JP6597826B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、高耐圧パワーモジュール(≧600V)に用いられるダイオードなどの半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device such as a diode used in a high voltage power module (≧ 600 V).
1950年代の半導体黎明期以降、Siベースのp−i−nダイオードにおける高周波発振現象(例えば非特許文献1参照)と破壊現象(例えば非特許文献2参照)について様々な研究がなされてきた。近年になって、高速動作化が進むパワーデバイスにおいて周辺回路の誤動作とデバイス自身のサージ破壊を招くこれらの現象が再び注目されてきた(例えば非特許文献3参照)。 Since the dawn of the semiconductor in the 1950s, various studies have been made on the high-frequency oscillation phenomenon (see, for example, Non-Patent Document 1) and the destruction phenomenon (see, for example, Non-Patent Document 2) in Si-based pin diodes. In recent years, these phenomena that cause malfunctions of peripheral circuits and surge destruction of the devices themselves have been attracting attention again in power devices that are operating at higher speeds (see, for example, Non-Patent Document 3).
高速リカバリーダイオードにおいて、これらの現象が高Vcc、高配線インダクタンス(Ls)、低動作温度、及び低電流密度(JA)等のハードリカバリー条件下で顕著になることが分かっている(例えば非特許文献5,11参照)。高速リカバリーダイオードでは、厚いn−型ドリフト層又は厚いn型バッファ層の採用とライフタイム制御技術の適用等(例えば非特許文献5〜7参照)、いわゆる”ソフトリカバリー化”によって、上記の課題が解決されてきた。しかし、これらの手法には、EMI(Electromagnetic Compatibility)ノイズ、破壊耐量及びトータルロスのトレードオフ関係があり、高いレベルで両立させることが難しかった。
In fast recovery diodes, these phenomena have been found to be significant under hard recovery conditions such as high Vcc, high wiring inductance (Ls), low operating temperature, and low current density (JA) (eg, non-patent literature). 5, 11). In the high-speed recovery diode, the above-mentioned problems are caused by so-called “soft recovery” such as adoption of a thick n − -type drift layer or a thick n-type buffer layer and application of lifetime control technology (for example, see Non-Patent
一方、RFCダイオード(例えば非特許文献10〜14参照)をはじめとする裏面にp+型層を形成するダイオード(例えば非特許文献4,8,9参照)によって、ダイオードの主要特性は著しく向上された。しかし、さらなる開発課題として、リーク電流を下げることによる動作温度範囲の高温側への拡張、高電流密度領域のVF(ダイオードのオン時の電圧降下)を下げることによる最大遮断電流密度の向上、及びバッファ構造を強化することによるアバランシェ耐量の向上が残されていた。
On the other hand, the main characteristics of the diode are remarkably improved by a diode (see, for example,
また、n−型ドリフト層とn型カソード層の間に両者の中間の不純物濃度を持つn型バッファ層を設けたダイオードが提案されている(例えば、特許文献1,2参照)。特許文献1にはn型バッファ層の濃度勾配の具体的な数値は記載されていないが、特許文献1の図3から濃度勾配は8×103cm−1と見積もることができる。また、特許文献2のn型バッファ層は非特許文献10に記載の構成であり、その濃度勾配は1×105cm−1である。
In addition, a diode has been proposed in which an n-type buffer layer having an intermediate impurity concentration is provided between an n − -type drift layer and an n-type cathode layer (see, for example,
従来の半導体装置では、n−型ドリフト層とn型バッファ層の接続部分におけるキャリア濃度の傾斜が8×103cm−1又は1×105cm−1と急峻であるため、接続部分の電界強度の高まりによってスナップオフが生じる。さらに、スナップオフをトリガーとして高周波発振が生じるという問題があった。 In the conventional semiconductor device, since the slope of the carrier concentration in the connection portion between the n − type drift layer and the n type buffer layer is steep as 8 × 10 3 cm −1 or 1 × 10 5 cm −1 , the electric field in the connection portion is Increased strength causes snap-off. Furthermore, there has been a problem that high-frequency oscillation occurs using snap-off as a trigger.
また、従来のダイオードのVFとリカバリー損失ERECのトレードオフ特性は、重金属拡散や電子又はイオンの照射を用いライフタイム制御手法により調整されていた。しかし、電子又はイオン照射時の被照射体との照射角度や温度等により、VF、ERECのばらつきが大きい。また、チップ通電動作時の自己発熱により格子欠陥が変化して電気的特性が変動する。さらに、格子欠陥起因のリーク電流が大きいことにより高温動作時に熱暴走が発生する。このため、ライフタイム制御手法に頼らないVF−ERECトレードオフ特性の制御手法の確立が望まれてきた。 Further, the trade-off characteristics between VF and recovery loss EREC of a conventional diode have been adjusted by a lifetime control method using heavy metal diffusion or electron or ion irradiation. However, variations in VF and EREC are large depending on the irradiation angle and temperature with the irradiated object during electron or ion irradiation. Further, the lattice characteristics change due to self-heating during the chip energization operation, and the electrical characteristics fluctuate. Furthermore, a large amount of leakage current due to lattice defects causes thermal runaway during high temperature operation. For this reason, establishment of the control method of the VF-EREC trade-off characteristic which does not depend on a lifetime control method has been desired.
様々な用途にパワーデバイスが用いられるようになり、IGBT、ダイオード等にもアバランシェ耐量が要求されてきている。しかし、寄生のバイポーラトランジスタ構造を有する半導体装置では、そのような構造が無い半導体装置に比べてアバランシェ耐量が減少する。また、VF−EREC特性の改善を狙ってn−型ドリフト層の厚みを薄くするとアバランシェ耐量が著しく低下する。また、寄生のバイポーラトランジスタ構造を有する半導体装置では、そのような構造が無い半導体装置に比べて最大可制御電流密度が低下する。 Power devices have been used for various purposes, and avalanche resistance has been required for IGBTs, diodes, and the like. However, in a semiconductor device having a parasitic bipolar transistor structure, the avalanche resistance is reduced as compared with a semiconductor device without such a structure. Further, when the thickness of the n − -type drift layer is reduced in order to improve the VF-EREC characteristics, the avalanche resistance is remarkably lowered. Further, in a semiconductor device having a parasitic bipolar transistor structure, the maximum controllable current density is lower than that of a semiconductor device without such a structure.
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は高発振耐量を実現することができる半導体装置を得るものである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to obtain a semiconductor device capable of realizing a high oscillation tolerance.
本発明に係る半導体装置は、n型ドリフト層と、前記n型ドリフト層の上面に設けられたp型ベース層と、前記p型ベース層上に部分的に設けられたn型エミッタ層と、前記n型エミッタ層及び前記p型ベース層を貫通するように設けられたトレンチゲートと、前記n型ドリフト層の下面に設けられたp型コレクタ層と、前記n型ドリフト層と前記p型コレクタ層の間に設けられたn型バッファ層とを備え、前記n型バッファ層のキャリア濃度のピークは、前記n型ドリフト層より高く、前記p型コレクタ層より低く、前記n型バッファ層のキャリア濃度は、前記n型ドリフト層との界面で前記n型ドリフト層のキャリア濃度と同じであって、前記n型ドリフト層側から前記p型コレクタ層側に向かって増加し、前記n型ドリフト層と前記p型コレクタ層との間の前記キャリア濃度の自然対数を前記n型ドリフト層から前記p型コレクタ層に向かう距離に対応させて表した場合の前記キャリア濃度の自然対数の傾斜は前記n型バッファ層全体において20〜2000cm−1であることを特徴とする。 A semiconductor device according to the present invention includes an n-type drift layer, a p-type base layer provided on an upper surface of the n-type drift layer, an n-type emitter layer partially provided on the p-type base layer, A trench gate provided so as to penetrate the n-type emitter layer and the p-type base layer; a p-type collector layer provided on a lower surface of the n-type drift layer; the n-type drift layer and the p-type collector; An n-type buffer layer provided between the layers, and the carrier concentration peak of the n-type buffer layer is higher than that of the n-type drift layer and lower than that of the p-type collector layer. The concentration is the same as the carrier concentration of the n-type drift layer at the interface with the n-type drift layer, and increases from the n-type drift layer side to the p-type collector layer side. And p Wherein the natural logarithm of the slope of the carrier concentration across the n-type buffer layer when the natural logarithm of the carrier concentration was expressed in correspondence to the distance toward the p-type collector layer from the n-type drift layer between the collector layer characterized in that it is a 20~2000Cm -1 in.
本発明により、高発振耐量を実現することができる。 According to the present invention, a high oscillation tolerance can be realized.
本発明の実施の形態に係る半導体装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。 A semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The same or corresponding components are denoted by the same reference numerals, and repeated description may be omitted.
実施の形態1.
