(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンウエハの酸素濃度が、予め定められた閾値よりも小さい場合には、前記シリコンウエハの酸素濃度を大きくする酸素の導入を行い、前記シリコンウエハの酸素濃度が、前記閾値よりも大きい場合には、前記シリコンウエハの酸素濃度を小さくする酸素の導出を行う第１工程と、
前記第１工程後に、前記シリコンウエハの第１面に第１面構造を形成する第２工程と、
前記第１工程後に、前記シリコンウエハを前記第１面と逆側の第２面から研削する第３工程と、
前記第３工程後に、前記シリコンウエハの前記第２面に第２面構造を形成する第４工程と
を備える、半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記第１工程において、前記シリコンウエハを酸化膜及び酸素雰囲気の少なくともいずれかに接する状態でアニールを行い、
前記アニールの時間をｔ（秒）とし、前記アニールの温度を１０００℃以上１３００℃以下であるＴ（Ｋ）とし、前記第３工程後の前記シリコンウエハの厚さをｄ（ｃｍ）とし、ｋをｅＶ／Ｋ単位に換算されたボルツマン定数とし、ｅｒｆｃ−１を相補誤差関数ｅｒｆｃの逆関数とした場合に、
ｔ≧｛ｄ／［２×√Ｄ×ｅｒｆｃ−１（１×１０１５／Ｃｓ）］｝２、
Ｄ＝０．２８×ｅｘｐ（−２．５３／ｋＴ）、
Ｃｓ＝６×１０２２ｅｘｐ（−１．６１／ｋＴ）
が成り立つ、半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記第１工程後に、前記シリコンウエハに荷電粒子線を照射して点欠陥を形成する第５工程と、
前記第５工程後に、前記点欠陥と前記酸素とからなる複合欠陥の形成、及び、前記点欠陥の一部の消滅の少なくともいずれかのためのアニールを行う第６工程と
をさらに備える、半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記第５工程において、前記シリコンウエハの前記第１面または前記第２面に、前記荷電粒子線として電子線を照射することによって、前記第３工程後の前記シリコンウエハの全体部分に、前記点欠陥を形成する、半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項３に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記第５工程において、前記シリコンウエハの前記第１面または前記第２面に、前記荷電粒子線としてプロトンまたはヘリウムイオンを照射することによって、前記第３工程後の前記シリコンウエハの局所部分に、前記点欠陥を形成する、半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項１から請求項５のうちのいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記第３工程後の前記シリコンウエハの全体部分または前記第１面側の部分の酸素濃度は、２×１０１６ｃｍ−３以上かつ５×１０１７ｃｍ−３以下である、半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項１から請求項６のうちのいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記第１工程前の前記シリコンウエハの酸素濃度は、１×１０１５ｃｍ−３以上かつ１×１０１８ｃｍ−３以下である、半導体装置の製造方法。
【請求項８】
酸素と点欠陥とからなる複合欠陥を有するシリコンウエハの半導体領域と、
前記半導体領域の第１面に配設された第１面構造と、
前記半導体領域の前記第１面と逆側の第２面に配設された第２面構造と
を備え、
前記半導体領域の全体部分または前記第１面側の部分の酸素濃度が２×１０１６ｃｍ−３以上かつ５×１０１７ｃｍ−３以下であり、前記半導体領域の前記第１面から前記第２面までの酸素濃度が前記第１面から前記第２面に向かって単調に増加または減少する、半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、半導体装置の製造方法、及び、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の一種であるパワー半導体装置では、スイッチングを高速化するために、シリコンウエハに存在する点欠陥及び不純物を複合化することによって、複合欠陥を形成することがある。特許文献１及び特許文献２には、パワー半導体装置に複合欠陥を形成することにより、スイッチング特性の改善に加えて、スイッチング損失低減、逆回復特性の改善（リカバリーサージ電圧の低減等）、短絡耐量の改善などが可能であることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２００７／０００８３８号
【特許文献２】国際公開第２０１６／２０４０９７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、複合欠陥を形成する不純物の一つである酸素の濃度は、シリコンウエハの製造ばらつきによりシリコンウエハごとに異なるため、パワー半導体装置の特性がばらついてしまうという問題があった。【０００５】
そこで、本開示は、上記のような問題点を鑑みてなされたものであり、シリコンウエハ間の酸素濃度のばらつきを低減可能な技術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】
【０００６】
本開示に係る半導体装置の製造方法は、シリコンウエハの酸素濃度が、予め定められた閾値よりも小さい場合には、前記シリコンウエハの酸素濃度を大きくする酸素の導入を行い、前記シリコンウエハの酸素濃度が、前記閾値よりも大きい場合には、前記シリコンウエハの酸素濃度を小さくする酸素の導出を行う第１工程と、前記第１工程後に、前記シリコンウエハの第１面に第１面構造を形成する第２工程と、前記第１工程後に、前記シリコンウエハを前記第１面と逆側の第２面から研削する第３工程と、前記第３工程後に、前記シリコンウエハの前記第２面に第２面構造を形成する第４工程とを備える。
【発明の効果】
【０００７】
本開示によれば、シリコンウエハの酸素濃度が、閾値よりも小さい場合には、シリコンウエハの酸素濃度を大きくする酸素の導入を行い、シリコンウエハの酸素濃度が、閾値よりも大きい場合には、シリコンウエハの酸素濃度を小さくする酸素の導出を行う。このような構成によれば、シリコンウエハ間の酸素濃度のばらつきを低減することができる。【０００８】
本開示の目的、特徴、局面及び利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１に係るパワー半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。
【図２】実施の形態１に係る酸素導入導出工程を説明するための図である。
【図３】実施の形態１に係る酸素導入導出工程を説明するための図である。
【図４】実施の形態１に係る酸素導入導出工程を説明するための図である。
【図５】実施の形態１に係る研削工程を説明するための図である。
【図６】実施の形態１に係るパワー半導体装置の製造方法の結果を示す図である。
【図７】実施の形態２に係るパワー半導体装置の構成の要部を示す断面図である。
【図８】実施の形態２に係るパワー半導体装置の構成の要部を示す断面図である。
【図９】実施の形態３に係るパワー半導体装置の構成の要部を示す断面図である。
【図１０】実施の形態３に係るパワー半導体装置の構成の要部を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
＜実施の形態１＞
本実施の形態１に係る半導体装置であるパワー半導体装置の製造方法について説明する前に複合欠陥について説明する。
【００１１】
複合欠陥は、パワー半導体装置に用いられるシリコンウエハに存在する点欠陥及び不純物を複合化することによって形成される。不純物は、シリコンウエハに元来含まれている例えば、酸素、炭素、または窒素等であり、本実施の形態１では、そのような不純物として酸素に着目する。また、点欠陥は、結晶格子の局所的な乱れであり、空孔タイプ（vacancy）と格子間原子タイプ（interstitial silicon）とがある。
【００１２】
点欠陥と不純物とが複合化した複合欠陥は、深いエネルギー準位を形成するため、複合欠陥にて正孔と電子とが再結合される。したがって、シリコンウエハに形成される複合欠陥を制御することによって、パワー半導体装置のキャリアのライフタイムを制御することが可能になる。この結果、パワー半導体装置のオン抵抗は多少増加するが、スイッチング速度を高速化することができる。また、パワー半導体装置に複合欠陥を形成することにより、スイッチング特性の改善に加えて、スイッチング損失低減、逆回復特性の改善（リカバリーサージ電圧の低減等）、短絡耐量の改善などが可能である。
【００１３】
複合欠陥は、荷電粒子照射を用いてシリコンウエハに形成されることが多い。荷電粒子線としては、電子及び軽元素イオン（プロトン、ヘリウムイオン）の少なくともいずれかが用いられる。シリコンウエハのうち荷電粒子線が照射された領域には、点欠陥が形成される。
【００１４】
ところで、シリコンウエハに元来含まれ、複合欠陥の元となる酸素の量は、一般的に、シリコンウエハごとに異なる。この理由は、シリコンウエハの元となるインゴットの製法にある。パワー半導体装置用のシリコンのインゴットを製造する方法はＭＣＺ（Magnetic Czochralski）法とＦＺ（Floating-Zone）法との２つがある。ＭＣＺ法では石英坩堝を使用してインゴットを製造するため、インゴット内には、石英坩堝から溶出した酸素が取り込まれる。この結果、ＭＣＺ法で製造したインゴットの酸素濃度は、ＦＺ法で製造したインゴットの酸素濃度と比べて、一般的に数１００〜１０００倍ほど多くなる傾向がある。また、ＭＣＺ法で製造されたインゴットでは、インゴットとシリコン融液との間の偏析現象により、インゴットの上部または下部では酸素濃度は異なる。そのため、インゴットからシリコンウエハが切り出される位置によって、シリコンウエハの酸素濃度は異なる。
【００１５】
複合欠陥の量は、酸素及び点欠陥の量のうち、複合化に関与する量が少ない方の量に強く影響されると推定される。このため、シリコンウエハの酸素濃度が、シリコンウエハごとに異なるため、複数のシリコンウエハから形成されたパワー半導体装置の特性（例えばスイッチング速度やオン電圧）がばらついてしまうことがあった。この結果、パワー半導体装置の特性がパワー半導体装置の規格を満たさない可能性があり、歩留まりが低下する可能性があった。
【００１６】
これに対して、以下で説明する本実施の形態１に係るパワー半導体装置の製造方法によれば、シリコンウエハの酸素濃度のばらつき、ひいてはパワー半導体装置の特性のばらつきを低減することが可能となっている。
【００１７】
図１は、本実施の形態１に係るパワー半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。ここでは製造方法の一例として、ｎ型またはｎ−型のシリコンウエハから、厚みが６０μｍの縦型ダイオードを製造する製造方法について説明する。
【００１８】
ステップＳ１を開始する前に、インゴットから切り出された、表面（第１面）と、表面第と逆側の裏面（第２面）とを有するシリコンウエハを準備する。ステップＳ１の前のシリコンウエハの酸素濃度は、例えば１×１０１５ｃｍ−３以上かつ１×１０１８ｃｍ−３以下である。酸素濃度は、例えば、赤外吸収測定や二次イオン質量分析法で測定することができる。なお、シリコンウエハは、インゴットと比べて薄いため、深さ方向に酸素濃度は一様とみなすことができる。
【００１９】
＜酸素導入導出工程（第１工程）＞
図１のステップＳ１にて、シリコンウエハの酸素濃度を積極的に制御する酸素導入導出工程を行う。本実施の形態１では、酸素導入導出工程において、シリコンウエハを酸化膜及び酸素雰囲気の少なくともいずれかに接する状態でアニールを行う。例えば、シリコンウエハの表面を酸化膜でキャプした状態、または、シリコンウエハの表面を酸素雰囲気に曝した状態で、１０００〜１３００℃（６２７〜１０２７Ｋ）の温度範囲で縦型炉等の炉中でシリコンウエハをアニールする。
【００２０】
このアニールでは、酸化膜もしくは酸素雰囲気の酸素がシリコンウエハの内部に導入される現象、または、シリコンウエハの内部の酸素が酸化膜もしくは酸素雰囲気に導出される現象が発生する。導入と導出とのどちらが行われるかは、シリコンウエハと外部との間の酸素の平衡濃度（以下「平衡濃度」とのみ記す）が影響する。すなわち、シリコンウエハの内部に元来含まれる酸素が平衡濃度よりも少ないと、酸化膜などの外部からシリコンウエハに酸素が移る導入が行われる。一方、シリコンウエハの内部に元来含まれる酸素が平衡濃度よりも多いと、シリコンウエハから酸化膜または雰囲気などの外部に酸素が移る導出が行われる。なお、酸化膜キャップを用いた場合には、酸素の導入及び導出が必要以上に行われることを抑制することができる。
【００２１】
以下、この酸素導入導出工程を実際に行った結果について説明する。パワー半導体装置用のシリコンウエハ間の酸素濃度のばらつきのワーストケースとして、ウエハＡ及びウエハＢを用いた。ウエハＡとして、１×１０１５ｃｍ−３の酸素濃度を有するシリコンウエハを用い、ウエハＢとして、１×１０１８ｃｍ−３の酸素濃度を有するシリコンウエハを用いた。
【００２２】
ウエハＡ及びウエハＢの表面を熱酸化した状態で１１５０℃のアニールを行い、アニールの時間を１０水準振り（２．６、５、１０、１５、２０、２５、３６、５０、７０、１００時間）で設定して、ウエハＡ及びウエハＢの酸素濃度の変化を調べた。
【００２３】
図２及び図３は、その結果を示す図である。具体的には、図２は、ウエハＡの表面からの深さと酸素濃度との関係を示す図であり、図３は、ウエハＢの表面からの深さと酸素濃度との関係を示す図である。なお、図２及び図３の場合の平衡濃度（予め定められた閾値）は、約１×１０１７ｃｍ−３である。
【００２４】
