JP5737021B2

JP5737021B2 - Semiconductor device

Info

Publication number: JP5737021B2
Application number: JP2011153491A
Authority: JP
Inventors: 侑佑山下; 悟町田; 順斎藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-07-12
Filing date: 2011-07-12
Publication date: 2015-06-17
Anticipated expiration: 2031-07-12
Also published as: JP2013021142A

Description

本発明は、ダイオードを有する半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device having a diode.

ダイオードを有する半導体装置は、様々な用途で広く用いられており、例えば、入力電圧を変圧（昇圧又は降圧）して出力する電力変換装置のコンバータ回路、又は入力電圧を直流と交流の間で変換して出力する電力変換装置のインバータ回路で用いられている。この種のダイオードは、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）又はＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のスイッチング素子に対して逆並列に接続されており、フリーホイールダイオード（Free Wheel Diode）と称される。ダイオードでは、フリーホイールダイオードに限らず、リカバリ特性の改善が望まれている。 Semiconductor devices having a diode are widely used in various applications. For example, a converter circuit of a power conversion device that outputs an input voltage by transforming (boosting or stepping down), or converting an input voltage between direct current and alternating current. It is used in the inverter circuit of the power conversion device that outputs the signal. This type of diode is connected in anti-parallel to a switching element such as a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) or an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), and is referred to as a free wheel diode. . In the diode, improvement of the recovery characteristic is desired, not limited to the free wheel diode.

特許文献１には、アノード領域内に結晶欠陥が形成されたダイオードが開示されている。このようなダイオードでは、結晶欠陥が再結合中心として作用するので、順バイアス時に供給される正孔が再結合中心で速やかに消失する。このため、逆回復電荷量（Ｑｒｒ）が低減され、スイッチング損失が低減される。 Patent Document 1 discloses a diode in which crystal defects are formed in an anode region. In such a diode, crystal defects act as recombination centers, so that holes supplied at the time of forward biasing disappear quickly at the recombination centers. Therefore, the reverse recovery charge amount (Qrr) is reduced, and the switching loss is reduced.

特開平６−３５０１１０号公報JP-A-6-350110

結晶欠陥を利用した再結合中心は、リーク電流源になることが知られている。特に、ダイオードが高温で動作する場合、結晶欠陥を利用した再結合中心は熱暴走の原因となる。このため、結晶欠陥を利用した再結合中心量を少なく、あるいは結晶欠陥を利用した再結合中心を形成しないで逆回復電荷量（Ｑｒｒ）を低減する技術が望まれている。 It is known that a recombination center using crystal defects becomes a leakage current source. In particular, when the diode operates at a high temperature, the recombination center utilizing crystal defects causes thermal runaway. For this reason, a technique for reducing the amount of reverse recovery charge (Qrr) without reducing the amount of recombination centers utilizing crystal defects or without forming recombination centers utilizing crystal defects is desired.

本願明細書で開示される半導体装置では、アノード領域から供給されるキャリアの経路が、順バイアスの増加に応じて狭くなるように構成されていることを特徴としている。このような構成によると、順バイアス時にアノード領域から供給されるキャリア量が抑えられるので、逆回復電荷量（Ｑｒｒ）が低減され、スイッチング損失が低減される。 The semiconductor device disclosed in the specification of the present application is characterized in that the path of carriers supplied from the anode region is configured to become narrower as the forward bias increases. According to such a configuration, since the amount of carriers supplied from the anode region during forward bias is suppressed, the reverse recovery charge amount (Qrr) is reduced and the switching loss is reduced.

すなわち、本明細書で開示される半導体装置は、半導体基板とアノード電極とカソード電極を備えている。アノード電極は、半導体基板に接触している。カソード電極は、アノード電極とは異なる部位で半導体基板に接触している。一例では、半導体基板の第１主面にアノード電極が接触し、半導体基板の第２主面にカソード電極が接触していてもよい。あるいは、半導体基板の一方の面にアノード電極とカソード電極の双方が接触していてもよい。半導体基板は、第１導電型のアノード領域と第２導電型の第２導電型領域を有している。アノード領域は、アノード電極に接触している。第２導電型領域も、アノード電極に接触している。アノード領域は、不純物濃度が高濃度な高濃度アノード部分領域と低濃度な低濃度アノード部分領域と中濃度な中濃度アノード部分領域を含んでいる。なお、ここでいう「高濃度」、「中濃度」及び「低濃度」は、相対的な濃度関係のみを特定するものである。高濃度アノード部分領域と低濃度アノード部分領域と中濃度アノード部分領域は、アノード電極からカソード電極に向けて観測したときにその順で並んでいる。さらに、本明細書で開示される半導体装置では、低濃度アノード部分領域と第２導電型領域が接触している。この態様の半導体装置によると、順バイアスが印加されたときに、低濃度アノード部分領域と第２導電型領域の接合面から低濃度アノード部分領域に空乏層が伸展する。低濃度アノード部分領域は、高濃度アノード部分領域よりもカソード電極側に配置されており、高濃度アノード部分領域から供給されるキャリアの経路に位置している。したがって、低濃度アノード部分領域に空乏層が伸展すると、高濃度アノード部分領域から供給されるキャリアの経路が狭くなる。このため、この態様の半導体装置では、順バイアスが印加されたときにアノード領域から供給されるキャリア量が抑えられるので、逆回復電荷量（Ｑｒｒ）が低減され、スイッチング損失が低減される。 That is, the semiconductor device disclosed in this specification includes a semiconductor substrate, an anode electrode, and a cathode electrode. The anode electrode is in contact with the semiconductor substrate. The cathode electrode is in contact with the semiconductor substrate at a site different from the anode electrode. In one example, the anode electrode may be in contact with the first main surface of the semiconductor substrate, and the cathode electrode may be in contact with the second main surface of the semiconductor substrate. Alternatively, both the anode electrode and the cathode electrode may be in contact with one surface of the semiconductor substrate. The semiconductor substrate has a first conductivity type anode region and a second conductivity type second conductivity type region. The anode region is in contact with the anode electrode. The second conductivity type region is also in contact with the anode electrode. The anode region includes a high concentration anode partial region with a high impurity concentration, a low concentration low concentration anode partial region, and a medium concentration intermediate concentration anode partial region. Here, “high density”, “medium density”, and “low density” specify only a relative density relationship. The high concentration anode partial region, the low concentration anode partial region, and the medium concentration anode partial region are arranged in that order when observed from the anode electrode to the cathode electrode. Furthermore, in the semiconductor device disclosed in this specification, the low-concentration anode partial region and the second conductivity type region are in contact with each other. According to the semiconductor device of this aspect, when a forward bias is applied, the depletion layer extends from the junction surface between the low concentration anode partial region and the second conductivity type region to the low concentration anode partial region. The low-concentration anode partial region is disposed closer to the cathode electrode than the high-concentration anode partial region, and is located in the path of carriers supplied from the high-concentration anode partial region. Therefore, when the depletion layer extends in the low concentration anode partial region, the path of carriers supplied from the high concentration anode partial region becomes narrow. For this reason, in the semiconductor device of this aspect, the amount of carriers supplied from the anode region when the forward bias is applied is suppressed, so that the reverse recovery charge amount (Qrr) is reduced and the switching loss is reduced.

