JP4004171B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高周波スイッチング回路等に適用して好適な低損失、高速且つソフトリカバリ特性を備えた電力用ダイオード等の半導体装置の構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に高周波スイッチング用ダイオードとしては、キャリアのライフタイムを短くした所謂高速リカバリダイオードが知られている。係る、ダイオード等において、所定の逆方向耐圧を得、且つ更に高速性を追求すると、その順方向電圧（ＶＦ）が大きくなるトレードオフの関係がある。又、逆回復時の逆方向電流のピーク値（ＩＲＰ）を過ぎてからの電流減衰率（ｄｉ／ｄｔ）が小さい所謂ソフトリカバリ特性が求められている。
【０００３】
これらの低い順方向電圧と、ソフトリカバリ特性を実現する一手段として、軽粒子の照射による局所ライフタイムコントロールによりＰＮ接合近傍のキャリアのライフタイムを短くすることが有効である。この方法は高価な設備を要する事、ウェーハの厚さのコントロールが難しい事及び照射を数回行う必要がある等、コストアップの要因がある。
【０００４】
他の手段としてライフタイムキラーとしての白金（Ｐｔ）拡散技術を用い、白金による深い準位のウェーハ表面から深さ方向の密度分布が半導体基体の両表面で高く内部でほぼ一定となるＵ字型分布となる事を利用して、高速且つソフトリカバリ特性を実現する技術も提案されている。（特開平８−４６２２１、特開平９−２０５２１７）
【０００５】
図７はこの種の従来装置の構造説明図で、図７（Ａ）に示すように、１は砒素（ＡＳ）又はアンチモン（Ｓｂ）等の高濃度不純物を含むＮ型半導体基体、２はこの基体１上にエピタキシアル成長により堆積された低不純物のＮ型導電層である。次に該導電層２及び基体１の他面に二酸化硅素膜もＳｉＯ２を形成する。図７（Ｂ）
【０００６】
次に図７（Ｃ）に示すように該酸化膜を選択的に窓開し、その窓を利用してボロン等のＰ型不純物を拡散して不純物濃度の高いＰ型導電領域３と、これを囲む環状のカードリング領域４を形成する。次に図７（Ｄ）に示すように写真処理の後、該基体１の他面に燐等を拡散してオーミック領域５を形成する。
【０００７】
次に図７（Ｅ）に示すように、導電層２上の酸化膜の上に保護膜（ＰＳＧ）を形成し、該保護膜ＰＳＧ及び酸化膜を選択的に窓開し、Ｐ型導電層３を露出せしめると共に該基体１の他面の酸化膜を除去し、オーミック領域５を露出せしめる。次に図７（Ｆ）に示すように、ライフタイムキラーとしての白金（Ｐｔ）を拡散し、然る後図７（Ｇ）に示すようにアルミ（Ａｌ）等の電極付Ｍを行う。
【０００８】
所で上記白金拡散技術に基づく、半導体基体内における白金の密度分布はＮ型半導体基体において、所謂アンチモン（Ｓｂ）サブエピタキシアルウェーハを利用すると順方向電圧（ＶＦ）と逆回復時間（ｔｒｒ）のトレードオフ特性が比較的安定して得られる。然し乍ら砒素（Ａｓ）サブエピタキシアルウェーハでは上記白金の分布（Ｕ字型）が安定せず、ダイオードを構成すると上記順方向電圧と逆回復時間のトレードオフの関係が不安定になり、順方向電圧（ＶＦ）及び逆回復時間（ｔｒｒ）のバラツキが大きく歩留低下の主因となっていた。周知のように砒素サブ基体はアンチモンサブ基体に比し、抵抗率が小さいため、高電流密度化が可能で、チップサイズを小さくでき、高速ダイオードに好適な基体である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は砒素サブエピタキシアルウェーハを使用して高周波スイッチング用として好適な半導体装置を提供するものである。
【００１０】
【解決手段】
