JP2014056881A - Semiconductor device and semiconductor device manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体装置および半導体装置の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device.
近年、インバータに代表されるパワーエレクトロニクスの分野においては、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)が家電用の用途および産業用の用途だけでなく大容量および高耐圧が要求される電鉄、車両、変電設備といった用途にまで使用されている。このようにIGBTは高耐圧半導体素子の中で主流の素子となってきている。IGBTは縦型MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)トランジスタのドレイン側にPNダイオードを追加した構造を有している。IGBTはゲート電圧駆動方式のために制御が容易であり、バイポーラ動作のために低いオン電圧を実現している。 In recent years, in the field of power electronics typified by inverters, insulated gate bipolar transistors (IGBTs) are required not only for home appliances and industrial applications, but also for electric railways, vehicles, and transformers that require large capacity and high withstand voltage. It is used for such applications. As described above, the IGBT has become a mainstream element among the high breakdown voltage semiconductor elements. The IGBT has a structure in which a PN diode is added to the drain side of a vertical MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) transistor. The IGBT is easy to control because of the gate voltage driving system, and realizes a low on-voltage for bipolar operation.
IGBTがオン動作される際は、コレクタ‐エミッタ間に順バイアスが印加された状態で、制御端子であるゲート電極に閾値電圧以上の電圧(0から20V程度)が印加される。このとき、ゲート電極下にチャネルが形成され、エミッタからドリフト領域へ向かって電子が注入されると同時に流入電子を中和する形でコレクタからドリフト領域に正孔が流入する。これにより伝導度変調が生じてドリフト領域の抵抗が大きく低下するためコレクタ‐エミッタ間の低オン電圧化が実現される。 When the IGBT is turned on, a voltage equal to or higher than the threshold voltage (about 0 to 20 V) is applied to the gate electrode, which is a control terminal, with a forward bias applied between the collector and the emitter. At this time, a channel is formed under the gate electrode, and electrons are injected from the emitter toward the drift region. At the same time, holes flow from the collector into the drift region in a manner that neutralizes the inflow electrons. As a result, conductivity modulation occurs and the resistance of the drift region is greatly reduced, so that a low on-voltage between the collector and the emitter is realized.
IGBTがオフ動作される際は、コレクタ‐エミッタ間に順バイアスが印加された状態で、ゲート電極に0または負の値の電圧が印加される。これにより電流が遮断され、エミッタ層に接続されたベース領域(P層)とドリフト領域(N層)との間に生じる空乏層によってコレクタ‐エミッタ間の印加電圧が保持される。 When the IGBT is turned off, a voltage of 0 or a negative value is applied to the gate electrode with a forward bias applied between the collector and the emitter. As a result, the current is cut off, and the applied voltage between the collector and the emitter is held by the depletion layer generated between the base region (P layer) connected to the emitter layer and the drift region (N layer).
近年の高耐圧用途のIGBTでは、オン状態でのドリフト領域内のキャリアの移動度を向上させることによりキャリア輸送効率を増大させてオン電圧の低減が図られている。またオフ状態でエミッタ側に接続されたベース領域(P層)とドリフト領域(N層)との間に生じる空乏層の幅を拡大させて電界強度を緩和することで耐圧の向上が図られている。このため、不純物濃度の少ない高比抵抗のFZ(Floating Zone)法により作製されたFZ結晶を使用したシリコン基板が一般的に用いられている。 In recent IGBTs for high withstand voltage applications, the carrier transport efficiency is increased by improving the mobility of carriers in the drift region in the ON state, thereby reducing the ON voltage. In addition, the breakdown voltage can be improved by increasing the width of the depletion layer generated between the base region (P layer) connected to the emitter side in the off state and the drift region (N layer) to reduce the electric field strength. Yes. For this reason, a silicon substrate using an FZ crystal manufactured by an FZ (Floating Zone) method having a low specific impurity concentration and a high specific resistance is generally used.
