JP5621493B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関する。

ＩＧＢＴとダイオードを同一の半導体基板に備えた、ダイオード内蔵ＩＧＢＴでは、例えば、半導体基板の裏面にＩＧＢＴのコレクタ層であるｐ層とダイオードのカソード層であるｎ層の双方が露出して形成されている。特許文献１には、半導体基板の裏面にｐ層とｎ層を形成する方法が開示されている。この方法では、ｐ層を形成する部分が開口するようにパターニングされたレジストを用いてｐ層を形成する部分にのみボロン等のイオン注入を行い、同様にｎ層を形成する部分が開口するようにパターニングされたレジストを用いてｎ層を形成する部分にのみリン等のイオン注入を行った後で、アニーリングによってイオンを活性化する工程を行っていた。

特開２００５−５７２３５号公報

上述のとおり、従来技術では、半導体基板の裏面のｐ層とｎ層をパターニングするためには、レジスト形成工程を行って、ｐ層を形成する部分が開口するようにパターニングされたレジストと、ｎ層を形成する部分が開口するようにパターニングされたレジストをそれぞれ形成する必要があった。

本発明者らは、イオン注入後の半導体基板にレーザ照射を行ってアニーリングを行うと、そのレーザ照射を行った領域の半導体層が溶融し、溶融した半導体層では、第１導電型の不純物濃度と第２導電型の不純物濃度がそれぞれ深さ方向に略均一化されることに着目した。この知見に基づいて、本発明者らは、レジスト形成工程を行うことなく、半導体基板の裏面を第１導電型の第１半導体層と第２導電型の第２半導体層にパターニングすることが可能な方法を見出した。

本発明は、同一半導体基板の裏面に、第１導電型の第１半導体層と、第２導電型の第２半導体層が形成されている半導体装置の製造方法を提供する。この半導体装置では、半導体基板は、第２導電型のドリフト層と、ドリフト層の表面側に設けられており、少なくともその一部が半導体基板の表面に露出している第１導電型のボディ層と、ボディ層の表面に設けられており、ボディ層によってドリフト層と隔離されている第２導電型のエミッタ層と、エミッタ層とドリフト層との間に位置するボディ層に接する絶縁ゲートと、ドリフト層を介してボディ層もしくは絶縁ゲートと対向する位置に設けられている、第２導電型のカソード／アノード層および第１導電型のコレクタ層とを備えている。コレクタ層は、第１半導体層であり、カソード／アノード層は、第２半導体層である。なお、第１導電型がｐ型で第２導電型がｎ型の場合、カソード／アノード層はカソード層であり、第１導電型がｎ型で第２導電型がｐ型の場合、カソード／アノード層はアノード層である。この製造方法は、半導体基板の裏面の第１半導体層を形成する領域と第２半導体層を形成する領域の両者の領域であって、半導体基板の裏面から第１注入深さに、第１ドーズ量で第１導電型のイオンを注入する第１イオン注入工程と、半導体基板の裏面の第１半導体層を形成する領域と第２半導体層を形成する領域の両者の領域であって、半導体基板の裏面から第１注入深さよりも深い第２注入深さに、第１ドーズ量よりも大きい第２ドーズ量で第２導電型のイオンを注入する第２イオン注入工程と、第１半導体層を形成する領域の半導体基板の裏面に、半導体基板の裏面から第１溶融深さまでの領域が溶融するエネルギー量でレーザ照射を行い、第１半導体層を形成する第１レーザ照射工程と、第２半導体層を形成する領域の半導体基板の裏面に、半導体基板の裏面から第１溶融深さよりも深い第２溶融深さまでの領域が溶融するエネルギー量でレーザ照射を行い、第２半導体層を形成する第２レーザ照射工程とを含む。

上記の製造方法では、イオン注入工程において、半導体基板の裏面の第１半導体層を形成する領域と第２半導体層を形成する領域の両者の領域に、第１導電型のイオン注入と第２導電型のイオン注入を行う。イオン注入工程では、半導体基板の裏面から浅い第１注入深さに、第１導電型のイオンが注入され、半導体基板の裏面から深い第２注入深さに、第２導電型のイオンが注入される。このため、半導体基板の裏面から浅い領域に第１導電型のイオンを第２導電型のイオンより多く注入し、半導体基板の裏面から深い領域に第２導電型のイオンを第１導電型のイオンより多く注入することができる。したがって、レーザ照射工程において、半導体基板の裏面からより浅い第１溶融深さまで溶融させると、第１半導体層を形成できる。また、半導体基板の裏面からより深い第２溶融深さまで溶融させると、第２半導体層を形成できる。半導体基板の裏面に照射するレーザのエネルギー量を調整して、溶融深さを調整することによって、第１半導体層と第２半導体層を作り分けることができる。本発明によれば、レジスト形成工程を行うことなく、半導体基板の裏面を第１半導体層と第２半導体層にパターニングすることができる。

第１イオン注入工程では、第１導電型の不純物濃度を半導体基板の裏面から深さ方向に積算した積算値が第２導電型の不純物濃度を半導体基板の裏面から深さ方向に積算した積算値よりも大きい第１領域を形成し、第２イオン注入工程では、第２導電型の不純物濃度を半導体基板の裏面から深さ方向に積算した積算値が第１導電型の不純物濃度を半導体基板の裏面から深さ方向に積算した積算値よりも大きい第２領域を、第１領域よりも半導体基板の深い位置に形成し、第１溶融深さは、第１領域内の所定の深さに設定され、第２溶融深さは、第２領域内の所定の深さに設定されてもよい。

第２半導体層を形成する領域の半導体基板の裏面に照射されるレーザのエネルギー量は、第１半導体層を形成する領域の半導体基板の裏面に照射されるレーザのエネルギー量よりも大きいことが好ましい。

レーザ照射による不純物濃度の略均一化について説明する図。 レーザ照射による不純物濃度の略均一化について説明する図。 実施例に係る製造方法によって製造される半導体装置を示す図。 実施例に係るイオン注入工程について説明する図。 実施例に係るレーザ照射工程について説明する図。 実施例に係るレーザ照射工程について説明する図。

本発明者らは、イオン注入後の半導体基板にレーザ照射を行ってアニーリングを行うと、そのレーザ照射を行った領域の半導体層が溶融し、再結晶化して、ｐ型の不純物濃度とｎ型の不純物濃度がそれぞれ深さ方向に略均一化されることを見出した。

図１は、ｐ型のイオン注入と、ｎ型のイオン注入を行った後の半導体基板の裏面側のｐ型の不純物濃度分布１０１と、ｎ型の不純物濃度分布２０１を示している。縦軸はｐ型、ｎ型の不純物濃度を対数で示しており、図１の上側ほど不純物濃度が高い。横軸は半導体基板の裏面からの深さを示している。横軸の左端のゼロの目盛りは、半導体基板の裏面を示しており、図１の右側ほど半導体基板の裏面から深い位置を表している。ｐ型の不純物はボロンであり、ｎ型の不純物はリンである。ｐ型の不純物濃度分布１０１は、半導体基板のより浅い領域（裏面に近い領域）にピークを有するガウス分布であり、ｎ型の不純物濃度分布２０１は半導体基板のより深い領域にピークを有するガウス分布である。

図２は、図１の状態の半導体基板の裏面から所定の深さまでレーザ照射により溶融させた場合のｐ型の不純物濃度分布１０２とｎ型の不純物濃度２０２を示す。図２の縦軸および横軸は、図１と同様である。図２に示すように、レーザを照射した半導体基板の裏面から所定の深さの領域内の半導体層をレーザ照射によって溶融させると、その溶融した半導体層では、ｐ型の不純物濃度とｎ型の不純物濃度が略均一化されることがわかった。レーザ照射によって半導体層が溶融して再結晶化すると、その半導体層中に取り込まれる不純物濃度は、その不純物の固溶度によって決定される。このため、レーザ照射によって溶融した半導体層では、不純物濃度が略均一化されるものと考えられる。

