(57)【要約】  ＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板に、１２９０℃以上シリコン結晶の融解温度未満の熱拡散温度および１００時間以上の高温長時間の熱拡散を伴う深い拡散層を形成する拡散工程を備える半導体装置の製造方法において、前記高温長時間の熱拡散の前に、シリコン半導体基板の両主面の表面層に格子間シリコン原子の拡散源を付与する工程を行う。シリコン半導体基板の両主面の表面層に格子間シリコン原子の拡散源を付与する工程は、シリコン半導体基板の両主面に熱酸化膜を形成すること、または、シリコン半導体基板の両主面の表面層にシリコンをイオン注入することによって行う。これにより、１２９０℃以上および１００時間以上の高温長時間の熱拡散を伴う深い拡散層を形成する工程を有する場合でも、結晶欠陥の発生を抑制することができる。
2013176037.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フローティングゾーン法により製造されるシリコン半導体基板に、１２９０℃以上シリコン結晶の融解温度未満の範囲内の熱拡散温度および１００時間以上の高温長時間の熱拡散を伴う拡散層を形成する拡散工程を含み、
前記拡散工程前に、前記シリコン半導体基板の両主面の表面層に、前記拡散工程において前記シリコン半導体基板内の格子間原子となるシリコン原子の拡散源を付与する付与工程を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記シリコン半導体基板として、多結晶シリコンを原料としてフローティングゾーン法で製造されるシリコン結晶から切り出された半導体基板を用い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。
【請求項３】
前記シリコン半導体基板として、チョクラルスキー法で製造される結晶シリコンを原料としてフローティングゾーン法で製造されるシリコン結晶から切り出された半導体基板を用い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。
【請求項４】
前記付与工程は、前記シリコン半導体基板の両主面に熱酸化膜を形成する工程であ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。
【請求項５】
前記熱酸化膜の厚さは、１．０μｍ〜２．５μｍであることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記熱酸化膜の厚さは、１．５μｍ〜２．５μｍであることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記付与工程は、前記シリコン半導体基板の両主面の表面層にシリコン原子をイオン注入する工程であ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。
【請求項８】
前記付与工程では、前記シリコン原子のイオン注入を１×１０14（ｃｍ-2）以上のドーズ量で行うことを特徴とする請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記付与工程では、前記シリコン原子のイオン注入を１×１０15（ｃｍ-2）〜１×１０16（ｃｍ-2）の範囲内のドーズ量で行う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。
【請求項１０】
前記拡散工程では、逆阻止型の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを構成する分離層となる前記拡散層を形成することを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体素子を用い、ＡＣ（交流）／ＡＣ変換や、ＡＣ／ＤＣ（直流）変換、ＤＣ／ＡＣ変換などを行うための電力変換回路では、電解コンデンサや直流リアクトルなどで構成される直流平滑回路を不要にすることができる直接リンク形変換回路として、マトリクスコンバータが知られている。このマトリクスコンバータは交流電圧下で使用されるため、マトリクスコンバータを構成する複数のスイッチングデバイスには、順方向および逆方向に電流制御可能な双方向スイッチングデバイスを必要とする。【０００３】
最近、回路の小型化、軽量化、高効率化、高速応答化および低コスト化等の観点から、前記双方向スイッチングデバイスを、図１０の等価回路図に示すように２個の逆阻止ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）を逆並列接続構成としたものが着目されている。図１０は、逆阻止ＩＧＢＴを用いた双方向スイッチングデバイスの等価回路を示す回路図である。このような逆阻止ＩＧＢＴの逆並列接続構成には、逆方向電圧を阻止するためのダイオードを不要にすることができるというメリットがある。すなわち、逆阻止ＩＧＢＴとは、逆耐圧を順耐圧と同程度の耐圧にすると共に耐圧信頼性も高めた特性を有するデバイスを言う。一方、従来の電力変換回路に使用される通常のＩＧＢＴでは、逆耐圧を有しない通常のトランジスタやＭＯＳＦＥＴ（絶縁ゲート型電界効果トランジスタ）と同様に、有効な逆耐圧は求められていなかったため、逆耐圧が順耐圧に比べて低く耐圧信頼性も低いＩＧＢＴで充分であった。【０００４】
つぎに、従来の逆阻止ＩＧＢＴの構造について説明する。図９は、従来の逆阻止ＩＧＢＴの断面構造を模式的に示す断面図である。図９は、下記特許文献１に記載されている。この従来の逆阻止ＩＧＢＴは、中央に活性領域１１０があり、この活性領域１１０を取り巻く外周側に、耐圧構造領域１２０を挟んで、さらにその外側を取り囲むｐ型分離層３１を有する構造を特徴とする。このため、ｐ型分離層３１を半導体基板の一方の主面からの熱拡散のみにより形成するためには、ｐ型分離層３１の深さを非常に深くする必要があり、高温長時間の熱拡散（ドライブイン）を伴う。【０００５】
図９の活性領域１１０は、ｎ-型ドリフト領域１、ｐ型ベース領域２、ｎ+型エミッタ領域３、ゲート絶縁膜４、ゲート電極５、層間絶縁膜６、エミッタ電極９、ｐ型コレクタ領域１０およびコレクタ電極１１などを備える縦型のＩＧＢＴの主電流の経路となる領域である。ｐ型分離層３１は、ボロン（Ｂ）の熱拡散により半導体基板のおもて面から裏面側のｐ型コレクタ領域１０に達する深さに形成されるｐ型の領域である。このｐ型分離層３１によって、逆耐圧接合であるｐ型コレクタ領域１０とｎ-型ドリフト領域１との間のｐｎ接合面の終端部は、チップ化の際の切断面となるチップ側端面１２に露出されず、絶縁膜で保護された耐圧構造領域１２０の表面１３に露出される。このため、ｐ型分離層３１を備えた逆阻止ＩＧＢＴは、逆耐圧信頼性を高くすることができる。【０００６】
図６（（ａ）〜（ｄ））、図７（（ａ）〜（ｄ））は、そのような逆阻止ＩＧＢＴにかかるｐ型分離層１０４を塗布拡散またはイオン注入によって、それぞれ形成する不純物拡散プロセスを工程順に示す製造工程断面図である。図６は、従来の塗布拡散による分離層の形成途中の状態を示す断面図である。図７は、従来のイオン注入による分離層の形成途中の状態を示す断面図である。図８は、従来の逆阻止ＩＧＢＴの端部構造を示す断面図である。図８（ａ）には、図６，７の製造工程によって作製される、半導体基板を貫通する深さの拡散層により分離層を構成した逆阻止ＩＧＢＴを示す。まず、６００μｍ以上の厚いシリコン（Ｓｉ）を半導体材料とする半導体基板１００おもて面側に厚さ（膜厚）がおおよそ１．５μｍ〜２．５μｍ程度の熱酸化膜１０１をドーパントマスクとして形成する（図６（ａ）、図７（ａ））。【０００７】
つぎに、この熱酸化膜１０１をパターニングして分離層を形成する不純物を導入するための開口部１０２を形成する（図６（ｂ）、図７（ｂ））。つぎに、開口部１０２に不純物となるボロンソース１０３を塗布し、ボロンの浅いデポジット層を形成する（または、熱酸化膜１０１の開口部１０２に露出する半導体基板１００にボロンをイオン注入１０５する）（図６（ｃ）、（図７（ｃ）））。つぎに、ボロンの選択拡散（ｐ型分離層用拡散）のためのドーパントマスクとして用いた熱酸化膜１０１を除去する。つぎに、高温（１３００℃）、長時間（１００時間〜２００時間）の熱処理を行い、１００μｍ〜２００μｍ程度の深さのｐ型の拡散層１０４を形成する（図６（ｄ）、（図７（ｄ）））。このｐ型の拡散層１０４を分離層として利用する。【０００８】
その後、ｐ型の拡散層１０４により取り囲まれた半導体基板１００のおもて面に再度酸化膜を形成しＭＯＳゲート構造および必要なおもて面側機能領域を形成するプロセス（図示せず）を施す。つぎに、半導体基板１００の裏面から前記ｐ型の拡散層１０４の底部に達するまで破線で示すように研削し除去して半導体基板１００を薄くする（図６（ｄ）、（図７（ｄ）））。この裏面研削面に図示しないｐ型コレクタ領域とコレクタ電極とで構成される裏面構造を形成し、ｐ型の拡散層１０４の中心部に位置するスクライブライン１０８で半導体基板１００を切断する。この切断によりチップ化された逆阻止ＩＧＢＴを図８（ａ）および前記図９の断面図に示す。【０００９】
しかし、前記図６、図７に示すように、ｐ型分離層を塗布拡散またはイオン注入によって形成する逆阻止ＩＧＢＴでは、前述のように深いｐ型分離層の形成のために高温長時間の熱拡散を必要とする。その結果、この高温長時間の熱拡散中に、半導体基板内の格子間に酸素原子が導入され、酸素析出物や酸素ドナー化現象、結晶欠陥などが発生する。これらの結晶欠陥が導入されると、半導体基板中のｐｎ接合でリーク電流が高くなったり、半導体基板上に形成された絶縁膜の耐圧、信頼性が大幅に劣化する虞が大きくなる。【００１０】
そこで、この高温長時間の熱拡散に起因する問題点を解消するために、ｐ型分離層の拡散深さを浅くして高温の熱拡散にかかる時間を短くする方法が複数開発されている。例えば、半導体基板の裏面からＶ字溝を形成して分離層の深さを浅くすることにより分離層の形成に要する高温の熱拡散にかかる時間を短くする製造方法である（例えば、下記特許文献２〜４参照。）。下記特許文献２〜４により作製される逆阻止ＩＧＢＴの端部構造の一例を図８（ｂ）に示す。さらに、図１１の断面図に示すように、半導体基板１００のおもて面側から深さ２００μｍの垂直側壁を有するトレンチ１０９を形成し、その側壁に深さの浅い分離層１０４ｂを設けることにより高温の熱拡散にかかる時間を短縮する方法も知られている。図１１は、従来のトレンチを利用して形成した分離層を有する逆阻止ＩＧＢＴの構造を示す断面図である。図１１中の符号１０６はｐ型コレクタ領域、１０８はスクライブライン、１１０は基板おもて面側のＭＯＳゲート構造をそれぞれ示す。【００１１】
一方、従来、高耐圧パワーデバイスの製造に用いられる半導体基板には、多結晶シリコン（以降、ＦＺ用多結晶シリコンと略記）を用いてＦＺ（フローティングゾーン）法により製造されるシリコン単結晶（以降、ＦＺシリコン単結晶と略記）から切り出されたシリコン半導体基板（以降、ＦＺシリコン半導体基板と略記）が使用されてきた。このＦＺシリコン半導体基板は、ＣＺ（チョクラルスキー）法により製造されるシリコン単結晶（以降、ＣＺシリコン単結晶と略記）から切り出されたシリコン半導体基板（以降、ＣＺシリコン半導体基板と略記）に比べて結晶に含まれる転位が少ない、含有酸素が少ないなどの利点がある。このため、ＦＺシリコン単結晶は、特に高耐圧大電流容量のパワーデバイス用シリコン結晶として欠かせない。しかし、近年は、デバイスのコスト低減のため、より大口径のＦＺシリコン半導体基板が求められているが、ＦＺシリコン半導体基板はＣＺシリコン半導体基板に比べて大口径化が難しい。【００１２】
