JP2004510333A - 高電圧ダイオードおよびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、高電圧ダイオードおよびその製造方法に関するものである。この高電圧ダイオードは、調節部(16)およびC:HまたはSiからなる縁不動態化(12)を備えたチッピングストッパを用いて、マスク工程を3回しか要しないものである。

Description

本発明は、請求項1の前提構成の節に基づいた高電圧ダイオードと、そのような高電圧ダイオードの製造方法に関するものである。
【0001】
従来、特に約400Vより高い高電圧用の高電圧ダイオードは、フィールド板、フィールド環、誘電性絶縁層、半絶縁性カバーおよび様々な不純物からなるエッジ終端部(縁終端部)を縁領域に有するプレーナー型構造に備えられている。これらの手段は、個々に、または組み合わせて用いられる。例えば、フィールド板、フィールド環および誘電性絶縁層も必ず(durchaus)一緒に用いられる。
【0002】
ダイオードを製造する際、エッジ終端部に対する要求を満たすために、ON状態およびスイッチング特性を望ましい状態に調節するよりもさらに多くの工程を要する。したがって、例えばフィールド板を基板にしたダイオードエッジの製造プロセスは、比較的コスト高になる。
【0003】
とりわけ、C.Mingues、G.Charitat「接合終端技術の有効性および酸化膜捕獲電荷(Efficiency of Junction Termination Techniques vs. Oxide Trapped Charges)」(『IEEE パワー半導体デバイスおよびICに関する国際シンポジウム』ワイマール、137〜140ページ)には、フィールド環、半絶縁層、または、JTE(接合終端拡張(Junction Termination Extension))を備えた各エッジ終端部が、特に、酸化膜電荷に対するエッジ終端部の感度に関して、互いに比較されている。ここでは、高電圧機器(Hochspannungsanwendungen)用に、半絶縁層として(als)SIPOS技術の使用が推奨される。
【0004】
EP‐B1‐0 341 453から、厚さの異なる絶縁層の上にフィールド板を配置した高逆電圧用のMOS半導体素子が開示されている。これらのフィールド板のいくつかは、チャネルストッパとして用いられる。チャネルストッパとして用いられるダイオードのフィールド板は、縁領域に位置するp型伝導領域によってダイオードの裏面電位に連結される場合が多い。しかし本来は、n型伝導領域を介して連結することが好ましい。なぜなら、そうすることによって、p型伝導チャネルを確実に防止できるからである。しかしながら、このようなn型伝導領域を介した連結には、通常の製造プロセスでは、付加的なマスク工程が必要である。
【0005】
いわゆるチッピングストッパは、ウェハを個々のチップに切断するとき、切り込みエッジから各チップの活性領域への結晶欠陥の拡大を防止するためのものである。このチッピングストッパを、通常、チップの機能的縁領域と切り込み線との間のフィールド酸化物によって実施する。
【0006】
ブロッキング性の高いpn接合部が誘電性不動態化層によってのみ覆われると、例えば湿度、アルカリ性汚染物、または、金属性汚染物等に起因する外部電荷の影響のもと、pn接合部にブロッキング負荷がかかる(Sperrbelastung)場合には、長期にわたるブロッキング安定性に対する変化を観察できる。この変化は、不動態化層の上、または、その中の逆バイアスのかかった(in Sperrrichtung gepolten)pn接合部の電気的領域にイオン電荷が移動することによって起こる。イオン電荷の符号しだいで、さらにエッジ終端部の構造しだいで、イオン電荷は、pn接合部のブロッキング性を高め、あるいは、それを低下させる。この場合、アノードがp型伝導性であるダイオードでは、n型伝導性のベースの不純物が減少することによって(つまりダイオードのブロッキング性(Volumensperrfaehigkeit)が増すことによって)影響力(Influenzwirkung)が増し、そのような表面電荷の影響は、不動態化層中およびその上で増す。これによって、ブロッキング不安定性という危険が劇的に上昇する。この関連で、いわゆるヨシダ効果(Yoshida−Effekt)を以下に示す。つまり、不動態化するために絶縁層を用いると、pn接合部がブロッキング状態であるときに極性を変える際にON状態の負荷がかかる(Durchlassbelastung)間に、過熱された電子を注入することによって、逆電圧のドリフトが時々観察される。
