專利名稱：功率半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及象二極管和可控硅一類的功率半導(dǎo)體器件。
在諸如功率轉(zhuǎn)換器或反向器一類操作大功率的系統(tǒng)中，常采用高擊穿電壓、大電流的半導(dǎo)體器件。作為高擊穿電壓的半導(dǎo)體器件，有二極管、可控硅、GTO可控硅、反型導(dǎo)電可控硅等，均具有由多層n-型和p-型半導(dǎo)體構(gòu)成的疊層結(jié)構(gòu)。
在這類半導(dǎo)體器件中，希望加在導(dǎo)電態(tài)半導(dǎo)體器件兩邊的導(dǎo)通電壓VT和從導(dǎo)電態(tài)切換到鎖定態(tài)時反向流過的總電荷、即反向恢復(fù)電荷Qr二者都要充分小。器件中的載流子壽命是決定上述兩種特性的主要因素之一。壽命越長，導(dǎo)通電壓VT越低，而壽命越短，則反向恢復(fù)電荷Qr越小，因而這兩種特性彼此取折中關(guān)系。
作為控制壽命的手段，有如金、鉑等重金屬擴散和射線輻照一類的現(xiàn)成方法。在器件壽命因γ射線或電子束照射而變短的情況下，其沿器件深度方向的壽命是均勻地變短。因此，盡管其反向恢復(fù)電荷可能減小，導(dǎo)通電壓的升高則不可避免。作為通過局部控制壽命來改善半導(dǎo)體器件這些特性的手段，先前的技術(shù)已在JP-A-57-39577和JP-A60-198778中披露。
在JP-A-57-9577中的先前技術(shù)披露的一種方法，是從可控硅主表面進(jìn)行質(zhì)子照射而形成晶格缺陷，致使器件中的載流子壽命局部變短，晶格缺陷區(qū)位于當(dāng)關(guān)斷操作時加有反向電壓的陽極邊pn結(jié)附近耗盡層擴展的區(qū)域。另外，JP-A-60-98778的先前技術(shù)披露了一種方法，它使得當(dāng)關(guān)斷切換時在加有反向電壓的pn結(jié)的兩個區(qū)域之一中的載流子壽命局部縮短，特別是在耗盡層擴展的結(jié)區(qū)附近具有較小雜質(zhì)濃度的兩個區(qū)域之一的區(qū)域內(nèi)。
這兩種現(xiàn)有技術(shù)通過快速減小在關(guān)斷切換操作時耗盡層將要擴展的區(qū)域中的載流子，以使耗盡層能迅速形成，導(dǎo)致反向恢復(fù)電荷Qr迅速減小而抑制導(dǎo)通電壓VT使之升高不多。
圖5說明本作者根據(jù)JP-A-57-39577的先前技術(shù)，在陽電極邊pn結(jié)附近壽命被局部縮短情況下對導(dǎo)通情況下載流子密度分布所作計算的結(jié)果。作為例子，按圖5所畫，在0μm處是陰極邊n-發(fā)射極層的表面，在1520μm處是陽極邊p-發(fā)射極層的一個表面(同樣適用于圖6)。另外，計算中所用的雜質(zhì)濃度分布示于圖2，將稍后解釋(同樣適用于圖6)。在此情況下，既然在其壽命被局部縮短的陽極邊pn結(jié)附近區(qū)域的載流子密度被降低，從而與載流子密度成反比的電阻分量增大，故導(dǎo)通電壓VT將因此而增高。
此外，圖6說明本作者根據(jù)JP-A-60-198778在n-基極層壽命被縮短情況下，對導(dǎo)通情況下載流子密度分布所作計算的結(jié)果。在此情況下，既然p-發(fā)射極層中在導(dǎo)通情況下載流子密度很大，則反向恢復(fù)電荷Qr不會有效地減小。
按本發(fā)明之半導(dǎo)體器件在一對主表面之間至少有一個pn結(jié)。其次，晶格缺陷在從該主表面對之一上形成的第一電極到另一主表面上形成的第二電極方向形成，并保證使晶格缺陷密度朝第二電極方向逐漸增大。
另外，按本發(fā)明之半導(dǎo)體器件由一個第一導(dǎo)電型的第一發(fā)射極層、一.個第二導(dǎo)電型的第一基極層、一個第一導(dǎo)電型的第二基極層和一個第二導(dǎo)電型的第二發(fā)射極層依次彼此鄰接構(gòu)成。其次，第一主電極在該第一發(fā)射極層的主表面上形成，而第二主電極在該第二發(fā)射極層的主表面上形成。而且，晶格缺陷的形成應(yīng)該保證晶格缺陷密度從第一主電極向第二主電極方向逐漸增大。
