半導(dǎo)體裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法，包含：從第一導(dǎo)電型的半導(dǎo)體基板(101)的背面進(jìn)行質(zhì)子注入的注入工序；在注入工序后，通過在爐中對(duì)半導(dǎo)體基板(101)進(jìn)行退火處理，形成具有比半導(dǎo)體基板(101)高的雜質(zhì)濃度的第一導(dǎo)電型的第一半導(dǎo)體區(qū)域(101a)的形成工序，形成工序在將爐內(nèi)設(shè)成氫氣氛、將爐退火的氫的容積濃度設(shè)為0.5％以上且小于4.65％的條件下進(jìn)行。由此，對(duì)于利用質(zhì)子注入進(jìn)行的施主生成，能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)晶缺陷減少。另外，能夠提高施主化率。
【專利說明】半導(dǎo)體裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體裝置的制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]作為電力用半導(dǎo)體裝置，有具有400V、600V、1200V、1700V、3300V或其以上的耐壓的二極管和/或IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等。這些電力用半導(dǎo)體裝置可用于轉(zhuǎn)換器和/或逆變器等電力變換裝置。對(duì)于電力用半導(dǎo)體裝置而言，要求有低損耗、高效率以及高耐破壞量這樣的特性和低成本。
[0003]圖12是說明現(xiàn)有技術(shù)的二極管的剖視圖。在n_型半導(dǎo)體基板1500的主面形成有P型陽極層1501，在對(duì)面形成有n+型陰極層1502。并且，在P型陽極層1501的外周位置形成有成為終端區(qū)域1503的P型的層。在P型陽極層1501上設(shè)有陽極電極1505，在n+型陰極層1502的下表面設(shè)有陰極電極1506。1507表示場(chǎng)板，1508表示絕緣層。
[0004]在該二極管等元件中，為了減少開關(guān)時(shí)導(dǎo)致噪聲的電壓振動(dòng)，需要從表面?zhèn)瘸虮趁鎮(zhèn)葘?duì)rT型半導(dǎo)體基板1500的較深的位置處進(jìn)行摻雜濃度控制。
[0005]作為載流子濃度控制的方法，已知有在比較低的加速電壓下，使用了在硅中可得到較深的飛程的質(zhì)子注入的施主生成的方法。該方法是對(duì)含有預(yù)定的濃度的氧的區(qū)域進(jìn)行質(zhì)子注入，形成η型區(qū)域的方法。已知該質(zhì)子注入會(huì)在硅基板中產(chǎn)生結(jié)晶缺陷。施主生成過程中該結(jié)晶缺陷是不可缺少的，但根據(jù)缺陷的種類和/或濃度等，會(huì)導(dǎo)致漏電流的增加而引起電特性的惡化。
[0006]因質(zhì)子注入而導(dǎo)入的缺陷大量殘留在質(zhì)子的飛程Rp (通過離子注入而注入的離子以最高濃度存在的位置離注入面的距離)、以及從注入面至飛程為止的質(zhì)子的通過區(qū)域和/或注入面附近。就該殘留缺陷而言，原子(此時(shí)是硅原子)從晶格位置的偏差大，并且由于晶格本身的很強(qiáng)烈的紊亂，所以處于接近非晶體的狀態(tài)。因此，殘留缺陷會(huì)變成電子和空穴這樣的載流子的散射中心，使載流子遷移率降低，增加導(dǎo)通電阻，除此之外，還會(huì)變成載流子的產(chǎn)生中心，帶來使漏電流增加等元件的特性不良。如此，將因質(zhì)子的注入而殘留于從質(zhì)子的注入面至飛程Rp為止的質(zhì)子通過區(qū)域、且成為載流子遷移率的降低和/或漏電流的原因這樣的、從結(jié)晶狀態(tài)強(qiáng)烈紊亂的缺陷特別稱為無序。
[0007]如此，無序會(huì)降低載流子遷移率，導(dǎo)致漏電流和/或?qū)〒p耗增加等特性不良。因此，需要一種在抑制漏電流增加的同時(shí)還進(jìn)行施主的生成這樣的恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)晶缺陷的控制技術(shù)。
[0008]根據(jù)通過質(zhì)子注入的施主生成的方法，已知主要的施主生成重要因素之一是導(dǎo)入到硅中的氫通過熱處理與氧發(fā)生置換，促進(jìn)氧簇的施主化，所述氧是硅空穴和氧原子結(jié)合的VO缺陷中的氧。
[0009]在通過該質(zhì)子注入的施主生成中，提高施主生成量的有效辦法是增加導(dǎo)入到硅中的氫量，但若提高質(zhì)子注入量，則結(jié)晶缺陷增大。另外，若通過高溫的熱處理使結(jié)晶缺陷恢復(fù)，則利用質(zhì)子得到的施主消失。因此，要提高施主生成量，存在上述那樣的權(quán)衡關(guān)系，為了克服該權(quán)衡特性，需要在質(zhì)子注入的方法上組合將氫導(dǎo)入到硅中的方法，或在高溫?zé)崽幚碇馐菇Y(jié)晶缺陷恢復(fù)。
[0010]例如，對(duì)于通過質(zhì)子注入的施主生成，已公開了涉及到質(zhì)子注入量和退火溫度的技術(shù)(例如，參照下述專利文獻(xiàn)I)，對(duì)于通過質(zhì)子注入的施主生成方法，公開了記載有熱處理?xiàng)l件的技術(shù)(例如，參照下述專利文獻(xiàn)2)，關(guān)于通過借由質(zhì)子注入的施主生成方法而形成的區(qū)域，公開了記載有從注入面起算的深度的技術(shù)(例如，參照下述專利文獻(xiàn)3)。
[0011]專利文獻(xiàn)I的技術(shù)如下:將硅晶閘管顆粒主接合形成后，向周邊部局部地進(jìn)行質(zhì)子的離子打入，進(jìn)行低溫?zé)崽幚硎菇Y(jié)晶中的質(zhì)子局部地施主化，形成低電阻的通道中止層，在硅基板的圖案化較為困難的結(jié)晶內(nèi)部的位置，利用簡(jiǎn)單的工序形成通道中止層。
