JP2019169637A - Semiconductor device, manufacturing method of the same, and power conversion circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置、半導体装置の製造方法及び電力変換回路に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, a semiconductor device manufacturing method, and a power conversion circuit.
従来、第1導電型の第1領域及び第1導電型かつ第1領域よりも不純物濃度が高い第2領域を有する半導体基体を備える半導体装置が広く知られている(例えば、特許文献1参照。)。 Conventionally, a semiconductor device including a semiconductor substrate having a first region of a first conductivity type and a second region having a first conductivity type and an impurity concentration higher than that of the first region is widely known (see, for example, Patent Document 1). ).
上記のような半導体基体としては、一般的に、エピタキシャル成長により第1領域の不純物濃度と第2領域の不純物濃度とを異なるものとしたウェーハ(以下、Epiウェーハという。)から形成されたものや、不純物の拡散により第1領域の不純物濃度と第2領域の不純物濃度とを異なるものとしたウェーハ(以下、拡散ウェーハという。)から形成されたものが用いられている。 The semiconductor substrate as described above is generally formed from a wafer (hereinafter referred to as an Epi wafer) in which the impurity concentration in the first region is different from the impurity concentration in the second region by epitaxial growth, A wafer formed from a wafer (hereinafter referred to as a diffusion wafer) in which the impurity concentration in the first region is different from the impurity concentration in the second region due to impurity diffusion is used.
Epiウェーハから形成された半導体基体では、拡散ウェーハから形成された半導体基体と比較して、第1領域と第2領域との境界の深さ位置から第2領域内における不純物濃度がある値(例えば、第1領域における不純物濃度の1000倍)になるまでの深さ位置までの距離が短くなる(濃度勾配が急峻になる。後述する図4の比較例1,2参照。)。 In the semiconductor substrate formed from the Epi wafer, compared to the semiconductor substrate formed from the diffusion wafer, the impurity concentration in the second region is a certain value from the depth position of the boundary between the first region and the second region (for example, The distance to the depth position until the impurity concentration reaches 1000 times in the first region is shortened (the concentration gradient becomes steep. Refer to Comparative Examples 1 and 2 in FIG. 4 described later).
ところで、半導体装置がダイオード(特に電力分野に用いるための、耐圧が600V以上の高耐圧ダイオード)であるときにおいて、Epiウェーハから形成された半導体基体を備えるダイオードでは、逆方向サージ電力(PRSM)耐量が低くなる傾向があり(後述する図5(a)の比較例1参照。)、また、リカバリー時に大きなノイズ(特に電圧ノイズ)が発生する場合もある(後述する図5(b)の比較例1参照。)。 By the way, when the semiconductor device is a diode (in particular, a high breakdown voltage diode having a breakdown voltage of 600 V or more for use in the power field), a diode including a semiconductor substrate formed from an Epi wafer has a reverse surge power (P RSM ). There is a tendency that the withstand amount tends to be low (see Comparative Example 1 in FIG. 5A to be described later), and a large noise (particularly voltage noise) may occur during recovery (comparison in FIG. 5B to be described later). See Example 1.)
一方、従来の拡散ウェーハから形成された半導体基体を備えるダイオードでは、順方向電圧(VF)が増大する傾向があり(後述する図6(a)の比較例2参照。)、VF−Qrrトレードオフが悪化する場合がある(後述する図6(b)の比較例2参照。)。 On the other hand, in a diode including a semiconductor substrate formed from a conventional diffusion wafer, the forward voltage (V F ) tends to increase (see Comparative Example 2 in FIG. 6A described later), and V F -Q. The rr trade-off may worsen (see Comparative Example 2 in FIG. 6B described later).
このため、従来から一般的に用いられているEpiウェーハや従来の拡散ウェーハ(以下、これらをまとめて一般的な構成のウェーハという。)から形成された半導体基体を備えるダイオードには、逆方向サージ電力耐量、リカバリー時におけるノイズ発生抑制、順方向電圧及びVF−Qrrトレードオフの全ての特性を高いレベルで並立させることは困難であるという問題がある。 For this reason, a reverse surge is not applied to a diode having a semiconductor substrate formed from a conventionally used Epi wafer or a conventional diffusion wafer (hereinafter collectively referred to as a wafer having a general configuration). There is a problem that it is difficult to make all the characteristics of power tolerance, suppression of noise generation during recovery, forward voltage, and V F -Q rr trade-off at a high level.
また、ダイオード以外の半導体装置でも、一般的な構成のウェーハから形成された半導体基体を備える場合には、上記した問題と似た問題が生じると考えられる。 Further, even in a semiconductor device other than a diode, it is considered that a problem similar to the above-described problem occurs when a semiconductor substrate formed from a wafer having a general configuration is provided.
そこで、本発明は上記した問題を解決するためになされたものであり、一般的な構成のウェーハから形成された半導体基体を備える半導体装置と比較して、逆方向サージ電力耐量、リカバリー時におけるノイズ発生抑制、順方向電圧及びVF−Qrrトレードオフの全ての特性を高いレベルで並立させることができる半導体装置を提供することを目的とする。また、本発明は、上記した半導体装置を製造するための半導体装置の製造方法を提供することも目的とする。さらに、本発明は、上記した半導体装置を用いた電力変換回路を提供することも目的とする。 Therefore, the present invention has been made to solve the above-described problems. Compared to a semiconductor device including a semiconductor substrate formed from a wafer having a general configuration, the reverse surge power withstand capability and noise during recovery are improved. It is an object of the present invention to provide a semiconductor device capable of coexisting all characteristics of generation suppression, forward voltage and V F -Q rr trade-off at a high level. Another object of the present invention is to provide a semiconductor device manufacturing method for manufacturing the semiconductor device described above. Another object of the present invention is to provide a power conversion circuit using the above-described semiconductor device.
