超结MOSFET及其制造方法和复合半导体装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种超结MOSFET及其制造方法和复合半导体装置，能够缓和反向恢复动作时的硬恢复波形，降低反向恢复电流(Irp)和反向恢复时间(trr)，并能够获得高速切换和低反向恢复损耗。所述超结MOSFET具有多个在n型半导体基板的第一主面沿垂直方向延伸的相互平行的pn结，具有被夹设于该pn结n型漂移区域与p型分隔区域交替连接排列的并列pn层，并且在该并列pn层的第一主面侧具有MOS栅极结构，在相反主面侧依次连接n型的第一缓冲层和第二缓冲层，上述第一缓冲层的杂质浓度是与上述第n型漂移区域相同程度以下的低浓度，上述第二缓冲层的杂质浓度高于上述n型漂移区域，与该第二缓冲层相比，上述第一主面侧的上述n型半导体基板的载流子寿命被缩短。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及垂直型MOSFET(绝缘栅型场效应晶体管)及其制造方法和复合半导体装置。
技术介绍
作为图6所示的变换器电路1000用所使用的高耐压开关元件，IGBT101得到广泛普及。IGBT101具有双极晶体管的高耐压且低导通电压之类的特点和/或比MOSFET低速且能够高速运行之类的优异的特点，是目前支撑电力电子的重要的半导体元件。然而，图7(a)的主要部分截面图所示的IGBT101与该图(b)所示的MOSFET301不同，具有反向耐压结(集电结103)，因此通常无法在相反方向(以发射极E为正极、以集电极C为负极的偏置方向)产生电流。在IGBT101从导通状态成为正向阻断状态时，有时由于电路内的电感成分而在相反方向产生高电压的浪涌电压。当该浪涌电压施加于IGBT101时，通常反向耐压未被保护的IGBT101可能发生破坏，而用于变换器电路时，由于使每次IGBT101关断时产生的L负载电流回流，所以被反向并联连接的二极管401(图6)保护。近年来，若响应变换器的高频化的要求的提高而将如上所述的IGBT101与通常的回流用二极管401并列连接，则切换的高速化存在局限，所以正研究将IGBT101置换为图5(a)所示的超结MOSFET201。研究置换的超结MOSFET201(图5)在漂移层205中具有由超结结构构成的并列pn层202，所述超结结构是将多个在主面沿垂直方向以窄的间隔平行的pn结排列而成的r>超结结构。将并列pn层202的内部区域设定为n型漂移区域202a和p型分隔区域202b。在该超结MOSFET201中，即使使上述并列pn层202内的n型漂移区域202a设定为高于与耐压相对应的通常的杂质浓度的浓度，也能够通过使上述并列pn层202的间距变窄而以低电压使并列pn层202全部耗尽，因此尽管是单极型，也具有高耐压、低导通电阻的特征。并且，能够进行来自单极设备的快速切换，除此之外，内置相反方向的二极管结构(图5(a)的符号203和202a)，因此也无需重新连接图6的变换器电路的并列二极管401，具有能够期待装置的小型化的优点。在该超结MOSFET201中，内置二极管的反向恢复时的载流子寿命(载流子寿命时间)在没有得到控制的情况下，如该图(b)所示，从基板表面到深度方向是恒定的。作为关于这样的超结MOSFET的文献，公开了记载有如下内容的文献(专利文献1)：通过在漂移层205设置由并列pn层构成的超结(以下称为SJ)结构，并在其下层设置使杂质浓度二级变化的n型缓冲层来降低导通电阻，使内置二极管的反向恢复特性为软恢复波形。已知具备不增大漏极、源极之间的漏电电流而缩短反向恢复时间的超结MOS结构的半导体装置(专利文献2)。另外，记载了通过将SJ-MOSFET连接到具备SJ结构的肖特基势垒二极管，从而能够实现适于软切换方式的半导体装置(专利文献3)。公开了在具备SJ结构的肖特基势垒二极管的整体设置寿命控制区域来降低反向电流，使反向恢复特性提高的内容(专利文献4)。记载有对于用于使反向恢复特性形成软恢复波形的寿命控制方法(专利文献5)。记载有各种针对多余少数载流子的寿命控制方法(专利文献6)。此外，公开有关于与现有的元件相比能够使耐压和关断特性提高的半导体装置的记述(专利文献7)。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特开2003-101022号公报(图11，0077～0079段)专利文献2：日本特再公表2010-24433号公报(摘要)专利文献3：日本特开2006-24690号公报(摘要的课题和解决方式)专利文献4：日本特开2008-258313号公报(摘要)专利文献5：日本特开2007-59801号公报(摘要)专利文献6：日本特开平7-226405号公报(课题)专利文献7：日本特开2001-102577号公报(课题)
技术实现思路
在上述图5所示的超结MOSFET201中，在正向阻断状态，耗尽层在低耐压下完全扩展到并列pn层内的各柱内而完全耗尽。此时，内置二极管(符号203-202a)从正向电流(回流电流)流过的状态迁移到内置二极管的pn结的反向偏压阻断状态(即反向恢复状态)。然而，由于该内置二极管为单极结构，所以几乎没有少数载流子，反向恢复电流Irp小，并且容易形成电流波形和电压波形急剧上升的所谓的硬恢复波形。如果反向恢复动作形成硬恢复波形，则如图4的现有的超结MOSFET的反向恢复波形图所示，存在发生振荡(振动波形)而成为噪声的发生原因的问题(该图4中，振动波形部分重叠成为涂黑的状态而难以观察)。应予说明，图4的现有结构的波形是对于图5(a)所示的现有结构的垂直型超结MOSFET，将电源电压设置为400V、正向电流设置为20A、相反方向电流的时间变化设置为100A/μs，从而对反向恢复动作的电流波形进行了模拟的结果。本专利技术是考虑到以上说明的内容而完成的，本专利技术的目的在于提供一种能够缓和反向恢复动作时的硬恢复波形，降低反向恢复电流(Irp)和反向恢复时间(trr)，并得到高速切换和低反向恢复损耗的超结MOSFET及其制造方法和复合半导体装置。为了实现上述目的，本专利技术的超结MOSFET具有多个在第一导电型的漏极层的第一主面上沿垂直方向延伸的相互平行的pn结，具有被夹设于该pn结的第一导电型的漂移区域与第二导电型的分隔区域交替连接排列的并列pn层，并且在上述并列pn层的第一主面侧具有MOS栅极结构，在上述并列pn层的第二主面与上述漏极层的第一主面之间，从上述并列pn层的第二主面侧依次设置第一导电型的第一缓冲层和第二缓冲层，上述第一缓冲层的杂质浓度是与上述漂移区域相同程度以下的低浓度，上述第二缓冲层的杂质浓度高于上述漂移区域，与上述第二缓冲层相比，上述并列pn层的载流子寿命更短。优选是通过重金属的添加或带电粒子的照射而使上述并列pn层和第一缓冲层的载流子寿命比上述第二缓冲层短的超结MOSFET的制造方法。优选比内置于上述超结MOSFET的pn二极管高速且导通电阻小的pin二极管与上述超结MOSFET反向并联连接。优选比内置于超结MOSFET的pn二极管高速且导通电阻小的肖特基势垒二极管与上述超结MOSFET反向并联连接。根据本专利技术，能够提供缓和反向恢复动作时的硬恢复波形，降低反向恢复电流(Irp)和反向恢复时间(trr)，并能够获得高速切换和低反向恢复损耗的超结MOSFET及其制造方法和复合半导体装置。附图说明...

【技术保护点】
一种超结MOSFET，其特征在于，具有多个在第一导电型的漏极层的第一主面上沿垂直方向延伸的相互平行的pn结，具有以交替连接的方式排列有被夹设于该pn结的第一导电型的漂移区域与第二导电型的分隔区域的并列pn层，并且在所述并列pn层的第一主面侧具有MOS栅极结构，在所述并列pn层的第二主面与所述漏极层之间，从所述并列pn层的第二主面侧起依次设有第一导电型的第一缓冲层和第二缓冲层，所述第一缓冲层的杂质浓度与所述漂移区域相同或者低于所述漂移区域的浓度，所述第二缓冲层的杂质浓度高于所述漂移区域，与所述第二缓冲层相比，所述并列pn层的载流子寿命更短。

【技术特征摘要】
2013.07.10 JP 2013-1446541.一种超结MOSFET，其特征在于，
具有多个在第一导电型的漏极层的第一主面上沿垂直方向延伸的相互平
行的pn结，
具有以交替连接的方式排列有被夹设于该pn结的第一导电型的漂移区
域与第二导电型的分隔区域的并列pn层，并且在所述并列pn层的第一主面
侧具有MOS栅极结构，
在所述并列pn层的第二主面与所述漏极层之间，从所述并列pn层的第
二主面侧起依次设有第一导电型的第一缓冲层和第二缓冲层，
所述第一缓冲层的杂质浓度与所述漂移区域相同或者低于所述漂移区域
的浓度，
所述第二缓冲层的杂质浓度高于所述漂移区域，
与所述第二缓冲层相比，所述并列pn层的载流子寿命更短。
2.根据权利要求1所述的超结MOSFET，其特征在于，
与所述第二缓冲层相比，所述第一缓冲层的载流子寿命更短。...

【专利技术属性】
技术研发人员：田村隆博，大西泰彦，
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