上記課題を解決するために請求項１の発明は、不純物濃度の低いＮ型導電型の第１の半導体領域と、該第１半導体領域に接する不純物濃度の高いＮ型導電型の第２の半導体領域を備えたＮ型半導体基体と、該第１半導体領域とＰＮ接合を形成する不純物濃度の高いＰ型導電領域とからなり、ライフタイムキラーとして白金がドープされた半導体装置において、該第２の半導体領域は不純物として砒素を含有し、且つ格子間酸素濃度が１．５×１０１８／ｃｍ３以下であることを特徴とする。
【００１１】
上記の課題を解決するために請求項２の発明は、該ＰＮ接合は該Ｐ型導電領域の表面から１〜１０μmの範囲にあることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明を適用するダイオードの断面構造を示し、図中１は砒素を含む（２×１０１９／ｃｍ３）半導体基体、２は該基体１上にエピ成長したリンを含む、低不純物Ｎ型導電層（濃度２×１０１４）、３は該Ｎ型導電層２にボロン等を拡散して形成された高濃度のＰ型導電層（濃度３×１０１８）で表面から１μ〜１０μｍの深さを持ち、Ｎ型導電層２と共にＰＮ接合Ｊを形成する。なおこの基体１及び２，３には図示しないが白金が拡散されている。（拡散条件白金０．１ｇ／１００ｃｃ，９５０℃，４０〜７０分）、上記のダイオードは逆方向耐圧（６００Ｖ）、順方向電流１０Ａのものを定格とした。
【００１３】
上記のダイオードは前述の用に白金による深い準位密度の分布が理想的なＵ字分布にならず、図２に示すように表面と内部であまり差のない平坦な分布を呈し、又実験ロットにより矢印の如くバラツクことが確認されている。
【００１４】
白金拡散のメカニズムは周知のように下記に示される。
Ｐｔ（ｉ）＋Ｖ＝Ｐｔ（ｓ） ・・・（１）
Ｐｔ（ｓ）＋Ｉ＝Ｐｔ（ｉ） ・・・（２）
但し、Ｐｔ（ｉ）：格子間白金原子
Ｐｔ（ｓ）：格子位置白金原子
Ｖ ：空孔
Ｉ ：Ｓｉ自己格子間原子
白金拡散中には、格子間白金原子Ｐｔ（ｉ）は拡散スピードが速く、ウェーハ全域で早期に平衡濃度に達する。そして上記反応式にしたがって格子位置Ｐｔ（ｓ）に置換し、深い準位を形成する。従って、空孔Ｖや自己格子間Ｓｉ原子Ｉが、白金準位密度分布に大きな影響をもっている事がわかる。白金拡散中のウェーハ表面は、空孔Ｖの発生源かつ自己格子間Ｓｉ原子Ｉの消滅源として働くため、空孔Ｖはウェーハ表面で密度が高く内部で少ない。反対に自己格子Ｓｉ原子Ｉはウェーハ表面で密度が低く、内部で高い分布となる。したがって白金原子が格子位置を占める確率はウェーハ表面で高く、内部では低くなるため、白金による深い準位密度分布のＵ字型分布になるといわれている。
【００１５】
砒素サブウェーハで上記が実現しない理由について、各種の実験の結果インゴットに含有される格子間酸素濃度Ｏｉが影響しているものと想定した。図３は結晶引き上げ後のインゴットの状態における酸素濃度分布の一例を示し、横軸は頂部（ＴＯＰ）からの位置（ｃｍ）を示し、縦軸に酸素濃度（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）を示す。図から明らかなように酸素濃度は底部（Ｂｏｔｔｏｍ）で少なく頂部（引き上げ方向）に行くに従い高くなることを示している。
【００１６】
図４は、上記のインゴットを輪切りし、中間（ｍｉｄｄｌｅ）より上部の酸素濃度の高いウェーハ群と下部の濃度の低いウェーハ群に大別して図１のダイオードを形成して順方向電圧（ＶＦ）の累積度数分布を示すもので横軸に順方向電圧（ＶＦ）Ｖ、縦軸にパーセントを示す。図４から明らかなように酸素濃度の低いウェーハ群では順方向電圧（ＶＦ）の変動巾が少なくほぼ全数２．２Ｖ〜２．４Ｖの範中にある（Ａ）。一方、高酸素濃度群（Ｂ）ではその変動巾が２Ｖ〜３Ｖと大きくバラツク分布を示している。
【００１７】
次に図５は上記と同様にウェーハ群を分けて順方向電圧（ＶＦ）と逆方向電流ピーク値（ＩＲＰ）の関係について測定したもので、上記と同様に高酸素濃度群（Ｂ）は順方向電圧、逆方向電流が相関して高い傾向を示し、一方低酸素濃度群（Ａ）はこれを反対に小さな値を示す傾向にある。