根據(jù)按本發(fā)明的這種晶格缺陷分布，導(dǎo)通狀態(tài)下器件中的載流子分布可顯著變平。由此，反向恢復(fù)電荷可顯著減小而不增大導(dǎo)通電壓。
此外，按本發(fā)明第一方面的一種半導(dǎo)體器件，具有依次彼此鄰接的第一導(dǎo)電型的第一發(fā)射極層、第二導(dǎo)電型的第一基極層、第一導(dǎo)電型的第二基極層和第二導(dǎo)電型的第二發(fā)射極層，其特征在于包括一個其中載流子壽命沿第二主電極延伸到第一主電極的襯底深度方向在第二發(fā)射極層一邊變短的區(qū)域。
還有，按本發(fā)明第二方面的一種半導(dǎo)體器件，具有依次彼此鄰接的第一導(dǎo)電型的第一發(fā)射極層、第二導(dǎo)電型的第一基極層、第一導(dǎo)電型的第二基極層和第二導(dǎo)電型第二發(fā)射極層，其特征在于第二發(fā)射極層中有一個其壽命比該層其他區(qū)壽命更短的第一區(qū)域，第二基極層中有一個其壽命比該層其他區(qū)壽命更短的第二區(qū)域，且第一區(qū)中的壽命比第二區(qū)中的要短。
再有，按本發(fā)明第三方面的一種半導(dǎo)體器件，具有依次彼此鄰接的第一導(dǎo)電型的第一發(fā)射極層、第二導(dǎo)電型的第一基極層、第一導(dǎo)電型的第二基極層和第二導(dǎo)電型的第二發(fā)射極層，其特征在于包括一個其中載流子壽命沿襯底方向從第二發(fā)射極層內(nèi)到第一發(fā)射極層依次且連續(xù)變短的區(qū)域。
按如上所述本發(fā)明的各種壽命分布，因為導(dǎo)通狀態(tài)下的載流子密度從第一發(fā)射極層到第二發(fā)射極層分布基本均勻，所以可降低導(dǎo)通狀態(tài)下的載流子密度。因此，反向恢復(fù)電荷Qr可能被減小而不使導(dǎo)通電壓VT增高。


圖1是說明本發(fā)明第一實施例的一個光觸發(fā)可控硅的橫截面示意簡圖；圖2是說明該可控硅中雜質(zhì)濃度和晶格缺陷位置的分布簡圖；圖3是說明導(dǎo)電狀態(tài)下該可控硅中的載流子密度分布曲線；圖4是說明當(dāng)一個低壽命區(qū)沿深度方向變化時導(dǎo)通電壓VT和反向恢復(fù)電荷Qr間的關(guān)系曲線；圖5是說明在導(dǎo)電態(tài)狀下在其陽極一邊的pn結(jié)附近局部形成一個低壽命區(qū)的可控硅中載流子密度分布曲線；圖6是說明導(dǎo)電狀態(tài)下僅在其n-基極層形成一個低壽命區(qū)的可控硅中載流子濃度分布曲線；圖7是說明本發(fā)明第一實施例的光觸發(fā)可控硅中雜質(zhì)濃度和晶格缺陷分布的簡圖；圖8是說明本發(fā)明第一實施例的光觸發(fā)可控硅中導(dǎo)通電壓VT和反向恢復(fù)電荷Qr間的關(guān)系曲線；圖9是說明本發(fā)明第一實施例的光觸發(fā)可控硅在導(dǎo)通狀態(tài)下的載流于密度分布曲線；圖10是說明本發(fā)明第二實施例的一個光觸發(fā)可控硅橫截面示意簡圖11是說明本發(fā)明第二實施例的光觸發(fā)可控硅在導(dǎo)通狀態(tài)下的載流于密度分布曲線；圖12是說明作為本發(fā)明第一實施例改型的一個光觸發(fā)可控硅中晶格缺陷分布簡圖；圖13是說明本發(fā)明第三實施例的一個光觸發(fā)可控硅中雜質(zhì)濃度和晶格缺陷分布的簡圖；圖14是說明本發(fā)明第三實施例的光觸發(fā)可控硅在導(dǎo)通狀態(tài)下的載流子密度分布曲線；圖15是說明本發(fā)明第四實施例的一個二極管橫截面示意簡圖；圖16是說明本發(fā)明第四實施例的二極管中雜質(zhì)濃度和晶格缺陷分布的簡圖；圖17是說明第四實施例的二極管在導(dǎo)通狀態(tài)下的載流子密度分布曲線；圖18是說明第四實施例的二極管制造方法的示意簡圖；圖19是說明本發(fā)明第五實施例的一個二極管中雜質(zhì)濃度和晶格缺陷分布的簡圖；圖20是說明本發(fā)明第五實施例的二極管在導(dǎo)通狀態(tài)下的載流子密度分布曲線；圖21是說明第五實施例的二極管制造方法的示意簡圖；圖22是說明本發(fā)明第六實施例的一個光觸發(fā)可控硅中雜質(zhì)濃度和晶格缺陷分布的簡圖；以及圖23是說明本發(fā)明第七實施例的一個光觸發(fā)可控硅中雜質(zhì)濃度和晶格缺陷分布的簡圖。
圖1表明按本發(fā)明第一實施例的一個光觸發(fā)可控硅的橫截面視圖，圖7表明本發(fā)明第一實施例的光觸發(fā)可控硅中雜質(zhì)濃度和晶格缺陷的分布。
本發(fā)明這一實施例的光觸發(fā)可控硅為包含n-發(fā)射極層21、p-基極層22、n-基極層23和p-發(fā)射極層24的四層結(jié)構(gòu)。陰電極31借助上部的中間電極板33與一個上電極接線柱緊壓接觸，陽電極32借助下部的中間電極板34與一個下電極接線柱緊壓接觸。器件的側(cè)端經(jīng)機械切割并覆蓋鈍化薄膜41以防止放電和擊穿電壓的降低。另外，安置的光波導(dǎo)51在一個控制電路的控制下導(dǎo)入光信號，按光觸發(fā)可控硅、放大可控硅和主可控硅的順序來觸發(fā)可控硅進(jìn)入導(dǎo)電狀態(tài)。在這種設(shè)置下，在光觸發(fā)可控硅上的一個電極和放大可控硅上的一個電極是作為控制主可控硅導(dǎo)電態(tài)的輔助電極。
在本發(fā)明的這個實施例中，要控制晶格缺陷區(qū)11的形成，以使沿襯底方向從p-發(fā)射極層24向n-發(fā)射極層21流動的載流子壽命在p-發(fā)射極層24一邊變短。這個晶格缺陷區(qū)11的最大值最好處在一個當(dāng)施加額定電壓時耗盡層不會達(dá)到的區(qū)域。換言之，通過把晶格缺陷變得最大的位置安排在當(dāng)施加額定電壓時耗盡層不會達(dá)到的區(qū)域內(nèi)，則漏電流增大的問題便可忽略。由此，設(shè)置晶格缺陷區(qū)11的最大值位于陽極32一邊，且陰極一邊的缺陷量逐漸減少，則有可能使導(dǎo)通狀態(tài)下的載流子密度從載流子密度高的p-發(fā)射極層24到載流子密度低的n-發(fā)射極層21方向保持恒定，且有可能有效地減小反向恢復(fù)電荷Qr而不增大導(dǎo)通電壓VT。
為比較起見，下面來描述我們對局部引入晶格缺陷情況的研究結(jié)果。
圖2表明可控硅中雜質(zhì)濃度分布的例子，該可控硅為包含n-發(fā)射極層21、p-基極層22、n-基極層23和p-發(fā)射極層24的四層結(jié)構(gòu)。(a)到(g)標(biāo)記的部分是引進(jìn)晶格缺陷的區(qū)域。
圖3是說明當(dāng)壽命未加控制時導(dǎo)通狀態(tài)下該可控硅中的載流子密度分布曲線。n-發(fā)射極一邊在導(dǎo)通狀態(tài)下的載流子密度較低，因為采用了一種所謂發(fā)射極短路結(jié)構(gòu)，其中的n-發(fā)射極層21和p-基極層22被陰極局部短路。
圖4表明對圖2中在每個用斜線標(biāo)記的區(qū)域形成短壽命區(qū)的每種情況下，導(dǎo)通電壓VT與反向恢復(fù)電荷Qr間關(guān)系的計算結(jié)果，其中與晶格缺陷區(qū)11相對應(yīng)的每個短壽命區(qū)的寬度設(shè)為20μm。按照晶格缺陷區(qū)11的位置，導(dǎo)通電壓VT和反向恢復(fù)電荷Qr間的關(guān)系是不同的，如圖4所示。由圖可知，在(a)、(b)或(c)的情況下，即相應(yīng)于晶格缺陷區(qū)11的短壽命區(qū)在p-發(fā)射極層24中形成，或在靠近p-發(fā)射極層一邊的n-基極層23中形成，可使反向恢復(fù)電荷Qr減小，而同時抑制導(dǎo)通電壓VT的升高。另一方面，在(d)，(e)，(f)或(g)情況下，短壽命區(qū)朝n-發(fā)射極層21形成，不可能有效地減小反向恢復(fù)電荷Qr，且導(dǎo)通電壓VT不可避免地要增高。既然這樣的短壽命區(qū)使那些在導(dǎo)通狀態(tài)下載流子密度低的區(qū)域的載流子進(jìn)一步減少，就會使與載流子密度成反比的電阻分量增大，從而使導(dǎo)通電壓VT升高。
因此，從圖4之結(jié)果可以理解，通過縮短在導(dǎo)通狀態(tài)下載流子密度高的p-發(fā)射層一邊的載流子壽命，可有效地減小反向恢復(fù)電荷Qr，而同時抑制導(dǎo)通電壓VT的升高。由此，為有效地減小反向恢復(fù)電荷Qr，就必須使在導(dǎo)通狀態(tài)下的載流子濃度在從p-發(fā)射極層24到n-發(fā)射極層21的一個區(qū)域內(nèi)保持恒定。
