JP2013201206A - 遮蔽板、半導体装置の製造方法、半導体装置 - Google Patents

遮蔽板、半導体装置の製造方法、半導体装置 Download PDF

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Abstract

【課題】逆導通型絶縁ゲートバイポーラトランジスタにおいて、ダイオード素子の性能を向上させ、かつ、ＩＧＢＴ素子の性能を低下させない遮蔽板、該遮蔽板を使用する半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供すること。
【解決手段】実施形態に係る遮蔽板は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ及び逆導通用ダイオードから構成される半導体装置が形成された半導体基板に荷電粒子を打ち込みライフタイム制御層を形成する際に用いる遮蔽板であって、金属又はシリコン（Ｓｉ）から構成され、複数の矩形の開口がマトリクス状に配置され、半導体基板に対して位置合わせを行うためのアライメントマークと、第１の領域と、第１の領域よりも厚みの薄い第２の領域と、を有し、遮蔽板を半導体基板に対して位置合わせした際に、第１の領域が絶縁ゲートバイポーラトランジスタを覆い、第２の領域が逆導通用ダイオードを覆う。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、遮蔽板、半導体装置の製造方法及び半導体装置に関する。
バイポーラトランジスタにおけるオン時の低抵抗特性と、ＭＯＳＦＥＴにおける高速スイッチング動作特性とを兼ね備えた絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（以下、ＩＧＢＴ素子と記載する）が種々の分野において使用されている。このＩＧＢＴ素子は、インバータ回路等に使用される場合、逆導通用ダイオード（以下、ダイオード素子と記載する）と組み合わせて使用されることが多い。このＩＧＢＴ素子とダイオード素子とを組み合わせた半導体装置は、通常、逆導通型絶縁ゲートバイポーラトランジスタと呼ばれる。
逆導通型絶縁ゲートバイポーラトランジスタでは、ダイオード素子が順バイアスから逆バイアスの切り替わる際の特性（リカバリ特性）を改善するために、ライフタイム制御層を形成することがある。このライフタイム制御層は、荷電粒子（例えば、水素イオンやヘリウムイオン）を半導体基板に照射したり、白金（Ｐｔ）を拡散することにより形成される。
例えば、ライフタイム制御層を形成する手法として、半導体基板上に金属層を形成した後、この金属層を選択的にエッチングして所望の位置に凹部を形成し、この凹部が形成された金属層をマスクとして荷電粒子を半導体基板に打ち込んでライフタイム制御層を形成することが提案されている。
しかしながら、従来の逆導通型絶縁ゲートバイポーラトランジスタでは、半導体基板全体に荷電粒子を照射したり、白金を拡散している。このため、ダイオード素子のみならず、ＩＧＢＴ素子にもライフタイム制御層が形成され、ＩＧＢＴ素子のＯＮ抵抗が増加してしまう。一方、ダイオード素子にライフタイム制御層を形成しない場合は、ＩＧＢＴ素子の性能を低下させることはないが、ダイオード素子の性能を向上させることができない。
特開２００６−２７８８６６号公報
以上のように、従来の逆導通型絶縁ゲートバイポーラトランジスタでは、ダイオード素子の性能を向上させ、かつ、ＩＧＢＴ素子の性能を低下させない手法が求められている。
本発明の実施形態は、逆導通型絶縁ゲートバイポーラトランジスタにおいて、ダイオード素子の性能を向上させ、かつ、ＩＧＢＴ素子の性能を低下させない遮蔽板、該遮蔽板を使用する半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供することを目的とする。
