WO2026009646A1 - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置および半導体装置の製造方法

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impurity concentration
semiconductor
semiconductor substrate
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博樹 脇本
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Fuji Electric Co Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D30/00Field-effect transistors [FET]
    • H10D30/01Manufacture or treatment
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
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    • H10D30/66Vertical DMOS [VDMOS] FETs
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D62/00Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers
    • H10D62/10Shapes, relative sizes or dispositions of the regions of the semiconductor bodies; Shapes of the semiconductor bodies

Definitions

  • This disclosure relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device.
  • Si substrate semiconductor devices that use antimony (Sb) as an n-type dopant material are well known (see, for example, Patent Documents 1 and 2 below).
  • the present disclosure aims to resolve the problems associated with the prior art described above by providing a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device that can prevent a decrease in the n-type impurity concentration on the Si substrate surface when Sb is used as an n-type dopant material.
  • the semiconductor device has the following features. It has an active region through which current flows, and a termination structure disposed outside the active region and having a breakdown voltage structure surrounding the periphery of the active region.
  • the termination structure comprises a silicon semiconductor substrate using antimony as an n-type dopant, a first n-type semiconductor region provided in a surface layer on the front surface of the silicon semiconductor substrate, and a second p-type semiconductor region selectively provided on the front surface of the silicon semiconductor substrate.
  • the impurity concentration of the first semiconductor region is lower than the impurity concentration of the second semiconductor region and is the same as or higher than the impurity concentration of a bulk region on the back surface of the silicon semiconductor substrate.
  • the above disclosure makes it possible to stably control the n-type impurity concentration on the front surface of the semiconductor substrate, and the impurity concentration on the front surface of the semiconductor substrate is not affected by the amount of Sb incorporated into the thermal oxide film. This makes it possible to provide power semiconductors with stable voltage resistance characteristics and long-term reliability.
  • the semiconductor device and semiconductor device manufacturing method disclosed herein have the advantage of preventing a decrease in the n-type impurity concentration on the Si substrate surface when Sb is used as an n-type dopant material.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a semiconductor device according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a graph showing the n-type impurity concentration distribution of the semiconductor device according to the embodiment.
  • FIG. 3 is a graph showing the n-type impurity concentration distribution of a conventional semiconductor device.
  • a semiconductor device has the following features: It includes an active region through which a current flows, and a termination structure disposed outside the active region and having a breakdown voltage structure surrounding the periphery of the active region.
  • the termination structure includes a silicon semiconductor substrate using antimony as an n-type dopant, a first n-type semiconductor region provided in a surface layer on the front surface of the silicon semiconductor substrate, and a second p-type semiconductor region selectively provided on the front surface of the silicon semiconductor substrate.
  • the impurity concentration of the first semiconductor region is lower than the impurity concentration of the second semiconductor region and is the same as or higher than the impurity concentration of a bulk region on the back surface of the silicon semiconductor substrate.
  • the above disclosure makes it possible to stably control the n-type impurity concentration on the front surface of the semiconductor substrate, and the impurity concentration on the front surface of the semiconductor substrate is not affected by the amount of Sb incorporated into the thermal oxide film. This makes it possible to provide power semiconductors with stable voltage resistance characteristics and long-term reliability.
  • the semiconductor device according to the present disclosure is characterized in that, in the above disclosure, the first semiconductor region is doped with either phosphorus, antimony, or arsenic, or a combination thereof.
  • the semiconductor device according to the present disclosure is characterized in that, in the above disclosure, the impurity concentration of the first semiconductor region is higher than the impurity concentration of the bulk region by not less than -5% and not more than +5%.
  • the semiconductor device according to the present disclosure is characterized in that, in the above disclosure, the impurity concentration of the first semiconductor region is 10% to 20% higher than the impurity concentration of the bulk region.
  • the semiconductor device according to the present disclosure is characterized in that, in the above disclosure, the thickness of the first semiconductor region is 5.0 ⁇ m or more and 12.0 ⁇ m or less.
  • the method for manufacturing a semiconductor device has the following features. It is a method for manufacturing a semiconductor device having an active region through which current flows, and a termination structure disposed outside the active region and having a breakdown voltage structure surrounding the periphery of the active region.
  • the termination structure includes a first step of forming an n-type first semiconductor region in a surface layer on the front surface of a silicon semiconductor substrate using antimony as an n-type dopant, and a second step of selectively forming a p-type second semiconductor region on the front surface of the silicon semiconductor substrate.
  • the impurity concentration of the first semiconductor region is formed to be the same as or higher than the impurity concentration of the bulk region on the back surface side of the silicon semiconductor substrate than the second semiconductor region.
  • Figure 3 is a graph showing the n-type impurity concentration distribution in a conventional semiconductor device.
  • the vertical axis represents the n-type impurity concentration
  • the horizontal axis represents the depth from the Si substrate surface
  • position S represents the outermost surface of the Si substrate.
  • Figure 3 shows the n-type impurity concentration distribution near the Si substrate surface in a conventional semiconductor device made with a Si substrate using Sb as the n-type dopant.
  • Sb is incorporated into the thermal oxide film near the Si substrate surface T, making the n-type impurity concentration approximately 30% lower than the n-type impurity concentration in the substrate bulk region 111.
  • the amount of reduction in the n-type impurity concentration at the Si substrate surface is determined by the amount incorporated into the thermal oxide film, and is therefore affected by variations in the thermal oxide film thickness and heat treatment conditions during wafer processing, making the amount of reduction in the n-type impurity concentration at the Si substrate surface prone to instability.
  • the n-type impurity concentration at the Si substrate surface affects the electric field distribution in the breakdown voltage structure of a semiconductor device, posing the issue of variations in the breakdown voltage characteristics and charge resistance of the semiconductor device, which are related to long-term reliability.
