JPH09260686A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

半導体装置及びその製造方法

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JPH09260686A
JPH09260686A JP6833596A JP6833596A JPH09260686A JP H09260686 A JPH09260686 A JP H09260686A JP 6833596 A JP6833596 A JP 6833596A JP 6833596 A JP6833596 A JP 6833596A JP H09260686 A JPH09260686 A JP H09260686A
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JP
Japan
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layer
semiconductor layer
helium
irradiation
recombination
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JP6833596A
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Naomasa Sugita
尚正 杉田
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Toshiba Corp
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Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体整流装置、特にスイッチング素子にお
いて高速動作を実現するために白金や金等のライフタイ
ムキラーを拡散で導入する場合、順方向電圧降下が大き
くなったりや逆回復特性が悪くなるという欠点がある。 【解決手段】 P/N−/N+基板の構造の半導体整流
装置において、金や白金を拡散して再結合中心を形成す
るとともにN−層2に基板の裏面からプロトンまたはヘ
リウムまたはデュートロンを照射して局所的に再結合中
心を形成することで、適切な順方向電圧降下と逆回復特
性の関係を得る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置及びそ
の製造方法に係わり、特にスイッチング用として使用さ
れる整流装置に関する。
【0002】
【従来の技術】スイッチング用ダイオードでは、順方向
電圧降下や逆回復損失特性が、重要なパラメータであ
る。順方向電圧降下は、所定の順電流を流したときの素
子のアノード・カソード間の電圧降下(VF)である。
素子内の欠陥が多い程、素子の抵抗率が上がり電圧降下
が増え、素子のオン電圧を上昇させてしまう。
【0003】また、逆回復損失特性は、ダイオードに印
加する電圧を順方向から逆方向に切り替えたとき、順方
向時に蓄積された過剰少数キャリア、例えば、P層/N
基板型の場合、N−領域に蓄積された正孔、が空乏層の
拡大にともない逆方向の過渡電流となって流れることに
よる損失をいう。図5に示した斜線部の面積Qrrを逆
回復損失と呼び、trrをスイッチング時間と呼ぶ。
【0004】スイッチングダイオードでは、高速動作の
ためにスイッチング時間が短く、逆回復損失ができるだ
け小さくなければならないが、一方で、オン電圧も低く
して、順方向時における損失が小さくなければならな
い。
【0005】まず、逆回復損失を小さくするには、順方
向時に蓄積されたキャリアを減らせばよいので、従来か
ら、キャリアが存在する領域に再結合中心を形成し、キ
ャリアのライフタイムの制御を行ってきた。
【0006】その方法としては、白金や金など、半導体
のバンドギャップ中にディープレベルを形成するライフ
タイムキラーを拡散により素子中に導入して、キャリア
の消滅を早めるものがある。この拡散法により導入され
た不純物原子による再結合中心は、深さ方向の広い範囲
にわたって同程度のレベルで分布している。
【0007】また、ガンマ線や電子線などの放射線を照
射する方法や、プロトンやアルファ線を注入するイオン
注入法がある。特にイオン注入法は、注入エネルギーで
定まるある深さ位置に局所的にイオンが停止するので、
深さ方向のライフタイム制御が可能となる。
【0008】白金拡散により再結合を形成する従来例に
ついて、1200V Fast Recovery D
iode(FRD)を例にとり説明する。図4(a)に
従来のFRDの断面図を示す。この整流装置は、半導体
基板の表面から順に、P型層1、N−層2、N+層3が
存在する。P型層1は、表面より拡散により形成され、
耐圧部4と通電部5からなる。P型層1は表面から10
μm程度の深さまで形成される。N−層2は基板表面か
ら110μm程度の深さまで存在する。抵抗率は55な
いし65Ω・cmである。N+層3はN−層2の下に約
140μmの厚さで存在する。エピウェハでダイオード
を作成する場合、N+層3は基板ウェハであり、N−層
2は基板ウェハ上にエピタキシャル成長される。通常の
基板を用いた場合は、N−層2が基板ウェハであり、N
+層3は裏面からの拡散により形成される。
【0009】その後、エピウェハを用いた場合は900
℃で、通常のウェハを用いた場合は850℃で(拡散時
間はほとんど影響を与えないが、いずれも例えば30分
間)、ライフタイムキラーの役割を果たす白金をN−層
2に拡散し、再結合中心を形成する。通常の基板の場
合、拡散温度が低い理由は、高温で拡散すると、N−層
