JP3977676B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パンチスルー型IGBT(PT−IGBT)等の高耐圧半導体素子を含む半導体装置及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
高耐圧半導体素子の一つとしてIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)が知られている。図10に、従来のパンチスルー型IGBTの断面図を示す。図中、81は高抵抗のn- 型ベース層を示しており、このn- 型ベース層81中にはp型ベース層82が形成されている。p型ベース層82中にはn型エミッタ層83が形成されている。
【0003】
n型エミッタ層83とn- 型ベース層81とで挟まれたp型ベース層82上には、ゲート絶縁膜84を介して、ゲート電極85が設けられている。ゲート電極85は例えばポリシリコンで形成されている。
【0004】
エミッタ電極86は、層間絶縁膜87に開口されたコンタクトホールを介して、n型エミッタ層83およびp型ベース層82に接続している。エミッタ電極86は、例えばAl等の金属で形成されている。さらに、これらのゲート電極85およびエミッタ電極86を含むn- 型ベース層81の表面は、図示しないパッシベーション膜で被われている。
【0005】
一方、n- 型ベース層81の裏面には、n+ 型バッファ層88を介して、p+ 型コレクタ層89が設けられている。p+ 型コレクタ層89には、コレクタ電極90が設けられている。コレクタ電極90は、例えばAl等の金属で形成されている。
【0006】
しかしながら、この種のPT−IGBTには以下のような問題があった。図10に示したPT−IGBTは、p+ 型コレクタ層89上にn+ 型バッファ層88およびn- 型ベース層81が予め作り込まれた厚いエピタキシャルウェハを用いて製造されている。
【0007】
具体的には、まず、厚さ625μmのp+ 型コレクタ層89上に、厚さ15μmのn+ 型バッファ層88、厚さ60μmのn- 型ベース層81を順次エピタキシャル成長させ、厚さ700μmのエピタキシャルウェハを形成する。次に、p+ 型コレクタ層89の裏面を研磨し、p+ 型コレクタ層89の厚さを175μmまで薄くし、基板として使用している。
【0008】
しかし、このような厚さ700μmのエピタキシャルウェハを作成するにはコストがかかり、図10に示したPT−IGBTは高価となる。
【0009】
本発明者らは、このような問題を解決するために、n+ 型バッファ層88およびp+ 型コレクタ層89が予め作り込まれていない通常のウェハを用いることを考えた。
【0010】
すなわち、ウェハの表面にp型ベース層82、n型エミッタ層83、ゲート絶縁膜84、ゲート電極85、層間絶縁膜87、エミッタ電極86、さらには図示しないパッシベーション膜を形成した後、n- 型ベース層81の裏面にn型不純物イオン、p型不純物イオンを順次注入し、続いてこれらのn型およびp型不純物を活性化するためにn- 型ベース層81の裏面からレーザを照射し、n+ 型バッファ層88およびp+ 型コレクタ層89を形成することを試みた。
【0011】
しかしながら、この種のレーザ照射(レーザアニール)による溶融深さは数μm以内で、かつ照射時間は短時間であるため、レーザによる熱がn+ 型バッファ層88内に十分に伝わらず、n+ 型バッファ層88中にイオン注入等によるダメージ層が残留し、その結果として素子オン状態ではコレクタ・エミッタ間飽和電圧(VCE(sat))が上昇し、一方素子オフ状態ではリーク電流が発生するという素子特性の低下が起こる。
【0012】
VCE(sat)が上昇する理由は、オン状態では、ダメージ層がホールの注入トラップとして働くからである。リーク電流が発生する理由は、図11に示すように、オフ状態では、ダメージ層91が空乏化すると、キャリアの生成中心として働くからである。
【0013】
このようなダメージ層の残留に起因する問題を解決する方法の一つとして、n+ 型バッファ層88中に注入するn型不純物の加速エネルギーを小さくすることがあげられる。その理由は、図12に示すように、n型不純物の活性化率(activation rate)は、加速エネルギーVaccが小さくなるに従って高くなるからである。
【0014】
ここで、n型不純物の加速エネルギーを小さくすると、それに伴ってn+ 型バッファ層88の深さは浅くなる。そのため、p+ 型不純物の拡散がn+ 型バッファ層88中の不純物の濃度プロファイルに与える影響は大きくなり、濃度プロファイルの制御性が低下する。
【0015】
濃度プロファイルの制御性の低下は次のような問題につながる。濃度プロファイルの制御性が低下すると、所望の濃度プロファイルを有するn+ 型バッファ層88、p+ 型コレクタ層89を形成することが困難になったり、あるいは形成することが不可能となる。その結果、所望の素子特性が得られなくなり、あるいは素子によって濃度プロファイルが異なり、素子特性がばらついてしまう。
【0016】
いずれにしても、この種のPT−IGBTは、そのn+ 型バッファ層およびp+ 型コレクタ層をイオン注入とレーザアニールにより形成していたため、VCE(sat)が上昇したり、n+ 型バッファ層中の不純物の濃度プロファイルの制御性が低下してしまう。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、この種のPT−IGBTは、n+ 型バッファ層およびp+ 型コレクタ層をイオン注入とレーザアニールにより形成していたため、VCE(sat)が上昇したり、n+ 型バッファ層中の不純物の濃度プロファイルの制御性が低下するという問題がある。
【0018】
それ故、本発明の目的は、このような素子特性の低下や濃度プロファイルの制御性の低下を抑制できるPT−IGBT等の高耐圧半導体素子を含む半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
【0019】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明による半導体装置は、高抵抗で第1及び第2の表面を有すると共に、第1導電型を有する第1のベース層と、前記第1の表面中に設けられ、第2導電型を有する第2のベース層と、前記第2導電型のベース層中に設けられ、前記第1導電型を有するエミッタ層と、前記エミッタ層と前記第1のベース層とで挟まれた前記第2のベース層上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、前記第2の表面に設けられ、高不純物濃度を有すると共に、前記第1導電型を有するバッファ層と、前記バッファ層に設けられ、前記第2導電型を有するコレクタ層とを具備してなり、
