JP5127235B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置とその製造方法に関する。特に、結晶欠陥を意図的に形成することによって、キャリアのライフタイムを調整した半導体装置とその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof. In particular, the present invention relates to a semiconductor device in which the lifetime of carriers is adjusted by intentionally forming crystal defects and a method for manufacturing the same.

半導体装置のキャリア(電子と正孔)のライフタイムを制御する技術が知られている。例えば、特許文献1には、プロトンを打ち込むことによって、pn接合界面の近傍に結晶欠陥を形成したPNダイオードが開示されている。結晶欠陥は、キャリアの再結合中心として働く。したがって、PNダイオード中に結晶欠陥を形成すると、キャリアのライフタイムが短くなる。PNダイオード中に形成する結晶欠陥の量を制御することによって、PNダイオードのターンオフ後に現れる逆回復時にPNダイオードを流れる電流の時間に対する変化パターンを制御することができる。
また、バイポーラトランジスタであるIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)においても、荷電粒子を打ち込むことによってドリフト領域内に結晶欠陥を形成し、それによってターンオフ時間を短縮化する技術が知られている。
上記に例示したように、半導体装置(例えば、PNダイオードやIGBT等)を構成する半導体結晶中に意図的に結晶欠陥を形成することによって、半導体装置の特性を調節する技術が知られている。
なお半導体の結晶中には、結晶の成長時(結晶のインゴット製造時)等に意図せずに形成された結晶欠陥が存在している。意図せず形成された結晶欠陥と、荷電粒子等を打ち込むことによって意図的に形成した結晶欠陥とを区別するため、以下の説明では、意図的に形成した結晶欠陥のことを形成欠陥という。
A technique for controlling the lifetime of carriers (electrons and holes) of a semiconductor device is known. For example, Patent Document 1 discloses a PN diode in which crystal defects are formed in the vicinity of a pn junction interface by implanting protons. Crystal defects serve as carrier recombination centers. Therefore, when crystal defects are formed in the PN diode, the carrier lifetime is shortened. By controlling the amount of crystal defects formed in the PN diode, it is possible to control the change pattern with respect to time of the current flowing through the PN diode during reverse recovery that appears after the PN diode is turned off.
Also, in an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) which is a bipolar transistor, a technique is known in which crystal defects are formed in the drift region by implanting charged particles, thereby shortening the turn-off time.
As exemplified above, a technique for adjusting the characteristics of a semiconductor device by intentionally forming a crystal defect in a semiconductor crystal constituting a semiconductor device (for example, a PN diode, an IGBT, or the like) is known.
In semiconductor crystals, there are crystal defects formed unintentionally during crystal growth (during crystal ingot production) or the like. In order to distinguish a crystal defect formed unintentionally from a crystal defect intentionally formed by implanting charged particles or the like, in the following description, the crystal defect formed intentionally is referred to as a formation defect.

特開平8−102545号公報JP-A-8-102545

半導体装置を構成するシリコンの結晶中には、意図的に導入した不純物と、結晶の成長時等に意図せずに混入した不純物が含まれている。両者を区別するために、以下の説明では、前者の不純物をドーパント不純物といい、後者の不純物を混入不純物という。
混入不純物が含まれているシリコン結晶中に荷電粒子を打ち込むと、概して2種類の形成欠陥が形成される。すなわち、シリコン結晶中の格子点(サイト)に原子が存在しない空孔型の欠陥と、シリコン結晶中の混入不純物により形成される格子間型の欠陥が形成される。
例えば、炭素と酸素が含まれているシリコン結晶中に荷電粒子を打ち込むと、以下の反応が起こる。まず、荷電粒子の打ち込みにより、格子点に存在していたシリコンが格子間位置にはじき出され、格子点に空孔が形成される。これによって、結晶中に多数の空孔型欠陥と格子間シリコンが生成される。生成された空孔型欠陥は、他の空孔型欠陥と所定の位置関係をとると安定な状態となる。これにより、2つの空孔型欠陥により構成されるVV欠陥が形成される。また、格子間位置にはじき出されたシリコンは、結晶中の格子点に存在していた炭素と位置が入れ替わる。すなわち、格子点にあった炭素が格子間位置に移動し、格子間位置にあったシリコンが格子点に移動する。格子間位置に移動した炭素は、結晶中の格子間位置に存在している酸素と所定の位置関係をとると安定な状態となる。これにより、格子間位置の炭素と格子間位置の酸素によって構成されるC欠陥が形成される。
The silicon crystal constituting the semiconductor device contains impurities introduced intentionally and impurities mixed unintentionally during the growth of the crystal. In order to distinguish the two, in the following description, the former impurity is referred to as a dopant impurity, and the latter impurity is referred to as a mixed impurity.
When charged particles are implanted into a silicon crystal containing mixed impurities, two types of formation defects are generally formed. That is, a vacancy-type defect in which atoms do not exist at lattice points (sites) in the silicon crystal and an interstitial-type defect formed by impurities mixed in the silicon crystal are formed.
For example, when charged particles are implanted into a silicon crystal containing carbon and oxygen, the following reaction occurs. First, by the implantation of charged particles, silicon existing at lattice points is ejected to the interstitial positions, and vacancies are formed at the lattice points. As a result, a large number of vacancy-type defects and interstitial silicon are generated in the crystal. The generated vacancy-type defects are in a stable state when they have a predetermined positional relationship with other vacancy-type defects. Thereby, a VV defect constituted by two hole type defects is formed. In addition, the silicon that is ejected to the interstitial position is replaced with the carbon existing at the lattice point in the crystal. That is, the carbon at the lattice point moves to the interstitial position, and the silicon at the interstitial position moves to the lattice point. The carbon that has moved to the interstitial position becomes stable when it has a predetermined positional relationship with oxygen present at the interstitial position in the crystal. As a result, C i O i defects constituted by carbon at interstitial positions and oxygen at interstitial positions are formed.

このように、シリコン結晶中に荷電粒子を打ち込むと、VV欠陥と、混入不純物による欠陥(例えば、炭素と酸素により形成されるC欠陥)が形成される。これらの欠陥は、何れもキャリアの再結合中心として働く。したがって、VV欠陥と混入不純物による欠陥をシリコン結晶中に形成することで、キャリアのライフタイムを変化させることができる。すなわち、VV欠陥と混入不純物による欠陥の形成量を適切に制御することで、半導体装置の特性を適切な特性に調節することができる。 Thus, when charged particles are implanted into a silicon crystal, VV defects and defects due to mixed impurities (for example, C i O i defects formed by carbon and oxygen) are formed. These defects all act as carrier recombination centers. Therefore, the lifetime of carriers can be changed by forming defects due to VV defects and mixed impurities in the silicon crystal. In other words, the characteristics of the semiconductor device can be adjusted to appropriate characteristics by appropriately controlling the amount of defects formed by VV defects and mixed impurities.

荷電粒子を打ち込む際にシリコン結晶中に形成されるVV欠陥の量は、打ち込む荷電粒子の量によって制御することができる。一方、混入不純物による欠陥の量は、荷電粒子を打ち込む対象であるシリコン結晶中の混入不純物の量によっても左右される。すなわち、混入不純物の濃度が高いシリコン結晶では混入不純物による欠陥が形成され易く、混入不純物の濃度が低いシリコン結晶では混入不純物による欠陥が形成され難い。シリコン結晶中の混入不純物の濃度は、シリコン結晶のインゴット毎に大きくばらつく。同一インゴットでも、部位によって混入不純物の濃度がばらつく。したがって、荷電粒子を打ち込むことで形成される混入不純物による欠陥の形成量は、シリコン基板毎に大きくばらつく。この結果、シリコン結晶中に形成される形成欠陥の量(VV欠陥と混入不純物による欠陥の総量)も、シリコン基板毎にばらつくこととなる。形成欠陥の量がばらつくと、製造した半導体装置の特性がばらついてしまう。従来の技術では、製造した半導体装置の特性のばらつきが大きいという問題があった。   The amount of VV defects formed in the silicon crystal when charged particles are implanted can be controlled by the amount of charged particles implanted. On the other hand, the amount of defects due to mixed impurities also depends on the amount of mixed impurities in the silicon crystal to which charged particles are to be implanted. That is, defects due to mixed impurities are likely to be formed in silicon crystals having a high concentration of mixed impurities, and defects due to mixed impurities are difficult to form in silicon crystals having a low concentration of mixed impurities. The concentration of impurities contained in the silicon crystal varies greatly from silicon crystal ingot to silicon ingot. Even in the same ingot, the concentration of mixed impurities varies depending on the site. Therefore, the amount of defects formed due to the mixed impurities formed by implanting charged particles varies greatly for each silicon substrate. As a result, the amount of formation defects formed in the silicon crystal (the total amount of defects due to VV defects and mixed impurities) also varies from silicon substrate to silicon substrate. If the amount of formation defects varies, the characteristics of the manufactured semiconductor device will vary. The conventional technique has a problem that the variation in characteristics of the manufactured semiconductor device is large.

本発明は、上述した実情に鑑みてなされたものであり、シリコン結晶中に形成欠陥を形成して半導体装置の特性を調節するにあたって、半導体装置間のばらつきが少ない半導体装置群を量産する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-described circumstances, and a manufacturing method for mass-producing a group of semiconductor devices with little variation between semiconductor devices when forming formation defects in a silicon crystal to adjust the characteristics of the semiconductor devices. The purpose is to provide.

本発明の製造方法では、所定範囲に結晶欠陥を形成した結晶欠陥領域を備えている半導体装置を製造する。この製造方法は、シリコン基板の表面から前記所定範囲に打ち込まれるエネルギーでシリコンイオンを打ち込むことによって前記所定範囲に格子間シリコンを生成させる格子間シリコン生成工程と、格子間シリコン生成工程を実施したシリコン基板の表面から前記所定範囲に打ち込まれるエネルギーで荷電粒子を打ち込むことによって前記所定範囲に結晶欠陥を形成する結晶欠陥形成工程を備えている。
格子間シリコン生成工程で前記所定範囲にシリコンイオンを打ち込むと、前記所定範囲内に存在するシリコンの数が増加する。このとき、格子点に存在することができるシリコンの数は決まっているので、増加したシリコンの大部分は、格子間シリコンとなる。格子間シリコンは、単独ではエネルギー的に不安定である。しかし、複数の格子間シリコンが集合すると安定となる。したがって、格子間シリコン生成工程を実施した後の前記所定範囲内には、格子間シリコンのクラスタ(集合体)が多数、存在することとなる。
格子間シリコン生成工程の実施後に、結晶欠陥形成工程を実施する。結晶欠陥形成工程では、格子間シリコンのクラスタが多数存在している範囲に荷電粒子を打ち込む。荷電粒子を打ち込むと、シリコン結晶中の格子点に存在していたシリコンが格子間位置にはじき出され、格子間シリコンとなる。この反応によって、格子点に空孔が形成され、シリコン結晶中にVV欠陥が形成される。また、この反応によって生成された格子間シリコンは、シリコン結晶中に多数存在している格子間シリコンのクラスタの一部となって安定な状態となる。したがって、格子間シリコンは、混入不純物と反応(位置が入れ替わる等)し難い。このため、混入不純物による欠陥が形成され難い。例えば、混入不純物として炭素と酸素が存在しているシリコン結晶では、荷電粒子が打ち込まれることによって生成された格子間シリコンと格子点に存在する炭素の位置が入れ替わる反応が起こり難くなるので、C欠陥が形成され難くなる。
以上のように、この製造方法によると、形成される結晶欠陥(形成欠陥)の大部分がVV欠陥となる。上述したように、VV欠陥の形成量は、荷電粒子を打ち込む量によって正確に制御することができる。したがって、この製造方法によれば、シリコン基板に含まれていた混入不純物の濃度のばらつきにもかかわらず、形成される結晶欠陥(形成欠陥)の量を安定化することができる。半導体装置毎の特性のばらつきが少ない半導体装置群を量産することができる。
In the manufacturing method of the present invention, a semiconductor device including a crystal defect region in which crystal defects are formed in a predetermined range is manufactured. This manufacturing method includes an interstitial silicon generation step of generating interstitial silicon in the predetermined range by implanting silicon ions with energy that is injected into the predetermined range from the surface of the silicon substrate, and silicon that has undergone the interstitial silicon generation step. There is provided a crystal defect forming step of forming a crystal defect in the predetermined range by implanting charged particles with energy that is implanted into the predetermined range from the surface of the substrate.
When silicon ions are implanted into the predetermined range in the interstitial silicon generation step, the number of silicon existing in the predetermined range increases. At this time, since the number of silicon that can exist at the lattice point is determined, most of the increased silicon is interstitial silicon. Interstitial silicon is energetically unstable by itself. However, it becomes stable when a plurality of interstitial silicons gather. Therefore, many clusters (aggregates) of interstitial silicon exist within the predetermined range after the interstitial silicon generation step is performed.
After the interstitial silicon generation step, a crystal defect formation step is performed. In the crystal defect forming step, charged particles are implanted in a range where many clusters of interstitial silicon exist. When charged particles are implanted, the silicon existing at the lattice points in the silicon crystal is ejected to the interstitial positions and becomes interstitial silicon. By this reaction, vacancies are formed at lattice points, and VV defects are formed in the silicon crystal. In addition, the interstitial silicon generated by this reaction becomes a part of a cluster of interstitial silicons present in a large number in the silicon crystal and becomes a stable state. Therefore, the interstitial silicon hardly reacts with the mixed impurities (for example, the position is switched). For this reason, it is difficult to form defects due to mixed impurities. For example, the silicon atoms and oxygen are present as mixed impurities crystals, since the reaction where the position of the carbon present in interstitial silicon lattice points generated by the charged particles are driven are switched becomes difficult to occur, C i O i defects are hardly formed.
As described above, according to this manufacturing method, most of the formed crystal defects (formation defects) are VV defects. As described above, the amount of VV defect formation can be accurately controlled by the amount of charged particles to be implanted. Therefore, according to this manufacturing method, the amount of crystal defects (formation defects) to be formed can be stabilized despite variations in the concentration of mixed impurities contained in the silicon substrate. It is possible to mass-produce semiconductor device groups with little variation in characteristics between semiconductor devices.

