JP7118945B2

JP7118945B2 - ダイオード

Info

Publication number: JP7118945B2
Application number: JP2019221153A
Authority: JP
Inventors: 隆司鈴木; 達司永岡; 周平市川
Original assignee: Denso Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Denso Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2019-12-06
Filing date: 2019-12-06
Publication date: 2022-08-16
Anticipated expiration: 2039-12-06
Also published as: JP2021093385A

Description

本明細書は、ダイオードに関する。本明細書は、特に、半導体層の表面にトレンチを有するダイオードに関する技術を開示する。

特許文献１に、トレンチＭＯＳ型ショットキーバリアダイオードが開示されている。ショットキーバリアダイオードは、半導体基板と、エピタキシャル層と、ショットキーメタルと、電極メタルと、を備える。エピタキシャル層は、半導体基板の表面上に配置されている。エピタキシャル層の表面には、複数の内側トレンチが形成されている。終端部では、電極メタルと絶縁膜とがフィールドプレート構造を構成している。

特開２０１５－１５３７６９号公報

ショットキーバリアダイオードでは、誘導負荷（即ちＬ負荷）のスイッチングにおいて、オフ動作が実行される場合に、ショットキーバリアダイオードに逆方向電圧が印加され、電流（即ちアバランシェ電流）が流れる。電流は、終端部に配置される電極メタルの下方に集中しやすい。このため、上記のショットキーバリアダイオードでは、アバランシェ電流が集中しやすい終端部に配置される電極メタルの下方の耐圧が低いと、Ｌ負荷スイッチング時に破壊（即ちアバランシェ破壊）する場合がある。本明細書は、ダイオードにおいて、Ｌ負荷スイッチング時のアバランシェ破壊に対する耐性を向上させる技術を開示する。

本明細書に開示される技術は、ダイオードに関する。ダイオードは、半導体層と、前記半導体層の表面に配置される表面電極と、前記半導体層の表面から裏面に向かって延びており、前記表面に互いに間隔を有して並ぶ複数のトレンチと、前記複数のトレンチの内壁面を覆う絶縁膜と、前記トレンチに充填されるとともに、前記表面電極に接触する導電部と、前記半導体層の裏面に配置される裏面電極と、を備えていてもよい。前記複数のトレンチのうち、前ダイオードの終端側に配置される２個以上の端側トレンチの間隔は、前記複数のトレンチのうち、前記端側トレンチよりも前記ダイオードの中央側に配置される２個以上の中央側トレンチの間隔よりも小さくてもよい。

この構成によれば、ダイオードに逆方向電圧が印加されている場合において、中央側トレンチが配置されている領域の耐圧を、端側トレンチが配置されている領域の耐圧よりも低くすることができる。この結果、Ｌ負荷スイッチングのオフ動作実行時にダイオードに逆方向電圧が印加される場合、端側トレンチが配置されている領域よりも中央側トレンチが配置されている領域において電界強度が高くなり、中央側トレンチが配置されている領域で電流が流れやすくなる。この結果、電流がダイオードの終端部付近に集中することを緩和することができる。これにより、Ｌ負荷スイッチング時のアバランシェ破壊に対する耐性を向上させることができる。

前記表面電極は、金属電極であってもよい。前記表面電極と前記半導体層とは、ショットキー接触していてもよい。この構成によれば、ショットキーバリアダイオードにおいて、Ｌ負荷スイッチング時のアバランシェ破壊に対する耐性を向上させることができる。

前記複数のトレンチのうちの少なくとも一部のトレンチの前記裏面側端の前記半導体層の前記裏面側に位置する前記半導体層は、前記半導体層の他の部分よりも不純物濃度が低い低濃度領域を有していてもよい。この構成によれば、電界集中が発生するトレンチの裏面側端近傍の不純物濃度を低くすることによって、空乏層を広がり易くすることができる。これにより、逆方向電圧の印加時の耐圧を向上させることができる。

