JP6445952B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、半導体装置に関する。
電力変換などの用途に用いられる半導体装置として、RC−IGBT(Reverse Conducting Insulated. Gate Bipolar Transistor)がある。RC−IGBTは、逆並列に接続されたIGBTとダイオードを有する。RC−IGBTについて、ダイオードをスイッチングさせた際に、電圧の振動が生じうる。電圧の振動が生じると、RC−IGBTに接続された他の回路素子の誤動作などが生じうるため、電圧の振動は小さいことが望ましい。
特開2015−109341号公報
本発明が解決しようとする課題は、電圧の振動を抑制できる半導体装置を提供することである。
実施形態に係る半導体装置は、第1電極と、第1導電形の第1半導体領域と、第2導電形の第2半導体領域と、第2導電形の第3半導体領域と、第1導電形の第4半導体領域と、第2導電形の第5半導体領域と、第2導電形の第6半導体領域と、第1導電形の第7半導体領域と、ゲート電極と、ゲート絶縁層と、第2電極と、を有する。
前記第1半導体領域は、前記第1電極の一部の上に設けられている。
前記第2半導体領域は、前記第1電極の他の一部の上に設けられている。
前記第3半導体領域は、前記第1電極の上において前記第1半導体領域と前記第2半導体領域との間に設けられている。前記第3半導体領域の第2導電形の不純物濃度は、前記第2半導体領域の第2導電形の不純物濃度よりも高い。
前記第4半導体領域は、前記第1半導体領域、前記第2半導体領域、および前記第3半導体領域の上に設けられている。
前記第5半導体領域は、前記第4半導体領域の上に設けられ、前記第1半導体領域の上に位置している。
前記第6半導体領域は、前記第4半導体領域の上に設けられ、前記第2半導体領域の上に位置している。
前記第7半導体領域は、前記第6半導体領域の上に選択的に設けられている。
前記ゲート絶縁層は、前記ゲート電極と、前記第4半導体領域、前記第6半導体領域、および前記第7半導体領域のそれぞれと、の間に設けられている。
前記第2電極は、前記第5半導体領域および前記第7半導体領域の上に設けられている。
実施形態に係る半導体装置の一部を表す断面図である。 実施形態に係る半導体装置の一部を表す底面図である。 実施形態に係る半導体装置の製造工程を表す工程断面図である。 実施形態に係る半導体装置の製造工程を表す工程断面図である。 実施形態の第1変形例に係る半導体装置の一部を表す断面図である。 実施形態の第2変形例に係る半導体装置の一部を表す断面図である。
以下に、本発明の各実施形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
また、本願明細書と各図において、既に説明したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
各実施形態の説明には、XYZ直交座標系を用いる。コレクタ電極40からエミッタ電極41に向かう方向をZ方向(第3方向)とする。n形カソード領域1からp形コレクタ領域2に向かう方向をX方向(第1方向)とする。X方向およびZ方向に対して垂直な方向をY方向(第2方向)とする。
以下の説明において、n、n、n及びp++、p、pの表記は、各導電形における不純物濃度の相対的な高低を表す。すなわち、nはnよりもn形の不純物濃度が相対的に高く、nはnよりもn形の不純物濃度が相対的に低いことを示す。また、p++はpよりもp形の不純物濃度が相対的に高く、pはpよりもp形の不純物濃度が相対的に低いことを示す。
以下で説明する各実施形態について、各半導体領域のp形とn形を反転させて各実施形態を実施してもよい。
図1および図2を用いて、実施形態に係る半導体装置100について説明する。
図1は、実施形態に係る半導体装置100の一部を表す断面図である。
図2は、実施形態に係る半導体装置100の一部を表す底面図である。
半導体装置100は、例えば、RC−IGBT(Reverse Conducting Insulated. Gate Bipolar Transistor)である。
図1に表すように、半導体装置100は、ダイオード領域110およびIGBT領域120を有する。ダイオード領域110は、例えば、FWD(Free Wheel Diode)として機能する。
ダイオード領域110は、n形(第1導電形)カソード領域1(第1半導体領域)、p形(第2導電形)アノード領域5(第5半導体領域)、p形アノード領域9、電極20、および絶縁層21を有する。
IGBT領域120は、p形コレクタ領域2(第2半導体領域)、p形ベース領域6(第6半導体領域)、n形エミッタ領域7(第7半導体領域)、ゲート電極30、およびゲート絶縁層31を有する。
コレクタ電極40(第1電極)、n形バッファ領域8(第8半導体領域)、n形半導体領域4(第4半導体領域)、エミッタ電極41(第2電極)は、これらの領域の両方に設けられている。
コレクタ電極40は、半導体装置100の裏面に設けられている。
形カソード領域1は、コレクタ電極40の一部の上に設けられている。
形コレクタ領域2は、コレクタ電極40の他の一部の上に設けられている。
コレクタ電極40の上であってn形カソード領域1とp形コレクタ領域2との間には、p++形半導体領域3(第3半導体領域)が設けられている。
n形バッファ領域8は、n形カソード領域1、p形コレクタ領域2、およびp++形半導体領域3の上に設けられている。n形バッファ領域8の一部が、X方向において、n形カソード領域1、p形コレクタ領域2、およびp++形半導体領域3と並び、これらの領域の間に設けられていてもよい。
形半導体領域4は、n形バッファ領域8の上に設けられている。
p形アノード領域5は、n形半導体領域4の上に設けられ、n形カソード領域1の上に位置している。p形アノード領域9は、p形アノード領域5の上に選択的に設けられている。
電極20は、X方向においてp形アノード領域5と並んでいる。絶縁層21は、電極20と、n形半導体領域4、p形アノード領域5、およびp形アノード領域9のそれぞれと、の間に設けられている。
電極20、p形アノード領域5、およびp形アノード領域9は、ダイオード領域110において、X方向に複数設けられ、それぞれがY方向に延びている。
p形ベース領域6は、n形半導体領域4の上に設けられ、p形コレクタ領域2の上に位置している。n形エミッタ領域7は、p形ベース領域6の上に選択的に設けられている。
ゲート電極30は、X方向においてp形ベース領域6と並んでいる。ゲート絶縁層31は、ゲート電極30と、n形半導体領域4、p形ベース領域6、およびn形エミッタ領域7のそれぞれと、の間に設けられている。
ゲート電極30、p形ベース領域6、およびn形エミッタ領域7は、IGBT領域120において、X方向に複数設けられ、それぞれがY方向に延びている。
半導体装置100の表面には、エミッタ電極41が設けられている。エミッタ電極41は、p形アノード領域9およびn形エミッタ領域7の上に位置し、これらの半導体領域と電気的に接続されている。
ゲート電極30とエミッタ電極41との間には、ゲート絶縁層31が設けられ、これらの電極は電気的に分離されている。
電極20は、エミッタ電極41と電気的に接続されている。電極20がエミッタ電極41と電気的に接続されていることで、半導体装置100がオフ状態のときに絶縁層21からn形半導体領域4に向けて空乏層が延び、ダイオード領域110における耐圧を向上させることができる。
半導体装置100では、X方向において、ダイオード領域110とIGBT領域120が交互に設けられている。このため、n形カソード領域1とp形コレクタ領域2は、X方向において交互に設けられ、これらの間にp++形半導体領域3が設けられている。また、それぞれのp++形半導体領域3は、Z方向においてp形アノード領域5と並んでいる。図1に表すように、p++形半導体領域3の一部が、Z方向においてp形ベース領域6と並んでいてもよい。
例えば、図2(a)に表すように、p++形半導体領域3は、n形カソード領域1とp形コレクタ領域2との間において、Y方向に延びている。
または、図2(b)に表すように、p++形半導体領域3は、n形カソード領域1とp形コレクタ領域2との間において、Y方向に複数設けられていてもよい。この場合、p++形半導体領域3とn形バッファ領域8の一部とが、Y方向において交互に設けられる。
あるいは、図2(c)に表すように、p++形半導体領域3は、n形カソード領域1とp形コレクタ領域2との間において、X方向において複数設けられていてもよい。この場合、p++形半導体領域3とn形バッファ領域8の一部とが、X方向において交互に設けられる。
その他、p++形半導体領域3がX方向およびY方向において複数設けられていてもよい。
また、p++形半導体領域3のX方向における長さおよびY方向における長さは、ともに40μm以上であることが望ましい。
ここで、半導体装置100の動作について説明する。
コレクタ電極40に、エミッタ電極41に対して正の電圧が印加された状態で、ゲート電極30に閾値以上の電圧が印加されることで、IGBTがオン状態となる。このとき、p形ベース領域6のゲート絶縁層31近傍の領域にチャネル(反転層)が形成される。電子は、このチャネルを介してn形エミッタ領域7からn形半導体領域4に注入され、正孔は、p形コレクタ領域2およびp++形半導体領域3からn形半導体領域4に注入される。その後、ゲート電極30に印加される電圧が閾値よりも低くなると、p形ベース領域6におけるチャネルが消滅し、IGBTがオフ状態となる。
IGBTがオフ状態のときに、コレクタ電極40に対してエミッタ電極41に正の電圧(順方向電圧)が印加されると、ダイオード領域110に含まれるダイオードに順方向電流が流れる。その後、エミッタ電極41に対してコレクタ電極40に正の電圧(逆方向電圧)が印加されると、ダイオード領域110に流れていたキャリアがコレクタ電極40およびエミッタ電極41から排出される。
ここで、各構成要素の材料の一例を説明する。
形カソード領域1、p形コレクタ領域2、p++形半導体領域3、n形半導体領域4、p形アノード領域5、p形アノード領域9、p形ベース領域6、n形エミッタ領域7、およびn形バッファ領域8は、半導体材料として、シリコン、炭化シリコン、窒化ガリウム、またはガリウムヒ素を含む。
半導体材料に添加されるn形不純物としては、ヒ素、リン、またはアンチモンを用いることができる。p形不純物としては、ボロンを用いることができる。
電極20およびゲート電極30は、ポリシリコンなどの導電材料を含む。
絶縁層21およびゲート絶縁層31は、酸化シリコンなどの絶縁材料を含む。
コレクタ電極40およびエミッタ電極41は、アルミニウムなどの金属を含む。
次に、図3および図4を用いて、実施形態に係る半導体装置100の製造方法の一例を説明する。
図3および図4は、実施形態に係る半導体装置100の製造工程を表す工程断面図である。
まず、n形半導体層9aおよびn形半導体層4aを有する半導体基板を用意する。次に、n形半導体層4aの表面にp形不純物をイオン注入し、p形半導体領域を形成する。続いて、このp形半導体領域を貫通し、n形半導体層4aに達する複数の開口OPを形成する。このとき、開口OP同士の間に位置するp形半導体領域の一部が、p形アノード領域5に相当し、他の一部がp形ベース領域6に相当する。続いて、図3(a)に表すように、熱酸化により、開口OPの内壁およびp形半導体領域の表面に絶縁層IL1を形成する。
次に、絶縁層IL1の上に導電層を形成する。この導電層をエッチバックし、表面を後退させることで、互いに分離された複数の電極が形成される。このとき、複数の電極の一部が電極20に相当し、他の一部がゲート電極30に相当する。続いて、p形アノード領域5の表面の一部にp形不純物をイオン注入することで、p形アノード領域9を形成する。続いて、p形ベース領域6の表面の一部にn形不純物をイオン注入することで、n形エミッタ領域7を形成する。このときの様子を、図3(b)に表す。
次に、電極20およびゲート電極30を覆う絶縁層IL2を形成する。続いて、p形アノード領域9、n形エミッタ領域7、および電極20が露出するように、絶縁層IL1およびIL2をパターニングする。続いて、図4(a)に表すように、露出されたp形アノード領域9、n形エミッタ領域7、および電極20を覆う金属層を形成することで、エミッタ電極41を形成する。
次に、n形半導体層9aが所定の厚みになるまで、n形半導体層9aの裏面を研削する。続いて、n形半導体層9aの裏面にn形不純物およびp形不純物を順次イオン注入することで、n形カソード領域1、p形コレクタ領域2、およびp++形半導体領域3を形成する。その後、これらの半導体領域を覆う金属層を形成し、コレクタ電極40を形成することで、半導体装置100が得られる。
ここで、本実施形態による作用および効果について説明する。
まず、ダイオード領域110に印加される電圧が、順方向から逆方向に切り替わった際の、ダイオード領域110におけるキャリアの動きについて説明する。ダイオード領域110に逆方向電圧が印加されると、n形半導体領域4に蓄積されていたキャリアは、コレクタ電極40およびエミッタ電極41を通して排出される。このとき、キャリアの排出に要する時間(リカバリー時間)を短くすることで、半導体装置100のスイッチング損失を低減することができる。従って、スイッチング損失を低減するためには、順方向電流が流れる際の、ダイオード領域110へのキャリアの注入量を低減することが有効である。
しかし、キャリアの注入量が低減されると、逆方向電圧が印加された際に、n形半導体領域4とp形アノード領域5とのpn接合面から空乏層がより速く延びるようになる。そして、空乏層がn形カソード領域1に達した際の、空乏層の延びる速度が速いほど、コレクタ電極40とエミッタ電極41との間に生じる電圧の振動が大きくなる。
この点について、本発明の発明者らは、以下の点を発見した。
ダイオード領域110に逆方向電圧が印加されてpn接合面から空乏層が延びると、IGBT領域120のコレクタ電極40側の領域から正孔が注入される。そして、この注入された正孔によって、n形カソード領域1近傍における空乏層の延びる速度を抑制することができる。
この知見に基づき、本実施形態に係る半導体装置100では、n形カソード領域1とp形コレクタ領域2との間に、p形コレクタ領域2よりもp形不純物濃度が高いp++形半導体領域3が設けられている。
++形半導体領域3が設けられていることで、ダイオード領域110に逆方向電圧が印加されて空乏層が延びる際に、p++形半導体領域3から、より多くの正孔をダイオード領域110に注入することが可能となる。この結果、pn接合面近傍におけるキャリアの排出速度を向上させつつ、n形カソード領域1近傍における空乏層の延びる速度を抑制することができる。
さらに、p++形半導体領域3を設けることで、n形カソード領域1近傍の空乏層の延びる速度を抑制しつつ、IGBTのスイッチング損失を低減することができる。
これは以下の理由による。
形コレクタ領域2のp形不純物濃度を低下させると、IGBTがオン状態のときの、IGBT領域120への正孔の注入が抑制される。従って、IGBTをターンオフした際のIGBT領域120からキャリアが排出されるまでの時間を短縮し、IGBTのスイッチング損失を低減することができる。
しかし、p++形半導体領域3が設けられていない状態でp形コレクタ領域2のp形不純物濃度を低下させると、ダイオード領域110に逆方向電圧が印加された際に、IGBT領域120から注入される正孔の量が減少してしまう。すなわち、ダイオードをスイッチングさせた際の電圧の振動がより大きくなってしまう。
これに対して、本実施形態によれば、p形コレクタ領域2のp形不純物濃度を低減した場合でも、ダイオード領域110に逆方向電圧が印加された際には、p++形半導体領域3から正孔が注入される。このため、p形コレクタ領域2のp形不純物濃度を低減してIGBTのスイッチング損失を低減しつつ、p++形半導体領域3から注入される正孔により電圧の振動を抑制することが可能となる。
以上の通り、本実施形態によれば、半導体装置に含まれるダイオードおよびIGBTの両方のスイッチング損失を低減しつつ、ダイオードをスイッチングさせた際の電圧の振動を抑制することが可能となる。
また、p++形半導体領域3が、Z方向においてp形アノード領域5と並んでいることで、ダイオード領域110に逆方向電圧が印加された際に、pn接合面から延びる空乏層に対して、p++形半導体領域3から効率的に正孔を注入できる。このため、ダイオードをスイッチングさせた際の電圧の振動をさらに抑制することが可能となる。
また、図1に表すように、n形カソード領域1とp形コレクタ領域2がX方向において交互に設けられ、これらの間にp++形半導体領域3が設けられている場合、ダイオード領域110に逆方向電圧が印加された際に、n形カソード領域1の両側から正孔を注入することが可能となる。このため、半導体装置のスイッチング損失を低減しつつ、ダイオードをスイッチングさせた際の電圧の振動をより一層抑制することが可能となる。
(第1変形例)
図5は、実施形態の第1変形例に係る半導体装置200の一部を表す断面図である。
図5に表すように、それぞれのダイオード領域110に複数のn形カソード領域1が設けられ、n形カソード領域1とn形バッファ領域8の一部とが、X方向において交互に設けられていてもよい。
本変形例によれば、ダイオード領域110におけるn形カソード領域1の面積を低減し、ダイオードに順方向電圧が印加された際の、コレクタ電極40からの電子の注入を抑制することができる。このため、ダイオードのリカバリー時間を短縮し、半導体装置のスイッチング損失を低減することができる。
また、上述した通り、リカバリー時間を短縮した場合には電圧の振動が懸念されるが、本実施形態によれば、電圧の振動を好適に抑制することが可能である。従って、本変形例によれば、ダイオードをスイッチングさせた際の電圧の振動を抑制しつつ、半導体装置のスイッチング損失をより一層低減することが可能となる。
(第2変形例)
図6は、実施形態の第1変形例に係る半導体装置300の一部を表す断面図である。
図6に表すように、ダイオード領域110に電極20および絶縁層21が設けられていない半導体装置に対しても、本実施形態に係る発明を適用することが可能である。
半導体装置300において、p形アノード領域5は、n形半導体領域4の上に設けられ、X方向においてゲート電極30同士の間に位置している。p形アノード領域9は、p形アノード領域5の上に選択的に設けられている。
本変形例においても、図1に表す半導体装置と同様に、半導体装置のスイッチング損失を低減しつつ、ダイオードをスイッチングさせた際の電圧の振動を抑制することが可能である。
以上で説明した各実施形態における、各半導体領域の間の不純物濃度の相対的な高低については、例えば、SCM(走査型静電容量顕微鏡)を用いて確認することが可能である。なお、各半導体領域におけるキャリア濃度は、各半導体領域において活性化している不純物濃度と等しいものとみなすことができる。従って、各半導体領域の間のキャリア濃度の相対的な高低についても、SCMを用いて確認することができる。
また、各半導体領域における不純物濃度については、例えば、SIMS(二次イオン質量分析法)により測定することが可能である。
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。実施形態に含まれる、例えば、n形カソード領域1、p形コレクタ領域2、n形半導体領域4、p形アノード領域5、p形ベース領域6、n形エミッタ領域7、n形バッファ領域8、p形アノード領域9、電極20、絶縁層21、ゲート電極30、ゲート絶縁層31、コレクタ電極40、およびエミッタ電極41などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の技術から適宜選択することが可能である。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
1…n形カソード領域 2…p形コレクタ領域 3…p++形半導体領域 4…n形半導体領域 5…p形アノード領域 6…p形ベース領域 7…n形エミッタ領域 8…n形バッファ領域 9…p形アノード領域 20…電極 30…ゲート電極 100、200、300…半導体装置 110…ダイオード領域 120…IGBT領域

Claims (6)

  1. 第1電極と、
    前記第1電極の一部の上に設けられた第1導電形の第1半導体領域と、
    前記第1電極の他の一部の上に設けられた第2導電形の第2半導体領域と、
    前記第1電極の上において前記第1半導体領域と前記第2半導体領域との間に設けられ、前記第2半導体領域の第2導電形の不純物濃度よりも高い第2導電形の不純物濃度を有する第2導電形の第3半導体領域と、
    前記第1半導体領域、前記第2半導体領域、および前記第3半導体領域の上に設けられた第1導電形の第4半導体領域と、
    前記第4半導体領域の上に設けられ、前記第1半導体領域の上に位置する第2導電形の第5半導体領域と、
    前記第4半導体領域の上に設けられ、前記第2半導体領域の上に位置する第2導電形の第6半導体領域と、
    前記第6半導体領域の上に選択的に設けられた第1導電形の第7半導体領域と、
    ゲート電極と、
    前記ゲート電極と、前記第4半導体領域、前記第6半導体領域、および前記第7半導体領域のそれぞれと、の間に設けられたゲート絶縁層と、
    前記第5半導体領域および前記第7半導体領域の上に設けられた第2電極と、
    を備えた半導体装置。
  2. 少なくとも一部が、前記第4半導体領域と、前記第1半導体領域、前記第2半導体領域、および前記第3半導体領域のそれぞれと、の間に設けられた第1導電形の第8半導体領域をさらに備え、
    前記第8半導体領域の第1導電形の不純物濃度は、前記第1半導体領域の第1導電形の不純物濃度よりも低く、前記第4半導体領域の第1導電形の不純物濃度よりも高い請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記第3半導体領域は、前記第1半導体領域と前記第2半導体領域との間において複数設けられ、
    前記複数の第3半導体領域のそれぞれと、前記第8半導体領域の一部と、は、前記第1半導体領域から前記第2半導体領域に向かう第1方向に対して垂直な第2方向において、交互に設けられた請求項2記載の半導体装置。
  4. 前記第1半導体領域は、前記第1半導体領域から前記第2半導体領域に向かう第1方向において、複数設けられ、
    前記複数の第1半導体領域のそれぞれと、前記第8半導体領域の一部と、が前記第1方向において交互に設けられた請求項2記載の半導体装置。
  5. 前記第3半導体領域の少なくとも一部は、前記第1電極から前記第2電極に向かう第3方向において、前記第5半導体領域の一部と並ぶ請求項1〜4のいずれか1つに記載の半導体装置。
  6. 前記第1半導体領域、前記第2半導体領域、および前記第3半導体領域のそれぞれは、前記第1半導体領域から前記第2半導体領域に向かう第1方向において、複数設けられ、
    前記複数の第1半導体領域のそれぞれと、前記複数の第2半導体領域のそれぞれと、は、前記第1方向において交互に設けられ、
    前記複数の第3半導体領域のそれぞれは、前記複数の第1半導体領域のそれぞれと、前記複数の第2半導体領域のそれぞれと、の間に設けられた請求項1または2に記載の半導体装置。
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