JP5821320B2

JP5821320B2 - diode

Info

Publication number: JP5821320B2
Application number: JP2011139290A
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: 2011-06-23
Filing date: 2011-06-23
Publication date: 2015-11-24
Anticipated expiration: 2031-06-23
Also published as: JP2013008778A

Description

本発明は、ダイオードに関する。 The present invention relates to a diode.

ダイオードは、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と高耐圧化とを両立させる技術の開発が望まれている。 Diodes 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 and outputting the same. Used in inverter circuits of power converters. 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, not only a free wheel diode, but also development of a technology that achieves both improvement in recovery characteristics and high breakdown voltage is desired.

一般的に、ダイオードのリカバリ特性と耐圧は、アノード領域の不純物濃度に依存する。例えば、アノード領域の不純物濃度を薄くすれば、順方向電圧が印加されているときに、アノード領域から注入されるキャリア量が抑えられ、逆回復電荷量（Ｑｒｒ）が減少し、リカバリ時の損失が低下する。ところが、アノード領域の不純物濃度を薄くすると、逆方向電圧が印加されているときに、空乏層がアノード領域を超えてアノード電極に達するリーチスルー現象が生じてしまう。アノード領域にリーチスルー現象が生じると、逆方向電流が増加して耐圧が低下してしまう。 In general, the recovery characteristics and breakdown voltage of a diode depend on the impurity concentration in the anode region. For example, if the impurity concentration in the anode region is reduced, the amount of carriers injected from the anode region is suppressed when a forward voltage is applied, the reverse recovery charge amount (Qrr) is reduced, and loss during recovery Decreases. However, when the impurity concentration in the anode region is reduced, a reach-through phenomenon occurs in which the depletion layer reaches the anode electrode beyond the anode region when a reverse voltage is applied. When the reach through phenomenon occurs in the anode region, the reverse current increases and the breakdown voltage decreases.

特許文献１及び非特許文献１には、リカバリ特性の改善と高耐圧化とを両立させる技術の一例が開示されている。特許文献１及び非特許文献１には、ＩＧＢＴとダイオードが一体化した逆導通型ＩＧＢＴの例が開示されている。図９に、非特許文献１に開示される逆導通型ＩＧＢＴのうちのダイオード範囲の構成を示す。 Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 disclose an example of a technique that achieves both improvement in recovery characteristics and high breakdown voltage. Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 disclose examples of reverse conducting IGBTs in which an IGBT and a diode are integrated. FIG. 9 shows the configuration of the diode range of the reverse conducting IGBT disclosed in Non-Patent Document 1.

図９に示されるように、ダイオード１００は、ｎ⁻型の半導体基板１２０を用いて形成されており、ｎ^＋型のカソード領域１２２とｎ型のバッファ領域１２３とｎ⁻型のドリフト領域１２４とｎ型のバリア領域１２６とｐ型のアノード領域１２８と絶縁トレンチ１３６を備えている。絶縁トレンチ１３６は、絶縁膜１３４とポリシリコン部１３２とを有しており、ＩＧＢＴ範囲の絶縁トレンチゲートと同時に形成される。ポリシリコン部１３２は、アノード領域１２８と同一の電位に固定されていてもよいし、電気的に絶縁されたフローティングであってもよい。 As shown in FIG. 9, the diode 100 is formed using an n ⁻ type semiconductor substrate 120, and includes an n ⁺ type cathode region 122, an n type buffer region 123, an n ⁻ type drift region 124, and the like. An n-type barrier region 126, a p-type anode region 128, and an insulating trench 136 are provided. The insulating trench 136 includes an insulating film 134 and a polysilicon portion 132, and is formed simultaneously with the insulating trench gate in the IGBT range. The polysilicon portion 132 may be fixed at the same potential as the anode region 128 or may be an electrically insulated floating.

ダイオード１００は、バリア領域１２６を備えていることを１つの特徴としている。バリア領域１２６は、アノード領域１２８から注入される正孔に対して電位障壁を形成する。このため、バリア領域１２６が設けられていると、順方向電圧が印加されているときに、アノード領域１２８から注入される正孔の注入量が抑えられ、リカバリ特性が改善される。正孔の注入量をさらに抑えるためには、バリア領域１２６の不純物濃度を濃くするのが望ましい。しかしながら、バリア領域１２６の不純物濃度を濃くすると、アノード領域１２８からドリフト領域１２４に向けて伸びる空乏層の幅が抑えられ、ダイオード１００の耐圧が低下する。 One feature of the diode 100 is that it includes a barrier region 126. The barrier region 126 forms a potential barrier against holes injected from the anode region 128. For this reason, when the barrier region 126 is provided, the amount of holes injected from the anode region 128 when the forward voltage is applied is suppressed, and the recovery characteristics are improved. In order to further suppress the amount of holes injected, it is desirable to increase the impurity concentration of the barrier region 126. However, when the impurity concentration of the barrier region 126 is increased, the width of the depletion layer extending from the anode region 128 toward the drift region 124 is suppressed, and the breakdown voltage of the diode 100 is reduced.

これに対し、ダイオード１００では、絶縁トレンチ１３６が設けられていることを１つの特徴としている。絶縁トレンチ１３６が設けられていると、逆方向電圧が印加されているときに、絶縁トレンチ１３６の底面に電界を集中させることができる。このため、ダイオード１００の耐圧は、例えば絶縁トレンチ１３６のメサ幅（隣り合う絶縁トレンチ１３６間の距離）のような絶縁トレンチ１３６の形態に依存させることができるので、絶縁トレンチ１３６の形態によって必要な耐圧を確保しながら、バリア領域１２６の不純物濃度を濃くすることができる。この結果、順方向電圧が印加されているときに、アノード領域１２８から注入される正孔の注入量をさらに抑えることができるので、リカバリ特性をさらに改善することができる。このように、バリア領域１２６と絶縁トレンチ１３６を組合わせる技術は、リカバリ特性の改善と高耐圧化とを両立させるのに有用である。 On the other hand, the diode 100 is characterized in that the insulating trench 136 is provided. When the insulating trench 136 is provided, an electric field can be concentrated on the bottom surface of the insulating trench 136 when a reverse voltage is applied. For this reason, the breakdown voltage of the diode 100 can depend on the form of the insulating trench 136 such as the mesa width of the insulating trench 136 (the distance between the adjacent insulating trenches 136). The impurity concentration of the barrier region 126 can be increased while ensuring the breakdown voltage. As a result, when a forward voltage is applied, the amount of holes injected from the anode region 128 can be further suppressed, so that the recovery characteristics can be further improved. As described above, the technique of combining the barrier region 126 and the insulating trench 136 is useful for achieving both improvement in recovery characteristics and high breakdown voltage.

特開２００８−４７５６５号公報（特に、図６参照）Japanese Patent Laying-Open No. 2008-47565 (see in particular FIG. 6)

三菱電機技報２００７年Ｖｏｌ.８１Ｎｏ.５「モータ制御用ＲＣ−ＩＧＢＴ」Mitsubishi Electric Technical Review 2007 Vol.81 No.5 “RC-IGBT for motor control”

上記したように、バリア領域１２６は、ダイオード１００の電気的特性にとって重要な要素である。このため、バリア領域１２６を備えたダイオード１００では、バリア領域１２６の形成位置が電気的特性に強く影響する。このため、バリア領域１２６を備えたダイオードでは、バリア領域１２６を所定の位置に正確に形成することが重要である。 As described above, the barrier region 126 is an important factor for the electrical characteristics of the diode 100. For this reason, in the diode 100 including the barrier region 126, the formation position of the barrier region 126 strongly affects the electrical characteristics. For this reason, in the diode including the barrier region 126, it is important to accurately form the barrier region 126 at a predetermined position.

図１０に、半導体基板１２０の表面からの深さと不純物濃度の関係を示す。ダイオード１００では、バリア領域１２６とアノード領域１２８が接触して形成されている。このため、バリア領域１２６とアノード領域１２８の境界の深さは、バリア領域１２６を形成するために導入された不純物とアノード領域１２８を形成するために導入された不純物が同一濃度となる位置である。このような深さは、不純物の導入工程及び拡散工程に関する製造ばらつきに依存して変動する。特に、ダイオード１００では、バリア領域１２６の形成位置が、バリア領域１２６の製造ばらつきに加えて、アノード領域１２８の製造ばらつきも影響するので、素子毎で大きく異なってしまう。このため、ダイオード１００は、特性のばらつきが素子毎で大きく異なるという問題がある。 FIG. 10 shows the relationship between the depth from the surface of the semiconductor substrate 120 and the impurity concentration. In the diode 100, the barrier region 126 and the anode region 128 are formed in contact with each other. For this reason, the depth of the boundary between the barrier region 126 and the anode region 128 is a position where the impurity introduced to form the barrier region 126 and the impurity introduced to form the anode region 128 have the same concentration. . Such a depth varies depending on manufacturing variations related to the impurity introduction process and the diffusion process. In particular, in the diode 100, the formation position of the barrier region 126 is greatly affected for each element because the manufacturing variation of the anode region 128 is affected in addition to the manufacturing variation of the barrier region 126. For this reason, the diode 100 has a problem that the variation in characteristics varies greatly from element to element.

本願明細書で開示される技術は、絶縁トレンチとバリア領域を備えたダイオードにおいて、素子毎の特性のばらつきが抑えられる技術を提供することを目的としている。 The technique disclosed in this specification is intended to provide a technique capable of suppressing variation in characteristics of each element in a diode having an insulating trench and a barrier region.