図２に示すように、図２中の実線で示されるシリコンウエハの酸素濃度が、平衡濃度よりも小さい場合には、シリコンウエハの酸素濃度を大きくする酸素の導入が行われ、図２中の太線で示す酸素濃度分布から点線で示す酸素濃度分布に推移した。一方、図３に示すように、図３中の実線で示されるシリコンウエハの酸素濃度が、平衡濃度よりも大きい場合には、シリコンウエハの酸素濃度を小さくする酸素の導出が行われ、図３中の太線で示す酸素濃度分布から点線で示す酸素濃度分布に推移した。
【００２５】
図４は、酸素導入導出工程を行う前と、２．６〜２．７時間程度の酸素導入導出工程を行った後と、１００時間の酸素導入導出工程を行った後とについて、ウエハＡの酸素濃度とウエハＢの酸素濃度とを示す図である。酸素導入導出工程後のウエハＡとウエハＢと間の酸素濃度差Ｄ１は、酸素導入導出工程前の酸素濃度差Ｄ２よりも低減されている。また、アニールの時間を長くするほど、酸素濃度は図４中の細い点線から太い点線に推移し、ウエハＡとウエハＢとの酸素濃度差は小さくなり、かつ、酸素濃度差が低減される深さも深くなる。
【００２６】
次に酸素導入導出工程でのアニール条件について説明する。ここで、アニール時間をｔ（秒）とし、アニール温度を１０００℃以上１３００℃以下であるＴ（Ｋ）とし、シリコンウエハのうち後述する研削工程後のシリコンウエハに相当する部分の厚さをｄ（ｃｍ）とし、ｋをｅＶ／Ｋ単位に換算されたボルツマン定数とする。この場合に、次式（１）〜（３）が成り立つことが好適である。なお、次式（１）中のｅｒｆｃ−１は相補誤差関数ｅｒｆｃの逆関数を意味する。
【００２７】
ｔ≧｛ｄ／［２×√Ｄ×ｅｒｆｃ−１（１×１０１５／Ｃｓ）］｝２・・・（１）
【００２８】
Ｄ＝０．２８×ｅｘｐ（−２．５３／ｋＴ）・・・（２）
【００２９】
Ｃｓ＝６×１０２２ｅｘｐ（−１．６１／ｋＴ）・・・（３）
【００３０】
例えば、厚さｄが６０μｍであり、アニール温度Ｔが１１５０℃である場合、上式（１）は、ｔ≧８２０３となり、アニール時間ｔとして２．３ｈ以上であることが好適であることを示す。アニール時間ｔが上式（１）の下限値よりも短い場合、酸素の導入または導出は十分ではなく、シリコンウエハに元来含まれる酸素が広く残存するため、シリコンウエハ間の酸素濃度ばらつきは比較的大きい。逆に、アニール時間ｔが上式（１）の下限値よりも長い場合、シリコンウエハ間の酸素濃度ばらつきは比較的小さい。なお、図２〜図４から分かるように、上式（１）よりもアニール時間ｔの下限値が長くなる次式（４）が成り立つ場合には、酸素濃度ばらつきをより低減することができる。次式（４）よりもアニール時間ｔの下限値が長い次式（５）が成り立つ場合には、酸素濃度ばらつきをより低減することができる。
【００３１】
ｔ≧｛ｄ／［２×√Ｄ×ｅｒｆｃ−１（１×１０１６／Ｃｓ）］｝２・・・（４）
【００３２】
ｔ≧｛ｄ／［２×√Ｄ×ｅｒｆｃ−１（１×１０１７／Ｃｓ）］｝２・・・（５）
【００３３】
なお、アニール温度Ｔが低いと、上式（１）の下限値となるアニール時間ｔは長くなり、製造効率が悪くなる。一方、アニール温度Ｔが１３００℃よりも高い温度では、シリコンウエハが溶解する可能性があるため好ましくない。これらの状況を考慮して、アニール温度Ｔは１０００〜１３００℃の範囲に設定されることが好ましい。
【００３４】
酸素導入導出工程後における、シリコンウエハの表面の酸素濃度は、アニール温度Ｔで決まる平衡濃度となる。１０００〜１３００℃の温度範囲においては、平衡濃度は、２×１０１６ｃｍ−３以上かつ５×１０１７ｃｍ−３以下である。また、酸素の拡散長より浅い領域では、シリコンウエハの酸素濃度が、平衡濃度程度の範囲内に調整される。
【００３５】
以上のように、酸素導入導出工程後のウエハＡとウエハＢと間の酸素濃度差（図４のＤ１）は、酸素導入導出工程前の１×１０１８ｃｍ−３程度の酸素濃度差（図４のＤ２）よりも低減される。
【００３６】
＜表面構造形成工程（第２工程）＞
図１のステップＳ２にて、シリコンウエハの表面に、ダイオードの表面構造（第１面構造）を形成する表面構造形成工程を行う。本実施の形態１に係る表面構造形成工程では、シリコンウエハの表面にｐ＋型のアノード領域を形成するために、ボロン等のｐ型不純物のイオン注入と、ｐ型不純物を活性化する活性化アニール処理とを行う。そして、アノード領域上にアノード電極を形成する。
【００３７】
＜研削工程（第３工程）＞
図１のステップＳ３にて、シリコンウエハの裏面から、シリコンウエハを所望の厚みにするための研削する研削工程を行う。研削工程では、例えば、表面構造を保護した後、シリコンウエハの裏面をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polish）等の研削手段を用いて研削する。なお、以下の説明では研削後のシリコンウエハを半導体領域と記すこともある。
【００３８】
