CN117678078A - 半导体器件和功率转换装置 - Google Patents

Abstract

提供一种在半导体器件已薄型化的情况下，也能够降低导通电压、降低开关损耗并且抑制开关时的噪声引起的高频振荡的半导体器件和使用它的功率转换装置。提供一种半导体器件，包括：第一导电类型的漂移层；形成在漂移层的第一主面侧之上的第二导电类型的阳极层；形成在漂移层的第二主面侧的、杂质浓度比漂移层高的第一导电类型的场截止层；和杂质浓度比场截止层高的第一导电类型的阴极层，其中，具有通过照射轻离子而形成的用于控制载流子寿命的第一缺陷层，缺陷层中，从轻离子的浓度峰到轻离子浓度分布的半高宽ΔLp为止的区域，不与扩展至漂移层内的耗尽层重叠，并且也不与场截止层的第一导电类型载流子浓度为10¹⁶cm^‑3的位置重叠。

Description

半导体器件和功率转换装置

技术领域

本发明涉及半导体器件和功率转换装置。

背景技术

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)和PIN二极管(P-Intrinsic-Ndiode)等垂直型半导体器件，具有电流在垂直方向上流动的垂直结构。在IGBT中，包含N型的漂移层、N型的缓冲层和P型的集电极层的区域为垂直结构，在二极管中，包含P+阳极层、N型的漂移层、N型的缓冲层和N+阴极层的区域为垂直结构。

为了降低上述半导体器件的导通电压、降低开关损耗，将N型的漂移层减薄是有效的，但关于开关噪声，若开关时的电流降低迅速，无法确保特别是被称作尾电流的累积载流子的自然消失期间，则电流急剧消失，会产生与主电路内的寄生电感成正比的浪涌电压(L·dI/dt)，存在以数MHz以上的频率发生振荡的问题。担心这些噪声会引起电动机绝缘破坏、过电压元件破坏、元件误动作等。

作为用于降低半导体器件的损耗和噪声的现有技术，例如有以下专利文献1。专利文献1公开了一种半导体器件，其包括：第一导电类型的半导体衬底；在半导体衬底的第一主面侧形成的第一导电类型的漂移层；沿着漂移层选择性地形成的、电阻比漂移层低的第二导电类型的阳极层；在半导体衬底的第二主面侧的表面层形成的、与漂移层接触的第一导电类型的阴极层；和由空穴与氧的复合缺陷形成的空穴-氧复合缺陷区域，其特征在于：令空穴-氧复合缺陷区域的从阴极层与漂移层的界面去往半导体衬底的第一主面的方向的深度为R，半导体衬底的比电阻为ρ，从阳极层与漂移层的pn结到阴极层的厚度为t，在施加于pn结的反向偏压V下从pn结扩展至漂移层内的耗尽层宽度W＝0.54×√(ρ×V)(ρ：电阻率，V：反向偏压)，则空穴-氧复合缺陷区域被设置在0＜R≤t-W的深度。根据专利文献1的上述结构，能够用廉价且简单的工艺兼顾开关损耗的降低和实现软恢复特性。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2016/035531号

发明内容

发明要解决的技术问题

不过，在专利文献1中，若用电阻率、反向偏压计算W，并计算空穴-氧复合缺陷区域设置在由0＜R≤t-W表示的深度处的半导体器件的最低限度的器件厚度，可知，特别高电压区间中的薄型化存在极限。

本发明鉴于上述情况，提供一种在半导体器件已薄型化的情况下，也能够降低导通电压、降低开关损耗并且抑制开关时的噪声引起的高频振荡的半导体器件和使用它的功率转换装置。

解决问题的技术手段

用于解决上述问题的本发明的半导体器件的一个方式，其特征在于，包括：具有第一导电类型的漂移层的半导体衬底；形成在所述漂移层的第一主面侧之上的第二导电类型的阳极层；形成在所述漂移层的第二主面侧的、杂质浓度比所述漂移层高的第一导电类型的场截止层；和杂质浓度比所述场截止层高的第一导电类型的阴极层，其中，具有通过照射轻离子而形成的用于控制载流子寿命的第一缺陷层，在所述缺陷层中，从所述轻离子的浓度峰到轻离子浓度分布的半高宽ΔLp为止的区域，不与扩展至所述漂移层内的耗尽层重叠，并且也不与所述场截止层的第一导电类型载流子浓度为10¹⁶cm^-3的位置重叠。