本発明は、上記の課題を解決することができる他の製造方法をも提供する。この製造方法は、インゴット製造時に引き上げ速度を変化させながら結晶成長させることによって、格子間シリコンの濃度が一方の表面から他方の表面に向かうにつれて増加する濃度プロファイルが形成されたシリコン基板を使用して、結晶欠陥を形成した結晶欠陥領域を備えている半導体装置を製造する。この製造方法は、前記シリコン基板の格子間シリコンの濃度が高い方の表面からその表面部分に留まるエネルギーで荷電粒子を打ち込むことによってその表面部分に結晶欠陥を形成する結晶欠陥形成工程を備えている。
シリコン基板の格子間シリコンの濃度が高い方の表面部分には、多数の格子間シリコンのクラスタが存在している。結晶欠陥形成工程では、荷電粒子を打ち込むことにより、シリコン基板の格子間シリコンの濃度が高い方の表面部分に結晶欠陥を形成する。したがって、その表面部分に形成される形成欠陥の大部分がVV欠陥となる。この製造方法によっても、形成欠陥の量を正確に制御することができ、ばらつきの少ない半導体装置群を量産することができる。
The present invention also provides another manufacturing method that can solve the above-described problems. This manufacturing method uses a silicon substrate on which a concentration profile that increases as the concentration of interstitial silicon increases from one surface to the other surface by crystal growth while changing the pulling rate during ingot manufacturing. A semiconductor device having a crystal defect region in which crystal defects are formed is manufactured. This manufacturing method includes a crystal defect forming step of forming a crystal defect in the surface portion by implanting charged particles from the surface having the higher interstitial silicon concentration of the silicon substrate with energy remaining in the surface portion. .
A large number of interstitial silicon clusters exist on the surface portion of the silicon substrate where the concentration of interstitial silicon is higher. In the crystal defect forming step, a crystal defect is formed on the surface portion of the silicon substrate having a higher interstitial silicon concentration by implanting charged particles. Therefore, most of the formation defects formed on the surface portion are VV defects. Also by this manufacturing method, the amount of formation defects can be accurately controlled, and a semiconductor device group with little variation can be mass-produced.

本発明は、所定範囲に結晶欠陥を形成した結晶欠陥領域を備えているPNダイオードの製造方法をも提供する。この製造方法は、シリコン基板にドーパント不純物を導入して、前記所定範囲内にpn接合を形成するpn接合形成工程と、シリコン基板の表面から前記所定範囲に打ち込まれるエネルギーでシリコンイオンを打ち込むことによって前記所定範囲に格子間シリコンを生成させる格子間シリコン生成工程と、格子間シリコン生成工程を実施したシリコン基板の表面から前記所定範囲に打ち込まれるエネルギーで荷電粒子を打ち込むことによって前記所定範囲に結晶欠陥を形成する結晶欠陥形成工程を備えている。
この製造方法によれば、形成欠陥の量を正確に制御することができ、ばらつきの少ないPNダイオード群を量産することができる。
The present invention also provides a method of manufacturing a PN diode having a crystal defect region in which crystal defects are formed in a predetermined range. In this manufacturing method, a dopant impurity is introduced into a silicon substrate to form a pn junction within the predetermined range, and silicon ions are implanted with energy that is implanted into the predetermined range from the surface of the silicon substrate. The interstitial silicon generation step for generating interstitial silicon in the predetermined range, and crystal defects in the predetermined range by implanting charged particles with the energy that is injected into the predetermined range from the surface of the silicon substrate that has undergone the interstitial silicon generation step And a crystal defect forming step of forming.
According to this manufacturing method, the amount of formation defects can be accurately controlled, and PN diode groups with little variation can be mass-produced.

本発明は、更なるPNダイオードの製造方法をも提供する。この製造方法では、インゴット製造時に引き上げ速度を変化させながら結晶成長させることによって、格子間シリコンの濃度が一方の表面から他方の表面に向かうにつれて増加する濃度プロファイルが形成されたシリコン基板を使用して、結晶欠陥を形成した結晶欠陥領域を備えているPNダイオードを製造する。この製造方法は、前記シリコン基板にドーパント不純物を導入して、前記シリコン基板の格子間シリコンの濃度が高い方の表面部分にpn接合を形成するpn接合形成工程と、前記シリコン基板の格子間シリコンの濃度が高い方の表面からその表面部分に留まるエネルギーで荷電粒子を打ち込むことによってその表面部分に結晶欠陥を形成する結晶欠陥形成工程を備えている。
この製造方法によっても、形成欠陥の量を正確に制御することができ、ばらつきの少ないPNダイオード群を量産することができる。
The present invention also provides a method for manufacturing a further PN diode. This manufacturing method uses a silicon substrate on which a concentration profile that increases as the concentration of interstitial silicon increases from one surface to the other by growing crystals while changing the pulling rate during ingot manufacture. Then, a PN diode having a crystal defect region in which crystal defects are formed is manufactured. In this manufacturing method, a dopant impurity is introduced into the silicon substrate to form a pn junction in a surface portion of the silicon substrate having a higher interstitial silicon concentration, and interstitial silicon of the silicon substrate. A crystal defect forming step of forming a crystal defect in the surface portion by implanting charged particles with energy remaining in the surface portion from the surface having a higher concentration of.
Also by this manufacturing method, the amount of formation defects can be accurately controlled, and PN diode groups with little variation can be mass-produced.

本発明は、所定範囲に結晶欠陥を形成した結晶欠陥領域を備えているIGBTの製造方法をも提供する。この製造方法は、シリコン基板の上面側からドーパント不純物を導入してボディ領域とエミッタ領域を形成する上面側導入工程と、前記シリコン基板の下面側からドーパント不純物を導入してコレクタ領域を形成することによって、下面側の表面部分にコレクタ領域とドリフト領域の界面を形成する下面側導入工程と、シリコン基板の表面から前記所定範囲に打ち込まれるエネルギーでシリコンイオンを打ち込むことによって前記所定範囲に格子間シリコンを生成させる格子間シリコン生成工程と、格子間シリコン生成工程を実施したシリコン基板の表面から前記所定範囲に打ち込まれるエネルギーで荷電粒子を打ち込むことによって前記所定範囲に結晶欠陥を形成する結晶欠陥形成工程を備えている。
この製造方法によれば、形成欠陥の量を正確に制御することができ、ばらつきの少ないIGBT群を量産することができる。
The present invention also provides a method for manufacturing an IGBT including a crystal defect region in which crystal defects are formed in a predetermined range. In this manufacturing method, a dopant region is introduced from the upper surface side of the silicon substrate to form a body region and an emitter region, and a dopant region is introduced from the lower surface side of the silicon substrate to form a collector region. A lower surface side introducing step for forming an interface between the collector region and the drift region on the lower surface portion, and interstitial silicon in the predetermined range by implanting silicon ions with energy to be injected into the predetermined range from the surface of the silicon substrate. And a crystal defect forming step of forming a crystal defect in the predetermined range by implanting charged particles with energy that is injected into the predetermined range from the surface of the silicon substrate on which the interstitial silicon generation step is performed. It has.
According to this manufacturing method, the amount of formation defects can be accurately controlled, and an IGBT group with little variation can be mass-produced.

本発明は、更なるIGBTの製造方法をも提供する。この製造方法では、インゴット製造時に引き上げ速度を変化させながら結晶成長させることによって、格子間シリコンの濃度が上面から下面に向かうにつれて増加する濃度プロファイルが形成されたシリコン基板を使用して、結晶欠陥を形成した結晶欠陥領域を備えているIGBTを製造する。この製造方法は、前記シリコン基板の上面側からドーパント不純物を導入してボディ領域とエミッタ領域を形成する上面側導入工程と、前記シリコン基板の下面側からドーパント不純物を導入してコレクタ領域を形成することによって、下面側の表面部分にコレクタ領域とドリフト領域の界面を形成する下面側導入工程と、前記シリコン基板の下面側からその表面部分に留まるエネルギーで荷電粒子を打ち込むことによってその表面部分に結晶欠陥を形成する結晶欠陥形成工程を備えている。
この製造方法によっても、形成欠陥の量を正確に制御することができ、ばらつきの少ないIGBT群を量産することができる。
The present invention also provides a further method for manufacturing an IGBT. In this manufacturing method, crystal defects are generated by using a silicon substrate on which a concentration profile in which the concentration of interstitial silicon increases from the upper surface toward the lower surface is formed by growing crystals while changing the pulling speed during ingot manufacturing. An IGBT having the formed crystal defect region is manufactured. In this manufacturing method, a dopant region is introduced from the upper surface side of the silicon substrate to form a body region and an emitter region, and a collector region is formed by introducing a dopant impurity from the lower surface side of the silicon substrate. A lower surface side introducing step for forming an interface between the collector region and the drift region in the lower surface portion, and by implanting charged particles from the lower surface side of the silicon substrate with energy remaining in the surface portion, A crystal defect forming step for forming defects is provided.
Also by this manufacturing method, the amount of formation defects can be accurately controlled, and an IGBT group with little variation can be mass-produced.

本明細書で開示される半導体装置の一実施形態は、荷電粒子を打ち込んで形成した結晶欠陥領域を備えている。この半導体装置のシリコン基板の所定範囲は、その所定範囲外よりも格子間シリコンの濃度が高くなっており、前記結晶欠陥領域のうち結晶欠陥の濃度が最も高い領域が、前記所定範囲に形成されている。
この半導体装置では、格子間シリコンの濃度が高い範囲に形成欠陥が形成されている。したがって、その範囲に形成されている形成欠陥の多くはVV欠陥である。したがって、ばらつきの少ない半導体装置群が提供される。
One embodiment of a semiconductor device disclosed in this specification includes a crystal defect region formed by implanting charged particles. The predetermined range of the silicon substrate of this semiconductor device has a higher concentration of interstitial silicon than outside the predetermined range, and the region having the highest crystal defect concentration among the crystal defect regions is formed in the predetermined range. ing.
In this semiconductor device, formation defects are formed in a range where the concentration of interstitial silicon is high. Therefore, many of the formation defects formed in the range are VV defects. Therefore, a semiconductor device group with little variation is provided.

本明細書で開示される半導体装置の他の一実施形態は、格子間シリコンの濃度がシリコン基板の一方の表面から他方の表面に向かうにつれて増加する濃度プロファイルを備えており、結晶欠陥領域がシリコン基板の格子間シリコンの濃度が高い方の表面部分に形成されていることを特徴とする。
この半導体装置では、結晶欠陥領域が、シリコン基板の格子間シリコンの濃度が高い方の表面部分に形成されている。したがって、その表面部分に形成されている形成欠陥の多くはVV欠陥である。したがって、ばらつきの少ない半導体装置群が提供される。
Another embodiment of the semiconductor device disclosed in this specification has a concentration profile in which the concentration of interstitial silicon increases from one surface of the silicon substrate to the other surface, and the crystal defect region is silicon. It is characterized by being formed on the surface portion of the substrate where the interstitial silicon concentration is higher.
In this semiconductor device, the crystal defect region is formed on the surface portion of the silicon substrate having the higher interstitial silicon concentration. Therefore, many of the formation defects formed on the surface portion are VV defects. Therefore, a semiconductor device group with little variation is provided.

本明細書で開示されるPNダイオードの一実施形態は、アノード領域と、アノード領域と接しているドリフト領域と、ドリフト領域と接しているカソード領域を備えており、ドリフト領域のドーパント不純物濃度はアノード領域とカソード領域のドーパント不純物濃度よりも低く、荷電粒子を打ち込んで形成した結晶欠陥領域を備えている。そして、シリコン基板の所定範囲内はその所定範囲外よりも格子間シリコンの濃度が高くなっており、pn接合が前記所定範囲内に形成されており、前記結晶欠陥領域のうち結晶欠陥の濃度が最も高い領域が前記所定範囲に形成されていることを特徴とする。
このPNダイオードでは、格子間シリコンの濃度が高い範囲に形成欠陥が形成されている。したがって、ばらつきの少ないPNダイオード群が提供される。
One embodiment of a PN diode disclosed herein comprises an anode region, a drift region in contact with the anode region, and a cathode region in contact with the drift region, wherein the dopant impurity concentration in the drift region is the anode. There is a crystal defect region formed by implanting charged particles, which is lower than the dopant impurity concentration in the region and the cathode region. Then, the concentration of interstitial silicon is higher within the predetermined range of the silicon substrate than outside the predetermined range, the pn junction is formed within the predetermined range, and the concentration of crystal defects in the crystal defect region is The highest region is formed in the predetermined range.
In this PN diode, formation defects are formed in a range where the concentration of interstitial silicon is high. Therefore, a PN diode group with little variation is provided.

本明細書で開示されるPNダイオードの他の一実施形態は、アノード領域と、アノード領域と接しているドリフト領域と、ドリフト領域と接しているカソード領域を備えており、ドリフト領域のドーパント不純物濃度はアノード領域とカソード領域のドーパント不純物濃度よりも低く、荷電粒子を打ち込んで形成した結晶欠陥領域を備えている。そして、格子間シリコンの濃度がシリコン基板の一方の表面から他方の表面に向かうにつれて増加する濃度プロファイルが形成されており、pn接合がシリコン基板の格子間シリコンの濃度が高い方の表面部分に形成されており、前記結晶欠陥領域がシリコン基板の格子間シリコンの濃度が高い方の表面部分に形成されていることを特徴とする。
このPNダイオードでは、結晶欠陥領域がシリコン基板の格子間シリコンの濃度が高い方の表面部分に形成されている。したがって、ばらつきの少ないPNダイオード群が提供される。
Another embodiment of the PN diode disclosed herein comprises an anode region, a drift region in contact with the anode region, and a cathode region in contact with the drift region, wherein the dopant impurity concentration in the drift region Is lower than the dopant impurity concentration of the anode region and the cathode region, and has a crystal defect region formed by implanting charged particles. A concentration profile is formed in which the concentration of interstitial silicon increases from one surface of the silicon substrate to the other surface, and a pn junction is formed on the surface portion of the silicon substrate where the concentration of interstitial silicon is higher. The crystal defect region is formed in the surface portion of the silicon substrate having a higher interstitial silicon concentration.
In this PN diode, the crystal defect region is formed on the surface portion of the silicon substrate having the higher interstitial silicon concentration. Therefore, a PN diode group with little variation is provided.

本明細書で開示されるIGBTの一実施形態は、荷電粒子を打ち込んで形成した結晶欠陥領域を備えている。そして、第1導電型のコレクタ領域と、コレクタ領域に接している第2導電型のドリフト領域と、ドリフト領域に接している第1導電型のボディ領域と、ボディ領域によってドリフト領域から離間されている第2導電型のエミッタ領域と、エミッタ領域とドリフト領域を離間させているボディ領域に絶縁膜を介して対向しているゲート電極を備えており、ドリフト領域の所定範囲内は、その所定範囲外のシリコン基板よりも格子間シリコンの濃度が高くなっており、前記所定範囲内に、コレクタ領域とドリフト領域の積層構造が形成されており、前記結晶欠陥領域のうち結晶欠陥の濃度が最も高い領域が、前記所定範囲に形成されていることを特徴とする。
このIGBTでは、格子間シリコンの濃度が高い範囲に形成欠陥が形成されている。したがって、ばらつきの少ないIGBT群が提供される。
One embodiment of the IGBT disclosed herein includes a crystal defect region formed by implanting charged particles. The first conductivity type collector region, the second conductivity type drift region in contact with the collector region, the first conductivity type body region in contact with the drift region, and the drift region are separated from the drift region by the body region. An emitter region of the second conductivity type, and a gate electrode facing the body region separating the emitter region and the drift region via an insulating film, and a predetermined range of the drift region is within the predetermined range The concentration of interstitial silicon is higher than that of the outer silicon substrate, and a stacked structure of a collector region and a drift region is formed within the predetermined range, and the concentration of crystal defects is the highest among the crystal defect regions. The region is formed in the predetermined range.
In this IGBT, formation defects are formed in a range where the concentration of interstitial silicon is high. Therefore, an IGBT group with little variation is provided.

本明細書で開示されるIGBTの他の一実施形態は、荷電粒子を打ち込んで形成した結晶欠陥領域を備えている。そして、第1導電型のコレクタ領域と、コレクタ領域に接している第2導電型のドリフト領域と、ドリフト領域に接している第1導電型のボディ領域と、ボディ領域によってドリフト領域から離間されている第2導電型のエミッタ領域と、エミッタ領域とドリフト領域を離間させているボディ領域に絶縁膜を介して対向しているゲート電極を備えており、格子間シリコンの濃度がシリコン基板の一方の表面から他方の表面に向かうにつれて増加する濃度プロファイルが形成されており、シリコン基板の格子間シリコンの濃度が高い方の表面部分に、コレクタ領域とドリフト領域の積層構造が形成されており、コレクタ領域は格子間シリコンの濃度が高い方の表面側に配置され、ドリフト領域は深部側に配置されており、前記結晶欠陥領域のうち結晶欠陥の濃度が最も高い領域が、コレクタ領域とドリフト領域の界面近傍のドリフト領域に形成されていることを特徴とする。
このIGBTでは、結晶欠陥がシリコン基板の格子間シリコンの濃度が高い方の表面部分に形成されている。したがって、ばらつきの少ないIGBT群が提供される。
Another embodiment of the IGBT disclosed in this specification includes a crystal defect region formed by implanting charged particles. The first conductivity type collector region, the second conductivity type drift region in contact with the collector region, the first conductivity type body region in contact with the drift region, and the drift region are separated from the drift region by the body region. An emitter region of the second conductivity type, and a gate electrode facing the body region separating the emitter region and the drift region through an insulating film, and the interstitial silicon concentration is one of the silicon substrates A concentration profile that increases from the surface toward the other surface is formed, and a stacked structure of a collector region and a drift region is formed on the surface portion of the silicon substrate where the interstitial silicon concentration is higher. Is arranged on the surface side where the concentration of interstitial silicon is higher, and the drift region is arranged on the deep side. The highest region is the concentration of crystal defects, characterized in that it is formed in the drift region near the interface of the collector region and the drift region.
In this IGBT, crystal defects are formed on the surface portion of the silicon substrate having a higher interstitial silicon concentration. Therefore, an IGBT group with little variation is provided.

上述したIGBTは、ドリフト領域のうちコレクタ領域と接する領域に、その領域外のドリフト領域よりも第2導電型の不純物の濃度が高いバッファ領域が形成されていることが好ましい。
このような構成によれば、IGBTの耐圧特性を向上させることができる。
In the above-described IGBT, it is preferable that a buffer region having a higher concentration of the second conductivity type impurity than the drift region outside the drift region is formed in a region in contact with the collector region in the drift region.
According to such a configuration, the breakdown voltage characteristics of the IGBT can be improved.

下記に詳細に説明する実施例の主要な特徴を最初に列記する。
(特徴1)格子間シリコン生成工程を実施したシリコン基板を熱処理することによって、格子間シリコンを安定化させる格子間シリコン安定化工程をさらに備えている。
(特徴2)結晶欠陥形成工程を実施したシリコン基板を熱処理することによって、不安定な結晶欠陥を除去する不安定欠陥除去工程をさらに備えている。
(特徴3)格子間シリコン安定化工程の熱処理は、不安定欠陥除去工程の熱処理よりも高温で行う。
(特徴4)格子間シリコン安定化工程は、不安定欠陥除去工程よりも前に実施する。
The main features of the embodiments described in detail below are listed first.
(Feature 1) The semiconductor device further includes an interstitial silicon stabilization step of stabilizing the interstitial silicon by heat-treating the silicon substrate subjected to the interstitial silicon generation step.
(Characteristic 2) It further includes an unstable defect removing step of removing unstable crystal defects by heat-treating the silicon substrate subjected to the crystal defect forming step.
(Feature 3) The heat treatment in the interstitial silicon stabilization step is performed at a higher temperature than the heat treatment in the unstable defect removal step.
(Feature 4) The interstitial silicon stabilization step is performed before the unstable defect removal step.

(第1実施例)
本発明の第1実施例に係る半導体装置及びその製造方法について図面を参照しながら説明する。図1は、第1実施例のPNダイオード10aの概略構成を示している。
図示するように、PNダイオード10aは、シリコン基板12と、シリコン基板12の上面12aに形成されたアノード電極20と、下面12bに形成されたカソード電極22により構成されている。シリコン基板12は、主にシリコンからなっている。シリコン基板12の、上面12a側には、p型不純物(本実施例ではボロン)を含有するp型拡散層(アノード層:p層)14が形成されている。p型拡散層14は、アノード電極20とオーミック接触している。p型拡散層14の下面側には、n型不純物(本実施例ではリン)を含有するn型ドリフト層(n層)16が形成されている。したがって、p型拡散層14とn型ドリフト層16の界面がpn接合界面30となっている。n型ドリフト層16の下面12b側には、n型不純物を高濃度に含有するn型拡散層(カソード層:n層)18が形成されている。n型拡散層18は、カソード電極22とオーミック接触している。
(First embodiment)
A semiconductor device and a manufacturing method thereof according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a schematic configuration of the PN diode 10a of the first embodiment.
As shown in the figure, the PN diode 10a includes a silicon substrate 12, an anode electrode 20 formed on the upper surface 12a of the silicon substrate 12, and a cathode electrode 22 formed on the lower surface 12b. The silicon substrate 12 is mainly made of silicon. A p-type diffusion layer (anode layer: p + layer) 14 containing a p-type impurity (boron in this embodiment) is formed on the upper surface 12a side of the silicon substrate 12. The p-type diffusion layer 14 is in ohmic contact with the anode electrode 20. An n-type drift layer (n layer) 16 containing an n-type impurity (phosphorus in the present embodiment) is formed on the lower surface side of the p-type diffusion layer 14. Therefore, the interface between the p-type diffusion layer 14 and the n-type drift layer 16 is a pn junction interface 30. On the lower surface 12b side of the n-type drift layer 16, an n-type diffusion layer (cathode layer: n + layer) 18 containing an n-type impurity at a high concentration is formed. The n-type diffusion layer 18 is in ohmic contact with the cathode electrode 22.

シリコン結晶中には、格子点(サイト)に存在するシリコンの他に、格子間位置に存在する格子間シリコンがある。格子間シリコンは、単独では不安定である。しかし、複数の格子間シリコンが集合すると安定となる。したがって、シリコン結晶中では、格子間シリコンは、複数の格子間シリコンが集合したクラスタ(集合体)として存在している。
シリコン基板12には、局所的に格子間シリコンの濃度が高くなっている高濃度化フィールド26が形成されている。図2(a)は、シリコン基板12中の厚み方向(図1の矢印V1の方向)における格子間シリコンの濃度N1の分布を示している。図2(a)の横軸は、シリコン基板12aの厚み方向の位置(深さ)を示しており、原点はシリコン基板12の上面12aの位置、横軸の右端はシリコン基板12の下面12bの位置を示している。また、図2(a)の位置A1は、pn接合界面30の位置を示している。
図示するように、位置A2と位置A3の間の領域の格子間シリコンの濃度は約1014atoms/cmであり、その領域外よりも格子間シリコンの濃度が高くなっている(領域外の格子間シリコンの濃度は、約1013atoms/cm)。すなわち、位置A2と位置A3の間の領域は、格子間シリコンの濃度が高い高濃度化フィールド26となっている。高濃度化フィールド26はpn接合界面30近傍のn型ドリフト層16に形成されている。
In the silicon crystal, there is interstitial silicon existing at interstitial positions in addition to silicon existing at lattice points (sites). Interstitial silicon is unstable by itself. However, it becomes stable when a plurality of interstitial silicons gather. Accordingly, in the silicon crystal, the interstitial silicon exists as a cluster (aggregate) in which a plurality of interstitial silicons are aggregated.
A high concentration field 26 in which the concentration of interstitial silicon is locally increased is formed in the silicon substrate 12. FIG. 2A shows the distribution of the interstitial silicon concentration N1 in the thickness direction in the silicon substrate 12 (the direction of the arrow V1 in FIG. 1). 2A indicates the position (depth) in the thickness direction of the silicon substrate 12a, the origin is the position of the upper surface 12a of the silicon substrate 12, and the right end of the horizontal axis is the lower surface 12b of the silicon substrate 12. Indicates the position. Further, a position A1 in FIG. 2A indicates the position of the pn junction interface 30.
As shown in the drawing, the concentration of interstitial silicon in the region between the positions A2 and A3 is about 10 14 atoms / cm 3 , and the concentration of interstitial silicon is higher than that outside the region (outside the region). The concentration of interstitial silicon is about 10 13 atoms / cm 3 ). That is, the region between the position A2 and the position A3 is a high concentration field 26 in which the concentration of interstitial silicon is high. The high concentration field 26 is formed in the n-type drift layer 16 near the pn junction interface 30.

シリコン基板12中には、製造工程で意図的に生成された結晶欠陥(以下では、形成欠陥という)が多数存在している。以下では、結晶欠陥が存在している領域を、結晶欠陥領域という。図2(b)は、シリコン基板12中の厚み方向(図1の矢印V1の方向)における形成欠陥の濃度N2の分布を示している。図2(b)の横軸は、図2(a)の横軸に対応している。図示するように、形成欠陥はシリコン基板12の上面12a側の表面部分に存在している。すなわち、結晶欠陥領域が、シリコン基板12の上面12a側に形成されている。また、形成欠陥の大部分が高濃度化フィールド26内に形成されており、結晶欠陥領域のうち最も結晶欠陥の濃度が高い領域も高濃度化フィールド26内に形成されている。   In the silicon substrate 12, there are many crystal defects (hereinafter referred to as formation defects) intentionally generated in the manufacturing process. Hereinafter, a region where a crystal defect exists is referred to as a crystal defect region. FIG. 2B shows a distribution of the concentration N2 of formation defects in the thickness direction in the silicon substrate 12 (the direction of the arrow V1 in FIG. 1). The horizontal axis in FIG. 2B corresponds to the horizontal axis in FIG. As shown in the figure, the formation defect exists in the surface portion of the silicon substrate 12 on the upper surface 12a side. That is, the crystal defect region is formed on the upper surface 12 a side of the silicon substrate 12. Most of the formation defects are formed in the high concentration field 26, and a region having the highest crystal defect concentration among the crystal defect regions is also formed in the high concentration field 26.

後述するが、これらの形成欠陥は、ヘリウムイオンをシリコン基板12中に打ち込むことにより生成される。ヘリウムイオンを打ち込むことにより結晶中に生成される形成欠陥には、概して2種類の欠陥がある。
第1の欠陥は、C欠陥である。C欠陥は、結晶中の格子間位置に存在する酸素(以下では、格子間酸素Oという)と、格子間位置に存在する炭素(以下では、格子間炭素Cという)によって構成される。格子間酸素Oと格子間炭素Cが特定の位置関係となっているとC欠陥となる。C欠陥は、キャリアの再結合中心となる性質を有する。また、C欠陥は、シリコン基板12中のホールをトラップする性質を有する。
第2の欠陥は、VV欠陥である。VV欠陥は、結晶中の格子点(サイト)の空孔により構成される。2つの空孔が特定の位置関係となっているとVV欠陥となる。VV欠陥は、キャリアの再結合中心となる性質を有する。しかしながら、VV欠陥は、シリコン基板12中の電子をトラップし、ホールをトラップしない性質を有する。
本実施例のPNダイオード10aでは、高濃度化フィールド26に存在する形成欠陥の大部分は、VV欠陥である。高濃度化フィールド26に存在する形成欠陥の量は、適切な量に調整されている。また、PNダイオード10aでは、図2に示すように大部分の形成欠陥が高濃度化フィールド26内に存在しており、高濃度化フィールド26外に存在する形成欠陥は非常に少ない。
As will be described later, these formation defects are generated by implanting helium ions into the silicon substrate 12. There are generally two types of defects formed in the crystal by implanting helium ions.
The first defect is a C i O i defect. The C i O i defect is constituted by oxygen existing at an interstitial position in the crystal (hereinafter referred to as interstitial oxygen O i ) and carbon existing at the interstitial position (hereinafter referred to as interstitial carbon C i ). Is done. When the interstitial oxygen O i and the interstitial carbon C i are in a specific positional relationship, a C i O i defect occurs. The C i O i defect has a property of becoming a recombination center of carriers. Further, the C i O i defect has a property of trapping holes in the silicon substrate 12.
The second defect is a VV defect. VV defects are constituted by vacancies at lattice points (sites) in the crystal. If the two holes are in a specific positional relationship, a VV defect occurs. VV defects have the property of becoming recombination centers of carriers. However, the VV defect has a property of trapping electrons in the silicon substrate 12 and not trapping holes.
In the PN diode 10a of the present embodiment, most of the formation defects existing in the high concentration field 26 are VV defects. The amount of formation defects existing in the high concentration field 26 is adjusted to an appropriate amount. In the PN diode 10a, as shown in FIG. 2, most of the formation defects exist in the high concentration field 26, and the formation defects existing outside the high concentration field 26 are very few.

一般に、シリコン基板12中に存在している形成欠陥の量は、PNダイオードの特性に影響を与える。図3は、PNダイオード10aと同じ構造であり、形成欠陥の量が異なる2つのPNダイオードのターンオフ時の特性を示している。より詳細には、アノード電極−カソード電極間に所定の電圧(順方向電圧)を印加しておき、時刻t0において所定の逆方向電圧を印加したときに、PNダイオードを流れる電流I1の時間tに対する変化パターンを示している。図3のグラフC1は高濃度化フィールド26に存在する形成欠陥の量が多いPNダイオードの特性を示しており、グラフC2は高濃度化フィールド26に存在する形成欠陥の量が少ないPNダイオードの特性を示している。   In general, the amount of formation defects present in the silicon substrate 12 affects the characteristics of the PN diode. FIG. 3 shows the characteristics at the time of turn-off of two PN diodes having the same structure as the PN diode 10a and having different formation defects. More specifically, when a predetermined voltage (forward voltage) is applied between the anode electrode and the cathode electrode and a predetermined reverse voltage is applied at time t0, the current I1 flowing through the PN diode with respect to time t The change pattern is shown. A graph C1 in FIG. 3 shows the characteristics of a PN diode having a large amount of formation defects existing in the high concentration field 26, and a graph C2 shows a characteristic of a PN diode having a small amount of formation defects existing in the high concentration field 26. Is shown.

図3に示すように、何れのPNダイオードも、順方向電圧を印加されている間は、順方向に電流IFが流れる。時刻t0においてPNダイオードに逆方向電圧が印加されると、電流I1は減少し、その後は逆電流が流れる。逆電流は、一旦増大し、その後はシリコン基板12中に残留しているキャリアの減少に伴って減少する。その後、逆電流はゼロとなる。   As shown in FIG. 3, the current IF flows in the forward direction in any PN diode while the forward voltage is applied. When a reverse voltage is applied to the PN diode at time t0, the current I1 decreases and thereafter a reverse current flows. The reverse current once increases and then decreases with a decrease in carriers remaining in the silicon substrate 12. Thereafter, the reverse current becomes zero.