この知見をもとに、本発明者らは、同一半導体基板の裏面に、第１導電型の第１半導体層と、第２導電型の第２半導体層が形成されている半導体装置の製造方法に関して、レジスト形成工程を行うことなく、半導体基板の裏面を第１導電型の第１半導体層と第２導電型の第２半導体層にパターニングすることが可能な方法を見出した。

以下、本発明に係る半導体装置の製造方法の一例として、図３に示す半導体装置５０の製造方法を説明する。

（半導体装置）
同一半導体基板の裏面に、第１導電型の第１半導体層と、第２導電型の第２半導体層が形成されている半導体装置として、図３に示すように、ＩＧＢＴとダイオードを同一の半導体基板に備えた、ダイオード内蔵ＩＧＢＴである半導体装置１０を例示して説明する。以下、第１導電型がｐ型であり、第２導電型がｎ型である場合を例示して説明するが、これに限定されず、第１導電型がｎ型であり、第２導電型がｐ型であってもよい。半導体基板は、シリコンを主成分としており、例えば、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板等を用いることができる。

図３に示すように、半導体装置５０は、半導体基板５００と、半導体基板５００の表面に接する表面電極５５２と、半導体基板５００の裏面に接する裏面電極５５１とを備えている。半導体基板５００は、ｎ⁻型のドリフト層５０４と、ドリフト層５０４の表面側に設けられたｐ型のボディ層５０５と、ボディ層５０５の表面に設けられており、ボディ層５０５によってドリフト層５０４と隔離されているｎ^＋型のエミッタ層５０６を備えている。図示していないが、ボディ層５０５の一部として、半導体基板５００の表面に露出するｐ^＋型のボディコンタクト層が設けられていてもよい。ドリフト層５０４の裏面側にはｎ型のバッファ層５０３が設けられている。バッファ層５０３はドリフト層５０４に含まれている。ドリフト層５０４の裏面側には、ｎ^＋型のカソード層５０１と、ｐ^＋型のコレクタ層５０２が設けられている。コレクタ層５０２は、カソード層５０１と隣接している。絶縁ゲート５２０は、エミッタ層５０６とドリフト層５０４との間に位置するボディ層５０５に接するように形成されている。絶縁ゲート５２０は、トレンチゲートであり、半導体基板５００の表面からボディ層５０５を貫通し、ドリフト層５０４に達するトレンチと、トレンチの内壁面に形成された絶縁膜と、絶縁膜に被覆されてトレンチに充填されているゲート電極とを備えている。ゲート電極と表面電極５５２は、絶縁膜５３１によって絶縁されている。図３に示すように、カソード層５０１およびコレクタ層５０２は、ドリフト層５０４を介してボディ層５０５もしくは絶縁ゲート５２０と対向する位置に設けられている。

半導体基板５００には、ＩＧＢＴが形成されている。コレクタ層５０２と、その表面側のバッファ層５０３を含むドリフト層５０４、ボディ層５０５、エミッタ層５０６がＩＧＢＴとして動作する。半導体装置５００では、ＩＧＢＴのコレクタ層５０２の一部がカソード層５０１に置き換わっているため、半導体装置５０にＩＧＢＴの逆バイアス電圧が印加された場合には、カソード層５０１と、その表面側のバッファ層５０３を含むドリフト層５０４と、ボディ層５０５とを、還流ダイオードとして利用できる。ボディ層５０５はアノード層として機能する。

（半導体装置の製造方法）
半導体装置５０の製造工程のうち、半導体基板５００の裏面にカソード層５０１およびコレクタ層５０２を形成する工程を説明する。半導体装置５０が備えるその他の構成については、従来公知の製造工程によって製造できるため、その説明を省略する。カソード層５０１およびコレクタ層５０２を形成する工程は、イオン注入工程と、レーザ照射工程を含んでいる。

