(57)【要約】      （修正有）【課題】高い逆降伏電圧、短い逆回復時間Ｔｒｒを有し、ハードコミュテーションの用途での長期使用にわたる逆降伏電圧の安定性に関しても、丈夫であるインバースダイオードダイを提供する。【解決手段】ダイ１は、非常にわずかにドープされた底側Ｐ型アノード領域４を有し、その上にＮ−型ドリフト領域６も有する。両方の領域はバルクウェハ材料からなる。Ｎ＋型コンタクト領域は、ドリフト領域内まで下向きに広がっている。上側金属電極１１はコンタクト領域上にある。Ｐ型シリコン周側壁領域９は、ドリフト領域の周囲を側方から取り囲む。上側パッシベーション層１０は、上側電極の周囲を取り囲む。底側金属電極１２は、ダイの底部にある。ダイは、Ｎ−ドリフト領域を通って広がっている水素イオンの深層１３を有する。ダイはまた、イオン薄層１４も有する。両方のイオン層は、底側から注入される。【選択図】図１
2019050358.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体上面、半導体底面、及び周側縁を有するパワー半導体デバイスダイであって、前記ダイは、
前記ダイの前記半導体底面から上方に広がって、前記ダイの前記周側縁に向かって横向きに外側方向にも広がっている底側Ｐ型シリコン領域であって、前記底側Ｐ型シリコン領域は８×１０１７原子／ｃｍ３未満のＰ型ドーパント濃度を有する、底側Ｐ型シリコン領域と、
前記底側Ｐ型シリコン領域上に配置されるＮ−型シリコン領域と、
前記半導体上面から前記Ｎ−型シリコン領域内まで下方に広がっているＮ＋型シリコンコンタクト領域と、
前記ダイの前記周側縁から横向きに内側方向に広がって、かつ前記Ｎ−型シリコン領域を側方から取り囲む、Ｐ型シリコン周側壁領域であって、前記Ｐ型シリコン周側壁領域は、前記底側Ｐ型シリコン領域に接しており、それによってＰ型アイソレーション構造を形成し、前記Ｎ−型シリコン領域、前記Ｎ＋型シリコンコンタクト領域、前記Ｐ型シリコン周側壁領域、及び底側Ｐ型シリコン領域の各々は、バルクシリコンウェハ材料からなる、Ｐ型シリコン周側壁領域と、
前記ダイの前記半導体上面の一部の上に配置される上側パッシベーション層であって、前記上側パッシベーション層は前記Ｐ型シリコン周側壁領域上に配置され、かつ前記Ｎ＋型シリコンコンタクト領域の周囲を取り囲む、上側パッシベーション層と、
水素イオン局所濃度ピーク表面に配置される分布を有する水素イオンの深層であって、前記水素イオン局所濃度ピーク表面は前記半導体底面と平行な平面に広がっている平坦な表面であり、前記水素イオン局所濃度ピーク表面は前記Ｎ−型シリコン領域を通って広がっているが、前記底側Ｐ型シリコン領域を通っては広がっていない、水素イオンの深層と、
イオン局所濃度ピーク表面に配置される分布を有するイオン薄層であって、前記イオン局所濃度ピーク表面は前記半導体底面と平行な面に広がっている平坦な表面であり、前記イオン局所濃度ピークは、前記底側Ｐ型シリコン領域を通って広がっているが、前記Ｎ−型シリコン領域を通っては広がっておらず、前記イオン薄層の前記イオンは、水素イオン及びヘリウムイオンからなる群から選択されるイオンである、イオン薄層と、
前記Ｎ＋型シリコンコンタクト領域上に配置される上側金属と、
前記ダイの前記半導体底面に配置される底側金属電極と、を含む、パワー半導体デバイスダイ。
【請求項２】
前記底側Ｐ型シリコン領域の前記Ｐ型ドーパント濃度は１×１０１６原子／ｃｍ３未満である、請求項１に記載のパワー半導体デバイスダイ。
【請求項３】
半導体デバイスダイは少なくとも１８００ボルトの逆降伏電圧を有するディスクリートダイオードデバイスである、請求項１に記載のパワー半導体デバイスダイ。
【請求項４】
（ａ）半導体ウェハ中に構造を形成する工程であって、前記ウェハは半導体底面及び半導体上面を有し、前記半導体ウェハからなるダイ領域があり、前記ダイ領域は４つの周側縁を有し、前記構造は、
前記半導体底面から上方に広がって、前記ダイ領域の前記４つの周側縁に向かって横向きに外側方向にも広がっている底側Ｐ型シリコン領域であって、前記底側Ｐ型シリコン領域は８×１０１７原子／ｃｍ３未満のＰ型ドーパント濃度を有する、底側Ｐ型シリコン領域と、
前記ダイ領域内の前記底側Ｐ型シリコン領域上に配置されるＮ−型シリコン領域と、
前記半導体上面から前記Ｎ−型シリコン領域内まで下方に広がっている、Ｎ＋型シリコンコンタクト領域と、
前記Ｎ−型シリコン領域を側方から取り囲むＰ型シリコン周側壁領域であって、前記Ｐ型シリコン周側壁領域及び前記底側Ｐ型シリコン領域は共に、前記半導体上面から前記半導体底面まで広がっているＰ型アイソレーション構造の一部であり、前記Ｎ−型シリコン領域、前記Ｎ＋型シリコンコンタクト領域、前記Ｐ型シリコン周側壁領域、及び前記底側Ｐ型シリコン領域の各々はバルクシリコンウェハ材料からなる、Ｐ型シリコン周側壁領域と、を含む、形成する工程と、
（ｂ）水素イオンの深層が形成されるように、前記半導体底面を通して水素イオンをイオン注入する工程であって、前記水素イオンの深層は水素イオン局所濃度ピーク表面について配置される分布を有し、前記水素イオン局所濃度ピーク表面は前記Ｎ−型シリコン領域を通って広がっているが、前記底側Ｐ型シリコン領域を通っては広がっていない、イオン注入する工程と、
（ｃ）イオン薄層が形成されるように、前記半導体底面を通してイオンをイオン注入する工程であって、前記イオン薄層は、イオン局所濃度ピーク表面について配置される分布を有し、前記イオン局所濃度表面は前記水素イオンの深層と前記半導体底面の間に配置され、前記イオン薄層の前記イオンは水素イオンおよびヘリウムイオンからなる群から選択されるイオンである、イオン注入する工程と、
（ｄ）前記上側パッシベーション層が前記半導体上面の一部の上に配置されるように上側パッシベーション層を形成する工程と、
（ｅ）前記Ｎ＋型シリコンコンタクト領域と接触している上側金属電極を形成する工程と、
（ｆ）前記底側Ｐ型シリコン領域と接触している底側金属電極を形成する工程と、を含む方法。
【請求項５】
工程（ｄ）の後に工程（ｂ）及び工程（ｃ）が行われる、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
工程（ｄ）の前に工程（ｂ）及び工程（ｃ）が行われる、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
工程（ｆ）の後に工程（ｂ）及び工程（ｃ）が行われる、請求項４に記載の方法。
【請求項８】
工程（ｆ）の前に工程（ｂ）及び工程（ｃ）が行われる、請求項４に記載の方法。
【請求項９】
工程（ａ）の後に工程（ｂ）及び工程（ｃ）が行われる、請求項４に記載の方法。
【請求項１０】
工程（ａ）の前に工程（ｂ）及び工程（ｃ）が行われる、請求項４に記載の方法。
【請求項１１】
（ｄ）で前記パッシベーション層が形成された後に前記半導体上面の大部分は前記パッシベーション層と接触しており、前記半導体上面の前記大部分を通してイオン注入される水素イオン及びヘリウムイオンがない、請求項４に記載の方法。
【請求項１２】
前記ダイ領域は１つのＰＮ接合を有し、前記ダイ領域はダイオード以外に半導体デバイスを含まない、請求項４に記載の方法。
【請求項１３】
半導体上面、半導体底面及び周側縁を有するインバースダイオードダイであって、前記ダイは、
前記ダイの前記半導体底面から上方に広がって、前記ダイの前記周側縁に向かって横向きに外側方向にも広がっている底側Ｐ型シリコン領域であって、前記底側Ｐ型シリコン領域の中央部分は８×１０１７原子／ｃｍ３未満のＰ型ドーパント濃度を有する、底側Ｐ型シリコン領域と、
前記底側Ｐ型シリコン領域の前記中央部分上に配置されるＮ−型シリコン領域と、
前記半導体上面から前記Ｎ−型シリコン領域内まで下方に広がっているＮ＋型シリコンコンタクト領域と、
Ｐ型シリコンが前記半導体上面から前記半導体底面までの全てに下向きに広がっているように、前記半導体上面から下方に広がっているＰ型シリコン周囲アイソレーション領域であって、前記Ｐ型シリコンは前記Ｎ−型シリコン領域の周囲を側方から取り囲む周囲アイソレーション構造を形成し、前記Ｎ−型シリコン領域、前記Ｎ＋型シリコンコンタクト領域、前記Ｐ型周囲アイソレーション構造、及び前記底側Ｐ型シリコン領域の各々は、バルクシリコンウェハ材料からなる、Ｐ型シリコン周囲アイソレーション構造と、
前記ダイの前記半導体上面の一部の上に配置される上側パッシベーション層であって、前記上側パッシベーション層は前記Ｎ＋型シリコンコンタクト領域の周囲を取り囲む、上側パッシベーション層と、
水素イオン局所濃度ピーク表面に配置される分布を有する水素イオンの深層であって、前記水素イオン局所濃度ピーク表面は前記Ｎ−型シリコン領域を通って広がっているが、前記底側Ｐ型シリコン領域を通っては広がっていない、水素イオンの深層と、
イオン局所濃度ピーク表面に配置される分布を有するイオン薄層であって、前記イオン局所濃度ピーク表面は前記水素イオンの深層と前記半導体底面の間に配置され、前記イオン薄層の前記イオンは、水素イオン及びヘリウムイオンからなる群から選択される、イオン薄層と、
前記Ｎ＋型シリコンコンタクト領域上に配置される上側金属電極と、
前記ダイの前記半導体底面に配置される底側金属電極と、を含むインバースダイオードダイ。
【請求項１４】
前記ダイの前記周側縁の前記シリコンのいくつかはＮ型シリコンである、請求項１３に記載のインバースダイオードダイ。
【請求項１５】
前記ダイの前記周側縁の前記シリコンの部分にＮ型シリコンがない、請求項１３に記載のインバースダイオードダイ。
【請求項１６】
前記底側Ｐ型シリコン領域の前記中央部分の前記Ｐ型ドーパント濃度は１×１０１６原子／ｃｍ３未満である、請求項１３に記載のインバースダイオードダイ。
【請求項１７】
前記インバースダイオードダイは、少なくとも１８００ボルトの逆降伏電圧を有するディスクリートダイオードデバイスである、請求項１３に記載のインバースダイオードダイ。
【請求項１８】
前記上側パッシベーション層は前記半導体上面の前記一部の上に直接配置される、請求項１３に記載のインバースダイオードダイ。
【請求項１９】
前記上側パッシベーション層は前記半導体上面の前記一部の上に直接配置される、請求項１に記載のパワー半導体デバイスダイ。
【請求項２０】
前記上側パッシベーション層は前記半導体上面の前記一部の上に直接配置される、請求項４に記載の方法。
【請求項２１】
前記半導体上面を通してイオン注入される水素イオン及びヘリウムイオンがない、請求項４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
