JPH0276265A - 高速ダイオードの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 最近急速な電力用半導体工業の進歩に伴い、ターンオフ
タイム５μｓｅｃ以下のサイリスタが出現しつつある。

電圧形インバータに適用する際には、サイリスタに逆並
列にダイオードを接続して使用することが一般的である
。ターンオフタイムの小さいサイリスタに逆並列接続し
て使用されるダイオードは、サイリスタのターンオフタ
イム能力に対応した高速度電流し中断能力を有する素子
（逆回復電荷の小さい素子）が要求される。逆回復電荷
Ｑｒ　＝Ｔｒ　Ｘ　ｉｒｐ／２で表現されるので、高速
ダイオードに要求される特性は次の二点である。なおＴ
ｒは逆回復時間、ｌｒｐは逆回復時のピーク電流である
。

（１）　　逆回復時間の小さいこと。即ち転流時にサイ
リスク側に再印加されるピーク電圧はダイオードの逆回
復電荷の影響を受け、ダイオードの逆回復電荷が大きい
ほど上昇するので、より高い定格電圧のサイリスタが必
要となり、サイリスタ応用技術上、逆回復電荷の大きい
ダイオードは好ましくない。

（２）逆回復時のピーク電流が小さくそのｄｉ／ｄｔが
、ゆるやか（Ｓｏ　ｆ　ｔ　Ｒｅｃｏｖｅｒｙ　）であ
ること。即ちダイオードの逆回復時のｄｉ／ｄｉが急峻
な特性（Ｓｎａｐ−ｏｆｆ）では転流時にサイリスタ憂
こ再印加される電圧は高いｄｖ　／　ｄｉを持った電圧
が印加され、サイリスタのｄｖ　／　ｄｔ特性をおびや
かすこ、とになり、サイリスタ応用技術面から５ｎａｐ
−ｏｆｆ特性を有するダイオードは好ましくない。

以上の理由によって、前述の目的に使用される高速ダイ
オードは逆回復時のｄｉ　／　ｄｔが、５ｏｆｔＲｅｃ
ｏｖｅｒｙ特性を有し逆回復時間の小さいダイオードが
望ましい。

本発明は上記の目的のためになされたものであり、以下
図ＷＪＪこより本発明の一実施例について詳細に説明す
る。

第１図は５ｎａｐ−ｏｆｆ特性を有するダイオードの逆
回復時の電流波形の説明図、第２図は５ｏｆｔ　Ｒｅｃ
ｏｖｅｒｙ特性を有するダイオードの逆回復時の電流波
形の説明図である。

ダイオードの逆回復特性において、第１図のように逆回
復時間Ｔｒの短かい急峻なｄｉ／ｄｔの変化を示す５ｎ
ａｐ−ｏｆｆ特性と、第２図のような逆回復時間Ｔｒの
長く緩やかなｄｉ／ｄｉの変化を示す８ｏｆｔ　Ｒｅｃ
ｏｖｅｒｙ特性の差は、ダイオード母材層のライフタイ
ムに関係する。例えばＰ　−Ｎｉ−Ｎ接合の場合にはＮ
ｉ層のライフタイムが短いほど逆回復時間の短い５ｎａ
ｐ−ｏｆｆ特性が得られ、Ｎｉ層のライフタイムが長い
ほど逆回復時間の長い５ｏｆｔ　Ｒｅｃｏｖｅｒｙ特性
が得られるＯ 本発明は一枚のシリコン円板からなるダイオードウェフ
ァの厚み方向内に５ｎａｐ−ｏｆ　ｆ特性を有する領域
と５ｏｆｔ　Ｒｅｃｏｖｅｒｙ特性を有する領域を直列
に組合せたダイオード領域と、更にこの直列に組合せた
領域へ５ｏｆｔ　Ｒｅｃｏｖｅｒｙ％性を有するトラン
ジスタ領域を並列に組合せ、更にカソード短絡即ちカソ
ード側に設けた横方向Ｐ−Ｎ接合の接合電位差を利用し
て中性領域内のキャリアを消滅させることにより、逆回
復時間と逆回復ピーク電流の小さい５ｏｆｔ　Ｒｅｃｏ
ｖｅｒｙ特性を有するダイオードを実現したものである
。

