BRPI1102975A2 - Componente semicondutor de potência com perfil de dopagem de dois níveis - Google Patents

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Abstract

Componente semicondutor de potência com perfil de dopagem de dois níveis. O presente pedido refere-se a um componente semicondutor de potência tendo uma junção pn, tendo um corpo básico com uma primeira condutividade básica, uma região do tipo poço com uma segunda condutividade que é disposta horizontalmente no centro do corpo básico, tem um primeiro perfil de dopagem de dois níveis e tem uma primeira profundidade de penetração a partir da primeira superfície principal para o corpo básico. Além disso, este componente semicondutor de potência tem uma estrutura de borda que é disposta entre a região do tipo poço e a borda do componente semicondutor de potência e que compreende uma pluralidade de anéis de campo com um perfil de dopagem de nível único, uma segunda condutividade e uma segunda profundidade de penetração, sendo que a primeira profundidade de penetração não é mais do que 50 de 100 da segunda profundidade de penetração

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "COMPONENTE SEMICONDUTOR DE POTÊNCIA COM PERFIL DE DOPAGEM DE DOIS NÍVEIS". A presente invenção refere-se a um componente semicondutor de potência tendo pelo menos uma junção PN funcional, a título de exemplo um diodo de potência, compreendendo um corpo básico que compreende um material semicondutor com uma primeira condutividade, de preferência compreendendo um silício monocristalino. A técnica anterior, a título de exemplo, de acordo com o documento de Patente DE 43 37 329 A1, apresenta a prática de fabricação de diodos de potência por meio da irradiação dos mesmos com núcleos de á-tomo e/ou elétrons de hélio e possivelmente por meio da provisão de uma difusão de platina adicional a fim de melhorar particularmente a resposta de chaveamento, em termos específicos para o presente pedido como um "diodo de roda livre", do inglês freewheeling diode. A Patente EP 1 017 093 A1 apresenta um componente semicondutor de potência tendo duas junções PN funcionais, o inverso de cujo componente semicondutor de potência tem um perfil de dopagem de dois níveis. Este perfil é produzido por meio de uma primeira difusão profunda com um dopante tendo a condutividade do corpo básico, seguido da abrasão extensiva desta região dopada e de uma segunda difusão muito rasa de um dopante com uma segunda condutividade e uma alta concentração de dopante. A presente invenção baseia-se no objetivo de apresentar um componente semicondutor de potência que seja favorável para um processo simples de fabricação, incluindo sem irradiação de partículas, e ao mesmo tempo tendo pequenas correntes inversas e baixas perdas de chaveamento e de transporte. A presente invenção atinge o objetivo por meio de um componente semicondutor de potência tendo as características da reivindicação 1. As modalidades preferidas são descritas nas respectivas reivindicações dependentes. O componente semicondutor de potência, de acordo com a presente invenção, tem pelo menos uma junção PN funcional para a produção de uma função como uma válvula de controle de fluxo, de preferência como um diodo. Para este fim, o componente semicondutor de potência tem um corpo básico com uma primeira condutividade básica, que é geralmente na forma de uma dopagem em n', frequentemente com a dopagem em n com uma baixa concentração de dopagem de tipicamente entre 1013 e 1014 cm'3. Embutido neste corpo básico e disposto horizontalmente no centro sobre um primeiro lado adjacente a uma primeira superfície principal, o componente semicondutor de potência tem uma região do tipo poço de segunda condutividade, esta região sendo descrita de modo a apresentar um primeiro perfil de dopante de dois níveis e apresentar uma primeira profundidade de penetração a partir da primeira superfície principal para o corpo básico. Neste contexto, é preferido que o nível do perfil de dopagem de dois níveis da região do tipo poço seja disposto na faixa entre 10% e 40% para a primeira profundidade de penetração. Por motivos de conexão de contato elétrico por meio de uma camada de contato de metal, é similarmente vantajoso quando a concentração de segundos átomos de dopante sobre a primeira superfície principal da região do tipo poço é dentre 1017 e 1020 cm'2. Neste caso e em seguida, pretende-se que a profundidade de penetração de um perfil de dopagem seja entendida como a distância daquela superfície a partir da qual a dopagem é realizada na qual a concentração de dopante atinge o valor absoluto da dopagem básica.