[1]本発明の半導体装置は、第1導電型の第1領域及び第1導電型かつ前記第1領域よりも不純物濃度が高い第2領域を有する半導体基体と、前記第1領域の主面側から前記第1領域の主面上にわたって形成された主面側構造とを備え、前記第1領域と前記第2領域との境界の深さ位置から前記第2領域内における不純物濃度が前記第1領域における不純物濃度の1000倍になる深さ位置までの距離が、20μm〜40μmの範囲内にあることを特徴とする。 [1] A semiconductor device of the present invention includes a first substrate of a first conductivity type, a semiconductor substrate having a first conductivity type and a second region having an impurity concentration higher than that of the first region, and a main surface of the first region. A main surface side structure formed over the main surface of the first region from the side, and an impurity concentration in the second region from the depth position of the boundary between the first region and the second region is the first region. The distance to the depth position that is 1000 times the impurity concentration in one region is in the range of 20 μm to 40 μm.
[2]本発明の半導体装置においては、前記第1領域の厚さと前記第2領域の厚さとの合計が150μm〜250μmの範囲内にあることが好ましい。 [2] In the semiconductor device of the present invention, it is preferable that the total thickness of the first region and the thickness of the second region is in a range of 150 μm to 250 μm.
[3]本発明の半導体装置においては、前記半導体装置は、ダイオードであり、前記主面側構造は、前記第1領域の主面側に選択的に形成された第2導電型の第3領域と、前記第1領域及び前記第3領域と接触している導電体膜とを有することが好ましい。 [3] In the semiconductor device of the present invention, the semiconductor device is a diode, and the main surface side structure is a third region of a second conductivity type that is selectively formed on the main surface side of the first region. And a conductor film in contact with the first region and the third region.
[4]本発明の半導体装置においては、前記導電体膜は、ケイ素含有アルミニウム又は白金からなることが好ましい。 [4] In the semiconductor device of the present invention, the conductor film is preferably made of silicon-containing aluminum or platinum.
[5]本発明の半導体装置においては、前記第1領域の厚さをWaとし、前記第2領域の厚さをWbとするとき、0.6≦Wa/Wb≦0.9の関係を満たすことが好ましい。 [5] In the semiconductor device of the present invention, when the thickness of the first region is Wa and the thickness of the second region is Wb, the relationship of 0.6 ≦ Wa / Wb ≦ 0.9 is satisfied. It is preferable.
[6]本発明の半導体装置においては、前記第1領域の厚さをWaとし、前記第1領域の厚さと前記第2領域の厚さとの合計をWtとするとき、0.4≦Wa/Wt≦0.5の関係を満たすことが好ましい。 [6] In the semiconductor device of the present invention, when the thickness of the first region is Wa and the sum of the thickness of the first region and the second region is Wt, 0.4 ≦ Wa / It is preferable to satisfy the relationship of Wt ≦ 0.5.
[7]本発明の半導体装置の製造方法は、第1導電型の第1領域及び第1導電型かつ前記第1領域よりも不純物濃度が高い第2領域を有し、前記第1領域と前記第2領域との境界の深さ位置から前記第2領域内における不純物濃度が前記第1領域における不純物濃度の1000倍になる深さ位置までの距離が、20μm〜40μmの範囲内にある半導体基体を準備する半導体基体準備工程と、前記第1領域の主面側から前記第1領域の主面上にわたって主面側構造を形成する主面側構造形成工程とを含むことを特徴とする。 [7] A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a first conductivity type first region and a first conductivity type second region having an impurity concentration higher than that of the first region. The distance from the depth position of the boundary with the second region to the depth position where the impurity concentration in the second region becomes 1000 times the impurity concentration in the first region is in the range of 20 μm to 40 μm And a main surface side structure forming step of forming a main surface side structure from the main surface side of the first region to the main surface of the first region.
[8]本発明の電力変換回路は、ダイオードと、スイッチング素子と、誘導性負荷とを備え、前記ダイオードは、第1導電型の第1領域及び第1導電型かつ前記第1領域よりも不純物濃度が高い第2領域を有する半導体基体と、前記第1領域の主面側から前記第1領域の主面上にわたって形成された主面側構造とを備え、前記第1領域と前記第2領域との境界の深さ位置から前記第2領域内における不純物濃度が前記第1領域における不純物濃度の1000倍になる深さ位置までの距離が、20μm〜40μmの範囲内にあることを特徴とする。 [8] A power conversion circuit according to the present invention includes a diode, a switching element, and an inductive load, and the diode has a first conductivity type first region and a first conductivity type, and is more impurity than the first region. A semiconductor substrate having a second region having a high concentration, and a main surface side structure formed from the main surface side of the first region to the main surface of the first region, the first region and the second region The distance from the depth position of the boundary to the depth position where the impurity concentration in the second region becomes 1000 times the impurity concentration in the first region is in the range of 20 μm to 40 μm. .
まず、本発明の半導体装置においては、第1領域と第2領域との境界の深さ位置から第2領域内における不純物濃度が第1領域における不純物濃度の1000倍になる深さ位置までの距離(以下、濃度勾配を評価するための距離という意味で、評価距離ということもある。)が20μm以上であるため、Epiウェーハから形成された半導体基体を備える半導体装置と比較して、評価距離が長くなる(濃度勾配が緩やかとなる)。
このため、本発明の半導体装置によれば、低電圧でのリーチスルーを抑制するとともにリカバリー時にソフトリカバリーとすることが可能となり、その結果、後述する実施例で示すように、逆方向サージ電力耐量の低下を抑制することやリカバリー時のノイズの発生を抑制することができる。
First, in the semiconductor device of the present invention, the distance from the depth position of the boundary between the first region and the second region to the depth position where the impurity concentration in the second region is 1000 times the impurity concentration in the first region. (Hereinafter referred to as an evaluation distance in the meaning of a distance for evaluating the concentration gradient) is 20 μm or more, and therefore the evaluation distance is larger than that of a semiconductor device including a semiconductor substrate formed from an Epi wafer. Longer (concentration gradient becomes gentle).
For this reason, according to the semiconductor device of the present invention, it is possible to suppress reach through at a low voltage and to perform soft recovery at the time of recovery. It is possible to suppress the decrease in noise and the generation of noise during recovery.
