JP5162964B2 - Semiconductor device and semiconductor power conversion device - Google Patents

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Description

この発明は、高速・低損失であるだけでなく、ソフトリカバリー特性をも兼ね備えたダイオード又はIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)等の半導体装置及びこの半導体装置を搭載する半導体電力変換装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device such as a diode or IGBT (insulated gate bipolar transistor) having not only high speed and low loss but also soft recovery characteristics, and a semiconductor power conversion device on which the semiconductor device is mounted.

電力用半導体装置として、600V、1200V又は1700V等の耐圧クラスのダイオードやIGBT等がある。近時、これらのデバイスの特性改善が進んでいる。電力用半導体装置は、高効率で省電力なコンバーター−インバーター等の電力変換装置に用いられており、回転モーターやサーボモーターの制御に不可欠である。
このような電力制御装置には、低損失で省電力であり、また高速、高効率であり、さらに環境に優しい、すなわち周囲に対して悪影響を及ぼさないという特性が要求されている。このような要求に対して、ダイオードにおいては、ブロードバッファ構造が提案されている。ブロードバッファ構造とは、Nドリフト層の平均的な濃度分布が、同層のほぼ中間付近にピーク(極大値)を有し、かつアノード及びカソード方向に向かって、傾きをもって減少するような構造のことである(例えば、特許文献1参照。)。
As power semiconductor devices, there are diodes or IGBTs of a withstand voltage class such as 600V, 1200V or 1700V. Recently, the characteristics of these devices have been improved. Power semiconductor devices are used in power conversion devices such as highly efficient and power-saving converter-inverters, and are indispensable for control of rotary motors and servo motors.
Such power control devices are required to have characteristics such as low loss and power saving, high speed and high efficiency, and environmental friendliness, that is, no adverse effects on the surroundings. In response to such a demand, a broad buffer structure has been proposed in the diode. The broad buffer structure is a structure in which the average concentration distribution of the N drift layer has a peak (maximum value) near the middle of the same layer and decreases with an inclination toward the anode and cathode. (For example, refer to Patent Document 1).

ブロードバッファ構造のダイオードでは、従来のエミッタ注入効率を下げるとともにライフタイム分布の制御を行う技術(例えば、特許文献2参照。)では困難であるような高速動作(例えば、キャリア周波数:20kHz以上)でのソフトリカバリー特性及び発振抑制効果を実現することができる。このようなブロードバッファ構造のダイオードを作製する方法として、特許文献1には、次の2つの方法が開示されている。   The diode of the broad buffer structure has a high speed operation (for example, carrier frequency: 20 kHz or more) that is difficult with the conventional technique for reducing the emitter injection efficiency and controlling the lifetime distribution (for example, see Patent Document 2). The soft recovery characteristics and the oscillation suppression effect can be realized. Patent Document 1 discloses the following two methods for manufacturing such a broad buffer diode.

第1の方法は、バルク内の深い領域、すなわち半導体チップの表面から30〜60μmあるいはそれよりも深い領域に、半導体基板の当初のリン濃度よりも高いリン濃度の領域をエピタキシャル成長法により形成する方法である。第2の方法は、FZ(フロートゾーン)バルクウェハーにプロトンイオン(H)を照射し、熱処理を行うことによって、バルク内部の飛程Rpの近傍でプロトンをドナー化させる方法である。エピタキシャルウェハーよりもバルクウェハーの方が安価であるので、第2の方法は、第1の方法よりも安価である。 The first method is a method in which a region having a phosphorus concentration higher than the initial phosphorus concentration of the semiconductor substrate is formed by an epitaxial growth method in a deep region in the bulk, that is, in a region 30 to 60 μm or deeper than the surface of the semiconductor chip. It is. The second method is a method in which proton ions (H + ) are irradiated to a FZ (float zone) bulk wafer and heat treatment is performed, whereby protons are converted into donors in the vicinity of the range Rp inside the bulk. Since the bulk wafer is less expensive than the epitaxial wafer, the second method is less expensive than the first method.

また、上記特許文献1の他にも、プロトンの照射と熱処理によるプロトンのドナー化現象を利用して高濃度のN層を形成する方法が種々提案されている(例えば、特許文献3、特許文献4参照。)。その他にも、特許文献4には、酸素によるサーマルドナーを用いてN層を形成する方法が開示されている。また、プロトンのドナー化を避ける必要がある場合には、プロトンの代わりにヘリウムを用いる提案がある(例えば、特許文献5参照。)。 In addition to the above-mentioned Patent Document 1, various methods for forming a high concentration N + layer by utilizing a proton donor phenomenon by proton irradiation and heat treatment have been proposed (for example, Patent Document 3, Patents). Reference 4). In addition, Patent Document 4 discloses a method of forming an N + layer using a thermal donor using oxygen. In addition, when it is necessary to avoid proton donor formation, there is a proposal of using helium instead of proton (see, for example, Patent Document 5).

また、安価にブロードバッファ構造を実現する方法として、アクセプタ元素で半導体基板のドナー(リン)濃度を補償することによって、ネットドーピング濃度としてバルク内部に高濃度領域を得る方法が提案されている(例えば、特許文献6参照。)。また、プロトンの照射によりシリコン基板中に欠陥を形成し、熱処理によりその残留欠陥を調整して、局所的にライフタイムを低減する方法が公知である(例えば、特許文献5、特許文献7、特許文献8参照。)。   Further, as a method for realizing a broad buffer structure at a low cost, a method for obtaining a high concentration region inside a bulk as a net doping concentration by compensating a donor (phosphorus) concentration of a semiconductor substrate with an acceptor element has been proposed (for example, , See Patent Document 6). In addition, a method is known in which defects are formed in a silicon substrate by proton irradiation and the residual defects are adjusted by heat treatment to locally reduce the lifetime (for example, Patent Document 5, Patent Document 7, Patent Reference 8).

また、IGBTの場合は、低損失等の上記要求に対して、特許文献12に開示されているような、トレンチゲート型のIGBTが広く開発され、製品化されている。トレンチゲート型IGBTは、周知のDMOSによるプレーナーゲート型IGBTに対して、セル密度(単位面積中の単位ゲートセルの個数)を増加し、JFET効果の影響を無くすことで、導通時にエミッタ電極側(ゲートを形成する側)にキャリアの蓄積をさせて、格段のオン電圧低減とスイッチング(ターンオフ)損失の低減を達成している。   In the case of IGBTs, trench gate type IGBTs as disclosed in Patent Document 12 have been widely developed and commercialized in response to the above-mentioned demands such as low loss. The trench gate type IGBT increases the cell density (the number of unit gate cells in a unit area) compared to the known DMOS planar gate type IGBT, and eliminates the influence of the JFET effect. Carrier side), the on-voltage is reduced significantly and the switching (turn-off) loss is reduced.

さらに、特許文献9のように、慣用の半導体基板(例えばシリコン・ウェハー)の厚さを研削などで減厚し、所定の濃度で元素を研削面側からイオン注入および熱処理を施し、最終的に上記半導体素子を形成し、低コストで電気的損失の低い半導体素子を提供する例がある。近年は、このような低コストな方法による素子の開発・製造が主流となりつつある。   Further, as in Patent Document 9, the thickness of a conventional semiconductor substrate (for example, a silicon wafer) is reduced by grinding or the like, and an element is ion-implanted and heat-treated from the ground surface side at a predetermined concentration. There is an example in which the semiconductor element is formed to provide a low-cost semiconductor element with low electrical loss. In recent years, the development and manufacture of devices by such low-cost methods are becoming mainstream.

これらのIGBTを、誤動作無く安全に駆動するために、特許文献13〜18には以下の技術が開示されている。
特許文献13では、IGBTの高速駆動をするために、IGBTゲート駆動回路のオフ側でゲート抵抗Rgが20Ω未満が良いとしている。これにより、例えば複数IGBTチップの並列動作時においても、電流の不均一分担を抑えて、安全に電流を遮断することができるとしている。
In order to drive these IGBTs safely without malfunction, Patent Documents 13 to 18 disclose the following techniques.
In Patent Document 13, in order to drive the IGBT at high speed, the gate resistance Rg is preferably less than 20Ω on the off side of the IGBT gate drive circuit. Thereby, for example, even when a plurality of IGBT chips are operated in parallel, the current can be safely interrupted while suppressing the uneven distribution of current.

特許文献14の段落[0005]、[0006]では、主電流を流すIGBTのターンオンdi/dtを制限する方法で、主電流をセンスせずに、ゲート電流から主電流を推測・制御し、ゲート電流を駆動回路にフィードバックさせて、レギュレーターでゲート電流制御を行う技術が開示されている。
特許文献15の段落[0010]では、主IGBTのターンオンdi/dtを制限するために、エミッタ電極とそれに接続される配線の間にインダクタンスLを挿入し、過電流導通時のLdi/dtをVgeにフィードバックさせて、急なdi/dt時にVgeをVth近くまで下げてゲートを絞る技術が開示されている。
In paragraphs [0005] and [0006] of Patent Document 14, the main current is estimated and controlled from the gate current without sensing the main current by a method of limiting the turn-on di / dt of the IGBT through which the main current flows. A technique is disclosed in which a current is fed back to a drive circuit and gate current control is performed by a regulator.
In paragraph [0010] of Patent Document 15, in order to limit the turn-on di / dt of the main IGBT, an inductance L is inserted between the emitter electrode and a wiring connected to the emitter electrode, and Ldi / dt at the time of overcurrent conduction is set to Vge. A technique is disclosed in which the gate is narrowed by lowering Vge to near Vth during abrupt di / dt.

特許文献16の段落[0010]では、FWD(FreeWheeling Diode)の対向アームにあるIGBTのターンオンdV/dtを抑制する技術が開示されている。駆動回路にRgを並列に2個し、dV/dt増加時に、片側を開放し、合成Rg値を増加させて、dV/dtを抑制する。
特許文献17の段落[0007]では、自動車用イグナイタ回路のコイルよりIGBTに過電圧が生じた時、IGBTのゲートとコレクタ電極間に接続したツェナーダイオードに電流を流し、その電流とゲート抵抗によりゲートに自己バイアスを発生させてIGBTを通電状態にし、IGBTをクランプさせる技術が開示されている。
Paragraph [0010] of Patent Document 16 discloses a technique for suppressing the turn-on dV / dt of an IGBT in an opposing arm of a FWD (Free Wheeling Diode). Two Rg's are arranged in parallel in the drive circuit, and when one dV / dt increases, one side is opened and the combined Rg value is increased to suppress dV / dt.
In paragraph [0007] of Patent Document 17, when an overvoltage is generated in the IGBT from the coil of the automobile igniter circuit, a current is passed through the Zener diode connected between the gate and the collector electrode of the IGBT, and the current and the gate resistance cause the gate to flow into the gate. A technique is disclosed in which a self-bias is generated, the IGBT is energized, and the IGBT is clamped.

特許文献18の段落[0012]では、回路の過電流を検知するセンスIGBTにおいて、各IGBTのゲート容量およびゲートに接続されるゲート抵抗等を調節し、主電流のIGBTのゲート回路時定数をセンスIGBTの時定数よりも大きくすることで、過電流センスの応答速度を速くし、過電流抑制の制御性を高める技術が開示されている。
特開2003−318412号公報 特開平8−148699号公報 特開平9−260639号公報 特開2001−156299号公報 特開2003−249662号公報 特開2005−64429号公報 特開2001−326366号公報 特開平10−74959号公報 特表2002−520885号公報 特開2001−127308号公報 特開平7−202226号公報 特開平5−243561号公報 特開2000−40951号公報 特開平10−12629号公報 特開2004−63687号公報 特開2002−369553号公報 特開2002−235643号公報 特開平7−146722号公報 B.J.Baliga, “Power Semiconductor Devices”, PWS publishing, 1996
In paragraph [0012] of Patent Document 18, in the sense IGBT that detects an overcurrent of the circuit, the gate capacitance of each IGBT and the gate resistance connected to the gate are adjusted, and the gate circuit time constant of the main current IGBT is sensed. A technique has been disclosed in which the response speed of overcurrent sensing is increased and the controllability of overcurrent suppression is improved by making it larger than the time constant of the IGBT.
JP 2003-318812 A JP-A-8-148699 Japanese Patent Laid-Open No. 9-260639 JP 2001-156299 A Japanese Patent Laid-Open No. 2003-249662 JP-A-2005-64429 JP 2001-326366 A Japanese Patent Laid-Open No. 10-74959 Japanese translation of PCT publication No. 2002-52085 JP 2001-127308 A JP-A-7-202226 JP-A-5-243561 JP 2000-40951 A Japanese Patent Laid-Open No. 10-12629 JP 2004-63687 A JP 2002-369553 A JP 2002-235634 A JP-A-7-146722 B. J. et al. Baliga, “Power Semiconductor Devices”, PWS publishing, 1996.

特許文献1によれば、逆回復時の電圧電流波形の振動(以下「発振」という。)を抑制する技術として、ブロードバッファ層部分の不純物濃度の積分濃度を、2×1011atoms/cm以上8×1011atoms/cm以下にすることが開示されている。
具体的には以下の発明が開示されている。Nドリフト層の不純物濃度のP型アノード層側表面からウェハー裏面(Nカソード層側)方向への分布をNnet(x)とする。このNnetをNドリフト層部分(ブロードバッファ部分を含む)の厚さ方向に積分して得られる積分濃度を同層部分の厚さで割った値を平均濃度Ndmとする。ブロードバッファ部分のNnetがNdmに等しくなる位置(x)であって最もP型アノード層に近い部分の位置をXcと、同じく最もNカソード層に近い部分の位置をXdとする。NnetをXcとXdで挟まれる領域で積分して得られる積分濃度(1)が、2×1011atoms/cm以上で8×1011atoms/cm以下となるよう半導体装置を構成する。
According to Patent Document 1, as a technique for suppressing the oscillation of the voltage / current waveform during reverse recovery (hereinafter referred to as “oscillation”), the integrated concentration of the impurity concentration in the broad buffer layer portion is set to 2 × 10 11 atoms / cm 2. It is disclosed that the amount is 8 × 10 11 atoms / cm 2 or less.
Specifically, the following inventions are disclosed. The distribution of the impurity concentration of the N drift layer from the P-type anode layer side surface to the wafer back surface (N + cathode layer side) direction is N net (x). An average concentration N dm is a value obtained by dividing the integrated concentration obtained by integrating this N net in the thickness direction of the N drift layer portion (including the broad buffer portion) by the thickness of the same layer portion. A position (x) where N net of the broad buffer portion is equal to N dm and the position closest to the P-type anode layer is Xc, and the position closest to the N + cathode layer is Xd. The semiconductor device is configured such that an integrated concentration (1) obtained by integrating N net in a region sandwiched between Xc and Xd is 2 × 10 11 atoms / cm 2 or more and 8 × 10 11 atoms / cm 2 or less. .