另外，本发明提供一种使用了上述本发明的半导体器件的功率转换装置。

本发明的更具体的结构记载于要求保护的技术方案中。

发明效果

根据本发明，能够提供一种在半导体器件已薄型化的情况下，也能够降低导通电压、降低开关损耗并且抑制开关时的噪声引起的高频振荡的半导体器件和使用它的功率转换装置。

上述以外的问题、特征和效果将通过以下实施方式的说明而明确。

附图说明

图1是实施例1的半导体器件的截面图和表示n型浓度(Cn)与轻离子浓度(In)的分布的曲线图。

图2是表示实施例1的半导体器件的制造方法之一例的制造流程图。

图3是表示n型载流子浓度与载流子寿命的关系的图。

图4是表示轻离子的注入位置深度与恢复损耗RL以及振铃峰电压VLp的关系的曲线图。

图5是表示实施例1的恢复波形的曲线图。

图6是实施例2的半导体器件的截面图和表示n型浓度(Cn)与轻离子浓度(In)的分布的曲线图。

图7是表示实施例2的恢复波形的曲线图。

图8是表示本发明的功率转换装置的概略结构的电路图。

具体实施方式

以下，对本发明使用附图详细说明。

实施例1

图1是实施例1的半导体器件的截面图和表示n型浓度(Cn)与轻离子浓度(In)的分布的曲线图。本实施例中，作为半导体器件以PIN二极管为例。

如上所述，本发明的半导体器件包括：具有第一导电类型(n型)的漂移层的半导体衬底、形成在漂移层的第一主面侧之上的第二导电类型(p型)的阳极层102、形成在漂移层的第二主面侧的、杂质浓度比漂移层高的第一导电类型的场截止层108、和杂质浓度比场截止层108高的第一导电类型的阴极层110，其特征在于：具有通过照射轻离子而形成的用于控制载流子寿命的第一缺陷层121，在缺陷层121中，从轻离子的浓度峰到轻离子浓度分布的半高宽ΔLp为止的区域，不与扩展至漂移层101内的耗尽层重叠，并且也不与场截止层108的第一导电类型载流子浓度为10¹⁶cm^-3的位置重叠。

更具体而言，令轻离子的浓度峰的从第二主面侧起的距离为Lp，轻离子浓度分布的半高宽为ΔLp，漂移层101的电阻率为ρ，恢复开关时的电源电压为V，由漂移层101、场截止层108和阴极层110构成的层中的第一导电类型的载流子浓度为10¹⁶cm^-3的位置的、从第二主面侧起的厚度为tb，从第一导电类型载流子浓度为10¹⁶cm^-3的位置到阳极层102的厚度为tn，扩展至漂移层101内的耗尽层厚度Dw为0.322×√(ρ×V)，缺陷层121形成在由下式(1)表示的深度范围中：

图3是表示n型载流子浓度(横轴)与载流子寿命(纵轴)的关系的曲线图。如图3所示，当载流子浓度(电子e、空穴h)为1×10¹⁶cm^-3以上时，载流子浓度越高，载流子寿命越急剧缩短。若通过照射轻离子而形成的缺陷形成在浓度10¹⁶cm^-3的位置则寿命进一步缩短，结果导致二极管的反向恢复开关变得恶化。从而，最好使通过照射轻离子而形成的缺陷层121与浓度10¹⁶cm^-3的位置保持一定距离。

图4是表示轻离子的注入位置深度(横轴)与恢复损耗RL(左侧纵轴)以及振铃峰电压VRp(右侧纵轴)的关系的曲线图。如图4所示可知，本发明的Lp的存在范围(PILp)与现有技术(CA)相比，恢复损耗RL和振铃峰电压VRp更低。

图5是表示实施例1的恢复波形的曲线图。图5表示从在正向上施加电压的状态改为反向偏置状态时的电流I和电压V的历时变化。实线E表示的曲线是本实施例，虚线CE表示的曲线是比较例。如图5所示，根据本发明的结构，对于电流I和电压V，都能够降低二极管恢复时的噪声。

接着，对上述本实施例的半导体器件的制造方法进行说明。图2是表示实施例1的半导体器件的制造方法之一例的制造流程图。参照图2，与半导体器件的截面结构一起说明本发明的PIN二极管的制造工序。首先，在图2的(a)中，准备用于制备PIN二极管的硅(Si)晶圆。例如，例如，若是8inch晶圆，则Si晶圆厚度为725μm，12inch晶圆则为775μm。此处，上述Si晶圆具有漂移层101，该漂移层101具有与耐受电压(耐压)对应的比电阻。例如，如果是耐压为1.2kV的二极管，比电阻能够为55Ωcm左右，耐压3.3kV的二极管能够为250Ωcm左右。在未图示的最初的工序中，在Si衬底的整个表面通过热氧化形成硅氧化膜。

