JP4543457B2 - イオン注入用遮蔽マスクと半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板中への選択的なイオン注入に用いられるイオン注入用遮蔽マスク、およびそのマスクを備えたイオン注入装置での半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
プロトン(1H+)、デュトロン(2H+)、3-ヘリウムイオン(3He2+)などの軽イオンを電圧で加速し半導体基板に注入することにより、半導体基板中への侵入深さ(以下イオン種の飛程と称する)付近に、集中的に結晶欠陥を誘起させて、半導体基板の表面から一定の深さ領域のみキャリアライフタイムを短くすることができる。このような「局在化ライフタイム制御」は、大電流を制御するパワー半導体デバイスのスイッチング特性を向上させるうえで重要な技術となりつつある。
【0003】
図7(a)は、局在化ライフタイム制御の一方法を説明する説明図である。図7(a)において、注入される半導体基板11の直前に配置するアルミニウム(以下Alと記す)箔などの減速材12の厚さを変えることにより、半導体基板中の結晶欠陥領域13の深さ位置を制御することができる。
図7(b)は、生じた欠陥の分布を示す分布図である。横軸は半導体基板表面からの深さ、縦軸は欠陥密度である。注入されたイオンは、その飛程付近にピークをもつ結晶欠陥領域を形成する。
【0004】
図7(a)の場合、減速材12の厚さはほぼ一定のため、半導体基板11の面内に一様にイオンが打ち込まれる。結晶欠陥密度の深さ方向ピ−ク位置の制御は、減速材12の厚さの他に、イオン注入の際の加速電圧を変化させておこなうこともできる。
図8は、別の方法を説明する説明図である。ステンレスなどの材料に機械加工などによりスリットを設けた遮蔽マスク14を半導体基板11の直前に配置して、イオン注入をおこなうことによって、半導体基板11内に選択的にイオンを打ち込むことができる。注入されるイオンを完全に遮蔽できる厚さの遮蔽マスク14を用いた場合、スリット部分に対応する半導体基板11の領域のみにイオン種が注入され、その飛程付近に選択的な結晶欠陥領域15が形成される。
【0005】
そのような部分的にライフタイム制御をおこなう半導体素子としては、例えば、本発明の出願人の出願になる特願平11−135311号に記載されたスィッチングダイオードがある。
図9は、そのスィッチングダイオードの一例の断面図である。このダイオードは、pアノード層2、nドリフト層6、n+ カソード層3からなるいわゆるpinダイオードである。そして、そのnドリフト層6がキャリアライフタイムの長い領域6aと、短い領域6bとからなっている。それぞれの領域は紙面に垂直なストライプ状であり、それらが周期的に形成されている。その幅の比は例えば、9:1、繰り返し周期は80〜300μm である。4はアノード電極、5はカソード電極である。
【0006】
1200V 級のダイオードの例では、nドリフト層6の比抵抗60Ωcm、厚さ120μm 、n+ カソード層3の表面不純物濃度は1×1020cm-3、拡散深さ80μm 、pアノード層2の表面不純物濃度は1×1016cm-3、拡散深さ3μm である。キャリアライフタイムの長い領域6aのキャリアライフタイムは20μs 、短い領域のキャリアライフタイムは0.2nsである。繰り返し周期は130μm である。
【0007】
二つの領域は、必ずしもストライプ状である必要は無く、格子状、網状、或いはスポット状であっても良い。キャリアライフタイムの短い領域が、適当な間隔で配置されていることがポイントである。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
前述のスイッチングダイオードの例の場合、幅約10μm のキャリアライフタイムの短い領域6bを、軽イオンの注入で形成するためには、幅約10μm で繰り返し周期が130μm のスリットを設けた遮蔽マスクを用いねばならない。そのような微細な寸法の遮蔽板を製作するには、機械的な加工では困難であり、フォトリソグラフィ技術を用いることが必要である。
【0009】
しかし、フォトリソグラフィ技術を用いてもなお、アスペクト比の高い、例えば厚さ100μm の板に幅10μm のようなスリットを加工することは極めて困難である。
また、フォトリソグラフィ技術による遮蔽マスク製作は、コストが高いという問題もある。更に、多種類のスィッチングダイオードに対応するには多種類の遮蔽マスクを用意しなければならないという問題もある。
【0010】
本発明の目的は、半導体基板の局在化ライフタイム制御を容易にする遮蔽マスク、およびそのような遮蔽マスクを用いた半導体製造装置を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記課題解決のため本発明のイオン注入用遮蔽マスクは、電離させたイオン種を電圧で加速させて半導体基板に注入する半導体デバイス製造用イオン注入装置のイオン発生源と半導体基板の間に配置されるもので、複数のほぼ同一断面寸法の柱状材料が同一間隔で同一平面上に配列され、それらの柱状材料が長さ方向で平行でかつイオンの注入方向の厚さが幅方向の端部で中央部より薄いものとし、このイオン注入用遮蔽マスクを用いて半導体基板にイオン注入を行う。
【0012】
柱状材料としては、同一直径の円柱状材料、同一寸法の角柱状材料を使用することができる。
そのようにすれば、容易に軽イオンを注入しない領域を設けるためのイオン注入用遮蔽マスクが形成できる。
図1は、後述する遮蔽マスクの実施例の要部斜視図である。複数の円柱状材料26が、それらの中心線が同一平面状になるように配置されている。材料は、例えばプロトンの阻止能力のあるステンレス鋼等の金属線である。
【0013】
図2は、図1の遮蔽マスクを使用した軽イオン注入時の状況を説明する断面図である。図の右部分にあるのは、半導体基板であり、その内部に生じた欠陥の分布が示されている。
図2の左側の斜線を施した円は円柱状材料26の断面を示している。今、その半径をRとする。軽イオンは、図2の左方から、すなわち、整列された複数の円柱状材料26の中心線が含まれる平面に対して垂直に注入され、半導体基板21に注入される。
【0014】
このとき、それぞれの円柱状材料26の各部(中心部〜端部)を通過する軽イオンの飛程、すなわち、結晶欠陥密度ピーク位置の差は、実線で表されるように A×2Rになる。
ここで、Aは、軽イオンに対する遮蔽材料の阻止能力に関する係数で、阻止能力が高いほどAは大きく、阻止能力が低いほど小さな値をとる。このように円柱状材料26からなる遮蔽マスクを用いることにより、結晶欠陥密度のピークが半導体基板の深さ方向に連続的に変化する分布を得ることができる。
【0015】
軽イオンの加速電圧が小さい場合、または、円柱状材料26の半径Rが大きい場合には、円柱状材料26の中心付近では通る距離が長いために軽イオンが遮蔽材を透過することができず、結晶欠陥ピーク位置は図2中の点線のようになる。
軽イオンの注入による結晶欠陥発生領域の厚さ方向の幅は狭いので、加速電圧を変えた注入を繰り返し、或いは阻止能力の小さい材料の薄板を重ねて注入を繰り返すことによって、円柱の境界付近にストライプ状に軽イオンを注入することができ、この領域のみキャリアライフタイムの低い領域とすることができる。
【0016】
すなわち、周期的な共にストライプ状のキャリアライフタイムが短い領域と長い領域とが形成されることになる。繰り返し周期を、円柱状の線の直径とすればよい。
例えば、前述のダイオードの例の場合、フォトリソグラフィ技術を用いて幅8〜30μm で繰り返し周期が80〜300μm のスリットを設けた遮蔽マスクを作る代わりに、直径が80〜300μm 、断面が円柱状の線を並べた遮蔽マスクとするわけであり、作製は極めて容易である。
【0017】
柱状材料は、円柱に限らず、三角柱、四角柱、五角柱等でも良い。
断面が多角形であり、幅方向の側面が注入方向と平行であれば、注入領域と未領域との境界が明瞭にできる。
また、一面を注入方向と垂直にしたとき、注入方向の厚さが、幅方向の端部で中央部より薄く、幅方向の端が前記の面から同じ高さにあれば、間隔を保つための工夫を要することなく、注入領域の幅を一定にできる。
【0018】
三角柱はその代表的なものであり、遮蔽能力と繰り返し周期とを容易に設定できる。
柱状材料が、互いに接するように配置すれば、間隔を保つための工夫を要しない。
ほぼ同一直径の粒状材料、例えば球状材料を二次元的に配列すれば 二次元的に周期的変化をする分布をもつライフタイム分布が得られる。
【0019】
【発明の実施の形態】
[実施例1]
図1は、本発明第一の実施例の遮蔽マスクの要部斜視図である。複数の円柱状材料26が、それらの中心線が同一平面状になるように、互いに接して配置されている。材料は、例えばプロトンの阻止能力のあるステンレス鋼等の金属線である。直径は80〜300μm であり、得ようとするスィッチングダイオードの特性に応じて選ばれる。また、端部は図示されない枠に固定される。
【0020】
図1の遮蔽マスクを使用して、図9のスイッチングダイオードを作製する方法を以下に説明する。
pin構造は既に完了しているものとする。ダイオードウェハ上に、直径130μm のステンレス鋼線の遮蔽マスクを置き、アノード側からドーズ量1×1011cm-2でプロトンを注入する。
【0021】
プロトンの侵入深さは、加速電圧により制御される。例えばnドリフト層6の最深部に結晶欠陥を生成するには、加速電圧を3.5MeV とすればよい。より浅い部分に結晶欠陥を生成するには、加速電圧を下げるか、減速のための板を重ねる。ここでは、アルミニウムの減速板を用いることにする。
厚さ20、40、60、80、100μm の減速板を用いて、ドーズ量1×1011cm-2でプロトンを注入する。
【0022】
その後300℃、2時間のアニールをする。
このようにして、共にストライプ状のキャリアライフタイムが短い領域と長い領域とが周期的に形成された図9のスィッチングダイオードを作製することができる。
円柱状材料26が、互いに接して配置されているため、注入領域の幅は、遮蔽能力と加速電圧とで決まる一定の値になる。従って、注入領域の幅を一定にするための特別の手段を要しない。
【0023】
円柱状材料の半径Rを変更することにより、結晶欠陥密度ピークの変化周期を変えることができるのは勿論である。
プロトン注入をダイオードのカソード側からおこなうこともでき、また、加速電圧等を適当に変えれば、ヘリウムイオンの注入によっても、同様のスイッチングダイオードが得られる。
【0024】
[実施例2]
図3は、本発明第二の実施例の遮蔽マスクの要部斜視図である。複数の三角柱状材料27が、それらの一つの側面が同一平面上に含まれるように、互いに接して配置されている。材料は、例えばプロトンの阻止能力のあるAl等の金属線である。線幅と高さは50〜300μm であり、得ようとするスィッチングダイオードの特性に応じて選ばれる。また、端部は図示されない枠に固定されている。
【0025】
図4は、図3の遮蔽マスクを使用した軽イオン注入時の状況を説明する断面図である。図の右部分にあるのは、半導体基板31であり、その内部に生じた欠陥の分布が示されている。
図4の断面図において、三角形の同一平面上に含まれる辺の長さをL、その辺に対する三角形の高さをHとする。三角形の頂点は、半導体基板側、軽イオンのイオン源側のどちらを向いていてもよい。本形状の場合は、遮蔽マスクを構成する材料の軽イオン阻止能力に関するパラメータBを用いれば、結晶欠陥密度ピークの差は、
B×H
で表される。
【0026】
前述の円柱状遮蔽マスクと同様に、構成材料の軽イオン阻止能力、軽イオンの加速電圧、断面三角形の高さH、Al箔などの減速材との併用の最適化により、注入領域と未注入領域とをストライプ状に交互に形成することが可能である。
三角柱材料27が、互いに接して配置されているため、注入領域の幅は、遮蔽能力と加速電圧とで決まる一定の値になる。
