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JP2001024183A - Power semiconductor device and its manufacture - Google Patents

Power semiconductor device and its manufacture

Info

Publication number
JP2001024183A
JP2001024183A JP19444599A JP19444599A JP2001024183A JP 2001024183 A JP2001024183 A JP 2001024183A JP 19444599 A JP19444599 A JP 19444599A JP 19444599 A JP19444599 A JP 19444599A JP 2001024183 A JP2001024183 A JP 2001024183A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
irradiation
semiconductor wafer
alpha
level
region
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP19444599A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Shinichi Watabe
信一 渡部
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Priority to JP19444599A priority Critical patent/JP2001024183A/en
Publication of JP2001024183A publication Critical patent/JP2001024183A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent degradation in breakdown voltage characteristics of a large-power device resulting from transformation of shallow-level carrier into donor caused by irradiation with light ion without performing selective irradia tion, optimization of irradiation conditions and annealing conditions or the like. SOLUTION: For example, the whole surface of a semiconductor wafer 10 is irradiated with alpha (4He2+) exhibiting an acceleration energy of 17MeV and a dose amount of 5×1010 cm2. In this way, an alpha irradiation area 11 at a deep level of impurity level is formed as lifetime control area in an n-type silicon substrate 1.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、大電力用素子に
おけるライフタイムコントロール領域を軽イオン種を照
射することにより形成する技術に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a technology for forming a lifetime control region in a high power device by irradiating light ion species.

【0002】[0002]

【従来の技術】図9は、従来の電力用半導体装置におけ
る大電力素子内に選択的にライフタイム領域が形成され
た状態を示す断面図である。同図において、1Aはn-
型のシリコン基板、2AはPB層、3AはNE層、4A
はPE層、5AはN++層、11Aはライフタイムコント
ロール領域に該当するプロトン照射領域である。以下の
記述では(実施の形態の場合も含めて)、「ライフタイ
ムコントロール領域」とは、例えば大電力用素子におけ
る能動領域のように、スイッチング特性を改善するため
にキャリアのライフタイムを短くしている領域を言うも
のとする。
2. Description of the Related Art FIG. 9 is a sectional view showing a state in which a lifetime region is selectively formed in a large power element in a conventional power semiconductor device. In the figure, 1A is n
Type silicon substrate, 2A is PB layer, 3A is NE layer, 4A
Is a PE layer, 5A is an N ++ layer, and 11A is a proton irradiation area corresponding to a lifetime control area. In the following description (including the case of the embodiment), the “lifetime control region” refers to, for example, an active region in a high-power element in which the lifetime of a carrier is shortened to improve switching characteristics. Area.

【0003】拡散工程の完了によって各層2A,3A,
4A,5Aが形成された大電力素子に対して、ライフタ
イムコントロールのために制御された所定の加速エネル
ギーと所定のドーズ量とを有する軽イオン種、ここでは
プロトンを、後述する理由により所定領域に対してマス
クをかけることで、選択的に照射する。プロトンの選択
的照射後、照射された領域の結晶性を回復するため、例
えば300℃、1時間の熱処理を施す。これにより、大
電力素子の能動領域に所望のライフタイムコントロール
領域11Aが形成される。
When the diffusion process is completed, each of the layers 2A, 3A,
A light ion species having a predetermined acceleration energy and a predetermined dose controlled for lifetime control, here a proton, is converted into a predetermined region for a reason described later with respect to the large power element formed with 4A and 5A. Is selectively irradiated by applying a mask. After the selective irradiation of protons, a heat treatment at, for example, 300 ° C. for one hour is performed to recover the crystallinity of the irradiated region. Thereby, a desired lifetime control area 11A is formed in the active area of the large power element.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】プロトン照射を用いる
従来の方法によって形成されるライフタイムコントロー
ル領域11Aにおいては、プロトン照射で形成された不
純物準位のキャリアが照射後のアニールにより活性化
(ドナー化)するため、後述する図7に示すように、n
型のキャリア濃度が他の領域と比較して高くなる。この
ため、本来は高抵抗であるべきnベース層(図9のシリ
コン基板1A)のキャリア濃度が局部的に高くなり、素
子の耐圧特性が劣化する問題が生じる。
In the lifetime control region 11A formed by a conventional method using proton irradiation, carriers of impurity levels formed by proton irradiation are activated (donorized) by annealing after irradiation. ), As shown in FIG.
The mold has a higher carrier concentration than the other regions. For this reason, the carrier concentration of the n base layer (silicon substrate 1A in FIG. 9), which should have high resistance, locally increases, causing a problem that the breakdown voltage characteristics of the element deteriorate.

