JP6952631B2 - 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。
インバータなどの電力変換装置では、FWD(Free Wheeling Diode)と呼ばれるダイオード及びIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)が電力用半導体素子として組み合わされて用いられている。FWDは、p形半導体層からなるアノード層、高抵抗半導体層(以下、活性層)、及びn形半導体層からなるカソード層で構成される。インバータなどの電力変換装置にインダクタンスを有する負荷が接続されて電流が流れているときに、IGBTがタ−ンオフすると、電流はインダクタンスに並列に接続されているFWDを流れて還流する。この時のFWDでの電力損失(定常損失)を小さくするために、FWDの順方向電圧降下Vfは低いことが求められる。Vfは活性層中のキャリアが多いほど低くなる。
次に一定時間経過後にIGBTがタ−ンオンすると、FWDを流れていた還流電流は減少しタ−ンオフする。この時、スイッチング損失を少なくするためにはスイッチング時間が短い方が好ましいが、FWDを短い時間でスイッチングするには、活性層中のキャリアを短い時間で排出する必要があり、そのための電流(逆回復電流)が大きくなることによる損失は増える。
逆回復電流が小さいダイオ−ドとしてMPS(Merged P-i-N/Schottky)ダイオードがある。MPSダイオ−ドは、アノ−ド電極にオ−ミック接続領域とショットキ−接続領域を持ち、ショットキ−接続領域からのホ−ル注入が低いほど逆回復電流が小さくなり、ショットキ−接続領域の不純物濃度を低くする必要がある。しかしながら、ショットキ−接続領域の不純物濃度を低くすると、オフ時に空乏層がアノ−ド電極に達してしまうために、定格の耐圧が得られなくなるという問題がある。
また、耐圧を向上させるには、逆方向電圧印加時にアノード電極側に伸びる空乏層の広がりを抑制するのが望ましく、例えば、アノード領域内にP型のストッパ層を設けることが考えられる。しかしながら、ストッパ層を設けると、ストッパ層が電子のバリアになり、活性層にキャリアが蓄積されて逆回復電流が増大してしまう。
このように、耐圧をの確保と逆回復電流の減少との両方を同時に満たすようにするのは容易ではない。
特開2003−298072号公報
本発明の一態様は、逆回復電流を減少でき、かつ高耐圧化を実現可能な半導体装置を提供するものである。
本実施形態によれば、第1導電型の第1半導体領域と、
第2導電型の第2半導体領域と、
前記第1半導体領域及び前記第2半導体領域の接合面とは反対側の前記第1半導体領域の一主面上に配置される第1導電層と、
前記接合面とは反対側の前記第2半導体領域の一主面上に配置される第2導電層と、を備え、
前記第1半導体領域は、
第1導電型の第1拡散層と、
前記第1拡散層の一部にそれぞれ離隔して配置され、前記第1拡散層よりも不純物濃度が高い第1導電型の複数の第2拡散層と、
前記第1半導体領域及び前記第2半導体領域に包含ないし接触するようにそれぞれ離隔して配置され、前記第1拡散層よりも不純物濃度が高い第1導電型の複数の第3拡散層と、を有する、半導体装置が提供される。
第1の実施形態による半導体装置の断面図。 第1比較例によるダイオードの断面図。 第2比較例によるダイオードの断面図。 第3比較例によるダイオードの断面図。 図2のダイオードと図3のダイオードの順方向特性を比較する図。 図2のダイオードと図3のダイオードの逆方向特性を比較する図。 図2のダイオードの逆方向電圧印加時の空乏層端を示す図。 図3のダイオードの逆方向電圧印加時の空乏層端を示す図。 図4のダイオードの逆方向電圧印加時の空乏層端を示す図。 図2のダイオードと図4のダイオードの順方向特性を比較する図。 図2のダイオードと図4のダイオードのアノード領域近傍のキャリアプロファイルを比較する図。 図1に示す本実施形態によるダイオードの逆方向電圧印加時の空乏層端を示す図。 図1のダイオードと図2のダイオードの順方向特性を比較する図。 図1のダイオードと図2のダイオードの逆方向特性を比較する図。 図2のダイオードの電子濃度分布を示す図。 図1のダイオードの電子濃度分布を示す図。 図1のダイオードと図2のダイオードのアノード領域近傍のキャリアプロファイルを比較する図。 図1のダイオードと図2のダイオードの逆回復特性を示す図。 第2の実施形態による半導体装置の断面要部を模式的に示す図。
