JP7094840B2 - 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。

近年、ＣＭＯＳ技術が向上し、アナログ回路とデジタル回路を混載させたＳｏＣ（System on a Chip）が様々な用途に用いられている。このような混載チップでは、アナログ回路部分の特性向上のために半導体基板内に高抵抗領域が形成される。例えば、半導体基板の表面上に形成されるインダクタ素子の特性向上のために高抵抗領域が用いられる。インダクタ素子の直下に高抵抗領域を形成することで、インダクタ素子の動作時に半導体基板内で生じる渦電流損失を小さくし、インダクタ素子のＱ値を向上できる。

高抵抗領域の形成方法として、水素（Ｈ）やヘリウム（Ｈｅ）などの軽イオンを半導体基板に照射する方法がある。例えば、ｐ型半導体基板に水素（Ｈ）イオンを照射して熱処理を施すと、基板内に注入された水素が活性化してｎ型キャリア化（ドナー化）する。このとき、ｐ型半導体基板内のｐ型キャリア濃度と、水素のドナー化によるｎ型キャリア濃度とが同程度となるように水素イオンの照射条件を調整することで、半導体基板の中性化による高抵抗率を実現できる（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１８－９３１８４号公報

上述の中性化の手法により高抵抗領域を形成する場合、高抵抗領域に含まれる相対的に高濃度の少数キャリアがインダクタンス素子の動作に影響を及ぼすおそれがある。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、インダクタ素子の特性向上につながる高抵抗領域を形成する技術を提供することにある。

本発明のある態様の半導体装置の製造方法は、半導体基板と、半導体基板の表面上に形成されるインダクタ素子を含む配線層と、を備える半導体装置を用意することと、配線層の上からイオン照射し、インダクタ素子の直下の半導体基板内にイオン照射前よりも抵抗率の高い高抵抗領域を形成することと、イオン照射後に半導体装置を２５０℃以上３００℃以下の処理温度で加熱することと、を備える。イオン照射は、エネルギーが４ＭｅＶ以上、ドーズ量が４×１０^１４ｃｍ^－２以上の水素イオンの照射を含む。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、インダクタ素子の特性向上につながる高抵抗領域を形成できる。

実施の形態に係る半導体装置の構造を模式的に示す断面図である。 実施の形態に係る高抵抗領域の形成方法を模式的に示す断面図である。 水素イオン照射後の半導体基板内の欠陥密度分布および水素濃度分布の一例を示すグラフである。 水素イオン照射による抵抗率変化の一例を示すグラフである。 水素イオンの照射エネルギーと半導体基板内の水素密度分布との関係示すグラフである。 水素イオン照射による抵抗率変化の一例を示すグラフである。 水素イオン照射およびヘリウムイオン照射後の半導体基板内の欠陥密度分布、水素濃度分布およびヘリウム濃度分布の一例を示すグラフである。 水素イオン照射およびヘリウムイオン照射による抵抗率変化の一例を示すグラフである。 水素イオン照射後の半導体基板内の欠陥密度分布および水素濃度分布の一例を示すグラフである。 実施の形態に係る半導体装置の製造方法の流れを示すフローチャートである。 実施の形態に係る高抵抗領域を形成するための水素イオンの照射エネルギーおよびドーズ量を模式的に示すグラフである。

本実施の形態を詳細に説明する前に概要を示す。本実施の形態は、低抵抗の半導体基板に水素（Ｈ）やヘリウム（Ｈｅ）などの軽イオンを照射することにより、半導体基板内に部分的に抵抗率の高い領域（高抵抗領域）を形成する。半導体基板にイオンを照射すると、イオンの加速エネルギーに応じた深さまでイオンが到達する。その際、到達した領域を含む近傍では格子欠陥が形成され、結晶の規則性（周期性）が乱れた状態となる。このような格子欠陥が多い領域ではキャリア（電子または正孔）が散乱されやすくなり、キャリアの移動が阻害される。その結果、イオン照射により局所的な格子欠陥が生じた領域では、照射前に比べて抵抗率が上昇する。

