JPH10199894A - Semiconductor device and manufacture thereof - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は,厚さ方向の電流を
スイッチング制御する半導体装置およびその製造方法に
関する。さらに詳細には,オン抵抗の上昇を抑制しつつ
ターンオフ応答を改善した半導体装置およびその製造方
法に関する。[0001] 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to a semiconductor device for controlling switching of a current in a thickness direction and a method of manufacturing the same. More specifically, the present invention relates to a semiconductor device having improved turn-off response while suppressing an increase in on-resistance, and a method of manufacturing the same.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来から,バイポーラトランジスタと電
界効果トランジスタとを一体化させた,いわゆる絶縁ゲ
ート型バイポーラトランジスタ(以下,「IGBT」と
いう)が,高入力インピーダンスと低出力インピーダン
スとを要求される用途に使用されている。2. Description of the Related Art Conventionally, a so-called insulated gate bipolar transistor (hereinafter referred to as "IGBT") in which a bipolar transistor and a field-effect transistor are integrated has been used in applications requiring high input impedance and low output impedance. Used in
【0003】IGBTの一般的構造を,図15により説
明する。図15に示す一般的なIGBTは,p+ 型のシ
リコン(Si)基板201上のnエピタキシャル層20
2を有し,このnエピタキシャル層202の表面に,イ
オン注入等により形成されたn+ソース領域206とp
ボディ領域207とp+ボディ領域209とを有してい
る。nエピタキシャル層202のうちpボディ領域20
7等でない部分がnドリフト領域202dである。そし
てnエピタキシャル層202の表面上には,ゲート絶縁
膜203,絶縁膜205および208によりnエピタキ
シャル層202に対して絶縁されたゲート電極204が
設けられている。ゲート電極204は,nエピタキシャ
ル層202の表面のうちnドリフト領域202dの部分
と,pボディ領域207の部分と,n+ ソース領域20
6の一部とを覆っている。また,表面側には,n+ソー
ス領域206およびp+ボディ領域209に対して導通
をとるソース電極210が設けられている。裏面側に
は,p+ 基板201に対して導通をとるドレイン電極2
11が設けられている。The general structure of an IGBT will be described with reference to FIG. The general IGBT shown in FIG. 15 is composed of an n epitaxial layer 20 on a p + type silicon (Si) substrate 201.
The n + source region 206 formed by ion implantation or the like and the p +
Body region 207 and p + body region 209 are provided. P body region 20 of n epitaxial layer 202
The portion other than 7th grade is the n drift region 202d. On the surface of the n-type epitaxial layer 202, a gate electrode 204 insulated from the n-type epitaxial layer 202 by a gate insulating film 203, insulating films 205 and 208 is provided. Gate electrode 204 has a portion of n drift region 202d, a portion of p body region 207, and a portion of n + source region 20 of the surface of n epitaxial layer 202.
6 and a part of it. Further, on the front surface side, a source electrode 210 that conducts to n + source region 206 and p + body region 209 is provided. On the back side, a drain electrode 2 for conducting to the p + substrate 201
11 are provided.
【0004】この構造のIGBTにおいて,ゲート電極
204とn+ ソース領域206とpボディ領域207と
nドリフト領域202dとが電界効果トランジスタを構
成する。すなわち,pボディ領域207がチャネル領域
であり,nドリフト領域202dがドレイン領域であ
る。そして,p+ ボディ領域209とnドリフト領域2
02dとp+ 基板201とがバイポーラトランジスタ
(pnp)を構成する。すなわち,p+ ボディ領域20
9がコレクタであり,電界効果トランジスタのドレイン
領域を兼ねるnドリフト領域202dがベースであり,
p+ 基板201がエミッタである。In the IGBT having this structure, the gate electrode 204, the n + source region 206, the p body region 207, and the n drift region 202d constitute a field effect transistor. That is, p body region 207 is a channel region, and n drift region 202d is a drain region. Then, the p + body region 209 and the n drift region 2
02d and the p + substrate 201 constitute a bipolar transistor (pnp). That is, p + body region 20
9 is a collector, an n drift region 202d also serving as a drain region of the field effect transistor is a base,
The p + substrate 201 is the emitter.
【0005】この構造のIGBTの動作の大要は,ドレ
イン電極211からソース電極210への電流をゲート
電極204の電圧によりスイッチング制御することであ
る。すなわち,ゲート電極204に電圧が掛かっていな
い状態で,ソース電極210に対しドレイン電極211
が高電位になるように電圧を掛けても,pボディ領域2
07およびp+ ボディ領域209とnドリフト領域20
2dとの間のpn接合が逆方向となるので電流は流れな
い。しかしゲート電極204に正電圧(vsソース電極
210)を印加すると,pボディ領域207の表面にn
チャネルが形成され,電界効果トランジスタがオン状態
となる。このため,n+ ソース領域206からnチャネ
ルを経由してnドリフト領域202dに電子が流れ込
む。これによりnドリフト領域202dのキャリア(電
子)濃度が上昇して抵抗が下がるので,nドリフト領域
202dとp+ 基板201とからなるダイオードが導通
してp+ 基板201からnドリフト領域202dにホー
ル(正孔)が注入される。このためバイポーラトランジ
スタがオンしてドレイン電極211からソース電極21
0へ厚さ方向の電流が流れるのである。The operation of the IGBT having this structure is to control the switching of the current from the drain electrode 211 to the source electrode 210 by the voltage of the gate electrode 204. That is, in a state where no voltage is applied to the gate electrode 204, the drain electrode 211 is
The p body region 2
07 and p + body region 209 and n drift region 20
No current flows because the pn junction between 2d and 2d is in the opposite direction. However, when a positive voltage (vs. source electrode 210) is applied to gate electrode 204, n
A channel is formed, and the field effect transistor is turned on. For this reason, electrons flow from the n + source region 206 to the n drift region 202d via the n channel. Since thereby the carrier (electron) concentration in the n drift region 202d and resistance decreases with rising hole conducting diode composed of the n drift region 202d and the p + substrate 201. from p + substrate 201 in the n drift region 202d ( Holes) are injected. Therefore, the bipolar transistor is turned on, and the drain electrode 211 is connected to the source electrode 21.
The current in the thickness direction flows to zero.
【0006】ここで,ゲート電極204の正電圧を切る
とIGBTはオフ状態に戻るのであるが,オン状態での
nドリフト領域202dには電子とホールとがともに高
濃度に充満しており,ゲート電圧のオフによりn+ ソー
ス領域206からの電子の注入が断たれてもnドリフト
領域202dのキャリア濃度は直ちには減少しない。こ
のためIGBTのスイッチオフ時の過渡特性は,図17
のグラフに破線で示すようにスイッチオフ後直ちには電
流が立ち下がらないものとなる。したがってターンオフ
時間が長いという問題があり,この点を改善しようとす
る技術が従来から提案されている。Here, when the positive voltage of the gate electrode 204 is cut off, the IGBT returns to the off state. In the on state, the n drift region 202d is filled with both electrons and holes at a high concentration. Even if the injection of electrons from n + source region 206 is cut off by turning off the voltage, the carrier concentration in n drift region 202d does not immediately decrease. Therefore, the transient characteristics when the IGBT is turned off are shown in FIG.
As shown by the broken line in the graph, the current does not fall immediately after the switch is turned off. Therefore, there is a problem that the turn-off time is long, and techniques for improving this point have been conventionally proposed.
【0007】提案されているターンオフ時間短縮手段は
基本的には,重金属原子や格子欠陥等の再結合中心を高
濃度に分布させた領域をIGBT内に設け,キャリアを
対消滅させることにより問題のキャリア濃度を早期に減
少させようとするものである。例えば特開昭64−19
771号公報に記載されたものでは,IGBTの裏面側
(図15ではp+ 基板201側)からプロトン照射を行
うことにより,nドリフト領域202d内であってp+
基板201近傍の狭い範囲内に格子欠陥を分布させてい
る(図16参照)。[0007] The proposed turn-off time shortening means basically has a problem in that a region in which recombination centers such as heavy metal atoms and lattice defects are distributed at a high concentration is provided in the IGBT and carriers are annihilated. The purpose is to reduce the carrier concentration at an early stage. For example, JP-A-64-19
No. 771 discloses that by performing proton irradiation from the back side of the IGBT (p + substrate 201 side in FIG. 15), p +
Lattice defects are distributed in a narrow range near the substrate 201 (see FIG. 16).
