JP5565134B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Description

この発明は、半導体装置の製造方法に関する。
絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor)とダイオード(Diode)が同一の半導体基板に形成された半導体装置として、例えば逆導通IGBT(RC−IGBT:Reverse Conducting IGBT)が公知である。
このような半導体装置では、例えば、ドリフト領域となるn型半導体基板の裏面に、IGBTのp+型領域とダイオードのn+型領域が設けられている。また、上記p+型領域およびn+型領域とドリフト領域との間には、ドリフト領域よりも高い不純物濃度を有するn型のフィールドストップ領域が設けられている。フィールドストップ領域は、順バイアス時、エミッタ領域から拡がる空乏層がコレクタ領域に達することを防止する。
このようなフィールドストップ領域が設けられた半導体装置として、次のような装置が提案されている。アノード、カソード間に形成された、強くドープされた第1ゾーンと、弱くドープされた第2ゾーンと、PN遷移部が設けられたダイオード等で、第1ゾーンと第2ゾーンとの間に、フィールドストップゾーンが非常に高くドープされ、そのドーピング濃度は、pn遷移部の導通状態における氾濫電荷の濃度よりも高い。上記半導体装置は、ダイオードまたはIGBTである(例えば、下記特許文献1参照。)。
また、半導体基板の裏面にフィールドストップ領域を形成する方法として、次のような方法が提案されている。半導体ウェハの裏面を研削し、研削が行われた半導体ウェハの裏面全体にN+型領域を形成する。この後、N+型領域が形成された半導体ウェハの裏面全体にイオン注入を行い、N+型領域の表層部にP+型領域を形成する。そして、P+型領域のうちダイオード部にレーザ光を照射してレーザアニールすることによりパターニングし、P+型領域にN+型領域を選択的に形成する(例えば、下記特許文献2参照。)。
特開2007−019518号公報 特開2008−004867号公報
しかしながら、本発明者らが鋭意研究を重ねた結果、例えば上述した特許文献2のように、フィールドストップ領域およびダイオードのn+型領域の順で、それぞれ価電子の異なるドーパントを用いてイオン注入を行った場合、次のような問題が生じることが新たに判明した。ダイオードのn+型領域を形成するイオン注入は高いドーズ量で行われる。このため、注入されたドーパントは、n+型領域の形成領域を超えてフィールドストップ領域の形成領域にまで達してしまう恐れがある。ダイオードのn+型領域を形成する高いドーズ量のイオン注入により、フィールドストップ領域に注入されたドーパントは、フィールドストップ領域に格子欠陥(以下、トラップとする)を発生させる。これにより、フィールドストップ領域のキャリア濃度が低減してしまうことが確認された。フィールドストップ領域のキャリア濃度が低減した場合、半導体装置の耐圧が低減するという問題が生じてしまう。
図11は、従来の半導体装置のキャリア濃度分布について示す特性図である。従来の半導体装置のフィールドストップ領域におけるキャリア濃度分布を示している。図11では、測定領域21がフィールドストップ領域とn+型領域の界面近傍におけるフィールドストップ領域である。半導体基板へのイオン注入は次のように行っている。まず、半導体基板の裏面にSe(セレン)をイオン注入し、続けて、Seをイオン注入した半導体基板の裏面の一部にP(リン)をイオン注入した。ついで、炉アニールを行うことで、半導体基板の裏面全体にフィールドストップ領域を形成し、フィールドストップ領域の表面層にダイオードのn+型領域を形成した。このとき、Pのドーズ量を種々変更し(以下、第1ドーズ量〜第3ドーズ量とする)、半導体基板のフィールドストップ領域におけるキャリア濃度を測定した。第1ドーズ量は、1×1015/cm2とした。第2ドーズ量は、2×1015/cm2とした。第3ドーズ量は、3×1015/cm2とした。
図11に示す結果より、Pのドーズ量が高くなるほど、測定領域21のキャリア濃度が低くなっていることがわかる。つまり、フィールドストップ領域とn+型領域の界面近傍において、フィールドストップ領域のキャリア濃度が低くなっている。ドーズ量が高いほど、注入されたドーパントは、フィールドストップ領域の形成領域に到達し、格子間位置に留ってしまう可能性が高くなる。その後、炉アニールを行っても、格子間位置に留まったドーパントは、格子位置に置換されずに、トラップとして残ってしまう。格子間位置に留まったドーパントは電気伝導に寄与できない。このため、フィールドストップ領域のキャリア濃度が低減してしまうと推測される。また、上述した特許文献2に示す技術のように、IGBTのp+型領域の一部にダイオードのn+型領域を形成する場合には、さらに高いドーズ量でイオン注入を行う必要があり、さらにフィールドストップ領域のキャリア濃度が低減してしまうことが懸念される。
