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JP2010067901A - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents

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JP2010067901A
JP2010067901A JP2008234872A JP2008234872A JP2010067901A JP 2010067901 A JP2010067901 A JP 2010067901A JP 2008234872 A JP2008234872 A JP 2008234872A JP 2008234872 A JP2008234872 A JP 2008234872A JP 2010067901 A JP2010067901 A JP 2010067901A
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JP
Japan
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region
igbt
semiconductor substrate
diode
body region
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Withdrawn
Application number
JP2008234872A
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Japanese (ja)
Inventor
Akitaka Soeno
明高 添野
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an IGBT diode integrated device having low on-voltage of IGBT and high reverse recovery characteristics of a diode. <P>SOLUTION: A semiconductor device 10 includes: a semiconductor substrate 12 in which a vertical IGBT 20 and a vertical diode 40 are formed. A body region 24 of the IGBT 20 is formed up to a position deeper than an anode region 42 of the diode 40. Over both an area in which the IGBT 20 is formed, and an area in which the diode 40 is formed, a crystal defect in the semiconductor substrate 12 is formed shallower than a lower limit of the body region 24 of the IGBT 20, and is distributed in higher concentration than that of the circumference in the range deeper than a lower limit of the anode region 42 of the diode 40. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、縦型のIGBTと縦型のダイオードが1つの半導体基板に形成されている半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device in which a vertical IGBT and a vertical diode are formed on one semiconductor substrate.

特許文献1には、縦型のIGBTと縦型のダイオードが形成されている半導体基板を有する半導体装置(以下では、IGBT−ダイオード一体型装置という場合がある)が開示されている。IGBTは、電力制御用のスイッチング素子として用いられる。ダイオードは、IGBTのオフ時に逆電流を還流させるフリーホイールダイオードとして用いられる。IGBTとダイオードを1つの半導体基板に形成することで、装置の小型化を図ることができる。   Patent Document 1 discloses a semiconductor device having a semiconductor substrate on which a vertical IGBT and a vertical diode are formed (hereinafter sometimes referred to as an IGBT-diode integrated device). The IGBT is used as a switching element for power control. The diode is used as a freewheeling diode that circulates a reverse current when the IGBT is off. By forming the IGBT and the diode on one semiconductor substrate, the size of the device can be reduced.

特開2008−4866号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2008-4866

半導体基板に荷電粒子を打ち込むことによって、ダイオードのカソード領域に意図的に結晶欠陥を形成する技術が知られている。結晶欠陥は、ホールと電子の再結合中心として機能する。このため、カソード領域に結晶欠陥を形成しておくと、ダイオードに逆電流が流れたときに、カソード領域内のホールが結晶欠陥の近傍で電子と再結合し易くなる。このため、逆電流を急速に減衰させることが可能であり、ダイオードの逆回復特性を向上させることができる。これによって、逆回復時の損失(以下、逆回復損失という)を低減することができる。
ここで、ダイオードの逆回復損失と順方向導通時の損失(以下、定常損失という)との間にはトレードオフ(相殺特性)が存在する。これらの一方の損失を低減すると、他方の損失が増大するという関係にある。すなわち、上記の結晶欠陥を形成すると、逆回復損失は低減されるものの、定常損失は増加する。ここで、結晶欠陥を一定の深さに局所的に形成すると、定常損失がそれほど増大しない一方で、逆回復損失の低減効果が高く、上記のトレードオフが改善されることが分かっている。さらに、結晶欠陥を局所的に形成する深さによっても、上記のトレードオフの関係が変化することが分かっている。すなわち、カソード領域内のアノード領域近傍の深さに結晶欠陥を局所的に形成すると、電子とホールの再結合が効率的に促進され、逆回復損失の低減効果が高くなる。一方、定常損失は、結晶欠陥の形成位置によってはほとんど変化しない。したがって、カソード領域内のアノード領域近傍の深さに結晶欠陥を局所的に形成すると、トレードオフの関係は改善される。逆に言えば、アノード領域から遠い位置に結晶欠陥を形成すれば、逆回復損失の低減効果は薄れ、かつ、定常損失は変わらないため、トレードオフの関係が悪化する。
A technique for intentionally forming a crystal defect in a cathode region of a diode by implanting charged particles into a semiconductor substrate is known. Crystal defects function as recombination centers between holes and electrons. Therefore, if a crystal defect is formed in the cathode region, holes in the cathode region are likely to recombine with electrons in the vicinity of the crystal defect when a reverse current flows through the diode. Therefore, the reverse current can be rapidly attenuated, and the reverse recovery characteristic of the diode can be improved. As a result, loss during reverse recovery (hereinafter referred to as reverse recovery loss) can be reduced.
Here, there is a trade-off (cancellation characteristic) between the reverse recovery loss of the diode and the loss during forward conduction (hereinafter referred to as steady loss). When one of these losses is reduced, the other loss increases. That is, when the above crystal defect is formed, the reverse recovery loss is reduced, but the steady loss increases. Here, it is known that when the crystal defects are locally formed at a certain depth, the steady loss does not increase so much, while the effect of reducing the reverse recovery loss is high, and the above trade-off is improved. Furthermore, it has been found that the above trade-off relationship also changes depending on the depth at which crystal defects are locally formed. That is, when a crystal defect is locally formed at a depth near the anode region in the cathode region, recombination of electrons and holes is efficiently promoted, and the effect of reducing reverse recovery loss is enhanced. On the other hand, the steady loss hardly changes depending on the crystal defect formation position. Therefore, when a crystal defect is locally formed at a depth near the anode region in the cathode region, the trade-off relationship is improved. In other words, if a crystal defect is formed at a position far from the anode region, the effect of reducing the reverse recovery loss is diminished and the steady loss does not change, so the trade-off relationship deteriorates.

結晶欠陥を形成する技術を、IGBT−ダイオード一体型装置に適用することが考えられる。図5は、荷電粒子の打ち込みによって結晶欠陥140を形成したIGBT−ダイオード一体型装置を示している。なお、図5では、参照番号110はダイオードを示し、参照番号112はアノード領域を示し、参照番号114はカソード領域を示し、参照番号120はIGBTを示し、参照番号122はエミッタ領域を示し、参照番号124はボディ領域を示し、参照番号126はドリフト領域を示し、参照番号128はコレクタ領域を示し、参照番号130はゲート電極を示している。図示するように、ダイオード110のカソード領域114に結晶欠陥140を形成する。これによって、ダイオード110の逆回復特性を向上させることができる。しかしながら、半導体基板の全域に荷電粒子を打ち込むと、図5のように、IGBT120のドリフト領域126にまで結晶欠陥140が形成される。
ここで、IGBTにおいても、ダイオードと同様に、結晶欠陥形成時においてスイッチング損失とオン電圧(オン電圧は、定常損失に影響する)の間にトレードオフの関係が存在する。すなわち、IGBTにおいても、結晶欠陥の形成による再結合の促進が生じ、スイッチング損失が低減され、定常損失(オン電圧)が増大する。結晶欠陥を局所的に形成することで、スイッチング損失の低減効果が高くなり、定常損失はそれほど増大せず、トレードオフの関係が改善されることもダイオードと同じである。しかし、ダイオードとの違いは、結晶欠陥の形成に適した深さが、ドリフト領域内のコレクタ領域近傍の深さであるということである。
このため、図5に示すIGBT−ダイオード一体型装置では、問題が生じる。すなわち、ダイオード110に適した深さ(カソード領域114内のアノード領域112近傍の深さ)に結晶欠陥140を形成すると、IGBT120では適切でない深さ(ドリフト領域126内のコレクタ領域128から最も遠い深さ)に結晶欠陥140が形成され、IGBT120の特性が悪化する。これを回避するために、IGBT120に適した深さ(ドリフト領域126内のコレクタ領域128近傍の深さ)に結晶欠陥140を形成すると、ダイオード110では適切でない深さ(カソード領域114内のアノード領域112から遠い深さ)に結晶欠陥140が形成され、ダイオード110の特性が悪化する。このように、ダイオード110とIGBT120の双方に適切な結晶欠陥形成深さが存在しないために、一方の特性を改善しようとすると、他方の特性が悪化してしまう。
It is conceivable to apply a technique for forming crystal defects to an IGBT-diode integrated device. FIG. 5 shows an IGBT-diode integrated device in which crystal defects 140 are formed by charged particle implantation. In FIG. 5, reference numeral 110 indicates a diode, reference numeral 112 indicates an anode area, reference numeral 114 indicates a cathode area, reference numeral 120 indicates an IGBT, reference numeral 122 indicates an emitter area, and reference is made. Reference numeral 124 denotes a body region, reference numeral 126 denotes a drift region, reference numeral 128 denotes a collector region, and reference numeral 130 denotes a gate electrode. As illustrated, a crystal defect 140 is formed in the cathode region 114 of the diode 110. Thereby, the reverse recovery characteristic of the diode 110 can be improved. However, when charged particles are implanted into the entire area of the semiconductor substrate, crystal defects 140 are formed in the drift region 126 of the IGBT 120 as shown in FIG.
Here, in the IGBT as well as the diode, there is a trade-off relationship between the switching loss and the on-voltage (the on-voltage affects the steady loss) when crystal defects are formed. That is, also in the IGBT, recombination is promoted due to the formation of crystal defects, switching loss is reduced, and steady loss (ON voltage) is increased. By forming the crystal defects locally, the effect of reducing the switching loss is increased, the steady loss is not increased so much, and the trade-off relationship is improved as in the diode. However, the difference from the diode is that the depth suitable for the formation of crystal defects is the depth near the collector region in the drift region.
Therefore, the IGBT-diode integrated device shown in FIG. That is, if the crystal defect 140 is formed at a depth suitable for the diode 110 (depth near the anode region 112 in the cathode region 114), a depth inappropriate for the IGBT 120 (depth farthest from the collector region 128 in the drift region 126). 3), crystal defects 140 are formed, and the characteristics of the IGBT 120 are deteriorated. In order to avoid this, if the crystal defect 140 is formed at a depth suitable for the IGBT 120 (depth near the collector region 128 in the drift region 126), a depth that is not appropriate for the diode 110 (an anode region in the cathode region 114). A crystal defect 140 is formed at a depth far from 112, and the characteristics of the diode 110 deteriorate. As described above, since there is no appropriate crystal defect formation depth in both the diode 110 and the IGBT 120, when one characteristic is improved, the other characteristic is deteriorated.

