JPWO2012063342A1 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

半導体装置の製造方法であって、半導体基板の有効領域に向けて光を照射する工程を有しており、前記光の波長は、前記光の強度が高くなると半導体基板の光吸収率が高くなる波長であり、前記工程では半導体基板の内部で焦点が形成されるように光を照射する。

Description

本明細書に開示の技術は、結晶欠陥が形成された半導体層を有する半導体装置の製造方法に関する。
半導体基板に荷電粒子(電子やイオン等)を注入することによって、半導体基板中に結晶欠陥を形成する技術が知られている。例えば、日本国特許公開公報2008−177203(以下、特許文献1という)には、半導体基板に不純物イオンを注入することによって、半導体基板中に結晶欠陥を形成する技術が開示されている。半導体基板中に結晶欠陥を形成することで、その結晶欠陥が形成された領域におけるキャリアのライフタイムを短縮化することができる。これによって、半導体装置の特性を制御することができる。
上述した荷電粒子を注入する技術では、半導体基板の厚さ方向に沿って荷電粒子を注入する。このとき、荷電粒子の加速エネルギーを制御することで、半導体基板に荷電粒子が打ち込まれる深さ(すなわち、半導体基板の厚さ方向における荷電粒子の停止位置)を制御することができる。結晶欠陥は、荷電粒子の停止位置で最も多く形成される。したがって、荷電粒子を注入するエネルギーを制御することで、半導体基板の厚さ方向における結晶欠陥の位置を制御することができる。しかしながら、結晶欠陥は、荷電粒子が停止する位置だけでなく、荷電粒子の移動経路にも形成される。従来の結晶欠陥の形成方法では、結晶欠陥を形成する目標の深さ以外の深さにも、結晶欠陥が形成されてしまうという問題があった。
したがって、本明細書では、目標の深さ以外の深さに結晶欠陥が形成されることを抑制しながら、目標の深さに結晶欠陥を形成することができる技術を提供する。
本明細書は、半導体装置の製造方法を開示する。この製造方法は、半導体基板の有効領域に向けて光を照射する工程を有している。前記光の波長は、前記光の強度が高くなると半導体基板の光吸収率が高くなる波長である。前記工程では、半導体基板の内部で焦点が形成されるように光を照射する。
なお、上記の「光の強度が高くなると半導体基板の光吸収率が高くなる」とは、光の強度が高いほど半導体基板の光吸収率が高くなる(すなわち、光吸収率が連続的に上昇する)ことと、光の強度が所定値を超えると半導体基板の光吸収率が高くなる(すなわち、光吸収率がステップ状に上昇する)こととを含む。例えば、光の強度が所定値未満では半導体基板の光吸収率が低く、光の強度が所定値以上となると二光子吸収が生じて半導体基板の光吸収率が高くなるような波長の光を用いることができる。
また、上記の「有効領域」とは、半導体装置の端面(ダイシングにより形成される半導体基板の端面)となる領域以外の領域を意味する。前記光は、有効領域に向けて照射される必要があるが、特に、半導体装置の使用時に電流が流れる領域(すなわち、キャリアが通過する領域)に照射されることが好ましい。
この製造方法では、半導体基板の内部で焦点が形成されるように半導体基板に向けて光を照射する。焦点以外の領域では光の強度が低いので、半導体基板の光吸収率が低い。このため、焦点以外の領域では半導体基板が光を透過し易い。したがって、焦点以外の領域には結晶欠陥が形成され難い。一方、焦点は光の強度が高いので、半導体基板の光吸収率が高い。このため、焦点では半導体基板が光を吸収する。したがって、半導体基板中の焦点の位置に結晶欠陥が形成される。このように、この製造方法では、焦点以外の領域に結晶欠陥が形成されることを抑制しながら、焦点の位置に結晶欠陥を形成することができる。したがって、結晶欠陥を形成する目標の深さに焦点を位置させることで、目標の深さ以外の深さに結晶欠陥が形成されることを抑制しながら、目標の深さに結晶欠陥を形成することができる。この製造方法によれば、半導体基板中で焦点の位置を移動させることで、半導体基板中に自由に結晶欠陥を分布させることができる。
