JP4700264B2 - Semiconductor device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は高速および大電力で動作する半導体素子およびその製造方法に係る。
【0002】
【従来の技術】
マイクロ波帯域で動作する高速トランジスタや電力変換に用いられる大電力トランジスタは家電製品をはじめ、様々な分野で応用されている。
【0003】
高速トランジスタや大電力トランジスタを構成する半導体素子としては、バイポーラトランジスタ、サイリスタ、GTO、IGBT、MOSFETなどがある。これらの素子は大電力をパルス信号で高速にON/OFFする必要があり、電源耐圧と高速性を両立する目的で、平面上に形成される集積回路用基板とは異なる半導体基板が用いられてきた。
【0004】
これらの素子を構成するために用いられてきた半導体基板は図13に示すように、基板基体である高濃度n型半導体シリコン層1301の上に素子を作成する領域である低濃度n型半導体シリコン層1302を積層した構造(あるいは、半導体の導伝形を反転させた、高濃度p型半導体シリコン層の上に低濃度p型半導体シリコン層を積層した構造)を有する2層構造の基板が用いられてきた。この基板の上にイオン注入技術、不純物拡散技術、リソグラフィ技術などを使用して、3層ないし4層の不純物濃度あるいは導伝形の異なる半導体シリコン層を形成して所望の半導体素子を形成していた。このように形成した半導体素子は基板の裏面側から表面側(あるいはその反対向き)に電流が流れるため製造されたばかりの素子では基板が厚く200μm〜1mmの厚さがあるため、素子に直列に挿入される基板の電気抵抗が大きい。従って、最終的に支持基板である高不純物濃度シリコン基板の裏面研磨技術を用いて基板の裏面を研磨し20μm〜200μmとすることで、直列電気抵抗を減じる目的で素子の基板厚みを減少せしめた後、裏面に金属電極を設けて半導体素子を完成していた。
【0005】
裏面研磨の終わった半導体素子の厚さは、200μm程度である。これ以上、薄くすると機械的強度が低下し素子が破断する等の問題が生じてしまっていた。
【0006】
それゆえ、素子の破断等の問題がない、半導体層の薄い基板が求められてきた。
【0007】
上述のような裏面研磨法を用いないで金属基板上に薄いシリコン結晶層を有する構造を形成する技術として特許第3191972号公報記載のように、シリコン単結晶基板上に陽極化成法により、多孔質シリコン層を形成し、その後、950℃程度の温度にてシリコン単結晶をエピタキシャル成長させ、これを金属基板を800℃の温度で接合した後、上記多孔質シリコン層にてシリコン基板を分離し、薄いシリコン層を有する金属基板を作成する技術があるが、800℃以上という高温を用いるため、金属原子の半導体層への拡散の問題が生じ、また上記エピタキシャル層をあらかじめ多層化する際の不純物濃度プロファイルの制御が極めて困難であり、単層あるいは2層の積層半導体層しか得られないため半導体素子の製造が簡略化できないという問題が生じていた。
【0008】
また、従来の半導体素子に用いられる半導体シリコン結晶の面方位は、MOSFETやIGBTにおいてはシリコン・ゲート絶縁膜界面の界面準位密度が少なく、絶縁耐圧の高い良質な酸化膜が得られるのは、{100}面方位のみであった。
【0009】
従来の縦形半導体素子は縦方向にn型とp型の両極性の素子を形成することが困難であり、インバータなどの半導体回路を形成する場合、個別の半導体素子を配線基板上に実装することで形成していた。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
半導体素子の形成工程に立ち返れば、半導体素子を形成するために、不純物イオン注入、拡散などの工程が数多く必要であり、また、それらの多くが1000℃近くの熱工程を要するため、素子中の不純物分布の制御が難しく、歩留まりが低下するため素子の価格が上昇する問題が生じてしまっていた。
【0011】
基板面方位としては、製造技術の観点から{100}面を利用することしかできなかったため、電子および正孔の拡散定数が小さく、素子の電流導通あるいは遮断の速度を高くできない問題が生じてしまっていた。
【0012】
さらに、素子がシリコン基板上に形成されていたために、素子の発熱が素子外へ放出されにくく、素子の温度が上昇するため、電子あるいは正孔の極端な増加が生じ、素子が熱的に暴走したり、複雑な温度補償回路を必要とするといった問題が生じてしまっていた。
【0013】
さらに従来、複数の縦形半導体素子を単一の半導体基板上に形成することが困難であったため、これらの半導体素子を用いて形成した半導体装置が大型化する問題が生じていた。
【0014】
上述の半導体装置が集積化できずに大型化する問題は、隣接する半導体素子を結ぶ配線が長距離化する問題を生じ、これにより配線のもつ寄生容量、インダクタンスが上昇し該半導体装置が高速化できないという問題を生じてしまっていた。
【0015】
本発明の目的は、このような問題を解決し、従来技術では到達し得ない薄い半導体層の導入を可能にし、基板の直列抵抗を減少せしめ、素子の動作速度を高速にし、また、素子製造前にあらかじめ不純物濃度プロファイルの制御された基板を容易に入手可能にし、半導体素子の製造原価を低減せしめることにある。
【0016】
さらに、本発明の目的は、高い電子拡散定数および正孔拡散定数を得ることのできる{110}面を素子中に用いることにより電流を高速に導通あるいは遮断することのできる素子を形成することにある。ここで、{110}面方位とは結晶学的に(110)面と等価な面を表し、例えば(010)面、(001)面などを総称する面方位のことである。
【0017】
さらに、複数の該半導体素子を用いて形成した半導体装置にあっては、該半導体素子を単一半導体基板上に形成することで、素子間を結ぶ配線を短距離化し、配線の持つ寄生容量、インダクタンスを減少せしめ、もって該半導体装置を高速に駆動せしめることにある。
【0018】
【課題を解決するための手段】
本発明は係る従来の課題を解決するために、本発明は、金属基体からなる基板上に半導体層が形成されている半導体基板であって、該金属基板は第1の金属からなる金属基体と、該金属基体を構成する金属が半導体層中へ拡散することを防ぐ拡散防止層と、該金属基板と半導体層を電気的に接続するための第2の金属からなる接続金属層とからなり、該半導体層にあっては{110}面方位と該面方位と等価な面方位のうちの一つからなるシリコン層であり、さらに該半導体層は導伝形の異なる複数の半導体層からなることを特徴とする。
【0019】
また、本発明の半導体素子は、{110}面方位およびそれと等価な面方位のシリコン結晶にバイポーラトランジスタ、縦形MOSFET、IGBTを単独あるいは複数に組み合わせて形成することを特徴とする。また、本発明の縦形半導体素子は、極性の異なる複数の該縦形半導体素子を素子分離領域で分離し、単一の基板上に集積したことを特徴とする。
【0020】
更に、本発明の半導体素子は、金属基板上に形成されており、金属基板の直上に位置する半導体層の厚さは20μm以下であることを特徴とする。また、本発明の半導体基板および半導体素子の形成方法は、金属基板上に導伝形の異なる複数の半導体層を有する半導体基板の製造方法であって、シリコン基板上に多孔質シリコンを形成する工程と、該多孔質シリコン上に複数の導伝形を有する半導体層をエピタキシャル成長する工程と、該エピタキシャルシリコン層と金属基板を貼り合わせる工程と、該金属基板と該エピタキシャルシリコン層を有する半導体基板が張り合わされた基板から、該エピタキシャルシリコン層と多孔質シリコン層の界面において、該半導体基板を切り離す工程とを含むことを特徴とする。更に、本発明の半導体素子および半導体基板の製造方法は上述の工程に加えて、極性の異なる複数の該縦形半導体素子を同一基板上に形成する工程と、該半導体素子を電気的に分離するための素子分離領域を形成する工程を含むことを特徴とする。
【0021】
また、本発明の半導体基板および半導体素子の形成方法は、600℃以下の低温で該エピタキシャルシリコン層を形成する工程を含むことを特徴とする。
【0022】
本発明によれば、{110}面方位の結晶からなる不純物濃度プロファイルが制御された半導体シリコン層を低抵抗金属基板上に600℃程度以下の低温であらかじめ積層することで、金属基板上に半導体層を形成した構造となっているため、従来の問題となっていた裏面研磨における基板破断の問題がなく半導体層を薄くできるため、不要な寄生抵抗を減少せしめることが可能となり素子を高速に駆動することができ、従来200μm程度あった半導体層の厚みを20μm以下にまで減少せしめることで縦形半導体素子の直列抵抗を減少することができる。
【0023】
図12は基板厚さに対するバイポーラトランジスタの遮断周波数をプロットしたものであり、エミッタ、ベース、コレクタ、の各層について導伝形、基板濃度、厚さをそれぞれ、n型1×10 20 cm -3 、0.7μm;p型5×10 18 cm -3 、0.02μm;及び、n型2×10 17 cm -3 、0.5μmとし、コレクタ層が接する基板についてn型1×10 20 cm -3 とした場合の依存性について示したものである。基板は素子の直列抵抗を減じるために、できるだけ低抵抗であることが必要であり、基板の不純物濃度は基板抵抗率が十分低い1mΩcm程度以下となる1×10 20 cm -3 程度もしくはそれ以上が必要である。基板厚さが20μmを超えたところから遮断周波数の劣化が始まり、従来の基板厚さである200μmでは遮断周波数が最大値の半分程度までに劣化する。
【0024】
本発明によれば20μm以下の基板を導入することで、素子を高速に駆動せしめることができる。上述のn型基板は、反対の導伝形であるp型基板を1×10 20 cm -3 程度、もしくはそれ以上の不純物濃度で用いても同様の効果を得ることができる。さらに、本発明によれば半導体層を構成する半導体シリコン層は基板表面に平行な{110}面の面方位を有する結晶を用いることにより、電子あるいは正孔の拡散定数を増加せしめ、高速に電流を導通あるいは遮断することができる。さらに、半導体層を貫通する素子分離領域を設けることで、単一基板上に複数の縦形半導体素子を形成し、さらに半導体層両面に配線を形成することにより、該半導体素子を集積化し、これによって、形成された半導体装置を小型化することで、素子および配線のもつ寄生容量およびインダクタンスを減少することができるため、従来問題となっていた素子の動作遅延やサージ電圧の発生の問題を緩和することができる。
【0025】
さらに、本発明の半導体基板によれば、縦形半導体層の両面に配線層を形成できるため、従来個別素子を配線基板上に実装することでしか得ることのできなかった縦形半導体素子のインバーターやECL(エミッタ結合素子)を単一の基板上に簡単に形成できるため、縦形半導体を用いた様々な集積回路が実現できる。
【0026】
本発明でいう{110}面方位とは結晶学的に(110)面と等価な面方位であり、例えば(011)面、(101)面等を総称する。また、{110}面方位に必ずしも完全に一致していなくても、本発明の目的はほぼ同等に達成でき、例えば(511)面、(331)面、(221)面、(321)面、(531)面、(231)面、(351)面、(320)面、(230)面など、{110}面方位に近い面方位を用いてもよい。
【0027】
さらに、本発明の半導体基板によれば、金属基板の上に半導体層が形成された構造となっているため、従来の縦形半導体素子で問題となっていた素子の直列抵抗を十分に小さくすることができ、高速に電流を導通あるいは遮断することができる。さらに、金属基板を用いることで、基板の熱伝導率が向上するため、素子の発熱を除去し、該発熱による素子の熱暴走を抑制することができる。
【0028】
さらに、本発明の半導体基板によれば、上述のように導伝形の異なる複数の半導体層が600℃程度以下の低温で、あらかじめ形成されており、不純物プロファイルを精密に制御することができるため、隣接する半導体層間で略階段状の急峻な不純物プロファイルを得ることができるため、導伝形の極性の異なる半導体層間で形成される空乏層領域を極小にすることができ、ベース層の薄い、あるいはチャネル長の短い、高性能の素子を簡単な工程で製造することができる。
【0029】
本発明でいう略階段上の不純物濃度プロファイルとは隣接する半導体層が共に600℃程度以下の低温において、エピタキシャル成長法によって形成されており、接合界面において相互に不純物の拡散が小さい急峻な濃度プロファイルが得られている状態を指し、固層拡散法やイオン注入法では得ることのできない不純物プロファイルを得ることができる。
【0030】
シリコン中に存在する不純物であるAs,P,B,Sbなどにおける600℃におけるシリコン中の拡散定数は10 -20 cm 2 /s 程度以下であり、その雰囲気中にいる時間と拡散定数の積の平方根で定義付けられる拡散距離は1時間では0.6オングストロームであって、本発明において600℃以下の低温とはシリコン中で不純物の拡散が生じない領域を指す。
【0031】
【発明の実施の形態】
(実施例1)
本発明の実施例1に係る半導体基板の構造および製造方法について図1を用いて以下に説明する。以下でいう導伝形とはシリコン半導体におけるn型およびp型半導体を指し、不純物濃度の変化も導伝形の違いに含まれる。図1は本実施例に係るバイポーラトランジスタ基板の断面構造である。図1において、本バイポーラトランジスタ基板は、エミッタ層を形成するための第1の導伝形を有するSi層101と、ベース層を構成するための第2の導伝形として第1の導伝形とは反対の導伝形を有するSi層102と、コレクタ層を構成するための第3の導伝形を有するSi層103と、コレクタ電極接触領域を形成するための第4の導伝形を有するSi層104と該第4の導伝形を有するSi層に接続され、コレクタ電極を形成する金属基板108と上記半導体層と金属基板を接合する接合層107とによって構成される。
【0032】
図示された金属基板108は第1の金属(例えば、Cu)によって形成された基体と当該基体を覆うように形成された第2の金属(例えば、Ni)からなる接続金属層とによって構成されている。
【0033】
本発明のバイポーラトランジスタ基板は、金属基板上に複数の導伝形を有するSi層があらかじめ形成されてなり、前記第4の導伝形を有するSi層104は不純物濃度が1×10 20 cm -3 程度以上で厚さが20μm以下であるため、形成した素子の直列抵抗を減少でき、高速に動作する素子を簡単に形成することができる。さらに、該Si層は{110}面方位を有するSi単結晶であり、従来の{100}面方位の基板を用いた場合に比べ拡散定数が大きく動作速度を向上できる。
【0034】
また、該Si層は600℃程度以下の低温エピタキシャル成長で形成され、不純物プロファイルが精密に制御されているため、高性能の素子を簡単に製造することができる。このようなバイポーラトランジスタ基板の製造方法を図2を用いて説明する。図2は本実施例1に係るバイポーラトランジスタとして、npn型バイポーラトランジスタ用基板を例に取りその製造方法を示したものであり、次のようにして形成される。
【0035】