【0008】[0008]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら,前記公
報のように狭い範囲内に格子欠陥を分布させたIGBT
では,ターンオフ時間の短縮は著しく不十分である。な
ぜなら,当該範囲以外の領域ではやはりキャリア濃度の
減少が遅いからである。このため,図17のグラフに実
線で示すように,ターンオフの最終部分で電流の収束が
遅れてしまう。また,格子欠陥分布領域が狭いため,製
造工程のばらつき等によりその形成位置がずれると素子
特性にも大きく影響してしまうという問題もある。格子
欠陥分布領域をp+ 基板201内に設けても同様であ
る。なお,プロトンのようなイオンを照射する代わりに
電子線照射を用いると,半導体全体にわたって広く格子
欠陥を分布させることができターンオフ時間の短縮は十
分となるが(特開平3−272184号公報),電界効
果トランジスタの部分にも格子欠陥が分布することから
オン抵抗が上昇してしまう。However, an IGBT in which lattice defects are distributed within a narrow range as disclosed in the above-mentioned publication.
Then, the reduction of the turn-off time is extremely insufficient. This is because the carrier concentration decreases slowly in the region other than the above range. Therefore, as shown by the solid line in the graph of FIG. 17, the convergence of the current is delayed in the final portion of the turn-off. In addition, since the lattice defect distribution area is narrow, there is a problem in that if the formation position is shifted due to a variation in a manufacturing process or the like, the element characteristics are greatly affected. The same applies to the case where the lattice defect distribution region is provided in the p + substrate 201. When electron beam irradiation is used instead of irradiation with ions such as protons, lattice defects can be widely distributed over the entire semiconductor and the turn-off time can be reduced sufficiently (Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-272184). On-resistance increases due to the distribution of lattice defects also in the field effect transistor.
【0009】本発明は,従来の半導体装置が有する前記
のような問題点を解決するためになされたものである。
すなわち,オン抵抗の上昇を伴うことなくターンオフ時
間を十分に短縮した半導体装置を,その製造方法ととも
に提供することを技術的課題とするものである。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of a conventional semiconductor device.
That is, it is a technical object of the present invention to provide a semiconductor device in which the turn-off time is sufficiently reduced without increasing the on-resistance, together with a method of manufacturing the semiconductor device.
【0010】[0010]
【課題を解決するための手段】この課題の解決を目的と
してなされた請求項1の発明は,半導体層の表面側にス
イッチング素子を設け,このスイッチング素子のオンオ
フにより前記半導体層の厚さ方向の電流をスイッチング
制御する半導体装置であって,前記半導体層の一部に,
他の部分よりも高い格子欠陥濃度を有する欠陥領域が設
けられ,前記欠陥領域が,前記半導体層のうち電流をス
イッチオフ後に空乏化しない部分全体を包含し,かつ,
前記スイッチング素子を含まないことを特徴として特定
される。According to a first aspect of the present invention, a switching element is provided on a front surface side of a semiconductor layer, and the switching element is turned on and off in a thickness direction of the semiconductor layer. A semiconductor device for controlling switching of a current, wherein a part of the semiconductor layer includes:
A defect region having a higher lattice defect concentration than another portion is provided, wherein the defect region includes an entire portion of the semiconductor layer that is not depleted after switching off a current;
It is specified that the switching element is not included.
【0011】この半導体装置では,スイッチング素子が
オンして半導体層の厚さ方向の電流が流れている状態か
らスイッチング素子をオフしたときに空乏化しない部分
全体に,他の部分よりも高い濃度で格子欠陥が分布して
いる。このためこの部分でのキャリアのライフタイムが
短い。したがって,オフ後にこの部分のキャリア濃度が
速やかに減少し,電流が早期に0に収束する。その一方
で,スイッチング素子の部分における格子欠陥濃度は他
の部分よりも特に高くないので,オン抵抗が低くオン動
作時の特性に優れている。ここで,半導体層における格
子欠陥の濃度分布は,実際にはガウス分布やローレンツ
分布等の濃度が連続的に変化するものであることが多い
が,その場合には濃度の半値幅をなす範囲が欠陥領域で
あるとすればよい。In this semiconductor device, the portion which is not depleted when the switching element is turned off when the switching element is turned on and the current flows in the thickness direction of the semiconductor layer is turned off at a higher concentration than the other portions. Lattice defects are distributed. Therefore, the life time of the carrier in this part is short. Therefore, the carrier concentration in this portion rapidly decreases after the power is turned off, and the current quickly converges to zero. On the other hand, the lattice defect concentration in the switching element portion is not particularly higher than those in other portions, so that the on-resistance is low and the characteristics during the on-operation are excellent. Here, the concentration distribution of lattice defects in the semiconductor layer is often such that the concentration of a Gaussian distribution, a Lorentz distribution, or the like changes continuously in many cases. What is necessary is just to let it be a defective area.
【0012】また,請求項2の発明は,請求項1に記載
する半導体装置であって,前記半導体層の厚さ方向にエ
ミッタ,ベース,コレクタが配置されたバイポーラトラ
ンジスタを有し,前記スイッチング素子は,オンするこ
とにより前記バイポーラトランジスタのベースにキャリ
アを注入する電界効果トランジスタであり,前記欠陥領
域は,前記ベースのうち前記エミッタ近傍のスイッチオ
フ後に空乏化しない部分全体を包含することを特徴とす
る。According to a second aspect of the present invention, there is provided the semiconductor device according to the first aspect, further comprising a bipolar transistor having an emitter, a base, and a collector arranged in a thickness direction of the semiconductor layer, wherein the switching element is provided. Is a field-effect transistor that injects carriers into the base of the bipolar transistor when turned on, wherein the defect region includes an entire portion of the base near the emitter that is not depleted after switching off. I do.
【0013】この半導体装置は,いわゆる絶縁ゲート型
バイポーラトランジスタ(IGBT)である。このIG
BTでは,オン状態では電界効果トランジスタからバイ
ポーラトランジスタのベースにキャリアが注入され,こ
れによりベースのキャリア濃度が上昇してバイポーラト
ランジスタが導通し,電流が流れている。電界効果トラ
ンジスタがスイッチオフされると,バイポーラトランジ
スタのベース,コレクタ間のpn接合から空乏層が広が
ってゆくが,ベースの中のエミッタ近傍の部分に空乏化
しない領域が欠陥領域に含まれており,この部分のキャ
リアは速やかに消滅する。このため電流が早期に0に収
束し,ターンオフ応答に優れる。その一方で,電界効果
トランジスタの部分における格子欠陥濃度は他の部分よ
りも特に高くないので,オン抵抗が低くオン動作時の特
性に優れている。This semiconductor device is a so-called insulated gate bipolar transistor (IGBT). This IG
In the BT, in the on state, carriers are injected from the field-effect transistor into the base of the bipolar transistor, whereby the carrier concentration in the base increases, the bipolar transistor conducts, and current flows. When the field-effect transistor is switched off, the depletion layer expands from the pn junction between the base and the collector of the bipolar transistor. However, a non-depleted region is included in the base near the emitter in the defect region. The carrier in this part disappears quickly. Therefore, the current quickly converges to 0, and the turn-off response is excellent. On the other hand, since the lattice defect concentration in the field effect transistor portion is not particularly higher than in other portions, the on-resistance is low and the characteristics during the on-operation are excellent.
【0014】また,請求項3の発明は,表面側にスイッ
チング素子を設けた半導体層に,他の部分よりも格子欠
陥濃度が高い欠陥領域を,スイッチオフしたときに空乏
化しない部分全体を包含し,かつ,前記スイッチング素
子を含まないように形成した構造の半導体装置を製造す
る方法であって,前記半導体層に対し照射マスクを介し
てイオン照射を行うことにより前記欠陥領域を形成し,
前記照射マスクは,場所により2水準以上の吸収能を有
し,照射されたイオンの半導体内での分布の半値幅が前
記電流をオフしたときに空乏化しない部分の厚さ以上と
なるようにされていることを特徴として特定される。According to a third aspect of the present invention, the semiconductor layer provided with the switching element on the front surface includes a defect region having a higher lattice defect concentration than other portions and an entire portion which is not depleted when switched off. A method of manufacturing a semiconductor device having a structure formed so as not to include the switching element, wherein the defect region is formed by performing ion irradiation on the semiconductor layer through an irradiation mask,
The irradiation mask has an absorption capacity of two or more levels depending on the location, and the half width of the distribution of the irradiated ions in the semiconductor is equal to or greater than the thickness of a portion that is not depleted when the current is turned off. It is specified by the feature that it is.
