WO2016129041A1 - 半導体装置 - Google Patents

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史仁 増岡
藤井 秀紀
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三菱電機株式会社
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    • H01L29/7393Insulated gate bipolar mode transistors, i.e. IGBT; IGT; COMFET
    • H01L29/7395Vertical transistors, e.g. vertical IGBT

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor device used for a high withstand voltage power module ( ⁇ 600 V).
  • the forward voltage drop VF has been reduced by applying a thinning process and optimizing the cathode profile (see, for example, Non-Patent Document 1).
  • thinning of the wafer is effective for lowering VF, but the margin for snap-off at the time of recovery is reduced, and the risk of element breakage increases.
  • recovery SOA Safe
  • Improvement of Operating Area has been achieved (see, for example, Non-Patent Document 2).
  • Non-Patent Document 3 The field strength of the p-type layer and the n-type layer which is repeatedly formed alternately on the back side of the active region in addition to the main junction cathode side snap-off phenomenon is suppressed increasingly, n according to which - -type drift layer In the low to medium breakdown voltage class of 600 to 1700 V, it has been demonstrated that the total loss can be reduced by the benefit of the thin plate (see Non-Patent Document 3, for example).
  • the substrate concentration is increased and the thickness of the n -- type drift layer is designed to be thin in order to reduce the total loss while securing the withstand voltage, in the vicinity of the breakdown start point which greatly exceeded the rated voltage It leads to destruction simultaneously with avalanche. For this reason, there is a limit to thinning of the wafer thickness in applications requiring operation guarantee at the time of avalanche.
  • the back surface structure of the termination is the entire n + -type layer, the carrier concentration in the termination region is high from the on state to the termination region. Therefore, there is a problem that holes concentrate at the contact end of the boundary between the active region and the termination region at the time of turn-off operation, and the local temperature increase ( ⁇ 800 K) leads to destruction.
  • the present invention has been made to solve the problems as described above, and its object is to suppress the snap-off phenomenon at the end of the turn-off operation and the oscillation phenomenon triggered by it, and A semiconductor device capable of preventing destruction at the boundary of the termination region and improving avalanche resistance at the time of the off operation and the turn-off operation is obtained.
  • a semiconductor device is a semiconductor device in which a termination region is disposed outside an active region, and includes an n-type drift layer having opposed surfaces and a back surface, and the n-type drift layer in the active region.
  • the distance by which the n-type layer overhangs to the active region side from the end portion of W is WGR1, and 10 ⁇ m ⁇ WGR1 ⁇ 500 ⁇ m is satisfied.
  • an n-type layer is formed on the back surface of the n-type buffer layer in the boundary region between the active region and the termination region, and the distance WGR1 of the n-type layer overhanging on the active region side satisfies 10 ⁇ m ⁇ WGR1 ⁇ 500 ⁇ m.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 1 is a bottom view showing a semiconductor device in accordance with a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a bottom view showing a modified example of the semiconductor device in accordance with the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a bottom view showing a modified example of the semiconductor device in accordance with the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a semiconductor device in accordance with a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a bottom view showing a semiconductor device in accordance with a second embodiment of the present invention. It is sectional drawing which shows the semiconductor device concerning Embodiment 3 of this invention.
  • FIG. 7 is a bottom view showing a semiconductor device according to Embodiment 3 of the present invention. It is sectional drawing which shows the semiconductor device concerning Embodiment 4 of this invention.
  • FIG. 20 is a bottom view showing the semiconductor device in the fourth embodiment of the present invention. It is sectional drawing which shows the semiconductor device concerning Embodiment 5 of this invention. It is sectional drawing which shows the semiconductor device concerning Embodiment 6 of this invention. It is sectional drawing which shows the semiconductor device based on Embodiment 7 of this invention. It is sectional drawing which shows the semiconductor device concerning Embodiment 8 of this invention. It is sectional drawing which shows the semiconductor device concerning Embodiment 9 of this invention. It is sectional drawing which shows the semiconductor device based on Embodiment 10 of this invention.
  • FIG. 35 is a cross-sectional view showing a semiconductor device in accordance with a thirteenth embodiment of the present invention.
  • FIG. 44 is a cross sectional view showing a semiconductor device in accordance with a fourteenth embodiment of the present invention. It is sectional drawing which shows the semiconductor device concerning Embodiment 15 of this invention.
  • FIG. 61 is a cross sectional view showing a semiconductor device in accordance with a sixteenth embodiment of the present invention.
  • FIG. 66 is a bottom view showing a semiconductor device in accordance with a sixteenth embodiment of the present invention.
  • FIG. 51 is a bottom view showing a modified example of the semiconductor device in accordance with the sixteenth embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
  • a termination region is disposed outside the active region.
  • the n ⁇ -type drift layer 1 has a front surface and a back surface facing each other.
  • a p-type anode layer 2 is formed on the surface of the n ⁇ -type drift layer 1 in the active region.
  • the end of the p-type anode layer 2 coincides with the end of the active region.
  • a typical p-type guard ring layer 3 and a channel stopper layer 4 are formed on the surface of the n ⁇ -type drift layer 1 in the termination region.
  • the anode electrode 5 is in ohmic contact with the p-type anode layer 2 through the opening of the interlayer film 6.