以下、図面を参照して本開示の一実施の形態について説明する。なお、本件明細書に添付する図面においては、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺および縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。
さらに、本明細書において用いる、形状や幾何学的条件並びにそれらの程度を特定する、例えば、「平行」、「直交」、「同一」等の用語や長さや角度の値等については、厳密な意味に縛られることなく、同様の機能を期待し得る程度の範囲を含めて解釈することとする。
(第1の実施形態)
図1は第1の実施形態による半導体装置1の断面図である。図1の半導体装置1は、例えばダイオード2である。図1の半導体装置1は、第1導電型の第1半導体領域3と、第2導電型の第2半導体領域4と、第1導電層5と、第2導電層6を備えている。
第1半導体領域3と第2半導体領域4の接合面は、例えばpn接合面7である。第1半導体領域3は例えばアノード領域11であり、第1導電型は例えばp型である。第2半導体領域4は例えばカソード領域12であり、第2導電型は例えばn型である。
第1導電層5は、第1半導体領域3及び第2半導体領域4の接合面とは反対側の第1半導体領域3の一主面上に配置されている。第1導電層5は、例えばアノード電極13である。第2導電層6は、第1半導体領域3及び第2半導体領域4の接合面とは反対側の第2半導体領域4の一主面上に配置されている。第2導電層6は、例えばカソード電極14である。
第1半導体領域3は、第1導電型の第1拡散層8と、第1導電型の複数の第2拡散層9と、第1導電型の複数の第3拡散層10とを有する。第1導電型の第1拡散層8は、例えば低濃度のp- -型拡散層15である。p- -型拡散層15の不純物濃度は、p- -型拡散層15から多数の正孔が注入されないように低く設定されている。
複数の第2拡散層9は、第1拡散層8の一部にそれぞれ離隔して配置され、第1拡散層8よりも不純物濃度が高い領域である。複数の第2拡散層9は、第1半導体領域3の一主面付近に配置されている。複数の第2拡散層9の不純物濃度は、複数の第3拡散層10の不純物濃度よりも高く設定されている。複数の第2拡散層9は、例えばp+型拡散層16である。p+型拡散層16は、p- -型拡散層15に注入される正孔の量を調整するために設けられている。
第1拡散層8の一主面は、第1拡散層8が第1導電層5に接触する箇所と、複数の第2拡散層9が第1導電層5に接触する箇所とを含んでいる。第1拡散層8が第1導電層5に接触する箇所はショットキー接続5aになっており、複数の第2拡散層9が第1導電層5に接触する箇所はオーミック接続5bになっている。
複数の第3拡散層10は、第1半導体領域3及び第2半導体領域4に包含ないし接触するようにそれぞれ離隔して配置され、第1拡散層8よりも不純物濃度が高い領域である。複数の第3拡散層10は、例えばp型拡散層17である。p型拡散層17は、pn接合面7からの空乏層のアノード領域11側への広がりを抑制するために設けられている。複数のp型拡散層17の間に隙間を設けることで、カソード領域12からの電子が隙間を通ってp- -型拡散層15に進入できるようにしている。
個々のp型拡散層17のピッチは、p+型拡散層16のピッチよりも狭いが、p型拡散層17のピッチは、p+型拡散層16のピッチとは無関係に設定される。ここで、ピッチとは、各拡散層の中心位置間の面方向の最短距離である。
