JP2018117147A - Semiconductor device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device capable of stabilizing electrical characteristics while showing the original performance of the semiconductor device, by removing metal impurities of the substrate with a simple method.SOLUTION: A semiconductor device includes a drift layer formed in the active region of a substrate, a MOS structure formed on the upper surface side of the drift layer and having a trench gate, a buffer layer in contact with the lower surface of the drift layer, and a collector layer in contact with the lower surface of the buffer layer. Lifetime of carriers in the drift layer satisfies following mathematical formula 1, where τ (sec) is the lifetime of carriers in the drift layer, and t(m) is the thickness of the drift layer.SELECTED DRAWING: Figure 16

Description

この発明は、高電圧、大電流のスイッチングなどに用いられる半導体装置(例えばIGBT又はダイオード)に関する。   The present invention relates to a semiconductor device (for example, IGBT or diode) used for high voltage, large current switching or the like.

特許文献1には、ゲッタリング技術を採用する半導体装置の製造方法が開示されている。このゲッタリング技術によれば、まず半導体ウエハ(基板)の下面にゲッタリングサイトを形成する。その後、基板に熱処理を施して基板中の金属不純物をゲッタリングサイトで捕獲する。その後、金属不純物を捕獲したゲッタリングサイトであるコンタミネイテッドレイヤを除去する。特許文献1に開示の半導体装置の製造方法では、これらの処理を複数回行う。   Patent Document 1 discloses a method for manufacturing a semiconductor device that employs gettering technology. According to this gettering technique, first, gettering sites are formed on the lower surface of a semiconductor wafer (substrate). Thereafter, heat treatment is performed on the substrate to capture metal impurities in the substrate at the gettering site. Thereafter, the contaminated layer, which is a gettering site capturing the metal impurities, is removed. In the method of manufacturing a semiconductor device disclosed in Patent Document 1, these processes are performed a plurality of times.

日本特開平4−218921号公報Japanese Patent Laid-Open No. 4-218921 日本特開平7−263692号公報Japanese Patent Laid-Open No. 7-263692 国際公開第2009−122486号International Publication No. 2009-122486 国際公開第2002−058160号International Publication No. 2002-058160 国際公開第2002−061845号International Publication No. 2002-061845 日本特開2001−085686号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2001-085686 日本特開2010−283131号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2010-283131 日本特開2012−9811号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-9811

特許文献1に開示の半導体装置の製造方法では、ゲッタリングサイトの形成、基板の加熱、及びコンタミネイテッドレイヤの除去を複数回実施する。従って半導体装置の製造工程が複雑化する問題があった。   In the method of manufacturing a semiconductor device disclosed in Patent Document 1, gettering sites are formed, the substrate is heated, and the contaminated layer is removed a plurality of times. Therefore, there is a problem that the manufacturing process of the semiconductor device is complicated.

また、特許文献1に開示の半導体装置の製造方法では、ゲッタリング技術の利用が半導体装置の電気的特性にどのように影響するのか十分検討されていないので、ゲッタリング技術をどのような条件で用いるべきかが明らかでない問題があった。   Further, in the method for manufacturing a semiconductor device disclosed in Patent Document 1, it has not been sufficiently examined how the use of the gettering technology affects the electrical characteristics of the semiconductor device. There was a problem that it was not clear if it should be used.

本発明は上述の問題を解決するためになされたものであり、容易な方法で基板の金属不純物等を除去し半導体装置の持つ本来の性能を示しながら電気的特性を安定化させることができる半導体装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and a semiconductor capable of stabilizing the electrical characteristics while removing the metal impurities and the like of the substrate by an easy method and showing the original performance of the semiconductor device. An object is to provide an apparatus.

本願の発明に係る半導体装置は、基板の活性領域に形成されたドリフト層と、該ドリフト層の上面側に形成され、トレンチゲートを有するMOS構造と、該ドリフト層の下面に接したバッファ層と、該バッファ層の下面に接したコレクタ層とを備え、該ドリフト層中のキャリアのライフタイムは、該ドリフト層中のキャリアのライフタイムをτ[sec]とし、該ドリフト層の層厚をtN-[m]としたときに以下の数式1を満たすことを特徴とする。

Figure 2018117147
A semiconductor device according to the present invention includes a drift layer formed in an active region of a substrate, a MOS structure formed on an upper surface side of the drift layer and having a trench gate, and a buffer layer in contact with the lower surface of the drift layer, A lifetime of carriers in the drift layer is τ [sec], and the thickness of the drift layer is t When N− [m], the following formula 1 is satisfied.
Figure 2018117147

本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。   Other features of the present invention will become apparent below.

この発明によれば、容易な方法で基板の金属不純物等を除去し半導体装置の持つ本来の性能を示しながら電気的特性を安定化させることができる。   According to the present invention, it is possible to remove the metal impurities and the like of the substrate by an easy method and to stabilize the electrical characteristics while showing the original performance of the semiconductor device.

本発明の実施の形態1に係る半導体装置の平面図である。1 is a plan view of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. 図1のII−II線における断面図である。It is sectional drawing in the II-II line of FIG. IGBTのNドリフト層が形成された基板にN層とベース層を形成したことを示す断面図である。It is sectional drawing which shows having formed the N layer and the base layer in the board | substrate with which the N < - > drift layer of IGBT was formed. IGBTにおけるエミッタを形成したことを示す断面図である。It is sectional drawing which shows having formed the emitter in IGBT. IGBTにおけるトレンチを形成したことを示す断面図である。It is sectional drawing which shows having formed the trench in IGBT. IGBTにおけるトレンチをポリシリコンで埋め込んだことを示す断面図である。It is sectional drawing which shows having filled the trench in IGBT with the polysilicon. シリケートガラス又はTEOS膜からなる層間膜を形成したことを示す断面図である。It is sectional drawing which shows having formed the interlayer film which consists of a silicate glass or a TEOS film. 基板下面のNドリフト層を露出させたことを示す断面図である。It is sectional drawing which shows having exposed the N < - > drift layer of the board | substrate lower surface. リンをドーピングしたポリシリコンを形成したことを示す断面図である。It is sectional drawing which shows having formed the polysilicon which doped phosphorus. IGBTにおけるゲッタリング層を形成したことを示す断面図である。It is sectional drawing which shows having formed the gettering layer in IGBT. IGBTにおける前処理アニール工程後の基板の不純物密度を示すグラフである。It is a graph which shows the impurity density of the board | substrate after the pre-processing annealing process in IGBT. IGBTにおける基板上面のドープドポリシリコンを除去したことを示す断面図である。It is sectional drawing which shows having removed the doped polysilicon of the board | substrate upper surface in IGBT. IGBTにおけるコンタクトホールを形成したことを示す断面図である。It is sectional drawing which shows having formed the contact hole in IGBT. IGBTにおけるシリサイド膜等を形成したことを示す断面図である。It is sectional drawing which shows having formed the silicide film | membrane etc. in IGBT. IGBTにおけるゲッタリング層とドープドポリシリコンを除去したことを示す断面図である。It is sectional drawing which shows having removed the gettering layer and doped polysilicon in IGBT. IGBTにおけるバッファ層、コレクタ層、及び電極を形成したことを示す断面図である。It is sectional drawing which shows having formed the buffer layer, collector layer, and electrode in IGBT. オン電圧(VCE(sat))及び耐圧(BVCES)と、Nドリフト層のキャリアライフタイムの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship of ON voltage ( VCE (sat)) and withstand pressure | voltage ( BVCES ), and the carrier lifetime of a N < - > drift layer. 主接合リーク電流(JCES)と、Nドリフト層のキャリアライフタイムの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the main junction leakage current (J CES ) and the carrier lifetime of the N drift layer. ドリフト層の厚みに対するVCE(sat)のキャリアライフタイム依存性がなくなるキャリアライフタイム領域を示すグラフである。N - is a graph showing the carrier lifetime region where the carrier lifetime dependence is eliminated in V CE (sat) to the thickness of the drift layer. ゲッタリング層形成工程の有無によるキャリアライフタイムの相違を示す表である。It is a table | surface which shows the difference in the carrier lifetime by the presence or absence of a gettering layer formation process. オン電圧(VCE(sat))、主接合リーク電流(JCES)、及びターンオフ時のロス(EOFF)のリンをドープしたポリシリコン層厚依存性を示すグラフである。ON voltage (V CE (sat)), the main junction leakage current (J CES), and is a graph showing the doped polysilicon layer thickness dependence phosphorus loss at the turn-off time (E OFF). IGBTの短絡状態で遮断するために必要な最大のゲート電圧からしきい値電圧(Vth)を引いた値(ΔVg(break))と短絡時の最大遮断エネルギー(Esc)のリンをドーピングしたポリシリコン層厚依存性を示すグラフである。Polysilicon doped with phosphorus having a value obtained by subtracting a threshold voltage (Vth) from a maximum gate voltage necessary for blocking in the short-circuit state of the IGBT (ΔVg (break)) and a maximum blocking energy (Esc) at the time of short-circuiting It is a graph which shows layer thickness dependence. オン電圧(VCE(sat))と主接合リーク電流(JCES)へのリンをドープしたポリシリコンの不純物密度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the impurity density dependence of the polysilicon which doped the phosphorus to ON voltage ( VCE (sat)) and the main junction leakage current ( JCES ). 本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造方法で製造された半導体装置と比較例の半導体装置の出力特性を比較するグラフである。4 is a graph comparing output characteristics of a semiconductor device manufactured by the method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention and a semiconductor device of a comparative example. オン電圧(VCE(sat))とターンオフ時のロス(EOFF)とのトレードオフ特性を示すグラフである。Is a graph showing the trade-off characteristic between the ON-state voltage (V CE (sat)) and turn-off loss (E OFF). 本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造方法により製造された複数の半導体装置のJ−VCE特性である。It is a J C -V CE characteristic of a plurality of semiconductor devices manufactured by a manufacturing method of a semiconductor device concerning Embodiment 1 of the present invention. 比較例の半導体装置の製造方法により製造した複数の半導体装置のJ−VCE特性である。It is a J C -V CE characteristic of a plurality of semiconductor devices manufactured with a manufacturing method of a semiconductor device of a comparative example. 本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造方法により製造された複数の半導体装置のJCES−VCES特性グラフである。It is a J CES- V CES characteristic graph of a plurality of semiconductor devices manufactured by a manufacturing method of a semiconductor device concerning Embodiment 1 of the present invention. 比較例の半導体装置の製造方法により製造した複数の半導体装置のJCES−VCES特性である。It is a J CES -V CES characteristic of a plurality of semiconductor devices manufactured with a manufacturing method of a semiconductor device of a comparative example. 6500VクラスIGBTでの電気特性と製造方法との対応を示す表である。It is a table | surface which shows a response | compatibility with the electrical property in 6500V class IGBT, and a manufacturing method. CE(sat)及びJCESの、リンをドーピングしたポリシリコン形成後のアニール工程におけるアニール時間依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the annealing time dependence in the annealing process after the polysilicon doped with phosphorus of V CE (sat) and J CES . ダイオードにおける基板に拡散層を形成したことを示す断面図である。It is sectional drawing which shows having formed the diffused layer in the board | substrate in a diode. ダイオードにおける活性領域にPアノード層を形成したことを示す断面図である。It is sectional drawing which shows having formed the P anode layer in the active region in a diode. ダイオードにおけるN層、TEOS膜、及びドープドポリシリコンを形成したことを示す断面図である。It is sectional drawing which shows having formed the N <+> layer, TEOS film | membrane, and doped polysilicon in the diode. ダイオードにおけるゲッタリング層を形成したことを示す断面図である。It is sectional drawing which shows having formed the gettering layer in a diode. ダイオードにおけるメタル配線を形成したことを示す断面図である。It is sectional drawing which shows having formed the metal wiring in a diode. ダイオードにおけるパッシベーション膜を形成し、ゲッタリング層とドープドポリシリコンを除去したことを示す断面図である。It is sectional drawing which shows that the passivation film in the diode was formed and the gettering layer and the doped polysilicon were removed. ダイオードにおけるNドリフト層の下面に拡散層と電極を形成したことを示す断面図である。It is sectional drawing which shows having formed the diffused layer and the electrode in the lower surface of the N < - > drift layer in a diode. 本発明の実施の形態2に係る半導体装置の製造方法で製造したダイオードと比較例のダイオードの出力特性を比較するグラフである。It is a graph which compares the output characteristic of the diode manufactured with the manufacturing method of the semiconductor device concerning Embodiment 2 of the present invention, and the diode of a comparative example. 実施の形態2に係る製造方法で製造されたダイオードと比較例のダイオードのオン電圧(VF)とターンオフ時のロス(EREC)のトレードオフ特性を比較したグラフである。Is a graph comparing the trade-off characteristics of the loss at the turn-off and turn-on voltage of the diode in the comparative example a diode and manufactured by the method according to the second embodiment (VF) (E REC). IGBTを例として本発明の実施の形態3に係る半導体装置の製造方法におけるゲッタリング層形成工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the gettering layer formation process in the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on Embodiment 3 of this invention using IGBT as an example. 図41に示すゲッタリング層形成工程の有無によるキャリアライフタイムの相違を示す表である。42 is a table showing a difference in carrier lifetime depending on the presence or absence of a gettering layer forming step shown in FIG. ゲッタリング層形成時のレーザー光のパワー密度とNドリフト層20のキャリアライフタイム(τ)との関係を示すグラフである。4 is a graph showing the relationship between the power density of laser light when forming a gettering layer and the carrier lifetime (τ) of an N drift layer 20.

