(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚さ方向に一様な抵抗を具えたｎ型半導体基板をベース層とし、前記半導体基板の一方の主面側にｐ型のチャネル拡散領域、ｎ型のエミッタ拡散領域、エミッタ電極、ゲート絶縁膜およびゲート電極を形成し、かつ前記半導体基板の他方の主面側にｐ型のコレクタ層およびコレクタ電極を形成してなる半導体装置を製造するにあたって、
前記半導体基板の一方の主面側に前記チャネル拡散領域、前記エミッタ拡散領域、前記エミッタ電極、前記ゲート絶縁膜および前記ゲート電極を形成する工程と、
前記半導体基板の他方の主面側にリンイオンを浅く注入した後、それよりもさらに浅くボロンイオンを注入し、熱処理をおこなうことによって、前記ベース層よりも不純物濃度が高いｎ型の不純物拡散層を、当該不純物拡散層の不純物濃度が前記ベース層の不純物濃度の２倍となる位置をＸｆｓとし、当該不純物拡散層と前記コレクタ層との接合位置をＸｊとしたときに、Ｘｆｓ−Ｘｊが０．５μｍ以上３μｍ以下の範囲となるように形成するとともに、前記不純物拡散層よりも浅いｐ型のコレクタ層を形成する工程と、
前記コレクタ層の表面にコレクタ電極を形成する工程と、
を含み、
前記半導体基板の他方の主面側に不純物イオンを注入する前に当該主面の中心線平均粗さＲａが１μｍ以下となるように研磨をおこなうことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
厚さ方向に一様な抵抗を具えたｎ型半導体基板をベース層とし、前記半導体基板の一方の主面側にｐ型のチャネル拡散領域、ｎ型のエミッタ拡散領域、エミッタ電極、ゲート絶縁膜およびゲート電極を形成し、かつ前記半導体基板の他方の主面側にｐ型のコレクタ層およびコレクタ電極を形成してなる半導体装置を製造するにあたって、
前記半導体基板の一方の主面側に前記チャネル拡散領域、前記エミッタ拡散領域、前記エミッタ電極、前記ゲート絶縁膜および前記ゲート電極を形成する工程と、
前記半導体基板の他方の主面側にリンイオンを浅く注入した後、それよりもさらに浅くボロンイオンを注入し、熱処理をおこなうことによって、前記ベース層よりも不純物濃度が高いｎ型の不純物拡散層を、当該不純物拡散層の不純物濃度が前記ベース層の不純物濃度の２倍となる位置をＸｆｓとし、当該不純物拡散層と前記コレクタ層との接合位置をＸｊとしたときに、Ｘｆｓ−Ｘｊが０．５μｍ以上３μｍ以下の範囲となるように形成するとともに、前記不純物拡散層よりも浅いｐ型のコレクタ層を形成する工程と、
前記コレクタ層の表面にコレクタ電極を形成する工程と、
を含み、
前記半導体基板の他方の主面側に不純物イオンを注入する前に当該主面のろ波中心線うねりＷｃａが１０μｍ以下となるように研磨をおこなうことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記コレクタ電極を形成する前に、前記コレクタ層よりもさらに浅くなるようにボロンイオンまたはＢＦ2+を注入することによって前記コレクタ電極に対して低抵抗で接触するコンタクト層を形成することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記半導体基板を室温よりも低温に保ちながらボロンイオンの注入をおこなうことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記熱処理は、３００℃以上５５０℃以下の温度でおこなう拡散炉熱処理であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記熱処理は、３００℃以上６００℃以下の温度でおこなうＲＴＡ処理であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記熱処理は、１５０ｎｍ以上１０６０ｎｍ以下の波長のレーザー光線を０．５Ｊ／ｃｍ2以上３Ｊ／ｃｍ2以下の照射エネルギー密度で照射するレーザーアニールであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記熱処理は、３００℃以上５５０℃以下の温度でおこなう拡散炉熱処理、３００℃以上６００℃以下の温度でおこなうＲＴＡ処理、および１５０ｎｍ以上１０６０ｎｍ以下の波長のレーザー光線を０．５Ｊ／ｃｍ2以上３Ｊ／ｃｍ2以下の照射エネルギー密度で照射するレーザーアニールのうちの、いずれか二つまたは三つの組み合わせであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記半導体基板の他方の主面側に不純物イオンを注入する前に当該主面にのみ選択的に薬液洗浄処理をおこなうことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記薬液洗浄処理に用いる薬液はアンモニア過酸化水素水であることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記半導体基板の他方の主面側に不純物イオンを注入する前に当該主面のみを選択的に、メガソニックを併用し、水素水とオゾン水とからなる機能水を用いて洗浄することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記半導体基板の他方の主面側に不純物イオンを注入する前に、当該主面にのみ選択的に薬液洗浄をおこなう処理と、当該主面のみを選択的に、メガソニックを併用し、水素水とオゾン水とからなる機能水を用いて洗浄する処理とを組み合わせておこなうことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
