JP2016146433A - ダイオードの製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ピラー領域を有するダイオードにおいて、ホール注入抑制効果と素子サイズとを両立することが可能な技術を提供する。
【解決手段】第1範囲の半導体基板の上面12aに対して、第1深さD1にn型不純物を注入する第1注入工程と、第1範囲を一部に含む第2範囲の上面に対して、第1深さよりも浅い第2深さD2にn型不純物を注入する第2注入工程と、第2範囲の両側に位置する第3範囲の上面に対して、第1深さよりも浅い第3深さD2に、第2注入工程で注入したn型不純物よりも高濃度にp型不純物を注入する第3注入工程と、半導体基板を熱処理することによって、第3注入工程でp型不純物を注入した領域に第1p型領域を形成し、第1注入工程と第2注入工程でn型不純物を注入した領域の一部に第1n型領域35aを形成する第1熱処理工程とを有する。
【選択図】図5

Description

本明細書が開示する技術は、ダイオードの製造方法に関する。
特許文献1には、p型領域からn型領域へのホールの注入を抑制することが可能なダイオードが開示されている。このダイオードは、バリア領域と、ボディ領域と、コンタクト領域と、ピラー領域と、を有している。バリア領域は、n型であり、半導体基板の横方向に層状に伸びている。ボディ領域は、p型であり、バリア領域の上側に形成されている。コンタクト領域は、p型であり、ボディ領域よりも高濃度のp型不純物を含有している。コンタクト領域は、ボディ領域の上側に形成されており、アノード電極に接している。ピラー領域は、n型である。ピラー領域は、半導体基板の上面からボディ領域を貫通してバリア領域まで伸びている。ピラー領域は、アノード電極に接している。すなわち、ピラー領域によって、バリア領域とアノード電極が接続されている。このダイオードでは、アノード電極の電位を上昇させると、まず、ピラー領域とバリア領域によって構成される電流経路がオンする。このため、ボディ領域とバリア領域の界面のpn接合に電位差が生じ難い。アノード電極の電位をさらに上昇させると、上記のpn接合の電位差が上昇し、上記pn接合がオンする。これによって、ボディ領域からバリア領域側のn型領域にホールが流入する。このように、このダイオードでは、pn接合がオンするタイミングが遅れるため、p型領域からn型領域にホールが流入し難い。すなわち、このダイオードでは、ホール注入抑制効果が得られる。その後、ダイオードに逆電圧が印加されると、ダイオードが逆回復動作を行い、n型領域に存在するホールがアノード電極に排出される。このダイオードでは、上記の通りにオン動作時にp型領域からn型領域へのホールの流入が抑制されるので、逆回復動作時にn型領域からアノード電極に排出されるホールが少ない。このため、このダイオードでは、逆回復電流が流れ難い。
特開2013−48230号公報
特許文献1の技術では、ピラー領域とコンタクト領域の間に間隔が設けられており、その間隔部にボディ領域(コンタクト領域よりもp型不純物濃度が低いp型領域)が存在している。本願発明者らは、ダイオードのさらなる小型化のため、ピラー領域をコンタクト領域に隣接して形成することを検討した。すなわち、ピラー領域の両側に隣接するようにコンタクト領域を形成することを検討した。しかしながら、コンタクト領域のp型不純物濃度が高いため、ピラー領域とコンタクト領域を形成するための熱処理時に、p型不純物がピラー領域側に拡散し、半導体基板の表面近傍でピラー領域の幅が狭くなることが判明した。つまり、ピラー領域の幅が、浅い位置(すなわち、ピラー領域に挟まれた部分)で、深い位置よりも狭くなる。浅い位置でピラー領域の幅が狭くなると、ピラー領域の抵抗が大きくなる。すると、ボディ領域とバリア領域の界面のpn接合に電位差が生じやすくなり、上記のホール注入抑制効果がほとんど得られなくなる。また、ピラー領域の抵抗低減のために浅い位置においてピラー領域の幅を広くすると、深い位置でピラー領域の幅が必要以上に広くなり、素子サイズが大きくなる。このように、従来は、ホール注入抑制効果と素子サイズとを両立することが困難であった。したがって、本明細書では、ピラー領域を有するダイオードにおいて、ホール注入抑制効果と素子サイズとを両立することが可能な技術を提供する。
本明細書が開示する方法によって製造されるダイオードは、アノード電極と、前記アノード電極に接するp型のコンタクト領域と、前記コンタクト領域の下側に位置するとともに前記コンタクト領域よりもp型不純物濃度が低いp型のボディ領域と、前記ボディ領域の下側に位置するn型のバリア領域と、前記アノード電極に接する位置から前記コンタクト領域と前記ボディ領域を貫通して前記バリア領域まで伸びているn型のピラー領域を有している。本明細書が開示するダイオードの製造方法は、第1注入工程、第2注入工程、第3注入工程及び第1熱処理工程を有している。第1注入工程では、第1範囲の半導体基板の上面に対して、第1深さにn型不純物を注入する。第2注入工程では、前記第1範囲を一部に含む第2範囲の前記上面に対して、前記第1深さよりも浅い第2深さにn型不純物を注入する。第3注入工程では、前記第2範囲の両側に位置する第3範囲の前記上面に対して、前記第1深さよりも浅い第3深さに、前記第2注入工程で注入したn型不純物よりも高濃度にp型不純物を注入する。第1熱処理工程では、前記半導体基板を熱処理することによって、前記第3注入工程でp型不純物を注入した領域に第1p型領域を形成し、前記第1注入工程と前記第2注入工程でn型不純物を注入した領域の一部に第1n型領域を形成する。前記第1p型領域が前記コンタクト領域となり、前記第2p型領域が前記ピラー領域となる。