図3から分かるように、形成欠陥の量によって逆電流の変化特性は影響を受ける。上述したように、形成欠陥はキャリアの再結合中心となる。したがって、形成欠陥の量が多いとキャリアが再結合して消滅しやすい。一方、形成欠陥の量が少ないと、キャリアが再結合し難い。したがって、図2のグラフC2に示すように、形成欠陥の量が少ないPNダイオードは、逆電流が減衰し難い。
PNダイオードの特性は、逆電流のピーク値が低く、逆電流回復時の電流変化率が小さいことが好ましい。逆電流のピーク値が低いと、PNダイオードのターンオフ時の損失を低減させることができる。逆電流回復時の電流変化率が小さいと、その電流変化率と寄生インダクタンスの影響によってpn接合界面30に印加されるサージ電圧を低減させることができる。本実施例のPNダイオード10aは、製造時に適切な量の形成欠陥が形成されている。したがって、逆電流のピーク値は適切な値に抑えられており、逆電流回復時の電流変化率も適切な変化率となっている。したがって、逆電流による損失がそれほど大きくならず、逆電流回復時にpn接合界面30に過大なサージ電圧が印加されることも抑制されている。
As can be seen from FIG. 3, the change characteristic of the reverse current is affected by the amount of formation defects. As described above, the formation defect becomes a carrier recombination center. Therefore, when the amount of formation defects is large, carriers are easily recombined and disappear. On the other hand, when the amount of formation defects is small, carriers are difficult to recombine. Therefore, as shown in the graph C2 of FIG. 2, the PN diode with a small amount of formation defects is unlikely to attenuate the reverse current.
As for the characteristics of the PN diode, it is preferable that the peak value of the reverse current is low and the current change rate during reverse current recovery is small. If the peak value of the reverse current is low, the loss at the turn-off time of the PN diode can be reduced. If the current change rate at the time of reverse current recovery is small, the surge voltage applied to the pn junction interface 30 can be reduced due to the influence of the current change rate and the parasitic inductance. In the PN diode 10a of this embodiment, an appropriate amount of formation defects is formed at the time of manufacture. Therefore, the peak value of the reverse current is suppressed to an appropriate value, and the current change rate at the time of reverse current recovery is also an appropriate change rate. Therefore, the loss due to the reverse current does not increase so much, and an excessive surge voltage is suppressed from being applied to the pn junction interface 30 when the reverse current is recovered.

上述したように、形成欠陥には、C欠陥とVV欠陥の2種類の欠陥がある。C欠陥は、ホールをトラップする性質を有している。PNダイオードのpn接合界面30の近傍にC欠陥が存在していると、順方向に電流が流れるときに、C欠陥によってホールがトラップされる。したがって、pn接合界面30の近傍に多数のホールが存在する状態となる。この状態において、PNダイオードに印加する電圧をオフすると、上述したようにpn接合界面30に逆電圧が印加される。pn接合界面30に逆電圧が印加されると、空乏層がpn接合界面30からアノード電極側及びカソード電極側に向かって広がろうとする。しかし、空乏層の広がりは、pn接合界面30の近傍でC欠陥によりトラップされているホールによって抑制されてしまう。すると、pn接合界面30の近傍に強い電界集中が発生し、アバランシェ降伏が生じやすい。すなわち、C欠陥が多数存在しているPNダイオードは、アバランシェ耐圧が低いという欠点がある。
第1実施例のPNダイオード10aでは、高濃度化フィールド26に大部分の形成欠陥が形成されており、高濃度化フィールド26に形成されている形成欠陥の大部分がVV欠陥である。すなわち、C欠陥が非常に少ない。したがって、PNダイオード10aは、ターンオフ時にアバランシェ降伏し難い。
As described above, the formation defects include two types of defects, C i O i defects and VV defects. The C i O i defect has a property of trapping holes. If a C i O i defect exists in the vicinity of the pn junction interface 30 of the PN diode, holes are trapped by the C i O i defect when a current flows in the forward direction. Therefore, a large number of holes exist in the vicinity of the pn junction interface 30. In this state, when the voltage applied to the PN diode is turned off, a reverse voltage is applied to the pn junction interface 30 as described above. When a reverse voltage is applied to the pn junction interface 30, the depletion layer tends to spread from the pn junction interface 30 toward the anode electrode side and the cathode electrode side. However, the spread of the depletion layer is suppressed by holes trapped by C i O i defects in the vicinity of the pn junction interface 30. Then, strong electric field concentration occurs in the vicinity of the pn junction interface 30, and avalanche breakdown is likely to occur. That is, the PN diode in which many C i O i defects exist has a drawback that the avalanche breakdown voltage is low.
In the PN diode 10a of the first embodiment, most of the formation defects are formed in the high concentration field 26, and most of the formation defects formed in the high concentration field 26 are VV defects. That is, there are very few C i O i defects. Therefore, the PN diode 10a is unlikely to breakdown at the time of turn-off.

次に、PNダイオード10aの製造方法について、図4のフローチャートに基づいて説明する。PNダイオード10aは、n型シリコンからなるシリコンウエハから製造される。このシリコンウエハの下面12b側の表面部分には、リンを高濃度に含む層(すなわち、n型拡散層18)が予め形成されている。シリコンウエハの上面12aおよび下面12bは鏡面状に研磨されており、これによってシリコンウエハの厚さはシリコン基板12と略同じ厚さとされている。また、シリコンウエハ中には、炭素及び酸素が存在している。シリコンウエハ中の炭素及び酸素の濃度は、シリコンウエハにより大きく異なる。   Next, a manufacturing method of the PN diode 10a will be described based on the flowchart of FIG. The PN diode 10a is manufactured from a silicon wafer made of n-type silicon. A layer containing phosphorus in a high concentration (that is, the n-type diffusion layer 18) is formed in advance on the surface portion of the silicon wafer on the lower surface 12b side. The upper surface 12 a and the lower surface 12 b of the silicon wafer are polished in a mirror shape so that the thickness of the silicon wafer is substantially the same as that of the silicon substrate 12. Carbon and oxygen are present in the silicon wafer. The concentrations of carbon and oxygen in the silicon wafer vary greatly depending on the silicon wafer.

ステップS2では、シリコンウエハの上面12a側からp型不純物であるボロンを注入し、シリコンウエハの上面12aから所定深さまでの領域(p型拡散層14に対応する領域)のボロンの濃度を上昇させる。なお、ステップS2でボロンを注入すると、シリコンウエハ中に結晶欠陥が形成される。   In step S2, boron, which is a p-type impurity, is implanted from the upper surface 12a side of the silicon wafer to increase the boron concentration in a region (region corresponding to the p-type diffusion layer 14) from the upper surface 12a of the silicon wafer to a predetermined depth. . When boron is implanted in step S2, crystal defects are formed in the silicon wafer.

ステップS4では、シリコンウエハを熱処理する。これによって、シリコンウエハ中に注入されたボロンが拡散し、活性化する。すなわち、ステップS2でボロンを注入した領域近傍にボロンが拡散し、活性化する。これによって、ボロンが拡散した領域がp型拡散層14となる。また、p型拡散層14とn型拡散層18の間の領域はn型ドリフト層16となる。なお、ステップS4を実行することによって、ステップS2でシリコンウエハ中に形成された結晶欠陥がほぼ消滅する。   In step S4, the silicon wafer is heat treated. Thereby, boron implanted into the silicon wafer is diffused and activated. That is, boron diffuses near the region where boron is implanted in step S2 and is activated. As a result, the region where boron is diffused becomes the p-type diffusion layer 14. Further, the region between the p-type diffusion layer 14 and the n-type diffusion layer 18 becomes the n-type drift layer 16. By executing step S4, the crystal defects formed in the silicon wafer in step S2 are almost eliminated.

ステップS6では、シリコンウエハに上面12a側からシリコンイオンを打ち込む。このとき、打ち込むシリコンイオンがpn接合界面30近傍のn型ドリフト層16(すなわち、高濃度化フィールド26に対応する範囲)に留まるエネルギーでシリコンイオンを打ち込む。これによって、その範囲のシリコンの濃度が上昇し、その範囲に多数の格子間シリコンが生成される。なお、ステップS6でシリコンイオンを打ち込むと、シリコンウエハ中に結晶欠陥が形成される。   In step S6, silicon ions are implanted into the silicon wafer from the upper surface 12a side. At this time, silicon ions are implanted with energy that the implanted silicon ions remain in the n-type drift layer 16 in the vicinity of the pn junction interface 30 (that is, a range corresponding to the high concentration field 26). As a result, the concentration of silicon in the range increases, and a large number of interstitial silicon is generated in the range. If silicon ions are implanted in step S6, crystal defects are formed in the silicon wafer.

ステップS8では、シリコンウエハを熱処理する。具体的には、シリコンウエハを600℃の温度に約1時間保持する。これによって、ステップS6で生成された格子間シリコンが拡散し、格子間シリコンのクラスタが分散して存在する状態となる。これによって、格子間シリコンがより安定した状態となる。格子間シリコンが拡散した範囲は、高濃度化フィールド26となる。また、この熱処理によって、ステップS6でシリコンウエハ中に形成された結晶欠陥がほぼ消滅する。   In step S8, the silicon wafer is heat treated. Specifically, the silicon wafer is held at a temperature of 600 ° C. for about 1 hour. As a result, the interstitial silicon generated in step S6 diffuses, and the interstitial silicon clusters are dispersed and exist. This makes the interstitial silicon more stable. A region where the interstitial silicon is diffused becomes a high concentration field 26. Also, the crystal defects formed in the silicon wafer in step S6 are almost eliminated by this heat treatment.

ステップS10では、蒸着により、シリコンウエハの上面12aにアノード電極20を形成する。   In step S10, the anode electrode 20 is formed on the upper surface 12a of the silicon wafer by vapor deposition.

ステップS12では、シリコンウエハの上面12a側から、ヘリウムイオンを打ち込む。これによって、シリコンウエハ中に結晶欠陥(形成欠陥)を形成する。ステップS12では、大部分の形成欠陥が高濃度化フィールド26内に形成されるようにヘリウムイオンを打ち込むエネルギーを調整して実施する。これによって、図2(b)に示す濃度分布でシリコンウエハ中に形成欠陥が形成される。   In step S12, helium ions are implanted from the upper surface 12a side of the silicon wafer. Thereby, crystal defects (formation defects) are formed in the silicon wafer. In step S12, the energy for implanting helium ions is adjusted so that most of the formation defects are formed in the high concentration field 26. As a result, formation defects are formed in the silicon wafer with the concentration distribution shown in FIG.

ヘリウムイオンをシリコンウエハに打ち込むと、シリコンウエハ中で以下の反応が起きる。
(反応1) Si → V+Si
(反応2) V+V → VV欠陥
(反応3) Si+Sii n → Sii n+1
(反応4) Si+C → C
(反応5) C+O → C欠陥
(反応1)では、結晶格子中の格子点に存在するシリコン(Si)がヘリウムイオンの打ち込みにより格子点から格子間位置にはじき出される。これによって、格子間シリコン(Si)が生成されるとともに、シリコンがはじき出された後の格子点が空孔(V)となる。シリコンウエハ中で(反応1)が多発することによって、シリコンウエハ中に多数の格子間シリコン(Si)と多数の空孔(V)が生成される。格子間位置のシリコン(Si)と空孔(V)は、エネルギー状態が不安定であるので、(反応2)〜(反応5)が起こる。
(反応2)では、(反応1)によって生成された2つの空孔(V)が結晶格子内で所定の位置関係となり、安定した状態となる。すなわち、VV欠陥が形成される。
(反応3)では、(反応1)によって生成された格子間シリコン(Si)が、シリコンウエハ中に存在している格子間シリコンのクラスタ(Sii n)に取り込まれ、安定した状態となる。すなわち、格子間シリコンのクラスタ(Sii n)に新たに1つの格子間シリコン(Si)が加わって、より大きい格子間シリコンのクラスタ(Sii n+1)となる。
(反応4)では、結晶格子中の格子点に不純物として存在する炭素(C)と(反応1)で生成された格子間位置のシリコン(Si)との位置が入れ替わる。これによって、格子間位置に存在する炭素(C)が生成される。格子間位置の炭素(C)は、エネルギー状態が不安定であるので、(反応5)が起こる。
(反応5)では、(反応4)で生成された格子間位置の炭素(C)と、結晶格子中の格子間位置に混合不純物として存在する酸素(O)とが所定の位置関係となり、安定した状態となる。すなわち、C欠陥が形成される。
以上に説明したように、シリコンウエハにヘリウムイオンを打ち込むと、シリコンウエハ中にVV欠陥とC欠陥が形成される。
When helium ions are implanted into a silicon wafer, the following reaction occurs in the silicon wafer.
(Reaction 1) Si s → V + Si i
(Reaction 2) V + V → VV defects (Reaction 3) Si i + Si i n → Si i n + 1
(Reaction 4) Si i + C s → C i
(Reaction 5) In the C i + O i → C i O i defect (reaction 1), silicon (Si s ) existing at the lattice point in the crystal lattice is ejected from the lattice point to the interstitial position by the implantation of helium ions. Thereby, interstitial silicon (Si i ) is generated, and lattice points after the silicon is ejected become vacancies (V). When (Reaction 1) occurs frequently in the silicon wafer, a large number of interstitial silicon (Si i ) and a large number of vacancies (V) are generated in the silicon wafer. Since silicon (Si i ) and vacancies (V) at interstitial positions are unstable in energy state, (Reaction 2) to (Reaction 5) occur.
In (Reaction 2), the two vacancies (V) generated by (Reaction 1) are in a predetermined positional relationship in the crystal lattice and are in a stable state. That is, a VV defect is formed.
In (Reaction 3), the interstitial silicon (Si i ) generated by (Reaction 1) is taken into a cluster (Si i n ) of interstitial silicon existing in the silicon wafer, and is in a stable state. . That is, to join a new one interstitial silicon interstitial silicon clusters (Si i n) (Si i ) becomes the cluster of larger interstitial silicon (Si i n + 1).
In (Reaction 4), the positions of carbon (C s ) present as impurities at lattice points in the crystal lattice and silicon (Si i ) at the interstitial positions generated in (Reaction 1) are interchanged. As a result, carbon (C i ) existing at interstitial positions is generated. Since carbon (C i ) at the interstitial position is unstable in energy state, (Reaction 5) occurs.
In (Reaction 5), carbon (C i ) at the interstitial position generated in (Reaction 4) and oxygen (O i ) present as a mixed impurity at the interstitial position in the crystal lattice have a predetermined positional relationship. , Become stable. That is, C i O i defects are formed.
As described above, when helium ions are implanted into a silicon wafer, VV defects and C i O i defects are formed in the silicon wafer.

