JP2003505860A - 中性子変質を使用する電荷補償半導体素子の製造方法 - Google Patents

中性子変質を使用する電荷補償半導体素子の製造方法

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Abstract

(57)【要約】 高電圧MOSFETなどの半導体素子は、遮断接合部(40)からの空乏時に、電圧維持空間電荷区域を与える交互のp型(11)およびn型(12)領域を有する多p−n接合リサーフ半導体材料(10)を含むことが知られている。本発明は、シリコン原子のリンへの変質によってn型領域(12)を形成するように、マスク(50)におけるウィンドウ領域(52)で熱中性子(150)の平行ビーム(152)を、材料のp型領域(11)のアクセブタドーピング濃度(Na)を有するp型シリコン本体(100)に照射する、低コストで信頼性の高い材料などの製造方法を提供する。p型領域(11)の低アクセブタ濃度のバランスを取るための非常に明確で制御可能なリンドーピング濃度は、ボロンのアクセブタ濃度であっても、このように実現される。このように形成されたシリコン本体(10)は、素子製造のウェーハを形成するように、p−n接合(21)に対して横方向(110)にスライスおよび/または研磨される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 本発明は空乏時に電圧維持空間電荷区域を設ける空乏可能多領域半導体材料を
有する半導体素子の製造と、このような材料の製造方法に関する。また、本発明
はこのような方法で製造される半導体材料および半導体素子に関する。
【0002】 電圧維持空間電荷区域は、材料において多数のp−n接合を形成する介在され
たp型およびn型領域の荷電粒子の空乏によって得られる。介在されたp型およ
びn型領域の中間寸法(幅または厚さ)は、(そのドーパント濃度に関連して)
その半導体で雪崩降伏が生じる臨界磁場強度に電界が達することなく、中間寸法
にわたる領域の空乏が可能となるよう充分に短くする必要がある。これは、著名
なリサーフ(RESURF)原理の拡張である。従って、空乏可能多領域材料は
「多p−nリサーフ」材料と呼ばれることもある。逆導電型の第2領域と共に介
在される或る導電型の第1領域で形成される電圧維持区域において、ドーパント
濃度と第1および第2領域の寸法は、(高電圧動作モードでの空乏時に)第1お
よび第2領域における単位領域当たりの空間電荷が、少なくとも空間電荷から得
られる電界がその区域で雪崩降伏が発生する臨界磁場強度よりも小さくなる程度
にバランスが取られている。
【0003】 米国特許明細書US−A−4,754,310(参照:PHB32740)に
は、空乏時に電圧維持空間電荷区域を共に設ける交互のp型およびn型領域を含
む空乏可能多領域(多数のp−n接合リサーフ)半導体材料が開示されている。
空間電荷区域にこのような材料を使用すると、或る絶縁破壊電圧を有する装置に
おけるオン抵抗を下げることができ、水平型および垂直型の高電圧MOSFET
素子にとっては特に有利である。このような素子の他の実施例は、US−A−5
,216,275、US−A−5,438,215、WO−A−97/2951
8に開示されている。US−A−4,754,310、US−A−5,216,
275、US−A−5,438,215、WO−A−97/29518の全内容
は、ここに参考資料として加える。
【0004】 US−A−4,754,310、US−A−5,216,275、US−A−
5,438,215、WO−A−97/29518に記載されているように、エ
ッチングされたトレンチを再充填して、垂直素子の場合、素子本体の主面に垂直
に延びる交互のp型およびn型領域を設けることができる。しかし、得られるp
−n接合の品質と処理の再現性は最適な状態からはほど遠い。
【0005】 素子製造における中間段階で空乏可能多領域を形成するその他の処理も提案さ
れている。従って、充分にドーピングされたシリコン基板上のシリコンエピタキ
シャル層におけるエッチングされたトレンチのエピタキシャル再充填を行う代わ
りに、US−A−5,216,275の5列目38〜41行目にはn(またはp
)シリコン層のローカル局所領域を変形させる選択的な中性子変質ドーピング(
