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JP2013247248A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法 Download PDF

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JP2013247248A JP2012120210A JP2012120210A JP2013247248A JP 2013247248 A JP2013247248 A JP 2013247248A JP 2012120210 A JP2012120210 A JP 2012120210A JP 2012120210 A JP2012120210 A JP 2012120210A JP 2013247248 A JP2013247248 A JP 2013247248A
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Kainei O
海寧 王
Takaichi Yoshida
崇一 吉田
Seishi Noguchi
晴司 野口
Shinji Amano
伸治 天野
Kenji Kono
憲司 河野
Yukio Tsuzuki
幸夫 都築
Hiromitsu Tanabe
広光 田邊
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Fuji Electric Co Ltd
Denso Corp
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Fuji Electric Co Ltd
Denso Corp
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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Abstract

【課題】耐圧を向上し、かつ漏れ電流を低減する半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】ドリフト領域1となる半導体基板のおもて面側にMOSゲート構造などのRC−IGBTのおもて面素子構造を形成する。つぎに、半導体基板の裏面から研削して、半導体基板を薄板化する。つぎに、半導体基板の裏面に、セレンを第1イオン注入する。つぎに、炉アニールによってセレンを拡散し、フィールドストップ領域11を形成する。つぎに、フィールドストップ領域11に選択的にリンを第2イオン注入する。つぎに、フィールドストップ領域11に選択的にボロンを第3イオン注入する。つぎに、レーザアニールによってリンおよびボロンを拡散し、ダイオードのn+型領域およびIGBTのp+型領域を形成する。
【選択図】図7

Description

この発明は、半導体装置の製造方法に関する。
絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor)とダイオード(Diode)が同一の半導体基板に形成された半導体装置として、例えば逆導通IGBT(RC−IGBT:Reverse Conducting IGBT)が公知である。
RC−IGBTは、例えば、ドリフト領域となるn型半導体基板の裏面に、IGBTのp+型領域とダイオードのn+型領域が設けられている。また、上記p+型領域およびn+型領域とドリフト領域との間には、ドリフト領域よりも高い不純物濃度を有するn型のフィールドストップ領域が設けられている。フィールドストップ領域は、順バイアス時、エミッタ領域から拡がる空乏層がコレクタ領域に達することを防止する。
RC−IGBTを形成する方法として、次の方法が提案されている。半導体ウェハの裏面を研削し、研削が行われた半導体ウェハの裏面全体にn+型領域を形成する。この後、n+型領域が形成された半導体ウェハの裏面全体にイオン注入を行い、n+型領域の表層部にp+型領域を形成する。そして、p+型領域のうちダイオード部にレーザ光を照射してレーザアニールすることによりパターニングし、p+型領域にn+型領域を選択的に形成する(例えば、下記特許文献1参照。)。
また、別の方法として、次の方法が提案されている。イオン注入によりn-支持基板の裏面の表面層にFS領域を形成した後、アニール処理によりFS領域を活性化する。つぎに、イオン注入によりFS領域の表面層にpコレクタ領域を形成する。つぎに、n+高濃度領域の形成領域が開口するレジストマスクをマスクとして例えばリンをイオン注入し、pコレクタ領域の表面層の一部に、n+高濃度領域を形成する。つぎに、レーザアニールを行い、pコレクタ領域およびn+高濃度領域を活性化させる。FS層の形成には、例えばドーパントとしてリン(P)が用いられている(例えば、下記特許文献2参照。)。
また、フィールドストップ領域を有するIGBTを単体で形成する方法として、次の方法が提案されている。FZウェハの裏面から、セレン(Se)またはリンをイオン注入する。そして、例えば1000℃、1時間の熱処理を行って、注入したイオンを拡散させn+バッファ層を形成する。つづいて、FZウェハの裏面から、ボロン(B)をイオン注入する。そして、例えば450℃、1時間の熱処理を行って、注入したボロンイオンを拡散させる。また、熱処理に代えて、YAGレーザ等のレーザ光をダブルパルス法にて照射してボロンイオンを活性化してもよい。活性化されたボロンイオンは、p+コレクタ層を形成する(例えば、下記特許文献3参照。)。
また、別の方法として、次の方法が提案されている。半導体基板の裏面にフィールドストップ(FS)層を形成するために、セレン(またはイオウ)をイオン注入する。そして、イオンの活性化およびドライブ拡散のために、700℃〜950℃の温度範囲の温度プロフィールによる熱処理を加える。その後、半導体基板の裏面にボロンのイオン注入を行い、活性化処理として350℃〜500℃の熱処理を加えてp+コレクタ層を形成する(例えば、下記特許文献4参照。)。
また、フィールドストップ領域を有するダイオードを単体で形成する方法として、次の方法が提案されている。基板裏面にセレンをイオン注入する。つぎに、600℃で1時間の熱処理を行う。それによって、注入されたセレンが基板裏面からアノード側へ拡散し、nカソードバッファ層が形成される。その後、基板裏面にリンをイオン注入する。そして、そのイオン注入面にYAG第2高調波レーザを照射し、注入されたリンを活性化させてn+カソード層を形成する(例えば、下記特許文献5参照。)。
特開2008−004867号公報 特開2010−129697号公報 特開2008−227414号公報 特開2008−103562号公報 特開2007−158320号公報
しかしながら、本発明者らが鋭意研究を重ねた結果、次のような問題が生じることが新たに判明した。従来のRC−IGBTのフィールドストップ領域は、1μm程度と浅いため、ドーパントとしてリン(P)を用いてレーザアニールによって形成される。それは、リンの拡散係数が小さく、かつレーザアニールが、レーザを照射した部分の温度を局所的にかつ瞬時に上昇させ、半導体基板の裏面に注入したリンをほとんど拡散させずに活性化することができるからである。
このように、従来のRC−IGBTのフィールドストップ領域を形成するには、まず、半導体基板のおもて面に、MOSゲート構造や終端構造領域を形成する(以下、おもて面工程とする)。つぎに、ウェハの厚みを200μm以下まで研削して、ウェハを薄板化する。つぎに、半導体基板の裏面にリンをイオン注入し、レーザ照射によってリンを活性化する。これにより、半導体基板の裏面にフィールドストップ領域が形成される。
しかしながら、このように形成されたフィールドストップ領域を有する従来のRC−IGBTは、リンによって形成されるフィールドストップ領域の拡散深さが1μm程度と浅いため、耐圧が低くかったり、漏れ電流によるデバイス不良が生じやすいという問題が生じる。特に、IGBT単体に比べて10%以上歩留まりが低くなる虞がある。その理由は、RC−IGBTの裏面素子構造を形成する工程(以下、裏面工程とする)が、IGBT単体の裏面工程よりも処理時間が長くなってしまうからである。
具体的には、RC−IGBTの裏面工程は、半導体基板の裏面にpコレクタ層を形成する他にnカソード層を形成する。このため、pコレクタ層のみを形成するIGBT単体の裏面工程に比べてイオン注入工程やフォトリソグラフィ工程の回数が増大する。これにより、IGBT単体の裏面工程よりも半導体基板の裏面が露出した状態となる時間が長くなり、半導体基板裏面に傷やパーティクルなど汚れが付きやすいという問題が生じる。
このような問題を解消するために、半導体基板の裏面から例えば30μm程度と深いフィールドストップ領域を形成することが望ましい。しかしながら、上述した特許文献2に示す技術のようにドーパントとしてリンを用いて、従来のRC−IGBTよりも深いフィールドストップ領域を形成する場合、リンの拡散係数が小さいことから、半導体基板の裏面に注入したリンを1100℃以上の温度で数時間以上にわたって熱拡散させる必要がある。
この場合、フィールドストップ領域よりも前に、おもて面工程において形成されたMOSFETのゲート構造や終端構造領域にも熱処理が施されてしまう。このため、おもて面工程の後に、従来よりも深いフィールドストップ領域を形成することはできない。また、フィールドストップ領域を形成した後におもて面工程を行う場合、ウェハを薄板化した状態でおもて面工程を行うこととなるため、ウェハに割れや欠けが生じてしまう虞がある。
また、上述した特許文献2において、リンよりも拡散係数の大きいセレンを用いてフィールドストップ領域を形成する場合、フィールドストップ領域を形成した後に、フィールドストップ領域の表面層全体にIGBTのp+型領域を形成し、その後、IGBTのp+型領域の表面層に選択的にダイオードのn+型領域を形成する。このとき、ダイオードのn+型領域は、IGBTのp+型領域をn型不純物で補償することができる程度に高いドーズ量で例えばリンがイオン注入されることによって形成される。このため、ダイオードのn+型領域よりも先に形成されているフィールドストップ領域は、ダイオードのn+型領域を形成するためのリンのイオン注入によって損傷する。これにより、半導体基板の裏面から浅い領域におけるキャリア濃度が低下し、RC−IGBTの耐圧が低下してしまう。
また、上述した特許文献4に示すIGBT単体を形成する技術をRC−IGBTに適用する場合、IGBT単体のpコレクタ層を形成するための500℃程度の熱処理では、RC−IGBTのpコレクタ層を活性化させることはできるが、RC−IGBTのnカソード層を十分に活性化させることができない。その理由は、nカソード層はpコレクタ層よりも10倍以上高い不純物濃度で形成する必要があるため、500℃程度の熱処理ではイオン注入による欠陥を十分に回復することができないからである。
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、高い耐圧を有する半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。また、漏れ電流を低減することができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。また、歩留まりの高い半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタとダイオードとが同一の第1導電型の半導体基板に設けられた半導体装置の製造方法であって、前記半導体基板の裏面に、第1導電型の第1ドーパントをイオン注入し、熱処理によって、前記半導体基板よりも高い不純物濃度を有する第1導電型の第1半導体領域を形成する第1形成工程と、前記第1形成工程の後、前記半導体基板の裏面に、前記第1ドーパントよりも拡散係数の小さい第1導電型の第2ドーパント、および第2導電型の第3ドーパントをそれぞれイオン注入し、熱処理によって、第1導電型の第2半導体領域および第2導電型の第3半導体領域を形成する第2形成工程と、を含むことを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第1形成工程では、前記半導体基板の裏面全体に前記第1ドーパントをイオン注入した後に、熱処理炉を用いて熱処理を行うことを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第2形成工程では、前記半導体基板の裏面に選択的に前記第2ドーパントをイオン注入した後、当該半導体基板の裏面の当該第2ドーパントをイオン注入した領域と異なる領域に前記第3ドーパントをイオン注入し、その後、レーザを用いて熱処理を行うことを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第2形成工程では、前記半導体基板の裏面全体に前記第3ドーパントをイオン注入した後、当該半導体基板の裏面に選択的に前記第2ドーパントをイオン注入し、その後、レーザを用いて熱処理を行うことを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第2形成工程では、前記ダイオードを構成する前記第2半導体領域を形成することを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第2形成工程では、前記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを構成する前記第3半導体領域を形成することを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第1形成工程の前に、前記半導体基板の裏面を研削する研削工程を行うことを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第1ドーパントはセレンであることを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第2ドーパントはリンであることを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第3ドーパントはボロンであることを特徴とする。
また、上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタとダイオードとが同一の第1導電型の半導体基板に設けられた半導体装置の製造方法であって、前記半導体基板の裏面に、第1導電型の第1ドーパントをイオン注入する第1注入工程と、前記第1注入工程の後に、炉アニールを行う第1アニール工程と、前記第1アニール工程の後に、前記ダイオードの第1導電型の第2半導体領域の形成領域が開口する第1マスクで、前記半導体基板の裏面を覆う第1マスク形成工程と、前記第1マスクをマスクとして、前記半導体基板の裏面に、第1導電型の第2ドーパントをイオン注入する第2注入工程と、前記第1マスクを除去する第1除去工程と、前記第1除去工程の後に、前記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの第2導電型の第3半導体領域の形成領域が開口する第2マスクで、前記半導体基板の裏面を覆う第2マスク形成工程と、前記第2マスクをマスクとして、前記半導体基板の裏面に、第2導電型の第3ドーパントをイオン注入する第3注入工程と、前記第2マスクを除去する第2除去工程と、前記第2除去工程の後に、前記半導体基板の裏面にレーザアニールを行う第2アニール工程と、を含むことを特徴とする。
また、上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタとダイオードとが同一の第1導電型の半導体基板に設けられた半導体装置の製造方法であって、前記半導体基板の裏面に、第1導電型の第1ドーパントをイオン注入する第1注入工程と、前記第1注入工程の後に、炉アニールを行う第1アニール工程と、前記第1アニール工程の後に、前記半導体基板の裏面に、第2導電型の第3ドーパントをイオン注入する第3注入工程と、前記第3注入工程の後に、前記ダイオードの第1導電型の第2半導体領域の形成領域が開口する第1マスクで、前記半導体基板の裏面を覆う第1マスク形成工程と、前記第1マスクをマスクとして、第1導電型の第2ドーパントをイオン注入する第2注入工程と、前記第1マスクを除去する第1除去工程と、前記第1除去工程の後に、前記半導体基板の裏面にレーザアニールを行う第2アニール工程と、を含むことを特徴とする。
上述した発明によれば、半導体基板の裏面に、第1ドーパントをイオン注入して当該第1ドーパントを拡散して第1半導体領域を形成してから、第1ドーパントよりも拡散係数の小さい第2ドーパントをイオン注入する。このため、第2ドーパントが第1半導体領域の形成を阻害することはない。これにより、第1半導体領域のキャリア濃度が低下することを回避することができる。
また、第1半導体領域は炉アニールによって、半導体基板の裏面から1μm以上の深さで拡散される。このため、半導体基板の裏面に第1ドーパントのドーズ量よりも高いドーズ量で、第2ドーパントおよび第3ドーパントをイオン注入したとしても、第2ドーパントおよび第3ドーパントが第1半導体領域の形成を阻害することはない。これにより、第1半導体領域のキャリア濃度が低下することを回避することができる。
また、第2ドーパントおよび第3ドーパントはレーザアニールによって拡散される。このため、第2半導体領域および第3半導体領域を形成するためのレーザアニールによる熱エネルギーの、第1半導体領域への影響は、半導体基板の裏面から1μm程度となる。これにより、第1半導体領域の不純物濃度分布が、第2半導体領域および第3半導体領域を形成するための熱拡散によって変化することを回避することができる。
本発明にかかる半導体装置の製造方法によれば、耐圧を向上することができるという効果を奏する。また、漏れ電流を低減することができるという効果を奏する。また、歩留まりを高くすることができるという効果を奏する。
本発明にかかる半導体装置を示す断面図である。 実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態2にかかる半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態2にかかる半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態2にかかる半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施例1にかかる半導体装置のキャリア濃度分布について示す特性図である。 実施例2にかかる半導体装置の電気的特性について示す特性図である。
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、nまたはpを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、nやpに付す+および−は、それぞれそれが付されていない層や領域よりも高不純物濃度および低不純物濃度であることを意味する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
