JP4821088B2 - 逆阻止型絶縁ゲート形バイポーラトランジスタの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は電力変換装置などに使用される絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）に関する。さらに詳しくは双方向の耐圧特性を有する双方向ＩＧＢＴデバイスまたは逆阻止ＩＧＢＴデバイスの改良に関する。

図１１に示したような従来のプレーナ型ｐｎ接合構造を有するＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）（ｎ型ドリフト層１０１の第１主面側１０９にｐベース層１０２、ｎエミッタ層１０４、ゲート酸化膜１０５、ゲート電極１０６、エミッタ電極１０７を備え、第２主面（裏面）側１１０にｐコレクタ層１０３とコレクタ電極１０８を備える。点線１１１は順耐電圧の印加時の空乏層を示す。）は、主要な用途であるインバータ回路やチョッパー回路では、直流電源下で使用されるので、順方向の耐圧さえ確保できれば問題はなく、逆耐圧接合があるにもかかわらず、素子設計の段階から逆方向耐圧確保を考慮せずに作られていた（特許文献１−段落００２１〜００２４）。
しかし、最近、半導体電力変換装置において、ＡＣ（交流）／ＡＣ変換、ＡＣ／ＤＣ（直流）変換、ＤＣ／ＡＣ変換を行うため、直接リンク形変換回路等のマトリクスコンバータの用途に双方向スイッチング素子を使用することにより、回路の小型化、軽量化、高効率化、高速応答化および低コスト化を図る研究がなされるようになった。そこで、逆耐圧（阻止）ＩＧＢＴを逆並列接続することにより前記双方向スイッチング素子とするために、有効な逆耐圧を持ったＩＧＢＴが要望されるようになった。

また、従来のＩＧＢＴは逆バイアスされないことを前提として作製されているので、エミッタをグラウンド電位としコレクタを負電位とする逆バイアスを加えた場合に電界が集中しやすい図１１の符号Ａで示すコレクタ接合表面近傍は、ダイシング等による機械的な切断歪を備えたままの切断部であって、何らの処理もされておらず、当然ながら十分な逆耐圧は得られない。
またさらに、逆耐圧接合の終端部表面をダイシング切断により形成することなく、第一主表面側で適切に処理して逆耐圧を安定して確保できるようにした逆阻止ＩＧＢＴは、図１２に示すように分離層１１１を第一主面側１１２から拡散によって形成した分離拡散層型として逆耐圧接合終端部１１３を第一主面側１１２に出すようにしたものが知られている（特許文献２−図３、４、５）。この図１２に示すＩＧＢＴでは、ＦＺシリコンを採用したＮＰＴ（Ｎｏｎ Ｐｕｎｃｈ Ｔｈｒoｕｇｈ）ウェハ（１００μｍ）を用いることができるので、コレクタ層１０３厚を薄くし、その不純物濃度を低く適切に制御して過剰キャリアの注入をコントロールすることにより、従来問題となっていたオン電圧特性とターンオフ損失に関するトレードオフ関係を改善し、共に小さくすることが可能になるメリットが得られる（特許文献３−図１）。
特開２００２−２９９３４６号公報 特開平７−３０７４６９号公報 特開２００２−３１９６７６号公報

前述の逆阻止ＩＧＢＴ（図１２）のように、裏面コレクタ側のｐｎ接合をダイシングにより切断することなく、接合端部保護を第一主面側において適切に行えるようにするためには、高温で長時間拡散を要する分離拡散を必要とする。しかしながら、分離拡散に伴う高温長時間拡散の影響で、逆耐圧が低下し漏れ電流が大きくなり易いという問題が生じる。また、裏面側コレクタ層の形成のためのイオン注入時のダメージによる影響も受け易く、この影響でコレクタ層での発生電流が多くなり、さらに、この発生電流が逆バイアス時に、ｐｎｐ層に付随する寄生ＢＪＴ（Ｂｉｐｏｌａ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の作用で、増幅される結果、特に高温時（１２５℃）の逆漏れ電流が大きくなり易いのである。
本発明は、そのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、逆耐圧を低下させることなく、高温逆漏れ電流の小さい逆阻止型絶縁ゲート形バイポーラトランジスタの製造方法を提供することである。

