KR100375595B1 - Method for fabricating a high voltage Schottky diode by using ion implantation - Google Patents
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Abstract
이온주입으로 에지 종단처리(edge termination)를 함으로써 항복전압을 증가시키는 고전압 쇼트키 다이오드 제조방법에 관하여 개시한다. 본 발명은, 실리콘 기판 상에 금속막 패턴을 형성하는 단계와, 상기 금속막 패턴을 이온주입 마스크로 하여 상기 실리콘 기판 상에 이온주입을 행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 적절한 이온선량과 이온질량의 범위에서 이온을 주입하여 에지 종단처리를 함으로써 항복전압을 증가시킬 수 있다. 특히, 붕소이온을 주입할 경우에 항복전압의 증가현상이 두드러졌으며 그 적절한 이온선량은 1×1012~1×1014/cm2이었다. 본 발명에 의하면, 일반적으로 사용되고 있는 고가의 금속-SiC 쇼트키 다이오드와 대등한 항복전압을 가지면서도 상대적으로 저가인 금속-실리콘 쇼트키 다이오드를 제조할 수 있다. 그리고, 이온주입이 자기 정렬적으로 되기 때문에 그 제조공정이 매우 간단하다.A method for manufacturing a high voltage Schottky diode is disclosed in which the breakdown voltage is increased by edge termination by ion implantation. The present invention includes forming a metal film pattern on a silicon substrate, and performing ion implantation on the silicon substrate using the metal film pattern as an ion implantation mask. According to the present invention, the breakdown voltage can be increased by performing edge termination by implanting ions in an appropriate range of ion dose and ion mass. In particular, when boron ions were injected, the breakdown voltage was increased, and the appropriate ion dose was 1 × 10 12 to 1 × 10 14 / cm 2 . According to the present invention, a relatively low-cost metal-silicon Schottky diode can be manufactured while having a breakdown voltage comparable to that of a generally used expensive metal-SiC Schottky diode. And since the ion implantation is self-aligning, the manufacturing process is very simple.
Description
본 발명은 고전압 쇼트키 다이오드 제조방법에 관한 것으로서, 특히 이온주입(ion implantation)으로 에지 종단처리(edge termination)를 함으로써 항복전압(breakdown voltage)을 증가시키는 고전압 쇼트키 다이오드 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high voltage Schottky diode manufacturing method, and more particularly, to a high voltage Schottky diode manufacturing method for increasing breakdown voltage by performing edge termination by ion implantation.
일반적으로 PN 접합 다이오드보다는 금속-반도체 접합 쇼트키 다이오드가 더 우수한 고속 스위칭 특성(high speed switching characteristics)을 갖는다. 이는 순방향 전압의 인가시 PN 접합과는 달리 소수캐리어 주입(minority carrier injection)이 발생하지 않아 RC 지연(delay)이 생기지 않기 때문이다.In general, metal-semiconductor junction Schottky diodes have better high speed switching characteristics than PN junction diodes. This is because, unlike the PN junction, minority carrier injection does not occur when the forward voltage is applied, and thus no RC delay occurs.
금속-반도체 쇼트키 접합 다이오드의 경우, 반도체로서 실리콘을 사용하는 것이 대부분이다. 그러나, 금속-실리콘 접합 쇼트키 다이오드는 역방향 바이어스(reverse bias) 인가 시에 많은 누설전류(leakage current)가 흐르기 때문에 항복전압이 낮다. 따라서, 높은 항복전압이 요구되어지는 고전력용 다이오드로 사용하기에는 부적절하다. 이를 보완하기 위하여 실리콘 대신에 SiC를 반도체로 사용한 금속-SiC 접합 쇼트키 다이오드가 많이 사용되고 있다. 그러나, 금속-SiC 접합 다이오드는 고가이어서 문제이다.In the case of metal-semiconductor Schottky junction diodes, silicon is most often used as a semiconductor. However, the metal-silicon junction Schottky diode has a low breakdown voltage because a large leakage current flows when reverse bias is applied. Therefore, it is not suitable for use as a high power diode that requires a high breakdown voltage. In order to compensate for this, a metal-SiC junction Schottky diode using SiC as a semiconductor instead of silicon is widely used. However, metal-SiC junction diodes are expensive and problematic.