第2半導体領域4は、第2導電型の活性層21と、第2導電型の第4拡散層22とを有する。第4拡散層22の一主面は第2導電層6に接触している。第2導電型の活性層21は、例えばn-型基板層23である。第4拡散層22は、例えばn+型拡散層24である。
図2は第1比較例によるダイオード2aの断面図である。図2のダイオード2aは、アノード領域11とカソード領域12とを備えている。アノード領域11は、p-型拡散層31と、p-型拡散層31内に離隔して配置される複数のp+型拡散層32と、これら複数のp+型拡散層32を取り囲んで深くまで配置される複数のp型拡散層33とを有する。カソード領域12の層構成は図1と同様である。
図3は第2比較例によるダイオード2bの断面図である。図3のダイオード2bは、図1のダイオード2から複数のp型拡散層17を省略した構造を備えている。図4は第3比較例によるダイオード2cの断面図である。図4のダイオード2cは、図3のダイオード2bのpn接合面7に沿って、一繋がりのp型拡散層34を配置した構造を備えている。図4のダイオード2cは、p型拡散層34に隙間がない点で図1のダイオード2と相違している。
図5は図2のダイオード2aと図3のダイオード2bの順方向特性を比較する図である。図5の横軸はアノード−カソード間の順方向電圧[V]、縦軸はアノード−カソード間電流[A]である。図示の曲線cb1は図1のダイオード2の順方向特性、曲線cb2は図2のダイオード2aの順方向特性を示している。図5に示すように、p- -型拡散層15を設けてアノード領域11を低濃度化することにより、アノード領域11からの正孔の注入量が減り、順方向電圧は上昇する。これにより、逆回復時間を短縮することができる。
図6は図2のダイオード2aと図3のダイオード2bの逆方向特性を比較する図である。図6の横軸はアノード−カソード間の逆方向電圧[V]、縦軸はアノード−カソード間電流[A]である。図示の曲線cb3は図3のダイオード2b、曲線cb4は図2のダイオード2aを示している。図6に示すように、アノード領域11を低濃度化することで、より低い逆方向電圧で降伏してしまう。よって、アノード領域11を低濃度化しただけでは、耐圧が低下するという問題がある。
図7Aは図2のダイオード2aの逆方向電圧印加時の空乏層端を示す図、図7Bは図3のダイオード2bの逆方向電圧印加時の空乏層端を示す図である。図7A及び図7Bの縦軸はダイオード2のアノード電極13との接触面41から深さ方向の距離Yを示している。縦軸の上端がアノード電極13との接触面41である。横軸は、ダイオード2のpn接合面7方向の距離である。図2のダイオード2aでは、アノード領域11がp-型拡散層31であり、アノード領域11内に比較的多くの正孔が存在することから、逆方向電圧印加時に空乏層端42が接触面41に到達することはない。一方、図3のダイオード2bでは、アノード領域11が低濃度のp- -型拡散層15であり、アノード領域11内の正孔の量が少ないことから、逆方向電圧印加時には空乏層端42が接触面41にまで到達してしまい、逆方向電流が流れるため、図6の曲線cb3のように、耐圧が低くなってしまう。
図8Aは図4のダイオード2cの逆方向電圧印加時の空乏層端42を示す図、図8Bは図2のダイオード2aと図4のダイオード2cの順方向特性を比較する図である。図8Bの曲線cb5は図4のダイオード2cの順方向特性、曲線cb6は図2のダイオード2aの順方向特性を示している。図4のような一繋がりのp型拡散層34をpn接合面7に沿って配置すると、p型拡散層17よりもアノード領域11側には空乏層は広がらなくなり、空乏層端42はp型拡散層17に沿って配置されることになる。したがって、耐圧を高くすることができる。ところが、図4のダイオード2cでは、カソード領域12からの電子がp型拡散層34によってアノード領域11に流れ出ることができなくなり活性層21に蓄積し、電荷中性を満たすようにほぼ同量の正孔も活性層21に蓄積されることから、図8Bに示すように、順方向特性は図2のダイオード2aとあまり変わらなくなる。よって、図4のダイオード2cでは、逆回復時間を短縮できないという問題がある。