【0007】
半絶縁層をpn接合部に直接使用すると、層パラメータおよび界面パラメータ(例えば半絶縁層の層厚および不純物)を適切に調節することによって、半絶縁層の表面負荷(Oberflaechenladungen)の影響を抑制できる。現時点で、pn接合部の不動態化層に用いられる半絶縁層は、例えばアモルファスシリコン(a‐Si)、または、水素がドーピングされたアモルファス炭素(a‐C:H)からなる。(これらについてはEP‐B1‐0 400 178およびEP‐B1‐0 381 111に記載されている。)この半絶縁層によって、これらの層と電気的に活性のシリコン基板との間のアモルファス結晶からなるへテロ接合を適切に最適化する場合、寄生的な効果(逆電流の上昇、あるいは、反転層の形成)を防止できる。さらに、半絶縁性不動態化層が、その有限状態密度によって映像電荷を活発に形成でき、外部から侵入する外来電荷(Fremdladungen)から保護し、その有限特殊導電率に注入された電荷キャリアを導出する。全体として、誘電性不動態化よりも半絶縁性不動態化によって、長期的安定性が根本的に改善される。
【0008】
本発明の課題は、約400Vおよび好ましくは約500V以上の逆電圧に適した高電圧ダイオードを提示することにある。この高電圧ダイオードは、プロセスの複雑さをできる限り減らして、つまりフォト技術の数を減らして形成でき、縁領域では、漏れ電流を防止するためにチャネルストッパと、切り込み欠陥の拡大を制限するためのチッピングストッパとを用いて簡単に備えることができるものである。さらに本課題は、そのような高電圧ダイオードの製造方法を提示することにある。
【0009】
本発明の課題を、請求項1の前提構成の節に記載の高電圧ダイオードの場合、その特徴部分に含まれる特徴によって解決する。
【0010】
本発明の高電圧ダイオードの好ましい製造方法を、請求項12に提示する。
【0011】
本発明の他の好ましい形態を従属請求項に示す。
【0012】
請求項1の特徴部分に提示した手段(a)および(b)を用いることによって、
マスクおよび調整(Justage)用のコストを低く製造でき、かつ、チャネルストッパやチッピングストッパ等を使用できる高電圧ダイオードを実現できる。また、この手段(a)および(b)の両方を用いることが好ましい。もちろん、一方の手段だけを実施する高電圧ダイオードを形成することも可能である。
【0013】
本発明の高電圧ダイオードは、高速スイッチング固定ダイオード(schnelle schaltfeste Diode)、または様々な電圧類(Spannungsklassen)、および電流類(Stromklassen)を有する整流器ダイオード、および普遍ダイオード(Universal−Diode)であってもよい。高電圧ダイオードは、望ましい電圧類に応じてその縁領域において1つまたは複数のフィールド環を備えていてもよい。
【0014】
本発明の高電圧ダイオードでは、半導体基板は、p型伝導ウェル型領域が埋設されているn型伝導シリコンを含んでいることが好ましい。
【0015】
n型伝導シリコン基板に代わって、n型伝導ウェル型領域を備えたp型伝導シリコン基板を配置してもよい。
【0016】
半導体材料は、シリコンに限ったものではない。シリコンに代わって、例えばSiCやAIII半導体材料を使用してもよい。
【0017】
次に、本発明を、添付図面に基づいて詳述する。図1〜5は、本発明の高電圧ダイオードの様々な製造工程を示す図である。
【0018】
図1に、例えば湿気酸化(feuchter Oxidation)を用いた燃焼(オーブン)プロセス(Ofenprozess)によって、厚さ約0.5μmの二酸化珪素層2が表面に形成されたn型伝導シリコン基板1を示す。二酸化珪素の代わりに、この層2用に、例えば窒化珪素といった他の材料を選択してもよい。
【0019】
次に、この二酸化珪素層2の、ダイオードのアノード用に、場合によってはフィールド環用に縁領域において、フォトリソグラフィーによって構造を埋設する。このために、二酸化珪素層2にフォトレジスト層が形成・露光・現像される。アノードと、場合によってはフィールド環とが後に形成されるフォトレジスト層の領域は、現像中に取り除かれる。こうして露出した二酸化珪素層2の上に、例えば湿気化学エッチング中に、エッチング液が作用することによって、この領域では二酸化珪素層が取り除かれる。