  • An n-type buffer layer 7 is formed on the back surface of the n ⁇ -type drift layer 1.
  • An n-type cathode layer 8 and a p-type cathode layer 9 are formed side by side on the back surface of the n-type buffer layer 7.
  • An n-type layer 10 is formed side by side with the n-type cathode layer 8 and the p-type cathode layer 9 on the back surface of the n-type buffer layer 7 in the boundary region between the active region and the termination region.
  • the n-type layer 10 has the same impurity concentration as the n-type cathode layer 8.
  • the cathode electrode 11 is in ohmic contact with the n-type cathode layer 8, the p-type cathode layer 9 and the n-type layer 10.
  • the distance that the n-type layer 10 extends to the active region side from the end of the active region is WGR1, and the distance from the end of the active region to the end region is WGR2.
  • FIG. 2 is a bottom view showing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
  • the patterns of the p-type cathode layer 9 and the n-type cathode layer 8 are arranged in a lattice shape perpendicularly to the long side of the chip.
  • 3 and 4 are bottom views showing modifications of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
  • the patterns of the p-type cathode layer 9 and the n-type cathode layer 8 are arranged in a lattice shape in parallel to the long side of the chip.
  • the patterns of the p-type cathode layer 9 and the n-type cathode layer 8 are arranged in a ring shape.
  • the conventional structure in which the p-type cathode layer 9 is formed in the boundary region and the terminal region is compared with the present embodiment in which the n-type layer 10 is formed.
  • Both are diodes in which an FLR (Field Limiting Ring) structure is formed on the surface of the termination region, and a repeated structure of p layer and n layer is formed on the back surface of the active region.
  • FLR Field Limiting Ring
  • FIG. 5 is a diagram showing a sample of the conventional structure with avalanche breakdown.
  • Si bumps were observed at the tip end of the anode at the tip corner, and melting marks were found in the Si immediately below the interlayer. From this result, the final stage of the destruction mechanism is considered to be thermal destruction due to over current.
  • FIG. 6 is a diagram showing the result of simulating the internal state at the time of reverse bias application.
  • NDR Negative Differential Resistance
  • the principle of avalanche breakdown of the conventional structure is basically the same as the principle of secondary breakdown of a bipolar transistor, "the operation where carriers generated by impact ionization due to high electric field act as a base current and continue on operation" You can say that.
  • FIG. 7 is a diagram simulating the recovery characteristic.
  • FIG. 8 is a view showing the hole density and the electric field strength of the conventional structure
  • FIG. 9 is a view showing the hole density and the electric field strength of the present embodiment.
  • the result that the surge voltage is higher than that of the conventional structure was obtained.
  • the internal analysis at each recovery timing was conducted to investigate the cause of the surge voltage increase.
  • the depletion layer extends gently to the cathode side immediately above the p-type cathode layer on the back surface of the termination region.
  • FIG. 10 is a diagram showing the results of measuring the room temperature withstand voltage characteristics for the 1200 V prototype lot.
  • the p-type cathode layer was formed on the back surface of the termination region, breakdown occurred at around 1500 V simultaneously with the onset of breakdown.
  • the avalanche resistance can be improved as intended.
  • FIG. 11 is a diagram showing the snap-off characteristic.
  • FIG. 12 is a diagram showing the WGR1 and WGR2 dependencies of the secondary breakdown start current and the maximum controllable current.
  • WGR1 and WGR2 approach 0, the secondary breakdown start current decreases but the maximum controllable current increases.
  • WGR1 and WGR2 increase, the maximum controllable current decreases but the secondary breakdown start current increases. Therefore, it is necessary to satisfy 10 ⁇ m ⁇ WGR1 ⁇ 500 ⁇ m and to satisfy 10 ⁇ m ⁇ WGR2 ⁇ 500 ⁇ m.
  • the operation of the parasitic pnp transistor is suppressed by forming the n-type layer 10 on the back surface of the boundary region between the active region and the termination region. It is possible to prevent destruction at the boundary of the region and to improve avalanche resistance at the time of the off operation and the turn off operation.
  • electric field concentration is likely to occur at the end of the active region due to the curvature of the diffusion layer, and rapid depletion of carriers inside the device, which is a trigger for voltage / current waveform oscillation during recovery operation, is likely to occur first. For this reason, as the p-type cathode layer 9 is separated from the end of the active region, voltage / current waveform oscillation at the time of recovery operation tends to occur.
  • the distances WGR1 and WGR2 in which the n-type layer 10 protrudes to the active region side and the termination region side are set so as to satisfy 10 ⁇ m ⁇ WGR1 ⁇ 500 ⁇ m and 10 ⁇ m ⁇ WGR2 ⁇ 500 ⁇ m.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a bottom view showing the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
  • the n-type layer 10 has the same impurity concentration as the n-type buffer layer 7.
  • the other configuration is the same as that of the first embodiment, and the same effect as that of the first embodiment can be obtained.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a bottom view showing the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention.
  • the p-type cathode layer 9 is not formed in the termination region.
  • the other configuration is the same as that of the first embodiment, and the same effect as that of the first embodiment can be obtained.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a bottom view showing the semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the n-type layer 10 has the same impurity concentration as the n-type buffer layer 7 and the p-type cathode layer 9 is not formed in the termination region.
  • the other configuration is the same as that of the first embodiment, and the same effect as that of the first embodiment can be obtained.
  • FIG. 19 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention.
  • a p-type cathode layer 9 having a width Wp1 is adjacent to an end of the n-type layer 10 on the active region side.
  • the other configuration is the same as that of the first embodiment, and the same effect as that of the first embodiment can be obtained.
  • the built-in potential Vin ⁇ ⁇ buffer ⁇ I e ⁇ xdx.
  • Ie 200 A / cm 2
  • acceptor density NA of p-type cathode layer 9 is 1E17 / cm 3
  • donor density ND of n-type buffer layer 7 is 3E16 / cm 3
  • peak concentration N buffer of n-type buffer layer 7 is 3E16 / cm 2
  • the thickness of the n-type buffer layer 7 is 1.5 [mu] m
  • Wp1 for more than the built-in potential of about 0.79V is derived about 58.5Myuemu.
  • FIG. 20 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to the sixth embodiment of the present invention.
  • a p-type cathode layer 9 having a width Wp2 is adjacent to an end of the n-type layer 10 on the termination region side.
  • the other configuration is the same as that of the first embodiment, and the same effect as that of the first embodiment can be obtained.
  • FIG. 21 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to a seventh embodiment of the present invention.
  • the n-type layer 10 has the same impurity concentration as the n-type buffer layer 7.
  • the other configuration is the same as that of the fifth embodiment, and the same effect as that of the fifth embodiment can be obtained.
  • FIG. 22 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to the eighth embodiment of the present invention.
  • the n-type layer 10 has the same impurity concentration as the n-type buffer layer 7.
  • the other configuration is the same as that of the sixth embodiment, and the same effect as that of the sixth embodiment can be obtained.
  • FIG. 23 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to the ninth embodiment of the present invention.
  • the n-type cathode layer 8 is adjacent to the end of the n-type layer 10 on the active region side.
  • the other configuration is the same as that of the eighth embodiment, and the same effect as that of the eighth embodiment can be obtained.
  • FIG. 24 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to the tenth embodiment of the present invention.
  • p -- type layers 12a and 12b having a concentration lower than that of p-type cathode layer 9 are formed on the back surface of n-type buffer layer 7 and adjacent to the active region side and termination region side of n-type layer 10, respectively.
  • the other configuration is the same as that of the eighth embodiment, and the same effect as that of the eighth embodiment can be obtained.
  • the widths Wp1 and Wp2 of the p -- type layers 12a and 12b are preferably designed to be about several tens of ⁇ m.
  • FIG. 25 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to the eleventh embodiment of the present invention.
  • p ⁇ -type layer 13 instead of n-type layer 10 of the first embodiment, p ⁇ -type layer 13 having a lower concentration than p-type cathode layer 9 is the back surface of n-type buffer layer 7 in the boundary region between the active region and the termination region. Are formed side by side with the n-type cathode layer 8 and the p-type cathode layer 9.
  • the distance that the p - type layer 13 extends to the active region side from the end of the active region is WGR1, and the distance from the end of the active region to the end area is the distance that the p - type layer 13 extends to the termination region WGR2 and 10 ⁇ m ⁇ WGR1 ⁇ 500 ⁇ m and 10 ⁇ m ⁇ WGR2 ⁇ 500 ⁇ m are satisfied.
  • the other configuration is the same as that of the first embodiment, and the same effect as that of the first embodiment can be obtained.
  • FIG. 26 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to the twelfth embodiment of the present invention.
  • a p-type cathode layer 9 having widths Wp1 and Wp2 is adjacent to the active region side and the termination region side of the p -- type layer 13, respectively.
  • the other configuration is the same as that of the eleventh embodiment, and the same effect as that of the eleventh embodiment can be obtained.
  • FIG. 27 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to the thirteenth embodiment of the present invention.
  • the n-type cathode layer 8 is adjacent to the end on the active region side of the p ⁇ -type layer 13.
  • the other configuration is the same as that of the eleventh embodiment, and the same effect as that of the eleventh embodiment can be obtained.
  • FIG. 28 is a cross sectional view showing a semiconductor device in accordance with a fourteenth embodiment of the present invention.
  • the n-type cathode layer 8 is adjacent to the end on the termination region side of the p ⁇ -type layer 13.
  • the other configuration is the same as that of the eleventh embodiment, and the same effect as that of the eleventh embodiment can be obtained.
  • FIG. 29 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to the fifteenth embodiment of the present invention.
  • the n-type layer 10 and the n-type cathode layer 8 are deeper than the p-type cathode layer 9 and the peak concentration is twice or more higher.
  • the n-type layer 10 and the n-type cathode layer 8 contain the impurities of the p-type cathode layer 9. With this configuration, after the p-type cathode layer 9 is formed on the entire surface, the n-type layer 10 and the n-type cathode layer 8 can be partially cancelled. Therefore, the process flow can be simplified and the concern of the influence of the electrical characteristics due to the pattern deviation can be eliminated.
  • FIG. 30 is a cross sectional view showing a semiconductor device in accordance with a sixteenth embodiment of the present invention.
  • 31 is a bottom view showing a semiconductor device according to the sixteenth embodiment of the present invention.