Disposta entre esta região do tipo poço e a borda do componente semicondutor de potência, e, da mesma forma, sobre a primeira superfície principal, encontra-se uma estrutura de borda compreendendo uma pluralidade de anéis de campo com um perfil de dopante de nível único, uma segunda condutividade e uma segunda profundidade de penetração. Esta estrutura de borda tem uma estrutura de placa de campo associada, relacionada aos anéis de campo, como também uma passivação associada. De acordo com a presente invenção, a primeira profundidade de penetração não é mais do que 50% da segunda profundidade de penetração. A estrutura de placa de campo é produzida a partir de molda-gens condutivas, associadas a cada anel de campo, tendo, cada uma dessas moldagens, um primeiro elemento de corpo disposto horizontalmente sobre o centro do anel de campo. No sentido horizontal, é provida uma primeira camada de passivação entre estes primeiros elementos de corpo. A-lém disso, pelo menos um respectivo segundo elemento de corpo da molda-gem condutiva é provido, sendo este disposto de modo a ficar espaçado do corpo básico por meio da primeira camada de passivação. No presente caso, este um respectivo segundo elemento de corpo se projeta acima do anel de campo associado horizontalmente na direção da borda do componente semicondutor de potência. Além disso, pode ser preferido que pelo menos um, ou um outro, segundo elemento de corpo se projete acima de pelo menos um anel de campo associado horizontalmente na direção do centro do componente semicondutor de potência.
Vantajosamente, a primeira camada de passivação tem uma segunda camada de passivação disposta acima da mesma, que cobre totalmente a moldagem condutiva ou a primeira camada de passivação. No presente caso, pode ser também preferido que uma camada de nitrito de silício seja disposta entre as primeira e segunda camadas de passivação. A configuração vantajosa do segundo lado associado adjacente à segunda superfície principal do componente semicondutor de potência a-presenta as seguintes características. A partir da segunda superfície principal, um segundo perfil de dopagem de dois níveis, com dois elementos de perfil e uma primeira condutividade com uma terceira profundidade de penetração, se estende para o interior do corpo básico. No presente caso, esta terceira profundidade de penetração, ou seja, a profundidade do primeiro elemento de perfil deste segundo perfil de dopagem, tem aproximadamente a metade da extensão lateral do corpo básico, dependendo da classe de tensão e, portanto, da espessura necessária do componente semicondutor de potência. É igualmente vantajoso que o segundo elemento de perfil tenha uma quarta profundidade de penetração, e que esta quarta profundidade de penetração tenha entre 40% e 70%, de preferência entre 50% e 60%, da terceira profundidade de penetração do primeiro elemento de perfil. A profundidade total de penetração do segundo perfil de dopagem será, portanto, idêntica à profundidade de penetração do primeiro elemento de perfil da mesma. Além disso, a quarta profundidade de penetração do segundo elemento de perfil do segundo perfil de dopagem de dois níveis é concebida de modo a ter pelo menos 20%, de preferência pelo menos 30%, da extensão lateral do corpo básico. É igualmente preferido que a concentração de átomos de dopan-te sobre a segunda superfície principal com uma primeira condutividade, produzida pelo primeiro elemento de perfil, seja de pelo menos duas ordens de magnitude menores que a produzida pelo segundo elemento de perfil, com a concentração de átomos de dopante sobre a segunda superfície principal tendo entre 1018e 1021 cm"2. Geralmente, esta segunda superfície principal tem uma outra metalização de contato disposta sobre a mesma, comparável à da região do tipo poço. No presente caso, a configuração específica dessas metalizações corresponde à respectiva tecnologia de conexão externa que deverá ser usada. A solução, de acordo com a presente invenção, é explicada em mais detalhes com referência às modalidades exemplares e às figuras 1 a 6. A figura 1 mostra um detalhe de um componente semicondutor de potência, de acordo com a presente invenção, em seção transversal. A figura 2 mostra a concentração de dopagem sobre a primeira superfície principal de um componente semicondutor de potência, de acordo com a presente invenção. A figura 3 mostra detalhes de outras duas modalidades de um componente semicondutor de potência, de acordo com a presente invenção.
As figuras 4 e 5 mostram a concentração de dopagem do componente semicondutor de potências com base na técnica anterior. A figura 6 mostra a concentração de dopagem total de um componente semicondutor de potência, de acordo com a presente invenção. A figurai mostra um detalhe de um componente semicondutor de potência 1, de acordo com a presente invenção, em seção transversal, enquanto que a figura 2 mostra a concentração de dopagem associada sobre a primeira superfície principal de um componente semicondutor de potência 1, de acordo com a presente invenção, no presente caso um diodo de potência da classe de tensão de 1200 V, sobre a espessura do componente semicondutor de potência 1. A figura 1 mostra um detalhe do corpo básico 2, conforme conhecido, a título de exemplo, a partir de uma multiplicidade de diodos semicondutores de potência, com uma primeira condutividade básica, e uma dopagem em n tipicamente fraca. Sobre a primeira superfície principal 6 e estendendo-se a partir da mesma no sentido lateral para o interior do corpo básico 2, é mostrada uma região do tipo poço 10 de segunda condutividade, no presente caso do tipo p, para a produção de uma junção PN 4.