しかし、不純物濃度の低いFZ結晶では、ドリフト領域内に蓄積されたキャリアが再結合により消滅するまでの時間、すなわちライフタイムが増加する。したがって、IGBTがオン状態からオフ状態へターンオフする際に残留キャリアに因るテール電流が発生するため、ターンオフ時の電力損失(ターンオフ損失)が増大するという問題がある。 However, in the FZ crystal having a low impurity concentration, the time until carriers accumulated in the drift region disappear due to recombination, that is, the lifetime increases. Therefore, when the IGBT is turned off from the on state to the off state, a tail current due to the residual carriers is generated, which causes a problem that power loss (turn-off loss) at the time of turn-off increases.
このターンオフ損失を低減するため、従来、種々の方法が提案されている。たとえば、特開平6−21358号公報(特許文献1)には、水素およびヘリウムなどの軽元素イオンをウエハに打ち込んで選択的に結晶欠陥を導入することでキャリアのライフタイムを短縮させる手法が提案されている。また、たとえば、特開平1−253280号公報(特許文献2)には、金などの重金属原子をドリフト領域中に拡散することでライフタイム制御を行う手法が提案されている。 In order to reduce this turn-off loss, various methods have been conventionally proposed. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 6-21358 (Patent Document 1) proposes a method for shortening the lifetime of carriers by implanting light element ions such as hydrogen and helium into a wafer and selectively introducing crystal defects. Has been. Further, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 1-253280 (Patent Document 2) proposes a method for performing lifetime control by diffusing heavy metal atoms such as gold into the drift region.
しかし、上記の特開平6−21358号公報に記載された手法では軽元素イオンを注入する際に数MeV以上の高い加速電圧が必要である。このため、サイクロトロンおよびタンデム型パンデグラフなどの特殊な高エネルギー加速器を使用する必要がある。そのため、製造コストが高くなるという問題がある。 However, the technique described in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-21358 requires a high acceleration voltage of several MeV or more when light element ions are implanted. This necessitates the use of special high energy accelerators such as cyclotrons and tandem pandegraphs. Therefore, there exists a problem that manufacturing cost becomes high.
また、上記の特開平1−253280号公報に記載された手法では、重金属原子をライフタイムキラーとして利用する場合、半導体工場内部の製造装置を介して金属汚染が生じる恐れがある。その結果、製造装置を介して他の素子の表面に重金属原子が付着し、重金属原子がゲート特性および接合特性などの素子特性に悪影響を与える可能性がある。 Further, in the technique described in the above Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-253280, when heavy metal atoms are used as a lifetime killer, metal contamination may occur through a manufacturing apparatus inside a semiconductor factory. As a result, heavy metal atoms adhere to the surface of another element through the manufacturing apparatus, and the heavy metal atom may adversely affect element characteristics such as gate characteristics and junction characteristics.
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、製造コストを抑制し重金属原子による金属汚染を生じさせずにターンオフ損失を低減することができる半導体装置およびその製造方法を提供することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of reducing the turn-off loss without reducing the manufacturing cost and causing metal contamination by heavy metal atoms, and a method for manufacturing the same. It is to be.
本発明の半導体装置は、半導体基板と、第1導電型のエミッタ領域と、第2導電型のベース領域と、第1導電型のドリフト領域と、第2導電型のコレクタ領域と、原子注入層とを備えている。半導体基板は互いに対向する第1および第2の面を有する。第1導電型のエミッタ領域は半導体基板の第1の面に形成されている。第2導電型のベース領域は第1の面に形成され、かつエミッタ領域とpn接合を構成する。第1導電型のドリフト領域はベース領域とpn接合を構成する。第2導電型のコレクタ領域は第2の面に形成され、かつドリフト領域とpn接合を構成する。原子注入層はドリフト領域内においてコレクタ領域上に形成されている。原子注入層は、炭素、窒素、弗素、硫黄、ゲルマニウムおよび酸素よりなる群から選ばれる1種以上の原子を含む。 A semiconductor device of the present invention includes a semiconductor substrate, a first conductivity type emitter region, a second conductivity type base region, a first conductivity type drift region, a second conductivity type collector region, and an atom implantation layer. And. The semiconductor substrate has first and second surfaces facing each other. The emitter region of the first conductivity type is formed on the first surface of the semiconductor substrate. The base region of the second conductivity type is formed on the first surface and forms a pn junction with the emitter region. The drift region of the first conductivity type forms a pn junction with the base region. The collector region of the second conductivity type is formed on the second surface and forms a pn junction with the drift region. The atom injection layer is formed on the collector region in the drift region. The atom injection layer includes one or more atoms selected from the group consisting of carbon, nitrogen, fluorine, sulfur, germanium, and oxygen.