本発明の実施の形態に係る半導体装置とその製造方法について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。   A semiconductor device and a manufacturing method thereof according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The same or corresponding components are denoted by the same reference numerals, and repeated description may be omitted.

実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る半導体装置の平面図である。半導体装置10は、活性領域12と、活性領域12を囲むように形成されたエッジターミネーション領域14を有している。図2は、図1のII−II線における断面図である。半導体装置としてトレンチ構造のIGBTが形成されている。半導体装置はNドリフト層20を有している。Nドリフト層20の不純物密度は例えば1.0×1012〜1.0×1015[cm−3]のいずれかである。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a plan view of a semiconductor device according to Embodiment 1 of the present invention. The semiconductor device 10 has an active region 12 and an edge termination region 14 formed so as to surround the active region 12. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II in FIG. An IGBT having a trench structure is formed as a semiconductor device. The semiconductor device has an N drift layer 20. The impurity density of the N drift layer 20 is, for example, one of 1.0 × 10 12 to 1.0 × 10 15 [cm −3 ].

ドリフト層20の下面には、N型のバッファ層22が形成されている。バッファ層22の下面にはP型のコレクタ層24が形成されている。コレクタ層24の下面には電極26が形成されている。 An N-type buffer layer 22 is formed on the lower surface of the N drift layer 20. A P-type collector layer 24 is formed on the lower surface of the buffer layer 22. An electrode 26 is formed on the lower surface of the collector layer 24.

ドリフト層20の上面にはN層28が形成されている。N層28は、例えばピーク不純物密度が1.0×1015〜1.0×1017[cm−3]のいずれかで、深さは0.5〜5.0[μm]のいずれかである。N層28の上面にはP型のベース層30が形成されている。Pベース層30は、例えばピーク不純物密度が1.0×1016〜1.0×1018[cm−3]のいずれかで、深さはNエミッタ層36より深くN層28より浅くなるように形成する。ベース層30とN層28を縦方向に貫くようにポリシリコン32を埋め込んでいるトレンチ37が形成されている。ポリシリコン32はゲート酸化膜34を介してNドリフト層20、N層28、ベース層30、及びNエミッタ層36と接している。 An N layer 28 is formed on the upper surface of the N drift layer 20. For example, the N layer 28 has a peak impurity density of 1.0 × 10 15 to 1.0 × 10 17 [cm −3 ] and a depth of 0.5 to 5.0 [μm]. is there. A P-type base layer 30 is formed on the upper surface of the N layer 28. For example, the P base layer 30 has a peak impurity density of 1.0 × 10 16 to 1.0 × 10 18 [cm −3 ], and the depth is deeper than the N + emitter layer 36 and shallower than the N layer 28. To form. A trench 37 in which polysilicon 32 is buried so as to penetrate the base layer 30 and the N layer 28 in the vertical direction is formed. Polysilicon 32 is in contact with N drift layer 20, N layer 28, base layer 30, and N + emitter layer 36 through gate oxide film 34.

ベース層30の表面側にはゲート酸化膜34と接するようにN型のNエミッタ層が形成されている。Nエミッタ層36のピーク不純物密度は例えば1.0×1018〜1.0×1021[cm−3]のいずれかであり、深さは概ね0.2〜1.0[μm]のいずれかである。Pベース層30の上面側にはP層38が形成されている。P層38の表面の不純物密度は例えば1.0×1018〜1.0×1021[cm−3]のいずれかである。Nエミッタ層36とP層38(以後、Nエミッタ層36とP38を第1拡散層ということがある)の上面にはシリサイド膜39が形成されている。また、ポリシリコン32には酸化膜32aと酸化膜40を介してバリアメタル42が形成されている。そして、シリサイド膜39と接するようにメタル配線44が形成されている。 An N-type N + emitter layer is formed on the surface side of the base layer 30 so as to be in contact with the gate oxide film 34. The peak impurity density of the N + emitter layer 36 is, for example, one of 1.0 × 10 18 to 1.0 × 10 21 [cm −3 ], and the depth is approximately 0.2 to 1.0 [μm]. Either. A P + layer 38 is formed on the upper surface side of the P base layer 30. The impurity density on the surface of the P + layer 38 is, for example, one of 1.0 × 10 18 to 1.0 × 10 21 [cm −3 ]. A silicide film 39 is formed on the upper surfaces of the N + emitter layer 36 and the P + layer 38 (hereinafter, the N + emitter layer 36 and P + 38 may be referred to as a first diffusion layer). Further, a barrier metal 42 is formed on the polysilicon 32 through an oxide film 32 a and an oxide film 40. A metal wiring 44 is formed so as to be in contact with the silicide film 39.

次いで、本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を説明する。まず、FZ法で形成されたシリコンウエハ(以後、このシリコンウエハ又は処理が施されたシリコンウエハを基板という)を用意する。図3は、Nドリフト層20が形成された基板にN層28とPベース層30を形成したことを示す断面図である。Nドリフト層20にイオン注入及びアニーリング処理を施してN層28とPベース層30を形成する。次の処理に進む。図4は、Nエミッタを形成したことを示す断面図である。基板にイオン注入及びアニーリング処理を施し、Pベース層30の表面側に複数のNエミッタ層36を形成する。 Next, a method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described. First, a silicon wafer formed by the FZ method (hereinafter, this silicon wafer or a silicon wafer subjected to processing is referred to as a substrate) is prepared. FIG. 3 is a cross-sectional view showing that the N layer 28 and the P base layer 30 are formed on the substrate on which the N drift layer 20 is formed. The N - drift layer 20 is subjected to ion implantation and annealing to form an N layer 28 and a P base layer 30. Proceed to the next process. FIG. 4 is a cross-sectional view showing that an N + emitter is formed. The substrate is subjected to ion implantation and annealing to form a plurality of N + emitter layers 36 on the surface side of the P base layer 30.

