KR20120004645U - 쇼트키 다이오드 구조 - Google Patents

쇼트키 다이오드 구조 Download PDF

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Abstract

반도체 베이스층, 에피텍셜층(epitaxial Layer), 하나 이상의 고농도 도핑층(doping layer), 유전체층, 다결정 실리콘층 및 도체층을 포함하는 쇼트키 다이오드 구조에 있어서, 상기 반도체 베이스층은 양극단이고 에피텍셜층은 반도체 베이스층과 결합되고, 상기 에피텍셜층에는 복수 개의 트렌치(trench)가 식각 형성되고, 상기 고농도 도핑층은 고농도 반도체 도핑 블록이고, 트렌치 외주변과 결합하여 표면이 상기 에피텍셜층과 인접하게 한다. 상기 유전체층은 고농도 도핑층의 내면과 결합하고, 상기 다결정 실리콘층은 유전체층 내면과 결합하고, 상기 도체층은 에피텍셜층 및 각각의 트렌치의 상단과 결합하여 상기 도체층이 양극단이 되게 하고, 상기 고농도 도핑층을 통해, 상기 반도체 베이스층 음극단과 도체층 양극단이 순방향 바이어스 상태에서 순방향 도통 임피던스를 낮추고, 상기 고농도 도핑층이 형성한 슈퍼 접합(super junction) 구조 효과에 의해, 반도체 베이스층의 음극단과 도체의 양극단이 역방향 바이어스 상태에서 그 역방향 누설 전류를 줄이고, 비교적 높은 역방향 바이어스 값을 가질 수 있게 한다.

Description

쇼트키 다이오드 구조 {STRUCTURE OF SCHOTTKY DIODE}
본 고안은 쇼트키 다이오드 구조에 관한 것으로, 특히 트렌치 사이에 하나 이상의 반도체 고농도 도핑층을 결합하여 슈퍼 접합 효과를 형성하고, 순방향 도통 저항이 낮고 역방향 누설 전류가 적은 쇼트키 다이오드 구조에 관한 것이다.
종래의 쇼트키 다이오드는 도통 전위 강하가 비교적 작고, 고속 전환을 허용하는 다이오드이고, 쇼트키 장벽(Schottky Barrier) 특성을 이용하여 형성한 전자소자이다. 쇼트키 다이오드는 쇼트키 장벽으로서 금속-반도체 접합을 이용하여 정류의 효과를 일으키고, 쇼트키 장벽의 특성은 쇼트키 다이오드의 도통 전위 강하를 비교적 작게 하고, 전환 속도를 향상시킬 수 있어, 교환식 전원 공급장치, 통신 설비 등과 같은 고속 스위치 전환에 광범위하게 사용되고 있다. 그러나 쇼트키 다이오드의 최대 단점은 그 역방향 바이어스가 비교적 낮은 것이다. 규소 및 금속 재료를 사용하는 쇼트키 다이오드는 그 역방향 바이어스의 정격 내전압이 비교적 낮으며, 역방향 누설 전류가 비교적 많을 뿐만 아니라 온도의 상승에 따라 증가하여 온도 상승을 제어할 수 없는 문제를 일으킬 수 있어 쇼트키 다이오드가 실제 사용될 때의 역방향 바이어스를 그 정격 전압보다 훨씬 작게 한정해야 하므로 쇼트키 다이오드의 응용이 제한을 받게 된다.
상기 문제점을 해결하기 위하여 쇼트키 다이오드의 구조 사이에 트렌치 구조를 추가하여, 상술한 역방향 바이어스가 높고 역방향 누설 전류가 많은 문제를 개선하였다. 예를 들면 대만 특허공보 제I232590호 “트렌치 쇼트키 장벽식 다이오드”특허는 전형적인 종래의 트렌치식 쇼트키 다이오드 구조를 공개하였으나, 상기 트렌치 내부의 바깥층에 산화층을 형성하고, 산화층 내에 다결정 규소를 충진하여 비록 트렌치 가장자리에 불량한 새부리 효과(bird beak effect)가 발생하는 것은 개선할 수 있으나, 누설 전류가 여전히 산화층 가장자리를 따라 역류할 수 있으므로 순방향 임피던스도 결코 낮아지지 않아 열손실 및 온도 상승도 효과적으로 개선되지 않았다. 또한 역방향 바이어스의 전압 값은 낮은 편이어서 현저하게 개선되지 않았다.
또한, 제ZL02811144.3호 “트렌치 쇼트키 정류장치”의 중국특허, 제ZL02810570.2 호 “이중 마스크 트렌치 쇼트키 정류 장치 및 그 제조방법”의 중국 특허, 제6426542호 “SCHOTTKY DIODE WITH DIELECTRIC TRENCH”의 미국 특허에도 유사한 트렌치 설계가 있어, 마찬가지로 앞서 서술한 대만 특허와 같은 순방향 임피던스가 효과적으로 낮아지지 않고 열손실 및 온도 상승이 개선되지 않으며 역방향 누설 전류도 효과적으로 줄일 수 없고, 역방향 바이어스의 전압 값이 낮아 제한받는 등 문제가 발생한다. 그리고 이들 특허의 제조 과정이 상당히 복잡하고 2종 이상의 포토마스크를 사용하여 식각 처리를 각각 진행해야 하므로, 제조 원가가 높은 편이고 경제적이지 못하며 산업 이용에 불리하다.
상기 종래의 쇼트키 다이오드 구조는 구조가 복잡하고 제조 원가가 높으며 순방향 임피던스를 효과적으로 낮출 수 없다. 또한 열손실 및 온도 상승이 개선되지 않아 역방향 누설 전류를 효과적으로 줄일 수 없으며 역방향 전압 값이 낮은 편이어서 그 응용이 제한받는 등 문제와 단점이 있다.
상기 문제를 해결하기 위하여, 제조 원가가 낮으며 순방향 바이어스일 경우 임피던스가 낮고 열손실을 효과적으로 줄일 수 있으며, 역방향 바이어스일 경우 역방향 누설 전류를 줄일 수 있고 비교적 높은 역방향 바이어스 전압 값을 가지도록 하여 그 응용에 많은 제한을 받지 않게 하는 쇼트키 다이오드를 발전시키는 것이 시급하다.
따라서, 본 고안의 목적은 반도체 베이스층, 에피텍셜층, 하나 이상의 고농도 도핑층, 유전체층, 다결정 실리콘층 및 도체층을 포함하는 쇼트키 다이오드 구조를 제공하는 것이다. 상기 반도체 베이스층은 음극단이고, 에피텍셜층은 반도체 베이스층과 결합되고, 상기 에피텍셜층에는 복수 개의 트렌치가 식각 형성되고, 상기 고농도 도핑층은 고농도 반도체 도핑 블록이고 트렌치 외주변과 결합되어, 상기 고농도 도핑층 표면이 상기 에피텍셜층에 인접하게 하고, 상기 유전체층은 고농도 도핑층의 내면과 결합하고, 상기 다결정 실리콘층은 유전체층 내면과 결합하고, 상기 도체층은 에피텍셜층 및 각각의 트렌치 상단과 결합하여, 상기 도체층이 양극단이 되게 함으로써, 상기 고농도 도핑층을 통해 상기 반도체 베이스층의 음극단과 도체층의 양극단이 순방향 바이어스 상태에서, 순방향 도통 임피던스를 낮추고, 상기 고농도 도핑층을 통해 형성한 슈퍼 접합 구조의 효과는 반도체 베이스층의 음극단과 도체층의 양극단이 역방향 바이어스 상태에서, 그 역방향 누설 전류를 줄이게 하고 비교적 높은 역방향 바이어스 값을 갖게 한다.
본 고안에 따른 쇼트키 다이오드 구조의 효과는 다음과 같다. 상기 고농도 도핑층이 상기 트렌치의 제일 바깥 층과 결합하여, 반도체 베이스층의 음극단과 도체층의 양극단이 순방향 바이어스에 있는 상태에서, 순방향 도통하는 낮은 임피던스의 작용을 제공할 수 있고, 열손실 및 온도 상승을 효과적으로 줄인다. 반도체층의 음극단과 도체층의 양극단이 역방향 바이어스에 있는 상태에서, 상기 고농도 도핑층과 반도체 베이스층, 에피텍셜층, 유전체층, 다결정 실리콘층 및 도체층 사이에 슈퍼 접합과 같은 효과를 형성하여 역방향 누설 전류를 대폭 줄인다.
도 1은 본 고안에 따른 쇼트키 다이오드 구조의 제1 실시예를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 고안에 따른 쇼트키 다이오드 구조의 바람직한 응용예를 보여준 도면이다.
도 3은 도 2의 단면도와 유사한 도면이고, 상기 도체층과 반도체 베이스층이 역방향 바이어스에서의 동작 상태를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 고안에 따른 쇼트키 다이오드 구조의 제2 실시예를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 고안에 따른 쇼트키 다이오드 구조의 제3 실시예를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 고안에 따른 쇼트키 다이오드 구조가 순방향 바이어스 상태에서의 실제 테스트 그래프이다.
도 7은 본 고안에 따른 쇼트키 다이오드 구조가 역방향 바이어스 상태에서의 실제 테스트 그래프이다.
도 8은 본 고안에 따른 쇼트키 다이오드 구조가 순방향 바이어스 상태에서의각 트렌치의 고농도 도핑층이 순방향 바이어스에서 발생한 공간 전하 분포도이다.
도 1에 도시한 본 고안의 쇼트키 다이오드 구조(100)의 제1 실시예에 있어서, 상기 쇼트키 다이오드 구조(100)는 반도체 베이스층(10), 에피텍셜층(20), 하나 이상의 고농도 도핑층(40), 유전체층(50), 다결정 실리콘층(60) 및 도체층(70)을 포함한다. 상기 반도체 베이스층(10)은 음극단으로서, N+베이스재이고, 상기 에피텍셜층(20)은 저농도에 N-에피텍셜을 도핑하여 반도체 베이스층(10)과 결합하고, 상기 에피텍셜층(20)에 복수 개의 트렌치(30)가 식각 형성된다. 상기 트렌치(30)의 형상은 제한이 없으나 제1 실시예에서는 사각형의 트랜치를 사용한다.
상기 하나 이상의 고농도 도핑층(40)은 고농도 P+반도체 도핑 블록이고, 상기 트렌치(30)의 외주변과 결합하여 그 표면이 상기 에피텍셜층(20)과 인접하게 한다.
상기 유전체층(50)은 고농도 도핑층(40)의 내면과 결합하고, 산화규소(SiO2)와 같은 산화물로 구성된다.
상기 다결정 실리콘층(60)은 유전체층(50)의 내면과 결합한다.
상기 도체층(70)은 에피텍셜층(20) 및 각 트렌치(30)의 상단과 결합하며, 상기 에피텍셜층(20) 중 각 트렌치(30)의 고농도 도핑층(40), 유전체층(50) 및 다결정 실리콘층(60)의 상단과 결합하여 상기 도체층(70)이 양극단이 되게 하고, 상기 도체층(70)은 쇼트키 장벽 금속(Schottky metal)으로, 티타늄(Ti), 백금(Pt) 등 금속일 수 있다. 상기 도체층은 스퍼터링(sputtering) 방식으로 에피텍셜층(20) 및 각 트렌치(30)의 고농도 도핑층(40), 유전체층(50) 및 다결정 실리콘층(60)의 상단과 결합한다.
도 2에 도시한 바를 참조하면, 도 2는 본 고안의 쇼트키 다이오드 구조(100)의 바람직한 응용예로, 상기 도체층(70)과 반도체 베이스층(10)이 순방향 바이어스의 동작 상태에 있는 것을 나타낸다. 이때, 상기 P+고농도 도핑층(40)을 통해 순방향 전류를 다른 낮은 임피던스(low impedance) 도통 경로(도 2의 각 화살방향이 표시한 바와 같이)에 제공하여, 상기 전체 순방향 바이어스의 임피던스를 효과적으로 낮추고, 열손실을 줄이며, 열 폭주(thermal runaway) 현상을 피하여 소자 전체의 신뢰도를 확보한다.
도 3에 도시한 바를 참조하면, 도 3은 본 고안의 쇼트키 다이오드 구조(100)의 도체층(70)과 반도체 베이스층(10)이 역방향 바이어스에서의 동작 상태를 나타낸다. 상기 고농도 도핑층(40), 반도체 베이스층(10), 에피텍셜층(20), 유전체층(50), 다결정 실리콘층(60) 및 도체층(70) 사이에 슈퍼 접합과 같은 효과를 형성하여 그 역방향 누설 전류를 대폭 줄이고 비교적 높은 역방향 바이어스 값을 가질 수 있다.
도 4와 도 5를 참조하면, 도 4와 도 5는 각각 본 고안의 쇼트키 다이오드 구조(100)의 제2 실시예 및 제3 실시예이고, 여기서 도 4에 도시한 상기 트렌치(30)의 형상은 탄두(彈頭) 형상이고 상기 도 5에 도시한 상기 트렌치(30)의 형상은 사다리 형상이다. 이러한 형상은 모두 상기 도체층(70)과 반도체 베이스층(10)이 순방향 바이어스의 동작 상태에서 상기 전체 순방향 바이어스의 임피던스를 효과적으로 낮추고, 열손실도 줄이고 또한 역방향 바이어스 상태에 있을 경우, 그 역방향 누설 전류를 대폭 줄일 수 있으며 비교적 높은 역방향 바이어스 값을 갖는 등의 효과가 있다.
도 6 및 도 7에 도시한 바를 참조하면, 도 6 및 도 7은 본 고안의 쇼트키 다이오드 구조(100)의 순방향 바이어스 및 역방향 바이어스에서의 테스트 그래프이다. 여기서 상기 도 6 및 도 7의 종축은 전류(I)이고, 단위는 암페어/미크론(A/μm)이고, 횡축은 전압(V)이고, 단위는 볼트이다. 상기 도 6은 본 고안을 대표하는 쇼트키 다이오드 구조(100)의 제1 곡선(S1)과, 이와 비교하는 종래의 트렌치가 있으나 고농도 도핑층(40)을 갖지 않는 쇼트키 다이오드의 제2 곡선(S2)을 나타낸다. 양자를 비교하면 본 고안의 쇼트키 다이오드 구조(100)의 제1곡선(S1)의 순방향 임피던스가 더 작으며 열손실이 더 적은 것을 분명히 알 수 있다. 또한, 도 7은 역방향 바이어스 상태에서, 본 고안을 대표하는 쇼트키 다이오드 구조(100)의 제3 곡선(S3)과, 이와 비교하는 종래의 트렌치가 있으나 고농도 도핑층(40)을 갖지 않는 쇼트키 다이오드의 제2 곡선(S4)을 나타낸다. 양자를 비교하면, 본 고안의 쇼트키 다이오드 구조(100)의 역방향 바이어스 상태에서, 상기 제3곡선(S3)의 역방향 누설 전류 값이 더 작으며 비교적 높은 역방향 바이어스 값을 갖는 것을 분명히 알 수 있다.
도 8에 도시한 바를 참조하면, 도 8은 본 고안의 쇼트키 다이오드 구조(100) 중 각 트렌치(30)의 고농도 도핑층(400)이 순방향 바이어스에서 발생한 공간 전하 분포 상태이다. 그 중 각 트렌치(30)의 고농도 도핑층(40)의 외부 부근에 두 개의 고밀도 전하구역인 S5과 S6이 생성되었음을 알 수 있고, 본 고안의 쇼트키 다이오드 구조(100)가 순방향 바이어스 상태에서, 순방향 임피던스가 비교적 작고 열손실이 적은 장점과 효과가 있다.
종합하면, 본 고안의 쇼트키 다이오드 구조에 예시한 각 도면 및 설명은 본 고안의 기술 내용을 설명하기 위한 것으로, 상기 열거한 실시예의 한 부분일 뿐 본 고안의 권리범위를 한정하지 않는다. 본 고안의 세부구조 또는 소자에 대한 균등한 변경 및 치환은 본 고안의 권리범위에 속하며 그 범위는 특허청구범위에 한정된다.
100 : 쇼트키 다이오드 구조
10 : 반도체 베이스층
20 : 에피텍셜층
30 : 트렌치(trench)
40 : 고농도 도핑층
50 : 유전체층
60 : 다결정 실리콘층
70 : 도체층

