JP2016029685A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】電流及び電圧の発振の抑制を可能とする半導体装置を提供する。【解決手段】第1の面と、第1の面と対向する第2の面を有する半導体基板10と、第1の面側に選択的に設けられる第1のp型半導体領域12と、第2の面側に設けられる第1のn型半導体領域14と、第1のp型半導体領域12と第1のn型半導体領域14との間に設けられ、第1のn型半導体領域14よりもn型不純物濃度の低い、第2のn型半導体領域16と、第1のp型半導体領域12と第2のn型半導体領域14との間に設けられ、第2のn型半導体領域16よりもn型不純物濃度の低い、第3のn型半導体領域18と、第1のn型半導体領域14と第2のn型半導体領域16との間に設けられ、第2のn型半導体領域16よりもn型不純物濃度が低く、第3のn型半導体領域18よりもキャリアライフタイムの長い第4のn型半導体領域20とアノード電極28と、カソード電極32と、を備える【選択図】図1
Description
本発明の実施形態は、半導体装置に関する。
電力用の半導体装置の一例として、pn接合を用いたPINダイオードがある。PINダイオードにはスイッチング損失の低減が要求される。スイッチング損失を低減するために、耐圧を損なわない範囲でドリフト領域を薄くする方法がある。ドリフト領域を薄くすることにより、逆回復時のキャリアが減少し、スイッチング損失が低減する。
もっとも、逆回復時のカソード側蓄積キャリアが減りすぎると、キャリアが逆回復中に消滅しやすくなるため、電流及び電圧の発振が生ずる恐れがある。
本発明が解決しようとする課題は、電流及び電圧の発振の抑制を可能とする半導体装置を提供することにある。
実施形態の半導体装置は、第1の面と、前記第1の面と対向する第2の面を有する半導体基板と、前記半導体基板の前記第1の面側に選択的に設けられる第1のp型半導体領域と、前記半導体基板の前記第2の面側に設けられる第1のn型半導体領域と、前記第1のp型半導体領域と前記第1のn型半導体領域との間の前記半導体基板中に設けられ、前記第1のn型半導体領域よりもn型不純物濃度の低い、第2のn型半導体領域と、前記第1のp型半導体領域と前記第2のn型半導体領域との間の前記半導体基板中に設けられ、前記第2のn型半導体領域よりもn型不純物濃度の低い、第3のn型半導体領域と、前記第1のn型半導体領域と前記第2のn型半導体領域との間の前記半導体基板中に設けられ、前記第2のn型半導体領域よりもn型不純物濃度が低く、前記第3のn型半導体領域よりもキャリアライフタイムの長い第4のn型半導体領域と、前記第1のp型半導体領域に電気的に接続されるアノード電極と、前記第1のn型半導体領域に電気的に接続されるカソード電極と、を備える。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明では、同一の部材等には同一の符号を付し、一度説明した部材等については適宜その説明を省略する。
また、本明細書中、n+型、n型、n−型の表記は、この順で、n型の不純物濃度が低くなっていることを意味する。同様に、p+型、p型、p−型の表記は、この順で、p型の不純物濃度が低くなっていることを意味する。
(第1の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、第1の面と、第1の面と対向する第2の面を有する半導体基板と、半導体基板の第1の面側に選択的に設けられる第1のp型半導体領域と、半導体基板の第2の面側に設けられる第1のn型半導体領域と、第1のp型半導体領域と第1のn型半導体領域との間の半導体基板中に設けられ、第1のn型半導体領域よりもn型不純物濃度の低い、第2のn型半導体領域と、第1のp型半導体領域と第2のn型半導体領域との間の半導体基板中に設けられ、第2のn型半導体領域よりもn型不純物濃度の低い、第3のn型半導体領域と、第1のn型半導体領域と第2のn型半導体領域との間の半導体基板中に設けられ、第2のn型半導体領域よりもn型不純物濃度が低く、第3のn型半導体領域よりもキャリアライフタイムの長い第4のn型半導体領域と、第1のp型半導体領域に電気的に接続されるアノード電極と、第1のn型半導体領域に電気的に接続されるカソード電極と、を備える。