（第１・第２イオン注入工程）
第１イオン注入工程では、半導体基板の裏面のコレクタ層５０２（第１半導体層）を形成する領域とカソード層５０１（第２半導体層）を形成する領域の両者の領域にｐ型のイオン（例えばボロンイオン）を注入する。第２イオン注入工程では、半導体基板の裏面のコレクタ層５０２を形成する領域とカソード層５０１を形成する領域の両者の領域にｎ型のイオン（例えばリンイオン）を注入する。これによって、第１領域、第２領域を形成する。第１領域は、ｐ型の不純物濃度を半導体基板の裏面から深さ方向に積算した積算値がｎ型の不純物濃度を半導体基板の裏面から深さ方向に積算した積算値よりも大きい領域である。第２領域は、ｎ型の不純物濃度を半導体基板の裏面から深さ方向に積算した積算値がｐ型の不純物濃度を半導体基板の裏面から深さ方向に積算した積算値よりも大きい領域である。第２領域は、第１領域よりも半導体基板の深い位置に形成される。

まず、ｎ型のイオン注入を行い（第２イオン注入工程）、次に、ｐ型のイオン注入を行う（第１イオン注入工程）。ｎ型のイオンを注入する第２注入深さを、ｐ型のイオンを注入する第１注入深さより深くし、ｎ型のイオンのドーズ量（第２ドーズ量）を、ｐ型のイオンのドーズ量（第１ドーズ量）よりも大きくする。これによって、図４に示すように、ｎ型の不純物濃度分布２１１のピークの深さを、ｐ型の不純物濃度分布１１１のピークの深さよりも深くし、かつ、ｎ型の不純物濃度分布２１１のピークの高さを、ｐ型の不純物濃度分布１１１のピークの高さよりも高くすることができる。第１注入深さおよび第２注入深さ、第１ドーズ量および第２ドーズ量は、半導体基板の裏面から浅い領域内においては、ｐ型の不純物濃度分布１１１のピークがｎ型の不純物濃度分布２１１よりも高くなるように設計される。これによって、半導体基板の裏面に近い領域に第１領域を形成することができる。ｎ型の不純物濃度のピークは、ｐ型の不純物濃度のピークよりも半導体基板の深い位置に形成されているから、第２領域は、第１領域よりも半導体基板の深い位置に形成される。このようにｐ型、ｎ型の不純物濃度を調整すると、第１領域を第２領域よりも半導体基板の裏面から浅い位置に形成することができる。

（第１・第２レーザ照射工程）
レーザ照射工程では、半導体基板の裏面側にレーザを走査させてアニーリングを行い、半導体基板の裏面側に注入されたイオンを活性化する。レーザのエネルギーを調整することによって、半導体基板の裏面から所望の深さまでの半導体層を溶融させることができ、レーザのエネルギーが大きいほど、半導体基板の裏面から深い位置の半導体層まで溶融させることが可能となる。第１レーザ照射工程では、コレクタ層５０２を形成する領域の半導体基板の裏面に、半導体基板の裏面から第１溶融深さまでの領域が溶融するエネルギー量でレーザ照射を行い、コレクタ層５０２を形成する。第２レーザ照射工程では、カソード層５０１を形成する領域の半導体基板の裏面に、半導体基板の裏面から第１溶融深さよりも深い第２溶融深さまでの領域が溶融するエネルギー量でレーザ照射を行い、カソード層５０１を形成する。第１レーザ照射工程と、第２レーザ照射工程で、レーザを照射する領域と照射するレーザのエネルギー量を切り替える。半導体基板の裏面にレーザを走査させながら、コレクタ層５０２を形成する領域とカソード層５０１を形成する領域で照射するレーザのエネルギー量を切り替えてもよい。レーザとしては、例えば、ＹＡＧレーザを用いることができ、レーザのエネルギーを容易に切り替えることが可能なレーザ照射装置を好適に用いることができる。

本実施例では、半導体基板の裏面に照射するレーザのエネルギー量を、半導体基板のＩＧＢＴ領域（コレクタ層５０２を形成する領域）と、ダイオード領域（カソード層５０１を形成する領域）とで切り替える。ＩＧＢＴ領域においては、半導体基板の裏面から第１溶融深さまでの半導体層が溶融するエネルギー量のレーザでレーザ照射を行う。第１溶融深さは、第１領域内の所定の深さに設定される。ダイオード領域においては、半導体基板の裏面から第２溶融深さまでの半導体層が溶融するエネルギー量のレーザでレーザ照射を行う。第２溶融深さは、第２領域内の所定の深さに設定される。第２領域は、第１領域よりも、半導体基板の深い位置に形成されているため、第２溶融深さは、第１溶融深さよりも深い。レーザのエネルギー量が多いほど、半導体基板のより深くまでレーザによって溶融されるため、ダイオード領域の裏面側に照射されるレーザのエネルギー量は、ＩＧＢＴ領域の裏面側に照射されるレーザのエネルギー量よりも大きくされる。これによって、図５、図６に示すように、ＩＧＢＴ領域では、溶融する半導体層の深さがより浅い位置となり、ダイオード領域では、溶融する半導体層の深さがより深い位置となる。

半導体層が溶融する領域では、ｐ型、ｎ型の不純物濃度が半導体基板の深さ方向に略均一化される。ＩＧＢＴ領域においては、その裏面から第１溶融深さまでの半導体層が溶融し、再結晶化される。第１溶融深さは、第１領域内の所定の深さに設定され、第１領域内では、ｐ型の不純物濃度の積算値がｎ型の不純物濃度の積算値よりも大きい。このため、不純物濃度が半導体基板の深さ方向に略均一化されると、図５に示すように、ｐ型の不純物濃度分布１１２がｎ型の不純物濃度分布２１２より高くなり、ｐ型の不純物濃度が高いｐ型の半導体層となる。これによって、ｐ型のコレクタ層５０２（第１半導体層）を形成することができる。ダイオード領域においては、その裏面から第２溶融深さまでの領域内の半導体層が溶融し、再結晶化される。第２溶融深さは、第２領域内の所定の深さに設定され、第２領域内では、ｎ型の不純物濃度の積算値がｐ型の不純物濃度の積算値よりも大きい。このため、不純物濃度が半導体基板の深さ方向に略均一化されると、図６に示すように、ｎ型の不純物濃度分布２１３がｐ型の不純物濃度分布１１３より高くなり、ｎ型の不純物濃度が高いｎ型の半導体層となる。これによって、ｎ型のカソード層５０１（第２半導体層）を形成することができる。なお、レーザ照射を行った深さまでｐ型の不純物が拡散するため、図６のｐ型の不純物濃度分布１１３の略均一化された不純物濃度は、図５のｐ型の不純物濃度分布１１２の略均一化された不純物濃度よりも低くなる。

上記のとおり、本実施例によれば、レジスト形成工程を行うことなく、半導体基板の裏面を第１導電型の第１半導体層（コレクタ層５０２）と第２導電型の第２半導体層（カソード層５０１）にパターニングすることができる。レーザのエネルギーの切り替えは容易であるため、半導体基板の裏面にレーザを走査させながら容易に切り替えることができ、半導体装置の製造工程を簡略化することができる。本実施例に係る製造方法によって製造できる半導体装置については特に限定されないが、ＩＧＢＴとダイオードを同一の半導体基板に備えた、ダイオード内蔵ＩＧＢＴを製造する場合に好適に用いることができる。同一の半導体基板にダイオードを備えていないＩＧＢＴを製造する際は、半導体基板の裏面にコレクタ層のみを形成すればよいため、イオン注入時の前にレジスト形成工程を行う必要がなかった。しかしながら、ダイオード内蔵ＩＧＢＴを製造するためには、半導体基板の裏面にコレクタ層とカソード層を形成するため、従来の技術では、イオン注入時にパターニングされたレジスト形成を行う必要があり、そのための装置を導入する必要があった。本実施例に係る製造方法によれば、ＩＧＢＴをダイオード内蔵型にしても、新たな装置を導入する必要がない。なお、上記の実施例では、半導体基板の表面側の構造は同じあり、裏面側がｐ型とｎ型にパターニングされたダイオード内蔵ＩＧＢＴを例示して説明したが、半導体基板の表面側の構造がダイオード領域とＩＧＢＴ領域で相違するダイオード内蔵ＩＧＢＴの製造方法としても、本実施例に係る方法を好適に利用できる。

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

５０ 半導体装置
５００ 半導体基板
５０１ カソード層
５０２ コレクタ層
５０３ バッファ層
５０４ ドリフト層
５０５ ボディ層
５０６ エミッタ層
５２０ 絶縁ゲート
５３１ 絶縁膜
５５１ 裏面電極
５５２ 表面電極

Claims (3)

1. 同一半導体基板の裏面に、第１導電型の第１半導体層と、第２導電型の第２半導体層が形成されている半導体装置の製造方法であって、
   半導体装置は、ＩＧＢＴが形成されている半導体基板を備えており、
   半導体基板は、
   第２導電型のドリフト層と、
   ドリフト層の表面側に設けられており、少なくともその一部が半導体基板の表面に露出している第１導電型のボディ層と、
   ボディ層の表面に設けられており、ボディ層によってドリフト層と隔離されている第２導電型のエミッタ層と、
   エミッタ層とドリフト層との間に位置するボディ層に接する絶縁ゲートと、
   ドリフト層を介してボディ層もしくは絶縁ゲートと対向する位置に設けられている、第２導電型のカソード／アノード層および第１導電型のコレクタ層とを備えており、
   コレクタ層は、第１半導体層であり、
   カソード／アノード層は、第２半導体層であり、
   半導体装置の製造方法は、
   半導体基板の裏面の第１半導体層を形成する領域と第２半導体層を形成する領域の両者の領域であって、半導体基板の裏面から第１注入深さに、第１ドーズ量で第１導電型のイオンを注入する第１イオン注入工程と、
   半導体基板の裏面の第１半導体層を形成する領域と第２半導体層を形成する領域の両者の領域であって、半導体基板の裏面から第１注入深さよりも深い第２注入深さに、第１ドーズ量よりも大きい第２ドーズ量で第２導電型のイオンを注入する第２イオン注入工程と、
   第１半導体層を形成する領域の半導体基板の裏面に、半導体基板の裏面から第１溶融深さまでの領域が溶融するエネルギー量でレーザ照射を行い、第１半導体層を形成する第１レーザ照射工程と、
   第２半導体層を形成する領域の半導体基板の裏面に、半導体基板の裏面から第１溶融深さよりも深い第２溶融深さまでの領域が溶融するエネルギー量でレーザ照射を行い、第２半導体層を形成する第２レーザ照射工程とを含む、半導体装置の製造方法。
2. 第１イオン注入工程では、第１導電型の不純物濃度を半導体基板の裏面から深さ方向に積算した積算値が第２導電型の不純物濃度を半導体基板の裏面から深さ方向に積算した積算値よりも大きい第１領域を形成し、
   第２イオン注入工程では、第２導電型の不純物濃度を半導体基板の裏面から深さ方向に積算した積算値が第１導電型の不純物濃度を半導体基板の裏面から深さ方向に積算した積算値よりも大きい第２領域を、第１領域よりも半導体基板の深い位置に形成し、
   第１溶融深さは、第１領域内の所定の深さに設定され、
   第２溶融深さは、第２領域内の所定の深さに設定される、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 第２半導体層を形成する領域の半導体基板の裏面に照射されるレーザのエネルギー量は、第１半導体層を形成する領域の半導体基板の裏面に照射されるレーザのエネルギー量よりも大きい、請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
   

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