JP5228282B2 - 電力用半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、高耐圧を必要とする電力用半導体装置及びその製造方法に関する。

ＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴ等の電力用半導体装置では遮断時における耐電圧性を高める必要がある。理想的な耐圧特性を得るためには、一般的にベース領域における比抵抗を１０Ωｃｍから５００Ωｃｍに設定することが好適である。

半導体の比抵抗を制御する技術として中性子を照射して元素変換を行うＮＴＤ（Ｎｅｕｔｒｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ Ｄｏｐｉｎｇ）法が知られている。この方法は、電力用半導体装置のシリコン基板に対して、原子炉で発生させた中性子を照射することによってシリコンを燐に元素変換させてドナー化させる。この技術では、中性子の透過性が高いため、中性子が透過する基板の深さ方向全域を均一にドナー化させることができる。

また、特許文献１には、Ｎ^-ドリフト層を形成するＦＺウェハを用い、その表面側に素子活性領域（Ｐ⁺ベース領域、Ｐ⁺エミッタ領域、ゲート酸化膜、ゲート電極など）及びエミッタ電極を形成したＩＧＢＴ構造の半導体装置のキャリア濃度制御に関する技術が開示されている。この技術は、ウェハ裏面側を所定の厚さまで削り落とし、裏面からプロトン照射を行い、低温アニール処理を施してＮ⁺バッファ層を形成する工程と、裏面から硼素イオンの粒子線照射を行い、ウェハ表面を冷却しながらウェハ裏面に対し光又はレーザーを照射するアニール処理を施してＰ⁺コレクタ層を形成する工程とを有して成る。プロトン照射とその低温アニール処理により格子欠陥であるＮ型欠陥層を形成でき、このＮ型欠陥層は実質的に高Ｎ⁺バッファ層として機能する。

特開２００１−１６０５５９号公報

しかしながら、ＮＴＤ法は、原子炉の使用が前提となるため、半導体装置の製造コストが高くなる問題を抱える。また、半導体基板の製造工場の近くに原子炉を設置する必要があり、工場建設の自由度が低く、物流のコストも高くなる。さらに、半導体基板の大口径化に合わせてＮＴＤ法の製造施設を容易に更新することができず、半導体プロセスの変化に合わせた迅速な対応が困難である。

また、特許文献１に開示された技術では、半導体装置の深さ方向全域にプロトンを均一に照射することを可能とするものでなく、深さ方向全域を均一にドナー化させて高耐圧の半導体装置に必要な比抵抗を得ることができない。

本発明は、上記従来技術の問題を鑑み、高耐圧を有する安価な電力用半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の半導体装置は、Ｎ型ドーパントが添加された半導体基板、の表面の表層部の少なくとも一部に前記半導体基板のドープ濃度より高いドープ濃度のＰ型ドーパントを添加してＰ型領域及び前記半導体基板のドープ濃度より高いドープ濃度のＮ型ドーパントを添加してＮ型領域を形成する第１の工程と、前記半導体基板における前記Ｐ型領域及び前記Ｎ型領域以外の領域をベース領域として、前記ベース領域の深さ方向の全域に亘って前記半導体基板のＮ型ドーパントのドープ濃度よりも高いドープ濃度で水素を導入する第２の工程と、を含み、前記第２の工程は、プロトンを複数回照射する工程であって、プロトンの飛程のピーク位置をプロトンの飛程の分布の半値幅を整数で割った距離だけずらしてプロトンを照射することを特徴とする半導体装置の製造方法により製造することができる。

このように、プロトンの飛程のピーク位置をずらすように複数回に分けてプロトンを照射することによって、ベース領域により均一に水素を導入することができる。

また、前記第２の工程は、前記ベース領域の深さ方向の全域に亘って、少なくとも１×１０¹³／ｃｍ³以上１×１０¹⁷／ｃｍ³以下の水素を導入することが好適である。これによって、水素のキャリア活性化率を考慮すると、前記ベース領域の深さ方向の全域に亘って、少なくともドナーのキャリア密度が１×１０¹³／ｃｍ³以上５×１０¹⁴／ｃｍ³以下となり、ベース領域として理想的な１０Ωｃｍ以上５００Ωｃｍ以下の比抵抗を得ることができる。