通常、ＦＺシリコン単結晶の原料としては、前述のようにＦＺ用多結晶シリコンを使用する。しかし、ＦＺ法の原料として必要であるＦＺ用多結晶シリコンは、高純度で、クラックや割れが生じにくく、均一な粒界組織であり、かつ、製造するＦＺシリコン単結晶に適した直径であるとともに、扁平やクランクが少なくなく、表面状態の良い円柱状であることが必要とされる。このようなＦＺ用多結晶シリコンの製造は、ＣＺ法で使用されるナゲット状の多結晶シリコン（以降、ＣＺ用多結晶シリコンと略記）の製造に比較して、歩留りや、生産性が非常に低い。一方、直径３００ｍｍ向けを中心としたＣＺ用多結晶シリコンの需要が大幅に増加している。そこで、従来のＦＺ用多結晶シリコンの代わりに大口径の結晶シリコンが安定して得られるＣＺシリコン単結晶を原料として、大口径のＦＺシリコン単結晶を製造する方法が公知になっている（例えば、下記特許文献５参照。）。この方法によって製造されたＦＺシリコン単結晶から切り出されたシリコン半導体基板を以降、ＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板と略記する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００６−８０２６９号公報
【特許文献２】米国特許第７７４１１９２号明細書
【特許文献３】特開２００６−３０３４１０号公報
【特許文献４】特開２０１１−１８１７７０号公報
【特許文献５】特開２００７−３１４３７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、前述のように、上記特許文献２〜４に記載の半導体基板の裏面からＶ字溝を形成する方法では、基板おもて面側からのｐ型の拡散層１０４ａの深さを浅くすることで高温での熱拡散時間を確実に短縮することができるが、ｐ型の拡散層１０４ａの深さを浅くし過ぎた場合、別の問題が生じる。具体的には、高温での熱拡散時間を短くするために基板おもて面側からの拡散層１０４ａの深さを浅くしていくと、その分、Ｖ字溝を深くしなければならないため、半導体基板１００が割れやすくなるという新たな問題が生じる。【００１５】
さらに、図１１に示すような主面に垂直な側壁を有するトレンチ１０９を利用してｐ型分離層１０４ｂを形成することにより高温の熱拡散時間を短縮する方法では、つぎの問題が生じる。例えば、２００μｍ程度の深さのトレンチ１０９のエッチングに要する時間は、典型的なドライエッチング装置を用いた場合、１枚あたり１００分間程度である。このため、トレンチ１０９を利用してｐ型分離層１０４ｂを形成する場合、リードタイムの増加、メンテナンス回数の増加などの弊害をもたらす。【００１６】
また、前述の図６〜図８の説明にかかる高温長時間の熱拡散では、前述のＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板を用いた場合、当初（半導体装置の製造工程投入前）から基板内に含まれるとされる空孔に起因して相乗的に発生する結晶欠陥、および、熱拡散処理時の雰囲気ガス種に起因して半導体基板内に新たに発生する結晶欠陥の影響で、従来のＦＺシリコン半導体基板を用いた場合よりもさらに半導体装置の良品率が低下（悪化）するという問題が生じる。【００１７】
本発明は、前述した従来技術による問題点を解消するため、ＣＺシリコン結晶を用いて製造されるＦＺシリコン結晶から切り出されたシリコン半導体基板を使用して、１２９０℃以上および１００時間以上の高温長時間の熱拡散を伴う深い拡散層を形成する工程を有する場合でも、シリコン半導体基板内に前記高温長時間の熱拡散に起因する結晶欠陥の発生を抑制することができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、つぎの特徴を有する。ＦＺ法により製造されるシリコン半導体基板に、１２９０℃以上シリコン結晶の融解温度未満の範囲内の熱拡散温度および１００時間以上の高温長時間の熱拡散を伴う拡散層を形成する拡散工程を行う。前記拡散工程前に、前記シリコン半導体基板の両主面の表面層に、前記拡散工程において前記シリコン半導体基板内の格子間原子となるシリコン原子の拡散源を付与する付与工程を行う。【００１９】
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記シリコン半導体基板として、ＦＺ用多結晶シリコンを原料としてＦＺ法で製造されるＦＺシリコン結晶から切り出されたＦＺシリコン半導体基板を用いることが好ましい。【００２０】
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記シリコン半導体基板として、ＣＺ用多結晶シリコンを原料としてＦＺ法で製造されるＣＺ−ＦＺシリコン結晶から切り出されたＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板を用いることが好ましい。【００２１】
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記付与工程は、前記シリコン半導体基板の両主面に熱酸化膜を形成する工程であることが好適である。【００２２】
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記熱酸化膜の厚さは、１．０μｍ〜２．５μｍであるのがよい。【００２３】
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記熱酸化膜の厚さは、１．５μｍ〜２．５μｍであることがより好ましい。【００２４】
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記付与工程は、前記シリコン半導体基板の両主面の表面層にシリコン原子をイオン注入する工程としてもよい。【００２５】
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記付与工程では、前記シリコン原子のイオン注入を１×１０14（ｃｍ-2）以上のドーズ量で行うことが好ましい。【００２６】
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記付与工程では、前記シリコン原子のイオン注入を１×１０15（ｃｍ-2）〜１×１０16（ｃｍ-2）の範囲内のドーズ量で行うことがいっそう好ましい。【００２７】
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記拡散工程では、逆阻止型の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを構成する分離層となる前記拡散層を形成することが望ましい。
【発明の効果】
【００２８】
本発明にかかる半導体装置の製造方法によれば、大口径化とコストダウンのためにＣＺシリコン結晶を用いてＦＺ法で製造されるＦＺシリコン単結晶から切り出されたシリコン半導体基板を使用して、１２９０℃以上および１００時間以上の高温長時間の熱拡散を伴う深い拡散層を形成する工程を行う場合であっても、半導体基板内に前記高温長時間の熱拡散に起因する結晶欠陥の発生を抑制することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、本発明にかかる半導体装置の製造方法の第１の方法において窒素析出物欠陥が発生しないメカニズムを模式的に示す説明図である。
【図２】図２は、本発明にかかる半導体装置の製造方法の第２の方法において窒素析出物欠陥が発生しないメカニズムを模式的に示す説明図である。
【図３】図３は、従来の逆阻止ＩＧＢＴを製造する際のＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板の形成途中の状態を模式的に示す説明図である。
【図４】図４は、逆阻止ＩＧＢＴの逆耐圧波形に対する結晶欠陥の影響を示す特性図である。
【図５】図５は、窒素ガスを主成分とする混合ガス雰囲気において１３００℃の温度で１００時間の熱拡散後の比較例のＸ線トポグラフィ結果を破線で模式的に示す平面図である。
【図６】図６は、従来の塗布拡散による分離層の形成途中の状態を示す断面図である。
【図７】図７は、従来のイオン注入による分離層の形成途中の状態を示す断面図である。
【図８】図８は、従来の逆阻止ＩＧＢＴの端部構造を示す断面図である。
【図９】図９は、従来の逆阻止ＩＧＢＴの断面構造を模式的に示す断面図である。
【図１０】図１０は、逆阻止ＩＧＢＴを用いた双方向スイッチングデバイスの等価回路を示す回路図である。
【図１１】図１１は、従来のトレンチを利用して形成した分離層を有する逆阻止ＩＧＢＴの構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明にかかる半導体装置の製造方法の好適な実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、ｎまたはｐを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、ｎやｐに付す＋および−は、それぞれそれが付されていない層や領域よりも相対的に不純物濃度が高いまたは低いことを意味する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、実施の形態で説明される添付図面は、見易くまたは理解し易くするために正確なスケール、寸法比で描かれていない。本発明はその要旨を超えない限り、以下に説明する実施の形態の記載に限定されるものではない。
【００３１】
（実施の形態）
以下、本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法について、大口径化とコストダウンのために、ＣＺ（チョクラルスキー）シリコン（Ｓｉ）結晶インゴットを原料としてＦＺ（フローティングゾーン）法により製造したＦＺシリコン単結晶（ＦＺシリコン結晶インゴット）から切り出されたＦＺシリコン半導体基板（ＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板）を用いて、逆耐圧６００Ｖの逆阻止ＩＧＢＴを製造する場合を例に説明する。ＣＺシリコンインゴットは、ナゲット状の多結晶シリコン（ＣＺ用多結晶シリコン）を原料としてＣＺ法により作製されたＣＺシリコン単結晶である。特には、本発明の特徴である高温長時間の熱拡散（ドライブイン）を伴う深い拡散層、例えば半導体基板のおもて面から裏面に達する程度の深さを有する分離層を形成するための拡散工程について説明する。以降説明する拡散工程の大部分は前記図７、図８（ａ）を参照して説明した従来の逆阻止ＩＧＢＴの製造プロセスを用いる。
【００３２】
本発明の実施の形態にかかる逆阻止ＩＧＢＴの製造方法が前述した従来の逆阻止ＩＧＢＴの製造方法と異なる点は、本発明の実施の形態にかかる逆阻止ＩＧＢＴの製造方法では、高温長時間を要する分離層の熱拡散の直前に、拡散係数の大きい格子間シリコン原子（格子間原子となるシリコン（Ｓｉ）原子）の供給源（拡散源）をシリコン半導体基板の表面または表面層に設けるためのプロセス工程が施される点である。そのようなプロセス工程として、例えば、ＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板の両主面に熱酸化膜を新たに形成しておく工程や（以下、第１の方法とする）、ＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板の両主面の表面層にシリコン原子をイオン注入しておく工程（以下、第２の方法とする）などがある。
【００３３】
そのような本発明の実施の形態にかかる第１の方法であるＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板の両主面に熱酸化膜形成工程について説明する。まず、ＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板のおもて面に、従来と同様にｐ型分離層の形成領域に対応する部分に開口部を有する熱酸化膜を形成する。つぎに、このｐ型分離層用の熱酸化膜の開口部に露出するＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板の表面層にボロン（Ｂ）のイオン注入領域を形成する。ＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板のおもて面でｐ型分離層に囲まれる内側の基板おもて面には設けられた熱酸化膜がイオン注入に対するドーパントマスク（イオン注入マスク）となる。イオン注入のドーズ量は、例えば１×１０15ｃｍ-2程度であってよい。つぎに、ボロンのドーパントマスクとした熱酸化膜を一旦除去し、再度、ＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板の両主面に、本発明の特徴である熱酸化膜を例えば１．５μｍ程度の厚さで形成する。この熱酸化膜の形成方法自体は、従来のよく知られた方法であってよい。その後、ｐ型分離層の形成のために高温長時間の熱拡散を行う。
【００３４】
一方、本発明の実施の形態にかかる第２の方法ＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板の両主面の表面層にシリコン原子のイオン注入工程については、まず、前述した第１の方法と同様に、ＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板のおもて面にｐ型分離層用の熱酸化膜をドーパントマスクとして形成する。つぎに、第１の方法と同様に、ｐ型分離層用の熱酸化膜の開口部に露出するＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板の表面層に、イオン注入によりボロンのイオン注入領域を形成する。イオン注入のドーズ量は前述した第１の方法と同じである。つぎに、ドーパントマスクとした熱酸化膜を一旦除去した後、ＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板の両主面全面からシリコン（Ｓｉ）をドーズ量１×１０15（ｃｍ-2）、加速エネルギー５０ｋｅＶでイオン注入する。その後、前述した第１の方法と同様にｐ型分離層の形成のために高温長時間の熱拡散処理を行う。
【００３５】
前述した本発明にかかる、いずれか（基板両主面への熱酸化膜形成（第１の方法）または基板両主面へのシリコンのイオン注入（第２の方法））の工程の後に行う高温長時間の熱拡散は、窒素（Ｎ2）ガス、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）またはラドン（Ｒｎ）などの不活性ガスを主成分ガスとし酸素ガスを含有する混合ガス雰囲気中において、例えば１３００℃の温度で１００時間の熱拡散条件で、約１２０μｍの深さのｐ型拡散層を形成する（逆耐圧６００Ｖの場合）。前記不活性ガスとして窒素ガスを用いる場合、窒素ガスを主成分とする混合ガス雰囲気は、酸素（Ｏ2）を例えば３０％および窒素（Ｎ2）を例えば７０％の混合ガス雰囲気が好ましい。炉入れ、炉出しの開始温度は例えば７００℃で、開始温度から１３００℃への昇降温速度は例えば１℃／分であってもよい。
【００３６】
つぎに、前述の窒素ガスを主成分とする混合ガス雰囲気中において１３００℃の温度で１００時間の熱拡散を実施するプロセスについて説明する。ＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板中に窒素析出物欠陥が発生する比較例と、本発明にかかる、窒素析出物欠陥の発生が抑制される実施例と、について比較しながら説明する。本発明にかかる実施例とは、上述した本発明にかかる半導体装置の製造方法に従って、高温長時間を要する分離層の熱拡散の直前に、拡散係数の大きい格子間Ｓｉ原子の供給源をシリコン半導体基板の表面または表面層に設けるためのプロセス工程（第１の方法または第２の方法）を施す例である。一方、比較例とは本発明のプロセス工程を施さない（第１，２の方法のいずれの方法も施さない）例である。分離層を形成するための高温長時間の熱拡散後の実施例の状態を図５に模式的に示す。
【００３７】
図５は、窒素ガスを主成分とする混合ガス雰囲気において１３００℃の温度で１００時間の熱拡散後の比較例のＸ線トポグラフィ結果を破線で模式的に示す平面図である。図５（ｃ）には、ＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板２０１中のＸ線トポグラフィの観察位置を示す。図５（ａ）には、図５（ｃ）のＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板２０１内に実線で示す計測領域２０２をＸ線で走査して得られたＸ線トポグラフィの観察結果を破線で図案化し領域２０３として示す比較例の平面図を示す。このＸ線トポグラフィの観察結果は前述の窒素析出物欠陥が発生した領域２０３を示している。言い換えると、比較例の図５（ａ）は、ＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板２０１を、前述の窒素ガスを主成分とし酸素ガスを含有する混合ガス雰囲気中で１３００℃の温度の熱拡散処理を１００時間実施すると、計測領域２０２内の破線で囲まれる領域２０３内に析出物による結晶欠陥が発生することを表わしている。この窒素析出物は、別途ＥＤＸ元素分析（エネルギー分散型Ｘ線分光法）と電子線回折像とによる分析結果から主にα−Ｓｉ3Ｎ4の結晶構造よりなる窒化物であることが発明者らによって確認されている。
【００３８】
そして、前述の比較例のように、従来の製造方法でＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板を用いて、前述の窒素ガスを主成分とし酸素ガスを含有する混合ガス雰囲気中で分離層を形成して逆阻止ＩＧＢＴを製作する場合と、ＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板に、主としてα−Ｓｉ3Ｎ4の結晶構造よりなる窒化物が析出する結果、逆耐圧不良、順耐圧不良が多く発生することが判明した。