(実施の形態1)
図1は、本発明にかかる半導体装置を示す断面図である。図1に示す半導体装置100は、同一の半導体基板に、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)110とダイオード120が設けられている。ダイオード120は、例えばフリーホイールダイオード(FWD:Free Wheeling Diode)であってもよい。
-型(第1導電型)のドリフト領域1となる半導体基板のおもて面の表面層には、p型(第2導電型)のベース領域2が設けられている。ベース領域2は、その表面から半導体基板の内部に向かって徐々に低くなるような不純物濃度を有する。ベース領域2の表面層には、p型のコンタクト領域3およびn+型のエミッタ領域4が選択的に設けられている。コンタクト領域3およびエミッタ領域4は互いに接する。また、ベース領域2を貫通し、ドリフト領域1に達するトレンチ5が設けられている。
トレンチ5の内部には、ゲート絶縁膜を介して第1電極6が設けられている。第1電極6は、IGBT110のゲート電極として機能する。第2電極8は、コンタクト領域3およびエミッタ領域4に接する。また、第2電極8は、層間絶縁膜7により第1電極6と電気的に絶縁されている。第2電極8は、IGBT110のエミッタ電極およびダイオード120のアノード電極として機能する。第2電極8の表面には、パッシベーション膜(不図示)が設けられている。
半導体基板の裏面の表面層には、n+型のフィールドストップ領域(第1半導体領域)11が設けられている。フィールドストップ領域11は、ドリフト領域1より高い不純物濃度を有する。フィールドストップ領域11の表面層には、IGBT110の形成領域において、p+型領域(第3半導体領域)9が設けられている。また、ダイオード120の形成領域において、n+型領域(第2半導体領域)10が設けられている。p+型領域9は、IGBT110のコレクタ領域である。n+型領域10は、ダイオード120のカソード領域である。p+型領域9の幅は、288μm以上であるのが好ましい。n+型領域10の幅は、96μm以上であるのが好ましい。その理由は、スナップバックが発生しないため、IGBTの動作を安定させることができるからである。
+型領域9およびn+型領域10の表面には、第3電極12が設けられている。第3電極12は、IGBT110のコレクタ電極として機能する。また、第3電極12は、ダイオード120のカソード電極として機能する。
つぎに、上述した半導体装置100の製造方法について説明する。図2〜10は、実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法を示す断面図である。まず、図2に示すように、ドリフト領域1となる半導体基板のおもて面側に、ベース領域2、コンタクト領域3、エミッタ領域4、第1電極6などのMOSゲート構造や、ベース領域2およびコンタクト領域3と第2電極8とのコンタクトなど、半導体装置100のおもて面素子構造を形成する。
つぎに、図3に示すように、半導体基板のおもて面側を例えば保護膜(不図示)で保護した後に、半導体基板の裏面を、例えば半導体基板の厚さが200μm以下となるまで研削する(研削工程)。なお、エッチングの場合、厳密には研削ではないが、本明細書では、半導体基板を薄くする手段については問わないので、エッチングを含めて研削とする。
つぎに、図4に示すように、研削された半導体基板の裏面、すなわち、ドリフト領域1のおもて面素子構造が形成された面に対して反対側の表面に、n型の第1ドーパントとして例えばセレン(Se)をイオン注入する(第1注入工程)。このとき、半導体基板の裏面全体に、第1ドーパントをイオン注入する。図4において、半導体基板の裏面の表面近傍の点線は、注入された第1ドーパントを表している。第1ドーパントが注入される領域は、フィールドストップ領域11の形成領域である。第1ドーパントのドーズ量は、例えば1×1014/cm2以上であってもよい。
つぎに、熱処理炉の処理室に半導体基板を入れて熱処理(炉アニール)を行い、第1注入工程においてドリフト領域1に注入した第1ドーパントを活性化する(第1アニール工程)。炉アニールの処理条件は、例えば、900℃以上950℃以下の温度で、30分以上2時間以下であってもよい。これにより、図5に示すように、半導体基板の裏面全体にわたって、ドリフト領域1の表面層にフィールドストップ領域11が形成される。第1注入工程および第1アニール工程が、第1形成工程に相当する。
n型の第1ドーパントとしては、次の特徴を有するドーパントであればよい。例えば、第1ドーパントは、第1形成工程よりも後の工程にて形成されるp+型領域(第3半導体領域)9の深さと比べて、例えば900℃以上950℃以下の温度で十分深くまで拡散するような拡散係数を有するn型ドーパントであればよい。このようなn型ドーパントとしては、セレンの他に、例えば硫黄(S)を用いてもよい。
つぎに、半導体基板のおもて面側を保護する保護膜を除去し、半導体基板のおもて面側に、例えばアルミニウム(Al)を主成分とする第2電極8を形成する。つぎに、第2電極8の表面に、パッシベーション膜(不図示)を形成する。
つぎに、図6に示すように、フォトリソグラフィによって、半導体基板の裏面、すなわち、フィールドストップ領域11の表面に、n+型領域10の形成領域が開口するレジストマスク(第1マスク)21を形成する(第1マスク形成工程)。
つぎに、図7に示すように、レジストマスク21をマスクとして、半導体基板の裏面側からフィールドストップ領域11に、n型の第2ドーパントをイオン注入する(第2注入工程)。これにより、レジストマスク21の開口部に露出するフィールドストップ領域11にのみ第2ドーパントが注入される。
第2注入工程において用いる第2ドーパントは、第1ドーパントよりも拡散係数が小さいのが好ましい。例えば、第2ドーパントは、リン(P)であってもよい。その理由は、半導体装置100の完成後にフィールドストップ領域11となる部分にまで第2ドーパントが拡散せず、フィールドストップ領域11の不純物濃度分布を変化させないようにすることができるからである。第2ドーパントは、他に砒素(As)であってもよい。