図1及び図2は、それぞれ本発明の実施の形態1に係る半導体装置を示す上面図及び下面図である。図3は、図1及び図2のI−IIに沿った断面図である。n−型ドリフト層1の上面にp型アノード層2が設けられている。n−型ドリフト層1の下面にn型カソード層3が設けられている。
1 and 2 are a top view and a bottom view, respectively, showing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line I-II in FIGS. 1 and 2. A p-
n−型ドリフト層1とn型カソード層3の間にn型バッファ層4が設けられている。n型バッファ層4の不純物のピーク濃度は、n−型ドリフト層1より高く、n型カソード層3より低い。p型アノード層2にアノード電極5がオーミック接触し、n型カソード層3にカソード電極6がオーミック接触している。
An n-
図4は、深さに対するキャリア濃度を示す図である。n型バッファ層4の深さをDbuffer、n型ドリフト層とn型バッファ層の接続部分におけるキャリア濃度の自然対数の傾斜を濃度勾配∇nbuffer[cm−1]、n型バッファ層4中の実効ドーズ量をφeff[cm−2]、n−型ドリフト層1のキャリア濃度をn0[cm−3]とする。これらの関係は以下の数式で表される。
図5は、キャリア濃度の自然対数の傾斜∇nbufferに対するVF、EREC、Vsnap−off、JA(break)を示す図である。VFはオン状態での電圧降下、ERECはリカバリー損失、Vsnap−offはリカバリー時のオーバーシュート電圧、JA(break)は最大可制御電流密度である。このデータに基づいて、VF、EREC、Vsnap−offを低くし、JA(break)を高くするために、濃度勾配∇nbufferを20〜2000cm−1にする。なお、従来技術では濃度勾配が105cm−1程度であり、本実施の形態に比べて急峻であった。 FIG. 5 is a diagram showing V F , E REC , V snap-off , and J A (break) with respect to the natural logarithmic slope ∇ n buffer of the carrier concentration. V F is the voltage drop in the ON state, E REC is the recovery loss, V snap-off is the overshoot voltage at the time of recovery, and J A (break) is the maximum controllable current density. Based on this data, in order to lower V F , E REC , and V snap-off and to increase J A (break) , the concentration gradient n buffer is set to 20 to 2000 cm −1 . In the prior art, the concentration gradient is about 10 5 cm −1, which is steep compared to the present embodiment.
本実施の形態のようにn−型ドリフト層1とn型バッファ層4の接続部分のキャリア濃度が緩くブロードに分布した深いバッファ構造をCPL(Controlling Plasma Layer)バッファ構造と呼ぶ。このCPLバッファ構造によりリカバリー時における同境界部分での電界強度の高まりを抑制することができる。この結果、カソード側の電界強度の高まりによって生じるスナップオフと、それをトリガーとして発生する高周波発振を防ぐことができるため、高発振耐量を実現することができる。
A deep buffer structure in which the carrier concentration at the connection portion between the n −
また、n型バッファ層4の実効ドーズ量φeffを、n−型ドリフト層1の実効ドーズ量よりも高い1×1012〜5×1012cm−2に設定する。これにより、n型バッファ層4の総ドーズ量がn−型ドリフト層1の総ドーズ量と同程度になるため、n−型ドリフト層1とn型バッファ層4の双方で耐圧を保持できる。従って、n型バッファ層4が無い場合に比べて同等耐圧を保持するのに必要なn−型ドリフト層1の厚みを薄くでき、トータルロスを低減することができる。
Further, the effective dose φ eff of the n-
なお、n−型ドリフト層1のキャリア濃度n0は、耐圧クラスに依存して決定される。一例として、600〜6500Vクラスの場合、キャリア濃度n0は1×1012〜1×1015cm−3である。n型カソード層3の表面濃度は1×1019〜5×1020cm3、拡散深さは0.5〜2μmである。n型バッファ層4の厚みDbufferは上記の数式のとおりn0、∇nbuffer、φeffの関数である。
The carrier concentration n 0 of the n −
また、n型バッファ層4のピーク濃度とn−型ドリフト層1のピーク濃度の比は1×10−4〜1×10−1である。n型バッファ層4とn−型ドリフト層1の深さの比は0.1〜10である。
The ratio of the peak concentration of the n-
実施の形態2.
図6は、本発明の実施の形態2に係る半導体装置を示す断面図である。実施の形態1はダイオードであったが、本実施の形態はIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)である。
FIG. 6 is a sectional view showing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. Although the first embodiment is a diode, this embodiment is an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).
p型アノード層2はp型ベース層であり、そのピーク濃度は1.0×1016〜1.0×1018cm−3である。p型アノード層2上のウエハ表面部に部分的にp+型拡散層7とn+型エミッタ層8が形成されている。n+型エミッタ層8のピーク濃度は1.0×1018〜1.0×1021cm−3、深さは0.2〜1.0μmである。
The p-
p型アノード層2とn−型ドリフト層1の間にn+型層9が形成されている。n+型層9は、ピーク濃度が1.0×1015〜1.0×1017cm−3であり、深さがp型アノード層2より0.5〜1.0μm深い。
An n + type layer 9 is formed between the p
n+型エミッタ層8、p型アノード層2及びn+型層9を貫通するようにトレンチゲート10が設けられている。トレンチゲート10上には層間絶縁膜11が設けられている。アノード電極5はエミッタ電極であり、p+型拡散層7に接続されている。n型カソード層3の代わりにp型コレクタ層12が設けられている。カソード電極6はコレクタ電極であり、p型コレクタ層12にオーミック接触する。
A
n型バッファ層4のピーク濃度は、n−型ドリフト層1より高く、p型コレクタ層12より低い。そして、実施の形態1と同様に、n−型ドリフト層1とn型バッファ層4の接続部分におけるキャリア濃度の自然対数の傾斜を20〜2000cm−1にする。そして、n型バッファ層4の実効ドーズ量φeffを、n−型ドリフト層1の実効ドーズ量よりも高い1×1012〜5×1012cm−2に設定する。これにより、IGBTの場合であっても実施の形態1と同様の効果を得ることができる。
The n-
実施の形態3.