本実施形態の半導体装置は、第1の面と、第1の面と対向する第2の面を有する半導体基板と、半導体基板の第1の面側に選択的に設けられる第1のp型半導体領域と、半導体基板の第2の面側に設けられる第1のn型半導体領域と、第1のp型半導体領域と第1のn型半導体領域との間の半導体基板中に設けられ、第1のn型半導体領域よりもn型不純物濃度の低い、第2のn型半導体領域と、第1のp型半導体領域と第2のn型半導体領域との間の半導体基板中に設けられ、第2のn型半導体領域よりもn型不純物濃度の低い、第3のn型半導体領域と、第1のn型半導体領域と第2のn型半導体領域との間の半導体基板中に設けられ、第2のn型半導体領域よりもn型不純物濃度が低く、第3のn型半導体領域よりもキャリアライフタイムの長い第4のn型半導体領域と、第1のp型半導体領域に電気的に接続されるアノード電極と、第1のn型半導体領域に電気的に接続されるカソード電極と、を備える。
図1は、本実施形態の半導体装置の模式断面図である。図2は本実施形態の半導体装置の模式平面図である。図1は、図2のAA’模式断面図である。
本実施形態の半導体装置は、半導体基板を挟んでアノード電極とカソード電極が設けられたPINダイオードである。本実施形態のPINダイオード100は、素子領域と、素子領域を囲む終端領域とを備える。素子領域は、PINダイオード100のオン時に主に電流が流れる領域として機能する。終端領域は、PINダイオード100のオフ時に、素子領域の端部に印加される電界を緩和し、PINダイオード100の素子耐圧を向上させる領域として機能する。
本実施形態のPINダイオード100は、図1に示すように、第1の面と、第1の面に対向する第2の面とを有する半導体基板10を備える。半導体基板10は、例えば、単結晶シリコンである。半導体基板10の膜厚は、例えば、50μm以上300μm以下である。
半導体基板10の第1の面側には、p型のアノード領域(第1のp型半導体領域)12が設けられる。アノード領域12は、半導体基板10の素子領域の表面に、選択的に設けられる。アノード領域12は、p型不純物として、例えば、ボロン(B)を含む。p型不純物の濃度は、例えば、1×1019cm−3以上1×1021cm−3以下である。
半導体基板10の第2の面側には、n+型のカソード領域(第1のn型半導体領域)14が設けられる。カソード領域14は、n型不純物として、例えば、リン(P)又はヒ素(As)を含む。n型不純物の濃度は、例えば、5×1019cm−3以上1×1022cm−3以下である。
アノード領域12とカソード領域14との間の半導体基板10中に、n型のバッファ領域(第2のn型半導体領域)16が設けられる。バッファ領域16は、PINダイオード100のオフ時に、空乏層の伸びを抑制する機能を備える。
バッファ領域16のn型不純物の濃度は、カソード領域14のn型不純物濃度よりも低い。また、バッファ領域16の比抵抗は、カソード領域14よりも高い。
バッファ領域16は、n型不純物として、例えば、水素(H)又はHe(ヘリウム)を含む。バッファ領域16は、n型不純物として、さらに、リン(P)又はヒ素(As)を含んでもかまわない。バッファ領域16の水素(H)又はHe(ヘリウム)の濃度は、例えば、1×1016cm−3以上1×1019cm−3以下である。
アノード領域12とバッファ領域16との間の半導体基板10中に、n−型のドリフト領域(第3のn型半導体領域)18が設けられる。ドリフト領域18のn型不純物の濃度は、バッファ領域16のn型不純物濃度よりも低い。また、ドリフト領域18の比抵抗はバッファ領域16よりも高い。
ドリフト領域18は、n型不純物として、例えば、リン(P)又はヒ素(As)を含む。n型不純物の濃度は、例えば、1×1015cm−3以上5×1016cm−3以下である。
カソード領域14とバッファ領域16との間の半導体基板10中に、n−型のキャリア蓄積領域(第4のn型半導体領域)20が設けられる。キャリア蓄積領域20のn型不純物の濃度は、バッファ領域16のn型不純物濃度よりも低い。また、キャリア蓄積領域20の比抵抗はバッファ領域16よりも高い。