接着进行光刻工序，其用于形成设置阳极P型半导体层102的区域。该光刻工序中，在Si衬底的表面涂布抗蚀材料并曝光、显影，形成了具有开口的抗蚀剂，该开口是用于形成阳极P型半导体层102的区域。之后，注入p型杂质离子。p型杂质离子例如可以列举硼(B)离子。之后，除去抗蚀剂，实施用于使杂质活化的退火处理，由此如图2的(a)所示地形成阳极P型半导体层102。

接着，如图2的(b)所示，在Si衬底上通过基于热氧化的硅氧化膜形成以及化学气相沉积(CVD；Chemical Vapor Deposition)法，例如沉积硅氧化膜103，进行用于形成将阳极P型半导体层102与阳极电极连接的接触部的光刻工序。涂布抗蚀材料并曝光、显影，以形成的抗蚀剂为掩模，对硅氧化膜103进行蚀刻，由此形成将阳极P型半导体层102与阳极电极连接的接触部。

接着，如图1的(c)所示，利用溅射法形成由铝(Al)或Al合金构成的阳极电极，通过光刻工序使抗蚀剂图案化并进行蚀刻，由此形成阳极电极104。

接着，如图1的(d)所示，形成表面保护膜105。作为保护膜的形成方法，例如能够涂布含有聚酰亚胺的前驱体材料和感光材料的溶液，通过曝光而使前驱体变成聚酰亚胺，由此形成保护膜。

接着，如图1的(e)所示，利用背面研磨和氢氟酸/硝酸的混合液使Si晶圆薄型化。之后，从背面侧通过离子注入形成n型场截止层(n缓冲层)108。关于n型场截止层108的深度，根据发明人的研究，若深度为7μm以下，会导致接下来的制造工艺和检查工序中产生的背面损伤引起的耐压保持时的漏电流增大，由于背面研磨和氢氟酸/硝酸的混合液的加工精度大致是±3μm，所以考虑加工误差而优选10μm以上的深度。

接着，如图1的(f)所示，从阳极P型半导体层102形成主面(第一主面)侧的相反侧(第二主面侧)进行n型杂质离子的注入。n型杂质离子例如可以举出磷(P)离子、砷(As)离子等。之后，为了使离子注入后的n型杂质活化而进行激光退火，形成n+型半导体层110。阴极电极111通过溅射而形成为例如AlSi合金/钛(Ti)/镍(Ni)/金(Au)的叠层结构。

接着，如图1的(g)所示，从阳极P型半导体层102形成主面侧的相反侧(第二主面侧)照射轻离子(质子、氦等)，形成轻离子注入层(缺陷层)121。

此处，关于轻离子的照射位置，以退火处理后的缺陷位置处于上述范围内的方式，调节照射能量和照射量。另外，轻离子可以在预研磨后照射，预研磨的加工范围(例如600μm厚度)满足，不会发生因大口径化导致自重引起晶圆破损、产生过大的翘曲。另外，轻离子的照射有时也在图1的(d)之后或图1的(e)之后实施。

实施例2

图6是实施例2的半导体器件的截面图和表示n型浓度(Cn)与轻离子浓度(In)的分布的曲线图。本实施例中，除了阴极侧的进行寿命控制的缺陷层(第一缺陷层)121之外，还形成了阳极侧的进行寿命控制的缺陷层(第二缺陷层)122。

在IGBT元件的驱动元件高速的情况下，恢复开关也高速化，恢复峰电压增大，存在因此时的di/dt导致产生噪声的情况。该情况下，通过阳极侧的轻离子注入来抑制阳极侧的空穴注入从而抑制峰电压，结果能够降低恢复噪声。

为了抑制因薄型化引起的恢复尾电流以及实现开关速度的高速化，特别优选采用这样的结构：其特征在于，第二缺陷层122的轻离子的浓度In2的峰比第一缺陷层121的轻离子的浓度In1的峰更大。通过采用上述关系，寿命在阴极侧相对更长，能够抑制恢复尾电流的急剧变化，同时减小恢复最大电流，所以在更高的恢复开关中也能够抑制噪声。

图7是表示实施例2的恢复波形的曲线图。如图7所示，根据本实施例的结构，能够降低二极管恢复时的噪声。

实施例3

图8是表示本发明的功率转换装置的概略结构的电路图。图8表示本实施方式的功率转换装置500的电路结构之一例及其与直流电源和三相交流电动机(交流负载)的连接的关系。

本实施方式的功率转换装置500中，使用本发明的半导体器件作为元件521～526(例如二极管)。

如图8所示，本实施方式的功率转换装置500具备一对直流端子即P端子531、N端子532，以及与交流输出的相数相同数量的交流端子即U端子533、V端子534、W端子535。