次の処理に進む。図5は、トレンチを形成したことを示す断面図である。基板の上面に酸化膜31を形成し、写真製版技術を用いてパターニングする。そして、酸化膜31の開口に露出した部分に対しプラズマを用いた反応性イオンエッチングを施し、トレンチ37を形成する。その後、トレンチ37の周辺部の結晶欠陥及びプラズマダメージ層の除去、トレンチ37のボトム部のラウンディング、並びにトレンチ37の内壁の平化を目的にケミカルドライエッチングと犠牲酸化処理を行う。ケミカルドライエッチと犠牲酸化処理に関しては例えば特開平7−263692号公報に開示されている。また適切なトレンチ37の深さについては例えば国際公開2009−122486号に開示されている。   Proceed to the next process. FIG. 5 is a cross-sectional view showing that a trench is formed. An oxide film 31 is formed on the upper surface of the substrate and patterned using a photoengraving technique. Then, reactive ion etching using plasma is performed on the exposed portion of the oxide film 31 to form a trench 37. Thereafter, chemical dry etching and sacrificial oxidation are performed for the purpose of removing crystal defects and plasma damage layers around the trench 37, rounding the bottom of the trench 37, and flattening the inner wall of the trench 37. Chemical dry etching and sacrificial oxidation treatment are disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-263692. A suitable depth of the trench 37 is disclosed in, for example, International Publication No. 2009-122486.

次の処理に進む。図6は、トレンチ37をリンをドープしたポリシリコン32で埋め込んだことを示す断面図である。熱酸化法又はCVD法(例えば、特開2001−085686号公報参照)でトレンチ内壁にゲート酸化膜34を形成する。そして、ゲート酸化膜34に接するように、リンをドープしたポリシリコン32を形成してトレンチを埋める。なお、基板の下面には、ゲート酸化膜34の形成と同時に酸化膜50が形成され、ポリシリコン32の形成と同時にポリシリコン52が形成される。   Proceed to the next process. FIG. 6 is a cross-sectional view showing that the trench 37 is filled with polysilicon 32 doped with phosphorus. A gate oxide film 34 is formed on the inner wall of the trench by a thermal oxidation method or a CVD method (see, for example, JP-A-2001-085686). Then, polysilicon 32 doped with phosphorus is formed so as to be in contact with the gate oxide film 34 to fill the trench. Note that an oxide film 50 is formed simultaneously with the formation of the gate oxide film 34 and a polysilicon 52 is formed simultaneously with the formation of the polysilicon 32 on the lower surface of the substrate.

次の処理に進む。図7は、酸化膜40とTEOS膜41を形成したことを示す断面図である。まず、ポリシリコン32のうちトレンチ37の外に出た部分をエッチングする。エッチング後に基板上面及びトレンチ37の埋め込み表面に露出するポリシリコン32を熱酸化法又はCVD法で酸化もしくは堆積し酸化膜32aを形成する。その後、基板の上面にP層38を形成する。その後、ボロン又はリンがドープされた酸化膜40、及びTEOS膜41をCVD法で形成する。酸化膜40としてTEOS膜又はシリケートガラスを形成してもよい。なお、基板の下面には、酸化膜40、及びTEOS膜41の形成と同時にTEOS膜54が形成される。 Proceed to the next process. FIG. 7 is a cross-sectional view showing that the oxide film 40 and the TEOS film 41 are formed. First, the portion of the polysilicon 32 that has gone out of the trench 37 is etched. After the etching, the polysilicon 32 exposed on the upper surface of the substrate and the buried surface of the trench 37 is oxidized or deposited by a thermal oxidation method or a CVD method to form an oxide film 32a. Thereafter, a P + layer 38 is formed on the upper surface of the substrate. Thereafter, an oxide film 40 doped with boron or phosphorus and a TEOS film 41 are formed by a CVD method. A TEOS film or a silicate glass may be formed as the oxide film 40. A TEOS film 54 is formed on the lower surface of the substrate simultaneously with the formation of the oxide film 40 and the TEOS film 41.

次の処理に進む。図8は、基板下面のNドリフト層20を露出させたことを示す断面図である。フッ酸又は混酸(例えば、フッ酸、硝酸、及び酢酸の混合液)を含有する液体を用いて基板の下面のTEOS膜54、ポリシリコン52、及び酸化膜50をエッチングしてNドリフト層20を露出させる。なお、ここまでの各工程をまとめて製造工程と称する。 Proceed to the next process. FIG. 8 is a cross-sectional view showing that the N drift layer 20 on the lower surface of the substrate is exposed. The N - drift layer 20 is etched by etching the TEOS film 54, the polysilicon 52, and the oxide film 50 on the lower surface of the substrate using a liquid containing hydrofluoric acid or a mixed acid (for example, a mixed liquid of hydrofluoric acid, nitric acid, and acetic acid). To expose. In addition, each process so far is collectively called a manufacturing process.

次の処理に進む。図9は、不純物をドープしたポリシリコン60、62を形成したことを示す断面図である。不純物をドープしたポリシリコン60(以下、不純物をドープしたポリシリコンをドープドポリシリコンと称する)を、基板の下面に露出したNドリフト層20と接するように形成する。このとき基板上面に不所望のドープドポリシリコン62も形成される。ドープドポリシリコン60、62はLPCVD法で形成する。ドープドポリシリコン60、62にドープする不純物としては、ドープドポリシリコン60、62がN層となるようにリン、ヒ素、又はアンチモン等を用いる。ドープドポリシリコン60、62の不純物密度は1×1019[cm−3]以上である。また、ドープドポリシリコン60、62の層厚は500[nm]以上である。 Proceed to the next process. FIG. 9 is a cross-sectional view showing that polysilicon 60 and 62 doped with impurities are formed. A polysilicon 60 doped with impurities (hereinafter, the polysilicon doped with impurities is referred to as doped polysilicon) is formed so as to be in contact with the N drift layer 20 exposed on the lower surface of the substrate. At this time, undesired doped polysilicon 62 is also formed on the upper surface of the substrate. The doped polysilicons 60 and 62 are formed by LPCVD. As an impurity doped into the doped polysilicon 60, 62, phosphorus, arsenic, antimony, or the like is used so that the doped polysilicon 60, 62 becomes an N + layer. The impurity density of doped polysilicon 60 and 62 is 1 × 10 19 [cm −3 ] or more. The layer thickness of doped polysilicon 60 and 62 is 500 [nm] or more.

次の処理に進む。図10は、ゲッタリング層64を形成したことを示す断面図である。窒素雰囲気中において、基板の温度を900〜1000[℃]のいずれかまで加熱してドープドポリシリコン60の不純物をNドリフト層20の下面側へ拡散させる。この拡散により、Nドリフト層20の下面側に結晶欠陥と高濃度不純物を有するゲッタリング層64が形成される。この工程を前処理アニール工程と称する。また、ドープドポリシリコン60を形成する工程と前処理アニール工程をまとめて、ゲッタリング層形成工程と称する。すなわち、ゲッタリング層形成工程とは、基板の下面に露出したNドリフト層20の下面側にゲッタリング層64を形成する工程である。ゲッタリング層64の表面不純物密度は、例えば1.0×1019〜1.0×1022[cm−3]のいずれかである。 Proceed to the next process. FIG. 10 is a cross-sectional view showing that the gettering layer 64 is formed. In a nitrogen atmosphere, the temperature of the substrate is heated to any one of 900 to 1000 [° C.] to diffuse impurities of doped polysilicon 60 to the lower surface side of N drift layer 20. By this diffusion, a gettering layer 64 having crystal defects and high-concentration impurities is formed on the lower surface side of the N drift layer 20. This process is referred to as a pretreatment annealing process. The process of forming doped polysilicon 60 and the pretreatment annealing process are collectively referred to as a gettering layer forming process. That is, the gettering layer forming step is a step of forming the gettering layer 64 on the lower surface side of the N drift layer 20 exposed on the lower surface of the substrate. The surface impurity density of the gettering layer 64 is, for example, one of 1.0 × 10 19 to 1.0 × 10 22 [cm −3 ].

ゲッタリング層形成工程の後に、任意の降温スピードにて基板の温度を600〜700[℃]のいずれかまで下げて、その温度を4時間以上維持する。この工程をアニール工程と称する。アニール工程では、基板を加熱し製造工程にてNドリフト層20に導入された金属不純物、汚染原子、及びダメージを拡散させゲッタリング層64で捕獲する。 After the gettering layer forming step, the temperature of the substrate is lowered to any of 600 to 700 [° C.] at an arbitrary temperature lowering speed, and the temperature is maintained for 4 hours or more. This process is called an annealing process. In the annealing process, the substrate is heated, and metal impurities, contaminating atoms, and damage introduced into the N drift layer 20 in the manufacturing process are diffused and captured by the gettering layer 64.

図11は、前処理アニール工程及びアニール工程後の基板の不純物密度を示すグラフである。ドープドポリシリコン60からNドリフト層20へ不純物が拡散し、Nドリフト層20よりも不純物密度の高いゲッタリング層64が形成されている。ゲッタリング層64の不純物密度の最高値は1×1020[cm−3]程度である。 FIG. 11 is a graph showing the impurity density of the substrate after the pretreatment annealing step and the annealing step. Impurities are diffused from doped polysilicon 60 to N drift layer 20 to form gettering layer 64 having an impurity density higher than that of N drift layer 20. The maximum impurity density of the gettering layer 64 is about 1 × 10 20 [cm −3 ].

次の処理に進む。図12は、基板上面のドープドポリシリコン62を除去したことを示す断面図である。基板上面のドープドポリシリコン(図10のドープドポリシリコン62)はフッ酸又は混酸(例えば、フッ酸/硝酸/酢酸の混合液)の液を用いて選択的に除去する。次の処理に進む。図13は、コンタクトホールを形成したことを示す断面図である。基板の上面側において、酸化膜40及びTEOS膜41を一部エッチングし、第1拡散層の一部を外部に露出させてコンタクトホールを有するトレンチ露出部70を形成する。トレンチ露出部70以外の部分はMOSTr部72である。   Proceed to the next process. FIG. 12 is a cross-sectional view showing that doped polysilicon 62 on the upper surface of the substrate has been removed. The doped polysilicon (doped polysilicon 62 in FIG. 10) on the upper surface of the substrate is selectively removed using a solution of hydrofluoric acid or mixed acid (for example, a mixed solution of hydrofluoric acid / nitric acid / acetic acid). Proceed to the next process. FIG. 13 is a cross-sectional view showing that a contact hole has been formed. On the upper surface side of the substrate, the oxide film 40 and the TEOS film 41 are partially etched to expose a part of the first diffusion layer to the outside to form a trench exposed portion 70 having a contact hole. A portion other than the trench exposed portion 70 is a MOSTr portion 72.

