JP2020027815A - Power semiconductor device and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本実施の形態は、パワー半導体装置及びその製造方法に関する。 The present embodiment relates to a power semiconductor device and a method for manufacturing the same.
静電誘導型半導体デバイスには、静電誘導トランジスタ(SIT:Static Induction Transistor)や、静電誘導サイリスタ(SIThy:Static Induction Thyristor)がある。 The static induction semiconductor devices include a static induction transistor (SIT) and a static induction thyristor (SIThy).
静電誘導型半導体デバイスは、チャネルを導通する電流を静電誘導電界効果により制御可能であることから、高速スイッチングが可能である。また、マルチチャンネル化することで、大電流化が可能である。 The electrostatic induction type semiconductor device can perform high-speed switching because the current flowing through the channel can be controlled by the electrostatic induction electric field effect. In addition, a large current can be achieved by using a multi-channel structure.
パワー半導体装置を高耐圧化するには、耐圧を保持する領域を厚く形成したり、高抵抗化する。このため、高耐圧化パワー半導体装置では、導通状態におけるオン抵抗が増大しやすい。 In order to increase the withstand voltage of the power semiconductor device, a region for maintaining the withstand voltage is formed thick or the resistance is increased. For this reason, in the high breakdown voltage power semiconductor device, the on-resistance in the conductive state is likely to increase.
埋め込みpn接合ゲート構造の静電誘導サイリスタの形成において、カソード領域からチャネル領域に向けて高キャリア注入を実現する上では、カソード領域からチャネル領域に向けて傾斜濃度プロファイルを設けることが有効である。しかしながら、エピタキシャル層を形成しながらエピタキシャル層の不純物濃度をゲートからカソードに向けて次第に濃くすることは難しい。工程中のモニター管理が難しく、また、マスフローコントローラなどのハード面で濃度の高精度化が困難なためである。また、ゲートからのオートドープがあるためである。 In forming an electrostatic induction thyristor having a buried pn junction gate structure, providing a gradient concentration profile from the cathode region to the channel region is effective in achieving high carrier injection from the cathode region to the channel region. However, it is difficult to gradually increase the impurity concentration of the epitaxial layer from the gate to the cathode while forming the epitaxial layer. This is because monitor management during the process is difficult, and it is difficult to achieve high-accuracy concentration on a hardware surface such as a mass flow controller. Also, there is auto doping from the gate.
本発明者らは、静電誘導型のパワー半導体装置において、カソード領域からキャリア高注入による高速ターンオン性能を発揮し、導通状態におけるオン抵抗を低減化し、かつ十分にゲート耐圧を確保しつつ、高耐圧化可能な構造を見出した。 The present inventors have demonstrated that in an electrostatic induction type power semiconductor device, high-speed turn-on performance is achieved by high carrier injection from the cathode region, on-resistance is reduced in a conductive state, and high gate breakdown voltage is ensured. A structure capable of withstanding pressure was found.
本実施の形態は、ゲート耐圧を確保し、高耐圧、高速ターンオンスイッチング性能のパワー半導体装置及びその製造方法を提供する。 The present embodiment provides a power semiconductor device which secures a gate breakdown voltage, has a high breakdown voltage, and has a high turn-on switching performance, and a method for manufacturing the same.
本実施の形態の一態様によれば、カソード領域と、前記カソード領域から注入されたキャリアが導通可能なチャネル領域と、前記チャネル領域を挟み、前記チャネル領域の電位を静電誘導電界効果により制御可能なゲート領域と、前記チャネル領域及び前記ゲート領域の上部に配置された第1カソードエミッタ領域と、前記第1カソードエミッタ領域と前記カソード領域との間に配置された第2カソードエミッタ領域とを備え、前記第1カソードエミッタ領域の第1導電型の不純物濃度は、前記ゲート領域からオートドーピングされる第2導電型の不純物濃度よりも濃く、前記第2カソードエミッタ領域の第1導電型の不純物濃度は、ターンオフ状態に必要な前記ゲート領域と前記カソード領域間の耐圧となる第1導電型の不純物濃度よりも薄い、パワー半導体装置が提供される。 According to one aspect of the present embodiment, the cathode region, a channel region through which carriers injected from the cathode region can conduct, and the channel region interposed therebetween, and the potential of the channel region is controlled by an electrostatic induction field effect. A possible gate region, a first cathode emitter region located above the channel region and the gate region, and a second cathode emitter region located between the first cathode emitter region and the cathode region. A first conductivity type impurity concentration of the first cathode emitter region is higher than a second conductivity type impurity concentration auto-doped from the gate region, and a first conductivity type impurity of the second cathode emitter region is provided. The concentration is lower than the first conductivity type impurity concentration required for the turn-off state, which is the breakdown voltage between the gate region and the cathode region. There, the power semiconductor device is provided.
本実施の形態の他の態様によれば、高抵抗層上に絶縁層を形成後、パターニングする工程と、前記パターニングされた開口窓に対して、ゲート領域を形成する工程と、前記絶縁層を除去後、露出された前記高抵抗層の表面上に第1エピタキシャル層を形成する工程と、前記第1エピタキシャル層上に更に第2エピタキシャル層を形成する工程と、前記第2エピタキシャル層の表面に、カソード領域を形成する工程とを有し、前記第1エピタキシャル層の第1導電型の不純物濃度は、前記ゲート領域から前記第1エピタキシャル層へオートドーピングされる第2導電型の不純物濃度よりも濃く、前記第2エピタキシャル層の第1導電型の不純物濃度は、ターンオフ状態に必要な前記ゲート領域と前記カソード領域間の耐圧となる第1導電型の不純物濃度よりも薄い、パワー半導体装置の製造方法が提供される。 According to another aspect of the present embodiment, after forming an insulating layer on the high-resistance layer, patterning, forming a gate region with respect to the patterned opening window, forming the insulating layer After removal, a step of forming a first epitaxial layer on the exposed surface of the high-resistance layer, a step of forming a second epitaxial layer on the first epitaxial layer, and a step of forming a second epitaxial layer on the surface of the second epitaxial layer. Forming a cathode region, wherein the impurity concentration of the first conductivity type of the first epitaxial layer is higher than the impurity concentration of the second conductivity type which is auto-doped from the gate region to the first epitaxial layer. The impurity concentration of the first conductivity type of the second epitaxial layer is high, and the impurity concentration of the first conductivity type, which is a withstand voltage between the gate region and the cathode region necessary for a turn-off state, is low. Thinner than the object density, the method for manufacturing the power semiconductor device is provided.
本実施の形態によれば、ゲート耐圧を確保し、高耐圧、高速ターンオンスイッチング性能のパワー半導体装置及びその製造方法を提供することができる。 According to the present embodiment, it is possible to provide a power semiconductor device which ensures a gate breakdown voltage, has a high breakdown voltage, and has a high-speed turn-on switching performance, and a method for manufacturing the same.
次に、図面を参照して、本実施の形態について説明する。以下に説明する図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各構成部品の厚みと平面寸法との関係等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面の相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。 Next, the present embodiment will be described with reference to the drawings. In the drawings described below, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the plane size of each component is different from the actual one. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. In addition, it is needless to say that the drawings include portions having different dimensional relationships and ratios.
また、以下に示す実施の形態は、技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、各構成部品の材質、形状、構造、配置等を特定するものではない。この実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。 Further, the embodiments described below exemplify an apparatus and a method for embodying the technical idea, but do not specify the material, shape, structure, arrangement, and the like of each component. This embodiment can add various changes within the scope of the claims.