この発明によれば逆回復中のダイオードのスナッピーな波形による発振現象を抑えることができる。特許文献1には、前記積分濃度(1)がこの濃度範囲より低い濃度になると発振抑制効果はなくなり、この濃度範囲よりも高いと耐圧が減少すると記載されている。
しかしながら、同濃度の範囲であっても、発振が抑制されない場合があることが判明した。
According to the present invention, it is possible to suppress the oscillation phenomenon due to the snappy waveform of the diode during reverse recovery. Patent Document 1 describes that the oscillation suppression effect is lost when the integrated concentration (1) is lower than this concentration range, and that the breakdown voltage decreases when the integrated concentration (1) is higher than this concentration range.
However, it has been found that oscillation may not be suppressed even in the same concentration range.

図22、図23は従来のブロードバッファ構造を有するダイオードの逆回復波形であり、夫々Nドリフト層の厚さが65μmと45μmの波形を示す。上記の特許文献等に開示されているように、通常、ダイオード通電電流が定格よりも十分低い場合、ダイオードが逆回復中に発振する現象はよく知られている。従来のブロードバッファダイオードは、これをよく防ぐ構造であり、図22のようにN層厚が65μmのときは発振していない。この厚さは、ブロードバッファ構造を有さない従来型ダイオードに対しては、十分薄い厚さである。しかし、より高速・低損失な特性にするため、例えばNドリフト層厚を45μmまで薄くすると、耐圧が下がり、かつ発振して破壊にいたることが明らかになった(図23)。 22 and 23 show reverse recovery waveforms of a diode having a conventional broad buffer structure, and show waveforms with N - drift layer thicknesses of 65 μm and 45 μm, respectively. As disclosed in the above-mentioned patent documents and the like, the phenomenon that the diode oscillates during reverse recovery is generally well known when the diode conduction current is sufficiently lower than the rating. The conventional broad buffer diode has a structure that well prevents this, and does not oscillate when the N layer thickness is 65 μm as shown in FIG. This thickness is sufficiently thin for a conventional diode that does not have a broad buffer structure. However, in order to achieve higher speed and lower loss characteristics, for example, when the N drift layer thickness is reduced to 45 μm, it is clear that the breakdown voltage is lowered, and oscillation and destruction occur (FIG. 23).

図24、図25は実験に用いた600Vクラスの従来型ブロードバッファダイオードの不純物濃度分布を示す。夫々Nドリフト層の厚さが65μmと45μmの分布である。Nドリフト層の基本濃度Nは7.7×1013atoms/cm(60Ωcm)である。Nドリフト層の平均濃度は、Nドリフト層厚が65μmのときは1.7×1014atoms/cm、同じく45μmのときは1.8×1014atoms/cmである。ブロードバッファ部分の不純物濃度が平均濃度と一致する2箇所の位置の間における不純物濃度の積分濃度は、前者では7.1×1011atoms/cm、後者では5.3×1011atoms/cmである。平均濃度に対する基本濃度Nの割合は、それぞれ45.2%と42.3%である。 24 and 25 show the impurity concentration distribution of a conventional broad buffer diode of 600 V class used in the experiment. The thicknesses of the N drift layers are 65 μm and 45 μm, respectively. The basic concentration N 0 of the N drift layer is 7.7 × 10 13 atoms / cm 3 (60 Ωcm). N - average concentration of the drift layer, N - drift layer thickness when the 65μm is 1.7 × 10 14 atoms / cm 3 , the same time of 45μm is 1.8 × 10 14 atoms / cm 3 . The integrated concentration of the impurity concentration between the two positions where the impurity concentration of the broad buffer portion matches the average concentration is 7.1 × 10 11 atoms / cm 2 in the former, and 5.3 × 10 11 atoms / cm in the latter. 2 . The ratio of the basic concentration N 0 to the average concentration is 45.2% and 42.3%, respectively.

図26は逆回復試験の回路図を示す。チョッパー回路であり、スイッチング用IGBTは、標準的な600V/100A NPT−IGBTである。回路の浮遊インダクタンスは約50nH、ゲート抵抗はオン側0Ω、オフ側33Ωである。測定は室温にて行った。初期のダイオード通電電流は定格の1/10である10A、DC印加電圧は400Vである。1200V素子については、IGBTは1200V/50A、DC印加電圧は600Vであり、他の条件は600V素子の場合と同様である。   FIG. 26 shows a circuit diagram of the reverse recovery test. The switching IGBT is a standard 600V / 100A NPT-IGBT. The stray inductance of the circuit is about 50 nH, the gate resistance is 0Ω on the ON side, and 33Ω on the OFF side. The measurement was performed at room temperature. The initial diode conduction current is 10A, which is 1/10 of the rating, and the DC applied voltage is 400V. For the 1200V element, the IGBT is 1200V / 50A, the DC applied voltage is 600V, and other conditions are the same as in the case of the 600V element.

IGBTの高速化(例えば20kHz以上)に伴い、ダイオードにはこれまで以上にソフトリカバリーで発振を抑制する特性が求められ、加えて高速・低損失特性の向上を要求されている
この発明の第一の目的は、高速・低損失であると同時に、ソフトリカバリー特性をも兼ね備えるダイオード又はIGBTと、これらを搭載する電力変換装置を提供することである。
With the speeding up of IGBTs (for example, 20 kHz or more), diodes are required to have characteristics that suppress oscillation by soft recovery more than ever, and in addition, improvements in high speed and low loss characteristics are required. An object of the present invention is to provide a diode or IGBT having high speed and low loss, and at the same time having a soft recovery characteristic, and a power conversion device on which these are mounted.

また、インバータ等動作時の発生損失(以下、実機損失と呼ぶ)を低減するには、主に搭載している半導体スイッチング装置(IGBT、MOSFET等)やダイオード等の半導体素子から発生する電気的損失を下げる必要がある。発生損失の内訳は、主に、(1)IGBTの導通損失(以下、Esat)、(2)IGBTのターンオン損失(以下、Eon)、(3)IGBTのターンオフ損失(以下、Eoff)、(4)FWDの導通損失(以下、Ef)、(5)FWDの逆回復損失(以下、Err)、の5つに分けられる。他に、IGBTやFWDのオフ時の漏れ電流による損失も上げられるが、これら5つに比べれば1/10程度なので、ほぼ無視できる。この中で最も損失が大きいのはEsatで、Eoff,Eon,Ef,Errと続く。Eoffについては、上述したような近年のIGBTの特性改善により、その値が大きく低減され、Eonと同等レベルにまで減少しつつある。このため、Eonの実機損失への影響が大きくなってきている。   In addition, in order to reduce the loss generated during operation of the inverter, etc. (hereinafter referred to as actual machine loss), electrical loss generated mainly from the semiconductor switching devices (IGBT, MOSFET, etc.) and diodes, etc. It is necessary to lower. The breakdown of the generated loss is mainly (1) IGBT conduction loss (hereinafter referred to as “Esat”), (2) IGBT turn-on loss (hereinafter referred to as “Eon”), (3) IGBT turn-off loss (hereinafter referred to as “Eoff”), (4) FWD conduction loss (hereinafter referred to as Ef), and (5) FWD reverse recovery loss (hereinafter referred to as Err). In addition, the loss due to the leakage current when the IGBT or FWD is OFF can be increased, but it is almost 1/10 compared to these five, so it can be almost ignored. Among them, Esat has the largest loss, followed by Eoff, Eon, Ef, and Err. The value of Eoff has been greatly reduced due to recent improvements in IGBT characteristics as described above, and is decreasing to a level equivalent to Eon. For this reason, the influence on Eon's actual machine loss is increasing.

実機損失のEonの低減には、一般的にはゲート抵抗を小さくすることが最も効果がある。ダイオードから転流中の電流がIGBTに流れて、IGBT電流が増加している間のIGBTの保持電圧をできるだけ早期に小さくするためである。一方、上述の引用文献等に示されているように、ゲート抵抗を製品の推奨値よりも小さくすると、実機動作時の放射電磁ノイズのおもな原因である、IGBTターンオン時のFWDの振動波形や、これらの急峻なdi/dt、dV/dtが発生するという問題がある。このため、一般的にはゲート抵抗をある程度以上(すなわち推奨値以上)に、大きく設定しなければならない。従って従来の方法では、Eonを減少することには限界があり、IGBTのスイッチング損失の低減だけでは、実機損失を減らすことは不可能になってきている。以下、各引用文献毎にこの問題を見てみる。   In general, reducing the gate resistance is most effective in reducing Eon of actual machine loss. This is because the holding voltage of the IGBT is reduced as early as possible while the current being commutated from the diode flows to the IGBT and the IGBT current is increasing. On the other hand, as shown in the above cited references, when the gate resistance is made smaller than the recommended value of the product, the vibration waveform of the FWD at the time of IGBT turn-on, which is the main cause of radiated electromagnetic noise during actual machine operation. In addition, there is a problem that these steep di / dt and dV / dt are generated. For this reason, in general, the gate resistance must be set large to a certain level (that is, a recommended value or more). Therefore, in the conventional method, there is a limit in reducing Eon, and it has become impossible to reduce the actual device loss only by reducing the switching loss of the IGBT. Hereafter, this problem is examined for each cited document.

特許文献13の段落[0203]には、ゲート抵抗Rgを小さくしすぎると、ターンオンdi/dtが増加するため、FWDの回復電流が増加し、破壊の原因になることから、オン側のゲート抵抗とオフ側のゲート抵抗を分離し、オフ側のみゲート抵抗を下げる、という記載がある。これはすなわち、オン側のゲート抵抗を低減することはできない、という意味であり、従って実機損失におけるEonは小さくできないことが示唆されている。   In paragraph [0203] of Patent Document 13, since the turn-on di / dt increases when the gate resistance Rg is too small, the FWD recovery current increases and causes breakdown. And the gate resistance on the off side are separated, and the gate resistance is lowered only on the off side. This means that the on-side gate resistance cannot be reduced, and thus it is suggested that Eon in the actual machine loss cannot be reduced.

特許文献14については、IGBTの電流変化率を制限するためにゲート電流をセンスしてレギュレーターによりゲートを制御するとある。しかしながら、具体的にゲート抵抗をどのような値にすればいいか、という記載はない。さらに同公報の[0002]の記載から、IGBTのターンオン時の電流上昇速度(すなわちdi/dt)を制限することが目的とあるため、実機損失のEonは増加する方向になってしまう。   In Patent Document 14, in order to limit the current change rate of the IGBT, the gate current is sensed and the gate is controlled by a regulator. However, there is no description of what value the gate resistance should be set to. Further, from the description of [0002] of the publication, since the purpose is to limit the current rising speed (that is, di / dt) when the IGBT is turned on, the Eon of actual machine loss tends to increase.

特許文献15では、ターンオンdi/dtの制限をするために、ゲート電圧を閾値程度に制限してその増加を抑制する旨が記載されている。これもターンオンに要する時間を長くすることから、実機損失Eonは増加する方向である。
特許文献16の場合、ターンオン時の対向FWDのdV/dtを制限するために、ある値以上のdV/dtではゲート抵抗の合成値を高くしてその増加を制限する旨が記載されている。すなわちこれも、ターンオン速度を遅くする方向であり、このような状況では実機損失Eonは増加することが示唆される。
Patent Document 15 describes that in order to limit turn-on di / dt, the gate voltage is limited to about a threshold value to suppress the increase. This also increases the time required for turn-on, so that the actual machine loss Eon increases.
In the case of Patent Document 16, in order to limit the dV / dt of the opposing FWD at the time of turn-on, it is described that the increase of the combined value of the gate resistance is limited and the increase is limited at a dV / dt of a certain value or more. That is, this is also in the direction of slowing down the turn-on speed, and it is suggested that the actual machine loss Eon increases in such a situation.

特許文献17では、IGBTのゲート抵抗を小さくしすぎると、ツェナーダイオードに流れる電流が増加し、IGBTのゲート電極の自己バイアス速度が速くなり、クランプ電圧が小さくなってしまうことから、自己バイアスを発生させるためのゲート抵抗は、制限回路の抵抗よりも大きくする旨が記載されている。このため、これもターンオン速度は遅くする方向であり、実機損失Eonは大きくなる。   In Patent Document 17, if the gate resistance of the IGBT is made too small, the current flowing through the Zener diode increases, the self-bias speed of the gate electrode of the IGBT increases, and the clamp voltage decreases. It is described that the gate resistance to be made larger than the resistance of the limiting circuit. For this reason, this is also a direction in which the turn-on speed decreases, and the actual machine loss Eon increases.

特許文献18の場合、主電流側のゲート回路時定数を大きくするために、センス側のゲート回路時定数よりも10倍大きくする旨が記載されており、具体的には100Ωという例の記載がある。これもターンオンのようする時間は長くなるため、実機損失Eonは大きくなる。
以上から、従来の駆動方法および駆動装置では、ターンオン損失を低減して、実機損失の増加を抑えるには限界があることが示されている。よって、本発明の第二の目的は、高速・低損失であるだけでなく、ソフトリカバリー特性をも兼ね備えたダイオードを用いることで、IGBT等のスイッチング素子の損失を低減し、さら電磁ノイズも低減するようなIGBTモジュール、およびその駆動方法と駆動装置、さらにこれらを搭載・適用した半導体電力変換装置を提供することである。
In the case of Patent Document 18, in order to increase the gate circuit time constant on the main current side, it is described that the gate circuit time constant on the sense side is increased by 10 times. Specifically, an example of 100Ω is described. is there. Since this also takes a longer time to turn on, the actual machine loss Eon increases.
From the above, it is shown that the conventional driving method and driving device have a limit in reducing the turn-on loss and suppressing the increase in the actual device loss. Therefore, the second object of the present invention is to reduce the loss of switching elements such as IGBTs and also reduce electromagnetic noise by using a diode having not only high speed and low loss but also soft recovery characteristics. It is an object of the present invention to provide an IGBT module, a driving method and a driving device thereof, and a semiconductor power conversion device in which these are mounted and applied.

