JPWO2013141141A1 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、本発明を適用した半導体装置としてダイオードを示す断面図である。図1に示す半導体装置100は、ダイオードの例を示すが、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)であってもよい。
次に、上記構成の半導体装置100についての特性について説明する。図9は、第1の実施の形態にかかるダイオードの活性部の製造工程におけるアニール後のキャリア濃度の深さ方向の分布の測定結果を示す特性図である。プロトン炉において水素濃度が0%と4%のそれぞれでアニールを行った際の図1のX−X’軸部分の広がり抵抗測定法(SRA:Spreading Resistance Analysis)による測定結果を示している(図22〜24においても同様)。このSRA法により測定したキャリア濃度は、キャリアの移動度が結晶の理想値と同じ場合はほぼドーピング濃度を示す。一方、結晶欠陥が多い場合や結晶の乱れ(ディスオーダー)が多い場合には、移動度が下がるので広がり抵抗が増加し、キャリア濃度が低く測定される(つまり、見かけ上、ドーピング濃度が低い値となる)。図中0の位置は、カソード電極106とn+層101bの境界である(図22〜24においても同様)。水素濃度が0%の場合、図中点線で示すように、プロトンが通過した箇所は多量の結晶欠陥が生じるため、n層101aからn+層101bへの間において、キャリア濃度が下がっていることがわかる。
次に、第2の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法について説明する。第2の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法は、プロトンの加速エネルギーとアニール条件が第1の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法と異なる。第2の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法のプロトンのアニール条件以外の構成は、第1の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法と同様である。
次に、第3の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法について説明する。第3の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法が第1の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、プロトンの加速エネルギーと、欠陥回復とドナー化率とが所望の状態となるように、水素濃度が0.5%以上4.65%未満の雰囲気において340℃より高く400℃以下の温度のプロトンのアニールを行う点である。このため、第3の実施の形態においては、各工程を行う順序が第1の実施の形態と異なり、プロトンのアニール後に、ライフタイム制御のための電子線照射および熱処理を行う。
次に、第4の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法について説明する。第4の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法が第1の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、加速エネルギーと、ドナー化率を高くするために、水素濃度が0.5%以上4.65%未満の雰囲気において300℃〜450℃の温度でプロトンのアニールを行う点である。このため、第4の実施の形態においては、各工程を行う順序が第1の実施の形態と異なり、プロトンのアニール後に、おもて面保護膜の形成と、ライフタイム制御のための電子線照射および熱処理とを行う。
以上において本発明は、半導体基板にダイオードを形成する半導体装置の製造方法について説明したが、上述した実施の形態に限らず、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)のn層(フィールドストップ層)101aを作製するものについても同様に適用することが可能である。
次に、フィールドストップ層の位置についての説明を、第6の実施の形態として説明する。プロトン注入によるフィールドストップ層は、当然1つだけでなく複数形成してもよい。以下では、複数回のプロトン注入において、1段目のフィールドストップ層のプロトンピーク位置の好ましい位置について説明する。1段目のフィールドストップ層とは、ダイオードの場合はn+型カソード層、IGBTの場合はp+型コレクタ層側となる基板裏面から、深さ方向で最も深い箇所に位置するフィールドストップ層のことである。
次に、本発明にかかる半導体装置の製造方法におけるプロトンの加速エネルギーについての説明を、第7の実施の形態として説明する。上記のγの範囲を満たすように、空乏層が最初に達するフィールドストップ層のピーク位置が基板裏面からの距離Xを有するように当該フィールドストップ層を実際にプロトン注入で形成するには、プロトンの加速エネルギーを図16に示す特性図から決めればよい。図16は、本発明にかかる半導体装置のプロトンの飛程とプロトンの加速エネルギーとの関係を示す特性図である。