[0012]專利文獻(xiàn)2的技術(shù)涉及形成埋設(shè)在半導(dǎo)體基板中的阻止區(qū)域的方法，包含:準(zhǔn)備具有第一面和第二面、且完成了第一傳導(dǎo)型的基本摻雜的半導(dǎo)體基板的工序；向半導(dǎo)體基板中的第一面和第二面中的一側(cè)，注入質(zhì)子，將質(zhì)子導(dǎo)入到與注入面分離地配置的半導(dǎo)體基板的第I區(qū)域的工序；對(duì)半導(dǎo)體基板進(jìn)行在預(yù)定時(shí)間加熱到預(yù)定溫度的加熱處理，在第I區(qū)域以及在注入面?zhèn)揉徑釉摰贗區(qū)域的第2區(qū)域這兩者中生成被氫誘發(fā)的施主的工序。
[0013]專利文獻(xiàn)3的技術(shù)中，公開了利用對(duì)半導(dǎo)體基板的質(zhì)子注入，形成多個(gè)阻止區(qū)域，其中最深的位置從注入面形成在15 μ m的深度的技術(shù)。
[0014]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0015]專利文獻(xiàn)
[0016]專利文獻(xiàn)1:日本特開平9 - 260639號(hào)公報(bào)
[0017]專利文獻(xiàn)2:美國專利申請(qǐng)公開第2006 - 0286753號(hào)說明書
[0018]專利文獻(xiàn)3:美國專利申請(qǐng)公開第2006 - 0081923號(hào)說明書

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019]然而，專利文獻(xiàn)I中，并沒有關(guān)于氫氣氛退火的詳細(xì)的記載。另外，專利文獻(xiàn)2中，沒有記載提高施主化率的方法。其中，施主化率是指通過質(zhì)子施主化的區(qū)域的深度方向的積分濃度相對(duì)于質(zhì)子的照射量(劑量)的比例。為了提高基于質(zhì)子注入的施主化率，需要將氫更多地導(dǎo)入到硅中，但若提高質(zhì)子注入的劑量，則結(jié)晶缺陷也會(huì)增加，導(dǎo)致特性劣化。另夕卜，若在高溫?zé)崽幚硐率菇Y(jié)晶缺陷恢復(fù)，則施主消失。如此，對(duì)于通過質(zhì)子注入的施主生成，無法兼顧結(jié)晶缺陷減少和施主化率的提高。
[0020]另外，發(fā)明人等經(jīng)過深入的研究的結(jié)果了解到，質(zhì)子注入的飛程(通過離子注入而注入的離子以最高濃度存在的位置距注入面的距離)超過專利文獻(xiàn)3中所述的15 μ m的情況下，質(zhì)子的注入面附近和通過區(qū)域的無序的減少不充分。圖13是按飛程對(duì)質(zhì)子注入的飛程Rp為15μπι左右和比其更深的情況下的載流子濃度分布進(jìn)行比較的特性圖。圖13(a)中示出了飛程Rp為50 μ m的情況，圖13(b)中示出了飛程Rp為20 μ m的情況，圖13(c)中示出了飛程Rp為15 μ m的情況。
[0021]在圖13(c)的飛程Rp = 15μπι的情況下，質(zhì)子的注入面附近(深度為Ομπι?5ym)和通過區(qū)域的載流子濃度變得比硅基板的雜質(zhì)濃度I X 114 (/cm3)要高，無序被充分減少。另一方面，可知若在圖13(b)的飛程Rp = 20 μ m和圖13(a)的飛程Rp = 50ym的情況下，質(zhì)子的注入面附近和通過區(qū)域的載流子濃度大幅降低，無序并未減少。如此，無序殘留的情況下，元件的漏電流和/或?qū)〒p耗變高。由此，質(zhì)子注入的飛程Rp超過15 μ m的情況下，需要進(jìn)行減少無序的新方法的研究。
[0022]本發(fā)明為了消除上述的現(xiàn)有技術(shù)的問題點(diǎn)，其目的在于在通過質(zhì)子注入的施主生成中實(shí)現(xiàn)結(jié)晶缺陷減少。另外，其目的在于在通過質(zhì)子注入的施主生成中實(shí)現(xiàn)施主化率的提聞。
[0023]為了解決上述的課題，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法具有如下的特征。首先，進(jìn)行從第一導(dǎo)電型的半導(dǎo)體基板的背面進(jìn)行質(zhì)子注入的注入工序。在上述注入工序后，進(jìn)行如下的形成工序，即通過退火爐對(duì)上述半導(dǎo)體基板進(jìn)行退火處理，形成比上述半導(dǎo)體基板具有更高的雜質(zhì)濃度的第一導(dǎo)電型的第一半導(dǎo)體區(qū)域。此時(shí)，上述形成工序在使上述退火爐處于氫氣氛，并將該氫的容積濃度設(shè)為0.5%以上且小于4.65%的條件下進(jìn)行。
[0024]另外，本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，在上述的發(fā)明中，上述半導(dǎo)體裝置為二極管，上述第一導(dǎo)電型的上述第一半導(dǎo)體區(qū)域?yàn)棣切偷碾妶?chǎng)終止層，上述半導(dǎo)體基板為陰極層。
[0025]另外，本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，在上述的發(fā)明中，上述半導(dǎo)體裝置為絕緣柵雙極型晶體管，上述第一導(dǎo)電型的上述第一半導(dǎo)體區(qū)域?yàn)棣切偷碾妶?chǎng)終止層，上述半導(dǎo)體基板為漂移層。
[0026]另外，本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，在上述的發(fā)明中，將上述氫的容積濃度設(shè)定為能夠使上述半導(dǎo)體基板的從上述η型的電場(chǎng)終止層到陰極電極為止的區(qū)域的載流子濃度達(dá)到大致與基板濃度相同的濃度。
[0027]另外，本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，在上述的發(fā)明中，將上述氫的容積濃度設(shè)定為使上述半導(dǎo)體基板的從上述η型的電場(chǎng)終止層到集電極為止的區(qū)域的載流子濃度達(dá)到大致與基板濃度相同的濃度。
[0028]另外，本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，在上述的發(fā)明中，上述退火處理的退火溫度為300°C?450°C。
[0029]另外，本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，在上述的發(fā)明中，上述退火處理的退火溫度為350°C?400°C。
[0030]另外，本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，在上述的發(fā)明中，上述退火處理的處理時(shí)間為I個(gè)小時(shí)?10個(gè)小時(shí)。
[0031]另外，本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，在上述的發(fā)明中，上述退火處理的處理時(shí)間為3個(gè)小時(shí)?7個(gè)小時(shí)。
[0032]另外，本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，在上述的發(fā)明中，上述退火處理的處理時(shí)間為5個(gè)小時(shí)以下。
[0033]另外，本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，在上述的發(fā)明中，上述質(zhì)子注入的質(zhì)子的注入量為3 X 11Vcm2?5X1014/cm2。
[0034]另外，本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，在上述的發(fā)明中，上述質(zhì)子注入的質(zhì)子的注入量為lX1013/cm2?lX1014/cm2。
[0035]另外，本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，在上述的發(fā)明中，將上述質(zhì)子注入的質(zhì)子的注入能量E的對(duì)數(shù)1g(E)設(shè)為y，將上述質(zhì)子的飛程Rp的對(duì)數(shù)1g(Rp)設(shè)為 X 時(shí)，滿足 y =- 0.0047x4+0.0528x3 — 0.2211x2+0.9923x+5.047。
[0036]根據(jù)上述的發(fā)明，通過在氫氣氛中以氫濃度為0.5%以上且小于4.65%的范圍進(jìn)行質(zhì)子注入后的退火，能夠在質(zhì)子注入之外向硅中導(dǎo)入氫。而且，能夠使質(zhì)子通過位置的結(jié)晶缺陷恢復(fù)，能夠防止從上述η型的電場(chǎng)終止層到陰極電極為止的區(qū)域的載流子濃度的降低。
[0037]根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法，對(duì)于基于質(zhì)子注入的施主生成，能夠不增加結(jié)晶缺陷地將氫導(dǎo)入到硅基板，起到不發(fā)生因結(jié)晶缺陷導(dǎo)致的特性劣化。另外，根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法，對(duì)于基于質(zhì)子注入的施主生成，起到能夠提高施主化率這樣的效果。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0038]圖1是作為應(yīng)用了本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置而示出二極管的剖視圖。
[0039]圖2是表示本發(fā)明的二極管的活性部的制造工序的剖視圖(之I)。
[0040]圖3是表示本發(fā)明的二極管的活性部的制造工序的剖視圖(之2)。
[0041]圖4是表示本發(fā)明的二極管的活性部的制造工序的剖視圖(之3)。
[0042]圖5是表示本發(fā)明的二極管的活性部的制造工序的剖視圖(之4)。
[0043]圖6是表示本發(fā)明的二極管的活性部的制造工序的剖視圖(之5)。
[0044]圖7是表示本發(fā)明的二極管的活性部的制造工序的剖視圖(之6)。
[0045]圖8是表示本發(fā)明的二極管的活性部的制造工序的剖視圖(之7)。
[0046]圖9是表示第I實(shí)施方式的二極管的活性部的制造工序中的退火后的載流子濃度在深度方向的分布的測(cè)定結(jié)果的特性圖。
[0047]圖10是表示針對(duì)基板濃度的恢復(fù)率與質(zhì)子爐退火的氫濃度的關(guān)系的特性圖。
[0048]圖11是作為應(yīng)用了本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置而示出IGBT的剖視圖。
[0049]圖12是說明現(xiàn)有技術(shù)的二極管的剖視圖。
[0050]圖13是按飛程對(duì)質(zhì)子注入的飛程Rp為15 μ m前后和比其更深的情況下的載流子濃度分布進(jìn)行比較的特性圖。
[0051]圖14是關(guān)于使電壓波形開始振動(dòng)的閾值電壓示出的特性圖。
[0052]圖15是一般的二極管的反向恢復(fù)時(shí)的振蕩波形。
[0053]圖16是表示本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的質(zhì)子的飛程與質(zhì)子的加速能量之間的關(guān)系的特性圖。
[0054]圖17是表示本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置中耗盡層最初到達(dá)的電場(chǎng)終止層的位置條件的圖表。
[0055]圖18是表示具有多個(gè)電場(chǎng)終止層的IGBT的說明圖。
[0056]圖19是表示具有多個(gè)電場(chǎng)終止層的二極管的說明圖。
[0057]圖20是表示本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的載流子壽命的特性圖。
