DE102005014932B4

DE102005014932B4 - Halbleiterbauteil und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102005014932B4
Application number: DE200510014932
Authority: DE
Inventors: Toshiyuki Matsui; Yasuyuki Hoshi; Yasuyuki Kobayashi; Yasushi Miyasaka
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2004-05-27
Filing date: 2005-04-01
Publication date: 2010-12-02
Anticipated expiration: 2025-04-02
Also published as: US20050263842A1; CN1702876A; CN100487913C; DE102005014932A1; JP2005340528A; US7282781B2

Abstract

Halbleiterbauteil, umfassend:
– eine Halbleiterschicht (22) eines ersten Leitfähigkeitstyps;
– eine wenigstens 12,6 μm und maximal 22 μm tiefe Diffusionsregion (23), die aus einer Halbleiterregion des zweiten Leitfähigkeitstyps gebildet ist, die selektiv an einer Oberflächenschicht der Halbleiterschicht (22) des ersten Leitfähigkeitstyps gebildet ist, mit einer eine tiefste Position d1 aufweisenden p-n-Übergangsfläche (31), die die Übergangsfläche zwischen der Diffusionsregion (23) und der Halbleiterschicht (22) des ersten Leitfähigkeitstyps ist;
eine Kurzlebensdauer-Region (32), in der die Lebensdauer der Ladungsträger kürzer ist als die Lebensdauer der Ladungsträger in den anderen Regionen, indem ein Lebensdauerunterdrücker einbezogen ist, der gebildet ist durch Bestrahlung mit He-Ionen oder anderen leichten Ionen, wobei die Bestrahlung so durchgeführt wird, dass die Position der Spitze der Ionen in einen Bereich zwischen 80% und 120% der Tiefe d1 der Diffusionsregion (23) fällt, und die sich über die gesamte Halbleiterschicht (22) des ersten Leitfähigkeitstyps und die Diffusionsregion (23) erstreckt von...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauteil, das auf einem Modul wie einem Leistungsmodul montiert ist, und speziell auf ein Halbleiterbauteil mit einer hohen Festigkeit gegen eine durch einen Blitz verursachte Spannungs-Stoßwelle, die auf das Halbleitermodul trifft, und bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zur Herstellung des Halbleiterbauteils.
Der Stand der Technik kennt solche Halbleiterbauteile, die z. B. in einem Kraftfahrzeug-Leistungsmodul oder -Strommoduls verwendet werden. Das Leistungsmodul ist ausgestattet mit einem Umsetzerabschnitt, einem Unterbrecher abschnitt, einem Inverterabschnitt und einem Thermistor. Der Umsetzerabschnitt enthält Umsetzerdioden, von denen jede üblicherweise aus einer pin-Diode besteht. Beispielsweise wird für ein Modul mit einer Nennspannung von 1.200 V oder 600 V eine pin-Diode mit einer Durchbruchspannung von mindestens 1.600 V bzw. mindestens 800 V als Umsetzerdiode verwendet.
Der Grund, warum eine Durchbruchspannung über der Nennspannung gefordert wird, ist, daß manchmal eine Spannung, die höher als die Nennspannung ist, am Modul anliegt und die pin-Diode dann so geschützt ist, daß in diesem Fall kein Durchbruch stattfindet. Darüber hinaus muß die pin-Diode, die als Umsetzerdiode verwendet wird, auch einen niedrigen Spannungsabfall in Durchlaßrichtung, also eine niedrige Vorwärtsspannung VF, haben. Beispielsweise wird für eine Umsetzerdiode bei einer Modul-Nennspannung von 1.200 V für die Vorwärtsspannung VF ein Wert in der Größenordnung von höchstens 1,2 V bis 1,5 V verlangt.
Eine entsprechende planare pin-Diode umfaßt auf einer ersten Halbleiterschicht eine als Kathodenregion dienende zweite Halbleiterschicht. Im Oberflächenbereich der letzteren Schicht befindet sich eine Diffusionsregion, die als Anodenregion dient.
Bei dem beschriebenen Leistungsmodul tritt, wenn eine von einem Blitzstrahl bewirkte Stoßwelle beim Modul eingeht, während der Umsetzerabschnitt in Betrieb ist, an diesem eine Stoßwelle mit einer steilen abfallenden Flanke (im folgenden bezeichnet als ”di/dt”) auf, wodurch gelegentlich die Umsetzerdiode beschädigt oder zerstört wird.
Die Bauteile sollen einer Stoßwelle mit einem hohen di/dt, wie beispielsweise einer Blitz-Stoßwelle, standhalten können. Im folgenden wird die Fähigkeit, einem solchen di/dt standzuhalten, also die di/dt-Standhaltefähigkeit, als di/dt-Festigkeit bezeichnet.
Aus der EP 0 235 550 A1 ist ein Halbleiterbauelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt. Bei einem Halbleiterbauelement mit wenigstens einem zwischen Anode und Kathode angeordneten PN-Übergang (6), der von einer P-Schicht (2) und einer angrenzenden N-Schicht (3) gebildet wird, wird eine äußere Trägerstaubeschaltung dadurch überflüssig gemacht, dass die Lebensdauer der Träger innerhalb eines inhomogenen axialen Profils in einem Teilbereich herabgesetzt wird, wobei der Teilbereich wenigstens teilweise in der N-Schicht (3) liegt. Neben dem Wegfall der Trägerstaubeschaltung wird auch ein verbessertes Abschaltverhalten erreicht.
Ferner ist aus der EP 0 024 657 A2 ein Thyristor bestehend aus einem vielschichtigen Halbleiterelement bekannt, welches eine planare Rekombinationsregion umfasst, die sich beidseitig eines planaren Kathoden-Emitter-Überganges erstreckt.
In der Rückwärtserholungs-Betriebsphase der Diode wird aufgrund des übermäßig in einem peripheren Abschnitt eines Chips konzentrierten Stroms dort eine Wärme erzeugt, die in einer Beschädigung der Diode resultiert. Um dies zu vermeiden, wurde vorgeschlagen, daß eine Region mit Ladungsträgern kurzer Lebensdauer nur in einem Endabschnitt einer Elektrode der Diode durch eine Bestrahlung mit He-Ionen gebildet wird, um die Rückwärts-Erholungskapazität zu erhöhen (siehe z. B. JP 2001-135831 A . Die Bildung einer Region mit Trägern von kurzer Lebensdauer durch eine He-Ionenbestrahlung ist in einem anderen Dokument beschrieben (siehe z. B. JP 10-116998 A ).
Es sind auch Dioden hoher Schaltgeschwindigkeit bekannt, bei denen ein Lebensdauerunterdrücker um einen p-n-Übergang mit einer Übergangstiefe von 4 μm bis 8 μm einbezogen ist, um die Lebensdauer von Trägern um den p-n-Übergang zu verkürzen (siehe z. B. JP 10-200132 A ). Ferner ist ein Halbleiterbauteil bekannt, bei dem an einer Diode mit einem p-n-Übergang mit einer Übergangstiefe in der Größenordnung von 3 μm eine Bestrahlung mit He-Ionen innerhalb des Tiefenbereichs von 10 μm bis 30 μm durchgeführt wird, um eine Region mit Trägern, die eine verkürzte Lebenszeit haben, in einer n^–-Schicht unter einer p-Schicht einzuführen (siehe z. B. JP 2003-249662 A ). Schließlich ist ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterelements bekannt, in dem als Lebensdauerunterdrücker Schwermetall durch thermische Diffusion eingebracht wird (siehe z. B. JP 2004-6664 A ).
Es sei noch darauf hingewiesen, daß die Spezifikationen wie die Dimensionen von Abschnitten in einer Freilaufdiode 6 (6) im Inverterabschnitt 3 wie folgt sind: Bei einer Durchbruchspannung von 1.200 V ist in einer Epitaxialscheibe mit einer n^–-Halbleiterschicht und einer n^–-Halbleiterschicht die n^–-Halbleiterschicht etwa 70 μm dick und hat einen spezifischen Widerstand von etwa 65 Ωcm, und ist die n^–-Halbleiterschicht etwa 50 μm dick und hat einen spezifischen Widerstand von etwa 40 Ωcm.
Bei einer Durchbruchspannung von 600 V ist bei einer gleichartigen Epitaxialscheibe die n^–-Halbleiterschicht etwa 45 μm dick und hat einen spezifischen Widerstand von etwa 25 Ωcm, und ist die n^–-Halbleiterschicht etwa 25 μm dick und hat einen spezifischen Widerstand von etwa 15 Ωcm. Bei beiden Epitaxialscheiben für die genannten Durchbruchspannungen werden die p⁺-Diffusionsschichten bis zu einer Tiefe von 3 μm bis 4 μm mit einer Dosis in der Größenordnung von 1·10¹³ cm^–2 gebildet.
Die in den obengenannten Patentdokumenten beschriebenen Technologien haben weiche Erholungscharakteristiken bei Rückwärtserholung, wenn die Halbleiterbauteile in üblicher Weise betrieben werden, und haben einen Schutz vor dem Durchbruch bei Rückwärtserholung mit den weichen Erholungscharakteristiken. Bei diesen üblichen Erholungscharakteristiken liegt der Wert di/dt in der Größenordnung von 500 A/μsec bis 1.000 A/μsec.
Im Vergleich hierzu liegt allerdings der Wert di/dt einer Blitz-Stoßwelle, die in den Umsetzerabschnitt einläuft, in der Größenordnung von 3.500 A/μsec. Die bei den beschriebenen Technologien erhaltenen di/dt-Festigkeiten sind also unzureichend für das di/dt einer hohen Stoßwelle wie z. B. einer Blitz-Stoßwelle. Die von den Erfindern durchgeführten Experimente zeigen, daß mit den in allen genannten Patentdokumenten beschriebenen Technologien eine so hohe di/dt-Festigkeit, die gegen eine Stoßwelle wie z. B. eine Blitz-Stoßwelle wirksam ist, nicht erreicht werden kann.