特許請求の範囲の請求項１記載の発明によれば、前記目的は、第一導電形半導体基板の第一主面に選択形成される第二導電形ベース領域と、該ベース領域表面層に選択形成される第一導電形エミッタ領域と、前記半導体基板の残り部分である第一導電形ドリフト層と前記エミッタ領域とに挟まれる前記ベース領域の第一主面側表面に被覆されるゲート絶縁膜と該ゲート絶縁膜を介して被覆されるゲート電極と、前記第二導電形ベース領域を前記ドリフト層を介して取り囲み、前記基板の両主面をつなぐように形成される第二導電形分離領域と、前記基板の第二主面に形成され、該第二主面に露出する前記分離領域に連結される第二導電形コレクタ層とを備える逆阻止型絶縁ゲート形バイポーラトランジスタの製造方法において、１２００℃〜１３００℃の酸素雰囲気で８０時間以上の拡散時間で前記分離領域を前記第一主面から１２０μｍ以上の拡散深さで形成後の酸素濃度が１．０×１０¹⁷ｃｍ―³以上の分布を有し、前記第二主面側の研磨による減厚後、第二主面コレクタ領域形成時におけるイオン注入後のアニール温度を３５０℃乃至４２０℃または５３０℃乃至５５０℃の範囲から選択されるいずれかの温度とする逆阻止型絶縁ゲート形バイポーラトランジスタの製造方法とすることにより、達成される。

特許請求の範囲の請求項２記載の発明によれば、前記第二主面コレクタ領域のイオン注入のドーズ量が１．２×１０¹²ｃｍ^-2乃至１．０×１０¹⁶ｃｍ^-2のいずれかである請求項１記載の逆阻止型絶縁ゲート形バイポーラトランジスタの製造方法とすることが好ましい。
特許請求の範囲の請求項３記載の発明によれば、前記基板内の酸素濃度が、前記第一主面から前記第二主面へ向かって増加している請求項１記載の逆阻止型絶縁ゲート形バイポーラトランジスタの製造方法とすることが好ましい。
特許請求の範囲の請求項４記載の発明によれば、裏面コレクタ領域のイオン注入の際の加速エネルギーが２０ｋｅＶ乃至６０ｋｅＶのいずれかである請求項１記載の逆阻止型絶縁ゲート形バイポーラトランジスタの製造方法とすることにより、前記目的は達成される。

前述の本発明によれば、逆耐圧を低下させることなく、高温逆漏れ電流の小さい逆阻止型絶縁ゲート形バイポーラトランジスタの製造方法を提供することができる。

図１は本発明にかかる逆阻止型絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ（以下ＩＧＢＴと略す）の断面図であり、図２と図３は前記図１に示すＩＧＢＴの製造方法をシリコン基板の要部の断面により２ステップで示した製造工程図である。図４はターンオフ損失とコレクタ層のボロンドーズ量との関係図、図５から図８、図１０はコレクタ層のアニール条件と、オン電圧、順逆耐電圧、高温逆漏れ電流等との各関係図、図９はコレクタ層のイオン注入の加速エネルギーと高温逆漏れ電流との関係図である。本発明の要旨を超えない限り、本発明は以下説明する実施例の記載に限定されるものではない。
この発明にかかる逆阻止型ＩＧＢＴおよびその製造方法の実施例について、前記図１、図２、図３を用いて詳細に説明する。順逆６００Ｖ耐圧の逆阻止ＩＧＢＴの場合を実施例として説明する。厚さ５２５μｍで、第一導電型不純物としてのｎ導電型のリンの不純物濃度が１．５×１０¹⁴ｃｍ^-3のＦＺシリコン基板（ウェハ）１の表面に厚さ１．６μｍの初期酸化膜２を形成し、各ＩＧＢＴ素子の分離拡散領域に相当する位置の酸化膜２に開口幅１００μｍのリング状パターンの酸化膜開口部３を形成する。

次に分離拡散層４を形成するために、第二導電型不純物であるｐ導電型不純物としてのボロンソースを前記酸化膜パターン上に塗布、熱処理してボロンデポジションを行い、前記酸化膜表面に同時形成されたボロンガラスをエッチングして除去した後、１２００℃〜１３００℃の高温の酸素雰囲気中で、ボロンを前記開口部３からシリコン基板１中に拡散させる。拡散時間は、拡散深さ１２０μｍの場合、約８０〜１００時間、拡散深さ１８０μｍとする場合は約２４０時間を要する（図２）。次に図３に示すように、前記分離拡散層４を形成した第１主面側１０のリング状のパターン（基板１の上面から見たパターン）内にｐベース領域５、ゲート酸化膜６、ゲート電極７、ｎエミッタ領域８およびエミッタ電極９等のプレーナゲート型ＩＧＢＴとして必要な機能領域を従来と同様にして形成する。この際、さらに電子線照射やヘリウム照射などを行いライフタイム調節をすることにより、素子の高速化を図る工程を加えてもよい。次に、前記シリコン基板１の裏面側１１を研磨して厚みを減らすことにより、図１に示すように前記分離拡散層４を裏面に露出させる。分離拡散深さ１２０μｍ、１８０μｍの場合、シリコン基板厚を研磨によりそれぞれ１００μｍ、１５０μｍ位とすることが好ましい。前記シリコン基板１の厚さはＩＧＢＴの耐圧がそれぞれ６００Ｖ、１２００Ｖの場合に必要な基板の厚さに相当する。分離拡散層４が露出した裏面１２に、ドーズ量１×１０¹³ｃｍ^-2のボロンをイオン注入し、４００℃で１時間程度の低温アニ−ルを行い、活性化したボロンのピーク濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3（５×１０¹⁶ｃｍ^-3〜１×１０¹⁸ｃｍ^-3の範囲から適宜選択）程度で、厚さが１μｍ程度の裏面コレクタ層１３を形成する。コレクタ電極１６を形成後、最後に図１のダイシング位置１４でウェハ１を切断すると、図１のような逆阻止ＩＧＢＴ２０が作られる。点線１５は逆耐電圧印加時の空乏層を示す。このような高温長時間拡散を酸化雰囲気で行うと、拡散直後のシリコン基板１中には全面にほぼ均一に酸素原子濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3〜シリコン中への酸素の固溶限である１×１０¹⁸ｃｍ^-3の範囲で取り込まれる。１３００℃で、５０％以上の酸素濃度で、８０時間以上の拡散後のシリコン基板には、酸素の固溶限である１×１０¹⁸ｃｍ^-3の濃度で取り込まれている。また、このような高温長時間拡散による分離拡散層を安定して形成させるには、前述のような酸素雰囲気は欠くことができない。

しかしながら、このように高濃度に取り込まれた酸素濃度が、逆阻止ＩＧＢＴ２０の逆耐圧の低下や逆漏れ電流の増加と密接に関連していることを発見した。本発明はこの点に着目してなされたものである。
逆阻止ＩＧＢＴ２０は、逆バイアス時に裏面側のｐコレクタ層１３−ｎドリフト層１間のｐｎ接合で安定した耐圧を持たせるためには裏面コレクタ層１３形成時のボロンのドーズ量を、コレクタ層１３内部に空乏層が延びてコレクタ電極１６に到達してしまうリーチスルーを防ぐためには１．２×１０¹²ｃｍ^-2以上必要とする。また、コレクタ層１３からの過剰キャリア注入量を抑制させてターンオフ損失を増加させないようにするには、図４のボロンのドーズ量とターンオフ損失との関係図に示すように、コレクタ層形成のためのボロンイオン注入時のドーズ量を１×１０¹⁶ｃｍ^-2以下にする必要がある。また、逆阻止ＩＧＢＴは２０は、逆耐圧を有する構造ではあるが、逆漏れ電流が大きい。この対策として、裏面側の活性化率を高くして逆耐圧時の裏面コレクタ層での発生電流を少なくすることで逆漏れ電流を小さくすることができる。しかし、逆阻止ＩＧＢＴ２０は、表面のプロセス終了後に裏面側を作るため、裏面のアニール温度を高くすることができない。アニール温度を高くすると表面側の金属の変色が起きたり、保護膜と金属あるいは金属とシリコンの間で相互拡散が起こりコンタクト抵抗が高くなる。図５によれば、３５０℃〜４２０℃にかけては裏面の活性化によってＶｏｎが低くなっているが、４２０℃を超えるとＶｏｎが上昇に転じ、５００℃以上で４Ｖ程度のＶｏｎ値となる。コンタクト抵抗を低くするためには、アニール温度を４５０℃以下にすることが好ましい。さらに、図９によれば、コレクタ層形成のためのイオン注入時の加速エネルギーは６０ｋｅＶを超えるとイオン注入時のダメージが大きくなり逆漏れ電流が大きくなるので、加速エネルギーを２０ｋｅＶ〜６０ｋｅＶにするのがよい。

ＩＧＢＴの順耐圧と、コレクタ層１３形成時のイオン注入後のアニール温度との関係を示す図６（アニール時間をパラメータ、■は１時間、●は３時間、▲は５時間をそれぞれ表す）によれば、アニール温度４２０℃以上５００℃以下で、アニール時間が１時間以上の場合、順耐圧が低下することが分かる。また、時間に関係なく、５００℃以上のアニール温度とすると耐圧低下は少なくなり、５５０℃のアニール温度にするとほとんど耐圧低下は見られなくなることが分かる。
ＩＧＢＴの逆耐圧とコレクタ層１３形成時のイオン注入後のアニール温度との関係を示す図７（アニール時間をパラメータ、■は１時間、●は３時間、▲は５時間をそれぞれ表す）によれば、アニール温度４２０℃以上５００℃以下でアニール時間を１時間以上とした場合の耐圧低下の影響は前記図６の順耐圧の場合よりも、はるかに大きいことが分かる。アニール温度４２０℃以下で１時間以内と５３０℃〜５５０℃のアニール温度では順耐圧の場合と同様に耐圧低下はほとんど無くなることが分かる。