本技術を適用した一実施の形態に係るパワー半導体装置1の模式的平面パターン構成は、図1に示すように表され、図1のI−I線に沿う模式的断面構造は、図2に示すように表される。 A schematic plane pattern configuration of a power semiconductor device 1 according to an embodiment to which the present technology is applied is represented as illustrated in FIG. 1, and a schematic cross-sectional structure along a line II in FIG. 1 is illustrated in FIG. 2. It is represented as shown.
本技術を適用した一実施の形態に係るパワー半導体装置1は、図1・図2に示すように、シングルゲート(SG:Single Gate)構造の静電誘導サイリスタ構造を備える。 A power semiconductor device 1 according to an embodiment to which the present technology is applied includes an electrostatic induction thyristor structure having a single gate (SG) structure, as shown in FIGS.
本技術を適用した一実施の形態に係るパワー半導体装置1は、図1・図2に示すように、カソード領域12と、カソード領域12から注入されたキャリアが導通可能なチャネル領域13と、チャネル領域13を挟み、チャネル領域13の電位を静電誘導電界効果により制御可能なゲート領域16と、チャネル領域13及びゲート領域16の上部に配置された第1カソードエミッタ領域14と、第1カソードエミッタ領域14とカソード領域12との間に配置された第2カソードエミッタ領域15とを備える。
As shown in FIGS. 1 and 2, a power semiconductor device 1 according to an embodiment to which the present technology is applied includes a
ここで、第1カソードエミッタ領域14の第1導電型の不純物濃度は、ゲート領域16からオートドーピングされる第2導電型の不純物濃度よりも濃く設定する。また、第2カソードエミッタ領域15の第1導電型の不純物濃度は、ターンオフ状態に必要なゲート領域16とカソード領域12間の耐圧となる第1導電型の不純物濃度よりも薄く設定する。
Here, the impurity concentration of the first conductivity type of the first
また、第1カソードエミッタ領域14は、第1の一定不純物濃度で成長させた第1エピタキシャル層を備え、第2カソードエミッタ領域15は、第2の一定不純物濃度で成長させた第2エピタキシャル層を備える。
The first
第1エピタキシャル層は、ゲート領域16から第1エピタキシャル層へのオートドーピング濃度が1×1014(cm-3)以下となる膜厚を備える。
The first epitaxial layer has a thickness such that the autodoping concentration from the
第2エピタキシャル層は、ゲート領域16とカソード領域12間に逆バイアス電圧を印加してターンオフ状態にする際に、ゲート領域16の周囲に広がる空乏層がカソード領域12に到達しない膜厚を備える。
The second epitaxial layer has a thickness such that a depletion layer spreading around the
更に、図1・図2に示すように、カソード領域12と導電型が反対導電型のアノード領域22と、アノード領域22から注入された第1導電型と反対導電型の第2導電型キャリアを制御するバッファ領域20と、バッファ領域20とゲート領域16及びチャネル領域13との間に配置された高抵抗層18とを備えていても良い。
Further, as shown in FIGS. 1 and 2, an
カソード領域12は、n型半導体で形成され、SG構造のSIThyのカソードとして機能する。
The
第1導電型キャリアは、電子に対応する。 The first conductivity type carriers correspond to electrons.
ゲート領域16は、p型半導体で形成され、主電流の制御領域として機能する。
チャネル領域13は、図1・図2に示すように、隣接するゲート領域16間に挟まれ、主電流の導通を制御可能な領域として機能する。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
カソードエミッタ領域(14、15)は、カソード領域12とゲート領域16との間に配置され、カソード領域12から注入された第1導電型キャリアを、カソード領域12からチャネル領域13に向けて、効率良く電導及び拡散すると共に、ゲート領域16からのオートドーピングを適切に抑制しつつ、ゲート領域16とカソード領域12間に逆バイアス電圧を印加してターンオフ状態にする際に、十分な耐圧を確保可能な領域として機能する。
The cathode emitter regions (14, 15) are arranged between the
アノード領域22は、p型半導体で形成され、SG構造のSIThyのアノードとして機能する。
The
第2導電型キャリアは、正孔に対応する。 The second conductivity type carriers correspond to holes.
バッファ領域20は、n型半導体で形成され、アノード領域22から注入される第2導電型キャリアの導通を制御すると共に、カソード領域12から注入され、チャネル領域13を導通してきた第1導電型キャリアの蓄積領域として機能する。
The
高抵抗層18は、実質的にアノード・カソード間及びゲート・アノード間の高耐圧を確保可能な高抵抗なn型半導体若しくはp型半導体で形成される。
The high-
更に、図1・図2に示すように、カソード領域12上に配置されたカソード電極10と、ゲート領域16上に配置されたゲート電極26と、アノード領域22上に配置されたアノード電極24とを備える。
Further, as shown in FIGS. 1 and 2, the
図1・図2に示すパワー半導体装置1は、セグメント単位に分割された複数のカソード電極10(カソード領域12)を備える。各々のセグメント単位内は、隣接するゲート領域16間に挟まれ、主電流の導通を制御可能なチャネル領域13を複数備えるマルチチャネル構造が形成されている。
The power semiconductor device 1 shown in FIGS. 1 and 2 includes a plurality of cathode electrodes 10 (cathode regions 12) divided into segments. In each segment unit, a multi-channel structure including a plurality of
ゲート領域16は、pn接合ゲート構造を備える例が示されているが、他のゲート構造を備えていても良い。例えば、ショットキーゲート構造、絶縁ゲート構造、若しくはヘテロ接合ゲート構造などを備えていても良い。pn接合ゲート構造以外のゲート構造では、ゲート領域からのオートドーピングを考慮する必要はないが、カソード領域とゲート領域及びチャネル領域の間に配置され、少なくとも第1カソードエミッタ領域と第2カソードエミッタ領域とを有するエミッタ領域とを備える点は同様である。また、第1カソードエミッタ領域の不純物濃度は、第2導電型の不純物濃度よりも濃く、第2カソードエミッタ領域の不純物濃度は、ターンオフ状態に必要なゲート領域とカソード領域間の耐圧となる不純物濃度よりも薄く設定する点も同様である。
The example in which the
更に、順方向特性は、ノーマリオフ特性、セミノーマリオフ特性、若しくはノーマリオン特性のいずれかを備えていても良い。 Further, the forward characteristic may include any of a normally-off characteristic, a semi-normally-off characteristic, and a normally-on characteristic.
ノーマリオフ特性とは、ゲート・カソード間電圧はゼロボルトにおいて、アノード・カソード間耐圧が確保可能な特性をいう。 The normally-off characteristic is a characteristic in which a voltage between the gate and the cathode is zero volt and a withstand voltage between the anode and the cathode can be ensured.
ノーマリオン特性とは、ゲート・カソード間電圧はゼロボルトにおいて、アノード・カソードに導通電流が流れ、オン状態が形成されると共に、ゲート・カソード間電圧に十分な逆バイアス(例えば、約−1Vから−20V程度)を印加することで、アノード・カソードに非導通状態となり、オフ状態が形成され、アノード・カソード間耐圧が確保可能な特性をいう。 The normally-on characteristic means that when the gate-cathode voltage is zero volts, a conduction current flows through the anode-cathode to form an ON state, and a sufficient reverse bias (for example, from about -1 V to- By applying (approximately 20 V), a non-conductive state is established between the anode and the cathode, an off state is formed, and a characteristic that a withstand voltage between the anode and the cathode can be secured.