この問題を解消するために、ドリフト領域126に結晶欠陥140を形成しないで、カソード領域114のみに結晶欠陥140を形成することが考えられる。このように結晶欠陥140を形成しようとする場合、IGBT120側をマスクして、半導体基板に荷電粒子を打ち込む必要がある。IGBT120側で荷電粒子をシャットアウトするには、厚さが100μm程度のマスクが必要となる。一方、マスクは、その端部がIGBT120とダイオード110の境界部と一致するように形成する必要がある。このため、マスクは、数μmレベルの精度で形成する必要がある。しかしながら、100μm程度の厚みのあるマスクは、通常の半導体製造技術ではそれほど高精度で形成することはできない。したがって、IGBT−ダイオード一体型装置を安定した品質で製造することができない。   In order to solve this problem, it is conceivable that the crystal defect 140 is formed only in the cathode region 114 without forming the crystal defect 140 in the drift region 126. When the crystal defect 140 is to be formed in this way, it is necessary to implant charged particles into the semiconductor substrate while masking the IGBT 120 side. In order to shut out charged particles on the IGBT 120 side, a mask having a thickness of about 100 μm is required. On the other hand, the mask needs to be formed so that the end thereof coincides with the boundary between the IGBT 120 and the diode 110. For this reason, the mask needs to be formed with an accuracy of several μm level. However, a mask having a thickness of about 100 μm cannot be formed with such high precision by a normal semiconductor manufacturing technique. Therefore, the IGBT-diode integrated device cannot be manufactured with stable quality.

以上に説明したように、IGBT−ダイオード一体型装置においては、IGBTのオン電圧を上昇させずに、ダイオードの逆回復特性を向上させることが困難であるという問題があった。   As described above, the IGBT-diode integrated device has a problem that it is difficult to improve the reverse recovery characteristic of the diode without increasing the on-voltage of the IGBT.

本発明は、上述した実情に鑑みて創作されたものであり、IGBTのオン電圧が低く、ダイオードの逆回復特性が高いIGBT−ダイオード一体型装置を提供することを目的とする。   The present invention was created in view of the above-described circumstances, and an object of the present invention is to provide an IGBT-diode integrated device in which the on-voltage of the IGBT is low and the reverse recovery characteristic of the diode is high.

本発明は、縦型のIGBTと縦型のダイオードが形成されている半導体基板を備える半導体装置を提供する。IGBTは、半導体基板の第1表面に露出しているn型のエミッタ領域と、半導体基板の第1表面に露出しており、エミッタ領域に隣接しており、エミッタ領域より深い位置まで形成されているp型のボディ領域と、ボディ領域に対して深い位置で隣接しており、ボディ領域によってエミッタ領域から分離されているn型のドリフト領域と、半導体基板の第2表面に露出しており、ドリフト領域によってボディ領域から分離されているp型のコレクタ領域と、エミッタ領域とドリフト領域を分離している範囲のボディ領域に絶縁膜を介して対向しているゲート電極を有している。ダイオードは、半導体基板の第1表面に露出しているp型のアノード領域と、半導体基板の第2表面に露出しており、アノード領域と隣接しているn型のカソード領域を有している。IGBTのボディ領域は、ダイオードのアノード領域よりも深い位置まで形成されている。半導体基板内の結晶欠陥は、IGBTが形成されている領域とダイオードが形成されている領域の両方に亘って、IGBTのボディ領域の下端より浅く、ダイオードのアノード領域の下端より深い範囲で周囲より高濃度に分布している。
なお、上記の「浅い」及び「深い」との表現は、半導体基板の第1表面からの深さを意味している。すなわち、「浅い」とは第1表面に近いことを意味しており、「深い」とは第1表面から遠いことを意味している。
この半導体装置では、IGBTのボディ領域が、ダイオードのアノード領域よりも深い位置まで形成されている。そして、結晶欠陥が、IGBTのボディ領域の下端より浅く、ダイオードのアノード領域の下端より深い範囲で高濃度に分布している。すなわち、IGBT側ではボディ領域内に結晶欠陥が高濃度に形成されており、ダイオード側ではカソード領域内に結晶欠陥が高濃度に形成されている。IGBT側では、ボディ領域内に結晶欠陥が形成されているので、IGBTのオン時にドリフト領域内で電子とホールの再結合が過剰に生じることがない。また、IGBTのオン時には、電子はボディ領域に形成されるチャネルを通過し、ホールはチャネル以外のボディ領域を通過する。したがって、ボディ領域内の結晶欠陥は、再結合を促進せず、IGBTの特性にほとんど影響を与えない。すなわち、結晶欠陥によるIGBTのオン電圧の上昇は生じない。また、ダイオード側では、カソード領域内に結晶欠陥が形成されているため、ダイオードの逆回復特性が向上される。このように、本発明によれば、IGBTのオン電圧が低く、ダイオードの逆回復特性が高いIGBT−ダイオード一体型装置が提供される。
The present invention provides a semiconductor device including a semiconductor substrate on which a vertical IGBT and a vertical diode are formed. The IGBT is formed to an n-type emitter region exposed on the first surface of the semiconductor substrate, and exposed on the first surface of the semiconductor substrate, adjacent to the emitter region, and deeper than the emitter region. An n-type drift region that is adjacent to the p-type body region at a deep position with respect to the body region and is separated from the emitter region by the body region, and is exposed to the second surface of the semiconductor substrate, A p-type collector region separated from the body region by the drift region, and a gate electrode facing the body region in a range separating the emitter region and the drift region via an insulating film are provided. The diode has a p-type anode region exposed on the first surface of the semiconductor substrate and an n-type cathode region exposed on the second surface of the semiconductor substrate and adjacent to the anode region. . The body region of the IGBT is formed to a position deeper than the anode region of the diode. The crystal defects in the semiconductor substrate are shallower than the lower end of the body region of the IGBT and deeper than the lower end of the anode region of the diode over the region where the IGBT is formed and the region where the diode is formed. Distributed in high concentration.
The expressions “shallow” and “deep” mean the depth from the first surface of the semiconductor substrate. That is, “shallow” means close to the first surface, and “deep” means far from the first surface.
In this semiconductor device, the body region of the IGBT is formed to a position deeper than the anode region of the diode. The crystal defects are distributed at a high concentration in a range shallower than the lower end of the body region of the IGBT and deeper than the lower end of the anode region of the diode. That is, crystal defects are formed in a high concentration in the body region on the IGBT side, and crystal defects are formed in a high concentration in the cathode region on the diode side. On the IGBT side, crystal defects are formed in the body region, so that excessive recombination of electrons and holes does not occur in the drift region when the IGBT is turned on. When the IGBT is on, electrons pass through a channel formed in the body region, and holes pass through a body region other than the channel. Therefore, crystal defects in the body region do not promote recombination and hardly affect the characteristics of the IGBT. That is, the on-voltage of the IGBT does not increase due to crystal defects. On the diode side, since the crystal defect is formed in the cathode region, the reverse recovery characteristic of the diode is improved. Thus, according to the present invention, there is provided an IGBT-diode integrated device in which the on-voltage of the IGBT is low and the reverse recovery characteristic of the diode is high.

上述した半導体装置は、深さ方向の結晶欠陥濃度分布のピーク半値幅の範囲が、IGBTのボディ領域の下端より浅く、ダイオードのアノード領域より深い範囲内に含まれていることが好ましい。
このような構成によれば、結晶欠陥の分布のばらつきによりIGBTのドリフト領域に存在する結晶欠陥の濃度を、無視できる程度に低くすることが出来る。
In the semiconductor device described above, the range of the peak half-value width of the crystal defect concentration distribution in the depth direction is preferably included in a range that is shallower than the lower end of the body region of the IGBT and deeper than the anode region of the diode.
According to such a configuration, the concentration of crystal defects existing in the IGBT drift region can be reduced to a negligible level due to variations in the distribution of crystal defects.

また、本発明は、上述した半導体装置を好適に製造することができる製造方法を提供する。
この製造方法では、縦型のIGBTと縦型のダイオードが形成されている半導体基板を備える半導体装置を提供する。IGBTは、半導体基板の第1表面に露出しているn型のエミッタ領域と、半導体基板の第1表面に露出しており、エミッタ領域に隣接しており、エミッタ領域より深い位置まで形成されているp型のボディ領域と、ボディ領域に対して深い位置で隣接しており、ボディ領域によってエミッタ領域から分離されているn型のドリフト領域と、半導体基板の第2表面に露出しており、ドリフト領域によってボディ領域から分離されているp型のコレクタ領域と、エミッタ領域とドリフト領域を分離している範囲のボディ領域に絶縁膜を介して対向しているゲート電極を有している。ダイオードは、半導体基板の第1表面に露出しているp型のアノード領域と、半導体基板の第2表面に露出しており、アノード領域と隣接しているn型のカソード領域を有している。この製造方法は、IGBTのボディ領域の下端が、ダイオードのアノード領域の下端よりも深い位置となるように、ボディ領域とアノード領域を形成する工程と、半導体基板に荷電粒子を打ち込んで結晶欠陥を形成するにあたって、荷電粒子の平均停止位置が、IGBTのボディ領域の下端より浅く、ダイオードのアノード領域より深い位置となるように打ち込みエネルギーを調整するとともに、半導体基板に対して傾斜した角度で半導体基板に荷電粒子を打ち込む工程を有している。
なお、上記の「浅い」及び「深い」との表現は、半導体基板の第1表面からの深さを意味している。また、荷電粒子を打ち込む際の「浅い」及び「深い」との表現は、半導体基板内における位置を示しているにすぎず、第1表面側から荷電粒子を打ち込むことを意味しているものではない。半導体基板に荷電粒子を打ち込む工程は、第1表面側から荷電粒子を打ち込む工程であっても、第2表面側から荷電粒子を打ち込む工程であってもよい。
この製造方法では、IGBTのボディ領域の下端より浅く、ダイオードのアノード領域より深い位置に荷電粒子を打ち込む際に、半導体基板に対して傾斜した角度で荷電粒子を打ち込む。半導体基板に対して傾斜した角度で荷電粒子を打ち込むと、半導体基板の深さ方向における荷電粒子の停止位置のばらつき幅を小さくすることができる。例えば、半導体基板に対して45度傾斜した角度で荷電粒子を打ち込むときの停止位置のばらつき幅(半導体基板の深さ方向の幅)は、垂直に荷電粒子を打ち込むときのばらつき幅の1/√2となる。このため、ドリフト領域に結晶欠陥が形成されてしまうことを抑制し、IGBTのボディ領域の下端より浅く、ダイオードのアノード領域より深い位置に局所的に結晶欠陥を形成することができる。すなわち、この製造方法によれば、IGBTのオン電圧が低く、ダイオードの逆回復特性が高いIGBT−ダイオード一体型装置を好適に製造することができる。
In addition, the present invention provides a manufacturing method capable of suitably manufacturing the semiconductor device described above.
In this manufacturing method, a semiconductor device including a semiconductor substrate on which a vertical IGBT and a vertical diode are formed is provided. The IGBT is formed to an n-type emitter region exposed on the first surface of the semiconductor substrate, and exposed on the first surface of the semiconductor substrate, adjacent to the emitter region, and deeper than the emitter region. An n-type drift region that is adjacent to the p-type body region at a deep position with respect to the body region and is separated from the emitter region by the body region, and is exposed to the second surface of the semiconductor substrate, A p-type collector region separated from the body region by the drift region, and a gate electrode facing the body region in a range separating the emitter region and the drift region via an insulating film are provided. The diode has a p-type anode region exposed on the first surface of the semiconductor substrate and an n-type cathode region exposed on the second surface of the semiconductor substrate and adjacent to the anode region. . In this manufacturing method, the body region and the anode region are formed so that the lower end of the IGBT body region is deeper than the lower end of the anode region of the diode, and charged particles are implanted into the semiconductor substrate to remove crystal defects. In forming the semiconductor substrate, the implantation energy is adjusted so that the average stop position of the charged particles is shallower than the lower end of the body region of the IGBT and deeper than the anode region of the diode, and the semiconductor substrate is inclined at an angle with respect to the semiconductor substrate. A step of implanting charged particles into the substrate.
The expressions “shallow” and “deep” mean the depth from the first surface of the semiconductor substrate. In addition, the expressions “shallow” and “deep” when implanting charged particles only indicate positions within the semiconductor substrate, and do not mean that charged particles are implanted from the first surface side. Absent. The step of implanting charged particles into the semiconductor substrate may be a step of implanting charged particles from the first surface side or a step of implanting charged particles from the second surface side.
In this manufacturing method, when charged particles are implanted at a position shallower than the lower end of the body region of the IGBT and deeper than the anode region of the diode, the charged particles are implanted at an angle inclined with respect to the semiconductor substrate. When charged particles are implanted at an angle inclined with respect to the semiconductor substrate, the variation width of the charged particle stop position in the depth direction of the semiconductor substrate can be reduced. For example, the variation width (width in the depth direction of the semiconductor substrate) of the stop position when charged particles are implanted at an angle inclined by 45 degrees with respect to the semiconductor substrate is 1 / √ of the variation width when the charged particles are implanted vertically. 2. For this reason, it is possible to suppress the formation of crystal defects in the drift region, and to form crystal defects locally at a position shallower than the lower end of the body region of the IGBT and deeper than the anode region of the diode. That is, according to this manufacturing method, an IGBT-diode integrated device with a low on-voltage of the IGBT and a high reverse recovery characteristic of the diode can be preferably manufactured.

本発明によれば、IGBTのオン電圧が低く、ダイオードの逆回復特性が高いIGBT−ダイオード一体型装置を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide an IGBT-diode integrated device in which the on-voltage of the IGBT is low and the reverse recovery characteristic of the diode is high.

実施例に係る半導体装置と、その製造方法について説明する。図1は、本実施例のIGBT−ダイオード一体型装置(以下では、半導体装置10という)の縦断面図を示している。図1に示すように、半導体装置10は、主にシリコンからなる半導体基板12と、半導体基板12の表面に形成されている絶縁膜、金属配線等によって構成されている。   A semiconductor device according to an embodiment and a manufacturing method thereof will be described. FIG. 1 shows a longitudinal sectional view of an IGBT-diode integrated device (hereinafter referred to as a semiconductor device 10) of this embodiment. As shown in FIG. 1, the semiconductor device 10 includes a semiconductor substrate 12 mainly made of silicon, an insulating film formed on the surface of the semiconductor substrate 12, a metal wiring, and the like.

半導体基板12には、IGBT領域20とダイオード領域40が形成されている。   An IGBT region 20 and a diode region 40 are formed in the semiconductor substrate 12.

