JP2002299346A - Method of manufacturing semiconductor device - Google Patents

Method of manufacturing semiconductor device

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JP2002299346A
JP2002299346A JP2001103388A JP2001103388A JP2002299346A JP 2002299346 A JP2002299346 A JP 2002299346A JP 2001103388 A JP2001103388 A JP 2001103388A JP 2001103388 A JP2001103388 A JP 2001103388A JP 2002299346 A JP2002299346 A JP 2002299346A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent breakdown voltage from lowering and contact resistance increase, while increasing the ion activation coefficient in an ion implanted layer and reducing on-voltage. SOLUTION: Cooled ion implantation 12 of BF2 is carried out on a back-side face 11 of a back-lapped semiconductor wafer (FZ n-type wafer 1) to form an ion-implanted layer 13 Fig. (b)}. Then, heat treatment is carried out, to form a high-concentration p-type collector layer 8 (p<+> diffused layer) Fig. (c)}. This ion implantation is a cooled ion implantation, in which the ions are implanted into the substrate (FZ n-type wafer 1) which is cooled at liquid nitrogen temperature (-196 deg.C), where the dose quantity is set at 3×10<13> cm<-2> or higher.

Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、絶縁ゲート型バ
イポーラトランジスタ(Insulated Gate
Bipolor Transistorで、 以下、
IGBTと称す)や絶縁ゲート型サイリスタなどの半導
体装置の製造方法に関する。
The present invention relates to an insulated gate bipolar transistor (Insulated Gate Bipolar Transistor).
In Bicolor Transistor,
IGBT) and insulated gate thyristors.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、コンピュータや通信機器の重要部
分には、多数のトランジスタや抵抗等を電気回路を構成
するように結びつけて、1チップ上に集積して形成した
集積回路(以下、ICと称す)が多用されている。この
ようなICの中で、電力用半導体素子を含むものはパワ
ーICと呼ばれている。
2. Description of the Related Art In recent years, an important part of a computer or a communication device is integrated with a large number of transistors, resistors and the like so as to constitute an electric circuit, and is integrated on one chip to form an integrated circuit (hereinafter referred to as an IC). Is often used. Among such ICs, those that include a power semiconductor element are called power ICs.

【0003】IGBTは、MOSFETの高速スイッチ
ィングおよび電圧駆動特性と、バイポーラ・トランジス
タの低オン電圧特性をワンチップに構成した電力用半導
体素子である。IGBTは、汎用インバータ、ACサー
ボや無停電電源(UPS)、スイッチング電源などの産
業分野をはじめ、電子レンジ、炊飯器、ストロボなどの
民生機器分野への応用が拡大してきている。さらに、次
世代への開発も進んでおり、新しいチップ構造を用い
た、より低オン電圧のものが開発され、応用装置の低損
失化や高効率化が図られてきている。
An IGBT is a power semiconductor device in which the high-speed switching and voltage driving characteristics of a MOSFET and the low on-voltage characteristics of a bipolar transistor are formed on a single chip. The application of IGBTs to industrial fields such as general-purpose inverters, AC servos, uninterruptible power supplies (UPS), and switching power supplies, as well as consumer electronics such as microwave ovens, rice cookers, and strobes has been expanding. Furthermore, development to the next generation is progressing, and a device with a lower on-voltage using a new chip structure has been developed, and a reduction in loss and a higher efficiency of an application device have been achieved.

【0004】IGBTの構造としては、パンチスルー
型、ノンパンチスルー型、そしてフィールドストップ型
等がある。そして、現在量産されているIGBTは、一
部のオーディオ・パワー・アンプ用のpチャネル型を除
いて、ほぼすべて、nチャネル型の縦型二重拡散構造と
なっている。以下に、nチャネル型IGBTを例に挙げ
て、各構造について説明する。
The IGBT has a punch-through type, a non-punch-through type, a field stop type, and the like. Almost all IGBTs currently mass-produced have an n-channel vertical double diffusion structure except for a part of a p-channel type for an audio power amplifier. Hereinafter, each structure will be described using an n-channel IGBT as an example.

【0005】パンチスルー型は、p+ エピタキシャル基
板(p+ 基板)とn- 層(n活性層)の間にn+ 層(n
バッファ層)を設け、n活性層中の空乏層がnバッファ
に到達する構造であり、IGBTで主流の基板構造であ
る。例えば、耐圧600V系に対しては、n活性層の厚
さは100μm程度で十分であるが、p+ 基板部分を含
むと総厚さは300〜400μmになる。そこで、エピ
タキシャル基板を用いずに、安価なFZ基板(フローテ
ィングゾーン法で製作した半導体基板のこと)を用い
て、チップの低コスト化を図った低ドーズ量の浅いp+
コレクタ層を形成したノンパンチスルー型やフィールド
ストップ型が開発されてきている。
In the punch-through type, an n + layer (n + n) is provided between ap + epitaxial substrate (p + substrate) and an n - layer (n active layer).
A buffer layer is provided, and a depletion layer in the n active layer reaches the n buffer. The IGBT has a mainstream substrate structure. For example, for a 600 V breakdown voltage system, the thickness of the n active layer is about 100 μm is sufficient, but the total thickness is 300 to 400 μm including the p + substrate portion. Therefore, instead of using an epitaxial substrate, an inexpensive FZ substrate (a semiconductor substrate manufactured by a floating zone method) is used, and a low dose shallow p +
Non-punch-through and field stop types having a collector layer have been developed.

【0006】図10は、低ドーズ量の浅いp+ コレクタ
層を採用したノンパンチスルー(NPT)型IGBTの
断面構造である。低ドーズ量の浅いp型コレクタ層58
(低注入のp+ コレクタ層)を採用したノンパンチスル
ー型は、エピタキシャル成長基板のようなp+ 基板を使
わないので、基板総厚さはパンチスルー型よりも大幅に
薄くなる。この構造では、p型コレクタ層58の濃度
で、正孔の注入効率を制御できるので、ライフタイム制
御を行わなくても高速スイッチングが可能であるが、オ
ン電圧はn活性層(p型ベース層52とp型コレクタ層
58に挟まれたFZ−n基板51)の厚みと比抵抗に依
存するのでやや高い値となる。但し、前述のように、高
価なp+ エピタキシャル基板は用いずに、安価なFZ基
板を用いているため、チップの低コスト化が可能であ
る。
FIG. 10 shows a cross-sectional structure of a non-punch-through (NPT) type IGBT employing a low dose shallow p + collector layer. Low dose shallow p-type collector layer 58
The non-punch-through type adopting the (low implantation p + collector layer) does not use a p + substrate like an epitaxial growth substrate, so that the total substrate thickness is much smaller than the punch-through type. In this structure, the hole injection efficiency can be controlled by the concentration of the p-type collector layer 58, so that high-speed switching is possible without performing lifetime control. Since it depends on the thickness and the specific resistance of the FZ-n substrate 51) sandwiched between the P-type collector layer 58 and the p-type collector layer 58, the value is slightly higher. However, as described above, since an inexpensive FZ substrate is used without using an expensive p + epitaxial substrate, the cost of a chip can be reduced.

【0007】尚、図中の53はn型エミッタ層、54は
ゲート酸化膜、55はゲート電極、56は層間絶縁膜、
57はエミッタ電極、59はコレクタ電極である。図1
1は、フィールドストップ(FS)型IGBTの断面構
造である。基本構造は、パンチスルー型IGBTと同じ
あるが、やはりp+ エピタキシャル基板は用いずに、F
Z−n基板51を用いて基板の総厚さを150μm〜2
00μmとしている。パンチスルー型と同じくn活性層
(p型ベース層52と、n型フィールドストップ層60
に挟まれたFZ−n基板1)は600V耐圧に応じて1
00μm程度にしてあり、空乏化させる。そのため、n
活性層下にはn+ 層(n型フィールドストップ層60
で、n型バッファ層と同じ働きをする)を設ける。コレ
クタ側は、低ドーズ量の浅いp+ 拡散層を低注入のp型
コレクタ層58として用いる。これにより、ノンパンチ
スルー型の場合と同様にライフタイム制御は不要であ
る。
In the figure, 53 is an n-type emitter layer, 54 is a gate oxide film, 55 is a gate electrode, 56 is an interlayer insulating film,
57 is an emitter electrode, and 59 is a collector electrode. FIG.
1 is a sectional structure of a field stop (FS) type IGBT. The basic structure is the same as that of the punch-through IGBT, but without using the p + epitaxial substrate,
Using the Zn substrate 51, the total thickness of the substrate is 150 μm to 2 μm.
It is set to 00 μm. As with the punch-through type, the n active layer (p type base layer 52 and n type field stop layer 60)
FZ-n substrate 1) sandwiched between
It is about 00 μm and depleted. Therefore, n
An n + layer (n-type field stop layer 60) is formed under the active layer.
, Which performs the same function as the n-type buffer layer). On the collector side, a shallow p + diffusion layer having a low dose is used as a low-implantation p-type collector layer 58. This eliminates the need for lifetime control as in the non-punch-through type.

