JP2023088463A - 半導体装置および電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体装置が薄型化した場合であっても、低オン電圧化、低スイッチチング損失化及びスイッチング時のノイズによる高周波発振を抑制可能な半導体装置およびそれを用いた電力変換装置を提供する。【解決手段】第１導電型のドリフト層、ドリフト層の第１主面側の上に形成された第２導電型のアノード層、ドリフト層の第２主面側に形成され、ドリフト層よりも不純物濃度が高い第１導電型のフィールドストップ層、フィールドストップ層よりも不純物濃度が高い第１導電型のカソード層を備え、軽イオン照射で形成されたキャリアライフタイム制御のための第１の欠陥層を有し、欠陥層は、軽イオンの濃度ピークから軽イオン濃度プロファイルの半値幅ΔＬｐまでの領域が、ドリフト層内に広がる空乏層にかからず、かつ、フィールドストップ層の第１導電型キャリア濃度が１０１６ｃｍ－３の位置にもかからない半導体装置を提供する。【選択図】図１
Description
本発明は、半導体装置及び電力変換装置に関する。
ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）及びＰＩＮダイオード（Ｐ－Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ－Ｎ ｄｉｏｄｅ）等の縦型の半導体装置は、縦方向に電流が流れる縦構造を有している。ＩＧＢＴでは、Ｎ型のドリフト層、Ｎ型のバッファ層およびＰ型のコレクタ層を含む領域が縦構造となり、ダイオードでは、P＋アノード層、Ｎ型のドリフト層、Ｎ型のバッファ層およびＮ＋カソード層を含む領域が縦構造となる。
上記半導体装置の低オン電圧化、低スイッチチング損失化のためには、Ｎ型のドリフト層を薄くすることが有効であるが、スイッチングノイズに関しては、スイッチング時の電流降下が急速で、特にテイル電流と呼ばれる蓄積キャリアの自然消滅期間が確保されないと、急峻に電流消滅し、主回路内の寄生インダクタンスに比例するサージ電圧（Ｌ・ｄＩ／ｄｔ）が発生し、数ＭＨｚ以上の振動数で発振する課題があった。これらノイズは、モータ絶縁や過電圧素子破壊、素子誤動作などを引き起こすことが懸念される。
半導体装置の低損失化と低ノイズ化のための従来技術として、例えば下記特許文献１がある。特許文献１には、第１導電型の半導体基板と、半導体基板の第１主面側に形成された第１導電型のドリフト層と、ドリフト層に沿って選択的に形成され、ドリフト層より低抵抗の第２導電型アノード層と、半導体基板の第２主面側の表面層に形成され、ドリフト層と接する第１導電型のカソード層と、空孔と酸素との複合欠陥で形成された空孔－酸素複合欠陥領域と、を備えた半導体装置であって、空孔－酸素複合欠陥領域は、カソード層とドリフト層との境界面から半導体基板の第１主面に向かう方向の深さがＲであり、半導体基板の比抵抗をρ、アノード層とドリフト層とのｐｎ接合からカソード層までの厚さをｔ、ｐｎ接合に印加される逆バイアス電圧Ｖでｐｎ接合からドリフト層内に拡がる空乏層幅が０．５４×√（ρ×Ｖ）（ρ：抵抗率、Ｖ：逆バイアス電圧）であるＷに対して、０＜Ｒ≦ｔ－Ｗで表される深さに設けられていることを特徴とする半導体装置が開示されている。特許文献１の上記構成によれば、スイッチング損失の低減とソフトリカバリ特性との両立が安価で簡単なプロセスで得られるとされている。
しかしながら、特許文献１において、Ｗをそれぞれの抵抗率、逆バイアス電圧で計算し、空孔－酸素複合欠陥領域が、０＜Ｒ≦ｔ－Ｗで表される深さに設けられている半導体装置の最低限のデバイス厚を計算すると、特に高電圧領域における薄型化には限界があることが分かった。
本発明は、上記事情に鑑み、半導体装置が薄型化した場合であっても、低オン電圧化、低スイッチング損失化及びスイッチング時のノイズによる高周波発振を抑制可能な半導体装置およびそれを用いた電力変換装置を提供することにある。
上記課題を解決するための本発明の半導体装置の一態様は、第１導電型のドリフト層を有する半導体基板と、ドリフト層の第１主面側の上に形成された第２導電型のアノード層と、ドリフト層の第２主面側に形成され、ドリフト層よりも不純物濃度が高い第１導電型のフィールドストップ層と、フィールドストップ層よりも不純物濃度が高い第１導電型のカソード層と、を備える半導体装置において、軽イオン照射で形成されたキャリアライフタイム制御のための第１の欠陥層を有し、欠陥層は、軽イオンの濃度ピークから軽イオン濃度プロファイルの半値幅ΔＬｐまでの領域が、ドリフト層内に広がる空乏層にかからず、かつ、フィールドストップ層の第１導電型キャリア濃度が１０１６ｃｍ－３の位置にもかからないことを特徴とする半導体装置である。
また、本発明は、上記本発明の半導体装置を使用した電力変換装置を提供する。
本発明のより具体的な構成は、特許請求の範囲に記載される。
本発明によれば、半導体装置が薄型化した場合であっても、低オン電圧化、低スイッチング損失化及びスイッチング時のノイズによる高周波発振を抑制可能な半導体装置およびそれを用いた電力変換装置を提供できる。
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
以下、本発明について図面を用いて詳細に説明する。
図１は実施例１の半導体装置の断面図とｎ型濃度（Ｃｎ）および軽イオン濃度（Ｉｎ）の分布を示すグラフである。本実施例では、半導体装置としてＰＩＮダイオードを例にしている。
上述したように、本発明の半導体装置は、第１導電型（ｎ型）のドリフト層を有する半導体基板と、ドリフト層の第１主面側の上に形成された第２導電型（ｐ型）のアノード層１０２と、ドリフト層の第２主面側に形成され、ドリフト層よりも不純物濃度が高い第１導電型のフィールドストップ層１０８と、フィールドストップ層１０８よりも不純物濃度が高い第１導電型のカソード層１１０と、を備える半導体装置において、軽イオン照射で形成されたキャリアライフタイム制御のための第１の欠陥層１２１を有し、欠陥層１２１は、軽イオンの濃度ピークから軽イオン濃度プロファイルの半値幅ΔＬｐまでの領域が、ドリフト層１０１内に広がる空乏層にかからず、かつ、フィールドストップ層１０８の第１導電型キャリア濃度が１０１６ｃｍ－3の位置にもかからないことを特徴とする半導体装置である。
より具体的には、軽イオンの濃度ピークの第２主面側からの距離Ｌｐ、軽イオン濃度プロファイルの半値幅ΔＬｐ、ドリフト層１０１の抵抗率ρ、リカバリースイッチング時の電源電圧Ｖ、ドリフト層１０１とフィールドストップ層１０８とカソード層１１０とで構成される層のうち第１導電型キャリア濃度が１０１６ｃｍ－３の位置の第２主面側からの厚みをｔｂ、第１導電型キャリア濃度が１０１６ｃｍ－３の位置からアノード層１０２までの厚みをｔｎとし、ドリフト層１０１内に広がる空乏層厚みＤｗを０．３２２×√（ρ×Ｖ）としたとき、下記式（１）で表される深さ範囲に欠陥層１２１が形成されている。
ΔＬｐ＋ｔｂ＜Ｌｐ＜ｔｎ－０．３２２×√（ρ×Ｖ）－ΔＬｐ…式（１）
図３はｎ型キャリア濃度（横軸）とキャリアライフタイム（縦軸）の関係を示すグラフである。図３に示すように、キャリア濃度（電子ｅ、正孔ｈ）が１×１０１６ｃｍ－３以上ではキャリア濃度が高いほどキャリアライフタイムは急激に短くなる。軽イオン照射による欠陥が濃度１０１６ｃｍ－３の位置に形成されると更にライフタイムが短くなり、結果、ダイオードの逆回復スイッチングが悪化する。したがって、軽イオン照射によって形成される欠陥層１２１は、濃度１０１６ｃｍ－３の位置から一定の距離をとることが望ましい。
図３はｎ型キャリア濃度（横軸）とキャリアライフタイム（縦軸）の関係を示すグラフである。図３に示すように、キャリア濃度（電子ｅ、正孔ｈ）が１×１０１６ｃｍ－３以上ではキャリア濃度が高いほどキャリアライフタイムは急激に短くなる。軽イオン照射による欠陥が濃度１０１６ｃｍ－３の位置に形成されると更にライフタイムが短くなり、結果、ダイオードの逆回復スイッチングが悪化する。したがって、軽イオン照射によって形成される欠陥層１２１は、濃度１０１６ｃｍ－３の位置から一定の距離をとることが望ましい。
