JP7375340B2 - semiconductor equipment - Google Patents

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Description

本発明は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)の構造に関する。 The present invention relates to the structure of an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).

Siで構成されたIGBTは、大電力での高速スイッチング動作が可能である素子として広く用いられている。通常のIGBTは、nチャンネルのMOSFETとpnp型のバイポーラトランジスタが直列に接続されたような構成を具備し、その具体的構造は、例えば特許文献1に記載されている。 IGBTs made of Si are widely used as elements capable of high-speed switching operations with high power. A typical IGBT has a configuration in which an n-channel MOSFET and a pnp-type bipolar transistor are connected in series, and its specific structure is described in, for example, Patent Document 1.

この基本的構造においては、ウェハ(半導体基板)の表面側にエミッタ電極、ゲート電極が設けられ、裏面側にコレクタ層となるp+層、これに接続されたコレクタ電極が設けられる。この場合、MOSFETがオンの場合には、コレクタ層の上側に形成された厚いn層(ドリフト層)を電流が流れる。オフ時の耐圧を確保するためには、オフ時に空乏化するドリフト層を厚く形成することが好ましく、オン時の抵抗を低くするためには、ドリフト層を薄くすることが好ましい。 In this basic structure, an emitter electrode and a gate electrode are provided on the front side of a wafer (semiconductor substrate), and a p+ layer serving as a collector layer and a collector electrode connected to this are provided on the back side. In this case, when the MOSFET is on, current flows through the thick n-layer (drift layer) formed above the collector layer. In order to ensure the withstand voltage when off, it is preferable to form a thick drift layer that is depleted when off, and to lower the resistance when on, it is preferable to make the drift layer thin.

特許文献1に記載のIGBTにおいては、ドリフト層とコレクタ層の間に、ドリフト層よりも高濃度のn層(フィールドストップ層:FS層)を設けることによって、ドリフト層を薄くした場合でも空乏層がコレクタ層に達しにくくすると共に、オン時にドリフト層に注入される正孔の量を制限することによって、良好なスイッチング特性(ターンオフ特性)を得ることができる。 In the IGBT described in Patent Document 1, by providing an n layer (field stop layer: FS layer) with a higher concentration than the drift layer between the drift layer and the collector layer, even when the drift layer is thinned, the depletion layer Good switching characteristics (turn-off characteristics) can be obtained by making it difficult for holes to reach the collector layer and by limiting the amount of holes injected into the drift layer when turned on.

FS層は、例えば半導体基板の裏面側(コレクタ側)からイオン注入することによって形成することができ、イオン注入におけるイオン種やそのエネルギーによってその位置(深さ)が調整され、その際のドーズ量によってFS層におけるドナー濃度が調整される。特許文献1には、この際のイオン種としてプロトン(水素イオン)が用いられることが記載されている。ここでは、水素イオン自身ではなく、プロトン注入によってシリコン中に生成された点欠陥と、シリコン基板中に存在する酸素が関わってドナーが形成される。 The FS layer can be formed, for example, by ion implantation from the back side (collector side) of the semiconductor substrate, and its position (depth) is adjusted depending on the ion species and its energy during ion implantation, and the dose at that time is adjusted. The donor concentration in the FS layer is adjusted by Patent Document 1 describes that protons (hydrogen ions) are used as the ion species in this case. Here, donors are formed not by hydrogen ions themselves, but by the interaction of point defects generated in silicon by proton implantation and oxygen present in the silicon substrate.

国際公開公報WO2013/108911International Publication WO2013/108911

IGBTにおいて低いオン電圧(VCEsat:コレクタ・エミッタ間飽和電圧)が要求される場合がある。このオン電圧は、コレクタ層側からドリフト層側への正孔の注入のしやすさに依存するため、FS層の影響を受ける。特許文献1に記載のFS層は、前記のように空乏層がドリフト層側からコレクタ層側に達することを抑制する、あるいはターンオフ特性を良好にするという目的においては有効であるものの、FS層を設けた場合には、オン電圧を十分に低くすることは困難であった。 IGBTs may require a low on-voltage (VCEsat: collector-emitter saturation voltage). This on-voltage depends on the ease with which holes can be injected from the collector layer side to the drift layer side, and is therefore influenced by the FS layer. Although the FS layer described in Patent Document 1 is effective for the purpose of suppressing the depletion layer from reaching the collector layer side from the drift layer side as described above or improving the turn-off characteristics, the FS layer is When provided, it was difficult to reduce the on-voltage to a sufficiently low level.

このため、FS層を具備すると共にオン電圧が低いIGBTが望まれた。 For this reason, an IGBT that includes an FS layer and has a low on-state voltage has been desired.

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of these problems, and it is an object of the present invention to provide an invention that solves the above problems.

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の半導体装置は、p型の第1半導体領域と、前記第1半導体領域上に形成されたn型の第2半導体領域と、前記第2半導体領域上に形成され不純物濃度が前記第2半導体領域よりも低いn型の第3半導体領域と、前記第3半導体領域上に形成されたp型の第4半導体領域と、を有し、シリコンを含む半導体基板を具備した半導体装置であって、前記第2半導体領域と前記第3半導体領域にわたる前記第1半導体領域側からの深さx(μm)方向のドナー濃度Ndの分布は、前記第2半導体領域から前記第3半導体領域にかけて連続的に変化し、当該分布は、前記第2半導体領域に対応しピーク値Ndmaxをもつ単一のピークをもつ上側に凸の第1領域と、前記第3半導体領域に対応しNdがNd3(Nd3<Ndmax)の±30%以内の範囲である第2領域と、を具備し、前記ピークは前記1半導体領域と前記第2半導体領域の界面から10μm以内にあり、Ndmaxは1×1015atom/cm以上であり、Nd3は5×1013atom/cm~2×1014atom/cmの範囲であり、前記第1領域において、前記ピークから±2μmの範囲内でNd>Ndmax/2とされたことを特徴とする。
本発明の半導体装置は、前記第2半導体領域における不純物濃度Ndmaxとなるxから前記第3半導体領域に至るまでの厚さをT0としたときに、前記第2半導体領域内、かつ当該ピークとなるxから±T0×2/3の範囲内において、 log(Nd(x))>log(Nd3)+(log(Ndmax)-log(Nd3))/2とされることを特徴とする。
本発明の半導体装置において、前記分布を構成するドナーは、酸素、又はシリコンの結晶欠陥と酸素との複合体のいずれかが活性化したものであることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention has the following configuration.
The semiconductor device of the present invention includes a p-type first semiconductor region, an n-type second semiconductor region formed on the first semiconductor region, and a second semiconductor region formed on the second semiconductor region and having an impurity concentration of A semiconductor device comprising a semiconductor substrate containing silicon, including a third semiconductor region of n-type lower than the semiconductor region, and a fourth semiconductor region of p-type formed on the third semiconductor region, , the distribution of the donor concentration Nd in the depth x (μm) direction from the first semiconductor region side across the second semiconductor region and the third semiconductor region is continuous from the second semiconductor region to the third semiconductor region. The distribution changes to a first region that is convex to the upper side and has a single peak having a peak value Ndmax corresponding to the second semiconductor region, and a first region that is convex to the upper side and has a single peak with a peak value Ndmax corresponding to the second semiconductor region, and Nd is Nd3 (Nd3< a second region within ±30% of Ndmax), the peak is within 10 μm from the interface between the first semiconductor region and the second semiconductor region, and Ndmax is 1×10 15 atoms/ cm 3 or more, Nd3 is in the range of 5×10 13 atom/cm 3 to 2×10 14 atom/cm 3 , and in the first region, within a range of ±2 μm from the peak, Nd>Ndmax/2 It is characterized by being
In the semiconductor device of the present invention, when the thickness from x at which the impurity concentration in the second semiconductor region reaches Ndmax to the third semiconductor region is T0, the impurity concentration is within the second semiconductor region and at the peak. Within the range of ±T0×2/3 from x, log(Nd(x))>log(Nd3)+(log(Ndmax)−log(Nd3))/2.
The semiconductor device of the present invention is characterized in that the donor forming the distribution is activated by either oxygen or a complex of silicon crystal defects and oxygen.

本発明は以上のように構成されているので、FS層を具備すると共にオン電圧が低いIGBTを得ることができる。 Since the present invention is configured as described above, it is possible to obtain an IGBT that includes an FS layer and has a low on-state voltage.

本発明の実施の形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing the structure of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. FS層におけるドナー濃度分布の典型的な2つの例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing two typical examples of donor concentration distribution in the FS layer. n層のドナー濃度分布に対応したpnダイオードの順方向特性の例である。This is an example of the forward characteristics of a pn diode corresponding to the donor concentration distribution of the n-layer. 実施例、比較例における半導体基板中のドナー濃度分布である。It is a donor concentration distribution in a semiconductor substrate in an example and a comparative example. 実施例におけるFS層付近のドナー濃度分布を拡大して示す図である。FIG. 2 is an enlarged view showing the donor concentration distribution near the FS layer in the example.

以下、本発明の実施の形態となる半導体装置について説明する。この半導体装置は、フィールドストップ層(FS層)を具備するIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)である。 A semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described below. This semiconductor device is an IGBT (insulated gate bipolar transistor) including a field stop layer (FS layer).

この半導体装置(IGBT)1は、トレンチゲート型のIGBTであり、図1はその断面図である。図1において、シリコンで形成された半導体基板10において、コレクタ領域となるp型(第1導電型)のp層(第1半導体領域)11の上に、FS層となるn型(第2導電型)のn層(第2半導体領域)12、ドリフト層となるn層(第3半導体領域)13と、ベース領域となるp層(第4半導体領域)14が順次形成されている。半導体基板10の表面側には、表面からp層14を貫通してn層13に達する溝(トレンチ)Tが形成されている。溝Tは、図1における紙面と垂直方向に延伸して並行に複数形成されている。溝Tの内面(側面)には酸化膜(ゲート絶縁膜)16が一様に形成された上で、ゲート電極21が溝Tを埋め込むように形成されている。 This semiconductor device (IGBT) 1 is a trench gate type IGBT, and FIG. 1 is a cross-sectional view thereof. In FIG. 1, in a semiconductor substrate 10 made of silicon, an n-type (second conductivity type) p + layer (first semiconductor region) 11, which becomes a collector region, and an n-type (second conductivity type), which becomes an FS layer, are placed on top of a p-type (first conductivity type) p An n + layer (second semiconductor region) 12 of conductivity type), an n layer (third semiconductor region) 13 serving as a drift layer, and a p layer (fourth semiconductor region) 14 serving as a base region are sequentially formed. There is. A trench T is formed on the front surface side of the semiconductor substrate 10, penetrating the p layer 14 from the surface and reaching the n layer 13. A plurality of grooves T are formed in parallel and extending in a direction perpendicular to the paper surface in FIG. An oxide film (gate insulating film) 16 is uniformly formed on the inner surface (side surface) of the trench T, and a gate electrode 21 is formed to fill the trench T.

