JP2001127066A5

JP2001127066A5 -

Info

Publication number: JP2001127066A5
Application number: JP1999307352A
Authority: JP
Filing date: 1999-10-28
Publication date: 2004-10-14
Anticipated expiration: 2019-10-28

Description

【発明の名称】イオン注入用遮蔽マスクと半導体装置の製造方法
【特許請求の範囲】
【請求項１】電離させたイオン種を電圧で加速させて半導体基板に注入する半導体製造用イオン注入装置のイオン発生源と半導体基板の間に配置されるイオン注入用遮蔽マスクにおいて、複数のほぼ同一断面寸法の柱状材料が同一間隔で配列されたことを特徴とするイオン注入用遮蔽マスク。
【請求項２】複数のほぼ同一直径の円柱状材料が、それらの中心線が長さ方向で平行でかつ同一平面上にあるように配置され、長さ方向の端部が枠に固定されたことを特徴とする請求項１に記載のイオン注入用遮蔽マスク。
【請求項３】複数のほぼ同一断面寸法の角柱状材料が、互いに長さ方向に平行でかつそれらの一つの面が同一平面上にあるように配置され、長さ方向の端部が枠に固定されたことを特徴とする請求項１に記載のイオン注入用遮蔽マスク。
【請求項４】断面が多角形であり、幅方向の側面が注入方向と平行であることを特徴とする請求項３に記載のイオン注入用遮蔽マスク。
【請求項５】断面が多角形であり、一面を注入方向と垂直にしたとき、注入方向の厚さが、幅方向の端部で中央部より薄く、幅方向の端が前記の面から同じ高さにあることを特徴とする請求項３に記載のイオン注入用遮蔽マスク。
【請求項６】断面が三角形であることを特徴とする請求項５に記載のイオン注入用遮蔽マスク。
【請求項７】柱状材料が、互いに接するように配置されたことを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載のイオン注入用遮蔽マスク。
【請求項８】電離させたイオン種を電圧で加速させて半導体基板に注入する半導体製造用イオン注入装置のイオン発生源と半導体基板の間に配置されるイオン注入用遮蔽マスクにおいて、粒状材料が二次元的に配列されたことを特徴とするイオン注入用遮蔽マスク。
【請求項９】複数のほぼ同一直径の球状材料が、それらの中心が同一平面上にあるように配置され、枠内に固定されたことを特徴とする請求項８に記載のイオン注入用遮蔽マスク。
【請求項１０】請求項１ないし９のいずれか１項に記載のイオン注入用遮蔽マスクを用いて半導体基板にイオン注入を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板中への選択的なイオン注入に用いられるイオン注入用遮蔽マスク、およびそのマスクを備えたイオン注入装置での半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プロトン(1H+)、デュトロン(2H+)、3-ヘリウムイオン(3He2+)などの軽イオンを電圧で加速し半導体基板に注入することにより、半導体基板中への侵入深さ（以下イオン種の飛程と称する）付近に、集中的に結晶欠陥を誘起させて、半導体基板の表面から一定の深さ領域のみキャリアライフタイムを短くすることができる。このような「局在化ライフタイム制御」は、大電流を制御するパワー半導体デバイスのスイッチング特性を向上させるうえで重要な技術となりつつある。
【０００３】
図７（ａ）は、局在化ライフタイム制御の一方法を説明する説明図である。図７（ａ）において、注入される半導体基板１１の直前に配置するアルミニウム（以下Ａｌと記す）箔などの減速材１２の厚さを変えることにより、半導体基板中の結晶欠陥領域１３の深さ位置を制御することができる。
