JP2011109090A - ファストリカバリーダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】ファストリカバリーダイオードの構造およびその製造方法を提供する。
【解決手段】カソード側２３およびカソード側２３と反対のアノード側２４を備えた第１の導電型のベース層２を具備するファストリカバリーダイオード１において、第１の深さおよび第１の最大のドーピング濃度を備えた第２の導電型のアノードバッファ層４１が、アノード側２４に配置される。さらに、第１の深さより深い第２の深さおよび第１の最大のドーピング濃度より高い第２の最大のドーピング濃度を備えた第２の導電型のアノードコンタクト層４２が、アノード側２４に配置される。ブレークダウン電圧においてアノード接合の空間電荷領域は、第１および第２の深さの間の第３の深さに置かれる。第２および第３の深さの間には、欠陥ピークを備えて配置された欠陥層４３がある。
【選択図】図１２

Description

発明は、パワーエレクトロニクスの分野、特にファストリカバリーダイオードおよびそのようなファストリカバリーダイオードを製造する方法に関する。

図１に示されるように、従来技術のダイオード１０は、カソード側２３およびカソード側２３と反対のアノード側２４を備えたｎドープドベース層２を具備する。アノード側２４で、ｐドープドアノード層２５は配置され、ｐドープドアノード層２５の上にアノード電極４として機能する金属層が配置される。カソード側２３で、より高い（ｎ^＋）ドープドカソードバッファ層２２は配置される。カソード電極３の形状の金属層は、（ｎ^＋）ドープドカソードバッファ層２２の上に配置される。アノード側２４で、一般的にプロトンまたはヘリウムの照射によって作られ、ｐドープドアノード層２５中の接合の近くに配置された欠陥センターがある。欠陥層４５によって、逆回復電流が減少される。そのため、デバイスの電力損失および柔軟は改善した。しかしながら、リーク電流は、そのような欠陥層４５を備えたダイオードにおいて高い。また、リーク電流の量は、欠陥層のピークの位置に応じて強く変わる。

高いリークのために、デバイスは１２５℃を超えて動作することができない。ドーピングプロファイルが非常に険しいように、生産を拡大するためにドーピングプロファイルにおける小さな変化は、照射の後に他の適切なデバイスパラメータの大きな違いに帰着する。生産歩留まりを高く維持するために、ドーピングプロファイルおよび照射エネルギーの両方の厳しいコントロールは必要である。

発明は、従来技術デバイスより低いスイッチング損失および低い逆リーク電流、ゆえに高熱の動作範囲を備えたファストリカバリーダイオードを提供し、そのようなデバイスのための製造方法を提供することを目的とする。

この目的は、請求項１によるダイオード、および請求項５によるそのようなダイオードのための製造方法によって達成される。

発明のファストリカバリーダイオードは、カソード側およびカソード側の反対のアノード側を備えた第１の導電型のベース層を具備する。アノード側で、第１の深さおよび第１の最大のドーピング濃度を備えた第２の導電型のアノードバッファ層は、配置される。このアノードバッファ層によって、電界は、欠陥層に達する前に、逆方向バイアス中に止められる。

第１の深さより低い第２の深さおよび第１の最大のドーピング濃度より高い第２の最大のドーピング濃度を備えた第２の導電型のアノードコンタクト層は、アノード側で配置される。このアノードコンタクト層は、過負荷を起こす条件の場合、速いリカバリ中によいオーム接触および高い耐久性を提供する。

ベース層の反対側のアノードコンタクト層の上に、一般的に金属層の形状で、アノード電極が配置される。

第３の深さは、アノード側からの深さとして定義され、ブレークダウン電圧のアノード接合の空間電荷領域が位置する。深さとドーピング濃度は、第３の深さが第１および第２の深さの間に位置するように選ばれる。第２および第３の深さの間で、欠陥層の欠陥ピークが位置する。

アノードバッファおよびアノードコンタクト層のクロスポイント間に欠陥層を置くことによって、ドーピング濃度は低い。したがって、オン状態中の電子正孔プラズマを著しく減少することができる。これは、ダイオードのＳＯＡを改善する。また、柔軟なリカバリを達成することができる。アノードコンタクト層よりもアノードバッファ層のドーピング濃度の遅い低下により、プロセスは、欠陥層の深さに影響を及ぼす結果にそれほど微妙ではない。同時に、欠陥層は、ブレークダウン電圧でアノード接合の空間電荷領域（ＳＣＲ）によって到達しない領域に置かれる。そのために、リーク電流を低く保つことができる。ＳＣＲの深さより小さな深さで欠陥センターのピークを維持することによって、それらがＳＣＲに存在していないので、放射欠陥は、リーク電流を増加させない。ローカルライフタイムコントロールは、リーク電流を向上させずに、欠陥センターの存在により達成することができる。そのために、ダイオードは、最先端技術デバイスより高温、例えば１７５℃まで、で動作することができる。