なお、第1注入工程、第2注入工程及び第3注入工程は、どのような順序で実施してもよい。また、アノード電極、ボディ領域及びバリア領域は、どのような工程によって形成してもよく、どのようなタイミングで形成してもよい。
この製造方法では、ピラー領域を形成するために、第1注入工程と第2注入工程を行う。浅い位置(第2深さ)に対する第2注入工程では、深い位置(第1深さ)に対する第1注入工程の注入範囲(第1範囲)よりも広い範囲(第2範囲)にn型不純物を注入する。すなわち、第2範囲は、第1範囲を含むとともに第1範囲よりも幅が広い。したがって、第1注入工程と第2注入工程の実施後に、ピラー領域形成すべき領域内において、浅い位置では深い位置よりも横方向に広くn型不純物が分布している。また、第3注入工程では、第2注入工程でn型不純物を注入した範囲(第2範囲)の両側に位置する第3範囲(すなわち、コンタクト領域を形成すべき領域)に高濃度にp型不純物を注入する。第3注入工程では、浅い位置(第3深さ)にp型不純物を注入する。その後、熱処理工程を実施すると、第1〜第3注入工程で注入されたn型及びp型の不純物が活性化し、ピラー領域とコンタクト領域が形成される。熱処理時に、浅い位置ではコンタクト領域からピラー領域側にp型不純物が拡散する。このため、コンタクト領域は、p型不純物の注入範囲(第3範囲)よりもピラー領域側に拡大して形成される。したがって、ピラー領域は、浅い位置においては、第2注入工程における注入範囲(第2範囲)よりも狭い範囲に形成される。また、ピラー領域は、深い位置においては第1範囲に対応する範囲に形成される。第1範囲は第2範囲よりも狭いので、浅い位置においてピラー領域の幅が縮小しても、ピラー領域の幅が浅い位置で深い位置よりも極端に狭くなることが防止される。すなわち、浅い位置と深い位置とでピラー領域の幅に差が生じ難い。このため、この方法によれば、従来に比べて、ピラー領域の幅を均一化することができる。したがって、特定の深さでピラー領域の幅を必要以上に広くすることなく、ピラー領域の抵抗を低減することができる。
半導体装置10の縦断面図。 上部電極22と層間絶縁膜20を省略した半導体装置10の断面と上面を示す図。 下部ボディ領域36、バリア領域34及び上部ボディ領域33に対するイオン注入工程の説明図。 ピラー領域35の深い部分に対するイオン注入工程の説明図。 ピラー領域35の浅い部分に対するイオン注入工程の説明図。 コンタクト領域32に対するイオン注入工程の説明図。 エミッタ領域30に対するイオン注入工程の説明図。 活性化アニール後の半導体基板12の縦断面図。 活性化アニール前後の領域を重ねて表した縦断面図。 活性化アニール後の図8線A1における不純物濃度分布を示す図。 比較例の方法によって製造された半導体装置の縦断面図。 変形例の半導体装置の縦断面図。
図1、2は、実施形態の方法によって製造される半導体装置10を示している。半導体装置10は、ダイオードとIGBTを備えるRC−IGBTである。半導体装置10は、Siにより構成された半導体基板12を有する。なお、図1、2のz方向は半導体基板12の厚み方向であり、x方向は半導体基板12の上面12aに平行な一方向であり、y方向はz方向とx方向に直交する方向である。半導体基板12の上面12aには、上部電極22が形成されている。半導体基板12の下面12bには、下部電極26が形成されている。
半導体基板12の上面12aには、トレンチ14が形成されている。トレンチ14は、y方向に直線状に伸びる第1部分14aと、x方向に直線状に伸びる第2部分14bとを有している。第1部分14aと第2部分14bが互いに接続されており、これによって半導体基板12の上面12aが格子状に区画されている。トレンチ14は、半導体基板12の上面12aからz方向(下方向)に伸びている。なお、以下では、格子状のトレンチ14によって囲まれた範囲内の半導体領域を、区画領域50と呼ぶ。
トレンチ14の内面は、ゲート絶縁膜16によって覆われている。トレンチ14内には、ゲート電極18が配置されている。ゲート電極18は、ゲート絶縁膜16によって半導体基板12から絶縁されている。ゲート電極18とゲート絶縁膜16によって、ゲートトレンチが構成されている。ゲート電極18の上面は、層間絶縁膜20によって覆われている。ゲート電極18は、層間絶縁膜20によって上部電極22から絶縁されている。
半導体基板12の内部には、エミッタ領域30、コンタクト領域32、上部ボディ領域33、バリア領域34、ピラー領域35、下部ボディ領域36、ドリフト領域38、バッファ領域39、コレクタ領域40及びカソード領域42が形成されている。
ピラー領域35は、n型の半導体領域である。ピラー領域35は、区画領域50の中央に形成されている。ピラー領域35は、半導体基板12の上面12aに露出しており、上部電極22に対してショットキー接触している。ピラー領域35は、上面12aからz方向(下方向)に長く伸びている。
コンタクト領域32は、p型の半導体領域である。コンタクト領域32は、区画領域50内に形成されている。コンタクト領域32は、ピラー領域35に隣接している。コンタクト領域32は、ピラー領域35の周囲を取り囲む環状に形成されている。コンタクト領域32内のp型不純物濃度は高い。より詳細には、コンタクト領域32内のp型不純物濃度は、ピラー領域35内のn型不純物濃度よりも高い。コンタクト領域32は、半導体基板12の上面12aに露出している。コンタクト領域32は、上部電極22に対してオーミック接触している。コンタクト領域32は、半導体基板12の上面12a近傍の表層部に形成されている。すなわち、コンタクト領域32は、ピラー領域35の下端よりも浅い領域内に形成されている。