本明細書で開示される半導体装置は、半導体基板にＩＧＢＴが形成されていてもよい。この場合、ＩＧＢＴは、エミッタ電極とコレクタ電極を備えている。エミッタ電極は、半導体基板に接触している。コレクタ電極は、コレクタ電極とは異なる部位で半導体基板に接触している。一例では、半導体基板の第１主面にエミッタ電極が接触し、半導体基板の第２主面にコレクタ電極が接触していてもよい。あるいは、半導体基板の一方の面にエミッタ電極とコレクタ電極の双方が接触していてもよい。半導体基板は、第１導電型のボディ領域と第２導電型のエミッタ領域を有している。ボディ領域は、エミッタ電極に接触している。エミッタ領域も、エミッタ電極に接触している。ボディ領域は、不純物濃度が高濃度な高濃度ボディ部分領域と低濃度な低濃度ボディ部分領域と中濃度な中濃度ボディ部分領域を含んでいる。なお、ここでいう「高濃度」、「中濃度」及び「低濃度」は、相対的な濃度関係のみを特定するものである。高濃度ボディ部分領域と低濃度ボディ部分領域と中濃度ボディ部分領域は、エミッタ電極からコレクタ電極に向けて観測したときにその順で並んでいる。本明細書で開示される半導体装置では、低濃度ボディ部分領域とエミッタ領域が接触している。この態様の半導体装置では、ダイオードとＩＧＢＴが半導体基板に混載されており、ダイオードがＩＧＢＴのフリーホイールダイオードとして用いられている。この態様の半導体装置では、ダイオードが順バイアスされているときに、ＩＧＢＴのボディ領域とドリフト領域の間に存在する寄生ダイオードを介してもキャリアが供給されることがある。この態様の半導体装置では、ＩＧＢＴに低濃度ボディ部分領域が設けられており、その低濃度ボディ部分領域が高濃度ボディ部分領域よりもコレクタ電極側に配置されており、高濃度ボディ部分領域から供給されるキャリアの経路に位置している。このため、ダイオードが順バイアスされているときに、低濃度ボディ部分領域とエミッタ領域の接合面から低濃度ボディ部分領域に空乏層が伸展し、高濃度ボディ部分領域から供給されるキャリアの経路が狭くなる。この結果、寄生ダイオードを介して供給されるキャリア量も抑えられるので、逆回復電荷量（Ｑｒｒ）が低減され、スイッチング損失が低減される。 In the semiconductor device disclosed in this specification, an IGBT may be formed on a semiconductor substrate. In this case, the IGBT includes an emitter electrode and a collector electrode. The emitter electrode is in contact with the semiconductor substrate. The collector electrode is in contact with the semiconductor substrate at a site different from the collector electrode. In one example, the emitter electrode may be in contact with the first main surface of the semiconductor substrate, and the collector electrode may be in contact with the second main surface of the semiconductor substrate. Alternatively, both the emitter electrode and the collector electrode may be in contact with one surface of the semiconductor substrate. The semiconductor substrate has a first conductivity type body region and a second conductivity type emitter region. The body region is in contact with the emitter electrode. The emitter region is also in contact with the emitter electrode. The body region includes a high concentration body portion region having a high impurity concentration, a low concentration body portion region having a low concentration, and a medium concentration body portion region having a medium concentration. Here, “high density”, “medium density”, and “low density” specify only a relative density relationship. The high-concentration body partial region, the low-concentration body partial region, and the medium-concentration body partial region are arranged in that order when observed from the emitter electrode to the collector electrode. In the semiconductor device disclosed in this specification, the low-concentration body partial region and the emitter region are in contact with each other. In the semiconductor device of this aspect, the diode and the IGBT are mixedly mounted on the semiconductor substrate, and the diode is used as a free wheel diode of the IGBT. In the semiconductor device of this aspect, when the diode is forward-biased, carriers may be supplied even through a parasitic diode that exists between the body region and the drift region of the IGBT. In the semiconductor device of this aspect, the IGBT is provided with a low concentration body partial region, and the low concentration body partial region is disposed closer to the collector electrode than the high concentration body partial region, and is supplied from the high concentration body partial region. Is located in the career path. For this reason, when the diode is forward-biased, a depletion layer extends from the junction surface between the low-concentration body part region and the emitter region to the low-concentration body part region, and the path of carriers supplied from the high-concentration body part region is Narrow. As a result, since the amount of carriers supplied via the parasitic diode is also suppressed, the reverse recovery charge amount (Qrr) is reduced and the switching loss is reduced.