【0015】この製造方法では,表面側にスイッチング
素子を設けた半導体層に対し,照射マスクを介してイオ
ン照射を行うことにより欠陥領域を形成する。その際の
照射マスクとしては,場所により2水準以上の吸収能
(例えば厚さの違いによる)を有するものを使用する。
照射マスクの吸収能に場所による相違があることによ
り,半導体層中におけるイオンの到達位置の分布の半値
幅が広がるので,1回のイオン照射で,また極端な高エ
ネルギーを要さず,スイッチオフしたときに空乏化しな
い部分全体を包含する欠陥領域を形成することができ
る。なお,欠陥領域の形成は,半導体層にスイッチング
素子を形成する前に行ってもよい。In this manufacturing method, a defect region is formed by irradiating a semiconductor layer provided with a switching element on the surface side with ions through an irradiation mask. As the irradiation mask at that time, a mask having two or more levels of absorption capacity (for example, due to a difference in thickness) is used depending on the location.
Since the absorption capacity of the irradiation mask varies depending on the location, the half value width of the distribution of the arrival position of the ions in the semiconductor layer is widened, so that a single ion irradiation does not require an extremely high energy and can be switched off. In this case, a defect region that covers the entire portion that is not depleted when formed can be formed. Note that the formation of the defective region may be performed before the formation of the switching element in the semiconductor layer.
【0016】このときの照射のエネルギーを,スイッチ
ング素子が欠陥領域に含まれないように調整して照射す
れば,請求項1に記載する半導体装置が製造される。当
該半導体層が,厚さ方向にエミッタ,ベース,コレクタ
が配置されたバイポーラトランジスタを有し,スイッチ
ング素子が電界効果トランジスタであるものであれば,
請求項2に記載する半導体装置が製造される。なおイオ
ン照射は,半導体層の表面側と裏面側とのいずれから行
ってもよい。If the irradiation energy is adjusted such that the switching element is not included in the defective area, the semiconductor device according to the first aspect is manufactured. If the semiconductor layer has a bipolar transistor in which an emitter, a base, and a collector are arranged in the thickness direction, and the switching element is a field effect transistor,
The semiconductor device according to claim 2 is manufactured. The ion irradiation may be performed from either the front side or the back side of the semiconductor layer.
【0017】[0017]
【発明の実施の形態】以下,本発明を,図面に示す実施
の形態に基づいて詳細に説明する。本実施の形態は,プ
レーナ型のnチャネルIGBTにおいて本発明を具体化
したものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail based on an embodiment shown in the drawings. In the present embodiment, the present invention is embodied in a planar n-channel IGBT.
【0018】[構造] (半導体層)本実施の形態に係るIGBT1は,図1に
示す基本構造を有している。すなわち,高濃度p型シリ
コンのp+ 基板101とその上に形成されたnエピタキ
シャル層102とが半導体層10をなす。この半導体層
10において,nエピタキシャル層102の側(図1で
は上方)を表面側といい,p+ 基板101の側(図1で
は下方)を裏面側というものとする。そして,半導体層
10の表面側には,n+ソース領域106とpボディ領
域107とp+ボディ領域109とが形成されている。
これらは,nエピタキシャル層102の一部にイオン注
入等により形成された拡散層である。nエピタキシャル
層102のうちこれら拡散層以外の部分をnドリフト領
域102dという。[Structure] (Semiconductor layer) The IGBT 1 according to the present embodiment has the basic structure shown in FIG. That is, the p + substrate 101 of high concentration p-type silicon and the n epitaxial layer 102 formed thereon form the semiconductor layer 10. In this semiconductor layer 10, the side of the n epitaxial layer 102 (upper in FIG. 1) is referred to as the front side, and the side of the p + substrate 101 (lower in FIG. 1) is referred to as the back side. An n + source region 106, a p body region 107, and a p + body region 109 are formed on the surface side of the semiconductor layer 10.
These are diffusion layers formed on a part of the n-epitaxial layer 102 by ion implantation or the like. A portion other than these diffusion layers in the n epitaxial layer 102 is called an n drift region 102d.
【0019】また,nドリフト領域102dとp+ 基板
101との界面付近には,格子欠陥を高濃度に分布させ
た欠陥領域112が形成されている。欠陥領域112
は,その大部分がnドリフト領域102dであるが,一
部はp+ 基板101に及んでいる。ただしpボディ領域
107等の拡散層には及んでいない。また,nドリフト
領域102dは,空乏化領域102aと非空乏化領域1
02bとに分けて考えることができる。これらは製造上
区別されているわけではないが,動作上の違いがあるか
らである。すなわち,詳細は後述するが,IGBT1を
スイッチオフした後にnドリフト領域102dとpボデ
ィ領域107およびp+ ボディ領域109との間のpn
接合から空乏層が広がってくる範囲が空乏化領域102
aであり,残りが非空乏化領域102bである。そし
て,非空乏化領域102bは,欠陥領域112に含まれ
ている。In the vicinity of the interface between the n drift region 102d and the p + substrate 101, a defect region 112 in which lattice defects are distributed at a high concentration is formed. Defective area 112
Are mostly the n drift region 102d, but partially extend to the p + substrate 101. However, it does not extend to the diffusion layers such as the p body region 107. Further, the n drift region 102d is composed of the depletion region 102a and the non-depletion region 1
02b. Although these are not distinguished in terms of manufacturing, there is a difference in operation. That is, although details will be described later, the pn between the n drift region 102d and the p body region 107 and the p + body region 109 after the IGBT 1 is switched off.
The range in which the depletion layer extends from the junction is the depletion region 102
a and the rest is the non-depleted region 102b. The non-depleted region 102b is included in the defect region 112.
【0020】上記の構造の半導体層10の,図1中X−
X線上における不純物濃度(細い実線)および格子欠陥
濃度(太い実線)を図2に示す。図2に示されるよう
に,格子欠陥濃度は連続的に変化しており,明確なステ
ップはない。図1に示した欠陥領域112の範囲は,格
子欠陥濃度が半値幅をなす範囲である。In the semiconductor layer 10 having the above-described structure, X-
FIG. 2 shows the impurity concentration (thin solid line) and the lattice defect concentration (thick solid line) on the X-ray. As shown in FIG. 2, the lattice defect concentration changes continuously and there is no clear step. The range of the defect region 112 shown in FIG. 1 is a range in which the lattice defect concentration has a half width.
【0021】(電極,絶縁膜)次に,半導体層10の表
面と裏面とに設けられている電極や絶縁膜等について説
明する。まず表面側には,電極としてゲート電極104
とソース電極110とが設けられ,そしてゲート電極1
04を半導体層10等から絶縁するためのゲート絶縁膜
103や絶縁膜105,108が設けられている。ゲー
ト電極104は,nエピタキシャル層102の表面う
ち,nドリフト領域102dの部分とpボディ領域10
7の部分との上方に存在し,さらにn+ ソース領域10
6の一部の上方に及んでいる。このゲート電極104
は,ゲート絶縁膜103により半導体層10から絶縁さ
れている。一方,ソース電極110は,n+ ソース領域
106およびp+ ボディ領域109に接触し,これらに
電気的に導通するように設けられている。ゲート電極1
04とソース電極110との間は,絶縁膜105,10
8により絶縁されている。そして,ゲート電極104に
はゲート端子Gが,ソース電極110にはソース端子S
Cが,それぞれ設けられている。(Electrode, Insulating Film) Next, electrodes, insulating films and the like provided on the front surface and the back surface of the semiconductor layer 10 will be described. First, a gate electrode 104 is formed as an electrode on the front side.