上記の課題は、本発明によれば、第1導電型の第1半導体層と、該第1半導体層の一方の主面に形成され、該第1半導体層より高不純物濃度の第2導電型の第2半導体層と、前記第1半導体層の他方の主面に形成され、該第1半導体層より高不純物濃度の第1導電型の第3半導体層とを具備し、前記第1半導体層の不純物濃度が極大となる位置が少なくとも1か所あり、該第1半導体層の不純物濃度が、前記極大となる位置から前記第2半導体層及び前記第3半導体層の双方に向かって傾きをもって減少する半導体装置において、前記第1半導体層の不純物濃度の下記式(1

で表される積分濃度が、式(2)

(但し、xは前記第1半導体層の一方の主面から他方の主面に向かう座標軸上の位置を、N net (x)は第1半導体層の位置xにおける不純物濃度を、Xcは第1半導体層中でN net (x)=N dm を満たすxであって最も前記第2半導体層に近い位置を、Xdは第1半導体層中でN net (x)=N dm となる位置で最も前記第3半導体層に近い位置を、N dm は第1半導体層の不純物濃度の平均濃度を、夫々表し、前記座標軸は第1半導体装置層の主面に略垂直である)
を満たし、
前記第1半導体層における前記第2半導体層との接合近傍の不純物濃度N と前記平均濃度N dm が、下記式(3)

を満たし、
前記第1半導体層厚さWと下記式(5)で定義される距離指標Wが、下記式(4)


(但し、BVは半導体装置の耐圧を表す)を満たす半導体装置により解決される。
請求項1の発明によれば、逆回復時間及び損失を大きく低減し、かつソフトリカバリー特性をも向上することができる。また、第1半導体層全体の電界強度を高く維持して、耐圧の低下を抑えることができる。また、逆回復損失を小さく維持しながら、耐圧の低下を防ぐことができる。
請求項2の発明にかかる半導体電力変換装置は、請求項1ないし3に記載の半導体装置を搭載し、前記半導体装置の動作周波数が20kHz以上である。
According to the present invention, the above-described problem is a first conductivity type first semiconductor layer and a second conductivity type formed on one main surface of the first semiconductor layer and having a higher impurity concentration than the first semiconductor layer. A second semiconductor layer and a third semiconductor layer of a first conductivity type formed on the other main surface of the first semiconductor layer and having a higher impurity concentration than the first semiconductor layer, and the first semiconductor layer There is at least one position where the impurity concentration of the first semiconductor layer becomes a maximum, and the impurity concentration of the first semiconductor layer decreases with an inclination from the position where the maximum is reached toward both the second semiconductor layer and the third semiconductor layer. In the semiconductor device, the following formula (1 ) of the impurity concentration of the first semiconductor layer:

The integrated concentration represented by the equation (2)

(Where x is the position on the coordinate axis from one main surface of the first semiconductor layer to the other main surface, N net (x) is the impurity concentration at the position x of the first semiconductor layer, and Xc is the first the position closest to the second semiconductor layer a x satisfying N net (x) = N dm semiconductor layer, Xd is most position where the N net (x) = N dm in the first semiconductor layer (N dm represents a position close to the third semiconductor layer, N dm represents an average impurity concentration of the first semiconductor layer, and the coordinate axis is substantially perpendicular to the main surface of the first semiconductor device layer)
The filling,
The impurity concentration N 0 and the average concentration N dm in the vicinity of the junction of the first semiconductor layer with the second semiconductor layer are expressed by the following formula (3).

The filling,
The distance index W 0 defined by the first semiconductor layer thickness W and the following formula (5) is expressed by the following formula (4).


This is solved by a semiconductor device satisfying (BV represents the breakdown voltage of the semiconductor device).
According to the first aspect of the present invention, the reverse recovery time and loss can be greatly reduced, and the soft recovery characteristics can be improved. In addition, the electric field strength of the entire first semiconductor layer can be maintained high, and a decrease in breakdown voltage can be suppressed. In addition, it is possible to prevent the breakdown voltage from decreasing while keeping the reverse recovery loss small.
A semiconductor power conversion device according to a second aspect of the present invention is mounted with the semiconductor device according to any one of the first to third aspects, and the operating frequency of the semiconductor device is 20 kHz or more.

本発明の第二の目的は、請求項の発明によれば、ダイオードと半導体スイッチング装置を有する半導体電力変換装置において、ダイオードと半導体スイッチング装置は逆並列に接続され、このダイオードと半導体スイッチング装置のいずれか一方、又は両方が請求項記載の半導体装置であり、さらに半導体スイッチング装置を制御する駆動回路の制御端子が、半導体スイッチング装置の制御用電極に11Ωcm以下の抵抗を介して接続する構成により解決される。この抵抗はさらに8Ωcm以下であることが望ましい。 A second object of the present invention, according to the invention of claim 3, in the semiconductor power conversion device having a diode and a semiconductor switching device, a diode and a semiconductor switching device is connected in antiparallel, the diode and the semiconductor switching device The semiconductor device according to claim 1 , wherein either one or both of them is configured such that a control terminal of a drive circuit for controlling the semiconductor switching device is connected to a control electrode of the semiconductor switching device via a resistor of 11 Ωcm 2 or less. It is solved by. This resistance is preferably 8 Ωcm 2 or less.

また、請求項に記載の駆動回路は、前記半導体スイッチング装置を阻止状態から導通状態にするときに、前記半導体スイッチング装置の一方の主面に形成された第1電極と他方の主面に形成された第2電極との間の電位差、例えばIGBTのコレクタ−エミッタ間の電圧、が電源電圧の半値に達する時刻が、前記半導体スイッチング装置が阻止状態から最大電流となる時刻よりも早いことを特徴とする駆動方法により駆動されることが好ましい。 The drive circuit according to claim 3 is formed on the first main surface and the other main surface of the semiconductor switching device when the semiconductor switching device is changed from the blocking state to the conductive state. The time when the potential difference between the second electrode and the second electrode, for example, the voltage between the collector and the emitter of the IGBT, reaches a half value of the power supply voltage is earlier than the time when the semiconductor switching device reaches the maximum current from the blocking state. It is preferable to drive by the following driving method.

なお、本発明において「不純物濃度」とは電気的に活性化されたドナー及びアクセプターの濃度差の絶対値をいうものとし、以下「ネットドーピング濃度」と称することもある。   In the present invention, “impurity concentration” refers to the absolute value of the concentration difference between the electrically activated donor and acceptor, and may hereinafter be referred to as “net doping concentration”.

本発明にかかる半導体装置によれば、従来の半導体装置に比べ、逆回復時間及び損失を大きく低減し、かつソフトリカバリー特性をも向上することができる。さらに、電気的損失および放射電磁ノイズの低い、環境問題を考慮したIGBTモジュール、IPMの提供が可能となる。   According to the semiconductor device of the present invention, the reverse recovery time and loss can be greatly reduced and the soft recovery characteristics can be improved as compared with the conventional semiconductor device. Furthermore, it is possible to provide an IGBT module and an IPM that take into consideration environmental issues with low electrical loss and radiated electromagnetic noise.

以下、添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置及び半導体電力変換装置の好適な実施の形態を説明する。本明細書および添付図面においては、NまたはPを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、NやPに付す+および−は、それぞれ相対的に不純物濃度が高いまたは低いことを意味する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1にかかる半導体装置の構成、ネットドーピング濃度を示す図である。図1において半導体装置の断面図10に示すように、N-ドリフト層となるN型の第1半導体層1の一方の主面側に、P型アノード層となるP型の第2半導体層2が形成されている。また、第1半導体層1の他方の主面側に、N+カソード層となるN型の第3半導体層3が形成されている。そして、第2半導体層2の表面には、アノード電極4が形成されている。また、第3半導体層3の表面には、カソード電極5が形成されている。
Preferred embodiments of a semiconductor device and a semiconductor power conversion device according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. In the present specification and the accompanying drawings, it means that electrons or holes are majority carriers in the layers and regions with N or P, respectively. Further, + and − attached to N and P mean that the impurity concentration is relatively high or low, respectively. Note that, in the following description of the embodiments and the accompanying drawings, the same reference numerals are given to the same components, and duplicate descriptions are omitted.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a diagram showing the configuration and net doping concentration of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. As shown in a cross-sectional view of the semiconductor device in FIG. 1, a P-type second semiconductor layer 2 that becomes a P-type anode layer is formed on one main surface side of an N-type first semiconductor layer 1 that becomes an N drift layer. Is formed. Further, an N-type third semiconductor layer 3 serving as an N + cathode layer is formed on the other main surface side of the first semiconductor layer 1. An anode electrode 4 is formed on the surface of the second semiconductor layer 2. A cathode electrode 5 is formed on the surface of the third semiconductor layer 3.

図1においてアノード電極からの距離x−ネットドーピング濃度(log)の特性図11に示すように、第1半導体層1のネットドーピング濃度は、第1半導体層1のほぼ中間付近にピーク(極大値)を有し、第2半導体層2および第3半導体層3に向かって、傾きをもって減少している。すなわち、実施の形態1の半導体装置は、ブロードバッファ構造となっている。第2半導体層2と第3半導体層3のネットドーピング濃度は、ともに第1半導体層1のネットドーピング濃度よりも高い。なお、距離xについては、第2半導体層2とアノード電極4との界面を基準とする。   As shown in FIG. 11, the distance x from the anode electrode to the net doping concentration (log) in FIG. 1, the net doping concentration of the first semiconductor layer 1 has a peak (maximum value) near the middle of the first semiconductor layer 1. ) And decreases toward the second semiconductor layer 2 and the third semiconductor layer 3 with an inclination. That is, the semiconductor device of the first embodiment has a broad buffer structure. The net doping concentrations of the second semiconductor layer 2 and the third semiconductor layer 3 are both higher than the net doping concentration of the first semiconductor layer 1. The distance x is based on the interface between the second semiconductor layer 2 and the anode electrode 4.

一例として、実施の形態1の半導体装置を、耐圧が600Vクラスで、定格電流が100Aとなるように、チップサイズを7mm×5.5mmとして作製した場合の各部のネットドーピング濃度および寸法を例示する。
第2半導体層2と第1半導体層1との界面までの距離は、3μmである。第3半導体層3とカソード電極5との界面までの距離は、350μmである。
As an example, the net doping concentration and dimensions of each part when the semiconductor device of the first embodiment is manufactured with a chip size of 7 mm × 5.5 mm so that the withstand voltage is 600 V class and the rated current is 100 A are illustrated. .
The distance to the interface between the second semiconductor layer 2 and the first semiconductor layer 1 is 3 μm. The distance to the interface between the third semiconductor layer 3 and the cathode electrode 5 is 350 μm.

第2半導体層2のネットドーピング濃度は、アノード電極4との界面において5×1016atoms/ccであり、第1半導体層1に向かって低くなり、第1半導体層1との界面では、5×1013atoms/ccよりも低い。第3半導体層3のネットドーピング濃度は、第1半導体層1との界面において2×1018atoms/ccであり、カソード電極5に向かって高くなり、カソード電極5との界面で1×1020atoms/ccとなる。以下では、濃度を示す単位としてatoms/ccとatoms/cmを用いて説明するが、「cc」と「cm」は同じである。 The net doping concentration of the second semiconductor layer 2 is 5 × 10 16 atoms / cc at the interface with the anode electrode 4, decreases toward the first semiconductor layer 1, and 5 at the interface with the first semiconductor layer 1. × 10 13 atoms / cc lower. The net doping concentration of the third semiconductor layer 3 is 2 × 10 18 atoms / cc at the interface with the first semiconductor layer 1, increases toward the cathode electrode 5, and 1 × 10 20 at the interface with the cathode electrode 5. atoms / cc. In the following description, atoms / cc and atoms / cm 3 are used as units for indicating the concentration, but “cc” and “cm 3 ” are the same.

第1半導体層1のネットドーピング濃度について図2と図3を用いて説明する。図2、3は第1半導体層(Nドリフト層)の厚さ、すなわち図1における(Wd−3)が、夫々65、45μmの場合のネットドーピング濃度分布を示す。第1半導体層では、第2半導体層2との接合近傍でのネットドーピング濃度(基本濃度N)が5.1×1013atoms/ccであり、また、そのほぼ中間付近でピーク(極大値)となる箇所の濃度は、約1×1015atoms/ccである。第1半導体層の、第3半導体層3との界面およびその付近におけるネットドーピング濃度は、5.1×1013atoms/ccである。なお、上記基本濃度は抵抗率90Ωcmに相当する。なお、前記接合近傍とは第1半導体層と第2半導体層の接合付近で、第1半導体層における不純物濃度のx方向の傾きが十分小さい領域をいい、第1半導体層の厚さによっても異なるが、概ね接合から第1半導体層内に向かって5μm〜20μm程度の範囲の領域をいう。 The net doping concentration of the first semiconductor layer 1 will be described with reference to FIGS. 2 and 3 show net doping concentration distributions when the thickness of the first semiconductor layer (N drift layer), that is, (Wd-3) in FIG. 1 is 65 and 45 μm, respectively. In the first semiconductor layer, the net doping concentration (basic concentration N 0 ) in the vicinity of the junction with the second semiconductor layer 2 is 5.1 × 10 13 atoms / cc, and the peak (maximum value) is approximately in the middle thereof. ) Is about 1 × 10 15 atoms / cc. The net doping concentration of the first semiconductor layer at and near the interface with the third semiconductor layer 3 is 5.1 × 10 13 atoms / cc. The basic concentration corresponds to a resistivity of 90 Ωcm. The vicinity of the junction refers to a region in the vicinity of the junction between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer, in which the inclination of the impurity concentration in the first semiconductor layer is sufficiently small in the x direction, and also varies depending on the thickness of the first semiconductor layer. Is a region in the range of about 5 μm to 20 μm from the junction toward the first semiconductor layer.

図2、3に基づいて得られる第1半導体層1の基本濃度N、平均濃度Ndm、上記(1)式で算出されるネットドーピング濃度の積分濃度、及び平均濃度に対する基本濃度の比(N/Ndm)を表1にまとめて示す。 2 and 3, the basic concentration N 0 , the average concentration N dm of the first semiconductor layer 1, the integrated concentration of the net doping concentration calculated by the above equation (1), and the ratio of the basic concentration to the average concentration ( N 0 / N dm ) are summarized in Table 1.

次に、実施の形態1にかかる半導体装置の製造プロセスについて説明する。図4は、製造プロセスを示す図であり、ウェハをスクライブラインで切断した後の半導体チップに相当する箇所での要部断面図である。
アンチモンを固溶度まで含むn型で低比抵抗のCZによるバルクウェハ100(n半導体基板)に所定の前処理を施す(図4(A))。ウェハは第3半導体層3となる。このウェハの鏡面上にn型不純物を含む高比抵抗Si結晶のエピタキシャル成長層101を形成し、第1半導体層1とする(図4(B))。成長時、原料ガスにリン等のn型不純物を含むガスを所定の流量添加する。この流量を制御することで、同図(b)に示すように、徐々に濃度が増加し、所定位置から以降は徐々に濃度が減少するブロードバッファ構造の不純物濃度分布が得られる。その後、常法によりp型アノード層102(濃度5×1016atoms/cm、深さ3μm)と、オーミックコンタクトを得るためのn+層103を形成し、それぞれの上にアノード電極104(AlSi1%)とカソード電極105(Ti/Ni/Au)を形成する(図4(C))。また、プロセスの途中で、オン抵抗を下げる目的でウェハを300μm程度まで研削したり、図示しないガードリングエッジ構造やポリイミド等のパシベーション膜を形成してもよい。このようにして半導体装置を製造することができる。
Next, a manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment will be described. FIG. 4 is a diagram showing a manufacturing process, and is a fragmentary cross-sectional view of a portion corresponding to a semiconductor chip after the wafer is cut by a scribe line.
A predetermined pretreatment is applied to the bulk wafer 100 (n semiconductor substrate) made of n-type and low specific resistance CZ containing antimony up to the solid solubility (FIG. 4A). The wafer becomes the third semiconductor layer 3. An epitaxial growth layer 101 of a high specific resistance Si crystal containing an n-type impurity is formed on the mirror surface of this wafer to form the first semiconductor layer 1 (FIG. 4B). During growth, a gas containing n-type impurities such as phosphorus is added to the source gas at a predetermined flow rate. By controlling this flow rate, as shown in FIG. 5B, an impurity concentration distribution having a broad buffer structure in which the concentration gradually increases and gradually decreases from a predetermined position is obtained. Thereafter, a p-type anode layer 102 (concentration 5 × 10 16 atoms / cm 3 , depth 3 μm) and an n + layer 103 for obtaining ohmic contact are formed by a conventional method, and an anode electrode 104 (AlSi 1) is formed on each. %) And a cathode electrode 105 (Ti / Ni / Au) are formed (FIG. 4C). In the middle of the process, the wafer may be ground to about 300 μm for the purpose of reducing the on-resistance, or a passivation film such as a guard ring edge structure or polyimide (not shown) may be formed. In this way, a semiconductor device can be manufactured.

リンを含有するガスの流量を時間的に単調な連続関数で変化させると、滑らかな不純物濃度分布となり、小刻みなステップ関数で変化させると、小刻みなステップ状に変化する不純物濃度分布となる。また、不純物濃度分布のピーク(極大値)位置は、エピタキシャル成長層101の中央、p型アノード層102側、ウェハ100側のいずれであってもよい。   When the flow rate of the phosphorus-containing gas is changed with a monotonic continuous function in time, a smooth impurity concentration distribution is obtained, and when it is changed with small step functions, the impurity concentration distribution changes with small steps. The peak (maximum value) position of the impurity concentration distribution may be at the center of the epitaxial growth layer 101, the p-type anode layer 102 side, or the wafer 100 side.

図5に、後述する耐圧1200Vクラスの半導体装置用に形成したエピタキシャル成長層の不純物濃度の分布図を示す。このように不純物濃度は、波打つように変化する場合がある。このような場合、本発明では波打つカーブの局所的ピーク値をなぞった包絡線Aを考える。ブロードバッファ構造は、この包絡線Aが極大となる位置を少なくとも1つ有し、極大となる位置から第2半導体層及び第3半導体層の双方に向かって傾きをもって減少するものである。なお、不純物プロフィルが波打つのは、エピタキシャル成長時の不純物ドープ量を小刻みステップで増大および減少させるときに、ステップの変わり目でドープ量がオーバーシュートするためと考えられるが、このような分布になっても本発明の効果は得られる。   FIG. 5 is a distribution diagram of the impurity concentration of an epitaxial growth layer formed for a semiconductor device having a withstand voltage of 1200 V class to be described later. As described above, the impurity concentration may change to wave. In such a case, the present invention considers an envelope A that traces the local peak value of a wavy curve. The broad buffer structure has at least one position where the envelope A is a maximum, and decreases from the position where the envelope A reaches the maximum toward both the second semiconductor layer and the third semiconductor layer. In addition, it is thought that the impurity profile undulates because when the impurity doping amount during epitaxial growth is increased or decreased in small steps, the doping amount overshoots at the transition of the step. The effect of the present invention can be obtained.

図6、7は、耐圧1200Vクラスの半導体装置のネットドーピング濃度分布を示す。図6は本発明の、図7は従来のブロードバッファ構造を示している。ともに第1半導体層(Nドリフト層)の厚さは105μmである。この厚さは、耐圧1200Vクラスでの標準的厚さより10%以上薄い(例えば、特許文献11の段落0013、非特許文献1のFig3.7を参照。)。この場合、発振現象を抑制するため、図7に示す従来のブロードバッファ構造より、図6に示す構造を採用することが望ましい。 6 and 7 show net doping concentration distributions of a semiconductor device having a breakdown voltage of 1200 V class. FIG. 6 shows the present invention, and FIG. 7 shows a conventional broad buffer structure. In both cases, the thickness of the first semiconductor layer (N drift layer) is 105 μm. This thickness is 10% or more thinner than the standard thickness in the withstand voltage 1200 V class (see, for example, paragraph 0013 of Patent Document 11 and FIG. 3.7 of Non-Patent Document 1). In this case, in order to suppress the oscillation phenomenon, it is desirable to adopt the structure shown in FIG. 6 rather than the conventional broad buffer structure shown in FIG.

以上に説明した半導体装置のブロードバッファ構造では、式(1)で定義される積分濃度を8×1011atoms/cm以上としたことにより、逆回復中に広がる空間電荷領域の電界強度をその2点間で減少させるため、空間電荷領域の拡がりを抑えることができる。逆回復発振は、同領域の拡張によって余剰キャリアが急激に消滅するために生じるが、それを抑えることで、逆回復中に余剰キャリアが十分残るようにして、発振を抑えることができるのである。また、平均濃度に対する基本濃度の比(N/Ndm)を30%以下まで小さくすることで、Nドリフト層全体の電界強度を高く維持して、耐圧の低下を抑えることができる。 In the broad buffer structure of the semiconductor device described above, the integrated concentration defined by the formula (1) is set to 8 × 10 11 atoms / cm 2 or more, so that the electric field strength of the space charge region spreading during the reverse recovery can be increased. Since it decreases between two points, the expansion of the space charge region can be suppressed. The reverse recovery oscillation occurs because the surplus carriers disappear rapidly due to the expansion of the same region. By suppressing this, the surplus carriers remain sufficiently during the reverse recovery, and the oscillation can be suppressed. In addition, by reducing the ratio of the basic concentration to the average concentration (N 0 / N dm ) to 30% or less, the electric field strength of the entire N drift layer can be maintained high, and the breakdown voltage can be suppressed from decreasing.

図8と図9に、実施の形態1の半導体装置について、前述の条件で逆回復試験を行った波形を示す。図8、9では第1半導体層1の厚さが夫々65μm、45μmである。また、それらの不純物濃度分布は図2、3に示されている。
これらの図と図23から、本発明のブロードバッファ構造を用いれば、Nドリフト層の厚さを45μmと薄くしても、発振せずソフトリカバリーであることが分かる。これは、上述の作用により、逆回復中の余剰キャリアを十分に残しているためである。
8 and 9 show waveforms obtained by performing a reverse recovery test on the semiconductor device of the first embodiment under the above-described conditions. 8 and 9, the thickness of the first semiconductor layer 1 is 65 μm and 45 μm, respectively. The impurity concentration distributions are shown in FIGS.
From these figures and FIG. 23, it can be seen that when the broad buffer structure of the present invention is used, even if the thickness of the N drift layer is reduced to 45 μm, oscillation does not occur and soft recovery is achieved. This is because the surplus carriers during reverse recovery remain sufficiently due to the above-described action.

さらに、本発明によれば、N厚を十分薄くしても、発振による逆回復ピーク電圧を、高いDC印加電圧において抑制できる。図10は、前述の逆回復試験の条件において、DC印加電圧(以下「Vdc」とする。)を300、400、500Vとしたときの逆回復ピーク電圧の特性を示した図である。従来例のブロードバッファ構造では(図24、25)、Nドリフト層の厚さが65μmの場合は、Vdcが500Vでも十分ピーク電圧が抑制されているが、45μmの場合は、前述のように発振するため、ピーク電圧(800〜900V)が素子耐圧以上となり、素子が破壊する。一方、本発明のブロードバッファ構造を有する半導体装置の場合、Nドリフト層の厚さが45μmであっても発振は抑制され(図9)、Vdc=500Vでのピーク電圧は400V程度となっている。
(実施の形態2)
図11は、式(1)の積分濃度と耐圧の関係を示したグラフであり、実施の形態1で定義した比N/Ndmをパラメータとしている。このようなブロードバッファ構造は、実施の形態1で説明した製造プロセスにおいて、第1半導体層1をエピタキシャル成長する際、ドーパントとなるリン含有ガスの流量を適宜調整することで作ることができる。
Furthermore, according to the present invention, the reverse recovery peak voltage due to oscillation can be suppressed at a high DC applied voltage even if the N - thickness is sufficiently thin. FIG. 10 is a graph showing the characteristics of the reverse recovery peak voltage when the DC applied voltage (hereinafter referred to as “Vdc”) is 300, 400, and 500 V under the conditions of the reverse recovery test described above. In the conventional broad buffer structure (FIGS. 24 and 25), when the thickness of the N drift layer is 65 μm, the peak voltage is sufficiently suppressed even when Vdc is 500 V, but when the thickness is 45 μm, as described above. Since oscillation occurs, the peak voltage (800 to 900 V) becomes higher than the device breakdown voltage, and the device is destroyed. On the other hand, in the case of the semiconductor device having the broad buffer structure of the present invention, the oscillation is suppressed even when the thickness of the N drift layer is 45 μm (FIG. 9), and the peak voltage at Vdc = 500V is about 400V. Yes.
(Embodiment 2)
FIG. 11 is a graph showing the relationship between the integrated concentration and the withstand voltage in the equation (1), and the ratio N 0 / N dm defined in the first embodiment is used as a parameter. Such a broad buffer structure can be made by appropriately adjusting the flow rate of the phosphorus-containing gas serving as a dopant when the first semiconductor layer 1 is epitaxially grown in the manufacturing process described in the first embodiment.

比N/Ndmが35,40%(比0.35,0.40と同義)の場合、前述の積分濃度が8×1011atoms/cm以上となると、急激に耐圧が低下し、600V以下となってしまう。これに対し比が30%以下(比0.30以下と同義)であれば、8×1011atoms/cm以上における耐圧の減少を抑えることができる。このようにブロードバッファ構造を有する半導体装置では不純物濃度分布を注意深く制御する必要があるが、比N/Ndmを30%(0.30)以下とすれば耐圧が減少しないようにすることができ好ましい。なお、この効果は1200V等の異なる耐圧クラスの半導体装置でも同様に得られる。
(実施の形態3)
ドリフト層の厚さを薄くすると、発振現象が起きるとともに、素子耐圧が減少する。この現象は、式(5)で表される距離指標Wと、Wに対するNドリフト層の厚さWの比を用いて説明される。
When the ratio N 0 / N dm is 35, 40% (synonymous with the ratio 0.35, 0.40), when the above-mentioned integrated concentration is 8 × 10 11 atoms / cm 2 or more, the withstand voltage is drastically reduced. It becomes 600V or less. On the other hand, if the ratio is 30% or less (synonymous with a ratio of 0.30 or less), a decrease in breakdown voltage at 8 × 10 11 atoms / cm 2 or more can be suppressed. As described above, in the semiconductor device having the broad buffer structure, it is necessary to carefully control the impurity concentration distribution. However, if the ratio N 0 / N dm is 30% (0.30) or less, the breakdown voltage is not reduced. This is preferable. This effect can be similarly obtained even in a semiconductor device of a different breakdown voltage class such as 1200V.
(Embodiment 3)
When the thickness of the N drift layer is reduced, an oscillation phenomenon occurs and the device breakdown voltage decreases. This phenomenon is explained using the distance index W 0 represented by the equation (5) and the ratio of the thickness W of the N - drift layer to W 0 .

ここで、BVは半導体装置の耐圧、NdmはNドリフト層の平均濃度である。
式(5)について説明する。非特許文献1から、Nドリフト層の濃度がNのとき、臨界電界強度Ecは、式(6)で表される。
Here, BV is the breakdown voltage of the semiconductor device, and N dm is the average concentration of the N drift layer.
Formula (5) is demonstrated. From Non-Patent Document 1, when the concentration of the N drift layer is N d , the critical electric field strength Ec is expressed by Expression (6).

通常、平行平板近似による素子耐圧BVは、印加電圧の増加により素子内の最大電界強度がEcに達したとき、そのときの空乏層幅をWとして、 In general, the device breakdown voltage BV by the parallel plate approximation is obtained when the maximum electric field strength in the device reaches Ec due to an increase in applied voltage, and the depletion layer width at that time is defined as W 0 .

