JP2014072306A - Semiconductor device and semiconductor device manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、IGBT構造を有する半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device having an IGBT structure and a method for manufacturing the semiconductor device.
絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)は、高入力インピーダンス、低オン電圧を有することから、モータ駆動回路などで使用されている。しかし、制御電極(ゲート電極)にオフ信号を印加したとしても、P型コレクタ領域からN−型ドリフト領域へ注入されて残存する正孔がドリフト領域から排出されるまで、IGBTはオフ状態にならない。更に、ドリフト領域に残存する電子はコレクタ領域を通り抜ける際に、コレクタ領域からドリフト領域への正孔の注入を誘起する。このため、IGBTにはターンオフ時間が大きいという問題がある。 Insulated gate bipolar transistors (IGBTs) have high input impedance and low on-voltage, and are therefore used in motor drive circuits and the like. However, even if an off signal is applied to the control electrode (gate electrode), the IGBT is not turned off until the remaining holes injected from the P-type collector region into the N-type drift region are discharged from the drift region. . Furthermore, when the electrons remaining in the drift region pass through the collector region, holes are injected from the collector region into the drift region. For this reason, the IGBT has a problem that the turn-off time is long.
そこで、IGBTのターンオフ時間を改善するために、低ライフタイム層によってキャリアライフを小さくする方法がある。具体的には、金・プラチナなどの重金属を拡散して低ライフタイム層を形成する方法や、電子線や中性子線などの放射線を照射して低ライフタイム層を形成する方法などがある。 Therefore, in order to improve the turn-off time of the IGBT, there is a method of reducing the carrier life by the low lifetime layer. Specifically, there are a method of forming a low lifetime layer by diffusing heavy metals such as gold and platinum, and a method of forming a low lifetime layer by irradiating radiation such as an electron beam or a neutron beam.
しかし、低ライフタイム層を形成することによってキャリア・ライフタイムの低下を招き、IGBTのメリットである伝導度や変調度を低下させ、オン電圧が上昇する問題がある。特に、ドリフト領域に低ライフタイム層を形成すると、耐圧劣化やターンオフ時に長いテール電流を引く問題、キャリア・ライフタイムの低下によるオン電圧の増大などの問題がある。 However, there is a problem that the formation of the low lifetime layer causes a decrease in carrier lifetime, lowers the conductivity and modulation degree, which are the merits of the IGBT, and increases the on-voltage. In particular, when a low lifetime layer is formed in the drift region, there are problems such as breakdown voltage degradation, a problem of drawing a long tail current during turn-off, and an increase in on-voltage due to a decrease in carrier lifetime.
このため、高エネルギー粒子の照射によってコレクタ領域に形成され、少なくともコレクタ領域内に再結合のピークを有するような低ライフタイム層によって、短いターンオフ時間と低いオン電圧を実現しようとする方法などが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。 For this reason, a method for realizing a short turn-off time and a low on-voltage with a low lifetime layer formed in the collector region by irradiation with high-energy particles and having at least a recombination peak in the collector region is proposed. (For example, refer to Patent Document 1).
しかしながら、高エネルギー粒子の照射による低ライフタイム層の形成は、コレクタ領域の形成後に行われる。したがって、低ライフタイム層を形成する工程が追加され、製造コストが増大する。更に、コレクタ領域の形成が終了した段階でのライトパンチスルー型IGBTやフィールドストップ型IGBTの厚みは100μm以下であり、ノンパンチスルー型のIGBTに比べて薄い。このため、低ライフタイム層を形成前後の運搬時にウェハが割れるなどして加工歩留まりが低下しやすい。その結果、製造コストが増大する。 However, the formation of the low lifetime layer by irradiation with high energy particles is performed after the formation of the collector region. Therefore, a process for forming a low lifetime layer is added, and the manufacturing cost increases. Furthermore, the thickness of the write punch-through type IGBT and field stop type IGBT at the stage where the formation of the collector region is completed is 100 μm or less, which is thinner than the non-punch-through type IGBT. For this reason, the processing yield is likely to decrease due to, for example, cracking of the wafer during transportation before and after forming the low lifetime layer. As a result, the manufacturing cost increases.
また、所望の深さに低ライフタイム層を形成するためには、高精度の位置合わせが必要である。しかし、例えば特許文献1のようにコレクタ層内に低ライフタイム層を形成する場合、低ライフタイム層を形成する製造装置のばらつきや半導体装置のコレクタ領域の深さばらつき等があるため、コレクタ領域と低ライフタイム層の位置関係に誤差が生じやすい。その結果、歩留まりが低下し、製造コストの増大を招く。 Moreover, in order to form a low lifetime layer at a desired depth, high-precision alignment is necessary. However, when the low lifetime layer is formed in the collector layer as in Patent Document 1, for example, there are variations in the manufacturing apparatus for forming the low lifetime layer and variations in the depth of the collector region of the semiconductor device. There is a tendency for errors to occur in the positional relationship between the low lifetime layer. As a result, the yield decreases and the manufacturing cost increases.
上記問題点に鑑み、本発明は、短いターンオフ時間と比較的低いオン電圧を実現し、且つ製造コストの増大が抑制された半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device that realize a short turn-off time and a relatively low on-voltage, and that suppress an increase in manufacturing cost.
本発明の一態様によれば、(イ)互いに対向する第1及び第2の主面を有し、第1の主面側よりも第2の主面側での第1導電型不純物の活性化率が高く且つ結晶欠陥が少ない、第1導電型のコレクタ領域と、(ロ)コレクタ領域の第1の主面上に配置された第2導電型の半導体基体と、(ハ)半導体基体上に配置された第1導電型のベース領域と、(ニ)ベース領域上に配置された第2導電型のエミッタ領域と、(ホ)少なくとも半導体基体とエミッタ領域間でベース領域上に配置されたゲート絶縁膜と、(ヘ)ゲート絶縁膜を介してベース領域に対向して配置されたゲート電極と、(ト)コレクタ領域の第2の主面上に配置されたコレクタ電極と、(チ)エミッタ領域と電気的に接続されたエミッタ電極とを備える半導体装置が提供される。 According to one aspect of the present invention, (i) having first and second main surfaces facing each other, the activity of the first conductivity type impurity on the second main surface side rather than the first main surface side A first conductivity type collector region having a high conversion rate and few crystal defects; (b) a second conductivity type semiconductor substrate disposed on the first main surface of the collector region; and (c) on the semiconductor substrate. And (d) an emitter region of the second conductivity type disposed on the base region, and (e) disposed on the base region at least between the semiconductor substrate and the emitter region. A gate insulating film; (f) a gate electrode disposed opposite the base region through the gate insulating film; (g) a collector electrode disposed on the second main surface of the collector region; Provided is a semiconductor device comprising an emitter region and an emitter electrode electrically connected
本発明の他の態様によれば、(イ)第1導電型のベース領域を第2導電型の半導体基体上に形成するステップと、(ロ)ベース領域上に第2導電型のエミッタ領域を形成するステップと、(ハ)半導体基体の上面に対向する下面から、半導体基体の下面側に第1導電型不純物を注入するステップと、(ニ)下面から離間した領域よりも下面近傍において第1導電型不純物の活性化率が高いように半導体基体を下面側から加熱して、第1導電型のコレクタ領域を半導体基体の下面側に形成するステップとを含む半導体装置の製造方法が提供される。 According to another aspect of the present invention, (b) forming a first conductivity type base region on a second conductivity type semiconductor substrate; and (b) forming a second conductivity type emitter region on the base region. (C) a step of implanting a first conductivity type impurity from the lower surface opposite to the upper surface of the semiconductor substrate to the lower surface side of the semiconductor substrate; and (d) a first region closer to the lower surface than a region spaced from the lower surface. And heating the semiconductor substrate from the lower surface side so that the activation rate of the conductive impurities is high, and forming a first conductivity type collector region on the lower surface side of the semiconductor substrate. .
本発明によれば、短いターンオフ時間と比較的低いオン電圧を実現し、且つ製造コストの増大が抑制された半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the short turn-off time and the comparatively low on-voltage can be implement | achieved, and the manufacturing method of the semiconductor device with which the increase in manufacturing cost was suppressed can be provided.
次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各部の長さの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。 Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the lengths of the respective parts, and the like are different from the actual ones. Therefore, specific dimensions should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
又、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。 The following embodiments exemplify apparatuses and methods for embodying the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention includes the shape, structure, arrangement, etc. of components. It is not specified to the following. The embodiment of the present invention can be variously modified within the scope of the claims.
本発明の実施形態に係る半導体装置1は、図1に示すように、互いに対向する第1の主面101及び第2の主面102を有する第1導電型のコレクタ領域10と、コレクタ領域10の第1の主面101上に配置された第2導電型の半導体基体20と、半導体基体20上に配置された第1導電型のベース領域30と、ベース領域30の上面の一部に選択的に埋め込まれた第2導電型のエミッタ領域40と、コレクタ領域10の第2の主面102上に配置されたコレクタ電極90と、エミッタ領域40と電気的に接続されたエミッタ電極80とを備える。
As shown in FIG. 1, the semiconductor device 1 according to the embodiment of the present invention includes a first conductivity
なお、第1導電型と第2導電型とは互いに反対導電型である。すなわち、第1導電型がN型であれば、第2導電型はP型であり、第1導電型がP型であれば、第2導電型はN型である。以下では、第1導電型がP型、第2導電型がN型の場合を例示的に説明する。 The first conductivity type and the second conductivity type are opposite to each other. That is, if the first conductivity type is N type, the second conductivity type is P type, and if the first conductivity type is P type, the second conductivity type is N type. Hereinafter, a case where the first conductivity type is P type and the second conductivity type is N type will be described as an example.
半導体装置1では、第1の主面101側、即ち半導体基体側に比べて、コレクタ領域10の第2の主面102側、即ちコレクタ電極側において、コレクタ領域10に注入された不純物が活性化されている割合(以下において、「活性化率」という。)が高く、結晶欠陥が少ない。コレクタ領域10はシリコン(Si)からなり、コレクタ領域10中の第1導電型不純物は例えばボロン(B)である。
In the semiconductor device 1, the impurities injected into the
半導体装置1は絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)であり、少なくとも半導体基体20とエミッタ領域40間でベース領域30上に配置されたゲート絶縁膜50と、ゲート絶縁膜50を介してベース領域30に対向して配置されたゲート電極60とを備える。図1に示した例は、トレンチゲート構造である。即ち、エミッタ領域40の上面から延伸し、少なくともエミッタ領域40及びベース領域30を貫通する溝が形成されている。ゲート絶縁膜50は溝の内壁上に配置され、ゲート電極60はゲート絶縁膜50を介して溝の内部に埋め込まれている。つまり、ゲート電極60は、ゲート絶縁膜50を介してベース領域30と対向している。ゲート電極60と対向するベース領域30の表面がチャネル領域100である。
The semiconductor device 1 is an insulated gate bipolar transistor (IGBT), and includes a
図1の半導体装置1では、半導体基体20が、コレクタ領域10に接するN型のバッファ領域(フィールドストップ領域ともいう)21と、バッファ領域21とベース領域30間に配置された、バッファ領域21よりも不純物濃度の低いN−型のドリフト領域22とを有する。また、ゲート電極60の上面には層間絶縁膜70が配置され、層間絶縁膜70上にエミッタ領域40とベース領域30に接続するエミッタ電極80が配置されている。
In the semiconductor device 1 of FIG. 1, the
半導体装置1の動作について説明する。エミッタ電極80とコレクタ電極90間に所定のコレクタ電圧を印加し、エミッタ電極80とゲート電極60間に所定のゲート電圧を印加する。例えば、コレクタ電圧は300V〜1600V程度、ゲート電圧は10V〜20V程度である。このようにして半導体装置1をオン状態にすると、チャネル領域100がP型からN型に反転してチャネルが形成される。形成されたチャネルを通過して、エミッタ電極80から電子が半導体基体20に注入される。この注入された電子により、コレクタ領域10と半導体基体20との間が順バイアスされ、コレクタ電極90からコレクタ領域10を経由して正孔(ホール)が半導体基体20、ベース領域30の順に移動する。更に電流を増やしていくと、コレクタ領域10からの正孔が増加し、ベース領域30の下方に正孔が蓄積される。この結果、伝導度変調によってオン抵抗が低下する。
The operation of the semiconductor device 1 will be described. A predetermined collector voltage is applied between the
半導体装置1をオン状態からオフ状態にする場合には、ゲート電圧をしきい値電圧よりも低くし、例えば、ゲート電圧をエミッタ電圧と同じ電位又は負電位となるように制御してチャネル領域100を消滅させる。これにより、エミッタ電極80から半導体基体20への電子の注入が停止し、コレクタ領域10から半導体基体20への正孔の注入も停止する。コレクタ電極90の電位がエミッタ電極80よりも高いので、ベース領域30と半導体基体20との界面から空乏層が広がっていくと共に、半導体基体20に蓄積された正孔はエミッタ電極80に抜けていく。
When the semiconductor device 1 is switched from the on state to the off state, the gate voltage is set lower than the threshold voltage, for example, the
一般的に高耐圧のIGBTでは、コレクタ電極にエミッタ電極よりも高い電圧、例えば600Vを印加し、且つ、ゲート電極の電位(ゲート電圧)をしきい値電圧未満にしてIGBTをオフ状態にした時に、ベース領域とドリフト領域との境界のPN接合から広がった空乏層がコレクタ領域に達する程度まで広がるように設計される。空乏層は電子を排出した状態である。 In general, in a high breakdown voltage IGBT, when a higher voltage than the emitter electrode, for example, 600 V is applied to the collector electrode, and the potential of the gate electrode (gate voltage) is made lower than the threshold voltage, the IGBT is turned off. The depletion layer extending from the PN junction at the boundary between the base region and the drift region is designed to extend to the extent that it reaches the collector region. The depletion layer is in a state where electrons are discharged.
IGBTにおいて、電子がP型のコレクタ領域に注入されると、電子の注入を打ち消すように、コレクタ領域から正孔がドリフト領域に注入される。ところで、コレクタ領域内に結晶欠陥層があると、コレクタ領域に移動してきた電子が結晶欠陥層に取り込まれる。その結果、電子がコレクタ領域に注入されなかった場合と同じような状態となり、正孔がコレクタ領域からドリフト領域に注入されないか、又は注入される量が非常に少ない。 In the IGBT, when electrons are injected into the P-type collector region, holes are injected from the collector region into the drift region so as to cancel the electron injection. If there is a crystal defect layer in the collector region, electrons that have moved to the collector region are taken into the crystal defect layer. As a result, the state is the same as when electrons are not injected into the collector region, and holes are not injected from the collector region into the drift region, or the amount injected is very small.
しかし、図1に示した半導体装置1では、コレクタ領域10のコレクタ電極側において半導体基体側に比べて活性化率が高く、結晶欠陥が少ない。つまり、コレクタ領域10のドレイン領域側での結晶欠陥を多くしつつ、コレクタ領域10全体での結晶欠陥が少ない。その結果、コレクタ領域10全体での結晶欠陥におけるドリフト領域22から注入される電子の捕獲をある一定量に制限しつつ、且つ、オン電圧の上昇を抑制できる。
However, the semiconductor device 1 shown in FIG. 1 has a higher activation rate and fewer crystal defects on the collector electrode side of the
一方、コレクタ領域10の半導体基体側はコレクタ電極側に比べて多くの結晶欠陥を有することから、ターンオフ時に半導体基体20から注入される電子がコレクタ領域10の半導体基体側において有効に捕獲される。このため、オン電圧の上昇を抑制しながらも、コレクタ領域10から半導体基体20への正孔の注入量が容易に制御される。その結果、半導体装置1では、ターンオフ時間の短い、高速なスイッチング特性が得られる。
On the other hand, since the semiconductor substrate side of the
コレクタ領域10を構成するために半導体基体20に注入された第1導電型不純物が、活性化によって半導体基体20を構成する原子と共有結合している割合は、全体で90%以下であることが好ましい。図2に、IGBTにおける活性化率が特性に及ぼす影響を調査した結果を示す。図2の横軸はターンオフ時間を示すスイッチング時間tf、縦軸はコレクタ・エミッタ間の飽和電圧VCESATである。図2において、活性化率が100%の場合を特性Aで示し、活性化率が90%の場合を特性Bで示している。図2に示すように、活性化率が100%の場合よりも、活性化率が90%である場合のほうが、同様の飽和電圧VCESATでスイッチング時間tfが短く、良好な特性を示している。
The ratio of the first conductivity type impurities implanted into the
なお、本発明の実施形態において、「結晶欠陥」は、原子空孔やダングリングボンド、或いは導電型決定原子である不純物などの大きさが異なる粒子が格子間に保持されたことによる格子歪み(格子間歪み)が生じている結晶欠陥の状態をいう。 In the embodiment of the present invention, the “crystal defect” refers to lattice distortion (diffusion of particles having different sizes, such as atomic vacancies, dangling bonds, or impurities that are conductivity type determining atoms). This refers to the state of crystal defects in which (interstitial distortion) occurs.
図3〜図8を用いて、本発明の実施形態に係る半導体装置1の製造方法を説明する。なお、以下に述べる製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。 A method for manufacturing the semiconductor device 1 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In addition, the manufacturing method described below is an example, and it is needless to say that it can be realized by various other manufacturing methods including this modified example.
図3に示すように、N−型の半導体基体20の上面201上にP型のベース領域30を形成する。例えば、エピタキシャル成長法、又はイオン注入法と拡散を用いて、ベース領域30が形成される。次いで、図4に示すように、ベース領域30の上面の一部に、例えばイオン注入法と拡散を用いてN+型のエミッタ領域40を選択的に形成する。
As shown in FIG. 3, a P-
フォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて、エミッタ領域40上に開口部を有するマスクを用いて、エミッタ領域40とベース領域30を貫通して、半導体基体20に先端が到達する溝を形成する。そして、溝の内壁にゲート絶縁膜50を形成する。例えば、酸化シリコン(SiO2)膜を熱酸化法で形成する。その後、不純物を添加したポリシリコン膜を溝の内部に埋め込む。更に、化学機械研磨(CMP)などの研磨工程によって、図5に示すようにベース領域30の表面を平坦化してゲート電極60を形成する。
Using a photolithographic technique and an etching technique, a groove having an opening on the
ゲート電極60上に層間絶縁膜70を形成した後、図6に示すようにエミッタ領域40とベース領域30に接続するエミッタ電極80を層間絶縁膜70上に形成する。
After the
図7に矢印で示すように、半導体基体20の下面202から半導体基体20に第2導電型不純物を注入し、アニール処理を行う。これにより、半導体基体20の下面側に第2導電型のバッファ領域21が形成される。半導体基体20のバッファ領域21が形成された領域の残余の領域が、ドリフト領域22である。バッファ領域21の不純物濃度は、ドリフト領域22よりも高く設定される。
As indicated by an arrow in FIG. 7, the second conductivity type impurity is implanted into the
次いで、コレクタ領域10を形成するために、図8に矢印で示すように、半導体基体20の下面202から半導体基体20に第1導電型不純物を注入する。このとき注入される不純物のドーズ量は、例えば1×1011〜1014cm-2程度である。そして、下面202から離間したドリフト領域22側の領域よりも下面202の近傍において第1導電型不純物の活性化率が高いように、半導体基体20を下面202側から加熱する。これにより、第1の主面101側よりも第2の主面102側での第1導電型不純物の活性化率が高いコレクタ領域10が形成される。したがってコレクタ領域10では、第1の主面101側よりも第2の主面102側で結晶欠陥が少ない。
Next, in order to form the
なお、上記のようにイオン注入と加熱処理を用いて半導体基体20の下面側にコレクタ領域10が形成されるため、半導体基体20の下面202とコレクタ領域10の第2の主面102とは一致する。
Since the
その後、コレクタ領域10の第2の主面102上にコレクタ電極90を形成することにより、図1に示した半導体装置1が完成する。
Thereafter, the
一般的にイオン注入しただけでは注入されたドーパントイオンは活性化していないために、イオン注入後の活性化処理は必要な工程である。本発明の実施形態において、「活性」とは、イオンが注入された母材の総キャリア濃度に寄与する注入イオンの割合を説明するために用いている。イオン注入中、母材の結晶格子に対するドーパントイオンによる衝撃が実質的に加えられ、イオンは結晶格子に衝突して結晶格子中に保持される。その後、アニール処理などの活性化処理によって、注入イオンと母材の結晶格子とがより規則正しい様式で再配置され、イオンが結晶格子中の位置に定着する。これにより、ドーパントイオンによって受けた母材の損傷が回復する。 In general, since the implanted dopant ions are not activated only by ion implantation, the activation treatment after ion implantation is a necessary step. In the embodiment of the present invention, “activity” is used to describe the ratio of implanted ions that contribute to the total carrier concentration of the base material into which ions are implanted. During ion implantation, bombardment by dopant ions to the crystal lattice of the matrix is substantially applied, and the ions collide with the crystal lattice and are retained in the crystal lattice. Thereafter, by an activation process such as an annealing process, the implanted ions and the crystal lattice of the base material are rearranged in a more regular manner, and the ions are fixed at positions in the crystal lattice. Thereby, damage to the base material received by the dopant ions is recovered.
本発明の実施形態においては、半導体基体20の下面側から不純物注入を行い、更に下面側から半導体基体20を加熱して不純物を活性化することにより、コレクタ領域10を形成する。このとき、高温且つ短時間で加熱することにより、コレクタ電極90側は良好に活性化された領域となり、半導体基体20側はコレクタ電極90側に比べて活性化されていない割合が多いコレクタ領域10を実現できる。例えば、コレクタ領域10のコレクタ電極90側の活性化率を100%とした場合に、コレクタ領域10の半導体基体20側の活性化率は80%以下、好ましくは40%以下にする。これにより、コレクタ領域10の半導体基体20側においてイオンが活性化されずに、多数の結晶欠陥を残すことができる。
In the embodiment of the present invention, the
上記のような構造のコレクタ領域10を形成するために、コレクタ領域10の形成時に、例えば1200℃〜1300℃の温度で半導体基体20を数秒、或いは1秒以内で加熱する。このためには、レーザーアニール法やフラッシュアニール法などが好適に使用される。即ち、レーザーアニール法においてレーザーのパワーや照射時間を適切に設定したり、フラッシュアニール法において加熱温度や加熱時間を適切に設定したりすることにより、コレクタ領域10のコレクタ電極90側の不純物を十分に活性化しつつ、半導体基体20側には結晶欠陥を多く残すことができる。
In order to form the
なお、半導体基体20は、Siからなることが好ましい。例えば、炭化珪素(SiC)などの化合物半導体からなる基板では、アニール処理を行っても注入された不純物が100%は活性化されないことが知られている。SiCはシリコン(Si)と炭素(C)の化合物であり、SiとCの原子の大きさも異なり、例えば窒素(N)などのドーパントイオンとも異なる。更に、結晶構造が最も硬いダイヤモンド構造である。このため、良好に活性化したくても、ドーパントイオンが母材の原子と十分に置き換わらない。
The
これに対し、シリコンからなる母材では、アニール処理によってドーパントイオンとSiとの置き換えが容易である。コレクタ領域10を形成するために半導体基体20に注入する不純物には、ボロン(B)などを採用可能である。
On the other hand, in a base material made of silicon, it is easy to replace dopant ions and Si by annealing. Boron (B) or the like can be used as an impurity implanted into the
上記のように不純物の注入及びアニール処理により、コレクタ領域10が形成される。コレクタ領域10を形成するために半導体基体20に第1導電型不純物が打ち込まれる深さは、半導体基体20の下面202から数μm、例えば1〜3μm程度である。このため、エピタキシャル成長などによって形成される場合と異なり、コレクタ領域10の膜厚は薄く、1〜3μm以下である。したがって、半導体装置1は、コレクタ領域10の膜厚が薄いライトパンチスルー型IGBTやフィールドストップ型IGBTに好適である。
As described above, the
上記の製造方法では、半導体基体20へのドーパントイオン注入時に生じたコレクタ領域10の結晶欠陥を残した部分が、低ライフタイム層と同様に機能する。このため、低ライフタイム層を形成するための特別な工程を追加することなく、ドリフト領域22に残存していた電子をターンオフ時に効果的に捕獲する半導体装置1を製造できる。このため、製造コストの増大を抑制できる。
In the above manufacturing method, the portion in which the crystal defect of the
また、高エネルギー粒子の照射によって形成された低ライフタイム層の再結合は一般的にガウス分布を有している。このため、ターンオフ時間を短くするためにコレクタ領域のドリフト領域側に低ライフタイム層のピークを形成すると、ドリフト領域にまで結晶欠陥が生じてしまい、耐圧劣化やターンオフ時に長いテール電流を引く問題、キャリア・ライフタイムの低下によるオン電圧の増大などの問題が生じる。 Further, the recombination of the low lifetime layer formed by irradiation with high energy particles generally has a Gaussian distribution. For this reason, if the peak of the low lifetime layer is formed on the drift region side of the collector region in order to shorten the turn-off time, a crystal defect occurs in the drift region, and the problem of pulling a long tail current at the time of turn-off deterioration or turn-off, Problems such as an increase in on-voltage due to a decrease in carrier lifetime occur.
これに対し、高エネルギー粒子の照射を行わない本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法によれば、高エネルギー粒子の照射に起因する問題が発生しない。更に、所望の深さに低ライフタイム層を形成するために必要な高精合わせが不要である。このため、コレクタ領域と低ライフタイム層との誤差が生じやすい位置関係を考慮することなく、ターンオフ時間が短く且つ安価に半導体装置1を製造することができる。 On the other hand, according to the manufacturing method of the semiconductor device according to the embodiment of the present invention that does not perform irradiation with high energy particles, a problem caused by irradiation with high energy particles does not occur. Furthermore, the high precision required to form the low lifetime layer at the desired depth is not necessary. Therefore, the semiconductor device 1 can be manufactured at a low cost with a short turn-off time without considering a positional relationship in which an error between the collector region and the low lifetime layer is likely to occur.
以上に説明したように、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法によれば、半導体基体側に比べてコレクタ電極側において活性化率が高く且つ結晶欠陥が少ないコレクタ領域10が形成される。その結果、短いターンオフ時間と比較的低いオン電圧を実現し、且つ製造コストの増大が抑制された半導体装置1が得られる。
As described above, according to the method of manufacturing a semiconductor device according to the embodiment of the present invention, the
<変形例>
図1に示した半導体装置1は、バッファ領域21がコレクタ領域10とドリフト領域22間に配置されている。しかし、図9に示すように、バッファ領域21は配置しなくてもよい。
<Modification>
In the semiconductor device 1 shown in FIG. 1, the
ただし、バッファ領域21を配置することにより、ターンオフ時にドリフト領域22内に残存する正孔の量を、ある程度制御することができる。このため、ターンオフ時間が抑制される。また、バッファ領域21を配置することによって、半導体装置1のゲート・エミッタ間に接地電位又は逆バイアスが印加されてドリフト領域22のベース領域30側から広がる空乏層が生じたときに、空乏層がバッファ領域21を超えてコレクタ領域10に達することを防止することができる。
However, by arranging the
(その他の実施形態)
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
(Other embodiments)
As mentioned above, although this invention was described by embodiment, it should not be understood that the description and drawing which form a part of this indication limit this invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.
既に述べた実施形態の説明においては、半導体装置1がトレンチゲート構造である例を示した。しかし、半導体装置1がプレーナ構造である場合にも、本発明は適用可能である。図10に、プレーナ構造の半導体装置1の一例を示した。図10に示した半導体装置1では、ゲート絶縁膜50を介してゲート電極60がベース領域30上に配置されている。ゲート電極60とエミッタ電極80間には層間絶縁膜70が配置されている。ゲート電極60とゲート絶縁膜50を介して対向するベース領域30の表面がチャネル領域である。
In the description of the embodiment already described, the example in which the semiconductor device 1 has the trench gate structure is shown. However, the present invention can also be applied when the semiconductor device 1 has a planar structure. FIG. 10 shows an example of a semiconductor device 1 having a planar structure. In the semiconductor device 1 shown in FIG. 10, the
図10に示したプレーナ構造の半導体装置1の場合にも、コレクタ領域10の半導体基体側に比べてコレクタ電極側において活性化率が高く且つ結晶欠陥が少ない。このため、短いターンオフ時間と比較的低いオン電圧を実現し、且つ製造コストの増大が抑制された半導体装置1が得られる。また、ベース領域30とドリフト領域22との間にドリフト領域22よりも不純物濃度が高い第2導電型のキャリア蓄積領域を挟んでもよい。この場合、半導体基体20はキャリア蓄積領域を含んでもよい。また、活性領域と活性領域を取り囲む外周領域との間でコレクタ領域10の活性化率を変えてもよい。例えば、外周領域側を活性領域よりも活性化率を低くすることで、よりターンオフ時間が短く比較的オン電圧の低い半導体装置を提供できる。
Also in the case of the semiconductor device 1 having the planar structure shown in FIG. 10, the activation rate is higher on the collector electrode side and the number of crystal defects is smaller than that on the semiconductor substrate side of the
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。 As described above, the present invention naturally includes various embodiments not described herein. Therefore, the technical scope of the present invention is defined only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from the above description.
1…半導体装置
10…コレクタ領域
20…半導体基体
21…バッファ領域
22…ドリフト領域
30…ベース領域
40…エミッタ領域
50…ゲート絶縁膜
60…ゲート電極
70…層間絶縁膜
80…エミッタ電極
90…コレクタ電極
100…チャネル領域
101…第1の主面
102…第2の主面
201…上面
202…下面
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (10)
前記コレクタ領域の前記第1の主面上に配置された第2導電型の半導体基体と、
前記半導体基体上に配置された第1導電型のベース領域と、
前記ベース領域上に配置された第2導電型のエミッタ領域と、
少なくとも前記半導体基体と前記エミッタ領域間で前記ベース領域上に配置されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を介して前記ベース領域に対向して配置されたゲート電極と、
前記コレクタ領域の前記第2の主面上に配置されたコレクタ電極と、
前記エミッタ領域と電気的に接続されたエミッタ電極と
を備えることを特徴とする半導体装置。 The first and second main surfaces facing each other, the activation rate of the first conductivity type impurities on the second main surface side is higher than the first main surface side, and there are few crystal defects; A collector region of a first conductivity type;
A second conductivity type semiconductor substrate disposed on the first main surface of the collector region;
A base region of a first conductivity type disposed on the semiconductor substrate;
An emitter region of a second conductivity type disposed on the base region;
A gate insulating film disposed on the base region at least between the semiconductor substrate and the emitter region;
A gate electrode disposed to face the base region via the gate insulating film;
A collector electrode disposed on the second main surface of the collector region;
A semiconductor device comprising: an emitter electrode electrically connected to the emitter region.
前記コレクタ領域に接するバッファ領域と、
前記バッファ領域と前記ベース領域間に配置された、前記バッファ領域よりも不純物濃度の低いドリフト領域と
を備えることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 The semiconductor substrate is
A buffer region in contact with the collector region;
The semiconductor device according to claim 1, further comprising: a drift region that is disposed between the buffer region and the base region and has a lower impurity concentration than the buffer region.
前記コレクタ領域中の前記第1導電型不純物がボロンである
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。 The collector region is made of silicon;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the first conductivity type impurity in the collector region is boron.
前記ゲート絶縁膜が前記溝の内壁上に配置され、
前記ゲート電極が前記ゲート絶縁膜を介して前記溝の内部に埋め込まれている
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置。 A groove extending from the upper surface of the emitter region and penetrating at least the emitter region and the base region is formed,
The gate insulating film is disposed on an inner wall of the trench;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the gate electrode is embedded in the trench through the gate insulating film.
前記ベース領域上に第2導電型のエミッタ領域を形成するステップと、
前記半導体基体の前記上面に対向する下面から、前記半導体基体の下面側に第1導電型不純物を注入するステップと、
前記下面から離間した領域よりも前記下面近傍において前記第1導電型不純物の活性化率が高いように前記半導体基体を前記下面側から加熱して、第1導電型のコレクタ領域を前記半導体基体の前記下面側に形成するステップと
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a first conductivity type base region on a second conductivity type semiconductor substrate;
Forming an emitter region of a second conductivity type on the base region;
Injecting a first conductivity type impurity from a lower surface facing the upper surface of the semiconductor substrate to a lower surface side of the semiconductor substrate;
The semiconductor substrate is heated from the lower surface side so that the activation rate of the first conductivity type impurities is higher in the vicinity of the lower surface than in the region spaced from the lower surface, so that the first conductivity type collector region is formed on the semiconductor substrate. Forming on the lower surface side. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記半導体基体の前記下側に前記バッファ領域が残存するように、前記バッファ領域の表面側に前記コレクタ領域を形成することを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の製造方法。 Forming a second conductivity type buffer region on the lower side of the semiconductor substrate before forming the collector region;
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6, wherein the collector region is formed on a surface side of the buffer region so that the buffer region remains on the lower side of the semiconductor substrate.
前記溝の内壁にゲート絶縁膜を形成するステップと、
前記ゲート絶縁膜が形成された前記溝の内部にゲート電極を形成するステップと
を更に含むことを特徴とする請求項6乃至9のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 Forming an opening in the emitter region and forming a groove that reaches the semiconductor substrate through the emitter region and the base region;
Forming a gate insulating film on the inner wall of the trench;
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 6, further comprising: forming a gate electrode inside the trench in which the gate insulating film is formed.
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