JP5216572B2 - ダイオード - Google Patents

Description

本発明は、アバランシェ降伏型の高耐圧のダイオードに関する。

アバランシェブレークダウン現象を利用したダイオードは、基準電圧回路や保護回路等の種々の電子回路に広く使用されている（例えば、特許文献１参照）。
従来のダイオードにおいては、図６に示すように、第１の半導体層１０２と第２の半導体層１０３との界面においてより空乏層を伸ばすことで耐圧を向上させるため、第１の半導体層の不純物濃度を低下させ高比抵抗とし、この高比抵抗の第１の半導体層において伸びる空乏層により高耐圧を得ている。
特開２００１−９４１２３号公報

上述した従来のダイオードにおいては、メサ溝部分Ｇのベベル角θｍが負であるため、メサ溝部分Ｇの耐圧ＶRBGが第１の半導体層１０２及び第２の半導体層１０３の界面Ａの耐圧ＶRBAより低くなっている。すなわち、一般的に、ベベル角が負の角度（θ＞９０°）の場合、鈍角となり耐圧が低下し、ベベル角が正の角度（θ＜９０°）の場合、鋭角となり耐圧が上昇する。
また、上述した従来のダイオードにおいては、メサ溝部分Ｇの耐圧ＶRBGがベベル角θｍのバラツキにより変化してしまうため安定した耐圧が得られない問題がある。
このため、ダイオードの耐圧を向上させるため、より第１の半導体層１０２を高比抵抗とすることになる。
この結果、従来例においては、第１の半導体層１０２が高い抵抗値を有するため、順方向電流が流れる際、順方向電圧ＶFが高くなり、ダイオードを使用する回路の電力損失が大きくなるという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、順方向電圧ＶFを低く維持しつつ、耐圧を安定化させ、かつ耐圧を向上させることが可能なダイオードを提供することを目的とする。

本発明のダイオードは、第１の導電型をもつ半導体基板と、前記半導体基板の一方の面に設けられて前記半導体基板との間に接合を形成する第１の導電型と同じ導電型でかつ不純物濃度が前記半導体基板より高い第１の半導体層と、前記半導体基板の他方の面上に設けられ、前記第１の導電型と反対の第２の導電型の第２の半導体層と、前記半導体基板と前記第２の半導体層との間に設けられる前記第１の導電型と同じ導電型の埋め込み層とを有し、前記半導体基板及び前記第２の半導体層側面に形成されたダイオードを分離するメサ溝と、前記半導体基板及び前記第２の半導体層の界面とのなす第１のベベル角（θm）が、前記第２の半導体層及び前記埋め込み層の界面と、前記埋め込み層及び前記半導体基板の界面とのなす第２のベベル角（θb）より大きいことを特徴とする。

本発明のダイオードは、前記第１のベベル角が負のベベル角であり、前記第２のベベル角が正のベベル角であることを特徴とする。
ド。

本発明のダイオードは、前記埋め込み層の不純物濃度が、前記半導体基板の不純物濃度より高く、前記第１の半導体層の不純物濃度より低いことを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、従来における耐圧の支配的な要因となる半導体基板と第２の半導体層の接合とメサ溝の側壁とがなす負の第１のベベル角（半導体基板内にて形成されるベベル角）に加え、第２の半導体層と埋め込み層との間の主接合における正の第２のベベル角を形成することにより、第１のベベル角形成部における電界集中を、第２のベベル角形成部において形成される空乏層により緩和することにより、ダイオードの耐圧を、従来例に比較して向上させることができる。

また、本発明によれば、第２のベベル角が形成された領域において、高耐圧降伏の電圧を制御することにより、従来例における耐圧のバラツキを抑制することができる。
また、本発明によれば、第２の半導体層より不純物濃度の高い埋め込み層を設けることにより、順方向の抵抗分が減少し、順方向電圧を低下させることができるため、従来例に比較して低順電圧特性を実現できる。

以下、本発明の一実施形態によるダイオードを図面を参照して説明する。図１は、本実施形態におけるダイオードの断面構造を示す概念図である。
この図において、ｎ型の半導体基板２（カソード側）の下（下面）に、半導体基板２と同一の導電型であり、半導体基板１より不純物濃度が高い第１の半導体層１が形成されている。
半導体基板２の上（上面）に、上記半導体基板２と異なる導電型、すなわちＰ型の第２の半導体層３（アノード側）が形成されている。
また、半導体基板２と第２の半導体層３との間に、半導体基板２と同一の導電型の埋め込み層４が形成されている。

半導体基板２、第１の半導体層１、及び埋め込み層４の不純物濃度の関係は、半導体基板２の不純物濃度＜埋め込み層４の不純物濃度＜第１の半導体層１の不純物濃度の関係となっている。
すなわち、埋め込み層４は、不純物濃度が第１の半導体層１より低い濃度で形成され、かつ半導体基板２より高い濃度により形成されている。