本実施の形態では、例えば、水素（Ｈ）イオンを１ＭｅＶ以上、１００ＭｅＶ以下の加速エネルギーで照射する。例えば、１価の水素イオン（^１Ｈ^＋）を４ＭｅＶ、８ＭｅＶ、１７ＭｅＶの加速エネルギーで照射する。このような加速エネルギーのイオンビームを照射する装置として、サイクロトロン方式やバンデグラフ方式の装置が用いられる。このような照射条件を用いることにより、シリコンウェハにおいて半導体基板の表面から深さ１００μｍ以上の位置にまでイオンを到達させることができる。

イオン照射により形成される高抵抗領域の抵抗率は、生成される格子欠陥の密度（欠陥密度）に依存する。本発明者らの知見によれば、欠陥密度が１×１０^１７ｃｍ^－３以上であれば、１ｋΩ・ｃｍ以上の抵抗率を好適に得られることが分かっている。このような欠陥密度は、照射イオンの加速エネルギーが４ＭｅＶ～１７ＭｅＶであれば、水素イオンの照射量（ドーズ量）を１×１０^１３ｃｍ^－２以上にすることで実現できる。

このようにして形成される高抵抗領域は、熱処理を加えることにより抵抗率が低下することが知られている。発明者らの知見によれば、イオン照射後の半導体基板を２００℃以上に加熱することで抵抗率の低下が見られ、３００℃以上または４００℃以上に半導体基板を加熱すると抵抗率が顕著に低下する。これは、熱処理によって格子欠陥が回復して欠陥密度が低下することが原因と考えられる。したがって、イオン照射により高抵抗領域を形成した場合、その後の工程において２００℃以上の熱処理を加えないことが好ましい。

一方で、高抵抗領域をインダクタ素子の直下といった狙い通りの位置に形成するためには、ウェハをダイシングする前、つまり、半導体プロセスにおける後工程より前の段階でイオン照射を実行する必要がある。後工程では、ダイボンディングやワイヤボンディング、樹脂封止といった熱処理がなされ、これらの工程では２５０℃～３００℃程度の温度に半導体基板が加熱されうる。そのため、後工程での熱処理により高抵抗領域の抵抗率が低下し、所望の抵抗率（例えば、５００Ω・ｃｍ以上）を維持できないおそれがある。

そこで、本発明者は、イオン照射により半導体基板に打ち込まれる水素を熱処理により活性化させることで、熱処理後であっても高抵抗領域の抵抗率が維持されるようにする方法を考案した。本手法は、特開２０１８－９３１８４号公報に記載される。水素を熱処理により活性化させるとドナー化によりｎ型キャリア濃度が増えるため、ｐ型である半導体基板の多数キャリア（ｐ型キャリア）が中性化されて導電率が低下する。例えば、水素の活性化により、半導体基板のｐ型キャリア濃度と同程度のｎ型キャリア濃度が得られるようにすることで、半導体基板を中性化して抵抗率を上げることができる。

しかしながら、上述の中性化により高抵抗領域を形成した場合、インダクタ素子の動作時に生じる渦電流損失の低減が十分ではない場合があることが分かった。そこで、本実施の形態では、インダクタ素子の直下の渦電流発生領域に実質的に水素が含まれないように高抵抗領域を形成する手法を提案する。

以下、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。また、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下の説明において参照する各断面図において、半導体基板やその他の層の厚みや大きさは説明の便宜上のものであり、必ずしも実際の寸法や比率を示すものではない。

図１は、実施の形態に係る半導体装置１０の構造を模式的に示す断面図である。半導体装置１０は、システムＬＳＩやシステム・オン・チップといった集積回路（ＩＣ）である。半導体装置１０は、半導体基板１２と、配線層１４とを備える。

本明細書において、半導体基板１２の表面１８に直交する方向を上下方向または深さ方向ということがある。また、半導体基板１２の内部において、表面１８に向かう方向を上方向または上側、表面１８と反対側の裏面２０に向かう方向を下方向または下側ということがある。また、表面１８に平行する方向を横方向または水平方向ということがある。

半導体基板１２は、抵抗率が１００Ω・ｃｍ以下の低抵抗の半導体基板であり、抵抗率が１～１００Ω・ｃｍ程度の半導体基板である。半導体基板１２は、例えば、チョクラルスキー（ＣＺ）法により作製されたｐ型のシリコン（Ｓｉ）ウェハであり、ｐ型キャリア濃度が１０^１５ｃｍ^－３～１０^１６ｃｍ^－３程度である。ＣＺ法により作製されたウェハは、フローティングゾーン（ＦＺ）法等により作製された高抵抗ウェハと比較して抵抗率が低く、安価である。ある実施例において、半導体基板１２の抵抗率は４Ω・ｃｍであり、ｐ型キャリア濃度が３．４×１０^１５ｃｍ^－３である。

半導体基板１２の表面１８の上には配線層１４が設けられる。配線層１４は、多層配線構造を有し、例えば、複数の層間絶縁層と、層間絶縁層内に形成される配線部とを有する。配線層１４の厚さｔは、５μｍ～３０μｍ程度であり、例えば１０μｍ、１５μｍまたは２０μｍ程度である。配線層１４に形成される配線部として、例えば、水平方向に延びる水平配線や、異なる層に形成される水平配線同士を接続するために上下方向に延びるビア配線などが設けられる。また、配線層１４の主面１６上にはインダクタ素子２８が形成される。インダクタ素子２８は、配線層１４の主面１６上でループ状または渦巻状に延びる帯状導電体により形成される。

半導体装置１０は、半導体素子領域２２とインダクタ素子領域２４を有する。半導体素子領域２２には、トランジスタやダイオードなどの半導体素子２６が設けられる。半導体素子領域２２の半導体基板１２内には、半導体素子２６を形成するためのウェル領域、ソース／ドレイン領域、コンタクト領域などの不純物拡散層が設けられる。インダクタ素子領域２４には、配線層１４に形成されるインダクタ素子２８が設けられる。

インダクタ素子２８の直下の半導体基板１２の内部には、高抵抗領域３０が設けられる。高抵抗領域３０は、半導体基板１２のボディ部分３８よりも抵抗率が高い領域である。高抵抗領域３０は、例えば５００Ω・ｃｍ以上の抵抗率を有し、好ましくは１ｋΩ・ｃｍ以上である。高抵抗領域３０は、水素（Ｈ）やヘリウム（Ｈｅ）などの軽イオンを半導体装置１０の主面１６の上から照射することにより形成される。本実施の形態では、特に水素イオンの照射により高抵抗領域３０を形成する。

高抵抗領域３０は、第１領域３２と、第１領域３２より深い位置の第２領域３４とを有する。第１領域３２は、水素イオンを実質的に含まない領域であり、ボディ部分３８のｐ型キャリア濃度（１０^１５ｃｍ^－３～１０^１６ｃｍ^－３程度）に比べて水素濃度が十分に小さい。第１領域３２の水素濃度は、ボディ部分３８のｐ型キャリア濃度の１／１０未満であり、例えば、３×１０^１４ｃｍ^－３未満または２×１０^１４ｃｍ^－３未満である。

第２領域３４は、水素イオンを含む領域であり、水素濃度がボディ部分３８のｐ型キャリア濃度の１／１０以上である。第２領域３４は、水素イオンの密度が例えば２×１０^１４ｃｍ^－３以上であり、例えば１×１０^１５ｃｍ^－３以上となる領域である。水素イオンは、シリコン基板内で活性化するとドナー化してｎ型キャリアとして作用する。したがって、第２領域３４は、ｎ型キャリア濃度が相対的に高い領域ということもできる。活性化した水素は、ｐ型シリコン基板内で少数キャリアとなる。

第１領域３２は、インダクタ素子２８から１００μｍ以上の深さｄとなる位置まで連続して存在するように形成される。インダクタ素子２８から１００μｍ程度までの深さは、インダクタ素子２８の動作時に渦電流の大部分が発生する領域である。このようなインダクタ素子２８の直下の渦電流発生領域に水素が実質的に含まれないようにし、少数キャリア濃度を低くすることによって、少数キャリアに起因する渦電流損失を抑制できる。一方、第２領域３４は、インダクタ素子２８からの距離が離れているため、多数キャリアと同程度の少数キャリアが存在する場合であっても、渦電流損失への影響は小さい。

図２は、実施の形態に係る高抵抗領域３０の形成方法を模式的に示す断面図である。まず、半導体素子領域に半導体素子２６が形成され、インダクタ素子領域にインダクタ素子２８が形成された半導体装置１０を用意する。つづいて、半導体装置１０の上方にマスク４０を配置する。マスク４０は、インダクタ素子領域に対応する部分に開口４２が設けられている。マスク４０の上方から半導体装置１０に向けてイオンビームＢを照射することにより、インダクタ素子２８の直下の半導体基板１２内に開口４２を通過するイオンビームＢが照射され、高抵抗領域３０が形成される。

本実施の形態では、照射エネルギーが４ＭｅＶの水素イオン（^１Ｈ^＋）が照射される。４ＭｅＶの水素イオンのシリコン基板中の飛程Ｌは約１６０μｍであり、半導体装置１０の主面１６から１２０μｍ～１８０μｍ程度の深さ範囲で停止し、半導体基板１２内に残存する。このようにして水素イオンが残存する深さ範囲が第２領域３４となる。一方、第２領域３４よりも浅い第１領域３２は、入射する水素イオンが通過するのみであり、水素イオンが実質的に含まれない。

図３は、水素イオン照射後の半導体基板１２内の深さ方向の欠陥密度分布Ｄおよび水素濃度分布Ｈの一例を示すグラフであり、４ＭｅＶの水素イオン（^１Ｈ^＋）を５×１０^１４ｃｍ^－２のドーズ量で照射した場合を示す。図示されるように、水素（Ｈ）は１２０μｍ～１８０μｍ程度の深さ範囲に分布しており、平均飛程Ｌに対応する約１６０μｍの位置にピークＰ１を有する。したがって、照射された水素は、第２領域３４にのみ存在し、配線層１４や第１領域３２には実質的に存在していない。

図３の欠陥密度分布Ｄは、水素濃度分布Ｈと同様、約１６０μｍの位置にピークＰ１を有する。その一方で、欠陥密度分布Ｄは、水素濃度分布Ｈと異なり、第１領域３２および第２領域３４の双方にわたって広がる。第１領域３２および第２領域３４の双方における欠陥密度は１×１０^１８ｃｍ^－３程度以上である。この「１×１０^１８ｃｍ^－３」という欠陥密度は、１ｋΩ・ｃｍの抵抗率を実現するには十分な大きさであり、本発明者らの知見によれば、欠陥形成後に半導体基板１２を２５０℃～３００℃程度の処理温度で熱処理を加えたとしても、１ｋΩ・ｃｍの抵抗率を維持することができる。

図４は、水素イオン照射による抵抗率変化の一例を示すグラフであり、図３と同様、４ＭｅＶの水素イオン（^１Ｈ^＋）を５×１０^１４ｃｍ^－２のドーズ量で照射した場合を示す。グラフのＲ０は、イオン照射前の半導体基板１２の抵抗率であり、概ね４Ω・ｃｍ程度である。グラフのＲ１はイオン照射後の半導体基板１２の抵抗率であり、第１領域３２および第２領域３４の双方にわたって１ｋΩ・ｃｍ以上の抵抗率を実現できていることが分かる。グラフのＲ２はイオン照射後に２６０℃の熱処理をした後の半導体基板１２の抵抗率であり、第１領域３２および第２領域３４の双方にわたって１ｋΩ・ｃｍ以上の抵抗率を維持できている。したがって、本実施の形態によれば、４ＭｅＶの水素イオン（^１Ｈ^＋）を５×１０^１４ｃｍ^－２のドーズ量で照射することにより、１５０μｍ程度までの深さ範囲にわたって、２６０℃の熱処理後であっても１ｋΩ・ｃｍの高抵抗率を維持できる。また、１００μｍ程度までの深さ範囲に実質的に水素が含まれない第１領域３２を形成できるため、少数キャリアに起因よる渦電流損失を好適に抑制できる。

なお、図４のグラフにおいて約１６０μｍの深さ位置Ｐ１に抵抗率の低い領域が存在する。これは、高濃度の水素が活性化することにより高濃度のｎ型キャリアが発生し、導電型がｐ型からｎ型に反転したためと考えられる。