Beispielsweise ist es bekannt, daß die di/dt-Festigkeit in gewissem Ausmaß dadurch verbessert werden kann, daß man an der gesamten Oberfläche einer Diode einen Lebensdauerunterdrücker einbaut, um die Lebensdauer der Ladungsträger über der gesamten Oberfläche eines Chips zu reduzieren. Dies macht allerdings eine erhebliche Erhöhung der Vorwärtsspannung VF notwendig. Wie jedoch oben dargelegt, ist es bei einer Umsetzerdiode erforderlich, daß die Vorwärtsspannung VF erniedrigt wird. Eine Erhöhung der Vorwärtsspannung VF ist keinesfalls zu bevorzugen.
Weiterhin kann die di/dt-Festigkeit in gewissem Umfang dadurch verbessert werden, daß man die Lebensdauer von Ladungsträgern im Randbereich und Endbereich des Chips örtlich reduziert. Es ist hiermit jedoch keine di/dt-Festigkeit zu erzielen, die ausreichend hoch ist, daß der Chip einer Blitz-Stoßwelle standhalten kann. Außerdem muß zum örtlichen Einbauen eines Lebensdauerunterdrückers für Abschnitte, in die kein Lebensdauerunterdrücker eingebaut wird, eine dicke Abschirmschicht gebildet werden, die später wieder entfernt werden muß. Dies bringt aber das Problem mit sich, daß der Herstellungsprozeß kompliziert wird, was zu einer Erhöhung der Chipkosten führt.
Die örtliche Bildung einer Region mit einer kurzen Ladungsträger-Lebensdauer an der Chipoberfläche in der Tiefenrichtung oder in seiner Nachbarschaft durch Verwendung von He-Ionen oder Protonen ergibt noch keine ausreichende di/dt-Festigkeit. Im Fall des Diffundieren von Schwermetall als Lebensdauerunterdrücker ist es außerdem schwierig, die Diffusionstiefe des Schwermetalls zu steuern.
Durch die Erfindung sollen die erläuterten Probleme des Stands der Technik gelöst werden. Ein Ziel der Erfindung besteht darin, ein Halbleiterbauteil zu schaffen, das eine di/dt-Festigkeit hat, die ausreichend und in solchem Maß hoch ist, daß das Bauteil einer Blitz-Stoßwelle widerstehen kann und eine niedrige Vorwärtsspannung VF hat. Ein weiteres Ziel besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen des Halbleiterbauteils anzugeben, mit dessen Hilfe ein Halbleiterbauteil mit einer ausreichend hohen di/dt-Festigkeit, um das Bauteil widerstandsfähig gegenüber einer Blitz-Stoßwelle zu machen, und mit einer niedrigen Vorwärtsspannung VF hergestellt werden kann.
Zum Lösen der dargelegten Probleme und zum Erreichen der Ziele haben die Erfinder intensive Studien durchgeführt und als Ergebnis herausgefunden, daß man eine ausreichend hohe di/dt-Festigkeit gegen eine Stosswelle wie eine Blitz-Stoßwelle erzielen kann, indem man eine Fläche mit einer verkürzten Lebensdauer der Träger über der gesamten Oberfläche eines Chips in einem Bereich schafft, der von einer Tiefenposition, die weniger tief ist als ein p-n-Übergang, bis zu einer Position, die tiefer ist als der Übergang, reicht. Außerdem fanden die Erfinder heraus, daß mit der in gewissem Umfang tief vorgesehenen p-n-Übergangsfläche eine ausreichend hohe di/dt-Festigkeit gegen eine Stosswelle wie eine Blitz-Stoßwelle erhalten wird. Die Erfindung beruht auf diesen Ergebnissen.
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Eine bevorzugte Ausführungsform ist in Anspruch 2 angegeben.
Bei einem Halbleiterbauteil gemäß der Erfindung ist die Region der kurzen Lebensdauer über die gesamte Oberfläche des Chips vorgesehen, und zwar im Bereich von einer Position, die weniger tief ist als die p-n-Übergangsschichtfläche mit einer Tiefe von mindestens 12,6 μm bis zu einer Position, die tiefer ist als die p-n-Übergangsschichtfläche. Insofern kann ohne wesentliche Erhöhung der Vorwärtsspannung VF eine ausreichend hohe di/dt-Festigkeit gegen eine Stosswelle wie eine Blitz-Stoßwelle erhalten werden.
Zum Lösen der beschriebenen Probleme und zum Erzielen der Ziele wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung des Halbleiterbauteils gemäß Anspruch 3 angegeben.