De acordo com a presente invenção, esta região do tipo poço 10 é produzida por meio de um perfil de dopagem de dois níveis 100, como resultado do que a profundidade total de penetração 102 é baixa, no presente caso na faixa entre 3 pm e 4 pm. Ao mesmo tempo, a concentração de do-pante sobre a superfície da região do tipo poço 10 é suficientemente alta, no presente caso na faixa entre 1017 e 1018 cm'2, a fim de tornar a resistência elétrica na junção com uma camada de contato de metal 18 disposta sobre a mesma suficientemente baixa. No presente caso, é preferido que o nível 130 deste primeiro perfil de dopagem 100 seja concebido de modo a ficar na faixa de 10% a 40% da profundidade de penetração 102 do perfil total. Este perfil de dopagem é formado pelos dois elementos de perfil com uma primeira profundidade de penetração 122 de 3 pm a 4 pm, que é, por fim, idêntica à profundidade total de penetração 102 e por um segundo elemento de perfil com uma segunda profundidade de penetração 142 adequada para a produção do dito primeiro perfil de dopagem 100.
Esta região do tipo poço 10 produzida desta maneira é disposta horizontalmente no centro do corpo básico 2 do componente semicondutor de potência 1 e é envolvida em todos os lados por uma região de borda. Esta região de borda tem uma pluralidade de anéis de campo 20 no corpo básico 2, que, pela parte dos mesmos, são produzidos com um segundo perfil de dopagem de nível único (200, vide figura 6) de segunda condutividade, no presente caso do tipo p. Um aspecto significativo no presente caso é que a profundidade de penetração 202 deste segundo perfil de dopagem 200 dos anéis de campo 20 é maior que a profundidade de penetração 102 do primeiro perfil de dopagem 100 da região do tipo poço 10. É preferido que esta primeira profundidade de penetração 102 seja, em termos ideais, de até 30%, porém não maior que 50%, da segunda profundidade de penetração 202. A região de borda tem ainda uma estrutura de placa de campo, sendo que as moldagens condutivas individuais 40 produzem esta estrutura de placa de campo. As respectivas moldagens condutivas 40 são produzidas integralmente a partir dos elementos de corpo 42, 44, sendo que o respectivo primeiro elemento de corpo 42 é disposto em uma direção horizontal sobre o centro dos associados anéis de campo e em contato elétrico com os mesmos. No presente caso, a moldagem condutiva como um todo 40 compreende metal ou, de maneira adequada, polissilício dopado. A camada de contato de metal 18 da região do tipo poço 10 e o primeiro elemento de corpo horizontalmente adjacente 42, como também todos os outros primeiros elementos de corpo 42, têm uma primeira camada de passivação 32 disposta entre os mesmos que vantajosamente compreende o óxido de silício formado por meio da oxidação do corpo básico 2 nesta região. O segundo elemento de corpo 44 da respectiva moldagem condutiva 40 é disposto de modo a ficar espaçado do corpo básico 2 e, pelo menos na direção da borda, porém vantajosamente também, pelo menos no caso de uma moldagem condutiva 40, se sobrepõe horizontalmente ao primeiro elemento de corpo 42 de tal modo que esta sobreposição vá além da extensão horizontal do anel de campo associado 20. É também mostrada uma segunda camada de passivação 34, de preferência feita de uma poli-imida, que reveste totalmente as regiões isentas da primeira camada de passivação 32 como também da estrutura de placa de campo 40. Pode ainda ser preferido que uma camada intermediária compreendendo nitrito de silício seja disposta entre as duas camadas de passivação 32, 34. A figura 3 mostra detalhes de outras duas modalidades de um componente semicondutor de potência 1, de acordo com a presente invenção. A modalidade mostrada na figura 3a é diferente daquela mostrada na figura 1 no sentido de que o primeiro anel de campo 20a se sobrepõe à região do tipo poço 10, ou seja, não existe nenhum intervalo entre esta região e o primeiro anel de campo. Além disso, a camada de contato de metal 18 da região do tipo poço 10 é no presente caso produzida totalmente com a mol-dagem condutiva 40a do primeiro anel de campo 20a.
