JP4123913B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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- H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/86—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable only by variation of the electric current supplied, or only the electric potential applied, to one or more of the electrodes carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched
- H01L29/861—Diodes
- H01L29/872—Schottky diodes
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電力用半導体整流素子(以下、単にダイオードという)などの半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
ダイオードはインバータをはじめ様々な電力変換装置の用途に利用されているが、近年ではインバータの高効率化のために高周波化が図られ10kHz以上のスイッチングスピードで開閉するIGBT等のトランジスタのFWDとしても使われるようになり、逆回復動作時間を短くすることが強く求められている。図6は、従来ダイオードであるpinダイオードの要部断面図である。n+ カソード層1となる高濃度基板上にエピタキシャル成長でn層を形成し、このn層の表面層にpアノード層3aを形成する。n+ カソード層1とpアノード層3aに挟まれたn層がnドリフト層2となる。pアノード層3aは、7×1013cm-2のドーズ量で加速電圧100keVでイオン注入を1回行い、1150℃で90分の高温アニ−ル(高温熱処理)を行い形成する。n+ カソード層1上、pアノード層3a上にそれぞれカソード電極4、アノード電極5を形成する。
【0003】
このpinダイオードは、耐圧の確保が容易であるが、正孔の注入効率を高めてオン電圧を低下させるために、pアノード層3aを高濃度で形成する。そのため、逆回復特性においては、逆回復電流Irrのピーク値Irpが高くなり、ハードリカバリーとなる。また、pinダイオードは、逆回復電流と逆回復電圧の積により、ダイオードに大きな電気的損失を生じる。この逆回復損失を小さくし、さらにスイッチング速度を高速化することが近年強く要求されている。現在、ダイオードの逆回復特性を改善するために、重金属拡散や電子線照射などを用いた少数キャリアのライフタイム制御が広く用いられている。すなわち、ライフタイムを小さくすることで、定常状態におけるキャリア濃度を減少させ逆回復中に空間電荷領域の広がりで掃き出されるキャリア濃度を減少させ、逆回復時間や逆回復電流および逆回復電荷を小さくして、逆回復損失を低減させることができる。
【0004】
また、逆回復電流をソフトリカバリー化する手段としては、アノードからの少数キャリアの注入効率を抑制する構造がある。その代表的な構造としては、ショットキー接合とpn接合を併設したMPS(Merged pin/Schottky)ダイオードやpアノード層の濃度を低くし、厚みを薄くしたSFD(Soft and Fast Recovery Diode)などが挙げられる。
【0005】
【特許文献1】
米国特許第4641174号明細書
【特許文献2】
特許第3149483号(図1)
【特許文献3】
特開平7−226521号公報(図3)
【特許文献4】
特開平9−321320号公報(図1)
【特許文献5】
特開平10−200132号公報(図1)
【特許文献6】
特開平10−321876号公報(図1)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図6のpinダイオードや前記のMPSダイオードにおいて、さらに逆回復電流Irrと逆回復損失を共に小さくし、一層のソフトリカバリー化を図ることが求められている。また、特許文献2〜6のダイオードでは、高濃度の浅いアノード層と低濃度で深いアノード層が記載されているが、これらは高濃度のアノード層を高温の熱処理で形成しているため、活性化率がほぼ100%の高注入であり、逆回復特性が好ましくない。