JP2014049620A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】不純物層を形成する際に確実にチャネリングさせられ、狙い深さの不純物濃度を所望の濃度にできるようにする。
【解決手段】半導体基板を搭載するステージ２０を回転させつつ、その傾斜角度θ１を−０．５°≦θ１≦０．５°に変化させながらイオン注入する。これにより、ＦＳ層２を形成するためのｎ型不純物を確実にチャネリングさせられる。したがって、半導体基板の結晶方位のバラツキやイオン注入装置毎の機械精度のバラツキがあっても、狙い深さの不純物濃度を所望の濃度にすることが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体結晶の隙間を通ってイオンが深く注入されるようにチャネリングさせて不純物層を形成する半導体装置の製造方法に関する。例えば、ＦＳ（フィールドストップ）構造を有するＩＧＢＴ（絶縁ゲート型電界効果トランジスタ）を備えた半導体装置の製造方法に適用すると好適である。

従来より、インバータ等において、ＦＳ構造を有するＩＧＢＴを備えた半導体装置が用いられている。ＦＳ構造を有するＩＧＢＴにおいて、ＦＳ層は深い方が良好な特性を得ることができることが知られている。このため、ＦＳ層をより深くするために、拡散係数の大きいセレン（Ｓｅ）や硫黄（Ｓ）を用いることが提案されているが、汚染などの影響が考えられるため、イオン注入装置として専用装置を用意しなければならなず、設備投資のためにコスト大となる。

これらの問題を解消するために、特許文献１において、通常のイオン注入プロセスで用いる装置を用い、Ｓｉ結晶方位に対して垂直に注入するというチャネリング方法が開示されている。このように、Ｓｉ結晶方位に対して垂直に注入することで、Ｓｉ結晶の隙間を通ってイオンが注入され、チャネリングさせられるため、汚染などの影響の心配がない不純物を用いてより深い位置までイオン注入することが可能となる。

特開２００５−３４０４６５号公報

しかしながら、イオン注入対象となるＳｉウェハの結晶方位の傾きや、イオン注入装置毎の機械精度のバラツキ、つまりＳｉウェハの搭載面のバラツキなどにより、ウェハ面内、もしくは、ウェハ間で注入深さにバラツキが生じる。このため、注入したい狙い深さよりも浅く形成されるウェハが形成されることが懸念される。

例えば、イオン注入方向に対してイオン注入対象となるＳｉウェハのＳｉＣ結晶方位が垂直にならず、角度がばらついた際には、図６に示すように、その角度（チルト（°））に応じてイオン注入の注入深さが変化する。そして、その角度が大きくなるほど、注入深さが浅くなるということが判った。

ウェハの結晶方位はＳｉウェハに対して最大約０．３°ばらつくことが確認されており、イオン注入装置も機械精度から最大約０．２°ばらつくことが確認されている。このため、ウェハの結晶方位のバラツキと装置の機械精度のバラツキの両方で最大０．５°イオン注入角度がばらつく。Ｓｉ結晶方位に対するイオン注入角度のずれ（チルト）が大きくなると、図６に示すように角度ばらつきがない場合と比較してイオン注入深さが大きく低下する。具体的には、図７に示すようにイオン注入角度のずれ（以下、ずれ角θという）が０°のときの濃度プロファイルが理想的な状態であるとすると、狙い深さの位置から所定深さ浅くなった位置まで所望の濃度のプロファイルとなる。ところが、ずれ角θが０．３°、０．５°になるとチャネリングさせられず、ずれ角θが０°のときと比較して、より浅い位置まで薄い濃度で不純物が拡散したプロファイルとなる。つまり、狙い深さの位置では不純物濃度が低くなり、ＦＳ層が浅く形成されたような状態となってしまう。このため、半導体装置の特性として所望の特性を得ることができなくなる可能性がある。

本発明は上記点に鑑みて、不純物層を形成する際に確実にチャネリングさせられ、狙い深さの不純物濃度を所望の濃度にすることができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、不純物層（２）を形成する工程として、イオン注入装置内に備えられたステージ（２０）の上に半導体基板（１）を搭載したのち、ステージの回転軸（２１）を中心として該ステージを回転させつつ、ステージの全周において、ステージの回転軸から径方向に延びる直線と当該直線を水平面上に投影した直線とのなす傾斜角度θ１を変化させながら、イオンを注入することで不純物層を形成することを特徴としている。

