半导体装置及半导体装置的制造方法制造方法及图纸

本发明专利技术的半导体装置构成为：具有沿着n型漂移层(1)的一个主面选择性地形成，且电阻比漂移层(1)低的p型区域(4)，在从作为p型区域(4)的边界的pn结(6)的面起算厚度为t的漂移层(1)内，将从设有空位‑氧复合缺陷区域(11)的漂移层(1)的半导体基板的背面起在厚度方向的深度记为R，将漂移层(1)的电阻率记为ρ，由pn结(6)的反向偏置电压V表示的从pn结(6)扩展到漂移层(1)内的耗尽层(15)的宽度W由W＝0.54×√(ρ×V)表示时，空位‑氧复合缺陷区域(11)被设置于由0＜R≤t‑W表示的深度。由此，能够廉价且以简单的工艺兼顾开关损耗的降低与软恢复特性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及在电力变换装置等中使用的电力用的二极管和内置电力用二极管的半导体装置及半导体装置的制造方法。
技术介绍
回流二极管是在高电压-大电流的电力变换装置等中使用的半导体装置。在回流二极管进行开关时所要求的电气特性是开关损耗的降低和软恢复特性。软恢复特性是为了抑制由电力电子设备产生的电磁噪声而特别是近年来作为环境问题应对方法所迫切期望的特性。图5是表示现有的二极管的层结构和寿命控制区域的半导体基板的主要部分截面图。如图5所示，用作回流二极管的垂直型功率二极管100具备设置于高电阻的n型漂移层101的上表面的阳极102和设置于n型漂移层101的下表面的阴极103。阳极102与选择性地形成于n型漂移层101的上表面侧的中心部的p型阳极层104进行欧姆接触。阴极103与形成于n型漂移层101的下表面侧的整个面的n型阴极层105进行欧姆接触。阳极102接触的阳极层104是与主电流相关的区域，被称为活性部109。在n型漂移层101中，在与阳极102、阳极层104相同地位于上表面侧且包围阳极层104的外周，配置有边缘终端部110。该边缘终端部110具备保护环107和场板(省略图示)。保护环107具有在施加以阳极作为负极的反向电压时，缓和在pn结106的外周基板的表面产生的高电场的功能。场板例如具有防止因外部电荷的影响而导致静电势变化的功能。边缘终端部110除了保护环107、场板以外，还具有绝缘膜108。绝缘膜108保护pn结的边缘终端表面和其外周侧的高电场的硅(Si)基板表面。在边缘终端部110中，由阴影表示的寿命控制区域111被设置于高电阻的n型漂移层101的阳极层104附近。图6是通常的IGBT和二极管的斩波电路图。在连结二极管和IGBT、中间电容器的闭合电路存在寄生电感Lstray，但在图6中，为了方便，在电路上的一部分中示出Lstray。图7是表示通常的二极管进行开关时的电压电流的随时间变化的反向恢复电压电流波形图。在图7中，示出反向恢复电压电流波形，该反向恢复电压电流波形表示在图6所示的电路中使工作的二极管关断时的反向恢复电压与电流的随时间(μs)变化。如图7所示，阳极电流Iak从正向电流If，以减少率di/dt减少，换向为相反方向，且反向电流增加。阳极电流Iak在达到反向恢复峰电流Irp之后，以电流减少率dIr/dt减少，收敛到电流值0。在图7中，为了容易观察，阳极-阴极间电压Vak以阴极相对于阳极为正的Vka的方向进行示出。阳极-阴极间电压Vak从正向电压VF(未图示)，以与阳极电流Iak的减少对应地转为相反方向的电压，阳极-阴极间电压Vak为负(Vka为正)。其后，在阳极电流Iak达到反向恢复峰电流Irp时，阴极-阳极间电压Vka成为与电源电压Vcc相同的值。其后，产生比Vcc高阳极电流Iak的电流减少率dIr/dt与寄生电感Lstray之积(Lstray×dIr/dt)的量的电压。