記載される実施形態は、インバースダイオードデバイス(inverse diode devices)及び関連する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高い逆降伏電圧性能を有する、商業的に利用可能なパワーダイオードのほとんど全ての種類は、Ｎ−型底側カソード(N-type bottomside cathodes)を有する。まれな例外として、イクシス社、カルフォルニア州、ミルピタス、バックアイドライブ１５９０、から商業的に利用可能な、いわゆる「インバースダイオード」又は「リバースダイオード(reverse diode)」がある。これらの普通ではないダイオードは、Ｐ型周側壁（又は周囲のサイドウォール：peripheral sidewall）拡散領域だけではなく底側Ｐ型アノード領域も含む、Ｐ型アイソレーション構造(P type isolation structures)を有する。これらのダイオードは高い逆降伏電圧を有するだけではなく、それらは典型的に優れたダイナミックロバスト性も示す。この「インバースダイオード」技術を、より低い逆回復時間(reverse recovery times)を有する、いわゆる「ファストダイオード」に拡張する試みがなされている。ダイオードの逆回復時間は、文献及びデータシートでは、Ｔｒｒと表記される。米国特許第８，７１６，７４５号に記載されるように、Ｎ−型エピタキシャルシリコン層はＰ型ウェハの上で成長した。その結果インバースダイオードは優れた安定性と高い逆降伏電圧を有すると想定され、一方でそれと同時に、同じ逆降伏特性を有する標準のダイオードと比較して、より薄いＮ−型層を有する。インバースダイオード構造及びＰ型アイソレーション構造に関する追加の情報については、１）Ｋｅｌｂｅｒｌａｕらにより２００５年８月３０日に出願され、「順阻止デバイス及び逆阻止デバイスの製造方法」と題された、米国特許第７，４４２，６３０号、２）Ｎ．Ｚｏｍｍｅｒにより１９９５年７月３１日に出願され、「逆阻止ＩＧＢＴの製造方法」と題された、米国特許第５，６９８，４５４号、３）シュプリンガー社、ベルリン、ハイデルベルク、により公開されたＪ．Ｌｕｔｚらによる「半導体パワーデバイス」の１４６−１４７頁（２０１１年）、４）イクシス社、米国、９５０３５、カルフォルニア州、ミルピタス、により公開された「ダイオードチップ」と題されたデータシート、ＤＷＮ１７−１８、５）Ｗｉｓｏｔｚｋｉらにより２００５年１１月２０日に出願され、「高電圧デバイス用トレンチ分離拡散」と題された、米国特許第９，５９０，０３３号、６）Ｍｏｃｈｉｚｕｋｉらにより１９８０年７月１０日に出願され、「アルミニウム拡散半導体基板を有する半導体デバイスの製造方法」と題された、米国特許第４，３５１，６７７号、７）Ｇｒｅｅｎにより２０００年８月１６日に出願され、「新規の同心周囲区域配列(Arrangement of Concentric Perimeter Zones)を有するサイリスタ」と題された、米国特許第６，５０７，０５０号、８）Ｋｅｌｂｅｒｌａｕらにより２００２年３月１３日に出願され、「順阻止デバイス及び逆阻止デバイス」と題された、米国特許第６，９３６，９０８号、９）Ｎｅｉｄｉｇにより２００５年３月１４日に出願され、「プレーナ技術におけるパワー半導体部品」と題された、米国特許第７，０３０，４２６号、１０）Ｖｅｅｒａｍｍａらにより２００３年８月２７日に出願され、「パワーデバイスのための降伏電圧」と題された、米国特許第８，０９３，６５２号、１１）イクシスセミコンダクター有限会社、ドイツ、Ｄ−６８６２３、ラムパー���ハイム、エディソン通り１５、による「プレーナ型のＦＲＥＤ、整流ダイオード及びサイリスタチップ」と題された２００４年の記載、を参照。
【０００３】
インバースダイオードダイ（又はインバースダイオードチップ：inverse diode die）は、高い逆降伏電圧を有し、高い逆電圧からほぼこの降伏電圧に回復するときに短い逆回復時間Ｔｒｒを有し、また、ハードコミュテーションの用途での長期使用にわたって逆降伏電圧の安定性に関して丈夫(rugged)でもある。インバースダイオードダイはバルクシリコンウェハ材料からなる底側Ｐ型アノード領域を有し、また、バルクシリコンウェハ材料からなるそれの上に、Ｎ−型ドリフト領域も有する。その構造中にエピタキシャルシリコンはない。底側Ｐ型アノード領域のＰ型ドーパント濃度は、インバースダイオードにとって比較的低い。Ｐ型ドーパント濃度は８×１０１７原子／ｃｍ３未満である。Ｎ＋型シリコンのコンタクト領域は、ダイ（又はチップ：die）の半導体上面からＮ−型ドリフト領域内まで下方に広がっている。Ｐ型シリコン周側壁領域（又はＰ型シリコン周囲サイドウォール領域：P type silicon peripheral sidewall region）は、ダイの４つの周側縁から横方向に内側方向に広がっている。このＰ型シリコン周側壁領域は、Ｐ型シリコン周側壁領域が底側Ｐ型シリコン領域と接するように、Ｎ−型ドリフト領域を取り囲む。Ｐ型シリコン周囲側面領域(P type silicon peripheral side region)は深く、半導体上面から底側Ｐ型アノード領域上部までの全てに下向きに広がっている。ダイの４つの周側縁は、全体的にＰ型シリコンである。Ｐ型シリコン周側壁領域及び底側Ｐ型シリコン領域は、共にＰ型アイソレーション構造を形成する。Ｐ型シリコン周側壁領域のＰ型ドーパントは、アルミニウム又はホウ素でもよい。
【０００４】
上側パッシベーション層は、この上側パッシベーション層が中央のＮ＋型シリコンのコンタクト領域の周囲を取り囲むように、ダイの半導体上面の一部の上に配置される。このパッシベーションはバルクウェハ材料上に配置され、エピタキシャルシリコン上ではない。金属カソード電極は、ダイの上側にあるＮ＋型シリコンコンタクト領域上部に配置され、金属アノード電極はダイの底側にある底側Ｐ型アノード領域の底部に配置される。
【０００５】