また、本発明の半導体装置においては、評価距離が40μm以下であるため、従来の拡散ウェーハから形成された半導体基体を備える半導体装置と比較して、評価距離が短くなる(濃度勾配が急峻となる)。
このため、本発明の半導体装置によれば、従来の拡散ウェーハから形成された半導体基体を備える半導体装置と比較して第2領域を薄くすることが可能となり、その結果、後述する実施例で示すように、順方向電圧(VF)の増大を抑制することやVF−Qrrトレードオフの悪化を抑制することができる。
In the semiconductor device of the present invention, since the evaluation distance is 40 μm or less, the evaluation distance becomes shorter (concentration gradient becomes steeper) than a semiconductor device including a semiconductor substrate formed from a conventional diffusion wafer. ).
For this reason, according to the semiconductor device of the present invention, it is possible to make the second region thinner as compared with a semiconductor device including a semiconductor substrate formed from a conventional diffusion wafer. Thus, it is possible to suppress an increase in the forward voltage (V F ) and to suppress the deterioration of the V F -Q rr trade-off.
したがって、本発明の半導体装置は、一般的な構成のウェーハから形成された半導体基体を備える半導体装置と比較して、逆方向サージ電力耐量、リカバリー時におけるノイズ発生抑制、順方向電圧及びVF−Qrrトレードオフの全ての特性を高いレベルで並立させることができる半導体装置となる。 Therefore, the semiconductor device of the present invention has a reverse surge power capability, noise generation suppression during recovery, forward voltage and V F − as compared with a semiconductor device including a semiconductor substrate formed from a wafer having a general configuration. It becomes a semiconductor device capable of paralleling all the characteristics of the Q rr trade-off at a high level.
本発明の半導体装置の製造方法は、第1領域と第2領域との境界の深さ位置から第2領域内における不純物濃度が第1領域における不純物濃度の1000倍になる深さ位置までの距離が20μm〜40μmの範囲内にある半導体基体を準備する半導体基体準備工程を含むため、一般的な構成のウェーハから形成された半導体基体を備える半導体装置と比較して、逆方向サージ電力耐量、リカバリー時におけるノイズ発生抑制、順方向電圧及びVF−Qrrトレードオフの全ての特性を高いレベルで並立させることができる半導体装置(本発明の半導体装置)を製造することができる半導体装置の製造方法となる。 The semiconductor device manufacturing method according to the present invention provides a distance from the depth position of the boundary between the first region and the second region to the depth position where the impurity concentration in the second region is 1000 times the impurity concentration in the first region. Includes a semiconductor substrate preparation step of preparing a semiconductor substrate having a thickness in the range of 20 μm to 40 μm. Therefore, compared to a semiconductor device including a semiconductor substrate formed from a wafer having a general configuration, reverse surge power withstand capability and recovery Semiconductor device manufacturing method capable of manufacturing a semiconductor device (semiconductor device of the present invention) capable of paralleling all characteristics of noise generation suppression, forward voltage and V F -Q rr trade-off at a high level It becomes.
本発明の電力変換回路は、逆方向サージ電力耐量、リカバリー時におけるノイズ発生抑制、順方向電圧及びVF−Qrrトレードオフの全ての特性を高いレベルで並立させることができるダイオード(本発明の半導体装置であるダイオード)を備える高品質な電力変換回路となる。 The power conversion circuit of the present invention is a diode that can parallelize all characteristics of reverse surge power capability, noise generation suppression during recovery, forward voltage, and V F -Q rr trade-off at a high level (the present invention A high-quality power conversion circuit including a diode that is a semiconductor device is obtained.
以下、本発明の半導体装置、半導体装置の製造方法及び電力変換回路について、図に示す実施形態に基づいて説明する。なお、構造を示す各図面は模式図であり、必ずしも実際の構造や構成等を厳密に反映するものではない。以下に説明する実施形態は、請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている諸要素及びその組み合わせの全てが本発明の解決手段に必須であるとは限らない。 Hereinafter, a semiconductor device, a method for manufacturing a semiconductor device, and a power conversion circuit of the present invention will be described based on embodiments shown in the drawings. Each drawing showing the structure is a schematic diagram and does not necessarily reflect the actual structure, configuration, or the like. The embodiments described below do not limit the invention according to the claims. In addition, all the elements and combinations described in the embodiments are not necessarily essential for the solution means of the present invention.
[実施形態]
1.半導体装置1の構成
まず、実施形態1に係る半導体装置1の構成について説明する。
実施形態に係る半導体装置1は、ダイオードである。
実施形態に係る半導体装置1は、図1に示すように、半導体基体10と、主面側構造20と、電極30とを備える。
[Embodiment]
1. Configuration of
The
As shown in FIG. 1, the
なお、半導体装置1は、上記した以外の構成要素を備えていてもよいが、それらは本発明には直接関係しないため、説明及び図示は行わない。
The
半導体基体10は、第1導電型の第1領域12及び第1導電型かつ第1領域12よりも不純物濃度が高い第2領域14を有する。
実施形態においては、第1導電型はN型である。第1導電型の不純物としては、例えばリンを用いることができる。
第1領域12における不純物濃度は、例えば5×1013cm−3〜1×1016cm−3の範囲内とすることができる。第1領域12においては、基本的に全域にわたって不純物濃度がほぼ均一である。なお、後述する第3領域22のような第2導電型の不純物が導入されている部分等、半導体装置の製造工程において後から形成された領域についてはこの限りではない。
第1領域12の厚さは、例えば75μm〜120μmの範囲内とすることができる。
The
In the embodiment, the first conductivity type is an N type. As the first conductivity type impurity, for example, phosphorus can be used.
