JPH0728036B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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JPH0728036B2
JPH0728036B2 JP62059521A JP5952187A JPH0728036B2 JP H0728036 B2 JPH0728036 B2 JP H0728036B2 JP 62059521 A JP62059521 A JP 62059521A JP 5952187 A JP5952187 A JP 5952187A JP H0728036 B2 JPH0728036 B2 JP H0728036B2
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    • H01L29/66007Multistep manufacturing processes
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    • H01L29/66325Bipolar junction transistors [BJT] controlled by field-effect, e.g. insulated gate bipolar transistors [IGBT]
    • H01L29/66333Vertical insulated gate bipolar transistors
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、半導体装置の製造方法に関し、さらに詳し
くは、主に電力用スイッチング素子として用いられる竪
型IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)の製造
方法に係るものである。
〔従来の技術〕
近年,この種の電力用スイッチング素子には、従来から
一般に用いられてきたバイポーラトランジスタに代わる
ものとして、その高速性,および制御回路の簡略化が可
能であるなどの利点を有することから、いわゆる,竪型
パワーMOS FET(MOS Filed Effect Transistor)への移
行が注目されている。しかしながら、一方で、500V以上
での高耐圧の竪型パワーMOS FETにおいては、必然的に
そのオン抵抗が高くなつて、大電流を流すことが難かし
くなると云う不利がある。
そこで、この点を解消するための電力用スイッチング素
子として、先の1981年に、米国RCA社から、特開昭56-15
0870号公報として示される竪型IGBTが提案された。この
竪型IGBTは、ドレイン領域にソース領域とは逆の導電型
層を形成することにより、この逆導電型層から高抵抗層
への注入を起こさせ、高抵抗層に伝導度変調を生じさせ
て、オン抵抗を下げるようにしたものである。
第4図にこの提案に係る竪型IGBTの基本的な構成を示
す。
すなわち,この第4図従来例構成において、符号1は10
19/cm3程度の高濃度p+シリコン基板であり、このp+シリ
コン基板1上にエピタキシャル成長などにより高濃度n+
層2を形成させ、また、この高濃度n+層2上に低不純物
濃度のn-層3を形成させ、さらに、このn-層3の主表面
上にあつて、DSA(Diffused Self-Alignment)法によ
り、pウエル層4と同層4中へのn+型ソース層5とを選
択的に形成させる。
そして、前記DSA法では、pウエル層4を形成するため
の拡散窓をして、n+型ソース層5を形成するための拡散
窓の一部として用いるために、チャンネル領域6が素子
のあらゆる部分で一定となるように、n+型ソース層5を
形成できる。
ついで、チャンネル領域6上にゲート絶縁膜7を介して
ゲート電極8を形成させ、また、n+型ソース層5とpウ
エル層4とを同時にオーミックコンタクトするようにソ
ース電極9を形成させ、さらに、p+シリコン基板1の他
面にドレイン電極10を形成させ、このようにして目的と
する竪型IGBT11を得ているのである。
従つて、前記構成による竪型IGBT11の場合にあつては、
n+型ソース層5からチャンネル領域6を通つてn-層3に
注入される電子電流に対し、p+シリコン基板1から高濃
度n+層2を介してn-層3へ正孔注入を生じ、この結果,
高抵抗を有するn-層3が伝導度変調を起こして低抵抗化
を図り得るのである。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかしながら、前記従来例構成による竪型IGBT11では、
一方でこの竪型IGBT11をターンオフさせたとき、高濃度
n+層2に注入された残留正孔のために、ターンオフ時間
が長くなると云う問題点がある。
こゝで、一般に竪型IGBT11においては、高濃度n-層2内
での前記残留正孔のライフタイムを制御するために、重
金属や電子線などの放射線照射などをなしており、特に