また、インバースダイオードは、水素イオンの深層（又は深い水素イオン層：deep layer of hydrogen ions）も有する。この水素イオンの深層は水素イオン局所濃度ピーク表面（又は水素イオン局所濃度がピークとなる表面：hydrogen ion local concentration peak surface）のあたりに分布を有する。水素イオン局所濃度ピーク表面は、半導体底面の面と平行な面に広がっている平坦な表面である。水素イオン局所濃度ピーク表面は、Ｎ−型シリコン領域を通って広がっているが、底側Ｐ型シリコン領域を通っては広がっていない。一実施形態では、水素イオン局所濃度ピーク表面は、底側Ｐ型アノード領域上部とＮ＋型コンタクト領域の底部との間の約中間に配置される。さらに、インバースダイオードはまた、注入イオン薄層（又は浅い注入イオン層：shallow layer of implanted ions）も有する。この薄層（又は浅い層：shallow layer）のイオンは水素イオン又はヘリウムイオンでもよい。このイオン薄層（又は浅いイオン層：shallow layer of ions）は、イオン局所濃度ピーク表面（又はイオン局所濃度がピークとなる表面：ion local concentration peak surface）のあたりに分布を有する。イオン局所濃度ピーク表面は、ダイの半導体底面の面と平行な面に広がっている平坦な表面である。イオン局所濃度ピーク表面は、底側Ｐ型シリコン領域を通って広がっているが、Ｎ−型シリコン領域を通っては広がっていない。インバースダイオードの製造の間、ダイの半導体上面を通してイオン注入はない。
【０００６】
さらなる詳細及び実施形態及び技術は以下の詳細な説明で記載される。この概要は本発明を規定すると主張していない。本発明は請求項によって規定される。
【０００７】
添付の図面では、同様の数字は同様の構成を示し、本発明の実施形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、１つの新規態様に係るファストリカバリインバースダイオードデバイスダイ１の側面断面図である。
【０００９】
【図２】図２は、図１のファストリカバリインバースダイオードデバイス１の様々な部分についての様々な詳細と特性を記載する表である。
【００１０】
【図３】図３は、１つの新規態様に係る製造方法１００のフローチャートである。
【００１１】
【図４】図４は、図１で示される新規インバースダイオードで使用されうるＰ型アイソレーション構造と代替可能なＰ型アイソレーション構造の側面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（詳細な説明）
ここで、本発明の背景の例及びいくつかの実施形態を詳細に参照し、その例を添付の図面に示す。以下の明細書及び請求項において、第１の物体が第２の物体の「上に(over)」又は「上に(on)」配置されると言うとき、第１の物体は直接第２の物体の上に存在し得るか、又は第１と第２の物体の間に介在物が存在し得ると理解されるべきである。同様に、「上部に(top)」、「上側に(topside)」、「上向きに(up)」、「上方に(upward)」、「下向きに(down)」、「下方に(downward)」、「垂直に(vertically)」、「横向きに(laterally)」、「側面に(side)」、「下に(under)」、「底部に(bottom)」及び「底側に(bottomside)」などの用語は、本明細書では、記載されている構造の異なる部分の間の相対的な方向を記載するのに使用され、記載されている全体構造は実際に３次元空間の何らかの方向を向き得ると理解されるべきである。明細書において、処理がウェハの底部に行われると記載されるとき、例えば、ドーパントが上方に拡散するように言われているときなど、ウェハはこれらの処理工程中に上下逆さまの方向を向いていてもよく、上部から規則正しく処理されてもよい、と理解される。
【００１３】
図１は１つの新規態様に係るファストリカバリインバースダイオードデバイスダイ１の側面断面図である。ダイ１はディスクリートダイオードデバイスである。ダイ１は長方形の上部表面、長方形の底部表面及び４つの周側縁を有する。側端２及び３の２つは、側面断面図に示される。特に、底側Ｐ型シリコン領域４は、ダイの半導体底面５から上方に広がっており、またダイの周側縁２及び３に向かって横向きに、外向きに広がってもいる。底側Ｐ型シリコン領域４は、８×１０１７原子／ｃｍ３未満の比較的低いＰ型ドーパント濃度を有する。
【００１４】
図１に示すように、Ｎ−型シリコン領域６は、底側Ｐ型シリコン領域４上に配置される。このＮ−型シリコン領域６は、Ｎ−ドリフト領域とも称されるが、インバースダイオードの主なＰＮ接合は底側Ｐ型シリコン領域４の上部とＮ−型シリコン領域６の底部との間の接合であるので、インバースダイオードのカソードである。Ｎ＋型シリコンコンタクト領域７は、半導体上面８からＮ−型シリコン領域６内まで下向きに広がっている。
【００１５】
また、ダイは、それが中央のＮ−型シリコン領域６の周囲を取り囲むように、ダイの４つの周側縁から横向きに、内向きに広がっている、Ｐ型シリコン周側壁領域９も有する。Ｐ型シリコン周側壁領域９は、底側Ｐ型シリコン領域４と接しており、また、半導体上面８まで広がってもいる。Ｐ型周囲領域９とＰ型底側領域４の組み合わせは、いわゆる「Ｐ型アイソレーション構造」である（また、「Ｐ型アイソレーション領域」又は「Ｐ型分離拡散構造」又は「Ｐ型分離拡散領域」と呼ばれることもある）。この構造のＰ型シリコンは、Ｎ−ドリフトシリコン領域６の、底面を底部からだけではなく、両方の周囲を側面からも、完全に囲む。
【００１６】
