JP7466790B1 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
高抵抗領域の発生が抑制されたバッファ層を含む半導体装置が得られる。半導体装置の製造方法は、半導体基板を準備する工程(S1a)と、半導体基板に水素を導入する工程(S2a)と、半導体基板に荷電粒子線を照射する工程(S7a)と、荷電粒子線を照射する工程(S7a)の後に、半導体基板に活性化アニールをする工程(S8a)とを備える。水素を導入する工程(S2a)は、活性化アニールをする工程(S8a)の前に実施される。A semiconductor device including a buffer layer in which the generation of a high resistance region is suppressed is obtained. The method for manufacturing the semiconductor device includes a step (S1a) of preparing a semiconductor substrate, a step (S2a) of introducing hydrogen into the semiconductor substrate, a step (S7a) of irradiating the semiconductor substrate with a charged particle beam, and a step (S8a) of performing activation annealing on the semiconductor substrate after the step (S7a) of irradiating the charged particle beam. The step (S2a) of introducing hydrogen is performed before the step (S8a) of performing activation annealing.
Description
本開示は、半導体装置の製造方法に関する。 The present disclosure relates to a method for manufacturing a semiconductor device.
従来、パワーダイオードや絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)等の半導体装置が知られている。これらの半導体装置の薄板化は損失低減に有効であるが、スナップオフに対する余裕度の低下および発振といった問題が発生する恐れがある。このような問題の発生を抑制するため、たとえばプロトン照射およびアニール処理によって、半導体装置にバッファ層が形成される。例えば、国際公開第2021/181644号公報に開示される半導体装置の製造方法は、リンまたはヒ素をドープした半導体基板を貫通させるように、イオンまたは電子線を照射する工程と、当該半導体基板に水素プラズマを照射してアニールを行う工程とを備える。Conventionally, semiconductor devices such as power diodes and insulated gate bipolar transistors (IGBTs) are known. Thinning of these semiconductor devices is effective in reducing losses, but may cause problems such as a decrease in the margin for snap-off and oscillation. In order to suppress the occurrence of such problems, a buffer layer is formed in the semiconductor device, for example, by proton irradiation and annealing. For example, a method for manufacturing a semiconductor device disclosed in International Publication No. 2021/181644 includes a step of irradiating an ion or electron beam so as to penetrate a semiconductor substrate doped with phosphorus or arsenic, and a step of irradiating the semiconductor substrate with hydrogen plasma to perform annealing.
しかし、半導体基板にイオンまたは電子線を照射すると、余分な点欠陥が生じ、高抵抗領域が残存することがある。このような高抵抗領域は、半導体装置の耐圧低下やリーク電流の発生の原因になり、デバイス特性の悪化を招く。However, when a semiconductor substrate is irradiated with an ion or electron beam, extra point defects can occur, leaving behind highly resistive regions. Such highly resistive regions can cause a decrease in the breakdown voltage of the semiconductor device and the generation of leakage current, resulting in a deterioration of device characteristics.
本開示は、上記のような課題を解決するために成されたものであり、本開示の目的は、高抵抗領域の発生が抑制された、バッファ層を含む半導体装置を提供することである。The present disclosure has been made to solve the problems described above, and the purpose of the present disclosure is to provide a semiconductor device including a buffer layer in which the occurrence of high resistance regions is suppressed.
本開示に従った半導体装置の製造方法は、半導体基板を準備する工程と、半導体基板に水素を導入する工程と、半導体基板に荷電粒子線を照射する工程と、荷電粒子線を照射する工程の後に、半導体基板に活性化アニールする工程とを備える。水素を導入する工程は、活性化アニールする工程の前に実施される。A method for manufacturing a semiconductor device according to the present disclosure includes the steps of preparing a semiconductor substrate, introducing hydrogen into the semiconductor substrate, irradiating the semiconductor substrate with a charged particle beam, and, after the step of irradiating the charged particle beam, performing activation annealing on the semiconductor substrate. The step of introducing hydrogen is performed before the step of performing activation annealing.
上記によれば、高抵抗領域の発生が抑制された、バッファ層を含む半導体装置を得ることができる。 As a result of the above, a semiconductor device including a buffer layer can be obtained in which the occurrence of high resistance regions is suppressed.
以下、本開示の実施の形態を説明する。なお、特に言及しない限り、以下の図面において同一または対応する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。Hereinafter, an embodiment of the present disclosure will be described. Note that unless otherwise specified, the same or corresponding parts in the following drawings will be given the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.
実施の形態1.
<半導体装置の構成>
図1は、実施の形態1に係る半導体装置100の断面図である。図1は、後述する図6に示した半導体装置100の製造方法により得られた半導体装置100である。
<Configuration of Semiconductor Device>
1 is a cross-sectional view of a
図1に示す半導体装置100は、たとえば、パワー半導体装置として用いられる縦型ダイオードであって、半導体基板200と、表面電極10と、裏面電極11とを主に備える。半導体基板200は、第1主面1aと第2主面1bを有する。第2主面1bは、第1主面1aの反対側にある面である。表面電極10は、第1主面1aに接続されている。裏面電極11は、第2主面1bに接続されている。
The
半導体基板200は、p+型アノード層22と、n-型ドリフト層1と、n型バッファ層2と、n+型カソード層21とを含む。図1に示されるように、第2主面1bからみて第1主面1aが配置されている方向を第1方向Xとすると、半導体基板200において、第2主面1bから第1方向Xにn+型カソード層21、n型バッファ層2、n-型ドリフト層1、p+型アノード層22が順番に形成されている。具体的には、第1主面1aにp+型アノード層22が形成されている。第2主面1bにn+型カソード層21が形成されている。p+型アノード層22とn+型カソード層21との間にn-型ドリフト層1が形成されている。p+型アノード層22に接するようにn-型ドリフト層1が形成されている。n-型ドリフト層1とn+型カソード層21との間にn型バッファ層2が形成されている。n型バッファ層2は、n-型ドリフト層1とn+型カソード層21との両方と接するように形成されている。n型バッファ層2は、n-型ドリフト層1よりも、高いn型不純物濃度を有している。n+型カソード層21は、n型バッファ層2よりも、高いn型不純物濃度を有している。
The
ここで、半導体基板200に含まれるバッファ層について説明する。後述するようにバッファ層を形成するプロセスは、プロトンなどの荷電粒子線を半導体基板(シリコンウエハ)に照射する工程を含む。バッファ層の形成にはドナーが寄与する。このドナーは、シリコンウエハである半導体基板200に含まれる水素と点欠陥とが複合化するプロセスを利用して形成される。点欠陥は、結晶格子の局所的な乱れである。点欠陥は、空孔(Vacancy)タイプと、格子間原子(Interstitial Silicon)タイプとの2種類がある。一般的に、点欠陥と水素とが複合化されると、点欠陥のダングリングボンドが水素によって遮蔽される。その結果、当該ダングリングボンドはバンド内準位を示さない。一方、水素による遮蔽効果が不十分で、点欠陥のダングリングボンドが残ると、浅いドナー型準位が形成される。この物理現象を利用することによって、シリコンウエハに形成されるドナーを制御することで、半導体基板200内のキャリア濃度を制御するようにバッファ層を形成することができる。その結果、パワー半導体装置のリバースリカバリー時およびターンオフ時のスイッチング波形の時間変化が緩やかとなり、スナップオフおよび発振を抑制することができる。後述するように、バッファ層を形成するプロセスにおいては、プロトンを半導体基板に照射するプロセスを用いることが多いが、たとえば、ヘリウムイオンなどの水素の同位体を荷電粒子線として半導体基板に照射するプロセスを用いてもよい。Here, the buffer layer included in the
半導体基板にバッファ層を形成するプロセスでは、荷電粒子線を照射した後に、適切なアニール処理が必要である。半導体基板の裏面(第2主面1b)に荷電粒子線を照射した後に、当該半導体基板にアニール処理を行うと、裏面側においてドナーが形成された領域が広がる。その結果、所望の厚みを有するバッファ層を形成することができる。ただし、半導体基板の種類によって、バッファ層の広がり方(第1方向Xにおけるバッファ層の厚み)が異なることがある。このバッファ層の第1方向Xにおける厚みが小さいと、半導体基板の裏面側に高抵抗領域が残る。その結果、高抵抗領域が半導体装置の耐圧低下やリーク電流の発生の原因になり、デバイス特性の悪化を招く。In the process of forming a buffer layer on a semiconductor substrate, an appropriate annealing process is required after irradiation with a charged particle beam. When the semiconductor substrate is annealed after irradiating the back surface (second
ここで、半導体基板に含まれる高抵抗領域に関する調査結果を説明する。二次イオン質量分析法(Secondary Ion Mass Spectrometry)によって半導体基板に含まれる水素濃度を計測し、広がり抵抗測定によって半導体基板に含まれるキャリア濃度を計測した。Here, we explain the results of our investigation into high-resistance regions in semiconductor substrates. We measured the hydrogen concentration in the semiconductor substrates using secondary ion mass spectrometry, and the carrier concentration in the semiconductor substrates using spreading resistance measurements.
