WO2013180244A1 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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silicon
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semiconductor device
diffusion
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寺西　秀明
中澤　治雄
荻野　正明
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富士電機株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device.
  • a matrix converter is known as a direct link type conversion circuit that can eliminate the need for a circuit. Since this matrix converter is used under an AC voltage, a plurality of switching devices constituting the matrix converter require bidirectional switching devices capable of current control in the forward and reverse directions.
  • FIG. 9 is a circuit diagram showing an equivalent circuit of a bidirectional switching device using a reverse blocking IGBT.
  • the reverse blocking IGBT refers to a device having a characteristic in which the reverse breakdown voltage is set to the same breakdown voltage as the forward breakdown voltage and the breakdown voltage reliability is improved.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing a cross-sectional structure of a conventional reverse blocking IGBT.
  • FIG. 8 is described in Patent Document 1 below.
  • This conventional reverse blocking IGBT has an active region 110 in the center, and has a structure having a p-type isolation layer 31 surrounding the outer side of the active region 110 with a breakdown voltage structure region 120 interposed therebetween. To do. For this reason, in order to form the p-type isolation layer 31 only by thermal diffusion from one main surface of the semiconductor substrate, the depth of the p-type isolation layer 31 needs to be very deep, With diffusion (drive-in). Thermal diffusion is generally performed in an oxidizing atmosphere.
  • ions are confined in the semiconductor substrate by forming an oxide film on the surface of the semiconductor substrate, and ions are prevented from escaping from the substrate surface side to the outside due to thermal diffusion.
  • a mixed gas containing other gases argon (Ar), nitrogen (N 2 ), etc.
  • heat treatment is performed in an atmosphere or heat treatment is performed in an inert gas atmosphere not containing oxygen.
  • n ⁇ type drift region 21 includes an n ⁇ type drift region 21, a p type base region 22, an n + type emitter region 23, a gate insulating film 24, a gate electrode 25, an interlayer insulating film 26, an emitter electrode 29, and a p type collector region.
  • 27 is a region serving as a main current path of a vertical IGBT including 27 and a collector electrode 28.
  • the p-type isolation layer 31 is a p-type region formed to a depth reaching the p-type collector region 27 on the back surface side from the front surface of the semiconductor substrate by thermal diffusion of boron (B).
  • the end portion of the pn junction surface between the p-type collector region 27 and the n ⁇ -type drift region 21, which is a reverse breakdown voltage junction, is a chip-side end surface 30 that serves as a cut surface in chip formation. It is exposed to the surface 32 of the pressure
  • FIG. 5 ((a) to (d)) and FIG. 6 ((a) to (d)) show impurities that form the p-type isolation layer 104 for such reverse blocking IGBT by coating diffusion or ion implantation, respectively.
  • It is manufacturing process sectional drawing which shows a diffusion process in process order.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a state in the middle of forming a separation layer by conventional coating diffusion.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a state in the middle of forming a separation layer by conventional ion implantation.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing an end structure of a conventional reverse blocking IGBT.
  • FIG. 7A shows a reverse blocking IGBT in which a separation layer is formed by a diffusion layer having a depth penetrating the semiconductor substrate, which is manufactured by the manufacturing process of FIGS. 5 and 6.
  • a thermal oxide film 101 having a thickness (film thickness) of about 1.5 ⁇ m to 2.5 ⁇ m is formed on the front side of the semiconductor substrate 100 made of thick silicon (Si) having a thickness of 500 ⁇ m or more as a dopant mask.
  • the thermal oxide film 101 is patterned to form an opening 102 for introducing an impurity for forming a separation layer (FIGS. 5B and 6B).
  • a boron source 103 as an impurity is applied to the opening 102 to form a shallow deposit layer of boron (or boron is ion-implanted 105 into the semiconductor substrate 100 exposed to the opening 102 of the thermal oxide film 101).
  • FIG. 5 (c), FIG. 6 (c) the thermal oxide film 101 used as a dopant mask for selective diffusion of boron (diffusion for p-type separation layer) is removed.
  • heat treatment is performed at a high temperature (1300 ° C.) and for a long time (100 hours to 200 hours) to form a p-type diffusion layer 104 having a depth of about 100 ⁇ m to 200 ⁇ m (FIGS. 5D and 6D). d)).
  • This p-type diffusion layer 104 is used as a separation layer.
  • an oxide film is formed again on the front surface of the semiconductor substrate 100 surrounded by the p-type diffusion layer 104, and a process (not shown) for forming a MOS gate structure and a necessary front surface functional region is performed.
  • the semiconductor substrate 100 is thinned by grinding and removing from the back surface of the semiconductor substrate 100 until reaching the bottom of the p-type diffusion layer 104 (FIGS. 5D and 6D).
  • a back surface structure composed of a p-type collector region and a collector electrode (not shown) is formed on the ground surface of the back surface, and the semiconductor substrate 100 is cut by a scribe line 108 positioned at the center of the p-type diffusion layer 104.
  • the reverse blocking IGBT formed into a chip by this cutting is shown in FIG. 7A and the sectional view of FIG.
  • FIG. 7B shows an example of an end structure of a reverse blocking IGBT manufactured according to Patent Documents 2 to 4 below. Furthermore, as shown in the cross-sectional view of FIG.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing the structure of a reverse blocking IGBT having a separation layer formed using a conventional trench.
  • reference numeral 106 denotes a p-type collector region
  • 108 denotes a scribe line
  • 111 denotes a MOS gate structure on the front side of the substrate.
  • a conventional semiconductor substrate used for manufacturing a high voltage power device is a single crystal silicon (hereinafter referred to as FZ (floating zone) method) using polycrystalline silicon (hereinafter abbreviated as polycrystalline silicon for FZ).
  • FZ silicon semiconductor substrate A silicon semiconductor substrate (hereinafter abbreviated as FZ silicon semiconductor substrate) cut out from FZ silicon single crystal) has been used.
  • This FZ silicon semiconductor substrate is compared with a silicon semiconductor substrate (hereinafter abbreviated as CZ silicon semiconductor substrate) cut out from a silicon single crystal (hereinafter abbreviated as CZ silicon single crystal) manufactured by the CZ (Czochralski) method.
  • CZ silicon single crystal silicon single crystal manufactured by the CZ (Czochralski) method.
  • the FZ silicon single crystal is indispensable as a silicon crystal for power devices having a particularly high breakdown voltage and large current capacity.
  • a larger-diameter FZ silicon semiconductor substrate has been demanded to reduce the cost of the device, but it is difficult to increase the FZ silicon semiconductor substrate compared to the CZ silicon semiconductor substrate.
  • polycrystalline silicon for FZ is used as described above.
  • polycrystalline silicon for FZ which is necessary as a raw material for the FZ method, has a high purity, is not easily cracked or cracked, has a uniform grain boundary structure, and has a diameter suitable for the FZ silicon single crystal to be produced.
  • the production of such polycrystalline silicon for FZ has a much higher yield and productivity than the production of nugget-like polycrystalline silicon (hereinafter abbreviated as CZ polycrystalline silicon) used in the CZ method. Low.
  • the depth of the p-type diffusion layer 104a from the front surface side of the substrate is decreased.
  • the thermal diffusion time at a high temperature can be surely shortened, but another problem arises when the depth of the p-type diffusion layer 104a is made too shallow.
  • the V-shaped groove must be deepened accordingly. There arises a new problem that the semiconductor substrate 100 is easily broken.
  • the following problem arises in the method of shortening the high-temperature thermal diffusion time by forming the p-type isolation layer 104b using the trench 109 having the side wall perpendicular to the main surface as shown in FIG.
  • the time required for etching the trench 109 having a depth of about 200 ⁇ m is about 100 minutes.
  • adverse effects such as an increase in lead time and an increase in the number of maintenances are brought about.
  • precipitates are generated on the semiconductor substrate depending on the heat treatment conditions.
  • This precipitate causes crystal defects such as stacking faults, which may adversely affect the electrical characteristics of a semiconductor device manufactured using a semiconductor substrate.
  • a typical crystal defect is an oxygen precipitate (SiO 2 ) generated when the CZ silicon semiconductor substrate is heat-treated. This is because the oxygen dissipated from the quartz crucible of the container during the pulling of the CZ silicon ingot (CZ silicon crystal) is taken into the CZ silicon ingot, and this oxygen is precipitated as SiO 2 during the heat treatment.