次に、本発明にかかる半導体装置の逆回復波形についての説明を、第8の実施の形態として説明する。図21は、本発明にかかる半導体装置の逆回復波形を示す特性図である。図21には、第1の実施の形態にしたがって作製された本発明(以下、実施例1とする)の逆回復波形と、プロトン注入を行わずに電子線照射のみとした比較例の逆回復波形とを示す。定格電圧は1200Vとし、FZシリコン基板のドーピング濃度(平均濃度)Nd、および、研削後のFZシリコン基板の仕上がり厚さW0は図17の通りである。基板裏面から最も深いフィールドストップ層のγは1である。電子線照射条件は、本発明では線量を300kGyとし、加速エネルギーを5MeVとした。比較例では線量を60kGyとした。本発明および比較例のいずれも定格電流密度(図17の1200Vの欄)における順電圧降下は1.8Vとした。試験条件は、電源電圧VCCを800Vとし、初期の定常的なアノード電流を定格電流(電流密度×活性面積約1cm2)とし、チョッパー回路においてダイオード、駆動用IGBT(同じ1200V)、中間コンデンサとの浮遊インダクタンスを200nHとした。
101 n-型半導体基板
101a n層(フィールドストップ層)
101b n+型カソード層(n+層)
102 p型アノード層
104 終端領域
105 アノード電極
106 カソード電極
107 フィールドプレート
108 絶縁層
200 半導体装置(IGBT)
図1は、本発明を適用した半導体装置としてダイオードを示す断面図である。図1に示す半導体装置100は、ダイオードの例を示すが、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)であってもよい。
次に、上記構成の半導体装置100についての特性について説明する。図9は、第1の実施の形態にかかるダイオードの活性部の製造工程におけるアニール後のキャリア濃度の深さ方向の分布の測定結果を示す特性図である。プロトン炉において水素濃度が0%と4%のそれぞれでアニールを行った際の図1のX−X'軸部分の広がり抵抗測定法(SRA:Spreading Resistance Analysis)による測定結果を示している(図22〜24においても同様)。このSRA法により測定したキャリア濃度は、キャリアの移動度が結晶の理想値と同じ場合はほぼドーピング濃度を示す。一方、結晶欠陥が多い場合や結晶の乱れ(ディスオーダー)が多い場合には、移動度が下がるので広がり抵抗が増加し、キャリア濃度が低く測定される(つまり、見かけ上、ドーピング濃度が低い値となる)。図中0の位置は、カソード電極106とn+層101bの境界である(図22〜24においても同様)。水素濃度が0%の場合、図中点線で示すように、プロトンが通過した箇所は多量の結晶欠陥が生じるため、n層101aからn+層101bへの間において、キャリア濃度が下がっていることがわかる。
次に、第2の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法について説明する。第2の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法は、プロトンの加速エネルギーとアニール条件が第1の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法と異なる。第2の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法のプロトンのアニール条件以外の構成は、第1の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法と同様である。
次に、第3の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法について説明する。第3の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法が第1の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、プロトンの加速エネルギーと、欠陥回復とドナー化率とが所望の状態となるように、水素濃度が0.5%以上4.65%未満の雰囲気において340℃より高く400℃以下の温度のプロトンのアニールを行う点である。このため、第3の実施の形態においては、各工程を行う順序が第1の実施の形態と異なり、プロトンのアニール後に、ライフタイム制御のための電子線照射および熱処理を行う。
次に、第4の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法について説明する。第4の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法が第1の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、加速エネルギーと、ドナー化率を高くするために、水素濃度が0.5%以上4.65%未満の雰囲気において300℃〜450℃の温度でプロトンのアニールを行う点である。このため、第4の実施の形態においては、各工程を行う順序が第1の実施の形態と異なり、プロトンのアニール後に、おもて面保護膜の形成と、ライフタイム制御のための電子線照射および熱処理とを行う。
以上において本発明は、半導体基板にダイオードを形成する半導体装置の製造方法について説明したが、上述した実施の形態に限らず、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)のn層(フィールドストップ層)101aを作製するものについても同様に適用することが可能である。
次に、フィールドストップ層の位置についての説明を、第6の実施の形態として説明する。プロトン注入によるフィールドストップ層は、当然1つだけでなく複数形成してもよい。以下では、複数回のプロトン注入において、1段目のフィールドストップ層のプロトンピーク位置の好ましい位置について説明する。1段目のフィールドストップ層とは、ダイオードの場合はn+型カソード層、IGBTの場合はp+型コレクタ層側となる基板裏面から、深さ方向で最も深い箇所に位置するフィールドストップ層のことである。
次に、本発明にかかる半導体装置の製造方法におけるプロトンの加速エネルギーについての説明を、第7の実施の形態として説明する。上記のγの範囲を満たすように、空乏層が最初に達するフィールドストップ層のピーク位置が基板裏面からの距離Xを有するように当該フィールドストップ層を実際にプロトン注入で形成するには、プロトンの加速エネルギーを図16に示す特性図から決めればよい。図16は、本発明にかかる半導体装置のプロトンの飛程とプロトンの加速エネルギーとの関係を示す特性図である。
次に、本発明にかかる半導体装置の逆回復波形についての説明を、第8の実施の形態として説明する。図21は、本発明にかかる半導体装置の逆回復波形を示す特性図である。図21には、第1の実施の形態にしたがって作製された本発明(以下、実施例1とする)の逆回復波形と、プロトン注入を行わずに電子線照射のみとした比較例の逆回復波形とを示す。定格電圧は1200Vとし、FZシリコン基板のドーピング濃度(平均濃度)Nd、および、研削後のFZシリコン基板の仕上がり厚さW0は図17の通りである。基板裏面から最も深いフィールドストップ層のγは1である。電子線照射条件は、本発明では線量を300kGyとし、加速エネルギーを5MeVとした。比較例では線量を60kGyとした。本発明および比較例のいずれも定格電流密度(図17の1200Vの欄)における順電圧降下は1.8Vとした。試験条件は、電源電圧VCCを800Vとし、初期の定常的なアノード電流を定格電流(電流密度×活性面積約1cm2)とし、チョッパー回路においてダイオード、駆動用IGBT(同じ1200V)、中間コンデンサとの浮遊インダクタンスを200nHとした。
101 n-型半導体基板
101a n層(フィールドストップ層)
101b n+型カソード層(n+層)
102 p型アノード層
104 終端領域
105 アノード電極
106 カソード電極
107 フィールドプレート
108 絶縁層
200 半導体装置(IGBT)
Claims (13)
- 第1導電型の半導体基板の裏面からプロトン注入する注入工程と、
前記注入工程後に、前記半導体基板をアニール炉でアニール処理を行うことによって、前記半導体基板よりも高い不純物濃度を有する第1導電型の第1半導体領域を形成する形成工程と、を含み、
前記形成工程は、前記アニール炉を水素雰囲気中とし、当該水素の容積濃度を0.5%以上4.65%未満で行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記半導体装置はダイオードであり、前記第1導電型の前記第1半導体領域がn型のフィールドストップ層であり、前記半導体基板がカソード層であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記半導体装置は絶縁ゲート型バイポーラトランジスタであり、前記第1導電型の前記第1半導体領域がn型のフィールドストップ層であり、前記半導体基板がドリフト層であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記水素の容積濃度は、前記半導体基板の前記n型のフィールドストップ層からカソード電極までの領域のキャリア濃度を基板濃度程度にできる濃度に設定したことを特徴とする請求項2に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記水素の容積濃度は、前記半導体基板の前記n型のフィールドストップ層からコレクタ電極までの領域のキャリア濃度を基板濃度程度にできる濃度に設定したことを特徴とする請求項3に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記アニール処理のアニール温度は300℃〜450℃であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記アニール処理のアニール温度は350℃〜400℃であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記アニール処理の処理時間は1時間〜10時間であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記アニール処理の処理時間は3時間〜7時間であることを特徴とする請求項8に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記アニール処理の処理時間は5時間以下であることを特徴とする請求項8に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記プロトン注入のプロトンの注入量は、3×1012/cm2〜5×1014/cm2であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記プロトン注入のプロトンの注入量は、1×1013/cm2〜1×1014/cm2であることを特徴とする請求項11に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記プロトン注入のプロトンの注入エネルギーEの対数log(E)をyとし、前記プロトンの飛程Rpの対数log(Rp)をxとすると、y=−0.0047x4+0.0528x3−0.2211x2+0.9923x+5.0474を満たすことを特徴とする請求項1〜12のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
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