ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЭЛЕМЕНТ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК H01L29/74 H01L21/332 

Изобретение относится к области силовой электроники. Оно касается способа изготовления полупроводникового элемента в соответствии с ограничительной частью пункта 1 формулы изобретения, а также полупроводникового элемента в соответствии с ограничительной частью пункта 7 формулы изобретения.

Чтобы добиться наилучших из возможных электрических характеристик полупроводниковых силовых переключателей, таких как, например, биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT = insulated gate bipolar transistor), толщина активной зоны полупроводникового элемента должна выбираться настолько близкой к физическим границам материала, насколько это возможно.

Например, толщина имеет непосредственное влияние на потери при пропускании в прямом направлении. Поэтому в случае пробивных напряжений 600-1800 В желательны толщины полупроводниковых элементов 60-250 мкм. Такого рода незначительные толщины все же представляют большую проблему в производстве полупроводниковых элементов, так как подложки с диаметром 100 мм и больше должны иметь толщину, по меньшей мере, 300 мкм, чтобы свести к минимуму опасность разрушения при изготовлении.

До сих пор эта проблема решалась посредством так называемой эпитаксиальной технологии. При этом на материале подложки с относительно большой толщиной 400-600 мкм выращивается электрически активная зона. Материал подложки при этом обеспечивает получающемуся полупроводниковому элементу, с одной стороны, необходимую стабильность, с другой стороны, подложка образует анод полупроводникового элемента.

В общем, между материалом подложки и электрически активной зоной расположен тормозной слой, называемый также буфером. Тормозной слой в случае блокировки служит для того, чтобы резко затормозить электрическое поле перед анодом и за счет этого удержать далеко от него, так как, если электрическое поле достигнет анода, полупроводниковый элемент разрушится. Выращивание активной зоны является длительным и сложным процессом, так что эта эпитаксиальная технология является относительно дорогой. Далее эта технология имеет недостаток, заключающийся в том, что невозможно достаточно слабо легировать примесью материал подложки, то есть анод. Все же это могло бы быть преимуществом, так как анод мощного полупроводникового элемента должен легироваться примесью, по возможности, слабо, за счет этого он получает идеальные электрические свойства. Слабое легирование примесью означает, однако, высокое удельное сопротивление, что при относительно большой толщине материала подложки приводило бы к величине сопротивления, которой нельзя пренебречь.

По этой причине известен новый способ изготовления полупроводникового элемента, который не нуждается в эпитаксиальном нанесении слоев. Такого рода методы известны, например, из Darryl Burns et al., NPT-IGBT-Optimizing for manufacturability, IEEE, S. 109-112, 0-7803-3106-0/1996; Andreas Karl, IGBT modules reach new levels of efficiency, PCIM Europe, Issue 1/1998, S. 8-12 и J. Yamashita et al., A novel effective switching loss estimation of non-punchthrouqh and punchthrough IGBTs, LЕЕЕ, S. 331-334, 0-7803-3993-2/1997. Изготовленные этим способом полупроводниковые элементы называются не смыкающимися (NPT = non-punchthrough) в противоположность со смыкающимися полупроводниковыми элементами в соответствии с эпитаксиальным способом.

При этом способе относительно толстая подложка без эпитаксиального слоя служит исходным материалом. Типовые толщины составляют 400-600 мкм. В первом шаге подложка обрабатывается со стороны катода, т.е. проводятся: фотолитография, имплантация ионов, диффузия, травление и прочие необходимые для изготовления полупроводникового элемента процессы. Во втором шаге подложка на противоположной катоду стороне уменьшается до желаемой толщины. Это производится по обычной технологии, в общем, путем шлифования и травления. В третьем шаге на этой редуцированной стороне методом диффузии вводится анод.

Хотя этот способ по сравнению с эпитаксиальным способом отличается меньшей стоимостью, он имеет все же несколько недостатков.

Диффузия анода относительно трудна, так как в этой технологической операции подложка уже очень тонкая и, следовательно, легко может разрушаться. К тому же, элемент не может больше сильно нагреваться, так как в первом этапе способа уже были нанесены со стороны катода металлические слои, которые расплавляются при температуре выше 500 °С. Таким образом, может достигаться только незначительное легирование анода. Это, правда, могло бы положительно сказаться на электрических свойствах полупроводникового элемента. Так как все-таки не удается внедрить достаточно большое количество примеси, которое могло бы служить буфером, полупроводниковый элемент должен быть достаточно толстым, чтобы в режиме запирания происходил лавинный пробой, прежде чем электрическое поле достигнет анода. В принципе, такого рода изготовленные полупроводниковые элементы, таким образом, толще изготовленных по эпитаксиальной технологии элементов. Вследствие этого преимущество слабо легированного анода, по меньшей мере, частично ликвидировано упомянутыми вначале недостатками слишком толстой активной зоны.

В ЕР-А-0700095 опубликован далее отключаемый тиристор, который пригоден для высоких напряжений блокировки. Он состоит из полупроводникового элемента с анодом и катодом, причем анод имеет прозрачный эмиттер. Такого рода анодные эмиттеры уже известны для конструктивных элементов небольшой мощности, таких как солнечные элементы, диоды или транзисторы. Под прозрачным анодным эмиттером понимают эмиттер со стороны анода со сравнительно слабой инжекцией, так что высокие составляющие поступающего от катода электронного потока могут экстрагироваться без рекомбинации и поэтому без освобождения инжектированной дырки. Перед этим прозрачным анодным эмиттером расположен тормозной слой, который, во-первых, уменьшает в режиме запирания электрическое поле, во-вторых, также может служить для того, чтобы оказывать влияние на эффективность инжекции прозрачного анода. Тормозной слой при этом либо вводится методом диффузии, либо производится эпитаксиальным методом, причем профиль легирования в первом случае имеет Гауссово распределение, а во втором случае однородное по толщине слоя, точнее говоря, ступенчатое распределение. Хотя этот полупроводниковый элемент в рабочем режиме имеет положительную характеристику, из-за опасности пробоя он не может изготавливаться также произвольно тонким.

Задачей изобретения поэтому является создание, по возможности, тонкого полупроводникового элемента, который может изготавливаться с небольшими затратами.

Эту задачу решает способ с отличительными признаками пункта 1 формулы изобретения, а также полупроводниковый элемент с отличительными признаками пункта 5 формулы изобретения.

Способ в соответствии с изобретением комбинирует преимущества полупроводникового элемента, изготовленного при помощи эпитаксиальной технологии и при помощи не смыкающейся (NTP) технологии, причем создается полупроводниковый элемент, который по своим электрическим характеристикам явно отличается от изготовленных этими двумя известными способами полупроводниковых элементов.

В соответствии с изобретением проводится работа, как в технологии NPT, без эпитаксиального нанесения слоя, причем перед обработкой исходного материала со стороны катода вводится тормозная зона. Введение тормозной зоны происходит с противоположной будущему катоду стороны подложки при помощи легирования, вследствие чего образуется профиль легирования, плотность которого добавляется к будущему аноду и который имеет обрезанный профиль легирования. После обработки подложки со стороны катода подложка утончается настолько, что профиль легирования удаляется до низколегированной конечной зоны, которая, по существу, образует тормозную зону. Затем может изготавливаться слабо легированный анод, преимущественно с прозрачным анодным эмиттером, который соседней, преимущественно прилегающей, тормозной зоной в режиме запирания защищен от электрического поля.

Далее предпочтительно, что полупроводниковый элемент 6 в соответствии с изобретением в противоположность элементам эпитаксиальной технологии имеет положительный температурный коэффициент падения напряжения в режиме пропускания.

Способ в соответствии с изобретением может применяться для изготовления различного рода полупроводниковых элементов, в частности для IGBT (insulated gate bipolar transistor - биполярный транзистор с изолированным затвором), GTO (gate turn-off thyristor = двухоперационный триодный тиристор) или обычных тиристоров.

Другие предпочтительные формы исполнения следуют из зависимых пунктов формулы изобретения.

Ниже способ в соответствии с изобретением и предмет изобретения подробное объясняются с помощью предпочтительного примера исполнения, который представлен на приложенных чертежах, на которых показано:

фиг. 1а-1д - изготовление полупроводникового элемента в соответствии с изобретением от исходного материала до конечного изделия и фиг. 2 - графическое представление диффузионного профиля, а также электрического поля в режиме запирания вдоль сечения А-А' в соответствии с фиг. 1б или же сечения А-В в соответствии с фиг. 1д.

Как представлено на фиг. 1а-1д, полупроводниковый элемент в соответствии с изобретением изготавливают из цельной, преимущественно однородно легированной примесью n-типа подложки 1 (фиг. la). Подложка 1 в своей форме как исходный материал относительно толстая, причем толщина выбрана так, что она сводит к минимуму опасность пробоя при обработке подложки 1. Типовые значения составляют 400-600 мкм.