また、さらに、前記ベース領域内に、水素を１×１０¹⁷／ｃｍ³より多く導入する第３の工程を含むことも好適である。これによって、パンチスルー型のＩＧＢＴ構造を有する半導体装置におけるバッファ領域やコレクタショート型のＩＧＢＴ構造を有する半導体装置におけるキャリア蓄積領域を形成することができる。

本発明によれば、高耐圧を有する安価な電力用半導体装置及びその製造方法を実現することができる。

＜半導体装置の基本構成＞
本発明の実施の形態における半導体装置１００は図１（ａ）に示す断面構造を有する。半導体装置１００は、Ｎ型バッファ領域を備えたＮチャネル絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である。

半導体装置１００は、燐（Ｐ）等のＮ型のドーパントが添加された半導体基板１０をベースに形成される。半導体基板１０は、一般的にチョクラルスキー法（ＣＺ法）やフローティングゾーン法（ＦＺ法）によって製造されたシリコン基板である。

製造直後の半導体基板１０に添加されているＮ型ドーパントの濃度は１×１０¹²／ｃｍ³程度であり、半導体基板１０の比抵抗は２〜３ｋΩｃｍ程度である。すなわち、半導体基板１０は殆ど絶縁体に近い高比抵抗基板である。

半導体基板１０の表層には、イオン注入法や拡散法によりボロン（Ｂ）等のＰ型ドーパントが添加されたＰ型ベース領域１２が形成される。さらに、半導体基板１０の表層には、Ｐ型ベース領域１２よりも浅い領域に、選択的にＮ型ドーパントが高濃度に添加されたＮ⁺エミッタ領域１４、及び、Ｎ⁺エミッタ領域１４と排他的な領域に選択的にＰ型ドーパントが高濃度に添加されたＰ⁺コンタクト領域１６が形成される。

また、Ｎ⁺エミッタ領域１４及びＰ型ベース領域１２を貫き、僅かに半導体基板１０へ到達するトレンチ（溝）が形成される。トレンチ内壁のシリコンが熱酸化されて、熱酸化膜であるゲート絶縁膜１８が形成される。ゲート絶縁膜１８の形成後、トレンチ内部には多結晶シリコンが埋め込まれてゲート電極２０が形成される。さらに、Ｎ⁺エミッタ領域１４及びＰ⁺コンタクト領域１６上にはアルミニウム等のエミッタ電極２２が形成される。

半導体基板１０の裏面の表層には、イオン注入法等によりＰ型ドーパントが添加され、レーザアニール等の短時間熱処理又は低温熱処理が施され、Ｐ⁺コレクタ領域２４が形成される。さらに、Ｐ⁺コレクタ領域２４上にはアルミニウム等のコレクタ電極２５が形成される。

半導体基板１０におけるＰ型ベース領域１２、Ｎ⁺エミッタ領域１４、Ｐ⁺コンタクト領域１６及びＰ⁺コレクタ領域２４以外の領域がベース領域２７となる。

さらに、半導体装置１００では、図１（ｂ）に示すように、半導体基板１０の深さ方向全域に亘って略均一に水素を導入することによってドナーのキャリア濃度を高めている。一般的に、ＩＧＢＴ等の大電力素子では、ベース領域における比抵抗を１０Ωｃｍから５００Ωｃｍに設定することが好適であるので、水素濃度が１×１０¹³／ｃｍ³以上１×１０¹⁷／ｃｍ³以下で濃度分布が±１０％の範囲に収まるように水素を導入する。この場合、キャリアの活性化率を考慮すると、ドナーのキャリア密度が１×１０¹³／ｃｍ³以上５×１０¹⁴／ｃｍ³以下の範囲となる。さらに熱処理等によってドナーのキャリア密度を１×１０¹⁰／ｃｍ³以上１×１０¹⁵／ｃｍ³以下とすることでベース領域における比抵抗を１０Ωｃｍから５００Ωｃｍとすることができる。

また、図２（ａ）の断面図に示すように、半導体装置１０１に変形することもできる。半導体装置１０１は、バッファ領域を備えたパンチスルー型のＮチャネルＩＧＢＴである。半導体装置１０１において、半導体装置１００と同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

半導体装置１０の半導体基板１０の裏面側には、図２（ｂ）に示すように、Ｐ⁺コレクタ領域２４よりも数μｍ〜数十μｍ程度深く、半値幅数μｍ〜数十μｍ程度の幅を持った領域に水素を導入したバッファ領域２６が設けられる。バッファ領域２６に導入された水素はドナーのキャリア濃度を高める。バッファ領域２６には、水素のピーク濃度が１×１０¹⁷／ｃｍ³〜１×１０¹⁸／ｃｍ³程度となるように水素が導入される。

半導体装置１０１は、半導体基板１０におけるＰ型ベース領域１２、Ｎ⁺エミッタ領域１４、Ｐ⁺コンタクト領域１６、Ｐ⁺コレクタ領域２４及びバッファ領域２６以外の領域がベース領域２７となる。

＜半導体装置の別例＞
本発明は、パンチスルー型の半導体装置１００の他にも電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）構造の半導体装置やコレクタショート型のＩＧＢＴ構造の半導体装置にも適用することができる。

本発明を適用したＭＯＳＦＥＴ構造の半導体装置１０２は、図３（ａ）に示す断面構造を有する。半導体装置１０２は、図２（ａ）に示したパンチスルー型のＩＧＢＴ構造の半導体装置１００と略同様の構成を有するが、半導体基板１０の裏面側にＰ⁺コレクタ領域２４及びバッファ領域２６を備えない。

なお、半導体装置１０２では、半導体装置１００におけるＮ⁺エミッタ領域１４がＮ＋ソース領域、Ｎ型のベース領域２７がＮ型ドレイン領域に相当する。ベース領域２７の裏面にアルミニウム等のドレイン電極２５が形成される。

半導体装置１０２においても、図３（ｂ）に示すように、半導体基板１０の深さ方向全域に亘って略均一に水素を導入することによってドナーのキャリア濃度を高めている。水素の導入条件は半導体装置１００と同様とすることが好適である。

また、本発明を適用したコレクタショート型のＩＧＢＴ構造の半導体装置１０４は、図４（ａ）に示す断面構造を有する。半導体装置１０４は、図２（ａ）に示したパンチスルー型のＩＧＢＴ構造の半導体装置１００と略同様の構成を有するが、半導体基板１０の裏面側にＮ⁺コレクタショート領域２８、Ｐ型ベース領域１２より深い領域にＮ型のキャリア蓄積領域２９が形成され、バッファ領域２６を備えない点で相違する。

キャリア蓄積領域２９は、図４（ｂ）に示すように、Ｐ型ベース領域１２に接するように半値幅数μｍ〜数十μｍ程度の幅を持った領域に水素を導入して形成される。キャリア蓄積領域２９に導入された水素はドナーのキャリア濃度を高める。キャリア蓄積領域２９には、水素のピーク濃度が１×１０¹⁷／ｃｍ³〜１×１０¹⁸／ｃｍ³程度となるように水素が導入される。

また、半導体装置１０４においても、図４（ｂ）に示すように、半導体基板１０の深さ方向全域に亘って略均一に水素を導入することによってドナーのキャリア濃度を高めている。水素の導入条件は半導体装置１００と同様とすることが好適である。

コレクタショート型のＩＧＢＴ構造の半導体装置１０４は、コレクタショート領域２８が設けられていることによって、キャリアの減少が速められスイッチング速度が向上する。また、キャリア蓄積領域２９が設けられていることによって、正孔が抜け難くなり、半導体装置１０４のオン特性が向上する。

＜第１の水素導入方法＞
水素導入の工程は、Ｐ型ベース領域１２、Ｎ⁺エミッタ領域１４、Ｐ⁺コンタクト領域１６、ゲート絶縁膜１８、ゲート電極２０、エミッタ電極２２及びＰ⁺コレクタ領域２４を形成した後に行われる。

