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JP7628865B2 - Diode and its manufacturing method - Google Patents
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Description

本明細書に開示の技術は、ダイオードとその製造方法に関する。 The technology disclosed in this specification relates to a diode and a method for manufacturing the same.

非特許文献1に開示のダイオードでは、図11に示すように、半導体基板212の上面の外周部にリセス280が設けられている。このため、半導体基板212の上面の中央に凸部282が設けられている。凸部282の側面282aは、下側ほど半導体基板212の外周面に近づくように傾斜している。凸部282内にp型のアノード層220が配置されている。アノード層220の下側にn型のドリフト層226が配置されている。アノード層220とドリフト層226の界面であるpn接合227は、凸部282内で横方向に伸びて側面282aまで達している。このダイオードがオフしている状態では、pn接合227の周辺に空乏層が広がる。側面282aの近傍では、アノード層220の厚みが薄いため、空乏層が上側に向かって曲がるように分布する。これによって、pn接合227の端部227a(すなわち、アノード層220の外周端)の周辺における電界が緩和される。 In the diode disclosed in Non-Patent Document 1, as shown in FIG. 11, a recess 280 is provided on the outer periphery of the upper surface of the semiconductor substrate 212. For this reason, a convex portion 282 is provided in the center of the upper surface of the semiconductor substrate 212. The side surface 282a of the convex portion 282 is inclined so as to approach the outer periphery of the semiconductor substrate 212 as it approaches the lower side. A p-type anode layer 220 is disposed within the convex portion 282. An n-type drift layer 226 is disposed below the anode layer 220. The pn junction 227, which is the interface between the anode layer 220 and the drift layer 226, extends laterally within the convex portion 282 and reaches the side surface 282a. When this diode is in an off state, a depletion layer spreads around the pn junction 227. In the vicinity of the side surface 282a, the thickness of the anode layer 220 is thin, so the depletion layer is distributed so as to bend upward. This reduces the electric field around the end 227a of the pn junction 227 (i.e., the outer peripheral edge of the anode layer 220).

T. Maeda at el. Parallel-Plane Breakdown Fields of 2.8-3.5 MV/cm in GaN-on-GaN p-n Junction Diodes with Double-Side-Depleted Shallow Bevel Termination. 2018 IEEE International Electron Devices Meeting. p30.1.1-30.1.4T. Maeda at el. Parallel-Plane Breakdown Fields of 2.8-3.5 MV/cm in GaN-on-GaN p-n Junction Diodes with Double-Side-Depleted Shallow Bevel Termination. 2018 IEEE International Electron Devices Meeting. p30.1.1-30.1.4

非特許文献1のダイオードでは、凸部282の下部から凸部282よりも外周側の範囲(すなわち、リセス222に臨む範囲)までn型不純物濃度が低いドリフト層226が分布している。ダイオードがオンしたときには、凸部282よりも外周側のドリフト層226に電流が流れ難い。このため、ダイオードのオン抵抗が高い。本明細書では、ダイオードにおいて、アノード層の外周端周辺における電界集中を緩和するとともに低いオン抵抗を実現する技術を提案する。 In the diode of Non-Patent Document 1, a drift layer 226 with a low n-type impurity concentration is distributed from the bottom of the protrusion 282 to the range on the outer periphery side of the protrusion 282 (i.e., the range facing the recess 222). When the diode is turned on, it is difficult for current to flow through the drift layer 226 on the outer periphery side of the protrusion 282. For this reason, the on-resistance of the diode is high. This specification proposes a technology for alleviating electric field concentration around the outer periphery end of the anode layer in a diode and achieving low on-resistance.

本明細書が開示するダイオードは、半導体基板を有する。前記半導体基板が、アノード層と中性層と電流拡散層とドリフト層を有する。前記アノード層は、前記半導体基板の上面に臨む範囲に設けられているp型層である。前記中性層は、前記アノード層と前記半導体基板の外周面の間に位置する前記半導体基板の前記上面に臨む範囲に設けられており、前記アノード層の側面に接しており、前記アノード層のキャリア濃度の10%以下のキャリア濃度を有する。前記電流拡散層は、前記中性層に対して下側から接するn型層である。前記ドリフト層は、前記アノード層と前記電流拡散層に対して下側から接し、前記電流拡散層よりも低いキャリア濃度を有するn型層である。前記アノード層の前記側面が、下側に向かうほど前記半導体基板の前記外周面に近づくように傾斜している。 The diode disclosed in this specification has a semiconductor substrate. The semiconductor substrate has an anode layer, a neutral layer, a current diffusion layer, and a drift layer. The anode layer is a p-type layer provided in a range facing the upper surface of the semiconductor substrate. The neutral layer is provided in a range facing the upper surface of the semiconductor substrate located between the anode layer and the outer peripheral surface of the semiconductor substrate, contacts the side of the anode layer, and has a carrier concentration of 10% or less of the carrier concentration of the anode layer. The current diffusion layer is an n-type layer contacting the neutral layer from below. The drift layer is an n-type layer contacting the anode layer and the current diffusion layer from below, and has a carrier concentration lower than that of the current diffusion layer. The side of the anode layer is inclined so as to approach the outer peripheral surface of the semiconductor substrate as it approaches the lower side.

なお、中性層のキャリア濃度がアノード層のキャリア濃度の10%以下であれば、中性層はn型、i型、p型のいずれであってもよい。 As long as the carrier concentration of the neutral layer is 10% or less of the carrier concentration of the anode layer, the neutral layer may be n-type, i-type, or p-type.

