JPH03185870A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野〉 本発明は、例えばスイッチングレギュレータ方式の電源
回路に使用される二次側整流素子等の半導体装置に関す
るもので、特にショットキーバリアダイオード等の周辺
に設けられるガードリング構造に使用されるものである
。

（従来の技術） ショットキーバリアダイオード、或いはプレーナ型のＰ
Ｎ接合ダイオードやトランジスタ等において、基板主面
に露出する接合近傍の耐圧を改善するため、一般にフィ
ールドプレート法、ガードリング法或いはフィールドプ
レートとガードリングの併用法が使用されている。

第７図は、上記従来の耐圧改善方法の概要を説明するた
め、ＰＮ接合を例とした要部断面図である。　同図にお
いて、Ｎ−型層１の一主面から拡散によりＰ型層２が形
成される。　両層によるＰＮ−接合部（主接合部と呼ぶ
）３は、平坦部分３ａと曲り部分３ｂとから成る。　主
接合部３に逆電圧を印加すると空乏層が形成され、主と
してＮ−型層１の領域に拡がる。　空乏層中の電界は、
平坦部分３ａではほぼ一様であるが、接合の曲り部分３
ｂでは空乏層も湾曲し、電界集中が生じ、平坦部に比し
耐圧低下を生ずる。

同図（ａ）は、この耐圧低下を軽減するため、フィール
ドプレート法を用いた場合の断面図である。　この方法
は、絶縁膜４を挟んで主接合部３上部を覆うように電４
Ｆ！膜＜ＡＩ）５を張り出させたものである。　この張
り出し部分５ａは、フィールドプレートと呼ばれる。　
逆バイアス時、このフィールドプレート５ａ直下のＮ−
型層ｌの表面に空乏層か形成され、この空乏層は前記主
接合部３の空乏層と併合され、接合の曲り部分３ｂの空
乏層形状をなだらかなものとする。　即ち主接合部３に
かかる逆電圧の一部を絶縁膜に分割して負担させ、接合
湾曲部の耐圧改善を計るものである。

この効果は、絶縁１］！４を薄くすれば増大するが、薄
くしすぎると、張り出した電極の端に電界の集中が生じ
、耐圧の低下が生じる。　又厚ずぎると、主接合部の湾
曲部の電界集中を緩和できず、耐圧が上がらない、　そ
のため、耐圧の向上は、平坦接合耐圧の５０％程度に限
界がある。

同図（ｂ）は、ガードリング法を示すもので、この方法
は主接合部３の外聞に、適当な間を隔てて、Ｐ型層６を
設け、主接合部３と隔てて剛接合部７をリング状に形成
し、主接合部３の周辺にかかる逆電圧の一部を剛接合部
７に分割して負担させるものである。

このガードリング法では、剛接合部７を拡散で形成する
ため、剛接合部の大きさは、ある一定より小さくできな
い、　そのため、剛接合部の面積が、ある程度必要であ
る。　又剛接合部を拡散で形成するため、主接合部と剛
接合部との間隔をある一定以上、狭くは形成できない、
　このガードリング法は、フィールドプレート法より耐
圧は向上するが、上記のように主接合部外の部分が大き
くなる。　耐圧の向上は、平坦接合耐圧の８０％程度が
限界である。

同図（ｃ）はフィールドプレート法とガードリング法と
を併用したもので、耐圧の向上は最もすぐれている。　
しかし主接合部外の部分が、前記ガードリング法と同様
に大きい、　耐圧の向上は、実用ベースで、平坦接合耐
圧の８０％程度が可能である。

次にショットキーバリアダイオード（以下ＳＢＤと略記
することあり）のショットキー接合端の耐圧改善の従来
例について第８図を参照して説明する。　Ｎ４型基板１
０上にＮ−型層１１を形成する。　電極膜１５とＮ−型
層１１とは、ショットキー接合を形成している。　同図
（ａ）は、ＳＢＤにフィールドプレート法を適用して耐
圧改善を計ったものである。　ＳＢＤの場合は、ＰＮ接
合とは違い、ショットキー接合が深さを持たないため、
接合の端での電界の集中が激しい、　そのため電界の集
中を緩和しやすくするため、絶縁膜１４にテーパー１４
８を形成するのが普通であるが、耐圧は得られにくい、
　ＳＢＤは主として４０Ｖ以下で使用されるがテーパー
１４８の形成が難しく、安定して耐圧が得られないので
、−殻内でない。

同図＜ｂ＞は、ＳＢＤにフィールドグレートガードリン
グ法を適用した場合で、広く一般的に使用されている。

　リング状のＰ４４重１２は電極ｒ！Ａ１５とＮ−型層
１１との界面のショットキー接合を取り囲み、ガードリ
ングとしての機能を持つている。　又絶縁膜１４を介し
てＮ−型層１１に対向する電ｉＭ部分１５ａは、フィー
ルドプレートとしての機能を持っている。　Ｐ＋型層１
２と電［４１５はオーム接触をしている。　Ｐ”型層１
２が存在するため、ショットキー接合端の耐圧は向上す
るが、電流密度が大きい領域では、Ｐ＋型層１２から少
数キャリアがＮ−型層１１に注入され、逆回復時間Ｔｒ
、の増大を招くおそれがある。

又ＰＮ接合を利用するので、Ｐ４４重１２の形成のため
、一定の大きさの面積を必要とする。

同図（ｃ）は、リング状のＰ＋型層１２の外聞を囲んで
更に、Ｐ＋型層１２ａを設けた多重ガードリング法と呼
ばれるものである。　耐圧改善の効果はすぐれているが
、同図（ｂ）の１重の場合と同様逆回復時間Ｔ□の増大
と、必要面積の増加という課題は未解決である。

第９図（ａ）は、上記のＳＢＤの順方向の電圧−電流特
性図で、横軸は順電圧■「、縦軸は順電流ＩＦを表わす
、　実線で示す曲線ａは、ＳＢＤにＰ＋型層のガードリ
ングを設けた場合（第８図（ｂ））、波線で示す曲線す
は、ガードリングを設けない場合、又１点鎖線で示す曲
線Ｃは、ガードリングを設けないで、Ｎ−型層の厚みを
ガードリングの深さだけ薄くした場合のそれぞれのＶ。

−ＩＦ特性を示す、　曲線ａにおいて、順電圧Ｖ、が電
圧Ｖ１を越えると、順電流ＩＦの増加が著しくなるが、
これはガードリングのＰ１型層から少数キャリア（正孔
）がＮ−型層に注入されるためと思われる。

同図（ｂ）は、逆回復時間特性を示す、′ＭＩＩ軸は順
電流ＩＦ、縦軸は逆回復時間Ｔ１．を表わず。

又曲ｉ１ａ　、　ｂ　、　ｃは、同図（ａ）の曲線ａ、
　ｂ　。

Ｃのそれぞれの場合に対応する。　曲線ａにおいて、順
電流ＩＦが、電流■、を越えるとＴｒｒの増加が大きく
なる。　これは順電流キャリアに少数キャリアの正孔が
参入し、単一導電型のＳＢＤに比し１ｉｉ積キヤリアの
消滅時間を長くするものと推定される。

（発明が解決しようとする課題〉 ＳＢＤやＰＮ接合ダイオード等の耐圧向上のため、フィ
ールドプレート法、ガードリング法及び両者の併用法が
使用されている。　このうち耐圧向上に最もすぐれてい
るフィールドプレートとガードリングとを併用する従来
技術には、前述のように次のような課題がある。　即ち
ＰＮ接合型のガードリング構造のため、主接合部外の所
要領域が大きくなり、基板の有効面積が減少する。　又
ＰＮ−接合のガードリングを形成する工程が追加され、
ＳＢＤに対しては特に製造工程が長くなる。

又ＳＢＤの場合には、電流密度が一定値を越えると逆回
復特性の劣化が見られる。　又Ｎ−層が厚くなるため、
その分での電圧損失が発生する。

本発明の目的は、ＳＢＤ半導体装置の耐圧向上の従来技
術における上記課題を解決し、ガードリング部の微細化
による基板有効面積の向上と、ガードリング形成工程の
簡略化とが得られると共に、逆回復特性の改善ができ、
半導体層での電圧損失を小さくできる構造の半導体装置
を提供することである。

