JP2019186434A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ゲート絶縁膜のダングリングボンドに終端元素を結合させることができるとともに、効率的に半導体装置を製造することが可能な技術を提供する。【解決手段】 半導体基板と、半導体基板に接するゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜によって半導体基板から絶縁されているゲート電極、を備える半導体装置の製造方法であって、半導体基板のゲート絶縁膜に隣接する領域に対してｐ型不純物と水素またはハロゲン元素との化合物イオンを注入する工程と、ゲート絶縁膜を通過する経路で半導体基板に対してヘリウムイオンを注入する工程と、化合物イオンとヘリウムイオンの注入後に半導体基板をアニールすることによって半導体基板のゲート絶縁膜に隣接する領域にｐ型領域を形成する工程、を有する。【選択図】図４

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、ゲート絶縁膜近傍の半導体領域に対して水素、塩素またはフッ素等の終端元素イオンを注入する工程と、終端元素イオンを注入した後に半導体領域を熱処理する工程と、を有する半導体装置の製造方法が開示されている。半導体領域を熱処理すると、ゲート絶縁膜のダングリングボンドに終端元素が結合し、半導体装置の特性が安定化する。

特開平１１−２８４１９３号公報

本明細書では、ゲート絶縁膜のダングリングボンドに終端元素を結合させることができるとともに、特許文献１よりも効率的に半導体装置を製造することが可能な技術を提供する。

本明細書は、半導体装置の製造方法を開示する。前記半導体装置が、半導体基板と、前記半導体基板に接するゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜によって前記半導体基板から絶縁されているゲート電極、を備える。前記製造方法が、前記半導体基板の前記ゲート絶縁膜に隣接する領域に対してｐ型不純物と水素またはハロゲン元素との化合物イオンを注入する工程と、前記ゲート絶縁膜を通過する経路で前記半導体基板に対してヘリウムイオンを注入する工程と、前記化合物イオンと前記ヘリウムイオンの注入後に前記半導体基板をアニールすることによって前記半導体基板の前記ゲート絶縁膜に隣接する前記領域にｐ型領域を形成する工程、を有する。

なお、化合物イオンを注入する工程とヘリウムイオンを注入する工程は、何れを先に行ってもよい。

上記の製造方法では、ゲート絶縁膜を通過する経路で半導体基板に対してヘリウムイオンを注入する。ヘリウムイオンを注入することで、半導体基板の内部に結晶欠陥を生成することができ、半導体基板中におけるキャリアライフタイムを短縮化することができる。ヘリウムイオンがゲート絶縁膜を通過するときに、ゲート絶縁膜にダングリングボンドが生成される。上記の製造方法では、半導体基板のゲート絶縁膜に隣接する領域に対して、ｐ型不純物と水素またはハロゲン元素との化合物イオンを注入する。また、化合物イオンとヘリウムイオンの注入後に、半導体基板をアニールする。半導体基板をアニールすると、半導体基板に注入された化合物からｐ型不純物が分離するとともに、分離したｐ型不純物が活性化する。その結果、ゲート絶縁膜に隣接する領域にｐ型領域が形成される。また、半導体基板をアニールすると、半導体基板に注入された化合物から水素またはハロゲン元素（すなわち、終端元素）が分離し、水素またはハロゲン元素がダングリングボンドと結合する。このため、ゲート絶縁膜の特性が安定化する。このように、この製造方法では、一度のイオン注入で、半導体基板に、ｐ型不純物と終端元素を注入することができる。したがって、この製造方法では、効率的に半導体装置を製造することができる。

半導体装置１０の断面図。 半導体装置１０の製造工程を示す断面図。 半導体装置１０の製造工程を示す断面図。 半導体装置１０の製造工程を示す断面図。 半導体装置１０の製造工程を示す断面図。

本明細書が開示する半導体装置の製造方法の一実施例について、図面を参照して説明する。まず、本実施例に係る製造方法によって製造される半導体装置１０について説明する。図１に示すように、半導体装置１０は、半導体基板１２と、半導体基板１２の表面１２ａ及び裏面１２ｂ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（Insulated Gate Bipolar Transistor）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（Reverse Conducting-IGBT）である。

半導体基板１２は、例えば、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、図１の紙面に対して垂直方向に互いに平行に伸びている。

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２６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。