【0008】また、オン電圧の低減を目的として、チッ
プ表面に狭く深い溝を形成し、その側面にチャネルを形
成したトレンチIGBTの構造をノンパンチスルー型I
GBTやフィールドストップ型IGBTを組み合わせた
構造のものもある。図12は、従来のNPT−IGBT
の製造方法であり、同図(a)から同図(d)は、主要
工程の要部工程断面図である。 (1)FZ−n基板51aの表面側にゲート酸化膜54
と多結晶シリコンからなるゲート電極55を堆積、加工
し、その表面に層間絶縁膜56を堆積、加工し、絶縁ゲ
ート構造が作られる。 (2)FZ−n基板51aに、p型ベーズ層52を形成
した後に、このp型ベース層52内にn型エミッタ層5
3を形成する。 (3)n型エミッタ層53に接するようにアルミ・シリ
コン膜からなるエミッタ電極57を形成する。アルミ・
シリコン膜は、安定した接合性を低抵抗配線を実現する
ために形成し、その後、熱処理をされる。さらに、図示
しないが、エミッタ電極57を覆うようにポリイミド膜
からなる絶縁保護膜を形成する。 (4)次に裏面側より、所望の厚さまでFZ−n基板を
バックラップする(同図(a))。 (5)次に、高濃度のp型コレクタ層(p+ の拡散層)
を形成するために、裏面61より、通常のボロンの室温
イオン注入71を行い(同図(b))、その後、熱処理
を行なう(同図(c))。 (6)その後、p型コレクタ層58上に、アルミニウム
層、チタン層、ニッケル層および金層の4層からなる裏
面電極膜でコレクタ電極59を形成する(同図
(d))。最後に、図示しないが、 (7)エミッタ電極57の表面上には、アルミワイヤが
超音波ワイヤボンディング装置により固着され、もう一
方のコレクタ電極59は、半田層を介して固定部材に接
続される。
In order to reduce the on-voltage, a trench IGBT having a narrow and deep groove formed on the chip surface and a channel formed on the side surface is formed by a non-punch-through type I / O.
Some have a structure combining a GBT and a field stop IGBT. FIG. 12 shows a conventional NPT-IGBT.
FIGS. 3A to 3D are cross-sectional views of a main part of a main process. (1) A gate oxide film 54 is formed on the front side of the FZ-n substrate 51a.
And a gate electrode 55 made of polycrystalline silicon are deposited and processed, and an interlayer insulating film 56 is deposited and processed on the surface thereof to form an insulated gate structure. (2) After forming a p-type base layer 52 on the FZ-n substrate 51a, an n-type emitter layer 5 is formed in the p-type base layer 52.
Form 3 (3) An emitter electrode 57 made of an aluminum / silicon film is formed so as to be in contact with the n-type emitter layer 53. Aluminum·
The silicon film is formed to have a stable bonding property to realize a low-resistance wiring, and then is subjected to a heat treatment. Further, although not shown, an insulating protective film made of a polyimide film is formed so as to cover the emitter electrode 57. (4) Next, the FZ-n substrate is back-wrapped from the back side to a desired thickness (FIG. 7A). (5) Next, a high concentration p-type collector layer (p + diffusion layer)
In order to form, a normal room temperature ion implantation 71 of boron is performed from the back surface 61 (FIG. 3B), and thereafter, a heat treatment is performed (FIG. 3C). (6) Thereafter, a collector electrode 59 is formed on the p-type collector layer 58 by using a back electrode film composed of four layers of an aluminum layer, a titanium layer, a nickel layer, and a gold layer (FIG. 4D). Finally, although not shown, (7) an aluminum wire is fixed on the surface of the emitter electrode 57 by an ultrasonic wire bonding apparatus, and the other collector electrode 59 is connected to a fixing member via a solder layer. .

【0009】しかし、これらのFZ基板を用いた薄型の
IGBT構造で所望の特性を得るためには、熱処理、拡
散工程が重要な技術となる。以下、熱処理、拡散工程に
関連する上記の(3)のアルミニウム・シリコン膜と
(5)の裏面イオン注入、熱処理工程について記載す
る。先ず、(3)の工程に関しては、エミッタ電極57
を形成するアルミニウム・シリコン膜(シリコン含有量
が1%以下)は、スパッタ方法により基板温度を150
℃にして、膜厚を5μmとして成膜している。その後、
熱処理は、電気炉で420℃、80minで実施する。
熱処理を500℃を超える高温ですると、アルミニウム
・シリコン中のシリコン原子が層間絶縁膜56との間に
析出し、シリコン析出粒を起点とするワイヤボンディン
グ時の加圧力で、層間絶縁膜55が破壊して、ゲート電
極55とエミッタ電極57の間の耐圧劣化が発生した
り、また、この耐圧劣化を防ぐために、ワイヤボンディ
ング時の加圧力を弱めると、ワイヤとエミッタ電極57
との接着性が低下したりする不都合が生じる。
However, in order to obtain desired characteristics in a thin IGBT structure using these FZ substrates, heat treatment and diffusion steps are important technologies. Hereinafter, the aluminum / silicon film of (3) and the back surface ion implantation and heat treatment of (5) related to the heat treatment and diffusion steps will be described. First, regarding the process (3), the emitter electrode 57
The aluminum-silicon film (having a silicon content of 1% or less) is used to form a substrate temperature of 150% by a sputtering method.
C., and the film thickness was 5 μm. afterwards,
The heat treatment is performed in an electric furnace at 420 ° C. for 80 minutes.
When the heat treatment is performed at a high temperature exceeding 500 ° C., silicon atoms in the aluminum / silicon precipitate between the interlayer insulating film 56 and the interlayer insulating film 55 is broken by a pressing force at the time of wire bonding starting from silicon precipitates. Then, if the breakdown voltage between the gate electrode 55 and the emitter electrode 57 is reduced, or if the pressing force at the time of wire bonding is reduced in order to prevent the breakdown voltage, the wire and the emitter electrode 57 may be degraded.
Inconvenience that the adhesiveness with the adhesive decreases.

【0010】図13は、500℃を超える高温で熱処理
を行なった場合のシリコン析出状態を示す。図中の75
はシリコン析出粒である。図14は、図12の状態でワ
イヤーボンディングを実施し、層間絶縁膜にクラックが
発生し、ゲート−エミッタ間の短絡が起こる場合の状態
を示している図である。シリコン析出粒75で、層間絶
縁膜55に局部的にワイヤーボンディング時の加圧力が
加わり、クラック76が発生する。
FIG. 13 shows a silicon deposition state when heat treatment is performed at a high temperature exceeding 500 ° C. 75 in the figure
Are silicon precipitates. FIG. 14 is a diagram showing a state in which wire bonding is performed in the state of FIG. 12, a crack occurs in the interlayer insulating film, and a short circuit between the gate and the emitter occurs. The pressure applied during the wire bonding is locally applied to the interlayer insulating film 55 by the silicon precipitate particles 75, and a crack 76 is generated.

