JP2023144454A - 半導体装置、半導体装置および電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】IGBTのオン電圧の上昇を防ぎ、かつ、より簡単なプロセスでダイオード部の逆回復特性を改善できる半導体装置、半導体装置の製造方法および電力変換装置を提供する。【解決手段】本発明の半導体装置100(RC-IGBT)は、1つのチップ内にIGBT部とダイオード部とを有するRC-IGBTにおいて、ダイオード部のボディ層11は、IGBT部のボディ層10よりも浅く形成されており、IGBT部のライフタイム制御層8はIGBT部のボディ層10内に形成されており、ダイオード部のライフタイム制御層8はダイオード部のボディ層11の下のnドリフト層4内に形成されていることを特徴とする。【選択図】図1
Description
本発明は、半導体装置および電力変換装置に関する。
同一チップ内にIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)とダイオードを内蔵した逆導通IGBT(以降、「RC-IGBT」と称する。)は、(1)IGBTとダイオードのターミネーション領域を共通化できることによるチップサイズ低減および(2)IGBT領域またはダイオード領域で発生した損失がチップ全体で放熱されるために熱抵抗が低減、といったメリットがある。一方、IGBTとダイオードを同一チップ内に作りこむため、各々のチップの同時最適化が難しく、特にダイオード部のライフタイム制御が困難であり、ダイオードの低注入化やリカバリー損失低減が課題である。
RC-IGBTのダイオード部の低注入化の手段として、例えば特許文献1には、IGBT領域11とダイオード領域12とに亘って、ドリフト層104内にライフタイム制御領域150が形成されている半導体装置が開示されている。特許分文献1によれば、IGBT部及びダイオード部のpボディ層下のnドリフト層中にライフタイム制御領域を設けることで、ダイオード部の逆回復特性を改善できるとしている。
また、特許文献2には、RC-IGBTのダイオード範囲40のドリフト領域27内にライフタイム制御領域52が形成されている半導体装置が開示されている。特許文献2では、ダイオード範囲40のpボディ層下のnドリフト層中にのみ、ライフタイム制御領域52を設けることで、IGBTの特性を犠牲にすることなく、ダイオード部の逆回復特性を改善できるとしている。
しかしながら、上記特許文献1では、ダイオード部だけでなく、IGBT部のpボディ層下のnドリフト層中にライフタイム制御層を設けているため、IGBTのオン電圧が上昇してしまうという課題がある。
また、上記特許文献2では、ダイオード部のpボディ層下のnドリフト層中にのみライフタイム制御層を設けているため、IGBTのオン電圧特性を犠牲にすることなく、ダイオードの逆回復特性を改善できる。しかしながら、軽イオン(例えばプロトン、ヘリウム)照射によって形成されるライフタイム制御層をダイオード部にのみ設けるためには、IGBT部に軽イオンが照射されないようにメタルマスクを設置する必要であり、プロセスの難易度が高くなってしまうという課題がある。
本発明は、上記事情に鑑み、IGBTのオン電圧の上昇を防ぎ、かつ、より簡単なプロセスでダイオード部の逆回復特性を改善できる半導体装置、半導体装置の製造方法および電力変換装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決する本発明の第1の態様は、1つのチップ内にIGBT部とダイオード部とを有するRC-IGBTにおいて、ダイオード部のボディ層は、IGBT部のボディ層よりも浅く形成されており、IGBT部のライフタイム制御層はIGBT部のボディ層内に形成されており、ダイオード部のライフタイム制御層はダイオード部のボディ層の下のドリフト層内に形成されていることを特徴とする半導体装置である。
また、上記課題を解決する本発明の第2の態様は、上記本発明の半導体装置の製造方法において、IGBT部のボディ層とダイオード部のボディ層とを別の工程で形成することを特徴とする半導体装置の製造方法である。
また、上記課題を解決するための本発明の他の態様は、一対の直流端子と、交流出力の相数と同数の交流端子と、一対の直流端子間に接続され、スイッチング素子とスイッチング素子に逆並列に接続されたダイオードとで構成された並列回路が2個直列に接続された、交流出力の相数と同数のスイッチングレッグと、スイッチング素子を制御するゲート回路と、を有する電力変換装置であって、ダイオード、スイッチング素子およびゲート回路は、上記半導体装置であることを特徴とする電力変換装置である。
本発明のより具体的な構成は、特許請求の範囲に記載される。
本発明によれば、IGBTのオン電圧の上昇を防ぎ、かつ、より簡単なプロセスでダイオード部の逆回復特性を改善できる半導体装置、半導体装置の製造方法および電力変換装置を提供できる。
なお、上記した以外の課題、構成及び効果については、下記する実施例の説明により、明らかにされる。
以下、本発明について、図面を参照しながら詳細に説明する。
[半導体装置]
図1は本発明の半導体装置の一例を示す断面模式図である。図1に示すように、本発明の半導体装置(RC-IGBT)100は、IGBT部とDiode部を有する。裏面側から表面側に向かって、コレクタ電極層/カソード電極層1、拡散層2、バッファ層3、nドリフト層4およびpボディ層10,11およびエミッタ電極層/アノード電極層5が積層された構造を有している。なお、図1中の導電型「p」および「n」は、反転しても良い。
図1は本発明の半導体装置の一例を示す断面模式図である。図1に示すように、本発明の半導体装置(RC-IGBT)100は、IGBT部とDiode部を有する。裏面側から表面側に向かって、コレクタ電極層/カソード電極層1、拡散層2、バッファ層3、nドリフト層4およびpボディ層10,11およびエミッタ電極層/アノード電極層5が積層された構造を有している。なお、図1中の導電型「p」および「n」は、反転しても良い。
表面構造は、IGBT部は、トレンチとトレンチに挟まれたpボディ層10を有し、表面にはn+ソース層と、pボディ層10とエミッタ電極5を接続するためのp+層が形成されている。Diode部は、トレンチとトレンチに挟まれたpボディ層11を有し、表面には、pボディ層11とアノード電極5を接続するためのp+層が設けられている。
図1に示す半導体装置100の特徴は、IGBT部のpボディ層10がDiode部のpボディ層11より深く形成されており、ライフタイム制御層8が、IGBT部ではpボディ層10の内部に形成され、Diode部ではpボディ層11下のnドリフト層4中に形成されている点にある。Diode部では、nドリフト層4中にライフタイム制御層8が設けられているため、逆回復中に、nドリフト層4中のキャリアがライフタイム制御層8中で効率よく消失することで、逆回復特性を改善できる。一方、IGBT部では、pボディ層10の内部にライフタイム制御層8が設けられているため、IGBTの導通時にnドリフト層4中のキャリアがライフタイム制御層8で消失することはなく、低オン電圧を実現できる。すなわち、IGBT部とダイオード部のpボディ層の深さを変えることで、同じ深さのライフタイム制御層8を設けているにもかかわらず、IGBTの低オン電圧特性を損なうことなく、ダイオードの逆回復特性を改善できる構成となっている。
[半導体装置の製造方法]
図2(a)~図2(f)は本発明の半導体装置の製造方法の一工程を示す断面模式図である。図2(a)~図2(f)に基づいて、本発明の半導体装置の製造方法について説明する。
図2(a)~図2(f)は本発明の半導体装置の製造方法の一工程を示す断面模式図である。図2(a)~図2(f)に基づいて、本発明の半導体装置の製造方法について説明する。
まず始めに、図2(a)に示すように、IGBT部およびダイオード部のnドリフト層4に酸化膜6を介してポリシリコン電極13が埋め込まれたトレンチを形成する。
次に、図2(b)に示すように、IGBT部にイオン12を照射して軽イオンを拡散することにより、pボディ層10を形成する。このとき、Diode部にはイオン12が照射されないよう、フォトレジスト14を設置する。
次に、図2(c)に示すように、Diode部にイオン12を照射して拡散することにより、pボディ層11を形成する。このとき、IGBT部にはイオン12が照射されないよう、フォトレジスト14を設置する。Diode部のpボディ層11がIGBT部のpボディ層10よりも浅くなるようにするために、Diode部のpボディ層11の形成においては、イオン12の打ち込みの深さをIGBT部に対して浅くするか、拡散工程において拡散温度を低くするか、または拡散時間を短くする。
次に、図2(d)に示すように、IGBT部のpボディ層10にはn+層およびp+層を形成し、Diode部のpボディ層11にはp+層を形成する。
次に、図2(e)に示すように、表面のエミッタ/アノード電極5を形成し、裏面にnバッファ層3を形成し、拡散層2としてIGBT部にはp層、Diode部にはn+層を形成し、裏面のコレクタ電極層/カソード電極層1を形成する。
最後に、図2(f)に示すように、IGBT部ではpボディ層10の内部、Diode部ではpボディ層11下のnドリフト層4中にライフタイム制御層8を形成する。ライフタイム制御層の形成は、例えば、プロトンやヘリウムといった軽イオンを所望の位置に照射ことにより形成することができる。軽イオン照射においては、IGBT部とダイオード部で照射深さが同じのため、メタルマスク等で軽イオンを遮蔽することなく照射することができる。
上述したように、本発明の半導体装置の製造方法によれば、IGBT部のpボディ層10の形成とDiode部のpボディ層11の形成とを別の工程とすることで、IGBT部とDiode部のボディ層の深さを変えて形成することができる。
[電力変換装置]
図3は本発明の電力変換装置の一例の概略構成を示す回路図である。図3は、本実施形態の電力変換装置500の回路構成の一例と直流電源と三相交流モータ(交流負荷)との接続の関係を示す。
図3は本発明の電力変換装置の一例の概略構成を示す回路図である。図3は、本実施形態の電力変換装置500の回路構成の一例と直流電源と三相交流モータ(交流負荷)との接続の関係を示す。
本実施形態の電力変換装置500では、本発明の半導体装置を素子521~526として使用する。