電子線照射による手段が、ライフタイムの制御性の良
さ,およびオン電圧とターンオフ時間の相関の良さによ
つて採用されている。
しかし、前記電子線照射方法によるときは、その電子線
照射によつて、NOS部のゲート絶縁膜7がダメージを受
け易く、この種の竪型IGBT11の重要な特性の一つである
ゲートしきい値電圧VGS(th)が大幅に低下することにな
ると云う不都合があつた。
この発明は従来のこのような問題点を解消するためにな
されたものであつて、その目的とするところは、製造後
においてもゲートしきい値電圧特性を低下させることの
ない,この種の半導体装置の製造方法,こゝでは竪型IG
BTの製造方法を提供することである。
〔問題点を解決するための手段〕
前記目的を達成するために、この発明に係る半導体装置
の製造方法は、チャンネル領域の形成時に、まず、その
表面濃度を、素子構成のしきい値電圧がおゝよそ5〜10
V程度になるように3〜5×1017cm-3に設定させ、つい
で、5×1013〜8×1014cm-2の照射量の電子線を照射し
た後、おゝよそ300℃の温度で2〜5時間のアニール処
理をして、電子線照射時に低下したしきい値電圧を、お
ゝよそ2〜5V程度まで回復させるようにしたものであ
る。
〔作用〕
すなわち,この発明においては、中間段階での素子構成
に電子線照射をなして製造終了した後における素子構成
のしきい値電圧を、所期の値であるおゝよそ2〜5Vの範
囲に維持できると共に、高温度によるしきい値電圧の低
減に対しても、最低のしきい値電圧を保持し得るのであ
る。
〔実施例〕
以下、この発明に係る半導体装置の製造方法の一実施例
につき、第1図ないし第3図を参照して詳細に説明す
る。
第1図はこの実施例方法を適用した竪型IGBTの概要構成
を示す断面図である。
すなわち,この実施例装置の場合にも、p+シリコン基板
21上には、エピタキシャル成長などにより高濃度n+層2
2,および低不純物濃度のn-層23を順次に形成させ、かつ
このn-層23の主表面上に、DSA法によりpウエル層24,お
よび同層24中へのn+型ソース層25とを選択的に形成させ
てチャンネル領域26を得る。そしてこのとき、このチャ
ンネル領域26の表面濃度をして、素子における電子線照
射前のしきい値電圧が5〜10V程度になるように設定し
ておくのである。
ついで、チャンネル領域26上にゲート絶縁膜27を介して
ゲート電極28を、n+型ソース層25とpウエル層24とを同
時にオーミックコンタクトするようにソース電極29を、
p+シリコン基板21の他面にドレイン電極30をそれぞれに
形成させた上で、電子線を照射すると共に、かつ熱処理
して、素子のしきい値電圧が2〜5V程度になるようにし
たものである。
従つて、前記のようにして製造された実施例構成による
竪型IGBT11においては、装置の製造後にあつて2〜5V程
度の範囲のしきい値電圧VGS(th)が得られ、温度の経時
変化に対しても、このしきい値電圧VGS(th)は殆んど変
動することがない。そしてまた、通常,考えられる10mV
/℃程度の高温度VGS(th)の低減に対しても、150℃の高
温において、最低0.7V程度の値を保証できるのである。
こゝで、前記した従来例構成におけるように、電子線照
射前に設定されたしきい値電圧VGS(th)が2〜5V程度で
あると、電子線照射後にアニールしても、このしきい値
電圧VGS(th)が1〜2.5V程度までしか回復せず、その下
限値である1Vでは、10mV/℃程度までの温度低減率を考
慮するとき、150℃程度の高温の場合にはノーマリーオ
ン状態となつてしまい、この竪型IGBTの制御が不能にな
る。
そして、前記従来例構成での電子線照射前の初期しきい
値電圧VGS(th)を2〜5V程度に設定するのには、この実
施例構成の第1図を参考にして、チャンネル領域26部を
1〜2×1017cm-3の表面濃度にするために、1〜2×10
14/cm2での,例えば、B+のイオン注入がなされる。しか
して、この場合には、n+型ソース層25の直下のpウエル
領域24の濃度が低下することによるところの,各層25,2
4,23,21でのnpnpサイリスタ領域のラッチアップが問題
になるために、通常,符号24で示したようなラッチアッ
プ対策用のp+領域の形成を必要とするのである。
しかして、このような従来例構成に対し、この実施例構
成の場合には、電子線照射前の初期しきい値電圧V
GS(th)を5〜10V程度に高く設定しているために、前記
したチャンネル領域26部を3〜5×1017cm-3の表面濃度
にし得て、n+型ソース層25の直下のpウエル領域24の濃
度が高くなり、これによつて、ラッチアップ対策用のp+
領域を形成せずに済み、仍つて製造プロセスの簡略化も
また可能になるのである。
次に、この実施例方法による具体例について述べる。
第2図(a)ないし(d)はこの実施例方法を適用した
竪型IGBTの製造態様の概要を工程順に示すそれぞれ断面
図である。
すなわち,この実施例方法の場合にあつては、まず、0.
