(57)【要約】【課題】破壊耐量を向上させることができる半導体装置を得る。【解決手段】ｎ型半導体基板１は、セル領域と、セル領域の周囲に設けられた終端領域を有する。ｐ型アノード層２がセル領域においてｎ型半導体基板１の上面に設けられている。ｎ型バッファ層１０がｎ型半導体基板１の下面に設けられている。ｎ型バッファ層１０よりも深さが深いｐ型層１３が終端領域においてｎ型半導体基板１の下面に設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セル領域と前記セル領域の周囲に設けられた終端領域を有するｎ型半導体基板と、
前記セル領域において前記ｎ型半導体基板の上面に設けられたｐ型アノード層と、
前記ｎ型半導体基板の下面に設けられたｎ型バッファ層と、
前記終端領域において前記ｎ型半導体基板の下面に設けられ、前記ｎ型バッファ層よりも深さが深いｐ型層とを備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
セル領域と前記セル領域の周囲に設けられた終端領域を有するｎ型半導体基板と、
前記セル領域において前記ｎ型半導体基板の上面に設けられたｐ型アノード層と、
前記ｎ型半導体基板の下面に設けられたｎ型バッファ層と、
前記ｎ型半導体基板の下面に設けられ、前記ｎ型バッファ層よりも深さが浅いｐ型コレクタ層とを備え、
前記終端領域において前記ｎ型バッファ層が形成されていない領域が有り、その領域に前記ｐ型コレクタ層が設けられていることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
前記ｎ型バッファ層の下面に設けられたｎ型カソード層を更に備え、
前記ｐ型コレクタ層は、前記ｎ型カソード層よりも深さが浅く、
前記終端領域において前記ｎ型バッファ層及び前記ｎ型カソード層が形成されていない領域が有り、その領域に前記ｐ型コレクタ層が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記ｎ型バッファ層は、前記セル領域の前記ｐ型コレクタ層の中央領域に向かって、不純物濃度が薄くなり、深さが局所的に浅くなることを特徴とする請求項２又は３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記ｎ型半導体基板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１〜４の何れか１項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のパワー半導体装置は損失を低減するために薄ウエハ型が主流となっている。その製造方法として、ウエハ表面に不純物注入と熱処理で拡散層を形成した後に、ウエハを裏面から所望の厚さまで研削する。次に、ウエハ裏面にプロトン注入等でｎ型バッファ層を形成した後、最裏面に高濃度のｎ＋型層を形成する（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５３０９３６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
基板厚み方向でアバランシェする構造の半導体装置では、性能を向上させるために基板厚みを薄くするほど、２次降伏電流が流れやすくなり、破壊耐量が下がる。特に、宇宙線が入射した際に局所的に破壊する現象（SEB: Single Event Burnout）等が起こりやすくなるという問題があった。
【０００５】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は破壊耐量を向上させることができる半導体装置を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る半導体装置は、セル領域と前記セル領域の周囲に設けられた終端領域を有するｎ型半導体基板と、前記セル領域において前記ｎ型半導体基板の上面に設けられたｐ型アノード層と、前記ｎ型半導体基板の下面に設けられたｎ型バッファ層と、前記終端領域において前記ｎ型半導体基板の下面に設けられ、前記ｎ型バッファ層よりも深さが深いｐ型層とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明では、終端領域においてｎ型半導体基板の下面に、ｎ型バッファ層よりも深さが深いｐ型層が設けられている。これにより、エネルギーの高い宇宙線の影響で局所的に２次降伏電流が流れた場合でも、基板上面のセル領域の主接合と基板下面の終端領域のｐ型層との間で２次降伏が起こる。従って、２次降伏電流が基板厚み斜め方向に流れるため、電流経路が長くなって負性抵抗が現れ難くなり、破壊耐量を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図である。
【図２】比較例に係る半導体装置を示す断面図である。