【００３９】
ちなみに、図５（ｂ）は、本発明にかかる前述のプロセス工程を施した後、ＦＺ用多結晶シリコンからＦＺ法により製造したＦＺシリコン結晶から切り出されたＦＺシリコン半導体基板の計測領域２０２ａをＸ線トポグラフィによる観察結果であり、計測領域２０２ａの中に窒素析出物欠陥が無いことを示す平面図である。ただし、ＦＺシリコン半導体基板を用いても、本発明にかかる前述のプロセス工程を施さずに、特に窒素含有雰囲気で分離層を形成すると、逆耐圧不良、順耐圧不良が多く発生する。ＦＺシリコン半導体基板とは、ＦＺ用多結晶シリコンを用いてＦＺ法により製造されるＦＺシリコン単結晶から切り出されたシリコン半導体基板である。ＦＺ用多結晶シリコンとは、ＦＺ法で用いられる略円柱状のポリシリコンロッドである。
【００４０】
図４は、逆阻止ＩＧＢＴの逆耐圧波形（電流Ｉ−電圧Ｖ波形）に対する結晶欠陥の影響を示す特性図である。半導体基板内に結晶欠陥がほとんど存在しない場合には、図４（ａ）に示すような電流の立ち上がりが角張ったハード波形を示す。一方、前述の比較例のような窒素析出物等に起因して結晶欠陥が多い領域を含む場合には、図４（ｂ）のように電流の立ち上がりがなだらかなソフト波形になる。図４に一点鎖線で示した規格耐圧において、図４（ａ）と図４（ｂ）とのＩ−Ｖ波形における逆方向電流を比較すると、図４（ｂ）のソフト波形は図４（ａ）のハード波形に比べて逆方向電流、すなわち逆漏れ電流が多いことが分かる。逆漏れ電流が所定の基準値より多いデバイスは逆耐圧不良となる。
【００４１】
一枚のＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板（ウエハ）面内でみると、前記図５（ａ）に示す窒素析出物欠陥が発生した領域２０３を含むように切り出されてチップ化される逆阻止ＩＧＢＴが不良となる。一枚のＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板（ウエハ）当たりの逆阻止ＩＧＢＴの良品率は、この窒素析出物の発生した領域２０３の面積にもよるが、多くは４０〜５０％程度しか得られず問題である。
【００４２】
図３は、従来の逆阻止ＩＧＢＴを製造する際のＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板の形成途中の状態を模式的に示す説明図である。図３には、従来の製造方法でＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板を用いて逆阻止ＩＧＢＴを製造するために必要な深い分離層を高温長時間の熱拡散工程で形成する際に、Ｓｉ3Ｎ4の析出物（窒素析出物欠陥）が発生するメカニズムを図案化して示す。図３（ａ）には、ＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板中には当初（製造工程投入前）から空孔が多く形成されている状態を模式的に示す。窒素を主成分とし酸素ガスを含有する混合ガス雰囲気中で高温長時間の熱拡散を行うと、窒素の固溶限界（４×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）が低いために空孔の界面にＳｉ3Ｎ4の析出物が析出し、この析出に伴って結晶欠陥が発生する（図３（ｂ））。ＣＺ−ＦＺシリコン結晶は、そのＣＺ−ＦＺシリコン結晶インゴットの製造の際に結晶内に空孔が生成され易いことが分かっている。そのため、前述のようにそのＣＺ−ＦＺシリコン結晶インゴットから切り出されたＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板中には当初から空孔が多く形成されている。高温の熱拡散が長時間になればなるほど、前記析出物の発生する領域２０３は広くなる。
【００４３】
次に、本発明の実施の形態にかかる逆阻止ＩＧＢＴの製造方法に関し、本発明の特徴とするｐ型分離層の形成プロセスを施した場合に、結晶欠陥の発生が抑制されるメカニズムについて詳細に説明する。まず、高温長時間が必要となる分離層形成のための熱拡散の直前のＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板（ボロンの選択的イオン注入後ドーパントマスクである熱酸化膜を除去した状態のＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板）の両主面に、それぞれ熱酸化膜を１．５μｍ程度の厚さで形成する（第１の方法）。または、ＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板の両主面にＳｉを１×１０15（ｃｍ-2）のドーズ量、５０ｋｅＶの加速エネルギーでイオン注入する工程（第２の方法）のいずれかを行う。その後、窒素ガス（Ａｒガスでもよい）を主成分とし酸素ガスを含有する混合ガス雰囲気中で１３００℃の温度の熱拡散を１００時間施す。炉入れ、炉出し温度は７００℃で、昇降温速度は１℃／分とした。この場合は、ＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板を用いても、前述の図５（ａ）の比較例と異なり、前述の図５（ｂ）に示したＦＺシリコン半導体基板の場合のＸ線トポブラフ観察結果と同様に析出物による結晶欠陥は発生しない観察結果が得られた。この結果について図１、図２を参照して説明する。
【００４４】
図１は、本発明にかかる半導体装置の製造方法の第１の方法において窒素析出物欠陥が発生しないメカニズムを模式的に示す説明図である。図１には、ＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板の両主面に本発明の特徴とする熱酸化膜を形成した後、１３００℃の温度で１００時間の熱拡散を、Ａｒガスまたは窒素ガスを主成分とし酸素ガスを含有する混合ガス雰囲気で実施する場合に析出物が発生しないメカニズムを示す。図１（ａ）には、ＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板に当初から空孔が含まれることを示す。図１（ｂ）には、ＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板の両主面に熱酸化膜が形成された状態を示す。図１（ｃ）には、図１（ｂ）のＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板に不活性ガスを含有する雰囲気で分離層形成のための熱拡散を行ったときに、ＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板の空孔がシリコン原子で埋められることにより、空孔に窒素析出物が生成されないことを示す。
【００４５】
図２は、本発明にかかる半導体装置の製造方法の第２の方法において窒素析出物欠陥が発生しないメカニズムを模式的に示す説明図である。図２には、ＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板の両主面に本発明の特徴とするＳｉを１×１０15（ｃｍ-2）のドーズ量、５０ｋｅＶの加速エネルギーでイオン注入した後、１３００℃の温度で１００時間の熱拡散をＡｒガスまたは窒素ガスを主成分とし酸素ガスを含有する混合ガス雰囲気で実施する場合に析出物が発生しないメカニズムを示す。図２（ａ）には、ＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板に当初から空孔が含まれることを示す。図２（ｂ）には、ＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板の両主面の表面層にシリコンのイオン注入層が形成された状態を示す。図２（ｃ）には、図２（ｂ）のＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板に不活性ガスを含有する雰囲気で分離層形成のための熱拡散を行ったときに、ＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板の空孔がシリコン原子で埋められることにより、空孔に窒素析出物が生成されないことを示す。
【００４６】
第１の方法において、熱酸化膜の厚さは１．０μｍ以上とすることで本発明の効果が得られるが、特に、熱酸化膜の厚さを１．５μｍ程度とすることが望ましい。熱酸化膜の厚さを１．５μｍ程度とするのが望ましい理由は、酸化膜の厚さが薄過ぎる場合には熱拡散の途中で酸化膜が無くなってしまい、基板へのＳｉの導入のされ方が異なってしまうからである。また、熱酸化膜の厚さは２．５μｍ以下程度とするのが好ましい。その理由は、酸化膜を厚くし過ぎると熱応力により拡散中に基板が割れてしまう問題が生じるからである。また、第２の方法におけるシリコンのイオン注入については、ドーズ量を１×１０15（ｃｍ-2）〜１×１０16（ｃｍ-2）とするのが好ましく、特には、ドーズ量を１×１０15（ｃｍ-2）程度とするのが望ましい。ドーズ量を１×１０15（ｃｍ-2）程度とするのが望ましい理由は、ドーズ量が薄過ぎる場合、基板中にまだらにＳｉが導入されるために空孔にＳｉが入りきらない場合があるからである。まず、ＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板には、ＣＺシリコン単結晶に含まれる不純物やＦＺシリコン単結晶インゴットの製造条件により生成された初期欠陥（空孔）が当初から含まれている。本発明においては、ＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板の両主面に前述の第１の方法による熱酸化膜を形成しておくこと、または第２の方法によるＳｉをイオン注入しておくことによって、前述の本発明にかかる第１の方法において熱酸化膜の形成の時に酸素原子と結合しなかったＳｉ原子、または、第２の方法におけるイオン注入により注入されたＳｉ原子が過剰Ｓｉ原子となり、基板表面層にＳｉ拡散源として存在する。このため、このＳｉ拡散源が、その後の工程である分離層を形成するための高温長時間の熱拡散の際に、格子間Ｓｉ原子となって基板中に拡散し、空孔を埋めていく現象が生じる。一度、空孔をＳｉ原子で埋めてしまえば、その後、高温長時間の熱拡散を行っても、雰囲気の含有ガス種に関係なく、結晶欠陥は発生しない。
【００４７】
具体的には、１３００℃での公知の格子間Ｓｉ原子の拡散係数Ｄ＝５．０×１０-8ｃｍ2／秒である。１３００℃の温度で、熱処理時間ｔ＝１時間の熱拡散によって、格子間Ｓｉ原子の拡散距離（＝２（Ｄｔ）1/2）は約２６８×１０-4ｃｍすなわち約２６８μｍとなる。すなわち、格子間Ｓｉ原子は、１３００℃の温度の熱拡散では１時間以内でＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板の中心（深さ２５０μｍ）まで到達することが分かる。その結果、ＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板を用い、その両主面に本発明にかかる熱酸化膜を形成またはＳｉのイオン注入を行い、ＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板の両主面の表面層に格子間Ｓｉ原子の拡散源を付与（形成）する。その後、窒素ガスを含有する雰囲気中で、前述のｐ型分離層をボロンの熱拡散により形成して逆阻止ＩＧＢＴを作製することにより、ＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板の表面層に存在する過剰Ｓｉ原子がＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板の中央まで拡散して空孔を埋められる。このため、前述の窒素析出物欠陥はほとんど無くなり逆耐圧不良および順耐圧不良が発生しないと推測される。この逆阻止ＩＧＢＴの逆耐圧波形は、図４（ａ）に示すように結晶欠陥がほとんどないハードな波形を示す。一枚のＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板（ウエハ）面内でみても、前述の図５（ａ）のような析出物が発生する領域が無いので、耐圧不良が発生せず高良品率を得ることができる。
【００４８】
ここでは、窒素ガスを含有する雰囲気（詳細には窒素ガスを主成分とし酸素ガスを含有する混合ガス雰囲気）の場合について説明をしたが、Ａｒガスを含有する雰囲気中での熱拡散でも同様の効果が得られる。シリコン半導体基板についても、ＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板だけでなく、ＦＺシリコン半導体基板を用いた場合においても、ＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板を用いた場合と同様の効果を奏する。ただし、Ａｒガスを主成分とし酸素ガスを含有する混合ガス雰囲気中の場合には、上述した半導体基板の製造方法（分離層を形成するための高温長時間の熱拡散の直前に、シリコン半導体基板の両主面に熱酸化膜を設ける第１の方法やＳｉをイオン注入しておく第２の方法）を取らなくても窒素析出物の発生（結晶欠陥）は起こり難い。しかし、さらにＡｒガスを主成分とし酸素ガスを含有する混合ガス雰囲気と同時に前もって基板両主面に本発明にかかる熱酸化膜を設ける第１の方法やＳｉをイオン注入しておく第２の方法を採用することによって、格子間Ｓｉ原子の拡散により、いっそう空孔を埋める作用が増すのでより効果が顕著になる。
【００４９】
分離層を形成するための熱処理の熱拡散温度については、前述の説明では１３００℃としたが、例えば１２９０℃としてもよい。熱拡散温度を１２９０℃より温度を低くすることは耐圧特性には問題が生じないが、熱拡散時間が長くなり、作業効率が悪くなるという実用性の問題が生じるため好ましくない。具体的には、逆耐圧６００Ｖの逆阻止ＩＧＢＴに必要な深い分離層を熱拡散によって形成する場合、例えば、１３００℃の温度での熱拡散では１００時間の熱処理時間で済む時間が、１２８０℃の温度での熱拡散では１５０時間も熱処理時間が必要になり効率が悪い。したがって、分離層を形成するための熱処理の熱処理温度は、１２９０℃以上とするのが好ましい。また、分離層を形成するための熱処理の熱拡散温度の上限は、シリコン半導体基板に、ウエハプロセスに支障があるような変形が生じない温度にまでは上昇させることができる。シリコン半導体基板に変形が生じなければ、熱拡散温度を高温にするほど熱拡散時間を短縮させることができるので好ましい。すなわち、分離層を形成するための熱処理の熱拡散温度はＳｉの融点以下とするのが好ましい。その理由は、シリコン半導体基板が溶け出して半導体基板の形状を変形させないような温度（おおよそ１３５０℃程度）であるからである。
【００５０】
以上、説明したように、本発明の実施の形態によれば、分離層を形成するための高温長時間の熱拡散の直前に、シリコン半導体基板の両主面に熱酸化膜を設ける第１の方法やＳｉをイオン注入しておく第２の方法により、シリコン半導体基板の両主面の表面層にＳｉ拡散源を付与することによって、分離層を形成するための高温長時間の熱拡散時にシリコン半導体基板の空孔がＳｉ拡散源によって埋められる。このため、大口径化とコストダウンのために、結晶欠陥が生じ易いＣＺ−ＦＺシリコン半導体基板を使用して、１２９０℃以上および１００時間以上の高温長時間の熱拡散を伴う深い拡散層を形成する工程を有する半導体装置を製造する場合でも、結晶欠陥の発生を抑制することができる。
【００５１】
以上において本発明では、逆阻止ＩＧＢＴのｐ型分離層の形成のための高温長時間の熱拡散プロセスを中心に説明したが、１２９０℃以上の温度で１００時間を超えるような高温長時間の熱拡散を伴う深い拡散層を形成するプロセスを有する半導体装置の製造方法にも適用することができる。また、本発明は、導電型を反転させても同様に成り立つ。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
以上のように、本発明にかかる半導体装置の製造方法は、高温長時間の熱拡散を伴う深い不純物拡散層を有する半導体装置に有用である。
【符号の説明】
【００５３】
１  ｎ-型ドリフト領域（シリコン半導体基板）
２  ｐ型ベース領域
３  ｎ+型エミッタ領域
４  ゲート絶縁膜
５  ゲート電極
６  層間絶縁膜
９  エミッタ電極
１０  ｐ型コレクタ領域
１１  コレクタ電極
１２  チップ側端面
１３  耐圧構造領域の表面
３１  ｐ型分離層
１１０  活性領域
１２０  耐圧構造領域
【図１】
2013176037.tif 000003
【図２】
2013176037.tif 000004
【図３】
2013176037.tif 000005
【図４】
2013176037.tif 000006
【図５】
2013176037.tif 000007
【図６】
2013176037.tif 000008
【図７】
2013176037.tif 000009
【図８】
2013176037.tif 000010
【図９】
2013176037.tif 000011
【図１０】
2013176037.tif 000012
【図１１】
2013176037.tif 000013
【国際調査報告】
2013176037.tif 000014
2013176037.tif 000015
2013176037.tif 000016
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