるいはこれらの合金などのショットキー障壁高さが低い場合に顕著である。
このようなＳｉＣショットキーダイオードの場合、実用領域の順電流をはるかに超える順サージ電流の領域で、順方向に大電流がながれると突然少数キャリアの注入が始まり、急激に順電圧が下がる。負性抵抗特性を示すため、素子構造のわずかな不均一により、ＳｉＣショットキーダイオードのごく一部に大電流が集中するため順サージ電流に弱いという現象が生じると考えられる。
ＳｉＣショットキーダイオードを試作し原因を究明したところ、ガードリング４で十分なオーミック接触が得られているとＳｉＣショットキーダイオードの順方向にサージ電流が入力されても素子が破壊されにくいということがわかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ガードリング４を有するＳｉＣショットキーダイオードにおいて、ガードリング４に対するオーミック性を向上させることにより、順サージ電流に対する耐量を向上させるための電極層構造およびその製造方法を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決しようとする手段】
上記課題を解決するために、n 型の炭化けい素基板の表面近傍にｐ型のガードリングを形成し、該ガードリングに接すると共にリング内側の表面に延在するショットキー電極層を前記炭化けい素基板の表面に形成した炭化けい素ショットキーダイオードにおいて、前記ガードリング表面には前記ショットキー電極層と異なるオーミック電極層を有し、該オーミック電極層が前記ショットキー電極層上にのみ延在することを特徴とする炭化けい素ショットキーダイオード。
ショットキー電極層はＴｉ、Ｎｉ、Ｍｏまたはこれらの合金であり、オーミック電極層はＡｌ、Ａｕ、Ｐｔまたはこれらの合金であることを特徴とする。
n 型の炭化けい素基板の表面に、イオン注入によりｐ型のガードリングを形成し、該ガードリングに接すると共にリング内側の表面に延在するショットキー電極層を前記炭化けい素基板の表面に形成し、該ショットキー電極層をマスク材料として前記炭化けい素基板の表面をエッチングし、前記ガードリングの高濃度表面を露出させ、少なくとも該高濃度面にオーミック電極層を形成することを特徴とする炭化けい素ショットキーダイオードの製造方法。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面で説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態に係るＳｉＣショットキーダイオードの構造を説明するための図である。
ＳｉＣ基板はシリーズ抵抗を下げるためにｎ^＋型ＳｉＣ層１の表面に耐圧を確保するのに必要な濃度と厚さを持つｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２が形成され、ｎ^＋型ＳｉＣ層１の裏面にはオーミック電極層８を形成したときにオーミック電極特性が確保されるようにｎ型不純物をイオン注入したｎ^＋＋型ＳｉＣ層７が形成されている。
【００１０】
安定した耐圧と高信頼度を得るためにショットキー電極層５の周辺部にｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２の導電型とは逆の導電型のガードリング４を設けている。ショットキー電極層５はガードリング４の内側のｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２の表面とガードリング４の一部表面に形成されている。ショットキー電極層５はｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２との界面においてショットキー接合を作る。
ショットキー電極層５は、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｍｏまたはこれらの合金であり、ショットキー障壁高さが低いものが望ましい。
【００１１】
ｐ型のガードリング４に対する第２の電極層６は、ガードリング４がｐ型であるのでｐ型ＳｉＣに対してオーミック特性が得られやすいＡｌ、Ａｕ、Ｐｔまたはこれらの合金である。製造工程簡略化のため、ｐ型のガードリング４に対する第２の電極層６はショットキー電極層５の上にも配置されている。
ｎ^＋＋型ＳｉＣ層７の表面にＮｉによるオーッミク電極層８が形成されている。
【００１２】
第1の実施の形態に係るＳｉＣショットキーダイオードにおいてショットキー電極層５に正電圧を、オーッミク電極層８に負電圧を印加するとショットキー電極層５とｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２の間に形成されたショットキー接合が順バイアスされ、ショットキー電極層５からオーッミク電極層８に向かって電流が流れる。
この時ｐ型のガードリング４に対する第２の電極層６はショットキー電極層５と電気的に接続されているのでｐ型のガードリング４とｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２との間にあるｐｎ接合も順バイアスされる。ｐｎ接合の障壁高さはショットキー接合の障壁高さより高いため実用的な順電流の領域ではｐｎ接合には電流が流れないか流れても僅かである。
【００１３】
ｐ型のガードリング４に対する第２の電極層６のオーミック特性が不十分の場合、
実用領域の順電流をはるかに超える順サージ電流の領域で、ＳｉＣショットキーダイオードのシリーズ抵抗分は大きいままであるため、ＳｉＣショットキーダイオードの順電圧は大きくなり、ある順電圧になると突然少数キャリアが注入され、負性抵抗特性を示し、順電圧が急激に下がる。負性特性を示すため、素子構造のわずかな不均一により、ＳｉＣショットキーダイオードのショットキー接合部のごく一部に大電流が集中するために順サージ電流に弱いという現象が生じる。
