JPH0642558B2 - High-speed diode manufacturing method - Google Patents

High-speed diode manufacturing method

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JPH0642558B2
JPH0642558B2 JP22796688A JP22796688A JPH0642558B2 JP H0642558 B2 JPH0642558 B2 JP H0642558B2 JP 22796688 A JP22796688 A JP 22796688A JP 22796688 A JP22796688 A JP 22796688A JP H0642558 B2 JPH0642558 B2 JP H0642558B2
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diode
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region
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公裕 村岡
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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ゃ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×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Trは逆回復時間、
irpは逆回復時のピーク電流である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION With the recent rapid progress in the power semiconductor industry, a thyristor with a turn-off time of 5 μsec or less is emerging. When applied to a voltage source inverter, it is common to use a thyristor with a diode connected in antiparallel.
A diode used in antiparallel connection with a thyristor having a small turn-off time is required to have an element (element having a small reverse recovery charge) having a high-speed current interruption ability corresponding to the turn-off time ability of the thyristor. Reverse recovery charge
Since it is expressed by Qr = Tr x irp / 2, the following two characteristics are required for high speed diodes. Note that Tr is the reverse recovery time,
irp is the peak current during reverse recovery.

(1)逆回復時間の小さいこと。即ち転流時にサイリスタ
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。
(1) Short reverse recovery time. That is, the peak voltage reapplied to the thyristor side during commutation is affected by the reverse recovery charge of the diode, and increases as the reverse recovery charge of the diode increases.Thus, a thyristor with a higher rated voltage is required. However, a diode having a large reverse recovery charge is not preferable.

(2)逆回復時のピーク電流が小さくそのdi/dtが、ゆる
やか(Soft Recovery)であること。即ちダイオードの逆
回復時のdi/dtが急峻な特性(Snap-off)では転流時にサ
イリスタに再印加される電圧は高いdv/dtを持った電圧
が印加され、サイリスタのdv/dtの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Snap-off特性を有
するダイオードは好ましくない。
(2) The peak current during reverse recovery is small and the di / dt is gentle (Soft Recovery). That is, when the diode has a steep di / dt characteristic during reverse recovery (Snap-off), the voltage re-applied to the thyristor during commutation is a voltage with a high dv / dt, and the thyristor dv / dt characteristic Therefore, a diode having a snap-off characteristic is not preferable in terms of thyristor application technology.

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、Soft Recovery特性を有
し逆回復時間の小さいダイオードが望ましい。
For the above reasons, it is desirable that the high speed diode used for the above-mentioned purpose has a soft recovery characteristic of di / dt at the time of reverse recovery and a short reverse recovery time.

本発明は上記の目的のためになされたものであり、以下
図面により本発明の一実施例について詳細に説明する。
The present invention has been made for the above purpose, and one embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

第1図はSnap-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Soft Recovery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。
FIG. 1 is an explanatory diagram of a current waveform during reverse recovery of a diode having a snap-off characteristic, and FIG. 2 is an explanatory diagram of a current waveform during reverse recovery of a diode having a soft recovery characteristic.

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Snap-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/
dtの変化を示すSoft Recovery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+
合の場合にはNi層のライフタイムが短いほど逆回復時間
の短いSnap-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Soft Recovery特性が得られ
る。
Regarding the reverse recovery characteristics of the diode, the snap-off characteristics showing a short and steep change of the reverse recovery time Tr as shown in Fig. 1 and the long and gentle di of the reverse recovery time Tr as shown in Fig. 2. /
The difference in Soft Recovery characteristics, which indicates the change in dt, is related to the lifetime of the diode base material layer. For example, in the case of P-Ni-N + junction, the shorter the lifetime of the Ni layer, the shorter the reverse recovery time is, and the shorter the recovery time, the longer the recovery time of the Ni layer is. can get.

