JP2002203965A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JP2002203965A
JP2002203965A JP2000399297A JP2000399297A JP2002203965A JP 2002203965 A JP2002203965 A JP 2002203965A JP 2000399297 A JP2000399297 A JP 2000399297A JP 2000399297 A JP2000399297 A JP 2000399297A JP 2002203965 A JP2002203965 A JP 2002203965A
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Motoomi Kobayashi
源臣 小林
Hideki Nozaki
秀樹 野崎
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Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】PT−IGBTのリーク電流の増加を抑制する
こと。 【解決手段】d2/d1>1.5を満たすn+ 型バッフ
ァ層8およびp+ 型コレクタ層9を形成する。ここで、
d1はp+ 型コレクタ層9の裏面から測った、n + 型バ
ッファ層8中のn型不純物の濃度がピークとなる深さ、
d2はn+ 型バッファ層8のd1よりも深い領域におい
て、n+ 型バッファ層8中のn型不純物の活性化率aが
0.3となる最初の深さである。活性化率aは(SR分
析にて得られた活性化したn型不純物の濃度)/(SI
MS分析にて得られたn型不純物の濃度)で定義され
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、パンチスルー型I
GBT(PT−IGBT)等の高耐圧半導体素子を含む
半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】高耐圧半導体素子の一つとしてIGBT
(Insulated Gate Bipolar Transistor)が知られて
いる。図6に、従来のパンチスルー型IGBTの断面図
を示す。図中、81は高抵抗のn- 型ベース層を示して
おり、このn- 型ベース層81の表面にはp型ベース層
82が選択的に形成されている。p型ベース層82の表
面にはn型エミッタ層83が選択的に形成されている。
【0003】n型エミッタ層83とn- 型ベース層81
で挟まれたp型ベース層82上には、ゲート絶縁膜84
を介して、ゲート電極85が設けられている。ゲート電
極85は例えばポリシリコンで形成されている。
【0004】エミッタ電極86は、層間絶縁膜87に開
口されたコンタクトホールを介して、n型エミッタ層8
3およびp型ベース層82に接続している。エミッタ電
極86は例えばAl等の金属で形成されている。さら
に、これらのゲート電極85およびエミッタ電極86を
含むn- 型ベース層81の表面は、図示しないパッシベ
ーション膜で被われている。
【0005】一方、n- 型ベース層81の裏面には、n
+ 型バッファ層88を介して、p+型コレクタ層89が
設けられている。p+ 型コレクタ層89には、コレクタ
電極90が設けられている。コレクタ電極90は、例え
ばAl等の金属で形成されている。
【0006】しかしながら、この種のPT−IGBTに
は以下のような問題があった。図6に示したPT−IG
BTは、p+ 型コレクタ層89上にn+ 型バッファ層8
8およびn- 型ベース層81が予め作り込まれた厚いエ
ピタキシャルウェハ(基板)を用いて製造する。
【0007】具体的には、厚さ625μmのp+ 型コレ
クタ層89上に、厚さ15μmのn + 型バッファ層8
8、厚さ60μmのn- 型ベース層81を順次エピタキ
シャル成長させ、厚さ700μmのエピタキシャルウェ
ハを形成した後、p+ 型コレクタ層89の裏面を研磨
し、p+ 型コレクタ層89の厚さを175μmまで薄く
したものを基板に使用する。以上述べたような厚さ70
0μmのエピタキシャルウェハを作成するにはコストが
かかる。したがって、図6に示したPT−IGBTは製
造コストがかかるという問題があった。
【0008】このような問題は、n+ 型バッファ層88
およびp+ 型コレクタ層89が予め作り込まれていない
鏡面研磨ウェハを用いれば解決できる。鏡面研磨ウェハ
は生Siウェハ(raw Si wafaer)と呼ばれることもあ
る。
【0009】すなわち、鏡面研磨ウェハにn型不純物を
導入してn- 型ベース層81を形成し、その表面にp型
ベース層82、n型エミッタ層83、ゲート絶縁膜8
4、ゲート電極85、層間絶縁膜87、エミッタ電極8
6、さらには図示しないパッシベーション膜を形成した
後、n- 型ベース層81の裏面にn型不純物、p型不純
物を順次イオン注入し、続いてこれらのn型およびp型
不純物を活性化するためのアニールを行って、n+ 型バ
ッファ層88よびp+ 型コレクタ層89を形成すれば良
い。
【0010】この種のプロセスを採用する場合、n+
バッファ層88およびp+ 型コレクタ層89に対して高
温長時間のアニールを施すと、n- 型ベース層81の表
面側に形成されたエミッタ電極86やパッシベーション
膜等が悪影響を受ける。したがって、イオン注入後のア
ニールの温度は、エミッタ電極86やパッシベーション
膜等によって律速され、代表的には500℃程度が上限
となり、イオン注入したn型およびp型不純物を十分に
活性化することができなくなる。
【0011】ここで、上記アニールとして、n- 型ベー
ス層81の裏面からレーザーを照射するというレーザア
ニールを用いれば、n- 型ベース層81の表面にまで熱
が伝わることを防止でき、かつn- 型ベース層81の裏
面はSi溶融温度まで上げることができる。したがっ
て、エミッタ電極86やパッシベーション膜等に悪影響
を与えずに、アニールを行うことが可能となる。
【0012】しかしながら、この種のレーザアニールの
場合、レーザー溶融深さは数μm以内で、かつ照射時間
は短時間であるため、レーザーによる熱がn+ 型バッフ
ァ層88内に十分に伝わらず、n+ 型バッファ層88中
にダメージ層が残留し、その結果として素子オフ状態で
リーク電流が発生するという問題が起こる。リーク電流
が発生する理由は、図7に示すように、オフ状態でダメ
ージ層91が空乏化すると、ダメージ層91がキャリア
の生成中心として働くからである。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来のエ
ピタキシャルウェハを用いたPT−IGBTは、製造コ
ストがかかるという問題があった。そこで、製造コスト
を下げるために、生Siウェハを用いたPT−IGBT
が提案された。しかし、この種のPT−IGBTは、そ
のn+ 型バッファ層およびp+ 型コレクタ層をイオン注
入とレーザーアニールにより形成すると、素子オフ状態
でリーク電流が発生するという問題があった。
【0014】本発明の目的は、このようなリーク電流の
増大を抑制できるPT−IGBT等の高耐圧半導体素子
を含む半導体装置を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば下
記の通りである。すなわち、上記目的を達成するため
に、本発明に係る半導体装置は、高抵抗の第1導電型ベ
ース層と、この第1導電型ベース層の表面に選択的に形
成された第2導電型ベース層と、この第2導電型ベース
層の表面に選択的に形成された第1導電型エミッタ層
と、この第1導電型エミッタ層と前記第1導電型ベース
層とで挟まれた前記第2導電型ベース層上にゲート絶縁
膜を介して設けられたゲート電極と、前記第1導電型ベ
ース層の裏面に高不純物濃度の第1導電型バッファ層を
介して設けられた第2導電型コレクタ層とを備え、かつ
前記第1導電型バッファ層と反対側の第2導電型コレク
タ層の表面から測った、前記第1導電型バッファ層中の
第1導電型不純物のピーク濃度位置をd1とし、前記第
1導電型バッファ層の前記d1よりも深い領域におい
て、SR分析による前記第1導電型バッファ層中の活性
化した第1導電型不純物の濃度/SIMS分析による前
記第1導電型バッファ層中の第1導電型不純物の濃度で
定義する活性化率が所定の値以下となる最初の深さをd
2とした場合、d2/d1>1.5を満たすことを特徴
とする。
【0016】本発明者等の研究によれば、リーク電流の
増加となるダメージ層は、PT−IGBTのバッファ層
中の不純物の不活性化率と関係があり、具体的にはd2
/d1>1.5の条件を満たす場合、リーク電流の増加
を効果的に抑制できることが明らかになった。したがっ
て、本発明によれば、PT−IGBT等の高耐圧半導体