Nach Anspruch 4 ist das Herstellungsverfahren dadurch gekennzeichnet, daß beim erfindungsgemäßen Verfahren ³He²⁺ als He-Ionen verwendet werden.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die gesamte Chipoberfläche mit den He-Ionen bestrahlt, wodurch leicht ein Bereich, in dem die Lebensdauer der Ladungsträger verkürzt wird, über der gesamten Oberfläche des Chips im Bereich von einer Position, die flacher ist als die p-n-Übergangsschichtfläche bei einer Tiefe von 12,6 μm oder mehr, bis zu einer Position, die tiefer ist als die p-n Übergangsschichtfläche, gebildet werden kann.
Mit dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauteil kann ohne wesentliche Erhöhung der Vorwärtsspannung VF eine Verträglichkeit gegenüber einem di/dt erhalten werden, die ausreichend hoch ist, um gegen eine Stosswelle wie eine Blitz-Stoßwelle zu schützen. Die Erfindung führt also zum Effekt, daß ein Halbleiterbauteil erhalten werden kann, das eine di/dt-Festigkeit hat, die in solchem Ausmaß ausreichend hoch ist, daß das Bauteil einer Blitz-Stoßwelle widerstehen kann und eine niedrige Vorwärtsspannung VF hat. Außerdem kann durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren des Halbleiterbauteils leicht ein Bereich mit reduzierter Lebens dauer der Ladungsträger über die gesamte Oberfläche eines Chips von einer Position aus, die flacher ist als die p-n-Übergangsschichtfläche mit einer Tiefe von 12,6 μm oder mehr, bis zu einer Position, die tiefer liegt als die p-n-Übergangsschichtfläche, gebildet werden. Die Erfindung führt also zu dem Effekt, daß ein Verfahren angeboten wird, mit dessen Hilfe ein Halbleiterbauteil mit einer di/dt-Festigkeit, die ausreichend hoch ist, daß das Bauteil einer Blitz-Stoßwelle widerstehen kann, und gleichzeitig mit einer niedrigen Vorwärtsspannung VF leicht hergestellt werden kann.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
1 einen Querschnitt durch eine Planare pin-Diode gemäß einer Ausführungsform der Erfindung unter Darstellung des Aufbaus der Diode;
2 ein Verlaufsdiagramm von Stoßwellenformen des Stroms und der Spannung in der erfindungsgemäßen pin-Diode von 1;
3 eine diagrammartige Darstellung der Charakteristik der pin-Diode gemäß dieser Ausführungsform unter Aufzeigen der Beziehung zwischen der di/dt-Festigkeit und der Vorwärtsspannung VF;
4 eine diagrammartige Darstellung der Charakteristik der pin-Diode gemäß dieser Ausführungsform unter Aufzeigen der Beziehung zwischen der di/dt-Festigkeit und der Tiefe der p-n-Übergangsschicht;
5 eine diagrammartige Darstellung der Charakteristik unter Aufzeigen der Beziehung zwischen der di/dt-Festigkeit und der Position der Spitze der He-Ionen;
6 einen Schaltplan eines Beispiels eines Kraftfahrzeug-Leistungsmoduls;
7 eine Querschnittsansicht, die den Aufbau einer diesbezüglichen Planaren pin-Diode zeigt; und
8 in diagrammartiger Darstellung den Verlauf des Stroms und der Spannung, wenn an einem zugeordneten Umsetzerabschnitt eine Stoßwelle eingegeben wird.
Zur Veranschaulichung der Erfindung wird zunächst der Stand der Technik anhand von Beispielen erläutert.
Der Stand der Technik wird durch 6 veranschaulicht. Dort ist ein Schaltplan eines Beispiels eines Kraftfahrzeug-Leistungsmoduls oder -Strommoduls gezeigt. Demnach ist das Leistungsmodul ausgestattet mit einem Umsetzerabschnitt 1, einem Unterbrecherabschnitt 2, einem Inverterabschnitt 3 und einem Thermistor 4. Der Umsetzerabschnitt 1 enthält Umsetzerdioden 5, von denen jede üblicherweise aus einer pin-Diode besteht.
7 zeigt im Querschnitt den Aufbau einer entsprechenden Planaren pin-Diode. Sie umfaßt eine n⁺-leitende Halbleiterschicht 11 und auf dieser eine als Kathodenregion dienende n^–-leitende Halbleiterschicht 12. Im Oberflächenbereich der Schicht 12 befinden sich eine p⁺-leitende Diffusionsregion 13, die als Anodenregion dient, und p⁺-leitende Diffusionsregionen 14 und 15, die jeweils als Schutzringregion dienen.
Die p⁺-Diffusionsregionen 14 und 15 sind an ihrer Oberseite mit einer Isolierschicht 16 wie beispielsweise einer SiO₂-Schicht bedeckt. Mit der p⁺-Diffusionsschicht 13 steht eine Anodenelektrode 17 in Kontakt, und mit der n⁺-Halbleiterschicht 11 ist elektrisch eine Kathodenelektrode 18 verbunden. In der Beschreibung und den angefügten Zeichnungen bezeichnen ”n” oder ”p”, die an die Bezeichnung einer Schicht oder einer Region angefügt sind, die Tatsache, daß die Ladungsträger in der Schicht oder der Region Elektronen sind bzw. Löcher sind. Außerdem geben die Symbole ”+”, ”–” oder ”––”, die rechts oben an den einleitenden Buchstaben ”n” oder ”p” angefügt sind, an, daß die Verunreinigungskonzentration in der Schicht oder Region relativ hoch, relativ niedrig bzw. noch niedriger ist.
Die Spezifikationen wie die Dimensionen der Abschnitte in den betreffenden Umsetzerdioden 5 sind die folgenden: Bei einem Modul mit einer Nennspannung von 1.200 V und einer Durchbruchspannung von 1.600 V ist die n^–-Halbleiterschicht 12, die aus einer FZ-Scheibe mit einem spezifischen Widerstand von etwa 120 Ωcm hergestellt ist, 300 μm dick. Die p⁺-Diffusionsschicht 13 ist bis zu einer Tiefe von 6 μm bis 8 μm, mit einer Dosierung von 1·10¹⁵ cm^–2 gebildet.
Bei einem Modul mit einer Nennspannung von 600 V und einer Durchbruchspannung von 800 V ist die n^–-Halbleiterschicht 12, die aus einer Diffusionsscheibe mit einem spezifischen Widerstand von etwa 40 Ωcm hergestellt ist, in der Größenordnung von 80 μm dick. Für die p⁺-Diffusionsschicht 13 sind die Tiefe und die Dosierung gleich denen des Moduls mit der Nennspannung 1.200 V.
Bei dem beschriebenen Leistungsmodul tritt, wenn eine von einem Blitzstrahl bewirkte Stoßwelle beim Modul eingeht, während der Umsetzerabschnitt 1 im Betrieb ist, an diesem eine Stoßwelle mit einer steilen abfallenden Flanke (”Abfallrate”) eines Rückwärts-Erholungsstroms (im folgenden bezeichnet als ”di/dt”) auf. Dies bringt die Umsetzerdiode 5 in einen turbulenten Operationsmodus der Rückwärtserholung, wobei gelegentlich die Umsetzerdiode beschädigt oder zerstört wird, die dem hohen di/dt, wie es in 8 gezeigt ist, nicht standhalten kann. 8 zeigt ein Verlaufsdiagramm des Verlaufs eines Strom I und einer Spannung V wenn eine Stoßwelle mit einem hohen di/dt in einen entsprechenden Umsetzerabschnitt 1 einläuft, die die Umsetzerdiode 5 beschädigen kann. Bei der Darstellung von 8 sind auf der vertikalen Achse der Strom I und die Spannung V und auf der horizontalen Achse die Zeit aufgetragen, wobei die Skalenunterteilung auf den Achsen jeweils 100 A für den Strom I, 200 V für die Spannung V und 1 μsec für die Zeit beträgt.
Um zu vermeiden, daß ein entsprechendes Problem bei einem Umsetzerabschnitt 1, der in einem Leistungsmodul montiert ist, auftritt, soll der Umsetzerabschnitt 1 einer Stoßwelle mit einem hohen di/dt, wie beispielsweise einer Blitz-Stoßwelle, standhalten können, also eine hohe di/dt-Festigkeit haben.
Die folgende Beschreibung betrifft ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterbauteils und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
1 zeigt eine planare pin-Diode gemäß einer Ausführungsform der Erfindung im Querschnitt. Hierin ist auf einer n⁺-leitenden Halbleiterschicht 21 eine n^–-Halbleiterschicht 22 gebildet, die als Kathodenregion dienen soll. In einem aktiven Bereich, in dem im Diodenbetrieb ein Strom fließt, ist auf der Oberflächenschicht der n^–-Halbleiterschicht 22 selektiv eine p⁺-Diffusionsschicht 23 gebildet, die als Anodenregion dienen soll.
In einem Spannungsfestigkeitsstruktur-Abschnitt außerhalb des aktiven Bereichs sind an der Oberflächenschicht der n^–-Halbleiterschicht 22 p⁺-leitende Diffusionsregionen 24 und 25 gebildet, die jeweils als Schutzringregion dienen sollen. Die Oberfläche des Spannungsfestigkeitsstruktur-Abschnitts ist mit einer Isolierschicht 26 bedeckt, beispielsweise mit einer SiO₂-Schicht. Die p⁺-Diffusionsschicht 23 ist in Kontakt mit einer Anodenelektrode 27 und die n⁺-Halbleiterschicht 21 ist elektrisch mit einer Kathodenelektrode 28 verbunden. Der p-n-Übergang zwischen den Regionen 22 und 23 liegt in einer p-n-Übergangsfläche 31, die also die Übergangsfläche zwischen der n^–-Halbleiterschicht 22 und der p⁺-Diffusionsregion 23 ist und in ihrer tiefsten Position in einer Tiefe d1 unter der Chip-Oberfläche liegt.
