JP5707765B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、酸素・空孔欠陥が形成された半導体層を備える半導体装置の製造方法に関する。

半導体装置のスイッチング特性を改善するために、半導体層に結晶欠陥を形成する技術が開発されている。結晶欠陥のエネルギー準位は、電子と正孔の再結合中心である。このため、半導体層に結晶欠陥を形成すると、キャリアのライフタイムを制御することが可能となり、半導体装置のスイッチング特性を改善することができる。

特許文献１には、結晶欠陥の中でも酸素と空孔が結合した酸素・空孔欠陥を形成する技術が開示されている。特許文献１の技術では、半導体層の所定深さに酸素を予め導入した後に、電子線等の荷電粒子を照射して空孔を形成し、酸素・空孔欠陥を半導体層の所定深さに形成する。特許文献１の技術では、サイクロトロン加速装置又はバンデグラフ加速装置を利用して、半導体層の所定深さに酸素を導入する。

ところで、半導体装置によっては、半導体層の所定深さの面内において、結晶欠陥の密度を変動させたいことがある。例えば、特許文献２には、ＩＧＢＴとダイオードが混在した半導体装置において、半導体層の所定深さのうちのダイオード領域に多量の結晶欠陥を選択的に形成する技術が開示されている。ダイオード領域に多量の結晶欠陥を選択的に形成することで、ＩＧＢＴ領域におけるオン抵抗の増大が抑えられ、スイッチング特性とオン抵抗の双方を改善することができる。

特開２００７−２６６１０３号公報 特開２００８−１９２７３７号公報

特許文献１の技術を利用して半導体層の所定深さの面内の一部に酸素を導入するためには、酸素を遮蔽するためのマスクを半導体層の表面にパターニングする必要がある。例えば、半導体層の深い位置に酸素を導入したい場合、加速された酸素を遮蔽するためには、厚いマスクを半導体層の表面にパターニングしなければならない。このような厚いマスクを形成するのは困難であり、実用的ではない。厚いマスクを形成するのに代えて、半導体層の浅い位置に酸素を導入した後に、半導体層の深い位置まで酸素を熱拡散させることが考えられる。熱拡散によって半導体層の深い位置にまで必要な濃度の酸素を導入するためには、半導体層の浅い位置に予め導入される酸素の濃度が極めて濃くなければならない。しかしながら、酸素が必要とされる深さ及び必要とされる酸素の濃度によっては、半導体層の浅い位置に導入しなければならない酸素が固溶限界を超えることとなり、この方法もまた現実的ではない。

本明細書では、半導体層の所定の深さの面内において、酸素・空孔欠陥の密度を変動させることができる製造方法を提供することを目的としている。

本明細書で開示される技術では、酸素を導入したい範囲に対応する半導体層の表面に熱酸化膜を選択的に形成することを特徴としている。半導体層の表面に形成された熱酸化膜は、半導体層の表層部への酸素の供給源として働くことができる。このため、熱酸化工程では、半導体層の表層部への酸素の導入と導入された酸素の拡散が連続的に生じることにより、半導体層の深い位置に高濃度の酸素を導入することができる。本明細書で開示される技術によると、所望の深さに必要な濃度の酸素を容易に導入することができる。

本明細書で開示される半導体装置の製造方法は、マスク形成工程と熱酸化膜形成工程と除去工程と荷電粒子照射工程とを備えている。マスク形成工程では、半導体層の表面の第１範囲にマスクを形成する。熱酸化膜形成工程では、マスクを残存させた状態で、半導体層の表面の第１範囲とは異なる第２範囲に、酸素ガス雰囲気下で熱酸化膜を形成する。除去工程では、マスクと熱酸化膜を除去する。荷電粒子照射工程では、半導体層に向けて荷電粒子を照射する。この製造方法によると、半導体層のうちの第２範囲に対応する部分に第１範囲に対応する部分に比較して酸素を高濃度に導入することができる。さらに、荷電粒子照射工程を実施することで、半導体層のうちの第２範囲に対応する部分に酸素・空孔欠陥を高密度に形成することができる。