半導体基板10の表面側においては、溝Tの側壁に、エミッタ領域となるn層17が形成されている。半導体基板10の裏面全面には、p層11と電気的に接続してコレクタ電極22が形成されている。半導体基板10の表面には、エミッタ電極23が形成されている。ただし、溝Tの表面側においては層間絶縁膜24がゲート電極21(溝T)を覆うように形成されているため、エミッタ電極(共通電極)23は、層間絶縁膜24の開口部を通じてn層17とp層14の両方に電気的に接続し、ゲート電極21とは絶縁される。 On the front side of the semiconductor substrate 10, an n + layer 17 is formed on the sidewall of the trench T to serve as an emitter region. A collector electrode 22 is formed on the entire back surface of the semiconductor substrate 10 so as to be electrically connected to the p + layer 11 . An emitter electrode 23 is formed on the surface of the semiconductor substrate 10. However, since the interlayer insulating film 24 is formed to cover the gate electrode 21 (trench T) on the surface side of the trench T, the emitter electrode (common electrode) 23 is exposed to n + through the opening of the interlayer insulating film 24. It is electrically connected to both layer 17 and p layer 14 and insulated from gate electrode 21 .

上記の基本的構成は、特許文献1等に記載の半導体装置(IGBT)と同様である。この半導体装置1においては、特にn層(FS層)12、n-層(ドリフト層)13における深さ方向のドナー濃度分布に特徴を有する。ここで、実際にはn層12、n-層13にかけて深さ方向のドナー濃度分布は連続的に変化する。実際にこの半導体装置1を製造するに際しては、n層13に対応するn型基板(Siウェハ)が用いられ、このn型基板に対して、表面側においてp層14が形成され、その後に溝T、酸化膜16、ゲート電極21等が形成される。この点については、従来より知られるトレンチゲート型のIGBTと変わるところがない。 The above basic configuration is similar to the semiconductor device (IGBT) described in Patent Document 1 and the like. This semiconductor device 1 is particularly characterized by the donor concentration distribution in the depth direction in the n + layer (FS layer) 12 and the n - layer (drift layer) 13. Here, in reality, the donor concentration distribution in the depth direction changes continuously from the n + layer 12 to the n - layer 13. When actually manufacturing this semiconductor device 1, an n-type substrate (Si wafer) corresponding to the n - layer 13 is used, a p - layer 14 is formed on the surface side of this n-type substrate, and then A trench T, an oxide film 16, a gate electrode 21, etc. are formed on the surface. In this respect, there is no difference from conventionally known trench gate type IGBTs.

一方、n型基板の裏面側においては、n層(FS層)12、p層(コレクタ層)11が形成される。ここで、この半導体装置1は、特に、n層12からn-層13にかけてのドナーの深さ方向の分布に特徴を有する。このような分布は、特に裏面側からのプロトン注入によって実現することができる。以下にこの点について詳細に説明する。 On the other hand, on the back side of the n-type substrate, an n + layer (FS layer) 12 and a p + layer (collector layer) 11 are formed. Here, this semiconductor device 1 is particularly characterized by the distribution of donors in the depth direction from the n + layer 12 to the n - layer 13. Such a distribution can be achieved especially by proton injection from the back side. This point will be explained in detail below.

特許文献1等に記載されるように、ドリフト層(n層13)よりも高濃度のFS層(n層12)を設けることによって、オフ時の空乏層がコレクタ領域(p+層11)に達しにくくなると共に、オン時にドリフト層に注入される正孔の量が制限され、良好なスイッチング特性(ターンオフ特性)を得ることができる。一方で、この半導体装置1においては、IGBTのオン電圧(VCEsat:コレクタ・エミッタ間飽和電圧)を、FS層におけるドナーの分布によって低くすることができる。 As described in Patent Document 1 etc., by providing the FS layer (n + layer 12) with a higher concentration than the drift layer (n - layer 13), the depletion layer in the off state becomes the collector region (p + layer 11). ), and the amount of holes injected into the drift layer when turned on is limited, making it possible to obtain good switching characteristics (turn-off characteristics). On the other hand, in this semiconductor device 1, the on-voltage (VCEsat: collector-emitter saturation voltage) of the IGBT can be lowered by the donor distribution in the FS layer.