素子のリーク電流の増大を抑制できるようになる。
【0017】なお、上記本発明に係る半導体装置におい
て、前記所定の値は、代表的には0.3以下であるが、
0.2以下であっても良い。
【0018】また、前記第1導電型ベース層、前記第2
導電型ベース層、前記第1導電型エミッタ層、前記第1
導電型バッファ層および前記第2導電型コレクタ層は、
例えば鏡面研磨ウェハに形成されたものである。
【0019】前記第1導電型バッファ層および前記第2
導電型コレクタ層は、イオン注入およびレーザーアニー
ルを用いて形成することが好ましい。この点については
発明の実施の形態で詳説する。
【0020】また、PT−IGBTの場合には、前記第
1導電型エミッタ層と前記第2導電型ベース層とに第1
の主電極を設け、前記第2導電型コレクタ層に第2の主
電極を設けることになる。
【0021】本発明の上記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記載および添付図面によって明ら
かになるであろう。
【0022】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態(以下、実施形態という)を説明する。ま
ず、本実施形態のPT−IGBTは鏡面研磨ウェハ(生
Siウェハ)を用いて形成したものであり、したがって
エピタキシャルウェハを用いて形成した場合とは異な
り、製造コストが高くなるという問題はない。さらに、
以下に説明するように、本実施形態のPT−IGBT
は、従来の生Siウェハを用いて形成したPT−IGB
Tとは異なり、リーク電流の増加の問題もない。
【0023】図1は、本発明の一実施形態に係るPT−
IGBTの製造方法を示す工程断面図である。
【0024】まず、図1(a)に示すように、n- 型ベ
ース層1の表面にp型ベース層2を選択的に形成し、続
いてp型ベース層82の表面にn型エミッタ層3を選択
的に形成する。n- 型ベース層1は鏡面研磨ウェハ内に
n型不純物を導入した後、アニールを行って形成したも
のである。
【0025】次に図1(b)に示すように、ゲート絶縁
膜4となる絶縁膜、ゲート電極5となる導電膜を全面に
順次堆積した後、これらの導電膜および絶縁膜をパター
ニングし、n型エミッタ層3とn- 型ベース層1とで挟
まれたp型ベース層2上に、ゲート絶縁膜4を介してゲ
ート電極5が設けられてなる絶縁ゲート構造を形成す
る。ゲート絶縁膜4は例えばシリコン酸化膜、ゲート電
極5は例えばポリシリコンでそれぞれ形成する。
【0026】次に図1(c)に示すように、層間絶縁膜
6を全面に堆積し、層間絶縁膜6にコンタクトホールを
開口した後、p型ベース層2とn型エミッタ層3にコン
タクトするエミッタ電極7を形成する。エミッタ電極7
は例えばAlで形成する。
【0027】その後、ゲート電極5およびエミッタ電極
6を含むn- 型ベース層1の表面を図示しないパッシベ
ーション膜で覆い、さらに仕様の耐圧に応じてn- 型ベ
ース層1を薄くする。これはn- 型ベース層1の裏面を
研磨して行う。この研磨は、例えばCMP(Chemical M
echanical Polishing)法により行う。
【0028】次に図1(d)に示すように、例えばドー
ズ量1×1015cm-2、加速電圧240KeVの条件で
- 型ベース層1の裏面に燐等のn型不純物、ドーズ量
1×1015cm-2、加速電圧50KeVの条件でボロン
等のp型不純物を順次注入した後、例えばエネルギー密
度2.5J/cm2 の条件でエキシマレーザをn- 型ベ
ース層1の裏面(n+ 型バッファ層8と反対側のn-
ベース層1の表面)に照射し、n- 型ベース層81の裏
面から5μm以下の領域を溶融するというレーザーアニ
ールを行うことによって、n- 型ベース層1の裏面に本
発明のn+ 型バッファ層8およびp+ 型コレクタ層9を
形成する。その後、周知の方法に従ってコレクタ電極1
0を形成する。
【0029】本発明のn+ 型バッファ層8およびp+
コレクタ層9とは、d2/d1>1.5を満たすものを
いう。ここで、d1はn+ 型バッファ層8とp+ 型コレ
クタ層9との界面から測った、n+ 型バッファ層8中の
n型不純物の濃度がピークとなる深さ、d2はn+ 型バ
ッファ層8のd1よりも深い領域において、n+ 型バッ
ファ層8中のn型不純物の活性化率aを示し、その値が
0.3となる最初の深さである。活性化率aは(SR