【0027】
なおかつ、実施例1の遮蔽マスクと比較して、結晶欠陥密度ピークの変化周期Lと上記の結晶欠陥密度ピークの差B×Hとを独立に変化させることができる利点がある。
三角柱以外にも、断面が台形、五角形、六角形、七角形等の多角柱を、その尖った端を接するように配置しても良い。
【0028】
また、断面が正方形、長方形の角柱は、それらの間隔を一定に保つための手段を講じれば、使用することができる。
[実施例3]
図5は、本発明第三の実施例の遮蔽マスクの要部斜視図である。
複数の球状材料28が、それらの中心が同一平面上にそろい、かつ隣接するように配置されている。材料は、例えばプロトンの阻止能力のあるステンレス鋼等の金属球である。直径は50〜300μm であり、使用するスィッチングダイオードに応じて選ばれる。この場合は、図示されない枠と、その枠の両面または片面に箔を固定し、その中に球状材料28を配置する。
【0029】
本実施例3の球状材料の配置の仕方は、球状材料を最も稠密に配置する最密充填型である。
軽イオンの注入は、それぞれの球状材料の中心を含む平面に対して垂直な方向(図中x−y平面に垂直)に行う。
x方向に均一な分布を持つ円柱状や三角柱状遮蔽マスクと異なり、x、y方向のどちらに対しても結晶欠陥密度の深さ方向ピーク位置の周期性を持つことが特徴である。
【0030】
構成する球状材料の半径をRとする時、図5の最密充填型配置における結晶欠陥密度の深さ方向ピーク位置の周期は、x方向では2R、y方向では√3R、x方向と60°の角をなす方向では2Rとなる。
遮蔽マスクを構成する球状材料の軽イオン阻止能力に関するパラメータをCとすれば、結晶欠陥ピーク位置の差は、それぞれ、2CRとなる。
【0031】
本実施例の場合も、構成材料の軽イオン阻止能力、軽イオンの加速電圧、球状材料の半径、Al箔などの減速材との併用の最適化により、半導体基板表面に対して円状に軽イオンを注入しない領域を作ることが可能である。
[実施例4]
図6は、本発明第四の実施例の遮蔽マスクの要部斜視図である。
【0032】
この例では、複数の球状材料29が、それらの中心が同一平面上にそろい、かつ隣接するように配置されているのは実施例3と同じであるが、球状材料の配置の仕方は、球状材料の直径を一辺とする正方格子位置に配置する正方配置型である。
材料は、例えばプロトンの阻止能力のあるステンレス鋼等の金属球である。直径は50〜300μm であり、使用するスィッチングダイオードに応じて選ばれる。この場合も、図示されない枠と、その枠の両面または片面に箔を固定しその中に球を配置する。
【0033】
構成する球状材料の半径をRとする時、図6の正方配置型における結晶欠陥密度の深さ方向ピーク位置の周期は、x方向、y方向ともに2R、x方向と45°の角度をなす方向では2√2Rで表される。
遮蔽マスクを構成する球状材料の軽イオン阻止能力に関するパラメータをDとすれば、結晶欠陥ピーク位置の差は、それぞれ、2DRとなる。
【0034】
軽イオンの加速電圧、構成する材料の軽イオン阻止能力、適当な厚さの減速材(Al箔など)と組み合わせるなど最適化することにより、半導体基板の表面から一定の深さ領域のみキャリアライフタイムを短くすることができる。
本発明は、実施例に示したスイッチングダイオードに限らず、幅の狭い選択的な短ライフタイム領域を必要とする半導体素子に広く適用できる。
【0035】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、複数のほぼ同一寸法の円柱状、角柱状材料や球状材料が、イオンの注入方向の厚さが幅方向の端部で中央部より薄く、かつ同一平面上で配置し、端部等を固定することによって、電離させたイオン種を電圧で加速させて半導体基板に注入する際の遮蔽マスクを容易に製作できる。
【0036】
特に厚さが厚く、注入部分の幅の狭い遮蔽マスクは、フォトリソグラフィや機械的加工では製作が困難であるのに対し、本発明の遮蔽マスクは何ら困難無く製作でき、実際にその遮蔽マスクを用いてスイッチングダイオードが製造できることを示した。