半導体基板１０の深さ方向全域に亘って略均一に水素を導入する場合、１ＭｅＶ以上、好ましくは１０ＭｅＶ以上３０ＭｅＶ以下の高エネルギーに加速したプロトン（陽子）を半導体基板１０に照射する。このとき、プロトンが半導体基板１０の深さ方向全域に亘って略均一に導入されるようにするため、図５に示すように、半導体基板１０のプロトン入射側にプロトンの飛程距離を調整するためのアブソーバ材３０を配置する。アブソーバ材３０としては、シリコンと同程度のイオンの散乱特性を有するアルミニウムを用いることが好適である。

例えば、１５０μｍの厚さを有するシリコン半導体基板１０に対して、１７ＭｅＶのエネルギーを有するプロトンを打ち込み、プロトンの平均飛程距離が半導体基板１０の表面から７５μｍ程度となるようにアルミニウムのアブソーバ材３０の厚さを１８７５μｍとすることによって、一回のプロトン照射により半導体基板１０の深さ方向全域に亘って水素濃度が±２５％以内の均一性となるように水素を導入することができる。

水素導入後、ドナーを活性化させるために３００℃〜５００℃の温度で半導体基板１０をアニールする。これによって、半導体基板１０に導入された水素の１〜１／１００程度が活性化する。したがって、プロトンの注入量（又は照射量）を１×１０¹¹／ｃｍ²〜１×１０¹⁵／ｃｍ²とすることによって、半導体基板１０の深さ方向全域に亘ってドナーのキャリア密度を１×１０¹³／ｃｍ³〜１×１０¹⁵／ｃｍ³とすることができる。

バッファ領域２６に水素を導入する場合、Ｐ⁺コレクタ領域２４側から数ＭｅＶのエネルギーに加速したプロトンを半導体基板１０に照射する。

例えば、所定の厚さのアブソーバ材を半導体基板１０の表面に設け、４ＭｅＶのエネルギーを有するプロトンをＰ⁺コレクタ領域２４側から打ち込むことによって、Ｐ⁺コレクタ領域２４より略１０μｍの深い位置から半値幅１０μ程度の領域に水素を分布させることができる。

＜第２の水素導入方法＞
上記第１の水素導入方法では、１回のプロトン照射によって半導体基板１０の深さ方向全域に亘って略均一に水素を導入した。しかしながら、高い耐圧特性を得るためには、半導体基板１０内の水素濃度をより均一にすることが好ましい。そこで、第２の実施形態では、アブソーバ材３０を用いた複数回のプロトン照射によってより均一性の高い水素導入を可能とする。このとき、プロトンの飛程のピーク位置をプロトンの飛程の分布の半値幅を整数で割った距離だけずらしてプロトンを照射する。

第２の水素導入方法は、図６に示すように、第１の厚さを有するアブソーバ材３０ａを用いるステップ１、及び、アブソーバ材３０ａとは異なる第２のアブソーバ材３０ｂを用いるステップ２を組み合わせて行われる。

ステップ１では、水素導入の対象となる２つの半導体基板１０ａ，１０ｂに同時にプロトンを照射する。図６（ａ）に示すように、半導体基板１０ａの裏面と半導体基板１０ｂの表面とを向かい合わせ、半導体基板１０ｂの裏面とアブソーバ材３０ａとを向かい合わせるように配置する。そして、アブソーバ材３０ａ側からプロトンを照射する。このとき、導入される水素の濃度（図中、ラインＡで示す）のピークが半導体基板１０ａの表面となり、水素の分布の半値幅が半導体基板１０ａ，１０ｂの厚さと等しくなるように、アブソーバ材３０ａの材質及び厚さ並びにプロトンの加速エネルギーを設定する。