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、フィールドストップ領域のキャリア濃度が低減することを防止することができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項1の発明にかかる半導体装置の製造方法は、第1導電型の第1半導体領域となる半導体基板の裏面側に、当該第1半導体領域よりも高い不純物濃度を有する第1導電型の第2半導体領域を備える第1半導体素子と、当該第2半導体領域の表面層の一部に、第1導電型の第3半導体領域を備える第2半導体素子を、同一の当該半導体基板に形成する半導体装置の製造方法であって、前記半導体基板の裏面を研削する研削工程と、前記研削工程の後、前記半導体基板の裏面の一部に、前記第3半導体領域を形成するための第1ドーパントをイオン注入する第1注入工程と、前記第1注入工程の後、アニールにより前記第3半導体領域を形成する第1アニール工程と、前記第1アニール工程の後、前記半導体基板の裏面に、前記第2半導体領域を形成するための第2ドーパントをイオン注入する第2注入工程と、を含むことを特徴とする。
また、請求項2の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項1に記載の発明において、前記第1アニール工程の温度は900℃〜950℃であることを特徴とする。
また、請求項の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項1または2に記載の発明において、前記第2注入工程の後、アニールにより前記第2半導体領域を形成する第2アニール工程をさらに含むことを特徴とする。
また、請求項の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項1〜のいずれか一つに記載の発明において、前記第1半導体素子は、前記第2半導体領域の表面層の一部に設けられた第2導電型の第4半導体領域をさらに備え、前記研削工程の後、前記半導体基板の裏面の一部に、前記第4半導体領域を形成するための第3ドーパントをイオン注入する第3注入工程をさらに含むことを特徴とする。
また、請求項の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項に記載の発明において、前記第3注入工程の後、アニールにより前記第4半導体領域を形成する第3アニール工程をさらに含むことを特徴とする。
また、請求項の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項4または5に記載の発明において、前記第1注入工程は、前記第4半導体領域が形成される領域を除いた前記半導体基板の裏面に、前記第1ドーパントをイオン注入することを特徴とする。
また、請求項の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項1〜のいずれか一つに記載の発明において、前記第1ドーパントは、周期表第15族に属する元素であることを特徴とする。
また、請求項の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項1〜のいずれか一つに記載の発明において、前記第1ドーパントは、リンであることを特徴とする。
また、請求項の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項1〜のいずれか一つに記載の発明において、前記第2ドーパントは、周期表第16族に属する元素であることを特徴とする。
また、請求項10の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項1〜のいずれか一つに記載の発明において、前記第2ドーパントは、セレンであることを特徴とする。
また、請求項11の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項1〜10のいずれか一つに記載の発明において、前記第1半導体素子は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタであることを特徴とする。
また、請求項12の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項1〜11のいずれか一つに記載の発明において、前記第2半導体素子は、ダイオードであることを特徴とする。
上述した発明によれば、第3半導体領域を形成するためのイオン注入(第1注入工程)を行った後に、第2半導体領域を形成するためのイオン注入(第2注入工程)を行う。このため、第3半導体領域を形成するための第1ドーパントが、半導体基板裏面において第3半導体領域より深い領域に形成される第2半導体領域に打ち込まれることはない。したがって、第2半導体領域は、第1ドーパントによる影響を受けない。これにより、第2半導体領域にトラップが発生することを防止することができる。
本発明にかかる半導体装置の製造方法によれば、フィールドストップ領域のキャリア濃度が低減することを防止することができるという効果を奏する。