図４は軽イオンの注入位置深さ（横軸）とリカバリー損失ＲＬ（左側縦軸）及びリンギングピーク電圧ＶＲｐ（右側縦軸）の関係を示すグラフである。図４に示すように、本発明のＬｐの存在範囲（ＰＩＬｐ）は、従来（ＣＡ）よりもリカバリー損失ＲＬ及びリンギングピーク電圧ＶＲｐが低いことが分かる。
図５は実施例１のリカバリー波形を示すグラフである。図５は順方向に電圧を印加している状態から逆バイアス状態にした際の電流Ｉおよび電圧Ｖの経時変化を示す。実線Ｅで示すグラフが本実施例であり、破線ＣＥで示すグラフが比較例である。図５に示すように、本発明の構成によれば、電流Ｉおよび電圧Ｖともに、ダイオードリカバリー時のノイズ低減が可能である。
続いて、上述した本実施例の半導体装置の製造方法について説明する。図２は実施例１の半導体装置の製造方法の１例を示す製造フロー図である。図２を参照して、本発明のＰＩＮダイオードの製造工程を半導体装置の断面構造とともに説明する。まず、図２（ａ）において、ＰＩＮダイオードを作製するためのシリコン（Ｓｉ）ウエハを準備する。例えば、８ｉｎｃｈウエハでは、Ｓｉウエハ厚は７２５μｍ、１２ｉｎｃｈウエハでは、７７５μｍである。ここで、上述したＳｉウエハは、耐圧に応じた比抵抗をもつドリフト層１０１を有する。例えば、１．２ｋＶの耐圧をもつダイオードでは５５Ωｃｍ程度、３．３ｋＶの耐圧をもつダイオードでは２５０Ωｃｍ程度とすることができる。図示しない最初の工程で、Ｓｉ基板の表面全体に熱酸化によりシリコン酸化膜を形成する。
次に、アノードＰ型半導体層１０２を設ける領域を形成するためのフォトリソグラフィ工程を行う。このフォトリソグラフィ工程では、Ｓｉ基板の表面にレジスト材料を塗布、露光、現像することで、アノードＰ型半導体層１０２を形成する領域が開口したレジストを形成する。その後、ｐ型不純物イオンを注入する。ｐ型不純物イオンは、例えば、ボロン（Ｂ）イオンが挙げられる。その後、レジストを除去、不純物を活性化するためのアニールを施すことにより、図２（ａ）に示すようにアノードＰ型半導体層１０２を形成する。
次に、図２（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板に熱酸化によるシリコン酸化膜形成、及び化学気相成長（ＣＶＤ；Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、例えばシリコン酸化膜１０３を堆積し、アノードＰ型半導体層１０２とアノード電極を接続するコンタクト部を形成するためのフォトリソグラフィ工程を行う。レジスト材料を塗布、露光、現像して、形成されたレジストをマスクに、シリコン酸化膜１０３をエッチングすることにより、アノードＰ型半導体層１０２とアノード電極を接続するコンタクト部を形成する。
続いて、図１（ｃ）に示すように、アルミニウム（Ａｌ）もしくはＡｌ合金からなるアノード電極をスパッタリング法により成膜、フォトリソグラフィ工程によりレジストをパターニングし、エッチングすることにより、アノード電極１０４を形成する。
次に、図１（ｄ）に示すように、表面保護膜１０５を形成する。保護膜の形成法としては、例えば、ポリイミドの前駆体材料と感光材料とを含有する溶液を塗布、露光して前駆体をポリイミド化することで、保護膜を形成することができる。
次に、図１（ｅ）に示すように、バックグラインドとフッ酸／硝酸の混合液によってＳｉウエハを薄型化する。その後裏面側からｎ型フィールドストップ層（ｎバッファー層）１０８をイオン注入によって形成する。ｎ型フィールドストップ層１０８の深さは、発明者の検討によると、深さが７μｍ以下となると次工程以降の製造プロセスや、検査工程で発生する裏面キズによる耐圧保持時のリーク電流増大が発生し、バックグラインド及びフッ酸／硝酸の混合液の加工精度は概ね±３μｍであることから、加工バラツキを考慮して１０μｍ以上の深さが望ましい。
続いて、図１（ｆ）に示すように、アノードＰ型半導体層１０２形成主面（第１主面）側の反対側（第２主面側）からｎ型不純物イオンの注入を行う。ｎ型不純物イオンは、例えばリン（Ｐ）イオンやヒ素（Ａｓ）イオン等が挙げられる。その後、イオン注入したｎ型不純物を活性化させるためにレーザアニールを行い、ｎ＋型半導体層１１０が形成される。カソード電極１１１は、スパッタリングにより例えばＡｌＳｉ合金／チタン（Ｔｉ）／ニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）の積層構造で形成する。