図7は、本発明の実施の形態3に係る半導体装置を示す断面図である。実施の形態1の単層のn型カソード層3の代わりに、n型カソード層3とp型カソード層13が横に並んで交互に配置されている。カソード電極6はn型カソード層3とp型カソード層13にオーミック接触する。従って、p型カソード層13はカソード電極6を通じてn型カソード層3と短絡している。n型カソード層3のピーク濃度はp型カソード層13よりも高い。
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to
n−型ドリフト層1の深さtn−、n型カソード層3の幅Wn、p型カソード層13の幅Wpの間に以下の関係が成り立つ。
2・tn−≧(Wn+Wp)≧tn−/10
The following relationship holds among the depth tn − of the n −
2 · tn − ≧ (Wn + Wp) ≧ tn − / 10
本実施の形態の効果を比較例と比較して説明する。具体的には、耐圧1700Vに設計した本実施の形態と比較例のダイオードにおけるVrrm、スナップオフ耐量とリカバリー耐量に対するn型バッファ層4のピーク濃度と拡散深さの依存性について説明する。図8は、比較例に係る半導体装置を示す断面図である。比較例にはn型バッファ層4が無く、n型カソード層3が単層である。
The effect of this embodiment will be described in comparison with a comparative example. Specifically, the dependence of the peak concentration and diffusion depth of the n-
ここで、非特許文献14の図4のピーク電圧Vsnap−offに対するリカバリー条件の許容度合いをスナップオフ耐量と呼ぶ。スナップオフ耐量が高いほど、高印加電圧、低電流、低温、高速電流遮断等、いわゆるハードリカバリー条件下での動作が許容できる。また、非特許文献14の図7に表される印加電圧Vccと最大遮断電流密度JA(break)からなる安全動作領域をリカバリー耐量と呼ぶ。リカバリー耐量が高いほど、高印加電圧、大電流密度条件でのリカバリー動作が許容できる。 Here, the tolerance of the recovery condition with respect to the peak voltage V snap-off in FIG. The higher the snap-off tolerance, the higher the allowable operation under so-called hard recovery conditions such as high applied voltage, low current, low temperature, and high-speed current interruption. In addition, a safe operation region composed of the applied voltage Vcc and the maximum cut-off current density JA (break) shown in FIG. The higher the recovery tolerance, the more acceptable the recovery operation under high applied voltage and large current density conditions.
図9は、シミュレーションに用いたn型バッファ層のピーク濃度と拡散深さを示す図である。この図のようにドーズ量を3.75×1012cm−2に固定し、三角形近似で設定したピーク濃度と拡散深さを設定してガウス分布に近いn型バッファ層4を模擬した。また、n型バッファ層4の厚みに関わらず、n−型ドリフト層1の厚みは一定とした。
FIG. 9 is a diagram showing the peak concentration and diffusion depth of the n-type buffer layer used in the simulation. As shown in this figure, the dose amount was fixed at 3.75 × 10 12 cm −2 , and the peak concentration and diffusion depth set by triangular approximation were set to simulate the n-
図10は、比較例と実施の形態3における耐圧波形のバッファ層の厚み依存性のシミュレーション結果を示す図である。何れのダイオードも耐圧1700Vに設計している。図11,12は、比較例と実施の形態3におけるsnappy recovery波形のVcc依存性のシミュレーション結果を示す図である。n型バッファ層4のピーク濃度は5×1016cm−3、n型バッファ層4の厚みは図11では1.5μm、図12では50μmである。
FIG. 10 is a diagram illustrating simulation results of the buffer layer thickness dependency of the withstand voltage waveform in the comparative example and the third embodiment. Both diodes are designed to withstand voltage 1700V. 11 and 12 are diagrams illustrating simulation results of Vcc dependency of the snappy recovery waveform in the comparative example and the third embodiment. The peak concentration of the n-
比較例では、主接合部での電界強度の高まりによるインパクトイオン化で発生した電子がn−型ドリフト層1中の高電界によってカソード側に走行する。これにより、電子の濃度がバッファ層中のキャリア濃度を上回ることで、ポアソン方程式の関係からn型バッファ層4中の電界の傾きが逆になり、主接合に加えてカソード側でも電界強度が高まる。従って、比較例では、n型バッファ層4が厚いほど、JR=10A/cm2程度から負性微分抵抗NDRの特性がより顕著に現れる。JR=100〜1000A/cm2辺りでは、主接合とカソード側の両方でインパクトイオン化が発生し、主接合側とカソード側の双方からn−型ドリフト層1中に電子と正孔が供給され、2次降伏に至る。
In the comparative example, electrons generated by impact ionization due to an increase in electric field strength at the main junction travel to the cathode side due to a high electric field in the n −
一方、本実施の形態では、耐圧波形にNDR特性が現れず、n型バッファ層4が薄い場合には耐圧波形のJR=1A/cm2あたりで2次降伏が現れる。この小電流領域での2次降伏は、ダイオードのリカバリーSOAにおける最大遮断電流密度の低下やアバランシェ耐量の低下を招くことから、2次降伏の発生ポイントを大電流化することが求められる。その一方で、NDR特性を示すようなダイオード構造は、リカバリー時にカソード側の電界が持ち上がることで電圧サージとスナップオフが発生し、それをトリガーとして高周波発振が発生しやすい(図11,12を参照)。このため、ダイオードの耐圧波形は、NDR特性や2次降伏によるS字カーブを示さず、直線的なラインに近づける必要がある。図10から読み取るとn型バッファ層4は厚いほうが良いことになる。
On the other hand, in the present embodiment, NDR characteristics do not appear in the breakdown voltage waveform, and when the n-
しかし、n−型ドリフト層1の厚みを一定として単にn型バッファ層4を厚くすると、オン状態における抵抗成分が大きくなり、VFの増加(悪化)を招く。そこで、本実施の形態ではn−型ドリフト層1とn型バッファ層4の接続部分におけるキャリア濃度の自然対数の傾斜を20〜2000cm−1とする。このように接続部分における濃度変化を緩くすることで、耐圧波形の2次降伏及びNDRを防ぎ、VFの増加を抑えながら、リカバリー時における接続部分での電界強度の高まりを抑制することができる。この結果、カソード側の電界強度の高まりによって生じるスナップオフと、それをトリガーとして発生する高周波発振を防ぐことができるため、高発振耐量を実現することができる。
However, if the thickness of the n −
また、(Wn+Wp)で表される幅をRFCセルピッチと呼ぶ。RFCセルピッチを細かくすると、VFは増加し、ERECは減少する。即ち、VF−ERECトレードオフカーブが高速側にシフトする。従って、インバータへ組み込むフリーホイールダイオードに本実施の形態を適用する場合に、用途に合わせてRFCセルピッチを調整することでVF−ERECトレードオフ特性を調整することができる。ただし、RFCセルピッチを細かく設定し過ぎると、スナップオフ耐量が低下し、逆に粗く設定し過ぎるとリカバリー耐量が低下する。 The width represented by (Wn + Wp) is referred to as an RFC cell pitch. If the RFC cell pitch is made finer, VF increases and EREC decreases. That is, the VF-EREC trade-off curve shifts to the high speed side. Therefore, when this embodiment is applied to a free wheel diode incorporated in an inverter, the VF-EREC trade-off characteristic can be adjusted by adjusting the RFC cell pitch according to the application. However, if the RFC cell pitch is set too fine, the snap-off resistance is reduced, and conversely if the setting is too coarse, the recovery resistance is reduced.
また、(Wp/(Wn+Wp))で表される割合をRFCセルショート率と呼ぶ。RFCセルショート率を小さくすると、VFは増加し、ERECは減少する。即ち、VF−ERECトレードオフカーブが高速側にシフトする。従って、インバータへ組み込むフリーホイールダイオードに本実施の形態を適用する場合に、用途に合わせてRFCセルショート率を調整することでVF−ERECトレードオフ特性を調整することができる。ただし、RFCセルショート率を小さく設定し過ぎると、スナップオフ耐量が低下し、クロスポイントが増加し、逆に大きく設定し過ぎるとリカバリー耐量が低下する。 Further, a ratio represented by (Wp / (Wn + Wp)) is called an RFC cell short-circuit rate. When the RFC cell short-circuit rate is reduced, VF increases and EREC decreases. That is, the VF-EREC trade-off curve shifts to the high speed side. Therefore, when this embodiment is applied to a freewheel diode incorporated in an inverter, the VF-EREC trade-off characteristic can be adjusted by adjusting the RFC cell short-circuit rate according to the application. However, if the RFC cell short-circuit rate is set too small, the snap-off resistance decreases, the cross point increases, and conversely if it is set too large, the recovery resistance decreases.
このように、本実施の形態では、RFCセルピッチ又はRFCセルショート率を調整することで、ライフタイム制御手法に頼らずにVF−ERECトレードオフ特性を制御することができる。 Thus, in the present embodiment, the VF-EREC trade-off characteristic can be controlled without depending on the lifetime control method by adjusting the RFC cell pitch or the RFC cell short-circuit rate.
