JP2010073857A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造工程数の少ない半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】第１導電型の半導体層１１に、第２導電型の不純物Ｂをイオン注入する工程と、半導体層１１に熱処理を施して不純物Ｂの一部を活性化し、第１不純物拡散層１２を形成する工程と、第１不純物拡散層１２に選択的にレーザを照射してレーザが照射された領域の未活性の不純物Ｂを活性化し、第１不純物拡散層１２より高いキャリア濃度を有する第２不純物拡散層１３を形成する工程と、を具備する。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関する。

高速リカバリーダイオード（ＦＲＤ：Fast Recovery Diode）は、シリコンｐｎ接合を有し、ショットキーバリアダイオードに比べて高耐圧である点を生かして、スイッチングレギュレータ等の出力側整流ダイオードなどに使用されている。

高速リカバリーダイオードでは、スイッチング特性の改善と順方向電圧の確保のために、アノード層は低濃度アノード層と、低濃度アノード層中に形成された高濃度アノード層とを有している（例えば特許文献１参照。）。

特許文献１に開示された高速リカバリーダイオードは、アノード全面にＰ型半導体層を薄く設けた上、波状のＰ＋層を均一にくり返し設けている。
更に、カソード側Ｎ型半導体層を同様に波状に均一にくり返し設けて２重の波形エミッタ構造を基板に形成している。

然しながら、特許文献１に開示された高速ダイオードの製造方法は、低濃度アノード層を形成した後に、フォトリソグラフィ法によりパターン化された高濃度アノード層を形成しているので、製造工程数が多くなり、生産性が低いという問題がある。
特開平７−１０６６０５号公報

本発明は、製造工程数の少ない半導体装置の製造方法を提供する。

本発明の一態様の半導体装置の製造方法は、第１導電型の半導体層に、第２導電型の不純物をイオン注入する工程と、前記半導体層に熱処理を施して前記不純物の一部を活性化し、第１不純物拡散層を形成する工程と、前記第１不純物拡散層に選択的にレーザを照射して前記レーザが照射された領域の未活性の前記不純物を活性化し、前記第１不純物拡散層より高いキャリア濃度を有する第２不純物拡散層を形成する工程と、を具備することを特徴としている。

本発明の別態様の半導体装置の製造方法は、第１導電型の半導体層に、第２導電型の不純物をイオン注入する工程と、前記半導体層に選択的にレーザを照射して前記レーザが照射された領域の前記不純物を活性化し、第１不純物拡散層を形成する工程と、前記半導体層に熱処理を施して前記不純物の一部を活性化し、前記第１不純物拡散層より低いキャリア濃度を有する第２不純物拡散層を形成する工程と、を具備することを特徴としている。

本発明によれば、製造工程数の少ない半導体装置の製造方法が得られる。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

本発明の実施例１に係る半導体装置の製造方法について図１乃至図３を用いて説明する。図１は半導体装置を示す断面図、図２および図３は半導体装置の製造工程を順に示す断面図である。

本実施例の半導体装置は、スイッチング特性の改善と順方向電圧の確保のために、アノード層は低濃度アノード層と、低濃度アノード層中に島状に形成された高濃度アノード層とを有する高速リカバリーダイオード（ＦＲＤ）の例である。

図１に示すように、本実施例の半導体装置１０は、Ｎ型（第１導電型）の半導体層１１と、半導体層１１に形成されたＰ型（第２導電型）の低濃度アノード層（第１不純物拡散層）１２と、低濃度アノード層１２中に形成されたＰ^＋型の高濃度アノード層（第２不純物拡散層）１３と、低濃度アノード層１２および高濃度アノード層１３上に形成され、低濃度アノード層１２および高濃度アノード層１３とオーミックコンタクトを形成するアノード電極（金属層）１４と、を具備している。
更に、半導体装置１０は、半導体層１１が形成されたＮ^＋型の半導体基板１５と、半導体基板１５とオーミックコンタクトを形成するカソード電極（金属層）１６とを具備している。

半導体基板１５は、内部抵抗を低減するために高キャリア濃度、例えば〜１×１０^１８ｃｍ^−３のシリコン基板である。
半導体層１１は、注入されたホールがドリフトするためのベース層であり、膜厚、キャリア濃度が、例えば１０μｍ、〜１×１０^１7ｃｍ^−３のシリコンエピタキシャル層である。

低濃度アノード層１２は、ダイオードのスイッチング特性を改善するために、低キャリア濃度、例えば〜１×１０^１６ｃｍ^−３に設定されている。
高濃度アノード層１３は、金属層１４とのオーミックコンタクトを確保し、順方向電圧Ｖｆの増加を抑えるために、高キャリア濃度、例えば〜１×１０^１８ｃｍ^−３に設定されている。

次に、半導体装置１０の製造方法について説明する。図２および図３は半導体装置１０の製造工程を順に示す断面図である。

図２（ａ）に示すように、半導体基板１５上に、エピタキシャル法により半導体層１１を形成し、半導体層１１上に、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により半導体層１１の表面を保護するためのシリコン酸化膜２０を形成する。

次に、半導体層１１に、シリコン酸化膜２０を通してボロン（Ｂ）をイオン注入し、イオン注入層２１を形成する。
イオン注入条件は、後述するように、熱処理によりイオン注入されたＢの一部分が活性化したときに、低濃度アノード層１２の所定のキャリア濃度が得られ、レーザ照射によりイオン注入されたＢの大部分が活性化したときに、高濃度アノード層１３の所定のキャリア濃度が得られるように設定する。

次に、図２（ｂ）に示すように、ヒータ２２、例えばホットプレート、またはランプにより、例えば〜４００℃の低温活性化熱処理を施し、イオン注入されたＢの一部分を活性化して、キャリア濃度が〜１×１０^１６ｃｍ^−３の低濃度アノード層１２を形成する。

次に、図２（ｃ）に示すように、シリコン酸化膜２０を通して、低濃度アノード層１２に選択的にレーザを照射し、未活性のＢを活性化して、例えばキャリア濃度が〜１×１０^１８ｃｍ^−３の島状の高濃度アノード層１３を形成する。
レーザ照射は、レーザビームをレーザ照射領域２３に沿って走査することにより行うので、レーザを遮光するマスクなどは不要である。

次に、図３（ａ）に示すように、シリコン酸化膜２０を、例えばウェットエッチングにより除去した後、低濃度アノード層１２および高濃度アノード層１３上に、例えばアルミニウムを主成分とする金属層１４を、スパッタリング法により形成する。

次に、ヒータ２２により、例えば〜４００℃でアロイ化熱処理を施し、金属層１４と低濃度アノード層１２および高濃度アノード層１３とのオーミックコンタクトを形成する。キャリア濃度の低い低濃度アノード層１２は、金属層１４と低抵抗のオーミックコンタクトが得られないが、キャリア濃度の高い高濃度アノード層１３は、金属層１４と低抵抗のオーミックコンタクトが得られる。これにより、金属層１４はアノード電極として機能する。

活性化熱処理温度とアロイ化熱処理温度とがほぼ等しいので、低濃度アノード層１２中の未活性のＢがアロイ化熱処理により活性化されることは殆どなく、第１不純物拡散層１２のキャリア濃度は変化しない。
高濃度アノード層１３のＢは既に大部分が活性化されているので、高濃度アノード層１３のキャリア濃度は変化しない。

次に、図３（ｂ）に示すように、半導体基板１５の下面に、例えばアルミニウムを主成分とする金属層１６を、スパッタリング法により形成する。
次に、ヒータ２２により、例えば〜４００℃でアロイ化熱処理を施し、金属層１６と半導体基板１５とのオーミックコンタクトを形成する。これにより、金属層１６はカソード電極として機能する。

本実施例においては、低濃度アノード層１２のＢの活性化率が低いことから、イオン注入による結晶欠陥が残留し、半導体装置１０のダイオード特性に影響を与えることが懸念される。
得られた半導体装置１０のリーク電流などのダイオード特性を調べたところ、目的のダイオード特性を満たしていることが確かめられた。