另外，具备由一对功率开关元件501和502的串联连接构成且以与其串联连接点连接的U端子533作为输出的开关桥臂。另外，具备相同结构的、由功率开关元件503和504的串联连接构成且以与其串联连接点连接的V端子534作为输出的开关桥臂。另外，具备相同结构的、由功率开关元件505和506的串联连接构成且以与其串联连接点连接的W端子535作为输出的开关桥臂。

由功率开关元件501～506构成的3相的开关桥臂被连接在P端子531、N端子532的直流端子之间，从未图示的直流电源供给直流功率。功率转换装置500的3相的交流端子即U端子533、V端子534、W端子535作为三相交流电源与未图示的三相交流电动机连接。

对于功率开关元件501～506，分别反向并联地连接了二极管521～526。例如由IGBT构成的功率开关元件501～506各自的栅极的输入端子与栅极电路511～516连接，功率开关元件501～506被栅极电路511～516分别控制。另外，栅极电路511～516被总控制电路(未图示)统一地控制。

利用栅极电路511～516统一地、适当地控制功率开关元件501～506，直流电源Vcc的直流功率被转换为三相交流功率，从U端子533、V端子534、W端子535输出。

通过将本发明的半导体器件应用于功率转换装置500，在半导体器件已薄型化的情况下，也能够实现降低导通电压、降低开关损耗之改善，并且抑制开关时的噪声引起的高频振荡。

如以上所说明，根据本发明，能够提供一种在半导体器件已薄型化的情况下，也能够降低导通电压、降低开关损耗并且抑制开关时的噪声引起的高频振荡的半导体器件和使用它的功率转换装置。

另外，本发明不限定于上述实施例，包括各种变形例。例如，上述实施例是为了易于理解地说明本发明而详细说明的，并不限定于必须具备说明的全部结构。另外，能够将某个实施例的结构的一部分置换为其他实施例的结构，也能够在某个实施例的结构上添加其他实施例的结构。另外，对于各实施例的结构的一部分，能够追加、删除、置换其他结构。

例如，以本说明书中的“第一导电类型”为“n型”、“第二导电类型”为“p型”进行了说明，但也可以使“第一导电类型”为“p型”、“第二导电类型”为“n型”。

附图标记说明

101……漂移层，102……阳极层，103……硅氧化膜，104……阳极电极，105……表面保护膜，108……场截止层，110……阴极层，121……缺陷层，Dw……耗尽层的厚度，ΔLp……轻离子浓度分布的半高宽，500……功率转换装置，501～506……功率开关元件，511～516……栅极电路，521～526……二极管，531……P端子，532……N端子，533……U端子，534……V端子，535……W端子。

Claims (5)

1.一种半导体器件，包括：

具有第一导电类型的漂移层的半导体衬底；

形成在所述漂移层的第一主面侧之上的第二导电类型的阳极层；

形成在所述漂移层的第二主面侧的、杂质浓度比所述漂移层高的第一导电类型的场截止层；和

杂质浓度比所述场截止层高的第一导电类型的阴极层，

其特征在于：

具有通过照射轻离子而形成的用于控制载流子寿命的第一缺陷层，

在所述缺陷层中，从所述轻离子的浓度峰到轻离子浓度分布的半高宽ΔLp为止的区域，不与扩展至所述漂移层内的耗尽层重叠，并且也不与所述场截止层的第一导电类型载流子浓度为10¹⁶cm^-3的位置重叠。

2.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：

令所述轻离子的浓度峰的从第二主面侧起的距离为Lp，所述漂移层的电阻率为ρ，恢复开关时的电源电压为V，由所述漂移层、所述场截止层和所述阴极层构成的层中的第一导电类型载流子浓度为10¹⁶cm^-3的位置的、从第二主面侧起的厚度为tb，从所述第一导电类型载流子浓度为10¹⁶cm^-3的位置到所述阳极层的厚度为tn，扩展至所述漂移层内的耗尽层厚度Dw为0.322×√(ρ×V)，

所述缺陷层形成在由下式(1)表示的深度范围中：

3.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：

除了所述缺陷层之外，在所述漂移层中的所述耗尽层中还具有用于控制载流子寿命的第二缺陷层。

4.如权利要求3所述的半导体器件，其特征在于：

形成所述第二缺陷层的轻离子的浓度峰比形成所述第一缺陷层的轻离子的浓度峰大。

5.一种功率转换装置，包括：

一对直流端子；

与交流输出的相数相同数量的交流端子；

连接在所述一对直流端子之间的、由2个并联电路串联连接而成的开关桥臂，其中，所述开关桥臂的数量与交流输出的相数相同，所述并联电路由开关元件和与所述开关元件反向并联连接的二极管构成；和

对所述开关元件进行控制的栅极电路，

其特征在于：

所述二极管是如权利要求1～4中任一项所述的半导体器件。