実施の形態にかかる半導体装置を示す断面図である。 実施の形態にかかる半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態にかかる半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態にかかる半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態にかかる半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態にかかる半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態にかかる半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態にかかる半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態にかかる半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態にかかる半導体装置のキャリア濃度分布について示す特性図である。 従来の半導体装置のキャリア濃度分布について示す特性図である。
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、nまたはpを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、nやpに付す+および−は、それぞれそれが付されていない層や領域よりも高不純物濃度および低不純物濃度であることを意味する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図1は、実施の形態にかかる半導体装置を示す断面図である。図1に示す半導体装置100は、同一の半導体基板に、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)110と
ダイオード120が設けられている。ダイオード120は、例えばフリーホイールダイオード(FWD:Free Wheeling Diode)であってもよい。IGBT110は、第1半導体素子に相当する。ダイオード120は、第2半導体素子に相当する。
-型(第1導電型)のドリフト領域1となる半導体基板の表面層には、p型(第2導電型)のベース領域2が設けられている。ベース領域2は、その表面から半導体基板の内部に向かって徐々に低くなるような不純物濃度を有する。ベース領域2の表面層には、互いに接するp型のコンタクト領域3およびn+型のエミッタ領域4が選択的に設けられている。また、ベース領域2を貫通し、ドリフト領域1に達するトレンチ5が設けられている。ドリフト領域1は、第1半導体領域に相当する。
トレンチ5の内部には、ゲート絶縁膜を介して第1電極6が設けられている。第1電極6は、IGBT110のゲート電極として機能する。第2電極8は、コンタクト領域3およびエミッタ領域4に接する。また、第2電極8は、層間絶縁膜7により第1電極6と電気的に絶縁されている。第2電極8は、IGBT110のエミッタ電極およびダイオード120のアノード電極として機能する。
半導体基板の裏面の表面層には、n+型のフィールドストップ領域11が設けられている。フィールドストップ領域11は、ドリフト領域1より高い不純物濃度を有する。フィールドストップ領域11の表面層には、IGBT110の形成領域において、p+型領域9が設けられている。また、ダイオード120の形成領域において、n+型領域10が設けられている。p+型領域9は、IGBT110のコレクタ領域である。p+型領域9およびn+型領域10の表面には、第3電極12が設けられている。第3電極12は、IGBT110のコレクタ電極として機能する。また、第3電極12は、ダイオード120のカソード電極として機能する。フィールドストップ領域11は、第2半導体領域に相当する。p+型領域9は、第4半導体領域に相当する。n+型領域10は、第3半導体領域に相当する。
次に、上述した半導体装置100の製造方法について説明する。図2〜図9は、実施の形態にかかる半導体装置の製造方法を示す断面図である。まず、図2に示すように、ドリフト領域1となる半導体基板のおもて面の表面に、ベース領域2、コンタクト領域3、エミッタ領域4、第1電極6および第2電極8からなる半導体装置100のおもて面素子構造を形成する。ついで、図3に示すように、半導体基板の裏面を、例えば半導体基板の厚さが200μm以下となるまで研削する。この工程は、研削工程に相当する。
ついで、図4に示すように、研削された半導体基板の裏面の一部、つまりドリフト領域1の裏面の一部に、n型の第1ドーパントとしてP(リン)をイオン注入する。第1ドーパントがイオン注入される領域は、ダイオード120のn+型領域10が形成される領域である。ドーズ量は、例えば1×1015/cm2以上であってもよい。第1ドーパントはPであるのが望ましい。また、第1ドーパントは、周期表第15族に属する元素であってもよい。第1ドーパントとしてPを用いることで、P以外の周期表第15族に属する元素を用いるよりも半導体基板の深い領域に第1ドーパントを打ち込むことができる。この工程は、第1注入工程に相当する。
ついで、半導体装置100に炉アニールを行い、第1注入工程においてドリフト領域1の裏面に注入したP(図4参照)を活性化する。アニール温度は、例えば900〜950℃であってもよい。アニール時間は、30分間〜1時間であってもよい。これにより、図5に示すように、ドリフト領域1の裏面に、ダイオード120のn+型領域10が形成される。この工程は、第1アニール工程に相当する。
ついで、図6に示すように、ドリフト領域1の裏面の一部に、p型の第3ドーパントとしてB(ボロン)をイオン注入する。第3ドーパントがイオン注入される領域は、IGBT110のp+型領域9が形成される領域である。ドーズ量は、例えば1×1014/cm2以上であってもよい。第3ドーパントは、Bであるのが望ましい。また、第1ドーパントは、周期表第13族に属する元素であってもよい。第3ドーパントとしてBを用いることで、B以外の周期表第13族に属する元素を用いるよりも半導体基板の深い領域に第3ドーパントを打ち込むことができる。この工程は、第3注入工程に相当する。
ついで、半導体装置100に炉アニールを行い、第3注入工程においてドリフト領域1の裏面に注入したB(図6参照)を活性化する。アニール温度は、例えば900〜950℃であってもよい。アニール時間は、30分間〜1時間であってもよい。これにより、図7に示すように、ドリフト領域1の裏面に、IGBT110のp+型領域9が形成される。この工程は、第3アニール工程に相当する。
ついで、図8に示すように、ドリフト領域1の裏面の全体、つまりp+型領域9およびn+型領域10の表面に、n型の第2ドーパントとしてSe(セレン)をイオン注入する。第2ドーパントがイオン注入される領域は、フィールドストップ領域11が形成される領域である。ドーズ量は、例えば1×1014/cm2以上であってもよい。第2ドーパントは、周期表第16族に属する元素であってもよい。この工程は、第2注入工程に相当する。第2注入工程は、第1注入工程以降に行われる。これにより、n+型領域10を形成するための第1ドーパントが、フィールドストップ領域11の形成領域に打ち込まれることを防止することができる。
ついで、半導体装置100に炉アニールを行い、第2注入工程においてドリフト領域1の裏面に注入したSeを活性化する。アニール温度は、例えば900〜950℃であってもよい。アニール時間は、30分間〜1時間であってもよい。これにより、図9に示すように、ドリフト領域1と、p+型領域9およびn+型領域10の間に、フィールドストップ領域11が形成される。この工程は、第2アニール工程に相当する。
ついで、p+型領域9およびn+型領域10の表面に、第3電極12を形成する。これにより、図1に示すように、半導体装置100が完成する。
上述した半導体装置100の製造方法において、第3注入工程を、第2注入工程の後に行ってもよい。つまり、半導体装置100を作製するにあたり、第2注入工程が第1注入工程以降に行われればよく、第3注入工程を行う順番は、研削工程の後であれば種々変更可能である。
また、第1アニール工程を、第2注入工程の後や第3注入工程の後に行ってもよい。また、第1アニール工程〜第3アニール工程を、第1注入工程〜第3注入工程のすべてが行われた後に行ってもよい。つまり、半導体装置100を作製するにあたり、第1アニール工程の順番は、第1注入工程の後であれば種々変更可能である。同様に、第2アニール工程および第3アニール工程を行う順番は、第2注入工程の後、および第3注入工程の後であれば種々変更可能である。
次に、半導体装置100のフィールドストップ領域11におけるキャリア濃度分布について説明する。図10は、実施の形態にかかる半導体装置のキャリア濃度分布について示す特性図である。図10の横軸は、半導体基板100の裏面からの高さである。また、図10では、測定領域22がフィールドストップ領域11とn+型領域10の界面近傍におけるフィールドストップ領域11である。上述した半導体装置の製造方法に従い、半導体装置100を用意した(以下、実施例とする)。つまり、実施例では、n+型領域10を形成するイオン注入(第1注入工程)の後に、フィールドストップ領域11を形成するイオン注入(第2注入工程)を行っている。研削後の半導体基板の厚さを200μmとした。第1注入工程では、第1ドーパントをPとし、ドーズ量を1×1015/cm2とした。第2注入工程では、第2ドーパントをSeとし、ドーズ量を1×1014/cm2とした。第3注入工程では、第3ドーパントをBとし、ドーズ量を1×1014/cm2とした。第1アニール工程では、アニール温度を900とし、アニール時間を1時間とした。第2アニール工程では、アニール温度を900とし、アニール時間を1時間とした。第3アニール工程では、アニール温度を900とし、アニール時間を1時間とした。比較として、従来の半導体装置の製造方法で作製された半導体装置を用意した(以下、従来例とする)。従来例では、フィールドストップ領域11を形成するイオン注入の後に、n+型領域10を形成するイオン注入を行った。それ以外の製造方法、イオン注入条件およびアニール条件は、実施例と同様である。
図10に示す結果より、実施例は、従来例に比べて、測定領域22の近傍においてキャリア濃度が高くなっていることがわかる。つまり、実施例では、フィールドストップ領域11とn+型領域10の界面近傍におけるフィールドストップ領域11のキャリア濃度を、従来例に比べて高くすることができることがわかった。
以上、説明したように、実施の形態によれば、n+型領域10を形成するためのイオン注入(第1注入工程)を行った後に、フィールドストップ領域11を形成するためのイオン注入(第2注入工程)を行う。このため、n+型領域10を形成するための第1ドーパントが、半導体基板裏面においてn+型領域10より深い領域に形成されるフィールドストップ領域11に打ち込まれることはない。したがって、フィールドストップ領域11は、第1ドーパントによる影響を受けない。このため、n+型領域10を形成するためのイオン注入を高いドーズ量で行ったとしても、これを要因とするトラップがフィールドストップ領域11に発生することを防止することができる。これにより、フィールドストップ領域11のキャリア濃度が低減することを防止することができ、半導体装置100の耐圧が低減することを防止することができる。
以上において本発明は、同一の半導体基板にトレンチ構造のIGBTとダイオードを形成する半導体装置の製造方法について説明したが、上述した実施の形態に限らず、同一の半導体基板に例えばプレーナ構造のIGBTとダイオードが設けられた半導体装置を作製する際に適用することが可能である。つまり、n型のフィールドストップ領域の表面にn+型領域が設けられた構成の半導体装置を作製する際に適用することができる。また、半導体基板に1つの半導体素子が設けられた半導体装置においても、n型領域の表面にn+型領域を形成する際に適用してもよい。また、n型とp型をすべて逆転し、p型のフィールドストップ領域の表面にp+型領域が設けられた構成の半導体装置を作製する際に適用してもよい。
以上のように、本発明にかかる半導体装置は、例えば電気ハイブリッド自動車EHV:Electric and Hybrid Vehicle)など、自動車用のモーター制御やエンジン制御に使用されるパワー半導体装置に有用である。
1 ドリフト領域
2 ベース領域
3 コンタクト領域
4 エミッタ領域
5 トレンチ
6 電極(第1)
7 層間絶縁膜
8 電極(第2)
9 p+型領域
10 n+型領域
11 フィールドストップ領域
12 電極(第3)
100 半導体装置
110 IGBT
120 ダイオード

Claims (12)

  1. 第1導電型の第1半導体領域となる半導体基板の裏面側に、当該第1半導体領域よりも高い不純物濃度を有する第1導電型の第2半導体領域を備える第1半導体素子と、当該第2半導体領域の表面層の一部に、第1導電型の第3半導体領域を備える第2半導体素子を、同一の当該半導体基板に形成する半導体装置の製造方法であって、
    前記半導体基板の裏面を研削する研削工程と、
    前記研削工程の後、前記半導体基板の裏面の一部に、前記第3半導体領域を形成するための第1ドーパントをイオン注入する第1注入工程と、
    前記第1注入工程の後、アニールにより前記第3半導体領域を形成する第1アニール工程と、
    前記第1アニール工程の後、前記半導体基板の裏面に、前記第2半導体領域を形成するための第2ドーパントをイオン注入する第2注入工程と、
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記第1アニール工程の温度は900℃〜950℃であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記第2注入工程の後、アニールにより前記第2半導体領域を形成する第2アニール工程をさらに含むことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記第1半導体素子は、前記第2半導体領域の表面層の一部に設けられた第2導電型の第4半導体領域をさらに備え、
    前記研削工程の後、前記半導体基板の裏面の一部に、前記第4半導体領域を形成するための第3ドーパントをイオン注入する第3注入工程をさらに含むことを特徴とする請求項1〜のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記第3注入工程の後、アニールにより前記第4半導体領域を形成する第3アニール工程をさらに含むことを特徴とする請求項に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記第1注入工程は、前記第4半導体領域が形成される領域を除いた前記半導体基板の裏面に、前記第1ドーパントをイオン注入することを特徴とする請求項4または5に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記第1ドーパントは、周期表第15族に属する元素であることを特徴とする請求項1〜のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記第1ドーパントは、リンであることを特徴とする請求項1〜のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
  9. 前記第2ドーパントは、周期表第16族に属する元素であることを特徴とする請求項1〜のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
  10. 前記第2ドーパントは、セレンであることを特徴とする請求項1〜のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
  11. 前記第1半導体素子は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタであることを特徴とする請求項1〜10のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
  12. 前記第2半導体素子は、ダイオードであることを特徴とする請求項1〜11のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
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