【００１８】
次に図６は逆回復電流波形を示し、図６（Ａ）は頂部ウェーハ、（Ｂ）は中間部ウェーハを使用した例を示す。この特性図から図６（Ａ）はハードリカバリー波形であるのに対し、（Ｂ）はソフトリカバリー波形を示している。
【００１９】
以上の結果から砒素サブウェーハでは、格子間酸素濃度が低いウェーハ程拡散後の特性が安定し、特に順方向電圧（ＶＦ）と逆回復時間（ｔｒｒ）のトレードオフが小さく、低損失且つソフトリカバリー傾に適していると考えられる。因みに格子間酸素濃度の許容臨界値は明確ではないが１．５×１０１８以下、好ましくは１．２〜０．８×１０１８であれば特性及び歩留りが安定する。
【００２０】
即ち酸素濃度が１０１８以下のウェーハでは白金の深い準位密度分析分布が、結果的に所謂Ｕ字型分布をなすものと考えられる。この理由としては、格子間酸素濃度が高いと、白金拡散での高温熱処理で、格子間酸素がＳｉ原子と反応してＳｉ酸化物を形成すると体積の膨張をともなうためその歪みを吸収するために結晶格子を形成するＳｉ原子が格子間Ｓｉ原子として放出される。そのため、前出の反応式の中のＶ，Ｉの濃度とその分布に影響を与え、結果として白金の作る深い準位密度の分布が変化し、望ましいＵ字型の分布にならなかったり、密度がばらつくなどの悪影響を及ぼす。そのため、格子間酸素濃度が低くし、析出が起こらないようにすれば安定した白金拡散による深い準位密度分布のＵ字型分布が実現できると考えられる。なお、格子間酸素濃度は、結晶引き上げ時の引き上げスピードや、回転数によってコントロールできる。また、ＭＣＺ法による引き上げで低濃度化できる。格子間酸素濃度の測定は、砒素基板の様な高不純物濃度の結晶ではガスフェージョン法などにより可能である。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば、高不純物濃度の砒素基板を用い、白金拡散を行った場合でも、白金による深い準位密度のＵ字型分布を安定に形成できるため、低損失、高速ソフトリカバリーのダイオード歩留り良く提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用するダイオードの断面図
【図２】白金による深い準位密度分布の説明図
【図３】砒素含有インゴットの酸素濃度分布図
【図４】本発明の実施例によるＶＦの累積度数分布図
【図５】本発明実施例によるＶＦ−ＩＲＰの関係図
【図６】本発明実施例による逆回復電流波形図
【図７】一般ダイオードの製造工程断面図
【符号の説明】
１ 高濃度Ｎ型半導体基体
２ 低濃度Ｎ型導電層
３ 高濃度Ｐ型導電層
Ｊ ＰＮ接合
Ｘｊ ＰＮ接合深さ
【発明の属する技術分野】
本発明は高周波スイッチング回路等に適用して好適な低損失、高速且つソフトリカバリ特性を備えた電力用ダイオード等の半導体装置の構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に高周波スイッチング用ダイオードとしては、キャリアのライフタイムを短くした所謂高速リカバリダイオードが知られている。係る、ダイオード等において、所定の逆方向耐圧を得、且つ更に高速性を追求すると、その順方向電圧（ＶＦ）が大きくなるトレードオフの関係がある。又、逆回復時の逆方向電流のピーク値（ＩＲＰ）を過ぎてからの電流減衰率（ｄｉ／ｄｔ）が小さい所謂ソフトリカバリ特性が求められている。
【０００３】
これらの低い順方向電圧と、ソフトリカバリ特性を実現する一手段として、軽粒子の照射による局所ライフタイムコントロールによりＰＮ接合近傍のキャリアのライフタイムを短くすることが有効である。この方法は高価な設備を要する事、ウェーハの厚さのコントロールが難しい事及び照射を数回行う必要がある等、コストアップの要因がある。