上述した製造方法は、前記工程において、前記焦点を半導体基板の深さ方向に移動させることが好ましい。
このような構成によれば、結晶欠陥を半導体基板の厚さ方向に沿って分布させることができる。なお、従来の荷電粒子を注入する技術でも、結晶欠陥を半導体基板の厚さ方向に沿って分布させることはできる。しかしながら、従来の技術では、荷電粒子の停止位置に形成される結晶欠陥の密度と荷電粒子の移動経路に形成される結晶欠陥の密度とが異なるので、半導体基板の厚さ方向における結晶欠陥の密度分布を制御することができない。これに対し、この技術では、焦点を半導体基板の深さ方向に移動させるときの光の強度や移動速度を制御することで、半導体基板の厚さ方向における結晶欠陥の密度分布を制御することができる。したがって、この技術によれば、従来にない態様で結晶欠陥を分布させることができる。
半導体装置10の断面図。 半導体基板12にレーザ光を照射する工程の説明図。 半導体基板12にレーザ光を照射する工程の説明図。 半導体基板12にレーザ光を照射する工程の説明図。 第1変形例の半導体装置の断面図。 第2変形例の半導体装置の断面図。 第3変形例の半導体装置の断面図。 第4変形例の半導体装置の断面図。 第5変形例の半導体装置の断面図。 第6変形例の半導体装置の断面図。
(実施例)
図1は、実施例の製造方法により製造される半導体装置10の縦断面図を示している。半導体装置10は、シリコンからなる半導体基板12と、半導体基板12の上面及び下面に形成されている金属層及び絶縁層等を備えている。半導体基板12には、ダイオード領域20とIGBT領域40が形成されている。なお、以下の説明では、ダイオード領域20からIGBT領域40に向かう方向をX方向といい、半導体基板12の厚さ方向をZ方向といい、X方向とZ方向の両方に直交する方向をY方向という。
ダイオード領域20内の半導体基板12の上面には、アノード電極22が形成されている。IGBT領域40内の半導体基板12の上面には、エミッタ電極42が形成されている。半導体基板12の下面には、共通電極60が形成されている。
ダイオード領域20には、アノード層26、ダイオードドリフト層28、カソード層30が形成されている。
アノード層26は、p型である。アノード層26は、アノードコンタクト領域26aと低濃度アノード層26bを備えている。アノードコンタクト領域26aは、半導体基板12の上面に露出する範囲に、島状に形成されている。アノードコンタクト領域26aは、不純物濃度が高い。アノードコンタクト領域26aは、アノード電極22に対してオーミック接続されている。低濃度アノード層26bは、アノードコンタクト領域26aの下側及び側方に形成されている。低濃度アノード層26bの不純物濃度は、アノードコンタクト領域26aより低い。
ダイオードドリフト層28は、アノード層26の下側に形成されている。ダイオードドリフト層28は、n型であり、不純物濃度が低い。
カソード層30は、ダイオードドリフト層28の下側に形成されている。カソード層30は、半導体基板12の下面に露出する範囲に形成されている。カソード層30は、n型であり、不純物濃度が高い。カソード層30は、共通電極60に対してオーミック接続されている。
アノード層26、ダイオードドリフト層28、及び、カソード層30によってダイオードが形成されている。
IGBT領域40には、エミッタ領域44、ボディ層48、IGBTドリフト層50、コレクタ層52、及び、ゲート電極54等が形成されている。
IGBT領域40内の半導体基板12の上面には、複数のトレンチが形成されている。各トレンチの内面には、ゲート絶縁膜56が形成されている。各トレンチの内部に、ゲート電極54が形成されている。ゲート電極54の上面は絶縁膜58により覆われている。ゲート電極54は、エミッタ電極42から絶縁されている。
エミッタ領域44は、半導体基板12の上面に露出する範囲に、島状に形成されている。エミッタ領域44は、ゲート絶縁膜56に接する範囲に形成されている。エミッタ領域44は、n型であり、不純物濃度が高い。エミッタ領域44は、エミッタ電極42に対してオーミック接続されている。
ボディ層48は、p型である。ボディ層48は、ボディコンタクト領域48aと低濃度ボディ層48bを備えている。ボディコンタクト領域48aは、半導体基板12の上面に露出する範囲に、島状に形成されている。ボディコンタクト領域48aは、2つのエミッタ領域44の間に形成されている。ボディコンタクト領域48aは、不純物濃度が高い。ボディコンタクト領域48aは、エミッタ電極42に対してオーミック接続されている。低濃度ボディ層48bは、エミッタ領域44及びボディコンタクト領域48aの下側に形成されている。低濃度ボディ層48bは、ゲート電極54の下端より浅い範囲に形成されている。低濃度ボディ層48bの不純物濃度は、ボディコンタクト領域48aよりも低い。低濃度ボディ層48bによって、エミッタ領域44がIGBTドリフト層50から分離されている。ゲート電極54は、エミッタ領域44とIGBTドリフト層50を分離している範囲の低濃度ボディ層48bにゲート絶縁膜56を介して対向している。
IGBTドリフト層50は、ボディ層48の下側に形成されている。IGBTドリフト層50は、n型である。IGBTドリフト層50は、ドリフト層50aとバッファ層50bを備えている。ドリフト層50aは、ボディ層48の下側に形成されている。ドリフト層50aは、不純物濃度が低い。ドリフト層50aは、ダイオードドリフト層28と略同じ不純物濃度を有しており、ダイオードドリフト層28と連続する層である。バッファ層50bは、ドリフト層50aの下側に形成されている。バッファ層50bは、ドリフト層50aよりも不純物濃度が高い。
コレクタ層52は、IGBTドリフト層50の下側に形成されている。コレクタ層52は、半導体基板12の下面に露出する範囲に形成されている。コレクタ層52は、p型であり、不純物濃度が高い。コレクタ層52は、共通電極60に対してオーミック接続されている。
エミッタ領域44、ボディ層48、IGBTドリフト層50、コレクタ層52、及び、ゲート電極54によってIGBTが形成されている。
ダイオード領域20とIGBT領域40の間には、分離領域70が形成されている。分離領域70は、半導体基板12の上面からアノード層26の下端及びボディ層48の下端より深い深さまでの範囲に形成されている。分離領域70は、アノード層26及びボディ層48に接している。分離領域70は、p型である。分離領域70の不純物濃度は、低濃度アノード層26b及び低濃度ボディ層48bより高い。分離領域70は、アノード層26とボディ層48の間において電界が集中することを抑制する。特に、分離領域70は、分離領域70近傍のゲート電極54に電界が集中することを抑制する。
分離領域70の下側では、ダイオードドリフト層28とドリフト層50aが連続している。また、分離領域70の下側では、カソード層30とコレクタ層52とが互いに接している。
半導体基板12内には、ライフタイム制御領域39、49、59が形成されている。ライフタイム制御領域39、49、59は、多数の結晶欠陥が存在している領域である。ライフタイム制御領域39、49、59内の結晶欠陥密度は、その周囲の半導体層に比べて極めて高い。
ライフタイム制御領域39は、ダイオードドリフト層28内に形成されている。ライフタイム制御領域39は、XY平面に沿って形成されている。ライフタイム制御領域39は、アノード層26の近傍の深さであり、分離領域70の下端より深い深さに形成されている。
ライフタイム制御領域59は、ドリフト層50a内に形成されている。ライフタイム制御領域59は、XY平面に沿って形成されている。ライフタイム制御領域59は、バッファ層50bの近傍の深さに形成されている。
ライフタイム制御領域49は、分離領域70の下側のn型領域内(すなわち、ダイオードドリフト層28とドリフト層50aとが連続している領域)内に形成されている。ライフタイム制御領域49は、YZ平面に沿って形成されている。ライフタイム制御領域49は、ライフタイム制御領域39の端部39aから、ライフタイム制御領域59の端部59aまで伸びている。