なお、図13に示すように、ポリシリコン32で埋められたトレンチ37が形成された領域に部分的にコンタクトホールを形成する目的は、ポリシリコン32の一部をエミッタ電位とすることで実効的なゲート幅を小さくすること及び容量を調整することである。これにより、飽和電流密度抑制、容量制御による短絡時の発振抑制、短絡耐量向上(詳細は国際公開2002−058160号及び国際公開2002−061845号参照)、及びオン状態のエミッタ側キャリア濃度向上による低オン電圧化が可能となる。   As shown in FIG. 13, the purpose of partially forming a contact hole in the region where the trench 37 filled with the polysilicon 32 is formed is effective by setting a part of the polysilicon 32 as an emitter potential. And reducing the gate width and adjusting the capacitance. As a result, saturation current density suppression, oscillation suppression at the time of short-circuit by capacity control, short-circuit withstand capability improvement (for details, see International Publication Nos. 2002-058160 and 2002-061845), and low emitter-side carrier density improvement in on-state An on-voltage can be achieved.

次の処理に進む。図14は、シリサイド膜等を形成したことを示す断面図である。スパッタリングおよびアニーリングにより、基板上面にシリサイド膜39とバリアメタル42を形成する。スパッタ時のメタルとしてTi、Pt、Co又はWなどの高融点メタル材料を用いる。次に基板上面に、Siを1〜3%程度添加したメタル配線44をスパッタリング法で形成する。メタル配線44の材料は、例えば、AlSi、AlSiCu、又はAlCuである。メタル配線44は、コンタクトホールを介して第1拡散層と電気的に接続されている。次に、エッジターミネーション領域にパッシベーション膜を形成する。   Proceed to the next process. FIG. 14 is a cross-sectional view showing that a silicide film or the like is formed. A silicide film 39 and a barrier metal 42 are formed on the upper surface of the substrate by sputtering and annealing. A refractory metal material such as Ti, Pt, Co or W is used as the metal during sputtering. Next, a metal wiring 44 doped with about 1 to 3% of Si is formed on the upper surface of the substrate by sputtering. The material of the metal wiring 44 is, for example, AlSi, AlSiCu, or AlCu. The metal wiring 44 is electrically connected to the first diffusion layer through a contact hole. Next, a passivation film is formed in the edge termination region.

次の処理に進む。図15は、ゲッタリング層とドープドポリシリコンを除去したことを示す断面図である。基板の下面側に形成されていたゲッタリング層64とドープドポリシリコン60を、研磨又はエッチングにより除去する。このようにゲッタリング層などを除去する工程を除去工程と称する。除去工程では、Nドリフト層20のうちゲッタリング層に接する部分を所望の厚さだけ除去してもよい。これにより基板(Nドリフト層20)の厚みを、半導体装置の耐圧クラスに対応したものとすることができる。 Proceed to the next process. FIG. 15 is a cross-sectional view showing that the gettering layer and doped polysilicon are removed. The gettering layer 64 and the doped polysilicon 60 formed on the lower surface side of the substrate are removed by polishing or etching. The process of removing the gettering layer and the like in this way is referred to as a removal process. In the removing step, a portion of the N drift layer 20 that contacts the gettering layer may be removed by a desired thickness. Thereby, the thickness of the substrate (N drift layer 20) can be made to correspond to the breakdown voltage class of the semiconductor device.

次の処理に進む。図16は、IGBTのバッファ層22、コレクタ層24、及び電極26を形成したことを示す断面図である。基板の下面にバッファ層22を形成する。バッファ層22の下面にP型のコレクタ層24を形成する。コレクタ層24の下面に電極26を形成する。Nドリフト層20の下面側に形成された拡散層であるバッファ層22とコレクタ層24は第2拡散層と称する。最後に、第2拡散層の一部であるコレクタ層24と接するように電極26を形成する。電極26は、半導体装置をモジュールへ搭載する際に、モジュール中の基板等とはんだ接合する部分である。そのため、電極26を複数のメタルを積層させて形成することで低コンタクト抵抗とすることが好ましい。 Proceed to the next process. FIG. 16 is a cross-sectional view showing that the buffer layer 22, the collector layer 24, and the electrode 26 of the IGBT are formed. A buffer layer 22 is formed on the lower surface of the substrate. A P-type collector layer 24 is formed on the lower surface of the buffer layer 22. An electrode 26 is formed on the lower surface of the collector layer 24. The buffer layer 22 and the collector layer 24 that are diffusion layers formed on the lower surface side of the N drift layer 20 are referred to as second diffusion layers. Finally, the electrode 26 is formed so as to be in contact with the collector layer 24 that is a part of the second diffusion layer. The electrode 26 is a portion that is soldered to a substrate or the like in the module when the semiconductor device is mounted on the module. Therefore, it is preferable that the electrode 26 is formed by stacking a plurality of metals to have a low contact resistance.

本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造方法によれば、ゲッタリング層64を形成した後にアニール工程を実施する。基板の上面側に第1拡散層を形成し、成膜し、エッチング処理を施す製造工程においてNドリフト層20に導入された金属不純物、汚染原子、及びダメージは、アニール工程にてゲッタリング層64に捕獲される。ここでいうダメージとは、熱アニール時の熱ストレスによるSi結晶のみだれ、及びプラズマエッチング工程のプラズマによるSi結晶へのダメージのことである。このように、ゲッタリング層64の不純物と結晶欠陥がゲッターサイトとなる。 According to the method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, the annealing step is performed after the gettering layer 64 is formed. Metal impurities, contaminating atoms, and damage introduced into the N drift layer 20 in the manufacturing process in which the first diffusion layer is formed on the upper surface side of the substrate, formed, and subjected to the etching process are obtained in the annealing process. Captured by 64. The term “damage” as used herein refers to damage to the Si crystal due to thermal stress during thermal annealing, and damage to the Si crystal due to plasma in the plasma etching process. Thus, impurities and crystal defects in the gettering layer 64 become getter sites.

ゲッタリング層64の結晶欠陥には高密度転位及び格子欠陥が含まれ、これらが重金属などの金属不純物と汚染原子を捕獲する。また、ゲッタリング層64を形成するために用いたドープドポリシリコン60とNドリフト層20の熱膨張係数の差により、ドープドポリシリコン60とNドリフト層20とが接する面に歪みが生じる。この歪みもまたゲッターサイトとして機能する。これらの効果により、製造工程中の外的要因、アニール工程、およびプラズマエッチング工程が原因で低下したNドリフト層20のキャリアライフタイムを回復させることができる。 The crystal defects of the gettering layer 64 include high-density dislocations and lattice defects, which capture metal impurities such as heavy metals and contaminating atoms. Further, doped polysilicon 60 and N were used to form the gettering layer 64 - the difference in thermal expansion coefficients of the drift layer 20, the doped polysilicon 60 and the N - distortion on the surface and the drift layer 20 is in contact Arise. This distortion also functions as a getter site. With these effects, it is possible to recover the carrier lifetime of the N drift layer 20 that has decreased due to external factors in the manufacturing process, the annealing process, and the plasma etching process.

次に、半導体装置の電気的特性(以後、単に特性という)を安定化させるために、どの程度までキャリアライフタイムを長くすることが好ましいのかについて議論する。図17は、IGBTのオン電圧(VCE(sat))及び耐圧(BVCES)と、Nドリフト層20のキャリアライフタイムの関係を示すグラフである。図18は、主接合リーク電流(JCES)と、Nドリフト層のキャリアライフタイムの関係を示すグラフである。図17、18は、Nドリフト層20の層厚を650[μm]とした耐圧クラス6500VクラスのIGBTに関するシミュレーション結果を表している。 Next, to what extent it is preferable to increase the carrier lifetime in order to stabilize the electrical characteristics of the semiconductor device (hereinafter simply referred to as characteristics) will be discussed. FIG. 17 is a graph showing the relationship between the on-voltage (V CE (sat)) and breakdown voltage (BV CES ) of the IGBT and the carrier lifetime of the N drift layer 20. FIG. 18 is a graph showing the relationship between the main junction leakage current (J CES ) and the carrier lifetime of the N drift layer. FIGS. 17 and 18 show simulation results for a breakdown voltage class 6500 V class IGBT in which the layer thickness of the N drift layer 20 is 650 [μm].

図17から分かるように、5.0E−04[s]以上のキャリアライフタイムがあれば、キャリアライフタイムの多少の変動に対してVCE(sat)を安定化させることができる。また、BVCESの値はほとんどキャリアライフタイムに依存しない。図18から分かるように、JCESはキャリアライフタイムが長いほど低減できる。JCESの低減は例えば398K以上の高温での熱暴走抑制に効果的である。以上より、Nドリフト層20のキャリアライフタイムを概ね5.0E−04[s]以上とすると、VCE(sat)のキャリアライフタイム依存性を抑制でき、しかもJCESを抑制できる。 As can be seen from FIG. 17, if there is a carrier lifetime of 5.0E-04 [s] or more, V CE (sat) can be stabilized against a slight variation in the carrier lifetime. Further, the value of BV CES hardly depends on the carrier lifetime. As can be seen from FIG. 18, J CES can be reduced as the carrier lifetime increases. The reduction of J CES is effective for suppressing thermal runaway at a high temperature of, for example, 398K or higher. From the above, when the carrier lifetime of the N drift layer 20 is approximately 5.0E-04 [s] or more, it is possible to suppress the carrier lifetime dependency of V CE (sat) and to suppress J CES .

上述のシミュレーションを、耐圧クラス600〜6500Vクラスの範囲内で様々な耐圧クラスを有する複数のIGBTに対して実施した。つまり、例えば耐圧クラス600[V]の場合はNドリフト層の層厚が60[μm]であり耐圧クラス6500[V]の場合はNドリフト層の層厚は6500[μm]であるので、Nドリフト層の層厚を60〜6500[μm]の範囲内で変えてシミュレーションを実施した。そして、Nドリフト層の層厚ごとに、VCE(sat)のキャリアライフタイム依存性を抑制できるキャリアライフタイムを算出した。図19は、VCE(sat)のキャリアライフタイム依存性を抑制できるキャリアライフタイムをプロットしたグラフである。例えば、Nドリフト層の層厚が400[μm]の場合は、1.1×10−4[sec]以上のキャリアライフタイムとすることでVCE(sat)を安定化させることができる。図19における「デバイス特性安定化領域」におけるキャリアのライフタイムは以下の数式2を満たす。 The above-described simulation was performed on a plurality of IGBTs having various withstand voltage classes within the range of the withstand voltage class 600 to 6500 V class. That is, for example, in the case of the withstand voltage class 600 [V], the layer thickness of the N drift layer is 60 [μm], and in the case of the withstand voltage class 6500 [V], the layer thickness of the N drift layer is 6500 [μm]. The simulation was performed while changing the thickness of the N drift layer within a range of 60 to 6500 [μm]. Then, N - layer by layer thickness of the drift layer, was calculated carrier lifetime can be suppressed carrier lifetime dependence of V CE (sat). FIG. 19 is a graph plotting the carrier lifetime that can suppress the carrier lifetime dependency of V CE (sat). For example, when the thickness of the N drift layer is 400 [μm], V CE (sat) can be stabilized by setting the carrier lifetime to 1.1 × 10 −4 [sec] or more. The carrier lifetime in the “device characteristic stabilization region” in FIG.

Figure 2018117147
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図19には、数式2が直線で表されている。この直線で規定されるキャリアライフタイムよりも高いキャリアライフタイムを確保することで、VCE(sat)のキャリアライフタイム依存性を抑制しデバイス特性を安定化させることができる。他方、この直線で規定されるキャリアライフタイムよりも低いキャリアライフタイムではVCE(sat)のキャリアライフタイム依存性を抑制することができない。この領域をデバイス特性不安定化領域と称する。本発明の実施の形態1に係るNドリフト層20におけるキャリアライフタイムは、数式2を満たしデバイス特性安定化領域に属するようにする。従って本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造方法によれば、半導体装置の特性のキャリアライフタイム起因によるばらつきを抑制できる。 In FIG. 19, Formula 2 is represented by a straight line. By ensuring a carrier lifetime higher than the carrier lifetime defined by this straight line, the carrier lifetime dependency of V CE (sat) can be suppressed and the device characteristics can be stabilized. On the other hand, the carrier lifetime dependency of V CE (sat) cannot be suppressed at a carrier lifetime lower than the carrier lifetime defined by this straight line. This region is called a device characteristic instability region. The carrier lifetime in the N drift layer 20 according to the first embodiment of the present invention satisfies Equation 2 and belongs to the device characteristic stabilization region. Therefore, according to the method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, variations due to carrier lifetime due to carrier lifetime characteristics can be suppressed.

図20は、ゲッタリング層形成工程の有無によるキャリアライフタイムの相違を示す表である。図20の比較例とは、ゲッタリング層形成工程である図8〜10の工程でのドープドポリシリコン60、62の形成を省略した点においてのみ本発明の実施の形態1に係る半導体装置と異なる(以下同じ)。比較例と本発明の実施の形態1では図8に示す工程に相当する「ウエハ下面のエッチング」まで処理内容に差がないので、「ウエハ下面のエッチング後」におけるキャリアライフタイムは同等となっている。しかし、アニール工程後におけるキャリアライフタイムは、本発明の実施の形態1では大幅に改善しているのに対し比較例では改善効果が見られない。従って、ゲッタリング層のゲッタリングによってキャリアライフタイムを改善できることが分かる。   FIG. 20 is a table showing the difference in carrier lifetime depending on the presence or absence of the gettering layer forming step. The comparative example of FIG. 20 is different from the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention only in that the formation of doped polysilicon 60 and 62 in the process of FIGS. Different (same below). In the comparative example and the first embodiment of the present invention, there is no difference in processing content until “etching of the lower surface of the wafer” corresponding to the step shown in FIG. 8, so the carrier lifetime in “after etching of the lower surface of the wafer” is the same. Yes. However, the carrier lifetime after the annealing process is greatly improved in the first embodiment of the present invention, whereas the improvement effect is not seen in the comparative example. Therefore, it can be understood that the carrier lifetime can be improved by the gettering of the gettering layer.

図21は、VCE(sat)、JCES、及びターンオフ時のロス(EOFF(sat))のドープドポリシリコン層厚依存性を示すグラフである。図22は、IGBTの短絡状態を遮断するために必要な最大のゲート電圧からしきい値電圧を引いた値ΔVg(break)と短絡時の最大遮断エネルギーEscのドープドポリシリコン層厚依存性を示すグラフである。なお、ΔVg(break)は、「Vg(break)−VGE(th)」で算出される。ここで、Vg(break)は短絡状態を遮断するために必要な最大のゲート電圧(Vg)値であり、VGE(th)はIGBTのMOSチャネル部にチャネルを形成するために必要なゲート電圧(しきい値電圧)である。図21、21に示すグラフのデータは、ドープドポリシリコンの不純物密度が1×1019[cm−3]以上、かつ耐圧クラスが4500VのIGBTについて得られたものである。 FIG. 21 is a graph showing the dependence of V CE (sat), J CES , and loss at turn-off (E OFF (sat)) on the doped polysilicon layer thickness. FIG. 22 shows the dependence of the maximum gate voltage necessary for breaking the short circuit state of the IGBT on the doped polysilicon layer thickness of the value ΔVg (break) obtained by subtracting the threshold voltage and the maximum cutoff energy Esc at the time of the short circuit. It is a graph to show. ΔVg (break) is calculated by “Vg (break) −V GE (th)”. Here, Vg (break) is the maximum gate voltage (Vg) value necessary for interrupting the short-circuit state, and V GE (th) is a gate voltage necessary for forming a channel in the MOS channel portion of the IGBT. (Threshold voltage). The data in the graphs shown in FIGS. 21 and 21 are obtained for an IGBT having an impurity density of doped polysilicon of 1 × 10 19 [cm −3 ] or more and a withstand voltage class of 4500V.

図21、22からドープドポリシリコンは厚いほど良好な特性が得られることが分かる。図21から、ドープドポリシリコンが厚いほどVCE(sat)、JCES、及びEOFFを低くできることが分かる。また、図22から、ドープドポリシリコンが厚いほどIGBTの短絡時の特性も向上することが分かる。この結果は、厚いドープドポリシリコンほど、ゲッタリング効果を高めてキャリアライフタイムを長くできることを意味している。ドープドポリシリコンの層厚が500[nm]以上であれば良好な特性が得られ、かつ成膜の膜厚制御面での安定性も高い。 21 and 22, it can be seen that the thicker the doped polysilicon, the better the characteristics. FIG. 21 shows that V CE (sat), J CES , and E OFF can be lowered as the doped polysilicon is thicker. Further, FIG. 22 shows that the thicker the doped polysilicon, the better the characteristics when the IGBT is short-circuited. This result means that the thicker the doped polysilicon, the higher the gettering effect and the longer the carrier lifetime. If the layer thickness of the doped polysilicon is 500 [nm] or more, good characteristics can be obtained, and the stability in film thickness control is high.

図23は、VCE(sat)とJCESのドープドポリシリコンの不純物密度依存性を示すグラフである。このグラフは、500[nm]のドープドポリシリコンを形成して作成した、4500Vの耐圧クラスを有する半導体装置に関するものである。図23から、ドープドポリシリコンの不純物密度は1×1019[cm−3]以上とするとVCE(sat)とJCESを低くすることができる。 FIG. 23 is a graph showing the dependency of V CE (sat) and J CES on the impurity density of doped polysilicon. This graph relates to a semiconductor device having a breakdown voltage class of 4500 V, which is formed by forming 500 [nm] doped polysilicon. From FIG. 23, when the impurity density of doped polysilicon is 1 × 10 19 [cm −3 ] or more, V CE (sat) and J CES can be lowered.

図24は、本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造方法で製造されたIGBTと比較例のIGBTの出力特性を比較するグラフである。ここでは、耐圧クラスが4500Vの半導体装置を評価した。比較例のNドリフト層におけるキャリアライフタイムは本発明のNドリフト層におけるキャリアライフタイムよりも短いので、比較例の出力特性は波形がねて、かつ電流密度(Jc)が飽和する値が低い。つまり、IGBTのMOSトランジスタ特性が低下している。図24から、Nドリフト層のキャリアライフタイムが出力特性に大きな影響を及ぼすことと、本発明の実施の形態1の半導体装置の製造方法では出力特性を改善できることが分かる。 FIG. 24 is a graph comparing the output characteristics of the IGBT manufactured by the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment of the present invention and the IGBT of the comparative example. Here, a semiconductor device having a withstand voltage class of 4500 V was evaluated. N of Comparative Example - carrier lifetime in the drift layer N of the present invention - is shorter than the carrier lifetime in the drift layer, the output characteristic of the comparative example is sleep waveform, and the values which the current density (Jc) is saturated Low. That is, the IGBT MOS transistor characteristics are degraded. From FIG. 24, it can be seen that the carrier lifetime of the N drift layer has a great influence on the output characteristics, and that the output characteristics can be improved by the method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.