さらに、発明のダイオードを製造する方法は、一般的に２５μｍまでだけの深さを備えたハイドープドおよびロウドープドアノード層の生成のために、深い拡散プロファイルを備えた個別のハイパワーダイオードの生産のための従来技術方法より優れている。拡散時間は、縮小することができる。２０時間の拡散時間が、ｐドープド層の深さのような生成に十分なように、欠陥と汚染物質の生成は、長い拡散処理と比べて縮小される。したがって、そのような欠陥および汚染物質をその後削除する付加的なゲッタリングプロセスは必要ではない。

アノードバッファおよびコンタクト層の両方、および終端層までもが、１つの単一マスクで生産されてもよく、それにより、製造コストおよび微妙なマスク合わせを減少する。

個別のパワーダイオードの場合、もしプレーナ接合終端と結合すれば、ダイオード厚さは縮小することができる。従って、ＯＮ状態とターンオフ損失は、著しく減少することができる。

発明のダイオードは、ＩＧＣＴ（集積ゲート整流サイリスタ）のフリーホイリングまたはクランピングダイオード、または、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）アプリケーションのフリーホイリングダイオードとして、有利に使用することができる。

さらに、好ましい変形と実施形態は、従属請求項で開示される。

発明の主題は、添付の図面を参照して、次のテキストにより詳細に説明されるだろう。
従来技術のアノード層と欠陥層を備えたフリーホイリングダイオードを示す。 発明のダイオードの製造のための第１の製造方法を示す。 発明のダイオードの製造のための第１の製造方法を示す。 発明のダイオードの製造のための第１の製造方法を示す。 発明のダイオードの製造のための第１の製造方法を示す。 発明のダイオードの製造のための第１の製造方法を示す。 発明のダイオードの製造のための第１の製造方法を示す。 発明のダイオードの製造のための第１の製造方法を示す。 発明のダイオードの製造のための第１の製造方法を示す。 発明のダイオードの製造のための第１の製造方法を示す。 発明のダイオードの製造のための第１の製造方法を示す。 発明によるダイオードを示す。 発明のダイオードの製造のための別の製造方法を示す。 発明のダイオードの製造のための別の製造方法を示す。 発明のダイオードの製造のための別の製造方法を示す。 発明のダイオードの製造のための別の製造方法を示す。 発明のダイオードの製造のための別の製造方法を示す。 発明による別のダイオードを示す。 発明のダイオードのためのドーピング濃度、電界およびポテンシャルを示す。

図とそれらの意味の中で使用される参照符号は、参照符号のリスト中で要約される。一般に、似ているまたは似ている機能の部分は、同じ参照符号を与えられる。記述された実施形態は、例として意味され、発明を限定しないものとする。

さらに説明は、ｎ型である第１の導電型およびｐ型である第２の導電型で作られるだろう。しかし、代わりに、導電型を逆にすることもできる。

図１２は、ウェハ２０を含む発明のファストリカバリーダイオード１を示す。製造プロセスの間、修正できないドーピングを備えたウェハの一部は、カソード側２３およびカソード側２３の反対のアノード側２４を備えた、第１の導電型、すなわちｎ型のベース層２を形成する。カソード側２３で、ｎドープドカソードバッファ層２２が配置されてもよい。そのようなカソードバッファ層２２を有するダイオード１の場合、この層は（ｎ⁻）ドープドベース層２より高いドーピングを有する。カソード電極３としての金属層は、ベース層２の反対側のカソードバッファ層２２の上に配置される。

アノード電極４としての金属層は、ウェハ２０のアノード側に配置される。ドープドアノードコンタクト層４２は、第２の深さ４２０を備えたアノード側２４で配置される。第２の深さは、典型的な実施形態で５μｍである。アノードコンタクト層４２とベース層２との間で、ｐドープドアノードバッファ層４１は、第１の深さ４１０に配置される。第１の深さは、典型的な実施形態で２５μｍである。アノードバッファ層４１は、アノードコンタクト層４２を囲む。アノードバッファ層４１のドーピング濃度は、アノードコンタクト層４２のドーピング濃度より低い。