[0058]圖21是表示本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的反向恢復(fù)波形的特性圖。
[0059]圖22是表示第2實(shí)施方式的二極管的活性部的制造工序中的退火后的載流子濃度在深度方向的分布的測(cè)定結(jié)果的特性圖。
[0060]圖23是表示第3實(shí)施方式的二極管的活性部的制造工序中的退火后的載流子濃度在深度方向的分布的測(cè)定結(jié)果的特性圖。
[0061]圖24是表示第4實(shí)施方式的二極管的活性部的制造工序中的退火后的載流子濃度在深度方向的分布的測(cè)定結(jié)果的特性圖。
【具體實(shí)施方式】
[0062]以下參照附圖，詳細(xì)說明本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法的優(yōu)選實(shí)施方式。在本說明書和附圖中，對(duì)于以η或P標(biāo)記的層、區(qū)域，分別指電子或空穴為多數(shù)載流子。另外，在η或P上附加的+和一分別指，與沒有附加的層、區(qū)域相比，雜質(zhì)濃度相對(duì)高或低。應(yīng)予說明，以下的實(shí)施方式的說明和附圖中，對(duì)相同的構(gòu)成標(biāo)記相同的附圖標(biāo)記，省略重復(fù)的說明。
[0063](第I實(shí)施方式)
[0064]圖1是作為應(yīng)用了本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置而示出二極管的剖視圖。圖1所示的半導(dǎo)體裝置100表示二極管的例子，但也可以是絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)。
[0065]就該半導(dǎo)體裝置100而言，在η_型半導(dǎo)體基板(η_漂移區(qū)域)101的主面的表面層形成有P型陽極層102，在對(duì)面(背面)的表面層形成有η+型陰極層101b。而且，P型陽極層102的外周位置形成有成為終端區(qū)域104的P型的層。該半導(dǎo)體裝置100中，為了減少開關(guān)時(shí)導(dǎo)致噪聲的電壓振動(dòng)，要從表面?zhèn)认虮趁鎮(zhèn)鹊妮^深的位置處進(jìn)行η型摻雜濃度的控制。
[0066]該圖1中示出了質(zhì)子注入后，通過氫氣氛退火而促進(jìn)質(zhì)子的施主生成的狀態(tài)。關(guān)于載流子濃度控制，在比較低的加速電壓下，使用在硅中能夠得到較深的飛程的質(zhì)子注入而形成η層101a。該η層1la成為質(zhì)子注入的電場(chǎng)終止(FS)層，具有比η_漂移區(qū)域(η_型半導(dǎo)體基板101)更高的雜質(zhì)濃度。
[0067]在P型陽極層102上設(shè)有陽極電極105，在η+型陰極層1lb的下表面(半導(dǎo)體裝置100的背面)設(shè)置有陰極電極106。另外，活性部110是半導(dǎo)體裝置接通時(shí)電流流過的區(qū)域，耐壓結(jié)構(gòu)部111是緩和η_型半導(dǎo)體基板(η_漂移區(qū)域)101的主面?zhèn)鹊碾妶?chǎng)，保持耐壓的區(qū)域。
[0068]在耐壓結(jié)構(gòu)部111設(shè)有例如作為浮動(dòng)的P型區(qū)域的場(chǎng)限環(huán)(FLR:終端區(qū)域)104和與終端區(qū)域104電連接的作為導(dǎo)電膜的場(chǎng)板(FP) 107。108為絕緣層。
[0069]圖2?圖8分別是表示本發(fā)明的二極管的活性部的制造工序的剖視圖。使用這些圖對(duì)活性部I1的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。首先，如圖2所示，通過在水蒸氣氣氛中對(duì)成為η—漂移區(qū)域的η_型半導(dǎo)體基板101進(jìn)行熱處理，從而形成初期氧化膜。之后，通過光刻和濕式蝕刻僅對(duì)活性部區(qū)域除去氧化膜。
[0070]然后，如圖3所示，通過將氧化膜108作為掩模，從η_型半導(dǎo)體基板101的主面?zhèn)入x子注入例如硼(B)，進(jìn)行熱處理，從而形成P型陽極層102。另外，在P型陽極層102上通過金屬的濺射形成陽極電極105。108是上述的氧化膜形成的絕緣層。
[0071 ] 接下來，制作覆蓋陽極電極105的表面保護(hù)膜(未圖示)，如圖4所示，通過從表面?zhèn)日丈潆娮邮?01，進(jìn)行熱處理，進(jìn)行壽命控制。之后，如圖5所示，從背面?zhèn)乳_始研磨η_型半導(dǎo)體基板101，研磨到用作半導(dǎo)體裝置100的產(chǎn)品厚度的位置502為止。
[0072]接著，如圖6所示，從η—型半導(dǎo)體基板101的背面?zhèn)葞в蓄A(yù)定的注入能量和注入量而注入質(zhì)子601。然后，如圖7所示，為了生成質(zhì)子601的施主區(qū)域(作為電場(chǎng)終止層的η層1la)，在爐內(nèi)的氫H2氣氛中進(jìn)行預(yù)定溫度的退火701。該η層1la被設(shè)置成與P型陽極層102和η+型陰極層1lb均分開設(shè)置。
[0073]將質(zhì)子601的注入能量設(shè)定為0.3MeV至1MeV,例如設(shè)定為2.2MeV(飛程Rp為55 μ m)，將注入量設(shè)定為I X 11Vcm2。質(zhì)子601的注入能量為1.0MeV?5.0MeV的情況下，質(zhì)子601的飛程Rp變成16 μ m?220 μ m。特別是，質(zhì)子601的注入能量為1.0MeV以上的情況下，質(zhì)子601的飛程Rp變成16 μ m以上，反向恢復(fù)的振蕩抑制效果好，因而優(yōu)選。關(guān)于反向恢復(fù)的振蕩抑制效果，在之后描述。并且，質(zhì)子601的注入能量為2.0MeV?3.0MeV的情況下，質(zhì)子601的飛程Rp變成20 μ m?100 μ m。
[0074]質(zhì)子601的注入量例如也可以為3 X 11Vcm2?5 X 11Vcm2左右。為了使缺陷恢復(fù)和施主化率成為所希望的狀態(tài)，質(zhì)子601的注入量?jī)?yōu)選為lX1013/cm2?I X 11Vcm2左右。用于生成施主的退火701例如也可以在溫度為380°C、氫濃度為0.5%以上且小于4.65%的氣氛下進(jìn)行。退火701的處理時(shí)間例如也可以為I個(gè)小時(shí)?10個(gè)小時(shí)左右。優(yōu)選地，退火701的處理時(shí)間例如為3個(gè)小時(shí)?7個(gè)小時(shí)左右。其理由是，能夠使從退火701開始I個(gè)小時(shí)左右產(chǎn)生的溫度變動(dòng)穩(wěn)定。另外，要抑制制造成本為較低時(shí)，退火701的處理時(shí)間例如可以為I個(gè)小時(shí)?5個(gè)小時(shí)左右。
[0075]之后，如圖8所示，從n_型半導(dǎo)體基板101的背面?zhèn)冗M(jìn)行例如磷(P)的離子注入801，通過熱處理形成n+層(n+型陰極層101b、以下設(shè)定為n+層101b)。之后，對(duì)n_型半導(dǎo)體基板101的背面濺射金屬形成陰極電極106。η層1la和η+層1lb為電場(chǎng)終止區(qū)域，具有比η_漂移區(qū)域OT型半導(dǎo)體基板101)更高的雜質(zhì)濃度。由此，完成了圖1所示的二極管的活性部。
[0076](實(shí)施例)
[0077]接下來，對(duì)關(guān)于上述構(gòu)成的半導(dǎo)體裝置100的特性進(jìn)行說明。圖9是表示第I實(shí)施方式的二極管的活性部的制造工序中的退火后的載流子濃度在深度方向的分布的測(cè)定結(jié)果的特性圖。表示在質(zhì)子爐中分別以氫濃度為0%和4%進(jìn)行退火時(shí)的圖1的X — X’軸部分的基于擴(kuò)展電阻測(cè)定法(SRA Spreading Resistance Analysis)的測(cè)定結(jié)果(圖22?24中也相同)。就利用該SM法測(cè)定的載流子濃度而言，在載流子的遷移率與結(jié)晶的理想值相同的情況下，大致顯示摻雜濃度。另一方面，結(jié)晶缺陷多的情況下或結(jié)晶的紊亂(無序)多的情況下，遷移率下降，所以擴(kuò)展電阻增加，測(cè)定的載流子濃度低(換言之，摻雜濃度明顯變成較低的值)。圖中O的位置是陰極電極106與n+層1lb的邊界(圖22?24也相同)。氫濃度為0%的情況下，如圖中虛線所示，質(zhì)子通過的地方產(chǎn)生了較多的結(jié)晶缺陷，所以可知從η層1la至η+層1lb之間，載流子濃度也下降。
[0078]另一方面，氫濃度為4%的情況下，如圖中實(shí)線所示，質(zhì)子通過的地方的結(jié)晶缺陷已恢復(fù)，從η層1la至η+層1lb之間，載流子濃度沒有下降，能夠保持在基板濃度(NO)左右。
[0079]圖10是表示相對(duì)于基板濃度的恢復(fù)率與質(zhì)子爐退火的氫濃度的關(guān)系的特性圖。使用該圖10，將基于SRA法測(cè)定的最小載流子濃度設(shè)定為NI，表示相對(duì)于基板濃度的恢復(fù)率與質(zhì)子爐退火的氫濃度之間的關(guān)系。氫濃度從0%變成0.5%時(shí)結(jié)晶恢復(fù)率急劇上升，3%以上時(shí)結(jié)晶恢復(fù)率幾乎飽和?？紤]到氫濃度偏差的影響，應(yīng)在氫濃度0.5%以上進(jìn)行。另外，氫變成4.65%以上的濃度時(shí)有爆炸的危險(xiǎn)，3%以上時(shí)效果幾乎飽和?？紤]到以上的結(jié)晶恢復(fù)率與氫濃度之間的關(guān)系，優(yōu)選在氫濃度小于4.65%的條件下進(jìn)行。為了使結(jié)晶恢復(fù)率為80%以上且為了降低爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步優(yōu)選氫濃度為1.0%以上且4.0%以下。
[0080]如上述那樣，根據(jù)第I實(shí)施方式，通過在氫氣氛中在氫濃度0.5%以上且小于
4.65%的范圍內(nèi)進(jìn)行質(zhì)子注入后的熱處理，因此除質(zhì)子注入之外也能向硅中導(dǎo)入氫。另外，大量的氫封端結(jié)晶缺陷的懸掛鍵，具有促進(jìn)結(jié)晶恢復(fù)的效果。
[0081]而且，根據(jù)上述第I實(shí)施方式的制造方法，能夠減少用于生成施主的劑量，另外，由于能夠降低爐的退火溫度，所以能夠減少工程時(shí)間(準(zhǔn)備時(shí)間)，能夠降低半導(dǎo)體裝置100的芯片單價(jià)(成本)。
[0082](第2實(shí)施方式)
[0083]接下來，對(duì)第2實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的制造方法進(jìn)行說明。就第2實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的制造方法而言，質(zhì)子的加速能量和退火條件與第I實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的制造方法不同。第2實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的制造方法的質(zhì)子的退火條件以外的構(gòu)成與第I實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的制造方法相同。
[0084]具體而言，首先，與第I實(shí)施方式同樣地進(jìn)行從P型陽極層102的形成至質(zhì)子601的注入為止的工序(圖2?6)。質(zhì)子的加速能量例如為1.1MeV (飛程Rp為18 μ m)。接下來，例如，在氫濃度為0.5%以上且小于4.65%的氣氛中以340°C的溫度進(jìn)行10個(gè)小時(shí)的退火701，從而生成施主區(qū)域(η層1la)(圖7)。之后，與第I實(shí)施方式同樣地，從利用磷的離子注入和激光退火形成η+層1lb開始進(jìn)行后續(xù)的工序(圖8)，完成圖1所示的二極管。
[0085]將利用SRA法對(duì)如此制造的二極管的載流子濃度的深度方向的分布進(jìn)行測(cè)定的結(jié)果示于圖22。圖22是表示第2實(shí)施方式的二極管的活性部的制造工序中的退火后的載流子濃度在深度方向的分布的測(cè)定結(jié)果的特性圖。如圖22所示，質(zhì)子601的注入面附近和通過區(qū)域的載流子濃度比η_型半導(dǎo)體基板101的雜質(zhì)濃度(用虛線圖示的基板濃度，圖23、24中也相同)還高，由此可知能夠使結(jié)晶缺陷(無序)恢復(fù)并且生成施主區(qū)域。
[0086]如上所述，根據(jù)第2實(shí)施方式，能夠得到與第I實(shí)施方式相同的效果。根據(jù)第2實(shí)施方式，通過將質(zhì)子的退火溫度設(shè)定為340°C以下，能夠在背面研磨前的厚度的厚η_型半導(dǎo)體基板上形成整個(gè)基板表面?zhèn)鹊慕Y(jié)構(gòu)(P型陽極層、陽極電極以及層間絕緣膜等)，所以能夠減少在η—型半導(dǎo)體基板的厚度為薄的狀態(tài)下進(jìn)行的工序。由此，能夠提高合格率，并且能夠減少制造設(shè)備的成本。另外，根據(jù)第2實(shí)施方式，通過將質(zhì)子的退火溫度設(shè)定為340°C以下，能夠?qū)Ρ趁嫜心デ暗暮穸鹊暮瘭恰桶雽?dǎo)體基板進(jìn)行電子束照射，所以能夠提高合格率。并且，質(zhì)子的施主化率在退火溫度為300°C以上且小于350°C的范圍變成最高(例如10?50% )0因此，通過在該溫度范圍進(jìn)行退火處理，能夠維持較高的質(zhì)子的施主化率。
[0087](第3實(shí)施方式)
[0088]接下來，對(duì)第3實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的制造方法進(jìn)行說明。第3實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的制造方法與第I實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的制造方法的不同點(diǎn)在于，為了使質(zhì)子的加速能量與缺陷恢復(fù)和施主化率成為所希望的狀態(tài)，在氫濃度為0.5%以上且小于4.65%的氣氛中進(jìn)行比340°C高且400°C以下的溫度的質(zhì)子的退火。因此，在第3實(shí)施方式中，進(jìn)行各工序的順序與第I實(shí)施方式不同，在質(zhì)子的退火后，進(jìn)行用于控制壽命的電子束照射和熱處理。[0089]具體而言，首先，與第I實(shí)施方式同樣地進(jìn)行從P型陽極層的形成至表面保護(hù)膜的形成為止的工序。接下來，從背面?zhèn)妊心_型半導(dǎo)體基板，直到研磨至用作半導(dǎo)體裝置的產(chǎn)品厚度的位置為止。接下來，從n_型半導(dǎo)體基板的背面?zhèn)纫约铀倌芰?.1MeV注入質(zhì)子后，在氫濃度為0.5%以上且小于4.65%的氣氛中例如以380°C的溫度進(jìn)行10個(gè)小時(shí)的退火，從而生成施主區(qū)域。接下來，通過從基板表面?zhèn)日丈潆娮邮?，進(jìn)行熱處理，進(jìn)行壽命控制體的控制。之后，與第I實(shí)施方式同樣地，從通過磷的離子注入和激光退火而形成n+層開始進(jìn)行后續(xù)的工序，完成如圖1所示的二極管。
[0090]將利用SRA法對(duì)如此制造的二極管的載流子濃度在深度方向的分布進(jìn)行測(cè)定的結(jié)果示于圖23。圖23是表示第3實(shí)施方式的二極管的活性部的制造工序中的退火后的載流子濃度在深度方向的分布的測(cè)定結(jié)果的特性圖。如圖23所示，質(zhì)子的注入面附近和通過區(qū)域的載流子濃度比n_型半導(dǎo)體基板的雜質(zhì)濃度還高，所以能夠在第3實(shí)施方式中使結(jié)晶缺陷(無序)恢復(fù)并且生成施主區(qū)域。
[0091]如上所述，根據(jù)第3實(shí)施方式，能夠得到與第I實(shí)施方式相同的效果。另外，根據(jù)第3實(shí)施方式，通過將質(zhì)子的退火溫度設(shè)定為400°C以下，能夠在減少缺陷的同時(shí)，提高施主化率。另外，與第2實(shí)施方式同樣地，能夠在背面研磨前的厚度的厚η—型半導(dǎo)體基板形成整個(gè)基板表面?zhèn)鹊慕Y(jié)構(gòu)，所以能夠?qū)崿F(xiàn)提高合格率和減少成本。
[0092](第4實(shí)施方式)
[0093]接下來，對(duì)第4實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的制造方法進(jìn)行說明。第4實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的制造方法與第I實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的制造方法的不同點(diǎn)在于，為了提高加速能量和施主化率，在氫濃度為0.5%以上且小于4.65%的氣氛中以300°C?450°C的溫度進(jìn)行質(zhì)子的退火。因此，在第4實(shí)施方式中，進(jìn)行各工序的順序與第I實(shí)施方式不同，在質(zhì)子的退火之后，進(jìn)行表面保護(hù)膜的形成和用于控制壽命的電子束照射和熱處理。
[0094]具體而言，首先，與第I實(shí)施方式同樣地，形成P型陽極層和陽極電極。接下來，從背面?zhèn)妊心_型半導(dǎo)體基板，直到研磨至用作半導(dǎo)體裝置的產(chǎn)品厚度的位置為止。接下來，從n_型半導(dǎo)體基板的背面?zhèn)纫约铀倌芰繛長 IMeV注入質(zhì)子后，在氫濃度為0.5%以上且小于4.65%的氣氛中例如在420°C的溫度下進(jìn)行5個(gè)小時(shí)的退火，從而生成施主區(qū)域。接下來，形成覆蓋陽極電極的表面保護(hù)膜。接下來，從基板表面?zhèn)日丈潆娮邮?，進(jìn)行熱處理，從而進(jìn)行壽命控制體的控制。之后，與第I實(shí)施方式同樣地，從通過磷的離子注入和激光退火而形成n+層開始進(jìn)行后續(xù)的工序，完成如圖1所示的二極管。
