JP2011114239A

JP2011114239A - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP2011114239A
Application number: JP2009270692A
Authority: JP
Inventors: Yukihiro Hisanaga; 幸博久永
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-11-27
Filing date: 2009-11-27
Publication date: 2011-06-09
Anticipated expiration: 2029-11-27
Also published as: JP5609078B2

Abstract

【課題】マスクへのダメージを抑制しながら半導体基板に選択的に低ライフタイム領域を形成することができる半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】厚さが薄い第１部分１０４ａと第１部分より厚さが厚い第２部分１０４ｂを有するマスク１０４、または、貫通孔からなる第１部分と所定の厚さの第２部分を有するマスクを荷電粒子照射装置と半導体基板の間に配置した状態で、第１部分に向けて照射された荷電粒子が第１部分と半導体基板を通過し、第２部分に向けて照射された荷電粒子が第２部分を通過して半導体基板中で停止するように、荷電粒子照射装置から半導体基板に向けて荷電粒子を照射する荷電粒子照射工程を有する製造方法。
【選択図】図４

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関する。

半導体基板にヘリウムイオン等の荷電粒子を照射することによって、半導体基板中に結晶欠陥を形成する技術が知られている。結晶欠陥が形成された領域は、キャリアライフタイムが短い低ライフタイム領域となる。例えば、特許文献１に開示されているＩＧＢＴとダイオードの一体型の半導体装置では、ダイオードのドリフト領域内に低ライフタイム領域が形成されている。ダイオードのドリフト領域内に低ライフタイム領域が形成されることで、ダイオードの逆回復特性を向上させることができる。

特開平５−１１４５４５号公報

従来の荷電粒子照射工程は、図６に示すように、荷電粒子照射装置２２０と半導体基板２３０の間にアブソーバ板２００とマスク２１０を配置した状態で行われる。マスク２１０には、貫通孔２１２が形成されている。以下では、マスク２１０の貫通孔２１２以外の部分をマスク部２１４という。この状態において荷電粒子照射装置２２０から半導体基板２３０に向けて荷電粒子を照射する。照射された荷電粒子は、アブソーバ板２００を通過（貫通）する。マスク２１０のマスク部２１４に向かって進行する荷電粒子は、マスク部２１４中で停止する。一方、マスク２１０の貫通孔２１２に向かって進行する荷電粒子は、貫通孔２１２を通過して半導体基板２３０に注入される。半導体基板２３０に注入された荷電粒子は半導体基板２３０中で停止する。荷電粒子は、停止する際に結晶欠陥を形成する。したがって、半導体基板中２３０中の荷電粒子が停止した位置に低ライフタイム領域が形成される。すなわち、貫通孔２１２に対応する範囲の半導体基板２３０中に選択的に低ライフタイム領域が形成される。

上述した荷電粒子照射工程では、マスク２１０のマスク部２１４中で荷電粒子が停止するため、その停止位置にダメージが生じる。このため、マスク２１０を使用する度に、荷電粒子を遮断する性能が低下する等のマスク部２１４の特性の劣化が生じる。したがって、マスク２１０の寿命が短く、短いサイクルでマスク２１０を交換する必要があった。

本発明は、マスクへのダメージを抑制しながら半導体基板に選択的に低ライフタイム領域を形成することができる半導体装置の製造方法を提供する。

本発明の半導体装置の製造方法は、厚さが薄い第１部分と第１部分より厚さが厚い第２部分を有するマスク、または、貫通孔からなる第１部分と所定の厚さの第２部分を有するマスクを荷電粒子照射装置と半導体基板の間に配置した状態で、第１部分に向けて照射された荷電粒子が第１部分と半導体基板を通過し、第２部分に向けて照射された荷電粒子が第２部分を通過して半導体基板中で停止するように、荷電粒子照射装置から半導体基板に向けて荷電粒子を照射する荷電粒子照射工程を有する。

この製造方法では、マスクの第１部分でも第２部分でも、荷電粒子照射装置から照射された荷電粒子がマスクを通過する。マスク中で荷電粒子が停止しないので、マスクへのダメージが軽減される。また、マスクの第２部分を通過した荷電粒子は半導体基板中で停止するので、第２部分に対応する範囲の半導体基板には多量の結晶欠陥が形成される。すなわち、第２部分に対応する範囲の半導体基板に低ライフタイム領域が形成される。一方、マスクの第１部分を通過した荷電粒子は半導体基板を通過するので、第１部分に対応する範囲の半導体基板にはほとんど結晶欠陥は形成されない。したがって、この製造方法によれば、半導体基板に選択的に低ライフタイム領域を形成することができる。

上述した製造方法において製造される半導体装置は、ＩＧＢＴとダイオードを有する縦型の半導体装置であってもよい。この場合、荷電粒子照射工程は、マスクの第１部分を通過した荷電粒子がＩＧＢＴに対応する領域の半導体基板を通過し、マスクの第２部分を通過した荷電粒子がダイオードのドリフト領域に対応する半導体基板の領域中で停止することが好ましい。

このような構成によれば、ＩＧＢＴの特性に影響を与えることを抑制しながら、ダイオードの逆回復特性を向上させることができる。

半導体装置１０の断面図。実施形態の製造方法を示すフローチャート。荷電粒子照射ステップの説明図。図３のマスク１０４と半導体ウエハ１００の拡大図。変形例のマスク１１０の説明図。変形例のマスク１１０の説明図。従来の荷電粒子照射ステップの説明図。

実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。図１は、実施形態の製造方法により製造される半導体装置１０を示している。

（半導体装置の構造）
図１に示すように、半導体装置１０は、半導体基板１２と、半導体基板１２の上面及び下面に形成されている金属層及び絶縁層等を備えている。半導体基板１２には、ダイオード領域２０とＩＧＢＴ領域４０が形成されている。

ダイオード領域２０内の半導体基板１２の上面には、アノード電極２２が形成されている。ＩＧＢＴ領域４０内の半導体基板１２の上面には、エミッタ電極４２が形成されている。半導体基板１２の下面には、共通電極６０が形成されている。

ダイオード領域２０には、アノード層２６、ダイオードドリフト層２８、カソード層３０が形成されている。

アノード層２６は、ｐ型である。アノード層２６は、アノードコンタクト領域２６ａと低濃度アノード層２６ｂを備えている。アノードコンタクト領域２６ａは、半導体基板１２の上面に露出する範囲に、島状に形成されている。アノードコンタクト領域２６ａは、不純物濃度が高い。アノードコンタクト領域２６ａは、アノード電極２２に対してオーミック接続されている。低濃度アノード層２６ｂは、アノードコンタクト領域２６ａの下側及び側方に形成されており、アノードコンタクト領域２６ａを覆っている。低濃度アノード層２６ｂの不純物濃度は、アノードコンタクト領域２６ａより低い。

ダイオードドリフト層２８は、アノード層２６の下側に形成されている。ダイオードドリフト層２８は、ｎ型であり、不純物濃度が低い。

カソード層３０は、ダイオードドリフト層２８の下側に形成されている。カソード層３０は、半導体基板１２の下面に露出する範囲に形成されている。カソード層３０は、ｎ型であり、不純物濃度が高い。カソード層３０は、共通電極６０に対してオーミック接続されている。

アノード層２６、ダイオードドリフト層２８、及び、カソード層３０によってダイオードが形成されている。

ＩＧＢＴ領域４０には、エミッタ領域４４、ボディ層４８、ＩＧＢＴドリフト層５０、コレクタ層５２、及び、ゲート電極５４等が形成されている。

ＩＧＢＴ領域４０内の半導体基板１２の上面には、複数のトレンチが形成されている。各トレンチの内面には、ゲート絶縁膜５６が形成されている。各トレンチの内部に、ゲート電極５４が形成されている。ゲート電極５４の上面は絶縁膜５８により覆われている。ゲート電極５４は、エミッタ電極４２から絶縁されている。

エミッタ領域４４は、半導体基板１２の上面に露出する範囲に、島状に形成されている。エミッタ領域４４は、ゲート絶縁膜５６に接する範囲に形成されている。エミッタ領域４４は、ｎ型であり、不純物濃度が高い。エミッタ領域４４は、エミッタ電極４２に対してオーミック接続されている。