アンモニア過酸化水素水を用いて薬液洗浄をおこなうことを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記コレクタ電極の、半導体と接する部分はアルミニウムでできていることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
前記コレクタ電極の、半導体と接する部分の前記アルミニウムの厚さは０．３μｍ以上であることを特徴とする請求項１４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
前記コレクタ電極の、半導体と接する部分は白金でできていることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
前記コレクタ電極の、半導体と接する部分の前記白金の厚さは０．３μｍ以上であることを特徴とする請求項１６に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを構成する半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（以下、ＩＧＢＴとする）として、図３０および図３１に示すプレーナーゲート構造のものや、図３２および図３３に示すトレンチゲート構造のものが知られている。図３０および図３２に示すノンパンチスルー型のＩＧＢＴは、たとえばＦＺウエハよりなるｎ型半導体基板１をベース層２とし、その表面側にｐ型のチャネル拡散領域３、ｎ型のエミッタ拡散領域４、エミッタ電極５、ゲート絶縁膜６、ゲート電極７および絶縁膜８が形成され、裏面側にｐ型のコレクタ層９およびコレクタ電極１０が形成された構成となっている。
【０００３】
一方、図３１および図３３に示すパンチスルー型のＩＧＢＴでは、たとえばｐ型のウエハ１１上にｎ型の半導体層１２およびそれよりも不純物濃度が低いｎ型の半導体層１３を順次エピタキシャル成長させたウエハ（エピタキシャルウエハ）が用いられる。ｐ型のウエハ１１の部分はコレクタ層９となり、その上のｎ型の半導体層１２はバッファ層１４となり、さらにその上のｎ型の半導体層１３はベース層２となる。このエピタキシャルウエハのベース層２側の表面にｐ型のチャネル拡散領域３、ｎ型のエミッタ拡散領域４、エミッタ電極５、ゲート絶縁膜６、ゲート電極７および絶縁膜８が形成され、コレクタ層９側の表面（エピタキシャルウエハの裏面）にコレクタ電極１０が形成される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したノンパンチスルー型のＩＧＢＴでは、オフ時のベース層２での空乏層の伸びがベース層２の厚さを越えないようにするため、ベース層２を厚くする必要があり、そのため損失が大きくなるという欠点がある。一方、上述したパンチスルー型のＩＧＢＴでは、たとえば耐圧クラスが１２００Ｖの場合、そのベース層２の厚さは１２０μｍ程度であり、ノンパンチスルー型のＩＧＢＴのベース層２の厚さが１８０μｍ程度であるのに比べて薄いため、低損失であるが、エピタキシャルウエハがＦＺウエハよりも高価（２倍以上）であるだけでなく、チップの歩留りも低くなるためチップの価格が高くなるという欠点がある。
【０００５】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、低損失のＩＧＢＴを構成する半導体装置を、安価なウエハを用いて歩留りよく製造することが可能な半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明にかかる半導体装置の製造方法は、たとえばＦＺウエハのように、インゴットから切り出され、その表面を研磨、洗浄された状態のウエハを用い、そのウエハのバルク部分をベース層として、その一方の主面側にｐ型のチャネル拡散領域、ｎ型のエミッタ拡散領域、エミッタ電極、ゲート絶縁膜およびゲート電極を形成した後、他方の主面側にリンイオンを浅く注入した後、それよりもさらに浅くボロンイオンを注入し、熱処理をおこなうことによって、オフ時の電界を止めるためのｎ型の不純物拡散層（以下、フィールドストップ層とする）を形成するとともに、コレクタ層を形成し、さらにその表面にコレクタ電極を形成するものである。
【０００７】
その際、フィールドストップ層の不純物濃度がベース層の不純物濃度の２倍となる位置をＸｆｓとし、フィールドストップ層とコレクタ層との接合位置をＸｊとしたときに、フィールドストップ層の厚さ、すなわちＸｆｓ−Ｘｊが０．５μｍ以上３μｍ以下の範囲となるようにする。
【０００８】
ここで、フィールドストップ層の厚さ（Ｘｆｓ−Ｘｊ）を上記範囲とする理由は、フィールドストップ層をイオン注入法により形成する際の、現在のイオン注入エネルギーの限界により打ち込むことができる最大深さが３μｍであるからである。一方、上記下限値よりも薄い拡散層をイオン注入により制御性よく形成するのは困難であるからである。
【０００９】
さらに、不純物イオンの注入面の中心線平均粗さＲａは１μｍ以下であるのがよい。その理由は、中心線平均粗さＲａが１μｍ以下であればリーク電流Ｉｒは１ｍＡ以下と許容範囲内におさまるが、それを超えるとリーク電流Ｉｒがミリアンペアオーダーになり、熱暴走等が発生し易くなるからである。なお、中心線平均粗さＲａの詳細についてはＪＩＳＢ０６０１に規定されている。