NTD)が提案されている。しかし、中性子はエピタキシャル層を通って充分に
ドーピングされたシリコン基板にまで浸透してしまうので、充分ドーピングされ
たシリコン基板におけるシリコン原子およびドーパント原子も変質してしまう。
しかし、この基板は、能動素子領域(ドレイン)を形成するのに必要である。W
O−A−97/29518の図7a〜7bは、各エピタキシャル段階における反
対のタイプのドーパントのイオン注入で繰返しエピタキシーすることを提案して
いる。しかし、この処理は多数のステップを伴い、また高価であるので、リサー
フに必要なnおよびpドーパントと、素子の導電型と電圧遮断要求事項とのバラ
ンスを取ることが困難である。
【0006】 多数のリサーフに必要なcm−2単位でのpおよびn型のドーピングが厳密に
一致しているので、縦型素子の多p−n接合リサーフ半導体材料を製造するため
に、どの既知の処理を製造において効果的に使用することができるかは明らかで
ない。
【0007】 本発明の目的は、低コストでありながら信頼性の高い、多p−n接合リサーフ
半導体材料を製造する処理を提供することにある。
【0008】 本発明によれば、空乏時に電圧維持空間電荷区域を共に与える交互のp型およ
びn型領域を含む空乏可能多領域半導体材料の半導体ウェーハを製造する方法で
あって、本体の厚さに渡って材料のp型領域に必要な濃度に相当するアクセブタ
ドーピング濃度を有するp型シリコン本体を提供するステップと、シリコン原子
のリンへの変質によってn型領域を形成するように、マスクのウィンドウ領域で
熱中性子の平行ビームをシリコン本体に照射するステップとを含んでなり、これ
によって生成されたn型領域のリンドーパント濃度が本体の対向する主面間の本
体の厚さ方向に広がり、交互のp型およびn型領域間に形成されたp−n接合が
本体の対向する主面で終端する、方法が提供される。
【0009】 元のp型シリコン本体の組成に対して非常に優れた制御が可能となり、本体の
抵抗率を正確に測定して、局所中性子変質ドーピング(NTD)段階の前に適切
な(低)ドーパント濃度レベルを決定することができる。リンの所望のNTD濃
度に対する正確な中性子分量も、正確に検定することができる。このようにNT
Dを使用して素子製造の開始ウェーハを設けることによって、充分にドーピング
された素子領域/基板から生じる問題が発生することがなくなる。次の素子製造
において、充分にドーピングされた領域/基板は、ドーパント注入および/また
は拡散によって、あるいはその主面に対して充分にドーピングされたウェーハを
接合させることによって、ウェーハの主面に設けられる。
【0010】 本体は、素子製造で所望のウェーハを形成するために適切な厚さを有すること
ができる。しかし、熱中性子のシリコンへの浸透深さは大きい。従って、NTD
に対してはより厚みのある本体を簡単に使用することができる。そして、NTD
の後に、方法は、より薄い本体として所望の素子ウェーハを形成するようにp型
およびn型領域間のp−n接合を横断するシリコン本体をスライスするステップ
を更に含んでいてもよい。
【0011】 本発明により製造されたウェーハは、オン抵抗の低い高電圧MOSFET素子
の製造に効果的に使用することができる。従って、ソースおよびドレイン領域を
ウェーハの各第1および第2の対向する主面に隣接して設けてもよく、ソース領
域は、ドレイン領域と逆導電型のチャネル収容本体領域によってソース領域を空
間電荷区域の多数のp−n接合から分離される。第1導電型のウェーハは、第2
の主面にドレイン領域を設けるように、空乏可能多領域半導体材料のウェーハの
第2の主面に接合してもよい。
【0012】 本発明による上記およびその他の効果的な技術的特徴は、添付の請求項におい
て明確に述べられている。これらは添付図面を参照にして、一例として記載の実
施例において説明されている。
【0013】 ちなみに、図は説明図であって、図面の部分の相対的寸法および比率は、図面
を明確にし、また便宜のために、誇張または縮小して示してある。従って、例え
ば、部分10の厚さXは一般に、その領域の幅w1およびw2よりも少なくとも
大きな規模となっている。同一の参照符号は一般に、変形および異なる実施例の
上記当するまたは同様の特徴を表すのに使用される。