本発明は一枚のシリコン円板からなるダイオードウエフ
ァの厚み方向内にSnap-off特性を有する領域とSoft Rec
overy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Soft Recovery特
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ヤリアを消滅させる
ことにより、逆回復時間と逆回復ピーク電流の小さいSo
ft Recovery特性を有するダイオードを実現したもので
ある。
The present invention provides a region having a Snap-off characteristic in the thickness direction of a diode wafer made of a single silicon disk and a Soft Rec.
A diode region in which regions having overy characteristics are combined in series and a transistor region having Soft Recovery characteristics in parallel are further combined in this combined region in series, and a cathode short circuit, that is, lateral direction P + -N + provided on the cathode side By eliminating the carrier in the neutral region by using the junction potential difference of the junction, the reverse recovery time and the reverse recovery peak current are small.
This is a diode with ft Recovery characteristics.

この技術的思想は本発明者によって特開昭58-114467に
示してある。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2500V
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。
This technical idea is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 58-114467 by the present inventor. Since this diode does not have the buffer layer of the medium resistance layer, it cannot be made into the Pin structure and 2500V
It is disadvantageous to the above high-speed diodes. The present application is a fast diode that remedies this drawback.

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。
FIG. 3 is a partial vertical sectional view of a high speed diode showing an embodiment of the present invention.

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に拡散し、複数個に分散配置して
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N層4″へP形複数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P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。
Reference numeral 1 is an anode electrode formed by aluminum vapor deposition, and 3 is P formed by diffusing P-type impurity gallium or aluminum.
Layer 4 is a high resistance Ni layer, 4'is a medium resistance N layer, 5 is a low resistance N + layer formed by selectively diffusing N-type impurity phosphorus, and arranging them in a distributed manner, 6 P + layer formed by diffusing Figure 7 (a) P-type multiple boron into N layer 4 "as shown in the later surrounded by N + layers 7 brazing metal, reinforcing support electrode 8 And 2 is a P + layer formed by diffusing P-type impurity boron into the P-layer 3. Here, the necessity of providing an N-type medium resistance layer will be described.

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。これは一般的なP−Nの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。
In FIG. 3, when there is no N-type medium resistance layer, there is a P-Ni-P + junction structure between the anode and the cathode, so the depletion layer is
When it spreads over the entire Ni layer, punch-through occurs and the pressure resistance is limited. This is a breakdown voltage in a general P-N junction structure. When the breakdown voltage is constant, comparing the P-N and P-N-N + junction structures, the thickness ratio of the N layer required when the specific resistance is the same is known to be 1 for the former and 0.7 for the latter, as is well known. Is.

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。
That is, in the P-N-N + (pinned) structure, the N layer thickness is reduced by 30%. This reduction in thickness is a very advantageous method in terms of speeding up the high breakdown voltage element, and FIG. 3 shows a high speed diode utilizing this effect.

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P+層2,P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。
Figure 4 is a third i in the anode electrode vertical direction in FIG diode region ~ Lee sectional i.e. P + layer 2, P layer 3, Ni layer 4, N layer
It is explanatory drawing which showed the concentration distribution of the lifetime killer (Au) of each layer of 4 ', N + layer 5.

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P+層2,P層3,Ni
層4,N層4′,P+層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−NiN−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。
The concentration of the lifetime killer is near the P + -P-Ni layer (A in the figure)
Area is the largest, and then the central part of the Ni layer (area B in the figure)
There are many, and the least is near the N + -Ni layer (C region in the figure). FIG. 5 is a cross section taken along the line perpendicular to the anode electrode in the transistor region of FIG. 3, that is, P + layer 2, P layer 3, Ni.
It is explanatory drawing which showed the concentration distribution of the lifetime killer of each layer of layer 4, N layer 4 ', and P + layer 6. The concentration of lifetime killer is almost equal in the P + -P-NiN-P + layer. The high speed diode of the present invention is also characterized in that the concentration distribution of the lifetime killer shown in FIGS. 4 and 5 can be easily obtained by forming it with the configuration shown in FIG.