セミノーマリオフ特性とは、ノーマリオフ特性と、ノーマリオン特性との中間的な特性であり、ゲート・カソード間電圧はゼロボルトにおいて、アノード・カソード間耐圧が確保可能でかつアノード・カソード間耐圧とアノード・ゲート間耐圧が等しい特性をいう。 The semi-normally-off characteristic is an intermediate characteristic between the normally-off characteristic and the normally-on characteristic. When the gate-cathode voltage is zero volts, the anode-cathode breakdown voltage can be ensured, and the anode-cathode breakdown voltage and the anode-gate This refers to the characteristic that the breakdown voltage is equal.
本技術を適用した一実施の形態に係るパワー半導体装置1は、埋め込みゲート構造を有するため、ゲート・カソード間に十分な耐圧を確保可能であり、かつノーマリオフ特性、セミノーマリオフ特性、若しくはノーマリオン特性の群から選ばれる少なくともいずれかの特性を得ることができる。 Since the power semiconductor device 1 according to the embodiment to which the present technology is applied has a buried gate structure, a sufficient breakdown voltage can be secured between the gate and the cathode, and a normally-off characteristic, a semi-normally-off characteristic, or a normally-on characteristic. At least one of the characteristics selected from the group
更に、図1・図2に示すように、カソード電極10・ゲート電極26の各々のセグメントの周囲には、べベル領域34を備え、ゲート端子G・カソード端子K間に十分な耐圧を確保可能である。
Further, as shown in FIGS. 1 and 2, a
ここで、ゲート・カソード間に確保可能十分な耐圧とは、順方向特性は、ノーマリオフ特性、セミノーマリオフ特性、若しくはノーマリオン特性のいずれかを採用可能でかつ主電流のゲートターンオフ可能な耐圧レベルを云う。 Here, a sufficient withstand voltage that can be secured between the gate and the cathode means that the forward characteristic is a withstand voltage level at which any of the normally-off characteristic, semi-normally-off characteristic, or normally-on characteristic can be adopted and the main current can be turned off by the gate. say.
本技術を適用した一実施の形態に係るパワー半導体装置1は、一定の濃度であるエピタキシャル層を使用している。ゲート近辺で、不純物濃度が傾斜を有するのは、カソード領域からチャネル領域に向けて注入されたキャリアを静電誘導効果により制御するためである。カソード近辺は、適切な一定不純物濃度で形成する。 The power semiconductor device 1 according to one embodiment to which the present technology is applied uses an epitaxial layer having a constant concentration. The reason why the impurity concentration has a slope near the gate is to control carriers injected from the cathode region toward the channel region by the electrostatic induction effect. The vicinity of the cathode is formed with an appropriate constant impurity concentration.
本技術を適用した一実施の形態に係るパワー半導体装置1は、第1エピタキシャル層と第2エピタキシャル層を使用している。このため、製造工程中のモニター管理も容易である。また、マスフローコントローラなどのハード面で濃度の高精度化が容易である。また、ゲート領域16から第1エピタキシャル層へのオートドープを安定的に補償可能である。
The power semiconductor device 1 according to an embodiment to which the present technology is applied uses a first epitaxial layer and a second epitaxial layer. Therefore, monitor management during the manufacturing process is easy. In addition, it is easy to increase the concentration with high accuracy on a hardware surface such as a mass flow controller. Further, the autodoping from the
したがって、一段目の第1エピタキシャル層が、オートドープを含めて望ましい傾斜濃度分布を示すとともに、二段目の第2エピタキシャル層が、膜厚・濃度ともに最適化できる。 Therefore, the first-stage first epitaxial layer exhibits a desirable gradient concentration distribution including auto-doping, and the second-stage second epitaxial layer can be optimized in both film thickness and concentration.
(ターンオン状態)
本実施の形態に係るパワー半導体装置は、図3に示すように、ターンオン状態においては、ゲート領域16とカソード領域12間に順方向バイアスが印加され、隣接するゲート領域16間のチャネル領域13の電位障壁が低下する。この結果、矢印で示すように、カソード領域12から第2カソードエミッタ領域15・第1カソードエミッタ領域14を介して、高抵抗層18に向けて電子電流が導通する。高抵抗層18に注入されてきた電子は、バッファ領域20に蓄積し、アノード領域22に存在する正孔分布に対する電位障壁が低下する。この結果、図示は省略するが、アノード領域22からバッファ領域20を介して、高抵抗層18に向けて正孔電流が導通する。高抵抗層18に注入された正孔は、ゲート領域16に蓄積され、更に隣接するゲート領域16間のチャネル領域13の電位障壁が低下する。この結果、ラッチアップ状態に移行し、パワー半導体装置はオン状態に移行する。
(Turn-on state)
In the power semiconductor device according to the present embodiment, as shown in FIG. 3, in the turn-on state, a forward bias is applied between the
本実施の形態に係るパワー半導体装置においては、第2カソードエミッタ領域15が低抵抗化されている。この結果、カソード領域12から第2カソードエミッタ領域15・第1カソードエミッタ領域14を介して、高抵抗層18に向けてカソード領域12からのキャリア(電子)高注入により、高速ターンオン性能を得ることができる。
In the power semiconductor device according to the present embodiment, resistance of second
(ターンオフ状態)
本実施の形態に係るパワー半導体装置は、図4に示すように、ターンオフ状態においては、ゲート領域16とカソード領域12間に逆方向バイアスが印加され、隣接するゲート領域16間のチャネル領域13の電位障壁が上昇する。この結果、ゲート領域16の周囲に空乏層54が形成され、また隣接するゲート領域16間の空乏層54により、カソード領域12からの電子電流は遮断される。
(Turn off state)
In the power semiconductor device according to the present embodiment, as shown in FIG. 4, in the turn-off state, a reverse bias is applied between the
すなわち、カソード領域12から第2カソードエミッタ領域15・第1カソードエミッタ領域14を介して、高抵抗層18に向けて導通する電子電流が遮断され、高抵抗層18に注入される電子が遮断される。この結果、アノード領域22に存在する正孔分布に対する電位障壁が上昇する。この結果、アノード領域22からバッファ領域20を介して、高抵抗層18に向けて導通する正孔電流が遮断される。この結果、非ラッチアップ状態に移行し、パワー半導体装置はオフ状態に移行する。
That is, an electron current conducted from the
本実施の形態に係るパワー半導体装置においては、第2カソードエミッタ領域15の不純物濃度は、ターンオフ状態に必要なゲート領域16とカソード領域12間の耐圧となる不純物濃度よりも薄い。すなわち、第2カソードエミッタ領域15の膜厚・不純物濃度ともに最適化可能であり、この結果、ゲート領域16とカソード領域12間を高耐圧化を実現可能である。
In the power semiconductor device according to the present embodiment, the impurity concentration of second
また、本実施の形態に係るパワー半導体装置においては、第1カソードエミッタ領域14の不純物濃度は、ゲート領域16からオートドーピングされる不純物濃度よりも濃い。すなわち、第1カソードエミッタ領域14の膜厚・濃度ともに最適化可能であり、この結果、ゲート領域16とカソード領域12間距離は、第2カソードエミッタ領域15と第1カソードエミッタ領域14の厚さとなるため、ゲート領域16とカソード領域12間の低容量化を実現可能である。この結果、高速ターンオフ性能を得ることができる。
Further, in the power semiconductor device according to the present embodiment, the impurity concentration of first
本技術を適用したSG構造のパワー半導体装置は、カソード領域からのキャリア高注入により、高速ターンオン性能を得ることができる。また、導通状態におけるオン抵抗を低減化し、十分にゲート耐圧を確保しつつ、高耐圧、高速スイッチング性能を実現可能である。また、順方向特性において、ノーマリオフ特性、セミノーマリオフ特性、及びノーマリオン特性の各特性を備えるパワー半導体装置を容易に実現可能である。 In the power semiconductor device having the SG structure to which the present technology is applied, high-speed turn-on performance can be obtained by high carrier injection from the cathode region. Further, it is possible to reduce the on-resistance in the conductive state and realize high withstand voltage and high-speed switching performance while sufficiently securing the gate withstand voltage. Further, a power semiconductor device having normally-off characteristics, semi-normally-off characteristics, and normally-on characteristics in forward characteristics can be easily realized.
