(57)【要約】  局所的に縮小した寿命領域（１、２５，４１）は、実質的にシリコンで形成される半導体装置に設けられる。所定の濃度のカーボンがその領域に設けられると、本体は、実質的にカーボン領域内で寿命を制御する不純物を添加するために加熱される。シリコン格子部分での不純物イオン（Ｍ+）とカーボン原子（Ｃ）との間の結合は、有意な捕獲横断面を有するＣ−Ｍ+錯体を生成すると考えられる。カーボンは、シリコン材料のエピタキシャル生成中での添加、シリコンのバルク生成中での添加、あるいは注入および拡散の少なくとも一方による添加によって設けることができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
実質的にシリコンで形成された半導体本体を有する半導体装置であって、前記本体は、電荷キャリアが前記半導体装置の動作中に流れるアクティブデバイスエリアを含み、前記アクティブデバイスエリアは、所定濃度のカーボンを有する領域を含み、寿命を制御する不純物が、実質的にカーボン領域内に供給された本体内に供給される半導体装置。
【請求項２】
前記カーボン領域における不純物の濃度プロファイルは、前記カーボンの濃度プロファイルに実質的に対応する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記カーボンは、実質的に側方に閉じ込められる、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記カーボンは、実質的に垂直方向に閉じ込められる、先行する請求項の何れかに記載の装置。
【請求項５】
前記カーボン領域が、エピタキシャル層に配置される、先行する請求項の何れかに記載の装置。
【請求項６】
第１の導電タイプの一部分を含む電力整流器を備え、前記部分は第２の導電タイプ部分を覆い、前記両部分は、両者の接合を定義する、先行する請求項の何れかに記載の装置。
【請求項７】
前記カーボン領域は、少なくとも前記接合の一部を含む、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記カーボン領域は、前記接合の下に配置される、請求項６に記載の装置。
【請求項９】
二つのサイリスタを含むトライアックを備え、前記カーボン領域が前記二つのサイリスタの間に延びる、請求項１ないし５の何れかに記載の装置。
【請求項１０】
バイポーラ半導体装置を備え、前記半導体本体は、エミッタ領域およびベース領域を備え、前記カーボン領域は、実質的にエミッタ領域の下方で前記ベース領域内に設けられる、請求項１ないし５の何れかに記載の装置。
【請求項１１】
実質的にシリコンで形成された半導体本体を有する半導体装置の製造方法であって、前記半導体本体は、電荷キャリアが前記半導体装置の動作中に流れるアクティブデバイスエリアを含み、前記方法は、所定の濃度のカーボンを有する領域を前記アクティブデバイスエリアに供給する工程と、前記本体内の寿命を制御する不純物が実質的に前記カーボン領域内に導入されるように前記本体を加熱する工程と、を備える方法。
【請求項１２】
前記加熱工程に先立って、前記寿命を制御する不純物を前記本体内に導入する工程を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記カーボンが、シリコンのエピタキシャル層の生成中に導入される、請求項１１または１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記カーボンは、前記半導体本体部分の少なくとも一部を形成するシリコン基板のバルク生成中に導入される、請求項１１または１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置およびその製造に関し、より詳細には、電荷キャリア寿命を制御する不純物の半導体電力装置への添加に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの種類の半導体装置においては、装置の他の部分と比較して短いキャリア寿命の局所領域を設けることが望ましい。このことは、再結合センタの導入によって達成することができる。金や白金のような寿命を制御する不純物の拡散と、高エネルギー粒子の放射が、一般的に採用される二つの方法である。しかし、金や白金の拡散によって得られる再結合センタの分布を制御することは困難であり、またその結果、一般には構造内深部の数個の再結合センタを有する最適“バスタブ”の濃度プロファイルを下回る。放射によって形成される再結合センタは、主に装置の表面領域に制限される。また、深い再結合センタを形成するために必要な高いエネルギー放射によって引き起こされる格子損傷は、低温であってもその後の加熱によるアニーリングによって影響を受けやすく、装置の長期間の安定性を損なうこととなる。したがって、表面下の局所的な短キャリア寿命領域ウエルは、何れの方法によっても得ることが困難である。更に、何れのアプローチも、拡散中に不可避な側方スプレッドのため、およびシリコンに深く浸透するのに十分なエネルギーの放射をマスクすることが困難であるため、側方のマスキングには適さない。このように、再結合センタの側方閉じ込めは、何れのプロセスにおいても問題がある。