図25は、IGBTの基本性能の指標となるVCE(sat)とEOFF(sat)とのトレードオフ特性を示すグラフである。VCE(sat)は、図24中の定格電流密度(図中の“ratedJc”)でのVCE値である。評価したIGBTの耐圧クラスは4500Vである。図25から、キャリアライフタイムを長くした本発明のIGBTでは、キャリアライフタイムの短い比較例のIGBTと比較して当該トレードオフ特性を大幅に改善できることが分かる。 FIG. 25 is a graph showing a trade-off characteristic between V CE (sat) and E OFF (sat), which is an index of the basic performance of the IGBT. V CE (sat) is the V CE value at the rated current density in FIG. 24 (“ratedJc” in the figure). The withstand voltage class of the evaluated IGBT is 4500V. From FIG. 25, it can be seen that the trade-off characteristics can be significantly improved in the IGBT of the present invention having a long carrier lifetime as compared with the IGBT of the comparative example having a short carrier lifetime.

図26は、本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造方法により製造された複数のIGBTの出力特性(J vs.VCE特性)のグラフである。複数のIGBTは1枚のウエハ面内に作成した。図27は、比較例のIGBTの製造方法により製造した複数のIGBTの出力特性のグラフである。明らかに、本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造方法で製造したIGBTの方が出力特性のばらつきを改善できており、かつ特性が安定している。 26 is a graph of output characteristics (J C vs. V CE characteristics) of a plurality of IGBTs manufactured by the method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. A plurality of IGBTs were formed in one wafer surface. FIG. 27 is a graph of output characteristics of a plurality of IGBTs manufactured by the IGBT manufacturing method of the comparative example. Obviously, the IGBT manufactured by the method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention can improve the variation in output characteristics, and the characteristics are stable.

図28は、本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造方法により製造された複数のIGBTのJCES−VCES特性のグラフである。複数のIGBTは1枚のウエハ面内に作成した。図29は、比較例の半導体装置の製造方法により製造した複数のIGBTのJCES−VCES特性のグラフである。図28と図29を比較すると、本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を用いることにより比較例と比較してJCESを一桁小さくでき、かつ面内ばらつきも小さくできることが分かる。つまりIGBTの特性が本発明の効果により安定化している。 FIG. 28 is a graph of J CES- V CES characteristics of a plurality of IGBTs manufactured by the method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. A plurality of IGBTs were formed in one wafer surface. FIG. 29 is a graph of J CES- V CES characteristics of a plurality of IGBTs manufactured by a method for manufacturing a semiconductor device of a comparative example. Comparing FIG. 28 and FIG. 29, it can be seen that by using the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment of the present invention, J CES can be reduced by an order of magnitude and in-plane variation can be reduced as compared with the comparative example. . That is, the characteristics of the IGBT are stabilized by the effect of the present invention.

図30は、耐圧クラスが6500VのIGBTでの電気特性と製造方法との対応を示す表である。図30における追加比較例とは、図3の構造を形成した後に基板の下面にドープドポリシリコンを形成しアニール工程を実施した構造を示す。つまり、追加比較例とは、「製造工程」を完了する前にゲッタリング層形成工程とアニール工程を実施して製造された半導体装置を示す。図30により、本発明の実施の形態1の半導体製造装置のように製造工程実施後にゲッタリング層形成工程及びアニール工程を実施すると特性を改善する効果が高いことが分かる。換言すれば、コンタクトホール形成前にゲッタリング層形成工程及びアニール工程実施をすることが好ましい。   FIG. 30 is a table showing the correspondence between the electrical characteristics and the manufacturing method in the IGBT whose breakdown voltage class is 6500V. The additional comparative example in FIG. 30 indicates a structure in which doped polysilicon is formed on the lower surface of the substrate and the annealing process is performed after the structure of FIG. 3 is formed. That is, the additional comparative example indicates a semiconductor device manufactured by performing a gettering layer forming step and an annealing step before completing the “manufacturing step”. 30 that the effect of improving the characteristics is high when the gettering layer forming step and the annealing step are performed after the manufacturing process is performed as in the semiconductor manufacturing apparatus according to the first embodiment of the present invention. In other words, it is preferable to perform a gettering layer forming step and an annealing step before forming the contact hole.

図31は、VCE(sat)及びJCESの、アニール工程におけるアニール時間依存性を示すグラフである。アニール工程は、窒素雰囲気で基板温度を600〜700[℃]のいずれかに維持して実施した。図31から、4時間以上のアニール時間でVCE(sat)及びJCESが十分低下しかつ安定化する。つまり、アニール工程では窒素雰囲気で600〜700[℃]のいずれかの基板温度を4時間以上保つことが好ましい。 FIG. 31 is a graph showing the dependency of V CE (sat) and J CES on the annealing time in the annealing process. The annealing process was performed in a nitrogen atmosphere while maintaining the substrate temperature at any of 600 to 700 [° C.]. From FIG. 31, V CE (sat) and J CES are sufficiently lowered and stabilized in an annealing time of 4 hours or more. That is, in the annealing step, it is preferable to keep any substrate temperature of 600 to 700 [° C.] for 4 hours or more in a nitrogen atmosphere.

ところで、CZ法で形成したウエハを用いる場合、Nドリフト層をエピタキシャル成長法で形成することが一般的であるため高コストとなる問題があった。例えば、600Vクラスなら50〜60[nm]のNドリフト層を形成し、6500Vクラスなら500〜600[nm]程度のNドリフト層を形成するので、Nドリフト層を厚く形成する必要のある高耐圧の半導体装置のコストが高くなる。 By the way, when a wafer formed by the CZ method is used, there is a problem that the cost is high because the N drift layer is generally formed by an epitaxial growth method. For example, N of if 600V class 50-60 [nm] - forming a drift layer, if 6500V class of about 500~600 [nm] N - because it forms a drift layer, N - the need to form a thick drift layer The cost of a certain high voltage semiconductor device increases.

そこで、FZ法により形成した基板を用いることが好ましい。FZ法により形成した基板はNドリフト層を薄くして所望の厚さとするので、耐圧クラスによって基板のコストが変動しない。ところが、FZ法で形成した基板は自己ゲッタリング能力(IG:Intrinsic Gettering)が低く、周知のEG(Extrinsic Gettering)の効果も低い。そのため、FZ法で形成した基板をIGBT又はダイオードなどのバイポーラ系半導体装置に用いる場合、Nドリフト層のキャリアライフタイムが低下する。これを避けるために本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造方法で示したように、ゲッタリング層でNドリフト層の金属不純物等を捕獲する。そうすると、低コストでFZ法により形成した基板に半導体装置を製造でき、しかもNドリフト層のキャリアライフタイムを長く制御できオン状態の損失を低減することができる。なお、このような効果はFZ法で形成した基板に限らず例えばエピウエハを用いた場合においても得ることができる。 Therefore, it is preferable to use a substrate formed by the FZ method. Since the substrate formed by the FZ method has a desired thickness by thinning the N drift layer, the cost of the substrate does not vary depending on the breakdown voltage class. However, a substrate formed by the FZ method has a low self-gettering ability (IG), and the effect of well-known EG (Extrinsic Gettering) is also low. Therefore, when a substrate formed by the FZ method is used for a bipolar semiconductor device such as an IGBT or a diode, the carrier lifetime of the N drift layer is lowered. In order to avoid this, as shown in the method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, metal impurities and the like in the N drift layer are captured by the gettering layer. Then, a semiconductor device can be manufactured on a substrate formed by the FZ method at low cost, and the carrier lifetime of the N drift layer can be controlled to be long, so that the on-state loss can be reduced. Such an effect can be obtained not only when the substrate is formed by the FZ method but also when an epi-wafer is used, for example.

本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造方法は、IGBTの表面構造を構成するエミッタ、ベース、及びトレンチを形成する製造工程を実施した後、かつコンタクトホール形成前にゲッタリング層形成工程とアニール工程を実施することでNドリフト層20のキャリアライフタイムを長くするものである。この特徴を逸脱しない範囲においてさまざまな変形が可能である。例えば、ゲッタリング層形成工程と、アニール工程を実施した直後に、ドープドポリシリコン60とゲッタリング層64を除去する除去工程を実施してもよい。 The semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment of the present invention includes a gettering layer forming step after a manufacturing step for forming an emitter, a base, and a trench constituting the surface structure of the IGBT and before a contact hole is formed. By performing the annealing process, the carrier lifetime of the N drift layer 20 is lengthened. Various modifications are possible without departing from this characteristic. For example, a removal step of removing the doped polysilicon 60 and the gettering layer 64 may be performed immediately after performing the gettering layer forming step and the annealing step.

本発明の実施の形態1に係る基板はシリコンで形成するとしたが、シリコンに比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成してもよい。ワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドがある。また、半導体素子の各部分の導電型は適宜反転させてもよい。   Although the substrate according to Embodiment 1 of the present invention is formed of silicon, it may be formed of a wide band gap semiconductor having a larger band gap than silicon. Examples of the wide band gap semiconductor include silicon carbide, a gallium nitride-based material, and diamond. Further, the conductivity type of each part of the semiconductor element may be appropriately reversed.

実施の形態2.
本発明の実施の形態2に係る半導体装置の製造方法は、実施の形態1に係る半導体装置の製造方法をダイオードに応用したものである。以後、本発明の実施の形態2に係る半導体装置の製造方法を説明する。図32は、基板に拡散層を形成したことを示す断面図である。図32には、活性領域Raと、活性領域Raを囲むように形成されたエッジターミネーション領域Reが示されている。まずNドリフト層100のみが形成された基板を用意する。基板の不純物密度は耐圧クラスに応じて設定される。例えば耐圧クラスが600〜6500[V]のいずれかであれば基板の不純物密度は1.0×1012〜1.0×1015[cm−3]のいずれかである。
Embodiment 2. FIG.
The semiconductor device manufacturing method according to the second embodiment of the present invention is obtained by applying the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment to a diode. Hereinafter, a method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described. FIG. 32 is a cross-sectional view showing that a diffusion layer is formed on the substrate. FIG. 32 shows an active region Ra and an edge termination region Re formed so as to surround the active region Ra. First, a substrate on which only the N drift layer 100 is formed is prepared. The impurity density of the substrate is set according to the breakdown voltage class. For example, if the breakdown voltage class is any one of 600 to 6500 [V], the impurity density of the substrate is any one of 1.0 × 10 12 to 1.0 × 10 15 [cm −3 ].