このダイオードでは、非特許文献1のダイオードと同様に、アノード層がドリフト層に対して上側に突出した位置に配置されており、アノード層の側面が下側に向かうほど半導体基板の外周面に近づくように傾斜している。また、アノード層の側面に接する中性層は、低いキャリア濃度を有するので、電気的に中性である。したがって、中性層は、空乏層の分布にほとんど影響しない。このため、このダイオードでは、非特許文献1のダイオードと同様に空乏層が分布し、アノード層の外周端の周辺における電界集中が緩和される。また、このダイオードでは、アノード層よりも外周側の範囲において、ドリフト層の表層部(すなわち、ドリフト層と中性層の間)にn型不純物濃度が高い電流拡散層が設けられている。このため、このダイオードがオンしたときに、電流拡散層を介して、アノード層よりも外周側の範囲に電流が拡散し易い。したがって、このダイオードは、低いオン抵抗を有する。 In this diode, similar to the diode of Non-Patent Document 1, the anode layer is disposed at a position protruding upward from the drift layer, and the side of the anode layer is inclined so that it approaches the outer peripheral surface of the semiconductor substrate as it moves downward. In addition, the neutral layer in contact with the side of the anode layer has a low carrier concentration and is therefore electrically neutral. Therefore, the neutral layer has almost no effect on the distribution of the depletion layer. Therefore, in this diode, the depletion layer is distributed similarly to the diode of Non-Patent Document 1, and the electric field concentration around the outer edge of the anode layer is alleviated. In addition, in this diode, a current diffusion layer with a high n-type impurity concentration is provided in the surface layer of the drift layer (i.e., between the drift layer and the neutral layer) in the range on the outer periphery side of the anode layer. Therefore, when this diode is turned on, the current is easily diffused to the range on the outer periphery side of the anode layer through the current diffusion layer. Therefore, this diode has a low on-resistance.

また、本明細書が開示するダイオードの製造方法は、エピタキシャル成長工程と注入工程を有する。前記エピタキシャル成長工程では、n型のドリフト層上にp型のアノード層をエピタキシャル成長させる。前記注入工程では、前記アノード層の上面にn型不純物を注入する。前記注入工程では、前記アノード層の前記上面に注入領域と非注入領域と前記注入領域と前記非注入領域の間に位置する遷移領域を設定し、前記注入領域には前記ドリフト層に達する注入深さでn型不純物を注入し、前記非注入領域にはn型不純物を注入せず、前記遷移領域には前記非注入領域から前記注入領域に近づくに従って注入深さが深くなるようにn型不純物を注入する。 The method for manufacturing a diode disclosed in this specification includes an epitaxial growth step and an injection step. In the epitaxial growth step, a p-type anode layer is epitaxially grown on an n-type drift layer. In the injection step, n-type impurities are injected into the upper surface of the anode layer. In the injection step, an injection region, a non-injection region, and a transition region located between the injection region and the non-injection region are set on the upper surface of the anode layer, and n-type impurities are injected into the injection region to an injection depth that reaches the drift layer, n-type impurities are not injected into the non-injection region, and n-type impurities are injected into the transition region so that the injection depth becomes deeper as the non-injection region approaches the injection region.

この製造方法では、注入工程において、注入領域に前記ドリフト層に達する注入深さでn型不純物が注入される。すなわち、注入領域では、アノード層とドリフト層にn型不純物が注入される。アノード層にn型不純物が注入されることで、アノード層のキャリア濃度が低下して中性領域が形成される。また、アノード層の下のドリフト層にn型不純物が注入されることで、ドリフト層のキャリア濃度が上昇し、電流拡散層が形成される。すなわち、注入領域では、アノード層であった箇所が中性領域となり、中性領域の下側に電流拡散層が形成される。非注入領域にはn型不純物が注入されないので、非注入領域にはアノード層が残存する。遷移領域には、非注入領域から注入領域に近づくに従って注入深さが深くなるようにn型不純物が注入される。したがって、遷移領域の表層部には、非注入領域から注入領域に近づくに従って深さが深くなる中性領域が形成される。このため、アノード層の側面(すなわち、アノード層と中性領域の界面)は、下側に向かうほど半導体基板の外周面に近づくように傾斜した形状となる。以上に説明したように、この製造方法によれば、アノード層の側面が下側に向かうほど半導体基板の外周面に近づくように傾斜しており、中性領域の下側に電流拡散層が設けられたダイオードを製造することができる。したがって、この製造方法によれば、アノード層の外周端の周辺における電界集中を緩和できるとともにオン抵抗が低いダイオードを製造できる。 In this manufacturing method, in the injection process, n-type impurities are injected into the injection region to an injection depth that reaches the drift layer. That is, in the injection region, n-type impurities are injected into the anode layer and the drift layer. By injecting n-type impurities into the anode layer, the carrier concentration of the anode layer decreases and a neutral region is formed. Also, by injecting n-type impurities into the drift layer below the anode layer, the carrier concentration of the drift layer increases and a current diffusion layer is formed. That is, in the injection region, the part that was the anode layer becomes a neutral region, and a current diffusion layer is formed below the neutral region. Since n-type impurities are not injected into the non-injection region, the anode layer remains in the non-injection region. In the transition region, n-type impurities are injected so that the injection depth becomes deeper as the non-injection region approaches the injection region. Therefore, in the surface layer of the transition region, a neutral region is formed whose depth becomes deeper as the non-injection region approaches the injection region. Therefore, the side of the anode layer (i.e., the interface between the anode layer and the neutral region) is inclined so that it approaches the outer peripheral surface of the semiconductor substrate as it approaches the lower side. As described above, this manufacturing method makes it possible to manufacture a diode in which the side of the anode layer is inclined so that it approaches the outer peripheral surface of the semiconductor substrate as it approaches the lower side, and a current diffusion layer is provided below the neutral region. Therefore, this manufacturing method makes it possible to reduce electric field concentration around the outer peripheral end of the anode layer and to manufacture a diode with low on-resistance.