【００１４】
本発明はｐ型のガードリング４の対する第２の電極層６としてｐ型ＳｉＣに対してオーミック特性を得やすいＡｌ、Ａｕ、Ｐｔまたはこれらの合金を用いる。従って、ｐ型のガードリングに対する第２の電極層６のオーミック特性がよい。
このため、実用領域の順電流をはるかに超える順サージ電流の領域になり、ＳｉＣショットキーダイオードの順電圧が大きくなってくると、ｐ型のガードリング４とｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２との間にあるｐｎ接合から少数キャリアが注入されはじめる。
ＳｉＣショットキーダイオード部分だけだと負性抵抗を示し破壊しやすくなる順電流値、順電圧値になる前からｐｎ接合から少数キャリアの注入がが少しづつ行われ、ＳｉＣショットキーダイオードのショットキー接合の部分まで拡散しシリーズ抵抗を下げる結果、負性抵抗が緩やかになり、順方向のサージ電流に対して破壊しにくくなる。
【００１５】
ショットキー電極層５に負電圧を、オーミック電極層８に正電圧を印加するとショットキー電極層５とｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２の間のショットキー接合が逆バイアスされまたｐ型のガードリング４とｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２との間にあるｐｎ接合も逆バイアスされ電流はほとんど流れなくなる。
【００１６】
図２は本発明の第２の実施の形態に係るＳｉＣショットキーダイオードの構造を説明するための図である。
本実施例は、ｐ型のガードリング４の内側ｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２の表面の一部にｐ型層９をイオン注入で形成し、ＭＰＳ（Merged p-i-n/Schottky）構造としたものである。
【００１７】
第２の実施の形態に係るＳｉＣショットキーダイオードにおいてショットキー電極層５に正電圧を、オーッミク電極層８に負電圧を印加するとショットキー電極層５とｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２の間にあるショットキー接合が順バイアスされ、ショットキー電極層５からオーッミク電極層８に向かって電流が流れる。
この時ｐ型のガードリング４とｐ型のガードリング４の内側に形成されたｐ型層９に対する共通の第２の電極層６とはショットキー電極層５と電気的に接続されているのでｐ型のガードリング４ならびにｐ型層９とｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２との間にあるｐｎ接合も順バイアスされる。ｐｎ接合の障壁高さはショットキー接合の障壁高さより高いため実用的な順電流の領域ではｐｎ接合には電流が流れないか流れても僅かである。但し、実用領域の順電流をはるかに超える順サージ電流の領域でＳｉＣショットキーダイオードの順電圧が大きくなってくると、ｐ型のガードリング４とｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２との間にあるｐｎ接合から少数キャリアが注入されはじめる。ショットキー接合に対してpｎ接合の割合が大きくなるため第１の実施例より少数キャリアの効果が大きくなる。
従って、第１の実施例に比べて大電流における順電圧は小さくなり、順方向のサージ電流に対してより破壊しにくくなるが順電流が大きくなると少数キャリアの注入が多くなり高速スイッチング特性が悪くなる可能性がある。
【００１８】
ショットキー電極層５に負電圧を、オーッミク電極層８に正電圧を印加するとショットキー電極層５とｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２の間にあるショットキー接合が逆バイアスされまたｐ型のガードリング４ならびにｐ型層９とｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２との間にあるｐｎ接合も逆バイアスされ電流は流れなくなる。
逆バイアス時に隣接するｐ型のガードリング４とｐ型層９が空乏層でつながるように狭く設計するとシットキー障壁にかかる電界が緩和されされ漏れ電流が小さくなる。
【００１９】
図３は本発明の第３の実施の形態に係るＳｉＣショットキーダイオードの構造を説明するための図である。
ｐ型のガードリング４をイオン注入で形成すると最大の不純物濃度はイオン打ち込みをしたｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２の表面より、少しｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２に入り込んだ内部の面となる。ガードリングの表面濃度を最大となるようにｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２の表面をエッチングした構造である。この製造方法を次に示す。
【００２０】
図４から図９本発明の第３の実施の形態に係るＳｉＣショットキーダイオードの製造工程を説明するための図である。これらの図を用い製造工程を説明する。
まず、高不純物濃度のｎ^＋型のＳｉＣ層１の表面に濃度１×１０^１６個／cm^３で厚さ１０μｍの低不純物濃度のｎ型のＳｉＣエピタキシャル層２をエピタキシアル法によって成長させる。しかる後にｎ型のＳｉＣエピタキシャル層２の表面にＣＶＤ法によりＳｉの酸化膜３を２．０μｍを成長させる（図４）。
【００２１】
