JP6398861B2

JP6398861B2 - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP6398861B2
Application number: JP2015097721A
Authority: JP
Inventors: 肇束原
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-05-12
Filing date: 2015-05-12
Publication date: 2018-10-03
Anticipated expiration: 2035-05-12
Also published as: JP2016213390A

Description

本発明が開示する技術は、半導体装置の製造方法に関する。

半導体基板の表面側に表面構造が形成されている縦型半導体装置において、半導体基板の裏面側に拡散層を形成する場合がある。このような半導体装置を製造する際は、まず、半導体基板の表面側に表面構造が形成され、次いで、半導体基板の裏面側に不純物が注入され、その後、半導体基板の裏面にレーザ照射を行うことで注入された不純物が活性化される。この製造方法では、半導体基板の裏面からレーザ照射を行う際に、レーザの非照射面側（すなわち、半導体基板の表面側）の温度が上昇して、表面構造にダメージを与える場合がある。このため、半導体基板へのレーザ照射による非照射面側の温度上昇を抑制する技術が開発されている（例えば、特許文献１）。

特許文献１の製造方法では、第１のレーザパルスと第２のレーザパルスを、半導体基板の裏面に照射する。第１のレーザパルスは半導体レーザ発振器から射出され、第２のレーザパルスは固体レーザ発振器から射出される。第２のレーザパルスのパルス幅は第１のレーザパルスのパルス幅よりも狭く、第２のレーザパルスのピークパワーは第１のレーザパルスのピークパワーよりも高い。また、第１のレーザパルスの立下り（入射終了）時間と第２のレーザパルスの立上り（入射開始）時間が予め設定されている。これらの時間を調整することで、半導体基板の裏面側に拡散層を形成しながら、非照射面側（半導体基板の表面側）の温度が許容上限温度を超えないように構成されている。

特開２０１４−３６１１０号公報

特許文献１では、パルス幅及びピークパワーが異なる２つのレーザパルスを用いることで、半導体基板の非照射面側の温度が許容上限温度を超えないようにしている。このために、２つのレーザ発振器が必要であるとともに、２つのレーザ発振器の入射（出力）開始時間及び終了時間のそれぞれを制御する必要がある。このため、半導体基板の裏面にレーザを照射する際のレーザ発振器の出力制御が複雑化する。

本明細書が開示する製造方法は、半導体基板の表面側の第１領域に表面構造が形成され、半導体基板の裏面側の第２領域に拡散層が形成される縦型半導体装置の製造方法であり、半導体基板内の第１領域と第２領域との間の第３領域に第１不純物を注入する第１不純物注入工程と、半導体基板の裏面側から、第２領域に第２不純物を注入する第２不純物注入工程と、第１不純物注入工程および第２不純物注入工程の後で、半導体基板の裏面側から半導体基板にレーザを照射し、第２不純物を活性化させるアニール工程と、を有している。第１不純物は、第３領域の導電型に影響を与えない不純物であり、第２不純物は、第２領域の導電型に影響を与える不純物である。第１不純物注入工程によって第３領域に形成される結晶欠陥が、アニール工程によって再結晶化する。

上記の構成によると、アニール工程中の半導体基板の表面側の温度上昇は、第３領域に第１不純物を注入することにより形成される結晶欠陥により抑制することができる。このため、半導体基板に照射するレーザのパルス幅や照射時間等を複雑に制御しなくても、半導体基板の裏面側に拡散層を形成しながら、半導体基板の表面側の温度上昇を抑制することができる。なお、第１不純物は第３領域の導電型に影響を与えず、また、第１不純物を注入することによる結晶欠陥はアニール工程によって再結晶化される。このため、第３領域に第１不純物を注入することによる半導体装置の特性変化を抑制することができる。

実施例１に係る半導体装置に製造方法によって製造される半導体装置の断面図である。実施例の半導体装置の製造工程を示す図である（１）。実施例の半導体装置の製造工程を示す図である（２）。実施例の半導体装置の製造工程を示す図である（３）。実施例の半導体装置の製造工程を示す図である（４）。実施例の半導体装置の製造工程を示す図である（５）。

本明細書が開示する半導体装置の製造方法の一実施例について、図面を参照して説明する。まず、本実施例に係る製造方法によって製造される半導体装置１０について説明する。半導体装置１０は、縦型の半導体装置であり、半導体基板１００の深さ方向に電流が流れるようになっている。図１に示すように、半導体装置１０は、半導体基板１００と、半導体基板１００の表面１００ａに接する表面電極１４１と、半導体基板１００の裏面１００ｂに接する裏面電極１４２とを備えている。半導体基板１００は、ｐ型のコレクタ層１０１と、ｎ型のバッファ層１０３と、ｎ型のドリフト層１０２と、ｐ型の第１ボディ層１０４と、ｎ型のエミッタ層１０５と、ｐ型の第２ボディ層１０６とを備えている。第１ボディ層１０４は、ドリフト層１０２の表面に接している。第２ボディ層１０６は、第１ボディ層１０４の表面の一部に設けられるとともに、半導体基板１００の表面１００ａに露出している。エミッタ層１０５は、第１ボディ層１０４の表面の一部に設けられるとともに、半導体基板１００の表面１００ａに露出している。エミッタ層１０５は、第１ボディ層１０４によってドリフト層１０２と分離されている。バッファ層１０３は、ドリフト層１０２の裏面に接する。コレクタ層１０１は、バッファ層１０３の裏面に接するとともに、半導体基板１００の裏面１００ｂに露出している。エミッタ層１０５および第２ボディ層１０６は、表面電極１４１に接している。コレクタ層１０１は、裏面電極１４２に接している。半導体基板１００は、表面１００ａ側に単結晶シリコン層を有し、裏面側にポリシリコン層を有する積層された基板である。コレクタ層１０１とバッファ層１０３は、ポリシリコン層内に形成されている。ドリフト層１０２と、第１ボディ層１０４と、エミッタ層１０５と、第２ボディ層１０６は、単結晶シリコン層内に形成されている。バッファ層１０３とドリフト層１０２との界面は、ポリシリコン層と単結晶シリコン層との界面に一致する。

半導体基板１００の表面１００ａ側には、トレンチゲート１２０が形成されている。トレンチゲート１２０は、半導体基板１００の表面１００ａから第１ボディ層１０４を貫通してドリフト層１０２に至るトレンチ１２１と、トレンチ１２１の内壁面に形成されたゲート絶縁膜１２２と、ゲート絶縁膜１２２に覆われてトレンチ１２１内に充填されているゲート電極１２３とを備えている。ゲート電極１２３は、エミッタ層１０５とドリフト層１０２を分離している範囲の第１ボディ層１０４に、ゲート絶縁膜１２２を介して対向している。

ドリフト層１０２内には、ライフタイム制御領域１１０が形成されている。ライフタイム制御領域１１０は、トレンチゲート１２０の下端より下方に形成されている。ライフタイム制御領域１１０は、その周囲に比べて結晶欠陥密度が高い領域である。以下の説明では、半導体基板１００の表面１００ａからライフタイム制御領域１１０の下端までの領域を領域Ｄ１（第１領域の一例）とする。また、半導体基板１００の裏面１００ｂからバッファ層１０３の上端までの領域を領域Ｄ２（第２領域の一例）とする。

次に、図２〜図６を用いて、半導体装置１０の製造方法の一例について説明する。まず半導体基板１００に対して、種々の加工を施すことによって、図２に示すように、半導体基板１００の表面１００ａ側の領域Ｄ１に表面構造を形成する。すなわち、第１ボディ層１０４と、エミッタ層１０５と、第２ボディ層１０６と、トレンチゲート１２０と、表面電極１４１と、ライフタイム制御領域１１０を形成する。

次に、図３に示すように、半導体基板１００の裏面１００ｂ側から第１不純物を注入する（第１不純物注入工程）。第１不純物は、注入された領域の導電型（すなわち、ｐ型又はｎ型）に影響を与えない不純物であり、本実施例ではＳｉイオンが用いられる。第１不純物は、イオン注入装置（図示省略）を用いて注入される。なお、後述する第２不純物及び第３不純物の注入についても、イオン注入装置が用いられる。第１不純物が注入された領域には、結晶欠陥が形成され、熱緩衝層２２０となる。第１不純物が注入される領域の深さ（半導体基板１００の裏面１００ｂからの距離）は、イオン注入装置の加速電圧を制御することで調整することができる。本実施例では、イオン注入装置の加速電圧は、第１不純物が、領域Ｄ１と領域Ｄ２の間の領域Ｄ３に注入されるように制御されている。すなわち、領域Ｄ３は、ドリフト層１０２内のライフタイム制御領域１１０よりは、半導体基板１００の裏面１００ｂ側に位置する。また、領域Ｄ３は、コレクタ層１０１及びバッファ層１０３が形成される領域Ｄ２よりは、半導体基板１００の表面１００ａ側に位置する。

領域Ｄ３へ注入される第１不純物の注入量は、イオン注入装置の電流量を制御することで調整することができる。第１不純物の注入量を制御することで、領域Ｄ３に形成される熱緩衝層２２０の熱伝導率を制御することができる。例えば、本実施例において、１×１０^１２〜１×１０^１５［ｃｍ^−２］程度の第１不純物を領域Ｄ３に注入すると、熱緩衝層２２０の熱伝導率を半導体基板１００の熱伝導率の１／５０程度に調整することができる。２×１０^１５［ｃｍ^−２］以上の第１不純物を領域Ｄ３に注入すると、熱緩衝層２２０の熱伝導率を半導体基板１００の熱伝導率の１／５００程度に調整することができる。本実施例において、第１不純物注入工程時のイオン注入装置の電流量は、後述する第１アニール工程時に、半導体基板１００の表面１００ａ側（領域Ｄ１（ライフタイム制御領域１１０を含む））の温度が所定温度以下になるように制御されている。所定温度とは、領域Ｄ１のライフタイム制御領域１１０以外の領域においては、耐熱限界温度（２００〜３００℃）以下であり、ライフタイム制御領域１１０においては、ライフタイム制御領域１１０の結晶欠陥が回復する温度である。

次に、図４に示すように、半導体基板１００の裏面１００ｂ側からｎ型の第２不純物を注入する（第２不純物注入工程）。第２不純物は、注入された領域の導電型（すなわち、ｎ型）に影響を与える不純物であり、本実施例ではリンイオンが用いられる。ここでは、バッファ層１０３の深さで注入された第２不純物が停止するように、イオン注入装置の加速電圧が制御される。これにより、バッファ層１０３が形成される領域２０３に第２不純物が停止する。次に、半導体基板１００の裏面１００ｂ側からｐ型の第３不純物を注入する（第３不純物注入工程）。第３不純物は、注入された領域の導電型（すなわち、ｐ型）に影響を与える不純物であり、本実施例ではボロンイオンが用いられる。ここでは、コレクタ層１０１の深さで注入された第３不純物が停止するように、イオン注入装置の加速電圧を制御する。これにより、コレクタ層１０１が形成される領域２０１に第３不純物が停止する。

次に、図５に示すように、半導体基板１００の裏面１００ｂの全域にレーザを照射する（第１アニール工程）。本実施例では、レーザアニール装置（図示省略）を用いてレーザを照射する。第１アニール工程では、領域Ｄ２内の第２不純物及び第３不純物が十分に加熱されるようにレーザアニール装置の出力を制御する。これにより、第２不純物及び第３不純物を拡散、活性化させる。この結果、領域Ｄ２にｎ型のバッファ層１０３及びｐ型のコレクタ層１０１が形成される。上述のように、熱緩衝層２２０の熱伝導率は半導体基板１００の熱伝導率よりも小さい。このため、第１アニール工程時のレーザの非照射面側（領域Ｄ１（ライフタイム制御領域１１０を含む））への熱伝導は、熱緩衝層２２０により抑制される。この結果、ドリフト層１０２内に熱緩衝層２２０がない場合と比較して、半導体基板１００の表面１００ａ側の温度上昇が抑制される。

次に、図６に示すように、半導体基板１００の裏面１００ｂの全域に対して照射されるレーザアニール装置の出力を変更する（第２アニール工程）。具体的には、熱緩衝層２２０の温度がおよそ７５０℃となるようにレーザアニール装置の出力を変更する。熱緩衝層２２０の温度がおよそ７５０℃になることで、熱緩衝層２２０に注入されている第１不純物が再結晶化し、均質になる。即ち、熱緩衝層２２０は消失する。領域Ｄ２に注入されていた第１不純物は、Ｓｉイオンであるため、加熱されて再結晶化しても、熱緩衝層２２０が形成される前の領域Ｄ３の導電型に影響を与えない。即ち、熱緩衝層２２０が消失すると、領域Ｄ３は、ドリフト層１０２と略同一の性質を持つ半導体層になる。

