JP4957050B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は電力変換装置などに使用されるパワー半導体装置に関する。さらに詳しくは半導体基板の主面に平行に主電流が流れる横型パワーダイオードに関する。 The present invention relates to a power semiconductor device used for a power conversion device or the like. More specifically, the present invention relates to a lateral power diode in which a main current flows parallel to the main surface of a semiconductor substrate.
パワーダイオードには、図2の従来の半導体装置(チップ)の要部断面図(a)に示すように、矢印で示す電流103が半導体基板100の主面(101、102)および電極(105、106)面に対して垂直方向に流れる縦型構造デバイスと、(b)に示す要部断面斜視図のように電流103が半導体基板100の両主面(101、102)に対して平行に流れる横型構造デバイスがある。従来の横型デバイス(図2(b))においては、電流103はp+層107とn+層108間の最短経路である表面近傍で電流密度が高く、バルク内部になるほど電流密度は低い。つまり、実質的にはデバイス表面近傍のみが電流に寄与している。縦型デバイス(図2(a))においては、電流103は電極間のバルク全体をほぼ均一に流れるために、図3−1の半導体装置の要部断面図の(b)に示すように電流密度は電極間で平均化されている。このため同じチップ面積のデバイスに、同じ電流を流した場合、一般的には横型デバイスよりも縦型デバイスの方が基板中を流れる電流に偏りが少なく、電圧降下が小さくなる。特に高耐圧・大電流定格のパワーデバイスではこの傾向が強く、この分野で用いられる実際のデバイスも専ら縦型デバイスである。
As shown in the cross-sectional view (a) of the main part of the conventional semiconductor device (chip) in FIG. 2, the power diode has a current 103 indicated by an arrow, which has a main surface (101, 102) of the
従来の横型デバイスにおいて、流れる電流が表面近傍に集中するのは、電極(105、106)が一方の表面にあるからである。図3−1の(a)の要部断面斜視図のように電流はアノード電極105とカソード電極106間の最も抵抗の低い経路、すなわち最短経路を流れるので、表面電極間(105、106)を結ぶ最短距離である最表面を専ら流れる。従って、実質的にデバイスの最表面近傍しか電流に寄与せず、オン電圧が高くなる。その結果、大電流用途では横型デバイスは不利となる。図3−1では矢印の太さによって電流密度の大小を視覚的に示した。また、図2と図3−1において、一点鎖線とその間を結ぶ両矢印は電極間隔を示す。図2、図3−1における鎖線はp+nまたはn−n+接合を示す(これ以降の図においても同様に接合を表す)。
In the conventional lateral device, the flowing current is concentrated near the surface because the electrodes (105, 106) are on one surface. As shown in the cross-sectional perspective view of the main part in FIG. 3A, the current flows through the path with the lowest resistance between the
また高耐圧が要求される場合、横型デバイスにおいては逆バイアスで形成される空乏層は耐圧に応じた長さで横方向にも延びるため、それ以上に長いドリフト層を設ける必要がある。これはチップ面積が大きくなることを意味するが、厚さについてはプロセス上の制限(基板割れ問題)から薄くすることは困難である。同じ課題に対して縦型デバイスではドリフト層を縦に長く、すなわち基板の厚さを厚くすればすむのであって、活性部の面積を増やす必要はない。このことから高耐圧でも縦型デバイスの方がコスト的に有利と言える。従って、従来の横型デバイスは高耐圧・大電流用途には不向きとされるのである。 When a high breakdown voltage is required, in a lateral device, a depletion layer formed with a reverse bias extends in the lateral direction with a length corresponding to the breakdown voltage, and thus it is necessary to provide a longer drift layer. This means that the chip area is increased, but it is difficult to reduce the thickness because of process limitations (substrate cracking problem). With respect to the same problem, in the vertical device, it is only necessary to lengthen the drift layer vertically, that is, to increase the thickness of the substrate, and it is not necessary to increase the area of the active portion. For this reason, it can be said that the vertical device is advantageous in terms of cost even at a high breakdown voltage. Therefore, the conventional lateral device is not suitable for high withstand voltage and large current applications.
一方、縦型パワーデバイスにおいては前述のように耐圧に対応してドリフト層厚を変える必要がある。高耐圧デバイスほど厚いドリフト層を必要とする。パワーデバイスには、一般的にNPT−IGBT(Non Punch Through IGBT)、FS−IGBT(Field Stop IGBT)、FZ−n型シリコンを用いたダイオードなどのように、ドリフト層厚がほぼシリコン基板厚に等しい構造(前者とする)および高不純物濃度の支持基板上に機能領域となるエピタキシャル層を堆積させてなるエピ型IGBTやエピ型ダイオードなどのようにシリコン基板厚がドリフト層厚よりも遥かに厚い構造(後者とする)とがある。 On the other hand, in the vertical power device, it is necessary to change the drift layer thickness in accordance with the breakdown voltage as described above. Higher voltage devices require thicker drift layers. In power devices, the drift layer thickness is almost the same as the thickness of the silicon substrate, such as NPT-IGBT (Non Punch Through IGBT), FS-IGBT (Field Stop IGBT), and diodes using FZ-n type silicon. The thickness of the silicon substrate is much thicker than the drift layer thickness, such as an epi-type IGBT or epi-type diode in which an epitaxial layer serving as a functional region is deposited on a support substrate having the same structure (the former) and high impurity concentration. There is a structure (the latter).
ダイオードの場合、前者の構造では600V耐圧品で70μm、1200V耐圧品で110μm程度のシリコン基板厚が耐圧の観点から必要な厚さである。しかしこれほどに薄いシリコン基板は非常に割れやすく、長い製造工程を経るにつれて割れ不良が増加してしまう。このため、たとえば6インチのシリコン基板を用いてパワーデバイスを製造するときは、耐圧クラスによらず通常500μm程度の厚さのシリコン基板を投入して工程を開始し、工程の最終段において裏面を研削して、半導体特性を満たす条件下で、できるだけ薄いシリコン基板とすることにより、薄いシリコン基板化とシリコン基板割れ問題とをうまく調和させる工夫をしている(当然であるが、もし裏面研削せずに高比抵抗で厚さ500μmのシリコン基板のままデバイスとして完成させたら、その耐圧クラスにしては非常にオン電圧の大きいデバイスになってしまうからである)。一方、後者の構造ではドリフト層の下には厚い基板層があるものの、この基板層は低抵抗層であるので、シリコン基板全体は厚いもののオン電圧は低く抑えられている。また、シリコン基板が厚いので工程中の割れは心配ないが、このような構造では前記厚い基板上に機能領域となるエピ層を形成する必要があるため、シリコン基板コストが高いという問題がある。 In the case of a diode, in the former structure, a silicon substrate thickness of about 70 μm for a 600V withstand voltage product and about 110 μm for a 1200V withstand voltage product is a necessary thickness from the viewpoint of withstand voltage. However, such a thin silicon substrate is very easy to crack, and the cracking defect increases as it goes through a long manufacturing process. For this reason, when manufacturing a power device using, for example, a 6-inch silicon substrate, a silicon substrate having a thickness of about 500 μm is usually started regardless of the breakdown voltage class, and the process is started. By grinding and making the silicon substrate as thin as possible under the conditions that satisfy the semiconductor characteristics, we have devised to harmonize the problem of thin silicon substrate and silicon substrate cracking problem. This is because if a silicon substrate having a high specific resistance and a thickness of 500 μm is completed as a device, it becomes a device having a very high on-voltage for its withstand voltage class). On the other hand, in the latter structure, although there is a thick substrate layer under the drift layer, since this substrate layer is a low resistance layer, the entire silicon substrate is thick, but the on-voltage is kept low. Further, since the silicon substrate is thick, there is no concern about cracking during the process, but in such a structure, it is necessary to form an epi layer serving as a functional region on the thick substrate, so that there is a problem that the cost of the silicon substrate is high.
おおよそ耐圧クラスが3300V以下のパワーデバイス(大部分の機種が含まれる)においては、必要なドリフト層厚は500μm以下であるので、工程中の割れ不良を防ぐために、実際の製造ラインでは、ほとんどの機種において前記いずれの構造(前者と後者、すなわち最終工程で裏面研削する構造、エピシリコン基板構造)であっても500μm前後の厚シリコン基板として工程を流している。その結果、前者の構造ではウェハメーカーより購入した高価なシリコン基板の大部分を裏面研削によって最終工程で捨てており、後者の構造ではデバイス特性上は本来必要無い基板層を単に支持基板として買っていることになる。前述のように、600Vダイオードではデバイス動作に必要な厚さは70μmであり、残りの厚い基板層は半導体特性上の観点からは本来無くてもよい部分である。 For power devices with a breakdown voltage class of 3300 V or less (including most models), the required drift layer thickness is 500 μm or less, so in order to prevent crack defects during the process, Regardless of the structure (the former and the latter, that is, the structure where the back surface is ground in the final process, the episilicon substrate structure) in the model, the process flows as a thick silicon substrate of about 500 μm. As a result, in the former structure, most of the expensive silicon substrate purchased from the wafer manufacturer is thrown away in the final process by back grinding, and in the latter structure, a substrate layer that is not originally necessary for device characteristics is simply purchased as a support substrate. Will be. As described above, in the 600V diode, the thickness necessary for device operation is 70 μm, and the remaining thick substrate layer is a portion that is not necessarily required from the viewpoint of semiconductor characteristics.