IGBT領域20の半導体基板12の上面(第1表面)12aには、複数のトレンチ30が形成されている。トレンチ30の壁面には、絶縁膜32が形成されている。トレンチ30内には、ゲート電極34が形成されている。IGBT領域20の半導体基板12の上面12aに臨む領域には、n型のエミッタ領域22と、p型のボディ領域24が選択的に形成されている。エミッタ領域22は、絶縁膜32と接するように形成されている。ボディ領域24は、エミッタ領域22を覆うように形成されている。ボディ領域24は、エミッタ領域22の下側で絶縁膜32と接するように形成されている。ボディ領域24は、トレンチ30の下端より浅い位置まで形成されている。ボディ領域24のうち上面12aに臨む領域には、ボディ領域24の他部よりもp型不純物濃度が高いボディコンタクト領域24aが形成されている。ボディ領域24の下側には、n型のドリフト層26が形成されている。ドリフト層26は、ボディ領域24によってエミッタ領域22から分離されている。ドリフト層26の下側の、半導体基板12の下面(第2表面)12bに臨む領域には、全面に亘ってp型のコレクタ層28が形成されている。コレクタ層28は、ドリフト層26によってボディ領域24から分離されている。IGBT領域20には、エミッタ領域22、ボディ領域24、ドリフト層26、コレクタ層28、及び、ゲート電極34によって、多数のIGBTが形成されている。以下では、IGBT領域20に形成されているIGBTを、IGBT20という。   A plurality of trenches 30 are formed in the upper surface (first surface) 12 a of the semiconductor substrate 12 in the IGBT region 20. An insulating film 32 is formed on the wall surface of the trench 30. A gate electrode 34 is formed in the trench 30. In the region of the IGBT region 20 facing the upper surface 12a of the semiconductor substrate 12, an n-type emitter region 22 and a p-type body region 24 are selectively formed. The emitter region 22 is formed in contact with the insulating film 32. The body region 24 is formed so as to cover the emitter region 22. The body region 24 is formed in contact with the insulating film 32 below the emitter region 22. The body region 24 is formed to a position shallower than the lower end of the trench 30. A body contact region 24 a having a higher p-type impurity concentration than the other part of the body region 24 is formed in a region of the body region 24 that faces the upper surface 12 a. An n-type drift layer 26 is formed below the body region 24. The drift layer 26 is separated from the emitter region 22 by the body region 24. In a region facing the lower surface (second surface) 12b of the semiconductor substrate 12 below the drift layer 26, a p-type collector layer 28 is formed over the entire surface. The collector layer 28 is separated from the body region 24 by the drift layer 26. A number of IGBTs are formed in the IGBT region 20 by the emitter region 22, the body region 24, the drift layer 26, the collector layer 28, and the gate electrode 34. Hereinafter, the IGBT formed in the IGBT region 20 is referred to as an IGBT 20.

ダイオード領域40の半導体基板12の上面12aには、複数のトレンチ50が形成されている。トレンチ50の壁面には、絶縁膜52が形成されている。トレンチ50内には、トレンチ電極54が形成されている。ダイオード領域40の半導体基板12の上面12aに臨む領域には、全面に亘ってp型のアノード層42が形成されている。アノード層42は、IGBT領域20のボディ領域24より浅い位置まで形成されている。具体的には、ボディ領域24は上面12aから5μmの深さまで形成されており、アノード層42は上面12aから2μmの深さまで形成されている。アノード層42の上面12aに臨む領域のうち、2つのトレンチ50の中間部に位置する領域には、アノード層42の他部よりp型不純物濃度が高いアノードコンタクト領域42aが形成されている。アノード層42の下側には、n型のカソード層44が形成されている。カソード層44の下面12bに臨む領域には、カソード層44の他部よりn型不純物濃度が高いカソードコンタクト層48が形成されている。以下では、カソード層44のうちn型不純物濃度が低い領域を、カソードドリフト層46という。カソードドリフト層46内のn型不純物濃度は、IGBT領域20のドリフト層26内のn型不純物濃度と略等しい。ダイオード領域40には、アノード層42とカソード層44によって、多数のダイオードが形成されている。以下では、ダイオード領域40に形成されているダイオードを、ダイオード40という。   A plurality of trenches 50 are formed in the upper surface 12 a of the semiconductor substrate 12 in the diode region 40. An insulating film 52 is formed on the wall surface of the trench 50. A trench electrode 54 is formed in the trench 50. A p-type anode layer 42 is formed over the entire surface of the diode region 40 facing the upper surface 12 a of the semiconductor substrate 12. The anode layer 42 is formed to a position shallower than the body region 24 of the IGBT region 20. Specifically, the body region 24 is formed to a depth of 5 μm from the upper surface 12a, and the anode layer 42 is formed to a depth of 2 μm from the upper surface 12a. Of the region facing the upper surface 12 a of the anode layer 42, an anode contact region 42 a having a higher p-type impurity concentration than the other part of the anode layer 42 is formed in a region located in the middle of the two trenches 50. An n-type cathode layer 44 is formed below the anode layer 42. A cathode contact layer 48 having an n-type impurity concentration higher than that of the other part of the cathode layer 44 is formed in a region facing the lower surface 12 b of the cathode layer 44. Hereinafter, a region having a low n-type impurity concentration in the cathode layer 44 is referred to as a cathode drift layer 46. The n-type impurity concentration in the cathode drift layer 46 is substantially equal to the n-type impurity concentration in the drift layer 26 of the IGBT region 20. A large number of diodes are formed in the diode region 40 by the anode layer 42 and the cathode layer 44. Hereinafter, the diode formed in the diode region 40 is referred to as a diode 40.

半導体基板12の下面12b上には、全面に亘って下部電極60が形成されている。下部電極60は、コレクタ層28及びカソードコンタクト層48とオーミック接触している。
半導体基板12の上面12aのうち、トレンチ30、50の上部には、絶縁膜62が形成されている。各ゲート電極34は、図示しない位置で半導体基板12の上面12a上に形成されている電極と接続されている。各トレンチ電極54は、図示しない位置で半導体基板12の上面12a上に形成されている電極と接続されている。ゲート電極34とトレンチ電極54は導通していない。
半導体基板12の上面12aには、上部電極64が形成されている。上部電極64は、絶縁膜62を覆うように形成されている。上部電極64は、ゲート電極34及びトレンチ電極54から絶縁されている。上部電極64は、エミッタ領域22、ボディコンタクト領域24a及びアノードコンタクト領域42aとオーミック接触している。
On the lower surface 12b of the semiconductor substrate 12, a lower electrode 60 is formed over the entire surface. The lower electrode 60 is in ohmic contact with the collector layer 28 and the cathode contact layer 48.
An insulating film 62 is formed on the upper surface 12 a of the semiconductor substrate 12 above the trenches 30 and 50. Each gate electrode 34 is connected to an electrode formed on the upper surface 12a of the semiconductor substrate 12 at a position not shown. Each trench electrode 54 is connected to an electrode formed on the upper surface 12a of the semiconductor substrate 12 at a position not shown. The gate electrode 34 and the trench electrode 54 are not conductive.
An upper electrode 64 is formed on the upper surface 12 a of the semiconductor substrate 12. The upper electrode 64 is formed so as to cover the insulating film 62. The upper electrode 64 is insulated from the gate electrode 34 and the trench electrode 54. The upper electrode 64 is in ohmic contact with the emitter region 22, the body contact region 24a, and the anode contact region 42a.

図1の参照番号70は、半導体基板12のうち、ボディ領域24の下端とアノード層42の下端との間の深さ範囲を示している。以下では、範囲70を、ギャップ領域70という。本実施例では、ギャップ領域70の厚さは約3μmである。ギャップ領域70には、多数の結晶欠陥が形成されている。図2は、半導体基板12の深さ方向における結晶欠陥の濃度分布を示している。なお、半導体基板12の平面方向(半導体基板12の表面と平行な方向)では、いずれの深さにおいても、結晶欠陥の濃度は略等しくなっている(すなわち、半導体基板12の平面方向の何れの位置でも、深さ方向の結晶欠陥濃度分布が図2に示す分布となっている)。図2の横軸の原点は、半導体基板12の上面12aの位置を示している。図2に示すように、ギャップ領域70内には、高濃度に結晶欠陥が存在している。また、ギャップ領域70外にも、僅かながら結晶欠陥が存在している。ギャップ領域70内に存在する結晶欠陥の大部分は、半導体基板12に荷電粒子を打ち込むことによって意図的に形成された結晶欠陥である。ギャップ領域70外に存在する結晶欠陥は、結晶の成長時(インゴットの製造時)等に意図せずに形成された結晶欠陥や、ギャップ領域70に荷電粒子を打ち込む際に意図せずにギャップ領域70外に形成された結晶欠陥である。図2の範囲72は、結晶欠陥濃度のピーク値A1の半値A2より高い濃度を有する範囲(以下、半値幅範囲72という)である。図示するように、半値幅範囲72は、その全体がギャップ領域70に含まれている。   Reference numeral 70 in FIG. 1 indicates a depth range between the lower end of the body region 24 and the lower end of the anode layer 42 in the semiconductor substrate 12. Hereinafter, the range 70 is referred to as a gap region 70. In this embodiment, the gap region 70 has a thickness of about 3 μm. A large number of crystal defects are formed in the gap region 70. FIG. 2 shows the concentration distribution of crystal defects in the depth direction of the semiconductor substrate 12. Note that, in the planar direction of the semiconductor substrate 12 (direction parallel to the surface of the semiconductor substrate 12), the concentration of crystal defects is substantially equal at any depth (that is, in any plane direction of the semiconductor substrate 12). Even at the position, the crystal defect concentration distribution in the depth direction is the distribution shown in FIG. The origin of the horizontal axis in FIG. 2 indicates the position of the upper surface 12 a of the semiconductor substrate 12. As shown in FIG. 2, crystal defects exist at a high concentration in the gap region 70. Further, there are slight crystal defects outside the gap region 70. Most of the crystal defects present in the gap region 70 are crystal defects intentionally formed by implanting charged particles into the semiconductor substrate 12. The crystal defects existing outside the gap region 70 are crystal defects formed unintentionally at the time of crystal growth (ingot production) or the like, or unintentionally when the charged particles are implanted into the gap region 70. This is a crystal defect formed outside of 70. A range 72 in FIG. 2 is a range having a concentration higher than the half value A2 of the peak value A1 of the crystal defect concentration (hereinafter referred to as a half width range 72). As illustrated, the full width at half maximum 72 is included in the gap region 70.