本発明の半導体装置によれば、炭素、窒素、弗素、硫黄、ゲルマニウムおよび酸素よりなる群から選ばれる1種以上の原子を含む原子注入層がドリフト領域内においてコレクタ領域上に形成されている。原子注入層がキャリアの再結合中心として働くことでキャリアの再結合が促進されるためライフタイムが低減される。このため、ターンオフ損失を低減することができる。また、炭素、窒素、弗素、硫黄、ゲルマニウムおよび酸素は、通常の半導体製造用イオン注入装置によって注入される。このため、製造コストを抑制することができる。また、炭素、窒素、弗素、硫黄、ゲルマニウムおよび酸素は重金属原子ではないため、重金属原子による金属汚染が生じない。よって、製造コストを抑制し重金属原子による金属汚染を生じさせずにターンオフ損失を低減することができる。 According to the semiconductor device of the present invention, the atomic injection layer containing one or more atoms selected from the group consisting of carbon, nitrogen, fluorine, sulfur, germanium, and oxygen is formed on the collector region in the drift region. Since the atomic injection layer functions as a carrier recombination center, the carrier recombination is promoted, so that the lifetime is reduced. For this reason, turn-off loss can be reduced. Carbon, nitrogen, fluorine, sulfur, germanium and oxygen are implanted by a normal semiconductor device ion implantation apparatus. For this reason, manufacturing cost can be suppressed. Further, since carbon, nitrogen, fluorine, sulfur, germanium and oxygen are not heavy metal atoms, metal contamination by heavy metal atoms does not occur. Therefore, it is possible to reduce the turn-off loss without reducing the manufacturing cost and causing metal contamination by heavy metal atoms.
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
まず本発明の一実施の形態の半導体装置の構成について説明する。本発明の一実施の形態では半導体装置としてIGBTについて説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, a configuration of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described. In one embodiment of the present invention, an IGBT is described as a semiconductor device.
図1を参照して、半導体基板1はたとえば第1導電型(n型)の不純物を含むシリコン基板である。この第1導電型(n型)の不純物はたとえばリン原子である。半導体基板1はたとえばフローティングゾーン(FZ)法によって作製されている。半導体基板1は互いに対向する第1の面11および第2の面12を有している。半導体基板1にはドリフト領域1aが形成されている。
Referring to FIG. 1, a
半導体基板1の第1の面11に第2導電型(p型)のベース領域2と第1導電型(n型)のエミッタ領域3とが形成されている。ベース領域2は第1の面11から半導体基板1の内部に向かって第2導電型(p型)の不純物を導入することによって形成されている。ベース領域2は、半導体基板1に含まれる第1導電型(n型)の不純物濃度よりも高い濃度の第2導電型(p型)の不純物を第1の面11から半導体基板1内に導入することにより形成されている。この第2導電型(p型)の不純物はたとえばホウ素原子である。
A second conductivity type (p-type)
ベース領域2はドリフト領域1aとpn接合を構成しており、エミッタ領域3ともpn接合を構成している。ドリフト領域1aとエミッタ領域3とに挟まれ、半導体基板1の第1の面11に露出したベース領域2の部分にチャネル領域2aが形成されている。
またエミッタ領域3は第1の面11から半導体基板1の内部に向かって第1導電型(n型)の不純物を導入することによって形成されている。エミッタ領域3は、ベース領域2内に設けられ、ベース領域2に含まれる第2導電型(p型)の不純物濃度よりも高い濃度の第1導電型(n型)の不純物を第1の面11からベース領域2内に導入することにより形成されている。この第1導電型(n型)の不純物はたとえば砒素原子である。