ダイオードは、前記複数のトレンチよりも前記半導体層の外周側において前記複数のトレンチを一巡しており、前記半導体層の前記表面から前記裏面に向かって延びる終端トレンチと、前記終端トレンチに充填される絶縁層と、をさらに備えていてもよい。前記表面電極と前記絶縁層とは、互いに接触することによって、フィールドプレート構造を構成していてもよい。この構成によれば、ダイオードの終端部に配置される絶縁層を終端トレンチに埋め込むことができる。これにより、ダイオードの表面を平坦化することができる。この結果、ダイオードが搭載される装置を小型化することができる。

前記２個以上の端側トレンチでは、前記半導体層の前記裏面側に位置する裏面側端部近傍における間隔が、前記半導体層の前記表面側に位置する表面端における間隔よりも小さくてもよい。ダイオードでは、逆方向電圧が印加されている間、トレンチ周辺に空乏層が発生する。隣り合う２個の端側トレンチでは、半導体層の裏面側に位置する裏面側端部近傍における間隔が比較的に小さい。このため、裏面側端部近傍では、隣り合う２個のトレンチのそれぞれから延びる空乏層が連結され得る。この結果、逆方向電圧の印加時の耐圧を向上させることができる。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

第１実施例のダイオードの平面図である。図１のII-II断面の断面図である。第２実施例のダイオードの平面図である。第２実施例の端側トレンチにおける裏面側の間隔に対する表面側の間隔の比と耐圧との関係を示すグラフである。

図１～図２を参照して第１実施例のダイオード１００を説明する。ダイオード１００は、トレンチＭＯＳ領域を有する縦型のショットキーダイオード、いわゆるトレンチＭＯＳ型ショットキーバリアダイオードである。

図２に示すように、ダイオード１００は、半導体層１２と、アノード電極３０と、カソード電極１０と、絶縁膜２１、３１と、絶縁層２２と、導電部３２と、を備える。半導体層１２は、基板１４と、基板１４の表面にエピタキシャル成長によって堆積されるエピタキシャル層１６と、を備える。

基板１４とエピタキシャル層１６とは、ｎ型不純物を含む酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）を材料としている。ｎ型不純物の例としては、シリコン（Ｓｉ）が挙げられる。基板１４の不純物濃度は、エピタキシャル層１６の不純物濃度よりも高い。基板１４の不純物濃度は、例えば５×１０^１８ｃｍ^－３であり、エピタキシャル層１６の不純物濃度は、例えば例えば２×１０^１６ｃｍ^－３である。

基板１４の裏面側（図２の下面側）には、カソード電極１０が配置されている。カソード電極１０は、基板１４とオーミック接触する金属（例えば、ニッケル（Ｎｉ）シリサイド、コバルト（Ｃｏ）シリサイド）で形成されている。

エピタキシャル層１６の表面（図２の上面）には、複数のトレンチ１８ａ、１８ｂが配置されている。なお、トレンチ１８ａ、１８ｂの本数は、これに限定されない。複数のトレンチ１８ａ、１８ｂは、エピタキシャル層１６の表面からエピタキシャル層１６を掘り下げることによって形成されている。複数のトレンチ１８ａ、１８ｂは、ドライエッチングによって形成される。

トレンチ１８ａ、１８ｂは、半導体層１２の表面から裏面側に向かって（図２の上側から下方に向かって）垂直に掘り下げられている。平面視で、複数のトレンチ１８ａ、１８ｂは、互いに平行に並んでいる。トレンチ１８ａ、１８ｂの幅は、一定である。トレンチ１８ａ、１８ｂは、端側トレンチ１８ａと、中央側トレンチ１８ｂと、に分類される。図１に示すように、端側トレンチ１８ａは、複数のトレンチ１８ａ、１８ｂのうち、ダイオード１００の端縁側に配置されているトレンチである。本実施例では、端側トレンチ１８ａは、複数のトレンチ１８ａ、１８ｂのうち、複数のトレンチ１８ａ、１８ｂの延伸方向（即ち図１の上下方向）に垂直な方向（即ち図１の左右方向）の両端のそれぞれに配置されている３個のトレンチである。なお、端側トレンチ１８ａの個数は、２個であってもよいし、４個以上であってもよい。隣り合う２個の端側トレンチ１８ａの間には、矩形状のメサ部１２ａが形成される。

