JP4096838B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

Semiconductor device and manufacturing method thereof Download PDF

Info

Publication number
JP4096838B2
JP4096838B2 JP2003296371A JP2003296371A JP4096838B2 JP 4096838 B2 JP4096838 B2 JP 4096838B2 JP 2003296371 A JP2003296371 A JP 2003296371A JP 2003296371 A JP2003296371 A JP 2003296371A JP 4096838 B2 JP4096838 B2 JP 4096838B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
semiconductor layer
conductivity type
concentration
layer
semiconductor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2003296371A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2005064429A (en
Inventor
道生 根本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Device Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fuji Electric Device Technology Co Ltd filed Critical Fuji Electric Device Technology Co Ltd
Priority to JP2003296371A priority Critical patent/JP4096838B2/en
Publication of JP2005064429A publication Critical patent/JP2005064429A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4096838B2 publication Critical patent/JP4096838B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)

Description

本発明は、高速・低損失であるだけでなく、ソフトリカバリー特性をも兼ね備えたダイオードまたはIGBTとそれらの製造方法に関するものである。   The present invention relates to a diode or IGBT having not only high speed and low loss but also soft recovery characteristics, and a method for manufacturing the same.

現在広く用いられている図16に示すpinダイオード(従来例B)は、オン状態からオフ状態にスイッチするとき(逆回復時)には、過渡的に大きな逆向きの電流がダイオードに流れる。これを逆回復電流というが、この逆回復時ダイオードに、定常的な状態よりも大きな電気的損失が生じる。この損失を小さくし、高速化することが、ダイオードの特性として強く要求される。さらに、この逆回復時ダイオード内部には、定常状態の場合に比べて高い電気的責務が生じる。ダイオードに流れる定常電流を大きくしたり、阻止状態の電圧を大きくすると、この電気的責務が大きくなり、そのためダイオードが破壊することがある。電力用途のダイオードにおいて高い信頼性を保証するためには、この逆回復耐量を、定格よりもはるかに大きくすることが強く要求される。   In the pin diode (conventional example B) shown in FIG. 16 that is widely used at present, a large reverse current flows transiently in the diode when switching from the on state to the off state (during reverse recovery). Although this is called reverse recovery current, a larger electric loss is generated in the diode during reverse recovery than in a steady state. It is strongly required as a characteristic of the diode to reduce this loss and increase the speed. Further, a higher electrical duty is generated in the reverse recovery diode than in the steady state. Increasing the steady-state current flowing through the diode or increasing the blocking voltage increases this electrical duty, which can destroy the diode. In order to guarantee high reliability in a diode for power application, it is strongly required to make the reverse recovery tolerance much larger than the rating.

現在、pinダイオードの逆回復特性および耐量を改善するための対策として、重金属拡散や電子線照射などを用いた少数キャリアのライフタイム制御が広く適用されている。すなわち、ライフタイムを小さくすることで、定常状態における総キャリア濃度が低減されるため、逆回復中に空間電荷領域の広がりで掃き出されるキャリア濃度が減少し、逆回復の時間や逆回復ピーク電流、逆回復電荷を小さくすることができ、逆回復損失を低減できる。また、ホールが空間電荷領域を走り抜けることによる逆回復中の電界強度も、そのホール濃度の減少により緩和されるため、責務が小さくなり逆回復耐量が向上する。
一方、ダイオードのソフトリカバリー化も重要な課題である。近年環境問題などにより、パワーエレクトロニクス機器から発生する電磁ノイズの低減が要求されており、その対応策の一つに、ダイオード逆回復をソフトリカバリーにして、発振等ノイズの原因を抑えることがある。ソフトリカバリー化の手段としては、アノード側からの少数キャリア注入効率を低くするとよい。この手段で代表的には、Merged Pin/Schottky Diode(MPS)(非特許文献1参照)やSoft and Fast recovery Diode(SFD)(非特許文献2参照)などがある。このMPSダイオードは、pinダイオードのアノード層がp領域とショットキー領域とで構成されている。
Currently, minority carrier lifetime control using heavy metal diffusion, electron beam irradiation, or the like is widely applied as a measure for improving reverse recovery characteristics and withstand capability of pin diodes. In other words, by reducing the lifetime, the total carrier concentration in the steady state is reduced, so the carrier concentration that is swept away by the expansion of the space charge region during reverse recovery decreases, and the reverse recovery time and reverse recovery peak current The reverse recovery charge can be reduced and the reverse recovery loss can be reduced. In addition, the electric field strength during reverse recovery due to the holes passing through the space charge region is also alleviated by the decrease in the hole concentration, so that the duty is reduced and the reverse recovery tolerance is improved.
On the other hand, soft recovery of the diode is also an important issue. In recent years, due to environmental problems and the like, it has been required to reduce electromagnetic noise generated from power electronics equipment, and one countermeasure is to suppress the cause of noise such as oscillation by soft recovery of diode reverse recovery. As a means for soft recovery, it is preferable to reduce the minority carrier injection efficiency from the anode side. Typical examples of this means include Merged Pin / Schottky Diode (MPS) (see Non-Patent Document 1) and Soft and Fast recovery Diode (SFD) (see Non-Patent Document 2). In this MPS diode, the anode layer of the pin diode is composed of a p region and a Schottky region.

逆回復動作の高速・低損失特性とソフトリカバリー特性の間には、トレードオフの関係がある(非特許文献3参照)。即ち、ソフトリカバリーにするには、特にカソード側に少数キャリアを多く蓄積させ、逆回復時に空間電荷領域がアノード側からカソード側に向かって広がる時に、できるだけカソード側少数キャリアを残すことで、アノード電流の減少率dir/dtを小さくする。しかしながらそのために、逆回復損失が増加し、逆回復の終了までに時間を要する。一方、反対に、高速低損失逆回復にするということは、オン時にドリフト層に蓄積する少数キャリアを少なくすることであるが、そのためにいわゆるスナッピーな逆回復(ハードリカバリー)となり、電圧、電流ともに発振する場合がある。
例えば、非特許文献6に示されているように、逆回復過程が終了する前にn- ドリフト層内の余剰キャリアが消滅すると、dir/dtが急激に増加するため、ダイオードのアノード・カソード電圧Vakもそれに伴って増加してサージ電圧が発生する。このサージ電圧は、素子内部に電界集中を引き起こすため、素子耐圧破壊をもたらす。更にそのサージ電圧がトリガーとなり、振動波形となる。この振動波形が、インバータ等の電力変換装置からの放射ノイズの発生源となる。従って、逆回復時には、ダイオードが電流阻止の定常状態に達するまでの途中で余剰キャリアが消滅しないようにしなければならない。
There is a trade-off relationship between the high speed / low loss characteristics and the soft recovery characteristics of the reverse recovery operation (see Non-Patent Document 3). That is, in order to achieve soft recovery, a large amount of minority carriers are accumulated particularly on the cathode side, and when the space charge region expands from the anode side to the cathode side during reverse recovery, the cathode current is left as much as possible. Decrease rate dir / dt is reduced. However, reverse recovery loss increases, and it takes time to complete reverse recovery. On the other hand, reverse recovery at high speed and low loss mean that minority carriers that accumulate in the drift layer at the time of on-state are reduced, so that it becomes so-called snappy reverse recovery (hard recovery), and both voltage and current are It may oscillate.
For example, as shown in Non-Patent Document 6, if the excess carriers in the n drift layer disappear before the reverse recovery process ends, dir / dt increases rapidly, and therefore the anode-cathode voltage of the diode Vak also increases accordingly, and a surge voltage is generated. Since this surge voltage causes electric field concentration inside the element, it causes breakdown of the element. Furthermore, the surge voltage becomes a trigger and becomes a vibration waveform. This vibration waveform becomes a source of radiation noise from a power converter such as an inverter. Therefore, at the time of reverse recovery, surplus carriers must be prevented from disappearing in the middle of the diode reaching the steady state of current blocking.

また、素子耐圧を損なわない範囲でn- ドリフト層を薄くして逆回復電荷を減少させて、逆回復損失を低減する方法もあるが、逆回復時のカソード側蓄積キャリアを減らすこととなり、余剰キャリアが逆回復中に消滅しやすくなるため、結果として発振しやすくなる。よって、現状の方法では、ソフトリカバリー特性を維持しながら逆回復損失を低減することは極めて困難になりつつある。
上記トレードオフを改善する方法の代表例の一つは、前述の低注入構造とドリフト層厚の低減を組合せることである。少数キャリアの注入効率を下げることで、カソード側余剰キャリアを増やしてソフトリカバリー化を図り、かつドリフト層厚を低減すれば、ソフトリカバリー化を達成しかつ高速逆回復化も可能である。また、プロトンやヘリウムイオン等の軽イオン粒子線の照射により、ライフタイムの局所制御でソフトリカバリー化を向上する方法もある。しかしながらこれらの場合、ドリフト層厚の減少により、耐圧の低下だけでなく、ソフトリカバリー化の限界がある。これは、逆回復時のドリフト層内における空間電荷領域の拡張が、主にドリフト層のドナー分布に依存するため、印加電圧が素子耐圧以下の範囲で高くなれば、低注入化を行っていたとしても結局はドリフトにより空間電荷領域へのキャリアの掃き出しは多くなり、その結果ハードリカバリーとなるからである。
There is also a method to reduce the reverse recovery loss by reducing the reverse recovery charge by thinning the n drift layer within the range that does not impair the device breakdown voltage, but it reduces the cathode-side stored carriers at the time of reverse recovery. Since carriers easily disappear during reverse recovery, oscillation tends to occur as a result. Therefore, with the current method, it is becoming extremely difficult to reduce reverse recovery loss while maintaining soft recovery characteristics.
One typical example of a method for improving the trade-off is to combine the aforementioned low injection structure with a reduction in drift layer thickness. By reducing the injection efficiency of minority carriers, the cathode side surplus carriers are increased to achieve soft recovery, and if the drift layer thickness is reduced, soft recovery can be achieved and high-speed reverse recovery can be achieved. There is also a method of improving soft recovery by local control of lifetime by irradiation with light ion particle beams such as protons and helium ions. However, in these cases, due to the decrease in the drift layer thickness, there is a limit to soft recovery as well as a reduction in breakdown voltage. This is because the expansion of the space charge region in the drift layer during reverse recovery mainly depends on the donor distribution in the drift layer, so if the applied voltage is high in the range of the device breakdown voltage or less, the injection was reduced. In the end, however, drifting causes more carriers to be swept out into the space charge region, resulting in hard recovery.

上記トレードオフを改善する他の例として、ドリフト層のドナー分布を工夫する方法がある。例えば、図17(従来品C)に示すダイオードでは、nドリフト層81を2つの領域81a、81bに分けて、pアノード層82側を高比抵抗(低濃度)にし、nカソード層83側を低比抵抗(高濃度)にすることで、空乏層の伸びをある電圧以上で抑えている(特許文献1参照)。
図18(従来品D)に示すダイオードでは、nカソード層93に向かって徐々に比抵抗が低くなる構造をなし、同様にソフトリカバリー化を図っている。しかしながら逆回復時のキャリアの掃き出しでは、pアノード層92側が高比抵抗の場合、アプリケーションの動作モード(高電圧低電流等)によってはキャリアがドリフトで掃き出される量が却って多くなることがあり、ハードリカバリーとなる(特許文献2参照)。
As another example of improving the trade-off, there is a method of devising the donor distribution of the drift layer. For example, in the diode shown in FIG. 17 (conventional product C), the n drift layer 81 is divided into two regions 81a and 81b, the p anode layer 82 side is set to high specific resistance (low concentration), and the n cathode layer 83 side is set. By using a low specific resistance (high concentration), the depletion layer is kept at a certain voltage or higher (see Patent Document 1).
The diode shown in FIG. 18 (conventional product D) has a structure in which the specific resistance gradually decreases toward the n cathode layer 93, and soft recovery is similarly achieved. However, in the carrier sweeping out at the time of reverse recovery, when the p anode layer 92 side has a high specific resistance, depending on the operation mode of the application (high voltage, low current, etc.), the amount of carriers swept out by drift may increase. Hard recovery (see Patent Document 2).

また、発明者らが提案した特願2001−48631号に開示されている図15(従来品A)に示すダイオードでは、nドリフト層61の略中間に、nドリフト層61よりは低比抵抗でそれ自身逆バイアス時に空乏化する濃度および厚さのnバッファ層61aを設けることで、空乏層の伸びを制御し、ソフトリカバリー化と高速化の双方を著しく向上させる構造を提供した。しかしながら、この構造の場合、nバッファ層61aの存在により、逆回復時に空間電荷領域が丁度nバッファ層61aに達するときに電圧上昇率dV/dtが増加するという現象(逆回復電圧のピーク近傍のdV/dtが増加する現象)が観測された。これは、ノイズ低減という観点からデメリットとなるため、このdV/dtの増加を抑制する必要がある。
更に、逆回復損失の低減、ソフトリカバリー特性の一層の向上、逆回復電圧のdV/dtの抑制および逆回復電圧・電流波形の振動の抑制ができる半導体装置として特願2002−214657号を出願した。この、特願2002−214657号に開示されているダイオードを図19(従来品E)に示す。図19の(a)は要部断面図、同図(b)は同図(a)の不純物濃度の分布図である。この半導体装置の表面構造は通常のpinダイオードの場合と同じで、pアノード層は活性領域全面に形成されている。尚、背景技術及びこれから説明する実施例の図において活性領域のみを断面で示した図を用いて説明しているものがあるが、この活性領域の外側には電力用途の素子で採用されているガードリング、フィールドプレートあるいはRESURFなどの耐圧構造が設けられる。そして、アノード側表面の外周端には、p型領域のストッパ領域が設けられ、その表面にはストッパ電極が設けられる。このストッパ領域によって、空乏層が外周端まで達しないので、nドリフト層11がチップの外周側面に露出しても特に問題ない。このため、チップ側端では切断後に特別な処理を施さなくともよい。
In the diode shown in FIG. 15 (conventional product A) disclosed in Japanese Patent Application No. 2001-48631 proposed by the inventors, the n drift layer 61 has a lower specific resistance than that of the n drift layer 61. By providing the n buffer layer 61a having a concentration and thickness that depletes itself during reverse biasing, the structure of controlling the elongation of the depletion layer and significantly improving both soft recovery and high speed is provided. However, in this structure, due to the presence of the n buffer layer 61a, the voltage increase rate dV / dt increases when the space charge region just reaches the n buffer layer 61a during reverse recovery (in the vicinity of the peak of the reverse recovery voltage). A phenomenon in which dV / dt increases) was observed. Since this is a demerit from the viewpoint of noise reduction, it is necessary to suppress this increase in dV / dt.
Further, Japanese Patent Application No. 2002-214657 was filed as a semiconductor device capable of reducing reverse recovery loss, further improving soft recovery characteristics, suppressing reverse recovery voltage dV / dt, and suppressing reverse recovery voltage / current waveform oscillation. . The diode disclosed in Japanese Patent Application No. 2002-214657 is shown in FIG. 19 (conventional product E). 19A is a cross-sectional view of the main part, and FIG. 19B is a distribution diagram of the impurity concentration in FIG. 19A. The surface structure of this semiconductor device is the same as that of a normal pin diode, and the p anode layer is formed over the entire active region. In the background art and in the drawings of the embodiments to be described below, there are some which are described using a view showing only the active region in a cross section. A withstand voltage structure such as a guard ring, a field plate, or RESURF is provided. A p-type stopper region is provided at the outer peripheral edge of the anode side surface, and a stopper electrode is provided on the surface thereof. Since the depletion layer does not reach the outer peripheral edge by this stopper region, there is no particular problem even if the n drift layer 11 is exposed on the outer peripheral side surface of the chip. For this reason, it is not necessary to perform a special process after cutting at the chip side end.

図19において、nドリフト層11の一方にpアノード層12を形成し、他方にnカソード層13を形成し、pアノード層12上にアノード電極14、nカソード層13上にカソード電極15を形成する。このnドリフト層11の不純物濃度は、同図(b)で示すように中央付近でピークとなり、このピークの位置Xpからpアノード層12側およびnカソード層13側に緩やかに減少するようにする。
特開平08−148699号公報 特開平08−316500号公報 ビイ・ジェイ・バリガ(B.J.Baliga)「ザ ピンチ レクチファイアー(The pinch Rectifier)」アイイーイーイー エレクトロン デバイセス(IEEE Electron.Dev.Lett.ED−5、p194,1984. エム.モリ.他(M.Mori,et.al.),「ア ノーベル ソフト アンド ファースト リカバリ ダイオード(SFD)ウイズ スイン ピーレイヤ フォームド バイ アルミ−シリコン エレクトロード(A Novel Soft and Fast Recovery Diode(SFD)with Thin P−layer Formed by Al−Si Electrode)」プロシーディングス オフ アイエスピーエスディ(Proceedings of ISPSD‘91)pp113−117,1991. エム.ネモト,他(M.Nemoto,et.al.),「アン アドバンスド エフダブリュディ デザイン コンセプト ウイズ スペリア ソフト リバース リカバリ キャラクタリスティック(An Advanced FWD Design Concept with Superior Soft Reverse Recovery Characteristics)」プロシーディングス オフ アイエスピーエスディ(Proceedings of ISPSD2000)pp119−122,2000. エム.ネモト,他(M.Nemoto,et.al.),プロシーディングス オフ アイエスピーエスディ(Proceedings of ISPSD‘98)pp305−308,1998.
In FIG. 19, a p anode layer 12 is formed on one of the n drift layers 11, an n cathode layer 13 is formed on the other, an anode electrode 14 is formed on the p anode layer 12, and a cathode electrode 15 is formed on the n cathode layer 13. To do. The impurity concentration of the n drift layer 11 has a peak near the center as shown in FIG. 4B, and gradually decreases from the peak position Xp to the p anode layer 12 side and the n cathode layer 13 side. .
JP 08-148699 A JP 08-316500 A B. J. Baliga “The pinch rectifier”, IEEE Electron. Dev. Lett. ED-5, p194, 1984. M. Mori. Et al. (M. Mori, et.al.), “A Nobel Soft and Fast Recovery Diode (SFD) With Simpy Layer Formed by Aluminum-Silicon Electrode (A Novel Soft and Fast Recovery Diode (SFD) with Thin P-layer. Formed by Al-Si Electrode) "Proceedings of ISPSD '91, pp113-117, 1991. M. Nemoto, et al., “An Advanced FWD Design Concept with Reverse Soft Character Recovery” Pps 119-122, 2000. Proceedings of ISPSD2000. M. Nemoto, et al., Proceedings of ISPSD '98, pp 305-308, 1998.

従来品E(以下、ブロードバッファ構造と称する)では、高速・低損失なだけでなく、発振を抑制するソフトリカバリーなダイオードを提供することを可能にした。しかしながら、このブロードバッファ構造の濃度分布を得るためには、高濃度なCZ(チョクラルスキ)基板もしくは低濃度なFZ(フローティングゾーン)基板上に、エピタキシャル成長によりリン濃度を連続的に変化させながら作成するか、FZバルクウエーハにプロトン等のドナー準位を形成する軽イオンを照射することで作成しなければならなかった。これらの方法で作成したブロードバッファの場合、FZバルクウエーハのみを用いるPINダイオードに比べて製造コストが高いという問題がある。つまり、エピタキシャル成長で形成したブロードバッファ構造は基板の値段に加えてエピタキシャル成長の値段がかかり、プロトン照射の場合はサイクロトロン使用に伴うコスト増があるためである。
一方、近年600Vから1200Vの汎用クラスのIGBTやFWDには、安価なFZウエーハを100μm前後まで研削して薄い縦型の素子を形成する方法が主流となりつつあり、性能のみならずコストパフォーマンスの向上も要求されているのが現状である。しかしながら、このFZウエーハを100μm前後に研削して形成する場合、N層の濃度分布は深さ方向に一様な分布でしか有りえなかった。このため、従来品Eのような低損失とソフトリカバリー特性を両立するコンセプトをFZウエーハを100μm前後に研削して形成する場合に適用することができなかった。従って、この発明の目的は、前記の課題を解決して、逆回復時のdV/dtの増加を抑制し、逆回復時の波形振動を抑制し、高速・低損失特性とソフトリカバリー特性両者を同時に向上する半導体装置をFZバルクウエーハを用いて安価に提供することである。
In the conventional product E (hereinafter referred to as a broad buffer structure), it is possible to provide not only high speed and low loss but also a soft recovery diode that suppresses oscillation. However, in order to obtain the concentration distribution of this broad buffer structure, it is necessary to create it on a high-concentration CZ (Czochralski) substrate or a low-concentration FZ (floating zone) substrate while continuously changing the phosphorus concentration by epitaxial growth. The FZ bulk wafer had to be prepared by irradiating light ions that form donor levels such as protons. In the case of the broad buffer created by these methods, there is a problem that the manufacturing cost is higher than that of a PIN diode using only an FZ bulk wafer. That is, the broad buffer structure formed by epitaxial growth is expensive for epitaxial growth in addition to the price of the substrate, and in the case of proton irradiation, there is an increase in cost due to the use of a cyclotron.
On the other hand, in recent years, in general-purpose IGBTs and FWDs of 600V to 1200V, a method of forming a thin vertical element by grinding an inexpensive FZ wafer to around 100 μm is becoming the mainstream, improving not only performance but also cost performance. Is also required. However, when this FZ wafer is formed by grinding to around 100 μm, the concentration distribution of the N layer can only be a uniform distribution in the depth direction. For this reason, the concept that achieves both low loss and soft recovery characteristics as in the conventional product E cannot be applied when the FZ wafer is ground to about 100 μm. Accordingly, the object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, suppress an increase in dV / dt during reverse recovery, suppress waveform vibration during reverse recovery, and achieve both high speed / low loss characteristics and soft recovery characteristics. At the same time, it is to provide an inexpensive semiconductor device using an FZ bulk wafer.

上述した課題を解決して目的を達成するため、この発明は、N型不純物であるリンを含有するFZウエーハの一方の主面及び他方の主面から、前記リンの濃度よりも低い濃度となるように、ボロンよりも拡散係数の大きいP型不純物である、例えばアルミニウム、ガリウム、インジウム及び亜鉛の少なくとも1つを1200℃以下の温度で両面全面に拡散させて、N-ドリフト層の濃度を補償させることで、FZウエーハの両表面のネットドーピング濃度がリン濃度よりも少なくなるように形成する。これにより、FZウエーハを用いて容易にブロードバッファ構造を形成することができる。そして、このFZウエーハの両表面のネットドーピング濃度がリン濃度よりも少なくなるように形成したFZウエーハを用いたダイオード、IGBT又はMOSFETとする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, the present invention has a concentration lower than the concentration of phosphorus from one main surface and the other main surface of the FZ wafer containing phosphorus which is an N-type impurity. As described above, the concentration of the N drift layer is compensated by diffusing at least one of aluminum, gallium, indium and zinc, which is a P-type impurity having a diffusion coefficient larger than that of boron, on the entire surface at a temperature of 1200 ° C. or less. By doing so, the net doping concentration on both surfaces of the FZ wafer is formed to be lower than the phosphorus concentration. Thereby, it is possible to easily form a broad buffer structure using the FZ wafer. A diode, IGBT, or MOSFET using the FZ wafer formed so that the net doping concentration on both surfaces of the FZ wafer is lower than the phosphorus concentration is used.

本発明の半導体装置およびその製造方法によれば、安価なFZウエーハに対して簡単な方法で、これまでにないウエーハ内部深く迄のネットドーピング濃度分布を制御してブロードバッファ構造を形成することが可能になる。その結果、逆回復時間および損失を低減すると共にソフトリカバリー特性をも向上させた安価なダイオードあるいは発振の抑制されたIGBTあるいはスムーズで高速な逆回復が可能なMOSFETを提供できる。これにより、電気的損失および放射電磁ノイズの低い、環境問題を考慮したIGBTモジュール、IPM(インテリジエントパワーモジュール)の安価な提供が可能となる。 According to the semiconductor device and the manufacturing method thereof of the present invention, it is possible to form a broad buffer structure by controlling the net doping concentration distribution deep inside the wafer, which is unprecedented, by a simple method for an inexpensive FZ wafer. It becomes possible. As a result, it is possible to provide an inexpensive diode, an IGBT with suppressed oscillation, or a MOSFET capable of smooth and high-speed reverse recovery with reduced reverse recovery time and loss and improved soft recovery characteristics. This makes it possible to provide an inexpensive IGBT module and IPM (intelligent power module) that take into consideration environmental issues with low electrical loss and radiated electromagnetic noise.

図1は、本発明の最良の形態を示す実施例であり、(a)は要部断面図、(b)は(a)のX−X線の断面における不純物濃度の分布図、(c)はX−X線の断面における電界分布図である。図1において、Nドリフト層1のアノード側となる一方の主面からアルミニウム、ガリウムまたはインジウムがFZのNバルクウエーハの全面に一様に導入される。この時にアルミニウム、ガリウムまたはインジウムの最大濃度はFZのNバルクウエーハのリン濃度よりも低くする。またカソード側となる他方の主面から亜鉛がNバルクウエーハの全面に一様に導入される。この時に亜鉛の最大濃度はFZのNバルクウエーハのリン濃度よりも低くする。これらアルミニウム、ガリウム、インジウムまたは亜鉛の導入は、ガウス分布にて一様の拡散とする。これにより、アクセプタがドナーを一方の主面および他方の主面の各表面近傍で強く補償することで、ネットドーピング濃度分布が、両主面で低く、ウエーハの深さ方向の中央に向かって、徐々に高くなっていく、ブロ−ドバッファ構造となり、中央部分が実効Nバッファ層1aとなる。なお、一方の主面と他方の主面には異なる拡散係数の不純物元素を導入しているので、ネットドーピング濃度の高い部分を任意の深さ位置に設定することができる。このようにして、特願2002−214657号のブロードバッファ構造と同じような濃度分布のウエーハを安価なFZウエーハを用いて形成することができる。なお、Pアノード層2、ガードリング6およびNカソード層3は一般的な拡散あるいはイオン注入で形成することができる。また、用途によってはダイオードの素子特性として、両主面から不純物濃度分布を変えなくとも、どちらか一方の主面から不純物濃度分布を変えるだけで十分な場合も考えられる。このような場合は、例えば、表面側はNバルクウエーハのリン濃度のままとしておき、裏面側のみ亜鉛を導入して裏面側からの不純物濃度分布を変えればよい。また、その逆に表面側のみにアルミニウム、ガリウムおよびインジウムのいずれかを導入して表面側のみ不純物濃度分布を変えてもよい。いずれにも本発明の製造方法は適用できる。 1A and 1B show an embodiment showing the best mode of the present invention, where FIG. 1A is a cross-sectional view of an essential part, FIG. 1B is a distribution diagram of impurity concentration in a cross section taken along line XX in FIG. FIG. 3 is an electric field distribution diagram in a section taken along line XX. In FIG. 1, aluminum, gallium, or indium is uniformly introduced from the main surface on the anode side of the N drift layer 1 to the entire surface of the N - bulk wafer of FZ. At this time, the maximum concentration of aluminum, gallium or indium is set lower than the phosphorus concentration of the N - bulk wafer of FZ. Further, zinc is uniformly introduced into the entire surface of the N - bulk wafer from the other main surface on the cathode side. At this time, the maximum concentration of zinc is set lower than the phosphorus concentration of the N - bulk wafer of FZ. The introduction of aluminum, gallium, indium or zinc is made to be uniform diffusion with a Gaussian distribution. Thereby, the acceptor strongly compensates the donor in the vicinity of each surface of one main surface and the other main surface, so that the net doping concentration distribution is low on both main surfaces, toward the center in the depth direction of the wafer, The load buffer structure gradually increases, and the central portion becomes the effective N buffer layer 1a. Since impurity elements having different diffusion coefficients are introduced into one main surface and the other main surface, a portion having a high net doping concentration can be set at an arbitrary depth position. In this way, a wafer having a concentration distribution similar to the broad buffer structure disclosed in Japanese Patent Application No. 2002-214657 can be formed using an inexpensive FZ wafer. The P anode layer 2, the guard ring 6, and the N + cathode layer 3 can be formed by general diffusion or ion implantation. Depending on the application, it may be sufficient to change the impurity concentration distribution from one of the main surfaces without changing the impurity concentration distribution from both the main surfaces as the element characteristics of the diode. In such a case, for example, the phosphorus concentration of the N - bulk wafer may be kept on the front surface side, and zinc may be introduced only on the back surface side to change the impurity concentration distribution from the back surface side. On the contrary, any one of aluminum, gallium and indium may be introduced only on the surface side to change the impurity concentration distribution only on the surface side. In any case, the production method of the present invention can be applied.

図1の(b)に置き換えて図19の(b)を用いて説明すると、nドリフト層1において、ネットドーピング濃度Nd(X)が、nドリフト層1内の位置Xpにおいて最大濃度を持ち、Xpからアノード電極4方向またはカソード電極5方向に向かって、アルミニウム、インジウム、ガリウムまたは亜鉛の拡散によって、なだらかに不純物濃度が減少するように形成されている。pアノード層2とアノード電極4の境界を始点(0)として、pアノード層2とnドリフト層1の境界(接合)までの距離をXjとし、nカソード層3とnドリフト層1の境界までの距離をWdとした場合に、XjからWdまでのネットドーピング濃度分布Nd(X)を積分し、Wd−Xjで割った平均ネットドーピング濃度Ndmを、   Referring to FIG. 19B instead of FIG. 1B, in the n drift layer 1, the net doping concentration Nd (X) has the maximum concentration at the position Xp in the n drift layer 1, The impurity concentration is gradually reduced by diffusion of aluminum, indium, gallium or zinc from Xp toward the anode electrode 4 or the cathode electrode 5. The boundary between the p anode layer 2 and the anode electrode 4 is the starting point (0), the distance to the boundary (junction) between the p anode layer 2 and the n drift layer 1 is Xj, and the boundary between the n cathode layer 3 and the n drift layer 1 , The net doping concentration distribution Nd (X) from Xj to Wd is integrated, and the average net doping concentration Ndm divided by Wd−Xj is

Figure 0004096838
Figure 0004096838

とすると、Nd(X)とNdmとの交点が2点与えられ、それをXc、Xdとそれぞれ置くことができる。このXcとXdに挟まれる領域が実効的なnバッファ層(実効nバッファ層1a)となる。また、pアノード層2とnドリフト層1の交点での不純物濃度をN1、nカソード層3とnドリフト層1の交点での不純物濃度をN2とした場合にN1≦N2となるようにする。
ここで、本発明品のnドリフト層1の平均ネットドーピング濃度Ndmは、上記積分濃度をnドリフト層1の幅で割れば求められ、その値は約8×1013cm-3である。この濃度となるネットドーピング濃度は、図1のように2点存在する。その2点間(Xc、Xd)での積分濃度は実効nバッファ層1aの積分濃度(以下、実効バッファ積分濃度という)となり、その値は約5×1011cm-2で、後述する従来品Aのnバッファ層の積分濃度とほぼ同じである。このためソフトリカバリー効果は十分得られ、逆回復電圧・電流の振動が抑制される。
Then, two intersections of Nd (X) and Ndm are given and can be placed as Xc and Xd, respectively. A region sandwiched between Xc and Xd is an effective n buffer layer (effective n buffer layer 1a). Further, when the impurity concentration at the intersection of the p anode layer 2 and the n drift layer 1 is N1, and the impurity concentration at the intersection of the n cathode layer 3 and the n drift layer 1 is N2, N1 ≦ N2.
Here, the average net doping concentration Ndm of the n drift layer 1 of the present invention is obtained by dividing the integrated concentration by the width of the n drift layer 1, and its value is about 8 × 10 13 cm −3 . There are two net doping concentrations, as shown in FIG. The integrated concentration between the two points (Xc, Xd) is the integrated concentration of the effective n buffer layer 1a (hereinafter referred to as effective buffer integrated concentration), and the value is about 5 × 10 11 cm −2 , which will be described later. It is almost the same as the integrated concentration of the n buffer layer of A. Therefore, a sufficient soft recovery effect can be obtained, and the reverse recovery voltage / current oscillation is suppressed.

逆回復電圧のピーク近傍のdV/dtの抑制効果は、図2に示すように、nドリフト層1の最大ネットドーピング濃度Npと平均ネットドーピング濃度Ndmの比に依存する。また、空乏層のピン止め効果(空乏層の伸びをストップさせる効果)は、nバッファ層1の最大ネットドーピング濃度Npがnドリフト層平均ネットドーピング濃度Ndmよりも高いほど大きい。
その理由は次のように説明できる。nバッファ層1のネットドーピング濃度が高いほど、nバッファ層1aへの空乏層(=空間電荷領域)の侵入が抑えられる。
従って、電圧が増加している時に空間電荷領域がnバッファ層1aへ達すると、電圧の増加分δVはpアノード層2側のネットドーピング濃度が低い(高比抵抗の)nドリフト層1でのみ担うため、その電界強度は急激に増加する。このためdV/dtが増加する。従って、nドリフト層1(nバッファ層1a)の最大ネットドーピング濃度Npを抑えればdV/dtは抑制できる。
The dV / dt suppression effect near the peak of the reverse recovery voltage depends on the ratio of the maximum net doping concentration Np and the average net doping concentration Ndm of the n drift layer 1 as shown in FIG. Further, the pinning effect of the depletion layer (an effect of stopping the extension of the depletion layer) is greater as the maximum net doping concentration Np of the n buffer layer 1 is higher than the n drift layer average net doping concentration Ndm.
The reason can be explained as follows. As the net doping concentration of the n buffer layer 1 is higher, the depletion layer (= space charge region) can be prevented from entering the n buffer layer 1a.
Therefore, when the space charge region reaches the n buffer layer 1a when the voltage is increasing, the increase in voltage δV is only in the n drift layer 1 having a low net doping concentration (high resistivity) on the p anode layer 2 side. Therefore, the electric field strength increases rapidly. For this reason, dV / dt increases. Therefore, dV / dt can be suppressed by suppressing the maximum net doping concentration Np of the n drift layer 1 (n buffer layer 1a).

従って、本発明品は逆回復電流のピークを越えた後での振動が抑制され、さらに、逆回復電圧のピーク近傍でのdV/dtが緩やかになる。
図3は、本発明品において、nドリフト層1(nバッファ層1a)の最大ネットドーピング濃度Npと平均ネットドーピング濃度Ndmの比であるNp/NdmとdV/dtの関係を示す図である。ここで、dV/dtは従来品Bの値で規格化している。また、図2に、逆電圧波形とNp/Ndmの関係を示す。Np/Ndmが小さくなるとdV/dtが小さくなる。
図3に示すように、Np/Ndmが5より小さければ、dV/dtは従来品Bの2倍よりも小さくなり、Np/Ndmが2より小さければ、ほぼ従来例Bと同じdV/dtとなっている。したがって望ましくは、Np/Ndmは2以下が良い。勿論、波形振動はなく、Np/Ndmが20である従来品AよりもdV/dtの値は小さくなる。
Therefore, the product of the present invention suppresses vibration after exceeding the peak of the reverse recovery current, and dV / dt in the vicinity of the peak of the reverse recovery voltage becomes gentle.
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between Np / Ndm and dV / dt, which is the ratio of the maximum net doping concentration Np and the average net doping concentration Ndm of the n drift layer 1 (n buffer layer 1a) in the product of the present invention. Here, dV / dt is normalized by the value of the conventional product B. FIG. 2 shows the relationship between the reverse voltage waveform and Np / Ndm. As Np / Ndm decreases, dV / dt decreases.
As shown in FIG. 3, when Np / Ndm is smaller than 5, dV / dt is smaller than twice that of the conventional product B, and when Np / Ndm is smaller than 2, dV / dt is almost the same as that of Conventional Example B. It has become. Therefore, Np / Ndm is desirably 2 or less. Of course, there is no waveform vibration, and the value of dV / dt is smaller than that of the conventional product A in which Np / Ndm is 20.

尚、従来品Bは前記したようにdV/dtは小さいが、逆回復電圧・電流波形が振動する。
図4は、本発明品にて、実効バッファ積分濃度(ネットドーピング)による、素子耐圧(ブレークダウン電圧)の依存性を示す図である。素子耐圧は、従来品Bの耐圧にて規格化してある。横軸が実効バッファ積分濃度(ネットドーピング)である。
pアノード層2側からnカソード層3側に向かう任意の2点間の電界強度の減少分(電界強度の勾配)は、その2点間のnドリフト層1(含むnバッファ層1a)の積分濃度差によって決まる。
従って、その値を調整して電界強度の勾配を減らし、耐圧を損ねない様にする必要がある。図4に示すように、実効バッファ積分濃度が8×1011cm-2を超えると、耐圧の減少分が大きくなることがわかる。さらに実効バッファ積分濃度(ネットドーピング)が6×1011cm-2であれば、耐圧減少は無いことが判る。従って、実効バッファ積分濃度(ネットドーピング)は、8×1011cm-2以下か、望ましくは6×1011cm-2以下がよい。
As described above, the conventional product B has a small dV / dt, but the reverse recovery voltage / current waveform vibrates.
FIG. 4 is a diagram showing the dependence of the device breakdown voltage (breakdown voltage) on the effective buffer integral concentration (net doping) in the product of the present invention. The element breakdown voltage is standardized by the breakdown voltage of the conventional product B. The horizontal axis represents the effective buffer integrated concentration (net doping).
The decrease in electric field strength between any two points from the p anode layer 2 side to the n cathode layer 3 side (electric field strength gradient) is the integral of the n drift layer 1 (including the n buffer layer 1a) between the two points. Determined by density difference.
Therefore, it is necessary to adjust the value to reduce the gradient of the electric field strength so as not to impair the breakdown voltage. As shown in FIG. 4, it can be seen that when the effective buffer integrated concentration exceeds 8 × 10 11 cm −2 , the decrease in breakdown voltage increases. Furthermore, if the effective buffer integrated concentration (net doping) is 6 × 10 11 cm −2, it can be seen that there is no reduction in breakdown voltage. Therefore, the effective buffer integrated concentration (net doping) is 8 × 10 11 cm −2 or less, preferably 6 × 10 11 cm −2 or less.

図5は、逆回復電流減少率djr/dtと、Xpと位置指標の比の関係を示す図である。この図はXpを位置指標(横軸の式の分母)に対して変化させたときのdjr/dtを、位置指標との比が1の場合について規格化して示した。また、縦軸の逆回復電流減少率djr/dtの電流は電流密度(A/cm2)で表現した場合である。前記の位置指標とは、

Figure 0004096838
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the reverse recovery current decrease rate djr / dt and the ratio of Xp to the position index. In this figure, djr / dt when Xp is changed with respect to the position index (the denominator of the equation on the horizontal axis) is normalized for a ratio of 1 to the position index. In addition, the current of the reverse recovery current decrease rate djr / dt on the vertical axis is expressed by current density (A / cm 2 ). The position index is
Figure 0004096838

のことである。この位置指標の物理的意味は筆者らが特願2001─48631号で説明済である。
図5において、nドリフト層1または実効nバッファ層1aの最大ネットドーピング濃度Npの位置Xpが位置指標と同じときに、最もdjr/dtが小さくなり、ソフトリカバリーになる。全般的に従来品B(●で示す)よりもdjr/dtは小さくでき、指標0.3から1.7の間で効果的に小さくできる。特に比が0.8から1.2の間で最もdjr/dtが小さくなる。従って、比は0.3から1.7の間がよく、さらに、0.8から1.2の間が望ましい。
図6は、本発明品において、nドリフト層全体の積分ネットドーピング濃度と、逆回復損失Errと逆回復電流減少率djr/dtとの関係を示した図である。横軸がnドリフト層全体の積分ネットドーピング濃度である。nドリフト層1全体の積分濃度(ネットドーピング)は、実効バッファ積分濃度(ネットドーピング)を5×1011cm-2に固定して、nドリフト層の幅(Wd−Xj)を変えて変化させた。この図から、nドリフト層全体の積分濃度(ネットドーピング)が、約1.3×1012cm-2を超えると、素子は耐圧時でも空乏層がnカソード層に達しない、所謂、ノンパンチスルー型となる。
That is. The physical meaning of this position index has been explained by the authors in Japanese Patent Application No. 2001-48631.
In FIG. 5, when the position Xp of the maximum net doping concentration Np of the n drift layer 1 or the effective n buffer layer 1a is the same as the position index, djr / dt becomes the smallest and soft recovery is performed. In general, djr / dt can be made smaller than that of the conventional product B (indicated by ●), and can be effectively reduced between the indices 0.3 to 1.7. In particular, djr / dt is the smallest when the ratio is between 0.8 and 1.2. Therefore, the ratio is preferably between 0.3 and 1.7, and more preferably between 0.8 and 1.2.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the integrated net doping concentration of the entire n drift layer, the reverse recovery loss Err, and the reverse recovery current decrease rate djr / dt in the product of the present invention. The horizontal axis represents the integrated net doping concentration of the entire n drift layer. The integrated concentration (net doping) of the entire n drift layer 1 is changed by fixing the effective buffer integral concentration (net doping) to 5 × 10 11 cm −2 and changing the width (Wd−Xj) of the n drift layer. It was. From this figure, when the integrated concentration (net doping) of the entire n drift layer exceeds about 1.3 × 10 12 cm −2 , the device does not reach the n cathode layer even when the withstand voltage is so-called non-punch. It becomes a through type.

また、図6から、積分濃度(ネットドーピング)が1.3×1012cm-2を超えるとErrの増加は大きくなり、2×1012cm-2以上では急激にErrが増加する。このようにnドリフト層の幅を増加させて積分濃度(ネットドーピング)を増やせば、Errの増加につながってしまう。
前記から、nドリフト層全体の積分濃度(ネットドーピング)は注意深く設計する必要がある。Errの急激な増加を抑えるためには、積分濃度(ネットドーピング)は2×1012cm-2以下、望ましくは1.3×1012cm-2以下がよい。
また、発振を抑えて逆回復電流減少率djr/dtを十分小さくするためには、同様に積分濃度(ネットドーピング)を適切に設定しなければならない。同じく図6から、積分濃度(ネットドーピング)が8×1011cm-2未満となると、素子厚は約100μmと薄くなるため発振が生じるようになる。従って、積分濃度(ネットドーピング)は8×1011cm-2以上とする必要がある。
Further, from FIG. 6, when the integrated concentration (net doping) exceeds 1.3 × 10 12 cm −2 , the increase in Err increases, and when it exceeds 2 × 10 12 cm −2 , Err increases rapidly. If the integrated concentration (net doping) is increased by increasing the width of the n drift layer in this manner, the Err is increased.
From the above, it is necessary to carefully design the integrated concentration (net doping) of the entire n drift layer. In order to suppress a rapid increase in Err, the integrated concentration (net doping) is 2 × 10 12 cm −2 or less, preferably 1.3 × 10 12 cm −2 or less.
Further, in order to suppress the oscillation and sufficiently reduce the reverse recovery current decrease rate djr / dt, the integration concentration (net doping) must be set appropriately in the same manner. Similarly, from FIG. 6, when the integrated concentration (net doping) is less than 8 × 10 11 cm −2 , the device thickness becomes as thin as about 100 μm, and oscillation occurs. Therefore, the integrated concentration (net doping) needs to be 8 × 10 11 cm −2 or more.

以上により、積分濃度(ネットドーピング)の範囲は、8×1011cm-2以上、2×1012cm-2以下とし、望ましくは8×1011cm-2以上、1.3×1012cm-2以下であるとよい。また、nカソード層3の表面濃度は、カソード電極5と低抵抗でコンタクトさせるために、少なくとも1×1017cm-3以上であるとよい。臨界電界強度になったときの電界分布と積分濃度を検討すると、この積分濃度はnドリフト層全域で1.3×1012cm-2の場合とすると、空乏層はnドリフト層端に達する。
図7は、本発明品において、pアノード層2とnドリフト層1のpn接合Xj近傍におけるnドリフト層1のネットドーピング濃度Nd(Xj)と濃度指標との比と、素子耐圧(ブレークダウン電圧)の関係を示す図である。横軸の式の分母が濃度指標であり、
As described above, the range of the integrated concentration (net doping) is 8 × 10 11 cm −2 or more and 2 × 10 12 cm −2 or less, preferably 8 × 10 11 cm −2 or more and 1.3 × 10 12 cm. It should be less than -2 . Further, the surface concentration of the n cathode layer 3 is preferably at least 1 × 10 17 cm −3 or more in order to make contact with the cathode electrode 5 with low resistance. Considering the electric field distribution and the integrated concentration when the critical electric field strength is reached, if this integrated concentration is 1.3 × 10 12 cm −2 over the entire n drift layer, the depletion layer reaches the end of the n drift layer.
FIG. 7 shows the ratio of the net doping concentration Nd (Xj) of the n drift layer 1 and the concentration index in the vicinity of the pn junction Xj between the p anode layer 2 and the n drift layer 1 and the breakdown voltage (breakdown voltage). FIG. The denominator of the horizontal axis is the concentration index,

Figure 0004096838
Figure 0004096838

と表される。ここでは、縦軸の素子耐圧は、濃度比(ネットドーピング濃度Nd(Xj)と濃度指標との比)が1のときの素子耐圧で規格化している。
素子耐圧は臨界電界強度と逆バイアス時の電界強度分布の関係で決り、接合での不純物濃度が小さくなれば、素子耐圧は向上する。
本発明品の場合、Xj近傍のネットドーピング濃度を下げることで、素子耐圧を向上させることができる。素子耐圧は、濃度比が小さくなるほど増加し、逆に濃度比が1以上では急激に耐圧が減少する。よってこの濃度比が1以下になるようにすることが望ましい。
It is expressed. Here, the element breakdown voltage on the vertical axis is normalized by the element breakdown voltage when the concentration ratio (ratio between the net doping concentration Nd (Xj) and the concentration index) is 1.
The device breakdown voltage is determined by the relationship between the critical electric field strength and the electric field strength distribution during reverse bias. If the impurity concentration at the junction decreases, the device breakdown voltage improves.
In the case of the product of the present invention, the device breakdown voltage can be improved by lowering the net doping concentration in the vicinity of Xj. The device breakdown voltage increases as the concentration ratio decreases, and conversely, when the concentration ratio is 1 or more, the breakdown voltage decreases rapidly. Therefore, it is desirable that the concentration ratio be 1 or less.

図8は、本発明の第1の実施例であり、(a)はダイシング後のチップ全体の要部断面図、(b)は(a)のA−A‘線の断面における不純物濃度の分布図である。図8において、比抵抗28Ωcm(1.64×1014/cm)のFZのNバルクウエーハの一方の主面に、ダイオードのアノード構造(浅く不純物濃度の低いPエミッタ層2bと深く不純物濃度の高いPアノード層2a)と電界緩和用エッジ構造(ガードリング6)が形成されている。このアノード構造は、例えばドーズ量1×1014/cmのボロンを選択的にイオン注入し1150℃200分にて拡散形成されたPアノード層2aと、同じくボロンを1×1013/cmのドーズ量で一様に照射し、400℃の低温にて熱処理活性化されたpエミッタ層2b、これらPアノード層2aとPエミッタ層2bとにコンタクトするAl−1%Siにて形成されたアノード電極4を有する。一方耐圧構造であるエッジ部分は、同じくボロンを、アノード電極4がコンタクトしない外周領域に2×1015/cmにて選択的にイオン注入したP型ガードリング6が形成されている。アノード側からアルミニウム、ガリウムまたはインジウムが、表面濃度1×1014/cm、l/e深さ20μmの略ガウス分布にて一様に拡散されており、その表面濃度はFZウエーハのリン濃度よりも低く、PN接合近傍のN層ネットドーピング濃度は、6.4×1013/cmである。そして、カソード側からは亜鉛が、表面濃度1×1014/cm、l/e深さ20μmの略ガウス分布にて一様に拡散されており、その表面濃度はFZウエーハのリン濃度よりも低く、N/N層濃度境界近傍のN層ネットドーピング濃度は、6.4×1013/cmである。カソード側は浅いNカソード層3を、FZウエーハの表面プロセス終了後に裏面から120μm厚まで研削・ウエットエッチングし、1×1015/cmのリンを50keV以下でイオン注入し、YAG2wのレ−ザ光を4J/cmのエネルギ密度で照射して活性化させて形成している。カソード電極5は、チタン0.075μm、ニッケル0.7μm、金0.2μmを蒸着して形成している。なお、チップの外周端のダイシング面は、特別な処理を施さなくても、表面のエッジ構造(この場合、ガードリング構造)にて空乏層が終端されるので、構わない。 8A and 8B show a first embodiment of the present invention, in which FIG. 8A is a cross-sectional view of the main part of the whole chip after dicing, and FIG. FIG. In FIG. 8, on one main surface of an N - bulk wafer of FZ having a specific resistance of 28 Ωcm (1.64 × 10 14 / cm 3 ), a diode anode structure (a shallow P - emitter layer 2b with a low impurity concentration and a deep impurity) A high concentration P + anode layer 2a) and an electric field relaxation edge structure (guard ring 6) are formed. The anode structure, for example a dose of 1 × 10 14 / cm and the P + anode layer 2a which is spread forming a second boron at selective ion implantation to 1150 ° C. 200 minutes, again boron 1 × 10 13 / cm uniformly irradiated with 2 dose, 400 ° C. for low temperature at the heat treatment activated p - emitter layer 2b, these P + anode layer 2a and the P - Al-1% Si to contact the emitter layer 2b The anode electrode 4 is formed. On the other hand, the edge portion having the pressure-resistant structure is formed with a P-type guard ring 6 in which boron is selectively ion-implanted at 2 × 10 15 / cm 2 in the outer peripheral region where the anode electrode 4 does not contact. Aluminum, gallium, or indium is uniformly diffused from the anode side in a substantially Gaussian distribution with a surface concentration of 1 × 10 14 / cm 3 and a depth of 1 / e of 20 μm, and the surface concentration is higher than the phosphorus concentration of the FZ wafer. The N - layer net doping concentration in the vicinity of the PN junction is 6.4 × 10 13 / cm 3 . From the cathode side, zinc is uniformly diffused in a substantially Gaussian distribution with a surface concentration of 1 × 10 14 / cm 3 and an l / e depth of 20 μm, and the surface concentration is higher than the phosphorus concentration of the FZ wafer. Low, the N layer net doping concentration in the vicinity of the N / N + layer concentration boundary is 6.4 × 10 13 / cm 3 . On the cathode side, shallow N + cathode layer 3 is ground and wet-etched from the back surface to 120 μm thickness after the surface process of the FZ wafer is completed, and 1 × 10 15 / cm 2 of phosphorus is ion-implanted at 50 keV or less. The light is activated by irradiation with an energy density of 4 J / cm 2 . The cathode electrode 5 is formed by vapor-depositing titanium 0.075 μm, nickel 0.7 μm, and gold 0.2 μm. The dicing surface at the outer peripheral edge of the chip is not subject to any special treatment because the depletion layer is terminated by the surface edge structure (in this case, the guard ring structure).

図9は、本発明のアクセプタ補償によるネットドーピング濃度を示した分布図である。図9において、まず初期にFZバルクウエーハの濃度N(x)=Nが存在する。ここに、表面から例えばガウス分布でNA1(x)の濃度でアクセプタを拡散させる。この時、N>NA1(x)である。一方裏面からも、例えばガウス分布でNA2(x)の濃度でアクセプタを拡散させる。このときN>NA2(x)である。よって、ネットドーピング濃度Net(x)は、Net(x)=N−{NA1(x)+NA2(x)}(>0)・・1式と表される。これにより、例えばN層におけるポアソンの式は、divE(x)=q/εsNet(x)・・2式と表すことができる。ここで、EはN層中の電界強度分布、qは電荷素量、εsは半導体(ここではシリコン)の誘電率である。よって、1式から、濃度補償用アクセプタは全ての位置でFZバルクウエーハの濃度Nよりも低いことが必要である。この濃度分布を達成するには、特願2002−214657号と同様にネットドーピングの積分濃度は8×1011/cm以上1.3×1012/cm以下とする必要があるので、補償用アクセプタのイオン注入ドーズ量は前述の積分濃度を超えない量、好ましくは7×1011/cm以下であることが良い。 FIG. 9 is a distribution diagram showing the net doping concentration by acceptor compensation of the present invention. In FIG. 9, first, the concentration N D (x) = N 0 of the FZ bulk wafer exists. Here, the acceptor is diffused from the surface with a concentration of N A1 (x), for example, in a Gaussian distribution. At this time, N 0 > N A1 (x). On the other hand, the acceptor is also diffused from the back surface with a concentration of N A2 (x), for example, in a Gaussian distribution. At this time, N 0 > N A2 (x). Therefore, the net doping concentration Net (x) is expressed by the following equation: Net (x) = N 0 − {N A1 (x) + N A2 (x)} (> 0). Thus, for example, Poisson's equation in the N layer can be expressed as divE (x) = q / εsNet (x) ·· 2. Here, E is the electric field intensity distribution in the N layer, q is the elementary charge, and εs is the dielectric constant of the semiconductor (here, silicon). Therefore, from equation (1), it should be lower than the concentration N 0 of FZ bulk wafer density compensating acceptor in all positions. In order to achieve this concentration distribution, the integrated concentration of net doping needs to be 8 × 10 11 / cm 2 or more and 1.3 × 10 12 / cm 2 or less as in Japanese Patent Application No. 2002-214657. The ion implantation dose of the acceptor for use is an amount that does not exceed the above-mentioned integrated concentration, preferably 7 × 10 11 / cm 2 or less.

ここで、実際には、ダイオードでは、表面にPアノード層をボロンの導入で形成し、裏面にNカソード層をリンの導入で形成する。また、NPT−IGBTやFS−IGBTでは、表面のPウエルをボロンの導入で形成し、裏面のPコレクタ層をボロンの導入で形成し、Nフイールドストップ層をリンやセレンを用いてのイオン注入で400℃〜1000℃の温度で周知の方法で形成する。従って、N層のネットドーピング濃度Net(x)は厳密には、ダイオードの場合で、Net(x)=N+N(x)−{NA0(x)+NA1(x)+NA2(x)}(>0)・・3式と表される。ここで、N(x)は裏面のNカソード層のためのリン濃度、NA0(x)は表面のPアノード層のためのボロン濃度である。NPT−IGBTの場合は、N(x)を−NA3(x)として、これを裏面のコレクタ層濃度とすればよい。また、FS−IGBTの場合は、N(x)を、N(x)−NA3(x)としてそのN(x)を裏面のフィールドストップ層(リンまたはセレン)濃度とし、NA3(x)を裏面のコレクタ層濃度とすればよい。しかし、実際には図10の深さ方向に対する濃度分布に示すように、Pアノード層やNカソード層は前記、アルミニウムや亜鉛の拡散層よりも数桁拡散長が短い分布にしている。(a)は全体の深さを示し、(b)は表面側を(c)は裏面側を拡大して示しているが、例えばPアノード層のボロンは、PN接合から1μm深い所ではすでに1×1011/cmとなり、ボロン層とリン層の浅い拡散層のNet(x)への影響は極めて小さく、無視することができる。これは、裏面側のNカソード層のリンについても同様にいえることである。よって、実際には、N層のネットドーピング濃度分布は、1式で近似的に十分成立する。濃度勾配についても、同様の理由から、表面のPアノード層や裏面のNカソード層のNet(x)の濃度勾配への影響は無視することができる。 Here, in practice, in the diode, the P anode layer is formed on the front surface by introducing boron, and the N cathode layer is formed on the back surface by introducing phosphorus. In NPT-IGBT and FS-IGBT, the P well on the front surface is formed by introducing boron, the P collector layer on the back surface is formed by introducing boron, and the N - field stop layer is ionized using phosphorus or selenium. It forms by a well-known method at the temperature of 400 to 1000 degreeC by injection | pouring. Therefore, strictly speaking, the net doping concentration Net (x) of the N layer is in the case of a diode, and Net (x) = N 0 + N D (x) − {N A0 (x) + N A1 (x) + N A2 ( x)} (> 0)... Here, N D (x) is the phosphorus concentration for the N cathode layer on the back surface, and N A0 (x) is the boron concentration for the P anode layer on the surface. In the case of NPT-IGBT, N D (x) may be set to -N A3 (x) and this may be used as the collector layer concentration on the back surface. In the case of FS-IGBT, N D a (x), and N D (x) -N A3 (x) as its N D (x) is the back surface of the field stop layer (phosphorus or selenium) concentration, N A3 (X) may be the collector layer concentration on the back surface. However, in practice, as shown in the concentration distribution in the depth direction of FIG. 10, the P anode layer and the N cathode layer have a distribution that is several orders of magnitude shorter than the aluminum or zinc diffusion layer. (A) shows the entire depth, (b) shows the front side and (c) shows the back side enlarged, but for example, boron in the P anode layer is already 1 μm deeper than the PN junction. × 10 11 / cm 3 , and the influence on the Net (x) of the shallow diffusion layers of the boron layer and the phosphorus layer is extremely small and can be ignored. This is also true for phosphorus in the N cathode layer on the back side. Therefore, in practice, the net doping concentration distribution of the N layer is approximately sufficiently established by one equation. Regarding the concentration gradient, for the same reason, the influence on the concentration gradient of Net (x) of the P anode layer on the front surface and the N cathode layer on the back surface can be ignored.

次に、FZバルクウエーハに導入する不純物元素について検討する。シリコンへの拡散係数は、ボロン<インジウム<ガリウム<アルミニウム<亜鉛の順で高くなっており、アルミニウムおよびガリウムはボロンより1桁ほど高い。このため、例えば、1150℃200分または1200℃30分では、28ΩcmのN型FZバルクウエーハでは、ボロンは約4μm、アルミニウム、ガリウムは約40μm拡散する。一方亜鉛は、更に拡散係数が高く、650℃〜700℃で3×1013cm/sである。よって、例えば、800℃では、28ΩcmのN型FZバルクウエーハでは、亜鉛は約30〜40μm拡散する。よって、本発明の場合、50μm以下の拡散としたいため、アルミニウムまたはガリウムでは1200℃以下、亜鉛では800℃以下で拡散することが好ましい。また、拡散の下限としては5μm以上は拡散させたいため、アルミニウムまたはガリウムでは1000℃以上、亜鉛では400℃以上にて熱処理することが好ましい。なお、ガリウムは、イオン注入ソースは固体であるが、アルミニウムよりも反応性が低く、扱いやすい。アルミニウムは、ガリウムよりも拡散係数が高いので、拡散工程のリードタイムをガリウムよりも短縮することができる。インジウムは、ガリウム、アルミニウムよりは拡散係数が小さいが、ボロンよりは大きく、固溶度がボロンより低く、本発明のような低濃度拡散層において、ボロンよりも有利である。亜鉛は、アクセプタ準位が、価電子帯から最も深い。よって、室温(300K)ではホール濃度がボロンやアルミニウムに比べて低くできるため、この元素からの伝導変調への寄与がほとんど無しにできる。更に、亜鉛は価電子帯から0.26eV高い準位を示し、アクセプタとなる。これは、逆バイアス時に空間電荷領域が広がる時は100%アクセプタとして働き、順方向導通時はアクセプタとして正孔を供給しないことを意味し、逆バイアス時のみに動作するため亜鉛を裏面に用いることが好ましい。 Next, the impurity elements introduced into the FZ bulk wafer will be examined. The diffusion coefficient into silicon is higher in the order of boron <indium <gallium <aluminum <zinc, and aluminum and gallium are one digit higher than boron. Therefore, for example, at 1150 ° C. for 200 minutes or 1200 ° C. for 30 minutes, in an 28 Ωcm N-type FZ bulk wafer, boron diffuses by about 4 μm, and aluminum and gallium diffuse by about 40 μm. On the other hand, zinc has a higher diffusion coefficient, which is 3 × 10 13 cm 2 / s at 650 ° C. to 700 ° C. Therefore, for example, at 800 ° C., in an N-type FZ bulk wafer of 28 Ωcm, zinc diffuses about 30 to 40 μm. Therefore, in the present invention, in order to achieve diffusion of 50 μm or less, it is preferable to diffuse at 1200 ° C. or less for aluminum or gallium and 800 ° C. or less for zinc. Further, since the lower limit of diffusion is 5 μm or more, it is preferable to perform heat treatment at 1000 ° C. or more for aluminum or gallium and 400 ° C. or more for zinc. Although gallium is a solid ion implantation source, it is less reactive than aluminum and easy to handle. Since aluminum has a higher diffusion coefficient than gallium, the lead time of the diffusion process can be shortened compared to gallium. Indium has a smaller diffusion coefficient than gallium and aluminum, but is larger than boron and has a lower solid solubility than boron, and is more advantageous than boron in a low-concentration diffusion layer as in the present invention. Zinc has the deepest acceptor level from the valence band. Therefore, since the hole concentration can be made lower than that of boron or aluminum at room temperature (300 K), the element contributes little to the conduction modulation. Furthermore, zinc shows a level 0.26 eV higher than the valence band, and becomes an acceptor. This means that when the space charge region expands during reverse bias, it functions as a 100% acceptor, and during forward conduction, it does not supply holes as an acceptor. Zinc is used for the back surface because it operates only during reverse bias. Is preferred.

図11は、本発明の製造方法を示す工程図である。図11において、FZバルクウエーハの一方の表面に、アルミニウムまたはガリウムを3×1011/cm、60keVでイオン注入し、1150℃80分にて拡散させる(図11(a))。この時、アルミニウムは外方拡散があるため、窒化膜を用いて外方拡散を防ぐようにする。この拡散により、アルミニウムまたはガリウムが表面から20μm拡散する。このようにして、補償用アクセプタを拡散させたあと、通常の素子形成プロセスを施し、Pアノード層2、Pガードリング6、PSG膜7を形成し、Al−Si電極用コンタクトホールを形成する(b)。この時、これらの浅い(4〜8μm)P層拡散時に、前記のアルミニウムまたはガリウムも拡散するため、最終的にはアルミニウムまたはガリウムが約40μmまで到達する。次に、ウエーハの裏面からバックグラインドにて全ウエーハの残り厚さを140μmになるまで研削し、更に、弗硝酸のウエットエッチングにて120μmまで研削する(c)。その後、亜鉛を3×1012/cm、50keVにて裏面にイオン注入する。600℃1時間にて熱処理を行い、亜鉛を約30μm拡散させる(d)。再び、表面に戻り、Al−1%Siを5μmスパッタリングにて成膜し、パターニングエッチングしてアノード電極として形成する。Al―Siシンタを400℃80分施し、パッシベーション用ポリイミド膜を周辺耐圧構造に形成後、裏面にチタン、ニッケルおよび金を蒸着してカソード電極を形成する(e)。
なお、亜鉛は800℃以下の拡散の為、アクセプタ活性化率が高温(1000℃以上)よりも低く、10%以下となる。よって、活性化してアクセプタとなった亜鉛の積分濃度が1.3×1012/cm未満とするために、イオン注入時のドーズ量は、1.0×1013/cm以下が望ましい。
FIG. 11 is a process chart showing the production method of the present invention. In FIG. 11, aluminum or gallium is ion-implanted at 3 × 10 11 / cm 2 and 60 keV on one surface of an FZ bulk wafer and diffused at 1150 ° C. for 80 minutes (FIG. 11A). At this time, since aluminum has outward diffusion, a nitride film is used to prevent outward diffusion. By this diffusion, aluminum or gallium is diffused by 20 μm from the surface. After the compensation acceptor is diffused in this manner, a normal element formation process is performed to form the P anode layer 2, the P guard ring 6, and the PSG film 7, and an Al-Si electrode contact hole is formed ( b). At this time, since the aluminum or gallium is also diffused when these shallow (4 to 8 μm) P layers are diffused, the aluminum or gallium finally reaches about 40 μm. Next, grinding is performed from the back surface of the wafer by back grinding until the remaining thickness of the entire wafer becomes 140 μm, and further, grinding is performed to 120 μm by wet etching with hydrofluoric acid (c). Thereafter, zinc is ion-implanted into the back surface at 3 × 10 12 / cm 2 and 50 keV. Heat treatment is performed at 600 ° C. for 1 hour to diffuse zinc by about 30 μm (d). Again returning to the surface, a film of Al-1% Si is formed by sputtering with 5 μm, and patterned to form an anode electrode. Al—Si sintering is performed at 400 ° C. for 80 minutes, and a passivation polyimide film is formed on the peripheral pressure-resistant structure, and then titanium, nickel and gold are vapor-deposited on the back surface to form a cathode electrode (e).
Since zinc diffuses at 800 ° C. or lower, the acceptor activation rate is lower than high temperature (1000 ° C. or higher) and is 10% or lower. Therefore, in order to make the integrated concentration of zinc activated to be an acceptor less than 1.3 × 10 12 / cm 2 , the dose amount at the time of ion implantation is desirably 1.0 × 10 13 / cm 2 or less.

図12は異なる実施例でIGBTに適用した場合であり、(a)は逆阻止型IGBT、(b)はNPT−IGBT,FS−IGBTの断面図である。逆阻止IGBTは、マトリクスコンバータに用いる素子で、2つの逆阻止IGBTを逆並列に接続し、双方向スイッチとして使用される。この時、裏面側のPN接合のPiNダイオードの逆回復動作モードが生じる。従って、本発明の構成とすることにより、この逆回復がよりソフトリカバリーとなり、スイッチング時の発振を抑制することができる。
また、NPT−IGBT,FS−IGBTへ適用しても、低損失なだけでなく、発振を抑えたターンオフが実現できる。これは、ターンオフの時は、表面のPN接合から空間電荷領域が裏面側に向かって拡張するが、ブロードバッファ構造を用いることで、ダイオードの逆回復と同様に、N層中間で、一旦、電界強度を減少させ、空間電荷領域の拡がりを抑制できる。その結果、裏面側にキャリアが残存して枯掲しないため、ターンオフサージ電圧の急峻な増加を抑えることができる。
FIGS. 12A and 12B show a case where the present invention is applied to an IGBT in different embodiments, wherein FIG. 12A is a reverse blocking IGBT, and FIG. 12B is a cross-sectional view of an NPT-IGBT and FS-IGBT. The reverse blocking IGBT is an element used for a matrix converter, and two reverse blocking IGBTs are connected in antiparallel to be used as a bidirectional switch. At this time, a reverse recovery operation mode of the PN junction PiN diode on the back surface side occurs. Therefore, by adopting the configuration of the present invention, this reverse recovery becomes soft recovery, and oscillation at the time of switching can be suppressed.
Further, when applied to NPT-IGBT and FS-IGBT, not only low loss but also turn-off with suppressed oscillation can be realized. At the time of turn-off, the space charge region expands from the PN junction on the front surface toward the back surface side, but by using the broad buffer structure, in the middle of the N - layer, as in the reverse recovery of the diode, Electric field intensity can be reduced and the expansion of the space charge region can be suppressed. As a result, since carriers remain on the back side and are not withered, a sharp increase in turn-off surge voltage can be suppressed.

これらの逆阻止IGBT,NPT−IGBT,FS−IGBTは、安価なFZバルクウエーハを100μm前後に研削し、裏面側へのイオン注入および熱処理工程を行う。よって、本発明の製造方法を適用することで、容易にブロードバッファ構造のIGBTにすることが可能であり、IGBTモジュールを用いたPWMインバータ等の電力変換装置にて、過電圧破壊やEMIノイズの発生を抑えることが可能となる。   These reverse blocking IGBTs, NPT-IGBTs, and FS-IGBTs grind an inexpensive FZ bulk wafer to around 100 μm, and perform ion implantation and heat treatment processes on the back side. Therefore, by applying the manufacturing method of the present invention, it is possible to easily make an IGBT having a broad buffer structure. In a power converter such as a PWM inverter using an IGBT module, overvoltage breakdown or generation of EMI noise occurs. Can be suppressed.

図13は、この発明の第3実施例の半導体装置(MOSFET)であり、同図(a)はプレーナゲート構造の要部断面図、同図(b)はトレンチゲート構造の要部断面図、同図(c)は不純物濃度分布図である。MOSFETのnドリフト層に第1実施例(他の実施例でもよい)を適用した場合である。MOSFETに内蔵されるダイオードが動作し、逆回復動作したときに、従来型MOSFETよりもスムーズで高速な逆回復が可能となる。ゲート構造がプレーナ構造(同図(a)の場合もトレンチ構造(同図(b))の場合も同様な効果が得られる。
尚、図中の31はnドリフト層、32aはpウエル領域、32bはnソース領域、32cはゲート絶縁膜、32dはゲート電極、32eは層間絶縁膜、32fはトレンチ、33はnドレイン層、34はソース電極、35はドレイン電極である。
13A and 13B show a semiconductor device (MOSFET) according to a third embodiment of the present invention, in which FIG. 13A is a cross-sectional view of the main part of the planar gate structure, and FIG. 13B is a cross-sectional view of the main part of the trench gate structure. FIG. 4C is an impurity concentration distribution diagram. This is a case where the first embodiment (other embodiments may be used) is applied to the n drift layer of the MOSFET. When the diode built in the MOSFET operates and performs a reverse recovery operation, the reverse recovery can be performed more smoothly and faster than the conventional MOSFET. The same effect can be obtained whether the gate structure is a planar structure (FIG. 1A) or a trench structure (FIG. 1B).
In the figure, 31 is an n drift layer, 32a is a p well region, 32b is an n source region, 32c is a gate insulating film, 32d is a gate electrode, 32e is an interlayer insulating film, 32f is a trench, 33 is an n drain layer, Reference numeral 34 denotes a source electrode, and 35 denotes a drain electrode.

図14は、図12の(a)で説明した半導体装置であり、同図(a)は要部断面図、同図(b)は不純物濃度分布図である。これはNPT(ノンパンチスルー)−IGBTに逆阻止能力を持たせた逆阻止IGBTの場合である。この逆阻止型IGBTはダイオード動作があるため、第1実施例(他の実施例でもよい)のバッファ層を設けることでダイオード動作の改善が可能である。このnバッファ層は、側面pコレクタ層43aに到達しても、してなくても構わない。
尚、図中の41はnドリフト層、42aはpウエル領域、42bはnエミッタ領域、42cはゲート絶縁膜、42dはゲート電極、42eは層間絶縁膜、43はpコレクタ層、43aは側面pコレクタ層、44はエミッタ電極、45はコレクタ電極である。
14A and 14B show the semiconductor device described with reference to FIG. 12A. FIG. 14A is a cross-sectional view of the main part, and FIG. 14B is an impurity concentration distribution diagram. This is the case of a reverse blocking IGBT in which an NPT (non-punch through) -IGBT has a reverse blocking capability. Since this reverse blocking IGBT has a diode operation, the diode operation can be improved by providing the buffer layer of the first embodiment (may be another embodiment). This n buffer layer may or may not reach the side surface p collector layer 43a.
In the figure, 41 is an n drift layer, 42a is a p well region, 42b is an n emitter region, 42c is a gate insulating film, 42d is a gate electrode, 42e is an interlayer insulating film, 43 is a p collector layer, 43a is a side surface p. A collector layer, 44 is an emitter electrode, and 45 is a collector electrode.

以上説明したように本発明のダイオードは、安価でかつ逆回復時間および損失を低減すると共にソフトリカバリ特性をも向上させた素子であるので、電気的損失および放射電磁ノイズの低い、環境問題を考慮したIGBTモジュール、IPM(インテリジエントパワーモジュール)に適用することができる。   As described above, the diode of the present invention is an element that is inexpensive and has reduced reverse recovery time and loss and improved soft recovery characteristics, and therefore considers environmental problems with low electrical loss and radiated electromagnetic noise. It can be applied to an IGBT module and IPM (intelligent power module).

本発明の最良の形態を示す実施例であり、(a)は要部断面図、(b)は(a)のX−X線の断面における不純物濃度の分布図、(c)はX−X線の断面における電界分布図である。It is an Example which shows the best form of this invention, (a) is principal part sectional drawing, (b) is a distribution map of the impurity concentration in the cross section of the XX line of (a), (c) is XX. It is an electric field distribution map in the section of a line. Np/Ndmと逆回復電圧のdV/dtとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between Np / Ndm and dV / dt of a reverse recovery voltage. 本発明品において、nドリフト層1(nバッファ層1a)の最大ネットドーピング濃度Npと平均ネットドーピング濃度Ndmの比であるNp/Ndmと逆回復電圧のdV/dtとの関係を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the relationship between Np / Ndm, which is the ratio of the maximum net doping concentration Np and average net doping concentration Ndm of the n drift layer 1 (n buffer layer 1a), and dV / dt of the reverse recovery voltage in the product of the present invention. . 本発明品において、実効バッファ積分濃度(ネットドーピング)による、素子耐圧(ブレークダウン電圧)の依存性を示す図である。In the present invention product, it is a figure which shows the dependence of element breakdown voltage (breakdown voltage) by effective buffer integral density | concentration (net doping). 逆回復電流減少率djr/dtと、Xpと位置指標の比の関係を示す図である。It is a figure which shows the reverse recovery current decreasing rate djr / dt, and the relationship between ratio of Xp and a position parameter | index. 本発明品において、nドリフト層全体の積分濃度(ネットドーピング)と、逆回復損失Errと逆回復電流減少率djr/dtとの関係を示した図である。In the product of the present invention, it is a diagram showing the relationship between the integrated concentration (net doping) of the entire n drift layer, the reverse recovery loss Err, and the reverse recovery current decrease rate djr / dt. 本発明品において、pアノード層2とnドリフト層1のpn接合Xj近傍におけるnドリフト層1のネットドーピング濃度Nd(Xj)と濃度指標との比と、素子耐圧の関係を示す図である。In the product of the present invention, it is a diagram showing the relationship between the ratio of the net doping concentration Nd (Xj) of the n drift layer 1 and the concentration index in the vicinity of the pn junction Xj between the p anode layer 2 and the n drift layer 1 and the element breakdown voltage. 本発明の第1の実施例であり、(a)はダイシング後のチップ全体の要部断面図、(b)は(a)のA−A‘線の断面における不純物濃度の分布図である。FIG. 2A is a first embodiment of the present invention, in which FIG. 1A is a cross-sectional view of a main part of a whole chip after dicing, and FIG. 本発明のアクセプタ補償によるネットドーピング濃度を示した分布図である。It is the distribution map which showed the net doping density | concentration by acceptor compensation of this invention. 本発明の実施例の深さ方向に対する濃度分布を示した図である。It is the figure which showed concentration distribution with respect to the depth direction of the Example of this invention. 本発明の実施例の製造方法を示す工程図である。It is process drawing which shows the manufacturing method of the Example of this invention. 異なる実施例でIGBTに適用した場合であり、(a)は逆阻止型IGBT、(b)はNPT−IGBT,FS−IGBTの断面図である。This is a case where the present invention is applied to an IGBT in different embodiments, where (a) is a reverse blocking IGBT, and (b) is a cross-sectional view of an NPT-IGBT or FS-IGBT. この発明の第3実施例の半導体装置であり、(a)、(b)は要部断面図、(c)は不純物濃度分布図である。The semiconductor device according to the third embodiment of the present invention is shown in (a) and (b), which are cross-sectional views of essential parts, and (c), which is an impurity concentration distribution diagram. 逆阻止型NPT−IGBTであり、(a)は要部断面図、(b)は不純物濃度分布図である。It is a reverse blocking type NPT-IGBT, (a) is a fragmentary sectional view, (b) is an impurity concentration distribution diagram. 従来品Aの要部断面図と不純物プロフィルの図である。It is principal part sectional drawing of the conventional product A, and the figure of an impurity profile. 従来品Bの要部断面図と不純物プロフィルの図である。It is principal part sectional drawing of the conventional product B, and the figure of an impurity profile. 従来品Cの要部断面図と不純物プロフィルの図である。It is principal part sectional drawing of the conventional product C, and the figure of an impurity profile. 従来品Dの要部断面図と不純物プロフィルの図である。It is principal part sectional drawing of the conventional product D, and the figure of an impurity profile. 従来の製造方法で形成した半導体装置であり、(a)は要部断面図、(b)は(a)の不純物濃度の分布図である。It is a semiconductor device formed by the conventional manufacturing method, (a) is principal part sectional drawing, (b) is a distribution map of the impurity concentration of (a).

符号の説明Explanation of symbols

1 Nドリフト層
2 Pアノード層
3 Nカソード層
6 ガードリング
1 N drift layer 2 P anode layer 3 N + cathode layer 6 guard ring

Claims (11)

基板の厚さ方向に一様な不純物濃度を有する第1導電型の半導体基板に、前記不純物濃度よりも低濃度の第2導電型の不純物を拡散で半導体基板の一方の主面の全面および他方の主面の全面に導入することを特徴とする半導体装置の製造方法。 The entire surface of one main surface of the semiconductor substrate and the other are diffused into the first conductivity type semiconductor substrate having a uniform impurity concentration in the thickness direction of the substrate by diffusing the second conductivity type impurity having a lower concentration than the impurity concentration. A method for manufacturing a semiconductor device , comprising introducing the entire surface of the semiconductor device. 前記第1導電型の半導体基板がN型シリコンであり、前記第2導電型の不純物がボロンよりも拡散係数の大きいP型不純物元素を用いることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。   2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first conductivity type semiconductor substrate is N-type silicon, and the second conductivity type impurity is a P-type impurity element having a diffusion coefficient larger than that of boron. Method. 前記P型不純物元素がアルミニウム、ガリウム、インジウムまたは亜鉛の少なくとも1種を用いることを特徴とする請求項2記載の半導体装置の製造方法。   3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 2, wherein the P-type impurity element uses at least one of aluminum, gallium, indium, and zinc. 前記第1導電型の半導体基板に、一方の主面からアルミニウム、インジウムまたはガリウムを拡散させ、その後に他方の主面から亜鉛を拡散させることを特徴とする請求項2記載の半導体装置の製造方法。   3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 2, wherein aluminum, indium or gallium is diffused from one main surface into the first conductivity type semiconductor substrate, and then zinc is diffused from the other main surface. . 前記アルミニウム、ガリウムまたはインジウムが、ドーズ量1.0×1012cm-2以下でイオン注入されていることを特徴とする請求項3又は請求項4記載の半導体装置の製造方法。 The aluminum, the production method of the gallium or indium, a dose of 1.0 × 10 12 cm -2 or less that have been ion-implanted in the semiconductor device according to claim 3 or claim 4 wherein. 前記イオン注入されたアルミニウムまたはガリウムは1000℃以上1200℃以下の温度にて熱処理されることを特徴とする請求項5記載の半導体装置の製造方法。   6. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 5, wherein the ion-implanted aluminum or gallium is heat-treated at a temperature of 1000 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower. 前記亜鉛が、ドーズ量1.0×1013cm-2以下でイオン注入されていることを特徴とする請求項3又は請求項4記載の半導体装置の製造方法。 Manufacturing method of the zinc, a dose amount of 1.0 × 10 13 cm -2 or less in the semiconductor device according to claim 3 or claim 4, wherein in that it is ion-implanted. 前記イオン注入された亜鉛は400℃以上800℃以下の温度にて熱処理されることを特徴とする請求項記載の半導体装置の製造方法。 5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the ion-implanted zinc is heat-treated at a temperature of 400 ° C. or higher and 800 ° C. or lower. 第1導電型の第1半導体層と、該第1半導体層の両主面で第2導電型の不純物が拡散で全面に導入され第1導電型のままであるがネットドーピング量が前記第2導電型の不純物が導入された量だけ低い領域を有し、一方の主面に第1半導体層より高濃度の第2導電型の第2半導体層を設け、他方の主面に第1半導体層より高濃度の第1導電型の第3半導体層を設けたダイオードであることを特徴とする半導体装置。 The first conductivity type first semiconductor layer and the second conductivity type impurity are diffused and introduced into the entire surface on both main surfaces of the first semiconductor layer, and the first conductivity type remains, but the net doping amount is the second level. The first semiconductor layer has a region that is lower by the amount of introduced impurity of conductivity type, a second conductivity type second semiconductor layer having a higher concentration than the first semiconductor layer is provided on one main surface, and the first semiconductor layer is provided on the other main surface. A semiconductor device comprising a diode having a third semiconductor layer of a first conductivity type with a higher concentration. 第1導電型の第1半導体層と、該第1半導体層の両主面で第2導電型の不純物が拡散で全面に導入され第1導電型のままであるがネットドーピング量が前記第2導電型の不純物が導入された量だけ低い領域を有し、一方の主面に第1半導体層より高濃度の第2導電型の第2半導体層を設け、該第2半導体層に選択的に形成された第1導電型のエミッタ層を設け第1半導体層とエミッタ層間の第2半導体層上に絶縁膜を介してゲート電極を設け、他方の主面に第1半導体層より高濃度の第2導電型のコレクタ層を設けたIGBTであることを特徴とする半導体装置。 The first conductivity type first semiconductor layer and the second conductivity type impurity are diffused and introduced into the entire surface on both main surfaces of the first semiconductor layer, and the first conductivity type remains, but the net doping amount is the second level. A second semiconductor layer having a second conductivity type higher in concentration than the first semiconductor layer is provided on one main surface of the second semiconductor layer, and the second semiconductor layer is selectively formed on the second semiconductor layer. The formed first conductivity type emitter layer is provided , a gate electrode is provided on the second semiconductor layer between the first semiconductor layer and the emitter layer via an insulating film, and the other main surface has a higher concentration than the first semiconductor layer. A semiconductor device comprising an IGBT provided with a collector layer of a second conductivity type. 第1導電型の第1半導体層と、該第1半導体層の両主面で第2導電型の不純物が拡散で全面に導入され第1導電型のままであるがネットドーピング量が前記第2導電型の不純物が導入された量だけ低い領域を有し、一方の主面に第1半導体層より高濃度の第2導電型の第2半導体層を設け、該第2半導体層に選択的に形成された第1導電型のソース層を設け、第1半導体層とソース層間の第2半導体層上に絶縁膜を介してゲート電極を設け、他方の主面に第1半導体層より高濃度の第1導電型のドレイン層を設けたMOSFETであることを特徴とする半導体装置。The first conductivity type first semiconductor layer and the second conductivity type impurity are diffused and introduced into the entire surface on both main surfaces of the first semiconductor layer, and the first conductivity type remains, but the net doping amount is the second level. A second semiconductor layer having a second conductivity type higher in concentration than the first semiconductor layer is provided on one main surface of the second semiconductor layer, and the second semiconductor layer is selectively formed on the second semiconductor layer. A source layer of the formed first conductivity type is provided, a gate electrode is provided on the second semiconductor layer between the first semiconductor layer and the source layer via an insulating film, and the other main surface has a higher concentration than the first semiconductor layer. A semiconductor device comprising a MOSFET provided with a drain layer of a first conductivity type.
JP2003296371A 2003-08-20 2003-08-20 Semiconductor device and manufacturing method thereof Expired - Fee Related JP4096838B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003296371A JP4096838B2 (en) 2003-08-20 2003-08-20 Semiconductor device and manufacturing method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003296371A JP4096838B2 (en) 2003-08-20 2003-08-20 Semiconductor device and manufacturing method thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2005064429A JP2005064429A (en) 2005-03-10
JP4096838B2 true JP4096838B2 (en) 2008-06-04

Family

ID=34372298

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2003296371A Expired - Fee Related JP4096838B2 (en) 2003-08-20 2003-08-20 Semiconductor device and manufacturing method thereof

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4096838B2 (en)

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102005032074B4 (en) * 2005-07-08 2007-07-26 Infineon Technologies Austria Ag Semiconductor device with field stop
JP5087828B2 (en) * 2005-08-26 2012-12-05 富士電機株式会社 Manufacturing method of semiconductor device
JP5272299B2 (en) * 2005-11-10 2013-08-28 富士電機株式会社 Semiconductor device and manufacturing method thereof
US7728409B2 (en) 2005-11-10 2010-06-01 Fuji Electric Device Technology Co., Ltd. Semiconductor device and method of manufacturing the same
CN101305470B (en) 2005-11-14 2010-12-08 富士电机系统株式会社 Semiconductor device and method for manufacturing same
JP2007240904A (en) * 2006-03-09 2007-09-20 Hitachi Ltd Plasma display device
JP5162964B2 (en) * 2006-05-29 2013-03-13 富士電機株式会社 Semiconductor device and semiconductor power conversion device
JP5396689B2 (en) * 2006-09-07 2014-01-22 富士電機株式会社 Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP5283326B2 (en) * 2006-10-27 2013-09-04 三菱電機株式会社 Semiconductor device and manufacturing method thereof
US7964913B2 (en) 2007-01-09 2011-06-21 Maxpower Semiconductor, Inc. Power MOS transistor incorporating fixed charges that balance the charge in the drift region
JP5326217B2 (en) * 2007-03-15 2013-10-30 富士電機株式会社 Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP5309360B2 (en) 2008-07-31 2013-10-09 三菱電機株式会社 Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP5645899B2 (en) * 2012-10-10 2014-12-24 三菱電機株式会社 Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2014220516A (en) * 2014-07-14 2014-11-20 富士電機株式会社 Semiconductor device
CN110858609B (en) * 2018-08-23 2021-11-05 上海先进半导体制造股份有限公司 IGBT and manufacturing method thereof
JP7173312B2 (en) 2019-05-16 2022-11-16 富士電機株式会社 Semiconductor device and method for manufacturing semiconductor device
CN117423749B (en) * 2023-12-19 2024-03-05 山东大学 SiC MOSFET device capable of improving short circuit capability

Also Published As

Publication number Publication date
JP2005064429A (en) 2005-03-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20240047200A1 (en) Semiconductor device and method for manufacturing the same
JP4539011B2 (en) Semiconductor device
US9870923B2 (en) Semiconductor device and method of manufacturing the semiconductor device
JP4096838B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP5971414B2 (en) Semiconductor device
US9954078B2 (en) Method for manufacturing a semiconductor device having a super junction MOSFET
US7932583B2 (en) Reduced free-charge carrier lifetime device
JP5396689B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP6519649B2 (en) Semiconductor device and method of manufacturing the same
JP2000323488A (en) Diode and manufacture thereof
JP2008211148A (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP6037495B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
US7816706B2 (en) Power semiconductor device
JP2010251608A (en) Semiconductor device
JP2016195271A (en) Semiconductor device
JP4123913B2 (en) Manufacturing method of semiconductor device
JP2006245475A (en) Semiconductor device and its manufacturing method
JP6597826B2 (en) Semiconductor device
JP5359567B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2006100779A (en) Semiconductor device and its manufacturing method
KR102170068B1 (en) Bipolar non-punch-through power semiconductor device

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20051114

RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20060703

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20060704

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20071114

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20071120

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20080118

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20080219

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20080303

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 4096838

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110321

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110321

Year of fee payment: 3

S111 Request for change of ownership or part of ownership

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313111

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110321

Year of fee payment: 3

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110321

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120321

Year of fee payment: 4

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120321

Year of fee payment: 4

S111 Request for change of ownership or part of ownership

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313111

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120321

Year of fee payment: 4

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120321

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130321

Year of fee payment: 5

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130321

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140321

Year of fee payment: 6

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees