JPWO2013147275A1 - 半導体装置の製造方法および半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
まず、実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法により作製(製造)される半導体装置の一例としてトレンチゲート型IGBTの構造について説明する。図1は、実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法により製造される半導体装置の一例を示す断面図である。図1の紙面左側には、エミッタ電極(第1主電極)7とn++エミッタ領域3との境界から半導体基板の深さ方向における不純物濃度分布を示す。図1に示す実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法により製造される半導体装置において、n-ドリフト層1となる半導体基板の内部には、おもて面側の表面層にpベース領域2が設けられている。
実施の形態2にかかる半導体装置の製造方法が実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、n+フィールドストップ層10を形成するための第2アニールの後にエミッタ電極7を形成する点である。実施の形態2にかかる半導体装置の製造方法により作製される半導体装置は、実施の形態1に一例として挙げた図1に示すトレンチゲート型IGBTと同様である。
図13は、実施の形態3にかかる半導体装置の製造方法により製造される半導体装置の一例を示す断面図である。実施の形態3にかかる半導体装置の製造方法が実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、IGBTに代えてダイオードを作製する点である。
実施の形態4にかかる半導体装置の製造方法が実施の形態3にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、n+フィールドストップ層36を形成するための第2アニールの後にアノード電極33を形成する点である。実施の形態4にかかる半導体装置の製造方法により作製される半導体装置は、実施の形態3に一例として挙げた図13に示すダイオードである。
次に、裏面電極とのコンタクトとなる半導体層のキャリア濃度について検証した。図24は、実施例にかかる半導体装置のキャリア濃度分布を示す特性図である。図25は、従来の半導体装置のキャリア濃度分布を示す特性図である。図24,25の横軸は、裏面電極とそのコンタクトとなる半導体層との境界からの深さを示す。同じく縦軸は、キャリア濃度であり、周知の広がり抵抗(Spread Resistance、SR)測定法によって測定した広がり抵抗から比抵抗を算出し、さらにその比抵抗をキャリア濃度に換算した値である。電子や正孔の移動度が結晶の値(例えば電子の移動度は温度300Kにおいて約1360(cm2/(V・s))から著しく減少しなければ、キャリア濃度はドープされた不純物のドーピング濃度(電気的に活性化した濃度)と見なすことができる。実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法に従い、裏面電極とそのコンタクトとなる半導体層形成のためのイオン注入(ステップS5)および第1アニール(ステップS6)を行った後、プロトン照射(ステップS7)および第2アニール(ステップS8)を行った試料を用意した(以下、実施例とする)。
図45は、実施の形態5にかかる半導体装置の製造方法により製造される半導体装置の一例を示す断面図である。図47は、図45の半導体装置のn+フィールドストップ層のキャリア濃度分布を示す特性図である。図47は、SR法により測定したキャリア濃度分布である。p+コレクタ層9は、図47の横軸スケールに対して深さが0.5μm程度と極めて浅いので、図示は省略した。実施の形態5にかかる半導体装置の製造方法が実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、基板裏面のp+コレクタ層9を形成するためのボロンなどのp型不純物イオン21の第1イオン注入と第1アニール後に、複数段のプロトン照射により複数のn+フィールドストップ層10を形成する点である。
次に、実施例2として、本発明の半導体装置の製造方法における複数段のプロトン照射における1段目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。図42は、一般的なIGBTのターンオフ発振波形を示す特性図である。コレクタ電流が定格電流の1/10以下の場合、蓄積キャリアが少ないために、ターンオフが終わる手前で発振することがある。コレクタ電流をある値に固定して、異なる電源電圧VCCにてIGBTをターンオフさせる。このとき、電源電圧VCCがある所定の値を超えると、コレクタ・エミッタ間電圧波形において、通常のオーバーシュート電圧のピーク値を超えた後に、付加的なオーバーシュートが発生するようになる。そして、この付加的なオーバーシュート(電圧)がトリガーとなり、以降の波形が振動する。電源電圧VCCがこの所定の値をさらに超えると、付加的なオーバーシュート電圧がさらに増加し、以降の振動の振幅も増加する。このように、電圧波形が振動を始める閾値電圧を発振開始閾値VRROと呼ぶ。この発振開始閾値VRROが高ければ高いほど、IGBTはターンオフ時に発振しないことを示すので好ましい。
実施例3として、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照射で形成するには、プロトンの加速エネルギーを、以下に示す図43の特性図から決めればよい。図43は、本発明にかかる半導体装置のプロトンの平均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。
実施の形態6にかかる半導体装置の製造方法が実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、基板裏面のp+コレクタ層9を形成するためのボロンなどのp型不純物イオン21の第1イオン注入後の第1アニールを、レーザーアニール61とする点である。n+フィールドストップ層10は、実施の形態1のように1段のプロトン照射により1つ設けてもよいし、実施の形態5のように複数段のプロトン照射により複数設けてもよい。
2 pベース領域
3 n++エミッタ領域
4 トレンチ
5 ゲート絶縁膜
6 ゲート電極
7 エミッタ電極
8 層間絶縁膜
9 p+コレクタ層
10 n+フィールドストップ層
11 コレクタ電極
まず、実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法により作製(製造)される半導体装置の一例としてトレンチゲート型IGBTの構造について説明する。図1は、実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法により製造される半導体装置の一例を示す断面図である。図1の紙面左側には、エミッタ電極(第1主電極)7とn++エミッタ領域3との境界から半導体基板の深さ方向における不純物濃度分布を示す。図1に示す実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法により製造される半導体装置において、n-ドリフト層1となる半導体基板の内部には、おもて面側の表面層にpベース領域2が設けられている。
実施の形態2にかかる半導体装置の製造方法が実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、n+フィールドストップ層10を形成するための第2アニールの後にエミッタ電極7を形成する点である。実施の形態2にかかる半導体装置の製造方法により作製される半導体装置は、実施の形態1に一例として挙げた図1に示すトレンチゲート型IGBTと同様である。
図13は、実施の形態3にかかる半導体装置の製造方法により製造される半導体装置の一例を示す断面図である。実施の形態3にかかる半導体装置の製造方法が実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、IGBTに代えてダイオードを作製する点である。
実施の形態4にかかる半導体装置の製造方法が実施の形態3にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、n+フィールドストップ層36を形成するための第2アニールの後にアノード電極33を形成する点である。実施の形態4にかかる半導体装置の製造方法により作製される半導体装置は、実施の形態3に一例として挙げた図13に示すダイオードである。
次に、裏面電極とのコンタクトとなる半導体層のキャリア濃度について検証した。図24は、実施例にかかる半導体装置のキャリア濃度分布を示す特性図である。図25は、従来の半導体装置のキャリア濃度分布を示す特性図である。図24,25の横軸は、裏面電極とそのコンタクトとなる半導体層との境界からの深さを示す。同じく縦軸は、キャリア濃度であり、周知の広がり抵抗(Spread Resistance、SR)測定法によって測定した広がり抵抗から比抵抗を算出し、さらにその比抵抗をキャリア濃度に換算した値である。電子や正孔の移動度が結晶の値(例えば電子の移動度は温度300Kにおいて約1360(cm2/(V・s))から著しく減少しなければ、キャリア濃度はドープされた不純物のドーピング濃度(電気的に活性化した濃度)と見なすことができる。実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法に従い、裏面電極とそのコンタクトとなる半導体層形成のためのイオン注入(ステップS5)および第1アニール(ステップS6)を行った後、プロトン照射(ステップS7)および第2アニール(ステップS8)を行った試料を用意した(以下、実施例とする)。
図45は、実施の形態5にかかる半導体装置の製造方法により製造される半導体装置の一例を示す断面図である。図47は、図45の半導体装置のn+フィールドストップ層のキャリア濃度分布を示す特性図である。図47は、SR法により測定したキャリア濃度分布である。p+コレクタ層9は、図47の横軸スケールに対して深さが0.5μm程度と極めて浅いので、図示は省略した。実施の形態5にかかる半導体装置の製造方法が実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、基板裏面のp+コレクタ層9を形成するためのボロンなどのp型不純物イオン21の第1イオン注入と第1アニール後に、複数段のプロトン照射により複数のn+フィールドストップ層10を形成する点である。
次に、実施例2として、本発明の半導体装置の製造方法における複数段のプロトン照射における1段目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。図42は、一般的なIGBTのターンオフ発振波形を示す特性図である。コレクタ電流が定格電流の1/10以下の場合、蓄積キャリアが少ないために、ターンオフが終わる手前で発振することがある。コレクタ電流をある値に固定して、異なる電源電圧VCCにてIGBTをターンオフさせる。このとき、電源電圧VCCがある所定の値を超えると、コレクタ・エミッタ間電圧波形において、通常のオーバーシュート電圧のピーク値を超えた後に、付加的なオーバーシュートが発生するようになる。そして、この付加的なオーバーシュート(電圧)がトリガーとなり、以降の波形が振動する。電源電圧VCCがこの所定の値をさらに超えると、付加的なオーバーシュート電圧がさらに増加し、以降の振動の振幅も増加する。このように、電圧波形が振動を始める閾値電圧を発振開始閾値VRROと呼ぶ。この発振開始閾値VRROが高ければ高いほど、IGBTはターンオフ時に発振しないことを示すので好ましい。
実施例3として、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照射で形成するには、プロトンの加速エネルギーを、以下に示す図43の特性図から決めればよい。図43は、本発明にかかる半導体装置のプロトンの平均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。