【図３】実施の形態２に係る半導体装置を示す断面図である。
【図４】実施の形態３に係る半導体装置を示す断面図である。
【図５】実施の形態４に係る半導体装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態に係る半導体装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
【００１０】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図である。ｎ−型半導体基板１は、セル領域と、セル領域の周囲に設けられた終端領域を有する。なお、ｎ−型半導体基板１はｎ型ドリフト層として機能する。
【００１１】
ｐ型アノード層２がセル領域においてｎ−型半導体基板１の上面に設けられている。複数のｐ型層３が終端領域においてｎ−型半導体基板１の上面に設けられている。終端領域の最外周部においてｎ+型層４がｎ−型半導体基板１の上面に設けられている。
【００１２】
ｎ−型半導体基板１の上に絶縁膜５が設けられている。ｐ型アノード層２、ｐ型層３、ｎ+型層４の上において絶縁膜５に開口が設けられている。ｐ型アノード層２、ｐ型層３、ｎ+型層４にそれぞれ上面電極６，７，８が接続されている。上面電極６の外周部、上面電極７，８を表面保護膜９が覆っている。
【００１３】
セル領域と終端領域において、ｎ型バッファ層１０がｎ−型半導体基板１の下面に設けられ、ｐ型コレクタ層１１がｎ型バッファ層１０の下面に設けられている。セル領域において、ｐｉｎダイオードとして動作させるための高濃度のｎ＋型カソード層１２がｎ型バッファ層１０の下面に設けられている。ｐ型コレクタ層１１及びｎ＋型カソード層１２はｎ型バッファ層１０よりも基板下面からの深さが浅い。このように基板下面にｐｎパターンを持つＲＦＣ（Relaxed Field of Cathode）ダイオード又はＲＣ−ＩＧＢＴがセル領域に形成されている。裏面にｐｎパターンを形成することで、ＲＦＣダイオードではリカバリ時の発振を抑制することができ、ＲＣ−ＩＧＢＴではＩＧＢＴとダイオードを１チップで形成することができる。セル領域のｐ型コレクタ層１１はリカバリ発振耐量向上のために設けられている。終端領域のｐ型コレクタ層１１はＳＯＡ（Safe Operating Area）向上のために設けられている。
【００１４】
終端領域においてｎ−型半導体基板１の下面に、ｎ型バッファ層１０よりも深さが深いｐ−型層１３が設けられている。ｐ型アノード層２とｎ−型半導体基板１のｐｎ接合が基板上面のセル領域の主接合となる。この基板上面のセル領域の主接合と基板下面の終端領域の深いｐ−型層１３で２次降伏が起こるように、ｐ−型層１３の濃度、深さ、終端領域での位置を設定する。ｐ−型層１３は下面電極１４に接続されている。従って、ｐ型アノード層２、ｎ−型半導体基板１、ｐ型コレクタ層１１のｐｎｐバイポーラ動作で２次降伏電流を裏面電極に排出できる。
【００１５】
続いて、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する。まず、基板表面にセル構造と終端構造を、写真製版、不純物注入、拡散プロセスを組み合わせて形成する。セル構造は、ダイオードではアノード、ＩＧＢＴではＭＯＳ構造である。上面電極６，７，８と表面保護膜９を形成する。
【００１６】
次に、ｎ−型半導体基板１を裏面から所望の厚さに研削する。終端領域の基板裏面側に写真製版プロセス又は遮蔽マスクを使用してヘリウム又はボロンを１００ＭｅＶ程度で照射又は注入して、深いｐ−型層１３を形成する。なお、ｐ−型層１３は、図１では終端領域に部分的に形成しているが、チップ側面まで形成してもよい。
【００１７】
次に、基板裏面全面にプロトン又はリンを１００ＭｅＶ程度で照射又は注入してｎ型バッファ層１０を形成する。この不純物はｐ−型層１３にも注入されるが、濃度差で打ち消される。レーザーアニール等で熱処理を行うことでｐ−型層１３とｎ型バッファ層１０を活性化する。なお、ｐ−型層１３を更に深く形成する場合は、個別に熱処理を行うこともできる。
【００１８】
次に、基板最下面にボロンを数十ｋｅＶで１Ｅ１２〜１Ｅ１５／ｃｍ２イオン注入してｐ型コレクタ層１１を形成する。写真製版でパターニングしたマスクを用いてリン又はヒ素を数十ｋｅＶで１Ｅ１４〜１Ｅ１７／ｃｍ２イオン注入し、レーザーアニール等の熱処理で活性化させてｎ＋型カソード層１２を形成する。
【００１９】
続いて、本実施の形態の効果を比較例と比較して説明する。図２は、比較例に係る半導体装置を示す断面図である。比較例には、終端領域においてｎ−型半導体基板１の下面にｐ−型層１３が設けられていないため、２次降伏電流が基板厚み方向に流れる。従って、基板厚みを薄くするほど、２次降伏電流が流れやすくなり、破壊耐量が下がる。
【００２０】