この発明の目的は、前記の課題を解決して、従来ダイオードと比べて、逆回復電流の低減、逆回復損失の低減および一層のソフトリカバリー化を図ることができる半導体装置とその製造方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、第1導電型の半導体基板と、該半導体基板の一方の表面層に形成した第2導電型の低濃度の第1アノード層と、該第1アノード層の表面層に形成した第2導電型の高濃度の第2アノード層と、該第2アノード層表面に形成したアノード電極と、他方の表面に形成した第1導電型のカソード層と、該カソード層表面に形成したカソード電極とを具備する半導体装置の製造方法において、前記第1アノード層が、第2アノード層のドーズ量より低いドーズ量をイオン注入し、高温熱処理して2μm以上の拡散深さに形成し、その後、第2アノード層を3×10 12 cm -2 以上3×10 13 cm -2 以下のドーズ量をイオン注入し、350℃以上600℃以下の低温アニール又はレーザアニールの低温熱処理して1μm以下の深さに形成する。また、前記第1アノード層と第2アノード層の少なくとも一方を複数個互いに離して形成する。
【0008】
【0009】
また、第1導電型の半導体基板と、該半導体基板の一方の表面層に複数個互いに離して形成した第2導電型の低濃度の第1アノード層と、該第1アノード層のそれぞれの表面層に形成した第2導電型の高濃度の第2アノード層と、前記第2アノード層と半導体基板の各表面に形成したアノード電極と、他方の表面に形成した第1導電型のカソード層と、該カソード層表面に形成したカソード電極とを具備する半導体装置の製造方法において、前記第1アノード層が、第2アノード層のドーズ量より低いドーズ量をイオン注入し、高温熱処理して2μm以上の拡散深さで複数の第1アノード層が互いに半導体基板表面で重なり合う領域を有するように形成し、その後、第2アノード層を3×1012cm-2以上3×1013cm-2以下のドーズ量をイオン注入し、350℃以上600℃以下の低温アニール又はレーザアニールの低温熱処理して1μm以下の深さに形成する。
【0010】
【0011】
【発明の実施の形態】
以下の説明で、第1導電型をn型、第2導電型をp型とする。勿論、逆であっても構わない。また、図6と同一箇所には同一の符号を記した。図1は、この発明の一実施例のpinダイオードの要部断面図である。n+ カソード層1となる高濃度基板上にエピタキシャル成長でn層を形成し、このn層の表面層にpアノード層3を形成する。n+ カソード層1とpアノード層3に挟まれたn層がnドリフト層2となる。pアノード層3は、1×1012cm-2程度の極めて低いドーズ量で、加速電圧100keVでイオン注入を行い、高温アニールして形成し、さらに、PSG(リンガラス)膜を900℃程度の熱処理温度で被覆した後、コンタクト部分とする箇所のPSG膜をエッチングで除去し、3×1013cm-2のドーズ量で、加速電圧45keVでイオン注入を行い400℃の低温アニールを行うことで1μm以下の高濃度のpアノード層3c(この高濃度のpアノード層3cはコンタクト層を兼ねる)を形成する。また、低濃度のアノード層3bと高濃度のアノード層3cを合わせたpアノード層3の拡散深さ(低濃度pアノード層3bの深さと一致する)は、pアノード層3内の空乏層がアノード電極5に到達しないように、2μm以上とする。
【0012】
この低いドーズ量で、100keVの高い加速電圧でイオン注入された低濃度のpアノード層3bは、高温アニールとPSG膜処理温度により、打ち込まれた不純物原子は殆ど活性化し、また、イオン注入で導入された欠陥はほとんど消滅する。一方、高いドーズ量で、45keVの低い加速電圧でイオン注入された高濃度のpアノード層3cでは、400℃の低温アニールのために、イオン注入で導入された欠陥は多数残留する。この欠陥で、高濃度のpアノード層3cのライフタイムは低下する。また、低温アニールの温度は600℃を超えるとイオン注入で導入された欠陥の消滅割合が多く、また350℃未満ではイオン注入された不純物原子の活性化率がよくない。そのため、低温アニールの温度が350℃以上600℃以下が好ましい。また、低温アニールをレーザアニールで行うことで打ち込まれた不純物原子の活性化率を向上させることができて、正孔の注入効率が低下し過ぎるのを抑制できる。
【0013】
低濃度のpアノード層3bと高濃度のpアノード層3cのライフタイムの低下により、pアノード層3からnドリフト層2への正孔の注入が抑制される。その結果、逆回復電流と逆回復損失は低下し、n+ カソード層1付近のキャリア濃度がpアノード層3付近のキャリア濃度より高くなり、一層のソフトリカバリー化を図ることができる。また、低濃度のpアノード層3bの拡散深さを2μm以上とすることで、定格電圧で空乏層がアノード電極5へ到達すること防止することができる。図2は、拡散プロフィルとライフタイム分布の関係を示す図であり、同図(a)は拡散プロフィルを示す図であり、図中の3aは従来品のプロフィル、3は本発明品のpアノード層全体のプロフィルで、3bは本発明品の低濃度部分、3cは高濃度部分のプロフィルであり、同図(b)は従来品のライフタイム分布を示す図、同図(c)は本発明品のライフタイム分布を示す図である。同図(b)は従来品ダイオードのライフタイム分布を推定したものであるが、拡散プロフィル的に本発明品と類似している特許第3149483号公報に開示されているダイオードのライフタイムもこれと同じと推定される。従来品は、高温アニールしているために、pアノード層3aのライフタイムは比較的大きい値となる。この従来品と比べると、本発明品は低温アニールしているために、pアノード層3bのライフタイムの値は小さくなる。
【0014】
図3は、従来型のpinダイオードと本発明のpinダイオードの逆回復波形図である。本発明のpinダイオード(発明品)は、従来型のpinダイオード(従来品)に比べて、pアノード層3の濃度が極めて低いために、逆回復電流Irrのピーク値Irpは大幅に低減する。さらに、正孔の注入が低いため、順電流を通電した状態で、カソード側にキャリアが多い分布となり、ソフトリカバリーな波形となる。本発明を用いることで、従来、ソフトリカバリー化が困難とされる数十μmの薄いドリフト層を有する600V程度の高耐圧のダイオードをソフトリカバリー化することができる。つまり、数十μmと薄いドリフト層を有する600V程度以上の高耐圧のMPSダイオードを逆回復過程で、電圧・電流波形が発振せず、また損失の少ないダイオードとすることができる。
【0015】
尚、この発明を、特願2000−311442号に記載されたダイオードやMPSダイオードのpアノード領域に適用することで、図1の構成の場合と同様の効果が得られる。
図4は、特願2000−311442号に記載されたダイオードに本発明を適用した構成を示す要部断面図である。図1と異なる点は、pアノード層3が重なり箇所を有するように低濃度のpアノード層3bを形成し、その低濃度のpアノード層3bの表面全体に高濃度のpアノード層3cを形成している点である。pアノード層3bは、複数の拡散層が互いに半導体基板表面で重なり合う重なり箇所を有し、該重なり箇所の最高濃度が、nドリフト層2の濃度の1倍以上10倍以下となっている。図5は、MPSダイオードに本発明を適用した構成を示す要部断面図である。図5では、分散して形成した低濃度のpアノード層3bの表面に高濃度のpアノード層3cを形成している。
【0016】
図7は、高濃度のpアノード層3cのボロンのドーズ量を変えた場合の漏れ電流と逆回復ピーク電流(Irp)の関係を示した特性図である。図7において、ボロンのドーズ量が3×1012cm-2以下であると漏れ電流が急激に増加している。これは、ドーズ量が少ないと空乏層が半導体基板表面にまで拡がりパンチスルーするためである。また、逆回復ピーク電流はボロンのドーズ量が3×1013cm-2以上になると急激に増加している。この逆回復ピーク電流の増加はホールの注入が増えることによる。よって、高濃度のpアノード層3cのドーズ量は、3×1012cm-2以上3×1013cm-2以下であることが望ましい。
【0017】
図8は、熱処理温度を変えた場合の深さ方向の不純物分布を示した図である。図8において、pアノード層3をボロンのドーズ量を7×1013cm-2として熱処理温度を1150℃の高温熱処理(従来技術に相当)と400℃の低温熱処理(本発明)とした場合の深さ方向の不純物の拡散の分布を比較した。高温熱処理では、拡散深さが3.5μmとなり、実効的なドーズ量は5.0×1013cm-2となり活性化率がほぼ100%である。これに対して、本発明の低温熱処理では、拡散深さが0.6μmとなり、実効的なドーズ量は5.2×1012cm-2となり活性化率が10%以下である。低温熱処理を行うことで不純物の実効的なドーズ量を下げることができる。
【0018】
図9は、本発明での漏れ電流の熱処理温度依存性と不純物活性化率の熱処理温度依存性を示した図である。600℃以下で熱処理を施すと不純物活性化率は10%程度となり、800℃以上の熱処理を施すと不純物活性化率は100%程度となる。これに対して逆漏れ電流は温度に依存せず、ほぼ一定である。なお、MPS構造のようにpn接合の他にショットキー接合が混在する場合は、漏れ電流が増加する。本発明では、このMPS構造よりも漏れ電流を減少させることができる。図10は、逆回復ピーク電流の熱処理温度依存性を示した図である。図10において、SSDダイオードでは逆回復ピーク電流が46Aであり、MPSダイオードでは逆回復ピーク電流が25Aである。本発明において、熱処理温度を600℃以下とすることでMPSダイオード並の逆回復ピーク電流値とすることができる。よって、第2アノード層の熱処理温度は300℃以上600℃以下であることが望ましい。
【0019】