半導体装置10のダイオードの動作について説明する。アノード電極22と共通電極60の間に、アノード電極22がプラスとなる電圧(すなわち、順電圧)を印加すると、ダイオードがオンする。すなわち、アノード電極22から、アノード層26、ダイオードドリフト層28、及び、カソード層30を経由して、共通電極60に電流が流れる。ダイオードに印加される電圧を順電圧から逆電圧に切り換えると、ダイオードが逆回復動作を行う。すなわち、順電圧印加時にダイオードドリフト層28内に存在していたホールがアノード電極22に排出され、順電圧印加時にダイオードドリフト層28内に存在していた電子が共通電極60に排出される。これによって、ダイオードに逆電流が流れる。逆電流は、短時間で減衰し、その後は、ダイオードに流れる電流は略ゼロとなる。ダイオードライフタイム制御領域39に形成されている結晶欠陥は、キャリアの再結合中心として機能する。したがって、逆回復動作時に、ダイオードドリフト層28内のキャリアの多くが、ダイオードライフタイム制御領域39内で再結合により消滅する。したがって、半導体装置10では、逆回復動作時に生じる逆電流が抑制される。
半導体装置10のIGBTの動作について説明する。エミッタ電極42と共通電極60の間に共通電極60がプラスとなる電圧を印加し、ゲート電極54にオン電位(チャネルが形成されるのに必要な電位以上の電位)を印加すると、IGBTがオンする。すなわち、ゲート電極54へのオン電位の印加により、ゲート絶縁膜56に接する範囲の低濃度ボディ層48bにチャネルが形成される。すると、電子が、エミッタ電極42から、エミッタ領域44、チャネル、IGBTドリフト層50、及び、コレクタ層52を介して、共通電極60に流れる。また、ホールが、共通電極60から、コレクタ層52、IGBTドリフト層50、低濃度ボディ層48b、及び、ボディコンタクト領域48aを介して、エミッタ電極42に流れる。すなわち、共通電極60からエミッタ電極42に電流が流れる。ゲート電極54に印加する電位を、オン電位からオフ電位に切り換えると、チャネルが消失する。しかしながら、ドリフト層50a内に残留しているキャリアによって、短時間の間はIGBTに電流(テール電流と呼ばれる)が流れ続ける。テール電流は、短時間で減衰し、その後は、IGBTに流れる電流は略ゼロとなる。ライフタイム制御領域59に形成されている結晶欠陥は、キャリアの再結合中心として機能する。したがって、ターンオフ動作時に、ドリフト層50a内のキャリアの多くが、ライフタイム制御領域59内で再結合により消滅する。したがって、半導体装置10では、ターンオフ動作時にテール電流が生じ難い。
半導体装置10では、ダイオード領域20とIGBT領域40の間(分離領域70の下側)に、ライフタイム制御領域49が形成されている。ライフタイム制御領域49によって、上述した逆電流やテール電流が、ダイオードドリフト領域28とドリフト領域50aの間に跨って流れることが抑制される。これによっても、逆電流とテール電流が抑制される。
次に、半導体装置10の製造方法について説明する。最初に、従来公知の方法によって、図1に示す半導体装置10の構造のうち、共通電極60と、ライフタイム制御領域39、49、59以外の構造を形成する。次に、図2に示すように、レーザ照射装置80によって、半導体基板12の裏面側から半導体基板12にレーザ光82を照射する。以下、レーザ光82を照射する工程について、詳細に説明する。
レーザ照射装置80が照射するレーザ光82は、近赤外線である。また、レーザ照射装置80は、レーザ光源と、レーザ光源からのレーザ光82を集光する光学系を備えている。光学系は、複数のレンズ等によって構成されている。レーザ照射装置80により照射されるレーザ光82は、所定の位置に焦点を結ぶ。
レーザ光82の強度が低い場合には、近赤外線であるレーザ光82はシリコンからなる半導体基板12を透過する。レーザ光82の強度(すなわち、光子密度)が閾値以上である場合には、半導体基板12中で二光子吸収が生じる。したがって、この場合にはレーザ光82が半導体基板12に吸収される。すなわち、レーザ光82の強度が高くなると、半導体基板12の光吸収率が高くなる。レーザ光82の強度は、焦点以外の位置では前記閾値よりも低く、焦点では前記閾値よりも高い。
