JP6227255B2 - ダイオード及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ダイオードに係り、特に、車両、産業用装置などの高電圧、大電流ＩＧＢＴモジュールなどに適用されるダイオードに関する。

大電流のスイッチング素子として利用されるダイオードは、数千Ｖ以上の高耐圧が要求される。この素子では、特にｎ−層の厚さなどを規定し耐圧を保持している。この場合、ｎ−層が厚いほど耐圧が向上する。

しかし、一方では、順方向電圧やＩＧＢＴモジュールなどのリカバリー時に発生するリカバリ損失を低減するには、ｎ−層の厚さを薄くするのが有効である。したがって、損失の低減のためには、耐圧を確保しながらｎ−層を薄くする。

特許文献１（特開２０１０−４０５６２号公報）や特許文献２（特開平１−２５８４７６号公報）では、深いｎＢ（ｎバッファ）層を導入してｎ−層の厚みを薄くして、順方向電圧や損失を低減することが開示されている。また、特許文献１には、緩やかに不純物濃度が減小するｎＢ層の導入により、発振現象が抑制されることも開示されている。ダイオードを組み込んだ、ＩＧＢＴモジュールでは、この発振現象を抑制することで安定した動作が確保できる。

特開２０１０−４０５６２号公報 特開平１−２５８４７６号公報

しかし、これら従来技術では、Ｓｉウェハの厚さおよびこれとｎＢ層との関係に関して配慮されていない。したがって、耐圧を確保しながら、損失を低減できる構造や不純物プロファイル構造を構築することが難しかった。

本発明は、上記問題点を考慮してなされたものであり、耐圧特性を確保しながらも損失を低減できるダイオード構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明によるダイオードは、ウェハ厚３４０から３８０μｍのＳｉウェハにおいて、一方の面にカソード電極、他方の面にアノード電極を有し、アノード面にｐ＋層、カソード面にｎ＋層を具備し、同じ面から５×１０¹¹から１×１０¹³ｃｍ^-2のドーズ量のｎ型ドーパントを深さ５０から１３０μｍの範囲で拡散して深いｎバッファ（ｎＢ）層を形成し、さらに前記カソード面からｎ型ドーパントを２０μｍ以下拡散して浅いｎバッファ（ｎＢ）層を形成したことを特徴とする。

本発明によれば、高耐圧で低損失のダイオードを提供することが可能となる。これによりＩＧＢＴモジュールの動作温度を拡大することが可能となる。

本発明の実施例１であるダイオードの断面図。 図１のダイオードの不純物プロファイル。 ｎＢ層深さとリカバリ損失（Ｅｒｒ）の関係。 ｎＢ層深さと耐圧（Ｖｂ）の関係。 ｎＢ層深さと発振開始電源電圧（Ｖｒｉｎｇ）の関係。 ＶｂとＶｒｉｎｇの関係。 本発明の実施例２であるダイオードの断面図。 図８のダイオードの不純物プロファイル。

本発明者は、図１に示した断面構造を有するダイオードについて検討を進めた。

図２にこのダイオードの不純物プロファイルを示す。ｎＢ層の拡散深さは、ベースのｎ−濃度に対して１０％増加している点のアノードからの距離とした。ｎ−濃度はウェハの抵抗値で決まる。ダイオードの宇宙線耐量を確保する観点から２００Ωｃｍ以上に設定する。

まず、拡散深さとリカバリ損失（Ｅｒｒ）について検討した。検討の結果を図３に示す。この図から、Ｅｒｒは拡散深さに依存せず、ウェハ厚の減少にともなって減少していることがわかる。深いｎＢ層を適用していないウェハ厚４００μｍのダイオードと比較してＥｒｒが１０％低減できると、ダイオードを組み込んだＩＧＢＴモジュールにおいて、ダイオードの発熱が低減できるため、使用可能温度を２５℃拡大することが可能となる。したがって、最高接合温度（Ｔｊｍａｘ）を、例えば１２５℃から１５０℃に上昇することが可能となる。このため、ウェハ厚は３８０μｍ以下にすることが好適である。ただし、ウェハ厚は仕様値に対して１０μｍ変動することがある。このため、ウェハ厚３７０μｍに対して耐圧特性を確保することが好適である。

拡散深さと耐圧（Ｖｂ）の関係を図４に示す。この図から、Ｖｂはウェハ厚の減小とともに減小することがわかる。また、同じウェハ厚で同一のｎＢドーズ量の場合、拡散深さが増加するにしたがってＶｂが減少する傾向にある。この傾向は本発明者の検討から明らかになったもので、単純に深いｎＢ層の導入により耐圧が増加するということではないことがわかった。また、本発明者の検討から、ＶｂはｎＢ層のドーズ量とともに減少することも明らかになっている。