この技術的思想は本発明者によって特開昭５８−１１４
４６７に示しである。このダイオードは中抵抗層のバッ
ファ層を設けていないので、Ｐｉｎ構造にすることがで
きず２５００　Ｖ以上の高速ダイオードに対しては不利
であった。本出願はこの欠点を改良した高速ダイオード
である。

第３図は本発明の一実施例を示す高速ダイオードの部分
縦断面図である。

１はアルミ蒸着法で形成されたアノード電極、３はＰ形
不純物のガリウムまたはアルミニウムで拡散形成したＰ
層、４は高抵抗のＮｉ層、４′は中抵抗のＮ層、５はＮ
形不純物のリンを選択的ζこ拡散し、複数個１こ分散配
置して形成した低抵抗のＮ層、６はＮ層で囲まれた後述
する第７図（ａ）に示す８層４“へＰ形不純物のボロン
を拡散して形成したＰ層、７は金属ろう材、８は補強用
支持電極でカソード電極となる。２は２層３へＰ形不純
物のボロンを拡散して形成したＰ層である。ここでＮ形
中抵抗層を設ける必要性について説明する。

第３図でＮ形中抵抗層がない時には、アノードとカソー
ド間にはＰ　−Ｎｉ−Ｐ接合構造が存在するので、空乏
層がＮｉ層全体に拡がった際にはパンチスールが起き耐
圧は制限される。これは−船釣なＰ−Ｎ接合構造での耐
圧である。耐圧を一定とした場合、Ｐ−ＮとＰ−Ｎ−Ｎ
”接合構造の比較では、比抵抗が同一の時必要なＮ層の
厚み比率は公知のように前者が１に対して後者は０．７
である。

即ち、Ｐ−Ｎ−Ｎ（Ｐｉｎ化）構造ではＮ層厚みが３０
％低減される。この厚み低減は高耐圧素子の高速化の面
でたいへん有利な方法であり、第３図はこの効果を利用
した高速ダイオードである。

第４図は第３図ダイオード領域のアノード電極垂直方向
におけるイ〜イ断面即ち２層２，２層３゜Ｎｉ層４．Ｎ
層４’、Ｎ層５の各層のライフタイムキラー（Ａｕ）の
濃度分布を示した説明図である。

ライフタイムキラーの濃度はＰ−Ｐ−Ｎｉ層近傍（図中
Ａ領域）が最も多く、つぎにＮｉ層の中央部（図中Ｂ領
域）が多く、最も少い場所はＮ　−Ｎｉ層近傍（図中Ｃ
領域）である。第５図は第３図のトランジスタ領域のア
ノード電極垂直方向におけるロ〜ロ断面即ち２層２．Ｐ
層３．Ｎｉ層４．Ｎ層４′。

Ｐ”漕６の各層のライフタイムキラーの濃度分布を示し
た説明図である。ライフタイムキラーの濃度はＰ”　−
Ｐ　−Ｎｉ　−Ｎ−Ｐ層がほぼ等しくなっている。

本発明の高速ダイオードは第３図に示す構成で形成する
ことにより第４図と第５図に示したライフタイムキラー
の濃度分布を容易に得ることも特徴である。

つぎに、第３図のカソード短絡を有するダイオードで第
４図と第５図に示すライフタイムキラー濃度分布を有す
るダイオードの逆回復特性について説明する。

先ず、導通状態にある本ダイオード領域へ逆電圧が印加
されると、導通時のキャリアはＰ　−Ｎｉ接合を中心と
して正孔はアノード電極１へ、電子はカソード電極８へ
向って移動する一方、Ｐ　−Ｎｉ接合近傍のライフタイ
ムキラー濃度に依存して再結合が行われてキャリア濃度
が減少して行き、Ｐ　−Ｎｉ接合近傍は逆電圧の値に応
じた厚みをもって空乏層化される。