図2は、高抵抗領域を含まない半導体基板における、キャリア濃度の分布図である。図2において、横軸は半導体基板の裏面からの距離(単位:μm)を示し、縦軸は半導体基板におけるキャリア濃度(単位:cm-3)を示す。図3は、高抵抗領域を含まない半導体基板における水素濃度の分布図である。図3において、横軸は半導体基板の裏面からの距離(単位:μm)を示し、縦軸は半導体基板における水素濃度(単位:cm-3)を示す。図4は、高抵抗領域を含む半導体基板におけるキャリア濃度の分布図である。図4において、横軸は半導体基板の裏面からの距離を示し、縦軸は半導体基板におけるキャリア濃度を示す。図5は、高抵抗領域を含む半導体基板における水素濃度の分布図である。図5において、横軸は半導体基板の裏面からの距離を示し、縦軸は半導体基板における水素濃度を示す。なお、図2から図5に示される高抵抗領域を含む半導体基板および高抵抗領域を含まない半導体基板は、それぞれ同じ条件下でプロトンによる照射とアニール処理が実施されて製造されたものである。また、二次イオン質量分析法では5×1016cm-3以下の水素濃度が検出できないため、図2および図5において水素濃度が5×1016cm-3以下の領域ではバックグラウンド信号が示される。 FIG. 2 is a distribution diagram of carrier concentration in a semiconductor substrate not including a high resistance region. In FIG. 2, the horizontal axis indicates the distance (unit: μm) from the back surface of the semiconductor substrate, and the vertical axis indicates the carrier concentration (unit: cm −3 ) in the semiconductor substrate. FIG. 3 is a distribution diagram of hydrogen concentration in a semiconductor substrate not including a high resistance region. In FIG. 3, the horizontal axis indicates the distance (unit: μm) from the back surface of the semiconductor substrate, and the vertical axis indicates the hydrogen concentration (unit: cm −3 ) in the semiconductor substrate. FIG. 4 is a distribution diagram of carrier concentration in a semiconductor substrate including a high resistance region. In FIG. 4, the horizontal axis indicates the distance from the back surface of the semiconductor substrate, and the vertical axis indicates the carrier concentration in the semiconductor substrate. FIG. 5 is a distribution diagram of hydrogen concentration in a semiconductor substrate including a high resistance region. In FIG. 5, the horizontal axis indicates the distance from the back surface of the semiconductor substrate, and the vertical axis indicates the hydrogen concentration in the semiconductor substrate. Note that the semiconductor substrate including a high resistance region and the semiconductor substrate not including a high resistance region shown in FIG. 2 to FIG. 5 were manufactured by carrying out proton irradiation and annealing treatment under the same conditions. Furthermore, since secondary ion mass spectrometry cannot detect hydrogen concentrations of 5×10 16 cm −3 or less, background signals are shown in regions in FIGS. 2 and 5 where the hydrogen concentration is 5×10 16 cm −3 or less.
図2および図3から分かるように、高抵抗領域を含まない半導体基板において、ドナー発生領域すべてにおいて、水素濃度は5×1016cm-3以上であり、水素が検出された。一方、図4から分かるように、高抵抗領域を含む半導体基板において、裏面からの距離が5μm以下の領域に高抵抗領域が存在する。高抵抗領域におけるキャリア濃度は、ドナー発生領域におけるキャリア濃度よりも低い。また、図5から分かるように、裏面からの距離が5μm以下の領域は水素が検出されなかった領域である。なお、図5における裏面からの距離が5μm以下の領域における水素濃度のデータは、二次イオン質量分析法のバックグラウンド信号を示しており、当該領域の水素濃度は5×1016cm-3以下である。図4および図5から分かるように、高抵抗領域を示す裏面からの距離と、水素が検出されない裏面からの距離とはほぼ一致した。 As can be seen from Figures 2 and 3, in the semiconductor substrate not including a high resistance region, the hydrogen concentration was 5 x 10 16 cm -3 or more in all the donor generation regions, and hydrogen was detected. On the other hand, as can be seen from Figure 4, in the semiconductor substrate including a high resistance region, a high resistance region exists in a region that is 5 μm or less away from the back surface. The carrier concentration in the high resistance region is lower than the carrier concentration in the donor generation region. Also, as can be seen from Figure 5, the region that is 5 μm or less away from the back surface is a region where hydrogen was not detected. Note that the data on the hydrogen concentration in the region that is 5 μm or less away from the back surface in Figure 5 indicates the background signal of secondary ion mass spectrometry, and the hydrogen concentration in the region is 5 x 10 16 cm -3 or less. As can be seen from Figures 4 and 5, the distance from the back surface that indicates the high resistance region and the distance from the back surface where hydrogen was not detected were almost the same.
アニール処理におけるアニール温度を変更しても、この高抵抗領域の外周(高抵抗領域とドナー発生領域との境界部)の裏面からの距離と、水素が検出されない領域の外周(水素が検出されない領域と水素が検出される領域との境界部)の裏面からの距離とがほぼ一致するという結果は変わらなかった。つまり、半導体基板において水素の濃度が低い領域では、高抵抗領域が発生すると考えられる。また、後述するが、高抵抗領域を示す裏面からの距離は、半導体基板の酸素濃度に依存することが明らかになった。 Even when the annealing temperature in the annealing process was changed, the result that the distance from the back surface of the periphery of this high resistance region (the boundary between the high resistance region and the donor generation region) and the distance from the back surface of the periphery of the region where hydrogen is not detected (the boundary between the region where hydrogen is not detected and the region where hydrogen is detected) remained almost the same. In other words, it is believed that high resistance regions occur in regions of the semiconductor substrate where the concentration of hydrogen is low. In addition, as will be described later, it was revealed that the distance from the back surface indicating the high resistance region depends on the oxygen concentration of the semiconductor substrate.
ここで、本実施の形態に係る半導体装置100の製造方法の特徴は、活性化アニールをする工程の前に、半導体基板に水素を導入する工程を実施した点である。上記の実験結果を踏まえて、後述する半導体装置100の製造方法によれば、高抵抗領域の発生が抑制されたバッファ層2を含む半導体装置100を得ることができる。その結果、デバイス特性の悪化が防止されたパワー半導体装置を得ることができる。
Here, a feature of the manufacturing method of the
<半導体装置100の製造方法>
図6は、実施の形態1に係る半導体装置100の製造方法のフローチャートである。なお、ここでは、半導体装置100の製造方法の一例として、図1に示されるような縦型ダイオードの製造方法について説明する。図6に示されるように、本実施の形態に係る半導体装置100の製造方法では、まず半導体基板200を準備する工程(S1a)を実施する。この工程(S1a)では半導体装置100を構成する半導体基板200としてのシリコンウエハを準備する。シリコンウエハは、n型またはn-型のインゴットから切り出される。シリコンウエハは表面(第1主面1a)と、表面の反対側の裏面とを有する。シリコンウエハにおける水素濃度は、たとえば、1×1013cm-3以下である。
<Method of
FIG. 6 is a flow chart of a method for manufacturing the
次に、水素を導入する工程(S2a)を実施する。この工程(S2a)では、第1方向Xにおいて表面から裏面にかけて水素が含侵される。具体的には、この工程(S2a)は、シリコンウエハが水素を含む膜に接している状態、若しくはシリコンウエハが水素雰囲気下に晒されている状態の少なくともいずれかの状態で、シリコンウエハにアニールする工程を含む。例えば、シリコンウエハが水素雰囲気下に晒されている状態で、1000℃~1300℃(627K~1027K)の温度範囲で、縦型炉などの炉中で当該シリコンウエハにアニールする。たとえば、1100℃でシリコンウエハに5時間アニールすると、シリコンウエハ全体に高濃度の水素を含侵させことができる。Next, a step (S2a) of introducing hydrogen is carried out. In this step (S2a), hydrogen is impregnated from the front surface to the back surface in the first direction X. Specifically, this step (S2a) includes a step of annealing the silicon wafer in at least one of a state in which the silicon wafer is in contact with a film containing hydrogen or a state in which the silicon wafer is exposed to a hydrogen atmosphere. For example, in a state in which the silicon wafer is exposed to a hydrogen atmosphere, the silicon wafer is annealed in a furnace such as a vertical furnace at a temperature range of 1000°C to 1300°C (627K to 1027K). For example, annealing the silicon wafer at 1100°C for 5 hours can impregnate the entire silicon wafer with a high concentration of hydrogen.
