JP2012089734A

JP2012089734A - 逆阻止ｉｇｂｔの製造方法

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Publication number: JP2012089734A
Application number: JP2010236388A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Kato; 勉加藤
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2010-10-21
Filing date: 2010-10-21
Publication date: 2012-05-10
Anticipated expiration: 2030-10-21
Also published as: JP5659689B2

Abstract

【課題】裏面に傾斜溝を有し、ｐ型コレクタ層と導電接続されるｐ型分離溝を形成する工程を有する逆阻止ＩＧＢＴのウエハプロセス処理工程を短縮すること。
【解決手段】ｎ型ウエハ１の表面に、デバイス領域を取り囲む位置にｐ型領域２０を形成する工程、前記デバイス領域内にＭＯＳゲート構造１０とＡｌ電極１８を形成する工程、レジスト２２ｂを前記表面の保護膜として被覆する工程、前記ウエハ３０の裏面にフォトレジスト２２ａで前記デバイス領域に対向する位置にエッチングマスクを形成する工程、裏面からアルカリエッチングにより前記ｐ型領域２０の底部に達する傾斜溝２３を形成する工程、裏面のフォトレジスト２２ａのみを有機アルカリ系剥離液によって除去する工程、前記傾斜溝２３に沿って分離層４ｂを、裏面にはｐ型コレクタ層６を、イオン注入とアニールとにより形成する工程を有する逆阻止ＩＧＢＴの製造方法とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置の製造工程におけるウエハプロセス、特には逆阻止ＩＧＢＴのウエハプロセスに特有な製造方法に関する。

従来のプレーナ型ｐｎ接合構造を有するＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）は、主要な用途であるインバータ回路やチョッパー回路では、直流電源下で使用されるので、順方向耐圧の確保だけを考えて作られていた。しかし、最近、半導体電力変換装置において、回路の小型化、軽量化、高効率化、高速応答化および低コスト化を図ることが検討され、従来の順方向耐圧に加えて高信頼性の逆方向耐圧も備えたＩＧＢＴが要望されるようになった。以降の説明では、このような順方向耐圧と逆方向耐圧を備えたＩＧＢＴを逆阻止型ＩＧＢＴと称することとする。

逆阻止型の半導体装置においては、順阻止能力と同等の逆阻止能力が必要となる。高信頼性の逆阻止能力を確保するために、通常は半導体チップの裏面近傍にあってチップ側面に露出する逆耐圧用ｐｎ接合の端面を、側面で露出させないようにチップ周縁部で屈曲させて側面に沿って表面まで延在させ表面で露出させる必要がある。以降の説明では、この裏面側から表面に延在させたｐｎ接合を形成するために、チップ側面に沿って設けた拡散層を分離層と称する。
このｐｎ接合の裏面側の領域がｐ型領域（ｐ型コレクタ層）の場合、ｐ型分離層ということにする。

図４は、従来の逆阻止型ＩＧＢＴのｐ型分離層を形成する方法を、主要な製造工程順に並べた（ａ）〜（ｄ）に示す半導体基板（以降ウエハまたは半導体ウエハ）の要部断面図である。この図４ではｐ型分離層４を塗布拡散によって形成する方法を示す。まず、ウエハ１上に膜厚がおおよそ２．５μｍ程度の熱酸化膜２を形成する（図４（ａ））。つぎに、この熱酸化膜２にｐ型分離層４を塗布拡散で形成するための開口部３を形成する（図４（ｂ））。開口部３にボロンソース５を塗布し、高温、長時間の熱処理を行い、厚さ数百μｍ程度のｐ^＋拡散層４ａを形成する（図４（ｃ））。その後、特に図示しないが、ｐ型分離層４に囲まれた表面からＩＧＢＴに必要なＭＯＳゲート構造１０等を形成した後、裏面から研削してｐ型分離層４の底部に達する厚さに薄くする。研削後のウエハの符号を３０とする。このウエハ３０の研削面にｐ型コレクタ領域６とコレクタ電極７を形成し、ｐ型分離層４のスクライブライン８で切断すれば、逆阻止電圧用のｐｎ接合２１の端面２１ａが表面のフィールド酸化膜１９で保護される（図４（ｄ））に示す逆阻止型ＩＧＢＴチップ１００ができる。

しかしながら、このｐ型分離層の形成方法では、高温、長時間の拡散処理を必要とする。さらにこの塗布拡散法によるｐ型分離層の形成では、膜厚が２．５μｍ程度のマスク酸化膜の形成を必要とする。その形成には１１５０℃の高温と約２００時間が必要である。これらの高温、長時間の条件はウエハの結晶性を劣化させるなどの問題を引き起こす。

