JP2018125352A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱処理によるＩＧＢＴのオン電圧の低下を抑制する。【解決手段】 半導体装置の製造方法であって、ＩＧＢＴを内蔵しているとともに前記ＩＧＢＴのｐ型のコレクタ層が表面に露出している半導体基板を準備する工程と、前記コレクタ層に中間層を介して接続されているとともにアルミニウムを含むコレクタ電極を形成する工程と、前記半導体基板を熱処理する工程を有する。前記中間層が、酸化アルミニウムを含む。前記コレクタ電極を形成する前記工程を実施した段階で、前記中間層における酸素濃度が３５ａｔ％未満である。【選択図】図１

Description

本明細書に開示の技術は、半導体装置の製造方法に関する。

特許文献１には、ＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）のｐ型コレクタ層の表面に酸化膜が設けられた半導体装置が開示されている。特許文献１では、酸化膜を意図的に形成している。また、コレクタ層の表面に、意図せず酸化膜（自然酸化膜）が形成される場合もある。酸化膜の表面にアルミニウムを含むコレクタ電極を形成すると、コレクタ層とコレクタ電極の間に酸化アルミニウムを含む中間層が形成される。コレクタ電極は、中間層を介してコレクタ層に接続される。

特開２０１１−２０４７１６号公報

コレクタ電極を形成した後に、半導体基板を熱処理する場合がある。このとき、中間層も加熱される。熱処理中に中間層の抵抗が低下する。熱処理を終了しても、中間層の抵抗は元には戻らない。このため、熱処理を経ることで、ＩＧＢＴのオン電圧が低下する。このように熱処理によってＩＧＢＴのオン電圧が低下すると、ＩＧＢＴの特性を所望の特性に制御することが困難となり、品質上問題となる。

一般に、酸化アルミニウムは絶縁体であるが、酸化アルミニウムの一種である非晶質アルミナはある程度の導電性を有することが知られている。コレクタ層とコレクタ電極の間の中間層には、非晶質アルミナが存在していると考えられる。熱処理によって中間層の抵抗が低下する現象は、熱処理中に中間層内の酸素がコレクタ電極側へ拡散し、非晶質アルミナ内の酸素濃度が低下するために生じると考えられる。中間層の抵抗は、中間層内の酸素濃度が３５ａｔ％より高いときには高く、３５ａｔ％より低いときには低く、３５ａｔ％を境界として急激に変化することが分かった。この中間層の特性を利用して、本明細書に開示の製造方法は、熱処理による中間層の抵抗の変化を抑制する。

本明細書が開示する半導体装置の製造方法は、ＩＧＢＴを内蔵しているとともに前記ＩＧＢＴのｐ型のコレクタ層が表面に露出している半導体基板を準備する工程と、前記コレクタ層に中間層を介して接続されているとともにアルミニウムを含むコレクタ電極を形成する工程と、前記半導体基板を熱処理する工程を有する。前記中間層が、酸化アルミニウムを含む。前記コレクタ電極を形成する前記工程を実施した段階で、前記中間層における酸素濃度が３５ａｔ％未満である。

この製造方法では、コレクタ電極を形成する工程を実施した段階で、中間層における酸素濃度が３５ａｔ％未満である。その後、半導体基板を熱処理する工程を実施するときに、中間層が加熱されて、中間層からコレクタ電極に酸素が拡散する。このため、中間層における酸素濃度が低下する。しかしながら、元の中間層の酸素濃度が３５ａｔ％未満であるので、熱処理によって中間層の酸素濃度が低下しても、中間層の抵抗はほとんど低下しない。このため、熱処理によってＩＧＢＴのオン電圧がほとんど低下しない。このように、この製造方法によれば、熱処理によるＩＧＢＴのオン電圧の低下を抑制することができる。

実施形態の半導体装置の縦断面図。 中間層の酸素濃度とオン電圧の低下量との関係を示すグラフ。 ＲＣ−ＩＧＢＴのカソード層５０の配置を示す図。 ＲＣ−ＩＧＢＴのカソード層５０の配置を示す図。 ＲＣ−ＩＧＢＴのカソード層５０の配置を示す図。 ＲＣ−ＩＧＢＴのカソード層５０の配置を示す図。

