JP5396689B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
この発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に、高速・低損失であるだけでなく、ソフトなスイッチング特性を兼ね備えたIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to an IGBT (insulated gate bipolar transistor) having not only high speed and low loss but also soft switching characteristics and a manufacturing method thereof.
電力用半導体装置として、600V、1200Vまたは1700V等の耐圧クラスのダイオードやIGBT等がある。近時、これらのデバイスの特性改善が進んでいる。電力用半導体装置は、高効率で省電力なコンバーター−インバーター等の電力変換装置に用いられており、回転モーターやサーボモーターの制御に不可欠である。 As a power semiconductor device, there are a diode, IGBT, and the like of a withstand voltage class such as 600V, 1200V, or 1700V. Recently, the characteristics of these devices have been improved. Power semiconductor devices are used in power conversion devices such as highly efficient and power-saving converter-inverters, and are indispensable for control of rotary motors and servo motors.
このような電力制御装置には、低損失で省電力であり、また高速、高効率であり、さらに環境に優しい、すなわち周囲に対して悪影響を及ぼさないという特性が要求されている。このような要求に対して、ダイオードにおいては、ブロードバッファ構造が提案されている。ブロードバッファ構造とは、N-ドリフト層の平均的な濃度分布が、同層のほぼ中間付近にピーク(極大値)を有し、かつエミッタおよびコレクタ方向に向かって、傾きをもって減少するような構造のことである(例えば、下記特許文献1参照。)。
Such power control devices are required to have characteristics such as low loss and power saving, high speed and high efficiency, and environmental friendliness, that is, no adverse effects on the surroundings. In response to such a demand, a broad buffer structure has been proposed in the diode. The broad buffer structure, N - average concentration distribution of the drift layer has a peak (maximum value) substantially near the middle of the same layer, and towards the emitter and collector direction, so as to decrease with an inclination structure (For example, see
ブロードバッファ構造のダイオードでは、従来のエミッタ注入効率を下げるとともにライフタイム分布の制御を行う技術(例えば、下記特許文献2参照。)では困難であるような高速動作(例えば、キャリア周波数:20kHz以上)でのソフトリカバリー特性および発振抑制効果を実現することができる。このようなブロードバッファ構造のダイオードを作製する方法として、特許文献1には、次の2つの方法が開示されている。
In the diode of the broad buffer structure, high-speed operation (for example, carrier frequency: 20 kHz or more) that is difficult with the conventional technique for reducing the emitter injection efficiency and controlling the lifetime distribution (for example, see
第1の方法は、バルク内の深い領域、すなわち半導体チップの表面から30〜60μmあるいはそれよりも深い領域に、半導体基板の当初のリン濃度よりも高いリン濃度の領域をエピタキシャル成長法により形成する方法である。第2の方法は、FZ(フローティングゾーン)バルクウェハーにプロトンイオン(H+)を照射し、熱処理を行うことによって、バルク内部の飛程Rpの近傍でプロトンをドナー化させる方法である。エピタキシャルウェハーよりもバルクウェハーの方が安価であるので、第2の方法は、第1の方法よりも安価である。 The first method is a method in which a region having a phosphorus concentration higher than the initial phosphorus concentration of the semiconductor substrate is formed by an epitaxial growth method in a deep region in the bulk, that is, in a region 30 to 60 μm or deeper than the surface of the semiconductor chip. It is. The second method is a method in which proton ions (H + ) are irradiated to a FZ (floating zone) bulk wafer and heat treatment is performed, whereby protons are converted to donors in the vicinity of the range Rp inside the bulk. Since the bulk wafer is less expensive than the epitaxial wafer, the second method is less expensive than the first method.
また、特許文献1の他にも、プロトンの照射と熱処理によるプロトンのドナー化現象を利用して高濃度のN+層を形成する方法が種々提案されている(例えば、下記特許文献3、特許文献4参照。)。その他にも、特許文献4には、酸素によるサーマルドナーを用いてN+層を形成する方法が開示されている。また、プロトンのドナー化を避ける必要がある場合には、プロトンの代わりにヘリウムを用いる提案がある(例えば、下記特許文献5参照。)。
In addition to
また、安価にブロードバッファ構造を実現する方法として、アクセプタ元素で半導体基板のドナー(リン)濃度を補償することによって、ネットドーピング濃度としてバルク内部に高濃度領域を得る方法が提案されている(例えば、下記特許文献6参照。)。また、プロトンの照射によりシリコン基板中に欠陥を形成し、熱処理によりその残留欠陥を調整して、局所的にライフタイムを低減する方法が公知である(例えば、下記特許文献5参照。)。
Further, as a method for realizing a broad buffer structure at a low cost, a method for obtaining a high concentration region inside a bulk as a net doping concentration by compensating a donor (phosphorus) concentration of a semiconductor substrate with an acceptor element has been proposed (for example, , See
また、低コストで電気的損失の低いIGBTを作製する方法として、慣用の半導体基板(例えばシリコンウェハー)を研削等により薄くした後に、その研削面側から所定の濃度で元素をイオン注入し、熱処理を行う方法が公知である(例えば、下記特許文献7参照。)。近年、このような低コストな方法による素子の開発および製造が主流になりつつある。
Further, as a method of manufacturing an IGBT with low cost and low electrical loss, a conventional semiconductor substrate (for example, a silicon wafer) is thinned by grinding or the like, and then an element is ion-implanted from the ground surface side at a predetermined concentration to perform heat treatment. The method of performing is known (for example, refer to
また、低損失特性およびソフトリカバリー特性の両方を向上させたIGBTとして、上述した特許文献7に開示されているフィールドストップ型IGBTの他、下記特許文献8に開示されているソフトパンチスルー型IGBT、下記特許文献9および特許文献10に開示されている中間高濃度層挿入型IGBTが知られている。
In addition to the field stop IGBT disclosed in
しかしながら、上述した特許文献1〜7のように、ブロードバッファ構造を有するダイオードに関する技術は開示されているものの、ブロードバッファ構造を有するIGBTに関する技術はほとんど開示されていない。
However, as in
また、特許文献8〜10に開示されているIGBTでは、デバイス表面のうちMOSゲートが形成されている側のN-ドリフト層における比抵抗が最も高い、すなわち、ドナー濃度が低い。このため、素子耐圧は十分に確保されるものの、素子耐圧の半分以上から素子耐圧未満程度の電圧である通常のDCバス電圧での動作では、N-ドリフト層の半分以上まで空乏層が広がる。
In the IGBTs disclosed in
そのため、スイッチングの途中で内部の余剰キャリアが枯渇して、素子両端電圧の変化率(dV/dt)や素子電流の減少率(−dI/dt)が急峻となる。この結果、サージ電圧が素子耐圧を超えてしまい、素子が破壊されたり、数MHz以上の振動数で発振したりしてしまうという問題点がある。このような波形発振が発生するメカニズムは、上記特許文献1に開示されているようなダイオードの発振現象と同じメカニズムである。
For this reason, the internal excess carriers are depleted during switching, and the rate of change in the voltage across the device (dV / dt) and the rate of decrease in the device current (−dI / dt) become steep. As a result, there is a problem that the surge voltage exceeds the device withstand voltage and the device is destroyed or oscillates at a frequency of several MHz or more. The mechanism by which such waveform oscillation occurs is the same mechanism as the diode oscillation phenomenon disclosed in
また、従来構造のIGBTでは、N-ドリフト層の厚さを薄くすることによって、高速
かつ低損失なスイッチング特性(ターンオフ・ターンオン損失)や低い導通損失(飽和電圧)の素子を得ることができる。しかし、この場合、内部の余剰キャリアが減少するため、上述した素子の破壊や発振が起こりやすくなってしまうという問題点がある。
Further, in the IGBT having the conventional structure, by reducing the thickness of the N − drift layer, it is possible to obtain an element having high-speed and low-loss switching characteristics (turn-off / turn-on loss) and low conduction loss (saturation voltage). However, in this case, there is a problem that the above-mentioned element is easily broken or oscillated because excess carriers in the inside are reduced.
ここで、本発明者が行った実験結果について説明する。この実験では、FZ−N型シリコンウェハーにプロトンを照射し、熱処理を行った後、拡がり抵抗測定法により濃度プロファイルを直接評価した。ウェハーの比抵抗は330Ωcmであり、リン濃度は1.4×1013/cm3であった。また、プロトンの照射エネルギーは7.9MeVであり、ドー
ズ量は1.0×1012/cm2であった。そして、アルミアブソーバーを用いてプロト
ンの飛程がシリコン表面、すなわちプロトンの照射面から約50μmの深さになるように
した。なお、プロトンの照射面には、10000オングストロームの厚さの熱酸化膜を形成した。
Here, the result of the experiment conducted by the present inventor will be described. In this experiment, the FZ-N type silicon wafer was irradiated with protons and subjected to heat treatment, and then the concentration profile was directly evaluated by the spread resistance measurement method. The specific resistance of the wafer was 330 Ωcm, and the phosphorus concentration was 1.4 × 10 13 / cm 3 . The proton irradiation energy was 7.9 MeV, and the dose was 1.0 × 10 12 / cm 2 . An aluminum absorber was used to adjust the proton range to a depth of about 50 μm from the silicon surface, that is, the proton irradiation surface. A thermal oxide film having a thickness of 10,000 angstroms was formed on the proton irradiation surface.
熱処理条件は、350℃で60分とした。また、窒素および水素雰囲気でアニールを行った。このようにした作製した試料を、角度が5°44′であるマウントに貼り付け、ウェハーの断面が露出するように1/20ダイヤモンドコンパウンドを用いて研磨した。 The heat treatment condition was 350 ° C. for 60 minutes. Also, annealing was performed in a nitrogen and hydrogen atmosphere. The sample thus prepared was affixed to a mount having an angle of 5 ° 44 ′ and polished using a 1/20 diamond compound so that the cross section of the wafer was exposed.
また、solid state measurement社製のSSM2000を用いて試料の拡がり抵抗を測定した。その測定により得られた抵抗値をキャリア濃度に換算した結果を図26に示す。図26において、縦軸はキャリア濃度であり、横軸はウェハー表面(プロトンの照射面)からの距離、すなわち深さである。 Further, the spreading resistance of the sample was measured using SSM2000 manufactured by solid state measurement. The result of converting the resistance value obtained by the measurement into the carrier concentration is shown in FIG. In FIG. 26, the vertical axis represents the carrier concentration, and the horizontal axis represents the distance from the wafer surface (proton irradiation surface), that is, the depth.
