超結(jié)mosfet及其制造方法和復(fù)合半導(dǎo)體裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種超結(jié)MOSFET及其制造方法和復(fù)合半導(dǎo)體裝置，能夠緩和反向恢復(fù)動作時的硬恢復(fù)波形，降低反向恢復(fù)電流(Irp)和反向恢復(fù)時間(trr)，并能夠獲得高速切換和低反向恢復(fù)損耗。所述超結(jié)MOSFET具有多個在n型半導(dǎo)體基板的第一主面沿垂直方向延伸的相互平行的pn結(jié)，具有被夾設(shè)于該pn結(jié)n型漂移區(qū)域與p型分隔區(qū)域交替連接排列的并列pn層，并且在該并列pn層的第一主面?zhèn)染哂蠱OS柵極結(jié)構(gòu)，在相反主面?zhèn)纫来芜B接n型的第一緩沖層和第二緩沖層，上述第一緩沖層的雜質(zhì)濃度是與上述第n型漂移區(qū)域相同程度以下的低濃度，上述第二緩沖層的雜質(zhì)濃度高于上述n型漂移區(qū)域，與該第二緩沖層相比，上述第一主面?zhèn)鹊纳鲜鰊型半導(dǎo)體基板的載流子壽命被縮短。
【專利說明】超結(jié)MOSFET及其制造方法和復(fù)合半導(dǎo)體裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及垂直型MOSFET(絕緣柵型場效應(yīng)晶體管)及其制造方法和復(fù)合半導(dǎo)體
>J-U ρ?α裝直。

【背景技術(shù)】
[0002]作為圖6所示的變換器電路1000用所使用的高耐壓開關(guān)元件，IGBT101得到廣泛普及。IGBT101具有雙極晶體管的高耐壓且低導(dǎo)通電壓之類的特點(diǎn)和/或比MOSFET低速且能夠高速運(yùn)行之類的優(yōu)異的特點(diǎn)，是目前支撐電力電子的重要的半導(dǎo)體元件。
[0003]然而，圖7 (a)的主要部分截面圖所示的IGBT101與該圖(b)所示的M0SFET301不同，具有反向耐壓結(jié)(集電結(jié)103)，因此通常無法在相反方向(以發(fā)射極E為正極、以集電極C為負(fù)極的偏置方向)產(chǎn)生電流。在IGBT101從導(dǎo)通狀態(tài)成為正向阻斷狀態(tài)時，有時由于電路內(nèi)的電感成分而在相反方向產(chǎn)生高電壓的浪涌電壓。當(dāng)該浪涌電壓施加于IGBT101時，通常反向耐壓未被保護(hù)的IGBT101可能發(fā)生破壞，而用于變換器電路時，由于使每次IGBT101關(guān)斷時產(chǎn)生的L負(fù)載電流回流，所以被反向并聯(lián)連接的二極管401 (圖6)保護(hù)。
[0004]近年來，若響應(yīng)變換器的高頻化的要求的提高而將如上所述的IGBT101與通常的回流用二極管401并列連接，則切換的高速化存在局限，所以正研究將IGBT101置換為圖5(a)所示的超結(jié)M0SFET201。研究置換的超結(jié)M0SFET201 (圖5)在漂移層205中具有由超結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)成的并列Pn層202，所述超結(jié)結(jié)構(gòu)是將多個在主面沿垂直方向以窄的間隔平行的pn結(jié)排列而成的超結(jié)結(jié)構(gòu)。將并列pn層202的內(nèi)部區(qū)域設(shè)定為η型漂移區(qū)域202a和P型分隔區(qū)域202b。在該超結(jié)M0SFET201中，即使使上述并列pn層202內(nèi)的η型漂移區(qū)域202a設(shè)定為高于與耐壓相對應(yīng)的通常的雜質(zhì)濃度的濃度，也能夠通過使上述并列pn層202的間距變窄而以低電壓使并列Pn層202全部耗盡，因此盡管是單極型，也具有高耐壓、低導(dǎo)通電阻的特征。并且，能夠進(jìn)行來自單極設(shè)備的快速切換，除此之外，內(nèi)置相反方向的二極管結(jié)構(gòu)(圖5(a)的符號203和202a)，因此也無需重新連接圖6的變換器電路的并列二極管401，具有能夠期待裝置的小型化的優(yōu)點(diǎn)。
[0005]在該超結(jié)M0SFET201中，內(nèi)置二極管的反向恢復(fù)時的載流子壽命(載流子壽命時間)在沒有得到控制的情況下，如該圖(b)所示，從基板表面到深度方向是恒定的。
[0006]作為關(guān)于這樣的超結(jié)MOSFET的文獻(xiàn)，公開了記載有如下內(nèi)容的文獻(xiàn)(專利文獻(xiàn)I):通過在漂移層205設(shè)置由并列pn層構(gòu)成的超結(jié)(以下稱為SJ)結(jié)構(gòu)，并在其下層設(shè)置使雜質(zhì)濃度二級變化的η型緩沖層來降低導(dǎo)通電阻，使內(nèi)置二極管的反向恢復(fù)特性為軟恢復(fù)波形。已知具備不增大漏極、源極之間的漏電電流而縮短反向恢復(fù)時間的超結(jié)MOS結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體裝置(專利文獻(xiàn)2)。另外，記載了通過將SJ-M0SFET連接到具備SJ結(jié)構(gòu)的肖特基勢壘二極管，從而能夠?qū)崿F(xiàn)適于軟切換方式的半導(dǎo)體裝置(專利文獻(xiàn)3)。公開了在具備SJ結(jié)構(gòu)的肖特基勢壘二極管的整體設(shè)置壽命控制區(qū)域來降低反向電流，使反向恢復(fù)特性提高的內(nèi)容(專利文獻(xiàn)4)。記載有對于用于使反向恢復(fù)特性形成軟恢復(fù)波形的壽命控制方法(專利文獻(xiàn)5)。記載有各種針對多余少數(shù)載流子的壽命控制方法(專利文獻(xiàn)6)。此外，公開有關(guān)于與現(xiàn)有的元件相比能夠使耐壓和關(guān)斷特性提高的半導(dǎo)體裝置的記述(專利文獻(xiàn)7)。
[0007]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0008]專利文獻(xiàn)
[0009]專利文獻(xiàn)1:日本特開2003-101022號公報(圖11，0077?0079段)
[0010]專利文獻(xiàn)2:日本特再公表2010-24433號公報(摘要)
[0011]專利文獻(xiàn)3:日本特開2006-24690號公報(摘要的課題和解決方式)
[0012]專利文獻(xiàn)4:日本特開2008-258313號公報(摘要)
[0013]專利文獻(xiàn)5:日本特開2007-59801號公報(摘要)
[0014]專利文獻(xiàn)6:日本特開平7-226405號公報(課題)
[0015]專利文獻(xiàn)7:日本特開2001-102577號公報(課題)


【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]在上述圖5所示的超結(jié)M0SFET201中，在正向阻斷狀態(tài)，耗盡層在低耐壓下完全擴(kuò)展到并列pn層內(nèi)的各柱內(nèi)而完全耗盡。此時，內(nèi)置二極管(符號203-202a)從正向電流(回流電流)流過的狀態(tài)遷移到內(nèi)置二極管的pn結(jié)的反向偏壓阻斷狀態(tài)(即反向恢復(fù)狀態(tài))。然而，由于該內(nèi)置二極管為單極結(jié)構(gòu)，所以幾乎沒有少數(shù)載流子，反向恢復(fù)電流Irp小，并且容易形成電流波形和電壓波形急劇上升的所謂的硬恢復(fù)波形。如果反向恢復(fù)動作形成硬恢復(fù)波形，則如圖4的現(xiàn)有的超結(jié)MOSFET的反向恢復(fù)波形圖所示，存在發(fā)生振蕩(振動波形)而成為噪聲的發(fā)生原因的問題(該圖4中，振動波形部分重疊成為涂黑的狀態(tài)而難以觀察)。應(yīng)予說明，圖4的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的波形是對于圖5(a)所示的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的垂直型超結(jié)M0SFET，將電源電壓設(shè)置為400V、正向電流設(shè)置為20A、相反方向電流的時間變化設(shè)置為100Α/μ S，從而對反向恢復(fù)動作的電流波形進(jìn)行了模擬的結(jié)果。