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２６は、低濃度ドリフト領域２８とバッファ領域３０を有している。低濃度ドリフト領域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。低濃度ドリフト領域２８は、低濃度ボディ領域２２ｂの下側に形成されている。低濃度ドリフト領域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。低濃度ドリフト領域２８は、低濃度ボディ領域２２ｂの下側において、トレンチ４０の下端部近傍のゲート絶縁膜４２と接している。バッファ領域３０は、低濃度ドリフト領域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、低濃度ドリフト領域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２６、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との間に接続された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とドリフト領域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。

ドリフト領域３６は、低濃度ドリフト領域３７と、バッファ領域３８と、カソード領域３９を有している。低濃度ドリフト領域３７は、ｎ型領域であり、ＩＧＢＴ領域１６内の低濃度ドリフト領域２８と繋がっている。低濃度ドリフト領域３７は、低濃度アノード領域３４ｂの下側に形成されている。低濃度ドリフト領域３７は、低濃度アノード領域３４ｂの下側において、トレンチ４０の下端部近傍の絶縁膜５２と接している。バッファ領域３８は、低濃度ドリフト領域３７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３８は、ＩＧＢＴ領域１６内のバッファ領域３０と繋がっている。バッファ領域３８は、低濃度ドリフト領域３７の下側に形成されている。カソード領域３９は、バッファ領域３８よりも高濃度のｎ型不純物を含流するｎ型領域である。カソード領域３９は、バッファ領域３８の下側に形成されている。カソード領域３９は、コレクタ領域３２に隣接している。カソード領域３９は、半導体基板１２の裏面１２ｂに露出している。カソード領域３９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とドリフト領域３６等によって、上部電極６０と下部電極６２との間に接続された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。

低濃度ドリフト領域２８、３７内には、ライフタイム制御領域７０が形成されている。ライフタイム制御領域７０は、その上部及び下部に隣接する半導体領域に比べて結晶欠陥密度が高い半導体領域である。ライフタイム制御領域７０は、半導体基板１２の面方向（すなわち、半導体基板１２の厚み方向に直交する２方向）に沿って、層状に分布している。ライフタイム制御領域７０は、ＩＧＢＴ領域１６からダイオード領域１８に跨って延びている。半導体基板１２を平面視したとき、ライフタイム制御領域７０は、ＩＧＢＴ領域１６とダイオード領域１８の全域に形成されている。ライフタイム制御領域７０は、トレンチ４０の下端よりも下側に形成されている。なお、低濃度ドリフト領域２８、３７内におけるライフタイム制御領域７０の上記厚み方向の位置は特に限定されない。

次に、ＩＧＢＴ領域１６内のＩＧＢＴの動作について説明する。ゲート電極４４に閾値以上の電位（すなわち、ゲート−エミッタ間電圧）を印加すると、ゲート絶縁膜４２に隣接する範囲の低濃度ボディ領域２２ｂにチャネルが形成される。下部電極６２が上部電極６０よりも高電位となる電位が印加されている状態では、チャネルが形成されると、電子が、上部電極６０から、エミッタ領域２０、低濃度ボディ領域２２ｂのチャネル、ドリフト領域２６及びコレクタ領域３２を経由して下部電極６２へ流れる。また、ホールが、下部電極６２から、コレクタ領域３２、ドリフト領域２６、低濃度ボディ領域２２ｂ及びボディコンタクト領域２２ａを経由して上部電極６０へ流れる。すなわち、ＩＧＢＴがオンする。

その後、ゲート電極４４の電位を低下させると、チャネルが消失し、ＩＧＢＴがオフする。すると、ＩＧＢＴがオンしているときにドリフト領域２６内に存在していたホールが、ボディコンタクト領域２２ａを介して上部電極６０へ排出される。このようなホールに起因する電流が流れることにより、ＩＧＢＴがターンオフするときに損失が生じる。しかしながら、この半導体装置１０では、ＩＧＢＴ領域１６内の低濃度ドリフト領域２８に結晶欠陥密度が高いライフタイム制御領域７０が形成されている。結晶欠陥は、キャリア（ホール）の再結合中心として機能する。このため、ＩＧＢＴがターンオフするときに、ドリフト領域２６内のホールの多くが、ライフタイム制御領域７０において再結合によって消滅する。すなわち、ドリフト領域２６内に存在するホールのライフタイムが短縮化される。これにより、ＩＧＢＴのターンオフ時にホールに起因する電流が抑制され、ターンオフ損失が低減される。

次に、ダイオード領域１８内のダイオードの動作について説明する。ダイオードに印加する順方向電圧（すなわち、上部電極６０が下部電極６２に対してプラスとなる電圧）を徐々に上昇させていくと、上部電極６０から、アノードコンタクト領域３４ａ、低濃度アノード領域３４ｂ、低濃度ドリフト領域３７、バッファ領域３８及びカソード領域３９を経由して、下部電極６２へ電流が流れる。その後、ダイオードに印加する電圧を順方向電圧から逆方向電圧に切り換えると、ダイオードがリカバリ動作を開始する。すなわち、ドリフト領域３６内のホールが低濃度アノード領域３４ｂ及びアノードコンタクト領域３４ａを介して上部電極６０へ排出され、ダイオードにリカバリ電流が流れ、損失が生じる。しかしながら、この半導体装置１０では、ダイオード領域１８内の低濃度ドリフト領域３７に結晶欠陥密度が高いライフタイム制御領域７０が形成されている。ダイオードがリカバリ動作をするときに、ドリフト領域３６内のホールの多くが、ライフタイム制御領域７０において再結合によって消滅する。すなわち、ドリフト領域３６内のホールのライフタイムが短縮化される。これにより、ダイオードのリカバリ動作時におけるホールの流れ（すなわち、逆回復電流）が抑制され、損失が低減される。

続いて、半導体装置１０の製造方法について説明する。以下では、本実施例の特徴である工程のみを説明する。したがって、実際の製造方法には、必要に応じて以下の説明に含まれない１又は複数の工程が含まれ得る。半導体装置１０は、図２に示す加工前の半導体基板１２から製造される。加工前の半導体基板１２の全体は、低濃度ドリフト領域２８、３７と略同じｎ型不純物濃度を有している。

まず、図３に示すように、従来公知の方法により、各トレンチ４０、ゲート絶縁膜４２、絶縁膜５２、ゲート電極４４及び制御電極５４を形成する。

次に、図４に示すように、半導体基板１２の表面１２ａ側から低濃度ボディ領域２２ｂ及び低濃度アノード領域３４ｂ（図１参照）に対応する深さに、ｐ型不純物（例えば、Ｂ（ホウ素））と水素（すなわち、終端元素）との化合物イオン（例えば、ＢＨイオン）を注入する。すなわち、注入した化合物イオンが低濃度ボディ領域２２ｂ及び低濃度アノード領域３４ｂに対応する深さ範囲内で停止するように、加速電圧を調整して注入する。化合物イオンは、ゲート絶縁膜４２、絶縁膜５２に隣接する範囲に注入される。

次に、半導体基板１２の表面１２ａ側からボディコンタクト領域２２ａ及びアノードコンタクト領域３４ａ（図１参照）に対応する深さにｐ型不純物を選択的に注入する。ここでは、低濃度ボディ領域２２ｂ及び低濃度アノード領域３４ｂに対して注入した化合物イオンの濃度よりも高い濃度でｐ型不純物を注入する。

次に、半導体基板１２の表面１２ａ側からエミッタ領域２０（図１参照）に対応する深さにｎ型不純物（例えば、Ｐ（リン））を選択的に注入する。

次に、図５に示すように、半導体基板１２の表面１２ａ側からヘリウムイオンを注入する。ヘリウムイオンは、ＩＧＢＴ領域１６及びダイオード領域１８の略全域に注入する。ここでは、注入したヘリウムイオンが、ライフタイム制御領域７０（図１参照）に対応する深さで停止するように、加速電圧を調整する。ヘリウムイオンが半導体基板１２中で停止する時に、その停止位置近傍に多数の結晶欠陥が形成される。したがって、図５に示すように、ヘリウムイオンの停止位置近傍に、結晶欠陥密度が高いライフタイム制御領域７０が形成される。また、ヘリウムイオンは、ゲート絶縁膜４２、及び、絶縁膜５２を通過する。ヘリウムイオンがゲート絶縁膜４２と絶縁膜５２を通過するときに、ゲート絶縁膜４２と絶縁膜５２にダングリングボンドが形成される。すなわち、ヘリウムイオンが通過することで、ゲート絶縁膜４２と絶縁膜５２のダングリングボンドが増加する。

次に、半導体基板１２をアニールする。これにより、半導体基板１２に注入されたｐ型不純物及びｎ型不純物が拡散して活性化する。その結果、ボディコンタクト領域２２ａ、アノードコンタクト領域３４ａ、及び、エミッタ領域２０が形成される。また、半導体基板１２をアニールすることによって、ライフタイム制御領域７０の結晶欠陥が安定化される。