と表される。式(6)のNは平均濃度Ndmに相当するので、式(7)のEcに式(6)を代入し整理すると、空乏層幅Wについて式(5)が得られる。この空乏層幅Wは、素子耐圧BVに必要なNドリフト層厚の目安、すなわち距離指標Wと考えることができる。
以上の説明では第1半導体層の厚さと濃度で決まる耐圧を素子耐圧BVとしている。通常、第2半導体層の濃度が第1半導体層よりも十分(およそ2桁以上)大きいため、空乏層が第1半導体層のみに広がるとみなすことができる(片側階段接合)。したがって、第1半導体層で決まる耐圧を素子耐圧と考えることができる。
It is expressed. Since N d in equation (6) corresponds to the average concentration N dm , when equation (6) is substituted into Ec in equation (7) and rearranged, equation (5) is obtained for the depletion layer width W 0 . This depletion layer width W 0 can be considered as a measure of the N drift layer thickness required for the device breakdown voltage BV, that is, a distance index W 0 .
In the above description, the breakdown voltage determined by the thickness and concentration of the first semiconductor layer is the element breakdown voltage BV. Usually, since the concentration of the second semiconductor layer is sufficiently higher (approximately two orders of magnitude or more) than the first semiconductor layer, it can be considered that the depletion layer extends only to the first semiconductor layer (one-sided step junction). Therefore, the breakdown voltage determined by the first semiconductor layer can be considered as the element breakdown voltage.

表2に、式(5)に基づいた素子耐圧BV、平均濃度Ndmと距離指標Wの関係を示す。素子耐圧はそれぞれ、一般的に用いられるパワー半導体素子(FWD、IGBT等)の典型的な定格電圧より1割ほど高めに設定し、余裕を持たせた値である。平均濃度Ndmは、この素子耐圧を得るための典型的な濃度である。実際に量販されている素子はこの値と若干異なるものの、オーダーとしては十分近い値である。表2に示すように、式(5)から求められる距離指標Wは、600V素子で約57μm、1200V素子で約126μmである。 Table 2 shows the relationship between the element breakdown voltage BV, the average concentration N dm, and the distance index W 0 based on the formula (5). Each of the element breakdown voltages is a value that is set about 10% higher than a typical rated voltage of a commonly used power semiconductor element (FWD, IGBT, etc.) and has a margin. The average concentration N dm is a typical concentration for obtaining this device breakdown voltage. Although the elements that are actually sold in mass are slightly different from this value, they are close enough in order. As shown in Table 2, the distance index W 0 obtained from the equation (5) is about 57 μm for 600 V elements and about 126 μm for 1200 V elements.

表3は、表2における平均濃度Ndmを若干小さくして、耐圧に余裕を持たせる場合の距離指標Wを示す。 Table 3 shows the distance index W 0 in the case where the average concentration N dm in Table 2 is slightly reduced to provide a margin for the breakdown voltage.

図12、13は、本発明に係るブロードバッファ構造を有するダイオードの逆回復損失特性を示すトレードオフ曲線である。夫々定格電圧が600V、1200Vの場合の、Nドリフト層の厚さへの依存性を示している。横軸は導通損失となる順電圧降下、縦軸は逆回復損失である。図中のWは、表2に記載したものである。
図14は、Nドリフト層の厚さWと逆回復損失Errの関係を(a)600Vクラス及び(b)1200Vクラスについて示したグラフであり、図12、13の逆回復損失特性から求めたものである。横軸は距離指標Wで規格化している。600Vの場合(a)は、図12における順電圧が1.6Vのときの逆回復損失値もしくはその外挿値を用いており、1200Vの場合(b)は、図13における順電圧1.8Vでの逆回復損失値である。逆回復損失については、Nドリフト層の厚さWの距離指標Wに対する比(W/W)が1〜1.1以上になると、急激に増加する傾向がわかる。これは、Nドリフト層(第1半導体層)の厚さが大きくなると、導通方向の抵抗が増加し、さらに蓄積キャリアも増加するためである。また、600Vの場合(a)でNドリフト層の厚さが45μm(=0.79W)と65μm(=1.14W)の損失Errを比べると、本発明に係るブロードバッファ構造により、半導体装置の発振を抑制でき、加えて、約60%の損失低減を達成できることがわかる。
12 and 13 are trade-off curves showing reverse recovery loss characteristics of a diode having a broad buffer structure according to the present invention. The graph shows the dependence on the thickness of the N drift layer when the rated voltage is 600 V and 1200 V, respectively. The horizontal axis is the forward voltage drop that becomes the conduction loss, and the vertical axis is the reverse recovery loss. W 0 in the figure is as described in Table 2.
FIG. 14 is a graph showing the relationship between the thickness W of the N drift layer and the reverse recovery loss Err for (a) 600 V class and (b) 1200 V class, and was obtained from the reverse recovery loss characteristics of FIGS. Is. The horizontal axis is normalized by the distance index W 0. In the case of 600V (a), the reverse recovery loss value or its extrapolated value when the forward voltage in FIG. 12 is 1.6V is used, and in the case of 1200V (b), the forward voltage 1.8V in FIG. Is the reverse recovery loss value. It can be seen that the reverse recovery loss tends to increase sharply when the ratio (W / W 0 ) of the thickness W of the N drift layer to the distance index W 0 is 1 to 1.1 or more. This is because as the thickness of the N drift layer (first semiconductor layer) increases, the resistance in the conduction direction increases and the number of stored carriers also increases. Further, N in the case of 600V (a) - the thickness of the drift layer than the loss Err of 45μm (= 0.79W 0) and 65μm (= 1.14W 0), the broad buffer structure according to the present invention, It can be seen that the oscillation of the semiconductor device can be suppressed, and in addition, a loss reduction of about 60% can be achieved.

図15は、Nドリフト層の厚さWと素子耐圧BVの関係を(a)600Vクラス及び(b)1200Vクラスについて示したグラフである。図14と同様に横軸は距離指標Wで規格化している。素子耐圧は、比W/Wが0.8未満になると急激に減少する。
このように本発明に係るブロードバッファ構造を有する半導体装置では、比W/Wが0.8以上1.0以下であることが望ましい。
(実施の形態4)
図16は、実施の形態1と異なるプロセスで製造された、本発明の実施の形態4にかかる半導体装置の構成、ネットドーピング濃度及びプロトン分布を示す図である。半導体装置の層構成は、図16の半導体装置の断面図10に示すように、実施の形態1で説明した構成と同じである。
FIG. 15 is a graph showing the relationship between the thickness W of the N drift layer and the element breakdown voltage BV for (a) 600 V class and (b) 1200 V class. Horizontal axis as in FIG 14 is normalized by the distance index W 0. The device breakdown voltage decreases rapidly when the ratio W / W 0 is less than 0.8.
As described above, in the semiconductor device having the broad buffer structure according to the present invention, the ratio W / W 0 is desirably 0.8 or more and 1.0 or less.
(Embodiment 4)
FIG. 16 is a diagram showing a configuration, net doping concentration, and proton distribution of a semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention manufactured by a process different from that of the first embodiment. The layer structure of the semiconductor device is the same as the structure described in Embodiment 1 as shown in the cross-sectional view of the semiconductor device in FIG.

図16においてアノード電極からの距離−ネットドーピング濃度(log)の特性図11に示すように、第1半導体層1のネットドーピング濃度は、第1半導体層1のほぼ中間付近にピークを有し、第2半導体層2および第3半導体層3に向かって、傾きをもって減少している。すなわち、実施の形態4の半導体装置は、ブロードバッファ構造となっている。   As shown in FIG. 11, the distance from the anode electrode to the net doping concentration (log) in FIG. 16, the net doping concentration of the first semiconductor layer 1 has a peak in the vicinity of the middle of the first semiconductor layer 1. It decreases with an inclination toward the second semiconductor layer 2 and the third semiconductor layer 3. That is, the semiconductor device of the fourth embodiment has a broad buffer structure.

一例として、実施の形態4の半導体装置を、耐圧が1200Vクラスで、定格電流が150Aとなるように、チップサイズを10mm×10mmとして作製した場合の各部のネットドーピング濃度および寸法を例示する。
第2半導体層2と第1半導体層1との界面までの距離は、3μmである。第3半導体層3とカソード電極5との界面までの距離は、115μmである。これは距離指標W=125.5μmに対して、0.92Wに相当する。第1半導体層1と第3半導体層3との界面から、第3半導体層3とカソード電極5との界面までの距離、すなわち第3半導体層3の厚さは、0.5μmである。
As an example, the net doping concentration and dimensions of each part when the chip size is 10 mm × 10 mm so that the semiconductor device of the fourth embodiment is manufactured with a breakdown voltage of 1200 V class and a rated current of 150 A are illustrated.
The distance to the interface between the second semiconductor layer 2 and the first semiconductor layer 1 is 3 μm. The distance to the interface between the third semiconductor layer 3 and the cathode electrode 5 is 115 μm. This is with respect to the distance index W 0 = 125.5μm, equivalent to 0.92W 0. The distance from the interface between the first semiconductor layer 1 and the third semiconductor layer 3 to the interface between the third semiconductor layer 3 and the cathode electrode 5, that is, the thickness of the third semiconductor layer 3 is 0.5 μm.

第2半導体層2のネットドーピング濃度は、アノード電極4との界面において5×1016atoms/ccであり、第1半導体層1に向かって低くなり、第1半導体層1との界面では、3.8×1013atoms/ccよりも低い。第1半導体層1のネットドーピング濃度は、第2半導体層2との界面では、3.8×1013atoms/ccよりも低いが、第2半導体層2との界面(接合)近傍で3.8×1013atoms/ccとなる。 The net doping concentration of the second semiconductor layer 2 is 5 × 10 16 atoms / cc at the interface with the anode electrode 4 and decreases toward the first semiconductor layer 1, and 3 at the interface with the first semiconductor layer 1. Less than 8 × 10 13 atoms / cc. The net doping concentration of the first semiconductor layer 1 is lower than 3.8 × 10 13 atoms / cc at the interface with the second semiconductor layer 2, but is 3. 3 near the interface (junction) with the second semiconductor layer 2. 8 × 10 13 atoms / cc.

そして、第1半導体層1のほぼ中間付近でピークとなる箇所のネットドーピング濃度は、2.0×1014atoms/ccである。また、第1半導体層1の、第3半導体層3との界面及びその付近におけるネットドーピング濃度は、3.8×1013atoms/ccである。第3半導体層3のネットドーピング濃度は、第1半導体層1との界面において3.8×1013atoms/ccであり、カソード電極5に向かって高くなり、カソード電極5との界面で1×1019atoms/ccとなる。第1半導体層の平均濃度は1.0×1014atoms/cmであり、ネットドーピング濃度が平均濃度と等しくなる2点間の積分濃度は9.5×1011atoms/cmである。 Then, the net doping concentration at a location where the peak is approximately in the middle of the first semiconductor layer 1 is 2.0 × 10 14 atoms / cc. The net doping concentration of the first semiconductor layer 1 at the interface with the third semiconductor layer 3 and in the vicinity thereof is 3.8 × 10 13 atoms / cc. The net doping concentration of the third semiconductor layer 3 is 3.8 × 10 13 atoms / cc at the interface with the first semiconductor layer 1, increases toward the cathode electrode 5, and 1 × at the interface with the cathode electrode 5. 10 19 atoms / cc. The average concentration of the first semiconductor layer is 1.0 × 10 14 atoms / cm 3 , and the integrated concentration between the two points at which the net doping concentration is equal to the average concentration is 9.5 × 10 11 atoms / cm 2 .

図16においてアノード電極からの距離−プロトン分布の特性図12に示すように、第1半導体層1のネットドーピング濃度がピークとなる箇所までの距離は、60μmである。この距離は、製造段階で第2半導体層2の表面にプロトンを照射したときのプロトンの飛程Rpに等しい。このプロトンの飛程Rpの前後でプロトンの濃度が高い。第1半導体層1には酸素原子が導入されており、酸素原子とプロトンとからなる複合ドナーによって、所望のブロードバッファ構造が形成されている。   In FIG. 16, the distance from the anode electrode-proton distribution characteristics As shown in FIG. 12, the distance to the location where the net doping concentration of the first semiconductor layer 1 reaches a peak is 60 μm. This distance is equal to the proton range Rp when the surface of the second semiconductor layer 2 is irradiated with protons in the manufacturing stage. The proton concentration is high before and after the proton range Rp. Oxygen atoms are introduced into the first semiconductor layer 1, and a desired broad buffer structure is formed by a composite donor composed of oxygen atoms and protons.

次に、実施の形態4にかかる半導体装置の製造プロセスについて説明する。ここでは、一例として、図16に例示した寸法およびネットドーピング濃度の半導体装置(耐圧:1200Vクラス、定格電流:150A)を製造する場合について説明する。図17及び図18は、製造プロセスを示す図である。まず、図17の断面図200に示すように、半導体基板として、比抵抗が40〜200Ωcm、例えば120Ωcm(リン濃度3.8×1013atoms/cc)のFZウェハー201を用意する。 Next, a manufacturing process of the semiconductor device according to the fourth embodiment will be described. Here, as an example, a case where a semiconductor device having the dimensions and net doping concentration illustrated in FIG. 16 (withstand voltage: 1200 V class, rated current: 150 A) will be described. 17 and 18 are diagrams showing the manufacturing process. First, as shown in a sectional view 200 of FIG. 17, an FZ wafer 201 having a specific resistance of 40 to 200 Ωcm, for example, 120 Ωcm (phosphorus concentration 3.8 × 10 13 atoms / cc) is prepared as a semiconductor substrate.

そして、図17の断面図210に示すように、このFZウェハー201の両面にリンガラス211を塗布し、窒素および酸素雰囲気で例えば1250℃、100時間の熱処理を行って、両面からリン(P)を拡散させる。この熱処理によって、FZウェハーの両面からウェハー内に大量の酸素(O)が導入され、FZウェハーにおける酸素濃度は、固溶限界濃度(約1×1018atoms/cc)となる。 Then, as shown in a sectional view 210 of FIG. 17, phosphorus glass 211 is applied to both surfaces of the FZ wafer 201, and heat treatment is performed, for example, at 1250 ° C. for 100 hours in a nitrogen and oxygen atmosphere. To diffuse. By this heat treatment, a large amount of oxygen (O) is introduced into the wafer from both sides of the FZ wafer, and the oxygen concentration in the FZ wafer becomes a solid solution limit concentration (about 1 × 10 18 atoms / cc).