図５は、水素イオンの照射エネルギーと半導体基板内の水素密度分布との関係示すグラフである。グラフの縦軸は、照射される水素イオン（^１Ｈ^＋）の加速エネルギーを示し、横軸は半導体基板内の水素の深さ位置を示す。グラフの太実線は、水素イオンの平均飛程Ｌに対応し、注入される水素イオンの存在量が最大となる位置である。グラフの細実線は、それぞれ水素イオンが存在する下限および上限位置に対応する。図示されるように、水素イオン（^１Ｈ^＋）の加速エネルギーを４ＭｅＶ以上とすることで、深さ１００μｍまでの範囲に水素が実質的に含まれないようにすることができる。したがって、本実施の形態は、水素イオン（^１Ｈ^＋）の加速エネルギーが４ＭｅＶ以上となる範囲で有効となる。

照射対象となるシリコン基板の一般的な厚さは７００μｍ程度以下であるため、シリコン基板内で水素イオンの残留を防ぐには水素イオンの飛程が７００μｍ程度あれば十分と言える。図５のグラフより、水素イオン（^１Ｈ^＋）の加速エネルギーが１０ＭｅＶ程度とすれば深さ７００μｍ程度までの範囲内に水素が実質的に含まれないようにすることができる。したがって、本実施の形態では、水素イオン（^１Ｈ^＋）の加速エネルギーが１０ＭｅＶ程度、少なくとも１２ＭｅＶ程度あれば十分に目的を達成しうる。つまり、本実施の形態では、水素イオン（^１Ｈ^＋）の加速エネルギーを４ＭｅＶ以上１２ＭｅＶ以下の範囲で選択すればよい。

図６は、水素イオン照射による抵抗率変化の一例を示すグラフであり、４ＭｅＶの水素イオン（^１Ｈ^＋）を４×１０^１４ｃｍ^－２のドーズ量で照射した場合を示す。図６は、図４と照射エネルギーが同じであるが、図４よりもドーズ量が低い。その結果、半導体基板１２の主面１６の近傍の４０μｍ程度までの深さ範囲における欠陥密度が低く、熱処理後（Ｒ２）の抵抗率が５００Ω・ｃｍ程度となっている。そのため、４×１０^１４ｃｍ^－２のドーズ量は、５００Ω・ｃｍ以上の高抵抗領域３０を形成するには十分だが、１ｋΩ・ｃｍ以上の高抵抗領域３０を形成するには不十分である。したがって、１ｋΩ・ｃｍ以上の高抵抗領域３０を形成するには４ＭｅＶの水素イオン（^１Ｈ^＋）を５×１０^１４ｃｍ^－２以上のドーズ量で照射する必要がある。

なお、半導体基板１２の主面１６の近傍の抵抗率を１ｋΩ・ｃｍ以上とするために、ヘリウム（Ｈｅ）イオンの照射を追加してもよい。ヘリウム（Ｈｅ）は、シリコン基板内に注入されて残存したとしてもキャリアとして活性化しない。そのため、第１領域３２の欠陥密度を高めるためにヘリウムイオンを第１領域３２に照射したとしても、水素イオンのような悪影響は生じない。例えば、図６のグラフにおいて、抵抗率が１ｋΩ・ｃｍ未満である深さ２０μｍ～４０μｍ程度の位置にヘリウムイオンを照射することで、この深さ範囲の抵抗率を引き上げることができる。

図７は、水素イオン照射およびヘリウムイオン照射後の半導体基板内の欠陥密度分布、水素濃度分布およびヘリウム濃度分布の一例を示すグラフである。図７では、図６と同様に４ＭｅＶの水素イオン（^１Ｈ^＋）を４×１０^１４ｃｍ^－２のドーズ量で照射した後、２３ＭｅＶのヘリウムイオン（^３Ｈｅ^２＋）を１×１０^１３ｃｍ^－２のドーズ量で照射している。グラフのＤ１は、水素イオンのみを照射した場合の欠陥密度分布であり、グラフのＤ２は、水素イオン照射後にヘリウムイオンを照射した場合の欠陥密度分布である。ヘリウムイオンは、二つの深さ位置Ｐ２（２０μｍ），Ｐ３（４０μｍ）のそれぞれに対して照射しており、照射条件を変えて２回照射している。深さ位置Ｐ２，Ｐ３は、例えば、マスク４０よりも手前に配置されるアブソーバの厚みを変えることで調整することができる。

図示されるように、ヘリウムイオンの追加照射前（Ｄ１）では、深さ２０μｍ～５０μｍ程度の範囲の欠陥密度が１×１０^１８ｃｍ^－３に達していない。一方、ヘリウムイオンの追加照射後（Ｄ２）では、第１領域３２の全体にわたって１×１０^１８ｃｍ^－３程度以上の欠陥密度を実現できている。追加照射されるイオンはヘリウムであるため、依然として第１領域３２に水素が実質的に含まれない状態を維持できる。

図８は、水素イオン照射およびヘリウムイオン照射による抵抗率変化の一例を示すグラフであり、図７の照射条件に対応するグラフである。図示されるように、ヘリウムイオンを追加照射することで、熱処理後（Ｒ２）であっても、第１領域３２の全体にわたって１ｋΩ・ｃｍ以上の抵抗率を実現することができる。なお、６０μｍ程度の深さにヘリウムイオンをさらに追加的に照射することで、第１領域３２の全体にわたって２ｋΩ・ｃｍ以上の抵抗率が実現されるようにしてもよい。

なお、高抵抗領域３０を形成するために、水素イオン照射ではなく、ヘリウムイオン照射のみを用いれば、水素が実質的に含まれない高抵抗領域を形成できるかもしれない。しかしながら、１回のヘリウムイオン照射により基板表面から深さ１００μｍ程度にわたって１ｋΩ・ｃｍの高抵抗領域３０を形成するには、２３ＭｅＶのヘリウムイオン（^３Ｈｅ^２＋）を１×１０^１４ｃｍ^－２程度のドーズ量で照射する必要がある。このような高ドーズ量でシリコン基板にヘリウムイオンを照射すると、シリコンが放射化し、放射能が低下するまで数日程度の待ち期間が必要となるため、量産性を考慮すると現実的ではない。また、ヘリウムイオン照射により形成される高抵抗領域の深さ範囲（半値幅）は、水素イオンに比べて狭いため、深さ方向に（例えば１００μｍ以上にわたって）連続した高抵抗領域を形成するには、照射条件を変えて異なる深さ位置のそれぞれにヘリウムイオンを照射しなければならない。本発明者の試算によれば、深さ方向の照射位置を変えながら５回以上のヘリウムイオンを照射する必要が生じる。そうすると、高抵抗領域３０の形成に必要な工程数が増えるため、経済性の観点から不利となりうる。

図９は、水素イオン照射後の半導体基板内の欠陥密度分布Ｄおよび水素濃度分布Ｈの一例を示すグラフであり、４ＭｅＶの水素イオン（^１Ｈ^＋）を照射した場合と、８ＭｅＶの水素イオン（^１Ｈ^＋）を照射した場合とを示す。４ＭｅＶのデータは、図３と同じであり、ドーズ量が５×１０^１４ｃｍ^－２である。一方、８ＭｅＶのデータは、ドーズ量が１×１０^１５ｃｍ^－２であり、４ＭｅＶの場合の２倍のドーズ量である。図示されるように、照射エネルギーと比例するようにドーズ量を増やすことで、基板表面の近傍において１×１０^１８程度の欠陥密度を実現することができる。これにより、基板表面から深さ方向に連続する１ｋΩ・ｃｍ以上の高抵抗領域を形成できる。また、８ＭｅＶの水素イオンを用いることで、３００μｍ程度の深さ範囲まで実質的に水素が含まれない領域を形成できる。

本実施の形態では、比較的ドーズ量（ビーム電流量）の大きいイオンビームＢを用いるため、ビーム照射により半導体基板１２に与えられる熱エネルギーによって半導体基板１２の温度が上昇し、３００℃以上となるおそれがある。半導体基板１２の温度が３００℃以上となると、イオン照射により形成された欠陥が修復されて欠陥密度が減少し、抵抗率の低下につながる。そこで、半導体基板１２の温度上昇を避けるため、半導体基板１２を冷却しながらイオンビームＢを照射してもよい。例えば、半導体基板１２を保持するための保持装置に冷却機構を設け、半導体基板１２を冷却しながらイオンビームＢを照射して高抵抗領域３０を形成してもよい。