  • the n-type layers 10 of the first to tenth embodiments are arranged in a plurality of rings in plan view.
  • FIG. 32 is a bottom view showing a modification of the semiconductor device according to the sixteenth embodiment of the present invention.
  • the n-type layers 10 of the first to tenth embodiments are arranged in a dot shape in plan view.
  • the p ⁇ -type layers 13 according to the eleventh to fifteenth embodiments may be arranged in a plurality of rings or dots in plan view. Even in this case, the same effects as in Embodiments 1 to 15 can be obtained.
  • the semiconductor device 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, gallium nitride based material, or diamond.
  • a semiconductor device formed of such a wide band gap semiconductor can be miniaturized because of high voltage resistance and allowable current density. By using this miniaturized device, it is possible to miniaturize a semiconductor module incorporating this device. Further, since the heat resistance of the device is high, the heat radiation fins of the heat sink can be miniaturized, and the water cooling portion can be air cooled, so that the semiconductor module can be further miniaturized. In addition, since the power loss of the device is low and the efficiency is high, the semiconductor module can be highly efficient.
  • the low and medium breakdown voltage class diodes of 1200 V and 1700 V are described as an example, but a semiconductor device having a parasitic bipolar transistor structure inside, such as IGBT or RC-IGBT, regardless of the breakdown voltage class If it is, the above effect is exhibited.
  • a semiconductor device having a parasitic bipolar transistor structure inside such as IGBT or RC-IGBT, regardless of the breakdown voltage class If it is, the above effect is exhibited.
  • the termination structure is FLR
  • the same effects as described above can be obtained with a variable lateral doping (VLD) structure or a reduced surface field (RESURF) structure.
  • VLD variable lateral doping
  • RESURF reduced surface field
  • n ⁇ type drift layer 1 n ⁇ type drift layer, 2 p type anode layer, 7 n type buffer layer, 8 n type cathode layer, 9 p type cathode layer, 10 n type layer, 12 a, 12 b, 13 p ⁇ type layer

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Abstract

 p型アノード層(2)が活性領域においてn型ドリフト層(1)の表面に形成されている。n型バッファ層(7)がn型ドリフト層(1)の裏面に形成されている。n型カソード層(8)及びp型カソード層(9)がn型バッファ層(7)の裏面に互いに横並びに形成されている。n型層(10)が活性領域と終端領域の境界領域においてn型バッファ層(7)の裏面にn型カソード層(8)及びp型カソード層(9)と横並びに形成されている。活性領域の端部を起点にしてn型層(10)が活性領域側に張り出した距離がWGR1であり、10μm≦WGR1≦500μmを満たす。

Description

半導体装置
 本発明は、高耐圧パワーモジュール(≧600V)に用いられる半導体装置に関する。
 従来のダイオードでは、薄ウェハ化プロセスの適用及びカソードプロファイルの最適化を行うことで順方向電圧降下VFを低減してきた(例えば、非特許文献1参照)。ダイオードもIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)と同様に、低VF化にはウェハの薄板化が有効であるが、リカバリー時のsnap-offに対する余裕度を削ることになり、素子破壊のリスクが高くなってしまう。
 高耐圧クラス向けのダイオードでは、終端領域の裏面側に形成されたp層によりオン状態での終端領域のキャリア濃度を下げ、リカバリー時の境界領域へのキャリア集中を抑制することでリカバリーSOA(Safe Operating Area)の向上を図ってきた(例えば、非特許文献2参照)。