下面將本發(fā)明這個實施例的特性與上述研究結(jié)果進(jìn)行比較。圖8表明導(dǎo)通電壓VT和反向恢復(fù)電荷Qr間的關(guān)系。在圖8的曲線中，同時給出了圖2中所示短壽命區(qū)僅在(a)和僅在(b)局部形成的情況以供比較。正如圖8所示，在圖7的第一實施例情況下，可能使反向恢復(fù)電荷Qr減小而抑制其導(dǎo)通電壓VT的升高比之僅在(a)或(b)處局部形成短壽命區(qū)的情況更有效。
作為提供晶格缺陷區(qū)11從而形成短壽命區(qū)的手段，有已知的質(zhì)子或氦離子連續(xù)照射的方法，它形成寬的缺陷區(qū)。近約15MeV的質(zhì)子照射將產(chǎn)生50μm左右的晶格缺陷區(qū)。這種照射可重復(fù)多次，以便獲得所希望的晶格缺陷。另一種重復(fù)質(zhì)子照射的方法，是照射p-發(fā)射極層24以使該區(qū)內(nèi)產(chǎn)生大量晶格缺陷，而照射n-基極層23則使其晶格缺陷總量逐漸減少。
參照圖12，這里描繪了圖7第一實施例的一種變型中的晶格缺陷分布，在其襯底深度方向引進(jìn)了間隔為50μm的多個晶格缺陷區(qū)。照射的進(jìn)行要使得晶格缺陷的最大值出現(xiàn)在p-發(fā)射極層24中耗盡層遠(yuǎn)不會達(dá)到的區(qū)域內(nèi)，并使進(jìn)入n-基極層23一邊區(qū)域的照射逐漸減弱。在晶格缺陷最大值處的壽命設(shè)為(例如)壽命未加控制的p-發(fā)射極層24中區(qū)域內(nèi)壽命值的1/10。
參照圖10，它表明本發(fā)明第二實施例的一個可控硅橫截面視圖。在該圖中，與圖1同樣的標(biāo)識號對應(yīng)相同的組成部分。
本發(fā)明的第二實施例的特征在于其p-發(fā)射極層24和n-基極層23中含有晶格缺陷區(qū)11。在p-發(fā)射極層24中待形成的晶格缺陷區(qū)1真位于該層之中、且在外加額定電壓時擴展的耗盡層之外的一個區(qū)域內(nèi)。因此，在阻塞狀態(tài)下的漏電流不會增大。另外，在此情況下的晶格缺陷區(qū)11寬度設(shè)置為10-20μm，且由于這晶格缺陷引起的壽命值設(shè)置為p-發(fā)射極層24內(nèi)其他區(qū)域中壽命的1/20。再有，在n-基極層23中也引進(jìn)晶格缺陷區(qū)11。在此情況下，晶格缺陷區(qū)1真的寬度設(shè)置為50-100μm，且由于這晶格缺陷引起的壽命值設(shè)置為在n-基極層23內(nèi)其他區(qū)域中壽命的1/2。
假如晶格缺陷區(qū)11的寬度大于等于50μm時，則漏電流的增大可予忽略。然而，當(dāng)晶格缺陷區(qū)11的寬度小于50μm時，由于這晶格缺陷引起的壽命值必須減小到1/10，并且在外加額定電壓下，當(dāng)耗盡層擴展到晶格缺陷區(qū)11時，漏電流便迅速增大。因此，不能保證預(yù)置的擊穿電壓。
圖11表明按本發(fā)明第二實施例的導(dǎo)通狀態(tài)下的載流子密度分布。
設(shè)置p-發(fā)射極層24和n-基極層23中待形成的晶格缺陷區(qū)11的數(shù)量，要使得在導(dǎo)通狀態(tài)下的載流子密度在p-發(fā)射極層24中變大，而在n-基極層23中變小，因而在導(dǎo)通狀態(tài)下的載流子密度從陽極32一邊到陰極31一邊基本為恒定值。因此，可有效地減小反向恢復(fù)電荷Qr而不會引起導(dǎo)通電壓VT的升高。另外，通過在n-基極層23中朝p-發(fā)射極層24一邊而不在口-型基極層23中心位置處形成晶格缺陷區(qū)11，則可最有效地減小反向恢復(fù)電荷Qr。
圖8還表明圖10第二實施例的導(dǎo)通電壓VT和反向恢復(fù)電荷Qr間的關(guān)系?？吹脚c圖7第一實施例差不多相同的關(guān)系。因此，第二實施例也能減小反向恢復(fù)電荷Qr而抑制導(dǎo)通電壓VT的增大。
作為在本發(fā)明該實施例中形成晶格缺陷區(qū)1真的手段，可采用質(zhì)子或氦離子照射的方法。對于在p-發(fā)射極層24中形成的晶格缺陷，希望得到窄的缺陷區(qū)。例如，為形成一個10μm的晶格缺陷區(qū)，可施加5MeV左右的質(zhì)子照射。另一方面，就n-基極層24中形成的晶格缺陷而言，則希望得到寬的缺陷區(qū)。例如，為形成一個50μm的晶格缺陷區(qū)，可施加約15MeV的質(zhì)子照射。
