JP5825866B2 - 二段階ドーピングプロファイルを備えたパワー半導体構成要素 - Google Patents

Description

本発明は、第１の導電率を備えた半導体材料、好ましくは単結晶シリコンを含むベース本体を含む、少なくとも１つの機能的ｐｎ接合、例としてパワーダイオードを有するパワー半導体構成要素を記載する。

例として、特許文献１による先行技術は、特にフリーホイーリングダイオードとしての用途のために特にスイッチング応答を改善するために、ヘリウム原子核および／または電子をパワーダイオードに照射すること、ならびに恐らく追加的な白金拡散を提供することによって、パワーダイオードを作製することの実施を開示する。

特許文献２は、２つの機能的ｐｎ接合を有するパワー半導体構成要素を開示するが、このパワー半導体構成要素の裏側は、二段階ドーピングプロファイルを有する。このプロファイルは、ベース本体の導電率を有するドーパントを用いた第１の深い拡散、続いて、このドープされた領域の広範囲なアブレージョン、ならびに第２の導電率および高ドーパント濃度を備えたドーパントの第２の非常に浅い拡散によって生成される。

独国特許出願公開第４３ ３７ ３２９ Ａ１号明細書 欧州特許出願公開第１ ０１７ ０９３ Ａ１号明細書

本発明は、粒子照射を含まない単純な製造プロセスに適し、同時に小さな逆電流ならびに低い順方向損失およびスイッチング損失を有するパワー半導体構成要素を提供する目的に基づいている。

本発明は、請求項１の特徴を有するパワー半導体構成要素によって目的を達成する。好ましい実施形態は、それぞれの従属請求項に記載される。

本発明によるパワー半導体構成要素は、フロー制御バルブとしての、好ましくはダイオードとしての機能を生成するための少なくとも１つの機能的ｐｎ接合を有する。この目的のために、パワー半導体構成要素は、第１の基本導電率を備えたベース本体を有するが、このベース本体は、典型的には１０^１３〜１０^１４ｃｍ^−３の低いドーピング濃度を備えたｎドーピングを伴うことが多く、通常ｎ⁻ドーピングの形態をしている。このベース本体に埋め込まれ、かつ第１の主面に隣接する第１の側の中央に水平に配置されて、パワー半導体構成要素は、第２の導電率の井戸状領域を有するが、この領域は、第１の二段階ドーパントプロファイルを有するように、および第１の主面からベース本体の中へと第１の浸透深さを有するように設計される。この文脈において、井戸状領域の二段階ドーピングプロファイルのレベルが、第１の浸透深さに対して１０％〜４０％の範囲に置かれる場合には好ましい。金属コンタクト層による電気コンタクト接続の理由で、井戸状領域の第１の主面における第２のドーパント原子の濃度が、１０^１７〜１０^２０ｃｍ^−２である場合には、それは、同様に有利である。この場合および以降において、ドーピングプロファイルの浸透深さは、ドーピングが実行される表面から、ドーパント濃度が基本ドーピングの絶対値に達するまでの距離を意味すると理解されるように意図されている。

同様に第１の主面において、この井戸状領域とパワー半導体構成要素のエッジとの間に配置されているのは、単一段階ドーパントプロファイルと、第２の導電率と、第２の浸透深さと、を備えた複数のフィールドリングを含むエッジ構造である。このエッジ構造は、フィールドリングおよびまた関連パッシベーション（不動態化）に関連する関連フィールドプレート構造を有する。本発明によれば、第１の浸透深さは、第２の浸透深さの５０％以下である。

フィールドプレート構造は、各フィールドリングに関連して導電性モールドから作製されるが、導電性モールドには、それぞれ、第１の本体要素がフィールドリングの中央に水平に配置されている。第１のパッシベーション層が、これらの第１の本体要素間に水平に設けられる。さらに、第１のパッシベーション層によってベース本体から離間されるように配置された、導電性モールドの少なくとも１つのそれぞれの第２の本体要素が設けられる。この場合には、この１つのそれぞれの第２の本体要素は、パワー半導体構成要素のエッジの方向において水平に、関連するフィールドリング上に突き出る。さらに、少なくとも１つの、またはさらなる第２の本体要素が、パワー半導体構成要素の中央の方向において水平に、少なくとも１つの関連するフィールドリング上に突き出る場合には、それは好ましくなり得る。

有利なことに、第１のパッシベーション層は、その上に配置された第２のパッシベーション層を有するが、この第２のパッシベーション層は、導電性モールドまたは第１のパッシベーション層を完全に覆う。この場合に、シリコン亜硝酸塩の層が、第１および第２のパッシベーション層間に配置されるのがまた好ましくなり得る。

パワー半導体構成要素の第２の主面に隣接する、関連する第２の側の有利な構成は、次の特徴を有する。２つのプロファイル要素および第３の浸透深さの第１の導電率を備えた第２の二段階ドーピングプロファイルが、第２の主面から、ベース本体の中へと延びる。この場合に、この第３の浸透深さ、すなわち、この第２のドーピングプロファイルの第１のプロファイル要素の深さは、電圧クラスおよびしたがってパワー半導体構成要素の必要な厚さに依存して、ベース本体の横方向範囲のほぼ半分である。第２のプロファイル要素が、第４の浸透深さを有し、この第４の浸透深さが、第１のプロファイル要素の第３の浸透深さの４０％〜７０％、好ましくは５０％〜６０％である場合には、それはまた好ましい。したがって、第２のドーピングプロファイルの合計浸透深さは、その第１のプロファイル要素の浸透深さと同一である。さらに、第２の二段階ドーピングプロファイルの第２のプロファイル要素の第４の浸透深さは、ベース本体の横方向範囲の少なくとも２０％、好ましくは少なくとも３０％であるように意図されている。

第１のプロファイル要素によって生成された、第１の導電率を備えた第２の主面上のドーパント原子の濃度が、第２のプロファイル要素によって生成された濃度より少なくとも２桁小さく、第２の主面上のドーパント原子の濃度が１０^１８〜１０^２１ｃｍ^−２である場合に、それは同様に好ましい。通常、この第２の主面は、井戸状領域のコンタクト金属化に匹敵する、さらなるコンタクト金属化を自身の上に配置する。この場合に、これらの金属化の特定の構成は、用いられることになるそれぞれの外部接続技術と一致する。

本発明による解決法は、例示的な実施形態および図１〜６に関してさらに説明する。

本発明によるパワー半導体構成要素の詳細を断面で示す。 本発明によるパワー半導体構成要素の第１の主面におけるドーピング濃度を示す。 本発明によるパワー半導体構成要素の２つのさらなる実施形態の詳細を示す。 先行技術に基づいたパワー半導体構成要素のドーピング濃度を示す。 先行技術に基づいたパワー半導体構成要素のドーピング濃度を示す。 本発明によるパワー半導体構成要素の合計ドーピング濃度を示す。

図１は、本発明によるパワー半導体構成要素（１）の詳細を断面で示し、一方で図２は、本発明によるパワー半導体構成要素（１）、この場合には１２００Ｖ電圧クラスのパワーダイオードの第１の主面における関連するドーピング濃度を、その厚さにわたって示す。

図１は、多様なパワー半導体ダイオードからの例で分かるように、第１の基本導電率、典型的には弱いｎドーピングを備えたベース本体（２）の詳細を示す。第１の主面（６）上およびそこからベース本体（２）の内部に横に延びて、ｐｎ接合（４）を生成するための第２の、この場合にはｐ型の導電率の井戸状領域（１０）が示されている。

本発明によれば、この井戸状領域（１０）は、二段階ドーピングプロファイル（１００）によって生成され、その結果、合計浸透深さ（１０２）は浅く、この場合には３μｍ〜４μｍの範囲である。同時に、井戸状領域（１０）の表面におけるドーパント濃度は、金属コンタクト層（１８）が自身の上に配置された接合部における電気抵抗を十分に低くするために、十分に高く、この場合には１０^１７〜１０^１８ｃｍ^−２の範囲である。この場合に、この第１のドーピングプロファイル（１００）のレベル（１３０）が、合計プロファイルの浸透深さ（１０２）の１０％〜４０％の範囲にあるように設計される場合には好ましい。このドーピングプロファイルは、最終的には合計浸透深さ（１０２）と、および前記第１のドーピングプロファイル（１００）を生成するために適した第２の浸透深さ（１４２）を備えた第２のプロファイル要素と同一である、３μｍ〜４μｍの第１の浸透深さ（１２２）を備えた２つのプロファイル要素によって形成される。