つづいて、本実施の形態に係る半導体装置１０の製造方法について述べる。図１０は、半導体装置１０の製造方法を模式的に示すフローチャートである。まず、ｐ型の半導体基板１２に半導体素子２６を形成し（Ｓ１０）、半導体基板１２の上に配線層１４を形成し、形成した素子や配線を保護するための保護膜を形成する（Ｓ１４）。Ｓ１０～Ｓ１４の工程は、半導体プロセスにおいて「前工程」といわれる工程であり、熱酸化、熱拡散、ＣＶＤ、アニールといった４００℃以上の高温処理がなされうる。つづいて、半導体基板１２に水素イオンを照射して高抵抗領域３０を形成し（Ｓ１６）、半導体基板１２の裏面研磨がなされる（Ｓ１８）。Ｓ１６およびＳ１８の工程は、いわゆる「中間工程」または「ポストパッシベーションプロセス（ＰＰＰ；Post Passivation Process）」といわれる工程である。

つづいて、熱処理を含む後工程（Ｓ２０）がなされ、半導体集積回路として完成する。Ｓ２０の後工程では、例えば、ウェハをダイシングして個片化する工程、個片化されたチップを実装基板上に接着するダイボンド工程、実装基板とチップとをワイヤボンドで結線する工程、チップを樹脂で封止する工程などが含まれる。例えば、ダイボンド工程、ワイヤボンド工程および樹脂封止工程では、２００℃～３００℃程度の熱処理がなされ、ある実施例において熱処理の最高温度は２６０℃程度である。なお、ボンディングや封止工程とは別に半導体装置１０を加熱するアニール処理がなされてもよい。このアニール処理は、高抵抗領域３０を２５０℃以上３００℃以下の所定温度で加熱することにより、高抵抗領域３０の抵抗率を安定化させてもよい。このアニール処理は、１０分以下の比較的短い時間実行すれば十分であり、５分以下、１分以下、または、３０秒以下の時間であってもよい。

本実施の形態によれば、４ＭｅＶの水素イオン（^１Ｈ^＋）を５×１０^１４ｃｍ^－２以上のドーズ量で１回照射するのみで、１００μｍ程度の深さ範囲まで水素が実質的に含まれない１ｋΩ・ｃｍ以上の高抵抗領域（第１領域３２）を形成できる。したがって、少ない工程数でインダクタ素子２８の渦電流損失の低減につながる高抵抗領域３０を形成できる。また、４ＭｅＶの水素イオン（^１Ｈ^＋）を４×１０^１４ｃｍ^－２以上のドーズ量で照射することで、１００μｍ程度の深さ範囲まで水素が実質的に含まれない５００Ω・ｃｍ以上の高抵抗領域を形成できる。さらに、ヘリウムイオンを追加照射することで、１００μｍ程度の深さ範囲まで水素が実質的に含まれない１ｋΩ・ｃｍ以上の高抵抗領域を形成できる。

本実施の形態において、高抵抗領域を形成すべきシリコン基板の厚みが７００μｍ以下であれば、水素イオンの照射エネルギーを４ＭｅＶ以上１２ＭｅＶ以下の範囲で選択することで、過度に照射エネルギーを高めることなく好適な高抵抗領域を形成できる。

つづいて、本実施の形態における水素イオン照射のドーズ量の上限値について考察する。上述の熱処理を含む後工程では、４００℃を超える熱処理が回避されることが一般的である。したがって、少なくとも４００℃の熱処理後に１ｋΩ・ｃｍ以上の高抵抗領域が形成できれば十分実用に耐えうると言える。本発明者の知見によれば、２×１０^１８ｃｍ^－３以上の欠陥密度を形成すれば、半導体基板１２を４００℃程度で熱処理を加えた後でも１ｋΩ・ｃｍの抵抗率を維持できることが分かっている。したがって、４００℃を超える熱処理を想定して欠陥密度を２×１０^１８ｃｍ^－３を超える値とするメリットは小さく、イオン照射による基板温度の上昇、イオン照射による基板の放射化等を考慮すると、過度なドーズ量の水素イオンを照射することは好ましくない。例えば、４ＭｅＶの水素イオンを照射する場合、１．３×１０^１５ｃｍ^－３のドーズ量を用いることで２×１０^１８ｃｍ^－３の欠陥密度を達成できる。また、８ＭｅＶの水素イオンを照射する場合、２．５×１０^１５ｃｍ^－３のドーズ量を用いることで２×１０^１８ｃｍ^－３の欠陥密度を達成できる。したがって、本実施の形態では、４ＭｅＶの水素イオン（^１Ｈ^＋）を用いる場合、４×１０^１４ｃｍ^－２以上１．３×１０^１５ｃｍ^－３以下のドーズ量を用いることが好ましい。８ＭｅＶの水素イオン（^１Ｈ^＋）を用いる場合、８×１０^１４ｃｍ^－２以上２．５×１０^１５ｃｍ^－３以下のドーズ量を用いることが好ましい。