図7において、フィールドストップ領域11の表面近傍の点線(図4よりも粗い点線)は、注入された第2ドーパントを表している。すなわち、第2ドーパントは、n+型領域10の形成領域にのみ注入され、p+型領域9の形成領域には注入されない。第2ドーパントのドーズ量は、例えば1×1014/cm2以上であってもよい。つぎに、レジストマスク21を除去する(第1除去工程)。
つぎに、図8に示すように、フォトリソグラフィによって、半導体基板の裏面、すなわち、フィールドストップ領域11の表面に、p+型領域9の形成領域が開口するレジストマスク(第2マスク)22を形成する(第2マスク形成工程)。
つぎに、図9に示すように、レジストマスク22をマスクとして、半導体基板の裏面側からフィールドストップ領域11に、p型の第3ドーパントをイオン注入する(以下、第3注入工程とする)。これにより、レジストマスク22の開口部に露出するフィールドストップ領域11の表面にのみ第3ドーパントが注入される。
第3注入工程において用いる第3ドーパントは、例えばボロン(B)であってもよい。図9において、レジストマスク22の開口部に露出するフィールドストップ領域11の表面近傍の点線(図4および図7よりも細かい点線)は、注入された第3ドーパントを表している。すなわち、第3ドーパントは、p+型領域9の形成領域にのみ注入され、n+型領域10の形成領域に注入されない。第3ドーパントのドーズ量は、例えば1×1014/cm2以上であってもよい。つぎに、レジストマスク22を除去する(第2除去工程)。
つぎに、半導体基板の裏面にレーザ光を照射して熱処理(レーザアニール)を行い、第2注入工程および第3注入工程においてそれぞれフィールドストップ領域11に注入した第2ドーパントおよび第3ドーパントを活性化する(以下、第2アニール工程とする)。第2アニール工程におけるレーザアニールの処理条件は、例えば、レーザ照射密度2J/cm2以下であってもよい。これにより、図10に示すように、フィールドストップ領域11の表面層に選択的に、ダイオード120のn+型領域10およびIGBT110のp+型領域9が形成される。第1マスク形成工程から第2アニール工程までの工程が、第2形成工程に相当する。
つぎに、p+型領域9およびn+型領域10の表面に、第3電極12を形成する。これにより、図1に示すように、半導体装置100が完成する。
上述した半導体装置100の製造方法において、第3注入工程の後に、第2注入工程を行ってもよい。すなわち、フィールドストップ領域11を形成するための第1注入工程および炉アニール(第1アニール工程)の後、n+型領域10となる第2ドーパントおよびp+型領域9となる第3ドーパントを活性化するレーザアニール(第2アニール工程)を行う前までに、n+型領域10となる第2ドーパントをイオン注入する第2注入工程と、p+型領域9となる第3ドーパントをイオン注入する第3注入工程とが行われればよい。
+型領域10となる第2ドーパントをイオン注入する第2注入工程と、p+型領域9となる第3ドーパントをイオン注入する第3注入工程の順序は、望ましくは、n+型領域10およびp+型領域9のうちフィールドストップ領域11の表面に対して深く形成する方のドーパント注入工程を先に行うのがよい。例えば、実施の形態1においては、n+型領域10をp+型領域9よりも深く形成することを想定し、第2注入工程の後に第3注入工程を行っている。その理由は、次のとおりである。
実施の形態1においては、第2注入工程においてn+型領域10(カソード領域)の形成領域に注入される第2ドーパントを、第3注入工程においてp+型領域9(コレクタ領域)の形成領域に注入される第3ドーパントよりも深く注入する。このため、仮に、第3注入工程、第2注入工程の順にドーパントの注入工程を行う場合、第2ドーパントをイオン注入する際に用いるレジストマスク21にパターンムラがあったときに、p+型領域9の形成領域に形成された第3ドーパントのp型の不純物領域に、このp型の不純物領域よりも深い第2ドーパントによるn型の不純物領域が形成されてしまう。これにより、p+型領域9に半導体基板裏面からフィールドストップ領域11に達するn+型領域が部分的に形成されてしまい、p+型領域9を均一に形成することができない。
それに対して、第2注入工程、第3注入工程の順に行う場合、p+型領域9の形成領域に第2ドーパントによるn型の不純物領域が形成されたとしても、その後、p+型領域9の形成領域の表面層に第3ドーパントによるp型の不純物領域を均一に形成することができる。これにより、p+型領域9に半導体基板裏面からフィールドストップ領域11に達するn+型領域が部分的に形成されることを回避し、p+型領域9を均一に形成することができるからである。
また、仮に、第3ドーパントをイオン注入する際に用いるレジストマスク22にパターンムラがあったとしても、n+型領域10の形成領域に形成された第2ドーパントによるn型の不純物領域は、第3ドーパントによるp型の不純物領域よりも深く形成されるため、n+型領域10に半導体基板裏面からフィールドストップ領域11に達するp+型領域が部分的に形成されることはないからである。なお、図1〜10では、p+型領域9およびn+型領域10の厚さの違いは図示を省略する(図11〜13においても同様)。
第2注入工程および第3注入工程における第2ドーパントおよび第3ドーパントのイオン注入の深さは、イオン注入時の加速エネルギーを調整することで制御する。すなわち、n+型領域10およびp+型領域9のうち、深く形成する方のドーパントのイオン注入時の加速エネルギーを、浅く形成する方のドーパントのイオン注入時の加速エネルギーよりも大きくすればよい。例えば、第2ドーパント(リン)のイオン注入時の加速エネルギーを100keVとし、第3ドーパント(ボロン)のイオン注入時の加速エネルギーを50keVとしてもよい。
以上、説明したように、実施の形態1によれば、半導体基板の裏面に、セレン(第1ドーパント)を第1イオン注入して当該セレンを拡散してフィールドストップ領域11を形成してから、セレンよりも拡散係数の小さいリン(第2ドーパント)を第2イオン注入する。このため、第2イオン注入されたリンがフィールドストップ領域11の形成を阻害することはない。これにより、フィールドストップ領域11のキャリア濃度が低下することを回避することができる。したがって、RC−IGBTの耐圧を10%以上向上することができる。
