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JP2020027935A - Semiconductor device, semiconductor substrate, and method of manufacturing semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device, semiconductor substrate, and method of manufacturing semiconductor device Download PDF

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JP2020027935A
JP2020027935A JP2019067429A JP2019067429A JP2020027935A JP 2020027935 A JP2020027935 A JP 2020027935A JP 2019067429 A JP2019067429 A JP 2019067429A JP 2019067429 A JP2019067429 A JP 2019067429A JP 2020027935 A JP2020027935 A JP 2020027935A
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JP
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doped region
concave portion
semiconductor
semiconductor substrate
substrate
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JP2019067429A
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文斌 林
wen bin Lin
文斌 林
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Economic Semiconductor Corp
Original Assignee
Economic Semiconductor Corp
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Abstract

To achieve both the voltage characteristics and the mechanical strength of a diode element.SOLUTION: A semiconductor device includes a substrate 1 having a first surface and a second surface, a concave portion 10 formed on the first surface, and a first doped region 13 formed in the substrate by performing a thermal diffusion process on the first surface having the concave portion. The shortest distance between a portion corresponding to the concave portion of the first doped region and the second surface is smaller than the shortest distance between a portion other than the concave portion of the first surface of the first doped region and the second surface.SELECTED DRAWING: Figure 2(b)

Description

本発明は、半導体素子、当該半導体素子を製造するための基板、及び当該半導体素子の製造方法に関し、特に、凹部を有する半導体素子、当該凹部を有する半導体素子を製造するための基板、及び当該凹部を有する半導体素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, a substrate for manufacturing the semiconductor device, and a method for manufacturing the semiconductor device, and more particularly, to a semiconductor device having a recess, a substrate for manufacturing a semiconductor device having the recess, and the recess. The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device having

周知技術の一つは、基板の両面にそれぞれ熱拡散処理によりPドープ(例えば、ホウ素や他のIII A族元素)及びNドープ(例えば、リンや他のIV A族元素)を基板にドライブインした(drive-in)ものである。その処理過程には、長時間及び高温を必要とするので、消費されるエネルギーが高くなり、ダイオード素子の製造過程全体においてエネルギーが最も消費される段階である。一般的には、ドープをドライブインするための熱拡散処理において、温度は通常、1100℃よりも高く、時間は常に150時間を超えるが、Pドープ又はNドープのドライブイン深さは、約150〜180ミクロン(μm)までしか達しない。 One well-known technique is to drive P-doped (eg, boron and other IIIA elements) and N-doped (eg, phosphorus and other IVA elements) into the substrate by thermal diffusion treatment on both sides of the substrate, respectively. (Drive-in). Since the processing process requires a long time and a high temperature, the consumed energy is high, and this is the stage where the energy is most consumed in the whole manufacturing process of the diode element. In general, in the thermal diffusion process for driving in the dope, the temperature is usually higher than 1100 ° C. and the time is always more than 150 hours, but the drive-in depth of the P-doped or N-doped is about 150 It only reaches ~ 180 microns (μm).

ウエハを一定の機械的強度に維持して素子の製造過程における破裂又は破砕を回避するために、業界の実際のプロセスにおいて、通常、プロセスで砕けて歩留まりが低下することを回避するために、4インチのウエハは少なくとも350〜400ミクロンの厚さを必要とする。 In order to keep the wafer at a constant mechanical strength and avoid rupture or fracturing in the manufacturing process of the device, in the actual process of the industry, in order to avoid fracturing in the process and reducing the yield, usually 4 Inch wafers require a thickness of at least 350-400 microns.

一般的には、リンドープ及びホウ素ドープの熱拡散による最大深さは約150ミクロンであり、ウエハの厚さが300ミクロンよりも大きくなると、ウエハの両面にそれぞれリンドープ及びホウ素ドープの熱拡散を行った後、二回の高温でドープがドライブインされていない領域が残ってしまう。ウエハの厚さからそれぞれリンドープ及びホウ素ドープの拡散深さを引くと、二回のドープがされていない領域の厚さ又は幅となり、その数値は、ベース幅(base width)という。 In general, the maximum depth due to the thermal diffusion of phosphorus-doped and boron-doped is about 150 microns, and when the thickness of the wafer is greater than 300 microns, both sides of the wafer were subjected to thermal diffusion of phosphorus-doped and boron-doped, respectively. Later, the region where the dope is not driven in at the high temperature twice remains. Subtracting the diffusion depth of phosphorus and boron from the thickness of the wafer, respectively, results in the thickness or width of the twice undoped region, which is referred to as the base width.

ポアソン方程式(Poisson’s equation)より、PN接合の電荷濃度及びベース幅は、ダイオード素子の電圧特性に影響する。一方、二回のドープがされていない領域は、ダイオード素子において抵抗が最も高い領域であり、電圧を維持するほか、同時に電流導通時の抵抗を招く。換言すれば、ベース幅が大きいほど、ダイオード素子の作動時の導通エネルギー損失も高くなる。したがって、素子構造の設計時、ダイオード素子の順電圧(forward voltage、VF)及び逆電圧(reverse voltage、VR)の特性を制御するためにベース幅を厳格に制御する必要がある。周知技術では、一般的に、十分な基板の厚さ(機械的強度)を提供するためにエピウエハ(Epi wafer)を使用して、ドープが高く且つ厚い基板上にドープが低いエピ半導体層(epi layer)を形成するとともに、素子の電圧特性及び最低抵抗を維持するためにベース幅(前記エピ半導体層の厚さは、ドープ深さと、設定された逆バイアスを維持するベース幅とを加算したものである)を設定する。 According to the Poisson's equation, the charge concentration and the base width of the PN junction affect the voltage characteristics of the diode element. On the other hand, the region where undoping is not performed twice is the region where the resistance is the highest in the diode element, and not only maintains the voltage but also causes resistance during current conduction. In other words, the larger the base width, the higher the conduction energy loss during operation of the diode element. Therefore, when designing the device structure, it is necessary to strictly control the base width in order to control the characteristics of the forward voltage (VF) and the reverse voltage (VR) of the diode device. The well-known art generally uses epi-wafers to provide sufficient substrate thickness (mechanical strength) to provide a highly doped and lightly doped epi-semiconductor layer (epi) on a thick substrate. layer) and the base width (the thickness of the epi semiconductor layer is the sum of the doping depth and the base width that maintains the set reverse bias to maintain the voltage characteristics and the minimum resistance of the device. Is set).

なお、高速回復(recovery)特性を有するダイオード素子の設計について、周知方法の一つは、キャリアライフタイムキラー(carrier lifetime killer)を素子にドープし、PN接合の付近の領域に分布させることである。ダイオード素子が順バイアスモードから逆バイアスモードに切り換えられると、素子にドープされたキャリアライフタイムキラーは、PN接合の付近の残りの電荷(即ち、電子と正孔)の再結合を加速させ、電流の完全な遮断に要する時間、即ち逆回復時間(reverse recovery time)を短縮することができる。 One well-known method for designing a diode element having a fast recovery characteristic is to dope a carrier lifetime killer into the element and distribute it in a region near the PN junction. . When the diode device is switched from the forward bias mode to the reverse bias mode, the carrier lifetime killer doped into the device accelerates the recombination of the remaining charges (ie, electrons and holes) near the PN junction, and the current Can be shortened, that is, the reverse recovery time.

キャリアライフタイムキラーのドープは、一般的に、ウエハの表面(Pドープ又はNドープの表面)から白金(Pt)又は金(Au)を熱拡散でドープする。残りの電荷が主にPN接合の付近に存在するので、ダイオード内の残りの電荷の再結合を効果的に加速させるために、白金又は金ドープもPN接合の付近に分布させる必要がある。したがって、PN接合がより深いダイオード素子は、より高温の熱拡散処理がなければ、濃度がより高いキャリアライフタイムキラーをより深いPN接合の付近にドライブインして電子と正孔の再結合を加速させることに足りない。一方、十分なキャリアライフタイムキラーを十分な深さだけドライブインすることができなければ、ダイオード素子の逆回復時間を効果的に短縮することができない。 In general, the carrier lifetime killer is doped with platinum (Pt) or gold (Au) by thermal diffusion from the surface of the wafer (P-doped or N-doped surface). Since the remaining charge is mainly near the PN junction, platinum or gold doping also needs to be distributed near the PN junction to effectively accelerate the recombination of the remaining charge in the diode. Therefore, a diode element with a deeper PN junction would drive a higher-concentration carrier lifetime killer closer to the deeper PN junction to accelerate the recombination of electrons and holes without a higher temperature thermal diffusion treatment. It's not enough to make it. On the other hand, if a sufficient carrier lifetime killer cannot be driven by a sufficient depth, the reverse recovery time of the diode element cannot be effectively reduced.

以上をまとめると、ダイオード素子の製造については、機械的強度及びプロセスの歩留まりを維持するために、ウエハ基板は、一定の厚さを有する必要があるが、このとき、ベース幅を縮小して素子の抵抗を低減させようとすると、ドープが十分な深さまでドライブインされるように熱拡散処理の温度及び/又は時間を増やす必要があり、プロセスでエネルギーをかなり消費するだけではなく、さらにキャリアライフタイムキラーをドープすることでダイオード素子の逆回復時間を短縮することにとっても不利である。したがって、従来、ダイオード素子の設計時、上記したこれらの制限を突破することができずに、状況に応じて折衷することしかできずに、素子のパラメータを制御する柔軟性も乏しかった。 In summary, in the manufacture of diode elements, the wafer substrate needs to have a certain thickness in order to maintain the mechanical strength and the yield of the process. In order to reduce the resistance of the doping, it is necessary to increase the temperature and / or time of the thermal diffusion process so that the dope is driven in to a sufficient depth, which not only consumes considerable energy in the process but also increases carrier life. Doping a time killer is also disadvantageous for shortening the reverse recovery time of the diode element. Therefore, conventionally, when designing a diode element, the above-described limitations cannot be overcome, and only a compromise can be made depending on the situation, and the flexibility of controlling the parameters of the element is poor.

従来技術にある問題に対して、本発明は、凹部構造を有するダイオード素子を提案し、その製造方法は、凹部をウエハ基板上に形成した後、熱拡散処理を行う。したがって、凹部に対応する領域では、Pドープ領域とNドープ領域の距離が短縮し、素子全体のベース幅を等価的に減少させる。換言すれば、浅いP、Nドープ領域だけで、周知の、凹部を有していないダイオード素子に相当する電圧/電流特性を得ることができ、熱拡散処理時に消費されるエネルギーを大幅に低減させることができる。 In order to solve the problems in the prior art, the present invention proposes a diode element having a concave structure, and a method for manufacturing the diode element performs a thermal diffusion process after forming a concave on a wafer substrate. Therefore, in the region corresponding to the concave portion, the distance between the P-doped region and the N-doped region is reduced, and the base width of the entire device is equivalently reduced. In other words, it is possible to obtain a voltage / current characteristic equivalent to a well-known diode element having no concave portion by only the shallow P and N-doped regions, and to significantly reduce energy consumed during the thermal diffusion process. be able to.

本発明の一つの態様として、第1表面及び第2表面を有する基板を含んで当該第1表面上に凹部を有する半導体素子を提供する。その半導体素子は、当該凹部を有する当該第1表面に熱拡散処理を行うことにより当該基板内に形成された第1ドープ領域をさらに含み、当該第1ドープ領域の当該凹部に対応する部分と当該第2表面との最短距離を、当該第1ドープ領域の当該第1表面の凹部以外に対応する部分と当該第2表面との最短距離よりも小さくする。その半導体素子において、当該第2表面に熱拡散処理を行うことにより当該基板内に形成された第2ドープ領域をさらに含んでもよい。なお、当該凹部は、例えば、円柱形の空間であってもよい。 As one embodiment of the present invention, there is provided a semiconductor device including a substrate having a first surface and a second surface and having a recess on the first surface. The semiconductor element further includes a first doped region formed in the substrate by performing a thermal diffusion process on the first surface having the concave portion, and a portion of the first doped region corresponding to the concave portion and the first doped region. The shortest distance to the second surface is made smaller than the shortest distance between a portion of the first doped region other than the concave portion of the first surface and the second surface. The semiconductor device may further include a second doped region formed in the substrate by performing a thermal diffusion process on the second surface. The recess may be, for example, a cylindrical space.

本発明の他の態様として、第1表面及び第2表面を有するウエハを含み、エッチング処理により当該第1表面に形成された複数の凹部であって、これらの凹部の位置は、製造されるべきこれらのダイオード素子の位置(又は特定の対応位置)に対応する複数の凹部をさらに含む複数の半導体素子を製造するための半導体基板を提供する。その半導体基板において、これらの凹部は、例えば、円柱形の空間であってもよい。 As another aspect of the present invention, a plurality of recesses including a wafer having a first surface and a second surface formed on the first surface by an etching process, and the positions of these recesses are to be manufactured. Provided is a semiconductor substrate for manufacturing a plurality of semiconductor elements further including a plurality of recesses corresponding to the positions (or specific corresponding positions) of these diode elements. In the semiconductor substrate, these concave portions may be, for example, cylindrical spaces.

以上のような半導体基板を使用し、本発明のもう一つの態様として、半導体素子の製造方法を提供し、その工程は、当該半導体基板の第1表面に熱拡散処理を行って当該半導体基板内に第1ドープ領域を形成することを含み、この第1ドープ領域のこれらの凹部に対応する部分と当該第2表面との最短距離は、当該第1ドープ領域の当該第1表面の凹部以外に対応する部分と該第2表面との最短距離よりも小さい。ここで説明する半導体素子の製造方法において、当該第1ドープ領域の形成前又は形成後に、当該半導体基板の当該第2表面に熱拡散処理を行うことにより当該半導体基板内に第2ドープ領域を形成してもよい。また、さらに当該第1ドープ領域及び当該第2ドープ領域の形成後、当該半導体基板の当該第1又は第2表面に熱拡散処理を行うことによりキャリアライフタイムキラーが当該半導体基板内にドライブインされるようにしてもよい。 Using the semiconductor substrate as described above, as another aspect of the present invention, a method for manufacturing a semiconductor element is provided, in which a first surface of the semiconductor substrate is subjected to a thermal diffusion process to form a semiconductor device. Forming the first doped region, the shortest distance between the portion corresponding to the concave portion of the first doped region and the second surface is other than the concave portion of the first surface of the first doped region. It is smaller than the shortest distance between the corresponding part and the second surface. In the method of manufacturing a semiconductor device described here, before or after forming the first doped region, a second doped region is formed in the semiconductor substrate by performing a thermal diffusion process on the second surface of the semiconductor substrate. May be. Further, after the formation of the first doped region and the second doped region, the carrier lifetime killer is driven into the semiconductor substrate by performing a thermal diffusion process on the first or second surface of the semiconductor substrate. You may make it.

したがって、本発明によれば、少なくとも以下の予期できない効果を達成することができる。
(1)形状、深さ、幅などのような凹部の幾何構造を適切に設計することにより、ダイオード素子の電圧/電流特性をより効果的で且つより柔軟に制御することができ、プロセスにおける他の工程又は条件をより柔軟に調整することもできる。
(2)従来のダイオード素子に凹部構造を追加すれば、ダイオード素子の順電圧VFを低減させることができ、即ち、素子のエネルギー輸送の損失を低減させることができる。
(3)凹部構造を有するダイオード素子は、P、Nドープの深さが比較的に浅い場合に、凹部構造を有していないダイオード素子に相当する電圧/電流特性を達成することができるので、熱拡散処理時の機器のエネルギー消費を低減させるとともに、熱拡散処理に要する時間を減少させ、生産効率を向上させることができる。
(4)凹部構造がダイオードの高速回復に応用されると、PN接合の深さが比較的に浅く、キャリアライフタイムキラーに要するドライブイン深さも低減するので、キャリアライフタイムキラーの熱拡散処理の時間を短縮し、温度を低減させるとともに、ダイオード素子の逆回復時間を短縮することができる。
(5)凹部構造を追加しても十分なウエハの機械的強度を維持し、プロセスにおいて砕ける状況を回避する。換言すれば、前記効果を実現すると同時に、機械的強度及びプロセスの歩留まりを犠牲する必要がない。なお、凹部構造を有するPNダイオード素子がガラスパシベーション処理(glass passivation process、GPP)を行う時、形成すべき溝の深さが比較的に浅いので、相対的にウエハの機械的強度及びプロセス歩留まりを向上させることもできる。
Therefore, according to the present invention, at least the following unexpected effects can be achieved.
(1) The voltage / current characteristics of the diode element can be controlled more effectively and flexibly by appropriately designing the geometric structure of the recess, such as the shape, depth, width, etc. Can be adjusted more flexibly.
(2) If a concave structure is added to the conventional diode element, the forward voltage VF of the diode element can be reduced, that is, the loss of energy transport of the element can be reduced.
(3) Since the diode element having the concave structure can achieve the voltage / current characteristics equivalent to those of the diode element having no concave structure when the depths of the P and N dopings are relatively shallow, The energy consumption of the equipment during the heat diffusion process can be reduced, the time required for the heat diffusion process can be reduced, and the production efficiency can be improved.
(4) If the concave structure is applied to the high-speed recovery of a diode, the PN junction depth is relatively shallow, and the drive-in depth required for the carrier lifetime killer is also reduced. The time can be reduced, the temperature can be reduced, and the reverse recovery time of the diode element can be reduced.
(5) Even if the concave structure is added, sufficient mechanical strength of the wafer is maintained, and a situation in which the wafer is broken in the process is avoided. In other words, it is not necessary to sacrifice the mechanical strength and the process yield while realizing the above-mentioned effect. When a PN diode element having a concave structure performs a glass passivation process (GPP), since the depth of a groove to be formed is relatively shallow, the mechanical strength of the wafer and the process yield are relatively reduced. It can also be improved.

周知のダイオード素子の部分構造の模式図Schematic diagram of a partial structure of a known diode element 本発明の凹部を有する半導体基板の模式図Schematic diagram of a semiconductor substrate having a concave portion according to the present invention. 本発明の凹部を有するダイオード素子の部分構造の模式図Schematic diagram of a partial structure of a diode element having a concave portion according to the present invention. 本発明の2つの凹部を有するダイオード素子の部分構造の模式図Schematic view of a partial structure of a diode element having two concave portions according to the present invention. 本発明の複数の凹部を有するウエハの模式図Schematic view of a wafer having a plurality of concave portions according to the present invention. コンピュータシミュレーションを行うために用いられる従来技術のダイオード素子構造の模式図Schematic diagram of a prior art diode element structure used to perform computer simulation コンピュータシミュレーションを行うために用いられる本発明のダイオード素子構造の模式図Schematic diagram of the diode element structure of the present invention used for performing computer simulation コンピュータシミュレーションを行うために用いられる他の従来技術のダイオード素子構造の模式図Schematic diagram of another prior art diode element structure used to perform computer simulation 図4(a)、図4(b)、図4(c)に示す構造による順電圧のコンピュータシミュレーション結果Computer simulation results of forward voltage by the structure shown in Fig. 4 (a), Fig. 4 (b) and Fig. 4 (c) 図4(a)、図4(b)、図4(c)に示す構造による逆電圧のコンピュータシミュレーション結果Computer simulation results of reverse voltage by the structure shown in Fig. 4 (a), Fig. 4 (b) and Fig. 4 (c) 本発明のダイオード構造によってキャリアライフタイムキラーのドライブインが行われる模式図Schematic diagram in which drive-in of a carrier lifetime killer is performed by the diode structure of the present invention 本発明のダイオード構造によってガラスパシベーション処理が行われる模式図Schematic diagram in which glass passivation processing is performed by the diode structure of the present invention

具体的な実施形態Specific embodiments

図面を参照し、本発明の具体的な実施形態を次のように説明する。図面に示されている構造や幾何関係は、例示のみを目的とし、実際の装置又は素子の構造や幾何を表現するものでなく、同様に装置又は素子の全ての構成を制限するためのものではない。例えば、熱拡散処理により半導体基板内に形成されたP、Nドープ領域は、ドープ濃度が均一に分布するものではなく、実際には、基板におけるドープされていない領域と明らかな境界がない。しかし、ドープ濃度の臨界値を設定すると、ドープ領域の境界を限定することができる。同様に、ドープ領域の幾何又は構造は文字で説明しにくいので、ドープ領域を説明する場合(例えば、特許請求の範囲中)に、製造方法(例えば、熱拡散処理)で限定することはより適切であり、なぜなら、ドープの分布はドープ及び基板材料の性質、拡散温度及び時間などの条件によって決まるからであり、それは、周知の通常の知識である。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者は、材料及びプロセス条件から、それに応じて形成される素子構造又は幾何を容易に推知することができる。 With reference to the drawings, a specific embodiment of the present invention will be described as follows. The structures and geometric relationships shown in the drawings are for illustrative purposes only, and do not represent the actual structure or geometry of the device or element, and are also not intended to limit all configurations of the device or element. Absent. For example, P and N doped regions formed in a semiconductor substrate by a thermal diffusion process do not have a uniform distribution of doping concentration and, in fact, have no clear boundaries with undoped regions in the substrate. However, by setting the critical value of the doping concentration, the boundary of the doped region can be limited. Similarly, since the geometry or structure of the doped region is difficult to describe in text, it is more appropriate to limit the manufacturing method (eg, thermal diffusion treatment) when describing the doped region (eg, in the claims). Because the distribution of the dope depends on conditions such as the properties of the dope and the substrate material, the diffusion temperature and the time, which is well known and common knowledge. Those having ordinary knowledge in the art to which the present invention pertains can easily infer, from materials and process conditions, the element structure or geometry to be formed accordingly.

図1は、従来のダイオード素子の部分模式図であり、半導体基板1は、例えば、シリコン(Si)ウエハであってもよく、ドープされている又はドープされていないシリコンウエハを使用することができる。従来のダイオード素子の製造方法の一つは、熱拡散処理により半導体基板1の2つの表面にそれぞれP、Nドープを行って図1に示されている第1ドープ領域11及び第2ドープ領域12を形成するものである。前述したように、歩留まりを維持するとともにP、Nドープ領域の距離(ベース幅)を十分に小さくしようとすると、P、Nドープが十分な深さまでドライブインされるようにしなければならない。即ち、接合が深いダイオード素子を形成するために大きい拡散深さが必要である。それに対して、図2は、本発明で提案したダイオード素子及びその製造方法の模式図である。図1の従来のダイオード構造と異なり、本発明は、図2(a)に示されているように半導体基板1上に凹部10を形成する。次いで、図2(b)に示されているように、半導体基板1の2つの表面にP、Nドープの熱拡散処理を行って第1ドープ領域13及び第2ドープ領域14を形成する。 FIG. 1 is a partial schematic view of a conventional diode element. The semiconductor substrate 1 may be, for example, a silicon (Si) wafer, and a doped or undoped silicon wafer may be used. . One of the conventional methods for manufacturing a diode element is to perform P and N doping on two surfaces of the semiconductor substrate 1 by thermal diffusion processing, respectively, to perform the first doped region 11 and the second doped region 12 shown in FIG. Is formed. As described above, in order to maintain the yield and make the distance (base width) between the P and N doped regions sufficiently small, it is necessary to drive the P and N doped regions to a sufficient depth. That is, a large diffusion depth is required to form a diode element having a deep junction. On the other hand, FIG. 2 is a schematic view of the diode element proposed in the present invention and a method of manufacturing the same. Unlike the conventional diode structure of FIG. 1, the present invention forms a recess 10 on a semiconductor substrate 1 as shown in FIG. Next, as shown in FIG. 2B, P and N-doped thermal diffusion processes are performed on the two surfaces of the semiconductor substrate 1 to form a first doped region 13 and a second doped region 14.

図3に示されているように、実際のプロセスにおいて、凹部10を有する基板は、ウエハ2をエッチングして複数の凹部20を形成してから、後続の他のプロセスを行う。したがって、これらの凹部20は、ダイ(die)の各々の位置に対応することができる。 As shown in FIG. 3, in the actual process, the substrate having the concave portions 10 is formed by etching the wafer 2 to form a plurality of concave portions 20 and then performing another subsequent process. Thus, these recesses 20 can correspond to each position of the die.

図2(b)から分かるように、本発明のダイオードの構造特徴は、主に第1ドープ領域13の分布にある。凹部10を形成してから熱拡散処理を行うので、第1ドープ領域13と第2ドープ領域14は、凹部に対応する部分において近い距離D2を有し、D2は、第1ドープ領域13と第2ドープ領域14の凹部以外に対応する部分における距離D1よりも小さい。換言すれば、凹部10の幾何構造により、第1ドープ領域13と第2ドープ領域14との間の一部の距離を制御することができる。注意すべきなのは、図2に示されている凹部10の断面は矩形であり、対応する立体構造は、円柱形空間又は直方体空間であってもよい。また、矩形断面は本発明の凹部10の一つの実施形態に過ぎず、その断面形状は矩形に限らず、例えば、逆三角形又は逆半円形であってもよい。形状のほか、その幾何寸法(例えば、深さ、幅)もニーズに応じて適切に選択することができ、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者が自ら適切に設計することができる。なお、図2には、半導体基板1の1つの表面に1つの凹部10を形成するものしか開示されていないが、1つのダイオード素子(ダイ)の1つ表面に2つ以上の凹部を形成し、或いは、2つの表面ともに凹部を形成してから、ドープの熱拡散処理を行ってもよい。例えば、ダイオード素子の横方向(図2(b)の水平方向)寸法が大きくなる場合に、単一の凹部を形成して所望の電圧特性及び機械的強度を同時に満たすことができなければ、単一のダイ上に2つ以上の凹部を形成することができ、各凹部は、同じ又は異なる幾何構造を有することができる。これによって、設計上の柔軟性が増し、単一の凹部で通常は両立できない電圧特性及び機械的強度を実現する。図2(c)は、単一のダイオード素子に2つの凹部を有する構造模式図を示し、キャリア導通又は再結合のニーズに応じて、その2つの凹部は、空間的に対称又は非対称であるように設計してもよく、また、2つの凹部は、同じ又は異なる形状及び幾何構造を有してもよい(図2(c)に示されている断面のように、第1凹部101及び第2凹部102の断面は矩形であるが、幅が異なってもよい。また、2つの凹部は、図2(c)の横中心点に対して非対称に設けられていてもよい。図2(c)の上方から見下ろすと、第1凹部101及び第2凹部102は、大きさが異なる特定分布であってもよい)。 As can be seen from FIG. 2B, the structural feature of the diode of the present invention mainly lies in the distribution of the first doped region 13. Since the thermal diffusion process is performed after forming the concave portion 10, the first doped region 13 and the second doped region 14 have a close distance D2 at a portion corresponding to the concave portion, and D2 is It is smaller than the distance D1 in a portion corresponding to the portion other than the concave portion of the 2-doped region 14. In other words, a part of the distance between the first doped region 13 and the second doped region 14 can be controlled by the geometric structure of the concave portion 10. It should be noted that the cross section of the recess 10 shown in FIG. 2 is rectangular, and the corresponding three-dimensional structure may be a cylindrical space or a rectangular parallelepiped space. Further, the rectangular cross section is merely one embodiment of the concave portion 10 of the present invention, and the cross sectional shape is not limited to a rectangle, and may be, for example, an inverted triangle or an inverted semicircle. In addition to the shape, its geometric dimensions (eg, depth, width) can be appropriately selected according to needs, and those having ordinary knowledge in the art to which the present invention pertains can design properly themselves. it can. Although FIG. 2 only discloses one in which one recess 10 is formed on one surface of the semiconductor substrate 1, two or more recesses are formed on one surface of one diode element (die). Alternatively, the thermal diffusion treatment of the dope may be performed after forming the concave portions on both surfaces. For example, when the lateral dimension (horizontal direction in FIG. 2 (b)) of the diode element is large, if a single concave portion cannot be formed to satisfy the desired voltage characteristics and mechanical strength simultaneously, More than one recess can be formed on a single die, and each recess can have the same or different geometry. This increases design flexibility and provides voltage characteristics and mechanical strength that are usually incompatible with a single recess. FIG. 2 (c) shows a schematic diagram of a structure having two recesses in a single diode element, where the two recesses may be spatially symmetric or asymmetric depending on the needs of carrier conduction or recombination. The two concave portions may have the same or different shapes and geometric structures (the first concave portion 101 and the second concave portion, like the cross section shown in FIG. 2C). The cross section of the concave portion 102 is rectangular, but may have different widths, and the two concave portions may be provided asymmetrically with respect to the horizontal center point in FIG. Looking down from above, the first concave portion 101 and the second concave portion 102 may have specific distributions having different sizes.)

本発明の実施形態において、凹部の形成及びドープの熱拡散処理は、いずれも周知の半導体製造技術であり、本明細書でプロセスの詳細及びパラメータを詳しく説明しなくても、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者は、周知の技術に基づいて実現できるはずである。例えば、PNダイオードについて、凹部は、素子及びプロセス特性によってPドープの表面又はNドープの表面に選択的に形成することができる。 In the embodiment of the present invention, the formation of the concave portion and the thermal diffusion treatment of the dope are both well-known semiconductor manufacturing technologies, and the technology to which the present invention belongs without detailed description of the process and parameters in this specification. The person having ordinary knowledge in the field of the above should be able to realize based on well-known technology. For example, for a PN diode, the recess can be selectively formed on a P-doped surface or an N-doped surface depending on device and process characteristics.