(SR分析による前記バッファ層中の活性化した第1導電型不純物の密度[cm-2])/(SIMS分析による前記バッファ層中の第1導電型不純物の密度[cm-2])で定義される第1の活性化率が25%以上であり、
かつ(SR分析による前記コレクタ層中の活性化した第2導電型不純物の密度[cm-2])/(SIMS分析による前記コレクタ層中の第2導電型不純物の密度[cm-2])で定義される第2の活性化率が0%よりも高くかつ10%以下としている。
【0020】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を以下に図面を参照して説明する。
【0021】
図1乃至図6は、本発明の実施の形態によるPT−IGBTの製造方法を示す断面図である。
【0022】
まず、図1に示すように、n- 型ベース層1の表面上にゲート絶縁膜2となる絶縁膜、ゲート電極3となる導電膜を順次堆積した後、これらの導電膜および絶縁膜をパターニングする。ゲート絶縁膜2は例えばシリコン酸化膜、ゲート電極3は例えばポリシリコンでそれぞれ形成する。
【0023】
図2に示すように、自己整合的にn- 型ベース層1中にp型ベース層4を形成し、続いてp型ベース層4中にn型エミッタ層5を形成する。
【0024】
図3に示すように、層間絶縁膜6を全面に堆積し、層間絶縁膜6にコンタクトホールを形成した後、p型ベース層4とn型エミッタ層5にコンタクトするエミッタ電極7を形成する。エミッタ電極7は、例えばAlで形成する。なお、p型ベース層4とn型エミッタ層5上にエミッタ電極7を直接形成するのではなく、バリアメタル膜を介してエミッタ電極7を形成することが好ましい。
【0025】
その後、ゲート電極3およびエミッタ電極7を含むn- 型ベース層1の表面を図示しないパッシベーション膜、例えばポリイミド膜で覆い、さらに仕様の耐圧に応じてn- 型ベース層1を薄くする。これはn- 型ベース層1の裏面を研磨して行う。この研磨は、例えばCMP(Chemical Mechanical Polishing)法により行う。n- 型ベース層1を薄くする他の方法としては、機械的研磨とウエットエッチングとを用いた方法があげられる。機械的研磨の方が先に行われる。
【0026】
図4に示すように、例えばドーズ量1×1015cm-2、加速電圧160KeVの条件でn- 型ベース層1の裏面に燐等のn型不純物イオンを注入した後、例えばエネルギー密度2.5J/cm2 の条件でエキシマレーザをn- 型ベース層1の裏面に照射する。n- 型ベース層1の裏面から2μm以下の領域を溶融するレーザアニール(第1のアニール)を行うことによって、n- 型ベース層1の裏面にn+ 型バッファ層8を形成する。この時のレーザアニールの温度はシリコンの溶融温度以上であって、例えば、1300℃以上である。
【0027】
このように形成されたn+ 型バッファ層8は、活性化率a(第1の活性化率)≧25%を満し、かつn- 型ベース層1の裏面から2μm以下の厚さを有している。上記n- 型ベース層1の裏面は、図6の工程ではp+ 型コレクタ層9の表面となる。
【0028】
ここで、活性化率aは(SR(spreading resistance)分析にて得られた活性化したn+ 型バッファ層8中のn型不純物の密度[cm-2])/(SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)分析にて得られたn+ 型バッファ層8中のn型不純物の密度[cm-2])で定義される。
【0029】
SR分析は、周知の技術であるが簡単に説明すると以下の通りである。すなわち、2本の針の間隔を十分に小さくし(数10〜数100μm)、その先端が試料に接触する面の半径をaとすると、ひろがり抵抗(Rs)と比抵抗(ρ)との関係は、Rs=ρ/2aで与えられる。
【0030】
図7に、不純物拡散を行ったpn接合を斜め研磨した後に針の間隔20μmの装置でSR分析を行う様子を示す。図において、DOPING TYPE II はn+ 型バッファ層8に相当し、DOPING TYPE I は後工程で形成するp+ 型コレクタ層9にそれぞれ相当する。
【0031】
上記のように形成されたn+ 型バッファ層8に関して、SR分析にて得られ、活性化したn型不純物の密度[cm-2]及びSIMS分析にて得られるn型不純物の密度[cm-2]はそれぞれ2.7×1014cm-2及び1×1015cm-2となり、これらの比、即ち、上記活性化率aはa≧25%となる。
【0032】
活性化率aを25%以上とする理由は、図9に示すように、a≧25%以上の領域ではVCE(sat)が充分に小さくなることが明らかになったからである。また、リーク特性についても、a≧25%以上の領域ではリーク電流は充分に小さくなることが確認された。
【0033】
次に、図5に示すように、n+ 型バッファ層8の表面に例えばドーズ量1×1015cm-2、加速電圧50KeVの条件でボロンイオン(B+ )を注入する。
【0034】
ここで、ボロンの注入量は、ボロンのイオン注入によってp+ 型コレクタ層9の一部をアモルファス化できる値が好ましい。その理由は、同じアニール温度の場合、部分的なディスオーダ(disorder)を含む層よりも連続的なディスオーダ(disorder)であるアモルファス状態の方が注入したボロンイオンの活性化率が高くなるからである。
【0035】
具体的には、p+ 型コレクタ層9の表面から2μm以内の領域のp型不純物のドーズ量[cm-2]が1×1015cm-2の場合、450℃でのシンター後の活性化率b(第2の活性化率)は3%程度となり、それより小さい値であるドーズ量[cm-2]が1×1014の場合、活性化率bは1%未満となる。
【0036】
即ち、上記p+ 型コレクタ層9に関して、p型不純物のドーズ量[cm-2]が1×1015cm-2の場合、SR分析にて得られ、活性化したp型不純物の密度[cm-2]及びSIMS分析にて得られるp型不純物の密度[cm-2]はそれぞれ3×1013cm-2及び1×1015cm-2となり、これらの比、即ち、上記活性化率bは3%程度となる。
【0037】
また、p型不純物のドーズ量[cm-2]が1×1014cm-2の場合、SR分析にて得られる活性化したp型不純物の密度及びSIMS分析にて得られるp型不純物の密度[cm-2]はそれぞれ6×1011cm-2及び1×1014cm-2となり、上記活性化率bは1%未満となる。
【0038】
さらに、アモルファス化できるボロンのドーズ量は、1015cm-2程度以上である。
【0039】
次に、図6に示すように、AlにSiを添加した材料からなるターゲット(Al−Siターゲット)を用いたスパッタにより、ボロンイオンを注入したp+ 型コレクタ層9上にAl−Siからなるコレクタ電極10を形成した後、コレクタ電極10に対して450℃のシンター(第2のアニール)を行う。ここでは、シンターの温度を450℃としたが、それに限定されるものではない。温度の上限は、エミッタ電極7の材料や、パッシベーション膜の材料で決定される。
【0040】
すなわち、シンターの温度の上限は、エミッタ電極7の材料の融点以下やパッシベーション膜の膜質を維持する温度以下に設定する必要がある。例えば、パッシベーション膜としてポリイミドを使用した場合には、上記シンター温度の上限は560℃である。
【0041】
上記シンターはn+ 型バッファ層8の表面に注入したボロンイオンを活性化するためのアニールを兼ねており、これによりプロセス数の増加を招くことなく、n+ 型バッファ層8にp+ 型コレクタ層9を形成できる。上記シンターは電気炉を用いた熱処理(炉アニール)である。
【0042】
上記450℃のシンターでのボロンイオンの活性化率は1.0%未満である。ここで、上述したように、図5のボロンのイオン注入工程で、p+ 型コレクタ層9の一部をアモルファス化しておけば、より高い活性化率の達成を期待できる。
【0043】
上記p+ 型コレクタ層9は、活性化率b(第2の活性化率)が0%よりも高くかつ10%以下となるように形成されている。活性化率bの定義は、活性化率aの定義と同様であり、(SR分析にて得られた活性化したp+ 型コレクタ層9中のp型不純物の密度[cm-2])/(SIMS分析にて得られたp+ 型コレクタ層9中のp型不純物の密度[cm-2])で定義される。活性化率bの値(%)が上記範囲(0<b≦10)内の値になる理由は、シンターでボロンイオンの活性化を行ったからである。
【0044】
その後、周知の方法に従って図示しないV/Ni/Au電極をスパッタで形成する工程、さらにダイシングを行う工程が続く。
【0045】
図8に、燐イオンおよびボロンイオンの活性化をシンターで行った場合、燐イオンおよびボロンイオンの活性化をレーザアニールで行った場合のそれぞれについて、SIMS分析により調べたPT−IGBTのn+ 型バッファ層およびp+ 型コレクタ層中の不純物の濃度分布を示す。
【0046】
図8から、レーザアニールの場合、p+ 型コレクタ層の表層0.1μmの領域内でボロンイオンの拡散が生じているが、シンターの場合、p+ 型コレクタ層の表層0.1μmの領域内でボロンイオンの拡散はほとんど生じていないことが分かる。すなわち、ボロンイオンの活性化をシンターで行うことにより、ガウシアン分布と同様な不純物濃度分布を実現できるようになる。
【0047】
したがって、本実施の形態のように、燐イオンの活性化をレーザアニールにより行い、比較的浅いn+ 型バッファ層を形成しても、ボロンイオンの活性化をシンターにより行えば、p+ 型コレクタ層中のボロンのn+ 型バッファ層中への拡散を十分に防止でき、n+ 型バッファ層中の燐の濃度プロファイルの制御性の低下を防止できるようになる。
【0048】
即ち、第1導電型ベース層中に注入した第1導電型不純物イオンを活性化するためのアニールと、第1導電型バッファ層中に注入した第2導電型不純物イオンを活性化するためのアニールとをそれぞれ別の工程で行い、素子特性の低下や濃度プロファイルの制御性の低下の原因である、第1導電型ベース層中への第2導電型不純物の拡散がほとんど生じない条件で、第2のアニールを行っているので、素子特性の低下や濃度プロファイルの制御性の低下を抑制できるPT−IGBT等の高耐圧半導体素子を含む半導体装置を製造できるようになる。上記条件は、例えば第2のアニールの温度を第1のアニールの温度よりも低くすることである。
【0049】
また、濃度プロファイルの制御性の低下を抑制できることにより、制御性の低下により派生的に生じる、所望の素子特性が得られなくなったり、あるいは素子によって素子特性がばらついてしまうという、従来技術の問題も解決できる。
【0050】
このように所望の濃度プロファイルを有するn+ 型バッファ層、p+ 型コレクタ層が得られることにより、所望の素子特性を得ることができる。
【0051】
上記においては、p+ 型コレクタ層中のp型不純物のn+ 型バッファ層中への拡散を防止するために、第2のアニールの温度を第1のアニールの温度よりも低くするという温度制御を行ったが、その代わりにアニールの時間制御、あるいは温度制御および時間制御の両方によって行っても良い。
【0052】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、第1導電型をn型、第2導電型をp型として説明したが、逆に第1導電型をp型、第2導電型をn型としても良い。
【0053】
また、上記実施の形態では、コレクタ電極10のシンター工程は、p+ 型コレクタ層9中のボロンイオンの活性化工程を兼ねていたが、コレクタ電極10のシンター工程とボロンイオンの活性化工程とをそれぞれ別の熱処理により行っても良い。この場合、各熱処理の最適化が容易となる。
【0054】
さらに、上記においてはPT−IGBTのディスクリートデバイスについて説明したが、PT−IGBTとその制御回路や保護回路などの他の回路を同一チップ内に形成しても良い。
【0055】
さらにまた、上記実施の形態ではPT−IGBTの場合について説明したが、他の高耐圧半導体素子、例えばIEGT(Injection Enhancement Gate Transistor )にも適用できる。すなわち、本発明は、高抵抗の第1導電型ベース層/高不純物濃度の第1導電型バッファ層/第2導電型コレクタ層の半導体構造を有する半導体素子(半導体装置)に対して適用可能である。
【0056】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、PT−IGBTを構成する第1導電型のバッファ層に関して、(SR分析による前記バッファ層中の活性化した第1導電型不純物の密度[cm-2])/(SIMS分析による前記バッファ層中の第1導電型不純物の密度[cm-2])で定義される第1の活性化率aを25%以上とし、かつ第2導電型のコレクタ層に関して、(SR分析による前記コレクタ層中の活性化した第2導電型不純物の密度[cm-2])/(SIMS分析による前記コレクタ層中の第2導電型不純物の密度[cm-2])で定義される第2の活性化率bを0<b≦10%としているので、VCE(sat)を充分小さくすることができ、また、リーク特性についても、リーク電流を充分減少させることができる。
【0057】
また、第1導電型のベース層中に注入した第1導電型不純物イオンを活性化するためのアニールと、第1導電型のバッファ層中に注入した第2導電型不純物イオンを活性化するためのアニールとをそれぞれ個別の工程で行い、素子特性の低下や濃度プロファイルの制御性の低下の原因である、第1導電型のベース層中への第2導電型不純物の拡散がほとんど生じない条件で、第2のアニールを行っているので、第1導電型のバッファ層中の不純物の濃度プロファイルの制御性の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態によるPT−IGBTの製造方法を示す断面図の一部である。
【図2】本発明の一実施の形態によるPT−IGBTの製造方法を示す断面図の一部である。
【図3】本発明の一実施の形態によるPT−IGBTの製造方法を示す断面図の一部である。
【図4】本発明の一実施の形態によるPT−IGBTの製造方法を示す断面図の一部である。
【図5】本発明の一実施の形態によるPT−IGBTの製造方法を示す断面図の一部である。
【図6】本発明の一実施の形態によるPT−IGBTの製造方法を示す断面図の一部である。
【図7】SR分析を説明するための図である。
【図8】n+ 型バッファ層およびp+ 型コレクタ層中の不純物の濃度分布をSIMS分析により調べた結果を示す図である。
【図9】n+ 型バッファ層の活性化率aとVCE(sat)との関係を示す図である。
【図10】従来のPT−IGBTを示す断面図である。
【図11】従来のPT−IGBTのリーク電流のメカニズムを説明するための図である。
【図12】イオン注入した第1導電型不純物の活性化率の加速エネルギーの依存性を示す図である。
【符号の説明】
1…n- 型ベース層、2…ゲート絶縁膜、3…ゲート電極、4…p型ベース層、5…n型エミッタ層、6…層間絶縁膜、7…エミッタ電極、8…n+ 型バッファ層、9…p+ 型コレクタ層、10…コレクタ電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device including a high voltage semiconductor element such as a punch-through IGBT (PT-IGBT) and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
An IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) is known as one of high voltage semiconductor devices. FIG. 10 shows a cross-sectional view of a conventional punch-through IGBT. In the figure,
[0003]
On the p-type base layer 82 sandwiched between the n-type emitter layer 83 and the n − -
[0004]
The emitter electrode 86 is connected to the n-type emitter layer 83 and the p-type base layer 82 through a contact hole opened in the interlayer insulating film 87. The emitter electrode 86 is made of a metal such as Al. Further, the surface of the n − -
[0005]
On the other hand, a p +
[0006]
However, this type of PT-IGBT has the following problems. The PT-IGBT shown in FIG. 10 is manufactured using a thick epitaxial wafer in which an n + -
[0007]
Specifically, first, an n + -
[0008]
However, it is expensive to produce such an epitaxial wafer having a thickness of 700 μm, and the PT-IGBT shown in FIG. 10 is expensive.
[0009]
In order to solve such a problem, the present inventors considered using a normal wafer in which the n +
[0010]
That is, after forming a p-type base layer 82, an n-type emitter layer 83, a gate insulating film 84, a gate electrode 85, an interlayer insulating film 87, an emitter electrode 86, and a passivation film (not shown) on the surface of the wafer, an n − type is formed. N-type impurity ions and p-type impurity ions are sequentially implanted into the back surface of the
[0011]
However, since the melting depth by this type of laser irradiation (laser annealing) is within several μm and the irradiation time is short, the heat from the laser is not sufficiently transferred into the n + -
[0012]
The reason why V CE (sat) increases is that, in the on state, the damaged layer functions as a hole injection trap. The reason why the leak current is generated is that, as shown in FIG. 11, when the