この工程(S2a)では、シリコンウエハに水素を含侵させることができれば、他の方法を用いてもよい。そのため、水素を導入する工程(S2a)は、シリコンウエハが水素を含む膜に接している状態、若しくはシリコンウエハが水素雰囲気下に晒されている状態の少なくともいずれかの状態でシリコンウエハにアニールする工程の他に、シリコンウエハを水素プラズマに晒す工程あるいは水素イオンを含む液体にシリコンウエハを浸漬させる工程を含んでいてもよい。水素を導入する工程(S2a)において、シリコンウエハの表面からだけでなく、表面と裏面とを接続する側面から水素を導入してもよい。In this step (S2a), other methods may be used as long as hydrogen can be impregnated into the silicon wafer. Therefore, the step (S2a) of introducing hydrogen may include a step of exposing the silicon wafer to hydrogen plasma or a step of immersing the silicon wafer in a liquid containing hydrogen ions, in addition to a step of annealing the silicon wafer in at least one of a state in which the silicon wafer is in contact with a film containing hydrogen or a state in which the silicon wafer is exposed to a hydrogen atmosphere. In the step (S2a) of introducing hydrogen, hydrogen may be introduced not only from the front surface of the silicon wafer, but also from the side connecting the front surface and the back surface.
次に、表面構造を形成する工程(S3a)を実施する。この工程(S3a)では、シリコンウエハの第1主面1aに、半導体装置100の表面構造を形成する。具体的には、シリコンウエハの第1主面1aの表層部に、p+型アノード層22が形成される。さらに、第1主面1a上に、p+型アノード層に接続される表面電極10(アノード電極)が形成される。
Next, a step (S3a) of forming a surface structure is performed. In this step (S3a), the surface structure of the
次に、裏面を研削する工程(S4a)を実施する。この工程(S4a)では、シリコンウエハの裏面を研削する。具体的には、表面構造を保護した後に、CMP(Chemical Mechanical Polish)等の研削手段を用いて、シリコンウエハの裏面を研削する。この結果、半導体装置100として必要とされる厚みまで、シリコンウエハの厚みを薄くする。なお、研削後におけるシリコンウエハの裏面を第2主面1bとし、第1主面1aから第2主面1bまでの領域を半導体層とする。Next, a step (S4a) of grinding the back surface is carried out. In this step (S4a), the back surface of the silicon wafer is ground. Specifically, after protecting the surface structure, the back surface of the silicon wafer is ground using a grinding means such as CMP (Chemical Mechanical Polish). As a result, the thickness of the silicon wafer is thinned to the thickness required for the
次に、第1バッファ層を形成する工程(S5a)を実施する。この工程(S5a)では、シリコンウエハの第2主面1bに、第1バッファ層を形成する。具体的には、第2主面1bに、リンなどのn型ドーパントイオンを注入することで、第2主面1bの表層部にn型層が形成される。なお、イオンの注入は、複数回実施されてもよい。また、第1バッファ層は、後述する第2バッファ層で代用可能であるため、第1バッファ層を形成する工程(S5a)は省略されてもよい。Next, a step (S5a) of forming a first buffer layer is carried out. In this step (S5a), a first buffer layer is formed on the second
次に、裏面構造を形成する工程(S6a)を実施する。この工程(S6a)では、シリコンウエハの第2主面1bに、半導体装置100の裏面構造を形成する。具体的には、シリコンウエハの第2主面1bの表層部に、n+型カソード層21が形成される。また、n+型カソード層21だけでなく、たとえば、p+型カソード層を部分的に形成して、RFC(Relaxed Field of Cathod)ダイオードを製造してもよい。
Next, a step (S6a) of forming a back surface structure is performed. In this step (S6a), the back surface structure of the
次に、荷電粒子線を照射する工程(S7a)を実施する。この工程(S7a)では、シリコンウエハに点欠陥を形成させる。具体的には、シリコンウエハの第2主面1bに、荷電粒子線を照射する。荷電粒子線は、たとえば、プロトンである。プロトンは、たとえば加速器を用いて照射される。加速器を用いることで、プロトンを数100KeV~数10MeVにまで加速させてシリコンウエハに照射する。プロトンのドーズ量は、例えば、1×1012~1×1015cm-2である。なお、荷電粒子線としてヘリウムイオンを照射してもよい。このようにすることで、シリコンウエハにおいて局所的に点欠陥が形成される。
Next, a step (S7a) of irradiating a charged particle beam is performed. In this step (S7a), point defects are formed in the silicon wafer. Specifically, the second
なお、荷電粒子線を照射する工程(S7a)を実施しなくても、元来シリコンウエハは多少の点欠陥を含む。そのため、シリコンウエハに点欠陥があれば、荷電粒子線を照射する工程(S7a)は実施しなくてもよい。また、荷電粒子線を照射する工程(S7a)は、後述する活性化アニールをする工程(S8a)の前に実施されればよい。荷電粒子線を照射する工程(S7a)は、裏面構造を形成する工程(S6a)の直後に限らず、たとえば、裏面を研削する工程(S4a)の後に実施されてもよい。Incidentally, even if the step of irradiating the charged particle beam (S7a) is not performed, the silicon wafer inherently contains some point defects. Therefore, if the silicon wafer has point defects, the step of irradiating the charged particle beam (S7a) does not need to be performed. Also, the step of irradiating the charged particle beam (S7a) may be performed before the step of performing activation annealing (S8a) described below. The step of irradiating the charged particle beam (S7a) is not limited to being performed immediately after the step of forming the back surface structure (S6a), and may be performed, for example, after the step of grinding the back surface (S4a).
次に、活性化アニールをする工程(S8a)を実施する。この工程(S8a)では、ドナーの形成および点欠陥の消滅の少なくともいずれかを目的として、シリコンウエハにアニールする。具体的には、シリコンウエハが窒素等の不活性ガス雰囲気下に晒されている状態で、200℃~500℃の温度範囲で当該シリコンウエハにアニールする。このようにして、シリコンウエハ内の水素と点欠陥とが反応して、ドナーが形成される。その結果、図1に示されているn型バッファ層2が形成される。このようにして形成された層を第2バッファ層とし、荷電粒子線を照射する工程(S7a)および活性化アニールをする工程(S8a)をまとめて第2バッファ層を形成する工程とする。Next, the activation annealing step (S8a) is performed. In this step (S8a), the silicon wafer is annealed for the purpose of at least one of forming donors and eliminating point defects. Specifically, the silicon wafer is annealed at a temperature range of 200°C to 500°C while exposed to an inert gas atmosphere such as nitrogen. In this way, hydrogen in the silicon wafer reacts with point defects to form donors. As a result, the n-
なお、活性化アニールをする工程(S8a)において、アニールする時間を長くすれば、第1方向Xにおけるn型バッファ層2の厚みが増加する。また、活性化アニールをする工程(S8a)において、アニールする時の温度範囲は、200℃~500℃が好ましい。アニールする時の温度が200℃よりも低いと、ドナーが形成される効率が低下する。アニールする時の温度が500℃よりも高いと、ドナーの消滅が顕著になる。このようにしてシリコンウエハに上記第2バッファ層などの構造が形成されることで、当該シリコンウエハは半導体基板200として用いられる。
In the activation annealing step (S8a), if the annealing time is increased, the thickness of the n-
次に、裏面に電極を形成する工程(S9a)を実施する。この工程(S9a)では、第2主面1bに電極を形成する。具体的には、第2主面1b上に裏面電極11(カソード電極)が形成される。このようにして、図1に示されるような高抵抗領域の発生が抑制された、バッファ層2を含む半導体装置100を得ることができる。Next, a step (S9a) of forming an electrode on the back surface is carried out. In this step (S9a), an electrode is formed on the second