一方、発振が開始する電源電圧（Ｖｒｉｎｇ）とウェハ厚の関係を図５に示した。Ｖｒｉｎｇは、ウェハ厚の増加とともに増加する。さらに、Ｖｒｉｎｇは拡散深さの増加とともに増加することがわかる。また、本発明者の検討で、ＶｒｉｎｇはｎＢ層のドーズ量の増加とともに増加することが明らかになっている。

Ｖｂは、−４０℃で室温の値から約２割低下する。したがって、室温におけるＶｂは、３３００ＶＩＧＢＴモジュール用途では、３９００Ｖ以上に設定する。一方、Ｖｒｉｎｇも同様に常用の電圧１６５０Ｖより約２割高い２０００Ｖ以上に設定する。

したがって、３７０μｍのウェハを適用した場合、拡散深さは、５０μｍ以上１３０μｍ以下に設定する。ただし、外部電荷により耐圧や発振特性が劣化する場合がある。このため、さらに好適には拡散深さを６０μｍ以上１１０μｍ以下に設定するのが良い。

ＶｂとＶｒｉｎｇの関係のウェハ依存性を図６に示す。図には、ｎＢドーズ量依存性もあわせて示した。この図から、少なくともウェハ厚を３４０μｍ以上に設定すれば、ＶｂとＶｒｉｎｇが同時に上記条件を満たすことがわかる。前述のように、ｎＢ層のドーズ量によって、ＶｂとＶｒｉｎｇのトレードオフが生じている。このため、厚さ３４０μｍのウェハで１×１０¹²ｃｍ^-2のドーズ量が好適であることがわかる。また、３５０μｍのウェハで８×１０¹¹から２×１０¹²ｃｍ^-2、３６０μｍのウェハで６×１０¹¹から４×１０¹²ｃｍ^-2、３７０μｍのウェハで５×１０¹¹から１×１０¹³ｃｍ^-2のドーズ量が好適となる。ウェハ厚は、仕様値に対して±１０μｍずれることがある。このため、１０μｍ薄いウェハ厚でＶｂ及びＶｒｉｎｇの条件を満たすことが好ましい。ただし、ウェハ厚が下限値より薄い場合、耐圧検査により選別することが可能となる。

したがって、３４０−３８０μｍのウェハでドーズ量５×１０¹¹から１×１０¹³ｃｍ^-2、さらに好適には３４０−３７０μｍのウェハでドーズ量６×１０¹¹から４×１０¹²ｃｍ^-2、またさらに好適には、３４０−３６０μｍのウェハでドーズ量８×１０¹¹から２×１０¹²ｃｍ^-2でｎＢ層を形成することにより、低損失で信頼性の高いダイオードを形成することが可能となる。低損失のダイオードほど、それを組み込んだＩＧＢＴモジュールの損失を低減できるとともに動作可能な温度範囲を拡大することができる。

このｎＢ層を形成する場合、他のプロセスや装置への影響の観点からドーパントとしてＰを用いることが望ましい。Ａｓの場合拡散係数が小さく拡散に時間を要する。また、Ｐの場合アウトディフュージョンなどによりウェハから排出され装置などを汚染しても、ｎ＋層などにＰを使用していることから炉体などまとめて管理することが可能となる。その他の元素の場合、アウトディフュージョンなどによる汚染はライン管理上問題となることが多い。

Ｐの場合、深いｎＢ層を形成するためには、比較的長時間の拡散処理を施す。拡散温度１２９０℃以上で拡散することにより１０日以内で処理可能となる。したがって、この温度以上で拡散することが望ましい。また、この後の工程でｐ層、ｎ＋層を形成する場合、この温度以下で処理することが可能となる。例えばＢを拡散しｐ層を形成する場合、１２００℃という高温を適用することが可能で、拡散時間を短縮することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。

図１は、本発明の第１実施例のダイオードの要部断面図である。

厚さ３６０μｍのｎ型Ｓｉウェハ１の裏面に、熱酸化により５０ｎｍの酸化膜を形成した後、Ｐを１×１０¹²ｃｍ^-2の濃度でイオン注入した。この後、１３００℃で１２０ｈ拡散を実施し深さ８０μｍの深いｎＢ層２を形成する。

ついで、アノードとなる表面のｐ＋層３を形成するため、Ｂをイオン注入する。本実施例では、Ｂのドーズ量としては５×１０¹³ｃｍ^-2とした。この後、表面のＢを拡散するため、１２００℃で拡散を実施する。