このように生成されるこの井戸状領域（１０）は、パワー半導体構成要素（１）のベース本体（２）の中央に水平に配置され、かつ四方をエッジ領域によって囲まれる。このエッジ領域は、複数のフィールドリング（２０）をベース本体（２）に有するが、これらのフィールドリング（２０）は、それらに関する限り、第２の、この場合にはｎ型の導電率の第２の単一段階ドーピングプロファイル（２００、図６を参照）で生成される。この場合の顕著な特徴は、フィールドリング（２０）のこの第２のドーピングプロファイル（２００）の浸透深さ（２０２）が、井戸状領域（１０）の第１のドーピングプロファイル（１００）の浸透深さ（１０２）より大きいということである。この第１の浸透深さ（１０２）が、第２の浸透深さ（２０２）の、理想的には３０％まで、５０％以下である場合には好ましい。

エッジ領域はまた、フィールドプレート構造を有するが、この場合には個々の導電性モールド（４０）が、このフィールドプレート構造を生成する。それぞれの導電性モールド（４０）は、本体要素（４２、４４）と一体化して作製されるが、それぞれの第１の本体要素（４２）は、関連するフィールドリングの中央に水平方向に、かつそれと電気接触して配置される。この場合に、導電性モールド（４０）全体には、金属または適切にドープされたポリシリコンが含まれる。

井戸状領域（１０）の金属コンタクト層（１８）ならびに第１の水平に隣接する本体要素（４２）およびまた全てのさらなる第１の本体要素（４２）は、それらの間に配置される第１のパッシベーション層（３２）を有するが、この第１のパッシベーション層（３２）は、この領域におけるベース本体（２）の酸化によって形成されたシリコン酸化物を有利に含む。

それぞれの導電性モールド（４０）の第２の本体要素（４４）は、ベース本体（２）から離間されるように配置され、かつ少なくともエッジの方向において、しかし少なくとも導電性モールド（４０）の場合には有利にまた、第１の本体要素（４２）に水平に重なり、この重なりが、関連するフィールドリング（２０）の水平範囲を超えるようにする。

示されているのはまた、好ましくはポリイミドから形成された第２のパッシベーション層（３４）であり、このパッシベーション層（３４）は、第１のパッシベーション層（３２）およびまたフィールドプレート構造（４０）の自由領域を完全に覆う。また、シリコン亜硝酸塩を含む中間層を２つのパッシベーション層（３２、３４）間に配置するのが好ましくなり得る。

図３は、本発明によるパワー半導体構成要素（１）の２つのさらなる実施形態の詳細を示す。図３ａに示す実施形態は、第１のフィールドリング（２０）が、井戸状領域（１０）と重なり合う点で、すなわち、井戸状領域（１０）と第１のフィールドリングとの間に間隔がないという点で、図１に示す実施形態と異なる。さらに、井戸状領域（１０）の金属コンタクト層（１８）は、この場合には、第１のフィールドリング（２０ａ）の導電性モールド（４０ａ）と一体化して作製される。

図３ｂに示す構成では、井戸状領域（１０）の金属コンタクト層（１８）は、同様に、第１のフィールドリング（２０ａ）の導電性モールド（４０ａ）と一体化して作製されるが、この場合に、このフィールドリング（２０ａ）は、図１に示す構成と類似の方法で井戸状領域（１０）から離間される。この場合には、図１に示す構成の場合におけるように、第１のパッシベーション層（３２ａ）が、井戸状領域（１０）と、第１のフィールドリング（２０ａ）の第１の導電性モールド（４０ａ）における第１の本体要素との間で水平に、ベース本体（２）上の領域で配置される。

図４および５は、先行技術に基づいたパワー半導体構成要素の第１の主面の厚さに対してプロットされたドーピング濃度を示す。図４は、単一段階の深いドーピングプロファイルが、この場合には第２の側に生成された１２００Ｖ電圧クラスにおけるパワーダイオード用の典型的なプロファイルを示す。単一段階プロファイルの場合には、この深いドーピングは、ドーピングプロファイルの最初にパワーダイオード内部においてできるだけ小さな傾斜を生成するために、および同時に表面における高ドーパント濃度を達成して、金属コンタクト層に対する電気抵抗をできるだけ低く維持するために必要である。したがって、かかるプロファイルはまた、ベース本体用に、この場合には２４０μｍを超える比較的大きな横方向範囲を必要とする。

図５は、先行技術に基づいて、単に１４０μｍの厚さおよび二段階ドーピングプロファイルを備えた１２００Ｖ電圧クラスにおける、対照的に薄ウエハ技術を用いて作製されたパワーダイオードを示すが、このドーピングプロファイルのレベルは、第２の表面にほとんど直に接して生成される。