次に、本実施例の半導体装置の製造方法に対比して、比較例の半導体装置の製造方法について説明する。比較例とは低濃度アノード層１２と高濃度アノード層１３を別個に形成する工程を有する半導体装置の製造方法のことである。図４は比較例の半導体装置の製造工程を順に示す図断面図である。

図４（ａ）に示すように、フォトリソグラフィ法により、半導体層１１上に高濃度アノード層１３が形成される予定の領域に開口３０ａを有するレジスト膜３０を形成する。
次に、図４（ｂ）に示すように、レジスト膜３０をマスクとして、高ドーズ量でＢをイオン注入し、イオン注入層３１を形成する。
次に、図４（ｃ）に示すように、レジスト膜３０を除去した後、活性化熱処理を施す。これにより、高濃度アノード層１３が形成される。

次に、図４（ｄ）に示すように、フォトリソグラフィ法により、高濃度アノード層１３をマスクするレジスト膜３２を形成する。
次に、図４（ｅ）に示すように、レジスト膜３２をマスクとして、低ドーズ量でＢをイオン注入し、イオン注入層３３を形成する。
次に、図４（ｆ）に示すように、レジスト膜３２を除去した後、活性化熱処理を施す。これにより、低濃度アノード層１２が形成される。

従って、本実施例の半導体装置の製造方法は、比較例の半導体装置の製造方法に比べて、イオン注入工程が１回で済み、フォトリソグラフィ工程を有しないので、合せて３工程を削減することが可能である。

以上説明したように、本実施例の半導体装置の製造方法は、半導体層１１にＢをイオン注入し、半導体層１１に低温活性化熱処理を施し、Ｂの一部を活性化して低濃度アノード層１２を形成し、半導体層１１に選択的にレーザを照射し、レーザ照射領域２３の未活性のＢを活性化して低濃度アノード層１２より高いキャリア濃度を有する高濃度アノード層１３を形成している。

その結果、比較例の半導体装置の製造方法に比べて、工程数を削減することができる。従って、製造工程数の少ない半導体装置の製造方法が得られる。

ここでは、金属層１４および金属層１６のアロイ化を別々に行う場合について説明したが、金属層１４、１６の材質が同じなので、同一工程でアロイ化することもできる。これによれば、更にアロイ化熱処理工程を１工程削減できる利点がある。

本発明の実施例２に係る半導体装置の製造方法について、図５を用いて説明する。図５は半導体装置の製造工程の要部を順に示す断面図である。
本実施例において、上記実施例１と同一の構成部分には同一符号を付してその説明は省略し、異なる部分についてのみ説明する。
本実施例が実施例１と異なる点は、高濃度アノード層を先に形成するようにしたことにある。

即ち、図５（ａ）に示すように、本実施例の半導体装置の製造方法は、図２（ａ）と同様にして半導体基板１５上に半導体層１１を形成し、半導体層１１上にシリコン酸化膜２０を形成し、半導体層１１にシリコン酸化膜２０を通してＢをイオン注入し、イオン注入層２１を形成する。

次に、図５（ｂ）に示すようにシリコン酸化膜２０を通して、半導体層１１に選択的にレーザを照射してＢを活性化し、高濃度アノード層（第１不純物拡散層）１３を先に形成する。
レーザの照射をパルスで行なうことにより、高濃度アノード層１３を除く領域のＢは活性化されることは無い。

次に、図５（ｃ）に示すように、シリコン酸化膜２０を除去した後、イオン注入層２１および高濃度アノード層１３上に、金属層１４を形成する。
次に、ヒータ２２により、例えば〜４００℃で低温活性化熱処理とアロイ化熱処理を兼ねた熱処理を施し、半導体層１１の一部を活性化して低濃度アノード層（第２不純物拡散層）１２を形成し、同時に、金属層１４と低濃度アノード層１２および高濃度アノード層１３とのオーミックコンタクトを形成する。