以上の従来技術における問題点に対して、n型基板の面に平行な方向に所定の距離だけずらして表裏両面からそれぞれ溝を形成し、各溝内表面にそれぞれp+層とn+層を形成し、それぞれ金属電極を埋め込むことにより、厚さを高精度に薄く制御できるようにすると共に、図3−2の(c)のように、電流103が主面に平行に流れる横型デバイスでありながら、電極間を電流103が表面近傍に偏って流れることなく均一に流れることを可能にしたダイオードについて記載した文献がある(特許文献1―図21、要約)。
To solve the above problems in the prior art, grooves are formed from both the front and back surfaces by shifting a predetermined distance in a direction parallel to the surface of the n-type substrate, and p + layers and n + layers are respectively formed on the inner surfaces of the grooves. It is a lateral device in which the current 103 flows in parallel to the main surface as shown in FIG. However, there is a document describing a diode that allows a current 103 to flow uniformly between electrodes without flowing near the surface (
面方位(110)面を主面とする単結晶シリコン基板に、主面に垂直な(111)等価面からなる垂直壁にかこまれた所定の内角を有する平行四辺形の複数の貫通孔を形成するマイクロマシンの製作方法にかかる孔の作成方法が開示されている(特許文献2、3)。面方位(110)面を主面とする単結晶シリコン基板に、主面に垂直な(111)等価面からなる垂直壁にかこまれたインク吐出室を異方性エッチングにより形成する方法が知られている(特許文献4、5)。
A plurality of parallelogram-shaped through-holes having a predetermined inner angle embedded in a vertical wall made of a (111) equivalent plane perpendicular to the main surface is formed in a single crystal silicon substrate having a plane orientation (110) surface as a main surface. A method of creating a hole according to a manufacturing method of a micromachine is disclosed (
(110)面を主面とするn型シリコン基板を異方性エッチングにより主面に垂直な{111}面を側壁とする溝を形成し、p型シリコン層を埋め込んでpn接合を形成する半導体装置に関する記載がある(特許文献6)。
しかしながら、前記特許文献1に記載の発明は特殊な用途向けのデバイスに関するものであり、大面積、大電流の素子の製造は困難であり、また、n基板を用いる場合、アノード電極側の溝先端部に電界が集中し、耐圧が大きく損なわれ、高耐圧素子も難しいと思われる。また、前記特許文献2〜6に記載の発明は、いずれも(110)面を主面とするn型シリコン基板を異方性エッチングにより主面に垂直な{111}面を側壁とする溝を形成する方法の記載は認められるが、形成した主面に垂直な{111}面を側壁とする溝に持たせる機能の点において、半導体装置とは技術分野が異なっているか、または、半導体装置の関する文献であっても、半導体基板の主面間方向を電流経路とする縦型半導体装置に関するものであり、半導体基板の主面に平行な方向を電流経路とする横型半導体装置の技術分野とは異なっている。
However, the invention described in
本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、従来の横型パワーデバイスにおいて、高耐圧、大電流化デバイスを得ようとするとオン電圧やチップ面積の点で縦型デバイスに比して極めて不利になるという問題、および縦型パワーデバイスにおいては製造プロセス上の問題から、投入する半導体基板の厚さの大部分を半導体特性上の観点からは有効に活用できないという問題点を解決して、製造プロセスへ投入する半導体基板の厚さのほとんどを半導体特性向上のために有効に利用できる半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and in a conventional lateral power device, when trying to obtain a high withstand voltage and high current device, the on-voltage and chip area are higher than those of a vertical device. Solved the problem of extremely disadvantageous and the problem that in the case of vertical power devices, most of the thickness of the semiconductor substrate to be input cannot be effectively utilized from the viewpoint of semiconductor characteristics due to problems in the manufacturing process. An object of the present invention is to provide a semiconductor device and a method for manufacturing the same that can effectively use most of the thickness of the semiconductor substrate to be introduced into the manufacturing process for improving semiconductor characteristics.
特許請求の範囲の請求項1記載の本発明によれば、半導体基板が低不純物濃度の第一、第二導電型の層が接する積層基板からなり、第一導電型の層側の一方の主面に、選択的で周期的な平面細条パターンと主面に垂直であって第二導電型の層に達する深さとで構成される第一の溝を有し、第一の溝が第一の電極層により充填されると共に前記一方の主面の活性領域上に被覆される第一の電極層に接続される第一の電極構造と、第一の電極構造の外周に位置する半導体基板に形成される周辺耐圧構造部とを備え、第二導電型の層側の他方の主面には、前記第一の溝の間に位置し、選択的で周期的な平面細条パターンと主面に垂直であって第一導電型の層に達する深さとで構成される第二の溝と、第二の溝を取り囲み、他方の主面から第一導電型の層に達する耐圧構造溝とを有し、第二の溝と前記耐圧構造溝とが第二の電極層により充填されると共に前記他方の主面上に被覆される第二の電極層に接続される第二の電極構造を備え、第一の溝に接する半導体基板面に少なくとも形成される第二導電型の高不純物濃度層を有し、第二の溝と前記耐圧構造溝とに接する半導体基板面と他方の主面に少なくとも形成される第一導電型の高不純物濃度層を有する半導体装置とすることにより、前記目的は達成される。 According to the first aspect of the present invention, the semiconductor substrate is composed of a laminated substrate in contact with the first and second conductivity type layers having a low impurity concentration, and one main layer on the first conductivity type layer side is formed. The surface has a first groove composed of a selective and periodic planar strip pattern and a depth perpendicular to the main surface and reaching the layer of the second conductivity type. A first electrode structure that is filled with an electrode layer and connected to the first electrode layer that is coated on the active region of the one main surface, and a semiconductor substrate that is positioned on the outer periphery of the first electrode structure A peripheral voltage-resistant structure portion to be formed, and the other main surface on the second conductivity type layer side is located between the first grooves, and a selective periodic periodic strip pattern and main surface A second groove composed of a depth perpendicular to the first conductivity type layer and surrounding the second groove and from the other main surface to the first conductivity type A pressure-resistant structure groove reaching the layer, and the second groove and the pressure-resistant structure groove are filled with the second electrode layer and connected to the second electrode layer covered on the other main surface. A semiconductor substrate having a second conductivity type high impurity concentration layer formed at least on a semiconductor substrate surface in contact with the first groove, and in contact with the second groove and the breakdown voltage structure groove The above object is achieved by providing a semiconductor device having a high impurity concentration layer of the first conductivity type formed at least on the surface and the other main surface.
特許請求の範囲の請求項2記載の本発明によれば、前記第二導電型の高不純物濃度層が前記活性領域内の一方の主面に形成される特許請求の範囲の請求項1記載の半導体装置とすることがより好ましい。
特許請求の範囲の請求項3記載の本発明によれば、第一、第二導電型の層が接する積層体からなる半導体基板が、第二導電型の半導体基板上に堆積成長される第一導電型のエピタキシャル層からなる特許請求の範囲の請求項1または2記載の半導体装置とすることが好ましい。
According to the second aspect of the present invention, the high conductivity concentration layer of the second conductivity type is formed on one main surface in the active region. A semiconductor device is more preferable.