IGBTがオンする際の状況はpnダイオードが順バイアスとされた際の状況と類似している。図1の構成において、この場合のpnダイオードのp側はコレクタ領域(p+層11)、n側はFS層(n層12)となる。実際にはp層11のアクセプタ濃度分布は、半導体基板10の裏面近くにおいて高濃度で局所的となる。一方、n層12はp層11よりも裏面側から見て深い箇所にp+層11よりも十分に厚く形成され、その厚さやその中のドナー濃度分布を、プロトン注入条件の設定により調整することができる。 The situation when an IGBT turns on is similar to the situation when a pn diode is forward biased. In the configuration of FIG. 1, the p side of the pn diode in this case becomes the collector region (p + layer 11), and the n side becomes the FS layer (n + layer 12). In reality, the acceptor concentration distribution in the p + layer 11 is high and localized near the back surface of the semiconductor substrate 10. On the other hand, the n + layer 12 is formed to be sufficiently thicker than the p + layer 11 at a deeper location than the p + layer 11 when viewed from the back side, and its thickness and donor concentration distribution within it can be controlled by setting the proton implantation conditions. Can be adjusted.

図2においては、このように表面に薄いp層と、これよりも深い箇所にn層が形成されたpnダイオードの不純物分布における典型的な2種類の例((1)、(2))を示す。ここでは、横軸が深さ(リニア表示)、縦軸が不純物濃度(対数表示)であり、深さが0μmのところが半導体基板の裏面に対応している。ここでは、n層におけるドナーの分布が単一ピークであり、特に深さ方向における濃度勾配の絶対値が大きな領域が存在しており、この領域が半導体基板10の裏面から浅い箇所にある、すなわちp層に近い箇所にある場合((1):実線)と、この領域が半導体基板10の裏面から深い箇所にある場合((2):破線)の2つの例が示されている。特許文献1に記載のドナー分布を含め、イオン注入によって形成されたドナー分布においては、一般的にはこのように濃度勾配の絶対値が大きな領域が局所的に形成される。なお、ここではp層におけるアクセプタ濃度も点線で同時に示されており、これは(1)(2)において共通とされる。 In Figure 2, two typical examples ((1) and (2)) of the impurity distribution of a pn diode with a thin p-layer formed on the surface and an n-layer formed deeper than this are shown. show. Here, the horizontal axis is the depth (linear display), the vertical axis is the impurity concentration (logarithmic display), and the depth of 0 μm corresponds to the back surface of the semiconductor substrate. Here, the donor distribution in the n-layer has a single peak, and there is a region where the absolute value of the concentration gradient is particularly large in the depth direction, and this region is located shallow from the back surface of the semiconductor substrate 10, i.e. Two examples are shown: a case where the region is located close to the p-layer ((1): solid line) and a case where this region is located deep from the back surface of the semiconductor substrate 10 ((2): broken line). In donor distributions formed by ion implantation, including the donor distribution described in Patent Document 1, regions where the absolute value of the concentration gradient is large are generally formed locally. Note that the acceptor concentration in the p layer is also shown here by a dotted line, which is common in (1) and (2).

図3においては、(1)(2)の濃度分布に対応した、pnダイオードのI(電流)-V(電圧)特性における順方向特性が模式的に示されている。(1)においては、濃度勾配の大きな領域が浅い箇所にあるため、pn接合界面におけるn層のドナー濃度が高くなる。このため、この特性は、n層のドナー濃度が高い場合のI-V特性となり、順方向降下電圧VFが大きく、かつVがVF以上では急激にIが増大する。このようなpn接合がコレクタ領域とFS層の間で形成された場合には、図3の(1)の特性が反映され、大電流域においてはオン抵抗が低くなる(VCESatが低くなる)ものの、低電流域においては、オン抵抗が高くなる(VCESatが高くなる)。 FIG. 3 schematically shows forward characteristics in I (current)-V (voltage) characteristics of a pn diode corresponding to the concentration distributions (1) and (2). In (1), since the region with a large concentration gradient is located at a shallow location, the donor concentration of the n layer at the pn junction interface becomes high. Therefore, this characteristic becomes an IV characteristic when the donor concentration of the n-layer is high, and when the forward drop voltage VF is large and V is higher than VF, I increases rapidly. When such a pn junction is formed between the collector region and the FS layer, the characteristic (1) in Figure 3 is reflected, and although the on-resistance becomes low in the large current region (VCESat becomes low), , in the low current range, the on-resistance increases (VCESat increases).

一方、図3の(2)の特性では、逆に、VFが小さいが、その後のIの増加率は小さい。このようなpn接合がコレクタ領域とFS層の間で形成された場合には、図3の(2)の特性が反映され、低電流域においてはオン抵抗が低くなる(VCESatが低くなる)ものの、大電流域においてはオン抵抗が高くなる(VCESatが高くなる)。 On the other hand, in the characteristic (2) of FIG. 3, conversely, VF is small, but the subsequent increase rate of I is small. When such a pn junction is formed between the collector region and the FS layer, the characteristic (2) in Figure 3 is reflected, and although the on-resistance becomes low in the low current region (VCESat becomes low), , the on-resistance becomes high (VCESat becomes high) in a large current region.

図3の(1)(2)に対して、(3)の特性は、低電流域、大電流域で共にオン抵抗が低く保たれた場合に対応する、好ましい特性である。この特性は、n層のドナー濃度を、最大濃度を図2の(1)(2)と同等に保ちつつ濃度勾配の絶対値が大きな領域が形成されないようにすることによって実現される。 In contrast to (1) and (2) in FIG. 3, the characteristic (3) is a preferable characteristic corresponding to the case where the on-resistance is kept low in both the low current region and the large current region. This characteristic is realized by keeping the maximum donor concentration of the n-layer equal to (1) and (2) in FIG. 2 while preventing the formation of a region where the absolute value of the concentration gradient is large.

図4は、半導体基板10におけるこのようなドナー濃度の分布形状を具体的に示す図である。ここで、実施例となる分布Aは実線で示され、分布Bは比較例1、分布Cは比較例2であり、比較例1、比較例2は特許文献1におけるFS層が浅く形成された場合(特許文献1の図11(c))、深く形成された場合(特許文献1の図3)の分布である。深さが0μm(半導体基板10の裏面に対応)近くの点線で示された分布は、実施例におけるコレクタ領域(p+層11)のアクセプタ分布が示されており、図4より、実施例におけるコレクタ領域(p+層11)/FS層(n層12)界面は、深さ1μm程度となる。また、前記の通り、ドナー濃度は深さ方向で連続的に変化し、半導体基板10の裏面から所定の深さ以上では、使用されたn型基板のドナー濃度と等しく、これがドリフト層(n層13)におけるドナー濃度Nd3となる。 FIG. 4 is a diagram specifically showing such a donor concentration distribution shape in the semiconductor substrate 10. As shown in FIG. Here, distribution A serving as an example is shown by a solid line, distribution B is comparative example 1, and distribution C is comparative example 2. In comparative example 1 and comparative example 2, the FS layer in Patent Document 1 was formed shallowly. (FIG. 11(c) of Patent Document 1) and the case of deep formation (FIG. 3 of Patent Document 1). The distribution shown by the dotted line near the depth of 0 μm (corresponding to the back surface of the semiconductor substrate 10) shows the acceptor distribution of the collector region (p + layer 11) in the example, and from FIG. The collector region (p + layer 11)/FS layer (n + layer 12) interface has a depth of about 1 μm. Further, as described above, the donor concentration changes continuously in the depth direction, and at a predetermined depth or more from the back surface of the semiconductor substrate 10, it is equal to the donor concentration of the n-type substrate used, and this is the drift layer (n - The donor concentration in layer 13) is Nd3.

また、図4において、分布A(実施例)における濃度のピーク(ピーク値Ndmax>Nd3)は深さが約2μm程度の位置に存在する。このため、実施例のドナー濃度分布は、上側に凸の単一ピーク(ピーク値Ndmax)をもつ第1領域と、これよりも深い箇所においてNdがNd3と略等しい第2領域と、を具備する。第2領域は、例えばNdがNd3の±30%以内の領域として定義でき、ドリフト層(n層13)に対応する。これに対して、第1領域はFS層(n層12)に対応する。分布Aの場合には、FS層(n層12)/ドリフト層(n層13)の界面は深さ3~30μm、例えば5μm程度となる。 Further, in FIG. 4, the concentration peak (peak value Ndmax>Nd3) in distribution A (example) exists at a position with a depth of about 2 μm. Therefore, the donor concentration distribution of the example includes a first region having a single peak (peak value Ndmax) convex upward, and a second region where Nd is approximately equal to Nd3 at a deeper location than this. . The second region can be defined, for example, as a region where Nd is within ±30% of Nd3, and corresponds to the drift layer (n layer 13). On the other hand, the first region corresponds to the FS layer (n + layer 12). In the case of distribution A, the FS layer (n + layer 12)/drift layer (n - layer 13) interface has a depth of 3 to 30 μm, for example, about 5 μm.

図4において、分布B、分布Cも、分布Aと同様に、第1領域、第2領域を具備していると考えることができる。ここで、前記の通り、分布BはFS層のピーク近傍の濃度勾配の絶対値が大きく形成された場合である。これは、図2の(1)に対応する。分布Bの場合にはここで形成されるpnダイオードの特性は図3の(1)となり、前記のように、低電流域においてオン抵抗が高くなる。 In FIG. 4, distribution B and distribution C can be considered to have a first region and a second region, similarly to distribution A. Here, as described above, distribution B is a case where the absolute value of the concentration gradient near the peak of the FS layer is formed to be large. This corresponds to (1) in FIG. In the case of distribution B, the characteristics of the pn diode formed here are as shown in (1) in FIG. 3, and as described above, the on-resistance becomes high in the low current range.

一方、図4における分布Cにおいては、第1領域においてこのように濃度勾配の絶対値が特に大きくなる領域は発生しない。しかしながら、第1領域は20μmを超える厚さとなるが、ピークが半導体基板10の裏面から深い位置にあり、ピークよりコレクタ領域側は緩やかで、ピークよりコレクタ領域と反対側はピークよりコレクタ領域側より比較的急峻となっている。この状況は、図2の(2)に対応する。このため、分布Cの場合にはここで形成されるpnダイオードの特性は図3の(2)となり、前記のように、大電流域においてオン抵抗が高くなる。すなわち、濃度勾配の絶対値が小さなドナー分布を実現する場合には、一般的にはピークの位置が深く、FS層が厚くなり、大電流域におけるオン抵抗が高くなる。 On the other hand, in the distribution C in FIG. 4, such a region where the absolute value of the concentration gradient is particularly large does not occur in the first region. However, although the thickness of the first region exceeds 20 μm, the peak is at a deep position from the back surface of the semiconductor substrate 10, and the peak is gentler on the collector region side than the peak, and the thickness on the opposite side of the collector region is lower than the peak on the collector region side. It is relatively steep. This situation corresponds to (2) in FIG. Therefore, in the case of distribution C, the characteristics of the pn diode formed here are as shown in (2) in FIG. 3, and as described above, the on-resistance becomes high in the large current range. That is, when realizing a donor distribution in which the absolute value of the concentration gradient is small, the peak position generally becomes deep, the FS layer becomes thick, and the on-resistance in a large current region becomes high.