図１に示す実施形態の半導体装置１０は、半導体基板１２と、上部電極１４と、下部電極１６を有している。半導体基板１２は、シリコン製の基板である。上部電極１４は、半導体基板１２の上面に接している。半導体基板１２の下面は、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）によって構成されている中間層１５によって覆われている。下部電極１６は、中間層１５の表面を覆っている。下部電極１６は、アルミニウムまたはＡｌＳｉ（アルミニウムとシリコンの合金）によって構成されている。中間層１５の厚みが極めて薄いので、下部電極１６は半導体基板１２に対して電気的に接続されている。

半導体基板１２は、エミッタ領域２２、ボディ領域２４、ドリフト領域２６、バッファ領域２８及びコレクタ層３０を有している。

エミッタ領域２２は、ｎ型領域であり、半導体基板１２の上面において上部電極１４に接続されている。

ボディ領域２４は、ｐ型領域である。ボディ領域２４は、エミッタ領域２２の側方からエミッタ領域２２の下側まで伸びている。ボディ領域２４は、ボディコンタクト領域２４ａと、低濃度ボディ領域２４ｂを有している。ボディコンタクト領域２４ａは、高いｐ型不純物濃度を有している。ボディコンタクト領域２４ａは、半導体基板１２の上面において上部電極１４に接続されている。低濃度ボディ領域２４ｂは、ボディコンタクト領域２４ａよりも低いｐ型不純物濃度を有している。低濃度ボディ領域２４ｂは、エミッタ領域２２とボディコンタクト領域２４ａの下側に形成されている。

ドリフト領域２６は、ｎ型領域であり、ボディ領域２４の下側に形成されている。ドリフト領域２６は、ボディ領域２４によってエミッタ領域２２から分離されている。ドリフト領域２６のｎ型不純物濃度は、エミッタ領域２２よりも低い。

バッファ領域２８は、ｎ型領域であり、ドリフト領域２６の下側に形成されている。バッファ領域２８のｎ型不純物濃度は、ドリフト領域２６よりも高い。

コレクタ層３０は、ｐ型領域であり、バッファ領域２８の下側に形成されている。コレクタ層３０は、半導体基板１２の下面において中間層１５に接している。コレクタ層３０は、中間層１５を介して下部電極１６に接続されている。コレクタ層３０は、ドリフト領域２６及びバッファ領域２８によって、ボディ領域２４から分離されている。

半導体基板１２の上面には、複数のトレンチが形成されている。各トレンチは、エミッタ領域２２に隣接する位置に形成されている。各トレンチは、ドリフト領域２６に達する深さまで伸びている。

各トレンチの内面は、ゲート絶縁膜３２によって覆われている。また、各トレンチ内には、ゲート電極３４が配置されている。各ゲート電極３４は、ゲート絶縁膜３２によって半導体基板１２から絶縁されている。各ゲート電極３４は、ゲート絶縁膜３２を介して、エミッタ領域２２、低濃度ボディ領域２４ｂ及びドリフト領域２６に対向している。各ゲート電極３４の上部には、層間絶縁膜３６が形成されている。各ゲート電極３４は、層間絶縁膜３６によって上部電極１４から絶縁されている。

上述したエミッタ領域２２、ボディ領域２４、ドリフト領域２６、バッファ領域２８、コレクタ層３０及びゲート電極３４等によって、ＩＧＢＴが構成されている。上部電極１４は、ＩＧＢＴのエミッタ電極として機能する。下部電極１６は、ＩＧＢＴのコレクタ電極として機能する。

次に、半導体装置１０の製造方法について説明する。なお、本実施形態の製造方法は、下部電極１６を形成する工程に特徴を有するので、この工程に関連する工程について詳細に説明する。

半導体基板１２の下面にｐ型不純物を注入することによって、コレクタ層３０が形成される（コレクタ層形成工程）。この段階では、コレクタ層３０は、半導体基板１２の下面に露出している。

次に、下部電極形成工程を実施する。なお、コレクタ層形成工程を実施してから下部電極形成工程を実施するまでの間に、半導体基板１２の下面に極めて薄い自然酸化膜（酸化シリコン膜）が成長する。下部電極形成工程では、半導体基板１２の下面（すなわち、コレクタ層３０の表面）に、アルミニウムまたはＡｌＳｉを主成分とする下部電極１６を形成する。より詳細には、下部電極１６は、自然酸化膜の表面に形成される。下部電極１６を形成するときに、自然酸化膜中の酸素と下部電極１６中のアルミニウムが反応して酸化アルミニウムが生成される。その結果、図１に示すように、下部電極１６とコレクタ層３０の間に酸化アルミニウムによって構成された中間層１５が形成される。ここでは、中間層１５における酸素濃度が３５ａｔ％未満となるように、下部電極形成工程の条件が調整される。