実施形態に係る遮蔽板は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ及び逆導通用ダイオードから構成される半導体装置が形成された半導体基板に荷電粒子を打ち込みライフタイム制御層を形成する際に用いる遮蔽板であって、金属又はシリコン（Ｓｉ）から構成され、複数の矩形の開口がマトリクス状に配置され、半導体基板に対して位置合わせを行うためのアライメントマークと、第１の領域と、第１の領域よりも厚みの薄い第２の領域と、を有し、遮蔽板を半導体基板に対して位置合わせした際に、第１の領域が絶縁ゲートバイポーラトランジスタを覆い、第２の領域が逆導通用ダイオードを覆う。
第１の実施形態に係る遮蔽板の平面図。 アライメントマークの拡大図。 領域Ａの拡大図。 遮蔽板及びウェハＷの一部断面図。 第１の実施形態に係る遮蔽板を用いた半導体装置の製造工程図。 第１の実施形態に係る遮蔽板を用いた半導体装置の製造工程図。 第２の実施形態に係る遮蔽板の断面図。 第３の実施形態に係る遮蔽板の断面図。 第４の実施形態に係る遮蔽板の断面図。
以下、図面を参照して、実施形態について詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る遮蔽板１００の平面図である。遮蔽板１００は、半導体基板（以下、ウェハと記載する）に形成された半導体装置（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ素子）と逆導通用ダイオード（ダイオード素子））とを組み合わせた逆導通型絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）に荷電粒子（例えば、水素イオン、ヘリウムイオン）を打ち込みライフタイム制御層を形成する際に用いる。
遮蔽板１００は、金属（例えば、アルミニウム（Ａｌ）やステンレス鋼（ＳＵＳ））、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）及びこれらの合金）又はシリコン（Ｓｉ）などで構成される。遮蔽板１００は、円形である。遮蔽板１００の直径Ｄは、遮蔽対象であるウェハの直径と略同じである。遮蔽板１００の周辺部には、ウェハと接合するための接合剤（仮止剤）１０３が塗布されている。なお、接合剤１０３を塗布する領域は、遮蔽板１００の端面（エッジ）から１ｍｍ〜３ｍｍ（ミリメートル）とすることが好ましい。通常、ウェハの端面（エッジ）から数ｍｍ（通常、２ｍｍ程度）の領域には、半導体装置は形成しない。このため、接合剤１０３を塗布領域を、遮蔽板１００の端面（エッジ）から、例えば、１ｍｍ〜３ｍｍとすることで、ウェハに形成された半導体装置が接合剤１０３と接合することを防止できる。
また、遮蔽板１００の端部には、位置合わせ用のアライメントマーク１０１，１０２が形成されている。図２は、アライメントマーク１０１の平面図である。なお、アライメントマーク１０２の構成は、アライメントマーク１０１と同じであるため重複した説明を省略する。図２に示すように、アライメントマーク１０１は、遮蔽板１００に形成された４つの開口１０１Ａ〜１０１Ｄを有する。開口１０１Ａ〜１０１Ｄの形状は、それぞれ矩形であり、マトリクス状（格子状）に配置されている。
アライメントマーク１０１の４つの開口１０１Ａ〜１０１Ｄに対応するウェハ上の位置には、４つの矩形上のマークＭ１〜Ｍ４が形成されている。マークＭ１〜Ｍ４は、開口１０１Ａ〜１０１Ｄよりも大きさが若干小さい。マークＭ１〜Ｍ４は、開口１０１Ａ〜１０１Ｄと同様にマトリクス状に配置されている。また、アライメントマーク１０２に対応するウェハ上の位置にも４つの矩形状のマークＭ１〜Ｍ４（図示せず）が形成されている。
アライメントマーク１０１，１０２の４つの開口を、ウェハに形成されたマークＭ１〜Ｍ４にそれぞれ合わせることにより、遮蔽板１００がウェハに対して位置決めされる。このとき、上面視で、全てのマークＭ１〜Ｍ４が、それぞれアライメントマーク１０１の各開口１０１Ａ〜１０１Ｄから見えるように位置合わせする（アライメントマーク１０２についても、アライメントマーク１０１と同様に位置合わせする）。なお、この第１の実施形態では、遮蔽板１００にアライメントマークが２つ（１０１，１０２）形成されているが、アライメントマークの数は２つに限られない。また、アライメントマーク１０１，１０２を構成する開口１０１Ａ〜１０１Ｄに透明な材料（例えば、ガラス）を嵌め込んでもよい。
図３（ａ）は、図１の領域Ａの拡大平面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）の線分（一点鎖線）Ｘ−Ｘにおける断面図である。図３に示すように、遮蔽板１００は、厚みの厚い領域１００Ａと、領域１００Ａよりも厚みの薄い領域１００Ｂとを有する。遮蔽板１００の領域１００Ａの厚みＴ１は、荷電粒子が透過しない程度の厚みとなっている。また、遮蔽板１００の領域１００Ｂの厚みＴ２は、荷電粒子を透過させる程度の厚みとなっている。
図４は、遮蔽板１００と、遮蔽対象であるウェハＷとの一部断面図である。ウェハＷには、複数の逆導通型絶縁ゲートバイポーラトランジスタが形成されており、ＩＧＢＴ素子が形成された領域Ｘ（以下、ＩＧＢＴ素子形成領域Ｘと称する）と、ダイオード素子が形成された領域Ｙ（以下、ダイオード素子形成領域Ｙと称する）とを有する。
ＩＧＢＴ素子形成領域Ｘには、Ｐ＋コレクタ層２０１、Ｎ＋バッファ層２０２、Ｎ‐ドリフト層２０３、Ｐベース層２０４、Ｎ＋エミッタ層２０５が同順に積層され、Ｎ＋エミッタ層２０５、Ｐベース層２０４を貫通し、Ｎ‐ドリフト層２０３内にまで達するゲート電極２０６及びゲート絶縁膜２０７と、コレクタ電極Ｅｃ及びエミッタ電極Ｅｅを有するＩＧＢＴ素子が形成されている。
ダイオード素子形成領域Ｙには、Ｎ＋コレクタ層２１１、Ｎ‐ベース層２１２、Ｐエミッタ層２１３、コレクタ電極Ｅｃ（カソード側）及びエミッタ電極Ｅｅ（アノード側）を有する逆導通用ダイオードが形成されている。
遮蔽板１００のアライメントマーク１０１，１０２を、ウェハＷに形成されているマークＭ１〜Ｍ４（図示せず）に各々位置合わせする。すると、図４に示すように、遮蔽板１００の厚みの厚い領域１００ＡがＩＧＢＴ素子形成領域Ｘを覆い、遮蔽板１００の厚み薄い領域１００Ｂがダイオード素子形成領域Ｙを覆うように遮蔽板１００がウェハＷに対して位置決めされる。
この状態で、荷電粒子を遮蔽板１００を介してウェハＷへ照射する。すると、厚みの厚い領域１００Ａに覆われたＩＧＢＴ素子形成領域Ｘには、荷電粒子Ｐが照射されない。一方、厚みの薄い領域１００Ｂに覆われたダイオード素子形成領域Ｙには、荷電粒子Ｐが照射される。つまり、遮蔽板１００でウェハＷを覆うことにより、ダイオード素子形成領域Ｙにのみ荷電粒子を照射して、ライフタイム制御層Ｌを形成することができる。
（半導体装置の製造方法）
次に、図１〜図４を参照して説明した遮蔽板１００を使用した逆導通型絶縁ゲートバイポーラトランジスタの製造方法について説明する。図５及び図６は、逆導通型絶縁ゲートバイポーラトランジスタの製造工程図である。以下、図５及び図６を参照して、逆導通型絶縁ゲートバイポーラトランジスタの製造工程について説明する。
初めに、ＩＧＢＴ素子及びダイオード素子とを備えた逆導通型絶縁ゲートバイポーラトランジスタが形成されたウェハＷを用意する。次に、遮蔽板１００のアライメントマーク１０１，１０２と、ウェハＷに形成されたマークＭとを利用して、ウェハＷに対して遮蔽板１００を位置決めする（図５（ａ）参照）。
次に、ウェハＷと遮蔽板１００との間に空間を確保した状態で、遮蔽板１００をウェハＷに接合する（図５（ｂ）参照）。
次に、遮蔽板１００を介してウェハＷへ荷電粒子Ｐを照射する（図６（ａ）参照）。荷電粒子Ｐは、厚みの薄い領域１００Ｂを透過するが、厚みの厚い領域は透過しない。このため、ウェハＷのダイオード素子が形成された領域にのみ荷電粒子Ｐが照射される。荷電粒子Ｐが照射されたダイオード素子には、所望の深さにライフタイム制御層Ｌが形成される（図６（ｂ）参照）。
荷電粒子Ｐが停止する位置は、荷電粒子Ｐの加速電圧を調整することで制御できる。つまり、荷電粒子Ｐの加速電圧を調整することで、所望の深さにライフタイム制御層Ｌを形成することができる。なお、ライフタイム制御層Ｌを形成した後は、アニール処理（例えば、４００℃、１２０分）を行うことが好ましい。