このとき空乏層の厚みはＰ　−Ｎｉ接合の接合面よりＮ
ｉ層の方向に向って拡がって行く。−船釣にみてスイッ
チング時にダイオードへ印加される逆電圧は定格電圧の
１１５〜１／２ｏ程度であるから、逆電圧印加によって
生じる空乏層厚みは概念的にＮｉ層の中央部またはそれ
以下まで拡がると考えてよい。

このため空乏層厚み内のライフタイムキラー濃度が高い
ほど、空乏層内のキャリアは急激な変化を示すため逆回
復電流も急激な変化を示す。

空乏層の外側（Ｎｉ層の中央部からＮ層まで）へ移動し
たキャリアは、ライフタイムキラー濃度の低い領域へ移
るので、この場所ではキャリアは再結合により緩やかに
減衰するため逆回復電流も緩や力）な変化を示しながら
減衰して時間の経過と共に逆回復電流は零となり、この
過程を経て逆回復時間が決定される。

次に、トランジスタ領域の効果について説明するＯ 十 トランジスタ領域はＰ　−Ｐ　−Ｎｉ　−Ｎ−Ｐ接合構
造のトランジスタであるから、オン状態では電流密度の
低いトランジスタ電流が流れている。逆電圧が印加され
た時の空乏層の広がりの様子はダイオードの場合と同じ
である。トランジスタ領域は第５図のようにライフタイ
ムキラーレベルは低いので、この領域の逆回復電流はピ
ーク値の小さい５ｏｆｔ　Ｒｅｃｏｖｅｒｙ特性を示し
、ダイオード領域のｄｉ２／ｄｔを更に緩やかにして５
ｏｆｔ　Ｒｅｃｏｖｅｒｙ化を助ける役割を示す。

最後に、カソード短絡の効果について説明する。

ダイオードを高速化するにはライフタイムを小さく制御
することが一般的な方法である。しかし、この方法を採
用するとオン電圧ともれ電流の大きい素子になる欠点が
ある。これを改善する方法として、本発明のカソード短
絡（横方向に形成したＰ−Ｎ接合の接合電位差）を利用
してキャリアの再結合を促進し、これによる不足分はラ
イフタイムキラーのソフトドープで補う発想がある。こ
れを利用すると、同じ逆回復時間を持ったダイオードで
もライフタイムキラー制御のみを主体として作られたダ
イオードに比較してオン電圧ともれ電流の小さい素子と
なる。

カソード短絡は上記の効果をもたらすので、オン電圧と
もれ電流の改善された高速ダイオードとなる。

本発明の高速ダイオードの逆回復電流の様子をやや詳し
く説明すると、第４図のライフタイムキラー濃度分布を
有するダイオード領域のスイッチング時の逆回復電流は
、逆回復電流が流れ始めて逆回復電流のピーク値を過ぎ
た前期は急激な電流変化を示す５ｎａｐ−ｏｆｆ特性が
現れ、後半期には緩やかな電流変化を示す５ｏｆｔ　Ｒ
ｅｃｏｖｅｒｙ特性が現れ、第６図（ａ）に示す実線の
ような２段階の電流変化を示す逆回復特性を得ることが
できる。

一方、トランジスタ領域はオン状態での電流密度は小さ
くライフタイムは長いので、第６図（ａ）破線に示すよ
うなピーク電流値の小さい５ｏｆｔ　Ｒｅｃｏｖｅｒｙ
特性を示す。ダイオードとトランジスタ領域の逆回復電
流の合成された波形は、第６図（ｂ）に示すようになる
。

ダイオードの逆回復特性は５ｎａｐ−ｏｆｆ特性を示す
ｄｉ１／ｄｔの大きい領域９と５ｏｆｔ　Ｒｅｃｏｖｅ
ｒｙ特性を示すｄｉ２／ｄｔの小さい領域９′が出現す
る。高速ダイオードで特に重要な小さい領域９′のｄｉ
２／ｄｔを小さく押えることができる。

つぎに本発明による高速ダイオードの一実施例の製造工
程を第７図（ａ）　、　（ｂ）　、　（Ｃ）　、　（ｄ
）を用いて説明する。

なお第３図と同一符号は同一または相当部分を示す。

第７図（ａｌはシリコン基板として、比抵抗１２０Ωｃ
ｍ（４Ｘ　１０　ａｔｏｍｓ／　ｃｃ　）のＮ形シリコ
ンで浮み０．２７ｒｎｍ　ｓ直径２３ｍｍが使用される
。予めシ（ノコン基板の片面には拡散法でＰ形不純物の
ガリウムまたはアルミニウムを用いて、Ｐ４３が表面濃
度約５Ｘ１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｃ％厚み５０１１ｒｎ
で形成されており、他の面にはＮ形不純物のリンをドー
パントとした気相成長法で比抵抗１Ω−ｃｍ　（５Ｘ　
１０　ａｔｏｍｓ／ｃｃ）　、厚み２０μｍで形成した
Ｎ層４′が設けられ、この気相成長法の面に対してＮ形
不純物のリンを用いて、表面濃度約Ｉ　Ｘ　１０　ａｔ
ｏｍｓ／ｃｃ、厚み１５μｍのＮ層５が公知の酸化膜と
ホトレジスト技術を利用した選択拡散技術を用いて形成
され、Ｎｉ層４は厚み２００μｍを有し、かつ、Ｎ層５
面上とシリコン基板の外周に公知のホトレジスト技術を
用いて酸化膜１０を選択的に有したシリコン円板が準備
される。

この時点のシリコン円板に対して、Ｎｉ層の結晶構造の
乱れの度合いをＸ線２結晶法によるロッキングカーブで
調べてみると、Ｎｉ層には結晶構造の乱れはほとんど観
察されなかった。この原因としてはＮｉ層の片面にシリ
コンの原子半径１．１７１に対して、１０７％の原子半
径１．２６Ａを有するガリウムまたはアルミニウムが拡
散されたＰ層を有し、他の面にはシリコンの原子半径に
対して９４％の原子半径１．１ＯＡのリンが選択的に拡
散されたＮ層を形成しているため、両波散層で原子半径
の差を吸収し合って結晶構造に乱れが生じていないもの
と推察される。

このように、はぼ完全結晶に近いシリコン円板に対して
、ライフタイムキラーである金を熱拡散しても第４図の
ような金の濃度分布を得ることは不可能である。

本発明は接合形成時に１回の金の熱拡散で第４図のよう
な金の濃度分布を得るために、予めシリコン円板の厚み
方向に金の濃度分布に対応した結晶構造の乱れを誘起さ
せて、金原子が結晶構造の乱れ部分に多く蓄積する性質
を利用し、前述の金の濃度分布を得ようとするものであ
る。

まず第４図の金濃度分布を得る目的のために原子半径１
．２６Ａを有するガリウムまたはアルミニウム拡散で、
低い表面濃度（５Ｘ　１０　　ａｔｏｍｓ／ｃｃ）で形
成されたＰ層面上に、原子半径の小さいボロン（０，８
８Ａ）を高い表面濃度（約１０　ａｔｏｍｓ／ｃｃオー
ダー）で拡散すると、結晶構造的にはボロン原子の影響
力が強まり、ガリウムまたはアルミニウム単体よりもＮ
ｉ層の方向に結晶構造の乱れを誘起することが容易とな
る。ただしＰ層の厚みを厚くし過ぎると結晶構造の乱れ
がＮｉ層全体に及ぶので、Ｐ＋層の厚みとＰ層の厚み関
係には調和をとる必要がある。

前述の理由により第７図（ａ）の２層３面上より、ボロ
ンを表面濃度５Ｘ　１０”ａｔｏｍｓ／ｃｃで、その厚
みは最終的にＰ層の１／３以下、即ち約１５μｍの拡散
を行い第７図（ｂ）の２層２を形成した。

つぎに第５図の金濃度分布を得る目的のために第７図（
ａ）のようにＮ層５に囲まれたＮ層４″面へ第７図（ｂ
）の２層２形成と同時にボロンを表面濃度５Ｘ　１０　
ａｔｏｍｓ／ｃｃで、約１５μｍの拡散を行い第７図（
ｂ）の２層６を形成した。なおＮ層５と２層６の面積比
率はＰ　／Ｎ　＝１５％に設計されている。このＮ層は
２５μｍとなる。なお前述のボロン拡散によって２層２
とＰ層６面上には新たな酸化膜１０が形成される。

第７図（ｂ）のシリコン円板に対して、Ｐｆｉ３とＮｉ
層４および２層６とＮｉ層４の結晶構造の乱れの度合い
をＸ線２結晶法によるロッキングカーブで調べてみると
、２層２から２層３、Ｎｉ層４の方向に向ってまた２層
６からＮｉ層４の方向に向って強い結晶の乱れが生じて
いることが判明した。この結晶の乱れは第３図のダイオ
ード領域イ〜イ断面部ではＰ−Ｎｉ接合近くに強く現れ
、Ｎｉ層４から８層５に向って減少していることが判明
した。他方、第３図のトランジスタ領域ロ〜ロ断面部で
はＰ−Ｎｉ接合近くに強く現れ、・Ｎｉ層４に向って減
少しており、またＰ　−Ｎｉ接合では同接合近くに強く
現れ、２層６からＮｉ層４に向って減少していることも
判明した。

シリコン円板の厚み方向の結晶構造の乱れの傾向は、第
３図イ〜イ断面部では第４図の全濃度分布のＡ、Ｂ領域
に対応している。

つぎに、第７図（Ｃ）のダイオードウェファの逆回復時
間を小さくするために、酸化膜１０を選択的に除去して
、ダイオードウェファの片面２（Ｐ）に対して真空蒸着
にて金が蒸着され、８２０℃の温度で３０分間の熱処理
で金の選択拡散が行われる。この熱処理によって第３図
イ〜イ断面相当部分の金の濃度分布は、第４図１こ示す
Ａ、Ｂ、０領域を形成し、第３図ロ〜ロ断面相当部分の
金の濃度分布は金の少ない濃度分布を示す。

１回の金の熱拡散で第４図のＡ、Ｂ、Ｃ領域が現れる理
由は、前述の結晶構造の乱れの傾向と対応しており、Ｃ
領域で減少する理由は、金が８層５にグツ。ターされる
ためである。金のゲッター効果はリンを拡散して形成し
たＮ層が特に有効であり本発明の一つの特徴となってい
る。また、１回の金の熱拡散で第５図の分布が得られる
理由は酸化膜による金の拡散阻止効果で理解されよう。

第５図のライフタイムキラー濃度分布はＮ層５面積に対
して数１５％程度であるから、第４図のライフタイムキ
ラー濃度分布の効果を損うことなく逆回復時間を短縮す
ることができる。

以上説明したような製作工程を経て第４図に示されるＡ
、Ｂ、Ｏのごとく三つの領域を示す金の濃度分布と第５
図に示される金の濃度分布を実現することができる。

この熱処理後、第７図（ｄ）のようにＮ＋＃５とＰ庵６
の面に対してダイオードウェファと同径のタングステン
から成る支持電極８をアルミニウムを主成分とする金属
ろう７を介して置き、これを不活性ガス中で熱処理を行
い一体に固着される。これによりＮＪ輪５と２層６はア
ルミニウムで短絡されカソード短絡構造が形成される。

その後、２層２の面番こ対してはアノード電極１となる
直径１５ｍｍｍ厚み１０μｍを有するアルミ蒸着電極が
形成される。

固着完成後、電圧阻止接合であるＰ　−Ｎｉ接合は球面
研磨法等により負ベベルに整形された後に、ベベル面に
対して化学研磨、表面保護膜形成等がなされてダイオー
ドが完成する。

このようにして製作されたダイオードの定格は１５０Ａ
、　２５００Ｖで、先ず、逆回復特性については逆回復
時間は約１μｓｅｃであり、その逆回復時の電流波形は
第６図（ｂ）に示されるように二段階のｄｉ／ｄｔ特性
を示す素子を得ることができた。