此外，正如下面將要描述的，可采用質(zhì)子或氦離子照射的方法，從而使晶格缺陷數(shù)量在p-發(fā)射極層24中從陰極開始擴展的耗盡層遠(yuǎn)達(dá)不到的區(qū)域內(nèi)變得最大。
本發(fā)明第三實施例的可控硅中的雜質(zhì)濃度和晶格缺陷分布在圖13中說明。在這個晶格缺陷區(qū)11中的最大值最好位于當(dāng)外加額定電壓時耗盡層遠(yuǎn)達(dá)不到的區(qū)域。由于在這樣一個區(qū)域形成最大晶格缺陷，則漏電流的增大將變得可忽略不計。
圖14說明本發(fā)明第三實施例中有或沒有壽命控制的情況下導(dǎo)通狀態(tài)下載流子濃度的分布。在此實施例中，晶格缺陷區(qū)1真的最大值定位在靠近陽極32，且因為晶格缺陷量向陰極方向逐漸減少，因而使導(dǎo)通狀態(tài)下載流子有可能沿其載流子密度高的p-發(fā)射極層24到其載流子密度低的n-基極層21方向基本保持恒定值，從而可有效地減小反向恢復(fù)電荷Qr而抑制導(dǎo)通電壓VT的升高。
參照圖15，它說明本發(fā)明第四實施例的一個二極管橫截面圖。圖16說明這個二極管中雜質(zhì)濃度和晶格缺陷的分布。該二極管中雜質(zhì)濃度分布的結(jié)構(gòu)包括一個高濃度的n-層61、一個低濃度的n-層62和p-層63。陰極31借助上部的中間電極板33與一個上電極接線柱緊接觸，陽極32借助下部的中間電極板34與一個下電極接線柱緊接觸。器件的側(cè)端部分經(jīng)機械切割成斜角，并覆蓋鈍化薄膜51以防止放電及耐壓的降低。在此實施例中，通過質(zhì)子或氦離子照射沿其襯底深度方向形成從陽極32擴展到陰極31的晶格缺陷區(qū)11。這個晶格缺陷區(qū)11的形成使得其晶格缺陷密度沿從陽極邊到陰極邊的方向逐漸增大。
圖17表明在圖16的二極管中引入晶格缺陷前后的電子密度分布的計算結(jié)果。在具有圖16所示雜質(zhì)濃度分布的半導(dǎo)體器件中，由于提供了一個高濃度的n-層61，引入晶格缺陷前的導(dǎo)通狀態(tài)下的電子密度高于陰極31一邊。因此通過引進(jìn)如圖2所示與導(dǎo)通狀態(tài)下的電子密度成比例的晶格缺陷，則引入入晶格缺陷后的導(dǎo)通狀態(tài)下的電子密度在從n-層62內(nèi)的陽極32一邊到陰極31一邊的整個區(qū)域顯著變平。所以，導(dǎo)通電壓VT的增大能得以抑制，而反向恢復(fù)電荷Qr也可減小。換句話說，導(dǎo)通電壓和反向恢復(fù)電荷之間的協(xié)調(diào)關(guān)系可顯著改善。由于在本發(fā)明的第四實施例中，其壽命沿其襯底深度方向得到連續(xù)控制，在襯底深度方向上的壽命變化變小，因而器件兩端間的反向恢復(fù)電荷Qr的變化變小。另外，按本實施例，既然存在于耗盡區(qū)內(nèi)的缺陷數(shù)量少，并且晶格缺陷密度變?yōu)樽畲笾档奈恢貌辉诤谋M層內(nèi)，故其漏電流幾乎不會增大，且可以得到預(yù)定的耐壓。
圖18表示圖15中二極管的制造方法。采用質(zhì)子或氦離子照射，晶格缺陷可在由特定注入能量所決定的特定區(qū)域內(nèi)局部形成。例如，以13MeV的質(zhì)子照射，晶格缺陷密度的最大值可以在其Si襯底深度方向約1100μm的位置形成。在本實施例采用的半導(dǎo)體襯底厚度為1000μm的情況下，從陽極表面照射13MeV的質(zhì)子，晶格缺陷密度在其襯底深度方向可以形成如圖18所示的分布，致使晶格缺陷密度從陽極32到陰極31的方向逐漸增大，因而其晶格缺陷密度最大值的位置在半導(dǎo)體襯底之外形成。因此，漏電流的增大變得可以忽略。
另外，在圖15的實施例中，由于高濃度n-層61的雜質(zhì)密度比p-層63的高，高濃度n-層61邊的晶格缺陷密度增大。然而，在p-層63雜質(zhì)濃度比高濃度n-層61的要高的情況下，陽極32一邊的導(dǎo)通狀態(tài)下的電子密度分布變得更高。在此情況下，通過從陰極31一邊的質(zhì)子或氦離子照射，其導(dǎo)通狀態(tài)下的電子密度分布在n-層62內(nèi)從陽極32到陰極31的方向上顯著變平，因此，導(dǎo)通電壓VT和反向恢復(fù)電荷Qr之間的協(xié)調(diào)關(guān)系得到明顯改善。
