JP2018056211A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バッファ領域の欠陥を好適に回復させる。【解決手段】本明細書が開示するダイオードとＩＧＢＴが形成された半導体基板を有する半導体装置の製造方法の一形態は、半導体基板の第１面にｐ型不純物を注入してＩＧＢＴのコレクタ領域を形成する工程と、第１面にｎ型不純物を注入してダイオードのカソード領域を形成する工程と、コレクタ領域およびカソード領域を第１面にグリーンレーザを照射してアニールする工程と、ｎ型不純物を注入してコレクタ領域およびカソード領域における第１面の側の反対側にバッファ領域を形成する工程と、バッファ領域を第１面に赤外線レーザを照射してアニールする工程を備える。【選択図】図１

Description

本明細書が開示する技術は、ダイオードとＩＧＢＴが形成された半導体基板を有する半導体装置の製造方法に関する。

従来から、ダイオードとＩＧＢＴ（Insulated gate Bipolar Transistor）が形成された半導体基板を有する半導体装置が知られている（例えば、特許文献１）。このような半導体装置は、一般に、ＲＣ−ＩＧＢＴ（Reverse Conducting-IGBT）と呼ばれる。このＲＣ−ＩＧＢＴでは、半導体基板の第１面に露出する範囲内に、ダイオードのカソード領域と、ＩＧＢＴのコレクタ領域が形成されている。カソード領域およびコレクタ領域が露出する面には、カソード領域およびコレクタ領域に導通する共通電極が形成されている。

特許文献１に記載された半導体装置では、共通電極のカソード領域に導通する部分（第１導体層）の仕事関数を共通電極のコレクタ領域に導通する部分（第２導体層）の仕事関数より小さくすることで、カソード領域に形成される非結晶質化した欠陥の発生を抑制している。

特開２０１３−１４５８５１号公報

特許文献１に記載された半導体装置では、カソード領域に導通する第１導体層と、コレクタ領域に導通する第２導体層とを別々に作る必要があり、半導体装置の製造コストが高くなってしまう。

本明細書が開示するダイオードとＩＧＢＴが形成された半導体基板を有する半導体装置の製造方法は、半導体基板の第１面に、ｐ型不純物を注入してＩＧＢＴのコレクタ領域を形成する工程と、第１面に、ｎ型不純物を注入してダイオードのカソード領域を形成する工程と、を備える。また、この製造方法は、コレクタ領域およびカソード領域を、前記第１面にグリーンレーザを照射してアニールする工程と、ｎ型不純物を注入して、コレクタ領域およびカソード領域における第１面の側の反対側にバッファ領域を形成する工程と、バッファ領域を、前記第１面に赤外線レーザを照射してアニールする工程と、を備える。

この形態の半導体装置の製造方法によれば、赤外線レーザよりも波長の短いグリーンレーザのアニールによってコレクタ領域とカソード領域の欠陥を回復させた後に、赤外線レーザのアニールによってバッファ領域の欠陥を回復させる。赤外線レーザは、グリーンレーザよりも波長が長いため、深い位置に存在するバッファ領域の欠陥を回復させることができる。この方法によれば、共通電極の作り分けを行うことなく、コレクタ領域、カソード領域及びバッファ領域の欠陥を回復させることができる。

本実施形態の半導体装置の厚さ方向に沿った断面図である。 本実施例の半導体装置の製造方法のフローチャートである。 カソード領域およびコレクタ領域に不純物が注入された状態の半導体基板の断面のイメージ図である。 ｎ型不純物が注入されてバッファ領域が形成される場合の半導体基板の断面のイメージ図である。 比較例の半導体装置の製造方法のフローチャートである。 ＩＲレーザが照射される前のバッファ領域とカソード領域とコレクタ領域とが形成された状態の半導体基板の断面のイメージ図である。 比較例においてＩＲレーザが照射された後の半導体基板の断面のイメージ図である。 グリーンレーザが照射された後の半導体基板の断面のイメージ図である。

図１は、本実施形態の半導体装置１０の厚さ方向に沿った断面図である。半導体装置１０は、半導体基板１２と、半導体基板１２の表面１２ａ（図１における上側の面）および裏面１２ｂ（図１における下側の面）に形成された電極、絶縁体等によって構成されている。半導体基板１２は、ＩＧＢＴが形成されているＩＧＢＴ領域１６と、ダイオードが形成されているダイオード領域１８を備えている。すなわち、半導体装置１０は、いわゆるＲＣ−ＩＧＢＴである。図１では、半導体装置１０の厚さ方法に平行で、裏面１２ｂ側から表面１２ａに向かう方向をＺ軸と定義し、Ｚ軸に直交するＸ軸およびＹ軸を定義したＸＹＺ軸座標が示されている。Ｙ軸は、図１の紙面手前側から紙面奥側に向かう軸であり、Ｘ軸は、紙面左側から紙面右側へと向かう軸である。図１に示すＸＹＺ軸座標は、図３以降で示されるＸＹＺ軸座標と相関関係にある。