本願明細書で開示される技術では、バリア領域とアノード領域が離れていることを特徴としている。バリア領域とアノード領域が離れていると、バリア領域の形成位置は、半導体基板の基板濃度との関係で決定する。半導体基板の基板濃度は正確であり、ばらつきが小さい。なお、半導体基板の基板濃度は極めて薄いことから、実質的には無視することができる。このため、バリア領域の形成位置は、バリア領域の製造ばらつきのみに依存する。したがって、バリア領域とアノード領域が離れていると、バリア領域の形成位置は、アノード領域の製造ばらつきの影響を受けないことから、素子毎のばらつきが抑えられる。 The technology disclosed in this specification is characterized in that the barrier region and the anode region are separated from each other. When the barrier region and the anode region are separated, the formation position of the barrier region is determined in relation to the substrate concentration of the semiconductor substrate. The substrate concentration of the semiconductor substrate is accurate and has little variation. In addition, since the substrate concentration of the semiconductor substrate is extremely thin, it can be substantially ignored. For this reason, the formation position of the barrier region depends only on the manufacturing variation of the barrier region. Therefore, when the barrier region and the anode region are separated, the formation position of the barrier region is not affected by the manufacturing variation of the anode region, so that the variation for each element can be suppressed.

すなわち、本明細書で開示されるダイオードは、第１導電型の半導体基板を用いて形成されており、第２導電型のアノード領域と複数の絶縁トレンチと第１導電型のバリア領域を備えている。アノード領域は、半導体基板の表層部に形成されている。複数の絶縁トレンチは、半導体基板の表層部に形成されており、アノード領域を貫通している。バリア領域は、半導体基板の表層部に形成されており、ピーク濃度を有している。そのピーク濃度は、アノード領域よりも深く、絶縁トレンチの底面よりも浅い深さに位置するとともに、半導体基板の基板濃度よりも濃いピーク濃度を有している。本明細書で開示されるダイオードでは、バリア領域とアノード領域が離れていることを特徴としている。ここで、バリア領域とアノード領域が離れているとは、バリア領域を形成するために導入した不純物とアノード領域を形成するために導入した不純物が同一濃度となる深さにおけるその濃度が、半導体基板の基板濃度よりも薄い場合をいう。あるいは、バリア領域を形成するために導入した不純物が存在する範囲とアノード領域を形成するために導入した不純物が存在する範囲が、半導体基板の厚み方向で完全に分離している場合をいう。このような関係にあると、バリア領域の形成位置は、バリア領域の製造ばらつきのみに依存する。このため、バリア領域の形成位置は、アノード領域の製造ばらつきの影響を受けないことから、素子毎のばらつきが抑えられる。 That is, the diode disclosed in this specification is formed using a first conductivity type semiconductor substrate, and includes a second conductivity type anode region, a plurality of insulating trenches, and a first conductivity type barrier region. Yes. The anode region is formed in the surface layer portion of the semiconductor substrate. The plurality of insulating trenches are formed in the surface layer portion of the semiconductor substrate and penetrate the anode region. The barrier region is formed in the surface layer portion of the semiconductor substrate and has a peak concentration. The peak concentration is deeper than the anode region, shallower than the bottom surface of the insulating trench, and has a peak concentration higher than the substrate concentration of the semiconductor substrate. The diode disclosed in this specification is characterized in that the barrier region and the anode region are separated from each other. Here, the barrier region and the anode region are separated from each other when the impurity introduced to form the barrier region and the impurity introduced to form the anode region have the same concentration at a depth at which the impurity is introduced. In this case, the substrate concentration is lower than Alternatively, it refers to a case where the range in which impurities introduced to form the barrier region and the range in which impurities introduced to form the anode region are completely separated in the thickness direction of the semiconductor substrate. In such a relationship, the formation position of the barrier region depends only on the manufacturing variation of the barrier region. For this reason, since the formation position of the barrier region is not affected by the manufacturing variation of the anode region, the variation for each element can be suppressed.

本明細書で開示されるダイオードは、第１導電型のカソード領域をさらに備えているのが望ましい。カソード領域は、半導体基板の裏層部に形成されており、半導体基板の基板濃度よりも濃いピーク濃度を有している。この場合、カソード領域は、複数のカソード部分領域で構成されているのが望ましい。複数のカソード部分領域は、半導体基板の厚み方向に直交する面内において、分散して設けられていることを特徴としている。複数のカソード部分領域で構成されていると、半導体基板の裏層部から注入されるキャリア量が抑えられ、リカバリ時の損失が低下する。 The diode disclosed in this specification preferably further includes a cathode region of the first conductivity type. The cathode region is formed in the back layer portion of the semiconductor substrate, and has a peak concentration higher than the substrate concentration of the semiconductor substrate. In this case, the cathode region is preferably composed of a plurality of cathode partial regions. The plurality of cathode partial regions are provided in a distributed manner in a plane orthogonal to the thickness direction of the semiconductor substrate. If it is composed of a plurality of cathode partial regions, the amount of carriers injected from the back layer portion of the semiconductor substrate is suppressed, and the loss during recovery is reduced.

本明細書で開示されるダイオードは、隣り合うカソード部分領域の間に設けられている第２導電型の介在領域をさらに備えているのが望ましい。この形態によると、半導体基板の裏層部から注入されるキャリア量がさらに抑えられ、リカバリ時の損失がさらに低下する。 The diode disclosed in the present specification preferably further includes a second conductivity type intervening region provided between adjacent cathode partial regions. According to this embodiment, the amount of carriers injected from the back layer portion of the semiconductor substrate is further suppressed, and the loss during recovery is further reduced.

本明細書で開示されるダイオードでは、バリア領域が、隣り合う絶縁トレンチの間において、一方の絶縁トレンチの側面から他方の絶縁トレンチの側面まで連続して形成されていないのが望ましい。バリア領域のピーク濃度は、濃くなるほどアノード領域から注入されるキャリア量が抑えられるので、リカバリ特性を改善することができる。一方、バリア領域のピーク濃度がある一定値を超えると、キャリアの注入が完全に防止され、定常損失が急激に悪化する可能性がある。バリア領域が連続して形成されていないと、ピーク濃度を濃くしながら定常損失の急激な悪化を防止することができる。 In the diode disclosed in this specification, it is preferable that the barrier region is not continuously formed between the side surfaces of one insulating trench and the side surface of the other insulating trench between adjacent insulating trenches. As the peak concentration in the barrier region increases, the amount of carriers injected from the anode region is suppressed, so that the recovery characteristics can be improved. On the other hand, when the peak concentration of the barrier region exceeds a certain value, carrier injection is completely prevented, and the steady loss may rapidly deteriorate. If the barrier region is not continuously formed, it is possible to prevent the steady loss from rapidly deteriorating while increasing the peak concentration.

本明細書で開示されるダイオードでは、バリア領域とアノード領域が離れており、バリア領域を所定の位置に形成することができる。このため、ダイオードの特性が素子毎で安定する。 In the diode disclosed in this specification, the barrier region and the anode region are separated from each other, and the barrier region can be formed at a predetermined position. For this reason, the characteristic of a diode is stabilized for every element.

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. 耐圧のメサ幅に対する依存性を示す。The dependence of the breakdown voltage on the mesa width is shown. 逆回復電荷量（Ｑｒｒ）及びリーク電流のバリア領域のドーズ量に対する依存性を示す。The dependence of reverse recovery charge amount (Qrr) and leak current on the dose of the barrier region is shown. 第１実施例の縦型ダイオードにおいて、半導体基板の表層部における不純物濃度の分布を示す。In the vertical diode of the first embodiment, the impurity concentration distribution in the surface layer portion of the semiconductor substrate 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３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 3rd Example is shown. 第４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 4th Example is shown. 第４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 4th Example is shown. 従来の縦型ダイオードの要部断面図を示す。The principal part sectional drawing of the conventional vertical diode is shown. 従来の縦型ダイオードにおいて、半導体基板の表層部における不純物濃度の分布を示す。In a conventional vertical diode, the distribution of impurity concentration in the surface layer portion of a semiconductor substrate 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、半導体基板の表面から順に、ｐ型のアノード領域とｎ⁻型の上型ドリフト領域と、ｎ型のバリア領域と、ｎ⁻型の下側ドリフト領域とを有する。
（第２特徴）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３特徴）バリア領域は、イオン注入技術を利用して形成された拡散領域であってもよい。この場合、バリア領域は、半導体基板の厚み方向に観測したときに、極大値となるピーク濃度を有する。
（第４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 has, in order from the surface of the semiconductor substrate, a p-type anode region, an n ⁻ -type upper drift region, an n-type barrier region, and an n ⁻ -type lower drift region.
(Second feature) 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.
(Third feature) The barrier region may be a diffusion region formed by using an ion implantation technique. In this case, the barrier region has a peak concentration that becomes a maximum value when observed in the thickness direction of the semiconductor substrate.
(Fourth 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.

以下、図面を参照して、本実施例の逆導通型ＩＧＢＴに内蔵される縦型ダイオードを説明する。本実施例の逆導通型ＩＧＢＴ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。逆導通型ＩＧＢＴは、半導体基板内にＩＧＢＴ範囲とダイオード範囲を備えており、ＩＧＢＴ範囲には縦型ＩＧＢＴを構成するための構造が形成されており、ダイオード範囲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いる。本実施例の縦型ダイオードは、ＰｉＮダイオードと称されるタイプである。 Hereinafter, a vertical diode built in the reverse conducting IGBT of the present embodiment will be described with reference to the drawings. The reverse conducting IGBT of the present embodiment 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 reverse conducting IGBT has an IGBT range and a diode range in a semiconductor substrate. A structure for forming a vertical IGBT is formed in the IGBT range, and a vertical diode is formed in the diode range. The structure is formed. The vertical diode of this example is a type called a PiN diode.

図１に示されるように、縦型ダイオード１０は、ｎ⁻型のシリコン単結晶の半導体基板２０を用いて形成されており、ｎ^＋型のカソード領域２２とｎ型のバッファ領域２３とｎ⁻型のドリフト領域２４とｎ型のバリア領域２６とｐ型のアノード領域２８と絶縁トレンチ３６を備えている。 As shown in FIG. 1, the vertical diode 10 is formed using an n ⁻ type silicon single crystal semiconductor substrate 20, and includes an n ⁺ type cathode region 22, an n type buffer region 23, and an n ^{− type.} A type drift region 24, an n type barrier region 26, a p type anode region 28, and an insulating trench 36 are provided.

カソード領域２２は、イオン注入技術を利用して、半導体基板２０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２２は、半導体基板２０の裏面に形成されている図示しないカソード電極に接続されている。カソード領域２２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２０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２２のドーズ量は約１×１０^１４〜１×１０^１６ｃｍ^−２であり、ピーク濃度が約１×１０^１８〜１×１０^２０ｃｍ^−３であるのが望ましい。 The cathode region 22 is formed by introducing phosphorus ions into the back layer portion of the semiconductor substrate 20 using an ion implantation technique. The cathode region 22 is connected to a cathode electrode (not shown) formed on the back surface of the semiconductor substrate 20. The ion implantation process for forming the cathode region 22 is performed under conditions where the peak concentration exceeds the substrate concentration of the semiconductor substrate 20. In one example, the cathode region 22 preferably has a dose of about 1 × 10 ¹⁴ to 1 × 10 ¹⁶ cm ⁻² and a peak concentration of about 1 × 10 ¹⁸ to 1 × 10 ²⁰ cm ⁻³ .

バッファ領域２３は、イオン注入技術を利用して、半導体基板２０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２３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２０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２３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 23 is formed by introducing phosphorus ions into the back layer portion of the semiconductor substrate 20 using an ion implantation technique. The ion implantation process for forming the buffer region 23 is performed under conditions where the peak concentration exceeds the substrate concentration of the semiconductor substrate 20. In one example, the dose of the buffer region 23 is preferably about 1 × 10 ¹² to 1 × 10 ¹⁴ cm ⁻² and the peak concentration is preferably about 1 × 10 ¹⁶ to 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ .

ドリフト領域２４は、他の拡散領域を形成した残部であり、下側ドリフト領域２４ａと上側ドリフト領域２４ｂを有している。下側ドリフト領域２４ａはカソード領域２２とバリア領域２６の間に形成されており、上側ドリフト領域２４ｂはバリア領域２６とアノード領域２８の間に形成されている。換言すると、ドリフト領域２４は、バリア領域２６によって下側ドリフト領域２４ａと上側ドリフト領域２４ｂに隔てられている。ドリフト領域２４の不純物濃度は、半導体基板２０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２４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 24 is a remaining part in which another diffusion region is formed, and has a lower drift region 24a and an upper drift region 24b. The lower drift region 24 a is formed between the cathode region 22 and the barrier region 26, and the upper drift region 24 b is formed between the barrier region 26 and the anode region 28. In other words, the drift region 24 is separated by the barrier region 26 into the lower drift region 24a and the upper drift region 24b. The impurity concentration of the drift region 24 substantially matches the substrate concentration of the semiconductor substrate 20 and is constant in the thickness direction. In one example, it is desirable that the impurity concentration of the drift region 24 is about 1 × 10 ¹³ to 1 × 10 ¹⁵ cm ⁻³ .

バリア領域２６は、イオン注入技術を利用して、半導体基板２０の表層部にリンイオンを導入して形成されている。バリア領域２６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２０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、アノード領域２８の下端よりも深く、絶縁トレンチ３６の底面よりも浅い深さに調整される。一例では、バリア領域２６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。また、バリア領域２６のピーク深さは約１．５〜５．０μｍであるのが望ましい。 The barrier region 26 is formed by introducing phosphorus ions into the surface layer portion of the semiconductor substrate 20 using an ion implantation technique. The ion implantation process for forming the barrier region 26 is performed under conditions where the peak concentration exceeds the substrate concentration of the semiconductor substrate 20. The depth at which the peak concentration is formed is adjusted to be deeper than the lower end of the anode region 28 and shallower than the bottom surface of the insulating trench 36. In one example, the dose of the barrier region 26 is preferably about 1 × 10 ¹² to 1 × 10 ¹⁴ cm ⁻² and the peak concentration is preferably about 1 × 10 ¹⁶ to 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ . Further, the peak depth of the barrier region 26 is desirably about 1.5 to 5.0 μm.

アノード領域２８は、イオン注入技術を利用して、半導体基板２０の表層部にボロンイオンを導入して形成されている。アノード領域２８は、半導体基板２０の表面に形成されている図示しないアノード電極に接続されている。アノード領域２８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２０の基板濃度を超える条件で実施される。一例では、アノード領域２８のドーズ量は約５×１０^１１〜１×１０^１４ｃｍ^−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。また、アノード領域２８の下端の深さは約０．５〜１．０μｍであるのが望ましい。 The anode region 28 is formed by introducing boron ions into the surface layer portion of the semiconductor substrate 20 using an ion implantation technique. The anode region 28 is connected to an anode electrode (not shown) formed on the surface of the semiconductor substrate 20. The ion implantation process for forming the anode region 28 is performed under conditions where the peak concentration exceeds the substrate concentration of the semiconductor substrate 20. In one example, it is desirable that the dose amount of the anode region 28 is about 5 × 10 ¹¹ to 1 × 10 ¹⁴ cm ⁻² and the peak concentration is about 1 × 10 ¹⁶ to 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ . The depth of the lower end of the anode region 28 is preferably about 0.5 to 1.0 μm.