 また、活性領域の裏面側に交互に繰り返し形成されたp型層とn型層により主接合に加えてカソード側の電界強度も高まってsnap-off現象が抑えられ、それによるn型ドリフト層の薄板化の恩恵でトータルロスが低減できることを600~1700Vの低~中耐圧クラスにおいても実証してきた(例えば、非特許文献3参照)。
 一方で、耐圧を確保しながらトータルロスを低減するために、基板濃度を上げてn型ドリフト層の厚みを薄く設計すると、静耐圧測定時、定格電圧を大幅に超えた降伏開始点近傍でアバランシェと同時に破壊に至る。このため、アバランシェ時の動作保証が必要な用途においては、ウェハ厚みの薄板化に限界があった。
H. Fujii, M. Inoue, K. Hatade and Y. Tomomatsu, "A Novel Buffer Structure and lifetime control Technique with Poly-Si for Thin Wafer Diode," Proc. ISPSD’09, pp. 140-143, Barcelona, Spain (2009) K. Nakamura, F. Masuoka, A. Nishii, K. Sadamatsu, S. Kitajima and K. Hatade, "Advanced RFC Technology with New Cathode Structure of Field Limiting Rings for High Voltage Planar Diode," Proc. ISPSD’10, pp. 133-136, Hiroshima, Japan (2010) F. Masuoka, K. Nakamura, A. Nishii and T. Terashima, "Great Impact of RFC Technology on Fast Recovery Diode towards 600 V for Low Loss and High Dynamic Ruggedness," Proc. ISPSD’12, pp. 373-376, Bruges, Belgium (2012)
 静耐圧を保ちつつトータル損失を低減するためには、ウェハを薄く、比抵抗を高く設計する必要がある。しかし、そのように設計されたpinダイオードでは、リカバリー時に主接合に加えてカソード側のn型層とn型層の接合部でも電界が高まり、リカバリー動作終盤にドリフト層内部に取り残されたキャリアが急激に掃き出されることによりテール電流の急激な遮断(snap-off)が発生する。それをトリガーとして、回路中の寄生インダクタンスLsの逆起電力によるサージ電圧、回路中のL、Cによる発振現象が生じるという問題があった。
 従来のpinダイオードでは、終端の裏面構造が全面n型層であるため、オン状態から終端領域のキャリア濃度が高い。従って、ターンオフ動作時に正孔が活性領域と終端領域の境界のコンタクト端に集中し、温度が局所的に高くなる(≧800K)ことで破壊に至るという問題があった。
 また、内部に寄生pnpバイポーラトランジスタ構造が存在するデバイスでは、同寄生構造がないデバイスに比べてオフ動作時及びターンオフ動作時のアバランシェ耐量が低下するという問題があった。
 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、その目的はターンオフ動作終焉でのsnap-off現象やそれをトリガーとする発振現象を抑制し、ターンオフ動作時の活性領域と終端領域の境界での破壊を防ぎ、オフ動作時及びターンオフ動作時のアバランシェ耐量を向上させることができる半導体装置を得るものである。
 本発明に係る半導体装置は、活性領域の外側に終端領域が配置された半導体装置であって、互いに対向する表面と裏面を持つn型ドリフト層と、前記活性領域において前記n型ドリフト層の前記表面に形成されたp型アノード層と、前記n型ドリフト層の前記裏面に形成されたn型バッファ層と、前記n型バッファ層の裏面に互いに横並びに形成されたn型カソード層及びp型カソード層と、前記活性領域と前記終端領域の境界領域において前記n型バッファ層の裏面に前記n型カソード層及び前記p型カソード層と横並びに形成されたn型層とを備え、前記活性領域の端部を起点にして前記n型層が前記活性領域側に張り出した距離がWGR1であり、10μm≦WGR1≦500μmを満たすことを特徴とする。
 本発明では、活性領域と終端領域の境界領域においてn型バッファ層の裏面にn型層が形成され、n型層が活性領域側に張り出した距離WGR1が10μm≦WGR1≦500μmを満たす。これにより、ターンオフ動作終焉でのsnap-off現象やそれをトリガーとする発振現象を抑制し、ターンオフ動作時の活性領域と終端領域の境界での破壊を防ぎ、オフ動作時及びターンオフ動作時のアバランシェ耐量を向上させることができる。
本発明の実施の形態1に係る半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態1に係る半導体装置を示す下面図である。 本発明の実施の形態1に係る半導体装置の変形例を示す下面図である。 本発明の実施の形態1に係る半導体装置の変形例を示す下面図である。 アバランシェ破壊された従来構造のサンプルを示す図である。 逆バイアス印加時の内部状態を模擬した結果を示す図である。 リカバリー特性を模擬した図である。 従来構造の正孔密度と電界強度を示す図である。 本実施の形態の正孔密度と電界強度を示す図である。 1200V試作ロットについて室温耐圧特性を実測した結果を示す図である。 snap-off特性を示す図である。 2次降伏開始電流及び最大可制御電流のWGR1,WGR2依存性を示す図である。 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。 本発明の実施の形態2に係る半導体装置を示す下面図である。 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。 本発明の実施の形態3に係る半導体装置を示す下面図である。 本発明の実施の形態4に係る半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態4に係る半導体装置を示す下面図である。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 本発明の実施の形態14に係る半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態15に係る半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態16に係る半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態16に係る半導体装置を示す下面図である。 本発明の実施の形態16に係る半導体装置の変形例を示す下面図である。