図26より、350℃でアニールすると、表面から50μmの深さの近傍では、プロトンを照射したウェハー(図26のプロトン照射後)の平均的な濃度が、プロトンを照射していないウェハー(図26のプロトン照射前)の濃度よりも一桁低くなっていることがわかる。これは、プロトンの飛程の前後に欠陥が多く存在しており、それによってこの深さの領域で高抵抗になっているからである。従って、特許文献1に開示されているようなブロードバッファ構造になっていないのは明らかである。以上のように、公知のプロトン照射および熱処理の方法では、所望のブロードバッファ構造を形成することは困難である。
From FIG. 26, when annealed at 350 ° C., the average concentration of the wafer irradiated with protons (after proton irradiation in FIG. 26) in the vicinity of a depth of 50 μm from the surface is the wafer not irradiated with protons (FIG. 26). It can be seen that it is an order of magnitude lower than the concentration before proton irradiation. This is because there are many defects before and after the range of protons, which results in high resistance in this depth region. Therefore, it is clear that the broad buffer structure as disclosed in
また、上述した特許文献1では、ダイオード以外のデバイスに対するブロードバッファ構造の適用例として、MOSFETや逆阻止IGBTに対するブロードバッファ構造の適用が示されている。しかしながら、パンチスルー型IGBTに対するブロードバッファ構造の適用については示されていない。ブロードバッファ構造をパンチスルー型IGBTに適用できない理由は、第1に、パンチスルー型IGBTには、MOSFETの寄生ダイオードや逆阻止IGBTの裏面PN接合によるダイオード動作がないためである。第2に、逆阻止IGBTは、空乏層が表面からのみならず裏面からも広がるので、高濃度のN+バッファ層を表面にも形成しなければならない。このため、逆阻止IGBTをパンチスルー型で形成することは、デバイスの動作上不可能であるためである。
Further, in
また、従来型のパンチスルー型IGBTにおいて、キャリア周波数が10kHz以上(典型的には20kHz)の高速動作タイプのデバイスでは、N-ドリフト層を薄くするとともに電子線照射などによって輸送効率を低くしている。このため、ターンオフ時に内部キャリアが枯渇して、素子両端電圧の急激な変化(dV/dt)や素子電流の急激な減少(−dI/dt)が発生する。これにより、ターンオフ時にサージ電圧が素子耐量を超えてデバイスが破損したり、数MHz以上の振動数の波形が発振してしまうという問題点がある。 In a conventional punch-through IGBT, in a high-speed operation type device having a carrier frequency of 10 kHz or more (typically 20 kHz), the N − drift layer is made thin and the transport efficiency is lowered by electron beam irradiation or the like. Yes. For this reason, internal carriers are depleted at the time of turn-off, and a rapid change in the voltage across the element (dV / dt) and a rapid decrease in the element current (-dI / dt) occur. As a result, there are problems that the surge voltage exceeds the element withstand capability at the time of turn-off and the device is damaged, or a waveform having a frequency of several MHz or more oscillates.
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、高速・低損失であり、かつソフトなスイッチング特性を有する半導体装置を提供することを目的とする。また、この発明は、高速・低損失であり、かつソフトなスイッチング特性を有する半導体装置を、FZバルクウェハーを用いて安価に、かつ制御性よく作製することができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a semiconductor device which has high speed and low loss and has soft switching characteristics in order to solve the above-described problems caused by the prior art. In addition, the present invention provides a method for manufacturing a semiconductor device capable of manufacturing a semiconductor device having high speed, low loss, and soft switching characteristics at low cost and with good controllability using an FZ bulk wafer. For the purpose.
上述した課題を解決し、目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、第1導電型ドリフト層と、当該第1導電型ドリフト層の第1主面側に選択的に形成された第2導電型ベース層と、当該第2導電型ベース層の表面に選択的に形成された第1導電型ソース領域と、前記第2導電型ベース層のうち前記第1導電型ドリフト層と前記第1導電型ソース領域とに挟まれる部分に接するゲート絶縁膜と当該ゲート絶縁膜に接するゲート電極とからなるMOSゲート構造と、前記第1導電型ソース領域と前記第2導電型ベース層とに接触するエミッタ電極と、前記第1導電型ドリフト層の第2主面側に形成された第2導電型コレクタ層と、当該第2導電型コレクタ層に接触するコレクタ電極と、を備える半導体装置であって、前記第1導電型ドリフト層中に当該第1導電型ドリフト層の不純物濃度が極大となる箇所が少なくとも1か所あり、かつ前記第1導電型ドリフト層の不純物濃度が、前記極大となる箇所から前記第2導電型ベース層および前記第2導電型コレクタ層の両方に向かって低くなり、さらに、前記第1導電型ドリフト層中の少なくとも当該第1導電型ドリフト層の不純物濃度が極大となる箇所に、酸素原子と水素原子が含まれており、前記第1導電型ドリフト層中の少なくとも当該第1導電型ドリフト層の不純物濃度が極大となる箇所は、該箇所の第1導電型不純物として、前記酸素原子と前記水素原子に起因する複合ドナーを有することを特徴とする。 To solve the above problems and achieve an object, a semiconductor device according to this invention includes a first conductive type drift layer, it is selectively formed on the first main surface of the first conductivity type drift layer A second conductivity type base layer; a first conductivity type source region selectively formed on a surface of the second conductivity type base layer; the first conductivity type drift layer of the second conductivity type base layer; A MOS gate structure comprising a gate insulating film in contact with a portion sandwiched between the first conductive type source region and a gate electrode in contact with the gate insulating film; and the first conductive type source region and the second conductive type base layer. A semiconductor device comprising: an emitter electrode in contact; a second conductivity type collector layer formed on the second main surface side of the first conductivity type drift layer; and a collector electrode in contact with the second conductivity type collector layer. The first conductivity type There is at least one location in the lift layer where the impurity concentration of the first conductivity type drift layer is a maximum, and the second conductivity type from the location where the impurity concentration of the first conductivity type drift layer is the maximum. In both the base layer and the second conductivity type collector layer, oxygen atoms and oxygen atoms are present at locations where the impurity concentration of at least the first conductivity type drift layer in the first conductivity type drift layer is at a maximum. Hydrogen atoms are included, and at least a portion of the first conductivity type drift layer in which the impurity concentration of the first conductivity type drift layer is maximized is defined as the first conductivity type impurity at the location, It has a composite donor derived from a hydrogen atom .
上記の発明によれば、第1導電型ドリフト層の不純物濃度が極大となる箇所に、酸素原子と水素原子に起因する複合ドナーが存在することにより、所望のブロードバッファ構造が形成される。According to the above invention, the desired broad buffer structure is formed by the presence of the composite donor due to the oxygen atom and the hydrogen atom at the position where the impurity concentration of the first conductivity type drift layer is maximized.
また、この発明にかかる半導体装置は、上記発明において、前記第1導電型ドリフト層と前記第2導電型コレクタ層との間に設けられた第1導電型バッファ層を備えることを特徴とする。The semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, a first conductivity type buffer layer provided between the first conductivity type drift layer and the second conductivity type collector layer is provided.
また、この発明にかかる半導体装置は、上記発明において、前記第1導電型バッファ層は、第1導電型不純物として、前記酸素原子と前記水素原子に起因する複合ドナーを有することを特徴とする。 The semiconductor device according to this invention, in the above invention, the first conductivity type buffer layer, a first conductivity type impurity, and having a composite donor due to the hydrogen atom and the oxygen atom .
また、この発明にかかる半導体装置は、上記発明において、前記第1導電型バッファ層の不純物濃度は、前記第1導電型ドリフト層の平均不純物濃度の5倍よりも大きいことを特徴とする。 The semiconductor device according to this invention, in the above invention, the impurity concentration of said first conductivity type buffer layer, and greater than 5 times the average impurity concentration of said first conductivity type drift layer.
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上記に記載の半導体装置を製造するにあたって、前記第1導電型ドリフト層となる第1導電型の半導体基板中に酸素を導入する工程と、前記半導体基板の第1主面または第2主面にイオン化した荷電粒子を照射して、同半導体基板中の前記第1導電型ドリフト層に結晶欠陥を導入する工程と、熱処理を行って、前記第1導電型ドリフト層に導入された結晶欠陥を回復させて前記酸素原子と前記水素原子に起因する複合ドナーを形成することにより、前記第1導電型ドリフト層の一部のネットドーピング濃度を前記半導体基板の当初のネットドーピング濃度よりも高くする工程と、を含むことを特徴とする。 According to another aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device, comprising: introducing oxygen into a first conductivity type semiconductor substrate serving as the first conductivity type drift layer when manufacturing the semiconductor device described above; Irradiating the first principal surface or the second principal surface of the semiconductor substrate with ionized charged particles to introduce crystal defects into the first conductivity type drift layer in the semiconductor substrate; By recovering crystal defects introduced into the one conductivity type drift layer to form a composite donor resulting from the oxygen atom and the hydrogen atom, the net doping concentration of a part of the first conductivity type drift layer is reduced to the semiconductor And a step of making the concentration higher than the initial net doping concentration of the substrate.
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上記発明において、前記イオン化した荷電粒子がプロトンであることを特徴とする。 A method of manufacturing a semiconductor device according to this invention, in the above invention, the ionized charged particles, characterized in that a proton.
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上記発明において、前記荷電粒子を照射する前記半導体基板の第1主面または第2主面からの前記荷電粒子の飛程が、前記第1導電型ドリフト層中の少なくとも当該第1導電型ドリフト層の不純物濃度が極大となる箇所の前記照射する主面からの距離に等しいことを特徴とする。In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, in the above invention, the range of the charged particles from the first main surface or the second main surface of the semiconductor substrate that irradiates the charged particles is the first conductivity. It is characterized in that at least the first conductivity type drift layer in the type drift layer has a maximum impurity concentration equal to the distance from the main surface to be irradiated.
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上記発明において、前記熱処理が水素雰囲気で行われることを特徴とする。The semiconductor device manufacturing method according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the heat treatment is performed in a hydrogen atmosphere.
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上記発明において、前記半導体基板の第2主面を研削する工程をさらに含むことを特徴とする。The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the method further includes a step of grinding the second main surface of the semiconductor substrate.
また、この発明にかかる半導体装置は、第1導電型ドリフト層と、当該第1導電型ドリフト層の第1主面側に選択的に形成された第2導電型ベース層と、当該第2導電型ベース層の表面に選択的に形成された第1導電型ソース領域と、前記第2導電型ベース層のうち前記第1導電型ドリフト層と前記第1導電型ソース領域とに挟まれる部分に接するゲート絶縁膜と当該ゲート絶縁膜に接するゲート電極とからなるMOSゲート構造と、前記第1導電型ソース領域と前記第2導電型ベース層とに接触するエミッタ電極と、前記第1導電型ドリフト層の第2主面側に形成された第2導電型コレクタ層と、前記第1導電型ドリフト層と前記第2導電型コレクタ層との間に設けられた第1導電型バッファ層と、前記第2導電型コレクタ層に接触するコレクタ電極と、を備える半導体装置であって、エピタキシャル成長により形成した前記第2導電型コレクタ層の第1主面側に、エピタキシャル成長により形成した前記第1導電型ドリフト層が設けられ、前記第1導電型バッファ層の不純物濃度は、前記第1導電型ドリフト層の平均不純物濃度の5倍よりも大きく、前記第2導電型コレクタ層の厚さは、前記第1導電型ドリフト層において当該第1導電型ドリフト層の平均不純物濃度よりも不純物濃度が高い領域の厚さよりも厚く、前記第1導電型ドリフト層中に当該第1導電型ドリフト層の不純物濃度が極大となる箇所が少なくとも1か所あり、かつ前記第1導電型ドリフト層の不純物濃度が、前記極大となる箇所から前記第2導電型ベース層および前記第2導電型コレクタ層の両方に向かって低くなることを特徴とする。The semiconductor device according to the present invention includes a first conductivity type drift layer, a second conductivity type base layer selectively formed on the first main surface side of the first conductivity type drift layer, and the second conductivity type. A first conductivity type source region selectively formed on the surface of the mold base layer, and a portion of the second conductivity type base layer sandwiched between the first conductivity type drift layer and the first conductivity type source region A MOS gate structure comprising a gate insulating film in contact with the gate insulating film and a gate electrode in contact with the gate insulating film, an emitter electrode in contact with the first conductive type source region and the second conductive type base layer, and the first conductive type drift A second conductivity type collector layer formed on the second main surface side of the layer; a first conductivity type buffer layer provided between the first conductivity type drift layer and the second conductivity type collector layer; The contact with the second conductivity type collector layer A first conductivity type drift layer formed by epitaxial growth is provided on the first main surface side of the second conductivity type collector layer formed by epitaxial growth, and the first conductivity type is provided. The impurity concentration of the type buffer layer is larger than five times the average impurity concentration of the first conductivity type drift layer, and the thickness of the second conductivity type collector layer is the first conductivity type drift layer in the first conductivity type drift layer. There is at least one location where the impurity concentration of the first conductivity type drift layer is maximum in the first conductivity type drift layer, which is thicker than the thickness of the region where the impurity concentration is higher than the average impurity concentration of the type drift layer. In addition, the impurity concentration of the first conductivity type drift layer is directed from the local maximum to both the second conductivity type base layer and the second conductivity type collector layer. Wherein the lower Te.
また、この発明にかかる半導体装置は、上記発明において、前記第1導電型ドリフト層の不純物濃度が極大となる箇所を含む領域の厚さは、前記第1導電型バッファ層の厚さの5倍よりも大きいことを特徴とする。In the semiconductor device according to the present invention, the thickness of the region including the portion where the impurity concentration of the first conductivity type drift layer is maximum is five times the thickness of the first conductivity type buffer layer. It is characterized by being larger than.
本発明にかかる半導体装置によれば、高速・低損失であり、かつソフトなスイッチング特性を有する半導体装置が得られる。また、本発明にかかる半導体装置の製造方法によれば、高速・低損失であり、かつソフトなスイッチング特性を有する半導体装置を、FZバルクウェハーを用いて安価に、かつ制御性よく作製することができる。 According to the semiconductor device of the present invention, a semiconductor device having high speed and low loss and soft switching characteristics can be obtained. In addition, according to the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a semiconductor device having high speed, low loss, and soft switching characteristics can be manufactured inexpensively and with good controllability using an FZ bulk wafer. it can.
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置およびその製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、NまたはPを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、NやPに付す+および−は、それぞれ相対的に不純物濃度が高いまたは低いことを意味する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 Exemplary embodiments of a semiconductor device and a method for manufacturing the same according to the present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying drawings. In the present specification and the accompanying drawings, it means that electrons or holes are majority carriers in the layers and regions with N or P, respectively. Further, + and − attached to N and P mean that the impurity concentration is relatively high or low, respectively. Note that, in the following description of the embodiments and the accompanying drawings, the same reference numerals are given to the same components, and duplicate descriptions are omitted.
(実施の形態1)
図1は、実施の形態1にかかる半導体装置の構成、ネットドーピング濃度およびプロトン分布を示す図である。図1において半導体装置の断面図100に示すように、N-ドリフト層1の一方の主面側に、Pベース層2が形成されている。また、N-ドリフト層1の他方の主面側には、N-ドリフト層1より不純物濃度が高いN型のコレクタバッファ層3が形成されている。また、コレクタバッファ層3の表面には、Pコレクタ層4が形成されている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a diagram illustrating the configuration, net doping concentration, and proton distribution of the semiconductor device according to the first embodiment. In FIG. 1, a
また、Pベース層2の表面には、エミッタ電極5が形成されている。また、N-ドリフト層1およびPベース層2に接するように、ゲート絶縁膜6およびゲート電極7からなるMOSゲート構造が形成されている。さらに、Pベース層2のうちエミッタ電極5およびゲート絶縁膜6に接する部分にN+ソース領域8が形成されている。また、Pコレクタ層4の表面には、コレクタ電極9が形成されている。
An
図1において、エミッタ電極5からの距離−ネットドーピング濃度(log)の特性図110に示すように、N-ドリフト層1のネットドーピング濃度は、N-ドリフト層1のほぼ中間付近にピークを有し、Pベース層2およびコレクタバッファ層3に向かって、傾きをもって減少している。すなわち、実施の形態1の半導体装置は、ブロードバッファ構造となっている。Pベース層2、コレクタバッファ層3およびPコレクタ層4のネットドーピング濃度は、ともにN-ドリフト層1のネットドーピング濃度よりも高い。
In Figure 1, the distance from the emitter electrode 5 - as shown in the characteristic diagram 110 of net doping concentration (log), N - net doping concentration of the
一例として、実施の形態1の半導体装置を、耐圧が1200Vクラスで、定格電流が150Aとなるように、チップサイズを10mm×10mmとして作製した場合の各部のネットドーピング濃度および寸法を例示する。寸法については、Pベース層2とエミッタ電極5との界面を基準とし、特に断らない限り、この界面からの距離で表す。
As an example, the net doping concentration and dimensions of each part when the semiconductor device of the first embodiment is manufactured with a chip size of 10 mm × 10 mm so that the withstand voltage is 1200 V class and the rated current is 150 A are illustrated. The dimension is represented by the distance from this interface, unless otherwise specified, with reference to the interface between the
Pベース層2とN-ドリフト層1との界面までの距離は、3μmである。Pコレクタ層4とコレクタ電極9との界面までの距離は、140μmである。コレクタバッファ層3とPコレクタ層4との界面から、Pコレクタ層4とコレクタ電極9との界面までの距離、すなわちPコレクタ層4の厚さは、0.5μmである。
The distance to the interface between the
Pベース層2のネットドーピング濃度は、エミッタ電極5との界面において5×1016atoms/cm3であり、N-ドリフト層1に向かって低くなり、N-ドリフト層1との界面では、5×1013atoms/cm3よりも低い。N-ドリフト層1のネットドーピング濃度は、Pベース層2との界面では、5×1013atoms/cm3よりも低いが、Pベース層2との界面近傍で5×1013atoms/cm3となる。
Net doping concentration of the
そして、N-ドリフト層1のほぼ中間付近でピークとなる箇所のネットドーピング濃度は、1.5×1014atoms/cm3である。また、N-ドリフト層1の、コレクタバッファ層3との界面およびその付近におけるネットドーピング濃度は、5×1013atoms/cm3である。
The net doping concentration at the peak in the vicinity of the middle of the N − drift layer 1 is 1.5 × 10 14 atoms / cm 3 . The net doping concentration of the N − drift layer 1 at the interface with the
コレクタバッファ層3のネットドーピング濃度は、N-ドリフト層1との界面において5×1013atoms/cm3であり、Pコレクタ層4に向かって高くなる。コレクタバッファ層3のネットドーピング濃度は、Pコレクタ層4との界面近傍でN-ドリフト層1のピークのネットドーピング濃度である1.5×1014atoms/cm3よりも高くなるが、Pコレクタ層4との界面では、5×1013atoms/cm3よりも低い。
The net doping concentration of the
Pコレクタ層4のネットドーピング濃度は、コレクタバッファ層3との界面において5×1013atoms/cm3よりも低いが、コレクタ電極9に向かって高くなり、コレクタ電極9との界面で1×1018atoms/cm3となる。
The net doping concentration of the
図1において、エミッタ電極からの距離−プロトン分布の特性図120に示すように、N-ドリフト層1のネットドーピング濃度がピークとなる箇所までの距離は、60μmである。この距離は、製造段階でPベース層2の表面にプロトンを照射したときのプロトンの飛程Rpに等しい。このプロトンの飛程Rpの前後でプロトンの濃度が高い。N-ドリフト層1には酸素原子が導入されており、酸素原子とプロトンとからなる複合ドナーによって、所望のブロードバッファ構造が形成されている。
In FIG. 1, as shown in the distance-proton distribution characteristic diagram 120 from the emitter electrode, the distance to the portion where the net doping concentration of the N − drift layer 1 reaches a peak is 60 μm. This distance is equal to the proton range Rp when the surface of the
次に、実施の形態1にかかる半導体装置の製造プロセスについて説明する。ここでは、一例として、図1に例示した寸法およびネットドーピング濃度の半導体装置(耐圧:1200Vクラス、定格電流:150A)を製造する場合について説明する。図2および図3は、実施の形態1にかかる半導体装置の製造プロセスを示す図である。まず、図2の断面図200に示すように、半導体基板として、比抵抗が40〜120Ωcm、例えば90Ωcm(リン濃度5.0×1013atoms/cm3)のFZウェハー10を用意する。
Next, a manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment will be described. Here, as an example, a case where a semiconductor device having the dimensions and net doping concentration illustrated in FIG. 1 (withstand voltage: 1200 V class, rated current: 150 A) will be described. 2 and 3 are diagrams illustrating a manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment. First, as shown in a
そして、図2の断面図210に示すように、このFZウェハー10の両面にリンガラス11を塗布し、窒素および酸素雰囲気で例えば1250℃、100時間の熱処理を行って、両面からリン(P)を拡散させる。この熱処理によって、FZウェハー10の両面からウェハー内に大量の酸素(O)が導入され、FZウェハー10における酸素濃度は、固溶限界濃度(約1×1018atoms/cm3)となる。
Then, as shown in a
次いで、断面図210に一点鎖線で示すように、FZウェハー10を研削し、ウェハー表面の高濃度のリン拡散層211を除去する。それによって、図2の断面図220に示すように、高濃度のリン拡散層211からなるN+層214を有する薄ウェハー213が得られる。この薄ウェハー213の一方の表面をポリッシュして鏡面に仕上げる。このFZウェハー10のミラー仕上げ面には、後のMOSデバイスの形成工程において、Pベース層2、エミッタ電極5、ゲート絶縁膜6およびゲート電極7からなるMOSゲート構造、N+ソース領域8が形成される。FZウェハー10の厚さは、この研削およびポリッシュ後に例えば500μmになるように、予め選定されている。
Next, as shown by the alternate long and short dash line in the
FZウェハー10のミラー仕上げ面での比抵抗は、例えば90Ωcmである。FZウェハー10の他方の表面は、リンガラス11を除去したままの状態である。この面の表面濃度は、例えば1×1020atoms/cm3程度であり、高濃度のリンが例えば80μm程度の深さまで拡散している。
The specific resistance at the mirror finished surface of the
次いで、図2の断面図230に示すように、標準的なMOSデバイスのプロセス工程によって、Pベース層となるPベース層2、エミッタ電極5、ゲート絶縁膜6およびゲート電極7からなるMOSゲート構造、N+ソース領域8を形成する。Pベース層2の濃度は、例えば5×1016atoms/cm3であり、その深さは、例えば3μmである。
Next, as shown in a
次いで、図2の断面図240に示すように、エミッタ電極5の側からFZウェハー10に、サイクロトロンにより加速されたプロトンを照射する。その際、サイクロトロンの加速電圧は、例えば7.9MeVであり、プロトンのドーズ量は、例えば1.0×1012atoms/cm2である。また、アルミアブソーバーを用い、その厚さを調節して、プロトンの飛程がFZウェハー10の半導体とエミッタ電極5との界面から60μmとなるようにする。断面図240において、×印は、プロトンの照射によりFZウェハー10内に生じた結晶欠陥12を表す。
Next, as shown in a
次いで、図3の断面図300に示すように、例えば350℃で1時間の熱処理を水素雰囲気で行い、結晶欠陥12を回復させる。それによって、FZウェハー10の半導体とエミッタ電極5との界面から60μmの深さのところを中心としてその前後に高濃度領域13ができる。この高濃度領域13によって、所望のブロードバッファ構造が形成される。
Next, as shown in a
次いで、図3の断面図310に示すように、FZウェハー10の、リンガラス11が除去された状態のままの面に対して研削やウエットエッチングを行い、FZウェハー10を所定の厚さにする。1200Vクラスの場合、この段階でのFZウェハー10の厚さは、典型的には100〜160μmである。実施の形態1では、この段階でのFZウェハー10の厚さは、例えば120μmである。
Next, as shown in a
次いで、図3の断面図320に示すように、FZウェハー10の、研削やウエットエッチングが行われた面に対してリン等のN型不純物をイオン注入する。その際の加速電圧は、例えば200keVであり、ドーズ量は、例えば5×1012atoms/cm2である。次いで、そのイオン注入面に対して、YAG第2高調波レーザ等のレーザ光をダブルパルス法にて照射する。
Next, as shown in a
ここで、ダブルパルス法とは、レーザ光の照射エリアごとに、複数のレーザ照射装置から所定の遅延時間だけ照射タイミングをずらして複数のパルスレーザを連続的に照射する方法である。ダブルパルス法については、特開2005−223301号公報に詳述されている。 Here, the double pulse method is a method of continuously irradiating a plurality of pulse lasers by shifting the irradiation timing by a predetermined delay time from a plurality of laser irradiation apparatuses for each laser light irradiation area. The double pulse method is described in detail in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-223301.
ダブルパルス法によりレーザ光を照射する際のエネルギー密度は、レーザ光の照射エリアごとに、合計で例えば3J/cm2である。また、ダブルパルスの遅延時間は、例えば300nsecである。このレーザ照射によって、その前にイオン注入されたリン等のN型不純物が電気的に活性化して、空乏層を止めるフィールドストップ層となるコレクタバッファ層3ができる。なお、コレクタバッファ層3を形成する際に注入するイオンを、リンよりも拡散係数が大きいN型元素(たとえばセレンなど)にして、リンを用いるよりも拡散深さが深いバッファ層を形成してもよい。
The energy density at the time of laser beam irradiation by the double pulse method is, for example, 3 J / cm 2 in total for each laser beam irradiation area. The delay time of the double pulse is, for example, 300 nsec. By this laser irradiation, an N-type impurity such as phosphorus ion-implanted before that is electrically activated, and a
つづいて、コレクタバッファ層3を形成した面に対して、ボロンなどのP型不純物をイオン注入する。その際の加速電圧は、例えば45keVであり、ドーズ量は、例えば1×1014atoms/cm2である。次いで、そのイオン注入面に対して例えば350℃で1時間の熱処理を行い、Pコレクタ層4を形成する。
Subsequently, a P-type impurity such as boron is ion-implanted into the surface on which the
最後に、Pコレクタ層4の表面にアルミニウム、チタン、ニッケルおよび金の順で金属を成膜しコレクタ電極9を形成して、半導体装置(IGBT)が完成する。FZウェハー10の、Pベース層2とコレクタバッファ層3の間の部分は、N-ドリフト層1となる。図3の特性図330は、断面図320の半導体装置に対応するネットドーピング濃度のプロファイルである。
Finally, a metal film is formed on the surface of the
なお、ブロードバッファ層部分におけるピークのドーピング濃度NpとN-ドリフト層1の平均ドーピング濃度Ndmの比は、Np/Ndm<5とするのが望ましい。その理由は、Np/Ndm<5とすれば、素子両端電圧の変化率(dV/dt)が小さくなるからである。また、ブロードバッファ層の実効積分濃度は、1cm2当たり8×1011/cm2以下、N-ドリフト層全体の実効積分濃度は、1cm2当たり1.2×1011/cm2とするのが望ましい。 The ratio of the peak doping concentration Np in the broad buffer layer portion to the average doping concentration Ndm in the N − drift layer 1 is preferably Np / Ndm <5. The reason is that if Np / Ndm <5, the rate of change (dV / dt) in the voltage across the element is reduced. The effective integration density of the broad buffer layer is 1 cm 2 per 8 × 10 11 / cm 2 or less, N - effective integration density of the entire drift layer is to a 1 cm 2 per 1.2 × 10 11 / cm 2 desirable.
ここで、本発明者が行った実験結果について説明する。この実験では、図2及び図3の製造プロセスと同じ条件でFZ−N型シリコンウェハーに酸素を導入し、ウェハーの表面に10000オングストロームの厚さの熱酸化膜を形成し、その表面にプロトンを照射した。ウェハーの比抵抗は330Ωcmであり、リン濃度は1.4×1013/cm3であった。プロトンの照射エネルギーを7.9MeVとし、ドーズ量を1.0×1012/cm2とした。 Here, the result of the experiment conducted by the present inventor will be described. In this experiment, oxygen was introduced into the FZ-N type silicon wafer under the same conditions as in the manufacturing process of FIGS. 2 and 3, a thermal oxide film having a thickness of 10,000 angstroms was formed on the surface of the wafer, and protons were formed on the surface. Irradiated. The specific resistance of the wafer was 330 Ωcm, and the phosphorus concentration was 1.4 × 10 13 / cm 3 . The proton irradiation energy was 7.9 MeV, and the dose was 1.0 × 10 12 / cm 2 .
その後、水素雰囲気で熱処理を行った。熱処理条件を350℃で60分とした。得られた試料を角度が5°44′であるマウントに貼り付け、ウェハーの断面が露出するように1/20ダイヤモンドコンパウンドを用いて研磨し、その露出面に対してsolid state measurement社製のSSM2000を用いて拡がり抵抗を測定した。 Thereafter, heat treatment was performed in a hydrogen atmosphere. The heat treatment condition was 350 ° C. for 60 minutes. The obtained sample was affixed to a mount having an angle of 5 ° 44 ′, polished with a 1/20 diamond compound so that the cross section of the wafer was exposed, and the exposed surface was subjected to SSM2000 manufactured by solid state measurement. Was used to measure the spreading resistance.
測定により得られた抵抗値をキャリア濃度に換算した結果を図4(熱処理温度:350℃)に示す。図4において、縦軸はキャリア濃度であり、横軸はウェハー表面(プロトンの照射面)からの距離である。 FIG. 4 (heat treatment temperature: 350 ° C.) shows the result of converting the resistance value obtained by the measurement into the carrier concentration. In FIG. 4, the vertical axis represents the carrier concentration, and the horizontal axis represents the distance from the wafer surface (proton irradiation surface).
図4より、350℃でアニールすると、表面から50μmの深さの近傍では、プロトンを照射したウェハー(図4のプロトン照射後)の平均的な濃度が、プロトンを照射していないウェハー(図4のプロトン照射前)の濃度、すなわちウェハーの当初の濃度よりも高くなっており、所望のブロードバッファ構造ができていることがわかる。なお、図4において、ウェハー表面からおよそ15μmの深さまでに高濃度領域(低抵抗領域)があるのは、酸化膜からの酸素の拡散によるものである。 As shown in FIG. 4, when annealing is performed at 350 ° C., in the vicinity of a depth of 50 μm from the surface, the average concentration of the wafer irradiated with protons (after proton irradiation in FIG. 4) is the wafer not irradiated with protons (FIG. 4). It can be seen that the desired broad buffer structure is formed. In FIG. 4, the high concentration region (low resistance region) from the wafer surface to a depth of about 15 μm is due to the diffusion of oxygen from the oxide film.
以上の説明、並びに図4と図26との比較から、ブロードバッファ構造を形成するためには、プロトンの照射により基板に水素原子を導入するだけでなく、基板に酸素が含まれていることが極めて重要であるということは、明らかである。また、熱処理によって酸素との相互作用により複合ドナーとなるためには、酸素よりも軽い元素を照射する必要がある。従って、照射する荷電粒子としては、H、He、Li、BeおよびBの中で、Liよりも軽いHやHeが好ましく、特にH(プロトン)が望ましい。 From the above description and a comparison between FIG. 4 and FIG. 26 , in order to form a broad buffer structure, not only hydrogen atoms are introduced into the substrate by proton irradiation but also oxygen is contained in the substrate. It is clear that it is extremely important. In order to become a composite donor by the interaction with oxygen by heat treatment, it is necessary to irradiate an element lighter than oxygen. Accordingly, the charged particles to be irradiated are preferably H or He lighter than Li among H, He, Li, Be and B, and particularly preferably H (proton).
図5は、実施の形態1にかかる半導体装置および従来型IGBTのターンオフ波形を示す図である。図5において、実施の形態1にかかる半導体装置(N-ドリフト層厚:120μm)のコレクタ電流Icおよびコレクタ・エミッタ間の電圧Vcを太実線で示す。また、N-ドリフト層厚が120μmの従来型IGBTのコレクタ電流Icおよびコレクタ・エミッタ間の電圧Vcを細実線で示す。また、N-ドリフト層厚が140μmの従来型IGBTのコレクタ電流Icおよびコレクタ・エミッタ間の電圧Vcを一点破線で示す。 FIG. 5 is a diagram illustrating a turn-off waveform of the semiconductor device and the conventional IGBT according to the first embodiment. In FIG. 5, the collector current Ic and the collector-emitter voltage Vc of the semiconductor device (N − drift layer thickness: 120 μm) according to the first embodiment are indicated by bold solid lines. Further, the collector current Ic and the collector-emitter voltage Vc of the conventional IGBT having an N − drift layer thickness of 120 μm are indicated by a thin solid line. Further, the collector current Ic and the collector-emitter voltage Vc of the conventional IGBT having an N − drift layer thickness of 140 μm are indicated by a one-dot broken line.
図5に示したターンオフ波形は、いずれも図6に示すスナバレス回路60における波形図である。スナバレス回路60の主回路の負荷インダクタンスLmは1mH、主回路の回路浮遊インダクタンスLsは200nHである。また、スナバレス回路60のゲート抵抗は10Ωであり、ゲート駆動電圧は±15Vである。また、測定時の接合温度はいずれも125℃とした。
All the turn-off waveforms shown in FIG. 5 are waveform diagrams in the
N-ドリフト層厚が120μmの従来型IGBTの場合、サージ電圧が50V増加して発振している。N-ドリフト層厚が140μmの従来型IGBTの場合には、N-ドリフト層厚が120μmの従来型IGBTの場合のような発振は発生していない。このように、従来型IGBTで発振を抑えるには、N-ドリフト層厚を、たとえば140μm程度まで増加させる必要がある。一方、実施の形態1にかかる半導体装置は、N-ドリフト層厚が120μmであっても発振は発生せず、スムースなスイッチング波形を示している。 In the case of a conventional IGBT having an N − drift layer thickness of 120 μm, the surge voltage increases by 50 V and oscillates. In the case of a conventional IGBT having an N − drift layer thickness of 140 μm, no oscillation occurs as in the case of a conventional IGBT having an N − drift layer thickness of 120 μm. Thus, in order to suppress oscillation in the conventional IGBT, it is necessary to increase the N − drift layer thickness to, for example, about 140 μm. On the other hand, the semiconductor device according to the first embodiment does not oscillate even when the N − drift layer thickness is 120 μm, and exhibits a smooth switching waveform.
また、実施の形態1にかかる半導体装置では、従来型IGBTに比べて損失特性が向上している。N-ドリフト層厚が140μmの従来型IGBTの飽和電圧は1.9Vであるのに対して、実施の形態1にかかる半導体装置の飽和電圧は1.7Vであり、飽和電圧が0.2Vほど低減している。また、N-ドリフト層厚が140μmの従来型IGBTのターンオフ損失は14.5mJ/cm2であるのに対して、実施の形態1にかかる半導体装置のターンオフ損失は13.5mJ/cm2であり、ターンオフ損失が7%ほど低減している。このように、実施の形態1にかかる半導体装置では、従来型IGBTと比べてトレードオフ特性を著しく向上させることができる。 In addition, the semiconductor device according to the first embodiment has improved loss characteristics as compared with the conventional IGBT. The saturation voltage of the conventional IGBT having an N − drift layer thickness of 140 μm is 1.9 V, whereas the saturation voltage of the semiconductor device according to the first embodiment is 1.7 V, and the saturation voltage is about 0.2 V. Reduced. Further, the turn-off loss of the conventional IGBT having an N − drift layer thickness of 140 μm is 14.5 mJ / cm 2 , whereas the turn-off loss of the semiconductor device according to the first embodiment is 13.5 mJ / cm 2 . The turn-off loss is reduced by about 7%. Thus, in the semiconductor device according to the first embodiment, the trade-off characteristics can be remarkably improved as compared with the conventional IGBT.
