JP3823470B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、シリコン単結晶ウエハに拡散技術を用いて製造される半導体装置に係り、拡散熱処理にて発生するスリップラインを低減し、それに起因する特性不良を改善した半導体装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図5は従来の半導体装置としてのゲートターンオフサイリスタ(以下、GTOと略記する)を示す断面図である。図において、1は面方位(111)のN-シリコン基板、2はN-シリコン基板1の表面にボロンをイオン注入し、拡散して形成したPB層、3はPB層2にリンを熱拡散して形成したNE層、4はN-シリコン基板1の裏面にボロンを選択的にイオン注入して形成したPE層、5はPE層4の外側にリンを熱拡散して形成したN++層、6はSiO2からなるパッシベーション膜、7はアノード電極、8はカソード電極、9はゲート電極、10はシリコン端面、11はシリコーンゴムからなるパッシベーションゴム、12、13はそれぞれモリブデンからなるアノード熱補償板及びカソード熱補償板であり、高耐圧バイボーラ型半導体装置を構成する。
【0003】
以下、図5に示した従来のGTOの製造方法を説明する。まず、比抵抗300〜400Ωcm、厚さ700μm以上の面方位(111)のN-シリコン基板1の表面(カソード側)にボロンをイオン注入し、1250℃で170時間程度の熱処理によって、ドライブイン拡散し、深さ80〜90μmで表面ボロン濃度が1017〜1018 atoms/cm2のPB層2を形成する。
【0004】
次に、PB層2の上にリンをデポジットし、1250℃で8時間程度の熱処理によってドライブイン拡散し、深さ20〜25μm、表面リン濃度1019〜1020 atoms/cm2のNE層3を形成する。
【0005】
次に、N-シリコン基板1の裏面(アノード側)に選択的にボロンをイオン注入し、1250℃で2時間程度の熱処理によって、ドライブイン拡散して深さ10〜12μmで表面ボロン濃度が1018〜1019 atoms/cm2のPE層4を形成する。
【0006】
次に、アノード側に選択的にリンをデボジットし、1250℃で1時間程度の熱処理によってドライブイン拡散して深さ5〜10μm、表面リン濃度1019〜1020 atoms/cm2のN++層5を形成する。
【0007】
次に、アノード側にアルミニウムを蒸着してアノード電極7を形成し、更にカソード側にアルミニウムを蒸着あるいはスパッタ等によって、厚さ10μm程度のカソード電極8とゲート電極9を形成した後、オーミックコンタクトを向上させるために、400〜500℃で30〜60分熱処理する。
【0008】
カソード電極8とゲート電極9との間は30μm程度の段差が設けられており、この段差部のNE層3とPB層2との接合部は、ナトリウム等の汚染から保護するため、SiO2膜等のパッシベーション膜6で覆う。さらに、シリコン基板1の端面を電界強度緩和のため、ポジティブベベルに加工しシリコン端面10の表面をシリコーンゴムからなるパッシベーションゴム11で覆い、シリコン基板1の両面に熱補償板を圧接し、図5に示したGTOが完成する。
【0009】
上記のように、従来のGTOにおいては、その主表面の結晶方位が(111)であるシリコン単結晶ウエハが多用されている。結晶方位(111)のシリコン単結晶ウエハが多用されるのは、製造工程において、応力に対する機械的強度が大きくて割れにくく、合金においても拡散が均一に入り易い等の理由による。一方、拡散熱処理において、熱ストレスを受けてウエハ内に多数のスリップラインが誘発され、構成された半導体装置は電圧印加時にリーク電流が大きくなり、耐圧歩留りが著しく低下する。
【0010】
尚、薄膜中のヘイズやスリップラインの低減及びパターンシフトの低減等を目的に、シリコン単結晶ウエハを(111)面から特定方向に小角度、傾斜させてスライスし、半導体デバイスに適用する方法が特開平8-26891号公報開示されている。しかし、特開平8-26891号公報に開示されたヘイズやスリップラインの低減対象は、エピタキシャル成長された薄膜に関するものであり、ヘイズやスリップラインの発生メカニズムに関しても、エピタキシャル膜の成膜速度に関連したものであり、本方法のように熱処理を加えた時にシリコン単結晶ウエハ自体に誘発されるスリップライン(結晶欠陥)に関するものとは全く異なリ、上記特開平8-26891号公報には本方法のようなシリコン単結晶ウエハの拡散熱処理に関しては開示されていない。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