따라서, 상대적으로 저가인 금속- 실리콘 접합 쇼트키 다이오드를 그대로 사용하는 대신에 항복전압을 높이기 위한 여러 가지 시도가 행해지고 있다. 다이오드의 항복현상은 주로 콘택 에지(contact edge)에 전기장이 집중됨으로써 발생되기 때문에, 콘택 에지에 전기장이 집중되지 않도록 에지 종단처리(edge termination)를 행하는 것이 이러한 시도의 주류를 이룬다. 예컨대, 메사 에지 종단처리(mesa edge termination)란 방법이 그것이다. 그러나 이 방법은 표면 보호(passivation)가 어렵다는 단점이 있다. 이 외에 부유 금속 링(floating metal ring) 혹은 p형 가드 링(p-type guard ring)을 통한 에지 종단처리 방법이 있다.Therefore, various attempts have been made to increase the breakdown voltage instead of using a relatively inexpensive metal-silicon junction Schottky diode. Since breakdown of diodes is mainly caused by the concentration of an electric field at the contact edge, the main purpose of this attempt is to perform edge termination so that the electric field is not concentrated at the contact edge. For example, mesa edge termination is a method. However, this method has a disadvantage in that passivation is difficult. In addition, there is an edge termination method through a floating metal ring or a p-type guard ring.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 자기정렬(self-align) 되게 이온주입하여 간단하게 에지 종단처리(edge termination)를 하는 새로운 방법으로 항복전압을 증가시킬 수 있는 고전압 쇼트키 다이오드 제조방법을 제공하는 데 있다.Accordingly, a technical problem of the present invention is to provide a high voltage Schottky diode manufacturing method capable of increasing the breakdown voltage by a novel method of self-aligned ion implantation and simple edge termination. To provide.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 고전압 쇼트키 다이오드 제조방법을 설명하기 위한 단면도들;1A and 1B are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a high voltage Schottky diode according to an embodiment of the present invention;
도 2a는 붕소이온 주입량에 따른 항복전압의 변화를 살펴보기 위하여 측정된 전류-전압 특성 곡선;Figure 2a is a current-voltage characteristic curve measured to see the change in breakdown voltage according to the boron ion implantation;
도 2b는 도 2a에서 이온선량이 증가할수록 항복전압이 감소하는 이유를 설명하기 위한 단면도;FIG. 2B is a cross-sectional view for explaining the reason why the breakdown voltage decreases as the ion dose increases in FIG. 2A; FIG.
도 2c는 30KeV의 붕소이온을 주입하여 에지 종단처리를 한 후에, 그 결과물을 질소분위기에서 열처리한 다음에, 역방향전압을 가하여 평균누설전류를 측정한 그래프;FIG. 2C is a graph illustrating the average leakage current measured by injecting 30 KV of boron ions, performing edge termination, heat treating the resultant in a nitrogen atmosphere, and then applying reverse voltage.
도 3은 30KeV 붕소이온과 평균도달거리가 같은 70KeV 실리콘 이온을 사용하여 에지 종단처리를 한 경우에 측정된 전류-전압 특성 그래프; 및3 is a graph of current-voltage characteristics measured when edge termination is performed using 70KeV silicon ions having the same average reach distance as 30KeV boron ion; And
도 4는 도 2a 및 도 3의 경우에 대해 실리콘 기판이 실질적으로 손상을 입는 정도를 비교하기 위하여 2MeV He 이온을 사용하여 채널링(channeling) 분석을 한 결과를 나타낸 그래프이다.FIG. 4 is a graph showing the results of channeling analysis using 2MeV He ions to compare the degree of damage to the silicon substrate in the case of FIGS. 2A and 3.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 고전압 쇼트키 다이오드 제조방법은, 실리콘과 금속이 접합된 고전압 쇼트키 다이오드 제조방법으로서, 실리콘 기판 상에 금속막 패턴을 형성하는 단계와, 상기 금속막 패턴을 이온주입 마스크로 삼아 상기 금속막 패턴 둘레의 상기 실리콘 기판에 이온주입을 행하는 단계를 구비하되, 후속 열처리를 생략하여 손상이 포함된 이온주입층이 저항층으로 작용하게 하여 항복전압을 증가시킨 것을 특징으로 한다.The high voltage Schottky diode manufacturing method according to an embodiment of the present invention for achieving the technical problem is a high voltage Schottky diode manufacturing method in which silicon and metal are bonded, forming a metal film pattern on a silicon substrate, and Performing ion implantation into the silicon substrate around the metal layer pattern using a metal layer pattern as an ion implantation mask, and omission of subsequent heat treatment to cause the ion implantation layer containing damage to act as a resistive layer to yield a breakdown voltage. It is characterized by an increased.