図11は、異なる実施例の要部断面図である。図11において、その低濃度のpアノード層3bの形成された活性領域の表面全体に高濃度のpアノード層3cを形成している。このように活性領域の表面全体に高濃度のpアノード層3cを形成することで、図5のショットキ接合部を有する構造に比してショットキ接合部が存在しないので、漏れ電流を大幅に減少させることができる。これにより基板表面に電極を形成後にボンディングワイヤのワイヤをボンディングした場合の漏れ電流の不良を低減することができる。図12は、拡散プロフィルとライフタイム分布の関係を示す図であり、同図(a)は拡散プロフィルを示す図であり、図中の3bは本発明品の低濃度部分、3cは高濃度部分のプロフィルであり、同図(b)は従来品と本発明品のライフタイム分布を示す図である。従来品は、高温アニールしているために、pアノード層3aのライフタイムは比較的大きい値となる。この従来品と比べると、本発明品は低温アニールしているために、pアノード層3bのライフタイムの値は小さくなる。同図(c)は本発明のダイオードにライフタイムキラーとして白金拡散(Pt)と電子線照射(EI)を用いた場合のライフタイム分布を示した。EIの場合は一様なライフタイム分布となる。Ptの場合は欠陥がアノード側に偏析するためにアノード側のライフタイムが短くなる。
【0020】
図13、14は異なる実施例の不純物分布を示す図である。図13の(a)は、カソード電極とnカソード層の間に高濃度層(n+層)をAsのイオン注入で形成したものである。まず、半導体基板表面にpアノード層を形成後に半導体基板の裏面を削り、裏面からAs(砒素)をドーズ量2×1014cm-2加速電圧100keVでイオン注入し、その後熱処理を1100℃で行うことで1μm程度の高濃度n+層を形成する。更に、カソード電極にTiを用いて、この高濃度n+層とオーミック接触をするように蒸着にて形成する。この裏面から行うイオン注入はP(リン)でも良いが、Asの方がPと比べて拡散係数が小さく熱拡散が浅くできるため表面濃度を高くすることができるので望ましい。またイオン注入後の拡散温度は1100℃で行うと、拡散係数などの関係からAsの拡散深さは1μm以上とはならない。この実施例では低Vf(順電圧)にすることができる。図13の(b)は、n-ドリフト層を2段で形成した構造である。この構造により逆回復中での電界の拡がりを抑制しカソード側にキャリアを多く残すことで発振現象を抑制することができる。図13の(c)は、n-層にn+層を拡散した構造である。n-層からn+層にかけて徐々に不純物濃度が増加する分布とすることで逆回復電荷(Qrr)が増加するが、ソフトリカバリには効果的である。図13の(d)は、n-層からn+層にかけて少しずつ不純物濃度が増加していて、その増加分を2回に分けて行っている2段勾配構造である。この構造では、(c)の構造よりも損失を少なくすることができ、かつソフトリカバリ化にも効果的である。図14の(a)は、バルクウエハを用いてアノード側からカソード側にかけて徐々に不純物濃度が増加していて、かつ半導体基板裏面からイオン注入で数μmのn+層を形成した構造である。この構造はn+層からの電子の注入を抑制し、かつ電界の拡がりを徐々に抑制するため、ソフトリカバリで低損失な特性が得られる。図14の(b)は、n-層中にn-層よりも高濃度なn層(バッファ層)を数μm程度の厚さ形成した構造である。この構造では逆回復中の電界の拡がりをこのバッファ層で抑制し、カソード側により多くのキャリアを残すことで発振現象を抑制することができる。図14の(c)は、n-層の中心に向かって不純物濃度が徐々に増加していく構造である。図14の(b)の構造と同じく電界の拡がりを抑制することができるが、更に電界変化をなだらかにすることができるためにdv/dtを小さくすることができる。
【0021】
図15は本発明の活性領域を上からみた要部平面図である。(a)は高濃度で低温熱処理のp+アノード層3cを活性領域の全面に形成し、低濃度で高温熱処理のpアノード層3bをセル状に形成した構造である。(b)は高濃度で低温熱処理のp+アノード層3cをセル状に形成し、低濃度で高温熱処理のpアノード層3bを活性領域の全面に形成した構造である。(c)と(d)は、ストライプ状に形成した構造である。(e)は高濃度で低温熱処理のp+アノード層3cを活性領域の全面に形成し、低濃度で高温熱処理のpアノード層3bをセル状に形成し更にpアノード層3b内にp+アノード層3cを形成したリングセル構造である。(f)は(e)と各層が逆転した構造である。
【0022】
図16は、本発明のエッジ構造を示す要部断面図である。(a)において、図の点線の紙面右側が活性領域、左側がエッジ部である。これは、一般的なエッジ構造であり、ガードリング6と、ストッパ領域7、ストッパ電極8、フィールドプレート9、フィールド酸化膜10を備えている。(b)は、活性領域とエッジ部の間のフィールド酸化膜を(a)よりも長くし、逆回復時にエッジ部の下にキャリアを入れにくくし、逆回復耐量を高めた構造である。図17は、本発明のエッジ構造を示す斜視断面図である。
【0023】
【発明の効果】
この発明において、pアノード層を、低ドーズ量のイオン注入し、高温熱処理して形成した第1アノード層と、高ドーズ量のイオン注入し、350℃以上600℃以下の低温アニール又はレーザアニールの低温熱処理して1μm以下の深さに形成した第2アノード層で構成することで、従来品より、逆回復電流と逆回復損失の低減を図り、一層のソフトリカバリー化を図ることができる。その結果、高速・低損失化とソフトリカバリー化の間のトレードオフを改善することができる。また、pアノード層の拡散深さを2μm以上とすることで、所定の耐圧を確保することができ、活性領域の全面に形成した場合はショットキー接合による漏れ電流の増加を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の一実施例のpinダイオードの要部断面図
【図2】 従来のpinダイオードと本発明のpinダイオードのpアノード層のライフタイムを比較した図
【図3】 従来型のpinダイオードと本発明のpinダイオードの逆回復波形図
【図4】 特願2000−311442号に記載されたダイオードに本発明を適用した構成を示す要部断面図
【図5】 MPSダイオードに本発明を適用した構成を示す要部断面図
【図6】 従来ダイオードであるpinダイオードの要部断面図
【図7】 本発明の実施例である高濃度のpアノード層のドーズ量を変えた場合の漏れ電流と逆回復ピーク電流の関係を示した特性図
【図8】 熱処理温度を変えた場合の深さ方向の不純物分布を示した図
【図9】 本発明での漏れ電流の熱処理温度依存性と不純物活性化率の熱処理温度依存性を示した図
【図10】 逆回復ピーク電流の熱処理温度依存性を示した図
【図11】 異なる実施例の要部断面図
【図12】 従来のpinダイオードと本発明のpinダイオードのpアノード層のライフタイムを比較した図
【図13】 異なる実施例の不純物分布を示した図
【図14】 異なる実施例の不純物分布を示した図
【図15】 本発明の活性領域を上からみた要部平面図
【図16】 本発明のエッジ構造を示す要部断面図
【図17】 本発明のエッジ構造を示す斜視断面図
【符号の説明】
1 n+ カソード層
2 nドリフト層
3 pアノード層(本発明品)
3a pアノード層(従来品)
3b 低濃度のpアノード層(本発明品)
3c 高濃度のpアノード層(本発明品)
4 カソード電極
5 アノード電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device such as a power semiconductor rectifier (hereinafter simply referred to as a diode).
[0002]
[Prior art]
Diodes are used for various power converter applications including inverters, but in recent years, they have been used as FWDs for transistors such as IGBTs that open and close at a switching speed of 10 kHz or higher in order to increase the efficiency of inverters. There is a strong demand to shorten the reverse recovery operation time. FIG. 6 is a cross-sectional view of a main part of a pin diode which is a conventional diode. An n layer is formed by epitaxial growth on a high-concentration substrate to be the n + cathode layer 1, and
[0003]
This pin diode is easy to secure a withstand voltage, but the
[0004]
Further, as a means for soft recovery of the reverse recovery current, there is a structure that suppresses the injection efficiency of minority carriers from the anode. Typical examples of the structure include an MPS (Merged pin / Schottky) diode having a Schottky junction and a pn junction, and an SFD (Soft and Fast Recovery Diode) in which the concentration of the p anode layer is reduced and the thickness is reduced. It is done.