(エピタキシャル成長層の要件)
本技術を適用した一実施の形態に係るパワー半導体装置においては、比較的低濃度のカソードエミッタ領域(14、15)が、2層のエピタキシャル成長構造として形成される。すなわち、第1エピタキシャル層を備える第1カソードエミッタ領域14と、第2エピタキシャル層を備える第2カソードエミッタ領域15との2層構造を備える。第1エピタキシャル層及び第2エピタキシャル成長層のn型不純物濃度は、例えば、約1×1013(cm-3)〜1×1018(cm-3)程度の範囲を備える。
(Epitaxial growth layer requirements)
In the power semiconductor device according to the embodiment to which the present technology is applied, the cathode emitter regions (14, 15) having a relatively low concentration are formed as a two-layer epitaxial growth structure. That is, it has a two-layer structure of a first
―第1エピタキシャル層の要件―
第1エピタキシャル層を備える第1カソードエミッタ領域14は、p+ゲート領域16からのオートドーピングにより、p型に反転しない程度の高濃度に設定するが、ゲート・エミッタ間の低容量化(ターンオフ時の高速化)のため、できるだけ低濃度に設定することが望ましい。
-Requirements for the first epitaxial layer-
The first
また、第1カソードエミッタ領域14は、一定不純物濃度のエピタキシャル成長技術を用いて形成するため、製法の簡便化とモニター管理による不純物濃度の安定化を図ることができる。
In addition, since the first
この結果、隣接するp+ゲート領域16間は、安定したチャネル幅を確保することができる。また、ゲート領域16・カソード領域12間の低容量化により、高速ターンオフ性能化を図ることができる。また、隣接するp+ゲート領域16間は、ノーマリオフを実現する程度に低濃度化(i層化)を図ることも可能である。
As a result, a stable channel width can be secured between adjacent p + gate regions 16. In addition, by reducing the capacitance between the
また、第1カソードエミッタ領域14は、一定不純物濃度のエピタキシャル成長技術を用いて形成するため、製法の簡便化と安定化を図ることができる。
In addition, since the first
また、第1エピタキシャル層を備える第1カソードエミッタ領域14は、p+ゲート領域16からのオートドーピングが1×1014(cm-3)以下に収まる程度の膜厚に設定すると良い。このレベルの濃度にオートドーピングが収まれば、第2エピタキシャル層を備える第1カソードエミッタ領域14の不純物濃度設定への影響を抑制することができる。ここで、第1カソードエミッタ領域14の厚さは、例えば、約0.5μm〜1.5μm程度の範囲を備える。
The first
また、第1エピタキシャル層を備える第1カソードエミッタ領域14上に形成する第2エピタキシャル層を備える第2カソードエミッタ領域15の不純物濃度の制御もエピタキシャル成長技術を用いるため、安定化することができる。但し、実際には第1エピタキシャル成長層及び第2エピタキシャル層の形成中における熱拡散によるp+ゲート領域16の広がりもあるので、その拡散広がりも考慮して、p+ゲート領域16間の間隔、第1エピタキシャル成長層の膜厚・不純物濃度及び第2エピタキシャル成長層の膜厚・不純物濃度を設定する。
Further, since the impurity concentration of the second
なお、第1カソードエミッタ領域14は、一定不純物濃度のエピタキシャル成長で、一回の工程で形成することが望ましいが、階段状不純物濃度を有する複数回のエピタキシャル成長で形成しても良い。
The first
―第2エピタキシャル層の要件―
第2エピタキシャル層を備える第2カソードエミッタ領域15は、ターンオフさせた場合に、p+ゲート領域16とカソード領域12間の必要な空乏層幅に基づく耐圧が得られる程度の低濃度に設定するが、ターンオン時の低抵抗化のため、できるだけ高濃度に設定することが望ましい。
-Requirements for the second epitaxial layer-
The second
この結果、第2カソードエミッタ領域15は、ターンオン時の低抵抗化による大駆動電流化に寄与することができる。
As a result, the second
また、第2カソードエミッタ領域15は、一定不純物濃度のエピタキシャル成長技術を用いて形成するため、製法の簡便化とモニター管理による不純物濃度の安定化を図ることができる。また、ゲート・カソード間電圧に十分な逆バイアス(例えば、約−1Vから−20V程度)を印加してターンオフさせた場合に、p+ゲート領域16とカソード領域12間に広がる空乏層が、上層にあるカソード領域12に接しないようななるべく薄めの膜厚に設定すると良い。ここで、カソード領域12の不純物濃度は、例えば、約1×1020(cm-3)以上であり、第2カソードエミッタ領域15の不純物濃度は、例えば、約1×1018(cm-3)以上であり、第2カソードエミッタ領域15の厚さは、例えば、約1.0μm〜3.0μm程度の範囲を備えると良い。実際には熱拡散によるカソード領域12からの不純物濃度の濃いn+層からの拡散もあるため、この拡散深さも考慮して、第2エピタキシャル層の膜厚・不純物濃度及びカソード領域12の不純物濃度・拡散深さを設定する。
In addition, since the second
なお、第2カソードエミッタ領域15は、一定不純物濃度のエピタキシャル成長で、一回の工程で形成することが望ましいが、階段状不純物濃度を有する複数回のエピタキシャル成長で形成しても良い。
The second
本実施の形態に係るパワー半導体装置のゲート近傍の模式的説明図は、図5に示すように表される。すなわち、図5に示すように、XG軸は、カソード領域12からカソードエミッタ領域(15、14)・ゲート領域16を通過して、高抵抗層18に至る直線を示す。一方、XC軸は、カソード領域12からチャネル領域13の中央を通過して、高抵抗層18に至る直線を示す。
A schematic explanatory diagram near the gate of the power semiconductor device according to the present embodiment is represented as shown in FIG. That is, as shown in FIG. 5, X G axis, the
図5において、XKはカソード領域12の接合深さを表し、XGiはカソード領域12の表面からチャネル領域13の中央までの距離を表す。XGiの値はカソード領域12の表面からゲート領域16の中心部までの距離に略等しい。
In FIG. 5, X K represents the junction depth of
図5において、XEは、カソード領域12の表面から第2カソードエミッタ領域15と第1カソードエミッタ領域14との界面までの距離に等しい。
In FIG. 5, X E is equal to the distance from the surface of
(オートドープ濃度が濃い場合の不純物濃度プロファイル)
オートドープ濃度が濃い場合のXC軸に沿うゲート近傍の不純物濃度プロファイルは、図6に示すように表される。図6において、NKは、カソード領域12の不純物濃度を表す。N1は、第1エピタキシャル層を備える第1カソードエミッタ領域14の不純物濃度を表す。N2は、第2エピタキシャル層を備える第2カソードエミッタ領域15の不純物濃度を表す。Niは、高抵抗層18の不純物濃度を表す。曲線PAは、オートドープ濃度が濃い場合のゲート領域16から第1エピタキシャル層(第1カソードエミッタ領域14)中へのオートドープ濃度プロファイルを表す。曲線N−Pは、オートドープ濃度が濃い場合のn型不純物濃度プロファイルとp型不純物濃度プロファイルのトータルとしての不純物濃度プロファイルを表す。図6に示すように、オートドープ濃度が濃い場合には、第1エピタキシャル層(第1カソードエミッタ領域14)の不純物濃度N1は、第2エピタキシャル層(第2カソードエミッタ領域15)の不純物濃度N2と同等、若しくは濃く設定される。
