JP2009099705A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体装置10の製造方法であって、注入工程S8と、表面加熱工程S10と、注入深さ加熱工程S12を有する。注入工程S8は、半導体基板12の表面12bに、その表面12bから離れた深さ50に到達するエネルギーで水素イオンを注入する。表面加熱工程S10は、注入工程S8後の前記深さ50の半導体基板12の温度を水素イオン外方拡散温度未満に維持しながら、半導体基板12の表面12bの温度が結晶欠陥消滅温度以上に昇温するまで半導体基板12の表面12bを加熱する。注入深さ加熱工程S12は、表面加熱工程S10後に、少なくとも前記深さ50の半導体基板12を、水素イオン活性化温度域内にあって水素イオン外方拡散温度以上の温度に到達するまで加熱する。
【選択図】図4
Description
注入した水素イオンが半導体基板中でどのように振舞うのかはまだ判明していないが、水素イオンの注入後に半導体基板を加熱することで、水素イオンの注入深さ近傍のドナー濃度が上昇する現象が得られる。以下では、水素イオンの振舞いにより半導体基板中のドナー濃度が上昇することを、水素イオンが活性化するという。また、水素イオンが活性化する温度域を、水素イオン活性化温度域という。水素イオンは、他の不純物原子(リン、砒素等)に比べて低温で活性化するので、種々の用途に利用することができる。
本発明者らは、ドナー濃度が上記のように分布する原因が、以下の現象によるものであることを見出した。半導体基板に水素イオンを注入するときには、水素イオンの移動によって半導体基板中に結晶欠陥が形成される。したがって、水素イオンの注入後の半導体基板には、水素イオンが通過した軌道上に多数の結晶欠陥が存在している。つまり、水素イオンの注入後の半導体基板では、表面側領域に反表面側領域より多量の結晶欠陥が存在している。このように、表面側領域に多量の結晶欠陥が存在していると、結晶欠陥が水素イオンの抜け道となるので、表面側領域で水素イオンが拡散し易くなる。したがって、上記のように、半導体基板の加熱後に、ドナー濃度が上昇している領域が表面側領域に広く分布するものと考えられる。
以下では、水素イオンの注入時に形成された結晶欠陥によって、半導体基板の加熱時に水素イオンの拡散が促進される現象を、水素イオンの外方拡散という。本発明は、この水素イオンの外方拡散を抑制しながら、水素イオンを活性化させる。
なお、水素イオン外方拡散温度とは、水素イオンの外方拡散が発生する温度である。すなわち、水素イオン外方拡散温度とは、水素イオンの注入深さを加熱したときに、水素イオンの注入深さより浅い側(表面側領域)と深い側(反表面側領域)とでドナー濃度が非対称に分布する温度である。水素イオン外方拡散温度は、表面側領域と反表面側領域の結晶欠陥密度等に応じて変化する。
また、結晶欠陥消滅温度とは、半導体基板中の結晶欠陥の少なくとも一部が消滅する温度である。半導体基板の表面の加熱後に、半導体基板の表面側領域中の結晶欠陥密度が低下していれば、その加熱は結晶欠陥消滅温度以上の温度による加熱であるといえる。
本発明の製造方法では、表面加熱工程で半導体基板の表面(水素イオンを注入した表面)を結晶欠陥消滅温度以上の温度に加熱する。したがって、半導体基板の表面側領域の結晶欠陥密度が低下する。このとき、水素イオンの注入深さは、水素イオン外方拡散温度未満に維持されるので、水素イオンの外方拡散は起きない。次に、注入深さ加熱工程において、水素イオンの注入深さの半導体基板を加熱する。これによって、水素イオンが活性化するとともに、水素イオンが拡散する。このとき、表面側領域の結晶欠陥密度が低いので、水素イオンの外方拡散が抑制される。したがって、水素イオンの注入深さのドナー濃度を大きく上昇させることができる。また、外方拡散の抑制によりドナー濃度が上昇する領域が狭くなるので、そのドナー濃度が上昇する領域をより高精度で形成することが可能となる。
このように、半導体基板の表面の加熱時間を短時間とすることで、水素イオンの注入深さの半導体基板の温度を水素イオン外方拡散温度未満に維持することができる。
このように半導体基板の表面を加熱することで、上記の短時間の加熱を実現することができる。
この半導体装置の製造方法は、注入工程と、加熱工程を備えている。注入工程では、半導体基板の表面に水素イオンを注入する。加熱工程では、注入工程後の半導体基板の表面を加熱する。加熱工程では、半導体基板の表面の温度が、50〜1000msecの間、300〜600℃の温度域内の温度に維持されるように加熱する。注入工程では、加熱工程で300〜600℃に昇温する深さに水素イオンを注入しておく。
この半導体装置の製造方法では、加熱工程において、水素イオンの注入深さの半導体基板が、半導体基板の表面と略同じ温度プロファイルで加熱される。上記の条件で水素イオンの注入深さの半導体基板を加熱することで、水素イオンの活性化に十分な熱量を与えることができる。また、加熱時間を50〜1000msecとすることで、水素イオンの拡散距離が短くなり、水素イオンの注入深さ近傍のドナー濃度をより高い濃度まで上昇させることができる。
(特徴1)第1実施例の半導体基板の製造方法においては、注入工程において、半導体基板の表面から1〜1000μmの深さに水素イオンの濃度分布のピークが位置するように、水素イオンを注入する。
(特徴2)第2実施例の半導体装置の製造方法においては、注入工程において、半導体基板の表面から50μm以下の深さに水素イオンの濃度分布のピークが位置するように、水素イオンを注入する。
(特徴3)第2実施例の半導体装置の製造方法においては、注入工程において、加熱工程時の水素イオンの拡散距離より浅い深さに水素イオンを注入する。
(特徴4)第1実施例及び第2実施例の半導体装置の製造方法においては、注入工程において、プロトンとデュートロンとトリトンのいずれかを半導体基板に注入する。
実施例について説明する前に、水素イオンの拡散と活性化について説明する。
図1は、一定量の水素イオン(プロトン)を注入した半導体基板(シリコン基板)を、種々の温度で加熱したときの、加熱温度と半導体基板中のドナー濃度との関係を示している。図1の曲線Aは、各加熱温度(横軸)で加熱された後の半導体基板のドナー濃度(縦軸)を示している。なお、縦軸のドナー濃度は、水素イオン注入方向(深さ方向)のドナー濃度分布におけるピーク値を示している。また、図1の直線Bは、水素イオン注入前の半導体基板のドナー濃度を示している。したがって、曲線Aの値と直線Bの値の差が、ドナー濃度の増加量を示している。直線Bに示すように、何れの加熱温度の実験でも、水素イオン注入前の半導体基板には、ドナー濃度が約4×1013(cm−3)の半導体基板を用いた。また、各加熱温度の実験においては、加熱温度以外の条件は、同一の条件で行った。すなわち、水素イオンは17MeVのエネルギーで、一定量を注入した。また、水素イオン注入後の加熱工程では、電気炉にて半導体基板全体を図1の横軸に示す温度に約30分間、維持した。
なお、図1の実験では、水素イオンとしてプロトンを半導体基板に注入したが、デュートロンやトリトンを注入しても略同様の結果が得られる。
この現象が発生する原因は、以下のように推測できる。半導体基板に水素イオンを注入するときには、表面側領域に多数の結晶欠陥が形成される。したがって、水素イオンの注入後には、表面側領域の結晶欠陥の密度が、反表面側領域の結晶欠陥密度より高くなっている。半導体基板を加熱するときには、表面側領域の多数の結晶欠陥が水素イオンの抜け道となるので、表面側領域で水素イオンが拡散し易くなっていると考えられる。したがって、水素イオンの拡散距離が表面側領域で長くなり、デュートロン濃度が高い領域が表面側領域で広く分布するものと考えられる。
図2から、加熱温度が500℃を超える場合には、水素イオンの外方拡散が起こることが分かる。なお、図2の例では約500℃で外方拡散が生じるが、外方拡散温度は、表面側領域の結晶欠陥密度、反表面側領域の結晶欠陥密度、水素イオンの注入深さ等により異なる。
なお、図2の実験では、水素イオンとしてデュートロンを半導体基板に注入したが、プロトンやトリトンを注入しても略同様の結果が得られる。
次に、第1実施例の半導体装置の製造方法について説明する。第1実施例では、IGBTの製造方法について説明する。図3は、第1実施例の製造方法により製造されるIGBT10の概略断面図を示している。図示するように、IGBT10は、トレンチゲート型のIGBTである。IGBT10は、半導体基板12と、半導体基板12の上面12aに形成されているエミッタ電極14と、半導体基板12の下面12bに形成されているコレクタ電極16を備えている。半導体基板12は、主にシリコンからなっている。半導体基板12の上面12a側には、n+エミッタ領域20、p+コンタクト領域22、p−ボディ領域24、ゲート電極26及び絶縁膜28からなる上面側素子構造30が形成されている。図示するように、上面側素子構造30は一般的なIGBTのトレンチゲート構造であるので、その詳細については説明を省略する。上面側素子構造30の下側には、ドナー濃度が低いn−ドリフト領域32が形成されている。n−ドリフト領域32の下側には、ドナー濃度が高いn+バッファ領域34が形成されている。n+バッファ領域34の下側には、p+コレクタ領域36が形成されている。p+コレクタ領域36は、コレクタ電極16と接している。
なお、水素イオンの注入時には、半導体基板12中を水素イオンが移動することによって半導体基板12中に結晶欠陥が形成される。すなわち、水素イオン注入位置50より下面12b側の領域(図6の領域52:以下では下面側領域52という)の半導体基板12には、多数の結晶欠陥が形成される。
また、上述したように、ステップS12では水素イオンの拡散距離が短いので、n+バッファ領域34が薄く形成される。n+バッファ領域34が薄く形成されると、n−ドリフト領域32を厚く保つことができる。したがって、IGBT10の耐圧をより高くすることができる。
以上のステップにより、図1に示すIGBT10が製造される。
次に、第2実施例の半導体装置の製造方法について説明する。第2実施例では、ダイオードの製造方法について説明する。図7は、第2実施例の製造方法によって製造されるダイオード100の概略断面図を示している。図示するように、ダイオード100は、半導体基板112と、半導体基板112の上面112aに形成されているアノード電極114と、半導体基板112の下面112bに形成されているカソード電極116を備えている。半導体基板112は、主にシリコンからなっている。半導体基板112の上面112a側には、アクセプタ濃度が高いp+領域120が形成されている。p+領域120は、アノード電極114と接している。p+領域120の下側には、アクセプタ濃度が低いp−領域122が形成されている。p−領域122の下側には、ドナー濃度が低いn−領域124が形成されている。n−領域124の下側には、ドナー濃度が高いn+領域126が形成されている。n+領域126は、カソード電極116と接している。
上述したように、水素イオン注入位置150は、半導体基板112の下面112bと略同じ温度まで昇温する深さに位置している。すなわち、水素イオン注入位置150は、図10に示す温度プロファイルと略等しい温度プロファイルで加熱される。水素イオン注入位置150が300〜600℃の温度域内の温度に昇温されると、水素イオンが活性化するとともに拡散する。このとき、水素イオンの活性化量は、下面112bの加熱時間Ta(すなわち、水素イオン注入位置150の温度が300〜600℃の温度域内の温度に維持される時間)にはほとんど依存しない。すなわち、水素イオンの活性化量は、短時間の加熱であっても長時間の加熱であってもそれほど変わらない。一方、水素イオンの拡散距離は、下面112bの加熱時間Taに大きく依存する。すなわち、下面112bの加熱時間Taが長いほど、水素イオンの拡散距離は長くなる。上述したように、ステップS28では、半導体基板112の下面112bの加熱時間Taが100msecと短い。したがって、水素イオンの拡散距離が短くなる。このため、水素イオン注入位置150近傍のドナー濃度が大幅に上昇する。これによって、水素イオン注入位置150近傍に、図7に示すようにn+領域126が形成される。また、残りのn−領域がn−領域124となる。
また、上述したように、ステップS28では水素イオンの拡散距離が短いので、n+領域126が薄く形成される。n+領域126が薄く形成されると、n−領域124を厚く保つことができる。したがって、ダイオード100の逆耐圧をより高くすることができる。
以上のステップにより、図7に示すダイオード100が製造される。
なお、図11は、上述した製造方法において、ステップS28の加熱時間Ta(下面112bが300〜600℃の温度域内の温度に維持される時間)を種々に変化させたときの、加熱時間Taと半導体基板112中のドナー濃度の上昇量との関係を示している。すなわち、図11にプロットされた各点は、その加熱時間Ta(横軸)で加熱されたときの、半導体基板112中のドナー濃度の上昇量(縦軸)を示している。なお、縦軸のドナー濃度の上昇量は、水素イオン注入方向(深さ方向)のドナー濃度分布(加熱後の濃度分布)におけるドナー濃度のピーク位置における上昇量を示している。また、各実験(図11にプロットされた各点の実験)は、加熱時間以外の条件は、同一の条件で行っている。
図11に示すように、加熱時間が1〜60sec(1000〜60000msec)の場合には、ドナー濃度の上昇量は約3×1015cm−3である。60sec以上に加熱時間を長くしても、このドナー濃度の上昇量はほとんど変わらない。すなわち、3×1015cm−3のドナー濃度の上昇量は、従来の製造方法で得られる値である。一方、加熱時間Taが50〜1000msec(0.05〜1sec)の範囲では、ドナー濃度の上昇量が大きくなる。特に、加熱時間Taが67〜200msec(0.067〜0.2sec)の範囲では、ドナー濃度の上昇量が大幅に大きくなる。このように、半導体基板112の下面112bの加熱時間Taを50〜1000msec(特に、67〜200msec)とすることで、ドナー濃度の上昇量を大きくすることができる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
12:半導体基板
14:エミッタ電極
16:コレクタ電極
20:n+エミッタ領域
22:p+コンタクト領域
24:p−ボディ領域
26:ゲート電極
28:絶縁膜
32:n−ドリフト領域
34:n+バッファ領域
36:p+コレクタ領域
50:水素イオン注入位置
52:下面側領域
100:ダイオード
112:半導体基板
114:アノード電極
116:カソード電極
120:p+領域
122:p−領域
124:n−領域
126:n+領域
150:水素イオン注入位置
Claims (5)
- 半導体装置の製造方法であって、
半導体基板の表面に、その表面から離れた深さに到達するエネルギーで、水素イオンを注入する注入工程と、
前記注入工程後の前記深さの前記半導体基板の温度を水素イオン外方拡散温度未満に維持しながら、前記半導体基板の前記表面の温度が結晶欠陥消滅温度以上に昇温するまで、前記半導体基板の前記表面を加熱する表面加熱工程と、
前記表面加熱工程後に、少なくとも前記深さの前記半導体基板を、水素イオン活性化温度域内にあって前記水素イオン外方拡散温度以上の温度に到達するまで加熱する注入深さ加熱工程、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記表面加熱工程では、前記半導体基板の前記表面の温度が、1〜1000msecの間、800℃以上に維持されるように加熱する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。
- 前記表面加熱工程では、フラッシュランプと電子線とレーザのいずれかを用いて前記表面を照射す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の製造方法。
- 前記注入深さ加熱工程では、半導体基板の全体を加熱することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
- 半導体装置の製造方法であって、
半導体基板の表面に水素イオンを注入する注入工程と、
前記注入工程後に、前記半導体基板の前記表面を加熱する加熱工程を備えており、
前記加熱工程では、前記半導体基板の前記表面の温度が、50〜1000msecの間、300〜600℃の温度域内の温度に維持されるように加熱し、
前記注入工程では、前記加熱工程で300〜600℃に昇温する深さに水素イオンを注入することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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