図１１は、実施の形態に係る高抵抗領域を形成するための水素イオンの照射エネルギーおよびドーズ量の範囲を模式的に示すグラフである。太線で囲われる領域Ａ１は、５００Ω・ｃｍ以上の高抵抗領域を形成に好適な水素イオンの照射条件を示し、網掛けの領域Ａ２は１ｋΩ・ｃｍ以上の高抵抗領域を形成に好適な水素イオンの照射条件を示す。本実施の形態によれば、グラフに図示される照射条件を選択することで、水素イオンの１回照射で１００μｍ程度の深さ範囲まで水素が実質的に含まれない高抵抗領域を形成できる。

以上、本発明を実施の形態にもとづいて説明した。本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

上述の実施の形態では、実質的に水素を含まない第１領域３２と、水素を含む第２領域３４とを有する高抵抗領域３０を形成する場合について示した。変形例においては、第２領域３４が存在しないように高抵抗領域３０を形成してもよい。例えば、半導体基板１２の厚さを１００μｍ未満とすることで、照射する水素イオンが半導体基板１２を貫通して半導体基板１２の内部に残留しないようにしてもよい。また、第１領域３２および第２領域３４を形成した後に、半導体基板１２の裏面２０を研削して薄くし、第２領域３４の全体が除去されるようにしてもよい。このような第２領域３４が含まれない態様は、例えば、オンチップアンテナの直下に形成する高抵抗領域に好適である。

１０…半導体装置、１２…半導体基板、１４…配線層、１８…表面、２０…裏面、２８…インダクタ素子、３０…高抵抗領域、３２…第１領域、３４…第２領域。

Claims (6)

1. 半導体基板と、前記半導体基板の表面上に形成されるインダクタ素子を含む配線層と、を備える半導体装置を用意することと、
   前記配線層の上からイオン照射し、前記インダクタ素子の直下の前記半導体基板内にイオン照射前よりも抵抗率の高い高抵抗領域を形成することと、
   前記イオン照射後に前記半導体装置を２５０℃以上３００℃以下の処理温度で加熱することと、を備え、
   前記イオン照射は、エネルギーが４ＭｅＶ以上、ドーズ量が４×１０^１４ｃｍ^－２以上の水素イオンの照射を含み、
   前記高抵抗領域は、照射される水素イオンが前記半導体基板内を通過する第１領域と、前記照射される水素イオンが前記半導体基板内で停止して残存する第２領域と、を含み、
   前記第１領域は、前記インダクタ素子から１００μｍ以上の深さまで連続して存在し、
   前記第１領域を少なくとも部分的に残しつつ、前記第２領域が除去されるように前記半導体基板の前記表面とは反対側の裏面を研削することをさらに備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記イオン照射は、前記水素イオンの照射後のヘリウム（Ｈｅ）イオンの照射を含み、
   前記ヘリウムイオンは、前記半導体基板の前記第１領域内で停止するように照射され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. 前記高抵抗領域の欠陥密度は、前記イオン照射後であって前記処理温度での加熱前に１×１０^１８ｃｍ^－３以上である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. 前記イオン照射中に前記半導体基板の温度が前記処理温度以下となるように前記半導体基板を冷却することをさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記半導体基板は、前記水素イオンの照射前の抵抗率が１００Ω・ｃｍ以下であるｐ型シリコン基板であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記高抵抗領域の抵抗率は、前記処理温度での加熱後に５００Ω・ｃｍ以上であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。

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