上記の反応式から分かるように、(反応1)及び(反応2)は、ヘリウムイオンを打ち込む量に応じて起こる。したがって、VV欠陥が形成される量は、ヘリウムイオンを打ち込む量によって調整することができる。
また、(反応1)によって生成された格子間シリコン(Si)は、(反応3)によって格子間シリコンのクラスタ(Sii n)に取り込まれるもとの、(反応4)及び(反応5)を引き起こすものがある。
上述したように、高濃度化フィールド26内には、格子間シリコンのクラスタが多数、存在している。したがって、(反応3)は非常に起こりやすい。すなわち、(反応1)で生成された格子間シリコンの大部分は、(反応3)によって格子間シリコンのクラスタに取り込まれる。したがって、高濃度化フィールド26では、(反応4)及び(反応5)が起こり難い。すなわち、高濃度化フィールド26内では、C欠陥が形成され難い。したがって、シリコンウエハ中に、C欠陥があまり形成されることなく、多数のVV欠陥が形成される。
なお、シリコンウエハにヘリウムイオンを打ち込むと、VV欠陥及びC欠陥が形成されると共に、エネルギー状態が不安定な種々の形成欠陥も形成される。
As can be seen from the above reaction equation, (Reaction 1) and (Reaction 2) occur according to the amount of helium ions implanted. Therefore, the amount of VV defects formed can be adjusted by the amount of helium ions implanted.
In addition, the interstitial silicon (Si i ) generated by (Reaction 1) is incorporated into the interstitial silicon cluster (Si i n ) by (Reaction 3), (Reaction 4) and (Reaction 5). There is something that causes.
As described above, many clusters of interstitial silicon exist in the high concentration field 26. Therefore, (Reaction 3) is very likely to occur. That is, most of the interstitial silicon generated in (Reaction 1) is taken into the clusters of interstitial silicon by (Reaction 3). Therefore, in the high concentration field 26, (Reaction 4) and (Reaction 5) hardly occur. In other words, C i O i defects are hardly formed in the high concentration field 26. Therefore, a large number of VV defects are formed in the silicon wafer without forming much C i O i defects.
When helium ions are implanted into a silicon wafer, VV defects and C i O i defects are formed, and various formation defects with unstable energy states are also formed.

ステップS14では、シリコンウエハを熱処理する。具体的には、シリコンウエハを400℃の温度に約1時間保持する。この条件でシリコンウエハを熱処理すると、シリコンウエハ中に存在しているエネルギー状態が不安定な形成欠陥が消滅し、エネルギー状態が安定しているVV欠陥がシリコンウエハ中に残る。すなわち、シリコンウエハ中の形成欠陥の大部分がVV欠陥となる。   In step S14, the silicon wafer is heat treated. Specifically, the silicon wafer is held at a temperature of 400 ° C. for about 1 hour. When the silicon wafer is heat-treated under these conditions, the formation defects with unstable energy states existing in the silicon wafer disappear, and VV defects with stable energy states remain in the silicon wafer. That is, most of the formation defects in the silicon wafer are VV defects.

ステップS16では、蒸着により、シリコンウエハの下面12bにカソード電極22を形成する。   In step S16, the cathode electrode 22 is formed on the lower surface 12b of the silicon wafer by vapor deposition.

ステップS18では、シリコンウエハをダイシングによって複数に分割する。これによって複数のPNダイオード10aが製造される。   In step S18, the silicon wafer is divided into a plurality of pieces by dicing. Thus, a plurality of PN diodes 10a are manufactured.

以上に説明したように、この製造方法では、シリコンイオンを打ち込むことにより、シリコンウエハに高濃度化フィールド26を形成する。そして、ヘリウムイオンを打ち込むことにより、高濃度化フィールド26内に形成欠陥を形成する。高濃度化フィールド26では、格子間シリコンの集合体が多数、形成されているので、C欠陥が形成され難い。したがって、形成欠陥の大部分がVV欠陥となる。VV欠陥の量は、ヘリウムイオンを打ち込む量によって正確に制御することができる。したがって、シリコンウエハ中の炭素と酸素の濃度に左右されることなく、形成欠陥の量(VV欠陥とC欠陥の総量)を正確に制御することができる。すなわち、この製造方法によれば、製造するPNダイオード10aの逆電流回復時の特性を正確に制御することができ、製造するPNダイオード10aの逆電流回復時の特性のばらつきを少なくすることができる。 As described above, in this manufacturing method, the high concentration field 26 is formed on the silicon wafer by implanting silicon ions. Then, formation defects are formed in the high concentration field 26 by implanting helium ions. In the high-concentration field 26, since a large number of interstitial silicon aggregates are formed, it is difficult to form C i O i defects. Therefore, most of the formation defects are VV defects. The amount of VV defects can be accurately controlled by the amount of helium ions implanted. Therefore, the amount of formation defects (total amount of VV defects and C i O i defects) can be accurately controlled regardless of the concentration of carbon and oxygen in the silicon wafer. That is, according to this manufacturing method, the characteristics at the time of reverse current recovery of the manufactured PN diode 10a can be accurately controlled, and variations in the characteristics at the time of reverse current recovery of the manufactured PN diode 10a can be reduced. .

また、この製造方法によれば、C欠陥をあまり形成することなく、VV欠陥を形成することができる。したがって、逆電流回復時の特性が適切な特性に調整されているとともに、ターンオフ時にアバランシェ降伏し難いPNダイオード10aを製造することができる。 In addition, according to this manufacturing method, VV defects can be formed without forming too many C i O i defects. Therefore, it is possible to manufacture the PN diode 10a in which the characteristic at the time of reverse current recovery is adjusted to an appropriate characteristic and the avalanche breakdown is difficult to occur at the time of turn-off.

また、この製造方法では、ステップS8の熱処理により、ステップS6で生成させた格子間シリコンを安定化させる。ステップS8の熱処理は、ステップS14の熱処理よりも高温で実施される。したがって、ステップS14の熱処理により、格子間シリコンの状態が変化することが抑制されている。したがって、この製造方法によれば、より正確にPNダイオード10aの逆電流回復時の特性を制御することができる。
また、ステップS8は、ステップS14よりも前に実施される。したがって、ステップS14の実施後に、ステップS14よりも高温の熱処理が実行され、ステップS14後にシリコンウエハに残っているVV欠陥が消滅することが防止されている。
Further, in this manufacturing method, the interstitial silicon generated in step S6 is stabilized by the heat treatment in step S8. The heat treatment in step S8 is performed at a higher temperature than the heat treatment in step S14. Therefore, the change of the state of the interstitial silicon is suppressed by the heat treatment in step S14. Therefore, according to this manufacturing method, the characteristics at the time of reverse current recovery of the PN diode 10a can be controlled more accurately.
Moreover, step S8 is implemented before step S14. Therefore, after the execution of step S14, a heat treatment at a temperature higher than that of step S14 is performed, and the VV defects remaining on the silicon wafer after step S14 are prevented from disappearing.

なお、第1実施例の製造方法では、n型ドリフト層16の一部に高濃度化フィールド26を形成したが、他の部分に高濃度化フィールドを形成してもよい。また、シリコンウエハの全体の格子間シリコンの濃度を上昇させてもよい。このような構成によっても、格子間シリコンの濃度が高い範囲に形成欠陥を形成することで、PNダイオード10aの逆電流回復時の特性のばらつきを抑制することができる。   In the manufacturing method of the first embodiment, the high concentration field 26 is formed in a part of the n-type drift layer 16, but the high concentration field may be formed in another part. Further, the concentration of interstitial silicon in the entire silicon wafer may be increased. Even with such a configuration, it is possible to suppress variations in characteristics during recovery of the reverse current of the PN diode 10a by forming formation defects in a range where the concentration of interstitial silicon is high.

また、第1実施例の製造方法では、ステップS14の熱処理の条件を調節することにより、シリコンウエハに残るVV欠陥の量をさらに調節してもよい。このようにステップS14を行うことにより、より正確にVV欠陥の量を調節することができる。   In the manufacturing method of the first embodiment, the amount of VV defects remaining on the silicon wafer may be further adjusted by adjusting the heat treatment conditions in step S14. By performing step S14 in this way, the amount of VV defects can be adjusted more accurately.

(第2実施例)
次に、第2実施例のPNダイオード10b及びその製造方法について説明する。なお、PNダイオード10bの各部の説明においては、第1実施例のPNダイオード10aと同様の構成を有するものについては、同じ参照番号を用いて説明する。
(Second embodiment)
Next, the PN diode 10b of the second embodiment and the manufacturing method thereof will be described. In the description of each part of the PN diode 10b, those having the same configuration as the PN diode 10a of the first embodiment will be described using the same reference numerals.

第2実施例のPNダイオード10bは、第1実施例のPNダイオード10aと略同じ構成である。但し、シリコン基板12中の格子間シリコンの濃度分布がPNダイオード10aとは異なる。図5(a)は、第2実施例のPNダイオード10bのシリコン基板12中の厚み方向における格子間シリコンの濃度N3の分布を示している。図示するように、下面12b側の表面部分では、格子間シリコンの濃度が約1×1013atoms/cmとなっている。格子間シリコンの濃度は、下面12bから上面12aに向かうにつれて増加しており、上面12a側の表面部分では、格子間シリコンの濃度が約1×1014atoms/cmとなっている。 The PN diode 10b of the second embodiment has substantially the same configuration as the PN diode 10a of the first embodiment. However, the concentration distribution of interstitial silicon in the silicon substrate 12 is different from that of the PN diode 10a. FIG. 5A shows the distribution of the interstitial silicon concentration N3 in the thickness direction in the silicon substrate 12 of the PN diode 10b of the second embodiment. As shown in the drawing, the concentration of interstitial silicon is about 1 × 10 13 atoms / cm 3 in the surface portion on the lower surface 12b side. The interstitial silicon concentration increases from the lower surface 12b toward the upper surface 12a, and the interstitial silicon concentration is about 1 × 10 14 atoms / cm 3 at the surface portion on the upper surface 12a side.

図5(b)は、シリコン基板12中の厚み方向における形成欠陥の濃度N4の分布を示している。図示するように、第2実施例のPNダイオード10bのシリコン基板12中にも、第1実施例のPNダイオード10aと同様の分布で形成欠陥が存在している。すなわち、結晶欠陥領域が、シリコン基板12の上面12a側の表面部分に形成されている。より詳細には、pn接合界面30近傍のn型ドリフト層16に多くの結晶欠陥が形成されている。PNダイオード10bに形成されている形成欠陥は、大部分がVV欠陥であり、C欠陥は非常に少ない。 FIG. 5B shows a distribution of the concentration N4 of formation defects in the thickness direction in the silicon substrate 12. As shown in the drawing, formation defects exist in the silicon substrate 12 of the PN diode 10b of the second embodiment with the same distribution as the PN diode 10a of the first embodiment. That is, the crystal defect region is formed on the surface portion of the silicon substrate 12 on the upper surface 12a side. More specifically, many crystal defects are formed in the n-type drift layer 16 near the pn junction interface 30. Most of the formation defects formed in the PN diode 10b are VV defects, and there are very few C i O i defects.

以上に説明したように、第2実施例のPNダイオード10bは、第1実施例のPNダイオード10aと略同じ特徴を有している。すなわち、格子間シリコンの濃度が高い範囲に形成欠陥が形成されており、形成欠陥の量は適切に調整されている。したがって、PNダイオード10bは、逆電流回復時の特性が適切な特性となっており、また、アバランシェ降伏し難い。   As described above, the PN diode 10b of the second embodiment has substantially the same characteristics as the PN diode 10a of the first embodiment. That is, formation defects are formed in a range where the concentration of interstitial silicon is high, and the amount of formation defects is appropriately adjusted. Therefore, the PN diode 10b has an appropriate characteristic at the time of reverse current recovery, and is difficult to avalanche breakdown.

次に、PNダイオード10bの製造方法について説明する。第2実施例の製造方法でも、n型シリコンからなるシリコンウエハからPNダイオード10bを製造する。このシリコンウエハは、第1実施例と同様に、下面12b側の表面部分にn型拡散層18が形成されており、上面12aおよび下面12bは鏡面状に研磨されている。
但し、第1実施例とは異なり、このシリコンウエハには、格子間シリコンの濃度が下面12bから上面12aに向かうにつれて増加する濃度プロファイルが形成されている。このシリコンウエハは、引き上げ速度を変化させながらシリコンのインゴットを成長させ、そのインゴットから切り出されることにより製造される。すなわち、速い引き上げ速度でインゴットを成長させると、格子間シリコンが少ないシリコン結晶が成長する。遅い引き上げ速度でインゴットを成長させると、格子間シリコンが多いシリコン結晶が成長する。したがって、引き上げ速度を変化させながらインゴットを成長させると、格子間シリコンの濃度が引き上げ方向における位置によって変化しているインゴットができる。このインゴットからシリコンウエハを切り出すことで、上記のシリコンウエハを製造することができる。このシリコンウエハ中の格子間シリコンの厚み方向における濃度プロファイルは、図5(a)に示すシリコン基板12の濃度プロファイルと略同じとなっている。
Next, a method for manufacturing the PN diode 10b will be described. Also in the manufacturing method of the second embodiment, the PN diode 10b is manufactured from a silicon wafer made of n-type silicon. As in the first embodiment, this silicon wafer has an n-type diffusion layer 18 formed on the surface portion on the lower surface 12b side, and the upper surface 12a and the lower surface 12b are polished in a mirror shape.
However, unlike the first embodiment, the silicon wafer has a concentration profile that increases as the concentration of interstitial silicon increases from the lower surface 12b toward the upper surface 12a. This silicon wafer is manufactured by growing a silicon ingot while changing the pulling speed and cutting it out from the ingot. That is, when an ingot is grown at a high pulling speed, a silicon crystal with less interstitial silicon grows. When an ingot is grown at a slow pulling speed, a silicon crystal with a lot of interstitial silicon grows. Therefore, when the ingot is grown while changing the pulling speed, an ingot in which the concentration of interstitial silicon varies depending on the position in the pulling direction can be formed. By cutting out a silicon wafer from the ingot, the silicon wafer can be manufactured. The concentration profile of the interstitial silicon in the silicon wafer in the thickness direction is substantially the same as the concentration profile of the silicon substrate 12 shown in FIG.

PNダイオード10bは、図4に示す第1実施例の製造方法と略同様に製造される。すなわち、ステップS2、S4を実施することによって、シリコンウエハの上面12a側の表面部分にp型拡散層14を形成する。PNダイオード10bの製造工程では、ステップS6、S8は実施しない。したがって、p型拡散層14を形成したら、ステップS10を実施することによってアノード電極20を形成する。   The PN diode 10b is manufactured in substantially the same manner as the manufacturing method of the first embodiment shown in FIG. That is, by performing steps S2 and S4, the p-type diffusion layer 14 is formed on the surface portion on the upper surface 12a side of the silicon wafer. Steps S6 and S8 are not performed in the manufacturing process of the PN diode 10b. Therefore, after the p-type diffusion layer 14 is formed, the anode electrode 20 is formed by performing Step S10.