(Impurity concentration profile when auto-doping concentration is high)
FIG. 6 shows an impurity concentration profile near the gate along the X C axis when the auto-doping concentration is high. In FIG. 6, N K represents the impurity concentration of the
(オートドープが薄い場合の不純物濃度プロファイル)
オートドープ濃度が薄い場合のXC軸に沿うゲート近傍の不純物濃度プロファイルは、図7に示すように表される。同様に、図7において、NKは、カソード領域12の不純物濃度を表す。N1は、第1エピタキシャル層(第1カソードエミッタ領域14)の不純物濃度を表す。N2は、第2エピタキシャル層(第2カソードエミッタ領域15)の不純物濃度を表す。Niは、高抵抗層18の不純物濃度を表す。曲線PAは、オートドープ濃度が薄い場合のゲート領域16から第1エピタキシャル層(第1カソードエミッタ領域14)中へのオートドープ濃度プロファイルを表す。曲線N−Pは、オートドープ濃度が薄い場合のn型不純物濃度プロファイルとp型不純物濃度プロファイルのトータルとしての不純物濃度プロファイルを表す。図7に示すように、オートドープ濃度が薄い場合には、第1エピタキシャル層(第1カソードエミッタ領域14)の不純物濃度N1は、第2エピタキシャル層(第2カソードエミッタ領域15)の不純物濃度N2と同等、若しくは薄く設定される。
(Impurity profile when autodoping is thin)
Impurity concentration profile near the gate along the X C axis when auto-doping concentration is thin, is expressed as shown in FIG. Similarly, in FIG. 7, N K represents the impurity concentration of the
(ゲート部の不純物濃度プロファイル)
ゲート部のXG軸に沿うゲート近傍の不純物濃度プロファイルは、図8に示すように表される。図8では、オートドープが濃い場合を例として示す。オートドープが薄い場合も同様に表すことができる。同様に、図8において、NKは、カソード領域12の不純物濃度を表す。N1は、第1エピタキシャル層(第1カソードエミッタ領域14)の不純物濃度を表す。N2は、第2エピタキシャル層(第2カソードエミッタ領域15)の不純物濃度を表す。Niは、高抵抗層18の不純物濃度を表す。曲線PGは、オートドープ濃度が濃い場合のゲート領域16の不純物濃度プロファイルを表す。ゲート領域16の不純物濃度プロファイルは、図8に示すように、第1エピタキシャル層(第1カソードエミッタ領域14)中への拡散濃度プロファイルと、高抵抗層18中への拡散濃度プロファイルとの両方が示される。曲線N−Pは、オートドープ濃度が濃い場合のn型不純物濃度プロファイルとp型不純物濃度プロファイルのトータルとしての不純物濃度プロファイルを表す。
(Impurity concentration profile of gate)
Impurity concentration profile near the gate along the X G axis gate portion is expressed as shown in FIG. FIG. 8 shows a case where the auto dope is deep as an example. The case where the auto dope is thin can be similarly expressed. Similarly, in FIG. 8, N K represents the impurity concentration of the
(ターンオン動作シミュレーション)
本実施の形態に係るパワー半導体装置においては、アノード・カソード間電圧VAK=5000V、アノード電流密度IA=5000A/cm2を約100ns程度で高速ターンオンスイッチング可能であることがターンオン動作シミュレーションにより得られている。
(Turn-on operation simulation)
In the power semiconductor device according to the present embodiment, the turn-on operation simulation shows that the anode-cathode voltage V AK = 5000 V and the anode current density I A = 5000 A / cm 2 can be turned on at high speed in about 100 ns. Have been.
(順方向降伏特性)
本実施の形態に係るパワー半導体装置において、順方向降伏特性の動作シミュレーション結果では、約6000V程度までアノード・カソード間電圧(耐圧)を保持可能であり、約6800Vでターンオーバー特性が得られている。
(Forward yield characteristics)
In the power semiconductor device according to the present embodiment, in the operation simulation result of the forward breakdown characteristic, the voltage between the anode and the cathode (withstand voltage) can be held up to about 6000 V, and the turnover characteristic is obtained at about 6800 V. .
(製造方法)
本実施の形態に係るパワー半導体装置の製造方法においては、高抵抗層18に対するゲート領域16の形成後、高抵抗層18及びゲート領域16上に、ゲート領域16を埋め込むように第1エピタキシャル層を備える第1カソードエミッタ領域14を形成している。ゲート領域16を埋め込む製造工程においては、ゲート拡散不純物と第1エピタキシャル成長の不純物制御方法を用いる。更に、第1エピタキシャル成長により第1カソードエミッタ領域14の形成後、第1カソードエミッタ領域14上に第2エピタキシャル成長により第2カソードエミッタ領域15を形成している。更に、第2カソードエミッタ領域15に対してカソード領域12を形成する。
(Production method)
In the method for manufacturing a power semiconductor device according to the present embodiment, after forming
本技術を適用した一実施の形態に係るパワー半導体装置の製造方法であって、ゲートパターニング工程は、図9(a)に示すように表され、ゲート拡散工程は、図9(b)に示すように表され、第1エピタキシャル層の形成工程は、図9(c)に示すように表され、第2エピタキシャル層の形成工程は、図9(d)に示すように表される。 In the method for manufacturing a power semiconductor device according to an embodiment to which the present technology is applied, a gate patterning step is represented as shown in FIG. 9A, and a gate diffusion step is shown in FIG. 9B. The formation process of the first epitaxial layer is expressed as shown in FIG. 9C, and the formation process of the second epitaxial layer is expressed as shown in FIG. 9D.