【００１０】
あるいは、不純物イオンの注入面のろ波中心線うねりＷｃａは１０μｍ以下であるのがよい。その理由は、ろ波中心線うねりＷｃａが１０μｍ以下であれば耐圧の降下率は小さいが、１０μｍを超えると急激に耐圧が降下するからである。なお、ろ波中心線うねりＷｃａの詳細についてはＪＩＳＢ０６１０に規定されている。
【００１１】
このＩＧＢＴにおいて、コレクタ電極を形成する前に、ボロンイオンまたはＢＦ2+の注入をおこなってコンタクト層を形成してもよい。このようにすれば、コレクタ電極がコンタクト層を介してコレクタ層に低抵抗で電気的に接続する。
【００１２】
また、ボロンイオンを注入する際の半導体基板の温度は室温よりも低温、たとえば８０°Ｋであるのがよい。その理由は、ボロンのイオン注入をそのような低温でおこなうと、室温以上の温度でイオン注入をおこなうのに比べて熱処理時の活性化率が高く、たとえば熱処理温度が４００℃〜５５０℃でも活性化率が約１５％〜６０％になるからである。これは、コレクタ層へのイオンの注入量を増やさずに、かつ熱処理温度を上げずに、コレクタ層のボロンの濃度を上げるのに有効である。
【００１３】
また、イオン注入後の熱処理温度は、拡散炉でおこなう場合には３００℃以上５５０℃以下であり、ＲＴＡ処理の場合には３００℃以上６００℃以下の温度であるのが適当である。その理由は、上限については、エミッタ電極の溶融やコンタクト抵抗の増大を防ぐためと、ボロンの濃度がリンの濃度よりも高くなるようにするためにリンの活性化率を最大でも１５％程度に抑えるためであり、下限については注入したリンを活性化させるためである。
【００１４】
また、イオン注入後の熱処理をレーザーアニール法でおこなう場合、使用するレーザー光線の波長は１５０ｎｍ以上１０６０ｎｍ以下であり、照射エネルギー密度は０．５Ｊ／ｃｍ2以上３Ｊ／ｃｍ2以下であるのが適当である。照射エネルギー密度が３Ｊ／ｃｍ2以下である理由は、レーザー光線の照射によって生じるコレクタ層の表面粗さを１μｍ以下に抑え、それによってリーク電流を低く抑えるためである。下限値については、それよりも照射エネルギー密度が低いと、注入したイオンがほとんど活性化しないからである。
【００１５】
また、イオン注入後の熱処理において、上述した拡散炉熱処理、ＲＴＡ処理またはレーザーアニールを二つ以上組み合わせておこなうようにしてもよい。その理由は、各熱処理を単独でおこなうよりも、組み合わせておこなったほうがボロンの活性化率が高いからである。
【００１６】
また、不純物イオンの注入面に対して、アンモニア過酸化水素水等の薬液を用いて選択的に洗浄処理をおこなうとよい。その理由は、良品率の低下原因となるパーティクルを極めて効率よく除去することができるからである。また、薬液で洗浄する代わりに、メガソニックを併用し、水素水とオゾン水とからなる機能水を用いて洗浄してもよい。その理由は、パーティクルを効率よく除去することができるからである。さらには、上述した薬液洗浄処理と、上述したメガソニック併用の水素水とオゾン水とからなる機能水を用いた洗浄処理とを組み合わせておこなうようにしてもよい。
【００１７】
また、複数種の金属を積層させてコレクタ電極を形成する際に、最初にアルミニウムまたは白金を積層してもよい。その理由は、アルミニウムと白金は、チタンに比べてｐ型の半導体（コレクタ層やコンタクト層）に対するバリアハイトが低く、オン電圧が低いからである。その際、アルミニウムまたは白金の厚さは０．３μｍ以上であるのが適当である。その理由は、０．３μｍよりも薄いとオン電圧が高くなるからである。
【００１８】
この発明によれば、フィールドストップ層となる不純物拡散層とコレクタ層をイオン注入法により形成するため、ノンパンチスルー型のＩＧＢＴのようにＦＺウエハ等の安価なウエハを用いてＩＧＢＴを歩留りよく製造することができる。また、フィールドストップ層を設けることにより、ベース層の厚さがパンチスルー型のＩＧＢＴと同程度のＩＧＢＴを製造することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は、本発明にかかる半導体装置の製造方法により製造される半導体装置の一例を示す縦断面図である。この半導体装置はプレーナーゲート構造のＩＧＢＴであり、たとえばＳｉのＦＺウエハよりなるｎ型半導体基板１をベース層２とする。そのベース層２の表面側にｐ型のチャネル拡散領域３が形成されている。チャネル拡散領域３内にはｎ型のエミッタ拡散領域４が形成されている。
【００２０】
エミッタ拡散領域４の一部の上にはゲート絶縁膜６を介してゲート電極７が形成されている。エミッタ電極５はチャネル拡散領域３およびエミッタ拡散領域４に電気的に接続するとともに、絶縁膜８によりゲート電極７から絶縁されている。ベース層２の裏面側にはｎ型の不純物拡散層よりなるフィールドストップ層２４が浅く形成されている。また、ベース層２の裏面側には、フィールドストップ層２４よりも浅いｐ型のコレクタ層９が形成されている。コレクタ電極１０はコレクタ層の表面に形成されている。
【００２１】
図２に、図１に示す構成のＩＧＢＴのコレクタ層９付近の不純物プロファイルを示す。図２において、Ｃｂはベース層２の不純物濃度を表す。Ｘｊはコレクタ層９とフィールドストップ層２４との接合位置までの深さを表す。Ｘｆｓは、フィールドストップ層２４の不純物濃度がベース層２の不純物濃度の２倍となる位置までの深さを表す。これらの深さは、いずれもコレクタ層９とコレクタ電極１０との界面からの深さである。図１では省略したが、コレクタ層９の、コレクタ電極１０との界面近傍部分に、コレクタ層９よりも不純物濃度が高くて、コレクタ電極１０に対して低抵抗で接触するコンタクト層を設けてもよい。
【００２２】
図１に示す構成のＩＧＢＴにおいて、Ｘｆｓ−Ｘｊをフィールドストップ層２４の厚さとすると、この厚さは０．５μｍ以上３μｍ以下の値となる。その理由はフィールドストップ層２４をイオン注入法により形成する際、現在のイオン注入エネルギーの限界によりイオンを打ち込むことができる最大深さが３μｍであるため、上記上限値を超えてイオンを深く打ち込むことができないからである。
【００２３】
一方、上記下限値よりも薄い拡散層をイオン注入により制御性よく形成するのは困難であるため非現実的であるからである。なお、イオン注入装置等の改良により、より深くイオンを打ち込むことができる場合や、より浅くても制御性よく拡散層を形成することができる場合には、フィールドストップ層２４の厚さはそれに応じた厚さとなるのはいうまでもない。
【００２４】
半導体基板１、すなわちＦＺウエハの比抵抗は、厚さ方向に一様であり、特に限定しないが、たとえば６０Ωｃｍである。ここで比抵抗が厚さ方向に一様であるということは、厚さ方向の比抵抗のばらつきが±２０％以内であることを意味する。なお、ウエハの厚さ方向の比抵抗のばらつきが±２０％以内にあれば、ＦＺウエハに限らない。ウエハの比抵抗が６０Ωｃｍである場合、ベース層２の比抵抗はたとえば６０Ωｃｍである。１２００Ｖ耐圧素子の場合、ベース層２の厚さはおおよそ１２０μｍである。これは、フィールドストップ層２４が、従来のパンチスルー型のＩＧＢＴのバッファ層と同様にオフ時のベース層２に生じる空乏層を止めるため、従来のパンチスルー型のＩＧＢＴのベース層と同程度の厚さを有していればよいからである。
【００２５】
つぎに、図１に示す構成のＩＧＢＴの製造プロセスについて図３〜図８を参照しながら説明する。まず、たとえば比抵抗が６０ΩｃｍのＦＺウエハよりなる半導体基板１の一方の主面にゲート絶縁膜６を形成し、さらにその上にゲート電極７となるポリシリコンを積層させる。そして、フォトリソグラフィ技術およびエッチングにより、ゲート絶縁膜６およびゲート電極７の、チャネル拡散領域３に対応する領域に窓を開け、ボロンイオンをイオン注入する。ここまでの状態が図３に示されている。
【００２６】
つづいて、フォトレジストをパターニングしてチャネル拡散領域３に対応する窓の中央部にレジスト３１を残し、そのレジスト３１をマスクとしてイオン注入法によりチャネル拡散領域３にヒ素イオンを打ち込む。ここまでの状態が図４に示されている。レジスト３１を除去した後、熱処理によりイオン注入による損傷の回復とともに注入イオンの活性化をおこない、チャネル拡散領域３およびエミッタ拡散領域４を形成する。しかる後、絶縁膜８を積層し、それをエッチングしてチャネル拡散領域３およびエミッタ拡散領域４の一部を露出させ、その上にアルミニウム等でエミッタ電極５を積層する。ここまでの状態が図５に示されている。
【００２７】
ついで、ウエハを半導体基板１のもう一方の主面側から研削および研磨してウエハの厚さを１２０μｍにする。その際、その研磨した面の中心線平均粗さＲａが１μｍ以下となるようにする。また、その研磨した面のろ波中心線うねりＷｃａが１０μｍ以下となるようにする。つづいて、枚葉スピン洗浄機に研磨面（被洗浄面）が上になるようにしてウエハを取り付け、洗浄液としてたとえばアンモニア過酸化水素水を用いてウエハの研磨面のみ選択的に洗浄をおこない、ウエハ表面に付着したパーティクルを除去する。
【００２８】
ここで、研磨面のみ選択的に洗浄をおこなう理由は、反対側の面にすでにエミッタ電極５等が形成されているからである。しかる後、その洗浄した側の面に、フィールドストップ層２４を形成するため、イオン注入法によりリンイオンを打ち込む。このときの加速エネルギーは１００ｋｅＶ以上である。ここまでの状態が図６に示されている。
【００２９】
つづいて、コレクタ層９を形成するため、イオン注入法によりボロンイオンを打ち込む。このときの加速エネルギーおよびイオン注入角度は、先に注入されたリンイオンよりも短い飛程になるように調節される。また、ドーズ量は、コレクタ層９の不純物濃度のほうがフィールドストップ層２４の不純物濃度よりも高くなるようにする（図２参照）。また、ボロンイオンを注入する際のウエハ温度は室温よりも低温であるのがよい。そして、コレクタ層９の表面近傍部分の不純物濃度がさらに高いコンタクト層（図示せず）を形成するため、イオン注入法によりボロンイオン（ＢＦ2+でもよい）を打ち込む。このときの加速エネルギーおよびイオン注入角度は、先に注入されたボロンイオンよりも短い飛程になるように調節される。ここまでの状態が図７に示されている。
【００３０】
その後、図８に示すように、イオン注入による損傷を回復させるとともに注入イオンを活性化させるため、たとえばウエハを拡散炉内に入れ、エミッタ電極５の溶融やコンタクト抵抗の増大を招かない温度、たとえばエミッタ電極５がアルミニウムでできている場合には３００℃以上５５０℃以下の温度で熱処理をおこない、フィールドストップ層２４、コレクタ層９および図示しないコンタクト層を形成する。そして、スパッタリング法などにより、コンタクト層の表面にコレクタ電極１０を被着させる。複数種の金属を積層させてコレクタ電極１０を形成する場合には、最初にアルミニウムまたは白金を０．３μｍ以上、たとえば１μｍ以下の厚さで積層させるとよい。このようにして、図１に示す構成のＩＧＢＴができあがる。
【００３１】
つぎに、コレクタ層９等を形成する面の中心線平均粗さＲａを１μｍ以下とする理由について説明する。図９は、図１に示す構成のＩＧＢＴにおいてコレクタ層９の中心線平均粗さとリーク電流との関係を調べた実験結果を示す特性図である。同図より、中心線平均粗さＲａが１μｍ以下であればリーク電流Ｉｒは１ｍＡ以下と許容範囲であることがわかる。それに対して、リーク電流Ｉｒが指数関数的に増えるため、中心線平均粗さＲａが１μｍを超えるとリーク電流Ｉｒはミリアンペアオーダーになり、熱暴走等が発生し易くなってしまい、好ましくない。
【００３２】
また、コレクタ層９等を形成する面のろ波中心線うねりＷｃａが１０μｍ以下である理由について説明する。上述した製造プロセスにおいては、エミッタ電極５を形成した後、ベース層２を所定の厚さまで研磨すると、エミッタ電極５が形成された側の段差等のパターンに応じて研磨面にも段差等が生じる。図１０は、図１に示す構成のＩＧＢＴにおいてベース層２のろ波中心線うねりと耐圧の降下率との関係を調べた実験結果を示す特性図である。同図は、ろ波中心線うねりが０の時の耐圧を１００％として、ろ波中心線うねりが大きくなると１００％の耐圧が何％となったかを耐圧の降下率と表現した。同図より、ベース層２の厚さのばらつき、すなわちろ波中心線うねりＷｃａが１０μｍ以下では０の時に比べて耐圧の降下率は小さいが、１０μｍを超えると０の時に比べて急激に耐圧が降下するのがわかる。したがって、耐圧の低下を極力抑えるためには、ろ波中心線うねりＷｃａは１０μｍ以下であるのがよい。
【００３３】
また、イオン注入前にアンモニア過酸化水素水等を用いた薬液洗浄をおこなう理由について説明する。図１１は、図１に示す構成のＩＧＢＴにおいてイオン注入面に付着した０．３μｍ径より大きいパーティクルの数とＩＧＢＴの良品率との関係を調べた結果を示す特性図である。同図から、パーティクルが少ないほど良品率が高くなり、歩留りが向上するのがわかる。
【００３４】
図１２は、図１に示す構成のＩＧＢＴにおいて各種洗浄処理とパーティクルの除去効果との関係を調べた結果を示す特性図である。同図より、洗浄液としてたとえばアンモニア過酸化水素水を用いたもの（図１２中にＳＣ１で示す）では、洗浄前のパーティクル数に対する洗浄後のパーティクル数の割合がおおよそゼロであり、ほとんどのパーティクルが除去されたことがわかる。したがって、ＩＧＢＴの良品率を１に近づけるためには、洗浄液としてアンモニア過酸化水素水を用いるのが有効である。
【００３５】
また、図１２より、単なる水洗やＤＨＦ処理に比べて、メガソニックを併用し、水素水とオゾン水とからなる機能水を用いてウエハ面を洗浄する超音波洗浄法も有効であることがわかる。この超音波洗浄法においても、スピン洗浄機を用いて被洗浄面のみ選択的に洗浄をおこなう。上述したアンモニア過酸化水素水による洗浄と、上述した超音波洗浄とを２回以上組み合わせておこなうようにしてもよい。なお、アンモニア過酸化水素水によらず、パーティクル除去効果が高い洗浄液を用いることもできる。
【００３６】
フィールドストップ層２４、コレクタ層９および図示しないコンタクト層を形成するためのイオン注入をおこなう際には、所望の飛程となるように加速エネルギーとイオン注入角度を調節する。図１３は、リンイオン、ボロンイオンまたはＢＦ2+を注入する際の加速エネルギーと飛程距離Ｒｐとの関係を示す特性図である。同図より、ボロンは質量数が１１と軽いため、加速エネルギーが低くても飛程距離Ｒｐは大きい。それに対して、リンは質量数が３１であるため、同一の加速エネルギーでもボロンの場合の２分の１〜３分の１程度の飛程距離になる。さらに、ＢＦ2+は質量数が４９であるため、同一の加速エネルギーでもボロンの場合の４分の１程度の飛程距離である。
【００３７】
また、図１４は、加速エネルギー１００ｋｅＶでボロンイオンを注入する際のイオン注入角と飛程距離Ｒｐとの関係を示す特性図である。同図より、イオン注入角度を変えることによって、Ｓｉの結晶方位との関係から飛程距離Ｒｐを制御することが可能であることがわかる。したがって、上述した製造プロセスを実施するにあたっては、これらの加速エネルギーやイオン注入角度と飛程距離との関係に基づいて、適切な注入条件を導出すればよい。
【００３８】
つぎに、ボロンイオンを室温よりも低温で注入する理由について説明する。図１５は、種々のウエハ温度でボロンイオンを注入し（加速エネルギー：５０ｋｅＶ、ドーズ量：１×１０15ｃｍ-2）、６０分間のアニールをおこなった場合の熱処理温度と活性化率との関係を示す特性図である。同図から、熱処理温度が高くなると活性化率が高くなることと、ボロンの場合、室温以上の温度でイオン注入をおこなった後アニールで活性化させたものよりも、室温よりも低いたとえば８０Ｋでイオン注入をおこなった後アニールで活性化させたもののほうが活性化率が一桁以上も高いことがわかる。
【００３９】
図１に示す構成のＩＧＢＴでは、素子の耐圧が高くなるに連れてフィールドストップ層２４へのリンのトータルドーズ量が多くなる。上述したようにコレクタ層９の不純物濃度はフィールドストップ層２４の不純物濃度よりも高くなければならないので、リンのトータルドーズ量を多くすると、それに伴ってコレクタ層９へのボロンのトータルドーズ量も多くする必要がある。しかし、注入可能なボロンイオンの量にも限界があり、またエミッタ電極５の溶融やコンタクト抵抗の増大を防ぐために熱処理温度にも５５０℃程度の上限がある。これらの点から、ボロンのイオン注入を低温、たとえば８０Ｋでおこなうことは、熱処理温度が４００℃〜５５０℃でも活性化率が１５％〜６０％であるため、コレクタ層９へのイオンの注入量を増やさずに、かつ熱処理温度を上げずに、コレクタ層９のボロンの濃度を上げるのに有効である。