次に、図１（ｇ）に示すように、アノードＰ型半導体層１０２形成主面側の反対側（第２主面側）から軽イオン（プロトン、ヘリウム等）を照射し、軽イオン注入層（欠陥層）１２１を形成する。
ここで、軽イオンの照射位置は、アニール処理後の欠陥位置が上述した範囲内になるように、照射エネルギー及び照射量を調節する。また、軽イオンの照射は、大口径化に伴う自重によるウエハ割れや、過大な反りが発生しない範囲（例えば６００μｍ厚さ）に加工する予備研磨後の照射でもよい。なお、軽イオンの照射は、図１（ｄ）の後、または図１（ｅ）の後に実施することもある。
図６は、実施例２の半導体装置の断面図とｎ型濃度（Ｃｎ）および軽イオン濃度（Ｉｎ）の分布を示すグラフである。本実施例では、カソード側のライフタイム制御をする欠陥層（第１の欠陥層）１２１に加えて、アノード側のライフタイム制御をする欠陥層（第２の欠陥層）１２２が形成されている。
ＩＧＢＴ素子の駆動素子が高速な場合、リカバリースイッチも高速化し、リカバリーピーク電圧が増大しその際のｄｉ／ｄｔでノイズが発生する場合がある。この場合、アノード側の軽イオン注入によりアノード側のホール注入を抑制してピーク電圧を抑制し、結果リカバリーノイズを低減することが可能である。
薄型化によるリカバリーテイル電流の抑制とスイッチング速度の高速化を実現するためには、特に、第２の欠陥層１２２の軽イオンの濃度Ｉｎ２のピークが第１の欠陥層１２１の軽イオンの濃度Ｉｎ１のピークよりも大きいことを特徴とする構造することが望ましい。上記関係とすることで、ライフタイムは相対的にカソード側が長く、リカバリーテイル電流の急峻な変化を抑制しつつ、リカバリー最大電流を低減可能なため、より高速なリカバリースイッチにおいてもノイズを抑制することが可能である。
図７は実施例２のリカバリー波形を示すグラフである。図７に示すように、本実施例の構成によれば、ダイオードリカバリー時のノイズ低減が可能である。
図８は本発明の電力変換装置の概略構成を示す回路図である。図８は、本実施形態の電力変換装置５００の回路構成の一例と直流電源と三相交流モータ（交流負荷）との接続の関係を示す。
本実施形態の電力変換装置５００では、本発明の半導体装置を素子５２１～５２６（例えばダイオード）として使用する。
図８に示すように、本実施形態の電力変換装置５００は、一対の直流端子であるＰ端子５３１、Ｎ端子５３２と、交流出力の相数と同数の交流端子であるＵ端子５３３、Ｖ端子５３４、Ｗ端子５３５とを備えている。
また、一対の電力スイッチング素子５０１および５０２の直列接続からなり、その直列接続点に接続されるＵ端子５３３を出力とするスイッチングレッグを備える。また、それと同じ構成の電力スイッチング素子５０３および５０４の直列接続からなり、その直列接続点に接続されるＶ端子５３４を出力とするスイッチングレッグを備える。また、それと同じ構成の電力スイッチング素子５０５および５０６の直列接続からなり、その直列接続点に接続されるＷ端子５３５を出力とするスイッチングレッグを備える。
電力スイッチング素子５０１～５０６からなる３相分のスイッチングレッグは、Ｐ端子５３１、Ｎ端子５３２の直流端子間に接続されて、図示しない直流電源から直流電力が供給される。電力変換装置５００の３相の交流端子であるＵ端子５３３、Ｖ端子５３４、Ｗ端子５３５は図示しない三相交流モータに三相交流電源として接続されている。
電力スイッチング素子５０１～５０６には、それぞれ逆並列にダイオード５２１～５２６が接続されている。例えばＩＧＢＴからなる電力スイッチング素子５０１～５０６のそれぞれのゲートの入力端子には、ゲート回路５１１～５１６が接続されており、電力スイッチング素子５０１～５０６はゲート回路５１１～５１６によりそれぞれ制御される。なお、ゲート回路５１１～５１６は統括制御回路（不図示）によって統括的に制御されている。