ダイオードの図１における横方向の端部（側部）において、半導体基板２と第２の半導体層３との接続部（界面）は、メサ溝の側壁１００における位置Ｑで終端されている。
このメサ溝の側壁１００上には、酸化膜などの絶縁性の保護膜（ガラス、酸化膜、窒化膜など）２００が形成されている。
また図示しないが、第１の半導体層１の下面と、第２の半導体層３の上面とには、それぞれ電極が構成されている。

また、埋め込み層４は、半導体基板２と第２の半導体層３とにより囲まれて、完全に埋め込まれた状態にて形成されており、半導体基板２及び埋め込み層４間の接合面と、第２の半導体層３及び埋め込み層４間の接合面とは、ダイオード外部に露出していない。
すなわち、第２の半導体層３と埋め込み層４との接合部を第１の主接合部５とし、第２の半導体層３と半導体基板２との接合部を接合部６とすると、第１の主接合部５は接合部６に囲まれた状態となっている。
ここで、第２の半導体層３は、第１の主接合部５上部における層厚が、接合部６上部における層厚に比較して薄く形成されている。

第１のベベル角θmは、従来例において説明したように、上記接合部６と半導体基板２の側部とのなす角度、すなわち接合部６と半導体基板２におけるメサ溝の側壁とが、半導体基板２内においてなす角度とする。
また、第２のベベル角θbは、第１の主接合部５と、半導体基板２及び埋め込み層４の接合部とが、埋め込み層４内においてなす角度とする。

空乏層の境界面は、半導体層表面あるいは、異なる半導体層の接合部に対して垂直に形成される。
このため、すでに述べたように、メサ溝の側壁１００にて終端する接合部６の位置Ｑと、メサ溝の側壁１００の表面において終端する空乏層の境界面における位置Ｐとの距離、すなわちメサ溝の側壁１００に沿った空乏層の厚さが、接合部６に垂直な方向における空乏層の境界面までの厚さに比較して短くなる。すなわち、定電圧半導体の側部における空乏層の厚さが薄くなることにより、メサ溝部分Ｇにおける半導体基板２内の領域に電界が集中して、高耐圧降伏が起こるため、接合部６における耐圧が低下してしまう。
上述した理由により、第１のベベル角θmが負の角度（θ＞９０°）である場合、第１のベベル角θmが正の場合に比較して、ダイオードの逆方向バイアスに対する耐圧が低下する。

このため、第１のベベル角θmを正となるようにダイオードを形成することが考えられる。
しかしながら、ダイオードの製造方法は、図２に示すように、ウェハ上に複数のダイオード領域Ｄを形成し、各ダイオード領域Ｄを分離するように、ダイオード領域Ｄの外周部にメサ溝１０を形成し、半導体基板２及び第２の半導体層３の接合部を保護するため、メサ溝の側壁１００上に酸化膜などの絶縁性の保護膜２００を形成する。
そして、矢印Ｃにてウェハを切断し、各ダイオード領域Ｄを分離することにより、ダイオードを作成する。上述した簡易な製造方法により、ダイオードの製造原価を低下させている。この製造方法によるため、ベベル角θmは負として形成されることになる。
したがって、第１のベベル角θmを正とするためには、さらなる工程を必要とすることになるので、製造原価が上昇してしまう。

したがって、本実施形態においては、上述したように、埋め込み層４を半導体基板２及び第２の半導体層３の間に設けることにより、接合部６の他に第１の主接合部５を形成している。この第１の主接合部５の面と、半導体基板２及び埋め込み層４の接合部の面とのなす第２のベベル角θbを形成している。
そして、このベベル角θbが正の角度（θ＜９０°）となるように形成することにより、以下に示す理由により、ダイオードの逆バイアスに対する耐圧を向上させることができる。

すなわち、半導体基板２に比較して不純物濃度の高い埋め込み層４内にも領域Ｆにおいて電界集中を起こさせ、電界集中を分散させることにより、メサ溝部分Ｇにおける電界集中の一極集中が起こらないようにし、メサ溝部分Ｇにおける電界集中を緩和させる。
そして、メサ溝１０の製造におけるメサ溝１０の側壁１００の角度がばらついて、側壁１００に沿って形成される空乏層の厚さがばらつくことにより、メサ溝部分Ｇにおける高耐圧降伏の電圧がデバイス個々で変動することになる。

このため、埋め込み層４内にて高耐圧降伏を起こさせて、高耐圧降伏の電圧を安定させるために、埋め込み層４における第２のベベル角θbを正となるように形成し、埋め込み層４の側壁における埋め込み層４と半導体基板２との界面の角度がばらついたとしても、第２のベベル角が負の場合に比較して、領域Ｆにて空乏層の厚さが変動して高耐圧降伏の電圧が変動しないようにしている。上述した構造により、第１の主接合５と、この第１の主接合５に対向する埋め込み層４の底部とが平面視にて重なる領域Ｐにおいて高耐圧降伏を起こさせることにより、安定した高耐圧降伏の電圧を得ることができる。
ここで、領域Ｆは、第２のベベル角θbが形成されている埋め込み層４の内部の領域である。