2中に存在する欠陥がエピウェハと比べると多いため、
欠陥と白金で相互作用を生じ、逆方向もれ電流の増大お
よび順方向電圧降下の増大を招くからである。
【0010】また、N+層3には、裏面電極6を形成す
る。図4(b)に再結合中心密度のN−層2内の分布を
示す。表面に垂直な方向にほぼ一定な値で分布している
ことがわかる。なお、再結合中心分布図は傾向を示す概
念図にすぎず、値は不正確である。ただし、密度のスケ
ールに関しては、対数と考える方が近い。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】しかし、再結合中心層
を形成することは、欠陥を導入することであるから、素
子の抵抗率が上がり順方向電圧降下が増えてしまう。す
なわち、小さい順方向電圧降下と小さい逆回復損失は、
互いに競合するトレードオフの関係にある。
【0012】例えば前述の従来例のエピウェハの場合、
900℃以上での白金の拡散により、再結合中心密度が
高い領域がN−層2の全域に形成され、順方向の電圧降
下が増大する。一方、エピウェハ以外のウェハの場合
は、850℃での拡散のため、結合中心密度がエピウェ
ハの場合よりも小さい。よって、順方向電圧降下は小さ
いが、スイッチング時間が比較的長くなってしまう。
【0013】にも関わらず、近年は、順方向電圧降下が
低く、かつ逆回復損失が少ない素子が強く求められてい
る。本発明の目的は、上記課題に鑑み、再結合中心密度
の深さ方向の分布を制御し、順方向電圧降下と逆回復損
失特性との関係を最適化することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】前述のように、逆方向電
流の低減には、再結合中心により、N−層に蓄積された
少数キャリアを消滅させればよい。少数キャリアは局所
的に分布しているので、N−層の一部分の再結合中心の
みが逆方向損失に関与している。
【0015】一方、順方向電圧降下は、N−層全体の再
結合中心が関与している。よって、逆回復損失が小さ
く、順方向電圧降下が小さい素子の実現には、再結合中
心の深さ方向のプロファイルを制御できる手段があれば
よい。
【0016】そこで、本発明は、再結合中心を局所的に
形成するプロトン照射、デュートロン照射、ヘリウム照
射と、再結合中心を非局所的に形成する白金拡散又は電
子線照射とを組み合わせることで、再結合中心密度の深
さ方向の分布を制御し、順方向電圧降下と逆回復損失特
性との関係を最適化する。
【0017】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。本発明について1200V
Fast Recovery Diode を例にとり説明する。図1(a)
に本発明の断面構造を示す。図1(a)において、図4
と同一部分には同一符号を付す。この実施の形態では、
すでに図4で説明した850℃の白金拡散を行った従来
技術のFRDに、基板の裏面よりプロトン(ドーズ量:
7×1011/cm2 )又はヘリウム(ドーズ量:1.5
×1010/cm2 )をN−層2中に停止位置が表面より
およそ40μmの位置にあるように照射する。一例とし
て基板の裏面より照射した場合の再結合中心分布図を図
1(b)に示す。白金拡散による一様な高密度領域に加
えて、プロトンまたはヘリウムの照射によりN−層2中
に局所的に高密度な領域7が形成されている。
【0018】本発明においては、プロトン又はヘリウム
を照射した後に電子線を照射してもよい。また、プロト
ン、デュートロン、ヘリウムのうち少なくとも1つを照
射してもよい。
【0019】本発明の効果について、再結合中心の形成
が従来の白金拡散のみの例、プロトン等の照射のみの
例、及び本発明であるプロトン照射と白金拡散の例の各
々を比較して説明する。図2は、それぞれの例につい
て、N−層2における再結合中心密度、逆回復損失およ
び順方向電圧降下を示した図である。
【0020】同図(a)はエピウェハを使用した900
℃での白金拡散、同図(b)は通常のウェハを使用した
850℃での白金拡散、同図(c)はプロトン又はヘリ
ウムを表面から照射したもの、同図(d)はプロトンま
たはヘリウムを裏面から照射したもの、同図(e)はプ
ロトン又はヘリウムの表面からの照射と850℃での白
金拡散を組み合わせたもの、同図(f)はプロトン又は
ヘリウムの裏面からの照射と850℃での白金の拡散を
組み合わせたものを示す。
【0021】まず、逆回復損失については、非局所的に
低密度の再結合中心が分布する同図(b)が最も大き
い。プロトン等の照射により局所的に再結合中心を形成
した同図(c),(d)が次に大きい。照射に加え、さ
らに白金拡散により再結合中心を導入して正孔を減らす
と、同図(e),(f)のように逆回復損失はさらに小
さくなる。最も小さいのは同図(a)である。同図
(e)では表面からプロトン等を照射しているので、再
結合中心密度はある深さを越えると急峻に低下する。し
たがって、急峻に低下した近傍では正孔は比較的残って
おり、逆回復損失の時間的プロファイルにテイルTが生
じる。裏面から照射した同図(f)においては、再結合
中心のテイルは裏面に向かって生じているので、逆回復
損失において同図(e)のようなテイルは生じておら
ず、同図(a)とほぼ同等の逆回復損失特性を示してい
る。
【0022】順方向電圧降下については、N−層2にお
ける再結合中心がすべて関与するので、再結合中心が少
ない同図(b),(c),(d)の順方向電圧降下は小
さく、同図(e),(f)がそれに次ぎ、同図(a)が
最も大きい。
【0023】このように拡散法と照射法を組み合わせる
ことで、逆方向損失と順方向電圧低下との関係を制御す
ることができる。例えば拡散と裏面から照射を施した同
図(f)は、拡散のみの同図(a)と同程度の逆回復損
失や逆回復波形を示しながら、順方向電圧低下が10%
程度低下しており、より望ましい特性を示している。
【0024】さらに、プロトン又はヘリウムの照射は、
基板の裏面から行うことが望ましい。なぜなら、表面か
ら照射すると、P層1、N−層2に通過ダメージを与
え、PN接合の耐圧を劣化させてしまう。また、前述の
ように表面からの照射では、逆方向電流波形にテイルが
生じるからである。
【0025】プロトン又はヘリウムの停止位置について
は、少数キャリアの分布のピーク位置の近くにあるよう
にすることが望ましい。図1の実施例における実験で
は、裏面より照射して停止位置がP層1から50μm以
上は離れていないものが良好な特性を示した。より詳細
には、ヘリウムを照射した場合、P層1から25〜30
μm離れたものが最も良い逆回復特性を示した。
【0026】また、図3にプロトン又はヘリウムの停止
位置がN+層3に接している場合のN−層2の再結合中
心密度分布と逆回復波形を示す。逆回復波形は、リンギ
ング波形を示す。そのため、ノイズレベルが悪くなり、
使用条件によっては素子を破壊することになる。例え
ば、図1の実施例において、停止位置が表面より90μ
mあるいは100μmの試料でこうした現象がみられ
た。以上から、照射物質の停止位置はP層から50μm
以下であることが望ましい。
【0027】
【発明の効果】以上述べたように、拡散法と照射法を適
切に組み合わせることで、再結合中心密度の深さ方向の
分布を制御することにより、許容可能な順方向電圧降下
と逆回復特性との関係を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を示す断面図。
【図2】従来技術及び本発明の再結合中心密度と逆回復
特性と順方向電圧降下の関係を示す図。
【図3】照射により導入した再結合中心の局在位置がN
+層に近接したN−層中にある場合の逆回復特性波形を
示す図。
【図4】従来技術を示す断面図。
【図5】ターンオフ時の逆方向電流波形を示す図。
【符号の説明】
1…P層、 2…N−層、 3…N+層、 4…耐圧部、 5…通電部、 6…裏面電極、 7…局所的な高密度再結合中心領域。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第一導電型の第一の半導体層と、 前記第一の半導体層の一方の面に形成された第一導電型
    で不純物濃度の高い第二の半導体層と、 前記第一の半導体層の他方の面に選択的に形成された第
    二導電型の第三の半導体層とを具備する半導体装置であ
    って、 前記第一の半導体層内にプロトン、デュートロン、ヘリ
    ウムのうちの少なくとも一つを照射することで局部的に
    再結合中心が高密度に形成されている層と、 白金または金を拡散することにより再結合中心が高密度
    に形成されている層とを具備していることを特徴とする
    半導体装置。
  2. 【請求項2】 第一導電型の第一の半導体層と、 前記第一の半導体層の一方の面に形成された第一導電型
    で不純物濃度の高い第二の半導体層と、 前記第一の半導体層の他方の面に選択的に形成された第
    二導電型の第三の半導体層とを具備する半導体装置であ
    って、 前記第一の半導体層内にプロトン、デュートロン、ヘリ
    ウムのうちの少なくとも一つ及び電子線を照射すること
    で局部的に再結合中心が高密度に形成されている層を具
    備していることを特徴とする半導体装置。
  3. 【請求項3】 前記プロトン又はデュートロン又はヘリ
    ウムの照射による局部的な再結合中心層と第二の半導体
    層との間に再結合中心層より再結合中心濃度の低い層が
    存在することを特徴とする請求項1、2記載の半導体装
    置。
  4. 【請求項4】 前記プロトン又はデュートロン又はヘリ
    ウムの照射による局部的な再結合中心層と第三の半導体
    層との間が50μm以下であることを特徴とする請求項
    1、2、3記載の半導体装置。
  5. 【請求項5】 前記プロトン又はデュートロン又はヘリ
    ウムの照射は、基板の裏面からの照射であることを特徴
    とする請求項1、2、3、4記載の半導体装置。
  6. 【請求項6】 第一導電型の第一の半導体層を形成し、 前記第一の半導体層の一方の面に第一導電型で不純物濃
    度の高い第二の半導体層を形成し、 前記第一の半導体層の他方の面に選択的に形成された第
    二導電型の第三の半導体層を形成し、 プロトン、デュートロン、ヘリウムのうちの少なくとも
    一つを照射することで前記第一の半導体層内に局部的に
    再結合中心を高密度に形成し、 白金または金を拡散することにより再結合中心を高密度
    に形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
JP6833596A 1996-03-25 1996-03-25 半導体装置及びその製造方法 Pending JPH09260686A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009239269A (ja) * 1998-08-05 2009-10-15 Memc Electron Materials Inc 高性能シリコンパワーデバイスにおける不均一少数キャリア寿命分布
JP2014135476A (ja) * 2012-12-12 2014-07-24 Fuji Electric Co Ltd 半導体装置

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