JPH1197376A - High breakdown strength semiconductor device and fabrication thereof - Google Patents

High breakdown strength semiconductor device and fabrication thereof

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JPH1197376A
JPH1197376A JP25644597A JP25644597A JPH1197376A JP H1197376 A JPH1197376 A JP H1197376A JP 25644597 A JP25644597 A JP 25644597A JP 25644597 A JP25644597 A JP 25644597A JP H1197376 A JPH1197376 A JP H1197376A
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JP
Japan
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substrate
oxygen
diffusion
semiconductor device
silicon
Prior art date
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Application number
JP25644597A
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Japanese (ja)
Inventor
Saburo Oikawa
三郎 及川
Yasuhiro Mochizuki
康弘 望月
Susumu Murakami
進 村上
Isamu Sanpei
勇 三瓶
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Publication of JPH1197376A publication Critical patent/JPH1197376A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent intrusion of oxygen or other noxious gas during high temperature heat treatment of a semiconductor substrate by setting the concentration of oxygen being diffused into the range of a depletion layer, being generated upon application of a phase voltage to the pn junction of the semiconductor substrate, at a specified level or below. SOLUTION: A silicon oxide 11 is deposited on the oxidized surface of a silicon semiconductor substrate and implanted with baron ions 12 to form a p<+> layer 13. The p<+> layer 13 is subjected to drive in diffusion to form a P base layer 14 which is brought into pn junction 15. In this regard, the concentration of oxygen being diffused into the range of a depletion layer, being generated upon application of a phase voltage to the pn junction 15, is set at 7 ppm (3.5×10<17> atoms/cm<3> ) or below. Subsequently, silicon oxides 16, 18 and 20 are deposited and a phosphorus glass layer 23 is deposited thereon. Thereafter, cathode 24, anode 25 and gate 26 electrodes are formed and a polyimide is deposited and patterned.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は高耐圧大容量半導体
装置の製造方法に係り、特に耐圧の歩留まり、再現性に
優れた製造プロセスに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device having a high withstand voltage and a large capacity, and more particularly to a manufacturing process which is excellent in the yield and the reproducibility of the withstand voltage.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、シリコン半導体装置の製造方法に
おいては、pn接合を形成するためのp型ドーパントと
して、耐圧数kV以上の高耐圧大電流素子ではガリウム
やアルミニウムが、それ以下の中小耐圧の素子ではボロ
ンが広く用いられている。これは、ガリウムやアリミニ
ウムはシリコン中の拡散が早くて深い拡散層を形成しや
すいためであり、ボロンはイオン打ち込みや拡散の装置
・方法が容易であり、濃度制御がしやすいためである。
2. Description of the Related Art Conventionally, in a method of manufacturing a silicon semiconductor device, gallium or aluminum is used as a p-type dopant for forming a pn junction in a high-withstand-voltage large-current element having a withstand voltage of several kV or more, and a medium- or small-voltage with a lower voltage is used. Boron is widely used in devices. This is because gallium and aluminium diffuse quickly in silicon and easily form a deep diffusion layer, and boron is easily ion-implanted and diffused by a device / method, and is easily controlled in concentration.

【0003】また、拡散,酸化,アニール等の900℃
以上の高温の熱処理をした後は、約750℃付近までは
徐冷し、その後は、熱処理装置(熱処理炉)より取り出
し自然放冷させている。約750℃付近までは徐冷する
のは、シリコン結晶に欠陥、特に塑性変形による転位列
(スリップライン)が発生することを防止するためであ
る。シリコン結晶は構造敏感な上、結晶強度の温度依存
性が強く、室温では塑性変形しないが、約750℃以上
の高温においては急激な温度変化を与えると容易に塑性
変形してしまうためである。また、約750℃付近で熱
処理装置より取り出し自然放冷させるのは、1つは、結
晶中に拡散導入された酸素が約450℃付近の熱処理に
よりドナー化し結晶の抵抗率を変動させることを防止す
るため、もう1つは、冷却時間の短縮による生産性の向
上のためである。
[0003] In addition, diffusion, oxidation, annealing and the like at 900 ° C
After the above-mentioned high-temperature heat treatment, the temperature is gradually cooled to about 750 ° C., and thereafter, it is taken out from the heat treatment apparatus (heat treatment furnace) and naturally cooled. The gradual cooling to about 750 ° C. is performed to prevent generation of defects in the silicon crystal, particularly dislocation lines (slip lines) due to plastic deformation. This is because the silicon crystal is structurally sensitive and has a strong temperature dependence of the crystal strength, and does not undergo plastic deformation at room temperature, but easily undergoes plastic deformation at a high temperature of about 750 ° C. or more when a rapid temperature change is given. The reason for taking out from the heat treatment apparatus at about 750 ° C. and allowing it to cool naturally is that one is to prevent oxygen diffused into the crystal from becoming a donor by heat treatment at about 450 ° C. and fluctuating the resistivity of the crystal. Another reason is to improve productivity by shortening the cooling time.

【0004】これらの半導体装置の製造方法として関連
するものには例えば、特開昭49−67566号公報,特開昭4
9−53763号公報,特開平8−45946号公報等が挙げられ
る。また、シリコン結晶中の酸素のドナー化に関連する
ものには例えば、特公平5−11416号公報,特開平8−148
501号公報等が挙げられる。
Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 49-67566 and 49-67566 disclose related methods for manufacturing these semiconductor devices.
9-53763 and JP-A-8-45946. Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-11416, Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-148
No. 501 and the like.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】高耐圧大電流のシリコ
ン半導体装置を歩留まりが高く、再現性が良く、かつ信
頼性の高い製品を製造するにあたっては、次の課題があ
る。
In manufacturing a silicon semiconductor device having a high breakdown voltage and a large current with a high yield, good reproducibility, and high reliability, the following problems are required.

【0006】1.使用するシリコン半導体基板の抵抗率
が高い、換言するとドーパントの濃度が低く高純度のた
め、サーマルドナーや重金属不純物(ライフタイム)、
バルク微小欠陥(Bulk Micro Defects;BMD)に敏感
となっている。
[0006] 1. Due to the high resistivity of the silicon semiconductor substrate used, in other words, the low dopant concentration and high purity, thermal donors and heavy metal impurities (lifetime),
It is sensitive to Bulk Micro Defects (BMD).

【0007】2.高耐圧素子の製造には深い拡散層が必
要であり、高温で長時間の熱処理が実施される。この
時、結晶中に酸素や他の不純物が混入されやすい。特
に、酸素は他のドーパントに比べてシリコン中の拡散速
度が数桁大きく、結晶中に深く拡散侵入する。また、シ
リコン結晶中に拡散導入された酸素は結晶成長時に混入
した酸素に比べてドナー化しやすく、結晶の抵抗率の変
動(低下)を引き起こしたり、他の不純物との複合化に
よりライフタイムの低下や微小結晶欠陥を引き起こす核
となりやすいことが知られている。
[0007] 2. A deep diffusion layer is required for manufacturing a high breakdown voltage element, and a long-time heat treatment is performed at a high temperature. At this time, oxygen and other impurities are likely to be mixed into the crystal. In particular, the diffusion rate of oxygen in silicon is several orders of magnitude higher than that of other dopants, and oxygen diffuses deeply into the crystal. Oxygen diffused and introduced into a silicon crystal is more likely to become a donor than oxygen mixed during crystal growth, causing a change (decrease) in the resistivity of the crystal, and a reduction in lifetime due to compounding with other impurities. It is known that it is likely to become a nucleus causing microcrystal defects.

【0008】3.高耐圧大電流素子用のシリコン半導体
基板は、直径および厚みが大きく、高温熱処理後の冷却
時に基板内の温度分布に不均一が発生しやすく、素子特
性の均一性・再現性の確保が困難である。
3. A silicon semiconductor substrate for a high withstand voltage and high current device has a large diameter and a large thickness, and the temperature distribution in the substrate is likely to be non-uniform upon cooling after high-temperature heat treatment. Is difficult to secure.

【0009】4.高耐圧素子も中小耐圧素子と同様のプ
ロセス(例えば、拡散ソースを統一する)で製造できれ
ば、製造ラインの管理が容易となり、装置の利用効率も
向上でき、コストダウンが図れる。
4. If the high breakdown voltage element can be manufactured by the same process (for example, unifying the diffusion source) as the medium and small breakdown voltage element, the management of the manufacturing line becomes easy, the use efficiency of the apparatus can be improved, and the cost can be reduced.

【0010】これらのため、半導体基板の高温熱処理中
に酸素や他の有害不純物の侵入を極力防止し、また侵入
した酸素についてはドナー等の電気的に活性化されるこ
とや析出等のバルク微小欠陥の発生の核となることを防
止することが課題である。特に、pn接合用のp型拡散
層をボロン拡散により形成する場合は極めて長時間の高
温熱処理を実施するため、特別に配慮が必要である。
[0010] Therefore, intrusion of oxygen and other harmful impurities during the high-temperature heat treatment of the semiconductor substrate is prevented as much as possible. It is an issue to prevent a defect from being a nucleus. In particular, when a p-type diffusion layer for a pn junction is formed by boron diffusion, special consideration is required because an extremely long-time high-temperature heat treatment is performed.

【0011】上記従来技術は、このような高耐圧大電流
素子製造の特有の課題に対しては、特別の配慮がなされ
ていない。
In the above prior art, no special consideration is given to such a specific problem of manufacturing a high withstand voltage and large current element.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】上記課題は、以下の方法
により解決され、高耐圧大電流半導体素子を高い歩留ま
りで製造することができる。
The above object can be attained by the following method, and a high breakdown voltage and large current semiconductor device can be manufactured with a high yield.

【0013】1.半導体基板中への酸素の拡散侵入を防
止するためには、高温長時間のドライブイン拡散の雰囲
気は酸素〔O2〕及び酸素化合物(水蒸気〔H2O〕,亜
酸化窒素〔N2O〕,二酸化炭素〔CO2〕等)を避け、
窒素〔N2〕,水素〔H2〕または不活性ガス(アルゴン
〔Ar〕,ヘリウム〔He〕)およびこれらの混合ガス
とする。
1. In order to prevent the diffusion of oxygen into the semiconductor substrate, the atmosphere for the drive-in diffusion at a high temperature for a long time should be oxygen [O 2 ] and an oxygen compound (steam [H 2 O], nitrous oxide [N 2 O]). , Carbon dioxide [CO 2 ] etc.)
Nitrogen [N 2 ], hydrogen [H 2 ] or an inert gas (argon [Ar], helium [He]) and a mixed gas thereof.

【0014】2.同様に、高温長時間のドライブイン拡
散以前の工程においても酸素の拡散侵入を極力防止する
ことが必要である。ドライブイン拡散の前の工程で拡散
導入された酸素がドライブイン拡散により更に深く拡散
した後の濃度分布は次式で示されるプロフィルとなる。
これからドライブイン拡散以前の工程における酸素の拡
散量(拡散条件)の許容量を計算できる。
2. Similarly, it is necessary to prevent oxygen from diffusing and entering as much as possible in the step before the drive-in diffusion at a high temperature for a long time. The concentration distribution after the oxygen introduced in the step before the drive-in diffusion is further diffused by the drive-in diffusion has a profile represented by the following equation.
From this, the allowable amount of oxygen diffusion amount (diffusion condition) in the process before the drive-in diffusion can be calculated.

【0015】[0015]

【数1】N=(2N0/π)√(D11/D22)exp[−
{x/2√(D22)}2] ただし、N : ドライブイン拡散後の半導体基板中の
酸素濃度プロフィール N0 : ドライブイン拡散の前の工程の条件における酸
素の固溶度 D1 : ドライブイン拡散の前の工程の条件における酸
素の拡散係数 D2 : ドライブイン拡散工程の条件における酸素の拡
散係数 t1 : ドライブイン拡散の前の工程の条件における熱
処理時間 t2 : ドライブイン拡散工程の条件における熱処理時
間 x : 半導体基板の表面からの深さ 3.更に、半導体基板結晶中に拡散導入されてしまった
酸素が、電気的・結晶学的に不活性な状態とし、素子特
性に悪い影響を及ぼす様な活性な状態にならないように
することが必要である。例えば、450℃付近の熱処理
による結晶中の酸素のドナー化(Thermal donor;TD
)、650℃付近の熱処理によるTDの消滅とニュー
ドナー(new donor )の発生、1200℃付近の熱処理
による酸素誘起結晶欠陥(Oxidation Induced Stacking
Faults;OSF )等の変化が起きることが知られてい
る。即ち、高温の熱処理ではOSFが発生しやすく、中
低温の熱処理では各種の状態の酸素析出が発生する。特
に高耐圧素子の製造に際しては、pn接合が基板表面か
ら深い位置に形成されるために、表面層よりも基板内部
(バルク)の結晶の特性が重要となり、ドナー化等の結
晶内部の変動の発生を促進するような条件の熱処理温度
を避けることが必要である。
N = (2N 0 / π) √ (D 1 t 1 / D 2 t 2 ) exp [−
{X / 2 } (D 2 t 2 )} 2 ] where N: oxygen concentration profile in the semiconductor substrate after drive-in diffusion N 0 : solid solubility of oxygen in the process conditions before drive-in diffusion D 1 : Diffusion coefficient of oxygen under the condition of the process before drive-in diffusion D 2 : Diffusion coefficient of oxygen under the condition of the drive-in diffusion process t 1 : Heat treatment time under the condition of the process before the drive-in diffusion t 2 : Drive-in diffusion 2. Heat treatment time under process conditions x: Depth from surface of semiconductor substrate Furthermore, it is necessary that oxygen diffused into the semiconductor substrate crystal be made in an electrically and crystallographically inactive state and not in an active state that adversely affects device characteristics. is there. For example, thermal donor (TD) is performed by heat treatment at about 450 ° C.
), TD annihilation by heat treatment around 650 ° C and generation of new donors (Oxidation Induced Stacking) by heat treatment around 1200 ° C
It is known that changes such as Faults (OSF) occur. That is, OSF is likely to be generated in a high-temperature heat treatment, and oxygen precipitation in various states occurs in a medium-low temperature heat treatment. In particular, in manufacturing a high breakdown voltage element, since the pn junction is formed at a position deep from the substrate surface, the characteristics of the crystal inside the substrate (bulk) are more important than the surface layer, and fluctuations in the crystal inside such as donors are reduced. It is necessary to avoid heat treatment temperatures under conditions that promote generation.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面を用
いて詳細に説明する。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

【0017】図3は、6kV・6kAゲートターンオフ
サイリスタ(GTO)の製造工程を示す部分断面の模式
図である。GTOは1つの基板に数100μm2 の面積
の単位素子が数1000個形成されており、図面では単
位素子の断面を示している。なお、半導体素子の断面の
寸法の縮尺(倍尺)は、通例と同様に、正確さよりも判
り易さを重視して表示してある。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a manufacturing process of a 6 kV-6 kA gate turn-off thyristor (GTO). In the GTO, several thousand unit elements having an area of several 100 μm 2 are formed on one substrate, and the drawing shows a cross section of the unit element. Note that the scale (double size) of the cross-sectional dimension of the semiconductor element is displayed with emphasis on easy-to-understand accuracy rather than accuracy, as usual.