また、フィールドストップ領域11は炉アニールによって、半導体基板の裏面から1μm以上の深さで十分に拡散される。このため、半導体基板の裏面にセレンのドーズ量よりも高いドーズ量で、リンおよびボロン(第3ドーパント)を第2,3イオン注入したとしても、リンおよびボロンがフィールドストップ領域11の形成を阻害することはない。これにより、フィールドストップ領域11のキャリア濃度が低下することを回避することができる。したがって、RC−IGBTの耐圧を10%以上向上することができる。
また、第2,3イオン注入されたリンおよびボロンはレーザアニールによって拡散される。このため、n+型領域10およびp+型領域9を形成するためのレーザアニールによる熱エネルギーの、フィールドストップ領域11への影響は、半導体基板の裏面から1μm程度となる。これにより、フィールドストップ領域11の不純物濃度分布が、n+型領域10およびp+型領域9を形成するための熱拡散によって変化することを回避することができる。したがって、漏れ電流を10%以上低減することができる。これにより、歩留まりを高くすることができる。
(実施の形態2)
図11〜13は、実施の形態2にかかる半導体装置の製造方法を示す断面図である。実施の形態2は、第2注入工程の前に第3注入工程を行うこと、および第3注入工程において、半導体基板の裏面全体に第3ドーパントをイオン注入することが実施の形態1と異なる。実施の形態2においては、n+型領域10をp+型領域9よりも浅く形成する場合について説明する。
実施の形態2にかかる半導体装置100は、実施の形態1にかかる半導体装置と同様の構成を有する(図1参照)。実施の形態2にかかる半導体装置100は、次のように製造される。まず、実施の形態1と同様に、半導体装置100のおもて面素子構造、フィールドストップ領域11、第2電極8およびパッシベーション膜(不図示)を形成するまでの工程を行う(図2〜図5参照)。
つぎに、図11に示すように、半導体基板の裏面、すなわち、フィールドストップ領域11の表面に、p型の第3ドーパント(例えばボロン)をイオン注入する(第3注入工程)。このとき、半導体基板の裏面全体に、第3ドーパントをイオン注入する。図11において、フィールドストップ領域11の表面近傍の点線は、注入された第3ドーパントを表している。すなわち、第3ドーパントは、p+型領域9の形成領域およびn+型領域10の形成領域の両領域に注入される。
つぎに、図12に示すように、フォトリソグラフィによって、半導体基板の裏面、すなわち、フィールドストップ領域11の第3ドーパントがイオン注入された表面に、n+型領域10の形成領域が開口するレジストマスク23を形成する。
つぎに、図13に示すように、レジストマスク23をマスクとして、半導体基板の裏面に、n型の第2ドーパント(例えばリン)をイオン注入する(第2注入工程)。これにより、レジストマスク23の開口部に露出するフィールドストップ領域11の表面にのみ第2ドーパントが注入される。
図13において、レジストマスク23の開口部に露出するフィールドストップ領域11の表面近傍の点線は、注入された第2ドーパントを表している。すなわち、第2ドーパントは、n+型領域10の形成領域にのみ注入され、p+型領域9の形成領域には注入されない。このとき、第2ドーパントのドーズ量は、第1ドーパントのドーズ量よりも高く、かつ、第3ドーパントのドーズ量よりも高い。
また、実施の形態2においても、第2注入工程と第3注入工程の順序は、好ましくは、n+型領域10およびp+型領域9のうちフィールドストップ領域11の表面に対して深く形成する方のドーパント注入工程を先に行うとよい。例えば、実施の形態2においては、第3注入工程として第3ドーパント(ボロン)を加速エネルギーが100keVにて先にイオン注入する。そして、第3注入工程よりも後の工程で、第2注入工程(後述)として第2ドーパント(リン)を加速エネルギーが50keVにてイオン注入すればよい。
つぎに、レジストマスク23を除去する。つぎに、実施の形態1と同様に、半導体基板の裏面にレーザ光を照射して熱処理(レーザアニール)を行い、第3注入工程および第2注入工程においてそれぞれフィールドストップ領域11に注入した第3ドーパントおよび第2ドーパントを活性化する(第2アニール工程)。
上述したように、第2ドーパントのドーズ量は、第1ドーパントのドーズ量よりも高く、かつ、第3ドーパントのドーズ量よりも高い。このため、第3注入工程の後に第2注入工程を行ったとしても、n+型領域10の形成領域には、第2ドーパントのイオン注入によってn型不純物濃度が補償されてn+型領域10(以下、補償によるn+型領域10とする)が形成される。したがって、実施の形態1と同様に、第2アニール工程によってn+型領域10およびp+型領域9が形成される(図10参照)。
つぎに、実施の形態1と同様に、以降の工程を行うことにより、図1に示すように、半導体装置100が完成する。実施の形態2のその他の製造方法および処理条件は、実施の形態1と同様である。
以上、説明したように、実施の形態2によれば、実施の形態1と同様の半導体装置が作製(製造)されるため、実施の形態1と同様の効果を得ることができる。
(実施例1)
つぎに、実施例1にかかる半導体装置100のフィールドストップ領域11におけるキャリア濃度分布について説明する。図14は、実施例1にかかる半導体装置のキャリア濃度分布について示す特性図である。図14の横軸は、半導体基板の裏面からの深さを示す。図14の縦軸は、n型不純物のキャリア濃度を示す。まず、実施の形態1に従い、RC−IGBTを作製した。具体的には、ドリフト領域1となる半導体基板の裏面にセレンをイオン注入(第1注入工程)して炉アニール(第1アニール工程)を行い、フィールドストップ領域11を形成した。その後、フィールドストップ領域11の表面にリンおよびボロンをそれぞれイオン注入(第2,3注入工程)してレーザアニール(第2アニール工程)を行い、p+型領域9(コレクタ領域)およびn+型領域10(カソード領域)を形成した。
比較として、実施例1にかかるRC−IGBTと異なる製造方法で作製した2種類のRC−IGBTを用意した(以下、第1,2比較例とする)。第1比較例では、半導体基板の裏面にセレンを注入した後に続けてリンおよびボロンをそれぞれイオン注入し、その後、炉アニールを行って半導体基板の裏面にイオン注入したセレン、リンおよびボロンを一括して活性化させてフィールドストップ領域、コレクタ領域およびカソード領域を形成した。第1比較例のそれ以外の製造方法、イオン注入条件およびアニール条件は、実施例1にかかるRC−IGBTの製造方法と同様である。第2比較例では、半導体基板の裏面にリンをイオン注入し、炉アニールを行ってリンを活性化させてフィールドストップ領域を形成した。それ以外の製造方法、イオン注入条件およびアニール条件は、実施例1にかかるRC−IGBTの製造方法と同様である。
図14に示す結果において、測定点31,32,33は、それぞれ実施例1にかかるRC−IGBT、第1比較例および第2比較例の、フィールドストップ領域とn+型領域(カソード領域)との界面におけるフィールドストップ領域のキャリア濃度を示している。図14に示す結果より、実施例1にかかるRC−IGBTおよび第1比較例において、フィールドストップ領域のキャリア濃度は、測定点31,32から深さ方向に、測定点31,32と同程度のキャリア濃度で計測されている。すなわち、実施例1にかかるRC−IGBTおよび第1比較例において、フィールドストップ領域は、測定点31,32から図示省略する深さまでの厚さで形成されていることがわかる。一方、第2比較例において、フィールドストップ領域のキャリア濃度は、測定点33から2.5μm程度の深さまでしか計測されていない。すなわち、第2比較例において、フィールドストップ領域は、測定点33から2.5μm程度の深さまでしか形成されていないことがわかる。
また、実施例1にかかるRC−IGBTの測定点31におけるフィールドストップ領域11のキャリア濃度は、第1比較例の測定点32におけるフィールドストップ領域のキャリア濃度よりも高くなっていることがわかる。この理由は、次のように推測される。第1比較例では、フィールドストップ領域を形成するためのセレン、カソード領域を形成するためのリンを続けて注入した後、このセレンおよびリンを一括して活性化し、フィールドストップ領域とカソード領域とを同時に形成する。このため、セレンおよびリンを一括して活性化するときに、リンがセレンの拡散を阻害する。それに対して、実施例1にかかるRC−IGBTにおいては、半導体基板の裏面にセレンをイオン注入(第1注入工程)した後に続けて炉アニール(第1アニール工程)を行うことによって、まず、フィールドストップ領域11のみが形成される。このため、セレンの拡散を、その後の第2注入工程で半導体基板の裏面に注入されるリンが阻害することはない。
また、第1比較例では、カソード領域を形成するためのリンを炉アニールによって活性化している。それに対して、実施例1にかかるRC−IGBTにおいては、第2注入工程でイオン注入されたリンをレーザアニールによって活性化する(第2アニール工程)。レーザアニールは、炉アニールよりも半導体基板の温度を早く上昇させることができ、レーザを照射した部分の温度を局所的にかつ瞬時に上昇させることができる。このため、実施例1にかかるRC−IGBTにおいては、注入されたリンはほとんど拡散せず、その拡散深さは、半導体基板の裏面から例えば1μm程度となる。これにより、実施例1にかかるRC−IGBTは、測定点31におけるフィールドストップ領域11のキャリア濃度が第1比較例(測定点32)よりも高くなると推測される。
以上の結果より、実施例1にかかるRC−IGBTは、第2比較例よりもフィールドストップ領域11を厚く形成することができることがわかった。また、実施例1にかかるRC−IGBTにおいては、フィールドストップ領域11を形成するためにイオン注入されるセレンの拡散が阻害されない。このため、所望のキャリア濃度および所望の厚さを有するフィールドストップ領域11を形成することができることがわかった。
(実施例2)
つぎに、実施例2にかかる半導体装置100の電気的特性について説明する。図15は、実施例2にかかる半導体装置の電気的特性について示す特性図である。まず、実施の形態1に従い、p+型領域9(コレクタ領域)およびn+型領域10(カソード領域)のそれぞれの幅を種々変更して4種類のRC−IGBTを作製した(以下、第1〜第4試料とする)。第1試料のp+型領域9およびn+型領域10の幅は、それぞれ96μmおよび32μmとした。第2試料のp+型領域9およびn+型領域10の幅は、それぞれ144μmおよび48μmとした。第3試料のp+型領域9およびn+型領域10の幅は、それぞれ288μmおよび96μmとした。第4試料のp+型領域9およびn+型領域10の幅は、それぞれ432μmおよび144μmとした。そして、第1〜第4試料において、コレクタ−エミッタ間電圧Vceとコレクタ電流Icとの関係(IV特性)について検討した。
図15に示す結果より、第1,2試料では、RC−IGBTがMOSFET動作からバイポーラ動作に移行するまでの過渡期間から生じる、IV特性のスナップバック41が発生していることがわかる。例えば、上述した特許文献3〜5に示すIGBTを単体で形成する技術と、ダイオードを単体で形成する技術を用いてRC−IGBTを作製した場合においても、第1,2試料と同様に、スナップバックが発生すると推測される。
それに対して、第3,4試料においては、スナップバックは発生していない。これにより、p+型領域9の幅は288μm以上であり、n+型領域10の幅は96μm以上であるのが好ましいことがわかった。より好適には、p+型領域9の幅を288μmとし、n+型領域10の幅を96μmとするのが好ましい(第3試料)。その理由は、第4試料においては逆回復耐量が低下してしまうからである。
上述した実施例1,2において、実施の形態1にかかるRC−IGBTを例に説明したが、実施の形態2にかかるRC−IGBTにおいても同様の結果になると推測される。その理由は、実施の形態1,2ともに、第1注入工程の後に続けて第1アニール工程(炉アニール)を行い、その後、第2注入工程および第2アニール工程(レーザアニール)を行っているからである。
以上において本発明は、同一の半導体基板にトレンチゲート構造のIGBTおよびダイオードを形成する半導体装置の製造方法について説明したが、上述した実施の形態に限らず、同一の半導体基板に例えばプレーナゲート構造のIGBTおよびダイオードが設けられた半導体装置を作製する際に適用することが可能である。すなわち、n型のフィールドストップ領域の表面にn+型領域が設けられた構成の半導体装置を作製する際に適用することができる。また、半導体基板に1つの半導体素子が設けられた半導体装置においても、n型領域の表面にn+型領域を形成する際に適用してもよい。また、n型とp型をすべて逆転し、p型のフィールドストップ領域の表面にp+型領域が設けられた構成の半導体装置を作製する際に適用してもよい。