アノード電極20を形成したら、ステップS12で、シリコンウエハ中にヘリウムイオンを打ち込む。すなわち、シリコンウエハの上面12a側の表面部分で留まるエネルギーでシリコンウエハにヘリウムイオンを打ち込む。これによって、図5(b)に示す分布でシリコンウエハ中に形成欠陥を形成する。上述したように、シリコンウエハの上面12a側の表面部分は、格子間シリコンの濃度が高い。したがって、シリコンウエハ中にC欠陥が形成され難く、形成欠陥の大部分がVV欠陥となる。すなわち、シリコンウエハ中に形成する形成欠陥の量を、正確に制御することができる。 After the anode electrode 20 is formed, helium ions are implanted into the silicon wafer in step S12. That is, helium ions are implanted into the silicon wafer with energy remaining at the surface portion on the upper surface 12a side of the silicon wafer. As a result, formation defects are formed in the silicon wafer with the distribution shown in FIG. As described above, the surface portion of the silicon wafer on the upper surface 12a side has a high concentration of interstitial silicon. Therefore, it is difficult to form C i O i defects in the silicon wafer, and most of the formation defects are VV defects. That is, the amount of formation defects formed in the silicon wafer can be accurately controlled.

ステップS12を実施したら、ステップS14の熱処理により、シリコンウエハ中の不安定な形成欠陥を除去する。次に、ステップS16でカソード電極22を形成し、ステップS18でダイシングを実施する。これによって、複数のPNダイオード10bが製造される。   After step S12 is performed, unstable formation defects in the silicon wafer are removed by the heat treatment in step S14. Next, the cathode electrode 22 is formed in step S16, and dicing is performed in step S18. Thereby, a plurality of PN diodes 10b are manufactured.

以上に説明したように、この製造方法によっても、シリコンウエハ中に形成する形成欠陥の量を正確に制御することができる。したがって、製造するPNダイオード10bの逆電流回復時の特性のばらつきを少なくすることができる。また、ターンオフ時にアバランシェ降伏し難いPNダイオード10bを製造することができる。   As described above, this manufacturing method can also accurately control the amount of formation defects formed in the silicon wafer. Therefore, it is possible to reduce variations in characteristics of the manufactured PN diode 10b during reverse current recovery. Further, it is possible to manufacture the PN diode 10b which is difficult to avalanche breakdown at turn-off.

(第3実施例)
次に、第3実施例のトレンチゲート電極を有するIGBT50aについて説明する。図6は、IGBT50aの概略構成を示している。図示するように、IGBT50aは、シリコン基板51と、エミッタ電極70と、コレクタ電極72と、により構成されている。コレクタ電極72は、シリコン基板51の下面51bに形成されている。エミッタ電極70は、シリコン基板51の上面51aに形成されている。
シリコン基板51は、主にシリコンからなっている。シリコン基板51のコレクタ電極72と接する領域には、p型コレクタ層52が形成されている。p型コレクタ層52は、コレクタ電極72とオーミック接触している。p型コレクタ層52の上面側には、n型ドリフト層54が形成されている。n型ドリフト層54は、n型不純物の濃度が高い第1ドリフト層(バッファ層)54aと、n型不純物の濃度が低い第2ドリフト層54bにより形成されている。第1ドリフト層54aは、p型コレクタ層52の上面側に形成されており、第2ドリフト層54bは、その第1ドリフト層54aの上面側に形成されている。n型ドリフト層54の上面側には、p型ボディ層56が形成されている。p型ボディ層56の上面側には、n型エミッタ領域58とp型ボディコンタクト領域60が形成されている。シリコン基板51の上面51aには複数のトレンチが形成されている。各トレンチは、シリコン基板51の上面51aからn型ドリフト層54の上端に接する深さまで伸びている。各トレンチの壁面(側面、底面)には、SiOの絶縁膜が形成されている。各トレンチ内には、ゲート電極74が形成されている。n型エミッタ領域58は、シリコン基板51の上面51a側の表面部分のうち、各トレンチ(トレンチの絶縁膜)と接する領域にそれぞれ形成されている。n型エミッタ領域58は、エミッタ電極70とオーミック接触している。p型ボディコンタクト領域60は、シリコン基板51の上面51a側の表面部分のうち、n型エミッタ領域58が形成されていない領域に形成されている。p型ボディコンタクト領域60は、p型ボディ層56よりもp型不純物の濃度が高い。p型ボディコンタクト領域60は、エミッタ電極70とオーミック接触している。
(Third embodiment)
Next, an IGBT 50a having a trench gate electrode according to a third embodiment will be described. FIG. 6 shows a schematic configuration of the IGBT 50a. As shown in the figure, the IGBT 50 a is composed of a silicon substrate 51, an emitter electrode 70, and a collector electrode 72. The collector electrode 72 is formed on the lower surface 51 b of the silicon substrate 51. The emitter electrode 70 is formed on the upper surface 51 a of the silicon substrate 51.
The silicon substrate 51 is mainly made of silicon. A p-type collector layer 52 is formed in a region in contact with the collector electrode 72 of the silicon substrate 51. The p-type collector layer 52 is in ohmic contact with the collector electrode 72. An n-type drift layer 54 is formed on the upper surface side of the p-type collector layer 52. The n-type drift layer 54 is formed by a first drift layer (buffer layer) 54a having a high n-type impurity concentration and a second drift layer 54b having a low n-type impurity concentration. The first drift layer 54a is formed on the upper surface side of the p-type collector layer 52, and the second drift layer 54b is formed on the upper surface side of the first drift layer 54a. A p-type body layer 56 is formed on the upper surface side of the n-type drift layer 54. An n-type emitter region 58 and a p-type body contact region 60 are formed on the upper surface side of the p-type body layer 56. A plurality of trenches are formed in the upper surface 51 a of the silicon substrate 51. Each trench extends from the upper surface 51 a of the silicon substrate 51 to a depth in contact with the upper end of the n-type drift layer 54. An insulating film of SiO 2 is formed on the wall surface (side surface, bottom surface) of each trench. A gate electrode 74 is formed in each trench. The n-type emitter region 58 is formed in a region in contact with each trench (insulating film of the trench) in the surface portion on the upper surface 51 a side of the silicon substrate 51. N-type emitter region 58 is in ohmic contact with emitter electrode 70. The p-type body contact region 60 is formed in a region where the n-type emitter region 58 is not formed in the surface portion on the upper surface 51 a side of the silicon substrate 51. The p-type body contact region 60 has a higher p-type impurity concentration than the p-type body layer 56. The p-type body contact region 60 is in ohmic contact with the emitter electrode 70.

シリコン基板51中には、局所的に格子間シリコンの濃度が高くなっている高濃度化フィールド66が形成されている。図7(a)は、シリコン基板51の厚み方向(図6の矢印V2の方向)における格子間シリコンの濃度N5の分布を示している。図7(a)の横軸は、シリコン基板51の厚み方向の位置(深さ)を示しており、原点はシリコン基板51の上面51aの位置、横軸の右端はシリコン基板51の下面51bの位置を示している。また、図7(a)の位置A4はp型コレクタ層52とn型ドリフト層54との界面53の位置、位置A5は第1ドリフト層54aと第2ドリフト層54bとの界面55の位置、位置A6はn型ドリフト層54とp型ボディ層56との界面57の位置を示している。
図示するように、位置A7と位置A8の間の領域の格子間シリコンの濃度は約1014atoms/cmであり、その領域外よりも格子間シリコンの濃度が高くなっている。すなわち、位置A2と位置A3の間の領域が高濃度化フィールド26となっている。高濃度化フィールド26は界面53近傍のn型ドリフト層54内に形成されている。より詳細には、界面55近傍の第1ドリフト層54aから界面55近傍の第2ドリフト層54bにわたって形成されている。
A high concentration field 66 in which the concentration of interstitial silicon is locally increased is formed in the silicon substrate 51. FIG. 7A shows the distribution of the interstitial silicon concentration N5 in the thickness direction of the silicon substrate 51 (the direction of the arrow V2 in FIG. 6). The horizontal axis of FIG. 7A indicates the position (depth) in the thickness direction of the silicon substrate 51, the origin is the position of the upper surface 51a of the silicon substrate 51, and the right end of the horizontal axis is the lower surface 51b of the silicon substrate 51. Indicates the position. 7A, the position A4 is the position of the interface 53 between the p-type collector layer 52 and the n-type drift layer 54, the position A5 is the position of the interface 55 between the first drift layer 54a and the second drift layer 54b, A position A6 indicates the position of the interface 57 between the n-type drift layer 54 and the p-type body layer 56.
As shown in the figure, the concentration of interstitial silicon in the region between the positions A7 and A8 is about 10 14 atoms / cm 3 , and the concentration of interstitial silicon is higher than outside the region. That is, the region between the position A2 and the position A3 is the high concentration field 26. The high concentration field 26 is formed in the n-type drift layer 54 in the vicinity of the interface 53. More specifically, it is formed from the first drift layer 54 a near the interface 55 to the second drift layer 54 b near the interface 55.

シリコン基板51中には、ヘリウムイオンを打ち込むことにより形成された多数の形成欠陥が存在している。図7(b)は、シリコン基板12中の厚み方向(図6の矢印V2の方向)における形成欠陥の濃度N6の分布を示している。図示するように、形成欠陥はシリコン基板51の下面51b側の表面部分に存在している。すなわち、結晶欠陥領域が、シリコン基板51の下面51b側の表面部分に形成されている。また、形成欠陥の大部分が、高濃度化フィールド66内に形成されている。結晶欠陥領域のうち最も結晶欠陥の濃度が高い領域も、高濃度化フィールド66内に形成されている。シリコン基板51中に存在している形成欠陥の大部分は、VV欠陥である。シリコン基板51中に存在する形成欠陥の量は、適切な量に調整されている。   In the silicon substrate 51, there are a number of formation defects formed by implanting helium ions. FIG. 7B shows the distribution of the formation defect concentration N6 in the thickness direction in the silicon substrate 12 (the direction of the arrow V2 in FIG. 6). As shown in the drawing, the formation defect exists in the surface portion of the silicon substrate 51 on the lower surface 51b side. That is, the crystal defect region is formed in the surface portion of the silicon substrate 51 on the lower surface 51b side. Most of the formation defects are formed in the high concentration field 66. Of the crystal defect regions, the region having the highest crystal defect concentration is also formed in the high concentration field 66. Most of the formation defects existing in the silicon substrate 51 are VV defects. The amount of formation defects present in the silicon substrate 51 is adjusted to an appropriate amount.

一般に、シリコン基板51中に存在している形成欠陥の量は、IGBTの特性に影響を与える。図8は、IGBT50aと同じ構造であり、形成欠陥の量が異なる2つのIGBTのターンオフ時の特性(電流I1の時間tに対する変化)を示している。より詳細には、エミッタ−コレクタ間に順方向に電圧を印加しておき、時刻t1においてゲート電圧をONからOFFに切り替えたときの、エミッタ−コレクタ間を流れる電流I1の時間tに対する変化パターンを示している。図8のグラフC4は、存在している形成欠陥の量が多いIGBTの特性を示しており、グラフC5は存在している形成欠陥の量が少ないIGBTの特性を示している。上述したように、形成欠陥はキャリアの再結合中心として作用する。したがって、形成欠陥の量が多いと、IGBTのターンオフ時にシリコン基板51中に残っているキャリアが再結合により消滅しやすい。すなわち、形成欠陥の量が多いと、グラフC4に示すように、IGBTのターンオフ時間(電流が0になるまでの時間)が短くなる。しかしながら、形成欠陥の量が多すぎると、ON抵抗が高くなり、ON時の損失が増えるという問題がある。一方、形成欠陥の量が少ないと、ターンオフ時間が長くなってしまう。したがって、シリコン基板51中に存在する形成欠陥の量は、適切な量に調節されていることが好ましい。   In general, the amount of formation defects existing in the silicon substrate 51 affects the characteristics of the IGBT. FIG. 8 shows the characteristics (change of current I1 with respect to time t) at the time of turn-off of two IGBTs having the same structure as the IGBT 50a and different amounts of formation defects. More specifically, a change pattern with respect to time t of the current I1 flowing between the emitter and the collector when a voltage is applied in the forward direction between the emitter and the collector and the gate voltage is switched from ON to OFF at time t1. Show. A graph C4 in FIG. 8 shows the characteristics of an IGBT having a large amount of formed defects, and a graph C5 shows a characteristic of an IGBT having a small amount of formed defects. As described above, the formation defect acts as a carrier recombination center. Therefore, if the amount of formation defects is large, carriers remaining in the silicon substrate 51 at the time of IGBT turn-off are likely to disappear due to recombination. That is, when the amount of formation defects is large, as shown in the graph C4, the IGBT turn-off time (time until the current becomes zero) is shortened. However, when the amount of formation defects is too large, there is a problem that the ON resistance increases and the loss at the time of ON increases. On the other hand, when the amount of formation defects is small, the turn-off time becomes long. Therefore, the amount of formation defects present in the silicon substrate 51 is preferably adjusted to an appropriate amount.

本実施例のIGBT50aでは、製造時に、下面51b側の表面部分に形成する形成欠陥の量が適切な量に調節されている。したがって、ターンオフ時の特性が適切な特性となっている。   In the IGBT 50a of the present embodiment, the amount of formation defects formed on the surface portion on the lower surface 51b side is adjusted to an appropriate amount during manufacture. Therefore, the characteristics at turn-off are appropriate characteristics.

また、上述したように、C欠陥は、ホールをトラップする性質を有する。IGBTのn型ドリフト層54中にC欠陥が形成されていると、n型ドリフト層54中のホールの濃度が高くなる。すると、IGBTがターンオフするときに、空乏層がn型ドリフト層54とp型ボディ層56の界面からn型ドリフト層54中に広がることが、n型ドリフト層54中のホールにより抑制される。したがって、n型ドリフト層54とp型ボディ層56の界面に高い電界が発生し、アバランシェ降伏しやすい。
本実施例のIGBT50aでは、高濃度化フィールド66内の形成欠陥は大部分がVV欠陥であり、C欠陥が非常に少ない。したがって、IGBT50aは、アバランシェ降伏し難い。
Further, as described above, the C i O i defect has a property of trapping holes. If C i O i defects are formed in the n-type drift layer 54 of the IGBT, the concentration of holes in the n-type drift layer 54 increases. Then, when the IGBT is turned off, spreading of the depletion layer from the interface between the n-type drift layer 54 and the p-type body layer 56 into the n-type drift layer 54 is suppressed by holes in the n-type drift layer 54. Therefore, a high electric field is generated at the interface between the n-type drift layer 54 and the p-type body layer 56, and the avalanche breakdown is likely to occur.
In the IGBT 50a of the present embodiment, most of the formation defects in the high concentration field 66 are VV defects, and there are very few C i O i defects. Therefore, the IGBT 50a is unlikely to yield an avalanche.