エッジターミネーション領域ReにP層102を複数形成する。P層102は、あらかじめ形成した絶縁膜104、106をマスクにしてイオン注入し、その後に基板にアニール処理を施すことで形成する。P層102の表面濃度は例えば1.0×1016〜1.0×1018[cm−3]のいずれかである。なお、基板の下面にも不所望の酸化膜108が形成されている。 A plurality of P layers 102 are formed in the edge termination region Re. The P layer 102 is formed by ion implantation using the previously formed insulating films 104 and 106 as a mask, and then annealing the substrate. The surface concentration of the P layer 102 is, for example, one of 1.0 × 10 16 to 1.0 × 10 18 [cm −3 ]. An undesired oxide film 108 is also formed on the lower surface of the substrate.

次の処理に進む。図33は、活性領域にPアノード層110を形成したことを示す断面図である。活性領域Raにイオン注入及びアニール処理を施してPアノード層110を形成する。Pアノード層110の表面濃度は、例えば1.0×1016〜1.0×1018[cm−3]のいずれかである。なお、本発明の実施の形態2において、基板の上面側に形成される「第1拡散層」はP層102とPアノード層110である。 Proceed to the next process. FIG. 33 is a cross-sectional view showing that the P anode layer 110 is formed in the active region. The active region Ra is subjected to ion implantation and annealing to form the P anode layer 110. The surface concentration of the P anode layer 110 is, for example, one of 1.0 × 10 16 to 1.0 × 10 18 [cm −3 ]. In the second embodiment of the present invention, the “first diffusion layer” formed on the upper surface side of the substrate is the P layer 102 and the P anode layer 110.

次の処理に進む。図34は、N層、TEOS膜、及びドープドポリシリコンを形成したことを示す断面図である。基板の上面側のエッジターミネーション領域Reの端部にN層120を形成する。N層120の表面濃度は例えば1.0×1018〜1.0×1021[cm−3]のいずれかである。深さは例えば0.2〜10.0[μm]のいずれかである。次に基板の上面にTEOS膜122を形成する。TEOS膜122は、図7の酸化膜40とTEOS膜41のような構成としてもよい。その後、基板の下面の酸化膜108を除去する。そして不純物をドープしたドープドポリシリコン130を、基板の下面に露出したNドリフト層100と接するように形成する。このとき基板の上面にもドープドポリシリコン132が形成される。 Proceed to the next process. FIG. 34 is a cross-sectional view showing that an N + layer, a TEOS film, and doped polysilicon are formed. An N + layer 120 is formed at the end of the edge termination region Re on the upper surface side of the substrate. The surface concentration of the N + layer 120 is, for example, one of 1.0 × 10 18 to 1.0 × 10 21 [cm −3 ]. The depth is, for example, any one of 0.2 to 10.0 [μm]. Next, a TEOS film 122 is formed on the upper surface of the substrate. The TEOS film 122 may be configured like the oxide film 40 and the TEOS film 41 in FIG. Thereafter, the oxide film 108 on the lower surface of the substrate is removed. Then, doped polysilicon 130 doped with impurities is formed in contact with the N drift layer 100 exposed on the lower surface of the substrate. At this time, doped polysilicon 132 is also formed on the upper surface of the substrate.

次の処理に進む。図35は、ゲッタリング層を形成したことを示す断面図である。基板を加熱してドープドポリシリコン130の不純物をNドリフト層100の下面側へ拡散させ、Nドリフト層100の下面側に結晶欠陥と不純物を有するゲッタリング層150を形成する。この工程は実施の形態1の前処理アニール工程と同じである。その後、アニール工程を実施してNドリフト層100の金属不純物、汚染原子、及びダメージをゲッタリング層150で捕獲する。 Proceed to the next process. FIG. 35 is a cross-sectional view showing that a gettering layer is formed. Impurities doped polysilicon 130 by heating the substrate N - diffuse to the lower side of the drift layer 100, N - forming a gettering layer 150 having a crystal defect and impurity on the lower surface side of the drift layer 100. This step is the same as the pretreatment annealing step of the first embodiment. Thereafter, an annealing process is performed to capture metal impurities, contaminating atoms, and damage in the N drift layer 100 by the gettering layer 150.

次の処理に進む。図36は、メタル配線を形成したことを示す断面図である。まず基板上面にP層102とPアノード層110を露出させるコンタクトホールを形成する。つまり、TEOS膜122を図36に示されるように加工する。その後、Siを1〜3%程度添加したアルミ配線152をスパッタリング法で形成する。   Proceed to the next process. FIG. 36 is a cross-sectional view showing that a metal wiring is formed. First, contact holes for exposing the P layer 102 and the P anode layer 110 are formed on the upper surface of the substrate. That is, the TEOS film 122 is processed as shown in FIG. Thereafter, an aluminum wiring 152 to which Si is added by about 1 to 3% is formed by a sputtering method.

次の処理に進む。図37は、パッシベーション膜を形成し、ゲッタリング層とドープドポリシリコンを除去したことを示す断面図である。基板の上面にパッシベーション膜154を形成する。その後、基板の下面側に形成されていたゲッタリング層150とドープドポリシリコン130を、研磨又はエッチングにより除去する。この工程の処理内容は実施の形態1の除去工程と同様である。除去工程により、基板(Nドリフト層)の厚みを、半導体装置の耐圧クラスに対応したものとする。 Proceed to the next process. FIG. 37 is a cross-sectional view showing that a passivation film is formed and the gettering layer and doped polysilicon are removed. A passivation film 154 is formed on the upper surface of the substrate. Thereafter, the gettering layer 150 and the doped polysilicon 130 formed on the lower surface side of the substrate are removed by polishing or etching. The processing content of this step is the same as the removal step of the first embodiment. By the removing step, the thickness of the substrate (N drift layer) is made to correspond to the breakdown voltage class of the semiconductor device.

次の処理に進む。図38は、Nドリフト層の下面に拡散層と電極を形成したことを示す断面図である。Nドリフト層100の下面側にN層160を形成する。N層160の表面濃度(N層160の下面部分の濃度)は例えば1.0×1015〜1.0×1018[cm−3]のいずれかである。N層160の下面にP層162を形成する。P層162の表面濃度(P層162の下面部分の濃度)は例えば1.0×1016〜1.0×1020[cm−3]のいずれかである。 Proceed to the next process. FIG. 38 is a cross-sectional view showing that a diffusion layer and an electrode are formed on the lower surface of the N drift layer. N layer 160 is formed on the lower surface side of N drift layer 100. The surface concentration of the N layer 160 (concentration of the lower surface portion of the N layer 160) is, for example, one of 1.0 × 10 15 to 1.0 × 10 18 [cm −3 ]. A P layer 162 is formed on the lower surface of the N layer 160. The surface concentration of the P layer 162 (the concentration of the lower surface portion of the P layer 162) is, for example, one of 1.0 × 10 16 to 1.0 × 10 20 [cm −3 ].

P層162の一部にN層164を形成する。N層164の表面濃度は例えば1.0×1019〜1.0×1021[cm−3]のいずれかである。N層160、P層162、及びN層164は、イオン注入とアニール処理により形成する拡散層である。最後に基板下面に電極166を形成する。なお、本発明の実施の形態2において、基板の下面側に形成される「第2拡散層」はN層160、P層162、及びN層164である。これらの層を形成する意義は特開2010−283131号公報及び特開2012−9811号公報に開示されている。 An N + layer 164 is formed on part of the P layer 162. The surface concentration of the N + layer 164 is, for example, one of 1.0 × 10 19 to 1.0 × 10 21 [cm −3 ]. The N layer 160, the P layer 162, and the N + layer 164 are diffusion layers formed by ion implantation and annealing. Finally, an electrode 166 is formed on the lower surface of the substrate. In the second embodiment of the present invention, the “second diffusion layer” formed on the lower surface side of the substrate is the N layer 160, the P layer 162, and the N + layer 164. The significance of forming these layers is disclosed in JP 2010-283131 A and JP 2012-9811 A.

本発明の実施の形態2に係る半導体装置の製造方法によれば、Nドリフト層のキャリアライフタイムを長くできるので、ダイオードの特性を改善できる。図39は、本発明の実施の形態2に係る半導体装置の製造方法で製造したダイオードと比較例のダイオードの出力特性を比較するグラフである。評価したダイオードの耐圧クラスは3300Vである。298[K]における測定でも398[K]における測定でも、本発明の実施の形態2の半導体装置の製造方法を用いたダイオードの方が良好な結果を示している。 According to the method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, the carrier lifetime of the N drift layer can be increased, and therefore the characteristics of the diode can be improved. FIG. 39 is a graph comparing the output characteristics of the diode manufactured by the semiconductor device manufacturing method according to the second embodiment of the present invention and the diode of the comparative example. The withstand voltage class of the evaluated diode is 3300V. In both the measurement at 298 [K] and the measurement at 398 [K], the diode using the semiconductor device manufacturing method of the second embodiment of the present invention shows better results.

図40は、本発明の実施の形態2に係る半導体装置の製造方法で製造されたダイオードと比較例のダイオードのオン電圧(V)とターンオフ時のロス(EREC)のトレードオフ特性を比較したグラフである。オン電圧(V)は図39においてJがratedJとなるときのVAKのことである。Nドリフト層のキャリアライフタイムが長いと低Vかつ高ERECとなり、Nドリフト層のキャリアライフタイムが短いと高Vかつ低ERECとなる。図40から分かるように、本発明の実施の形態2に係るダイオードによれば比較例よりも低Vかつ高ERECとなる。よって、本発明の実施の形態2に係るダイオードは比較例のダイオードよりもNドリフト層のキャリアライフタイムを長くでき、ダイオードの特性を向上させることができる。 FIG. 40 compares the trade-off characteristics of the on-voltage (V F ) and the loss at turn-off (E REC ) of the diode manufactured by the semiconductor device manufacturing method according to the second embodiment of the present invention and the diode of the comparative example. It is a graph. ON voltage (V F) is that of the V AK when J A is RatedJ A in FIG. 39. N - carrier lifetime longer low V F and high E REC next to the drift layer, N - the carrier lifetime of the drift layer is short and high V F and low E REC. As it can be seen from FIG. 40, a low V F and higher E REC than Comparative Example According to the diode according to a second embodiment of the present invention. Therefore, the diode according to the second embodiment of the present invention can increase the carrier lifetime of the N drift layer and improve the characteristics of the diode as compared to the diode of the comparative example.