【0005】このドナー化は、プロトン照射によりバン
ドギャップ内に形成される不純物準位の活性化エネルギ
ーに依存する。本来、ライフタイムコントロールのため
に必要な不純物準位としては、ディープレベルと呼ばれ
る、バンドギャップ内の深い順位が利用される。しか
し、ライフタイムコントロールのためのプロトン照射に
おいては、深い順位(ディープレベル)の形成と同時
に、シャローレベルと呼ばれる、活性化エネルギーが小
さい浅い順位もまた多数形成される。このため、この浅
い順位(シャローレベル)が先のドナー化の原因とな
り、照射領域によっては、耐圧特性に対して悪い影響を
及ぼし得る。そのため、従来技術では、耐圧特性を改善
するためには、シャローレベルが発生しては困る領域上
にマスクを設けるプロトンの選択的照射(図9の場合)
や、プロトンの照射条件の最適化や、アニール条件の最
適化等の処理を行っている。
[0005] The formation of the donor depends on the activation energy of an impurity level formed in the band gap by proton irradiation. Originally, as an impurity level necessary for lifetime control, a deep order in a band gap called a deep level is used. However, in proton irradiation for lifetime control, a large number of shallow levels called activation levels, which are referred to as shallow levels, are formed at the same time as formation of a deep level (deep level). For this reason, this shallow order (shallow level) causes the first donor, which may have a bad influence on the breakdown voltage characteristics depending on the irradiation area. Therefore, in the prior art, in order to improve the breakdown voltage characteristics, a mask is selectively provided on a region where a shallow level is not likely to be generated (in the case of FIG. 9).
Also, treatments such as optimization of proton irradiation conditions and optimization of annealing conditions are performed.

【0006】本発明はこのような状態に鑑みて成された
ものであり、その目的は、マスクを用いることなく、即
ち、ライフタイムコントロール領域形成のためのプロセ
ス工程の簡略化を図りつつ、照射された軽イオンのドナ
ー化に起因して劣化する素子特性を改善できる半導体装
置及びその製造方法を提供することにある。
The present invention has been made in view of such a situation, and an object of the present invention is to irradiate without using a mask, that is, while simplifying a process step for forming a lifetime control region. It is an object of the present invention to provide a semiconductor device and a method for manufacturing the same, which are capable of improving element characteristics that are degraded due to light ion donor conversion.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】請求項1に係る発明は、
電力用半導体素子が多数形成された半導体ウエハを有す
る電力用半導体装置であって、3ヘリウム又はアルファ
の何れか一方の軽イオン種を前記半導体ウエハの表面全
体に対して照射することによって前記半導体ウエハ内に
形成された軽イオン種照射領域を有することを特徴とす
る。
The invention according to claim 1 is
A power semiconductor device having a semiconductor wafer on which a large number of power semiconductor elements are formed, wherein the semiconductor wafer is irradiated by irradiating either the light ion species of 3 helium or alpha to the entire surface of the semiconductor wafer. It has a light ion species irradiation region formed therein.

【0008】請求項2に係る発明は、電力用半導体素子
が多数形成された半導体ウエハの表面全体に対して、3
ヘリウム又はアルファの何れか一方の軽イオン種を所定
の加速エネルギー及び所定のドーズ量にて照射し、照射
後の前記半導体ウエハを所定の温度で熱処理することを
特徴とする。
The invention according to a second aspect is directed to a semiconductor device having a large number of power semiconductor elements formed on the entire surface thereof.
One of helium and alpha light ion species is irradiated at a predetermined acceleration energy and a predetermined dose, and the irradiated semiconductor wafer is heat-treated at a predetermined temperature.

【0009】[0009]

【発明の実施の形態】本実施の形態では、軽イオン種
中、アルファ(4He2+)を半導体基板内に照射する場
合には、主にディープレベルが形成されるという実験結
果を踏まえて、アルファ又は同種の3ヘリウム(3He
2+)の軽イオン種を半導体ウエハの表面全体に対して照
射する点に特徴がある。即ち、この発明は、ライフタイ
ムコントロールのための所定の軽イオン種の照射を大電
力素子全面に対して行うことを特徴としており、半導体
ウエハの表面全体に対して所定の軽イオン種を所定の加
速エネルギー及び所定のドーズ量にて照射し、その後、
所定の温度で同ウエハを熱処理することによって、ライ
フタイムコントロールに必要なディープレベルを主に形
成可能とし、ドナー化の原因となるキャリアの活性化を
抑制している。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In the present embodiment, based on an experimental result that deep levels are mainly formed when alpha (4He 2+ ) is irradiated into a semiconductor substrate among light ion species, Alpha or similar 3 helium (3He
2+ ) is irradiated to the entire surface of the semiconductor wafer with the light ion species. That is, the present invention is characterized in that irradiation of a predetermined light ion species for lifetime control is performed on the entire surface of the large power element, and the predetermined light ion species is irradiated on the entire surface of the semiconductor wafer with a predetermined light ion species. Irradiation with acceleration energy and predetermined dose, then
By subjecting the wafer to heat treatment at a predetermined temperature, a deep level necessary for lifetime control can be mainly formed, and activation of carriers that cause the formation of a donor is suppressed.