[0005]
[Patent Document 1]
US Pat. No. 4,641,174 [Patent Document 2]
Japanese Patent No. 3149483 (FIG. 1)
[Patent Document 3]
Japanese Patent Laid-Open No. 7-226521 (FIG. 3)
[Patent Document 4]
JP-A-9-321320 (FIG. 1)
[Patent Document 5]
JP-A-10-200132 (FIG. 1)
[Patent Document 6]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-321876 (FIG. 1)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the pin diode of FIG. 6 and the MPS diode described above, it is required to further reduce the reverse recovery current Irr and the reverse recovery loss to achieve further soft recovery. Further, in the diodes of
[0007]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above object, a first conductivity type semiconductor substrate, a second conductivity type low concentration first anode layer formed on one surface layer of the semiconductor substrate, and a surface of the first anode layer A second conductivity type high concentration second anode layer formed on the layer, an anode electrode formed on the surface of the second anode layer, a first conductivity type cathode layer formed on the other surface, and the surface of the cathode layer In the method of manufacturing a semiconductor device comprising the cathode electrode formed on the first anode layer, the first anode layer is ion-implanted with a dose amount lower than the dose amount of the second anode layer, and is subjected to a high temperature heat treatment to a diffusion depth of 2 μm or more. After that, the second anode layer is ion-implanted with a dose amount of 3 × 10 12 cm −2 or more and 3 × 10 13 cm −2 or less and subjected to low temperature annealing of 350 ° C. or more and 600 ° C. or less or low temperature heat treatment of laser annealing. Less than 1μm Form to depth. In addition, at least one of the first anode layer and the second anode layer is formed apart from each other.
[0008]
[0009]
A first conductivity type semiconductor substrate; a plurality of second conductivity type low-concentration first anode layers formed on one surface layer of the semiconductor substrate; and a surface of each of the first anode layers. A second conductivity type high-concentration second anode layer formed on the layer; an anode electrode formed on each surface of the second anode layer and the semiconductor substrate; a first conductivity type cathode layer formed on the other surface; In the method of manufacturing a semiconductor device comprising a cathode electrode formed on the surface of the cathode layer, the first anode layer is ion-implanted with a dose amount lower than the dose amount of the second anode layer, and is subjected to high-temperature heat treatment for 2 μm or more. A plurality of first anode layers are formed so as to have a region where they overlap each other on the surface of the semiconductor substrate with a diffusion depth of 3 × 10 12 cm −2 or more and 3 × 10 13 cm −2 or less. Dose amount ON injection, 350 ° C. or higher 600 ° C. with low-temperature heat treatment of the following low-temperature annealing or laser annealing to form below a depth of 1 [mu] m.
[0010]
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the following description, the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type. Of course, the reverse is also possible. Moreover, the same code | symbol was described in the same location as FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view of an essential part of a pin diode according to an embodiment of the present invention. An n layer is formed by epitaxial growth on a high-concentration substrate to be the n + cathode layer 1, and
[0012]
The low-concentration
[0013]
By reducing the lifetimes of the low-concentration
[0014]
FIG. 3 is a reverse recovery waveform diagram of the conventional pin diode and the pin diode of the present invention. Since the concentration of the
[0015]
By applying the present invention to the p-anode region of the diode or MPS diode described in Japanese Patent Application No. 2000-311442, the same effect as in the configuration of FIG. 1 can be obtained.
FIG. 4 is a cross-sectional view of an essential part showing a configuration in which the present invention is applied to a diode described in Japanese Patent Application No. 2000-311442. The difference from FIG. 1 is that a low-concentration p-
[0016]
FIG. 7 is a characteristic diagram showing the relationship between leakage current and reverse recovery peak current (Irp) when the boron dose of the high-concentration
[0017]
FIG. 8 is a diagram showing the impurity distribution in the depth direction when the heat treatment temperature is changed. In FIG. 8, when the
[0018]
FIG. 9 is a diagram showing the heat treatment temperature dependence of leakage current and the heat treatment temperature dependence of impurity activation rate in the present invention. When heat treatment is performed at 600 ° C. or lower, the impurity activation rate is about 10%, and when heat treatment is performed at 800 ° C. or higher, the impurity activation rate is about 100%. On the other hand, the reverse leakage current does not depend on the temperature and is almost constant. In addition, when the Schottky junction is mixed in addition to the pn junction as in the MPS structure, the leakage current increases. In the present invention, the leakage current can be reduced as compared with the MPS structure. FIG. 10 is a graph showing the heat treatment temperature dependence of the reverse recovery peak current. In FIG. 10, the reverse recovery peak current is 46 A for the SSD diode, and the reverse recovery peak current is 25 A for the MPS diode. In the present invention, by setting the heat treatment temperature to 600 ° C. or less, it is possible to obtain a reverse recovery peak current value comparable to that of an MPS diode. Therefore, the heat treatment temperature of the second anode layer is desirably 300 ° C. or higher and 600 ° C. or lower.