これに対して、図4における分布A(実施例)においては、第1領域におけるピーク値がNdmaxとされ、このピークの前後での濃度勾配が緩やかに設定される。図5は、図4における特性Aを第1領域付近において拡大した図である。ここで、ピークの位置はP、pn接合(コレクタ領域(p+層11)/FS層(n層12)界面)の位置はD、FS層(n層12)/ドリフト層(n層13)界面の位置はEである。ここで、このような分布としては、前記のピークPの深さは、コレクタ領域(p+層11)/FS層(n層12)界面DからFS層(n層12)の厚み(DE間の間隔)の1/3以内、例えば10μm以下とされる。n層13のドナー濃度Nd3は、ドリフト層としての機能を果たすためには低濃度とされ、5×1013atom/cm~2×1014atom/cmの範囲とされる。Ndmaxは、FS層(n層12)を空乏層のストッパとするためには、Nd3よりも十分に高く1×1015atom/cm以上とされる。上記のように第1領域における濃度分布を緩やかにするためには、例えばFS層(n層12)の厚みが4μmであり、前記ピークから±2μmの範囲内でNd>Ndmax/2とされることが好ましい。 On the other hand, in distribution A (example) in FIG. 4, the peak value in the first region is set to Ndmax, and the concentration gradient before and after this peak is set to be gentle. FIG. 5 is an enlarged view of the characteristic A in FIG. 4 in the vicinity of the first region. Here, the peak position is P, the position of the pn junction (collector region (p + layer 11)/FS layer (n + layer 12) interface) is D, and the position of the FS layer (n + layer 12)/drift layer (n - Layer 13) The position of the interface is E. Here, in such a distribution, the depth of the peak P is determined by the thickness ( (distance between DEs), for example, 10 μm or less. The donor concentration Nd3 of the n - layer 13 is set to a low concentration in order to function as a drift layer, and is set in the range of 5×10 13 atoms/cm 3 to 2×10 14 atoms/cm 3 . Ndmax is set to be 1×10 15 atoms/cm 3 or more, which is sufficiently higher than Nd3, in order to make the FS layer (n + layer 12) a depletion layer stopper. In order to make the concentration distribution in the first region gentle as described above, for example, the thickness of the FS layer (n + layer 12) is 4 μm, and Nd>Ndmax/2 is established within a range of ±2 μm from the peak. It is preferable that

あるいは、図5において、深さx方向のドナー分布をNd(x)とすると、Nd(x)がピーク値Ndmaxとなる深さPの前後における所定の範囲におけるNd(x)のNdmaxに近い側での変化量(減少量)が小さくなればよい。このためには、この所定の範囲として、FS層(n層12)の範囲内で、ピークPからFS層(n層12)の底部Eまでの間隔をT0として、T1(T1=T0×2/3)を設定し、ピークPから±T1の範囲でNd(x)が一定値NF0よりも大きくなっていればよい。この一定値NF0としては、図5の縦軸が対数スケールである点を考慮した上でのNdmaxとNd3の中間値(log(Nd3)+(log(Ndmax)-log(Nd3))/2)を採用することができる。すなわち、n層12(FS層:第2半導体領域)におけるNd(x)が、ピークとなる深さからT1=T0×2/3として±T1の範囲、かつFS層(n層12)の範囲内においてNd(x)>NF0を満たせばよい。図5において、ピークPから-T1までの範囲内にはpn接合界面Dが存在するため、この範囲の下限はpn接合界面Dとなる。 Alternatively, in FIG. 5, if the donor distribution in the depth x direction is Nd(x), then the side of Nd(x) near Ndmax in a predetermined range before and after the depth P where Nd(x) reaches the peak value Ndmax. It is sufficient if the amount of change (amount of decrease) in is small. For this purpose, within the range of the FS layer (n + layer 12), the interval from the peak P to the bottom E of the FS layer (n + layer 12) is defined as T0, and T1 (T1 = T0 ×2/3), and Nd(x) should be larger than the constant value NF0 in the range of ±T1 from the peak P. This constant value NF0 is an intermediate value between Ndmax and Nd3 (log(Nd3)+(log(Ndmax)-log(Nd3))/2) considering that the vertical axis in FIG. 5 is a logarithmic scale. can be adopted. That is, Nd(x) in the n + layer 12 (FS layer: second semiconductor region) is in the range of ±T1 from the peak depth as T1 = T0 × 2/3, and the FS layer (n + layer 12) It is sufficient to satisfy Nd(x)>NF0 within the range of . In FIG. 5, since the pn junction interface D exists within the range from peak P to -T1, the lower limit of this range is the pn junction interface D.