ステップ２では、アブソーバ材３０ａをアブソーバ材３０ｂに取り替えてプロトンを照射する。図６（ｂ）に示すように、半導体基板１０ａの裏面と半導体基板１０ｂの表面とを向かい合わせ、半導体基板１０ｂの裏面とアブソーバ材３０ｂとを向かい合わせるように配置する。そして、アブソーバ材３０ｂ側からプロトンを照射する。このとき、導入される水素の濃度（図中、ラインＢで示す）のピークが半導体基板１０ａの裏面及び半導体基板１０ｂの表面となり、水素の分布の半値幅が半導体基板１０ａ，１０ｂの厚さと等しくなるように、アブソーバ材３０ｂの材質及び厚さ並びにプロトンの加速エネルギーを設定する。

ステップ１及び２でそれぞれ導入する水素量は、最終的に半導体基板１０に導入する量の半分ずつとする。ステップ１及び２における２回の水素導入が足しあわされることによって、図７の水素の濃度プロファイルに示すように、半導体基板１０ａの深さ方向全域により均一に水素を導入することができる。

続いて、半導体基板１０ａを取り除き、新たな半導体基板１０ｃを配置してステップ２の処理を行う。図４（ｃ）に示すように、半導体基板１０ｂの裏面と半導体基板１０ｃの表面とを向かい合わせ、半導体基板１０ｃの裏面とアブソーバ材３０ｂとを向かい合わせるように配置する。そして、アブソーバ材３０ｂ側からプロトンを照射する。このとき、導入される水素の濃度（図中、ラインＣで示す）のピークが半導体基板１０ｂの裏面及び半導体基板１０ｃの表面となり、水素の分布の半値幅が半導体基板１０ｂ，１０ｃの厚さと等しくなるように、アブソーバ材３０ｂの材質及び厚さ並びにプロトンの加速エネルギーを設定する。

この２回目のステップ２によって、図７の水素の濃度プロファイルに示すように、半導体基板１０ｂの深さ方向全域により均一に水素を導入することができる。

続いて、半導体基板１０ｂを取り除き、新たな半導体基板を半導体基板１０ｃとアブソーバ材３０ｂとの間に配置してステップ２の処理を行う。以降、プロトン照射を２回施した半導体基板を取り除き、新たな半導体基板を残った半導体基板とアブソーバ材との間に配置してステップ２の処理を繰り返すことによって、半導体基板の深さ方向全域に亘って略均一に水素を導入することができる。

例えば、水素の導入対象となる半導体基板の厚さを１５０μｍとした場合、ステップ１では、アブソーバ材３０ａの材質をアルミニウム及び厚さを１６５０μｍとし、プロトンの加速エネルギーを１７ＭｅＶとすることによって、水素の濃度のピーク（プロトンの平均飛程Ｒｐ）がアブソーバ材３０ａのプロトン入射面側から１９５０μｍ、水素の分布の半値幅が１５０μｍとなるようにプロトンを導入することができる。

また、ステップ２では、アブソーバ材３０ｂの材質をアルミニウム及び厚さを１８００μｍとし、プロトンの加速エネルギーを１７ＭｅＶとすることによって、水素の濃度のピーク（プロトンの平均飛程Ｒｐ）がアブソーバ材３０ａのプロトン入射面側から１９５０μｍ、水素の分布の半値幅が１５０μｍとなるようにプロトンを導入することができる。

本実施の形態では、２枚の半導体基板１０に同時にプロトンを照射したが、これに限定されるものではない。３枚以上の半導体基板１０とアブソーバ材３０とを重ね合わせてプロトンを照射するものとしてもよい。重ね合わせた半導体基板１０の総厚とプロトン照射の分布の半値幅（ＦＷＨＭ）を一致させ、プロトン照射の分布のピーク位置（Ｒｐ）を重ね合わせた半導体基板１０の中心位置に設定することが好適である。

＜第３の水素導入方法＞
上記第１及び第２の水素導入方法では、アブソーバ材を用いてプロトンを照射することによって半導体基板１０の深さ方向全域に亘って略均一に水素を導入した。しかしながら、アブソーバ材を用いずに半導体基板１０内の水素濃度を均一にすることもできる。

第３の水素導入方法では、図８に示すように、複数の半導体基板１０の表面と裏面とをそれぞれ重ね合わせてプロトンを照射する。半導体基板１０の枚数は、半導体基板１０へ所定の加速エネルギーのプロトンを照射する条件下において、プロトンの飛程のピーク位置（Ｒｐ）をプロトンの導入分布の半値幅（ＦＷＨＭ）で除した値と一致させる。すなわち、プロトンの飛程のピーク位置をプロトンの飛程の分布の半値幅を整数で割った距離だけずらしてプロトンを照射する。

続いて、プロトン入射側と反対側に配置された半導体基板１０を取り除き、プロトン入射側に新たな半導体基板１０を配置してプロトンを照射する。以降、プロトン照射を２回施したプロトン入射側とは反対側の半導体基板１０を取り除き、新たな半導体基板１０をプロトン入射側に配置して処理を繰り返す。これによって、図７の水素の濃度プロファイルに示すように、半導体基板の深さ方向全域に亘って略均一に水素を導入することができる。

例えば、水素の導入対象となる半導体基板の厚さを１５０μｍとした場合、重ねあわせる半導体基板１０の枚数を１３枚とし、プロトンの加速エネルギーを１７ＭｅＶとすることによって、水素の濃度のピーク（プロトンの平均飛程Ｒｐ）がプロトン入射側から１９５０μｍ、水素の分布の半値幅が１５０μｍとなるようにプロトンを導入することができる。

本実施の形態では、２回のプロトン照射で半導体基板１０の深さ方向全域に亘って略均一に水素を導入したが、これに限定されるものではなく、３回以上のプロトン照射を行ってもよい。この場合も、半導体基板１０の枚数を、所定のプロトンの加速エネルギーに対する半導体基板１０中でのプロトンの平均飛程（Ｒｐ）をプロトンの飛程の半値幅（ＦＷＨＭ）で除した値に合わせる。

本発明の実施の形態におけるＩＧＢＴ構造を有する半導体装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態におけるパンチスルー型のＩＧＢＴ構造を有する半導体装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態におけるＭＯＳＦＥＴ構造を有する半導体装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態におけるコレクタショート型のＩＧＢＴ構造を有する半導体装置の構成を示す図である。 第１の水素導入方法を説明する図である。 第２の水素導入方法を説明する図である。 ２回に分けて水素を導入した場合の半導体基板の深さ方向に対する水素濃度分布及びキャリア濃度分布を示す図である。 第３の水素導入方法を説明する図である。

符号の説明

１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ） 半導体基板、１２ Ｐ型ベース領域、１４ Ｎ⁺エミッタ領域、１６ Ｐ⁺コンタクト領域、１８ ゲート絶縁膜、２０ ゲート電極、２２ エミッタ電極、２４ Ｐ⁺コレクタ領域、２５ コレクタ電極（ドレイン電極）、２６ バッファ領域、２７ ベース領域、２８ コレクタショート領域、２９ キャリア蓄積領域、３０（３０ａ，３０ｂ） アブソーバ材、１００，１０２，１０４ 半導体装置。

Claims (3)

1. Ｎ型ドーパントが添加された半導体基板、の表面の表層部の少なくとも一部に前記半導体基板のドープ濃度より高いドープ濃度のＰ型ドーパントを添加したＰ型領域及び前記半導体基板のドープ濃度より高いドープ濃度のＮ型ドーパントを添加してＮ型領域を形成する第１の工程と、
   前記半導体基板における前記Ｐ型領域及び前記Ｎ型領域以外の領域をベース領域として、前記ベース領域の深さ方向の全域に亘って前記半導体基板のＮ型ドーパントのドープ濃度よりも高いドープ濃度で水素を導入する第２の工程と、
   を含み、
   前記第２の工程は、プロトンを複数回照射する工程であって、
   プロトンの飛程のピーク位置をプロトンの飛程の分布の半値幅を整数で割った距離だけずらしてプロトンを照射することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記第２の工程は、前記ベース領域の深さ方向の全域に亘って、少なくとも１×１０¹³／ｃｍ³以上１×１０¹⁷／ｃｍ³以下の水素を導入することを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法において、
   さらに、前記ベース領域内に、水素を１×１０¹⁷／ｃｍ³より多く導入する第３の工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。

Images