[0019]
FIG. 11 is a cross-sectional view of a main part of a different embodiment. In FIG. 11, a high concentration
[0020]
13 and 14 are diagrams showing impurity distributions of different examples. FIG. 13A shows a high concentration layer (n + layer) formed by As ion implantation between a cathode electrode and an n cathode layer. First, after forming a p-anode layer on the surface of the semiconductor substrate, the back surface of the semiconductor substrate is shaved, and As (arsenic) is ion-implanted from the back surface with a dose amount of 2 × 10 14 cm −2 acceleration voltage 100 keV, and then heat treatment is performed at 1100 ° C. Thus, a high concentration n + layer of about 1 μm is formed. Further, Ti is used for the cathode electrode and is formed by vapor deposition so as to be in ohmic contact with the high concentration n + layer. The ion implantation performed from the back surface may be P (phosphorus), but As is preferable because P has a smaller diffusion coefficient and shallower thermal diffusion, so that the surface concentration can be increased. If the diffusion temperature after ion implantation is 1100 ° C., the diffusion depth of As will not be 1 μm or more because of the diffusion coefficient. In this embodiment, a low Vf (forward voltage) can be achieved. FIG. 13B shows a structure in which the n − drift layer is formed in two stages. With this structure, it is possible to suppress the oscillation phenomenon by suppressing the expansion of the electric field during reverse recovery and leaving many carriers on the cathode side. FIG. 13C shows a structure in which the n + layer is diffused in the n − layer. Although the reverse recovery charge (Qrr) increases by making the impurity concentration gradually increase from the n − layer to the n + layer, it is effective for soft recovery. FIG. 13D shows a two-stage gradient structure in which the impurity concentration increases little by little from the n − layer to the n + layer, and the increase is divided into two. With this structure, the loss can be reduced as compared with the structure of (c), and it is effective for soft recovery. FIG. 14A shows a structure in which an impurity concentration is gradually increased from the anode side to the cathode side using a bulk wafer, and an n + layer of several μm is formed by ion implantation from the back surface of the semiconductor substrate. Since this structure suppresses the injection of electrons from the n + layer and gradually suppresses the expansion of the electric field, a low loss characteristic can be obtained by soft recovery. (B) in FIG. 14, n - n in the layer - which is a high concentration n-layer structure formed of several μm (the buffer layer) thickness than the layers. In this structure, the expansion of the electric field during reverse recovery is suppressed by this buffer layer, and the oscillation phenomenon can be suppressed by leaving more carriers on the cathode side. FIG. 14C shows a structure in which the impurity concentration gradually increases toward the center of the n − layer. Although the expansion of the electric field can be suppressed as in the structure of FIG. 14B, the dv / dt can be reduced because the electric field change can be further smoothed.
[0021]
FIG. 15 is a plan view of the main part of the active region of the present invention as seen from above. (A) is a structure in which a p + anode layer 3c of high concentration and low temperature heat treatment is formed on the entire surface of the active region, and
[0022]
FIG. 16 is a cross-sectional view of the main part showing the edge structure of the present invention. In (a), the right side of the dotted line in the figure is the active region, and the left side is the edge portion. This is a general edge structure, and includes a guard ring 6, a
[0023]
【The invention's effect】
In the present invention, the p anode layer is ion-implanted with a low dose amount and subjected to a high-temperature heat treatment, and a high dose ion-implantation is performed for low-temperature annealing or laser annealing at 350 ° C. to 600 ° C. By constituting the second anode layer formed at a depth of 1 μm or less by low-temperature heat treatment , the reverse recovery current and reverse recovery loss can be reduced and further soft recovery can be achieved compared to the conventional product. As a result, it is possible to improve the trade-off between high speed and low loss and soft recovery. In addition, by setting the diffusion depth of the p anode layer to 2 μm or more, a predetermined breakdown voltage can be secured, and when formed on the entire surface of the active region, an increase in leakage current due to a Schottky junction can be prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of an essential part of a pin diode according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram comparing lifetimes of p anode layers of a conventional pin diode and a pin diode of the present invention. FIG. 4 is a cross-sectional view of a principal part showing a configuration in which the present invention is applied to a diode described in Japanese Patent Application No. 2000-31442. FIG. 5 is a diagram illustrating an MPS diode according to the present invention. FIG. 6 is a cross-sectional view of a main part of a pin diode that is a conventional diode. FIG. 7 is a case where the dose amount of a high-concentration p anode layer is changed according to an embodiment of the present invention. Fig. 8 is a characteristic diagram showing the relationship between leakage current and reverse recovery peak current. Fig. 8 is a graph showing the impurity distribution in the depth direction when the heat treatment temperature is changed. Fig. 9 is the heat treatment temperature dependence of leakage current in the present invention. FIG. 10 is a diagram showing the heat treatment temperature dependence of the impurity activation rate and the impurity activation rate. FIG. 10 is a diagram showing the heat treatment temperature dependence of the reverse recovery peak current. FIG. The figure which compared the lifetime of the p anode layer of a diode and the pin diode of this invention [FIG. 13] The figure which showed the impurity distribution of a different Example [FIG. 14] The figure which showed the impurity distribution of a different Example [FIG. 15] FIG. 16 is a fragmentary sectional view showing the edge structure of the present invention. FIG. 17 is a perspective sectional view showing the edge structure of the present invention.
1 n + cathode layer
2 n drift layer
3 p anode layer (product of the present invention)
3a p anode layer (conventional product)
3b Low concentration p anode layer (product of the present invention)
3c High-concentration p anode layer (product of the present invention)
4 Cathode electrode
5 Anode electrode
Claims (3)
前記第1アノード層が、第2アノード層のドーズ量より低いドーズ量をイオン注入し、高温熱処理して2μm以上の拡散深さに形成し、その後、第2アノード層を3×1012cm-2以上3×1013cm-2以下のドーズ量をイオン注入し、350℃以上600℃以下の低温アニール又はレーザアニールの低温熱処理して1μm以下の深さに形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。A first conductivity type semiconductor substrate; a second conductivity type low-concentration first anode layer formed on one surface layer of the semiconductor substrate; and a second conductivity type semiconductor substrate formed on the surface layer of the first anode layer. A high-concentration second anode layer; an anode electrode formed on the surface of the second anode layer; a cathode layer of the first conductivity type formed on the other surface; and a cathode electrode formed on the surface of the cathode layer. In a method for manufacturing a semiconductor device,
The first anode layer is ion-implanted with a dose amount lower than the dose amount of the second anode layer, and is heat-treated to form a diffusion depth of 2 μm or more, and then the second anode layer is 3 × 10 12 cm −. A semiconductor device characterized by forming a depth of 1 μm or less by ion implantation of a dose of 2 or more and 3 × 10 13 cm −2 or less and low-temperature annealing of 350 ° C. or more and 600 ° C. or less and low-temperature heat treatment of laser annealing. Manufacturing method.
前記第1アノード層が、第2アノード層のドーズ量より低いドーズ量をイオン注入し、高温熱処理して2μm以上の拡散深さで複数の第1アノード層が互いに半導体基板表面で重なり合う領域を有するように形成し、その後、第2アノード層を3×1012cm-2以上3×1013cm-2以下のドーズ量をイオン注入し、350℃以上600℃以下の低温アニール又はレーザアニールの低温熱処理して1μm以下の深さに形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。A first conductivity type semiconductor substrate, a plurality of second conductivity type low-concentration first anode layers formed on one surface layer of the semiconductor substrate, and a surface layer of the first anode layer, respectively. A second anode layer of high concentration of the second conductivity type formed, an anode electrode formed on each surface of the second anode layer and the semiconductor substrate, a cathode layer of the first conductivity type formed on the other surface, In a manufacturing method of a semiconductor device comprising a cathode electrode formed on a cathode layer surface,
The first anode layer has a region in which a plurality of first anode layers overlap each other on the surface of the semiconductor substrate with a diffusion depth of 2 μm or more by ion implantation with a dose amount lower than that of the second anode layer and heat treatment at a high temperature. After that, the second anode layer is ion-implanted with a dose amount of 3 × 10 12 cm −2 or more and 3 × 10 13 cm −2 or less, and low temperature annealing of 350 ° C. or more and 600 ° C. or less or laser annealing. A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the semiconductor device is formed to a depth of 1 μm or less by heat treatment.
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