The
半導体基板1の第2の面12にコレクタ領域4が形成されている。コレクタ領域4は第2の面12から半導体基板1の内部に向かって第2導電型(p型)の不純物を導入することによって形成されている。この第2導電型(p型)の不純物はたとえばホウ素原子である。コレクタ領域4はドリフト領域1aとpn接合を構成している。
A
ドリフト領域1a内においてコレクタ領域4上に原子注入層5が形成されている。原子注入層5は、炭素、窒素、弗素、硫黄、ゲルマニウムおよび酸素よりなる群から選ばれる1種以上の原子を含んでいる。原子注入層5はベース領域2とコレクタ領域4との間に形成されている。原子注入層5は、コレクタ領域4に接するドリフト領域1aに形成されている。原子注入層5は、コレクタ領域4の第1の面11側の領域の全てを覆うように形成されている。つまり、原子注入層5は断面視のみならず平面視においてもコレクタ領域4の第1の面11側の領域の全てを覆っている。
An
半導体基板1の第1の面11には、少なくともチャネル領域2aを覆うように、ゲート絶縁膜6を介してゲート電極7が設けられている。ゲート絶縁膜6はたとえば二酸化シリコンからなっている。ゲート電極7はたとえば多結晶シリコンからなっている。半導体基板1の第1の面11には、ベース領域2およびエミッタ領域3と電気的接続を確保できるようにエミッタ電極8が設けられている。エミッタ電極8はたとえばアルミニウム等の金属膜からなっている。
A
ゲート電極7とエミッタ電極8との間には層間絶縁膜9が設けられている。半導体基板1の第2の面12には、コレクタ領域4と電気的接続を確保できるようにコレクタ電極10が設けられている。コレクタ電極10は、たとえばアルミニウム等を含む多層金属膜からなっている。
An interlayer insulating
続いて、図2を参照して、本発明の一実施の形態の半導体装置の不純物濃度プロファイルについて説明する。図2に示すように、原子注入層の不純物濃度は、第1の面側のドリフト領域の不純物濃度よりも高くなっている。 Subsequently, an impurity concentration profile of the semiconductor device according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 2, the impurity concentration of the atom implantation layer is higher than the impurity concentration of the drift region on the first surface side.
以上、IGBT素子の単位セルの構造について説明した。通常、IGBT素子は、複数個並置させたこのような単位セルと、その周囲を取り囲む終端処理領域と、さらに外部に電流を取り出すための複数のパッド領域とで構成されている。 The structure of the unit cell of the IGBT element has been described above. Usually, the IGBT element is composed of a plurality of such unit cells juxtaposed, a termination processing region surrounding the unit cell, and a plurality of pad regions for taking out current to the outside.
次に本発明の一実施の形態の半導体装置の製造方法について説明する。
図3を参照して、互いに対向する第1の面11および第2の面12を有し、かつ第1導電型(n型)のドリフト領域1aを有する半導体基板1が準備される。この第1導電型(n型)の不純物としてたとえばリン原子が導入されている。半導体基板1はFZ法で形成されている。半導体基板1はFZ法で形成されたシリコン結晶を含んでいる。
Next, a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described.
Referring to FIG. 3, a
続いて、図4を参照して、半導体基板1の第1の面11上にたとえば二酸化シリコンからなるゲート絶縁膜6が選択的に形成される。また、ゲート絶縁膜6上にたとえば多結晶シリコンからなるゲート電極7が形成される。
Subsequently, referring to FIG. 4,
次に、図5を参照して、第1の面11に第2導電型のベース領域2と、第1導電型のエミッタ領域3とがそれぞれ形成される。ベース領域2はエミッタ領域3とpn接合を構成するように形成される。
Next, referring to FIG. 5, the second conductivity
具体的には、第1の面11から半導体基板1の内部に向かって第2導電型(p型)の不純物を導入することによって第1の面11にベース領域2が選択的に形成される。ベース領域2は、半導体基板1に含まれる第1導電型(n型)の不純物濃度よりも高い濃度の第2導電型(p型)の不純物を第1の面11から熱拡散で半導体基板1内に導入することにより形成される。この第2導電型(p型)の不純物としてたとえばホウ素原子が導入される。
Specifically, the
また、第1の面11から半導体基板1の内部に向かって第1導電型(n型)の不純物を導入することによって第1の面11にエミッタ領域3が選択的に形成される。エミッタ領域3は、ベース領域2内に設けられ、ベース領域2に含まれる第2導電型(p型)の不純物濃度よりも高い濃度の第1導電型(n型)の不純物を第1の面11から熱拡散でベース領域2内に導入することにより形成される。この第1導電型(n型)の不純物としてたとえば砒素原子が導入される。
Further, by introducing a first conductivity type (n-type) impurity from the
続いて、図6を参照して、ゲート絶縁膜6およびゲート電極7を覆うように層間絶縁膜9が形成される。そして、層間絶縁膜9を覆うように、かつベース領域2およびエミッタ領域3と電気的に接続されるようにエミッタ電極8が形成される。エミッタ電極8はたとえばアルミニウム等の金属膜により形成される。
Subsequently, referring to FIG. 6,
次に、図7を参照して、ベース領域2とpn接合を構成するドリフト領域1aに第2の面12側から、炭素(C)、窒素(N)、弗素(F)、硫黄(S)、ゲルマニウム(Ge)および酸素(O)よりなる群から選ばれる1種以上の原子が注入される。これにより、原子注入層5が形成される。
Next, referring to FIG. 7, carbon (C), nitrogen (N), fluorine (F), sulfur (S) from the
ここでは、半導体基板1に炭素原子が注入される場合について説明する。炭素原子は、たとえば6KeV、2×1015(at/cm2)程度で注入され、深さ1μm以内に形成される。炭素原子は、半導体基板1の第2の面12が非晶質になるように注入される。なお、窒素、弗素、硫黄、ゲルマニウムおよび酸素が注入されることでも原子注入層5が形成される。
Here, a case where carbon atoms are implanted into the
図8を参照して、連続して半導体基板1の第2の面12より第2導電型の不純物が注入された後、熱処理にて注入原子が活性化されてコレクタ領域4が形成される。これにより、第2の面12にドリフト領域1aとpn接合を構成する第2導電型のコレクタ領域4が形成される。この際、非晶質になった第2の面12に不純物イオンを注入することでコレクタ領域4が形成される。
Referring to FIG. 8, impurities of the second conductivity type are continuously implanted from
次に、図9を参照して、コレクタ領域4が形成された第2の面12上にコレクタ電極10が形成される。コレクタ電極10は、たとえばアルミニウム等を含む多層金属膜により形成される。
Next, referring to FIG. 9,
次に、本発明の一実施の形態の半導体装置の動作について説明する。
再び図1を参照して、IGBTがオン動作される際には、コレクタ電極10とエミッタ電極8との間に所定の正の電圧(たとえば600V)が印加され、ゲート電極7とエミッタ電極8との間に閾値電圧以上の電圧(たとえば15V)が印加される。これにより、ゲート電極7直下のチャネル領域2aの導電型が反転して第1導電型のチャネルが形成される。この第1導電型のチャネルを経由してエミッタ領域3からドリフト領域1aに電子が多数キャリアとして供給される。それと同時にコレクタ領域4からドリフト領域1aに正孔が少数キャリアとして注入される。
Next, the operation of the semiconductor device according to the embodiment of the present invention will be described.
Referring again to FIG. 1, when the IGBT is turned on, a predetermined positive voltage (for example, 600 V) is applied between
ドリフト領域1aに少数キャリアが注入されると、ドリフト領域1aで伝導度変調が生じて、その導通抵抗は大幅に低下する。このため、コレクタ電極10とエミッタ電極8との間には大きな電流が流れる。このように、IGBTはターンオンしてオン状態へと遷移する。
When minority carriers are injected into the
次に、IGBTがオフ動作される際には、導通状態にあるIGBTにおいて、ゲート電極7とエミッタ電極8との間に閾値電圧以下(たとえば−15V)の電圧が印加される。これにより、ゲート電極7直下のチャネル領域2aに形成されていた第1導電型のチャネルが消滅する。したがって、エミッタ領域3からドリフト領域1aへの多数キャリア(電子)の供給が止まる。同時にコレクタ領域4からドリフト領域1aへの少数キャリア(正孔)の注入が停止する。このため、少数キャリアはドリフト領域1a中に残留する。
Next, when the IGBT is turned off, a voltage equal to or lower than the threshold voltage (for example, −15 V) is applied between the
また、キャリアの供給が止まると同時に、コレクタ電極10に対して負側の電圧が印加されたエミッタ電極8に接続された第2導電型のベース領域2と、第1導電型のドリフト領域1aとの接合では、逆バイアスが印加された状態となり、空乏層が広がりはじめる。この空乏層がベース領域2とドリフト領域1aとの間に印加された電圧に応じて広がることでコレクタ電極10とエミッタ電極8間の電圧が担保され、耐圧が保持される。
At the same time as the supply of carriers is stopped, the second conductivity
この時、ドリフト領域1a中に残留している少数キャリアは、広がる空乏層に押されながらドリフト領域1a中を移動する。そして少数キャリアの一部はドリフト領域1a内で多数キャリアと再結合して消滅するが、残部はドリフト領域1a内でコレクタ領域4上に形成された原子注入層5で再結合して消滅する。残留した少数キャリアが全て消滅すると、コレクタ電極10からエミッタ電極8へと流れる電流、いわゆるテール電流が停止する。このように、IGBTはターンオフしてオフ状態へと遷移する。
At this time, the minority carriers remaining in the
このオフ状態に遷移するまでの時間いわゆるターンオフ時間の短縮が、ターンオフ損失の低減には必要である。そして、ターンオフ損失の低減は、少数キャリアのライフタイムを如何に短くし如何に早く消滅させるかに依存する。 It is necessary to shorten the time until the transition to the off state, that is, the turn-off time, in order to reduce the turn-off loss. The reduction in turn-off loss depends on how short the minority carrier lifetime is and how quickly it disappears.
上記の原子注入層5では、半導体基板1のシリコン結晶中に注入された炭素原子はシリコン原子と容易に置換型および侵入型の格子欠陥を形成する。この格子欠陥はシリコン原子の荷電子帯より0.1eVから0.2eV程度高い欠陥準位を持つため、少数キャリアである正孔の再結合中心として働き、ライフタイムの低減に寄与する。
In the above-described
次に本発明の一実施の形態の作用効果について説明する。
本発明の一実施の形態の半導体装置によれば、炭素、窒素、弗素、硫黄、ゲルマニウムおよび酸素よりなる群から選ばれる1種以上の原子を含む原子注入層5がドリフト領域1a内においてコレクタ領域4上に形成されている。原子注入層5がキャリアの再結合中心として働くことでキャリアの再結合が促進されるためライフタイムが低減される。このため、ターンオフ損失を低減することができる。また、炭素、窒素、弗素、硫黄、ゲルマニウムおよび酸素は、通常の半導体製造用イオン注入装置によって注入される。このため、製造コストを抑制することができる。また、炭素、窒素、弗素、硫黄、ゲルマニウムおよび酸素は重金属原子ではないため、重金属原子による金属汚染が生じない。よって、製造コストを抑制し重金属原子による金属汚染を生じさせずにターンオフ損失を低減することができる。
Next, the function and effect of the embodiment of the present invention will be described.
According to the semiconductor device of one embodiment of the present invention, the
また、本発明の一実施の形態の半導体装置では、原子注入層5は、コレクタ領域4に接するドリフト領域1aに形成されていることが好ましい。これにより、ターンオフ時の少数キャリアの流路に沿ってコレクタ領域4近傍で局所的にドリフト領域1aでの少数キャリアのライフタイムを制御することができる。このため、オン電圧の上昇を可能な限り抑制しつつターンオフ損失を低減することができる。
In the semiconductor device according to the embodiment of the present invention, it is preferable that the
すなわち、仮にドリフト領域1a全体で少数キャリアのライフタイムを単純に低減させると導通特性の悪化を招いてしまうため、ターンオフ損失は低減するがオン電圧は増加するというトレードオフの関係が生じる。よって、オン電圧とターンオフ損失を適切なバランスで両立し、所望の素子特性を得るためには、ドリフト領域1a全体ではなく局所的にドリフト領域1aにおける少数キャリアのライフタイムを適切に制御することが求められる。
That is, if the lifetime of the minority carriers is simply reduced in the