【００４０】
つぎに、フィールドストップ層２４およびコレクタ層９を形成するためにリンイオンおよびボロンイオンを注入した後におこなう熱処理の温度が３００℃以上５５０℃以下の温度である理由には、上述したエミッタ電極５の溶融やコンタクト抵抗の増大を防ぐためという以外に、つぎのような理由もある。すなわち、上記上限値については、ボロンの濃度がリンの濃度よりも高くなるようにするためにリンの活性化率を最大でも１５％程度に抑えるためである。図１６は、リンおよびボロンについて拡散炉熱処理における熱処理温度と活性化率との関係を示す特性図である。同図より、熱処理温度が５５０℃以下であればリンの活性化率は１５％以下であることがわかる。上記下限値については、それよりも低温ではリンが活性化しないからである。
【００４１】
拡散炉を用いる代わりに、熱処理をランプアニール法（ＲＴＡ処理）でおこなうこともできる。この場合の熱処理温度は３００℃以上６００℃以下の範囲である。その理由は、上述した拡散炉を用いた場合と同様であるが、ＲＴＡ処理では６００℃でもリンの活性化率は十数％程度であるため、熱処理温度の上限は６００℃となる。図１７に、リンおよびボロンについてＲＴＡ処理における熱処理温度と活性化率との関係を示す。
【００４２】
また、拡散炉を用いる代わりに、熱処理をレーザーアニール法でおこなうこともできる。このときに用いるレーザー光線は、その波長が１５０ｎｍ以上１０６０ｎｍ以下のものである。例として、たとえば波長が２４８ｎｍのＫｒＦレーザー、波長が３０８ｎｍのＸｅＣｌレーザー、波長が３５１ｎｍのＸｅＦレーザー、波長が５３２ｎｍのＹＡＧレーザーの第２高調波、波長が１０６０ｎｍのＹＡＧレーザーなどがある。また、照射エネルギー密度は０．５Ｊ／ｃｍ2以上３Ｊ／ｃｍ2以下である。照射エネルギー密度が３Ｊ／ｃｍ2以下である理由は、これよりも照射エネルギー密度が高くなると、レーザー光線を照射した面、すなわちコレクタ層９の中心線平均粗さが１μｍを超えてしまうからである。中心線平均粗さが１μｍを超えるとリーク電流Ｉｒがミリアンペアオーダーになり（図９参照）、図９に関連して説明したように好ましくないからである。
【００４３】
図１８に、レーザーアニールにおける照射エネルギー密度と中心線平均粗さとの関係を調べた結果を示す。照射エネルギー密度が０．５Ｊ／ｃｍ2以上である理由は、これよりも照射エネルギー密度が低いと、注入したイオンがほとんど活性化しないからである。図１９に、レーザーアニールにおける照射エネルギー密度と不純物（ボロン）の活性化率との関係を調べた結果を示す。
【００４４】
また、上述した拡散炉熱処理、ＲＴＡ処理またはレーザーアニール処理を単独でおこなうだけでなく、それらのうちのいずれか二つまたは三つを組み合わせて熱処理をおこなうようにしてもよい。図２０は、レーザーアニール処理を単独でおこなった場合と、レーザーアニール処理と拡散炉熱処理とを組み合わせた場合とで、ボロンの活性化率を比較した結果を示す図である。同図より、ＫｒＦレーザー（波長：２４８ｎｍ）、ＸｅＣｌレーザー（波長：３０８ｎｍ）、ＸｅＦレーザー（波長：３５１ｎｍ）、ＹＡＧレーザー（波長：１０６０ｎｍ）のいずれにおいても、レーザーアニール処理を単独でおこなうよりも、レーザーアニール処理と拡散炉熱処理とを組み合わせたほうが活性化率が高いことがわかる。
【００４５】
図１に示す構成のＩＧＢＴでは、その特性はコレクタ層９からのホールの注入量によって決まるため、コレクタ層９のボロン量を制御する必要がある。コレクタ層９の表面粗さができるだけ小さくなるような条件でボロンの活性化をおこなう場合、レーザーアニール処理と拡散炉熱処理との組み合わせによって活性化率が上がるので、コレクタ−エミッタ間飽和電圧ＶCE（ｓａｔ）の特性を容易に制御することができる。なお、図２０は、照射エネルギー密度を１．３Ｊ／ｃｍ2とし、拡散炉熱処理温度を４００℃として得られた結果である。
【００４６】
つぎに、コレクタ電極１０として、半導体と接する部分をアルミニウムまたは白金で構成する理由について説明する。図２１は、コレクタ電極材料（Ａｌ、Ｐｔ、Ｔｉ）のバリアハイトφBnとオン電圧との関係を示す特性図である。同図から、アルミニウムと白金は、チタンに比べてｎ型の半導体に対するバリアハイトが高い、換言すればｐ型の半導体に対するバリアハイトが低く、オン電圧が低いことがわかる。
【００４７】
図１に示す構成のＩＧＢＴではコレクタ層９や図示しないコンタクト層の不純物濃度が低いため、チタンとの接触ではバリアハイトが高すぎてしまうので、アルミニウムまたは白金を用いる必要がある。また、アルミニウムまたは白金の厚さが０．３μｍ以上である理由は、それよりも薄いとオン電圧が高くなるからである。図２２に、コレクタ電極材料（Ａｌ）の膜厚とオン電圧との関係を調べた結果を示す。アルミニウムの膜厚が０．５μｍ以上ではオン電圧は１．７Ｖ〜１．８Ｖの間に収束する。したがって、アルミニウムや白金の膜厚の上限を特に設ける必要はないが、たとえばコストや積層時間等の関係や、あまり厚すぎると反りが生じるおそれがあるなどの関係から、特に限定しないがたとえば数μｍ以下、たとえば１μｍ以下であるのが適当である。
【００４８】