  • FZ silicon ingots have been manufactured using CZ silicon ingots instead of polysilicon rods as raw materials. This is because the oxygen contained in the CZ silicon ingot is diffused outward at the time of melting by induction heating and the oxygen concentration contained in the FZ silicon ingot is lowered when recrystallized, thereby reducing the FZ silicon having a low oxygen concentration. This is a method of manufacturing an ingot.
  • a heat treatment for a long time at a high temperature for example, 100 hours at a temperature of 1300 ° C.
  • a high temperature for example, 100 hours at a temperature of 1300 ° C.
  • precipitates may be generated, resulting in poor electrical characteristics of the semiconductor device.
  • This precipitate is known to be a nitrogen precipitate ( ⁇ -Si 3 N 4 ) by microscopic analysis, and this nitrogen precipitate is caused by heat treatment in an atmosphere containing nitrogen.
  • the present invention uses a silicon semiconductor substrate cut from an FZ silicon crystal manufactured using a CZ silicon crystal, and has a high temperature length of 1290 ° C. or more and 100 hours or more.
  • a method for manufacturing a semiconductor device capable of suppressing the generation of crystal defects due to thermal diffusion at a high temperature for a long time in a silicon semiconductor substrate even when a step of forming a deep diffusion layer by thermal diffusion over time is provided. For the purpose.
  • a semiconductor device manufacturing method has the following characteristics.
  • a diffusion process is performed in which a diffusion layer having a depth of 50 ⁇ m or more is formed on a silicon semiconductor substrate manufactured by the FZ method by thermal diffusion at a heat treatment temperature within a range of 1290 ° C. or higher and lower than the melting temperature of silicon crystals.
  • a second heat treatment in a nitrogen atmosphere or a mixed gas atmosphere of nitrogen and oxygen is performed to form the diffusion layer.
  • the FZ silicon semiconductor substrate cut out from the FZ silicon crystal manufactured by the FZ method using polycrystalline silicon for FZ as a raw material is used as the silicon semiconductor substrate. It is preferable to use it.
  • the semiconductor device manufacturing method according to the present invention is the CZ-FZ cut out from a CZ-FZ silicon crystal manufactured by the FZ method using polycrystalline silicon for CZ as a raw material as the silicon semiconductor substrate in the above-described invention. It is also preferable to use a silicon semiconductor substrate.
  • the processing time t (time) of the first heat treatment is t> It is preferable to satisfy 3.5 ⁇ 10 ⁇ 6 ⁇ L 2 .
  • the thickness of the silicon semiconductor substrate is L ( ⁇ m)
  • the diffusion coefficient of interstitial silicon atoms at the processing temperature T of the first heat treatment is DT.
  • the processing time t (time) of the first heat treatment satisfies t> L 2 / (16 ⁇ DT).
  • the processing time t (hour) of the first heat treatment is It is preferable to satisfy t> 3.5 ⁇ 10 ⁇ 6 ⁇ M 2 .
  • the treatment time t (hour) of the first heat treatment preferably satisfies t> M 2 / (16 ⁇ DT).
  • the diffusion layer serving as a separation layer constituting the reverse blocking insulated gate bipolar transistor is formed.
  • a silicon semiconductor substrate cut out from an FZ silicon crystal manufactured by the FZ method using a CZ silicon crystal for increasing the diameter and reducing the cost is used. Even when a deep diffusion layer is formed by high-temperature long-time thermal diffusion at 100 ° C. or higher and 100 hours or longer, the occurrence of crystal defects due to high-temperature long-time thermal diffusion in the semiconductor substrate can be suppressed. There is an effect. Further, according to the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, it is possible to reduce the amount of inert gas that is a raw material gas when performing thermal diffusion for a long time at a high temperature, thereby reducing the manufacturing cost. There is an effect that can be done.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a state of a CZ-FZ silicon semiconductor substrate during the manufacture of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the state of the CZ-FZ silicon semiconductor substrate during the manufacture of the semiconductor device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a state of the CZ-FZ silicon semiconductor substrate in the process of manufacturing the semiconductor device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view simulating a cross-sectional X-ray topography photograph of a CZ-FZ silicon semiconductor substrate.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a state of a CZ-FZ silicon semiconductor substrate during the manufacture of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the state of the CZ-FZ silicon semiconductor substrate during the manufacture
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a state in the middle of forming a separation layer by conventional coating diffusion.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a state in the middle of forming a separation layer by conventional ion implantation.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing an end structure of a conventional reverse blocking IGBT.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing a cross-sectional structure of a conventional reverse blocking IGBT.
  • FIG. 9 is a circuit diagram showing an equivalent circuit of a bidirectional switching device using a reverse blocking IGBT.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing the structure of a reverse blocking IGBT having a separation layer formed using a conventional trench.
  • diffusion for forming a deep diffusion layer for example, a separation layer having a depth reaching from the front surface to the back surface of the semiconductor substrate by high-temperature and long-time thermal diffusion (drive-in), which is a feature of the present invention.
  • drive-in high-temperature and long-time thermal diffusion
  • the manufacturing method of the reverse blocking IGBT according to the embodiment of the present invention is different from the conventional manufacturing method of the reverse blocking IGBT described above in the manufacturing method of the reverse blocking IGBT according to the embodiment of the present invention.
  • the required thermal diffusion of the separation layer is first heat-treated in an oxygen (O 2 ) atmosphere or a mixed gas atmosphere of oxygen and inert gas, and then in a nitrogen (N 2 ) atmosphere or a mixed gas atmosphere of nitrogen and oxygen.
  • the second heat treatment is adopted.
  • 1 to 3 are cross-sectional views schematically showing the state of a CZ-FZ silicon semiconductor substrate during the manufacture of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. First, a CZ-FZ silicon semiconductor substrate 1 is prepared.
  • vacancy defects 2 may partially exist from the initial state (before the semiconductor device manufacturing process is input) (FIG. 1A).
  • the vacancy defect 2 cannot be directly detected because its size is very small (in the figure, it is shown schematically large).
  • thermal oxidation is performed on the CZ-FZ silicon semiconductor substrate 1 in an atmosphere not containing nitrogen so that the thickness (film thickness) of the front surface of the CZ-FZ silicon semiconductor substrate 1 is about 1 ⁇ m.
  • the oxide film 3 is formed using a dopant mask (FIG. 1B).
  • an opening 4 for forming a conductive layer is formed in the oxide film 3 by patterning and etching (FIG. 1C).
  • boron (B) ion implantation (boron ion implantation) 5 is performed on the CZ-FZ silicon semiconductor substrate 1 exposed in the opening 4 at a high dose of about 10 15 cm ⁇ 2, for example.
  • Layer 6 is formed (FIG. 1 (d)).
  • a first heat treatment at a temperature of 1300 ° C. is performed for 10 hours in a mixed gas atmosphere in which 30% of oxygen (O 2 ) 10 and 70% of argon (Ar) 9 are mixed.
  • Furnace temperature and temperature are 700 ° C., for example, and the temperature raising / lowering rate is 1 ° C./min, for example.
  • the exposed portion of the CZ-FZ silicon semiconductor substrate 1 is oxidized to form the thermal oxide film 7 and the boron ion implanted layer 6 implanted by the boron ion implantation 5 is diffused to form the boron diffusion layer 8.
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of a cross-sectional structure of the CZ-FZ silicon semiconductor substrate 1 at this time.
  • Excess Si atoms generated by thermal oxidation by the first heat treatment are implanted 11 into the CZ-FZ silicon semiconductor substrate 1 as interstitial atoms (hereinafter referred to as interstitial Si atoms) (FIG. 2A).
  • interstitial Si atoms hereinafter referred to as interstitial Si atoms
  • a second heat treatment at a temperature of 1300 ° C. is performed for 90 hours in a mixed gas atmosphere in which 30% of oxygen (O 2 ) 10 and 70% of nitrogen (N 2 ) 12 are mixed.
  • the boron diffusion layer 8 is further diffused to form the p-type conductive layer 13 having a depth reaching the back surface from the front surface of the CZ-FZ silicon semiconductor substrate 1.
  • a schematic diagram of a cross-sectional structure at this point is shown in FIG. Since the vacancy defects 2 in the CZ-FZ silicon semiconductor substrate 1 have already been filled by the first heat treatment, even if the second heat treatment is subsequently performed in an atmosphere containing nitrogen, the nitrogen precipitates in the CZ-FZ silicon semiconductor substrate 1. There is no vacancy defect 2 which is the starting point from which the product is deposited. Therefore, the nitrogen precipitation phenomenon does not occur.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view simulating a cross-sectional X-ray topography photograph of a CZ-FZ silicon semiconductor substrate.