圖19表明本發(fā)明第四實施例的二極管中雜質(zhì)濃度和晶格缺陷密度的分布，圖19中同樣的標(biāo)號對應(yīng)于圖15和16中同樣的標(biāo)號。注意到在這種二極管的雜質(zhì)濃度分布中，p-層63的雜質(zhì)濃度比圖16中的要低。在p-層63具有高雜質(zhì)濃度情況下，其晶格缺陷引入前的導(dǎo)通狀態(tài)下的電子密度在陽極32和陰極31之間約相差兩倍，如圖17所示。相反，在p-層63具有低雜質(zhì)濃度的情況下，其晶格缺陷引入前的導(dǎo)通狀態(tài)下的電子密度在n-層62內(nèi)陰極31一邊比陽極32一邊要高一個數(shù)量級。按照圖16的質(zhì)子照射方法，陰極31一邊與陽極32一邊的晶格缺陷之比最多是2～3倍。因此，僅用圖16的質(zhì)子照射方法不可能使電子密度從陰極31一邊到陽極32一邊在n-層62內(nèi)的變平。因此，除了上述方法外，采用質(zhì)子或氦離子照射在耗盡區(qū)之外形成其晶格缺陷密度取最大值的區(qū)域12，該耗盡區(qū)當(dāng)外加額定電壓時形成，以維持外用電壓。由此，從高濃度n-層61的電子注入被抑制，因而得到圖20所示晶格缺陷引入后的導(dǎo)通狀態(tài)下的電子密度分布，該分布從陰極31一邊到陽極32一邊在n-層62內(nèi)的變平。這樣，就有可能在抑制導(dǎo)通電壓VT增大的同時，有效地使反向恢復(fù)電荷Qr變得最小。
圖21表明圖19中二極管的制造方法。作為形成這種晶格缺陷分布的方法，采用兩步質(zhì)子照射。首先進(jìn)行的質(zhì)子照射要使得最大晶格缺陷密度的位置在半導(dǎo)體襯底之外形成。然后，以近約1MeV的低照射能量從陰極31一邊進(jìn)行質(zhì)子照射，在距陰極表面10μm處形成最大晶格缺陷密度的區(qū)域12。根據(jù)這種采用質(zhì)子照射的制造方法，壽命在深度方向上可得以連續(xù)控制，從而可引入與導(dǎo)通狀態(tài)下的電子密度成比例的合適的晶格缺陷。由此，反向恢復(fù)電荷和導(dǎo)通電壓之間的協(xié)調(diào)關(guān)系可得到顯著改善。另外，由于只采用一種質(zhì)子源作為照射源，制造過程被簡化。
此外，作為圖19中二極管的另一種制造方法，有一種單步質(zhì)子照射法。例如采用12MeV的質(zhì)子照射，晶格缺陷密度最大值在Si襯底深度方向約950μm處形成。在用于本實施例的半導(dǎo)體襯底厚度是1000μm情況下，通過質(zhì)子照射，其襯底深度方向的晶格缺陷密度從陽極32到陰極31逐漸增大，而其最大晶格缺陷密度位于低濃度n-層62內(nèi)以維持額定電壓而形成的耗盡層之外。因此，漏電流將不會增大。
參見圖22，該圖表明本發(fā)明在第六實施例的光觸發(fā)可控硅中雜質(zhì)濃度和晶格缺陷密度的分布。同樣的標(biāo)號對應(yīng)于圖1和2中的相同標(biāo)號。除了晶格缺陷密度的分布以外，這種光觸發(fā)可控硅的結(jié)構(gòu)與圖1器件相同。
在這個實施例中，通過質(zhì)子或氦離子照射，晶格缺陷區(qū)1.真的形成沿襯底深度方向從陰極31擴展到陽極32。形成這種晶格缺陷區(qū)11使得其晶格缺陷密度從陰極一邊到陽極一測逐漸增大。通過我們的研究發(fā)現(xiàn)，在n-發(fā)射極層21和p-基極層22通過陰極31部分短路的光觸發(fā)可控硅中，特別是在具有如圖22所示雜質(zhì)濃度分布的可控硅中，引入晶格缺陷前其導(dǎo)通狀態(tài)下的載流子密度在陽極一邊增大，所以，引入晶格缺陷后其導(dǎo)通狀態(tài)下的電子密度在n-基極層23內(nèi)從陽極一邊到陰極一邊變平，因此，可減小反向恢復(fù)電荷Qr而不會引起導(dǎo)通電壓VT的增大。
在本發(fā)明的這個實施例中，由于其壽命在襯底深度方向同樣得以連續(xù)控制，器件中的反向恢復(fù)電荷起伏最小。另外，既然當(dāng)外加額定電壓時存在于耗盡層內(nèi)的晶格缺陷數(shù)量較少，而且，由于最大晶格缺陷密度的位置不在于耗盡區(qū)內(nèi)，因而漏電流不會增大。