ボディ層４８は、ｐ型である。ボディ層４８は、ボディコンタクト領域４８ａと低濃度ボディ層４８ｂを備えている。ボディコンタクト領域４８ａは、半導体基板１２の上面に露出する範囲に、島状に形成されている。ボディコンタクト領域４８ａは、２つのエミッタ領域４４の間に形成されている。ボディコンタクト領域４８ａは、不純物濃度が高い。ボディコンタクト領域４８ａは、エミッタ電極４２に対してオーミック接続されている。低濃度ボディ層４８ｂは、エミッタ領域４４及びボディコンタクト領域４８ａの下側に形成されている。低濃度ボディ層４８ｂの不純物濃度は、ボディコンタクト領域４８ａよりも低い。低濃度ボディ層４８ｂによって、エミッタ領域４４がＩＧＢＴドリフト層５０から分離されている。ゲート電極５４は、エミッタ領域４４とＩＧＢＴドリフト層５０を分離している範囲の低濃度ボディ層４８ｂにゲート絶縁膜５６を介して対向している。

ＩＧＢＴドリフト層５０は、ボディ層４８の下側に形成されている。ＩＧＢＴドリフト層５０は、ｎ型である。ＩＧＢＴドリフト層５０は、ドリフト層５０ａとバッファ層５０ｂを備えている。ドリフト層５０ａは、ボディ層４８の下側に形成されている。ドリフト層５０ａは、不純物濃度が低い。ドリフト層５０ａは、ダイオードドリフト層２８と略同じ不純物濃度を有しており、ダイオードドリフト層２８と連続する層である。バッファ層５０ｂは、ドリフト層５０ａの下側に形成されている。バッファ層５０ｂは、ドリフト層５０ａよりも不純物濃度が高い。

コレクタ層５２は、ＩＧＢＴドリフト層５０の下側に形成されている。コレクタ層５２は、半導体基板１２の下面に露出する範囲に形成されている。コレクタ層５２は、ｐ型であり、不純物濃度が高い。コレクタ層５２は、共通電極６０に対してオーミック接続されている。

エミッタ領域４４、ボディ層４８、ＩＧＢＴドリフト層５０、コレクタ層５２、及び、ゲート電極５４によってＩＧＢＴが形成されている。

ダイオード領域２０とＩＧＢＴ領域４０の間には、分離領域７０が形成されている。分離領域７０は、半導体基板１２の上面からゲート電極５４の下端より深い深さまでの範囲に形成されている。分離領域７０は、アノード層２６及びボディ層４８に接している。分離領域７０は、ｐ型である。分離領域７０の不純物濃度は、低濃度アノード層２６ｂ及び低濃度ボディ層４８ｂより高い。

分離領域７０の下側では、ダイオードドリフト層２８とドリフト層５０ａが連続している。また、分離領域７０の下側には、カソード層３０とコレクタ層５２の境界が位置している。

ダイオードドリフト層２８内には、ダイオード低ライフタイム領域３９が形成されている。ダイオード低ライフタイム領域３９内には、半導体基板１２に荷電粒子を打ち込むことによって形成された結晶欠陥が存在している。ダイオード低ライフタイム領域３９内の結晶欠陥密度は、その周囲のダイオードドリフト層２８に比べて極めて高い。ダイオード低ライフタイム領域３９は、アノード層２６の近傍の深さであり、分離領域７０の下端より深い深さに形成されている。

アノード電極２２と共通電極６０の間に、アノード電極２２がプラスとなる電圧（すなわち、順電圧）を印加すると、ダイオードがオンする。すなわち、アノード電極２２から、アノード層２６、ダイオードドリフト層２８、及び、カソード層３０を経由して、共通電極６０に電流が流れる。その後、ダイオードに印加される電圧が順電圧から逆電圧に切り換えられると、ダイオードが逆回復動作を行う。すなわち、順電圧印加時にダイオードドリフト層２８内に存在していたホールがアノード電極２２に排出され、順電圧印加時にダイオードドリフト層２８内に存在していた電子が共通電極６０に排出される。これによって、ダイオードに逆電流が流れる。逆電流は、短時間で減衰し、その後は、ダイオードに流れる電流は略ゼロとなる。ダイオード低ライフタイム領域３９内の結晶欠陥は、キャリアの再結合中心として機能する。したがって、逆回復動作時に、ダイオードドリフト層２８内のキャリアの多くが、ダイオード低ライフタイム領域３９内で再結合により消滅する。したがって、半導体装置１０では、逆回復動作時に生じる逆電流が抑制される。