図7は、デバイスシュミレーションによる実施の形態1にかかる半導体装置のターンオフ時の内部状態の変化を示す説明図である。図8は、デバイスシュミレーションによる従来型IGBT(N-ドリフト層厚:120μm)のターンオフ時の内部状態の変化を示す説明図である。図7および図8には、エミッタ電極からの距離−不純物濃度(ドナー濃度)の関係、各時刻(μs)におけるエミッタ電極からの距離−電界強度の関係および測定開始からの各時刻(μs)におけるエミッタ電極からの距離−電子濃度の関係が示されている。 FIG. 7 is an explanatory diagram of a change in the internal state of the semiconductor device according to the first embodiment at the time of turn-off due to device simulation. FIG. 8 is an explanatory diagram showing a change in internal state at the time of turn-off of a conventional IGBT (N − drift layer thickness: 120 μm) by device simulation. 7 and 8 show the relationship between the distance from the emitter electrode-impurity concentration (donor concentration), the relationship from the emitter electrode at each time (μs) -the relationship between the electric field strength and each time (μs) from the start of measurement. The relationship between the distance from the emitter electrode and the electron concentration is shown.
図7に示すように、実施の形態1にかかる半導体装置では、時刻0.3〜0.4μsまでの間、余剰キャリアの枯渇は見られない。また、実施の形態1にかかる半導体装置では、エミッタ電極から100μm付近で空乏層の広がりが止まっている。一方で、図8に示すように、従来型IGBTでは、計測開始から時刻0.375μs以降で余剰キャリアの枯渇が見られる。また、従来型IGBTでは、エミッタ電極から120μm付近まで空乏層が広がっており、ほぼフィールドストップ層まで空乏層が広がっている。すなわち、従来型IGBTでは、空乏層の拡張によってキャリアが掃出され、余剰キャリアの枯渇が生じている。これは、上述した特許文献1に開示されている、いわゆる空間電荷領域のピン止め効果と同様の現象である。
As shown in FIG. 7, in the semiconductor device according to the first embodiment, the exhaustion of surplus carriers is not observed between time 0.3 and 0.4 μs. In the semiconductor device according to the first embodiment, the depletion layer stops spreading around 100 μm from the emitter electrode. On the other hand, as shown in FIG. 8, in the conventional IGBT, depletion of surplus carriers is observed after time 0.375 μs from the start of measurement. In the conventional IGBT, the depletion layer extends from the emitter electrode to around 120 μm, and the depletion layer extends almost to the field stop layer. That is, in the conventional IGBT, carriers are scavenged by the expansion of the depletion layer, and excess carriers are depleted. This is the same phenomenon as the so-called pinning effect of the space charge region disclosed in
(実施の形態2)
つづいて、実施の形態2にかかる半導体装置の製造プロセスについて説明する。実施の形態2にかかる半導体装置の構成は、実施の形態1にかかる半導体装置の構成と同様であるが、製造プロセスが異なる。具体的には、実施の形態1では、イオン注入およびパルス照射によってコレクタバッファ層3を形成したが、実施の形態2では、プロトンのシャドードナーによってコレクタバッファ層3を形成する。
(Embodiment 2)
Subsequently, a manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment will be described. The configuration of the semiconductor device according to the second embodiment is the same as that of the semiconductor device according to the first embodiment, but the manufacturing process is different. Specifically, in the first embodiment, the
図9は、実施の形態2にかかる半導体装置の構成、ネットドーピング濃度およびプロトン分布を示す図である。図9において半導体装置の断面図900およびエミッタ電極5からの距離−ネットドーピング濃度(log)の特性図910に示すように、実施の形態2にかかる半導体装置の構成およびネットドーピング濃度は、図1に示した実施の形態1にかかる半導体装置と同様である。
FIG. 9 is a diagram illustrating the configuration, net doping concentration, and proton distribution of the semiconductor device according to the second embodiment. In FIG. 9, the
一方、エミッタ電極5からの距離−プロトン分布の特性図920に示すように、N-ドリフト層1のネットドーピング濃度がピークとなる箇所までの距離は、50μmであり、この前後でプロトンの濃度が高い。また、深さが110〜140μmの領域において、プロトンの濃度が高い。50μmの深さの付近でプロトンの濃度が高いのは、ブロードバッファ構造を形成しているからである。また、110〜140μmの深さの領域でプロトンの濃度が高いのは、コレクタバッファ層3を形成しているからである。
On the other hand, as shown in the distance-proton distribution characteristic diagram 920 from the
なお、Pコレクタ層4とコレクタ電極9との界面までの距離が120μmであるにもかかわらず、深さが110〜140μmの領域においてプロトンの濃度が高いとしたが、これは、後述するように、120μmよりも厚い研削前のウエハーに、プロトンを、その飛程が110〜140μmとなるように照射するからである。
In addition, although the distance to the interface between the
図10および図11は、実施の形態2にかかる半導体装置の製造プロセスを示す図である。ここでは、一例として、実施の形態1にかかる半導体装置と同様の寸法およびネットドーピング濃度の半導体装置(耐圧:1200Vクラス、定格電流:150A)を製造する場合について説明する。まず、図10の断面図1000、断面図1010、断面図1020および断面図1030に示すように、図2で説明したプロセスと同様にして、リン(P)及び固溶限界濃度まで酸素が導入されたFZウエハー10のミラー仕上げ面に、標準的なMOSデバイスのプロセス工程によって、Pベース層2、エミッタ電極5、ゲート絶縁膜6およびゲート電極7からなるMOSゲート構造、N+ソース領域8を形成する。
10 and 11 are diagrams illustrating a manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment. Here, as an example, a case will be described in which a semiconductor device (withstand voltage: 1200 V class, rated current: 150 A) having the same dimensions and net doping concentration as the semiconductor device according to the first embodiment is manufactured. First, as shown in the
次いで、図10の断面図1040に示すように、エミッタ電極5の側からFZウエハー10に図2の説明と同じ条件でプロトンを照射する。ただし、アルミアブソーバーの厚さを調節して、プロトンの飛程がFZウエハー10の半導体とエミッタ電極5との界面から50μmとなるようにする(図9、特性図920のRp1参照)。断面図1040において、Pベース層2に近い側の×印は、この飛程Rp1を50μmとしたときのプロトンの照射によりFZウエハー10内に生じた結晶欠陥12を表す。
Next, as shown in a sectional view 1040 of FIG. 10, the
続いて、プロトンの飛程がFZウエハー10の半導体とエミッタ電極5との界面から110〜140μmとなるようにアルミアブソーバーの厚さを調節して(図9、特性図920のRp2参照)、エミッタ電極5の側からFZウエハー10に図2の説明と同じ条件でプロトンを照射する。断面図1040において、Pベース層2から遠い側の×印は、この飛程Rp2を110〜140μmとしたときのプロトンの照射によりFZウエハー10内に生じた結晶欠陥14を表す。
Subsequently, the thickness of the aluminum absorber is adjusted so that the proton range is 110 to 140 μm from the interface between the semiconductor of the
なお、2回目のプロトンの照射については、エミッタ電極5の反対側から照射してもよい。エミッタ電極5の反対側とは、エミッタ電極5をFZウエハー10のおもて面に形成するとすれば、FZウエハー10の裏面側のことである。裏面側から2回目のプロトン照射を行った場合のプロトンの分布を、図9の特性図920に破線で示す。
The second proton irradiation may be performed from the opposite side of the
次いで、図11の断面図1100に示すように、図3の説明と同じ条件で熱処理を行う。それによって、1回目のプロトン照射でできた結晶欠陥12の回復による第1の高濃度領域13と、2回目のプロトン照射でできた結晶欠陥14の回復による第2の高濃度領域15ができる。第1の高濃度領域13によって、所望のブロードバッファ構造が形成される。また、第2の高濃度領域15によって、コレクタバッファ層3が形成される。
Next, as shown in a
次いで、図11の断面図1110に示すように、図3の説明と同様にして、FZウエハー10を例えば120μmの厚さにする。そして、図11の断面図1120に示すように、図3の説明と同様にして、Pコレクタ層4およびコレクタ電極9を形成し、半導体装置が完成する。FZウエハー10の、Pベース層2とコレクタバッファ層3の間の部分は、N-ドリフト層1となる。図11の特性図1130は、断面図1120の半導体装置に対応するネットドーピング濃度のプロファイルである。
Next, as shown in the
(実施の形態3)
図12は、実施の形態3にかかる半導体装置の構成およびネットドーピング濃度を示す図である。実施の形態3では、N-ドリフト層1のブロードバッファ構造をアクセプタの補償によって形成する。図12において半導体装置の断面図1200に示すように、実施の形態3の半導体装置は、図1に示す実施の形態1の半導体装置のコレクタバッファ層3を薄くした構成である。その他の構成は実施の形態1と同様であるので、同一の符号を付して説明を省略する。
(Embodiment 3)
FIG. 12 is a diagram illustrating the configuration and net doping concentration of the semiconductor device according to the third embodiment. In the third embodiment, the broad buffer structure of the N − drift layer 1 is formed by acceptor compensation. As shown in a
一例として、実施の形態3の半導体装置の各部のネットドーピング濃度および寸法を例示する。ただし、実施の形態1で例示した値と異なる値のみ説明する。図12においてエミッタ電極5からの距離−ネットドーピング濃度(log)の特性図1210に示すように、Pコレクタ層4とコレクタ電極9との界面までの距離は、120μmである。
As an example, the net doping concentration and dimensions of each part of the semiconductor device of the third embodiment are illustrated. However, only values different from the values exemplified in the first embodiment will be described. In FIG. 12, the distance from the
また、半導体装置の基板全体のドナー濃度は1.5×1014atoms/cm3である。エミッタ電極5とPベース層2との界面からN-ドリフト層1のほぼ中央(ネットドーピング濃度がピークになる付近)にかけて、アクセプタとしてアルミニウム(Al)またはガリウム(Ga)が拡散されている。また、コレクタ電極9とPコレクタ層4との界面からN-ドリフト層1のほぼ中央にかけて、アクセプタとして亜鉛(Zn)または白金(Pt)が拡散されている。このアクセプタ濃度は、各位置において基板全体のドナー濃度より低くなっている。
The donor concentration of the entire substrate of the semiconductor device is 1.5 × 10 14 atoms / cm 3 . Aluminum (Al) or gallium (Ga) is diffused as an acceptor from the interface between the
次に、実施の形態3にかかる半導体装置の製造プロセスについて説明する。ここでは、一例として、図12に例示した寸法およびネットドーピング濃度の半導体装置(耐圧:1200Vクラス)を製造する場合について説明する。図13および図14は、実施の形態3にかかる半導体装置の製造プロセスを示す図である。まず、図13の断面図1300に示すように、半導体基板として、実施の形態1と同様のFZウエハー10を用意する。
Next, a manufacturing process of the semiconductor device according to the third embodiment will be described. Here, as an example, a case will be described in which a semiconductor device (withstand voltage: 1200 V class) having the dimensions and net doping concentration illustrated in FIG. 12 is manufactured. 13 and 14 are diagrams illustrating a manufacturing process of the semiconductor device according to the third embodiment. First, as shown in a
次いで、図13の断面図1310に示すように、FZウエハー10の一方の表面から、アルミニウム(またはガリウム。以下省略)をイオン注入する。その際の加速電圧は、例えば60keVであり、ドーズ量は、例えば3×1011atoms/cm2である。そして、例えば1150℃、80分の熱処理を行って、アルミニウムを拡散させ、アルミニウム拡散層1311(ガリウムを注入した場合にはガリウム拡散層)を形成する。なお、特許文献1に示すように、アルミニウムには外方拡散する性質があるため、アルミニウムを注入した場合には、窒化膜を用いて外方拡散を防止する。この拡散によって、アルミニウム拡散層1311はFZウエハー10の表面から約20μmの深さまで達する。
Next, as shown in a
次いで、図13の断面図1320に示すように、標準的なMOSデバイスのプロセス工程によって、Pベース層2、ゲート絶縁膜6およびゲート電極7からなるMOSゲート構造、N+ソース領域8などを形成する。この時、4〜8μmの浅いP層拡散時に、アルミニウムも拡散するため、アルミニウム拡散層1311は表面から約40μmまで到達する。
Next, as shown in a
次に、図13の断面図1330に示すように、FZウエハー10を裏面から研削し、厚さを140μmとする。さらに、FZウエハー10に弗硝酸によるウエットエッチングをおこない、厚さを120μmとする。その後、図14の断面図1400に示すように、FZウエハー10の裏面から亜鉛または白金をイオン注入する。その際の加速電圧は、たとえば300keV、ドーズ量は、例えば3×1011/cm2である。そして、例えば1000℃、2時間の熱処理を行って、亜鉛または白金をFZウエハー10の裏面から約30μmの深さまで拡散させる。
Next, as shown in a
つづけて、図14の断面図1410に示すように、FZウエハー10の裏面からリン(P)を、たとえば加速電圧200keV、ドーズ量1×1013/cm2でイオン注入した後、同じくFZウエハー10の裏面からボロン(B)を、たとえば加速電圧200keV、ドーズ量1×1014/cm2でイオン注入する。または、リンに代えて、リンよりも拡散係数の大きいセレン(Se)または硫黄(S)を、たとえば加速電圧200keV、ドーズ量1×1013/cm2でイオン注入した後、同じくFZウエハー10の裏面からボロン(B)を、たとえば加速電圧200keV、ドーズ量1×1014/cm2でイオン注入してもよい。
Subsequently, as shown in a
そして、例えば1000℃、30分間の熱処理を行って、空乏層を止めるためのコレクタバッファ層3を形成する。さらに、Al−1%Siを5μmスパッタリングにて成膜し、パターニングエッチングしてエミッタ電極5を形成する。
Then, for example, heat treatment is performed at 1000 ° C. for 30 minutes to form the
つぎに、図14の断面図1420、1440に示すように、Al―Siシンタを400℃で80分施し、パッシベーション用ポリイミド膜を周辺耐圧構造に形成する。断面図1420は、断面図1410に示す工程で拡散係数が小さいリンをイオン注入した場合の断面図であり、拡散深さは0.5μm程度である。また、断面図1440は、断面図1410に示す工程で拡散係数が大きいセレンまたは硫黄をイオン注入した場合の断面図であり、拡散深さは30μm程度である。
Next, as shown in
その後、FZウエハー10の裏面からボロンをイオン注入する。その際の加速電圧は、たとえば45keV、ドーズ量は、例えば1×1014/cm2である。そして、例えば380℃、1時間の熱処理を行って、Pコレクタ層4を形成する。最後に、FZウエハー10の裏面にチタン、ニッケルおよび金を蒸着してコレクタ電極9を形成する。図14の特性図1430は、断面図1420の半導体装置に対応するネットドーピング濃度のプロファイルである。図14の特性図1450は、断面図1440の半導体装置に対応するネットドーピング濃度のプロファイルである。
Thereafter, boron is ion-implanted from the back surface of the
なお、上述した実施の形態1〜3の説明では、FZウエハーを用いたIGBTについてのみ説明したが、本発明はエピタキシャルウエハーを用いたIGBTにも適用することができる。図15は、本発明をエピタキシャルウエハーに適用した半導体装置の構成およびネットドーピング濃度を示す図である。図15においてIGBTの断面図1500に示すように、Pコレクタ層となる10μm厚のP型基板1501の一方の主面に、エピタキシャル成長によってN+バッファ層(コレクタバッファ層)1502が形成されている。
In the above description of the first to third embodiments, only the IGBT using the FZ wafer has been described. However, the present invention can also be applied to the IGBT using the epitaxial wafer. FIG. 15 is a diagram showing the configuration and net doping concentration of a semiconductor device in which the present invention is applied to an epitaxial wafer. As shown in a
また、N+バッファ層1502の表面には、エピタキシャル成長によってN-ドリフト層1503が形成されている。さらに、N-ドリフト層1503の表面には、Pベース層1504、エミッタ電極1505、ゲート絶縁膜1506、ゲート電極1507、N+ソース領域1508などの表面構造が形成されている。また、P型基板1501の他方の主面には、コレクタ電極1509が形成されている。
An N − drift layer 1503 is formed on the surface of the N + buffer layer 1502 by epitaxial growth. Further, surface structures such as a
図15においてエミッタ電極からの距離−ネットドーピング濃度(log)の特性図1510に示すように、N-ドリフト層1503のネットドーピング濃度は、N-ドリフト層のほぼ中間付近にピークを有し、Pベース層1504およびN+バッファ層1502に向かって傾きをもって減少しており、図15に示すIGBTはブロードバッファ構造となっている。また、図15の特性図1510は、断面図1500のIGBTに対応するネットドーピング濃度のプロファイルである。
As shown in FIG. 1510, the distance from the emitter electrode to the net doping concentration (log) in FIG. 15 shows that the net doping concentration of the N − drift layer 1503 has a peak near the middle of the N − drift layer. It decreases with an inclination toward the
このようなブロードバッファ構造は、上記特許文献1に示されるように、N-ドリフト層1503をエピタキシャル成長させる際に、ドナーとなるガスの流量を調節することによって形成することができる。これにより、エピタキシャルウエハーを用いたパンチスルー型IGBTにおいても、特性を向上させることができる。
Such a broad buffer structure can be formed by adjusting the flow rate of a gas serving as a donor when the N − drift layer 1503 is epitaxially grown, as shown in
また、本発明は、ノンパンチスルー型IGBTにも適用することができる。図16は、本発明を適用したノンパンチスルー型IGBTの構成およびネットドーピング濃度を示す図である。図16において、断面図1600は、本発明を適用したノンパンチスルー型IGBTの構成である。また、特性図1610は、断面図1600のIGBTに対応するネットドーピング濃度のプロファイルである。
The present invention can also be applied to a non-punch through type IGBT. FIG. 16 is a diagram showing the configuration and net doping concentration of a non-punch through IGBT to which the present invention is applied. In FIG. 16, a
図16においてIGBTの断面図1600に示すように、N-ドリフト層1601の一方の主面に、Pベース層1602、エミッタ電極1603、ゲート絶縁膜1604、ゲート電極1605、N+ソース領域1606が形成されている。また、N-ドリフト層1601の他方の主面に、Pコレクタ層1607、コレクタ電極1608が形成されている。
In FIG. 16, a
前述のように、フィールドストップ層を用いることなくブロードバッファ層を形成することが可能であるため、ノンパンチスルー型IGBTにも本発明を適用することができる。ノンパンチスルー型IGBTは、素子耐圧と等しい電圧が印加されても、裏面のPコレクタ層まで空乏層が達しないため、フィールドストップ型IGBTに見られるような漏れ電流が発生しない。 As described above, since it is possible to form a broad buffer layer without using a field stop layer, the present invention can be applied to a non-punch through type IGBT. In the non-punch through type IGBT, even if a voltage equal to the element breakdown voltage is applied, the depletion layer does not reach the P collector layer on the back surface, so that a leakage current as seen in the field stop type IGBT does not occur.
また、本発明は、逆阻止IGBTや特開2004−363328号公報に開示されているような逆導通IGBTにも適用することもできる。図17は、本発明を適用した逆導通型IGBTの構成およびネットドーピング濃度を示す図である。図17において、断面図1700は本発明を適用した逆導通型IGBTの断面図であり、特性図1710は、断面図1700のIGBTに対応するネットドーピング濃度のプロファイルである。
The present invention can also be applied to reverse blocking IGBTs and reverse conducting IGBTs as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-363328. FIG. 17 is a diagram showing the configuration and net doping concentration of a reverse conducting IGBT to which the present invention is applied. In FIG. 17, a
本発明を適用したIGBTでは、低損失で、かつ発振を抑えたターンオフを実現できる。特に、本発明を適用した逆導通IGBTは、図17に示すように、IGBT部1720を有するとともに、還流用ダイオード部1730をモノリシックに内蔵するので、逆回復特性も同時に改善することができる。
The IGBT to which the present invention is applied can realize turn-off with low loss and suppressed oscillation. In particular, the reverse conducting IGBT to which the present invention is applied has an
さらに、本発明にかかるIGBTの適用例を図18〜図20に示す。図18に示すコンバーター−インバータ回路1800は、効率良く誘導電動機やサーボモータ等を制御することが可能で、産業や電鉄等で広く用いられる。図19に示す力率改善回路(PFC回路)1900は、AC−AC変換の入力電流を正弦波状に制御して波形改善をはかる回路であり、スイッチング電源用に用いられる。図20の回路図2000は、マトリクスコンバーター回路2001の全体図であり、回路図2010は、マトリクスコンバーター回路2001のスイッチング部2002の構成を示す図である。
Furthermore, the application example of IGBT concerning this invention is shown in FIGS. A converter-
(実施の形態4)
図21は、実施の形態4にかかる半導体装置の構成、ネットドーピング濃度を示す図である。図21において半導体装置の断面図2100に示すように、N-ドリフト層2101の一方の主面の一部に、Pエミッタ層2102が形成されている。また、N-ドリフト層2101の他方の主面側には、コレクタバッファ層2103が形成されている。また、コレクタバッファ層2103の表面には、P+コレクタ層2104が形成されている。また、P+コレクタ層2104の表面にはコレクタ電極2109が形成されている。
(Embodiment 4)
FIG. 21 is a diagram illustrating the configuration and net doping concentration of the semiconductor device according to the fourth embodiment. In FIG. 21, a
また、Pエミッタ層2102内に、N+ソース領域2108が形成されている。また、N-ドリフト層2101、Pエミッタ層2102、N+ソース領域2108に接するように、ゲート絶縁膜2106およびゲート電極2107からなるMOSゲート構造が形成されている。また、Pエミッタ層2102およびN+ソース領域2108の一部に接し、かつMOSFETゲート構造を覆うように、エミッタ電極2105が形成されている。
An N + source region 2108 is formed in the
図21において、エミッタ電極2105からの距離−ネットドーピング濃度(log)の特性図2110に示すように、N-ドリフト層2101のネットドーピング濃度は、N-ドリフト層2101のほぼ中間付近にピークを有し、Pエミッタ層2102およびコレクタバッファ層2103に向かって、傾きをもって減少している。すなわち、実施の形態4の半導体装置は、ブロードバッファ構造となっている。Pエミッタ層2102、コレクタバッファ層2103およびP+コレクタ層2104のネットドーピング濃度は、ともにN-ドリフト層2101のネットドーピング濃度よりも高い
In Figure 21, the distance from the emitter electrode 2105 - as shown in the characteristic diagram 2110 of the net doping concentration (log), N - net doping concentration of the
Pエミッタ層2102のネットドーピング濃度は、エミッタ電極2105との界面において5×1016atoms/cm3であり、N-ドリフト層2101に向かって低くなり、N-ドリフト層2101との界面では、5×1013atoms/cm3よりも低い。N-ドリフト層2101のネットドーピング濃度は、Pエミッタ層2102との界面では、5×1013atoms/cm3よりも低いが、Pエミッタ層2102との界面近傍で5×1013atoms/cm3となる。
Net doping concentration of the
N-ドリフト層2101の平均ネットドーピング濃度Ndmは、9×1013atoms/cm3である。また、N-ドリフト層2101の、コレクタバッファ層2103との界面およびその付近におけるネットドーピング濃度は、5×1013atoms/cm3である。また、コレクタバッファ層2103のネットドーピング濃度(ピーク濃度)NBは、1×1015atoms/cm3である。また、P+コレクタ層2104のネットドーピング濃度(ピーク濃度)は、1×1018atoms/cm3である。
The average net doping concentration N dm of the N − drift layer 2101 is 9 × 10 13 atoms / cm 3 . The net doping concentration of the N − drift layer 2101 at the interface with the
さらに、半導体装置の各層の厚さは、N-ドリフト層2101が120μm、コレクタバッファ層2103が15μm、P+コレクタ層2104が215μmである。
Further, the thickness of each layer of the semiconductor device is 120 μm for the N − drift layer 2101, 15 μm for the
ここで、各層の厚さおよびネットドーピング濃度は、以下のように決められる。まず、コレクタバッファ層2103のネットドーピング濃度NBは、N-ドリフト層2101の平均ネットドーピング濃度Ndmの5倍以上、すなわち、下記式(1)が成り立つようにする。
5Ndm < Nb ・・・(1)
Here, the thickness and net doping concentration of each layer are determined as follows. First, the net doping concentration N B of the
5N dm <N b (1)
これは、以下の理由による。オフ時に電圧をブロッキングする状態では、表面(エミッタ)側から裏面(コレクタ)側に向かって、N-ドリフト層2101に空乏層が広がる。パンチスルー型IGBTは、この空乏層をコレクタバッファ層2103で止めて(パンチスルーさせて)、P+コレクタ層2104に到達させないようにしている。 This is due to the following reason. In a state where the voltage is blocked at the time of OFF, a depletion layer spreads in the N − drift layer 2101 from the front surface (emitter) side to the back surface (collector) side. In the punch-through type IGBT, this depletion layer is stopped by the collector buffer layer 2103 (punched through) so as not to reach the P + collector layer 2104.
N-ドリフト層2101での空乏層の伸びは、ポアソンの式より、N-ドリフト層2101であるブロードバッファ層の平均ネットドーピング濃度(N-ドリフト層2101のリン濃度をコレクタバッファ層2103の直前まで深さ方向に積分し、N-ドリフト層2101の厚さによって割った値)Ndmによって定まる。コレクタバッファ層2103で空乏層を止めるには、コレクタバッファ層2103のネットドーピング濃度NBがN-ドリフト層2101(ブロードバッファ層)の平均ネットドーピング濃度Ndmよりも高くなければならない。
N - extension of the depletion layer in the
コレクタバッファ層2103のネットドーピング濃度NBとN-ドリフト層2101の平均ネットドーピング濃度Ndmとが同程度である場合、コレクタバッファ層2103で空乏層を止めるためには、コレクタバッファ層2103の厚さとN-ドリフト層2101の厚さとは同程度でなくてはならない。その場合、オン状態でキャリアが蓄積される領域が厚くなり、導通損失やターンオフ損失の増加につながってしまう。また、空乏層はN-ドリフト層2101の厚さの5分の1程度で止めるのが望ましい。したがって、N-ドリフト層2101の平均ネットドーピング濃度NBは、コレクタバッファ層2103のネットドーピング濃度Ndmの5倍程度、すなわち、上記式(1)が成り立つようにする。図21の例では、Ndm=9×1013atoms/cm3、NB=1×1015atmos/cm3であり、上記式(1)が成立している。
When the net doping concentration N B of the
つぎに、P+コレクタ層2104の厚さはN-ドリフト層2101の厚さよりも厚いことが望ましい。より詳細には、P+コレクタ層2104の厚さ(WA)は、N-ドリフト層2101のうちN-ドリフト層2101の平均ネットドーピング濃度よりもネットドーピング濃度が高い領域の厚さ(WM)よりも厚いことが望ましい。
Next, the thickness of the P + collector layer 2104 is preferably thicker than the thickness of the N − drift layer 2101. More specifically, the thickness of the P + collector layer 2104 (W A) is N - among
これは、以下の理由による。P+コレクタ層2104のネットドーピング濃度を矩形分布であると近似して、P+コレクタ層2104の積分ネットドーピング濃度をNAWAとおく。同様に、コレクタバッファ層2103の積分ネットドーピング濃度をNBWBとおく。ここで、NA,NBは、それぞれP+コレクタ層2104、コレクタバッファ層2103の濃度である。また、WA,WBは、それぞれP+コレクタ層2104、コレクタバッファ層2103の厚さである。
This is due to the following reason. The net doping concentration of the P + collector layer 2104 is approximated as a rectangular distribution, placing the integral net doping concentration of the P + collector layer 2104 and the N A W A. Similarly, place the integral net doping concentration of the
このとき、コレクタバッファ層2103に限った輸送効率をαt、P+コレクタ層2104からコレクタバッファ層2103への注入効率をγe、両極性キャリアの拡散長をLaとすると、コレクタバッファ層2103のコモンベース増幅率α0は、下記式(2)で表される。
In this case, the injection efficiency of the transport efficiency only
高濃度P型基板(P+コレクタ層2104)からの注入は高注入である。このため、高濃度P型基板からの低注入条件として、注入効率γeはおよそ1であることが望ましい。また、NA>NBであることから、下記式(3)が成り立つようにする。
WA >> WB ・・・(3)
The implantation from the high concentration P-type substrate (P + collector layer 2104) is a high implantation. For this reason, it is desirable that the injection efficiency γ e is about 1 as a low injection condition from the high concentration P-type substrate. Further, since N A > N B , the following formula (3) is established.
W A >> W B (3)
一方、ブロードバッファ層(N-ドリフト層2101)で空乏層の電界強度を減衰させるのは、ネットドーピング濃度が平均ネットドーピング濃度以上となる領域、すなわち、ネットドーピング濃度が平均ネットドーピング濃度となる2点に挟まれた領域M(厚さWM)である。図21の例では、厚さWM=80μmとなっている。上記式(1)で示すように5Ndm<Nbであるため、領域Mの厚さWMはWBの少なくとも5倍は必要である。すなわち、下記式(4)が成り立つようにする。
WM/5 > WB ・・・(4)
On the other hand, the field strength of the depletion layer is attenuated in the broad buffer layer (N − drift layer 2101) in the region where the net doping concentration is equal to or higher than the average net doping concentration, that is, the net doping concentration becomes the average
W M / 5> W B (4)
下記式(3),(4)から、ブロードバッファ層における厚さWMは下記式(5)が成り立つようにしなければならない。また、P+コレクタ層2104からのホールの注入効率を高く維持しなければならないため、P+コレクタ層2104の厚さWAは、望ましくは下記式(6)が成り立つようにするのがよい。すなわち、P+コレクタ層2104の厚さ(WA)は、N-ドリフト層2101のうちN-ドリフト層2101の平均ネットドーピング濃度よりもネットドーピング濃度が高い領域の厚さ(WM)よりも厚いことが望ましい。
WA >> WM/5 > WB ・・・(5)
WA > WM ・・・(6)
From the following formulas (3) and (4), the thickness W M in the broad buffer layer must satisfy the following formula (5). In addition, since the hole injection efficiency from the P + collector layer 2104 must be kept high, the thickness W A of the P + collector layer 2104 should preferably satisfy the following formula (6). That is, the thickness of the P + collector layer 2104 (W A) is, N - among the drift layer 2101 N - average net doping concentration net doping concentration than the thickness of the high region of the drift layer 2101 (W M) than Thick is desirable.
W A >> W M / 5 >> W B (5)
W A > W M (6)
つぎに、実施の形態4にかかる半導体装置の製造プロセスについて説明する。図22〜24は、実施の形態4にかかる半導体装置の製造プロセスを示す図である。まず、図22の断面図2200に示すように、半導体基板としてP+コレクタ層2104となる高濃度のP型CZウェハーを用意する。
Next, a manufacturing process of the semiconductor device according to the fourth embodiment will be described. 22 to 24 are diagrams illustrating a manufacturing process of the semiconductor device according to the fourth embodiment. First, as shown in a
つぎに、CZウエハー2201の表面(鏡面仕上げ面)に、リン濃度1×1015atoms/cm3、厚さ15μmの高濃度のN型エピタキシャル層(コレクタバッファ層2103)をエピタキシャル成長させる。つづいて、図23の断面図2300に示すように、N型エピタキシャル層2103の表面に、全体の厚さが120μmのN-ドリフト層2101(ブロードバッファ層)をエピタキシャル成長させる。
Next, a high-concentration N-type epitaxial layer (collector buffer layer 2103) having a phosphorus concentration of 1 × 10 15 atoms / cm 3 and a thickness of 15 μm is epitaxially grown on the surface (mirror-finished surface) of the CZ wafer 2201. Subsequently, as shown in a
N-ドリフト層2101のブロードバッファ構造は、リンを含むホスフィンガスの流量を調整することによって形成する。具体的には、N-ドリフト層2101のうちコレクタバッファ層2103に接する部分については、ドーピング濃度が6×1013atoms/cm3となるようにホスフィンガスの流量を絞る。その後の成長過程においては、連続的にホスフィンガスの流量を増加させ、ドーピング濃度のピークが2×1014atoms/cm3となるようにする。そして、その後は、連続的にホスフィンガスの流量を減少させ、ドーピング濃度が6×1013atmos/cm3となるようにする。なお、ドーピング濃度がピークとなる箇所は、N-ドリフト層2101の表面から50μmの深さとなるように成長速度やガス流量を制御する。
The broad buffer structure of the N − drift layer 2101 is formed by adjusting the flow rate of phosphine gas containing phosphorus. Specifically, the flow rate of the phosphine gas is reduced so that the portion of the N − drift layer 2101 in contact with the
つぎに、N-ドリフト層2101の表面に厚さ8000Åの熱酸化膜を形成する。この熱酸化膜をパターニングして、ウエットエッチングによってエッジターミネーション部を開口する。つぎに、エッジターミネーション部にボロンイオンをドーズ量1×1015atmos/cm2、加速電圧100keVでイオン注入する。そして、1150℃で200分間熱処理してドライブインさせ、ガードリング構造を形成する。その後、エッジターミネーション部の熱酸化膜を残したままウェットエッチングによって活性部を開口し、厚さ605Åのゲート絶縁膜2106を成長させる。
Next, a thermal oxide film having a thickness of 8000 mm is formed on the surface of the N − drift layer 2101. The thermal oxide film is patterned, and the edge termination portion is opened by wet etching. Next, boron ions are implanted into the edge termination portion at a dose of 1 × 10 15 atoms / cm 2 and an acceleration voltage of 100 keV. Then, heat treatment is performed at 1150 ° C. for 200 minutes to drive in to form a guard ring structure. Thereafter, the active portion is opened by wet etching while leaving the thermal oxide film at the edge termination portion, and a
つぎに、厚さ10μmのポリシリコン膜を形成してパターニングをおこなう。つづいて、Al−1%Siを5μmスパッタリングにて成膜し、パターニングエッチングしてエミッタ電極2105を形成する。つづいて、電子線を加速電圧4.6MeV、照射エネルギー300kGyで照射した後、350℃で1時間熱処理をおこなう。最後に、P+コレクタ層2104の表面にアルミニウム、チタン、ニッケルおよび金の順で金属を成膜しコレクタ電極2109を形成して、図24の断面図2400に示す半導体装置が完成する。図24の特性図2410は、断面図2400の半導体装置に対応するネットドーピング濃度のプロファイルである。
Next, a polysilicon film having a thickness of 10 μm is formed and patterned. Subsequently, an Al-1% Si film is formed by 5 μm sputtering, and patterning etching is performed to form an
図25は、実施の形態4にかかる半導体装置および従来型IGBTのターンオフ波形を示す図である。図25において、実施の形態4にかかる半導体装置のコレクタ電流Icおよびコレクタ・エミッタ間の電圧Vcを実線で示す。また、従来型IGBTのコレクタ電流Icおよびコレクタ・エミッタ間の電圧Vcを一点鎖線で示す。実施の形態4にかかる半導体装置のドリフト層の厚さと従来型IGBTのドリフト層の厚さは等しい。実施の形態4にかかる半導体装置は、従来型IGBTと比較して発振現象が抑制されている。 FIG. 25 is a diagram illustrating a turn-off waveform of the semiconductor device and the conventional IGBT according to the fourth embodiment. In FIG. 25, the collector current Ic and the collector-emitter voltage Vc of the semiconductor device according to the fourth embodiment are indicated by solid lines. Further, the collector current Ic and the collector-emitter voltage Vc of the conventional IGBT are shown by a one-dot chain line. The thickness of the drift layer of the semiconductor device according to the fourth embodiment is equal to the thickness of the drift layer of the conventional IGBT. In the semiconductor device according to the fourth embodiment, the oscillation phenomenon is suppressed as compared with the conventional IGBT.