図１９に示されるように、ブレークダウン電圧の動作中のアノード接合の空間電荷領域９は、第１および第２の深さ４１０、４２０の間の第３の深さ４３０に位置する。欠陥層４３は、第２および第３の深さ４２０、４３０の間で配置されたその欠陥ピークのように配置される。欠陥層４３は、ウェハの全面一帯の連続的な層でもよい、または、欠陥層４３が、アノードバッファ層４１のエリアまたはアノードバッファ層４１の全面一帯の少なくとも一部で、ウェハの表面に平行な面に位置されるように、それは横方向で制限されているかもしれない。

第１、第２および第３の深さは、ウェハ２０のアノード側の表面から測定される。

逆方向バイアスの下のアノードドーピングプロファイルへＳＣＲが浸透する深さは、測定することができる。または、それは理論上算出することもできる。例えば、シリコンウェハ中のブレークダウン電圧については、それは、いわゆるブレークスルー電荷Ｑ＝１．５＊１０^１２ｃｍ^−２を用いて算出されることができる。ブレークダウンでは、ＳＣＲは、アクセプタ濃度範囲の積分∫Ｎ_ａ．ｄｘ＝Ｑ＝１．５＊１０^１２ｃｍ^−２で、アノード接合（ｐｎ接合）からの距離に浸透する。ＳＣＲが浸透するより高いドーピングプロファイルの場合は、濃度が低い場合より低いことを意味する。

好ましくは、アノードコンタクト層４２の最大のドーピング濃度（それは一般的にこの層の表面のドーピング濃度である）は、５＊１０^１６／ｃｍ^３より下のアノードバッファ層４１の１０^１７と５＊１０^１９／ｃｍ^３との間、好ましくは１０^１５／ｃｍ^３と３＊１０^１６／ｃｍ^３との間の範囲にある。

図１８に示される典型的な実施形態では、ウェハの終端エリア２１のアノード側２４に配置されたｐドープド終端層４４がある。これらの終端層４４は、アノードバッファおよびアノードコンタクト層４１、４２を囲む。

別の典型的な実施形態では、アノードバッファ層４１および／またはアノードコンタクト層４２は、円形状あるいは長方形のような四角形状あるいは正方形を有してもよい。終端層４４を具備するダイオード１の場合、これらはリング状あるいは四角形フレーム形状を有してもよく、一般的に終端層４４は類似形状を有する。

別の典型的な実施形態では、ダイオード１は、ＩＧＣＴ（集積ゲート整流サイリスタ）またはＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）アプリケーションのためにフリーホイリングダイオードとして使用される。

ダイオード１は、次のステップを含む次の製造方法によって製造することができる。図２に示されるように、ｎ型ウェハ２０は、第１側（つまり、カソード側２３）および第２側（つまり、カソード側２３と反対のアノード側２４）を備えて提供される。ｐｎ接合の形成については、ウェハのアノード側２４に、アノードバッファ層４１は、拡散７が後続する、第１のイオン４１１の注入の最先端技術プロセスによって形成される（図３）。その後、第１のイオン４１１は、所望の第１の深さ４１０にウェハ２０に打ち込まれる（図５および６）。それは、一般的に、数時間（一般的に２０時間）までウェハを加熱することにより行われる。ｐ型アノードコンタクト層４２は、ウェハ２０へ第２のイオン４２１を注入することにより作成される（図７）。その後、第２のイオン４２１は、第２の深さ４２０への拡散によってウェハの中に打ち込まれる（図８および９）。注入の代わりに、さらに、粒子蒸着のような他の方法は、ウェハ上にイオン４１１および４２１を適用するために使用することができる。図３〜９に示されたプロセスによって、連続的な層４１、４２が全体のウェハ平面に関して作成されるように、マスクは使用されない。

典型的な実施形態では、ボロンは、第１のイオン４１１および第２のイオン４２１として使用される。これは、ＡｌとＧａのような異なるイオンタイプを用いて、ダブルの注入または拡散を備えた複雑な従来技術の方法が回避されるという長所を有する。Ａｌは、ウェハから拡散する傾向がある。ＳｉＯ_２マスキング層のフォトマスクが働かないように、ガリウムが二酸化珪素によって容易に拡散するので、Ｇａの拡散は隠せない。本発明の中で使用されるようなボロン拡散はより遅いが、拡散深さが従来技術のデバイスよりもはるかに浅いので、それは限定因子ではない。

その後、一般的に、金属化プロセスは、カソード側２３のカソード電極３としての金属層およびアノード側２４のアノード電極４としての別の金属層を作成するために、ウェハ２３、２４の両側で行なわれる（図１０）。