図9は、IGBT50aを製造するときのフローチャートを示している。IGBT50aは、n型シリコンからなるシリコンウエハから製造される。シリコンウエハの上面51aおよび下面51bは鏡面状に研磨されており、これによってシリコンウエハの厚さはシリコン基板51と略同じ厚さとされている。また、シリコンウエハ中には、炭素及び酸素が存在している。シリコンウエハ中の炭素及び酸素の濃度は、シリコンウエハにより大きく異なる。   FIG. 9 shows a flowchart for manufacturing the IGBT 50a. The IGBT 50a is manufactured from a silicon wafer made of n-type silicon. The upper surface 51 a and the lower surface 51 b of the silicon wafer are polished in a mirror shape so that the thickness of the silicon wafer is substantially the same as that of the silicon substrate 51. Carbon and oxygen are present in the silicon wafer. The concentrations of carbon and oxygen in the silicon wafer vary greatly depending on the silicon wafer.

ステップS22では、シリコンウエハの上面51a側の各半導体領域(p型ボディ層56、n型エミッタ領域58、p型ボディコンタクト領域60)を形成するために、シリコンウエハの上面51aからリン及びボロンのドーパント不純物を注入する。このドーパント不純物注入工程は、シリコンウエハ上にレジストマスク等を形成することによって、注入する領域を選択して行う。また、注入深さを調整し、各領域に対応する深さにドーパント不純物を注入する。これにより、p型ボディ層56、n型エミッタ領域58、p型ボディコンタクト領域60のそれぞれに対応する領域にドーパント不純物を注入する。   In step S22, in order to form each semiconductor region (p-type body layer 56, n-type emitter region 58, p-type body contact region 60) on the upper surface 51a side of the silicon wafer, phosphorous and boron ions are formed from the upper surface 51a of the silicon wafer. Implant dopant impurities. This dopant impurity implantation step is performed by selecting a region to be implanted by forming a resist mask or the like on the silicon wafer. Also, the implantation depth is adjusted, and dopant impurities are implanted to a depth corresponding to each region. Thereby, dopant impurities are implanted into regions corresponding to the p-type body layer 56, the n-type emitter region 58, and the p-type body contact region 60, respectively.

ステップS24では、シリコンウエハを熱処理し、ステップS22で注入したリン及びボロンを拡散、活性化させる。これによって、図6に示すように、シリコンウエハにp型ボディ層56、n型エミッタ領域58、p型ボディコンタクト領域60が形成される。   In step S24, the silicon wafer is heat-treated, and phosphorus and boron implanted in step S22 are diffused and activated. As a result, as shown in FIG. 6, the p-type body layer 56, the n-type emitter region 58, and the p-type body contact region 60 are formed on the silicon wafer.

ステップS26では、シリコンウエハの上面51aにトレンチを形成する。そして、トレンチの壁面に絶縁膜を形成し、トレンチ内にゲート電極74を形成する。トレンチ、絶縁膜及びゲート電極74は、公知の技術を用いて形成することができるが、ここではその詳細についての説明を省略する。   In step S26, a trench is formed in the upper surface 51a of the silicon wafer. Then, an insulating film is formed on the wall surface of the trench, and a gate electrode 74 is formed in the trench. The trench, the insulating film, and the gate electrode 74 can be formed using a known technique, but a detailed description thereof is omitted here.

ステップS28では、蒸着により、シリコンウエハの上面51aにエミッタ電極70を形成する。   In step S28, the emitter electrode 70 is formed on the upper surface 51a of the silicon wafer by vapor deposition.

ステップS30では、シリコンウエハの下面51b側から、注入深さを調整してリンを注入する。これによって、第1ドリフト層54aに対応する領域に、リンが注入される。
ステップS32では、シリコンウエハの下面51b側から、注入深さを調整してボロンを注入する。これによって、p型コレクタ層52に対応する領域に、ボロンが注入される。
In step S30, phosphorus is implanted by adjusting the implantation depth from the lower surface 51b side of the silicon wafer. As a result, phosphorus is implanted into a region corresponding to the first drift layer 54a.
In step S32, boron is implanted by adjusting the implantation depth from the lower surface 51b side of the silicon wafer. As a result, boron is implanted into a region corresponding to the p-type collector layer 52.

ステップS34では、シリコンウエハに下面51b側からシリコンイオンを打ち込む。このとき、打ち込むシリコンイオンが高濃度化フィールド66に対応する範囲に留まるエネルギーでシリコンイオンを打ち込む。これによって、その範囲のシリコンの濃度が上昇し、その範囲に多数の格子間シリコンが生成される。   In step S34, silicon ions are implanted into the silicon wafer from the lower surface 51b side. At this time, silicon ions are implanted with an energy that allows the implanted silicon ions to remain in a range corresponding to the high concentration field 66. As a result, the concentration of silicon in the range increases, and a large number of interstitial silicons are generated in the range.

ステップS36では、レーザアニール装置により、シリコンウエハの下面51b側の表面部分を局所的に加熱する。これによって、ステップS30、S32で注入したリン及びボロンが拡散、活性化する。すなわち、図6に示すように、シリコンウエハにp型コレクタ層52、第1ドリフト層54aが形成される。また、第1ドリフト層54aとp型ボディ層56の間の領域が、第2ドリフト層54bとなる。
また、ステップS36の熱処理を実施すると、ステップS34で生成された格子間シリコンが拡散し、格子間シリコンのクラスタが分散して存在する状態となる。これによって、格子間シリコンがより安定した状態となる。格子間シリコンが拡散した範囲は、高濃度化フィールド66となる。図6に示すように、高濃度化フィールド66は、界面55近傍のn型ドリフト層54に形成される。
In step S36, the surface portion on the lower surface 51b side of the silicon wafer is locally heated by the laser annealing apparatus. Thereby, phosphorus and boron implanted in steps S30 and S32 are diffused and activated. That is, as shown in FIG. 6, the p-type collector layer 52 and the first drift layer 54a are formed on the silicon wafer. A region between the first drift layer 54a and the p-type body layer 56 becomes the second drift layer 54b.
In addition, when the heat treatment in step S36 is performed, the interstitial silicon generated in step S34 diffuses, and the interstitial silicon clusters are dispersed and exist. This makes the interstitial silicon more stable. The region in which the interstitial silicon is diffused becomes a high concentration field 66. As shown in FIG. 6, the high concentration field 66 is formed in the n-type drift layer 54 in the vicinity of the interface 55.

ステップS38では、下面51b側からシリコンウエハにヘリウムイオンを打ち込むことにより、シリコンウエハ中に結晶欠陥を形成する。このとき、ヘリウムイオンを打ち込むエネルギーを調整することにより、高濃度化フィールド66内に多くの形成欠陥を形成する。これによって、図7(b)に示す分布で、シリコンウエハ中に形成欠陥が形成される。上述したように、高濃度化フィールド66は格子間シリコンの濃度が高いので、C欠陥をあまり形成することなく、VV欠陥を形成することができる。 In step S38, crystal defects are formed in the silicon wafer by implanting helium ions into the silicon wafer from the lower surface 51b side. At this time, many formation defects are formed in the high concentration field 66 by adjusting the energy for implanting helium ions. As a result, formation defects are formed in the silicon wafer with the distribution shown in FIG. As described above, since the concentration field 66 has a high concentration of interstitial silicon, VV defects can be formed without forming too many C i O i defects.

ステップS40では、シリコンウエハを熱処理する。具体的には、シリコンウエハを400℃の温度に約1時間保持する。この条件でシリコンウエハを熱処理すると、シリコンウエハ中に存在しているエネルギー状態が不安定な形成欠陥が消滅し、エネルギー状態が安定しているVV欠陥がシリコンウエハ中に残る。すなわち、シリコンウエハ中の形成欠陥の大部分がVV欠陥となる。   In step S40, the silicon wafer is heat treated. Specifically, the silicon wafer is held at a temperature of 400 ° C. for about 1 hour. When the silicon wafer is heat-treated under these conditions, the formation defects with unstable energy states existing in the silicon wafer disappear, and VV defects with stable energy states remain in the silicon wafer. That is, most of the formation defects in the silicon wafer are VV defects.

ステップS42では、蒸着により、シリコンウエハの下面51bにコレクタ電極72を形成する。   In step S42, the collector electrode 72 is formed on the lower surface 51b of the silicon wafer by vapor deposition.

ステップS44では、シリコンウエハをダイシングする。これにより複数のIGBT50aが製造される。   In step S44, the silicon wafer is diced. Thereby, a plurality of IGBTs 50a are manufactured.

以上に説明したように、第3実施例の製造方法によると、シリコン結晶中にC欠陥が形成されることを抑制しながら、VV欠陥を形成することができる。したがって、製造するIGBT50aの特性を正確に制御することができる。また、アバランシェ降伏し難いIGBT50aを製造することができる。 As described above, according to the manufacturing method of the third embodiment, VV defects can be formed while suppressing the formation of C i O i defects in the silicon crystal. Therefore, the characteristics of the IGBT 50a to be manufactured can be accurately controlled. In addition, the IGBT 50a which is difficult to avalanche yield can be manufactured.

(第4実施例)
次に、第4実施例のIGBT50b及びその製造方法について説明する。なお、IGBT50bの各部の説明においては、第3実施例のIGBT50aと同様の構成を有するものについては、同じ参照番号を用いて説明する。
(Fourth embodiment)
Next, the IGBT 50b of the fourth embodiment and the manufacturing method thereof will be described. In the description of each part of the IGBT 50b, those having the same configuration as the IGBT 50a of the third embodiment will be described using the same reference numerals.

第4実施例のIGBT50bは、第3実施例のIGBT50aと略同じ構成である。但し、シリコン基板51中の格子間シリコンの濃度分布がIGBT50aとは異なる。図10(a)は、第4実施例のIGBT50bのシリコン基板51中の厚み方向における格子間シリコンの濃度N7の分布を示している。図示するように、上面51a側の表面部分では、格子間シリコンの濃度が約1×1013atoms/cmとなっている。格子間シリコンの濃度は、上面51aから下面51bに向かうにつれて増加しており、下面51b側の表面部分では、格子間シリコンの濃度が約1×1014atoms/cmとなっている。 The IGBT 50b of the fourth embodiment has substantially the same configuration as the IGBT 50a of the third embodiment. However, the concentration distribution of interstitial silicon in the silicon substrate 51 is different from that of the IGBT 50a. FIG. 10A shows the distribution of the interstitial silicon concentration N7 in the thickness direction in the silicon substrate 51 of the IGBT 50b of the fourth embodiment. As shown in the drawing, the interstitial silicon concentration is about 1 × 10 13 atoms / cm 3 in the surface portion on the upper surface 51a side. The concentration of interstitial silicon increases from the upper surface 51a toward the lower surface 51b, and the concentration of interstitial silicon is about 1 × 10 14 atoms / cm 3 at the surface portion on the lower surface 51b side.

図10(b)は、シリコン基板12中の厚み方向における形成欠陥の濃度N8の分布を示している。図示するように、第4実施例のIGBT50bのシリコン基板51中にも、第3実施例のIGBT50aと略同様の分布で形成欠陥が存在している。すなわち、結晶欠陥領域が、シリコン基板51の下面51b側の表面部分に形成されている。また、結晶欠陥の大部分が、界面53近傍のn型ドリフト層54に形成されている。結晶欠陥領域のうち最も結晶欠陥の濃度が高い領域は、第1ドリフト層54aに形成されている。IGBT50bに形成されている形成欠陥は、大部分がVV欠陥であり、C欠陥は非常に少ない。シリコン基板51中に存在する形成欠陥の量は、適切な量に調整されている。 FIG. 10B shows the distribution of the formation defect concentration N8 in the thickness direction in the silicon substrate 12. FIG. As shown in the figure, formation defects are present in the silicon substrate 51 of the IGBT 50b of the fourth embodiment with a distribution substantially similar to that of the IGBT 50a of the third embodiment. That is, the crystal defect region is formed in the surface portion of the silicon substrate 51 on the lower surface 51b side. Most of the crystal defects are formed in the n-type drift layer 54 near the interface 53. The region having the highest concentration of crystal defects among the crystal defect regions is formed in the first drift layer 54a. Most of the formation defects formed in the IGBT 50b are VV defects, and there are very few C i O i defects. The amount of formation defects present in the silicon substrate 51 is adjusted to an appropriate amount.

以上に説明したように、第4実施例のIGBT50bは、第3実施例のIGBT50aと略同じ特徴を有している。すなわち、格子間シリコンの濃度が高い範囲に形成欠陥が形成されており、形成欠陥の量は適切に調整されている。したがって、IGBT50bは、逆電流回復時の特性が適切な特性となっており、また、アバランシェ降伏し難い。   As described above, the IGBT 50b of the fourth embodiment has substantially the same characteristics as the IGBT 50a of the third embodiment. That is, formation defects are formed in a range where the concentration of interstitial silicon is high, and the amount of formation defects is appropriately adjusted. Therefore, the IGBT 50b has an appropriate characteristic at the time of reverse current recovery, and it is difficult for the avalanche to breakdown.

次に、IGBT50bの製造方法について説明する。第4実施例の製造方法でも、n型シリコンからなるシリコンウエハからPNダイオード10bを製造する。このシリコンウエハは、第3実施例と同様に、上面51aおよび下面51bが鏡面状に研磨されている。
但し、第3実施例とは異なり、このシリコンウエハには、格子間シリコンの濃度が上面51aから下面51bに向かうにつれて増加する濃度プロファイルが形成されている。このシリコンウエハ中の格子間シリコンの厚み方向における濃度プロファイルは、図10(a)に示すシリコン基板51の濃度プロファイルと略同じとなっている。
Next, the manufacturing method of IGBT50b is demonstrated. Also in the manufacturing method of the fourth embodiment, the PN diode 10b is manufactured from a silicon wafer made of n-type silicon. As in the third embodiment, the upper surface 51a and the lower surface 51b of this silicon wafer are polished in a mirror shape.
However, unlike the third embodiment, the silicon wafer has a concentration profile that increases as the concentration of interstitial silicon increases from the upper surface 51a toward the lower surface 51b. The concentration profile of the interstitial silicon in the silicon wafer in the thickness direction is substantially the same as the concentration profile of the silicon substrate 51 shown in FIG.

IGBT50bは、図9に示す第3実施例の製造方法と略同様に製造される。すなわち、ステップS22、S24を実施することによって、p型ボディ層56、n型エミッタ領域58、p型ボディコンタクト領域60を形成する。次に、トレンチ、絶縁膜、ゲート電極74を形成し(ステップS26)、エミッタ電極70を形成する(ステップS28)。エミッタ電極70を形成したら、第1ドリフト層54aに対応する領域にリンを注入する(ステップS30)。リンを注入したら、p型コレクタ層52に対応する領域にボロンを注入する(ステップS32)。第4実施例の製造方法では、ステップ34は実施しない。したがって、次に、ステップS36を実施する。ステップS36では、シリコンウエハの下面51b側の表面部分が熱処理されることにより、ステップS30、S32で注入されたリンおよびボロンが拡散、活性化する。これによって、p型コレクタ層52、第1ドリフト層54aおよび第2ドリフト層54bが形成される。   The IGBT 50b is manufactured in substantially the same manner as the manufacturing method of the third embodiment shown in FIG. That is, the p-type body layer 56, the n-type emitter region 58, and the p-type body contact region 60 are formed by performing steps S22 and S24. Next, a trench, an insulating film, and a gate electrode 74 are formed (step S26), and an emitter electrode 70 is formed (step S28). After the emitter electrode 70 is formed, phosphorus is implanted into a region corresponding to the first drift layer 54a (step S30). When phosphorus is implanted, boron is implanted into a region corresponding to the p-type collector layer 52 (step S32). In the manufacturing method of the fourth embodiment, step 34 is not performed. Therefore, next, step S36 is implemented. In step S36, the surface portion on the lower surface 51b side of the silicon wafer is heat-treated, so that phosphorus and boron implanted in steps S30 and S32 are diffused and activated. As a result, the p-type collector layer 52, the first drift layer 54a, and the second drift layer 54b are formed.

ステップS38では、シリコンウエハ中にヘリウムイオンを打ち込む。すなわち、シリコンウエハの下面51b側から、その表面部分で留まるエネルギーでシリコンウエハにヘリウムイオンを打ち込む。これによって、図10(b)に示す分布でシリコンウエハ中に形成欠陥を形成する。上述したように、シリコンウエハの下面51b側の表面部分は、格子間シリコンの濃度が高い。したがって、C欠陥をあまり形成することなく、VV欠陥を形成することができる。シリコンウエハ中に形成する形成欠陥の量は、適切な量に調節される。ステップS38を実施したら、ステップS40の熱処理により、シリコンウエハ中の不安定な形成欠陥を除去する。次に、ステップS42でコレクタ電極72を形成し、ステップS44でダイシングを実施する。これによって、複数のPNダイオード10bが製造される。 In step S38, helium ions are implanted into the silicon wafer. That is, helium ions are implanted into the silicon wafer from the lower surface 51b side of the silicon wafer with energy remaining at the surface portion. Thereby, formation defects are formed in the silicon wafer with the distribution shown in FIG. As described above, the surface portion of the silicon wafer on the lower surface 51b side has a high concentration of interstitial silicon. Therefore, VV defects can be formed without forming too many C i O i defects. The amount of formation defects formed in the silicon wafer is adjusted to an appropriate amount. After step S38 is performed, unstable formation defects in the silicon wafer are removed by the heat treatment in step S40. Next, the collector electrode 72 is formed in step S42, and dicing is performed in step S44. Thereby, a plurality of PN diodes 10b are manufactured.

以上に説明したように、第4実施例の製造方法によっても、シリコン結晶中にC欠陥が形成されることを抑制しながら、VV欠陥を形成することができる。したがって、製造するIGBT50bの特性を正確に制御することができる。また、アバランシェ降伏し難いIGBT50bを製造することができる。 As described above, the VV defect can be formed while suppressing the formation of C i O i defects in the silicon crystal also by the manufacturing method of the fourth embodiment. Accordingly, the characteristics of the manufactured IGBT 50b can be accurately controlled. In addition, an IGBT 50b that does not easily yield an avalanche can be manufactured.

なお、第1〜第4実施例では、PNダイオード及びIGBTの製造方法について説明したが、本発明の製造方法によって他の半導体装置を製造することもできる。例えば、NPN型またはPNP型のバイポーラトランジスタ、サイリスタ等、種々のバイポーラ動作する半導体装置を製造することができる。   In the first to fourth embodiments, the manufacturing method of the PN diode and the IGBT has been described. However, other semiconductor devices can be manufactured by the manufacturing method of the present invention. For example, various kinds of semiconductor devices such as NPN type or PNP type bipolar transistors and thyristors can be manufactured.

また、上述した第1〜第4実施例の製造方法では、ヘリウムイオンを打ち込むことによって形成欠陥を形成したが、他の荷電粒子を打ち込むことによって形成欠陥を形成してもよい。例えば、電子、プロトン等、種々の荷電粒子を打ち込むことによっても形成欠陥を形成することができる。   In the manufacturing methods of the first to fourth embodiments described above, the formation defect is formed by implanting helium ions. However, the formation defect may be formed by implanting other charged particles. For example, formation defects can also be formed by implanting various charged particles such as electrons and protons.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology illustrated in the present specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.

PNダイオード10aの概略構成を示す図。The figure which shows schematic structure of the PN diode 10a. PNダイオード10aのシリコン基板12中の格子間シリコンの濃度分布及び形成欠陥の濃度分布を示す図。The figure which shows the density distribution of the interstitial silicon in the silicon substrate 12 of the PN diode 10a, and the density distribution of the formation defect. PNダイオードのターンオフ特性を示す図。The figure which shows the turn-off characteristic of a PN diode. PNダイオード10aの製造方法を示すフローチャート。The flowchart which shows the manufacturing method of PN diode 10a. PNダイオード10bのシリコン基板12中の格子間シリコンの濃度分布及び形成欠陥の濃度分布を示す図。The figure which shows the density distribution of the interstitial silicon in the silicon substrate 12 of the PN diode 10b, and the density distribution of the formation defect. IGBT50aの概略構成を示す図。The figure which shows schematic structure of IGBT50a. IGBT50aのシリコン基板51中の格子間シリコンの濃度分布及び形成欠陥の濃度分布を示す図。The figure which shows the density distribution of the interstitial silicon in the silicon substrate 51 of IGBT50a, and the density distribution of a formation defect. IGBTのターンオフ特性を示す図。The figure which shows the turn-off characteristic of IGBT. IGBT50aの製造方法を示すフローチャート。The flowchart which shows the manufacturing method of IGBT50a. IGBT50bのシリコン基板12中の格子間シリコンの濃度分布及び形成欠陥の濃度分布を示す図。The figure which shows the density distribution of the interstitial silicon in the silicon substrate 12 of IGBT50b, and the density distribution of a formation defect.

符号の説明Explanation of symbols

10a:PNダイオード
10b:PNダイオード
12:シリコン基板
12a:上面
12b:下面
14:p型拡散層
16:n型ドリフト層
18:n型拡散層
20:アノード電極
22:カソード電極
26:高濃度化フィールド
30:pn接合界面
50a:IGBT
50b:IGBT
51:シリコン基板
51a:上面
51b:下面
52:p型コレクタ層
54:n型ドリフト層
54a:第1ドリフト層
54b:第2ドリフト層
56:p型ボディ層
58:n型エミッタ領域
60:p型ボディコンタクト領域
66:高濃度化フィールド
70:エミッタ電極
72:コレクタ電極
74:ゲート電極
10a: PN diode 10b: PN diode 12: silicon substrate 12a: upper surface 12b: lower surface 14: p-type diffusion layer 16: n-type drift layer 18: n-type diffusion layer 20: anode electrode 22: cathode electrode 26: high concentration field 30: pn junction interface 50a: IGBT
50b: IGBT
51: silicon substrate 51a: upper surface 51b: lower surface 52: p-type collector layer 54: n-type drift layer 54a: first drift layer 54b: second drift layer 56: p-type body layer 58: n-type emitter region 60: p-type Body contact region 66: High concentration field 70: Emitter electrode 72: Collector electrode 74: Gate electrode

Claims (6)

所定範囲に結晶欠陥を形成した結晶欠陥領域を備えている半導体装置を製造する方法であって、
シリコン基板の表面から前記所定範囲に打ち込まれるエネルギーでシリコンイオンを打ち込むことによって前記所定範囲に格子間シリコンを生成させる格子間シリコン生成工程と、
シリコン基板の表面から前記所定範囲に打ち込まれるエネルギーで荷電粒子を打ち込むことによって前記所定範囲に結晶欠陥を形成する結晶欠陥形成工程
を備えている半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device having a crystal defect region in which crystal defects are formed in a predetermined range,
An interstitial silicon generation step of generating interstitial silicon in the predetermined range by implanting silicon ions with energy to be injected into the predetermined range from the surface of the silicon substrate;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: a crystal defect forming step of forming a crystal defect in the predetermined range by implanting charged particles with energy that is injected into the predetermined range from a surface of a silicon substrate.
インゴット製造時に引き上げ速度を変化させながら結晶成長させることによって、格子間シリコンの濃度が一方の表面から他方の表面に向かうにつれて増加する濃度プロファイルが形成されたシリコン基板を使用して、結晶欠陥を形成した結晶欠陥領域を備えている半導体装置を製造する方法であって、
前記シリコン基板の格子間シリコンの濃度が高い方の表面からその表面部分に留まるエネルギーで荷電粒子を打ち込むことによってその表面部分に結晶欠陥を形成する結晶欠陥形成工程を備えている半導体装置の製造方法。
Form crystal defects by using a silicon substrate with a concentration profile that increases as the concentration of interstitial silicon increases from one surface to the other by growing the crystal while changing the pulling speed during ingot production A method of manufacturing a semiconductor device having a crystal defect region,
A method of manufacturing a semiconductor device comprising a crystal defect forming step of forming a crystal defect in a surface portion by implanting charged particles with energy remaining in the surface portion from a surface having a higher interstitial silicon concentration of the silicon substrate .
所定範囲に結晶欠陥を形成した結晶欠陥領域を備えているPNダイオードを製造する方法であって、
シリコン基板にドーパント不純物を導入して、前記所定範囲内にpn接合を形成するpn接合形成工程と、
シリコン基板の表面から前記所定範囲に打ち込まれるエネルギーでシリコンイオンを打ち込むことによって前記所定範囲に格子間シリコンを生成させる格子間シリコン生成工程と、
格子間シリコン生成工程を実施したシリコン基板の表面から前記所定範囲に打ち込まれるエネルギーで荷電粒子を打ち込むことによって前記所定範囲に結晶欠陥を形成する結晶欠陥形成工程
を備えているPNダイオードの製造方法。
A method of manufacturing a PN diode having a crystal defect region in which crystal defects are formed in a predetermined range,
A pn junction forming step of introducing a dopant impurity into the silicon substrate to form a pn junction within the predetermined range;
An interstitial silicon generation step of generating interstitial silicon in the predetermined range by implanting silicon ions with energy to be injected into the predetermined range from the surface of the silicon substrate;
A method of manufacturing a PN diode, comprising: a crystal defect forming step of forming a crystal defect in the predetermined range by implanting charged particles with energy that is implanted into the predetermined range from the surface of the silicon substrate on which the interstitial silicon generation step has been performed.
インゴット製造時に引き上げ速度を変化させながら結晶成長させることによって、格子間シリコンの濃度が一方の表面から他方の表面に向かうにつれて増加する濃度プロファイルが形成されたシリコン基板を使用して、結晶欠陥を形成した結晶欠陥領域を備えているPNダイオードを製造する方法であって、
前記シリコン基板にドーパント不純物を導入して、前記シリコン基板の格子間シリコンの濃度が高い方の表面部分にpn接合を形成するpn接合導入工程と、
前記シリコン基板の格子間シリコンの濃度が高い方の表面からその表面部分に留まるエネルギーで荷電粒子を打ち込むことによってその表面部分に結晶欠陥を形成する結晶欠陥形成工程を備えているPNダイオードの製造方法。
Form crystal defects by using a silicon substrate with a concentration profile that increases as the concentration of interstitial silicon increases from one surface to the other by growing the crystal while changing the pulling speed during ingot production A method of manufacturing a PN diode having a crystal defect region, comprising:
A pn junction introducing step of introducing a dopant impurity into the silicon substrate to form a pn junction in the surface portion of the silicon substrate having a higher interstitial silicon concentration;
A method of manufacturing a PN diode comprising a crystal defect forming step of forming a crystal defect in a surface portion by implanting charged particles with energy remaining in the surface portion from a surface having a higher interstitial silicon concentration of the silicon substrate .
所定範囲に結晶欠陥を形成した結晶欠陥領域を備えているIGBTを製造する方法であって、
シリコン基板の上面側からドーパント不純物を導入してボディ領域とエミッタ領域を形成する上面側導入工程と、
前記シリコン基板の下面側からドーパント不純物を導入してコレクタ領域を形成することによって、下面側の表面部分にコレクタ領域とドリフト領域の界面を形成する下面側導入工程と、
シリコン基板の表面から前記所定範囲に打ち込まれるエネルギーでシリコンイオンを打ち込むことによって前記所定範囲に格子間シリコンを生成させる格子間シリコン生成工程と、
格子間シリコン生成工程を実施したシリコン基板の表面から前記所定範囲に打ち込まれるエネルギーで荷電粒子を打ち込むことによって前記所定範囲に結晶欠陥を形成する結晶欠陥形成工程
を備えているIGBTの製造方法。
A method of manufacturing an IGBT having a crystal defect region in which crystal defects are formed in a predetermined range,
An upper surface side introducing step of introducing a dopant impurity from the upper surface side of the silicon substrate to form a body region and an emitter region;
A lower surface side introducing step of forming an interface between the collector region and the drift region in the surface portion on the lower surface side by introducing a dopant impurity from the lower surface side of the silicon substrate to form a collector region;
An interstitial silicon generation step of generating interstitial silicon in the predetermined range by implanting silicon ions with energy to be injected into the predetermined range from the surface of the silicon substrate;
A method of manufacturing an IGBT, comprising: a crystal defect forming step of forming a crystal defect in the predetermined range by implanting charged particles with energy that is implanted into the predetermined range from a surface of a silicon substrate on which an interstitial silicon generation step is performed.
インゴット製造時に引き上げ速度を変化させながら結晶成長させることによって、格子間シリコンの濃度が上面から下面に向かうにつれて増加する濃度プロファイルが形成されたシリコン基板を使用して、結晶欠陥を形成した結晶欠陥領域を備えているIGBTを製造する方法であって、
前記シリコン基板の上面側からドーパント不純物を導入してボディ領域とエミッタ領域を形成する上面側導入工程と、
前記シリコン基板の下面側からドーパント不純物を導入してコレクタ領域を形成することによって、下面側の表面部分にコレクタ領域とドリフト領域の界面を形成する下面側導入工程と、
前記シリコン基板の下面側からその表面部分に留まるエネルギーで荷電粒子を打ち込むことによってその表面部分に結晶欠陥を形成する結晶欠陥形成工程を備えているIGBTの製造方法。
A crystal defect region in which a crystal defect is formed by using a silicon substrate on which a concentration profile in which the concentration of interstitial silicon increases from the upper surface to the lower surface is formed by crystal growth while changing the pulling speed during ingot production. A method of manufacturing an IGBT comprising:
An upper surface side introducing step of introducing a dopant impurity from the upper surface side of the silicon substrate to form a body region and an emitter region;
A lower surface side introducing step of forming an interface between the collector region and the drift region in the surface portion on the lower surface side by introducing a dopant impurity from the lower surface side of the silicon substrate to form a collector region;
An IGBT manufacturing method comprising a crystal defect forming step of forming a crystal defect in a surface portion by implanting charged particles with energy remaining on the surface portion from a lower surface side of the silicon substrate.
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