（半導体装置１０の製造方法）
実施形態に係る半導体装置１０の製造方法について説明する。図２は、実施形態に係る製造方法のフローチャートを示している。半導体装置１０は、低濃度にｎ型不純物を含有するシリコンからなる半導体ウエハから製造される。

ステップＳ２では、半導体ウエハに、半導体装置１０の上面側の構造（すなわち、アノード層２６、エミッタ領域４４、ボディ層４８、分離領域７０、ゲート電極５４、アノード電極２２、及び、エミッタ電極４２）を形成する。上面側の構造の形成方法は従来公知であるので、その詳細については説明を省略する。

ステップＳ４では、半導体ウエハの下面を研磨する。

ステップＳ６では、図３に示すように、半導体ウエハ１００と荷電粒子照射装置１０２との間にマスク１０４を配置する。マスク１０４はアルミニウム製の部材であり、厚みが薄い第１部分１０４ａと厚みが厚い第２部分１０４ｂを有している。ここでは、図４に示すように、ダイオード領域２０に第２部分１０４ｂが重なり、ＩＧＢＴ領域４０に第１部分１０４ａが重なるようにマスク１０４を配置する。そして、荷電粒子照射装置１０２から半導体ウエハ１００の下面に向けて荷電粒子を照射する。ステップＳ６は、以下の二式の関係を満たすように、マスク１０４の厚さと荷電粒子の照射エネルギーを調節して行う。
（数１）Ｒｐ１＞Ａ・ｄ２＋ｄ３
（数２）Ｒｐ１≒Ａ・ｄ１＋ｄ４
なお、上記数式において、Ａ＝Ｒｐ１／Ｒｐ２である。Ｒｐ１は照射された荷電粒子の半導体ウエハ１００中（すなわち、Ｓｉ中）における最大飛程距離であり、Ｒｐ２は照射された荷電粒子のマスク１０４中（すなわち、Ａｌ中）における最大飛程距離である。また、ｄ１はマスク１０４の第２部分１０４ｂの厚さであり、ｄ２はマスク１０４の第１部分１０４ａの厚さであり、ｄ３は半導体ウエハ１００の厚さであり、ｄ４は半導体ウエハ１００の下面からの低ライフタイム領域３９を形成すべき位置までの距離（深さ）である。上記の（数１）が満たされるので、荷電粒子照射装置１０２から第１部分１０４ａに向けて照射された荷電粒子は、マスク１０４と半導体ウエハ１００を通過（貫通）する。荷電粒子が半導体ウエハ１００を通過する際には半導体ウエハ１００に少量の結晶欠陥が形成されるものの、結晶欠陥が高濃度に形成されることはない。一方、上記の（数２）が満たされるので、荷電粒子照射装置１０２から第２部分１０４ｂに向けて照射された荷電粒子は、マスク１０４を通過した後に半導体ウエハ１００に注入され、半導体ウエハ１００中でエネルギーを失って停止する。荷電粒子は、半導体ウエハ１００の下面から距離ｄ３の位置近傍で停止する。荷電粒子は、停止する際に周囲に多量の結晶欠陥を生成する。したがって、マスク１０４の第２部分１０４ｂに対応する範囲の半導体ウエハ１００には、下面から距離ｄ３の位置近傍に低ライフタイム領域３９が形成される。すなわち、ダイオード領域２０内のドリフト層２８中に選択的に低ライフタイム領域３９が形成される。

ステップＳ８では、半導体ウエハ１００に、半導体装置１０の下面側の構造（すなわち、カソード層３０、バッファ層５０ｂ、コレクタ層５２、共通電極６０）を形成する。下面側の構造の形成方法は従来公知であるので、その詳細については説明を省略する。下面側の構造を形成した後に半導体ウエハ１００をダイシングすることで、半導体装置１０が完成する。

以上に説明したように、本実施形態の製造方法では、マスク１０４の第１部分１０４ａでも第２部分１０４ｂでも、荷電粒子照射装置１０２から照射された荷電粒子がマスク１０４を通過する。マスク１０４中で荷電粒子が停止しないので、マスク１０４へのダメージが軽減される。これにより、マスク１０４の耐用期間を向上させることができる。