その後、ウェハ２０は、欠陥層４３の形成のために、第３の型のイオン４３１（図１１；図中の曲がった矢印によって表わされた）で照射され、アニールされる。好ましくは、第３の型のイオン４３１は、プロトンまたはヘリウムである。イオンのエネルギーおよび濃度は、欠陥層４３の所望の深さとドーズ濃度が達成されるように選ばれる。欠陥層４３は、欠陥層４３のエリアを横方向に制限するために、横方向に制限のあるイオンビームの使用によりまたはマスクの使用により（図２１に示されたように）、作成されてもよい。欠陥層４３のエリアは、ウェハの表面に平行な平面のアノードバッファ層４１のエリアの少なくとも一部に相当する、または、アノードバッファ層４１の全体のエリアに相当する。あるいは、欠陥層４３は、さらにウェハ２０の全体のエリアの連続的な層でもよい（図１１）。

別の典型的な実施形態では、マスク５は、第１のイオン４１１用の模範として図２０に示された第１および／または第２のイオン４１１、４２１を適用するために、アノード側２４で適用される。そのため、アノードバッファおよび／またはアノードコンタクト層４１、４２は、一般的にウェハ２０の中央エリアへ、横方向に制限されている。中央エリアは、ウェハのエッジエリアと呼ばれる終端エリア２１を含んでいないエリアとして理解されるものとする。一般的に、マスク５は後で削除される。

さらに、プレーナ接合終端は、デバイスの電圧ブロッキング能力を維持するために形成することができる。製造方法は、次の例外を除いて、終端層のないデバイス用のそれに似ている。そのようなエッジ終端の形成については、マスク５は、上に説明されるようなウェハの中央部に開口を有してもよい。また、それは、終端層４４を作成するために、ウェハの終端エリア２１に開口をさらに具備する（図１３および１４）。終端層４４は、アノードバッファ層４１および／またはアノードコンタクト層４２と同時に形成される（図１５および１６）。終端層４４は、拡散７と一緒に第１または第２イオン４１１、４２１の１つの注入またはデポジションによって作られてもよい。あるいは、それらは、第１および第２イオン４１１、４２１の拡散７によって作られてもよい。もちろん、個別のマスクを終端層４４の生成に使用するために、終端層４４の生成用イオンを第１または第２イオン、またはそれらの拡散とは別々に適用することも可能である。あるいは、（終端エリア２１のエッチング方法のように）終端層４４の生成のために他の最先端技術方法が適用されてもよい。欠陥層４３は、アノードバッファ層４１のエリアへ横方向に制限されてもよい（図１７および１８）。

カソード側２３で、形成されたベース層２より高いドーピングを備えたカソードバッファ層２２があってもよい。これは、カソード側２３で、例えばリンで、第４のイオン注入またはデポジションのような最先端技術プロセスによって行うことができる（図４）。その後、第４のイオン２２０は、ウェハへ拡散される。そのようなプロセスは、アノード側２４の層の生成の前または後に、アノードバッファまたはアノードコンタクト層４１、４２の生成と同時にまたは別々に、行なわれてもよい。

さらにステップで、ダイオード１は、デバイスのターンオフ損失をさらに縮小するために、全体のデバイス上またはマスクを介して、電子で照射されてもよい（図１８；図中の矢印によって表わされた）。

１…ダイオード、２…ベース層、２０…ウェハ、２１…終端エリア、２２…カソードバッファ層、２２０…第４のイオン、２３…カソード側、２４…アノード側、２５…アノード層、３…カソード電極、４…アノード電極、４１…アノードバッファ層、４１１…第１のイオン、４１０…第１の深さ、４２…アノードコンタクト層、４２０…第２の深さ、４２１…第２のイオン、４３…欠陥層、４３０…第３の深さ、４３１…第３のイオン、４４…終端層、４５…欠陥層、５…マスク、６および６‘…注入、７…拡散、８…照射。

Claims (11)

1. カソード側（２３）および前記カソード側（２３）と反対のアノード側（２４）を備えた第１の導電型のベース層（２）と、
   前記アノード側（２４）に第１の深さ（４１０）および第１の最大のドーピング濃度を備えた第２の導電型のアノードバッファ層（４１）と、
   前記第１の深さ（４１０）より低い第２の深さ（４２０）および前記第１の最大のドーピング濃度より高い第２の最大のドーピング濃度を備えた第２の導電型のアノードコンタクト層（４２）と、
   第３の深さ（４３０）および前記カソード側（２３）の間に置かれた、ブレークダウン電圧においてアノード接合の空間電荷領域と、前記第３の深さ（４３０）は前記第１および第２の深さ（４１０、４２０）の間に配置される、前記第１、第２、および第３の深さ（４１０、４２０、４３０）は前記アノード側（２４）から測定される、
   前記第２および第３の深さ（４２０、４３０）の間に配置され、欠陥ピークを備えた欠陥層（４３）と、
   を具備するファストリカバリーダイオード（１）。
2. 前記アノードバッファ層（４１）および／または前記アノードコンタクト層（４２）は、円形状または四辺形状を有することを特徴とする、請求項１によるダイオード（１）。
3. 前記ダイオード（１）は、前記ダイオードの終端エリア（２１）内の前記アノード側（２４）に配置された、前記第２の導電型の少なくとも１つの終端層（４４）を具備することを特徴とする、請求項１または２によるダイオード（１）。
4. 前記少なくとも１つの終端層（４４）のいずれかは、円形状または四辺形状を有することを特徴とする、請求項３によるダイオード（１）。
5. カソード側（２３）および前記カソード側（２３）と反対のアノード側（２４）を備えた第１の導電型のウェハ（２０）が提供されることと、
   アノードバッファ層（４１）の生成のために、第２の導電型の第１のイオン（４１１）が前記アノード側（２４）で適用されることと、
   前記第１のイオン（４１１）が前記ウェハ（２０）内へ拡散されることで、第１の深さ（４１０）および第１の最大のドーピング濃度を備えた前記アノードバッファ層（４１）を生成することと、
   その後、アノードコンタクト層（４２）の生成のために、第２の導電型の第２のイオン（４２１）が前記アノード側（２４）で適用されることと、
   前記第２のイオン（４２１）が前記ウェハ（２０）内へ拡散されることで、前記第１の深さ（４１０）より低い第２の深さ（４２０）および前記第１の最大のドーピング濃度より高い第２の最大のドーピング濃度を備えた前記アノードコンタクト層（４２）を生成することと、
   その後、カソード電極（３）およびアノード電極（４）が生成されることと、
   その後、欠陥層（４３）を生成するために、前記ウェハ（２０）が第３のイオン（４３１）で照射されることと、
   を具備し、
   前記第３のイオン（４３１）のエネルギーは、前記第２の深さ（４２０）および前記第３の深さ（４３０）の間で欠陥ピークが配置されるように選ばれる、前記第３の深さ（４３０）は、前記第１の深さ（４１０）より小さい、前記第３の深さ（４３０）および前記カソード側（２３）の間にデバイスのブレークダウン電圧においてアノード接合の空間電荷領域が置かれる、
   前記第１、第２、および第３の深さ（４１０、４２０、４３０）は、前記アノード側（２４）から測定される、
   ファストリカバリーダイオード（１）の製造方法。
6. 前記第１のイオン（４１１）、第２のイオン（４２１）、または前記第１および第２のイオン（４１１、４２１）を適用するために、マスク（５）が前記アノード側（２４）で適用されることを特徴とする、請求項７によるダイオード（１）の製造方法。
7. 前記マスク（５）は、前記ウェハ（２０）の中央部に開口を有する、前記マスク（５）は、前記第２の導電型の少なくとも１つの終端層（４４）を生成するために、前記ウェハの終端エリア（２１）に少なくとも１つの開口を有することを特徴とする、請求項６によるダイオード（１）の製造方法。
8. 前記第１のイオン（４１１）は、ボロンである、
   前記第２のイオン（４２１）は、ボロンである、
   前記第３のイオン（４３１）は、プロトンまたはヘリウムである、
   のうち、少なくとも１つのイオンが使用されることを特徴とする、請求項５によるダイオード（１）の製造方法。
9. 前記アノードバッファ層（４１）の最大のドーピング濃度は、１＊１０^１５ｃｍ^−３と５＊１０^１６ｃｍ^−３との間、または、２＊１０^１５ｃｍ^−３と３＊１０^１６ｃｍ^−３と間の範囲内にあることを特徴とする、請求項５によるダイオード（１）の製造方法。
10. 前記第１の深さ（４１０）は、最大２５μｍである、前記第２の深さ（４２０）は、最大５μｍであることを特徴とする、請求項５によるダイオード（１）の製造方法。
11. 集積ゲート整流サイリスタまたは絶縁ゲートバイポーラトランジスタアプリケーションで使用するための請求項１〜４のいずれかによるダイオード（１）。

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