キャリア蓄積領域20は、n型不純物として、例えば、リン(P)又はヒ素(As)を含む。n型不純物の濃度は、例えば、1×1015cm−3以上5×1016cm−3以下である。キャリア蓄積領域20のn型不純物の濃度は、ドリフト領域18と同程度である。
キャリア蓄積領域20のキャリアライフタイムは、ドリフト領域18のキャリアライフタイムよりも長い。キャリア蓄積領域20は、キャリアを蓄積することで、PINダイオード100の逆回復時の発振を抑制する機能を備える。
ドリフト領域18、キャリア蓄積領域20のキャリアライフタイムの長短関係は、例えば、半導体基板10を斜め研磨することで作成した試料を、拡がり抵抗測定(Spreading Resistance Analysis)により評価することで判断できる。
アノード領域12、ドリフト領域18、バッファ領域16、キャリア蓄積領域20、カソード領域14が、素子領域を構成する。
素子領域では、第1の面に垂直方向の水素又はヘリウムの濃度分布が、バッファ領域(第2のn型半導体領域)16中にピークを有する。水素又はヘリウムのピークの位置は、例えば、第2の面から、20μm以上30μm以下の位置にある。また、水素又はヘリウムのピークの半値幅は、例えば、10μm以上50μm以下である。
ドリフト領域(第3のn型半導体領域)18の第1の面に垂直方向の厚さが、キャリア蓄積領域(第4のn型半導体領域)20の第1の面に垂直方向の厚さよりも厚いことが望ましい。言い換えれば、半導体基板10中において、バッファ領域16は、アノード領域12よりもカソード領域14側に近い位置に存在することが望ましい。この構成により、逆回復時の電流及び電圧の発振と破壊耐量の両立が容易となる。
アノード領域12、ドリフト領域18、バッファ領域16、及び、キャリア蓄積領域20を囲むように、半導体基板10にn−型の周辺領域(第5のn型半導体領域)22が設けられる。n型の周辺領域22のn型不純物の濃度は、バッファ領域16のn型不純物濃度よりも低い。周辺領域22は、n型不純物として、例えば、リン(P)又はヒ素(As)を含む。n型不純物の濃度は、例えば、1×1015cm−3以上5×1016cm−3以下である。周辺領域22のn型不純物の濃度は、ドリフト領域18と同程度である。
周辺領域22のキャリアライフタイムは、キャリア蓄積領域20のキャリアライフタイムよりも短い。周辺領域22のキャリアライフタイムは、ドリフト領域18のキャリアライフタイムと同等である。
半導体基板10の第1の面側に、p型のアノード領域(第1のp型半導体領域)12を囲んでp+型の第1のガードリング24が設けられる。第1のガードリング24は、アノード領域12に接して設けられる。第1のガードリング24のp型不純物濃度は、例えば、アノード領域12よりも高い。第1のガードリング24は、p型不純物として、例えば、ボロン(B)を含む。p型不純物の濃度は、例えば、5×1019cm−3以上3×1021cm−3以下である。第1のガードリング24の深さは、例えば、アノード領域12よりも深い。
半導体基板10の第1の面側に、p型のアノード領域(第1のp型半導体領域)12を囲んでp+型の第2のガードリング(第2のp型半導体領域)26が設けられる。第2のガードリング26は、p型アノード領域12及び第1のガードリング24との間に、周辺領域(第5のn型半導体領域)22を挟んで設けられる。第2のガードリング26のp型不純物濃度は、例えば、アノード領域12よりも高い。第2のガードリング26は、p型不純物として、例えば、ボロン(B)を含む。p型不純物の濃度は、例えば、5×1019cm−3以上3×1021cm−3以下である。第2のガードリング26の深さは、例えば、アノード領域12よりも深い。
第1のガードリング24、第2のガードリング26、周辺領域22、カソード領域14が、終端領域を構成する。
本実施形態において、バッファ領域16は、素子領域のみに設けられ、終端領域には設けられない。また、キャリア蓄積領域20も、素子領域のみに設けられ、終端領域には設けられない。
バッファ領域16は、第2のガードリング26よりも内側に設けられることが望ましい。バッファ領域16の端部は、第2のガードリング26が第2の面側に向けて投影された領域よりも素子領域側にあることが望ましい。
PINダイオード100は、アノード領域(第1のp型半導体領域)12に電気的に接続されるアノード電極28を備えている。アノード電極28は、半導体基板10の第1の面上に設けられた絶縁膜30に開口された開口部において、アノード領域12に接している。
また、カソード領域(第1のn型半導体領域)14に電気的に接続されるカソード電極32を備えている。カソード電極32は、半導体基板10の第2の面でカソード領域14に接している。
次に、本実施形態の半導体装置の製造方法について説明する。図3及び図4は、第1の実施形態の半導体装置の製造方法において、製造途中の半導体装置の模式断面図である。
まず、例えば、n−型の半導体基板10を準備する。次に、p型のアノード領域12、第1のガードリング24、第2のガードリング26を、公知のイオン注入法等のプロセス技術を用いて、n−型の半導体基板10に形成する。
次に、半導体基板10上に、公知のプロセス技術により、絶縁膜30を形成する。絶縁膜30は、例えばシリコン酸化膜である。
次に、公知のプロセス技術により、アノード領域12上の絶縁膜30に開口部を設け、アノード電極28を形成する(図3)。アノード電極28は、金属である。
次に、半導体基板10の第1の面側から、プロトン(H+)を照射する(図4)。プロトン(H+)に変えて、ヘリウムイオン(He2+)を照射してもかまわない。プロトン照射は、例えば、サイクロトロンやバンデグラフ等の加速器を用いて行われる。
プロトン照射の際に、マスク40の厚みを、素子領域に相当する部分で厚く、終端領域に相当する部分で薄くする。マスク40の厚みに変化を持たせることにより、プロトンの分布のピーク位置が素子領域では終端領域より浅くなる。マスク40は、例えば、アルミニウム、鉛、金又はタングステンである。
次に、アニールを行い、プロトンを活性化させる。アニールは、例えば、水素雰囲気又は不活性ガス雰囲気で、400℃以上450℃以下の温度で行う。
プロトン照射とアニールにより、素子領域では、キャリアライフタイムの短いドリフト領域18、バッファ領域16、キャリアライフタイムの長いキャリア蓄積領域20を備える構造が形成される。一方、終端領域では、キャリアライフタイムの短い周辺領域22と素子領域のバッファ領域16に相当する領域17を備える構造が形成される(図4)。ドリフト領域18及び周辺領域22のキャリアライフタイムは、プロトンが通過する際に結晶中に生じる欠陥がアニール後も残留することにより短くなる。
次に、半導体基板10の裏面側を研磨し、半導体基板10の膜厚を薄くする。この際、バッファ領域16に相当する終端領域の領域17が無くなる膜厚まで、半導体基板10を研磨する。例えば、研磨後の半導体基板10の膜厚は、100μm以下である。
次に、例えば、リン又はヒ素のイオン注入と、レーザアニールによる活性化によりn+型のカソード領域14を形成する。その後、公知のプロセス技術により、カソード電極32を形成する。カソード電極32は金属電極である。
以上の工程により、図1、図2に示すPINダイオード100が形成される。
次に、本実施形態のPINダイオードの作用及び効果について説明する。
PINダイオードでは、スイッチング損失を低減させるためには、ドリフト領域を薄膜化して、少数キャリアの総量を低減することが有効である。もっとも、逆回復時のカソード側のキャリアが減りすぎると、キャリアが逆回復中に消滅しやすくなるため、電流及び電圧の発振が生ずる恐れがある。
本実施形態のPINダイオード100は、素子領域にバッファ領域16とキャリア蓄積領域20を備える。ドリフト領域18に伸びる空乏層の伸びは、ドリフト領域18よりもn型不純物濃度の高いバッファ領域16により抑えられる。
空乏層内の電界強度を抑制する観点から、バッファ領域16のn型不純物の分布はある程度の拡がりを有する分布であることが望ましい。したがって、バッファ領域16中の、水素又はヘリウムのピークの半値幅は、例えば、10μm以上50μm以下であることが望ましい。