前記図６、７に示すような順逆耐圧に及ぼす因子には、順逆耐圧を担う接合のドリフト層１側の酸素濃度分布と、コレクタ層１３形成のためのイオン注入後のアニール処理条件によるドリフト層１中の酸素原子の活性化すなわちドナー化とがある。具体的には順逆耐圧が低下する原因は接合のドリフト層側に存在する酸素がアニール処理によりドナー化してドリフト層１が低抵抗化することにある。前記順耐電圧が逆耐電圧よりもアニール処理による耐圧低下が少ないのは、シリコン基板１の第１主面側１０に形成されるＭＯＳ構造の形成の際の熱処理により、第１主面側１０から酸素原子が外方拡散により抜けて、表面から４５μｍ程度の深さまでの酸素濃度が減少しているためである。つまり、順耐圧接合はｐベース領域とｎドリフト層間のｐｎ接合であり、ｐベース領域の深さは３０μｍ以下で、前記４５μｍより浅いので接合近辺の酸素濃度が減少しているので、影響が少ないのである。一方、基板の裏面側１１では酸素の外方拡散は酸化膜で抑えられるため減少しないし、さらに最終的には数百μｍ研磨するので、酸素濃度は固溶限かそれに近い高濃度、すなわち、前述した酸化雰囲気中での高温長時間拡散により、シリコン基板１中に全面に均一に取り込まれた１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上から固溶限の酸素原子濃度分布をそのまま有していると思われる。この状態で、裏面側１２にコレクタ層形成のためにボロンがイオン注入され、イオン注入後の３５０℃以上、特には４２０℃〜５００℃でアニール処理をすると、ドリフト層１中の酸素原子がドナー化される。高濃度の酸素原子が存在する領域がドナー化するので、ｎ型ドリフト層１の不純物（ドナー）濃度が高くなり比抵抗が低下し、耐圧が順耐電圧より大きく低下するのである。また、順逆耐圧とも、５００℃以上のアニール温度では耐圧を急速に回復させているが、この現象は５００℃以上ではドナー化がほとんど起きなくなるためと考えられる。

図８（アニール時間をパラメータ、■は１時間、●は３時間、▲は５時間をそれぞれ表す）に示すような高温（１２５℃）逆漏れ電流に及ぼすアニール条件の影響についても、前記図６、７と同様に、基板中の酸素原子濃度分布およびそのドナー化に起因する耐圧低下に伴って逆漏れ電流が増加するものと思われる。アニール温度３５０℃〜４２０℃までは温度の上昇と共に逆漏れ電流は減少する。この理由は裏面コレクタ層の注入イオンの活性化率が温度と共に高くなるからである。しかし、前述と同様に４２０℃以上で、酸素原子のドナー化が起きて逆耐圧が低下することにより逆漏れ電流が増加するのである。５００℃以上でドナー化が少なくなり、５３０℃以上でドナー化がほとんど起きなくなるために耐圧低下が無くなり、耐圧低下に伴う漏れ電流の増加が無くなるのである。
図６、７、８から分離拡散層を備え、裏面を研磨されて減厚されてなる逆阻止ＩＧＢＴ２０はｎコレクタ層１３形成のためのアニール処理において、アニール温度を３５０℃から４２０℃または５３０℃以上とすることにより、順逆耐圧の低下を防止し、特に逆漏れ電流を少なくすることができる。ただし、アニール温度を５３０℃以上とする場合は、ＭＯＳ構造側の電極としてＡｌ系金属（Ａｌ−１％Ｓｉなど）を用いると、シリコン基板１とのコンタクト不良が起きるので、前記５３０℃以上のアニール温度で劣化しないバリア金属（例えばＴｉＮ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏなど）とする必要がある。