【0014】 図1のMOSFET素子は、それぞれ交互になっているp型およびn型領域1
1および12を含む空乏可能多領域(多数のp−n接合リサーフ)半導体材料の
本体部10を有する単結晶シリコン本体を含んでいる。領域11および12は共
に、MOSFETが遮断されている状態で、空乏時に電圧維持空間電荷区域を与
える。この素子は、US−A−4,754,310、US−A−5,216,2
75、US−A−5,483,215、WO−A−97/29518に開示され
ているタイプのものである。一般に、多リサーフ半導体材料は、100ボルトを
越える電圧の遮断を維持することができる。
【0015】 図1のMOSFETは、それぞれソースおよびドレイン領域2および3を有す
る垂直素子であり、ソースおよびドレイン領域2および3は本体部10の対向す
る主面10aおよび10bに隣接して設けられている。MOSFETの絶縁ゲー
ト構造体34およびソース電極32は面10aに存在し、またドレイン電極33
は面10bに存在している。領域11および12間のp−n接合21は、本体部
10の主面10a、10bを横断して延びている。ソース領域2は、チャネル収
容本体領域4によって、空間電荷区域の多数のp−n接合21から分離されてい
る。このトランジスタ本体領域4は、ドレイン領域3とは逆導電型であり、遮断
p−n接合40を形成している。この遮断p−n接合40から、MOSFETの
遮断状態で本体部10において空乏層が広がる。遮断電圧を維持すると、本体部
10全体が空乏する。これを図1の斜線の無い部分により示す。空乏層も、本体
部10から領域3および4に僅かに延びている。
【0016】 次に、本発明の方法によるこの素子の本体10のウェーハを製造する方法を説
明する。この方法は、 (a)材料のp型領域11に必要な濃度に相当する本体100の例えばボロン
などのアクセブタドーピング濃度Naで、対向する主面100aおよび100b
を有するp型シリコン結晶本体100を設けるステップと、 (b)中性子吸収マスク50はn型領域12が要望されるウィンドウ領域52
を有し、またウィンドウ領域52はマスキング領域51と交互になっている状態
で、p型領域が残るシリコン本体100の領域をマスクするために、面100a
上に中性子吸収マスク50(図2参照)を設けるステップと、 (c)シリコン原子をリンに変質させることにより、ドナードーピング濃度N
dを有するn型領域12を形成するように、マスク50におけるウィンドウ領域
52で、熱中性子150の平行ビームをシリコン本体100に照射させるステッ
プと、 (d)素子製造用の薄型本体としてウェーハを形成するように、p型およびn
型領域11および12間のp−n接合21を横断するシリコン本体100をスラ
イスするステップと、を含んでなる。
【0017】 シリコン原子のリンへの変質は、シリコン半導体材料の既知のドーピング処理
であり、本体全体をn型のリンドーピング処理材料に変換するに一般に使用され
る。米国特許US−A−4,728,371には、例えば電力サイリスタなどの
n型本体領域の均一なドーピングレベルを調節するよう、照射する間にシリコン
本体上で中性子吸収材料がの厚さが様々になるNTD処理が開示されている。U
S−A−5,216,275の内容全体を、ここに参考資料として挙げる。US
−A−5,216,275は、多p−n接合リサーフ材料を形成するためにNT
Dの使用を提案しているが、これは素子のドレイン領域を設ける充分にドーピン
グされたシリコン基板上に層が存在する場合に、n(またはp)シリコン層の局
所区域をp(またはn領域)に変換するという状況の中においての使用である。
この既知の状況においてNTDを用いることにより、例えば充分にドーピングさ
れたn型基板のリンドーパントを硫黄に変質させる場合に二次的なドーピング問
題が生じる。これらの問題は、本発明によって回避される。次に、本発明の状況
におけるNTDの使用を、図2を参考にして詳細に説明する。
【0018】 マスク50は、例えばUS−A−4,728,371に開示されているような
既知の中性子吸収材料で構成してもよい。マスク50は、本体100の面100
a上に置かれる接触マスク50であってもよい。あるいは、US−A−4,72
8,371に開示されているように、例えば本体面の二酸化珪素の保護層105
