JP2009004780A - 緩衝層を有する半導体素子 - Google Patents

Abstract

【課題】少なくとも１つのｐｎ接合と緩衝層とを有する半導体素子を、パワースイッチを有する回路装置内の切替特性が改善されるように構成する。
【解決手段】第１ドーピングから第２ドーピングへの少なくとも１つの変換部、即ち少なくとも１つのｐｎ接合を有し、第１ドーピングを有する第１主面（Ｈ１）側の第１区域（１０）と、この第１区域に続き第２ドーピングの低濃度を有する第２区域（２０）と、この第２区域に続く第２ドーピングの緩衝層、即ち第３区域（３０）と、この第３区域に続き第２ドーピングの高濃度を有する第２主面（Ｈ２）側の第４区域（４０）との層順番を有する半導体素子において、緩衝層（３０）の第２ドーピングの濃度が第２区域に対するその第１境界面（Ｇ１）で第４区域に対するその第２境界面（Ｇ２）におけるよりも高いこと。本発明に従い緩衝層（３０）はイオン注入法を用いて生成される。
【選択図】図３

Description

本発明は、少なくとも１つのｐｎ接合を有する半導体素子（半導体デバイス）に関し、好ましくはパワークラスの適用のためのダイオードに関する。この種のダイオードは例えば特にパワートランジスタであるパワースイッチとの組み合わせで所謂フリーホイールダイオードとして適用される。

基本的に例えば特許文献１から、この種のダイオードを第１ドーピングの第１区域と第２ドーピングの他の区域とを有する層順番で形成することが周知である。この際、ドーピングとしては、ドーピングエージェント原子、即ちドナー又はアクセプタを単位体積内に配置させることとして理解され、従ってそこでは単位体積あたりの濃度が得られる。この際、それらの他の区域内で第２ドーピングの濃度が第１区域から出発して連続的に又は非連続的に上昇することは従来技術に対応する。またそれらの他の区域の個々の区域内でドーピングの濃度が一定に形成されていることが周知であり、同様にそのドーピングの濃度は１つの又は複数の区域内で指数関数的に上昇することができる。しかし本質的なことはドーピングの濃度が図４に従う基本的な経過曲線を有することである。

図４は例として従来技術によるパワーダイオードのドーピングの濃度分布を示している。ここでは第１主面（Ｈ１）が図示されていて、この第１主面にはｐ型にドーピングされた第１区域（１０）が続いている。それに続きｎ⁻型にドーピングされた第２区域（２０）が連続し、好ましくはこの第２区域はここではシリコンウェーハである基本材料のドーピングの一定の基本濃度を有している。この第２区域（２０）には第１境界面（Ｇ１）とｎ型にドーピングされた第３区域（３０）が続き、この第３区域が緩衝層の役割を満たしている。層順番の最後の第４区域（４０）としてｎ^＋型にドーピングされた区域が境界面（Ｇ２）から連続し、それに続き半導体素子の第２主面（Ｈ２）が位置している。コンタクト目的のための主面（Ｈ１、Ｈ２）の必要な金属被覆についてはここでは説明しないことにする。

従来技術に従い第３区域（３０）及び第４区域（４０）は拡散法を用いて第２主面（Ｈ２）の方向から発生されている。それにより拡散法にとって典型的なこれらのドーピングの分布も得られている。第１区域（１０）のｐ型のドーピングは従来技術に従い拡散法を用いて第１主面（Ｈ１）の方向から行われる。

上記のようにこの種のパワーダイオードはパワートランジスタと逆並列接続されるフリーホイールダイオードとして適用される。図５は逆並列接続されたパワートランジスタのターンオン時におけるダイオード上の電流経過曲線及び電圧経過曲線を示していて、この際、ダイオードは導通状態から遮断状態へと移される。ここで理想的な場合ではダイオード上で減少する電圧（Ｕ_ｉ）がほぼ電圧源の値へと上昇する。同時に電流（Ｉ_ｉ）はダイオードを通じてゼロへと低下し、更なる経過において電流の流れはマイナスになる即ちその方向を変え、その理由はここではｐｎ接合の電荷キャリアが取り除かれるためである。更に電流はダイオードの遮断電流へと減衰する。

実際の稼動において電流経過曲線（Ｉ_Ｒ）及び電圧経過曲線（Ｕ_Ｒ）は寄生インダクタンス及びダイオードとパワートランジスタの理想的でない構成部品特性に基づき異なっている。逆電流ピーク（Ｉ_Ｓ）後の電流の急速な時間的な変化により過電圧とその結果としての振動が実際の電圧経過曲線（Ｕ_Ｒ）内及び電流経過曲線（Ｉ_Ｒ）内にも誘起される。この際の物理的な影響はダイオード内の電界の急速な広がりである。従って正の電荷キャリアと負の電荷キャリアは極めて急速に離され、それにより電流の破断が発生する。この際、周知の緩衝層（３０、図４参照）はその離しの速度を減少するため、従って電流の破断を減速させるために電荷キャリアの予備分を形成する。

前記の振動（Ｓ１、Ｓ２）は一方ではダイオードとパワートランジスタから成る装置の最大可能切替速度を制限し、このことはそれらから構成された電流変換器の機能性の制限を意味する。他方では振動（Ｓ１、Ｓ２）の高すぎる振幅がダイオード自体を破壊する可能性がある。従ってできるだけ小さな振動傾斜と、同様に振動（Ｓ１、Ｓ２）における小さな振幅とが絶え間ない研究の対象である。

ヨーロッパ特許出願公開第１０９６５７６号明細書

従って本発明の基礎を成す課題は、少なくとも１つのｐｎ接合と緩衝層とを有する半導体素子を、パワースイッチを有する回路装置内の切替特性が改善されるように構成することである。

前記の課題は本発明に従い、請求項１の構成要件を有する対象により並びに請求項５に従う方法により解決される。有利な実施形態は下位請求項に記載されている。

本発明の出発点は、第１ドーピングから第２ドーピングへの少なくとも１つの変換部、即ち少なくとも１つのｐｎ接合を有する半導体素子である。従ってこの半導体素子は、第１ドーピングを有する第１主面側の第１区域と、第２ドーピングを有するそれに続く領域との層順番を有する。第２ドーピングの領域の方はドーピングの異なる濃度の少なくとも３つの区域により形成されている。第１ドーピングの第１区域に直接的に続き、第２ドーピングの低濃度を有する第２区域が連続する。この第２区域には同様に第２ドーピングによる緩衝層、即ち第３区域が続いている。最後には第２ドーピングの高濃度を有する第２主面側の第４区域が形成されている。

本発明に従い前記の緩衝層は、この緩衝層の第２ドーピングの濃度が第２区域に対するその第１境界面で第４区域に対するその第２境界面におけるよりも高いように形成されている。緩衝層のこの構成により、高濃度の領域内では電界の広がりが防止されるので、低濃度の領域内では電荷キャリアの予備分が存在している。

第１区域がｐ型にドーピングされていて、第２区域がｎ⁻型にドーピングされていて、第４区域がｎ^＋型にドーピングされていて、第３区域が第２区域の最大濃度よりも大きく且つ第４区域の最大濃度よりも小さいｎ型ドーピングの最大濃度を有すると特に有利である。

緩衝層である第３区域をイオン注入法を用いて生成することは有利であり得る。その際、本発明に従う方法は、緩衝層の第１境界面から緩衝層の第２境界面へとドーピングの濃度の脈動的な減少を導く。この際、イオン注入法を用い、ドーピング原子は段階的に様々な深さで好ましくは第１主面から深さが増すにつれて濃度が減少するように取り入れられる。従って緩衝層内での濃度の脈動的な減少が得られる。

この半導体素子の特に有利な更なる構成は実施例の各々の説明で述べられている。次に本発明の解決策を実施例及び図１〜３に基づき更に説明する。

図１は本発明に従う第１半導体素子、ここではパワーダイオードのドーピング分布を示している。ダイオードの両方の主面（Ｈ１、Ｈ２）が図示されていて、この際、これらの主面（Ｈ１、Ｈ２）上の必要なコンタクト金属被覆の図示は省略されている。

第１主面（Ｈ１）にはｐ型にドーピングされた第１区域（１０）が続き、この第１区域（１０）のドーピングの濃度は１０^２０から１０^１３へと低下する。次の区域への変換部はダイオードのｐｎ接合を形成する。これに続く第２区域（２０）は１０^１３から１０^１５の範囲内の濃度をもつ均等なｎ型のドーピングを有する。好ましくはこの濃度はウェーハの基本ドーピングに対応する。本発明に従い第２区域（２０）には、従来技術（図４内のＣ０を参照）と異なり第２主面（Ｈ２）の方向で濃度（Ｃ１）が連続的に小さくなるドーピングを有する第３区域（３０）、所謂緩衝層が続いている。第２区域（２０）に対する境界面（Ｇ１）においてそのドーピングは１０^１３から１０^１７に至るまでの濃度を有する。本発明に従いこの値は緩衝層（３０）の終端でここでは基本ドーピングの値へと低下する。濃度（Ｃ１）のこの減少は線形的又は指数関数的に成され得て、この際、線形的な減少が有利である。

緩衝層（３０）に続き第２ドーピングのここでは最後の第４区域（４０）が連続し、この際、その濃度は指数関数的に基本ドーピングから１０^２０のオーダーの値へと強く上昇する。

図２は図１に従うパワーダイオードを通じて逆電流が減衰する間の電界の経過曲線を示している。これは例えば時点Ｔ１（図５参照）で与えられる。第１区域（１０）及び第２区域（２０）内の電界経過曲線は緩衝層（３０）の近傍に至るまで従来技術に対応する。緩衝層（３０）の本発明に従う構成により第２区域（２０）から第４区域（４０）への電界の広がりが防止される。正の電荷キャリアのある程度の予備分が発生する。これらは逆電流の破断を最小化又は防止し、従って振動（Ｓ１、Ｓ２；図５参照）の形成を最小化又は防止する。

図３は本発明に従う第２半導体素子のドーピング分布を示している。この際、第１区域（１０）、第２区域（２０）、第４区域（４０）は図１のもと説明された半導体素子に対応して形成されている。

緩衝層（３０）は本発明に従い、第２区域（２０）に対するその第１境界面（Ｇ１）で第４区域（４０）に対するその第２境界面（Ｇ２）におけるよりも高いドーピングの濃度を有する。濃度（Ｃ２）はこの第１境界面（Ｇ１）から第２境界面（Ｇ２）へと線形ではなく脈動的（パルシング的）に減少する。この経過曲線は本発明に従う方法による製造プロセスにより得られる。

この際、緩衝層（３０）は第１主面（Ｈ１）の方向からイオン注入法を用いてドーピングされる。ここでは７回の注入ステップの結果が図示されていて、この結果は本説明のためだけに用いられる内容である。この際、２〜１０回のステップを設けることが有利である。各注入ステップによりウェーハの定義された深さにドーピング原子が取り入れられる。ドーピング原子の深さ分布は物理的に分布関数に起因して特徴付けられている。

異なる浸入深さを有するこれらの複数の注入ステップにより特徴のある脈動的な分布（Ｃ２）が生成される。注入されるドーピング原子の数を減少することにより、図示されているように緩衝層（３０）の第１境界面（Ｇ１）から第２境界面（Ｇ２）へと濃度が脈動的に減少する。

本発明に従う第１半導体素子、ここではパワーダイオードのドーピング分布を示す図である。 図１に従うパワーダイオードを通じて逆電流が減衰する間の電界の経過曲線を示す図である。 本発明に従う第２半導体素子のドーピング分布を示す図である。 従来技術によるパワーダイオードのドーピング分布を示す図である。 逆並列接続されたパワートランジスタのターンオン時におけるダイオード上の電流経過曲線及び電圧経過曲線を示す図である。

符号の説明

Ｈ１ ダイオードの第１主面
Ｈ２ ダイオードの第２主面
１０ 第１区域
２０ 第２区域
３０ 第３区域（緩衝層）
４０ 第４区域
Ｃ１ 緩衝層の濃度
Ｃ２ 緩衝層の濃度
Ｇ１ 緩衝層の境界面
Ｇ２ 緩衝層の境界面

Claims (7)

1. 第１ドーピングから第２ドーピングへの少なくとも１つの変換部、即ち少なくとも１つのｐｎ接合を有し、第１ドーピングを有する第１主面（Ｈ１）側の第１区域（１０）と、この第１区域に続き第２ドーピングの低濃度を有する第２区域（２０）と、この第２区域に続く第２ドーピングの緩衝層、即ち第３区域（３０）と、この第３区域に続き第２ドーピングの高濃度を有する第２主面（Ｈ２）側の第４区域（４０）との層順番を有する半導体素子において、
   緩衝層（３０）の第２ドーピングの濃度が第２区域（２０）に対するその第１境界面（Ｇ１）で第４区域（４０）に対するその第２境界面（Ｇ２）におけるよりも高いことを特徴とする半導体素子。
2. 第１区域（１０）がｐ型にドーピングされていて、第２区域（２０）がｎ⁻型にドーピングされていて、第４区域（４０）がｎ^＋型にドーピングされていて、緩衝層、即ち第３区域（３０）が第２区域（２０）の最大濃度よりも大きく且つ第４区域（４０）の最大濃度よりも小さいｎ型ドーピングの濃度を有することを特徴とする、請求項１に記載の半導体素子。
3. ｎ⁻型にドーピングされた第２区域（２０）が１０^１３から１０^１５までの最大濃度を有し、第３区域（３０）即ち緩衝層が１０^１７の最大濃度を有し、ｎ^＋型にドーピングされた第４区域（４０）が１０^２０のオーダーの最大濃度を有することを特徴とする、請求項２に記載の半導体素子。
4. 緩衝層（３０）の濃度（Ｃ１、Ｃ２）がその第１境界面（Ｇ１）から第２境界面（Ｇ２）へと指数関数的に又は線形的に又は脈動的に減少することを特徴とする、請求項１に記載の半導体素子。
5. 請求項１に記載の半導体素子を製造するための方法において、
   緩衝層（３０）がイオン注入法により生成されることを特徴とする方法。
6. ドーピング原子の浸入深さが各々異なる複数の注入ステップにより緩衝層（３０）の脈動的に減少する濃度（Ｃ２）が生成されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. イオン注入が第１主面（Ｈ１）から行われることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
   

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