底側Ｐ型シリコン領域４とＰ型シリコン周側壁領域９はここで結合すると理解されているが、底側Ｐ型シリコン領域４は、ダイの周側縁に向かって外向きに広がっていると言われている。Ｐ型シリコン周側壁領域９からのドーパントの混合に起因して、Ｐ型ドーパント濃度は、領域９の周囲部分でより高くあり得るが、底側Ｐ型シリコン領域４は８×１０１７原子／ｃｍ３未満のＰ型ドーパント濃度を有すると言われている。この８×１０１７原子／ｃｍ３の濃度は、カソード電極１１直下の領域４の中央部分における半導体底面５の近くのシリコン体積中で測定される。
【００１７】
重要なことに、図１の構造にエピタキシャルシリコンはない。重要なことに、領域４、６、７及び９の全てはバルクシリコン材料であり、同じシリコンウェハの領域である。
【００１８】
上側パッシベーション層１０は、図のように、半導体上面８の一部の上に配置される。上側パッシベーション層１０は、図のように、Ｐ型シリコン周側壁領域９の上部表面を覆い、Ｎ＋型シリコンコンタクト領域７の周囲を取り囲む。図１の符号１５は、シリコン／パッシベーション界面を識別する。上側金属電極１１は、Ｎ＋型シリコンコンタクト領域７上に配置される。この上側電極１１は、カソード電極又はダイオードデバイスのカソード端子である。底側金属電極１２は、ダイの半導体底面５に配置される。この底側金属電極１２は、ダイ端部２からダイ端部３まで半導体底面５を全て横切って広がっている。底側金属電極１２も底側Ｐ型領域４も、上側金属電極１１及びＮ＋型コンタクト領域７よりも広い。底側金属電極１２はアノード電極であるか、又はダイオードデバイスのアノード端子である。
【００１９】
さらに、ダイ１は水素イオンの深層を含む。この深層は、水素イオン局所濃度ピーク表面１３のあたりに、垂直の次元において分布を有する。この水素イオン局所濃度ピーク表面１３は平面に配置される。この平面は、半導体底面５の平面に平行である。水素イオン局所濃度ピーク表面１３は、Ｎ−型シリコン領域６を通して広がっているが、底側Ｐ型シリコン領域４の部分を通しては少しも広がっていない。水素イオン局所濃度ピーク表面１３の水平面は、底側Ｐ型シリコン領域４の上部とＮ＋型シリコンコンタクト領域７の底部との間の約中間に配置される。図１の例では、これは約１１０ミクロンの深さ（半導体底面から測定）である。
【００２０】
さらに、ダイ１はイオン薄層を含む。これらのイオンは、例えば、水素イオン（プロトン）又はヘリウムイオンのどちらかであり得る。本例では、それらは水素イオンである。このイオン薄層は、イオン局所濃度ピーク表面１４のあたりに垂直の次元において分布を有する。このイオン局所濃度ピーク表面１４は平面に配置される。この平面は半導体底面５の平面に平行である。イオン局所濃度ピーク表面１４は底側Ｐ型シリコン領域４を通して広がっているが、Ｎ−型シリコン領域６の部分を通しては少しも広がっていない。図１の例では、イオン局所濃度ピーク表面１４は約３５ミクロンの深さ（半導体底面から測定）にある。
【００２１】
重要なことに、ダイオードデバイスのバルクシリコンは、シリコンの再結合中心を生み出すのに使用される種類の高エネルギーの電子は照射されない。また、バルクシリコンを通してパッシベーション層界面１５へのイオン注入（水素又はヘリウム）はない。上側からイオン注入はない。水素イオンの注入は構造の底側からのみ起こる。米国特許第８，７１６，７４５号の図５のダイオード５００はよい安定性を有すると想定されたが、実際には、デバイスは所望の降伏電圧安定性に関して、丈夫ではないことが判明した。当初、デバイスは、高い逆降伏電圧性能を実際に有した。しかしながら、この種のデバイスは徐々に使用されるにつれて、デバイスのいくつかは、逆降伏電圧性能の低下を示した。この性能低下は、少なくとも部分的には、エピタキシャルシリコンの上部のシリコンとパッシベーション層との界面の品質に起因すると考えられている。さらに、もし、ＰＮ接合の近傍において電荷キャリア寿命を短くするために、高エネルギーの電子照射が再結合中心を生み出すために使用された場合、その後、シリコン／パッシベーション界面はさらにダメージを受け得た。電子照射処理中に導入された高エネルギーの電子は、ウェハの全体を通る。このように、他の電子がシリコン／パッシベーション界面などにある構造の他の部分にダメージを与えることなく、ちょうど局所的な再結合中心を引き起こすようにウェハは電子照射され得ない。１つの新規態様によれば、図１のダイオードデバイスダイ１はエピタキシャルシリコンを有さず、パッシベーション界面までエピタキシャルシリコンを有さず、電子照射にさらされず、上側から（水素イオン注入又はヘリウムイオン注入などの）イオン注入にさらされない。
【００２２】
深いイオン注入の意図する目的は、シリコン中で再結合中心及び電荷キャリアトラップを生み出すことであり、それによって電荷キャリアの寿命を短くする。深い水素注入の領域におけるＮ−型シリコン領域６中の多数キャリア電荷の寿命は３マイクロ秒よりも短い。
【００２３】
浅いイオン注入の意図する目的は、底側Ｐ型シリコン領域４からＮ−型シリコン領域６内までの電荷キャリア注入効率を低減することである。また、Ｐ型シリコン領域４の電荷キャリア注入効率も、幾分か非常にわずかにドープされたＰ型アノードを使用することによって、幾分か低下する。底側Ｐ型シリコン領域４のＰ型ドーパント濃度は８×１０１７原子／ｃｍ３未満である。従って、Ｎ−型シリコン領域６へのＰ型シリコン領域４の多数電荷キャリア注入効率は、従来のインバースダイオードと比較して幾分か低下する。この領域４の出発原料は、非結晶ウェハ基板材料のＮ−型ウェハである。底側Ｐ型シリコン領域４は、このウェハの底部からドープすることによって形成される。その結果、底側Ｐ型シリコン領域４も、約１×１０１５原子／ｃｍ３のＮ型ドーパントのバックグラウンド濃度を有する。金又は白金などの重金属は存在せず、キャリアライフタイムキラー（又はキャリア寿命キラー: carrier lifetime killers）として図１の構造に使用されない。従って、そのような重金属原子に起因する順方向の電圧降下に伴う増加は起きない。図１のファストリカバリインバースダイオードが高周波スイッチング用途で使用されるとき、及びダイオードが順方向電圧条件から逆阻止条件に転換するとき、ＰＮ接合にある空乏領域のサイズが大きくなる時間がある。ダイオードがその逆電圧条件における阻止電流の流れを始動するために、（高い逆電圧の状況における空乏領域の拡大に起因する）いわゆるダイオード回復電荷が、除去されなければならない。それは、電子と正孔の再結合によって、又は、逆回復電流Ｉｒの流れによってのみ、除去されうる。大きい逆回復電流Ｉｒは望まれていない。逆回復電流の最大値はＩｒｒで示される。また、この逆回復電流の、それが減衰するときの、最大変化率は、あまり大きくあるべきではない。浅い及び深いイオン注入は、その最大変化率がより小さくなるように、逆回復電流のサージ電流(surge)をなだらかにするのに役立つだけでなく、（阻止を始動するためにダイオードから除去されなければならない）電荷の大きさを減らすのに役立つ。結果として、逆回復時間Ｔｒｒはより短くなる。
【００２４】
図１のインバースダイオードデバイスは、少なくとも１８００ボルトの非常に高い逆降伏電圧を有する。順方向電圧条件から約９００ボルトの逆電圧条件に転換するとき、ダイオードの逆回復時間Ｔｒｒは約２００ナノ秒である。従って、図１のダイオードは「ファストダイオード」又は「ファストリカバリダイオード」と言われる。これは、ダイオードデバイスが使用されるにつれて、時間と共にその高い逆降伏電圧性能を維持することに関して、デバイスの耐久性を低下させることなく達成される。図１のダイオードは、それが高い逆電圧条件下、１５０℃、１０００時間のＨＴＲＢテストにさらされるときでさえ、その１８００ボルトの逆降伏電圧を維持する。従って、１８００ボルトの逆降伏電圧は「安定」であると言われている。
【００２５】
図２は、図１のファストリカバリインバースダイオードデバイスの様々な部分について、様々な詳細及び性能を記載する表である。Ｈ＋の深い注入はイオンビーム装置を用いて行われる。注入量は２×１０１２イオン／ｃｍ２である。注入深さは１１０ミクロンである。注入量は比較的低く、そのため、注入の間の底部シリコン表面の温度は、イオン注入プロセスの間常に、有利なことに低い。一例では、浅いイオン注入はＨ＋イオン注入でもある。この注入は、Ｈ＋の深い注入で使用されるものと同じ装置を用いて行われる。注入量は２×１０１２イオン／ｃｍ２である。注入深さは３５ミクロンである。
【００２６】
両方のイオン注入の工程は、上側パッシベーション後と、上側及び底側金属化後に発生する。イオン注入後、ウェハはダイシングされ、試験され、パッケージングされ、再度試験される。
【００２７】
図３は１つの新規態様に係る製造方法１００のフローチャートである。構造はウェハ中に形成される（工程１０１）。ウェハは半導体底面及び半導体上面を有する。ウェハのダイ領域は４つの周側縁を有する。構造は、底側Ｐ型シリコン領域、Ｎ−型シリコン領域、Ｎ＋型シリコンコンタクト領域及びＰ型シリコン周側壁領域を含む。ダイ領域内のこれらの半導体領域は、図１で示されるように表示される。製造プロセス中のこの時点で、ウェハはダイシングもパッシベーション処理又は金属化処理もされなかったが、ダイ領域内の構造は図１に示される構造を有する。次に、図１に関連して上述の水素イオンの深層を形成するために、水素イオンは半導体底面を通して注入される（工程１０２）。次に、図１に関連して上述のイオン薄層を形成するために、イオン（水素又はヘリウム）は半導体底面を通して注入される（工程１０３）。パッシベーション層は半導体上面上に形成される（工程１０４）。上側金属電極及び底側金属電極は形成される（工程１０５）。ダイ領域がインバースダイオードデバイスダイになるように、ウェハはその後ダイシングされる（工程１０６）。インバースダイオードデバイスダイは図１に示される構造を有する。製造方法１００では、深いイオン注入は浅いイオン注入の前後どちらでも行われ得る。ウェハのドープ領域はイオン注入工程の前後で形成され得る。また、パッシベーション層もイオン注入工程の前後で形成され得る。また、金属電極の形成も、イオン注入工程の前後どちらかで行われ得る。しかしながら、パッシベーション工程前後でイオン注入工程が行われるかどうかに関わらず、シリコン／パッシベーション界面１５でのシリコンを通してのイオン注入はない。
【００２８】
別の実施形態では、インバースダイオードダイは、１）イオン薄層がない、及び２）底側Ｐ型シリコン領域４のＰ型ドーパント濃度が１×１０１６原子／ｃｍ３未満でさらに低い、ことを除いて、図１に関連して上述のような構造を有する。水素イオンの深層は構造の底側から注入されるのが好ましいが、別の例では構造の上側から注入される。領域４のＰ型シリコンの低い１×１０１６原子／ｃｍ３のドーピングにより、領域４はいわゆる「トランスペアレントエミッタ（又は透明エミッタ: transparent emitter）となる。
【００２９】