[0017]本發(fā)明是考慮到以上說明的內(nèi)容而完成的，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠緩和反向恢復(fù)動作時的硬恢復(fù)波形，降低反向恢復(fù)電流(Irp)和反向恢復(fù)時間(trr),并得到高速切換和低反向恢復(fù)損耗的超結(jié)MOSFET及其制造方法和復(fù)合半導(dǎo)體裝置。
[0018]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的超結(jié)MOSFET具有多個在第一導(dǎo)電型的漏極層的第一主面上沿垂直方向延伸的相互平行的pn結(jié)，具有被夾設(shè)于該pn結(jié)的第一導(dǎo)電型的漂移區(qū)域與第二導(dǎo)電型的分隔區(qū)域交替連接排列的并列pn層，并且在上述并列pn層的第一主面?zhèn)染哂蠱OS柵極結(jié)構(gòu)，在上述并列pn層的第二主面與上述漏極層的第一主面之間，從上述并列pn層的第二主面?zhèn)纫来卧O(shè)置第一導(dǎo)電型的第一緩沖層和第二緩沖層，上述第一緩沖層的雜質(zhì)濃度是與上述漂移區(qū)域相同程度以下的低濃度，上述第二緩沖層的雜質(zhì)濃度高于上述漂移區(qū)域，與上述第二緩沖層相比，上述并列pn層的載流子壽命更短。優(yōu)選是通過重金屬的添加或帶電粒子的照射而使上述并列Pn層和第一緩沖層的載流子壽命比上述第二緩沖層短的超結(jié)MOSFET的制造方法。優(yōu)選比內(nèi)置于上述超結(jié)MOSFET的pn 二極管高速且導(dǎo)通電阻小的pin 二極管與上述超結(jié)MOSFET反向并聯(lián)連接。優(yōu)選比內(nèi)置于超結(jié)MOSFET的pn 二極管高速且導(dǎo)通電阻小的肖特基勢壘二極管與上述超結(jié)MOSFET反向并聯(lián)連接。
[0019]根據(jù)本發(fā)明，能夠提供緩和反向恢復(fù)動作時的硬恢復(fù)波形，降低反向恢復(fù)電流(Irp)和反向恢復(fù)時間(trr)，并能夠獲得高速切換和低反向恢復(fù)損耗的超結(jié)MOSFET及其制造方法和復(fù)合半導(dǎo)體裝置。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明的實施例一的超結(jié)MOSFET的主要部分截面圖(a)和與(a)對應(yīng)的基板內(nèi)的載流子壽命分布圖(b)、(C)、(d)。
[0021]圖2是以往和本發(fā)明的超結(jié)MOSFET的主要部分截面圖(a)和與(a)對應(yīng)的基板內(nèi)的各不相同的載流子壽命分布圖。
[0022]圖3是與圖2的超結(jié)MOSFET的載流子壽命分布圖對應(yīng)的各反向恢復(fù)電流波形圖。
[0023]圖4是以往和本發(fā)明的實施例的超結(jié)MOSFET的反向恢復(fù)波形圖。
[0024]圖5是以往的超結(jié)MOSFET的主要部分截面圖(a)和其基板內(nèi)的載流子壽命分布圖。
[0025]圖6是變換器電路圖。
[0026]圖7是通常的IGBT (a)和MOSFET (b)的基板的主要部分截面圖。
[0027]圖8是本發(fā)明的并列連接pin 二極管的超結(jié)MOSFET的主要部分截面圖和pin 二極管的基板內(nèi)的載流子壽命分布圖。
[0028]圖9是本發(fā)明的并列連接肖特基勢壘二極管的超結(jié)MOSFET的主要部分截面圖和其基板內(nèi)的載流子壽命分布圖。
[0029]符號說明
[0030]I:n+漏極層高濃度第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體基板
[0031]2:第二緩沖層
[0032]3:第一緩沖層
[0033]4:并列 pn 層
[0034]4a:n型漂移區(qū)域
[0035]4b:p型分隔區(qū)域
[0036]5:p基極區(qū)域
[0037]6:pn 結(jié)
[0038]50:超結(jié) MOSFET
[0039]101 =IGBT
[0040]103:集電結(jié)
[0041]201:超結(jié) MOSFET
[0042]301 =MOSFET
[0043]401: 二極管
[0044]402:被壽命控制的二極管
[0045]403:肖特基勢壘二極管
[0046]1000:變換器電路

【具體實施方式】
[0047]以下，參照附圖對本發(fā)明的具備在主面的垂直方向并排排列多個以窄間隔平行的pn結(jié)(圖1中的符號6)的超結(jié)結(jié)構(gòu)的超結(jié)MOSFET及其制造方法和復(fù)合半導(dǎo)體裝置的實施例進(jìn)行詳細(xì)說明。在本說明書和附圖中，對于標(biāo)記了 η或P的層和/或區(qū)域，分別是指電子或空穴為多數(shù)載流子。另外，η和/或P上附帶的+和-分別是指雜質(zhì)濃度相對高或低。應(yīng)予說明，在以下的實施例的說明和附圖中，對同樣的構(gòu)成要素標(biāo)注相同的符號，省略重復(fù)的說明。另外，為了容易觀察或容易理解，實施例中說明的附圖并沒有以正確的比例、尺寸比進(jìn)行描繪。只要不超過本發(fā)明的主旨，就不限于以下說明的實施例的記載。
[0048]實施例一
[0049]將本發(fā)明的垂直型超結(jié)MOSFET的元件活性部的主要部分截面圖示于圖1 (a)。該圖(b)、(c)、(d)是將(a)所示的超結(jié)MOSFET的深度映射于縱軸，并在橫軸表示壽命的載流子壽命分布圖，被壽命控制的區(qū)域的深度范圍各不相同，但均是本發(fā)明的優(yōu)選的超結(jié)MOSFET。
[0050]該超結(jié)MOSFET在高濃度的η.型半導(dǎo)體基板(η+漏極層I)的第一主面上具備濃度比η型漂移區(qū)域4a高的η型第二緩沖層2和濃度與漂移區(qū)域4a相同或比漂移區(qū)域4a低的η型第一緩沖層3，并在η型第一緩沖層3上具備并列pn層4。并且，在并列pn層的表面?zhèn)?第一主面?zhèn)?形成MOS柵極結(jié)構(gòu)、源電極，并在高濃度n+漏極層I的背面?zhèn)?第二主面?zhèn)?形成漏電極。據(jù)此，第一導(dǎo)電型的η型第一緩沖層和η型第二緩沖層按照該順序設(shè)置在所述并列Pn層的第二主面與所述漏極層之間。在該并列pn層4的、用與基板表面垂直的面進(jìn)行切割而得的縱截面圖案為條紋狀。并不限于此，也可以為格子形狀。該η型第二緩沖層2具有在超結(jié)MOSFET的反向恢復(fù)動作時作為載流子儲庫的功能，通過延長載流子的排出時間，從而具有延長反向恢復(fù)時間而實現(xiàn)軟恢復(fù)波形的效果。
[0051]應(yīng)予說明，在實施例一中，對耐壓600V級的垂直型超結(jié)MOSFET進(jìn)行以下詳細(xì)說明。以下示出各層、區(qū)域的尺寸和雜質(zhì)濃度等的概況。將并列Pn層4的深度方向的厚度(以下，厚度是指基板的深度方向的距離)設(shè)定為36.0 μ m，將并列pn層4的間距寬度設(shè)定為12.0 μ m,將η型漂移區(qū)域和ρ型分隔區(qū)域的寬度分別設(shè)定為6.0 μ m，將上述各區(qū)域的雜質(zhì)濃度設(shè)定為3.0X 1015cm_3o位于并列pn層4正下方的η型第一緩沖層3的厚度設(shè)定為9 μ m，雜質(zhì)濃度設(shè)定為比上述η型漂移區(qū)域低的1.0X1015cm_3。此外，在η型第一緩沖層3的下側(cè)設(shè)置η型第二緩沖層2，設(shè)定厚度為15 μ m,并設(shè)定雜質(zhì)濃度為比上述η型漂移區(qū)域高的1.0X1016cm_3，以在反向恢復(fù)動作時也避免耗盡層完全擴(kuò)展。另外，使n+漏極層I的雜質(zhì)濃度設(shè)定為2.0X 118CnT3。
[0052]在圖1(b)?圖1(d)所示的載流子壽命的概略的分布圖中，在任一情況下，不對η型第二緩沖層2的載流子壽命進(jìn)行控制或者使η型第二緩沖層2的載流子壽命并不比并列pn層4和第一緩沖層3短?？删植靠s短第二緩沖層2以外的任一或全部區(qū)域的載流子壽命。標(biāo)準(zhǔn)的電子的壽命為1.0X 10_5秒，空穴壽命為3.0X 10_6秒，將縮短載流子壽命時的最低值設(shè)定為，電子載流子壽命為1.0X 10_7秒，空穴載流子壽命為3.0X10_8秒。在反向恢復(fù)動作時，載流子被充分保持于η型第二緩沖層2為佳，因此在載流子壽命長的圖1(b)?圖1(d)中的任一分布中均可得到軟恢復(fù)波形。
[0053]圖1 (b)、(C)的載流子壽命分布可以通過如下方式制作，通過從基板的背面照射質(zhì)子等并進(jìn)行熱處理，以將任意的深度(例如，在(b)中是并列pn層的表面?zhèn)鹊纳疃龋?c)中是并列pn層的背面?zhèn)鹊纳疃?作為各自的峰值的方式離子注入質(zhì)子等而進(jìn)行局部壽命控制。如此，當(dāng)從漏極層側(cè)離子注入質(zhì)子等時，壽命扼殺劑也會被導(dǎo)入到第二緩沖層2。然而，也可以構(gòu)成為不使?jié)舛确逯滴挥诘诙彌_層2，從而盡可能避免向第二緩沖層2導(dǎo)入壽命扼殺劑。如果使用鉬作為壽命扼殺劑并使其擴(kuò)散，則鉬容易在基板的表面?zhèn)绕?，因此得到?d)所示的具有表面?zhèn)鹊妮d流子壽命最短的斜率的分布。圖1中未加說明的符號5為P基極區(qū)域，符號6表不pn結(jié)。
[0054]在此，為了明確本發(fā)明的效果，對于上述現(xiàn)有的超結(jié)MOSFET和實施例一的超結(jié)MOSFET分析了如圖2的(b)?(e)所示的載流子壽命分布的狀態(tài)(Al?El)與恢復(fù)波形的關(guān)系。將其結(jié)果得到的恢復(fù)波形(A?E)示于圖3。圖2與圖3的載流子壽命分布分別對應(yīng)。圖3是對每個上述超結(jié)M0SFET，將電源電壓設(shè)定為400V、將正向電流設(shè)定為20A、將相反方向電流的時間變化設(shè)定為100A/μ S，并對反向恢復(fù)動作的電流波形進(jìn)行了模擬的結(jié)果O
[0055]以下說明載流子壽命分布的狀態(tài)Al?El的詳細(xì)情況。Al是在僅具有并列pn層和η型第一緩沖層的現(xiàn)有的超結(jié)MOSFET的情況下，完全不進(jìn)行圖2 (b)的壽命控制的壽命分布。圖3中，作為與Al對應(yīng)的A，沒有2nd buf是指沒有第二緩沖層。BI是具備并列pn層和η型第一緩沖層、η型第二緩沖層的超結(jié)M0SFET，且具有完全缺少圖2(b)的壽命控制的壽命分布的情況。圖3中，作為與BI對應(yīng)的B，LT沒有減少是指缺少壽命控制。Cl是具備并列pn層和η型第一緩沖層、η型第二緩沖層的超結(jié)M0SFET，且從圖2 (c)的基板表面到并列Pn層的下端面的范圍進(jìn)行了局部壽命控制的情況，與圖3的C對應(yīng)。Dl是具備并列pn層和η型第一緩沖層、η型第二緩沖層的超結(jié)M0SFET，且從基板表面到第一緩沖層的范圍進(jìn)行了局部壽命控制的情況，與圖3的D對應(yīng)。另外，上述C1、D1是與相當(dāng)于圖1的(b)、(c)的壽命分布相同的分布。El是具備并列pn層和η型第一緩沖層、η型第二緩沖層的超結(jié)M0SFET，且進(jìn)行了基板的整個區(qū)域的壽命控制的情況，與圖3的E對應(yīng)。