エミッタ領域30は、n型の半導体領域である。エミッタ領域30は、区画領域50内に形成されている。エミッタ領域30は、コンタクト領域32とトレンチ14の間に形成されている。エミッタ領域30は、トレンチ14が直線状に伸びている部分のゲート絶縁膜16に接触している。エミッタ領域30は、コンタクト領域32によってピラー領域35から分離されている。エミッタ領域30内のn型不純物濃度は、ピラー領域35内のn型不純物濃度よりも高い。エミッタ領域30は、半導体基板12の上面12aに露出している。エミッタ領域30は、上部電極22に対してオーミック接触している。エミッタ領域30は、半導体基板12の上面12a近傍の表層部に形成されている。すなわち、エミッタ領域30は、ピラー領域35の下端よりも浅い領域内に形成されている。
上部ボディ領域33は、p型の半導体領域である。上部ボディ領域33内のp型不純物濃度は、コンタクト領域32内のp型不純物濃度よりも低い。上部ボディ領域33は、区画領域50内に形成されている。上部ボディ領域33は、エミッタ領域30及びコンタクト領域32の下側に形成されおり、これらに接している。また、上部ボディ領域33は、エミッタ領域及びコンタクト領域32が形成されていない範囲で、半導体基板12の上面12aに露出している。上部ボディ領域33は、エミッタ領域30の下側で、ゲート絶縁膜16に接している。上部ボディ領域33は、コンタクト領域32の下側で、ピラー領域35に接している。
バリア領域34は、n型の半導体領域である。バリア領域34は、区画領域50内に形成されている。バリア領域34は、上部ボディ領域33の下側に形成されており、上部ボディ領域33に接している。バリア領域34は、上部ボディ領域33の下側において、x方向及びy方向に沿って平面状に伸びている。バリア領域34は、ピラー領域35と繋がっている。すなわち、ピラー領域35は、半導体基板12の上面12aから、コンタクト領域32と上部ボディ領域33を貫通してバリア領域34まで伸びている。バリア領域34は、上部ボディ領域33によってエミッタ領域30から分離されている。バリア領域34は、上部ボディ領域33の下側でゲート絶縁膜16に接している。
下部ボディ領域36は、p型の半導体領域である。下部ボディ領域36は、区画領域50内に形成されている。下部ボディ領域36は、バリア領域34の下側に形成されており、バリア領域34に接している。下部ボディ領域36は、バリア領域34の下側において、x方向及びy方向に沿って平面状に伸びている。下部ボディ領域36は、バリア領域34によって上部ボディ領域33から分離されている。下部ボディ領域36は、バリア領域34の下側でゲート絶縁膜16に接している。
ドリフト領域38は、n型の半導体領域である。ドリフト領域38のn型不純物濃度は、バリア領域34のn型不純物濃度よりも低い。ドリフト領域38は、下部ボディ領域36の下側に形成されており、下部ボディ領域36に接している。ドリフト領域38は、複数の区画領域50の下側に形成されている。ドリフト領域38は、下部ボディ領域36によってバリア領域34から分離されている。ドリフト領域38は、下部ボディ領域36の下側でゲート絶縁膜16に接している。
バッファ領域39は、n型の半導体領域である。バッファ領域39のn型不純物濃度は、ドリフト領域38のn型不純物濃度よりも高い。バッファ領域39は、ドリフト領域38の下側に形成されており、ドリフト領域38に接している。
コレクタ領域40は、p型の半導体領域である。コレクタ領域40は、上部ボディ領域33及び下部ボディ領域36のp型不純物濃度よりも高いp型不純物濃度を有する。コレクタ領域40は、バッファ領域39の下側の領域の一部に形成されており、バッファ領域39に接している。コレクタ領域40は、半導体基板12の下面12bに露出している。コレクタ領域40は、下部電極26に対してオーミック接触している。
カソード領域42は、n型の半導体領域である。カソード領域42は、バリア領域34及びピラー領域35のn型不純物濃度よりも高いn型不純物濃度を有する。カソード領域42は、バッファ領域39の下側の領域の一部に形成されており、バッファ領域39に接している。カソード領域42は、コレクタ領域40に隣接する位置で、半導体基板12の下面12bに露出している。カソード領域42は、下部電極26に対してオーミック接触している。
半導体基板12には、コンタクト領域32、上部ボディ領域33、バリア領域34、下部ボディ領域36、ドリフト領域38、バッファ領域39及びカソード領域42等によってダイオードが形成されている。また、半導体基板12には、エミッタ領域30、上部ボディ領域33、バリア領域34、下部ボディ領域36、ドリフト領域38、バッファ領域39及びコレクタ領域40等によってIGBTが形成されている。つまり、上部電極22と下部電極26の間に、ダイオードとIGBTが逆並列に接続されている。
IGBTの動作について説明する。IGBTをオンさせる際には、下部電極26に上部電極22よりも高い電位が印加される。さらに、ゲート電極18に閾値以上の電位を印加すると、ゲート絶縁膜16近傍の上部ボディ領域33と下部ボディ領域36にチャネルが形成される。すると、上部電極22から、エミッタ領域30、上部ボディ領域33のチャネル、バリア領域34、下部ボディ領域36のチャネル、ドリフト領域38、バッファ領域39及びコレクタ領域40を経由して、下部電極26に向かって電子が流れる。また、下部電極26から、コレクタ領域40、バッファ領域39、ドリフト領域38、下部ボディ領域36、バリア領域34、上部ボディ領域33及びコンタクト領域32を経由して、上部電極22に向かってホールが流れる。すなわち、IGBTがオンして、下部電極26から上部電極22に向かって電流が流れる。その後、ゲート電極18の電位を閾値未満に低下させると、チャネルが消失し、電流が停止する。すなわち、IGBTがオフする。
