JP6484304B2

JP6484304B2 - ショットキバリアダイオード

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Publication number: JP6484304B2
Application number: JP2017154643A
Authority: JP
Inventors: 義輝永井; 耕平 ▲槙▼田
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2017-08-09
Filing date: 2017-08-09
Publication date: 2019-03-13
Anticipated expiration: 2030-07-14
Also published as: JP2017201724A

Description

この発明は、ショットキバリアダイオードに関する。

ショットキバリアダイオードは、半導体層と、半導体層に接するショットキメタルとを含む。半導体層とショットキメタルとの界面にショットキバリアが形成される。特許文献１には、ショットキバリアダイオードの複数の構造例が開示されている。本願発明と対比すべき構造例は次のとおりである。第１の構造例（特許文献１の図１１(a)）は、プレーナ型と呼ばれているものであり、半導体層の平坦な表面上にショットキメタルが形成されている。第２の構造例（特許文献１の図１１(c)）は、トレンチ拡散型と呼ばれているものであり、半導体層内に間隔を開けて柱状の不純物拡散層が形成され、半導体層の表面上にショットキメタルが形成されている。不純物拡散層の領域外（トレンチ外）の半導体層表面とショットキメタルとの間にショットキ接合が形成される。第３の構造例（特許文献１の図２）は、トレンチＭＯＳ型と呼ばれているものであり、半導体層の表層部に間隔を開けて形成されたトレンチの内壁に酸化膜が形成され、その酸化膜に接するようにポリシリコンがトレンチ内に埋め込まれている。そして、ポリシリコンおよびトレンチ外の半導体層に接するようにショットキメタルが形成されている。トレンチ外の半導体層表面とショットキメタルとの界面がショットキ接合となる。

特許第３６９１７３６号公報

特許文献１に開示された構成は、いずれも、ショットキ接合面の面積が少なく、そのため、定格電流を大きくしたり、順方向電圧（ＶＦ）を低くしたりすることが困難であった。
より具体的には、プレーナ型のショットキバリアダイオードにおいて、大電流を流すためには、ショットキ接合面の面積を大きくする必要がある。しかし、そのためには、チップサイズが大きくなってしまうため、小型で定格電流の大きいショットキバリアダイオードを実現できない。プレーナ型のショットキバリアダイオードにおいて順方向電圧を低くしたい場合にもショットキ接合面の面積を大きくする必要があるから、同じ問題に直面する。

トレンチ拡散型およびトレンチＭＯＳ型のショットキバリアダイオードにおいては、トレンチ外の半導体層表面にショットキ接合面が形成されている。そのため、ショットキ接合面の面積を大きくするためには、プレーナ型のショットキバリアダイオードよりも、一層大きなチップサイズを必要とする。
そこで、この発明は、小さなチップサイズでもショットキ接合面の面積を大きくすることができるショットキバリアダイオードを提供する。

この発明のショットキバリアダイオードは、表面に複数の凹部を備えた第１の半導体層であって、前記表面に垂直な方向から見た第１方向視において前記複数の凹部を挟んで前記表面から前記第１の半導体層の内部に亘って形成されたガードリングを備えた第１の半導体層と、前記第１方向視において前記複数の凹部を挟んで前記第１の半導体層上に形成された第１の絶縁層と、前記複数の凹部の内外と前記第１の絶縁層とに跨って形成された第１の金属層と、前記第１の金属層上に形成された第２の金属層と、を備え、前記複数の凹部および前記ガードリングの各々の断面形状は、前記第１の半導体層の表面から当該各々の底に至るまで湾曲しており、前記第１の金属層の端部と前記第２の金属層の端部とは、前記第１の絶縁層上において面一に並んでいて、逆方向バイアス時には、隣接する前記凹部の間に形成されたメサ部の空乏層が当該メサ部の上面をカバーして当該メサ部外の領域まで広がることにより、前記凹部の底部付近の空乏層が厚くなり、かつ、前記メサ部内の空乏層の下面は、前記凹部の底部付近に位置するものの、前記凹部の底面よりも浅い位置にあり、前記メサ部内の空乏層は、前記凹部の底部付近の空乏層より厚い（請求項１）。前記ショットキバリアダイオードは、前記第１の半導体層の裏面側に接する第２の半導体層を備えてもよい（請求項２）。前記ショットキバリアダイオードは、前記第１の半導体層の裏面側に形成された第３の金属層を備えてもよい（請求項３）。前記第１方向視において、前記複数の凹部は直線状で並列に配置されていてもよい（請求項４）。