このように、実施の形態4にかかる半導体装置は、N-ドリフト層が薄いことによって生じやすくなるターンオフ時の発振現象を、従来型IGBTと比較して抑制することができる。このため、実施の形態4にかかる半導体装置は、従来型IGBTと比較してブロードバッファ層を薄層化することが可能となり、ターンオフ損失や導通損失を低減させることができる。 As described above, the semiconductor device according to the fourth embodiment can suppress the oscillation phenomenon at the turn-off that is likely to occur due to the thin N − drift layer as compared with the conventional IGBT. For this reason, in the semiconductor device according to the fourth embodiment, the broad buffer layer can be made thinner as compared with the conventional IGBT, and the turn-off loss and the conduction loss can be reduced.
以上説明したように、本発明にかかるIGBTによれば、ブロードバッファ構造により、最も効率的に逆回復損失の低減とソフトリカバリー特性が得られるという効果を奏する。また、FZウエハーを用いる場合には、かつエピタキシャル成長工程がないので、従来よりも著しく安価であるという効果を奏する。さらに、実施の形態1および2では、ウエハーを研削して薄ウエハー化する前に、ブロードバッファ構造を形成するためのプロトンの照射や熱処理を行うので、これらの処理の際にウエハーが割れたりするのを防ぐことができる。 As described above, according to the IGBT according to the present invention, the broad buffer structure has the effect that the reverse recovery loss can be reduced and the soft recovery characteristic can be obtained most efficiently. In addition, when an FZ wafer is used, and since there is no epitaxial growth process, there is an effect that it is significantly cheaper than the conventional one. Further, in the first and second embodiments, proton irradiation and heat treatment for forming a broad buffer structure are performed before the wafer is ground and thinned, so that the wafer is cracked during these processes. Can be prevented.
また、本発明は上述した実施の形態に限らず、種々変更可能である。例えば、実施の形態中に記載した寸法や濃度、電圧値や電流値、温度や時間等の処理条件などの種々の値は一例であり、本発明はそれらの値に限定されるものではない。また、各実施の形態では第1導電型をN型とし、第2導電型をP型としたが、本発明は第1導電型をP型とし、第2導電型をN型としても同様に成り立つ。 Further, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made. For example, various values such as dimensions, concentrations, voltage values, current values, processing conditions such as temperature and time described in the embodiments are examples, and the present invention is not limited to these values. In each embodiment, the first conductivity type is N-type and the second conductivity type is P-type. However, in the present invention, the first conductivity type is P-type and the second conductivity type is N-type. It holds.
また、本発明は、1200Vクラスに限らず、600Vや1700V、あるいはそれ以上の耐圧クラスでも同様に適用可能である。例えば、600Vクラスである場合には、ウエハーの比抵抗は20〜90Ωcmであり、最終厚さが50〜70μmである。1700Vクラスである場合には、ウエハーの比抵抗は80〜200Ωcmであり、最終厚さが120〜200μmである。また、本発明は、トレンチゲート構造に限らず、プレーナゲート構造にも同様に適用可能である。 The present invention is not limited to the 1200 V class, and can be similarly applied to a withstand voltage class of 600 V, 1700 V, or higher. For example, in the 600V class, the specific resistance of the wafer is 20 to 90 Ωcm, and the final thickness is 50 to 70 μm. In the case of the 1700 V class, the specific resistance of the wafer is 80 to 200 Ωcm, and the final thickness is 120 to 200 μm. Further, the present invention is not limited to the trench gate structure but can be similarly applied to a planar gate structure.
以上のように、本発明にかかる半導体装置およびその製造方法は、電力用半導体装置に有用であり、特に、電気的損失および放射電磁ノイズの低い、環境問題を考慮したIGBTモジュールやIPM(インテリジェントパワーモジュール)に適している。 As described above, the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention are useful for power semiconductor devices, and in particular, IGBT modules and IPMs (intelligent power) that take into consideration environmental problems with low electrical loss and radiated electromagnetic noise. Module).
1 N-ドリフト層
2 Pベース層
3 コレクタバッファ層
4 Pコレクタ層
5 エミッタ電極
6 ゲート絶縁膜
7 ゲート電極
8 N+ソース領域
9 コレクタ電極
1 N − drift layer 2
Claims (11)
前記第1導電型ドリフト層中に当該第1導電型ドリフト層の不純物濃度が極大となる箇所が少なくとも1か所あり、かつ前記第1導電型ドリフト層の不純物濃度が、前記極大となる箇所から前記第2導電型ベース層および前記第2導電型コレクタ層の両方に向かって低くなり、
さらに、前記第1導電型ドリフト層中の少なくとも当該第1導電型ドリフト層の不純物濃度が極大となる箇所に、酸素原子と水素原子が含まれており、
前記第1導電型ドリフト層中の少なくとも当該第1導電型ドリフト層の不純物濃度が極大となる箇所は、該箇所の第1導電型不純物として、前記酸素原子と前記水素原子に起因する複合ドナーを有することを特徴とする半導体装置。 A first conductivity type drift layer, a second conductivity type base layer selectively formed on the first main surface side of the first conductivity type drift layer, and selectively formed on the surface of the second conductivity type base layer A first insulating type source region, a gate insulating film in contact with a portion of the second conductive type base layer sandwiched between the first conductive type drift layer and the first conductive type source region, and the gate insulating film; Formed on the second main surface side of the first conductivity type drift layer; a MOS gate structure comprising a gate electrode in contact; an emitter electrode in contact with the first conductivity type source region and the second conductivity type base layer; A semiconductor device comprising: a second conductivity type collector layer; and a collector electrode in contact with the second conductivity type collector layer,
In the first conductivity type drift layer, there is at least one place where the impurity concentration of the first conductivity type drift layer becomes maximum, and from the place where the impurity concentration of the first conductivity type drift layer becomes maximum. Lower toward both the second conductivity type base layer and the second conductivity type collector layer;
Furthermore, oxygen atoms and hydrogen atoms are included in the first conductivity type drift layer at least where the impurity concentration of the first conductivity type drift layer is maximized,
In the first conductivity type drift layer, at least a portion where the impurity concentration of the first conductivity type drift layer becomes a maximum, a composite donor derived from the oxygen atom and the hydrogen atom is used as the first conductivity type impurity at the location. A semiconductor device comprising:
前記第1導電型ドリフト層となる第1導電型の半導体基板中に酸素を導入する工程と、
前記半導体基板の第1主面または第2主面にイオン化した荷電粒子を照射して、同半導体基板中の前記第1導電型ドリフト層に結晶欠陥を導入する工程と、
熱処理を行って、前記第1導電型ドリフト層に導入された結晶欠陥を回復させて前記酸素原子と前記水素原子に起因する複合ドナーを形成することにより、前記第1導電型ドリフト層の一部のネットドーピング濃度を前記半導体基板の当初のネットドーピング濃度よりも高くする工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 In manufacturing the semiconductor device according to any one of claims 1 to 4,
Introducing oxygen into a first conductivity type semiconductor substrate to be the first conductivity type drift layer;
A step in which the irradiated on the first major surface or second major surface of the semiconductor substrate charged particles ionized, introducing crystal defects on the first conductive type drift layer in the semiconductor substrate,
A part of the first conductivity type drift layer is formed by performing a heat treatment to recover a crystal defect introduced into the first conductivity type drift layer and forming a composite donor resulting from the oxygen atom and the hydrogen atom. A step of making the net doping concentration of the semiconductor substrate higher than the initial net doping concentration of the semiconductor substrate;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
エピタキシャル成長により形成した前記第2導電型コレクタ層の第1主面側に、エピタキシャル成長により形成した前記第1導電型ドリフト層が設けられ、
前記第1導電型バッファ層の不純物濃度は、前記第1導電型ドリフト層の平均不純物濃度の5倍よりも大きく、前記第2導電型コレクタ層の厚さは、前記第1導電型ドリフト層において当該第1導電型ドリフト層の平均不純物濃度よりも不純物濃度が高い領域の厚さよりも厚く、
前記第1導電型ドリフト層中に当該第1導電型ドリフト層の不純物濃度が極大となる箇所が少なくとも1か所あり、かつ前記第1導電型ドリフト層の不純物濃度が、前記極大となる箇所から前記第2導電型ベース層および前記第2導電型コレクタ層の両方に向かって低くなることを特徴とする半導体装置。 A first conductivity type drift layer, a second conductivity type base layer selectively formed on the first main surface side of the first conductivity type drift layer, and selectively formed on the surface of the second conductivity type base layer A first insulating type source region, a gate insulating film in contact with a portion of the second conductive type base layer sandwiched between the first conductive type drift layer and the first conductive type source region, and the gate insulating film; Formed on the second main surface side of the first conductivity type drift layer; a MOS gate structure comprising a gate electrode in contact; an emitter electrode in contact with the first conductivity type source region and the second conductivity type base layer; A second conductivity type collector layer, a first conductivity type buffer layer provided between the first conductivity type drift layer and the second conductivity type collector layer, and a collector in contact with the second conductivity type collector layer And a semiconductor device comprising: Te,
The first conductivity type drift layer formed by epitaxial growth is provided on the first main surface side of the second conductivity type collector layer formed by epitaxial growth,
The impurity concentration of the first conductivity type buffer layer is greater than five times the average impurity concentration of the first conductivity type drift layer, and the thickness of the second conductivity type collector layer is the same as that of the first conductivity type drift layer. Thicker than the thickness of the region where the impurity concentration is higher than the average impurity concentration of the first conductivity type drift layer,
In the first conductivity type drift layer, there is at least one place where the impurity concentration of the first conductivity type drift layer becomes maximum, and from the place where the impurity concentration of the first conductivity type drift layer becomes maximum. A semiconductor device characterized by being lowered toward both the second conductivity type base layer and the second conductivity type collector layer.
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WO2012081664A1 (en) * | 2010-12-17 | 2012-06-21 | 富士電機株式会社 | Semiconductor device and process for production thereof |
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KR102023175B1 (en) * | 2012-03-30 | 2019-09-19 | 후지 덴키 가부시키가이샤 | Method for manufacturing semiconductor device |
DE112013002751B4 (en) * | 2012-05-30 | 2019-08-29 | Kyushu Institute Of Technology | A high voltage insulated gate type power semiconductor device and method of manufacturing the same |
JP6190206B2 (en) * | 2012-08-21 | 2017-08-30 | ローム株式会社 | Semiconductor device |
JP6564821B2 (en) * | 2012-08-21 | 2019-08-21 | ローム株式会社 | Semiconductor device |
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WO2015037101A1 (en) * | 2013-09-12 | 2015-03-19 | トヨタ自動車株式会社 | Semiconductor device and method for manufacturing same |
JP2015060859A (en) * | 2013-09-17 | 2015-03-30 | 住友電気工業株式会社 | Silicon carbide semiconductor device and method for manufacturing silicon carbide semiconductor device |
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JP6598756B2 (en) * | 2016-11-11 | 2019-10-30 | 三菱電機株式会社 | Power semiconductor device and manufacturing method thereof |
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---|---|---|---|---|
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JP2005322712A (en) * | 2004-05-07 | 2005-11-17 | Toyota Motor Corp | Semiconductor substrate, semiconductor device, and manufacturing method thereof |
-
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9882037B2 (en) | 2016-01-29 | 2018-01-30 | Denso Corporation | IGBT-free wheeling diode combination with field stop layer in drift region |
US11777028B2 (en) | 2020-12-11 | 2023-10-03 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor device |
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