まず、陽極化成法を用いて{110}面を有するシリコン基板201上に、エピタキシャル成長の基体となり後に該シリコン基板とシリコン層を分離するための多孔質シリコン層202を形成し(図2(a))、これを1200℃の水素雰囲気で処理することにより表面の微細孔を封止する。400℃の温度でスパッタ法によりエミッタ層となるn型シリコン203のエピタキシャル成長を行う。次に同様の手法を用いて、p型ベース層204、n型コレクタ層205、n型高濃度コレクタ層206を順にエピタキシャル成長する(図2(b))。各層の厚さはそれぞれ0.7μm、0.02μm、0.5μm、0.1μmとし、不純物濃度は1×10 20 cm -3 , 5×10 18 cm -3 , 2×10 17 cm -3 , 1×10 20 cm -3 とした。これらの値は、素子の使用目的、耐圧により可変可能である。ただし、高濃度コレクタ層206については、低抵抗化の目的から十分に薄いことが望ましく、20μm以下が望ましい。これは、図12に示すように、20μm以上に厚い高濃度コレクタ層の場合、コレクタ電極の電気抵抗が上昇するため、これとコレクタ容量との積で定義づけられる、コレクタ充電時間が大きくなり、動作速度を示す遮断周波数が低下するためである。
【0036】
次に、図2(c)に示すように、素子の支持基板となる、あらかじめ作成した後述の金属基板208と上述のシリコン基板を接合する。金属基板のシリコン基板との貼り合わせ界面にはNiが成膜されておりRTA法などにより500℃程度以下の温度でシリサイド化反応により金属基板と半導体層の貼り合わせを行うシリサイド層207が形成され接合される。
【0037】
上述の金属基板は以下の様に形成される。まず、金属基板の基体となるCu基板を用意する。該Cu基板の厚さは、機械的強度上問題の生じない200μmとした。続いてこのCu基板表面に、Cuのシリコン層への拡散を防ぐために基板の表面にTaNを例えば通常のスパッタ法により形成する。前記TaNをスパッタ成膜したCu基板全面に、金属基板表面のパシベーションおよびSiとのシリサイド化による基板張り合わせを400〜500℃ 程度以下の低温で行えるNiをメッキ法によって形成する。このようにして前記金属基板は形成される。
【0038】
金属基板の基体となる材料はCuに限られず、基板抵抗が前記高濃度コレクタ層に比べ十分小さくできる、Au,Agなど100μΩcm程度以下の抵抗率をもつ導電性金属もしくは金属化合物であればよい。
【0039】
また、拡散防止層はTaNに限られず、TaSiN、TiN、TiSiNなどSi中への金属基板を構成する元素の拡散を防げるものであれば良い。
【0040】
また、シリサイド化による張り合わせ材料として作用する接続金属層のNiはこれに限られず、Ti、Coなど500℃程度以下の低温でSiとのシリサイド化反応を生じ、基板の張り合わせを行える材料であれば良い。
【0041】
次に、先に形成した多孔質シリコン202とエピタキシャル成長したシリコン層203との界面で切り離しを行う(図2(d))。
【0042】
このようにして本実施例1に係る半導体基板が形成される。600℃以下の低温でエピタキシャル成長を行うことにより、従来問題となっていた不純物の拡散の問題がないため、各層の厚さと不純物濃度を精密に制御できる。また、各機能層を、連続スパッタ成膜により形成できるため、従来のように、不純物拡散あるいはイオン注入等の技術を用いる必要がなく、極めて簡単にかつ高品質に素子形成の素地となる基板形成が可能である。
【0043】
次に、上述の半導体基板を用いたバイポーラトランジスタの製法について図3を用いて説明する。まず、上述の工程により完成した半導体基板(図3(a))上に、エミッタ領域をマスクするためのフォトレジスト307を塗布し、ステッパなどによりレジストののパターニングを行い、エミッタ領域となる部分以外のエミッタ層上のレジストに開口部を設ける(図3(b))。
【0044】
次に、RIE法などにより上記レジスト開口部下のエミッタ層を除去する。次に残存するフォトレジストを除去しない状態で、ベース層305に対してイオン注入を行い、ベース電極を形成する金属とシリコン層の電気的接触をとるためのベースコンタクト層308を形成する(図3(c))。エミッタ領域はレジストが存在しているため、イオン注入はされない。次に、イオン種としてBF 2 + を用いて半導体製造で用いられているイオン注入技術を用いてエミッタ直下を除くベース層の不純物密度が1×10 20 cm -3 となるようにイオン注入を行い、550℃で1時間の窒素中の熱処理により再結晶化を行った。550℃の温度では不純物の拡散といった問題は生じることなく再結晶化できた。
【0045】
上述の工程の後、フォトレジスト307を剥離し、基板全面に層間絶縁膜として例えばSiO 2 311をCVD法により、400℃の温度で成膜した。層間絶縁膜はSiO 2 に限られず、半導体製造で用いられるSiON、SiOF、ポリイミド、PTFEなどの絶縁材料であればよい。
【0046】
その後、コンタクトホール形成のためのフォトレジストを塗布しベースおよびエミッタのコンタクト領域をパターニングし、RIE法を用いてコンタクトホールを形成する。次に、Si中への電極材料であるAlのスパイクを防止するため、Siを原子組成で1%程度含むAlをスパッタ法により成膜し、パターニングすることでベース電極309およびエミッタ電極310とした(図3(d))。上述の電極については、あらかじめCo, Niなどをスパッタ法で成膜し、RTA法を用いて自己整合シリサイド化を行うサリサイド技術を用いて低コンタクト抵抗化を図っても良い。
【0047】
このようにして、本実施例1に示した基板を用いてバイポーラトランジスタが作成される。イオン注入工程は1回であり、すべての工程を600℃以下の低温で行うことにより、不純物の拡散の問題がないため、各機能層の不純物濃度が正確に制御された半導体基板および半導体素子を簡単に製造することができる。さらに、ベース層はイオン注入法や不純物拡散法ではなく、600℃程度以下の低温エピタキシャル成長法を用いるため薄く形成することが容易であり、高性能な半導体素子を簡単に低コストで作成することができた。
【0048】
さらに、結晶面方位として、拡散定数の大きい{110}面を用いているため、従来に比べ高速な半導体素子が作成できる。高濃度コレクタ層は0.2μmと薄く十分に低抵抗化されているため、従来の様に基板抵抗によって素子の特性が劣化することはない。素子の高速性を示す遮断周波数が従来の{100}面のシリコン基板デバイスで50GHz程度であったのに対し、本実施例においては116GHzが得られた。
【0049】
(実施例2)
本発明の実施例2に係る半導体基板の構造について図4を用いて説明する。図4は本実施例2における縦形MOSFET用基板であり、金属基板401上に第1の導電形を示す高濃度ドレイン層403、第1の導電形とは不純物濃度の異なる第2の導電形を示すドレイン層404および第1の導電形とは反対の導電形である第3の導電形を有し、MOSFETのチャネルが形成されるボディ層405を、実施例1に示した方法と同様の方法で{110}面を有するシリコン基板上に形成して構成される。
【0050】
各層の導伝形、不純物濃度および厚さは高濃度ドレイン層についてn型1×10 20 cm -3 ,0.2μm、ドレイン層についてn型2×10 17 cm -3 , 0.5μm、ボディ層についてp型5×10 18 cm -3 0.2μmとした。本発明の実施例2における縦型MOSFET用基板は、金属基板上に複数の導伝形を有するSi層があらかじめ形成されてなり、前記第1の導伝形を有するSi層403は不純物濃度が1×10 20 cm -3 程度以上で厚さが20μm以下であるため、形成した素子の直列抵抗を減少でき、高速に動作する素子を簡単に形成することができる。
【0051】
さらに、該Si層は{110}面方位を有するSi単結晶であり、従来の{100}面方位の基板を用いた場合に比べ拡散定数が大きく動作速度を向上できる。また該Si層は600℃程度以下の低温エピタキシャル成長で形成され、不純物プロファイルが精密に制御されているため、高性能の素子を簡単に製造することができる。このような縦型MOSFET基板を用いた縦型MOSFETの製造方法を図5を用いて説明する。
【0052】
図5は本実施例2に係る縦型MOSFET用基板を用いた、縦型nチャネルMOSFETの製造方法を示したものであり、以下に説明を行う。
【0053】
まず、ソース領域を形成するために、ボディ領域とは反対の導伝形を形成するイオンであるAs + をイオン注入法により注入し、ソース領域506を形成する(図5(a))。続いて層間絶縁膜を形成するために、CVD法によりSiO 2 507を0.5μm堆積した(図5(b))。これによりゲート電極とソース領域の重なり容量を低減することができる。
【0054】
次に、ゲート電極を形成するために、ゲート電極となる場所にトレンチホール508を形成する(図5(c))。これは次のように行う。基板全面にフォトレジストを塗布し、該フォトレジストのパターニングを行い、トレンチ作成部のレジストに開口部を設ける。該開口部はソース領域内に配置するようにする。次に一般に用いられているRIE法によりトレンチホールを形成する。該トレンチホール508の底部はドレイン領域504に達するように形成し、本実施例においては0.8μm、幅0.3μm、長さ20μmとした。この値は素子の使用目的によって変更可能である。
【0055】
次に、フォトレジストを除去したのちゲート酸化膜を形成する。ゲート酸化膜の形成は、KrとO 2 を混合したガスを用いて400℃の温度でプラズマ酸化し、該トレンチホール内壁に5nmの膜厚の酸化膜を形成した。これにより、該トレンチホール508の内壁に均一に耐圧10MV/cm以上の良質の酸化膜が形成できる(図5(d))。
【0056】
上記に引き続きゲート電極510を形成する。ゲート電極材料として例えばポリSiをCVD法により400℃で0.1μm堆積した後、Siを原子組成で1%程度含むAlをスパッタ法により成膜した。フォトレジストを基板全面に塗布しゲート電極部のパターニングを行いゲート電極が完成する。
【0057】
次に、層間絶縁膜を形成するために、基板全面にわたってCVD法により400℃の温度でSiO 2 を堆積し、ソース電極を形成するためにフォトレジストを塗布してソース電極部509のパターニングを行う。ソース電極部509のパターニングに際してはフォトレジスト開口部がソースn + 層506とボディのp層505の両方にまたがるように形成する。このようにすることで、ソース電極でソース電位とボディ電位の両方をとることができる。
【0058】
RIE法を用いてフォトレジスト開口部のSiO 2 をエッチングしてコンタクトホールを形成し、Siを原子組成で1%程度程度含むAlをスパッタ法に形成してソース電極509が形成される(図5(e))。
【0059】
以上の工程により本発明の実施例2に係る基板を用いた縦形MOSFETが完成する。従来の様にボディウェル形成のためのイオン注入を行う必要がなく、不純物濃度を正確に制御できる。さらに素子形成に必要な機能層があらかじめ基板中に作り込まれた構造となっているため、素子の製造工程を簡略化できる。さらに、高濃度ドレイン層は0.2μmと薄く形成されており、十分に低抵抗化されているため、素子の直列抵抗が低く、従来の様に基板抵抗によって素子の速度性能の劣化のない縦形MOSFETが得られた。
【0060】
さらに、例えば、高濃度ドレイン領域にp + 及びn + シリコンを交互に配したドレイン短絡形の素子でも同等の効果を得ることができる。
【0061】
一方、各層の導伝型を反対の導伝形とした縦形pチャネルMOSFETも同様な工程により製造できる。その例を以下に示す。
【0062】
本発明をトレンチ構造縦形PチャンネルパワーMOSトランジスタに適用した実施の形態について、再度図5を用いて説明する。この場合にも図4に示された構造を備えた縦形PチャンネルMOSFET用基板を使用できる。図5(a)に示された構造は第1の導電形を示す高濃度ドレイン層503、これと不純物濃度の異なるが導電形は同一のドレイン層504および第1の導電形とは反対の導電形である第2の導電形を有し、PチャンネルMOSFETのチャンネルが形成されるボディ層505を、(110)面を有するシリコン基板(図示せず)上に形成することによって得られる。各層の導電形、不純物濃度および厚さは高濃度ドレイン層についてp型1×10 20 cm -3 ,0.2μm、ドレイン層についてp型2×10 17 cm -3 , 0.5μm、ボディ層についてn型5×10 18 cm -3 0.2μmとした。本実施の形態では、高濃度ドレイン層503を不純物濃度が1×10 20 cm -3 程度以上で厚さが20μm以下であるため、形成した素子の直列抵抗を減少でき、高速に動作する素子を簡単に形成することができる。さらに、該層503は(110)面方位を有するSi単結晶であり、従来の(100)面方位の基板を用いた場合に比べ拡散定数が大きく動作速度を向上できる。また該Si層は600℃程度以下の低温エピタキシャル成長で形成され、不純物プロファイルが精密に制御されているため、高性能の素子を簡単に製造することができる。
【0063】
具体的には、本実施の形態に係る縦型トレンチ構造PチャンネルMOSFETは、図4に示す基板を用い、図5(a)に示すように、ソース領域を形成するために、ボディ領域505とは反対の導伝形を形成するボロンを導入すべく、BF 2 + をイオン注入法により注入し、ソース領域506を形成する。その不純物濃度は、p型1×10 20 cm -3 である。続いて層間絶縁膜を形成するために、CVD法によりSiO 2 507を0.5μm堆積した(図5(b))。これによりゲート電極とソース領域の重なり容量を低減することができる。
【0064】
次に、図5(c)に示すように、ゲート電極を形成するために、ゲート電極となる場所にトレンチホール508を形成する。これは次のように行う。基板全面にフォトレジストを塗布し、該フォトレジストのパターニングを行い、トレンチ作成部のレジストに開口部を設ける。該開口部はソース領域内に配置するようにする。次に一般に用いられているRIE法によりトレンチホールを形成する。該トレンチホール508の底部はドレイン領域504に達するように形成し、本実施例においては深さ0.8μm、幅0.3μm、長さ20μmとした。この値は素子の使用目的によって変更可能である。シリコン505表面は(110)面であるので、それと90°をなすトレンチホール508の内側壁面も(110)面になっている。
【0065】
次に、図5(d)に示すように、フォトレジストを除去したのちゲート酸化膜511を形成する。ゲート酸化膜の形成は、KrとO 2 を混合したガスを用いて400℃の温度でプラズマ酸化し、該トレンチホール内壁に20nmの膜厚のシリコン酸化膜を形成した。これにより、該トレンチホール508の(110)面内壁に均一に耐圧4乃至5MV/cmの良質の酸化膜511が形成できる。このゲート酸化膜511を有するPチャンネルMOSトランジスタのゲート、ソース間耐電圧は、10Vである。
【0066】
次に、図5(e)に示すように、ゲート電極510を形成する。ゲート電極材料として例えばポリSiをCVD法により400℃で0.1μm堆積した後、Siを原子組成で1%程度含むAlをスパッタ法により成膜した。フォトレジストを基板全面に塗布しゲート電極部のパターニングを行いゲート電極510が完成する。
【0067】
次に、引き続き図5(e)に示すように、層間絶縁膜512を形成するために基板全面にわたってCVD法により400℃の温度でSiO 2 を堆積し、ソース電極509を形成する。ソース電極の形成は、まずフォトレジストを塗布してソース電極部509用開口のパターニングを行う。ソース電極開口のパターニングに際してはフォトレジスト開口部がソース + 層506とボディのn層505の両方にまたがるように形成する。
【0068】
このようにすることによって、ソース電極509でソース電位とボディ電位の両方をとることができる。 開口形成のためには、RIE法を用いてフォトレジスト開口部のSiO 2 膜507および512をエッチングしてコンタクトホールを形成し、Siを原子組成で1%程度程度含むAlをスパッタ法で成膜し、これをエッチングでパターニングしてソース電極509を形成する。
【0069】
以上の工程により本実施の形態に係るトレンチ構造縦形PチャンネルパワーMOS電界効果トランジスタが完成する。高濃度ドレイン層503は0.2μmと薄く形成されており、十分に低抵抗化されているため、素子の直列抵抗が低く、高速なトランジスタが得られた。
【0070】
なお、高濃度ドレイン領域に + 及び + シリコンを交互に配したドレイン短絡形の素子でも同等の効果を得ることができる。
【0071】
(実施例3)
本発明の実施例3に係る半導体基板の構造について図6を用いて説明する。図6は本実施例3における縦形IGBT用基板であり、金属基板601上に第1の導伝形を有するアノード層603、第1の導伝形とは反対の第2の導伝形を有するバッファ層604、導伝率変調層605、およびアノード層と同じ極性を有する第3の導伝形であるゲート層606を実施例1に示した方法と同様の方法で{110}面を有するシリコン基板上に形成して構成される。本実施例においては、各層の導伝形、不純物濃度および厚さはアノード層についてp型1×10 20 cm -3 , 0.2μm、バッファ層についてn型1×10 20 cm -3 , 0.2μm、導伝率変調層についてn型2×10 17 cm -3 0.2μm、ゲート層についてp型5×10 18 cm -3 , 0.2μmとしたが、素子の用途、耐圧によって変更可能である。ただし、アノード層603については、低抵抗化の目的から十分に薄いことが望ましく、20μm以下が望ましい。本発明の実施例3におけるIGBT用基板は、金属基板上に複数の導伝形を有するSi層があらかじめ形成されてなり、前記第1の導伝形を有するSi層603は不純物濃度が1×10 20 cm -3 程度以上で厚さが20μm以下であるため、形成した素子の直列抵抗を減少でき、高速に動作する素子を簡単に形成することができる。さらに、該Si層は{110}面方位を有するSi単結晶であり、従来の{100}面方位の基板を用いた場合に比べ拡散定数が大きく動作速度を向上できる。また該Si層は600℃程度以下の低温エピタキシャル成長で形成され、不純物プロファイルが精密に制御されているため、高性能の素子を簡単に製造することができる。このようなIGBT用基板を用いたIGBTの製造方法を図7を用いて説明する。
【0072】
図7は上述の半導体基板に例としてnチャネルゲート型IGBT素子を形成する方法示したものであり、次の様に形成される。
【0073】
まず、カソード領域707をゲート層と反対の導伝形を形成するためのイオンであるAs + のイオン注入により形成する(図7(a))。続いてCVD法により層間絶縁膜としてSiO 2 708を0.5μm堆積した(図7(b))。これによりゲート電極とカソード領域の重なり容量を低減することができる。
【0074】
次に、ゲート電極となる場所にトレンチホール709を形成する。基板全面にフォトレジストを塗布し、パターニングを行い、トレンチ作成部のレジストに開口部を設ける。次に一般に用いられているRIE法によりトレンチホール709を形成する。トレンチホールの深さは導伝率変調層705に達するように形成され、本実施例では0.8μm、幅0.3μm 長さ20μmとした(図7(c))。この値は素子の使用目的によって変更可能である。
【0075】
次に、フォトレジストを除去したのちゲート酸化膜を形成する。ゲート酸化膜の形成は、KrとO 2 を混合したガスをプラズマ励起したプラズマを用いて400℃の温度でプラズマ酸化し、5nmの膜厚の酸化膜を形成した。これにより、トレンチホール709の内壁に均一に耐圧10MV/cm以上の良質の酸化膜が形成できる(図7(d))。
【0076】
上記に引き続きゲート電極710を形成する。ゲート電極材料としてポリSiをCVD法により400℃で0.1μm程度堆積した後、Siを原子組成で1%程度含むAlをスパッタ法により成膜した。フォトレジストを基板全面に塗布しゲート電極部のパターニングを行いゲート電極710が完成する。
【0077】
次に、層間絶縁膜を形成するために、基板全面にわたってCVD法により400℃の温度でSiO 2 を堆積し、カソード電極を形成するために、フォトレジストを塗布してソース電極部711のパターニングを行う。カソード電極部711のパターニングに際してはフォトレジスト開口部がソースn + 層とボディのp層の両方にまたがるように形成する。このようにすることで、カソード電極によりソース電位とボディ電位の両方をとることができる。RIE法を用いてフォトレジスト開口部のSiO2をエッチングしてコンタクトホールを形成し、Siを原子組成で1%程度含むAlをスパッタ法に形成してソース電極711が形成される(図7(e))。
【0078】
以上の工程により本発明の実施例3に係る基板を用いた縦形IGBTが完成する。従来の様にウェル形成のためのイオン注入を行う必要がなく、不純物濃度を正確に制御できる。デバイスに必要な機能層があらかじめ基板中に作り込まれた構造となっているため、素子の製造工程を簡略化できる。さらに、アノード層は0.2μmと薄く形成されており、十分に低抵抗化されているため、素子の直列抵抗が小さく、高速化スイッチングが実現できた。
【0079】
さらに、例えば、アノード領域にp + 及びn + シリコンを交互に配したアノード短絡形の素子でも同等の効果を得ることができる。
【0080】
さらに、各層の導伝型を反対の導伝形としたpチャネル型IGBTについても同等の効果が得られる。
【0081】
(実施例4)
本発明の実施例4に係る半導体装置について図8および図9を用いて説明する。本実施例4に係る半導体装置は図8に示す相補型素子より構成される。図8(a)はバイポーラトランジスタを用いた相補型インバーター装置である。図8(b)は縦形MOSFETを用いた相補型インバーター装置である。図8(c)はIGBTを用いた相補型インバータ装置である。このようなインバーター装置を構成する各半導体素子は、互いに導伝形が反転した構造になっており、かつ、縦形素子であるため、素子が基板を表面から裏面へ貫通した構造となっており、従来技術では同一の半導体基板上に極性の異なる複数の素子を形成することができない。そのため、それぞれ異なる半導体基板上に作成した該素子を個別素子として実装することで製造していたため、集積化することができず、大型であり、各構成素子間を結ぶ配線が長距離化し、インダクタンスが小さくできず、したがって該インダクタンス成分によるサージ電圧発生などの問題を生じていた。さらに、従来のように{100}面方位上に形成していたpnp型バイポーラトランジスタは、電子および正孔の拡散定数が小さいため、動作速度が遅く、図8に示すような相補型素子を実現することは困難であった。
【0082】
本実施例4にかかる半導体装置は、半導体装置を構成する各半導体素子を単一の半導体基板上に製造することで、該半導体素子間の配線を該半導体基板上に形成し集積回路として動作するように為し得たものである。半導体素子を形成する半導体層は{110}面方位を有するシリコンを用いるため、電子および正孔の拡散定数が大きく、pnp型バイポーラトランジスタを用いても、npn型のバイポーラトランジスタと同等の性能を有するため、相補型構成が可能であり、単一の半導体基板上に極性の反転した複数の素子が混在できるため、インバーターなどの半導体装置を小型化することができ、素子間の配線が短距離化されるため、配線のもつ寄生容量、寄生インダクタンスが減少でき、動作遅延、サージ電圧の発生といった問題を減じることができ、以って高速に動作する半導体装置を安価に提供することができる。
【0083】
次に、本実施例4に係る半導体装置の形成方法を図9を用いて説明する。図9は本実施例4に係る半導体装置において、npn形およびpnp型のバイポーラトランジスタを用いて形成した相補型インバーター装置である。図中の符号は図10のものに対応している。金属基板1015上にnpn型バイポーラトランジスタ1021およびpnp型バイポーラトランジスタ1022が形成されており、素子分離領域1023で素子分離されている。両者のコレクタ電極は金属基板で電気的に接続されており、これにより図8(a)に示す回路構成が実現されている。単一の基板上に極性の異なる複数の素子が混在した構造が形成できるため、従来個別素子を実装することでしか実現できなかった縦形半導体素子の集積化が本実施例に係る半導体基板により実現できる。従来のように外部配線でコレクタ電極を接続しないので、配線に係る寄生容量および寄生インダクタンスを減少することができ、動作遅延、サージ電圧の発生といった従来の問題を解決でき、以って高速に動作する半導体装置を提供することが可能である。
【0084】
このような、極性の異なる複数の縦形半導体素子を単一基板上に形成した半導体装置の製造方法を図10を用いて説明する。図10はバイポーラトランジスタを用いた相補型インバータを例にとり、その製造方法を説明したものである。
【0085】
まず第1に、図10(a)に示すように{110}面方位を有するシリコン基板1001の表面に、シリコンのエピタキシャル成長の基体であり、金属基板との貼り合わせ後に該基体を切り離すための多孔質シリコン層1002を陽極化成法により形成する。これを1200℃の水素雰囲気で処理することにより表面の微細孔を封止する。次に該多孔質シリコン表面に半導体層形成のバッファ層として、後に形成する第1の素子の第1の導伝形とは反対の導伝形を有するSiとして例えばn型Siを0.1μm程度エピタキシャル成長させ、バッファ層1003を得る。
【0086】
次に、図10(b)に示すように第1の素子のエミッタ電極を形成するための第1の導伝形を示すシリコン層1004として、例えばp + Siを例えばスパッタ法により形成する。本実施例においては0.7μmの膜厚で成膜した。次に該p + Si 1004表面に、保護層として例えば400℃の温度でCVD法によりSiO 2 1005を形成する。次にフォトリソグラフィ法により前記SiO 2 および該p + Siをパターニングし、該p + Si層を前記バッファ層1003が現れるまでエッチングする。次にフォトレジストを除去して、第1の素子を存在させる領域にのみp + Si層を残す(図10(b))。この際にSiO 2 層1005は除去しないようにする。
【0087】
次に、前記エッチング済みの表面に第2の素子の第1の導伝形とは反対の第2の導伝形を示すシリコン層を堆積する。例えばスパッタ法を用いて、n + Siを、前記第1の素子の第1の導伝形の例であるp + Siと同じ厚さとなるように成膜する。成膜されたn + Siは前記バッファ膜1003上では第2の素子のエミッタ電極となるエピタキシャル膜1006として、前記p + Si上の酸化膜上ではアモルファスシリコンないしはポリシリコン1007として成長する(図10(c))。
【0088】
次に、酸化膜上に成長した不要なn + Si 1007を除去する。除去に際しては、例えば、発熱の少ないヨウ素酸、フッ酸、酢酸の混合溶液を用いる。酸化膜上に成長した非単結晶のn + Si 1007はエピタキシャル成長した単結晶のn + Si 1006に比べエッチング速度が速く十分な選択比が取れるため、単結晶n + Si 1006の膜厚を変化させることなく非単結晶n + Si 1007のみが除去できる。次に緩衝フッ酸溶液を用いてp + Si表面に形成されている酸化膜を除去することで、図10(d)に示す構造が完成する。
【0089】
続いて、第2の素子のベース電極となる第3の導伝形を示す層1008として前記第2の素子の第2の導伝形とは反対の導伝形を示す層を、例えばスパッタ法により形成する。本実施例においてはp型Siを0.02μmの厚さで形成した。引き続き、前記p型Si層 1008を堆積した表面に例えばCVD法により400℃の温度でSiO2 1005を形成する。フォトリソグラフィ法によりパターニングし、前記SiO2 1005と前記p型Si層1008のうち、第2の素子を形成する部分以外の不要な酸化膜およびp型Siを例えばRIE法により除去する(図10(e))。
【0090】
次に第1の素子のベース電極を形成する第4の導伝形を示す層として、前記第1の素子の第1の導伝形とは反対の導伝形を示す層を、例えばスパッタ法により形成する。本実施例においてはn型Siを0.02μmの厚さで形成した。成膜されたn型Siは前記p + Si膜1004上ではエピタキシャル膜1009として成長し、前記p型Si層1008上の酸化膜1005上ではアモルファスシリコンないしはポリシリコン1010として成長する(図10(f))。
【0091】
続いて、酸化膜上に成長した不要なp型Siを除去する。除去に際しては、発熱の少ないヨウ素酸、フッ酸、酢酸の混合溶液を用いる。酸化膜上に成長した非単結晶のp型Si層1010はエピタキシャル成長した単結晶のp型Si層1009に比べエッチング速度が速く十分な選択比が取れるため、単結晶p型Si層1009の膜厚を変化させることなく非単結晶p型Si層1010のみが除去できる。次に緩衝フッ酸溶液を用いて前記n型Si層1008表面に形成されているSiO 2 1005を除去することで、図10(g)に示すように、半導体層の互いに隣り合う導伝形が反転した構造が完成する。
【0092】
上述の方法を繰り返し用いることで残りの半導体層であるコレクタ層、高濃度コレクタ層の各層を形成し、図10(h)の構造を得る。各層の厚さは、第1および第2の素子のコレクタ層について、それぞれ、0.5μm、高濃度コレクタ層について、それぞれ、0.2μmとした。
【0093】
次に、図10(i)に示すように、前記シリコン基板と金属基板1015を貼り合わせる。金属基板は例えばCu基板表面に拡散防止のためにTaN層を例えばスパッタ法により形成し、次に基板全面にNi層をメッキ法により形成する。前記シリコン基板と前記金属基板とを貼り合わせ、RTA法などにより500℃の温度で処理することによりNiとSiがシリサイド化反応を起こしシリサイド層1024を形成して強固な接合が得られる。
【0094】
金属基板の基体となる材料はCuに限られず、基板抵抗が前記高濃度コレクタ層に比べ十分小さくできる、Au,Agなど100μΩcm程度以下の抵抗率をもつ導電性金属もしくは金属化合物であればよい。
【0095】
また、拡散防止層はTaNに限られず、TaSiN、TiN、TiSiNなどSi中への金属基板を構成する元素の拡散を防げるものであれば良い。
【0096】
また、シリサイド化による張り合わせ材料のNiはこれに限られず、Ti、Coなど400〜500℃程度以下の低温でSiとのシリサイド化反応を生じ、基板の張り合わせを行える材料であれば良い。
【0097】
続いて、前記多孔質シリコン部分1002と前記バッファ層1003の界面で上記張り合わせ基板を切断し、バッファ層をRIE法によりエッチング除去することで図10(j)に示す構造が得られる。
【0098】
次に、第1の素子と第2の素子の素子分離を行うために、前記基板の金属基板とは反対の表面にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィ法によって、該フォトレジストの第1の素子と第2の素子の境界上に開口1017を設ける(図10(k))。次にRIE法によって、前記開口部にトレンチホールを形成する。該トレンチホール底面は半導体層の表面から裏面に達し、金属基板との貼り合わせを行ったシリサイド層表面に達するようにすることで図10(l)に示される構造が形成される。フォトレジストを除去し、次に分離領域と半導体層の界面特性を良好にするために、KrとO 2 を用いたプラズマ酸化法により該トレンチホール内壁にSiO 2 を10nm程度形成する(図10(m))。該酸化膜は、絶縁性があれば良く、例えばNH 3 プラズマを用いて形成したSi 3 N 4 膜などでもよい。その後CVD法によって400℃程度の温度でトレンチホール内をSiO 2 1018で満たす(図10(n))。CVDによって形成した該SiO 2 は絶縁性があればよく、例えばNH 3 SiH 4 を用いて形成したSi 3 N 4 などでもよい。基板表面のSiO 2 を例えばRIE法により除去することで図10(o)に示す構造が得られる。これにより、第1の素子と第2の素子の素子分離が完了した。
【0099】
次に、実施例1に記載した方法と同様の方法で、ベース電極1019、エミッタ電極1020を形成し、図10(p)に示すインバーター装置が完成する。第1の素子と第2の素子のコレクタ電極は金属基板1015で接続されており新たな配線の必要はない。
【0100】
このようにして得られたバイポーラトランジスタによる相補型インバーター装置は、該インバーター装置を構成する各半導体素子を単一の半導体基板上に製造することで、該半導体素子間の配線を該半導体基板上に形成し集積回路として動作するように為し得たものである。半導体素子を形成する半導体層は{110}面方位を有するシリコンを用いるため、電子および正孔の拡散定数が大きく、pnp型バイポーラトランジスタを用いても、npn型のバイポーラトランジスタと同等の性能を有するため、相補型構成となっており、単一の半導体基板上に極性の反転した複数の素子が混在しているため、小型のインバーター装置とすることができ、素子間の配線が短距離化されるため、配線のもつ寄生容量、寄生インダクタンスが減少でき、動作遅延、サージ電圧の発生といった問題を減じることができ、以って高速に動作する半導体装置を安価に提供することができた。
【0101】
本実施例に示す方法を応用すれば、コレクタ電極を共通とした集積回路の形成が可能であり、従来個別素子を組み合わせることで形成していた、縦形半導体素子によるインバーターなどの半導体装置を単一基板上に効率よく集積して形成し、動作速度の向上、消費電力の低減を実現できる。
【0102】
全ての工程は500℃以下の低温で行われているため、導伝形の異なる半導体間での不純物拡散の問題がないため、素子の特性上重要である不純物濃度の分布を簡単に制御できる。
【0103】
本実施例においてはバイポーラトランジスタの例を示したが、本実施例に示す方法を用いれば、縦形半導体素子として縦形MOSFETやIGBTなどを用いても本質的な違いはなく、また、これらを組み合わせて同一基板内に形成することも可能である。また、同様に、横形半導体素子と縦形半導体素子を単一の基板上に集積した集積回路構成も可能である。
【0104】
また、金属基板張り合わせ前に、コレクタ側に配線層をあらかじめ形成した後に、金属基板を電源供給基板などとして貼り合わせることでECL(エミッタ結合素子)として利用することも可能であり、あらゆる集積回路を実現することが可能である。
【0105】
(実施例5)
本実施例5における、半導体層の両面に配線層を形成した縦形半導体を用いた集積回路の形成方法について、半導体層の金属基板側への配線層の形成方法を、図11を用いて説明する。
【0106】
まず、実施例4に示した方法を用いて、複数の縦形半導体素子を単一基板上に形成する工程のうち金属基板を貼り合わせる直前の形態を得たのち、この基板表面に層間絶縁膜となる絶縁膜として、例えばSiO 2 1106をCVD法により400℃程度の温度で形成することで図11(a)に示すように半導体層の表面に層間絶縁膜材料が存在する構造を得る。図11(a)の半導体層1104は例として、複数のバイポーラトランジスタを単一基板上に形成する場合を示しているが、縦形MOSFETやIGBTを得る場合などの様に、図面に示した層構造をとっていないとしても、本実施例の本質は変わらない。
【0107】
次に、コレクタ電極の引き出し配線を行うために、図11(b)に示すように通常のフォトリソグラフィ法を用いて前記層間絶縁膜1106のバイポーラトランジスタのコレクタ電極部に開口を設ける。
【0108】
この際、第1の素子と第2の素子の境界上には前記層間絶縁膜を残すようにパターニングする。これは、後に半導体基板の金属基板とは反対側の面から実施例4に示す方法で素子分離を行う際に、該素子境界上の該層間絶縁膜をRIEのエッチング停止層として機能させるためである。
【0109】
配線金属として、例えば、Siを原子組成で1%程度含むAlをスパッタ法により成膜した後、フォトリソグラフィ法により該フォトレジストをパターニングして、RIEなどの手法を用いて、コレクタ電極1107を形成したのち、層間絶縁膜1108として例えばSiO 2 を400℃の温度にて成膜する。これを繰り返し用いることにより、図11(c)に示されるコレクタ側配線を形成する。層間絶縁膜1108には、コレクタ電極1107と、2層目以降の配線層や金属基板とを、電気的に結ぶためのビア1109を形成しても良い。
【0110】
次に、支持基板と電源供給基板を兼ねる金属基板を、上記によって形成された半導体基板を貼り合わせるために、前記半導体基板のコレクタ側表面、全面に例えばn + Si 1110を10nm程度、例えばスパッタ法により堆積する。この後に該n + Si層に金属基板1111を接合する。金属基板は例えば実施例4に示すNi表面を有する基板で良く、500℃程度以下の温度で該n + Si層と該Ni層のシリサイド化反応によりシリサイド層1112を形成し強固な接合を得る(図11(d))。
【0111】
このようにして、コレクタ側の配線を形成した後、金属基板と貼り合わせを行い、引き続き、実施例4に示す方法でエミッタ側配線を形成することで、半導体層の両面に配線を有する縦形半導体を用いた集積回路を得ることができた。
【0112】
複数の縦形半導体を含む半導体層の両面に配線を有する構造が単一基板上に実現できるため、コレクタ側の配線を必要としたECL(エミッタ結合素子)などを、単一基板上に簡単に形成することが可能である。
【0113】
【発明の効果】
本発明によれば、{110}面方位の結晶からなる不純物濃度プロファイルが制御された半導体シリコン層を低抵抗金属基板上に600℃程度以下の低温であらかじめ積層することで、金属基板上に半導体層を形成できるため、従来の問題となっていた裏面研磨における基板破断の問題がなく半導体層を薄くできるため、不要な寄生抵抗を減少せしめることが可能となり素子を高速に駆動することができ、従来200μm程度あった半導体層の厚みを20μm以下にまで減少せしめることで縦形半導体素子の直列抵抗を減少することができる。さらに、本発明によれば半導体層を構成する半導体シリコン層は基板表面に平行な{110}面の面方位を有する結晶であるので、電子あるいは正孔の拡散定数を増加せしめ、高速に電流を導通あるいは遮断することができる。さらに、単一基板上に形成した複数の半導体素子を分離する素子分離領域を設けることで、単一基板上に複数の縦形半導体素子を形成し、さらに半導体層両面に配線を形成することにより、該半導体素子を集積化し、これによって、形成された半導体装置を小型化することで、素子および配線のもつ寄生容量およびインダクタンスを減少することができ、従来問題となっていた動作遅延やサージ電圧の発生といった問題を緩和することができる。さらに、本発明の半導体基板によれば、縦形半導体層の両面に配線層を形成できるため、従来個別素子を配線基板上に実装することでしか得ることのできなかった縦形半導体素子のインバーターやECL(エミッタ結合素子)を単一の基板上に簡単に形成できるため、縦形半導体を用いた様々な集積回路が実現できる。
【0114】
さらに本発明の半導体基板によれば、金属基板の上に半導体層が形成された構造となっているため、従来の縦形半導体素子で問題となっていた素子の直列抵抗を十分に小さくすることができ、高速に電流を導通あるいは遮断することができる。さらに、金属基板を用いることで、基板の熱伝導率が向上するため、素子の発熱を除去し、該発熱による素子の熱暴走を抑制することができる。さらに、本発明の半導体基板によれば、導伝形あるいは不純物濃度の異なる複数の半導体層が600℃程度以下の低温で、あらかじめ形成されており、不純物プロファイルを精密に制御することができるため、ベース層の薄い、あるいはチャネル長の短い、高性能の素子を簡単な工程で製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例1に係るバイポーラトランジスタ用半導体基板の構造を示した断面図である。
【図2】 (a)〜(d)本発明の実施例1に係るバイポーラトランジスタ用半導体基板の製造方法を工程順に示す模式図である。
【図3】 (a)〜(d)は本発明に係るパイポーラトランジスタの製造方法を工程順に示した断面図である。
【図4】 本発明の実施例2に係る縦型MOSFET用半導体基板の構造を示す断面図である。
【図5】 (a)〜(e)は本発明の実施例2に係る縦型MOSFETの製造方法を工程順に示した断面図である。
【図6】 本発明の実施例3に係るIGBT用基板の構造を示した断面図である。
【図7】 (a)〜(e)は本発明の実施例3に係るIGBTの製造方法を工程順に示す模式図である。
【図8】 本発明の実施例4に係る、縦型半導体素子を単一基板に製造することで形成される半導体装置の一例を示す回路図である。
【図9】 本発明の実施例4に係る縦型半導体素子を単一基板に製造することで形成される半導体装置を構成した例を示す断面図である。
【図10】 (a)〜(p)は縦型半導体素子を単一基板に製造することによって形成される本発明の実施例4に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す模式図である。
【図11】 (a)〜(d)縦型半導体素子を単一基板に製造することで形成される本発明の実施例5に係る半導体装置の製造方法において、半導体層の両面に配線構造を形成する方法を工程順に示す模式図である。
【図12】 本発明における半導体層厚さを減じた際に素子の直列抵抗が減ることによって素子の動作速度を示す遮断周波数が向上する効果を示した特性図である。
【図13】 従来のシリコンエピタキシャル基板の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
101 第1の導伝形を有するSi層
102 第2の導伝形を有するSi層
103 第3の導伝形を有するSi層
104 第4の導伝形を有するSi層
108 金属基体と接続金属層とによって構成された金属基板
107 接合層
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a semiconductor device that operates at high speed and high power and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
  High-speed transistors operating in the microwave band and high-power transistors used for power conversion are applied in various fields including home appliances.
[0003]
  Semiconductor elements that constitute high-speed transistors and high-power transistors include bipolar transistors, thyristors, GTOs, IGBTs, and MOSFETs. These devices require high power to be turned on and off at high speed with a pulse signal, and a semiconductor substrate different from an integrated circuit substrate formed on a flat surface has been used for the purpose of achieving both power source withstand voltage and high speed. It was.
[0004]
  As shown in FIG. 13, the semiconductor substrate that has been used to constitute these elements is a low-concentration n-type semiconductor silicon that is a region for forming elements on a high-concentration n-type semiconductor silicon layer 1301 that is a substrate base. A two-layer substrate having a structure in which the layer 1302 is stacked (or a structure in which a low-concentration p-type semiconductor silicon layer is stacked on a high-concentration p-type semiconductor silicon layer in which the semiconductor conductivity is inverted) is used. Has been. A desired semiconductor device is formed by forming a semiconductor silicon layer having three or four layers of different impurity concentrations or conductivity types on the substrate using ion implantation technology, impurity diffusion technology, lithography technology, or the like. It was. The semiconductor element formed in this manner has a thick substrate in the element just manufactured because current flows from the back side to the front side (or the opposite direction) of the substrate.μmSince the thickness is ˜1 mm, the electric resistance of the substrate inserted in series with the element is large. Therefore, the back surface of the substrate is finally polished using the back surface polishing technology of the high impurity concentration silicon substrate which is the support substrate.μm~ 200μmThus, after reducing the substrate thickness of the element for the purpose of reducing the series electric resistance, a metal electrode was provided on the back surface to complete the semiconductor element.
[0005]
  The thickness of the back-polished semiconductor element is 200μmDegree. If it is made thinner than this, the mechanical strength is lowered and the element is broken.
[0006]
  Therefore, there has been a demand for a substrate having a thin semiconductor layer that does not have problems such as element breakage.
[0007]
  As described in Japanese Patent No. 3191972, as a technique for forming a structure having a thin silicon crystal layer on a metal substrate without using the back surface polishing method as described above, a porous structure is obtained by anodizing on a silicon single crystal substrate. A silicon layer is formed, and then a silicon single crystal is epitaxially grown at a temperature of about 950 ° C., and this is bonded to a metal substrate at a temperature of 800 ° C. Then, the silicon substrate is separated by the porous silicon layer, and thin There is a technology to create a metal substrate having a silicon layer, but since a high temperature of 800 ° C. or higher is used, there is a problem of diffusion of metal atoms into the semiconductor layer, and the impurity concentration profile when the epitaxial layer is multilayered in advance Control is extremely difficult, and since only a single-layer or two-layer semiconductor layer can be obtained, there is a problem that the manufacture of semiconductor elements cannot be simplified. It was.
[0008]
  The plane orientation of the semiconductor silicon crystal used in conventional semiconductor elements is such that MOSFETs and IGBTs have a low interface state density at the silicon / gate insulating film interface, and a high-quality oxide film with high withstand voltage can be obtained. Only {100} plane orientation.
[0009]
  Conventional vertical semiconductor elements have difficulty in forming n-type and p-type bipolar elements in the vertical direction. When forming semiconductor circuits such as inverters, individual semiconductor elements must be mounted on the wiring board. It was formed with.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
  Returning to the formation process of the semiconductor element, in order to form the semiconductor element, many processes such as impurity ion implantation and diffusion are necessary, and many of them require a heat process near 1000 ° C. Impurity distribution is difficult to control, and the yield decreases, causing a problem that the device price increases.
[0011]
  As the substrate plane orientation, the {100} plane could only be used from the viewpoint of manufacturing technology, resulting in a problem that the diffusion constant of electrons and holes was small and the current conduction or blocking speed of the device could not be increased. It was.
[0012]
  Furthermore, since the element is formed on the silicon substrate, the heat generated by the element is not easily released to the outside of the element, and the temperature of the element rises, resulting in an extreme increase in electrons or holes, and the element is thermally runaway. Or a complicated temperature compensation circuit is required.
[0013]
  Further, conventionally, since it has been difficult to form a plurality of vertical semiconductor elements on a single semiconductor substrate, there has been a problem that a semiconductor device formed using these semiconductor elements is enlarged.
[0014]
  The above-mentioned problem that the semiconductor device cannot be integrated and becomes large is caused by the problem that the wiring connecting adjacent semiconductor elements becomes long distance, thereby increasing the parasitic capacitance and inductance of the wiring and increasing the speed of the semiconductor device. The problem of being unable to do so has occurred.
[0015]
  The object of the present invention is to solve such problems, enable the introduction of a thin semiconductor layer that cannot be achieved by the prior art, reduce the series resistance of the substrate, increase the operating speed of the device, and manufacture the device. It is to make it possible to easily obtain a substrate whose impurity concentration profile has been controlled in advance and to reduce the manufacturing cost of the semiconductor element.
[0016]
  Furthermore, an object of the present invention is to form an element capable of conducting or interrupting current at high speed by using a {110} plane capable of obtaining a high electron diffusion constant and hole diffusion constant in the element. is there. Here, the {110} plane orientation refers to a plane orientation crystallographically equivalent to the (110) plane, for example, the plane orientation collectively referring to the (010) plane, the (001) plane, and the like.
[0017]
  Furthermore, in a semiconductor device formed using a plurality of the semiconductor elements, by forming the semiconductor elements on a single semiconductor substrate, the wiring connecting the elements can be shortened, and the parasitic capacitance of the wiring, Inductance is reduced, and the semiconductor device is driven at high speed.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
  In order to solve the conventional problems of the present invention, the present invention provides a semiconductor substrate in which a semiconductor layer is formed on a substrate made of a metal substrate, the metal substrate comprising a metal substrate made of a first metal and A diffusion prevention layer for preventing the metal constituting the metal base from diffusing into the semiconductor layer, and a connection metal layer made of a second metal for electrically connecting the metal substrate and the semiconductor layer, The semiconductor layer is a silicon layer composed of one of a {110} plane orientation and a plane orientation equivalent to the plane orientation, and the semiconductor layer is composed of a plurality of semiconductor layers having different conductivity types. It is characterized by.
[0019]
  The semiconductor element of the present invention is characterized in that a bipolar transistor, a vertical MOSFET, and an IGBT are formed singly or in combination in a silicon crystal having a {110} plane orientation and an equivalent plane orientation. The vertical semiconductor element of the present invention is characterized in that a plurality of vertical semiconductor elements having different polarities are separated by an element isolation region and integrated on a single substrate.
[0020]
  Furthermore, the semiconductor element of the present invention is formed on a metal substrate, and the thickness of the semiconductor layer located immediately above the metal substrate is 20μmIt is characterized by the following. The method for forming a semiconductor substrate and a semiconductor element according to the present invention is a method for manufacturing a semiconductor substrate having a plurality of semiconductor layers having different conductivity types on a metal substrate, and the step of forming porous silicon on the silicon substrate A step of epitaxially growing a semiconductor layer having a plurality of conductivity types on the porous silicon, a step of bonding the epitaxial silicon layer and a metal substrate, and a step of bonding the metal substrate and the semiconductor substrate having the epitaxial silicon layer together And a step of separating the semiconductor substrate from the formed substrate at the interface between the epitaxial silicon layer and the porous silicon layer. Furthermore, in addition to the steps described above, the method for manufacturing a semiconductor element and a semiconductor substrate according to the present invention includes a step of forming a plurality of vertical semiconductor elements having different polarities on the same substrate, and electrically isolating the semiconductor elements. And a step of forming the element isolation region.
[0021]
  In addition, the method for forming a semiconductor substrate and a semiconductor element according to the present invention includes a step of forming the epitaxial silicon layer at a low temperature of 600 ° C. or lower.
[0022]
  According to the present invention, a semiconductor silicon layer having a controlled impurity concentration profile composed of crystals of {110} plane orientation is pre-laminated on a low-resistance metal substrate at a low temperature of about 600 ° C. or lower so that a semiconductor is formed on the metal substrate. Since the structure is formed with layers, the semiconductor layer can be thinned without the problem of substrate breakage in the backside polishing, which has been a problem in the past, so unnecessary parasitic resistance can be reduced and the device can be driven at high speed. Can be conventional 200μmThe thickness of the semiconductor layer was about 20μmBy reducing it to the following, the series resistance of the vertical semiconductor element can be reduced.
[0023]
  FIG. 12 is a plot of the cutoff frequency of the bipolar transistor against the substrate thickness. For each of the emitter, base, and collector layers, the conductivity type, substrate concentration, and thickness are each n-type 1 ×Ten 20 cm -3 0.7μm; P type 5 ×Ten 18 cm -3 , 0.02μmAnd n-type 2 ×Ten 17 cm -3 , 0.5μmAnd n-type 1 × for the substrate in contact with the collector layerTen 20 cm -3 It shows the dependency when The substrate needs to be as low resistance as possible to reduce the series resistance of the device, and the impurity concentration of the substrate is 1m, where the substrate resistivity is sufficiently lowΩ1x below about cmTen 20 cm -3 A degree or more is required. Board thickness is 20μmThe cut-off frequency begins to deteriorate at a point exceeding 200, which is the conventional substrate thickness of 200μmThen, the cutoff frequency deteriorates to about half of the maximum value.
[0024]
  According to the invention, 20μmBy introducing the following substrate, the element can be driven at high speed. The above-mentioned n-type substrate is 1 × the opposite conductivity type p-type substrateTen 20 cm -3 The same effect can be obtained even when the impurity concentration is about or higher. Furthermore, according to the present invention, the semiconductor silicon layer constituting the semiconductor layer uses a crystal having a {110} plane orientation parallel to the substrate surface, thereby increasing the diffusion constant of electrons or holes and increasing the current at high speed. Can be turned on or off. Further, by providing an element isolation region penetrating the semiconductor layer, a plurality of vertical semiconductor elements are formed on a single substrate, and further, wiring is formed on both sides of the semiconductor layer, thereby integrating the semiconductor elements. By reducing the size of the formed semiconductor device, it is possible to reduce the parasitic capacitance and inductance of the elements and wirings, thereby alleviating the problems of the element operation delay and the generation of surge voltage, which have been problems in the past. be able to.
[0025]
  Furthermore, according to the semiconductor substrate of the present invention, since the wiring layers can be formed on both surfaces of the vertical semiconductor layer, the inverter or ECL of the vertical semiconductor element that can only be obtained by mounting individual elements on the wiring substrate in the past. Since the (emitter coupling element) can be easily formed on a single substrate, various integrated circuits using vertical semiconductors can be realized.
[0026]
  The {110} plane orientation referred to in the present invention is a crystallographically equivalent plane orientation to the (110) plane. For example, the (011) plane, the (101) plane, etc. are generically named. Further, even if the orientation of the {110} plane does not necessarily coincide completely, the object of the present invention can be achieved almost equally, for example, (511) plane, (331) plane, (221) plane, (321) plane, A plane orientation close to the {110} plane orientation, such as the (531) plane, the (231) plane, the (351) plane, the (320) plane, or the (230) plane, may be used.
[0027]
  Furthermore, according to the semiconductor substrate of the present invention, since the semiconductor layer is formed on the metal substrate, the series resistance of the element that has been a problem in the conventional vertical semiconductor element can be sufficiently reduced. The current can be conducted or cut off at high speed. Further, since the thermal conductivity of the substrate is improved by using the metal substrate, heat generation of the element can be removed, and thermal runaway of the element due to the heat generation can be suppressed.
[0028]
  Furthermore, according to the semiconductor substrate of the present invention, as described above, a plurality of semiconductor layers having different conductivity types are formed in advance at a low temperature of about 600 ° C. or less, and the impurity profile can be precisely controlled. Since a steep impurity profile having a staircase shape between adjacent semiconductor layers can be obtained, a depletion layer region formed between semiconductor layers having different conductivity types can be minimized, and the base layer is thin. Alternatively, a high-performance element with a short channel length can be manufactured by a simple process.
[0029]
  The impurity concentration profile on the substantially staircase referred to in the present invention is that both adjacent semiconductor layers are formed by an epitaxial growth method at a low temperature of about 600 ° C. or less, and a steep concentration profile in which the diffusion of impurities is small at the junction interface. An impurity profile that cannot be obtained by the solid layer diffusion method or ion implantation method can be obtained.
[0030]
  The diffusion constant in silicon at 600 ° C for impurities such as As, P, B, and Sb present in silicon isTen -20 cm 2 / s The diffusion distance defined by the square root of the product of the time in the atmosphere and the diffusion constant is 0.6 angstrom in 1 hour, and in the present invention, the low temperature of 600 ° C. or less is the diffusion of impurities in silicon. This refers to an area where no occurs.
[0031]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  (Example 1)
  A structure and manufacturing method of a semiconductor substrate according to Example 1 of the present invention will be described below with reference to FIG. In the following, the conductivity type refers to n-type and p-type semiconductors in silicon semiconductors, and a change in impurity concentration is also included in the difference in conductivity type. FIG. 1 shows a cross-sectional structure of a bipolar transistor substrate according to this embodiment. In FIG. 1, the bipolar transistor substrate includes an Si layer 101 having a first conductivity type for forming an emitter layer, and a first conductivity type as a second conductivity type for constituting a base layer. Si layer 102 having the opposite conductivity type, Si layer 103 having the third conductivity type for forming the collector layer, and a fourth conductivity type for forming the collector electrode contact region And a Si substrate having a fourth conductivity type, and a metal substrate forming a collector electrode and a bonding layer 107 bonding the semiconductor layer and the metal substrate.
[0032]
  The illustrated metal substrate 108 includes a base formed of a first metal (for example, Cu) and a connection metal layer formed of a second metal (for example, Ni) so as to cover the base. Yes.
[0033]
  In the bipolar transistor substrate of the present invention, a Si layer having a plurality of conductivity types is formed in advance on a metal substrate, and the Si layer 104 having the fourth conductivity type has an impurity concentration of 1 ×.Ten 20 cm -3 More than about 20 thicknessμmTherefore, the series resistance of the formed element can be reduced, and an element that operates at high speed can be easily formed. Further, the Si layer is a Si single crystal having a {110} plane orientation, and has a large diffusion constant and can improve the operation speed as compared with a conventional substrate having a {100} plane orientation.
[0034]
  Further, since the Si layer is formed by low-temperature epitaxial growth at about 600 ° C. or less and the impurity profile is precisely controlled, a high-performance element can be easily manufactured. A method of manufacturing such a bipolar transistor substrate will be described with reference to FIG. FIG. 2 shows an npn-type bipolar transistor substrate as an example of a bipolar transistor according to the first embodiment, and shows a manufacturing method thereof. The bipolar transistor is formed as follows.
[0035]
  First, a porous silicon layer 202 is formed on a silicon substrate 201 having a {110} surface by using an anodizing method to become a substrate for epitaxial growth and then separate the silicon substrate and the silicon layer (FIG. 2 (a) ), This is treated in a hydrogen atmosphere at 1200 ° C. to seal the micropores on the surface. Epitaxial growth of n-type silicon 203 serving as an emitter layer is performed by sputtering at a temperature of 400 ° C. Next, using the same method, the p-type base layer 204, the n-type collector layer 205, and the n-type high concentration collector layer 206 are epitaxially grown in this order (FIG. 2 (b)). The thickness of each layer is 0.7μm, 0.02μm, 0.5μm, 0.1μmImpurity concentration is 1 ×Ten 20 cm -3 , 5xTen 18 cm -3 , 2 ×Ten 17 cm -3 , 1xTen 20 cm -3 It was. These values can be varied depending on the intended use of the device and the withstand voltage. However, the high-concentration collector layer 206 is desirably thin enough for the purpose of reducing resistance,μmThe following is desirable. This is a figure1220 as shownμmIn the case of a thick collector layer that is thicker than this, the electrical resistance of the collector electrode increases, so the collector charging time, which is defined by the product of this and the collector capacity, increases, and the cutoff frequency that indicates the operating speed decreases. is there.
[0036]
  Next, as shown in FIG. 2 (c), a metal substrate 208, which will be described later, which will be a support substrate for the element, and a silicon substrate described above are bonded. A Ni layer is formed on the bonding interface between the metal substrate and the silicon substrate, and a silicide layer 207 for bonding the metal substrate and the semiconductor layer is formed by a silicidation reaction at a temperature of about 500 ° C. or less by an RTA method or the like. Be joined.
[0037]
  The above metal substrate is formed as follows. First, a Cu substrate serving as a base for a metal substrate is prepared. The thickness of the Cu substrate does not cause a problem in mechanical strength.μmIt was. Subsequently, TaN is formed on the surface of the Cu substrate by, for example, an ordinary sputtering method in order to prevent diffusion of Cu into the silicon layer. The entire surface of the Cu substrate on which the TaN is sputtered is bonded to the surface of the metal substrate by passivation and silicidation with Si.400-500Ni is formed by plating at a low temperature of about ℃ or less. In this way, the metal substrate is formed.
[0038]
  The material for the base of the metal substrate is not limited to Cu, and the substrate resistance can be made sufficiently smaller than that of the high-concentration collector layer, such as Au and Ag.μΩAny conductive metal or metal compound having a resistivity of about cm or less may be used.
[0039]
  Further, the diffusion preventing layer is not limited to TaN, and any layer may be used as long as it can prevent diffusion of elements constituting the metal substrate into Si, such as TaSiN, TiN, TiSiN.
[0040]
  In addition, Ni of the connection metal layer that acts as a bonding material by silicidation is not limited to this, and any material that can cause a silicidation reaction with Si at a low temperature of about 500 ° C. or less, such as Ti, Co, and the like, can bond the substrates. good.
[0041]
  Next, separation is performed at the interface between the previously formed porous silicon 202 and the epitaxially grown silicon layer 203 (FIG. 2 (d)).
[0042]
  In this way, the semiconductor substrate according to the first embodiment is formed. By performing epitaxial growth at a low temperature of 600 ° C. or lower, there is no problem of impurity diffusion, which has been a problem in the past, so that the thickness and impurity concentration of each layer can be precisely controlled. In addition, since each functional layer can be formed by continuous sputter deposition, there is no need to use techniques such as impurity diffusion or ion implantation as in the prior art, and substrate formation that forms the basis for device formation is extremely simple and high quality. Is possible.
[0043]
  Next, a method for manufacturing a bipolar transistor using the above-described semiconductor substrate will be described with reference to FIG. First, a photoresist 307 for masking the emitter region is applied on the semiconductor substrate (FIG. 3 (a)) completed by the above-described process, and the resist is patterned by a stepper or the like, and the portion other than the portion that becomes the emitter region is applied. An opening is provided in the resist on the emitter layer (FIG. 3B).
[0044]
  Next, the emitter layer under the resist opening is removed by RIE or the like. Next, without removing the remaining photoresist, ions are implanted into the base layer 305 to form a base contact layer 308 for making electrical contact between the metal forming the base electrode and the silicon layer (FIG. 3). (C)). Since the resist is present in the emitter region, ion implantation is not performed. Next, as ionic speciesBF 2 + Using the ion implantation technique used in semiconductor manufacturing, the impurity density of the base layer except directly under the emitter is 1 ×Ten 20 cm -3 Then, ion implantation was performed, and recrystallization was performed by heat treatment in nitrogen at 550 ° C. for 1 hour. At a temperature of 550 ° C., recrystallization was possible without causing the problem of impurity diffusion.
[0045]
  After the above process, the photoresist 307 is peeled off, and an interlayer insulating film is formed on the entire surface of the substrate, for exampleSiO 2  311 was deposited at a temperature of 400 ° C. by CVD. Interlayer insulation filmSiO 2 The insulating material is not limited to SiON, SiOF, polyimide, PTFE and the like used in semiconductor manufacturing.
[0046]
  Thereafter, a photoresist for forming a contact hole is applied, the contact regions of the base and the emitter are patterned, and a contact hole is formed using the RIE method. Next, in order to prevent the spike of Al, which is an electrode material into Si, a base electrode 309 and an emitter electrode 310 were formed by depositing and patterning Al containing about 1% of Si in atomic composition by sputtering. (FIG. 3 (d)). For the above-described electrode, a low contact resistance may be achieved by using a salicide technique in which Co, Ni or the like is formed in advance by a sputtering method and self-aligned silicidation is performed using an RTA method.
[0047]
  In this manner, a bipolar transistor is produced using the substrate shown in the first embodiment. Since the ion implantation process is performed once and all the processes are performed at a low temperature of 600 ° C. or less, there is no problem of impurity diffusion. Therefore, a semiconductor substrate and a semiconductor element in which the impurity concentration of each functional layer is accurately controlled Easy to manufacture. Furthermore, the base layer is not an ion implantation method or an impurity diffusion method, but a low temperature epitaxial growth method of about 600 ° C. or lower is used, so that it can be easily formed thinly, and a high-performance semiconductor device can be easily produced at low cost. did it.
[0048]
  Furthermore, since the {110} plane having a large diffusion constant is used as the crystal plane orientation, a semiconductor device can be fabricated at a higher speed than conventional. High concentration collector layer is 0.2μmTherefore, the device characteristics are not deteriorated by the substrate resistance as in the prior art. The cutoff frequency indicating the high speed of the element was about 50 GHz in the conventional {100} plane silicon substrate device, whereas 116 GHz was obtained in this example.
[0049]
  (Example 2)
  The structure of the semiconductor substrate according to Example 2 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 shows a vertical MOSFET substrate according to the second embodiment. A high-concentration drain layer 403 showing the first conductivity type on the metal substrate 401, and a second conductivity type having a different impurity concentration from the first conductivity type. The drain layer 404 and the third conductivity type opposite to the first conductivity type are shown, and the body layer 405 in which the channel of the MOSFET is formed is a method similar to the method shown in the first embodiment And formed on a silicon substrate having a {110} plane.
[0050]
  The conductivity type, impurity concentration and thickness of each layer are n-type 1 × for the high concentration drain layerTen 20 cm -3 , 0.2μmN-type 2 × for drain layerTen 17 cm -3 , 0.5μm, Body type p-type 5 ×Ten 18 cm -3  0.2μmIt was. In the vertical MOSFET substrate in Example 2 of the present invention, a Si layer having a plurality of conductivity types is formed in advance on a metal substrate, and the Si layer 403 having the first conductivity type has an impurity concentration. 1xTen 20 cm -3 More than about 20 thicknessμmTherefore, the series resistance of the formed element can be reduced, and an element that operates at high speed can be easily formed.
[0051]
  Further, the Si layer is a Si single crystal having a {110} plane orientation, and has a large diffusion constant and can improve the operation speed as compared with a conventional substrate having a {100} plane orientation. The Si layer is formed by low-temperature epitaxial growth at about 600 ° C. or lower and the impurity profile is precisely controlled, so that a high-performance element can be easily manufactured. A method of manufacturing a vertical MOSFET using such a vertical MOSFET substrate will be described with reference to FIG.
[0052]
  FIG. 5 shows a method of manufacturing a vertical n-channel MOSFET using the vertical MOSFET substrate according to the second embodiment, which will be described below.
[0053]
  First, to form the source region, ions that form a conductivity type opposite to the body regionAs + Are implanted by ion implantation to form a source region 506 (FIG. 5 (a)). Subsequently, a CVD method is used to form an interlayer insulating film.SiO 2  507 to 0.5μmDeposited (FIG. 5 (b)). Thereby, the overlap capacitance between the gate electrode and the source region can be reduced.
[0054]
  Next, in order to form a gate electrode, a trench hole 508 is formed at a location to be the gate electrode (FIG. 5 (c)). This is done as follows. Photoresist is applied to the entire surface of the substrate, the photoresist is patterned, and an opening is provided in the resist of the trench creating portion. The opening is arranged in the source region. Next, a trench hole is formed by a commonly used RIE method. The bottom of the trench hole 508 is formed so as to reach the drain region 504, and in this embodiment, 0.8%.μm, Width 0.3μm, Length 20μmIt was. This value can be changed depending on the purpose of use of the element.
[0055]
  Next, after removing the photoresist, a gate oxide film is formed. The gate oxide film is formed with KrO 2 Plasma oxidation was performed at a temperature of 400 ° C. using a mixed gas, and an oxide film having a thickness of 5 nm was formed on the inner wall of the trench hole. As a result, a high-quality oxide film having a breakdown voltage of 10 MV / cm or more can be uniformly formed on the inner wall of the trench hole 508 (FIG. 5 (d)).
[0056]
  Following the above, a gate electrode 510 is formed. For example, poly-Si as a gate electrode material is 0.1 at 400 ° C. by the CVD method.μmAfter the deposition, a film of Al containing about 1% of Si by atomic composition was formed by sputtering. Photoresist is applied to the entire surface of the substrate, and the gate electrode portion is patterned to complete the gate electrode.
[0057]
  Next, in order to form an interlayer insulating film, the entire surface of the substrate is formed at a temperature of 400 ° C. by the CVD method.SiO 2 In order to form the source electrode, a photoresist is applied and the source electrode portion 509 is patterned. When patterning the source electrode 509, the photoresist opening is the sourcen + It is formed so as to straddle both the layer 506 and the p layer 505 of the body. By doing so, both the source potential and the body potential can be obtained at the source electrode.
[0058]
  Using the RIE method, the photoresist openingSiO 2 Is etched to form a contact hole, and Al containing about 1% of Si in atomic composition is formed by sputtering to form a source electrode 509 (FIG. 5 (e)).
[0059]
  Through the above steps, a vertical MOSFET using the substrate according to Example 2 of the present invention is completed. It is not necessary to perform ion implantation for forming a body well as in the prior art, and the impurity concentration can be accurately controlled. Furthermore, since the functional layer necessary for element formation is already built in the substrate, the element manufacturing process can be simplified. Furthermore, the high concentration drain layer is 0.2μmAs a result, the series resistance of the device was low, and a vertical MOSFET with no deterioration in the speed performance of the device due to the substrate resistance was obtained as in the prior art.
[0060]
  Furthermore, for example, in the high concentration drain regionp +  as well asn + The same effect can be obtained with a drain short-circuited element in which silicon is alternately arranged.
[0061]
  On the other hand, a vertical p-channel MOSFET in which the conductivity type of each layer is the opposite conductivity type can be manufactured by the same process. An example is shown below.
[0062]
  An embodiment in which the present invention is applied to a trench type vertical P-channel power MOS transistor will be described again with reference to FIG. In this case as well, a vertical P-channel MOSFET substrate having the structure shown in FIG. 4 can be used. The structure shown in FIG. 5A is a high-concentration drain layer 503 having a first conductivity type, and the conductivity type is the same as that of the drain layer 504 having the same impurity type but opposite to the first conductivity type. A body layer 505 having a second conductivity type and having a channel of a P-channel MOSFET is formed on a silicon substrate (not shown) having a (110) plane. The conductivity type, impurity concentration and thickness of each layer are p-type for the high concentration drain layer.Ten 20 cm -3 , 0.2μmP-type 2 × for drain layerTen 17 cm -3 , 0.5μm, N-type 5 × for body layerTen 18 cm -3  0.2μmIt was. In this embodiment mode, the high concentration drain layer 503 has an impurity concentration of 1 ×.Ten 20 cm -3 More than about 20 thicknessμmTherefore, the series resistance of the formed element can be reduced, and an element that operates at high speed can be easily formed. Further, the layer 503 is a Si single crystal having a (110) plane orientation, and has a large diffusion constant and can improve the operation speed as compared with the case of using a conventional (100) plane orientation substrate. The Si layer is formed by low-temperature epitaxial growth at about 600 ° C. or less, and the impurity profile is precisely controlled, so that a high-performance element can be easily manufactured.
[0063]
Specifically, the vertical trench structure P-channel MOSFET according to the present embodiment uses the substrate shown in FIG. 4 and, as shown in FIG. 5A, in order to form the source region, To introduce boron, which forms the opposite conductive form,BF 2 + Is implanted by ion implantation to form a source region 506. Its impurity concentration is p-type 1 ×Ten 20 cm -3 It is. Subsequently, a CVD method is used to form an interlayer insulating film.SiO 2  507 to 0.5μmDeposited (FIG. 5B). Thereby, the overlap capacitance between the gate electrode and the source region can be reduced.
[0064]
  Next, as shown in FIG. 5C, in order to form a gate electrode, a trench hole 508 is formed at a location to be the gate electrode. This is done as follows. Photoresist is applied to the entire surface of the substrate, the photoresist is patterned, and an opening is provided in the resist of the trench creating portion. The opening is arranged in the source region. Next, a trench hole is formed by a commonly used RIE method. The bottom of the trench hole 508 is formed so as to reach the drain region 504. In this embodiment, the depth is 0.8.μm, Width 0.3μm, Length 20μmIt was. This value can be changed depending on the purpose of use of the element. Since the surface of the silicon 505 is the (110) plane, the inner wall surface of the trench hole 508 forming 90 ° with the silicon 505 surface is also the (110) plane.
[0065]
  Next, as shown in FIG. 5D, after removing the photoresist, a gate oxide film 511 is formed. The gate oxide film is formed with KrO 2 Plasma oxidation was performed at a temperature of 400 ° C. using a gas mixed with a silicon oxide film having a thickness of 20 nm on the inner wall of the trench hole. As a result, a high-quality oxide film 511 having a withstand voltage of 4 to 5 MV / cm can be uniformly formed on the (110) plane inner wall of the trench hole 508. The withstand voltage between the gate and source of the P-channel MOS transistor having the gate oxide film 511 is 10V.
[0066]
  Next, as shown in FIG. 5E, a gate electrode 510 is formed. As a gate electrode material, for example, poly-Si is 0.1 at 400 ° C. by CVD.μmAfter the deposition, Al containing about 1% of Si by atomic composition was formed by sputtering. Photoresist is applied to the entire surface of the substrate and the gate electrode portion is patterned to complete the gate electrode 510.
[0067]
  Next, as shown in FIG. 5E, in order to form an interlayer insulating film 512, the entire surface of the substrate is formed at a temperature of 400 ° C. by the CVD method.SiO 2 And a source electrode 509 is formed. The source electrode is formed by first applying a photoresist and patterning the opening for the source electrode portion 509. When patterning the source electrode opening, the photoresist opening is the sourcep + It is formed so as to straddle both the layer 506 and the n-layer 505 of the body.
[0068]
  By doing so, both the source potential and the body potential can be obtained at the source electrode 509. For the opening formation, the RIE method is used to form the photoresist opening.SiO 2 The films 507 and 512 are etched to form contact holes, Al containing about 1% of Si in atomic composition is formed by sputtering, and this is patterned by etching to form the source electrode 509.
[0069]
  The trench structure vertical P-channel power MOS field effect transistor according to the present embodiment is completed through the above steps. The high concentration drain layer 503 is 0.2μmSince the resistance is sufficiently low, the series resistance of the element is low, and a high-speed transistor is obtained.
[0070]
  In the high concentration drain regionn +  as well asp + The same effect can be obtained with a drain short-circuited element in which silicon is alternately arranged.
[0071]
  (Example 3)
  The structure of the semiconductor substrate according to Example 3 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 shows a vertical IGBT substrate according to the third embodiment, which has an anode layer 603 having a first conductivity type on a metal substrate 601, and a second conductivity type opposite to the first conductivity type. Silicon having a {110} plane in the same manner as the method described in the first embodiment using the buffer layer 604, the conductivity modulation layer 605, and the third conductivity type gate layer 606 having the same polarity as the anode layer. It is formed on the substrate. In this example, the conductivity type, impurity concentration, and thickness of each layer are p-type 1 × for the anode layer.Ten 20 cm -3 , 0.2μm, N-type 1 × for buffer layerTen 20 cm -3 , 0.2μm, N-type 2 × conductivity modulation layerTen 17 cm -3  0.2μmP-type 5 × for gate layerTen 18 cm -3 , 0.2μmHowever, it can be changed depending on the use of the element and the withstand voltage. However, the anode layer 603 is desirably sufficiently thin for the purpose of reducing resistance,μmThe following is desirable. In the IGBT substrate in Example 3 of the present invention, a Si layer having a plurality of conductivity types is formed in advance on a metal substrate, and the Si layer 603 having the first conductivity type has an impurity concentration of 1 ×.Ten 20 cm -3 More than about 20 thicknessμmTherefore, the series resistance of the formed element can be reduced, and an element that operates at high speed can be easily formed. Further, the Si layer is a Si single crystal having a {110} plane orientation, and has a large diffusion constant and can improve the operation speed as compared with a conventional substrate having a {100} plane orientation. The Si layer is formed by low-temperature epitaxial growth at about 600 ° C. or lower and the impurity profile is precisely controlled, so that a high-performance element can be easily manufactured. An IGBT manufacturing method using such an IGBT substrate will be described with reference to FIG.
[0072]
  FIG. 7 shows a method of forming an n-channel gate type IGBT element as an example on the semiconductor substrate described above, which is formed as follows.
[0073]
  First, the cathode region 707 is an ion for forming a conductivity type opposite to the gate layer.As + (FIG. 7 (a)). Subsequently, an interlayer insulating film is formed by CVD.SiO 2  708 to 0.5μmDeposited (FIG. 7 (b)). Thereby, the overlapping capacity of the gate electrode and the cathode region can be reduced.
[0074]
  Next, a trench hole 709 is formed at a location to be a gate electrode. Photoresist is applied to the entire surface of the substrate, patterning is performed, and an opening is provided in the resist in the trench creation portion. Next, a trench hole 709 is formed by a commonly used RIE method. The depth of the trench hole is formed so as to reach the conductivity modulation layer 705.μm, Width 0.3μm Length 20μm(FIG. 7 (c)). This value can be changed depending on the purpose of use of the element.
[0075]
  Next, after removing the photoresist, a gate oxide film is formed. The gate oxide film is formed with KrO 2 Plasma oxidation was performed at a temperature of 400 ° C. using a plasma-excited plasma of a gas mixed with to form an oxide film having a thickness of 5 nm. As a result, a high-quality oxide film having a breakdown voltage of 10 MV / cm or more can be uniformly formed on the inner wall of the trench hole 709 (FIG. 7 (d)).
[0076]
  Following the above, a gate electrode 710 is formed. Poly-Si as the gate electrode material is 0.1 at 400 ° C by the CVD method.μmAfter the deposition, Al containing about 1% of Si by atomic composition was formed by sputtering. Photoresist is applied to the entire surface of the substrate, and the gate electrode portion is patterned to complete the gate electrode 710.
[0077]
  Next, in order to form an interlayer insulating film, the entire surface of the substrate is formed at a temperature of 400 ° C. by the CVD method.SiO 2 In order to form a cathode electrode, a photoresist is applied and the source electrode portion 711 is patterned. When patterning the cathode electrode portion 711, the photoresist opening is the sourcen + It is formed to straddle both the layer and the p-layer of the body. In this way, both the source potential and the body potential can be taken by the cathode electrode. A contact hole is formed by etching SiO2 in the photoresist opening using the RIE method, and Al containing about 1% of Si by atomic composition is formed by sputtering to form a source electrode 711 (FIG. 7 (e )).
[0078]
  Through the above steps, a vertical IGBT using the substrate according to Example 3 of the present invention is completed. It is not necessary to perform ion implantation for well formation as in the prior art, and the impurity concentration can be accurately controlled. Since the functional layer necessary for the device is built in the substrate in advance, the device manufacturing process can be simplified. Furthermore, the anode layer is 0.2μmSince the resistance is sufficiently low, the series resistance of the element is small, and high-speed switching can be realized.
[0079]
  In addition, for example, in the anode regionp +  as well asn + An equivalent effect can be obtained even with an anode short-circuited element in which silicon is alternately arranged.
[0080]
  Furthermore, the same effect can be obtained with p-channel IGBTs in which the conductivity type of each layer is the opposite conductivity type.
[0081]
  (Example 4)
  A semiconductor device according to Example 4 of the present invention will be described with reference to FIGS. The semiconductor device according to Example 4 is composed of complementary elements shown in FIG. FIG. 8 (a) shows a complementary inverter device using bipolar transistors. FIG. 8 (b) shows a complementary inverter device using a vertical MOSFET. FIG. 8 (c) shows a complementary inverter device using IGBT. Each semiconductor element that constitutes such an inverter device has a structure in which conduction types are reversed with each other, and since it is a vertical element, the element has a structure that penetrates the substrate from the front surface to the back surface, In the prior art, a plurality of elements having different polarities cannot be formed on the same semiconductor substrate. For this reason, since the elements created on different semiconductor substrates were manufactured by mounting them as individual elements, they could not be integrated, were large-sized, and the wiring connecting the constituent elements became longer, and the inductance Therefore, a problem such as generation of a surge voltage due to the inductance component has occurred. Furthermore, the conventional pnp bipolar transistor formed in the {100} plane orientation has a low operating speed due to a small diffusion constant of electrons and holes, and realizes a complementary device as shown in FIG. It was difficult to do.
[0082]
  The semiconductor device according to the fourth embodiment operates as an integrated circuit by forming wirings between the semiconductor elements on the semiconductor substrate by manufacturing each semiconductor element constituting the semiconductor device on a single semiconductor substrate. It was possible to do so. Since the semiconductor layer forming the semiconductor element uses silicon having {110} plane orientation, the diffusion constant of electrons and holes is large, and even if a pnp bipolar transistor is used, it has the same performance as an npn bipolar transistor. Therefore, a complementary configuration is possible, and a plurality of elements with reversed polarity can be mixed on a single semiconductor substrate, so that a semiconductor device such as an inverter can be miniaturized and the wiring between elements can be shortened. Therefore, the parasitic capacitance and parasitic inductance of the wiring can be reduced, problems such as operation delay and generation of surge voltage can be reduced, and a semiconductor device that operates at high speed can be provided at low cost.
[0083]
  Next, a method for forming a semiconductor device according to the fourth embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 9 shows a complementary inverter device formed using npn-type and pnp-type bipolar transistors in the semiconductor device according to the fourth embodiment. The reference numerals in the figure correspond to those in FIG. An npn-type bipolar transistor 1021 and a pnp-type bipolar transistor 1022 are formed on a metal substrate 1015, and the elements are isolated in an element isolation region 1023. Both collector electrodes are electrically connected by a metal substrate, thereby realizing the circuit configuration shown in FIG. 8 (a). Since a structure in which a plurality of elements with different polarities are mixed can be formed on a single substrate, integration of vertical semiconductor elements, which could only be realized by mounting individual individual elements, is realized by the semiconductor substrate according to this embodiment. it can. Since the collector electrode is not connected to the external wiring as in the past, the parasitic capacitance and parasitic inductance associated with the wiring can be reduced, and the conventional problems such as operation delay and generation of surge voltage can be solved. It is possible to provide a semiconductor device.
[0084]
  A method for manufacturing such a semiconductor device in which a plurality of vertical semiconductor elements having different polarities are formed on a single substrate will be described with reference to FIG. FIG. 10 illustrates a manufacturing method of a complementary inverter using a bipolar transistor as an example.
[0085]
  First, as shown in FIG. 10 (a), a silicon substrate 1001 having a {110} plane orientation has a silicon epitaxial growth base on the surface, and a porous body for separating the base after bonding to a metal substrate. A quality silicon layer 1002 is formed by anodization. By treating this in a hydrogen atmosphere at 1200 ° C., the fine pores on the surface are sealed. Next, as a buffer layer for forming a semiconductor layer on the porous silicon surface, for example, n-type Si is added as Si having a conductivity type opposite to the first conductivity type of the first element to be formed later.μmThe buffer layer 1003 is obtained by epitaxial growth to some extent.
[0086]
  Next, as shown in FIG. 10 (b), as a silicon layer 1004 showing the first conductivity type for forming the emitter electrode of the first element, for example,p + Si is formed by sputtering, for example. In this example, 0.7μmThe film was formed with a film thickness of. Next, thep + As a protective layer on the surface of Si 1004, for example, by a CVD method at a temperature of 400 ° CSiO 2  1005 is formed. Next, the photolithography method is used.SiO 2 And thep + Patterning Si, thep + SiThe layer is etched until the buffer layer 1003 appears. Then remove the photoresist and only in the region where the first element existsp + The Si layer is left (FIG. 10 (b)). On this occasionSiO 2 Layer 1005 is not removed.
[0087]
  Next, a silicon layer having a second conductivity type opposite to the first conductivity type of the second element is deposited on the etched surface. For example, using a sputtering method,n + Si is an example of the first conductivity type of the first elementp + Film is formed to have the same thickness as Si. Depositedn + Si is an epitaxial film 1006 that becomes the emitter electrode of the second element on the buffer film 1003, andp + On the oxide film on Si, it grows as amorphous silicon or polysilicon 1007 (FIG. 10 (c)).
[0088]
  Next, unwanted growth on the oxide filmn + Remove Si 1007. For the removal, for example, a mixed solution of iodic acid, hydrofluoric acid and acetic acid with little heat generation is used. Non-single crystal grown on oxiden + Si 1007 is an epitaxially grown single crystaln + Compared with Si 1006, the etching rate is faster and sufficient selectivity can be obtained.n + Non-single crystal without changing the film thickness of Si 1006n + Only Si 1007 can be removed. Next, using buffered hydrofluoric acid solutionp + By removing the oxide film formed on the Si surface, the structure shown in FIG. 10 (d) is completed.
[0089]
  Subsequently, a layer having a conductivity type opposite to the second conductivity type of the second element is formed as a layer 1008 indicating the third conductivity type serving as a base electrode of the second element, for example, by sputtering. To form. In this embodiment, 0.02 p-type Si is used.μmThe thickness was formed. Subsequently, SiO2 1005 is formed on the surface on which the p-type Si layer 1008 is deposited, for example, at a temperature of 400 ° C. by the CVD method. Patterning is performed by a photolithography method, and unnecessary oxide film and p-type Si other than the portion for forming the second element in the SiO2 1005 and the p-type Si layer 1008 are removed by, for example, the RIE method (FIG. 10 (e )).
[0090]
  Next, as a layer showing the fourth conductivity type forming the base electrode of the first element, a layer showing a conductivity type opposite to the first conductivity type of the first element is formed, for example, by sputtering. To form. In this example, n-type Si is 0.02μmThe thickness was formed. The deposited n-type Sip + It grows as an epitaxial film 1009 on the Si film 1004 and grows as amorphous silicon or polysilicon 1010 on the oxide film 1005 on the p-type Si layer 1008 (FIG. 10 (f)).
[0091]
  Subsequently, unnecessary p-type Si grown on the oxide film is removed. For the removal, a mixed solution of iodic acid, hydrofluoric acid and acetic acid with little heat generation is used. The non-single crystal p-type Si layer 1010 grown on the oxide film has a higher etching rate and a sufficient selection ratio compared to the epitaxially grown single crystal p-type Si layer 1009. Only the non-single crystal p-type Si layer 1010 can be removed without changing. Next, a buffered hydrofluoric acid solution is used to form the surface of the n-type Si layer 1008.SiO 2  By removing 1005, as shown in FIG. 10 (g), a structure in which conductive types adjacent to each other in the semiconductor layer are inverted is completed.
[0092]
  By repeatedly using the above-described method, the remaining semiconductor layers, ie, the collector layer and the high-concentration collector layer are formed, and the structure shown in FIG. 10 (h) is obtained. The thickness of each layer is 0.5 for the collector layers of the first and second elements, respectively.μmFor the high concentration collector layer, 0.2μmIt was.