別の実施形態では、インバースダイオードダイは、１）イオン薄層がない、２）水素イオンの深層がない、３）底側Ｐ型シリコン領域４のＰ型ドーパント濃度が１×１０１６原子／ｃｍ３未満でさらに低い、４）構造が電子照射される、ことを除いて、図１に関連する上述のような構造を有する。電子は、それらが領域６のＮ−型シリコン中であらゆる場所に再結合サイトを作り出すように十分に高いエネルギーを有する。構造は上側、又は底側のどちらかから照射され得る。
【００３０】
別の実施形態では、インバースダイオードダイは、１）水素イオンの深層がない、及び２）構造は電子照射される、ことを除いて、図１に関連する上述のような構造を有する。電子は、それらが領域６のＮ−型シリコン中であらゆる場所に再結合サイトを作り出すように十分に高いエネルギーを有する。構造は上側、又は底側のどちらかから照射され得る。
【００３１】
ある特定の実施形態は、説明目的のために上記に記載されているが、この特許文献の教示は、一般的適用性を有し、上述の特定の実施形態に限定されない。インバースダイオードの例は、ダイの４つの周側縁に横向きに最後まで広がっているＰ型シリコン周側壁領域９を有すると上述に記載されているが、他の実施形態では、Ｐ型シリコン周囲領域はダイの側端に最後まで広がっている必要はない。一例では、周囲分離構造は、Ｗｉｓｏｔｚｋｉらにより２０１５年１１月２０日に出願され、「高電圧デバイス用トレンチ分離拡散」と題された、米国特許第９，５９０，０３３号に記載されている。図４は本構造を示す。符号２１はダイの側端を特定する。ダイの側端のいくつかの部分はＮ−型シリコンであるにも関わらず、トレンチアイソレーション構造は、半導体上面１７から半導体底面１９にあるＰ型領域１８までの全てに下向きに広がっている、Ｐ型周囲アイソレーション領域１６を有する。従って、周囲Ｐ型シリコンはＮ−型中央ドリフト領域２０の周囲を側方から全体的に取り囲む。米国特許第９，５９０，０３３号の全保護対象は、参照により本明細書に組み込まれる。従って、記載された実施形態の様々な変更、適応、及び様々な特徴の組み合わせは、請求項に記載されるような発明の範囲から除外されることなく実施され得る。
【００３２】
本発明は以下の態様を含む。
【００３３】
（態様１）
半導体上面、半導体底面、及び周側縁を有するパワー半導体デバイスダイであって、前記ダイは  
前記ダイの前記半導体底面から上方に広がって、前記ダイの前記周側縁に向かって横向きに外側方向にも広がっている底側Ｐ型シリコン領域であって、前記底側Ｐ型シリコン領域は８×１０１７原子／ｃｍ３未満のＰ型ドーパント濃度を有する、底側Ｐ型シリコン領域と、
前記底側Ｐ型シリコン領域上に配置されるＮ−型シリコン領域と、
前記半導体上面から前記Ｎ−型シリコン領域内まで下方に広がっているＮ＋型シリコンコンタクト領域と、
前記ダイの前記周側縁から横向きに内側方向に広がって、かつ前記Ｎ−型シリコン領域を側方から取り囲む、Ｐ型シリコン周側壁領域であって、前記Ｐ型シリコン周側壁領域は、前記底側Ｐ型シリコン領域に接しており、それによってＰ型アイソレーション構造を形成し、前記Ｎ−型シリコン領域、前記Ｎ＋型シリコンコンタクト領域、前記Ｐ型シリコン周側壁領域、及び底側Ｐ型シリコン領域の各々はバルクシリコンウェハ材料からなる、Ｐ型シリコン周側壁領域と、
前記ダイの前記半導体上面の一部の上に配置される上側パッシベーション層であって、前記上側パッシベーション層は前記Ｐ型シリコン周側壁領域上に配置され、かつ前記Ｎ＋型シリコンコンタクト領域の周囲を取り囲む、上側パッシベーション層と、
水素イオン局所濃度ピーク表面に配置される分布を有する水素イオンの深層であって、前記水素イオン局所濃度ピーク表面は前記半導体底面と平行な平面に広がっている平坦な表面であり、前記水素イオン局所濃度ピーク表面は前記Ｎ−型シリコン領域を通って広がっているが、前記底側Ｐ型シリコン領域を通っては広がっていない、水素イオンの深層と、
イオン局所濃度ピーク表面に配置される分布を有するイオン薄層であって、前記イオン局所濃度ピーク表面は前記半導体底面と平行な面に広がっている平坦な表面であり、前記イオン局所濃度ピークは前記底側Ｐ型シリコン領域を通って広がっているが、前記Ｎ−型シリコン領域を通っては広がっておらず、前記イオン薄層の前記イオンは、水素イオン及びヘリウムイオンからなる群から選択されるイオンである、イオン薄層と、
前記Ｎ＋型シリコンコンタクト領域上に配置される上側金属と、
前記ダイの前記半導体底面に配置される底側金属電極と、を含む、パワー半導体デバイスダイ。
【００３４】
（態様２）
前記底側Ｐ型シリコン領域の前記Ｐ型ドーパント濃度は１×１０１６原子／ｃｍ３未満である、態様１に記載のパワー半導体デバイスダイ。
【００３５】
（態様３）
半導体デバイスダイは少なくとも１８００ボルトの逆降伏電圧を有するディスクリートダイオードデバイスである、態様１に記載のパワー半導体デバイスダイ。
【００３６】
（態様４）
（ａ）半導体ウェハ中に構造を形成する工程であって、前記ウェハは半導体底面及び半導体上面を有し、前記半導体ウェハからなるダイ領域があり、前記ダイ領域は４つの周側縁を有し、前記構造は、
前記半導体底面から上方に広がって、前記ダイ領域の前記４つの周側縁に向かって横向きに外側方向にも広がっている底側Ｐ型シリコン領域であって、前記底側Ｐ型シリコン領域は８×１０１７原子／ｃｍ３未満のＰ型ドーパント濃度を有する、底側Ｐ型シリコン領域と、
前記ダイ領域内の前記底側Ｐ型シリコン領域上に配置されるＮ−型シリコン領域と、
前記半導体上面から前記Ｎ−型シリコン領域内まで下方に広がっている、Ｎ＋型シリコンコンタクト領域と、
前記Ｎ−型シリコン領域を側方から取り囲むＰ型シリコン周側壁領域であって、前記Ｐ型シリコン周側壁領域及び前記底側Ｐ型シリコン領域は共に、前記半導体上面から前記半導体底面まで広がっているＰ型アイソレーション構造の一部であり、前記Ｎ−型シリコン領域、前記Ｎ＋型シリコンコンタクト領域、前記Ｐ型シリコン周側壁領域、及び前記底側Ｐ型シリコン領域の各々はバルクシリコンウェハ材料からなる、Ｐ型シリコン周側壁領域と、を含む、形成する工程と、
（ｂ）水素イオンの深層が形成されるように、前記半導体底面を通して水素イオンをイオン注入する工程であって、前記水素イオンの深層は水素イオン局所濃度ピーク表面について配置される分布を有し、前記水素イオン局所濃度ピーク表面は前記Ｎ−型シリコン領域を通って広がっているが、前記底側Ｐ型シリコン領域を通っては広がっていない、イオン注入する工程と、
（ｃ）イオン薄層が形成されるように、前記半導体底面を通してイオンをイオン注入する工程であって、前記イオン薄層は、イオン局所濃度ピーク表面に配置される分布を有し、前記イオン局所濃度表面は前記水素イオンの深層と前記半導体底面の間に配置され、前記イオン薄層の前記イオンは水素イオンおよびヘリウムイオンからなる群から選択されるイオンである、イオン注入する工程と、
（ｄ）前記ダイの前記半導体上面の一部の上に配置される、上側パッシベーション層を形成する工程と、
（ｅ）前記Ｎ＋型シリコンコンタクト領域と接触している上側金属電極を形成する工程と、
（ｆ）前記底側Ｐ型シリコン領域と接触している底側金属電極を形成する工程と、を含む方法。
【００３７】
（態様５）
工程（ｄ）の後に工程（ｂ）及び工程（ｃ）が行われる、態様４に記載の方法。
【００３８】
（態様６）
工程（ｄ）の前に工程（ｂ）及び工程（ｃ）が行われる、態様４に記載の方法。
【００３９】
（態様７）
工程（ｆ）の後に工程（ｂ）及び工程（ｃ）が行われる、態様４に記載の方法。
【００４０】
（態様８）
工程（ｆ）の前に工程（ｂ）及び工程（ｃ）が行われる、態様４に記載の方法。
【００４１】
（態様９）
工程（ａ）の後に工程（ｂ）及び工程（ｃ）が行われる、態様４に記載の方法。
【００４２】
（態様１０）
工程（ａ）の前に工程（ｂ）及び工程（ｃ）が行われる、態様４に記載の方法。
【００４３】
（態様１１）
（ｄ）で前記パッシベーション層が形成された後に前記半導体上面の大部分は前記パッシベーション層と接触しており、前記半導体上面の前記大部分を通してイオン注入されるイオンがない、態様４に記載の方法。
【００４４】
（態様１２）
前記ダイ領域は１つのＰＮ接合を有し、前記ダイ領域はダイオード以外に半導体デバイスを含まない、態様４に記載の方法。
【００４５】
（態様１３）
半導体上面、半導体底面及び周側縁を有するインバースダイオードダイであって、前記ダイは、
前記ダイの前記半導体底面から上方に広がって、前記ダイの前記周側縁に向かって横向きに外側方向にも広がっている底側Ｐ型シリコン領域であって、前記底側Ｐ型シリコン領域の中央部分は８×１０１７原子／ｃｍ３未満のＰ型ドーパント濃度を有する、底側Ｐ型シリコン領域と、
前記底側Ｐ型シリコン領域の前記中央部分上に配置されるＮ−型シリコン領域と、
前記半導体上面から前記Ｎ−型シリコン領域内まで下方に広がっているＮ＋型シリコンコンタクト領域と、
Ｐ型シリコンが前記半導体上面から前記半導体底面までの全てに下向きに広がっているように、前記半導体上面から下方に広がっているＰ型シリコン周囲アイソレーション領域であって、前記Ｐ型シリコンは前記Ｎ−型シリコン領域の周囲を側方から取り囲む周囲アイソレーション構造を形成し、前記Ｎ−型シリコン領域、前記Ｎ＋型シリコンコンタクト領域、前記Ｐ型周囲アイソレーション構造、及び前記底側Ｐ型シリコン領域の各々は、バルクシリコンウェハ材料からなる、Ｐ型シリコン周囲アイソレーション構造と、
前記ダイの前記半導体上面の一部の上に配置される上側パッシベーション層であって、前記上側パッシベーション層は前記Ｎ＋型シリコンコンタクト領域の周囲を取り囲む、上側パッシベーション層と、
水素イオン局所濃度ピーク表面に配置される分布を有する水素イオンの深層であって、前記水素イオン局所濃度ピーク表面は前記Ｎ−型シリコン領域を通って広がっているが、前記底側Ｐ型シリコン領域を通っては広がっていない、水素イオンの深層と、
イオン局所濃度ピーク表面に配置される分布を有するイオン薄層であって、前記イオン局所濃度ピーク表面は前記水素イオンの深層と前記半導体底面の間に配置され、前記イオン薄層の前記イオンは、水素イオン及びヘリウムイオンからなる群から選択される、イオン薄層と、
前記Ｎ＋型シリコンコンタクト領域上に配置される上側金属電極と、
前記ダイの前記半導体底面に配置される底側金属電極と、を含むインバースダイオードダイ。
【００４６】
（態様１４）
前記ダイの前記周側縁の前記シリコンのいくつかはＮ型シリコンである、態様１３に記載のインバースダイオードダイ。
【００４７】
（態様１５）
前記ダイの前記周側縁の前記シリコンの部分にＮ型シリコンがない、態様１３に記載のインバースダイオードダイ。
【００４８】
（態様１６）
前記底側Ｐ型シリコン領域の前記中央部分の前記Ｐ型ドーパント濃度は１×１０１６原子／ｃｍ３未満である、態様１３に記載のインバースダイオードダイ。
【００４９】
（態様１７）
前記インバースダイオードダイは、少なくとも１８００ボルトの逆降伏電圧を有するディスクリートダイオードデバイスである、態様１３に記載のインバースダイオードダイ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
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