JP6090988B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置に関する。
非特許文献１には、縦型ｐｎダイオードの終端領域に形成するＪＴＥ（Ｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ Ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ）を２種類の注入量で領域分けすることが開示されている。
非特許文献１の縦型ｐｎダイオードは、ｎ+型ＳｉＣ基板、ｎ-型ドリフト領域、ｐ+型主接合、カソード電極、アノード電極からなる縦型ｐｎ接合構造と、ｎ-型ドリフト領域の表面に、リング形状の第１ＪＴＥ（高濃度注入）およびリング形状の第２ＪＴＥ（低濃度注入）からなるＪＴＥを備える終端構造とを備えている。
非特許文献１の第１ＪＴＥと第２ＪＴＥはｐ型不純物であるＡｌの多段イオン注入で形成され、注入量比は３：１である。なお、非特許文献１には記載されていないが、学会当日の発表によれば、注入エネルギーの最大値は第１ＪＴＥ、第２ＪＴＥいずれも７００ｋｅＶの同一である。
非特許文献２では、第1ＪＴＥは２×１０19ｃｍ-3、第２ＪＴＥは２×１０18ｃｍ-3ないし第２ＪＴＥは２×１０17ｃｍ-3とすることが開示されている。
非特許文献３では、ＳｉＣへイオン注入したＡｌの濃度分布において，深さ方向への尾の引き方が注入エネルギーに依存することが開示されている。
第７３回応用物理学会学術講演会 講演予稿集（２０１２年９月１２日 愛媛大学・松山大学）１２ｐ−Ｈ７−６ "Planar Edge Termination Design and Technology Considerations for 1.7-kV 4H-SiC PiN Diodes", p.2309-2316, IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL.52, NO.10, OCTOBER 2005 マテリアルズ・サイエンス・フォーラム第６００−６０３巻（２００９年）第６０７頁から第６１０頁（Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｒｕｍ Ｖｏｌ．６００−６０３（２００９）ｐｐ．６０７−６１０）
上記非特許文献１の記載及び発表内容からは不純物濃度自体を特定することはできないため、実験的に不純物の濃度を変化させて確認した結果、耐圧が不十分となる場合があることが分かった。
本発明者らは、生じている現象を理解するため、非特許文献１に開示された２×１０13ｃｍ-3までの範囲でＡｌイオン注入量を変化させるデバイスシミュレーションを行った。その結果、上記非特許文献２記載の表面電荷密度が７×１０12ｃｍ-2を超えた場合、表面付近でアバランシェ降伏するのに対し、界面電荷密度が７×１０12ｃｍ-2未満の場合、ＪＴＥ領域とドリフト領域からなるｐｎ接合の近傍（耐圧によって異なるものの、典型的には深さ０．７から０．９μｍ付近）の第１ＪＴＥと第２ＪＴＥとの境界（例えば図８の９の位置）でアバランシェ降伏することが分かった。
上記非特許文献２の第１ＪＴＥと第２ＪＴＥの不純物濃度は高すぎ、かつ１０倍以上の濃度差がある。そのため、３．３ＫＶダイオードのような高耐圧ダイオードでは、第１ＪＴＥと第２ＪＴＥとの境界（例えば図８の９の位置）でアバランシェ降伏しやすく、耐圧低下の原因となる。
本発明の目的は、信頼性の高い高耐圧な半導体装置を提供することにある。
上記目的を実現する手段の一つは、半導体装置に、ｎ型の導電型を有するドリフト領域上に主接合領域と前記主接合領域の周囲に隣接して形成されたｐ型のＪＴＥ領域を備えさせ、
前記ＪＴＥ領域に、第１ＪＴＥ領域と、前記第１ＪＴＥ領域より不純物濃度が低い第２ＪＴＥ領域を設け、前記第１ＪＴＥ領域を、前記第２ＪＴＥ領域に挟み込まれるように設け、
前記半導体装置が主接合領域にｐ領域を備えたショットキーダイオードである場合、前記第１ＪＴＥ領域における不純物濃度を４．４×１０17ｃｍ-3以上８×１０17ｃｍ-3以下、前記第２ＪＴＥ領域における不純物濃度を２×１０17ｃｍ-3以下とし、前記半導体装置がジャンクションバリアショットキー（ＪＢＳ）ダイオードである場合、前記第１ＪＴＥ領域における不純物濃度を６×１０17ｃｍ-3以上８×１０17ｃｍ-3以下、前記第２ＪＴＥ領域における不純物濃度を２×１０17ｃｍ-3以下とすることである。
なお、望ましくは、前記第１ＪＴＥ領域と前記第２ＪＴＥ領域のｐｎ接合深さにおける不純物濃度差を実質的になくし、概略等しくする。
また、望ましくは、面内方向において、前記第２ＪＴＥ領域の幅と間隔の比が前記主接合領域からの距離に応じて小さくなるようにする。
本発明によれば、信頼性の高い高耐圧の半導体装置を実現することができる。
実施例１の半導体装置を示す平面図である。 実施例１の半導体装置を示す断面図である。 実施例２の半導体装置を示す平面図である。 実施例２の半導体装置を示す断面図である。 実施例１および実施例２の半導体装置のＪＴＥ領域における深さ方向のＡｌ濃度分布図である。 実施例１および実施例２の半導体装置のＪＴＥ領域における深さ方向のＡｌ濃度分布である。 比較例における深さ方向のＡｌ濃度分布である。 比較例の半導体装置を示す断面図である。
以下、本発明の実施例を説明する。
図１に実施例１の半導体装置の平面図（保護膜などは省略）、図２に断面図を示す。
本実施例の半導体装置は、ＳｉＣ基板を有するショットキーダイオードである。半導体基板１上にはエピタキシャル成長法で形成されたｎ型の半導体領域であるドリフト層２と、その上面の主接合領域に形成されたショットキー電極１０と、その外縁にガードリングとしてｐ型の不純物であるＡｌが注入されたｐ型半導体領域３と、半導体基板１の裏面に設けられたカソード電極４とを備えている。また、主接合領域を囲むように、環状のｐ型半導体領域で構成されたＪＴＥ（ジャンクション・ターミネーション・エクステンション）６を備えている。
半導体基板１は、高い濃度でｎ型の不純物であるＮが導入されたＳｉＣを主に含むｎ+型の半導体基板である。
ドリフト層は、ｎ型の不純物であるＮが導入されたＳｉＣを主に含むｎ-型の半導体層である。不純物濃度は、半導体基板１よりも低い濃度である。
ＪＴＥ領域６は、不純物密度の高い領域（第１ＪＴＥ）７と不純物密度の低い領域（第２ＪＴＥ）８から構成され、第２ＪＴＥ領域の幅と間隔の比が前記主接合３から外側に向かうほど小さくなっている。
本実施例では、第１ＪＴＥおよび第２ＪＴＥを以下の注入エネルギーからなる多段Ａｌイオン注入により形成した。
第１イオン注入（第１ＪＴＥの領域）：２５、５５、９５、１５０、２２０、３２０ｋｅＶ
第２イオン注入（第１ＪＴＥの領域及び第２ＪＴＥの領域）：２５、５５、９５、１５０、２２０、３２０、４５０ｋｅＶ
第１ＪＴＥ領域におけるＡｌの最大濃度（ボックスプロファイルのピーク設定濃度）を６×１０17ｃｍ-3とし、第２ＪＴＥ領域におけるＡｌの最大濃度を２×１０17ｃｍ-3としたが、高ドープ領域へのイオン注入の最高エネルギー（第１イオン注入エネルギー）を第２イオン注入エネルギーよりも低くすることで、Ａｌの濃度分布を図５のように、ｐｎ接合深さの水平方向における第１ＪＴＥと第２ＪＴＥの２つの領域における濃度差がほぼ零となるようにした。