絶縁トレンチ３６は、絶縁膜３４とその絶縁膜３４で被覆されるポリシリコン部３２とを有している。絶縁トレンチ３６は、ＩＧＢＴ範囲の絶縁トレンチゲートと同時に形成される。ポリシリコン部３２は、アノード領域２８と同一の電位に固定されていてもよいし、電気的に絶縁されたフローティングであってもよい。一例では、平面視したときに、絶縁トレンチ３６のレイアウトはストライプ状である。また、絶縁トレンチ３６の底面の深さは約３．０〜７．０μｍであり、メサ幅Ｗ１は約０．５〜７．０μｍであり、ピッチ幅Ｗ２は約１．５〜８．０μｍであるのが望ましい。 The insulating trench 36 has an insulating film 34 and a polysilicon portion 32 covered with the insulating film 34. The insulation trench 36 is formed simultaneously with the insulation trench gate in the IGBT range. The polysilicon part 32 may be fixed at the same potential as the anode region 28 or may be an electrically insulated floating. In one example, the layout of the insulating trench 36 is striped when viewed in plan. The depth of the bottom surface of the insulating trench 36 is about 3.0 to 7.0 μm, the mesa width W1 is about 0.5 to 7.0 μm, and the pitch width W2 is about 1.5 to 8.0 μm. It is desirable.

ダイオード１０は、バリア領域２６を備えていることを１つの特徴としている。バリア領域２６は、アノード領域２８から注入される正孔に対して電位障壁を形成する。このため、バリア領域２６が設けられていると、順方向電圧が印加されているときに、アノード領域２８から注入される正孔の注入量が抑えられ、リカバリ特性が改善される。 One feature of the diode 10 is that it includes a barrier region 26. The barrier region 26 forms a potential barrier against holes injected from the anode region 28. For this reason, when the barrier region 26 is provided, the amount of holes injected from the anode region 28 when the forward voltage is applied is suppressed, and the recovery characteristics are improved.

ダイオード１０はさらに、絶縁トレンチ３６を備えていることを１つの特徴としている。絶縁トレンチ３６が設けられていると、逆方向電圧が印加されているときに、絶縁トレンチ３６の底面に電界を集中させることができる。このため、図２に示されるように、縦型ダイオード１０の耐圧は、絶縁トレンチ３６のメサ幅Ｗ１のような絶縁トレンチ３６の形態に依存する。例えば、図２に示されるように、絶縁トレンチ３６のメサ幅Ｗ１を４μｍ以下にすれば、２０００Ｖ以上の耐圧を確保することができる。したがって、縦型ダイオード１０では、絶縁トレンチ３６の形態によって必要な耐圧を確保しながら、バリア領域２６の不純物濃度を濃くすることができる。 The diode 10 is further characterized by including an insulating trench 36. When the insulating trench 36 is provided, an electric field can be concentrated on the bottom surface of the insulating trench 36 when a reverse voltage is applied. Therefore, as shown in FIG. 2, the breakdown voltage of the vertical diode 10 depends on the form of the insulating trench 36 such as the mesa width W <b> 1 of the insulating trench 36. For example, as shown in FIG. 2, if the mesa width W1 of the insulating trench 36 is 4 μm or less, a breakdown voltage of 2000 V or more can be secured. Therefore, in the vertical diode 10, the impurity concentration of the barrier region 26 can be increased while ensuring a necessary breakdown voltage depending on the form of the insulating trench 36.

図３に示されるように、バリア領域２６のドーズ量が増加すると、逆回復電荷量（Ｑｒｒ）が減少する。このため、バリア領域２６のドーズ量が増加すると、リカバリ時の損失が低下する。一方、バリア領域２６のドーズ量が増加しても、リーク電流は増加していない。 As shown in FIG. 3, as the dose of the barrier region 26 increases, the reverse recovery charge amount (Qrr) decreases. For this reason, when the dose amount of the barrier region 26 increases, the loss during recovery decreases. On the other hand, even if the dose of the barrier region 26 increases, the leakage current does not increase.

さらに、縦型ダイオード１０は、バリア領域２６とアノード領域２８が離れていることを特徴としている。すなわち、バリア領域２６とアノード領域２８は、上側ドリフト領域２４ｂによって隔てられていることを特徴としている。図４に、半導体基板２０の表面からの深さと不純物濃度の関係を示す。図４に示されるように、縦型ダイオード１０では、バリア領域２６を形成するために導入した不純物とアノード領域２８を形成するために導入した不純物が同一濃度となる深さにおけるその濃度が、半導体基板２０の基板濃度よりも薄い。 Further, the vertical diode 10 is characterized in that the barrier region 26 and the anode region 28 are separated from each other. That is, the barrier region 26 and the anode region 28 are characterized by being separated by the upper drift region 24b. FIG. 4 shows the relationship between the depth from the surface of the semiconductor substrate 20 and the impurity concentration. As shown in FIG. 4, in the vertical diode 10, the concentration of the impurity introduced to form the barrier region 26 and the impurity introduced to form the anode region 28 at a depth at which the impurity concentration is the same is that of the semiconductor. It is thinner than the substrate concentration of the substrate 20.

半導体基板２０の基板濃度は極めて薄い。このため、バリア領域２６を形成するために導入した不純物とアノード領域２８を形成するために導入した不純物が同一濃度となる深さにおけるその濃度が、半導体基板２０の基板濃度よりも薄い場合、バリア領域２６とアノード領域２８は実質的に離れていると評価できる。なお、バリア領域２６とアノード領域２８は、０．５μｍ以上離れているのが望ましい。換言すれば、上側ドリフト領域２４ｂの厚みが０．５μｍ以上であるのが望ましい。従来技術のように、バリア領域２６とアノード領域２８が接触して形成されていると、バリア領域２６の形成位置が、バリア領域２６の製造ばらつきに加えて、アノード領域２８の製造ばらつきも影響してしまう。一方、縦型ダイオード１０では、バリア領域２６の形成位置が、バリア領域２６の製造ばらつきにのみ依存する。このため、縦型ダイオード１０では、バリア領域２６を所望の位置に形成することができるので、素子毎の特性のばらつきが抑えられる。 The substrate concentration of the semiconductor substrate 20 is extremely thin. Therefore, when the impurity introduced to form the barrier region 26 and the impurity introduced to form the anode region 28 at a depth where the same concentration is lower than the substrate concentration of the semiconductor substrate 20, the barrier It can be appreciated that the region 26 and the anode region 28 are substantially separated. The barrier region 26 and the anode region 28 are preferably separated by 0.5 μm or more. In other words, it is desirable that the thickness of the upper drift region 24b is 0.5 μm or more. When the barrier region 26 and the anode region 28 are formed in contact with each other as in the prior art, the formation position of the barrier region 26 affects the manufacturing variation of the anode region 28 in addition to the manufacturing variation of the barrier region 26. End up. On the other hand, in the vertical diode 10, the formation position of the barrier region 26 depends only on the manufacturing variation of the barrier region 26. For this reason, in the vertical diode 10, since the barrier region 26 can be formed at a desired position, variations in characteristics among elements can be suppressed.

図５に示されるように、縦型ダイオード１１では、カソード領域２２が複数のカソード部分領域２２ａで構成されていることを特徴としている。複数のカソード部分領域２２ａは、半導体基板２０の厚み方向に直交する面内において、分散して設けられている。なお、一例では、複数のカソード部分領域２２ａは、平面視したときにストライプ状であり、絶縁トレンチ３６に平行である。また、カソード部分領域２２ａは、厚み方向において、アノード領域２８及びバリア領域２６の下方に配置されている。 As shown in FIG. 5, the vertical diode 11 is characterized in that the cathode region 22 is composed of a plurality of cathode partial regions 22a. The plurality of cathode partial regions 22 a are provided in a distributed manner in a plane orthogonal to the thickness direction of the semiconductor substrate 20. In one example, the plurality of cathode partial regions 22 a are striped when viewed in plan and are parallel to the insulating trench 36. The cathode partial region 22a is disposed below the anode region 28 and the barrier region 26 in the thickness direction.

縦型ダイオード１１も、半導体基板２０の表層部にバリア領域２６と絶縁トレンチ３６が形成されている。このため、アノード領域２８から注入される正孔量が低く抑えられている。この場合、逆回復電荷量（Ｑｒｒ）は、カソード領域２２から注入される電子量が支配的となる。カソード領域２２が複数のカソード部分領域２２ａで構成されていると、半導体基板２０の裏層部に占めるカソード領域２２の面積が減少するので、カソード領域２２から注入される電子量が減少し、逆回復電荷量（Ｑｒｒ）がさらに減少する。 The vertical diode 11 also has a barrier region 26 and an insulating trench 36 formed in the surface layer portion of the semiconductor substrate 20. For this reason, the amount of holes injected from the anode region 28 is kept low. In this case, the amount of electrons injected from the cathode region 22 is dominant in the reverse recovery charge amount (Qrr). When the cathode region 22 is composed of a plurality of cathode partial regions 22a, the area of the cathode region 22 occupying the back layer portion of the semiconductor substrate 20 is reduced, so that the amount of electrons injected from the cathode region 22 is reduced and vice versa. The recovery charge amount (Qrr) further decreases.

なお、半導体基板２０の表層部にバリア領域２６と絶縁トレンチ３６が形成されていないような場合、逆回復電荷量（Ｑｒｒ）はアノード領域２８から注入される正孔が支配的であり、カソード領域２２を分散させる効果がほとんど発揮されない。本実施例の縦型ダイオード１１のように、半導体基板２０の表層部にバリア領域２６と絶縁トレンチ３６が形成されているような場合、カソード領域２２を分散させる効果が顕著に発揮される。すなわち、半導体基板２０の表層部にバリア領域２６と絶縁トレンチ３６を形成する技術とカソード領域２２を分散させる技術の組合わせは極めて有用である。 When the barrier region 26 and the insulating trench 36 are not formed in the surface layer portion of the semiconductor substrate 20, the reverse recovery charge amount (Qrr) is dominated by holes injected from the anode region 28, and the cathode region. The effect of dispersing 22 is hardly exhibited. When the barrier region 26 and the insulating trench 36 are formed in the surface layer portion of the semiconductor substrate 20 as in the vertical diode 11 of this embodiment, the effect of dispersing the cathode region 22 is remarkably exhibited. That is, a combination of a technique for forming the barrier region 26 and the insulating trench 36 in the surface layer portion of the semiconductor substrate 20 and a technique for dispersing the cathode region 22 is extremely useful.

図６に示されるように、縦型ダイオード１２は、隣り合うカソード部分領域２２ａの間に設けられているｐ^＋型の介在領域２３をさらに備えていることを特徴としている。この形態によると、半導体基板２０の裏層部から注入されるキャリア量がさらに抑えられ、リカバリ時の損失がさらに低下する。 As shown in FIG. 6, the vertical diode 12 is further characterized by further including a p ⁺ -type intervening region 23 provided between adjacent cathode partial regions 22 a. According to this embodiment, the amount of carriers injected from the back layer portion of the semiconductor substrate 20 is further suppressed, and the loss during recovery is further reduced.

図７に示されるように、縦型ダイオード１３では、バリア領域２６ａが、隣り合う絶縁トレンチ３６の間において、一方の絶縁トレンチ３６の側面から他方の絶縁トレンチ３６の側面まで連続して形成されていない。換言すると、ドリフト領域２４の下側ドリフト領域２４ａと上側ドリフト領域２４ｂが、隣り合う絶縁トレンチ３６の間において厚み方向で連続している。図７では、バリア領域２６ａと絶縁トレンチ３６が離れており、絶縁トレンチ３６の側面近傍でドリフト領域２４の下側ドリフト領域２４ａと上側ドリフト領域２４ｂが連続している。なお、図８に示されるように、バリア領域２６ａが、隣り合う絶縁トレンチ３６の中央部近傍で分断されており、その中央部近傍でドリフト領域２４の下側ドリフト領域２４ａと上側ドリフト領域２４ｂが連続していてもよい。 As shown in FIG. 7, in the vertical diode 13, the barrier region 26 a is continuously formed from the side surface of one insulating trench 36 to the side surface of the other insulating trench 36 between adjacent insulating trenches 36. Absent. In other words, the lower drift region 24 a and the upper drift region 24 b of the drift region 24 are continuous in the thickness direction between the adjacent insulating trenches 36. In FIG. 7, the barrier region 26 a and the insulating trench 36 are separated from each other, and the lower drift region 24 a and the upper drift region 24 b of the drift region 24 are continuous near the side surface of the insulating trench 36. As shown in FIG. 8, the barrier region 26a is divided in the vicinity of the central portion of the adjacent insulating trench 36, and the lower drift region 24a and the upper drift region 24b of the drift region 24 are formed in the vicinity of the central portion. It may be continuous.

バリア領域２６ａのピーク濃度は、濃くなるほどアノード領域２８から注入されるキャリア量が抑えられるので、リカバリ特性を改善することができる。一方で、バリア領域２６ａのピーク濃度がある一定値を超えると、正孔の注入が完全に防止され、定常損失が急激に悪化する。バリア領域２６ａが連続して形成されていないと、ピーク濃度を濃くしながら定常損失の急激な悪化を防止することができる。 As the peak concentration of the barrier region 26a increases, the amount of carriers injected from the anode region 28 is suppressed, so that the recovery characteristics can be improved. On the other hand, when the peak concentration of the barrier region 26a exceeds a certain value, the injection of holes is completely prevented, and the steady loss rapidly deteriorates. If the barrier region 26a is not continuously formed, it is possible to prevent the steady loss from rapidly deteriorating while increasing the peak concentration.

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.

２０：半導体基板
２２：カソード領域
２４：ドリフト領域
２４ａ：下側ドリフト領域
２４ｂ：上側ドリフト領域
２６：バリア領域
２８：アノード領域
３６：絶縁トレンチ
20: Semiconductor substrate 22: Cathode region 24: Drift region 24a: Lower drift region 24b: Upper drift region 26: Barrier region 28: Anode region 36: Insulation trench

Claims

A diode using a semiconductor substrate of a first conductivity type,
An anode region of a second conductivity type formed in a surface layer portion of the semiconductor substrate;
A plurality of insulating trenches formed in the surface layer portion of the semiconductor substrate and penetrating the anode region;
A first layer is formed in the surface layer portion of the semiconductor substrate, is located deeper than the anode region, shallower than the insulating trench, and has a peak concentration higher than the substrate concentration of the semiconductor substrate. A conductive type barrier region, and
A diode in which the barrier region and the anode region are separated.

A cathode region of a first conductivity type formed in a back layer portion of the semiconductor substrate and having a peak concentration higher than the substrate concentration of the semiconductor substrate;
The cathode region is composed of a plurality of cathode partial regions,
2. The diode according to claim 1, wherein the plurality of cathode partial regions are provided in a distributed manner in a plane orthogonal to the thickness direction of the semiconductor substrate.

The diode according to claim 2, further comprising a second conductivity type intervening region provided between the adjacent cathode partial regions.

The said barrier area | region is not formed continuously from the side surface of one said insulation trench to the side surface of the other said insulation trench between the said adjacent insulation trenches. diode.