ゲート回路５１１～５１６によって、電力スイッチング素子５０１～５０６を統括的に適切に制御して、直流電源Ｖｃｃの直流電力は、三相交流電力に変換され、Ｕ端子５３３、Ｖ端子５３４、Ｗ端子５３５から出力される。
本発明の半導体装置を電力変換装置５００に適用することで、半導体装置を薄型化した場合であっても、低オン電圧化、低スイッチング損失化の改善及びスイッチング時のノイズによる高周波発振を抑制することができる。
以上、説明したように、本発明によれば、半導体装置が薄型化した場合であっても、低オン電圧化、低スイッチング損失化及びスイッチング時のノイズによる高周波発振を抑制可能な半導体装置およびそれを用いた電力変換装置を提供できることが示された。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
例えば、本明細書における「第１導電型」を「ｎ型」、「第２導電型」を「ｐ型」として説明したが、「第１導電型」を「ｐ型」、「第２導電型」を「ｎ型」としても良い。
１０１…ドリフト層、１０２…アノード層、１０３…シリコン酸化膜、１０４…アノード電極、１０５…表面保護膜、１０８…フィールドストップ層、１１０…カソード層、１２１…欠陥層、Ｄｗ…空乏層の厚み、ΔＬｐ…軽イオン濃度プロファイルの半値幅、５００…電力変換装置、５０１～５０６…電力スイッチング素子、５１１～５１６…ゲート回路、５２１～５２６…ダイオード、５３１…Ｐ端子、５３２…Ｎ端子、５３３…Ｕ端子、５３４…Ｖ端子、５３５…Ｗ端子。
Claims (5)
- 第１導電型のドリフト層を有する半導体基板と、
前記ドリフト層の第１主面側の上に形成された第２導電型のアノード層と、
前記ドリフト層の第２主面側に形成され、前記ドリフト層よりも不純物濃度が高い第１導電型のフィールドストップ層と、
前記フィールドストップ層よりも不純物濃度が高い第１導電型のカソード層と、を備える半導体装置において、
軽イオン照射で形成されたキャリアライフタイム制御のための第１の欠陥層を有し、
前記欠陥層は、前記軽イオンの濃度ピークから軽イオン濃度プロファイルの半値幅ΔＬｐまでの領域が、前記ドリフト層内に広がる空乏層にかからず、かつ、前記フィールドストップ層の第１導電型キャリア濃度が１０１６ｃｍ－３の位置にもかからないことを特徴とする半導体装置。 - 請求項１の半導体装置において、前記軽イオンの濃度ピークの第２主面側からの距離Ｌｐ、前記ドリフト層の抵抗率ρ、リカバリースイッチング時の電源電圧Ｖ、前記ドリフト層と前記フィールドストップ層と前記カソード層とで構成される層のうち第１導電型キャリア濃度が１０１６ｃｍ－３の位置の第２主面側からの厚みをｔｂ、前記第１導電型キャリア濃度が１０１６ｃｍ－３の位置から前記アノード層までの厚みをｔｎとし、前記ドリフト層内に広がる空乏層厚みＤｗを０．３２２×√（ρ×Ｖ）としたとき、下記式（１）の深さ範囲に前記欠陥層が形成されていることを特徴とする半導体装置。
ΔＬｐ＋ｔｂ ＜ Ｌｐ ＜ ｔｎ－０．３２２×√（ρ×Ｖ）－ΔＬｐ…式（１）
- 請求項１の半導体装置において、前記欠陥層に加えて、前記ドリフト層の中の前記空乏層の中にもキャリアライフタイム制御のための第２の欠陥層を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
- 請求項３の半導体装置において、前記第１の欠陥層を形成する軽イオン濃度のピークより前記第２の欠陥層を形成する軽イオンの濃度ピークの方が大きいことを特徴とする半導体装置。
- 一対の直流端子と、
交流出力の相数と同数の交流端子と、
前記一対の直流端子間に接続され、スイッチング素子と前記スイッチング素子に逆並列に接続されたダイオードとで構成された並列回路が２個直列に接続された、交流出力の相数と同数のスイッチングレッグと、
前記スイッチング素子を制御するゲート回路と、を有する電力変換装置であって、
前記ダイオードは、請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置であることを特徴とする電力変換装置。
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