実施の形態6にかかる半導体装置の製造方法が実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、基板裏面のp+コレクタ層9を形成するためのボロンなどのp型不純物イオン21の第1イオン注入後の第1アニールを、レーザーアニール61とする点である。n+フィールドストップ層10は、実施の形態1のように1段のプロトン照射により1つ設けてもよいし、実施の形態5のように複数段のプロトン照射により複数設けてもよい。
2 pベース領域
3 n++エミッタ領域
4 トレンチ
5 ゲート絶縁膜
6 ゲート電極
7 エミッタ電極
8 層間絶縁膜
9 p+コレクタ層
10 n+フィールドストップ層
11 コレクタ電極
Claims (15)
- 第1導電型の半導体基板のおもて面に設けられた入力電極と、前記半導体基板の裏面に設けられた出力電極と、を備えた半導体装置の製造方法であって、
前記半導体基板の裏面に不純物を導入する導入工程と、
第1アニールによって、前記半導体基板の裏面に導入された不純物を活性化し、前記半導体基板の裏面の表面層に前記出力電極との接触部となる第1半導体層を形成する第1アニール工程と、
前記第1アニール工程後、前記半導体基板の裏面にプロトンを照射する照射工程と、
第2アニールによって、前記半導体基板の裏面に照射されたプロトンを活性化し、前記半導体基板の裏面の前記第1半導体層よりも深い領域に前記半導体基板よりも不純物濃度が高い第1導電型の第2半導体層を形成する第2アニール工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記第1アニール工程後に前記照射工程を複数回行い、
前記照射工程を行うごとに前記第2アニール工程を行う、または最後の前記照射工程後に前記第2アニール工程を1回行う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。 - 前記第1半導体層に接する前記出力電極を形成する出力電極形成工程をさらに含み、
前記第2アニール工程は、前記出力電極形成工程前に、または、前記出力電極形成工程と同時に行われることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記第1アニール工程は、前記第2アニール工程よりも高いアニール温度で行われることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第2アニールの温度は、380℃以上450℃以下であることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記導入工程では、前記出力電極と前記第1半導体層とがオーミック接触となるドーズ量で不純物が導入されることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1アニール工程よりも後に、前記半導体基板のおもて面に前記入力電極を形成する入力電極形成工程をさらに含む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。
- 前記第1アニール工程は、レーザーアニール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。
- 前記第2半導体層は、空乏層の広がりを抑制するフィールドストップ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半導体層は、第2導電型のコレクタ層であり、
前記出力電極は、コレクタ電極であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一つに記載の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半導体層は、第1導電型のカソード層であり、
前記出力電極は、カソード電極であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。 - 前記半導体基板からなる第1導電型のドリフト層を備え、
前記半導体基板のおもて面には第2導電型の第3半導体層が形成され、
qを電荷素量、Ndを前記ドリフト層の平均濃度、εSを前記半導体基板の誘電率、Vrateを定格電圧、JFを定格電流密度、vsatをキャリアの速度が所定の電界強度で飽和した飽和速度として、距離指標Lが下記式(1)で表わされ、
前記第3半導体層に最も近い前記第2半導体層のキャリア濃度がピーク濃度となる位置の前記半導体基板の裏面からの深さをXとし、
前記半導体基板の厚さをW0としたときに、
X=W0−γLであり、γが0.2以上1.5以下となるように前記第3半導体層に最も近い前記第2半導体層のピーク濃度となる位置とす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γが0.9以上1.4以下であることを特徴とする請求項12に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記γが1.0以上1.3以下であることを特徴とする請求項12に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記照射工程において、プロトンの照射により飛程Rpの前記第2半導体層を形成するときのプロトンの加速エネルギーEは、前記飛程Rpの対数log(Rp)をx、前記加速エネルギーEの対数log(E)をyとして、下記式(2)を満たす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。
y=−0.0047x4+0.0528x3−0.2211x2+0.9923x+5.0474 ・・・(2)
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