図1において矢印で示すように、IGBTがオンしているときにドリフト領域38内を流れるホールは、トレンチ14を避けてこれらの両側に流れる。このため、下部ボディ領域36近傍のドリフト領域38にホールが集まり、ドリフト領域38の電気抵抗が低くなる。以下では、トレンチ14を避けて流れるホールが集まることでドリフト領域38の抵抗が低くなることを、キャリア蓄積効果と呼ぶ。ドリフト領域38でキャリア蓄積効果が得られるので、電子がドリフト領域38を低損失で通過することが可能となる。キャリア蓄積効果は、2つのトレンチ14の間隔が狭いほどより顕著となる。後述するように、本実施形態の半導体装置は、2つのトレンチ14の間隔が狭くなっているので、高いキャリア蓄積効果を得ることができる。したがって、IGBTのオン電圧は低い。
次に、ダイオードの動作について説明する。ダイオードをオンさせる場合には、上部電極22と下部電極26の間に、上部電極22が高電位となる電圧(順電圧)を印加する。以下では、上部電極22の電位を、下部電極26と同等の電位から徐々に上昇させる場合について考える。上部電極22の電位を上昇させると、ピラー領域35と上部電極22との界面のショットキー接触部J2が導通する。すると、下部電極26から、カソード領域42、バッファ領域39、ドリフト領域38、下部ボディ領域36、バリア領域34及びピラー領域35を経由して、上部電極22に向かって電子が流れる。ショットキー接触部J2が導通すると、バリア領域34の電位が上部電極22の電位に近い電位となる。このため、上部ボディ領域33とバリア領域34の境界のpn接合J1に電位差が生じ難くなる。このため、その後に上部電極22の電位を上昇させても、しばらくの間は、pn接合J1はオンしない。上部電極22の電位をさらに上昇させると、ショットキー接触部J2を介して流れる電流が増加する。これによって、上部電極22とバリア領域34の間の電位差が大きくなり、pn接合J1に生じる電位差も大きくなる。したがって、上部電極22の電位を所定の電位以上に上昇させると、pn接合J1(すなわち、ダイオード)がオンする。すなわち、上部電極22から、コンタクト領域32、上部ボディ領域33、バリア領域34、下部ボディ領域36、ドリフト領域38、バッファ領域39及びカソード領域42を経由して下部電極26に向かってホールが流れる。また、下部電極26から、カソード領域42、バッファ領域39、ドリフト領域38、下部ボディ領域36、バリア領域34、上部ボディ領域33及びコンタクト領域32を経由して上部電極22に向かって電子が流れる。このように、半導体装置10では、上部電極22の電位が上昇する際に、ショットキー接触部J2が先にオンすることで、pn接合J1がオンするタイミングが遅れる。これによって、上部ボディ領域33からバリア領域34及びドリフト領域38にホールが流入することが抑制される。すなわち、ホール注入抑制効果が得られる。
ダイオードがオンした後に、上部電極22と下部電極26の間に逆電圧(上部電極22が低電位となる電圧)を印加すると、ダイオードが逆回復動作を行う。すなわち、ダイオードがオンしている際には、バリア領域34及びドリフト領域38内にホールが存在している。逆電圧が印加されると、バリア領域34及びドリフト領域38内のホールが、上部ボディ領域33とコンタクト領域32を通って上部電極22に排出される。このホールの流れによって、ダイオードに瞬間的に逆電流(いわゆる、逆回復電流)が発生する。しかしながら、半導体装置10では、ダイオードがオンする際に、ショットキー接触部J2がオンすることによって上部ボディ領域33からバリア領域34及びドリフト領域38にホールが流入することが抑制される。このため、ダイオードが逆回復動作を行う際にバリア領域34及びドリフト領域38から上部電極22に排出されるホールが少ない。このため、本実施形態の半導体装置10では、ダイオードの逆回復電流が小さい。
次に、半導体装置10の製造方法について説明する。半導体装置10は、ドリフト領域38と略同じn型不純物濃度を有するn型の半導体基板12から製造される。
まず、図3に示すように、半導体基板12に不純物を注入する。なお、以下に説明する各図において、丸ドットはp型不純物が注入された領域を示し、バツドットはn型不純物が注入された領域を示す。以下、本工程について、より詳細に説明する。まず、半導体基板12の上面12aにマスク(図示省略)を形成する。このマスクは、IGBT及びダイオードを形成しない領域を覆うマスクであり、IGBT及びダイオードを形成すべき領域の上部全域には開口部が設けられている。次に、マスクを介して半導体基板12の上面12aにp型不純物を注入する。ここでは、下部ボディ領域36に相当する深さにp型不純物を注入する。これによって、p型不純物注入領域36aを形成する。次に、同じマスクを使用して、バリア領域34に相当する深さに、n型不純物を注入する。これによって、n型不純物注入領域34aを形成する。次に、同じマスクを使用して、上部ボディ領域33に相当する深さD1に、p型不純物を注入する。これによって、p型不純物注入領域33aを形成する。なお、本明細書において、特定の深さに不純物を注入することは、注入する不純物の平均停止位置が前記特定の深さとなるように不純物を注入することを意味する。p型不純物注入領域33aを形成したら、マスクを除去する。