[0056]由圖3可知，A的反向恢復(fù)電流的峰值Irpl、反向恢復(fù)時間trrl均大，顯示波形急劇上升的硬恢復(fù)波形，形成大幅振動的波形。其理由是因為沒有第二緩沖層，所以在進(jìn)入正向阻斷狀態(tài)時，隨著反向恢復(fù)時耗盡層擴(kuò)展而載流子容易枯竭。
[0057]對于B，由于具備濃度比并列pn層中的漂移區(qū)域高的第二緩沖層，所以作為反向恢復(fù)動作時的載流子儲庫而發(fā)揮功能。此時，由于載流子的總量增加，所以反向恢復(fù)電流(Irp)增加，恢復(fù)波形成為軟波形，但由于載流子的排出需要時間，所以反向恢復(fù)時間變長，不滿足高速切換的必要條件。
[0058]對于C，若從基板表面到并列pn層的下端的深度為止控制壽命而使其縮短，則與上述B相比,反向恢復(fù)電流(Irp)變少,并且能夠維持軟恢復(fù)波形,反向恢復(fù)時間也變短，因而優(yōu)選。
[0059]對于D，若從表面到第一緩沖層的下端的深度為止控制壽命而使其縮短，則與C相t:匕，進(jìn)一步減少反向恢復(fù)電流(Irp),并且能夠維持軟恢復(fù)波形,反向恢復(fù)時間也進(jìn)一步變短，因而優(yōu)選。
[0060]對于E，若控制基板的所有層、區(qū)域的壽命而使其縮短，則載流子儲庫的效果變小，反向恢復(fù)電流(Irp2)和反向恢復(fù)時間(trr2)均變得過小而顯示硬恢復(fù)波形，可能會產(chǎn)生振動波形，因此不優(yōu)選。
[0061]因此，由圖3所示的A?E的載流子壽命分布可知，最優(yōu)選的是像C和D那樣的從基板表面到并列pn層、或者到第一緩沖層為止控制了壽命的超結(jié)MOSFET的恢復(fù)波形，可得到高速切換和低反向恢復(fù)損耗。
[0062]由以上結(jié)果可知，在實施例一中，不僅實現(xiàn)超結(jié)MOSFET的反向恢復(fù)動作的高速化和損失降低，并且實現(xiàn)兼顧了軟恢復(fù)波形化的結(jié)構(gòu)。
[0063]應(yīng)予說明，在實施例一中，是將并列pn層的基板截面圖案形狀形成為連續(xù)的pn的條紋狀圖案交替連接的形狀，但也可以是在基板面內(nèi)配置成格子狀的不連續(xù)的截面圖案的并列pn層(換言之，柱狀的pn層交替連接的形狀)。
[0064]另外，在本發(fā)明的實施例一中，通過在高濃度的n+漏極層I上形成η型第二緩沖層2和η型第一緩沖層3后，對并列pn層4反復(fù)進(jìn)行多次外延生長和光刻技術(shù)，以該圖案依次堆疊并列Pn層而形成所需要的厚度的多段外延方式形成。另外，也可以通過在高濃度n+漏極層I上使η型第二緩沖層2、η型第一緩沖層3和所需要的厚度的漂移層外延生長后，通過各向異性蝕刻來形成具有相當(dāng)于并列Pn層的厚度的深度的垂直溝槽，并在該溝槽使P型有機(jī)硅層外延生長而形成并列pn層4的溝槽埋入方式。通過在采用上述的任一方式制作的并列Pn層的表面?zhèn)?第一主面?zhèn)?形成MOS柵極結(jié)構(gòu)、源電極，并在高濃度n+漏極層I的背面?zhèn)?第二主面?zhèn)?形成漏電極，從而本發(fā)明的實施例一的超結(jié)MOSFET的晶圓工藝基本完成。另外，對于上述并列Pn層的形成方法、其后的晶圓工藝，它們的制造方法可以利用以往公知的制造方法。
[0065]通常，在電力用二極管中，作為縮短載流子壽命的方法，一般使用通過Au和/或Pt等重金屬的添加或電子束和/或質(zhì)子等帶電粒子的照射等而在帶隙內(nèi)形成準(zhǔn)位的壽命扼殺劑的導(dǎo)入法。這是因為通過導(dǎo)入這樣的壽命扼殺劑，從而在反向恢復(fù)動作時能夠促進(jìn)二極管中的載流子的消滅，降低反向恢復(fù)時的峰電流Irp和/或反向恢復(fù)時間trr，降低反向恢復(fù)時的損失。在超結(jié)MOSFET中，由于內(nèi)置二極管，所以導(dǎo)入壽命扼殺劑而形成上述圖1的(b)?(d)所示的載流子壽命分布對高速動作和反向恢復(fù)損耗的降低有效。