そして、少数キャリアのライフタイムの長いキャリア蓄積領域20に正孔(ホール)が蓄積される。このため、逆回復時に、キャリア蓄積領域20に蓄積された正孔により、電流の変化が緩やかになる。したがって、逆回復時の電流及び電圧の発振が抑制される。
キャリア蓄積領域20が十分な厚さを備え、キャリア蓄積領域20に十分な正孔が蓄積されるようにする観点から、バッファ領域16中の、水素又はヘリウムのピークの位置は、第2の面から、20μm以上30μm以下の位置にあることが望ましい。
本実施形態のPINダイオード100によれば、空乏層の伸びが抑えられるとともに、逆回復時の電流及び電圧の発振が抑制される。したがって、ドリフト領域を薄膜化して、スイッチング損失を低減させるとともに、逆回復時の電流及び電圧の発振が抑制されたPINダイオードが実現される。
また、本実施形態のPINダイオード100は、素子領域のドリフト領域18が、キャリア蓄積領域20よりも少数キャリアライフタイムの短い領域となっている。したがって、逆回復時の電流量が抑制され、スイッチング損失の低減が実現される。
一般に、PINダイオードでは、ガードリング等が設けられたとしても、素子領域よりも電界の集中しやすい終端領域の耐圧が低くなりやすい。このため、例えば、終端領域に素子領域と同様のバッファ領域16を設けると、基板の薄膜化の限界は終端領域の耐圧で定まることになる。
本実施形態のPINダイオード100では、素子領域にのみ空乏層の伸びを抑制するバッファ領域16を設け、終端領域には設けない。したがって、終端領域の耐圧が素子領域に比較して向上する。したがって、基板の更なる薄膜化が可能となり、更にスイッチング損失を低減することが可能となる。
終端領域の耐圧を向上させる観点から、バッファ領域16は、第2のガードリング26よりも内側に設けられることが望ましい。言い換えれば、バッファ領域16の端部は、第2のガードリング26が第2の面側に向けて投影された領域よりも素子領域側にあることが望ましい。
また、本実施形態のPINダイオード100によれば、バッファ領域16の濃度プロファイルを最適化することで、アバランシェ降伏が素子領域内の分散した位置で生ずるようにすることも可能である。したがって、破壊耐量を更に向上させることが可能となる。
また、終端領域のキャリアライフタイムが長いと、逆回復時にカソード領域14側からのキャリア注入量が多くなり、逆回復時の破壊耐量(リカバリ耐量)が低下する恐れがある。本実施形態のPINダイオード100では、終端領域のn型領域である周辺領域22のキャリアライフタイムを短くする。したがって、逆回復時の破壊耐量を高くすることが可能となる。
本実施形態によれば、電流及び電圧の発振の抑制と、スイッチング損失の低減を両立したPINダイオードが実現される。また、同時にPINダイオードの破壊耐量を向上させることが可能となる。
(第2の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、第2のn型半導体領域が複数の領域に分割されていること以外は第1の実施形態と同様である。したがって、第1の実施形態と重複する内容については記述を省略する。
本実施形態の半導体装置は、第2のn型半導体領域が複数の領域に分割されていること以外は第1の実施形態と同様である。したがって、第1の実施形態と重複する内容については記述を省略する。
図5は、本実施形態の半導体装置の模式断面図である。
本実施形態のPINダイオード200は、バッファ領域(第2のn型半導体領域)16が複数の領域に分割されている。
本実施形態のPINダイオード200では、素子領域内の分割された各バッファ領域の端部で、最も耐圧が低くなる。その結果、アバランシェ降伏が、各バッファ領域の端部に対応する位置で生ずる。したがって、アバランシェ降伏が生ずる位置が分散され、破壊耐量が向上する。
本実施形態によれば、電流及び電圧の発振の抑制と、スイッチング損失の低減を両立したPINダイオードが実現される。また、同時にPINダイオードの破壊耐量を第1の実施形態と比較して更に向上させることが可能となる。