And a source electrode 110, and a gate electrode 1
A gate insulating film 103 and insulating films 105 and 108 for insulating the semiconductor device 04 from the semiconductor layer 10 and the like are provided. Gate electrode 104 is formed between n drift region 102 d and p body region 10 d on the surface of n epitaxial layer 102.
7 and an n + source region 10
6 extends above some of them. This gate electrode 104
Are insulated from the semiconductor layer 10 by the gate insulating film 103. On the other hand, source electrode 110 is provided so as to be in contact with n + source region 106 and p + body region 109 and to be electrically connected thereto. Gate electrode 1
04 and the source electrode 110, insulating films 105, 10
8 insulated. The gate electrode 104 has a gate terminal G, and the source electrode 110 has a source terminal S.
C are provided respectively.
【0022】一方裏面側には,p+ 基板101に接触し
てこれと電気的に導通するドレイン電極111が設けら
れている。そしてドレイン電極111には,ドレイン端
子DEが設けられている。On the other hand, a drain electrode 111 which is in contact with the p + substrate 101 and is electrically connected thereto is provided on the back surface side. The drain electrode 111 is provided with a drain terminal DE.
【0023】(素子構成)上記の構造を有するIGBT
1において,p+ ボディ領域109とnドリフト領域1
02dとp+ 基板101とがpnpバイポーラトランジ
スタを構成する。すなわち,p+ ボディ領域109がコ
レクタであり,nドリフト領域102dがベースであ
り,p+基板101がエミッタである。また,n+ソース
領域106とpボディ領域107とnドリフト領域10
2dとゲート電極104とがnチャネル電界効果トラン
ジスタを構成する。すなわち,pボディ領域107がチ
ャネル形成領域であり,nドリフト領域102dがドレ
インである。もちろん,n+ ソース領域106がソース
であり,ゲート電極104がゲートである。したがって
nドリフト領域102dは,バイポーラトランジスタの
ベースと電界効果トランジスタのドレインを兼ねている
ことになる。(Element structure) IGBT having the above structure
1, p + body region 109 and n drift region 1
02d and the p + substrate 101 constitute a pnp bipolar transistor. That is, p + body region 109 is a collector, n drift region 102d is a base, and p + substrate 101 is an emitter. Further, n + source region 106, p body region 107, and n drift region 10
2d and the gate electrode 104 constitute an n-channel field effect transistor. That is, p body region 107 is a channel formation region, and n drift region 102d is a drain. Of course, the n + source region 106 is the source, and the gate electrode 104 is the gate. Therefore, the n drift region 102d also serves as the base of the bipolar transistor and the drain of the field effect transistor.
【0024】[動作]次に,IGBT1の動作を説明す
る。IGBT1の基本的な動作は,絶縁ゲートであるゲ
ート電極104の電圧により,ドレイン電極111から
ソース電極110への電流,すなわち半導体層10の厚
さ方向の電流をスイッチング制御することである。[Operation] Next, the operation of the IGBT 1 will be described. The basic operation of the IGBT 1 is to control the switching of the current from the drain electrode 111 to the source electrode 110, that is, the current in the thickness direction of the semiconductor layer 10, by the voltage of the gate electrode 104, which is an insulated gate.
【0025】(オフ状態)まず,ゲート電極104に何
ら電圧が掛けられていない状態を考える。この状態で
は,電界効果トランジスタがオンしておらず,ドレイン
電極111とソース電極110との間の電流の流れ方に
対し影響を及ぼさない。したがって,ドレイン端子DE
とソース端子SCとの間に,ドレイン端子DEがより高
電位となる向きに電圧を印加して,ドレイン電極111
からソース電極110へ向けて電流を流そうとしても,
nドリフト領域102dとpボディ領域107およびp
+ ボディ領域109との間のpn接合が逆方向となるた
め,電流はほとんど流れない。すなわちバイポーラトラ
ンジスタがオフなのである。(Off State) First, a state in which no voltage is applied to the gate electrode 104 will be considered. In this state, the field-effect transistor is not turned on, and does not affect the flow of current between the drain electrode 111 and the source electrode 110. Therefore, the drain terminal DE
A voltage is applied between the drain terminal 111 and the source terminal SC so that the drain terminal DE has a higher potential.
From the source electrode 110 toward the source electrode 110,
n drift region 102d, p body region 107 and p
Since the pn junction with + body region 109 is in the opposite direction, almost no current flows. That is, the bipolar transistor is off.
【0026】(オン状態)ここで,ゲート端子Gを用い
てゲート電極104に正電圧(vsソース電極110)
を印加する(以下,ゲート電圧という)と,次のような
ことが起こる。まず,ゲート絶縁膜103を挟んでゲー
ト電極104と対面しているpボディ領域107の表面
に,ゲート電圧の電界効果によるnチャネルが生成され
る。このため,n+ ソース領域106のキャリアである
電子がこのnチャネルを通って,より電位の高いnドリ
フト領域102dに流れ込む。すなわち電界効果トラン
ジスタがオンとなる。(ON state) Here, a positive voltage (vs. source electrode 110) is applied to the gate electrode 104 using the gate terminal G.
(Hereinafter referred to as gate voltage), the following occurs. First, an n-channel is generated on the surface of p body region 107 facing gate electrode 104 with gate insulating film 103 interposed therebetween by the electric field effect of the gate voltage. Therefore, electrons, which are carriers of the n + source region 106, flow through the n channel into the n drift region 102d having a higher potential. That is, the field effect transistor is turned on.
【0027】これによりnドリフト領域102d(空乏
化領域102a,非空乏化領域102bとも)の電子濃
度が上昇する。このため,nドリフト領域102dの抵
抗が小さくなるとともにその電位が下がるので,p+ 基
板101のキャリアであるホールが,nドリフト領域1
02dに引き込まれる。すなわちnドリフト領域102
dとp+ 基板101とにより構成されるダイオードが導
通する。これによりnドリフト領域102dは,電子濃
度ばかりでなくホール濃度も高い状態となる。nドリフ
ト領域102dに進入したホールは,一部が電子と対消
滅するほか,さらに電位が低いp+ ボディ領域109に
流れ込む。すなわちバイポーラトランジスタがオンする
のである。したがってドレイン電極111からソース電
極110へ厚さ方向の電流が流れる。As a result, the electron concentration in n drift region 102d (both depleted region 102a and non-depleted region 102b) increases. Therefore, the resistance of the n drift region 102d decreases and the potential thereof decreases, so that the holes serving as carriers of the p + substrate 101
02d. That is, the n drift region 102
The diode constituted by d and the p + substrate 101 conducts. As a result, the n drift region 102d has a state in which not only the electron concentration but also the hole concentration is high. Some of the holes that have entered the n-drift region 102d annihilate with electrons, and flow into the p + body region 109 having a lower potential. That is, the bipolar transistor is turned on. Therefore, a current flows in the thickness direction from the drain electrode 111 to the source electrode 110.
【0028】すなわちIGBT1においては,オン動作
に電子とホールとの双方が関与するバイポーラトランジ
スタ的な作用を基本としつつ,絶縁されているゲート電
極104の電圧によりオンオフが制御される。ここにお
いて,ゲート電圧により直接にオンオフされる電界効果
トランジスタが,バイポーラトランジスタの導通,不通
をスイッチングするスイッチング素子としての役割を果
たしている。また,半導体層10のうち格子欠陥を高濃
度に分布させた欠陥領域112が,非空乏化領域102
bの付近に限られており,pボディ領域107等の拡散
層には及んでいないので,オン抵抗が高いということは
ない。That is, in the IGBT 1, on / off is controlled by the voltage of the insulated gate electrode 104, based on the function of a bipolar transistor in which both electrons and holes are involved in the on operation. Here, a field-effect transistor that is directly turned on and off by a gate voltage plays a role as a switching element that switches on / off of a bipolar transistor. Further, the defect region 112 in the semiconductor layer 10 where the lattice defects are distributed at a high concentration is formed in the non-depleted region 102.
Since it is limited to the vicinity of b and does not reach the diffusion layer such as the p body region 107, the on-resistance is not high.
【0029】(スイッチオフ)前記のようなオン状態か
らゲート電極104への正電圧の印加を断つと,pボデ
ィ領域107の表面のnチャネルが消滅して,nドリフ
ト領域102dへの電子の注入が断たれるので,IGB
T1はオフに戻る。その際の過渡動作を説明する。(Switch-off) When the application of the positive voltage to the gate electrode 104 is stopped from the above-described ON state, the n-channel on the surface of the p-body region 107 disappears, and electrons are injected into the n-drift region 102d. Is cut off, so IGB
T1 returns to off. The transient operation at that time will be described.
【0030】まずオン状態におけるnドリフト領域10
2dは,電子とホールとの双方が高濃度に充満している
状態にある。スイッチオフされると,電子の注入が断た
れることと,ホールがp+ボディ領域109に流出する
こととにより,p+ボディ領域109およびpボディ領
域107との界面のpn接合から,キャリア濃度が非常
に低い空乏層が広がる。この空乏層の広がりは,nドリ
フト領域102dの中でも空乏化領域102aには及ぶ
が非空乏化領域102bには及ばない。しかしながら非
空乏化領域102bは,前記のように欠陥領域112に
含まれており,格子欠陥濃度が高い。このためキャリア
のライフタイムが短く,電子とホールとは早期に対消滅
する。そして,電子の注入が断たれるとともにp+ 基板
101からのホールの流入も断たれているので,キャリ
ア濃度は対消滅により早期に低下する。First, n drift region 10 in ON state
2d is a state in which both electrons and holes are filled with a high concentration. When the switch is turned off, the injection of electrons is cut off and the holes flow out to the p + body region 109, so that the pn junction at the interface between the p + body region 109 and the p body region 107 causes the carrier concentration to decrease. But the depletion layer is very low. The spread of the depletion layer extends to the depletion region 102a but not to the non-depletion region 102b in the n drift region 102d. However, the non-depleted region 102b is included in the defect region 112 as described above, and has a high lattice defect concentration. Therefore, the lifetime of the carrier is short, and the electrons and holes are quickly annihilated. Since the injection of electrons is cut off and the inflow of holes from the p + substrate 101 is cut off, the carrier concentration decreases early due to the annihilation.
【0031】したがってnドリフト領域102d全体に
おいて,スイッチオフ後早期にキャリア濃度が低下す
る。このため図3に示すように,ドレイン電極111か
らソース電極110への電流はスイッチオフ後早期に0
に収束する。すなわちターンオフ時間が短く,スイッチ
オフの応答性に優れている。Therefore, in the entire n-drift region 102d, the carrier concentration is reduced early after the switch-off. Therefore, as shown in FIG. 3, the current from the drain electrode 111 to the source electrode 110 becomes zero immediately after the switch-off.
Converges to That is, the turn-off time is short and the switch-off response is excellent.
【0032】[製造方法]次に,IGBT1の製造方法
を説明する。[Manufacturing Method] Next, a method of manufacturing the IGBT 1 will be described.
【0033】(エピタキシャル成長)IGBT1の製造
においては,シリコン基板として高濃度p型の基板を使
用する。まず,よく洗浄したp+ 基板101上にエピタ
キシャル成長により,低濃度n型シリコンの層を形成す
る。これにより図4に示すように,p+ 基板101とn
エピタキシャル層102との積層体である半導体層10
が形成される。このp+ 基板101は,IGBT1にお
いてバイポーラトランジスタのエミッタ領域となるもの
である。またnエピタキシャル層102は,nドリフト
領域102dや拡散層となる部分である。(Epitaxial Growth) In manufacturing the IGBT 1, a high-concentration p-type substrate is used as a silicon substrate. First, a low-concentration n-type silicon layer is formed on a well-cleaned p + substrate 101 by epitaxial growth. Thus, as shown in FIG. 4, p + substrate 101 and the n
Semiconductor layer 10 which is a laminate with epitaxial layer 102
Is formed. This p + substrate 101 serves as an emitter region of a bipolar transistor in the IGBT 1. The n-epitaxial layer 102 is a portion that becomes an n-drift region 102d and a diffusion layer.
【0034】(ゲート電極の形成)続いて,nエピタキ
シャル層102の表面に熱酸化膜を形成した後,CVD
法により,多結晶シリコン膜,酸化シリコン膜を順次積
層する。多結晶シリコン膜には,導電性付与のためリン
(P)のような不純物を含有させておく。そして,熱酸
化膜を残しつつ,多結晶シリコン膜と酸化シリコン膜と
を所定形状にエッチングすると,図5に示すように,ゲ
ート電極104(多結晶シリコン膜)が形成される。ゲ
ート電極104は,ゲート絶縁膜103(熱酸化膜)に
よりnエピタキシャル層102から絶縁されている。な
お絶縁膜105(酸化シリコン膜)は,ゲート電極10
4と後に形成されるソース電極110との絶縁のための
ものである。(Formation of Gate Electrode) Subsequently, after a thermal oxide film is formed on the surface of
According to the method, a polycrystalline silicon film and a silicon oxide film are sequentially laminated. The polycrystalline silicon film contains an impurity such as phosphorus (P) for imparting conductivity. Then, when the polycrystalline silicon film and the silicon oxide film are etched into a predetermined shape while leaving the thermal oxide film, a gate electrode 104 (polycrystalline silicon film) is formed as shown in FIG. Gate electrode 104 is insulated from n epitaxial layer 102 by gate insulating film 103 (thermal oxide film). Note that the insulating film 105 (silicon oxide film) is
4 and for insulation between a source electrode 110 to be formed later.
【0035】(拡散層の形成)次に,nエピタキシャル
層102の一部に拡散層を形成する。最初に形成する拡
散層は,n+ ソース領域106である。このため,ゲー
ト電極104の形成を行った半導体層10に対し,上方
からヒ素(As)等のドナー性の元素をイオン注入する
(図6参照)。すると,注入されたイオンが分布する範
囲は高濃度n型となり,n+ ソース領域106が形成さ
れる。ここで,絶縁膜105がマスクとなってイオンを
阻止しているので,ゲート電極104の下部には,縁辺
部を除いてn+ ソース領域106は,形成されない。縁
辺部には,nエピタキシャル層102内でのイオンの回
り込みにより,n+ソース領域106が形成される。n+
ソース領域106は,IGBT1において電界効果トラ
ンジスタのソースとなる部分である。(Formation of Diffusion Layer) Next, a diffusion layer is formed on a part of the n epitaxial layer 102. The diffusion layer formed first is the n + source region 106. For this reason, a donor element such as arsenic (As) is ion-implanted from above into the semiconductor layer 10 on which the gate electrode 104 has been formed (see FIG. 6). Then, the range in which the implanted ions are distributed becomes high-concentration n-type, and the n + source region 106 is formed. Here, since the insulating film 105 serves as a mask to block ions, no n + source region 106 is formed below the gate electrode 104 except for the peripheral portion. An n + source region 106 is formed at the peripheral portion due to ions flowing inside the n epitaxial layer 102. n +
The source region 106 is a portion that becomes a source of the field effect transistor in the IGBT 1.
【0036】次に形成する拡散層は,pボディ領域10
7である。このため,n+ ソース領域106の形成を行
った半導体層10に対し,斜め上方からホウ素(B)等
のアクセプタ性の元素をイオン注入する(図7参照)。
このとき,注入されたイオンのnエピタキシャル層10
2内での飛程が,n+ ソース領域106の形成のための
イオン注入の場合より大きく、例えば3〜5倍程度にな
るようにする。この飛程は大きければ大きいほどよい
が、大きくするためにはより大きなエネルギーを必要と
するため、実際的には3〜5倍程度が好ましい。そして
注入のドーズ量は,n+ソース領域106の導電型を反
転させず,かつ,n+ソース領域106以外のnエピタ
キシャル層102の導電型をp型に反転させる程度とす
る。すると,注入されたイオンが分布する範囲であって
n+ ソース領域106以外の範囲はp型となり,pボデ
ィ領域107が形成される。The diffusion layer to be formed next is the p body region 10
7 For this purpose, an acceptor element such as boron (B) is ion-implanted into the semiconductor layer 10 on which the n + source region 106 has been formed from obliquely above (see FIG. 7).
At this time, the n-epitaxial layer 10 of the implanted ions is
The range within 2 is larger than that in the case of ion implantation for forming the n + source region 106, for example, about 3 to 5 times. The greater the range, the better. However, since a larger energy is required to increase the range, in practice, the range is preferably about 3 to 5 times. The implantation dose is such that the conductivity type of the n + source region 106 is not reversed and the conductivity type of the n epitaxial layer 102 other than the n + source region 106 is reversed to the p type. Then, the region where the implanted ions are distributed and the region other than n + source region 106 becomes p-type, and p body region 107 is formed.
【0037】形成されたpボディ領域107は,イオン
注入を斜め方向から行っているため,また,注入された
イオンの飛程がより大きいため,n+ ソース領域106
の周囲全体を覆っている。このため,n+ ソース領域1
06とnドリフト領域102d(nエピタキシャル層1
02のうち拡散層でない部分)とは直接接してはいな
い。また,pボディ領域107は,n+ ソース領域10
6の下部以外ではnエピタキシャル層102の表面に臨
んでおり,その部分ではゲート絶縁膜103を挟んでゲ
ート電極104と対面している。この部分が,IGBT
1の電界効果トランジスタにおいてチャネルが形成され
る箇所である。In the formed p body region 107, since the ion implantation is performed obliquely and the range of the implanted ions is large, the n + source region 106 is formed.
It covers the whole circumference. Therefore, n + source region 1
06 and n drift region 102d (n epitaxial layer 1
02 (the part which is not the diffusion layer in the reference numeral 02). In addition, p body region 107 has n + source region 10
Except for the lower portion of 6, the semiconductor device faces the surface of the n-type epitaxial layer 102, and the portion faces the gate electrode 104 with the gate insulating film 103 interposed therebetween. This part is IGBT
This is where a channel is formed in one field effect transistor.
【0038】続いて,p+ ボディ領域109の形成が行
われる。このためまず,pボディ領域107の形成を行
った半導体層10に対し,CVD法により酸化シリコン
膜を堆積する。この堆積は等方的に行われるので,酸化
シリコンは,ゲート電極104および絶縁膜105の側
壁(図7中にWで示す)にも付着する。このため,堆積
される酸化シリコン膜108は図8に示すような形状と
なる。そして,ゲート電極104から離れた箇所におい
てnエピタキシャル層102(n+ ソース領域106)
が露出するまで酸化シリコンを上方から異方性エッチン
グによりエッチバックすると,図9に示すような形状と
なる。Subsequently, formation of p + body region 109 is performed. Therefore, first, a silicon oxide film is deposited on the semiconductor layer 10 on which the p body region 107 has been formed by the CVD method. Since this deposition is performed isotropically, the silicon oxide also adheres to the side walls (denoted by W in FIG. 7) of the gate electrode 104 and the insulating film 105. Therefore, the deposited silicon oxide film 108 has a shape as shown in FIG. Then, the n-type epitaxial layer 102 (n + source region 106) at a position away from the gate electrode 104.
When the silicon oxide is etched back from above by anisotropic etching until the silicon oxide is exposed, the shape shown in FIG. 9 is obtained.
【0039】そして,ホウ素等のアクセプタ性の元素を
イオン注入する(図10参照)。このとき,注入された
イオンのnエピタキシャル層102内での飛程が,pボ
ディ領域107の形成のためのイオン注入の場合と同程
度になるようにする。また注入のドーズ量は,n+ ソー
ス領域106の部分の導電型をも反転させる程度とす
る。これによりpボディ領域107の一部およびn+ ソ
ース領域106の一部が,より不純物濃度の高いp+ボ
ディ領域109となる。形成されたp+ボディ領域10
9は,nエピタキシャル層102の表面に臨んでいる。
また下部においてはpボディ領域107を介さず直接に
nドリフト領域102dに接している。この部分が,I
GBT1のバイポーラトランジスタにおいてコレクタ領
域となる部分である。Then, an acceptor element such as boron is ion-implanted (see FIG. 10). At this time, the range of the implanted ions in the n-type epitaxial layer 102 is set to be substantially the same as in the case of ion implantation for forming the p-body region 107. The dose of the implantation is such that the conductivity type of the n + source region 106 is also inverted. Thereby, a part of p body region 107 and a part of n + source region 106 become p + body region 109 having a higher impurity concentration. Formed p + body region 10
9 faces the surface of the n epitaxial layer 102.
In addition, the lower portion is in direct contact with n drift region 102d without interposing p body region 107. This part is I
This is a portion to be a collector region in the bipolar transistor of the GBT1.
【0040】(ソース電極の形成)次に,絶縁膜10
5,108を部分的にエッチングする。このエッチング
の目的は,図11に示すように,n+ ソース領域106
の一部を露出させることである。また同時に,絶縁膜1
05の膜厚調整もなされている。したがってこのエッチ
ングは,ウェットエッチングのような等方的エッチング
法を用いて行われる。そして,アルミニウム(Al)等
の金属をスパッタ法により堆積すると,図12に示すよ
うに,p+ボディ領域109とn+ソース領域106との
双方に接触するソース電極110が形成される。なお,
図12の状態におけるゲート電極104は,絶縁膜10
3,105,108により他の部分から絶縁されてい
る。(Formation of Source Electrode) Next, the insulating film 10
5,108 is partially etched. The purpose of this etching, as shown in FIG. 11, n + source region 106
Is to expose a part of it. At the same time, the insulating film 1
The film thickness of 05 is also adjusted. Therefore, this etching is performed using an isotropic etching method such as wet etching. Then, when a metal such as aluminum (Al) is deposited by a sputtering method, a source electrode 110 that contacts both the p + body region 109 and the n + source region 106 is formed as shown in FIG. In addition,
The gate electrode 104 in the state of FIG.
Insulated from other parts by 3, 105, 108.
【0041】(欠陥領域の形成)次に,イオン照射によ
り欠陥領域112を形成する。このイオン照射は,図1
3に示すように,あらかじめ用意したアブソーバ40を
介在させつつ半導体層10の裏面側(p+ 基板101の
側)から行う。なお図13における半導体層10は,図
12等とは上下逆さであることに注意されたい。照射す
るイオン種として使用できるのは,ヘリウムイオン(H
e2+),水素イオン(H+ )等である。アブソーバ40
は,アルミニウム等の材質の箔であって,交互に形成さ
れた溝部41と凸部42とを有している。溝部41およ
び凸部42の幅はいずれも,イオンの照射により半導体
層10内に分布する格子欠陥の半値幅と同程度とされて
いる。また,溝部41と凸部42との厚さの差も同様の
値とされている。(Formation of Defect Region) Next, a defect region 112 is formed by ion irradiation. This ion irradiation is shown in Fig. 1.
As shown in FIG. 3, the process is performed from the back side of the semiconductor layer 10 (p + substrate 101 side) with an absorber 40 prepared in advance interposed. Note that the semiconductor layer 10 in FIG. 13 is upside down from FIG. Helium ions (H
e 2+ ) and hydrogen ions (H + ). Absorber 40
Is a foil made of a material such as aluminum, and has a groove portion 41 and a convex portion 42 formed alternately. The width of each of the groove 41 and the protrusion 42 is substantially equal to the half-value width of a lattice defect distributed in the semiconductor layer 10 due to the irradiation of ions. Further, the difference between the thickness of the groove 41 and the thickness of the protrusion 42 is set to the same value.
【0042】このようなアブソーバ40を介してイオン
照射を行うと,半導体層10内に形成される格子欠陥
は,図13中に線分S群,線分T群,およびこれらの各
線分を囲む四辺形Uで示されるような分布をとる。すな
わち線分S群がアブソーバ40の凸部42に対応する分
布ピーク位置を示し,線分T群が溝部41に対応する分
布ピーク位置を示している。両者は,溝部41と凸部4
2との厚さの差の分,深さ方向の位置が異なる。各線分
を囲む四辺形Uは,格子欠陥の分布濃度がピーク値の半
値以上である領域である。半導体層10における実際の
分布はこれらの各分布の重畳であり,図13のグラフに
示すように,単独の分布の半値幅(He2+を24MeV
程度のエネルギーで照射した場合で約10μm)の2倍
程度の半値幅Vの深さ方向分布となる。横方向の欠陥分
布は,ほぼ一様となる。When the ion irradiation is performed through the absorber 40, the lattice defects formed in the semiconductor layer 10 surround the line segment S, the line segment T, and each of these line segments in FIG. A distribution as shown by a quadrilateral U is taken. That is, the line segment group S indicates a distribution peak position corresponding to the convex portion 42 of the absorber 40, and the line segment T group indicates a distribution peak position corresponding to the groove portion 41. Both are the groove 41 and the protrusion 4
The position in the depth direction is different by the difference in thickness from 2. A quadrilateral U surrounding each line segment is an area where the distribution density of lattice defects is equal to or greater than half the peak value. The actual distribution in the semiconductor layer 10 is a superposition of each of these distributions, and as shown in the graph of FIG. 13, the half width of a single distribution (He 2+ is 24 MeV
(In the case of irradiating with the energy of about 10 μm), the distribution in the depth direction has a half width V which is about twice as large as about 10 μm. The defect distribution in the lateral direction is almost uniform.
【0043】その後,200〜470℃程度の温度でア
ニールして欠陥を安定化する。こうして,nドリフト領
域102dの中の非空乏化領域102bを包含する欠陥
領域112が,1回のイオン照射により得られる。な
お,このイオン照射におけるアブソーバ40は,図13
に示すものの他に図14のような,ピーク深さ調整用ア
ブソーバ43と半値幅調整用アブソーバ44とを別々に
した分割式のものを用いてもよい。分割式にすると,ピ
ーク深さと半値幅との多様な組合せに,より少ない総種
類数のアブソーバで対応することができる。Thereafter, annealing is performed at a temperature of about 200 to 470 ° C. to stabilize the defect. Thus, the defect region 112 including the non-depleted region 102b in the n drift region 102d is obtained by one ion irradiation. The absorber 40 in this ion irradiation is shown in FIG.
As shown in FIG. 14, a split type in which the absorber 43 for adjusting the peak depth and the absorber 44 for adjusting the half-value width may be used separately. With the split type, it is possible to cope with various combinations of the peak depth and the half width with a smaller number of types of absorbers.
【0044】(ドレイン電極の形成)最後に,半導体層
10の裏面(p+ 基板101)にアルミニウム等の金属
をスパッタ法または蒸着法により堆積してドレイン電極
111を形成し,各電極(110,104,111)に
必要な端子(SC,G,DE)を取り付けると,図1に
示すIGBT1が完成する。(Formation of Drain Electrode) Finally, a metal such as aluminum is deposited on the back surface (p + substrate 101) of the semiconductor layer 10 by sputtering or vapor deposition to form a drain electrode 111. When the necessary terminals (SC, G, DE) are attached to (104, 111), the IGBT 1 shown in FIG. 1 is completed.
【0045】[まとめ]以上詳細に説明したように,本
実施の形態に係るIGBT1では,nドリフト領域10
2d(nエピタキシャル層102)とp+ 基板101と
の界面付近に,格子欠陥を高濃度に分布させるとともに
その分布の半値幅を大きくして,nドリフト領域102
dのうちスイッチオフ後に空乏化しない非空乏化領域1
02bが欠陥領域112内に包含されるようにしたの
で,ゲート電圧をスイッチオフするとnドリフト領域1
02dの全域において速やかにキャリアが減少する。こ
のため,スイッチオフ後にドレイン電極111からソー
ス電極110への電流が短時間で0に収束する。すなわ
ちターンオフ時間が短くオフ応答に優れている。[Summary] As described above in detail, in the IGBT 1 according to the present embodiment, the n drift region 10
In the vicinity of the interface between 2d (n epitaxial layer 102) and p + substrate 101, lattice defects are distributed at a high concentration and the half width of the distribution is increased so that n drift region 102
Non-depleted region 1 of d not depleted after switch off
02b is included in the defect region 112, so that when the gate voltage is switched off, the n drift region 1
Carriers decrease rapidly in the entire area of 02d. Therefore, the current from the drain electrode 111 to the source electrode 110 converges to 0 in a short time after the switch is turned off. That is, the turn-off time is short and the off-response is excellent.
【0046】また,格子欠陥分布の半値幅が大きく欠陥
領域112が非空乏化領域102bを包含しているが,
欠陥領域112はpボディ領域107等の拡散層にまで
は及んでいないので,オン抵抗は特に高くない。すなわ
ち,欠陥領域112の位置および幅を,非空乏化領域1
02bを包含しかつ拡散層にまでは及ばない程度とした
ことにより,ターンオフ時間の短縮とオン抵抗の上昇防
止とが高レベルで両立されているのである。Although the half width of the lattice defect distribution is large and the defect region 112 includes the non-depleted region 102b,
Since the defect region 112 does not reach the diffusion layer such as the p body region 107, the on-resistance is not particularly high. That is, the position and width of the defect region 112 are changed to the non-depleted region 1
By including O.sub.2b but not reaching the diffusion layer, both the reduction of the turn-off time and the prevention of the increase of the on-resistance are achieved at a high level.
【0047】さらに,格子欠陥分布の半値幅が十分大き
いことから,製造プロセスの要因により欠陥領域112
の形成深さ位置に多少のばらつきがあっても,非空乏化
領域102bが欠陥領域112の外部にはみ出すことは
ほとんどない。したがって,ターンオフ時間の短縮効果
が安定して得られる利点がある。Further, since the half width of the lattice defect distribution is sufficiently large, the defect region
Even if there is some variation in the formation depth position, the non-depleted region 102b hardly protrudes outside the defect region 112. Therefore, there is an advantage that the effect of reducing the turn-off time can be stably obtained.
【0048】そして,このIGBT1の製造において,
溝部41と凸部42とを有し場所により厚さに差がある
アブソーバ40を介してイオン照射を行うことにより欠
陥領域112を形成することとしたので,1回のイオン
照射で所望のピーク深さおよび幅を有する欠陥領域11
2を形成できる。したがって,イオンのエネルギーやア
ブソーバの種類等を変えて何度もイオン照射する必要は
なく,プロセスが簡単で製造コストもさほどかからな
い。また,溝部41と凸部42との厚さの差の分,欠陥
分布の半値幅が広がっているので,過度に高い加速エネ
ルギーをかけなくても必要な幅の欠陥領域112が得ら
れる。Then, in the manufacture of this IGBT1,
Since the defect region 112 is formed by performing ion irradiation through the absorber 40 having the groove 41 and the protrusion 42 and having a difference in thickness depending on the location, a desired peak depth can be obtained by one ion irradiation. Defect region 11 having width and width
2 can be formed. Therefore, there is no need to repeatedly perform ion irradiation while changing the ion energy, the type of absorber, and the like, so that the process is simple and the production cost is low. Further, since the half width of the defect distribution is widened by the difference in thickness between the groove 41 and the projection 42, the required width of the defect region 112 can be obtained without applying excessively high acceleration energy.
【0049】なお,本発明は前記実施の形態に何ら限定
されるものではなく,その要旨を逸脱しない範囲内で種
々の改良,変形が可能であることはもちろんである。It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment at all, and it is needless to say that various improvements and modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
【0050】例えば前記実施の形態で示したIGBT1
では,nドリフト領域102d内に特に不純物濃度の差
を設けていないが,何らかの濃度分布を設けることも考
えられる。通常行われる例としては,nドリフト領域1
02d内でも特に非空乏化領域102b内に,高濃度の
バッファ層を設けることが挙げられる。場合によっては
非空乏化領域102bの全部がバッファ層であってもよ
い。またIGBT1は,いわゆるプレーナ型のものであ
るが,これ以外にもトレンチゲート型等,特殊なゲート
構造を持ったものにも適用できる。また,絶縁ゲートを
持つことも必須ではなく,絶縁ゲートのない伝導度変調
型の半導体素子にも適用可能である。そしてこれらのp
n極性を逆にしたものであってもよい。For example, the IGBT 1 shown in the above embodiment
In the embodiment, no particular difference in impurity concentration is provided in the n drift region 102d, but some concentration distribution may be provided. A typical example is n drift region 1
A high-concentration buffer layer may be provided especially in the non-depleted region 102b in the region 02d. In some cases, the entire non-depleted region 102b may be a buffer layer. The IGBT 1 is of a so-called planar type, but may be applied to a device having a special gate structure such as a trench gate type. Further, it is not essential to have an insulated gate, and the present invention can be applied to a conductivity modulation type semiconductor device without an insulated gate. And these p
The n-polarity may be reversed.
【0051】また製造方法においても変形が考えられ
る。例えば前記実施の形態では,欠陥領域112の形成
を,pボディ領域107等の拡散層の形成後に行った
が,拡散層の形成前に行ってもよい。また,欠陥領域1
12の形成のためのイオン照射は,半導体層10の裏面
側から行う代わりに表面側から行ってもよい。なお表面
側から行う場合,拡散層等となる部分を照射イオンが通
過することによる影響が心配されるが,通常,照射後に
安定化のためのアニールが行われ,この際にイオン通過
の影響が除去される。したがって,拡散層等となる部分
に照射イオンが停止しない条件で照射を行えば問題はな
い。更に、スイッチ素子であれば、上記以外の新規な構
造のものでも適用可能である。Also, the manufacturing method may be modified. For example, in the above-described embodiment, the formation of the defect region 112 is performed after the formation of the diffusion layer such as the p body region 107, but may be performed before the formation of the diffusion layer. In addition, defect area 1
The ion irradiation for forming 12 may be performed from the front side instead of from the back side of the semiconductor layer 10. In the case of performing from the surface side, there is a concern that the irradiation ions may pass through the part that becomes the diffusion layer, etc., but usually annealing for stabilization is performed after irradiation. Removed. Therefore, there is no problem if the irradiation is performed under the condition that the irradiation ions do not stop on the portion serving as the diffusion layer or the like. Furthermore, as long as it is a switch element, a device having a new structure other than the above can be applied.
【0052】また,イオン照射の際,あらかじめ用意し
たアブソーバ40の代わりに,アブソーバと同じ材質の
薄膜を成膜しエッチングにより凹凸形状を形成すること
としてもよい。その場合にはその膜をその後電極として
使用することも考えられる。Further, at the time of ion irradiation, instead of the absorber 40 prepared in advance, a thin film made of the same material as that of the absorber may be formed and an uneven shape may be formed by etching. In that case, it is conceivable that the film is subsequently used as an electrode.
【0053】[0053]
【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明に
よれば,半導体層内における格子欠陥分布の適切なピー
ク深さおよび幅が実現され,オン抵抗の上昇を伴うこと
なくターンオフ時間を十分に短縮した半導体装置が,そ
の製造方法とともに提供されている。As apparent from the above description, according to the present invention, an appropriate peak depth and width of the lattice defect distribution in the semiconductor layer can be realized, and the turn-off time can be sufficiently increased without increasing the on-resistance. The semiconductor device which has been shortened is provided together with the manufacturing method.
【図1】実施の形態に係る半導体装置の構造を示す図で
ある。FIG. 1 is a diagram showing a structure of a semiconductor device according to an embodiment.
【図2】図1の半導体装置における格子欠陥および不純
物の濃度分布を説明する図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a concentration distribution of lattice defects and impurities in the semiconductor device of FIG. 1;
【図3】図1の半導体装置のスイッチオフ後の過渡特性
を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing transient characteristics after switching off of the semiconductor device of FIG. 1;
【図4】エピタキシャル成長を行った半導体層を示す図
である。FIG. 4 is a diagram showing a semiconductor layer on which epitaxial growth has been performed.
【図5】ゲート電極の形成および加工を行った状態を示
す図である。FIG. 5 is a diagram showing a state in which formation and processing of a gate electrode have been performed.
【図6】ソース領域の形成を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing formation of a source region.
【図7】ボディ領域(電界効果トランジスタのチャネル
形成領域)の形成を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing formation of a body region (a channel formation region of a field effect transistor).
【図8】絶縁膜を形成した状態を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing a state where an insulating film is formed.
【図9】図8で形成した絶縁膜の一部をエッチングした
状態を示す図である。FIG. 9 is a view showing a state where a part of the insulating film formed in FIG. 8 is etched;
【図10】高濃度ボディ領域(バイポーラトランジスタ
のコレクタ領域)の形成を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing formation of a high-concentration body region (collector region of a bipolar transistor).
【図11】絶縁膜の一部をエッチングした状態を示す図
である。FIG. 11 is a diagram showing a state where a part of an insulating film is etched.
【図12】ソース電極を形成した状態を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing a state where a source electrode is formed.
【図13】欠陥領域の形成のためのイオン照射を説明す
る図である。FIG. 13 is a diagram illustrating ion irradiation for forming a defect region.
【図14】アブソーバの形状の他の例を示す図である。FIG. 14 is a diagram showing another example of the shape of the absorber.
【図15】IGBTの基本を説明する図である。FIG. 15 is a diagram illustrating the basics of an IGBT.
【図16】従来の半導体装置における格子欠陥および不
純物の濃度分布を説明する図である。FIG. 16 is a diagram illustrating a concentration distribution of lattice defects and impurities in a conventional semiconductor device.
【図17】従来の半導体装置のスイッチオフ後の過渡特
性を示すグラフである。FIG. 17 is a graph showing transient characteristics after switching off of a conventional semiconductor device.
1 半導体装置 10 半導体層 101 基板(エミッタ) 102b 非空乏化領域 102d ドリフト(ドレイン,ベース)領域 104 ゲート電極 106 ソース領域 107 ボディ(チャネル)領域 109 ボディ(コレクタ)領域 112 欠陥領域 40 アブソーバ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor device 10 Semiconductor layer 101 Substrate (emitter) 102b Non-depleted region 102d Drift (drain, base) region 104 Gate electrode 106 Source region 107 Body (channel) region 109 Body (collector) region 112 Defect region 40 Absorber
Claims (3)
設け,このスイッチング素子のオンオフにより前記半導
体層の厚さ方向の電流をスイッチング制御する半導体装
置において,前記半導体層の一部に,他の部分よりも高
い格子欠陥濃度を有する欠陥領域が設けられ,前記欠陥
領域は,前記半導体層のうちスイッチオフ後に空乏化し
ない部分全体を包含し,かつ,前記スイッチング素子を
含まないことを特徴とする半導体装置。1. A semiconductor device in which a switching element is provided on a front surface side of a semiconductor layer and a switching control of a current in a thickness direction of the semiconductor layer is performed by turning on and off the switching element. A defect region having a higher lattice defect concentration than that of the semiconductor layer, wherein the defect region includes an entire portion of the semiconductor layer that is not depleted after switch-off, and does not include the switching element. apparatus.
て,前記半導体層の厚さ方向にエミッタ,ベース,コレ
クタが配置されたバイポーラトランジスタを有し,前記
スイッチング素子は,オンすることにより前記バイポー
ラトランジスタのベースにキャリアを注入する電界効果
トランジスタであり,前記欠陥領域は,前記ベースのう
ち前記エミッタ近傍のスイッチオフ後に空乏化しない部
分全体を包含することを特徴とする半導体装置。2. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a bipolar transistor having an emitter, a base, and a collector arranged in a thickness direction of the semiconductor layer, wherein the switching element is turned on to turn on the bipolar transistor. A field effect transistor for injecting carriers into a base of the semiconductor device, wherein the defect region includes an entire portion of the base near the emitter which is not depleted after switch-off.
体層に,他の部分よりも格子欠陥濃度が高い欠陥領域
を,スイッチオフしたときに空乏化しない部分全体を包
含し,かつ,前記スイッチング素子を含まないように形
成した構造の半導体装置を製造する方法において,前記
半導体層に対し照射マスクを介してイオン照射を行うこ
とにより前記欠陥領域を形成し,前記照射マスクは,場
所により2水準以上の吸収能を有し,照射されたイオン
の半導体内での分布の半値幅が前記電流をオフしたとき
に空乏化しない部分の厚さ以上となるようにされている
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。3. A semiconductor layer provided with a switching element on a front surface side includes a defect region having a higher lattice defect concentration than other portions and an entire portion that is not depleted when switched off, and the switching element In a method of manufacturing a semiconductor device having a structure formed so as not to include a defect, the defect region is formed by irradiating the semiconductor layer with an ion through an irradiation mask, and the irradiation mask has two or more levels depending on a place. Wherein the half width of the distribution of irradiated ions in the semiconductor is greater than the thickness of a portion that is not depleted when the current is turned off. Manufacturing method.
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