図５は、本実施の形態１に係るパワー半導体装置の半導体領域の酸素濃度、つまり、研削工程後のシリコンウエハの酸素濃度を模式的に示す図である。ステップＳ１の酸素導入導出工程により、シリコンウエハの表面側では、シリコンウエハ間の酸素濃度のばらつきは十分に抑制される。しかしながら、シリコンウエハの裏面側では、アニール時間によっては、シリコンウエハ間の酸素濃度のばらつきの抑制は十分ではないことがある。
【００３９】
そこでステップＳ３にて、シリコンウエハの裏面から研削する研削工程を行うことにより、シリコンウエハの裏面側でも、シリコンウエハ間の酸素濃度のばらつきを十分に抑制することが可能となる。本実施の形態１では、研削工程後のシリコンウエハの全体部分または表面側の部分の酸素濃度は、２×１０１６ｃｍ−３以上かつ５×１０１７ｃｍ−３以下である。
【００４０】
ただし、研削後でも、シリコンウエハの深さ方向において、酸素濃度が多少不均一な分布は存在する。ここでいう不均一とは、シリコンウエハの表面よりもバルク側の酸素濃度が低い状態（図５のＣ１の状態）、または、表面よりもバルク側の酸素濃度が高い状態（図５のＣ２の状態）であり、かつ、シリコンウエハ全域で酸素濃度に勾配が存在する状態を指す。
【００４１】
＜裏面構造形成工程（第４工程）＞
図１のステップＳ４にて、シリコンウエハの表面に、ダイオードの裏面構造（第２面構造）を形成する裏面構造形成工程を行う。本実施の形態１に係る裏面構造形成工程では、シリコンウエハの裏面にカソード領域を形成するために、ｎ型またはｎ−型のシリコンウエハの裏面にリン等のｎ型不純物のイオン注入と、ｎ型不純物を活性化する活性化アニールとを行う。そして、カソード領域上にカソード電極を形成する。
【００４２】
＜荷電粒子線照射工程（第５工程）＞
図１のステップＳ５にて、シリコンウエハに荷電粒子線を照射して点欠陥を形成する荷電粒子線照射工程を行う。
【００４３】
本実施の形態１では、シリコンウエハの表面（アノード側）から、荷電粒子線として電子線を照射することによって、シリコンウエハの全体部分に均一に点欠陥を形成する。なお、必要に応じて、シリコンウエハの裏面（カソード側）から電子線を照射してもよい。荷電粒子線として、電子線を利用する際には、加速器も用いて、数１００ＫｅＶ〜数１０ＭｅＶに加速された電子をシリコンウエハに照射してもよい。電子線のドーズは、例えば１×１０１２〜１×１０１５ｃｍ−２である。
【００４４】
なお、荷電粒子線の照射は上記に限ったものではなく、例えば、シリコンウエハの表面または裏面に、荷電粒子線としてプロトンまたはヘリウムイオンを照射することによって、シリコンウエハの局所部分に点欠陥を形成してもよい。
【００４５】
＜回復アニール工程（第６工程）＞
図１のステップＳ６にて、点欠陥と酸素とからなる複合欠陥の形成、及び、点欠陥の一部の消滅の少なくともいずれかのためのアニールとして、回復アニール工程を行う。回復アニール工程は、例えば、シリコンウエハを窒素等の不活性ガス雰囲気中で２００〜５００℃の範囲でアニールを行う。回復アニール工程では、半導体領域の酸素、つまり、シリコンウエハに元来含まれていた酸素と酸素導入導出工程で導入導出された酸素とを合わせた酸素と、点欠陥とが反応して、複合欠陥が形成される。２００℃よりも低い温度のアニールでは、複合欠陥が形成される効率が低下するので好ましくない。５００℃よりも高い温度のアニールでは、点欠陥の拡散及び消滅が顕著になるので好ましくない。したがって、アニールの温度は２００〜５００℃の範囲が好適である。
【００４６】
シリコンウエハに荷電粒子線及び回復アニールが行われることで、複合欠陥が効率よく形成される。この処理で形成される複合欠陥は、例えば、ＶＯ（Vacancy-Oxygen対）欠陥やＣｉＯｉ（Interstitial Carbon-Interstitial Oxygen対）欠陥である。
【００４７】
ここで、複合欠陥が形成される過程を詳細に説明する。電子線が半導体領域に照射されると、電子のエネルギーにより、シリコンが、正規の格子位置から弾き飛ばされて、点欠陥の一種である空孔（Ｖ）と、点欠陥の一種である格子間シリコン（Ｉ）とが形成される。空孔及び格子間シリコンは、熱的に不安定であり、周囲に存在する不純物の酸素または炭素と反応し、熱的に安定である複合欠陥となる。例えば、空孔及び酸素は、伝導帯から下に約０．１７ｅＶのエネルギー準位を有するＶＯ欠陥を形成する。また、格子間シリコンは炭素と置き換わり、格子間炭素（Ｃｉ）を形成する。格子間炭素と酸素は価電子帯から上に約０．３６ｅＶのエネルギー準位を有するＣｉＯｉ欠陥を形成する。
【００４８】
次に、本実施の形態１に係るパワー半導体装置の製造方法の効果を試算した結果について説明する。ここでは、上述したウエハＡ及びウエハＢを用いて、６０μｍ厚の縦型ダイオードを製造し、そのオン特性に相当するドリフト層電圧Ｖｍを調べた。荷電粒子線は電子線とし、形成される代表的な複合欠陥は、ＶＯ欠陥とＣｉＯｉ欠陥とした。
【００４９】
図６は、その結果を示す図であり、具体的には、ダイオードのドリフト層電圧Ｖｍのばらつきと、酸素導入導出工程のアニール時間との関係を示す図である。ドリフト層電圧Ｖｍのばらつきは、ウエハＡから形成されたダイオードと、ウエハＢから形成されたダイオードとの間のドリフト層電圧のばらつきを示す。より具体的には、ウエハＢは、ウエハＡよりも複合欠陥が多く、ドリフト層電圧が高いため、ドリフト層電圧Ｖｍのばらつきは、ウエハＢのドリフト層電圧からウエハＡのドリフト層電圧を引いた値に相当する。
【００５０】
一般的なパワー半導体装置の製造方法は、酸素導入導出工程のアニール時間が０である場合に相当し、その製造方法では、ドリフト層電圧Ｖｍのばらつきは０．３４Ｖであった。
【００５１】
これに対して、本実施の形態１に係るパワー半導体装置の製造方法では、酸素導入導出工程のアニール温度を１１５０℃とし、そのアニール時間を、式（１）の下限値に相当する２．６〜２．７ｈとすると、ドリフト層電圧Ｖｍのばらつきは０．２４Ｖに減少した。また、酸素導入導出工程のアニール時間を１００ｈまで延ばすと、ドリフト層電圧Ｖｍのばらつきは０．０５Ｖに減少した。
【００５２】
なお、以上の説明では、パワー半導体装置用のシリコンウエハ間の酸素濃度のばらつきのワーストケースを想定した。しかしながら、このケースよりも、酸素濃度がそれより小さくても大きくても、本実施の形態１に係るパワー半導体装置の製造方法によれば、上記と同様の効果が得られることは明らかである。このため、本実施の形態１に係るパワー半導体装置の製造方法の効果は、シリコンウエハの元来の酸素濃度に限定されない。
【００５３】
なお、パワー半導体装置の特性は、パワー半導体装置の構造や酸素以外の不純物の濃度の影響を受けるが、バルクの酸素濃度にも強く影響を受ける。このため、本実施の形態１に係る製造方法によれば、いかなるバルクの酸素濃度であっても、酸素導入導出工程を行うことによって、バルクの酸素濃度のばらつきを抑制することができるので、パワー半導体装置の特性のばらつきを抑制することができる。
【００５４】
＜実施の形態１のまとめ＞
以上のような本実施の形態１に係るパワー半導体装置の製造方法では、平衡濃度（予め定められた閾値）に関して、シリコンウエハの酸素濃度を変更する酸素導入導出工程を行う。このような製造方法によれば、シリコンウエハ（半導体領域）の酸素濃度を調整することができ、シリコンウエハ間の酸素濃度のばらつきを抑制することができる。この結果、異なるシリコンウエハから形成されたパワー半導体装置間において、トラップとして機能する酸素を含む複合欠陥の濃度のばらつき、ひいてはオン電圧などの特性のばらつきを抑制することができる。
【００５５】
また本実施の形態１によれば、酸素と点欠陥とからなる複合欠陥を有するシリコンウエハの半導体領域と、半導体領域の表面に配設された表面構造と、半導体領域の裏面に配設された裏面構造とを備えるパワー半導体装置を形成することができる。そして、図５のように、半導体領域の全体部分または表面側の部分の酸素濃度が１×１０１７〜８×１０１７ｃｍ−３であって、半導体領域の表面から裏面までの酸素濃度が連続的に変化するように、パワー半導体装置を構成することができる。
【００５６】
＜実施の形態２＞
図７は、本実施の形態２に係るパワー半導体装置の構成の要部を示す断面図である。以下、本実施の形態２に係る構成要素のうち、上述の構成要素と異なる構成要素について主に説明する。本実施の形態２に係るパワー半導体装置は、実施の形態１の製造方法によって半導体領域に複合欠陥が形成された縦型ダイオードである。
【００５７】
図７の縦型ダイオードは、半導体領域１と、アノード領域２ａと、カソード領域３ａと、ドリフト領域４と、アノード電極２ｂと、カソード電極３ｂとを備える。なお、アノード領域２ａ及びアノード電極２ｂは、実施の形態１の表面構造の概念に含まれ、カソード領域３ａ及びカソード電極３ｂは、実施の形態１の裏面構造の概念に含まれる。
【００５８】
半導体領域１は、実施の形態１の半導体領域に含まれ、シリコンウエハから形成される。半導体領域１は、ｐ型の不純物（典型的にはボロン）を比較的高い濃度で含むアノード領域２ａと、ｎ型の不純物（典型的にはリン）を比較的高い濃度で含むカソード領域３ａと、アノード領域２ａとカソード領域３ａの間に配設されたドリフト領域４とを含む。ドリフト領域４は、ｎ型の不純物を比較的低い濃度で含んでもよいし、導電型の不純物を実質的に含まなくてもよい。アノード電極２ｂは、アノード領域２ａと電気的に接続されており、カソード電極３ｂは、カソード領域３ａと電気的に接続されている。
【００５９】