また、本発明の一実施の形態の半導体装置では、原子注入層5はコレクタ領域4の第1の面11側の領域の全てを覆うように形成されていることが好ましい。このため、コレクタ領域4の第1の面11側の領域の全てで原子注入層5によって少数キャリアの再結合が促進される。したがって、少数キャリアのライフタイムを効率的に低減することができる。
In the semiconductor device according to the embodiment of the present invention, it is preferable that the
本発明の一実施の形態の半導体装置の製造方法によれば、ドリフト領域1aに第2の面12側から、炭素、窒素、弗素、硫黄、ゲルマニウムおよび酸素よりなる群から選ばれる1種以上の原子が注入される。この原子がキャリアの再結合中心として働くことでキャリアの再結合が促進されるためライフタイムが低減される。このため、ターンオフ損失を低減することができる。また、炭素、窒素、弗素、硫黄、ゲルマニウムおよび酸素は、通常の半導体製造用イオン注入装置によって注入される。このため、製造コストを抑制することができる。また、炭素、窒素、弗素、硫黄、ゲルマニウムおよび酸素は重金属原子ではないため、重金属原子による金属汚染が生じない。よって、製造コストを抑制し重金属原子による金属汚染を生じさせずにターンオフ損失を低減することができる。
According to the method of manufacturing a semiconductor device of one embodiment of the present invention, one or more kinds selected from the group consisting of carbon, nitrogen, fluorine, sulfur, germanium, and oxygen from the
また、本発明の一実施の形態の半導体装置の製造方法によれば、第2の面12が非晶質になるように原子が注入され、非晶質になった第2の面12に不純物イオンが注入される。このため、不純物イオンが注入される領域、つまりはコレクタ領域4の分布を浅く形成できる。これにより、耐圧の低下を抑制しつつオン電圧とターンオフ損失とを低減することが可能となる。その理由を以下に説明する。
In addition, according to the method of manufacturing a semiconductor device of one embodiment of the present invention, atoms are implanted so that the
不純物イオンの注入面となる第2の面12に対して事前に炭素原子が注入されることでシリコン結晶の格子構造が破壊されて非晶質化される。このため、後に連続してホウ素などの不純物イオンが注入される際に、注入イオンが原子配列の隙間を通って半導体基板1の深い位置まで達するチャネリング現象が引き起こされることを阻止することができる。このため、従来数μmの深さで形成されるコレクタ領域4を1μm以下と極浅く形成することができる。
By injecting carbon atoms in advance into the
IGBTにおいては、半導体基板1の厚みを薄くすることはエミッタ‐コレクタ間の抵抗成分を減少させ、さらにドリフト領域1a中に蓄積する少数キャリアを低減させる。このため、半導体基板1の厚みを薄くすることでオン電圧とターンオフ損失との低減を実現できる。
In the IGBT, reducing the thickness of the
しかし、IGBTの耐圧は、下記の式(1)に示すように、ベース領域2とドリフト領域1aとの間から広がる空乏層の幅の2乗に比例する。つまり、耐圧は空乏層が広がるドリフト領域1aの幅の2乗に比例するという相関関係がある。そのため、コレクタ領域4の深さを低減することなく半導体基板1の厚みを低減することは、ドリフト領域1aの厚みが単純に低減することを意味する。つまり、空乏層の幅が低減することを意味するため、耐圧の大幅な低下を招くこととなる。
However, the breakdown voltage of the IGBT is proportional to the square of the width of the depletion layer extending from between the
BV=(q×Nd×W2)/2ε ・・・(1)
ここで、式(1)の各符号を説明する。BVは耐圧(V)であり、Wは空乏層幅(cm)であり、qは電子の電荷量(C)であり、Ndはシリコン基板のキャリア濃度(atoms/cm3)であり、εはシリコンの誘電率(F/cm)である。
BV = (q × Nd × W 2 ) / 2ε (1)
Here, each code | symbol of Formula (1) is demonstrated. BV is a breakdown voltage (V), W is a depletion layer width (cm), q is an electron charge amount (C), Nd is a carrier concentration (atoms / cm 3 ) of the silicon substrate, and ε is It is a dielectric constant (F / cm) of silicon.
したがって、不純物イオン注入領域の分布を浅く形成することで、ドリフト領域1aの厚みを維持したまま半導体基板1の厚みを低減することが可能となり、耐圧の低下を抑制しつつオン電圧とターンオフ損失とを低減することができる。
Therefore, by forming the impurity ion implantation region shallowly, the thickness of the
また、本発明の一実施の形態の半導体装置の製造方法によれば、半導体基板1は、フローティングゾーン法で形成されたシリコン結晶を含んでいる。不純物濃度の低いFZ法で形成されたシリコン結晶では少数キャリアのライフタイムが増加するため、本発明の一実施の形態の半導体装置の製造方法を適用することでターンオフ損失を効果的に低減することができる。
In addition, according to the method for manufacturing a semiconductor device of one embodiment of the present invention, the
以上、図面に基づき本発明の具体的な実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限らず種々の改変が可能であり、そのような構成であっても同様の効果を奏する。たとえば、上記では半導体基板内の導電型に関し、第1導電型をn型、第2導電型をp型として説明したが、第1導電型がp型であり、第2導電型がn型であってもよい。 Although specific embodiments of the present invention have been described with reference to the drawings, the present invention is not limited to these, and various modifications can be made. Even with such a configuration, similar effects can be obtained. For example, in the above description, regarding the conductivity type in the semiconductor substrate, the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type. However, the first conductivity type is p-type and the second conductivity type is n-type. There may be.
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1 半導体基板、1a ドリフト領域、2 ベース領域、2a チャネル領域、3 エミッタ領域、4 コレクタ領域、5 原子注入層、6 ゲート絶縁膜、7 ゲート電極、8 エミッタ電極、9 層間絶縁膜、10 コレクタ電極、11 第1の面、12 第2の面。
1 Semiconductor substrate, 1a drift region, 2 base region, 2a channel region, 3 emitter region, 4 collector region, 5 atom injection layer, 6 gate insulating film, 7 gate electrode, 8 emitter electrode, 9 interlayer insulating film, 10
Claims (6)
前記半導体基板の前記第1の面に形成された第1導電型のエミッタ領域と、
前記第1の面に形成され、かつ前記エミッタ領域とpn接合を構成する第2導電型のベース領域と、
前記ベース領域とpn接合を構成する第1導電型のドリフト領域と、
前記第2の面に形成され、かつ前記ドリフト領域とpn接合を構成する第2導電型のコレクタ領域と、
前記ドリフト領域内において前記コレクタ領域上に形成された原子注入層とを備え、
前記原子注入層は、炭素、窒素、弗素、硫黄、ゲルマニウムおよび酸素よりなる群から選ばれる1種以上の原子を含む、半導体装置。 A semiconductor substrate having first and second surfaces facing each other;
A first conductivity type emitter region formed on the first surface of the semiconductor substrate;
A base region of a second conductivity type formed on the first surface and constituting a pn junction with the emitter region;
A drift region of a first conductivity type constituting a pn junction with the base region;
A collector region of a second conductivity type formed on the second surface and constituting a pn junction with the drift region;
An atomic injection layer formed on the collector region in the drift region,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the atomic injection layer includes one or more atoms selected from the group consisting of carbon, nitrogen, fluorine, sulfur, germanium, and oxygen.
前記第1の面に第1導電型のエミッタ領域と、前記エミッタ領域とpn接合を構成する第2導電型のベース領域とを形成する工程と、
前記ベース領域とpn接合を構成する前記ドリフト領域に前記第2の面側から、炭素、窒素、弗素、硫黄、ゲルマニウムおよび酸素よりなる群から選ばれる1種以上の原子を注入する工程と、
前記第2の面に前記ドリフト領域とpn接合を構成する第2導電型のコレクタ領域を形成する工程とを備えた、半導体装置の製造方法。 Preparing a semiconductor substrate having first and second surfaces facing each other and having a drift region of a first conductivity type;
Forming a first conductivity type emitter region on the first surface and a second conductivity type base region forming a pn junction with the emitter region;
Implanting one or more atoms selected from the group consisting of carbon, nitrogen, fluorine, sulfur, germanium, and oxygen from the second surface side into the drift region constituting the pn junction with the base region;
Forming a second conductivity type collector region forming a pn junction with the drift region on the second surface.
前記コレクタ領域を形成する工程は、前記非晶質になった前記第2の面に不純物イオンを注入する工程を含む、請求項4に記載の半導体装置の製造方法。 The step of implanting the atoms includes the step of implanting the atoms such that the second surface is amorphous;
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the step of forming the collector region includes a step of implanting impurity ions into the second surface that has become amorphous.
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the semiconductor substrate includes a silicon crystal formed by a floating zone method.
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