図２３は、本発明にかかる半導体装置の製造方法により製造される半導体装置の他の例を示す縦断面図である。この半導体装置はトレンチゲート構造のＩＧＢＴであり、たとえばＳｉのＦＺウエハよりなるｎ型半導体基板１をベース層２とする。そのベース層２の表面側にｐ型のチャネル拡散領域３が形成されている。チャネル拡散領域３内にはｎ型のエミッタ拡散領域４が形成されている。チャネル拡散領域３の中央部にはエミッタ拡散領域４を貫通する溝が形成されており、その溝の内面を覆うゲート絶縁膜６を介して溝内にゲート電極７が設けられている。
【００４９】
エミッタ電極５はチャネル拡散領域３およびエミッタ拡散領域４に電気的に接続するとともに、絶縁膜８によりゲート電極７から絶縁されている。ベース層２の裏面側にはフィールドストップ層２４が浅く形成されている。また、ベース層２の裏面側には、フィールドストップ層２４よりも浅いｐ型のコレクタ層９が形成されている。コレクタ電極１０はコレクタ層９の表面に形成されている。
【００５０】
図２３に示す構成のＩＧＢＴは、図１に示す構成のＩＧＢＴがプレーナーゲート構造であるのに対して、トレンチゲート構造である点が異なるだけである。したがって、図２３に示す構成のＩＧＢＴにおいて、フィールドストップ層２４の厚さＸｆｓ−Ｘｊは０．５μｍ以上３μｍ以下である。
【００５１】
つぎに、図２３に示す構成のＩＧＢＴの製造プロセスについて図２４〜図２９を参照しながら説明する。まず、たとえば比抵抗が６０ΩｃｍのＦＺウエハよりなる半導体基板１の一方の主面に、チャネル拡散領域３を形成するためにボロンイオンをイオン注入し、その後フォトリソグラフィ技術およびエッチングにより溝を形成する。ここまでの状態が図２４に示されている。
【００５２】
つづいて、ゲート絶縁膜６を積層し、さらにその上にゲート電極７となるポリシリコンを積層させる。そして、エッチングにより溝内にのみゲート絶縁膜６およびゲート電極７を残す。つづいて、フォトレジストを被着させ、それをパターニングしてエミッタ拡散領域４に対応する領域に窓を開ける。そして、残ったレジスト３２をマスクとしてイオン注入法によりチャネル拡散領域３にヒ素イオンを打ち込む。ここまでの状態が図２５に示されている。
【００５３】
レジスト３２を除去した後、熱処理によりイオン注入による損傷の回復とともに注入イオンの活性化をおこない、チャネル拡散領域３およびエミッタ拡散領域４を形成する。しかる後、絶縁膜８を積層し、それをエッチングしてゲート電極７を覆うとともにチャネル拡散領域３およびエミッタ拡散領域４の一部を露出させ、その上にエミッタ電極５を積層する。ここまでの状態が図２６に示されている。
【００５４】
これ以降は、上述したプレーナーゲート構造のＩＧＢＴと同様である。すなわち、図２７に示すように、ウエハを厚さ１２０μｍまで研磨し、たとえばアンモニア過酸化水素水でウエハの研磨面のみ選択的に洗浄をおこなった後、フィールドストップ層２４を形成するため、イオン注入法によりリンイオンを打ち込む。研磨の際、その研磨した面の中心線平均粗さＲａが１μｍ以下であり、かつろ波中心線うねりＷｃａが１０μｍ以下となるようにする。
【００５５】
つづいて、図２８に示すように、コレクタ層９および図示しないコンタクト層を形成するため、イオン注入法によりリンイオンよりも短い飛程となるように、ボロンイオンを打ち込む。その際、ウエハ温度を室温よりも低温にしてボロンイオンを注入する。その後、図２９に示すように、３００℃以上５５０℃以下の温度で拡散炉熱処理をおこない、フィールドストップ層２４およびコレクタ層９を形成する。そして、スパッタリング法などにより、コレクタ層９の表面にコレクタ電極１０を被着させるが、その際、最初にアルミニウムまたは白金を０．３μｍ以上、たとえば１μｍ以下の厚さで積層させる。このようにして、図２３に示す構成のＩＧＢＴができあがる。
【００５６】
図２３に示す構成のＩＧＢＴの製造プロセスにおいて、コレクタ層９側の構造を形成するプロセスは、図１に示す構成のＩＧＢＴのコレクタ層９側の構造を形成するプロセスと同じである。したがって、図９〜図２２に関連して説明した内容は、図２３に示す構成のＩＧＢＴの製造プロセスにおいてもそのままあてはまる。
【００５７】
上述した実施の形態によれば、フィールドストップ層２４とコレクタ層９をイオン注入法により形成するため、ノンパンチスルー型のＩＧＢＴのようにＦＺウエハ等の安価なウエハを用いてＩＧＢＴを歩留りよく製造することができる。また、フィールドストップ層２４を設けることにより、ベース層２の厚さがパンチスルー型のＩＧＢＴと同程度のＩＧＢＴを製造することができる。したがって、ノンパンチスルー型と同程度に安価であり、かつパンチスルー型のＩＧＢＴと同程度に低損失なＩＧＢＴが得られる。
【００５８】
以上において本発明は、種々変更可能である。たとえば、フィールドストップ層２４、コレクタ層９およびコンタクト層を形成する際に、それぞれのイオン注入をおこなった後にその都度熱処理をおこなうようにしてもよい。また、フィールドストップ層２４、コレクタ層９およびコンタクト層を形成するためのイオン注入後におこなう熱処理として、ＥＢアニール法やマイクロ波アニール法などを用いてもよいし、これらの熱処理と上述した拡散炉熱処理法やＲＴＡ処理法やレーザーアニール処理とを組み合わせてもよい。また、本発明にかかる製造方法は、耐圧クラスが６００Ｖ、９００Ｖ、１２００Ｖ、１４００Ｖ、１８００Ｖ、２０００Ｖ、２５００ＶなどのＩＧＢＴの製造に適用できる。
【００５９】
【発明の効果】