実施形態のダイオードの断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view of a diode according to an embodiment. アノード層20の側面20c周辺部の拡大断面図。2 is an enlarged cross-sectional view of the periphery of a side surface 20c of the anode layer 20. FIG. ドリフト層内の電流密度の分布を示すグラフ。1 is a graph showing the distribution of current density in the drift layer. 実施形態の製造方法の説明図。4A to 4C are explanatory views of a manufacturing method according to an embodiment. 実施形態の製造方法の説明図。4A to 4C are explanatory diagrams of a manufacturing method according to an embodiment. 実施形態の製造方法の説明図。4A to 4C are explanatory diagrams of a manufacturing method according to an embodiment. 実施形態の製造方法の説明図。4A to 4C are explanatory views of a manufacturing method according to an embodiment. 実施形態の製造方法の説明図。4A to 4C are explanatory views of a manufacturing method according to an embodiment. 耐圧と比Ni/Naの関係を示すグラフ。1 is a graph showing the relationship between the withstand voltage and the ratio Ni/Na. 変形例のダイオードの断面図。FIG. 11 is a cross-sectional view of a modified diode. 非特許文献1のダイオードの断面図。FIG. 1 is a cross-sectional view of a diode disclosed in Non-Patent Document 1.

本明細書が開示する一例のダイオードの製造方法は、n型不純物を注入する前記工程では、前記注入領域内の前記アノード層に、前記アノード層のp型不純物濃度の0.9倍以上かつ1.1倍以下の濃度でn型不純物を注入してもよい。 In one example of the method for manufacturing a diode disclosed herein, in the step of injecting an n-type impurity, the n-type impurity may be injected into the anode layer in the injection region at a concentration that is 0.9 times or more and 1.1 times or less the p-type impurity concentration of the anode layer.

この構成によれば、中性領域のキャリア濃度を低減することができ、より高い耐圧を有するダイオードを製造できる。 This configuration allows the carrier concentration in the neutral region to be reduced, making it possible to manufacture diodes with higher breakdown voltages.

本明細書が開示する一例のダイオードの製造方法では、n型不純物を注入する前記工程では、前記アノード層の前記上面のうちの前記非注入領域と前記遷移領域を覆うマスクを介して前記アノード層の前記上面にn型不純物を注入してもよい。また、前記遷移領域内において、前記マスクの厚みが、前記非注入領域から前記注入領域に近づくに従って減少してもよい。 In the example diode manufacturing method disclosed in this specification, in the step of injecting n-type impurities, n-type impurities may be injected into the upper surface of the anode layer through a mask that covers the non-injection region and the transition region of the upper surface of the anode layer. Also, within the transition region, the thickness of the mask may decrease as it approaches the injection region from the non-injection region.

この構成によれば、遷移領域に非注入領域から注入領域に近づくに従って注入深さが深くなるようにn型不純物を注入することができる。 With this configuration, n-type impurities can be injected into the transition region so that the injection depth becomes deeper as one approaches the injection region from the non-injection region.

図1に示す実施形態のダイオード10は、半導体基板12を有している。半導体基板12は、GaN(すなわち、窒化ガリウム)により構成されている。但し、半導体基板12がシリコン、炭化シリコン等の他の半導体により構成されていてもよい。半導体基板12の上面12aには、上部電極14が配置されている。上部電極14は、上面12aの中央を含む範囲に接している。半導体基板12の下面12bには、下部電極16が配置されている。下部電極16は、半導体基板12の下面12bの全域に接している。 The diode 10 of the embodiment shown in FIG. 1 has a semiconductor substrate 12. The semiconductor substrate 12 is made of GaN (i.e., gallium nitride). However, the semiconductor substrate 12 may be made of other semiconductors such as silicon or silicon carbide. An upper electrode 14 is disposed on an upper surface 12a of the semiconductor substrate 12. The upper electrode 14 is in contact with an area including the center of the upper surface 12a. A lower electrode 16 is disposed on a lower surface 12b of the semiconductor substrate 12. The lower electrode 16 is in contact with the entire area of the lower surface 12b of the semiconductor substrate 12.

半導体基板12は、アノード層20、中性層22、電流拡散層24、ドリフト層26、及び、カソード層28を有している。 The semiconductor substrate 12 has an anode layer 20, a neutral layer 22, a current spreading layer 24, a drift layer 26, and a cathode layer 28.

アノード層20は、p型であり、半導体基板12の上面12aに臨む範囲に配置されている。アノード層20は、半導体基板12の上面12aの中央を含む範囲に配置されており、上面12aにおいて上部電極14に接している。 The anode layer 20 is p-type and is disposed in an area facing the upper surface 12a of the semiconductor substrate 12. The anode layer 20 is disposed in an area including the center of the upper surface 12a of the semiconductor substrate 12, and is in contact with the upper electrode 14 at the upper surface 12a.

中性層22は、キャリア濃度が低い半導体層である。すなわち、中性層22では、n型不純物濃度とp型不純物濃度がバランスしているため、キャリア濃度が低い。中性層22のキャリア濃度は、アノード層20のキャリア濃度の10%以下である。中性層22は、低濃度のn型、i型、または、低濃度のp型である。中性層22のキャリア濃度が低いので、中性層22の導電率は極めて低い。中性層22は、絶縁層に近い電気的特性を有する。中性層22は、半導体基板12の上面12aに臨む範囲に配置されている。中性層22は、アノード層20と半導体基板12の外周面12cの間に配置されている。すなわち、中性層22は、アノード層20の外周側(すなわち、外周面12cに近い側)に配置されている。中性層22は、上部電極14に接していない。中性層22は、アノード層20に対して横向きに接している。すなわち、図2に示すように、中性層22は、アノード層20の側面20aに接している。言い換えると、アノード層20の側面20aは、アノード層20と中性層22の界面である。 The neutral layer 22 is a semiconductor layer with a low carrier concentration. That is, in the neutral layer 22, the n-type impurity concentration and the p-type impurity concentration are balanced, so the carrier concentration is low. The carrier concentration of the neutral layer 22 is 10% or less of the carrier concentration of the anode layer 20. The neutral layer 22 is a low-concentration n-type, i-type, or low-concentration p-type. Since the carrier concentration of the neutral layer 22 is low, the conductivity of the neutral layer 22 is extremely low. The neutral layer 22 has electrical characteristics close to those of an insulating layer. The neutral layer 22 is disposed in a range facing the upper surface 12a of the semiconductor substrate 12. The neutral layer 22 is disposed between the anode layer 20 and the outer peripheral surface 12c of the semiconductor substrate 12. That is, the neutral layer 22 is disposed on the outer peripheral side of the anode layer 20 (i.e., the side closer to the outer peripheral surface 12c). The neutral layer 22 is not in contact with the upper electrode 14. The neutral layer 22 is in contact with the anode layer 20 laterally. That is, as shown in FIG. 2, the neutral layer 22 is in contact with the side surface 20a of the anode layer 20. In other words, the side surface 20a of the anode layer 20 is the interface between the anode layer 20 and the neutral layer 22.