The impurity concentration in the
The thickness of the
第1領域12と第2領域14との境界は、不純物濃度が第1領域12の不純物濃度の値から高くなり始める場所のことをいう。このため、第2領域14における不純物濃度は、第1領域12と第2領域14との境界における不純物濃度(実質的に第1領域12の不純物濃度と同じ濃度)から第2領域14の主面側(電極30側)に向かうにつれて高くなっていく(後述する図4参照。)。
第2領域14の電極30側端部における不純物濃度は、例えば1×1019cm−3〜1×1021cm−3の範囲内とすることができる。
第2領域14の厚さは、例えば、75μm〜175μmの範囲内とすることができる。
The boundary between the
The impurity concentration at the end of the
The thickness of the
半導体装置1においては、第1領域12の厚さと第2領域14の厚さとの合計(半導体基体10の厚さ)が150μm〜250μmの範囲内にある。
In the
半導体装置1においては、第1領域12の厚さをWaとし、第2領域14の厚さをWbとするとき、0.6≦Wa/Wb≦0.9の関係を満たす。
また、半導体装置1においては、第1領域12の厚さと第2領域14の厚さとの合計をWtとするとき、0.4≦Wa/Wt≦0.5の関係を満たす。
In the
Further, in the
半導体装置1においては、第1領域12と第2領域14との境界の深さ位置から第2領域14内における不純物濃度が第1領域12における不純物濃度の1000倍になる深さ位置までの距離(評価距離)が、20μm〜40μmの範囲内にある(後述する図4参照。)。
In the
主面側構造20は、第1領域12の主面側から第1領域12の主面上にわたって形成されたものである。主面側構造20は、第3領域22、導電体膜24及び酸化膜26を有する。半導体装置1における主面側構造20は、MPS構造やJBS構造といわれることもある。
The main
なお、「第1領域の主面側」は、「第1領域の内部であって第1領域の主面に近い場所」ということもできる。
また、「第1領域の主面上」は、「第1領域の外部であって第1領域の表面上」ということもできる。
Note that “the main surface side of the first region” can also be referred to as “a place inside the first region and close to the main surface of the first region”.
Further, “on the main surface of the first region” can also be referred to as “on the surface of the first region outside the first region”.
第3領域22は、第1領域12の主面側に選択的に形成された第2導電型の領域である。実施形態においては、第2導電型はP型である。第2導電型の不純物としては、例えばボロンを用いることができる。「選択的に形成された第3領域」とは、第3領域22が第1領域12の主面と導電体膜24との間の一部の領域に形成されたものであることをいう。第3領域22は、例えば、平面視したときに島状や縞状に形成されている。
第3領域22の表面不純物濃度は、例えば1×1016cm−3〜1×1019cm−3とすることができる。
第1領域12と第3領域22とは、PN接合を形成している。
The third region 22 is a second conductivity type region selectively formed on the main surface side of the
The surface impurity concentration of the third region 22 can be set to, for example, 1 × 10 16 cm −3 to 1 × 10 19 cm −3 .
The
導電体膜24は、第1領域12の主面上に形成され、第1領域12及び第3領域22と接触している。導電体膜24は、ケイ素含有アルミニウム又は白金からなる。導電体膜24の厚さは、例えば1μm〜5μmとすることができる。半導体装置1における導電体膜24は、バリアメタルといわれることもある。
第1領域12と導電体膜24とは、ショットキー接合を形成している。
導電体膜24は、アノード電極を兼ねている。
酸化膜26は、第1領域12の主面上に、導電体膜24の半導体基体10と接している部分を囲むように形成されている。酸化膜26は、例えばSiO2からなる。
The
The
The
The
電極30はカソード電極である。電極30は、例えば、ニッケルからなる。電極30の厚さは、例えば2μmとすることができる。
The
2.半導体装置の製造方法
次に、実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
実施形態に係る半導体装置の製造方法は、実施形態1に係る半導体装置1を製造するための製造方法である。
2. Semiconductor Device Manufacturing Method Next, a semiconductor device manufacturing method according to the embodiment will be described.
The manufacturing method of the semiconductor device according to the embodiment is a manufacturing method for manufacturing the
実施形態に係る半導体装置の製造方法は、半導体基体準備工程S1と、主面側構造形成工程S2と、電極形成工程S3とを含む。
なお、本明細書においては、本発明との関連性が高い工程について記載する。つまり、必ずしも本明細書に記載した工程のみで半導体装置全体を製造するものではない。本発明の半導体装置の製造方法は、本明細書で説明する工程の前後や本明細書で説明する工程の間に、本明細書に記載する以外の工程を含んでいてもよい。
The method for manufacturing a semiconductor device according to the embodiment includes a semiconductor substrate preparation step S1, a main surface side structure formation step S2, and an electrode formation step S3.
In the present specification, a process having high relevance to the present invention will be described. That is, the entire semiconductor device is not necessarily manufactured only by the steps described in this specification. The method for manufacturing a semiconductor device of the present invention may include steps other than those described in this specification before and after the steps described in this specification and between the steps described in this specification.