  • layers and regions prefixed with n or p indicate that electrons or holes are the majority carriers, respectively. Furthermore, the + and - affixed to n or p indicate a higher or lower impurity concentration than layers or regions without that prefix. Note that in the following description of the embodiments and the accompanying drawings, similar components will be given the same reference numerals, and duplicate explanations will be omitted. Furthermore, descriptions of "same” or “equivalent” should preferably include variations within 5%, taking into account variations in manufacturing.
  • Fig. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a semiconductor device according to an embodiment.
  • the semiconductor device according to the embodiment shown in Fig. 1 is an IGBT 150 with a trench gate structure.
  • the IGBT 150 includes an active region 90 and an edge termination region 91 surrounding the active region 90.
  • the active region 90 is a region through which current flows when the IGBT 150 is on.
  • the edge termination region 91 includes a breakdown voltage maintaining region that relieves the electric field on the front surface side of the semiconductor substrate in the drift region and maintains the breakdown voltage.
  • the boundary between the active region 90 and the edge termination region 91 is the center of a gate trench 40, which has an n + type emitter region 12 (described later) provided on only one side.
  • An n-type accumulation layer may be provided in the surface layer of the front surface of the n - type semiconductor substrate (silicon semiconductor substrate) 18, which serves as the n-type drift layer of the active region 90.
  • the doped region 100 described below, may be the n-type accumulation layer.
  • the n-type accumulation layer need not be provided.
  • the n- type semiconductor substrate 18 is a Si substrate using Sb as an n-type dopant material.
  • a p-type base region 14 is provided on the n-type accumulation layer (on the front surface side of the n - type semiconductor substrate 18). The p-type base region 14 functions as a channel region in the IGBT 150.
  • a gate trench 40 is provided that penetrates the p-type base region 14 and reaches the n - type semiconductor substrate 18.
  • the gate trench 40 has n + -type emitter regions 12 on both sides and is arranged at predetermined intervals in, for example, a striped planar layout, separating the p-type base region 14 into multiple regions (mesa portions).
  • a gate insulating film 50 is provided along the inner wall of the gate trench 40 , and a gate electrode 51 is provided inside the gate insulating film 50 .
  • an n + -type emitter region 12 is selectively provided in each mesa portion.
  • the n + -type emitter region 12 faces the gate electrode 51 across a gate insulating film 50 provided on the inner wall of the gate trench 40.
  • the emitter electrode 52 contacts the n + -type emitter region 12 via a contact hole and is electrically insulated from the gate electrode 51 by the interlayer insulating film 38.
  • An opening may be selectively provided in the n + -type emitter region 12, and the emitter electrode 52 and the p-type base region 14 may be electrically connected through the opening.
  • a barrier metal 53 may be provided between the emitter electrode 52 and the interlayer insulating film 38 to prevent diffusion of metal atoms from the emitter electrode 52 toward the gate electrode 51, for example.
  • a contact electrode 54 may be embedded in a contact hole formed in the interlayer insulating film 38.
  • the contact electrode 54 is, for example, a metal film made of tungsten (W), which has high embedding properties.
  • a protective film 97 such as a passivation film made of polyimide, is provided on the emitter electrode 52.
  • n + type field stop (FS) layer 20 is provided on the rear surface side of the substrate inside the n ⁇ type semiconductor substrate 18.
  • the n + type FS layer 20 has the function of suppressing the extension of a depletion layer that extends from the pn junction between the p type base region 14 and the n ⁇ type semiconductor substrate 18 toward the p + type collector region 22 (described later) when the device is off.
  • a p + type collector region 22 is provided in the surface layer on the rear surface side of the n- type semiconductor substrate 18, at a position shallower from the rear surface of the n- type semiconductor substrate 18 than the n + type FS layer 20.
  • a rear surface electrode 24 is provided on the surface of the p + type collector region 22 (the entire rear surface of the n- type semiconductor substrate 18). The rear surface electrode 24 functions as a collector electrode.
  • a field oxide film 95 is provided on the front surface side of the n ⁇ type semiconductor substrate 18 in the edge termination region 91, and a conductive film 96 is provided on the field oxide film 95.
  • the conductive film 96 may be made of a polycrystalline silicon film.
  • An interlayer insulating film 38 is provided on the n ⁇ type semiconductor substrate 18 and the conductive film 96.
  • a field plate electrode 94 is provided on the conductive film 96. The field plate electrode 94 may be in contact with the conductive film 96 through a contact hole formed in the interlayer insulating film 38 and may be insulated from the n ⁇ type semiconductor substrate 18 by the field oxide film 95.
  • a barrier metal 53 may be provided between the field plate electrode 94 and the interlayer insulating film 38, for example, to prevent diffusion of metal atoms from the field plate electrode 94 toward the conductive film 96. Furthermore, a contact electrode 54 may be embedded in a contact hole formed in the interlayer insulating film 38.
  • the contact electrode 54 is, for example, a metal film made of tungsten (W), which has high embedding properties.
  • a p + well region 11 is provided on the active region 90 side of the edge termination region 91.
  • a p + guard ring (p-type second semiconductor region) 92 and a p + channel stopper 74 in contact with the chip edge are provided in the edge termination region 91.
  • the channel stopper 74 may also be n-type.
  • Multiple guard rings 92 may be provided.
  • FIG. 1 shows an example in which multiple guard rings 92 are provided.
  • Guard ring 92 may be provided in edge termination region 91 to surround active region 90. When multiple guard rings 92 are provided, the impurity concentrations of the guard rings 92 may be the same.
  • a conductive film 96 is provided on guard ring 92, and guard ring 92 contacts conductive film 96 through a contact hole formed in field oxide film 95.
  • a field plate electrode 94 is provided on the upper surface of interlayer insulating film 38 so as to contact the surfaces of channel stopper 74 and guard ring 92.
  • a protective film 97 such as a passivation film made of polyimide, is provided on interlayer insulating film 38 and field plate electrode 94.
  • a p + collector region 22 and an n + FS layer 20 are provided on the back surface of edge termination region 91.
  • an n-type dopant doped region (n-type first semiconductor region) 100 is provided on the front surface side of the n ⁇ -type semiconductor substrate 18 in the edge termination region 91.
  • the n-type dopant doped region 100 is formed by doping the front surface of the n ⁇ -type semiconductor substrate 18 with an n-type dopant such as phosphorus (P), arsenic (As), Sb, or a combination thereof during wafer processing, followed by activation and diffusion by heat treatment.
  • the n-type dopant doped region 100 may be formed so that Sb is incorporated into a thermal oxide film to compensate for the impurity concentration of the n ⁇ -type semiconductor substrate 18, which has a reduced n-type impurity concentration. If the n-type dopant doped region 100 is deeper than the p + -type well region 11, the breakdown voltage may be reduced, so the n-type dopant doped region 100 is preferably shallower than the p + -type well region 11. The n-type dopant doped region 100 may be formed continuously from the edge termination region 91 to the active region 90.
  • the active region 90 acts as a so-called n-type accumulation layer, and by appropriately setting the concentration, it is possible to reduce the on-state voltage without reducing the breakdown voltage. Furthermore, the n-type dopant doped region 100 may not be formed in the active region 90. By not forming it in the active region 90, it is possible to eliminate the concern that the breakdown voltage will be reduced.
  • FIG. 2 is a graph showing the n-type impurity concentration distribution of the semiconductor device according to the embodiment.
  • the vertical axis represents the n-type impurity concentration
  • the horizontal axis represents the depth from the front surface of the n - type semiconductor substrate 18
  • position S represents the outermost surface of the front surface of the n - type semiconductor substrate 18.
  • FIG. 2 shows the n-type impurity concentration distributions near the surface of a conventional Si substrate and the embodiment in a semiconductor device fabricated using a Si substrate using Sb as an n-type dopant.
  • the substrate surface region 110 is a region of the n - type semiconductor substrate 18 where the p + type well region 11 is provided, and the bulk region 111 is a region on the back surface side (back surface electrode 28 side) of the n - type semiconductor substrate 18, relative to the p + type well region 11.
  • the impurity concentration of the substrate surface region 110 of the n - type semiconductor substrate 18 is set to be equal to or higher than the impurity concentration of the bulk region 111 of the n - type semiconductor substrate 18.
  • the dashed line (2) in Figure 2 represents the case where the impurity concentration of the substrate surface region 110 is set to be equal to or higher than the impurity concentration of the bulk region 111.
  • the impurity concentration of the substrate surface region 110 is 10% to 20% higher than the impurity concentration of the bulk region 111.
  • the dashed line (1) in Figure 2 represents the case where the impurity concentration of the substrate surface region 110 is equal to the impurity concentration of the bulk region 111.
  • the impurity concentration of the substrate surface region 110 is -5% to +5% higher than the impurity concentration of the bulk region 111.
  • the impurity concentration of the substrate surface region 110 is made higher than the impurity concentration of the bulk region 111, the depletion layer is less likely to extend in the edge termination region 91, and the breakdown voltage is lower than when the impurity concentration of the substrate surface region 110 is made the same as the impurity concentration of the bulk region 111. For this reason, the characteristics of the semiconductor device are improved when the impurity concentration of the substrate surface region 110 is made the same as the impurity concentration of the bulk region 111.
  • making the impurity concentration of the substrate surface region 110 the same as the impurity concentration of the bulk region 111 makes it difficult to stably adjust the impurity concentration of the substrate surface region 110, making manufacturing difficult.
  • an n - type dopant doped region 100 is provided on the front surface side of the Si n - type semiconductor substrate 18 using Sb.
  • This allows for stable control of the n-type impurity concentration on the front surface of the n - type semiconductor substrate 18, and the impurity concentration on the front surface of the n-type semiconductor substrate 18 is not affected by the amount of Sb incorporated into the thermal oxide film (field oxide film 95). This allows for the provision of a power semiconductor with stable breakdown voltage characteristics and long-term reliability.
  • the breakdown voltage characteristics and long-term reliability are more stable when the impurity concentration of the substrate surface region 110 is 10% to 20% higher than the impurity concentration of the bulk region 111 than when the impurity concentration of the substrate surface region 110 is -5% to +5% higher than the impurity concentration of the bulk region 111.
  • the semiconductor device may be manufactured as follows. First, a gate trench 40, a gate insulating film 50, and a gate electrode 51 are formed in this order by a general method on the front surface side of the n ⁇ type semiconductor substrate 18, which will become the n-type drift layer of the active region 90, to form a MOS gate. An n - type accumulation layer may be formed on the front surface side of the n ⁇ type semiconductor substrate 18 by, for example, ion implantation or epitaxial growth, at a depth shallower from the front surface of the n ⁇ type semiconductor substrate 18 than the bottom of the gate trench 40.
  • the front surface of the n - type semiconductor substrate 18 is doped with an n-type dopant such as P, As, or Sb by ion implantation or the like.
  • P, As, Sb, or the like may be doped singly or in combination.
  • the n-type dopant is then activated and diffused by heat treatment, thereby forming an n-type dopant-doped region 100 on the front surface side of the n - type semiconductor substrate 18 in the edge termination region 91.
  • the n-type dopant-doped region 100 may be formed by first doping and diffusing the n-type dopant on the front surface side of the n - type semiconductor substrate 18 by ion implantation or the like, before forming the MOS gate and n-type accumulation layer of the active region 90.
  • the impurity concentration on the front surface of the n ⁇ -type semiconductor substrate 18 is approximately 30% lower. Therefore, when the impurity concentration of the substrate surface region 110 is to be made equal to that of the bulk region 111, the substrate surface region 110 is doped with an n-type dopant so that the impurity concentration is approximately 30% higher than that of the bulk region 111. In this manner, Sb is incorporated into the thermal oxide film, and after the thermal oxide film is formed, the impurity concentration of the substrate surface region 110 becomes equal to that of the bulk region 111.
  • the substrate surface region 110 is doped with an n-type dopant so that the impurity concentration is more than 30% higher than that of the bulk region 111. Furthermore, since P diffuses more easily than As, it is preferable to use P as the n-type dopant. When As is used, it is preferable to use a higher doping amount than P because As is difficult to diffuse.
  • a field oxide film 95 is formed by thermal oxidation on the front surface of n ⁇ type semiconductor substrate 18.
  • field oxide film 95 is patterned, and using field oxide film 95 as a mask, p + type well region 11, guard ring 92, and channel stopper 74 are selectively formed in the surface layer of the front surface of n ⁇ type semiconductor substrate 18 by ion implantation of p type impurities such as boron (B).
  • p-type base region 14 is formed by ion implantation of p-type impurities such as boron (B) into active region 90 and edge termination region 91 closer to active region 90 than p + well region 11, at a depth shallower from the front surface of n - type semiconductor substrate 18 than the bottom of gate trench 40.
  • p-type impurities such as boron (B)
  • p-type base region 14 is formed at a depth shallower from the front surface of n - type semiconductor substrate 18 than the n-type accumulation layer.
  • n-type impurities such as phosphorus (P) or arsenic (As)
  • P phosphorus
  • As arsenic
  • the n + -type emitter region 12 is selectively formed inside the p-type base region 14.
  • an interlayer insulating film 38 such as a BPSG film is deposited (formed) so as to cover the gate electrode 51.
  • the interlayer insulating film 38 is patterned to form contact holes, exposing the n + emitter region 12 and the channel stopper 74, p + well region 11, and guard ring 92 in the edge termination region 91.
  • a contact electrode 54 is formed in the contact hole via a barrier metal 53.
  • an emitter electrode 52 is formed, for example, by sputtering, covering the entire surface of the interlayer insulating film 38 so as to contact the contact electrode 54 in the contact hole.
  • a field plate electrode 94 is also formed, for example, by sputtering, covering a portion of the surface of the interlayer insulating film 38 so as to contact the contact electrode 54 in the contact hole.
  • the contact electrode 54 need not be formed; in that case, the emitter electrode 52 may be filled in the contact hole.
  • the emitter electrode 52 and the field plate electrode 94 may be formed simultaneously or separately. In this manner, the front surface element structure of the semiconductor device according to the embodiment is formed.
  • the n - type semiconductor substrate 18 is ground from the backside to a position corresponding to the product thickness used as a semiconductor device.
  • p-type impurities such as boron (B) are ion-implanted into the entire backside of the n - type semiconductor substrate 18 to form a p + -type collector region 22 in the surface layer of the entire backside of the n - type semiconductor substrate 18.
  • n-type impurities such as phosphorus or protons are ion-implanted into the entire backside of the n - type semiconductor substrate 18 to form an n + -type FS layer 20 within the n-type semiconductor substrate 18.
  • the n + -type FS layer 20 may be formed before the p + -type collector region 22.
  • heat treatment is performed to activate the p + -type collector region 22 and the n + -type FS layer 20.
  • a surface protection film such as a polyimide film, and then the surface protection film is patterned to expose the emitter electrode 52 and each electrode pad.
  • a back surface electrode 24 is formed over the entire back surface of the semiconductor substrate, in contact with the p + -type collector region 22. Thereafter, the semiconductor wafer is cut (diced) into individual chips, thereby completing the IGBT 150 shown in FIG.
  • an n - type dopant doped region is provided on the front surface side of a Si n-type semiconductor substrate using Sb by doping the n-type dopant using ion implantation or the like and then heat treating the substrate.
  • This allows the n-type impurity concentration on the front surface of the n - type semiconductor substrate to be stably controlled, and the impurity concentration on the front surface of the n - type semiconductor substrate is not affected by the amount of Sb incorporated into the thermal oxide film. This makes it possible to provide a power semiconductor with stable breakdown voltage characteristics and long-term reliability.
  • the present disclosure can be modified in various ways without departing from the spirit of the disclosure, and in each of the above-described embodiments, the dimensions of each component and impurity concentration, for example, are set in various ways according to the required specifications.
  • the embodiments of the present disclosure have been described using trench IGBTs as an example, they are not limited to this and can be applied to semiconductor devices of various configurations, such as planar IGBTs, MOS semiconductor devices such as MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors), and diodes.
  • the semiconductor device and semiconductor device manufacturing method disclosed herein are useful for power semiconductor devices used in power conversion devices such as inverters, power supply devices for various industrial machines, and automotive igniters.

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Abstract

半導体装置は、電流が流れる活性領域(90)と、活性領域(90)の外側に配置され、活性領域(90)の周囲を囲む耐圧構造が形成された終端構造部(91)と、を有する。終端構造部(91)は、n型のドーパントとして、アンチモンを用いたシリコン半導体基板(18)と、半導体基板(18)のおもて面の表面層に設けられたn型の第1半導体領域(100)と、シリコン半導体基板(18)のおもて面に選択的に設けられたp型の第2半導体領域(11)と、を備える。第1半導体領域(100)の不純物濃度は、第2半導体領域(11)の不純物濃度より低く、半導体基板(18)の裏面側のバルク領域(111)の不純物濃度と同じまたはより高い。

Description

半導体装置および半導体装置の製造方法
 この開示は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。
 従来、アンチモン(Sb)をn型ドーパント材料として使用したシリコン(Si)基板の半導体装置が公知である(例えば、下記特許文献1、2参照)。
特開2020-074381号公報 特開2017-063187号公報
 従来のSbをn型ドーパント材料として使用した半導体装置では、Si基板表面のn型不純物濃度が低下するという課題がある。
 本開示は、上述した従来技術による問題点を解消するため、Sbをn型ドーパント材料として使用した場合に、Si基板表面のn型不純物濃度が低下することを防止できる半導体装置および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、本開示の目的を達成するため、本開示にかかる半導体装置は、次の特徴を有する。電流が流れる活性領域と、前記活性領域の外側に配置され、前記活性領域の周囲を囲む耐圧構造が形成された終端構造部と、を有する。前記終端構造部は、n型のドーパントとして、アンチモンを用いたシリコン半導体基板と、前記シリコン半導体基板のおもて面の表面層に設けられたn型の第1半導体領域と、前記シリコン半導体基板のおもて面に選択的に設けられたp型の第2半導体領域と、を備える。前記第1半導体領域の不純物濃度は、前記第2半導体領域の不純物濃度より低く、前記シリコン半導体基板の裏面側のバルク領域の不純物濃度と同じまたはより高い。
 上述した開示によれば、半導体基板のおもて面のn型不純物濃度を安定的に制御できるようになり、半導体基板のおもて面の不純物濃度がSbが熱酸化膜に取り込まれる量に影響されない。このため、耐圧特性や長期信頼性が安定した電力用半導体を提供できる。
 本開示にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法によれば、Sbをn型ドーパント材料として使用した場合に、Si基板表面のn型不純物濃度が低下することを防止できるという効果を奏する。
図1は、実施の形態にかかる半導体装置の構造を示す断面図である。 図2は、実施の形態にかかる半導体装置のn型不純物濃度分布を示すグラフである。 図3は、従来の半導体装置のn型不純物濃度分布を示すグラフである。
<本開示の実施形態の概要>
 上述した課題を解決し、本開示の目的を達成するため、本開示にかかる半導体装置は、次の特徴を有する。電流が流れる活性領域と、前記活性領域の外側に配置され、前記活性領域の周囲を囲む耐圧構造が形成された終端構造部と、を有する。前記終端構造部は、n型のドーパントとして、アンチモンを用いたシリコン半導体基板と、前記シリコン半導体基板のおもて面の表面層に設けられたn型の第1半導体領域と、前記シリコン半導体基板のおもて面に選択的に設けられたp型の第2半導体領域と、を備える。前記第1半導体領域の不純物濃度は、前記第2半導体領域の不純物濃度より低く、前記シリコン半導体基板の裏面側のバルク領域の不純物濃度と同じ、またはより高い。
 上述した開示によれば、半導体基板のおもて面のn型不純物濃度を安定的に制御できるようになり、半導体基板のおもて面の不純物濃度がSbが熱酸化膜に取り込まれる量に影響されない。このため、耐圧特性や長期信頼性が安定した電力用半導体を提供できる。
 また、本開示にかかる半導体装置は、上述した開示において、前記第1半導体領域には、リン、アンチモンまたはヒ素のいずれか、もしくは、これらの組み合わせがドープされていることを特徴とする。
 また、本開示にかかる半導体装置は、上述した開示において、前記第1半導体領域の不純物濃度は、-5%以上+5%以下前記バルク領域の不純物濃度より高くなっていることを特徴とする。
 また、本開示にかかる半導体装置は、上述した開示において、前記第1半導体領域の不純物濃度は、10%以上20%以下前記バルク領域の不純物濃度より高くなっていることを特徴とする。
 また、本開示にかかる半導体装置は、上述した開示において、前記第1半導体領域の厚さは、5.0μm以上12.0μm以下であることを特徴とする。
 上述した課題を解決し、本開示の目的を達成するため、本開示にかかる半導体装置の製造方法は、次の特徴を有する。電流が流れる活性領域と、前記活性領域の外側に配置され、前記活性領域の周囲を囲む耐圧構造が形成された終端構造部と、を有する半導体装置の製造方法である。前記終端構造部に、n型のドーパントとして、アンチモンを用いたシリコン半導体基板のおもて面の表面層にn型の第1半導体領域を形成する第1工程と、前記シリコン半導体基板のおもて面に選択的にp型の第2半導体領域を形成する第2工程と、を含む。前記第1工程では、前記第1半導体領域の不純物濃度を、前記第2半導体領域より前記シリコン半導体基板の裏面側のバルク領域の不純物濃度と同じまたはより高く形成する。
<本開示の基礎となる知見>
 最初に、従来の半導体装置の課題について説明する。従来、Sbをn型ドーパント材料として使用した場合、Sbは熱酸化により、熱酸化膜内に取り込まれやすい性質があり、半導体装置完成時には、Si基板表面のn型不純物濃度が低下する傾向がある。
 図3は、従来の半導体装置のn型不純物濃度分布を示すグラフである。図3において縦軸は、n型不純物濃度を示し、横軸は、Si基板表面からの深さを示し、位置SはSi基板最表面を示す。図3は、Sbをn型ドーパントとして用いたSi基板で作成した従来の半導体装置におけるSi基板表面近傍のn型不純物濃度分布を示す。
 図3に示すように、Si基板表面近傍Tでは、Sbが熱酸化膜に取り込まれ、n型不純物濃度が、基板バルク領域111のn型不純物濃度より30%程度低くなっている。Si基板表面のn型不純物濃度の低下量は熱酸化膜に取り込まれる量で決まるため、熱酸化膜厚さやウェハプロセス中の熱処理条件のばらつきに影響され、Si基板表面のn型不純物濃度低下量が不安定になりやすい。Si基板表面のn型不純物濃度は、半導体装置における耐圧構造部の電界分布に影響するため、半導体装置の耐圧特性や長期信頼性に関わる耐電荷性がばらつくという課題がある。
 以下に添付図面を参照して、本開示にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。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高不純物濃度および低不純物濃度であることを意味する。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。そして、同じまたは同等との記載は製造におけるばらつきを考慮して5%以内まで含むとするのがよい。
(実施の形態)
 実施の形態にかかる半導体装置の構造について、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)を例に説明する。図1は、実施の形態にかかる半導体装置の構造を示す断面図である。図1に示す実施の形態にかかる半導体装置はトレンチゲート構造のIGBT150である。
 IGBT150は、活性領域90と、活性領域90の周囲を囲むエッジ終端領域91とを備える。活性領域90は、オン状態のときに電流が流れる領域である。エッジ終端領域91は、ドリフト領域の半導体基体おもて面側の電界を緩和し耐圧を保持する耐圧保持領域を含む。なお、活性領域90とエッジ終端領域91との境界は、片側のみに後述するn+型エミッタ領域12が設けられたゲートトレンチ40の中心である。
 活性領域90のn-型ドリフト層となるn-型半導体基板(シリコン半導体基板)18のおもて面の表面層には、n型蓄積層が設けられていてよい。後述するドープ領域100がn型蓄積層となっていてよい。n型蓄積層は設けられていなくてもよい。n-型半導体基板18は、Sbがn型ドーパント材料として使用されたSi基板である。n型蓄積層上(n-型半導体基板18のおもて面側)にp型ベース領域14が設けられている。p型ベース領域14は、IGBT150においてチャネル領域として機能する。p型ベース領域14を貫通してn-型半導体基板18に達するゲートトレンチ40が設けられている。ゲートトレンチ40は、両側にn+型エミッタ領域12が設けられ、所定の間隔で例えばストライプ状の平面レイアウトに配置され、p型ベース領域14を複数の領域(メサ部)に分離する。ゲートトレンチ40の内部には、ゲートトレンチ40の内壁に沿ってゲート絶縁膜50が設けられ、ゲート絶縁膜50の内側にゲート電極51が設けられている。
 p型ベース領域14の内部には、各メサ部にそれぞれn+型エミッタ領域12が選択的に設けられている。n+型エミッタ領域12は、ゲートトレンチ40の内壁に設けられたゲート絶縁膜50を挟んでゲート電極51に対向する。エミッタ電極52は、コンタクトホールを介してn+型エミッタ領域12に接するとともに、層間絶縁膜38によってゲート電極51と電気的に絶縁されている。n+型エミッタ領域12には、選択的に開口が設けられ、その開口において、エミッタ電極52とp型ベース領域14が電気的に接続していてもよい。エミッタ電極52と層間絶縁膜38との間に、例えばエミッタ電極52からゲート電極51側への金属原子の拡散を防止するバリアメタル53が設けられていてもよい。
 また、層間絶縁膜38に形成されたコンタクトホールにコンタクト電極54が埋め込まれていてもよい。コンタクト電極54は、例えば、埋め込み性の高いタングステン(W)を材料とする金属膜である。エミッタ電極52上には、選択的に例えばポリイミドからなるパッシベーション膜などの保護膜97が設けられている。
 n-型半導体基板18の内部には、基板裏面側に、n+型フィールドストップ(FS)層20が設けられている。n+型FS層20は、オフ時にp型ベース領域14とn-型半導体基板18との間のpn接合から後述するp+型コレクタ領域22側に伸びる空乏層の伸びを抑制する機能を有する。
 n-型半導体基板18の裏面側の表面層の、n+型FS層20よりもn-型半導体基板18の裏面から浅い位置には、p+型コレクタ領域22が設けられている。裏面電極24は、p+型コレクタ領域22の表面(n-型半導体基板18の裏面全体)に設けられている。裏面電極24は、コレクタ電極として機能する。
 エッジ終端領域91のn-型半導体基板18のおもて面側に、フィールド酸化膜95が設けられ、フィールド酸化膜95上に導電膜96が設けられる。導電膜96は多結晶シリコン膜からなってよい。層間絶縁膜38が、n-型半導体基板18および導電膜96上に設けられている。導電膜96上には、フィールドプレート電極94が設けられている。フィールドプレート電極94は、層間絶縁膜38に形成されたコンタクトホールを介して、導電膜96に接し、フィールド酸化膜95により、n-型半導体基板18と絶縁されていてよい。フィールドプレート電極94と層間絶縁膜38の間に、例えばフィールドプレート電極94から導電膜96側への金属原子の拡散を防止するバリアメタル53が設けられていてもよい。また、層間絶縁膜38に形成されたコンタクトホールにコンタクト電極54が埋め込まれていてもよい。コンタクト電極54は、例えば、埋め込み性の高いタングステン(W)を材料とする金属膜である。
 エッジ終端領域91の活性領域90側にp+型ウェル領域11が設けられる。エッジ終端領域91には、p+型のガードリング(p型の第2半導体領域)92およびチップ端部に接したp+型のチャネルストッパ74が設けられる。また、チャネルストッパ74は、n型であってもよい。ガードリング92は、複数設けられてよい。図1には、ガードリング92が複数設けられた状態の例を示している。
 ガードリング92は、エッジ終端領域91に活性領域90を囲うように設けられてよい。ガードリング92が複数設けられている場合、ガードリング92の不純物濃度は同じであってもよい。ガードリング92上に導電膜96が設けられ、ガードリング92はフィールド酸化膜95に形成されたコンタクトホールを介して、導電膜96に接している。また、フィールドプレート電極94が、チャネルストッパ74およびガードリング92の表面と接するように層間絶縁膜38の上面に設けられている。層間絶縁膜38およびフィールドプレート電極94上には、例えばポリイミドからなるパッシベーション膜などの保護膜97が設けられている。エッジ終端領域91の裏面には、p+型コレクタ領域22およびn+型FS層20が設けられている。
 実施の形態では、エッジ終端領域91のn-型半導体基板18のおもて面側に、n型ドーパントのドープ領域(n型の第1半導体領域)100が設けられている。n型ドーパントのドープ領域100は、ウェハプロセス中にn-型半導体基板18のおもて面にリン(P)、ヒ素(As)、Sb等のn型ドーパントまたはこれらの組み合わせをドープして、熱処理によって活性化、拡散することにより、形成される。n型ドーパントのドープ領域100は、Sbが熱酸化膜に取り込まれ、n型不純物濃度が低下するn-型半導体基板18の不純物濃度を補償するように形成されてよい。p+型ウェル領域11よりもn型ドーパントのドープ領域100が深くなると耐圧が低下する可能性があるため、n型ドーパントのドープ領域100はp+型ウェル領域11より浅いことが好ましい。n型ドーパントのドープ領域100は、エッジ終端領域91から活性領域90まで続いて形成されてよい。活性領域90まで続くことによって、いわゆるn型蓄積層として作用して、濃度を適切に設定することで耐圧を低下させずにオン電圧を低下させることができる。また、n型ドーパントのドープ領域100は、活性領域90に形成されないようにしてもよい。活性領域90に形成されないようにすることで、耐圧が低下する懸念を無くすことができる。
 図2は、実施の形態にかかる半導体装置のn型不純物濃度分布を示すグラフである。図2において縦軸は、n型不純物濃度を示し、横軸は、n-型半導体基板18のおもて面からの深さを示し、位置Sはn-型半導体基板18のおもて面の最表面を示す。図2は、Sbをn型ドーパントとして用いたSi基板で作成した半導体装置におけるSi基板表面近傍の従来および実施の形態のn型不純物濃度分布を示す。図2において、基板表面領域110は、n-型半導体基板18のp+型ウェル領域11が設けられている領域で、バルク領域111は、p+型ウェル領域11より、n-型半導体基板18の裏面側(裏面電極28側)の領域である。
 図2に示すように、n-型半導体基板18の基板表面領域110の不純物濃度を、n-型半導体基板18のバルク領域111の不純物濃度と同等、または、それ以上の濃度としている。図2の一点鎖線(2)が、基板表面領域110の不純物濃度をバルク領域111の不純物濃度以上の濃度とした場合である。例えば、基板表面領域110の不純物濃度は10%以上20%以下バルク領域111の不純物濃度より高くなっている。図2の破線(1)が、基板表面領域110の不純物濃度をバルク領域111の不純物濃度と同等の濃度とした場合である。例えば、基板表面領域110の不純物濃度は-5%以上+5%以下バルク領域111の不純物濃度より高くなっている。
 ここで、基板表面領域110の不純物濃度をバルク領域111の不純物濃度より高くする場合、エッジ終端領域91で空乏層が伸びにくく、基板表面領域110の不純物濃度をバルク領域111の不純物濃度と同等にする場合より耐圧が下がる。このため、半導体装置の特性は、基板表面領域110の不純物濃度をバルク領域111の不純物濃度と同等にする場合の方が向上する。ただし、基板表面領域110の不純物濃度をバルク領域111の不純物濃度と同等にすることは、基板表面領域110の不純物濃度の調節が安定しにくく、製造が困難となる。
 このように、Sbを用いたSiのn-型半導体基板18のおもて面側に、n型ドーパントのドープ領域100を設けている。これにより、n-型半導体基板18のおもて面のn型不純物濃度を安定的に制御できるようになり、n-型半導体基板18のおもて面の不純物濃度は、Sbが熱酸化膜(フィールド酸化膜95)に取り込まれる量に影響されない。このため、耐圧特性や長期信頼性が安定した電力用半導体を提供できる。基板表面領域110の不純物濃度が-5%以上+5%以下バルク領域111の不純物濃度より高くなっている場合より、基板表面領域110の不純物濃度が10%以上20%以下バルク領域111の不純物濃度より高くなっている場合の方が、より耐圧特性や長期信頼性が安定してよい。
(実施の形態にかかる半導体装置の製造方法)
 次に、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。例えば、以下のように製造される。まず、活性領域90のn型ドリフト層となるn-型半導体基板18のおもて面側に、一般的な方法により、ゲートトレンチ40、ゲート絶縁膜50およびゲート電極51を順に形成してMOSゲートを形成する。n-型半導体基板18のおもて面側に、ゲートトレンチ40の底よりもn-型半導体基板18のおもて面から浅い深さで、例えばイオン注入法あるいはエピタキシャル成長によりn型蓄積層を形成してもよい。
 次に、n-型半導体基板18のおもて面にP、As、Sb等のn型ドーパントをイオン注入法などでドープする。P、As、Sb等は、単体でドープしてもよいし、組み合わせてドープしてもよい。この後、熱処理によって、n型ドーパントを活性化、拡散することにより、エッジ終端領域91のn-型半導体基板18のおもて面側に、n型ドーパントのドープ領域100を形成する。n型ドーパントのドープ領域100の形成は、最初にn-型半導体基板18のおもて面側にn型ドーパントをイオン注入法などでドープして、拡散させ、活性領域90のMOSゲートやn型蓄積層を形成する前に行ってもよい。
 また、上述のようにSbは熱酸化膜(フィールド酸化膜95)内に取り込まれやすい。例えば、図3のように、n-型半導体基板18のおもて面で30%程度不純物濃度が低くなる。このため、基板表面領域110の不純物濃度を、バルク領域111の不純物濃度と同等にする場合、基板表面領域110の不純物濃度を、バルク領域111の不純物濃度より30%程度高くなるようにn型ドーパントをドープする。このようにすると、Sbが熱酸化膜内に取り込まれるため、熱酸化膜形成後、基板表面領域110の不純物濃度はバルク領域111の不純物濃度と同等になる。同様に、基板表面領域110の不純物濃度を、バルク領域111の不純物濃度より高くする場合、基板表面領域110の不純物濃度をバルク領域111の不純物濃度より30%より高くなるようにn型ドーパントをドープする。また、Pは、Asよりも拡散しやすいため、n型ドーパントとしてPを用いることが好ましい。Asを用いる場合は、拡散しにくいため、Pよりもドープ量を高くすることが好ましい。
 次に、エッジ終端領域91において、熱酸化でn-型半導体基板18のおもて面にフィールド酸化膜95を形成する。次に、エッジ終端領域91において、フィールド酸化膜95をパターニングして、フィールド酸化膜95をマスクとして、ホウ素(B)などのp型不純物のイオン注入により、n-型半導体基板18のおもて面の表面層に、p+型ウェル領域11、ガードリング92およびチャネルストッパ74を選択的に形成する。
 次に、活性領域90およびエッジ終端領域91のp+型ウェル領域11より活性領域90側に、ホウ素(B)などのp型不純物のイオン注入により、ゲートトレンチ40の底よりもn-型半導体基板18のおもて面から浅い深さでp型ベース領域14を形成する。あるいは、n型蓄積層がある場合はn型蓄積層よりもn-型半導体基板18のおもて面から浅い深さでp型ベース領域14を形成する。
 次に、リン(P)や砒素(As)などのn型不純物のイオン注入により、p型ベース領域14の内部にn+型エミッタ領域12を選択的に形成する。次に、ゲート電極51を覆うように、例えばBPSG膜などの層間絶縁膜38を堆積(形成)する。
 次に、層間絶縁膜38をパターニングしてコンタクトホールを形成し、n+型エミッタ領域12を露出させ、エッジ終端領域91においてチャネルストッパ74、p+型ウェル領域11およびガードリング92を露出させる。次に、コンタクトホールの内部に、バリアメタル53を介してコンタクト電極54を形成する。次に、例えばスパッタリング法により、コンタクトホールの内部のコンタクト電極54に接するように、層間絶縁膜38の表面全体を覆うエミッタ電極52を形成する。エッジ終端領域91でも、例えばスパッタリング法により、コンタクトホールの内部のコンタクト電極54に接するように、層間絶縁膜38の表面の一部を覆うフィールドプレート電極94を形成する。なお、コンタクト電極54は、形成しなくてもよく、その場合、コンタクトホール内にエミッタ電極52が充填されてよい。エミッタ電極52とフィールドプレート電極94は、同時に形成されてよく、また、別々に形成されてもよい。このようにして、実施の形態にかかる半導体装置のおもて面素子構造を形成する。
 次に、n-型半導体基板18を裏面側から研削していき、半導体装置として用いる製品厚さの位置まで研削する。次に、n-型半導体基板18裏面全体に例えばホウ素(B)などのp型不純物をイオン注入し、n-型半導体基板18裏面全体の表面層にp+型コレクタ領域22を形成する。次に、n-型半導体基板18裏面全体に例えばリンやプロトンなどのn型不純物をイオン注入し、n-型半導体基板18の内部にn+型FS層20を形成する。p+型コレクタ領域22よりもn+型FS層20を先に形成してもよい。
 次に、熱処理(アニール)により、p+型コレクタ領域22およびn+型FS層20を活性化させる。次に、基板おもて面全体を例えばポリイミド膜などの表面保護膜(不図示)で覆った後、表面保護膜をパターニングしてエミッタ電極52や各電極パッドを露出させる。
 次に、半導体基板の裏面全体に、p+型コレクタ領域22に接する裏面電極24を形成する。その後、半導体ウエハを切断(ダイシング)して個々のチップ状に個片化することで、図1に示すIGBT150が完成する。
 以上、説明したように、実施の形態によれば、Sbを用いたSiのn-型半導体基板のおもて面側に、n型ドーパントをイオン注入法などでドープ、熱処理することにより、n型ドーパントのドープ領域を設けている。これにより、n-型半導体基板のおもて面のn型不純物濃度を安定的に制御できるようになり、n-型半導体基板のおもて面の不純物濃度は、Sbが熱酸化膜に取り込まれる量に影響されない。このため、耐圧特性や長期信頼性が安定した電力用半導体を提供できる。
 以上において本開示は本開示の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であり、上述した各実施の形態において、例えば各部の寸法や不純物濃度等は要求される仕様等に応じて種々設定される。また、本開示の実施の形態では、トレンチ型IGBTを例に説明したが、これに限らず、プレーナ型IGBT、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)などのMOS型半導体装置など、またダイオードなど、様々な構成の半導体装置に適用可能である。
 以上のように、本開示にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法は、インバータなどの電力変換装置や種々の産業用機械などの電源装置や自動車のイグナイタなどに使用されるパワー半導体装置に有用である。
11 p+型ウェル領域
12 n+型エミッタ領域
14 p型ベース領域
18 n-型半導体基板
20 n+型FS層
22 p+型コレクタ領域
24 裏面電極
38 層間絶縁膜
40 ゲートトレンチ
50 ゲート絶縁膜
51 ゲート電極
52 エミッタ電極
53 バリアメタル
54 コンタクト電極
74 チャネルストッパ
90 活性領域
91 エッジ終端領域
92 ガードリング
94 フィールドプレート電極
95 フィールド酸化膜
96 導電膜
97 保護膜
100 n型ドーパントのドープ領域
110 表面領域
111 バルク領域
150 IGBT

Claims (6)

  1.  電流が流れる活性領域と、前記活性領域の外側に配置され、前記活性領域の周囲を囲む耐圧構造が形成された終端構造部と、を有し、
     前記終端構造部は、
     n型のドーパントとして、アンチモンを用いたシリコン半導体基板と、
     前記シリコン半導体基板のおもて面の表面層に設けられたn型の第1半導体領域と、
     前記シリコン半導体基板のおもて面に選択的に設けられたp型の第2半導体領域と、
     を備え、
     前記第1半導体領域の不純物濃度は、前記第2半導体領域の不純物濃度より低く、前記シリコン半導体基板の裏面側のバルク領域の不純物濃度と同じまたはより高いことを特徴とする半導体装置。
  2.  前記第1半導体領域には、リン、アンチモンまたはヒ素のいずれか、もしくは、これらの組み合わせがドープされていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3.  前記第1半導体領域の不純物濃度は、-5%以上+5%以下前記バルク領域の不純物濃度より高くなっていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  4.  前記第1半導体領域の不純物濃度は、10%以上20%以下前記バルク領域の不純物濃度より高くなっていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  5.  前記第1半導体領域の厚さは、5.0μm以上12.0μm以下であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  6.  電流が流れる活性領域と、前記活性領域の外側に配置され、前記活性領域の周囲を囲む耐圧構造が形成された終端構造部と、を有する半導体装置の製造方法であって、
     前記終端構造部に、
     n型のドーパントとして、アンチモンを用いたシリコン半導体基板のおもて面の表面層にn型の第1半導体領域を形成する第1工程と、
     前記シリコン半導体基板のおもて面に選択的にp型の第2半導体領域を形成する第2工程と、
     を含み、
     前記第1工程では、前記第1半導体領域の不純物濃度を、前記第2半導体領域より前記シリコン半導体基板の裏面側のバルク領域の不純物濃度と同じまたはより高く形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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