なお、逆回復電荷測定条件としては、順電流３００Ａ、
順電流降下率５０Ａ／μＳで行った。

第　　　　　１　　　　表 第１表は本実施例によって製作された素子と従来製作さ
れていた同定格の素子を比較したものである。第１表か
ら理解されるように本発明による素子は、２５００Ｖと
高耐圧化したにも拘わらず逆回復電荷が小さく、ダイオ
ードと逆並列接続して使用されるサイリスタに与えるｄ
ｖ／ｄｔ耐量に大きな影響力をもつｄｉｚ／ｄｔが、従
来の素子よりも低減された優秀な高速ダイオードが製作
可能となった。このためサイリスタ応用技術面に寄与す
る効果が極めて大きいものである。

次に、本発明素子と従来素子の電流１５０Ａにおけるオ
ン電圧を比較すると、前者は後者よりも０６７ｖ低い値
を示した。耐圧２５００Ｖにおけるもれ電流についても
同様の比較を行ったところ、前者は後者よりも１５ｍＡ
低い値を示した。

なお、本実施例ではダイオード単体について説明を行っ
たが、ダイオードが複合化された他の半導体装置、例え
ば逆導通サイリスタや逆導通サイリスタウェファとダイ
オードウェファが一体化されてなる複合逆阻止サイリス
タなどにも利用できることは、同業者ならば容易に推察
できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は５ｎａｐ−ｏｆｆ特性を有するダイオードの逆
回復時の電流波形の説明図、第２図は　５ｏｆｔ−Ｒｅ
ｃｏｖｅｒｙ特性を有するダイオードの逆回復時の電流
波形の説明図、第３図は本発明の一実施例を示す高速ダ
イオードの部分断面図、第４図は第３図の本発明ダイオ
ードのイ〜イ断面部の金濃度分布を示した説明図、第５
図は第３図の本発明のダイオードのロ〜ロ断面部の金濃
度分布を示した説明図、第６図（ａ）はダイオード領域
とトランジスタ領域の逆回復時の電流波形を示した説明
図、第６図（ｂ）は本ダイオードの逆回復時の電流波形
を示した説明図、第７図は本発明の高速ダイオードの一
実施例の製造工程を示す縦断面図である。 １・・・・・・アノード電極、２，６・・・・・・Ｐ層
、３・・・・・・Ｐ層、４・・・・・・Ｎｉ層、４′１
４“・・・・・・Ｎ層、５・・・・・・Ｎ層、６・・・
・・・Ｐ層、７・・・・・・金属ろう材、８・・・・・
・支持電極、９・・・・・・大きい領域、９′・・・・
・・小さい領域、１０・・・・・・酸化膜。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 高抵抗Ｎ形母材からなるシリコン基板Ｎｉ層の一方の面
   にＰ形不純物のガリウムまたはアルミニウムを拡散して
   形成したＰ層を、他方の面に中抵抗のＮ形バッファ層を
   設け、このＮ形バッファ層面に対してＮ形不純物のリン
   を選択的に拡散し、複数個に分散配置して形成したダイ
   オード領域となる低抵抗のＮ＾＋層を有するＰ−Ｎｉ−
   Ｎ−Ｎ＾＋接合と、前記分散配置したＮ＾＋層に囲まれ
   たトランジスタ領域となる複数個の小領域を有するＰ−
   Ｎｉ−Ｎ−Ｐ＾＋接合において、本ダイオードのアノー
   ド側となる前記接合のＰ層上にＰ形不純物のボロンを拡
   散して形成したＰ＾＋層を設けたＰ＾＋−Ｐ−Ｎｉ−Ｎ
   −Ｎ＾＋とＰ＾＋−Ｐ−Ｎｉ−Ｎ−Ｐ＾＋接合を形成し
   、逆回復電荷を小さくするためにダイオード領域のＰ＾
   ＋層面よりライフタイムキラーを導入し、ダイオード領
   域のＰ−Ｎｉ接合近傍に高いライフタイムキラーの濃度
   分布を形成し、かつトランジスタ領域のライフタイムキ
   ラー濃度よりもダイオード領域のライフタイムキラー濃
   度が大きくなるように両者間に濃度分布の差を設け、カ
   ソード側のＮ＾＋層とＰ＾＋層を電気的に短絡したこと
   を特徴とする高速ダイオード。