図1、2に示すように、アノード層20の側面20aは、下側に向かうほど半導体基板12の外周面12cに近づくように傾斜している。傾斜した側面20aが存在する範囲20b内では、中性層22の下側にアノード層20が配置されている。範囲20b内では、外周面12cに近い位置ほどアノード層20の厚さが薄くなるとともに中性層22の厚さが厚くなる。以下では、半導体基板12のうちのアノード層20の外周端20cよりも外周側の部分を、外周部80という。また、半導体基板12のうちの外周端20cよりも内側の部分を、中央部82という。 As shown in Figures 1 and 2, the side surface 20a of the anode layer 20 is inclined so that it approaches the outer peripheral surface 12c of the semiconductor substrate 12 as it approaches the lower side. In the range 20b where the inclined side surface 20a exists, the anode layer 20 is disposed below the neutral layer 22. In the range 20b, the thickness of the anode layer 20 decreases and the thickness of the neutral layer 22 increases as it approaches the outer peripheral surface 12c. In the following, the portion of the semiconductor substrate 12 that is on the outer peripheral side of the outer peripheral end 20c of the anode layer 20 is referred to as the outer peripheral portion 80. In addition, the portion of the semiconductor substrate 12 that is inside the outer peripheral end 20c is referred to as the central portion 82.

電流拡散層24は、比較的n型不純物濃度が高いn型層である。電流拡散層24のn型不純物濃度は、ドリフト層26のn型不純物濃度よりも高い。したがって、電流拡散層24のキャリア濃度は、ドリフト層26のキャリア濃度よりも高い。このため、電流拡散層24の抵抗率は、ドリフト層26の抵抗率よりも低い。電流拡散層24は、中性層22の下側に配置されており、中性層22の下面の略全域に接している。 The current spreading layer 24 is an n-type layer with a relatively high n-type impurity concentration. The n-type impurity concentration of the current spreading layer 24 is higher than the n-type impurity concentration of the drift layer 26. Therefore, the carrier concentration of the current spreading layer 24 is higher than the carrier concentration of the drift layer 26. Therefore, the resistivity of the current spreading layer 24 is lower than the resistivity of the drift layer 26. The current spreading layer 24 is disposed below the neutral layer 22 and is in contact with almost the entire lower surface of the neutral layer 22.

ドリフト層26は、電流拡散層24よりもn型不純物濃度が低いn型層である。ドリフト層26は、アノード層20及び電流拡散層24の下側に配置されている。ドリフト層26は、半導体基板12の中央部82から外周部80まで分布している。ドリフト層26は、アノード層20及び電流拡散層24に対して下側から接している。 The drift layer 26 is an n-type layer with a lower n-type impurity concentration than the current diffusion layer 24. The drift layer 26 is disposed below the anode layer 20 and the current diffusion layer 24. The drift layer 26 is distributed from the central portion 82 to the peripheral portion 80 of the semiconductor substrate 12. The drift layer 26 contacts the anode layer 20 and the current diffusion layer 24 from below.

カソード層28は、電流拡散層24よりもn型不純物濃度が高いn型層である。したがって、カソード層28のキャリア濃度は、電流拡散層24のキャリア濃度よりも高い。カソード層28は、ドリフト層26の下側に配置されている。カソード層28は、半導体基板12の中央部82から外周部80まで分布している。カソード層28は、ドリフト層26に対して下側から接している。カソード層28は、半導体基板12の下面12bにおいて下部電極16に接している。 The cathode layer 28 is an n-type layer having a higher n-type impurity concentration than the current diffusion layer 24. Therefore, the carrier concentration of the cathode layer 28 is higher than the carrier concentration of the current diffusion layer 24. The cathode layer 28 is disposed below the drift layer 26. The cathode layer 28 is distributed from the center 82 to the outer periphery 80 of the semiconductor substrate 12. The cathode layer 28 is in contact with the drift layer 26 from below. The cathode layer 28 is in contact with the lower electrode 16 on the lower surface 12b of the semiconductor substrate 12.

上部電極14に下部電極16よりも高い電位を印加すると、アノード層20からドリフト層26に電流が流れる。アノード層20からドリフト層26に流入した電流は、中央部82と外周部80に分散して下側へ向かって流れてカソード層28へ流れる。実施形態のダイオード10では、外周部80内のドリフト層26の上部に設けられた電流拡散層24がドリフト層26よりも低い低効率を有する。このため、図1の矢印100のように、アノード層20からドリフト層26に流入した電流が電流拡散層24を通って横方向に拡散し易い。電流拡散層24に流入した電流は、外周部80内のドリフト層26を通ってカソード層28へ流れる。このように、電流拡散層24が設けられているので、外周部80に電流が拡散し易い。したがって、ダイオード10では、ドリフト層26内で電流が中央部82と外周部80に分散して流れ易い。このため、ダイオード10のオン抵抗は低い。 When a higher potential than that of the lower electrode 16 is applied to the upper electrode 14, a current flows from the anode layer 20 to the drift layer 26. The current flowing from the anode layer 20 to the drift layer 26 is distributed to the central portion 82 and the peripheral portion 80, flows downward, and flows to the cathode layer 28. In the diode 10 of the embodiment, the current diffusion layer 24 provided on the upper portion of the drift layer 26 in the peripheral portion 80 has a lower resistance than the drift layer 26. For this reason, as shown by the arrow 100 in FIG. 1, the current flowing from the anode layer 20 to the drift layer 26 is likely to diffuse laterally through the current diffusion layer 24. The current flowing into the current diffusion layer 24 flows through the drift layer 26 in the peripheral portion 80 to the cathode layer 28. In this way, since the current diffusion layer 24 is provided, the current is likely to diffuse to the peripheral portion 80. Therefore, in the diode 10, the current in the drift layer 26 is likely to flow distributed to the central portion 82 and the peripheral portion 80. Therefore, the on-resistance of the diode 10 is low.