半導体基体準備工程S1は、図2(a)に示すように、第1導電型の第1領域12及び第1導電型かつ第1領域12よりも不純物濃度が高い第2領域14を有し、第1領域12と第2領域14との境界の深さ位置から第2領域14内における不純物濃度が第1領域12における不純物濃度の1000倍になる深さ位置までの距離が、20μm〜40μmの範囲内にある半導体基体10を準備する工程である。
The semiconductor substrate preparation step S1, as shown in FIG. 2A, has a first conductivity type
また、実施形態における半導体基体準備工程S1において準備する半導体基体10は、実施形態に係る半導体装置1を製造するためのものであるため、厚さや不純物濃度については上記半導体装置1に関する記載で説明した半導体基体10と同様である。
厚さに関して再度記載すると、半導体基体準備工程S1で準備する半導体基体10は、第1領域12の厚さと第2領域14の厚さとの合計(半導体基体10の厚さ)が150μm〜250μmの範囲内にあり、かつ、0.6≦Wa/Wb≦0.9の関係及び0.4≦Wa/Wt≦0.5の関係を満たす。
Moreover, since the
When describing the thickness again, the
主面側構造形成工程S2は、図2(b)に示すように、第1領域12の主面側から第1領域12の主面上にわたって主面側構造20を形成する工程である。
実施形態における主面側構造20は、例えば、マスクや酸化膜(酸化膜26を含む)を形成する工程、第2導電型(P型)の不純物を半導体基体10に選択的に導入して第3領域22を形成する工程、熱処理を行う工程、導電体膜24を形成する工程等を実施することで形成することができる。主面側構造20自体は既知の構造であり、上記例示で記載した工程も既知の工程であり、各種工程を実施する順番や組み合わせ等も既知のものであるため、詳細な説明は省略する。
The main surface side structure forming step S2 is a step of forming the main
In the main
電極形成工程S3は、図2(c)に示すように、電極30を形成する工程である。実施形態における電極30は既知の構造のものであり、既知の方法で形成することができるため、詳細な説明は省略する。
The electrode forming step S3 is a step of forming the
少なくとも以上の工程を含む実施形態に係る半導体装置の製造方法を実施することにより、実施形態に係る半導体装置1を製造することができる。
The
3.電力変換回路100の構成
次に、実施形態に係る電力変換回路100について説明する。
実施形態に係る電力変換回路100は、図3に示すように、ダイオードである半導体装置1と、スイッチング素子110と、誘導性負荷(リアクトル)120と、電源130と、平滑コンデンサ140とを備える。電力変換回路100の外部端子には、負荷150が接続されている。
半導体装置1は、いわゆるフリーホイールダイオードとして扱われる。
3. Configuration of
As shown in FIG. 3, the
The
スイッチング素子110は、スイッチング素子110、誘導性負荷120及び電源130から構成される回路の開閉を制御する。実施形態におけるスイッチング素子110は、MOSFETからなる。
スイッチング素子110は、ドライブ回路(図示せず)からスイッチング素子110のゲート電極に印加されるクロック信号に応答してスイッチングする。スイッチング素子110がオン状態になると、スイッチング素子110、誘導性負荷120及び電源130から構成される回路が閉状態となり、誘導性負荷120に電源130からの電流が流れるようになる。
The switching
The switching
誘導性負荷120は、電流によって形成される磁場にエネルギーを蓄えることができる受動素子(インダクタ)である。
電源130の陽極は、誘導性負荷120の一方端と電気的に接続されており、電源130の負極は、スイッチング素子110のソース電極と電気的に接続されている。また、スイッチング素子110のドレイン電極は、誘導性負荷120の他方端及び半導体装置1の電極30(アノード電極)と電気的に接続されている。
The
The anode of the
4.実施形態に係る半導体装置1、半導体装置の製造方法及び電力変換回路の効果
以下、実施形態に係る半導体装置1、半導体装置の製造方法及び電力変換回路の効果について説明する。
4). Effects of
まず、実施形態に係る半導体装置1においては、評価距離が20μm以上であるため、Epiウェーハから形成された半導体基体を備える半導体装置と比較して、評価距離が長くなる(濃度勾配が緩やかとなる)。
このため、実施形態に係る半導体装置1によれば、低電圧でのリーチスルーを抑制するとともにリカバリー時にソフトリカバリーとすることが可能となり、その結果、後述する実施例で示すように、逆方向サージ電力耐量の低下を抑制することやリカバリー時のノイズの発生を抑制することができる。
First, in the
For this reason, according to the
また、実施形態に係る半導体装置1においては、評価距離が40μm以下であるため、従来の拡散ウェーハから形成された半導体基体を備える半導体装置と比較して、評価距離が短くなる(濃度勾配が急峻となる)。
このため、実施形態に係る半導体装置1においては、従来の拡散ウェーハから形成された半導体基体を備える半導体装置と比較して第2領域14を薄くすることが可能となり、その結果、後述する実施例で示すように、順方向電圧(VF)の増大を抑制することやVF−Qrrトレードオフの悪化を抑制することができる。
Further, in the
For this reason, in the
したがって、実施形態に係る半導体装置1は、一般的な構成のウェーハから形成された半導体基体を備える半導体装置と比較して、逆方向サージ電力耐量、リカバリー時におけるノイズ発生抑制、順方向電圧及びVF−Qrrトレードオフの全ての特性を高いレベルで並立させることができる半導体装置となる。
Therefore, the
また、実施形態に係る半導体装置1によれば、第1領域12を厚くしたり傾斜/ダブルEpiのような複雑な構成を採用したりすることなく、逆方向サージ電力耐量の低下を抑制することやリカバリー時のノイズの発生を抑制することができる。このため、実施形態に係る半導体装置1によれば、第1領域を厚くしたり複雑な構成を採用したりしたEpiウェーハから形成された半導体基体を備える半導体装置と比較して、順方向電圧(VF)の低減や低コスト化を達成することが可能となる。
In addition, according to the
また、実施形態に係る半導体装置1によれば、従来の拡散ウェーハから形成された半導体基体を備える半導体装置と比較して第2領域14の主面側から見たN型不純物の拡散深さを浅くすることができる(逆に言えば、拡散深さを深くする必要がない。)。このため、実施形態に係る半導体装置1によれば、従来の拡散ウェーハから形成された半導体基体を備える半導体装置と比較して低コスト化や特性のバラツキの改善を達成することが可能となる。
In addition, according to the
また、実施形態に係る半導体装置1においては、半導体基体10の厚さが150μm〜250μmの範囲内にある。実施形態に係る半導体装置1によれば、半導体基体10の厚さが150μm以上であるため、半導体基体10の厚さを十分に確保することで十分な耐圧を確保することが可能となるとともに、製造時に半導体基体10が破壊されてしまう事態(いわゆるウェーハ割れ)の発生を抑制することが可能となる。また、実施形態に係る半導体装置1においては、半導体基体10の厚さが250μm以下であるため、特に順方向電圧(VF)の増大を一層抑制し、半導体装置1の特性を一層高いレベルで並立させることができる。
In the
また、実施形態に係る半導体装置1によれば、半導体装置1は、ダイオードであり、主面側構造20は、第1領域12の主面側に選択的に形成された第2導電型の第3領域22と、第1領域12及び第3領域22と接触している導電体膜24とを有するため、逆方向サージ電力耐量の低下を一層抑制することが可能となり、かつ、順方向電圧VFを一層低くすることが可能となる。
Further, according to the
また、実施形態に係る半導体装置1によれば、導電体膜24は、ケイ素含有アルミニウム又は白金からなるため、従来よく用いられているアルミニウムからなる導電体膜を用いた場合と比較して、動作時(高温時)における逆方向特性を向上させることが可能となる。
In addition, according to the
また、実施形態に係る半導体装置1においては、0.6≦Wa/Wb≦0.9の関係を満たす。実施形態に係る半導体装置1によれば、0.6≦Wa/Wbの関係を満たすため、第2領域14を十分に薄くして半導体基体10の厚さを十分に低減することが可能となる。また、実施形態に係る半導体装置1によれば、Wa/Wb≦0.9の関係を満たすため、第2領域14を過剰に薄くしすぎないようにして半導体装置1の特性や耐圧の低下を十分に抑制することが可能となる。
In the
また、実施形態に係る半導体装置1においては、0.4≦Wa/Wt≦0.5の関係を満たす。実施形態に係る半導体装置1によれば、0.4≦Wa/Wtの関係を満たすため、半導体基体10中の第1領域12の厚さを十分に確保して半導体装置としての性能を十分に確保することが可能となる。また、実施形態に係る半導体装置1によれば、Wa/Wt≦0.5の関係を満たすため、第2領域14や半導体基体10を過剰に薄くしすぎないようにして半導体装置1の特性や耐圧の低下を十分に抑制することが可能となる。
In the
実施形態に係る半導体装置の製造方法は、評価距離が、20μm〜40μmの範囲内にある半導体基体10を準備する半導体基体準備工程S1を含むため、実施形態に係る半導体装置1を製造することができる半導体装置の製造方法となる。
Since the semiconductor device manufacturing method according to the embodiment includes the semiconductor substrate preparation step S1 for preparing the
実施形態に係る電力変換回路100は、回路中のダイオードが実施形態に係る半導体装置1であるため、逆方向サージ電力耐量、リカバリー時におけるノイズ発生抑制、順方向電圧及びVF−Qrrトレードオフの全ての特性を高いレベルで並立させることができる半導体装置1を備える高品質な電力変換回路となる。
In the
[実施例]
以下、本発明に係る半導体装置について、実際に特性を計測した結果に基づく説明を行う。
[Example]
Hereinafter, the semiconductor device according to the present invention will be described based on the result of actually measuring the characteristics.
本発明の発明者は、本発明の半導体装置の効果を確認するために、実施形態に係る半導体装置1と同様の構成を有する半導体装置(以下、実施例に係る半導体装置という。)、Epiウェーハから形成された半導体基体を備える半導体装置(以下、比較例1に係る半導体装置という。)及び従来の拡散ウェーハから形成された半導体基体を備える半導体装置(以下、比較例2に係る半導体装置という。)の3種類の半導体装置を準備し、それぞれの特性を測定した。
In order to confirm the effect of the semiconductor device of the present invention, the inventor of the present invention has a configuration similar to that of the
なお、実施例に係る半導体装置及び比較例1,2に係る半導体装置は、半導体基体の構成(厚さと不純物濃度の分布)以外の点(主面側構造等)については同様の構成を有するものとした。 The semiconductor device according to the example and the semiconductor devices according to comparative examples 1 and 2 have the same configuration with respect to points (main surface side structure, etc.) other than the configuration of the semiconductor substrate (thickness and impurity concentration distribution). It was.
結果の評価を容易にするために、各半導体装置の第1領域における不純物濃度は同一とした。具体的には、当該不純物濃度は、全ての半導体装置において1×1014cm−3とした(図4の符号Ca参照。)。
このため、第1領域における不純物濃度の1000倍は、1×1017cm−3となる(図4の符号Cb参照。)。
In order to facilitate the evaluation of the results, the impurity concentration in the first region of each semiconductor device is the same. Specifically, the impurity concentration was set to 1 × 10 14 cm −3 in all semiconductor devices (see reference symbol Ca in FIG. 4).
Therefore, 1000 times the impurity concentration in the first region is 1 × 10 17 cm −3 (see the symbol Cb in FIG. 4).
実施例に係る半導体装置においては、第1領域と第2領域との境界の深さ位置から第2領域内における不純物濃度が第1領域における不純物濃度の1000倍になる深さ位置までの距離(評価距離)が約29μmである(20μm〜40μmの範囲内にある)(図4の符号D1参照。)。
一方、比較例1に係る半導体装置においては評価距離は約5μmであり(図4の符号D2参照。)、比較例2に係る半導体装置においては評価距離は約48μmである(図4の符号D3参照。)。
In the semiconductor device according to the example, the distance from the depth position of the boundary between the first region and the second region to the depth position where the impurity concentration in the second region becomes 1000 times the impurity concentration in the first region ( Evaluation distance) is about 29 μm (within a range of 20 μm to 40 μm) (see reference numeral D1 in FIG. 4).
On the other hand, the evaluation distance is about 5 μm in the semiconductor device according to Comparative Example 1 (see reference symbol D2 in FIG. 4), and the evaluation distance is about 48 μm in the semiconductor device according to Comparative Example 2 (reference symbol D3 in FIG. 4). reference.).
結果の評価を容易にするために、各半導体装置の第1領域の厚さWaは同一のものとした。第2領域の厚さWbは、各半導体装置において妥当と考えられる厚さ、つまり、各半導体装置が動作するのに適すると考えられる厚さを採用した。
具体的には、第1領域の厚さWaは、全ての半導体装置において90μmとした。
第2領域の厚さWbは、実施例に係る半導体装置においては110μmとし、比較例1に係る半導体装置においては525μmとし、比較例2に係る半導体装置においては175μmとした。
In order to facilitate the evaluation of the results, the thickness Wa of the first region of each semiconductor device is the same. As the thickness Wb of the second region, a thickness that is considered appropriate for each semiconductor device, that is, a thickness that is considered appropriate for the operation of each semiconductor device is employed.
Specifically, the thickness Wa of the first region is 90 μm in all the semiconductor devices.
The thickness Wb of the second region was 110 μm in the semiconductor device according to the example, 525 μm in the semiconductor device according to Comparative Example 1, and 175 μm in the semiconductor device according to Comparative Example 2.
具体的には、実施例に係る半導体装置においては、Wa/Wb=0.82となり、Wa/Wt=0.45となる。
比較例1に係る半導体装置においては、Wa/Wb≒0.17となり、Wa/Wt≒0.15となる。
比較例2に係る半導体装置においては、Wa/Wb≒0.51となり、Wa/Wt≒0.34となる。
Specifically, in the semiconductor device according to the example, Wa / Wb = 0.82 and Wa / Wt = 0.45.
In the semiconductor device according to Comparative Example 1, Wa / Wb≈0.17 and Wa / Wt≈0.15.
In the semiconductor device according to Comparative Example 2, Wa / Wb≈0.51 and Wa / Wt≈0.34.
まず、実施例に係る半導体装置及び比較例1に係る半導体装置について、逆方向サージ電力耐量(PRSM)分布を測定した。当該測定は、JEITA規格 ED−4511Bの17頁−4.2.5 三角波法に沿って行った。
その結果、図5(a)に示すように、比較例1に係る半導体装置の逆方向サージ電力耐量は極端に低い(およそ1kW以下)であったのに対して、実施例に係る半導体装置の逆方向サージ電力耐量は8kW〜10kW程度であり、十分に高い値であることが確認できた。このため、実施例に係る半導体装置は、比較例1に係る半導体装置と比較して逆方向サージ電力耐量に関する特性が優れているといえる。
First, the reverse surge power capability (P RSM ) distribution was measured for the semiconductor device according to the example and the semiconductor device according to comparative example 1. The measurement was performed according to JEITA standard ED-4511B,
As a result, as shown in FIG. 5A, the reverse surge power withstand capability of the semiconductor device according to Comparative Example 1 was extremely low (approximately 1 kW or less), whereas that of the semiconductor device according to the example was The reverse surge power capability was about 8 kW to 10 kW, which was confirmed to be a sufficiently high value. For this reason, it can be said that the semiconductor device according to the example is superior in characteristics regarding the reverse surge power withstand capability as compared with the semiconductor device according to Comparative Example 1.
次に、実施例に係る半導体装置及び比較例1に係る半導体装置について、リカバリー電圧波形を測定した。当該測定は定法により行った。測定条件は、IF=30a、VR=600V、−di/dt=250A/μsとした。
その結果、図5(b)に示すように、比較例1に係る半導体装置おいては大きな電圧ノイズが発生したのに対して、実施例に係る半導体装置においては電圧ノイズが非常に小さいことが確認できた。このため、実施例に係る半導体装置は、比較例1に係る半導体装置と比較してリカバリー時のノイズの低減に関する特性が優れているといえる。
Next, the recovery voltage waveform was measured for the semiconductor device according to the example and the semiconductor device according to comparative example 1. The measurement was performed by a conventional method. Measurement conditions were I F = 30a, V R = 600V, -di / dt = 250A / μs.
As a result, as shown in FIG. 5B, a large voltage noise is generated in the semiconductor device according to Comparative Example 1, whereas the voltage noise is very small in the semiconductor device according to the example. It could be confirmed. For this reason, it can be said that the semiconductor device according to the example is superior in characteristics related to noise reduction during recovery as compared with the semiconductor device according to Comparative Example 1.
次に、実施例に係る半導体装置及び比較例1,2に係る半導体装置について、順方向電圧−順方向電流特性(VF−IF特性)を測定した。当該測定は定法により行った。
その結果、図6(a)に示すように、実施例に係る半導体装置のVF−IF特性は比較例1に係る半導体装置のVF−IF特性に近く、比較例2に係る半導体装置と比較してIFあたりのVFを十分に低減することができていることが確認できた。このため、実施例に係る半導体装置は、比較例2に係る半導体装置と比較して順方向電圧に関する特性が優れているといえる。
Next, a semiconductor device according to a semiconductor device and Comparative Examples 1 and 2 according to the embodiment, the forward voltage - measured forward current characteristics (V F -I F characteristics). The measurement was performed by a conventional method.
Semiconductor As a result, as shown in FIG. 6 (a), V F -I F characteristics of the semiconductor device according to the embodiment of close to V F -I F characteristics of the semiconductor device according to Comparative Example 1, according to Comparative Example 2 it was confirmed that it is possible to sufficiently reduce the V F per I F as compared to device. For this reason, it can be said that the semiconductor device according to the example is superior in characteristics regarding the forward voltage as compared with the semiconductor device according to Comparative Example 2.
さらに、実施例に係る半導体装置及び比較例1,2に係る半導体装置について、VFとQrrとの間のトレードオフを算出した。
その結果、図6(b)に示すように、実施例に係る半導体装置のVF−Qrrトレードオフの特性は比較例1に係る半導体装置のVF−Qrrトレードオフの特性に近く、比較例2に係る半導体装置と比較してVFを十分に低減することができていることが確認できた。このため、実施例に係る半導体装置は、比較例2に係る半導体装置と比較してVF−Qrrトレードオフの特性が優れているといえる。
Furthermore, the trade-off between V F and Q rr was calculated for the semiconductor device according to the example and the semiconductor devices according to comparative examples 1 and 2.
As a result, as shown in FIG. 6B, the V F -Q rr trade-off characteristic of the semiconductor device according to the example is close to the V F -Q rr trade-off characteristic of the semiconductor device according to Comparative Example 1, it was confirmed that it is possible to sufficiently reduce the V F as compared with the semiconductor device according to Comparative example 2. For this reason, it can be said that the semiconductor device according to the example is superior in the V F -Q rr trade-off characteristic as compared with the semiconductor device according to Comparative Example 2.
以上の結果から、本発明の半導体装置は、一般的な構成のウェーハから形成された半導体基体を備える半導体装置と比較して、逆方向サージ電力耐量、リカバリー時におけるノイズ発生抑制、順方向電圧及びVF−Qrrトレードオフの全ての特性を高いレベルで並立させることができる半導体装置となることが確認できた。 From the above results, the semiconductor device of the present invention has a reverse surge power withstand capability, suppression of noise generation during recovery, forward voltage, and a semiconductor device including a semiconductor substrate formed from a wafer having a general configuration. It has been confirmed that the semiconductor device is capable of paralleling all the characteristics of the V F -Q rr trade-off at a high level.