上述した構成において、埋め込み層４の濃度調整とともに、第２の半導体層３の不純物濃度と、埋め込み層４の上部における第２の半導体層３の層厚とを、埋め込み層４と第２の半導体層３との第１の主接合部５における領域Ｆにおいて、高耐圧降伏が起こるように調整する。
これにより、従来における耐圧のバラツキを抑制することが可能となる。

また、同時に、図３に示すように、空乏層は半導体基板２及び埋め込み層４の主接合部の面に垂直となるように伸びるため、第１の半導体層１方向（下部方向）に伸びることとなり、結果的に半導体基板２内部において空乏層の伸びる距離が、埋め込み層４の無い従来例に比較すると深くなると考えられる。この図３は、埋め込み層４を設けることにより、ダイオードにおける逆バイアス時の空乏層の形状を示す、ダイオードの断面構造を示す概念図である。

この結果、深く形成された空乏層が、メサ溝１０の側壁１００における終端Ｐにおいて、このメサ溝１０の側壁１００と垂直となるように形成されるため、この終端Ｐと接合６及びメサ溝１０の側壁１００との交点Ｑとの距離をも伸ばし、すなわち半導体メサ溝１０の側壁１００に沿った空乏層の距離を伸ばすことになり、ダイオードの側壁部における耐圧を向上させることができる。

また、半導体基板２とこの半導体基板２より不純物濃度の高い埋め込み層４とを、平面視にて重なるように、すなわち、半導体基板２と埋め込み層４とを、図１において、電圧印加方向に対して直列に配列するように配置したため、順方向バイアスを印加した際に順方向電圧の電圧値を低下させることができる。
すなわち、埋め込み層４を設けることにより、図４及び図５に示すように、比抵抗の高い半導体基板２の厚さを薄くすることができるため、抵抗値を低下させることができるため、順方向バイアス時における順方向電圧を低下させることが可能となる。

図４は、埋め込み層４を設けた場合（実線）と、埋め込み層を設けない場合（破線）とにおける、順方向電圧と順方向電流との対応を示すグラフである。横軸が順方向電圧ＶF（Ｖ）であり、縦軸が順方向電流ＩF（Ａ）である。図４より、埋め込み層４を設けた場合の方が、設けない場合に比較して、順方向電流ＩFに対応する順方向電圧ＶFが低下していることが判る。
図５のテーブルには、順方向電流ＩFに対する、埋め込み層４のある場合の順方向電圧ＶFと、埋め込み層の無い場合の順方向電圧ＶFと、埋め込み層４のある場合の順方向電圧ＶFを埋め込み層の無い場合の順方向電圧ＶFにて除算した電圧比とが示されている。埋め込み層のある場合は、埋め込み層の無い場合の順方向電圧ＶFの７０％〜８０％と低下している。

さらに、埋め込み層４により、順方向における抵抗値が低下したため、従来と同様の順方向電圧となるよう、半導体基板２の不純物濃度を低くして、比抵抗を上昇させることで、さらにダイオードの逆バイアスにおける耐圧を向上させることもできる。

本発明の一実施形態によるダイオードの断面構造を示す概念図である。 図１のダイオードの製造方法を説明する概念図である。 図１におけるダイオードにおける逆バイアス時における空乏層の形成状態を示す概念図である。 埋め込み層のある場合と無い場合とにおけるダイオードの順方向電圧−順方向電流特性を示すグラフである。 ダイオードにおいて、順方向電流に対する埋め込み層のある場合と無い場合とにおける順方向電圧の比を示すテーブルである。 従来のダイオードの断面構造を示す概念図である。

符号の説明

１…第１の半導体層
２…半導体基板
３…第２の半導体層
４…埋め込み層
５…第１の主接合部
６…接合部
１０…メサ溝
１００…側壁
２００…保護膜
θm…第１のベベル角
θb…第２のベベル角

Claims (3)

1. 第１の導電型をもつ半導体基板と、
   前記半導体基板の一方の面に設けられて前記半導体基板との間に接合を形成する第１の導電型と同じ導電型でかつ不純物濃度が前記半導体基板より高い第１の半導体層と、
   前記半導体基板の他方の面上に設けられ、前記第１の導電型と反対の第２の導電型の第２の半導体層と、
   前記半導体基板と前記第２の半導体層との間に設けられる前記第１の導電型と同じ導電型の埋め込み層と
   を有し、
   前記半導体基板及び前記第２の半導体層側面に形成されたダイオードを分離するメサ溝と、前記半導体基板及び前記第２の半導体層の界面とのなす第１のベベル角が、前記第２の半導体層及び前記埋め込み層の界面と、前記埋め込み層及び前記半導体基板の界面とのなす第２のベベル角より大きいことを特徴とするダイオード。
2. 前記第１のベベル角が負のベベル角であり、前記第２のベベル角が正のベベル角であることを特徴とする請求項１に記載のダイオード。
3. 前記埋め込み層の不純物濃度が、前記半導体基板の不純物濃度より高く、前記第１の半導体層の不純物濃度より低いことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のダイオード。

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