半導体基板１２は、シリコンにより形成されている。半導体基板１２の表面１２ａには、複数のトレンチ４０が形成されている。各トレンチ４０は、半導体装置１０のＹ方向に沿って平行に伸びている。

ＩＧＢＴ領域１６内の各トレンチ４０の内面は、ゲート絶縁膜４２に覆われている。ＩＧＢＴ領域１６内の各トレンチ４０の内部には、ゲート電極４４が配置されている。ゲート電極４４は、ゲート絶縁膜４２によって半導体基板１２から絶縁されている。ゲート電極４４の表面は、層間絶縁膜４６に覆われている。

ダイオード領域１８内の各トレンチ４０の内面は、絶縁膜５２に覆われている。ダイオード領域１８内の各トレンチ４０の内部には、制御電極５４が配置されている。制御電極５４は、絶縁膜５２によって半導体基板１２から絶縁されている。制御電極５４の表面は、層間絶縁膜５６に覆われている。制御電極５４の電位は、ゲート電極４４の電位から独立して制御される。

半導体基板１２の表面１２ａには、上部電極６０が形成されている。上部電極６０は、層間絶縁膜４６によってゲート電極４４から絶縁されており、層間絶縁膜５６によって制御電極５４から絶縁されている。半導体基板１２の裏面１２ｂには、下部電極６２が形成されている。

ＩＧＢＴ領域１６の内部には、エミッタ領域２０、ボディ領域２２、ドリフト領域２８、バッファ領域３０及びコレクタ領域３２が形成されている。

エミッタ領域２０は、ｎ型領域であり、半導体基板１２の表面１２ａに露出している。エミッタ領域２０は、上部電極６０にオーミック接触している。エミッタ領域２０は、ゲート絶縁膜４２に接している。

ボディ領域２２は、ボディコンタクト領域２２ａと低濃度ボディ領域２２ｂを有している。ボディコンタクト領域２２ａは、高濃度のｐ型不純物を含有するｐ型領域である。ボディコンタクト領域２２ａは、半導体基板１２の表面１２ａに露出している。ボディコンタクト領域２２ａは、エミッタ領域２０に隣接している。ボディコンタクト領域２２ａは、上部電極６０にオーミック接触している。低濃度ボディ領域２２ｂは、ボディコンタクト領域２２ａよりもｐ型不純物濃度が低いｐ型領域である。低濃度ボディ領域２２ｂは、エミッタ領域２０とボディコンタクト領域２２ａの下側に形成されている。低濃度ボディ領域２２ｂは、エミッタ領域２０の下側でゲート絶縁膜４２に接している。

ドリフト領域２８は、エミッタ領域２０及びバッファ領域３０よりも低濃度のｎ型不純物を含有するｎ型領域である。ドリフト領域２８は、低濃度ボディ領域２２ｂの下側に形成されている。ドリフト領域２８は、低濃度ボディ領域２２ｂによってエミッタ領域２０から分離されている。ドリフト領域２８は、低濃度ボディ領域２２ｂの下側において、トレンチ４０の下端部のゲート絶縁膜４２と接している。

バッファ領域３０は、ドリフト領域２８よりも高濃度のｎ型不純物を含有するｎ型領域である。バッファ領域３０は、ドリフト領域２８の下側に形成されている。

コレクタ領域３２は、高濃度のｐ型不純物を含有するｐ型領域である。コレクタ領域３２は、バッファ領域３０の下側に形成されている。コレクタ領域３２は、半導体基板１２の裏面１２ｂに露出している。コレクタ領域３２は、下部電極６２にオーミック接触している。

ＩＧＢＴ領域１６内には、エミッタ領域２０、ボディ領域２２、ドリフト領域２８、バッファ領域３０、コレクタ領域３２及びゲート電極４４等によって、上部電極６０と下部電極６２の間に接続されたＩＧＢＴが形成されている。半導体装置１０がＩＧＢＴとして動作する場合には、上部電極６０がエミッタ電極であり、下部電極６２がコレクタ電極である。