【0010】(実施の形態1)以下に、この発明の実施
の形態1を図面を参照しつつ説明する。
(Embodiment 1) Hereinafter, Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0011】図1は、シリコン基板にアルファ又はプロ
トンを照射した時、バンドギャップ中に形成される不純
物順位をDLTS(Deep Level Transient Spectroscop
y)により測定した結果である。プロトン照射の場合に
は、バンドギャップ内に主として5つの不純物順位(L
1〜L5)が形成される。この内、3つの順位L1〜L
3がシャローレベルに相当し、2つの順位L4,L5が
ディープレベルに相当する。他方、アルファ照射では、
3つの不純物順位(L1,L2,L4)が形成される
が、ここで留意すべき点は、2つの順位L1,L2がシ
ャローレベルであり、順位L4がディープレベルであっ
て、プロトン照射の場合と比べて、シャローレベルの数
が少ないことである。尚、図1中の各「バンドギャップ
中位置」とは、コンダクションバンドの底と各不純物順
位とのエネルギーギャップを意味する。
FIG. 1 shows the order of impurities formed in a band gap when a silicon substrate is irradiated with alpha or proton by using DLTS (Deep Level Transient Spectroscopy).
It is the result measured by y). In the case of proton irradiation, five impurity levels (L
1 to L5) are formed. Among them, three ranks L1 to L
3 corresponds to the shallow level, and the two ranks L4 and L5 correspond to the deep level. On the other hand, with alpha irradiation,
Three impurity levels (L1, L2, L4) are formed. It should be noted here that the two levels L1, L2 are at the shallow level, the level L4 is at the deep level, and proton irradiation is performed. This means that the number of shallow levels is small. Each "position in the band gap" in FIG. 1 means an energy gap between the bottom of the conduction band and each impurity rank.

【0012】又、図2及び図3は、それぞれ、上記DL
TS法によって測定することにより得られた、アルファ
照射及びプロトン照射の場合における各不純物準位の濃
度を示す図である。両図2,3中、縦軸は任意単位のD
LTS信号を示し、各準位のDLTS信号の頂点ないし
は最大値が濃度に相当する。又、横軸の温度は各準位の
既述した「バンドギャップ中位置(eV)」を温度に換
算したときの値を示す。両図2,3の比較より明らかな
通り、アルファ照射によって半導体ウエハ内に形成され
るディープレベルの準位L4の濃度に関しては、そのD
LTS信号値が約0.7であるのに対して、プロトン照
射によって半導体ウエハ内に形成されるディープレベル
の準位L4,L5のDLTS信号値はそれぞれ約0.2
5,約0.2であり、アルファ照射によって生ずるディ
ープレベルの濃度はプロトン照射の場合の約3倍強に相
当している。これにより、アルファ照射によれば、主と
してディープレベルの不純物準位が形成されることがわ
かる。
FIGS. 2 and 3 show the above DL, respectively.
It is a figure which shows the density | concentration of each impurity level in the case of alpha irradiation and proton irradiation obtained by measuring by the TS method. In both FIGS. 2 and 3, the vertical axis represents D in an arbitrary unit.
An LTS signal is shown, and the peak or maximum value of the DLTS signal at each level corresponds to the density. The temperature on the horizontal axis indicates a value obtained by converting the above-mentioned “position in the band gap (eV)” of each level into a temperature. As is clear from the comparison between FIGS. 2 and 3, the concentration of the deep level L4 formed in the semiconductor wafer by the alpha irradiation is represented by D
While the LTS signal value is about 0.7, the DLTS signal values of deep level L4 and L5 formed in the semiconductor wafer by proton irradiation are about 0.2, respectively.
5, which is about 0.2, and the concentration of deep levels produced by alpha irradiation is about three times more than that of proton irradiation. Thus, it can be seen that the alpha irradiation mainly forms deep-level impurity levels.

【0013】上述した通り、照射後に結晶性を回復させ
るために行うアニールにより、不純物順位にトラップさ
れたキャリアが活性化される。しかし、アルファ照射
は、比較的シャローレベルの順位が少なく、且つ、主と
してディープレベルを高濃度に形成できるという特徴を
有するので、この点をライフタイムコントロールへ応用
することにより、従来より問題となっていた大電力素子
の低ライフタイム領域のドナー化をマスクを用いること
なく抑制できることが理解される。
As described above, carriers trapped in the order of impurities are activated by annealing performed to restore crystallinity after irradiation. However, since alpha irradiation has a feature that the order of the shallow level is relatively small and that the deep level can be formed mainly at a high density, it has been a problem conventionally by applying this point to the lifetime control. It can be understood that the low lifetime region of the large power element can be suppressed from being used as a donor without using a mask.

【0014】図4は、本実施の形態に係る半導体装置が
有する半導体ウエハ内の構造の一部(電力用半導体素子
たるセグメントに該当)を拡大して示す断面図であり、
n型シリコン基板1に活性領域が形成されたゲートター
ンオフサイリスタ(以下、GTOと略記する)素子を示
している。同図において、1はn型(n-)シリコン基
板、2はシリコン基板1の表面より同基板1内部にボロ
ンをイオン注入すると共に、注入されたボロンを拡散し
て形成したPB層(p型層)、3はPB層2の表面にリ
ンを熱拡散して形成したNE層(n+層)、4はn-シリ
コン基板1の裏面よりその内部に向けてボロンをイオン
注入して形成したPE層(p+層)、5はシリコン基板
1の裏面にリンを熱拡散して形成したN++層であり、こ
れらの各部1〜5を有する基板全体を「半導体ウエハ1
0」と総称する。
FIG. 4 is an enlarged sectional view showing a part (corresponding to a segment serving as a power semiconductor element) in a semiconductor wafer included in the semiconductor device according to the present embodiment.
1 shows a gate turn-off thyristor (hereinafter abbreviated as GTO) element in which an active region is formed on an n-type silicon substrate 1. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes an n-type (n ) silicon substrate, and 2 denotes a PB layer (p-type) formed by ion-implanting boron from the surface of the silicon substrate 1 into the substrate 1 and diffusing the implanted boron. Layers), 3 are NE layers (n + layers) formed by thermally diffusing phosphorus on the surface of the PB layer 2, and 4 are formed by ion-implanting boron from the back surface of the n silicon substrate 1 into the inside thereof. The PE layer (p + layer) 5 is an N ++ layer formed by thermally diffusing phosphorus on the back surface of the silicon substrate 1. The entire substrate having these parts 1 to 5 is referred to as a “semiconductor wafer 1.
0 ".

【0015】又、図5は半導体ウエハ10ないしはGT
O素子を模式的に示す上面図であり、同図中のI−II
線に関する縦断面図が先程の図4に該当する。図5に示
すように、NE層3が、半導体ウエハ10の表面上に同
心状に複数段で並列に形成されている。即ち、それぞれ
各部1〜5を有するセグメント(電力用半導体素子)
が、同心状に複数段で並列に半導体ウエハ10内に形成
されている。
FIG. 5 shows a semiconductor wafer 10 or GT.
FIG. 2 is a top view schematically showing an O element, and is a cross-sectional view taken along a line I-II in FIG.
A longitudinal sectional view related to the line corresponds to FIG. 4 described above. As shown in FIG. 5, a plurality of NE layers 3 are formed concentrically on the surface of the semiconductor wafer 10 in parallel. That is, a segment (a power semiconductor element) having respective parts 1 to 5 respectively.
Are formed concentrically within the semiconductor wafer 10 in a plurality of stages.

【0016】尚、図5中、NE層3が形成されていない
半導体ウエハ10の表面上(即ち、図4のPB層2の表
面上)には、図示しないゲート電極端子と導通されるべ
き制御用のゲート電極層(図示せず)が全面的に形成さ
れている。
In FIG. 5, on the surface of the semiconductor wafer 10 where the NE layer 3 is not formed (that is, on the surface of the PB layer 2 in FIG. 4), a control to be conducted to a gate electrode terminal (not shown). Gate electrode layer (not shown) is formed over the entire surface.

【0017】両図4,5において、特徴的な点は、半導
体ウエハ10のn-シリコン基板1内のある領域に、同
ウエハ10の横断面(図5の紙面に平行な面)全面に渡
って、軽イオン種照射領域、ここではアルファ照射領域
(ライフタイムコントロール領域)11が形成されてい
ることである。
In FIGS. 4 and 5, a characteristic point is that the semiconductor wafer 10 extends over a certain area in the n - silicon substrate 1 over the entire cross section of the wafer 10 (a plane parallel to the plane of FIG. 5). Thus, a light ion species irradiation region, here, an alpha irradiation region (lifetime control region) 11 is formed.