図６は、本発明によるパワー半導体構成要素（１）、この場合には同様に１２００Ｖ電圧クラスにおけるパワーダイオードの、第１の主面（６、図１を参照）から進んだそれらの厚さに対してプロットされた合計ドーピング濃度およびまたドーピングプロファイルを示す。図２に既に示したような第１のドーパント濃度が、第１の主面上に示されている。さらに、フィールドリング用の第２の浸透深さ（２０２）を備えた第２のドーピングプロファイル（２００）が、この場合に示されている。

第２の主面（８、図１を参照）からスタートする第２の側は、図５に示すパワーダイオードの場合におけるように、原則として二段階ドーパントプロファイルを有する。しかしながら、先行技術とは対照的に、この場合におけるウエハの横方向範囲は、薄ウエハ技術の欠点の処理およびまたこの場合に必要とされるアブレージョンプロセスを回避するために、より大きくなるように選択される。さらに、このパワーダイオードに関して、ドーパント原子のより高い濃度でのそのドーピングの浸透深さ、およびドーピングプロファイルを形成する２つの個々のプロファイルの比率は、図５に示す先行技術とは異なるように選択される。

第３の浸透深さ（５２２）およびしたがって第２のドーピングプロファイル全体を備えた、より低くて浅い第１のプロファイル要素（５２０）は、１２００Ｖ電圧クラスにおけるこのダイオードの場合には、パワーダイオード（１）のベース本体のほぼ中央まで横に延びるその浸透深さ（５０２）を有する。第２およびより急勾配のプロファイル要素（５４０）は、第３の浸透深さ（５２２）の４０％〜７０％、好ましくは５０％〜６０％の第４の浸透深さ（５４２）を有する。さらに、この第２のプロファイル要素（５４０）は、ベース本体の、この場合には２００μｍの横方向範囲の少なくとも２０％である浸透深さ（５４２）を有する。

第２の二段階ドーピングプロファイル（５００）のこの形態によって、プロファイルのスタートにおける低勾配の生成、および第２の主面における１０^１８〜１０^２１ｃｍ^−２のドーパント原子濃度の達成が同時に可能になる。第２に、第２の二段階ドーピングプロファイル（５００）のこの構成は、図５に示す横方向範囲を超える、ベース本体の横方向範囲を有するが、これは、薄ウエハ技術の欠点の処理が発生しないことを意味する。

１ パワー半導体構成要素
２ ベース本体
４ ｐｎ接合
６ 第１の主面
８ 第２の主面
１０ 井戸状領域
１８ 金属コンタクト層
２０ フィールドリング
２０ａ 第１のフィールドリング
３２ 第１のパッシベーション層
３４ 第２のパッシベーション層
４０ 導電性モールド
４０ａ 第１の導電性モールド
４２ 第１の本体要素
４４ 第２の本体要素
１００ 第１の二段階ドーピングプロファイル
１０２ 合計プロファイルの浸透深さ
１２２ 第１の浸透深さ
１３０ 第１のドーピングプロファイルのレベル
１４２ 第２の浸透深さ
２００ 第２のドーピングプロファイル
２０２ 第２の浸透深さ
５００ 第２の二段階ドーピングプロファイル
５０２ 浸透深さ
５２０ 第１のプロファイル要素
５２２ 第３の浸透深さ
５４０ 第２のプロファイル要素
５４２ 第４の浸透深さ

Claims (14)