分布Aをもつpnダイオードにおいては、図3の(3)の特性が得られる。このため、分布Aを具備する半導体装置1においては、低電流域、大電流域において共にオン抵抗を低くすることができる。 In a pn diode having distribution A, the characteristic (3) in FIG. 3 is obtained. Therefore, in the semiconductor device 1 having the distribution A, the on-resistance can be lowered in both the low current region and the large current region.

以下に、図4における分布Aを実際に形成し、上記の半導体装置10を製造する方法について説明する。このドナー分布は、特許文献1に記載の技術と同様に、プロトン注入と、その後の熱処理によって形成される。これによって形成されるドナーは、半導体基板10中の酸素、又はプロトン注入によって導入されたシリコンの結晶欠陥と酸素との複合体が活性化したものとなる。 Below, a method for actually forming the distribution A in FIG. 4 and manufacturing the above semiconductor device 10 will be described. This donor distribution is formed by proton injection and subsequent heat treatment, similar to the technique described in Patent Document 1. The donor thus formed is an activated oxygen in the semiconductor substrate 10 or a complex of oxygen and a silicon crystal defect introduced by proton implantation.

まず、半導体基板10の元となるシリコンウェハを製造するに際して、Czochralski (CZ)法で形成された母材は石英ルツボと接触するため、母材内の酸素含有量が大きくなる。そこで、Floating Zone(FZ)法、もしくは融解した珪素に磁場を与えながら母材の不純物をコントロールするMagnetic CZ法、CZ法を実施した後にFZ法を組み合わせたCZFZ法がこの製造に際して好ましい。この母材をウェーハ状に加工して、所望のシリコンウェハが形成される。このシリコンウェハはn型であり、前記のn層13に対応するため、そのドナー濃度はNd3とされる。 First, when manufacturing a silicon wafer that is the source of the semiconductor substrate 10, a base material formed by the Czochralski (CZ) method comes into contact with a quartz crucible, so that the oxygen content in the base material increases. Therefore, the Floating Zone (FZ) method, the Magnetic CZ method in which impurities in the base material are controlled while applying a magnetic field to molten silicon, and the CZFZ method in which the FZ method is combined after performing the CZ method are preferable for this production. This base material is processed into a wafer shape to form a desired silicon wafer. This silicon wafer is of n-type and corresponds to the above-mentioned n layer 13, so its donor concentration is set to Nd3.

その後、このウェハの表側にp層14、トレンチT、酸化膜16、ゲート電極21、層間絶縁膜24等が形成された後に、所望の厚さとなるようにこのウェハが研磨(薄膜化)される。その後、上記のドナー分布を形成するために、裏面側からプロトン注入が行われる。この際のプロトンの注入条件は、エネルギー2~30MeV、好ましくは2~8MeV、ドーズ量1×1013~1×1015/cmである。 After that, the p - layer 14, trench T, oxide film 16, gate electrode 21, interlayer insulating film 24, etc. are formed on the front side of this wafer, and then this wafer is polished (thinned) to a desired thickness. Ru. Thereafter, proton implantation is performed from the back side in order to form the above donor distribution. The proton implantation conditions at this time are an energy of 2 to 30 MeV, preferably 2 to 8 MeV, and a dose of 1×10 13 to 1×10 15 /cm 2 .

この際、ガラスサポート方式(WSS)により研磨後のウェハを機械的に支持する、あるいはウェハ外周部のみは薄膜化せず厚い状態のままとされるTAIKO方式によって、ウェハを機械的に支持しながらこのプロトン注入を行うことができる。あるいは、同様の分布が実現できる限りにおいて、ウェハ(半導体基板10)の表面側からプロトン注入を行ってもよい。また、プロトン注入後にウェハの裏面側からリン(P)をイオン注入して、プロトン照射で形成されたドナー分布を補強したドナー分布を実現してもよい。 At this time, the wafer is mechanically supported by the glass support method (WSS), or the wafer is mechanically supported by the TAIKO method, in which only the outer periphery of the wafer remains thick without being thinned. This proton injection can be performed. Alternatively, protons may be implanted from the front side of the wafer (semiconductor substrate 10) as long as a similar distribution can be achieved. Further, after proton implantation, phosphorus (P) ions may be implanted from the back side of the wafer to realize a donor distribution that reinforces the donor distribution formed by proton irradiation.

その後、レーザアニール又は300℃~500℃の炉内で、30分~3時間のアニールをしてドナーを活性化させ、上記の分布を実現することができる。その後、裏面側からボロン(B)をイオン注入した後、レーザアニールで活性化させてコレクタ層となるp+層11が形成され、コレクタ電極22が形成される。これによって、上記の半導体装置1が製造される。ただし、この製造方法は一例であり、他の製造方法を用いることもできる。いずれの場合においても、上記のような半導体基板10の裏面側のドナー分布は、特にプロトン注入によって好ましく形成される。 Thereafter, the donor is activated by laser annealing or annealing in a furnace at 300° C. to 500° C. for 30 minutes to 3 hours, and the above distribution can be achieved. Thereafter, boron (B) is ion-implanted from the back surface side, and then activated by laser annealing to form a p + layer 11 that will become a collector layer, and a collector electrode 22 is formed. In this way, the above semiconductor device 1 is manufactured. However, this manufacturing method is just an example, and other manufacturing methods can also be used. In either case, the above-described donor distribution on the back surface side of the semiconductor substrate 10 is preferably formed particularly by proton implantation.