【0020】
次に、さらなる工程では、露出したシリコン基板1の表面、つまり二酸化珪素層2に埋設された「窓」の領域において、例えば10〜1000nm、好ましくは50〜200nmのシリコン除去が行われる。このシリコン除去を、なおも存在しているフォトレジスト、または、フォトレジストを除去した後に残った二酸化珪素層2を介して行うことができる。こうして、図2に示した構造、つまり、シリコン基板1の上に、二酸化珪素層2の残存している部分と、アノード(窓3)、フィールド環(窓4)、および、各半導体チップの縁(図2の右縁)(窓5)において削り線(Ritzrahmen)によって規定される調節部(Justage−Strukturen)とが実現する。さらに、フィールド環は1つではなく複数存在してもよいし、場合によってはこれらのフィールド環を使用しなくてもよい。さらに、調整部(Justage−Strukturen)に形成された残存している窓5のエッジまたは段6を調整する。
【0021】
窓3〜5からシリコン基板1をエッチングする際、なおも存在しているレジストマスクを介して二酸化珪素層をさらに湿気化学エッチバックできる。これによって、後に窓3〜5に埋設されるp型不純物(Dotierungen)と、調節部のエッジ6、または、後者(調節部)によってシリコン基板1に形成された段との間に、一定の間隔7をつくることができる。そして、遅くともこの付随的な(gegebenfalls)エッチバックが行われた後、残存しているフォトレジストは取り除かれる。こうして、図2(シリコン基板の付随的なエッチバックを行う前)または図3(シリコン基板の付随的なエッチバック後)に示した構造となる。
【0022】
本実施例では、シリコン除去は窓3〜5から行われる。少なくとも、この除去が窓3から行われることにより、アノード接触部13(下記参照)の外側に位置するウェル8の領域で、エッジまたは段が調節部として形成される。
【0023】
図2の構造を形成するために、シリコン除去は、窓3〜5から、残存している二酸化珪素2(酸化マスク)またはこの二酸化珪素2の上になおも存在するフォトレジストを介して行われる。
【0024】
次に、図3の構造が処理されるのだが、図2の構造を適切に処理することもできる。しかし、この場合、残存している二酸化珪素層2と調節部のエッジ6との間には、間隔7は存在せず、むしろ、調節部のエッジ6は窓3〜5のエッジに適宜(lagemaessig)直接隣接している。
【0025】
次に、p型ドーピングが例えばホウ素を用いて行われる。これによって、図4に示したように、p型伝導ウェル型領域8と、p型伝導フィールド環9と、チッピングストッパの領域に位置するp型伝導環10とを形成できる。ウェル型領域8とフィールド環9と環10とを、例えばイオン注入によって、1段に、あるいは多段に形成することもできる。そして、敏速な(schnell)スイッチングダイオードの場合は特に、領域8用に、ねじ込み深さ(Eindringtiefe)がわずかで、ドーパント量が1.3×1012ドーパント原子cm−2から5×1013ドーパント原子cm−2であるp型導アノードエミッタを領域8に備えることができ、さらに、分量が約(1.3〜3)×1012ドーパント原子cm−2を領域8の残部にドーピングできる(比較参照:DE‐A1‐100 31 461)。
【0026】
図4の構造を処理するための様々な変型例がある。これらの変型例では、以下のようなプロセス工程が必要不可欠である。つまり、例えばイオン注入によってn型伝導シリコン層11を形成するために、裏面エミッタ用に、半導体基板1の裏面(ウェハ裏面)上にn型不純物(例えばリン)を埋設し、ウェハ表面上の残存している二酸化珪素層2(犠牲酸化物)をエッチングして除去し、特に水素がドーピングされたアモルファス炭素(a‐C:H)からなるチッピングストッパ12aを備えた縁不動態化層12を、リソグラフィー工程を用いて塗布・パターン化し、例えばAlSiからなる表面金属被膜を蒸着・パターン化することによって、アノード接触部13およびチャネルストッパ14を形成し、例えばAlSiからなる裏面金属被膜を蒸着することによって、カソード接触部15を形成し、任意のプロセス工程(シリコン基板1を裏面から最終的な厚さに薄く研磨、または、エッチングする)を行い、フィールドストップ層16用に、ウェハ裏面にn伝導不純物を埋設して拡散させ、重金属原子を埋設することによって電荷キャリアの寿命を調節し、重金属を拡散し、照射することによって電荷キャリアの寿命を調節し、表面金属被膜を熱処理し、裏面金属を熱処理するプロセス工程である。このプロセス工程では、必要に応じて(soweit erforderlich)、エッジ6を調節部として使用する。この場合、領域8、フィールド環9、および、環10用のp型伝導ドーピング、つまり、後に、表面p型接触部またはp型伝導エミッタをイオン注入によって埋設することもできる。