Über den gesamten Chip, von einer Tiefenposition d2 bis zu einer Tiefenposition d3, ist eine Kurzlebensdauer-Region 32 gebildet. Die Position d2 liegt weniger tief als die Position d1, und die Position d3 liegt tiefer als die Position d1. Die Kurzlebensdauer-Region 32 enthält einen Lebensdauerunterdrücker (”lifetime killer”), der durch Bestrahlung mit leichten Ionen wie He-Ionen oder mit Protonen, die im folgenden insgesamt unter den Begriff ”He-Ionen usw.” subsumiert werden, hergestellt wird. Die Region 32 ist eine Region, in der die Lebensdauer der Ladungsträger kürzer ist als die Lebensdauer der Ladungsträger in den anderen Regionen.
Die p⁺-Diffusionsregion 24 bildet mit der n^–-Halbleiterschicht 22 eine p-n-Übergangsfläche 33 und die p⁺-Diffusionsregion 25 bildet mit der Schicht 22 eine p-n-Übergangsfläche 34. Die Übergangsflächen 33 und 34 reichen mit ihren tiefsten Abschnitten bis in die Kurzlebensdauer-Region 32 hinein. Die p⁺-Diffusionsregion 24 und 25 sollen Schutzringregionen werden. Mit der so hergestellten Kurzlebensdauer-Region 32 werden Stromkonzentrationen im Rand- oder Endbereich des Chips bei der Rückwärtserholung oder -freiwerdung der Diode reduziert, wodurch eine hohe di/dt-Festigkeit erhalten werden kann.
Die n^–-Halbleiterschicht 22 und die p⁺-Diffusionsregion 23 bilden die p-n-Übergangsfläche 31. Die Tiefe der p⁺-Diffusionsregion 23, nämlich die tiefste Position d1 der Übergangsfläche 31, befindet sich vorzugsweise innerhalb eines Bereichs zwischen 12,6 μm und 22 μm, von der Oberfläche der p⁺-Diffusionsregion 23 aus gemessen. Die Dimensionierung in einer tatsächlich hergestellten Diode ging von einem Planungswert der Tiefe für die Position d1 von der Oberfläche der Region 23 zwischen 14 μm und 20 μm aus, wobei eine Kristallisationstoleranz von ±10% zugelassen ist.
Bei der Herstellung der Diode mit dem Aufbau nach 1 werden zuerst die p⁺-Diffusionsregionen 23, 24 und 25 selektiv an der Oberflächenschicht der n^–-Halbleiterschicht 22 gebildet. Hierbei ist es nicht notwendig, einerseits nur die Endabschnitte der p⁺-Diffusionsregionen 24 und 25, die die Schutzringregionen werden sollen, und andererseits nur den Endabschnitt der p⁺-Diffusionsregion 23, die die Anodenregion werden soll, örtlich zu vertiefen. Die p⁺-Diffusionsregionen 23, 24 und 25 können nämlich gleichzeitig in einem einzigen Diffusionsvorgang hergestellt werden. Es ergibt sich also keine Erhöhung der Chipkosten.
Es wird dann die gesamte Oberfläche der p⁺-Diffusionsregionen 23, 24 und 25 und der n^–-Halbleiterschicht 22 mit He-Ionen usw. bestrahlt, um diese He-Ionen usw. in den Kristall einzubringen. Hierauf wird eine Wärmebehandlung mit einer Temperatur in der Größenordnung von 350°C durchgeführt. Auf diese Weise wird der Lebensdauerunterdrücker eingebaut und die Kurzlebensdauer-Region 32 gebildet.
Bei diesem Vorgehen wird die Bestrahlung mit den He-Ionen usw. so durchgeführt, daß die Tiefe der p⁺-Diffusionsregion 23, also die Tiefe der Position d1, gleich oder größer der Bestrahlungshalbwertsbreite mit den He-Ionen usw. wird. Außerdem wird die Bestrahlung so durchgeführt, daß die Position der Spitze der He-Ionen usw. in den Bereich zwischen 80% und 120% der Tiefe der Position d1 gerät.
Als die leichten Ionen, mit denen der Chip bestrahlt wird, erweisen sich speziell He-Ionen als effektiv. Ein spezifisches Beispiel für Bestrahlungsbedingungen mit He-Ionen wird so angegeben, daß die Bestrahlung mit ³He²⁺ unter einer Beschleunigungsspannung von 23 MeV durchgeführt wird. Hierdurch wird die Kurzlebensdauer-Region 32 mit einer Breite in der Größenordnung von 5 μm sowohl oberseitig als auch unterseitig von der Position d1 gebildet, und es können die Träger bei der Rückwärtserholung effektiv verschwinden.
Als Beispiel können die Spezifikationen wie die Dimensionen der pin-Diode gemäß der Ausführungsform folgendermaßen angegeben werden. Bei einer Modulnennspannung von 1.200 V und einer Durchbruchspannung von 1.600 V ist die n^–-Halbleiterschicht 22, die aus einer FZ-Scheibe mit einem spezifischen Widerstand von 120 Ωcm hergestellt ist, etwa 300 μm dick. Die p+-Diffusionsschicht 23 ist mit einer Tiefe von 22 ± 2 μm gebildet, einschließlich der Kristallisationstoleranz, mit einer Dosis von 1·10¹⁵ cm^–2.
Es werden nun die Ergebnisse beschrieben, die aus den Untersuchungen resultie ren, die von den Erfindern hinsichtlich der Charakteristiken der pin-Diode nach dieser Ausführungsform gemacht wurden. 2 zeigt als Verlaufsdiagramm die Ergebnisse der Untersuchung der Stoßwellenform eines Stroms I und einer Spannung V Bei diesem Verlaufsdiagramm sind auf der vertikalen Achse der Strom I und die Spannung V und auf der horizontalen Achse die Zeit aufgetragen, wobei jeweils eine Skalenteilung auf der Achse für den Strom I 100 A, für die Spannung V 200 V und für die Zeit 250 nsec betragen. Aus 2 ist ersichtlich, daß die Diode nicht beschädigt wird, obwohl di/dt immerhin 4.000 A/μsec beträgt.
3 zeigt als Charakteristikdiagramm die Beziehung zwischen der di/dt-Festigkeit und der Vorwärtsspannung VF. Aus der Figur ist ersichtlich, daß eine di/dt-Festigkeit über 4.000 A/μsec sichergestellt ist, während der Anstieg der Vorwärtsspannung VF minimal bleibt. Bei der pin-Diode mit den beispielhaften Werten von 3 wurde die Wärmebehandlung mit einer Temperatur in der Größenordnung von 350°C durchgeführt, nachdem die Bestrahlung mit den He-Ionen durchgeführt wurde, wodurch gleichzeitig die niedrige Vorwärtsspannung VF und die hohe di/dt-Festigkeit gegen eine Stoßwelle erzielt wurden.
4 zeigt als Charakteristikdiagramm die Beziehung zwischen der di/dt-Festigkeit und der Tiefe des p-n-Übergangs (der Position d1), also der Tiefenausdehnung der p⁺-Diffusionsschicht 23. Aus 4 ist ersichtlich, daß durch Schaffung des p-n-Übergangs in einer Tiefe von mindestens 14 μm die Kurzlebensdauer-Region 32 im Inneren des Halbleiterkristalls gebildet wird, wodurch eine hohe di/dt-Festigkeit von mindestens 4.000 A/μsec erhalten werden kann. In 4 ist auch noch als nicht ausgefüllter Kreis der Arbeitspunkt für eine entsprechende pin-Diode, bei der der p-n-Übergang in einer Tiefe von 8 μm liegt, eingetragen.
Die 5 zeigt als Charakteristikdiagramm die Beziehung zwischen der di/dt-Festigkeit und der Position der vorderen Spitze der He-Ionen, was die Tiefe der Kurzlebensdauer-Region 32 ist, wenn die Tiefe des p-n-Übergangs (die Position d1) als 16 μm oder 20 μm angenommen wird. Wie 5 zeigt, ist, wenn die Kurzlebensdauer-Region 32 die p-n-Übergangsfläche 31 enthält und die Position der Spitze der He-Ionen innerhalb von ±20% der Tiefe des p-n-Übergangs liegt, der typische Wert der Festigkeit beider Dioden (d1 auf 16 μm bzw. 20 μm) gleich. Dabei kann die Vorwärtsspannung VF auf einem Minimum gehalten werden.
Wie oben angegeben, erstreckt sich bei der beschriebenen Ausführungsform die Kurzlebensdauer-Region 32 über die gesamte Chipfläche in einem Tiefenbereich, der zwischen der Position d2 und der Position d3 liegt, wobei die Position d2 weniger tief ist als die p-n-Übergangsfläche 31, deren Tiefe d1 14 μm bis 20 μm (Planungswert) beträgt, und die Position d3 tiefer liegt als diese Übergangsfläche. Träger, die am Endabschnitt des Chips noch übrig sind, ohne vollständig verschwunden zu sein, können also dazu gebracht werden, effektiv zu verschwinden. Es kann also eine Diode erhalten werden, die ohne wesentliche Erhöhung der Vorwärtsspannung VF eine ausreichend hohe di/dt-Festigkeit gegen eine Stoßwelle wie eine Blitz-Stoßwelle aufweist.