従来の拡散熱処理により製造される半導体装置は、主表面の結晶面を(111)面に対して±1°以下に合わせてスライスされたシリコン単結晶ウエハを一般に使用していたので、拡散熱処理において、ウエハ内に多数のスリップラインが誘発され、電圧印加時にリーク電流が大きくなり、耐圧歩留りが著しく低下するなどの問題点があり、熱処理温度が高く長時間になると、より一層深刻になり、使用するウエハ径が大口径になる程、さらに大きな問題点となった。
【0012】
本発明は、上記のような問題点を解消するためになされたものであり、拡散熱処理におけるウエハ内に生じるスリップラインの低減により、リーク電流低減、耐圧歩留りの向上、その他ウエハのスリップラインに起因した特性不良を改善した半導体装置を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る半導体装置は、シリコン単結晶ウエハの表面上に不純物の拡散熱処理により導電領域が形成される半導体装置において、前記シリコン単結晶ウエハはその主表面の結晶方位が(111)面から<112 - >、<1 - 1 - 2>、<1 - 10>、若しくは<11 - 0>軸方向に角度θだけ傾斜しており、この傾斜角θが1°<θ<27.5°であるものである。
【0014】
尚、上記<112->、<1-1-2>等における2-、1-等は、通常、数字の上側線にて表示されるものの代替表示であり、以下、同様である。
【0015】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
この発明の実施の形態による半導体装置としてのGTOは図5に示した従来例のGTOと略同一であり、従来例と同じ図5を用いて説明する。
【0016】
この発明の実施の形態によるGTOと従来例のGTOとの唯一の相違はN-シリコン基板だけであり、この発明の一実施の形態によるGTOのN-シリコン基板1Aは、主表面の結晶方位が(111)面より<112->方向に4°±1°傾斜し、<110>方向に±0.5°の範囲に合わせてスライスされたものである。
【0017】
この発明の実施の形態によるGTOの製造方法は、N-シリコン基板1Aのスライス方向を除き、図5に示した従来例のGTOの製造方法と略同一であり、説明を省略する。
【0018】
図1は、この発明の実施の形態によるGTOのN-シリコン基板1Aにおけるスライス方向の説明図であり、スライスされたシリコンウエハにおける主表面が<111>軸に対して<112->方向に角度θ=4°傾斜している。図2は主表面が<111>軸に対して<112->方向に角度θ=4°傾斜したxyz座標上の面を示す説明図である。
【0019】
完成したGTOについて、耐圧(耐電圧)不良率の他素子の特性を評価した。その結果、素子の耐圧不良率は0%で飛躍的な改善が観られる一方、リカバリー時間trrやターンオン電流IGTに関しては、主表面の結晶方位に傾斜のない(111)シリコンウエハを使用した従来素子と同等の特性が得られた。
【0020】
又、この素子に使用されたシリコン基板1Aを取り出し、端面のパッシベーションゴムを剥離し、両面のアルミニウム電極SiO2膜をエッチングで溶解して、弗酸・硝酸系混酸により7分間エッチングし、ウエハ表面を観察したが、耐圧不良の原因となるタイプのエッチピット(結晶欠陥)は、1ウエハ当り0個で、全く見つからなかった。
【0021】
図1及び図2を参考に、以下、主表面が<111>軸に対して<110>方向に±0.5°、<112->方向に角度θを0°、2°、4°、8°、10°及び、27.5°、54.7°と変化させてスライスされた主表面をもつ比抵抗650〜850ΩcmのN-シリコン基板を使用して、実施の形態1と同様の製造プロセスで製造したGTOについて評価したところ、図3及び図4に示すような結果が得られた。
【0022】
図3及び図4より明らかな通り、図1に示すごとく、N-シリコン基板1Aの主表面を(111)面から小角度傾斜させることにより、GTOの耐圧不良率は急激に減少する。従来使用されてきた(111)シリコン単結晶ウエハは(111)面に対して±1°の範囲内に合わせてスライスされているが、傾斜角度を2°±1°にすることにより、耐圧不良率は約1/5となり、4°以上では0%と改善された。
【0023】
一方、IGT特性は、傾斜角度を10°以下にすると、(111)シリコン単結晶ウエハを使用したGTOと比較して、その増加率を20%以下に抑えられる。傾斜角度を10°以上にすると前記増加率が増すが、傾斜角度が27.5°の範囲では、その増加率が35%以下であり、実用上問題ないことが判る。このIGT特性以外の、その他の特性についても同様な傾向を示すものがあり、傾斜角度θを必要以上に大きくすると従来のプロセス条件を大幅に変更する必要がある。
【0024】
上記のごとく、傾斜角度θを4°<θ<10°にすることにより、従来の(111)N-シリコン基板を使用したGTOの製造条件を変更することなく、耐圧不良率のみを低減でき、非常に好ましい結果が得られたが、傾斜角θが1°<θ<27.5°の範囲内においても、従来例に比較して、実用上満足すべき特性、効果が得られた。
【0025】
