JP2023144454A - 半導体装置、半導体装置および電力変換装置 - Google Patents

半導体装置、半導体装置および電力変換装置 Download PDF

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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。
特開２０１５－１４４２３２号公報 特開２０１７－５９７２５号公報
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。
本発明の半導体装置の一例を示す断面模式図 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 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 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 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 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 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 発明の電力変換装置の一例の概略構成を示す回路図
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。
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。
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。
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. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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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