На первом этапе способа подложка 1 с одной стороны легируется примесью n⁺-типа причем для этого используются известные технологии, такие, как имплантация ионов с последующей диффузией, покрытие с последующей диффузией или диффузия из газовой фазы. Как показано на фиг. 1б стрелками, происходит одностороннее легирование. Однако также можно легировать подложку с двух сторон, причем в этом случае подложка затем уменьшается на одной стороне. В подложке 1 получается в итоге диффузионная область 2 с профилем 20 легирования, который увеличивается со стороны источника (фиг. 2), причем он от низколегированной примесью n^--типа зоны переходит в высоколегированную примесью n⁺-типа зону. Форма профиля легирования зависит от технологии изготовления, в общем, она имеет Гауссову форму или соответствует комплементарной функции ошибок.

Глубина проникновения относительно высока, преимущественно она достигает, по меньшей мере, половины толщины подложки 1, однако не доходит до противоположной стороны. Легирование представлено на фиг.1б точками, причем плотность точек схематически обозначает плотность легирования. Преимущественно профиль легирования все же в противоположность представлению в соответствии с фиг. 1б является ступенчатой.

Посредством выбора глубины проникновения, а также подъема профиля легирования 20 может предварительно определяться толщина результирующего полупроводникового элемента, как объясняется позже. Диффузия происходит, в общем, при относительно высокой температуре, преимущественно при температуре выше 1200°С. За счет большой глубины проникновения необходимо относительно длительное время диффузии, в общем, свыше нескольких дней.

В следующем шаге обрабатывается не подвергавшаяся диффузии сторона подложки 1, причем катодная структура 3 с легированным примесью n⁺-типа катодом 3', металлизация катода 4 и преимущественно управляющий электрод 7 наносится или вводится при помощи известных процессов. Эти процессы соответствуют процессам, описанным при NРT технологии, и поэтому здесь больше не объясняются подробно. В зависимости от типа изготавливаемого полупроводникового элемента эти процессы различаются, также как различаются получающиеся из этого структуры активной зоны 3. Представленный на фиг. 1в результат такого рода обработки со стороны катода является поэтому лишь одним примером из многих возможностей.

В следующем шаге подложка 1 на противоположной катодной металлизации 4 стороне уменьшается по своей толщине, преимущественно путем шлифования и травления, как это проводится при технологии NPT, Преимущественно при этом удаляется вся область 2 диффузии до низколегированной примесью n^--типа конечной зоны, которая, по меньшей мере, приблизительно образует зону торможения 21.

В последнем шаге (фиг. 1д) на редуцированной стороне подложки 1 вводится анод с прозрачным анодным эмиттером, в то время как краевая зона соответственно легируется. Эта краевая зона является узкой по сравнению с толщиной результирующего полупроводникового элемента. Анодный эмиттер, который в представленном здесь случае образует весь анод, при этом легируется примесью р⁺-типа, причем поверхностное покрытие легирующими атомами р^--типа на аноде менее 2×10¹⁴ см^-2 преимущественно составляет менее 1×10¹³ см^-2. В зависимости от типа полупроводникового элемента анод имеет структуры различного типа. Затем на этой стороне также может наноситься второй металлический слой, анодная металлизация 6, для обеспечения контакта. Преимущественно к концу эффективность анода уменьшается за счет облучения высокоэнергичными ионами анода 5 и прилегающей к аноду 5 части тормозного слоя 21.

Возникает, как показывает фиг. 1д, полупроводниковый элемент HL с катодной структурой 3 с соответствующей катодной металлизацией 4 и управляющим электродом 7, анодом 5 с соответствующей анодной металлизацией 6 и соседней с анодом 5, преимущественно прилегающей к нему, тормозной зоной 21, который имеет обрезанный к аноду 5 профиль легирования. Полупроводниковый элемент HL в соответствии с изобретением имеет все же относительно небольшую толщину, обычно 80-180 мкм, причем толщина зависит от класса напряжения полупроводникового элемента.

На фиг. 2 виден полный профиль существенных легирований примесями полупроводникового элемента HL в соответствии с изобретением.

Участок от А до А' по ординате показывает подложку 1 в ее первоначальной толщине, участок от А до В толщину изготовленного полупроводникового элемента HL. Абсцисса показывает, с одной стороны, электрическое поле, с другой стороны, она является логарифмической и представляет количество атомов легирования на см³.