次に、図３（ｂ）と同様にして、半導体基板１５に金属層１６を形成し、アロイ化熱処理を施して金属層１６と半導体基板１５とのオーミックコンタクトを形成する。

以上説明したように、本実施例の半導体装置の製造方法は、半導体層１１にＢをイオン注入し、半導体層１１に選択的にレーザを照射して高濃度アノード層１３を形成し、半導体層１１に低温活性化熱処理を施して、高濃度アノード層１３より低いキャリア濃度を有する低濃度アノード層１２を形成している。

その結果、低濃度アノード層１２の形成と、金属層１６と低濃度アノード層１２および高濃度アノード層１３とのオーミックコンタクの形成を同時に行なうことができるので、アロイ化熱処理工程を１工程削減することができる利点がある。

ここで、図５（ｃ）に示す工程において、金属層１６と半導体基板１５とのオーミックコンタクの形成を同時に行なうことも可能である。これによれば、２つのアロイ化熱処理工程を全部削減できる利点がある。

本発明の実施例３に係る半導体装置の製造方法について、図６および図７を用いて説明する。図６および図７は半導体装置の製造工程の要部を順に示す断面図である。
本実施例において、上記実施例１と同一の構成部分には同一符号を付してその説明は省略し、異なる部分についてのみ説明する。
本実施例が実施例１と異なる点はＢのドーズ量に差を設けてイオン注入層を形成するようにしたことにある。

即ち、図６（ａ）に示すように、本実施例の半導体装置の製造方法は、図２（ａ）と同様にして、半導体基板１５上に半導体層１１を形成し、半導体層１１上にシリコン酸化膜２０を形成し、シリコン酸化膜２０上に、フォトリソグラフィ法により、レーザ照射領域２３に対応する領域に開口４０ａを有するマスク材４０を形成する。
マスク材４０は、例えばレジスト膜またはシリコン窒化膜などであり、その厚さは半導体層１１へＢのイオン注入が一部阻止される範囲に設定する。

次に、図６（ｂ）に示すように、半導体層１１に、シリコン酸化膜２０および開口４０ａを有するマスク材４０を通してＢをイオン注入する。
これにより、レーザ照射領域２３にＢが多く注入された高ドーズ領域４１ａと、レーザ照射領域２３の周りにＢが少なく注入された低ドーズ領域４１ｂとを有するイオン注入層４１が得られる。

マスク材４０の膜厚が厚いほど、低ドーズ領域４１ｂのドーズ量は少なくなるので、マスク材４０の膜厚を制御して低ドーズ領域４１ｂのドーズ量をできるだけ少なくしておくことが望ましい。

次に、図７（ａ）に示すように、マスク材４０を除去した後、シリコン酸化膜２０を通して、イオン注入層４１の高ドーズ領域４１ａに選択的にレーザを照射してＢを活性化し、高濃度アノード層１３を先に形成する。

次に、図７（ｂ）に示すように、ヒータ２２により、低ドーズ領域４１ｂのドーズ量に応じて、低温活性化熱処理の温度（〜４００℃）より高い温度で熱処理（中温活性化熱処理と称する）を施し、イオン注入されたＢの一部または大部分を活性化して低濃度アノード層１２を形成する。

活性化熱処理温度が高いほど、Ｂの活性化率が高くなるので、Ｂのドーズ量を減らした分、活性化熱処理温度を高くして活性化率を増やすことにより、所定のキャリア濃度が得られる。

次に、図３（ａ）、図３（ｂ）と同様にして、金属膜１４と、低濃度アノード層１２および高濃度アノード層１３とのオーミックコンタクト、金属膜１６と半導体基板１５とのオーミックコンタクトを形成する。

本実施例では、マスク材４０を形成するための工程（成膜、フォトリソグラフィ）が増加するが、活性化熱処理温度を高くすることができるので、低濃度アノード層１２の結晶性を改善することが可能である。

これにより、Ｂイオン注入時の結晶欠陥がダイオード特性へ影響を及ぼす恐れが低減されるので、本実施例の半導体装置の製造方法は、より高特性、高信頼性が要求される場合に適している。