【0018】本実施の形態では、各部1〜5の形成後、
n型シリコン基板1ないしは半導体ウエハ10の表面全
体に渡って、例えば加速エネルギーが17MeVでドー
ズ量が5×1010cm-2の荷電粒子、例えば4ヘリウム
イオンであるアルファが照射される(その際、マスクが
使用されることは無い)。これにより、上記アルファの
照射領域11には、シリコン結晶中の結晶欠陥が生じ
る。しかし、照射後にn型シリコン基板1全体を例えば
350℃で熱処理すると、全面的なアルファ照射により
生じた結晶欠陥は回復し、主として上記照射により結晶
中に形成されたシャローレベルのキャリアがドナー化す
る。しかも、図1及び図2について既述した様に、アル
ファ照射では、シャローレベルの数はプロトン照射の場
合よりも少なく、且つ、ディープレベルにあるキャリア
の濃度がプロトン照射の場合よりも格段に高くなる。こ
のことは、n-シリコン基板1内でドナー化するキャリ
アがプロトン照射の場合よりも格段に少なくなることを
もたらす。この点を次に説明する。
In this embodiment, after each of the parts 1 to 5 is formed,
Charged particles with an acceleration energy of 17 MeV and a dose of 5 × 10 10 cm −2 , for example, alpha, which is 4 helium ions, are irradiated over the entire surface of the n-type silicon substrate 1 or the semiconductor wafer 10 (in this case, alpha). , No mask is used). As a result, crystal defects in the silicon crystal occur in the alpha irradiation region 11. However, if the entire n-type silicon substrate 1 is heat-treated at, for example, 350 ° C. after the irradiation, the crystal defects caused by the entire alpha irradiation are recovered, and mainly the shallow-level carriers formed in the crystal by the irradiation become donors. . Moreover, as described above with reference to FIGS. 1 and 2, in the case of alpha irradiation, the number of shallow levels is smaller than in the case of proton irradiation, and the concentration of carriers at the deep level is much higher than in the case of proton irradiation. Become. This results in that the number of carriers that become donors in the n - silicon substrate 1 is significantly reduced as compared with the case of proton irradiation. This will be described below.

【0019】上記のようにして形成されたアルファ照射
領域11の深さ方向(x方向)のキャリア濃度を、SR
(Sprending Resistance)法によって測定する。図6
は、評価用のサンプルをSR法によって測定した結果得
られる、アルファ照射領域11の深さとキャリア濃度と
の関係を示す図である。この図から、100μm〜12
0μmの領域におけるキャリア濃度が高くなっているが
(この領域がアルファ照射領域11である)、同領域1
1で増加するキャリア濃度は2×1013cm-3にすぎな
い。尚、SR法により測定されたキャリア濃度は、アニ
ールによりドナー化したキャリア濃度を示している。
The carrier concentration in the depth direction (x direction) of the alpha irradiation region 11 formed as
(Sprending Resistance) method. FIG.
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the depth of the alpha irradiation region 11 and the carrier concentration, obtained as a result of measuring a sample for evaluation by the SR method. From this figure, 100 μm to 12 μm
Although the carrier concentration in the region of 0 μm is high (this region is the alpha irradiation region 11),
The carrier concentration increased by 1 is only 2 × 10 13 cm −3 . Note that the carrier concentration measured by the SR method indicates the carrier concentration converted into a donor by annealing.

【0020】他方、n型シリコン基板に、例えば加速エ
ネルギーが18MeVでドーズ量が5×1010cm-2
水素イオンであるプロトンを選択的に照射する場合に
は、既述した通り、本照射により主として結晶中にシャ
ローレベルのキャリアが形成され、このキャリアが照射
後のアニールによりドナー化する。そこで、プロトンの
照射領域の深さ方向(x方向)のキャリア濃度を、同じ
くSR法によって測定する。図7は、評価用のサンプル
をSR法によって測定した、プロトンの照射領域11A
(図9)の深さとキャリア濃度との関係を示す図であ
る。この図から、190μm〜230μmの部分におけ
るキャリア濃度が高くなっており(この領域がプロトン
照射領域である)、キャリア濃度は5×1013cm-3
ある。そのため、プロトン照射を用いる従来技術では、
既述した通り、選択的なプロトン照射を行うか、又は照
射条件及びアニール条件等を最適化しなければ、耐圧特
性の劣化を防ぐことはできなかった。尚、上記の例で
は、ライフタイムコントロール領域を形成するために、
加速エネルギーが18MeVのプロトンを選択している
が、加速エネルギーが4.5MeVのプロトンを選択し
た場合にも、同様のドナー化が生じる。
[0020] On the other hand, the n-type silicon substrate, for example if the acceleration energy is selectively irradiated with proton dose is hydrogen ion 5 × 10 10 cm -2 at 18MeV, as already described, the irradiated As a result, shallow-level carriers are mainly formed in the crystal, and these carriers become donors by annealing after irradiation. Therefore, the carrier concentration in the depth direction (x direction) of the proton irradiation region is measured by the SR method. FIG. 7 shows a proton irradiation area 11A in which a sample for evaluation was measured by the SR method.
FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the depth of FIG. 9 and the carrier concentration. From this figure, the carrier concentration in the portion of 190 μm to 230 μm is high (this region is a proton irradiation region), and the carrier concentration is 5 × 10 13 cm −3 . Therefore, in the prior art using proton irradiation,
As described above, unless selective proton irradiation is performed or irradiation conditions and annealing conditions are optimized, deterioration in breakdown voltage characteristics cannot be prevented. In the above example, in order to form a lifetime control area,
Although protons having an acceleration energy of 18 MeV are selected, a similar donor is generated when a proton having an acceleration energy of 4.5 MeV is selected.