図3に示すように、本実施形態の電力変換装置500は、一対の直流端子であるP端子531、N端子532と、交流出力の相数と同数の交流端子であるU端子533、V端子534、W端子535とを備えている。
また、一対の電力スイッチング素子501および502の直列接続からなり、その直列接続点に接続されるU端子533を出力とするスイッチングレッグを備える。また、それと同じ構成の電力スイッチング素子503および504の直列接続からなり、その直列接続点に接続されるV端子534を出力とするスイッチングレッグを備える。また、それと同じ構成の電力スイッチング素子505および506の直列接続からなり、その直列接続点に接続されるW端子535を出力とするスイッチングレッグを備える。
電力スイッチング素子501~506からなる3相分のスイッチングレッグは、P端子531、N端子532の直流端子間に接続されて、図示しない直流電源から直流電力が供給される。電力変換装置500の3相の交流端子であるU端子533、V端子534、W端子535は図示しない三相交流モータに三相交流電源として接続されている。
電力スイッチング素子501~506には、それぞれ逆並列にダイオード521~526が接続されている。例えばIGBTからなる電力スイッチング素子501~506のそれぞれのゲートの入力端子には、ゲート回路511~516が接続されており、電力スイッチング素子501~506はゲート回路511~516によりそれぞれ制御される。なお、ゲート回路511~516は統括制御回路(不図示)によって統括的に制御されている。
ゲート回路511~516によって、電力スイッチング素子501~506を統括的に適切に制御して、直流電源Vccの直流電力は、三相交流電力に変換され、U端子533、V端子534、W端子535から出力される。
本発明の半導体装置(RC-IGBT)を電力変換装置500に適用することで、電力スイッチング素子501~506およびダイオード521~526を1つにまとめることができ、装置の小型化を図ることができる。また、上述した通り、本発明の半導体装置を用いることで、ダイオード部のリカバリー特性を向上した電力変換装置を提供することができる。
以上、本発明によれば、IGBTのオン電圧の上昇を防ぎ、かつ、より簡単なプロセスでダイオード部の逆回復特性を改善できる半導体装置、半導体装置の製造方法および電力変換装置を提供できることが示された。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために、具体的に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を有するものに限定されるものではない。
1…コレクタ電極層/カソード電極層、2…拡散層、3…バッファ層、4…nドリフト層、5…エミッタ電極層/アノード電極層、6…酸化膜、7…ゲート、8…ライフタイム制御層、9…ゲート/エミッタ、10…IGBT部のpボディ層、11…ダイオード部のpボディ層、12…軽イオン、13…ポリシリコン電極、14…フォトレジスト、100…半導体装置、500…電力変換装置、501~506…電力スイッチング素子、511~516…ゲート回路、521~526…ダイオード、531…P端子、532…N端子、533…U端子、534…V端子、535…W端子。
Claims (5)
- 1つのチップ内にIGBT部とダイオード部とを有するRC-IGBTにおいて、
前記ダイオード部のボディ層は、前記IGBT部のボディ層よりも浅く形成されており、
前記IGBT部のライフタイム制御層は前記IGBT部のボディ層内に形成されており、
前記ダイオード部のライフタイム制御層は前記ダイオード部のボディ層の下のドリフト層内に形成されていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1に記載の半導体装置において、
前記IGBT部のライフタイム制御層と前記ダイオード部のライフタイム制御層は同じ深さに形成されていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1または2に記載の半導体装置において、
前記ライフタイム制御層は軽イオンであることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法において、
前記IGBT部のボディ層と前記ダイオード部のボディ層とを別の工程で形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 一対の直流端子と、
交流出力の相数と同数の交流端子と、
前記一対の直流端子間に接続され、スイッチング素子と前記スイッチング素子に逆並列に接続されたダイオードとで構成された並列回路が2個直列に接続された、交流出力の相数と同数のスイッチングレッグと、
前記スイッチング素子を制御するゲート回路と、を有する電力変換装置であって、
前記ダイオードおよび前記スイッチング素子は、請求項1に記載の半導体装置であることを特徴とする電力変換装置。
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