【0018】(a)はシリコン半導体結晶基板10を示
す。この結晶基板10の品位は、製法フローティングゾ
ーン(FZ)法、結晶方位(111)面、導電型n型
(中性子照射によるドーピング)、抵抗率315±15
Ω−cm、厚み1.050mm 、直径150mmφ、含有酸素
濃度2.5×1015atoms/cm3(50ppb)以下である。 (b)はシリコン半導体結晶基板10を酸化し表面にシ
リコン酸化膜11を形成した状態を示す。酸化の条件は
900℃、15min 、乾燥酸素気流中で実施し、形成さ
れるシリコン酸化膜に厚みは75nmである。これは、
次工程のイオン打ち込み時のチャンネリングを防止する
ためである。この時、シリコン半導体結晶基板10中に
酸素が拡散導入されるが、その濃度は結晶基板表面で最
大Cs =1×1017atoms/cm3、拡散深さxj =5μ
m、拡散量は補誤差関数分布として計算するとQ=1.
3×1012atoms/cm2である。
FIG. 1A shows a silicon semiconductor crystal substrate 10. The quality of the crystal substrate 10 is as follows: manufacturing method: floating zone (FZ) method, crystal orientation (111) plane, conductivity type n-type (doping by neutron irradiation), resistivity 315 ± 15
Ω-cm, thickness 1.050 mm, diameter 150 mmφ, oxygen concentration 2.5 × 10 15 atoms / cm 3 (50 ppb) or less. (B) shows a state where the silicon semiconductor crystal substrate 10 is oxidized to form a silicon oxide film 11 on the surface. The oxidation is performed at 900 ° C. for 15 minutes in a dry oxygen stream, and the thickness of the formed silicon oxide film is 75 nm. this is,
This is to prevent channeling at the time of ion implantation in the next step. At this time, oxygen is diffused and introduced into the silicon semiconductor crystal substrate 10, the concentration of which is maximum C s = 1 × 10 17 atoms / cm 3 on the surface of the crystal substrate and the diffusion depth x j = 5 μm.
m, the diffusion amount is Q = 1.
3 × 10 12 atoms / cm 2 .

【0019】(c)はpベース層形成のためのボロンイ
オン12を打ち込みをした状態を示す。ボロンのイオン
打ち込みは、加速電圧75kV、ドーズ量3×1015io
ns/cm2であり、深さ約0.2μmのp+ 層13が形成さ
れた。
FIG. 3C shows a state in which boron ions 12 for forming the p base layer are implanted. For boron ion implantation, an acceleration voltage of 75 kV and a dose of 3 × 10 15 io
A p + layer 13 of ns / cm 2 and a depth of about 0.2 μm was formed.

【0020】(d)は上記ボロンイオン打ち込み層をド
ライブイン拡散してpベース層14を形成した状態を示
す。ドライブイン拡散の条件は、温度1250℃、時間
150h、雰囲気は初期45min は酸素気流中、その後は
窒素気流中である。雰囲気の選定は、初期はシリコン酸
化膜が形成されることによるボロンの外向拡散(Out−D
iffusion )を防止するためとシリコン窒化膜の形成と
その結晶化による表面の粗れを防止するためであり、そ
の後窒素への切り替えは結晶中への酸素の拡散導入を防
ぐためである。この結果、ボロンの拡散深さxj =60
±3μm、最大濃度Cs =2×1018atoms/cm3のpベ
ース層14が形成され、pn接合15ができる。
FIG. 3D shows a state in which the p-base layer 14 is formed by drive-in diffusion of the boron ion-implanted layer. The conditions for drive-in diffusion are temperature 1250 ° C and time
For 150 hours, the atmosphere was initially in an oxygen stream for 45 minutes, and thereafter in a nitrogen stream. Atmosphere is selected in the beginning by the outward diffusion of boron due to the formation of a silicon oxide film (Out-D
This is to prevent iffusion) and to prevent surface roughness due to the formation of a silicon nitride film and its crystallization, and then to switch to nitrogen to prevent diffusion of oxygen into the crystal. As a result, the boron diffusion depth x j = 60
A p base layer 14 of ± 3 μm and a maximum concentration C s = 2 × 10 18 atoms / cm 3 is formed, and a pn junction 15 is formed.

【0021】また、この時拡散導入される酸素濃度は、
拡散初期の酸素雰囲気中による補誤差関数分布で導入さ
れ、それが窒素雰囲気中の拡散でガウス分布すると、最
大Cs=0.7×1017atoms/cm3となる。なお本発明の
実施例ではpベ−ス層を形成するのに、ボロンのイオン
打ち込み層を例にとって説明したが、本発明の効果を達
成するのには、なにもボロンだけに限られず、p型の不
純物として第3族の原子であるガリウムあるいはアルミ
ニウムを用いプロセス条件を適切に設定することによ
り、同様の不純物濃度分布や酸素濃度分布を得ることが
できる。
At this time, the concentration of oxygen introduced by diffusion is:
When introduced in a complementary error function distribution in an oxygen atmosphere at the beginning of the diffusion and when it is Gaussian distributed in a nitrogen atmosphere, the maximum C s becomes 0.7 × 10 17 atoms / cm 3 . In the embodiment of the present invention, the ion implantation layer of boron has been described as an example for forming the p-based layer. However, the effect of the present invention is not limited to boron. A similar impurity concentration distribution and oxygen concentration distribution can be obtained by appropriately setting the process conditions using gallium or aluminum which is a Group 3 atom as the p-type impurity.

【0022】(e)はリンの選択拡散のマスク用のシリ
コン酸化膜16を形成した状態を示す。シリコンの酸化
は1100℃,120min 、水蒸気雰囲気中であり、厚
み約1.0μm のシリコン酸化膜16が形成され、その
後、両面アライナを用いたホトリソグラフィにより窓開
けした。なお、この条件では、既に結晶基板中に拡散導
入された酸素の分布はほとんど変化しない。
FIG. 2E shows a state in which a silicon oxide film 16 for use as a mask for selective diffusion of phosphorus is formed. The silicon was oxidized at 1100 ° C. for 120 minutes in a water vapor atmosphere to form a silicon oxide film 16 having a thickness of about 1.0 μm. Thereafter, a window was opened by photolithography using a double-sided aligner. Under this condition, the distribution of oxygen already diffused into the crystal substrate hardly changes.

【0023】(f)はリンを拡散した状態を示す。リン
の拡散条件は、ソースとしてオキシ三塩化リン(POC
3 )を使用し、拡散温度900℃,時間70min であ
る。 (g)はゲート電極配線領域のエッチングのマスク用の
シリコン酸化膜18を形成した状態を示す。シリコンの
酸化は1100℃,5h,水蒸気雰囲気中であり、厚み
約1.6μm のシリコン酸化膜18が形成され、その
後、通常のホトリソグラフィ法により窓開けした。前述
の様に、既に結晶基板中に拡散導入された酸素の分布は
ほとんど変化しない。
(F) shows a state where phosphorus is diffused. Phosphorus diffusion conditions are as follows: phosphorus oxytrichloride (POC
l 3 ) at a diffusion temperature of 900 ° C. for a time of 70 min. (G) shows a state in which a silicon oxide film 18 for use as a mask for etching the gate electrode wiring region is formed. The silicon was oxidized at 1100 ° C. for 5 hours in a water vapor atmosphere to form a silicon oxide film 18 having a thickness of about 1.6 μm. Thereafter, a window was opened by a usual photolithography method. As described above, the distribution of oxygen already diffused and introduced into the crystal substrate hardly changes.

【0024】(h)はゲート電極配線領域をエッチング
した状態を示す。マイクロ波ドライエッチング装置によ
り、フレオン(CF4 )と酸素の混合ガスを使用し放電
圧力10Paの半等方性エッチングで、深さ29μmの
溝19を形成した。
(H) shows a state where the gate electrode wiring region is etched. A groove 19 having a depth of 29 μm was formed by semi-isotropic etching at a discharge pressure of 10 Pa using a mixed gas of freon (CF 4 ) and oxygen by a microwave dry etching apparatus.

【0025】(i)はボロンの選択拡散のマスク用のシ
リコン酸化膜20を形成し、ボロン拡散した状態を示
す。これは、pエミッタ層21及びゲートコンタクト層
22の形成のためである。酸化の条件は(e)の場合と
同様である。ボロンの拡散条件は、ソースとしてボロン
ナイトライドウエハ(BN)を使用し、拡散温度1020
℃,時間120min である。
FIG. 2I shows a state in which a silicon oxide film 20 for masking selective diffusion of boron is formed and boron is diffused. This is for forming the p emitter layer 21 and the gate contact layer 22. The oxidation conditions are the same as in the case (e). The boron diffusion conditions are such that a boron nitride wafer (BN) is used as a source and a diffusion temperature is 1020.
° C, time 120 min.

【0026】更にその後、拡散層全体のプロフィールを
調整するため1200℃,16hの酸素窒素混合気流中
での拡散熱処理を加えた。
Thereafter, in order to adjust the profile of the entire diffusion layer, a diffusion heat treatment was performed at 1200 ° C. for 16 hours in an oxygen-nitrogen mixed gas flow.

【0027】(j)はカソード−ゲート間のパッシベー
ション用に前工程で形成されているシリコン酸化膜の上
に、CVD法により基板温度405℃でリンガラス(P
SG)層23を堆積させ、1000℃,30min 、酸素
雰囲気中で焼きしめした。本工程は最後の高温処理であ
り、ここで注意を要することは、冷却方法である。まず
第1に、表面電荷密度を制御するため窒素またはアルゴ
ン等の非酸化性雰囲気とする。第2に、シリコン結晶中
に拡散導入された酸素は約450℃の熱処理によりドナ
ーになりやすいため、700〜600℃までは熱処理炉
内で1℃/min 程度で徐冷し、その後、炉から取り出
し、約−70℃の冷風を吹き付け強制的に急冷すること
が重要である。なお、液体窒素中に投棄して急冷するこ
とはドナ−化防止にはより効果があるが、直接液中に投
棄するとウエハが破損するので好ましくない。
(J) shows a case where phosphorus glass (P) is deposited on a silicon oxide film formed in a previous step for passivation between a cathode and a gate at a substrate temperature of 405 ° C. by a CVD method.
SG) layer 23 was deposited and baked at 1000 ° C. for 30 minutes in an oxygen atmosphere. This step is the final high-temperature treatment, and what should be noted here is the cooling method. First, a non-oxidizing atmosphere such as nitrogen or argon is used to control the surface charge density. Second, since oxygen diffused into the silicon crystal is likely to become a donor by heat treatment at about 450 ° C., the oxygen is gradually cooled at about 1 ° C./min in a heat treatment furnace from 700 to 600 ° C. It is important to take it out and blow it with cold air of about -70 ° C to forcibly quench it. It is to be noted that discarding in liquid nitrogen for rapid cooling is more effective in preventing the formation of donors, but discarding directly in liquid is not preferable because the wafer is damaged.