図3は、ダイオード10がオンしているときのドリフト層26内(より詳細には、中央部82と外周部80内)の電流密度をシミュレーションした結果を示している。図3において、グラフAは実施形態のダイオード10の結果を示しており、グラフBは比較例のダイオードの結果を示している。比較例のダイオードは、電流拡散層24を有していない。図3に示すように、実施形態のダイオード10では、比較例のダイオードに比べて、外周部80内の電流密度が高くなる。このように、実施形態のダイオード10では広範囲に分散して電流を流すことができるので、実施形態のダイオード10は低いオン抵抗を有する。 Figure 3 shows the results of simulating the current density in the drift layer 26 (more specifically, in the central portion 82 and the outer peripheral portion 80) when the diode 10 is on. In Figure 3, graph A shows the results for the diode 10 of the embodiment, and graph B shows the results for the diode of the comparative example. The diode of the comparative example does not have a current spreading layer 24. As shown in Figure 3, the diode 10 of the embodiment has a higher current density in the outer peripheral portion 80 than the diode of the comparative example. In this way, the diode 10 of the embodiment can distribute the current over a wide range, so the diode 10 of the embodiment has a low on-resistance.

また、下部電極16に上部電極14よりも高い電位を印加すると、アノード層20とドリフト層26の界面のpn接合27に逆電圧が印加される。すると、図2に示すように、pn接合27からその周辺のアノード層20及びドリフト層26に空乏層90が広がる。上述したように、中性層22のキャリア濃度は極めて低い。このため、中性層22は、電気的に中性であり、絶縁体とほぼ同様に機能する。したがって、中性層22は、空乏層90の分布に影響しない。また、アノード層20の側面20aは下側ほど外周側に近づくように傾斜している。このため、アノード層20の外周端20c近傍では、アノード層20の厚みが薄い。このため、外周端20c近傍では、アノード層20内に幅広く空乏層90が伸びる。その結果、外周端20c近傍で空乏層90が上側に曲がるように分布する。このような空乏層90の分布では、外周端20c近傍で生じる電界が緩和される。したがって、ダイオード10は高い耐圧を有する。 In addition, when a potential higher than that of the upper electrode 14 is applied to the lower electrode 16, a reverse voltage is applied to the pn junction 27 at the interface between the anode layer 20 and the drift layer 26. Then, as shown in FIG. 2, the depletion layer 90 spreads from the pn junction 27 to the surrounding anode layer 20 and drift layer 26. As described above, the carrier concentration of the neutral layer 22 is extremely low. Therefore, the neutral layer 22 is electrically neutral and functions almost the same as an insulator. Therefore, the neutral layer 22 does not affect the distribution of the depletion layer 90. In addition, the side surface 20a of the anode layer 20 is inclined so as to approach the outer periphery as it approaches the lower side. Therefore, the thickness of the anode layer 20 is thin near the outer periphery end 20c of the anode layer 20. Therefore, near the outer periphery end 20c, the depletion layer 90 extends widely within the anode layer 20. As a result, the depletion layer 90 is distributed so as to bend upward near the outer periphery end 20c. With this distribution of the depletion layer 90, the electric field generated near the outer periphery end 20c is alleviated. Therefore, the diode 10 has a high breakdown voltage.

次に、ダイオード10の製造方法について説明する。ダイオード10は、全体がカソード層28によって構成されている半導体基板から製造される。まず、図4に示すように、カソード層28上にドリフト層26をエピタキシャル成長させる。次に、ドリフト層26上にアノード層20をエピタキシャル成長させる。ここでは、ドリフト層26の上面の全域にアノード層20を形成する。 Next, a method for manufacturing the diode 10 will be described. The diode 10 is manufactured from a semiconductor substrate whose entirety is composed of the cathode layer 28. First, as shown in FIG. 4, the drift layer 26 is epitaxially grown on the cathode layer 28. Next, the anode layer 20 is epitaxially grown on the drift layer 26. Here, the anode layer 20 is formed over the entire upper surface of the drift layer 26.

次に、図5に示すように、アノード層20の上面(すなわち、半導体基板12の上面12a)上にレジスト層60を形成する。ここでは、上面12aの中央を含む範囲がレジスト層60に覆われるとともに上面12aの外周側の範囲がレジスト層60から露出するようにレジスト層60をパターニングする。次に、半導体基板12をレジスト層60と共にアニールする。すると、図6に示すように、レジスト層60が軟化して流動する。これによって、レジスト層60の端部60a近傍の部分60bにおいて、レジスト層60の厚みが端部60aに近づくにしたがって薄くなる。以下では、半導体基板12の上面12aのうちの部分60bによって覆われている部分を、遷移領域12yという。また、上面12aのうちの厚みが一定のレジスト層60によって覆われている部分を、非注入領域12xという。また、上面12aのうちのレジスト層60に覆われていない部分を、注入領域12zという。遷移領域12yは、非注入領域12xと注入領域12zの間に配置されている。遷移領域12y内のレジスト層60の厚みは、非注入領域12xから注入領域12zに向かうにしたがって減少している。 5, a resist layer 60 is formed on the upper surface of the anode layer 20 (i.e., the upper surface 12a of the semiconductor substrate 12). Here, the resist layer 60 is patterned so that the area including the center of the upper surface 12a is covered by the resist layer 60 and the area on the outer periphery of the upper surface 12a is exposed from the resist layer 60. Next, the semiconductor substrate 12 is annealed together with the resist layer 60. Then, as shown in FIG. 6, the resist layer 60 softens and flows. As a result, in the portion 60b near the end 60a of the resist layer 60, the thickness of the resist layer 60 becomes thinner as it approaches the end 60a. Hereinafter, the portion of the upper surface 12a of the semiconductor substrate 12 that is covered by the portion 60b is referred to as a transition region 12y. Also, the portion of the upper surface 12a that is covered by the resist layer 60 with a constant thickness is referred to as a non-implantation region 12x. Also, the portion of the upper surface 12a that is not covered by the resist layer 60 is referred to as an implantation region 12z. The transition region 12y is disposed between the non-implanted region 12x and the implanted region 12z. The thickness of the resist layer 60 in the transition region 12y decreases from the non-implanted region 12x toward the implanted region 12z.