次いで、断面図210に一点鎖線で示すように、FZウェハー201を研削し、ウェハー表面の高濃度のリン拡散層212を除去する。それによって、図17の断面図220に示すように、高濃度リン層212からなる第3半導体層221を有する薄ウェハー222が得られる。この薄ウェハー222の一方の表面をポリッシュして鏡面に仕上げる。このFZウェハーのミラー仕上げ面には、後のダイオードのプロセス工程において、第2半導体層2、ガードリングエッジ構造およびアノード電極4が形成される。FZウェハーの厚さは、この研削およびポリッシュ後に例えば500μmになるように、予め選定されている。   Next, as shown by the alternate long and short dash line in the cross-sectional view 210, the FZ wafer 201 is ground to remove the high-concentration phosphorus diffusion layer 212 on the wafer surface. As a result, as shown in the cross-sectional view 220 of FIG. 17, a thin wafer 222 having a third semiconductor layer 221 made of the high-concentration phosphorus layer 212 is obtained. One surface of the thin wafer 222 is polished to a mirror finish. On the mirror finished surface of the FZ wafer, the second semiconductor layer 2, the guard ring edge structure, and the anode electrode 4 are formed in the subsequent diode process step. The thickness of the FZ wafer is selected in advance so as to be, for example, 500 μm after the grinding and polishing.

FZウェハー201のミラー仕上げ面での比抵抗は、例えば120Ωcmである。FZウェハーの他方の表面は、リンガラス211を除去したままの状態である。この面の表面濃度は、例えば1×1020atoms/cm程度であり、高濃度のリンが例えば80μm程度の深さまで拡散している。
次いで、図17の断面図230に示すように、標準的なダイオードのプロセス工程によって、Pアノード層となる第2半導体層2、図示しないガードリングエッジ構造、絶縁膜6およびアノード電極4を形成する。第2半導体層2の濃度は、例えば5×1016atoms/ccであり、その深さは、例えば3μmである。また、アノード電極4の材料は、例えばAlSi1%である。
The specific resistance at the mirror finished surface of the FZ wafer 201 is, for example, 120 Ωcm. The other surface of the FZ wafer is in a state where the phosphorus glass 211 is removed. The surface concentration of this surface is, for example, about 1 × 10 20 atoms / cm 3 , and high concentration phosphorus is diffused to a depth of, for example, about 80 μm.
Next, as shown in a cross-sectional view 230 of FIG. 17, the second semiconductor layer 2, which is a P anode layer, a guard ring edge structure (not shown), the insulating film 6, and the anode electrode 4 are formed by standard diode process steps. . The concentration of the second semiconductor layer 2 is, for example, 5 × 10 16 atoms / cc, and the depth thereof is, for example, 3 μm. The material of the anode electrode 4 is, for example, AlSi 1%.

次いで、図17の断面図240に示すように、アノード電極4の側からFZウェハー201に、サイクロトロンにより加速されたプロトンを照射する。その際、サイクロトロンの加速電圧は、例えば7.9MeVであり、プロトンのドーズ量は、例えば1.0×1012atoms/cmである。また、アルミアブソーバーを用い、その厚さを調節して、プロトンの飛程がFZウェハーの半導体とアノード電極4との界面から60μmとなるようにする。断面図240において、×印は、プロトンの照射によりFZウェハー内に生じた結晶欠陥241を表す。 Next, as shown in a cross-sectional view 240 of FIG. 17, the proton accelerated by the cyclotron is irradiated onto the FZ wafer 201 from the anode electrode 4 side. At this time, the acceleration voltage of the cyclotron is, for example, 7.9 MeV, and the proton dose is, for example, 1.0 × 10 12 atoms / cm 2 . Further, an aluminum absorber is used and the thickness thereof is adjusted so that the proton range is 60 μm from the interface between the semiconductor of the FZ wafer and the anode electrode 4. In the cross-sectional view 240, the x mark represents a crystal defect 241 generated in the FZ wafer by proton irradiation.

次いで、図18の断面図300に示すように、例えば350℃で1時間の熱処理を水素雰囲気で行い、結晶欠陥241を回復させる。それによって、FZウェハー201の半導体とアノード電極4との界面から60μmの深さのところを中心としてその前後に高濃度領域301ができる。この高濃度領域によって、ピーク濃度が2.0×1014atoms/cmの、所望のブロードバッファ構造が形成される。 Next, as shown in a cross-sectional view 300 of FIG. 18, for example, heat treatment is performed at 350 ° C. for 1 hour in a hydrogen atmosphere to recover the crystal defects 241. As a result, a high concentration region 301 is formed before and after a depth of 60 μm from the interface between the semiconductor of the FZ wafer 201 and the anode electrode 4. By this high concentration region, a desired broad buffer structure having a peak concentration of 2.0 × 10 14 atoms / cm 3 is formed.

次いで、図18の断面図310に示すように、FZウェハー201の、リンガラス211が除去された状態のままの面に対して研削やウエットエッチングを行い、FZウェハーを所定の厚さにする。1200Vクラスの場合、この段階でのFZウェハーの厚さは、典型的には100〜160μmである。実施の形態4では、この段階でのFZウェハーの厚さは、例えば115μm(0.92W)である。 Next, as shown in a cross-sectional view 310 of FIG. 18, grinding or wet etching is performed on the surface of the FZ wafer 201 with the phosphor glass 211 removed, to make the FZ wafer have a predetermined thickness. In the case of the 1200 V class, the thickness of the FZ wafer at this stage is typically 100 to 160 μm. In the fourth embodiment, the thickness of the FZ wafer at this stage is, for example, 115 μm (0.92 W 0 ).

次いで、FZウェハー201の、研削やウエットエッチングが行われた面に対してリン等のN型不純物をイオン注入する。その際の加速電圧は、例えば50keVであり、ドーズ量は、例えば1×1015atoms/cmである。次いで、そのイオン注入面に対して、YAG第2高調波レーザ等のレーザ光をダブルパルス法にて照射する。
ここで、ダブルパルス法とは、レーザ光の照射エリアごとに、複数のレーザ照射装置から所定の遅延時間だけ照射タイミングをずらして複数のパルスレーザを連続的に照射する方法である。ダブルパルス法については、特開2005−223301号公報に詳述されている。
Next, an N-type impurity such as phosphorus is ion-implanted into the surface of the FZ wafer 201 on which grinding or wet etching has been performed. The acceleration voltage at that time is, for example, 50 keV, and the dose amount is, for example, 1 × 10 15 atoms / cm 2 . Next, the ion-implanted surface is irradiated with a laser beam such as a YAG second harmonic laser by a double pulse method.
Here, the double pulse method is a method of continuously irradiating a plurality of pulse lasers by shifting the irradiation timing by a predetermined delay time from a plurality of laser irradiation apparatuses for each laser light irradiation area. The double pulse method is described in detail in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-223301.

ダブルパルス法によりレーザ光を照射する際のエネルギー密度は、レーザ光の照射エリアごとに、合計で例えば3J/cmである。また、ダブルパルスの遅延時間は、例えば300nsecである。このレーザ照射によって、その前にイオン注入されたリン等のN型不純物が電気的に活性化して、Nカソード層となる第3半導体層3ができる。
最後に、図18の断面図320に示すように、第3半導体層3の表面にチタン、ニッケルおよび金の順で金属を成膜し、第3半導体層3にオーミック接触するカソード電極5を形成し、半導体装置(ダイオード)が完成する。FZウェハー201の、第2半導体層2と第3半導体層3の間の部分は、第1半導体層1となる。図18の特性図330は、断面図320の半導体装置に対応するネットドーピング濃度のプロファイルである。
The energy density at the time of laser beam irradiation by the double pulse method is, for example, 3 J / cm 2 in total for each laser beam irradiation area. The delay time of the double pulse is, for example, 300 nsec. By this laser irradiation, an N-type impurity such as phosphorus ion-implanted before that is electrically activated, and the third semiconductor layer 3 serving as an N + cathode layer is formed.
Finally, as shown in a cross-sectional view 320 of FIG. 18, a metal film is formed on the surface of the third semiconductor layer 3 in the order of titanium, nickel, and gold, and the cathode electrode 5 that is in ohmic contact with the third semiconductor layer 3 is formed. Thus, the semiconductor device (diode) is completed. A portion of the FZ wafer 201 between the second semiconductor layer 2 and the third semiconductor layer 3 becomes the first semiconductor layer 1. A characteristic diagram 330 in FIG. 18 is a net doping concentration profile corresponding to the semiconductor device in the cross-sectional view 320.

以上の例では、酸素を含有するウェハーの作製方法として、高濃度のリンを含むリンガラスをFZウェハーに塗布し、酸素等雰囲気中で熱処理を行う方法を説明した。
この方法に代えて、CZ(チョコラルスキー)結晶(あるいは多結晶)を用いて高濃度の酸素を含むFZウェハーを作る方法もある。CZ結晶等には、高い濃度の酸素が混入しており、その濃度は1300度で過飽和となる1×1018cm−3程度である。このCZ結晶をFZウェハー引き上げの原料にすると、引き上げ後も1.0×1016cm−3以上の酸素が残留し、前述のリンガラスを塗布して作製するDWウェハーと同程度の酸素を含むFZウェハーを作製することができる。この方法を用いれば、上述の高温による酸素の拡散プロセスを行わずに、低価格で酸素含有のFZウェハーを得ることができる。
(実施の形態5)
図19、図20、図21及び図27は、実施の形態1〜4の半導体装置の適用例を示す図である。図19に示すコンバーター−インバータ回路30は、効率良く誘導電動機やサーボモータ等を制御することが可能で、産業や電鉄等で広く用いられる。図20に示す力率改善回路(PFC回路)40は、AC−AC変換の入力電流を正弦波状に制御して波形改善をはかる回路であり、スイッチング電源用に用いられる。図21の回路図2000は、マトリクスコンバーター回路50の全体図であり、回路図2010は、マトリクスコンバーター回路のスイッチング部51の構成を示す図である。図27の回路図60は、図19のコンバータ部がスイッチング素子(IGBTやMOSFETなど)と本発明のフリーホイーリングダイオードにて構成される場合を示す。このようにコンバータ部にスイッチング素子を用いて回生時の電流を制御すれば、1次側に、回生時にモータにて生じた電力を戻すことができ、さらに省電力動作にすることができる。本発明のブロードバッファ構造を有する半導体装置は、Nドリフト層の厚さを薄くでき、その動作を高速化できるので、20kHz以上も動作周波数を備える変換装置を実現することができる。
In the above example, as a method for manufacturing a wafer containing oxygen, a method has been described in which phosphorus glass containing high-concentration phosphorus is applied to an FZ wafer and heat treatment is performed in an atmosphere such as oxygen.
As an alternative to this method, there is a method of making an FZ wafer containing a high concentration of oxygen using CZ (chocolate ski) crystal (or polycrystal). A high concentration of oxygen is mixed in the CZ crystal or the like, and the concentration is about 1 × 10 18 cm −3 which becomes supersaturated at 1300 degrees. When this CZ crystal is used as a raw material for pulling up the FZ wafer, oxygen of 1.0 × 10 16 cm −3 or more remains even after the pulling, and contains the same amount of oxygen as that of the DW wafer produced by applying the phosphorous glass described above. An FZ wafer can be produced. If this method is used, an oxygen-containing FZ wafer can be obtained at a low price without performing the above-described oxygen diffusion process at a high temperature.
(Embodiment 5)
19, 20, 21, and 27 are diagrams showing application examples of the semiconductor device of the first to fourth embodiments. A converter-inverter circuit 30 shown in FIG. 19 can efficiently control an induction motor, a servo motor, and the like, and is widely used in industries, electric railways, and the like. A power factor correction circuit (PFC circuit) 40 shown in FIG. 20 is a circuit that improves the waveform by controlling the input current of AC-AC conversion in a sine wave shape, and is used for a switching power supply. A circuit diagram 2000 of FIG. 21 is an overall view of the matrix converter circuit 50, and a circuit diagram 2010 is a diagram showing a configuration of the switching unit 51 of the matrix converter circuit. A circuit diagram 60 of FIG. 27 shows a case where the converter unit of FIG. 19 is configured by a switching element (IGBT, MOSFET, etc.) and the freewheeling diode of the present invention. Thus, if the current at regeneration is controlled by using the switching element in the converter unit, the power generated by the motor at the time of regeneration can be returned to the primary side, and further power saving operation can be achieved. Since the semiconductor device having the broad buffer structure of the present invention can reduce the thickness of the N drift layer and increase its operation speed, a conversion device having an operating frequency of 20 kHz or more can be realized.

以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、種々変更可能である。例えば、実施の形態中に記載した寸法や濃度などは一例であり、本発明はそれらの値に限定されるものではない。また、上述した各例は、ダイオードの例であるが、本発明は、IGBTや逆阻止IGBTにも適用可能である。この場合も、低損失だけでなく発振を抑えたターンオフを実現できる。IGBTの場合には、第3半導体層の導電型がP型となる。さらに、上述した各例では、第1導電型をN型とし、第2導電型をP型としたが、本発明は、第1導電型をP型とし、第2導電型をN型としても同様に成り立つ。   As described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made. For example, the dimensions and concentrations described in the embodiments are examples, and the present invention is not limited to these values. Moreover, although each example mentioned above is an example of a diode, this invention is applicable also to IGBT and reverse blocking IGBT. Also in this case, not only low loss but also turn-off with suppressed oscillation can be realized. In the case of IGBT, the conductivity type of the third semiconductor layer is P-type. Further, in each of the above-described examples, the first conductivity type is N-type and the second conductivity type is P-type. However, the present invention may be configured such that the first conductivity type is P-type and the second conductivity type is N-type. The same holds true.

なお、逆阻止IGBTでは、FZバルクウェハーを用いておもて面のゲート、エミッタやエッジ構造を作りこんだ後に電子線を100kGy以下で照射し、その後100μm前後の最終厚迄ウェハーを研削・研磨し、裏面側へのボロンイオン注入及びレーザー照射による注入したボロン元素の活性化工程がある。ターンオフ時は、ダイオードの逆回復と同様に表側から空乏層が広がり、キャリアが消滅していくが、本発明の効果により、ダイオードと同じくキャリアの急激な消滅を抑えることができるので、発振のないスムースなターンオフが可能となる。   In reverse blocking IGBT, an FZ bulk wafer is used to create the gate, emitter and edge structures on the front surface, and then an electron beam is irradiated at 100 kGy or less, and then the wafer is ground and polished to a final thickness of around 100 μm. However, there is a step of activating the implanted boron element by boron ion implantation on the back side and laser irradiation. At the time of turn-off, the depletion layer spreads from the front side and the carriers disappear as in the reverse recovery of the diode. However, the effect of the present invention can suppress the rapid disappearance of carriers as in the diode, so there is no oscillation. Smooth turn-off is possible.