半導体基板12にレーザ光を照射する工程では、最初に、半導体基板12とレーザ照射装置80との間の距離を調節する。ここでは、図2に示すように、ライフタイム制御領域39に相当する深さでレーザ光82の焦点84が結ばれるように距離を調節する。なお、レーザ光82は、半導体基板12の下面において屈折するので、距離を調節する必要がある。
次に、レーザ照射装置80でレーザ光82を照射する。レーザ照射装置80から照射されたレーザ光は、焦点84以外では強度が低い。したがって、レーザ光は半導体基板12内に入射し、ライフタイム制御領域39に相当する深さで焦点84を結ぶ。焦点84では、レーザ光の強度が高い。このため、半導体基板12中の焦点84の位置で二光子吸収が起こり、その位置に結晶欠陥が形成される。また、レーザ光82を照射しながら、図2の矢印90に示すように、レーザ照射装置80と半導体基板12との相対位置を変化させる。ここでは、Z方向におけるこれらの相対位置を変化させないで、X方向及びY方向においてこれらの相対位置を変化させる。すなわち、焦点84をXY平面に沿って移動させる。これによって、ダイオードドリフト領域28内を焦点84により走査する。その結果、図3に示すように、ダイオードドリフト領域28内にXY平面に沿って分布する多数の結晶欠陥が形成される。すなわち、ライフタイム制御領域39が形成される。
図3に示すようにライフタイム制御領域39を形成したら、次に、ライフタイム制御領域49を形成する。すなわち、分離領域70の下側において、図3の矢印92に示すようにレーザ照射装置80を移動させて、焦点84をYZ平面に沿って移動させる。これによって、ライフタイム制御領域49に相当する領域をレーザ光82により走査する。その結果、図4に示すように、YZ平面に沿って分布する多数の結晶欠陥が形成される。すなわち、ライフタイム制御領域49が形成される。
ライフタイム制御領域49を形成したら、次に、ライフタイム制御領域59を形成する。すなわち、ライフタイム制御領域59に相当する深さにおいて、図4の矢印94に示すようにレーザ照射装置80を移動させて、焦点84をXY平面に沿って移動させる。これによって、ライフタイム制御領域59に相当する領域をレーザ光82により走査する。その結果、ドリフト領域59a内にXY平面に沿って分布する多数の結晶欠陥が形成される。すなわち、ライフタイム制御領域59が形成される。
レーザ光の照射によりライフタイム制御領域39、49、59を形成したら、半導体基板12に対して300℃〜500℃の低温アニールを行う。これによって、形成した結晶欠陥を安定化させる。
低温アニールを行ったら、共通電極60を形成し、その後にダイシングを行うことで、半導体装置10が完成する。
以上に説明したように、本実施例の技術によれば、レーザ光の焦点の位置に結晶欠陥を形成することができ、焦点以外の位置(レーザ光の強度が低い位置)には結晶欠陥がほとんど形成されない。したがって、この技術によれば、目標の深さ以外の深さに結晶欠陥が形成されることを抑制しながら、目標の深さに結晶欠陥を形成することができる。このため、従来に比べてより自由に結晶欠陥を分布させることができる。また、この技術では、レーザ照射装置80を移動させていない状態であれば、レーザの照射方向に対して直交する方向(実施例でいうX方向及びY方向)においても、焦点の位置だけに結晶欠陥を形成することができる。このため、半導体基板12中で焦点84の位置を移動させることで、自由に結晶欠陥を分布させることができる。すなわち、レーザ光を操作する速度、及び、レーザ光の強度を制御することで、結晶欠陥の密度を制御することができる。従来の荷電粒子を注入する方法のように、ステンシルマスク等を用いて荷電粒子の注入範囲を制限したりする必要が無く、より簡単に結晶欠陥を形成することができる。
また、実施例の技術によれば、焦点84を半導体基板12の厚さ方向に移動させることで、結晶欠陥を半導体基板12の厚さ方向に沿って分布させることができる。密度を制御した状態で結晶欠陥を厚さ方向に分布させることができるので、従来に無い態様で結晶欠陥が分布している半導体装置を製造することができる。例えば、一定の密度で結晶欠陥を厚さ方向に分布させることができる。