よって本発明は、半導体基板の局在化ライフタイム制御を容易にし、スイッチング特性の優れた電力用半導体デバイスを容易に製造することができ、発展、普及に資するところ大である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明実施例1の遮蔽マスクの要部斜視図
【図2】 図1の遮蔽マスクの使用方法と効果とを示す断面図
【図3】 本発明実施例2の遮蔽マスクの要部斜視図
【図4】 図3の遮蔽マスクの使用方法と効果とを示す断面図
【図5】 本発明実施例3の遮蔽マスクの要部斜視図
【図6】 本発明実施例4の遮蔽マスクの要部斜視図
【図7】 (a)は従来の軽イオン注入法の説明図、(b)は半導体基板内の結晶欠陥分布図
【図8】 従来の選択的な軽イオン注入法の説明図
【図9】 スイッチングダイオードの断面図
【符号の説明】
2 pアノード層
3 nカソード層
4 アノード電極
5 カソード電極
6 nドリフト層
6a ライフタイムの長い領域
6b ライフタイムの短い領域
11 半導体基板
12 減速材
13 結晶欠陥領域
14 スリット付き遮蔽板
15 選択的結晶欠陥領域
21 半導体基板
26 円柱状材料
27 三角柱状材料
28 球状材料
29 球状材料
31 半導体基板
Claims (10)
- 電離させたイオン種を電圧で加速させて半導体基板に注入する半導体製造用イオン注入装置のイオン発生源と半導体基板の間に配置されるイオン注入用遮蔽マスクにおいて、複数のほぼ同一断面寸法の柱状材料が同一間隔で同一平面上に配列され、それらの柱状材料が長さ方向で平行でかつイオンの注入方向の厚さが幅方向の端部で中央部より薄いことを特徴とするイオン注入用遮蔽マスク。
- 複数のほぼ同一直径の円柱状材料が、それらの中心線が長さ方向で平行でかつ同一平面上にあるように配置され、長さ方向の端部が枠に固定されたことを特徴とする請求項1に記載のイオン注入用遮蔽マスク。
- 複数のほぼ同一断面寸法の角柱状材料が、互いに長さ方向に平行でかつそれらの一つの面が同一平面上にあるように配置され、長さ方向の端部が枠に固定されたことを特徴とする請求項1に記載のイオン注入用遮蔽マスク。
- 断面が多角形であり、幅方向の側面が注入方向と平行であることを特徴とする請求項3に記載のイオン注入用遮蔽マスク。
- 断面が多角形であり、一面を注入方向と垂直にしたとき、注入方向の厚さが、幅方向の端部で中央部より薄く、幅方向の端が前記の面から同じ高さにあることを特徴とする請求項3に記載のイオン注入用遮蔽マスク。
- 断面が三角形であることを特徴とする請求項5に記載のイオン注入用遮蔽マスク。
- 柱状材料が、互いに接するように配置されたことを特徴とする請求項2〜6のいずれか1項に記載のイオン注入用遮蔽マスク。
- 電離させたイオン種を電圧で加速させて半導体基板に注入する半導体製造用イオン注入装置のイオン発生源と半導体基板の間に配置されるイオン注入用遮蔽マスクにおいて、粒状材料が二次元的に配列されたことを特徴とするイオン注入用遮蔽マスク。
- 複数のほぼ同一直径の球状材料が、それらの中心が同一平面上にあるように配置され、枠内に固定されたことを特徴とする請求項8に記載のイオン注入用遮蔽マスク。
- 請求項1ないし9のいずれか1項に記載のイオン注入用遮蔽マスクを用いて半導体基板にイオン注入を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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- 1999-10-28 JP JP30735299A patent/JP4543457B2/ja not_active Expired - Lifetime
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