従って、低損失でソフトリカバリーなダイオードや、発振のないスムーズなターンオフが可能なIGBTを作製することができる。また、そのような特性を有するIGBTモジュールを用いたPWMインバータ等の電力変換装置において、過電圧破壊やEMIノイズの発生を抑えることができる。
また、実施の形態では600V及び1200Vクラスの半導体装置について述べたが、本発明は1700Vや3300V、それ以上の耐圧クラスでも同様に適用可能である。例えば、1700Vクラスでは基本濃度Nを80〜200Ωcm、Nドリフト層の厚さを120〜200μmとし、3300Vクラスでは同じく200〜500Ωcm、250〜400μmとし、Nドリフト層の不純物濃度分布を式(2)を満たすブロードバッファ構造とすればよい。
(実施の形態6)
以下の説明では、前記の第1導電型をn型、第2導電型をp型とするが、逆の極性でも得られる効果は同じである。
Therefore, a low-loss and soft-recovery diode and an IGBT that can be smoothly turned off without oscillation can be manufactured. Moreover, in a power converter such as a PWM inverter using an IGBT module having such characteristics, overvoltage breakdown and generation of EMI noise can be suppressed.
Further, although 600 V and 1200 V class semiconductor devices have been described in the embodiments, the present invention can be similarly applied to a withstand voltage class of 1700 V, 3300 V, or higher. For example, 80~200Omucm basic density N 0 at 1700V class, N - and 120~200μm the thickness of the drift layer, also in the 3300V class 200~500Omucm, and 250~400μm, N - the impurity concentration distribution of the drift layer wherein A broad buffer structure satisfying (2) may be used.
(Embodiment 6)
In the following description, the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type, but the same effect can be obtained with the opposite polarity.

図34は、図19の回路において破線円で囲んだ部分の一例を、駆動回路を含めて示す拡大図である。FWD500とIGBT501は逆並列に対向して接続され、FWDのアノードとカソードが夫々IGBTのエミッタとコレクタに接続される。また、駆動回路502の制御端子はIGBTのゲート(制御用電極)とゲート抵抗503を介して接続される。   FIG. 34 is an enlarged view showing an example of a portion surrounded by a broken-line circle in the circuit of FIG. 19 including the drive circuit. The FWD 500 and the IGBT 501 are connected oppositely in antiparallel, and the anode and cathode of the FWD are connected to the emitter and collector of the IGBT, respectively. The control terminal of the drive circuit 502 is connected to the gate (control electrode) of the IGBT via the gate resistor 503.

図19の上アームの各IGBTにはこのような駆動回路が1つずつ、下アームの各IGBTには駆動回路が1つずつ、または共通の駆動回路が接続される。
ここでゲート抵抗503は、図34(a)のようにIGBTモジュール504と同回路間にリードタイプの抵抗を接続する方法でもよく、また、図34(b)のように駆動回路内部にあってもよい。さらに、図35のようにモジュール504内部にて同ゲート端子とIGBTチップのゲートパッド間に周知のチップ抵抗やリード抵抗を接続する方法もある。加えて、図36のようにIGBTチップ505内にてゲートパッドと同チップ内の各セル(セルとは、IGBT動作をするための基本構成部分)のゲートポリシリコン間に、ポリシリコンなどの抵抗層をチップ上に作りこみ、それをゲート抵抗とする方法があり、モジュールや電力変換装置の面積およびコスト削減の観点から、より望ましい。
One such drive circuit is connected to each IGBT in the upper arm in FIG. 19, and one drive circuit is connected to each IGBT in the lower arm, or a common drive circuit is connected.
Here, the gate resistor 503 may be a method in which a lead type resistor is connected between the IGBT module 504 and the same circuit as shown in FIG. 34 (a), or inside the drive circuit as shown in FIG. 34 (b). Also good. Further, as shown in FIG. 35, there is a method of connecting a known chip resistor or lead resistor between the gate terminal and the gate pad of the IGBT chip inside the module 504. In addition, as shown in FIG. 36, a resistance such as polysilicon is provided between the gate polysilicon of each cell in the IGBT chip 505 and each cell in the same chip (the cell is a basic component part for performing the IGBT operation). There is a method of forming a layer on a chip and using it as a gate resistor, which is more desirable from the viewpoint of area and cost reduction of a module or a power converter.

図28は、上述の600V/100A FWD(A),および従来型FWDを用いて、同定格の対向側IGBTを、10A(定格の1/10)の電流にてターンオンさせたときの、FWDの逆回復波形を比較したものである。電源電圧は300V(定格の半値)である。IGBTはフィールドストップ型(FS−)IGBTで、ウェハー厚は70μm、活性面積は0.55cmである。駆動回路のゲート抵抗は8Ωで、IGBTの単位面積(1cm)あたりのゲート抵抗値は4.4Ωcmである。この値は、一般的な推奨ゲート抵抗値(例えば24Ω、単位面積あたりにすると13.2Ωcm)の1/3であり、十分小さい。このような場合、従来ならばIGBTターンオン時に対向のダイオードが逆回復に入ると、波形は発振し、さらに逆回復サージ電圧も耐圧以上になることが多い。この図28(b)から明らかなように、従来型ダイオードではこのような発振やサージ電圧が発生することがわかる。しかしながら本発明品のFWDを用いることで、図28(a)のように、(b)のような発振やサージ電圧は十分小さく抑えることが可能となった。 FIG. 28 shows the FWD when the opposite-side IGBT with the same rating is turned on at a current of 10 A (1/10 of the rating) using the above-described 600 V / 100 A FWD (A) and the conventional FWD. This is a comparison of reverse recovery waveforms. The power supply voltage is 300 V (half rated value). The IGBT is a field stop type (FS-) IGBT having a wafer thickness of 70 μm and an active area of 0.55 cm 2 . The gate resistance of the drive circuit is 8Ω, and the gate resistance value per unit area (1 cm 2 ) of the IGBT is 4.4Ωcm 2 . This value is 1/3 of a general recommended gate resistance value (for example, 24Ω, 13.2Ωcm 2 per unit area), and is sufficiently small. In such a case, conventionally, when the opposing diode enters reverse recovery when the IGBT is turned on, the waveform oscillates, and the reverse recovery surge voltage often exceeds the breakdown voltage. As is clear from FIG. 28B, it can be seen that such oscillation and surge voltage are generated in the conventional diode. However, by using the FWD of the present invention, the oscillation and surge voltage as shown in (b) can be sufficiently reduced as shown in FIG.

この効果は、IGBTターンオン損失、ひいては実機損失に極めて好ましい影響をもたらす。
図29には、本発明のFWDと前述のIGBTを組み合わせたときの、IGBTのターンオン波形を示しており、電流は定格電流、電源電圧は300V、ゲート抵抗は0Ωである。このようにゲート抵抗を介さずに接続しても、ダイオードは発振せず、IGBTの電圧波形にも現れてはいない。このときのターンオン損失は、ゲート抵抗が大きい場合に比べて極めて低い。
This effect has a very favorable effect on the IGBT turn-on loss and thus the actual machine loss.
FIG. 29 shows a turn-on waveform of the IGBT when the FWD of the present invention and the above-described IGBT are combined. The current is the rated current, the power supply voltage is 300 V, and the gate resistance is 0Ω. Even when the connection is made without going through the gate resistor in this way, the diode does not oscillate and does not appear in the voltage waveform of the IGBT. The turn-on loss at this time is extremely low as compared with the case where the gate resistance is large.

図30は、IGBTのターンオン損失、およびFWDの逆回復時(=IGBTターンオン時)のFWDサージ電圧を、駆動ゲート抵抗別にプロットしたグラフである。横軸がゲート抵抗(Ω)、左軸がFWDサージ電圧(ピーク電圧、V)、右軸がIGBTターンオン損失(mJ)である。ターンオン損失とは、IGBTのコレクタ−エミッタ間の電圧と同電流を掛けた値を、スイッチングの要した時間で積分した値である。   FIG. 30 is a graph in which the turn-on loss of the IGBT and the FWD surge voltage at the time of reverse recovery of the FWD (= at the time of IGBT turn-on) are plotted for each drive gate resistance. The horizontal axis is the gate resistance (Ω), the left axis is the FWD surge voltage (peak voltage, V), and the right axis is the IGBT turn-on loss (mJ). The turn-on loss is a value obtained by integrating a value obtained by multiplying the IGBT collector-emitter voltage and the same current by the time required for switching.

まずIGBTターンオン損失は、ゲート抵抗が18Ω以上においては、ゲート抵抗の増加とともにその値の増加は緩くなり、約5.2mJに飽和する。このときダイオードのサージ電圧は、電源電圧を越えない値である。一方ゲート抵抗を減少させると、それにつれてIGBTターンオン損失は減少し、ダイオードサージ電圧は増加する。ターンオン損失は、15Ω以下で劇的に減少し、5Ω以下では1〜2mJとなり、18Ω時の値のほぼ1/10まで減少している。   First, when the gate resistance is 18Ω or more, the increase in the IGBT turn-on loss becomes moderate as the gate resistance increases, and is saturated to about 5.2 mJ. At this time, the surge voltage of the diode is a value that does not exceed the power supply voltage. On the other hand, when the gate resistance is decreased, the IGBT turn-on loss is decreased accordingly, and the diode surge voltage is increased. The turn-on loss is drastically reduced at 15Ω or less, and is 1 to 2 mJ at 5Ω or less, which is reduced to about 1/10 of the value at 18Ω.

一方サージ電圧はゲート抵抗の減少に対して増加するが、本発明のダイオードの方がその割合は緩慢で、5Ω以下の場合本発明は定格電圧以下の570Vに抑えている。一方従来型ダイオードではその耐圧を超えた800Vとなっている。また逆回復波形においても、従来型はゲート抵抗が12Ω以下で顕著に発振するが、本発明のダイオードでは0Ωでも発振しない。したがって本発明のダイオードを用いれば、電磁ノイズの極めて少ないインバータが可能となる。   On the other hand, the surge voltage increases as the gate resistance decreases, but the ratio of the diode of the present invention is slower, and when it is 5Ω or less, the present invention suppresses it to 570 V, which is the rated voltage or less. On the other hand, in the conventional diode, the voltage is 800 V exceeding the breakdown voltage. Also in the reverse recovery waveform, the conventional type oscillates remarkably when the gate resistance is 12Ω or less, but the diode of the present invention does not oscillate even at 0Ω. Therefore, if the diode of the present invention is used, an inverter with very little electromagnetic noise can be realized.

従って、ゲート抵抗は、IGBTの活性面積が0.55cmでは15〜20Ω以下、すなわち単位面積1cmであれば、8.25〜11Ωcm以下か、さらには8Ωcm以下が望ましい。
図31は、図29の波形に関連して、さらに5種類のゲート抵抗を用いたときの、ターンオン波形の振る舞いを比較した図である。ゲート抵抗は、0Ωから18Ωまでを用いた。ターンオン損失は前述のようにIGBTのコレクタ−エミッタ間の電圧と同電流の掛け算を積分した値なので、ターンオン損失が大きくなるということは、本グラフの電圧波形と電流波形が両方ともゼロでない部分の時間領域が増える、ということである。本実験の結果、我々はこの、ともにゼロでない部分の時間領域が、同電圧が印加電圧(電源電圧、300V)の半値150Vを下回る時刻(図中の○部分)が同電流の最大となる時刻(縦の補助線を入れてある時刻)よりも後になると、増大することを発見した。よってターンオン損失を低く抑えるには、同電圧が印加電圧の半値を下回る時刻が同電流の最大となる時刻よりも、少なくとも前である必要がある。さらにこのためには、これらがほぼ一致しているゲート抵抗8Ω、つまり単位面積1cmあたり4.4Ωcmよりも低いことが望ましい。
(発明の効果)
図32には、上述のFWD(本発明、および従来)とIGBTを用いた、インバータ実機損失とその内訳を、2種類のFWD同志で比較したグラフである。インバータは、3相 PWM インバータで、出力周波数は50Hz、出力電流の実効値は54A_rms、動作キャリア周波数は10kHzである。ここで駆動回路のゲート抵抗は、内蔵するFWDが発振を十分抑えられる抵抗値を選び、本発明のFWDは8Ω、従来型ダイオードは18Ωである。実機損失は図から明らかなように、本発明FWDを低いゲート抵抗で駆動する方(46.1W)が、従来のダイオードを従来の方法で駆動する方(51.2W)よりも、10%も低いインバータ損失を達成することができた。さらに本発明のFWDはゲート抵抗が0Ωでも発振しないので、その場合42.5Wとなり、17%減となる。
Accordingly, the gate resistance, the active area of the IGBT 0.55 cm 2 in 15~20Ω less, that is, if a unit area 1 cm 2, or 8.25~11Omucm 2 or less, more 8Omucm 2 or less.
FIG. 31 is a diagram comparing the behavior of the turn-on waveform when five types of gate resistors are used in relation to the waveform of FIG. A gate resistance of 0Ω to 18Ω was used. Since the turn-on loss is a value obtained by integrating the multiplication of the IGBT collector-emitter voltage and the same current as described above, the turn-on loss increases because the voltage waveform and the current waveform in the graph are both non-zero. The time domain will increase. As a result of this experiment, we found that the time when the voltage is lower than the half-value 150V of the applied voltage (power supply voltage, 300V) in the time region of the non-zero part is the time when the same current is maximum. We found that it increases after (the time when the vertical auxiliary line is inserted). Therefore, in order to keep the turn-on loss low, it is necessary that the time when the voltage falls below the half of the applied voltage be at least before the time when the current becomes the maximum. Furthermore, for this purpose, it is desirable that the gate resistance is approximately equal to 8Ω, that is, lower than 4.4Ωcm 2 per 1 cm 2 of unit area.
(Effect of the invention)
FIG. 32 is a graph comparing the actual inverter loss and its breakdown between two types of FWDs using the above-described FWD (the present invention and the conventional one) and IGBT. The inverter is a three-phase PWM inverter, the output frequency is 50 Hz, the effective value of the output current is 54 A_rms, and the operating carrier frequency is 10 kHz. Here, the gate resistance of the drive circuit is selected so that the built-in FWD can sufficiently suppress oscillation. The FWD of the present invention is 8Ω and the conventional diode is 18Ω. As is apparent from the figure, the actual loss is 10% when the FWD of the present invention is driven with a low gate resistance (46.1 W) than when the conventional diode is driven with the conventional method (51.2 W). Low inverter loss could be achieved. Furthermore, since the FWD of the present invention does not oscillate even when the gate resistance is 0Ω, in this case, it becomes 42.5 W, which is a 17% reduction.

