半导体装置和半导体装置的制造方法制造方法及图纸

从作为n

Semiconductor device and method of manufacturing semiconductor device

From as n

【技术实现步骤摘要】
半导体装置和半导体装置的制造方法本申请是申请日为2012年12月14日、申请号为201280056282.6(国际申请号为PCT/JP2012/082582)、专利技术名称为“半导体装置和半导体装置的制造方法”的专利申请的分案申请。
本专利技术涉及一种半导体装置和半导体装置的制造方法。
技术介绍
对旋转电机和/或伺服电机的控制不可缺少的转换器-变频器等电力转换装置是众所周知的。为了使这样的电力转换装置达到高效率、省电的目的，强烈要求搭载于它们之上的功率二极管和/或绝缘栅双极晶体管(IGBT)等半导体装置满足低损耗化。作为针对这样的低损耗化的要求的改善对策之一，关于二极管和/或IGBT，已知有通过使构成元件结构的半导体层中电阻最高且为厚层的漂移层变薄，从而减少通态电流导致的电压下降而减少通态损耗的电场终止(FS)层结构。该FS层结构是在距离漂移层的耐压主结远的一侧的漂移层内部，设置杂质浓度高于漂移层且与漂移层相同导电型的FS层的结构。通过设置该FS层，从而在断开时可以抑制从耐压主结向高电阻的漂移层中延伸的耗尽层，所以即使削薄漂移层也能够防止穿通。另一方面，在制作(制造)功率设备时，为了降低成本，使用利用FZ(浮动区域硅精炼)法从铸锭切出的晶片(以下，称为FZ晶片)。FZ晶片在投入制造工序时为了减少晶片破裂以厚度600μm以上的厚板状态被投入，但最终为了降低通态损耗而在制造工序中被薄板化且被研磨至设计耐压所必要的较薄的厚度。特别是，对于IGBT等的MOS(金属－氧化膜－半导体)型器件，在FZ晶片的表面侧形成MOS栅极结构、周边耐压结构以及金属电极膜等之后，对FZ晶片的背面侧进行用于削薄FZ晶片的研磨。而且，研磨FZ晶片的背面而削薄晶片厚度后，在FZ晶片被研磨的背面侧形成FS层和/或集电极层。因此，在以往方法中，受到如下的制约，即在对FZ晶片的表面侧的半导体功能层不产生不良影响的条件下形成FS层。因此，形成FS层是不容易的，通常使用扩散系数大的n型杂质元素等来形成FS层。应予说明，除了使用以结晶纯度高的多晶硅为原料的FZ晶片之外，有时还使用以CZ晶片为原料的FZ晶片、或高比电阻的CZ晶片。另外，最近也开发了利用基于质子照射的施主化来形成FS层的方法。基于该质子照射的FS层的形成方法是如下的一种方法，对FZ硅晶圆照射质子离子(H+)而生成的结晶缺陷通过热处理恢复，并且在FZ硅晶圆内部的质子的平均飞程Rp的附近使质子施主化而形成高浓度的n型区域。通过质子照射形成高浓度的n型区域时，已有在质子的照射位置发生电子/空穴的迁移率的降低的记述(例如，参照下述专利文献1)。另外，通过质子照射形成高浓度的n型区域时，已经提出了用于形成阻止区域(FS层)的质子照射条件和质子照射后的优选的热处理条件(例如，参照下述专利文献3～7)。还记载了如下的内容，即质子与其它的离子不同，由于通过与半导体层内的结晶缺陷结合而恢复载流子浓度，所以质子照射时半导体层内生成的结晶缺陷浓度越高，可得到越高的载流子浓度(例如，参照下述专利文献2)。另外，下述专利文献1中，对于由质子照射引起的电子/空穴的迁移率降低的区域有记述。根据该记述做了如下报告，即在晶片的背面附近利用质子照射生成的高浓度的结晶缺陷层使载流子的迁移率降低。下述专利文献2中记述了，通过热处理使利用质子照射生成的结晶缺陷恢复时，按照由质子形成的施主层不消失的程度使结晶缺陷残留。这些记述的原因是，与通常的磷(P)、砷(As)这样的存在于硅(Si)的晶格位置的杂质原子交换最外壳的电子相比，由氢(H)引起的施主(以下，称为氢相关施主)从由利用质子照射形成于硅的多个晶格缺陷(多个空穴等)和被照射的氢原子构成的复合缺陷供给电子而引起的。现有技术文献专利文献专利文献1:美国专利申请公开第2005/0116249号说明书专利文献2:日本特开2006－344977号公报专利文献3:美国专利申请公开第2006/0081923号说明书专利文献4:日本特表2003－533047号公报专利文献5:美国专利申请公开第2009/0186462号说明书专利文献6:美国专利申请公开第2008/0001257号说明书专利文献7:美国专利申请公开第2007/0120170号说明书
技术实现思路
然而，如上述那样利用质子照射形成浓度比半导体基板(FZ晶片)的杂质浓度高的氢相关施主的情况下，由于质子照射在半导体基板内导入较多的无序(是晶格缺陷密度大，且原子距离结晶位置的移动宽度大的状态，接近于非晶体的状态)，其结果，载流子的迁移率也比结晶中的理想值低很多。以这样的状态制作器件的情况下，在器件上施加电压时扩展的耗尽层到达残有无序的区域时，从缺陷中心产生大量的载流子，产生超过允许范围的大小的漏电流。另外，载流子的迁移率降低，所以IGBT的通态电压增加，导通损耗增大。并且，半导体基板内的无序区域成为再结合中心，因而载流子浓度降低，关断时载流子容易枯竭，也成为关断振荡的原因。为了消除这样的问题，利用退火使半导体基板内的结晶缺陷恢复而除去无序的情况下，由于氢相关施主其本身是复合缺陷，所以利用用于除去无序的退火，氢相关施主本身也将消失。如此，在确保所希望的氢相关施主浓度与除去残留于半导体基板内的无序之间存在折衷选择的关系。为了改善该折衷选择的关系，需要在半导体基板内残留氢相关施主，并且充分除去无序，但实现这样的状态的方法还没有被明确。因此，当务之急是开发即使充分除去无序也能够确保所希望的氢相关施主浓度的新的手段。另外，为了得到良好的开关特性，需要在距离半导体基板的背面至少比15μm还要深的区域形成FS层。然而，专利技术人等确认了，为了在距离半导体基板的背面至少比15μm还深的区域形成FS层而将质子照射的平均飞程设定为15μm以上时，从半导体基板的背面至15μm的深度为止的质子通过的区域成为基于扩展电阻测定法(SR：Spread－ResistanceProfiling)测定的载流子浓度与半导体基板的掺杂浓度相比极低的区域、即无序的区域。图8是表示以往的质子照射的平均飞程与载流子浓度的关系的特性图。图8中示出了对硅基板照射质子，在350℃下进行热处理后，利用SR法测定的硅基板的载流子浓度。图8(a)是使质子照射的平均飞程为50μm的情况，图8(b)是使质子照射的平均飞程相同地为20μm的情况，图8(c)是使质子照射的平均飞程为10μm的情况。横轴分别为质子距离入射面的距离(深度)。图8(c)的质子照射的平均飞程10μm中，质子的通过区域尤其没有观察到载流子浓度的降低。另一方面，图8(b)的质子照射的平均飞程20μm中，载流子浓度变得比基板浓度还低，能够观察到载流子浓度的降低。即，残留有无序状态的区域。并且，可知图8(a)的质子照射的平均飞程50μm中，通过区域的载流子浓度的下降显著，残留较多的无序部分。如此，在半导体基板内存在无序区域的情况下，如上所述，漏电流和/或导通损耗增大，所以需要除去无序结构。为了消除上述以往技术的问题点，本专利技术的目的在于提供无序的程度小、且具备氢相关施主浓度高的区域的半导体装置及半导体装置的制造方法。为了解决上述的课题，实现本专利技术的目的，从而本专利技术的半导体装置的制造方法是具备耐压保持用pn结和n型电场终止层的半导体装本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体装置，其特征在于，具备：耐压保持用pn结，设置于n型半导体基板的一个主面侧；以及n型电场终止层，设置于所述n型半导体基板的另一个主面侧的内部，且电阻比所述n型半导体基板低，用于抑制耗尽层从所述耐压保持用pn结扩展，所述n型电场终止层是通过质子照射使得形成在所述n型半导体基板的内部的结晶缺陷被施主化而成的区域，并形成在所述n型半导体基板的深度方向的不同位置具有多个杂质浓度峰的杂质浓度分布，所述n型电场终止层的所述杂质浓度峰的位置和所述n型半导体基板的另一个主面之间的距离大于该杂质浓度峰的位置和与该杂质浓度峰在所述n型半导体基板的一个主面侧相邻的所述杂质浓度峰的位置之间的距离，多个所述杂质浓度峰包括多个所述杂质浓度峰中最靠近所述n型半导体基板的一个主面侧的第一杂质浓度峰、与所述第一杂质浓度峰在所述n型半导体基板的另一个主面侧相邻的第三杂质浓度峰、以及与所述第三杂质浓度峰在所述n型半导体基板的另一个主面侧相邻的第二杂质浓度峰，所述第一杂质浓度峰位于距离所述n型半导体基板的另一个主面有15μm以上的深度，所述第一杂质浓度峰与所述第二杂质浓度峰之间的距离小于所述第二杂质浓度峰的位置与所述n型半导体基板的另一个主面之间的距离。...

【技术特征摘要】
2011.12.15 JP 2011-2749021.一种半导体装置，其特征在于，具备：耐压保持用pn结，设置于n型半导体基板的一个主面侧；以及n型电场终止层，设置于所述n型半导体基板的另一个主面侧的内部，且电阻比所述n型半导体基板低，用于抑制耗尽层从所述耐压保持用pn结扩展，所述n型电场终止层是通过质子照射使得形成在所述n型半导体基板的内部的结晶缺陷被施主化而成的区域，并形成在所述n型半导体基板的深度方向的不同位置具有多个杂质浓度峰的杂质浓度分布，所述n型电场终止层的所述杂质浓度峰的位置和所述n型半导体基板的另一个主面之间的距离大于该杂质浓度峰的位置和与该杂质浓度峰在所述n型半导体基板的一个主面侧相邻的所述杂质浓度峰的位置之间的距离，多个所述杂质浓度峰包括多个所述杂质浓度峰中最靠近所述n型半导体基板的一个主面侧的第一杂质浓度峰、与所述第一杂质浓度峰在所述n型半导体基板的另一个主面侧相邻的第三杂质浓度峰、以及与所述第三杂质浓度峰在所述n型半导体基板的另一个主面侧相邻的第二杂质浓度峰，所述第一杂质浓度峰位于距离所述n型半导体基板的另一个主面有15μm以上的深度，所述第一杂质浓度峰与所述第二杂质浓度峰之间的距离小于所述第二杂质浓度峰的位置与所述n型半导体基板的另一个主面之间的距离。2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述n型电场终止层在所述第二杂质浓度峰与所述n型半导体基板的另一个主面之间具有第四杂质浓度峰，所述n型半导体基板的另一个主面与所述第四杂质浓度峰的位置之间的距离小于所述第二杂质浓度峰的位置与所述第四杂质浓度峰的位置之间的距离。3.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，所述杂质浓度峰为3个以上。4.根据权利要求1～3中任一项所述的半导体装置，其特征在于，多个所述杂质浓度峰中，最靠近所述n型半导体基板的另一个主面侧的所述杂质浓度峰位于距离所述n型半导体基板的另一个主面有6μm以上且15μm以下的深度。5.根据权利要求1～4中任一项所述的半导体装置，其特征在于，所述n型电场终止层具有包括第一部位和第二部位的所述杂质浓度分布，所述第一部位成为所述杂质浓度峰，所述第二部位具有从所述第一部位朝向所述n型半导体基板的两个主面侧降低的浓度梯度。6.一种半导体装置，其特征在于，具备：耐压保持用pn结，设置于n型半导体基板的一个主面侧；以及n型电场终止层，设置于所述n型半导体基板的另一个主面侧的内部，且电阻比所述n型半导体基板低，用于抑制耗尽层从所述耐压保持用pn结扩展，所述n型电场终止层是通过质子照射使得形成在所述n型半导体基板的内部的结晶缺陷被施主化而成的区域，并形成在所述n型半导体基板的深度方向的不同位置具有多个杂质浓度峰的杂质浓度分布，所述n型电场终止层的所述杂质浓度峰的位置和所述n型半导体基板的另一个主面之间的距离大于该杂质浓度峰的位置和与该杂质浓度峰在所述n型半导体基板的一个主面侧相邻的所述杂质浓度峰的位置之间的距离，多个所述杂质浓度峰中，最靠近所述n型半导体基板的一个主面侧的所述杂质浓度峰位于距离所述n型半导体基板的另一个主面有15μm以上的深度，将表示关断时从所述耐压保持用pn结扩展的耗尽层的端部距所述耐压保持用pn结的距离的距离指标用下述(1)式表示，将所述n型半导体基板的厚度设为W0时，所述n型电场终止层的、所述耗尽层最初到达的所述杂质浓度峰的位置距所述n型半导体基板的另一个主面的距离X满足W0-1.4L≤X≤W0-0.8L，其中，Vrate为额定电压，εs为半导体的介电常数，q为基元电荷，JF为额定电流密度，vsat为载流子的饱和速度，Nd为n型半导体基板的平均施主浓度。7.根据权利要求6所述的半导体装置，其特征在于，所述距离X满足W0-1.3L≤X≤W0-0.8L。8.根据权利要求6所述的半导体装置，其特征在于，所述距离X满足W0-1.2L≤X≤W0-0.9L。9.一种半导体装置的制造方法，是具备耐压保持用pn结和n型电场终止层的半导体装置的制造方法，所述耐压保持用pn结设置于n型半导体基板的一个主面侧，所述n型电场终止层设置于所述n型半导体基板的另一个主面侧的内部，且电阻比所述n型半导体基板低，用于抑制耗尽层从所述耐压保持用pn结扩展，其特征在于，包含质子照射工序，从所述n型半导体基板的另一个主面重复进行多次质子照射，在所述n型半导体基板的另一个主面侧的内部形成所述n型电场终止层，所述质子照射的飞程大于该质子照射的飞程与形成相对于利用该质子照射形成的杂质浓度峰在所述n型半导体基板的一个主面侧相邻的杂质浓度峰的所述质子照射的飞程之间的差值，通过多次所述质子照射中的第一质子照射，在距离所述n型半导体基板的另一个主面有15μm以上的深度，形成位于最靠近所述n型半导体基板的一个主面侧的第一杂质浓度峰，所述第一质子照射的飞程与第二质子照射的飞程之间的差值小于所述第二质子照射的飞程，其中，所述第二质子...

【专利技术属性】
技术研发人员：泷下博，吉村尚，宫崎正行，栗林秀直，
申请(专利权)人：富士电机株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP