JP2010067901A - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
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.
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
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
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
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
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
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
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
An insulating
An
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。
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
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
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
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
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
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
In particular, in the
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
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
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
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
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
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
Next, the semiconductor wafer is diced. Thus, the semiconductor wafer is divided into a plurality of
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
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.
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:
Claims (3)
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.
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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