このように、ステージを回転させつつ、その傾斜角度θ１を変化させながらイオン注入することにより、不純物層を形成するための不純物を確実にチャネリングさせられる。これにより、半導体基板の結晶方位のバラツキやイオン注入装置毎の機械精度のバラツキがあっても、狙い深さの不純物濃度を所望の濃度にすることが可能となる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

本発明の第１実施形態にかかる半導体装置の製造方法により製造された半導体装置の断面構成を示す図である。 半導体装置の製造に用いられるイオン注入装置の内部を示した図である。 ステージ２０の傾斜角度θ１の変化の様子を示した図である。 （ａ）は、半導体基板を構成するＳｉの結晶構造を簡易的に示した斜視図、（ｂ）は、（ａ）の結晶構造を上方から見た図、（ｃ）は、ステージ２０が傾斜させた場合において、矢印方向をステージ２０の傾斜方向とした場合にＳｉの結晶構造を上方から見た様子を示した図である。 ステージ２０を回転させつつ傾斜角度θ１を変化させたときの様子を示した図である。 チルトとイオン注入の注入深さとの関係を示したグラフである。 深さと濃度プロファイルとの関係を示した図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１に示すように、本実施形態の半導体装置は、例えば厚さ１２５μｍ、ｎ型不純物濃度が７．１×１０¹³ｃｍ^-3とされたｎ^-型ドリフト層１を構成する半導体基板（Ｓｉウェハ）に対してＩＧＢＴ１００を備えた構成とされている。ＩＧＢＴ１００が備えられるＩＧＢＴ形成領域がセル領域とされ、図示していないが、セル領域の外周部に外周耐圧領域などが備えられことで半導体装置が構成されている。

セル領域におけるＩＧＢＴ形成領域などにおいて、ｎ^-型ドリフト層１の裏面側における当該ｎ^-型ドリフト層１の表層部には、ｎ型層によって構成されるＦＳ（フィールドストップ）層２が形成されている。ＦＳ層２は、例えば拡散深さ２．５μｍ以上、ｎ型不純物濃度が２×１０¹⁶ｃｍ^-3とされている。このＦＳ層２の表層部に、コレクタ領域に相当するｐ⁺型不純物領域３が形成されている。

ｐ⁺型不純物領域３は、ボロン等のｐ型不純物が注入されて形成され、例えば拡散深さ０．５μｍ、ｐ型不純物濃度が５×１０¹⁷〜１×１０¹⁹ｃｍ^-3（例えば１×１０¹⁸ｃｍ^-3）にて構成されている。

また、ＩＧＢＴ形成領域においては、ｎ^-型ドリフト層１の表層部に、例えば厚さ１．５μｍとされたｐ型領域４が形成されている。このｐ型領域４を貫通してｎ^-型ドリフト層１まで達するように複数個のトレンチ６が形成されており、このトレンチ６によってｐ型領域４が複数個に分離されている。具体的には、トレンチ６は複数個所定のピッチ（間隔）で形成されており、図１の奥行き方向（紙面垂直方向）において各トレンチ６が平行に延設されたストライプ構造、もしくは並行に延設されたのちその先端部において引き回されることで環状構造とされている。環状構造とされる場合、例えば各トレンチ６が構成する環状構造は複数本ずつを１組として多重リング構造が構成される。

隣接するトレンチ６によってｐ型領域４が複数に分割された状態となるが、その一部は、チャネル領域を構成するチャネルｐ型領域４ａとなり、このチャネルｐ型領域４ａの表層部に、エミッタ領域に相当するｎ⁺型不純物領域５が形成されている。そして、トレンチ６によって仕切られるｐ型領域４のうち、ｎ⁺型不純物領域５が形成されたチャネルｐ型領域４ａはチャネルが形成されることでＩＧＢＴ動作がさせられるＩＧＢＴ動作部となる。また、ｐ型領域４のうちのｎ⁺型不純物領域５が形成されない残りの部分は間引き部となり、アノードｐ型領域４ｂとして、ＩＧＢＴ動作ではなくダイオード動作させられることになる。

また、チャネルｐ型領域４ａの表層部、具体的にはチャネルｐ型領域４ａの両側に配置されたｎ⁺型不純物領域５の間には、高濃度なボディｐ型領域４ｃが形成されている。このため、ＩＧＢＴ動作部ではｐ型領域４のｐ型不純物濃度の表面濃度が高濃度とされている。例えば、ボディｐ型領域４ｃは、例えば厚さが１．５μｍ、ｐ型不純物濃度の表面濃度が４×１０¹⁹ｃｍ^-3とされている。

ｎ⁺型不純物領域５は、ｎ^-型ドリフト層１よりも高不純物濃度で構成され、ｐ型領域４内において終端しており、かつ、トレンチ６の側面に接するように配置されている。より詳しくは、トレンチ６の長手方向に沿って棒状に延設され、トレンチ６の先端よりも内側で終端した構造とされている。

トレンチ６は、例えば深さ３．０〜６．０μｍとされている。上述したように、トレンチ６は、所定のピッチで配置されており、ＩＧＢＴ動作部では隣り合うトレンチ６のピッチが３５μｍ以下とされ、ダイオード動作させられる間引き部では隣り合うトレンチ６のピッチが５μｍ以上とさている。

また、各トレンチ６内は、各トレンチ６の内壁表面を覆うように形成されたゲート絶縁膜７と、このゲート絶縁膜７の表面に形成されたドープトＰｏｌｙ−Ｓｉ等により構成されるゲート電極８とにより埋め込まれている。ゲート電極８は、図１とは別断面において互いに電気的に接続され、同電位のゲート電圧が印加されるようになっている。

さらに、ｎ⁺型不純物領域５およびチャネルｐ型領域４ａは、層間絶縁膜９に形成されたコンタクトホールを通じてエミッタ電極に相当する上部電極１０と電気的に接続されており、図示しないが、上部電極１０や配線などを保護するように保護膜が形成されている。そして、ｐ⁺型不純物領域３の裏面側に下部電極１１が形成されることにより、ＩＧＢＴ１００が構成されている。

以上のような構造により、本実施形態にかかるＦＳ構造を有するＩＧＢＴ１００を備えた半導体装置が構成されている。このように構成されるＩＧＢＴ１００を備えた半導体装置は、基本的には従来と同様の方法により製造されるが、ＦＳ層２の製造工程のみ従来の製造方法から変更している。したがって、ここでは半導体装置の製造方法のうちのＦＳ層２の製造工程について詳細に説明する。

本実施形態のＦＳ層２の製造工程は、イオン注入装置を用いて汚染などの影響が心配ないｎ型不純物（例えばリン（Ｐ）もしくは砒素（Ａｓ））をイオン注入することにより行う。このとき、ｎ^-型ドリフト層１を構成する半導体基板内での結晶方位のバラツキやイオン注入装置毎の機械精度のバラツキ（半導体基板を設置するステージの傾き）により、イオン注入方向に対してＳｉ結晶方位が垂直にならないことがある。このイオン注入のずれ角θにより、チャネリングさせられず、狙い深さの位置では不純物濃度が低くなり、ＦＳ層２が浅く形成されたような状態となってしまう。

このため、本実施形態では、半導体基板内でのＳｉ結晶方位のバラツキやイオン注入装置毎の機械精度のバラツキがあったとしても、チャネリングさせられるイオン注入装置を用いてＦＳ層２を形成するためのイオン注入を行う。具体的には、図２に示すように、ステージ２０が中心軸（回転軸）２１を中心として回転させられ、かつ、ステージ２０の傾斜角度θ１も変化させられるイオン注入装置を用いる。

ステージ２０の傾斜角度θ１とは、ステージ２０の中心軸２１から径方向に延びる直線と、その直線を水平面上に投影した直線とのなす角度（これら両直線に対する法線方向から見たときの角度）を意味している。このステージ２０の傾斜角度θ１がステージ２０の外縁部の全周において、−０．５°≦θ１≦０．５°に変化させられるようにしてある。例えば、傾斜角度θ１を変化させるための支持棒２２をステージ２０の裏面において中心軸２１からずらした位置に配置し、支持棒２２もステージ２０の中心軸２１を中心として回転させられるようにしておく。また、支持棒２２の先端位置が中心軸２１の先端位置よりも若干高くなるようにしておき、かつ、ステージ２０の中心軸２１の高さは変化せず、ステージ２０が中心軸２１の先端において揺動可能となるようにしておく。そして、支持棒２２の回転周期をステージ２０の回転周期と異ならせるようにする。