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。
Next, the reverse recovery characteristics of the diode having the cathode short circuit shown in FIG. 3 and having the lifetime killer concentration distribution shown in FIGS. 4 and 5 will be described.

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、導通時のキヤリアは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ヤリア濃度が減少
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。
First, when a reverse voltage is applied to the diode region in the conducting state, the carriers in the conducting state move holes toward the anode electrode 1 and electrons toward the cathode electrode 8 around the P-Ni junction. On the other hand, recombination is performed depending on the lifetime killer concentration near the P-Ni junction and the carrier concentration decreases, and the vicinity of the P-Ni junction is depleted with a thickness according to the value of the reverse voltage. .

このとき空乏層の厚みはP−Ni接合の接合面よりNi層の
方向に向って拡がって行く。一般的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1/5〜1
/20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。
At this time, the thickness of the depletion layer expands from the joining surface of the P-Ni junction toward the Ni layer. Generally, the reverse voltage applied to the diode during switching is 1/5 to 1 of the rated voltage.
Since it is about / 20, it can be considered that the depletion layer thickness generated by the reverse voltage application conceptually extends to the central portion of the Ni layer or less.

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、空乏層内のキヤ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。
Therefore, as the lifetime killer concentration in the depletion layer thickness is higher, the carrier in the depletion layer changes more rapidly, and the reverse recovery current also changes more rapidly.

空乏層の外側(Ni層の中央部からN層まで)へ移動した
キヤリアは、ライフタイムキラー濃度の低い領域へ移る
ので、この場所ではキヤ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か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。
The carrier that has moved to the outside of the depletion layer (from the center of the Ni layer to the N layer) moves to the region where the concentration of the lifetime killer is low, so at this location the carrier is gradually attenuated by recombination and the reverse recovery current is also gentle. The reverse recovery current becomes zero as time passes and the reverse recovery current becomes zero, and the reverse recovery time is determined through this process.

次に、トランジスタ領域の効果について説明する。Next, the effect of the transistor region will be described.

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
レベルは低く、かつその面積は小さいので、この領域の
逆回復電流はピーク値の小さいSoft 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Soft
Recovery化を助ける役割を示す。
Since the transistor region is a transistor having a P + -P-Ni-N-P + junction structure, a transistor current having a low current density flows in the ON state. When the reverse voltage is applied, the depletion layer spreads in the same manner as the diode.
As shown in Fig. 5, the transistor region has a low lifetime killer level and its area is small, so the reverse recovery current in this region shows a soft recovery characteristic with a small peak value, and the di 2 / dt in the diode region is more moderate. Then Soft
Indicates the role that helps recovery.

最後に、カソード短絡の効果について説明する。Finally, the effect of cathode short circuit will be described.

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
してキヤ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。
It is a general method to control the lifetime to be small in order to speed up the diode. However, if this method is adopted, there is a drawback in that the device has a large ON current and a large current. As a method of improving this, the cathode short circuit (junction potential difference of the P-N junction formed in the lateral direction) of the present invention is used to promote the recombination of carriers, and the shortage caused by this is soft-doping of the lifetime killer. I have an idea to make up for it. If this is used, even a diode having the same reverse recovery time will have a smaller on-voltage and a smaller leakage current than a diode made mainly for lifetime killer control.

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。
Since the short circuit of the cathode brings about the above-mentioned effect, it becomes a fast diode with improved on-voltage and leakage current.

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Snap-off特性が現れ、
後半期には緩やかな電流変化を示すSoft Recovery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。
Explaining the state of the reverse recovery current of the high speed diode of the present invention in some detail, the reverse recovery current at the time of switching in the diode region having the lifetime killer concentration distribution shown in FIG. 4 is the peak of the reverse recovery current when the reverse recovery current starts to flow. Snap-off characteristics that show a sudden change in current appear in the first half after the value has passed,
In the latter half of the period, a soft recovery characteristic showing a gradual current change appears, and a reverse recovery characteristic showing a two-step current change as shown by the solid line in FIG. 6 (a) can be obtained.