本発明によれば、フィールドストップ層となる不純物拡散層とコレクタ層をイオン注入法により形成するため、ノンパンチスルー型のＩＧＢＴのようにＦＺウエハ等の安価なウエハを用いてＩＧＢＴを歩留りよく製造することができる。また、フィールドストップ層を設けることにより、ベース層の厚さがパンチスルー型のＩＧＢＴと同程度のＩＧＢＴを製造することができる。したがって、ノンパンチスルー型と同程度に安価であり、かつパンチスルー型のＩＧＢＴと同程度に低損失なＩＧＢＴを構成する半導体装置が得られる。また、不純物イオンの注入面の中心線平均粗さＲａを１μｍ以下とすることで、リーク電流の増加を抑制し、不純物イオンの注入面のろ波中心線うねりＷｃａを１０μｍ以下とすることで、耐圧の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる半導体装置の製造方法により製造される半導体装置の一例を示す縦断面図である。
【図２】図１に示す構成のＩＧＢＴのコレクタ層付近の不純物プロファイルを示す図である。
【図３】図１に示す構成のＩＧＢＴの製造プロセスを説明するためにＩＧＢＴの製造途中の断面構造を示す縦断面図である。
【図４】図１に示す構成のＩＧＢＴの製造プロセスを説明するためにＩＧＢＴの製造途中の断面構造を示す縦断面図である。
【図５】図１に示す構成のＩＧＢＴの製造プロセスを説明するためにＩＧＢＴの製造途中の断面構造を示す縦断面図である。
【図６】図１に示す構成のＩＧＢＴの製造プロセスを説明するためにＩＧＢＴの製造途中の断面構造を示す縦断面図である。
【図７】図１に示す構成のＩＧＢＴの製造プロセスを説明するためにＩＧＢＴの製造途中の断面構造を示す縦断面図である。
【図８】図１に示す構成のＩＧＢＴの製造プロセスを説明するためにＩＧＢＴの製造途中の断面構造を示す縦断面図である。
【図９】図１に示す構成のＩＧＢＴにおいてコレクタ層の中心線平均粗さとリーク電流との関係を調べた実験結果を示す特性図である。
【図１０】  図１に示す構成のＩＧＢＴにおいてベース層のろ波中心線うねりと耐圧の降下率との関係を調べた実験結果を示す特性図である。
【図１１】図１に示す構成のＩＧＢＴにおいてイオン注入面に付着した０．３μｍ径より大きいパーティクルの数とＩＧＢＴの良品率との関係を調べた結果を示す特性図である。
【図１２】図１に示す構成のＩＧＢＴにおいて各種洗浄処理とパーティクルの除去効果との関係を調べた結果を示す特性図である。
【図１３】リンイオン、ボロンイオンまたはＢＦ2+を注入する際の加速エネルギーと飛程距離Ｒｐとの関係を示す特性図である。
【図１４】ボロンイオンを注入する際のイオン注入角度と飛程距離Ｒｐとの関係を示す特性図である。
【図１５】ボロンイオンの注入温度と熱処理温度と活性化率との関係を示す特性図である。
【図１６】リンおよびボロンについて拡散炉熱処理における熱処理温度と活性化率との関係を示す特性図である。
【図１７】リンおよびボロンについてＲＴＡ処理における熱処理温度と活性化率との関係を示す特性図である。
【図１８】レーザーアニールにおける照射エネルギー密度と中心線平均粗さとの関係を調べた結果を示す特性図である。
【図１９】レーザーアニールにおける照射エネルギー密度と不純物ボロンの活性化率との関係を調べた結果を示す特性図である。
【図２０】レーザーアニール処理を単独でおこなった場合と、レーザーアニール処理と拡散炉熱処理とを組み合わせた場合とで、ボロンの活性化率を比較した結果を示す図である。
【図２１】コレクタ電極材料のバリアハイトφBnとオン電圧との関係を調べた結果を示す特性図である。
【図２２】コレクタ電極材料（Ａｌ）の膜厚とオン電圧との関係を調べた結果を示す特性図である。
【図２３】本発明にかかる製造方法によって製造される半導体装置の他の例を示す縦断面図である。
【図２４】図２３に示す構成のＩＧＢＴの製造プロセスを説明するためにＩＧＢＴの製造途中の断面構造を示す縦断面図である。
【図２５】図２３に示す構成のＩＧＢＴの製造プロセスを説明するためにＩＧＢＴの製造途中の断面構造を示す縦断面図である。
【図２６】図２３に示す構成のＩＧＢＴの製造プロセスを説明するためにＩＧＢＴの製造途中の断面構造を示す縦断面図である。
【図２７】図２３に示す構成のＩＧＢＴの製造プロセスを説明するためにＩＧＢＴの製造途中の断面構造を示す縦断面図である。
【図２８】図２３に示す構成のＩＧＢＴの製造プロセスを説明するためにＩＧＢＴの製造途中の断面構造を示す縦断面図である。
【図２９】図２３に示す構成のＩＧＢＴの製造プロセスを説明するためにＩＧＢＴの製造途中の断面構造を示す縦断面図である。
【図３０】従来のＩＧＢＴの構成を示す縦断面図である。
【図３１】従来のＩＧＢＴの構成を示す縦断面図である。
【図３２】従来のＩＧＢＴの構成を示す縦断面図である。
【図３３】従来のＩＧＢＴの構成を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１    半導体基板
２    ベース層
３    チャネル拡散領域
４    エミッタ拡散領域
５    エミッタ電極
６    ゲート絶縁膜
７    ゲート電極
８    絶縁膜
９    コレクタ層
１０    コレクタ電極
２４    フィールドストップ層（不純物拡散層）
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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