次に、イオン注入工程を実施する。イオン注入工程では、図7に示すように、レジスト層60を介して半導体基板12の上面12aにn型不純物をイオン注入する。 Next, an ion implantation process is performed. In the ion implantation process, as shown in FIG. 7, n-type impurities are ion-implanted into the upper surface 12a of the semiconductor substrate 12 through the resist layer 60.

図7に示すように、非注入領域12xは厚いレジスト層60によって覆われているので、非注入領域12xにはn型不純物は注入されない。したがって、図8に示すように、イオン注入工程後に、非注入領域12x内にアノード層20が残存する。 As shown in FIG. 7, the non-implanted region 12x is covered with a thick resist layer 60, so that n-type impurities are not implanted into the non-implanted region 12x. Therefore, as shown in FIG. 8, the anode layer 20 remains in the non-implanted region 12x after the ion implantation process.

図7に示すように、注入領域12zはレジスト層60に覆われていないので、注入領域12zにはn型不純物が注入される。イオン注入工程では、注入領域12zに注入されるn型不純物の注入深さがアノード層20の下側のドリフト層26に達するように注入エネルギーを設定する。このため、注入領域12zでは、アノード層20だけでなく、ドリフト層26のうちのアノード層20近傍の部分26aにもn型不純物が注入される。なお、イオン注入工程では、注入エネルギーを変更しながら(すなわち、注入深さを変更しながら)n型不純物を注入することによって、上面12aから部分26aまでの深さ範囲に分散してn型不純物を分布させてもよい。注入領域12zでは、p型のアノード層20にn型不純物が注入される。その結果、図8に示すように、注入領域12z内のアノード層20であった部分に、キャリア濃度が低下した中性層22が形成される。アノード層20に注入されるn型不純物の濃度がアノード層20のp型不純物濃度と等しければ、中性層22はi型となる。アノード層20に注入されるn型不純物の濃度がアノード層20のp型不純物濃度よりも高ければ、中性層22はn型となる。アノード層20に注入されるn型不純物の濃度がアノード層20のp型不純物濃度よりも低ければ、中性層22はp型となる。ここでは、アノード層20に注入されるn型不純物の濃度Niが、アノード層20のp型不純物濃度Naの0.9倍以上かつ1.1倍以下となるように、n型不純物を注入する。このようにn型不純物を注入すると、中性層22のキャリア濃度が、非注入領域12x内に残存するアノード層20のキャリア濃度の10%以下となる。また、図7に示すように、注入領域12z内では、ドリフト層26の部分26a(すなわち、アノード層20の下側の部分)にn型不純物が注入されるので、部分26aのn型不純物濃度が上昇する。このため、部分26aが、高いn型不純物濃度を有する電流拡散層24となる。すなわち、図8に示すように、注入領域12z内の中性層22の下側に電流拡散層24が形成される。 As shown in FIG. 7, the implantation region 12z is not covered with the resist layer 60, so that n-type impurities are implanted into the implantation region 12z. In the ion implantation process, the implantation energy is set so that the implantation depth of the n-type impurities implanted into the implantation region 12z reaches the drift layer 26 below the anode layer 20. Therefore, in the implantation region 12z, n-type impurities are implanted not only into the anode layer 20 but also into the portion 26a of the drift layer 26 near the anode layer 20. In the ion implantation process, the n-type impurities may be distributed in a depth range from the upper surface 12a to the portion 26a by implanting the n-type impurities while changing the implantation energy (i.e., while changing the implantation depth). In the implantation region 12z, n-type impurities are implanted into the p-type anode layer 20. As a result, as shown in FIG. 8, a neutral layer 22 with a reduced carrier concentration is formed in the portion that was the anode layer 20 in the implantation region 12z. If the concentration of the n-type impurity injected into the anode layer 20 is equal to the p-type impurity concentration of the anode layer 20, the neutral layer 22 becomes i-type. If the concentration of the n-type impurity injected into the anode layer 20 is higher than the p-type impurity concentration of the anode layer 20, the neutral layer 22 becomes n-type. If the concentration of the n-type impurity injected into the anode layer 20 is lower than the p-type impurity concentration of the anode layer 20, the neutral layer 22 becomes p-type. Here, the n-type impurity is injected so that the concentration Ni of the n-type impurity injected into the anode layer 20 is 0.9 times or more and 1.1 times or less than the p-type impurity concentration Na of the anode layer 20. When the n-type impurity is injected in this manner, the carrier concentration of the neutral layer 22 becomes 10% or less of the carrier concentration of the anode layer 20 remaining in the non-injection region 12x. Also, as shown in FIG. 7, in the injection region 12z, n-type impurities are injected into the portion 26a of the drift layer 26 (i.e., the portion below the anode layer 20), so the n-type impurity concentration in the portion 26a increases. As a result, the portion 26a becomes the current diffusion layer 24 with a high n-type impurity concentration. That is, as shown in FIG. 8, the current diffusion layer 24 is formed below the neutral layer 22 in the injection region 12z.