【0028】更にホトリソグラフィによりパタ−ニング
した。
Further, patterning was performed by photolithography.

【0029】(k)はカソード24,アノード25,ゲ
ート26の各電極をアルミニウムのスパッタリング(基
板加熱温度200〜230℃)とホトリソグラフィによ
り形成し、更にゲート配線の絶縁保護膜としてポリイミ
ド膜27をコーティングしパターニングした状態を示
す。
(K), the respective electrodes of the cathode 24, the anode 25, and the gate 26 are formed by sputtering aluminum (at a substrate heating temperature of 200 to 230 ° C.) and photolithography, and further form a polyimide film 27 as an insulating protective film for the gate wiring. The state after coating and patterning is shown.

【0030】以上によりゲートターンオフサイリスタの
ウエハプロセスが完了し、その後、ペレタイズして、パ
ッケージングされる。
Thus, the wafer process of the gate turn-off thyristor is completed, and thereafter, it is pelletized and packaged.

【0031】以上のプロセス条件を選定した理由を以下
に詳述する。
The reason for selecting the above process conditions will be described in detail below.

【0032】図1は、シリコン半導体基板結晶中のドー
パント及び酸素の拡散濃度プロフィールを示す。合わせ
てpn接合の空乏層の拡がり領域も示している。酸素の
拡散濃度プロフィールは、ボロンのドライブイン拡散
(図3における(d)の工程)の雰囲気から算出したも
のである。酸素の濃度プロフィールは、ドライブイン拡
散雰囲気を調節することにより制御することが可能であ
ることが判る。即ち、ドライブイン拡散を酸素雰囲気中
で150h実施した場合は、基板中のpn接合の空乏層
近傍には拡散温度における固溶限に近い約10×1017
atoms/cm3の酸素が導入される。ドライブイン拡散の酸
素雰囲気の時間を短くし、非酸化性(窒素)雰囲気の時間
を長くするに従って、酸素の拡散導入量を減少できる。
FIG. 1 shows a diffusion concentration profile of dopant and oxygen in a silicon semiconductor substrate crystal. In addition, the spreading region of the depletion layer of the pn junction is also shown. The oxygen diffusion concentration profile was calculated from the atmosphere of boron drive-in diffusion (step (d) in FIG. 3). It can be seen that the oxygen concentration profile can be controlled by adjusting the drive-in diffusion atmosphere. That is, when the drive-in diffusion is performed for 150 hours in an oxygen atmosphere, the vicinity of the depletion layer of the pn junction in the substrate is about 10 × 10 17 which is close to the solid solubility limit at the diffusion temperature.
Oxygen of atoms / cm 3 is introduced. As the time in the oxygen atmosphere for drive-in diffusion is shortened and the time in the non-oxidizing (nitrogen) atmosphere is lengthened, the amount of oxygen introduced and diffused can be reduced.

【0033】図2の○印はシリコン基板中のpn接合の
空乏層近傍の酸素と素子の耐圧歩留まりの関係を示す。
横軸の酸素濃度は図1からのものである。縦軸の耐圧歩
留まりは、24〜40mmφの小型TEG(Test Element
Group)によるものである。150mmφの基板から12
個TEGが採取できそれぞれの条件で約200個のサン
プルを評価したものである。耐圧不良としては主として
電圧−電流特性がソフト波形を示し、印加電圧数100
〜1000V付近からリーク電流が電圧の3.0〜5.0
乗に比例して増大する現象を示している。
The circles in FIG. 2 show the relationship between oxygen near the depletion layer of the pn junction in the silicon substrate and the breakdown voltage yield of the device.
The oxygen concentration on the horizontal axis is from FIG. The withstand voltage yield on the vertical axis is a small TEG (Test Element
Group). 12 from 150mmφ substrate
Individual TEGs were collected, and about 200 samples were evaluated under each condition. As the breakdown voltage defect, the voltage-current characteristic mainly shows a soft waveform, and the applied voltage number 100
The leakage current increases from 3.0 to 5.0 of the voltage from about 1000 V to about 1000 V.
The phenomenon increases in proportion to the power.

【0034】ドライブイン拡散の全工程を酸素雰囲気と
した場合や酸素雰囲気での拡散時間が長い場合は、アノ
ード−カソード間の耐圧歩留まりが良くなく(リーク電
流が大きく)、シリコン結晶中のpn接合の空乏層の酸
素濃度が、3.5×1017atoms/cm3以下の場合に耐圧
歩留まりが良好となることが判る。これらの現象は、シ
リコン結晶中の酸素を核とした析出物がソースと考えら
れる。
When the entire process of drive-in diffusion is performed in an oxygen atmosphere or when the diffusion time in the oxygen atmosphere is long, the breakdown voltage yield between the anode and the cathode is not good (large leak current), and the pn junction in the silicon crystal is poor. It can be seen that when the oxygen concentration of the depletion layer is 3.5 × 10 17 atoms / cm 3 or less, the breakdown voltage yield is improved. These phenomena are considered to be caused by a precipitate with oxygen in the silicon crystal as a nucleus.

【0035】一方、全部の酸化膜(図3(c)の11)
を除去し、ドライブイン拡散の全工程を窒素雰囲気中で
した場合は、アノード−カソード間の耐圧歩留まりは良
好であるが、次の2つの欠点がある。1つは、ゲート−
カソード間のリーク電流が大きくなってしまう。これ
は、シリコン基板表面に高温長時間のドライブイン拡散
時にシリコン窒化膜が形成され、これが結晶化して、室
温に冷却後シリコン基板表面層に大きなストレスを与
え、著しい場合には結晶欠陥を発生させているためであ
ると推定される。もう1つは、ライフタイムのばらつき
が大きいことである。基板n層の少数キャリアのライフ
タイムは通常80〜120μsであるが、10μs程度
に低下する場合もある。これは、分析では検出限界以下
で同程できていないが、シリコン酸化膜のマスク効果が
ないため、極微量の重金属等の汚染を受けやすいためと
推定される。
On the other hand, all oxide films (11 in FIG. 3C)
Is removed and the entire process of drive-in diffusion is performed in a nitrogen atmosphere, the breakdown voltage yield between the anode and the cathode is good, but it has the following two disadvantages. One is the gate-
The leakage current between the cathodes increases. This is because a silicon nitride film is formed on the silicon substrate surface during drive-in diffusion at high temperature and for a long time, and this crystallizes and, after cooling to room temperature, applies a large stress to the silicon substrate surface layer. It is estimated that this is the case. The other is that the lifetime varies widely. The lifetime of minority carriers in the substrate n-layer is usually 80 to 120 μs, but may be reduced to about 10 μs in some cases. This is presumed to be due to the fact that there is no masking effect of the silicon oxide film, and it is likely to be contaminated with a trace amount of heavy metals and the like, although the analysis has not been carried out at the detection limit or less.

【0036】図2中のX1,X2,X3,X4印は、シ
リコン基板中のpn接合の空乏層近傍の酸素と素子の耐
圧歩留まりの関係の高温処理後の冷却方法の効果を示
す。
X1, X2, X3, and X4 marks in FIG. 2 show the effect of the cooling method after the high-temperature treatment on the relationship between oxygen near the depletion layer of the pn junction in the silicon substrate and the breakdown voltage yield of the device.

【0037】X1印は600〜700℃から冷風を吹き
付けて強制冷却したもの、X2印は液体窒素中に浸積し
て強制冷却したもの、X3印は通常と同様に炉から取り
出し空気中で放冷したもの、X4印は炉内に放置して冷
却したものを示す。耐圧歩留まりは、150mmφのTE
G1ロット25ウエハによるものである。耐圧不良とし
ては主としてブレイクオーバー電圧が低下している。耐
圧不良品の結晶基板内部を調査すると、基板の抵抗率が
低下しているものがみられる。特に冷却速度が小さいロ
ットでかつホルダの中央付近にセットしたものに多くみ
られ、冷却時に結晶中に拡散導入された酸素がドナー化
したものと推定される。大口径で厚いシリコン半導体基
板を多数処理する場合は、ロット内及びウエハ内の温度
分布は、高温時のみならず冷却時も均一性の制御が必要
であることが判る。
The mark X1 was forcibly cooled by blowing cold air from 600 to 700 ° C., the mark X2 was immersed in liquid nitrogen and forcibly cooled, and the mark X3 was taken out of the furnace and discharged in the air as usual. The cooled ones and X4 indicate the ones that were left in the furnace and cooled. Withstand pressure yield is 150mmφ TE
G1 lot is based on 25 wafers. As a breakdown voltage defect, the breakover voltage is mainly lowered. Inspection of the inside of the crystal substrate having a withstand voltage defect shows that the resistivity of the substrate is lowered. In particular, it is often found in lots having a low cooling rate and set near the center of the holder, and it is presumed that oxygen diffused and introduced into the crystal during cooling turned into a donor. When a large number of large-diameter silicon semiconductor substrates are processed, it is understood that the temperature distribution in the lot and in the wafer needs to be controlled not only at high temperatures but also at cooling.

【0038】以上の実施例においては、6kVゲートタ
ーンオフサイリスタの製造プロセスについて述べたが、
シリコン結晶中に拡散導入された酸素のドナー化は、冷
却時に最大3×1012atoms/cm3程度生成され、これは
抵抗率200Ω−cmのものを10%低下させるのに相当
する。このため、抵抗率200Ω−cm以上のシリコン基
板を使用する約4kV以上の高耐圧半導体装置の製造プ
ロセスには同様の注意を要することが判る。
In the above embodiment, the manufacturing process of the 6 kV gate turn-off thyristor has been described.
The donor of oxygen diffused and introduced into the silicon crystal is generated at a maximum of about 3 × 10 12 atoms / cm 3 at the time of cooling, which is equivalent to reducing the resistivity of 200 Ω-cm by 10%. For this reason, it can be seen that similar care is required in the process of manufacturing a high breakdown voltage semiconductor device of about 4 kV or more using a silicon substrate having a resistivity of 200 Ω-cm or more.

【0039】結晶中への酸素の導入が少ないpn接合の
形成方法としては、上述のイオン打ち込みと非酸化性雰
囲気中のドライブイン拡散法の他に、基板上へのエピタ
キシャル成長法、基板上に堆積させたドープドシリコン
膜からのドライブイン拡散法等も可能である。
As a method of forming a pn junction with little introduction of oxygen into a crystal, in addition to the above-described ion implantation and drive-in diffusion in a non-oxidizing atmosphere, an epitaxial growth method on a substrate, and a deposition method on a substrate A drive-in diffusion method or the like from the doped silicon film is also possible.

