DE10031461A1 - Hochvolt-Diode - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hochvolt-Diode, bei der die Dotierungskonzentrationen eines Anodengebietes (4, 2) und eines Kathodengebietes (1, 5, 6) im Hinblick auf die Grundfunktionen "statisches Sperren" und "Durchfluß" optimiert sind. Die Dotierungskonzentrationen betragen 1 x 10·17· bis 3 x 10·18· Dotierstoffatome cm·-3· für den Anodenemitter (4), insbesondere an dessen Oberfläche 10·19· Dotierstoffatome cm·-3· oder darüber für den Kathodenemitter (6) und etwa 10·16· Dotierstoffatome cm·-3· für die Sperrfunktion einer anodenseitigen Zone (2).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochvolt-Diode mit einer anodenseitigen p-leitenden Zone, einer kathodenseitigen n^--leitenden Driftzone, die mit der p-leitenden Zone einen pn-Übergang bildet, einem an eine Anodenmetallisierung an­ grenzenden und in der p-leitenden Zone vorgesehenen p⁺- leitenden Anodenemitter und einem an eine Kathodenmetallisie­ rung angrenzenden n⁺-leitenden Kathodenemitter.

Bei schnellen Hochvolt-Dioden der oben genannten Art, also bei Dioden mit einer pn^-n-Struktur, sollte der Wirkungsgrad des Anodenemitters möglichst niedrig sein, um eine einstell­ bare geringe Überschwemmung der n^--leitenden Driftzone mit Ladungsträgern an deren anodenseitigem Ende und damit eine geringe Rückstromspitze beim Abkommutieren der Hochvolt-Diode zu erreichen.

Diese Einstellung des Wirkungsgrades des Anodenemitters auf relativ geringe Werte wird derzeit durch Anwendung von Be­ strahlungstechniken oder durch generelles Reduzieren der in die p-leitende Zone eingebrachten p-Dosis erreicht. Bei An­ wendung von Bestrahlungstechniken steigt aber durch die damit zwangsläufig induzierten Kristallschäden das Sperrstromniveau der Hochvolt-Diode, während einer Reduktion durch Minimierung der p-Dosis insofern Grenzen gesetzt sind, als eine zu nied­ rige p-Dosis keine ausreichende Kontaktierung gewährleistet und die Kommutierungsfestigkeit sowie die statische Sperrfä­ higkeit der Hochvolt-Diode herabsetzt.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hoch­ volt-Diode anzugeben, die sich durch einen niedrigen Wir­ kungsgrad des Anodenemitters auszeichnet und dennoch weder ein erhöhtes Sperrstromniveau noch Beeinträchtigungen hin­ sichtlich Kontaktierung und Kommutierungsfestigkeit zeigt.

Diese Aufgabe wird bei einer Hochvolt-Diode der eingangs ge­ nannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die p- leitende Zone im Vergleich zu dem eine relativ hohe Oberflä­ chenkonzentration, aber eine geringe Eindringtiefe aufweisen­ den p⁺-leitenden Anodenemitter niedrig dotiert ist, daß zwi­ schen der n^--leitenden Driftzone und dem n⁺-leitenden Katho­ denemitter eine n-leitende Zone vorgesehen ist, daß die Do­ tierstoff-Dosis des p⁺-leitenden Anodenemitters zwischen 1,3 × 10¹² Dotierstoffatomen cm^-2 und 5 × 10¹³ Dotierstoffatomen cm^-2 liegt und daß die an den pn-Übergang angrenzende p- leitende Zone mit einer Dosis von (1,3. . .3) × 10¹² Dotier­ stoffatomen cm^-2 dotiert ist.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Dotierstoff-Dosis des p⁺-leitenden Anodenemitters zwischen 5 × 10¹² Dotierstoffatomen cm^-2 und 2 × 10¹³ Dotierstoffatomen cm^-2 liegt.

Die Dotierungskonzentration des n⁺-leitenden Kathodenemitters liegt an der Oberfläche vorzugsweise über 10¹⁹ Dotierstoffa­ tome cm^-3. Weiterhin ist die an den pn-Übergang angrenzende p-leitende Zone, die in bevorzugter Weise mit einer Dosis von etwa (1,3. . . 1,8) × 10¹² Dotierstoffatomen cm^-2 implantiert sein kann, mit einer Diffusionsweite von etwa 2 µm ausdiffun­ diert. Die Dotierungskonzentration der ausdiffundierten Do­ tierstoffatome beträgt dann etwa 10¹⁶ Dotierstoffatome cm^-3. Für die Herstellung der p-leitenden Zone kann selbstverständ­ lich aber auch anstelle einer Implantation eine Diffusion an­ gewandt werden.

Der p⁺-leitende Anodenemitter ist vorzugsweise mit einer Do­ sis von höchstens 2 × 10¹³ Dotierstoffatomen cm^-2 implantiert.

Zusätzlich kann der Emitterwirkungsgrad des Kathodenemitters und/oder des Anodenemitters durch oberflächennahe Kristall­ schäden reduziert werden. Diese Kristallschäden können durch Bestrahlung oder Ionenimplantation erzeugt sein. Für eine solche Bestrahlung oder Ionenimplantation kann insbesondere Argon oder Krypton verwendet werden.

Die erfindungsgemäße Hochvolt-Diode bzw. deren oben angegebe­ nen Bemessungsvorschriften für insbesondere die Dotierungs­ konzentration beruhen auf der Überlegung, die wesentlichen Grundfunktionen einer Diode, nämlich "statisches Sperren" und "Durchlaß", durch gezielt optimierte, jeweils hierfür ange­ paßte Strukturen in einem Halbleiterkörper bzw. einem Chip zu erreichen. Diese Grundfunktionen sollen weiter unten näher speziell für die Anodenseite erläutert werden. Für die Katho­ denseite gelten äquivalente Überlegungen. Gleiches gilt selbstverständlich auch für eine gemeinsame Verwirklichung der Grundfunktionen auf der Anodenseite und der Kathodensei­ te.

Für die Funktion "statisches Sperren" gelten die folgenden Überlegungen:

Tritt an einem pn-Übergang ein Lawinendurchbruch auf, liegt physikalisch bedingt die höchste mögliche Sperrspannung an dem den pn-Übergang enthaltenden Chip mit einem p-leitenden Gebiet und einem n-leitenden Gebiet an. Damit sind in dem Chip Dotierstoffatome sowohl im p-leitenden Gebiet als auch im n-leitenden Gebiet entsprechend der Durchbruchsladung io­ nisiert. Die Durchbruchsladung ist dabei über die zweite Ma­ xwell-Gleichung mit der Durchbruchsspannung verknüpft. Für Silizium beträgt die Durchbruchsladung etwa (1,3. . .1,8) × 10¹² Dotierstoffatome cm^-2.

Dies bedeutet nun, daß eine Dosis von etwa 1,8 × 10¹² Dotier­ stoffatomen cm^-2 an sich als ausreichend anzusehen ist, um einen statischen Durchgriff eines elektrischen Feldes in ei­ gebrachten Metallkontakt zu verhindern.

Derart niedrige Dosen von 1,8 × 10¹² Dotierstoffatomen cm^-2 werden vorzugsweise mittels Ionenimplantation in den Chip eingebracht. Da aber schon kleine Partikel oder Defekte die feldstoppende Wirkung vermindern und damit zu einem Sperraus­ fall der Hochvolt-Diode führen können, ist es vorteilhaft, wenn die implantierten Dotierstoffatome ausdiffundiert wer­ den. Die minimale Diffusionsweite hängt dabei von der zu er­ wartenden Größe der Defekte ab.

Außerdem sollte die implantierte Dosis etwas angehoben sein, um letztlich sicherzustellen, daß auch unter Berücksichtigung der erwähnten Defekte durchgehend in den betrachteten Gebie­ ten noch eine Dosis von 1,8 × 10¹² Dotierstoffatomen cm^-2 vor­ handen ist.

Bei einer Diffusionsweite von beispielsweise 2 µm ergibt sich dann eine mittlere Dotierstoffkonzentration von etwa 10¹⁶ Do­ tierstoffatomen cm^-3.

Die Wirkungsweise und die Herstellung einer kathodenseitigen n-leitenden Feldstopzone sind in WO99/01956 DE beschrieben.

Für die Grundfunktion "Durchlaß" gelten die folgenden Überle­ gungen:

Für einen sicheren ohmschen Kontakt der Anodenmetallisierung und der Kathodenmetallisierung am Anodenemitter bzw. am Ka­ thodenemitter und niedrige Kontaktwiderstände sind erheblich höhere Oberflächen-Dotierstoffkonzentrationen erforderlich, als diese oben im Zusammenhang mit der Grundfunktion "stati­ sches Sperren" angegeben sind. Außerdem ist zu bedenken, daß die Forderung nach einem definierten, niedrigen Wirkungsgrad des Anodenemitters gleichbedeutend ist mit der Forderung nach einer niedrigen Dotierstoffdosis.

Beide Ziele, nämlich ein geringer Kontaktwiderstand und ein niedriger Wirkungsgrad des Anodenemitters, werden gleichzeitig durch eine flache, oberflächennahe Implantation erreicht. Die Ausdiffusion dieses implantierten Profils darf aber nur so weit erfolgen, daß an der Oberfläche des Chips Konzentra­ tionen von etwa 10¹⁷ Dotierstoffatome cm^-3 für die p-leitende Zone keinesfalls unterschritten werden. Zweckmäßigerweise wird also die implantierte Dosis des Anodenemitters lediglich aktiviert und nur geringfügig über wenige nm diffundiert.

Für die Grundfunktion "Durchlaß" spielen kleine Defekte im Kristallgitter des Chips mit Abmessungen von wenigen µm keine ausschlaggebende Rolle, da durch diese Defekte die stromfüh­ rende Fläche, die vorzugsweise über 1 mm² liegt, nicht spür­ bar verändert wird. Auch braucht die Grundfunktion "stati­ sches Sperren" von dem Anodenemitter nicht geleistet zu wer­ den.

Unter Berücksichtigung der obigen Überlegungen liegt eine zweckmäßige Dosis für den p⁺-leitenden Anodenemitter bei Wer­ ten von höchstens etwa 2 × 10¹³ Dotierstoffatomen cm^-2.

Für den Kathodenemitter gelten entsprechende Überlegungen, auch wenn dort keine Auswirkungen auf eine Rückstromspitze auftreten.

Bekanntlich sollte der Emitterwirkungsgrad der Kathode stär­ ker sein als der Emitterwirkungsgrad der Anode (vergleiche A. Porst et al.: Improvement of the diode characteristics using EMitter CONtrolled principles (EMCON-Diode), Proc. ISPSD, Weimar, 1997, S. 213-216), um eine stärkere Anhebung von La­ dungsträgern auf der Kathodenseite zu erreichen. Wird dies berücksichtigt, so kann eine gezielte Abstimmung des Freiwer­ de-Verhaltens, beispielsweise ein "soft recovery-Verhalten" einer Hochvolt-Diode für verschiedene Anwendungen erreicht werden.

An der Oberfläche des Kathodenemitters sollten Donatorkonzen­ trationen über 10¹⁹ Dotierstoffatome cm^-3 vorhanden sein, um einen ohmschen Kontakt zu der Kathodenmetallisierung aus bei­ spielsweise Aluminium zu gewährleisten. Eine zweckmäßige Do­ sis zur Bildung des Kathodenemitters liegt dann über 5 × 10¹³ Dotierstoffatomen cm^-2.

Bei der erfindungsgemäßen Hochvolt-Diode kann der Emitterwir­ kungsgrad der jeweiligen Kontaktschicht, also des Anodenemit­ ters bzw. des Kathodenemitters, zusätzlich durch oberflächen­ nahe Kristallschäden reduziert werden. Solche Kristallschäden können durch Bestrahlungen oder Ionenimplantationen mit bei­ spielsweise Argon oder Krypton erzeugt werden. Dadurch braucht aber eine Verschlechterung der Sperreigenschaften der Hochvolt-Diode nicht befürchtet zu werden.

Die erfindungsgemäße Hochvolt-Diode zeichnet sich im Ver­ gleich mit der aus der DE 195 43 922 A1 bekannten Softrecove­ ry-Diode speziell durch die folgenden Eigenschaften aus:

Durch die Erfindung werden Dimensionierungsvorschriften für die p-leitende Feldstopzone und deren notwendige Dotierung und die Kontaktimplantation an der Anode und der Kathode an­ gegeben.

Die Dosis der durch den p⁺-leitenden Anodenemitter gebildeten p-Kontaktimplantation braucht nicht höher als die Dosis der die p-leitenden Feldstopzone bildenden Implantation zu sein, welche eine Dosis von wenigstens 1,8 × 10¹² Dotierstoffatomen cm^-2 besitzen sollte. Sie kann aber eine höhere Dosis aufwei­ sen, die vorzugsweise jedoch nicht höher als 2 × 10¹³ Dotier­ stoffatome cm^-2 sein sollte. Diese Implantation sollte ausge­ heilt sein.