ここで、半導体基板内の水素濃度の好ましい範囲について説明する。図7は、上述の半導体装置100の製造方法により得られた半導体装置100における水素濃度の概略分布図である。図7において、横軸は半導体基板200の表面からの距離(単位:μm)を示し、縦軸は半導体基板200における水素濃度(単位:cm-3)を示す。実施例1は、水素を導入する工程(S2a)において、アニールする温度が低く、アニールする時間が短い条件とされたシリコンウエハである。実施例2は、水素を導入する工程(S2a)において、アニールする温度が十分高く、アニールする時間が十分長い条件とされたシリコンウエハである。
Here, a preferred range of hydrogen concentration in the semiconductor substrate will be described. Fig. 7 is a schematic distribution diagram of hydrogen concentration in the
図7から分かるように、実施例2に係るシリコンウエハでは、半導体装置100となった場合での半導体基板(半導体層)中の水素濃度が表面から裏面まで第1方向Xにおいてほぼ一定になる。一方、実施例1に係るシリコンウエハでは、シリコンウエハの表面および裏面から当該シリコンウエハの中央に向かって水素濃度が単調に減少する。このため、半導体装置100となった場合での半導体基板(半導体層)中の水素濃度は、第1主面1aから半導体基板の厚さ方向の中央部に向かって単調に減少する。また、半導体基板における裏面である第2主面1b側では水素濃度が第1主面1a側の水素濃度より低い状態となる。このように、水素を導入する工程(S2a)において、アニールする時間が十分長い場合あるいはアニールする温度が十分高い場合、半導体基板における水素濃度は表面から裏面まで第1方向Xにおいてほぼ一定になる。バッファ層2内の高抵抗領域を十分抑制するためには、半導体層内の水素濃度が一定になる領域において、当該水素濃度が1×1014cm-3以上となることが好ましく、1×1015cm-3以上となることがより好適である。
As can be seen from FIG. 7, in the silicon wafer according to the second embodiment, the hydrogen concentration in the semiconductor substrate (semiconductor layer) when the
水素を導入する工程(S2a)は、活性化アニールをする工程(S8a)の前に実施されればよい。水素を導入する工程(S2a)は、たとえば、荷電粒子線を照射する工程(S7a)の前に実施されてもよく、本実施の形態1に係る半導体装置100の製造方法のように、表面構造を形成する工程(S3a)の前に実施されてもよい。The step of introducing hydrogen (S2a) may be performed before the step of performing activation annealing (S8a). The step of introducing hydrogen (S2a) may be performed, for example, before the step of irradiating a charged particle beam (S7a), or, as in the manufacturing method of the
ただし、後述するように、バッファ層2のプロファイルは、荷電粒子線による照射における条件および活性化アニールをする時の条件だけでなく、シリコンウエハが含む酸素濃度によっても影響を受ける。本実施の形態1に係る半導体装置100の製造方法のように、水素を導入する工程が、半導体基板200を準備する工程(S1a)の直後に実施されることで、シリコンウエハにおける酸素濃度がいかなる値でも、高抵抗領域の発生が抑制されたバッファ層2を含む半導体装置100を得ることができる。つまり、シリコンウエハの種類によることなく、デバイス特性の悪化が防止されたパワー半導体装置を得ることができる。However, as described below, the profile of the
また、上述した半導体装置100の製造方法において、表面構造を形成する工程(S3a)、第1バッファ層を形成する工程(S5a)、裏面構造を形成する工程(S6a)、および裏面に電極を形成する工程(S9a)は、半導体装置100の種類(たとえばダイオードおよびIGBTなど)に応じて、適宜変更可能である。In addition, in the manufacturing method of the
(半導体装置100の変形例の構成)
図8は、図1に示した半導体装置100の製造方法により得られた半導体装置100の変形例を示す断面図である。図8は、図1に対応する。図8に示された半導体装置100は、基本的には図1に示された半導体装置100と同様の構成を備えるが、当該半導体装置100がIGBTである点で異なる。
(Configuration of Modified Example of Semiconductor Device 100)
Fig. 8 is a cross-sectional view showing a modified example of the
図8に示す半導体装置100は、図6に示すような半導体装置100の製造方法と同様の製造方法によって得られる。半導体基板200は、p型コンタクト層4と、n+型エミッタ層6と、p型ベース層5と、n-型ドリフト層1と、n型バッファ層2と、p+型コレクタ層3と、ゲート電極8と、ゲート絶縁膜7とを主に含む。図8に示されるように、半導体基板200において、第2主面1bから第1方向Xにp+型コレクタ層3、n型バッファ層2、n-型ドリフト層1、p型ベース層5、p型コンタクト層4およびn+型エミッタ層6が順番に形成されている。
The
具体的には、第1主面1aの表層部に複数のp型コンタクト層4および複数のn+型エミッタ層6が形成されている。2つのn+型エミッタ層6の間において、第1主面1aにはトレンチが形成されている。トレンチはp型ベース層5を介してn-型ドリフト層1にまで到達するように形成されている。トレンチの内面を覆うようにゲート絶縁膜7が形成されている。ゲート絶縁膜7に接するようにゲート電極8が形成されている。ゲート電極8とゲート絶縁膜7とによりトレンチの内部は充填されている。異なる観点から言えば、p型コンタクト層4は一対となって構成されており、一対のp型コンタクト層4は、一対のn+型エミッタ層6を挟むように形成されている。一対のn+型エミッタ層6は、ゲート電極8およびゲート絶縁膜7を挟むように形成されている。ゲート電極8は、ゲート絶縁膜7および層間絶縁膜9に囲まれるように配置されている。第1主面1aとn-型ドリフト層1との間にp型ベース層5が形成されている。第2主面1bの表層部にp+型コレクタ層3が形成されている。p型ベース層5とp+型コレクタ層3との間にn-型ドリフト層1が形成されている。n-型ドリフト層1はp型ベース層5と接している。n-型ドリフト層1とp+型コレクタ層3との間にn型バッファ層2が形成されている。n型バッファ層2はn-型ドリフト層1とp+型コレクタ層3とに接している。ゲート電極8およびゲート絶縁膜7は、第1主面1aからn-型ドリフト層1が形成されている領域まで第1方向Xに延びるように形成されている。n型バッファ層2およびn+型エミッタ層6は、n-型ドリフト層1よりも、高いn型不純物濃度を有している。p+型コレクタ層およびp型コンタクト層4は、p型ベース層5よりも、高いp型不純物濃度を有している。
Specifically, a plurality of p-
図8に示された半導体装置100は、基本的には図1に示された半導体装置100の製造方法と同様の製造方法で得られるが、表面構造を形成する工程(S3a)、裏面構造を形成する工程(S6a)、および裏面に電極を形成する工程(S9a)が異なる。The
図8に示された半導体装置100の製造方法において、表面構造を形成する工程(S3a)では、シリコンウエハの第1主面1aの表層部に、p型ベース層5、n+型エミッタ層6、およびp型コンタクト層4が形成される。また、トレンチゲートを形成するために、シリコンウエハの第1主面1aをドライエッチングし、トレンチが形成される。当該トレンチの内部にゲート絶縁膜7およびゲート電極8が形成される。ゲート電極8の材料は、たとえば、ポリシリコンである。第1主面1a上に、層間絶縁膜9および表面電極10(エミッタ電極)が形成される。層間絶縁膜9の材料は、たとえば、オルトケイ酸テトラエチル(TEOS)である。
In the manufacturing method of the
図8に示された半導体装置100の製造方法において、裏面構造を形成する工程(S6a)では、シリコンウエハの第2主面1bの表層部に、p+型コレクタ層3が形成される。また、p+型コレクタ層3だけでなく、たとえば、n+型カソード層を部分的に形成して、RC(Revers Conductive)-IGBTを製造してもよい。
8, in the step (S6a) of forming a back surface structure, p +
図8に示された半導体装置100の製造方法において、裏面に電極を形成する工程(S9a)では、シリコンウエハの第2主面1b上に裏面電極11(コレクタ電極)が形成される。このようにして、図8に示されるようなIGBT構造の半導体装置100を得ることができる。In the manufacturing method of the
<作用効果>
本開示に従った半導体装置100の製造方法は、半導体基板200を準備する工程(S1a)と、半導体基板200に水素を導入する工程(S2a)と、半導体基板200に荷電粒子線を照射する工程(S7a)と、荷電粒子線を照射する工程(S7a)の後に、半導体基板200に活性化アニールする工程(S8a)とを備える。水素を導入する工程(S2a)は、活性化アニールする工程(S8a)の前に実施される。
<Action and effect>
The method for manufacturing the
このようにすれば、半導体基板200(シリコンウエハ)は十分な水素濃度を有する。その結果、荷電粒子線を照射する工程(S7a)で形成された点欠陥は、その後のアニール処理によって水素と十分複合化するため、高抵抗領域の発生が抑制されたバッファ層を含む半導体装置100を得ることができる。つまり、デバイス特性の悪化が防止されたパワー半導体装置を得ることができる。In this way, the semiconductor substrate 200 (silicon wafer) has a sufficient hydrogen concentration. As a result, the point defects formed in the step (S7a) of irradiating the charged particle beam are sufficiently compounded with hydrogen by the subsequent annealing process, so that a
上記半導体装置100の製造方法において、水素を導入する工程(S2a)は、半導体基板200が水素を含む膜に接している状態、若しくは半導体基板200が水素雰囲気下に晒されている状態の少なくともいずれかの状態で半導体基板200にアニールする工程、半導体基板200を水素プラズマに晒す工程、および水素イオンを含む液体に半導体基板200を浸漬させる工程のいずれかの工程を含む。このようにすれば、任意の方法でシリコンウエハに水素を導入することができる。In the manufacturing method of the
上記半導体装置100の製造方法において、水素を導入する工程(S2a)は、荷電粒子線を照射する工程(S7a)の前に実施される。このようにすれば、シリコンウエハにおける酸素濃度がいかなる値でも、高抵抗領域の発生が抑制されたバッファ層を含む半導体装置100を得ることができる。つまり、シリコンウエハの種類によることなく、デバイス特性の悪化が防止されたパワー半導体装置を得ることができる。In the manufacturing method of the
実施の形態2.
