JP6294175B2 - 半導体装置およびそれを用いた電力変換システム - Google Patents
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Description
まず、図1を参照して、本発明の第1の実施形態である実施例1に係るダイオードの構成について説明する。なお、図1は、第1実施形態に係るダイオード1のアクティブ領域の模式的断面図である。ターミネーション領域については記載を省略しているが、ターミネーション領域には、p型ウェルと電極とをリング状に配置したFLR(Field Limiting Ring)型等の従来のターミネーション構造が用いられる。
次に、図2〜図5を参照(適宜図1参照)して、第1実施形態に係るダイオード1のアクティブ領域の構造の製造方法の一例について説明する。なお、ターミネーション領域の構造もアクティブ領域の構造と同時に作製するが、ターミネーション領域の構造の製造方法は従来のダイオードと同じであるので説明は簡略化する。
まず、ダイオード1を作製するためのSi基板100として、Siウエハを準備する。Siウエハには、耐圧に応じた比抵抗を有するFZ(Floating Zone)ウエハを用いることができる。本実施形態では、FZウエハのバルクをn-ドリフト層101とする。FZウエハの比抵抗は、例えば3.3kVの耐圧をもつダイオードでは250Ωcm程度とする。
図示しない最初の工程で、Si基板100の表面全体に熱酸化により酸化膜を形成する。次に、アノードp-層103を設ける領域であるアクティブ領域を形成するためのフォトリソグラフィ工程を行う。このフォトリソグラフィ工程では、Si基板100の表面にレジスト材料を塗布、露光、現像することで、アクティブ領域の全面が開口したレジストを形成する。なお、このとき、ターミネーション領域において、p型ウェルを形成する領域もレジストを開口する。続いて、レジストの開口部に露出した酸化膜をウェットエッチングで除去し、レジストも除去する。この工程で、Si基板100の表面には、アクティブ領域の全面と、ターミネーション領域のp型ウェルを形成する領域とが開口した酸化膜が形成される。
その後、図2に示すように、熱酸化によりSi基板100の表面にインプラスルー酸化膜109を形成し、アクティブ領域形成工程で形成した酸化膜とインプラスルー酸化膜109とからなる酸化膜の厚膜部をマスクとして、薄膜部であるインプラスルー酸化膜109越しにアノードp-層103を形成するためのp型不純物をイオン注入する。これによって、アクティブ領域には全面にアノードp-層103のp型不純物がイオン注入される。
次に、図3に示すように、アノードp層102を形成するためのフォトリソグラフィ工程を行う。このフォトリソグラフィ工程では、Si基板100の表面にレジスト材料を塗布、露光、現像して、アクティブ領域のアノードp層102を形成する領域に開口を有するレジスト110を形成する。なお、このとき、不図示のターミネーション領域において、p型ウェルを形成する領域もレジストを開口する。
続いて、コンタクト部を形成するためのフォトリソグラフィ工程を行う。このフォトリソグラフィ工程では、レジスト材料を塗布、露光、現像して、アクティブ領域の全面に開口を有するレジスト(不図示)を形成する。
その後、Si基板100の裏面側からウエハ全面に、カソードバッファn層105及びカソードn層104を形成するためのn型不純物のイオン注入を順次に行う。さらに、低ライフタイム領域106を形成するためにn型不純物をイオン注入する。このとき、低ライフタイム領域106を形成するためのn型不純物のイオン注入前に、両面アライナーを用いてレジスト110を形成する。イオン注入は、カソードバッファn層105を形成するためのn型不純物のイオン注入と比較し、高濃度でかつ同等の打ち込みエネルギーで実施する。ついで、レジストを除去する。
レーザアニール後に、カソード側である裏面にカソード電極108を形成する。なお、カソード電極108は、金属等の適宜な導電性材料を用いて、アノード電極107と同様の方法で形成することができる。
最後にウエハをダイシングなどで分割してダイオード1のチップが完成する。
次に、イオン注入とレーザアニールの条件について説明する。
次に、図1、図17、及び図18を参照して、図1に示した本発明の第1の実施形態である実施例1に係るダイオード1と図17に示した比較例とを比較するために発明者らが行った実験について説明する。
実施例1のダイオード1は、Si基板100としてn型Siウエハを用い、カソードバッファn層105を形成するためのn型不純物としてリンを、エネルギー720keV、オフ角0°、ドース2×1011cm-2で注入する。また、カソードn層104のn型不純物としてリンを、エネルギー60keV、オフ角7°、ドース1×1015cm-2で注入する。さらに、低ライフタイム領域106を形成するため、レジストパターンを形成し、リンをエネルギー720keV、オフ角0°、ドース4×1012cm-2で注入する。その後、レジスト除去後、注入したn型不純物を活性化させるためのレーザアニールとして、波長532nmのYLFレーザの第2高調波を1.5J/cm2のエネルギーで照射した。
図18に、実施例1(実線)及び比較例(破線)それぞれのダイオード1及び1Gの、室温における小電流(定格電流X1/10)リカバリ特性の電流波形及び電圧波形を示す。
10 電力変換システム
100 Si基板
101 n-ドリフト層(第1半導体層)
102 アノードp層(第2半導体層)
103 アノードp-層
104 カソードn層(第3半導体層)
105 カソードバッファn層(第5半導体層)
106 低ライフタイム領域(第4半導体層)
107 アノード電極(第1電極)
108 カソード電極(第2電極)
109 インプラスルー酸化膜
110 レジスト
111 pウェル
112 チャネルストッパ層
113 絶縁層
114 フィールドプレート電極
200a〜200c IGBT(第1半導体スイッチング素子)
200d〜200f IGBT(第2半導体スイッチング素子)
201a〜201f ダイオード
202 交流電源
203 整流回路
204 上アーム駆動回路
205 下アーム駆動回路
206 モータ
Claims (14)
- 第1導電型の第1半導体層と、
前記第1半導体層に隣接して設けられる平面視でストライプ状の第2導電型の第2半導体層と、
前記第1半導体層に対して、前記第2半導体層が設けられた側と反対側に設けられ、前記第1半導体層よりも前記第1導電型の不純物の濃度が高い前記第1導電型の第3半導体層と、
前記第2半導体層にオーミック接続する第1電極と、
前記第3半導体層にオーミック接続する第2電極と
を備えたダイオード構成の半導体装置であって、
前記第1半導体層と前記第3半導体層との間であって前記第1半導体層に隣接する位置のアクティブ領域に、前記第3半導体層が含有する前記第1導電型の不純物と同種の不純物を含有し、かつ、前記第1半導体層よりもキャリアのライフタイムが短く、かつ、前記第2半導体層に直交する、複数の平面視でストライプ状の第4半導体層を更に備え、
前記第4半導体層の層に水平方向に隣接する領域のライフタイムが前記第4半導体層のライフタイムより長い
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、
前記第4半導体層は、前記第1半導体層に隣接する位置で前記第4半導体層の部分と前記第4半導体層以外の部分とが周期的に繰り返して現れるように配置される
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、
前記第4半導体層の平面上の面積は、前記アクティブ領域の面積の5%以上かつ50%以下である
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、
前記第3半導体層と前記第4半導体層との間の領域に、前記第3半導体層よりも前記第1導電型の不純物の濃度が低い前記第1導電型の第5半導体層を更に備え、
前記第5半導体層の一部は前記第4半導体層間の領域まで延在して前記第1半導体層と隣接し、
前記第4半導体層におけるキャリアのライフタイムは、前記第5半導体層におけるキャリアのライフタイムよりも短い
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、
前記第4半導体層は前記第3半導体層から隔離された位置に配置される
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、
二次イオン質量分析法で求められる前記第1導電型の不純物の濃度に対する、拡がり抵抗の測定に基づいて求められるキャリア濃度の比である活性化率は、前記第4半導体層における活性化率のほうが、前記第3半導体層における活性化率よりも小さい
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項6に記載の半導体装置において、
前記第4半導体層は、前記活性化率が10%以下の領域を有する
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、
前記第4半導体層が結晶欠陥を含む
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項8に記載の半導体装置において、
前記結晶欠陥は、前記第1導電型の不純物のイオン注入により生成されたものである
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項9に記載の半導体装置において、
前記第3半導体層および前記第4半導体層は、前記第3半導体層を形成するために行われる前記第1導電型の不純物のイオン注入と、前記イオン注入後のレーザ照射とによって形成されたものである
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項8に記載の半導体装置において、
前記第3半導体層を形成するために前記第1導電型の不純物をイオン注入して生じる結晶欠陥の濃度がピークとなる位置が、前記第4半導体層の中に存在する
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項9に記載の半導体装置において、
前記第3半導体層が含有する前記第1導電型の不純物の元素種がリンである
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、
前記アクティブ領域に形成された前記第4半導体層に相当する半導体層がターミネーション領域に更に形成される
ことを特徴とする半導体装置。 - 互いに直列接続された第1半導体スイッチング素子および第2半導体スイッチング素子と、前記第1半導体スイッチング素子および前記第2半導体スイッチング素子にそれぞれ逆並列に接続される第1ダイオードおよび第2ダイオードとを備え、
前記第1ダイオードおよび第2ダイオードが、請求項1乃至13の何れか一項に記載の半導体装置で構成される
ことを特徴とする電力変換システム。
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