ｎ型のＳｉＣエピタキシャル層２上の酸化膜３を弗酸系のエッチング液を利用した写真工程によりガードリング４を形成する部分だけ除去し、酸化膜３の窓明部３１を形成する（図５）。
【００２２】
しかる後、窓明け部３１よりｐ型不純物となるボロン及び（または）Alを加速電圧３０〜１５０ｋｅＶで、１０^１４個／cm^２イオン注入する。
ｎ^＋型のＳｉＣ層１の裏面にオーミック接触を得るためにｎ型不純物となるP（燐）を加速電圧３０〜１３０ｋｅＶで、１０^１５個／cm^２イオン注入し、ｎ^＋＋型ＳｉＣ層７形成する。
窓明け部３１より注入されたｐ型不純物は、表面濃度が１０^１８個／cm^３以上、接合深さ０．５μｍとなるように、またｎ^＋型のＳｉＣ層１の裏面のオーミック用ｎ^＋＋型ＳｉＣ層７は表面濃度１０^２０個／cm^３、接合深さ０．５μｍとなるように注入される。
この後、マスク用としてｎ型のＳｉＣエピタキシャル層２表面に堆積した酸化膜３を弗酸系のエッチング液てエッチングして全て取り去ってしまう（図６）。
この後、不純物を活性化するためにアルゴン雰囲気中で１５００℃以上の温度で１０分間の熱処理を行う。
【００２３】
しかる後、ショットキー電極層５としてＴｉをＳｉ面にスパッタリング法にて堆積し、ガードリング４の一部とガードリング４の内側のｎ型のＳｉＣエピタキシャル層２表面に残るよう、ＣＦ４系ドライエッチングを利用した写真工程にて不必要なＴｉを除去する（図７）。
【００２４】
次いでこのショットキー電極層５のパターンをマスクとして、ガードリング４の表面濃度が最大になる領域までCF4系のガスを利用してｎ型のＳｉＣエピタキシャル層２の表面をエッチングする（図８）。
このときフォトレジストが残っていても，Ｔｉ電極が露出していてもどちらでもよい．
【００２５】
そして、P型のガードリング４の表面に対してオーミック電極となるようＡｌを、ショットキー電極層５とショットキー電極層５が形成されていないガードリング４の表面を含むｎ型のＳｉＣエピタキシャル層２の表面をに蒸着し、リン酸又はリン酸と硝酸の混酸系エッチング液を利用した写真工程にて、図８のようにガードリング４の領域上とショットキー電極上に第２の電極層６を形成する。次に、裏面のオーミック用ｎ^＋＋型ＳｉＣ層７の表面にオーミック電極層８としてスパッタリング法によりＮｉ電極を形成する（図９）。
【００２６】
ｎ^＋型のＳｉＣ層１、ｎ型のＳｉＣエピタキシャル層２、ｎ^＋＋型ＳｉＣ層７で構成されるＳｉＣ基板は耐圧、順電圧の特性の点より４H、６Ｈあるいは３Ｃ型の結晶形であるｎ型のＳｉＣ基板が望ましいが，他の結晶型（たとえば１５R）でも構わない。ショットキー電極層５はＴｉのほかＮｉ、またはＭｏ及びこれらの合金であってもよい。Ｐ型ガードリング層４への第２の電極層６はＡｌの他、Ａｕ、Ｐｔまたはこれらの合金を用いてもかまわない。
Ｐ型ガードリング層４へのオーミック電極６はＡｌである例を示した。パッケージに組みたてるためにＡｌ面にＡｌボンディングすることができる。Ａｕ線ボンディングのために、Ａｌ上にさらにＡｕが堆積されていてもよいし、半田接続用にＡｌ−Ｎｉ−Ａｇのような電極システムであってもよい。
裏面のオーミック電極層８としてスパッタリング法によりＮｉ電極を形成したが、その他の金属を利用してもよいし、堆積法も電子ビームを利用した蒸着法などの他の方法であってもよい。
ｎ^＋型のＳｉＣ層１、ｎ型のＳｉＣエピタキシャル層２、ｎ^＋＋型ＳｉＣ層７で構成されるＳｉＣ基板について述べたが、ｐ型であってもかまわない。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、ガードリングを有するＳｉＣショットキーダイオードにおいて、ガードリングに電気的接続をとるガードリング電極層としてショットキー電極層とは別の材料を用いることによってガードリングに対するオーミック性を確保することにより整流性能を劣化させることなく、順サージ電流に対する耐量を向上させることができ、信頼性の高いＳｉＣショットキーダイオード替えられた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るＳｉＣショットキーダイオードの構造を説明するための図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係るＳｉＣショットキーダイオードの構造を説明するための図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係るＳｉＣショットキーダイオードの構造を説明するための図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係るＳｉＣショットキーダイオードの製造工程を説明するための図（１）である。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係るＳｉＣショットキーダイオードの製造工程を説明するための図（２）である。
【図６】本発明の第３の実施の形態に係るＳｉＣショットキーダイオードの製造工程を説明するための図（３）である。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係るＳｉＣショットキーダイオードの製造工程を説明するための図（４）である。
【図８】本発明の第３の実施の形態に係るＳｉＣショットキーダイオードの製造工程を説明するための図（５）である。
【図９】本発明の第３の実施の形態に係るＳｉＣショットキーダイオードの製造工程を説明するための図（６）である。
【図１０】従来のＳｉＣショットキーダイオードの構造の例を説明する図である。
【符号の説明】
１ｎ^＋型ＳｉＣ層
２ｎ型ＳｉＣエピタキシアル層
３酸化膜
４ガードリング
５ショットキー電極層
６第２の電極層
７ｎ^＋＋型ＳｉＣ層
８オーミック電極層
９ｐ型層[0001]
[Field of the Invention]