本明細書で開示される製造方法は、マスクが窒化シリコン膜であるのが望ましい。窒化シリコン膜は、熱酸化処理工程において、酸素が半導体層の表層部に導入されるのを効果的に抑制することができる。また、窒化シリコンは緻密な結晶構造を有しており、熱に対して安定である。このため、窒化シリコンのマスクは、熱酸化処理工程での破損が抑制される。

本明細書で開示される製造方法では、第１範囲に対応する半導体層内にＩＧＢＴ構造を形成する工程と、第２範囲に対応する半導体層内にダイオード構造を形成する工程をさらに備えるのが望ましい。これにより、ＩＧＢＴ構造が形成されている範囲の酸素・空孔欠陥の密度が小さく、ダイオード構造が形成されている範囲の酸素・空孔欠陥の密度が大きい半導体装置が製造される。

本明細書で開示される技術によると、半導体層の所定深さの面内において、酸素・空孔欠陥の密度を変動させることができる。

図１は、半導体装置の要部断面図を模式的に示す。 図２は、ライフタイム制御領域を形成する方法の概要を示す。 図３は、ライフタイム制御領域の形成過程における半導体層の要部拡大断面図を示す（１）。 図４は、ライフタイム制御領域の形成過程における半導体層の要部拡大断面図を示す（２）。 図５は、ライフタイム制御領域の形成過程における半導体層の要部拡大断面図を示す（３）。

本明細書で開示される技術の特徴を整理しておく。
（第１特徴）本明細書で開示される半導体装置では、酸素・空孔欠陥を高密度に含むライフタイム制御領域が、半導体層の所定深さの面内の一部に形成されている。一例では、ライフタイム制御領域が選択的に形成される範囲は、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域が混在した半導体装置におけるダイオード領域である。また、他の一例では、ライフタイム制御領域が選択的に形成される範囲は、素子領域とその素子領域の周囲に設けられている終端耐圧領域のうちの素子領域である。なお、ここでいう素子領域とは、電流の導通状態と非導通状態を制御するために、複数の拡散領域が形成されている範囲をいい、典型的にはゲート電極又はアノード電極が形成されている範囲をいう。
（第２特徴）半導体層の表層部への酸素の導入を抑制するマスクには、様々な材料を用いることができる。どのような材料のマスクであっても、半導体層の表面にマスクが形成されていれば、半導体層を熱酸化したときに、マスクが形成されている範囲の半導体層の表層部の酸素濃度は、マスクが形成されていない範囲の半導体層の表層部の酸素濃度よりも薄くなる。例えば、マスクが半導体層の同一材料であっても、拡散後の酸素の厚み方向の濃度分布を考慮すると、マスクの厚みによってマスクが形成されている範囲の半導体層の表層部の酸素濃度は、マスクが形成されていない範囲の半導体層の表層部の酸素濃度よりも薄くなる。この結果、半導体層の所定深さの面内において、マスクが形成された範囲の酸素・空孔欠陥の密度は高く、マスクが形成されなかった範囲の酸素・空孔欠陥の密度は低くなる。なお、導入される酸素の濃度をさらに低下させるために、マスクに用いられる材料は、酸素の拡散係数が半導体層における酸素の拡散係数よりも大きいものが望ましい。一例では、マスクに用いられる材料は、窒化シリコン又は酸化アルミニウムが望ましい。
（第３特徴）半導体層に空孔を形成するために用いられる荷電粒子には、ヘリウムイオン、電子線、プロトン又はデュトロンを用いることができる。
（第４特徴）半導体層の深い位置に酸素を導入するために、熱酸化処理を実施した後に、不活性ガス雰囲気下で熱処理を実施してもよい。