(spreading resistance))分析にて得られた活性化し
たn型不純物の濃度)/(SIMS分析にて得られたn
型不純物の濃度)で定義される。
【0030】SR分析は、周知の技術であるが簡単に説
明すると以下の通りである。すなわち、2本の針の間隔
を十分に小さくし(数10〜数100μm)、その先端
が試料に接触する面の半径をaとすると、ひろがり抵抗
(Rs)と比抵抗(ρ)との関係は、Rs=ρ/2aで
与えられる。
【0031】図2に、不純物拡散を行ったpn接合を斜
め研磨した後に針の間隔20μmの装置でSR分析を行
う様子を示す。図2のDOPING TYPE 2 はn+ 型バッファ
層8に相当し、DOPING TYPE 1 はp+ 型コレクタ層9に
それぞれ相当する。
【0032】図3に、n- 型ベース層1、n+ 型バッフ
ァ層8およびp+ 型コレクタ層9中の不純物の濃度分布
を示す。具体的には、SR分析にて得られた不純物の濃
度分布、SIMS分析にて得られた不純物の濃度分布が
それぞれ示されている。また、図3において示される領
域Aは、ダメージ層、またはダメージ層と未活性イオン
が残留している領域を表している。図3において、de
pth=0はp+ 型コレクタ層9の裏面、depth=
1はn+ 型バッファ層8とn- 型ベース層1の界面にそ
れぞれ相当する。
【0033】素子オフ状態では、ダメージ層が残留して
いる領域Aを含むn+ 型バッファ層8の一部が空乏化す
る。そのため、領域Aが大きいほどリーク電流は増大す
る。
【0034】ダメージ層が残留している領域Aは、n+
型バッファ層8を形成するときのn型不純物のイオン注
入によって生じるものである。したがって、領域Aはd
2/d1と関連づけられて考えられ、具体的には、領域
Aが大きいほど、d2/d1は小さくなると考えられ
る。すなわち、d2/d1を大きくすれば、リーク電流
を低減できると考えられる。
【0035】そこで、本発明者等は、d2/d1と領域
Aとの関係を調べたところ、図4に示すように、d2/
d1=1.5を境にしてそれよりも大きくなると、リー
ク電流は十分に小さくなることが明らかになった。
【0036】ここでは、d2はd1よりも深い領域にお
いてn+ 型バッファ層8中のn型不純物の活性化率aが
0.3となる最初の深さとして説明した。その理由は、
図5に示すように、n+ 型バッファ層8中のn型不純物
の活性化率a=0.5から活性化率a=0.1への変化
は急峻であり、これらの値の平均値として0.3(=
(0.5+0.1)/2)を選んだからである。しか
し、d2を活性化率aが0.3よりも小さくなる深さ、
例えば0.2よりも小さくなる深さとして定義しても良
い。図5において、depth=0はp+ 型コレクタ層
9の裏面、depth=1はn+ 型バッファ層8とn-
型ベース層1の界面にそれぞれ相当する。
【0037】n型不純物のイオン注入の条件を同じにし
てレーザーアニールだけの条件を変えると、Si溶融深
さが変わるため、d1がほぼ一定のもとでd2が変化す
る。したがって、n型不純物のイオン注入の条件を同じ
にし、レーザーアニールによる加熱を弱くしてSi溶融
深さを浅くすることで、活性化率a<0.2は実現され
る。
【0038】ここで、n型不純物のイオン注入の条件を
同じにしてレーザーアニールだけの条件を変え、d2を
活性化率a<0.2となる最初の深さと定義とした場合
のd2/d1は、d2を活性化率a<0.3となる最初
の深さと定義した場合のd2/d1よりも大きくなる。
したがって、d2を活性化率a<0.2となる最初の深
さで定義した場合、d2/d1>1.5の条件は当然に
満たされる。
【0039】なお、本発明は、上記実施形態に限定され
るものではない。例えば、上記実施形態では、第1導電
型をn型、第2導電型をp型として説明したが、逆に第
1導電型をp型、第2導電型をn型としても良い。
【0040】さらに、上記実施形態でPT−IGBTの
単品(ディスクリート)について説明したが、PT−I
GBTとその制御回路や保護回路などの他の回路を同一
チップ内に形成しても良い。
【0041】さらにまた、上記実施形態ではPT−IG
BTの場合について説明したが、本発明はディープトレ
ンチを用いた高耐圧MOSトランジスタにも適用でき
る。すなわち、本発明は、高抵抗の第1導電型ベース層
/高不純物濃度の第1導電型バッファ層/第2導電型コ
レクタ層の半導体構造を有する半導体素子(半導体装
置)に対して適用可能である。
【0042】さらに、上記実施形態には種々の段階の発
明が含まれており、開示される複数の構成要件における
適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例
えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成
要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄
で述べた課題を解決できる場合には、この構成要件が削
除された構成が発明として抽出され得る。
【0043】その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲
で、種々変形して実施できる。
【0044】
【発明の効果】以上詳説したように本発明によれば、リ
ーク電流の増加を効果的に抑制できる高耐圧半導体素子
を含む半導体装置を実現できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係るPT−IGBTの製
造方法を示す工程断面図
【図2】SR分析を説明するための図
【図3】PT−IGBTのn- 型ベース層、n+ 型バッ
ファ層およびp+ 型コレクタ層中の不純物の分布をSR
分析およびSIMS分析により調べた結果を示す図
【図4】d2/d1とリーク電流との関係を示す図
【図5】n+ 型バッファ層のn型不純物の活性化率の深
さ依存性を示す図
【図6】従来のPT−IGBTを示す断面図
【図7】従来のPT−IGBTのリーク電流のメカニズ
ムを説明するための図
【符号の説明】
1…n- 型ベース層(第1導電型ベース層) 2…p型ベース層(第2導電型ベース層) 3…n型エミッタ層(第1導電型エミッタ層) 4…ゲート絶縁膜 5…ゲート電極 6…層間絶縁膜 7…エミッタ電極(第1の主電極) 8…n+ 型バッファ層(第1導電型バッファ層) 9…p+ 型コレクタ層(第2導電型コレクタ層) 10…コレクタ電極(第2の主電極)
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成13年4月27日(2001.4.2
7)
【手続補正1】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図3
【補正方法】変更
【補正内容】
【図3】

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】高抵抗の第1導電型ベース層と、 この第1導電型ベース層の表面に選択的に形成された第
    2導電型ベース層と、 この第2導電型ベース層の表面に選択的に形成された第
    1導電型エミッタ層と、 この第1導電型エミッタ層と前記第1導電型ベース層と
    で挟まれた前記第2導電型ベース層上にゲート絶縁膜を
    介して設けられたゲート電極と、 前記第1導電型ベース層の裏面に高不純物濃度の第1導
    電型バッファ層を介して設けられた第2導電型コレクタ
    層とを具備してなり、 かつ前記第1導電型バッファ層と反対側の前記第2導電
    型コレクタ層の表面から測った、前記第1導電型バッフ
    ァ層中の第1導電型不純物のピーク濃度位置をd1と
    し、 前記第1導電型バッファ層の前記d1よりも深い領域に
    おいて、(SR分析による前記第1導電型バッファ層中
    の活性化した第1導電型不純物の濃度)/(SIMS分
    析による前記第1導電型バッファ層中の第1導電型不純
    物の濃度)で定義する活性化率が所定の値以下となる最
    初の深さをd2とした場合、 d2/d1>1.5を満たすことを特徴とする半導体装
    置。
  2. 【請求項2】前記所定の値は、0.3以下であることを
    特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 【請求項3】前記第1導電型ベース層、前記第2導電型
    ベース層、前記第1導電型エミッタ層、前記第1導電型
    バッファ層および前記第2導電型コレクタ層は、鏡面研
    磨ウェハに形成されたものである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。
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