【0011】図15に、シリコン析出粒径と耐圧不良率
の関係、図16に、アルミニウム・シリコン膜の熱処理
温度とシリコン析出粒径の関係を示す。シリコン析出粒
径をが大きくなると、耐圧不良が増加し、シリコン析出
粒径を1μm以下とするためには、熱処理温度を500
℃以下にする必要があることがわかる。次に、(5)の
工程に関しては、p型コレクタ層58であるp型拡散層
(ここでは、不純物はボロン)は、正孔を効率良く注入
させ、さらに(6)工程で形成するコレクタ電極59で
ある裏面電極との良好なコンタクトを形成させるため
に、浅く高濃度である必要がある。ここでは、イオン注
入はドーズ量1×1015cm-2、加速電圧45keVで
注入を実施し、熱処理は、電気炉で420℃、1hrで
低温拡散を実施している。この温度は、(3)の工程で
決まっている。
FIG. 15 shows the relationship between the silicon precipitation grain size and the breakdown voltage ratio, and FIG. 16 shows the relationship between the heat treatment temperature of the aluminum / silicon film and the silicon precipitation grain size. When the silicon precipitation particle size is increased, the pressure resistance failure increases, and in order to reduce the silicon precipitation particle size to 1 μm or less, the heat treatment temperature must be set at 500 μm or less.
It is understood that the temperature needs to be lower than or equal to ° C. Next, in the step (5), the p-type diffusion layer (here, the impurity is boron), which is the p-type collector layer 58, allows holes to be efficiently injected, and further, the collector electrode formed in the step (6). In order to form a good contact with the back electrode, which is 59, it is necessary to be shallow and have a high concentration. Here, the ion implantation is performed at a dose of 1 × 10 15 cm −2 and an acceleration voltage of 45 keV, and the heat treatment is performed at 420 ° C. in an electric furnace at a low temperature for 1 hour. This temperature is determined in step (3).

【0012】図17は、広がり抵抗法により求めたp型
コレクタ層の濃度分布を示す。420℃、1hrの電気
炉熱処理(電気炉アニール)では、ピーク濃度も5×1
17cm-3以下と低く、図示しない、900℃、30m
inで電気炉熱処理(アニール)し充分に活性化した試
料(イオン活性化率80%)と比較して、イオン活性化
率は2%と非常に低い。
FIG. 17 shows the concentration distribution of the p-type collector layer obtained by the spread resistance method. In an electric furnace heat treatment (electric furnace annealing) at 420 ° C. for 1 hour, the peak concentration was also 5 × 1.
0 17 cm -3 or less, not shown, 900 ° C, 30m
The ion activation rate is very low, 2%, as compared with a sample (ion activation rate: 80%) which is sufficiently activated by heat treatment (annealing) in an electric furnace in.

【0013】[0013]

【発明が解決しようとする課題】つぎに、前記した従来
技術の問題点をまてめて説明する。 (1)アルミニウム・シリコン膜などアルミニウムを主
成分として含む膜のアニール温度を、高温(>500
℃)にすると、シリコン析出粒による耐圧劣化、または
コンタクト抵抗の増加を生じる。 (2)(1)を避けるために500℃以下の低温アニー
ルすると、裏面拡散層(ここでは、p層)のイオン活性
化率は1〜2%程度(ボロンのドーズ量が1×1015
-2注入の場合)に留まって、良好な特性を有するデバ
イスを得ることができない。
Next, the problems of the above-mentioned prior art will be described. (1) The annealing temperature of a film containing aluminum as a main component such as an aluminum / silicon film is set to a high temperature (> 500
℃), the withstand voltage is degraded due to silicon precipitates, or the contact resistance is increased. (2) When annealing at a low temperature of 500 ° C. or less to avoid (1), the ion activation rate of the back surface diffusion layer (p layer in this case) is about 1 to 2% (boron dose is 1 × 10 15 c).
(in the case of m −2 implantation), it is impossible to obtain a device having good characteristics.

【0014】この発明の目的は、前記の課題を解決し
て、イオン注入層のイオン活性化率を高めて低オン電圧
化を図り、耐圧低下とコンタクト抵抗の増加を防止でき
る半導体装置の製造方法を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, to increase the ion activation rate of an ion implantation layer to lower the on-state voltage, and to prevent a decrease in breakdown voltage and an increase in contact resistance. Is to provide.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、半導体基板の一方の面に第1主電極を形成した
後、前記半導体基板の他方の面にイオン注入層を形成
し、該イオン注入層上に第2主電極を形成する半導体装
置の製造方法において、前記イオン注入層を、冷却イオ
ン注入と、該冷却イオン注入後、低温アニールすること
で形成する製造方法とする。
In order to achieve the above object, after a first main electrode is formed on one surface of a semiconductor substrate, an ion implantation layer is formed on the other surface of the semiconductor substrate. In the method for manufacturing a semiconductor device in which a second main electrode is formed on an ion-implanted layer, the method may include forming the ion-implanted layer by cooling ion implantation and performing low-temperature annealing after the cooling ion implantation.

【0016】また、前記第1主電極を、アルミニウムを
主成分とする金属膜で形成するものとする。また、前記
イオン注入層のドーズ量を、3×1013cm-2以上とす
る。また、前記イオン注入層のドーズ量を、1×1014
cm-2以上、1×1015cm-2未満とする。
Further, the first main electrode is formed of a metal film containing aluminum as a main component. The dose of the ion-implanted layer is set to 3 × 10 13 cm −2 or more. The dose of the ion-implanted layer is 1 × 10 14
cm −2 or more and less than 1 × 10 15 cm −2 .

【0017】また、前記冷却イオン注入時の半導体基板
の温度を、室温より低く、液体窒素温度(−196℃)
以上の高い温度とする。また、前記低温アニール温度
を、300℃以上、500℃以下とする。また、前記イ
オン注入層を、ボロン(元素記号:B)もしくはBF2
を冷却イオン注入することで、形成するとよい。
Further, the temperature of the semiconductor substrate at the time of the cooling ion implantation is set to be lower than room temperature and the temperature of liquid nitrogen (−196 ° C.)
The above high temperature is set. Further, the low-temperature annealing temperature is set to 300 ° C. or more and 500 ° C. or less. Further, the ion implantation layer is made of boron (element symbol: B) or BF 2
May be formed by cooling ion implantation.

【0018】前記のように、裏面のイオン注入層の形成
に冷却イオン注入を用いて、その後、低温アニールを行
なう。冷却イオン注入では、イオン注入時に欠陥の少な
い層を形成することができ、そこに低温アニールを施す
ことにより、シリコン表面側形成層に影響を与えること
なく、つまり、ワイヤボンディング時の層間絶縁膜の破
壊(ゲート−エミッタ間の短絡)等の問題を生じること
なく、裏面拡散層の活性化を図ることができる。
As described above, cooling ion implantation is used for forming the ion implantation layer on the back surface, and then low-temperature annealing is performed. In the cooling ion implantation, a layer having few defects can be formed at the time of ion implantation, and by performing low-temperature annealing on the layer, the layer formed on the silicon surface side is not affected, that is, an interlayer insulating film is not formed at the time of wire bonding. The rear surface diffusion layer can be activated without causing a problem such as destruction (short between the gate and the emitter).

【0019】裏面のイオン注入層の形成にボロンもしく
はBF2 のイオン注入を用いて、その後、低温アニール
を用いて行なう。ボロンのイオン注入では、冷却イオン
注入時に連続的な非晶質層を形成することができ、そこ
に低温アニールを施すことにより、シリコン表面側形成
層に影響を与えることなく、裏面拡散層の活性化を図る
ことができる。
[0019] formation of the back surface of the ion-implanted layer by ion implantation of boron or BF 2, then, carried out using a low-temperature annealing. In the boron ion implantation, a continuous amorphous layer can be formed at the time of cooling ion implantation, and the low-temperature annealing is performed on the amorphous layer without affecting the silicon front-side formed layer, thereby reducing the activation of the backside diffusion layer. Can be achieved.