(a)まず、図9(a)示すように、高抵抗層18上に絶縁層44を形成後、絶縁層44をパターニングして、ゲート拡散用の開口窓を形成する。
(A) First, as shown in FIG. 9A, after an insulating
(b)次に、図9(b)示すように、パターニングされた開口窓に対して、ゲート領域16Pを拡散技術を用いて形成する。不純物としては、例えばボロン(B)を適用する。ゲート領域16Pの表面不純物濃度は、例えば、約1×1020(cm-3)〜1022(cm-3)程度の範囲を備える。
(B) Next, as shown in FIG. 9B, a
(c)次に、図9(c)示すように、絶縁層44を除去後、露出された高抵抗層18及びゲート領域16Pの表面上に第1エピタキシャル成長(成長温度約1000℃)により第1カソードエミッタ領域14を形成する。第1エピタキシャル成長においては、例えばリン(P)を不純物として添加することにより、ゲート領域16Pからのボロン気化によるオートドーピングを補償しつつ第1カソードエミッタ領域14を形成する。結果として、ゲート領域16Pからの拡散により、第1カソードエミッタ領域14中に、ゲート領域16Dが形成され、ゲート領域16(16P、16D)が、高抵抗層18と第1カソードエミッタ領域14中に埋め込み形成される。
(C) Next, as shown in FIG. 9C, after removing the insulating
ここで、第1カソードエミッタ領域14の不純物濃度(リン)は、ゲート領域16Pから第1カソードエミッタ領域14へオートドーピングされる不純物濃度(ボロン)よりも濃く設定する。
Here, the impurity concentration (phosphorus) of the first
(d)次に、図9(d)示すように、第1カソードエミッタ領域14上に更に第2エピタキシャル成長により第2カソードエミッタ領域15を形成する。第2エピタキシャル成長においては、例えばリン(P)を不純物として添加する。
(D) Next, as shown in FIG. 9D, a second
ここで、第2カソードエミッタ領域15の不純物濃度は、ターンオフ状態に必要なゲート領域16とカソード領域12間の耐圧となる不純物濃度よりも薄く設定する。
Here, the impurity concentration of the second
更に、図示は省略するが、第2カソードエミッタ領域15の表面に、カソード領域12を形成後、べベル領域34を形成し、カソード電極10、アノード電極24を形成する。尚、バッファ領域20及びアノード領域22は、第2カソードエミッタ領域15の形成後、カソード領域12の形成前後のタイミングで形成しても良い。
Further, although not shown, after forming the
(ダブルゲート構造)
図10に示すパワー半導体装置1は、ダブルゲート(DG:Double Gate)構造の静電誘導サイリスタ構造を備える。
(Double gate structure)
The power semiconductor device 1 shown in FIG. 10 has an electrostatic induction thyristor structure having a double gate (DG) structure.
本技術を適用した一実施の形態に係るパワー半導体装置1は、図10に示すように、カソード領域12と、カソード領域12から注入された第1導電型キャリアが導通可能な第1チャネル領域13と、第1チャネル領域13の電位を静電誘導電界効果により制御可能な第1ゲート領域16と、カソード領域12と第1ゲート領域16及び第1チャネル領域13の間に配置され、少なくとも第1カソードエミッタ領域14と第2カソードエミッタ領域15とを有するカソードエミッタ領域(14、15)と、アノード領域22と、アノード領域22から注入された第1導電型と反対導電型の第2導電型キャリアが導通可能な第2チャネル領域33と、第2チャネル領域33の電位を静電誘導電界効果により制御可能な第2ゲート領域28と、アノード領域22と第2ゲート領域28及び第2チャネル領域33の間に配置され、少なくとも第1アノードエミッタ領域30と第2アノードエミッタ領域31とを有するアノードエミッタ領域(30、31)とを備える。
As shown in FIG. 10, a power semiconductor device 1 according to an embodiment to which the present technology is applied has a
ここで、第1カソードエミッタ領域14の第1導電型の不純物濃度は、第1ゲート領域16からオートドーピングされる第2導電型の不純物濃度よりも濃く設定する。また、第2カソードエミッタ領域15の第1導電型の不純物濃度は、ターンオフ状態に必要な第1ゲート領域16とカソード領域12間の耐圧となる第1導電型の不純物濃度よりも薄く設定する。
Here, the impurity concentration of the first conductivity type of the first
また、第1アノードエミッタ領域30の第2導電型の不純物濃度は、第2ゲート領域28からオートドーピングされる第1導電型の不純物濃度よりも濃く設定する。また、第2アノードエミッタ領域31の第2導電型の不純物濃度は、ターンオフ状態に必要な第2ゲート領域28とアノード領域22間の耐圧となる第2導電型の不純物濃度よりも薄く設定する。
In addition, the second conductive type impurity concentration of the first
カソードエミッタ領域(14、15)は、少なくとも2段階の不純物濃度でエピタキシャル成長した。 The cathode emitter regions (14, 15) were epitaxially grown with at least two levels of impurity concentration.
第1カソードエミッタ領域14は、第1エピタキシャル層を備え、第2カソードエミッタ領域15は、第2エピタキシャル層を備える。
The first
第1エピタキシャル層は、第1段階目に成長するとともに、第2エピタキシャル層は、第2段階目に成長する。 The first epitaxial layer grows at the first stage, and the second epitaxial layer grows at the second stage.
第1エピタキシャル層は、第1ゲート領域16から第1エピタキシャル層へのオートドーピング濃度が1×1014(cm-3)以下となる膜厚を備える。
The first epitaxial layer has a thickness such that the autodoping concentration from the
第2エピタキシャル層は、第1ゲート領域16とカソード領域12間に逆バイアス電圧を印加してターンオフ状態にする際に、第1ゲート領域16の周囲に広がる空乏層がカソード領域12に到達しない膜厚を備える。
When the second epitaxial layer is turned off by applying a reverse bias voltage between the
また、アノードエミッタ領域(30,31)は、少なくとも2段階の不純物濃度でエピタキシャル成長した。 The anode emitter regions (30, 31) were epitaxially grown with at least two levels of impurity concentration.
第1アノードエミッタ領域30は、第3エピタキシャル層を備え、第2アノードエミッタ領域31は、第4エピタキシャル層を備える。
The first
第3エピタキシャル層は、第3段階目に成長するとともに、第4エピタキシャル層は、第4段階目に成長する。 The third epitaxial layer grows at the third stage, and the fourth epitaxial layer grows at the fourth stage.
第3エピタキシャル層は、第2ゲート領域28から第3エピタキシャル層へのオートドーピング濃度が1×1014(cm-3)以下となる膜厚を備える。
The third epitaxial layer has a thickness such that the auto-doping concentration from the
第4エピタキシャル層は、第2ゲート領域28とアノード領域22間に逆バイアス電圧を印加してターンオフ状態にする際に、第2ゲート領域28の周囲に広がる空乏層がアノード領域22に到達しない膜厚を備える。
The fourth epitaxial layer is a film in which when a reverse bias voltage is applied between the
カソード領域12は、n型半導体で形成され、第1キャリア注入領域として機能する。
第1導電型キャリアは、電子に対応する。 The first conductivity type carriers correspond to electrons.
第1ゲート領域16は、p型半導体で形成され、主電流の制御領域として機能する。
The
第1チャネル領域13は、隣接する第1ゲート領域16間に挟まれ、主電流の導通を制御可能な領域として機能する。
The
カソードエミッタ領域(14、15)は、カソード領域12とゲート領域16との間に配置され、カソード領域12から注入された第1導電型キャリアを、カソード領域12からチャネル領域13に向けて、効率良く拡散すると共に、ゲート領域16からのオートドーピングを適切に抑制しつつ、ゲート領域16とカソード領域12間に逆バイアス電圧を印加してターンオフ状態にする際に、十分な耐圧を確保可能な領域として機能する。
The cathode emitter regions (14, 15) are arranged between the
アノード領域22は、p型半導体で形成され、DG静電誘導サイリスタのアノードとして機能する。
The
第2導電型キャリアは、正孔に対応する。 The second conductivity type carriers correspond to holes.