その後、半導体基板１２に対して熱処理を実施する。熱処理中に、中間層１５も加熱される。中間層１５が加熱されると、中間層１５内の酸素が下部電極１６へ拡散し、中間層１５内の酸素濃度が低下する。中間層１５の抵抗は、中間層内の酸素濃度が３５ａｔ％以上のときには高く、３５ａｔ％未満のときには低く、３５ａｔ％を境界として急激に変化する。本実施形態の製造方法では、熱処理前の中間層１５の酸素濃度が３５ａｔ％未満であるので、熱処理中に中間層１５の酸素濃度が低下しても、中間層１５の抵抗がほとんど変化しない。このため、熱処理によりＩＧＢＴのオン電圧が低下することを抑制することができる。

なお、図２は、熱処理の前後におけるＩＧＢＴのオン電圧Ｖｏｎの変化を示している。図２の横軸は、下部電極形成工程を実施した段階（すなわち、熱処理前の段階）における中間層１５の酸素濃度を示している。図に示すように、熱処理前の中間層１５の酸素濃度が３５ａｔ％以上の場合には熱処理によってオン電圧Ｖｏｎが大きく低下するのに対し、熱処理前の中間層１５の酸素濃度が３５ａｔ％未満の場合には熱処理を実施してもオン電圧Ｖｏｎがほとんど変化しない。図２から明らかなように、下部電極形成工程を実施した段階で中間層１５の酸素濃度を３５ａｔ％未満に制御することで、熱処理工程におけるオン電圧の低下を抑制できる。また、下部電極形成工程を実施した段階での中間層１５の酸素濃度は、３０ａｔ％以下であることがより好ましい。

なお、上述した実施形態では、下部電極形成工程において、半導体基板１２の下面全域に酸素濃度が３５ａｔ％未満の中間層を形成してもよいし、半導体基板１２の下面の一部の範囲内のみに酸素濃度が３５ａｔ％未満の中間層を形成してもよい。

なお、上述した実施形態では、ＩＧＢＴを有する半導体装置について説明した。しかしながら、ＩＧＢＴとダイオードを有する半導体装置（いわゆる、ＲＣ−ＩＧＢＴ（reverse conducting insulated gate bipolar transistor））に本明細書に開示の技術を適用してもよい。ダイオードのアノード層（ｐ型領域）は上部電極１４に接続され、ダイオードのカソード層（ｎ型領域）は下部電極１６に接続される。例えば、図３に示すように、半導体基板１２の下面においてコレクタ層３０に隣接するようにカソード層５０を設けることができる。この場合、下部電極形成工程において、半導体基板１２の下面全域に酸素濃度が３５ａｔ％未満の中間層を形成してもよいし、半導体基板１２の下面の一部の範囲（例えば、図３の範囲９０）にのみ酸素濃度が３５ａｔ％未満の中間層を形成してもよい。また、図３では、ダイオード領域（すなわち、カソード層５０）が矩形の複数の範囲内に形成されていた。しかしながら、例えば図４、５、６に示すように、ダイオード領域（すなわち、カソード層５０）が他の形状で形成されてもよい。

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 ：上部電極
１５ ：中間層
１６ ：下部電極
２２ ：エミッタ領域
２４ ：ボディ領域
２６ ：ドリフト領域
２８ ：バッファ領域
３０ ：コレクタ層
３２ ：ゲート絶縁膜
３４ ：ゲート電極
３６ ：層間絶縁膜

Claims (1)

1. 半導体装置の製造方法であって、
   ＩＧＢＴを内蔵しており、前記ＩＧＢＴのｐ型のコレクタ層が表面に露出している半導体基板を準備する工程と、
   前記コレクタ層に中間層を介して接続されており、アルミニウムを含むコレクタ電極を形成する工程と、
   前記半導体基板を熱処理する工程、
   を有し、
   前記中間層が、酸化アルミニウムを含み、
   前記コレクタ電極を形成する前記工程を実施した段階で、前記中間層における酸素濃度が３５ａｔ％未満である、
   製造方法。