Как видно из фиг. 2, легированный примесью n^--типа исходный материал на первом этапе способа для имплантированной или легированной стороны отделяется легированием примесью n, или n⁺-типа, причем плотность: увеличивается к легированной стороне. При уменьшении толщины подложки остающаяся легированная конечная зона, т.е. тормозная зона 21, выбирается по размеру такой, что в режиме запирания полупроводникового элемента происходит лавинный пробой, прежде чем электрическое поле достигло анода 5. Чтобы оптимизировать коэффициент полезного действия эмиттера, легирование тормозной зоны выбирается таким сильным, что на стороне анода достигается пиковое легирование, по меньшей мере, 5×10¹⁴ см, преимущественно 1×10¹⁵ см^-3, и максимально 6×10¹⁶ см^-3, преимущественно 1×10¹⁶ см^-3. Это так в этом примере перед местом = точка В -толщина анода 5, причем точка 15 представляет толщину изготовленного полупроводникового элемента в соответствии с фиг. 1д.

Фиг. 2 показывает, к тому же, электрическое поле в режиме запирания.

Способ в соответствии с изобретением позволяет, таким образом, проводить изготовление тонких силовых полупроводниковых элементов с прозрачным анодом и интегрированным тормозным слоем.

Список обозначений

1 Подложка

2 Диффузионная область

20 Профиль легирования примесью

21 Тормозная зона

3 Структура катода

3' Катод

4 Металлизация катода

5 Анод

6 Металлизация анода

7 Управляющий электрод

HL Полупроводниковый элемент

E_sp Электрическое поле в режиме запирания

Использование: в области силовой электроники. Сущность изобретения: в способе для изготовления полупроводникового элемента с катодом и анодом в полупроводниковую подложку со стороны анода вводят тормозную зону, затем формируют катодную структуру с противоположной стороны, после чего толщину подложки уменьшают на противоположной катоду стороне и в следующем шаге на этой стороне формируют анод. Полупроводниковый элемент полученный данным способом содержит со стороны анода тормозную зону, профиль плотности легирования тормозной зоны соответствует краевому участку профиля легирования. Техническим результатом изобретения является создание тонкого полупроводникового элемента, который может изготавливаться с небольшими затратами. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ изготовления полупроводникового элемента (HL) с катодом (3) и анодом (5) из одной подложки (1), причем а) подложку (1) сначала обрабатывают со стороны катода с формированием катодной структуры (3), металлизации катода (4) и управляющего элемента (7), б) вслед за этим толщину подложки (1) на противоположной катоду (3′) стороне уменьшают и в) в следующем шаге на указанной стороне формируют анод (5), отличающийся тем, что вводят тормозную зону (21) путем производимого до обработки со стороны катода легирования подложки с противоположной катоду (3′) стороны, причем профиль (20) легирования выбирают таким и в результате уменьшения толщины подложки его уменьшают настолько, что после уменьшения толщины подложки остается, по меньшей мере, конечная зона профиля легирования, охватывающая тормозную зону.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что остающуюся конечную зону выбирают по размеру такой, что при повышении напряжения в запертом состоянии полупроводникового элемента (HL) происходит лавинный пробой прежде, чем электрическое поле достигнет анода (5).3. Способ по п.1, отличающийся тем, что необходимую для создания тормозной зоны (21) диффузию производят при температуре, по меньшей мере, 1200°С.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что вводят тормозную зону (21) с пиковым легированием со стороны анода по меньшей мере 5·10¹⁴ см^-3, максимально 6·10¹⁶ см^-3.5. Полупроводниковый элемент с катодом (3′), анодом (5) и тормозной зоной (21), причем тормозная зона (21) является соседней с анодом (5), тормозная зона (21) совместно с анодом (5) образуют конечную зону и плотность легирования тормозной зоны (21) увеличивается к аноду, отличающийся тем, что профиль плотности легирования тормозной зоны (21) соответствует краевому участку профиля легирования.6. Полупроводниковый элемент по п.5, отличающийся тем, что профиль плотности легирования тормозной зоны (21) соответствует краевому участку Гауссова профиля или дополнительного профиля функции ошибок.7. Полупроводниковый элемент по п.5, отличающийся тем, что анод (5) имеет прозрачный анодный эмиттер.8. Полупроводниковый элемент по п.7, отличающийся тем, что поверхностная плотность атомов примеси р-типа на аноде составляет менее 2·10¹⁴ см^-2, преимущественно менее 1·10¹³ см^-2.9. Полупроводниковый элемент по п.5, отличающийся тем, что полупроводниковый элемент имеет толщину 80-180 мкм.