図７（ｂ）は、生じた欠陥の分布を示す分布図である。横軸は半導体基板表面からの深さ、縦軸は欠陥密度である。注入されたイオンは、その飛程付近にピークをもつ結晶欠陥領域を形成する。
【０００４】
図７（ａ）の場合、減速材１２の厚さはほぼ一定のため、半導体基板１１の面内に一様にイオンが打ち込まれる。結晶欠陥密度の深さ方向ピ−ク位置の制御は、減速材１２の厚さの他に、イオン注入の際の加速電圧を変化させておこなうこともできる。
図８は、別の方法を説明する説明図である。ステンレスなどの材料に機械加工などによりスリットを設けた遮蔽マスク１４を半導体基板１１の直前に配置して、イオン注入をおこなうことによって、半導体基板１１内に選択的にイオンを打ち込むことができる。注入されるイオンを完全に遮蔽できる厚さの遮蔽マスク１４を用いた場合、スリット部分に対応する半導体基板１１の領域のみにイオン種が注入され、その飛程付近に選択的な結晶欠陥領域１５が形成される。
【０００５】
そのような部分的にライフタイム制御をおこなう半導体素子としては、例えば、本発明の出願人の出願になる特願平１１−１３５３１１号に記載されたスィッチングダイオードがある。
図９は、そのスィッチングダイオードの一例の断面図である。このダイオードは、ｐアノード層２、ｎドリフト層６、ｎ⁺カソード層３からなるいわゆるｐｉｎダイオードである。そして、そのｎドリフト層６がキャリアライフタイムの長い領域６ａと、短い領域６ｂとからなっている。それぞれの領域は紙面に垂直なストライプ状であり、それらが周期的に形成されている。その幅の比は例えば、９：１、繰り返し周期は８０〜３００μm である。４はアノード電極、５はカソード電極である。
【０００６】
１２００V 級のダイオードの例では、ｎドリフト層６の比抵抗６０Ωcm、厚さ１２０μm 、ｎ⁺カソード層３の表面不純物濃度は１×１０²⁰cm^-3、拡散深さ８０μm 、ｐアノード層２の表面不純物濃度は１×１０¹⁶cm^-3、拡散深さ３μm である。キャリアライフタイムの長い領域６ａのキャリアライフタイムは２０μs 、短い領域のキャリアライフタイムは０．２nsである。繰り返し周期は１３０μm である。
【０００７】
二つの領域は、必ずしもストライプ状である必要は無く、格子状、網状、或いはスポット状であっても良い。キャリアライフタイムの短い領域が、適当な間隔で配置されていることがポイントである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前述のスイッチングダイオードの例の場合、幅約１０μm のキャリアライフタイムの短い領域６ｂを、軽イオンの注入で形成するためには、幅約１０μm で繰り返し周期が１３０μm のスリットを設けた遮蔽マスクを用いねばならない。そのような微細な寸法の遮蔽板を製作するには、機械的な加工では困難であり、フォトリソグラフィ技術を用いることが必要である。
【０００９】
しかし、フォトリソグラフィ技術を用いてもなお、アスペクト比の高い、例えば厚さ１００μm の板に幅１０μm のようなスリットを加工することは極めて困難である。
また、フォトリソグラフィ技術による遮蔽マスク製作は、コストが高いという問題もある。更に、多種類のスィッチングダイオードに対応するには多種類の遮蔽マスクを用意しなければならないという問題もある。
【００１０】
本発明の目的は、半導体基板の局在化ライフタイム制御を容易にする遮蔽マスク、およびそのような遮蔽マスクを用いた半導体製造装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題解決のため本発明のイオン注入用遮蔽マスクは、電離させたイオン種を電圧で加速させて半導体基板に注入する半導体デバイス製造用イオン注入装置のイオン発生源と半導体基板の間に配置されるもので、複数のほぼ同一断面寸法の柱状材料が配列されたものとし、このイオン注入用遮蔽マスクを用いて半導体基板にイオン注入を行う。
【００１２】
柱状材料としては、同一直径の円柱状材料、同一寸法の角柱状材料を使用することができる。