次に、図4に示すように、半導体基板12の上面12aにマスク60を形成する。マスク60は、ピラー領域35を形成すべき領域の上部に開口部60aを有する。次に、マスク60を介して、半導体基板12の上面12aにn型不純物を注入する。すなわち、開口部60a内の上面12aにn型不純物を注入する。ここでは、深さD1(すなわち、p型不純物注入領域33aと略同じ深さ)にn型不純物を注入する。図4の深さD3は、半導体装置10が完成したときの上部ボディ領域33とバリア領域34の境界線の位置を示している。すなわち、深さD3は、上部ボディ領域33の下端の深さを示している。深さD1は、上部ボディ領域33の下端の深さD3よりも浅い位置である。すなわち、ここでは、n型不純物を、上部ボディ領域33の下端の深さD3よりも浅い深さD1に注入する。また、ここでは、p型不純物注入領域33aに対して注入したp型不純物よりも高濃度(高ドーズ量)にn型不純物を注入する。これによって、n型不純物注入領域35aを形成する。
次に、マスク60をエッチングして、図5に示すように、マスク60の開口部60aを拡大する。そして、開口部60aが拡大されたマスク60を介して、半導体基板12の上面12aにn型不純物を注入する。すなわち、拡大された開口部60a内の上面12aに、n型不純物を注入する。ここでは、深さD1よりも浅い深さD2にn型不純物を注入する。また、ここでは、n型不純物注入領域35aに対して注入したn型不純物よりも低濃度(低ドーズ量)にn型不純物を注入する。これによって、n型不純物注入領域35bを形成する。マスク60の開口部60aが拡大されているので、n型不純物注入領域35bの幅(すなわち、x方向及びy方向の幅)がn型不純物注入領域35aの幅よりも広くなる。すなわち、n型不純物注入領域35aの上部に、n型不純物注入領域35bよりも幅が広いn型不純物注入領域35bが形成される。n型不純物注入領域35bを形成したら、マスク60を除去する。
次に、図6に示すように、半導体基板12の上面12aにマスク62を形成する。マスク62は、コンタクト領域32を形成すべき領域の上部に開口部62aを有する。半導体基板12の上面12aを平面視したときには、マスク62の開口部62aがn型不純物注入領域35bの周囲を取り囲むように環状に伸びている。次に、マスク62を介して、半導体基板12の上面12aにp型不純物を注入する。ここでは、n型不純物注入領域35bと略同じ深さD2(すなわち、深さD1よりも浅い深さ)にp型不純物を注入する。すなわち、n型不純物注入領域35bの両側に、p型不純物を注入する。また、ここでは、p型不純物注入領域33aに対して注入したp型不純物及びn型不純物注入領域35bに対して注入してn型不純物のいずれよりも高濃度(高ドーズ量)にp型不純物を注入する。これによって、p型不純物注入領域32aを形成する。p型不純物注入領域32aを形成したら、マスク62を除去する。
次に、図7に示すように、半導体基板12の上面12aにマスク64を形成する。マスク64は、エミッタ領域30を形成すべき領域の上部に開口部を有する。次に、マスク64を介して、半導体基板12の上面12aにn型不純物を注入する。ここでは、n型不純物注入領域35bと略同じ深さD2にn型不純物を注入する。また、ここでは、n型不純物注入領域35bに対して注入したn型不純物よりも高濃度(高ドーズ量)にn型不純物を注入する。これによって、n型不純物注入領域30aを形成する。
次に、活性化アニールを実施する。すなわち、半導体基板12を熱処理して、半導体基板12に注入されたn型不純物及びp型不純物を活性化させる。これによって、図8に示すように、下部ボディ領域36、バリア領域34、上部ボディ領域33、ピラー領域35、コンタクト領域32及びエミッタ領域30が形成される。より詳細には、p型不純物注入領域36aのp型不純物が活性化されて、下部ボディ領域36が形成される。n型不純物注入領域34aのn型不純物が活性化されて、バリア領域34が形成される。p型不純物注入領域33aのp型不純物が活性化されて、上部ボディ領域33が形成される。n型不純物注入領域35a、35bのn型不純物が活性化されて、ピラー領域35が形成される。p型不純物注入領域32aのp型不純物が活性化されて、コンタクト領域32が形成される。n型不純物注入領域30aのn型不純物が活性化されて、エミッタ領域30が形成される。
図9は、不純物注入領域32a、33a、35a及び35bと、コンタクト領域32、上部ボディ領域33及びピラー領域35の位置を重ねて示している。上述したようにp型不純物注入領域32aのp型不純物濃度は、n型不純物注入領域35bのn型不純物濃度よりも高い。したがって、活性化アニール時に、図9の矢印に示すように、p型不純物注入領域32aからn型不純物注入領域35b側に多量のp型不純物が拡散する。このため、コンタクト領域32は、p型不純物注入領域32aよりもピラー領域35側に拡大して形成される。すなわち、コンタクト領域32とピラー領域35との境界B1の位置が、p型不純物注入領域32aとn型不純物注入領域35bとの境界の位置B2よりもn型不純物注入領域35b側にシフトする。このため、ピラー領域35の幅W1は、活性化アニール前のn型不純物注入領域35bの幅W2よりも狭くなる。
他方、n型不純物注入領域35aとp型不純物注入領域33aの間には不純物濃度にそれほど大きい差はない。したがって、深い位置では、ピラー領域35の幅は、活性化アニール前のn型不純物注入領域35aの幅からほとんど変化しない。