このようにすれば、支持棒２２が位置している位置の傾斜角度θ１が０．５°、中心軸２１を挟んで支持棒２２と反対側の位置の傾斜角度θ１が−０．５°となり、これら各位置の間の傾斜角度θ１が−０．５°＜θ１＜０．５°となるようにできる。そして、支持棒２２の回転周期をステージ２０の回転周期と異ならせていれば、ステージ２０の外縁部の全周において傾斜角度θ１を−０．５°≦θ１≦０．５°に変化させることが可能となる。

このような状態で、ＦＳ層２を形成するためのｎ型不純物を上方からイオン注入する。これにより、図３に示すように、ステージ２０上に配置された半導体基板も、ステージ２０と同様、中心軸２１を中心として回転させられつつ、傾斜角度θ１を−０．５°≦θ１≦０．５°に変化させながらイオン注入することができる。これにより、半導体基板の結晶方位のバラツキやイオン注入装置毎の機械精度のバラツキがあっても、ＦＳ層２を形成するためのｎ型不純物を確実にチャネリングさせられ、狙い深さの不純物濃度を所望の濃度にすることが可能となる。この理由について、図４および図５を用いて具体的に説明する。

まず、半導体基板を構成するＳｉの結晶構造にバラツキがなく、理想的な状態である場合において、イオン注入装置に機械精度のバラツキが有り、ずれ角θが存在している場合について説明する。ここではステージ２０の傾斜角度θ１が可変になっていないような、従来と同様の場合を想定して説明する。

図４（ａ）は、半導体基板を構成するＳｉの結晶構造を簡易的に示した斜視図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）の結晶構造を上方から見た図、図４（ｃ）は、ステージ２０が傾斜させた場合において、矢印方向をステージ２０の傾斜方向とした場合にＳｉの結晶構造を上方から見た様子を示した図である。なお、通常、Ｓｉはダイヤモンド構造をしているが、ここでは判り易くするために立方体の頂点にのみＳｉ原子を配置した構造で示してある。

仮に、図４（ｂ）に示すように理想的な結晶構造になっている場合、イオン注入装置に機械精度のバラツキが無ければ原子間（格子間）を通じてイオンが深くまで注入され、チャネリングさせられる。しかしながら、イオン注入装置に機械精度のバラツキが有り、ずれ角θが存在していると、図４（ｃ）に示すように上下に並んでいる格子が傾斜方向にずれて並ぶことになる。このため、格子が傾斜方向にずれて並んでいる位置では、注入されるイオンが格子に衝突し、深くまで注入されず、チャネリングされない。このため、チャネリングされるようにするには、図４（ｂ）に示されるような状態においてイオン注入が行われることが重要である。

これに対して、本実施形態の場合、ステージ２０が中心軸２１を中心として回転させられ、かつ、ステージ２０の傾斜角度θ１も変化させられるイオン注入装置を用いるようにしている。このため、半導体基板を構成するＳｉの結晶構造の角度をステージ２０の傾斜角度θ１に応じて徐々に変えられ、かつ、ステージ２０を回転させていることから、半導体基板の傾斜角度を全周においてステージ２０の傾斜角度θ１と同様に変化させられる。図５（ａ）〜（ｅ）は、ステージ２０を回転させつつ傾斜角度θ１を変化させたときの様子を示した図である。図５（ａ）〜（ｅ）において、各図中の左側はステージ２０の回転および傾斜角度θ１とＳｉの結晶構造の様子を示してあり、右側は真上から見た結晶構造の様子を示してある。

例えば、図５（ａ）に示すように、イオン注入のスタート位置において、例えばステージ２０の傾斜角度θ１が０．５°となっており、この角度の場合に真上からみた結晶構造が図４（ｂ）と同様理想的な状態であったとする。この場合、上方から見たときに、上下に並ぶ各原子（格子）がすべて同じ位置に重なった配置になることから、Ｓｉ結晶方位に対して垂直に注入され、チャネリングされることになる。

次に、図５（ｂ）に示すように、ステージ２０を４５度回転させたときに、例えばステージ２０の傾斜角度θ１が−０．５°となっており、この角度の場合に真上からみた結晶構造は上下に並んでいる格子が傾斜方向にずれて並んでいたとする。このように、格子が傾斜方向にずれて並んでいる位置では、注入されるイオンが格子に衝突し、深くまで注入されず、チャネリングされない。

続いて、図５（ｃ）、（ｄ）に示すように、ステージ２０を９０度もしくは１３５度回転させたときに、例えばステージ２０の傾斜角度θ１が０．１°、０．５°となっており、この角度の場合にも真上からみた結晶構造は上下に並んでいる格子が傾斜方向にずれて並んでいたとする。この場合にも、注入されるイオンが格子に衝突し、深くまで注入されず、チャネリングされない。

そして、図５（ｅ）に示すように、ステージ２０を１８０度回転させたときに、例えばステージ２０の傾斜角度θ１が０°となっており、この角度の場合に真上からみた結晶構造が図４（ｂ）と同様理想的な状態に再び戻ったとする。その場合には、再びＳｉ結晶方位に対して垂直に注入され、チャネリングされることになる。

このように、半導体基板を搭載するステージ２０を回転させつつ、その傾斜角度θ１を−０．５°≦θ１≦０．５°に変化させながらイオン注入することにより、ＦＳ層２を形成するためのｎ型不純物を確実にチャネリングさせられる。これにより、半導体基板の結晶方位のバラツキやイオン注入装置毎の機械精度のバラツキがあっても、狙い深さの不純物濃度を所望の濃度にすることが可能となる。

（他の実施形態）
上記実施形態では、半導体結晶の隙間を通ってイオンが深く注入されるようにチャネリングて形成する不純物層としてＦＳ層２を例に挙げた。しかしながら、これは単なる一例を示したに過ぎず、不純物をチャネリングさせるイオン注入（チャネリングインプラ）を用いて、所定深さの不純物層を形成するような他の素子を有する半導体装置に対して、本発明を適用することができる。

また、上記実施形態では、不純物層としてのＦＳ層２を形成する際のイオン注入時のステージ２０の傾斜角度θ１の変化量を、−０．５°≦θ１≦０．５°とした。これは、イオン注入装置毎の機械精度のバラツキによるイオン注入角度のずれと、半導体基板を構成するｎ^-型ドリフト層１の結晶方位の傾きによるイオン注入角度のずれを足した角度に基づいて、傾斜角度θ１の変化量を設定したためである。このため、イオン注入装置毎の機械精度のバラツキによるイオン注入角度のずれと、半導体基板を構成するｎ^-型ドリフト層１の結晶方位の傾きによるイオン注入角度のずれに応じて、ステージ２０の傾斜角度θ１の変化量を設定すれば良い。

１ ｎ^-型ドリフト層
２ ＦＳ層
３ ｐ⁺型不純物領域
４ ｐ型領域
５ ｎ⁺型不純物領域
８ ゲート電極
１０ 上部電極
１１ 下部電極
２０ ステージ
２１ 中心軸
２２ 支持棒

Claims (3)

1. 半導体基板（１）を構成する半導体結晶の隙間を通ってイオンを所定深さに注入させるようにチャネリングさせて不純物層（２）を形成する工程を有する半導体装置の製造方法であって、
   前記不純物層を形成する工程では、イオン注入装置内に備えられたステージ（２０）の上に前記半導体基板を搭載したのち、前記ステージの回転軸を中心として該ステージを回転させつつ、前記ステージの全周において、前記ステージの前記回転軸から径方向に延びる直線と当該直線を水平面上に投影した直線とのなす傾斜角度θ１を変化させながら、前記イオンを注入することで前記不純物層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記不純物層を形成する工程では、前記イオン注入装置毎の機械精度のバラツキによるイオン注入角度のずれと、前記半導体基板を構成する結晶方位の傾きによるイオン注入角度のずれを足した角度に基づいて、前記傾斜角度θ１の変化量を設定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. 前記不純物層を形成する工程では、前記傾斜角度θ１を、−０．５°≦θ１≦０．５°に変化させ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。

Images