半導体領域１では、半導体領域１の全体部分または表面側の部分の酸素濃度が２×１０１６ｃｍ−３以上かつ５×１０１７ｃｍ−３以下であって、半導体領域１の表面から裏面までの酸素濃度が連続的に変化している。また、半導体領域１は、酸素と点欠陥とからなる複合欠陥７を有している。
【００６０】
図７の縦型ダイオードは、カソード領域３ａとドリフト領域４とが接しているノンパンチスルー型のダイオードである。ノンパンチスルー型のダイオードでは、複合欠陥７の最大濃度の位置が、アノード領域２ａとドリフト領域４との界面近傍に形成されていることが好ましい。アノード領域２ａとドリフト領域４との界面近傍に複合欠陥７を形成することにより、縦型ダイオードの逆回復特性を改善することができる。
【００６１】
なお本実施の形態２に係る縦型ダイオードは、図８に示すように、パンチスルー型のダイオードであってもよい。パンチスルー型のダイオードは、カソード領域３ａとドリフト領域４との間に配設され、ｎ型の不純物の濃度がドリフト領域４よりも高いフィールドストップ領域３ｃをさらに含む。フィールドストップ領域３ｃは、実施の形態１の裏面構造の概念に含まれる。パンチスルー型のダイオードでは、複合欠陥７の最大濃度の位置が、カソード領域３ａとフィールドストップ領域３ｃとの界面近傍に形成されていることが好ましい。カソード領域３ａとフィールドストップ領域３ｃとの界面近傍に複合欠陥７を形成することにより、縦型ダイオードの逆回復特性を改善することができる。
【００６２】
＜実施の形態３＞
図９は、本実施の形態３に係るパワー半導体装置の構成の要部を示す断面図である。以下、本実施の形態３に係る構成要素のうち、上述の構成要素と異なる構成要素について主に説明する。本実施の形態３に係るパワー半導体装置は、実施の形態１の製造方法によって半導体領域に複合欠陥が形成されたＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor；絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）である。
【００６３】
図９のＩＧＢＴは、半導体領域１１と、ベース領域１２ａと、エミッタ領域１２ｂと、ベースコンタクト領域１２ｃと、ゲート絶縁膜１２ｄと、トレンチゲート電極１２ｅと、エミッタ電極１２ｆと、コレクタ領域１３ａと、コレクタ電極１３ｂとを備える。なお、ベース領域１２ａ、エミッタ領域１２ｂ、ベースコンタクト領域１２ｃ、ゲート絶縁膜１２ｄ、トレンチゲート電極１２ｅ、及び、エミッタ電極１２ｆは、実施の形態１の表面構造の概念に含まれる。コレクタ領域１３ａ及びコレクタ電極１３ｂは、実施の形態１の裏面構造の概念に含まれる。
【００６４】
半導体領域１１は、実施の形態１の半導体領域に含まれ、シリコンウエハから形成される。半導体領域１１は、ｐ型の不純物を含むコレクタ領域１３ａを含む。半導体領域１１は、コレクタ領域１３ａ上に配設されたドリフト領域１４を含む。ドリフト領域１４は、ｎ型の不純物を比較的低い濃度で含んでもよいし、導電型の不純物を実質的に含まなくてもよい。ドリフト領域１４上には、ｐ型の不純物を含むベース領域１２ａが配設されている。ベース領域１２ａは、ドリフト領域１４によってコレクタ領域１３ａから隔てられている。
【００６５】
ベース領域１２ａ上には、ｎ型の不純物を含むエミッタ領域１２ｂが選択的に配設され、かつ、ｐ型の不純物を比較的高い濃度で含むベースコンタクト領域１２ｃが選択的に配設されている。エミッタ領域１２ｂは、ベース領域１２ａによって、ドリフト領域１４から隔てられている。
【００６６】
トレンチゲート電極１２ｅは、エミッタ領域１２ｂとドリフト領域１４とを隔てるベース領域１２ａと、ゲート絶縁膜１２ｄを介して対向している。ゲート絶縁膜１２ｄは、例えば酸化シリコンで構成され、トレンチゲート電極１２ｅは、例えばポリシリコンで構成される。
【００６７】
エミッタ領域１２ｂ上及びベースコンタクト領域１２ｃ上には、例えばアルミニウムからなるエミッタ電極１２ｆが配設されている。エミッタ電極１２ｆは、エミッタ領域１２ｂ及びベースコンタクト領域１２ｃと電気的に接続されている。トレンチゲート電極１２ｅとエミッタ電極１２ｆとは、互いに電気的に分離されている。コレクタ電極１３ｂは、コレクタ領域１３ａに電気的に接続されている。
【００６８】
半導体領域１１では、半導体領域１１の全体部分または表面側の部分の酸素濃度が２×１０１６ｃｍ−３以上かつ５×１０１７ｃｍ−３以下であって、半導体領域１１の表面から裏面までの酸素濃度が連続的に変化している。また、半導体領域１１は、酸素と点欠陥とからなる複合欠陥１７を有している。
【００６９】
図９のＩＧＢＴは、コレクタ領域１３ａとドリフト領域１４とが接しているノンパンチスルー型のＩＧＢＴである。ノンパンチスルー型のＩＧＢＴでは、複合欠陥１７の最大濃度の位置が、コレクタ領域１３ａとドリフト領域１４との界面近傍に形成されていることが好ましい。コレクタ領域１３ａとドリフト領域１４との界面近傍に複合欠陥１７を形成することにより、ＩＧＢＴの逆回復特性を改善することができる。
【００７０】
なお、本実施の形態３に係るＩＧＢＴは、図１０に示すように、パンチスルー型のＩＧＢＴであってもよい。パンチスルー型のＩＧＢＴは、コレクタ領域１３ａとドリフト領域１４との間に配設され、ｎ型の不純物の濃度がドリフト領域１４よりも高いフィールドストップ領域１３ｃをさらに含む。フィールドストップ領域１３ｃは、実施の形態１の裏面構造の概念に含まれる。パンチスルー型のＩＧＢＴでは、複合欠陥１７の最大濃度の位置が、コレクタ領域１３ａとフィールドストップ領域１３ｃとの界面近傍に形成されていることが好ましい。コレクタ領域１３ａとフィールドストップ領域１３ｃとの界面近傍に複合欠陥１７を形成することにより、ＩＧＢＴの逆回復特性を改善することができる。
【００７１】
＜変形例＞
実施の形態１では、ステップＳ５にて荷電粒子線照射工程を行ったが、荷電粒子線照射工程を行わなくても、多少の点欠陥がシリコンウエハに元来存在する。このため、ステップＳ５の荷電粒子線照射工程は必須ではない。また、実施の形態１では、ステップＳ５の荷電粒子線照射工程は、ステップＳ４の裏面構造形成工程の後に行われたが、これに限ったものではない。例えば、ステップＳ５の荷電粒子線照射工程は、ステップＳ１の酸素導入導出工程の後に行われてもよい。
【００７２】
また実施の形態１では、ステップＳ１の酸素導入導出工程において、一つのシリコンウエハに酸素の導入及び導出の一方だけが行われたが、これに限ったものではない。例えば、酸素導入導出工程を行う前にすでにシリコンウエハの酸素濃度が、平衡濃度に十分近い場合などには、酸素導入導出工程において、一つのシリコンウエハに酸素の導入及び導出の両方が行われることもある。
【００７３】
また実施の形態１では、シリコンウエハの表面に酸素導入導出工程が行われたが、これに限ったものではない。例えば、シリコンウエハの表面だけでなく側面などにも酸素導入導出工程が行われてもよい。
【００７４】
また以上の説明では、シリコンウエハは、単なるＳｉウエハであったが、これに限ったものではない。例えば、シリコンウエハは、ＳｉＣウエハなどのワイドバンドギャップ半導体からなるウエハであってもよい。
【００７５】
また以上の説明では、電極の材料、成膜方法、ｐ型またはｎ型の各領域の濃度等は、特段説明を行っていないが、用途に合わせて、一般的なパワー半導体装置の設計条件が適用されてもよい。また実施の形態１で説明した製造方法によって、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＳＢＤ（Schottky Barrier Diode）、ＰＮＤ（PN junction diode）などが形成されてもよい。
【００７６】
なお、各実施の形態及び各変形例を自由に組み合わせたり、各実施の形態及び各変形例を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
【００７７】
上記した説明は、すべての局面において、例示であって、限定的なものではない。例示されていない無数の変形例が、想定され得るものと解される。
【符号の説明】
【００７８】
１，１１  半導体領域、２ａ  アノード領域、２ｂ  アノード電極、３ａ  カソード領域、３ｂ  カソード電極、７，１７  複合欠陥、１２ａ  ベース領域、１２ｂ  エミッタ領域、１２ｃ  ベースコンタクト領域、１２ｄ  ゲート絶縁膜、１２ｅ  トレンチゲート電極、１２ｆ  エミッタ電極、１３ａ  コレクタ領域、１３ｂ  コレクタ電極。
【要約】
シリコンウエハ間の酸素濃度のばらつきを低減可能な技術を提供することを目的とする。半導体装置の製造方法は、シリコンウエハの酸素濃度が、予め定められた閾値よりも小さい場合には、シリコンウエハの酸素濃度を大きくする酸素の導入を行い、シリコンウエハの酸素濃度が、閾値よりも大きい場合には、シリコンウエハの酸素濃度を小さくする酸素の導出を行う第１工程と、第１面構造を形成する第２工程と、シリコンウエハを第２面から研削する第３工程と、第２面構造を形成する第４工程とを備える。【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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【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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