図33には、図32のインバータの放射ノイズを測定したスペクトルを示す。本発明の方が、ピーク時(18MHz)で−2dB、高周波では90MHzで−12dBの強度の低減ができた。さらに従来の場合、50MHzあたりでダンピングが見られこれもノイズの動作に影響を与えている。
以上から、本発明のダイオードを用いれば、従来の駆動方法では得られなかった低損失で低放射ノイズのIGBTモジュール、IPM、さらにはインバータ等の電力変換装置を提供することが可能となる。
FIG. 33 shows a spectrum obtained by measuring the radiation noise of the inverter of FIG. The intensity of the present invention was reduced by -2 dB at the peak time (18 MHz) and by -12 dB at 90 MHz at the high frequency. Further, in the conventional case, damping is observed around 50 MHz, which also affects the noise operation.
From the above, by using the diode of the present invention, it is possible to provide a power converter such as an IGBT module, an IPM, and an inverter with low loss and low radiation noise that could not be obtained by a conventional driving method.

本発明の実施の形態1にかかる半導体装置の構成、ネットドーピング濃度を示す図である。It is a figure which shows the structure and net doping concentration of the semiconductor device concerning Embodiment 1 of this invention. 実施の形態1にかかる半導体装置の第1半導体層と第2半導体層におけるネットドーピング濃度分布を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing net doping concentration distributions in a first semiconductor layer and a second semiconductor layer of the semiconductor device according to the first embodiment; 実施の形態1にかかる半導体装置の第1半導体層と第2半導体層におけるネットドーピング濃度分布を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing net doping concentration distributions in a first semiconductor layer and a second semiconductor layer of the semiconductor device according to the first embodiment; 実施の形態1にかかる半導体装置の製造プロセスを示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment; 実際に測定した不純物濃度の分布図である。It is a distribution map of the impurity concentration actually measured. 実施の形態1にかかる1200Vクラスの半導体装置の第1半導体層と第2半導体層におけるネットドーピング濃度分布を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing net doping concentration distributions in a first semiconductor layer and a second semiconductor layer of the 1200 V class semiconductor device according to the first embodiment; 従来の1200Vクラスの半導体装置の第1半導体層と第2半導体層におけるネットドーピング濃度分布を示す図である。It is a figure which shows the net doping concentration distribution in the 1st semiconductor layer and 2nd semiconductor layer of the conventional 1200V class semiconductor device. 実施の形態1のダイオードの逆回復波形を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a reverse recovery waveform of the diode according to the first embodiment. 実施の形態1のダイオードの逆回復波形を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a reverse recovery waveform of the diode according to the first embodiment. 実施の形態1と従来の半導体装置におけるDC印加電圧と逆回復ピーク電圧の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between DC applied voltage and reverse recovery peak voltage in Embodiment 1 and the conventional semiconductor device. 積分濃度と耐圧の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between integral density | concentration and pressure | voltage resistance. 本発明にかかる600Vクラスのダイオードの逆回復損失特性を示すトレードオフ曲線である。It is a trade-off curve which shows the reverse recovery loss characteristic of the 600V class diode concerning this invention. 本発明にかかる1200Vクラスのダイオードの逆回復損失特性を示すトレードオフ曲線である。It is a trade-off curve which shows the reverse recovery loss characteristic of the diode of 1200V class concerning this invention. ドリフト層の厚さWと逆回復損失Errの関係を(a)600Vクラス及び(b)1200Vクラスについて示す図である。N - illustrates thickness W and the reverse recovery loss Err relationship for (a) 600V class and (b) 1200 V class drift layer. ドリフト層の厚さWと素子耐圧BVの関係を(a)600Vクラス及び(b)1200Vクラスについて示す図である。N - is a graph showing the relationship between the thickness W and the breakdown voltage BV for (a) 600V class and (b) 1200 V class drift layer. 本発明の実施の形態4にかかる半導体装置の構成、ネットドーピング濃度およびプロトン分布を示す図である。It is a figure which shows the structure of the semiconductor device concerning Embodiment 4 of this invention, a net doping concentration, and proton distribution. 実施の形態4にかかる半導体装置の製造プロセスを示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a manufacturing process of the semiconductor device according to the fourth embodiment; 実施の形態4にかかる半導体装置の製造プロセスを示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a manufacturing process of the semiconductor device according to the fourth embodiment; コンバーター−インバーター回路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a converter-inverter circuit. 力率改善回路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a power factor improvement circuit. マトリクスコンバーター回路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a matrix converter circuit. 従来のダイオードの逆回復波形を示す図である。It is a figure which shows the reverse recovery waveform of the conventional diode. 従来のダイオードの逆回復波形を示す図である。It is a figure which shows the reverse recovery waveform of the conventional diode. 従来の半導体装置の第1半導体層と第2半導体層におけるネットドーピング濃度分布を示す図である。It is a figure which shows net doping concentration distribution in the 1st semiconductor layer and 2nd semiconductor layer of the conventional semiconductor device. 従来の半導体装置の第1半導体層と第2半導体層におけるネットドーピング濃度分布を示す図である。It is a figure which shows net doping concentration distribution in the 1st semiconductor layer and 2nd semiconductor layer of the conventional semiconductor device. 単相チョッパー回路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a single phase chopper circuit. コンバーター部にスイッチング素子を有するコンバーター−インバーター回路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the converter-inverter circuit which has a switching element in a converter part. 本発明にかかる600V/100A FWD(a),および従来型FWD(b)を用いて、同定格の対向側IGBTをターンオンさせたときの、FWDの逆回復波形を比較した図である。It is the figure which compared the reverse recovery waveform of FWD when the opposite side IGBT of the same rating was turned on using 600V / 100A FWD (a) concerning this invention, and conventional type FWD (b). 本発明にかかるFWDと前述のIGBTを組み合わせたときの、IGBTのターンオン波形を示す図である。It is a figure which shows the turn-on waveform of IGBT when FWD concerning this invention and the above-mentioned IGBT are combined. 実施の形態6にかかるIGBTのターンオン損失、およびFWDの逆回復時(=IGBTターンオン時)のFWDサージ電圧を、駆動ゲート抵抗別にプロットしたグラフである。It is the graph which plotted the turn-on loss of IGBT concerning Embodiment 6, and the FWD surge voltage at the time of FWD reverse recovery (= at the time of IGBT turn-on) according to drive gate resistance. 図29の波形について、さらに5種類のゲート抵抗を用いたときの、ターンオン波形の振る舞いを比較した図である。It is the figure which compared the behavior of the turn-on waveform when five types of gate resistances were used about the waveform of FIG. 実施の形態6にかかるインバータ実機損失とその内訳を、本発明のFWD(左側棒グラフ)と従来型FWD(右側)の場合で比較したグラフである。It is the graph which compared the inverter actual machine loss concerning Embodiment 6, and the breakdown in the case of FWD (left bar graph) of the present invention, and conventional FWD (right side). 実施の形態6にかかる(図32の)インバータの放射ノイズを測定したスペクトルを示す。The spectrum which measured the radiation noise of the inverter concerning Embodiment 6 (of Drawing 32) is shown. 図19の回路において破線円で囲んだ部分の一例を示す拡大図である。It is an enlarged view which shows an example of the part enclosed with the broken-line circle in the circuit of FIG. 図19の回路において破線円で囲んだ部分の別の例を示す拡大図である。It is an enlarged view which shows another example of the part enclosed with the broken-line circle in the circuit of FIG. 図19の回路において破線円で囲んだ部分のさらに別の例を示す拡大図である。FIG. 20 is an enlarged view showing still another example of a portion surrounded by a broken-line circle in the circuit of FIG. 19.

符号の説明Explanation of symbols

1 第1半導体層
2 第2半導体層
3 第3半導体層
4 アノード電極
5 カソード電極
10 半導体装置の断面図
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st semiconductor layer 2 2nd semiconductor layer 3 3rd semiconductor layer 4 Anode electrode 5 Cathode electrode 10 Sectional drawing of a semiconductor device

Claims (6)

第1導電型の第1半導体層と、該第1半導体層の一方の主面に形成され、該第1半導体層より高不純物濃度の第2導電型の第2半導体層と、前記第1半導体層の他方の主面に形成され、該第1半導体層より高不純物濃度の第1導電型の第3半導体層とを具備し、前記第1半導体層の不純物濃度が極大となる位置が少なくとも1か所あり、該第1半導体層の不純物濃度が、前記極大となる位置から前記第2半導体層及び前記第3半導体層の双方に向かって傾きをもって減少する半導体装置において、
前記第1半導体層の不純物濃度の下記式(1

で表される積分濃度が、式(2)

(但し、xは前記第1半導体層の一方の主面から他方の主面に向かう座標軸上の位置を、N net (x)は第1半導体層の位置xにおける不純物濃度を、Xcは第1半導体層中でN net (x)=N dm を満たすxであって最も前記第2半導体層に近い位置を、Xdは第1半導体層中でN net (x)=N dm となる位置で最も前記第3半導体層に近い位置を、N dm は第1半導体層の不純物濃度の平均濃度を、夫々表す)
を満たし、
前記第1半導体層における前記第2半導体層との接合近傍の不純物濃度N と前記平均濃度N dm が、下記式(3)

を満たし、
前記第1半導体層厚さWと下記式(5)で定義される距離指標W が、下記式(4)


(但し、BVは半導体装置の耐圧を表す)
を満たすことを特徴とする半導体装置。
A first semiconductor layer of a first conductivity type; a second semiconductor layer of a second conductivity type formed on one main surface of the first semiconductor layer and having a higher impurity concentration than the first semiconductor layer; and the first semiconductor A third semiconductor layer of the first conductivity type having a higher impurity concentration than that of the first semiconductor layer, and at least one position where the impurity concentration of the first semiconductor layer is maximized. In the semiconductor device in which the impurity concentration of the first semiconductor layer decreases with an inclination from the position where the first semiconductor layer reaches the maximum toward both the second semiconductor layer and the third semiconductor layer.
The following formula (1 ) of the impurity concentration of the first semiconductor layer

The integrated concentration represented by the equation (2)

(Where x is the position on the coordinate axis from one main surface of the first semiconductor layer to the other main surface, N net (x) is the impurity concentration at the position x of the first semiconductor layer, and Xc is the first the position closest to the second semiconductor layer a x satisfying N net (x) = N dm semiconductor layer, Xd is most position where the N net (x) = N dm in the first semiconductor layer the position closer to the third semiconductor layer, the N dm is the average concentration of the impurity concentration of the first semiconductor layer, representing respectively)
The filling,
The impurity concentration N 0 and the average concentration N dm in the vicinity of the junction of the first semiconductor layer with the second semiconductor layer are expressed by the following formula (3).

The filling,
The distance index W 0 defined by the first semiconductor layer thickness W and the following formula (5) is expressed by the following formula (4).


(BV represents the breakdown voltage of the semiconductor device)
The semiconductor device characterized by satisfy | filling.
請求項1に記載の半導体装置を搭載し、前記半導体装置の動作周波数が20kHz以上である半導体電力変換装置。A semiconductor power conversion device, wherein the semiconductor device according to claim 1 is mounted, and the operating frequency of the semiconductor device is 20 kHz or more. ダイオードと半導体スイッチング装置を有する半導体電力変換装置に用いられる駆動回路であって、A drive circuit used in a semiconductor power converter having a diode and a semiconductor switching device,
ダイオードと半導体スイッチング装置は逆並列に接続され、このダイオードと半導体スイッチング装置のいずれか一方、又は両方が請求項1に記載の半導体装置であり、The diode and the semiconductor switching device are connected in antiparallel, and either or both of the diode and the semiconductor switching device are the semiconductor device according to claim 1,
駆動回路の制御端子が、前記半導体スイッチング装置の制御用電極との間に11Ωcm11 Ωcm between the control terminal of the drive circuit and the control electrode of the semiconductor switching device 2 以下の抵抗を介していることを特徴とする駆動回路。A drive circuit having the following resistors.
請求項3に記載の駆動回路において、駆動回路の制御端子が、前記半導体スイッチング装置の制御用電極との間に8Ωcm4. The drive circuit according to claim 3, wherein a control terminal of the drive circuit is 8 Ωcm between the control electrode of the semiconductor switching device. 2 以下の抵抗を介していることを特徴とする駆動回路。A drive circuit having the following resistors. 請求項3に記載の駆動回路の駆動方法であって、前記半導体スイッチング装置を阻止状態から導通状態にするときに、前記半導体スイッチング装置の一方の主面に形成された第1電極と他方の主面に形成された第2電極との間の電位差が電源電圧の半値に達する時刻が、前記半導体スイッチング装置が阻止状態から最大電流となる時刻よりも早いことを特徴とする駆動方法。4. The method of driving a drive circuit according to claim 3, wherein when the semiconductor switching device is switched from a blocking state to a conductive state, the first electrode formed on one main surface of the semiconductor switching device and the other main A driving method characterized in that the time at which the potential difference between the second electrode formed on the surface reaches a half value of the power supply voltage is earlier than the time at which the semiconductor switching device reaches the maximum current from the blocking state. 請求項3に記載の駆動回路を含み、前記請求項5の駆動方法で前記半導体スイッチング装置を制御することを特徴とする半導体電力変換装置。A semiconductor power conversion device comprising the drive circuit according to claim 3, wherein the semiconductor switching device is controlled by the drive method according to claim 5.
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