この問題を解決する逆阻止型ＩＧＢＴの製造方法（図２）も公開されている。エミッタ側からの熱拡散により形成したｐ型拡散層２０を、対向する反対面から形成した傾斜面９ｃの側壁に形成されるｐ型分離層４ｂと導電接続させることにより得られる図３の断面図に示す構成の逆阻止型ＩＧＢＴである。この逆阻止型ＩＧＢＴでは、ｐ型拡散層２０によって傾斜溝を浅くすることができるので、貫通型の傾斜溝を形成するプロセスに比べると、ウエハの補強板無しにウエハプロセスを進めることができるメリットがある。この傾斜溝の内側に形成される傾斜面を側面に持つ逆阻止型ＩＧＢＴではｐ型分離層をイオン注入およびアニールにより短持間で同時に形成することができるので、長時間の熱拡散によってｐ型分離層を形成する場合に問題となる結晶欠陥や酸素起因の欠陥の問題、また、炉のダメージの問題を解決できるだけでなく、ウエハの補強板の貼付工程を必要としないので、工程短縮にもなる。

さらに別途、半導体基板の表面と裏面側とで異なるエッチングマスクを用いて半導体基板を分割する方法について公開されている文献がある（特許文献１）。

特開平５−２８５９３５号公報

しかしながら、前記図２に示す製造工程により作成された図３の逆阻止ＩＧＢＴには、以下説明するような課題を抱えている。まず、前記図２に示す逆阻止ＩＧＢＴの製造工程を説明する。数百μｍの厚いｎ型ウエハ１の一方の主面側（表面側とする）に、酸化膜２をマスクにして格子状の平面パターンで、深さ約１２０μｍ、幅約２００μｍのｐ型拡散層２０を形成する（図２（ａ））。このｐ型拡散層２０の格子状パターンに囲まれたウエハ１の（１００）面に、ｐ型ベース領域１６、該ｐ型ベース領域１６表面にｎ型エミッタ領域１５、該ｎ型エミッタ領域１５と前記ｎ型ウエハ１の表面領域に挟まれるｐ型ベース領域１６の表面にゲート絶縁膜（図示せず）を介して設けられるゲート電極１７などからなるＭＯＳゲート構造１０を形成する。さらに、ゲート電極１７上を層間絶縁膜（図示せず）で覆った後、アルミニウムを主成分とするエミッタ電極１８を被覆する。前記層間絶縁膜はエミッタ電極１８で覆われる前に、前記ｐ型ベース領域１６表面と前記ｎ型エミッタ領域１５表面にエミッタ電極が接触するように開口部を形成しておく。この表面をレジスト２２ｂで保護した後、ウエハ１の他方の主面（裏面とする）を研削してウエハ１の厚さを１８０μｍにする。この厚さ１８０μｍに研削したウエハの符号を３０とする（図２（ｃ））。

裏面研削後、厚さ１８０μｍのウエハ３０の裏面（研削側の面）に、前述した一方の主面側（表面側）のｐ型拡散層２０の格子状平面パターンに対向する位置に合わせて、表面側の前記パターンとは同ピッチで逆格子状平面パターンからなるレジストマスク２２ａを形成する。このレジストマスク２２ａを用いて、ウエハ３０をＴＭＡＨ（ＴｅｔｒａＭｅｔｈｙｌＡｍｍｏｎｉｕｍＨｙｄｒｏｘｉｄｅ）の５％溶液に浸漬させることによって異方性エッチングを行なう（図２（ｄ））。このＴＭＡＨ溶液による（１００）面の異方性エッチングによれば、傾斜溝２３の傾斜面を（１１１）面とすることができる。図２（ｄ）に示すように、レジストマスク２２ａで被覆されていない箇所に（１１１）結晶面を備えた傾斜溝２３が形成される。ウエハ３０の厚さは１８０μｍであるので、深さ８０μｍの傾斜溝２３の底部は対向する反対面に形成されている１２０μｍの深さのｐ型拡散層２０の底部に達する。

その後、図示しないが、レジスト２２ａと２２ｂを除去し、再度、表面側にレジスト２２ｂを形成して保護膜とし、コレクタ面と傾斜面との両領域にドーズ量１×１０^１７ｃｍ^−２程度の高濃度のボロンイオンをイオン注入し、アニールを施し、ｐ型コレクタ層６とｐ型分離層４ｂとが同じｐ型同士で繋がった領域を形成する。前記アニールについては、たとえば、表面側のレジスト２２ｂを除去後、裏面からの１．５Ｊｃｍ^−２程度のレーザーパルスや４００℃程度の低温炉の中で保持することによって、表面側に形成されているＭＯＳゲート構造１０に悪影響がでない条件、方法で行う必要がある。この状態のウエハを、傾斜溝２３の底部でスクライブカットすると逆阻止ＩＧＢＴのチップができる（図２（ｅ））。

このように、前述の逆阻止ＩＧＢＴは、表面側にＭＯＳゲート構造およびアルミニウム電極が形成されているので、裏面側の傾斜溝のエッチングの際に必要なマスクの形成条件に、表面側の構造に悪影響を及ぼさないようにしなければならないという制約がある。

しかしながら、図２（ｄ）でレジスト２２ａを除去して、コレクタ面と傾斜面との両領域にｐ型コレクタ層６とｐ型分離層４ｂを形成する際に、レジスト２２ｂも同時に剥離されるので、表面側の保護膜として必要なレジスト２２ｂを再度形成し直す必要がある。ところが、前述のように、裏面側に傾斜溝２３が形成されているために、レジスト２２ｂの再塗布のため、ウエハの裏面を下側にしてスピンナー台上に吸着させる際に、裏面に設けた溝の凹部から空気が漏れるので、しっかりとした吸着が難しい。さらにウエハ３０は裏面研削により薄くされているので、吸着力を強くすると、溝の凹部を起点としてウエハ割れが起きることがある。ウエハ割れに至らない場合も表面側にキズが付く、汚染されるなどの惧れがある。以上説明したことが前述した図２の製造工程で作成された逆阻止ＩＧＢＴの解決しなければならない課題である。

本発明は、以上述べた点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、半導体基板の裏面に傾斜溝を形成し、この傾斜溝を利用して裏面側のｐ型コレクタ層と導電接続されるｐ型分離溝を形成する工程を有する逆阻止ＩＧＢＴのウエハプロセス処理工程を短縮することのできる逆阻止ＩＧＢＴの製造方法を提供することである。

請求項１記載の発明によれば、第１導電型半導体基板の一方の主面に、半導体素子機能領域を取り囲む位置に第２導電型領域を形成する工程、前記半導体素子機能領域内にＭＯＳゲート構造とアルミニウム電極を形成する工程、シリコーン系樹脂を主成分とするレジストを前記一方の主面の保護膜として被覆する工程、前記半導体基板の他方の主面にエポキシ樹脂系のフォトレジストで前記半導体素子機能領域に対向する位置をマスクするエッチングマスクパターンを形成する工程、他方の主面からアルカリエッチングにより前記第２導電型領域の底部に達する傾斜溝を形成する工程、他方の主面のエポキシ系樹脂系のフォトレジストのみを有機アルカリ系剥離液への浸漬かまたはプラズマ剥離によって除去する工程、前記傾斜溝に沿って分離層を、他方の主面には第２導電型コレクタ層を、第２導電型不純物のイオン注入およびアニールすることにより形成し、第２導電型コレクタ層と導電接続される第２導電型分離層を形成する工程を有する逆阻止ＩＧＢＴの製造方法とする。前記シリコーン系樹脂を主成分とするレジストの硬化処理温度が前記エポキシ系樹脂を主成分とするフォトレジストの硬化処理温度と同じか、より高温であることが望ましい。また、前記シリコーン系樹脂を主成分とするレジストが感光性または非感光性のレジストであることが好ましい。またさらに、前記シリコーン系樹脂を主成分とするレジストの剥離方法が酸系の剥離液であることが望ましい。

本発明によれば、半導体基板の裏面に傾斜溝を形成し、この傾斜溝を利用して裏面側のｐ型コレクタ層と導電接続されるｐ型分離溝を形成する工程を有する逆阻止ＩＧＢＴのプロセス処理工程を短縮する逆阻止ＩＧＢＴの製造方法を提供することができる。

本発明の逆阻止ＩＧＢＴの主要な製造工程を示す半導体基板の要部断面図である。従来の逆阻止ＩＧＢＴの主要な製造工程を示す半導体基板の要部断面図である。図１または図２の製造工程で作成された逆阻止ＩＧＢＴの要部断面図である。従来の逆阻止ＩＧＢＴの分離層を形成するための製造工程を示す半導体基板の要部断面図である。

以下、本発明の傾斜状の側面を備える逆阻止型ＩＧＢＴの製造方法にかかる実施例について、図面を参照して詳細に説明する。本発明はその要旨を超えない限り、以下に説明する実施例の記載に限定されるものではない。

本発明の逆阻止型ＩＧＢＴの製造方法にかかる実施例１について、以下、図面を参照して詳細に説明する。数百μｍの厚いｎ型ウエハ１の一方の主面側（表面側とする）に（図１（ａ））、酸化膜２をマスクにして格子状の平面パターンで、深さ約１２０μｍ、幅約２００μｍのｐ型拡散層２０を周知の熱拡散方法により形成する（図１（ｂ））。

このｐ型拡散層２０の格子状パターンに囲まれたウエハ１の（１００）面に、ｐ型ベース領域１６、該ｐ型ベース領域表面にｎ型エミッタ領域１５、該ｎ型エミッタ領域１５と前記ｎ型ウエハ１の表面領域に挟まれるｐ型ベース領域１６の表面にゲート絶縁膜（図示せず）を介して設けられるゲート電極１７などからなるＭＯＳゲート構造１０を形成する。さらに、ゲート電極１７上を層間絶縁膜（図示せず）で覆った後、アルミニウムを主成分とするエミッタ電極１８を被覆する。前記層間絶縁膜はエミッタ電極で覆われる前に、前記ｐ型ベース領域１６表面と前記ｎ型エミッタ領域１５表面にエミッタ電極が接触するように開口部を形成しておく。表面側全体をレジスト２２ｂを塗布して保護した後、ウエハ１の他方の主面（裏面とする）を研削してウエハ１の厚さを１８０μｍにする（図１（ｃ））。この厚さ１８０μｍに研削したウエハの符号を３０とする。図１（ｂ）中、二重点線はその間が省略されていることを表す。

この表面側のレジスト２２ｂについてはパターン形成しないので、感光性機能については無くても良い。ただし、後工程で裏面側に形成するレジスト２２ａを剥離液やプラズマ灰化処理により除去する際に、表面側の前記レジスト２２ｂが同時に除去されないように、レジスト２２ａとは異なる剥離特性を備えている必要がある。さらに、前記表面側のレジスト２２ｂのポストベーク温度（レジスト膜の硬化温度）は後述する裏面側のレジスト２２ａのポストベーク温度より高温であることが望ましい。たとえば、レジスト２２ｂのポストベーク温度は１８０℃であり、レジスト２２ａのポストベーク温度は１５０℃のように温度差を設ける。そのようなレジストとして、シリコーン系樹脂を主成分とするレジスト（たとえば、信越化学製、ＳＩＮＲ３１７０Ｓ−１８）が挙げられる。このシリコーン系樹脂を主成分とするレジストは耐プラズマ性と酸系の剥離液によってのみ溶解されるという剥離特性を有している。

裏面研削後、厚さ１８０μｍのウエハ３０の裏面（研削側の面）を軽いエッチング等で平滑化および清浄化した後に、前述した一方の主面側（表面側）のｐ型拡散層２０の格子状平面パターンに対向する位置に合わせて、表面側の前記パターンとは同ピッチで、逆格子状平面パターンからなるレジスト２２ａパターンを形成する（図１（ｃ））。このレジスト２２ａパターンをエッチングマスクとして用いて、ウエハ３０をＴＭＡＨ（ＴｅｔｒａＭｅｔｈｙｌＡｍｍｏｎｉｕｍＨｙｄｒｏｘｉｄｅ、水酸化四メチルアンモニウム）の５％溶液に浸漬させることによってアルカリによる異方性エッチングを行なう（図１（ｄ））。このＴＭＡＨ溶液による（１００）面の異方性エッチングによれば、傾斜溝２３の傾斜面を（１１１）面とすることができる。すなわち、図１（ｄ）に示すように、レジスト２２ａで被覆されず、ウエハ３０のシリコン面が露出する箇所に、深さ８０μｍで（１１１）結晶面を備えた傾斜溝２３が形成される。ウエハ３０の厚さは１８０μｍであるので、深さ８０μｍの傾斜溝２３の底部は対向する反対面に形成されている１２０μｍの深さのｐ型拡散層２０の底部に達する。

レジスト２２ａについては感光性のレジストであって、前述のアルカリエッチングの終了後、レジスト２２ａの剥離処理をする際に、表面側の前記レジスト２２ｂを残したまま、裏面側のレジスト２２ａのみを剥離することが本発明の特徴とするところである。そのため、裏面側のレジスト２２ａはアルカリエッチング終了後、有機アルカリ系剥離液で剥離できる性質を備えている。一方、前記表面側のレジスト２２ｂはこの有機アルカリ系剥離液では剥離されない。従って、裏面側のプロセスの終了後、レジストの剥離をする際に、裏面側のレジスト２２ａのみ剥離され、表面側のレジスト２２ｂを残すことができる。そのような裏面側のレジスト２２ａとしては、エポキシ系樹脂を主成分とする感光性のレジストが好ましい。たとえば、日本化薬製のＫＭＰＲ１００５、ＳＵ−８３０００などがある。