本明細書で開示される半導体装置では、アノード領域から供給されるキャリアの経路が、順バイアスの増加に応じて狭くなるように構成されているので、順バイアスが印加されたときにアノード領域から供給されるキャリア量が抑えられ、逆回復電荷量（Ｑｒｒ）が低減し、スイッチング損失が低減される。 In the semiconductor device disclosed in the present specification, the path of carriers supplied from the anode region is configured to become narrower as the forward bias increases, so that when the forward bias is applied, the path from the anode region is reduced. The amount of carriers supplied is suppressed, the reverse recovery charge amount (Qrr) is reduced, and the switching loss is reduced.

第１実施例の縦型ダイオードの要部断面図を示す。The principal part sectional drawing of the vertical diode of 1st Example is shown. 第１実施例の縦型ダイオードのアノード領域における不純物濃度分布の一例を示す。An example of the impurity concentration distribution in the anode region of the vertical diode of the first embodiment is shown. 第１実施例の縦型ダイオードのアノード領域における不純物濃度分布の他の一例を示す。Another example of the impurity concentration distribution in the anode region of the vertical diode of the first embodiment is shown. 第２実施例の縦型ダイオードの要部断面図を示す。Sectional drawing of the principal part of the vertical diode of 2nd Example is shown. 第２実施例の縦型ダイオードの変形例の要部断面図を示す。Sectional drawing of the principal part of the modification of the vertical diode of 2nd Example is shown.

本願明細書で開示される技術の特徴を整理しておく。
（第１特徴）ダイオードは、半導体基板の表層部に形成されているとともにアノード電極に接触しているｐ型のアノード領域と、半導体基板の表層部に形成されているとともにアノード電極に接触しているｎ型のｎ型領域と、アノード領域によってｎ型領域から隔てられているｎ⁻型のドリフト領域とを有する。
（第２特徴）アノード領域は、半導体基板の表面から深さ方向に向けて高濃度アノード部分領域と低濃度アノード部分領域と中濃度アノード部分領域とを有する。
（第３特徴）アノード領域は、飛程距離が異なる複数回のイオン注入によって形成されている。高濃度アノード部分領域と中濃度アノード部分領域は、ピーク濃度を有する。低濃度アノード部分領域は、ピーク濃度を有していてもよい。
（第４特徴）ダイオードは、アノード領域を貫通してドリフト領域に達する絶縁トレンチを備えていてもよい。絶縁トレンチは、半導体基板の表面から裏面に向けて伸びるトレンチを利用して形成される。絶縁トレンチでは、少なくともトレンチの内壁を被覆するように絶縁体が設けられている。絶縁トレンチは、トレンチ内に充填される絶縁体のみで構成されていてもよく、絶縁膜とその絶縁膜で被覆される導電体で構成されていてもよい。後者の場合、導電体は、アノード領域と同一の電位に固定されていてもよく、電気的に絶縁されたフローティングであってもよい。なお、絶縁トレンチは、耐圧を確保するために、絶縁膜とその絶縁膜で被覆される導電体で構成されているのが望ましい。
（第５特徴）ダイオードには、ライフタイム制御用の欠陥領域が形成されていない。このような欠陥領域が形成されていなくても、逆回復電荷量（Ｑｒｒ）が十分に低く、リカバリ時の損失が小さい。 The features of the technology disclosed in this specification will be summarized.
(First feature) The diode is formed in the surface layer portion of the semiconductor substrate and is in contact with the anode electrode, and the p-type anode region is formed in the surface layer portion of the semiconductor substrate and is in contact with the anode electrode. And an n ⁻ type drift region separated from the n type region by the anode region.
(Second Feature) The anode region has a high concentration anode partial region, a low concentration anode partial region, and a medium concentration anode partial region from the surface of the semiconductor substrate toward the depth direction.
(Third feature) The anode region is formed by multiple times of ion implantation with different range distances. The high concentration anode partial region and the medium concentration anode partial region have a peak concentration. The low concentration anode partial region may have a peak concentration.
(Fourth Feature) The diode may include an insulating trench that reaches the drift region through the anode region. The insulating trench is formed by using a trench extending from the front surface to the back surface of the semiconductor substrate. In the insulating trench, an insulator is provided so as to cover at least the inner wall of the trench. The insulating trench may be composed only of an insulator filled in the trench, or may be composed of an insulating film and a conductor covered with the insulating film. In the latter case, the conductor may be fixed at the same potential as the anode region or may be an electrically insulated floating. The insulating trench is preferably composed of an insulating film and a conductor covered with the insulating film in order to ensure a withstand voltage.
(Fifth feature) A defect region for lifetime control is not formed in the diode. Even if such a defective region is not formed, the reverse recovery charge amount (Qrr) is sufficiently low and the loss during recovery is small.

図１に示されるように、ダイオードを有する半導体装置１は、ｎ⁻型のシリコン単結晶の半導体基板１０を用いて形成されており、半導体基板１０の表面にアノード電極Ｅ１が接触して形成されており、半導体基板１０の裏面にカソード電極Ｅ２が接触して形成されている。アノード電極Ｅ１とカソード電極Ｅ２は、半導体基板１０を介して接続されている。半導体基板１０は、ｎ^＋型のカソード領域２とｎ型のバッファ領域３とｎ⁻型のドリフト領域４とｐ型のアノード領域８とｎ型のｎ型領域９を備えている。 As shown in FIG. 1, a semiconductor device 1 having a diode is formed using an n ⁻ type silicon single crystal semiconductor substrate 10, and an anode electrode E 1 is formed in contact with the surface of the semiconductor substrate 10. The cathode electrode E2 is formed in contact with the back surface of the semiconductor substrate 10. The anode electrode E1 and the cathode electrode E2 are connected via the semiconductor substrate 10. The semiconductor substrate 10 includes an n ⁺ type cathode region 2, an n type buffer region 3, an n ⁻ type drift region 4, a p type anode region 8, and an n type n type region 9.

カソード領域２は、イオン注入技術を利用して、半導体基板１０の裏層部にリンイオンを導入して形成されている。カソード領域２は、カソード電極Ｅ２に直接的に接触している。カソード領域２を形成するイオン注入工程では、ピーク濃度が半導体基板１０の基板濃度を超える条件で実施される。一例では、カソード領域２のドーズ量は約１×１０^１４〜５×１０^１５ｃｍ^−２であり、ピーク濃度が約１×１０^１９〜２×１０^２０ｃｍ^−３であるのが望ましい。 The cathode region 2 is formed by introducing phosphorus ions into the back layer portion of the semiconductor substrate 10 using an ion implantation technique. The cathode region 2 is in direct contact with the cathode electrode E2. The ion implantation process for forming the cathode region 2 is performed under conditions where the peak concentration exceeds the substrate concentration of the semiconductor substrate 10. In one example, the dose amount of the cathode region 2 is preferably about 1 × 10 ^{14 to} 5 × 10 ¹⁵ cm ⁻² and the peak concentration is preferably about 1 × 10 ¹⁹ to 2 × 10 ²⁰ cm ⁻³ .

バッファ領域３は、イオン注入技術を利用して、半導体基板１０の裏層部にリンイオンを導入して形成されている。バッファ領域３を形成するイオン注入工程では、ピーク濃度が半導体基板１０の基板濃度を超える条件で実施される。一例では、バッファ領域３のドーズ量は約１×１０^１２〜１×１０^１４ｃｍ^−２であり、ピーク濃度が約１×１０^１６〜１×１０^１８ｃｍ^−３であるのが望ましい。 The buffer region 3 is formed by introducing phosphorus ions into the back layer portion of the semiconductor substrate 10 using an ion implantation technique. The ion implantation process for forming the buffer region 3 is performed under conditions where the peak concentration exceeds the substrate concentration of the semiconductor substrate 10. In one example, it is desirable that the dose amount of the buffer region 3 is about 1 × 10 ¹² to 1 × 10 ¹⁴ cm ⁻² and the peak concentration is about 1 × 10 ¹⁶ to 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ .

ドリフト領域４は、他の拡散領域を形成した残部である。ドリフト領域４の不純物濃度は、半導体基板１０の基板濃度と実質的に一致しており、厚み方向に一定である。一例では、ドリフト領域４の不純物濃度は約１×１０^１３〜１×１０^１５ｃｍ^−３であるのが望ましい。 The drift region 4 is a remaining part where other diffusion regions are formed. The impurity concentration of the drift region 4 substantially matches the substrate concentration of the semiconductor substrate 10 and is constant in the thickness direction. In one example, it is desirable that the impurity concentration of the drift region 4 is about 1 × 10 ¹³ to 1 × 10 ¹⁵ cm ⁻³ .

アノード領域８は、不純物濃度が異なる複数の部分領域で構成されており、中濃度アノード部分領域５と低濃度アノード部分領域６と高濃度アノード部分領域７を有している。高濃度アノード部分領域７と低濃度アノード部分領域６と中濃度アノード部分領域５は、半導体基板１０の表面から深さ方向に向けてこの順で並んでいる。高濃度アノード部分領域７は、アノード電極Ｅ１と直接的に接触している。 The anode region 8 includes a plurality of partial regions having different impurity concentrations, and includes a medium concentration anode partial region 5, a low concentration anode partial region 6, and a high concentration anode partial region 7. The high concentration anode partial region 7, the low concentration anode partial region 6, and the medium concentration anode partial region 5 are arranged in this order from the surface of the semiconductor substrate 10 in the depth direction. The high-concentration anode partial region 7 is in direct contact with the anode electrode E1.

アノード領域８は、イオン注入技術を利用して、半導体基板１０の表層部にボロンイオンを導入して形成されている。具体的には、飛程距離を変えた複数回のドーパント導入工程を実施し、中濃度アノード部分領域５と低濃度アノード部分領域６と高濃度アノード部分領域７を形成する。 The anode region 8 is formed by introducing boron ions into the surface layer portion of the semiconductor substrate 10 using an ion implantation technique. Specifically, a plurality of dopant introduction steps with different range distances are performed to form the medium concentration anode partial region 5, the low concentration anode partial region 6, and the high concentration anode partial region 7.

図２に、アノード領域８の深さ方向の不純物濃度分布の一例を示す。図２に示されるように、中濃度アノード部分領域５と低濃度アノード部分領域６と高濃度アノード部分領域７はそれぞれ、ピーク濃度を有している。一例では、中濃度アノード部分領域５のドーズ量は約１×１０^１２〜５×１０^１３ｃｍ^−２であり、ピーク濃度が約１×１０^１６〜５×１０^１７ｃｍ^−３であるのが望ましい。低濃度アノード部分領域６のドーズ量は約１×１０^１０〜１×１０^１２ｃｍ^−２であり、ピーク濃度が約１×１０^１４〜１×１０^１６ｃｍ^−３であるのが望ましい。高濃度アノード部分領域７のドーズ量は約５×１０^１２〜５×１０^１５ｃｍ^−２であり、ピーク濃度が約１×１０^１７〜１×１０^２０ｃｍ^−３であるのが望ましい。また、一例では、中濃度アノード部分領域５の厚みは約０．５〜２μｍであり、低濃度アノード部分領域６の厚みは約０．５〜２μｍであり、高濃度アノード部分領域７の厚みは約０．５〜１．５μｍであるのが望ましい。 FIG. 2 shows an example of the impurity concentration distribution in the depth direction of the anode region 8. As shown in FIG. 2, each of the medium concentration anode partial region 5, the low concentration anode partial region 6, and the high concentration anode partial region 7 has a peak concentration. In one example, the dose amount of the intermediate concentration anode partial region 5 is preferably about 1 × 10 ^{12 to} 5 × 10 ¹³ cm ⁻² and the peak concentration is preferably about 1 × 10 ^{16 to} 5 × 10 ¹⁷ cm ^−3. . It is desirable that the dose amount of the low concentration anode partial region 6 is about 1 × 10 ¹⁰ to 1 × 10 ¹² cm ⁻² and the peak concentration is about 1 × 10 ¹⁴ to 1 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ . The dose amount of the high-concentration anode partial region 7 is preferably about 5 × 10 ^{12 to} 5 × 10 ¹⁵ cm ⁻² and the peak concentration is preferably about 1 × 10 ¹⁷ to 1 × 10 ²⁰ cm ⁻³ . In one example, the thickness of the intermediate concentration anode partial region 5 is about 0.5 to 2 μm, the thickness of the low concentration anode partial region 6 is about 0.5 to 2 μm, and the thickness of the high concentration anode partial region 7 is It is desirable to be about 0.5 to 1.5 μm.

