JP6662393B2 - 半導体装置、半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
・中間領域2:アクティブセル領域1とエッジターミネーション領域5とがジョイントする領域でパワー半導体のダイナミック動作時の破壊耐量を保障しアクティブセル領域1の本来の性能をサポートする領域。
・エッジターミネーション領域5:staticな状態での耐圧保持、耐圧特性の安定性/信頼性面の保障およびダイナミック動作時の破壊耐量不良を抑制しアクティブセル領域本来の性能をサポートする領域。
・縦構造35:nドリフト層14に加え、図35AのIGBTではnバッファ層15とpコレクタ層16を含み、図35Bのダイオードではnバッファ層15とn+カソード層17を含み、図35Cのダイオードではnバッファ層15とn+カソード層17とpカソード層18を含む構造である。nドリフト層はn−層であるが簡単化のためnドリフト層と表記する。ON状態のロスとターンオン状態のロスとターンオフ状態のロスを加えたロスであるトータルロスに関する性能、staticな状態での耐圧保持、耐圧特性の安定性、耐圧保持時の高温でのリーク特性であるオフロス、信頼性面の保障及びダイナミック動作時の制御性と破壊耐量を保障し、パワー半導体の基本性能をサポートする領域。
・ウエハとしてnドリフト層14をエピタキシャル法で作製するウエハでは、Siウエハコストがエピタキシャル法で形成するSi厚みに依存し非常に高くなるというデメリットがある。FZ法にてnドリフト層14の濃度のみ耐圧クラスごとに適切な値に設定し、Siウエハコストが変化しないようにウエハプロセススタート時は耐圧クラスに関係無く同じnドリフト層14厚みのSiウエハを用いることで、単価の安いウエハを採用する必要がある。
・上記FZ法で製造するウエハを活用する目的でウエハプロセス中にて耐圧クラスに必要な厚みに制御し縦構造を構築することで、8〜12inchの大口径ウエハを用いるウエハプロセスとして問題となる色々なウエハ厚みに対応するウエハプロセス工程を極力最小限化し、IGBT、ダイオードなどのパワー半導体の大口径での製造を実現する。
本願の発明にかかる他の半導体装置は、アクティブセル領域と、該アクティブセル領域を囲むエッジターミネーション領域と、該アクティブセル領域と該エッジターミネーション領域の中間にある中間領域と、を備え、該アクティブセル領域は、上面側にpアノード層を有し、下面側の縦構造として、nカソード層を有するカソード層、該カソード層の上に設けられたnバッファ層、及び該nバッファ層の上のnドリフト層とを有し、該nバッファ層は、該カソード層側に設けられた第1バッファ部分と、該nドリフト層側に設けられた第2バッファ部分と、を有し、該第1バッファ部分のピーク不純物濃度は、該第2バッファ部分のピーク不純物濃度より高く、該第2バッファ部分の該nドリフト層側の不純物濃度勾配は、該第1バッファ部分の該nドリフト層側の不純物濃度勾配よりゆるやかであり、該nバッファ層は該エッジターミネーション領域と該中間領域にも形成され、該第2バッファ部分の不純物濃度のピーク位置は、該第2バッファ部分の中央部より該第1バッファ部分と該第2バッファ部分の接合部に近く、かつ、該接合部より該nドリフト層に近いことを特徴とする。
本願の発明にかかる他の半導体装置は、アクティブセル領域と、該アクティブセル領域を囲むエッジターミネーション領域と、該アクティブセル領域と該エッジターミネーション領域の中間にある中間領域と、を備え、該アクティブセル領域は、上面側にトレンチゲート型のMOS構造を有し、下面側の縦構造として、pコレクタ層、該pコレクタ層の上のnバッファ層、及び該nバッファ層の上のnドリフト層とを有し、該nバッファ層は、ピーク不純物濃度と該nバッファ層の裏面からの距離が異なる3層以上のバッファ部分を有し、複数の該バッファ部分のうち、最も該pコレクタ層側の該バッファ部分である第1バッファ部分のピーク不純物濃度が最も高く、複数の該バッファ部分の該nドリフト層側の不純物濃度勾配を比べると、最も該nドリフト層側の該バッファ部分であるトップバッファ部分の不純物濃度勾配が最もゆるやかであり、該nバッファ層は該エッジターミネーション領域と該中間領域にも形成され、該トップバッファ部分の不純物濃度のピーク位置は、該トップバッファ部分の中央部より、該トップバッファ部分と、該トップバッファ部分に隣接する該バッファ部分である隣接バッファ部分との接合部に近く、かつ、該接合部より該nドリフト層に近いことを特徴とする。
本願の発明にかかる他の半導体装置は、アクティブセル領域と、該アクティブセル領域を囲むエッジターミネーション領域と、該アクティブセル領域と該エッジターミネーション領域の中間にある中間領域と、を備え、該アクティブセル領域は、上面側にpアノード層を有し、下面側の縦構造として、nカソード層を有するカソード層、該カソード層の上に設けられたnバッファ層、及び該nバッファ層の上のnドリフト層とを有し、該nバッファ層は、ピーク不純物濃度と該nバッファ層の裏面からの距離が異なる3層以上のバッファ部分を有し、複数の該バッファ部分のうち、最も該カソード層側の該バッファ部分である第1バッファ部分のピーク不純物濃度が最も高く、複数の該バッファ部分の該nドリフト層側の不純物濃度勾配を比べると、最も該nドリフト層側の該バッファ部分であるトップバッファ部分の不純物濃度勾配が最もゆるやかであり、該nバッファ層は該エッジターミネーション領域と該中間領域にも形成され、該トップバッファ部分の不純物濃度のピーク位置は、該トップバッファ部分の中央部より、該トップバッファ部分と、該トップバッファ部分に隣接する該バッファ部分である隣接バッファ部分との接合部に近く、かつ、該接合部より該nドリフト層に近いことを特徴とする。
本発明は、例えば600V以上の電圧を印加するパワーモジュールのキーコンポーネントであるパワー半導体に関する。特に、以下の構造等を有するIGBT及びダイオードのようなバイポーラ系パワー半導体に関する、
(a) オフ状態の電圧遮断能力を上げかつ耐圧保持時の高温でのリーク電流低減し、低オフロス化及び高温動作を実現する縦構造、
(b) ターンオフ動作終焉での電圧跳ね上がり現象(以下、snap-off現象)及びsnap-off現象に起因する発振現象を抑制する縦構造、
(c) dynamicな破壊耐量であるターンオフ動作時の遮断能力を向上する縦構造、
(d) 半導体を製造するウエハの大口径化に対応するウエハプロセス技術に組み込める縦構造および製造技術、である。
図3における各記号の意味は以下のとおりである。
Qpl:charge of plasma layer(プラズマ層における電荷)
npl:electron/hole concentration in plasma layer(プラズマ層における電子/ホール密度)
V:potential
q:elementary charge(1.60218×10-19C)
ε0:dielectric constant in vacuum(8.85418×10-14F/cm)
εr:relative dielectric constant(Siでは11.9)
N+ D:ionized donor concentration(cm-3)
n,p:free electron/hole concentration (cm-3)
Jn,Jp:current density of electron/hole current(A/cm-3)
νsat(n),νsat(p):saturation drift velocity of electron/hole (cm/s)
(ii) staticな状態で電界強度をnバッファ層15内部で止め、ダイナミック動作時はnバッファ層15内部を空乏層が緩やかに伸びるように、nドリフト層14とnバッファ層15の接合部付近の濃度勾配は緩やかにする。また、空乏層は、図3Bの矢印丸2に示すように残留するキャリアプラズマ層との関係でnバッファ層15中にてストップする。その際の電界強度分布の勾配は、図3Bに示すdE/dxの関係式にて表される。
(iii) 低濃度で濃度傾斜があり厚いn層とすることで、パワー半導体の基本性能である耐圧特性保証、つまり、耐圧保持時の図2AのIGBT及び図2Cのダイオードに内蔵するpnp-tr.のαpnpを下げてオフ時の低リーク電流による低オフロス化を実現する。
・n層11:ピーク不純物濃度は1.0×1015〜1.0E17cm−3、深さはPベース層9より深くトレンチよりも浅い
・n+エミッタ層7: ピーク不純物濃度は1.0×1018〜1.0E21cm−3、深さは0.2〜1.0μm
・p+層8: 表面不純物濃度は1.0×1018〜1.0E21cm−3、深さはn+エミッタ層7と同じかもしくは深くなる接合深さ
・pコレクタ層16:表面不純物濃度は1.0×1016〜1.0×1020cm−3、深さは0.3〜1.0μm
Cnb1,p>Cnb2,p
が成立する。
接合部(Xj,nb1)と接合部(Xj,nb2)について、
Xj,nb1<Xj,nb2
が成立する。
第1バッファ部分nb1の不純物濃度勾配(δnb1)と第2バッファ部分nb2の不純物濃度勾配(δnb2)について、
δnb1>δnb2
が成立する。図6Aには、第1バッファ部分nb1の接合部Xj,nb1側における不純物濃度勾配(δnb1)は、第2バッファ部分nb2の接合部Xj,nb2側の不純物濃度勾配(δnb2)より大きいことが示されている。
・第2バッファ部分nb2:pnp tr.のベース幅を広げる役割があり、その結果αpnpを下げ、オフ時つまり耐圧保持時の低リーク電流による低オフロス化の効果を示す。本効果は、例えば398K以上の高温になるほど顕著化する。その上、staticおよびdynamicな状態で主接合から伸びてくる空乏層の伸びるスピートをnドリフト層14内の移動時より緩やかにし、かつON状態からの残留キャリアプラズマ層を存在させ、電界強度分布を制御する役割を担う。これにより、ターンオフ動作終焉でのsnap-off現象及びsnap-off現象に起因する発振現象を抑制し、スイッチング動作に関して制御性を向上させ、dynamic状態の破壊耐量を向上させることができる。
Dosenb1,effect: 第1バッファ部分nb1の活性化後の実効ドーズ量
Dosenb2,effect: 第2バッファ部分nb2の活性化後の実効ドーズ量
である。
実施の形態2に係る半導体装置は、図2Cに示すとおり、カソード側構造としてn+カソード層17とpカソード層18を備えるダイオードにおいて、オフ状態の耐圧遮断能力を上げ、高温でのリーク電流低減による低オフロスと高温動作を実現し、ターンオン又はリカバリー動作時のsnap-off現象及びその後の発振現象を抑制する安全動作領域の保証温度を拡大し、リカバリー時の破壊耐量の向上を実現するためのnバッファ層15を備える。
・n+カソード層17:表面不純物濃度が1.0×1018から1.0×1021cm−3、深さは0.3〜1.0μm
・pカソード層18:表面不純物濃度が1.0×1016〜1.0×1020cm―3、深さは0.3〜1.0μm
ステップ2:カソード側はホール注入を促進するためキャリア濃度が上昇し、カソード側の電界を緩和しながら、pアノード層10とnドリフト層14の主接合部の電界強度が上昇しインパクトイオン化が促進する。
ステップ3:主接合部にて促進したインパクトイオン化により発生する電子がnドリフト層14へ注入されpnpトランジスタのベース電流が増加し、リカバリー波形上に巨大なテール電流が発生する。
ステップ4:巨大なテール電流が発生し、同時にpnpトランジスタの動作が動作しはじめ制御できなくなり、デバイス破壊へ至る。
本発明の実施の形態3に係る半導体装置として、図2Bに示すようなカソード側構造がn+カソード層17のみのダイオードにて、リカバリー動作時のsnap-off現象及びsnap-off現象起因のその後の発振現象を抑制し、リカバリー時の破壊耐量を向上させるnバッファ層15を説明する。
・n+カソード層17:表面不純物濃度は1.0×1018から1.0×1021cm−3、深さは0.3〜1.0μm
本発明の実施の形態4に係る半導体装置は、実施の形態1−3のnバッファ層とは異なるnバッファ層を有する。図31は、実施の形態4に係る半導体装置のnバッファ層の不純物分布を示す図である。図31には、nバッファ層15が、第1バッファ部分nb1、第2バッファ部分nb2及び第3バッファ部分nb3で構成されたことが開示されている。別の見方をすれば、第2バッファ部分nb2を複数形成するということである。このような構成で、実施の形態1〜3のようなデバイス特性への効果が見込める。
Cnb1,p>Cnb2〜n,p
Xj,nb1<Xj,nb2〜n
δnb1>δnb2〜n
δnb1>δnb2〜nとは、第1バッファ部分nb1は、複数のバッファ部分のうち最も高い不純物濃度勾配を有することを意味する。また上記関係から、本実施形態のnバッファ層15を構成する第1バッファ部分nb1と第2〜nバッファ部分nb2〜nのそれぞれの役割と、図3に示す目標とするnバッファ層の役割との関係は以下のようになる。
・第2〜nバッファ部分:pnpトランジスタのベース幅を広げる役割がありその結果αpnpを下げてオフ時つまり耐圧保持時の低リーク電流による低オフロス化の役割および、staticおよびdynamicな状態での主接合から伸びてくる空乏層の伸びるスピートをnドリフト層14内の移動時より緩やかにし、かつON状態からの残留キャリアプラズマ層を存在させ電界強度分布を制御する役割
Cn―,d:nドリフト層14の不純物濃度
Cnbi,p:第2〜nバッファ部分nb2〜nのピーク濃度、より詳しく言えば、nバッファ層の下面に近い位置からi番目のバッファ部分におけるピーク不純物濃度
である。α値は以下のとおりである。
Dosenb1,effect:第1バッファ部分nb1の活性化後の実効ドーズ量
Dosenb2〜n,effect:第2〜nバッファ部分nb2〜nの活性化後の実効ドーズ量
である。第1バッファ部分nb1は、複数のバッファ部分のうち最も大きい活性化後の実効ドーズ量を有する。この関係式は、nバッファ層の活性化後の実効ドーズ量に占める、複数のバッファ部分のうち第1バッファ部分以外のバッファ部分の活性化後の実効ドーズ量の割合αは、0.5〜5%であることを示す。
本発明の実施の形態5に係る半導体装置は、図1に示すパワー半導体の構成要素と実施形態1〜4に示す特徴的なnバッファ層15との関係により、IGBT及びダイオードのターンオフ時の遮断能力を向上する技術に関する。
Claims (28)
- アクティブセル領域と、
前記アクティブセル領域を囲むエッジターミネーション領域と、
前記アクティブセル領域と前記エッジターミネーション領域の中間にある中間領域と、を備え、
前記アクティブセル領域は、
上面側にトレンチゲート型のMOS構造を有し、
下面側の縦構造として、pコレクタ層、前記pコレクタ層の上のnバッファ層、及び前記nバッファ層の上のnドリフト層とを有し、
前記nバッファ層は、前記pコレクタ層側に設けられた第1バッファ部分と、前記nドリフト層側に設けられた第2バッファ部分と、を有し、
前記第1バッファ部分のピーク不純物濃度は、前記第2バッファ部分のピーク不純物濃度より高く、
前記第2バッファ部分の前記nドリフト層側の不純物濃度勾配は、前記第1バッファ部分の前記nドリフト層側の不純物濃度勾配よりゆるやかであり、
前記nバッファ層は前記エッジターミネーション領域と前記中間領域にも形成され、
前記第2バッファ部分の不純物濃度のピーク位置は、前記第2バッファ部分の中央部より前記第1バッファ部分と前記第2バッファ部分の接合部に近く、かつ、前記接合部より前記nドリフト層に近いことを特徴とする半導体装置。 - アクティブセル領域と、
前記アクティブセル領域を囲むエッジターミネーション領域と、
前記アクティブセル領域と前記エッジターミネーション領域の中間にある中間領域と、を備え、
前記アクティブセル領域は、
上面側にpアノード層を有し、
下面側の縦構造として、nカソード層を有するカソード層、前記カソード層の上に設けられたnバッファ層、及び前記nバッファ層の上のnドリフト層とを有し、
前記nバッファ層は、前記カソード層側に設けられた第1バッファ部分と、前記nドリフト層側に設けられた第2バッファ部分と、を有し、
前記第1バッファ部分のピーク不純物濃度は、前記第2バッファ部分のピーク不純物濃度より高く、
前記第2バッファ部分の前記nドリフト層側の不純物濃度勾配は、前記第1バッファ部分の前記nドリフト層側の不純物濃度勾配よりゆるやかであり、
前記nバッファ層は前記エッジターミネーション領域と前記中間領域にも形成され、
前記第2バッファ部分の不純物濃度のピーク位置は、前記第2バッファ部分の中央部より前記第1バッファ部分と前記第2バッファ部分の接合部に近く、かつ、前記接合部より前記nドリフト層に近いことを特徴とする半導体装置。 - 前記第1バッファ部分の不純物濃度勾配は、前記第2バッファ部分の不純物濃度勾配より大きいことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
- 前記第1バッファ部分の活性化後の実効ドーズ量は、前記第2バッファ部分の活性化後の実効ドーズ量よりも大きいことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
- 前記第2バッファ部分の不純物濃度は、前記ピーク位置から前記接合部に向かって低下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。
- 前記第2バッファ部分のピーク不純物濃度を、前記nドリフト層の不純物濃度で除した値は2〜100であ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。
- 前記第1バッファ部分のピーク不純物濃度を、前記第2バッファ部分のピーク不純物濃度で除した値は、20〜1000であ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。
- 前記nバッファ層の活性化後の実効ドーズ量に占める前記第2バッファ部分の活性化後の実効ドーズ量の割合は、0.5〜5.0%であ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。
- アクティブセル領域と、
前記アクティブセル領域を囲むエッジターミネーション領域と、
前記アクティブセル領域と前記エッジターミネーション領域の中間にある中間領域と、を備え、
前記アクティブセル領域は、
上面側にトレンチゲート型のMOS構造を有し、
下面側の縦構造として、pコレクタ層、前記pコレクタ層の上のnバッファ層、及び前記nバッファ層の上のnドリフト層とを有し、
前記nバッファ層は、ピーク不純物濃度と前記nバッファ層の裏面からの距離が異なる3層以上のバッファ部分を有し、
複数の前記バッファ部分のうち、最も前記pコレクタ層側の前記バッファ部分である第1バッファ部分のピーク不純物濃度が最も高く、
複数の前記バッファ部分の前記nドリフト層側の不純物濃度勾配を比べると、最も前記nドリフト層側の前記バッファ部分であるトップバッファ部分の不純物濃度勾配が最もゆるやかであり、
前記nバッファ層は前記エッジターミネーション領域と前記中間領域にも形成され、
前記トップバッファ部分の不純物濃度のピーク位置は、前記トップバッファ部分の中央部より、前記トップバッファ部分と、前記トップバッファ部分に隣接する前記バッファ部分である隣接バッファ部分との接合部に近く、かつ、前記接合部より前記nドリフト層に近いことを特徴とする半導体装置。 - アクティブセル領域と、
前記アクティブセル領域を囲むエッジターミネーション領域と、
前記アクティブセル領域と前記エッジターミネーション領域の中間にある中間領域と、を備え、
前記アクティブセル領域は、
上面側にpアノード層を有し、
下面側の縦構造として、nカソード層を有するカソード層、前記カソード層の上に設けられたnバッファ層、及び前記nバッファ層の上のnドリフト層とを有し、
前記nバッファ層は、ピーク不純物濃度と前記nバッファ層の裏面からの距離が異なる3層以上のバッファ部分を有し、
複数の前記バッファ部分のうち、最も前記カソード層側の前記バッファ部分である第1バッファ部分のピーク不純物濃度が最も高く、
複数の前記バッファ部分の前記nドリフト層側の不純物濃度勾配を比べると、最も前記nドリフト層側の前記バッファ部分であるトップバッファ部分の不純物濃度勾配が最もゆるやかであり、
前記nバッファ層は前記エッジターミネーション領域と前記中間領域にも形成され、
前記トップバッファ部分の不純物濃度のピーク位置は、前記トップバッファ部分の中央部より、前記トップバッファ部分と、前記トップバッファ部分に隣接する前記バッファ部分である隣接バッファ部分との接合部に近く、かつ、前記接合部より前記nドリフト層に近いことを特徴とする半導体装置。 - 前記第1バッファ部分は、複数の前記バッファ部分のうち最も高い不純物濃度勾配を有することを特徴とする請求項9又は10に記載の半導体装置。
- 前記第1バッファ部分は、複数の前記バッファ部分のうち最も大きい活性化後の実効ドーズ量を有することを特徴とする請求項9又は10に記載の半導体装置。
- 前記第1バッファ部分のピーク不純物濃度を、前記第1バッファ部分に隣接するバッファ部分である第2バッファ部分のピーク不純物濃度で除した値は、20〜1000であることを特徴とする請求項9又は10に記載の半導体装置。
- 前記nバッファ層の活性化後の実効ドーズ量に占める、複数の前記バッファ部分のうち前記第1バッファ部分以外のバッファ部分の活性化後の実効ドーズ量の割合αは、0.5〜5%であることを特徴とする請求項9又は10に記載の半導体装置。
- 前記カソード層は、pカソード層を有することを特徴とする請求項2又は10に記載の半導体装置。
- 前記エッジターミネーション領域と前記中間領域の縦構造として、前記nドリフト層と、前記nバッファ層のみを備えたことを特徴とする請求項1〜16のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記カソード層は、pカソード層を有し、
前記エッジターミネーション領域と前記中間領域の縦構造として、前記nドリフト層と前記nバッファ層と前記pカソード層を備えたことを特徴とする請求項2又は10に記載の半導体装置。 - 前記エッジターミネーション領域と前記中間領域の下面側の縦構造として、
前記nドリフト層と、前記nバッファ層と、前記pコレクタ層より不純物濃度が低い低濃度コレクタ層と、を備えたことを特徴とする請求項1又は9に記載の半導体装置。 - 前記エッジターミネーション領域と前記中間領域の下面側の縦構造として、前記nドリフト層と、前記nバッファ層と、前記pコレクタ層とを備えたことを特徴とする請求項1又は9に記載の半導体装置。
- 前記エッジターミネーション領域と前記中間領域の下面側の縦構造として、前記nドリフト層と、前記nバッファ層と、前記カソード層とを備えたことを特徴とする請求項2又は10に記載の半導体装置。
- 前記アクティブセル領域と、前記エッジターミネーション領域と、前記中間領域は、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項1〜21のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記ワイドバンドギャップ半導体は、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とを特徴とする請求項22に記載の半導体装置。
- 前記第2バッファ部分の前記nドリフト層側の部分における不純物濃度勾配は0.05〜0.50decade cm-3/μmであることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記バッファ部分のうち前記nドリフト層側の部分における不純物濃度勾配は0.05〜0.50decade cm-3/μmであることを特徴とする請求項9〜15のいずれか1項に記載の半導体装置。
- アクティブセル領域と、前記アクティブセル領域を囲むエッジターミネーション領域と、前記アクティブセル領域と前記エッジターミネーション領域の中間にある中間領域と、において、基板下面側の縦構造として、不純物がドープされた不純物層、前記不純物層の上に設けられたnバッファ層、及び前記nバッファ層の上のnドリフト層を有し、ピーク不純物濃度と前記nバッファ層の裏面からの距離が異なる3層以上のバッファ部分を有する前記nバッファ層を、複数の前記バッファ部分のうち最も前記不純物層側のバッファ部分である第1バッファ部分の活性化アニール完了後に、残りのバッファ部分を形成し、複数の前記バッファ部分のうち最も前記nドリフト層側の前記バッファ部分であるトップバッファ部分の不純物濃度のピーク位置は、前記トップバッファ部分の中央部より、前記トップバッファ部分と、前記トップバッファ部分に隣接する前記バッファ部分である隣接バッファ部分との接合部に近く、かつ、前記接合部より前記nドリフト層に近いことを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 複数の前記バッファ部分のうち、前記第1バッファ部分のピーク不純物濃度が最も高いことを特徴とする請求項26に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記バッファ部分のうち前記nドリフト層側の部分における不純物濃度勾配は0.05〜0.50decade cm-3/μmであることを特徴とする請求項26又は27に記載の半導体装置の製造方法。
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