1. 少なくとも１つの機能的ｐｎ接合（４）を有するパワー半導体構成要素（１）であって、
   第１の基本導電率を備えたベース本体（２）と、
   第２の導電率を備え、前記ベース本体（２）の中央に水平配置され、第１の二段階ドーピングプロファイル（１００）を有し、かつ第１の主面（６）から前記ベース本体（２）への第１の浸透深さ（１０２）を有する井戸状領域（１０）と、
   前記井戸状領域（１０）と前記パワー半導体構成要素（１）のエッジとの間に配置されたエッジ構造であって、単一段階ドーピングプロファイル、第２の導電率および第２の浸透深さ（２０２）を備え、前記ベース本体（２）に配置された複数のフィールドリング（２０）、これらフィールドリング（２０）に付設されたフィールドプレート構造（４０）、並びに前記エッジ構造用のパッシベーション（３０）を備えて成るエッジ構造と、を有し、
   前記第１の浸透深さ（１０２）が、前記第２の浸透深さ（２０２）の５０％以下であり、
   各フィールドリング（２０）に、前記フィールドリング（２０）の中央に水平配置された第１の本体要素（４２）を有するフィールドプレートとして、導電性モールド（４０）が付設され、これら第１の本体要素（４２）の間に、第１のパッシベーション層（３２）が配置されて、
   前記ベース本体（２）から側方に離間され、かつ前記パワー半導体構成要素（１）の前記エッジの方向にて前記付設されたフィールドリング（２０）に水平に突き出る少なくとも１つの第２の本体要素（４４）を有し、
   前記ベース本体（２）の内部に延び、第３の浸透深さ（５０２）を有する第１の導電率の第２の二段階ドーピングプロファイル（５００）が第２の主面（８）から形成され、この第２のドーピングプロファイル（５００）における第１のドーピングの前記第３の浸透深さ（５０２）が、前記ベース本体（２）の横方向範囲の半分の領域にあり、
   前記第２の二段階ドーピングプロファイル（５００）における第２のプロファイル要素（５４０）が、第４の浸透深さ（５４２）を有し、
   前記第２のプロファイル要素（５４０）のこの第４の浸透深さ（５４２）が、前記第２の二段階ドーピングプロファイル（５００）における第１のプロファイル要素（５２０）の前記第３の浸透深さ（５２２）の４０％〜７０％である、パワー半導体構成要素（１）。
2. 第２の本体要素（４４）が、前記パワー半導体構成要素（１）の中央の方向にて水平に、前記付設されたフィールドリング（２０）を突き出る、請求項１に記載のパワー半導体構成要素。
3. 前記井戸状領域（１０）における前記第１の主面（６）での第２のドーパント原子の濃度が、１０ ^１７ 〜１０ ^２０ ｃｍ ^−２ である、請求項１に記載のパワー半導体構成要素。
4. 前記井戸状領域（１０）の前記二段階ドーピングプロファイル（１００）のレベル（１３０）が、前記第１の浸透深さ（１０２）の１０％〜４０％の範囲にあるように構成されている、請求項１に記載のパワー半導体構成要素。
5. 第２の導電率の前記井戸状領域（１０）の表面上に、金属コンタクト層（１８）が配置されている、請求項１に記載のパワー半導体構成要素。
6. 前記第１のパッシベーション層（３２）の上方に、第２のパッシベーション層（３４）が配置されている、請求項１に記載のパワー半導体構成要素。
7. 前記第１のパッシベーション層（３２）がシリコン酸化物であり、前記第２のパッシベーション層（３４）がポリイミドである、請求項６に記載のパワー半導体構成要素。
8. 前記第１のパッシベーション層（３２）と前記第２のパッシベーション層（３４）の間に、シリコン亜硝酸塩から成る層が配置されている、請求項７に記載のパワー半導体構成要素。
9. 前記第２のパッシベーション層（３４）が、前記導電性モールド（４０）を完全に覆う、請求項６に記載のパワー半導体構成要素。
10. 前記導電性モールド（４０）およびその本体要素（４２、４４）が、金属またはドープされたポリシリコンを備えて構成される、請求項１に記載のパワー半導体構成要素。
11. 前記第２の二段階ドーピングプロファイル（５００）における前記第２のプロファイル要素（５４０）の前記第４の浸透深さ（５４２）が、前記第２の二段階ドーピングプロファイル（５００）における前記第１のプロファイル要素（５２０）の前記第３の浸透深さ（５２２）の５０％〜６０％である、請求項１に記載のパワー半導体構成要素。
12. 前記第２の二段階ドーピングプロファイル（５００）における前記第２のプロファイル要素（５４０）の前記第４の浸透深さ（５４２）が、前記ベース本体（２）の横方向範囲の少なくとも２０％、好ましくは少なくとも３０％である、請求項１に記載のパワー半導体構成要素。
13. 前記第１のプロファイル要素（５２０）によって生成された、前記第１の導電率を備えた前記第２の主面（８）でのドーパント原子の濃度が、前記第２のプロファイル要素（５４０）によって生成された濃度より少なくとも２桁小さい、請求項１１に記載のパワー半導体構成要素。
14. 前記第２の主面（８）でのドーパント原子の濃度が、１０^１８〜１０^２１ｃｍ^−２である、請求項１３に記載のパワー半導体構成要素。

Images