Na configuração mostrada na figura 3b, a camada de contato de metal 18 da região do tipo poço 10 é igualmente produzida, na sua totalidade, com a moldagem condutiva 40a do primeiro anel de campo 20a, com este anel de campo 20a), no presente caso, sendo espaçado da região do tipo poço 10 de uma maneira similar à da configuração mostrada na figura 1. No presente caso, como no caso da configuração mostrada na figura 1, uma primeira camada de passivação 32 é disposta na região acima do corpo básico 2 horizontalmente entre a região do tipo poço 10 e o primeiro elemento de corpo da primeira moldagem condutiva 40a do primeiro anel de campo 20a.
As figuras 4 e 5 mostram concentrações de dopagem traçadas contra a espessura da primeira superfície principal dos componentes semicondutores de potência com base na técnica anterior. A figura 4 mostra um perfil típico para um diodo de potência da classe de tensão de 1200 V, com um perfil de dopagem profundo de nível único sendo produzido sobre o segundo lado, no presente caso. No caso dos perfis de nível único, esta dopagem profunda se faz necessária no sentido de produzir a menor inclinação possível dentro do diodo de potência no início do perfil de dopagem e, ao mesmo tempo, se obter uma alta concentração de dopante sobre a superfície a fim de manter a resistência elétrica com relação a uma camada de contato de metal tão baixa quanto possível. Esse perfil, portanto, requer também uma extensão lateral relativamente grande, no presente caso de mais de 240 μιτι, para ο corpo básico. A figura 5 mostra um diodo de potência - de outra maneira fabricado utilizando uma tecnologia de wafer fino - na classe de tensão de 1200 V e com uma espessura de apenas 140 μιτι e com um perfil de dopagem de dois níveis com base na técnica anterior, este nível de perfil de dopagem sendo produzido quase que diretamente sobre a segunda superfície. A figura 6 mostra a concentração de dopagem total como também o perfil de dopagem de um componente semicondutor de potência 1, de acordo com a presente invenção, neste caso similar à dopagem de um diodo de potência da classe de tensão de 1200 V, traçada contra a espessura da mesma a partir da primeira superfície principal (6, vide figura 1) em diante. Uma primeira concentração de dopante, conforme já mostrada na figura 2, é mostrada sobre a primeira superfície principal. Além disso, o segundo perfil de dopagem 200 com uma segunda profundidade de penetração 202 para um anel de campo é mostrado no presente caso. O segundo lado que se inicia a partir da segunda superfície principal (8, vide figura 1) tem uma primeira concentração de dopante, a princípio, como no caso de um diodo de potência conforme mostrado na figura 5. Em contrapartida à técnica anterior, no entanto, é preferido que a extensão lateral do wafer no presente caso seja maior no sentido de contornar as falhas de uso da tecnologia de wafer fino, como também o processo de abra-são que se faz necessário no presente caso. Além disso, para este diodo de potência, a profundidade de penetração daquela dopagem com uma concentração maior de átomos de dopante com também a razão dos dois perfis individuais que formam o perfil de dopagem são concebidas de modo a serem diferentes às da técnica anterior mostrada na figura 5. O primeiro elemento de perfil 520 mais baixo e raso com a terceira profundidade de penetração 522 e, por conseguinte, o segundo perfil de dopagem como um todo tem a sua profundidade de penetração 502 estendendo-se no sentido lateral, aproximadamente para o centro do corpo básico do diodo de potência 1 no caso deste diodo da classe de tensão de 1200 V. O segundo e mais inclinado elemento de perfil 540 tem uma quarta profundidade de penetração 542 que fica entre 40% e 70%, de preferência entre 50% e 60%, da terceira profundidade de penetração 522. Além disso, este segundo elemento de perfil 540 tem uma profundidade de penetração 542 que é de pelo menos 20% da extensão lateral, no presente caso 200 pm, do corpo básico.
Esta forma do segundo perfil de dopagem de dois níveis 500 permite uma produção simultânea de um gradiente baixo no início do perfil e a obtenção de uma concentração de átomos de dopante sobre a segunda superfície principal dentre 1018 e 1021 cm"2. Em segundo lugar, esta configuração do segundo perfil de dopagem de dois níveis 500 tem a extensão lateral do corpo básico acima daquela mostrada na figura 5, o que significa que as falhas de manipulação da tecnologia de wafer fino não chegam a se manifestar.