一方、中央側トレンチ１８ｂは、複数のトレンチ１８ａ、１８ｂのうち、端側トレンチ１８ａ以外のトレンチであり、ダイオード１００の両端に配置された端側トレンチ１８ａの間に配置される複数のトレンチである。隣り合う２個の中央側トレンチ１８ｂの間には、矩形状のメサ部１２ｂが形成される。隣り合う端側トレンチ１８ａと中央側トレンチ１８ｂとの間には、メサ部１２ｂが形成される。中央側トレンチ１８ｂが配置されている領域を中央領域１００ｂと呼び、端側トレンチ１８ａが配置されている領域を端部領域１００ａと呼ぶ。中央領域１００ｂは、２個の端部領域１００ａの間に挟まれている。

複数のトレンチ１８ａ、１８ｂは、互いに同一形状を有する。隣り合う２個の中央側トレンチ１８ｂの間隔Ｗ１は、隣り合う２個の端側トレンチ１８ａの間隔Ｗ２よりも大きい。例えば、間隔Ｗ１は、間隔Ｗ２の２倍である。なお、複数の中央側トレンチ１８ｂでは、２個の中央側トレンチ１８ｂの間隔Ｗ１は、同一である。同様に、複数の端側トレンチ１８ａでは、２個の端側トレンチ１８ａの間隔Ｗ２は、同一である。なお、間隔Ｗ１は、メサ部１２ｂの幅ということができ、間隔Ｗ２は、メサ部１２ａの幅ということができる。

エピタキシャル層１６の表面には、複数のトレンチ１８ａ、１８ｂよりも、ダイオード１００の終端側に、終端トレンチ２０が配置されている。終端トレンチ２０は、半導体層１２の外周に沿って、複数のトレンチ１８ａ、１８ｂの外側を一巡して囲んでいる。終端トレンチ２０は、エピタキシャル層１６の表面からエピタキシャル層１６を掘り下げることによって形成されている。終端トレンチ２０は、トレンチ１８ａ、１８ｂと同様に、ドライエッチングによって形成される。

複数のトレンチ１８ａ、１８ｂ及び終端トレンチ２０のそれぞれの底面（即ち図１の下面）に接するエピタキシャル層１６には、ｎ型不純物濃度が周りよりも低い低濃度領域４０が配置されている。トレンチ１８ａ、１８ｂの下方に位置する低濃度領域４０は、トレンチ１８ａ、１８ｂの幅と同様以上の幅を有しており、終端トレンチ２０の下方に位置する低濃度領域４０は、終端トレンチ２０の幅と同様以上の幅を有している。低濃度領域４０の高さ（即ち図２の上下方向の長さ）は、例えば、中央側トレンチ１８ｂの間隔Ｗ１、即ち、メサ部１２ｂの幅の０．１倍～０．５倍である。低濃度領域４０は、エピタキシャル層１６にトレンチ１８ａ、１８ｂ、２０を形成後に、トレンチ１８ａ、１８ｂ、２０の底部のエピタキシャル層１６にイオン注入し、アニール処理を実行することによって形成される。イオン注入では、ｎ型不純物を含む酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）の半導体層１２に対して、マグネシウム（Ｍｇ）のイオンを注入するように、カウンタイオン注入が実行される。

複数のトレンチ１８ａ、１８ｂのそれぞれの底面及び側面には、絶縁膜３１が配置されている。同様に、終端トレンチ２０の底面及び側面には、絶縁膜２１が配置されている。絶縁膜２１、３１は、エピタキシャル層１６の表面に、例えば酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）等の絶縁材料を堆積させ、トレンチ１８ａ、１８ｂ及び終端トレンチ２０以外のエピタキシャル層１６の表面に堆積された酸化ハフニウムを、化学機械研磨によって除去することによって形成される。なお、絶縁膜２１、３１は、化学蒸着（即ちＣＶＤ（Chemical Vapor Depositionの略））によって、例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）と酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）との積層膜、あるいは、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）の積層膜であってもよい。

終端トレンチ２０には、絶縁膜２１を介して、絶縁層２２が充填されている。絶縁層２２は、絶縁膜２１、３１が堆積された後、終端トレンチ２０内のみに酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）をさらに堆積させることによって形成される。絶縁層２２の表面は、エピタキシャル層１６、即ち半導体層１２の表面と一致している。

複数のトレンチ１８ａ、１８ｂには、絶縁膜３１を介して、導電部３２が充填されている。導電部３２は、例えば、チタン（Ｔｉ）等の導電材料を、トレンチ１８ａ、１８ｂ、１８ｃに堆積することによって形成される。これにより、導電部３２は、絶縁膜３１を挟んで、エピタキシャル層１６、即ち、半導体層１２と対向して配置されている。

導電部３２の上端、即ち、複数のトレンチ１８ａ、１８ｂの上端には、アノード電極３０が配置されている。アノード電極３０は、半導体層１２の表面に平板上に形成されている。アノード電極３０は、複数のトレンチ１８ａ、１８ｂの上端において、導電部３２と接触している。アノード電極３０は、導電部３２と一体的に形成されている。即ち、アノード電極３０は、導電部３２に連続して導電材料を堆積することによって形成されている。アノード電極３０は、メタル電極であり、複数のトレンチ１８ａ、１８ｂ及び終端トレンチ２０との間に挟まれる半導体層１２、即ち、半導体層１２のメサ部１２ａ、１２ｂの表面において、半導体層１２とショットキー接触している。

メサ部１２ｂの幅は、メサ部１２ａの幅よりも大きい。このため、隣り合う２個の中央側トレンチ１８ｂの間の半導体層１２とアノード電極３０との接触面積は、隣り合う２個の端側トレンチ１８ａの間の半導体層１２とアノード電極３０との接触面積よりも大きい。また、メサ部１２ｂの個数は、メサ部１２ａの個数よりも多い。このため、中央領域１００ｂにおける半導体層１２とアノード電極３０との接触面積は、２個の端部領域１００ａにおける半導体層１２とアノード電極３０との接触面積よりも大きい。

アノード電極３０は、絶縁層２２の表面に接触することによって、フィールドプレート構造が構成されている。

ダイオード１００では、逆方向電圧が印加されている場合、トレンチ１８ａ、１８ｂの間隔が小さいほど、隣り合うトレンチ１８ａ、１８ｂの周辺に発生する空乏層が広がり易い。即ち、中央側トレンチ１８ｂの間隔よりも端側トレンチ１８ａの間隔の方が小さい。このため、端部領域１００ａの方が、中央領域１００ｂよりも空乏層が広がり易い。これにより、中央領域１００ｂの耐圧を、端部領域１００ａの耐圧よりも低くすることができる。この結果、Ｌ負荷スイッチングのオフ動作実行時にダイオード１００に逆方向電圧が印加される場合、端部領域１００ａよりも中央領域１００ｂにおいて電界強度が高くなり、中央領域１００ｂで電流が流れやすくなる。このため、電流がダイオード１００の端部領域１００ａ付近に集中することを緩和することができる。これにより、ダイオード１００において、Ｌ負荷スイッチング時のアバランシェ破壊に対する耐性を向上させることができる。

ダイオード１００では、複数のトレンチ１８ａ、１８ｂの下端近傍に、低濃度領域４０を配置することによって、逆方向電圧が印加されている間に、空乏層を広がり易くすることができる。これにより、逆方向電圧の印加時の耐圧を向上させることができる。