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Soft 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。
On the other hand, since the transistor region has a small current density in the ON state and a long lifetime, it exhibits a soft recovery characteristic with a small peak current value as shown by the broken line in FIG. 6 (a). The combined waveform of the reverse recovery currents in the diode and transistor regions is as shown in FIG. 6 (b).

ダイオードの逆回復特性はSnap-off特性を示すdi1/dt
の大きい領域9とSoft Recovery特性を示すdi2/dtの小
さい領域9′が出現する。本願は、高速ダイオードで特
に重要な領域9′のdi2/dtを小さく押えることができ
る。
The diode reverse recovery characteristic shows a snap-off characteristic di 1 / dt
Region 9 having a large value and a region 9 ′ having a small di 2 / dt exhibiting the Soft Recovery characteristic appear. The present application can suppress the di 2 / dt of the region 9 ', which is particularly important in high-speed diodes, to be small.

つぎに本発明による高速ダイオードの製造方法の一実施
例の製造工程を第7図(a),(b),(c),(d)を用いて説明
する。
Next, a manufacturing process of an embodiment of a method for manufacturing a high speed diode according to the present invention will be described with reference to FIGS. 7 (a), (b), (c) and (d).

なお第3図と同一符号は同一または相当部分を示す。The same reference numerals as in FIG. 3 indicate the same or corresponding parts.

第7図(a)はシリコン基板として、比抵抗120Ωcm(4×
1013atoms/cc)のN形シリコンで厚み0.27mm、直径23mm
が使用される。予めシリ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、P層
3が表面濃度約5×1017atoms/cc、厚み50μm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(5×1015atoms/c
c),厚み20μmで形成したN形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1×1021atoms/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1.17Åに対して、107%の原子半径
1.26Å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1.10Åのリンが選択的に拡散されたNi層
を形成しているため、両拡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。
Figure 7 (a) shows a silicon substrate with a specific resistance of 120 Ωcm (4 x
10 13 atoms / cc) N-type silicon with a thickness of 0.27 mm and a diameter of 23 mm
Is used. P on one side of the silicon substrate in advance by diffusion method
The P layer 3 is formed with a surface concentration of about 5 × 10 17 atoms / cc and a thickness of 50 μm using gallium or aluminium, which is an N-type impurity, and vapor-phase growth using phosphorus, which is an N-type impurity, as a dopant on the other surface. Resistivity of 1 Ω-cm (5 × 10 15 atoms / c
c), N-type 4 ′ formed with a thickness of 20 μm is provided, and phosphorus of N-type impurity is used for the surface of the vapor phase growth method to obtain a surface concentration of about 1 × 10 21 atoms / cc and a thickness of 15 μm of N. The + layer 5 is formed using a known oxide film and a selective diffusion technique using a photoresist technique, the Ni layer 4 has a thickness of 200 μm, and N +
A silicon disk having an oxide film 10 selectively on the surface of layer 5 and on the outer periphery of the silicon substrate is prepared by using a known photoresist technique. When the degree of disorder of the crystal structure of the Ni layer was examined by a rocking curve by the X-ray two-crystal method with respect to the silicon disk at this point, almost no disorder of the crystal structure was observed in the Ni layer. The reason for this is that the atomic radius of silicon on one side of the Ni layer is 1.17Å, while the atomic radius of 107%.
It has a P layer in which gallium or aluminum having 1.26Å is diffused, and the other surface has an atomic radius of silicon.
Since 94% of the atomic radius of 1.10Å phosphorus forms a Ni layer in which phosphorus is selectively diffused, it is presumed that the crystal structure is not disturbed by absorbing the difference in atomic radius between both diffusion layers. It

このように、ほ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。
Thus, it is impossible to obtain the concentration distribution of gold as shown in FIG. 4 even if the lifetime killer of gold is thermally diffused to a silicon disk that is almost a perfect crystal.