上にフォトリソグラフィーで定義されたマスキングパターン50であってもよい
。マスキング領域51およびウィンドウ領域52のパターンを選択し、例えばU
S−A−5,438,215の図2に示すように、ストライプや棒/列、または
格子など、本体100の厚さ方向に延びる交互の領域11、12の所望の配置パ
ターンを与える。
【0019】 マスキング領域51およびウィンドウ領域52の幅を選び、空乏時の領域11
および12間にcm単位の必要な空間電荷バランスを与える。従って、領域1
1および12の幅w1、w2およびドーピング濃度Na、Ndは、これらの各領
域に形成される単位領域(Na.w1)および(Nd.w2)当たりの空間電荷
が効果的に一致、すなわち不均衡から得られる電界がシリコン半導体材料で雪崩
降伏が生じる臨界磁場強度よりも小さくなる程度にバランスが取られるような数
値となる。p型領域11のドーピング濃度Naは、与えられた本体100のドー
ピング濃度によって決まり、また所望のリサーフ空乏を可能にするためにその数
値は低くなっている。例えばボロンなどの低ドーピング濃度Naは、ボロンが通
常熱中性子を吸収すると考えられていても、熱中性子ビーム152に与える影響
は無視できる程度である。シリコン原子の中性子変質により、ウィンドウ領域5
1の領域12には、中性子束の大きさおよび照射時間で定まる非常に明確で制御
可能なn型のドーピング濃度Ndが得られる。領域12は狭く、幅w2を有して
いる。そのため、ウィンドウ領域52を通ってシリコン本体100に入る中性子
150は、中性子「ガス」を使用するUS−A−4,728,371に開示され
る変質処理とは異なり、はっきりとした幅の狭い直線ビーム152の形を取って
いる。
【0020】 はっきりとした幅の狭い直線ビーム152は、中性子吸収マスクにおける長い
幅の狭いウィンドウを使用して、原子炉室の中性子束から方向選択をすることに
よって与えられる。幅よりも長い照射室への入口窓を生成することにより、ソー
スで最初の選択が行われる。本体面100a上のマスク50では、直線方向の調
整を行うことができる。マスク50が薄い沈着層ではなく厚い接触マスクである
場合、マスク50は中性子の選択において主要な役割を果たす。平行選択から得
られる中性子束の大きさは低いので、US−A−4,728,371における中
性子ガスを使用する従来処理と比較すると、本発明を実行するのに非常に長い照
射時間を要する。しかし、照射時間が長いと、結果として得られるリンのドーピ
ング濃度を非常に正確に制御することが可能になり、これはp型およびn型の領
域11および12間で適切な空間電荷バランスを得るのに重要である。
【0021】 通常、結晶格子に深刻な損傷がある場合、中性子変質ドーピング処理が行われ
る。しかし、この結晶本体100の格子の損傷は、領域11および12間に著し
いドーパント拡散を発生させることなく熱処理で充分アニールすることができる
。従って、照射後、650°〜800°の範囲の温度に約1時間以上加熱するこ
とで、本体100をアニールすることが可能である。この別個の焼き戻し段階は
、次の素子製造で適切な熱処理、例えば損傷をアニールすることが可能なドーパ
ント拡散段階を使用するのであれば、省略してもよい。
【0022】 照射されたシリコン本体100の厚さは、シリコンに入る中性子ビーム152
の照準、マスク50の厚さおよび閉塞能力、拡散による本体100内でのビーム
の発散によって、非常に大きくなりうる。例えば1cmの本体厚さにより、前面
100aから背面100bへのリンのドーピング濃度に約5%の偏差が生じる。
【0023】 照射室から取り出した後、厚みのある本体100をスライスして、素子製造に
適した薄型ウェーハを生成する。従って、厚みのある本体100は(主面100
aおよび100bに平行で、p−n接合21を横切る)面110に沿って切るこ
とができ、またその後面は研磨される。
【0024】 しかし、例えばマスク50が沈着層タイプである場合、本体100は薄くても
よい。拡散によるビーム発散の結果、本体の厚さも減少する。従って、例えば照
射本体100は、その主面100aおよび100b間の厚さが1mm未満であっ
てもよい。また、本体100は、素子製造に適した厚さのウェーハであってもよ
い。
【0025】 交互になっている領域11および12を有する生成されたウェーハは更に処理