【0021】以上の比較例(同じドーズ量のアルファと
プロトンとをそれぞれ照射したときのSR結果)より明
らかな通り、本実施の形態の場合には、従来のプロトン
照射の場合よりも、軽イオン種照射領域ないしはライフ
タイムコントロール領域内で生じるキャリア濃度の増加
分が約半分になっていることがわかる。これにより、本
実施の形態によれば、マスクを用いて選択的照射を行う
ことなく、半導体ウエハ全面に対してアルファを照射し
ても、照射後のアニールで活性化されるキャリアが約半
分に軽減されることが確認され、従来技術のように選択
照射や照射条件の最適化等を施さなかったときには大電
力用素子の耐圧特性を劣化させてしまうといった事態が
生じることはない。
As is evident from the above comparative example (SR results when the same dose of alpha and proton were irradiated respectively), in the case of the present embodiment, the light ion It can be seen that the increase in the carrier concentration occurring in the seed irradiation region or the lifetime control region is about half. Thus, according to the present embodiment, even if alpha is applied to the entire surface of the semiconductor wafer without performing selective irradiation using a mask, carriers activated by annealing after irradiation are reduced to about half. It is confirmed that the power consumption is reduced, and when the selective irradiation and the optimization of the irradiation conditions are not performed as in the related art, the situation that the breakdown voltage characteristic of the high power element is deteriorated does not occur.

【0022】最終的には、以上に述べた本実施の形態に
よる照射方法を用いて形成されたGTO用半導体ウエハ
10を、即ち、n-型シリコン基板内に、主としてディ
ープレベルの不純物準位から成るライフタイムコントロ
ール領域が半導体基板の横断面に対して全面的に形成さ
れたGTO用半導体ウエハ10を、一対の主電極間に圧
接配置することによって、圧接型大電力用半導体装置を
組み立てる。組立後の圧接型大電力用半導体装置20の
一例を、図8の縦断面図に示す。尚、図8の例では、半
導体ウエハの表面ないしは上面の中央部にゲート電極を
設けるタイプのものを示しているが、半導体ウエハの表
面外周縁部に沿ってゲート電極を設けるタイプのもので
あっても良い。
Finally, the semiconductor wafer 10 for GTO formed by using the above-described irradiation method according to the present embodiment, ie, the n - type silicon substrate, is mainly filled with deep level impurity levels. The GTO semiconductor wafer 10 having the lifetime control region formed entirely on the cross section of the semiconductor substrate is pressure-welded between a pair of main electrodes to assemble a pressure-contact high-power semiconductor device. An example of the press-contact type high-power semiconductor device 20 after assembly is shown in a longitudinal sectional view of FIG. Although the example of FIG. 8 shows a type in which a gate electrode is provided at the center of the surface or upper surface of the semiconductor wafer, the type in which a gate electrode is provided along the outer peripheral edge of the surface of the semiconductor wafer is shown. May be.

【0023】図8において、各参照符号は次のものを示
す。即ち、21はカソード電極,22はアノード電極、
24はカソード熱補償板、23はアノード熱補償板、1
0は両熱補償板23,24を介して両電極21,22に
圧接された図4及び図5に示した半導体ウエハ、26は
センターゲート電極、27は外部より入力されたゲート
信号を伝達するゲートリード線、25は圧接型半導体装
置20を気密に封止する絶縁筒である。そして、ゲート
リード線27の一端はセンターゲート電極26の外周面
とろう付けにより固着され、その他端は絶縁筒25内の
貫通孔に挿入されて、ろう付け固定されている。尚、ゲ
ートリード線27は、その断面が円形状の金属導体棒
(丸棒)であり、例えば、Agから成る。
In FIG. 8, each reference numeral indicates the following. That is, 21 is a cathode electrode, 22 is an anode electrode,
24 is a cathode heat compensator, 23 is an anode heat compensator, 1
Reference numeral 0 denotes the semiconductor wafer shown in FIGS. 4 and 5 pressed against both electrodes 21 and 22 via both heat compensating plates 23 and 24, 26 denotes a center gate electrode, and 27 transmits a gate signal input from the outside. The gate lead wire 25 is an insulating cylinder for hermetically sealing the press-contact type semiconductor device 20. One end of the gate lead wire 27 is fixed to the outer peripheral surface of the center gate electrode 26 by brazing, and the other end is inserted into a through hole in the insulating cylinder 25 and fixed by brazing. The gate lead wire 27 is a metal conductor bar (round bar) having a circular cross section, and is made of, for example, Ag.