 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。
実施の形態1.
 図1は、本発明の実施の形態1に係る半導体装置を示す断面図である。活性領域の外側に終端領域が配置されている。n型ドリフト層1は互いに対向する表面と裏面を持つ。
 p型アノード層2が活性領域においてn型ドリフト層1の表面に形成されている。p型アノード層2の端部が活性領域の端部に一致する。典型的なp型ガードリング層3とチャネルストッパ層4が終端領域においてn型ドリフト層1の表面に形成されている。アノード電極5が層間膜6の開口を介してp型アノード層2にオーミック接触している。
 n型バッファ層7がn型ドリフト層1の裏面に形成されている。n型カソード層8及びp型カソード層9がn型バッファ層7の裏面に互いに横並びに形成されている。n型層10が活性領域と終端領域の境界領域においてn型バッファ層7の裏面にn型カソード層8及びp型カソード層9と横並びに形成されている。n型層10は、n型カソード層8と同じ不純物濃度を有する。カソード電極11はn型カソード層8、p型カソード層9及びn型層10にオーミック接触している。
 活性領域の端部を起点にしてn型層10が活性領域側に張り出した距離がWGR1であり、活性領域の端部を起点にしてn型層10が終端領域側に張り出した距離がWGR2であり、10μm≦WGR1≦500μmと10μm≦WGR2≦500μmを満たす。
 ここで、逆バイアス印加時に、p型アノード層2の端部の衝突電離によって生成された電子正孔対のうち、電子が高電界中を通ってカソード電極11に向かう。この時の電子の抜け道をn型層10により確保することにより、寄生pnpトランジスタ動作を抑えることができる。この効果を得るためにはWGR1,WGR2をそれぞれ数10μm程度に設計することが好ましい。なお、空乏層の広がり形状を考慮すると、WGR2をWGR1よりも大きく設計する必要がある。
 図2は、本発明の実施の形態1に係る半導体装置を示す下面図である。チップ長辺に対して垂直に格子状にp型カソード層9とn型カソード層8のパターンを配置する。図3,4は、本発明の実施の形態1に係る半導体装置の変形例を示す下面図である。図3ではチップ長辺に対して平行に格子状にp型カソード層9とn型カソード層8のパターンを配置する。図4ではp型カソード層9とn型カソード層8のパターンをリング状に配置する。
 続いて、境界領域と終端領域にp型カソード層9が形成された従来構造と、n型層10が形成された本実施の形態とを比較する。両者とも終端領域の表面にFLR(Field Limiting Ring)構造が形成され、活性領域の裏面にp層とn層の繰り返し構造が形成されたダイオードである。
 図5は、アバランシェ破壊された従来構造のサンプルを示す図である。アバランシェ破壊したサンプルでは何れもチップコーナー部アノード端部にSi隆起が見られ、層間膜直下付近のSi内に溶融痕が見つかった。この結果から、破壊メカニズムの最終段階は、過電流による熱破壊と考えられる。
 図6は、逆バイアス印加時の内部状態を模擬した結果を示す図である。室温の耐圧特性を模擬した結果、定格電圧を大幅に超えた降伏開始点近傍で負性微分抵抗(NDR: Negative Differential Resistance)領域に入り、耐圧波形が“S”字を描いた。各電流値でのデバイス内部状態を観察した結果、NDR領域では、コンタクト端のデバイス縦方向で電子と正孔が高密度で存在していることが分かり(バイポーラ動作)、アバランシェ破壊がコンタクト端の縦方向寄生pnpトランジスタ構造の2次降伏である可能性が示された。一方、本実施の形態ではアバランシェ破壊が改善された。これらの結果から、従来構造のアバランシェ破壊の原理は、バイポーラトランジスタの2次降伏の原理「高電界による衝突電離によって発生したキャリアがベース電流として働き、オン動作を継続する動作」と基本的に同様であるといえる。
 図7はリカバリー特性を模擬した図である。図8は従来構造の正孔密度と電界強度を示す図であり、図9は本実施の形態の正孔密度と電界強度を示す図である。本実施の形態では従来構造に比べてサージ電圧が高い結果が得られた。サージ電圧が高まる原因を調査するためリカバリー各タイミングでの内部解析を行ったところ、従来構造では終端領域の裏面のp型カソード層直上で緩やかに空乏層がカソード側に伸長しているのに対し、本実施の形態では終端領域の裏面のn型層直上で急激に空乏層がカソード側に伸長していることが分かった。
 また、従来構造のUIS試験を模擬したところ、電圧ピーク付近でデバイス破壊を模擬できた。各タイミングでの内部解析の結果、デバイス破壊時の内部状態が上記の逆バイアス印加時の内部状態模擬とよく似ていた。従って、活性領域と終端領域の境界領域の裏面にn型層を形成することで改善できることが分かった。
 図10は1200V試作ロットについて室温耐圧特性を実測した結果を示す図である。終端領域の裏面にp型カソード層が形成された従来構造の場合、1500V付近で降伏開始と同時に破壊された。一方、活性領域の端部の裏面にn型層が形成された本実施の形態の場合、狙い通りアバランシェ耐量を向上させることができた。
 図11はsnap-off特性を示す図である。本実施の形態のsnap-off特性評価時の電圧波形ピーク値Vsnap-offは、Vcc=850Vで比較すると従来構造よりも約100V高いが、pinダイオードよりも300V以上低い。従って、RFC効果が維持できていることが分かった。
 図12は、2次降伏開始電流及び最大可制御電流のWGR1,WGR2依存性を示す図である。WGR1,WGR2が0に近づくほど2次降伏開始電流が小さくなるが最大可制御電流は大きくなる。一方、WGR1,WGR2が大きくなるほど最大可制御電流は小さくなるが2次降伏開始電流が大きくなる。そこで、10μm≦WGR1≦500μmを満たし、10μm≦WGR2≦500μmを満たす必要がある。
 以上説明したように、本実施の形態では、活性領域と終端領域の境界領域の裏面にn型層10を形成することにより、寄生pnpトランジスタ動作が抑えられるため、ターンオフ動作時の活性領域と終端領域の境界での破壊を防ぎ、オフ動作時及びターンオフ動作時のアバランシェ耐量を向上させることができる。ただし、活性領域の端部では拡散層の曲率のため電界集中が起こり易く、リカバリー動作時の電圧・電流波形振動のトリガーであるデバイス内部のキャリアの急激な枯渇が先に起こりやすい。このため、p型カソード層9を活性領域の端部から離すほど、リカバリー動作時の電圧・電流波形振動が起こりやすい。そこで、本実施の形態では、n型層10が活性領域側と終端領域側に張り出した距離WGR1,WGR2が10μm≦WGR1≦500μmと10μm≦WGR2≦500μmを満たすように設定する。これにより、ターンオフ動作終焉でのsnap-off現象やそれをトリガーとする発振現象を抑制することもできる。
実施の形態2.