第2ゲート領域28は、n型半導体で形成され、主電流の制御領域として機能する。
The
第2チャネル領域33は、隣接する第2ゲート領域28間に挟まれ、主電流の導通を制御可能な領域として機能する。
The
アノードエミッタ領域(30、31)は、アノード領域22とゲート領域28との間に配置され、アノード領域22から注入された第2導電型キャリアを、アノード領域22からチャネル領域33に向けて、効率良く拡散すると共に、ゲート領域28からのオートドーピングを適切に抑制しつつ、ゲート領域28とアノード領域22間に逆バイアス電圧を印加してターンオフ状態にする際に、十分な耐圧を確保可能な領域として機能する。
The anode emitter regions (30, 31) are disposed between the
高抵抗層18は、実質的にアノード・カソード間及び第1ゲート・第2ゲート間の高耐圧を確保可能な高抵抗なn型半導体若しくはp型半導体で形成される。
The high-
更に、図10に示すように、カソード領域12上に配置されたカソード電極10と、第1ゲート領域16上に配置された第1ゲート電極26と、アノード領域22上に配置されたアノード電極24と、第2ゲート領域28上に配置された第2ゲート電極32とを備える。
Further, as shown in FIG. 10, a
図10に示すパワー半導体装置1は、図1と同様に、セグメント単位に分割された複数のカソード電極10(カソード領域12)を備える。各々のカソードセグメント単位内には、隣接する第1ゲート領域16間に挟まれ、主電流の導通を制御可能なチャネル領域13を複数備えるマルチチャネル構造が形成されている。
The power semiconductor device 1 shown in FIG. 10 includes a plurality of cathode electrodes 10 (cathode regions 12) divided into segments, as in FIG. In each cathode segment unit, a multi-channel structure including a plurality of
同様に、図10に示すパワー半導体装置1は、セグメント単位に分割された複数のアノード電極24(アノード領域22)を備える。各々のアノードセグメント単位内には、隣接する第2ゲート領域28間に挟まれ、主電流の導通を制御可能なチャネル領域33を複数備えるマルチチャネル構造が形成されている。
Similarly, the power semiconductor device 1 shown in FIG. 10 includes a plurality of anode electrodes 24 (anode regions 22) divided into segment units. In each anode segment unit, a multi-channel structure including a plurality of
尚、図10に示すように、第1ゲート領域16・第2ゲート領域28は、pn接合ゲート構造を備える例が示されているが、他のゲート構造を備えていても良い。例えば、ショットキーゲート構造、絶縁ゲート構造、若しくはヘテロ接合ゲート構造などを備えていても良い。
As shown in FIG. 10, the
更に、図10に示すパワー半導体装置1の順方向特性は、ノーマリオフ特性、セミノーマリオフ特性、若しくはノーマリオン特性のいずれかを備えていても良い。 Further, the forward characteristics of the power semiconductor device 1 shown in FIG. 10 may include any of a normally-off characteristic, a semi-normally-off characteristic, and a normally-on characteristic.
更に、図10に示すように、カソード電極10・第1ゲート電極26間の各々のカソードセグメントの周囲には、べベル領域34を備え、第1ゲート端子G1・カソード端子K間に十分な耐圧を確保可能である。同様に、アノード電極24・第2ゲート電極32間の各々のアノードセグメントの周囲には、べベル領域36を備え、アノード端子A・第2ゲート端子G2間に十分な耐圧を確保可能である。尚、べベル領域36は、アノード電極24・第2ゲート電極32間の各々のアノードセグメントの周囲に形成されているが、他の構造を採用しても良い。例えば、べベル領域36を、カソード電極10・第2ゲート電極32間に形成しても良い。
Further, as shown in FIG. 10, a
ここで、アノード端子A・第2ゲート端子G2間に確保可能十分な耐圧とは、順方向特性は、ノーマリオフ特性、セミノーマリオフ特性、若しくはノーマリオン特性のいずれかを採用可能でかつ主電流のゲートターンオフ可能な耐圧レベルを云う。 Here, a sufficient withstand voltage that can be secured between the anode terminal A and the second gate terminal G2 means that the forward characteristic can be any of a normally-off characteristic, a semi-normally-off characteristic, or a normally-on characteristic, and a gate of the main current. It refers to the withstand voltage level that can be turned off.
本技術を適用したDG構造のパワー半導体装置は、カソードエミッタ領域及びアノードエミッタ領域からのキャリア高注入により、高速ターンオン性能を得ることができる。 A power semiconductor device having a DG structure to which the present technology is applied can obtain high-speed turn-on performance by high carrier injection from a cathode emitter region and an anode emitter region.
本技術を適用したDG構造のパワー半導体装置は、導通状態におけるオン抵抗を低減化し、十分にゲート耐圧を確保しつつ、高耐圧、高速スイッチング性能を実現可能である。また、本技術を適用したDG構造のパワー半導体装置は、順方向特性において、ノーマリオフ特性、セミノーマリオフ特性、及びノーマリオン特性の各特性を備えるパワー半導体装置を容易に実現可能である。 A power semiconductor device having a DG structure to which the present technology is applied can reduce on-resistance in a conductive state and realize high withstand voltage and high-speed switching performance while sufficiently securing a gate withstand voltage. In addition, the power semiconductor device having the DG structure to which the present technology is applied can easily realize a power semiconductor device having each of a normally-off characteristic, a semi-normally-off characteristic, and a normally-on characteristic in a forward characteristic.
本技術を適用した一実施の形態に係るパワー半導体装置1は、一定の濃度であるエピタキシャル層を使用している。 The power semiconductor device 1 according to one embodiment to which the present technology is applied uses an epitaxial layer having a constant concentration.
本技術を適用した一実施の形態に係るパワー半導体装置1は、第1エピタキシャル層と第2エピタキシャル層及び第3エピタキシャル層と第4エピタキシャル層を使用している。このため、製造工程中のモニター管理も容易である。また、マスフローコントローラなどのハード面で濃度の高精度化が容易である。また、ゲート領域16・28から第1・第3エピタキシャル層へのオートドープを安定的に補償可能である。
A power semiconductor device 1 according to an embodiment to which the present technology is applied uses a first epitaxial layer and a second epitaxial layer, and a third epitaxial layer and a fourth epitaxial layer. Therefore, monitor management during the manufacturing process is easy. In addition, it is easy to increase the concentration with high accuracy on a hardware surface such as a mass flow controller. In addition, auto-doping from the
したがって、一段目の第1エピタキシャル層が、オートドープを含めて望ましい傾斜濃度分布を示すとともに、二段目の第2エピタキシャル層が、膜厚・濃度ともに最適化できる。また、三段目の第3エピタキシャル層も、オートドープを含めて望ましい傾斜濃度分布を示すとともに、四段目の第4エピタキシャル層も、膜厚・濃度ともに最適化できる。 Therefore, the first-stage first epitaxial layer exhibits a desirable gradient concentration distribution including auto-doping, and the second-stage second epitaxial layer can be optimized in both film thickness and concentration. In addition, the third epitaxial layer in the third stage also exhibits a desirable gradient concentration distribution including autodoping, and the fourth epitaxial layer in the fourth stage can be optimized in both film thickness and concentration.
本実施の形態に係るパワー半導体装置は、SGSIThy、DGSIThyに限定されるものではなく、SITにおいても同様に適用可能である。この場合、nチャネルSITTやpチャネルSITにおいても同様に適用可能である。 The power semiconductor device according to the present embodiment is not limited to SGSIThy and DGSIThy, and can be similarly applied to SIT. In this case, the present invention can be similarly applied to the n-channel SITT and the p-channel SIT.
