JP2013187243A - 逆阻止型半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マスク酸化膜の厚さを薄くしても、マスク酸化膜の機能を充分に保持して、分離領域以外の領域への望まれないボロンドーピングが起きない逆阻止型半導体装置の製造方法の提供。
【解決手段】ｐ型分離領域３１ａを、厚さ０．８μｍ以下の酸化膜１５ｂマスクに用いてボロンのイオン注入し、ボロンガラス１５ｃを除去した後、ドライブ熱拡散により形成する工程を有する逆阻止型半導体装置の製造方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電力変換装置などにスイッチングデバイスとして使用される逆阻止型半導体装置の製造方法、特には逆阻止型絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（以降、逆阻止ＩＧＢＴと称す）の製造方法に関する。

近年、半導体素子を用い、ＡＣ（交流）／ＡＣ変換や、ＡＣ／ＤＣ（直流）変換、ＤＣ／ＡＣ変換などを行うための電力変換回路では、電解コンデンサや直流リアクトルなどで構成される直流平滑回路を不要にできる直接リンク形変換回路として、マトリクスコンバータが知られている。このマトリクスコンバータは交流電圧下で使用されるため、マトリクスコンバータを構成する複数のスイッチングデバイスには、順、逆方向に電流制御可能な双方向スイッチングデバイスを必要とする。

最近、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等の観点から、前記双方向スイッチングデバイスを、図４の等価回路図に示すように２個の逆阻止ＩＧＢＴを逆並列接続の構成としたものが着目されている。このような逆並列接続を逆阻止ＩＧＢＴで構成すると、逆耐圧用のダイオードが不要となるメリットがある。通常のＩＧＢＴを使用する従来の電力変換回路では逆耐圧を不必要としていたので、逆耐圧が順耐圧に比べて低く耐圧信頼性も低い性能のＩＧＢＴで充分であったことに対して、この逆阻止ＩＧＢＴとは、逆耐圧を順耐圧と同程度の耐圧にすると共に耐圧信頼性も高めた特性を有するデバイスを言う。

図３は、そのような逆阻止ＩＧＢＴを示す断面模式図であり、下記特許文献１に記載されている。この逆阻止ＩＧＢＴは、中央に活性領域１１０があり、この活性領域１１０を取り巻く外周側に、耐圧構造領域１２０を挟んで、その外側にｐ型分離領域３１を有する。活性領域１１０は、ｎ⁻型ドリフト領域１、ｐ型ベース領域２、ｎ^＋型のエミッタ領域３、ゲート絶縁膜４、ゲート電極５、層間絶縁膜６、エミッタ電極９およびｐ型コレクタ領域１０、コレクタ電極１１などを備える縦型のＩＧＢＴの主電流の経路となる領域である。前記分離領域３１は、半導体基板の表面から裏面側のｐ型コレクタ領域１０に接する深さに形成されるｐ型の領域である。このｐ型分離領域３１によって、逆耐圧接合であるｐ型コレクタ領域１０とｎ型ドリフト領域１の間のｐｎ接合面の終端部がチップ化の際の切断面となるチップ側端面１２に露出せず、絶縁膜で保護された耐圧構造部１２０の表面１３に露出するので、耐圧信頼性が高くなる。

ｐ型分離領域３１を有する逆阻止ＩＧＢＴの従来の製造方法を説明する。このｐ型分離領域３１は、６００Ｖクラス逆耐圧を設計する場合、例えば、図５に示すように、厚さ５００μｍで比抵抗１００ΩｃｍのＦＺ−ｎ型シリコン基板１０１の表面に、１．６〜２．０μｍの初期酸化膜１５を形成し、後工程で形成される前記活性領域１１０や耐圧構造領域１２０を取り囲むパターンで、幅１００μｍのｐ型分離拡散用の開口部１６を選択的にエッチングして形成する（ａ）。

つぎに、表面にボロンソース１７を塗布して熱処理する（ｂ）ことで、ボロンのデポジションを行い、シリコン基板の表層に浅く、長時間の熱拡散でもボロンが枯渇しないような高濃度のボロンがドープされたボロンデポジション領域１８を形成する（ｃ）、（ｄ）。

つぎに、エッチングにより酸化膜１５中に拡散して形成されたボロンガラス層１５−１を除去した後、１３００℃の温度の酸素雰囲気中で深さ１００μｍ以上、例えば１２０μｍの深さに、ボロンをドライブ拡散してｐ型分離領域３１を形成する。このとき、酸化膜１５は増膜されて酸化膜１５ａとなる（ｅ）。