【0020】また、質量の大きなBF2 では室温イオン
注入でも連続的な非晶質層が形成されるが、冷却イオン
注入では、さらに、その非晶質層は、薄く形成される。
また、ボロンの場合と比べて、BF2 の場合は、イオン
注入層の厚さは薄く、イオン活性化率も高くできる。
In the case of BF 2 having a large mass, a continuous amorphous layer is formed even by ion implantation at room temperature, but the amorphous layer is formed thinner by cooling ion implantation.
In the case of BF 2 , the thickness of the ion-implanted layer is smaller and the ion activation rate can be higher than in the case of boron.

【0021】[0021]

【発明の実施の形態】図1は、この発明の第1実施例の
半導体装置の製造方法であり、同図(a)から同図
(d)は、主要工程の要部工程断面図である。この半導
体装置は、NPT−IGBTである。 (1)バックラップする前の半導体基板(FZ−n基板
1a)の表面側にゲート酸化膜4(ここでは、Si
2 )と多結晶シリコン(ここでは、Poly−Si)
からなるゲート電極5を堆積、加工し、その表面に層間
絶縁膜6(ここでは、BPSG:ボロンリンガラス)を
堆積、加工し、絶縁ゲート構造が作られる。 (2)FZ−n基板1aにp型ベーズ層2(p+ )を形
成した後に、このp型ベース層2を形成した後にこのp
型ベース層2内にn型エミッタ層3(n+ ) を形成す
る。 (3)n型エミッタ層3に接するようにアルミ・シリコ
ン膜からなる表面電極(エミッタ電極7)を形成する。
アルミ・シリコン膜は、安定した接合性を低抵抗配線を
実現するために、その後、熱処理をされる。さらに、図
示しないが、エミッタ電極7を覆うようにポリイミド膜
からなる絶縁保護膜を形成する。 (4)次に裏面側より、所望の厚さまでFZ−n基板1
aをバックラップする(同図(a))。 (5)つぎに、バックラップした半導体基板(FZ−n
基板1)の裏面11より、ボロンの冷却イオン注入12
を行い、イオン注入層13を形成し(同図(b))、そ
の後で熱処理を行ない、高濃度のp型コレクタ層8(p
+ の拡散層)を形成する。(同図(c))。
1A to 1D show a method for manufacturing a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. FIGS. 1A to 1D are cross-sectional views of main parts of main steps. . This semiconductor device is an NPT-IGBT. (1) On the front side of the semiconductor substrate (FZ-n substrate 1a) before backlap, a gate oxide film 4 (here, Si
O 2 ) and polycrystalline silicon (here, Poly-Si)
Is deposited and processed, and an interlayer insulating film 6 (here, BPSG: boron phosphorus glass) is deposited and processed on the surface thereof to form an insulated gate structure. (2) After forming the p-type base layer 2 (p + ) on the FZ-n substrate 1a, and then forming the p-type base layer 2,
An n-type emitter layer 3 (n + ) is formed in the mold base layer 2. (3) A surface electrode (emitter electrode 7) made of an aluminum / silicon film is formed in contact with the n-type emitter layer 3.
The aluminum / silicon film is thereafter subjected to a heat treatment in order to realize stable bonding and low-resistance wiring. Further, although not shown, an insulating protective film made of a polyimide film is formed so as to cover the emitter electrode 7. (4) Next, from the back side, the FZ-n substrate 1 is formed to a desired thickness.
a is back-wrapped (FIG. 7A). (5) Next, the back-wrapped semiconductor substrate (FZ-n
From the back surface 11 of the substrate 1), boron ion implantation 12 of boron is performed.
To form an ion-implanted layer 13 (FIG. 2B). Thereafter, heat treatment is performed to form a high-concentration p-type collector layer 8 (p
+ Diffusion layer). (Figure (c)).

【0022】このイオン注入は冷却イオン注入で、半導
体基板(FZ−n基板1)の温度を液体窒素温度(−1
96℃)にしてイオン注入し、そのドーズ量は、後述す
るように、3×1013以上とする。好ましくは、1×1
14以上で1×1015cm-2未満とするとよい。また、
熱処理は、後述するように、電気炉アニールを行う。そ
の温度は300℃から500℃の範囲で、時間は10分
から5時間の範囲でよく、さらに、好ましくは、温度は
400℃から450℃、時間は30分から1.5時間が
よい。 (6)その後、p型コレクタ層8上に、アルミニウム
層、チタン層、ニッケル層および金層の4層からなる裏
面電極膜であるコレクタ電極9を形成する(同図
(d))。
This ion implantation is cooling ion implantation, and the temperature of the semiconductor substrate (FZ-n substrate 1) is raised to the liquid nitrogen temperature (-1).
96 ° C.), and the dose is set to 3 × 10 13 or more as described later. Preferably, 1 × 1
It is good to be more than 0 14 and less than 1 × 10 15 cm −2 . Also,
The heat treatment is performed by electric furnace annealing as described later. The temperature may range from 300 ° C. to 500 ° C., the time may range from 10 minutes to 5 hours, and more preferably, the temperature is from 400 ° C. to 450 ° C., and the time is from 30 minutes to 1.5 hours. (6) Thereafter, on the p-type collector layer 8, a collector electrode 9 which is a back electrode film composed of four layers of an aluminum layer, a titanium layer, a nickel layer, and a gold layer is formed (FIG. 4D).

【0023】最後に、図示しないが、 (7)表面電極膜(エミッタ電極7)の表面上には、ア
ルミワイヤが超音波ワイヤボンディング装置により固着
され、もう一方の裏面電極膜(コレクタ電極8)は、半
田層を介して固定部材に接続される。前記の(1)から
(4)の工程と、(6)、(7)の工程は、従来技術で
説明した内容と同じあるので説明は省く。前記の(5)
の工程が、本発明の製造工程であり、その詳細をつぎに
説明する。
Finally, although not shown, (7) an aluminum wire is fixed on the surface of the front electrode film (emitter electrode 7) by an ultrasonic wire bonding apparatus, and the other back electrode film (collector electrode 8). Are connected to a fixing member via a solder layer. Since the steps (1) to (4) and the steps (6) and (7) have the same contents as those described in the related art, description thereof will be omitted. The above (5)
Is a manufacturing process of the present invention, and details thereof will be described below.

【0024】イオン注入の工程を、通常の室温での注入
で行なうのではなく、冷却状態にて行なう。そして、低
温アニールは、電気炉アニール(420℃、1hr)を
実施する。ここでは、その液体窒素温度(−196℃:
絶対温度=77K)でイオン注入(冷却イオン注入)を
実施し、電気炉で420℃、1hrアニールした場合
と、室温でイオン注入(室温イオン注入)した従来例と
を比較して説明する。
The ion implantation process is performed not in a normal implantation at room temperature but in a cooled state. In the low-temperature annealing, electric furnace annealing (420 ° C., 1 hour) is performed. Here, the liquid nitrogen temperature (−196 ° C .:
The ion implantation (cooling ion implantation) at an absolute temperature of 77K and annealing at 420 ° C. for 1 hour in an electric furnace will be compared with a conventional example in which ion implantation is performed at room temperature (room temperature ion implantation).

【0025】冷却イオン注入12でボロンのイオン注入
層13(p層)をドーズ量3×10 13cm-2〜1×10
15cm-2の範囲で、加速電圧45keVの条件で形成
し、その後、電気炉アニールを420℃で、1hrした
試料を作製する。また、通常のイオン注入(室温イオン
注入)でボロンのイオン注入層(p層)をドーズ量1×
1013cm-2〜1×1015cm-2の範囲で、加速電圧4
5keVの条件で形成し、その後、電気炉アニールを4
20℃で、1hrした試料を作製する。
Boron ion implantation by cooling ion implantation 12
Layer 13 (p layer) is dosed at 3 × 10 13cm-2~ 1 × 10
15cm-2Formed under the condition of an acceleration voltage of 45 keV
Then, electric furnace annealing was performed at 420 ° C. for 1 hour.
Make a sample. Normal ion implantation (room temperature ion implantation)
Implantation) to a boron ion implantation layer (p layer) with a dose of 1 ×
1013cm-2~ 1 × 1015cm-2Acceleration voltage 4
The film was formed under the condition of 5 keV, and then the electric furnace annealing was performed for 4 hours.
A sample is prepared at 20 ° C. for 1 hour.