Claims (7)

  1. 음극단으로서의 반도체 베이스층;
    상기 반도체 베이스층에 결합되고, 복수 개의 트렌치가 식각 형성된 에피텍셜층;
    고농도 반도체 도핑 블록이며, 상기 트렌치의 외주변과 결합하여 표면이 상기 에피텍셜층과 인접하게 하는 하나 이상의 고농도 도핑층;
    상기 고농도 도핑층의 내면과 결합하는 유전체층;
    상기 유전체층의 내면과 결합하는 다결정 실리콘층; 및
    상기 에피텍셜층 및 각 트렌치의 상단과 결합하며, 상기 에피텍셜층 중 각 트렌치의 고농도 도핑층, 유전체층 및 다결정 실리콘층의 상단과 결합하여 양극단을 형성하는 도체층
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 쇼트키 다이오드 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 베이스층은 N+베이스재인 것을 특징으로 하는 쇼트키 다이오드 구조.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 에피텍셜층은 저농도로 N-에피텍셜을 도핑한 것을 특징으로 하는 쇼트키 다이오드 구조.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고농도 도핑층은 고농도 P+반도체 도핑 블록인 것을 특징으로 하는 쇼트키 다이오드 구조.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유전체층은 산화규소인 것을 특징으로 하는 쇼트키 다이오드 구조.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 도체층은 티타늄인 것을 특징으로 하는 쇼트키 다이오드 구조.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 도체층은 백금인 것을 특징으로 하는 쇼트키 다이오드 구조.
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