図１０に示すようにアニール時間による逆耐圧への影響は３５０℃〜４２０℃まではアニール時間が３時間までは逆耐圧にほとんど影響がないことが分かる。
図１３は、酸素雰囲気で１３００℃、２４０時間の熱処理を行った耐圧１２００Ｖ逆阻止ＩＧＢＴ用シリコンウェハについて、ウェハ表面の酸化膜を除去後、ウェハ面内の５点（上、中、下、右、左側）を深さ３５μｍまで、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ
Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：二次イオン質量分析法）で酸素濃度を測定した結果である。５点のいずれも同じ傾向を示すプロット点の集合となったため、それぞれの点を区別できないが、ウェハ表面から内方へ向かって酸素濃度が増加していることが分かる。この１２００Ｖ逆阻止ＩＧＢＴウェハで、表面から３５μｍの位置の酸素濃度は６×１０¹⁷ｃｍ―³、裏面から１０μｍの酸素濃度が１０¹⁸ｃｍ―³であった。これに対して、図１１に示す従来の１２００Ｖ、ＩＧＢＴは図示しないが、表面から３５μｍの位置の酸素濃度は６×１０¹⁶ｃｍ―³、裏面から１０μｍの酸素濃度が１０¹⁶ｃｍ―³であった。

本発明にかかる逆阻止型絶縁ゲート形バイポーラトランジスタの模式的断面図、 本発明にかかる逆阻止型絶縁ゲート形バイポーラトランジスタの製造途中の一断面図、 本発明にかかる逆阻止型絶縁ゲート形バイポーラトランジスタの製造途中の異なる一断面図、 コレクタ層のイオン注入の際のボロンイオンのドーズ量とＩＧＢＴのターンオフ損失との関係図、 アニール温度とオン電圧との関係図、 アニール温度と順耐電圧との関係図 アニール温度と逆耐電圧との関係図 アニール温度と逆漏れ電流との関係図 イオン注入の加速エネルギーと逆漏れ電流との関係図 アニール時間と逆耐電圧との関係図 従来の逆阻止型絶縁ゲート形バイポーラトランジスタの模式的断面図 従来の異なる逆阻止型絶縁ゲート形バイポーラトランジスタの模式的断面図 本発明にかかり、シリコン基板に酸素雰囲気で、１３００℃、２４０時間の熱処理を加えた後の基板内の酸素濃度分布図である。

１ ｎベース層（半導体基板）
２ 酸化膜
５、１０２ ｐベース領域
１３、１０３ ｐ＋コレクタ層
８、１０４ ｎ＋エミッタ領域
６、１０５ ゲート酸化膜
７、１０６ ゲート電極
１６、１０８ コレクタ電極
９、１０７ エミッタ電極

Claims (4)

1. 第一導電形半導体基板の第一主面に選択形成される第二導電形ベース領域と、該ベース領域表面層に選択形成される第一導電形エミッタ領域と、前記ベース領域とエミッタ領域以外の半導体基板領域である第一導電形ドリフト層と前記エミッタ領域とに挟まれる前記ベース領域の第一主面側表面に被覆されるゲート絶縁膜と該ゲート絶縁膜を介して被覆されるゲート電極と、前記第二導電形ベース領域に対して前記ドリフト層を介した外周に位置し、前記基板の両主面をつなぐように形成される第二導電形分離領域と、前記基板の第二主面に形成され、該第二主面に露出する前記分離領域に連結される第二導電形コレクタ層とを備える逆阻止型絶縁ゲート形バイポーラトランジスタの製造方法において、１２００℃〜１３００℃の酸素雰囲気で８０時間以上の拡散時間で前記分離領域を前記第一主面から１２０μｍ以上の拡散深さで形成後の前記基板内の酸素濃度が１．０×１０¹⁷ｃｍ―³以上の分布を有し、前記第二主面側の研磨による減厚後、第二主面コレクタ領域形成の際のイオン注入後のアニール温度を３５０℃乃至４２０℃または５３０℃乃至５５０℃の範囲から選択されるいずれかの温度とすることを特徴とする逆阻止型絶縁ゲート形バイポーラトランジスタの製造方法。
2. 前記第二主面コレクタ領域のイオン注入のドーズ量が１．２×１０¹²ｃｍ^-2乃至１．０×１０¹⁶ｃｍ^-2のいずれかであることを特徴とする請求項１記載の逆阻止型絶縁ゲート形バイポーラトランジスタの製造方法。
3. 前記基板内の酸素濃度が、前記第一主面から前記第二主面へ向かって増加していることを特徴とする請求項１記載の逆阻止型絶縁ゲート形バイポーラトランジスタの製造方法。
4. 裏面コレクタ領域のイオン注入時の加速エネルギーが２０ｋｅＶ乃至６０ｋｅＶのいずれかの電圧であることを特徴とする請求項１記載の逆阻止型絶縁ゲート形バイポーラトランジスタの製造方法。

Images