以上、本発明を上記の実施形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。その趣旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば、次のような変形も可能である。 As mentioned above, although this invention was demonstrated based on said embodiment, this invention is not limited to said embodiment. The present invention can be implemented in various modes without departing from the spirit thereof, and for example, the following modifications are possible.
(1)上記実施形態において記載した構成要素の形状、数、位置等は例示であり、本発明の効果を損なわない範囲において変更することが可能である。 (1) The shape, number, position, and the like of the constituent elements described in the above embodiment are exemplifications, and can be changed within a range not impairing the effects of the present invention.
(2)上記実施形態においては、主面側構造20は、第1領域12の主面側に選択的に形成された第2導電型の第3領域22と、第1領域12及び第3領域22と接触している導電体膜24とを有するが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図7に示す半導体装置2のように、他の主面側構造を備えるものであってもよい。なお、図7に示す変形例に係る半導体装置2はPN接合型のダイオードであり、主面側構造40は、P型の第3領域42、導電体膜44及び酸化膜26を有する。
(2) In the above embodiment, the main
(3)本発明の半導体装置においては、半導体基体にライフタイムキラー(構造欠陥)が形成(導入)されていてもよい。 (3) In the semiconductor device of the present invention, a lifetime killer (structural defect) may be formed (introduced) in the semiconductor substrate.
(4)本発明は、上記各実施形態とはN型とP型とが逆の場合でも成立する。 (4) The present invention is established even when the N-type and the P-type are opposite to the above embodiments.
(5)上記各実施形態においては、半導体装置はダイオードであったが、本発明はこれに限定されるものではない。各種トランジスタ、サイリスタ、トライアック等、他の半導体装置にも本発明を適用することができる。ただし、本発明の電力変換回路に本発明の半導体装置を適用する場合においては、半導体装置はダイオードである。 (5) In each of the above embodiments, the semiconductor device is a diode, but the present invention is not limited to this. The present invention can also be applied to other semiconductor devices such as various transistors, thyristors, and triacs. However, when the semiconductor device of the present invention is applied to the power conversion circuit of the present invention, the semiconductor device is a diode.
1,2…半導体装置、10…半導体基体、12…第1領域、14…第2領域、20,40…主面側構造、22,42…第3領域、24,44…導電体膜、26…酸化膜、30…電極、100…電力変換回路、110…スイッチング素子、120…誘導性負荷、130…電源、140…平滑コンデンサ、150…負荷
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記第1領域の主面側から前記第1領域の主面上にわたって形成された主面側構造とを備え、
前記第1領域と前記第2領域との境界の深さ位置から前記第2領域内における不純物濃度が前記第1領域における不純物濃度の1000倍になる深さ位置までの距離が、20μm〜40μmの範囲内にあることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor substrate having a first region of a first conductivity type and a second region having a first conductivity type and an impurity concentration higher than that of the first region;
A main surface side structure formed over the main surface of the first region from the main surface side of the first region,
The distance from the depth position of the boundary between the first region and the second region to the depth position where the impurity concentration in the second region becomes 1000 times the impurity concentration in the first region is 20 μm to 40 μm A semiconductor device characterized by being in a range.
前記主面側構造は、前記第1領域の主面側に選択的に形成された第2導電型の第3領域と、前記第1領域及び前記第3領域と接触している導電体膜とを有することを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。 The semiconductor device is a diode,
The main surface side structure includes a third region of a second conductivity type that is selectively formed on the main surface side of the first region, and a conductor film in contact with the first region and the third region. The semiconductor device according to claim 1, further comprising:
0.6≦Wa/Wb≦0.9の関係を満たすことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の半導体装置。 When the thickness of the first region is Wa and the thickness of the second region is Wb,
The semiconductor device according to claim 1, wherein a relationship of 0.6 ≦ Wa / Wb ≦ 0.9 is satisfied.
0.4≦Wa/Wt≦0.5の関係を満たすことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の半導体装置。 When the thickness of the first region is Wa, and the total of the thickness of the first region and the thickness of the second region is Wt,
The semiconductor device according to claim 1, wherein a relationship of 0.4 ≦ Wa / Wt ≦ 0.5 is satisfied.
前記第1領域の主面側から前記第1領域の主面上にわたって主面側構造を形成する主面側構造形成工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 A first conductivity type first region and a first conductivity type and a second region having an impurity concentration higher than that of the first region, the first region from the depth position of the boundary between the first region and the second region; A semiconductor substrate preparation step of preparing a semiconductor substrate in which the distance to a depth position where the impurity concentration in the two regions is 1000 times the impurity concentration in the first region is in the range of 20 μm to 40 μm;
And a main surface side structure forming step of forming a main surface side structure from the main surface side of the first region to the main surface of the first region.
スイッチング素子と、
誘導性負荷とを備え、
前記ダイオードは、第1導電型の第1領域及び第1導電型かつ前記第1領域よりも不純物濃度が高い第2領域を有する半導体基体と、前記第1領域の主面側から前記第1領域の主面上にわたって形成された主面側構造とを備え、前記第1領域と前記第2領域との境界の深さ位置から前記第2領域内における不純物濃度が前記第1領域における不純物濃度の1000倍になる深さ位置までの距離が、20μm〜40μmの範囲内にあることを特徴とする電力変換回路。 A diode,
A switching element;
With inductive load,
The diode includes a first region of a first conductivity type, a semiconductor substrate having a first conductivity type and a second region having an impurity concentration higher than that of the first region, and the first region from the main surface side of the first region. A main surface side structure formed over the main surface of the first region, and the impurity concentration in the second region from the depth position of the boundary between the first region and the second region is equal to the impurity concentration in the first region. A power conversion circuit characterized in that a distance to a depth position that is 1000 times is in a range of 20 μm to 40 μm.
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