又、傾斜方向に関しては、<112->軸方向である場合に最も顕著な好結果が得られたが、<112->軸と等価な結晶方位である<1-1-2>、<1-10>、若しくは<11-0>軸の方向であっても同様な効果が得られ、これらの結晶方位以外の方向であっても、実用上満足すべき特性、効果が得られた。
【0026】
尚、本実施の形態はGTOの耐圧不良率を例として説明したが、拡散熱処理中にシリコン基板内に誘発されるスリップラインは、熱処理温度が高い程、又、使用する基板が大口径化される程、素子特性に対して深刻な問題となるので、従来(111)シリコン基板を使用し、拡散熱処理方法で製造されるバイポーラ素子全般に対しても適用でき、同様な効果が期待される。又、耐電圧特性以外にも、ウエハのスリップラインが起因した特性不良に改善効果が得られることは言うまでもない。
【0027】
この発明によれば、前記シリコン単結晶ウエハはその主表面を(111)面から<112 - >、<1 - 1 - 2>、<1 - 10>、若しくは<11 - 0>軸方向に1°<θ<27.5°傾斜させることにより、熱ストレスに対して強くなり、半導体装置の耐電圧特性以外のIGT、RPB等の諸特性を変化させずにリーク電流低減や熱処理によるスリップラインの発生を顕著に低減ができるため、これまでの製造条件を変更することなく、半導体装置のスリップラインに起因する特性不良を改善でき、耐圧歩留り改善に効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 シリコン単結晶ウエハ上での傾斜方向、角度を示す斜視説明図である。
【図2】 シリコン単結晶ウエハの結晶面、結晶軸を示す斜視説明図である。
【図3】 各角度を有する傾斜ウエハの耐圧不良率と素子の緒特性を比較した表である。
【図4】 ウエハの傾斜角度θと耐圧不良率及びターンオン電流IGTの関係を示すグラフである。
【図5】 従来及びこの発明の実施の形態によるGTOを示す断面図である。
【符号の説明】
1 面方位(111)のN-シリコン基板、1A 面方位(111)4°傾斜のN-シリコン基板、2 PB(P型ベース)層、3 NE層、4 PE層、5 N層、6 パッシベーション膜、7 アノード電極、8 カソード電極、9 ゲート電極、10 シリコン端面、11 パッシベーションゴム、12 アノード熱補償板、13 カソード熱補償板
Claims (1)
- シリコン単結晶ウエハの表面上に不純物の拡散熱処理により導電領域が形成される半導体装置において、前記シリコン単結晶ウエハはその主表面の結晶方位が(111)面から<112 - >、<1 - 1 - 2>、<1 - 10>、若しくは<11 - 0>軸方向に角度θだけ傾斜しており、該傾斜角θが1°<θ<27.5°であることを特徴とする半導体装置。
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---|---|---|---|
JP24104597A JP3823470B2 (ja) | 1997-09-05 | 1997-09-05 | 半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP24104597A JP3823470B2 (ja) | 1997-09-05 | 1997-09-05 | 半導体装置 |
Publications (2)
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JPH1179890A JPH1179890A (ja) | 1999-03-23 |
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JP24104597A Expired - Lifetime JP3823470B2 (ja) | 1997-09-05 | 1997-09-05 | 半導体装置 |
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Families Citing this family (1)
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JP6502399B2 (ja) | 2017-02-06 | 2019-04-17 | Jx金属株式会社 | 単結晶シリコンスパッタリングターゲット |
-
1997
- 1997-09-05 JP JP24104597A patent/JP3823470B2/ja not_active Expired - Lifetime
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---|---|
JPH1179890A (ja) | 1999-03-23 |
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