図7に示すように、遷移領域12y上では、レジスト層60の厚さが非注入領域12xから注入領域12zに向かうにしたがって薄くなっている。したがって、遷移領域12yでは、n型不純物の注入深さが非注入領域12xから注入領域12zに向かうにしたがって深くなる。n型不純物の注入深さがアノード層20の厚みよりも浅い範囲内では、図8に示すように、半導体基板12の上面12a近傍に中性層22が形成され、その中性層22の下側にアノード層20が残存する。n型不純物の注入深さが非注入領域12xから注入領域12zに向かうにしたがって深くなるので、遷移領域12y内に残存するアノード層20の厚さは非注入領域12xから注入領域12zに向かうにしたがって薄くなる。このため、アノード層20の側面20aが、下側に向かうほど半導体基板12の外周面12cに近づくように傾斜する。 7, on the transition region 12y, the thickness of the resist layer 60 becomes thinner from the non-implanted region 12x toward the implanted region 12z. Therefore, in the transition region 12y, the implantation depth of the n-type impurity becomes deeper from the non-implanted region 12x toward the implanted region 12z. Within a range in which the implantation depth of the n-type impurity is shallower than the thickness of the anode layer 20, as shown in FIG. 8, a neutral layer 22 is formed near the upper surface 12a of the semiconductor substrate 12, and the anode layer 20 remains below the neutral layer 22. Since the implantation depth of the n-type impurity becomes deeper from the non-implanted region 12x toward the implanted region 12z, the thickness of the anode layer 20 remaining in the transition region 12y becomes thinner from the non-implanted region 12x toward the implanted region 12z. Therefore, the side surface 20a of the anode layer 20 is inclined so as to approach the outer peripheral surface 12c of the semiconductor substrate 12 as it approaches the lower side.

イオン注入工程後に、レジスト層60を除去する。その後、図1に示すように、上部電極14と下部電極16を形成することで、ダイオード10が完成する。 After the ion implantation process, the resist layer 60 is removed. Then, as shown in FIG. 1, the upper electrode 14 and the lower electrode 16 are formed to complete the diode 10.

この製造方法では、半導体基板12の上面12aにリセスを形成することなく、側面20aが傾斜したアノード層20を形成することができる。すなわち、イオン注入によって中性層22を形成することで、アノード層20の側面20aを傾斜させることができる。この製造方法によれば、側面20aが傾斜するアノード層20を従来よりも容易に形成することができる。また、側面20aに接する中性層22は電気的に中性であるので、実施形態のダイオード10では、リセスによってアノード層の側面を傾斜させたダイオードと同様に、アノード層20の外周端20c近傍における電界集中を抑制できる。したがって、この製造方法によって製造されたダイオードは、高い耐圧を有する。 In this manufacturing method, the anode layer 20 with the inclined side surface 20a can be formed without forming a recess on the upper surface 12a of the semiconductor substrate 12. That is, the neutral layer 22 is formed by ion implantation, so that the side surface 20a of the anode layer 20 can be inclined. According to this manufacturing method, the anode layer 20 with the inclined side surface 20a can be formed more easily than in the past. In addition, since the neutral layer 22 in contact with the side surface 20a is electrically neutral, the diode 10 of the embodiment can suppress electric field concentration near the outer peripheral end 20c of the anode layer 20, as in the diode in which the side surface of the anode layer is inclined by a recess. Therefore, the diode manufactured by this manufacturing method has a high breakdown voltage.

図9は、ダイオード10の耐圧と、比Ni/Naの関係を示している。なお、上述したように、濃度Niは、注入領域12zに注入するn型不純物の濃度である。また、上述したように、濃度Naは、アノード層20内のp型不純物濃度である。比Ni/Na=1の場合には中性層22がi型であり、比Ni/Na>1の場合には中性層22がn型であり、比Ni/Na<1の場合には中性層22がp型である。また、図9のグラフXは、アノード層20のp型不純物濃度Naとドリフト層26のn型不純物濃度Ndの比Na/Ndが20の場合を示している。図9のグラフYは、比Na/Ndが50の場合を示している。図9に示すように、グラフX、Yのいずれでも、比Ni/Naが0.9~1.1の範囲では、高い耐圧が得られる。比Ni/Naが0.9~1.1の場合には、中性層22のキャリア濃度がアノード層のキャリア濃度の10%以下となり、中性層22が絶縁体に近い特性を有するようになる。このため、アノード層20の外周端20c周辺において電界集中が抑制され、耐圧が高くなる。 Figure 9 shows the relationship between the breakdown voltage of the diode 10 and the ratio Ni/Na. As described above, the concentration Ni is the concentration of the n-type impurity implanted in the implantation region 12z. As described above, the concentration Na is the concentration of the p-type impurity in the anode layer 20. When the ratio Ni/Na = 1, the neutral layer 22 is i-type, when the ratio Ni/Na > 1, the neutral layer 22 is n-type, and when the ratio Ni/Na < 1, the neutral layer 22 is p-type. Also, graph X in Figure 9 shows the case where the ratio Na/Nd of the p-type impurity concentration Na of the anode layer 20 to the n-type impurity concentration Nd of the drift layer 26 is 20. Graph Y in Figure 9 shows the case where the ratio Na/Nd is 50. As shown in Figure 9, in both graphs X and Y, a high breakdown voltage is obtained when the ratio Ni/Na is in the range of 0.9 to 1.1. When the ratio Ni/Na is between 0.9 and 1.1, the carrier concentration of the neutral layer 22 is 10% or less of the carrier concentration of the anode layer, and the neutral layer 22 has characteristics close to those of an insulator. This suppresses electric field concentration around the outer peripheral edge 20c of the anode layer 20, and increases the withstand voltage.

また、実施形態の製造方法によれば、中性層22の下側にn型不純物濃度が高い電流拡散層24が形成される。したがって、オン抵抗が低いダイオード10を製造することができる。 In addition, according to the manufacturing method of the embodiment, a current diffusion layer 24 with a high n-type impurity concentration is formed below the neutral layer 22. Therefore, a diode 10 with a low on-resistance can be manufactured.

