JP4843923B2 - 高耐圧半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
逆阻止IGBTにおいて、逆耐圧が順耐圧より小さくなることに関して、他の原因としては、順耐圧方向の電圧印加ではラッチアップ耐量を高くするためにpベース層の不純物濃度を高く、ターンオフ損失の低減のためにpコレクタ層の不純物濃度を低くという非対称pnp構造として増幅率を抑えていることの影響がある。増幅率に関しては、このほかに逆バイアス時の中性ベース領域(前記IGBTのpnp構造におけるnベース中の電界のかからない領域)の不純物濃度と幅が順バイアス時の不純物濃度と幅より共に小さく、注入効率(増幅率)の増大の原因となることも問題となる。この結果、逆バイアス印加時には順バイアス印加時より増幅率がはるかに高くなりやすく、高増幅率に伴って漏れ電流も増幅されて増大するので、逆耐圧が小さくなり易いのである。ただし、順耐圧にしても、酸素ドナーが存在するので、その分酸素ドナーがない場合より、総不純物量が増加する分、相対的に耐圧は下がる(酸素ドナーがない場合とは従来の分離拡散を伴わない順耐圧IGBTの場合である。)。
特許請求の範囲の請求項2記載の発明によれば、前記p形コレクタ層のピーク濃度が5×10 16 cm −3 以上1×10 18 cm −3 以下であることが好ましい。
特許請求の範囲の請求項3記載の発明によれば、n形半導体基板の第一主面に選択形成されるp形ベース領域と、該ベース領域表面層に選択形成されるn形エミッタ領域と、前記半導体基板の残り部分であるn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上に被覆されるゲート電極と、前記p形ベース領域を前記ドリフト層を介して取り囲むp形分離拡散領域と、前記半導体基板の第二主面に露出する前記分離拡散領域に連結されるp形コレクタ層とを備える高耐圧半導体装置の製造方法であって、半導体基板に酸化膜を形成し、該酸化膜の上からリンをイオン注入し、該リンをイオン注入した半導体基板への分離拡散領域の形成が酸素雰囲気中で行われる製造方法とすることが望ましい。
特許請求の範囲の請求項5記載の発明によれば前記リンイオンのドーズ量が1×1011cm−2以上である特許請求の範囲の請求項4記載の高耐圧半導体装置の製造方法とすることが望ましい。
リンがイオン注入されたシリコン基板(ウェハ)1に、リンドープ面と同じ表面9から選択的にボロンを1300℃で200時間のドライブ拡散を経て分離拡散領域2を形成し、この分離拡散領域2に取り囲まれた内部のシリコン基板の表面層にpベース領域3、nエミッタ領域4、ゲート酸化膜5、ゲート電極6、Alゲートパッド電極(図示せず)、エミッタ電極7等からなるMOSゲート構造が形成される。前記エミッタ電極7がアルミニウムの場合、そのコンタクト性を良好にするため、380℃×80分のアニール熱処理を行った後、シリコン基板1の裏面10側を研削してシリコン基板厚を180μmとする(裏面10は研削後の面)。ライフタイム調整のための電子線照射後、裏面10側にコレクタ層8の形成のためにボロンイオン注入し、380℃×60分のアニール熱処理を加え、ボロンの活性化を行う。この結果、従来は図5の点線で示すように表面の濃度が低く、バルクで高いドナーの濃度分布であったが、図6の実線または点線で示すフラットまたは表面で濃度が高いドナー濃度分布が得られる。
図9から図15は、この発明の実施例にかかる逆阻止IGBTの製造方法を工程順に示したIGBTの要部断面図である。この逆阻止IGBTは1200V耐圧の逆阻止型IGBTの例である。厚さ500μmで比抵抗100ΩcmのFZシリコン基板101の表面に、分離拡散層2を形成する前にあらかじめ、前述のように厚さ0.2μmの熱酸化膜(図示せず)を形成し、この酸化膜越しにドーズ量1.0×1014cm−2のリンを加速エネルギー100keVでイオン注入する。この場合、分離拡散後のシリコン基板における表面側のリンの不純物濃度を図5の実線で示す。前記酸化膜を除去した後、新たに1.6μmの初期酸化膜11を形成し、後工程でpベース領域が形成される箇所を取り囲むパターンで、幅170μmの分離拡散用の開口部12を選択的にエッチングして形成する(図9)。
つぎに、ボロンガラスエッチングを行い酸化膜中のボロンを除去した後、1300℃の温度において酸素雰囲気中で深さ180μmまでボロンをドライブ拡散してp+分離拡散領域2を形成する。このとき、酸化膜11上に酸化膜11−1も形成される(図11)。
つぎに、pベース領域3、n+ エミッタ領域4、ゲート酸化膜5、ゲート電極6およびエミッタ電極7等を通常のプレーナゲート型IGBTと同様の方法で形成する(図12)。さらに、高速化を図るために、ライフタイムキラーとして電子線照射やヘリウム照射を行うこともある。
つぎに、裏面を削り、FZシリコン基板101の厚さを172μm程度にし、削り面10にp+分離拡散領域2を露出させる(図13)。