[0013]
One method for solving the problem caused by the remaining damage layer is to reduce the acceleration energy of the n-type impurity implanted into the n + -
[0014]
Here, when the acceleration energy of the n-type impurity is reduced, the depth of the n + -
[0015]
A decrease in the controllability of the density profile leads to the following problems. When the controllability of the concentration profile is lowered, it becomes difficult or impossible to form the n + -
[0016]
In any case, since this type of PT-IGBT has its n + -type buffer layer and p + -type collector layer formed by ion implantation and laser annealing, V CE (sat) increases or n + -type The controllability of the impurity concentration profile in the buffer layer is degraded.
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in this type of PT-IGBT, since the n + type buffer layer and the p + type collector layer are formed by ion implantation and laser annealing, V CE (sat) increases or the n + type buffer layer increases. There is a problem that the controllability of the impurity concentration profile in the layer is lowered.
[0018]
Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor device including a high breakdown voltage semiconductor element such as PT-IGBT and the method for manufacturing the same, which can suppress such deterioration of element characteristics and controllability of the concentration profile. .
[0019]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a semiconductor device according to the present invention is provided with a first base layer having a first conductivity type and a first base layer having a high resistance and provided in the first surface. A second base layer having a second conductivity type, an emitter layer provided in the second conductivity type base layer and having the first conductivity type, the emitter layer, and the first base layer; A gate electrode provided on the second base layer sandwiched by a gate insulating film, and a buffer layer provided on the second surface, having a high impurity concentration and having the first conductivity type And a collector layer provided in the buffer layer and having the second conductivity type,
(Density of activated first conductivity type impurities in the buffer layer by SR analysis [cm −2 ]) / (Density of first conductivity type impurities in the buffer layer by SIMS analysis [cm −2 ]) The first activation rate is 25% or more,
And (density of activated second conductivity type impurities in the collector layer by SR analysis [cm −2 ]) / (density of second conductivity type impurities in the collector layer by SIMS analysis [cm −2 ]) The defined second activation rate is higher than 0% and 10% or less.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0021]
1 to 6 are cross-sectional views showing a method for manufacturing a PT-IGBT according to an embodiment of the present invention.
[0022]
First, as shown in FIG. 1, an insulating film to be the
[0023]
As shown in FIG. 2, a p-
[0024]
As shown in FIG. 3, an
[0025]
Thereafter, the surface of the n − -
[0026]
As shown in FIG. 4, after implanting n-type impurity ions such as phosphorus on the back surface of the n − -
[0027]
The n + -
[0028]
Here, the activation rate a is (density of the n-type impurity in the activated n + -
[0029]
The SR analysis is a well-known technique, but will be briefly described as follows. That is, if the distance between the two needles is sufficiently small (several tens to several hundreds of micrometers) and the radius of the surface where the tip contacts the sample is a, the relationship between the spreading resistance (Rs) and the specific resistance (ρ) Is given by Rs = ρ / 2a.
[0030]
FIG. 7 shows a state in which SR analysis is performed with an apparatus having a needle interval of 20 μm after obliquely polishing a pn junction subjected to impurity diffusion. In the figure, DOPING TYPE II corresponds to the n +
[0031]
Regard n + -
[0032]
The reason why the activation rate a is set to 25% or more is that, as shown in FIG. 9, it has become clear that V CE (sat) becomes sufficiently small in a region where a ≧ 25% or more. As for the leakage characteristics, it was confirmed that the leakage current was sufficiently small in the region where a ≧ 25%.
[0033]
Next, as shown in FIG. 5, boron ions (B + ) are implanted into the surface of the n + -
[0034]
Here, it is preferable that the amount of boron implanted is such a value that part of the p + -type collector layer 9 can be made amorphous by boron ion implantation. The reason is that, at the same annealing temperature, the activation rate of implanted boron ions is higher in the amorphous state, which is a continuous disorder, than in a layer including a partial disorder. It is.
[0035]
Specifically, when the dose amount [cm −2 ] of the p-type impurity in the region within 2 μm from the surface of the p + -type collector layer 9 is 1 × 10 15 cm −2 , activation after sintering at 450 ° C. The rate b (second activation rate) is about 3%, and when the dose [cm −2 ], which is a smaller value, is 1 × 10 14 , the activation rate b is less than 1%.
[0036]
That is, with respect to the p + -type collector layer 9, when the dose amount [cm −2 ] of the p-type impurity is 1 × 10 15 cm −2 , the density [cm -2 ] and the density [cm -2 ] of the p-type impurity obtained by SIMS analysis are 3 × 10 13 cm -2 and 1 × 10 15 cm -2 , respectively, and the ratio thereof, that is, the activation rate b Is about 3%.
[0037]
Further, when the dose amount [cm −2 ] of the p-type impurity is 1 × 10 14 cm −2 , the density of the activated p-type impurity obtained by SR analysis and the density of the p-type impurity obtained by SIMS analysis [Cm −2 ] is 6 × 10 11 cm −2 and 1 × 10 14 cm −2 , respectively, and the activation rate b is less than 1%.
[0038]
Furthermore, the dose of boron that can be made amorphous is about 10 15 cm −2 or more.
[0039]
Next, as shown in FIG. 6, Al—Si is formed on the p + -type collector layer 9 into which boron ions are implanted by sputtering using a target made of a material obtained by adding Si to Al (Al—Si target). After the
[0040]
That is, it is necessary to set the upper limit of the sintering temperature below the melting point of the material of the emitter electrode 7 or below the temperature at which the quality of the passivation film is maintained. For example, when polyimide is used as the passivation film, the upper limit of the sintering temperature is 560 ° C.
[0041]
The sintering also serves as the annealing for activating the boron ions implanted into the surface of the n + -
[0042]
The activation rate of boron ions in the 450 ° C. sinter is less than 1.0%. Here, as described above, if a part of the p + -type collector layer 9 is made amorphous in the boron ion implantation step of FIG. 5, it is possible to expect a higher activation rate.
[0043]
The p + -type collector layer 9 is formed so that the activation rate b (second activation rate) is higher than 0% and 10% or less. The definition of the activation rate b is the same as the definition of the activation rate a, and (the density of p-type impurities in the activated p + -type collector layer 9 obtained by SR analysis [cm −2 ]) / (The density [cm −2 ] of the p-type impurity in the p + -type collector layer 9 obtained by SIMS analysis). The reason why the value (%) of the activation rate b falls within the above range ( 0 <b ≦ 10 ) is that boron ions are activated by the sinter.
[0044]
Thereafter, a step of forming a V / Ni / Au electrode (not shown) by sputtering according to a well-known method and a step of dicing continue.
[0045]
FIG. 8 shows the n + type of PT-IGBT examined by SIMS analysis in the case where activation of phosphorus ions and boron ions is performed by a sinter and in the case where activation of phosphorus ions and boron ions is performed by laser annealing. The impurity concentration distribution in the buffer layer and the p + -type collector layer is shown.
[0046]
From FIG. 8, in the case of laser annealing, diffusion of boron ions occurs in the region of the surface layer of the p + type collector layer of 0.1 μm, but in the case of the sinter, in the region of the surface layer of the p + type collector layer of 0.1 μm. It can be seen that almost no diffusion of boron ions occurs. That is, by activating boron ions with a sinter, an impurity concentration distribution similar to the Gaussian distribution can be realized.
[0047]
Therefore, as in this embodiment, even if phosphorus ions are activated by laser annealing and a relatively shallow n + type buffer layer is formed, if boron ions are activated by a sinter, a p + type collector diffusion to boron of the n + -type buffer layer in the layer can be sufficiently prevented, it becomes possible to prevent deterioration in controllability of the concentration profile of phosphorus in the n + -type buffer layer.
[0048]
That is, annealing for activating the first conductivity type impurity ions implanted into the first conductivity type base layer and annealing for activating the second conductivity type impurity ions implanted into the first conductivity type buffer layer. Are performed in separate steps, and the second conductive type impurities are hardly diffused into the first conductive type base layer, which is a cause of deterioration in device characteristics and concentration profile controllability. 2 is performed, it becomes possible to manufacture a semiconductor device including a high-breakdown-voltage semiconductor element such as PT-IGBT that can suppress deterioration of element characteristics and controllability of the concentration profile. The condition is, for example, that the temperature of the second annealing is lower than the temperature of the first annealing.
[0049]
In addition, since it is possible to suppress a decrease in controllability of the concentration profile, there is also a problem of the related art that a desired element characteristic that is derived due to a decrease in controllability cannot be obtained or the element characteristic varies depending on the element. can be solved.
[0050]
Thus, by obtaining an n + -type buffer layer and a p + -type collector layer having a desired concentration profile, desired device characteristics can be obtained.
[0051]
In the above, in order to prevent the p-type impurity in the p + -type collector layer from diffusing into the n + -type buffer layer, the temperature control is performed such that the temperature of the second annealing is lower than the temperature of the first annealing. However, instead, the annealing time control, or both temperature control and time control may be used.
[0052]
The present invention is not limited to the above embodiment. For example, the first conductivity type has been described as n-type and the second conductivity type as p-type, but conversely, the first conductivity type may be p-type and the second conductivity type may be n-type.
[0053]
In the above-described embodiment, the sintering process of the
[0054]
Furthermore, although the PT-IGBT discrete device has been described above, the PT-IGBT and other circuits such as a control circuit and a protection circuit thereof may be formed in the same chip.
[0055]
Furthermore, although the case of PT-IGBT has been described in the above embodiment, the present invention can also be applied to other high voltage semiconductor elements such as IEGT (Injection Enhancement Gate Transistor). That is, the present invention can be applied to a semiconductor element (semiconductor device) having a semiconductor structure of a first conductive type base layer with high resistance / first conductive type buffer layer with high impurity concentration / second conductive type collector layer. is there.
[0056]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, regarding the first conductivity type buffer layer constituting the PT-IGBT, the density of the activated first conductivity type impurity in the buffer layer according to SR analysis [cm −2 ]. ) / (The density of the first conductivity type impurity in the buffer layer by SIMS analysis [cm −2 ]), the first activation rate a is 25% or more, and the second conductivity type collector layer , (Density of activated second conductivity type impurities in the collector layer by SR analysis [cm −2 ]) / (density of second conductivity type impurities in the collector layer by SIMS analysis [cm −2 ]) Since the defined second activation rate b is 0 <b ≦ 10 %, V CE (sat) can be made sufficiently small, and the leakage current can be sufficiently reduced in terms of leakage characteristics. .
[0057]
Also, annealing for activating the first conductivity type impurity ions implanted into the first conductivity type base layer and activating the second conductivity type impurity ions implanted into the first conductivity type buffer layer. The annealing is performed in separate steps, and the diffusion of the second conductivity type impurity into the first conductivity type base layer, which causes the deterioration of the device characteristics and the controllability of the concentration profile, hardly occurs. Thus, since the second annealing is performed, it is possible to suppress a decrease in controllability of the impurity concentration profile in the buffer layer of the first conductivity type.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a part of a cross-sectional view showing a method of manufacturing a PT-IGBT according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a part of a sectional view showing a method for manufacturing a PT-IGBT according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a part of a cross-sectional view showing a method for manufacturing a PT-IGBT according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a part of a cross-sectional view showing a method for manufacturing a PT-IGBT according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a part of a cross-sectional view showing a method for manufacturing a PT-IGBT according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a part of a cross-sectional view showing a method for manufacturing a PT-IGBT according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram for explaining SR analysis;
FIG. 8 is a diagram showing the results of examining impurity concentration distributions in an n + -type buffer layer and a p + -type collector layer by SIMS analysis.
FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the activation rate a of the n + -type buffer layer and V CE (sat).
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a conventional PT-IGBT.
FIG. 11 is a diagram for explaining a mechanism of leakage current of a conventional PT-IGBT.
FIG. 12 is a diagram showing the dependence of the activation rate of the first conductivity type impurity ion-implanted on the acceleration energy.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記第2導電型のベース層中に設けられ、前記第1導電型を有するエミッタ層と、
前記エミッタ層と前記第1のベース層とで挟まれた前記第2のベース層上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、
前記第2の表面に設けられ、高不純物濃度を有すると共に、前記第1導電型を有するバッファ層と、
前記バッファ層に設けられ、前記第2導電型を有するコレクタ層とを具備し、
(SR分析による前記バッファ層中の活性化した第1導電型不純物の密度[cm-2])/(SIMS分析による前記バッファ層中の第1導電型不純物の密度[cm-2])で定義される第1の活性化率が25%以上であり、
かつ(SR分析による前記コレクタ層中の活性化した第2導電型不純物の密度[cm-2])/(SIMS分析による前記コレクタ層中の第2導電型不純物の密度[cm-2])で定義される第2の活性化率が0%よりも高くかつ10%以下であることを特徴とする半導体装置。A first base layer having high resistance and first and second surfaces and having a first conductivity type; a second base layer provided in the first surface and having a second conductivity type;
Provided on the base layer of the second conductivity type, an emitter layer having the first conductivity type,
A gate electrode provided on the second base layer sandwiched between the emitter layer and the first base layer via a gate insulating film;
A buffer layer provided on the second surface, having a high impurity concentration and having the first conductivity type;
A collector layer provided on the buffer layer and having the second conductivity type;
(Density of activated first conductivity type impurities in the buffer layer by SR analysis [cm −2 ]) / (Density of first conductivity type impurities in the buffer layer by SIMS analysis [cm −2 ]) The first activation rate is 25% or more,
And (density of activated second conductivity type impurities in the collector layer by SR analysis [cm −2 ]) / (density of second conductivity type impurities in the collector layer by SIMS analysis [cm −2 ]) A semiconductor device characterized in that the second activation rate defined is higher than 0% and not higher than 10%.
前記第1の表面上にゲート絶縁膜となる絶縁膜及びゲート電極となる導電膜を順次被着し、An insulating film to be a gate insulating film and a conductive film to be a gate electrode are sequentially deposited on the first surface,
前記導電膜及び前記絶縁膜を順次パターンニングして前記第1の表面の一部を露出し、Sequentially patterning the conductive film and the insulating film to expose a portion of the first surface;
露出した前記第1の表面中に第2導電型を有する第2のベース層を自己整合的に形成し、Forming a second base layer having a second conductivity type in a self-aligned manner in the exposed first surface;
前記第2のベース層中に前記第1導電型を有するエミッタ層を選択的に形成し、Selectively forming an emitter layer having the first conductivity type in the second base layer;
前記エミッタ層上にエミッタ電極を形成し、Forming an emitter electrode on the emitter layer;
前記第2の表面に前記第1導電型を有する第1の不純物イオンを注入し、Implanting first impurity ions having the first conductivity type into the second surface;
前記第1の不純物イオンを第1のアニールにより活性化し、前記第2の表面に高不純物濃度を有すると共に、前記第1導電型を有するバッファ層を形成し、Activating the first impurity ions by first annealing to form a buffer layer having a high impurity concentration and the first conductivity type on the second surface;
前記バッファ層の表面に前記第2導電型を有する第2の不純物イオンを注入し、Implanting second impurity ions having the second conductivity type into the surface of the buffer layer;
前記第2の不純物イオンを第2のアニールにより活性化し、前記バッファ層中に前記第2導電型を有するコレクタ層を形成し、Activating the second impurity ions by second annealing to form a collector layer having the second conductivity type in the buffer layer;
前記第2のアニールは前記第1のアニールよりも低い温度で行い、前記第1のアニールはレーザーアニール、前記第2のアニールは炉アニールであることを特徴とする半導体装置の製造方法。The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the second annealing is performed at a temperature lower than that of the first annealing, the first annealing is laser annealing, and the second annealing is furnace annealing.
かつ(SR分析による前記コレクタ層中の活性化した第2導電型不純物の密度[cmAnd (density of activated second conductivity type impurities in the collector layer by SR analysis [cm -2-2 ])/(SIMS分析による前記コレクタ層中の第2導電型不純物の密度[cm]) / (Density of second conductivity type impurities in the collector layer by SIMS analysis [cm -2-2 ])で定義される第2の活性化率が0%よりも高くかつ10%以下である請求項4記載の半導体装置の製造方法。The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the second activation rate defined by]) is higher than 0% and not higher than 10%.
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