また、p型カソード層13のドーズ量を少なくすると、スナップオフ耐量は低下するが、ERECとリーク電流を抑制することができる。P型カソード層13のドーズ量を増やすとその逆の結果が得られる。これに対して本実施の形態ではスナップオフ耐量とリカバリー耐量が確保でき、p型カソード層13のドーズ量の設定許容範囲を拡大することができる。
Further, when the dose amount of the p-
単純なp−n接合ではVFの温度依存性は基本的に正であり、温度が上がると電流が流れやすくなる。パワーチップを並列に接続した大容量のパワーモジュールにおいてチップの温度分布に偏りが生じると、発熱量が大きいチップにさらに電流が流れて発熱するという正の帰還が発生し、モジュールの破壊を引き起こす可能性がある。そこで、室温のVFカーブと高温のVFカーブが交差する電流値(クロスポイント)は低いほうが望ましい。本実施の形態では、アノードとカソードの実効的なドーズ量を下げ、双方からのキャリア注入効率を下げることができるため、低い電流値でのクロスポイントを実現することができる。 In a simple pn junction, the temperature dependence of VF is basically positive, and current easily flows as the temperature rises. In a large-capacity power module in which power chips are connected in parallel, if the temperature distribution of the chip is biased, a positive feedback occurs in which more current flows through the chip that generates a large amount of heat and heat is generated, which may cause module destruction. There is sex. Therefore, it is desirable that the current value (cross point) at which the room temperature VF curve intersects the high temperature VF curve is low. In this embodiment, since the effective dose amount of the anode and the cathode can be lowered and the carrier injection efficiency from both can be lowered, a cross point at a low current value can be realized.
また、カソード電極6がn型カソード層3にオーム接触し、p型カソード層13にショットキー接触するようにしてもよい。カソード電極6とp型カソード層13の間のショットキー障壁差が大きいことで、寄生のpnpトランジスタに対して抵抗成分が付加されたのと同様の状態になり、寄生のpnpトランジスタ動作によるデバイス縦方向の電流を抑制することができる。この結果、高リカバリーSOAと高アバランシェ耐量を実現することができる。
Further, the
実施の形態4.
図13は、本発明の実施の形態4に係る半導体装置を示す裏面図である。図14は図13のI−IIに沿った断面図である。実施の形態3の単層のn型バッファ層4の代わりに、n型バッファ層4とn型バッファ層14が横に並んで交互に配置されている。n型バッファ層4はn−型ドリフト層1とn型カソード層3の間に設けられ、n型バッファ層14はn−型ドリフト層1とp型カソード層13の間に設けられている。n型バッファ層4,14のピーク濃度は、n−型ドリフト層1より高く、n型カソード層3より低い。n型バッファ層4のピーク濃度はn型バッファ層14よりも高い。その他の構成は実施の形態3と同様である。
FIG. 13 is a back view showing the semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention. FIG. 14 is a cross-sectional view taken along the line I-II in FIG. Instead of the single-layer n-
図15は図13のIII−IVに沿った断面図である。p型アノード層2が設けられた領域が活性領域であり、それより外側の領域が終端領域である。終端領域のアノード側には一般的なp型ガードリング層15が設けられ、終端領域の最外周部にn型チャネルストッパ層16が設けられている。p型ガードリング層15のピーク濃度はp型アノード層2より高く、n型チャネルストッパ層16のピーク濃度はn−型ドリフト層1より高い。
FIG. 15 is a cross-sectional view taken along line III-IV in FIG. The region where the p-
終端領域のカソード構造は、p型アノード層2の最外周部から活性領域側に距離WGR:10〜500um離れた位置から始まる。終端領域のカソード構造はn型層17とp型層18の二層構造である。
The cathode structure of the termination region starts from a position away from the outermost periphery of the p-
本実施の形態では、n型カソード層3上のn型バッファ層4のドーズ量を高くすることで、オン状態でのカソード側からの電子の注入効率が高まる。また、L負荷回路での誘導起電力を印加して装置をアバランシェ状態に至らせた際に空乏層がp型カソード層13まで到達し難くなり、耐圧波形のNDR(2次降伏)が抑制される。この結果、低VFと高アバランシェ耐量を実現することができる。アバランシェ状態の許容度合いをアバランシェ耐量と呼ぶ。
In the present embodiment, by increasing the dose amount of the n-
また、n型カソード層3とp型カソード層13はストライプパターンである。これにより、想定するn型カソード層3とp型カソード層13の比を反映させたパターンを簡単に設計することができる。
The n-
図16は、本発明の実施の形態4に係る半導体装置の変形例1を示す下面図である。このように終端領域のカソードがn型であっても上記と同様の効果を得ることができる。 FIG. 16 is a bottom view showing a first modification of the semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention. As described above, the same effect as described above can be obtained even if the cathode of the termination region is n-type.
図17は、本発明の実施の形態4に係る半導体装置の変形例2を示す下面図である。n型カソード層3がドットパターンである。これにより、コーナー部にも配慮したパターン設計が可能となり、均一なデバイス動作を実現することができる。この結果、高リカバリーSOAを実現することができる。なお、p型カソード層13がドットパターンでも同様の効果を得ることができる。
FIG. 17 is a bottom view showing a second modification of the semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention. The n-
実施の形態5.
図18は、本発明の実施の形態5に係る半導体装置を示す断面図である。n型バッファ層4の深さがn型バッファ層14よりも深い。その他の構成は実施の形態4と同じである。この場合でも実施の形態4と同様の効果を得ることができる。
FIG. 18 is a sectional view showing a semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention. The n-
実施の形態6.
図19は、本発明の実施の形態6に係る半導体装置を示す断面図である。実施の形態4の単層のp型アノード層2の代わりに、p型アノード層2とp型アノード層19が横に並んで交互に配置されている。アノード電極5はp型アノード層2,19にオーミック接触する。従って、p型アノード層19はアノード電極5を通じてp型アノード層2と短絡している。p型アノード層19のピーク濃度はp型アノード層2よりも低い。p型アノード層2とp型アノード層19のピーク濃度比が0.5〜500である。
FIG. 19 is a sectional view showing a semiconductor device according to the sixth embodiment of the present invention. Instead of the single-layer p-
低濃度のp型アノード層19を設けたことでオン状態におけるアノード側の注入効率が抑制されるため、オン状態のアノード側のキャリア濃度が低下し、発振のトリガーであるカソード側の電界強度の持ち上がりを抑制することができる。また、オン状態にn−型ドリフト層1内のキャリアが少ないため、リカバリー時に終端領域と活性領域の境界部にキャリアが集中して破壊に至る現象を抑制することができる。この結果、高リカバリーSOA、高発振耐量、低VF、低クロスポイント、高サージ電流耐量を実現することができる。
By providing the low-concentration p-
実施の形態7.
図20は、本発明の実施の形態7に係る半導体装置を示す断面図である。p型アノード層19がp型アノード層2の上面の一部のみに設けられている。p型アノード層2の深さに対するp型アノード層19の深さの比が0.1〜0.9である。この場合でも実施の形態6と同様の効果を得ることができる。
FIG. 20 is a sectional view showing a semiconductor device according to the seventh embodiment of the present invention. The p-
実施の形態8.
図21は、本発明の実施の形態8に係る半導体装置を示す断面図である。終端領域のn−型ドリフト層1の下面に単層のn型層17のみが設けられている。カソード電極6がn型層17に接触して電気的に接続されている。n型層17は1×1015〜1×1016cm−3のピーク濃度を持つ。これにより、n型バッファ層14はカソード電極6に対して接触抵抗が大きくなる。従って、オン状態において終端領域のカソード側からの電子の注入を抑え、リカバリーSOAを高めることができる。
FIG. 21 is a sectional view showing a semiconductor device according to the eighth embodiment of the present invention. Only a single n-
実施の形態9.
図22は、本発明の実施の形態9に係る半導体装置を示す断面図である。n型バッファ層4が単層であり、かつ終端領域のカソード構造もn型層17の単層である。これにより実施の形態8よりも更に構成を簡略化できる。
FIG. 22 is a sectional view showing a semiconductor device according to the ninth embodiment of the present invention. The n-
実施の形態10.
図23は、本発明の実施の形態10に係る半導体装置を示す断面図である。終端領域の最外周部にn型チャネルストッパバッファ層20が設けられている。n型チャネルストッパバッファ層20中にn型チャネルストッパ層21及びp型チャネルストッパ層22が設けられている。n型チャネルストッパバッファ層20のピーク濃度はn−型ドリフト層1より高い。n型チャネルストッパ層21のピーク濃度はn型チャネルストッパバッファ層20及びp型チャネルストッパ層22より高い。これにより、高リカバリーSOAを実現することができる。
FIG. 23 is a sectional view showing a semiconductor device according to the tenth embodiment of the present invention. An n-type channel
実施の形態11.
図24は、本発明の実施の形態11に係る半導体装置を示す断面図である。一般的なp型ガードリング層15の代わりにLNFLR(Linearly-Narrowed Field Limiting Ring)構造23が設けられている。LNFLR構造23は、活性領域から終端領域に向かって周期的に並列する複数のp型層である。この複数のp型層は終端領域に向かって線形な濃度勾配を持つ。
FIG. 24 is a sectional view showing a semiconductor device according to the eleventh embodiment of the present invention. Instead of a general p-type
活性領域のp型アノード層2とLNFLR構造23の間にRESURF(Reduced Surface Field)構造24が設けられている。RESURF構造24は、活性領域端に形成した深いp層と、LNFLR構造23の拡散層と同じ拡散深さのp層を有する。RESURF構造24のドーズ量は2×1012/m2、幅は5〜100umである。RESURF構造24を設けることでリカバリー時の電界ピークを緩和することができる。
A RESURF (Reduced Surface Field)
実施の形態12.
図25は、本発明の実施の形態12に係る半導体装置を示す断面図である。実施の形態11のRESURF構造24の代わりに、本実施の形態ではVLD(Variation of Lateral Doping)構造25が設けられている。VLD構造25は活性領域端に形成した深いp層と、この深いp層とLNFLR拡散層の深さを接続するように勾配を持たせたp層とを有する。
FIG. 25 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to
実施の形態13.