次に、半導体装置10の動作について説明する。半導体装置10の動作時には、トレンチ電極54は、一定電位に維持される。これによって、ダイオード40の動作の安定化が図られる。   Next, the operation of the semiconductor device 10 will be described. During the operation of the semiconductor device 10, the trench electrode 54 is maintained at a constant potential. As a result, the operation of the diode 40 is stabilized.

上部電極64に高電位を印加し、下部電極60に低電位を印加する場合を考える。この場合、ダイオード40は、アノード側(上部電極64)が高電位となり、カソード側(下部電極60)が低電位となる。すなわち、順電圧を印加されている状態となる。このため、ダイオード40はオンする。   Consider a case where a high potential is applied to the upper electrode 64 and a low potential is applied to the lower electrode 60. In this case, the diode 40 has a high potential on the anode side (upper electrode 64) and a low potential on the cathode side (lower electrode 60). That is, the forward voltage is applied. For this reason, the diode 40 is turned on.

一方、IGBT20は、エミッタ側(上部電極64)が高電位となり、コレクタ側(下部電極60)が低電位となる。このため、IGBT20は、オンしない。   On the other hand, the IGBT 20 has a high potential on the emitter side (upper electrode 64) and a low potential on the collector side (lower electrode 60). For this reason, the IGBT 20 is not turned on.

ダイオード40をフリーホイールダイオードとして機能させる場合には、ダイオード40に順電圧が印加されている状態から、ダイオード40に逆電圧が印加されている状態に切換えられる。すなわち、下部電極60に高電位を印加し、上部電極64に低電位を印加する状態に切換えられる。すると、ダイオード40がオフするとともに、ダイオード40に逆電流(下部電極60から上部電極64に向かう電流)が流れる。すなわち、順電圧が印加されてダイオード40がオンしている状態においては、カソードドリフト層46中を電子とホールが流れている。この状態から、ダイオード40に逆電圧を印加すると、カソードドリフト層46中に存在している電子がカソード側(下部電極60)に排出され、カソードドリフト層46中に存在しているホールがアノード側(上部電極64)に排出される。このため、ダイオード40に逆電流が流れる。逆電流は、カソードドリフト層46中に残留している電子とホールが減少するにつれて減少し、その後はゼロとなる。本実施例の半導体装置10では、半導体基板12のギャップ領域70内(すなわち、カソードドリフト層46内)に多数の結晶欠陥が形成されている。結晶欠陥は、電子とホールの再結合中心として機能する。このため、ダイオード40に逆電圧を印加すると、カソードドリフト層46内で多数の電子とホールが再結合によって消滅する。したがって、ダイオード40では、逆電流が急速に減衰する。すなわち、逆電流によって生じる電力損失が非常に小さい。   When the diode 40 is caused to function as a freewheeling diode, the state is switched from a state in which a forward voltage is applied to the diode 40 to a state in which a reverse voltage is applied to the diode 40. That is, the state is switched to a state in which a high potential is applied to the lower electrode 60 and a low potential is applied to the upper electrode 64. Then, the diode 40 is turned off, and a reverse current (current from the lower electrode 60 toward the upper electrode 64) flows through the diode 40. That is, electrons and holes flow through the cathode drift layer 46 in a state where the forward voltage is applied and the diode 40 is turned on. In this state, when a reverse voltage is applied to the diode 40, electrons existing in the cathode drift layer 46 are discharged to the cathode side (lower electrode 60), and holes existing in the cathode drift layer 46 are discharged to the anode side. It is discharged to (upper electrode 64). For this reason, a reverse current flows through the diode 40. The reverse current decreases as electrons and holes remaining in the cathode drift layer 46 decrease, and thereafter becomes zero. In the semiconductor device 10 of the present embodiment, a large number of crystal defects are formed in the gap region 70 of the semiconductor substrate 12 (that is, in the cathode drift layer 46). Crystal defects function as recombination centers of electrons and holes. For this reason, when a reverse voltage is applied to the diode 40, many electrons and holes disappear in the cathode drift layer 46 due to recombination. Therefore, in the diode 40, the reverse current is rapidly attenuated. That is, the power loss caused by the reverse current is very small.

また、下部電極60に高電位を印加し、上部電極64に低電位を印加すると、IGBT20は、コレクタ側(下部電極60)が高電位となり、エミッタ側(上部電極64)が低電位となる。この状態で、ゲート電極34に正の電位を印加すると、絶縁膜32と接している範囲のボディ領域24が、p型からn型に反転する。これによって、絶縁膜32と接している範囲のボディ領域24にチャネルが形成される。チャネルが形成されると、下部電極60と上部電極64の間の電位差(すなわち、コレクタ−エミッタ間電圧)によって、電子が、上部電極64から、エミッタ領域22、ボディ領域24内のチャネル、ドリフト層26、コレクタ層28を経由して、下部電極60に流れる。また、ホールが、下部電極60から、コレクタ層28、ドリフト層26、ボディ領域24(チャネル以外の部分)を経由して、ボディコンタクト領域24aから上部電極64に流れる。すなわち、IGBT20がオンする。上述したように、ボディ領域24内(ギャップ領域70内)には、多数の結晶欠陥が存在する。しかしながら、ボディ領域24内では、電子とホールの流れる経路が異なるので、結晶欠陥は再結合中心として機能しない。したがって、ボディ領域24内の結晶欠陥は、IGBT20の特性にほとんど影響を与えない。また、ドリフト層26には、結晶欠陥がほとんど存在していない。したがって、ドリフト層26内で電子とホールの再結合はほとんど起こらない。このため、ドリフト層26では電子とホールが多量に存在する状態となり、伝導度変調現象によってドリフト層26の電気抵抗が大きく低下する。したがって、IGBT20はオン電圧が低い。すなわち、IGBT20では高い電力損失が生じない。   In addition, when a high potential is applied to the lower electrode 60 and a low potential is applied to the upper electrode 64, the IGBT 20 has a high potential on the collector side (lower electrode 60) and a lower potential on the emitter side (upper electrode 64). When a positive potential is applied to the gate electrode 34 in this state, the body region 24 in contact with the insulating film 32 is inverted from p-type to n-type. As a result, a channel is formed in the body region 24 in a range in contact with the insulating film 32. When the channel is formed, the potential difference between the lower electrode 60 and the upper electrode 64 (that is, the collector-emitter voltage) causes electrons to be transferred from the upper electrode 64 to the channel in the emitter region 22 and the body region 24, the drift layer. 26, and flows through the collector layer 28 to the lower electrode 60. Further, holes flow from the body contact region 24 a to the upper electrode 64 through the collector layer 28, the drift layer 26, and the body region 24 (portion other than the channel) from the lower electrode 60. That is, the IGBT 20 is turned on. As described above, a large number of crystal defects exist in the body region 24 (in the gap region 70). However, in the body region 24, since the paths through which electrons and holes flow are different, crystal defects do not function as recombination centers. Therefore, crystal defects in the body region 24 hardly affect the characteristics of the IGBT 20. The drift layer 26 has almost no crystal defects. Accordingly, recombination of electrons and holes hardly occurs in the drift layer 26. For this reason, the drift layer 26 has a large amount of electrons and holes, and the electrical resistance of the drift layer 26 is greatly reduced by the conductivity modulation phenomenon. Therefore, the on-voltage of the IGBT 20 is low. That is, high power loss does not occur in the IGBT 20.