以上のように、この第１の実施形態に係る遮蔽板１００は、アライメントマーク１０１，１０２を有し、このアライメントマーク１０１，１０２を対応するウェハのマークＭに合わせることで、厚みの厚い領域１００ＡがウェハのＩＧＢＴ素子形成領域Ｘに、厚みの薄い領域１００Ｂがウェハのダイオード素子形成領域Ｙに位置あわせされる。このため、ウェハのダイオード素子形成領域Ｙにのみ荷電粒子を照射することができ、ウェハのダイオード素子形成領域Ｙにライフタイム制御層Ｌを形成することができる。
また、遮蔽板１００の端面（エッジ）から１ｍｍ〜３ｍｍに仮止剤１０３を塗布しているので、ウェハに形成された半導体装置が接合剤１０３と接合することを防止することができる。
（第２の実施形態）
図７は、第２の実施形態に係る遮蔽板１００Ｃ及びウェハＷの断面図である。第１の実施形態では、遮蔽板１００の領域１０１Ｂの厚みは、すべて同じであったが、図７に示す遮蔽板１００Ｃのように、ダイオード素子形成領域Ｙを覆う領域１００Ｂの厚みを異なる厚みとしてもよい。このように構成すれば、荷電粒子の照射深さ（侵入長）を変えて、異なる深さにライフタイム制御層Ｌを形成することができる。
（第３の実施形態）
図８は、第３の実施形態に係る遮蔽板１００及びウェハＷの断面図である。第３の実施形態では、遮蔽板１００を介してウェハＷへ荷電粒子を照射して、ライフタイム制御層Ｌ１を形成した後、遮蔽板１００に平板Ｚを重ね、さらに遮蔽板１００及び平板Ｚを介してウェハＷへ荷電粒子を照射して、ライフタイム制御層Ｌ２を形成している。このように構成すれば、平面内の同一位置において、異なる深さにライフタイム制御層Ｌ１，Ｌ２を形成することができる。
（第４の実施形態）
図９は、第４の実施形態に係る遮蔽板１００Ｄ及びウェハＷの断面図である。第４の実施形態では、遮蔽板１００Ｄの領域１００Ａと領域１００Ｂとを異なる材料で構成している。具体的には、ＩＧＢＴ素子形成領域Ｘを覆う領域１００Ａには、荷電粒子の遮蔽能力が高い重元素材料（例えば、タングステン（Ｗ））を使用し、ダイオード素子形成領域Ｙを覆う領域１００Ｂには、荷電粒子の遮蔽能力が低い軽元素材料（例えば、アルミニウム（Ａｌ））を使用している。このように構成すれば、遮蔽板１００Ｄの表面を凹凸のない平面とすることができる。このため、ウェハＷの裏面を研削して、ウェハＷを薄くする際の補強板として使用することができる。
なお、遮蔽板１００Ｂを研削補強用として用いる場合は、遮蔽板１０Ｂ全体に接合剤（仮止剤）を塗布して貼付けを行う。また、荷電粒子の打ち込みは、接合剤（仮止剤）を（外周部を残して）除去した後、荷電粒子の打ち込む場合と、接合剤（仮止剤）を除去せずに残したまま、荷電粒子の打ち込む場合とがある。
（その他の実施形態）
以上のように、本発明のいくつかの実施形態について説明したが、上記実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図するものではない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を変更しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態や変形が、発明の範囲や要旨に含まれるのと同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
１００，１００Ｃ，１００Ｄ…遮蔽板、１０１，１０２…アライメントマーク、１０１Ａ-１０１Ｄ…開口、１０３…接合剤、Ｄ…直径、Ｌ…ライフタイム制御層、Ｍ…マーク、Ｍ１-Ｍ４…マーク、Ｐ…荷電粒子、Ｗ…ウェハＸ…ＩＧＢＴ素子領域、Ｙ…ダイオード素子領域。

Claims (13)

  1. 絶縁ゲートバイポーラトランジスタ及び逆導通用ダイオードから構成される半導体装置が形成された半導体基板に荷電粒子を打ち込みライフタイム制御層を形成する際に用いる遮蔽板であって、
    金属又はシリコンから構成され、複数の矩形の開口がマトリクス状に配置され、前記半導体基板に対して位置合わせを行うためのアライメントマークと、第１の領域と、前記第１の領域よりも厚みの薄い第２の領域と、を有し、
    前記遮蔽板を前記半導体基板に対して位置合わせした際に、前記第１の領域が前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタを覆い、前記第２の領域が前記逆導通用ダイオードを覆う遮蔽板。
  2. 第１，第２の半導体素子から構成される半導体装置が形成された半導体基板に荷電粒子を打ち込みライフタイム制御層を形成する際に用いる遮蔽板であって、
    前記半導体基板に対して位置合わせを行うためのアライメントマークと、
    第１の領域と、前記第１の領域よりも厚みの薄い第２の領域と、
    を有し、
    前記遮蔽板を前記半導体基板に対して位置合わせした際に、前記第１の領域が前記第１の半導体素子を覆い、前記第２の領域が前記第２の半導体素子を覆う遮蔽板。
  3. 前記アライメントマークは、複数の矩形の開口がマトリクス状に配置されている請求項２に記載の遮蔽板。
  4. 前記第１の半導体素子は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタであり、前記第２の半導体素子は、逆導通用ダイオードである請求項２又は請求項３に記載の遮蔽板。
  5. 前記遮蔽板は、金属又はシリコンから構成される請求項２乃至請求項４のいずれかに記載の遮蔽板。
  6. 半導体基板に、第１，第２の半導体素子から構成される半導体装置を形成する工程と、
    前記半導体基板に対して位置合わせを行うためのアライメントマークと、第１の領域と、前記第１の領域よりも厚みの薄い第２の領域と、を有する第１の遮蔽板を前記半導体基板に接合する工程と、
    前記第１の遮蔽板を介して、前記半導体基板に荷電粒子を打ち込む工程と、
    を有する半導体装置の製造方法。
  7. 前記アライメントマークは、複数の矩形の開口がマトリクス状に配置されている請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記第１の遮蔽板と前記半導体基板との間に空間を確保した状態で、前記第１の遮蔽板を前記半導体基板に接合する請求項６又は請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
  9. 前記第１の遮蔽板の周辺領域に仮止剤を塗布する工程をさらに備える請求項６乃至請求項８のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
  10. 前記荷電粒子を打ち込んだ半導体基板の裏面を研削する工程をさらに有する請求項６乃至請求項９のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
  11. 前記第１の遮蔽板に、第２の遮蔽板を接合する工程と、
    前記第１の遮蔽板及び前記第２の遮蔽板を介して、前記半導体基板に荷電粒子を打ち込む工程と、
    をさらに有する請求項６乃至請求項１０のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
  12. 前記第１の半導体素子は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタであり、前記第２の半導体素子は、逆導通用ダイオードである請求項６乃至請求項１１のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
  13. 絶縁ゲートバイポーラトランジスタ及び逆導通用ダイオードを備え、
    前記逆導通用ダイオードが形成された領域にのみライフタイム制御層が形成されている半導体装置。
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