<半導体装置100の製造方法>
図9は、実施の形態2に係る半導体装置100の製造方法のフローチャートである。図9は、図6に対応する。図9に示された半導体装置100の製造方法は、基本的には図6に示された半導体装置100の製造方法と同様の構成を備えるが、水素を導入する工程(S7b)が、荷電粒子線を照射する工程(S6b)の後に実施される点で異なる。
<Method of
Fig. 9 is a flowchart of a method for manufacturing the
実施の形態1でも述べたように、水素を導入する工程(S7b)は、活性化アニールをする工程(S8b)の前に実施されればよい。ただし、シリコンウエハに何らかのデバイス構造を形成した後に水素を導入する工程(S7b)を実施する時、当該デバイス構造を壊さないように、水素を導入する工程(S7b)におけるアニールする時の温度および時間には制限がある。たとえば、通常、パワー半導体装置の表面電極として、アルミニウムが用いられる。アルミニウムの融点は約650℃である。そのため、たとえば、表面構造を形成する工程(S2b)においてアルミニウム電極が形成され、その後に水素を導入する工程(S7b)が実施された時、水素を導入する工程(S7b)におけるアニールする時の温度はアルミニウム電極の融点が上限となる。この場合、シリコンウエハにおいて水素が侵入する深さが減少する。その結果、高抵抗領域の発生を抑制するという効果が不十分となる可能性がある。本実施の形態2では、水素が侵入する深さを所望の値にする半導体装置100の製造方法について説明する。As described in the first embodiment, the step of introducing hydrogen (S7b) may be performed before the step of performing activation annealing (S8b). However, when the step of introducing hydrogen (S7b) is performed after forming some device structure on the silicon wafer, there is a limit to the temperature and time of annealing in the step of introducing hydrogen (S7b) so as not to destroy the device structure. For example, aluminum is usually used as the surface electrode of a power semiconductor device. The melting point of aluminum is about 650°C. Therefore, for example, when an aluminum electrode is formed in the step of forming a surface structure (S2b) and then the step of introducing hydrogen (S7b) is performed, the melting point of the aluminum electrode is the upper limit of the temperature of annealing in the step of introducing hydrogen (S7b). In this case, the depth to which hydrogen penetrates in the silicon wafer is reduced. As a result, the effect of suppressing the occurrence of high resistance regions may be insufficient. In the second embodiment, a method for manufacturing a
なお、ここでは、半導体装置100の製造方法の一例として、図1に示されるような縦型ダイオードの製造方法について説明する。図9に示されるように、本実施の形態に係る半導体装置100の製造方法では、まず半導体基板200を準備する工程(S1b)を実施する。この工程(S1b)では半導体装置100を構成するシリコンウエハを準備する。シリコンウエハは、n型またはn-型のインゴットから切り出される。シリコンウエハは表面(第1主面1a)と、表面の反対側の裏面とを有する。シリコンウエハにおける水素濃度は、たとえば、1×1013cm-3以下である。
As an example of a method for manufacturing the
次に、表面構造を形成する工程(S2b)を実施する。この工程(S2b)では、シリコンウエハの第1主面1aに、半導体装置100の表面構造を形成する。具体的には、シリコンウエハの第1主面1aの表層部には、p+型アノード層22が形成される。さらに、第1主面1a上に、p+型アノード層22に接続される表面電極10(アノード電極)が形成される。
Next, a step (S2b) of forming a surface structure is performed. In this step (S2b), the surface structure of the
次に、裏面を研削する工程(S3b)を実施する。この工程(S3b)では、シリコンウエハの裏面を研削する。具体的には、表面構造を保護した後に、CMP(Chemical Mechanical Polish)等の研削手段を用いて、シリコンウエハの裏面を研削する。なお、研削後におけるシリコンウエハの裏面を第2主面1bとし、第1主面1aから第2主面1bまでの領域を半導体層とする。Next, a step (S3b) of grinding the back surface is carried out. In this step (S3b), the back surface of the silicon wafer is ground. Specifically, after protecting the surface structure, the back surface of the silicon wafer is ground using a grinding method such as CMP (Chemical Mechanical Polish). Note that the back surface of the silicon wafer after grinding is the second
次に、第1バッファ層を形成する工程(S4b)を実施する。この工程(S4b)では、シリコンウエハの第2主面1bに、第1バッファ層を形成する。具体的には、第2主面1bに、リンなどのn型ドーパントイオンを注入することで、第2主面1bの表層部にn型層が形成される。なお、イオンの注入は、複数回実施されてもよい。また、第1バッファ層は、後述する第2バッファ層で代用可能であるため、第1バッファ層を形成する工程は省略されてもよい。Next, a step (S4b) of forming a first buffer layer is carried out. In this step (S4b), a first buffer layer is formed on the second
次に、裏面構造を形成する工程(S5b)を実施する。この工程(S5b)では、シリコンウエハの第2主面1bに、半導体装置100の裏面構造を形成する。具体的には、シリコンウエハの第2主面1bの表層部に、n+型カソード層21が形成される。また、n+型カソード層21だけでなく、たとえば、p+型カソード層を部分的に形成して、RFC(Relaxed Field of Cathod)ダイオードを製造してもよい。
Next, a step (S5b) of forming a back surface structure is performed. In this step (S5b), the back surface structure of the
次に、荷電粒子線を照射する工程(S6b)を実施する。この工程(S6b)では、シリコンウエハに点欠陥を形成させる。具体的には、シリコンウエハの第2主面1bに、荷電粒子線を照射する。荷電粒子線は、たとえば、プロトンである。プロトンの照射では、たとえば加速器を用いる。加速器を用いることで、プロトンを数100KeV~数10MeVにまで加速させてシリコンウエハに照射する。プロトンのドーズ量は、例えば、1×1012~1×1015cm-2である。なお、荷電粒子線としてヘリウムイオンを照射してもよい。このようにすることで、シリコンウエハにおいて局所的に点欠陥が形成される。
Next, a step (S6b) of irradiating a charged particle beam is performed. In this step (S6b), point defects are formed in the silicon wafer. Specifically, the second
なお、荷電粒子線を照射する工程(S6b)を実施しなくても、元来シリコンウエハは多少の点欠陥を含む。そのため、シリコンウエハに点欠陥があれば、荷電粒子線を照射する工程(S6b)は実施しなくてもよい。また、荷電粒子線を照射する工程(S6b)は、後述する活性化アニールをする工程(S8b)の前に実施されればよい。荷電粒子線を照射する工程(S6b)は、裏面構造を形成する工程(S5b)の直後に限らず、たとえば、裏面を研削する工程(S3b)の後に実施されてもよい。Incidentally, even if the step (S6b) of irradiating the charged particle beam is not performed, the silicon wafer inherently contains some point defects. Therefore, if the silicon wafer has point defects, the step (S6b) of irradiating the charged particle beam does not need to be performed. Also, the step (S6b) of irradiating the charged particle beam may be performed before the step (S8b) of performing activation annealing, which will be described later. The step (S6b) of irradiating the charged particle beam is not limited to being performed immediately after the step (S5b) of forming the back surface structure, and may be performed, for example, after the step (S3b) of grinding the back surface.
次に、水素を導入する工程(S7b)を実施する。この工程(S7b)では、第1方向Xにおいてシリコンウエハの表面から裏面にかけて水素を含侵する。具体的には、この工程(S7b)は、シリコンウエハが水素を含む膜に接している状態、若しくはシリコンウエハが水素雰囲気下に晒されている状態の少なくともいずれかの状態で、シリコンウエハにアニールする工程を含む。この時、前述したようにアニールするときの温度および時間には制限がある。Next, a step (S7b) of introducing hydrogen is carried out. In this step (S7b), hydrogen is impregnated from the front surface to the back surface of the silicon wafer in the first direction X. Specifically, this step (S7b) includes a step of annealing the silicon wafer in at least one of a state in which the silicon wafer is in contact with a film containing hydrogen or a state in which the silicon wafer is exposed to a hydrogen atmosphere. At this time, as described above, there are limitations on the temperature and time during annealing.
この工程(S7b)では、シリコンウエハに水素を含侵させればよい。そのため、水素を導入する工程(S7b)は、シリコンウエハが水素を含む膜に接している状態、若しくはシリコンウエハが水素雰囲気下に晒されている状態の少なくともいずれかの状態でシリコンウエハにアニールする工程に替えて、シリコンウエハを水素プラズマに晒す工程あるいは水素イオンを含む液体にシリコンウエハを浸漬させる工程を含んでいてもよい。水素を導入する工程(S7b)において、シリコンウエハの表面からだけでなく、表面と裏面とを接続する側面から水素を導入してもよい。In this step (S7b), hydrogen may be impregnated into the silicon wafer. Therefore, the step (S7b) of introducing hydrogen may include a step of exposing the silicon wafer to hydrogen plasma or a step of immersing the silicon wafer in a liquid containing hydrogen ions, instead of a step of annealing the silicon wafer in at least one of a state in which the silicon wafer is in contact with a film containing hydrogen or a state in which the silicon wafer is exposed to a hydrogen atmosphere. In the step (S7b) of introducing hydrogen, hydrogen may be introduced not only from the front surface of the silicon wafer, but also from the side surface connecting the front surface and the back surface.
次に、活性化アニールをする工程(S8b)を実施する。この工程(S8b)では、ドナーの形成および点欠陥の消滅の少なくともいずれかを目的として、シリコンウエハにアニールする。具体的には、シリコンウエハが窒素等の不活性ガス雰囲気下に晒されている状態で、200℃~500℃の温度範囲で当該シリコンウエハにアニールする。このようにして、シリコンウエハ内の水素および点欠陥が反応して、ドナーが形成される。その結果、図1に示されているn型バッファ層2が形成される。このようにして形成された層を第2バッファ層とし、荷電粒子線を照射する工程(S6b)、水素を導入する工程(S7b)および活性化アニールをする工程(S8b)をまとめて第2バッファ層を形成する工程とする。Next, the activation annealing step (S8b) is performed. In this step (S8b), the silicon wafer is annealed for the purpose of at least one of forming donors and eliminating point defects. Specifically, the silicon wafer is annealed at a temperature range of 200°C to 500°C while exposed to an inert gas atmosphere such as nitrogen. In this way, hydrogen and point defects in the silicon wafer react to form donors. As a result, the n-
なお、活性化アニールをする工程(S8b)において、アニールする時間を長くすることで、第1方向Xにおけるn型バッファ層2の厚みを増加させることができる。また、活性化アニールをする工程(S8b)において、アニールする時の温度範囲は、200℃~500℃が好ましい。アニールする時の温度が200℃よりも低いと、ドナーが形成される効率が低下する。アニールする時の温度が500℃よりも高いと、ドナーの消滅が顕著になる。このようにしてシリコンウエハに半導体層が形成されることで、当該シリコンウエハは半導体基板200として用いられる。
In the activation annealing step (S8b), the thickness of the n-
次に、裏面に電極を形成する工程(S9b)を実施する。この工程(S9b)では、第2主面1bに電極を形成する。具体的には、第2主面1b上に裏面電極11(カソード電極)が形成される。このようにして、図1に示されるような高抵抗領域の発生が抑制された、バッファ層を含む半導体装置100を得ることができる。Next, a process (S9b) of forming an electrode on the back surface is carried out. In this process (S9b), an electrode is formed on the second
ここで、水素を導入する工程(S7b)において、水素が侵入する深さを所望の値に制御する方法について説明する。図10は、異なる酸素濃度を含む半導体基板のそれぞれにおける、キャリア濃度の分布図である。図10において、横軸は半導体基板の裏面からの距離を示し、縦軸は半導体基板におけるキャリア濃度を示す。サンプル1、サンプル2、サンプル3、サンプル4はそれぞれ異なる酸素濃度を含む半導体装置であり、サンプル1、サンプル2、サンプル3、サンプル4の順に、シリコンウエハ中の酸素濃度が高い。つまりサンプル1が最も酸素濃度が高い。ただし、いずれの半導体装置も、荷電粒子線を照射する工程および活性化アニールする工程において、同じ条件で処理している。なお、サンプル1、サンプル2、サンプル3、サンプル4に係る半導体装置はいずれも、活性化アニールする工程において、アニールする温度は350℃であり、アニールする時間は4時間で処理されている。Here, a method for controlling the depth to which hydrogen penetrates to a desired value in the step of introducing hydrogen (S7b) will be described. FIG. 10 is a distribution diagram of carrier concentration in each of semiconductor substrates containing different oxygen concentrations. In FIG. 10, the horizontal axis indicates the distance from the back surface of the semiconductor substrate, and the vertical axis indicates the carrier concentration in the semiconductor substrate.
図10から分かるように、異なるシリコンウエハに含まれる酸素濃度が異なると、キャリア濃度の分布が変化している。酸素濃度が高いサンプル1における高抵抗領域の端部までの裏面からの距離は、酸素濃度が低いサンプル4における高抵抗領域の端部までの裏面からの距離よりも長い。つまり、酸素濃度が高いほど、高抵抗領域の深さ方向における範囲(高抵抗領域の深さ方向における端部までの裏面からの距離)が大きくなる。As can be seen from Figure 10, the distribution of carrier concentration changes when the oxygen concentration in different silicon wafers differs. The distance from the back surface to the end of the high resistance region in
ここで、水素を導入する工程を備えない半導体装置の製造方法で得られた半導体装置における、高抵抗領域が発生する領域の深さL(高抵抗領域の深さ方向における端部までの裏面からの距離)は、下記の式(1)で示される式により表される。なお、深さLは第1方向Xにおける第2主面1bからの距離(単位:cm)である。Rpは、荷電粒子線を照射する工程における荷電粒子線の照射飛程(単位:cm)である。D1は、活性化アニールをする工程における水素の拡散定数(単位:cm2/秒)である。t1は、活性化アニールをする工程におけるアニールする時間(単位:秒)である。第2バッファ層を形成するとき、荷電粒子線の照射回数が1回の場合は、当該照射時での荷電粒子線に関する照射飛程が、当該式(1)で用いる照射飛程Rpである。荷電粒子線の照射が複数回実施された場合は、シリコンウエハの表面から最も近い領域に荷電粒子線を照射した時における荷電粒子線の照射飛程が、当該式(1)で用いる照射飛程Rpである。
Here, the depth L of the region where the high resistance region occurs in the semiconductor device obtained by the manufacturing method of the semiconductor device not including the step of introducing hydrogen (the distance from the back surface to the end of the high resistance region in the depth direction) is expressed by the following formula (1). The depth L is the distance (unit: cm) from the second
水素の拡散定数D1は、下記の式(2)で示される式により表される。D01は、頻度因子(単位:cm2/秒)である。Ea1は、活性化アニールする工程における水素の拡散の活性化エネルギー(単位:eV)である。T1は、活性化アニールする工程におけるアニールする温度(単位:K)である。kは、ボルツマン定数(単位:eV/K)である。 The hydrogen diffusion constant D1 is expressed by the following formula (2). D01 is a frequency factor (unit: cm2 /sec). Ea1 is the activation energy (unit: eV) of hydrogen diffusion in the activation annealing step. T1 is the annealing temperature (unit: K) in the activation annealing step. k is the Boltzmann constant (unit: eV/K).
図10のキャリア濃度の分布図に示される結果、式(1)および式(2)より、シリコンウエハに含まれる酸素濃度が1×1017cm-3以上の時において、水素の拡散定数D1は下記の式(3)で示される式により表される。シリコンウエハに含まれる酸素濃度が1×1017cm-3未満1×1015cm-3以上の時において、水素の拡散定数D1は下記の式(4)で示される式により表される。シリコンウエハに含まれる酸素濃度が1×1015cm-3未満の時において、水素の拡散定数D1は下記の式(5)で示される式により表される。 10, from formulas (1) and (2), when the oxygen concentration contained in the silicon wafer is 1×10 17 cm -3 or more, the diffusion constant D 1 of hydrogen is expressed by the following formula (3). When the oxygen concentration contained in the silicon wafer is less than 1×10 17 cm -3 and is 1×10 15 cm -3 or more, the diffusion constant D 1 of hydrogen is expressed by the following formula (4). When the oxygen concentration contained in the silicon wafer is less than 1×10 15 cm -3 , the diffusion constant D 1 of hydrogen is expressed by the following formula (5).
つまり、式(3)、式(4)、式(5)より、水素の拡散定数D1を式(1)に代入することで、高抵抗領域が発生する領域の深さLを予測することができる。そして、水素が導入される領域の深さがこの深さL以上になるように、シリコンウエハに対して水素を導入することで、高抵抗領域の発生を効果的に抑制できる。シリコンウエハに含まれる酸素濃度が1×1017cm-3以上の時において、深さLは下記の式(6)で示される式により表される。シリコンウエハに含まれる酸素濃度が1×1017cm-3未満1×1015cm-3以上の時において、深さLは下記の式(7)で示される式により表される。シリコンウエハに含まれる酸素濃度が1×1015cm-3未満の時において、深さLは下記の式(8)で示される式により表される。 That is, by substituting the diffusion constant D 1 of hydrogen into formula (1) from formula (3), formula (4), and formula (5), the depth L of the region where the high resistance region occurs can be predicted. Then, by introducing hydrogen into the silicon wafer so that the depth of the region where hydrogen is introduced is equal to or greater than this depth L, the occurrence of the high resistance region can be effectively suppressed. When the oxygen concentration contained in the silicon wafer is 1×10 17 cm −3 or more, the depth L is expressed by the formula shown in formula (6) below. When the oxygen concentration contained in the silicon wafer is less than 1×10 17 cm −3 and equal to or greater than 1×10 15 cm −3 , the depth L is expressed by the formula shown in formula (7) below. When the oxygen concentration contained in the silicon wafer is less than 1×10 15 cm −3 , the depth L is expressed by the formula shown in formula (8) below.