以上に説明したように、本実施例の半導体装置10では、IGBT20のボディ領域24が、ダイオード40のアノード層42よりも深い位置まで形成されている。そして、IGBT20のボディ領域24の下端より浅く、ダイオード40のアノード層42の下端より深いギャップ領域70内に、結晶欠陥が高濃度に分布している。すなわち、ダイオード40のカソードドリフト層46に多数の結晶欠陥が形成されており、IGBT20のドリフト層26にはほとんど結晶欠陥が形成されていない。したがって、半導体装置10は、ダイオード40の逆回復特性が高いとともに、IGBT20のオン電圧が低い。すなわち、半導体装置10は、低い電力損失で動作することができる。
特に、半導体装置10では、結晶欠陥濃度のピーク値の半値より高い濃度を有する半値幅範囲72が、ギャップ領域70に含まれている。上述したように、IGBT20のドリフト層26内に結晶欠陥が存在していると、IGBT20のオン電圧が上昇してしまう。しかしながら、ピーク値の半分より結晶欠陥濃度が高い半値幅範囲72がギャップ領域70内に存在していれば、ギャップ領域70外に存在している結晶欠陥の量を少なくすることができる。したがって、IGBT20のオン電圧は、結晶欠陥が形成されていないIGBTとほとんど変わらない程度に低減される。
As described above, in the semiconductor device 10 of the present embodiment, the body region 24 of the IGBT 20 is formed to a position deeper than the anode layer 42 of the diode 40. Crystal defects are distributed at a high concentration in the gap region 70 which is shallower than the lower end of the body region 24 of the IGBT 20 and deeper than the lower end of the anode layer 42 of the diode 40. That is, many crystal defects are formed in the cathode drift layer 46 of the diode 40, and almost no crystal defects are formed in the drift layer 26 of the IGBT 20. Therefore, the semiconductor device 10 has a high reverse recovery characteristic of the diode 40 and a low on-voltage of the IGBT 20. That is, the semiconductor device 10 can operate with low power loss.
In particular, in the semiconductor device 10, the gap region 70 includes a half width range 72 having a concentration higher than the half value of the peak value of the crystal defect concentration. As described above, if a crystal defect exists in the drift layer 26 of the IGBT 20, the on-voltage of the IGBT 20 increases. However, if the full width at half maximum 72 having a crystal defect concentration higher than half the peak value is present in the gap region 70, the amount of crystal defects existing outside the gap region 70 can be reduced. Therefore, the on-voltage of the IGBT 20 is reduced to an extent that is almost the same as that of an IGBT in which no crystal defects are formed.

次に、半導体装置10の製造方法について説明する。半導体装置10は、ドリフト層26及びカソードドリフト層46とn型不純物濃度が等しい半導体ウエハから製造される。なお、上述した半導体基板12は半導体ウエハを分割したものであり、以下でいう半導体ウエハの上面及び下面は、上述した半導体基板12の上面12a及び下面12bに対応している。
まず、半導体ウエハの上面側に、素子構造を形成する。上面側の素子構造の形成方法は、従来公知の技術であるので、簡単に説明する。まず、半導体ウエハに対して、不純物注入と熱処理等を実施することによって、エミッタ領域22、ボディ領域24(ボディコンタクト領域24aを含む)、及び、アノード層42(アノードコンタクト領域42aを含む)を形成する。なお、ボディ領域24を形成するための不純物注入工程とアノード層42を形成するための不純物注入工程は別工程で行う。ボディ領域24形成用の不純物注入工程では、アノード層42形成用の不純物注入工程より深い位置に不純物を注入する。これによって、その後の熱処理を経た後に、図1に示すように、ボディ領域24が、アノード層42より深い位置まで形成される。本実施例では、ボディ領域24を半導体ウエハの上面から5μmの深さまで形成し、アノード層42を半導体ウエハの上面から2μmの深さまで形成する。次に、エッチングによってトレンチ30、50を形成する。次に、熱酸化処理によって、絶縁膜32、52を形成する。次に、ポリシリコンをトレンチ30、50内にデポすることによって、ゲート電極34とトレンチ電極54を形成する。次に、CVD等によって、ゲート電極34とトレンチ電極54の上部に、絶縁膜62を形成する。次に、蒸着等によって、半導体ウエハ上に、上部電極64を形成する。また、その他の必要な配線や絶縁膜についても、従来公知の方法により形成する。このように、半導体ウエハ上に電極、絶縁膜、配線等を形成することで、半導体ウエハの表面(電極、絶縁膜、配線等の表面)に凹凸が形成される。
Next, a method for manufacturing the semiconductor device 10 will be described. The semiconductor device 10 is manufactured from a semiconductor wafer having the same n-type impurity concentration as the drift layer 26 and the cathode drift layer 46. The semiconductor substrate 12 described above is obtained by dividing a semiconductor wafer, and the upper surface and the lower surface of the semiconductor wafer described below correspond to the upper surface 12a and the lower surface 12b of the semiconductor substrate 12 described above.
First, an element structure is formed on the upper surface side of a semiconductor wafer. Since the method for forming the element structure on the upper surface side is a conventionally known technique, it will be briefly described. First, the emitter region 22, the body region 24 (including the body contact region 24a), and the anode layer 42 (including the anode contact region 42a) are formed by performing impurity implantation and heat treatment on the semiconductor wafer. To do. Note that the impurity implantation step for forming the body region 24 and the impurity implantation step for forming the anode layer 42 are performed in separate steps. In the impurity implantation process for forming the body region 24, impurities are implanted deeper than the impurity implantation process for forming the anode layer 42. Thus, after the subsequent heat treatment, the body region 24 is formed to a position deeper than the anode layer 42 as shown in FIG. In this embodiment, the body region 24 is formed to a depth of 5 μm from the upper surface of the semiconductor wafer, and the anode layer 42 is formed to a depth of 2 μm from the upper surface of the semiconductor wafer. Next, trenches 30 and 50 are formed by etching. Next, the insulating films 32 and 52 are formed by thermal oxidation treatment. Next, the gate electrode 34 and the trench electrode 54 are formed by depositing polysilicon into the trenches 30 and 50. Next, an insulating film 62 is formed on the gate electrode 34 and the trench electrode 54 by CVD or the like. Next, the upper electrode 64 is formed on the semiconductor wafer by vapor deposition or the like. Further, other necessary wirings and insulating films are also formed by a conventionally known method. Thus, by forming electrodes, insulating films, wirings, and the like on the semiconductor wafer, irregularities are formed on the surface of the semiconductor wafer (surfaces of the electrodes, insulating film, wirings, and the like).

上面側の素子構造を形成したら、半導体ウエハ上にレジストを形成する。レジストは、上述した表面の凹凸よりも厚く形成する。レジストを形成したら、レジストの表面を研磨またはエッチングすることによって、レジストの表面を平坦化する。   After the element structure on the upper surface side is formed, a resist is formed on the semiconductor wafer. The resist is formed thicker than the surface irregularities described above. After the resist is formed, the resist surface is planarized by polishing or etching the resist surface.

次に、半導体ウエハに上面側からヘリウムイオンを打ち込む。図3は、半導体ウエハ90にヘリウムイオンを打ち込むときの様子を示している。図3に示すように、ヘリウムイオン照射装置92と半導体ウエハ90の間にアルミニウム箔94を配置する。アルミニウム箔94の厚さは、半導体ウエハ90に打ち込まれるヘリウムイオンの平均停止位置がギャップ領域70の中心部(深さ方向の中心部)となるように調整されている。また、図3の矢印96は、ヘリウムイオンの照射方向(移動方向)を示している。図示するように、ヘリウムイオンの照射方向に対して、半導体ウエハ90を傾斜させて配置する。本実施例では、図3の傾斜角度θを75.5度となるように半導体ウエハ90を配置する。この状態で、ヘリウムイオン照射装置92から半導体ウエハ90に向けて、ヘリウムイオンを照射する。ヘリウムイオン照射装置92から打ち出されたヘリウムイオンは、アルミニウム箔94を貫通する。ヘリウムイオンがアルミニウム箔94の内部を通過するときには、ヘリウムイオンのエネルギー(移動速度)が減衰する。アルミニウム箔94を貫通したヘリウムイオンは、半導体ウエハ90に入射する。そして、半導体ウエハ90内を進行するうちにエネルギーを失って停止する。上述したように、アルミニウム箔94の厚さが調整されているので、ヘリウムイオンはギャップ領域70の中心部近傍に停止する。ヘリウムイオンは、半導体ウエハ90内で停止する際に、結晶欠陥を生じさせる。したがって、ギャップ領域70の中心部を中心として結晶欠陥が形成される。   Next, helium ions are implanted into the semiconductor wafer from the upper surface side. FIG. 3 shows a state when helium ions are implanted into the semiconductor wafer 90. As shown in FIG. 3, an aluminum foil 94 is disposed between the helium ion irradiation device 92 and the semiconductor wafer 90. The thickness of the aluminum foil 94 is adjusted so that the average stop position of helium ions implanted into the semiconductor wafer 90 is the center of the gap region 70 (the center in the depth direction). Moreover, the arrow 96 of FIG. 3 has shown the irradiation direction (movement direction) of helium ion. As shown in the drawing, the semiconductor wafer 90 is arranged to be inclined with respect to the direction of irradiation with helium ions. In this embodiment, the semiconductor wafer 90 is arranged so that the inclination angle θ of FIG. 3 is 75.5 degrees. In this state, helium ions are irradiated from the helium ion irradiation device 92 toward the semiconductor wafer 90. Helium ions ejected from the helium ion irradiation device 92 penetrate the aluminum foil 94. When helium ions pass through the aluminum foil 94, the energy (movement speed) of the helium ions is attenuated. Helium ions penetrating the aluminum foil 94 enter the semiconductor wafer 90. Then, as it travels through the semiconductor wafer 90, it loses energy and stops. As described above, since the thickness of the aluminum foil 94 is adjusted, helium ions stop near the center of the gap region 70. The helium ions cause crystal defects when stopping in the semiconductor wafer 90. Therefore, crystal defects are formed around the center of the gap region 70.