なお、上記の半導体装置1はトレンチゲート型のIGBTであったが、他の形態として、プレーナ型のIGBTに対しても、同様の構成を適用できることは明らかである。また、上記のようなFS層、ドリフト層以外の構成(構造や不純物分布)は、上記と同様の動作が行われる限りにおいて、任意である。また、上記の例において、半導体基板中のp型とn型を全て逆転させた場合においても、同様の構成を適用できる。 Although the semiconductor device 1 described above is a trench gate type IGBT, it is clear that the same structure can be applied to a planar type IGBT as another form. Further, the configuration (structure and impurity distribution) other than the FS layer and the drift layer as described above is arbitrary as long as the same operation as described above is performed. Further, in the above example, the same configuration can be applied even when all the p-type and n-type in the semiconductor substrate are reversed.

1 半導体装置
10 半導体基板
11 p層(コレクタ領域)
12 n層(フィールドストップ層:FS層)
13 n層(ドリフト層)
14 p層(ベース領域)
16 酸化膜(ゲート絶縁膜)
17 n
21 ゲート電極
22 コレクタ電極
23 エミッタ電極
24 層間絶縁膜
T 溝(トレンチ)
1 Semiconductor device 10 Semiconductor substrate 11 P + layer (collector region)
12 n + layer (field stop layer: FS layer)
13 n - layer (drift layer)
14 p - layer (base region)
16 Oxide film (gate insulating film)
17 n + layer 21 Gate electrode 22 Collector electrode 23 Emitter electrode 24 Interlayer insulating film T Groove (trench)

Claims (3)

p型の第1半導体領域と、
前記第1半導体領域上に形成されたn型の第2半導体領域と、
前記第2半導体領域上に形成され不純物濃度が前記第2半導体領域よりも低いn型の第3半導体領域と、
前記第3半導体領域上に形成されたp型の第4半導体領域と、
を有し、シリコンを含む半導体基板を具備した半導体装置であって、
前記第2半導体領域と前記第3半導体領域にわたる前記第1半導体領域側からの深さx(μm)方向のドナー濃度Ndの分布は、前記第2半導体領域から 前記第3半導体領域にかけて連続的に変化し、当該分布は、
前記第2半導体領域に対応しピーク値Ndmaxをもつ単一のピークをもつ上側に凸の第1領域と、
前記第3半導体領域に対応しNdがNd3(Nd3<Ndmax)の±30%以内の範囲である第2領域と、
を具備し、
前記ピークは前記1半導体領域と前記第2半導体領域の界面から10μm以内にあり、
Ndmaxは1×1015atom/cm以上であり、
Nd3は5×1013atom/cm~2×1014atom/cmの範囲であり、
前記第1領域において、前記ピークから±2μmの範囲内でNd>Ndmax/2とされたことを特徴とする半導体装置。
a p-type first semiconductor region;
an n-type second semiconductor region formed on the first semiconductor region;
an n-type third semiconductor region formed on the second semiconductor region and having an impurity concentration lower than that of the second semiconductor region;
a p-type fourth semiconductor region formed on the third semiconductor region;
A semiconductor device comprising a semiconductor substrate containing silicon,
The distribution of the donor concentration Nd in the depth x (μm) direction from the first semiconductor region side over the second semiconductor region and the third semiconductor region is continuous from the second semiconductor region to the third semiconductor region. and the distribution is
an upwardly convex first region that corresponds to the second semiconductor region and has a single peak having a peak value Ndmax;
a second region corresponding to the third semiconductor region and having Nd within ±30% of Nd3 (Nd3<Ndmax);
Equipped with
The peak is within 10 μm from the interface between the first semiconductor region and the second semiconductor region,
Ndmax is 1×10 15 atoms/cm 3 or more,
Nd3 is in the range of 5×10 13 atoms/cm 3 to 2×10 14 atoms/cm 3 ,
A semiconductor device characterized in that in the first region, Nd>Ndmax/2 within a range of ±2 μm from the peak.
前記第2半導体領域における不純物濃度Ndmaxとなるxから前記第3半導体領域に至るまでの厚さをT0としたときに、前記第2半導体領域内、かつ当該ピークとなるxから±T0×2/3の範囲内において、
log(Nd(x))>log(Nd3)+(log(Ndmax)-log(Nd3))/2
とされることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
When the thickness from x where the impurity concentration in the second semiconductor region reaches Ndmax to the third semiconductor region is T0, ±T0×2 within the second semiconductor region and from x where the impurity concentration is at the peak. Within the range of /3,
log(Nd(x))>log(Nd3)+(log(Ndmax)−log(Nd3))/2
The semiconductor device according to claim 1, characterized in that:
前記分布を構成するドナーは、酸素、又はシリコンの結晶欠陥と酸素との複合体のいずれかが活性化したものであることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。 3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the donor forming the distribution is activated oxygen or a complex of silicon crystal defects and oxygen.
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