01Ω−cm程度のp+型シリコン基板21の主面上に、0.1Ω
−cm程度のn+不純物エピタキシャル層からなる高濃度n+
層22を約20μmの厚さに形成させ、かつこの高濃度n+
22上に、50Ω−cm程度の低不純物濃度のn-層23を約100
μmの厚さに形成させる(第2図(a))。
ついで、前記n-層23の表面を酸化させることにより、約
1000〜1500Åの厚さのゲート絶縁膜27を形成させたの
ち、その上に約5000Åの厚さのポリシリコンからなるゲ
ート電極28を形成させる。また、その後,このゲート電
極28をマスクにしてイオン注入などの手段により、約5
×1014/cm2のB+をドープし、かつ拡散によつて約10μm
程度の深さのpウエル層24を選択的に形成させ、さら
に、ゲート電極28による窓の中央部のみを絶縁膜で覆
い、これらのゲート電極28および絶縁膜をマスクにして
Asやリンを拡散し、pウエル層24中にn+型ソース層25を
選択的に形成させてチャンネル領域26を得る(同図
(b))。
さらに、前記n+型ソース層25とpウエル層24とを同時に
オーミックコンタクトするようにしてソース電極29を形
成させ、また、前記p+シリコン基板21の他面にはドレイ
ン電極30をそれぞれに形成させる(同図(c))。こゝ
で、このようにして得た中間段階の素子構成の初期しき
い値電圧VGS(th)は5〜10V程度である。
そしてまた、前記中間段階での素子構成に対しては、続
いて、5×1013〜8×1014cm-2程度の照射量の電子線を
照射させ(同図(d))、その後,温度約300℃程度
で、おゝよそ2〜5時間程度アニール処理して、前記第
1図に示した竪型IGBTを完成する。
しかして、この場合,第3図に示されている通り、前記
電子線の照射後のしきい値電圧VGS(th)は、−4〜5V程
度まで低下するが、その後のアニール処理に伴ない2〜
5V程度まで回復する。すなわち,このアニール処理を伴
なつて、ターンオフ時間は、アニール処理時間と共に徐
々に回復し、一方,しきい値電圧VGS(th)は、その回復
がおゝよそ2〜5時間程度で飽和してしまう。仍つて、
このアニール処理は、温度約300℃程度で、2〜5時間
程度行なうことが望ましい。
すなわち,以上のようにして、目的とするところの,前
記作用,効果を有する所期の竪型IGBTを製造し得るので
ある。
なお、前記実施例方法においては、素子構成各部の導電
形をそれぞれに特定した場合について述べたが、これら
を逆の導電形にした場合にも適用できて、同様な作用,
効果を得られることは勿論である。
〔発明の効果〕
以上詳述したようにこの発明によれば、相互に逆の導電
形で直列に隣接するソース領域,ウエル領域,基体領
域,およびドレイン領域を有してサイリスタ構成とさ
れ、かつソース領域とウエル領域との表面に、DSA法に
よつて自己整合的にチャンネル領域を形成させ、チャン
ネル領域にゲート絶縁膜を介して形成されるゲート電極
により制御可能にした竪型IGBTにおいて、まず、チャン
ネル領域の形成時に、このチャンネル領域の表面濃度
を、素子構成のしきい値電圧がおゝよそ5〜10V程度に
なるように3〜5×1017cm-3に設定させ、ついで、同表
面側から5×1013〜8×1014cm-2の照射量の電子線を照
射した後、おゝよそ300℃の温度で2〜5時間のアニー
ル処理をして、電子線照射時に低下したしきい値電圧
を、おゝよそ2〜5V程度まで回復させるようにしたか
ら、中間段階での素子構成に電子線照射をなして製造終
了した後のしきい値電圧を、常時,所定の値であるとこ
ろの,おゝよそ2〜5Vの範囲に維持し得ると共に、高温
度によるしきい値電圧の低減に対しても、最低のしきい
値電圧を効果的に保持でき、しかも、この種のサイリス
タ構成におけるラッチアップ対策をも自動的に講ずるこ
とができて、製造工程自体の簡略化をも図り得るなどの
優れた特長を有するものである。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明に係る半導体装置の製造方法の一実施
例を適用した竪型IGBTの概要構成を示す断面図、第2図
(a)ないし(d)は同上竪型IGBTの製造態様の概要を
工程順に示すそれぞれ断面図、第3図は同上方法でのア
ニール処理時におけるしきい値電圧,およびターンオフ
時間と、アニール処理時間との関係を示す説明図であ
り、また、第4図は同上従来例による竪型IGBTの概要構
成を示す断面図である。 21……p+シリコン基板、22……高濃度n+層、23……低不
純物濃度のn-層、24……pウエル層、25……n+型ソース
層、26……チャンネル領域、27……ゲート絶縁膜、28…
…ゲート電極28、29……ソース電極、30……ドレイン電
極。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 Solid−State Electr onics,Vol.26[12](Dec. 1983),Baliga et al.: “Improving the Reve rse Recovery of Pow er MOSFET Integral Diodes by Electron Irradiation,”PP.1133− 1141

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】相互に逆の導電型で直列に隣接するソース
    領域,ウエル領域,基体領域,およびドレイン領域を有
    し、かつ前記ソース領域とウエル領域との表面に、DSA
    法によって自己整合的にチャンネル領域を形成した素子
    構成とされ、前記チャンネル領域にゲート絶縁膜を介し
    て形成したゲート電極により制御される堅型IGBTにおい
    て、前記チャンネル領域の形成時に、まず、その表面濃
    度を、素子構成のしきい値電圧がおゝよそ5〜10V程度
    になるように3〜5×1017cm-3に設定させ、ついで、5
    ×1013〜8×1014cm-2の照射量の電子線を照射した後、
    おゝよそ300℃の温度で2〜5時間のアニール処理し
    て、電子線照射時に低下した前記しきい値電圧を、おゝ
    よそ2〜5V程度まで回復させるようにしたことを特徴と
    する半導体装置の製造方法。
JP62059521A 1987-03-13 1987-03-13 半導体装置の製造方法 Expired - Lifetime JPH0728036B2 (ja)

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