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。
According to the present invention, in order to obtain a gold concentration distribution as shown in FIG. 4 by one thermal diffusion of gold at the time of forming a bond, a crystal structure disorder corresponding to the gold concentration distribution is previously induced in the thickness direction of the silicon disk. Then, it is intended to obtain the above-mentioned concentration distribution of gold by utilizing the property that many gold atoms are accumulated in the disordered portion of the crystal structure.

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.
26Å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(5×1017atoms/cc)で形成されたP層面上
に、原子半径の小さいボロン(0.88Å)を高い表面濃度
(約1020atoms/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Ni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。
First, for the purpose of obtaining the gold concentration distribution in Fig. 4, the atomic radius is 1.
Boron (0.88Å) with a small atomic radius is deposited on the surface of the P layer formed with a low surface concentration (5 × 10 17 atoms / cc) by diffusion of gallium or aluminum having 26 Å and a high surface concentration (about 10 20 atoms / cc). In order to diffuse, the influence of the boron atom is strengthened in terms of crystal structure, and it becomes easier to induce disorder of the crystal structure in the direction of the Ni layer than in the case of gallium or aluminum alone. However, if the P + layer is made too thick, the crystal structure is disturbed throughout the Ni layer, so it is necessary to harmonize the thickness relationship between the P + layer and the P layer.

前述の理由により第7図(a)のP層3面上より、ボロン
を表面濃度5×1020atoms/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P+
2を形成した。
Due to the above-mentioned reason, boron is formed at a surface concentration of 5 × 10 20 atoms / cc from the surface of the P layer 3 in FIG.
Diffusion of less than 1/3 of the layer, that is, about 15 μm, and P + in Fig. 7 (b)
Formed 2.

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P
+層2形成と同時にボロンを表面濃度5×1020atoms/cc
で、約15μmの拡散を行い第7図(b)のP+層6を形成し
た。なおN+5とP+層6の面積比率はP+/N+=15%に設計
されている。このボロン拡散によって最終的な厚み関係
は、P+層は15μm、P層は45μm、Ni層は180μm、N
層は30μm、N+層は25μmとなる。なお前述のボロン拡
散によってP+層2とP+層6面上には新たな酸化膜10が形
成される。
Next, for the purpose of obtaining the gold concentration distribution of FIG. 5, FIG.
As shown in Fig. 7 (a), the N layer 4 "surrounded by the N + layer 5 faces P of Fig. 7 (b).
At the same time as the + layer 2 is formed, the surface concentration of boron is 5 × 10 20 atoms / cc.
Then, diffusion of about 15 μm was performed to form the P + layer 6 of FIG. 7 (b). The area ratio of N + 5 and P + layer 6 is designed to be P + / N + = 15%. Due to this boron diffusion, the final thickness relationship is 15 μm for the P + layer, 45 μm for the P layer, 180 μm for the Ni layer, and N
The layer is 30 μm and the N + layer is 25 μm. A new oxide film 10 is formed on the surfaces of P + layer 2 and P + layer 6 by the above-mentioned boron diffusion.

第7図(b)のシリコン円板に対して、P層3とNi層4お
よびP+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、P+層2
からP層3、Ni層4の方向に向ってまたP+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N+
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、P+層6からNi層4に向
って減少していることも判明した。
The degree of disorder of the crystal structure of the P layer 3 and the Ni layer 4, and the P + layer 6 and the Ni layer 4 was measured by the X-ray 2 measurement with respect to the silicon disk of FIG.
A rocking curve by the crystal method shows that the P + layer 2
It was found that a strong crystal disorder occurs from the P + layer 6 toward the Ni layer 4 and from the P + layer 6 toward the Ni layer 4. This crystal disorder is due to the diode region a in FIG.
In the cross section, it appears strongly near the P-Ni junction, and the Ni layer 4 causes N +
It was found to decrease towards layer 5. On the other hand, the third
In the transistor region B to B cross section shown in the figure, it strongly appears near the P-Ni junction and decreases toward the Ni layer 4, and P + -Ni
It was also found that the junction strongly appeared near the junction and decreased from the P + layer 6 to the Ni layer 4.

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図の金濃度分布のA,B領域
に対応している。
The tendency of disorder of the crystal structure in the thickness direction of the silicon disk corresponds to the A and B regions of the gold concentration distribution of FIG. 4 in the cross section of FIGS.

つぎに、第7図(c)のダイオードウエファの逆回復時間
を小さくするために、酸化膜10を選択的に除去して、ダ
イオードウエファの片面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図に示すA,B,C
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。
Next, in order to shorten the reverse recovery time of the diode wafer of FIG. 7 (c), the oxide film 10 is selectively removed, and gold is vacuum-deposited on one side 2 (P + ) of the diode wafer. Is vapor-deposited, and selective diffusion of gold is performed by heat treatment at a temperature of 820 ° C. for 30 minutes. As a result of this heat treatment, the concentration distribution of gold in the portion corresponding to the cross section in FIGS. 3A to 3B is A, B, C shown in FIG.
An area is formed, and the concentration distribution of gold in the portion corresponding to the cross section of FIG. 3B shows a concentration distribution of less gold.

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N+層5にゲッターされるた
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。
The reason why the regions A, B, and C in FIG. 4 appear in one thermal diffusion of gold corresponds to the above tendency of disorder of the crystal structure.
The reason for the decrease in area is that gold is gettered by the N + layer 5. Gold getter effect was formed by diffusing phosphorus
The N + layer is particularly effective and is one of the features of the present invention. Further, the reason why the distribution of FIG. 5 is obtained by one thermal diffusion of gold can be understood from the effect of preventing the diffusion of gold by the oxide film.

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
して約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。
Since the lifetime killer concentration distribution in Fig. 5 is about 15% with respect to the area of the N + layer 5, the reverse recovery time can be shortened without impairing the effect of the lifetime killer concentration distribution in Fig. 4. it can.

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,C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。
Through the manufacturing process as described above, the gold concentration distribution showing three regions such as A, B and C shown in FIG. 4 and the gold concentration distribution shown in FIG. 5 can be realized.

この熱処理後、第7図(d)のようにN+層5とP+層6の面
に対してダイオードウエ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N+層5とP+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、P+層2の面に対してはアノード電極1となる直径15
mm、厚み10μmを有するアルミ蒸着電極が形成される。
After this heat treatment, as shown in FIG. 7 (d), a supporting electrode 8 made of tungsten and having the same diameter as the diode wafer is formed on the surfaces of the N + layer 5 and the P + layer 6 by using a metal braze 7 containing aluminum as a main component. It is placed via a heat treatment in an inert gas and fixed integrally. As a result, the N + layer 5 and the P + layer 6 are short-circuited with aluminum to form a cathode short-circuit structure. After that, with respect to the surface of the P + layer 2, the diameter of the anode electrode 1 becomes 15
An aluminum vapor deposition electrode having a thickness of 10 mm and a thickness of 10 mm is formed.

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。
After the fixing is completed, the P-Ni junction, which is a voltage blocking junction, is shaped into a negative bevel by a spherical polishing method or the like, and then the bevel surface is chemically polished, a surface protective film is formed, and the like to complete a diode.

このようにして製作されたダイオードの定格は150A、2
500V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。
The diode thus manufactured has a rating of 150 A, 2
At 500 V, first, the reverse recovery time is about 1 μsec, and the current waveform at the time of the reverse recovery is a device showing two-stage di / dt characteristics as shown in FIG. 6 (b). I was able to.

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/μsecで行った。
The conditions for measuring the reverse recovery charge were a forward current of 300 A and a forward current drop rate of 50 A / μsec.

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dv/dt
耐量に大きな影響力をもつdi2/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。
Table 1 compares the device manufactured according to this example with the device of the same rating which has been manufactured conventionally. As can be seen from Table 1, the device according to the present invention has a small reverse recovery charge despite having a high breakdown voltage of 2500 V, and dv / dt applied to the thyristor used in antiparallel connection with the diode.
It has become possible to manufacture excellent high-speed diodes with di 2 / dt, which has a large influence on the withstand capability, reduced compared to conventional devices. Therefore, the effect of contributing to the application technology of thyristor is extremely large.

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0.7V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。
Next, when the on-voltages of the device of the present invention and the conventional device at a current of 150 A are compared, the former shows a value 0.7 V lower than the latter. When the same comparison was made for the leakage current at a withstand voltage of 2500 V, the former showed a value 15 mA lower than the latter.

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エファとダイ
オードウエ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。
In the present embodiment, the description has been given of the diode alone, but in other semiconductor devices in which the diode is compounded, for example, in a reverse reverse thyristor or a reverse reverse blocking thyristor in which the reverse conductive thyristor wafer and the diode wafer are integrated. It can be easily guessed by those skilled in the art that the above can also be used.

【図面の簡単な説明】 第1図はSnap-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Soft Recovery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′,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。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an explanatory diagram of a current waveform during reverse recovery of a diode having a snap-off characteristic, and FIG. 2 is an explanatory diagram of a current waveform during reverse recovery of a diode having a soft recovery characteristic. FIG. 3 is a partial sectional view of a high speed diode showing one embodiment of the present invention,
FIG. 4 is an explanatory diagram showing the gold concentration distribution in the cross section of the diode of the present invention in FIG. 3, and FIG. 5 shows the gold concentration distribution in the cross section of the diode of the present invention in FIG. Explanatory diagram shown,
FIG. 6 (a) is an explanatory diagram showing current waveforms during reverse recovery of the diode region and the transistor region, and FIG. 6 (b) is explanatory diagram showing current waveforms during reverse recovery of the present diode, FIG. FIG. 6 is a vertical sectional view showing a manufacturing process of an embodiment of the high speed diode of the present invention. 1 ... Anode electrode, 2,6 ... P + layer, 3 ... P layer, 4
... Ni layer, 4 ', 4 "... N layer, 5 ... N + layer, 6 ... P
+ Layer, 7 ... metal brazing material, 8 ... supporting electrode, 9 ... large area, 9 '... small area, 10 ... oxide film.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項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のP−Ni−N−
P+接合を有する、本ダイオードウエファのアノード側と
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
P+層を設けてP+−P−Ni−N−N+とP+−P−Ni−N−P+
接合を形成したダイオードウエファに対して、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
の製造方法。
1. A silicon substrate Ni made of a high-resistance N-type base material.
A P layer formed by diffusing P-type impurity gallium or aluminum is formed on one surface of the layer, and an N-type buffer layer of medium resistance is provided on the other surface. P having a low resistance N + layer which is a diode region formed by selectively diffusing
-Ni-N-N + junction and a plurality of small regions of P-Ni-N- which become a transistor region surrounded by the dispersedly arranged N + layers.
By diffusing P-type impurity boron on the P layer of the junction which has the P + junction and becomes the anode side of the diode wafer.
By providing a P + layer, P + -P-Ni-N-N + and P + -P-Ni-N-P +
For the diode wafer with the junction formed, a lifetime killer is introduced from the P + layer surface of the diode region to reduce the reverse recovery charge, and a high concentration distribution of the lifetime killer is formed near the P-Ni junction in the diode region. and, and as lifetime killer concentration diode region than lifetime killer concentrations of the transistor region increases provided the concentration distribution difference between them, the cathode-side N + layer and the P +
A method of manufacturing a high speed diode, characterized in that the layers are electrically shorted.
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