なお、上述したように、半導体ウエハ90の上面にはレジストが形成されており、そのレジストの表面は平坦化されている。これによって、ヘリウムイオンの停止位置のばらつきが低減されている。すなわち、半導体ウエハ90の上面に凹凸がある場合、その上面の凹凸によって、ヘリウムイオンが停止する位置にばらつきが生じる。凹部では深い位置でヘリウムイオンが停止し易く、凸部では浅い位置でヘリウムイオンが停止しやすい。本実施例では、半導体ウエハの上面にレジストを形成し、そのレジストの表面を平坦化しているので、半導体ウエハ90の上面の凹凸によるヘリウムイオンの停止位置のばらつきが抑制される。   As described above, a resist is formed on the upper surface of the semiconductor wafer 90, and the surface of the resist is flattened. Thereby, the variation in the stop position of helium ions is reduced. That is, when the upper surface of the semiconductor wafer 90 is uneven, the unevenness of the upper surface causes variations in the position where helium ions stop. In the concave portion, helium ions are likely to stop at a deep position, and in the convex portion, helium ions are likely to stop at a shallow position. In this embodiment, since a resist is formed on the upper surface of the semiconductor wafer and the surface of the resist is flattened, variations in the stop position of helium ions due to unevenness on the upper surface of the semiconductor wafer 90 are suppressed.

但し、上記のようにヘリウムイオンの停止位置のばらつき低減の措置を取ったとしても、ヘリウムイオンの停止位置にはばらつきが生じる。通常、ヘリウムイオンの停止位置のばらつきの半値幅(ヘリウムイオンの停止位置の分布において、ピーク値の半値より高い分布濃度となる範囲の幅)は、10μm程度である。上述したように、ギャップ領域70の幅は、約3μmである。このため、ヘリウムイオンを半導体ウエハ90に対して垂直に打ち込むと、ギャップ領域70の外に多くのヘリウムイオンが停止してしまう。すなわち、ギャップ領域70の外に多数の結晶欠陥が形成されてしまう。しかしながら、本実施例の製造方法では、ヘリウムイオンを半導体ウエハ90に対して傾斜した角度で打ち込む。図4は、ヘリウムイオンの停止位置の説明図である。図4の幅H1はヘリウムイオンの停止位置の半値幅(約10μm)を示している。また、図4の幅H2はギャップ領域70の厚さ(約3μm)を示している。図4に示すように、本実施例の製造方法では、傾斜角θ(75.5度)だけ傾斜した角度で、半導体ウエハ90にヘリウムイオンを打ち込む。したがって、打ち込み方向96における停止位置の半値幅がH1であると、半導体ウエハ90の深さ方向における停止位置の半値幅H3は、半値幅H1のcosθ倍となる。本実施例では、半値幅H1が10μmであり、傾斜角θが75.5度であるので、深さ方向の半値幅H3は2.5μmとなる。すなわち、H3<H2となる。このため、停止位置の半値幅H3の範囲をギャップ領域70内に収めることができる。すなわち、図2に示すように、半値幅範囲72がギャップ領域70に含まれるように、結晶欠陥を形成することができる。   However, even if measures are taken to reduce the variation in the helium ion stop position as described above, the helium ion stop position varies. Usually, the half-value width of the variation in the stop position of helium ions (the width of the range where the distribution concentration is higher than the half value of the peak value in the distribution of the stop position of helium ions) is about 10 μm. As described above, the width of the gap region 70 is about 3 μm. For this reason, when helium ions are implanted perpendicularly to the semiconductor wafer 90, many helium ions stop outside the gap region 70. That is, many crystal defects are formed outside the gap region 70. However, in the manufacturing method of this embodiment, helium ions are implanted at an inclined angle with respect to the semiconductor wafer 90. FIG. 4 is an explanatory diagram of the stop position of helium ions. The width H1 in FIG. 4 indicates the half width (about 10 μm) of the helium ion stop position. Further, the width H2 in FIG. 4 indicates the thickness (about 3 μm) of the gap region 70. As shown in FIG. 4, in the manufacturing method of the present embodiment, helium ions are implanted into the semiconductor wafer 90 at an angle inclined by an inclination angle θ (75.5 degrees). Therefore, if the half-value width at the stop position in the driving direction 96 is H1, the half-value width H3 at the stop position in the depth direction of the semiconductor wafer 90 is cos θ times the half-value width H1. In the present embodiment, since the half width H1 is 10 μm and the inclination angle θ is 75.5 degrees, the half width H3 in the depth direction is 2.5 μm. That is, H3 <H2. For this reason, the range of the half width H3 of the stop position can be accommodated in the gap region 70. That is, as shown in FIG. 2, the crystal defects can be formed so that the full width at half maximum 72 is included in the gap region 70.

ヘリウムイオンの打ち込みにより結晶欠陥を形成したら、エッチング等によって上面に形成したレジストを除去する。
次に、半導体ウエハの下面側に素子構造を形成する。すなわち、半導体ウエハに対してイオン注入と熱処理等を行うことによって、コレクタ層28とカソードコンタクト層48を形成する。なお、この熱処理は、レーザアニール等によって半導体ウエハの下面のみを局所的に加熱することにより行う。次に、蒸着等によって、下部電極60を形成する。
次に、半導体ウエハをダイシングする。これによって、半導体ウエハを、複数の半導体装置10に分割する。これによって、半導体装置10が製造される。
When crystal defects are formed by implanting helium ions, the resist formed on the upper surface is removed by etching or the like.
Next, an element structure is formed on the lower surface side of the semiconductor wafer. That is, the collector layer 28 and the cathode contact layer 48 are formed by performing ion implantation and heat treatment on the semiconductor wafer. This heat treatment is performed by locally heating only the lower surface of the semiconductor wafer by laser annealing or the like. Next, the lower electrode 60 is formed by vapor deposition or the like.
Next, the semiconductor wafer is diced. Thus, the semiconductor wafer is divided into a plurality of semiconductor devices 10. Thereby, the semiconductor device 10 is manufactured.