図１は、本発明の一実施形態に係るショットキバリアダイオードを一部破断して斜め上から示す模式的な斜視図である。図２は、図１に示すショットキバリアダイオードの模式的な断面図である。図３Ａは、ショットキバリアダイオードの模式的な要部断面図であって、順方向バイアスを印加している状態を示している。図３Ｂは、ショットキバリアダイオードの模式的な要部断面図であって、逆方向バイアスを印加している状態を示している。図４Ａは、第１の比較例に係るプレーナ型ダイオードの模式的な要部断面図であって、順方向バイアスを印加している状態を示している。図４Ｂは、プレーナ型ダイオードの模式的な要部断面図であって、逆方向バイアスを印加している状態を示している。図５Ａは、第２の比較例に係るトレンチＭＯＳ型ダイオードの模式的な要部断面図であって、順方向バイアスを印加している状態を示している。図５Ｂは、トレンチＭＯＳ型ダイオードの模式的な要部断面図であって、逆方向バイアスを印加している状態を示している。図６Ａは、第３の比較例に係るトレンチ拡散型ダイオードの模式的な要部断面図であって、順方向バイアスを印加している状態を示している。図６Ｂは、トレンチ拡散型ダイオードの模式的な要部断面図であって、逆方向バイアスを印加している状態を示している。図７Ａは、図１に示すショットキバリアダイオードの要部の模式的な断面図である。図７Ｂは、図７Ａにおいて、トレンチの幅を大きくした状態を示す。図７Ｃは、図７Ａにおいて、トレンチの間隔（ピッチ）を広げた状態を示す。図７Ｄは、図７Ａにおいて、トレンチの間隔を狭めた状態を示す。図８Ａは、第１の変形例に係るショットキバリアダイオードを斜め上から見た模式的な斜視図であって、一部を破断して示している。図８Ｂは、第２の変形例に係るショットキバリアダイオードを斜め上から見た模式的な斜視図であって、一部を破断して示している。図８Ｃは、第３の変形例に係るショットキバリアダイオードを斜め上から見た模式的な斜視図であって、一部を破断して示している。図８Ｄは、第４の変形例に係るショットキバリアダイオードを斜め上から見た模式的な斜視図であって、一部を破断して示している。図８Ｅは、第５の変形例に係るショットキバリアダイオードを斜め上から見た模式的な斜視図であって、一部を破断して示している。図８Ｆは、第６の変形例に係るショットキバリアダイオードを斜め上から見た模式的な斜視図であって、一部を破断して示している。

以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るショットキバリアダイオードを斜め上から見た模式的な斜視図であって、説明の便宜上、各部を異なる切断面で破断して示している。図２は、図１に示すショットキバリアダイオードを一平面で切断したときの模式的な断面図である。

本発明の一実施形態に係るショットキバリアダイオード１は、図１での姿勢を便宜的に基準姿勢とすると、たとえば、平面視四角形のチップ状に形成されている。平面視におけるショットキバリアダイオード１の四辺のそれぞれの長さは、たとえば、数ｍｍ程度である。
図１および図２に示すように、ショットキバリアダイオード１は、ｎ^＋型（たとえば、ｎ型不純物濃度が１×１０^１８〜１×１０^２１ｃｍ^−３）のシリコン基板２を備えている。シリコン基板２の裏面には、その全域を覆うようにカソード電極３が形成されている。カソード電極３は、ｎ型のシリコンとオーミック接触する金属（たとえば、Ａｕ、ニッケル（Ｎｉ）シリサイド、コバルト（Ｃｏ）シリサイドなど）からなる。

シリコン基板２の表面には、シリコン基板２よりも低濃度のｎ⁻型（たとえば、ｎ型不純物濃度が１×１０^１５〜１×１０^１７ｃｍ^−３）のエピタキシャル層４（半導体層）が積層されている。エピタキシャル層４の厚さは、たとえば、２μｍ〜２０μｍである。
エピタキシャル層４の表面には、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなるフィールド絶縁膜５が積層されている。フィールド絶縁膜５の厚さは、たとえば、１０００Å以上、好ましくは、７０００Å〜４００００Åである。なお、フィールド絶縁膜５は、窒化シリコン（ＳｉＮ）など、他の絶縁物からなっていてもよい。

フィールド絶縁膜５には、エピタキシャル層４の中央部を露出させる開口６（図２参照）が形成されている。エピタキシャル層４の中央部の表層部には、複数のトレンチ７が、エピタキシャル層４を表面から掘り下げることで形成されている。各トレンチ７は、所定方向に沿って延びる縦溝である。トレンチ７の底面は、エピタキシャル層４の表面に沿って平坦である。そのため、各トレンチ７の断面は、略矩形状である。この実施形態では、７つのトレンチ７が、所定の間隔を隔てて平行に延びている。そのため、これらのトレンチ７は、平面視でストライプ状に形成されている（図１参照）。たとえば、トレンチ７の一対の側壁面は、エピタキシャル層４の表面の法線方向（エピタキシャル４の厚さ方向）とほぼ平行であってもよい。この場合、エピタキシャル層４の中央部の表面積は、トレンチ７が形成されていない場合に比較して、トレンチ７の側壁面の分だけ大きくなっている。

エピタキシャル層４の表層部において、隣接するトレンチ７に挟まれた部分には、メサ部８が形成されている。トレンチ７が略矩形状の断面を有する場合、それに応じて、メサ部８は、略矩形状の断面を有する。各メサ部８は、隣接する一対のトレンチ７の底面の各一側縁から、たとえばほぼ垂直に立ち上がる一対の側壁面（トレンチ７の側壁面）と、それらの一対の側壁面間を結合する天面（エピタキシャル層４の表面）とを有している。

エピタキシャル層４上には、アノード電極９が形成されている。アノード電極９は、フィールド絶縁膜５の開口６内を埋め尽くし、フィールド絶縁膜５における開口６の周縁部１０を覆うように、当該開口６の外方へ張り出している。すなわち、フィールド絶縁膜５の周縁部１０は、エピタキシャル層４およびアノード電極９により、全周にわたってその上下両側から挟まれている。フィールド絶縁膜５の周縁部１０を覆うアノード電極９の、フィールド絶縁膜５の開口６端からのはみ出し量Ｘは、たとえば、１０μｍ以上、好ましくは、１０μｍ〜１００μｍである。

アノード電極９は、フィールド絶縁膜５の開口６内でエピタキシャル層４に接合されたショットキメタル１１と、このショットキメタル１１に積層されたコンタクトメタル１２とを含む多層構造（この実施形態では２層構造）を有している。
ショットキメタル１１は、ｎ型のシリコンとの接合によりショットキ接合を形成する金属（たとえば、チタン（Ｔｉ）やモリブデン（Ｍｏ）やパラジウム（Ｐｄ）など）からなる。本実施形態では、Ｔｉを用いている。ショットキメタル１１は、トレンチ７の内壁面（底面および一対の側壁面）を含むエピタキシャル層４の表面に接するように形成されている。そのため、ショットキメタル１１は、全てのトレンチ７の内壁面およびトレンチ７外においてエピタキシャル層４の表面に接している。また、ショットキメタル１１は、各トレンチ７の内壁面の全域を覆い、かつ、トレンチ７外にまで連続して延びている。つまり、ショットキメタル１１は、開口６から露出されているエピタキシャル層４の表面に対して、その全域を完全に覆うように接合されている。この実施形態では、ショットキメタル１１は、トレンチ７の底面に接する底面部１１ａと、トレンチ７の側壁面（メサ部８の側壁面）に接する側面部１１ｂと、メサ部８の天面に接する天面部１１ｃとを含む。

この場合、図２に示すように、ショットキメタル１１とエピタキシャル層４の表面との接合面（ショットキ接合面）Ｓは、開口６内の領域において、太線で示すように、凹凸状の断面を有するように形成されている。そのため、エピタキシャル層４の表面（図２において水平方向に延びている部分）をその法線方向に沿って見下した平面視におけるエピタキシャル層４の見かけ上の面積よりも、ショットキ接合面Ｓの面積が大きくなる。より具体的には、ショットキ接合面Ｓは、トレンチ７の底面に接する底面部Ｓ１と、トレンチ７の側壁面（メサ部８の側壁面）に接する側面部Ｓ２と、メサ部８の天面に接する天面部Ｓ３とを含む。トレンチ７が略矩形の断面を有する場合には、トレンチ７が形成されていない場合に比較して、側面部Ｓ２の分だけ、ショットキ接合面Ｓの面積を大きくできる。

エピタキシャル層４に接合されるショットキメタル１１は、エピタキシャル層４を構成するシリコン半導体との間に、たとえば、０．５２ｅＶ〜０．９ｅＶのショットキバリア（電位障壁）を形成する。また、ショットキメタル１１の厚さは、この実施形態では、たとえば、０．０２μｍ〜０．２μｍである。
コンタクトメタル１２は、アノード電極９において、ショットキバリアダイオード１の最表面に露出して、ボンディングワイヤなどが接合される部分である。コンタクトメタル１２は、たとえば、アルミニウム（Ａｌ）からなる。コンタクトメタル１２の厚さは、この実施形態では、ショットキメタル１１よりも大きく、たとえば、０．５μｍ〜５μｍである。コンタクトメタル１２は、各トレンチ７の内壁面を覆っているショットキメタル１１に接するように各トレンチ７に埋め込まれている。つまり、コンタクトメタル１２は、ショットキメタル１１の底面部１１ａ、一対の側面部１１ｂおよび天面部１１ｃに接している。そのため、コンタクトメタル１２は、各トレンチ７のショットキメタル１１に接する側において、凹凸状の断面を有するように形成されている。一方、コンタクトメタル１２においてショットキメタル１１に接する側とは反対側の表面は、エピタキシャル層４の表面（トレンチ７の内壁面を除く）に沿って平坦である。

ショットキメタル１１がＴｉからなる場合、ショットキメタル１１と、Ａｌからなるコンタクトメタル１２との間には、窒化チタン（ＴｉＮ）層が介在されているとよい。ＴｉＮ層は、ショットキメタル１１のＴｉとコンタクトメタル１２のＡｌとを接着させるとともに、ＴｉとＡｌとの間での導電性を確保し、さらに、ＴｉおよびＡｌの相互拡散を抑制するバリア層として機能する。このようなバリア層は、コンタクトメタル１２の材料がショットキメタル１１へと拡散することを抑制または防止することにより、ショットキ接合面Ｓを保護する。

ショットキバリアダイオード１の最表面には、表面保護膜（図示せず）が形成されていてもよい。その場合、表面保護膜の中央部には、コンタクトメタル１２を露出させる開口が形成されているとよい。ボンディングワイヤなどの外部接続部材は、この開口を介してコンタクトメタル１２に接合される。
エピタキシャル層４の表層部には、ショットキメタル１１に接するようにｐ型拡散層からなるガードリング１３が形成されている。ガードリング１３は、平面視において、フィールド絶縁膜５の開口６の内外に跨るように、開口６の輪郭に沿って形成されている。したがって、ガードリング１３は、開口６の内方へ張り出し、開口６内のショットキメタル１１の終端部である外縁部１４に接する内側部分１５と、開口６の外方へ張り出し、フィールド絶縁膜５の周縁部１０を挟んでアノード電極９（周縁部１０上のショットキメタル１１）に対向する外側部分１６とを有している。ガードリング１３のエピタキシャル層４の表面からの深さは、たとえば、０．５μｍ〜８μｍである。

開口６の内外に跨って形成されたガードリング１３は、フィールド絶縁膜５の周縁部１０とショットキメタル１１との境界部分をエピタキシャル層４側から覆っている。ガードリング１３が無いと、ショットキバリアダイオード１に逆バイアスが印加されたとき、境界部分に電界が集中し、リークが発生しやすくなる。この実施形態の構造では、前記境界部分をガードリング１３が覆っていることから、逆バイアス印加時にガードリング１３から広がる空乏層によって電界集中を緩和でき、それに応じてリークを抑制できる。これにより、ショットキバリアダイオード１の耐圧が向上する。

このショットキバリアダイオード１を作製するためには、まず、ｎ^＋型シリコン基板２上に、ｎ⁻型のシリコンからなるエピタキシャル層４を成長させる。ここで、ｎ型不純物としては、たとえば、Ｐ、Ａｓを用いることができる。
次いで、図示しないレジストパターンをマスクとする異方性のエッチングにより、トレンチ７が形成される。すなわち、レジストマスクは、エピタキシャル層４において開口６に位置する領域内に、たとえば、ストライプ状の開口パターンを有している。この開口パターン内において、エピタキシャル層４が表面から選択的に掘り下げられることにより、トレンチ７が形成される。

次いで、エピタキシャル層４の表層部においてトレンチ７が形成された領域より外側の領域に対して、選択的にｐ型不純物（たとえば、Ｂ）がイオン注入される。次いで、アニール処理することにより、ｐ型不純物が活性化され、ｐ型拡散層からなるガードリング１３がエピタキシャル層４中に形成される。
次いで、エピタキシャル層４上に、ＳｉＯ_２からなるフィールド絶縁膜５が形成される。

次いで、図示しないレジストパターンをマスクとしてフィールド絶縁膜５がエッチングされることにより、エピタキシャル層４の中央部およびガードリング１３の一部を露出させる開口６が形成される。
次いで、スパッタ法により、エピタキシャル層４およびフィールド絶縁膜５の表面にＴｉが堆積されてＴｉ層が形成される。このＴｉ層をフォトリソグラフィによってパターニングすることによって、ショットキメタル１１が形成される。ショットキメタル１１は、ガードリング１３に接し、かつ、開口６内のエピタキシャル層４の表面（各トレンチ７の内壁面を含む）の全域を覆うように形成される。

次いで、スパッタ法により、ショットキメタル１１の上にＡｌが堆積され、このＡｌ層をフォトリソグラフィによってパターニングすることによって、コンタクトメタル１２が形成される。
次いで、スパッタ法により、シリコン基板２の裏面に、カソード電極３が形成される。
以上により、ショットキバリアダイオード１が完成する。

図３Ａおよび図３Ｂは、ショットキバリアダイオードの模式的な要部断面図である。
ストライプ状に形成された断面略矩形のトレンチ７は、深さＤ、幅ＷおよびピッチＰによって規定される。深さＤは、エピタキシャル層４の表面（最表面）の法線方向におけるエピタキシャル層４の表面からトレンチ７の底面までの距離である。幅Ｗは、各トレンチ７の一対の対向する側壁面の対向間隔である。対向間隔とは、具体的には、トレンチ７の並び方向（トレンチ７の長手方向に直交し、エピタキシャル層４の主面に平行な方向）における当該一対の側壁面間の距離である。ピッチＰは、隣接するトレンチ７の中心の間隔である。ピッチＰは、トレンチ７の中心間の距離である。