ところで、実施の形態1と同様に、本発明の実施の形態2に係る半導体装置の製造方法でもゲッタリング層形成工程とアニール工程は製造工程の後に行い、Nドリフト層の金属不純物、汚染原子、及びダメージをゲッタリング層で捕獲することが好ましい。ダイオードを製造する場合における製造工程とは、ダイオードの表面構造を構成するPアノード層110、及び絶縁膜104、106を形成する工程などである。なお、本発明の実施の形態2に係る半導体装置とその製造方法は、少なくとも実施の形態1と同程度の変形が可能である。 Incidentally, as in the first embodiment, the gettering layer forming step and the annealing step in the method for manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention is carried out after the production process, N - drift layer metal impurities, contamination atom It is preferable to capture the damage by a gettering layer. The manufacturing process in the case of manufacturing a diode is a process of forming the P anode layer 110 and the insulating films 104 and 106 constituting the surface structure of the diode. The semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the second embodiment of the present invention can be modified at least as much as the first embodiment.

実施の形態3.
本発明の実施の形態3に係る半導体装置の製造方法は、実施の形態1に係る半導体装置の製造方法におけるゲッタリング層形成工程の処理内容を変更したものである。図41は、本発明の実施の形態3に係る半導体装置の製造方法におけるゲッタリング層形成工程を示す断面図である。このゲッタリング層形成工程では、基板の下面に露出したNドリフト層20を加熱してNドリフト層20の下面側に結晶欠陥を有するゲッタリング層200を形成する。Nドリフト層20の加熱には、レーザー光源202から放射されるレーザー光を用いるレーザーアニーリング技術を利用することが好ましい。レーザー光のパワーは4.0[J/cm]以上であることが好ましい。レーザー光の波長は例えば500〜1000[nm]のいずれかである。
Embodiment 3 FIG.
The semiconductor device manufacturing method according to the third embodiment of the present invention is obtained by changing the processing content of the gettering layer forming step in the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment. FIG. 41 is a cross-sectional view showing a gettering layer forming step in the method for manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. In this gettering layer forming step, the N drift layer 20 exposed on the lower surface of the substrate is heated to form a gettering layer 200 having crystal defects on the lower surface side of the N drift layer 20. For heating the N drift layer 20, it is preferable to use a laser annealing technique using laser light emitted from the laser light source 202. The power of the laser beam is preferably 4.0 [J / cm 2 ] or more. The wavelength of the laser light is, for example, any of 500 to 1000 [nm].

本発明の実施の形態3に係る半導体装置の製造方法によれば、Nドリフト層20の下面を加熱するだけで容易にゲッタリング層200を形成できる。図42は、ゲッタリング層形成工程の有無によるキャリアライフタイムの相違を示す表である。実施の形態3と比較例では、「ウエハ下面のエッチング」直後は同程度のキャリアライフタイムである。しかし、アニール工程後では、実施の形態3の方が比較例よりキャリアライフタイムが長くなる。キャリアライフタイムを長くできるのは、ゲッタリング層200がゲッターサイトとして機能するからである。 According to the method of manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention, the gettering layer 200 can be easily formed simply by heating the lower surface of the N drift layer 20. FIG. 42 is a table showing the difference in carrier lifetime depending on the presence or absence of the gettering layer forming step. In the third embodiment and the comparative example, the carrier lifetime is almost the same immediately after “etching of the lower surface of the wafer”. However, after the annealing process, the carrier lifetime is longer in the third embodiment than in the comparative example. The reason why the carrier lifetime can be increased is that the gettering layer 200 functions as a getter site.

図43は、ゲッタリング層形成時のレーザー光のパワー密度とNドリフト層20のキャリアライフタイム(τ)との関係を示すグラフである。図中のΔτは、レーザーアニール処理とアニール工程の実施前後のτの変化量を示す。図43から、レーザーアニールのパワー密度を4[J/cm]以上とすることでレーザーアニールによるキャリアライフタイム向上の効果が安定的に得られることが分かる。 FIG. 43 is a graph showing the relationship between the laser beam power density and the carrier lifetime (τ) of the N drift layer 20 when the gettering layer is formed. Δτ in the figure indicates the amount of change in τ before and after the laser annealing process and the annealing process. From FIG. 43, it is understood that the effect of improving the carrier lifetime by laser annealing can be stably obtained by setting the power density of laser annealing to 4 [J / cm 2 ] or more.

本発明の実施の形態3に係る半導体装置とその製造方法は、少なくとも実施の形態1と同程度の変形が可能である。また、各実施の形態に係る半導体装置の特徴を適宜組み合わせてもよい。   The semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the third embodiment of the present invention can be modified at least as much as the first embodiment. Further, the features of the semiconductor device according to each embodiment may be combined as appropriate.

10 半導体装置、 12 活性領域、 14 エッジターミネーション領域、 20 Nドリフト層、 22 バッファ層、 24 コレクタ層、 26 電極、 28 N層、 30 ベース層、 31 酸化膜、 32 ポリシリコン、 32a 酸化膜、 34 ゲート酸化膜、 36 Nエミッタ層、 37 トレンチ、 38 P層、 39 シリサイド膜、 40 酸化膜、 41 TEOS膜、 42 バリアメタル、 44 メタル配線、 60,62 ドープドポリシリコン、 64 ゲッタリング層、 100 Nドリフト層、 102 P層、 104,106,108 酸化膜、 110 アノード層、 120 N層、 122 TEOS膜、 130,132 ドープドポリシリコン、 150 ゲッタリング層、 152 アルミ配線、 154 パッシベーション膜、 166 電極、 200 ゲッタリング層、 202 レーザー光源 10 semiconductor device, 12 active region, 14 edge termination region, 20 N - drift layer, 22 buffer layer, 24 collector layer, 26 electrode, 28 N layer, 30 base layer, 31 oxide film, 32 polysilicon, 32a oxide film, 34 gate oxide film, 36 N + emitter layer, 37 trench, 38 P + layer, 39 silicide film, 40 oxide film, 41 TEOS film, 42 barrier metal, 44 metal wiring, 60, 62 doped polysilicon, 64 gettering Layer, 100 N - drift layer, 102 P layer, 104, 106, 108 oxide film, 110 anode layer, 120 N + layer, 122 TEOS film, 130, 132 doped polysilicon, 150 gettering layer, 152 aluminum wiring, 154 Passivation film, 166 electrode, 2 00 Gettering layer, 202 Laser light source

Claims (4)

基板の活性領域に形成されたドリフト層と、
前記ドリフト層の上面側に形成され、トレンチゲートを有するMOS構造と、
前記ドリフト層の下面に接したバッファ層と、
前記バッファ層の下面に接したコレクタ層とを備え、
前記ドリフト層中のキャリアのライフタイムは、前記ドリフト層中のキャリアのライフタイムをτ[sec]とし、前記ドリフト層の層厚をtN-[m]としたときに以下の数式1を満たすことを特徴とする半導体装置。
Figure 2018117147
A drift layer formed in the active region of the substrate;
A MOS structure formed on the upper surface side of the drift layer and having a trench gate;
A buffer layer in contact with the lower surface of the drift layer;
A collector layer in contact with the lower surface of the buffer layer,
The carrier lifetime in the drift layer satisfies the following Equation 1 when the carrier lifetime in the drift layer is τ [sec] and the thickness of the drift layer is t N− [m]. A semiconductor device.
Figure 2018117147
前記MOS構造は、IGBTの表面構造を構成するエミッタ、ベース、及びゲートトレンチを有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the MOS structure includes an emitter, a base, and a gate trench that form a surface structure of the IGBT. 基板に形成された活性領域と、
前記基板に前記活性領域に接して設けられたエッジターミネーション領域と、
前記活性領域と前記エッジターミネーション領域に設けられたドリフト層と、
前記活性領域で前記ドリフト層の上面側に形成されたアノード層と、
前記活性領域と前記エッジターミネーション領域の前記ドリフト層の下面に接したn型のN層と、
前記活性領域で前記N層の下面に接し、前記N層よりもn型不純物濃度が高いN層と、
前記活性領域で前記N層の下面に接し前記N層に隣接し、前記エッジターミネーション領域で前記N層の下面に接したp層と、を備え、
前記ドリフト層中のキャリアのライフタイムは、前記ドリフト層中のキャリアのライフタイムをτ[sec]とし、前記ドリフト層の層厚をtN-[m]としたときに以下の数式2を満たすことを特徴とする半導体装置。
Figure 2018117147
An active region formed in the substrate;
An edge termination region provided in contact with the active region on the substrate;
A drift layer provided in the active region and the edge termination region;
An anode layer formed on the upper surface side of the drift layer in the active region;
An n-type N layer in contact with the lower surface of the drift layer of the active region and the edge termination region;
An N + layer in contact with the lower surface of the N layer in the active region and having a higher n-type impurity concentration than the N layer;
A p layer in contact with the lower surface of the N layer in the active region, adjacent to the N + layer, and in contact with the lower surface of the N layer in the edge termination region;
The carrier lifetime in the drift layer satisfies the following Equation 2 when the carrier lifetime in the drift layer is τ [sec] and the thickness of the drift layer is t N− [m]. A semiconductor device.
Figure 2018117147
前記N層と前記p層の下面に接した電極を備え、
前記半導体装置はダイオードであることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。
An electrode in contact with the lower surface of the N + layer and the p layer;
The semiconductor device according to claim 3, wherein the semiconductor device is a diode.
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