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JP6698487B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description

本発明は、半導体装置に関し、特に、パワー半導体装置の裏面構造に関する。
近年、パワー半導体装置として、裏面側にpnパターンを形成することによって電気特性の制御が可能となったRFC(Relaxed Field of Cathode)ダイオード、およびRC−IGBT(Reverse Conducting Insulated Gate Bipolar Transistor)等が製造されている。ここで、pnパターンとは、パワー半導体装置を構成する半導体基板の裏面側に、p型不純物を形成した領域とn型不純物を形成した領域とが平面視において隣接して形成された状態のことをいう。
パワー半導体装置の裏面側にpnパターンを形成する際、p型の不純物領域とn型の不純物領域とを高速エネルギーの注入または高濃度の注入によって形成すると、当該注入によって半導体基板が受けるダメージが大きくなるという問題がある。このような問題の対策として、上記のパワー半導体装置に対して、Siを用いた半導体基板の裏面を溶融することによって不純物が導入された領域の濃度を均一化して一定にした階段状の不純物濃度プロファイルを適用することが考えられる(例えば、特許文献1参照)。また、上記のパワー半導体装置に対して、p型およびn型に適したオーミック特性を有する電極を裏面全面に形成する技術が開示されている(例えば、特許文献2,3参照)。
特許第5309360号公報 特開2007−184486号公報 特開2015−211149号公報
特許文献1の技術を上記のパワー半導体装置に適用した場合、半導体基板の裏面を溶融する必要があるため、裏面から1μm以下の浅い領域でしかp型の不純物領域とn型の不純物領域とを接合することができない。従って、p型の不純物領域において形成されるpnp領域の電気特性と、n型の不純物領域において形成されるpn領域の電気特性とを独立して制御することが難しい。すなわち、pnp領域の動作とpn領域の動作とを独立して制御することが難しい。
また、特許文献2,3では、p型の不純物領域とn型の不純物領域とが接合する深さが浅くかつ略同じ深さになるため、p型およびn型に適したオーミック特性を有する電極を、p型の不純物領域およびn型の不純物領域の各々に対して形成することは困難である。
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、pnp領域の動作とpn領域の動作とを独立して制御することが可能な半導体装置を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明による半導体装置は、第1導電型の第1半導体層と、第1半導体層の表面に形成された第2導電型の第2半導体層と、第1半導体層の裏面に形成された第1導電型の第3半導体層と、第3半導体層の裏面、または第1半導体層および第3半導体層の裏面に、平面視において互いに隣接または隣接部分が重なって形成された第1導電型の第4半導体層および第2導電型の第5半導体層と、第2半導体層の表面を覆うように形成された第1電極と、第4半導体層および第5半導体層の裏面を覆うように形成された第2電極とよりなる積層構造を備え、第4半導体層の積層構造における積層高さ位置と、第5半導体層の積層構造における積層高さ位置とは異なり、第2半導体層と、第4半導体層および第5半導体層とは、平面視において重畳し、積層構造は、RFC(Relaxed Field of Cathode)ダイオードを構成し、第4半導体層を含む積層構造における第1半導体層の厚さと、第5半導体層を含む積層構造における第1半導体層の厚さとは異なることを特徴とする。
本発明によると、半導体装置は、第1導電型の第1半導体層と、第1半導体層の表面に形成された第2導電型の第2半導体層と、第1半導体層の裏面に形成された第1導電型の第3半導体層と、第3半導体層の裏面、または第1半導体層および第3半導体層の裏面に、平面視において互いに隣接または隣接部分が重なって形成された第1導電型の第4半導体層および第2導電型の第5半導体層と、第2半導体層の表面を覆うように形成された第1電極と、第4半導体層および第5半導体層の裏面を覆うように形成された第2電極とよりなる積層構造を備え、第4半導体層の積層構造における積層高さ位置と、第5半導体層の積層構造における積層高さ位置とは異なり、第2半導体層と、第4半導体層および第5半導体層とは、平面視において重畳し、積層構造は、RFC(Relaxed Field of Cathode)ダイオードを構成し、第4半導体層を含む積層構造における第1半導体層の厚さと、第5半導体層を含む積層構造における第1半導体層の厚さとは異なるため、pnp領域の動作とpn領域の動作とを独立して制御することが可能となる。


本発明の実施の形態1による半導体装置の構成の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態2による半導体装置の構成の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態3による半導体装置の構成の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態4による半導体装置の構成の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態5による半導体装置の構成の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態5による半導体装置の構成の一例を示す断面図である。 前提技術による半導体装置の構成の一例を示す断面図である。
本発明の実施の形態について、図面に基づいて以下に説明する。
<前提技術>
まず、本発明の前提となる技術である前提技術について説明する。
図7は、前提技術による半導体装置19の構成の一例を示す断面図である。
半導体装置19は、Si(シリコン)からなる半導体基板2と、半導体基板2の表面に形成された第1電極である表面電極8と、半導体基板2の裏面に形成された第2電極である裏面電極9とを備えている。半導体基板2は、n−i層3と、pアノード層4と、n+カソード層5と、pコレクタ層6と、n−バッファ層7とを有している。pin領域10は、pアノード層4、n−i層3、n−バッファ層7、およびn+カソード層5よりなる積層構造である。pnp領域11は、pアノード層4、n−i層3、n−バッファ層7、およびpコレクタ層6よりなる積層構造である。
ここで、「n」および「p」は導電型を示しており、n型は第1導電型、p型は第2導電型である。「n−」は、n型の不純物濃度が他のn型の不純物濃度よりも相対的に低いことを示している。「n+」は、n型の不純物濃度が他のn型の不純物濃度よりも相対的に高いことを示している。なお、以下では、n型は第1導電型、p型は第2導電型であるものとして説明するが、p型が第1導電型、n型が第2導電型であってもよい。
第1導電型の第1半導体層であるn−i層3は、n型の真性半導体層として形成されている。第2導電型の第2半導体層であるpアノード層4は、n−i層3よりも半導体基板2の表面側に形成されている。第1導電型の第3半導体層であるn−バッファ層7は、n−i層3よりも半導体基板2の裏面側に形成されている。第1導電型の第4半導体層であるn+カソード層5と、第2導電型の第5半導体層であるpコレクタ層6とは、n−i層3よりも半導体基板2の裏面側であって、平面視において互いに隣接して形成されている。すなわち、n+カソード層5とpコレクタ層6とでpnパターンが形成されている。
図7に示すように、n+カソード層5およびpコレクタ層6は、半導体基板2の裏面から略同じ深さに形成されている。すなわち、n+カソード層5のpin領域10における積層高さ位置と、pコレクタ層6のpnp領域11における積層高さ位置とは略同じである。従って、上述の通り、pin領域10の動作と、pnp領域11の動作とを独立して制御することは難しい。
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、以下に詳細に説明する。
<実施の形態1>
<構成>
まず、本発明の実施の形態による半導体装置の構成について説明する。図1は、本実施の形態1による半導体装置1の構成の一例を示す断面図である。
本実施の形態1による半導体装置1は、pin領域10におけるn−i層3の厚さと、pnp領域11におけるn−i層3の厚さとが異なる厚さであることを特徴としている。具体的には、pnp領域11におけるn−i層3の厚さは、pin領域10におけるn−i層3の厚さよりも薄い。また、n+カソード層5のpin領域10における積層高さ位置と、pコレクタ層6のpnp領域11における積層高さ位置とは異なっている。その他の構成は、図7に示す前提技術による半導体装置19と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
半導体装置1において、pin領域10におけるn−i層3の厚さと、pnp領域11におけるn−i層3の厚さとの差は、n+カソード層5とpコレクタ層6との段差と同じである。ここで、n+カソード層5とpコレクタ層6との段差とは、n+カソード層5と裏面電極9との界面と、pコレクタ層6と裏面電極9との界面との差のことをいう。
図1に示すように、n+カソード層5およびpコレクタ層6は、n−バッファ層7の裏面に形成されている。平面視においてn+カソード層5およびpコレクタ層6は隣接しており、n+カソード層5およびpコレクタ層6の隣接部分は重なっていない。
<製造方法>
次に、半導体装置1の製造方法について説明する。
まず、n−i層3を有する半導体基板2を準備する。次に、半導体基板2の表面側からB(ボロン)をイオン注入してドライブを行うことによって、pアノード層4を形成する。このとき、イオン注入するBの濃度は、1E13〜1E16(1/cm)である。また、ドライブの条件は、900℃〜1200℃、30分〜120分である。
次に、pアノード層4を覆うように表面電極8を形成する。その後、半導体基板2の裏面側から当該半導体基板2が所望の厚さとなるように研削する。半導体基板2の研削後、半導体基板2の裏面全面にn+カソード層5を構成するP(リン)をイオン注入する。このとき、イオン注入するPの濃度は、1E14〜1E16(1/cm)である。
次に、半導体基板2の裏面上に、n+カソード層5を形成すべき領域をマスクし、pコレクタ層6を形成すべき領域を開口したpnパターンを形成した後、pコレクタ層6を形成すべき領域の半導体基板2を所望の厚さとなるようにエッチングする。その後、pコレクタ層6を形成すべき領域に対してpコレクタ層6を構成するBをイオン注入する。このとき、イオン注入するBの濃度は、1E13〜1E16(1/cm)である。これにより、n+カソード層5およびpコレクタ層6が形成される。
次に、pnパターンを除去した後、n+カソード層5およびpコレクタ層6越しにPを半導体基板2の裏面側からイオン注入し、n−バッファ層7を形成する。このとき、イオン注入するPの濃度は、1E13〜1E15(1/cm)である。これにより、n−i層3よりもn型の不純物濃度が高いn−バッファ層7が形成される。
次に、半導体基板2を熱処理し、n+カソード層5、pコレクタ層6、およびn−バッファ層7を活性化させる。熱処理としては、レーザアニール等が挙げられる。
最後に、n+カソード層5およびpコレクタ層6を覆うように裏面電極9をめっき、スパッタ、または蒸着によって数μm形成する。これにより、pin領域10およびpnp領域11を有する半導体装置1が完成する。
以上のことから、本実施の形態1によれば、pin領域10におけるn−i層3の厚さと、pnp領域11におけるn−i層3の厚さとは異なる厚さであるため、pin領域10の動作とpnp領域11の動作とを独立して制御することが可能となる。
また、pnp領域11におけるn−i層3の厚さは、pin領域10におけるn−i層3の厚さよりも薄い。従って、IGBTの場合は、低オン抵抗かつ低スイッチング損失を実現することができる。また、ダイオードの場合は、リカバリ動作における破壊耐量を向上させることができる。
なお、図1では、半導体基板2がn−i層3を有する場合について説明したが、これに限るものではない。n−i層3は、n型の不純物をより多く含んだ半導体層であってもよい。この場合、図1におけるpin領域10は、pn領域となる。
<実施の形態2>
図2は、本発明の実施の形態2による半導体装置12の構成の一例を示す断面図である。
本実施の形態2による半導体装置12では、pin領域10におけるn−i層3の厚さと、pnp領域11におけるn−i層3の厚さとの差は、n+カソード層5とpコレクタ層6との段差と、pnp領域11におけるn−バッファ層7の厚さとを合わせた厚さであることを特徴としている。その他の構成は、図1に示す実施の形態1による半導体装置1と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
図2に示すように、pin領域10ではn−バッファ層7を形成せず、pnp領域11ではn−バッファ層7を形成している。また、n+カソード層5はn−i層3の裏面に形成され、pコレクタ層6はn−バッファ層7の裏面に形成されている。平面視においてn+カソード層5およびpコレクタ層6は隣接しており、n+カソード層5およびpコレクタ層6の隣接部分は重なっていない。
次に、半導体装置12の製造方法について説明する。以下では、実施の形態1による半導体装置1の製造方法との相違点に主眼を置いて説明する。下記の相違点以外の製造方法は、実施の形態1と同様である。
半導体基板2の裏面上に、n+カソード層5を形成すべき領域をマスクし、pコレクタ層6を形成すべき領域を開口したpnパターンを形成した後、pコレクタ層6を形成すべき領域の半導体基板2を所望の厚さとなるようにエッチングする。その後、pコレクタ層6を形成すべき領域に対してpコレクタ層6を構成するBをイオン注入する。これにより、n+カソード層5およびpコレクタ層6が形成される。
次に、pnパターンを形成した状態で、pコレクタ層6越しにPを半導体基板2の裏面側からイオン注入し、n−バッファ層7を形成する。このとき、イオン注入するPの濃度は、1E13〜1E15(1/cm)である。その後、pnパターンを除去し、裏面電極9を形成する。
以上のことから、本実施の形態2によれば、実施の形態1による効果と同様の効果が得られる。また、pin領域10ではn−バッファ層7を形成していないため、図1に示すpin領域10よりもn型の不純物濃度を下げることができ、pin領域10の耐圧を向上することができる。
<実施の形態3>
図3は、本発明の実施の形態3による半導体装置13の構成の一例を示す断面図である。
本実施の形態3による半導体装置13では、pコレクタ層6のpnp領域11における積層高さ位置は、n+カソード層5のpin領域10における積層高さ位置よりもn−i層3側に位置し、かつn+カソード層5およびpコレクタ層6は、隣接部分が重なって形成され、当該隣接部分が重なっている箇所におけるn+カソード層5とpコレクタ層6との間にはpコレクタ層6が形成されていることを特徴としている。その他の構成は、図1に示す実施の形態1による半導体装置1と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
図3に示すように、n+カソード層5およびpコレクタ層6は、n−バッファ層7の裏面に形成されている。平面視においてn+カソード層5およびpコレクタ層6は隣接しており、n+カソード層5およびpコレクタ層6の隣接部分は重なっている。
次に、半導体装置13の製造方法について説明する。以下では、実施の形態1による半導体装置1の製造方法との相違点に主眼を置いて説明する。下記の相違点以外の製造方法は、実施の形態1と同様である。
半導体基板2の裏面上に、n+カソード層5を形成すべき領域をマスクし、pコレクタ層6を形成すべき領域を開口したpnパターンを形成した後、pコレクタ層6を形成すべき領域の半導体基板2を所望の厚さとなるようにエッチングする。その後、pコレクタ層6を形成すべき領域に対してpコレクタ層6を構成するBを回転イオン注入する。ここで、回転イオン注入とは、半導体基板2を回転させながらイオン注入することをいう。
以上のことから、本実施の形態3によれば、実施の形態1による効果と同様の効果が得られる。また、不純物濃度が低いn−バッファ層7と裏面電極9とが接合する箇所がなくなるためリーク電流を小さくすることができる。
<実施の形態4>
図4は、本発明の実施の形態4による半導体装置14の構成の一例を示す断面図である。
本実施の形態4による半導体装置14は、n型用電極15およびp型用電極16を備えることを特徴としている。n型用電極15は、n型に適したオーミック特性を有する電極である。p型用電極16は、p型に適したオーミック特性を有する電極である。
第3電極であるn型用電極15は、n+カソード層5を覆うように形成されている。p型用電極16は、n型用電極15およびpコレクタ層6を覆うように形成されている。pin領域10におけるn−i層3の厚さと、pnp領域11におけるn−i層3の厚さとの差は、n+カソード層5とpコレクタ層6との段差と、n型用電極15の厚さとを合わせた厚さと同じである。その他の構成は、図1に示す実施の形態1による半導体装置1と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
図4に示すように、n+カソード層5およびpコレクタ層6は、n−バッファ層7の裏面に形成されている。平面視においてn+カソード層5およびpコレクタ層6は隣接しており、n+カソード層5およびpコレクタ層6の隣接部分は重なっていない。
次に、半導体装置14の製造方法について説明する。以下では、実施の形態1による半導体装置1の製造方法との相違点に主眼を置いて説明する。下記の相違点以外の製造方法は、実施の形態1と同様である。
n−バッファ層7の形成後、n+カソード層5上にn型用電極15を形成する。その後、n型用電極15およびpコレクタ層6を覆うようにp型用電極16を形成する。
以上のことから、本実施の形態4によれば、実施の形態1による効果と同様の効果が得られる。また、n+カソード層5に対してn型用電極15を形成し、pコレクタ層6に対してp型用電極16を形成しているため、オーミック特性が向上する。
<実施の形態5>
図5は、本発明の実施の形態5による半導体装置17の構成の一例を示す断面図である。
半導体装置17において、pin領域10におけるn−i層3の厚さは、pnp領域11におけるn−i層3の厚さよりも薄いことを特徴としている。その他の構成は、図1に示す実施の形態1による半導体装置1と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
図5に示すように、n+カソード層5およびpコレクタ層6は、n−バッファ層7の裏面に形成されている。平面視においてn+カソード層5およびpコレクタ層6は隣接しており、n+カソード層5およびpコレクタ層6の隣接部分は重なっていない。
次に、半導体装置17の製造方法について説明する。以下では、実施の形態1による半導体装置1の製造方法との相違点に主眼を置いて説明する。下記の相違点以外の製造方法は、実施の形態1と同様である。
表面電極8を形成し、半導体基板2を研磨した後、半導体基板2の裏面全面にpコレクタ層6を構成するBをイオン注入する。
次に、半導体基板2の裏面上に、pコレクタ層6を形成すべき領域をマスクし、n+カソード層5を形成すべき領域を開口したpnパターンを形成した後、n+カソード層5を形成すべき領域の半導体基板2を所望の厚さとなるようにエッチングする。その後、n+カソード層5を形成すべき領域に対してn+カソード層5を構成するPをイオン注入する。
次に、pnパターンを除去した後、n+カソード層5およびpコレクタ層6越しにPを半導体基板2の裏面側からイオン注入し、n−バッファ層7を形成する。
以上のことから、本実施の形態5によれば、pin領域10の動作とpnp領域11の動作とを独立して制御することが可能となる。また、pin領域10におけるn−i層3の厚さは、pnp領域11におけるn−i層3の厚さよりも薄い。従って、ダイオードの低オン抵抗かつ低リカバリ損失を実現することができる。