Gegebenenfalls können an der Oberfläche Kristallschäden bei­ spielsweise durch Ionenimplantation mit schweren, nicht do­ tierenden Ionen, wie z. B. Argon, erzeugt werden.

Die Kathode hat vorzugsweise eine höhere Kontaktimplantati­ onsdosis als die Anode.

Die erfindungsgemäße Hochvolt-Diode ist relativ einfach her­ stellbar und erfordert keine zusätzlichen Photoebenen. Viel­ mehr sind die bei bestehenden Dioden angewandten Photoebenen und Maskierungen ausreichend.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher er­ läutert, in deren einziger Figur ein Schnitt durch ein Aus­ führungsbeispiel der erfindungsgemäßen Hochvolt-Diode darge­ stellt ist.

Eine Hochvolt-Diode nach diesem Ausführungsbeispiel besteht aus einem Siliziumkörper. Anstelle von Silizium kann auch ein anderes geeignetes Halbleitermaterial, wie beispielsweise SiC und so weiter gewählt werden. Dabei müssen die Implantations­ dosen an das jeweilige Material angepaßt werden. Der Silizi­ umkörper weist eine n^--leitende Driftzone 1, eine p-leitende Zone 2, die mit der n^--leitenden Driftzone einen pn-Übergang 3 bildet, einen p⁺-leitenden Anodenemitter 4, eine n-leitende Zone 5 und einen n⁺-leitenden Kathodenemitter 6 auf.

Der Anodenemitter 4 ist mit einer Anodenmetallisierung 7 ver­ sehen, und auf dem Kathodenemitter 6 ist eine Kathodenmetal­ lisierung 8 aufgetragen. Für diese Metallisierungen können bekannte Kontaktwerkstoffe wie beispielsweise Al, AlSi und so weiter gewählt werden.

Die Dotierungskonzentration in dem p⁺-leitenden Anodenemitter 4 wird zwischen 1,5 × 10¹². . .5 × 10¹³ Atomen cm^-2 einge­ stellt. Vorzugsweise liegt die Dosis zwischen 5 × 10¹². . .2 × 10¹³ Atomen cm^-2. Der Anodenemitter 4 wird in bevorzugter Wei­ se durch eine flache, oberflächennahe Implantation herge­ stellt, der sich ein Ausheilen ohne wesentliche Ausdiffusion des auf diese Weise implantierten Profils anschließt. Diese Ausdiffusion sollte nur so weit geschehen, daß die weiter oben angegebenen Werte für die Oberflächen- Dotierungskonzentrationen keinesfalls unterschritten werden. Mit anderen Worten, niedrigere Oberflächenkonzentrationen für den Anodenemitter als 1 × 10¹⁷ Dotierstoffatome cm^-3 sollten nicht eingestellt werden.

Zweckmäßigerweise wird die auf diese Weise implantierte Dosis lediglich aktiviert und dabei nur geringfügig um wenige nm ausdiffundiert.

Die p-leitende Zone 2 kann in bevorzugter Weise mit einer Do­ sis von 1,3 × 10¹² bis 1,8 × 10¹² Dotierstoffatomen cm^-2 im­ plantiert und mit einer Diffusionsweite von etwa 2 µm ausdif­ fundiert werden. Diese niedrige Dosis ist ausreichend, um für die p-leitende Zone 2 die gewünschte feldstoppende Wirkung zu erreichen. Gegebenenfalls können noch etwas höhere Werte als 1,8 × 10¹² Dotierstoffatome cm^-2 verwendet werden, was insbe­ sondere dann gilt, wenn in der Zone 2 kleine Partikel oder Defekte vorhanden sind. So sind Werte von vorzugsweise 1,5 × 10¹² bis 3 × 10¹² Dotierstoffatomen cm^-2 sinnvoll.

Bei der angegebenen Diffusionsweite von 2 µm ergibt sich eine mittlere Dotierungskonzentration in der Zone 2 von etwa 10¹⁶ Atomen cm^-3.

Der Kathodenemitter 6 sollte einen ebenso einstellbaren, aber höheren Emitterwirkungsgrad als der Anodenemitter 4 aufwei­ sen, um so eine stärkere, gezielte Anhebung von Ladungsträ­ gern auf der Kathodenseite zu erreichen. In bevorzugter Weise werden so an der Oberfläche des Kathodenemitters 6 Donator­ konzentrationen über 10¹⁹ Atome cm^-3 eingestellt, um einen ohmschen Kontakt zu der Kathodenmetallisierung 8 beispiels­ weise aus Aluminium zu gewährleisten. Eine zweckmäßige Dosis für die Implantation des Kathodenemitters liegt bei Werten von 5 × 10¹³ Dotierstoffatomen cm^-2 und darüber.

