JP2018195757A

JP2018195757A - 半導体装置

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Publication number: JP2018195757A
Application number: JP2017099914A
Authority: JP
Inventors: 原　明人; Akito Hara; 明人原
Original assignee: TOHOKU Gakuin
Current assignee: TOHOKU Gakuin
Priority date: 2017-05-19
Filing date: 2017-05-19
Publication date: 2018-12-06
Anticipated expiration: 2037-05-19
Also published as: JP7045005B2

Abstract

【課題】Si-IGBTにおけるn＋FS層の位置の制御と高濃度化を実現する【解決手段】置換型炭素が水素をゲッタリングする効果により、自己整合的に置換型炭素位置に水素関連ドナーを高濃度に形成する。これにより、水素関連ドナーの位置の制御と高濃度化を同時に実現する。【選択図】図４

Description

電力変換用のパワーデバイスの分野では、SiC・GaN・Ga₂O₃・ダイヤモンドなどが実用化に向けて注目されている。しかし、これらの半導体デバイスは供給能力に問題がある

一方、シリコン（Si）を利用した絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor）と呼ばれるデバイスがある。IGBTはバイポーラトランジスタなみの低オン電圧と金属酸化物半導体（MOS）トランジスタの電圧制御機能及び高速スイッチング機能を有し、かつバイポーラトランジスタに比べ破壊耐量が大きいという特徴を有する。これらの特徴により、IGBTの市場は急速に拡大している。

Si-IGBTは優れた特徴をもっているため、エアコン・冷蔵庫・洗濯機・電子レンジなどの民生機器から、汎用インバータ・ロボット・電車用モータ制御機器などの大型機器に至る広い分野でパワーエレクトロニクスを支える中心的な半導体デバイスとして使用されている。

近時では、IGBTを搭載することで、制御回路がインバータ化でき、省エネや幅広い電力制御が可能になることから、ハイブリッド自動車や電気自動車への応用が広がっている。

IGBTの高性能化に大きく貢献した要素技術の一つとしてドナーを高濃度に含んだn⁺フィールドストップ(FS)層の導入がある。N⁺FS IGBTは、空乏層を止めるためのn⁺層が形成されているため、n^-ドリフト層の厚さを薄くでき、これにより低オン電圧化が可能となった。

また、ドリフト層の厚さが薄いため、過剰キャリアが少なく、したがってターンオフ損失も低減できるという利点がある。

IGBTの作製にはエピタキシャル基板が広く用いられてきた。しかし、エピタキシャル基板を用いた製造方法はコストが高い。現在、エピタキシャル基板に代えて、浮遊帯融液法（FZ法）で作製されたシリコン基板（FZ Si）を利用したn⁺FS IGBT が用いられている。

しかし、通常の５族のドナーの裏面からのイオン注入では、ウエハの深い領域までn^＋FS層の形成ができないという問題点がある。

そこで、FZ Siウエハの裏面から水素イオン(H⁺)を注入して、5族元素のイオン注入では困難である深い領域にまで水素を導入し,イオン注入で発生した格子欠陥と水素を結合させることで水素関連ドナーを形成し、これをn^＋FS層として利用する技術が注目されている。

しかし、現状の水素関連ドナーの濃度は、5x10¹⁵ cm^-3程度であり、n^＋FS層の位置と高濃度化を可能にする技術の開発が必要とされている。

置換型炭素が水素をゲッタリングする効果により、自己整合的に置換型炭素位置に水素関連ドナーを高濃度に形成する技術に関する。これにより、n^＋FS層の位置の制御と高濃度化を同時に実現する。

水素関連ドナーの正体については研究レベルでも混沌とした状態にあるが、FZ Si結晶に水素をイオン注入した場合にも水素関連ドナーが形成されることが報告されていることから、水素を注入した時に形成される格子欠陥（空孔など）に水素が結合することにより、浅いエネルギー準位を有するドナーに変化したと考えられている。

従って、イオン注入の際に導入される格子欠陥とそれに結合する水素が多いほど、水素関連ドナーが多量に形成されると考えられる。

しかし、一般的にはイオン注入により導入される格子欠陥分布と注入された水素の濃度ピーク位置は異なることが知られており（図１）、水素濃度ピーク位置で水素関連ドナーの濃度はピーク値を示さない（図２）。

一般的には、水素関連ドナー濃度は水素濃度の1/100程度である。この関係は水素イオン注入時に形成される水素濃度分布のテイル領域で成立している。

しかし、例えば水素の濃度が1x10¹⁸ cm^-3となるような注入水素の濃度ピーク位置では、ドナー濃度は水素濃度の約1/200-1/300に低下する。これはイオン注入により導入される格子欠陥位置と注入された水素の濃度ピークの位置が異なることに由来すると考えられる（図１および図２）。

本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、水素関連ドナーのピーク位置の制御と高濃度化を同時に実現する技術に関する。

本発明者は、鋭意検討の結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。

水素関連ドナーをIGBTのn⁺FS層に利用する場合、ウエハ裏面から水素をイオン注入することが必要である。水素関連ドナーの正体については研究レベルでも混沌とした状態にあるが、FZ Si結晶に水素をイオン注入した場合にも水素関連ドナーが形成されることが報告されていることから、水素を注入した時に形成される格子欠陥（空孔など）に水素が結合することにより、浅いエネルギー準位を有するドナーに変化したと考えられている。

従って、イオン注入の際に導入される格子欠陥とそれに結合する水素が多いほど、水素関連ドナーが多量に形成されると考えられる。しかし、一般的にはイオン注入により導入される格子欠陥分布と注入された水素の濃度ピーク位置は異なることが知られており（図１および図２）、水素濃度ピーク位置で水素関連ドナーの濃度はピーク値を示さない（図２）。

置換型炭素は水素に対するゲッタリング効果を有するため、以下の方法により、炭素の空間分布を制御することで水素の空間分布を制御できる。まず、水素イオン注入により形成される格子欠陥の位置が置換型炭素の位置に重なるようにする(図３)。

引き続いて、水素を移動させるため、300℃以下の低温で熱処理を加える。この熱処理は、格子欠陥が消滅しない熱処理温度と熱処理時間に設定する。水素は拡散係数が大きいため、わずかな熱処理で拡散し移動する。

拡散した水素は、置換型炭素が水素をゲッタリングする効果により、自己整合的に置換型炭素位置に水素濃度のピークを形成する（図４）。その結果、水素関連ドナーは置換型炭素位置に高濃度に形成される。これにより、水素関連ドナーの位置の制御と高濃度化を同時に実現できる（図４）。

さらに、炭素の空間分布に重なるように酸素不純物の分布を制御することにより、水素関連ドナーとウルトラシャローサーマルドナー(USTD)および水素シャローサーマルドナー[STD(H)]を形成し、ドナーの空間分布および高濃度化を実現する。

このようなUSTD, STD(H)は、酸素と水素が関与したドナーとして既に知られている。その一例の吸収スペクトルを図５に示す。

水素関連ドナーを置換型炭素位置に高濃度に形成することが可能になる。これにより、水素関連ドナーの位置の制御と高濃度化を同時に実現できる。

さらに、炭素の空間分布に重なるように酸素不純物の分布を制御することにより、水素関連ドナーとUSTDおよびSTD(H)を形成し、ドナーの空間分布制御およびドナーの更なる高濃度化を実現できる。

以下、第１の実施例について詳説する。本実施例では、酸素を含まないSiウェハ（FZ Si）を利用する。また、本実施例ではウエハの裏面からイオン注入を行っている。

第１の工程として、加速エネルギー600 KeVにおいて、炭素をSiウエハ裏面から1.2μm程度の深さでピーク濃度が1x10¹⁸ cm^-3になるように注入する。

引きついて、800℃の熱処理により注入した炭素を置換型位置に安定化させる。

次に、ウエハ裏面から水素のイオン注入を行う。水素のイオン注入は、水素のピーク濃度が2ｘ10¹⁸ cm^-3になるようにドーズ量を設定する。また、イオン注入の加速エネルギーは、濃度のピーク位置がウエハ裏面からの深さ2μmになるように設定する。

引き続いて、格子欠陥を消滅させないように、300℃以下の熱処理を加え、水素を拡散させる。

300℃の水素拡散の熱処理前後の水素の分布を二次イオン質量分析法(SIMS)で測定した結果を図６に示す。熱処理の前には、水素の濃度ピークは裏面から2μm程度の位置に存在しているが、水素拡散熱処理の後には、水素の濃度ピークは裏面から1.2μm程度の位置に変化している。

この位置は炭素の濃度ピーク位置に一致している。したがって、水素は熱処理により拡散し、炭素のゲッタリング効果により、置換型炭素の位置に集積したと考えることができる。

さらに、形成された水素関連ドナーの濃度分布を観測するために広がり抵抗を測定した（図７）。その結果、置換型炭素位置で比抵抗が最も小さくなっていることが確認された。この現象は、水素濃度のピーク位置が置換型炭素位置にシフトしたため、水素関連ドナーの濃度ピーク位置が置換型炭素位置にシフトしたことにより生じていると考えることができる。

以下、第２の実施例について詳説する。本実施例では、酸素を含まないSiウェハ（FZ Si）を利用する。また、本実施例では、ウエハの裏面からイオン注入を行っている。

加速エネルギー600 KeVで炭素をSiウエハ裏面から1.2μm程度にピーク濃度が1x10¹⁸ cm^-3になるように注入する。

炭素の空間分布に重なるように、しかもピーク濃度が2x10¹⁸ cm^-3になるように酸素不純物をウエハ裏面からイオン注入することにより、炭素の位置に酸素不純物を導入し、800℃の熱処理により結晶性を回復する。

引き続いて、ウエハ裏面から水素のイオン注入を行う。水素のイオン注入は、水素のピーク濃度が１ｘ10¹⁸ cm^-3になるようにドーズ量を設定する。また、イオン注入の加速エネルギーは、水素の濃度のピーク位置がウエハ裏面から深さ２μmになるように設定する。

引き続いて、格子欠陥を消滅させないように、300℃以下の熱処理を加え、水素を拡散させると同時に、水素関連ドナーとUSTDとSTD(H)を形成する。

本工程により水素関連ドナーとUSTDとSTD(H)の空間分布を置換型炭素位置に制御し、ドナーの高濃度化を図ることが可能である。

比抵抗測定の結果を図８に示す。置換型炭素位置にドナーのピーク濃度があることが確認できる。また、酸素をイオン注入したことにより抵抗は小さくなっていることが確認できる。

イオン注入した水素とイオン注入により形成される格子欠陥の概略分布。イオン注入した水素によって形成される水素関連ドナーの濃度分布と水素濃度の分布。高濃度化が期待される領域に置換型炭素が存在するFZ Si結晶に対し、水素をイオン注入した場合。水素を拡散するための熱処理（水素拡散熱処理）後に形成された水素濃度の分布と水素関連ドナーの分布。酸素および水素が関係したウルトラシャローサーマルドナー(USTD)および水素シャローサーマルドナー[STD(H)]の吸収スペクトル置換型炭素を有するFZ Si結晶に形成された水素濃度分布。水素拡散熱処理の前後での水素濃度分布の比較。広がり抵抗により測定した抵抗のウエハ裏面からの深さ方向分布。広がり抵抗により測定した抵抗のウエハ裏面からの深さ分布。酸素イオン注入の有無による抵抗のウエハ裏面からの深さ方向分布の比較。

１． FZ Siウエハ
２．水素注入により形成される格子欠陥領域
３．置換型炭素領域

Claims

水素をイオン注入した際に形成される格子欠陥に水素が結合することにより形成される水素関連ドナーに関し、置換型炭素の空間分布を制御することにより、水素関連ドナーの空間分布を自己整合的に置換型炭素位置に制御することを特徴としたシリコン中の水素関連ドナーの形成方法。
置換型炭素の空間分布に重なるように酸素不純物の分布を制御することにより、水素関連ドナーとウルトラシャローサーマルドナーおよび水素シャローサーマルドナーの空間分布を制御するとともに、ドナーの高濃度化を実現することを特徴とした請求項1項。
置換型炭素の水素に対するゲッタリング効果を利用することを特徴とした請求項１項および請求項２項。