圖22中的光觸發(fā)可控硅采用13MeV的質(zhì)子照射制造，例如，假定半導(dǎo)體襯底厚度為1000μm，從陰極主表面照射。在這種情況下，其晶格缺陷密度在襯底深度方向從陰極到陽極逐漸增大，且其最大晶格缺陷密度位置在半導(dǎo)體襯底外形成，從而產(chǎn)生如圖22所示具有晶格缺陷區(qū)11的晶格缺陷密度分布。
參見圖23，它表明本發(fā)明第七實施例的光觸發(fā)可控硅的雜質(zhì)濃度和晶格缺陷密度分布。圖23中同樣的標(biāo)號對應(yīng)于圖1和2中同樣的標(biāo)號。除晶格缺陷區(qū)外，該可控硅的結(jié)構(gòu)與圖1相同。在本發(fā)明的此實施例中，區(qū)域12采用質(zhì)子或氦離子照射形成，位于為維持外加額定電壓而形成的耗盡區(qū)外晶格缺陷密度最大處。在該光觸發(fā)可控硅的雜質(zhì)濃度分布中，p-發(fā)射極層24具有比圖22第六實施例更高的濃度。根據(jù)本發(fā)明者的研究，在p-發(fā)射極層24具有更高濃度情況下，引入晶格缺陷前的導(dǎo)通狀態(tài)下的電子密度在n-基極層23內(nèi)的陽極32一邊比陰極31一邊高出一個數(shù)量級。所以，僅采用圖22的質(zhì)子照射法不可能在n-基極層23內(nèi)從陰極31一邊到陽極32一邊使空穴密度變平。因此，除上述方法外，還可通過質(zhì)子或氦離子照射使產(chǎn)生最大晶格缺陷密度的區(qū)域12位于以維持額定電壓而形成的耗盡區(qū)之外。由此，來自p-發(fā)射極層24的電子注入被抑制，從而引入晶格缺陷后的導(dǎo)通狀態(tài)下的載流子密度分布在從陰極一邊到n-基極層23內(nèi)陽極一邊的整個區(qū)域內(nèi)變個。因此，在抑制導(dǎo)通電壓VT增大的同時，可有效地減小反向恢復(fù)電荷Qr。
作為一種獲得具有圖23所示晶格缺陷分布的可控硅的方法，可采用兩步質(zhì)子照射法。即如在本發(fā)明第四實施例中所描述的，進(jìn)行質(zhì)子照射使得最大晶格缺陷密度的位置在半導(dǎo)體襯底之外形成，然后，從陽極32一邊進(jìn)行照射能量近約1MeV的第二次低能質(zhì)子照射，使得在離陰極表面10μm的位置形成最大晶格缺陷密度區(qū)12。
另外，作為獲得上述可控硅的另一方法，可采用單步質(zhì)子照射法。假設(shè)半導(dǎo)體襯底厚度為100μm，12MeV的質(zhì)子照射將在襯底深度方向產(chǎn)生圖23所示之晶格缺陷分布，其中晶格缺陷密度從陰極31向陽極32逐漸增大，且最大晶格缺陷密度位置處在外加額定電壓時形成的耗盡區(qū)之外的p-型發(fā)射極層24中。因此，漏電流不會增大。
如上所述，按本發(fā)明可有效地減小反向恢復(fù)電荷Qr而抑制導(dǎo)通電壓VT的增大。
權(quán)利要求
1.一種由一對主表面、至少一個位于主表面之間的pn結(jié)、在一個主表面上形成第一主電極、在另一個主表面上形成的第二主電極構(gòu)成的半導(dǎo)體器件，包含密度從第一主電極到第二主電極方向逐漸增大的晶格缺陷。
2.一種按權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，在為維持額定電壓而形成的耗盡區(qū)之外的位置處存在晶格缺陷密度的一個最大值。
3.一種由一個第一導(dǎo)電型的第一發(fā)射極層、一個與第一發(fā)射極層相鄰的第二導(dǎo)電型的第一基極層、一個與第一基極層相鄰的第一導(dǎo)電型的第二基極層、一個與第二基極層相鄰的第二導(dǎo)電型的第二發(fā)射極層、一個在第一發(fā)射極層形成的第一主電極和一個在第二發(fā)射極層形成的第二主電極構(gòu)成的半導(dǎo)體器件，包含密度從第一主電極到第二主電極方向逐漸增大的晶格缺陷。
4.一種按權(quán)利要求3的半導(dǎo)體器件，位于耗盡區(qū)之外存在晶格缺陷密度的一個最大值，該耗盡區(qū)在所述第二基極層和所述第二發(fā)射極層之間形成而得以維持額定電壓。