 図13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。図14は、本発明の実施の形態2に係る半導体装置を示す下面図である。本実施の形態ではn型層10はn型バッファ層7と同じ不純物濃度を有する。その他の構成は実施の形態1と同様であり、実施の形態1と同様の効果を得ることができる。
実施の形態3.
 図15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。図16は、本発明の実施の形態3に係る半導体装置を示す下面図である。本実施の形態では終端領域にp型カソード層9が形成されていない。その他の構成は実施の形態1と同様であり、実施の形態1と同様の効果を得ることができる。
実施の形態4.
 図17は、本発明の実施の形態4に係る半導体装置を示す断面図である。図18は、本発明の実施の形態4に係る半導体装置を示す下面図である。本実施の形態ではn型層10はn型バッファ層7と同じ不純物濃度を有し、終端領域にp型カソード層9が形成されていない。その他の構成は実施の形態1と同様であり、実施の形態1と同様の効果を得ることができる。
実施の形態5.
 図19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。本実施の形態ではn型層10の活性領域側の端部に幅Wp1を持ったp型カソード層9が隣接している。その他の構成は実施の形態1と同様であり、実施の形態1と同様の効果を得ることができる。
 ここで、逆バイアス印加時にp型アノード層2の端部の衝突電離によって生成された電子正孔対のうち、電子が高電界中をカソードに向かう。p型カソード層9直上のn型バッファ層7を迂回して活性領域内のn型層10に向かう電子電流による電圧降下がp型カソード層9とn型バッファ層7間の内蔵電位Vinを超えることによって寄生pnpトランジスタ動作が誘発される。n型バッファ層7の抵抗率をρbuffer、電子電流をIとすると内蔵電位VinはVin=∫ρbuffer・I・xdxで与えられる。例えばIeが200A/cm、p型カソード層9のアクセプタ密度NAが1E17/cm、n型バッファ層7のドナー密度NDが3E16/cm、n型バッファ層7のピーク濃度Nbufferが3E16/cm、n型バッファ層7の厚みが1.5μm、温度が300Kの場合、内蔵電位約0.79Vを超えるためのWp1は約58.5μmと導出される。これにより、寄生pnpトランジスタ動作を抑えることができる。この効果を得るためには幅Wp1を数10μm程度に設計することが好ましい。
実施の形態6.
 図20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。本実施の形態ではn型層10の終端領域側の端部に幅Wp2を持ったp型カソード層9が隣接している。その他の構成は実施の形態1と同様であり、実施の形態1と同様の効果を得ることができる。実施の形態5と同様に幅Wp2を数10μm程度に設計することが好ましい。
実施の形態7.
 図21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。本実施の形態ではn型層10はn型バッファ層7と同じ不純物濃度を有する。その他の構成は実施の形態5と同様であり、実施の形態5と同様の効果を得ることができる。
実施の形態8.
 図22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。本実施の形態ではn型層10はn型バッファ層7と同じ不純物濃度を有する。その他の構成は実施の形態6と同様であり、実施の形態6と同様の効果を得ることができる。
実施の形態9.
 図23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。本実施の形態ではn型層10の活性領域側の端部にn型カソード層8が隣接している。その他の構成は実施の形態8と同様であり、実施の形態8と同様の効果を得ることができる。
実施の形態10.
 図24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。本実施の形態ではp型カソード層9より濃度が低いp型層12a,12bがn型バッファ層7の裏面に形成され、それぞれn型層10の活性領域側と終端領域側に隣接している。その他の構成は実施の形態8と同様であり、実施の形態8と同様の効果を得ることができる。実施の形態5と同様にp型層12a,12bの幅Wp1,Wp2を数10μm程度に設計することが好ましい。
実施の形態11.
 図25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。本実施の形態では、実施の形態1のn型層10の代わりに、p型カソード層9より濃度が低いp型層13が活性領域と終端領域の境界領域においてn型バッファ層7の裏面にn型カソード層8及びp型カソード層9と横並びに形成されている。活性領域の端部を起点にしてp型層13が活性領域側に張り出した距離がWGR1であり、活性領域の端部を起点にしてp型層13が終端領域側に張り出した距離がWGR2であり、10μm≦WGR1≦500μmと10μm≦WGR2≦500μmを満たす。その他の構成は実施の形態1と同様であり、実施の形態1と同様の効果を得ることができる。
実施の形態12.
 図26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。幅Wp1,Wp2を持ったp型カソード層9がそれぞれp型層13の活性領域側と終端領域側に隣接している。その他の構成は実施の形態11と同様であり、実施の形態11と同様の効果を得ることができる。実施の形態5と同様に幅Wp1,Wp2を数10μm程度に設計することが好ましい。
実施の形態13.
 図27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。本実施の形態ではp型層13の活性領域側の端部にn型カソード層8が隣接している。その他の構成は実施の形態11と同様であり、実施の形態11と同様の効果を得ることができる。
実施の形態14.
 図28は、本発明の実施の形態14に係る半導体装置を示す断面図である。本実施の形態ではp型層13の終端領域側の端部にn型カソード層8が隣接している。その他の構成は実施の形態11と同様であり、実施の形態11と同様の効果を得ることができる。
実施の形態15.