  • FIG. 4A shows the first heat treatment at a temperature of 1300 ° C. for 10 hours in a mixed gas atmosphere in which 30% of oxygen (O 2 ) 10 and 70% of argon (Ar) 9 are mixed.
  • CZ-FZ silicon semiconductor substrate 1 in which a second heat treatment at a temperature of 1300 ° C.
  • FIG. 4 (b) shows a CZ-in which a heat treatment at a temperature of 1300 ° C. is performed for 100 hours in a mixed gas atmosphere in which 30% of oxygen (O 2 ) and 70% of nitrogen (N 2 ) are mixed.
  • the figure which imitated the section X-ray topography photograph of FZ silicon semiconductor substrate 1 is shown (henceforth the comparative example 1). As shown in FIGS.
  • FIG. 4C shows a CZ in which a heat treatment at a temperature of 1300 ° C. was performed for 100 hours in a mixed gas atmosphere in which 30% of oxygen (O 2 ) and 70% of argon (Ar) were mixed.
  • FIG. 2 shows a cross-sectional X-ray topographic photograph of the FZ silicon semiconductor substrate 1 (hereinafter referred to as Comparative Example 2). As shown in FIGS. 4A and 4C, it was confirmed that the example can form a deep conductive layer in the substrate without generating nitrogen precipitates, as in Comparative Example 2. .
  • 4A, 4B, and 4C also show a longitudinal contrast in the cross-sectional X-ray topographic photographs, but this is the case when the crystal is highly complete. It is a contrast called Pendell fringes due to the generated dynamic diffraction phenomenon, not a crystal defect.
  • the heat treatment temperature is 1300 ° C. and the heat treatment time is Although it is 10 hours, it is sufficient that the vacancy defects 2 existing in the CZ-FZ silicon semiconductor substrate 1 in the initial state can be filled with interstitial Si atoms, and the heat treatment temperature and the heat treatment time may be variously changed.
  • the conditions are described below.
  • the heat treatment conditions are such that interstitial Si atoms are implanted 11 in the entire thickness direction of the CZ-FZ silicon semiconductor substrate 1.
  • the CZ-FZ silicon semiconductor substrate 1 is formed according to the final breakdown voltage of the semiconductor device. Since there is a case where the wafer is thinned by grinding, in that case, interstitial Si atoms are implanted from the front surface of the CZ-FZ silicon semiconductor substrate 1 to the position of the final product thickness of the semiconductor device 11. Just do it.
  • the first heat treatment may be performed using an atmosphere containing another inert gas (for example, helium (He), neon (Ne), or the like) instead of argon gas.
  • another inert gas for example, helium (He), neon (Ne), or the like
  • He helium
  • Ne neon
  • argon gas instead of argon gas.
  • the mixed gas in the nitrogen atmosphere or nitrogen and oxygen is subsequently continued.
  • boron boron ion implantation layer 6
  • the heat treatment time of the second heat treatment is set according to the depth of the p-type conductive layer 13.
  • the heat treatment time of the second heat treatment is a time during which the boron diffusion layer 8 diffused by the first heat treatment can be further diffused by the second heat treatment to form the p-type conductive layer 13 having a desired depth.
  • the total heat treatment time of the first heat treatment and the heat treatment time of the second heat treatment may exceed 100 hours, for example. Also in this case, since the vacancy defects 2 in the CZ-FZ silicon semiconductor substrate 1 are filled with interstitial Si atoms by the first heat treatment, the desired depth can be obtained without generating nitrogen precipitates by the second heat treatment.
  • the p-type conductive layer 13 can be formed.
  • the deep p-type conductive layer 13 formed in this way can be used as a p-type isolation layer for maintaining the reverse breakdown voltage structure of an IGBT having a reverse breakdown voltage structure (reverse blocking IGBT) (cross-sectional structure of the reverse blocking IGBT).
  • reverse blocking IGBT reverse breakdown voltage structure
  • FIG. Since it is necessary to form the p-type isolation layer so as to surround the entire peripheral edge of the semiconductor device (semiconductor chip), when the p-type isolation layer is formed only by the thermal diffusion method, the p-type isolation layer starts from one main surface of the semiconductor substrate. It is necessary to form a continuous p-type conductive layer 13 having a depth reaching the other main surface. Note that the product thickness of the semiconductor substrate used in the semiconductor device is determined by the breakdown voltage of the semiconductor device.
  • the product thickness of the semiconductor substrate is about 100 ⁇ m.
  • the product thickness of the semiconductor substrate is about 180 ⁇ m.
  • the product thickness of the semiconductor substrate is about 240 ⁇ m.
  • the heat treatment temperature of the second heat treatment is 1300 ° C. in the above description, but may be 1290 ° C. Lowering the heat treatment temperature of the second heat treatment to less than 1290 ° C. is not preferable because there is no problem in the pressure resistance characteristics, but there is a problem of practicality that the heat diffusion time becomes long and the working efficiency deteriorates. Specifically, when a deep isolation layer necessary for a reverse blocking IGBT having a withstand voltage of 600 V is formed by thermal diffusion, for example, thermal diffusion at a temperature of 1300 ° C. requires a heat treatment time of 100 hours, but at a temperature of 1280 ° C. The thermal diffusion of this requires a heat treatment time of 150 hours and is inefficient.
  • the heat treatment temperature of the second heat treatment is preferably 1290 ° C. or higher.
  • the upper limit of the heat treatment temperature of the second heat treatment can be raised to a temperature at which the CZ-FZ silicon semiconductor substrate 1 does not deform so as to hinder the wafer process. If the CZ-FZ silicon semiconductor substrate 1 is not deformed, the higher the thermal diffusion temperature, the shorter the thermal diffusion time, which is preferable. That is, the heat treatment temperature of the second heat treatment is preferably set to be equal to or lower than the melting point of Si. This is because the temperature is such that the CZ-FZ silicon semiconductor substrate 1 does not melt and deform the shape of the CZ-FZ silicon semiconductor substrate 1 (approximately 1350 ° C.).
  • the first heat treatment is a step of diffusing interstitial Si atoms from the front surface side of the wafer to a depth of at least 50 ⁇ m or more. Since the diffusion rate of interstitial Si atoms is high, the thermal diffusion temperature is 1290 ° C. or less. Even if the thermal diffusion time is 100 hours or less, there is no problem as long as the condition of t> L 2 / (16 ⁇ DT) or t> M 2 / (16 ⁇ DT) is satisfied as described above.
  • the first heat treatment satisfies the condition of t> 3.5 ⁇ 10 ⁇ 6 ⁇ L 2 or t> 3.5 ⁇ 10 ⁇ 6 ⁇ M 2 as described above when the thermal diffusion temperature is 1300 ° C. It only has to be.
  • t, DT, L, and M are the heat treatment time of the first heat treatment, the diffusion coefficient of interstitial silicon atoms at the treatment temperature T of the first heat treatment, and the CZ-FZ silicon semiconductor substrate 1 as described above. And the product thickness of the semiconductor substrate (the thickness of the silicon substrate in accordance with the withstand voltage).
  • the second heat treatment is a step in which p-type dopant (boron) is diffused from the front surface side of the wafer to a depth of at least 50 ⁇ m or more in order to form an isolation region of the reverse breakdown voltage structure of the reverse blocking IGBT.
  • the speed is slower than that of interstitial Si atoms, and the thermal diffusion temperature is desirably 1290 ° C. or higher.
  • the vacancy defects in the CZ-FZ silicon semiconductor substrate are filled by the first heat treatment in the oxygen atmosphere or the mixed gas atmosphere of oxygen and inert gas. Then, the second heat treatment in an atmosphere containing nitrogen is performed to form a diffusion layer having a desired depth, for example, as a reverse blocking IGBT separation layer without generating nitrogen precipitates in the CZ-FZ silicon semiconductor substrate. be able to. Therefore, a semiconductor having a deep diffusion layer with high-temperature and long-time thermal diffusion at 1290 ° C. or more and 100 hours or more using a CZ-FZ silicon semiconductor substrate in which crystal defects are likely to occur in order to increase the diameter and reduce the cost. Even in the case of manufacturing an apparatus, the amount of an inert gas such as argon, which is a raw material gas used for heat treatment for forming a diffusion layer, can be reduced, and the generation of crystal defects can be suppressed at a low cost.
  • an inert gas such as argon
  • the high temperature and long time thermal diffusion process for forming the p-type separation layer of the reverse blocking IGBT has been mainly described above. However, the high temperature and long time heat exceeding 100 hours at a temperature of 1290 ° C. or higher.
  • the present invention can also be applied to other semiconductor device manufacturing methods having a process of forming a deep diffusion layer by diffusion. Further, in the above-described embodiment, the case where a semiconductor device is manufactured using a CZ-FZ silicon semiconductor substrate is described as an example. However, the present invention is not limited to this, and FZ is used by using FZ polycrystalline silicon. The same effect can be obtained even if an FZ silicon semiconductor substrate cut out from the manufactured FZ silicon single crystal is used.
  • the polycrystalline silicon for FZ is a substantially cylindrical polysilicon rod used in the FZ method. Further, the present invention is similarly established even when the conductivity type is reversed.
  • the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is useful for a semiconductor device having a deep impurity diffusion layer accompanied by high-temperature and long-time thermal diffusion.

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Abstract

　１２９０℃以上の高温長時間の熱拡散によって深い拡散層を形成するにあたって、深い拡散層を形成する熱拡散のための熱処理を、酸素雰囲気または酸素と不活性ガスとの混合ガス雰囲気の第１熱処理を行った後に、窒素雰囲気または窒素と酸素との混合ガス雰囲気の第２熱処理を行う構成とする。第１熱処理では、ＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板（１）の露出部分を熱酸化してＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板（１）内の空孔欠陥（２）を格子間シリコン原子で埋めるとともに、ボロンイオン注入層（６）を拡散させてボロン拡散層を形成する。第２熱処理では、ボロン拡散層を拡散させて深い拡散層を形成する。これにより、１２９０℃以上シリコン結晶の融解温度未満の熱処理温度および１００時間以上の高温長時間の熱拡散によって深さ５０μm以上の拡散層を形成する工程を有する場合でも、結晶欠陥の発生を抑制し、かつ不活性ガスの使用量を削減させて製造コストを低減することができる。

Description

半導体装置の製造方法
　本発明は、半導体装置の製造方法に関する。
　近年、半導体素子を用い、ＡＣ（交流）／ＡＣ変換や、ＡＣ／ＤＣ（直流）変換、ＤＣ／ＡＣ変換などを行うための電力変換回路では、電解コンデンサや直流リアクトルなどで構成される直流平滑回路を不要にすることができる直接リンク形変換回路として、マトリクスコンバータが知られている。このマトリクスコンバータは交流電圧下で使用されるため、マトリクスコンバータを構成する複数のスイッチングデバイスには、順方向および逆方向に電流制御可能な双方向スイッチングデバイスを必要とする。
　最近、回路の小型化、軽量化、高効率化、高速応答化および低コスト化等の観点から、前記双方向スイッチングデバイスを、図９の等価回路図に示すように２個の逆阻止ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）を逆並列接続構成としたものが着目されている。図９は、逆阻止ＩＧＢＴを用いた双方向スイッチングデバイスの等価回路を示す回路図である。このような逆阻止ＩＧＢＴの逆並列接続構成には、逆方向電圧を阻止するためのダイオードを不要にすることができるというメリットがある。すなわち、逆阻止ＩＧＢＴとは、逆耐圧を順耐圧と同程度の耐圧にすると共に耐圧信頼性も高めた特性を有するデバイスをいう。一方、従来の電力変換回路に使用される通常のＩＧＢＴでは、逆耐圧を有しない通常のトランジスタやＭＯＳＦＥＴ（絶縁ゲート型電界効果トランジスタ）と同様に、有効な逆耐圧は求められていなかったため、逆耐圧が順耐圧に比べて低く耐圧信頼性も低いＩＧＢＴで充分であった。
　つぎに、従来の逆阻止ＩＧＢＴの構造について説明する。図８は、従来の逆阻止ＩＧＢＴの断面構造を模式的に示す断面図である。図８は、下記特許文献１に記載されている。この従来の逆阻止ＩＧＢＴは、中央に活性領域１１０があり、この活性領域１１０を取り巻く外周側に、耐圧構造領域１２０を挟んで、さらにその外側を取り囲むｐ型分離層３１を有する構造を特徴とする。このため、ｐ型分離層３１を半導体基板の一方の主面からの熱拡散のみにより形成するためには、ｐ型分離層３１の深さを非常に深くする必要があり、高温長時間の熱拡散（ドライブイン）を伴う。熱拡散は、一般に酸化雰囲気で行われる。その理由は、半導体基板の表面に酸化膜を形成することにより半導体基板内にイオンを閉じ込め、熱拡散により基板表面側から基板外にイオンが散逸するのを防ぐためである。また、デバイス設計上、熱拡散時に必要以上に酸化膜を形成したくない場合は、酸素分圧を低くして、他のガス（アルゴン（Ａｒ）、窒素（Ｎ2）など）も含む混合ガス雰囲気中で熱処理したり、酸素を含まない不活性ガス雰囲気中での熱処理を行う場合もある。
　図８の活性領域１１０は、ｎ-型ドリフト領域２１、ｐ型ベース領域２２、ｎ+型エミッタ領域２３、ゲート絶縁膜２４、ゲート電極２５、層間絶縁膜２６、エミッタ電極２９、ｐ型コレクタ領域２７およびコレクタ電極２８などを備える縦型のＩＧＢＴの主電流の経路となる領域である。ｐ型分離層３１は、ボロン（Ｂ）の熱拡散により半導体基板のおもて面から裏面側のｐ型コレクタ領域２７に達する深さに形成されるｐ型の領域である。このｐ型分離層３１によって、逆耐圧接合であるｐ型コレクタ領域２７とｎ-型ドリフト領域２１との間のｐｎ接合面の終端部は、チップ化の際の切断面となるチップ側端面３０に露出されず、絶縁膜で保護された耐圧構造部１２０の表面３２に露出される。このため、ｐ型分離層３１を備えた逆阻止ＩＧＢＴは、逆耐圧信頼性を高くすることができる。
　図５（（ａ）～（ｄ））、図６（（ａ）～（ｄ））は、そのような逆阻止ＩＧＢＴにかかるｐ型分離層１０４を塗布拡散またはイオン注入によって、それぞれ形成する不純物拡散プロセスを工程順に示す製造工程断面図である。図５は、従来の塗布拡散による分離層の形成途中の状態を示す断面図である。図６は、従来のイオン注入による分離層の形成途中の状態を示す断面図である。図７は、従来の逆阻止ＩＧＢＴの端部構造を示す断面図である。図７（ａ）には、図５、図６の製造工程によって作製される、半導体基板を貫通する深さの拡散層により分離層を構成した逆阻止ＩＧＢＴを示す。まず、５００μｍ以上の厚いシリコン（Ｓｉ）を半導体材料とする半導体基板１００のおもて面側に、厚さ（膜厚）がおおよそ１．５μｍ～２．５μｍ程度の熱酸化膜１０１をドーパントマスクとして形成する（図５（ａ）、図６（ａ））。
　つぎに、この熱酸化膜１０１をパターニングして分離層を形成する不純物を導入するための開口部１０２を形成する（図５（ｂ）、図６（ｂ））。つぎに、開口部１０２に不純物となるボロンソース１０３を塗布し、ボロンの浅いデポジット層を形成する（または、熱酸化膜１０１の開口部１０２に露出する半導体基板１００にボロンをイオン注入１０５する）（図５（ｃ）、図６（ｃ））。つぎに、ボロンの選択拡散（ｐ型分離層用拡散）のためのドーパントマスクとして用いた熱酸化膜１０１を除去する。つぎに、高温（１３００℃）、長時間（１００時間～２００時間）の熱処理を行い、１００μｍ～２００μｍ程度の深さのｐ型の拡散層１０４を形成する（図５（ｄ）、図６（ｄ））。このｐ型の拡散層１０４を分離層として利用する。
　その後、ｐ型の拡散層１０４により取り囲まれた半導体基板１００のおもて面に再度酸化膜を形成しＭＯＳゲート構造および必要なおもて面側機能領域を形成するプロセス（図示せず）を施す。つぎに、半導体基板１００の裏面から前記ｐ型の拡散層１０４の底部に達するまで破線で示すように研削し除去して半導体基板１００を薄くする（図５（ｄ）、図６（ｄ））。この裏面研削面に図示しないｐ型コレクタ領域とコレクタ電極とで構成される裏面構造を形成し、ｐ型の拡散層１０４の中心部に位置するスクライブライン１０８で半導体基板１００を切断する。この切断によりチップ化された逆阻止ＩＧＢＴを図７（ａ）および前記図８の断面図に示す。
　しかし、前記図５、図６に示すように、ｐ型分離層を塗布拡散またはイオン注入によって形成する逆阻止ＩＧＢＴでは、前述のように深いｐ型分離層の形成のために高温長時間の熱拡散を必要とする。その結果、この高温長時間の熱拡散中に、半導体基板内の格子間に酸素原子が導入され、酸素析出物や酸素ドナー化現象、結晶欠陥などが発生する。これらの結晶欠陥が導入されると、半導体基板中のｐｎ接合でリーク電流が高くなったり、半導体基板上に形成された絶縁膜の耐圧、信頼性が大幅に劣化する虞が大きくなる。
　そこで、この高温長時間の熱拡散に起因する問題点を解消するために、ｐ型分離層の拡散深さを浅くして高温の熱拡散にかかる時間を短くする方法が複数開発されている。例えば、半導体基板の裏面からＶ字溝を形成して分離層の深さを浅くすることにより分離層の形成に要する高温の熱拡散にかかる時間を短くする製造方法である（例えば、下記特許文献２～４参照。）。下記特許文献２～４により作製される逆阻止ＩＧＢＴの端部構造の一例を図７（ｂ）に示す。さらに、図１０の断面図に示すように、半導体基板１００のおもて面側から深さ２００μｍの垂直側壁を有するトレンチ１０９を形成し、その側壁に深さの浅い分離層１０４ｂを設けることにより高温の熱拡散にかかる時間を短縮する方法も知られている。図１０は、従来のトレンチを利用して形成した分離層を有する逆阻止ＩＧＢＴの構造を示す断面図である。図１０中の符号１０６はｐ型コレクタ領域、１０８はスクライブライン、１１１は基板おもて面側のＭＯＳゲート構造をそれぞれ示す。
　一方、従来、高耐圧パワーデバイスの製造に用いられる半導体基板には、多結晶シリコン（以降、ＦＺ用多結晶シリコンと略記）を用いてＦＺ（フローティングゾーン）法により製造されるシリコン単結晶（以降、ＦＺシリコン単結晶と略記）から切り出されたシリコン半導体基板（以降、ＦＺシリコン半導体基板と略記）が使用されてきた。このＦＺシリコン半導体基板は、ＣＺ（チョクラルスキー）法により製造されるシリコン単結晶（以降、ＣＺシリコン単結晶と略記）から切り出されたシリコン半導体基板（以降、ＣＺシリコン半導体基板と略記）に比べて結晶に含まれる転位が少ない、含有酸素が少ないなどの利点がある。このため、ＦＺシリコン単結晶は、特に高耐圧大電流容量のパワーデバイス用シリコン結晶として欠かせない。しかし、近年は、デバイスのコスト低減のため、より大口径のＦＺシリコン半導体基板が求められているが、ＦＺシリコン半導体基板はＣＺシリコン半導体基板に比べて大口径化が難しい。
　通常、ＦＺシリコン単結晶の原料としては、前述のようにＦＺ用多結晶シリコンを使用する。しかし、ＦＺ法の原料として必要であるＦＺ用多結晶シリコンは、高純度で、クラックや割れが生じにくく、均一な粒界組織であり、かつ、製造するＦＺシリコン単結晶に適した直径であるとともに、扁平やクランクが少なくなく、表面状態の良い円柱状であることが必要とされる。このようなＦＺ用多結晶シリコンの製造は、ＣＺ法で使用されるナゲット状の多結晶シリコン（以降、ＣＺ用多結晶シリコンと略記）の製造に比較して、歩留りや、生産性が非常に低い。一方、直径３００ｍｍ向けを中心としたＣＺ用多結晶シリコンの需要が大幅に増加している。そこで、従来のＦＺ用多結晶シリコンの代わりに大口径の結晶シリコンが安定して得られるＣＺシリコン単結晶を原料として、大口径のＦＺシリコン単結晶を製造する方法が公知になっている（例えば、下記特許文献５参照。）。この方法によって製造されたＦＺシリコン単結晶から切り出されたシリコン半導体基板を以降、ＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板と略記する。
特開２００６－８０２６９号公報 米国特許第７７４１１９２号明細書 特開２００６－３０３４１０号公報 特開２０１１－１８１７７０号公報 特開２００７－３１４３７４号公報
　しかしながら、前述のように、上記特許文献２～４に記載の半導体基板の裏面からＶ字溝を形成する方法では、基板おもて面側からのｐ型の拡散層１０４ａの深さを浅くすることで高温での熱拡散時間を確実に短縮することができるが、ｐ型の拡散層１０４ａの深さを浅くし過ぎた場合、別の問題が生じる。具体的には、高温での熱拡散時間を短くするために基板おもて面側からの拡散層１０４ａの深さを浅くしていくと、その分、Ｖ字溝を深くしなければならないため、半導体基板１００が割れやすくなるという新たな問題が生じる。
　さらに、図１０に示すような主面に垂直な側壁を有するトレンチ１０９を利用してｐ型分離層１０４ｂを形成することにより高温の熱拡散時間を短縮する方法では、つぎの問題が生じる。例えば、２００μｍ程度の深さのトレンチ１０９のエッチングに要する時間は、典型的なドライエッチング装置を用いた場合、１枚あたり１００分間程度である。このため、トレンチ１０９を利用してｐ型分離層１０４ｂを形成する場合、リードタイムの増加、メンテナンス回数の増加などの弊害をもたらす。
　また、前述の図５～図７の説明にかかる高温長時間の熱拡散では、前述のＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板を用いた場合、当初（半導体装置の製造工程投入前）から基板内に含まれるとされる空孔に起因して相乗的に発生する結晶欠陥、および、熱拡散処理時の雰囲気ガス種に起因して半導体基板内に新たに発生する結晶欠陥の影響で、従来のＦＺシリコン半導体基板を用いた場合よりもさらに半導体装置の良品率が低下（悪化）するという問題が生じる。
　すなわち、半導体基板には、熱処理条件により析出物が発生する。この析出物により積層欠陥などの結晶欠陥が発生し、この結晶欠陥が、半導体基板を用いて製造する半導体装置の電気的特性に悪影響を及ぼす虞がある。その代表的な結晶欠陥は、ＣＺシリコン半導体基板を熱処理した際に発生する酸素析出物（ＳｉＯ2）である。これは、ＣＺシリコンインゴット（ＣＺシリコン結晶）の引き上げ中に容器の石英るつぼから散逸した酸素がＣＺシリコンインゴット中に取り込まれ、この酸素が熱処理時にＳｉＯ2として析出したものである。
　このようなＳｉＯ2の析出に伴って発生する結晶欠陥が半導体装置のｐｎ接合付近に存在する場合、接合リークや耐圧不良の原因となる。このため、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ　Ｓｃａｌｅ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）などの横型半導体装置においては、通常、熱処理によって半導体基板のおもて面付近の活性部内に酸素析出物が生じないような対策を行う。一方、ＩＧＢＴなどの大電力向けの縦型半導体装置は、半導体基板のおもて面側から裏面側までの基板全体に電流が流れるため、ＣＺシリコン半導体基板を熱処理して基板のおもて面付近の酸素析出物発生を抑制するだけでは不十分である。
　そのため、縦型半導体装置に用いる半導体基板を製造するには、インゴット製造時に酸素の混入を防ぐことのできるＦＺ法を用いてＦＺシリコンインゴットを製造するのが一般的である。ＦＺシリコンインゴットを用いることにより、前述の酸素析出物の発生を抑制することができ、基板全面に電流が流れる縦型半導体装置の電気的特性不良を低減することが可能である。しかしながら、半導体基板を熱処理した際に発生する析出物は、酸素析出物だけではない。
　近年、ＦＺシリコンインゴットの原料のポリシリコンロッド材料の需給逼迫に伴い、原料にポリシリコンロッドではなくＣＺシリコンインゴットを用いてＦＺシリコンインゴットを製造することが行われている。これは、ＣＺシリコンインゴット中に含まれる酸素を、誘導加熱による溶融時に外方拡散させ、再結晶化させるときにＦＺシリコンインゴット中に含まれる酸素濃度を低下させることにより、低酸素濃度のＦＺシリコンインゴットを製造する方法である。
　しかしながら、ＣＺシリコンインゴットを用いて製造したＦＺシリコンインゴットからら切り出されたＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板において、深い導電層を形成するために高温長時間（例えば１３００℃の温度で１００時間）の熱処理を行った場合、析出物が発生し、半導体装置の電気的特性の不良が生じることがある。この析出物は、微視的解析により、窒素析出物（α－Ｓｉ3Ｎ4）であることがわかっており、この窒素析出物は窒素を含む雰囲気での熱処理に起因するものである。このような窒素析出物の発生を防ぐ方法として、アルゴンと酸素との混合ガス雰囲気での熱処理方法があるが、アルゴンと酸素との混合ガス雰囲気での高温長時間の熱処理は、原料ガスにアルゴンを多く用いるため、コスト増になるという問題がある。
　本発明は、前述した従来技術による問題点を解消するため、ＣＺシリコン結晶を用いて製造されるＦＺシリコン結晶から切り出されたシリコン半導体基板を使用して、１２９０℃以上および１００時間以上の高温長時間の熱拡散によって深い拡散層を形成する工程を有する場合でも、シリコン半導体基板内に前記高温長時間の熱拡散に起因する結晶欠陥の発生を抑制することができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
　上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、つぎの特徴を有する。ＦＺ法により製造されるシリコン半導体基板に、１２９０℃以上シリコン結晶の融解温度未満の範囲内の熱処理温度の熱拡散によって深さ５０μｍ以上の拡散層を形成する拡散工程を行う。前記拡散工程では、酸素雰囲気または酸素と不活性ガスとの混合ガス雰囲気の第１熱処理を行った後に、窒素雰囲気または窒素と酸素との混合ガス雰囲気の第２熱処理を行うことにより前記拡散層を形成する。
　また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記シリコン半導体基板として、ＦＺ用多結晶シリコンを原料としてＦＺ法で製造されるＦＺシリコン結晶から切り出されたＦＺシリコン半導体基板を用いることが好ましい。
　また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記シリコン半導体基板として、ＣＺ用多結晶シリコンを原料としてＦＺ法で製造されるＣＺ－ＦＺシリコン結晶から切り出されたＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板を用いることも好ましい。
　また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記シリコン半導体基板の厚さをＬ（μｍ）とした場合に、前記第１熱処理の処理時間ｔ（時間）は、ｔ＞３．５×１０-6×Ｌ2を満たすことが好ましい。
　また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記シリコン半導体基板の厚さをＬ（μｍ）とし、前記第１熱処理の処理温度Ｔにおける格子間シリコン原子の拡散係数をＤＴ（μｍ2／ｈ）とした場合に、前記第１熱処理の処理時間ｔ（時間）は、ｔ＞Ｌ2／（１６×ＤＴ）を満たすことが好ましい。
　また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、耐圧に応じたシリコン基板の厚さをＭ（μｍ）とした場合に、前記第１熱処理の処理時間ｔ（時間）は、ｔ＞３．５×１０-6×Ｍ2を満たすことが好ましい。
　また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、耐圧に応じたシリコン基板の厚さをＭ（μｍ）とし、前記第１熱処理の処理温度Ｔにおける格子間シリコン原子の拡散係数をＤＴ（μｍ2／ｈ）とした場合に、前記第１熱処理の処理時間ｔ（時間）は、ｔ＞Ｍ2／（１６×ＤＴ）を満たすことが好ましい。
　また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記拡散工程では、逆阻止型の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを構成する分離層となる前記拡散層を形成することが好ましい。
　本発明にかかる半導体装置の製造方法によれば、大口径化とコストダウンのためにＣＺシリコン結晶を用いてＦＺ法で製造されるＦＺシリコン結晶から切り出されたシリコン半導体基板を使用して、１２９０℃以上および１００時間以上の高温長時間の熱拡散によって深い拡散層を形成する場合であっても、半導体基板内に高温長時間の熱拡散に起因する結晶欠陥の発生を抑制することができるという効果を奏する。また、本発明にかかる半導体装置の製造方法によれば、高温長時間の熱拡散を行う際の原料ガスである不活性ガスの使用量を削減することができるため、製造コストを低減することができるという効果を奏する。
図１は、本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造途中のＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板の状態を模式的に示す断面図である。 図２は、本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造途中のＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板の状態を模式的に示す断面図である。 図３は、本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造途中のＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板の状態を模式的に示す断面図である。 図４は、ＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板の断面Ｘ線トポグラフィー写真を模した断面図である。 図５は、従来の塗布拡散による分離層の形成途中の状態を示す断面図である。 図６は、従来のイオン注入による分離層の形成途中の状態を示す断面図である。 図７は、従来の逆阻止ＩＧＢＴの端部構造を示す断面図である。 図８は、従来の逆阻止ＩＧＢＴの断面構造を模式的に示す断面図である。 図９は、逆阻止ＩＧＢＴを用いた双方向スイッチングデバイスの等価回路を示す回路図である。 図１０は、従来のトレンチを利用して形成した分離層を有する逆阻止ＩＧＢＴの構造を示す断面図である。
　以下、本発明にかかる半導体装置の製造方法の好適な実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、ｎまたはｐを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、ｎやｐに付す＋および－は、それぞれそれが付されていない層や領域よりも相対的に不純物濃度が高いまたは低いことを意味する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、実施の形態で説明される添付図面は、見易くまたは理解し易くするために正確なスケール、寸法比で描かれていない。本発明はその要旨を超えない限り、以下に説明する実施の形態の記載に限定されるものではない。
（実施の形態）
　以下、本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法について、大口径化とコストダウンのために、ＣＺ（チョクラルスキー）シリコン（Ｓｉ）インゴット（ＣＺシリコン結晶）を原料としてＦＺ（フローティングゾーン）法により製造したＦＺシリコン単結晶（ＦＺシリコンインゴット）から切り出されたＦＺシリコン半導体基板（ＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板）を用いて、耐圧６００Ｖの逆阻止ＩＧＢＴを製造する場合を例に説明する。ＣＺシリコンインゴットは、ナゲット状の多結晶シリコン（ＣＺ用多結晶シリコン）を原料としてＣＺ法により作製されたＣＺシリコン単結晶である。特には、本発明の特徴である高温長時間の熱拡散（ドライブイン）によって深い拡散層、例えば半導体基板のおもて面から裏面に達する程度の深さを有する分離層を形成するための拡散工程について説明する。以降説明する拡散工程の大部分は前記図６、図７（ａ）を参照して説明した従来の逆阻止ＩＧＢＴの製造プロセスを用いる。
　本発明の実施の形態にかかる逆阻止ＩＧＢＴの製造方法が前述した従来の逆阻止ＩＧＢＴの製造方法と異なる点は、本発明の実施の形態にかかる逆阻止ＩＧＢＴの製造方法では、高温長時間を要する分離層の熱拡散を、酸素（Ｏ2）雰囲気中または酸素と不活性ガスとの混合ガス雰囲気中で第１熱処理した後に、窒素（Ｎ2）雰囲気中または窒素と酸素との混合ガス雰囲気中で第２熱処理する構成とした点である。図１～３は、本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造途中のＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板の状態を模式的に示す断面図である。まず、ＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板１を用意する。ＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板１内には、初期状態（半導体装置の製造工程投入前）から、部分的に空孔欠陥２（Ｖ：Ｖａｃａｎｃｙ）が存在する場合がある（図１（ａ））。この空孔欠陥２は、サイズが微小であるため直接検出することはできない（図中では模式的に大きく表示している）。
　つぎに、このＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板１に対して窒素を含まない雰囲気の熱酸化を行い、ＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板１のおもて面に厚さ（膜厚）をおおよそ１μｍ程度にした酸化膜３をドーパントマスクとして形成する（図１（ｂ））。つぎに、この酸化膜３にパターニング・エッチングにより、導電層を形成するための開口部４を形成する（図１（ｃ））。つぎに、開口部４に露出するＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板１にボロン（Ｂ）のイオン注入（ボロンイオン注入）５を例えば１０15ｃｍ-2程度の高ドーズ量で行うことにより、ボロンイオン注入層６を形成する（図１（ｄ））。
　つぎに、例えば酸素（Ｏ2）１０を３０％とアルゴン（Ａｒ）９を７０％とを混合した混合ガス雰囲気中で、１３００℃の温度の第１熱処理を１０時間実施する。炉入れ、炉出し温度は例えば７００℃で、昇降温速度は例えば１℃／ｍｉｎである。これによって、ＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板１の露出部分を酸化して熱酸化膜７を形成するとともに、ボロンイオン注入５により注入したボロンイオン注入層６を拡散させてボロン拡散層８を形成する。この時点でのＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板１の断面構造模式図を図２に示す。第１熱処理による熱酸化に伴い発生した余剰Ｓｉ原子が、格子間原子（以下、格子間Ｓｉ原子とする）としてＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板１に注入１１されることにより（図２（ａ））、空孔欠陥２が埋められる（図２（ｂ））。
　その後、例えば酸素（Ｏ2）１０を３０％と窒素（Ｎ2）１２を７０％とを混合した混合ガス雰囲気中で、１３００℃の温度の第２熱処理を９０時間実施する。これによって、ボロン拡散層８をさらに拡散させて、ＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板１のおもて面から裏面に達する深さのｐ型導電層１３を形成する。この時点での断面構造模式図を図３に示す。第１熱処理によって既にＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板１内の空孔欠陥２が埋められているため、その後窒素を含む雰囲気で第２熱処理を行っても、ＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板１内に窒素析出物が析出する起点となる空孔欠陥２が存在しない。したがって、窒素析出現象は起こらない。
　次に、第１，２熱処理後のＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板１の断面観察を行った結果について説明する。図４は、ＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板の断面Ｘ線トポグラフィー写真を模した断面図である。図４（ａ）には、酸素（Ｏ2）１０を３０％とアルゴン（Ａｒ）９を７０％とを混合した混合ガス雰囲気中で、１３００℃の温度の第１熱処理を１０時間実施した後に、酸素（Ｏ2）１０を３０％と窒素（Ｎ2）１２を７０％とを混合した混合ガス雰囲気中で、１３００℃の温度の第２熱処理を９０時間実施したＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板１の断面Ｘ線トポグラフィー写真を模した図を示す（以下、実施例とする）。比較として、図４（ｂ）に、酸素（Ｏ2）を３０％と窒素（Ｎ2）を７０％とを混合した混合ガス雰囲気中で、１３００℃の温度の熱処理を１００時間実施したＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板１の断面Ｘ線トポグラフィー写真を模した図を示す（以下、比較例１とする）。図４（ａ）,４（ｂ）に示すように、実施例においては、比較例１のような、窒素析出物に起因する欠陥によるコントラスト変化は観測されなかった。さらに、比較として、図４（ｃ）に、酸素（Ｏ2）を３０％とアルゴン（Ａｒ）を７０％とを混合した混合ガス雰囲気中で、１３００℃の温度の熱処理を１００時間実施したＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板１の断面Ｘ線トポグラフィー写真を模した図を示す（以下、比較例２とする）。図４（ａ）、４（ｃ）に示すように、実施例は、比較例２と同様に、窒素析出物を発生させずに深い導電層を基板中に形成することができることが確認された。図４（ａ），４（ｂ），４（ｃ）のいずれの断面Ｘ線トポグラフィー写真を模した図にも、縦方向のコントラストが見られるが、これは結晶の完全性が高い場合に生じる動力学回折現象によるペンデル縞と呼ばれるコントラストであり、結晶欠陥ではない。
　なお、本実施の形態では酸素（Ｏ2）１０を３０％とアルゴン（Ａｒ）９を７０％とを混合した混合ガス雰囲気中での第１熱処理において、熱処理温度を１３００℃とし、熱処理時間を１０時間としたが、初期状態でＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板１内に存在する空孔欠陥２を格子間Ｓｉ原子で埋めることができればよく、熱処理温度と熱処理時間とを種々変更してもよい。以下に、その条件について述べる。
　格子間Ｓｉ原子の拡散係数Ｄと、第１熱処理の熱処理時間ｔ（ｈ）と、拡散長Ｘ（濃度１／ｅ）と間には、Ｘ＝２√（Ｄｔ）の関係がある。松本智による「高純度同位体を用いた半導体中の自己拡散現象の解明」（応用物理学会、応用物理８０（２０１１）、ｐ．９８７－９９０）で求められた拡散係数の値を高温領域に外挿すると、熱処理温度が１３００℃である場合、Ｄ＝５．０×１０-8（ｃｍ2／ｓ）＝１．８×１０4（μｍ2／ｈ）である。また、ＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板１を第１熱処理すると、基板のおもて面と裏面との両面側から格子間Ｓｉ原子が注入１１される。このため、ＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板１の厚さをＬ（μｍ）とすると、酸化雰囲気での第１熱処理の熱処理時間ｔが、２√（Ｄｔ）＝Ｌ／２の関係を満たす熱処理時間より長ければ、ＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板１の全体に格子間Ｓｉ原子が注入１１されることになる。これらの関係式から、第１熱処理の熱処理時間ｔは、第１熱処理の処理温度Ｔにおける格子間シリコン原子の拡散係数をＤＴとしたときに、ｔ＝Ｌ2／（１６×ＤＴ）とあらわすことができる。この式に熱処理温度１３００℃における格子間Ｓｉ原子の拡散係数Ｄ＝１．８×１０4（μｍ2／ｈ）を上記式のＤＴに代入すると、ｔ（ｈ）＝３．４７×１０-6×Ｌ2（μｍ2）となる。よって、ＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板１の厚さＬを例えば５００（μｍ）とすると、ｔ＝０．８７（ｈ）＝５２（ｍｉｎ）となり、熱処理温度が１３００℃である場合においては５２分以上の第１熱処理を行えば、ＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板１中の空孔欠陥２を格子間Ｓｉ原子で埋めることができる。なお、ｈ：時間（ｈｏｕｒ）、ｍｉｎ：分（ｍｉｎｕｔｅ）、ｓ：秒（ｓｅｃｏｎｄ）である。
　また、上記ではＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板１の厚さ方向全体に格子間Ｓｉ原子を注入１１する熱処理条件としたが、ＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板１は、最終的な半導体装置の耐圧に応じて研削して薄ウェハ化を行う場合があるため、その場合は、ＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板１のおもて面から、半導体装置の最終的な製品厚さの位置まで格子間Ｓｉ原子を注入１１すれば良い。
　また、アルゴンガスの代わりに、他の不活性ガス（例えばヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）など）を含む雰囲気を用いて第１熱処理を行っても良い。また、熱酸化膜７の厚さをより厚くしたい場合は、不活性ガス無しで、酸素１００％の酸素雰囲気にしても同様の効果が得られる。
　上記の関係式から決定した熱処理温度・熱処理時間で酸素雰囲気中または酸素と不活性ガスとの混合ガス雰囲気中の第１熱処理を行った後に、引き続き、窒素雰囲気中または窒素と酸素との混合ガス雰囲気中での第２熱処理を行うことにより、ＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板１内に窒素析出物を生成させずに所望の深さまでボロン（ボロンイオン注入層６）を拡散させ、深いｐ型導電層１３を形成することができる。第２熱処理の熱処理時間は、ｐ型導電層１３の深さに応じて設定される。すなわち、第２熱処理の熱処理時間は、例えば、第１熱処理により拡散されてなるボロン拡散層８を第２熱処理によってさらに拡散させて所望の深さのｐ型導電層１３を形成可能な時間であり、第１熱処理の熱処理時間と第２熱処理の熱処理時間とを合わせて例えば１００時間を超えてもよい。この場合においても、第１熱処理によりＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板１内の空孔欠陥２が格子間Ｓｉ原子で埋められているため、第２熱処理により窒素析出物を生成させずに所望の深さのｐ型導電層１３を形成することができる。
　このようにして形成した深いｐ型導電層１３は、逆耐圧構造を持つＩＧＢＴ（逆阻止ＩＧＢＴ）の逆耐圧構造を保持するためのｐ型分離層として用いることができる（逆阻止ＩＧＢＴの断面構造は例えば図８参照）。ｐ型分離層は、半導体装置（半導体チップ）の周辺端部を全て取り囲むように形成する必要があるため、ｐ型分離層を熱拡散方式のみで形成する場合、半導体基板の一方の主面から他方の主面まで達する深さの連続したｐ型導電層１３を形成する必要がある。なお、半導体装置に使用する半導体基板の製品厚さは、その半導体装置の耐圧によって決まる。例えば、６００Ｖクラス耐圧の逆阻止ＩＧＢＴであれば、半導体基板の製品厚さは約１００μｍである。１２００Ｖクラス耐圧の逆阻止ＩＧＢＴであれば、半導体基板の製品厚さは約１８０μｍである。１７００Ｖクラス耐圧の逆阻止ＩＧＢＴであれば、半導体基板の製品厚さは約２４０μｍである。ｐ型分離層を、熱拡散方式とＶ字型溝に対するイオン注入後のレーザーアニール方式とを併用して形成する場合は、熱拡散により形成するｐ型分離層の厚さはより浅くできる（逆阻止ＩＧＢＴの断面構造は例えば図７（ｂ）参照）。その場合でも、Ｖ字型溝形成後に半導体基板の機械的強度が低下して製造工程中で半導体基板が割れることを防止するために、熱拡散により形成するｐ型分離層の厚さは５０μｍ以上を必要とする。
　第２熱処理の熱処理温度について、前述の説明では１３００℃としたが、１２９０℃としてもよい。第２熱処理の熱処理温度を１２９０℃より低くすることは耐圧特性には問題が生じないが、熱拡散時間が長くなり、作業効率が悪くなるという実用性の問題が生じるため好ましくない。具体的には、耐圧６００Ｖの逆阻止ＩＧＢＴに必要な深い分離層を熱拡散によって形成する場合、例えば、１３００℃の温度での熱拡散では１００時間の熱処理時間で済むが、１２８０℃の温度での熱拡散では１５０時間も熱処理時間が必要になり効率が悪い。したがって、第２熱処理の熱処理温度は、１２９０℃以上とするのが好ましい。一方、第２熱処理の熱処理温度の上限は、ＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板１に、ウエハプロセスに支障があるような変形が生じない温度にまでは上昇させることができる。ＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板１に変形が生じなければ、熱拡散温度を高温にするほど熱拡散時間を短縮させることができるので好ましい。すなわち、第２熱処理の熱処理温度はＳｉの融点以下とするのが好ましい。その理由は、ＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板１が溶け出してＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板１の形状を変形させないような温度（おおよそ１３５０℃程度）であるからである。
　第１熱処理は、格子間Ｓｉ原子をウェハのおもて面側から少なくとも深さ５０μｍ以上まで拡散させる工程で格子間Ｓｉ原子の拡散速度が速いため、熱拡散温度が１２９０℃以下であっても、熱拡散時間が１００時間以下であっても、上述したようにｔ＞Ｌ2／（１６×ＤＴ）またはｔ＞Ｍ2／（１６×ＤＴ）の条件を満たしていれば問題ない。また、第１熱処理は、熱拡散温度が１３００℃の場合は、上述したようにｔ＞３．５×１０-6×Ｌ2またはｔ＞３．５×１０-6×Ｍ2の条件を満たしていればよい。これらの条件式において、ｔ、ＤＴ、ＬおよびＭは、上述したようにそれぞれ第１熱処理の熱処理時間、第１熱処理の処理温度Ｔにおける格子間シリコン原子の拡散係数、ＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板１の厚さ、および半導体基板の製品厚さ（耐圧に応じたシリコン基板の厚さ）である。第２熱処理は、逆阻止ＩＧＢＴの逆耐圧構造の分離領域を形成するために、ｐ型ドーパント（ボロン）をウェハのおもて面側から少なくとも深さ５０μｍ以上まで拡散させる工程で、ボロンの拡散速度は格子間Ｓｉ原子よりも遅く、熱拡散温度が１２９０℃以上であることが望ましい条件となる。
　以上、説明したように、本発明の実施の形態によれば、酸素雰囲気または酸素と不活性ガスとの混合ガス雰囲気の第１熱処理によりＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板内の空孔欠陥を埋めることで、その後の窒素を含む雰囲気での第２熱処理によって、ＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板内に窒素析出物を発生させずに、例えば逆阻止ＩＧＢＴの分離層となる所望の深さの拡散層を形成することができる。したがって、大口径化とコストダウンのために、結晶欠陥が生じ易いＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板を使用して、１２９０℃以上および１００時間以上の高温長時間の熱拡散を伴う深い拡散層を有する半導体装置を製造する場合でも、拡散層を形成するための熱処理に用いる原料ガスであるアルゴンなどの不活性ガスの使用量を削減して低コストで、かつ結晶欠陥の発生を抑制することができる。
　以上において本発明では、逆阻止ＩＧＢＴのｐ型分離層の形成のための高温長時間の熱拡散プロセスを中心に説明したが、１２９０℃以上の温度で１００時間を超えるような高温長時間の熱拡散によって深い拡散層を形成するプロセスを有する他の半導体装置の製造方法にも適用することができる。また、上述した実施の形態では、ＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板を使用して半導体装置を製造する場合を例に説明しているが、これに限らず、ＦＺ用多結晶シリコンを用いてＦＺ法により製造されるＦＺシリコン単結晶から切り出されたＦＺシリコン半導体基板を用いても同様の効果が得られる。ＦＺ用多結晶シリコンとは、ＦＺ法で用いられる略円柱状のポリシリコンロッドである。また、本発明は、導電型を反転させても同様に成り立つ。
　以上のように、本発明にかかる半導体装置の製造方法は、高温長時間の熱拡散を伴う深い不純物拡散層を有する半導体装置に有用である。
　１　ＣＺ－ＦＺシリコン半導体基板
　２　空孔欠陥
　３　酸化膜
　４　酸化膜の開口部
　５　ボロンイオン注入
　６　ボロンイオン注入層
　７　熱酸化膜
　８　ボロン拡散層
　９　アルゴン原子
　１０　酸素分子
　１１　余剰シリコン原子の注入
　１２　窒素分子
　１３　ｐ型導電層
　２１　ｎ-型ドリフト領域（シリコン半導体基板）
　２２　ｐ型ベース領域
　２３　ｎ+型エミッタ領域
　２４　ゲート絶縁膜
　２５　ゲート電極
　２６　層間絶縁膜
　２７　ｐ型コレクタ領域
　２８　コレクタ電極
　２９　エミッタ電極
　３０　チップ側端面
　３１　ｐ型分離層
　３２　耐圧構造部の表面
　１１０　活性領域
　１２０　耐圧構造部

Claims (8)

  1. 　フローティングゾーン法により製造されるシリコン半導体基板に、１２９０℃以上シリコン結晶の融解温度未満の範囲内の熱処理温度の熱拡散によって深さ５０μｍ以上の拡散層を形成する拡散工程を含み、
    　前記拡散工程では、酸素雰囲気または酸素と不活性ガスとの混合ガス雰囲気の第１熱処理を行った後に、窒素雰囲気または窒素と酸素との混合ガス雰囲気の第２熱処理を行うことにより前記拡散層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 　前記シリコン半導体基板として、多結晶シリコンを原料としてフローティングゾーン法で製造されるシリコン結晶から切り出された半導体基板を用い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。
  3. 　前記シリコン半導体基板として、チョクラルスキー法で製造される結晶シリコンを原料としてフローティングゾーン法で製造されたシリコン結晶から切り出された半導体基板を用い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。
  4. 　前記シリコン半導体基板の厚さをＬ（μｍ）とした場合に、前記第１熱処理の処理時間ｔ（時間）は、ｔ＞３．５×１０-6×Ｌ2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。
  5. 　前記シリコン半導体基板の厚さをＬ（μｍ）とし、前記第１熱処理の処理温度Ｔにおける格子間シリコン原子の拡散係数をＤＴ（μｍ2／ｈ）とした場合に、前記第１熱処理の処理時間ｔ（時間）は、ｔ＞Ｌ2／（１６×ＤＴ）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。
  6. 　耐圧に応じたシリコン基板の厚さをＭ（μｍ）とした場合に、前記第１熱処理の処理時間ｔ（時間）は、ｔ＞３．５×１０-6×Ｍ2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。
  7. 　耐圧に応じたシリコン基板の厚さをＭ（μｍ）とし、前記第１熱処理の処理温度Ｔにおける格子間シリコン原子の拡散係数をＤＴ（μｍ2／ｈ）とした場合に、前記第１熱処理の処理時間ｔ（時間）は、ｔ＞Ｍ2／（１６×ＤＴ）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。
  8. 　前記拡散工程では、逆阻止型の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを構成する分離層となる前記拡散層を形成することを特徴とする請求項１～７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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