Die Erfindung ist aber nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern kann vielfältig modifiziert werden. Beispielsweise sind die angegebenen Dimensionierungen und Dosierungen derzeit bevorzugte Beispiele, die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Außerdem ist beim beschriebenen Beispiel der erste Leitfähigkeitstyp als der n-Typ und der zweite Leitfähigkeitstyp als der p-Typ angenommen, die Erfindung ist aber in gleicher Weise anwendbar, wenn der erste Leitfähigkeitstyp der p-Typ und der zweite Leitfähigkeitstyp der n-Typ ist.
Wie dargelegt, sind das erfindungsgemäße Halbleiterbauteil und das erfindungsgemäße Verfahren der Herstellung des Bauteils mit Nutzen anwendbar bei einem in einem Modul wie einem Leistungsmodul verwendeten Halbleiterbauteil. Im speziellen eignen sich das Bauteil und das Verfahren für pin-Dioden, die für einen Umsetzer und eine Freilaufdiode für einen Inverter verwendet werden.

Claims

Halbleiterbauteil, umfassend: – eine Halbleiterschicht (22) eines ersten Leitfähigkeitstyps; – eine wenigstens 12,6 μm und maximal 22 μm tiefe Diffusionsregion (23), die aus einer Halbleiterregion des zweiten Leitfähigkeitstyps gebildet ist, die selektiv an einer Oberflächenschicht der Halbleiterschicht (22) des ersten Leitfähigkeitstyps gebildet ist, mit einer eine tiefste Position d1 aufweisenden p-n-Übergangsfläche (31), die die Übergangsfläche zwischen der Diffusionsregion (23) und der Halbleiterschicht (22) des ersten Leitfähigkeitstyps ist; eine Kurzlebensdauer-Region (32), in der die Lebensdauer der Ladungsträger kürzer ist als die Lebensdauer der Ladungsträger in den anderen Regionen, indem ein Lebensdauerunterdrücker einbezogen ist, der gebildet ist durch Bestrahlung mit He-Ionen oder anderen leichten Ionen, wobei die Bestrahlung so durchgeführt wird, dass die Position der Spitze der Ionen in einen Bereich zwischen 80% und 120% der Tiefe d1 der Diffusionsregion (23) fällt, und die sich über die gesamte Halbleiterschicht (22) des ersten Leitfähigkeitstyps und die Diffusionsregion (23) erstreckt von einer ersten Tiefenposition d2, die weniger tief ist als die tiefste Position d1 der p-n-Übergangsfläche (31), bis zu einer zweiten Tiefenposition d3, die tiefer ist als die tiefste Position d1 der p-n-Übergangsfläche (31), wobei das Halbleiterbauteil eine pin-Diode ist.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsregion (23) eine Schutzringregion (24, 25) enthält, die um einen aktiven Bereich, in dem im Betrieb als Halbleiterbauteil ein Strom fliesst, herumgelegt ist.
Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauteils in Form einer pin-Diode, das selektiv an einer Oberflächenschicht einer Halbleiterschicht (22) eines ersten Leitfähigkeitstyps eine Diffusionsregion (23) aufweist, die aus einer Halbleiterregion des zweiten Leitfähigkeitstyps mit einer Tiefe von wenigstens 12,6 μm und maximal 22 μm besteht, und mit einer Kurzlebensdauer-Region (32), in der die Lebensdauer von Ladungsträgern kürzer gemacht ist als die Lebensdauer von Ladungsträgern in den anderen Regionen und die sich über die gesamte Halbleiterschicht (22) des ersten Leitfähigkeitstyps und die Diffusionsregion (23) erstreckt, und zwar von einer Tiefenposition (d2), die weniger tief ist als die tiefste Position (d1) einer als Übergangsschicht zwischen der Diffusionsregion (23) und der Halbleiterschicht (22) des ersten Leitfähigkeitstyps auftretende p-n- Übergangsfläche (31), bis zu einer Tiefenposition (d3), die tiefer ist als diese tiefste Position (d1) der p-n-Übergangsfläche (31), ferner umfassend die folgenden Verfahrensschritte: – selektives Bilden der Diffusionsregion (23) an der Oberflächenschicht der Halbleiterschicht (22) des ersten Leitfähigkeitstyps so, dass die Tiefe (d1) der Diffusionsregion (23) sich zu wenigstens 14 μm ergibt; und – Bilden der Kurzlebensdauer-Region (32) mit einem Lebensdauerunterdrücker durch Bestrahlen der gesamten Oberfläche der Schicht (22) des ersten Leitfähigkeitstyps und der Diffusionsregion (23) mit He-Ionen oder anderen leichten Ionen so, dass die Position der Spitze der Ionen tiefer kommt als die Halbbreite der Ionenbestrahlung, wobei die Bestrahlung so durchgeführt wird, dass die Position der Spitze der Ionen in einen Bereich zwischen 80% und 120% der Tiefe (d1) der Diffusionsregion (23) fällt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als He-Ionenart ³He²⁺ verwendet wird.