【0027】
この個々のプロセス変型例を次の表に編集した。プロセス変型例1は、帯域精製法(FZ)によって実現するシリコン基板ウェハからなる一次材(Grundmaterial)に特に適している。一方、プロセス変型例2・3は、チョクラルスキー(CZ)基板ウェハ、または、エピタキシー層が備えられたウェハ、または、拡散されたウェハに有効である。
【0028】
縁不動態化層12(およびチッピングストッパ12a)は、アモルファスシリコン(a‐Si)からなる場合もある。
【0029】
【表1】
Figure 2004510333
Figure 2004510333
Figure 2004510333
【0030】
上述の様々なプロセス変型例では、「任意に照射することによって、電荷キャリアの寿命を調節する」というプロセス工程を何度も行う。なぜなら、イオン注入および照射(Strahlenart)中に用いられる投与量に応じて、高い熱量が、ビームのダメージをアニーリングするために必要だからである
特に、水素がドーピングされたアモルファス炭素からなる縁不動態化層12は、部分的にチッピングストッパ12aとして用いられ、シリコンウェハをチップに細分化、または、切断している間に、削り線から活性領域に結晶欠陥が拡大することを防止する。削り線自体には、不動態化層12は、アノード接触部13およびチャネルストッパ14用に、接触ホールのように開口している。しかしここは、金属によって覆われていない。
【0031】
チャネルストッパ14は、フィールド板として用いられ、空間電荷領域が削り線の外へ(nach aussen in den Ritzrahmen)さらに拡大することを防止する。したがって、シリコン基板1用の一次材の抵抗が高い場合、必要不可欠な縁幅を減少させることができる。
【0032】
チャネルストッパ14は、図5の点線17に示すように、p型伝導領域とも連結できる。このp型伝導領域は、シリコン基板の裏面と同じ電位でなければならず、したがって、カソード接触部15と連結している必要がある。
【0033】
特に有効であるのは、図5に示すように、チャネルストッパ14がn型伝導領域と直接隣接している場合である。
【0034】
活性領域(つまりウェル型領域8)と切り込み縁18との間には、今あるフィールド環9に加えて、全体にまたは部分的に金属構造をさらに備えることのできるさらなるフィールド環9が備えられていてもよい。フィールド環9は、このような金属構造を有していてもよい。
【0035】
本発明の高電圧ダイオードは、パターン化された二酸化珪素層2と、不動態化層12と、アノード接触部13およびチャネルストッパ14からなる表面金属被膜とを形成するために、アノード接触部13の外側に位置する調節部6と、不動態化層12による縁領域へのチッピングストッパ12aの配置とのゆえに、マスク化工程を全部で3回だけ行うことによって製造される。例えばアノード接触部13とチャネルストッパ14との位置を正確に調節する調節部6を、使用できることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図1】
本発明の高電圧ダイオードの様々な製造工程を示す図である。
【図2】
本発明の高電圧ダイオードの様々な製造工程を示す図である。
【図3】
本発明の高電圧ダイオードの様々な製造工程を示す図である。
【図4】
本発明の高電圧ダイオードの様々な製造工程を示す図である。
【図5】
本発明の高電圧ダイオードの様々な製造工程を示す図である。
【符号の説明】
1     シリコン基板
2     二酸化珪素層
3     ウェル用窓
4     フィールド環用窓
5     チッピングストッパ環用窓
6     エッジ
7     間隔
8     ウェル型領域
9     フィールド環
10    チッピングストッパ環
11    n型伝導シリコン層
12    不動態化層
12a   チッピングストッパ
13    アノード接触部
14    チャネルストッパ
15    切り込み縁

Claims (26)

  1. 第1伝導型と反対の第2伝導型半導体基板(1)の第1主表面に備えられている第1伝導型ウェル型領域(8)と、
    上記ウェル型領域(8)の上に備えられた金属接触部(13)と、
    上記第1主表面と反対側に位置する半導体基板(1)の第2主表面に、金属接触部(13)と向かい合って位置する裏面金属被膜(15)と、
    チャネルストッパ(14)を備えたエッジ終端部と、
    上記金属接触部(13)とチャネルストッパ(14)との間の領域の第1主表面上に備えられており、第1主表面に位置するpn接合部を覆っている不動態化層(12)とを備えた高電圧ダイオードにおいて、
    上記不動態化層(12)は、水素をドーピングされたアモルファス炭素、またはアモルファスシリコンからなり、半導体基板(1)におけるチャネルストッパ(14)の外側の領域では、チッピングストッパ(12a)として機能し、
    第1主表面に位置するウェル型領域(8)には、少なくとも1つのエッジ(6)が、調整部として備えられていることを特徴とする高電圧ダイオード。
  2. 上記エッジ終端部は、フィールド環(9)を1つまたは複数備えていることを特徴とする請求項1に記載の高電圧ダイオード。
  3. 上記チャネルストッパ(14)は、半導体基板(1)の上に備えられていることを特徴とする請求項1または2に記載の高電圧ダイオード。
  4. 上記チャネルストッパ(14)は、第1伝導型の領域の上に備えられていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の高電圧ダイオード。
  5. 上記半導体基板(1)とカソード金属被膜(15)との間には、第2伝導型のフィールドストップ層(16)と、高ドープされた第2伝導型のエミッタ層(11)とが備えられていることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の高電圧ダイオード。
  6. 上記調整部(6)は、第1主表面に位置する高さ約10〜1000nm、好ましくは50〜200nmのシリコンからなる段であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の高電圧ダイオード。
  7. 上記調整部(6)は、アノード接触部(13)の外側に位置していることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の高電圧ダイオード。
  8. 上記不動態化層(12)は、半導体基板の切り込み縁(18)まで達していないことを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の高電圧ダイオード。
  9. 上記切り込み縁(18)の領域において、第1伝導型をした環状領域(10)が、第1主表面に露出できることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の高電圧ダイオード。
  10. 上記第1伝導型のウェル型領域(8)は、高電圧ダイオードを高速フリーホイルダイオードとして用いるために、分量(1.3〜3)×1012ドーパント原子cm−2をドーピングされていることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の高電圧ダイオード。
  11. 上記ウェル型領域(8)の表面領域が、分量1.3×1012ドーパント原子cm−2〜5×1013ドーパント原子cm−2をドーピングされていることを特徴とする請求項10に記載の高電圧ダイオード。
  12. 請求項1〜11のいずれかに記載の高電圧ダイオードの製造方法において、
    (a)半導体基板(1)の上にマスク絶縁層(2)の形成工程と、
    (b)少なくとも1つの窓(3・4・5)をウェル型領域(8)用に形成するための、上記マスク絶縁層(2)をパターン化する工程と、
    (c)上記の窓(3・4・5)を介して、シリコン基板(1)に調整部(6)としての段を形成し、
    (d)上記半導体基板(1)の伝導型とは反対の伝導型を有する窓(3・4・5)を介して、ウェル型領域(8)を形成する工程と、
    (e)上記のパターン化されたマスク絶縁層(2)を除去する工程と、
    (f)水素によってドーピングされたアモルファス炭素、またはアモルファスシリコンからなる不動態化層(12)を塗布し、上記調整部(6)によって調整されたリソグラフィー工程によって、上記不動態化層(12)をパターン化する工程と、
    (g)上記ウェル型領域(8)または半導体基板(1)の表面において、パターン化された不動態化層(12)の窓に、金属接触部(13)とチャネルストッパ(14)とを形成・パターン化する工程と、
    (h)上記半導体基板(1)の裏面に金属被膜(15)を形成する工程とを有することを特徴とする高電圧ダイオードの製造方法。
  13. 上記方法の工程(b)では、フィールド環(9)およびチッピングストッパ環(10)用のパターン化が行われることを特徴とする請求項12に記載の高電圧ダイオードの製造方法。
  14. 上記方法の工程(d)の前後に、以下の方法工程の少なくとも1つが行われ、その方法工程とは、
    (i)半導体基板(1)を最終的な厚さに薄く研磨、および/またはエッチングする工程と、
    (j)上記半導体基板(1)の裏面に、第2伝導型をした不純物をフィールドストップ層(16)として埋設し、上記不純物を拡散させる工程と、
    (k)上記半導体基板(1)の裏面に、特にイオン注入によって、n型伝導不純物を裏面エミッタ(11)として埋設する工程と、
    (l)電荷キャリアの寿命を調節するために、重金属原子を埋設する工程と、
    (m)上記重金属原子を拡散する工程であることを特徴とする請求項12または13に記載の高電圧ダイオードの製造方法。
  15. 上記の方法工程(l)および(m)は、方法工程(d)の前後に行われることを特徴とする請求項12および14に記載の高電圧ダイオードの製造方法。
  16. 上記の方法工程(i)〜(k)は、方法工程(l)および(m)の後に行われることを特徴とする請求項12および14に記載の高電圧ダイオードの製造方法。
  17. 上記の方法工程(e)と方法工程(f)との間で、以下の方法工程が行われ、その方法工程とは、
    (n)電荷キャリアの寿命を調節するための、上記半導体基板(1)、および/または、その中に含まれる領域(8)および環(9・10)を照射する工程であることを特徴とする請求項12〜16のいずれかに記載の高電圧ダイオードの製造方法。
  18. 上記の方法工程(f)と方法工程(g)との間で、以下の方法工程が行われ、その方法工程とは、
    (o)電荷キャリアの寿命を調節するための、上記半導体基板(1)、および/または、その中に含まれる領域(8)および環(9・10)を照射する方法工程であることを特徴とする請求項12〜17のいずれかに記載の高電圧ダイオードの製造方法。
  19. 上記の方法工程(g)の後で、以下の方法工程の少なくとも1つが行われ、その方法工程とは、
    (p)上記金属接触部(13)およびチャネルストッパ(14)からなる表面金属被膜を熱処理する工程と、
    (q)電荷キャリアの寿命を調節するための、上記半導体基板(1)およびその中に含まれる領域(8)および環(9・10)を照射する方法工程とであることを特徴とする請求項12〜18のいずれかに記載の高電圧ダイオードの製造方法。
  20. 上記の方法工程(i)および(k)は、方法工程(q)の後で行われることを特徴とする請求項12〜19のいずれかに記載の高電圧ダイオードの製造方法。
  21. 上記の方法工程(h)後に、以下の方法工程が行われ、その方法工程とは、
    (r)上記半導体基板の裏面にある金属被膜(15)を熱処理する方法工程であることを特徴とする請求項12〜20のいずれかに記載の高電圧ダイオードの製造方法。
  22. 上記マスク絶縁層(2)は、厚さ約0.5μmの層になるまで、湿気酸化を用いた燃焼プロセスを行われることを特徴とする請求項12〜21のいずれかに記載の高電圧ダイオードの製造方法。
  23. エッチングによって深さ10〜1000nm、好ましくは50〜200nmまで半導体基板(1)内に調節部(6)を埋設することを特徴とする請求項12〜22のいずれかに記載の高電圧ダイオードの製造方法。
  24. 上記エッチング用に、等方性エッチングが行われることを特徴とする請求項23に記載の高電圧ダイオードの製造方法。
  25. 上記調節部(6)は、窓(3・4・5)から一定の距離(7)に設けられることを特徴とする請求項12〜24のいずれかに記載の高電圧ダイオードの製造方法。
  26. 上記高電圧ダイオードを製造するために、フォト技術工程を3回のみ実行することを特徴とする請求項12〜25のいずれかに記載の高電圧ダイオードの製造方法。
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