本発明で提案した凹部を有するダイオード素子は、基板上に凹部を形成することにより少なくとも一つのドープ領域の分布を変更し、ダイオード素子の特性を変更することができる。以下、電圧/電流の特性を例として、コンピュータシミュレーションの方式により本発明のダイオード素子の特性向上に対する効果を示す。図4(a)〜図4(c)は、コンピュータシミュレーションを行うために用いられる素子構造を示す。図4(a)は、周知技術のダイオード素子構造を示す。図4(b)は、本発明の凹部を有するダイオード素子構造を示し、そのドープの熱拡散処理の温度及び時間は、図4(a)と同じである。図4(c)は、同様に周知技術のダイオード素子構造を示すが、図4(a)よりも高温及び長時間のドープの熱拡散処理を使用するので、図4(a)よりも、そのドープの拡散深さが深くなり、ベース幅が小さくなる。図4(a)〜図4(c)において、横軸及び縦軸の単位は、いずれもミクロンであり、各素子のドープ極性は、図面に示すとおりである。図5は、図4(a)〜図4(c)の3つの構造に基づく、コンピュータシミュレーションによる順バイアス特性である。図5から分かるように、本発明の素子構造(図4(b))は、同じドープの拡散条件を使用する周知のダイオード素子(図4(a))よりも、順電圧VF(順バイアス時の導通電圧降下)を大幅に低減させることができる。周知のダイオード素子におけるドープの拡散深さ(図4(c))を大幅に深くしても、そのVFは、依然として本発明よりも高くなる。換言すれば、本発明の凹部を有するダイオード素子は、同じドープの拡散条件(同程度のエネルギー消費に相当する)下でより低いVFを得ることができる。かつ、周知技術では、ドープの拡散深さがより深くなっても(エネルギーがより消費されることに相当する)、VFを低減させる効果は、依然として本発明に及ばない。一方、図6は、本発明の素子構造が逆バイアス時に現れる電圧/電流特性は周知技術と明らかな差異がないことを示す。同じ原理に基づいて、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者にとって、2つ以上の凹部を含むダイオード素子(例えば、図2(c)に示すもの)も類似する電圧/電流特性を有し、且つ、複数の凹部がさらに設計上の柔軟性を増加可能であることを予期することができ、例えば、順電流密度の制御(電流密度が導通抵抗に緊密に関連する)、或いは、小さい凹部の設計(又は、一部に凹部がない)によりダイの特定部位の機械的強度を向上させるが、これに限らない。 The diode element having the concave portion proposed in the present invention can change the distribution of at least one doped region by forming the concave portion on the substrate and change the characteristics of the diode element. Hereinafter, the effect of improving the characteristics of the diode element of the present invention will be described by a computer simulation method, taking the voltage / current characteristics as an example. FIGS. 4A to 4C show element structures used for performing a computer simulation. FIG. 4A shows a known diode element structure. FIG. 4B shows a diode element structure having a concave portion according to the present invention, and the temperature and time of the thermal diffusion treatment of the dope are the same as those in FIG. 4A. FIG. 4 (c) also shows a diode element structure of a well-known technology, but uses a higher temperature and longer time thermal diffusion process of doping than in FIG. 4 (a), so that FIG. The diffusion depth of the dope increases, and the base width decreases. 4A to 4C, the units on the horizontal axis and the vertical axis are all microns, and the doping polarity of each element is as shown in the drawings. FIG. 5 shows forward bias characteristics by computer simulation based on the three structures shown in FIGS. 4 (a) to 4 (c). As can be seen from FIG. 5, the device structure of the present invention (FIG. 4 (b)) has a lower forward voltage VF (at forward bias) than the known diode device (FIG. 4 (a)) using the same doped diffusion conditions. ), Can be greatly reduced. Even if the diffusion depth of the dope (FIG. 4 (c)) in the known diode element is greatly increased, its VF is still higher than that of the present invention. In other words, the diode element having the concave portion of the present invention can obtain a lower VF under the same doping diffusion condition (corresponding to the same energy consumption). Further, according to the known technology, even if the diffusion depth of the dope becomes deeper (corresponding to more energy consumption), the effect of reducing the VF still does not reach the present invention. On the other hand, FIG. 6 shows that the voltage / current characteristics of the device structure of the present invention appearing at the time of reverse bias are not clearly different from those of the known art. Based on the same principle, a diode element including two or more recesses (for example, the one shown in FIG. 2 (c)) has similar voltage / current characteristics to those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. And it can be expected that the plurality of recesses can further increase design flexibility, for example, control of forward current density (current density is closely related to conduction resistance), or The mechanical strength of a specific portion of the die is improved by designing a small concave portion (or having no concave portion partially), but not limited to this.

前の段落の説明から分かるように、本発明の凹部を有するダイオード素子は、確かに素子の特性を改善(又は少なくとも変更)することができる。したがって、実際の素子の設計過程において、コンピュータシミュレーション技術を用いて、本発明の凹部構造は、応用分野、予想の素子特性、プロセス能力、コストなどの考慮に対して変更し、目的を効果的に達成する素子構造及びプロセス条件のパラメータを得ることができる。換言すれば、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者にとって、簡単な試みだけで最高又は最適な素子構造及びプロセス条件パラメータを決定することができる。実際のプロセスにおいて、エッチング、熱拡散処理、素子構造及び特性の計測などの技術はいずれも、既に十分に成熟したので、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者は、簡単な試みだけで本発明の構造を実現するとともにその効果を検証することもできる。 As can be seen from the description in the preceding paragraph, the diode device having the concave portion of the present invention can certainly improve (or at least change) the characteristics of the device. Therefore, in the actual device design process, using computer simulation technology, the concave structure of the present invention can be changed in consideration of the application field, expected device characteristics, process capability, cost, etc., and the purpose can be effectively improved. The parameters of the device structure to be achieved and the process conditions can be obtained. In other words, those having ordinary skill in the art to which the present invention pertains can determine the best or optimal device structure and process condition parameters by simple attempts. In the actual process, technologies such as etching, thermal diffusion processing, measurement of device structure and characteristics are all sufficiently mature, so that those having ordinary knowledge in the art to which the present invention pertains should be able to make simple attempts. Alone can realize the structure of the present invention and verify its effects.

電圧/電流特性以外に、以下、本発明の凹部を有するダイオード素子が有する他の効果をさらに説明する。 In addition to the voltage / current characteristics, other effects of the diode element having a concave portion according to the present invention will be further described below.

ダイオード素子に高速回復の特性を持たせるために、周知手順の一つは、キャリアライフタイムキラー(例えば、金又は白金)を素子のPN接合の付近にドープする。図2(b)に示されている凹部を有するダイオード素子構造に熱拡散処理によりキャリアライフタイムキラーのドープを行うと、図7に示されているような構造を形成することができる。上図、下図には、それぞれ2つの表面から拡散したドライブイン深さ15を示す。本発明のダイオード素子の、キャリアライフタイムキラーのドープに対する有益な効果は、少なくとも2つの側面がある。まず、表面の凹部構造は、キャリアライフタイムキラーが理想の深さまでより容易にドライブインされるようにすることができる。次に、凹部構造を有するダイオード素子は、浅いPNドープ領域を採用できるので、それに応じて、キャリアライフタイムキラーも比較的に浅い深さまでドライブインされればよい。なお、凹部構造がダイ範囲の特定領域及び深さに形成可能であることも、キャリアライフタイムキラーを特定の位置にドープし、所望の特定のダイ逆回復時間及び波形を生じることに寄与する。したがって、上記した説明を参照し、本発明によれば、ダイオード素子上に凹部を形成することにより、ニーズに応じて凹部の形成条件(例えば、P又はNドープの表面に形成されること、凹部数量、各凹部の幾何構造等が挙げられるが、これに限らない)が制御可能であるほか、キャリアライフタイムキラーのドープ条件(例えば、凹部を有している又は凹部を有していない表面から拡散すること、P又はNドープの表面から拡散すること、拡散温度及び時間等が挙げられるが、これに限らない)をさらに制御して所望の素子特性を実現することができる。 In order to provide diode devices with fast recovery characteristics, one well known procedure is to dope a carrier lifetime killer (eg, gold or platinum) near the PN junction of the device. When doping of the carrier lifetime killer is performed by a thermal diffusion process on the diode element structure having the concave portion illustrated in FIG. 2B, the structure illustrated in FIG. 7 can be formed. The upper and lower figures respectively show the drive-in depth 15 diffused from two surfaces. The beneficial effect of the diode element of the present invention on doping of the carrier lifetime killer has at least two aspects. First, the concave structure on the surface allows the carrier lifetime killer to be driven more easily to the ideal depth. Next, a diode element having a concave structure can employ a shallow PN-doped region, and accordingly, the carrier lifetime killer may be driven to a relatively shallow depth. The fact that the concave structure can be formed at a specific region and a specific depth in the die range also contributes to doping the carrier lifetime killer at a specific position to generate a desired specific die reverse recovery time and waveform. Therefore, referring to the above description, according to the present invention, by forming the recess on the diode element, the conditions for forming the recess according to needs (for example, forming on the surface of P or N dope, In addition to the quantity, the geometrical structure of each concave portion, etc., it is possible to control the doping conditions of the carrier lifetime killer (for example, from the surface having the concave portion or not having the concave portion). Diffusion, diffusion from a P or N-doped surface, diffusion temperature and time, etc., are not limited thereto, and desired device characteristics can be realized.

周知のダイオードの製造過程において、溝を形成するとともにガラスを埋め込んで図8に示されているような素子構造を形成することを主に含むガラスパシベーションプロセス(glass passivation process、GPP)を増やしてもよい。ガラスを埋め込むための溝16の深さは、第2ドープ領域14の深さの影響を受ける。前述したように、本発明で提案した凹部を有するダイオード素子は、第2ドープ領域14の深さを低減させて溝16に要する深さを低減させることができる。ガラスパシベーションの過程において浅い溝を形成すれば、プロセスの歩留まりを相対的に向上させることができる以外に、ウェットエッチングにより溝を形成する場合、深い溝は、溝の頂部にくちばし状を形成しやすく、よってガラス付着又は被覆効果が不良になりやすい。浅い溝は、これらの問題を回避することができる。 In the well-known diode manufacturing process, the glass passivation process (GPP) mainly including forming grooves and burying glass to form an element structure as shown in FIG. Good. The depth of the groove 16 for embedding glass is affected by the depth of the second doped region 14. As described above, in the diode element having a concave portion proposed in the present invention, the depth of the second doped region 14 can be reduced to reduce the depth required for the groove 16. In the process of glass passivation, if a shallow groove is formed, the yield of the process can be relatively improved.In addition, when a groove is formed by wet etching, a deep groove can easily form a beak on the top of the groove. Therefore, the glass adhesion or coating effect is likely to be poor. Shallow grooves can avoid these problems.

以上は、本発明の実施形態及び効果の例示に過ぎず、すべての可能な変化を徹底的に挙げたものではない。本発明の概念により、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者は、本明細書に開示されている内容に基づいてそれを自ら変更することで本発明の概念に含まれる様々な具体的な変化を実現することができる。出願人が主張する権利範囲は、特許請求の範囲に記載されるとおりであり、各請求項の文言の意味及び均等範囲は、いずれも本特許の権利範囲に含まれる。 The foregoing is merely illustrative of the embodiments and advantages of the present invention, and is not an exhaustive list of all possible variations. According to the concept of the present invention, a person having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention pertains can make various modifications included in the concept of the present invention by modifying the content based on the contents disclosed in the present specification. Specific changes can be realized. The scope of the rights asserted by the applicant is as set forth in the claims, and the meaning and equivalent scope of the language of each claim are included in the scope of the patent.

1 : 半導体基板
2 : ウエハ
10 : 凹部
11 : 第1ドープ領域
12 : 第2ドープ領域
13 : 第1ドープ領域
14 : 第2ドープ領域
15 : キャリアライフタイムキラーのドライブイン深さ
16 : 溝
20 : 凹部
101 : 第1凹部
102 : 第2凹部
D1 : 距離
D2 : 距離
1: Semiconductor substrate
2: Wafer
10: recess
11: First doped region
12: Second doped region
13: 1st doped region
14: Second doped region
15: Carrier lifetime killer drive-in depth
16: groove
20: recess
101: 1st recess
102: 2nd recess
D1: Distance
D2: Distance

Claims (10)

第1表面及び第2表面を有する基板と、
前記第1表面上に形成された第1凹部と、
前記第1凹部を有する前記第1表面に熱拡散処理を行うことにより前記基板内に形成された第1ドープ領域と、
を含み、
前記第1ドープ領域の前記第1凹部に対応する部分と前記第2表面との最短距離は、前記第1ドープ領域の前記第1表面の前記第1凹部以外に対応する部分と前記第2表面との最短距離よりも小さい
半導体素子。
A substrate having a first surface and a second surface,
A first recess formed on the first surface,
A first doped region formed in the substrate by performing a thermal diffusion process on the first surface having the first concave portion,
Including
The shortest distance between the portion corresponding to the first concave portion of the first doped region and the second surface is a portion corresponding to a portion other than the first concave portion of the first surface of the first doped region and the second surface. Semiconductor element smaller than the shortest distance between
前記第2表面に熱拡散処理を行うことにより前記基板内に形成された第2ドープ領域をさらに含む請求項1に記載の半導体素子。 2. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a second doped region formed in the substrate by performing a thermal diffusion process on the second surface. 前記第1ドープ領域は、Pドープ領域又はNドープ領域である請求項1に記載の半導体素子。 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first doped region is a P-doped region or an N-doped region. 前記第1凹部と同じ又は異なる幾何構造を有し、前記第1凹部と対称又は非対称に前記第1表面上に形成された第2凹部をさらに含む請求項1に記載の半導体素子。 2. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a second concave portion having the same or different geometric structure as the first concave portion and formed on the first surface symmetrically or asymmetrically with the first concave portion. 第1表面及び第2表面を有するウエハと、
エッチング処理により前記第1表面に形成された複数の第1凹部であって、これらの複数の第1凹部の位置は、製造されるべきこれらのダイオード素子の位置に対応する複数の第1凹部と、を含む
複数の半導体素子を製造するための半導体基板。
A wafer having a first surface and a second surface,
A plurality of first recesses formed on the first surface by the etching process, the positions of these plurality of first recesses are a plurality of first recesses corresponding to the positions of these diode elements to be manufactured. And a semiconductor substrate for manufacturing a plurality of semiconductor elements.
エッチング処理によりこれらの第1凹部と同時に前記第1表面に形成された複数の第2凹部であって、これらの複数の第2凹部の位置は、製造しようとするこれらのダイオード素子の位置に対応する複数の第2凹部をさらに含む請求項5に記載の複数の半導体素子を製造するための半導体基板。 A plurality of second recesses formed on the first surface simultaneously with the first recesses by the etching process, and the positions of the plurality of second recesses correspond to the positions of these diode elements to be manufactured. 6. The semiconductor substrate for manufacturing a plurality of semiconductor elements according to claim 5, further comprising a plurality of second recesses. これらの第1凹部は、円柱形又は直方体空間である請求項5に記載の複数の半導体素子を製造するための半導体基板。 6. The semiconductor substrate for manufacturing a plurality of semiconductor elements according to claim 5, wherein the first concave portions are cylindrical or rectangular parallelepiped spaces. 請求項5に記載の半導体基板を使用する半導体素子の製造方法であって、
前記半導体基板の第1表面に熱拡散処理を行って前記半導体基板内に第1ドープ領域を形成させることを含み、
前記第1ドープ領域のこれらの第1凹部に対応する部分と前記第2表面との最短距離は、前記第1ドープ領域の前記第1表面のこれらの第1凹部以外に対応する部分と前記第2表面との最短距離よりも小さい
半導体素子の製造方法。
A method for manufacturing a semiconductor device using the semiconductor substrate according to claim 5,
Including performing a thermal diffusion process on the first surface of the semiconductor substrate to form a first doped region in the semiconductor substrate,
The shortest distance between the portion corresponding to these first recesses of the first doped region and the second surface is the same as the portion of the first surface of the first doped region corresponding to other than these first recesses and the second surface. (2) A method for manufacturing a semiconductor element smaller than the shortest distance from the surface.
前記第1ドープ領域の形成前又は形成後に、前記半導体基板の前記第2表面に熱拡散処理を行うことにより前記半導体基板内に第2ドープ領域を形成させることをさらに含む請求項8に記載の半導体素子の製造方法。 Before or after forming the first doped region, further comprising forming a second doped region in the semiconductor substrate by performing a thermal diffusion process on the second surface of the semiconductor substrate. A method for manufacturing a semiconductor device. 前記第1ドープ領域及び前記第2ドープ領域の形成後に、前記半導体基板の前記第1又は第2表面に熱拡散処理を行うことによりキャリアライフタイムキラー(lifetime killer)が前記半導体基板内にドライブインされるようにすることをさらに含む請求項8又は請求項9に記載の半導体素子の製造方法。 After forming the first doped region and the second doped region, a carrier lifetime killer is driven into the semiconductor substrate by performing a thermal diffusion process on the first or second surface of the semiconductor substrate. 10. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 8, further comprising the step of:
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