され、1つの主面にドレイン領域3を設け、また対向する主面にソースおよび本
体領域2および4を設ける。これらの領域2、3および4は、ウェーハへのドー
パント注入および拡散によって形成してもよい。しかし、多数のリサーフ領域1
1および12のドーピング濃度NaおよびNdを拡散させずに、ドーパントを長
時間拡散させることはできない。従って、厚みのあるドレイン領域3が望まれる
場合は、適切にドーピングしたn型エハを、ウェーハ11、12の面10bに直
接接合して、ドレイン領域3を設けるようにしてもよい。そのため、領域3をど
のように設けるかによって、本体部10の主面10bは、素子本体の底面または
領域3との境界面になりうる。これらの両例を図示するために、基準10bを図
1の一点鎖線で示す。
【0026】 素子によっては、本体部10の主面10aにp型およびn型の領域11および
12に対し、ソース領域2およびチャネル収容本体領域4を配置しなくてもよい
。これは、領域2および4の縦配置が領域11および12の縦配置に対して横向
きになっていたり、および/または非常に幅の狭い領域11および12を多数使
用する場合である。
【0027】 例えば領域2および4に対して最密の六角形または正方形セル配置を有する他
の素子においては、領域11および12に対して領域2および4を配列するのが
望ましい。この場合、主面10aに隣接するソース領域2およびチャネル収容本
体領域4を設ける前に、主面10aでp型およびn型の領域11および12の位
置を確認することが必要である。
【0028】 この位置の確認は様々な方法で行うことができる。そのため、例えば方向付け
マーカをマスク50に存在させ、これを使用して、例えばマスク50におけるマ
ーカウィンドウでエッチングを行うことによりウェーハ100上に配置マークを
設けてもよい。その他、マスク50の方向付けマーカを、ウェーハ100にすで
に存在する配置マーカ、例えばウェーハ100の境界線の配置フラットと並べる
ようにしてもよい。
【0029】 選択腐食液で面10aを軽くエッチングすることにより、面10aでのp型お
よびn型領域11および12の位置を特に簡単に確認することができる。腐食液
は、p型導電型材料を優先してエッチングするか、あるいは中性子照射によって
損傷した材料を優先してエッチングするものでもよい。
【0030】 上記の1つまたは他の方法において、面10aでのp型およびn型領域11お
よび12の位置が確認される。次に、絶縁ゲート34を上記1つの主面10aの
p型およびn型領域11および12に対して配置させ、その後ソース領域2およ
びチャネル収容本体領域4を設ける注入マスクとして機能させてもよい。
【0031】 多数のリサーフ本体部10の厚さX(すなわち、遮断接合部40およびドレイ
ン領域3との境界面の間の交互の領域11および12の長さ)を、素子の所望の
遮断能力に従って選択する。素子の所望の遮断能力は、通常は100Vよりも大
きい。本発明は遮断電圧が例えば少なくとも500V以上に高くなっても、非常
に有用である。500Vの素子の場合、領域10の厚さXは通常50μmである
。350μmの厚さXを使用して4.5kVの遮断能力を有するMOSFETを
作成することもできる。領域11および12の実効電荷(Na.w1−Nd.w
2)におけるバランスは例えば±10%であってもよく、またp型領域11の幅
w1は5μm〜10μmの範囲内であってよい。本体部10の材料製造における
許容範囲が大きい場合、n型領域12のドナー濃度Ndがp型領域11のアクセ
ブタ濃度Naよりも高いことが好ましい。この場合、p−n接合21間のn型領
域12の幅w2は、p−n接合21間のp型領域11の幅w1未満に相当する。
従って、例えば、NdがNaよりも大きくなるまで中性子照射を継続することが
でき、この場合、w1がw2よりも大きくなるようにマスク領域51および52
の寸法を選択する。
【0032】 本開示を読むことにより、その他の変更例および変形例が当業者により明らか
となる。このような変更例および変形例は、半導体素子の設計、製造および使用
において既知であり、また上記の特徴に代わってあるいはこれに加えて使用され
る同等およびその他の特徴を含む。請求項は本出願において特に特徴の組み合わ
せに対して定義されているが、本発明の開示の範囲も、新規特徴、またはここに