以上に説明したように、本実施例の製造方法では、半導体ウエハに対して傾斜した角度でヘリウムイオンを打ち込む。したがって、半導体ウエハの深さ方向におけるヘリウムイオンの停止位置のばらつきを抑制することができる。すなわち、半導体ウエハの深さ方向の狭小な範囲のみに結晶欠陥を形成することができる。したがって、ギャップ領域70の幅が小さい場合にも、ギャップ領域70内に局所的に結晶欠陥を形成することができる。なお、ギャップ領域70の幅を広く形成しようとすると、ボディ領域24をかなり深い位置まで形成することが必要となる。すると、ボディ領域24を形成する際のイオン注入工程に長時間を要するため、半導体装置10の製造効率が極端に低下する。上述した傾斜した角度でヘリウムイオンを打ち込む方法を用いれば、ボディ領域24をそれほど深い位置まで形成する必要がないので、製造効率の問題が生じない。高い製造効率で半導体装置10を製造することができる。なお、本実施例では、結晶欠陥を形成するためにヘリウムイオンを打ち込んだが、窒素イオンや炭素イオンを打ち込んでもよい。窒素イオンや炭素イオンは、ヘリウムイオンに比べて停止位置の半値幅が小さい。したがって、狭小な範囲に結晶欠陥を形成することができる。この場合にも、傾斜した角度でこれらのイオンを半導体ウエハに打ち込むことで、より狭小な範囲に結晶欠陥を形成することが可能となる。   As described above, in the manufacturing method of this embodiment, helium ions are implanted at an angle inclined with respect to the semiconductor wafer. Therefore, it is possible to suppress variations in the stop position of helium ions in the depth direction of the semiconductor wafer. That is, crystal defects can be formed only in a narrow range in the depth direction of the semiconductor wafer. Therefore, even when the width of the gap region 70 is small, crystal defects can be locally formed in the gap region 70. In order to form the gap region 70 with a large width, it is necessary to form the body region 24 to a considerably deep position. Then, since the ion implantation process for forming the body region 24 takes a long time, the manufacturing efficiency of the semiconductor device 10 is extremely reduced. If the above-described method of implanting helium ions at an inclined angle is used, it is not necessary to form the body region 24 to a very deep position, so that there is no problem in manufacturing efficiency. The semiconductor device 10 can be manufactured with high manufacturing efficiency. In this embodiment, helium ions are implanted to form crystal defects, but nitrogen ions or carbon ions may be implanted. Nitrogen ions and carbon ions have a smaller half-width at the stop position than helium ions. Therefore, crystal defects can be formed in a narrow range. Also in this case, crystal defects can be formed in a narrower range by implanting these ions into the semiconductor wafer at an inclined angle.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology illustrated in the present specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.

半導体装置10の断面図。1 is a cross-sectional view of a semiconductor device 10. 半導体装置10の深さ方向における結晶欠陥濃度分布を示すグラフ。3 is a graph showing a crystal defect concentration distribution in the depth direction of the semiconductor device 10. 半導体ウエハ90にヘリウムイオンを打ち込む際の配置を示す図。The figure which shows the arrangement | positioning at the time of implanting helium ion into the semiconductor wafer 90. FIG. ヘリウムイオンの停止位置の説明図。Explanatory drawing of the stop position of helium ion. 結晶欠陥を形成した従来型のIGBT−ダイオード一体型装置の断面図。Sectional drawing of the conventional IGBT-diode integrated apparatus which formed the crystal defect.

符号の説明Explanation of symbols

10:半導体装置
12:半導体基板
12a:上面
12b:下面
20:IGBT領域
22:エミッタ領域
24:ボディ領域
24a:ボディコンタクト領域
26:ドリフト層
28:コレクタ層
30:トレンチ
32:絶縁膜
34:ゲート電極
40:ダイオード領域
42:アノード層
42a:アノードコンタクト領域
44:カソード層
46:カソードドリフト層
48:カソードコンタクト層
50:トレンチ
52:絶縁膜
54:トレンチ電極
60:下部電極
62:絶縁膜
64:上部電極
70:ギャップ領域
72:半値幅範囲
10: Semiconductor device 12: Semiconductor substrate 12a: Upper surface 12b: Lower surface 20: IGBT region 22: Emitter region 24: Body region 24a: Body contact region 26: Drift layer 28: Collector layer 30: Trench 32: Insulating film 34: Gate electrode 40: diode region 42: anode layer 42a: anode contact region 44: cathode layer 46: cathode drift layer 48: cathode contact layer 50: trench 52: insulating film 54: trench electrode 60: lower electrode 62: insulating film 64: upper electrode 70: Gap region 72: Full width at half maximum

Claims (3)

縦型のIGBTと縦型のダイオードが形成されている半導体基板を備える半導体装置であって、
IGBTは、
半導体基板の第1表面に露出しているn型のエミッタ領域と、
半導体基板の第1表面に露出しており、エミッタ領域に隣接しており、エミッタ領域より深い位置まで形成されているp型のボディ領域と、
ボディ領域に対して深い位置で隣接しており、ボディ領域によってエミッタ領域から分離されているn型のドリフト領域と、
半導体基板の第2表面に露出しており、ドリフト領域によってボディ領域から分離されているp型のコレクタ領域と、
エミッタ領域とドリフト領域を分離している範囲のボディ領域に絶縁膜を介して対向しているゲート電極、
を有しており、
ダイオードは、
半導体基板の第1表面に露出しているp型のアノード領域と、
半導体基板の第2表面に露出しており、アノード領域と隣接しているn型のカソード領域、
を有しており、
IGBTのボディ領域は、ダイオードのアノード領域よりも深い位置まで形成されており、
半導体基板内の結晶欠陥が、IGBTが形成されている領域とダイオードが形成されている領域の両方に亘って、IGBTのボディ領域の下端より浅く、ダイオードのアノード領域の下端より深い範囲で周囲より高濃度に分布していることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device comprising a semiconductor substrate on which a vertical IGBT and a vertical diode are formed,
IGBT is
An n-type emitter region exposed on the first surface of the semiconductor substrate;
A p-type body region exposed on the first surface of the semiconductor substrate, adjacent to the emitter region and formed deeper than the emitter region;
An n-type drift region adjacent to the body region at a deep position and separated from the emitter region by the body region;
A p-type collector region exposed at the second surface of the semiconductor substrate and separated from the body region by a drift region;
A gate electrode facing the body region in a range separating the emitter region and the drift region through an insulating film;
Have
Diode is
A p-type anode region exposed on the first surface of the semiconductor substrate;
An n-type cathode region exposed on the second surface of the semiconductor substrate and adjacent to the anode region;
Have
The body region of the IGBT is formed to a position deeper than the anode region of the diode,
The crystal defects in the semiconductor substrate are shallower than the lower end of the body region of the IGBT and deeper than the lower end of the anode region of the diode over the region where the IGBT is formed and the region where the diode is formed. A semiconductor device characterized by being distributed at a high concentration.
深さ方向の結晶欠陥濃度分布のピーク半値幅の範囲が、IGBTのボディ領域の下端より浅く、ダイオードのアノード領域より深い範囲内に含まれていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   2. The semiconductor according to claim 1, wherein the range of the peak half-value width of the crystal defect concentration distribution in the depth direction is included in a range shallower than the lower end of the body region of the IGBT and deeper than the anode region of the diode. apparatus. 半導体基板の第1表面に露出しているn型のエミッタ領域と、
半導体基板の第1表面に露出しており、エミッタ領域に隣接しており、エミッタ領域より深い位置まで形成されているp型のボディ領域と、
ボディ領域に対して深い位置で隣接しており、ボディ領域によってエミッタ領域から分離されているn型のドリフト領域と、
半導体基板の第2表面に露出しており、ドリフト領域によってボディ領域から分離されているp型のコレクタ領域と、
エミッタ領域とドリフト領域を分離している範囲のボディ領域に絶縁膜を介して対向しているゲート電極、
を有する縦型のIGBTと、
半導体基板の第1表面に露出しているp型のアノード領域と、
半導体基板の第2表面に露出しており、アノード領域と隣接しているn型のカソード領域、
を有する縦型のダイオードが形成されている半導体基板を備える半導体装置の製造方法であって、
IGBTのボディ領域の下端が、ダイオードのアノード領域の下端よりも深い位置となるように、ボディ領域とアノード領域を形成する工程と、
半導体基板に荷電粒子を打ち込んで結晶欠陥を形成するにあたって、荷電粒子の平均停止位置が、IGBTのボディ領域の下端より浅く、ダイオードのアノード領域より深い位置となるように打ち込みエネルギーを調整するとともに、半導体基板に対して傾斜した角度で半導体基板に荷電粒子を打ち込む工程、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
An n-type emitter region exposed on the first surface of the semiconductor substrate;
A p-type body region exposed on the first surface of the semiconductor substrate, adjacent to the emitter region and formed deeper than the emitter region;
An n-type drift region adjacent to the body region at a deep position and separated from the emitter region by the body region;
A p-type collector region exposed at the second surface of the semiconductor substrate and separated from the body region by a drift region;
A gate electrode facing the body region in a range separating the emitter region and the drift region through an insulating film;
A vertical IGBT having:
A p-type anode region exposed on the first surface of the semiconductor substrate;
An n-type cathode region exposed on the second surface of the semiconductor substrate and adjacent to the anode region;
A method for manufacturing a semiconductor device comprising a semiconductor substrate on which a vertical diode having
Forming the body region and the anode region such that the lower end of the body region of the IGBT is deeper than the lower end of the anode region of the diode;
In forming a crystal defect by implanting charged particles into a semiconductor substrate, adjusting the implantation energy so that the average stop position of the charged particles is shallower than the lower end of the body region of the IGBT and deeper than the anode region of the diode, A step of implanting charged particles into the semiconductor substrate at an angle with respect to the semiconductor substrate;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
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