図9は図2のダイオード2aと図4のダイオード2cのアノード領域11近傍のキャリアプロファイルを比較する図である。図9の横軸はアノード電極13との接触面41から深さ方向の距離Y[μm]、縦軸は不純物濃度[cm-3]である。
図9の曲線cb8は図4のダイオード2cの電子濃度、曲線cb9は図2のダイオード2aの電子濃度、曲線cb10は図4のダイオード2cの不純物濃度、曲線cb11は図2のダイオード2aの不純物濃度である。なお図4のダイオード2cは、pn接合面7に沿って一繋がりのp型拡散層34を有するため、カソード側の電子濃度は曲線cb9よりも高くなる。
図10は図1に示す本実施形態によるダイオード2の逆方向電圧印加時の空乏層端42を示す図である。図1のダイオード2では、pn接合面7に沿って設けられる複数のp型拡散層17の間に隙間が存在する。この隙間を通って、電子がカソード領域12のn-型拡散層23からアノード領域11のp- -型拡散層15に流れる。このため、活性層21内の電子の量が適切な量となり、電荷中性を保つための正孔の量も適切となる。また、逆方向電圧印加時に空乏層端42がアノード電極13に接触するおそれがなくなり、耐圧が向上する。逆方向電圧印加時の空乏層端42は、図10に示すように、p型拡散層17の隙間の箇所では若干アノード電極13寄りに配置され、p型拡散層17が存在する箇所ではp型拡散層17に沿って配置される。
図11は図1のダイオード2と図2のダイオード2aの順方向特性を比較する図である。図11の曲線cb11は図1のダイオード2の順方向特性、曲線cb12は図2のダイオード2aの順方向特性を示している。曲線cb11とcb12からわかるように、図1のダイオード2では、カソード領域12であるn−型活性層21に蓄積される正孔の量が図2のダイオード2aよりも少なくなるため、図1のダイオード2の順方向電圧は図2のダイオード2aよりも高くなる。これにより、逆回復時間を短縮できる。
図12は図1のダイオード2と図2のダイオード2aの逆方向特性を比較する図である。図12の曲線cb13は図1のダイオード2の逆方向特性、曲線cb14は図2のダイオード2aの逆方向特性を示している。逆方向特性は、図1のダイオード2と図2のダイオード2aとでほとんど変わらない。これにより、図1のダイオード2は、図2のダイオード2aと同程度の耐圧を持つことがわかる。
図13Aは図2のダイオード2aの電子濃度分布を示す図、図13Bは図1のダイオード2の電子濃度分布を示す図である。図13Aと図13Bにおいて、濃淡が薄い箇所ほど電子濃度が高いことを示している。図13Bでは、複数のp型拡散層17の隙間を通って電子がアノード電極13に向かって進入するため、隙間部分での電子濃度が高くなっている。
図14は図1のダイオード2と図2のダイオード2aのアノード領域11近傍のキャリアプロファイルを比較する図である。図14中の曲線cb15は図1のダイオード2の電子濃度、曲線cb16は図2のダイオード2aの電子濃度、曲線cb17は図1のダイオード2の不純物濃度、曲線cb18は図2のダイオード2aの不純物濃度である。
図14に示すように、カソード領域12側の電子濃度は図1と図2のダイオード2aはいずれも同程度であり、図1のダイオード2ではカソード領域12側に電子濃度が適切な量蓄積される。この点で、図9のプロファイルとは異なる。電子濃度は、複数のp型拡散層17の隙間を通り抜けてp- -型拡散層15に進入した後に低下する。また、複数のp型拡散層17がストッパの役目をするため、p- -型拡散層15に空乏層は広がらない。
図15は図1のダイオード2と図2のダイオード2aの逆回復特性を示す図である。逆回復特性とは、オンしているダイオード2をオフさせたときの電流又は電圧の時間変化を示す特性である。図15の横軸は時間[sec]、縦軸は電圧[V]又は電流[A]である。図15の曲線cb19は図1のダイオード2の電流の時間変化、曲線cb20は図2のダイオード2aの電流の時間変化、曲線cb21は図1のダイオード2の電圧の時間変化、曲線cb22は図2のダイオード2aの電圧の時間変化を示している。