図３に、アノード領域８の深さ方向の不純物濃度分布の他の一例を示す。図３に示されるように、この例では、低濃度アノード部分領域６がピーク濃度を有していない。低濃度アノード部分領域６は、中濃度アノード部分領域５に向けて導入された不純物と高濃度アノード部分領域７に向けて導入された不純物が深さ方向に拡散することによって形成されている。 FIG. 3 shows another example of the impurity concentration distribution in the depth direction of the anode region 8. As shown in FIG. 3, in this example, the low concentration anode partial region 6 does not have a peak concentration. The low-concentration anode partial region 6 is formed by diffusing impurities introduced toward the medium-concentration anode partial region 5 and impurities introduced toward the high-concentration anode partial region 7 in the depth direction.

図１に戻る。ｎ型領域９は、イオン注入技術を利用して、半導体基板１０の表層部にリンイオンを導入して形成されている。ｎ型領域９は、アノード領域８によってドリフト領域４からは隔てられている。ｎ型領域９を形成するイオン注入工程では、ピーク濃度が半導体基板１０の基板濃度を超える条件で実施される。そのピーク濃度が形成される深さは、低濃度アノード部分領域６のよりも浅く、高濃度アノード部分領域７と同程度である。これにより、ｎ型領域９は、低濃度アノード部分領域６と高濃度アノード部分領域７の双方に接触している。また、ｎ型領域９は、アノード電極Ｅ１とも直接的に接触している。一例では、ｎ型領域９のドーズ量は約５×１０^１２〜５×１０^１５ｃｍ^−２であり、ピーク濃度が約１×１０^１７〜１×１０^２０ｃｍ^−３であるのが望ましい。また、ｎ型領域９のピーク深さは約０．５〜１．５μｍであるのが望ましい。 Returning to FIG. The n-type region 9 is formed by introducing phosphorus ions into the surface layer portion of the semiconductor substrate 10 using an ion implantation technique. N-type region 9 is separated from drift region 4 by anode region 8. The ion implantation process for forming the n-type region 9 is performed under conditions where the peak concentration exceeds the substrate concentration of the semiconductor substrate 10. The depth at which the peak concentration is formed is shallower than that of the low-concentration anode partial region 6 and is similar to that of the high-concentration anode partial region 7. As a result, the n-type region 9 is in contact with both the low-concentration anode partial region 6 and the high-concentration anode partial region 7. The n-type region 9 is also in direct contact with the anode electrode E1. In one example, it is desirable that the dose amount of the n-type region 9 is about 5 × 10 ^{12 to} 5 × 10 ¹⁵ cm ⁻² and the peak concentration is about 1 × 10 ¹⁷ to 1 × 10 ²⁰ cm ⁻³ . The peak depth of the n-type region 9 is preferably about 0.5 to 1.5 μm.

半導体装置１は、低濃度アノード部分領域６とｎ型領域９を備えていることを特徴としている。また、低濃度アノード部分領域６が、高濃度アノード部分領域７の下方に設けられており、高濃度アノード部分領域７から供給される正孔の経路に配置されていることを特徴としている。さらに、ｎ型領域９が、低濃度アノード部分領域６に接触していることを特徴としている。半導体装置１では、低濃度アノード部分領域６の不純物濃度が十分に薄く形成されているので、ダイオード１に順バイアスが印加されると、低濃度アノード部分領域６とｎ型領域９の接合面から低濃度アノード部分領域６に空乏層が伸展する。空乏層の一部は、高濃度アノード部分領域７の下方に位置する低濃度アノード部分領域６にも伸展する。このため、高濃度アノード部分領域７から供給される正孔の経路は、左右から伸展する空乏層によって狭くなる。これにより、半導体装置１では、順バイアスが印加されたときに、高濃度アノード部分領域９から供給される正孔量が抑えられ、ひいてはアノード領域８から供給される正孔量も抑えられる。この結果、半導体装置１では、逆回復電荷量（Ｑｒｒ）が低減されるので、低いスイッチング損失が実現される。 The semiconductor device 1 is characterized by including a low-concentration anode partial region 6 and an n-type region 9. The low-concentration anode partial region 6 is provided below the high-concentration anode partial region 7 and is arranged in the path of holes supplied from the high-concentration anode partial region 7. Further, the n-type region 9 is in contact with the low concentration anode partial region 6. In the semiconductor device 1, the impurity concentration of the low-concentration anode partial region 6 is sufficiently low, so that when a forward bias is applied to the diode 1, the junction surface between the low-concentration anode partial region 6 and the n-type region 9 is applied. A depletion layer extends in the low concentration anode partial region 6. A part of the depletion layer also extends to the low concentration anode partial region 6 located below the high concentration anode partial region 7. For this reason, the path of holes supplied from the high-concentration anode partial region 7 is narrowed by the depletion layer extending from the left and right. Thereby, in the semiconductor device 1, when a forward bias is applied, the amount of holes supplied from the high-concentration anode partial region 9 is suppressed, and consequently the amount of holes supplied from the anode region 8 is also suppressed. As a result, in the semiconductor device 1, since the reverse recovery charge amount (Qrr) is reduced, a low switching loss is realized.

図４に、ダイオードとＩＧＢＴを内蔵する半導体装置１１を示す。半導体装置１１は、入力電圧を直流と交流の間で変換して出力する車載用の電力変換装置のインバータ回路に用いられる。半導体装置１１は、ｎ⁻型のシリコン単結晶の半導体基板１００内にダイオード範囲Ａ１とＩＧＢＴ範囲Ａ２を備えており、ダイオード範囲Ａ１には縦型ダイオードを構成するための構造が形成されており、ＩＧＢＴ範囲Ａ２には縦型ＩＧＢＴを構成するための構造が形成されている。ダイオード範囲Ａ１に形成されている縦型ダイオードは、第１実施例と同一の構造を有していてもよい。したがって、以下の説明では、詳細な説明を省略する。 FIG. 4 shows a semiconductor device 11 incorporating a diode and an IGBT. The semiconductor device 11 is used in an inverter circuit of an in-vehicle power conversion device that converts an input voltage between direct current and alternating current and outputs the converted voltage. The semiconductor device 11 includes a diode range A1 and an IGBT range A2 in an n ⁻ type silicon single crystal semiconductor substrate 100, and a structure for forming a vertical diode is formed in the diode range A1. A structure for forming a vertical IGBT is formed in the IGBT range A2. The vertical diode formed in the diode range A1 may have the same structure as the first embodiment. Therefore, detailed description is omitted in the following description.

図４に示されるように、ダイオード範囲Ａ１には、半導体基板１００の表面にアノード電極Ｅ１０が接触して形成されており、半導体基板１００の裏面にカソード電極Ｅ２０が接触して形成されている。ダイオード範囲Ａ１の半導体基板１００は、ｎ^＋型のカソード領域１２とｎ型のバッファ領域１３とｎ⁻型のドリフト領域１４とｐ型のアノード領域１８とｎ型のｎ型領域１９を備えている。アノード領域１８は、不純物濃度が異なる複数の部分領域で構成されており、中濃度アノード部分領域１５と低濃度アノード部分領域１６と高濃度アノード部分領域１７を有している。高濃度アノード部分領域１７と低濃度アノード部分領域１６と中濃度アノード部分領域１５は、半導体基板１００の表面から深さ方向に向けてこの順で並んでいる。 As shown in FIG. 4, the anode electrode E <b> 10 is formed in contact with the front surface of the semiconductor substrate 100 and the cathode electrode E <b> 20 is formed in contact with the back surface of the semiconductor substrate 100 in the diode range A <b> 1. The semiconductor substrate 100 in the diode range A1 includes an n ⁺ -type cathode region 12, an n-type buffer region 13, an n ⁻ -type drift region 14, a p-type anode region 18, and an n-type n-type region 19. . The anode region 18 includes a plurality of partial regions having different impurity concentrations, and includes a medium concentration anode partial region 15, a low concentration anode partial region 16, and a high concentration anode partial region 17. The high concentration anode partial region 17, the low concentration anode partial region 16 and the medium concentration anode partial region 15 are arranged in this order from the surface of the semiconductor substrate 100 toward the depth direction.

ダイオード範囲Ａ１にはさらに、半導体基板１００の表層部に絶縁トレンチ２０が形成されている。絶縁トレンチ２０は、絶縁膜２４とその絶縁膜２４で被覆されるポリシリコン部２２とを有している。この例では、絶縁トレンチ２０のポリシリコン部２２が、アノード電極Ｅ１０に接続されている。一例では、平面視したときに、絶縁トレンチ２０のレイアウトはストライプ状である。絶縁トレンチ２０は、ダイオード範囲Ａ１に逆バイアスが印加されているときに、絶縁トレンチ２０の底面に電界を集中させ、アノード領域１８における電界集中を緩和させることができる。 Furthermore, an insulating trench 20 is formed in the surface layer portion of the semiconductor substrate 100 in the diode range A1. The insulating trench 20 has an insulating film 24 and a polysilicon portion 22 covered with the insulating film 24. In this example, the polysilicon portion 22 of the insulating trench 20 is connected to the anode electrode E10. In one example, the layout of the insulating trench 20 is striped when viewed in plan. The insulating trench 20 can reduce the electric field concentration in the anode region 18 by concentrating the electric field on the bottom surface of the insulating trench 20 when a reverse bias is applied to the diode range A1.

ＩＧＢＴ範囲Ａ２には、半導体基板１００の表面にエミッタ電極Ｅ１０が接触して形成されており、半導体基板１００の裏面にコレクタ電極Ｅ２０が接触して形成されている。なお、ＩＧＢＴ範囲Ａ２のエミッタ電極Ｅ１０とダイオード範囲Ａ１のアノード電極Ｅ１０は、実際は共通の電極であり、形成範囲に基づいて便宜の上で呼称を変えている。同様に、ＩＧＢＴ範囲Ａ２のコレクタ電極Ｅ２０とダイオード範囲Ａ１のカソード電極Ｅ２０も実際は共通の電極であり、形成範囲に基づいて便宜の上で呼称を変えている。 In the IGBT range A2, an emitter electrode E10 is formed in contact with the front surface of the semiconductor substrate 100, and a collector electrode E20 is formed in contact with the back surface of the semiconductor substrate 100. Note that the emitter electrode E10 in the IGBT range A2 and the anode electrode E10 in the diode range A1 are actually common electrodes, and their names are changed for convenience based on the formation range. Similarly, the collector electrode E20 in the IGBT range A2 and the cathode electrode E20 in the diode range A1 are actually common electrodes, and their names are changed for convenience based on the formation range.

ＩＧＢＴ範囲Ａ２の半導体基板１００は、ｐ^＋型のコレクタ領域１２ａとｎ型のバッファ領域１３とｎ⁻型のドリフト領域１４とｐ型のボディ領域１８ａとｎ型のエミッタ領域１９ａを備えている。ボディ領域１８ａは、不純物濃度が異なる複数の部分領域で構成されており、中濃度ボディ部分領域１５ａと低濃度ボディ部分領域１６ａと高濃度ボディ部分領域１７ａを有している。高濃度ボディ部分領域１７ａと低濃度ボディ部分領域１６ａと中濃度ボディ部分領域１５ａは、半導体基板１００の表面から深さ方向に向けてこの順で並んでいる。 The semiconductor substrate 100 in the IGBT range A2 includes a p ⁺ -type collector region 12a, an n-type buffer region 13, an n ⁻ -type drift region 14, a p-type body region 18a, and an n-type emitter region 19a. The body region 18a is composed of a plurality of partial regions having different impurity concentrations, and includes a medium concentration body partial region 15a, a low concentration body partial region 16a, and a high concentration body partial region 17a. The high-concentration body partial region 17a, the low-concentration body partial region 16a, and the medium-concentration body partial region 15a are arranged in this order from the surface of the semiconductor substrate 100 in the depth direction.

ＩＧＢＴ範囲Ａ２にはさらに、半導体基板１００の表層部に絶縁トレンチゲート２０ａが形成されている。絶縁トレンチゲート２０ａは、ゲート絶縁膜２４ａとそのゲート絶縁膜２４ａで被覆されるポリシリコンゲート部２２ａとを有している。一例では、平面視したときに、絶縁トレンチゲート２０ａのレイアウトはストライプ状である。絶縁トレンチゲート２０ａは、エミッタ電極Ｅ１０から絶縁されており、駆動電圧が印加可能に構成されている。 In addition, an insulating trench gate 20a is formed in the surface layer portion of the semiconductor substrate 100 in the IGBT range A2. The insulating trench gate 20a has a gate insulating film 24a and a polysilicon gate portion 22a covered with the gate insulating film 24a. In one example, the layout of the insulating trench gate 20a is striped when viewed in plan. The insulated trench gate 20a is insulated from the emitter electrode E10 and is configured to be able to apply a drive voltage.

図４に示されるように、ダイオード範囲Ａ１のアノード領域１８及びｎ型領域１９はそれぞれ、ＩＧＢＴ範囲Ａ２のボディ領域１８ａ及びエミッタ領域１９ａと共通の形態を備えている。したがって、ダイオード範囲Ａ１のアノード領域１８とＩＧＢＴ範囲Ａ２のボディ領域１８ａが共通の複数回イオン注入工程で形成され、ダイオード範囲Ａ１のｎ型領域１９とＩＧＢＴ範囲Ａ２のエミッタ領域１９ａが共通のイオン注入工程で作製される。また、ダイオード範囲Ａ１の絶縁トレンチとＩＧＢＴ範囲Ａ２の絶縁トレンチゲートも、共通の製造工程で作製される。なお、イオン注入工程で用いるマスクのレイアウトを変更すれば、図５に示されるように、ダイオード範囲Ａ１の高濃度アノード部分領域１７とｎ型領域１９の位置関係を必要に応じて反転させることもできる。 As shown in FIG. 4, the anode region 18 and the n-type region 19 in the diode range A1 have the same form as the body region 18a and the emitter region 19a in the IGBT range A2, respectively. Therefore, the anode region 18 in the diode range A1 and the body region 18a in the IGBT range A2 are formed by a common multiple ion implantation process, and the n-type region 19 in the diode range A1 and the emitter region 19a in the IGBT range A2 are common ion implantation. It is produced in the process. Further, the insulating trench in the diode range A1 and the insulating trench gate in the IGBT range A2 are also manufactured in a common manufacturing process. If the layout of the mask used in the ion implantation step is changed, as shown in FIG. 5, the positional relationship between the high-concentration anode partial region 17 and the n-type region 19 in the diode range A1 may be reversed as necessary. it can.

半導体装置１１のダイオード範囲Ａ１に形成されている縦型ダイオードは、第１実施例で説明したのと同様の作用効果を有している。すなわち、ダイオード範囲Ａ１に順バイアスが印加されているときに、低濃度アノード部分領域１６とｎ型領域１９の接合面から低濃度アノード部分領域１６に空乏層が伸展する。このため、高濃度アノード部分領域１７から供給される正孔の経路は、左右から伸展する空乏層によって狭くなる。これにより、ダイオード範囲Ａ１では、順バイアスが印加されているときにアノード領域１８から供給される正孔量が抑えられるので、逆回復電荷量（Ｑｒｒ）が低減される。 The vertical diode formed in the diode range A1 of the semiconductor device 11 has the same function and effect as described in the first embodiment. That is, when a forward bias is applied to the diode range A <b> 1, a depletion layer extends from the junction surface between the low concentration anode partial region 16 and the n-type region 19 to the low concentration anode partial region 16. For this reason, the path of holes supplied from the high-concentration anode partial region 17 is narrowed by the depletion layer extending from the left and right. Thereby, in the diode range A1, the amount of holes supplied from the anode region 18 when the forward bias is applied is suppressed, so that the reverse recovery charge amount (Qrr) is reduced.