上記の議論を踏まえて、水素を導入する工程における条件について説明する。図11は、図9に示した半導体装置100の製造方法により得られた半導体装置100(実施例3)における水素濃度の概略分布図である。図11において、横軸は半導体基板200の表面(第1主面1a)からの距離(単位:μm)を示し、縦軸は半導体基板200における水素濃度(単位:cm-3)を示す。図11における実施例3のグラフでは、裏面(第2主面1b)から表面側に離れた領域(裏面からの距離が、高抵抗領域が発生する領域の深さLより大きい内部領域)において、シリコンウエハが元来含む水素濃度を示す。一方、裏面側において、水素が導入された領域の深さは、高抵抗領域が発生する領域の深さLよりも大きい。このように、水素が導入された領域をできるだけ大きくすることが好ましい。そのため、水素が導入される領域の裏面からの深さは、高抵抗領域が発生する領域の深さLよりも大きく、水素が導入される領域における水素濃度は、裏面から表面側に離れた領域(内部領域)におけるシリコンウエハが元来有する水素濃度よりも大きいことが好ましい。
Based on the above discussion, the conditions in the step of introducing hydrogen will be described. FIG. 11 is a schematic distribution diagram of hydrogen concentration in the semiconductor device 100 (Example 3) obtained by the manufacturing method of the
上述の議論から、水素を導入する工程において、水素が導入される領域の深さ(裏面から、水素が導入された領域の内部領域側に位置する端部までの距離:√(D2×t2))の好ましい範囲は、下記の式(9)で示される式により表される。D2は、水素を導入する工程における水素の拡散定数(単位:cm2/秒)である。t2は、水素を導入する工程におけるアニールする時間(単位:秒)である。 From the above discussion, the preferred range of the depth of the region into which hydrogen is introduced in the step of introducing hydrogen (the distance from the back surface to the end of the region into which hydrogen is introduced that is located on the inner region side: √( D2 ×t2)) is represented by the following formula (9). D2 is the diffusion constant of hydrogen in the step of introducing hydrogen (unit: cm2 /sec). t2 is the annealing time in the step of introducing hydrogen (unit: seconds).
水素の拡散定数D2は、下記の式(10)で示される式により表される。D02は、頻度因子(単位:cm2/秒)である。Ea2は、水素を導入する工程における水素の拡散の活性化エネルギー(単位:eV)である。T2は、水素を導入する工程におけるアニールする温度(単位:K)である。 The hydrogen diffusion constant D2 is expressed by the following formula (10). D02 is a frequency factor (unit: cm2 /sec). Ea2 is the activation energy of hydrogen diffusion in the hydrogen introduction step (unit: eV). T2 is the annealing temperature in the hydrogen introduction step (unit: K).
ここで、シリコンウエハに含まれる酸素濃度が1×1017cm-3以上の時において、水素を導入する工程における水素の拡散定数D2は下記の式(11)で示される式により表される。シリコンウエハに含まれる酸素濃度が1×1017cm-3未満1×1015cm-3以上の時において、水素を導入する工程における水素の拡散定数D2は下記の式(12)で示される式により表される。シリコンウエハに含まれる酸素濃度が1×1015cm-3未満の時において、水素を導入する工程における水素の拡散定数D2は下記の式(13)で示される式により表される。これらの式(11)、式(12)、式(13)のそれぞれは、式(6)、式(7)、式(8)のそれぞれにおけるT1をT2に置き換えることで導出される。 Here, when the oxygen concentration contained in the silicon wafer is 1×10 17 cm −3 or more, the hydrogen diffusion constant D 2 in the step of introducing hydrogen is expressed by the following formula (11). When the oxygen concentration contained in the silicon wafer is less than 1×10 17 cm −3 and is 1×10 15 cm −3 or more, the hydrogen diffusion constant D 2 in the step of introducing hydrogen is expressed by the following formula (12). When the oxygen concentration contained in the silicon wafer is less than 1×10 15 cm −3 , the hydrogen diffusion constant D 2 in the step of introducing hydrogen is expressed by the following formula (13). Each of these formulas (11), (12), and (13) is derived by replacing T1 with T2 in each of formulas (6), (7), and (8).
従って、実施の形態2に係る半導体装置100の製造方法において、水素を導入する工程におけるアニールする時間t2および温度T2は、深さLを用いて、シリコンウエハに含まれる酸素濃度が1×1017cm-3以上の時において、下記の式(14)で示される関係式を満たすように決定されることが好ましい。水素を導入する工程におけるアニールする時間t2および温度T2は、シリコンウエハに含まれる酸素濃度が1×1017cm-3未満1×1015cm-3以上の時において、下記の式(15)で示される関係式を満たすように決定されることが好ましい。水素を導入する工程におけるアニールする時間t2および温度T2は、シリコンウエハに含まれる酸素濃度が1×1015cm-3未満の時において、下記の式(16)で示される関係式を満たすように決定されることが好ましい。
Therefore, in the manufacturing method of
このようにすれば、荷電粒子線を照射する工程の後に、水素を導入する工程が実施されても、半導体基板200が含む水素濃度は十分に調整することが可能である。水素濃度を調整することで、高抵抗領域の発生が抑制されたバッファ層を含む半導体装置100を得ることができる。In this way, even if a process of introducing hydrogen is carried out after the process of irradiating the charged particle beam, it is possible to sufficiently adjust the hydrogen concentration in the
なお、本実施の形態2に係る半導体装置100の製造方法は、酸素濃度を計測する工程を備えてもよい。具体的には、シリコンウエハに含まれる酸素濃度を二次イオン質量分析法によって計測する。シリコンウエハに含まれる酸素濃度は、表面構造を形成する工程(S2b)を実施した後で変化する。そのため、酸素濃度を計測する工程は、表面構造を形成する工程(S2b)の後に実施することが好ましい。
The manufacturing method of the
上述した半導体装置100の製造方法において、表面構造を形成する工程(S2b)、第1バッファ層を形成する工程(S4b)、裏面構造を形成する工程(S5b)、および裏面に電極を形成する工程(S9b)は、半導体装置100の種類に応じて適宜変更可能である。In the manufacturing method of the
<作用効果>
上記半導体装置100の製造方法について、水素を導入する工程(S7b)において、半導体基板200に水素が導入された領域の深さをLとする。ボルツマン定数をkとする。活性化アニールをする工程(S8b)において、アニールする時間をt1とし、アニールする時の温度をT1とする。深さLは、半導体基板200に含まれる酸素濃度が1×1017cm-3以上の時において、L=Rp-2×√{3.8×105×e{(-2.19)/(k×T1)}×t1}という関係式を満たす。深さLは、半導体基板200に含まれる酸素濃度が1×1017cm-3未満1×1015cm-3以上の時において、L=Rp-2×√{5.3×10-3×e{(-1.15)/(k×T1)}×t1}という関係式を満たす。深さLは、半導体基板200に含まれる酸素濃度が1×1015cm-3未満の時において、L=Rp-2×√{9.4×10-3×e{(-0.48)/(k×T1)}×t1}という関係式を満たす。
<Action and effect>
In the manufacturing method of the
このようにすれば、高抵抗領域が発生する領域の深さLを予測することができる。その結果、深さLから水素を導入する工程(S7b)におけるアニールする時の温度T2および時間t2を決定することができ、高抵抗領域の発生が抑制されたバッファ層2を含む半導体装置100を得ることができる。In this way, it is possible to predict the depth L of the region where a high resistance region occurs. As a result, it is possible to determine the temperature T2 and time t2 for annealing in the step (S7b) of introducing hydrogen from the depth L, and it is possible to obtain a
上記半導体装置100の製造方法について、水素を導入する工程(S7b)は、半導体基板200が水素を含む膜に接している状態、若しくは前記半導体基板200が水素雰囲気下に晒されている状態の少なくともいずれかの状態で、半導体基板200にアニールする工程を少なくとも含む。水素を導入する工程(S7b)において、アニールする時間をt2とし、アニールする時の温度をT2とする。この場合に、水素を導入する工程(S7b)において、アニールする時間t2およびアニールする時の温度T2は、半導体基板200に含まれる酸素濃度が1×1017cm-3以上の時において、L≦√{3.8×105×e{(-2.19)/(k×T2)}×t2}という関係式を満たす。アニールする時間t2およびアニールする時の温度T2は、半導体基板200に含まれる酸素濃度が1×1017cm-3未満1×1015cm-3以上の時において、L≦√{5.3×10-3×e{(-1.15)/(k×T2)}×t2}という関係式を満たす。アニールする時間t2およびアニールする時の温度T2は、半導体基板200に含まれる酸素濃度が1×1015cm-3未満の時において、L≦√{9.4×10-3×e{(-0.48)/(k×T2)}×t2}という関係式を満たす。
In the manufacturing method of the
このようにすれば、高抵抗領域が発生する領域の深さLから水素を導入する工程(S7b)におけるアニールする時の温度T2および時間t2を決定することができ、高抵抗領域の発生が抑制されたバッファ層2を含む半導体装置100を得ることができる。In this way, the annealing temperature T2 and time t2 in the step (S7b) of introducing hydrogen from the depth L of the region where the high resistance region occurs can be determined, and a
上記半導体装置100の製造方法について、半導体基板200に素子構造を形成する工程と、半導体基板200の酸素濃度を測定する工程とを備える。酸素濃度を測定する工程は、素子構造を形成する工程としての表面構造を形成する工程(S2b)の後に実施される。The manufacturing method of the
このようにすれば、シリコンウエハに含まれる酸素濃度を測定することができる。その結果、使用するシリコンウエハの種類が異なっても、高抵抗領域の発生が抑制されたバッファ層を含む半導体装置100を得ることができる。In this way, the oxygen concentration in the silicon wafer can be measured. As a result, even if different types of silicon wafers are used, it is possible to obtain a
また、実施の形態1および実施の形態2に係る半導体装置100の製造方法において、電極の材料、成膜方法、p型領域もしくはn型領域における不純物濃度などは、一般的な半導体装置100の設計条件に合わせて変更されてもよい。実施の形態1および実施の形態2に係る半導体装置100の製造方法によって、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)およびSBD(Schottky Barrier Diode)、Thyristorが製造されてもよい。
In addition, in the manufacturing method of the
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。矛盾のない限り、今回開示された実施の形態の少なくとも2つを組み合わせてもよい。本開示の基本的な範囲は、上記した説明ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。The embodiments disclosed herein should be considered to be illustrative and not restrictive in all respects. Unless inconsistent, at least two of the embodiments disclosed herein may be combined. The basic scope of the present disclosure is indicated by the claims, not the above description, and is intended to include all modifications within the meaning and scope of the claims.