这成为浪涌电压，在dIr/dt的绝对值成为最大时，Vka也成为浪涌电压的最大值Vs。其后，收敛到Vcc。在二极管100中，如图7的反向恢复电流电压波形图所示，在二极管进行开关时，在从流通正向电流(阳极电流)的状态切换到相反方向的电压阻止状态时，开关结束期间，电流流向相反方向。这是因为通过载流子的电导率调制而蓄积在二极管100内的载流子即使在电压的施加方向为相反方向，也作为残留载流子而残留，再结合而消失或排出到外部时，成为反向电流。该反向电流被称为二极管的恢复电流(反向恢复电流)。在正向电流的电流减少速度(dIr/dt)变得越急剧时，该反向恢复电流的峰值Irp变得越大。如果反向恢复电流的峰值Irp变大，则开关损耗也变大。在该反向恢复电流增加的过程中，经过些许延迟，耗尽层从pn结106开始延伸，反向电压(阻止电压)增大。其后，得到了增大的反向电压随即收敛到从外部施加的反向偏置电压值。另一方面，n型漂移层101内的残留过剩电子经由阴极层105从阴极103被排除，残留空穴经由阳极层104从阳极102被排除。此时，空穴的载流子迁移率比电子小，因此可以认为反向恢复电流的减少速度dIr/dt由残留空穴的排除速度决定。在二极管从正向电流状态切换到反向阻断电压状态时，其电流减少率越大，二极管反向电压上升率越增大，导致产生上述的电磁噪声。其理由是因为为了维持电流减少率，需要使二极管的反向电压更快速地上升而迅速排除残留空穴。在图7所示的反向恢复电压电流波形图中，对于横轴的时间轴(μs)，可以大致分成2个区域。1个是从正向电流为零时开始，至达到反向恢复电流的峰值Irp为止的A区域。正向电流从稳态电流起，以由IGBT的驱动频率等决定的电流减少率di/dt减少。这时，残留于n型漂移层101的空穴从阳极102被排除时的电流成为所谓的反向恢复电流。该反向恢复电流与反向偏置电压的增大一起增加而达到反向恢复电流的峰值Irp。另1个区域是从反向恢复电流的峰值Irp开始，至通过残留空穴从阳极102以减少速度(dIr/dt)排除和再结合，从而反向电流成为零为止的B区域。回流二极管所要求的开关损耗的降低和软恢复特性彼此处于权衡的关系，因此，通常难以兼顾两者。例如，开关损耗的降低是通过减少从阳极层104的空穴的注入量而降低反向恢复电流的峰值Irp，并且增大电流减少率dIr/dt而缩短反向恢复时间(trr)而得到的。但是，相反地，软恢复特性是通过减小B区域中的反向恢复电流减少率dIr/dt而延长反向恢复时间(trr)而得到的。这样，由于开关损耗的降低与软恢复特性两者的应对方法相反，因此难以兼顾两者。作为降低反向恢复时的开关损耗的方法，以往也有在不牺牲设备的耐压的范围内使n型高电阻漂移层变薄而减少残留载流子(空穴)的方法。但是，此时，由于反向恢复时的阴极侧积蓄载流子也减少，阴极侧的残留载流子的消失变快(反向恢复电流的减少速度dIr/dt大)，所以，作为结果，浪涌电压变大而容易产生振荡。换言之，如果反向恢复电流的减少速度dIr/dt大，则容易表现出硬恢复特性，如果反向恢复电流的减少速度dIr/dt过小，则损耗变大。因此，通常，在维持软恢复特性的同时降低开关损耗是极其困难的。由此，为了兼顾开关损耗的降低与软恢复特性(低噪声)，不仅需要减少从阳极层的空穴注入量，减小反向恢复电流的峰值Irp，还需要适当控制所注入的空穴的寿命(lifetime)。以往，为了有效地进行残留载流子(空穴)的控制，例如，已知有在Si半导体基板的厚度方向，在所期望的深度范围形成寿命短的区域的方法。在这种寿命控制方法中，有利用结晶缺陷作为载流子的再结合中心的方法，所述结晶缺陷是通过向半导体照射射线或注入而形成的。