【０００３】
再結合センタの局所分布が特に有利である装置の例は、Ｐ−ｉ−Ｎ整流器である。この装置は、例えば，B．Jayant Baligaの“Power Semiconductor Devices（電力半導体装置）”（１９９５年）（以降、“Baliga”と称す）の１５３頁から１８２頁に記載されており、この文献の内容は参照によってここに組み込まれる。寿命の制御については、この文献の１７５頁乃至１７７頁に記載があり、再結合センタの狭い分布によって、順方向降下と逆方向回復速度間の相殺の改善がなされることに言及している。しかし、上記の方法を利用してそのような分布を得ることは困難である。したがって、この問題の実現可能な解決策の必要性が長年にわたって広く認識されている。
【０００４】
Proceedings of the Third International Symposium on Silicon Materials Science and Technology of the Electrochemical Society（電気化学学会  シリコン材料の科学と技術に関する第３回国際シンポジウム会報）（１９７７年）、Vol．77-2、７１５から７２５頁の、M．J．Hill（本願発明者の一人）とP．M．Van Iseghemによる論文“Influence of Carbon Concentration on Gold Diffusion in Silicon（シリコン中の金拡散におけるカーボン濃度の影響）”は、電力装置のための厚いシリコンスライス中の金拡散の均等性について検討している。拡散した金の分布は、シリコンのソースを含む多くの要因に基づくことが見出されている。この論文は、シリコンを横切るカーボン濃度におけるばらつきが金の分布に影響を及ぼし、カーボンのレベルが同じグレードのＦＺシリコン内でも変化し、かつ別々の製造者から提供されたシリコンの間でも変化することを示唆している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、寿命を制御する不純物の半導体装置への添加における制御の改良を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、実質的にシリコンで形成された半導体本体を有する半導体装置であって、前記本体が、電荷キャリアが前記半導体装置の動作中に流れるアクティブデバイスエリアを含み、前記アクティブデバイスエリアは、所定の濃度のカーボンを有する領域を含み、寿命を制御する不純物は、実質的にカーボン領域内に供給された、本体内に設けられる半導体装置を提供する。本願発明者等は、所定の濃度のカーボンを、キャリアの寿命が短縮されるのが望ましい装置のアクティブエリアの局所領域に導入することによって、寿命を制御する不純物の分布を厳密に制御し、それによって分布を予め決められた位置に実質的に制限できることを、予想外に発見した。このことから、装置構造の異なる領域におけるキャリアの寿命、ならびにそれらの動作特性と均一性におけるさらなる制御が可能となる。
【０００７】
カーボン原子は、半導体本体のシリコン中の格子部分を占める。そのカーボン原子は電気的には中性であるが、本発明者等の考えでは、金や白金といったより大きな不純物原子が導入され、それらの不純物が、より小さなカーボン原子に隣接して格子部分を占有し、局所的な格子の歪みを減少することがエネルギー的に好ましい。不純物は、所定の濃度のカーボンに添加する。また、本発明者等の考えでは、格子部分での不純物イオン（Ｍ+）とカーボン原子（Ｃ）との間の結合は、有意な捕獲横断面を有するＣ−Ｍ+錯体を生成する。
【０００８】
一般に、カーボン領域中の不純物の濃度プロファイルは、カーボンのそれに実質的に対応し、カーボンプロファイルは、予め規定され制御される。このように、特定の装置構成の要求に基づき、特定のプロファイルを不純物に付すためにカーボンを使用することができる。不純物がカーボン領域によって取り込まれる範囲は、装置がその製造中に曝される温度を注意深く管理することによって制御できる。カーボン原子と不純物との結合により、寿命を制御する不純物の拡散のために通常使用される温度よりも低い温度であっても、望ましい結果を得るのに十分である。温度を下げることにより、さらに限定的な全体の不純物分布を供給できよう。
【０００９】
カーボンは、半導体本体内に実質的に側方および垂直方向の少なくとも一方に閉じ込めることができる。
【００１０】
更に、本発明は、実質的にシリコンで形成された半導体本体を有する半導体装置を製造する方法であって、前記半導体本体は、電荷キャリアが前記半導体装置の動作中に流れるアクティブデバイスエリアを含み、前記方法は、所定の濃度のカーボンを有する領域を前記アクティブデバイスエリアに供給する工程と、前記本体内の寿命を制御する不純物が前記カーボン領域内に実質的に添加されるように前記本体を加熱する工程と、を備える方法を提供する。
【００１１】
カーボン領域は、１つまたは複数の寿命を制御する不純物を保持できる。（例えば、内部壁から拡散する）高温炉において一般的に存在する１つまたは複数の不純物の“バックグラウンド”レベルは、カーボンに起因する不純物の濃度が局所的な寿命制御で要求される度合を供給するためには差し支えないレベルであろう。また本方法は、加熱工程に先立って寿命を制御する不純物を本体内に能動的に導入する工程を含むことができる。
【００１２】
加熱工程は、特に、不純物をカーボン領域に添加するために実行してもよく、或いは装置の製造において、後で他のプロセスの一部を形成してもよい。
【００１３】
カーボン原子は、幾つかの方法で装置の半導体本体中に供給されてもよい。例えば、カーボン原子は他の高温プロセスの前、その間およびその後の中の少なくとも一つに、本体中に注入および拡散の少なくとも一方をさせてもよい。その注入物を側方に閉じ込めるため、または不純物の本体への拡散中に露出される表面領域を制限するために、マスクを使用してもよい。マスクは、シリコンのエピタキシャル層の成長中に導入されるのが好ましい。このアプローチは比較的低コストであり、垂直方向および側方の適切な箇所に追加されたカーボンの分布（即ち、濃度）は正確に制御することが出来、かつ良好に画定された（１つまたは複数の）離散的領域内に限定することができる。さらなる技術では、カーボンは、シリコン基板のバルク成長中に均一に添加される。したがって、この技術は、寿命を制御する不純物の後に続く拡散、ならびにその分布に関して、より良い制御を提供できる。
【００１４】
ここで示された技術を利用することにより、予め決められ制御された方法でカーボンを装置の半導体本体へ導入し、装置のアクティブエリア中の局部領域における望ましいカーボン濃度プロファイルを実現できる。カーボンによる固定によって、後からの加熱で不純物が移動する傾向を緩和できるが、製造過程においては、後続のプロセスによる分布の変化を最小にするため、比較的後から不純物を添加することが好ましい。
【００１５】
例示としての本発明の実施の形態を、添付の概略図を参照しながら下記に示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図面は概略的なものであり、比例サイズで描かれてはいない。図面のパーツの相対寸法と比率は、図面での明瞭化と利便性のために、拡大または縮小された寸法で示される。同じ参照符号は、一般的に、変更または異なる実施の形態において、対応する特徴および類似の特徴を参照するために使用される。
【００１７】
図１は、本発明を具体化する電力整流器を示す。第１の導電形式（本例では、ｎ型）の軽ドープされたエピタキシャルシリコン層１１は、第１の導電形式の重ドープされた単結晶シリコン基板１３上に設けられる。層１６は、反対の第２の導電形式（ここでは、ｐ型）のドーパントで重ドープされてｐ−ｎ接合部１７を形成する。電極は、半導体本体１９の上下にある頂部と低部の主表面１９ａおよび１９ｂ上にそれぞれ設けられ、本例では、電極２１が、カソードを形成し、かつ電極２３がアノードを形成する。
【００１８】
側方へ延びる領域や層２５は、整流器エリアの他の部分よりもより高い濃度のカーボンと金原子を有するｐ−ｎ接合部１７の下で、離間して設けられる。ｐ−ｎ接合部に近接する低寿命領域は、不作動時に再結合プロセスを促進するように働くと共に、均一な金分布よりも実質的に少ない装置の順方向電圧降下に影響を及ぼす。
【００１９】
一般的には、領域２５中のカーボン濃度は、１０１２から１０１６原子／ｃｍ３程度である。金原子は、その領域に、例えば１０１１から１０１３原子／ｃｍ３程度の濃度で存在する。
【００２０】
図１に示す装置の製造方法を説明する。層１１は、基板１３上にエピタキシャル成長される。その厚みは、装置の逆電圧定格に基づき、一般的には約５から１００ミクロン以上の範囲である。プロセス中に、層１１の厚みが基板上から距離ｄに達すると、カーボン原子は、層１１の厚みが量ｔだけ増加するまで、その成長の進行にともない、層に結合される。厚みｔは、例えば約５ミクロンである。次に、半導体本体１９の形成は、カーボンを追加することなく完了する。次に、第２の導電形式のドーパントは、頂部主表面１９ａを介して半導体本体１９に拡散し、層１６を形成する。ｐ−ｎ接合部１７とカーボン領域２５との間の距離ｓは、一般的には約０から１０ミクロンである。
【００２１】
続いて、金原子が半導体本体１９内に拡散する。或いは、金の拡散は第２の導電形式ドーパントの拡散と同時に実行されてもよい。本体に存在するカーボン原子は金原子を領域２５内に“固定”し、それによって、金は所定の深さ範囲に亘って実質的に局所配置される。最後に、電極２１および２３は、公知の技術を利用して、頂部および底部の主表面１９ａおよび１９ｂ上にそれぞれ形成される。
【００２２】
図２は、図１の電力整流器の半導体本体１９全体についてのほぼ垂直なドーピングプロファイルを示し、容積当りのドーパント原子の合計数Ｎは、頂部の主表面１９ａから垂直距離ｘに対応して示される。領域２５の位置は、エピタキシャル成長シリコン層の軽くドープされたｎ−部分内に、図２において網掛け表示された領域２７によって示される。領域２７は、本体内のカーボン原子の濃度を表す。
【００２３】
図３は、カーボン原子でドープされた網掛け表示の領域２７’に対する他のプロファイルを有する、図２に類似したドーピングプロファイルを示す。この実施の形態において、カーボンおよび金の両原子は、半導体本体１９の頂部主表面１９ａから拡散する。領域２７’は、頂部主表面から装置のｐ−ｎ接合部より下の深さまで延出している。
【００２４】
上述の整流器は、ｎ型のドリフト領域上にあるｐ型層を有すると共に、装置はこれらの導電形式の置き換えによって製造することができる。しかし、電子のより高い移動性のため、ｎ型のドリフト領域は、より良好な順方向回復特性であることが一般的に好ましい。
【００２５】
ここで開示される技術は、より短いキャリア寿命の局部領域が要求される、種々の他の装置にも適用可能であることを理解されたい。例えば、ここでのトライアックと寿命の制御は、Baligaの文献３２２頁から３３１頁に記載されており、その内容はここに参照文献として組み込まれる。トライアックの動作周波数は、選択的な寿命短縮によって上昇することが同文献３３０頁に述べられている。マスクされた電子放射を適切な領域を定義するために利用してもよいと提案されており、本発明は、標準のフォトリソグラフィーおよびインプラント技術で使用できる、他のアプローチを提供する。電子放射はより高価で、マスクするのが困難な比較的高いエネルギーを含む。低寿命を含むトライアックは図４に描かれており、その構成は、Baligaの文献の図６．５５に示される装置に対応する。したがって、その構造はここでは詳述しない。要約すると、このトライアック構成は、半導体本体３４内で背中合わせに集積された、単一で一体構造の２つのサイリスタ３１および３３を備える。通常、端子３７は基準（接地）端子として使用され、また端子３７は負荷に接続され、一方、端子３９はゲート電極４３への接続を提供する。
【００２６】
低寿命ゾーンは、カーボンおよび金の原子がドープされた領域４１の形態で設けられる。このゾーンは、ゲート電極４３の下方でかつサイリスタ３１と３３との間に垂直に延びる。領域４１は、半導体本体３４の頂部および底部主表面３４ａと３４ｂの何れか、または両方を介して、カーボンおよび金の原子の拡散または注入によって形成される。これらのプロセスは、装置の電極を形成するための半導体本体のメタライゼーションに先立って実行される。カーボンおよび金の導入は、公知の技術を利用してマスクされ、半導体本体内の側方に原子を閉じ込める。この同じマスクが、両者の結合のために使用される。
【００２７】
本願発明は更に、トランジスタおよびサイリスタのようなバイポーラ半導体装置においても適用される。２次絶縁破壊の発生を抑制するため、上記の装置におけるより短い寿命領域の介在が、米国特許第４７５４３１５号（当方整理番号ＰＨＢ３３１３９）に記載されており、その内容は参照文献としてここに組み込まれる。本明細書の図５は、実質的に米国特許第４７５４３１５号の図１の複製であり、このような装置に組み込まれるより短い寿命領域１の、同米国特許に開示された例の一つである。米国特許第４７５４３１５号に記載の利点を得るため、本発明の技術をより短い寿命領域を設けるために利用してもよい。
【００２８】
図５に示されるバイポーラトランジスタは、交差指型のエミッタとベース領域２と４の周知の構造を有し、この図は、交差指型のエミッタ領域２とその周囲のベース領域４の内の一本の指に対して直角な部位を示している。絶縁酸化物層１５は、エミッタ電極３とベース電極１４との間に設けられる。コレクタ領域６への接続は、コレクタ電極６Ａを介して行われる。
【００２９】
図５の構成の製造方法は、米国特許第４７５４３１５号に詳細に示されているため、ここでは言及しない。この米国特許第４７５４３１５号は、アルゴンイオンの注入によるキャリア再結合センタの生成による領域１の形成について言及している。その形成は、第１のエピタキシャル層４Ａの蒸着後、および第２のエピタキシャル層４Ｂの蒸着前に実行される。本発明によれば、適切なマスクを使用して最終的なエミッタ３の位置の下方になるように領域を側方に閉じ込める手法により、カーボンおよび金原子の注入や拡散を、アルゴンの注入工程の代わりにこの形成の段階で実行する。
【００３０】
トランジスタの作動時、エミッタ領域のアクティブエッジは、ベース電極１４に最も近いエッジ２０である。エミッタ領域アクティブエッジからコレクタ電極６Ａへの電流パスの境界は、鎖線２１によってマークされている。トランジスタが不作動になると、ベース電極によるベース領域から矢印Ｅで指示される方向へのキャリアの抽出は、過渡電流がエミッタ領域のセンタに向かって流れることができるベース領域の部分をピンチオフし、結果としてのピンチオフがコレクタの電流パスに影響を及ぼす。このピンチオフされた電流パスの境界は、鎖線２２によってマークされている。
【００３１】
領域１は、装置の不作動中に生じる電流パス内に配置され、キャリア再結合を起こしてエミッタ領域２をコレクタ領域６から絶縁し、過渡電流を起こして２次絶縁破壊の発生に抗するように働く。領域１の深さとその領域内の再結合センタの濃度は、装置構造の任意の部分での２次絶縁破壊の発生の可能性に対する領域１の影響を調節するため、変化させてもよい。
【００３２】
ここに示された技術は、トレンチ−ゲート電力トランジスタの製造においても有利に利用され得る。その内容は、参照文献として組み込まれる（本出願人の）本願と共に同時継続中の、英国特許出願第０１２７４７８．４号で開示されるように、トレンチの底部から実質的にドレインドリフト領域を横切ってドレイン接点領域に向かって延びるトレンチの下方の実質的な真性領域を組み込むことによって、その装置におけるスイッチングロスを減少させることができる。この実質的な真性領域は、トレンチが装置の半導体本体内にエッチングされた後、およびトレンチへのゲート電極の形成前に、装置の製造中に生成することができる。この段階において、原子が入射される基板の残余部が適切なマスクを使用してシールドされて実行される、カーボンおよび次いで金の原子の、トレンチのベースへの注入および拡散の少なくとも一方は、実質的に側方に局部配置され、かつトレンチの下方に閉じ込められた再結合センタの領域を提供する。
【００３３】
キャリア寿命が短縮され局所配置された領域を提供するために、本発明が用いられ得る半導体装置の更なる例は、ＤＥ−Ａ−１００１４６５９およびＥＰ−Ａ−１０９８３７１に記載されており、その内容は参照文献として本願に組み込まれる。
【００３４】
本発明の開示を読めば、その他の変更および改良は、当業者にとって明白である。その変更および改良は、当該技術で既に公知な、等価な特徴および他の特徴を含み、また既に述べられた特徴の代わり、またはそれに加えて利用されることができる。
【００３５】
例えば、寿命を制御する不純物としての金または白金の原子の使用は上記で参照され、かつそれらはこの方法で広範に利用されるが、多数の当該技術で公知の他の不純物を、キャリア寿命の制御のために使用してもよい。
【００３６】
本出願において、発明の特徴の特定の組み合わせについての請求項が作成されている。ただし、明示的、黙示的、または一般的の何れであっても、また、現在請求されている同じ発明の何れかの請求項に関するか否か、あるいはその発明が、本発明の課題と同じ課題の一部または全てを解決するか否かに関わらず、本発明の開示の範囲は、いかなる新規の特徴および特徴の新規の組み合わせをも含むものであることを理解されたい。
【００３７】
本出願人は、本出願または本出願から導かれる更なる出願の実行において、その特徴およびその特徴の組み合わせの少なくとも一方からなる、新たな請求項が作成され得ることをここに言及しておく。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明による半導体本体の整流器エリアの横断面図である。
【図２】図１の整流器エリアの垂直ドーピングプロファイルである。
【図３】本発明の他の実施の形態による、図２の整流器エリアに対する他の整流器ドーピングプロファイルである。
【図４】本発明によるトライアックの横断面図である。
【図５】本発明による、バイポーラトランジスタの一部の横断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
2005513783.tif 000008
2005513783.tif 000009
2005513783.tif 000010