Claims (15)

1. Componente semicondutor de potência (1) tendo pelo menos uma junção PN funcional (4), tendo um corpo básico (2) com uma primeira condutividade básica, uma região do tipo poço (10) com uma segunda con-dutividade que é disposta horizontalmente no centro do corpo básico (2), caracterizado por ter um primeiro perfil de dopagem de dois níveis (100) e ter uma primeira profundidade de penetração (102) a partir da primeira superfície principal (6) para o corpo básico (2), tendo uma estrutura de borda que é disposta entre a região do tipo poço (10) e a borda do componente semicondutor de potência (1) e que compreende uma pluralidade de anéis de campo (20) com um perfil de dopagem de nível único, uma segunda condutividade e uma segunda profundidade de penetração (202), disposta no corpo básico (2), uma estrutura de placa de campo (40) que é associada a esses anéis de campo (20) e uma passivação (30) para esta estrutura de borda, sendo que, - a primeira profundidade de penetração (102) não é mais do que 50 de 100 da segunda profundidade de penetração (202), - cada anel de campo (20) tem uma moldagem condutiva associada (40) como uma placa de campo tendo um primeiro elemento de corpo (42) disposto horizontalmente sobre o centro do anel de campo (40), sendo que estes primeiros elementos de corpo (42) têm uma primeira camada de passivação (32) disposta entre as mesmas, e tendo pelo menos um segundo elemento de corpo (44) que é lateralmente espaçado do corpo básico (2) e se projeta horizontalmente acima do anel de campo associado (20) na direção da borda do componente semicondutor de potência (1).
2. Componente semicondutor de potência, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um segundo elemento de corpo (44) se projetar acima do anel de campo associado (20) horizontalmente na direção do centro do componente semicondutor de potência (1).
3. Componente semicondutor de potência, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a concentração de segundos átomos de do-pante sobre a primeira superfície principal (6) da região do tipo poço (10) ser dentre 1017 e 1020 cm'2.
4. Componente semicondutor de potência, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o nível (130) do perfil de dopagem de dois níveis (100) da região do tipo poço (10) ser concebido de modo a ficar na faixa entre 10% e 40% da primeira profundidade de penetração (102).
5. Componente semicondutor de potência, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a superfície da região do tipo poço (10) de segunda condutividade ter uma camada de contato de metal (18) disposta sobre a mesma.
6. Componente semicondutor de potência, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a primeira camada de passivação (32) ter uma segunda camada de passivação (34) disposta acima da mesma.
7. Componente semicondutor de potência, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por a primeira camada de passivação (32) ser de óxido de silício e a segunda camada de passivação (34) ser uma poli-imida.
8. Componente semicondutor de potência, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por a primeira camada de passivação (32) e a segunda camada de passivação (34) terem uma camada de nitrito de silício disposta entre as mesmas.
9. Componente semicondutor de potência, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por a segunda camada de passivação (34) cobrir totalmente as moldagens condutivas (40).
10. Componente semicondutor de potência, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a moldagem condutiva (40) e os elementos de corpo (42, 44) da mesma compreenderem metal ou polissilício dopa-do.
11. Componente semicondutor de potência, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a partir da segunda superfície principal (8), um segundo perfil de dopagem de dois níveis (500) de primeira condutividade tendo uma terceira profundidade de penetração (502) ser produzido, o qual se estende para o interior do corpo básico (2), sendo que a dita terceira profundidade de penetração (502) da primeira dopagem deste segundo perfil de dopagem (500) fica na região intermediária da extensão lateral do corpo básico (2).
12. Componente semicondutor de potência, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por o segundo elemento de perfil (540) ter uma quarta profundidade de penetração (542), e esta quarta profundidade de penetração (542) do segundo elemento de perfil (540) do segundo perfil de dopagem de dois níveis (500) ser dentre 40% e 70%, de preferência dentre 50% e 60%, da terceira profundidade de penetração (522) do primeiro elemento de perfil (520).
13. Componente semicondutor de potência, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado por a quarta profundidade de penetração (502) do segundo elemento de perfil (540) do segundo perfil de dopagem de dois níveis (500) ser de pelo menos 20%, de preferência de pelo menos 30%, da extensão lateral do corpo básico (2).
14. Componente semicondutor de potência, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por a concentração de átomos de dopante sobre a segunda superfície principal (8) com uma primeira condutividade produzida pelo primeiro elemento de perfil (520) ser de pelo menos 2 ordens de magnitude menores que a produzida pelo segundo elemento de perfil (540).
15. Componente semicondutor de potência, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por a concentração de átomos de dopante sobre a segunda superfície principal (8) ser dentre 1018 e 1021 cm"2.
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