在该结晶缺陷中，大部分通过200℃～400℃的热处理可以恢复，但涉及氧的复合缺陷残留。以往，已经开发了以通过控制该复合缺陷而使寿命成为所期望值的方式进行控制的方法。另外，以往，已知有使铂等重金属在半导体热扩散的方法。该方法是，在半导体基板内形成结晶缺陷，该结晶缺陷在Si带隙中形成杂质能级(Impurity level)，因此将其用于寿命控制的方法。然而，使用重金属的寿命控制方法有Si/氧化膜界面的结晶缺陷和/或高掺杂区域内的结晶缺陷产生偏析的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体装置，其特征在于，具备：第一导电型的半导体基板；第一导电型的漂移层，其形成于所述半导体基板的第一主面侧；第二导电型阳极层，其沿着所述漂移层选择性地形成，且电阻比所述漂移层低；第一导电型的阴极层，其形成于所述半导体基板的第二主面侧的表面层，且与所述漂移层接触；以及空位‑氧复合缺陷区域，其由空位与氧的复合缺陷形成，所述空位‑氧复合缺陷区域从所述阴极层与所述漂移层之间的边界面起朝向所述半导体基板的第一主面的方向的深度为R，将所述半导体基板的电阻率记为ρ，将从所述阳极层与所述漂移层的pn结到所述阴极层的厚度记为t，以施加于所述pn结的反向偏置电压V表示的从所述pn结扩展到所述漂移层内的耗尽层的宽度W为，所述空位‑氧复合缺陷区域被设置于由0＜R≤t‑W表示的深度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.09.04 JP 2014-1803731.一种半导体装置，其特征在于，具备：第一导电型的半导体基板；第一导电型的漂移层，其形成于所述半导体基板的第一主面侧；第二导电型阳极层，其沿着所述漂移层选择性地形成，且电阻比所述漂移层低；第一导电型的阴极层，其形成于所述半导体基板的第二主面侧的表面层，且与所述漂移层接触；以及空位-氧复合缺陷区域，其由空位与氧的复合缺陷形成，所述空位-氧复合缺陷区域从所述阴极层与所述漂移层之间的边界面起朝向所述半导体基板的第一主面的方向的深度为R，将所述半导体基板的电阻率记为ρ，将从所述阳极层与所述漂移层的pn结到所述阴极层的厚度记为t，以施加于所述pn结的反向偏置电压V表示的从所述pn结扩展到所述漂移层内的耗尽层的宽度W为，所述空位-氧复合缺陷区域被设置于由0＜R≤t-W表示的深度。2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述空位-氧复合缺陷区域由VV缺陷与VO缺陷的复合缺陷形成。3.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述空位-氧复合缺陷区域具备使重金属扩散到所述空位-氧复合缺陷区域而形成的作为再结合中心起作用的复合缺陷。4.根据权利要求3所述的半导体装置，其特征在于，所述重金属扩散为铂扩散。5.根据权利要求1～4中任一项所述的半导体装置，其特征在于，在所述第一导电型半导体基板的一个主面选择性地具有电阻比所述半导体基板低的第二导电型区域的设备为二极管或包括二极管的半导体装置。6.一种半导体装置的制造方法，其特征在于，所述半导体装置具备：第一导电型的半导体基板；第一导电型的漂移层，其形成于所述半导体基板的第一主面侧；第二导电型阳极层，其沿着所述漂移层选择性地形成，电阻比所述漂...

【专利技术属性】
技术研发人员：松井俊之，
申请(专利权)人：富士电机株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP