半導(dǎo)體裝置及半導(dǎo)體裝置的制造方法
【專利摘要】從半導(dǎo)體基板的背面?zhèn)茸⑷胭|(zhì)子，除了使半導(dǎo)體基板內(nèi)部的缺陷恢復(fù)，還使半導(dǎo)體基板的正面?zhèn)戎械臏系佬纬蓞^(qū)的缺陷恢復(fù)。由此，減少柵極閾值電壓的偏差，減少施加反向電壓時(shí)的漏電流。提供一種半導(dǎo)體裝置，具備：在背面?zhèn)染哂邪|(zhì)子的n型雜質(zhì)區(qū)的半導(dǎo)體基板；和在半導(dǎo)體基板的正面?zhèn)葘?duì)質(zhì)子具有阻擋效果的阻擋金屬部。
【專利說明】
半導(dǎo)體裝置及半導(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)體裝置及半導(dǎo)體裝置的制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]以往，作為絕緣柵雙極型晶體管(以下簡(jiǎn)稱為IGBT)的發(fā)射極，已知在阻擋金屬層上形成鋁電極(例如，專利文獻(xiàn)I的第0027段)。另外，已知通過向半導(dǎo)體基板注入質(zhì)子之后進(jìn)行退火，從而緩和結(jié)晶缺陷(例如，專利文獻(xiàn)2)。除此之外，還已知通過向半導(dǎo)體基板注入質(zhì)子之后進(jìn)行退火，從而由空穴(V)、氧(O)以及氫(H)形成VOH缺陷，該VOH缺陷變成供給電子的施主(例如，專利文獻(xiàn)2)。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0004]專利文獻(xiàn)
[0005]專利文獻(xiàn)1:日本特開2006-080110號(hào)公報(bào)
[0006]專利文獻(xiàn)2:日本國(guó)際公開2013/100155號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]技術(shù)問題
[0008]發(fā)射極所使用的阻擋金屬部具有阻擋質(zhì)子向半導(dǎo)體基板注入的效果。因此，隔著阻擋金屬部對(duì)半導(dǎo)體基板進(jìn)行質(zhì)子注入和熱處理，缺陷也不會(huì)充分恢復(fù)。因此，還考慮在形成阻擋金屬部之前從設(shè)置發(fā)射極的半導(dǎo)體基板的正面?zhèn)认虬雽?dǎo)體基板內(nèi)注入質(zhì)子，然后通過熱處理使缺陷恢復(fù)，之后從設(shè)置集電極的半導(dǎo)體基板的背面向半導(dǎo)體基板內(nèi)注入質(zhì)子，然后通過熱處理使缺陷恢復(fù)。然而，若增加質(zhì)子注入后的熱處理工序，則制造成本會(huì)上升。
[0009]技術(shù)方案
[0010]在本發(fā)明的第一實(shí)施方式中，提供具備半導(dǎo)體基板和阻擋金屬部的半導(dǎo)體裝置。半導(dǎo)體基板可以在其背面?zhèn)染哂邪|(zhì)子的η型雜質(zhì)區(qū)。阻擋金屬部可以在半導(dǎo)體基板的正面?zhèn)葘?duì)質(zhì)子具有阻擋效果。從η型雜質(zhì)區(qū)擴(kuò)散的質(zhì)子可以恢復(fù)殘留于半導(dǎo)體基板內(nèi)部的缺陷。另外，從η型雜質(zhì)區(qū)擴(kuò)散的質(zhì)子可以終結(jié)柵極絕緣膜與半導(dǎo)體基板之間的界面的懸掛鍵。即，在柵極絕緣膜與半導(dǎo)體基板之間的界面可以存在氫原子。
[0011]η型雜質(zhì)區(qū)可以在半導(dǎo)體基板的背面?zhèn)扰c正面?zhèn)戎g的不同的深度位置具有載流子濃度的多個(gè)峰。另外，η型雜質(zhì)區(qū)可以具有第一雜質(zhì)區(qū)和第二雜質(zhì)區(qū)。第一雜質(zhì)區(qū)可以具有含預(yù)先決定的載流子濃度的雜質(zhì)區(qū)。第二雜質(zhì)區(qū)的載流子濃度可以比預(yù)先決定的載流子濃度低。第二雜質(zhì)區(qū)可以設(shè)置于比第一雜質(zhì)區(qū)更靠近半導(dǎo)體基板的背面?zhèn)鹊奈恢谩Ａ硗?，從半?dǎo)體基板的正面?zhèn)瘸虮趁鎮(zhèn)?，η型雜質(zhì)區(qū)可以具有第一雜質(zhì)區(qū)?第四雜質(zhì)區(qū)。第一雜質(zhì)區(qū)的載流子濃度比第二雜質(zhì)區(qū)的載流子濃度大，第一雜質(zhì)區(qū)的載流子濃度和第三雜質(zhì)區(qū)的載流子濃度大致相等，第四雜質(zhì)區(qū)的載流子濃度可以比第一雜質(zhì)區(qū)的載流子濃度大。
[0012]可以在半導(dǎo)體基板的正面?zhèn)冗M(jìn)一步具備柵電極。另外，還可以具備設(shè)置在柵電極與半導(dǎo)體基板之間的柵極絕緣膜。在柵極絕緣膜與半導(dǎo)體基板之間的界面可以存在氫原子。
[0013]在本發(fā)明的第二實(shí)施方式中，提供半導(dǎo)體裝置的制造方法，其具備:形成阻擋金屬部的階段、形成雜質(zhì)區(qū)的階段以及進(jìn)行熱處理的階段。形成阻擋金屬部的階段可以在半導(dǎo)體基板的正面?zhèn)葘?duì)質(zhì)子具有阻擋效果。在形成雜質(zhì)區(qū)的階段中，可以從半導(dǎo)體基板的背面?zhèn)茸⑷胭|(zhì)子。在進(jìn)行熱處理的階段中，可以對(duì)已注入了質(zhì)子的半導(dǎo)體基板進(jìn)行熱處理。
[0014]形成雜質(zhì)區(qū)的階段可以包括改變包含加速電壓和每單位面積的注入量的注入條件，多次向不同深度的位置注入質(zhì)子的階段。另外，形成雜質(zhì)區(qū)的階段可以具有進(jìn)行第一次質(zhì)子注入的階段和進(jìn)行第二次質(zhì)子注入的階段。在進(jìn)行第一次質(zhì)子注入的階段中，可以形成含預(yù)先決定的載流子濃度的雜質(zhì)區(qū)。在進(jìn)行第二次質(zhì)子注入的階段中，可以為了使載流子濃度比預(yù)先決定的載流子濃度低而改變注入條件，之后相比第一次質(zhì)子注入的階段在更靠近半導(dǎo)體基板的背面?zhèn)鹊奈恢眯纬呻s質(zhì)區(qū)。
[0015]形成雜質(zhì)區(qū)的階段可以進(jìn)一步具有進(jìn)行第三次質(zhì)子注入的階段和進(jìn)行第四次質(zhì)子注入的階段。在進(jìn)行第三次質(zhì)子注入的階段中，可以相比第二次質(zhì)子注入的階段在更靠近半導(dǎo)體基板的背面?zhèn)鹊奈恢眯纬呻s質(zhì)區(qū)。在進(jìn)行第四次質(zhì)子注入的階段中，可以相比第三次質(zhì)子注入的階段在更靠近半導(dǎo)體基板的背面?zhèn)鹊奈恢眯纬呻s質(zhì)區(qū)。若將第一次、第二次、第三次以及第四次質(zhì)子注入中的每單位面積的注入量分別設(shè)為NlN^N3以及N4,則可以滿足N2<Ni?N3<N4的關(guān)系。
[0016]應(yīng)予說明，上述的發(fā)明的內(nèi)容沒有例舉出本發(fā)明的全部必要特征。并且，這些特征組的子組合也可屬于本發(fā)明。
【附圖說明】
[0017]圖1是表示半導(dǎo)體裝置100的構(gòu)成例的圖。
[0018]圖2中(a)?(d)是依次形成FS層50中的第一雜質(zhì)區(qū)?第四雜質(zhì)區(qū)的工序的圖。
[0019]圖3是表示在對(duì)注入了質(zhì)子的半導(dǎo)體基板90進(jìn)行熱處理之后的第一雜質(zhì)區(qū)?第四雜質(zhì)區(qū)中的載流子濃度分布的圖。
[0020]圖4是表示與FS層50的有無(wú)對(duì)應(yīng)的漏電流的比較結(jié)果的圖。
[0021]圖5a是表示在半導(dǎo)體基板90的正面?zhèn)刃纬蒑OS柵結(jié)構(gòu)30的階段的圖。
[0022]圖5b是表示對(duì)半導(dǎo)體基板90的背面?zhèn)冗M(jìn)行研磨的階段的圖。
[0023]圖5c是表示從半導(dǎo)體基板90的背面?zhèn)茸⑷胭|(zhì)子的階段的圖。
[0024]圖5d是表示對(duì)半導(dǎo)體基板90進(jìn)行熱處理的階段的圖。
[0025]圖5e是示意地表示半導(dǎo)體基板90的缺陷得到恢復(fù)的情況的圖。
[0026]圖5f是表示在半導(dǎo)體基板90的背面?zhèn)刃纬杉姌O層60和集電極70的階段的圖。
[0027]圖6a是表示從半導(dǎo)體基板90的背面?zhèn)茸⑷胭|(zhì)子的階段的圖。
[0028]圖6b是表示對(duì)半導(dǎo)體基板90進(jìn)行熱處理的階段的圖。
[0029]圖6c是表示在半導(dǎo)體基板90的缺陷得到恢復(fù)之后，在半導(dǎo)體基板90的背面?zhèn)刃纬杉姌O層60和集電極70的階段的圖。
[°03°]圖7是表不半導(dǎo)體基板90的氫的分布的圖。
[0031]符號(hào)說明
[0032]20:第一金屬層
[0033]21:層間絕緣膜
[0034]22:第一金屬的氮化物層
[0035]24:第二金屬層
[0036]26:發(fā)射極
[0037]28:插件
[0038]30:M0S 柵結(jié)構(gòu)
[0039]32:第一導(dǎo)電型區(qū)
[0040]34:第二導(dǎo)電型區(qū)
[0041]36:柵電極
[0042]38:柵極絕緣膜
[0043]40:基區(qū)層
[0044]50:FS層
[0045]51:雜質(zhì)區(qū)
[0046]60:集電極層
[0047]70:集電極
[0048]90:半導(dǎo)體基板
[0049]95:氫擴(kuò)散區(qū)nn
[0050]100:半導(dǎo)體裝置[0051 ]200:半導(dǎo)體裝置
【具體實(shí)施方式】
[0052]以下，通過本發(fā)明的實(shí)施方式說明本發(fā)明，但以下的實(shí)施方式并不限定權(quán)利要求中的發(fā)明。另外，在實(shí)施方式中說明的特征的組合未必全部都是解決本發(fā)明的技術(shù)問題的必要技術(shù)特征。另外，在本申請(qǐng)說明書的說明中，1E+15中的E的記載是以10為冪的底數(shù)，例如 1E+15 是指 1X1015。
[0053]圖1是表示半導(dǎo)體裝置100的構(gòu)成例的圖。圖1表示沿橫切柵電極36的方向切割的半導(dǎo)體裝置100的截面。應(yīng)予說明，半導(dǎo)體裝置100雖然具有多個(gè)IGBT元件和其他的元件，但在圖1中僅表示一個(gè)IGBT。
[0054]半導(dǎo)體裝置100在半導(dǎo)體基板90的正面?zhèn)染哂蠱OS柵結(jié)構(gòu)30，在半導(dǎo)體基板90的背面?zhèn)染哂蠵n結(jié)。在本說明書中，半導(dǎo)體基板90的表(正)面是指形成發(fā)射極26的一面，半導(dǎo)體基板90的背面是指形成集電極70的一面。另外，正面?zhèn)仁侵缚拷雽?dǎo)體基板90的表面的一面，背面?zhèn)仁侵缚拷雽?dǎo)體基板90的背面的一面。例如，第二導(dǎo)電型區(qū)34的正面?zhèn)仁侵傅诙?dǎo)電型區(qū)34與第一金屬的氮化物層22之間的界面，第二導(dǎo)電型區(qū)34的背面?zhèn)仁侵傅诙?dǎo)電型區(qū)34與基區(qū)層40之間的界面。
[0055]半導(dǎo)體裝置100具備半導(dǎo)體基板90、設(shè)置于半導(dǎo)體基板90的正面?zhèn)鹊陌l(fā)射極26和層間絕緣膜21、設(shè)置于半導(dǎo)體基板90的背面?zhèn)鹊募姌O70。半導(dǎo)體基板90具有第一導(dǎo)電型區(qū)32、第二導(dǎo)電型區(qū)34、柵電極36、柵極絕緣膜38、基區(qū)層40、FS層50以及集電極層60。
[0056]MOS柵結(jié)構(gòu)30具有發(fā)射極26、層間絕緣膜21、第一導(dǎo)電型區(qū)32、第二導(dǎo)電型區(qū)34、柵電極36以及柵極絕緣膜38。在第二導(dǎo)電型區(qū)34的與柵極絕緣膜38之間的界面，即隔著柵極絕緣膜38與柵電極36對(duì)置的界面是溝道形成區(qū)。溝道形成區(qū)是在柵電極36施加MOS柵極的閾值以上的電壓時(shí)形成η型的反型層的區(qū)域。發(fā)射極26具有第一金屬層20、第一金屬的氮化物層22以及第二金屬層24。第一金屬層20和第一金屬的氮化物層22構(gòu)成相對(duì)于第二金屬層24的阻擋金屬部。作為阻擋金屬部的第一金屬層20和第一金屬的氮化物層22用于減少第二金屬層24和第一導(dǎo)電型區(qū)32之間的接觸電阻。另外，阻擋金屬部改善發(fā)射極26的覆蓋。
[0057]在本例中，第一金屬層20為鈦層，第一金屬的氮化物層22為氮化鈦層，第二金屬層24為鋁層。在其他的例子中，第一金屬層20可以為鉭層，第一金屬的氮化物層22可以為氮化組層。
[0058]阻擋金屬部還具有防止金屬材料向半導(dǎo)體基板90擴(kuò)散的功能。另外，阻擋金屬部在設(shè)置于半導(dǎo)體基板90的正面?zhèn)鹊那闆r下，具有阻擋從正面?zhèn)茸⑷氲桨雽?dǎo)體基板90的質(zhì)子(H+離子)的效果。
[0059]本例的MOS柵結(jié)構(gòu)30具有所謂的溝槽柵結(jié)構(gòu)。在本例中第一導(dǎo)電型區(qū)32為形成于基區(qū)層40的正面?zhèn)鹊摩?型區(qū)。另外，第二導(dǎo)電型區(qū)34是包圍第一導(dǎo)電型區(qū)32，并以分離第一導(dǎo)電型區(qū)32和基區(qū)層40的方式形成的P型區(qū)。若向柵電極36施加規(guī)定的電壓，則在柵極絕緣膜38和第二導(dǎo)電型區(qū)34形成溝道，第一導(dǎo)電型區(qū)32和基區(qū)層40導(dǎo)通。由此，MOS柵結(jié)構(gòu)30作為MOSFET動(dòng)作。
[0000]基區(qū)層40為第一導(dǎo)電型的半導(dǎo)體層。本例的基區(qū)層40為η型娃層。在MOS柵結(jié)構(gòu)30作為MOSFET動(dòng)作時(shí)，基區(qū)層40作為漂移層起作用。
[0061]FS層50具有第一導(dǎo)電型，形成于基區(qū)層40的背面?zhèn)?。FS層50形成在半導(dǎo)體基板90的背面?zhèn)鹊母浇?。FS層50是終止施加反向電壓時(shí)的耗盡層的擴(kuò)散的場(chǎng)終止(Field Stop)層。
[0062]FS層50具有包含質(zhì)子的η型雜質(zhì)區(qū)。η型雜質(zhì)區(qū)是通過注入質(zhì)子并進(jìn)行熱處理而形成的η+型的區(qū)域。η型雜質(zhì)區(qū)在半導(dǎo)體基板90的背面?zhèn)扰c正面?zhèn)戎g的不同深度的位置具有載流子濃度的多個(gè)峰。通過多次以不同的加速電壓從半導(dǎo)體基板90的背面?zhèn)茸⑷胭|(zhì)子，能夠調(diào)節(jié)質(zhì)子的注入位置。另外，通過改變每單位面積的注入量并多次在不同深度的位置注入質(zhì)子，能夠根據(jù)質(zhì)子的注入位置調(diào)節(jié)雜質(zhì)濃度。應(yīng)予說明，質(zhì)子注入階段在集電極層60和集電極70的形成階段之前進(jìn)行。
[0063]在半導(dǎo)體基板90為硅晶圓的情況下，半導(dǎo)體基板90具有某種程度的氧。例如，F(xiàn)Z晶圓具有1E+I5cm—3?1E+I6cm—3的程度的氧。另外例如，CZ晶圓具有1E+I6cm—3?1E+I7cm—3的程度的氧。應(yīng)予說明，半導(dǎo)體基板90因質(zhì)子注入或者電子束照射等而導(dǎo)致在內(nèi)部具有空穴(V)。通過對(duì)具有空穴(V)、氧(O)以及氫(H)的半導(dǎo)體基板90進(jìn)行熱處理(退火)，從而在FS層50形成VOH缺陷。VOH缺陷是供給電子的施主。
[0064]因此，F(xiàn)S層50的η型雜質(zhì)區(qū)作為場(chǎng)終止層起作用。因此，能夠防止在施加反向電壓時(shí)耗盡層擴(kuò)散至超越FS層50。由此，能夠減少施加反向電壓時(shí)的漏電流。
[0065]應(yīng)予說明，注入到半導(dǎo)體基板90的質(zhì)子不是全部都有助于VOH缺陷的形成。即，注入到半導(dǎo)體基板90的質(zhì)子的一部分在半導(dǎo)體基板90的內(nèi)部擴(kuò)散。例如，被注入的質(zhì)子的一部分會(huì)擴(kuò)散到半導(dǎo)體基板90的正面?zhèn)取?br>[0066]擴(kuò)散到半導(dǎo)體基板90的正面?zhèn)鹊馁|(zhì)子使半導(dǎo)體基板90內(nèi)部的缺陷恢復(fù)。例如，從半導(dǎo)體基板90的背面?zhèn)葦U(kuò)散到正面?zhèn)鹊馁|(zhì)子能夠使在柵極絕緣膜38附近的第二導(dǎo)電型區(qū)34的結(jié)晶缺陷恢復(fù)。即，能夠使在IGBT的溝道形成區(qū)中的結(jié)晶缺陷恢復(fù)。另外，還能夠恢復(fù)在形成設(shè)置柵電極36的溝槽時(shí)產(chǎn)生的第二導(dǎo)電型區(qū)34和基區(qū)層40的缺陷(蝕刻損傷)。由此，能夠減少各IGBT的柵極閾值電壓(Vth)的偏差。
[0067]集電極層60設(shè)置于半導(dǎo)體基板90的背面?zhèn)鹊亩瞬?。集電極層60具有第二導(dǎo)電型。本例的集電極層60為P+型硅層。應(yīng)予說明，第一導(dǎo)電型區(qū)32、第二導(dǎo)電型區(qū)34、基區(qū)層40、FS層50以及集電極層60由相同的材料(本例中為硅)形成。
[0068]集電極70形成于集電極層60的背面?zhèn)?。集電極70通過將例如鋁蒸鍍或者濺射到集電極層60的背面?zhèn)榷纬伞?br>[0069]圖2中(a)?(d)是表示形成FS層50中的第一雜質(zhì)區(qū)?第四雜質(zhì)區(qū)的工序的圖。本例的FS層50中的η型雜質(zhì)區(qū)具有第一雜質(zhì)區(qū)5Ia?第四雜質(zhì)區(qū)5Id。應(yīng)予說明，第一雜質(zhì)區(qū)51a?第四雜質(zhì)區(qū)51d為例示，η型雜質(zhì)區(qū)還可以具有五個(gè)以上的雜質(zhì)區(qū)。第一雜質(zhì)區(qū)51a位于η型雜質(zhì)區(qū)中的最正面?zhèn)?。第二雜質(zhì)區(qū)51b設(shè)置于比第一雜質(zhì)區(qū)51a更靠近半導(dǎo)體基板90的背面?zhèn)鹊奈恢?。第三雜質(zhì)區(qū)51c設(shè)置于比第二雜質(zhì)區(qū)51b更靠近半導(dǎo)體基板90的背面?zhèn)鹊奈恢?，第四雜質(zhì)區(qū)51d設(shè)置于比第三雜質(zhì)區(qū)51c更靠近半導(dǎo)體基板90的背面?zhèn)鹊奈恢谩?br>[0070]在本例中，在形成了MOS柵結(jié)構(gòu)30之后，從半導(dǎo)體基板90的背面注入質(zhì)子。首先，在加速電壓是1.45MeV、每單位面積的注入量是lE++13/cm2的條件下，進(jìn)行第一次質(zhì)子注入。接下來，將注入條件改變?yōu)榧铀匐妷菏?.10MeV、每單位面積的注入量是7E+12/Cm2，相比第一次質(zhì)子注入的階段在更靠近半導(dǎo)體基板90的背面?zhèn)鹊奈恢?，進(jìn)行第二次質(zhì)子注入。通過使第一次的注入量比第二次的注入量多，能夠在熱處理時(shí)使質(zhì)子擴(kuò)散到靠近半導(dǎo)體基板90的正面?zhèn)鹊奈恢?。由此，正面?zhèn)鹊娜毕菀材軌虻玫交謴?fù)。
[0071]在本例中，由于使質(zhì)子擴(kuò)散到靠近半導(dǎo)體基板90的正面?zhèn)鹊奈恢枚谷毕莼謴?fù)，所以優(yōu)選盡可能地將第一次的質(zhì)子注入到靠近半導(dǎo)體基板90的正面?zhèn)鹊奈恢?。然而，若將質(zhì)子注入到靠近正面?zhèn)鹊奈恢?，則必須以相應(yīng)大的加速電壓進(jìn)行質(zhì)子的注入。隨著加速電壓的變大，由質(zhì)子的注入帶來的半導(dǎo)體基板90的缺陷也增加。另外，隨著加速電壓的變大，由于注入量在深度方向存在不均，所以難以在一定深度控制注入量。因此，靠近半導(dǎo)體基板90的最正面?zhèn)鹊牡谝淮巫⑷氲馁|(zhì)子，例如位于從溝道形成區(qū)朝向背面?zhèn)染嚯x20μπι?70μπι的適當(dāng)?shù)奈恢眉纯伞?br>[0072]接著，將注入條件改變?yōu)榧铀匐妷哼_(dá)0.82MeV、每單位面積的注入量達(dá)ΙΕ+13/cm2，相比第二次質(zhì)子注入的階段在更靠近半導(dǎo)體基板90的背面?zhèn)鹊奈恢?，進(jìn)行第三次質(zhì)子注入。最后，將注入條件改變?yōu)榧铀匐妷哼_(dá)0.40MeV、每單位面積的注入量達(dá)3E+14/cm2，相比第三次質(zhì)子注入的階段在更靠近半導(dǎo)體基板90的背面?zhèn)鹊奈恢茫M(jìn)行第四次質(zhì)子注入。這樣，在半導(dǎo)體基板的背面?zhèn)扰c正面?zhèn)戎g的不同深度的位置進(jìn)行質(zhì)子注入。
[0073]在質(zhì)子注入階段中，若將第一次、第二次、第三次以及第四次的質(zhì)子注入中的每單位面積的注入量分別設(shè)為Nl、N2、N3以及N4，則滿足N2<Nl?N3<N4的關(guān)系即可。在本說明書中，Νι?N3是指Ni和N3大致相同。在本例中，Ni = N3=lE+13/cm2。在質(zhì)子注入結(jié)束之后，對(duì)半導(dǎo)體基板90進(jìn)行熱處理，形成作為η型雜質(zhì)區(qū)的第一雜質(zhì)區(qū)?第四雜質(zhì)區(qū)。由此，完成FS層50 ο
[0074]應(yīng)予說明，第一次質(zhì)子注入中的每單位面積的注入量Ni比N2大，并且注入量可以為ΙΕ+12/cm2以上且ΙΕ+14/cm2以下，進(jìn)一步可以為3E+12/cm2以上且3E+13/cm2以下。另外，第一雜質(zhì)區(qū)51a可以在向柵極關(guān)斷的IGBT施加的電壓下完全地耗盡。為此，從第二導(dǎo)電型區(qū)34到第一雜質(zhì)區(qū)51a與第二雜質(zhì)區(qū)51b之間的邊界的載流子濃度的積分值可以至少比臨界積分濃度nc小，優(yōu)選為比臨界積分濃度nc的一半小。
[0075]在此，臨界積分濃度nc如下所述。雪崩擊穿所產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度的值被稱為臨界電場(chǎng)強(qiáng)度(Critical Electric Field Strength)。雪崩擊穿取決于半導(dǎo)體的構(gòu)成元素、摻雜到半導(dǎo)體中的雜質(zhì)、以及雜質(zhì)的濃度。若將施主濃度設(shè)為Nd，將臨界電場(chǎng)強(qiáng)度設(shè)為EC，使用硅
(Si)中的碰撞電離系數(shù)進(jìn)行離子積分，則臨界電場(chǎng)強(qiáng)度Ec由數(shù)式I表示。
[0076][數(shù)式I]
[0077]Ec = 4010.(Nd)178
[0078]由數(shù)式I可知，如果施主濃度Nd確定，則臨界電場(chǎng)強(qiáng)度Ec也確定。另外，泊松式在僅考慮一維方向(設(shè)為X方向)的情況下，由數(shù)式2表示。
[0079][數(shù)式2]
[0080]dE/dx= (q/ereo) (ρ-π+Nd-Na)
[0081]在此，q為基本電荷(1.062父1015[(:])，￡()為真空介電常數(shù)(8.854\10—14[?/(^])，Er為物質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)。在使用硅的情況下，Er= 11.9 C3P為空穴濃度，η為電子濃度，Na為受主濃度。由于考慮到單邊突變結(jié)且僅為η型層，所以不存在受體(Na = O)。進(jìn)一步，若假設(shè)為不存在空穴和電子的完全耗盡的(η = ρ = 0)耗盡層，則以深度X對(duì)數(shù)式2進(jìn)行積分，得到數(shù)式3。
[0082][數(shù)式3]
[0083]E= (q/εΓεο)/Ν??χ
[0084]將ρη結(jié)的位置設(shè)為原點(diǎn)0，將η型層中與ρη結(jié)相反一側(cè)的位置中的耗盡層的端部的位置設(shè)為xo。并且，以O(shè)?XO對(duì)整個(gè)耗盡層進(jìn)行積分，數(shù)式3的E成為電場(chǎng)強(qiáng)度分布的最大值。若將其設(shè)為Em，則Em由數(shù)式4表示。
[0085][數(shù)式4]
[0086]Em= (q/ εΓεο)/οΧΟΝ??χ
[OO87 ]若電場(chǎng)強(qiáng)度分布的最大值Em到達(dá)臨界電場(chǎng)強(qiáng)度Ec，則數(shù)式4由數(shù)式5表不。
[0088][數(shù)式5]
[0089]Ec(ereo/q) =JoxoNodx
[0090]數(shù)式5的兩邊均是恒定值。由于數(shù)式5的右邊為η型層中完全耗盡的范圍，所以根據(jù)本說明書中記載的定義，表示為臨界積分濃度η。。由此得到以下的數(shù)式6。數(shù)式6表示臨界積分濃度nc與臨界電場(chǎng)強(qiáng)度Ec的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這樣，臨界積分濃度nc成為與臨界電場(chǎng)強(qiáng)度Ec對(duì)應(yīng)的恒定值。
[0091][數(shù)式6]
[0092]Ec(ere0/q) =nc
[0093]應(yīng)予說明，在上述計(jì)算中，假設(shè)施主濃度Nd在η型層的X方向的濃度分布是一樣的。由于臨界電場(chǎng)強(qiáng)度Ec取決于η型層的施主濃度Nd(數(shù)式5)，因而臨界積分濃度nc也取決于η型層的施主濃度Nd。若施主濃度Nd為I X 1013(/cm3)?I X 1015(/cm3)的范圍，則臨界積分濃度nc為I.I X 1012(/cm3)?2.0 X 1012(/cm2)。鑒于施主濃度具有跨及幾個(gè)數(shù)量級(jí)的濃度范圍，因而臨界積分濃度nc也可視為幾乎恒定。
[0094]例如，在實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置100的額定電壓為1200V的例子中，若將基區(qū)層40的施主濃度Nd設(shè)為6.1 X 1013(/cm3)，則根據(jù)數(shù)式6，可以將臨界積分濃度η。評(píng)價(jià)為約1.4 X1012(/cm2)。另外，在額定電壓為600V的例子中，若將基區(qū)層40的施主濃度Nd設(shè)為1.4Χ1014(/cm3)，則根據(jù)數(shù)式6，可以將臨界積分濃度η。評(píng)價(jià)為約1.55X1012(/cm2)。另外，上述的臨界總雜質(zhì)量的說法并不限于使用硅的情況，還可應(yīng)用于使用碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、金剛石、氧化鎵(Ga2O3)等的寬禁帶半導(dǎo)體。即，為了導(dǎo)出數(shù)式1，碰撞電離系數(shù)、數(shù)式2中的相對(duì)介電常數(shù)使用各物質(zhì)的相應(yīng)值即可。
[0095]圖3是表示對(duì)注入了質(zhì)子的半導(dǎo)體基板90進(jìn)行熱處理之后的第一雜質(zhì)區(qū)?第四雜質(zhì)區(qū)中的載流子濃度分布的圖。第一雜質(zhì)區(qū)51a是具有含預(yù)先決定的載流子濃度的雜質(zhì)區(qū)。在本例中，第一雜質(zhì)區(qū)51a具有0.8E+15/cm3的載流子濃度。第二雜質(zhì)區(qū)51b的載流子濃度比第一雜質(zhì)區(qū)51a中的所述預(yù)先決定的載流子濃度低。在本例中，第二雜質(zhì)區(qū)51b具有0.7E+15/cm3的載流子濃度。第三雜質(zhì)區(qū)51c具有1.0E+15/cm3的載流子濃度，第四雜質(zhì)區(qū)51d具有超過5.0E+15/cm3的載流子濃度。這樣，F(xiàn)S層50的η型雜質(zhì)區(qū)在半導(dǎo)體基板90的不同深度的位置具有載流子濃度的多個(gè)峰。
[0096]圖4是表示與本例的FS層50的有無(wú)對(duì)應(yīng)的漏電流的比較結(jié)果的圖。橫軸表示施加到IGBT的反向電壓的大小(V)，縱軸表示漏電流(Α)。無(wú)質(zhì)子注入表示利用除質(zhì)子注入以外的方法制成FS層。例如，通過注入磷而形成FS層的情況。另一方面，有質(zhì)子注入是表示如本例所示通過質(zhì)子注入形成FS層50。與利用除質(zhì)子注入以外的方法制成FS層的情況相比，具有本例的FS層50的情況漏電流小。認(rèn)為其原因是在熱處理時(shí)使質(zhì)子擴(kuò)散到靠近半導(dǎo)體基板90的正面?zhèn)鹊奈恢枚谷毕莼謴?fù)，其結(jié)果使柵極閾值增加恢復(fù)到規(guī)定值。
[0097]圖5a?圖5f是表示半導(dǎo)體裝置100的制造階段的圖。首先，如圖5a所示，將MOS柵結(jié)構(gòu)30形成于半導(dǎo)體基板90的正面?zhèn)取Ｐ纬蒑OS柵結(jié)構(gòu)30的階段包括在半導(dǎo)體基板90的正面?zhèn)刃纬勺鳛樽钃踅饘俨康牡谝唤饘賹?0和第一金屬的氮化物層22的階段。在該階段中，形成第一導(dǎo)電型區(qū)32、第二導(dǎo)電型區(qū)34和柵電極36以及柵極絕緣膜38時(shí)產(chǎn)生的缺陷等存在于溝道形成區(qū)。
[0098]之后，如圖5b所示，對(duì)半導(dǎo)體基板90的背面?zhèn)冗M(jìn)行研磨使其變薄。再之后，如圖5c所示，從半導(dǎo)體基板90的背面?zhèn)茸⑷胭|(zhì)子，形成雜質(zhì)區(qū)。如之前的圖2所示那樣，質(zhì)子的注入分成第一次至第四次進(jìn)行。從第一次至第四次依次減弱加速電壓而調(diào)節(jié)質(zhì)子注入深度，使得第一次質(zhì)子注入位置最靠近半導(dǎo)體基板90的正面?zhèn)?，第四次質(zhì)子注入位置最靠近半導(dǎo)體基板90的背面?zhèn)?。若將第一次至第四次的每單位面積的注入量分別設(shè)為NlN^N3以及N4,則滿足N2<Ni?N3<N4的關(guān)系。
[0099]之后，如圖5d所示，在300°C至500°C的溫度下對(duì)半導(dǎo)體基板90進(jìn)行30分鐘至10小時(shí)的熱處理。在熱處理階段中，注入的質(zhì)子的一部分在FS層50中形成VOH缺陷。另外，其他一部分在半導(dǎo)體基板90內(nèi)擴(kuò)散到達(dá)正面?zhèn)龋謴?fù)基區(qū)層40中的剩余缺陷和溝道形成區(qū)的缺陷。應(yīng)予說明，由于認(rèn)為質(zhì)子也到達(dá)柵極絕緣膜38與半導(dǎo)體基板90的第二導(dǎo)電型區(qū)34之間的界面，所以氫原子可以不存在于該界面。即，第二導(dǎo)電型區(qū)34的硅的懸掛鍵可以通過質(zhì)子終結(jié)，形成硅-氫鍵。由此，能夠減少施加反向電壓時(shí)的漏電流，并且能夠減少柵極閾值電壓(Vth)的偏差。
[0100]圖5e是示意性地表示半導(dǎo)體基板90的缺陷得到恢復(fù)的情況的圖。之后，如圖5f所示，在半導(dǎo)體基板90的背面?zhèn)茸⑷肓椎入s質(zhì)而形成作為p+型硅層的集電極層60。接著，通過進(jìn)行鋁的蒸鍍或者濺射，在集電極層60的背面?zhèn)刃纬杉姌O70。
[0101]根據(jù)本實(shí)施例，在形成阻擋金屬部之后，從半導(dǎo)體基板90的背面?zhèn)冗M(jìn)行質(zhì)子注入，之后通過熱處理使質(zhì)子擴(kuò)散到正面?zhèn)?，因而一次性進(jìn)行用于缺陷恢復(fù)的熱處理即可。即，沒有必要從半導(dǎo)體基板90的正面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)冗M(jìn)行兩次質(zhì)子注入和熱處理。因此，與進(jìn)行兩次質(zhì)子注入和熱處理的情況相比較，能夠減少熱處理的工序次數(shù)而抑制制造成本。
[0102]圖6a?圖6c是表示半導(dǎo)體裝置200的制造階段的圖。本例在如下兩方面與半導(dǎo)體裝置100不同，S卩，不是以與第一金屬層20和第二金屬層24兩者同時(shí)直接接觸的方式設(shè)置第一金屬的氮化物層22;在第一金屬的氮化物層22和第二金屬層24之間具有插件28。其他均與半導(dǎo)體裝置100的例子相同。本例的插件28可以為由鎢構(gòu)成的插件28。插件28將第一金屬的氮化物層22和第二金屬層24連接。圖6a相當(dāng)于圖5c，是表示從半導(dǎo)體基板90的背面?zhèn)冗M(jìn)行質(zhì)子注入的階段的圖。圖6b相當(dāng)于圖5d，是表示對(duì)半導(dǎo)體基板90進(jìn)行熱處理的階段的圖。圖6c相當(dāng)于圖5e和圖5f，是表示在使半導(dǎo)體基板90的缺陷恢復(fù)之后，在半導(dǎo)體基板90的背面?zhèn)刃纬杉姌O層60和集電極70的階段的圖。
[0103]在本例中，在形成MOS柵結(jié)構(gòu)30之后從半導(dǎo)體基板90的背面?zhèn)热鐖D2所示進(jìn)行質(zhì)子注入。由此，在應(yīng)用了阻擋金屬部的半導(dǎo)體裝置200中，能夠減少施加反向電壓時(shí)的漏電流，能夠減少柵極閾值電壓(Vth)的偏差。另外，與經(jīng)兩次進(jìn)行質(zhì)子注入和熱處理的情況相比較，能夠減少熱處理的工序次數(shù)并抑制制造成本。應(yīng)予說明，本說明書中記載的技術(shù)的應(yīng)用不限于IGBT。例如，也能夠應(yīng)用于在形成阻擋金屬部之后限定使用期限的元件。
[0104]圖7是表示半導(dǎo)體基板90中的氫的分布的圖。在圖7中，示出半導(dǎo)體裝置100的截面和本實(shí)施方式的凈摻雜濃度分布。應(yīng)予說明，半導(dǎo)體裝置200也可以具有相同的凈摻雜濃度分布和氫濃度分布。
[0105]注入氫的深度可以由最深的質(zhì)子的射程決定。另一方面，通過質(zhì)子注入后的熱處理，如圖7所示，比最深的質(zhì)子的射程更深地向正面?zhèn)葦U(kuò)散數(shù)十μπι。將該擴(kuò)散的區(qū)域設(shè)為氫擴(kuò)散區(qū)ηη95。該氫擴(kuò)散區(qū)nn優(yōu)選以充足的氫濃度設(shè)置到溝道形成區(qū)。例如，溝道形成區(qū)中的氫的濃度可以為1E+I4cm—3以上，且形成朝向半導(dǎo)體基板90的背面?zhèn)葰涞臐舛仍黾拥姆植肌?br>[0106]以上，使用實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了說明，但本發(fā)明的技術(shù)范圍并不限于上述實(shí)施方式中記載的范圍?？梢詫?duì)上述實(shí)施方式進(jìn)行多種變更或者改進(jìn)對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的。根據(jù)權(quán)利要求中記載的內(nèi)容，進(jìn)行了多種變更或者改進(jìn)的實(shí)施方式可包含在本發(fā)明的技術(shù)范圍內(nèi)是顯而易見的。
[0107]在權(quán)利要求、說明書以及附圖中示出的裝置、系統(tǒng)、程序，以及方法中的動(dòng)作、順序、步驟以及階段等各處理的執(zhí)行順序沒有特別明示為“在之前”，“首先”等，并且只要不是在后的處理需要使用之前的處理的結(jié)果，就可以以任意的順序?qū)崿F(xiàn)。關(guān)于權(quán)利要求、說明書以及附圖中的動(dòng)作流程，為了方便，即使使用“首先，”、“接下來，”等進(jìn)行說明，也并不是指必須以該順序?qū)嵤?br>【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種半導(dǎo)體裝置，其特征在于，具備: 半導(dǎo)體基板，在其背面?zhèn)染哂邪|(zhì)子的η型雜質(zhì)區(qū)； 阻擋金屬部，在所述半導(dǎo)體基板的正面?zhèn)葘?duì)質(zhì)子具有阻擋效果。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其中， 所述η型雜質(zhì)區(qū)在所述背面?zhèn)扰c所述正面?zhèn)戎g的不同深度的位置具有載流子濃度的多個(gè)峰。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體裝置，其中， 所述η型雜質(zhì)區(qū)具有: 第一雜質(zhì)區(qū)，具有含預(yù)先決定的載流子濃度的雜質(zhì)區(qū)； 第二雜質(zhì)區(qū)，載流子濃度比所述預(yù)先決定的載流子濃度低，且設(shè)置于比所述第一雜質(zhì)區(qū)更靠近所述背面?zhèn)鹊奈恢谩?.根據(jù)權(quán)利要求1?3中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體裝置，其中， 在所述半導(dǎo)體基板的所述正面?zhèn)冗€具備柵電極和設(shè)置在所述柵電極與所述半導(dǎo)體基板之間的柵極絕緣膜，在所述柵極絕緣膜與所述半導(dǎo)體基板之間的界面存在氫原子。5.一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，具備: 在半導(dǎo)體基板的正面?zhèn)刃纬蓪?duì)質(zhì)子具有阻擋效果的阻擋金屬部的階段； 從所述半導(dǎo)體基板的背面?zhèn)茸⑷胭|(zhì)子，形成雜質(zhì)區(qū)的階段；以及 對(duì)已注入了質(zhì)子的所述半導(dǎo)體基板進(jìn)行熱處理的階段。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其中， 形成所述雜質(zhì)區(qū)的階段包括改變包含加速電壓和每單位面積的注入量的注入條件，多次對(duì)不同深度的位置注入質(zhì)子的階段。7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其中， 形成所述雜質(zhì)區(qū)的階段具有: 進(jìn)行第一次質(zhì)子注入的階段，形成含預(yù)先決定的載流子濃度的雜質(zhì)區(qū)； 進(jìn)行第二次質(zhì)子注入的階段，改變注入條件以使雜質(zhì)濃度比所述預(yù)先決定的載流子濃度低，相比所述第一次質(zhì)子注入的階段在更靠近所述背面?zhèn)鹊奈恢眯纬呻s質(zhì)區(qū)。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其中， 形成所述雜質(zhì)區(qū)的階段還具有: 進(jìn)行第三次質(zhì)子注入的階段，相比所述第二次質(zhì)子注入的階段在更靠近所述背面?zhèn)鹊奈恢眯纬呻s質(zhì)區(qū)；和 進(jìn)行第四次質(zhì)子注入的階段，相比所述第三次質(zhì)子注入的階段在更靠近所述背面?zhèn)鹊奈恢眯纬呻s質(zhì)區(qū)， 若將第一次、第二次、第三次以及第四次質(zhì)子注入中的每單位面積的注入量分別設(shè)為NhN^N3以及Ν4，則滿足N2<Ni?Ν3<Ν4的關(guān)系。
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【申請(qǐng)日】2015年8月12日 公開號(hào)201580011602.X, CN 106062960 A, CN 106062960A, CN 201580011602, CN-A-106062960, CN106062960 A, CN106062960A, CN201580011602, CN201580011602.X, PCT/2015/72880, PCT/JP/15/072880, PCT/JP/15/72880, PCT/JP/2015/072880, PCT/JP/2015/72880, PCT/JP15/072880, PCT/JP15/72880, PCT/JP15072880, PCT/JP1572880, PCT/JP2015/072880, PCT/JP2015/72880, PCT/JP2015072880, PCT/JP201572880
【發(fā)明人】小野澤勇一
【申請(qǐng)人】富士電機(jī)株式會(huì)社