【０００４】
他の手段としてライフタイムキラーとしての白金（Ｐｔ）拡散技術を用い、白金による深い準位のウェーハ表面から深さ方向の密度分布が半導体基体の両表面で高く内部でほぼ一定となるＵ字型分布となる事を利用して、高速且つソフトリカバリ特性を実現する技術も提案されている。（特開平８−４６２２１、特開平９−２０５２１７）
【０００５】
図７はこの種の従来装置の構造説明図で、図７（Ａ）に示すように、１は砒素（ＡＳ）又はアンチモン（Ｓｂ）等の高濃度不純物を含むＮ型半導体基体、２はこの基体１上にエピタキシアル成長により堆積された低不純物のＮ型導電層である。次に該導電層２及び基体１の他面に二酸化硅素膜もＳｉＯ２を形成する。図７（Ｂ）
【０００６】
次に図７（Ｃ）に示すように該酸化膜を選択的に窓開し、その窓を利用してボロン等のＰ型不純物を拡散して不純物濃度の高いＰ型導電領域３と、これを囲む環状のカードリング領域４を形成する。次に図７（Ｄ）に示すように写真処理の後、該基体１の他面に燐等を拡散してオーミック領域５を形成する。
【０００７】
次に図７（Ｅ）に示すように、導電層２上の酸化膜の上に保護膜（ＰＳＧ）を形成し、該保護膜ＰＳＧ及び酸化膜を選択的に窓開し、Ｐ型導電層３を露出せしめると共に該基体１の他面の酸化膜を除去し、オーミック領域５を露出せしめる。次に図７（Ｆ）に示すように、ライフタイムキラーとしての白金（Ｐｔ）を拡散し、然る後図７（Ｇ）に示すようにアルミ（Ａｌ）等の電極付Ｍを行う。
【０００８】
所で上記白金拡散技術に基づく、半導体基体内における白金の密度分布はＮ型半導体基体において、所謂アンチモン（Ｓｂ）サブエピタキシアルウェーハを利用すると順方向電圧（ＶＦ）と逆回復時間（ｔｒｒ）のトレードオフ特性が比較的安定して得られる。然し乍ら砒素（Ａｓ）サブエピタキシアルウェーハでは上記白金の分布（Ｕ字型）が安定せず、ダイオードを構成すると上記順方向電圧と逆回復時間のトレードオフの関係が不安定になり、順方向電圧（ＶＦ）及び逆回復時間（ｔｒｒ）のバラツキが大きく歩留低下の主因となっていた。周知のように砒素サブ基体はアンチモンサブ基体に比し、抵抗率が小さいため、高電流密度化が可能で、チップサイズを小さくでき、高速ダイオードに好適な基体である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は砒素サブエピタキシアルウェーハを使用して高周波スイッチング用として好適な半導体装置を提供するものである。
【００１０】
【解決手段】
上記課題を解決するために請求項１の発明は、不純物濃度の低いＮ型導電型の第１の半導体領域と、該第１半導体領域に接する不純物濃度の高いＮ型導電型の第２の半導体領域を備えたＮ型半導体基体と、該第１半導体領域とＰＮ接合を形成する不純物濃度の高いＰ型導電領域とからなり、ライフタイムキラーとして白金がドープされた半導体装置において、該第２の半導体領域は不純物として砒素を含有し、且つ格子間酸素濃度が１．５×１０１８／ｃｍ３以下であることを特徴とする。
【００１１】
上記の課題を解決するために請求項２の発明は、該ＰＮ接合は該Ｐ型導電領域の表面から１〜１０μmの範囲にあることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明を適用するダイオードの断面構造を示し、図中１は砒素を含む（２×１０１９／ｃｍ３）半導体基体、２は該基体１上にエピ成長したリンを含む、低不純物Ｎ型導電層（濃度２×１０１４）、３は該Ｎ型導電層２にボロン等を拡散して形成された高濃度のＰ型導電層（濃度３×１０１８）で表面から１μ〜１０μｍの深さを持ち、Ｎ型導電層２と共にＰＮ接合Ｊを形成する。なおこの基体１及び２，３には図示しないが白金が拡散されている。（拡散条件白金０．１ｇ／１００ｃｃ，９５０℃，４０〜７０分）、上記のダイオードは逆方向耐圧（６００Ｖ）、順方向電流１０Ａのものを定格とした。
【００１３】
上記のダイオードは前述の用に白金による深い準位密度の分布が理想的なＵ字分布にならず、図２に示すように表面と内部であまり差のない平坦な分布を呈し、又実験ロットにより矢印の如くバラツクことが確認されている。
【００１４】
白金拡散のメカニズムは周知のように下記に示される。
Ｐｔ（ｉ）＋Ｖ＝Ｐｔ（ｓ） ・・・（１）
Ｐｔ（ｓ）＋Ｉ＝Ｐｔ（ｉ） ・・・（２）
但し、Ｐｔ（ｉ）：格子間白金原子
Ｐｔ（ｓ）：格子位置白金原子
Ｖ ：空孔
Ｉ ：Ｓｉ自己格子間原子
白金拡散中には、格子間白金原子Ｐｔ（ｉ）は拡散スピードが速く、ウェーハ全域で早期に平衡濃度に達する。そして上記反応式にしたがって格子位置Ｐｔ（ｓ）に置換し、深い準位を形成する。従って、空孔Ｖや自己格子間Ｓｉ原子Ｉが、白金準位密度分布に大きな影響をもっている事がわかる。白金拡散中のウェーハ表面は、空孔Ｖの発生源かつ自己格子間Ｓｉ原子Ｉの消滅源として働くため、空孔Ｖはウェーハ表面で密度が高く内部で少ない。反対に自己格子Ｓｉ原子Ｉはウェーハ表面で密度が低く、内部で高い分布となる。したがって白金原子が格子位置を占める確率はウェーハ表面で高く、内部では低くなるため、白金による深い準位密度分布のＵ字型分布になるといわれている。
【００１５】
砒素サブウェーハで上記が実現しない理由について、各種の実験の結果インゴットに含有される格子間酸素濃度Ｏｉが影響しているものと想定した。図３は結晶引き上げ後のインゴットの状態における酸素濃度分布の一例を示し、横軸は頂部（ＴＯＰ）からの位置（ｃｍ）を示し、縦軸に酸素濃度（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）を示す。図から明らかなように酸素濃度は底部（Ｂｏｔｔｏｍ）で少なく頂部（引き上げ方向）に行くに従い高くなることを示している。
【００１６】
図４は、上記のインゴットを輪切りし、中間（ｍｉｄｄｌｅ）より上部の酸素濃度の高いウェーハ群と下部の濃度の低いウェーハ群に大別して図１のダイオードを形成して順方向電圧（ＶＦ）の累積度数分布を示すもので横軸に順方向電圧（ＶＦ）Ｖ、縦軸にパーセントを示す。図４から明らかなように酸素濃度の低いウェーハ群では順方向電圧（ＶＦ）の変動巾が少なくほぼ全数２．２Ｖ〜２．４Ｖの範中にある（Ａ）。一方、高酸素濃度群（Ｂ）ではその変動巾が２Ｖ〜３Ｖと大きくバラツク分布を示している。
【００１７】
次に図５は上記と同様にウェーハ群を分けて順方向電圧（ＶＦ）と逆方向電流ピーク値（ＩＲＰ）の関係について測定したもので、上記と同様に高酸素濃度群（Ｂ）は順方向電圧、逆方向電流が相関して高い傾向を示し、一方低酸素濃度群（Ａ）はこれを反対に小さな値を示す傾向にある。
【００１８】
次に図６は逆回復電流波形を示し、図６（Ａ）は頂部ウェーハ、（Ｂ）は中間部ウェーハを使用した例を示す。この特性図から図６（Ａ）はハードリカバリー波形であるのに対し、（Ｂ）はソフトリカバリー波形を示している。
【００１９】
以上の結果から砒素サブウェーハでは、格子間酸素濃度が低いウェーハ程拡散後の特性が安定し、特に順方向電圧（ＶＦ）と逆回復時間（ｔｒｒ）のトレードオフが小さく、低損失且つソフトリカバリー傾に適していると考えられる。因みに格子間酸素濃度の許容臨界値は明確ではないが１．５×１０１８以下、好ましくは１．２〜０．８×１０１８であれば特性及び歩留りが安定する。
【００２０】
即ち酸素濃度が１０１８以下のウェーハでは白金の深い準位密度分析分布が、結果的に所謂Ｕ字型分布をなすものと考えられる。この理由としては、格子間酸素濃度が高いと、白金拡散での高温熱処理で、格子間酸素がＳｉ原子と反応してＳｉ酸化物を形成すると体積の膨張をともなうためその歪みを吸収するために結晶格子を形成するＳｉ原子が格子間Ｓｉ原子として放出される。そのため、前出の反応式の中のＶ，Ｉの濃度とその分布に影響を与え、結果として白金の作る深い準位密度の分布が変化し、望ましいＵ字型の分布にならなかったり、密度がばらつくなどの悪影響を及ぼす。そのため、格子間酸素濃度が低くし、析出が起こらないようにすれば安定した白金拡散による深い準位密度分布のＵ字型分布が実現できると考えられる。なお、格子間酸素濃度は、結晶引き上げ時の引き上げスピードや、回転数によってコントロールできる。また、ＭＣＺ法による引き上げで低濃度化できる。格子間酸素濃度の測定は、砒素基板の様な高不純物濃度の結晶ではガスフェージョン法などにより可能である。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば、高不純物濃度の砒素基板を用い、白金拡散を行った場合でも、白金による深い準位密度のＵ字型分布を安定に形成できるため、低損失、高速ソフトリカバリーのダイオード歩留り良く提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用するダイオードの断面図
【図２】白金による深い準位密度分布の説明図
【図３】砒素含有インゴットの酸素濃度分布図
【図４】本発明の実施例によるＶＦの累積度数分布図
【図５】本発明実施例によるＶＦ−ＩＲＰの関係図
【図６】本発明実施例による逆回復電流波形図
【図７】一般ダイオードの製造工程断面図
【符号の説明】
１ 高濃度Ｎ型半導体基体
２ 低濃度Ｎ型導電層
３ 高濃度Ｐ型導電層
Ｊ ＰＮ接合
Ｘｊ ＰＮ接合深さ
Claims (2)
- 不純物濃度の低いＮ型導電型の第１の半導体領域と、該第１半導体領域に接する不純物濃度の高いＮ型導電型の第２の半導体領域を備えたＮ型半導体基体と、該第１半導体領域とＰＮ接合を形成する不純物濃度の高いＰ型導電領域とからなり、ライフタイムキラーとして白金がドープされた半導体装置において、該第２の半導体領域は不純物として砒素を含有し、且つ格子間酸素濃度が１．５×１０１８／cm３以下であることを特徴とする半導体装置。
- 該ＰＮ接合は該Ｐ型導電領域の表面から１〜１０μmの範囲にあることを特徴とする請求項１の半導体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP01865299A JP4004171B2 (ja) | 1999-01-27 | 1999-01-27 | 半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP01865299A JP4004171B2 (ja) | 1999-01-27 | 1999-01-27 | 半導体装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000223719A JP2000223719A (ja) | 2000-08-11 |
| JP4004171B2 true JP4004171B2 (ja) | 2007-11-07 |
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ID=11977560
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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1999
- 1999-01-27 JP JP01865299A patent/JP4004171B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JP2000223719A (ja) | 2000-08-11 |
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