여기서, 상기 이온주입은 붕소이온을 사용하여 행해지는 것이 바람직하며,그 이온선량은 1×1012~1×1014/cm2인 것이 바람직하다. 이 때, 상기 실리콘 기판은 N형 도전성을 갖는 것이 바람직하다.Herein, the ion implantation is preferably performed using boron ions, and the ion dose is preferably 1 × 10 12 to 1 × 10 14 / cm 2 . At this time, the silicon substrate preferably has N-type conductivity.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention will be described in detail.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 고전압 쇼트키 다이오드 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 먼저, n형의 실리콘 기판(110) 상에 열가열증착법(evaporation method)으로 직경이 300㎛이고 두께가 50nm인 금 도트(Au dot, 120)를 증착한다.1A and 1B are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a high voltage Schottky diode according to an embodiment of the present invention. First, gold dots (Au dot, 120) having a diameter of 300 µm and a thickness of 50 nm are deposited on an n-type silicon substrate 110 by an evaporation method.
다음에, 금 도트(120)를 이온주입 마스크로 하여 70KeV의 에너지를 갖는 붕소이온(B+)을 이온주입법으로 금 도트(120)가 형성된 결과물 상에 주입하고, 실리콘 기판(110)의 뒷면에 금속막(140)을 형성한다. 금 도트(120)가 이온주입 마스크의 역할을 하기 때문에 금 도트(120)가 없는 실리콘 기판(110) 표면에만 붕소이온이 자기 정렬적으로 주입되어 저항층(130)이 형성되게 된다. 참조번호 132로 표시한 부분은 EOR 영역(End of Range)으로서 저항층(130)의 경계영역을 나타낸다.Next, using the gold dot 120 as an ion implantation mask, boron ion (B +) having an energy of 70 KeV is implanted on the resultant product in which the gold dot 120 is formed by ion implantation, and a metal is formed on the back surface of the silicon substrate 110. The film 140 is formed. Since the gold dot 120 serves as an ion implantation mask, boron ions are self-aligned to only the surface of the silicon substrate 110 without the gold dot 120 to form the resistive layer 130. A portion indicated by reference numeral 132 denotes an boundary region of the resistive layer 130 as an end of range (EOR) region.
도 2a는 붕소이온의 주입량에 따른 항복전압의 변화를 살펴보기 위하여 측정된 전류-전압 특성 곡선이다. 구체적으로, 곡선 1, 곡선2, 및 곡선 4는 30KeV의 에너지를 갖는 붕소이온을 1×1013, 1×1014, 및 1×1015/cm2의 이온선량으로 각각 주입한 경우에 대한 것이고, 곡선 3은 붕소이온을 주입하지 않은 경우에 대한 것이다.Figure 2a is a current-voltage characteristic curve measured to see the change in breakdown voltage according to the injection amount of boron ions. Specifically, curves 1, 2, and 4 correspond to the case where the boron ions having an energy of 30 KeV are implanted with ion doses of 1 × 10 13 , 1 × 10 14 , and 1 × 10 15 / cm 2 , respectively. , Curve 3 is for the case where no boron ion is injected.
도 2a를 참조하면, 붕소이온을 주입하지 않은 경우(곡선 3)에는 216V 근방에서 항복현상이 일어나는 반면, 붕소이온을 1×1013/cm2의 이온선량으로 주입한 경우에는(곡선 1) 386V 근방에서 항복현상이 일어남을 볼 수 있다. 이것은 붕소이온의 주입에 의해 성공적으로 에지 종단처리가 되었음을 의미한다.Referring to FIG. 2A, when boron ions are not injected (curve 3), yielding occurs around 216 V, whereas when boron ions are implanted at an ion dose of 1 × 10 13 / cm 2 (curve 1), 386V You can see surrender in the vicinity. This means that the edge termination was successful by implantation of boron ions.
그러나, 이온선량이 증가할수록 항복전압이 감소하다가 1×1015/cm2의 이온선량이 될 경우(곡선 4)에는 붕소이온을 주입하지 않은 경우보다 항복전압이 더 낮아짐을 볼 수 있다. 따라서, 붕소이온을 이용하여 에지 종단처리를 할 경우에는 봉소이온의 이온선량이 1×1012~1×1014/cm2인 것이 바람직하다.However, as the ion dose increases, the breakdown voltage decreases, and when the ion dose is 1 × 10 15 / cm 2 (curve 4), the breakdown voltage is lower than when boron ions are not injected. Therefore, in the case of edge termination using boron ions, the ion dose of rod ions is preferably 1 × 10 12 to 1 × 10 14 / cm 2 .
도 2b는 도 2a에서와 같이 이온선량이 증가할수록 항복전압이 감소하는 이유를 설명하기 위한 단면도이다. 도 2b를 참조하면, 붕소이온의 이온지름이 매우 작기 때문에 소위 채널링 효과(channeling effect)가 발생하여 원래 예상했던 것보다 더 깊은 곳까지 봉소이온이 주입되어 EOR 영역(132)이 생성된다. EOR 영역(132)에 형성된 고밀도의 격자결합(lattice defect)들은 깊은 준위(deep level)의 도너(acceptor) 또는 억셉터(acceptor)로 작용하여 깊은 준위에 있는 전자들을 포획하고 또한 기존에 존재하는 낮은 준위의 도너들을 비활성시키게 된다.FIG. 2B is a cross-sectional view for explaining the reason why the breakdown voltage decreases as the ion dose increases as in FIG. 2A. Referring to FIG. 2B, since the ion diameter of the boron ion is very small, a so-called channeling effect occurs, and the ionization of the rod ion to a depth deeper than originally expected results in the generation of the EOR region 132. High-density lattice defects formed in the EOR region 132 act as a deep level donor or acceptor to capture electrons at deep levels and also to lower existing This will disable the donors in the level.
역방향 전압 즉, 금 도트(120)에는 음의 전압을, 그리고 금속막(140)에는 양의 전압을 각각 인가했을 때에, 깊은 준위의 격자결함이 존재하는 EOR 영역(132)에 포획되어 있던 전자들은 약한 전기장에서는 방출되지 않지만 강한 전기장에서는 방출되게 된다. 이렇게 방출되는 전자들에 의해서 누설전류가 발생하게 되고 항복전압이 낮아지게 된다. 강한 전기장에서는 도시된 바와 같이 공핍층 영역(depletion region, 150)이 EOR 영역(132)까지 팽창되게 된다.When the reverse voltage, that is, the negative voltage is applied to the gold dot 120 and the positive voltage is applied to the metal film 140, electrons trapped in the EOR region 132 having a deep level lattice defect are present. It is not emitted in weak electric fields, but in strong electric fields. These emitted electrons cause leakage current and lower breakdown voltage. In a strong electric field, the depletion region 150 expands to the EOR region 132 as shown.
도 2c는 30KeV의 봉소이온을 주입하여 에지 종단처리를 한 후에, 그 결과물을 질소분위기에서 열처리한 다음에, 40볼트의 역방향전압을 가하여 평균누설전류를 측정한 그래프이다. 도 2c를 참조하면, 350℃에서 열처리한 경우는, 1×1015/cm2이하의 이온선량에서는 이온선량이 증가할수록 평균누설전류가 서서히 증가하다가 이온선량이 1×1015/cm2을 넘을 경우에는 급격히 증가함을 볼 수 있다. 따라서, 낮은 이온선량으로 주입한 경우가 열적 안정성이 우수하다는 것을 알 수 있다.Fig. 2C is a graph of average leakage current measured after injecting 30Ke of rod ions and performing edge termination, heat treating the resultant in a nitrogen atmosphere, and then applying a reverse voltage of 40 volts. Referring to FIG. 2C, in the case of heat treatment at 350 ° C., at an ion dose of 1 × 10 15 / cm 2 or less, the average leakage current gradually increases as the ion dose increases, but the ion dose exceeds 1 × 10 15 / cm 2 . In the case it can be seen that the increase rapidly. Therefore, it can be seen that the thermal stability is excellent in the case of implanting with low ion dose.
도 3은 30KeV 붕소이온과 평균도달거리가 같은 70KeV 실리콘 이온을 사용하여 에지 종단처리를 한 경우에 측정된 전류-전압 특성 그래프이다. 주입되는 이온의 질량에 대한 효과를 살펴보기 위하여 붕소 이온보다 질량이 더 큰 실리콘 이온을 사용하였다. 도 3을 참조하면, 2a와 비교해 볼 때 붕소이온을 주입한 경우보다 항복전압이 더 낮음을 알 수 있다. 즉, 주입되는 이온질량이 클수록 항복전압이 더 낮아짐을 알 수 있다. 그리고, 실리콘을 주입하여 종단처리를 한 경우가 실리콘을 주입하지 않은 경우보다 오히려 항복전압이 더 낮음을 볼 수 있다.FIG. 3 is a graph of current-voltage characteristics measured when edge termination is performed using 70KeV silicon ions having the same average reach distance as 30KeV boron ions. In order to examine the effect on the mass of implanted ions, silicon ions having a larger mass than boron ions were used. Referring to FIG. 3, it can be seen that the breakdown voltage is lower than when boron ions are injected as compared with 2a. That is, it can be seen that the higher the ion mass injected, the lower the breakdown voltage. In addition, it can be seen that the breakdown voltage is lower when the silicon injection is terminated than when the silicon injection is not performed.
도 4는 도 2a 및 도 3의 경우에 대해 실리콘 기판이 실질적으로 손상을 입는 정도를 비교하기 위하여 2MeV He 이온을 사용하여 채널링(channeling) 분석을 한 결과를 나타낸 그래프이다. 도 4를 참조하면, 이온선량이 증가할수록 이온주입에의한 실리콘 기판의 손상 정도가 증가하고, 동일한 이온선량에 대해서는 붕소이온보다 무거운 실리콘이온을 사용한 경우가 실리콘 기판이 더 많이 손상받는다는 것을 알 수 있다.FIG. 4 is a graph showing the results of channeling analysis using 2MeV He ions to compare the degree of damage to the silicon substrate in the case of FIGS. 2A and 3. Referring to FIG. 4, it can be seen that as the ion dose increases, the degree of damage of the silicon substrate due to ion implantation increases, and the silicon substrate is damaged more when the silicon ion that is heavier than the boron ion is used for the same ion dose. have.
도 2a 및 도 4를 함께 검토해보면, 이온선량 및 이온질량이 클수록 저항층(130)에 결함이 많이 발생하여 쇼트키 다이오드의 항복전압이 증가할 것이라는 일반적인 예상과는 반대로, 이온선량 및 이온질량이 작을수록 항복전압이 더 커진다는 것을 실험적으로 알 수 있다. 따라서, 항복전압을 크게 하기 위해서는 이온을 주입하되 이온선량을 너무 높게 하는 것은 바람직하지 못하다. 이온질량의 경우도 마찬가지이다.2A and 4 together, contrary to the general expectation that the larger the ion dose and the ion mass, the more defects occur in the resistance layer 130 and the breakdown voltage of the Schottky diode is increased. It can be seen experimentally that the smaller the higher the breakdown voltage. Therefore, in order to increase the breakdown voltage, it is not preferable to inject ions, but to increase the ion dose too high. The same applies to the ion mass.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 고전압 쇼트키 다이오드 제조방법에 의하면, 적절한 이온선량과 이온질량의 범위에서 이온을 주입하여 에지 종단처리를 함으로써 항복전압을 증가시킬 수 있다. 특히, 붕소이온을 주입할 경우에 항복전압의 증가현상이 두드러졌으며 그 적절한 이온선량은 1×1012~1×1014/cm2이었다.According to the high voltage Schottky diode manufacturing method according to the present invention as described above, the breakdown voltage can be increased by the edge termination treatment by implanting ions in the range of the appropriate ion dose and ion mass. In particular, when boron ions were injected, the breakdown voltage was increased, and the appropriate ion dose was 1 × 10 12 to 1 × 10 14 / cm 2 .
본 발명에 의하면, 일반적으로 사용되고 있는 고가의 금속-SiC 쇼트키 다이오드와 대등한 항복전압을 가지면서도 상대적으로 저가인 금속-실리콘 쇼트키 다이오드를 제조할 수 있다. 그리고, 이온주입이 자기 정렬적으로 되기 때문에 그 제조공정이 매우 간단하다.According to the present invention, a relatively low-cost metal-silicon Schottky diode can be manufactured while having a breakdown voltage comparable to that of a generally used expensive metal-SiC Schottky diode. And since the ion implantation is self-aligning, the manufacturing process is very simple.
본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.The present invention is not limited to the above embodiments, and it is apparent that many modifications are possible by those skilled in the art within the technical spirit of the present invention.
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| JPS60192363A (en) * | 1984-03-13 | 1985-09-30 | Nec Corp | Manufacture of schottky barrier junction |
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-
2000
- 2000-08-09 KR KR10-2000-0046213A patent/KR100375595B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| JPS60192363A (en) * | 1984-03-13 | 1985-09-30 | Nec Corp | Manufacture of schottky barrier junction |
| JPH01268167A (en) * | 1988-04-20 | 1989-10-25 | Fuji Electric Co Ltd | Manufacture of schottky diode |
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