[0093]
  Next, as shown in FIG. 10 (i), the silicon substrate and the metal substrate 1015 are bonded together. For example, a TaN layer is formed on the surface of a Cu substrate, for example, by sputtering to prevent diffusion, and then a Ni layer is formed on the entire surface of the substrate by plating. The silicon substrate and the metal substrate are bonded to each other and processed at a temperature of 500 ° C. by an RTA method or the like, whereby Ni and Si cause a silicidation reaction to form a silicide layer 1024 to obtain a strong bond.
[0094]
  The material for the base of the metal substrate is not limited to Cu, and the substrate resistance can be made sufficiently smaller than that of the high-concentration collector layer, such as Au and Ag.μΩAny conductive metal or metal compound having a resistivity of about cm or less may be used.
[0095]
  Further, the diffusion preventing layer is not limited to TaN, and any layer may be used as long as it can prevent diffusion of elements constituting the metal substrate into Si, such as TaSiN, TiN, TiSiN.
[0096]
  Further, Ni as a bonding material by silicidation is not limited thereto, and any material may be used as long as it can cause a silicidation reaction with Si at a low temperature of about 400 to 500 ° C. or less, such as Ti and Co, and can bond substrates.
[0097]
  Subsequently, the bonded substrate is cut at the interface between the porous silicon portion 1002 and the buffer layer 1003, and the buffer layer is etched away by the RIE method to obtain the structure shown in FIG. 10 (j).
[0098]
  Next, in order to perform element separation between the first element and the second element, a photoresist is applied to the surface of the substrate opposite to the metal substrate, and the first element of the photoresist is formed by photolithography. An opening 1017 is provided on the boundary between the second element and the second element (FIG. 10 (k)). Next, a trench hole is formed in the opening by RIE. The bottom surface of the trench hole reaches the back surface from the surface of the semiconductor layer and reaches the surface of the silicide layer bonded to the metal substrate, thereby forming the structure shown in FIG. In order to remove the photoresist and then improve the interface properties between the isolation region and the semiconductor layer, Kr andO 2 On the inner wall of the trench hole by plasma oxidation usingSiO 2 Is formed to about 10 nm (FIG. 10 (m)). The oxide film only needs to have insulating properties, for example,NH Three Formed using plasmaSi Three N Four It may be a membrane. Then inside the trench hole at a temperature of about 400 ° C by CVD methodSiO 2  It fills with 1018 (FIG. 10 (n)). Formed by CVDSiO 2 Need only be insulating, for exampleNH Three WhenSiH Four Formed usingSi Three N Four Etc. Substrate surfaceSiO 2 For example, the structure shown in FIG. 10 (o) is obtained by removing the film by RIE. Thereby, the element separation of the first element and the second element was completed.
[0099]
  Next, a base electrode 1019 and an emitter electrode 1020 are formed by a method similar to the method described in Example 1, and the inverter device shown in FIG. 10 (p) is completed. The collector electrodes of the first element and the second element are connected by a metal substrate 1015, and no new wiring is required.
[0100]
  The complementary inverter device using bipolar transistors obtained in this way manufactures each semiconductor element that constitutes the inverter device on a single semiconductor substrate, so that wiring between the semiconductor elements is formed on the semiconductor substrate. And can be made to operate as an integrated circuit. Since the semiconductor layer forming the semiconductor element uses silicon having {110} plane orientation, the diffusion constant of electrons and holes is large, and even if a pnp bipolar transistor is used, it has the same performance as an npn bipolar transistor. Therefore, since it has a complementary configuration and a plurality of elements with reversed polarity are mixed on a single semiconductor substrate, it can be a small inverter device, and the wiring between the elements is shortened. Therefore, the parasitic capacitance and parasitic inductance of the wiring can be reduced, problems such as operation delay and generation of surge voltage can be reduced, and a semiconductor device that operates at high speed can be provided at low cost.
[0101]
  By applying the method shown in this embodiment, it is possible to form an integrated circuit with a common collector electrode, and a single semiconductor device such as an inverter using a vertical semiconductor element, which has been conventionally formed by combining individual elements. It can be efficiently integrated on a substrate to improve operation speed and reduce power consumption.
[0102]
  Since all the processes are performed at a low temperature of 500 ° C. or lower, there is no problem of impurity diffusion between semiconductors having different conductivity types, so that it is possible to easily control the impurity concentration distribution which is important for the characteristics of the device.
[0103]
  In this embodiment, an example of a bipolar transistor is shown. However, if the method shown in this embodiment is used, there is no essential difference even if a vertical MOSFET, IGBT, or the like is used as a vertical semiconductor element, and these are combined. It is also possible to form the same substrate. Similarly, an integrated circuit configuration in which a horizontal semiconductor element and a vertical semiconductor element are integrated on a single substrate is also possible.
[0104]
  It is also possible to use it as an ECL (emitter coupling element) by bonding a metal substrate as a power supply substrate after forming a wiring layer on the collector side in advance before bonding the metal substrate. It is possible to realize.
[0105]
  (Example 5)
  Regarding the method for forming an integrated circuit using a vertical semiconductor in which wiring layers are formed on both sides of a semiconductor layer in Example 5, the method for forming a wiring layer on the metal substrate side of the semiconductor layer will be described with reference to FIG. .
[0106]
  First, using the method shown in Example 4, after obtaining a form immediately before bonding a metal substrate in a process of forming a plurality of vertical semiconductor elements on a single substrate, an interlayer insulating film and As an insulating film, for exampleSiO 2  By forming 1106 at a temperature of about 400 ° C. by the CVD method, a structure in which an interlayer insulating film material is present on the surface of the semiconductor layer is obtained as shown in FIG. The semiconductor layer 1104 in FIG. 11 (a) shows an example in which a plurality of bipolar transistors are formed on a single substrate, but the layer structure shown in the drawing is used to obtain a vertical MOSFET or IGBT. Even if not, the essence of the present embodiment does not change.
[0107]
  Next, in order to carry out the collector electrode lead-out wiring, an opening is provided in the collector electrode portion of the bipolar transistor of the interlayer insulating film 1106 using a normal photolithography method as shown in FIG.
[0108]
  At this time, patterning is performed so as to leave the interlayer insulating film on the boundary between the first element and the second element. This is because the interlayer insulating film on the element boundary functions as an RIE etching stop layer when element isolation is performed by the method shown in Example 4 from the surface of the semiconductor substrate opposite to the metal substrate later. is there.
[0109]
  As a wiring metal, for example, Al containing about 1% of Si in atomic composition is formed by sputtering, and then the photoresist is patterned by photolithography to form a collector electrode 1107 using a technique such as RIE. After that, as the interlayer insulating film 1108, for exampleSiO 2 Is formed at a temperature of 400 ° C. By repeatedly using this, the collector side wiring shown in FIG. 11 (c) is formed. In the interlayer insulating film 1108, a via 1109 for electrically connecting the collector electrode 1107 to the second and subsequent wiring layers and the metal substrate may be formed.
[0110]
  Next, in order to bond the metal substrate serving as the support substrate and the power supply substrate to the semiconductor substrate formed as described above, the collector side surface of the semiconductor substrate, for example, the entire surfacen + Si 1110 is deposited by about 10 nm, for example, by sputtering. After thisn + A metal substrate 1111 is bonded to the Si layer. The metal substrate may be, for example, a substrate having a Ni surface as shown in Example 4, and the temperature is about 500 ° C. or less.n + A silicide layer 1112 is formed by a silicidation reaction between the Si layer and the Ni layer to obtain a strong bond (FIG. 11 (d)).
[0111]
  In this way, after forming the collector-side wiring, it is bonded to the metal substrate, and then the emitter-side wiring is formed by the method shown in Example 4, thereby providing a vertical semiconductor having wiring on both sides of the semiconductor layer. An integrated circuit using can be obtained.
[0112]
  Since a structure with wiring on both sides of a semiconductor layer containing multiple vertical semiconductors can be realized on a single substrate, ECL (emitter coupling elements) that require collector-side wiring can be easily formed on a single substrate. Is possible.
[0113]
【The invention's effect】
  According to the present invention, a semiconductor silicon layer having a controlled impurity concentration profile composed of crystals of {110} plane orientation is pre-laminated on a low-resistance metal substrate at a low temperature of about 600 ° C. or lower so that a semiconductor is formed on the metal substrate. Since the layer can be formed, there is no problem of substrate breakage in the backside polishing that has been a problem in the past, and the semiconductor layer can be thinned, so that unnecessary parasitic resistance can be reduced and the element can be driven at high speed. Conventional 200μmThe thickness of the semiconductor layer was about 20μmBy reducing it to the following, the series resistance of the vertical semiconductor element can be reduced. Furthermore, according to the present invention, the semiconductor silicon layer constituting the semiconductor layer is a crystal having a {110} plane orientation parallel to the substrate surface. It can be turned on or off. Furthermore, by providing an element isolation region for separating a plurality of semiconductor elements formed on a single substrate, by forming a plurality of vertical semiconductor elements on a single substrate, and further forming wiring on both sides of the semiconductor layer, By integrating the semiconductor element and thereby reducing the size of the formed semiconductor device, the parasitic capacitance and inductance of the element and the wiring can be reduced. Problems such as occurrence can be alleviated. Furthermore, according to the semiconductor substrate of the present invention, since the wiring layers can be formed on both surfaces of the vertical semiconductor layer, the inverter or ECL of the vertical semiconductor element that can only be obtained by mounting individual elements on the wiring substrate in the past. Since the (emitter coupling element) can be easily formed on a single substrate, various integrated circuits using vertical semiconductors can be realized.
[0114]
  Furthermore, according to the semiconductor substrate of the present invention, since the semiconductor layer is formed on the metal substrate, the series resistance of the element which has been a problem in the conventional vertical semiconductor element can be sufficiently reduced. The current can be conducted or cut off at high speed. Further, since the thermal conductivity of the substrate is improved by using the metal substrate, heat generation of the element can be removed, and thermal runaway of the element due to the heat generation can be suppressed. Furthermore, according to the semiconductor substrate of the present invention, a plurality of semiconductor layers having different conductivity types or impurity concentrations are formed in advance at a low temperature of about 600 ° C. or less, and the impurity profile can be precisely controlled. A high-performance device having a thin base layer or a short channel length can be manufactured by a simple process.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a structure of a semiconductor substrate for a bipolar transistor according to Example 1 of the present invention.
FIGS. 2A to 2D are schematic views showing a method of manufacturing a semiconductor substrate for a bipolar transistor according to Example 1 of the present invention in the order of steps.
FIGS. 3A to 3D are cross-sectional views showing a method of manufacturing a bipolar transistor according to the present invention in the order of steps. FIGS.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure of a vertical MOSFET semiconductor substrate according to a second embodiment of the present invention.
FIGS. 5A to 5E are cross-sectional views showing a method of manufacturing a vertical MOSFET according to Embodiment 2 of the present invention in the order of steps.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the structure of an IGBT substrate according to Example 3 of the present invention.
FIGS. 7A to 7E are schematic views showing a method of manufacturing an IGBT according to Example 3 of the present invention in the order of steps.
FIG. 8 is a circuit diagram showing an example of a semiconductor device formed by manufacturing a vertical semiconductor element on a single substrate according to Example 4 of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing an example of a semiconductor device formed by manufacturing a vertical semiconductor element according to Example 4 of the present invention on a single substrate.
FIGS. 10A to 10P are schematic views showing, in the order of steps, a method for manufacturing a semiconductor device according to Example 4 of the present invention formed by manufacturing a vertical semiconductor element on a single substrate. FIGS.
FIGS. 11A to 11D are diagrams showing a method for manufacturing a semiconductor device according to a fifth embodiment of the present invention formed by manufacturing vertical semiconductor elements on a single substrate. It is a schematic diagram which shows the method to form in order of a process.
FIG. 12 is a characteristic diagram showing the effect of improving the cutoff frequency indicating the operation speed of the device by reducing the series resistance of the device when the semiconductor layer thickness is reduced in the present invention.
FIG. 13 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional silicon epitaxial substrate.
[Explanation of symbols]
101 Si layer having the first conductivity type
102 Si layer having second conductivity type
103 Si layer having third conductivity type
104 Si layer having the fourth conductivity type
108 Metal substrate composed of metal base and connecting metal layer
107 Bonding layer

Claims (3)

金属基体を含む金属基板上に半導体層を設け該半導体層に素子の少なくとも一部を形成した縦型の半導体装置であって、前記金属基板と前記半導体層を接合する接合層として形成された、前記金属基板と前記半導体層の貼り合わせを行うシリサイド層を有し、前記金属基板は、第1の金属Cuからなる前記金属基体と、該金属基体を構成する前記第1の金属Cuが前記半導体層中へ拡散することを防ぐために前記金属基体の表面に形成されたTaN又はTaSiNからなる拡散防止層と、該拡散防止層を形成した前記金属基体全面に形成され、該金属基体と前記半導体層とを電気的に接続するための第2の金属Niからなる接続金属層とを含むことを特徴とする半導体装置。A vertical semiconductor device in which a semiconductor layer is provided on a metal substrate including a metal substrate and at least a part of an element is formed on the semiconductor layer, and is formed as a bonding layer for bonding the metal substrate and the semiconductor layer. A silicide layer for bonding the metal substrate and the semiconductor layer, wherein the metal substrate includes the metal base made of a first metal Cu, and the first metal Cu constituting the metal base is the semiconductor A diffusion prevention layer made of TaN or TaSiN formed on the surface of the metal base to prevent diffusion into the layer, and the metal base and the semiconductor layer formed on the entire surface of the metal base on which the diffusion prevention layer is formed. And a connection metal layer made of a second metal Ni for electrically connecting to each other. 前記半導体層は{110}面方位と該面方位に等価である面方位と、{511}面、{331}面、{221}面、{321}面、{531}面、{231}面、{351}面、{320}面、{230}面およびこれらに等価な面方位と、からなる群から選ばれた面方位を有するシリコン結晶からなることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。  The semiconductor layer has {110} plane orientation and plane orientation equivalent to the plane orientation, {511} plane, {331} plane, {221} plane, {321} plane, {531} plane, {231} plane 2. A semiconductor according to claim 1, comprising a silicon crystal having a plane orientation selected from the group consisting of: {351} plane, {320} plane, {230} plane and plane orientation equivalent thereto. apparatus. 前記半導体層は異なる導電型を有する複数の層からなることを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor layer includes a plurality of layers having different conductivity types .
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