[0095]將利用SRA法對(duì)如此制造的二極管的載流子濃度在深度方向的分布進(jìn)行測(cè)定的結(jié)果示于圖24。圖24是表示第4實(shí)施方式的二極管的活性部的制造工序中的退火后的載流子濃度在深度方向的分布的測(cè)定結(jié)果的特性圖。如圖24所示，質(zhì)子的注入面附近和通過區(qū)域的載流子濃度比n_型半導(dǎo)體基板的雜質(zhì)濃度還高，所以能夠在第4實(shí)施方式中使結(jié)晶缺陷(無序)恢復(fù)并且生成施主區(qū)域。另外，質(zhì)子的注入面附近和通過區(qū)域的載流子濃度比第2、3的實(shí)施方式的情況下的濃度還要高，所以可知與第2、3的實(shí)施方式相比，能夠使結(jié)晶缺陷更穩(wěn)定地恢復(fù)。
[0096]如上所述，根據(jù)第4實(shí)施方式，能夠得到與第I實(shí)施方式相同的效果。另外，根據(jù)第4實(shí)施方式，通過提高質(zhì)子的退火溫度，因此雖然研磨背面后n_型半導(dǎo)體基板的厚度為薄的狀態(tài)下進(jìn)行的工序數(shù)變多，但也能夠使結(jié)晶缺陷穩(wěn)定地恢復(fù)。[0097](第5實(shí)施方式)
[0098]以上，本發(fā)明對(duì)在半導(dǎo)體基板形成二極管的半導(dǎo)體裝置的制造方法進(jìn)行了說明，但并不限于上述的實(shí)施方式，對(duì)于制作絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的η層(電場(chǎng)終止層)1la的制造方法，也可同樣地應(yīng)用。
[0099]圖11是作為應(yīng)用了本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置而示出IGBT的剖視圖。該IGBT200是在η_型半導(dǎo)體基板(η_漂移區(qū)域)201的主面的表面層形成有P型基底層210。進(jìn)而在該ρ型基底層210的表面層，形成η型發(fā)射層209。然后，以與η_漂移區(qū)域(η_型半導(dǎo)體基板201)、P型基底層210、η型發(fā)射層209對(duì)置的方式，介由柵極氧化膜213設(shè)置有溝槽型的柵電極208，形成金屬一氧化膜一半導(dǎo)體(MOS)型柵電極。
[0100]另外，在η_型半導(dǎo)體基板201的主面的表面層，以與溝槽型的柵電極208在相對(duì)于P型基底層210 —側(cè)相反的一側(cè)的面相接的方式，形成浮動(dòng)(浮游)電位的浮動(dòng)P層211。然后，以隔著浮動(dòng)P層211與溝槽型的柵電極208鄰接的方式，介由柵極氧化膜213形成溝槽型的偽柵極212。偽柵極212的電位可以是浮動(dòng)電位，也可以是放射電位。另一方面，在對(duì)面(背面)的表面層形成P+型集電極層203。然后，在ρ型基底層210的外周位置形成作為終端區(qū)域104的ρ型的保護(hù)環(huán)204。
[0101]為了減少開關(guān)時(shí)導(dǎo)致噪聲的電壓振動(dòng)，該IGBT200從表面?zhèn)认虮趁鎮(zhèn)容^深的位置處的η型摻雜濃度進(jìn)行控制。該圖11中示出了質(zhì)子注入后，通過氫氣氛退火而促進(jìn)質(zhì)子的施主生成的狀態(tài)。載流子濃度控制是在比較低的加速電壓下，使用在硅中能夠得到較深的飛程的質(zhì)子注入而形成η型層201a。該η型層201a成為通過質(zhì)子注入而形成的電場(chǎng)終止層，具有比n_漂移區(qū)域(n_型半導(dǎo)體基板201)更高的雜質(zhì)濃度。
[0102]在ρ型基底層210和η型發(fā)射層209上設(shè)置有發(fā)射電極202，在ρ+型集電極層203的下表面(IGBT200的背面)設(shè)置有集電極206。另外，活性部110是接通IGBT時(shí)電流流通的區(qū)域，終端區(qū)域104是緩和η_型半導(dǎo)體基板(η_漂移區(qū)域)201的主面?zhèn)鹊碾妶?chǎng)，并保持耐壓的區(qū)域。在終端區(qū)域104，例如設(shè)置有作為浮動(dòng)的ρ型區(qū)域的ρ型保護(hù)環(huán)204和與保護(hù)環(huán)204電連接的作為導(dǎo)電膜的場(chǎng)板(FP) 207。205是層間絕緣膜，214是絕緣層。
[0103]如上所述，根據(jù)第5實(shí)施方式，能夠得到與第I實(shí)施方式相同的效果。
[0104](第6實(shí)施方式)
[0105]接下來，作為第6的實(shí)施方式，對(duì)電場(chǎng)終止層的位置進(jìn)行說明?；谫|(zhì)子注入的電場(chǎng)終止層當(dāng)然不限于形成一個(gè)，還可以形成多個(gè)。以下說明在多次質(zhì)子注入中，第一段電場(chǎng)終止層的質(zhì)子峰位置的優(yōu)選位置。所謂第一段電場(chǎng)終止層，在二極管的情況下是指η+型陰極層，在IGBT的情況下是指從成為P+型集電極層側(cè)的基板背面向深度方向位于最深的位置的電場(chǎng)終止層。
[0106]圖15是一般的二極管的反向恢復(fù)時(shí)的振蕩波形。在陽極電流為額定電流的1/10以下的情況下，存儲(chǔ)載流子少，所以有時(shí)在反向恢復(fù)結(jié)束的跟前發(fā)生振蕩。將陽極電流固定為某個(gè)值，采用不同電源電壓V。。使二極管反向恢復(fù)。此時(shí)，若電源電壓V。。超過某預(yù)定的值，則在陰極-陽極間電壓波形中，超過通常的過沖電壓的峰值后，產(chǎn)生附加的過沖。然后，該附加的過沖(電壓)成為觸發(fā)點(diǎn)，之后的波形發(fā)生振動(dòng)。若電源電壓Vcc進(jìn)一步超過該預(yù)定的值，則附加的過沖電壓進(jìn)一步增加，之后的振動(dòng)的振幅也增加。如此，將電壓波形開始振動(dòng)的閾值電壓稱為振蕩開始閾值V.。該V.越高，表示二極管在反向恢復(fù)時(shí)不振蕩，因而優(yōu)選。
[0107]對(duì)于振蕩開始閾值V.而言，取決于二極管的從P型陽極層與n_漂移區(qū)域之間的Pn結(jié)擴(kuò)散到η—漂移區(qū)域的耗盡層端(嚴(yán)格來說，由于存在空穴，所以是空間電荷區(qū)域端)在多個(gè)質(zhì)子峰中最初到達(dá)的第一段質(zhì)子峰的位置。其理由如下。反向恢復(fù)時(shí)耗盡層從表面?zhèn)鹊腜型陽極層擴(kuò)散到η—漂移區(qū)域時(shí)，通過耗盡層端到達(dá)第一個(gè)電場(chǎng)終止層，從而其擴(kuò)展被抑制，存儲(chǔ)載流子的輸出變?nèi)?。其結(jié)果，載流子的枯竭被抑制，振蕩受到抑制。
[0108]反向恢復(fù)時(shí)的耗盡層從ρ型陽極層與η_漂移區(qū)域之間的ρη結(jié)朝向陰極電極沿深度方向擴(kuò)散。因此，耗盡層端最初到達(dá)的電場(chǎng)終止層的峰位置成為最接近P型陽極層與η_漂移區(qū)域之間的ρη結(jié)的電場(chǎng)終止層。因此，將η_型半導(dǎo)體基板的厚度(被陽極電極與陰極電極夾住的部分的厚度)設(shè)定為W0，將耗盡層端最初到達(dá)的電場(chǎng)終止層的峰位置的、從陰極電極與η_型半導(dǎo)體基板的背面之間的界面起算的深度(以下，稱為距背面的距離)設(shè)定為X。其中，導(dǎo)入距離指標(biāo)L。距離指標(biāo)L可以用下述的⑴式表示。
[0109][數(shù)學(xué)式I]
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，包含: 注入工序，從第一導(dǎo)電型的半導(dǎo)體基板的背面進(jìn)行質(zhì)子注入； 形成工序，在所述注入工序后，通過退火爐對(duì)所述半導(dǎo)體基板進(jìn)行退火處理，形成比所述半導(dǎo)體基板具有更高的雜質(zhì)濃度的第一導(dǎo)電型的第一半導(dǎo)體區(qū)域， 所述形成工序在使所述退火爐處于氫氣氛，并將該氫的容積濃度設(shè)為0.5%以上且小于4.65%的條件下進(jìn)行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體裝置為二極管，所述第一導(dǎo)電型的所述第一半導(dǎo)體區(qū)域?yàn)棣切偷碾妶?chǎng)終止層，所述半導(dǎo)體基板為陰極層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體裝置為絕緣柵雙極型晶體管，所述第一導(dǎo)電型的所述第一半導(dǎo)體區(qū)域?yàn)棣切偷碾妶?chǎng)終止層，所述半導(dǎo)體基板為漂移層。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，將所述氫的容積濃度設(shè)定為能夠使所述半導(dǎo)體基板的從所述η型的電場(chǎng)終止層到陰極電極為止的區(qū)域的載流子濃度達(dá)到大致與基板濃度相同的濃度。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，將所述氫的容積濃度設(shè)定為能夠使所述半導(dǎo)體基板的從所述η型的電場(chǎng)終止層到集電極為止的區(qū)域的載流子濃度達(dá)到大致與基板濃度相同的濃度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，所述退火處理的退火溫度為300°C?450°C。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，所述退火處理的退火溫度為350°C?400°C。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，所述退火處理的處理時(shí)間為I個(gè)小時(shí)?10個(gè)小時(shí)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，所述退火處理的處理時(shí)間為3個(gè)小時(shí)?7個(gè)小時(shí)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，所述退火處理的處理時(shí)間為5個(gè)小時(shí)以下。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，所述質(zhì)子注入的質(zhì)子的注入量為 3 X 11Vcm2 ?5 X 11Vcm2。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，所述質(zhì)子注入的質(zhì)子的注入量為I X 11Vcm2?I X 11Vcm2。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，將所述質(zhì)子注入的質(zhì)子的注入能量E的對(duì)數(shù)1g(E)設(shè)為y，將所述質(zhì)子的飛程Rp的對(duì)數(shù)1g(Rp)設(shè)為 X 時(shí)，滿足 y =- 0.0047x4+0.0528x3 — 0.2211x2+0.9923x+5.0474。
【文檔編號(hào)】H01L21/329GK104040692SQ201380005366
【公開日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2013年3月14日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月19日
【發(fā)明者】小林勇介, 吉村尚 申請(qǐng)人:富士電機(jī)株式會(huì)社