ダイオード領域１８の内部には、アノード領域３４、ドリフト領域２８、バッファ領域３０及びカソード領域３６が形成されている。

アノード領域３４は、アノードコンタクト領域３４ａと低濃度アノード領域３４ｂを有している。アノードコンタクト領域３４ａは、高濃度のｐ型不純物を含有するｐ型領域である。アノードコンタクト領域３４ａは、半導体基板１２の表面１２ａに露出している。アノードコンタクト領域３４ａは、上部電極６０にオーミック接触している。低濃度アノード領域３４ｂは、アノードコンタクト領域３４ａよりもｐ型不純物濃度が低いｐ型領域である。低濃度アノード領域３４ｂは、アノードコンタクト領域３４ａの周囲に形成されている。低濃度アノード領域３４ｂは、絶縁膜５２に接している。

ダイオード領域１８内のドリフト領域２８は、ＩＧＢＴ領域１６内のドリフト領域２８と繋がっている。ダイオード領域１８内のドリフト領域２８は、低濃度アノード領域３４ｂの下側に形成されており、トレンチ４０の下端部近傍の絶縁膜５２と接している。

ダイオード領域１８内のバッファ領域３０は、ＩＧＢＴ領域１６内のバッファ領域３０と繋がっている。ダイオード領域１８内のバッファ領域３０は、ドリフト領域２８の下側に形成されている。

カソード領域３６は、バッファ領域３０よりも高濃度のｎ型不純物を含有するｎ型領域である。カソード領域３６は、バッファ領域３０の下側に形成されている。カソード領域３６は、コレクタ領域３２に隣接している。カソード領域３６は、半導体基板１２の裏面１２ｂに露出している。カソード領域３６は、下部電極６２にオーミック接触している。

ダイオード領域１８内には、アノード領域３４、ドリフト領域２８、バッファ領域３０及びカソード領域３６等によって、上部電極６０と下部電極６２の間に接続されたｐｎダイオードが形成されている。半導体装置１０がダイオードとして動作する場合には、上部電極６０がアノード電極であり、下部電極６２がカソード電極である。すなわち、ダイオードは、ＩＧＢＴに対して逆並列に接続されている。

次に、半導体装置１０の製造方法について説明する。図２は、本実施例の半導体装置１０の製造方法のフローチャートである。半導体装置１０の製造方法では、半導体装置１０は、加工前の半導体基板１２を基として製造される。加工前の半導体基板１２の全体は、ドリフト領域２８と略同じｎ型不純物濃度を有している。

半導体装置１０の製造方法では、初めに、半導体基板１２に複数のトレンチ４０が形成される（ステップＳ１１）。半導体基板１２の表面１２ａが選択的にエッチングされることによって、トレンチ４０が形成される。トレンチが形成された後に、トレンチ４０の内面を覆うようにゲート絶縁膜４２および絶縁膜５２が形成される。その後、トレンチ４０内にゲート電極４４および制御電極５４が形成される。

トレンチ４０が形成されると、表面１２ａから半導体基板１２に不純物が注入されてボディ領域２２、エミッタ領域２０、およびアノード領域３４が形成される（図２のステップＳ１３）。その後、半導体基板１２の表面１２ａに上部電極６０が形成される（ステップＳ１５）。

上部電極６０が形成されると、半導体基板１２の裏面１２ｂ側からダイオード領域１８に対してｐ型不純物が注入されることによって、コレクタ領域３２が形成される（ステップＳ１７）。

次に、半導体基板１２の裏面１２ｂ側からＩＧＢＴ領域１６に対してｎ型不純物が注入されることによって、カソード領域３６が形成される（ステップＳ１９）。

図３は、カソード領域３６およびコレクタ領域３２に不純物が注入された状態の半導体基板１２の断面を示している。図３に示すように、カソード領域３６には、カソード領域３６に注入されたｎ型不純物３６Ｉが「×」印で示されている。同じように、コレクタ領域３２には、コレクタ領域３２に注入されたｐ型不純物３２Ｉが「×」印で示されている。カソード領域３６の単位体積あたりにおけるｎ型不純物３６Ｉの数がコレクタ領域３２の単位体積あたりにおけるｐ型不純物３２Ｉよりも多いのは、カソード領域３６に注入されたｎ型不純物３６Ｉの濃度がコレクタ領域３２に注入されたｐ型不純物３２Ｉの濃度よりも高いからである。なお、この時点でのｎ型不純物３６Ｉおよびｐ型不純物３２Ｉは、活性化していない。

ステップＳ１７およびステップＳ１９の処理が行われると、半導体基板１２の裏面１２ｂにグリーンレーザが照射されて、半導体基板１２がアニールされる（ステップＳ２１）。グリーンレーザが半導体基板１２に照射されることで、コレクタ領域３２におけるｐ型不純物３２Ｉおよびカソード領域３６におけるｎ型不純物３６Ｉが活性化されるとともに、コレクタ領域３２およびカソード領域３６の内部の欠陥が回復する。

次に、半導体基板１２の裏面１２ｂ側から半導体基板１２に対してｎ型不純物が注入されることによってバッファ領域３０が形成される（ステップＳ２３）。バッファ領域３０に注入されるｎ型不純物の濃度は、カソード領域３６に注入されるｎ型不純物の濃度よりも低い。

図４は、ｎ型不純物３０Ｉが注入されてバッファ領域３０が形成される場合の半導体基板１２の断面を示している。ステップＳ２１の処理によって、コレクタ領域３２およびカソード領域３６の欠陥が除去されており、また、コレクタ領域３２およびカソード領域３６に注入された不純物が活性化している。したがって、図４の状態では、図３で示した活性化していないｎ型不純物３６Ｉおよびｐ型不純物３２Ｉがほとんど存在しない。

バッファ領域３０が形成されると、半導体基板１２の裏面１２ｂにＩＲレーザ（赤外線レーザ）が照射され、半導体基板１２がアニールされる（図２のステップＳ２５）。グリーンレーザの波長よりも長い波長を有するＩＲレーザは、グリーンレーザよりも深い位置まで到達する。ＩＲレーザが照射されることで、バッファ領域３０が加熱される。これによって、バッファ領域３０におけるｎ型不純物３０Ｉが活性化されるとともに、バッファ領域３０内の欠陥が回復する。

その後、半導体基板１２の裏面１２ｂに下部電極６２が形成されると（ステップＳ２７）、図１に示す半導体装置１０が完成する。

図５は、比較例の半導体装置１０の製造方法のフローチャートである。比較例の半導体装置１０の製造方法は、バッファ領域３０、コレクタ領域３２及びカソード領域３６が形成された後にＩＲレーザによるアニールとグリーンレーザによるアニールとが行われる点で本実施例の半導体装置１０の製造方法と異なり、他の処理については、本実施例と同じである。そのため、比較例の半導体装置１０の製造方法では、本実施例の半導体装置１０の製造方法と同じ処理については説明を簡略化し、異なる処理について詳細に説明する。

比較例の半導体装置１０の製造方法では、上部電極６０が形成されると（ステップＳ４５）、裏面１２ｂ側から半導体基板１２に対してｎ型不純物が注入されることによってバッファ領域３０が形成される（ステップＳ４７）。次に、裏面１２ｂ側から半導体基板１２に対してｐ型不純物が注入されることによってコレクタ領域３２が形成される（ステップＳ４９）。次に、裏面１２ｂ側から半導体基板１２に対してｎ型不純物が注入されることによってカソード領域３６が形成される（ステップＳ５１）。すなわち、比較例では、本実施例と異なり、グリーンレーザによるアニールが行われる前に、バッファ領域３０が形成されている。

図６は、比較例の製造方法において、ＩＲレーザが照射される前のバッファ領域３０とカソード領域３６とコレクタ領域３２とが形成された状態の半導体基板１２の断面のイメージ図である。図６に示すように、バッファ領域３０には、活性化していないｎ型不純物３０Ｉが存在し、カソード領域３６には、活性化していないｎ型不純物３６Ｉが存在し、コレクタ領域３２には、活性化していないｐ型不純物３２Ｉが存在している。

次に、半導体基板１２の裏面１２ｂに対してＩＲレーザが照射されてアニールが行われる（ステップＳ５３）。裏面１２ｂに対して照射されたＩＲレーザはカソード領域３６及びコレクタ領域３２内に存在する欠陥（活性化していない不純物３６Ｉ、３２Ｉや格子欠陥等）によって遮断されるため、カソード領域３６及びコレクタ領域３２内でＩＲレーザの強度が減衰する。このため、バッファ領域３０に十分な強度のＩＲレーザが到達せず、バッファ領域３０を十分に加熱できない。したがって、バッファ領域３０内の不純物を十分に活性化することができず、また、バッファ領域３０内の欠陥を十分に回復させることができない。特に、カソード領域３６内に高密度に欠陥が存在しているので、ダイオード領域１８内のバッファ領域３０において、不純物を十分に活性化できず、欠陥を十分に回復させることができない。図７は、比較例においてＩＲレーザが照射された後の半導体基板１２の断面を示している。図７に示すように、ＩＲレーザが照射された後も、バッファ領域３０には、活性化されていないｎ型不純物３０Ｉが残る。

ＩＲレーザによるアニールが行われると、半導体基板１２の裏面１２ｂにグリーンレーザが照射されてアニールが行われる（図５のステップＳ５５）。グリーンレーザによるアニールによって、実施例と同じように、カソード領域３６におけるｎ型不純物３６Ｉおよびコレクタ領域３２におけるｐ型不純物３２Ｉが活性化される。

図８は、グリーンレーザが照射された後の半導体基板１２の断面を示している。図８に示すように、グリーンレーザが照射されることで、カソード領域３６におけるｎ型不純物３６Ｉおよびコレクタ領域３２におけるｐ型不純物３２Ｉは活性化されるものの、バッファ領域３０に活性化されなかったｎ型不純物３０Ｉが残る。

グリーンレーザが照射されると、半導体基板１２に対して下部電極６２が形成されて（図５のステップＳ５７）、半導体装置１０が完成する。

以上説明したように、本実施例の半導体装置１０の製造方法では、コレクタ領域３２とカソード領域３６への不純物注入、裏面１２ｂへのグリーンレーザの照射、バッファ領域３０への不純物注入、裏面１２ｂへのＩＲレーザの照射の順に工程が実施される。そのため、カソード領域３６及びコレクタ領域３２の欠陥を回復させた後に、バッファ領域への不純物注入とＩＲレーザによるバッファ領域３０の欠陥を回復が行われる。したがって、比較例の問題（カソード領域３６及びコレクタ領域３２内の欠陥によってＩＲレーザが遮断され、バッファ領域３０の不純物の活性化と欠陥の回復を十分にできないという問題）が生じない。

また、本実施例では、コレクタ領域３２とカソード領域３６への不純物注入後にこれらの領域のアニール（グリーンレーザによるアニール）を実施し、その後にバッファ領域３０への不純物注入とアニール（ＩＲレーザによるアニール）を実施する。このため、グリーンレーザによるアニールがバッファ領域３０の不純物の活性化に影響せず、また、ＩＲレーザによるアニールがコレクタ領域３２とカソード領域３６の不純物の活性化に影響し難い。このため、半導体装置１０の特性のばらつきを抑制することができる。

また、本実施例では、グリーンレーザによるアニールの後に、ＩＲレーザによるアニールが行われる。このため、グリーンレーザによるアニール時に半導体基板１２に温度ムラが発生し難く、半導体基板１２の裏面１２ｂに凹凸形状が発生することを抑制できる。つまり、ＩＲレーザによるアニールをグリーンレーザによるアニールよりも先に行うと、ＩＲレーザによるアニールに起因する欠陥（少量の欠陥）が半導体基板内に不均一に生成される。その後にグリーンレーザによるアニールを行うと、不均一に存在する欠陥の影響によって半導体基板内の温度分布が不均一となる。このため、グリーンレーザによるアニールで半導体基板の裏面１２ｂが溶融して凝固するときに、裏面１２ｂが凹凸形状となる。これに対し、本実施例では、裏面１２ｂの凹凸形状の問題を抑制することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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様々に変形、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、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合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し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：半導体装置
１２：半導体基板
１２ａ：表面
１２ｂ：裏面
１６：ＩＧＢＴ領域
１８：ダイオード領域
２０：エミッタ領域
２２：ボディ領域
２２ａ：ボディコンタクト領域
２２ｂ：低濃度ボディ領域
２６：ドリフト領域
２８：低濃度ドリフト領域
３０：バッファ領域
３２：コレクタ領域
３４：アノード領域
３４ａ：アノードコンタクト領域
３４ｂ：低濃度アノード領域
３６：カソード領域
３０Ｉ，３６Ｉ：活性化していないｎ型不純物
３２Ｉ：活性化していないｐ型不純物
４０：トレンチ
４２：ゲート絶縁膜
４４：ゲート電極
４６：層間絶縁膜
５２：絶縁膜
５４：制御電極
５６：層間絶縁膜
６０：上部電極
６２：下部電極

Claims (1)

1. ダイオードとＩＧＢＴが形成された半導体基板を有する半導体装置の製造方法であって、
   前記半導体基板の第１面に、ｐ型不純物を注入して前記ＩＧＢＴのコレクタ領域を形成する工程と、
   前記第１面に、ｎ型不純物を注入して前記ダイオードのカソード領域を形成する工程と、
   前記コレクタ領域および前記カソード領域を、前記第１面にグリーンレーザを照射してアニールする工程と、
   ｎ型不純物を注入して、前記コレクタ領域および前記カソード領域における前記第１面の側の反対側にバッファ領域を形成する工程と、
   前記バッファ領域を、前記第１面に赤外線レーザを照射してアニールする工程と、を備える製造方法。

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