つぎに、コレクタ電極8−1を形成して、FZシリコン基板101を切断箇所2−1で切断し(図15)、図1のような逆阻止型IGBTが製造される。
また、前記の裏面のp+ コレクタ領域8のピーク濃度が5×1016cm-3未満では、注入効率が低下して、オン電圧が上昇する。また、逆電圧印加時にp+ コレクタ領域8が完全に空乏化して逆耐圧が低下する。一方、1×1018cm-3を超えると逆回復電流が増大するので、ピーク濃度は5×1016cm-3以上で1×1018cm-3以下が望ましい。
このような逆阻止形IGBTとすることにより、表面9側に初期リンドーピングがされ、裏面10のp+ コレクタ領域8の不純物濃度が低く、注入効率が低減されているので、高温で長時間の分離拡散で酸素が固溶限まで取り込まれても、逆耐圧を低下させることなく、高温逆漏れ電流の小さいIGBTが得られ、かつIGBT動作時においてはドリフト層1内のコレクタ側のキャリア濃度が制限されるので、ターンオフ損失を低くできる。
従来の分離拡散のない順耐圧IGBTと(従来例1)、分離拡散はあるが、初期リンドープのない逆阻止IGBT(従来例2)および初期リンドープと分離拡散を伴う実施例1の逆阻止IGBTと、初期リンドープ量を2倍にした実施例2の逆阻止IGBTについて、それぞれ室温順耐圧、室温逆耐圧、高温逆漏れ電流、スイッチング損失を測定し、下記表1に示す。
一方、本発明にかかる実施例1のIGBTは、ウェハ表面にリンが初期ドープされているので、分離拡散に伴う酸素ドープがあっても相殺されて、ウェハ表面とバルクのドナー濃度が少なくとも同程度のフラットな分布にされているため、順耐圧が1405Vであり、従来例2の順耐圧1531Vより小さく抑えられているが、逆耐圧1390Vとほぼ同程度の値に揃えられていることが分かる。ただし、順逆耐圧とも100Ωcmの比抵抗から本来(分離拡散を伴なわない場合)期待される耐圧値からは共に比抵抗60Ωcmの前記従来例1の順耐圧IGBTの順耐圧値なみに低下している。これは酸素ドナーと初期リンドーピングにより実質的にドリフト層1の比抵抗が下がったためである。また、125℃、1200Vにおける高温逆漏れ電流は56.4mAのように、実施例1では、従来例2の逆阻止IGBTの55.0mAと同程度の値である。しかし、ウェハ厚は172μmと、10μm薄くされているので、スイッチング損失は従来例2より12%低い従来例1なみの100であり、分離拡散時間も約25時間短縮できる。
2 分離拡散領域
3 pベース領域
4 n+エミッタ領域
5 ゲート酸化膜
6 ゲート電極
7 エミッタ電極
8 コレクタ領域
8−1 コレクタ電極
9 表面
10 裏面。
Claims (5)
- n形半導体基板の第一主面に選択形成されるp形ベース領域と、該ベース領域表面層に選択形成されるn形エミッタ領域と、前記半導体基板の残り部分であるn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上に被覆されるゲート電極と、前記p形ベース領域を前記ドリフト層を介して取り囲むp形分離拡散領域と、前記半導体基板の第二主面に露出する前記分離拡散領域に連結されるp形コレクタ層とを備える高耐圧半導体装置において、前記分離拡散領域の形成によって前記半導体基板に取り込まれた酸素がドナー化することによるドナー濃度の分布領域が、前記半導体基板の第一主面から内部に向かって増加する傾斜濃度分布領域と該傾斜濃度分布より深い領域では一定の濃度分布領域を有し、前記傾斜濃度分布領域は更にリンを不純物として加えられ前記一定の濃度分布領域の不純物濃度以上の不純物濃度であることを特徴とする高耐圧半導体装置。
- 前記p形コレクタ層のピーク濃度が5×10 16 cm −3 以上1×10 18 cm −3 以下であることを特徴とする請求項1記載の高耐圧半導体装置。
- n形半導体基板の第一主面に選択形成されるp形ベース領域と、該ベース領域表面層に選択形成されるn形エミッタ領域と、前記半導体基板の残り部分であるn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上に被覆されるゲート電極と、前記p形ベース領域を前記ドリフト層を介して取り囲むp形分離拡散領域と、前記半導体基板の第二主面に露出する前記分離拡散領域に連結されるp形コレクタ層とを備える高耐圧半導体装置の製造方法であって、半導体基板に酸化膜を形成し、該酸化膜の上からリンをイオン注入し、該リンをイオン注入した半導体基板への分離拡散領域の形成が酸素雰囲気中で行われることを特徴とする高耐圧半導体装置の製造方法。
- 前記分離拡散領域の形成前に行なわれるイオン注入でのリンイオンのドーズ量が、分離拡散領域の形成時に取り込まれる酸素がドナー化することによる半導体基板の不純物濃度の不均一化を補償する程度と同程度以上であることを特徴とする請求項3記載の高耐圧半導体装置の製造方法。
- 前記リンイオンのドーズ量が1×1011cm−2以上であることを特徴とする請求項4記載の高耐圧半導体装置の製造方法。
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