以上、実施形態では、半導体基板の材料として単結晶シリコンを例に説明したが、その他の半導体材料、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム等を本発明に適用することが可能である。
また、本実施形態では、単体のPINダイオードを例に説明したが、例えば、本発明をIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)とPINダイオードがワンチップ化されたRC−IGBT(Reverse Conductio diode−IGBT)のPINダイオード部分に適用することも可能である。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、一実施形態の構成要素を他の実施形態の構成要素と置き換え又は変更してもよい。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
10 半導体基板
12 アノード領域(第1のp型半導体領域)
14 カソード領域(第1のn型半導体領域)
16 バッファ領域(第2のn型半導体領域)
18 ドリフト領域(第3のn型半導体領域)
20 キャリア蓄積領域(第4のn型半導体領域)
22 周辺領域(第5のn型半導体領域)
24 第1のガードリング
26 第2のガードリング(第2のp型半導体領域)
28 アノード電極
32 カソード電極
100 PINダイオード(半導体装置)
200 PINダイオード(半導体装置)
12 アノード領域(第1のp型半導体領域)
14 カソード領域(第1のn型半導体領域)
16 バッファ領域(第2のn型半導体領域)
18 ドリフト領域(第3のn型半導体領域)
20 キャリア蓄積領域(第4のn型半導体領域)
22 周辺領域(第5のn型半導体領域)
24 第1のガードリング
26 第2のガードリング(第2のp型半導体領域)
28 アノード電極
32 カソード電極
100 PINダイオード(半導体装置)
200 PINダイオード(半導体装置)
Claims (5)
- 第1の面と、前記第1の面と対向する第2の面を有する半導体基板と、
前記半導体基板の前記第1の面側に選択的に設けられる第1のp型半導体領域と、
前記半導体基板の前記第2の面側に設けられる第1のn型半導体領域と、
前記第1のp型半導体領域と前記第1のn型半導体領域との間の前記半導体基板中に設けられ、前記第1のn型半導体領域よりもn型不純物濃度の低い、第2のn型半導体領域と、
前記第1のp型半導体領域と前記第2のn型半導体領域との間の前記半導体基板中に設けられ、前記第2のn型半導体領域よりもn型不純物濃度の低い、第3のn型半導体領域と、
前記第1のn型半導体領域と前記第2のn型半導体領域との間の前記半導体基板中に設けられ、前記第2のn型半導体領域よりもn型不純物濃度が低く、前記第3のn型半導体領域よりもキャリアライフタイムの長い第4のn型半導体領域と、
前記第1のp型半導体領域に電気的に接続されるアノード電極と、
前記第1のn型半導体領域に電気的に接続されるカソード電極と、
を備える半導体装置。 - 前記第1の面に垂直方向の水素又はヘリウムの濃度分布が、前記第2のn型半導体領域中にピークを有する請求項1記載の半導体装置。
- 前記第1のp型半導体領域、前記第2のn型半導体領域、前記第3のn型半導体領域、及び、前記第4のn型半導体領域を囲んで前記半導体基板中に設けられ、前記第2のn型半導体領域よりもn型不純物濃度が低く、前記第4のn型半導体領域よりもキャリアライフタイムの短い第5のn型半導体領域を、さらに備える請求項1又は請求項2記載の半導体装置。
- 前記第3のn型半導体領域の前記第1の面に垂直方向の厚さが、前記第4のn型半導体領域の前記第1の面に垂直方向の厚さよりも厚い請求項1乃至請求項3いずれか一項記載の半導体装置。
- 前記半導体基板の前記第1の面側に、前記第1のp型半導体領域との間に前記第5のn型半導体領域を挟み、前記第1のp型半導体領域を囲んで設けられる複数の第2のp型半導体領域を、さらに備える請求項3記載の半導体装置。
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