【0040】[0040]

【発明の効果】本発明によれば、簡単なプロセスでシリ
コン高耐圧半導体装置を高歩留まりで再現性良く量産で
きる。
According to the present invention, a high-voltage silicon semiconductor device can be mass-produced with high yield and high reproducibility by a simple process.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明のシリコン半導体基板中のドーパント等
の拡散プロフィールを示すグラフである。
FIG. 1 is a graph showing a diffusion profile of a dopant and the like in a silicon semiconductor substrate of the present invention.

【図2】本発明のシリコン半導体基板中に拡散導入され
た酸素濃度と耐圧歩留まりの関係を示すグラフである。
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the concentration of oxygen diffused and introduced into a silicon semiconductor substrate of the present invention and the yield withstand voltage.

【図3】本発明の実施例を示す半導体装置の製造工程毎
の断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device according to an embodiment of the present invention for each manufacturing process.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…シリコン半導体基板、12…ボロンイオン打ち込
み、14…p型(ボロン)拡散層、15…pn接合。
10: silicon semiconductor substrate, 12: boron ion implantation, 14: p-type (boron) diffusion layer, 15: pn junction.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三瓶 勇 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Isamu Isabi 7-1-1, Omika-cho, Hitachi City, Ibaraki Prefecture Within Hitachi Research Laboratory, Hitachi, Ltd.

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】シリコン半導体基板に該基板の導電型を反
転させるドーパントを拡散してpn接合を形成した半導
体装置において、該半導体基板のpn接合に逆電圧を印
加した時に発生する空乏層の範囲内に拡散導入される酸
素の濃度が7ppm(3.5×1017atoms/cm3)以下とす
ることを特徴とする高耐圧半導体装置。
In a semiconductor device having a pn junction formed by diffusing a dopant for inverting the conductivity type of a silicon semiconductor substrate into a pn junction, a range of a depletion layer generated when a reverse voltage is applied to the pn junction of the semiconductor substrate. A high breakdown voltage semiconductor device, characterized in that the concentration of oxygen diffused into the semiconductor device is 7 ppm (3.5 × 10 17 atoms / cm 3 ) or less.
【請求項2】シリコン半導体基板に該基板の導電型を反
転させるイオンを打ち込みした後、該基板を所定の非酸
化性雰囲気中で高温に加熱して該イオンを基板中に拡散
させてpn接合を形成することを特徴とする高耐圧半導
体装置の製造方法。
2. Implanting ions for inverting the conductivity type of a silicon semiconductor substrate into a silicon semiconductor substrate, and then heating the substrate to a high temperature in a predetermined non-oxidizing atmosphere to diffuse the ions into the substrate to form a pn junction. Forming a high breakdown voltage semiconductor device.
【請求項3】シリコン半導体基板の主表面上に該基板の
導電型を反転させるドーパントを含むシリコン膜を堆積
した後、該基板を所定の非酸化性雰囲気中で高温に加熱
して該ドーパントを基板中に拡散させてpn接合を形成
することを特徴とする高耐圧半導体装置の製造方法。
3. Depositing a silicon film containing a dopant that inverts the conductivity type of the substrate on the main surface of the silicon semiconductor substrate, and heating the substrate to a high temperature in a predetermined non-oxidizing atmosphere to remove the dopant. A method for manufacturing a high-breakdown-voltage semiconductor device, comprising forming a pn junction by diffusing a semiconductor device into a substrate.
【請求項4】請求項2または3において、シリコン半導
体基板中へのドーパントの拡散時の雰囲気は、該基板中
への酸素の拡散導入量が3.5×1017atoms/cm3 以下
となるような酸素量の雰囲気とすることを特徴とする高
耐圧半導体装置の製造方法。
4. The atmosphere according to claim 2, wherein the amount of oxygen introduced into said silicon semiconductor substrate during diffusion is 3.5 × 10 17 atoms / cm 3 or less. A method for manufacturing a high-breakdown-voltage semiconductor device, characterized by using an atmosphere having such an oxygen amount.
【請求項5】請求項4において、シリコン半導体基板中
へのドーパントの拡散時の雰囲気は、拡散の初期のみ酸
素雰囲気とし、その後は非酸化性ガス雰囲気とすること
を特徴とする高耐圧半導体装置の製造方法。
5. The high breakdown voltage semiconductor device according to claim 4, wherein the atmosphere during the diffusion of the dopant into the silicon semiconductor substrate is an oxygen atmosphere only at the beginning of the diffusion, and thereafter a non-oxidizing gas atmosphere. Manufacturing method.
【請求項6】シリコン半導体結晶基板を高温の熱処理を
した後、該結晶基板の温度が少なくとも500℃〜40
0℃の間を急冷して、該結晶基板中に拡散導入された酸
素がドナーとなることを防止することを特徴とする高耐
圧半導体装置の製造方法。
6. After the silicon semiconductor crystal substrate is subjected to a high-temperature heat treatment, the temperature of the crystal substrate is at least 500 ° C. to 40 ° C.
A method for manufacturing a high-breakdown-voltage semiconductor device, characterized by quenching between 0 ° C. to prevent oxygen diffused and introduced into said crystal substrate from becoming a donor.
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