【0024】次に、同装置20の動作について説明す
る。外部から、カソード電極21及びアノード電極22
を圧接することで、カソード電極21、アノード電極2
2、カソード熱補償板24、アノード熱補償板23及び
半導体ウエハ10が、接触状態となる。これにより、外
部のゲート信号がゲートリード線27からセンターゲー
ト電極26へと伝わり、半導体ウエハ10内のPB層2
(図4)にゲート信号が送られることとなる。このと
き、ゲート信号がオン信号である場合には、半導体ウエ
ハ10内の各セグメントが導通状態になり、アノード電
極22からカソード電極21へと、主電流ないしは陽極
電流を流すことができる。
Next, the operation of the device 20 will be described. From outside, the cathode electrode 21 and the anode electrode 22
Are pressed into contact with the cathode electrode 21 and the anode electrode 2.
2. The cathode heat compensator 24, the anode heat compensator 23, and the semiconductor wafer 10 are in a contact state. Thereby, an external gate signal is transmitted from the gate lead line 27 to the center gate electrode 26, and the PB layer 2 in the semiconductor wafer 10 is
A gate signal is sent to (FIG. 4). At this time, when the gate signal is an ON signal, each segment in the semiconductor wafer 10 becomes conductive, and a main current or an anode current can flow from the anode electrode 22 to the cathode electrode 21.

【0025】また、逆に、ゲート信号がオフ信号である
場合には、半導体ウエハ10が阻止状態になり(このと
きライフタイムコントロール領域11がターンオフ時間
を低減する様に働く)、本圧接型半導体装置20で以て
上記主電流を止めることができる。
Conversely, when the gate signal is an off signal, the semiconductor wafer 10 is in a blocking state (at this time, the lifetime control region 11 acts to reduce the turn-off time), and the pressure contact type semiconductor With the device 20, the main current can be stopped.

【0026】以上のような動作により、この圧接型半導
体装置20は、大容量の電流制御を可能にしている。
With the above operation, the pressure contact type semiconductor device 20 enables large-capacity current control.

【0027】(付記) (1) 実施の形態1では軽イオン種としてアルファ
(4He2+)を用いる場合について説明したが、3ヘリ
ウムイオン(3He2+)を軽イオン種として用いても良
い。この場合は質量数が異なるにすぎないので、マスク
を用いることなく3ヘリウムイオンを半導体ウエハの表
面全体に照射することによっても、同様の作用効果が期
待される。
(Supplementary Note) (1) In the first embodiment, the case where alpha (4He 2+ ) is used as the light ion species has been described, but 3 helium ions (3He 2+ ) may be used as the light ion species. In this case, since only the mass number is different, the same effect can be expected by irradiating the entire surface of the semiconductor wafer with 3 helium ions without using a mask.

【0028】(2) 以上の各例ではGTOサイリスタ
素子としての半導体ウエハについての説明であったが、
本発明はGCT(Gate Commutated Turn-Off)サイリス
タ素子(例えば、三菱電機技報Vol.71 NO.12のPP61-66
参照)としての半導体ウエハにも適用可能である。
(2) In each of the above examples, a semiconductor wafer as a GTO thyristor element has been described.
The present invention relates to a GCT (Gate Commutated Turn-Off) thyristor element (for example, PP61-66 of Mitsubishi Electric Technical Report Vol.71 NO.12).
Reference) can also be applied to a semiconductor wafer.

【0029】(3) 又、半導体装置としては、圧接型
のものに限定されるものではない。
(3) The semiconductor device is not limited to the pressure-contact type.

【0030】[0030]

【発明の効果】請求項1及び2の両発明によれば、ライ
フタイムコントロールを目的に半導体ウエハ全面に照射
する軽イオン種として、アルファ又は3ヘリウムを選択
することにより、半導体ウエハ中に形成される低ライフ
タイム領域のドナー化を十分に抑制することができる。
従って、マスクを利用した選択照射や照射条件・アニー
ル条件の最適化等の対策を施すことなく、プロセス工程
の大幅な簡略化を達成しつつ、ドナー化によって生じる
耐圧特性の劣化を有効に解決することができるという効
果が得られる。
According to the first and second aspects of the present invention, alpha or 3 helium is selected as a light ion species for irradiating the entire surface of the semiconductor wafer for the purpose of controlling the lifetime, thereby forming the light ion species in the semiconductor wafer. Can be sufficiently suppressed from becoming a donor in a low lifetime region.
Therefore, without taking measures such as selective irradiation using a mask or optimizing irradiation conditions and annealing conditions, it is possible to effectively solve the deterioration of the breakdown voltage characteristic caused by the formation of the donor while achieving a significant simplification of the process steps. The effect that it can be obtained is obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 アルファ照射又はプロトン照射により、バン
ドギャップ中に形成される不純物順位を示す比較図であ
る。
FIG. 1 is a comparative diagram showing the order of impurities formed in a band gap by alpha irradiation or proton irradiation.

【図2】 アルファ照射の場合のDLTSによる測定結
果を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a measurement result by DLTS in the case of alpha irradiation.

【図3】 プロトン照射の場合のDLTSによる測定結
果を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a measurement result by DLTS in the case of proton irradiation.

【図4】 本発明の実施の形態1に係るGTO用半導体
ウエハ内の任意のセグメントの構成を示す縦断面図であ
る。
FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing a configuration of an arbitrary segment in the semiconductor wafer for GTO according to the first embodiment of the present invention.

【図5】 本発明の実施の形態1に係るGTO用半導体
ウエハを示す上面図である。
FIG. 5 is a top view showing the GTO semiconductor wafer according to the first embodiment of the present invention.

【図6】 本発明の実施の形態1に係る評価用サンプル
のアルファ照射領域におけるキャリア濃度をSR法によ
って測定したときの、n型シリコン基板の深さ方向のキ
ャリア濃度分布を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing a carrier concentration distribution in the depth direction of the n-type silicon substrate when the carrier concentration in the alpha irradiation region of the evaluation sample according to the first embodiment of the present invention is measured by the SR method.

【図7】 評価用サンプルのプロトン照射領域における
キャリア濃度をSR法によって測定したときの、n型シ
リコン基板の深さ方向のキャリア濃度分を示す図であ
る。
FIG. 7 is a diagram illustrating a carrier concentration in a depth direction of an n-type silicon substrate when a carrier concentration in a proton irradiation region of an evaluation sample is measured by an SR method.

【図8】 本発明の実施の形態1に係るGTO用半導体
ウエハを組込んだ圧接型大電力用半導体装置の一例を示
す縦断面図である。
FIG. 8 is a longitudinal sectional view showing an example of a press-contact type high-power semiconductor device incorporating the GTO semiconductor wafer according to the first embodiment of the present invention.

【図9】 従来技術に係るGTO用半導体ウエハ内の任
意のセグメントの構成例を示す縦断面図である。
FIG. 9 is a longitudinal sectional view showing a configuration example of an arbitrary segment in a GTO semiconductor wafer according to the related art.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 n型(n-)シリコン基板、2 PB(p型ベー
ス)層、3 NE(n型エミッタ)層、4 PE(p型
エミッタ)層、5 N++層、10 半導体ウエハ、11
ライフタイムコントロール領域(アルファ照射領
域)、11A ライフタイムコントロール領域(プロト
ン照射領域)、20 圧接型大電力用半導体装置。
Reference Signs List 1 n-type (n ) silicon substrate, 2 PB (p-type base) layer, 3 NE (n-type emitter) layer, 4 PE (p-type emitter) layer, 5 N ++ layer, 10 semiconductor wafer, 11
Lifetime control area (alpha irradiation area), 11A Lifetime control area (proton irradiation area), 20 pressure contact type high power semiconductor device.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 電力用半導体素子が多数形成された半導
体ウエハを有する電力用半導体装置であって、 3ヘリウム又はアルファの何れか一方の軽イオン種を前
記半導体ウエハの表面全体に対して照射することによっ
て前記半導体ウエハ内に形成された軽イオン種照射領域
を有することを特徴とする、電力用半導体装置。
1. A power semiconductor device having a semiconductor wafer on which a large number of power semiconductor elements are formed, wherein one of a light ion species of 3 helium and alpha is irradiated on the entire surface of the semiconductor wafer. A power semiconductor device having a light ion species irradiation region formed in the semiconductor wafer.
【請求項2】 電力用半導体素子が多数形成された半導
体ウエハの表面全体に対して、3ヘリウム又はアルファ
の何れか一方の軽イオン種を所定の加速エネルギー及び
所定のドーズ量にて照射し、 照射後の前記半導体ウエハを所定の温度で熱処理するこ
とを特徴とする、電力用半導体装置の製造方法。
2. A method for irradiating the entire surface of a semiconductor wafer on which a large number of power semiconductor elements are formed with a light ion species of either 3 helium or alpha at a predetermined acceleration energy and a predetermined dose, A method for manufacturing a power semiconductor device, wherein the semiconductor wafer after irradiation is heat-treated at a predetermined temperature.
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