The present invention relates to a structure of a SiC Schottky diode using silicon carbide (hereinafter referred to as SiC) as a semiconductor material and a method for manufacturing the same, and particularly relates to improving forward surge resistance.
[0002]
[Prior art]
Since SiC has a wide band gap and a high maximum electric field strength, its application to high power and high withstand voltage power devices is being developed. Since the Schottky diode has almost no minority carrier injection, it can perform high-speed switching. In addition, since the structure is simple, it is relatively easy to manufacture and has become the first practical application of SiC devices.
In a conventional Si Schottky diode, when the breakdown voltage is increased, the series resistance component increases abruptly. As a result, the forward voltage increases and becomes impractical. Further, since the band gap is small, in particular, when the junction temperature rises, minority carrier injection increases and high-speed switching cannot be performed.
Since SiC has a wide band gap with respect to Si, minority carrier injection is small even at high withstand voltage and high temperature operation, and series resistance is not so large even in high withstand voltage regions because of high maximum electric field strength.
[0003]
FIG. 10 is a diagram for explaining an example of the structure of a conventional SiC Schottky diode.
In the SiC Schottky diode, in order to obtain a stable breakdown voltage and high reliability, a guard ring 4 having a conductivity type opposite to that of the n-type SiC epitaxial layer 2 is provided in the periphery of the Schottky electrode layer 5. Schottky electrode layer 5 is formed on the surfaces of n-type SiC epitaxial layer 2 and guard ring 4. Schottky electrode layer 5 forms a Schottky junction at the interface of n-type SiC epitaxial layer 2 and is also electrically connected to guard ring 4.
In the SiC substrate, an n-type SiC epitaxial layer 2 having a concentration and a thickness necessary for ensuring a withstand voltage is formed on the surface of the n ⁺ -type SiC layer 1 in order to lower the series resistance, and the back surface of the n ⁺ -type SiC layer 1 In this structure, an n ⁺⁺ type SiC layer 7 in which an n type impurity is ion-implanted is formed so as to ensure ohmic electrode characteristics when the ohmic electrode layer 8 is formed.
An ohmic electrode layer 8 such as Ni is formed on the surface of the n ⁺⁺ type SiC layer 7 by a method such as vapor deposition.
[0004]
The Schottky electrode layer 5 is selected to have a barrier height that maximizes the performance of a device such as a power supply that uses the SiC Schottky diode of the present invention, and from the viewpoint of ensuring reliability, a metal, an intermetallic compound, or a silicide Etc. There are many examples in which Ti, Mo, Ni, Al, Al—Ti alloy, etc. are used.
In the case of SiC, since the impurity diffusion coefficient is small, an impurity introduction method by ion implantation is widely used for forming the guard ring 4.
However, it is difficult to expose a high concentration surface of 1 × 10 ¹⁸ / cc, preferably 3 × 10 ¹⁹ / cc or more necessary for ohmic contact, on the SiC surface of the guard ring 4 only by this ion implantation method.
[0005]
On the other hand, the Schottky electrode layer 5 for obtaining the Schottky junction is also an electrode of the guard ring 4. In order to ensure a breakdown voltage, both are at the same potential. However, particularly in the case of Ti, Ni, Mo, or alloys thereof, even if a good Schottky junction is obtained, sufficient ohmic contact is not achieved with respect to the P-type guard ring 4.
[0006]
It has been found that when a surge current is input in the forward direction of a conventional SiC Schottky diode, the element is easily destroyed. This is particularly noticeable when the Schottky barrier height of Ti, Ni, Mo or alloys thereof is low.
In the case of such a SiC Schottky diode, in a forward surge current region far exceeding the forward current in the practical region, when a large current flows in the forward direction, minority carrier injection starts suddenly, and the forward voltage drops rapidly. Since the negative resistance characteristic is exhibited, it is considered that a slight current non-uniformity of the element structure causes a phenomenon in which a large current is concentrated on a very small part of the SiC Schottky diode and is weak against a forward surge current.
When the cause of the SiC Schottky diode was prototyped and the cause was investigated, it was found that if sufficient ohmic contact was obtained with the guard ring 4, the device would not be easily destroyed even if a surge current was input in the forward direction of the SiC Schottky diode. all right.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In an SiC Schottky diode having a guard ring 4, an electrode layer structure and a method for manufacturing the same are provided to improve the resistance to forward surge current by improving the ohmic property with respect to the guard ring 4.
[0008]
[Means to solve the problem]
In order to solve the above problems , a p-type guard ring is formed in the vicinity of the surface of an n- type silicon carbide substrate, and a Schottky electrode layer that is in contact with the guard ring and extends to the inner surface of the ring is formed on the silicon carbide. In the silicon carbide Schottky diode formed on the surface of the base substrate, the guard ring surface has an ohmic electrode layer different from the Schottky electrode layer, and the ohmic electrode layer extends only on the Schottky electrode layer. A silicon carbide Schottky diode.
The Schottky electrode layer is Ti, Ni, Mo, or an alloy thereof, and the ohmic electrode layer is Al, Au, Pt, or an alloy thereof.
A p-type guard ring is formed by ion implantation on the surface of the n- type silicon carbide substrate, and a Schottky electrode layer in contact with the guard ring and extending to the inner surface of the ring is formed on the surface of the silicon carbide substrate. Forming and etching the surface of the silicon carbide substrate using the Schottky electrode layer as a mask material, exposing a high concentration surface of the guard ring, and forming an ohmic electrode layer on at least the high concentration surface, A method for manufacturing a silicon carbide Schottky diode.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram for explaining the structure of an SiC Schottky diode according to a first embodiment of the present invention.
In the SiC substrate, an n-type SiC epitaxial layer 2 having a concentration and a thickness necessary for ensuring a withstand voltage is formed on the surface of the n ⁺ -type SiC layer 1 in order to lower the series resistance, and the back surface of the n ⁺ -type SiC layer 1 The n ⁺⁺ type SiC layer 7 is formed by ion-implanting an n-type impurity so that ohmic electrode characteristics are ensured when the ohmic electrode layer 8 is formed.
[0010]
In order to obtain a stable breakdown voltage and high reliability, a guard ring 4 having a conductivity type opposite to that of the n-type SiC epitaxial layer 2 is provided in the periphery of the Schottky electrode layer 5. Schottky electrode layer 5 is formed on the surface of n-type SiC epitaxial layer 2 inside guard ring 4 and a partial surface of guard ring 4. Schottky electrode layer 5 forms a Schottky junction at the interface with n-type SiC epitaxial layer 2.
The Schottky electrode layer 5 is made of Ti, Ni, Mo or an alloy thereof, and preferably has a low Schottky barrier height.
[0011]
The second electrode layer 6 for the p-type guard ring 4 is made of Al, Au, Pt, or an alloy thereof that can easily achieve ohmic characteristics with respect to p-type SiC because the guard ring 4 is p-type. In order to simplify the manufacturing process, the second electrode layer 6 for the p-type guard ring 4 is also disposed on the Schottky electrode layer 5.
An ohmic electrode layer 8 made of Ni is formed on the surface of the n ⁺⁺ type SiC layer 7.
[0012]
In the SiC Schottky diode according to the first embodiment, when a positive voltage is applied to the Schottky electrode layer 5 and a negative voltage is applied to the ohmic electrode layer 8, it is formed between the Schottky electrode layer 5 and the n-type SiC epitaxial layer 2. The Schottky junction is forward-biased, and a current flows from the Schottky electrode layer 5 toward the ohmic electrode layer 8.
At this time, since the second electrode layer 6 with respect to the p-type guard ring 4 is electrically connected to the Schottky electrode layer 5, a pn junction between the p-type guard ring 4 and the n-type SiC epitaxial layer 2 is provided. Are also forward-biased. Since the barrier height of the pn junction is higher than the barrier height of the Schottky junction, in the practical forward current region, no current flows or only a small amount flows through the pn junction.
[0013]
When the ohmic characteristic of the second electrode layer 6 with respect to the p-type guard ring 4 is insufficient,
In the region of forward surge current that far exceeds the forward current in the practical area, the series resistance of the SiC Schottky diode remains large, so the forward voltage of the SiC Schottky diode increases, and suddenly minority carriers when a certain forward voltage is reached. Are injected, exhibiting negative resistance characteristics, and the forward voltage drops rapidly. Due to the negative characteristics, a slight nonuniformity in the element structure causes a phenomenon that the current is weak against a forward surge current because a large current is concentrated on a small part of the Schottky junction of the SiC Schottky diode.
[0014]
In the present invention, Al, Au, Pt, or an alloy thereof, which can easily obtain ohmic characteristics with respect to p-type SiC, is used as the second electrode layer 6 for the p-type guard ring 4. Therefore, the ohmic characteristic of the second electrode layer 6 with respect to the p-type guard ring is good.
For this reason, when the forward voltage of the SiC Schottky diode becomes larger than the forward current of the practical region, and the forward voltage of the SiC Schottky diode increases, the gap between the p-type guard ring 4 and the n-type SiC epitaxial layer 2 is increased. Minority carriers begin to be injected from the pn junction at (1).
Before only the SiC Schottky diode part has a negative resistance and easily breaks down, a forward current value and a forward voltage value before the minority carriers are injected little by little from the pn junction, and the Schottky junction of the SiC Schottky diode As a result of diffusing up to this part and lowering the series resistance, the negative resistance becomes moderate and it becomes difficult to break down against forward surge current.
[0015]
When a negative voltage is applied to the Schottky electrode layer 5 and a positive voltage is applied to the ohmic electrode layer 8, the Schottky junction between the Schottky electrode layer 5 and the n-type SiC epitaxial layer 2 is reverse-biased, and the p-type guard ring 4 The pn junction between the n-type SiC epitaxial layer 2 is also reverse-biased and almost no current flows.
[0016]
FIG. 2 is a diagram for explaining the structure of an SiC Schottky diode according to the second embodiment of the present invention.
In this embodiment, a p-type layer 9 is formed by ion implantation on a part of the surface of the inner n-type SiC epitaxial layer 2 of the p-type guard ring 4 to have an MPS (Merged pin / Schottky) structure.
[0017]
When a positive voltage is applied to the Schottky electrode layer 5 and a negative voltage is applied to the ohmic electrode layer 8 in the SiC Schottky diode according to the second embodiment, the shot between the Schottky electrode layer 5 and the n-type SiC epitaxial layer 2 is applied. The key junction is forward-biased, and a current flows from the Schottky electrode layer 5 toward the ohmic electrode layer 8.
At this time, the p-type guard ring 4 and the second electrode layer 6 common to the p-type layer 9 formed inside the p-type guard ring 4 are electrically connected to the Schottky electrode layer 5. The p-type guard ring 4 and the pn junction between the p-type layer 9 and the n-type SiC epitaxial layer 2 are also forward biased. Since the barrier height of the pn junction is higher than the barrier height of the Schottky junction, in the practical forward current region, no current flows or only a small amount flows through the pn junction. However, when the forward voltage of the SiC Schottky diode increases in a forward surge current region far exceeding the forward current in the practical region, the pn between the p-type guard ring 4 and the n-type SiC epitaxial layer 2 is increased. Minority carriers begin to be injected from the junction. Since the ratio of the pn junction to the Schottky junction increases, the effect of minority carriers is greater than in the first embodiment.
Therefore, the forward voltage at a large current is smaller than that of the first embodiment, and it is more difficult to destroy the forward surge current. However, when the forward current is increased, minority carrier injection is increased and the high-speed switching characteristic is deteriorated. There is a possibility.
[0018]
When a negative voltage is applied to the Schottky electrode layer 5 and a positive voltage is applied to the ohmic electrode layer 8, the Schottky junction between the Schottky electrode layer 5 and the n-type SiC epitaxial layer 2 is reverse-biased, and the p-type guard ring 4 In addition, the pn junction between the p-type layer 9 and the n-type SiC epitaxial layer 2 is also reverse-biased so that no current flows.
If the p-type guard ring 4 and the p-type layer 9 adjacent to each other are reversely biased so as to be connected by a depletion layer, the electric field applied to the Sitky barrier is relaxed and the leakage current is reduced.
[0019]
FIG. 3 is a diagram for explaining the structure of an SiC Schottky diode according to the third embodiment of the present invention.
When the p-type guard ring 4 is formed by ion implantation, the maximum impurity concentration is a surface inside the n-type SiC epitaxial layer 2 slightly from the surface of the ion-implanted n-type SiC epitaxial layer 2. In this structure, the surface of the n-type SiC epitaxial layer 2 is etched so that the surface concentration of the guard ring is maximized. This manufacturing method is as follows.
[0020]
4 to 9 are diagrams for explaining a manufacturing process of the SiC Schottky diode according to the third embodiment of the present invention. The manufacturing process will be described with reference to these drawings.
First, a low impurity concentration n-type SiC epitaxial layer 2 having a thickness of 1 × 10 ¹⁶ / cm ³ and a thickness of 10 μm is grown on the surface of a high impurity concentration n ⁺ -type SiC layer 1 by an epitaxial method. Thereafter, an Si oxide film 3 having a thickness of 2.0 μm is grown on the surface of the n-type SiC epitaxial layer 2 by the CVD method (FIG. 4).
[0021]
The oxide film 3 on the n-type SiC epitaxial layer 2 is removed only in a portion where the guard ring 4 is formed by a photographic process using a hydrofluoric acid-based etchant to form a window portion 31 of the oxide film 3 (FIG. 5). ).
[0022]
Thereafter, boron and (or) Al as a p-type impurity than the window drilling unit 31 at an acceleration voltage 30~150keV, ^{10 14} pieces / cm ² is ion-implanted.
In order to obtain ohmic contact with the back surface of the n ⁺ -type SiC layer 1, 10 ¹⁵ ions / cm ² ions are implanted with P (phosphorus) as an n-type impurity at an acceleration voltage of 30 to 130 keV to form the n ⁺⁺ -type SiC layer 7. To do.
The p-type impurities implanted from the window opening 31 have a surface concentration of 10 ¹⁸ atoms / cm ³ or more, a junction depth of 0.5 μm, and an ohmic n ⁺⁺ on the back surface of the n ⁺ -type SiC layer 1. The type SiC layer 7 is implanted so as to have a surface concentration of 10 ²⁰ pieces / cm ³ and a junction depth of 0.5 μm.
Thereafter, the oxide film 3 deposited on the surface of the n-type SiC epitaxial layer 2 as a mask is etched away with a hydrofluoric acid-based etching solution (FIG. 6).
Thereafter, in order to activate the impurities, a heat treatment is performed in an argon atmosphere at a temperature of 1500 ° C. or higher for 10 minutes.
[0023]
Thereafter, Ti is deposited as a Schottky electrode layer 5 on the Si surface by sputtering, and CF4 dry etching is performed so that a part of the guard ring 4 and the surface of the n-type SiC epitaxial layer 2 inside the guard ring 4 remain. Unnecessary Ti is removed by a photographic process using (FIG. 7).
[0024]
Next, using the pattern of the Schottky electrode layer 5 as a mask, the surface of the n-type SiC epitaxial layer 2 is etched using a CF4 gas until the surface concentration of the guard ring 4 is maximized (FIG. 8).