なお、図10に示すように、外周部80に離散的に中性層22と電流拡散層24が設けられていてもよい。図10では、離散的に設けられた中性層22の間にp型層が存在している。図10の構成は、上述したイオン注入工程において、注入領域12zに離散的にn型不純物を注入することによって得ることができる。 As shown in FIG. 10, the neutral layers 22 and the current diffusion layers 24 may be provided discretely in the outer peripheral portion 80. In FIG. 10, a p-type layer exists between the discretely provided neutral layers 22. The configuration in FIG. 10 can be obtained by discretely injecting n-type impurities into the implantation region 12z in the ion implantation process described above.

また、上述した実施形態では、ダイオード単体の素子について説明したが、ダイオードと他の素子が組み合わされていてもよい。例えば、アノード層が電界効果トランジスタのボディ層を兼ねていてもよく、カソード層が電界効果トランジスタのドレイン層を兼ねていてもよい。すなわち、ダイオードが、電界効果トランジスタのボディダイオードであってもよい。 In addition, in the above-mentioned embodiment, a diode is described as a single element, but the diode may be combined with other elements. For example, the anode layer may also serve as the body layer of the field effect transistor, and the cathode layer may also serve as the drain layer of the field effect transistor. In other words, the diode may be the body diode of the field effect transistor.

以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、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さまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わ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するものであり、そのうちの1つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。 Although the embodiments have been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and variations of the specific examples given above. The technical elements described in this specification or drawings demonstrate technical utility either alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. Furthermore, the technology exemplified in this specification or drawings achieves multiple objectives simultaneously, and achieving one of these objectives is itself technically useful.

10:ダイオード、12:半導体基板、20:アノード層、20a:側面、22:中性層、24:電流拡散層、26:ドリフト層、28:カソード層 10: Diode, 12: Semiconductor substrate, 20: Anode layer, 20a: Side, 22: Neutral layer, 24: Current diffusion layer, 26: Drift layer, 28: Cathode layer

Claims (4)

ダイオードであって、
半導体基板を有し、
前記半導体基板が、
前記半導体基板の上面に臨む範囲に設けられているp型のアノード層と、
前記アノード層と前記半導体基板の外周面の間に位置する前記半導体基板の前記上面に臨む範囲に設けられており、前記アノード層の側面に接しており、前記アノード層のキャリア濃度の10%以下のキャリア濃度を有する中性層と、
前記中性層に対して下側から接するn型の電流拡散層と、
前記アノード層と前記電流拡散層に対して下側から接し、前記電流拡散層よりも低いキャリア濃度を有するn型のドリフト層、
を有し、
前記アノード層の前記側面が、下側に向かうほど前記半導体基板の前記外周面に近づくように傾斜している、
ダイオード。
A diode,
A semiconductor substrate is provided.
The semiconductor substrate is
a p-type anode layer provided in an area facing an upper surface of the semiconductor substrate;
a neutral layer provided in an area facing the upper surface of the semiconductor substrate between the anode layer and an outer peripheral surface of the semiconductor substrate, in contact with a side surface of the anode layer, and having a carrier concentration of 10% or less of the carrier concentration of the anode layer;
an n-type current spreading layer in contact with the neutral layer from below;
an n-type drift layer in contact with the anode layer and the current spreading layer from below and having a carrier concentration lower than that of the current spreading layer;
having
The side surface of the anode layer is inclined so as to approach the outer peripheral surface of the semiconductor substrate as it goes downward.
diode.
請求項1に記載のダイオードの製造方法であって、
n型の前記ドリフト層上にp型の前記アノード層をエピタキシャル成長させる工程と、
前記アノード層の上面にn型不純物を注入する工程であって、前記アノード層の前記上面に注入領域と非注入領域と前記注入領域と前記非注入領域の間に位置する遷移領域を設定し、前記注入領域には前記ドリフト層に達する注入深さでn型不純物を注入し、前記非注入領域にはn型不純物を注入せず、前記遷移領域には前記非注入領域から前記注入領域に近づくに従って注入深さが深くなるようにn型不純物を注入し、前記ドリフト層にn型不純物が注入された領域が前記電流拡散層となり、前記アノード層にn型不純物が注入された領域が前記中性層となる工程、
を有するダイオードの製造方法。
2. A method for manufacturing the diode according to claim 1, comprising the steps of :
epitaxially growing the p- type anode layer on the n- type drift layer;
a step of injecting n-type impurities into an upper surface of the anode layer, comprising: setting an injection region, a non-injection region, and a transition region located between the injection region and the non-injection region on the upper surface of the anode layer; injecting n-type impurities into the injection region to an injection depth that reaches the drift layer; not injecting n-type impurities into the non-injection region; and injecting n-type impurities into the transition region such that the injection depth becomes deeper as the injection region approaches the injection region from the non-injection region ; the region of the drift layer into which the n-type impurities are injected becomes the current spreading layer; and the region of the anode layer into which the n-type impurities are injected becomes the neutral layer ;
A method for manufacturing a diode having the above structure.
n型不純物を注入する前記工程では、前記注入領域内の前記アノード層に、前記アノード層のp型不純物濃度の0.9倍以上かつ1.1倍以下の濃度でn型不純物を注入する、請求項2に記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 2, wherein in the step of injecting n-type impurities, n-type impurities are injected into the anode layer in the injection region at a concentration that is 0.9 times or more and 1.1 times or less the p-type impurity concentration of the anode layer. n型不純物を注入する前記工程では、前記アノード層の前記上面のうちの前記非注入領域と前記遷移領域を覆うマスクを介して前記アノード層の前記上面にn型不純物を注入し、
前記遷移領域内において、前記マスクの厚みが、前記非注入領域から前記注入領域に近づくに従って減少する、
請求項2または3に記載の製造方法。
In the step of injecting n-type impurities, n-type impurities are injected into the upper surface of the anode layer through a mask that covers the non-injection region and the transition region of the upper surface of the anode layer;
Within the transition region, the thickness of the mask decreases from the non-implanted region to the implanted region.
The method according to claim 2 or 3.
JP2021060423A 2021-03-31 2021-03-31 Diode and its manufacturing method Active JP7628865B2 (en)

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