ダイオード１００では、絶縁層２２が終端トレンチ２０に埋め込まれている。これにより、フィールドプレート構造を配置するための絶縁層を、半導体層１２の表面上に配置せずに済む。これにより、ダイオード１００の表面を平坦化することができる。この結果、ダイオード１００の表面の凸形状を考慮せずに、ダイオード１００が搭載される装置を設計することができる。これにより、ダイオード１００を搭載する装置を小型化することができる。

（第２実施例）
図３を参照して、第２実施例のダイオード２００について、第１実施例のダイオード１００との相違点を説明する。なお、ダイオード１００と同様の構成ついては、同一の符号を付して、説明を省略する。ダイオード２００は、端側トレンチ１８ａに替えて、端側トレンチ２１８ａを備える。端側トレンチ２１８ａでは、半導体層１２の表面から裏面側に向かって（図３の上側から下方に向かって）、端側トレンチ２１８ａの側面が傾斜することによって、端側トレンチ２１８ａの幅が徐々に広がっている。この結果、隣り合う端側トレンチ２１８ａにおいて、半導体層１２の裏面側の端における間隔Ｗ_ｂは、半導体層１２の表面側の端における間隔Ｗ_ｔよりも小さい。また、隣り合う端側トレンチ２１８ａの間隔は、半導体層１２の表面側の端で最も大きい。なお、間隔Ｗ_ｂは、間隔Ｗ１に等しくてもよい。

端側トレンチ２１８ａには、絶縁膜３１と同様の絶縁膜２３１が配置される。端側トレンチ２１８ａに充填される導電部２３２は、端側トレンチ２１８ａの内側に充填されるように、断面が台形形状を有する。隣り合う２個の端側トレンチ２１８ａの間に配置されているメサ部２１２ａは、断面が台形形状の四角柱形状を有する。複数の端側トレンチ２１８ａの終端側に位置するメサ部２１２ｃは、隣接する端側トレンチ２１８ａと終端トレンチ２０の形状に沿った形状を有する。複数の端側トレンチ２１８ａの中央側に位置するメサ部２１２ｄは、隣接する端側トレンチ２１８ａと中央側トレンチ１８ｂの形状に沿った形状を有する。その他のダイオード２００の構成は、寸法の違いを除いてダイオード１００の構成と同様であるため、説明を省略する。

ダイオード２００によっても、ダイオード１００と同様の効果を奏する。また、ダイオード２００では、逆方向電圧が印加されている間、複数のトレンチ２１８ａ、１８ｂの底面及び側面に隣接する半導体層１２に空乏層が発生する。隣り合う２個の端側トレンチ２１８ａでは、半導体層１２の裏面側（図３の下端）において、間隔Ｗ_ｂが比較的に狭い。このため、隣り合う２個の端側トレンチ２１８ａのそれぞれから延びる空乏層が互いに連結される。この結果、逆方向電圧の印加時に、端側トレンチ２１８ａの下端部における空乏層の広がりによって、耐圧を向上させることができる。

図４は、間隔Ｗ_ｔ／間隔Ｗ_ｂと耐圧の高さとの関係を示すグラフである。図４は、ダイオード２００を用いて行ったシミュレーション結果を示す。なお、隣り合う中央側トレンチ１８ｂの間隔Ｗ１は、Ｗ_ｔと等しい。図４では、横軸が間隔Ｗ_ｔ／間隔Ｗ_ｂを表し、縦軸が耐圧を表す。シミュレーション結果では、ダイオード２００の間隔Ｗ_ｔ／間隔Ｗ_ｂの値が大きいほど、耐圧が高くなる。特に、間隔Ｗ_ｔ／間隔Ｗ_ｂが２以上、即ち、隣り合う端側トレンチ２１８ａの表面側端部の間隔Ｗ_ｔが、裏面側端部の間隔Ｗ_ｂの２倍以上である場合、間隔Ｗ_ｔ／間隔Ｗ_ｂが２未満の場合と比較して、耐圧が特に高い。