【0026】これらの試料を広がり抵抗法(SR法)に
より濃度分布を測定する。ドーズが5×1013cm-2
上で、冷却イオン注入の方が室温イオン注入より、ピー
ク濃度が高くできる。また、拡散深さは、冷却イオン注
入の方が室温イオン注入より、浅くできる。図2は、ボ
ロンのドーズ量が3×1014cm-2の場合の濃度分布図
である。Aは冷却イオン注入であり、Bは室温イオン注
入である。この図は、前記したドーズ量1×1013cm
-2〜1×1015cm-2の範囲の内、代表例として、3×
10 14cm-2の場合を挙げた。Aのピーク濃度CPAの方
が、Bのピーク濃度CPBよりも、高ピーク濃度となり、
拡散深さはAの方が浅くなることが示されている。
These samples were subjected to the spread resistance method (SR method).
Measure the concentration distribution more. Dose is 5 × 1013cm-2Less than
Above, the cold ion implantation is faster than the room temperature ion implantation.
High density. The diffusion depth depends on the cooling ion injection.
The implantation can be shallower than room temperature ion implantation. FIG.
Ron's dose is 3 × 1014cm-2Concentration distribution diagram in case of
It is. A is for cold ion implantation, and B is for room temperature ion implantation.
Is on. This figure shows that the dose amount is 1 × 1013cm
-2~ 1 × 1015cm-2Of the ranges, 3 ×
10 14cm-2I mentioned the case. Peak concentration C of APAWho
Is the peak concentration C of BPBHigher than the peak concentration,
It is shown that the diffusion depth of A is shallower.

【0027】図3は、ボロンの注入ドーズ量に対するピ
ーク濃度の関係を示す図である。Cは冷却イオン注入で
あり、Dは室温イオン注入である。冷却イオン注入
(C)の方が、室温イオン注入(D)より、注入ドーズ
量3×1013cm-2以上でピーク濃度を大きくできる。
図4は、ボロンの注入ドーズ量に対するシート抵抗の関
係を示す図である。Cは冷却イオン注入であり、Dは室
温イオン注入である。この図は、図3と対応しており、
冷却イオン注入(C)の方が、室温イオン注入(D)よ
り、注入ドーズ量3×1013cm-2以上で低抵抗化が図
れる。
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the boron implantation dose and the peak concentration. C is a cooling ion implantation and D is a room temperature ion implantation. The cooling ion implantation (C) can increase the peak concentration at an implantation dose of 3 × 10 13 cm −2 or more than the room temperature ion implantation (D).
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the dose of boron implantation and the sheet resistance. C is a cooling ion implantation and D is a room temperature ion implantation. This figure corresponds to FIG.
The cooling ion implantation (C) can achieve lower resistance than the room temperature ion implantation (D) at an implantation dose of 3 × 10 13 cm −2 or more.

【0028】図5は、ボロンの注入ドーズ量に対するイ
オン活性化率の関係を示す図である。Cは冷却イオン注
入であり、Dは室温イオン注入である。冷却イオン注入
(C)の方が、室温イオン注入(D)より、注入ドーズ
量3×1013cm-2以上でイオン活性化率を大きくでき
る。また、冷却イオン注入(C)において、ドーズ量を
1×1014cm-2以上で、1×1015cm-2未満とする
と、イオン活性化率を15%以上にすることができる。
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the ion implantation rate and the boron implantation dose. C is a cooling ion implantation and D is a room temperature ion implantation. The ion activation rate of the cooled ion implantation (C) can be larger than that of the room temperature ion implantation (D) at an implantation dose of 3 × 10 13 cm −2 or more. In the cooling ion implantation (C), when the dose is set to 1 × 10 14 cm −2 or more and less than 1 × 10 15 cm −2 , the ion activation rate can be set to 15% or more.

【0029】前記したように、冷却イオン注入法を用い
ることで、p型コレクタ層8を形成するイオン注入層の
イオン活性化率を、ドーズ量3×1013cm-2以上で、
室温イオン注入法よりも高めることができる。また、ド
ーズ量1×1014cm-2以上で、1×1015cm-2未満
とすることで、イオン活性化率を15%以上とすること
ができる。
As described above, by using the cooling ion implantation method, the ion activation rate of the ion implantation layer forming the p-type collector layer 8 can be increased at a dose of 3 × 10 13 cm −2 or more.
It can be higher than room temperature ion implantation. Further, by setting the dose to 1 × 10 14 cm −2 or more and less than 1 × 10 15 cm −2 , the ion activation rate can be 15% or more.

【0030】このように、p型コレクタ層8の高い活性
化により、高いピーク濃度のp型コレクタ層8を形成す
ることができる。その結果、p型コレクタ層8からの正
孔の注入効率を高めることができて、オン電圧を低下さ
せることができる。また、冷却イオン注入により、高い
イオン活性化率が得られ、そのため、アニール温度を下
げることができるできて、エミッタ電極7を形成するア
ルミ・シリコン膜にシリコン析出粒が形成されず、ワイ
ヤボンディング時の層間絶縁膜6の破壊やクラック等の
発生を防止できる。
As described above, the p-type collector layer 8 having a high peak concentration can be formed by the high activation of the p-type collector layer 8. As a result, the efficiency of hole injection from the p-type collector layer 8 can be increased, and the on-voltage can be reduced. In addition, a high ion activation rate can be obtained by the cooling ion implantation, so that the annealing temperature can be lowered, and silicon precipitation particles are not formed on the aluminum / silicon film forming the emitter electrode 7, so that the wire bonding time is reduced. Of the interlayer insulating film 6 and occurrence of cracks or the like can be prevented.

【0031】また、高いイオン活性化率により、少ない
ドーズ量で、低いアニール温度で、IGBTのp型コレ
クタ層8とコレクタ電極9のオーミック性が改善でき
る。また、従来と同一のドーズ量とした場合には、高濃
度のp型コレクタ層8を形成することができて、p型コ
レクタ層8からベース層(FZ−n基板1)への正孔の
注入効率を高め、IGBTのオン特性とスイッチング特
性のトレードオフを改善することができる。
Further, the ohmic property of the p-type collector layer 8 and the collector electrode 9 of the IGBT can be improved with a low dose and a low annealing temperature due to the high ion activation rate. When the dose is the same as the conventional dose, a high-concentration p-type collector layer 8 can be formed, and holes from the p-type collector layer 8 to the base layer (FZ-n substrate 1) can be formed. The injection efficiency can be increased, and the trade-off between the ON characteristics and the switching characteristics of the IGBT can be improved.

【0032】また、前記した電気炉アニール(熱処理)
の温度は、300℃から500℃の範囲で、時間は10
分から5時間の間の組み合わせで決めてもよい。500
℃を超えると、コレクタ電極9にシリコン析出粒が発生
して好ましくない。また、300℃未満では、アニール
効果が弱く、p型コレクタ層8とコレクタ電極9との接
触抵抗が高くなり(オーミック性が良くない)、好まし
くない。
Further, the above-mentioned electric furnace annealing (heat treatment)
Temperature ranges from 300 ° C to 500 ° C for a time of 10
It may be determined by a combination of minutes to 5 hours. 500
If the temperature exceeds ℃, silicon precipitate particles are generated on the collector electrode 9, which is not preferable. If the temperature is lower than 300 ° C., the annealing effect is weak, and the contact resistance between the p-type collector layer 8 and the collector electrode 9 increases (the ohmic property is not good), which is not preferable.

【0033】この温度と時間は、400℃から450
℃、時間は30分から1.5時間の範囲で決めると、前
記した高いイオン活性化率を得る点でさらに好ましい。
図6は、この発明の第2実施例の半導体装置の製造方法
であり、同図(a)から同図(c)は主要工程の要部工
程断面図である。この半導体装置は、FS−IGBT
(フィールドストップ型IGBT)であり、ここで説明
する内容は図1の(5)の工程である。
The temperature and time range from 400 ° C. to 450
When the temperature and the temperature are determined in the range of 30 minutes to 1.5 hours, it is more preferable to obtain the above-mentioned high ion activation rate.
6A to 6C show a method of manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention. FIGS. 6A to 6C are cross-sectional views of main parts of main steps. This semiconductor device is an FS-IGBT
(Field stop type IGBT), and the content described here is the step (5) in FIG.