そのようにすれば、容易に軽イオンを注入しない領域を設けるためのイオン注入用遮蔽マスクが形成できる。
図１は、後述する遮蔽マスクの実施例の要部斜視図である。複数の円柱状材料２６が、それらの中心線が同一平面状になるように配置されている。材料は、例えばプロトンの阻止能力のあるステンレス鋼等の金属線である。
【００１３】
図２は、図１の遮蔽マスクを使用した軽イオン注入時の状況を説明する断面図である。図の右部分にあるのは、半導体基板であり、その内部に生じた欠陥の分布が示されている。
図２の左側の斜線を施した円は円柱状材料２６の断面を示している。今、その半径をＲとする。軽イオンは、図２の左方から、すなわち、整列された複数の円柱状材料２６の中心線が含まれる平面に対して垂直に注入され、半導体基板２１に注入される。
【００１４】
このとき、それぞれの円柱状材料２６の各部（中心部〜端部）を通過する軽イオンの飛程、すなわち、結晶欠陥密度ピーク位置の差は、実線で表されるようにＡ×２Ｒになる。
ここで、Ａは、軽イオンに対する遮蔽材料の阻止能力に関する係数で、阻止能力が高いほどＡは大きく、阻止能力が低いほど小さな値をとる。このように円柱状材料２６からなる遮蔽マスクを用いることにより、結晶欠陥密度のピークが半導体基板の深さ方向に連続的に変化する分布を得ることができる。
【００１５】
軽イオンの加速電圧が小さい場合、または、円柱状材料２６の半径Ｒが大きい場合には、円柱状材料２６の中心付近では通る距離が長いために軽イオンが遮蔽材を透過することができず、結晶欠陥ピーク位置は図２中の点線のようになる。
軽イオンの注入による結晶欠陥発生領域の厚さ方向の幅は狭いので、加速電圧を変えた注入を繰り返し、或いは阻止能力の小さい材料の薄板を重ねて注入を繰り返すことによって、円柱の境界付近にストライプ状に軽イオンを注入することができ、この領域のみキャリアライフタイムの低い領域とすることができる。
【００１６】
すなわち、周期的な共にストライプ状のキャリアライフタイムが短い領域と長い領域とが形成されることになる。繰り返し周期を、円柱状の線の直径とすればよい。
例えば、前述のダイオードの例の場合、フォトリソグラフィ技術を用いて幅８〜３０μm で繰り返し周期が８０〜３００μm のスリットを設けた遮蔽マスクを作る代わりに、直径が８０〜３００μm 、断面が円柱状の線を並べた遮蔽マスクとするわけであり、作製は極めて容易である。
【００１７】
柱状材料は、円柱に限らず、三角柱、四角柱、五角柱等でも良い。
断面が多角形であり、幅方向の側面が注入方向と平行であれば、注入領域と未領域との境界が明瞭にできる。
また、一面を注入方向と垂直にしたとき、注入方向の厚さが、幅方向の端部で中央部より薄く、幅方向の端が前記の面から同じ高さにあれば、間隔を保つための工夫を要することなく、注入領域の幅を一定にできる。
【００１８】
三角柱はその代表的なものであり、遮蔽能力と繰り返し周期とを容易に設定できる。
柱状材料が、互いに接するように配置すれば、間隔を保つための工夫を要しない。
ほぼ同一直径の粒状材料、例えば球状材料を二次元的に配列すれば二次元的に周期的変化をする分布をもつライフタイム分布が得られる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
［実施例１］
図１は、本発明第一の実施例の遮蔽マスクの要部斜視図である。複数の円柱状材料２６が、それらの中心線が同一平面状になるように、互いに接して配置されている。材料は、例えばプロトンの阻止能力のあるステンレス鋼等の金属線である。直径は８０〜３００μm であり、得ようとするスィッチングダイオードの特性に応じて選ばれる。また、端部は図示されない枠に固定される。
【００２０】
図１の遮蔽マスクを使用して、図９のスイッチングダイオードを作製する方法を以下に説明する。
ｐｉｎ構造は既に完了しているものとする。ダイオードウェハ上に、直径１３０μm のステンレス鋼線の遮蔽マスクを置き、アノード側からドーズ量１×１０¹¹cm^-2でプロトンを注入する。
【００２１】
プロトンの侵入深さは、加速電圧により制御される。例えばｎドリフト層６の最深部に結晶欠陥を生成するには、加速電圧を３．５MeV とすればよい。より浅い部分に結晶欠陥を生成するには、加速電圧を下げるか、減速のための板を重ねる。ここでは、アルミニウムの減速板を用いることにする。
厚さ２０、４０、６０、８０、１００μm の減速板を用いて、ドーズ量１×１０¹¹cm^-2でプロトンを注入する。
【００２２】
その後３００℃、２時間のアニールをする。
このようにして、共にストライプ状のキャリアライフタイムが短い領域と長い領域とが周期的に形成された図９のスィッチングダイオードを作製することができる。
円柱状材料２６が、互いに接して配置されているため、注入領域の幅は、遮蔽能力と加速電圧とで決まる一定の値になる。従って、注入領域の幅を一定にするための特別の手段を要しない。
【００２３】
円柱状材料の半径Ｒを変更することにより、結晶欠陥密度ピークの変化周期を変えることができるのは勿論である。
プロトン注入をダイオードのカソード側からおこなうこともでき、また、加速電圧等を適当に変えれば、ヘリウムイオンの注入によっても、同様のスイッチングダイオードが得られる。
【００２４】
［実施例２］
図３は、本発明第二の実施例の遮蔽マスクの要部斜視図である。複数の三角柱状材料２７が、それらの一つの側面が同一平面上に含まれるように、互いに接して配置されている。材料は、例えばプロトンの阻止能力のあるＡｌ等の金属線である。線幅と高さは５０〜３００μm であり、得ようとするスィッチングダイオードの特性に応じて選ばれる。また、端部は図示されない枠に固定されている。
【００２５】
図４は、図３の遮蔽マスクを使用した軽イオン注入時の状況を説明する断面図である。図の右部分にあるのは、半導体基板３１であり、その内部に生じた欠陥の分布が示されている。
図４の断面図において、三角形の同一平面上に含まれる辺の長さをＬ、その辺に対する三角形の高さをＨとする。三角形の頂点は、半導体基板側、軽イオンのイオン源側のどちらを向いていてもよい。本形状の場合は、遮蔽マスクを構成する材料の軽イオン阻止能力に関するパラメータＢを用いれば、結晶欠陥密度ピークの差は、
Ｂ×Ｈ
で表される。
【００２６】
前述の円柱状遮蔽マスクと同様に、構成材料の軽イオン阻止能力、軽イオンの加速電圧、断面三角形の高さＨ、Ａｌ箔などの減速材との併用の最適化により、注入領域と未注入領域とをストライプ状に交互に形成することが可能である。
三角柱材料２７が、互いに接して配置されているため、注入領域の幅は、遮蔽能力と加速電圧とで決まる一定の値になる。
【００２７】
なおかつ、実施例１の遮蔽マスクと比較して、結晶欠陥密度ピークの変化周期Ｌと上記の結晶欠陥密度ピークの差Ｂ×Ｈとを独立に変化させることができる利点がある。
三角柱以外にも、断面が台形、五角形、六角形、七角形等の多角柱を、その尖った端を接するように配置しても良い。
【００２８】
また、断面が正方形、長方形の角柱は、それらの間隔を一定に保つための手段を講じれば、使用することができる。
［実施例３］
図５は、本発明第三の実施例の遮蔽マスクの要部斜視図である。
複数の球状材料２８が、それらの中心が同一平面上にそろい、かつ隣接するように配置されている。材料は、例えばプロトンの阻止能力のあるステンレス鋼等の金属球である。直径は５０〜３００μm であり、使用するスィッチングダイオードに応じて選ばれる。この場合は、図示されない枠と、その枠の両面または片面に箔を固定し、その中に球状材料２８を配置する。
【００２９】
本実施例３の球状材料の配置の仕方は、球状材料を最も稠密に配置する最密充填型である。
軽イオンの注入は、それぞれの球状材料の中心を含む平面に対して垂直な方向（図中ｘ−ｙ平面に垂直）に行う。
ｘ方向に均一な分布を持つ円柱状や三角柱状遮蔽マスクと異なり、ｘ、ｙ方向のどちらに対しても結晶欠陥密度の深さ方向ピーク位置の周期性を持つことが特徴である。
【００３０】
構成する球状材料の半径をＲとする時、図５の最密充填型配置における結晶欠陥密度の深さ方向ピーク位置の周期は、ｘ方向では２Ｒ、ｙ方向では√３Ｒ、ｘ方向と６０°の角をなす方向では２Ｒとなる。
遮蔽マスクを構成する球状材料の軽イオン阻止能力に関するパラメータをＣとすれば、結晶欠陥ピーク位置の差は、それぞれ、２ＣＲとなる。
【００３１】
本実施例の場合も、構成材料の軽イオン阻止能力、軽イオンの加速電圧、球状材料の半径、Al箔などの減速材との併用の最適化により、半導体基板表面に対して円状に軽イオンを注入しない領域を作ることが可能である。
［実施例４］
図６は、本発明第四の実施例の遮蔽マスクの要部斜視図である。
【００３２】
この例では、複数の球状材料２９が、それらの中心が同一平面上にそろい、かつ隣接するように配置されているのは実施例３と同じであるが、球状材料の配置の仕方は、球状材料の直径を一辺とする正方格子位置に配置する正方配置型である。
材料は、例えばプロトンの阻止能力のあるステンレス鋼等の金属球である。直径は５０〜３００μm であり、使用するスィッチングダイオードに応じて選ばれる。この場合も、図示されない枠と、その枠の両面または片面に箔を固定しその中に球を配置する。
【００３３】
構成する球状材料の半径をＲとする時、図６の正方配置型における結晶欠陥密度の深さ方向ピーク位置の周期は、ｘ方向、ｙ方向ともに２Ｒ、ｘ方向と４５°の角度をなす方向では２√２Ｒで表される。
遮蔽マスクを構成する球状材料の軽イオン阻止能力に関するパラメータをＤとすれば、結晶欠陥ピーク位置の差は、それぞれ、２ＤＲとなる。
【００３４】
軽イオンの加速電圧、構成する材料の軽イオン阻止能力、適当な厚さの減速材（Al箔など）と組み合わせるなど最適化することにより、半導体基板の表面から一定の深さ領域のみキャリアライフタイムを短くすることができる。
本発明は、実施例に示したスイッチングダイオードに限らず、幅の狭い選択的な短ライフタイム領域を必要とする半導体素子に広く適用できる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、複数のほぼ同一寸法の円柱状、角柱状材料や球状材料を適当に配置し、端部等を固定することによって、電離させたイオン種を電圧で加速させて半導体基板に注入する際の遮蔽マスクを容易に製作できる。
【００３６】
特に厚さが厚く、注入部分の幅の狭い遮蔽マスクは、フォトリソグラフィや機械的加工では製作が困難であるのに対し、本発明の遮蔽マスクは何ら困難無く製作でき、実際にその遮蔽マスクを用いてスイッチングダイオードが製造できることを示した。
よって本発明は、半導体基板の局在化ライフタイム制御を容易にし、スイッチング特性の優れた電力用半導体デバイスを容易に製造することができ、発展、普及に資するところ大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例１の遮蔽マスクの要部斜視図
【図２】図１の遮蔽マスクの使用方法と効果とを示す断面図
【図３】本発明実施例２の遮蔽マスクの要部斜視図
【図４】図３の遮蔽マスクの使用方法と効果とを示す断面図
【図５】本発明実施例３の遮蔽マスクの要部斜視図
【図６】本発明実施例４の遮蔽マスクの要部斜視図
【図７】（ａ）は従来の軽イオン注入法の説明図、（ｂ）は半導体基板内の結晶欠陥分布図
【図８】従来の選択的な軽イオン注入法の説明図
【図９】スイッチングダイオードの断面図
【符号の説明】
２ｐアノード層
３ｎカソード層
４アノード電極
５カソード電極
６ｎドリフト層
６ａライフタイムの長い領域
６ｂライフタイムの短い領域
１１半導体基板
１２減速材
１３結晶欠陥領域
１４スリット付き遮蔽板
１５選択的結晶欠陥領域
２１半導体基板
２６円柱状材料
２７三角柱状材料
２８球状材料
２９球状材料
３１半導体基板