また、上述した製造方法では、マスク１０４のうち厚い第２部分１０４ｂを通過した荷電粒子を半導体ウエハ１００中で停止させるので、第２部分１０４ｂの厚さによって半導体ウエハ１００中における荷電粒子の停止位置を制御することができる。従来の製造方法のように、マスクと別にアブソーバ板を用いる必要がない。
また、従来の製造方法で用いるマスクのように貫通孔を有するマスクでは、遮蔽部の周囲を一巡するように貫通孔を配置することはできない。本実施形態のマスク１０４は貫通孔を有していないので、制限を受けることなく第１部分１０４ａと第２部分１０４ｂを自由に配置することができる。すなわち、荷電粒子を注入する領域を自由に設定することができる。

なお、上述した実施形態では、アルミニウム製のマスクを用いたが、Ｓｉ製やＭｇＯ製のマスクを用いてもよい。
また、上述した実施形態では、薄い第１部分１０４ａと厚い第２部分１０４ｂを有するマスク１０４を用いたが、図５に示すように、貫通孔１１２が形成されているマスク１１０を用いてもよい。図５の例では、荷電粒子照射装置１０２と半導体ウエハ１００の間に、マスク１１０とアブソーバ板１１４（例えば、アルミニウムの板）を配置している。荷電粒子照射装置１０２により照射された荷電粒子は、最初に、アブソーバ板１１４を貫通する。アブソーバ板を通過した後にマスク１１０の貫通孔１１２（第１部分の一例）を通過した荷電粒子は、半導体ウエハ１００を貫通する。アブソーバ板１１４を通過した後にマスク１１０の貫通孔１１２以外の部分（第２部分の一例）を通過（貫通）した荷電粒子は、半導体ウエハ１００中で停止する。したがって、半導体ウエハ１００に選択的に低ライフタイム領域を形成することができる。また、全ての荷電粒子がマスク１１０を通過するので、マスク１１０の耐用期間を向上させることができる。また、図５の例では、アブソーバ板１１４の厚さによって、荷電粒子が半導体ウエハ１００中で停止する位置を調節することができる。
また、図６に示すように、アブソーバ板１１４を使用せずに、貫通孔１１２を有するマスク１１０のみを使用して、荷電粒子を照射してもよい。この場合でも、荷電粒子の照射エネルギーやマスク１１０の厚さを調節することで、荷電粒子が半導体ウエハ１００中で停止する位置を調節することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：半導体装置
１２：半導体基板
２０：ダイオード領域
２２：アノード電極
２６：アノード層
２６ａ：アノードコンタクト領域
２６ｂ：低濃度アノード層
２８：ダイオードドリフト層
２８：ドリフト層
３０：カソード層
３９：ダイオード低ライフタイム領域
３９：低ライフタイム領域
４０：ＩＧＢＴ領域
４２：エミッタ電極
４４：エミッタ領域
４８：ボディ層
４８ａ：ボディコンタクト領域
４８ｂ：低濃度ボディ層
５０：ドリフト層
５０ａ：ドリフト層
５０ｂ：バッファ層
５２：コレクタ層
５４：ゲート電極
５６：ゲート絶縁膜
５８：絶縁膜
６０：共通電極
７０：分離領域
１００：半導体ウエハ
１０２：荷電粒子照射装置
１０４：マスク

Claims

半導体装置の製造方法であって、
厚さが薄い第１部分と第１部分より厚さが厚い第２部分を有するマスク、または、貫通孔からなる第１部分と所定の厚さの第２部分を有するマスクを荷電粒子照射装置と半導体基板の間に配置した状態で、第１部分に向けて照射された荷電粒子が第１部分と半導体基板を通過し、第２部分に向けて照射された荷電粒子が第２部分を通過して半導体基板中で停止するように、荷電粒子照射装置から半導体基板に向けて荷電粒子を照射する荷電粒子照射工程、
を有する製造方法。
前記半導体装置は、ＩＧＢＴとダイオードを有する縦型の半導体装置であって、
マスクの第１部分を通過した荷電粒子が、ＩＧＢＴに対応する領域の半導体基板を通過し、
マスクの第２部分を通過した荷電粒子が、ダイオードのドリフト領域に対応する半導体基板の領域中で停止する、
請求項１に記載の製造方法。