なお、上述した実施例の製造方法は、ライフタイム制御領域39、49、59を形成したが、必ずしもこれらの全てを形成する必要はない。必要に応じて、これらのうちの一部のみを形成するようにしてもよいし、これらの他に結晶欠陥を形成してもよい。
また、上述した実施例では、ダイオードとIGBTを有する半導体装置10の製造方法について説明したが、本明細書に開示の技術により他の半導体装置を製造してもよい。例えば、図5に示すように、IGBTのみを備える半導体装置を製造してもよい。また、図6、7に示すように、IGBTの回りにFLR88等の耐圧構造を備えた半導体装置を製造してもよい。なお、図6、7に示すように、結晶欠陥の位置は適宜変更することができる。図6では、FLR88の下部には結晶欠陥(すなわち、ライフタイム制御領域59)を形成していない。図7では、FLR88の下部に結晶欠陥を形成し、かつ、ボディ領域48bの下部に結晶欠陥を厚く形成している。また、図8に示すように、ダイオードのみを備える半導体装置を製造してもよい。また、図9、10に示すように、ダイオードの回りにFLR89等の耐圧構造を備えた半導体装置を製造してもよい。なお、図9、10に示すように、結晶欠陥の位置は適宜変更することができる。図9では、FLR89の下部には結晶欠陥(すなわち、ライフタイム制御領域39)を形成していない。図10では、FLR89の下部に結晶欠陥を形成し、かつ、アノード領域26の下部に結晶欠陥を厚く形成している。なお、上述した図5〜図10の半導体装置において、図1の半導体装置と機能が共通する部分については、同じ参照番号を付している。
このような構成によれば、結晶欠陥を半導体基板の厚さ方向に沿って分布させることができる。なお、従来の荷電粒子を注入する技術でも、結晶欠陥を半導体基板の厚さ方向に沿って分布させることはできる。しかしながら、従来の技術では、荷電粒子の停止位置に形成される結晶欠陥の密度と荷電粒子の移動経路に形成される結晶欠陥の密度とが異なるので、半導体基板の厚さ方向における結晶欠陥の密度分布を制御することができない。これに対し、この技術では、焦点を半導体基板の深さ方向に移動させるときの光の強度や移動速度を制御することで、半導体基板の厚さ方向における結晶欠陥の密度分布を制御することができる。したがって、この技術によれば、従来にない態様で結晶欠陥を分布させることができる。また、前記焦点の位置に、キャリアの再結合中心として機能する結晶欠陥が形成されてもよい。

Claims (5)

  1. 半導体装置の製造方法であって、
    半導体基板の有効領域に向けて光を照射する工程を有しており、
    前記光の波長は、前記光の強度が高くなると半導体基板の光吸収率が高くなる波長であり、
    前記工程では、半導体基板の内部で焦点が形成されるように光を照射する、
    ことを特徴とする製造方法。
  2. 前記工程において、前記焦点を半導体基板の深さ方向に移動させることを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
  3. 前記半導体基板には、IGBTが形成されており、
    前記工程において、IGBTのドリフト領域内に焦点を形成することを特徴とする請求項1または2に記載の製造方法。
  4. 前記半導体基板には、ダイオードが形成されており、
    前記工程において、ダイオードのドリフト領域内に焦点を形成することを特徴とする請求項1または2に記載の製造方法。
  5. 前記半導体基板には、IGBTとダイオードが形成されており、
    IGBTのドリフト領域とダイオードのドリフト領域が連続しており、
    前記工程において、IGBTのドリフト領域とダイオードのドリフト領域の間で焦点を移動させることを特徴とする請求項1または2に記載の製造方法。
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