図1のダイオード2は、図2のダイオード2aと比べて、カソード領域12であるn−型活性層21に蓄積される正孔の量が少ないため、図15に示すように、逆回復時の電流及び電圧のオーバーシュート(アンダーシュート)が小さくなる。よって、図1のダイオード2は、図2のダイオード2aよりも逆回復特性が優れたものになる。
次に、図1のダイオード2の製造方法について説明する。まず、n-型のベアシリコン基板に、ボロン等のp型不純物イオンを注入して熱拡散させることで、p- -型拡散層15を形成する。次に、ボロン等のp型不純物イオンを深い場所まで注入して加熱活性化させることで、複数のp型拡散層17を形成する。その後、ボロン等のp型不純物イオンを浅めの場所に注入して複数のp+型拡散層16を形成する。最後にアルミニウム等を材料とする第1導電層5を形成する。このとき、オーミック接続になるか、ショットキー接続になるかは、不純物濃度の差だけで決まる。次に、シリコン基板を裏返して、As等のn型不純物イオンを注入して熱拡散させることで、n+型拡散層24を形成し、その後にアルミニウム等を材料とする第2導電層6を形成する。
上述した例では、半導体装置1がダイオード2の例を説明したが、半導体装置1には、ダイオード2以外の種々の半導体素子が混載されていてもよい。例えば、半導体装置1は、ダイオード2とに逆導通型のIGBTがを混載したものであってもよい。これにより、一つのチップでIGBTとダイオードの機能を実現でき、しかも、上述したようにダイオードの電気特性を向上できる。
このように、第1の実施形態では、アノード領域11内に低濃度のp- -型拡散層15を設けるとともに、pn接合面7に沿って複数のp型拡散層17をそれぞれ離隔して配置するため、カソード領域12の電子がp型拡散層17の隙間を通ってp- -型拡散層15に進入できるようになり、n−型活性層21に正孔が溜まらなくなるため、逆回復特性が向上する。また、複数のp型拡散層17を設けることで、逆方向電圧印加時の空乏層端42がアノード電極13に到達しなくなり、逆方向電圧印加時のダイオード2の耐圧を向上できる。以上より、図1のダイオード2によれば、逆回復特性と耐圧の両方を向上できる。
(第2の実施形態)
図1のダイオード2におけるp+型拡散層16は、p- -型拡散層15内の正孔の量を調整するために設けられている。また、p- -型拡散層15に包含ないし接触するように配置される複数のp型拡散層17のピッチは、カソード領域12からアノード領域11に進入する電子の量によって調整される。このように、p+型拡散層16のピッチとp型拡散層17のピッチは、それぞれ異なる条件で最適化されるため、ダイオード2の面内(図1に示す断面内)でのp+型拡散層16とp型拡散層17との距離は相関性がなく、場所によって異なっている。p+型拡散層16とp型拡散層17との距離が断面内の場所により変動すると、断面内の電流密度が場所により変動してしまう。ダイオード2のアノード電極13とカソード電極14間を流れる電流は、すべての断面を流れる電流を積分した値となるため、個々の断面で電流密度が場所により変動しても、すべての断面を合わせたアノード電極13とカソード電極14間での電流密度は一様になる。
しかしながら、個々の断面では、場所により電流密度が変動するため、各断面内で電流密度が大きい場所と小さい場所が存在する。電流密度が大きい場所ほどダイオード2の劣化が進むため、電流密度に面内ばらつきがあると、ダイオード2が壊れやすくなる。すなわち、ダイオード2の寿命が短くなる。このような背景から、第2の実施形態は、ダイオード2の電流密度の面内ばらつきをなくすものである。
図16は第2の実施形態による半導体装置1の断面要部を模式的に示す図である。図16の半導体装置1は例えばダイオード2である。図16のダイオード2は、図1のダイオード2と比べて、p+型拡散層16の配置方向が90度異なる点で相違しており、それ以外の構造は図1のダイオード2と同様である。図16では、1つのp+型拡散層16を図示しているが、実際には、図1と同様に、図16のZ方向に所定のピッチで複数個のp+型拡散層16が配置されている。第1の実施形態と同様に、p+型拡散層16のピッチを制御することにより、アノード領域11であるp- -型拡散層15内に注入される正孔の量を調整できる。
図16のXY方向の断面でのp+型拡散層16とp型拡散層17との距離は、同じ断面内のどの場所でも同一である。よって、図16のダイオード2では、断面内での電流密度は、場所によらず常に一定である。したがって、電流密度の面内ばらつきが生じなくなり、図1のダイオード2よりも、寿命を延ばすことができる。
なお、理想的には、p+型拡散層16の長手方向を、複数のp型拡散層17の長手方向とは90度異なる方向に配置するのが望ましいが、p+型拡散層16の長手方向を複数のp型拡散層17の長手方向から交差する方向に配置すれば、両者が同一方向に配置される場合よりも、電流密度の面内ばらつきを抑制できるため、必ずしもp+型拡散層16の長手方向と複数のp型拡散層17の長手方向とが直交している必要はない。
このように、第2の実施形態では、p+型拡散層16の長手方向を複数のp型拡散層17の長手方向と交差する方向に配置するため、ダイオード2の面内での電流密度の場所によるばらつきを抑制でき、電流密度が他よりも高い場所が生じなくなることから、ダイオード2の長寿命化を図ることができる。
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。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。
1 半導体装置、2 ダイオード、3 第1半導体領域、4 第2半導体領域、5 第1導電層、6 第2導電層、7 pn接合面、11 アノード領域、12 カソード領域、13 アノード電極、14 カソード電極、15 p- -型拡散層、16 p+型拡散層、17 p型拡散層、21 活性層、22 第4拡散層、23 n-型拡散層、24 n+型拡散層、31 p-型拡散層、32 p+型拡散層、33 p型拡散層

Claims (6)

  1. 第1導電型の第1半導体領域と、
    第2導電型の第2半導体領域と、
    前記第1半導体領域及び前記第2半導体領域の接合面とは反対側の前記第1半導体領域の一主面上に配置される第1導電層と、
    前記接合面とは反対側の前記第2半導体領域の一主面上に配置される第2導電層と、を備え、
    前記第1半導体領域は、
    前記第1導電層にショットキー接続する第1導電型の第1拡散層と、
    前記第1拡散層の一部にそれぞれ離隔して配置され、前記第1拡散層よりも不純物濃度が高い第1導電型の複数の第2拡散層と、
    前記第1半導体領域及び前記第2半導体領域に包含ないし接触するようにそれぞれ離隔して配置され、前記第1拡散層よりも不純物濃度が高い第1導電型の複数の第3拡散層と、を有する半導体装置。
  2. 前記第2拡散層の不純物濃度は、前記第3拡散層の不純物濃度よりも高い、請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記複数の第3拡散層は、前記第1半導体領域及び前記第2半導体領域に逆方向電圧を印加したときに前記接合面付近に生じる空乏層の前記第1半導体領域への広がりを阻止する、請求項1又は2に記載の半導体装置。
  4. 前記複数の第2拡散層の長手方向は、前記複数の第3拡散層の長手方向に交差する方向に配置される、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の半導体装置。
  5. 前記第1拡散層及び前記第2拡散層は、前記第1導電層に電気的に接続される、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の半導体装置。
  6. IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)領域を更に有する請求項1乃至5のいずれか一項に記載の半導体装置。
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