上述したように、活性化アニール前において、浅い位置のn型不純物注入領域35bの幅W2は、深い位置のn型不純物注入領域35aの幅よりも広い。また、活性化アニールによって、浅い位置ではn型不純物注入領域35bよりも幅が狭い範囲にピラー領域35が形成される一方で、深い位置ではn型不純物注入領域35aと略同じ幅の範囲にピラー領域35が形成される。このため、ピラー領域35の幅が、浅い位置と深い位置で略一致する。したがって、この方法によれば、浅い位置と深い位置とで幅の差が少ないピラー領域35を形成することができる。
また、図10は、図8の線A1における不純物濃度分布を示している。上述したように、上部ボディ領域33に対するp型不純物の注入時にピラー領域35にもp型不純物が注入されるので、ピラー領域35内におけるp型不純物濃度は比較的高い。ピラー領域35内のp型不純物濃度は、深さD1と略一致する深さでピーク濃度Nbとなり、上側に向かうほど低くなる。なお、上部ボディ領域33内でも、図10と同様にp型不純物が分布している。ピラー領域35に対するn型不純物の注入は、深い位置(深さD1)に対して、浅い位置(深さD2)に対するよりも高濃度で行われる。このため、ピラー領域35内のn型不純物濃度は、浅い位置(深さD2)で、深い位置(深さD1)よりも低くなっている。浅い位置(深さD2)におけるn型不純物濃度Naは、深い位置(深さD1)におけるp型不純物濃度Nbよりも低い。
活性化アニールを実施したら、半導体基板12の上面12aにトレンチ14を形成し、トレンチ14の内部にゲート絶縁膜16、ゲート電極18を形成する。次に、半導体基板12の上面12aに、層間絶縁膜20と上部電極22を形成する。次に、不純物注入によって、半導体基板12の下面12b側に、バッファ領域39、コレクタ領域40及びカソード領域42を形成する。次に、半導体基板12の下面12bに下部電極26を形成する。その後、半導体基板12をダイシングしてチップ化する。これによって、上述した半導体装置10が完成する。
以上に説明したように、この方法によれば、浅い位置と深い位置とでピラー領域35の幅に差が生じることを抑制することができる。これによって、種々の利点が得られる。以下、比較例の半導体装置と比較して、利点について説明する。
図11に示す比較例の半導体装置では、ピラー領域35の幅が浅い位置で深い位置よりも狭くなっている。このため、ピラー領域35の抵抗が大きくなり、ホール注入抑制効果がほとんど得られなくなる。また、図11に示す構造において、ピラー領域35の抵抗を下げるために浅い位置のピラー領域35の幅を広げると、深い位置でピラー領域35の幅がさらに広くなり、素子サイズが大きくなる。このように、ピラー領域35の幅が必要以上に広くなると、2つのトレンチ14の間の間隔が大きくなり、上述したキャリア蓄積効果が弱くなる。その結果、IGBTのオン電圧が高くなる。これに対し、本実施形態の方法により製造された半導体装置10では、浅い位置と深い位置とでピラー領域35の幅の差が小さいので、浅い位置においてピラー領域35の幅を十分に確保しても、深い位置においてピラー領域35の幅が極端に広くならない。このため、素子サイズを大きくすることなく、高いキャリア蓄積効果を得ることができる。また、ピラー領域35の幅が必要以上に広くならないので、2つのトレンチ14の間の間隔を狭くすることができ、高いキャリア蓄積効果を得ることができる。
また、上述したように、ピラー領域35内のn型不純物濃度は、浅い位置で低く、深い位置で高い。図11に示すようにコンタクト領域32がピラー領域35側に突出していると、深い位置のピラー領域35(すなわち、n型不純物濃度が高い領域)がコンタクト領域32(すなわち、p型不純物濃度が高い領域)とが境界J3を介して上下方向に隣接する。このように濃度が高いp型領域と濃度が高いn型領域とが隣接すると、境界J3のpn接合の障壁が小さくなる。このため、ダイオードの動作時に、図11において矢印で示すように境界J3を介してバリア領域34及びドリフト領域38にホールが流入する。このため、図11の構造では、ホール注入抑制効果が弱くなる。これに対し、本実施形態で製造された半導体装置10では、コンタクト領域32がピラー領域35側に突出することを抑制することができる。したがって、図11の矢印のようなホールの流れが生じ難く、高いホール注入抑制効果を得ることができる。また、本実施形態の方法では、ピラー領域35内において、浅い位置におけるn型不純物濃度が、深い位置におけるp型不純物濃度よりも低い。このように浅い位置におけるn型不純部濃度を低くすることで、浅い位置のピラー領域35とコンタクト領域32の境界のpn接合の障壁を高くすることができる。これによって、このpn接合を介してホールが流れることを抑制し、より高いホール注入抑制効果を得ることが可能とされている。なお、図11の矢印に示すようなホールの流入をより効果的に抑制するために、ピラー領域35の幅が、深い位置で浅い位置よりも狭くなっていてもよい。
なお、上述した実施形態では、p型不純物注入領域32aとn型不純物注入領域35bを略同じ深さD2に形成したが、これらの深さは一致している必要はなく、多少異なっていてもよい。また、上述した実施形態では、p型不純物注入領域33aとn型不純物注入領域35aを略同じ深さD1に形成したが、これらの深さは一致している必要はなく、多少異なっていてもよい。
また、上述した実施形態の半導体装置10は、下部ボディ領域36を有していた。しかしながら、図12に示すように、下部ボディ領域36が存在しなくてもよい。すなわち、バリア領域34がドリフト領域38に直接繋がっていてもよい。
また、上述した実施形態の半導体装置10は、ピラー領域35の周囲を囲むようにコンタクト領域32が形成されていた。しかしながら、コンタクト領域32は、所定の方向(例えば、x方向またはy方向)においてピラー領域35の両側に形成されていればよく、ピラー領域35の周囲全体に配置されている必要はない。また、所定の方向においてコンタクト領域32がピラー領域35の両側に配置される場合には、その所定の方向において浅い位置のn型不純物注入領域35bを深い位置のn型不純物注入領域35aよりも広い範囲に形成すればよい。
また、上述した実施形態では、下部ボディ領域36、バリア領域34及び上部ボディ領域33をイオン注入と活性化アニールにより形成した。しかしながら、これらのうちの一部または全部を、エピタキシャル成長によって形成してもよい。
また、上述した実施形態では、p型不純物注入領域36a、n型不純物注入領域34a、p型不純物注入領域33a、n型不純物注入領域35a、n型不純物注入領域35b、p型不純物注入領域32a、n型不純物注入領域30aの順にイオン注入を実施したが、イオン注入の順序は自由に変更することができる。また、上述した実施形態では、一度の熱処理工程で、これらの全ての領域の不純物を活性化させた。しかしながら、一部の領域に対する熱処理を別工程で行ってもよい。
また、上述した実施形態では、ダイオードとIGBTを備える半導体装置について説明したが、IGBTを有さないダイオードの製造工程において、本明細書に開示の技術を用いてもよい。
また、上述した実施形態では、n型不純物注入領域35aに対する注入工程において使用したマスク60を、開口部60aを拡大した後にn型不純物注入領域35bに対する注入工程でも使用した。しかしながら、これらの工程で別のマスクを用いてもよい。
また、上述した実施形態では、上部ボディ領域33に対するイオン注入時にピラー領域35にもp型不純物が注入されたが、ピラー領域35にp型不純物が注入されなくてもよい。
また、上述した実施形態では、ピラー領域35が上部電極22にショットキー接触していたが、ピラー領域35が上部電極22にオーミック接触していてもよい。
上述した実施形態の各要素と請求項の各要素の関係について説明する。実施形態の上部ボディ領域33は、請求項のボディ領域の一例である。実施形態の拡大前の開口部60aは、請求項の第1範囲の一例である。実施形態の拡大後の開口部60aは、請求項の第2範囲の一例である。実施形態の開口部62aは、請求項の第3範囲の一例である。実施形態のp型不純物注入領域33aに対するp型不純物の注入範囲(IGBT及びダイオードを形成すべき領域の上部全域)は、請求項の第4範囲の一例である。実施形態の深さD1は、請求項の第1深さ及び第4深さの一例である。実施形態の深さD2は、請求項の第2深さ及び第3深さの一例である。実施形態の上部電極22は、請求項のアノード電極の一例である。
本明細書が開示する技術要素について、以下に列記する。なお、以下の各技術要素は、それぞれ独立して有用なものである。
本明細書が開示する一例の方法は、第4注入工程と、第2熱処理工程をさらに有する。第4注入工程では、第2範囲と第3範囲とを一部に含む第4範囲の半導体基板の上面に対して、第2深さ及び第3深さよりも深い第4深さにp型不純物を注入する。第2熱処理工程では、半導体基板を熱処理することによって、第4注入工程でp型不純物を注入した領域の一部に第2p型領域を形成する。第2p型領域は、ボディ領域となる。第1注入工程では、第2注入工程よりも高濃度にn型不純物を注入する。
なお、第2熱処理工程は、第1熱処理工程と同時に実施されてもよい。
この方法では、第4注入工程において第4範囲の半導体基板の上面に対して深い位置(第4深さ)にp型不純物を注入し、第2熱処理工程においてp型不純物を活性化させることでボディ領域を形成する。第4注入工程では、ピラー領域とボディ領域を区別することなく、ピラー領域とボディ領域を形成すべき範囲全体(すなわち、第2範囲と第3範囲を含むこれらよりも広い第4範囲)にp型不純物を注入する。このようにボディ領域とピラー領域の区別なくp型不純物を注入することで、ボディ領域形成工程専用のマスクが不要となる。このように深い位置(第4深さ)にp型不純物を注入してボディ領域を形成すると、ピラー領域内において第2深さ(浅い位置)よりも第1深さ(深い位置)で高濃度となるようにp型不純物が分布する。また、第1注入工程では、第2注入工程よりも高濃度にn型不純物を注入する。このようにn型不純物を注入すると、ピラー領域内において、浅い位置ではn型不純物濃度が低く、深い位置ではn型不純物濃度が高くなる。このようなn型不純物濃度分布でも、ピラー領域を形成すべき領域の全体をn型化することができ、好適にピラー領域を形成することができる。また、p型不純物濃度が高いコンタクト領域に対してn型不純物濃度が高い領域が隣接すると、これらの界面のpn接合において障壁が小さくなり、このpn接合を介して電流がリークする。これに対し、上記のようにピラー領域の浅い位置のn型不純物濃度を低くすることで、電流リークを抑制することができる。さらに、仮に、深い位置のピラー領域の幅が浅い位置のピラー領域の幅よりも極端に広ければ、深い位置のピラー領域の上部にコンタクト領域が存在し、これらが隣接することになる。つまり、p型不純物濃度が高いコンタクト領域とn型不純物濃度が高い深い位置のピラー領域が上下方向に隣接し、これらの間の界面で電流がリークする。しかしながら、この方法では浅い位置と深い位置とでピラー領域の幅に差が生じ難いので、深い位置のピラー領域がコンタクト領域に隣接することを抑制することができる。したがって、これらの間におけるリーク電流を抑制することができる。
本明細書が開示する一例の方法では、ボディ領域及びピラー領域の形成後において、第2深さにおけるピラー領域内のn型不純物濃度が、第1深さにおけるピラー領域内のp型不純物濃度よりも低い。
このように、浅い位置(すなわち、第2深さ)におけるピラー領域のn型不純物濃度を低くすることで、リーク電流をより好適に抑制することができる。
本明細書が開示する一例の方法によって製造されるダイオードは、複数のトレンチゲートと、エミッタ領域と、コレクタ領域をさらに有する。複数のトレンチゲートの各々は、ボディ領域とバリア領域に接している。エミッタ領域は、複数のトレンチゲートの間に配置され、トレンチゲートに接しており、アノード電極と接しているn型領域である。コレクタ領域は、バリア領域よりも下側に位置するp型領域である。コンタクト領域及びピラー領域が、複数のトレンチゲートの間に配置されている。
なお、複数のトレンチゲート、エミッタ領域及びコレクタ領域は、どのような工程によって形成してもよく、どのようなタイミングで形成してもよい。
この方法によって製造されるダイオードの内部には、トレンチゲート、エミッタ領域、ボディ領域、バリア領域及びコレクタ領域によって、IGBTが形成されている。上述したように、この方法ではピラー領域の幅を均一化することが可能であるので、複数のトレンチゲートの間の間隔を狭めることができる。このようにトレンチゲートの間隔を狭くすることで、IGBTのオン電圧を低減することができる。
本明細書が開示する一例の方法では、前記第1注入工程では、開口部を有するマスクを介してn型不純物を注入し、前記第2注入工程では、前記マスクをエッチングして前記開口部を拡大し、前記エッチング後の前記マスクを介してn型不純物を注入する。
この方法によれば、第1注入工程と第2注入工程とでマスクを作り直す必要が無い。開口部の幅を広げるだけで共通のマスクを用いることができる。したがって、効率的にダイオードを製造することができる。
以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの1つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。
10 :半導体装置
12 :半導体基板
14 :トレンチ
16 :ゲート絶縁膜
18 :ゲート電極
20 :層間絶縁膜
22 :上部電極
26 :下部電極
30 :エミッタ領域
32 :コンタクト領域
33 :上部ボディ領域
34 :バリア領域
35 :ピラー領域
36 :下部ボディ領域
38 :ドリフト領域
39 :バッファ領域
40 :コレクタ領域
42 :カソード領域

Claims (5)

  1. ダイオードの製造方法であって、
    前記ダイオードが、
    アノード電極と、
    前記アノード電極に接するp型のコンタクト領域と、
    前記コンタクト領域の下側に位置し、前記コンタクト領域よりもp型不純物濃度が低いp型のボディ領域と、
    前記ボディ領域の下側に位置するn型のバリア領域と、
    前記アノード電極に接する位置から前記コンタクト領域と前記ボディ領域を貫通して前記バリア領域まで伸びているn型のピラー領域、
    を有し、
    前記製造方法が、
    第1範囲の半導体基板の上面に対して、第1深さにn型不純物を注入する第1注入工程と、
    前記第1範囲を一部に含む第2範囲の前記上面に対して、前記第1深さよりも浅い第2深さにn型不純物を注入する第2注入工程と、
    前記第2範囲の両側に位置する第3範囲の前記上面に対して、前記第1深さよりも浅い第3深さに、前記第2注入工程で注入したn型不純物よりも高濃度にp型不純物を注入する第3注入工程と、
    前記半導体基板を熱処理することによって、前記第3注入工程でp型不純物を注入した領域に第1p型領域を形成し、前記第1注入工程と前記第2注入工程でn型不純物を注入した領域の一部に第1n型領域を形成する第1熱処理工程、
    を有し、
    前記第1p型領域が前記コンタクト領域となり、前記第1n型領域が前記ピラー領域となる、
    ダイオードの製造方法。
  2. 前記製造方法が、
    前記第2範囲と前記第3範囲とを一部に含む第4範囲の前記上面に対して、前記第2深さ及び前記第3深さよりも深い第4深さにp型不純物を注入する第4注入工程と、
    前記半導体基板を熱処理することによって、前記第4注入工程でp型不純物を注入した領域の一部に第2p型領域を形成する第2熱処理工程、
    をさらに有し、
    前記第2p型領域が、前記ボディ領域となり、
    前記第1注入工程では、前記第2注入工程よりも高濃度にn型不純物を注入する、
    請求項1の製造方法。
  3. 前記ボディ領域及び前記ピラー領域の形成後において、前記第2深さにおける前記ピラー領域内のn型不純物濃度が、前記第1深さにおける前記ピラー領域内のp型不純物濃度よりも低い請求項2の製造方法。
  4. 前記ダイオードが、
    前記ボディ領域と前記バリア領域に接する複数のトレンチゲートと、
    前記複数のトレンチゲートの間に配置され、前記トレンチゲートに接し、前記アノード電極と接するn型のエミッタ領域と、
    前記バリア領域よりも下側に位置するp型のコレクタ領域、
    をさらに有し、
    前記コンタクト領域及び前記ピラー領域が、前記複数のトレンチゲートの間に配置されている、
    請求項1〜3の何れか一項の製造方法。
  5. 前記第1注入工程では、開口部を有するマスクを介してn型不純物を注入し、
    前記第2注入工程では、前記マスクをエッチングして前記開口部を拡大し、前記エッチング後の前記マスクを介してn型不純物を注入する、
    請求項1〜4の何れか一項の製造方法。
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