これに対して、本実施の形態では、終端領域においてｎ−型半導体基板１の下面に、ｎ型バッファ層１０よりも深さが深いｐ−型層１３が設けられている。これにより、エネルギーの高い宇宙線の影響で局所的に２次降伏電流が流れた場合でも、基板上面のセル領域の主接合と基板下面の終端領域のｐ−型層１３との間で２次降伏が起こる。従って、２次降伏電流が基板厚み斜め方向に流れるため、電流経路が長くなって負性抵抗が現れ難くなり、破壊耐量を向上させることができる。
【００２１】
実施の形態２．
図３は、実施の形態２に係る半導体装置を示す断面図である。本実施の形態では、実施の形態１の深いｐ−型層１３の代わりに、終端領域においてｎ型バッファ層１０が形成されていない領域が有り、その領域にｎ型バッファ層１０よりも浅いｐ型コレクタ層１１が設けられている。この領域は、ｎ型バッファ層１０を形成する時に写真製版プロセス又は遮蔽マスクを使用して形成する。
【００２２】
本実施の形態では、終端領域においてｎ型バッファ層１０が形成されていない領域が有り、その領域にｐ型コレクタ層１１が設けられている。これにより、エネルギーの高い宇宙線の影響で局所的に２次降伏電流が流れた場合でも、基板上面のセル領域の主接合と基板下面の終端領域のｎ型バッファ層１０が形成されていない領域との間で２次降伏が起こる。従って、２次降伏電流が基板厚み斜め方向に流れるため、電流経路が長くなって負性抵抗が現れ難くなり、破壊耐量を向上させることができる。また、ｎ型バッファ層１０が形成されていない領域の幅、ｎ型バッファ層１０の深さ等を調整することで空乏層の伸び方を制御できるため、２次降伏電流の集中を抑制し、２次降伏電流が流れる経路を調整することができる。
【００２３】
実施の形態３．
図４は、実施の形態３に係る半導体装置を示す断面図である。終端領域においてもｎ型バッファ層１０の下面にｎ＋型カソード層１２が設けられている。これにより、静耐圧測定でアバランシェブレークダウンした瞬間に２次降伏状態に移行して破壊する動作現象を抑えることができる。
【００２４】
ｐ型コレクタ層１１は、ｎ＋型カソード層１２よりもｎ−型半導体基板１の下面からの深さが浅い。終端領域においてｎ型バッファ層１０及びｎ＋型カソード層１２が形成されていない領域が有り、その領域にｐ型コレクタ層１１が設けられている。これにより実施の形態２と同様の効果を得ることができる。
【００２５】
なお、ｎ＋型カソード層１２は、ｎ型バッファ層１０と同じ写真製版パターンを用いてイオン注入後にレーザーアニール等で熱処理を加えて活性化させることで形成する。従って、写真製版プロセス又は遮蔽マスクを追加する必要は無い。
【００２６】
実施の形態４．
図５は、実施の形態４に係る半導体装置を示す断面図である。ｎ型バッファ層１０は、セル領域のｐ型コレクタ層１１の中央領域に向かって、不純物濃度が薄くなり、ｎ−型半導体基板１の下面からの深さが局所的に浅くなる。これにより、ｐ型コレクタ層１１からのホールの注入効率がセル領域のｐ型コレクタ層１１の中央領域で高くなり、周辺領域で低くなる。セル領域のｐ型コレクタ層１１の中央領域は、順方向動作時のキャリアの蓄積が少なく、リカバリ時に空乏化しやすい。このため、中央領域のホール注入効率を高くすることでリカバリ発振耐量を向上することができる。その他、実施の形態３と同様の効果を得ることができる。
【００２７】
また、ｐ型コレクタ層１１の上方のｎ型バッファ層１０は写真製版パターンの左右からの横方向拡散で形成されるため、パターン中心で不純物濃度が薄くなり、深さが浅くなる。そして、写真製版パターンの幅を調整することで、ｐ型コレクタ層１１の上方のｎ型バッファ層１０の不純物濃度と深さを調整することができる。
【００２８】
なお、ｎ−型半導体基板１は、珪素によって形成されたものに限らず、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成されたものでもよい。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドである。このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成された半導体装置は、耐電圧性や許容電流密度が高いため、小型化できる。この小型化された半導体装置を用いることで、この半導体装置を組み込んだ半導体モジュールも小型化・高集積化できる。また、半導体装置の耐熱性が高いため、ヒートシンクの放熱フィンを小型化でき、水冷部を空冷化できるので、半導体モジュールを更に小型化できる。また、半導体装置の電力損失が低く高効率であるため、半導体モジュールを高効率化できる。
【符号の説明】
【００２９】
１  ｎ型半導体基板、２  ｐ型アノード層、１０  ｎ型バッファ層、１１  ｐ型コレクタ層、１２  ｎ＋型カソード層、１３  ｐ−型層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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