According to the present invention as set forth in
特許請求の範囲の請求項4記載の本発明によれば、第一、第二導電型の層が接する積層体からなる半導体基板が、第二導電型の半導体基板と第一導電型の半導体基板との貼り合わせによって形成されている特許請求の範囲の請求項1または2記載の半導体装置とすることもできる。
特許請求の範囲の請求項5記載の本発明によれば、前記電極層が高不純物濃度のエピタキシャルポリシリコンまたは金属導体である特許請求の範囲の請求項1乃至4のいずれか一項に記載の半導体装置とすることが好ましい。
According to the present invention as set forth in
According to the present invention as set forth in
特許請求の範囲の請求項6記載の本発明によれば、周辺耐圧構造部が逆バイアス時の電界強度を緩和する構造を備える特許請求の範囲の請求項1乃至5のいずれか一項に記載の半導体装置とすることが望ましい。
特許請求の範囲の請求項7記載の本発明によれば、前記半導体基板の主面方位が(110)面である特許請求の範囲の請求項1乃至6のいずれか一項に記載の半導体装置とすることが好適である。
According to the present invention as set forth in
According to the present invention as set forth in
特許請求の範囲の請求項8記載の本発明によれば、該半導体基板の隣接する二辺の成す角度が70度乃至71度、または109度乃至110度の平行四辺形である特許請求の範囲の請求項7記載の半導体装置とすることがより好適である。
特許請求の範囲の請求項9記載の本発明によれば、請求項1乃至8のいずれか一項に記載の半導体装置を製造する際に、前記第一および第二の溝がアルカリエッチング液による異方性エッチングにより形成される半導体装置の製造方法とすることにより、前記本発明の目的は達成される。
According to the present invention as set forth in
According to the present invention as set forth in
特許請求の範囲の請求項10記載の本発明によれば、前記異方性エッチングにより前記第一および第二の溝を形成する際のエッチングマスクとして酸化シリコン膜または窒化シリコン膜を用いる特許請求の範囲の請求項9記載の半導体装置の製造方法とすることが好ましい。
特許請求の範囲の請求項11記載の本発明によれば、主面方位が(110)である前記半導体基板の両主面に前記第一または第二の溝をそれぞれ形成するために、前記エッチングマスクの開口部形状を、隣接する二辺の成す角度が70度乃至71度、または109度乃至110度である平行四辺形または小片の平行四辺形を並べた平面細条形状であって、かつ各平行四辺形をそれぞれ該四辺形の各辺に垂直であって前記半導体基板の主面に沿った方向が<111>またはこの方向に等価なミラー指数の方位となる平面細条形状に配置してエッチングする溝形成工程を有する特許請求の範囲の請求項10記載の半導体装置の製造方法とすることが望ましい。
According to a tenth aspect of the present invention, a silicon oxide film or a silicon nitride film is used as an etching mask when the first and second grooves are formed by the anisotropic etching. Preferably, the method of manufacturing a semiconductor device according to
According to the present invention of
特許請求の範囲の請求項12記載の本発明によれば、前記開口部形状が、前記第一または第二導電型高不純物濃度層の拡散深さより小さい間隔をおいて並べられた小片の平行四辺形からなる平面細条形状である特許請求の範囲の請求項11記載の半導体装置の製造方法とすることが好適である。
特許請求の範囲の請求項13記載の本発明によれば、第一または第二の溝に第一または第二導電型の不純物を導入して第一の溝に接する半導体基板面と前記活性領域内の一方の主面とにそれぞれ形成される第二導電型の高不純物濃度層と、第二の溝と前記耐圧構造溝とに接する半導体基板面と他方の主面とにそれぞれ形成される第一導電型の高不純物濃度層とを形成する特許請求の範囲の請求項12記載の半導体装置の製造方法とすることがより好ましい。
According to the twelfth aspect of the present invention, the shape of the opening is a parallel four sides of small pieces arranged at an interval smaller than the diffusion depth of the first or second conductivity type high impurity concentration layer. Preferably, the method for manufacturing a semiconductor device according to
According to the present invention of
本発明によれば、前述した従来技術における問題点を解決して、製造プロセスへ投入する半導体基板の厚さのほとんどを半導体特性の向上のために有効に利用できる半導体装置およびその製造方法を提供できる
言い換えると、本発明によれば、同チップ面積の縦型パワーデバイス以上の実効活性領域面積を有する横型パワーデバイスを製造でき、パワーデバイスのチップ面積あたりの特性を、縦型デバイスに比べて大きく改善することができる。割れの心配の無い厚シリコン基板を用いて、従来の薄シリコン基板縦型デバイスを凌駕する性能が得られる。もちろん従来横型デバイスに比べても、チップ面積あたりの特性が大きく改善される。また周辺耐圧構造部の耐圧を活性領域の耐圧よりも大きく設計できるので、高耐圧および高アバランシェ耐量が実現できる。
According to the present invention, there are provided a semiconductor device and a method of manufacturing the same that can solve the above-described problems in the prior art and can effectively use most of the thickness of the semiconductor substrate to be input to the manufacturing process for improving the semiconductor characteristics. In other words, according to the present invention, a lateral power device having an effective active area larger than that of a vertical power device having the same chip area can be manufactured, and the characteristics per chip area of the power device are larger than those of the vertical device. Can be improved. By using a thick silicon substrate that does not have to worry about cracking, it is possible to obtain performance that surpasses that of a conventional thin silicon substrate vertical device. Of course, the characteristics per chip area are greatly improved as compared with the conventional lateral device. Moreover, since the breakdown voltage of the peripheral breakdown voltage structure can be designed larger than the breakdown voltage of the active region, a high breakdown voltage and a high avalanche resistance can be realized.
図1は本発明にかかる半導体装置(チップ)の要部拡大断面図と斜視図であり、(a)はA−A線で切断した半導体装置(チップ)の要部拡大断面図、(b)は第一の電極(アノード)側から見た半導体装置(チップ)の斜視図、図4は本発明にかかるダイオードの逆バイアス時の等電位線を示す要部拡大断面図、図5は本発明にかかる半導体装置の要部拡大断面斜視図、と斜視図であり、(a)はA−A線で切断した半導体装置(チップ)の第二の電極(カソード)側から見た要部拡大断面斜視図、(b)は第二の電極(カソード)側から見た半導体装置(チップ)の斜視図、図6は、第一の電極(アノード)側から見た本発明にかかる半導体装置の上面図、図7−1と図7−2は本発明にかかる半導体装置を説明するための要部断面図、図8は従来と本発明のダイオードに関するオン電流密度とオン電圧関係図、図9は電極溝の配置に関する要部断面図である。図10は、本発明にかかる面方位(110)の半導体基板に面方位(111)およびその等価面との交差する線を示す平面図、図11は、本発明にかかる半導体基板のカソード面側のアルカリエッチング開口部形状を示す平面図、図12は、本発明にかかる半導体基板のカソード面側の異なるアルカリエッチング開口部形状を示す平面図であり、図13は、本発明にかかる平行四辺形の半導体基板のカソード側の平面図であり、図14−1、図14−2および図14−3は本発明にかかる半導体装置を説明するための要部断面図である。 1A and 1B are an enlarged cross-sectional view and a perspective view of a main part of a semiconductor device (chip) according to the present invention, and FIG. 1A is an enlarged cross-sectional view of a main part of the semiconductor device (chip) cut along line AA. FIG. 4 is a perspective view of a semiconductor device (chip) as viewed from the first electrode (anode) side, FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of a main part showing equipotential lines at the time of reverse bias of a diode according to the present invention, and FIG. FIG. 2 is a perspective view of a principal part of the semiconductor device according to the embodiment, and a perspective view, wherein (a) is a principal part enlarged cross section as seen from the second electrode (cathode) side of the semiconductor device (chip) cut along line AA. FIG. 6B is a perspective view of the semiconductor device (chip) as viewed from the second electrode (cathode) side, and FIG. 6 is a top view of the semiconductor device according to the present invention as viewed from the first electrode (anode) side. FIGS. 7A and 7B are main part sectional views for explaining the semiconductor device according to the present invention, 8 on the current density and the ON voltage relationship diagram for the diode of the prior art and the present invention, FIG. 9 is a main part sectional view on the arrangement of the electrode groove. FIG. 10 is a plan view showing a line intersecting the plane orientation (111) and its equivalent plane on the semiconductor substrate of the plane orientation (110) according to the present invention, and FIG. 11 is the cathode side of the semiconductor substrate according to the present invention. FIG. 12 is a plan view showing different alkali etching opening shapes on the cathode surface side of the semiconductor substrate according to the present invention, and FIG. 13 is a parallelogram according to the present invention. FIG. 14A, FIG. 14B, and FIG. 14C are cross-sectional views of relevant parts for explaining the semiconductor device according to the present invention.