次に、比較例に係るショットキバリアダイオードについて説明する。比較例に係るショットキバリアダイオードとして、プレーナ型ダイオード２１（第１の比較例）、トレンチＭＯＳ型ダイオード３１（第２の比較例）およびトレンチ拡散型ダイオード４１（第３の比較例）を説明する。
図４Ａおよび図４Ｂは、第１の比較例に係るプレーナ型ダイオードの模式的な要部断面図である。図５Ａおよび図５Ｂは、第２の比較例に係るトレンチＭＯＳ型ダイオードの模式的な要部断面図である。図６Ａおよび図６Ｂは、第３の比較例に係るトレンチ拡散型ダイオードの模式的な要部断面図である。

第１〜第３の比較例において、前述したショットキバリアダイオード１で説明した部分と対応する部分には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
図４Ａおよび図４Ｂに示すプレーナ型ダイオード２１では、エピタキシャル層４の表面において開口６（図２参照）から露出した部分には、トレンチ７等の凹部が形成されておらず、この部分は、全域にわたって平坦である。このように平坦なエピタキシャル層４の表面を覆うようにショットキメタル１１が形成されている。この場合、平面視におけるエピタキシャル層４の見かけ上の面積と、太線で示したショットキ接合面Ｓの面積とは実質的に等しい。

図５Ａおよび図５Ｂに示すトレンチＭＯＳ型ダイオード３１では、エピタキシャル層４の表層部に間隔を開けてトレンチ３２が形成されている。各トレンチ３２の内壁には、酸化膜３３が形成され、その酸化膜３３に接するようにポリシリコン３４がトレンチ３２内に埋め込まれている。そして、ポリシリコン３４およびトレンチ３２外のエピタキシャル層４の表面に接するようにショットキメタル１１が形成されている。この場合、ショットキ接合面Ｓは、太線で示すように、エピタキシャル層４の表面においてトレンチ３２外の部分である。そのため、ショットキ接合面Ｓの面積は、平面視におけるエピタキシャル層４の見かけ上の面積よりも小さい。

図６Ａおよび図６Ｂに示すトレンチ拡散型ダイオード４１では、エピタキシャル層４の表層部に間隔を開けて柱状の不純物拡散層４２が形成され、エピタキシャル層４の表面上にショットキメタル１１が形成されている。この場合、不純物拡散層４２とエピタキシャル層４との界面がｐｎ接合となっている。ショットキ接合面Ｓは、エピタキシャル層４の表面において不純物拡散層４２外の部分である。そのため、ショットキ接合面Ｓの面積は、平面視におけるエピタキシャル層４の見かけ上の面積よりも小さい。

平面視におけるエピタキシャル層４の見かけ上の面積を各ダイオードで一定とすると、ショットキ接合面Ｓの面積は、本発明の一実施形態のショットキバリアダイオード１が最も大きい。プレーナ型ダイオード２１（第１の比較例）のショットキ接合面Ｓの面積は、トレンチＭＯＳ型ダイオード３１（第２の比較例）およびトレンチ拡散型ダイオード４１（第３の比較例）のそれぞれのショットキ接合面Ｓの面積よりも大きい。

次に、アノード−カソード間に順方向または逆方向にバイアスを印加したときの各ダイオードの動作原理について説明する。一例として、順方向バイアスは、０．５Ｖであり、逆方向バイアスは、３０Ｖである。図３Ａ〜図６Ｂのそれぞれに図示された白抜きの矢印は、バイアスを印加したときの電流の流れを示している。
本発明の一実施形態に係るショットキバリアダイオード１に、順方向バイアスを印加したときの様子は、図３Ａに図解的に示されている。断面が凹凸状のショットキ接合面Ｓにおいて、エピタキシャル層４の表面（トレンチ７の内壁面を除く）、各トレンチ７の側壁面（底面以外の内壁面）部分および底面のそれぞれから、カソード電極３へ向かって順方向に電流が流れる。

プレーナ型ダイオード２１において順方向バイアスを印加すると、図４Ａに示すように、平坦なショットキ接合面Ｓからカソード電極３へ向かって電流が流れる。本発明の一実施形態に係るショットキバリアダイオード１は、プレーナ型ダイオード２１よりも、ショットキ接合面Ｓの面積が大きいので、順方向に電流を多く流せる（図３Ａ参照）。また、ショットキ接合面Ｓの面積が大きい分、ショットキバリアダイオード１では、順方向電圧を低くすることができる。

トレンチＭＯＳ型ダイオード３１に順方向バイアスを印加すると、図５Ａに示すように、トレンチ３２外に形成されているショットキ接合面Ｓから、カソード電極３へ向かって順方向に電流が流れる。プレーナ型ダイオード２１よりもトレンチＭＯＳ型ダイオード３１の方が、ショットキ接合面Ｓの面積が小さいので、順方向へ流せる電流が少ない。
トレンチ拡散型ダイオード４１に順方向バイアスを印加すると、図６Ａに示すように、不純物拡散層４２外に形成されているショットキ接合面Ｓから、カソード電極３へ向かって順方向に電流が流れる。プレーナ型ダイオード２１よりもトレンチ拡散型ダイオード４１の方が、ショットキ接合面Ｓの面積が小さいので、順方向へ流せる電流が少ない。なお、トレンチＭＯＳ型ダイオード３１とは異なり、トレンチ拡散型ダイオード４１では、不純物拡散層４２の底面から若干量の電流がカソード電極３へ向かって流れる。

次に、各ダイオードに逆方向バイアスを印加する場合について説明する。
図３Ｂ、図４Ｂ、図５Ｂおよび図６Ｂに示すように、各ダイオードでは、エピタキシャル層４の表層部に、ショットキ接合面Ｓから空乏層５０が広がる。空乏層５０の境界は、破線で示されている。
本発明の一実施形態に係るショットキバリアダイオード１の場合、図３Ｂに示すように、空乏層５０は、凹凸状のショットキ接合面Ｓに従ってショットキ接合面Ｓから凹凸状に広がる。空乏層５０は、トレンチ７の間のメサ部８では厚く、トレンチ７の底部付近では薄くなっている。図３Ｂの例では、メサ部８の空乏層５０はメサ部８内の領域に収まっており、トレンチ７の底部付近の空乏層５０に対してほとんど影響を及ぼしていない。逆方向バイアスを印加したときにリーク電流が生じるとすれば、リーク電流は、各トレンチ７の底部付近の薄い空乏層５０を通ってアノード電極９側へ流れる。つまり、リーク電流特性は、トレンチ７の底部付近の空乏層５０の厚さに依存する。トレンチ７の底部における空乏層５０の厚さは、トレンチ７の寸法（幅Ｗ、深さＤおよびピッチＰ）を変化させることによって調整できる。これにより、次に説明するプレーナ型ダイオード２１程度のリーク電流特性を実現できる。

プレーナ型ダイオード２１の場合、図４Ｂに示すように、空乏層５０は、平坦なショットキ接合面Ｓに沿っており、その厚みはほぼ均一である。したがって、逆方向バイアスを印加したときにリーク電流が生じるとすれば、リーク電流は、空乏層５０の全域をほぼ均一に通ってアノード電極９側へ流れる。
トレンチＭＯＳ型ダイオード３１の場合、図５Ｂに示すように、空乏層５０は、各トレンチ３２から広がって、各トレンチ３２を取り囲む。したがって、逆方向バイアスを印加したときにリーク電流が生じるとすれば、リーク電流は、隣接するトレンチ３２から広がる空乏層５０の間の狭窄された領域を通ってアノード電極９側へ流れる。

トレンチ拡散型ダイオード４１の場合、図６Ｂに示すように、空乏層５０は、各不純物拡散層４２から広がり、各不純物拡散層４２を取り囲む。したがって、逆方向バイアスを印加したときにリーク電流が生じるとすれば、リーク電流は、隣接する不純物拡散層４２から広がる空乏層５０の間の狭窄された領域を通ってアノード電極９側へ流れる。
トレンチＭＯＳ型ダイオード３１およびトレンチ拡散型ダイオード４１では、隣接するトレンチ３２から広がる空乏層５０、または隣接する不純物拡散層４２から広がる空乏層５０によって、逆バイアス時の電流経路が狭窄される。そのため、リーク電流を少なくすることができる。

このように、本発明の一実施形態に係るショットキバリアダイオード１では、プレーナ型ダイオード２１、トレンチＭＯＳ型ダイオード３１およびトレンチ拡散型ダイオード４１のいずれよりも大きな順方向電流（低い順方向電圧）を実現でき、かつ、プレーナ型ダイオード２１と同程度の逆方向特性（リーク電流特性）を実現できる。
図７Ａは、図１に示すショットキバリアダイオードの要部の模式的な断面図である。図７Ｂは、図７Ａにおいて、トレンチの幅Ｗを大きくした状態を示す。図７Ｃは、図７Ａにおいて、トレンチの間隔（ピッチＰ）を広げた状態を示す。図７Ｄは、図７Ａにおいて、トレンチの間隔を狭めた状態を示す。

図７Ａにおけるトレンチ７の寸法を基準として、図７Ｂに示すように、深さＤおよびピッチＰが一定のまま、幅Ｗだけを大きくする。これにより、空乏層５０全体に占める、トレンチ７の底部付近の薄い空乏層５０の割合が高くなる。この場合、トレンチ７の底面の面積が大きいので、順方向バイアス時により大きな電流を流したり、より順方向電圧を低くしたりすることができる。しかし、幅Ｗがあまり大きいと、逆方向バイアスのリーク電流が多くなるおそれがある。

次に、図７Ａにおけるトレンチ７の寸法を基準として、図７Ｃに示すように、深さＤおよび幅Ｗが一定のまま、メサ部８の幅だけを大きくする。この場合、各メサ部８において空乏層５０が薄くなる。したがって、逆方向バイアス時には、トレンチ７の底部付近だけでなく、各メサ部８においてもリーク電流が流れるおそれがあるから、図７Ａの場合よりも、リーク電流が増えてしまうおそれがある。

一方、図７Ａにおけるトレンチ７の寸法を基準として、図７Ｄに示すように、深さＤおよび幅Ｗが一定のまま、メサ部８の幅だけを小さくする。すると、各メサ部８の空乏層５０が、メサ部８内の領域を満たし、さらにメサ部８よりもカソード電極３側の領域まで広がる。これにより、メサ部８の空乏層５０がトレンチ７の底部付近の空乏層に影響を及ぼす。すなわち、トレンチ７の底部付近の空乏層５０が厚くなる。そのため、逆方向バイアス時のリーク電流は、トレンチ７の底部付近の空乏層５０に阻まれるので、少なくなる。

また、図７Ｄでは、幅Ｗが一定のまま、メサ部８の幅だけを小さくすることによって、トレンチ７の数が増えるので、トレンチ７の幅Ｗを広げる場合と同様に、トレンチ７の底面積の総和を大きくできる。これにより、順方向バイアス時により大きな電流を流すことができ、順方向電圧をより低くできる。
つまり、深さＤおよび幅Ｗが最適値にある状態でメサ部８の幅を小さくすれば、順方向バイアス時において大きな電流を流したり、順方向電圧を低くしたりしつつ、逆方向バイアス時におけるリーク電流の低減を図ることができる。

この場合、具体的には、メサ部８の幅は、０．２μｍ〜１．０μｍであることが好ましい。深さＤは、０．１μｍ〜１．０μｍであることが好ましく、０．５μｍ〜０．６μｍであるとさらに好ましい。よって、深さＤに対するメサ部８の幅の比（メサ部８の幅を深さＤで割った値）は、０．２（＝０．２／１．０）以上１０（＝１．０／０．１）以下の範囲であることが好ましく、０．３３（＝０．２／０．６）以上２（＝１．０／０．５）以下であることがさらに好ましい。また、幅Ｗは、０．５μｍ程度であることが好ましい。

以上のように、このショットキバリアダイオード１では、エピタキシャル層４の表層部に複数のトレンチ７が形成されており、そのトレンチ７の内壁面を含むエピタキシャル層４の表面にショットキメタル１１が接している。そのため、エピタキシャル層４の表面をその法線方向に沿って見下した平面視におけるエピタキシャル層４の表面の見かけ上の面積よりもショットキ接合面Ｓの面積を大きくすることができる。すなわち、トレンチ７の内壁面およびトレンチ７外のエピタキシャル層４の表面（メサ部８の表面）にショットキ接合面Ｓを形成することができる。これらの面積の合計は、平面視におけるエピタキシャル層４の見かけ上の面積よりも大きい。これにより、小チップサイズであっても、大面積のショットキ接合面Ｓを有するショットキバリアダイオード１が実現される。その結果、定格電流の大きなショットキバリアダイオード１や、順方向電圧の低いショットキバリアダイオード１を、小型のチップサイズで実現できる。

また、ショットキ接合面Ｓから広がる空乏層５０は、隣接するトレンチ７間に形成されたメサ部８付近では厚く、トレンチ７底部付近では薄くなる。メサ部８付近の厚い空乏層５０は、逆方向バイアス印加時のリーク電流の低減に寄与する。
図７Ｃに示すように、トレンチ７間のメサ部８の幅が広いと、メサ部８の空乏層５０は、メサ部８内の領域に収まる。このとき、トレンチ７底部付近の空乏層５０が薄くなるから、トレンチ７底部付近では、逆方向バイアス時のリーク電流が多くなるおそれがある。さらに、ショットキ接合面Ｓの面積の増加も少ないため、順方向電圧の低減量が少ない。

一方、図７Ｄに示すように、トレンチ７間のメサ部８の幅が狭いと、メサ部８の空乏層５０がメサ部８外の領域まで広がるので、トレンチ７底部付近の空乏層５０が厚くなる。これにより、逆方向バイアス時のリーク電流を抑制できる反面、メサ部８の直列抵抗が大きくなるから、電流増加および順方向電圧低減の効果が減少する。そこで、メサ部８の幅を、前述した０．２μｍ〜１．０μｍの範囲とすることによって、トレンチ７底部付近の空乏層５０の厚さを適切な値とすることができる。具体的には、同チップサイズのプレーナ型（ショットキバリア）ダイオード２１（図４Ａおよび図４Ｂ参照）よりも大きな電流を流すことができ、順方向電圧を低くすることができ、かつ逆方向リーク電流を同程度に抑制できる。また、トレンチ７において、底面だけでなく、底面以外の内壁面の底部付近からも電流が流れるので、この内壁面を極力大きく確保すれば、より大きな電流を流して順方向電圧を低くできる。そのために、トレンチ７間のピッチＰを狭くしてトレンチ７の数を増やすとよい。

また、トレンチ７が深いとメサ部８の空乏層５０は容易にはメサ部８を満たさないから、トレンチ７底部の空乏層５０が薄くなる。トレンチ７が浅いとメサ部８の空乏層５０は容易にメサ部８を満たしてメサ部８外の領域に広がるから、トレンチ７底部の空乏層５０が厚くなる。そこで、トレンチ７の深さＤを、前述した０．１μｍ〜１．０μｍの範囲とすることによって、トレンチ７底部付近の空乏層５０の厚さを適切な値とすることができる。具体的には、同チップサイズのプレーナ型ダイオード２１（図４Ａおよび図４Ｂ参照）よりも大きな電流を流すことができ、順方向電圧を低くすることができ、かつ逆方向リーク電流を同程度に抑制できる。

また、この実施形態では、複数のトレンチ７がストライプ状に形成されている（図１参照）。トレンチ７をストライプ状に形成すると、その製造過程において、トレンチ７のピッチＰおよび幅Ｗ（図３Ａ参照）を正確に制御することができる。これにより、設計どおりのデバイス特性を得やすくなる。
図８Ａ〜図８Ｆは、第１〜第６の変形例に係るショットキバリアダイオードを斜め上から見た模式的な斜視図であって、一部の構成を破断して示している。図８Ａ〜図８Ｆでは、図１と同様に、説明の便宜上、各部の切断面をずらして示している。

図８Ａでは、トレンチ７が直交する二方向のそれぞれに沿って形成されている。すなわち、トレンチ７は、平面視で格子状となるように形成されている。この場合、エピタキシャル層４の表層部に形成されるトレンチ７の内壁面の総面積が増えるので、ショットキ接合面Ｓの面積を一層大きくすることができる。
図８Ｂでは、ストライプ状に形成されたトレンチ７の断面が、底へ向かって細くなる略逆三角形状に形成されている。この構成でも、ショットキ接合面Ｓの面積が、エピタキシャル層４の平面視における見かけ上の面積よりも大きくなる。

図８Ｃでは、ストライプ状に形成されたトレンチ７の断面が、底へ向かって円弧状に窪んだ半円形状に形成されている。この構成でも、ショットキ接合面Ｓの面積が、エピタキシャル層４の平面視における見かけ上の面積よりも大きくなる。さらに、図８Ｃの構成を図８Ａの構成に倣って変形し、断面円弧状のトレンチ７を格子状に形成してもよい。
図８Ｄでは、略逆三角形状の断面を有するトレンチ７が平面視で格子状となるように形成されている。そして、隣り合うトレンチ７は、連続している。この構成でも、ショットキ接合面Ｓの面積が、エピタキシャル層４の平面視における見かけ上の面積よりも大きくなる。なお、断面逆三角形状のトレンチ７を縦横に間隔を開けて格子状に形成してもよい。

図８Ｅでは、部分球面状のトレンチ７が縦横に連続して形成されている。この構成でも、ショットキ接合面Ｓの面積が、エピタキシャル層４の平面視における見かけ上の面積よりも大きくなる。
図８Ｆでは、エピタキシャル層４の表面から略半球状に窪む複数のトレンチ７が、エピタキシャル層４の表面において所定の間隔を隔てて形成されている。図８Ｆで示すトレンチ７は、二次元的に離散配置された穴形状に形成されている。この構成でも、ショットキ接合面Ｓの面積が、エピタキシャル層４の平面視における見かけ上の面積よりも大きくなる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１ショットキバリアダイオード
４エピタキシャル層
７トレンチ
８メサ部
１１ショットキメタル
Ｄ深さ

Claims

表面に複数の凹部を備えた第１の半導体層であって、前記表面に垂直な方向から見た第１方向視において前記複数の凹部を挟んで前記表面から前記第１の半導体層の内部に亘って形成されたガードリングを備えた第１の半導体層と、
前記第１方向視において前記複数の凹部を挟んで前記第１の半導体層上に形成された第１の絶縁層と、
前記複数の凹部の内外と前記第１の絶縁層とに跨って形成された第１の金属層と、
前記第１の金属層上に形成された第２の金属層と、
を備え、
前記複数の凹部および前記ガードリングの各々の断面形状は、前記第１の半導体層の表面から当該各々の底に至るまで湾曲しており、
前記第１の金属層の端部と前記第２の金属層の端部とは、前記第１の絶縁層上において面一に並んでいて、
逆方向バイアス時には、隣接する前記凹部の間に形成されたメサ部の空乏層が当該メサ部の上面をカバーして当該メサ部外の領域まで広がることにより、前記凹部の底部付近の空乏層が厚くなり、かつ、前記メサ部内の空乏層の下面は、前記凹部の底部付近に位置するものの、前記凹部の底面よりも浅い位置にあり、前記メサ部内の空乏層は、前記凹部の底部付近の空乏層より厚い、ショットキバリアダイオード。
前記第１の半導体層の裏面側に接する第２の半導体層を備える、請求項１に記載のショットキバリアダイオード。
前記第１の半導体層の裏面側に形成された第３の金属層を備える、請求項１または２に記載のショットキバリアダイオード。
前記第１方向視において、前記複数の凹部は直線状で並列に配置されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載のショットキバリアダイオード。