図１に示されるように、半導体装置１０は、ダイオード領域２０とＩＧＢＴ領域４０が混在した半導体層１２を備えている。半導体装置１０では、ダイオード領域２０がフリーホイールダイオードとして利用されており、ＩＧＢＴ領域４０がオフのときに、負荷電流を還流させる。一例では、半導体装置１０は、車載用の３相インバータ回路を構成する６つのトランジスタの１つとして用いられており、図示しない交流モータに接続されている。ＰＷＭ（Ｐulse Ｗidth Ｍodulation）方式でＯＮ／ＯＦＦ制御される半導体装置１０では、ＩＧＢＴ領域４０がオフのとき、ダイオード領域２０を介して交流モータに向けて還流電流が流れる。一例では、ＩＧＢＴ領域４０は、半導体層１２を平面視したときに、ダイオード領域２０の周囲を一巡するように形成されていてもよい。あるいは、ダイオード領域２０とＩＧＢＴ領域４０は、半導体層１２を平面視したときに、少なくとも一方向に繰返し配置されていてもよい。

半導体装置１０は、半導体層１２の裏面に形成されている共通電極６０と、半導体層１２の表面に形成されているアノード電極２８及びエミッタ電極４８を備えている。共通電極６０は、ダイオード領域２０とＩＧＢＴ領域４０の双方に亘って形成されており、ダイオードにおけるカソード電極であり、ＩＧＢＴにおけるコレクタ電極である。アノード電極２８は、ダイオード領域２０に対応して形成されている。エミッタ電極４８は、ＩＧＢＴ領域４０に対応して形成されている。なお、必要に応じて、アノード電極２８とエミッタ電極４８を一枚の共通電極としてもよい。

半導体装置１０はさらに、半導体層１２のダイオード領域２０に対応した部位に、ｎ型のカソード領域２２と、ｎ型の中間領域２４と、ｐ型のアノード領域２６を備えている。本明細書では、これらのカソード領域２２と中間領域２４とアノード領域２６をダイオード構造という。

カソード領域２２は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体層１２の裏層部に形成されている。カソード領域２２の不純物濃度は濃く、共通電極６０にオーミック接触している。

中間領域２４は、カソード領域２２とアノード領域２６の間に設けられている。中間領域２４は、低濃度中間領域２４ａとバッファ領域２４ｂを備えている。低濃度中間領域２４ａとバッファ領域２４ｂは、不純物濃度が異なっており、低濃度中間領域２４ａの不純物濃度がバッファ領域２４ｂよりも薄い。低濃度中間領域２４ａは、半導体層１２に他の領域を形成した残部であり、不純物濃度は厚み方向に一定である、バッファ領域２４ｂは、例えば、イオン注入技術を利用して形成されている。

アノード領域２６は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体層１２の表層部に形成されている。アノード領域２６は、複数の高濃度アノード領域２６ａと、その複数の高濃度アノード領域２６ａを取囲む低濃度アノード領域２６ｂを備えている。複数の高濃度アノード領域２６ａは、半導体層１２の表層部に分散して配置されている。複数の高濃度アノード領域２６ａの不純物濃度は濃く、アノード電極２８にオーミック接触している。低濃度アノード領域２６ｂの不純物濃度は、高濃度アノード領域２６ａより薄い。なお、この例に代えて、低濃度アノード領域２６ｂは、隣合う高濃度アノード領域２６ａ間にのみ設けられていてもよい。アノード領域２６の形態は、ダイオード領域２０に所望する特性に応じて、様々な形態を採用することができる。

半導体装置１０はさらに、半導体層１２のＩＧＢＴ領域４０に対応した部位に、ｐ型のコレクタ領域４２と、ｎ型のドリフト領域４４と、ｐ型のボディ領域４６と、ｎ型のエミッタ領域４７を備えている。本明細書では、これらコレクタ領域４２とドリフト領域４４とボディ領域４６とエミッタ領域４７をＩＧＢＴ構造という。

コレクタ領域４２は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体層１２の裏層部に形成されている。コレクタ領域４２の不純物濃度は濃く、共通電極６０にオーミック接触している。ＩＧＢＴ領域４０のコレクタ領域４２とダイオード領域２０のカソード領域２２は、半導体層１２の共通した深さに位置しており、半導体層１２の水平方向に隣接している。この例では、コレクタ領域４２とカソード領域２２の接合面が、ＩＧＢＴ領域４０とダイオード領域２０の境界である。

ドリフト領域４４は、コレクタ領域４２とボディ領域４６の間に設けられている。ドリフト領域４４は、低濃度ドリフト領域４４ａとバッファ領域４４ｂを備えている。低濃度ドリフト領域４４ａとバッファ領域４４ｂは、不純物濃度が異なっており、低濃度ドリフト領域４４ａの不純物濃度がバッファ領域４４ｂよりも薄い。低濃度ドリフト領域４４ａは、半導体層１２に他の領域を形成した残部であり、不純物濃度は厚み方向に一定である、バッファ領域４４ｂは、例えば、イオン注入技術を利用して形成されている。

ボディ領域４６は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体層１２の表層部に形成されている。ボディ領域４６は、複数のボディコンタクト領域４６ａと、そのボディコンタクト領域４６ａを取囲む低濃度ボディ領域４６ｂを備えている。ボディコンタクト領域４６ａは、半導体層１２の表層部に分散して配置されている。複数のボディコンタクト領域４６ａの不純物濃度は濃く、エミッタ電極４８にオーミック接触している。低濃度ボディ領域４６ｂの不純物濃度は、複数のボディコンタクト領域４６ａよりも薄い。

複数のエミッタ領域４７は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体層１２の表層部に形成されている。複数のエミッタ領域４７は、半導体層１２の表層部に分散して配置されている。複数のエミッタ領域４７の不純物濃度は濃く、エミッタ電極４８にオーミック接触している。

半導体装置１０はさらに、ＩＧＢＴ領域４０に対応した部位に形成されている複数のトレンチゲート５２を備えている。複数のトレンチゲート５２は、半導体層１２の表層部に分散して配置されている。トレンチゲート５２は、トレンチゲート電極５４と、そのトレンチゲート電極５４を被覆するゲート絶縁膜５６を備えている。トレンチゲート５２は、半導体層１２の表面から裏面に向けて伸びており、ボディ領域４６を貫通して伸びている。トレンチゲート５２は、エミッタ領域４７と低濃度ボディ領域４６ｂと低濃度ドリフト領域４４ａに接している。トレンチゲート電極５４は、絶縁膜５８によってエミッタ電極４８から絶縁されている。

半導体装置１０はさらに、半導体層１２の所定の深さに形成されたライフタイム制御領域３２を備えていることを特徴としている。ライフタイム制御領域３２は、酸素と空孔が結合した酸素・空孔欠陥を高密度に含んでいる。ライフタイム制御領域３２に含まれる酸素・空孔欠陥の密度は、周囲の低濃度中間領域２４ａ及び低濃度ドリフト領域４４ａの酸素・空孔欠陥の密度よりも高い。半導体装置１０では、ライフタイム制御領域３２が、半導体層１２の所定の深さにおいて、ダイオード領域２０の範囲に高密度に形成されていることを特徴としている。

一般的に、結晶欠陥のエネルギー準位は、電子と正孔の再結合中心であるとともに、高電界が加わったときには（逆バイアス状態）、電子と正孔の発生中心でもある。このため、結晶欠陥が半導体層１２内に多量に形成されると、逆バイアス状態において、リーク電流の増加を招いてしまう。ライフタイム制御領域３２を構成する酸素・空孔欠陥は、伝導帯端（Ｅｃ）から比較的に浅いレベルにエネルギー準位を有しており、電子と正孔を発生する度合い（電子と正孔の発生確率ともいう）が低い。このため、酸素・空孔欠陥で構成されるライフタイム制御領域３２は、高密度に形成されていたとしても、リーク電流の増大が抑えられる。

さらに、ライフタイム制御領域３２は、ダイオード領域２０に高密度に形成されており、ＩＧＢＴ領域４０には低密度に形成されている（あるいは、ほとんど無視できるほどに少ない）。仮に、ライフタイム制御領域３２がＩＧＢＴ領域４０に高密度に形成されていると、オン状態においてドリフト領域４４のキャリア密度を減少させてしまうので、ＩＧＢＴ領域４０のオン電圧を上昇させてしまう。このように、ライフタイム制御領域３２は、ダイオード領域２０に選択的に形成されていることで、ＩＧＢＴ領域４０におけるオン電圧の上昇を抑えることができる。半導体装置１０は、酸素・空孔欠陥で構成されるライフタイム制御領域３２をダイオード領域２０に選択的に有することで、スイッチング特性の改善、リーク電流の増大の抑制及びオン電圧の増大の抑制を同時に得ることができる。

（半導体装置１０の製造方法）
以下、図１に示される半導体装置１０の製造方法において、特に、半導体層１２の所定深さの面内の一部にライフタイム制御領域３２を選択的に形成する方法を説明する。図２に、ライフタイム制御領域３２を形成する方法の概要を示す。図３〜図５に、半導体層１２の要部拡大断面図を示す。なお、図３〜５では、Ａ−Ａ断面に対応した酸素濃度とＢ−Ｂ断面に対応した酸素濃度を併せて図示する。また、図面の明瞭化のために、図３〜図５では、ＩＧＢＴ構造及びダイオード構造の詳細は省略して図示する。

まず、図３に示されるように、酸素濃度が約５×１０¹⁶cm^-3以下の半導体層１２を準備する。半導体層１２は、エピタキシャル成長技術を利用して、ＦＺ法（Floating Zone法）又はＣＺ法（Czochralski法）で作製されたシリコン単結晶のバルク基板上に結晶成長させて形成することができる。なお、エピタキシャル成長させる半導体層１２の厚み及び比抵抗は、半導体装置１０に要求される特性に応じて設定される。

次に、図３に示されるように、半導体層１２の表面に窒化シリコンのマスク７２を形成する。マスク７２の形成方法は、既知の様々な方法を利用することができる。一例では、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）技術を利用して、半導体層１２の表面にマスク７２を形成してもよい。半導体層１２の表面にマスク７２を形成した後に、マスク７２をパターニングする。マスク７２の除去方法は、既知の様々な方法を利用することができる。一例では、ウェットエッチング技術又はドライエッチング技術を利用して、マスク７２の一部を除去してもよい。これにより、マスク７２は、ＩＧＢＴ領域４０に対応した半導体層１２の表面に形成される。

次に、図４に示されるように、熱酸化技術を利用して、マスク７２を残存させた状態で半導体層１２の表面を熱酸化する。熱酸化処理は、酸素雰囲気下で実施される。これにより、マスク７２で被覆されていない半導体層１２の表面には熱酸化膜７４が形成される。すなわち、熱酸化膜７４は、ダイオード領域２０に対応した半導体層１２の表面に形成される。半導体層１２の表面に熱酸化膜７４が形成されると、熱酸化膜７４内の酸素の一部が半導体層１２の表層部に拡散し、半導体層１２の表層部に酸素が固溶する。この結果、図４に示されるように、ダイオード領域２０に対応する半導体層１２の表層部には酸素が多量に導入されており（Ａ−Ａ断面参照）、一方で、ＩＧＢＴ領域４０に対応する半導体層１２の表層部にはほとんど酸素が導入されていない（Ｂ−Ｂ断面）。なお、ダイオード領域２０に対応した半導体層１２の表層部への酸素の導入量は、半導体装置１０に要求される特性によって設定される。一例では、ダイオード領域２０に対応した半導体層１２の表層部の酸素の最大濃度が約１×１０¹⁷cm^-3〜約４×１０¹⁷cm^-3となるように、熱酸化処理の時間及び温度を設定してもよい。これにより、ダイオード領域２０に対応する半導体層１２の表層部とＩＧＢＴ領域４０に対応する半導体層１２の表層部の間では、酸素の最大濃度の差が約５×１０¹⁶cm^-3以上となる。また、熱酸化処理を実施した後に、不活性ガス雰囲気下で半導体層１２を熱処理してもよい。例えば、半導体層１２の深い位置に酸素を導入したい場合、熱酸化処理を継続すると、熱酸化膜７４の厚みが大きくなり、熱酸化膜７４と半導体層１２の接合面に過大なストレスが加わる虞がある。これを回避するために、不活性ガス雰囲気下で熱処理を実施するのが望ましい。これにより、熱酸化膜７４の成長を止めながら、熱酸化膜７４から半導体層１２への酸素の供給と供給された酸素の拡散を継続することができる。

次に、図示は省略するものの、半導体層１２の表面に形成されているマスク７２と熱酸化膜７４を除去する。マスク７２と熱酸化膜７４を除去した後に、イオン注入技術及び熱拡散技術を利用して、ＩＧＢＴ領域４０に対応する半導体層１２にＩＧＢＴ構造を形成し、ダイオード領域２０に対応する半導体層１２にダイオード構造を形成する。

次に、図５に示されるように、半導体層１２の裏面から所定深さの面内の全域にヘリウムイオンを照射する。ヘリウムイオンの飛程距離は、半導体層１２の裏面を覆うアルミホイルによって調整することができる。なお、ヘリウムイオンの照射は、後述する各種電極を形成した後であってもよいし、半導体層１２の表面から実施してもよい。ヘリウムイオンを照射すると、半導体層１２の所定深さの面内の全域に空孔が形成される。形成された空孔は、ダイオード領域２０では予め導入されていた酸素と結合して酸素・空孔欠陥となり、ＩＧＢＴ領域４０では空孔同士が結合して複空孔欠陥となる。これにより、ダイオード領域２０に対応する半導体層１２には、酸素・空孔欠陥を高密度に含むライフタイム制御領域３２が選択的に形成される。

なお、ＩＧＢＴ領域４０に形成される複空孔欠陥は複数の空孔が結合したものなので、その密度はダイオード領域２０に形成される酸素・空孔欠陥の密度よりも圧倒的に少ない。これにより、ライフタイムキラーとして働く結晶欠陥の密度という指標で比較すると、ダイオード領域２０の酸素・空孔欠陥がＩＧＢＴ領域４０の複空孔欠陥よりも圧倒的に大きい。なお、結晶欠陥を形成した後に、結晶欠陥を安定化させるために熱処理を実施してもよい。

最後に、図示は省略するものの、半導体層１２の表面にエミッタ電極４８及びアノード電極２８を形成し、半導体層１２の裏面に共通電極６０を形成する。これらの工程を経て、図１に示される半導体装置１０が完成する。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、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。
また、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。

１０：半導体装置
１２：半導体層
２０：ダイオード領域
３２：ライフタイム制御領域
４０：ＩＧＢＴ領域
７２：マスク
７２：窒化シリコン膜
７４：熱酸化膜

Claims (2)

1. 半導体装置の製造方法であって、
   半導体層の表面の第１範囲にマスクを形成するマスク形成工程と、
   前記マスクを残存させた状態で、前記半導体層の表面の前記第１範囲とは異なる第２範囲に、酸素ガス雰囲気下で熱酸化膜を形成し、前記熱酸化膜の下方の前記半導体層内に酸素を導入する熱酸化膜形成工程と、
   前記マスクと前記熱酸化膜を除去する除去工程と、
   少なくとも前記半導体層内の前記酸素が導入された領域に、空孔を形成するヘリウムイオンを照射するヘリウムイオン照射工程と、
   前記第１範囲に対応する前記半導体層内にＩＧＢＴ構造を形成する工程と、
   前記第２範囲に対応する前記半導体層内にダイオード構造を形成する工程と、を備え、
   前記ＩＧＢＴ構造は、ｐ型のコレクタ領域とｎ型のドリフト領域とｐ型のボディ領域とｎ型のエミッタ領域が前記半導体層の裏面からその順に形成された構造を有し、
   前記ダイオード構造は、ｎ型のカソード領域とｐ型のアノード領域が前記半導体層の裏面からその順に形成された構造を有する半導体装置の製造方法。
2. 前記マスクが窒化シリコン膜である請求項１に記載の半導体装置の製造方法。

Images