半導体装置１１では、ダイオード範囲Ａ１に順バイアスが印加されているときに、ＩＧＢＴ範囲Ａ２のボディ領域１８ａとドリフト領域１４の間に存在する寄生ダイオードを介しても正孔が供給されることがある。半導体装置１１では、ＩＧＢＴ範囲Ａ２にも低濃度ボディ部分領域１６ａが設けられている。このため、ダイオード範囲Ａ１に順バイアスが印加されているときに、ＩＧＢＴ範囲Ａ２では、低濃度ボディ部分領域１６ａとエミッタ領域１９ａの接合面から低濃度ボディ部分領域１６ａに空乏層が伸展し、高濃度ボディ部分領域１７ａから供給される正孔の経路が狭くなる。このため、寄生ダイオードを介して供給される正孔量が抑えられるので、逆回復電荷量（Ｑｒｒ）が低減され、スイッチング損失が低減される。 In the semiconductor device 11, when a forward bias is applied to the diode range A1, holes may be supplied even through a parasitic diode that exists between the body region 18a and the drift region 14 in the IGBT range A2. . In the semiconductor device 11, the low-concentration body partial region 16a is also provided in the IGBT range A2. For this reason, when a forward bias is applied to the diode range A1, in the IGBT range A2, a depletion layer extends from the junction surface of the low-concentration body portion region 16a and the emitter region 19a to the low-concentration body portion region 16a. The path of holes supplied from the concentration body partial region 17a is narrowed. For this reason, since the amount of holes supplied via the parasitic diode is suppressed, the reverse recovery charge amount (Qrr) is reduced, and the switching loss is reduced.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.

２，１２：カソード領域
３，１３：バッファ領域
４，１４：ドリフト領域
５，１５：中濃度アノード部分領域
６，１６：低濃度アノード部分領域
７，１７：高濃度アノード部分領域
８，１８：アノード領域
９，１９：ｎ型領域
１０，１００：半導体基板
１２ａコレクタ領域
１５ａ中濃度ボディ部分領域
１６ａ低濃度ボディ部分領域
１７ａ高濃度ボディ部分領域
１８ａボディ領域
１９ａエミッタ領域
2, 12: Cathode region 3, 13: Buffer region 4, 14: Drift region 5, 15: Medium concentration anode partial region 6, 16: Low concentration anode partial region 7, 17: High concentration anode partial region 8, 18: Anode Regions 9 and 19: n-type regions 10 and 100: semiconductor substrate 12a collector region 15a medium concentration body portion region 16a low concentration body portion region 17a high concentration body portion region 18a body region 19a emitter region

Claims

A semiconductor substrate;
An anode electrode in contact with the semiconductor substrate;
A cathode electrode in contact with the semiconductor substrate at a different site from the anode electrode,
The semiconductor substrate is
An anode region of a first conductivity type in contact with the anode electrode;
A second conductivity type region of a second conductivity type in contact with the anode electrode,
The anode region includes a high concentration anode partial region having a high impurity concentration, a low concentration low concentration anode partial region, and a medium concentration intermediate concentration anode partial region.
The impurity concentration of the high concentration anode partial region is higher than the impurity concentration of the medium concentration anode partial region,
The impurity concentration of the medium concentration anode partial region is higher than the impurity concentration of the low concentration anode partial region,
The high-concentration anode partial region, the low-concentration anode partial region, and the medium-concentration anode partial region are arranged in that order when observed from the anode electrode toward the cathode electrode,
The low-concentration anode partial region and the second conductivity type region are in contact ;
The high-concentration anode partial region and the low-concentration anode partial region are in contact;
A semiconductor device in which the high-concentration anode partial region and the second conductivity type region are in contact with each other .

An IGBT is formed on the semiconductor substrate,
The IGBT is
An emitter electrode in contact with the semiconductor substrate;
A collector electrode in contact with the semiconductor substrate at a site different from the emitter electrode,
The semiconductor substrate is
A first conductivity type body region in contact with the emitter electrode;
An emitter region of a second conductivity type in contact with the emitter electrode;
The body region includes a high concentration body part region having a high impurity concentration, a low concentration body part region having a low concentration, and a medium concentration body part region having a medium concentration.
The high-concentration body part region, the low-concentration body part region, and the medium-concentration body part region are arranged in that order when observed from the emitter electrode toward the collector electrode,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the low-concentration body partial region and the emitter region are in contact with each other.

The second conductivity type region includes a first partial region disposed on one side and the second partial region disposed on the other side with the high concentration anode partial region interposed therebetween,
The first partial region is in contact with the anode electrode, the high concentration anode partial region, and the low concentration anode partial region,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the second partial region is in contact with the anode electrode, the high concentration anode partial region, and the low concentration anode partial region.

A semiconductor substrate;
An anode electrode in contact with the semiconductor substrate;
A cathode electrode in contact with the semiconductor substrate at a different site from the anode electrode,
The semiconductor substrate is
An anode region of a first conductivity type in contact with the anode electrode;
A second conductivity type region of a second conductivity type in contact with the anode electrode,
The anode region includes a high concentration anode partial region having a high impurity concentration, a low concentration low concentration anode partial region, and a medium concentration intermediate concentration anode partial region.
The impurity concentration of the high concentration anode partial region is higher than the impurity concentration of the medium concentration anode partial region,
The impurity concentration of the medium concentration anode partial region is higher than the impurity concentration of the low concentration anode partial region,
The high-concentration anode partial region, the low-concentration anode partial region, and the medium-concentration anode partial region are arranged in that order when observed from the anode electrode toward the cathode electrode,
The low-concentration anode partial region is located in a path of carriers supplied from the high-concentration anode partial region when a forward bias is applied;
The low-concentration anode partial region and the second conductivity type region are in contact ;
The second conductivity type region is disposed at a position where a depletion layer extending from a joint surface with the low concentration anode partial region narrows a path of the carrier in the low concentration anode partial region when a forward bias is applied. in which the semiconductor device.

An IGBT is formed on the semiconductor substrate,
The IGBT is
An emitter electrode in contact with the semiconductor substrate;
A collector electrode in contact with the semiconductor substrate at a site different from the emitter electrode,
The semiconductor substrate is
A first conductivity type body region in contact with the emitter electrode;
An emitter region of a second conductivity type in contact with the emitter electrode;
The body region includes a high concentration body part region having a high impurity concentration, a low concentration body part region having a low concentration, and a medium concentration body part region having a medium concentration.
The high-concentration body part region, the low-concentration body part region, and the medium-concentration body part region are arranged in that order when observed from the emitter electrode toward the collector electrode,
The semiconductor device according to claim 4 , wherein the low-concentration body partial region and the emitter region are in contact with each other.