比較例として、非特許文献１のように、同じ注入エネルギーで第１イオン注入と第２イオン注入を行った場合の注入したＡｌ濃度の深さ方向分布を図７および図８に示す。すなわち、ドリフト層２とＪＴＥ領域６とで構成されるｐｎ接合深さ（深さ０．７ないし０．９μｍ）における水平方向（基板面内方向）におけるＡｌ濃度分布に大きな不連続が生じる。特に、イオン注入エネルギーを非特許文献１の７００ｋｅＶと高くした場合と異なり、４５０ｋｅＶ以下の低い場合には、非特許文献３に開示されているように、Ａｌイオンのチャネリングが無視できなくなる。具体的には、第１ＪＴＥと第２ＪＴＥの注入量比を非特許文献１と同様、３：１とし、第１ＪＴＥ、第２ＪＴＥともに最大値が４５０ｋｅＶ以下の同一多段エネルギーでＡｌイオン注入した場合の深さ方向のＡｌ濃度分布は図７のように、深さ０．６μｍ以上でＡｌ濃度は尾を引く形状となるからである。その結果、図８のように作製したダイオードではサイズが無限大の場合、すなわち周辺領域がなく、垂直方向の一次元構造とみなせる場合の理想耐圧に対して、実際の耐圧が７０％程度しか得られなかった。
それに対して、本実施例により作製した図１のようなダイオードの耐圧は、ダイオードサイズが無限大の場合の理想耐圧に対して９０％を超えた。これは、第１ＪＴＥ領域と第２ＪＴＥ領域との濃度設定を調整するとともに、ｐｎ接合深さの水平方向における第１ＪＴＥと第２ＪＴＥの２つの領域における濃度差をほぼ零としたことにより、電界が第１ＪＴＥと第２ＪＴＥの境界に集中しにくくなったためと考えられる。
また、本実施例の、ＪＴＥ領域におけるＡｌの最大濃度（ボックスプロファイルのピーク設定濃度）によれば、第２ＪＴＥ領域最外周位置での保護絶縁膜（図２に図示せず）の電界強度が２ＭＶ／ｃｍを超えないため、初期特性測定時に絶縁膜の破壊する問題が発生しなかった。
さらに、逆方向電圧を定格耐圧値の８０％に設定した状態で、１２５℃にて１０００時間保持した後、逆方向電圧を印加したまま、室温まで冷却して測定したところ、初期耐圧以下の電圧印加でショットキーダイオードが破壊する現象は全く見られなかった。これは第１ＪＴＥの最大濃度が高いために、界面電荷密度が７×１０12ｃｍ-2を超えるような過度な試験条件においても、耐圧が劣化しない構造となったためと考えられる。
なお、第１ＪＴＥ領域における最大Ａｌ濃度を４×１０17ｃｍ-3、第２ＪＴＥ領域における最大Ａｌ濃度を２×１０17ｃｍ-3とした場合、ショットキーダイオードの耐圧は理想耐圧の９０％を超えたものの逆方向電圧を定格耐圧値の８０％に設定した状態で、１２５℃にて１０００時間保持した後、逆方向電圧を印加したまま、室温まで冷却して測定したところ、初期耐圧以下の電圧印加でショットキーダイオードが破壊する現象が見られた。ＳｉＣを用いた半導体装置の場合、初期状態で絶縁膜／半導体界面に密度が１〜２×１０12ｃｍ-2程度の正電荷の存在することが知られているが、試験中に界面電荷量が正のさらに大きな値に向かって変動し、耐圧が低下したことが原因と推定される。本実施例のように、第１ＪＴＥ領域における最大Ａｌ濃度を６×１０17ｃｍ-3、第２ＪＴＥ領域における最大Ａｌ濃度を２×１０17ｃｍ-3とした場合には、上述のショットキーダイオードが破壊する現象は全く見られなかった。そこで，第２ＪＴＥ領域における最大Ａｌ濃度を２×１０17ｃｍ-3固定とし，第１ＪＴＥ領域における最大Ａｌ濃度を４．０×１０17ｃｍ-3から４×１０16ｃｍ-3ステップで増加させたところ，第１ＪＴＥ領域における最大Ａｌ濃度が４．４×１０17ｃｍ-3以上の時，上述のショットキーダイオード破壊現象は起こらなくなることが分かった。しかし，第１ＪＴＥ領域における最大Ａｌ濃度を８．４×１０17ｃｍ-3まで増加させると，初期耐圧自体が低下してしまうことが明らかとなった。したがって，半導体装置としてショットキーダイオードを信頼性よく実現するには、第１ＪＴＥの最大濃度の範囲は４．４×１０17ｃｍ-3以上８×１０17ｃｍ-3以下とすることが望ましい。
このように、本実施例によれば、ＳｉＣを用いたショットキーダイオード等の半導体装置の耐圧を向上できるとともに、半導体装置を信頼性よく実現できる効果がある。
図３に実施例２の半導体装置の平面図を、図４に断面図を示す。
実施例１との大きな相違点は、ガードリングとして用いていたｐ型半導体領域３の代わりに、ショットキー電極１０下部に離散的に、ショットキー電極１０周辺に環状に第１ＪＴＥを配置することで、ＪＢＳダイオードとした点である。なお、第１ＪＴＥおよび第２ＪＴＥの注入エネルギーは実施例１と同じとし、第１ＪＴＥの注入量を第１ＪＴＥ領域における最大Ａｌ濃度が４．４×１０17ｃｍ-3（図示せず），６×１０17ｃｍ-3（図５），８×１０17ｃｍ-3（図６）の３通り，第２ＪＴＥの注入量を第２ＪＴＥ領域における最大Ａｌ濃度が２×１０17ｃｍ-3（図５および図６）とした。
本実施例により作製したＪＢＳダイオードの耐圧は、第１ＪＴＥ領域における最大Ａｌ濃度が４．４×１０17ｃｍ-3の場合にダイオードサイズが無限大の場合の理想耐圧に対して６０％まで低下した。これは，実施例１におけるｐ型領域３を代替させるには，第１ＪＴＥ領域における最大Ａｌ濃度が４．４×１０17ｃｍ-3では低すぎたためと考えられる。一方，第１ＪＴＥ領域における最大Ａｌ濃度が６×１０17ｃｍ-3および８×１０17ｃｍ-3の場合にダイオードサイズが無限大の場合の理想耐圧に対して９０％を超えた。そして、第１ＪＴＥ領域における最大Ａｌ濃度が６×１０17ｃｍ-3および８×１０17ｃｍ-3の場合には，逆方向電圧を定格耐圧値の８０％に設定した状態で、１２５℃にて１０００時間保持した後、逆方向電圧を印加したまま、室温まで冷却して測定したところ、初期耐圧以下の電圧印加でＪＢＳダイオードが破壊する現象は全く見られなかった。したがって，半導体装置としてＪＢＳダイオードを信頼性よく実現するには、第１ＪＴＥの最大濃度の範囲は６×１０17ｃｍ-3以上８×１０17ｃｍ-3以下とすることが望ましい。
本実施例によれば、ＳｉＣを用いたＪＢＳダイオード等の半導体装置を信頼性よく実現できる効果に加え、実施例１でガードリングとして形成したｐ型半導体領域３の形成工程を省略でき、半導体装置の製造コストを低減できる効果もある。
以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
１ 半導体基板
２ ドリフト領域
３ ｐ型半導体領域
４ カソード電極
６ ＪＴＥ領域
７ 注入量の多い第１ＪＴＥ領域
８ 注入量の少ない第２ＪＴＥ領域
９ アバランシェ降伏位置の例
１０ ショットキー電極

Claims (3)

  1. ｎ型の導電型を有するドリフト領域上に主接合領域と前記主接合領域の周囲に隣接して形成されたｐ型のＪＴＥ領域を備えた半導体装置において、
    前記ＪＴＥ領域に、第１ＪＴＥ領域と、前記第１ＪＴＥ領域より不純物濃度が低い第２ＪＴＥ領域を有し、
    前記第１ＪＴＥ領域は、前記第２ＪＴＥ領域に挟み込まれるように設けられ、
    前記第１ＪＴＥ領域の接合深さは、前記第２ＪＴＥ領域の接合深さと同じになるように設けられるとともに、当該接合深さにおける前記第１ＪＴＥ領域の不純物濃度と前記第２ＪＴＥ領域の不純物濃度は同じとなるように設けられることを特徴とする半導体装置。
  2. 請求項１に記載の半導体装置において、
    前記第１ＪＴＥ領域と前記第２ＪＴＥ領域の接合深さにおける不純物濃度の差はゼロとなるようにすることを特徴する半導体装置。
  3. 請求項１に記載の半導体装置において、
    前記第２ＪＴＥ領域の幅と間隔の比が前記主接合領域からの距離に応じて小さいことを特徴とする半導体装置。
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