At this time, the photoresist may remain or the Ti electrode may be exposed.
[0025]
Then, Al is used to form an ohmic electrode with respect to the surface of the P-type guard ring 4, and an n-type SiC epitaxial layer including the surface of the guard ring 4 on which the Schottky electrode layer 5 and the Schottky electrode layer 5 are not formed. In the photographic process using phosphoric acid or a mixed acid etching solution of phosphoric acid and nitric acid, the second electrode layer is formed on the area of the guard ring 4 and on the Schottky electrode as shown in FIG. 6 is formed. Next, a Ni electrode is formed by sputtering as the ohmic electrode layer 8 on the surface of the ohmic n ⁺⁺ type SiC layer 7 on the back surface (FIG. 9).
[0026]
The SiC substrate composed of the n ⁺ -type SiC layer 1, the n-type SiC epitaxial layer 2 and the n ^{+ +} -type SiC layer 7 has a 4H, 6H or 3C type crystal form in terms of breakdown voltage and forward voltage characteristics. A SiC substrate of a type is desirable, but other crystal types (for example, 15R) may be used. The Schottky electrode layer 5 may be Ni, Mo, or an alloy thereof in addition to Ti. The second electrode layer 6 to the P-type guard ring layer 4 may be made of Au, Pt, or an alloy thereof other than Al.
In the example, the ohmic electrode 6 to the P-type guard ring layer 4 is Al. Al bonding can be performed on the Al surface for assembly into a package. For Au wire bonding, Au may be further deposited on Al, or an electrode system such as Al—Ni—Ag may be used for solder connection.
Although the Ni electrode is formed by sputtering as the ohmic electrode layer 8 on the back surface, other metals may be used, and the deposition method may be other methods such as an evaporation method using an electron beam.
Although the SiC substrate composed of the n ⁺ -type SiC layer 1, the n-type SiC epitaxial layer 2, and the n ^{+ +} -type SiC layer 7 has been described, it may be p-type.
[0027]
【The invention's effect】
According to the present invention, in a SiC Schottky diode having a guard ring, ohmic properties with respect to the guard ring are ensured by using a material different from the Schottky electrode layer as a guard ring electrode layer that is electrically connected to the guard ring. Thus, the immunity to forward surge current can be improved without degrading the rectifying performance, and the SiC Schottky diode with high reliability has been replaced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining a structure of an SiC Schottky diode according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining the structure of an SiC Schottky diode according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram for explaining the structure of an SiC Schottky diode according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram (1) for illustrating a manufacturing step of the SiC Schottky diode according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram (2) for illustrating a manufacturing step of the SiC Schottky diode according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram (3) for explaining a manufacturing step for the SiC Schottky diode according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram (4) for illustrating a manufacturing step for the SiC Schottky diode according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram (5) for illustrating a manufacturing step of the SiC Schottky diode according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram (6) for illustrating a manufacturing step of the SiC Schottky diode according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a diagram illustrating an example of the structure of a conventional SiC Schottky diode.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 n ⁺ type SiC layer 2 n type SiC epitaxial layer 3 Oxide film 4 Guard ring 5 Schottky electrode layer 6 2nd electrode layer 7 n ⁺⁺ type SiC layer 8 Ohmic electrode layer 9 P type layer

Claims

A p-type guard ring is formed in the vicinity of the surface of the n- type silicon carbide substrate, and a Schottky electrode layer that is in contact with the guard ring and extends to the inner surface of the ring is formed on the surface of the silicon carbide substrate. In the silicon Schottky diode, the guard ring has an ohmic electrode layer different from the Schottky electrode layer, and the ohmic electrode layer extends only on the Schottky electrode layer. Elementary Schottky diode.

2. The silicon carbide Schottky diode according to claim 1, wherein the Schottky electrode layer is Ti, Ni, Mo or an alloy thereof, and the ohmic electrode layer is Al, Au, Pt or an alloy thereof. .

A p-type guard ring is formed by ion implantation on the surface of the n- type silicon carbide substrate, and a Schottky electrode layer in contact with the guard ring and extending to the inner surface of the ring is formed on the surface of the silicon carbide substrate. Forming and etching the surface of the silicon carbide substrate using the Schottky electrode layer as a mask material, exposing a high concentration surface of the guard ring, and forming an ohmic electrode layer on at least the high concentration surface, A method for manufacturing a silicon carbide Schottky diode.