【0034】FZ−n基板1の裏面11に、室温イオン
注入14で、n型フィールドストップ層10なるリンの
イオン注入層15を形成し(同図(a))、その後、冷
却イオン注入16で、p型コレクタ層8となるボロンの
イオン注入層17を形成し(同図(b))、その後、電
気炉アニールして、n型フィールドストップ層10およ
びp型コレクタ層8を形成する(同図(c))。これに
より、n型フィールドストップ層を有するFS−IGB
Tとすることができる。
A phosphorus ion implantation layer 15 serving as an n-type field stop layer 10 is formed on the back surface 11 of the FZ-n substrate 1 by room-temperature ion implantation 14 (FIG. 1A). Then, a boron ion-implanted layer 17 to be the p-type collector layer 8 is formed (FIG. 3B), and thereafter, annealing is performed in an electric furnace to form the n-type field stop layer 10 and the p-type collector layer 8 (FIG. Figure (c). Thereby, the FS-IGB having the n-type field stop layer
T.

【0035】つぎに、この冷却イオン注入17の最適な
ドーズ量をつぎに説明する。FS−IGBT(フィール
ドストップ型IGBT)に適用するために、先ず、n型
フィールドストップ層を形成するために、リン(n層)
を室温でイオン注入を、ドーズ量1×1013cm-2で、
加速電圧240keV、室温(RT)で行い、その後、
冷却イオン注入で、p型コレクタ層を形成するために、
ボロンのイオン注入層(p層)をドーズ量3×1013
-2〜1×1015cm-2の範囲で、加速電圧45keV
で形成し、その後、電気炉アニールで420℃、1hr
した試料を製作する。また、同条件でリンを注入した後
に、通常の室温イオン注入を実施した場合の試料を製作
する。
Next, the optimum dose of the cooling ion implantation 17 will be described. In order to apply to the FS-IGBT (field stop type IGBT), first, in order to form an n type field stop layer, phosphorus (n layer)
At room temperature with a dose of 1 × 10 13 cm -2 ,
At an acceleration voltage of 240 keV and room temperature (RT),
In order to form a p-type collector layer by cooling ion implantation,
Boron ion-implanted layer (p-layer) with a dose of 3 × 10 13 c
The acceleration voltage is 45 keV in the range of m −2 to 1 × 10 15 cm −2.
At 420 ° C. for 1 hour by electric furnace annealing
A sample is manufactured. Further, a sample in which normal room temperature ion implantation is performed after phosphorus is implanted under the same conditions is manufactured.

【0036】両者を比較すると、冷却イオン注入の方
が、室温イオン注入よりも、3×10 13cm-2のドース
量以上でボロン(p層)のピーク濃度を向上させること
ができ、活性化することできる。このことから、第2実
施例の場合も、第1実施例の場合のドーズ量の範囲が有
効である。また、冷却イオン注入温度、低温アニール温
度、時間およびp型コレクタ層の厚さについても、第1
実施例と同様の範囲が有効である。
Comparison between the two shows that the cooling ion implantation is
But 3 × 10 better than room temperature ion implantation 13cm-2Dose of
Improve boron (p-layer) peak concentration above the amount
Can be activated. From this, the second real
Also in the case of the embodiment, there is a range of the dose amount in the case of the first embodiment.
It is effective. In addition, cooling ion implantation temperature, low temperature annealing temperature
The degree, time and thickness of the p-type collector layer are also the first.
The same range as in the embodiment is effective.

【0037】図7は、ボロンのドーズ量が3×1014
-2の場合の濃度分布図である。ここでは、前記したド
ーズ量1×1013cm-2〜1×1015cm-2の範囲の
内、代表例として、3×1014cm-2の場合を挙げた。
Eは冷却イオン注入であり、Fは室温イオン注入であ
る。Eのピーク濃度CPAの方が、Fのピーク濃度CPB
りも、高ピーク濃度となり、拡散深さはEの方が浅くな
ることが示されている。
FIG. 7 shows that the dose of boron is 3 × 10 14 c
It is a density distribution figure in the case of m- 2 . Here, a case where the dose is 3 × 10 14 cm −2 as a typical example in the range of the dose 1 × 10 13 cm −2 to 1 × 10 15 cm −2 is described.
E is a cooling ion implantation and F is a room temperature ion implantation. Towards the peak concentration C PA of E is than the peak concentration C PB of F, becomes high peak concentration, a diffusion depth has been shown towards the E becomes shallow.

【0038】前記の第1実施例および第2実施例は、イ
オン種がボロンの場合について、説明したが、質量の大
きいBF2 に代えた場合も、ドーズ量、冷却イオン注入
温度、低温アニール温度、時間について、同様の範囲
で、同様の効果が期待される。但し、ここではBF2
ボロンより質量数が大きいため、加速エネルギーを60
keVとしている。
Although the first and second embodiments have been described in connection with the case where the ion species is boron, the dose, the cooling ion implantation temperature, and the low-temperature annealing temperature can also be obtained when the BF 2 having a large mass is substituted. The same effect can be expected in the same range with respect to time. However, since BF 2 has a larger mass number than boron, the acceleration energy is 60
keV.

【0039】図8は、図2の条件で、BF2 の冷却イオ
ン注入した場合の不純物濃度と拡散深さの関係を示す図
である。拡散深さは、図2に示すボロンの場合の0.4
μmに対して、0.2μmと浅くなる。また、不純物濃
度もボロンの場合より高くなり、イオン活性化率が高く
なる。参考までに、室温イオン注入した場合の不純物プ
ロフィルを点線で示す。
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the impurity concentration and the diffusion depth when BF 2 is implanted with cooling ions under the conditions of FIG. The diffusion depth is 0.4 for boron shown in FIG.
It becomes shallower to 0.2 μm than μm. Further, the impurity concentration is higher than in the case of boron, and the ion activation rate is higher. For reference, the impurity profile at the time of room temperature ion implantation is shown by a dotted line.

【0040】図9は、ボロンをイオン注入する場合のイ
オン注入層の様子を示す図で、同図(a)は室温イオン
注入の場合、同図(b)は冷却イオン注入の場合であ
る。ボロンの室温イオン注入21では、イオン注入時に
点欠陥が多いイオン注入層22が深い箇所まで形成され
る。点欠陥が多いために、その後の低温アニールで、数
%の極めて低いイオン活性化率で、不純物層が形成され
る。
FIGS. 9A and 9B show the state of the ion implantation layer when boron ions are implanted. FIG. 9A shows the case of room temperature ion implantation, and FIG. 9B shows the case of cooling ion implantation. In the room temperature ion implantation 21 of boron, an ion implantation layer 22 having many point defects is formed to a deep portion at the time of ion implantation. Since there are many point defects, an impurity layer is formed at a very low ion activation rate of several percent in the subsequent low-temperature annealing.

【0041】一方、冷却イオン注入では、イオン注入時
に点欠陥の少ない連続した非晶質層24を形成すること
ができ、その後の低温アニールで、連続した非晶質層2
4が高いイオン活性化率で、不純物層に変化する。この
連続した非晶質層24は、3×1013cm-2以上のドー
ズ量で得ることができて、特に、1×1014cm-2以上
のドーズ量で顕著となる。
On the other hand, in the cooling ion implantation, a continuous amorphous layer 24 having a small number of point defects can be formed at the time of ion implantation.
4 changes into an impurity layer at a high ion activation rate. The continuous amorphous layer 24 can be obtained at a dose of 3 × 10 13 cm −2 or more, and is particularly remarkable at a dose of 1 × 10 14 cm −2 or more.