暗示的あるいは明示的に開示される特徴の新規組み合わせ、またはその総括、い
ずれかの請求項に現在請求されているように同一の発明に関連するか否か、およ
び本発明のように同一の技術上の問題の一部または全てを軽減するか否かを含む
ことが理解されるべきである。これによって、出願は、新規請求項が、本出願ま
たはこれから得られる別の出願が遂行される間に、いずれかのこのような特徴お
よび/またはこのような特徴の組み合わせに対して成される。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明により製造された高電圧MOSFET素子の一部を示す断面図である。
【図2】 図1の素子の製造における一段階での半導体材料のウェーハを示す断面図であ
る。

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 空乏時に電圧維持空間電荷区域を共に設ける交互のp型およびn型領域の形で
    空乏可能多領域半導体材料の半導体ウェーハを製造する方法であって、 (a)下記本体の対向する主面間で本体の厚さ方向に延び、材料のp型領域に
    必要な濃度に相当するアクセブタドーピング濃度を有するp型シリコン本体を設
    けるステップと、 (b)p型領域が残るシリコン本体の領域をマスクするために主面の一つの上
    に、n型領域が望まれるウィンドウ領域を有し、上記ウィンドウ領域がマスク領
    域と交互になっている中性子吸収マスクを設けるステップと、 (c)シリコン原子のリンへの変質によってn型領域に、交互のp型およびn
    型領域間に形成されたp−n接合が本体の対向する主面で終端するように本体の
    厚さ方向全体に延びるドナードーパント濃度を形成するように、マスクのウィン
    ドウ領域でシリコン本体に熱中性子の平行ビームを照射するステップと、を含ん
    でなる方法。
  2. 【請求項2】 中性子変質ドーピングステップ(c)の後、素子製造の薄型本体としてウェー
    ハを形成するよう、p型およびn型領域間のp−n接合を横切るシリコン本体を
    スライスするステップ(d)を更に含むことを特徴とする請求項1に記載の方法
  3. 【請求項3】 n型領域のドナー濃度はp型領域のアクセブタ濃度よりも高く、p−n接合間
    のn型領域の幅はp−n接合間のp型領域の幅よりも狭い請求項1または請求項
    2に記載の方法。
  4. 【請求項4】 ウェーハの各第1および第2の対向する主面に隣接してソースおよびドレイン
    領域が設けられ、ソース領域はドレイン領域と逆導電型のチャネル収容本体領域
    によって空間電荷区域の多数のp−n結合部から分離されている請求項1〜3の
    いずれか1項に記載の方法で製造されるウェーハを備える高電圧MOSFET素
    子の製造方法。
  5. 【請求項5】 第1導電型のウェーハが、上記第2の主面でドレイン領域を設けるよう空乏可
    能多領域半導体材料のウェーハの第2の主面に接合されている請求項4に記載の
    方法。
  6. 【請求項6】 ウェーハの第1主面でのp型およびn型領域の位置が、上記第1主面に隣接し
    てソース領域およびチャネル収容本体領域を設ける前に確認され、ソース領域お
    よびチャネル収容本体領域は、上記第1主面でp型およびn型領域と1列に並べ
    られる請求項4または請求項5に記載の方法。
  7. 【請求項7】 ウェーハの第1主面でのp型およびn型領域の位置が、選択エッチング液中で
    上記第1主面を軽くエッチングすることによって確認される請求項6に記載の方
    法。
  8. 【請求項8】 上記逆導電型のドーパントが第1主面に隣接するウェーハの部分に導入され、
    チャネル収容本体領域を設ける請求項4〜7のいずれか1項に記載の方法。
  9. 【請求項9】 下記ウェーハの厚さ方向に延びるp型およびn型領域を交互に含み、請求項1
    〜3のいずれか1項に記載の方法によって製造される半導体ウェーハ。
  10. 【請求項10】 請求項4〜8のいずれか1項に記載の方法によって製造される半導体素子。
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