(本発明の半導体装置における実効活性領域面積の拡大について)
図1の(a)、(b)で示すストライプ状の平面パターンを有する電極溝構造(7、8)を備えるダイオードにより本発明にかかる半導体装置(チップ)を具体的に説明する。図1(a)は本発明の半導体チップに関して、図1(b)のA−A線で切断したものの一部を示す要部拡大断面図である。半導体チップはp−層6からなる半導体基板上にn−層5がエピタキシャル成長により形成された積層基板であり、内部にp−n−接合を有する。p−層6とn−層5のそれぞれの表面から内部に向かう細い溝(7、8)は共に前記p−n−接合を超える深さに形成されている。細い溝(7、8)のそれぞれの表面におけるパターンは図1(b)に示すようなストライプ状である。図1(b)に示す表面はアノード側であるが、反対側のカソード側のストライプ8パターンは前記アノード側のストライプ7パターンの間にカソード側のストライプ8パターンが位置するようにアノード側ストライプ7に対して少しズレて配置されている。前記両面のストライプ状溝(7、8)の形成後、アノード側ストライプ溝7の内面およびn−層5側表面には高不純物濃度のp+層9と周辺耐圧構造領域13のガードリングp+層(後述)が形成され、反対側のカソード側ストライプ溝8の内面およびp−層6側表面には高不純物濃度のn+層10および周辺耐圧構造領域(後述)がそれぞれ形成される。また、図1(b)において、基板表面で、アノード電極層2が形成される活性領域4の長辺をa、短辺をbで示した。図1ではアノード電極層2とカソード電極層3がそれぞれシリコン基板両主面に形成され、同時に両面の各溝(7、8)内にも電極層が充填され、それぞれアノード電極層2とカソード電極層3とに接続され、一体化されている。ただし、図1(b)ではアノード電極の下の溝のパターンを明示するために、アノード電極層は省略されるかまたは透明化されている状態とした。
(Expansion of effective active area in semiconductor device of the present invention)
A semiconductor device (chip) according to the present invention will be described in detail with reference to a diode having an electrode groove structure (7, 8) having a striped planar pattern shown in FIGS. FIG. 1A is an enlarged cross-sectional view of a main part showing a part of the semiconductor chip of the present invention cut along line AA in FIG. The semiconductor chip is a laminated substrate in which an n − layer 5 is formed by epitaxial growth on a semiconductor substrate made of a p − layer 6 and has a p − n − junction inside. p - layer 6 and the n - narrow groove from each of the surface toward the interior of the layer 5 (7,8) are both the p - n - is formed to a depth greater than the bonding. The pattern on each surface of the narrow grooves (7, 8) is a stripe shape as shown in FIG. Although the surface shown in FIG. 1B is the anode side, the
本発明の半導体装置では、前述のように、実際に電流の流れる実効活性領域の面積が従来の横型デバイスや縦型デバイスよりも増加し、そのことにより、パワーデバイスのチップ面積あたりの特性を、縦型デバイスに比べて大きく改善することができることを特徴としているので、そのことについて以下詳細に説明する。一本のストライプ状の溝を単位セルとして、図1(a)に示すように、そのセルのピッチをWc、溝(7、8)の深さをtt、シリコン基板厚をtw、溝(7、8)の幅をWtとし、チップの基板表面上の活性領域4の各辺の長さをa、bとする。また耐圧クラスで決まるドリフト層厚をtd(耐圧に対応してドリフト層厚tdが変わるということ)とする。従来の縦型デバイスの電流経路面積(すなわち活性領域4の面積)AvはAv=a×bである。一方、本発明による横型デバイスの電流経路面積Al(実効活性領域面積Alとする)は以下のように計算できる。単位セル当たりの電流経路面積はb×(Wt/2+td+tt+Wt/2)である(溝側面とシリコン基板表面の和)。一チップ内の単位セル個数はa/Wcであり、Wc=Wt/2+td+Wt/2である。実効活性領域面積Alは全セルの電流経路面積の合計であるので、実効活性領域面積Alは、Al=a×b×(Wt+td+tt)/(Wt+td)となる。本発明による横型デバイスの実効活性領域面積Alの従来縦型デバイスの活性面積Avに対する比率、すなわちAl/Avは、(Wt+td+tt)/(Wt+td)もしくは(Wt+tw)/(Wt+td)と表される(後者はtd=tw−ttの場合)。言い換えると、従来の縦型ダイオードでシリコン基板厚twとドリフト層厚tdの比が大きいものほど本発明の効果が大きいことが分かる。つまり600Vなどの低耐圧品ほどドリフト層厚が小さいので、効果が大きいのである。
In the semiconductor device of the present invention, as described above, the area of the effective active region through which the current actually flows is increased as compared with the conventional horizontal device and vertical device, and thereby the characteristics per chip area of the power device are increased. Since it is characterized in that it can be greatly improved as compared with the vertical device, this will be described in detail below. As shown in FIG. 1A, a single stripe-shaped groove is used as a unit cell, and the cell pitch is Wc, the depth of the grooves (7, 8) is tt, the silicon substrate thickness is tw, and the groove (7 8) is Wt, and the length of each side of the
たとえば、シリコン基板厚が500μmの1200V耐圧ダイオードの場合、tdを110μm、ttを390μm、Wtを40μmとすると、Al/Avは3.6になり、3倍以上の実効活性面積が得られる。
このようにして、従来の横型デバイスでは電流にほとんど寄与していなかったバルク部を電流経路として有効に活用することにより、従来の縦型デバイスに比べても非常に実効活性領域面積の大きいデバイスとすることができる。従来の縦型デバイスで捨てていた半導体基板領域を捨てずに有効に活用できるようにしたためである。また薄シリコン基板としてオン電圧を実用的な値にするために必要であった従来の裏面研削工程が不要であり、さらに、工程中のシリコン基板割れ不良の心配も無くなる。
For example, in the case of a 1200V withstand voltage diode having a silicon substrate thickness of 500 μm, if td is 110 μm, tt is 390 μm, and Wt is 40 μm, Al / Av is 3.6, and an effective active area that is three times or more can be obtained.
In this way, by effectively utilizing the bulk part, which has hardly contributed to current in the conventional lateral device, as a current path, a device having a very large effective active region area compared to the conventional vertical device can be obtained. can do. This is because the semiconductor substrate area that was thrown away in the conventional vertical device can be effectively used without being thrown away. Further, the conventional backside grinding process required for making the on-voltage a practical value as a thin silicon substrate is unnecessary, and further, there is no fear of a silicon substrate cracking defect during the process.
(コンタクト電極の電気抵抗について)
本発明ではシリコン基板に形成した溝を電極となる低抵抗材料で埋め込むことにより、シリコン基板中を横方向に流れてきた電流を縦方向の電極溝に取り出して集める。従って電極材質の電気伝導度が良好であることが極めて重要である。以下に種々の材質の常温における電気抵抗率ρを示す。電極材料の後の数字は比抵抗値を示す。
(Electric resistance of contact electrode)
In the present invention, the grooves formed in the silicon substrate are filled with a low-resistance material serving as an electrode, whereby the current flowing in the lateral direction in the silicon substrate is taken out and collected in the vertical electrode grooves. Therefore, it is very important that the electrode material has good electrical conductivity. The electrical resistivity ρ of various materials at room temperature is shown below. The number after the electrode material indicates the specific resistance value.
Al(アルミニウム) : 2.8×10−6Ωcm
Cu(銅) : 1.7×10−6Ωcm
N+シリコン(1×1019cm−3ドープ) : 6.3×10−3Ωcm
N+シリコン(1×1018cm−3ドープ) :2.0×10−2Ωcm
溝1本当たりの埋め込み電極の抵抗は、ρ×tt/(Wt×b)である。ρは抵抗率(比抵抗)である。埋め込み電極1本が担当する電流は2×J×b×(Wt+td+tt)であるので、埋め込み電極中の電圧降下VcontactはJ×ρ×(Wt+td+tt)×tt/Wtになる。前述の例(シリコン基板厚が500μmの1200V耐圧ダイオードで、tdを110μm、ttを390μm、Wtを40μmとする)では、J=200A/cm2として、Vcontactはアルミニウム電極の場合0.29mVになる。上記ダイオードのオン電圧は1.5V程度であり、埋め込み電極の電圧降下は無視できる。一方、不純物濃度が1×1019cm−3のn+単結晶シリコンで埋め込み電極を形成した場合、Vcontactは0.66Vになり、無視できない電圧降下となる。従って、埋め込み電極は金属によるのが最適である。ドープドシリコンの埋め込みの場合は溝幅をより大きくすることが望ましい。
Al (aluminum): 2.8 × 10 −6 Ωcm
Cu (copper): 1.7 × 10 −6 Ωcm
N + silicon (1 × 10 19 cm −3 doped): 6.3 × 10 −3 Ωcm
N + silicon (1 × 10 18 cm −3 doped): 2.0 × 10 −2 Ωcm
The resistance of the buried electrode per groove is ρ × tt / (Wt × b). ρ is a resistivity (specific resistance). Since the current handled by one embedded electrode is 2 × J × b × (Wt + td + tt), the voltage drop Vcontact in the embedded electrode is J × ρ × (Wt + td + tt) × tt / Wt. In the above example (a 1200 V withstand voltage diode with a silicon substrate thickness of 500 μm, td is 110 μm, tt is 390 μm, Wt is 40 μm), J = 200 A /
(セル耐圧)
基板面に垂直で、相互に平行な電極溝を有する従来の横型デバイス構造は、デバイスのオフ時すなわち逆電圧ブロッキング時に電極溝の先端部で電界が集中し易いという問題がある。このため溝先端でアバランシェブレークダウンが発生してしまい、十分な耐圧が得られなくなる可能性が有った。p+層/n−層/n+層という積層構造を有するダイオードの場合、アノード電極溝の先端曲率部でブレークダウンが起こり、アノードp+層の拡散長を大きくすることである程度の電界緩和は可能であるが本質的な解決にはならない。たとえば、アノードp+層の接合深さが3μmの場合、一次元平面接合の約半分の耐圧になってしまう。すなわち、平面接合部で1400Vの耐圧があっても、アノード溝先端部では700Vでブレークダウンするということである。
(Cell pressure resistance)
The conventional lateral device structure having electrode grooves perpendicular to the substrate surface and parallel to each other has a problem that the electric field tends to concentrate at the tip of the electrode groove when the device is turned off, that is, when reverse voltage blocking is performed. For this reason, an avalanche breakdown occurs at the end of the groove, and there is a possibility that a sufficient breakdown voltage cannot be obtained. In the case of a diode having a stacked structure of p + layer / n − layer / n + layer, breakdown occurs at the tip curvature portion of the anode electrode groove, and a certain amount of electric field relaxation can be achieved by increasing the diffusion length of the anode p + layer. It is possible but not an essential solution. For example, when the junction depth of the anode p + layer is 3 μm, the breakdown voltage is about half that of the one-dimensional planar junction. That is, even if the flat junction has a withstand voltage of 1400V, the anode groove tip breaks down at 700V.
そこで、本発明では、図1、図4、図5に示すように、半導体基板として、p−層とn−層の積層基板を用い、アノード電極溝を前記積層基板のn−層表面からpn接合を超えてp−層内部にまで到達させると共に、アノード電極溝の半導体基板表面にp+層を形成することにより、アノード曲率部の電界を緩和することができ、その結果、高耐圧を得られるようにしたのである。空乏層はpn接合から伸びるので、アノード先端部からは空乏層が伸び始めず、電界が緩和されるのである。さらにアノード先端部とシリコン基板カソード面の距離を、設計耐圧に必要なドリフト層幅tdよりも大きく取ることで、より一層の電界緩和が可能である。 Therefore, in the present invention, as shown in FIGS. 1, 4 and 5, a laminated substrate of p − layer and n − layer is used as the semiconductor substrate, and the anode electrode groove is pn from the n − layer surface of the laminated substrate. By reaching the inside of the p − layer beyond the junction and forming the p + layer on the surface of the semiconductor substrate of the anode electrode groove, the electric field of the anode curvature portion can be relaxed, and as a result, a high breakdown voltage can be obtained. It was made to be able to. Since the depletion layer extends from the pn junction, the depletion layer does not begin to extend from the tip of the anode, and the electric field is relaxed. Furthermore, the electric field can be further relaxed by setting the distance between the anode tip and the silicon substrate cathode surface to be larger than the drift layer width td required for the design withstand voltage.
(周辺耐圧構造について)
本発明にかかる半導体装置においては、図4、図5および図6に示すように、アノード電極層2(図4、図5(a)に示す)または活性領域4の外周に位置するアノード側周辺耐圧構造領域13として、従来のガードリング11を含む耐圧構造を利用できる。ただし厚いp−層を用いてセル耐圧を向上させた構造においては、図5に示すように活性領域4を囲む外周に相当する位置に、カソード電極溝8と同じ深さを有する環状の電極溝を形成し、カソード側周辺耐圧溝構造12とすることにより、このカソード側周辺耐圧溝構造12の内周部19と外周部20のp−層を電気的に分離する必要がある。こうしないとデバイス(チップ)の切断側面18に露出しているpn接合部から空乏層が伸びてしまい、適切な面処理が施されていない側面で大きな漏れ電流が発生してしまう。図4はこのようなカソード側周辺耐圧溝構造12とアノード側周辺耐圧構造領域13として酸化膜21を含むガードリング11/フィールドプレート構造を適用した場合において、逆電圧印加時の等電位線14を便宜的に記載した要部拡大断面図である。なお、図5では、周辺耐圧構造領域13の基板表面を保護するために必要な酸化膜は省略されている。また、図5(a)と図5(b)に示すカソード電極3については、その下側の基板表面パターンを明示できるように、透視的に描かれている。太い破線で示す主接合15が縦方向(半導体基板の主面に対して垂直)であるので、前記アノード側周辺耐圧構造領域13における等電位線14の曲率が凸になりにくく、電界が緩和されやすくなっている。従来のプレーナ型パワーデバイスの周辺耐圧構造領域では、等電位線の曲率は必ず空乏層の伸展する方向に向かって凸になり、平面接合以上の耐圧は得られない。しかし本発明によるパワーデバイスでは周辺耐圧構造領域13において、最も電界の強い領域の等電位線の曲率を空乏層の伸展する方向に向かって凹にすることができ、平面接合以上の耐圧を得ることが可能である。このためデバイス全体で活性領域4の主接合15でブレークダウンさせることができ、高耐圧および高アバランシェ耐量を確保できる。なお、p+p−およびn+n−接合はそれぞれ細破線16、17で示し、符号18はチップ化する際の切断面である。
(About the peripheral pressure-resistant structure)
In the semiconductor device according to the present invention, as shown in FIGS. 4, 5, and 6, the anode side periphery located on the outer periphery of the anode electrode layer 2 (shown in FIGS. 4 and 5A) or the
図7−1、7−2は本発明を1200V耐圧のダイオードに適用した例である。比抵抗が50Ωcmで、主面方位(110)面、OF(オリエンテーションフラット)方位<111>方向であって、厚さ500μmのCZ−n型シリコン基板と比抵抗が50Ωcmで主面方位(110)面、OF方位<111>方向であって、厚さ500μm厚のCZ−p型シリコン基板とを貼り合わせた1mm厚の積層シリコン基板1を材料とする(図7−1(a))。貼り合わせ方法は公知の方法に従うものとする。または厚さが850μmでその他の仕様が上記CZ−n型シリコン基板1と同じCZ−nシリコン基板に、150μm/50Ωcmのp型シリコンエピ層を積んだ積層シリコン基板を材料としてもよい。従来のダイオードと異なり、n層側がアノード面1−1であり、p層側がカソード面1−2となる。
FIGS. 7-1 and 7-2 are examples in which the present invention is applied to a diode having a withstand voltage of 1200V. Specific resistance is 50 Ωcm, principal plane orientation (110) plane, OF (orientation flat) orientation <111> direction, 500 μm thick CZ-n type silicon substrate and specific resistance is 50 Ωcm and principal plane orientation (110) A 1 mm-thick
まずシリコン基板1の両面に厚さ2.4μmの熱酸化膜1−3を成長させる。フォトリソグラフィ技術によるパターニングおよびエッチングによりカソード面1−2の酸化膜1−3の一部をストライプ状の平面パターンに除去し、TMAH(テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド)などのアルカリによりシリコン基板1を深さ800μmのエッチング溝8を形成する(図7−1(b))。シリコン基板の主面の結晶方位が(110)面であるので、エッチングされにくい(111)面が側壁として残り、結果的に垂直溝が形成される。溝幅は80μmであり溝間隔は280μmである。シリコン基板/酸化膜のエッチング選択比は500以上であり、酸化膜厚の目減り量は1.6μmであるので0.8μmの酸化膜が残る。前記シリコン溝のエッチングと同時にその溝エッチングによりマスクアライメント用マーカー(図示せず)も形成しておく。次にドライエッチングによりカソード面1−2の酸化膜1−3を全面除去する。リンの気相拡散により、表面濃度1×1018cm−3で深さ5μmのn+層8−1を、カソード電極溝内部およびカソード面1−2の平坦部に形成する(図7−1(c))。
First, a thermal oxide film 1-3 having a thickness of 2.4 μm is grown on both surfaces of the
両面アライナーを用いてアノード面1−1の周辺耐圧構造領域13にレジストをパターニングし、酸化膜1−3の一部をエッチングする。同じくアノード面1−1にマーカー(図示せず)を形成する。ドーズ量1×1014cm−2のボロンをイオン注入してガードリング11を形成する(図7−1(d))。両面アライナーを用いない場合は、カソード面のシリコンエッチングに先立ち、マーカー部のシリコンを1000μmエッチングし、スルーホールをアノード面に到達させ、これをアノード面マーカーとして使用してもよい。
A resist is patterned on the peripheral pressure-
再度厚さ2.4μmの酸化膜1−4を成長させる。次にパターニングおよびドライエッチングによりアノード面1−1の酸化膜1−4の一部を除去する。アルカリエッチングにより深さ800μm/幅80μmのアノード電極溝7を280μm間隔で形成する。2つのカソード溝(8)の中間にアノード溝7が形成されるようにする(図7−2(e))。カソード溝8/アノード溝7の間隔は100μmとなる。アノード溝7の間のアノード面1−1の平坦部には厚さ0.8μmの酸化膜が残る。ボロンを気相拡散によりドープし、表面濃度1×1017cm−3で深さ3μmのp+層7−1を形成する。酸化膜下部にはp+層7−1は形成されない。両面の酸化膜をHFで完全除去する。アノード面にCVDで酸化膜を形成する。溝側壁にはなるべく酸化膜を形成しない条件とすることが好ましい。希HFで側壁の酸化膜を除去する。アノード側の酸化膜は残る。
An oxide film 1-4 having a thickness of 2.4 μm is grown again. Next, a part of the oxide film 1-4 on the anode surface 1-1 is removed by patterning and dry etching.
カソード電極溝8およびアノード電極溝7にアルミニウムをスパッタまたは蒸着し、溝を金属で埋め込む。またはメッキにより溝を埋め込んでも良い。80μm幅の溝を埋め込む為に最低40μm厚さの埋め込み量が必要である。カソード面1−2のアルミニウム層を研磨して5μm程度のアルミニウム層を残す。アノード面1−1のアルミニウム層はCMP(化学的機械研磨装置)で研磨し、酸化膜1−4をストッパとして平坦化する(図7−2(f))。その上で5μmのアルミニウムをスパッタする。アノード面1−1のアルミニウム層の一部をパターニング/エッチングで除去し、ガードリング11上にフローティング電極11−1を形成し、周辺耐圧構造領域13とする(図7−2(g))。図7−1と図7−2を用いた本発明にかかる横型パワーダイオードの実施例では、前記図1、図4、図5と異なり、シリコン基板表面(平坦部)にはP+層を形成せず、酸化膜を介してアノード電極を形成した。このような構成とすることもできる。
Aluminum is sputtered or vapor-deposited on the
電子線照射を行い、350℃で1時間アニールすることで、キャリアライフタイムを制御する。裏面のアルミニウム電極上にTi/Ni/Auを蒸着またはスパッタし(図7−2(h))、最後にチップにダイシングして製造工程が完了する。
なお本実施例では深い電極溝の形成は、アルカリによる異方性エッチングに依っている。ドライエッチングにより溝を形成することも可能である。ドライエッチングの場合、シリコン基板/酸化膜のエッチング選択比は大きくても50程度であるので、深い溝を形成するには非常に厚い酸化膜または厚膜レジストが必要である。
The carrier lifetime is controlled by performing electron beam irradiation and annealing at 350 ° C. for 1 hour. Ti / Ni / Au is vapor-deposited or sputtered on the aluminum electrode on the back surface (FIG. 7-2 (h)), and finally the chip is diced to complete the manufacturing process.
In this embodiment, the formation of the deep electrode groove depends on anisotropic etching with alkali. It is also possible to form grooves by dry etching. In the case of dry etching, the etching selectivity of the silicon substrate / oxide film is about 50 at most, so a very thick oxide film or thick film resist is required to form a deep groove.
図8は従来のダイオードと本発明によるダイオードの出力特性の比較図である。同じ順電圧1.5Vで比較すると、本発明によるダイオードには従来のダイオードの4倍の電流を流すことができる。従来のダイオードは活性領域4の平面接合部の耐圧が1374Vであり、周辺耐圧構造領域13の耐圧はこれよりも低いので、周辺耐圧構造領域13で内部より先にブレークダウンする。本実施例によるダイオードでは図4のように、周辺耐圧構造領域13の表面近傍では活性領域より電界強度が緩和されているので、活性領域でブレークダウンする。これは周辺耐圧構造部の耐圧が活性部のそれよりも大きいためである。たとえば、4本のガードリング(200μmの周辺耐圧構造幅)で1200V以上の耐圧を確保できる。
FIG. 8 is a comparison diagram of output characteristics of a conventional diode and a diode according to the present invention. When compared at the same forward voltage of 1.5 V, the diode according to the present invention can pass four times as much current as the conventional diode. In the conventional diode, the breakdown voltage of the planar junction of the
本実施例では、アノード溝7とカソード溝8とをシリコン基板の両主面よりそれぞれエッチングしている。アノード溝7とカソード溝8とを同一面より形成することも不可能ではないが、この場合には次のような問題点がある。まず同一面にアノード電極およびカソード電極の2種の金属電極が存在し、これが100μm〜200μm程度の間隔で並んでおり、ワイヤボンディングによるワイヤ引出しが困難になる。また異方性エッチングの方位によるエッチングレート比が有限であり、垂直トレンチを形成しようとした場合にテーパー角が90°以下になり、アノード溝とカソード溝の間隔がシリコン基板深さ方向の位置によって異なる。図9(a)のtd1とtd2とで、td1<td2となる。これはドリフト層幅がシリコン基板深さ位置によって異なることになるので、必要な耐圧を得る為にはドリフト層幅が最小となる最表面において所定の溝間隔を確保する必要がある。したがってシリコン基板の深い位置においてはドリフト層幅が必要以上に厚くなり、電気抵抗が大きくなる。電流は電気抵抗の小さいシリコン基板表面付近に偏重するようになり、デバイス全体として見た場合にオン電圧が上昇してしまう。さらに、同一面から溝を掘った場合には、上記の理由以外にも、シリコン基板表面のアノード溝7とカソード溝8の間隔をさらに離す必要がある。逆バイアス印加時に、シリコン基板表面ではシリコン基板のバルク領域のような平行な等電位線ができず、必ず曲率を有する。シリコン基板表面の電界は必然的にシリコン基板のバルク領域のそれよりも大きくなり、ブレークダウンし易くなる。従ってこれを見越してアノード溝/カソード溝間隔を一層離さなくてははらないのである。このように同一面からのアノード溝/カソード溝形成はデバイス特性上不利であり、図9の(b)のような両面からの溝形成が好ましい。
In this embodiment, the
実施例1の記載のように、シリコン基板の主面方位(110)面にアルカリエッチング液により異方性エッチングすると、主面に垂直で、アスペクト比の大きいトレンチを形成することができる。(110)面のエッチングレートが(111)面に比較して数百倍大きいからである。しかし、エッチングマスクのレイアウトが適切でない場合、マスク下部にエッチングが進むことがある(これをサイドエッチングまたはアンダーエッチングという)。この場合は、マスクパターン設計で予め補償してもしきれない場合やトレンチ中の残渣の除去が困難などのプロセス条件などの面からも種々の問題が生じる。 As described in the first embodiment, when anisotropic etching is performed on the principal plane orientation (110) plane of the silicon substrate with an alkaline etchant, trenches that are perpendicular to the principal plane and have a large aspect ratio can be formed. This is because the etching rate of the (110) plane is several hundred times greater than that of the (111) plane. However, when the layout of the etching mask is not appropriate, etching may proceed to the lower part of the mask (this is called side etching or under etching). In this case, various problems arise from the standpoint of process conditions such as the case where it cannot be compensated in advance by the mask pattern design and the difficulty of removing the residue in the trench.
シリコン基板の主面方位(110)面に主面に垂直な{111}面を側壁とするトレンチを形成するには、図10に示すように、トレンチ側壁の隣接する二辺の角度が70.53度または109.47度となるようにマスクパターンを(110)面に配置すればよい。
そこで、このような問題点に対する対策を含めて、実施例2では600V耐圧のダイオードに本発明を適用した場合について説明する。図11は本発明の実施例2にかかる(110)面を主面として形成されるダイオードのカソード200側のトレンチエッチングマスクパターンを示す。実線がカソード側のマスクパターン30を示し、同時に本来見えないアノード側のマスクパターン40を敢えて鎖線で示す。マスク開口部(エッチングマスクパターンに同じ)は隣接する2辺の成す角度a、bが70.53度または109.47度により構成される平行四辺形を相互に連結させた集合を含めたトレンチパターンに構成されている。活性部内のアノード側トレンチは平行四辺形のストライプが平行に配置された形状である。開口部幅は50μmである。活性部内のアノード側開口部とカソード側開口部との間隔は前記図7−2(f)の断面図では100μmであったが、実施例2では80μmである。なお、図11に示す活性部内のトレンチの数は実際にはもっと多いが、数本に省略して描かれている。
In order to form a trench having a side wall of a {111} plane perpendicular to the main surface in the main surface orientation (110) plane of the silicon substrate, as shown in FIG. The mask pattern may be arranged on the (110) plane so as to be 53 degrees or 109.47 degrees.
In view of this, in the second embodiment, including a countermeasure for such a problem, a case where the present invention is applied to a diode having a withstand voltage of 600 V will be described. FIG. 11 shows a trench etching mask pattern on the
図12は、実施例3にかかる(110)面を主面として形成される、異なるダイオードのカソード300側のトレンチエッチングマスクパターン50を示す。前記図11とは異なり、マスク開口部を分離された複数の平行四辺形としてカソード側トレンチパターン50を構成した平面図である。チップ外周を囲む各平行四辺形トレンチ内からn+不純物(リン)を拡散し、形成された拡散層同志が連結することにより、活性部周囲が連続した環状のn+層で囲まれる。この環状n+層の内側の活性部内は複数の平行四辺形による擬似ストライプ状に形成されている。図12も前記図11と同様に、2本の擬似ストライプしか描かれていないが、実際はもっと多い。トレンチ内表面からの拡散により形成されるn+層は必ずしも相互に連結させる必要はない。また、図12に示す平行四辺形のトレンチは原則すべて同じ形状にしたので、前述のトレンチからの拡散の終了後、電極用金属の埋め込み工程において、蒸着またはスパッタのシリコン基板面内バラツキを無視すれば、すべてのトレンチを同時に埋めることができることが特徴である。
FIG. 12 shows a trench
図13はマスク開口部を相似形の平行四辺形でカソード側を構成した例である。活性部内のトレンチはチップ外周部のトレンチと相似形である。チップの、活性領域としての無効領域を減らすために、チップに相当するシリコン基板自体をマスク開口部と相似形の平行四辺形にしている。従って、ウエハをダイオードチップに切断するためのダイシングラインも、交差するラインは直交ではなく、70.53の角度での交差となっている。 FIG. 13 shows an example in which the mask side is formed by a parallelogram having a similar shape on the cathode side. The trench in the active portion is similar to the trench in the outer periphery of the chip. In order to reduce the ineffective area of the chip as an active area, the silicon substrate itself corresponding to the chip is formed into a parallelogram similar to the mask opening. Accordingly, the dicing lines for cutting the wafer into diode chips are not orthogonal but intersect at an angle of 70.53.
以上の実施例2、3、4では、シリコン酸化膜によるエッチングマスクパターンを用いてトレンチエッチングを行うと、サイドエッチング(アンダーエッチング)の無い、設計どおりの酸化膜マスクパターンに従う形状を有するトレンチができる。 In the above Examples 2, 3, and 4, when trench etching is performed using an etching mask pattern made of a silicon oxide film, a trench having a shape according to the designed oxide film mask pattern without side etching (under etching) can be formed. .
図14−1,14−2および14−3は本発明を600V耐圧のダイオードに適用した例である。比抵抗が20Ωcmで、主面方位(110)面、OF方位<1−1−1>、<1−11>、<−11−1>または<−111>のいずれかであって、厚さ495μmの6インチCZ−n型シリコン基板401に、比抵抗が60Ωcmで、厚さが100μmのp型シリコンエピタキシャル層402を積んだ積層シリコン基板を用いる。この積層シリコン基板では、両面ミラー仕上げが必要である。各厚さは、両面ミラー仕上げ後の数値を記載している。まず、積層シリコン基板の両面に厚さが4500〜9000Å程度の熱酸化膜(初期酸化膜)403を成長させる。熱酸化膜403のピンホールは、後のシリコンエッチング時に問題となるので、ピンホールがない良質な酸化膜の成膜が必要である(図14−1(a))。
FIGS. 14-1, 14-2 and 14-3 are examples in which the present invention is applied to a diode having a withstand voltage of 600V. The specific resistance is 20 Ωcm, the principal plane orientation (110) plane, the OF orientation <1-1-1>, <1-11>, <-11-1> or <-111>, and the thickness A laminated silicon substrate in which a p-type
アノード面側となるシリコン基板401に、耐圧構造部となるp+ガードリング領域404を、フォトリソグラフィ技術によるパターニングおよびエッチングによりアノード面の酸化膜403の一部を環状に除去し、ボロンのイオン注入により形成する。図示してないが、このフォトリソグラフィ技術によるパターニングおよびエッチング時に、アノード面にアライメントマーカを同時に形成する(図14−1(b))。
The
酸素雰囲気中の活性化、拡散によりp+ガードリング領域404を形成すると同時に、酸化膜を3000Å成長させ、12000Åの酸化膜403となる。
次に、シリコン基板の表面と裏面の両面アライメントにより、酸化膜403を前述のアライメントマーカを基準としてパターニングする(図14−1(c))。
次に、80℃の5%−TMAH(テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド)水溶液でシリコン基板を異方性エッチングして溝を形成する。溝幅は50μm、溝深さを520μmとする。シリコン基板の主面の結晶方位が(110)面であるので、エッチングされにくい(111)面が側壁として残り、結果的に垂直溝が形成される。溝幅は50μmであり溝間隔は75μmである(図14−1(d))。
At the same time that the p +
Next, the
Next, the silicon substrate is anisotropically etched with a 5% -TMAH (tetramethylammonium hydroxide) aqueous solution at 80 ° C. to form grooves. The groove width is 50 μm and the groove depth is 520 μm. Since the crystal orientation of the main surface of the silicon substrate is the (110) plane, the (111) plane that is difficult to be etched remains as a side wall, and as a result, a vertical groove is formed. The groove width is 50 μm and the groove interval is 75 μm (FIG. 14-1 (d)).
アノード面から形成される溝とカソード面から形成される溝の間隔がドリフト層としての幅を決定する。両面アライメントにおける合わせズレが、ドリフト層幅のバラツキになるので、2〜3μmレベルでの合わせ精度が望ましい。前記異方性エッチングにおける酸化膜と(110)面の選択比は1:1000を超えるので、1μmの酸化膜マスクであれば1mmのシリコン溝を掘ることができる。エッチング後は、チップ周辺部(p+ガードリング領域404の外側)の環状基板端部領域が両面からの溝によって蛇腹状となった活性領域を支えることになる。環状基板端部領域が連続した環状となっており、十分な厚さがあるので強度を確保できる。表面と裏面のエッチングパターンが、基板の中心からみて点対象のようにほぼ同じで、さらに表面と裏面に同じ膜厚の酸化膜が存在するので、酸化膜に起因する応力は相殺されてシリコン基板は実質的に反らない。 The distance between the groove formed from the anode surface and the groove formed from the cathode surface determines the width of the drift layer. Since the misalignment in the double-sided alignment results in variations in the drift layer width, the alignment accuracy at the 2 to 3 μm level is desirable. Since the selectivity between the oxide film and the (110) plane in the anisotropic etching exceeds 1: 1000, a 1 mm silicon groove can be dug with a 1 μm oxide film mask. After etching, the annular substrate end region in the periphery of the chip (p + outside of the guard ring region 404) supports the active region that has a bellows shape by grooves from both sides. Since the annular substrate end region has a continuous annular shape and has a sufficient thickness, the strength can be ensured. The etching pattern on the front and back surfaces is almost the same as the pointed object when viewed from the center of the substrate, and there is an oxide film with the same film thickness on the front and back surfaces, so the stress caused by the oxide film is offset and the silicon substrate Does not substantially warp.
図10で説明したが、シリコン基板表面の(110)面を上から見た場合、(111)面はウェハ面に垂直に2面存在する。2つの(111)面の成す角aは70.53度および角bの109.47度である。エッチングに対する酸化膜マスクの開口部が、(111)面に完全に沿っていれば、マスク通りの溝形状が得られる。しかし(111)面から外れた形状であれば、マスク下のサイドエッチングが起こり、マスク通りの形状とならずにコーナーアンダーカットが生ずる。サイドエッチングにより溝幅が広がると、後の金属埋め込み工程において埋め込み不足の問題が生じる。適正内角の平行四辺形のみでマスクを構成すれば、補正の必要は無く、マスク通りの溝形状が得られる(図11)。 As described with reference to FIG. 10, when the (110) plane of the silicon substrate surface is viewed from above, there are two (111) planes perpendicular to the wafer plane. The angle a formed by the two (111) planes is 70.53 degrees and the angle b is 109.47 degrees. If the opening of the oxide film mask for etching is completely along the (111) plane, the groove shape as the mask can be obtained. However, if the shape deviates from the (111) plane, side etching under the mask occurs, and the corner undercut occurs instead of the shape according to the mask. If the groove width is widened by side etching, a problem of insufficient filling occurs in the subsequent metal filling step. If the mask is composed only of parallelograms with appropriate internal angles, there is no need for correction, and a groove shape according to the mask can be obtained (FIG. 11).
シリコンエッチングにおいては、(111)面方向にも若干エッチングが進行する。(110)面のエッチングレートの1/180程度である。したがって(110)面が520μmエッチングされた場合、(111)面にも3μm弱サイドエッチングが起きる。酸化膜のひさしが飛び出した形状になり、後のイオン注入プロセスにおいて、溝側壁の一部がひさしで遮蔽されてドーパントが注入されない原因となる。これを防ぐためには酸化膜のひさしを除去する必要がある。 In silicon etching, etching proceeds slightly in the (111) plane direction. It is about 1/180 of the etching rate of the (110) plane. Accordingly, when the (110) plane is etched by 520 μm, side etching of slightly less than 3 μm occurs also in the (111) plane. In the subsequent ion implantation process, a part of the groove side wall is shielded by the eaves, and the dopant is not implanted. In order to prevent this, it is necessary to remove the eaves of the oxide film.
シリコンおよび酸化膜のエッチング選択比を1000:1とすると、エッチング後の酸化膜厚さは約6600Åである。希HF水溶液で、3500Åの酸化膜を除去すると、ひさし部分は両面からエッチングされて完全除去され、一方ひさし以外の部分は片面からエッチングされるため3100Åの酸化膜が残る。残った酸化膜はイオン注入のマスクとなる。アノード面の全面にイオン注入されてしまうと、チップ周辺部のp+ガードリング領域404が後に形成するp+層中に埋没してしまい機能しなくなる。従ってアノード面のイオン注入マスクは必ず設ける必要がある。電極溝内部の溝側壁にイオン注入してアノード層およびカソード層を形成する(図14−2(e))。
If the etching selectivity of silicon and oxide film is 1000: 1, the oxide film thickness after etching is about 6600 mm. When the 3500 Å oxide film is removed with a dilute HF aqueous solution, the eaves portion is etched and removed completely from both sides, while the other portions are etched from one side, so that a 3100 Å oxide film remains. The remaining oxide film becomes a mask for ion implantation. If ions are implanted into the entire anode surface, the p +
高アスペクト比の溝の側壁にイオン注入するため、シリコン基板面に対して垂直よりやや寝かした角度でイオン注入する必要がある(最適角度はアスペクト比で決まる)。シリコン基板面内の位置によってイオンが自己遮蔽されないように、イオンビームの平行度の高い装置を用いるのが望ましい。また耐圧を得るためには溝底部にもドーパントが必要である。これには再度垂直にイオン注入すればよいが、側壁用斜めイオン注入のみでも側壁での反射によりイオンが底部に到達する。溝側壁面に対しては浅い角度でイオンが注入されるため、側壁面実効ドーズ量はウェハ面に対するドーズ量よりも小さくなる。 Since ions are implanted into the sidewalls of the high aspect ratio trenches, it is necessary to implant ions at an angle slightly below the normal to the silicon substrate surface (the optimum angle is determined by the aspect ratio). It is desirable to use a device with a high ion beam parallelism so that ions are not self-shielded by the position in the silicon substrate surface. In order to obtain a breakdown voltage, a dopant is also required at the bottom of the groove. For this purpose, ions may be implanted again vertically, but even with the oblique ion implantation for the side walls, the ions reach the bottom due to reflection on the side walls. Since ions are implanted at a shallow angle with respect to the groove sidewall surface, the sidewall surface effective dose amount is smaller than the dose amount with respect to the wafer surface.
ビームドーズ量をd−beam、ビームのシリコン基板面垂直線に対する角度(注入角)をθとすると、側壁への実効ドーズ量d−sidewallは次のようになる。d−sidewall=d−beam sinθまたθの最大許容値は、tanθmax=Wt/ttである。これ以上の角度では、溝の自己遮蔽効果により底部付近の側壁にドーパントが注入されない。 Assuming that the beam dose is d-beam and the angle (injection angle) of the beam with respect to the vertical line of the silicon substrate is θ, the effective dose d-sidewall to the side wall is as follows. d-sidewall = d-beam sin θ and the maximum allowable value of θ is tan θmax = Wt / t t . Above this angle, the dopant is not implanted into the side wall near the bottom due to the self-shielding effect of the groove.
例えばtt =520μm、Wt=50μmの場合、最大注入角は5.5度であり、このときの側壁実効ドーズはビームドーズの9.6%になる。実効ドーズ7×1013cm−2が必要であれば、ビームドーズ7.3×1014cm−2が必要である。イオンビームの非平行性に起因するドーズ量バラツキを±5%に抑えるためには、5.5度の5%、すなわち±0.25度のビーム平行性が要求される。 For example, when t t = 520 μm and Wt = 50 μm, the maximum implantation angle is 5.5 degrees, and the effective side wall dose at this time is 9.6% of the beam dose. If an effective dose of 7 × 10 13 cm −2 is required, a beam dose of 7.3 × 10 14 cm −2 is required. In order to suppress the dose variation due to the non-parallelism of the ion beam to ± 5%, a beam parallelism of 5% of 5.5 degrees, that is, ± 0.25 degrees is required.
1150℃で90分の活性化、拡散によりn+拡散層405、p+拡散層406を形成する。逆回復時のソフト特性を確保するために、カソード溝ドーズ量をアノード溝ドーズ量よりも大きくすることが重要である。これにより導通時のバイポーラキャリア濃度をカソード偏重にすることができ、逆回復ピーク電流が抑えられる。さらにソフト特性を増すには局所ライフタイム制御が有効である。 An n + diffusion layer 405 and a p + diffusion layer 406 are formed by activation and diffusion at 1150 ° C. for 90 minutes. In order to ensure soft characteristics during reverse recovery, it is important to make the cathode groove dose larger than the anode groove dose. As a result, the bipolar carrier concentration at the time of conduction can be biased to the cathode, and the reverse recovery peak current can be suppressed. Furthermore, local lifetime control is effective to increase soft characteristics.
従来の縦型ダイオードは白金拡散を実施しており、デバイス表面への白金蓄積を利用してアノード側のライフタイムを効果的に低減している。白金導入には白金箔を利用しているため、本実施例のようなダイオードの溝内へのライフタイムキラー導入には不向きである。本実施例のダイオードにおいて白金を導入するには、アノード溝への白金イオン注入が適している。その後800〜900℃で白金拡散して局所ライフタイム効果を得ることができる。 Conventional vertical diodes perform platinum diffusion and effectively reduce the lifetime on the anode side by utilizing platinum accumulation on the device surface. Since platinum foil is used for introducing platinum, it is not suitable for introducing a lifetime killer into the groove of the diode as in this embodiment. In order to introduce platinum in the diode of this embodiment, platinum ion implantation into the anode groove is suitable. Thereafter, platinum is diffused at 800 to 900 ° C. to obtain a local lifetime effect.
また従来ダイオードにおける2段ドリフト層と同様の効果を得るために、カソード溝にセレンをイオン注入し800〜1000℃程度の熱処理により拡散することで、高ドーピング濃度領域を形成することが可能である。これによりドリフト層の幅をより小さくすることが可能である。
シリコンと金属の良好なオーミック接触を確保するために、溝内にAlを0.1μm成膜する。さらに埋め込み金属のシリコン界面への拡散を防ぐために、Tiを0.1μm程度成膜する(図14−2(f))。
In addition, in order to obtain the same effect as the two-stage drift layer in the conventional diode, it is possible to form a high doping concentration region by ion-implanting selenium into the cathode groove and diffusing by heat treatment at about 800 to 1000 ° C. . Thereby, the width of the drift layer can be further reduced.
In order to ensure good ohmic contact between silicon and metal, a 0.1 μm film of Al is formed in the groove. Further, in order to prevent diffusion of the buried metal to the silicon interface, a film of Ti is formed to a thickness of about 0.1 μm (FIG. 14-2 (f)).
高アスペクト溝埋め込み用のメタルCVD装置を使用する。次に金属407で溝を充填する(図14−2(g))。
金属を溶融させて埋め込む場合にはIn系で400℃程度の融点の合金が好ましい。メッキ法やメタルCVD法を適用して溝を金属で埋め込むことも可能である。50μm幅の溝を埋め込むためには、25μmの金属膜を成長させればよい。高アスペクト溝の金属埋め込みにおいて、埋め込み性が悪いと溝内にボイドができる。しかしデバイス特性の観点からは、溝側壁に成長する金属膜は5μmもあれば十分であり、オン電圧には影響しない。ただし溝の開口部は完全に塞ぐ必要が有る。後のフォトリソグラフィ技術によるパターニングおよびエッチング工程で溝内へのレジストなどが侵入すると、汚染の原因となるからである。アノード面上の余分な金属膜をCMP研磨によって除去する(図14−3(h))。
A metal CVD apparatus for filling high aspect grooves is used. Next, the groove is filled with metal 407 (FIG. 14-2 (g)).
In the case of melting and embedding a metal, an In-based alloy having a melting point of about 400 ° C. is preferable. It is also possible to fill the groove with metal by applying a plating method or a metal CVD method. In order to fill a groove having a width of 50 μm, a metal film having a thickness of 25 μm may be grown. In metal embedding of high aspect grooves, voids are formed in the grooves if the embedding property is poor. However, from the viewpoint of device characteristics, it is sufficient if the metal film grown on the trench side wall is 5 μm, and it does not affect the on-voltage. However, it is necessary to completely close the opening of the groove. This is because if a resist or the like enters the groove in a patterning and etching process by a later photolithography technique, it causes contamination. Excess metal film on the anode surface is removed by CMP polishing (FIG. 14-3 (h)).
初期の酸化膜403が研磨ストッパとなれば制御性が向上する。また適切な融点の埋め込み金属を選べば、400℃程度の熱処理で金属をリフローさせて、研磨前に平坦性を向上させることができ、CMP研磨工程が容易になる。また極端な平坦性が要求される訳ではないので、CMP研磨ではなくエッチバックによって余剰金属を除去することも可能である。アノード面にAl408を5μm成膜する。アノード面耐圧構造を形成するために、Alをパターニングとエッチングしてフィールドプレート409を形成する(図14−3(i))。次にアノード面にポリイミド410を塗布し、プリベーク後にパターニングしてパッド部411をあける(図14−3(j))。
If the
いずれのパターニングにおいても、先立ってアノード面に形成したマーカをアライメントマーカとして使用できるので、片面アライメントで問題なく形成できる。次にカソード面にTi/Ni/Auの三層蒸着でカソード電極412を形成し、ウェハが完成する(図14−3(k))。
アノード面のAl成膜と同時にカソード面にもAlを成膜し、その上にTi/Ni/Auの三層蒸着のカソード電極を形成してもよい。オートチェック後にダイシングしてチップが出来上がる。
In any patterning, since the marker formed on the anode surface in advance can be used as an alignment marker, it can be formed without any problem by single-sided alignment. Next, a
Simultaneously with the Al film formation on the anode surface, Al may be formed on the cathode surface, and a Ti / Ni / Au three-layered cathode electrode may be formed thereon. After auto-checking, dicing is performed to complete the chip.
1 半導体基板
1−1 アノード面
1−2 カソード面
1−3 酸化膜
1−4 酸化膜
2 第一の電極層(アノード電極)
3 第二の電極層(カソード電極)
4 基板表面の活性領域
5 n−層
6 p−層
7 第一の溝(アノード側溝)
8 第二の溝(カソード側溝)
9 p+層
10 n+層
11 ガードリング
12 周辺耐圧溝構造
13 周辺耐圧構造領域
14 等電位線
15 p+n−接合
16 n+n−接合
17 p+p−接合
18 切断面
19 内周部
20 外周部。
DESCRIPTION OF
3 Second electrode layer (cathode electrode)
4 Active region on substrate surface 5 n - layer 6 p - layer 7 First groove (anode side groove)
8 Second groove (Cathode side groove)
9 p + layer 10 n + layer 11
Claims (13)
第二導電型の層側の他方の主面には、前記第一の溝の間に位置し、選択的で周期的な平面細条パターンと主面に垂直であって第一導電型の層に達する深さとで構成される第二の溝と、第二の溝を取り囲み、他方の主面から第一導電型の層に達する耐圧構造溝とを有し、第二の溝と前記耐圧構造溝とが第二の電極層により充填されると共に前記他方の主面上に被覆される第二の電極層の層に接続される第二の電極構造を備え、
第一の溝に接する半導体基板面に少なくとも形成される第二導電型の高不純物濃度層を有し、
第二の溝と前記耐圧構造溝とに接する半導体基板面に少なくとも形成される第一導電型の高不純物濃度層を有することを特徴とする半導体装置。 The semiconductor substrate is a laminated substrate in contact with the first and second conductivity type layers having a low impurity concentration, and a selective periodic periodic strip pattern and main surface on one main surface on the first conductivity type layer side. And a first groove constituted by a depth reaching the layer of the second conductivity type, the first groove being filled with the first electrode layer and the active region of the one main surface A first electrode structure connected to the layer of the first electrode layer coated thereon, and a peripheral withstand voltage structure portion formed on a semiconductor substrate located on the outer periphery of the first electrode structure;
The other main surface on the second conductivity type layer side is located between the first grooves, and is a selective periodic periodic strip pattern and perpendicular to the main surface, the first conductivity type layer. A second groove configured to reach the first groove, and a pressure-resistant structure groove surrounding the second groove and reaching the first conductivity type layer from the other main surface, the second groove and the pressure-resistant structure And a second electrode structure connected to a layer of the second electrode layer that is filled with the second electrode layer and covered on the other main surface,
Having a second impurity type high impurity concentration layer formed at least on the semiconductor substrate surface in contact with the first groove;
A semiconductor device comprising: a first conductivity type high impurity concentration layer formed at least on a semiconductor substrate surface in contact with a second groove and the breakdown voltage structure groove.
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