［発明の楕ｔｊ、］ 〈課題を解決するための手段） 本発明は、ＰＮ接合を利用した従来のガードリングに代
えて、ショットキー障壁を利用したガードリングを使用
し、前記課題を解決したものである。

即ち本発明の半導体装置は半導体基板の一主面に接して
形成された第１の導電パターンと、　該第１専電パター
ンを囲むように形成された１つ又は複数の環状の第２の
導電パターンとを有し、該第２導電パターンが前記半導
体基板の一主面とショットキー接触をすると共に第１導
電パターン及び第２導電パターンのそれぞれが絶縁物又
は抵抗材料を介して隔てられていることを　特徴とする
ものである。

上記半導体装置は、第１導電パターンが前記半導体基板
の一主面とショットキーコンタクトにより接続されてい
るショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）である場合
が、最も望ましい実施態様である。

（作用） 従来のＰＮ接合型ガードリング構造は、Ｐ型半導体と、
Ｎ型半導体との接触の除土じる接触電位を利用するもの
である。　−古本発明のガードリング構造は半導体と金
属との接触により生じる接触電位を利用するものである
。

上記本発明のショットキーバリアを利用したガードリン
グの作用について、ＳＢＤを例に取り、図面を参照して
説明する。

第３図は、ＳＢＤにおけるガードリング領域を含む主を
極周辺の電荷分布及び空乏層の形状を示す断面図で、符
号２１はＮ型半導体基板、符号２２は基板２１とショッ
トキー接触をする第１導電パターン（アノード電極膜）
、符号２３は、第１導電パターン２２を囲むように形成
された環状の第２導電パターンである。　第２専電パタ
ーン２３は、基板２１とショットキー接触をすると共に
第１導電パターン２２と絶縁物２４により絶縁されてい
る。　図中のＯ又はＯ印はそれぞれ正又は負の電荷を模
式的に表わし、破線で示す曲線は空乏層（空間電荷領域
）の境界を示す、　又第４図は、第３図に示す半導体領
域における電位分布を示すもので、破線で示す曲線はそ
れぞれ等電位線を表わす、　又Ａ領域は、第１導電パタ
ーンを含む領域で、ここが素子としての導電部となる。

Ｂ領域は、第２導電パターンを含み、ガードリング部で
ある。

第３図及び第４図の＜ａ）は、逆電圧ＶＲ＝Ｏ［Ｖ］の
時の電荷分布と電位分布を示す、　逆電圧０　［■］の
時とは、図示してないが、Ｎ型基板２１の下方の主面に
オーム接触をする第３導電パターン（カソード電極膜）
と第１導電パターンとを電気的に短絡した状態である。

　この時の電荷分布と電位分布は、半導体と金属との接
触の除土じる接触電位によるものである。

次に第３図及び第４図の（ｂ）は、上記第３導電パター
ンと第１導電パターンとの間に、比較的低い逆電圧（第
３電極パターン正、第１電極パターン負＞　Ｖｔｌ　−
Ｌ、　［ｖ］を印加した場合を示す。

逆電圧Ｌ　［Ｖ］により、Ａ領域の空乏層は拡がり、そ
れと共に電位分布も変化する。　第２導電パターン２３
は第１導電パターン２２と絶縁され、且つＡ領域の空乏
層とＢ領域の空乏層とは、Ｌ［Ｖ］が小さいので結合し
ない、　このためＢ領域の空乏層〈電荷分布）及び電位
分布は、第３図及び第４図の（ａ）の場合にほぼ等しく
、変化しない、　この状態では、Ａ領域の端部に電界が
集中する。　しかしＬ　［Ｖ］が小さいので耐圧破壊は
ない。

次に第３図及び第４図の（ｃ）は、Ａ領域に比較的高い
逆電圧Ｖ、＝Ｈ［Ｖ］を印加した場合を示す、　Ａ領域
の空乏層は更に拡がり、Ｂ領域の空乏層と連結され、電
荷分布と電位分布は図のようになる。　するとこの状態
ではへ領域の端に集中する電界は、ある一定値以上には
ならない。

その代わりにＢ領域の端の電界が集中をはじめる。

即ち逆電圧Ｈ［Ｖ］は、Ａ領域端部とＢ領域端部とに分
割して負担されることとなり、その結果耐圧が向上する
。　又ガードリングの本数及び配置形状により、耐圧の
向上が可能である。

本発明ではショットキー障壁を利用したガードリング構
造のため、従来のＰＮ接合型ガードリング構造に比し、
Ｂ領域の微細化が可能であり、ＰＮ接合形形状程を省略
でき、特にＳＢＤにおいては主電流キャリアをユニポー
ラに限定することができる。

第１導電パターン及び第２導電パターンのそれぞれは、
一般に絶縁物を介して隔てられるが、高抵抗材料を介し
て隔てられてもよい、　この抵抗材料の作用は、第１導
電パターンの空乏層と第２専電パターンの空乏層とが結
合する近ｆＭＰ（第３図（Ｃ））の曲率が鋭い場合に、
第２導電パターンの電位を調整し、空乏層の曲率をなだ
らかにして耐圧向上を計るものである。

（実施例） 本発明の実施例について、ＳＢＤを取り上げ、図面を参
照して説明する。

第１図は、本発明のＳＢＤの断面図である。

Ｎ１型基板２１ａに、Ｎ−型エピタキシャル層２１ｂを
積層して成るＮ型半導体基板ｚ１の一主面に、これとシ
ョットキー接触する第１導電パターン２２が　設けられ
、この第１導電パターン２２を囲むように１つの環状の
第２導電パターン２３がＮ−型層２１ｂとショットキー
接触して形成される。　第１導電パターン２２と第２導
電パターン２３とは絶縁Ｈ２４，２５を介して隔てられ
る。　基板左上の他方の主面に第３の導電パターン２９
が形成されている。

第２図は、第１図に示すＳＢＤの製造工程を示す断面図
である　　Ｎ　′″型基板〈不純物濃度８〜９　ｘｌＯ
”　ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）　　（同図（ａ））２１ａ上
にＮ−型層（不純物濃度７〜９ｘ　１０’　ａｔｏｍｓ
／ｃ＋ｇ”　）２１ｂをエピタキシャル成長により、厚
さ５μ情程度積層し、半導体基板左上を形成する（同図
（ｂ））、　　次に酸化工程によりＳ　！　０２１１Ｉ
２４を厚さ０．５〜１μｍ形戒する形成図（ｃ））。

次に主接合部（第１を極パターンが基板とショットキー
接触をする領域）及び剛接合部（第２電極パターンが基
板とショットキー接触をする部分）となる部分の酸化膜
２４を選択的に除去する〈同図（ｄ））、　　次にショ
ットキー障壁形成のためのバリアメタル（ここではＭＯ
を使用）を厚さ２０００〜２５００Ｘ堆積し、その後ｔ
ｔｉ用のためにＡＩ（厚さ　１〜４μ１１）を積層して
、Ｍｏ　−ＡＩ膜２７を形成する（同図ｅ））、　次に
主接合部電極と剛接合部電極の分離及び！極のパターン
化のために選択的にＭｏ−Ａ７ＷＡ２７を除去し、第１
導電パターン２２及び第２導電パターン２３を形成する
（同図＜ｆ＞）、　　次に主接合部！極と剛接合部電極
の間を絶縁物、例えば窒化ＩＮ！！２５等で覆う、　こ
の後、基板ｚ１の他方の主面（裏面）に電極膜（第３導
電パターン）２９を形成する。

その後ウェーハδダイシングして、ベレットが完成する
〈第１図）。

第５図は、上記実施例のＳＢＤと、従来のＰＮ接合型ガ
ードリング構造のＳＢＤとのそれぞれの製造工程の流れ
を比較して示す図である。　同図（ａ）は従来のＳＢＤ
、同図（ｂ）は本発明のＳＢＤのそれぞれの工程流れ図
の一例を示すものである。　同図より明らかなように本
発明のショットキー接合型ガートリング構造のＳＢＤは
、同図（ｂ）に示すメタル形成工程において、同時にシ
ョットキー接合を形成するので、従来のＰ”Ｎ接合型ガ
ードリング構造のＰ＋型層形形成程を必要としないので
、工程の大幅な簡略化が可能である。

第６図は、従来技術のガードリング部の形状（同図（ａ
））と、本発明の上記実燵例のガードリング部の形状（
同図（ｂ））とを示す要部断面図である。　同図で第８
図及び第１図と同じ符号は同じ部分を表わすので、説明
を省略する。　同図（ａ＞及び（ｂ）において、各部構
造の寸法（μｍ）は次の通り。

ｘ、　＝　ｕ、　＝３５．　　ｘ２＝　ｕ２＝５０．　
　Ｘ、　＝　ｕ３２５、　　ｘ４＝２５．　　ｘ、　＝
５０．　　ｕ４＝５　、　　ｕ５＝３　。

ｘ＝１６０　、　　ｕ＝１１８ 同図より従来のＳＢＤのガードリング部の幅、！１［１
ちＰ＋型層１２の幅×５は５０μ目であり、−六本発明
のＳＢＤのガードリング部の幅、即ち第２導電パターン
２３のショットキー接合幅ｕ４と間隔ｕ５との和（ｕ、
　＋１１．　）は８μｎである。

これより明らかなように、本発明のＳＢＤのガードリン
グ部は微細化ができるので、基板の有効面積の向上が可
能である。

本実施例では、ショットキー接合型のガードリングを１
重設けた場合について説明したが、所望により２重、３
重等、多重ガードリング構造として、更に耐圧向上を計
っても差し支えない。

又本実施例では、第１導電パターンと第２導電パターン
とが絶縁物（第１図の窒化膜２５）を介して隔てられる
場合について述べたが、所望により絶縁物に代えて、高
抵抗の例えばポリシリコンを応用した抵抗材料を用い、
耐圧向上を計ることも可能である。

［発明の効果］ 本発明は、ＳＢＤやＰＮ接合ダイオード等の半導体装置
の耐圧向上に用いられるガードリング構造を、従来のＰ
Ｎ接合型に代えてショットキー接合型としたものである
。　従って本発明により、ガードリング部の微細化によ
る基板有効面積の向上と、ガードリング形成工程の簡略
化とが得られると共に、特にＳＢＤにおいては逆回復特
性の改善ができ、半導体層での電圧損失を小さくできる
構造の半導体装置を提供することが可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体装置の断面図、第２図は第１図
の半導体装置の製造工程を示す断面図、第３図及び第４
図は本発明のガードリング部の作用を説明するためのそ
れぞれ電荷分布図及び電位分布図、第５図（ａ）及び（
ｂ）は従来例及び本発明例それぞれの半導体装置の製造
工程の流れ図、第６図＜ａ）及び（ｂ）は従来例及び本
発明例それぞれのガードリング部の形状を示す断面図、
第７図は従来の半導体素子周辺の耐圧改善方法の概要を
説明するための断面図、第８図は従来のＳＢＤの耐圧改
善方法を示す断面図、第９図（ａ）及び（ｂ）はそれぞ
れ従来のＳＢＤの電圧−電流特性図及び逆回復時間−順
電流特性図である。 １工・・・Ｎ型半導体基板、　２１ａ・・・Ｎ＋型基板
、２１ｂ・・・Ｎ−型層、　２２・・・第１導電パター
ン、２３・・・第２導電パターン、　２４・・・絶縁膜
（Ｓ’　０２　Ｍ）　、２５・・・絶縁Ｊｌｉ（窒化Ｊ
ｌ＊）。 第 １ 図 第 図 （ａ） Ｖ斡−０［Ｖ］ （ｂ） Ｖ、＝Ｌ［Ｖ］ （Ｃ） ｖ、−Ｈ［Ｖコ 第 図 ＜ａ＞ ｖｌｌ−〇【ｖ］ （ｂ） ■宵−Ｌ　［Ｖ］ （Ｃ） Ｖ役鱈Ｈ［Ｖ］ 第 図 （ａ） 従来例 （１）） 本発明例 ２ 第 図 （ａ） （ｂ） 第 図 第 ７ 図 （ａ） ２ ２ 第 図 （ａ） 第 （１）） 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １　半導体基板の一主面に接して形成された第１の導電
   パターンと、該第１導電パターンを囲むように形成され
   た１つ又は複数の環状の第２の導電パターンとを有し、
   該第２導電パターンが前記半導体基板の一主面とショッ
   トキー接触をすると共に第１導電パターン及び第２導電
   パターンのそれぞれが絶縁物又は抵抗材料を介して隔て
   られていることを特徴とする半導体装置。