1 n-型ドリフト層、1a 第1主面、1b 第2主面、2 n型バッファ層、3 p+型コレクタ層、4 p型コンタクト層、5 p型ベース層、6 n+型エミッタ層、7 ゲート絶縁膜、8 ゲート電極、9 層間絶縁膜、10 表面電極、11 裏面電極、21 n+型カソード層、22 p+型アノード層、100 半導体装置、200 半導体基板、D1,D2 水素の拡散定数、L 深さ、X 第1方向。 1 n - type drift layer, 1a first main surface, 1b second main surface, 2 n type buffer layer, 3 p + type collector layer, 4 p type contact layer, 5 p type base layer, 6 n + type emitter layer, 7 gate insulating film, 8 gate electrode, 9 interlayer insulating film, 10 front surface electrode, 11 rear surface electrode, 21 n + type cathode layer, 22 p + type anode layer, 100 semiconductor device, 200 semiconductor substrate, D1, D2 hydrogen diffusion constant, L depth, X first direction.
Claims (5)
前記半導体基板の全体に水素を導入する工程と、
前記半導体基板に荷電粒子線を照射する工程と、
前記荷電粒子線を照射する工程の後に、前記半導体基板に活性化アニールする工程とを備え、
前記水素を導入する工程は、前記荷電粒子線を照射する工程の前に実施される、半導体装置の製造方法。 Providing a semiconductor substrate;
introducing hydrogen into the entire semiconductor substrate;
irradiating the semiconductor substrate with a charged particle beam;
and performing activation annealing on the semiconductor substrate after the step of irradiating the charged particle beam,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the step of introducing hydrogen is performed before the step of irradiating with a charged particle beam .
前記半導体基板が水素を含む膜に接している状態、若しくは前記半導体基板が水素雰囲気下に晒されている状態の少なくともいずれかの状態で前記半導体基板にアニールする工程、前記半導体基板を水素プラズマに晒す工程、および水素イオンを含む液体に前記半導体基板を浸漬させる工程のいずれかの工程を含む、請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 The step of introducing hydrogen includes:
2. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, comprising any one of a step of annealing the semiconductor substrate in at least one of a state in which the semiconductor substrate is in contact with a film containing hydrogen or a state in which the semiconductor substrate is exposed to a hydrogen atmosphere, a step of exposing the semiconductor substrate to hydrogen plasma, and a step of immersing the semiconductor substrate in a liquid containing hydrogen ions.
前記半導体基板に水素を導入する工程と、
前記半導体基板に荷電粒子線を照射する工程と、
前記荷電粒子線を照射する工程の後に、前記半導体基板に活性化アニールする工程とを備え、
前記水素を導入する工程は、前記活性化アニールする工程の前に実施され、
前記水素を導入する工程において、前記半導体基板に水素が導入される領域の深さをLとし、ボルツマン定数をkとし、
前記荷電粒子線を照射する工程において、前記荷電粒子線の照射飛程をRpとし、
前記活性化アニールをする工程において、アニールする時間をt1とし、アニールする時の温度をT1とすると、
前記深さは、
前記半導体基板に含まれる酸素濃度が1×1017cm-3以上の時において、
L=Rp-2×√{3.8×105×e{(-2.19)/(k×T1)}×t1}
という関係式を満たし、
前記半導体基板に含まれる酸素濃度が1×1015cm-3以上1×1017cm-3未満の時において、
L=Rp-2×√{5.3×10-3×e{(-1.15)/(k×T1)}×t1}
という関係式を満たし、
前記半導体基板に含まれる酸素濃度が1×1015cm-3未満の時において、
L=Rp-2×√{9.4×10-3×e{(-0.48)/(k×T1)}×t1}
という関係式を満たす、半導体装置の製造方法。 Providing a semiconductor substrate;
introducing hydrogen into the semiconductor substrate;
irradiating the semiconductor substrate with a charged particle beam;
and performing activation annealing on the semiconductor substrate after the step of irradiating the charged particle beam,
The step of introducing hydrogen is carried out before the step of activating annealing;
In the step of introducing hydrogen, a depth of a region into which hydrogen is introduced into the semiconductor substrate is defined as L, a Boltzmann constant is defined as k,
In the step of irradiating the charged particle beam, an irradiation range of the charged particle beam is Rp,
In the activation annealing step, if the annealing time is t1 and the annealing temperature is T1,
The depth is
When the oxygen concentration contained in the semiconductor substrate is 1×10 17 cm −3 or more,
L = Rp - 2 x √{3.8 x 10 5 x e {(-2.19)/(k x T1)} x t1}
The following relation is satisfied:
When the oxygen concentration contained in the semiconductor substrate is 1×10 15 cm −3 or more and less than 1×10 17 cm −3 ,
L = Rp - 2 x √{5.3 x 10 -3 x e{ (-1.15)/(k x T1)} x t1}
The following relation is satisfied:
When the oxygen concentration contained in the semiconductor substrate is less than 1×10 15 cm −3 ,
L = Rp - 2 × √{9.4 × 10 -3 × e {(-0.48)/(k × T1)} × t1}
The method for manufacturing a semiconductor device satisfies the following relational expression.
前記水素を導入する工程において、アニールする時間をt2とし、アニールする時の温度をT2とした場合に、
前記水素を導入する工程において、アニールする時間およびアニールする時の温度は、
前記半導体基板に含まれる酸素濃度が1×1017cm-3以上の時において、
L≦√{3.8×105×e{(-2.19)/(k×T2)}×t2}
という関係式を満たし、
前記半導体基板に含まれる酸素濃度が1×1015cm-3以上1×1017cm-3未満の時において、
L≦√{5.3×10-3×e{(-1.15)/(k×T2)}×t2}
という関係式を満たし、
前記半導体基板に含まれる酸素濃度が1×1015cm-3未満の時において、
L≦√{9.4×10-3×e{(-0.48)/(k×T2)}×t2}
という関係式を満たす、請求項3に記載の半導体装置の製造方法。 the step of introducing hydrogen includes at least a step of annealing the semiconductor substrate in at least one of a state in which the semiconductor substrate is in contact with a film containing hydrogen and a state in which the semiconductor substrate is exposed to a hydrogen atmosphere;
In the hydrogen introduction step, when the annealing time is t2 and the annealing temperature is T2,
In the step of introducing hydrogen, the annealing time and the annealing temperature are:
When the oxygen concentration contained in the semiconductor substrate is 1×10 17 cm −3 or more,
L≦√{3.8×10 5 ×e {(−2.19)/(k×T2)} ×t2}
The following relation is satisfied:
When the oxygen concentration contained in the semiconductor substrate is 1×10 15 cm −3 or more and less than 1×10 17 cm −3 ,
L≦√{5.3× 10−3 ×e {(−1.15)/(k×T2)} ×t2}
The following relation is satisfied:
When the oxygen concentration contained in the semiconductor substrate is less than 1×10 15 cm −3 ,
L≦√{9.4× 10−3 ×e {(−0.48)/(k×T2)} ×t2}
4. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 3 , wherein the following relational expression is satisfied:
前記半導体基板の酸素濃度を測定する工程とを備え、
前記酸素濃度を測定する工程は、前記素子構造を形成する工程の後に実施される、請求項3または請求項4に記載の半導体装置の製造方法。 forming a device structure on the semiconductor substrate;
measuring an oxygen concentration in the semiconductor substrate;
5. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 3 , wherein the step of measuring the oxygen concentration is carried out after the step of forming the element structure.
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