なお、図6に示すように、n型用電極15およびp型用電極16を備える半導体装置18としてもよい。p型用電極16は、pコレクタ層6を覆うように形成されている。n型用電極15は、n+カソード層5およびp型用電極16を覆うように形成されている。この場合、実施の形態4と同様、n+カソード層5に対してn型用電極15を形成し、pコレクタ層6に対してp型用電極16を形成しているため、オーミック特性が向上する。

図5,6に示す半導体装置17,18において、n+カソード層5のpin領域10における積層高さ位置は、pコレクタ層6のpnp領域11における積層高さ位置よりもn−i層3側に位置し、かつn+カソード層5およびpコレクタ層6は、隣接部分が重なって形成され、当該隣接部分が重なっている箇所におけるn+カソード層5とpコレクタ層6との間にはn+カソード層5を形成するようにしてもよい。この場合、実施の形態3と同様、不純物濃度が低いn−バッファ層7と裏面電極9とが接合する箇所がなくなるためリーク電流を小さくすることができる。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
1 半導体装置、2 半導体基板、3 n−i層、4 pアノード層、5 n+カソード層、6 pコレクタ層、7 n−バッファ層、8 表面電極、9 裏面電極、10 pin領域、11 pnp領域、12,13,14 半導体装置、15 n型用電極、16 p型用電極、17,18,19 半導体装置。

Claims (7)

  1. 第1導電型の第1半導体層と、
    前記第1半導体層の表面に形成された第2導電型の第2半導体層と、
    前記第1半導体層の裏面に形成された前記第1導電型の第3半導体層と、
    前記第3半導体層の裏面、または前記第1半導体層および前記第3半導体層の裏面に、平面視において互いに隣接または隣接部分が重なって形成された前記第1導電型の第4半導体層および前記第2導電型の第5半導体層と、
    前記第2半導体層の表面を覆うように形成された第1電極と、
    前記第4半導体層および前記第5半導体層の裏面を覆うように形成された第2電極と、
    よりなる積層構造を備え、
    前記第4半導体層の前記積層構造における積層高さ位置と、前記第5半導体層の前記積層構造における積層高さ位置とは異なり、
    前記第2半導体層と、前記第4半導体層および前記第5半導体層とは、平面視において重畳し、
    前記積層構造は、RFC(Relaxed Field of Cathode)ダイオードを構成し、
    前記第4半導体層を含む前記積層構造における前記第1半導体層の厚さと、前記第5半導体層を含む前記積層構造における前記第1半導体層の厚さとは異なることを特徴とする、半導体装置。
  2. 前記第4半導体層を含む前記積層構造における前記第1半導体層の厚さと、前記第5半導体層を含む前記積層構造における前記第1半導体層の厚さとの差は、前記第4半導体層と前記第5半導体層との段差と同じであることを特徴とする、請求項に記載の半導体装置。
  3. 前記第4半導体層を含む前記積層構造における前記第1半導体層の厚さと、前記第5半導体層を含む前記積層構造における前記第1半導体層の厚さとの差は、前記第4半導体層と前記第5半導体層との段差と、前記第5半導体層を含む前記積層構造における前記第3半導体層の厚さとを合わせた厚さと同じであることを特徴とする、請求項に記載の半導体装置。
  4. 前記第5半導体層の前記積層構造における積層高さ位置は、前記第4半導体層の前記積層構造における積層高さ位置よりも前記第1半導体層側に位置し、かつ前記第4半導体層および前記第5半導体層は、前記隣接部分が重なって形成され、
    前記隣接部分が重なっている箇所における前記第5半導体層と前記第4半導体層との間には、前記第5半導体層が形成されていることを特徴とする、請求項からのいずれか1項に記載の半導体装置。
  5. 前記第4半導体層の前記積層構造における積層高さ位置は、前記第5半導体層の前記積層構造における積層高さ位置よりも前記第1半導体層側に位置し、かつ前記第4半導体層および前記第5半導体層は、前記隣接部分が重なって形成され、
    前記隣接部分が重なっている箇所における前記第5半導体層と前記第4半導体層との間には、前記第4半導体層が形成されていることを特徴とする、請求項からのいずれか1項に記載の半導体装置。
  6. 前記第5半導体層を含む前記積層構造における前記第1半導体層の厚さは、前記第4半導体層を含む前記積層構造における前記第1半導体層の厚さよりも薄いことを特徴とする、請求項からのいずれか1項に記載の半導体装置。
  7. 前記第4半導体層を含む前記積層構造における前記第1半導体層の厚さは、前記第5半導体層を含む前記積層構造における前記第1半導体層の厚さよりも薄いことを特徴とする、請求項、またはのいずれか1項に記載の半導体装置。
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