図26は、本発明の実施の形態13に係る半導体装置を示す断面図である。活性領域にIGBTが設けられ、終端領域にLNFLR構造23が設けられている。この場合でも実施の形態11と同様の効果を得ることができる。
FIG. 26 is a sectional view showing a semiconductor device according to the thirteenth embodiment of the present invention. An IGBT is provided in the active region, and an
なお、本願の半導体装置は、珪素によって形成されたものに限らず、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成されたものでもよい。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドである。このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成された半導体装置は、耐電圧性や許容電流密度が高いため、小型化できる。この小型化された装置を用いることで、この装置を組み込んだ半導体モジュールも小型化できる。また、素子の耐熱性が高いため、ヒートシンクの放熱フィンを小型化でき、水冷部を空冷化できるので、半導体モジュールを更に小型化できる。また、素子の電力損失が低く高効率であるため、半導体モジュールを高効率化できる。 Note that the semiconductor device of the present application is not limited to one formed of silicon, and may be formed of a wide band gap semiconductor having a larger band gap than silicon. The wide band gap semiconductor is, for example, silicon carbide, a gallium nitride-based material, or diamond. A semiconductor device formed of such a wide band gap semiconductor has high voltage resistance and high allowable current density, and thus can be miniaturized. By using this miniaturized device, a semiconductor module incorporating this device can also be miniaturized. Further, since the heat resistance of the element is high, the heat dissipating fins of the heat sink can be miniaturized and the water cooling part can be air cooled, so that the semiconductor module can be further miniaturized. In addition, since the power loss of the element is low and the efficiency is high, the efficiency of the semiconductor module can be increased.
また、上記の実施の形態では1200V又は1700Vクラスの低・中耐圧クラスを例にとって説明した。しかし、耐圧クラスに関係なく上記の効果を得ることができる。 In the above embodiment, the low / medium withstand voltage class of 1200V or 1700V class has been described as an example. However, the above effects can be obtained regardless of the breakdown voltage class.
1 n−型ドリフト層、2,19 p型アノード層、3 n型カソード層、4,14 n型バッファ層、6 カソード電極、12 p型コレクタ層、13 p型カソード層、17 n型層、20 n型チャネルストッパバッファ層、21 n型チャネルストッパ層、22 p型チャネルストッパ層、23 LNFLR構造、24 RESURF構造、25 VLD構造 1 n − type drift layer, 2, 19 p type anode layer, 3 n type cathode layer, 4, 14 n type buffer layer, 6 cathode electrode, 12 p type collector layer, 13 p type cathode layer, 17 n type layer, 20 n-type channel stopper buffer layer, 21 n-type channel stopper layer, 22 p-type channel stopper layer, 23 LNFLR structure, 24 RESURF structure, 25 VLD structure
Claims (3)
前記n型ドリフト層の上面に設けられたp型ベース層と、
前記p型ベース層上に部分的に設けられたn型エミッタ層と、
前記n型エミッタ層及び前記p型ベース層を貫通するように設けられたトレンチゲートと、
前記n型ドリフト層の下面に設けられたp型コレクタ層と、
前記n型ドリフト層と前記p型コレクタ層の間に設けられたn型バッファ層とを備え、
前記n型バッファ層のキャリア濃度のピークは、前記n型ドリフト層より高く、前記p型コレクタ層より低く、
前記n型バッファ層のキャリア濃度は、前記n型ドリフト層との界面で前記n型ドリフト層のキャリア濃度と同じであって、前記n型ドリフト層側から前記p型コレクタ層側に向かって増加し、
前記n型ドリフト層と前記p型コレクタ層との間の前記キャリア濃度の自然対数を前記n型ドリフト層から前記p型コレクタ層に向かう距離に対応させて表した場合の前記キャリア濃度の自然対数の傾斜は前記n型バッファ層全体において20〜2000cm−1であることを特徴とする半導体装置。 an n-type drift layer;
A p-type base layer provided on an upper surface of the n-type drift layer;
An n-type emitter layer partially provided on the p-type base layer;
A trench gate provided so as to penetrate the n-type emitter layer and the p-type base layer;
A p-type collector layer provided on the lower surface of the n-type drift layer;
An n-type buffer layer provided between the n-type drift layer and the p-type collector layer;
The peak of the carrier concentration of the n-type buffer layer is higher than the n-type drift layer and lower than the p-type collector layer,
The carrier concentration of the n-type buffer layer is the same as the carrier concentration of the n-type drift layer at the interface with the n-type drift layer, and increases from the n-type drift layer side toward the p-type collector layer side. And
The natural logarithm of the carrier concentration when the natural logarithm of the carrier concentration between the n-type drift layer and the p-type collector layer is expressed in correspondence with the distance from the n-type drift layer to the p-type collector layer. The inclination of the semiconductor device is 20 to 2000 cm −1 in the entire n-type buffer layer .
前記p型ベース層の外端部に設けられたRESURF(Reduced Surface Field)構造とを更に備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。 An LNFLR (Linearly-Narrowed Field Limiting Ring) structure in which a plurality of p-type layers have a linear concentration gradient from the active region toward the termination region;
The semiconductor device according to claim 1, further comprising a RESURF (Reduced Surface Field) structure provided at an outer end portion of the p-type base layer.
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