JPWO2014208404A1 - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents
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-
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-
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Abstract
Description
実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法について、pinダイオードを作製(製造)する場合を例に説明する。図1は、実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。図2〜7は、実施の形態1にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。図8A,8Bは、実施の形態1にかかる半導体装置の不純物濃度分布を示す特性図である。まず、n-型ドリフト層1となるn-型半導体基板のおもて面側に、p型アノード層2、アノード電極3、終端耐圧構造(不図示)およびパッシベーション膜(不図示)などからなるおもて面素子構造を形成する(ステップS1)。具体的には、n-型半導体基板のおもて面の表面層に、p型アノード層2となるp型層や、終端耐圧構造を構成するガードリングとなるp型層を選択的に形成する。
次に、実施の形態2にかかる半導体装置の製造方法について、n-型ドリフト層の内部に水素誘起ドナーからなるn型フィールドストップ(FS)層を備えたpinダイオードを作製する場合を例に説明する。図11は、実施の形態2にかかる半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。図12A,12Bは、実施の形態2にかかる半導体装置の不純物濃度分布を示す特性図である。実施の形態2にかかる半導体装置の製造方法が実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、基板裏面からの水素イオン注入の注入深さを、n+型カソード層4を活性化させるためのレーザーアニールにおける基板裏面からのレーザーの侵入深さよりも深くする点である。
次に、実施の形態3にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図13は、実施の形態3にかかる半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。実施の形態3にかかる半導体装置の製造方法が実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、レーザーアニール後に、電子線照射および炉アニールを行う点である。実施の形態3にかかる半導体装置の製造方法は、水素イオン注入によって基板裏面から例えば3μm以下程度の浅い領域に形成された欠陥を回復させる場合(例えばFS層を備えていないpinダイオードを作製する場合)に有用である。
次に、実施の形態4にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図14は、実施の形態4にかかる半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。実施の形態4にかかる半導体装置の製造方法が実施の形態3にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、レーザーアニールの後、電子線照射の前に、水素イオン注入を行う点である。
次に、実施の形態5にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図15は、実施の形態5にかかる半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。実施の形態5にかかる半導体装置の製造方法が実施の形態3にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、レーザーアニールの後、電子線照射の前に、不純物活性化のための第1炉アニールを行う点である。実施の形態5にかかる半導体装置の製造方法は、基板裏面から深い領域に注入された例えばプロトンを活性化させる場合(例えば複数段のFS層を備えたpinダイオードを作製する場合)に有用である。
次に、実施の形態6にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図16は、実施の形態6にかかる半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。実施の形態6にかかる半導体装置の製造方法が実施の形態5にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、レーザーアニールの後、第1炉アニールの前に、水素イオン注入を行う点である。
次に、実施の形態7にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図17は、実施の形態7にかかる半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。図18〜24は、実施の形態7にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。実施の形態7にかかる半導体装置の製造方法は、実施の形態2を適用して、基板裏面から深い領域にn型FS層を備えたIGBT(例えば図24参照)を作製する方法である。IGBTを作製する場合においても、実施の形態2と同様に、n型FS層40の形成領域に水素を注入する水素イオン注入54によって、基板裏面からn型FS層40よりも浅い領域に水素注入領域を形成することができ、キャリアライフタイムの調整が可能である。実施の形態7にかかる半導体装置の製造方法は、リンや砒素といった水素よりも飛程が短い元素のイオン注入によって不純物を導入することができない基板裏面から深い領域にn型FS層を形成する場合に有用である。
次に、実施の形態8にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図25は、実施の形態8にかかる半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。実施の形態8にかかる半導体装置の製造方法が実施の形態7にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、裏面研削の後、p型不純物イオン注入の前に、水素イオン注入を行う点である。水素イオン注入と、p型不純物イオン注入およびレーザーアニールとを順番を入れ替えた場合においても、実施の形態7と同様に、基板裏面から深い領域にn型FS層を形成するとともに、基板裏面からn型FS層よりも浅い領域に形成された水素注入領域の水素ドーズ量に基づいてキャリアライフタイムを調整することができる。