前述のように裏面側に、傾斜溝２３の形成し、裏面側のレジスト２２ａを剥離した後、表面側に残されたレジスト２２ｂを保護膜とする。裏面側のコレクタ面と傾斜面との両領域にドーズ量１×１０^１７ｃｍ^−２程度の高濃度のボロンイオンをイオン注入し、アニールを施し、ｐ型コレクタ層６とｐ型分離層４ｂとが同じｐ型同士で繋がった領域を形成する。この結果、ｐ型分離層４ｂは一端でｐ型コレクタ層６と繋がり、他端で前記ｐ型拡散層２０と同じｐ型領域で繋がることになるので、ｐ型コレクタ層６により形成される逆阻止電圧用のｐｎ接合２１の端面２１ａが従来のチップ側面ではなく、表面側に延在することになり、表面に形成されるフィールド酸化膜１９により接合端面２１ａが確実に保護されるので、図３の要部断面図に示す高信頼性の逆阻止電圧を備えるＩＧＢＴとすることができる。

前記ｐ型コレクタ層６とｐ型分離層４ｂを形成するためのイオン注入後のアニールは、たとえば、表面側のレジスト２２ｂを除去後、裏面からの１．５Ｊｃｍ^−２程度のレーザーパルスや４００℃程度の低温炉の中で保持することによって、表面側に形成されているＭＯＳゲート構造１０に悪影響がでない条件、方法で行う必要がある。この状態のウエハを、傾斜溝２３の底部でスクライブカットすると逆阻止ＩＧＢＴのチップができる（図１（ｅ））。

以上説明したように、実施例１で説明した逆阻止ＩＧＢＴの製造方法によれば、ウエハの両面に形成したレジストをマスクとして、半導体基板の裏面に傾斜溝を形成した後、ｐ型分離溝を形成する際に、表面側の前記レジスト２２ｂを残したまま、裏面側のレジスト２２ａを剥離することができ、前記表面側のレジスト２２ｂの再塗布形成を省略することができるので、逆阻止ＩＧＢＴのプロセス処理工程を短縮することができる。

１、３０ウエハ
２熱酸化膜
３開口部
４ｐ型分離層
４ａｐ型拡散層
４ｂｐ型分離層
６ｐ型コレクタ層
７コレクタ電極
８スクライブライン
９ｃｐ型分離層
１０ＭＯＳゲート構造
１５ｎ型エミッタ領域
１６ｐ型ベース領域
１７ゲート電極
１８エミッタ電極
１９フィールド酸化膜
２０ｐ型拡散層
２２ａ裏面側レジスト
２２ｂ表面側レジスト
２３傾斜溝

Claims

第１導電型半導体基板の一方の主面に、半導体素子機能領域を取り囲む位置に第２導電型領域を形成する工程、前記半導体素子機能領域内にＭＯＳゲート構造とアルミニウム電極を形成する工程、シリコーン系樹脂を主成分とするレジストを前記一方の主面の保護膜として被覆する工程、前記半導体基板の他方の主面にエポキシ樹脂系のフォトレジストで前記半導体素子機能領域に対向する位置をマスクするエッチングマスクパターンを形成する工程、他方の主面からアルカリエッチングにより前記第２導電型領域の底部に達する傾斜溝を形成する工程、他方の主面のエポキシ系樹脂系のフォトレジストのみを有機アルカリ系剥離液への浸漬かまたはプラズマ剥離によって除去する工程、前記傾斜溝に沿って分離層を、他方の主面にはコレクタ層を、第２導電型不純物のイオン注入およびアニールすることにより形成し、コレクタ層と導電接続される第２導電型分離層を形成する工程を有することを特徴とする逆阻止ＩＧＢＴの製造方法。
前記シリコーン系樹脂を主成分とするレジストの硬化処理温度が前記エポキシ系樹脂を主成分とするフォトレジストの硬化処理温度と同じか、より高温であることを特徴とする請求項１記載の逆阻止ＩＧＢＴの製造方法。
前記シリコーン系樹脂を主成分とするレジストが感光性または非感光性のレジストであることを特徴とする請求項１または２記載の逆阻止ＩＧＢＴの製造方法。
前記シリコーン系樹脂を主成分とするレジストの剥離方法が酸系の剥離液であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の逆阻止ＩＧＢＴの製造方法。