[0066]然而，從超結(jié)MOSFET其結(jié)構(gòu)上來看，由于在正向阻斷狀態(tài)時漂移層完全耗盡而載流子枯竭，因此反向恢復(fù)波形的上升變陡，容易成為硬恢復(fù)波形。根據(jù)現(xiàn)有的載流子壽命的控制，雖然能夠降低反向恢復(fù)損耗，但此時由于恢復(fù)波形的上升進(jìn)一步變陡，所以無法消除振動波形的產(chǎn)生。
[0067]因此，在本發(fā)明的實施例一的超結(jié)MOSFET中，在第一緩沖層的下部形成濃度比并列Pn層的η型漂移區(qū)域4a高的第二緩沖層。此外，與該第二緩沖層的載流子壽命相比，將第一緩沖層和并列pn層的載流子壽命調(diào)短。通過如此調(diào)整載流子壽命，一開始就緩慢抑制硬恢復(fù)波形的上升而能夠形成軟恢復(fù)波形。
[0068]作為局部控制壽命的方法，可以通過金和/或鉬等重金屬的添加或質(zhì)子等帶電粒子的照射來進(jìn)行。能夠通過重金屬的離子注入和熱處理從源極區(qū)域側(cè)的表面添加到第一緩沖層。另外，形成源電極后，可以利用研磨基板的相反側(cè)而形成第一緩沖層和第二緩沖層，并從該第二緩沖層的表面照射重金屬的離子和/或帶電粒子。另外，也可以組合這些局部的壽命控制和電子束照射那樣的壽命變得均勻的控制。
[0069]通過調(diào)整第二緩沖層的雜質(zhì)濃度和厚度，即使在超結(jié)MOSFET的正向阻斷狀態(tài)時也形成像耗盡層達(dá)不到n+漏極層I那樣的載流子儲庫，從而在反向恢復(fù)動作時，也能夠避免漂移層內(nèi)的載流子枯竭，并使反向恢復(fù)波形的上升變得緩慢。
[0070]此外，圖8的(a)是具備與上述的圖1 (a)的超結(jié)MOSFET反向并聯(lián)接合的另外的pin 二極管402的復(fù)合半導(dǎo)體裝置400的主要部分截面圖。
[0071]通過制成這樣的復(fù)合半導(dǎo)體裝置，也能夠緩和反向恢復(fù)動作時的硬恢復(fù)波形，降低反向恢復(fù)電流(Irp)和反向恢復(fù)時間(trr),得到高速切換和低反向恢復(fù)損耗。此時,pin二極管402的漂移層401的雜質(zhì)濃度設(shè)置為3.0X 1014cnT3，厚度設(shè)置為60.0ym,將載流子壽命分布示于該圖(b)，通過添加金和/或鉬那樣的重金屬，從而形成了表面?zhèn)鹊妮d流子壽命短的分布。如果使用鉬，則由于鉬容易在基板的表面?zhèn)绕?，因此可得到具有像圖8的(b)那樣的表面?zhèn)鹊妮d流子壽命最短的斜率的分布，因而優(yōu)選。
[0072]由此，通過制成具備專門的pin 二極管402的復(fù)合半導(dǎo)體裝置400，從而與超結(jié)M0SFET50的內(nèi)置二極管(5-4a)相比，能夠消除pin 二極管402的設(shè)計上的制約。因此，能夠容易地制成切換速度比內(nèi)置二極管(5_4a)高且導(dǎo)通電阻小的pin 二極管402，因此可以得到上述那樣的具有高速切換和低反向恢復(fù)損耗的本發(fā)明的復(fù)合半導(dǎo)體裝置400。
[0073]圖4是實施例(圖8的(a))的復(fù)合半導(dǎo)體裝置和現(xiàn)有結(jié)構(gòu)(圖5的(a))的超結(jié)MOSFET的反向恢復(fù)波形圖，是將電源電壓設(shè)置為400V、正向電流設(shè)置為20A、相反方向電流的時間變化設(shè)置為100Α/μ S，從而對反向恢復(fù)動作的電流波形進(jìn)行模擬的結(jié)果。應(yīng)予說明，圖8(a)的復(fù)合半導(dǎo)體裝置的壽命扼殺劑使用He而設(shè)定為從并列pn層的源極側(cè)的表面以8μπι的深度為峰的濃度曲線。另外，將圖8(a)的pin 二極管402的活性區(qū)域的面積設(shè)定為與超結(jié)M0SFET50的活性區(qū)域的面積相同。
[0074]在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中，由于反向恢復(fù)電流(Irp)、反向恢復(fù)時間(trr)均大，波形急劇上升而形成了大幅振動的波形。另一方面，可知在實施例中，與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)相比，反向恢復(fù)電流(Irp)、反向恢復(fù)時間(trr)均得到小幅抑制，反向恢復(fù)損耗也得到降低。另外，波形的上升變得緩慢，因此在上升后沒有發(fā)生振蕩。
[0075]由此，能夠得到實現(xiàn)了反向恢復(fù)動作的高速化和損失降低以及軟恢復(fù)化的復(fù)合半導(dǎo)體裝置。
[0076]此外，通過變成上述pin 二極管，制成將如圖9所示的肖特基勢壘二極管與超結(jié)MOSFET并列接合的復(fù)合半導(dǎo)體裝置，也像上述那樣緩和反向恢復(fù)動作時的硬恢復(fù)波形，降低反向恢復(fù)電流(Irp)和反向恢復(fù)時間(trr),能夠得到快速切換和低反向恢復(fù)損耗。
【權(quán)利要求】
1.一種超結(jié)MOSFET，其特征在于， 具有多個在第一導(dǎo)電型的漏極層的第一主面上沿垂直方向延伸的相互平行的Pn結(jié)， 具有以交替連接的方式排列有被夾設(shè)于該P(yáng)n結(jié)的第一導(dǎo)電型的漂移區(qū)域與第二導(dǎo)電型的分隔區(qū)域的并列pn層，并且在所述并列pn層的第一主面?zhèn)染哂蠱OS柵極結(jié)構(gòu)， 在所述并列Pn層的第二主面與所述漏極層之間，從所述并列pn層的第二主面?zhèn)绕鹨来卧O(shè)有第一導(dǎo)電型的第一緩沖層和第二緩沖層， 所述第一緩沖層的雜質(zhì)濃度與所述漂移區(qū)域相同或者低于所述漂移區(qū)域的濃度， 所述第二緩沖層的雜質(zhì)濃度高于所述漂移區(qū)域， 與所述第二緩沖層相比，所述并列Pn層的載流子壽命更短。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超結(jié)M0SFET，其特征在于， 與所述第二緩沖層相比，所述第一緩沖層的載流子壽命更短。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超結(jié)M0SFET，其特征在于， 所述第二緩沖層的壽命未被調(diào)整。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超結(jié)MOSFET的制造方法，其特征在于， 通過重金屬的添加或帶電粒子的照射而使所述并列pn層的載流子壽命比所述第二緩沖層更短。
5.一種根據(jù)權(quán)利要求2所述的超結(jié)MOSFET的制造方法，其特征在于， 通過重金屬的添加或帶電粒子的照射而使所述并列pn層和所述第一緩沖層的載流子壽命比所述第二緩沖層更短。
6.一種復(fù)合半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 比內(nèi)置于權(quán)利要求1或2所述的超結(jié)MOSFET的pn 二極管高速且導(dǎo)通電阻小的pin 二極管與所述超結(jié)MOSFET反向并聯(lián)連接。
7.一種復(fù)合半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 比內(nèi)置于權(quán)利要求1或2所述的超結(jié)MOSFET的pn 二極管高速且導(dǎo)通電阻小的肖特基勢壘二極管與所述超結(jié)MOSFET反向并聯(lián)連接。
【文檔編號】H01L29/78GK104282759SQ201410327892
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年7月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月10日
【發(fā)明者】田村隆博, 大西泰彥 申請人:富士電機(jī)株式會社