次に、実施の形態9にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図26は、実施の形態9にかかる半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。実施の形態9にかかる半導体装置の製造方法が実施の形態8にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、n型不純物イオン注入およびレーザーアニールにより、基板裏面から浅い領域にn型FS層を形成する点である。実施の形態9にかかる半導体装置の製造方法は、リンや砒素といった水素よりも飛程が短い元素のイオン注入によって不純物を導入可能な基板裏面から浅い領域にn型FS層を形成する場合に有用である。
次に、実施の形態10にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図27は、実施の形態10にかかる半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。実施の形態10にかかる半導体装置の製造方法が実施の形態9にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、n型不純物イオン注入とp型不純物イオン注入との間に、水素イオン注入を行う点である。
次に、実施の形態11にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図28は、実施の形態11にかかる半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。実施の形態11にかかる半導体装置の製造方法が実施の形態9にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、p型不純物イオン注入とレーザーアニールとの間に、水素イオン注入を行う点である。
次に、実施の形態12にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図29Aは、実施の形態12にかかる半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。図29Bは、実施の形態12にかかる半導体装置の構造の一例を示す平面図である。図29Cは、図29Bにおける切断線A−A’の断面構造を示す断面図である。実施の形態12にかかる半導体装置の製造方法は、実施の形態2を適用して、同一のn-型半導体基板上に、n型FS層40を備えたIGBTと還流ダイオード(FWD:Free Wheeling Diode)とを設けた逆導通IGBT(RC−IGBT:Reverse Conducting−IGBT)を作製する方法である。
次に、実施の形態13にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図30は、実施の形態13にかかる半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。実施の形態13にかかる半導体装置の製造方法が実施の形態12にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、n型不純物イオン注入およびレーザーアニールによりn型FS層を形成する点である。実施の形態13にかかる半導体装置の製造方法は、イオン注入によって不純物を導入可能な基板裏面から浅い領域にn型FS層を形成する場合に有用である。
次に、実施の形態14にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図31は、実施の形態14にかかる半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。図32は、実施の形態14にかかる半導体装置の製造方法によって製造される半導体装置の一例を示す断面図である。実施の形態14にかかる半導体装置の製造方法は、実施の形態1を適用して、図32に示す逆阻止型IGBT(RB−IGBT:Reverse Blocking−IGBT)を作製する方法である。RB−IGBTのp+型コレクタ層68の内部に、水素誘起ドナー生成を促進させた水素注入層70を形成することにより、逆漏れ電流を低減させることができる。
次に、実施の形態15にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図33は、実施の形態15にかかる半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。実施の形態15にかかる半導体装置の製造方法が実施の形態14にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、裏面研削の後、p型不純物イオン注入の前に、水素イオン注入を行う点である。すなわち、水素イオン注入と、p型不純物イオン注入およびレーザーアニールとの順番を入れ替えてもよい。
次に、実施の形態16にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図34,35は、実施の形態16にかかる半導体装置の製造方法の概要を示す説明図である。実施の形態16にかかる半導体装置の製造方法が実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、ヘリウム(He)のイオン注入(以下、ヘリウムイオン注入とする)81および水素イオン注入82によってキャリアライフタイムを調整している点である。具体的には、実施の形態16にかかる半導体装置の製造方法は、実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法において、電子線照射に代えてヘリウムイオン注入81を行ってもよいし、電子線照射の前または後にヘリウムイオン注入81を行ってもよい。
2 p型アノード層
3 アノード電極
4 n+型カソード層
5 カソード電極
6,22 水素注入領域
11 電子線照射
12 欠陥
13 n型不純物イオン注入
14 水素イオン注入
21 n型フィールドストップ層
実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法について、pinダイオードを作製(製造)する場合を例に説明する。図1は、実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。図2〜7は、実施の形態1にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。図8A,8Bは、実施の形態1にかかる半導体装置の不純物濃度分布を示す特性図である。まず、n-型ドリフト層1となるn-型半導体基板のおもて面側に、p型アノード層2、アノード電極3、終端耐圧構造(不図示)およびパッシベーション膜(不図示)などからなるおもて面素子構造を形成する(ステップS1)。具体的には、n-型半導体基板のおもて面の表面層に、p型アノード層2となるp型層や、終端耐圧構造を構成するガードリングとなるp型層を選択的に形成する。
次に、実施の形態2にかかる半導体装置の製造方法について、n-型ドリフト層の内部に水素誘起ドナーからなるn型フィールドストップ(FS)層を備えたpinダイオードを作製する場合を例に説明する。図11は、実施の形態2にかかる半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。図12A,12Bは、実施の形態2にかかる半導体装置の不純物濃度分布を示す特性図である。実施の形態2にかかる半導体装置の製造方法が実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、基板裏面からの水素イオン注入の注入深さを、n+型カソード層4を活性化させるためのレーザーアニールにおける基板裏面からのレーザーの侵入深さよりも深くする点である。
次に、実施の形態3にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図13は、実施の形態3にかかる半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。実施の形態3にかかる半導体装置の製造方法が実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、レーザーアニール後に、電子線照射および炉アニールを行う点である。実施の形態3にかかる半導体装置の製造方法は、水素イオン注入によって基板裏面から例えば3μm以下程度の浅い領域に形成された欠陥を回復させる場合(例えばFS層を備えていないpinダイオードを作製する場合)に有用である。
次に、実施の形態4にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図14は、実施の形態4にかかる半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。実施の形態4にかかる半導体装置の製造方法が実施の形態3にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、レーザーアニールの後、電子線照射の前に、水素イオン注入を行う点である。
次に、実施の形態5にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図15は、実施の形態5にかかる半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。実施の形態5にかかる半導体装置の製造方法が実施の形態3にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、レーザーアニールの後、電子線照射の前に、不純物活性化のための第1炉アニールを行う点である。実施の形態5にかかる半導体装置の製造方法は、基板裏面から深い領域に注入された例えばプロトンを活性化させる場合(例えば複数段のFS層を備えたpinダイオードを作製する場合)に有用である。
次に、実施の形態6にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図16は、実施の形態6にかかる半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。実施の形態6にかかる半導体装置の製造方法が実施の形態5にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、レーザーアニールの後、第1炉アニールの前に、水素イオン注入を行う点である。
次に、実施の形態7にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図17は、実施の形態7にかかる半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。図18〜24は、実施の形態7にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。実施の形態7にかかる半導体装置の製造方法は、実施の形態2を適用して、基板裏面から深い領域にn型FS層を備えたIGBT(例えば図24参照)を作製する方法である。IGBTを作製する場合においても、実施の形態2と同様に、n型FS層40の形成領域に水素を注入する水素イオン注入54によって、基板裏面からn型FS層40よりも浅い領域に水素注入領域を形成することができ、キャリアライフタイムの調整が可能である。実施の形態7にかかる半導体装置の製造方法は、リンや砒素といった水素よりも飛程が短い元素のイオン注入によって不純物を導入することができない基板裏面から深い領域にn型FS層を形成する場合に有用である。
次に、実施の形態8にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図25は、実施の形態8にかかる半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。実施の形態8にかかる半導体装置の製造方法が実施の形態7にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、裏面研削の後、p型不純物イオン注入の前に、水素イオン注入を行う点である。水素イオン注入と、p型不純物イオン注入およびレーザーアニールとを順番を入れ替えた場合においても、実施の形態7と同様に、基板裏面から深い領域にn型FS層を形成するとともに、基板裏面からn型FS層よりも浅い領域に形成された水素注入領域の水素ドーズ量に基づいてキャリアライフタイムを調整することができる。
次に、実施の形態9にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図26は、実施の形態9にかかる半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。実施の形態9にかかる半導体装置の製造方法が実施の形態8にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、n型不純物イオン注入およびレーザーアニールにより、基板裏面から浅い領域にn型FS層を形成する点である。実施の形態9にかかる半導体装置の製造方法は、リンや砒素といった水素よりも飛程が短い元素のイオン注入によって不純物を導入可能な基板裏面から浅い領域にn型FS層を形成する場合に有用である。
次に、実施の形態10にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図27は、実施の形態10にかかる半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。実施の形態10にかかる半導体装置の製造方法が実施の形態9にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、n型不純物イオン注入とp型不純物イオン注入との間に、水素イオン注入を行う点である。
次に、実施の形態11にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図28は、実施の形態11にかかる半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。実施の形態11にかかる半導体装置の製造方法が実施の形態9にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、p型不純物イオン注入とレーザーアニールとの間に、水素イオン注入を行う点である。
次に、実施の形態12にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図29Aは、実施の形態12にかかる半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。図29Bは、実施の形態12にかかる半導体装置の構造の一例を示す平面図である。図29Cは、図29Bにおける切断線A−A'の断面構造を示す断面図である。実施の形態12にかかる半導体装置の製造方法は、実施の形態2を適用して、同一のn-型半導体基板上に、n型FS層40を備えたIGBTと還流ダイオード(FWD:Free Wheeling Diode)とを設けた逆導通IGBT(RC−IGBT:Reverse Conducting−IGBT)を作製する方法である。
次に、実施の形態13にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図30は、実施の形態13にかかる半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。実施の形態13にかかる半導体装置の製造方法が実施の形態12にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、n型不純物イオン注入およびレーザーアニールによりn型FS層を形成する点である。実施の形態13にかかる半導体装置の製造方法は、イオン注入によって不純物を導入可能な基板裏面から浅い領域にn型FS層を形成する場合に有用である。
次に、実施の形態14にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図31は、実施の形態14にかかる半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。図32は、実施の形態14にかかる半導体装置の製造方法によって製造される半導体装置の一例を示す断面図である。実施の形態14にかかる半導体装置の製造方法は、実施の形態1を適用して、図32に示す逆阻止型IGBT(RB−IGBT:Reverse Blocking−IGBT)を作製する方法である。RB−IGBTのp+型コレクタ層68の内部に、水素誘起ドナー生成を促進させた水素注入層70を形成することにより、逆漏れ電流を低減させることができる。
次に、実施の形態15にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図33は、実施の形態15にかかる半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。実施の形態15にかかる半導体装置の製造方法が実施の形態14にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、裏面研削の後、p型不純物イオン注入の前に、水素イオン注入を行う点である。すなわち、水素イオン注入と、p型不純物イオン注入およびレーザーアニールとの順番を入れ替えてもよい。
次に、実施の形態16にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図34,35は、実施の形態16にかかる半導体装置の製造方法の概要を示す説明図である。実施の形態16にかかる半導体装置の製造方法が実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、ヘリウム(He)のイオン注入(以下、ヘリウムイオン注入とする)81および水素イオン注入82によってキャリアライフタイムを調整している点である。具体的には、実施の形態16にかかる半導体装置の製造方法は、実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法において、電子線照射に代えてヘリウムイオン注入81を行ってもよいし、電子線照射の前または後にヘリウムイオン注入81を行ってもよい。
2 p型アノード層
3 アノード電極
4 n+型カソード層
5 カソード電極
6,22 水素注入領域
11 電子線照射
12 欠陥
13 n型不純物イオン注入
14 水素イオン注入
21 n型フィールドストップ層
Claims (9)
- キャリアのライフタイムが局所的に制御された半導体装置の製造方法であって、
半導体基板のおもて面側から電子線を照射し、前記半導体基板を構成する原子の原子間結合を切断して未結合手を生じさせることにより前記半導体基板に欠陥を形成する電子線照射工程と、
前記電子線照射工程後、前記半導体基板の裏面側から水素原子を注入して、前記半導体基板の裏面側の水素濃度を前記半導体装置の製造を開始する前の前記半導体基板の水素濃度よりも高くすることにより、前記水素原子を注入した領域内の前記欠陥を回復させて、前記水素原子を注入した領域のキャリアのライフタイムを長くする第1注入工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記電子線照射工程後、前記半導体基板の裏面側から不純物を注入する第2注入工程をさらに含み、
前記第1注入工程は、前記第2注入工程と同時に行うことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記第1注入工程後、かつ前記第2注入工程後に、前記半導体基板の裏面側からレーザーを照射して前記不純物を活性化させるレーザー照射工程をさらに含み、
前記第1注入工程では、前記レーザーの侵入深さ以下の深さで前記水素原子を注入することを特徴とする請求項2に記載の半導体装置の製造方法。 - 第1導電型の前記半導体基板のおもて面の表面層に第2導電型層を形成する工程をさらに含み、
前記第2注入工程では、第1導電型の前記不純物を注入して、前記半導体基板の裏面の表面層に第1導電型層を形成することを特徴とする請求項2または3に記載の半導体装置の製造方法。 - キャリアのライフタイムが局所的に制御された半導体装置であって、
半導体基板を構成する原子の原子間結合が切断されて生じた未結合手によって前記半導体基板内に形成された欠陥と、
前記半導体基板の裏面の表面層に形成された、水素原子が導入されてなる、前記半導体基板のおもて面側よりも水素濃度が高い高水素濃度領域と、
を備え、
前記高水素濃度領域では、前記半導体基板のおもて面側よりも前記欠陥が少なく、前記半導体基板のおもて面側よりもキャリアのライフタイムが長くなっていることを特徴とする半導体装置。 - 第1導電型の前記半導体基板のおもて面の表面層に設けられた第2導電型層と、
前記半導体基板の裏面の表面層に設けられた第1導電型層と、
をさらに備えることを特徴とする請求項5に記載の半導体装置。 - 前記高水素濃度領域の水素濃度は、バルク単結晶の水素濃度よりも高いことを特徴とする請求項5または6に記載の半導体装置。
- 前記電子線照射工程の前、または前記電子線照射工程の後、前記第1注入工程の前に、前記半導体基板の裏面側からヘリウムを注入して前記ヘリウムを注入した領域のキャリアのライフタイムを短くする第2注入工程をさらに含み、
前記第1注入工程では、前記ヘリウムを注入した領域の少なくとも一部のキャリアのライフタイムを長くすることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記第1注入工程では、オン時に空乏化する領域のキャリアのライフタイムを長くすることを特徴とする請求項8に記載の半導体装置の製造方法。
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