【0042】また、前記の非晶質層24は、ドーズ量が
多くなると、非晶質層25のように表面層に形成される
傾向があり、従って、ドーズ量が多くなるほど、不純物
プロフィルの拡散深さは小さくなる。これは室温イオン
注入には見られない傾向である。質量の大きいBF2
場合は、室温イオン注入でも連続した非晶質層が形成さ
れるが、冷却イオン注入にすると、その非晶質層は表面
層に形成され、非晶質層の厚さは、室温の場合より薄く
なる。低温アニールでのイオン活性化率もボロンより高
く、そのため、ピーク濃度は、ボロンの場合より高くな
る。これらのことは、図8に示されている。
When the dose increases, the amorphous layer 24 tends to be formed on the surface layer like the amorphous layer 25. Therefore, the diffusion of the impurity profile increases as the dose increases. The depth decreases. This does not tend to be seen with room temperature ion implantation. In the case of BF 2 having a large mass, a continuous amorphous layer is formed even at room temperature ion implantation. However, with cooling ion implantation, the amorphous layer is formed on the surface layer and the thickness of the amorphous layer is reduced. Is thinner than at room temperature. The ion activation rate in the low temperature annealing is also higher than that of boron, so that the peak concentration is higher than that of boron. These are shown in FIG.

【0043】前記した第1実施例および第2実施例につ
いてまとめると、つぎのようになる。 (1)図9で説明したメカニズムによれば、室温より低
い温度で、ボロンを冷却イオン注入すると、高いイオン
活性化率が得られる。従って、現段階では、液体窒素温
度(−196℃)で、顕著な効果が出ているが、−30
℃程度以下でも高い活性化率が得られる可能性がある。
そのため、冷却イオン注入の温度は、室温より低く、−
196℃以上の高い温度とする。好ましくは、−30℃
以下で、−196℃以上がよい。 (2)電気炉アニールの温度は300℃以上でアニール
効果が現れ、500℃を超えるとエミッタ電極7のシリ
コンが析出して、耐圧が低下し始める。そのため、アニ
ール温度は、300℃以上で、500℃以下とする。好
ましくは、400℃以上で、450℃以下がよい。 (3)アニール時間は、アニール温度が高い程短い時間
に設定しないと、やはり析出による耐圧低下が起こる。
そのため、アニール温度が350℃の場合は5時間以内
がよい。また500℃の場合で10分未満ではアニール
効果が弱く、10分以上が必要となる。従って、アニー
ル時間は、10分以上で、5時間以下とする。好ましく
は、30分以上で、1.5時間以下がよい。 (4)(1)から(3)の条件の組み合わせることで、
p型コレクタ層8の厚さは、0.3μmから0.5μm
が得られる。 (5)BF2 の冷却イオン注入の場合も、ボロンの冷却
イオン注入の場合と同様に、(1)項から(3)項の範
囲で、同様の効果が期待できる。
The first embodiment and the second embodiment are summarized as follows. (1) According to the mechanism described with reference to FIG. 9, when boron is cooled and ion-implanted at a temperature lower than room temperature, a high ion activation rate can be obtained. Therefore, at this stage, a remarkable effect is obtained at the liquid nitrogen temperature (−196 ° C.).
There is a possibility that a high activation rate can be obtained even at about ° C or lower.
Therefore, the temperature of the cooling ion implantation is lower than room temperature,
The temperature is set to a high temperature of 196 ° C. or higher. Preferably, -30 ° C
Below, -196 degreeC or more is good. (2) An annealing effect appears when the temperature of the electric furnace annealing is 300 ° C. or more, and when it exceeds 500 ° C., silicon of the emitter electrode 7 is deposited and the withstand voltage starts to decrease. Therefore, the annealing temperature is set to 300 ° C. or more and 500 ° C. or less. Preferably, the temperature is 400 ° C. or higher and 450 ° C. or lower. (3) Unless the annealing time is set to a shorter time as the annealing temperature is higher, the breakdown voltage also decreases due to precipitation.
Therefore, when the annealing temperature is 350 ° C., the time is preferably within 5 hours. In the case of 500 ° C., if the annealing time is less than 10 minutes, the annealing effect is weak, and it takes 10 minutes or more. Therefore, the annealing time is 10 minutes or more and 5 hours or less. Preferably, it is 30 minutes or more and 1.5 hours or less. (4) By combining the conditions of (1) to (3),
The thickness of the p-type collector layer 8 is 0.3 μm to 0.5 μm.
Is obtained. (5) In the case of cooling ion implantation of BF 2 , the same effect can be expected in the range of items (1) to (3), similarly to the case of cooling ion implantation of boron.

【0044】さらに、ここでは詳細な説明は省くが、電
気炉アニールの代わりに、XeClエキシマレーザー
(波長308nm、半値幅49ns)、XeFエキシマ
レーザー(波長351nm、半値幅14ns)、KrF
エキシマレーザー(波長248、YAGの第二高調波を
利用したレーザー(波長532nm)、YAGの第三高
調波を利用したレーザー(波長355nm)等を用いる
ことで、活性化率を向上させることができることは勿論
である。
Although not described in detail here, instead of electric furnace annealing, a XeCl excimer laser (wavelength 308 nm, half width 49 ns), a XeF excimer laser (wavelength 351 nm, half width 14 ns), KrF
By using an excimer laser (wavelength 248, laser using the second harmonic of YAG (wavelength 532 nm), laser using the third harmonic of YAG (wavelength 355 nm), etc., the activation rate can be improved. Of course.

【0045】[0045]

【発明の効果】この発明によれば、3×1013cm-2
上(好ましくは1×1014cm-2から1×1015cm-2
未満)のドーズ量で、ボロン(B)やBF2 の冷却イオ
ン注入を行うことで、高いイオン活性化率を得ることが
できる。高いイオン活性化率により、少ないドーズ量
で、低いアニール温度で、IGBTのコレクタ層とコレ
クタ電極のオーミック性が改善できる。
According to the present invention, 3 × 10 13 cm −2 or more (preferably 1 × 10 14 cm −2 to 1 × 10 15 cm −2).
By performing the cold ion implantation of boron (B) or BF 2 at a dose of less than about 1), a high ion activation rate can be obtained. Due to the high ion activation rate, the ohmic properties of the collector layer and the collector electrode of the IGBT can be improved with a small dose and a low annealing temperature.

【0046】また、冷却イオン注入により、アニール温
度を下げることができるできて、エミッタ電極を形成す
るアルミ・シリコン膜にシリコン析出粒が形成されず、
ワイヤボンディング時の層間絶縁膜の破壊やクラック等
の発生を防止できる。また、従来と同一のドーズ量とし
た場合には、高濃度のコレクタ層を形成することができ
て、コレクタ層からベース層への正孔の注入効率を高
め、IGBTのオン特性とスイッチング特性のトレード
オフを改善することができる。
Further, the annealing temperature can be lowered by the cooling ion implantation, and silicon precipitation particles are not formed on the aluminum / silicon film forming the emitter electrode.
It is possible to prevent the destruction of the interlayer insulating film and the occurrence of cracks and the like during wire bonding. When the dose is the same as the conventional dose, a high-concentration collector layer can be formed, the efficiency of injecting holes from the collector layer into the base layer is increased, and the ON characteristics and the switching characteristics of the IGBT are improved. Trade-offs can be improved.

【0047】裏面のイオン注入層の拡散に、冷却イオン
注入(と低温アニール)を施すことにより、表面側に影
響を与えることなく、正孔を効率良く注入させ、かつ、
コレクタ電極(裏面電極)との良好なコンタクタ形成を
行なうことができる。これにより、裏面プロセスを必要
とする電力用半導体素子を高い生産性で製造することが
できる。
By performing cooling ion implantation (and low-temperature annealing) on the diffusion of the ion implantation layer on the back surface, holes can be efficiently implanted without affecting the front side, and
Good contactor formation with the collector electrode (backside electrode) can be performed. Thus, a power semiconductor element requiring a back surface process can be manufactured with high productivity.

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

【図1】この発明の第1実施例の半導体装置の製造方法
であり、(a)から(d)は、主要工程の要部工程断面
FIGS. 1A to 1D show a method of manufacturing a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention, in which FIGS.

【図2】ボロンのドーズ量が3×1014cm-2の場合の
濃度分布図
FIG. 2 is a concentration distribution diagram when the dose amount of boron is 3 × 10 14 cm −2 .