裏面のｎ＋層４を形成するため、裏面にＰを１×１０¹⁵ｃｍ^-2のドーズ量で注入する。ついで、Ｐを活性化するため１０００℃で熱処理する。以上の工程によりｎＢ層形成からｎ＋層形成まで拡散及び活性化の熱処理温度を順次下げていくため、精度よく不純物プロファイルを形成することが可能となる。

ついでアノード電極としてＡｌを成膜し、マスクプロセスでアノード電極パッドに加工する。さらに、フォトプロセスを用いてポリイミド保護膜を形成する。さらに、カソード電極としてＡｕ／Ｎｉ／Ｔｉ／ＡｌＳｉを成膜形成する。

上記製造工程により複数のダイオードチップが形成されたＳｉウェハをダイシングして、ダイオードチップを切り出す。本実施例のダイオードをＩＧＢＴと組合せたＩＧＢＴモジュールは耐圧及び発振特性が向上し、リカバリ損失を極めて小さくすることができる。

図７は、本発明の第２実施例のダイオードの要部断面である。また、図８にこのダイオードの不純物プロファイルを示す。

厚さ３７０μｍのｎ型Ｓｉウェハ１の裏面に、実施例１と同様の方法で５０ｎｍの酸化膜を形成した後、Ｐを２×１０¹²ｃｍ^-2のドーズ量でイオン注入する。この後、１３００℃で１２０ｈ拡散を実施し深さ８０μｍの深いｎＢ層２を形成する。

ついで、裏面にＰを２×１０¹²ｃｍ^-2のドーズ量でイオン注入する。この後、１２００℃で深さ１５μｍの深さまで拡散し浅いｎＢ層５を形成する。浅いｎＢ層は、耐圧特性に影響しないように２０μｍ以下であることが望ましい。このようにｎＢ層を２段にすることで、ｎ＋欠損や裏面電極のＡｌスパイクによる耐圧劣化を防止することができる。

ついで、アノードとなる表面のｐ＋層３及びｐ−層６を形成するため、Ｂをイオン注入する。本実施例ではマスクプロセスを適用し、Ｂを２種類のドーズ量で注入している。Ｂのドーズ量としては５×１０¹³ｃｍ^-2と５×１０¹²ｃｍ^-2を適用している。この後、表面のＢを拡散するため、１１００℃で拡散を実施する。

裏面のｎ＋層４を形成するため、裏面にＰを１×１０¹⁵ｃｍ^-2のドーズ量で注入した。ついで、Ｐを活性化するため１０００℃で熱処理する。以上の工程によりｎＢ層形成からｎ＋層形成まで拡散及び活性化の熱処理温度を順次下げていくため、精度よく不純物プロファイルを形成することが可能となる。

ついでアノード電極としてＡｌを成膜し、マスクプロセスでアノード電極パッドに加工する。さらに、フォトプロセスを用いてポリイミド保護膜を形成する。さらに、カソード電極としてＡｕ／Ｎｉ／Ｔｉ／ＡｌＳｉを成膜形成する。

上記製造工程により複数のダイオードチップが形成されたＳｉウェハをダイシングして、ダイオードチップを切り出す。本実施例のダイオードをＩＧＢＴと組合せたＩＧＢＴモジュールは、耐圧及び発振特性が向上し、リカバリ損失を極めて小さくすることができる。

１…ｎ−層
２…ｎＢ層
３…ｐ＋層
４…ｎ＋層
５…ｎＢ層
６…ｐ−層

Claims (4)

1. ウェハ厚３４０から３８０μｍのＳｉウェハにおいて、一方の面にカソード電極、他方の面にアノード電極を有し、アノード面にｐ＋層、カソード面にｎ＋層を具備し、同じ面から５×１０¹¹から１×１０¹³ｃｍ^-2のドーズ量のｎ型ドーパントを深さ５０から１３０μｍの範囲で拡散して深いｎバッファ（ｎＢ）層を形成し、さらに前記カソード面からｎ型ドーパントを２０μｍ以下拡散して浅いｎバッファ（ｎＢ）層を形成した
   ことを特徴とするダイオード。
2. 請求項１において、
   前記ｎ型ドーパントはＰである
   ことを特徴とするダイオード。
3. 請求項１において、
   前記Ｓｉウェハの抵抗率は２００Ωｃｍ以上である
   ことを特徴とするダイオード。
4. 前記ｐ＋層、前記ｎ＋層を形成する前に、ｎ型ドーパントをイオン注入し、１２９０℃以上で５０μｍ以上拡散して前記深いｎバッファ（ｎＢ）層を形成し、その後さらにｎ型ドーパントを注入して拡散することによって深さ２０μｍ以下の前記浅いｎバッファ（ｎＢ）層を形成する
   ことを特徴とする請求項１に記載のダイオードの製造方法。