 図29は、本発明の実施の形態15に係る半導体装置を示す断面図である。n型層10及びn型カソード層8はp型カソード層9よりも深さが深く、ピーク濃度が2倍以上高い。n型層10及びn型カソード層8中にp型カソード層9の不純物が含まれる。この構成であれば、p型カソード層9を全面形成した後、n型層10及びn型カソード層8を部分的に打ち消して形成することができる。従って、プロセスフローが簡略化でき、パターンずれによる電気特性の影響の懸念をなくすことができる。
実施の形態16.
 図30は、本発明の実施の形態16に係る半導体装置を示す断面図である。図31は、本発明の実施の形態16に係る半導体装置を示す下面図である。実施の形態1~10のn型層10が平面視において複数のリング状に配置されている。図32は、本発明の実施の形態16に係る半導体装置の変形例を示す下面図である。実施の形態1~10のn型層10が平面視においてドット状に配置されている。また、実施の形態11~15のp型層13が平面視において複数のリング状又はドット状に配置されていてもよい。この場合でも実施の形態1~15と同様の効果を得ることができる。
 なお、上記の実施の形態に係る半導体装置は、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、装置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、装置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。
 また、上記の実施の形態では1200V、1700Vの低・中耐圧クラスのダイオードを例にとって説明したが、耐圧クラスに関係なく、またIGBTやRC-IGBTなど、内部に寄生バイポーラトランジスタ構造をもつ半導体装置であれば上記の効果を奏する。また、終端構造がFLRの場合について説明したが、これに限らずVLD(Variable Lateral Doping)構造、RESURF(Reduced Surface Field)構造でも上記と同様の効果を奏する。
1 n型ドリフト層、2 p型アノード層、7 n型バッファ層、8 n型カソード層、9 p型カソード層、10 n型層、12a,12b,13 p型層

Claims (13)

  1.  活性領域の外側に終端領域が配置された半導体装置であって、
     互いに対向する表面と裏面を持つn型ドリフト層と、
     前記活性領域において前記n型ドリフト層の前記表面に形成されたp型アノード層と、
     前記n型ドリフト層の前記裏面に形成されたn型バッファ層と、
     前記n型バッファ層の裏面に互いに横並びに形成されたn型カソード層及びp型カソード層と、
     前記活性領域と前記終端領域の境界領域において前記n型バッファ層の裏面に前記n型カソード層及び前記p型カソード層と横並びに形成されたn型層とを備え、
     前記活性領域の端部を起点にして前記n型層が前記活性領域側に張り出した距離がWGR1であり、
     10μm≦WGR1≦500μmを満たすことを特徴とする半導体装置。
  2.  前記活性領域の端部を起点にして前記n型層が前記終端領域側に張り出した距離がWGR2であり、
     10μm≦WGR2≦500μmを満たすことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3.  前記n型層は、前記n型カソード層と同じ不純物濃度を有す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。
  4.  前記n型層は、前記n型バッファ層と同じ不純物濃度を有す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。
  5.  前記n型層の前記活性領域側の端部に前記p型カソード層が隣接していることを特徴とする請求項1~4の何れか1項に記載の半導体装置。
  6.  前記n型層の前記終端領域側の端部に前記p型カソード層が隣接していることを特徴とする請求項1~5の何れか1項に記載の半導体装置。
  7.  前記n型層の前記活性領域側の端部に前記n型カソード層が隣接していることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置。
  8.  前記n型バッファ層の裏面に形成され、前記n型層の前記活性領域側と前記終端領域側の少なくとも一方に隣接し、前記p型カソード層より濃度が低いp型層を更に備えることを特徴とする請求項1~4の何れか1項に記載の半導体装置。
  9.  前記n型層及び前記n型カソード層は前記p型カソード層よりも深さが深く、ピーク濃度が2倍以上高く、
     前記n型層及び前記n型カソード層中に前記p型カソード層の不純物が含まれることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。
  10.  前記n型層が平面視においてドット状に配置されていることを特徴とする請求項1~9の何れか1項に記載の半導体装置。
  11.  活性領域の外側に終端領域が配置された半導体装置であって、
     互いに対向する表面と裏面を持つn型ドリフト層と、
     前記活性領域において前記n型ドリフト層の前記表面に形成されたp型アノード層と、
     前記n型ドリフト層の前記裏面に形成されたn型バッファ層と、
     前記n型バッファ層の裏面に互いに横並びに形成されたn型カソード層及びp型カソード層と、
     前記活性領域と前記終端領域の境界領域において前記n型バッファ層の裏面に前記n型カソード層及び前記p型カソード層と横並びに形成され、前記p型カソード層より濃度が低いp型層とを備え、
     前記活性領域の端部を起点にして前記p型層が前記活性領域側に張り出した距離がWGR1であり、
     前記活性領域の端部を起点にして前記p型層が前記終端領域側に張り出した距離がWGR2であり、
     10μm≦WGR1≦500μmと10μm≦WGR2≦500μmを満たすことを特徴とする半導体装置。
  12.  前記p型カソード層が前記p型層の前記活性領域側と前記終端領域側の少なくとも一方に隣接していることを特徴とする請求項11に記載の半導体装置。
  13.  前記p型層が平面視においてドット状に配置されていることを特徴とする請求項11又は12に記載の半導体装置。
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