【図3】ボロンの注入ドーズ量に対するピーク濃度の関
係を示す図
FIG. 3 is a graph showing a relationship between a peak concentration and an implantation dose of boron.

【図4】ボロンの注入ドーズ量に対するシート抵抗の関
係を示す図
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the dose of boron and the sheet resistance.

【図5】ボロンの注入ドーズ量に対する活性化率の関係
を示す図
FIG. 5 is a diagram showing a relationship between an activation dose and an implantation dose of boron.

【図6】この発明の第2実施例の半導体装置の製造方法
であり、(a)から(c)は主要工程の要部工程断面図
6 (a) to 6 (c) are cross-sectional views of main steps of a main step of a method of manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.

【図7】ボロンのドーズ量が3×1014cm-2の場合の
p層とn層を重ね合わせたときの濃度分布図
FIG. 7 is a graph showing a concentration distribution when a p-layer and an n-layer are superimposed when the boron dose is 3 × 10 14 cm −2 ;

【図8】図2の条件で、BF2 の冷却イオン注入した場
合の不純物濃度と拡散深さの関係を示す図
8 is a diagram showing the relationship between the impurity concentration and the diffusion depth when BF 2 is implanted with cooling ions under the conditions of FIG. 2;

【図9】冷却イオン注入する場合のイオン注入層の様子
を示す図で、(a)は室温イオン注入の場合、(b)は
冷却イオン注入の場合の図
FIGS. 9A and 9B are views showing the state of an ion implantation layer when cooling ion implantation is performed. FIG. 9A is a diagram showing room temperature ion implantation, and FIG. 9B is a diagram showing cooling ion implantation.

【図10】低ドーズ量の浅いp+ コレクタ層を採用した
ノンパンチスルー(NPT)型IGBTの断面構造図
FIG. 10 is a sectional structural view of a non-punch-through (NPT) type IGBT employing a low dose shallow p + collector layer;

【図11】フィールドストップ(FS)型IGBTの断
面構造図
FIG. 11 is a sectional structural view of a field stop (FS) type IGBT;

【図12】従来のNPT−IGBTの製造方法であり、
(a)から(d)は、主要工程の要部工程断面図
FIG. 12 shows a conventional method for producing an NPT-IGBT,
(A) to (d) are cross-sectional views of main processes of main processes.

【図13】500℃を超える高温で熱処理を行なった場
合のシリコン析出状態図
FIG. 13 is a diagram showing a silicon deposition state when heat treatment is performed at a high temperature exceeding 500 ° C.

【図14】層間絶縁膜にクラックが発生した図FIG. 14 is a diagram in which cracks have occurred in an interlayer insulating film.

【図15】シリコン析出粒径と耐圧不良率の関係を示す
FIG. 15 is a diagram showing a relationship between a silicon deposition particle size and a breakdown voltage failure rate.

【図16】アルミニウム・シリコン膜の熱処理温度とシ
リコン析出粒径の関係を示す図
FIG. 16 is a diagram showing the relationship between the heat treatment temperature of an aluminum / silicon film and the grain size of silicon deposition.

【図17】広がり抵抗法により求めたp型コレクタ層の
濃度分布図
FIG. 17 is a concentration distribution diagram of a p-type collector layer obtained by a spreading resistance method.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 FZ−n基板(バックラップ後) 1a FZ−n基板(バックラップ前) 2 p型ベース層 3 n型エミッタ層 4 ゲート酸化膜 5 ゲート電極 6 層間絶縁膜 7 エミッタ電極 8 p型コレクタ層 9 コレクタ電極 10 n型フィールドストップ層 11 裏面 12 冷却イオン注入 13 イオン注入層 14 室温イオン注入(リン) 15 イオン注入層(リン) 16 冷却イオン注入(ボロン) 17 イオン注入層(ボロン) A、C、E 冷却イオン注入品 B、D、F 室温イオン注入品 Reference Signs List 1 FZ-n substrate (after backlap) 1a FZ-n substrate (before backlap) 2 p-type base layer 3 n-type emitter layer 4 gate oxide film 5 gate electrode 6 interlayer insulating film 7 emitter electrode 8 p-type collector layer 9 Collector electrode 10 n-type field stop layer 11 back surface 12 cooling ion implantation 13 ion implantation layer 14 room temperature ion implantation (phosphorus) 15 ion implantation layer (phosphorus) 16 cooling ion implantation (boron) 17 ion implantation layer (boron) A, C, E Cooled ion implanted products B, D, F Room temperature ion implanted products

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 29/78 655 H01L 29/74 601B (72)発明者 野澤 正信 神奈川県川崎市川崎区田辺新田1番1号 富士電機株式会社内 Fターム(参考) 4M104 AA01 BB01 BB02 BB03 CC01 DD22 DD26 DD78 EE03 EE05 EE15 EE16 FF13 HH06 HH15 5F005 AB03 AD02 AE09 AH01 GA01──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) H01L 29/78 655 H01L 29/74 601B (72) Inventor Masanobu Nozawa 1 Tanabe Nitta, Kawasaki-ku, Kawasaki-shi, Kawasaki, Kanagawa Prefecture No.1 Fuji Electric Co., Ltd. F term (reference) 4M104 AA01 BB01 BB02 BB03 CC01 DD22 DD26 DD78 EE03 EE05 EE15 EE16 FF13 HH06 HH15 5F005 AB03 AD02 AE09 AH01 GA01

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】半導体基板の一方の面に第1主電極を形成
後、前記半導体基板の他方の面に、イオン注入層を形成
し、該イオン注入層上に第2主電極を形成する半導体装
置の製造方法において、 前記イオン注入層を、冷却イオン注入と、該冷却イオン
注入後、低温アニールすることで形成することを特徴と
する半導体装置の製造方法。
1. A semiconductor comprising: a first main electrode formed on one surface of a semiconductor substrate; an ion implantation layer formed on the other surface of the semiconductor substrate; and a second main electrode formed on the ion implantation layer. In the method for manufacturing a device, a method for manufacturing a semiconductor device, wherein the ion-implanted layer is formed by cooling ion implantation and performing low-temperature annealing after the cooling ion implantation.
【請求項2】前記第1主電極を、アルミニウムを主成分
とする金属膜で形成することを特徴とする請求項1に記
載の半導体装置の製造方法。
2. The method according to claim 1, wherein the first main electrode is formed of a metal film containing aluminum as a main component.
【請求項3】前記イオン注入層のドーズ量を、3×10
13cm-2以上とすることを特徴とする請求項1または2
に記載の半導体装置の製造方法。
3. The ion implantation layer has a dose of 3 × 10
3. The method according to claim 1, wherein the thickness is 13 cm -2 or more.
13. The method for manufacturing a semiconductor device according to item 5.
【請求項4】前記イオン注入層のドーズ量を、1×10
14cm-2以上、1×1015cm-2未満とすることを特徴
とする請求項3に記載の半導体装置の製造方法。
4. The method according to claim 1, wherein the dose of said ion-implanted layer is 1 × 10
4. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 3, wherein the thickness is 14 cm -2 or more and less than 1 × 10 15 cm -2 .
【請求項5】前記冷却イオン注入時の半導体基板の温度
を、室温より低く、液体窒素温度以上の高い温度とする
ことを特徴とする請求項1または4に記載の半導体装置
の製造方法。
5. The method according to claim 1, wherein the temperature of the semiconductor substrate at the time of the cooling ion implantation is lower than room temperature and higher than liquid nitrogen temperature.
【請求項6】前記低温アニール温度を、300℃以上、
500℃以下とすることを特徴とする請求項1ないし5
のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
6. A low-temperature annealing temperature of 300 ° C. or more,
6. The temperature is set to 500 ° C. or lower.
The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of.
【請求項7】ボロンもしくはBF2 を冷却イオン注入す
ることで、前記イオン注入層を形成することを特徴とす
る請求項1ないし6のいずれか一つに記載の半導体装置
の製造方法。
7. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein said ion-implanted layer is formed by implanting boron or BF 2 with cooling ions.
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