また、本実施の形態に係るパワー半導体装置は、IV族元素半導体、III―V族化合物半導体、及びII−VI族化合物半導体の群から選ばれる少なくとも1種類もしくは複数種類の材料を用いて形成されていても良い。 Further, the power semiconductor device according to the present embodiment is formed using at least one or a plurality of materials selected from the group consisting of a group IV element semiconductor, a group III-V compound semiconductor, and a group II-VI compound semiconductor. May be.
また、本実施の形態に係るパワー半導体装置は、シリコンカーバイド、窒化ガリウム、シリコン、窒化アルミニウム、及び酸化ガリウムの群から選ばれる少なくとも1種類もしくは複数種類の材料を用いて形成されていても良い。 Further, the power semiconductor device according to the present embodiment may be formed using at least one or a plurality of materials selected from the group consisting of silicon carbide, gallium nitride, silicon, aluminum nitride, and gallium oxide.
また、本実施の形態に係るパワー半導体装置は、SiC系、Si系、GaN系、AlN系、酸化ガリウム系の群から選ばれる少なくとも1種類もしくは複数種類のSITやSIサイリスタの構成を備えていても良い。 The power semiconductor device according to the present embodiment has at least one or a plurality of types of SIT or SI thyristors selected from the group consisting of SiC, Si, GaN, AlN, and gallium oxide. Is also good.
また、本実施の形態に係るパワー半導体装置は、pn接合ゲート構造、ショットキーゲート構造、絶縁ゲート構造、及びヘテロ接合ゲート構造の群から選ばれる少なくとも1種類を備えていても良い。 Further, the power semiconductor device according to the present embodiment may include at least one selected from the group consisting of a pn junction gate structure, a Schottky gate structure, an insulated gate structure, and a hetero junction gate structure.
また、本技術を適用した一実施の形態に係るパワー半導体装置は、パルスパワー電源用のモジュール構成を備えていても良い。 Further, the power semiconductor device according to an embodiment to which the present technology is applied may have a module configuration for a pulse power supply.
[その他の実施の形態]
上記のように、実施の形態について記載したが、開示の一部をなす論述及び図面は例示的なものであり、限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
[Other embodiments]
While the embodiments have been described above, the discussion and drawings that form a part of the disclosure are illustrative and should not be construed as limiting. From this disclosure, various alternative embodiments, examples, and operation techniques will be apparent to those skilled in the art.
このように、本実施の形態は、ここでは記載していない様々な実施の形態等を含む。 As described above, this embodiment includes various embodiments and the like not described herein.
本実施の形態のパワー半導体装置は、Si、SiC、GaN、AlN、酸化ガリウム等の各種のパワー半導体装置に利用することができ、パルスパワー電源、インバータ回路等幅広い応用分野に適用可能である。 The power semiconductor device of the present embodiment can be used for various power semiconductor devices such as Si, SiC, GaN, AlN, and gallium oxide, and is applicable to a wide range of application fields such as a pulse power supply and an inverter circuit.
1…パワー半導体装置
10…カソード電極
12…カソード領域
13、33…チャネル領域
14…第1カソードエミッタ領域
15…第2カソードエミッタ領域
16、28…ゲート領域
18…高抵抗層
20…バッファ領域
22…アノード領域
24…アノード電極
26、32…ゲート電極
30…第1アノードエミッタ領域
31…第2アノードエミッタ領域
34、36…べベル領域
G、G1、G2…ゲート端子
A…アノード端子
K…カソード端子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (8)
前記カソード領域から注入されたキャリアが導通可能なチャネル領域と、
前記チャネル領域を挟み、前記チャネル領域の電位を静電誘導電界効果により制御可能なゲート領域と、
前記チャネル領域及び前記ゲート領域の上部に配置された第1カソードエミッタ領域と、
前記第1カソードエミッタ領域と前記カソード領域との間に配置された第2カソードエミッタ領域と
を備え、
前記第1カソードエミッタ領域の第1導電型の不純物濃度は、前記ゲート領域からオートドーピングされる第2導電型の不純物濃度よりも濃く、
前記第2カソードエミッタ領域の第1導電型の不純物濃度は、ターンオフ状態に必要な前記ゲート領域と前記カソード領域間の耐圧となる第1導電型の不純物濃度よりも薄い、パワー半導体装置。 A cathode region;
A channel region through which carriers injected from the cathode region can conduct,
A gate region sandwiching the channel region, the gate region being capable of controlling the potential of the channel region by an electrostatic induction electric field effect;
A first cathode emitter region disposed above the channel region and the gate region;
A second cathode emitter region disposed between the first cathode emitter region and the cathode region;
A first conductive type impurity concentration of the first cathode emitter region is higher than a second conductive type impurity concentration that is auto-doped from the gate region;
The power semiconductor device according to claim 1, wherein a concentration of the first conductivity type impurity in the second cathode emitter region is lower than a concentration of the first conductivity type impurity required for a turn-off state between the gate region and the cathode region.
前記第2カソードエミッタ領域は、第2の一定不純物濃度で成長させた第2エピタキシャル層を備える、請求項1に記載のパワー半導体装置。 The first cathode emitter region includes a first epitaxial layer grown at a first constant impurity concentration;
2. The power semiconductor device according to claim 1, wherein said second cathode emitter region includes a second epitaxial layer grown at a second constant impurity concentration.
前記アノード領域から注入された第1導電型と反対導電型の第2導電型キャリアを制御するバッファ領域と、
前記バッファ領域と前記ゲート領域及び前記チャネル領域との間に配置された高抵抗層と
を備える、請求項1〜4のいずれか1項に記載のパワー半導体装置。 An anode region having a conductivity type opposite to that of the cathode region,
A buffer region for controlling a second conductivity type carrier of a conductivity type opposite to the first conductivity type injected from the anode region;
The power semiconductor device according to claim 1, further comprising: a high resistance layer disposed between the buffer region, the gate region, and the channel region.
前記パターニングされた開口窓に対して、ゲート領域を形成する工程と、
前記絶縁層を除去後、露出された前記高抵抗層の表面上に第1エピタキシャル層を形成する工程と、
前記第1エピタキシャル層上に更に第2エピタキシャル層を形成する工程と、
前記第2エピタキシャル層の表面に、カソード領域を形成する工程と
を有し、
前記第1エピタキシャル層の第1導電型の不純物濃度は、前記ゲート領域から前記第1エピタキシャル層へオートドーピングされる第2導電型の不純物濃度よりも濃く、
前記第2エピタキシャル層の第1導電型の不純物濃度は、ターンオフ状態に必要な前記ゲート領域と前記カソード領域間の耐圧となる第1導電型の不純物濃度よりも薄い、パワー半導体装置の製造方法。 After forming an insulating layer on the high resistance layer, a step of patterning,
Forming a gate region for the patterned opening window;
Forming a first epitaxial layer on the exposed surface of the high resistance layer after removing the insulating layer;
Forming a second epitaxial layer further on the first epitaxial layer;
Forming a cathode region on the surface of the second epitaxial layer;
A first conductivity type impurity concentration of the first epitaxial layer is higher than a second conductivity type impurity concentration which is auto-doped from the gate region to the first epitaxial layer;
The method of manufacturing a power semiconductor device, wherein the first conductive type impurity concentration of the second epitaxial layer is lower than the first conductive type impurity concentration required for a turn-off state between the gate region and the cathode region.
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