次に、半導体基板１００の裏面１００ｂ上に、スパッタリング等によってＡｌＳｉ層を形成する。その後、ＡｌＳｉ層上に、他の金属層（例えば、Ｎｉ層、Ａｕ層）を積層する。これによって、裏面電極１４２を形成する。裏面電極１４２を形成することで、図１に示す半導体装置１０が完成する。

上記の説明から明らかなように、本実施例の半導体装置１０の製造方法では、第１アニール工程よりも前に、第１不純物注入工程を実施して、ドリフト層１０２内の領域Ｄ２に熱緩衝層２２０を形成している。熱緩衝層２２０の熱伝導率は、半導体基板１００の熱伝導率よりも十分に低い。このため、第１アニール工程時の非照射面側（領域Ｄ１（ライフタイム制御領域１１０を含む））の温度上昇が抑制される。具体的には、領域Ｄ１（ライフタイム制御領域１１０を除く）の温度が耐熱限界温度（２００〜３００℃）以下に抑制されており、ライフタイム制御領域１１０の温度がライフタイム制御領域１１０の結晶欠陥が回復する温度以下に抑制されている。この結果、第１アニール工程時に、領域Ｄ１内の素子構造の損傷及びライフタイム制御領域１１０中の結晶欠陥の意図しない回復を抑制することができる。また、熱緩衝層２２０の熱伝導率を調整することで、半導体基板１００の非照射面側の温度を調整することができるため、レーザアニール装置の出力制御を複雑に行う必要はない。

また、第２アニール工程により、第１不純物注入工程で形成された熱緩衝層２２０は消失する。第１不純物は、再結晶化しても、熱緩衝層２２０が形成される前の領域Ｄ３の導電型に影響を与えない。このため、熱緩衝層２２０によって半導体装置１０の電気的特性が変化することを抑制することができる。

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。

上記の実施例では、熱緩衝層２２０を形成する第１不純物は、半導体基板１００の裏面１００ｂ側から注入されている。しかしながら、第１不純物は、半導体基板１００の表面構造を形成する過程において、半導体基板１００の表面１００ａ側から注入されてもよい。この場合、半導体基板１００に注入する第１不純物としては、Ｈ又はＨｅが好ましい。Ｈ又はＨｅは、比較的質量が小さいため、半導体基板１００の表面１００ａ側からより深い領域に注入しやすいためである。

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。

１０：半導体装置
１００：半導体基板
１００ａ：表面
１００ｂ：裏面
１０１：コレクタ層
１０２：ドリフト層
１０３：バッファ層
１０４：第１ボディ層
１０５：エミッタ層
１０６：第２ボディ層
１１０：ライフタイム制御領域
１２０：トレンチゲート
１２１：トレンチ
１２２：ゲート絶縁膜
１２３：ゲート電極
１４１：表面電極
１４２：裏面電極
２０１、２０３：領域
２２０：熱緩衝層
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３：領域

Claims

半導体基板の表面側の第１領域に表面構造が形成され、前記半導体基板の裏面側の第２領域に拡散層が形成される縦型半導体装置の製造方法であって、
前記半導体基板内の前記第１領域と前記第２領域との間の第３領域に第１不純物を注入して、前記第３領域に結晶欠陥を形成する第１不純物注入工程と、
前記半導体基板の前記裏面側から、前記第２領域に第２不純物を注入する第２不純物注入工程と、
前記第１不純物注入工程および前記第２不純物注入工程の後で、前記半導体基板の前記裏面側から前記半導体基板にレーザを照射し、前記第２不純物を活性化させる第１アニール工程と、
前記第１アニール工程の後で、前記半導体基板の前記裏面側から前記半導体基板にレーザを照射し、前記第１不純物注入工程によって前記第３領域に形成される前記結晶欠陥を再結晶化させる第２アニール工程と、を有しており、
前記第１不純物は、前記第３領域の導電型に影響を与えない不純物であり、
前記第２不純物は、前記第２領域の導電型に影響を与える不純物である、半導体装置の製造方法。