また、ダイオード２００において、隣り合う２個の端側トレンチ２１８ａでは、半導体層１２の表面側の端における間隔Ｗ_ｔは比較的に大きい。即ち、間隔Ｗ_ｂを小さくしつつ、ショットキー接触する部分の間隔Ｗ_ｔを小さくせずに済む。これにより、順方向電圧が印加されている場合のオン抵抗が高くなることを抑制することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

（１）上記の技術は、酸化ガリウム以外の例えばシリコンカーバイド（ＳｉＣ）等のワイドギャップ半導体にも適用可能である。また、ダイオード１００、２００は、ショットキーダイオード以外に、ＰＮダイオードにも適用可能である。

（２）上記した実施例では、低濃度領域４０は、終端トレンチ２０の下方にも配置されている。しかしながら、終端トレンチ２０の下方には、低濃度領域４０が配置されていなくてもよい。この場合、終端トレンチ２０の下方の半導体層１２は、その他の半導体層１２と同等の不純物濃度を有していてもよい。

（３）複数の中央側トレンチ１８ｂでは、２個の中央側トレンチ１８ｂの間隔Ｗ１は、他の２個の中央側トレンチ１８ｂの間隔Ｗ１と異なっていてもよい。同様に、複数の端側トレンチ１８ａでは、２個の端側トレンチ１８ａの間隔Ｗ２は、他の２個の端側トレンチ１８ａの間隔Ｗ２と異なっていてもよい。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：カソード電極、１２：半導体層、１２ａ、１２ｂ：メサ部、１４：基板、１６：エピタキシャル層、１８ａ：端側トレンチ、１８ｂ：中央側トレンチ、２０：終端トレンチ、２１、３１：絶縁膜、２２：絶縁層、３０：アノード電極、３２：導電部、４０：低濃度領域、１００：ダイオード、１００ａ：端部領域、１００ｂ：中央領域

Claims

半導体層と、
前記半導体層の表面に配置される表面電極と、
前記半導体層の表面から裏面に向かって延びており、前記表面に互いに間隔を有して並ぶ複数のトレンチと、
前記複数のトレンチの内壁面を覆う絶縁膜と、
前記トレンチに充填されるとともに、前記表面電極に接触する導電部と、
前記半導体層の裏面に配置される裏面電極と、を備えるダイオードであって、
前記複数のトレンチのうち、前記ダイオードの終端側に配置される２個以上の端側トレンチの間隔は、前記複数のトレンチのうち、前記端側トレンチよりも前記ダイオードの中央側に配置される２個以上の中央側トレンチの間隔よりも小さく、
前記複数のトレンチのうちの少なくとも一部のトレンチの前記裏面側端の前記裏面側に位置する前記半導体層は、前記半導体層の他の部分よりも不純物濃度が低い低濃度領域を有する、ダイオード。
半導体層と、
前記半導体層の表面に配置される表面電極と、
前記半導体層の表面から裏面に向かって延びており、前記表面に互いに間隔を有して並ぶ複数のトレンチと、
前記複数のトレンチの内壁面を覆う絶縁膜と、
前記トレンチに充填されるとともに、前記表面電極に接触する導電部と、
前記半導体層の裏面に配置される裏面電極と、を備えるダイオードであって、
前記複数のトレンチのうち、前記ダイオードの終端側に配置される２個以上の端側トレンチの間隔は、前記複数のトレンチのうち、前記端側トレンチよりも前記ダイオードの中央側に配置される２個以上の中央側トレンチの間隔よりも小さく、
前記複数のトレンチよりも前記半導体層の外周側において前記複数のトレンチを一巡しており、前記半導体層の前記表面から前記裏面に向かって延びる終端トレンチと、
前記終端トレンチに充填される絶縁層と、をさらに備え、
前記表面電極と前記絶縁層とは、互いに接触することによって、フィールドプレート構造を構成している、ダイオード。
前記表面電極は、金属電極であり、
前記表面電極と前記半導体層とは、ショットキー接触している、請求項１から２のいずれか一項に記載のダイオード。