つぎに、前述のｐ型分離領域３１に囲まれた内側領域のｎ型シリコン基板の表面側に、図３の活性領域１１０および耐圧構造領域１２０を形成するために、よく知られた通常の製法により、ｐ型ベース領域２、ｎ^＋型エミッタ領域３、ゲート酸化膜４、ゲート電極５およびエミッタ電極９等の通常のプレーナゲート型ＩＧＢＴ（図３）に必要な領域を形成する。つぎに、裏面を削り、ＦＺ−ｎ型シリコン基板１０１の厚さを６００Ｖの耐圧に必要な８０μｍ程度にし、削り面にｐ型分離領域３１を露出させる。ｎ型シリコン基板１０１のまま残っている部分はｎ型ドリフト領域１となる。

つぎに、削った裏面に、ドーズ量１×１０^１３ｃｍ^−２のボロンをイオン注入して３５０℃程度で１時間程度の低温アニールを行い、活性化したボロンのピーク濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３程度で、厚みが１μｍ程度の裏面のｐ型コレクタ領域１０を形成する。このｐ型コレクタ領域１０の表面（裏面）にコレクタ電極を公知のスパッタ法などにより形成し、各チップ単位に切断すれば、逆阻止ＩＧＢＴとなる（特許文献１）。

特開２００６−８０２６９号公報（図１、００１５段落〜００１７段落）

しかしながら、塗布拡散による分離領域の形成工程では、前述のように、図５（ｂ）、（ｃ）のボロンのデポジション工程では、ボロンソースはウエハ全面に塗布される。従って、ｐ型分離領域３１の形成のための初期酸化膜１５の開口部１６以外の酸化膜マスク中にも熱処理によってボロンがドープされ、ボロンガラス１５−１が形成される。そこで、（ｄ）の工程では、ドライブ拡散中のボロンの酸化膜マスクのつき抜けを防止するため、ボロンガラス１５−１を除去する必要がある。この際に、ボロンソース１７の濃度バラツキや拡散バラツキなどを原因としてボロンガラス１５−１が均一な厚さに形成されず、ボロンガラス１５−１の厚みにバラツキが出易い。すなわち、ボロンガラス１５−１の厚さが局部的に厚い箇所が生じることがある。または、前記開口部１６以外の酸化膜１５のボロンガラス１５−１を除去する際のエッチングムラのため、酸化膜１５に膜厚の薄い部分や酸化膜が除去されてシリコン基板が露出する部分が生じることがある。ボロンガラス層のエッチング量が少ないと、部分的にボロンガラスが残ってドライブ拡散中のボロンの酸化膜つき抜けがおこる惧れがある。

その結果、次工程のボロンのドライブ拡散工程で、特に初期にボロンのデポジション領域からのオートドーピングにより、ボロンの望ましくないドーピングが活性領域１１０や耐圧構造領域に生じることがある。この結果、特にボロンの塗布拡散による高温長時間を必要とするｐ型分離領域の形成を含む製造方法では、デバイスの特性不良が多くなり、良品率が低下するという問題が発生する。

このような問題の発生を防ぐためには、ドライブ拡散時のマスクとなる前記初期酸化膜１５の厚さをさらに厚くすればよいが、マスク酸化膜の膜厚の１．５μｍ〜２．０μｍは限界に近く、これ以上の膜厚にすることは、酸化膜形成工程の時間が極めて長くなり、容易なことではない。

本発明は、以上述べた点を考慮してなされたものであり、本発明は、マスク酸化膜の厚さを薄くしても、マスク酸化膜の機能を充分に保持して、分離領域以外の領域への望まれないボロンドーピングが起きない逆阻止型半導体装置の製造方法の提供を目的とする。

本発明は、前述の課題を解決するために、ｎ型シリコン基板の一方の主面に選択形成されるｐ型ベース領域と、該ｐ型ベース領域表面層に選択形成されるｎ型エミッタ領域と、前記ｎ型シリコン基板の残り部分であるｎ型ドリフト領域と前記ｎ型エミッタ領域とに挟まれる前記ｐ型ベース領域の一方の主面側表面にゲート絶縁膜を介して覆うゲート電極と、前記ｐ型ベース領域を前記ｎ型ドリフト領域を主領域とする耐圧構造領域を介して取り囲むｐ型分離領域と、前記ｎ型シリコン基板の他方の主面に露出する前記ｐ型分離領域に連結されるｐ型コレクタ層とを備える逆阻止型半導体装置の製造方法において、前記ｐ型分離領域がボロンのイオン注入とドライブ熱拡散により形成される逆阻止型半導体装置の製造方法とする。前記ボロンのイオン注入とドライブ熱拡散により形成される前記ｐ型分離領域が、ｎ型シリコン基板の一方の主面に、厚さ０．８μｍ以下の酸化膜マスクの形成工程、酸化膜マスクの分離領域用開口部形成工程、シリコン基板界面からの厚さ０．１５μｍ〜０．２５μｍ以上の酸化膜マスクを残す深さを基準に、ボロンを前記開口部へイオン注入する工程、ボロンガラス層をエッチングで除去して０．１５μｍ〜０．２５μｍ以上の厚さの酸化膜マスクを残すエッチング工程、酸化雰囲気中でのボロンの拡散深さ１００μｍ以上のドライブ拡散工程により、リング状平面パターンの分離領域を形成し、該分離領域に囲まれた中央領域に主電流の経路となる活性領域およびｐｎ接合の終端部を保護し、該終端部近傍での電界強度を緩和するための耐圧構造領域を形成する工程、他方の主面を研削して他方の主面側に前記分離領域の底部を露出させる工程、他方の主面にイオン注入により全面にｐ型コレクタ領域を形成し、前記分離領域と同導電型で連結させる工程を有することが好ましい。また、前記逆阻止型半導体装置が逆阻止ＩＧＢＴであることが望ましい。

本発明によれば、マスク酸化膜の厚さを薄くしても、酸化膜マスクの機能を充分に保持して、分離領域以外の領域への望まれないボロンドーピングが起きない逆阻止型半導体装置の製造方法を提供することができる。

本発明の逆阻止型半導体装置の製造方法にかかるイオン注入によるｐ型分離領域の形成工程を（ａ）〜（ｅ）の各プロセスステップのフローで示すプロセスフロー図である。 シリコン酸化膜とシリコン基板へのボロンのイオン注入の際のイオン注入エネルギーと飛程の関係を比較して示す関係図である。 一般的な逆阻止ＩＧＢＴの断面模式図である。 本発明にかかる、マトリクスコンバータに使用される双方向スイッチングデバイスの等価回路図である。 従来の逆阻止型半導体装置の製造方法にかかる塗布拡散によるｐ型分離領域の形成工程を（ａ）〜（ｅ）の各プロセスステップのフローで示すプロセスフロー図である。

以下、本発明の逆阻止型半導体装置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。本明細書および添付図面においては、ｎまたはｐを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、ｎやｐに付す＋および−は、それぞれ相対的に不純物濃度が高いまたは低いことを意味する。なお、以下の実施例の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、実施例で説明される添付図面は、見易くまたは理解し易くするために正確なスケール、寸法比で描かれていない。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。

本発明の逆阻止型半導体装置の製造方法について、具体的には、順逆耐圧６００Ｖの逆阻止ＩＧＢＴの製造方法について説明する。逆阻止ＩＧＢＴを製造するにはｐ型分離領域３１ａを形成する必要がある。６００Ｖクラス逆耐圧を設計する場合、例えば、図１に示すように、厚さ５００μｍで比抵抗１００ΩｃｍのＦＺ−ｎ型シリコン基板１０１の表面に、厚さ０．８μｍの初期酸化膜１５ｂを熱酸化法で形成する。この酸化膜は前記熱酸化法ではなく、ＣＶＤ法により形成してもよい（ａ）。後工程で形成される活性領域１１０や耐圧構造領域１２０を取り囲むパターンで、ｐ型分離領域３１ａ用の開口部１６ａを選択的にエッチングして形成する。開口部１６ａの幅は耐圧により変わる。例えば、耐圧６００Ｖを設計する場合は、幅１００μｍとする。エッチングはウェットエッチング、ドライエッチングのどちらでもよい（ｂ）。

次に熱酸化により開口部に厚さ５０ｎｍの酸化膜（スクリーン酸化膜）を形成する。この酸化膜工程は無くてもよい。厚い酸化膜１５ｂをマスクとしてイオン注入法により加速電圧５０ｋｅＶ、ドーズ量を５×１０^１５／ｃｍ^−２の条件で、ボロンをシリコン基板１０１全面にイオン注入１７ａする（ｃ）。

ボロンは分離領域３１ａの開口部１６ａでは、５０ｎｍの酸化膜を通してその下のＳｉに打ち込まれる。しかし、０．８μｍの厚い酸化膜マスクの領域（後に活性領域、ガードリング領域となる）では、酸化膜マスクの表面から０．２５μｍ程度の深さまで打ち込まれ注入されるだけで、シリコン基板中にはイオン注入されることは無い。

ボロンの注入飛程は、図２に示すように、シリコン基板中、ＳｉＯ_２（シリコン酸化膜）中でもほぼ同じ程度であるため、シリコン基板中およびＳｉＯ_２中にはボロンが同程度の深さに注入される。次いでウェットエッチングにより酸化膜をエッチングする。酸化膜の開口部１６ａ上のスクリーン酸化膜は全てエッチングする。後の活性領域および耐圧構造領域上の厚い酸化膜１５ｂは、イオン注入により形成されたボロンガラスは少なくともすべてエッチングするが、ボロンガラスを含まない０．１５μｍ〜０．２５μｍの酸化膜は残るようエッチング時間を調整する。なお、ボロンがイオン注入された酸化膜は注入されていない酸化膜よりもウェットエッチングのレートが大きいため、予めボロンイオン注入部分のエッチングレートを測定して、適宜エッチング時間を決定することが望ましい。
また、塗布拡散時の酸化膜マスク中に形成されるボロンガラスに比べて、酸化膜マスクへのイオン注入によるボロンガラスは膜質および膜厚の均一性が高いため、ボロンガラスを除去してボロンガラスを含まない酸化膜だけを残すエッチングが容易にできることが分かった。

この後、ウエハをアンモニアと過酸化水素の水溶液などのＲＣＡ洗浄液で洗浄し、前記開口部１６ａに打ち込まれたボロンのドライブ拡散を行う。ドライブ拡散はボロンの拡散深さが１００μｍ以上となるような温度と時間の条件とする。例えば１３００℃で１００時間の酸化雰囲気で熱処理する。このとき、分離領域３１ａに注入されたボロンの一部は表面に酸化膜がないため外方拡散する可能性があるが、活性領域は０．１５μｍ以上の酸化膜で覆われているため、外方拡散したボロンがオートドーピングされて活性領域下のシリコン基板中に拡散することはない。また、ドライブ拡散は酸化雰囲気での熱処理であるので、ドライブ拡散と同時に成長した熱酸化膜により分離領域３１ａ表面もキャップされるため、酸化時間とともに外方拡散は抑制できる。

つぎに、前述のｐ型分離領域３１ａに囲まれた内側領域のｎ型シリコン基板の表面側に、活性領域１１０および耐圧構造領域１２０を形成するために、よく知られた通常の製法により、ｐ型ベース領域２、ｎ^＋型エミッタ領域３、ゲート酸化膜４、ゲート電極５およびエミッタ電極９等の通常のプレーナゲート型ＩＧＢＴ（図３）に必要な領域を形成する。つぎに、裏面を削り、ＦＺ−ｎ型シリコン基板１０１の厚さを６００Ｖの耐圧に必要な８０μｍ〜１００μｍ程度にし、削り面にｐ型分離領域３１ａを露出させる。ｎ型シリコン基板１０１のまま残っている部分はｎ型ドリフト領域１となる。

つぎに、削った裏面に、ドーズ量１×１０^１３ｃｍ^−２のボロンをイオン注入して３５０℃程度で１時間程度の低温アニールを行い、活性化したボロンのピーク濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３程度で、厚みが１μｍ程度の裏面のｐ型コレクタ領域１０を形成する。このｐ型コレクタ領域１０の表面（裏面）にコレクタ電極を公知のスパッタ法などにより形成し、各チップ単位に切断すれば、逆阻止ＩＧＢＴができる。

（比較例）
０．８μｍの厚い酸化膜のない状態、例えば酸化膜をマスクとせず、レジストマスクによりボロンをイオン注入すると、イオン注入時にはレジストの阻止能で活性領域にはボロンが入らず、開口部からだけイオン注入されるので、ここまでのプロセスでは問題は生じない。しかし、次のドライブ拡散工程では、ボロンがイオン注入領域から外方拡散したときに活性領域にオートドープされて、ｎ層の抵抗変動を引き起こし、後にデバイス特性のばらつきを生じさせる原因となる。

また、前述の実施例の説明の図１（ｄ）のプロセスは、酸化膜１５ｂ中にイオン注入されてできたボロンガラス１５ｃをエッチングにより除去する工程である。しかし、この工程でボロンガラス１５ｃを含む酸化膜１５ｂをすべて除去すると、次のドライブ拡散工程で、活性領域は酸化膜によるマスクが存在しないので、シリコン基板へのボロンのイオン注入領域である開口部１６ａからのボロンの外方拡散が生じる。その結果、活性領域にボロンがオートドープされて、前述のレジストマスクの場合と同様に、活性領域のｎ層抵抗変動を招いてしまい、デバイス特性のばらつきが生じる。

また図１（ｄ）工程で、ボロンガラスの除去を全くせずにそのままドライブ拡散処理すると酸化膜中に注入されたボロンイオンが酸化膜をつきぬけ、活性領域に侵入することでオートドープと同じ事態となり、やはり特性ばらつきが生じる問題が発生する。

従来は、厚い酸化膜（１．５μｍ〜２μｍ）を形成しパターニングにより開口部を窓開けした後に、ボロンソースを塗布し、拡散源としていた。プレデポジション工程でシリコン基板中にボロンを少し拡散させ、その後、ボロンソースを除去した後、ドライブ拡散処理をしている。しかし、ボロンソース除去時にボロンガラスだけを除去し、ボロンガラスを含まない酸化膜のみ残すようにエッチングすることが極めて難しい。その結果、活性領域に外方拡散およびオートドーピングの悪影響が生じ、デバイス特性のばらつきが生じる。

本発明の逆阻止型半導体装置の製造方法によれば、酸化膜マスクでイオン注入して、酸化膜中に残ったボロンイオンを酸化膜除去工程で同時に除去することで、イオン注入領域からの外方拡散による活性領域へのオートドーピングを防ぎ、イオン注入されたボロンの酸化膜突き抜けも起こらず、所望領域にのみ確実にボロンを深く拡散させることが可能となる。その結果、デバイスの特性の特性不良が減少し、良品率が向上する。また、酸化膜の膜厚も塗布拡散の場合より薄い膜厚でよいので、生産性が向上するメリットも得られる。

１ ｎ⁻型ドリフト領域
２ ｐ型ベース領域
３ ｎ型エミッタ領域
４ ゲート絶縁膜
５ ゲート電極
６ 層間絶縁膜
９ エミッタ電極
１０ ｐ型コレクタ領域
１１ コレクタ電極
１２ 切断面
１３ 耐圧構造領域表面
１５ 酸化膜
１５ａ 酸化膜
１５ｂ 酸化膜
１５ｃ ボロンガラス
１５ｄ 酸化膜
１６ａ 開口部
３１ａ 分離領域

Claims (3)

1. ｎ型シリコン基板の一方の主面に選択形成されるｐ型ベース領域と、該ｐ型ベース領域表面層に選択形成されるｎ型エミッタ領域と、前記ｎ型シリコン基板の残り部分であるｎ型ドリフト領域と前記ｎ型エミッタ領域とに挟まれる前記ｐ型ベース領域の一方の主面側表面にゲート絶縁膜を介して覆うゲート電極と、前記ｐ型ベース領域を前記ｎ型ドリフト領域を主領域とする耐圧構造領域を介して取り囲むｐ型分離領域と、前記ｎ型シリコン基板の他方の主面に露出する前記ｐ型分離領域に連結されるｐ型コレクタ層とを備える逆阻止型半導体装置の製造方法において、前記ｐ型分離領域がボロンのイオン注入とドライブ熱拡散により形成されることを特徴とする逆阻止型半導体装置の製造方法。
2. 前記ボロンのイオン注入とドライブ熱拡散により形成される前記ｐ型分離領域が、ｎ型シリコン基板の一方の主面に、厚さ０．８μｍ以下の酸化膜マスクの形成工程、酸化膜マスクの分離領域用開口部形成工程、シリコン基板界面からの厚さ０．１５μｍ〜０．２５μｍ以上の酸化膜マスクを残す深さを基準に、ボロンを前記開口部へイオン注入する工程、ボロンガラス層をエッチングで除去して０．１５μｍ〜０．２５μｍ以上の厚さの酸化膜マスクを残すエッチング工程、酸化雰囲気中でのボロンの拡散深さ１００μｍ以上のドライブ拡散工程により、リング状平面パターンの分離領域を形成し、該分離領域に囲まれた中央領域に主電流の経路となる活性領域およびｐｎ接合の終端部を保護し、該終端部近傍での電界強度を緩和するための耐圧構造領域を形成する工程、他方の主面を研削して他方の主面側に前記分離領域の底部を露出させる工程、他方の主面にイオン注入により全面にｐ型コレクタ領域を形成し、前記分離領域と同導電型で連結させる工程を有することを特徴とする請求項１記載の逆阻止型半導体装置の製造方法。
3. 前記逆阻止型半導体装置が逆阻止ＩＧＢＴであることを特徴とする請求項２記載の逆阻止型半導体装置の製造方法。