以上のように、本発明にかかる半導体装置の製造方法は、例えば産業用あるいは自動車用のモーター制御やエンジン制御に使用されるパワー半導体装置に有用である。
1 ドリフト領域
2 ベース領域
3 コンタクト領域
4 エミッタ領域
5 トレンチ
6 電極(第1)
7 層間絶縁膜
8 電極(第2)
9 p+型領域
10 n+型領域
11 フィールドストップ領域
12 電極(第3)
100 半導体装置
110 IGBT
120 ダイオード

Claims (12)

  1. 絶縁ゲート型バイポーラトランジスタとダイオードとが同一の第1導電型の半導体基板に設けられた半導体装置の製造方法であって、
    前記半導体基板の裏面に、第1導電型の第1ドーパントをイオン注入し、熱処理によって、前記半導体基板よりも高い不純物濃度を有する第1導電型の第1半導体領域を形成する第1形成工程と、
    前記第1形成工程の後、前記半導体基板の裏面に、前記第1ドーパントよりも拡散係数の小さい第1導電型の第2ドーパント、および第2導電型の第3ドーパントをそれぞれイオン注入し、熱処理によって、第1導電型の第2半導体領域および第2導電型の第3半導体領域を形成する第2形成工程と、
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記第1形成工程では、前記半導体基板の裏面全体に前記第1ドーパントをイオン注入した後に、熱処理炉を用いて熱処理を行うことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記第2形成工程では、前記半導体基板の裏面に選択的に前記第2ドーパントをイオン注入した後、当該半導体基板の裏面の当該第2ドーパントをイオン注入した領域と異なる領域に前記第3ドーパントをイオン注入し、その後、レーザを用いて熱処理を行うことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記第2形成工程では、前記半導体基板の裏面全体に前記第3ドーパントをイオン注入した後、当該半導体基板の裏面に選択的に前記第2ドーパントをイオン注入し、その後、レーザを用いて熱処理を行うことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記第2形成工程では、前記ダイオードを構成する前記第2半導体領域を形成することを特徴とする請求項1〜4のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記第2形成工程では、前記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを構成する前記第3半導体領域を形成することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記第1形成工程の前に、前記半導体基板の裏面を研削する研削工程を行うことを特徴とする請求項1〜6のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記第1ドーパントはセレンであることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
  9. 前記第2ドーパントはリンであることを特徴とする請求項1〜8のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
  10. 前記第3ドーパントはボロンであることを特徴とする請求項1〜9のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
  11. 絶縁ゲート型バイポーラトランジスタとダイオードとが同一の第1導電型の半導体基板に設けられた半導体装置の製造方法であって、
    前記半導体基板の裏面に、第1導電型の第1ドーパントをイオン注入する第1注入工程と、
    前記第1注入工程の後に、炉アニールを行う第1アニール工程と、
    前記第1アニール工程の後に、前記ダイオードの第1導電型の第2半導体領域の形成領域が開口する第1マスクで、前記半導体基板の裏面を覆う第1マスク形成工程と、
    前記第1マスクをマスクとして、前記半導体基板の裏面に、第1導電型の第2ドーパントをイオン注入する第2注入工程と、
    前記第1マスクを除去する第1除去工程と、
    前記第1除去工程の後に、前記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの第2導電型の第3半導体領域の形成領域が開口する第2マスクで、前記半導体基板の裏面を覆う第2マスク形成工程と、
    前記第2マスクをマスクとして、前記半導体基板の裏面に、第2導電型の第3ドーパントをイオン注入する第3注入工程と、
    前記第2マスクを除去する第2除去工程と、
    前記第2除去工程の後に、前記半導体基板の裏面にレーザアニールを行う第2アニール工程と、
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  12. 絶縁ゲート型バイポーラトランジスタとダイオードとが同一の第1導電型の半導体基板に設けられた半導体装置の製造方法であって、
    前記半導体基板の裏面に、第1導電型の第1ドーパントをイオン注入する第1注入工程と、
    前記第1注入工程の後に、炉アニールを行う第1アニール工程と、
    前記第1アニール工程の後に、前記半導体基板の裏面に、第2導電型の第3ドーパントをイオン注入する第3注入工程と、
    前記第3注入工程の後に、前記ダイオードの第1導電型の第2半導体領域の形成領域が開口する第1マスクで、前記半導体基板の裏面を覆う第1マスク形成工程と、
    前記第1マスクをマスクとして、第1導電型の第2ドーパントをイオン注入する第2注入工程と、
    前記第1マスクを除去する第1除去工程と、
    前記第1除去工程の後に、前記半導体基板の裏面にレーザアニールを行う第2アニール工程と、
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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