以上説明したように、本実施例の半導体装置の製造方法は、Ｂのドーズ量に差を設けてイオン注入層４１を形成し、活性化熱処理温度を高くして低濃度アノード層１２を形成しているので、低濃度アノード層１２の結晶性が改善される利点がある。

特に、図８に示すように、低ドーズ領域４１ｂと高ドーズ領域４１ａとのドーズ量の比が、低濃度アノード層１２と高濃度アノード層１３とのキャリア濃度の比にほぼ等しい場合には、低ドーズ領域４１ｂと高ドーズ領域４１ａとに一括して高温活性化熱処理を施し、低濃度アノード層１２と高濃度アノード層１３とを同時に形成することも可能である。
高温活性化熱処理は、ヒータ２２を用いておこなえるので、高価なレーザ照射装置が不要になり、生産性を向上させることができる利点がある。

上述した実施例では、半導体装置１０が高速リカバリーダイオードである場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、半導体装置がショットキーバリアダイオードであっても同様に適用することができる。

また、半導体基板１５がシリコン基板である場合について説明したが、その他の半導体基板、例えばＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＳｉＣ、ＧａＮなどを用いることも可能であり、同様の効果を得ることができる。

本発明の実施例１に係る半導体装置を示す断面図。 本発明の実施例１に係る半導体装置の製造工程を順に示す断面図。 本発明の実施例１に係る半導体装置の製造工程を順に示す断面図。 本発明の実施例１に係る比較例の半導体装置の製造工程を順に示す断面図。 本発明の実施例２に係る半導体装置の製造工程の要部を順に示す断面図。 本発明の実施例３に係る半導体装置の製造工程の要部を順に示す断面図。 本発明の実施例３に係る半導体装置の製造工程の要部を順に示す断面図。 本発明の実施例３に係る半導体装置の別の製造工程の要部を示す断面図。

符号の説明

１０ 半導体装置
１１ 半導体層
１２ 低濃度アノード層
１３ 高濃度アノード層
１４、１６ 金属層
１５ 半導体基板
２０ シリコン酸化膜
２１、３１、３３、４１ イオン注入層
２２ ヒータ
２３ レーザ照射領域
３０、３２ レジスト膜
４０ マスク材
４１ａ 低ドーズ領域
４１ｂ 高ドーズ領域

Claims (5)

1. 第１導電型の半導体層に、第２導電型の不純物をイオン注入する工程と、
   前記半導体層に熱処理を施して前記不純物の一部を活性化し、第１不純物拡散層を形成する工程と、
   前記第１不純物拡散層に選択的にレーザを照射して前記レーザが照射された領域の未活性の前記不純物を活性化し、前記第１不純物拡散層より高いキャリア濃度を有する第２不純物拡散層を形成する工程と、
   を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記第１不純物拡散層および前記第２不純物拡散層上に金属層を形成し、熱処理を施して前記金属層と前記第１不純物拡散層および前記第２不純物拡散層とのオーミックコンタクトを形成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。
3. 第１導電型の半導体層に、第２導電型の不純物をイオン注入する工程と、
   前記半導体層に選択的にレーザを照射して前記レーザが照射された領域の前記不純物を活性化し、第１不純物拡散層を形成する工程と、
   前記半導体層に熱処理を施して前記不純物の一部を活性化し、前記第１不純物拡散層より低いキャリア濃度を有する第２不純物拡散層を形成する工程と、
   を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 前記第１不純物拡散層を形成した後に、前記第１不純物拡散層および前記半導体層上に金属層を形成し、前記熱処理により前記第２不純物拡散層を形成し、前記金属層と前記第１不純物拡散層および第２不純物拡散層とのオーミックコンタクトを形成することを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記第２導電型の不純物のイオン注入は、前記選択的にレーザが照射される予定の領域に開口を有するマスク材を通して行い、前記領域と前記領域を除く領域とで、前記不純物量に差を設けることを特徴とする請求項１または請求項３に記載の半導体装置の製造方法。

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