Der Emitterwirkungsgrad im Anodenemitter 2 bzw. im Kathodene­ mitter 6 kann durch oberflächennahe Kristallschäden weiter reduziert werden. Solche Kristallschäden können durch Be­ strahlungen oder Ionenimplantationen mit beispielsweise Argon oder Krypton oder dergleichen erreicht werden. Eine Ver­ schlechterung der Sperreigenschaften der Hochvolt-Diode ist durch diese gezielten oberflächennahmen Kristallschäden nicht zu erwarten, da die für das statische Sperren zuständigen Schichten der Zonen 2 und 5 nicht beeinflußt werden.

Die erfindungsgemäße Hochvolt-Diode ist in üblicher Weise mit Isolierschichten versehen, wie es beispielsweise in EP 0 341 453 B1 beschrieben ist. Als Beispiel für den Beginn eines möglichen Randabschlusses ist eine Isolierschicht 9 aus Sili­ ziumdioxid auf der Anodenseite in dem Ausführungsbeispiel ge­ zeigt. Anstelle von Siliziumdioxid kann auch ein anderes ge­ eignetes Isoliermaterial, wie beispielsweise Siliziumnitrid, gewählt werden.

Bezugszeichenliste

1

n^-

-leitende Driftzone

2

p-leitende Zone

3

pn-Übergang

4

Anodenemitter

5

n-leitende Zone

6

Kathodenemitter

7

Anodenmetallisierung

8

Kathodenmetallisierung

9

Isolierschicht

Claims (8)

1. Hochvolt-Diode mit einer anodenseitigen p-leitenden Zone (2), einer kathodenseitigen n^--leitenden Driftzone (1), die mit der p-leitenden Zone (2) einen pn-Übergang (3) bildet, einem an eine Anodenmetallisierung (7) angrenzenden und in der p-leitenden Zone (2) vorgesehenen p⁺-leitenden Anodene­ mitter (4) und einem an eine Kathodenmetallisierung (8) an­ grenzenden n⁺-leitenden Kathodenemitter (6), dadurch gekennzeichnet,
daß die p-leitende Zone (2) im Vergleich zu dem eine rela­ tiv hohe Oberflächenkonzentration, aber eine geringe Ein­ dringtiefe aufweisenden p⁺-leitenden Anodenemitter (4) niedrig dotiert ist,
daß zwischen der n^--leitenden Driftzone (1) und dem n⁺- leitenden Kathodenemitter (6) eine n-leitende Zone (5) vor­ gesehen ist,
daß die Dotierstoff-Dosis des p⁺-leitenden Anodenemitters (4) zwischen 1,3 × 10¹² Dotiersstoffatomen cm^-2 und 5 × 10¹³ Dotierstoffatomen cm^-2 liegt, und
daß die an den pn-Übergang (3) angrenzende p-leitende Zone (2) mit einer Dosis von (1,3. . .3) × 10¹² Dotierstoffato­ men cm^-2 dotiert ist.

2. Hochvolt-Diode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierstoff-Dosis des p⁺-leitenden Anodenemitters (4) zwischen 5 × 10¹² Dotierstoffatomen cm^-2 und 2 × 10¹³ Dotier­ stoffatomen cm^-2 liegt.

3. Hochvolt-Diode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungskonzentration des n⁺-leitenden Kathodene­ mitters (6) an der Oberfläche über 10¹⁹ Dotierstoffatome cm^-3 beträgt.

4. Hochvolt-Diode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die implantierten Dotierstoffatome der p-leitenden Zone (2) mit einer Diffusionsweite von etwa 2 µm ausdiffundiert sind.

5. Hochvolt-Diode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der p⁺-leitende Anodenemitter (4) mit einer Dosis von höchstens 2 × 10¹³ Dotierstoffatomen cm^-2 implantiert ist.

6. Hochvolt-Diode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitterwirkungsgrad des Kathodenemitters (6) und/oder des Anodenemitters (4) durch oberflächennahe Kristallschäden reduziert ist.

7. Hochvolt-Diode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallschäden durch Bestrahlung oder Ionenimplanta­ tion erzeugt sind.

8. Hochvolt-Diode nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß für die Bestrahlung oder Ionenimplantation Argon oder Krypton verwendet werden.