5.一種按權(quán)利要求3的半導(dǎo)體器件，其載流子壽命從第一主電極到第二主電極方向減小。
6.一種由一個第一導(dǎo)電型的第一發(fā)射極層、一個與第一發(fā)射極層相鄰的第二導(dǎo)電型的第一基極層、一個與第一基極層相鄰的第一導(dǎo)電型的第二基極層、一個與第二基極層相鄰的第二導(dǎo)電型的第二發(fā)射極層、在第一發(fā)射極層形成的第一主電極和在第二發(fā)射極層形成的第二主電極構(gòu)成的半導(dǎo)體器件，包含從第二主電極到第一主電極方向減小的載流子壽命。
7.一種由一個第一導(dǎo)電型的第一發(fā)射極層、一個與第一發(fā)射極層相鄰的第二導(dǎo)電型的第一基極層、一個與第一基極層相鄰的第一導(dǎo)電型的第二基極層、一個與第二基極層相鄰的第二導(dǎo)電型的第二發(fā)射極層、在第一發(fā)射極層形成的第一主電極和一個在第二發(fā)射極層形成的第二主電極構(gòu)成的半導(dǎo)體器件，包括一個在第二發(fā)射極層內(nèi)的第一區(qū)，在所述第一區(qū)內(nèi)的壽命比第二發(fā)射極層內(nèi)其他區(qū)域的要短；以及一個在第二基極層內(nèi)的第二區(qū)，在所述第二基極層的壽命比第二基區(qū)層內(nèi)其他區(qū)域的要短；其中第一區(qū)的壽命比第二區(qū)的壽命更短。
8.按權(quán)利要求7的半導(dǎo)體器件，其中所述第一區(qū)在耗盡層外形成，該耗盡層是當(dāng)所述半導(dǎo)體器件外加額定電壓時在第二發(fā)射極層內(nèi)形成的。
9.按權(quán)利要求7的半導(dǎo)體器件，其中所述第二基極層內(nèi)的第二區(qū)從所述第二基極層中心開始在所述第二發(fā)射區(qū)一邊形成。
10.按權(quán)利要求7的半導(dǎo)體器件，其中所述壽命通過在半導(dǎo)體層中引入晶格缺陷來控制。
11.按權(quán)利要求10的半導(dǎo)體器件，其中在所述第一區(qū)中的晶格缺陷總量比所述第二區(qū)中的晶格缺陷總量要大1-10倍。
12.一種由一個第一導(dǎo)電型的第一發(fā)射極層、一個與第一發(fā)射極層相鄰的第二導(dǎo)電型的第一基極層、一個與第一基極層相鄰的第一導(dǎo)電型的第二基極層、一個與第二基極層相鄰的第二導(dǎo)電型的第二發(fā)射極層、在第一發(fā)射極層上形成的第一主電極和在第二發(fā)射極層上形成的第二主電極構(gòu)成的半導(dǎo)體器件，包括一個從第二發(fā)射極層向第一發(fā)射極層方向擴展的區(qū)域，該區(qū)中的壽命沿同一方向逐漸而連續(xù)地增大。
13.按權(quán)利要求12的半導(dǎo)體器件，其中所述壽命逐漸而連續(xù)增大的所述區(qū)域從所述第二基極層的中心開始在所述第二發(fā)射極層一邊的位置處形成。
14.按權(quán)利要求12的半導(dǎo)體器件，其中在所述壽命逐漸而連續(xù)增大的區(qū)域中的第二發(fā)射層部分的壽命短于所述區(qū)域中第二基極層部分的壽命。
15.按權(quán)利要求12的半導(dǎo)體器件，其中所述壽命通過在半導(dǎo)體中引進(jìn)晶格缺陷來控制。
16.按權(quán)利要求15的半導(dǎo)體器件，其中所述壽命逐漸而連續(xù)增大的區(qū)域中的晶格缺陷最大值的位置，處在當(dāng)所述半導(dǎo)體器件外加額定電壓時在第二發(fā)射極層形成的耗盡區(qū)之外。
全文摘要
在一種如二極管和可控硅這類至少包含一個位于一對主表面之間的pn結(jié)、一個在主表面之一的表面上形成的第一主電極和一個在另一主表面上形成的第二主電極的半導(dǎo)體器件中，形成一種半導(dǎo)體晶格缺陷，使得晶格缺陷密度從第一主電極到第二主電極方向逐漸增大。由于導(dǎo)通狀態(tài)下的載流子密度分布可按本發(fā)明的方法變平坦，故可使反向恢復(fù)電荷Q
文檔編號H01L29/74GK1150337SQ9611308
公開日1997年5月21日 申請日期1996年10月3日 優(yōu)先權(quán)日1995年10月3日
發(fā)明者石川勝美, 齊藤克明, 佐藤裕, 渡邊篤雄, 加藤修治, 門馬直弘 申請人:株式會社日立制作所