また、半導体基板１２をアニールすると、半導体基板１２に注入された化合物（ＢＨイオン等）からｐ型不純物が分離するとともに、分離したｐ型不純物が活性化する。その結果、低濃度ボディ領域２２ｂ及び低濃度アノード領域３４ｂが形成される。

また、半導体基板１２をアニールすると、半導体基板１２に注入された化合物（ＢＨイオン等）から水素が分離する。水素は、半導体基板１２中を拡散し、ゲート絶縁膜４２、絶縁膜５２に到達する。すると、水素がダングリングボンドと結合する。これによって、ゲート絶縁膜４２、絶縁膜５２のダングリングボンドが減少する。このため、ゲート絶縁膜４２、絶縁膜５２が安定化する。

その後、半導体基板１２の裏面１２ｂ側の各半導体領域３０、３２、３８、３９を形成し、層間絶縁膜４６、５６、上部電極６０及び下部電極６２等を形成することによって、図１に示す半導体装置１０が完成する。

本実施例の製造方法では、半導体基板１２に対してヘリウムイオンを注入することで、半導体基板１２の内部に結晶欠陥を生成することができ、半導体基板１２中に存在するキャリアのライフタイムを短縮化することができる。一方で、ヘリウムイオンを注入する工程では、ヘリウムイオンが半導体基板１２中を移動するときに、ヘリウムイオンの通過経路（ゲート絶縁膜４２、絶縁膜５２等）にダングリングボンド（結晶欠陥）が生成される。しかしながら、本実施例の製造方法では、ｐ型不純物と終端元素との化合物イオンを注入する工程を有している。そして、化合物イオンとヘリウムイオンの注入後に、半導体基板１２をアニールする。すると、半導体基板１２に注入された化合物からｐ型不純物が分離するとともに、活性化する。その結果、低濃度ボディ領域２２ｂ及び低濃度アノード領域３４ｂが形成される。また、半導体基板１２をアニールすると、注入された化合物から終端元素が分離する。化合物イオンは、ゲート絶縁膜４２及び絶縁膜５２に隣接する領域にも注入されるため、分離した終端元素が拡散し、特にゲート絶縁膜４２及び絶縁膜５２に生成されたダングリングボンドに供給され、当該ダングリングボンドに結合する。これにより、ゲート絶縁膜４２及び絶縁膜５２に生成されたダングリングボンドが終端され、製造される半導体装置１０の特性を安定化させることができる。

以上に説明したように、本実施例の製造方法では、ｐ型不純物を注入する工程と終端元素を注入する工程とを、一度のイオン注入により行うことができる。したがって、この製造方法では、効率的に半導体装置１０を製造することができる。

低濃度ボディ領域２２ｂ及び低濃度アノード領域３４ｂが、ｐ型領域の一例である。

なお、上述した実施例では、化合物イオンとして、ｐ型不純物と水素との化合物イオンを用いた。しかしながら、ｐ型不純物とハロゲン元素（例えば、Ｆ（フッ素）、Ｃｌ（塩素）等）との化合物イオン（例えば、ＢＦイオン、ＢＣｌイオン等）を用いてもよい。また、ｐ型不純物に結合する終端元素の原素数を変更（例えば、ＢＨイオンからＢＨ_２イオンへ変更）することによって、注入するｐ型不純物濃度を変更することなく、注入する終端元素の量を調節することができる。

また、上述した実施例では、ＲＣ−ＩＧＢＴについて説明した。しかしながら、本明細書に開示の技術は、単体のＩＧＢＴやダイオード、また、ＭＯＳＦＥＴ等のトランジスタに適用してもよい。

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み合わ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、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：ドリフト領域、３７：低濃度ドリフト領域、３８：バッファ領域、３９：カソード領域、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、７０：ライフタイム制御領域

Claims (1)

1. 半導体装置の製造方法であって、
   前記半導体装置が、
   半導体基板と、
   前記半導体基板に接するゲート絶縁膜と、
   前記ゲート絶縁膜によって前記半導体基板から絶縁されているゲート電極、
   を備えており、
   前記製造方法が、
   前記半導体基板の前記ゲート絶縁膜に隣接する領域に対して、ｐ型不純物と水素またはハロゲン元素との化合物イオンを注入する工程と、
   前記ゲート絶縁膜を通過する経路で前記半導体基板に対して、ヘリウムイオンを注入する工程と、
   前記化合物イオンと前記ヘリウムイオンの注入後に、前記半導体基板をアニールすることによって、前記半導体基板の前記ゲート絶縁膜に隣接する前記領域にｐ型領域を形成する工程、
   を有する、製造方法。
   
   
   

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