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JP2008288350A - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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JP2008288350A
JP2008288350A JP2007131120A JP2007131120A JP2008288350A JP 2008288350 A JP2008288350 A JP 2008288350A JP 2007131120 A JP2007131120 A JP 2007131120A JP 2007131120 A JP2007131120 A JP 2007131120A JP 2008288350 A JP2008288350 A JP 2008288350A
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JP
Japan
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layer
epitaxial growth
semiconductor device
voltage
oxide film
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JP2007131120A
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Japanese (ja)
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Yasuhisa Soma
康久 相馬
Tatsuya Naito
達也 内藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Device Technology Co Ltd
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Publication date
Application filed by Fuji Electric Device Technology Co Ltd filed Critical Fuji Electric Device Technology Co Ltd
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Abstract

【課題】エピタキシャル層の結晶性を良好にして、漏れ電流の減少とオン電圧の低減を図ることができる半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】開口部5を有する酸化膜4上にnエピタキシャル成長層9を形成した後で、レーザアニールして結晶欠陥を消滅させたnエピタキシャル成長層9とし、このnエピタキシャル成長層9にnバッファ層(nエピタキシャル成長層9の一部)やpベース層13およびn++エミッタ層14(ソース層)を形成して半導体装置(IGBTやMOSFETなど)を製作することで、漏れ電流とオン電圧(オン抵抗)の低減を図ることができる。
【選択図】図17
A semiconductor device manufacturing method capable of improving the crystallinity of an epitaxial layer and reducing leakage current and on-voltage.
A after forming the n + epitaxial growth layer 9 on the oxide film 4 having an opening 5, and laser annealing the n + epitaxial growth layer 9 was quenched crystal defects, n on the n + epitaxial growth layer 9 By forming a + buffer layer (a part of n + epitaxial growth layer 9), p + base layer 13 and n ++ emitter layer 14 (source layer) to manufacture a semiconductor device (IGBT, MOSFET, etc.), leakage current and The on-voltage (on-resistance) can be reduced.
[Selection] Figure 17

Description

この発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特にIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)などを構成するパワー半導体装置の製造方法に関する。     The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more particularly to a method for manufacturing a power semiconductor device constituting an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or the like.

IGBTについては、これまで数多くの改良によって、その性能の向上が図られてきている。ここで、IGBTの性能とは、オフ時には、電圧を保持して電流を完全に遮断し、一方、オン時には、できる限り小さい電圧降下、すなわち、できる限り小さいオン抵抗で電流を流すというスイッチとしての性能のことである。以下に、IGBTの特性等について説明する。     With regard to IGBTs, performance has been improved by many improvements so far. Here, the performance of the IGBT is as a switch that keeps the voltage and shuts off the current completely when it is off, while flowing the current with the smallest possible voltage drop, that is, the smallest on-resistance when it is on. It's about performance. Below, the characteristic etc. of IGBT are demonstrated.

まず、IGBTの耐圧とオン電圧のトレードオフについて説明する。IGBTの保持可能な最大電圧、すなわち耐圧の大きさと、オン時の電圧降下との間には、二律背反の関係(いわゆるトレードオフ関係)が存在し、高耐圧のIGBTほどオン電圧が高くなる。技術開発による改善で最終的には、このトレードオフ関係の限界値は、シリコンの物性で決まるようになる。このトレードオフを限界まで向上させるためには、電圧保持時に局所的な電界集中が生じるのを防ぐなど、設計面での工夫が必要である。     First, the trade-off between the breakdown voltage and the on-voltage of the IGBT will be described. There is a trade-off relationship (so-called trade-off relationship) between the maximum voltage that can be held by the IGBT, that is, the magnitude of the withstand voltage and the voltage drop at the time of ON, and the higher the withstand voltage IGBT, the higher the on-voltage. Ultimately, the limits of this trade-off relationship will be determined by the physical properties of silicon due to improvements through technology development. In order to improve this trade-off to the limit, it is necessary to devise on the design side, such as preventing local electric field concentration when holding the voltage.

つぎに、IGBTのオン電圧とスイッチング損失(特に、ターンオフ損失)のトレードオフについて説明する。IGBTは、スイッチングデバイスであるため、オンからオフまたはオフからオンの動作を行う。このスイッチング動作の瞬間に、時間当たり大きな損失が発生する。一般に、オン電圧の低いIGBTほどターンオフが遅いので、ターンオフ損失が大きい。以上のようなトレードオフ関係を改善することによって、IGBTの性能の向上を図ることができる。なお、ターンオン損失のオン電圧に対する依存性は小さい。ターンオン損失は、IGBTと組み合わせて使われる還流ダイオードの特性に大きく左右される。     Next, the trade-off between the on-voltage of the IGBT and the switching loss (particularly the turn-off loss) will be described. Since the IGBT is a switching device, it operates from on to off or off to on. At the moment of this switching operation, a large loss per hour occurs. In general, an IGBT having a lower on-voltage has a slower turn-off loss, and therefore has a larger turn-off loss. By improving the trade-off relationship as described above, the performance of the IGBT can be improved. Note that the dependency of the turn-on loss on the on-voltage is small. The turn-on loss greatly depends on the characteristics of the freewheeling diode used in combination with the IGBT.

このオン電圧とターンオフ損失のトレードオフ関係(以下、オン電圧−ターンオフ損失の関係とする)を最適化するには、IGBTがオン状態のときの内部の過剰キャリア分布を最適化することが有効である。オン電圧を下げるには、過剰キャリア量を増やしてドリフト層の抵抗値を下げればよい。
しかし、ターンオフ時には、この過剰キャリアをすべてデバイスの外に掃き出すか、または、電子−ホール再結合により消滅させる必要がある。そのため、過剰キャリア量を増やすと、ターンオフ損失が増加してしまう。従って、このトレードオフ関係を最適化するには、同じオン電圧でターンオフ損失を最小にすればよい。
In order to optimize the trade-off relationship between the on-voltage and the turn-off loss (hereinafter referred to as the on-voltage-turn-off loss relationship), it is effective to optimize the internal excess carrier distribution when the IGBT is on. is there. In order to lower the on-voltage, the resistance value of the drift layer may be decreased by increasing the excess carrier amount.
However, at the time of turn-off, it is necessary to sweep all the excess carriers out of the device or to disappear by electron-hole recombination. Therefore, when the excess carrier amount is increased, the turn-off loss increases. Therefore, in order to optimize this trade-off relationship, the turn-off loss may be minimized with the same on-voltage.

最適なトレードオフを実現するには、コレクタ側のキャリア濃度を下げるとともに、エミッタ側のキャリア濃度を上げることによって、コレクタ側とエミッタ側のキャリア濃度の比率が1:5程度になるようにすればよい。さらに、ドリフト層のキャリアライフタイムをできるだけ大きく保つことによって、ドリフト層内の平均キャリア濃度が高くなるようにすればよい。     In order to achieve the optimum trade-off, the carrier concentration on the collector side and the emitter side are increased by decreasing the collector concentration on the collector side and increasing the carrier concentration on the emitter side so that the ratio of the carrier concentration on the collector side and the emitter side is about 1: 5. Good. Furthermore, the average carrier concentration in the drift layer may be increased by keeping the carrier lifetime of the drift layer as large as possible.

IGBTのターンオフ時には、空乏層は、エミッタ側のpn接合からドリフト層内部に拡がり、裏面のコレクタ層へ向かって進展する。その際、ドリフト層内の過剰キャリアのうち、ホールは、電界によって空乏層端から引き抜かれる。このようにして電子過剰状態となり、余った電子は、中性領域を抜けてp型のコレクタ層に注入される。そして、コレクタ側pn接合がやや順バイアスされることになるので、注入された電子に応じてホールが逆注入される。この逆注入されたホールは、上述した電界によって引き抜かれるホールと合流して、空乏層に入っていく。     When the IGBT is turned off, the depletion layer extends from the pn junction on the emitter side into the drift layer and progresses toward the collector layer on the back surface. At that time, holes out of excess carriers in the drift layer are extracted from the end of the depletion layer by the electric field. In this way, the electron excess state occurs, and surplus electrons pass through the neutral region and are injected into the p-type collector layer. Since the collector-side pn junction is slightly forward-biased, holes are reversely injected according to the injected electrons. The reversely injected holes merge with the holes extracted by the electric field described above and enter the depletion layer.

電荷の担い手であるキャリア(ここでは、ホール)が電界領域を通過してエミッタ側に抜けるため、電界はキャリアに対して仕事をすることになる。キャリアが電界から受けた仕事は、最終的には、シリコンなどの結晶格子との衝突による格子振動となり、熱として散逸する。この散逸するエネルギーがターンオフ損失となる。
ところで、空乏層が伸びきらないうちに引き抜かれるキャリアによって散逸するエネルギーは、空乏層が伸びきったときに引き抜かれるキャリアによって散逸するエネルギーよりも小さい。これは、空乏層が伸びきっていないと、キャリアが空乏層を通過する際の電位差が小さいため、空乏層の電界から受ける仕事が少ないからである。
Since carriers (here, holes) which are charge carriers pass through the electric field region and escape to the emitter side, the electric field works on the carriers. The work that the carriers receive from the electric field eventually becomes lattice vibration due to collision with a crystal lattice such as silicon, and is dissipated as heat. This dissipating energy becomes a turn-off loss.
By the way, the energy dissipated by the carriers extracted before the depletion layer is fully extended is smaller than the energy dissipated by the carriers extracted when the depletion layer is fully extended. This is because if the depletion layer is not fully extended, the potential difference when carriers pass through the depletion layer is small, so that the work received from the electric field of the depletion layer is small.

ミクロの観点で見ると以上のようになる。これを、デバイスの端子電圧というマクロの観点で見ると、コレクタ−エミッタ間電圧が上がり終わる前、すなわち上昇中に流れる電流の方が、上がり終わった後に流れる電流よりも、電圧と電流の積(電圧×電流)で表される損失に対する寄与が少ないということを意味する。以上のことから、後述するIE効果によりエミッタ側に偏重したキャリア分布は、低電圧で引き抜かれるキャリアの割合が多く、オン電圧が同じであるという条件下では、コレクタ側偏重のキャリア分布よりもターンオフ損失が小さいということがわかる。     From a micro perspective, it looks like the above. From a macro perspective of device terminal voltage, the product of the voltage and current (the current that flows before the collector-emitter voltage finishes rising, that is, the current that flows while the voltage rises) This means that the contribution to the loss expressed by (voltage × current) is small. From the above, the carrier distribution biased to the emitter side due to the IE effect described later is more turned off than the carrier distribution biased to the collector side under the condition that the proportion of carriers extracted at a low voltage is large and the on-voltage is the same. It can be seen that the loss is small.

コレクタ側のキャリア濃度を下げるには、コレクタ層の総不純物量を下げればよい。これ自体は、特に困難なことではない。ただし、600Vなどのように定格耐圧の低いIGBTでは、コレクタ層の総不純物量を下げるためには、製造工程中に、100μm程度の厚さ、あるいはそれよりも薄いウェハを扱う必要があるため、生産技術上の困難が存在する。一方、エミッタ側のキャリア濃度を上げるメカニズムは、IE効果と呼ばれている。     In order to reduce the carrier concentration on the collector side, the total impurity amount in the collector layer may be reduced. This is not particularly difficult. However, in an IGBT with a low rated breakdown voltage such as 600 V, it is necessary to handle a wafer of about 100 μm thickness or thinner during the manufacturing process in order to reduce the total impurity amount of the collector layer. There are difficulties in production technology. On the other hand, the mechanism for increasing the carrier concentration on the emitter side is called the IE effect.

IE効果の大きいカソード構造として、プレーナ構造のpベースを囲むように高濃度n層を挿入したHiGT構造などが提案されている(例えば、特許文献1、特許文献2参照。)。また、トレンチゲート構造において、隣り合うトレンチ間のメサ部に、ドリフト層よりも高濃度のn層を挿入したCSTBT構造や、IEGT(インジェクション エンハンスメント ゲート トランジスタ)構造などが提案されている(例えば、特許文献3参照。)。一般に、トレンチ型におけるIE効果の方がプレーナ型におけるIE効果よりも大きい。     As a cathode structure having a large IE effect, a HiGT structure in which a high-concentration n layer is inserted so as to surround a p base of a planar structure has been proposed (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2). Further, in the trench gate structure, a CSTBT structure in which an n layer having a higher concentration than the drift layer is inserted in a mesa between adjacent trenches, an IEGT (Injection Enhancement Gate Transistor) structure, and the like have been proposed (for example, patents). Reference 3). In general, the IE effect in the trench type is larger than the IE effect in the planar type.

IE効果については、その本質が議論され、報告されている。よく描かれるIGBTの等価回路は、MOSFET(金属−酸化膜−半導体構造を有する絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)とバイポーラトランジスタの組み合わせである。しかし、実際のデバイス動作を考えると、図20に示す等価回路のように、MOSFET51とpnpバイポーラトランジスタ52とpinダイオード53の組み合わせであると考えられる。     The nature of the IE effect has been discussed and reported. An IGBT equivalent circuit that is often drawn is a combination of a MOSFET (insulated gate field effect transistor having a metal-oxide-semiconductor structure) and a bipolar transistor. However, considering the actual device operation, it is considered to be a combination of the MOSFET 51, the pnp bipolar transistor 52, and the pin diode 53 as in the equivalent circuit shown in FIG.

図21は、プレーナ型IGBTの要部の構成を示す断面図である。図21において、符号54はpnpバイポーラトランジスタ領域(以下、pnp−BJT領域とする)であり、符号55はpinダイオード領域である。また、図21において、実線の矢印は電子電流の流れを表し、点線の矢印はホール電流の流れを表す。なお、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またはpの領域(層を含む)は、それぞれ「+」が付されていないnまたはpの領域(層を含む)よりも高不純物濃度であることを意味する。さらに、n++領域(層を含む)は、n領域(層を含む)よりも高不純物濃度であることを意味する。 FIG. 21 is a cross-sectional view showing a configuration of a main part of the planar IGBT. In FIG. 21, reference numeral 54 denotes a pnp bipolar transistor region (hereinafter referred to as a pnp-BJT region), and reference numeral 55 denotes a pin diode region. Further, in FIG. 21, the solid line arrow represents the flow of electron current, and the dotted line arrow represents the flow of hole current. In this specification and the accompanying drawings, it means that electrons or holes are majority carriers in layers and regions with n or p, respectively. In addition, the n + or p + region (including the layer) means that the impurity concentration is higher than that of the n or p region (including the layer) not marked with “+”. Furthermore, (including layers) n ++ region means that even a higher impurity concentration than n + region (including the layer).

図21に示すように、電子は、MOS部の表面のn++領域56から、n++領域56を囲むp層57の表面のn反転層58と、nドリフト層59の表面のn電子蓄積層60を経由して、裏面のpコレクタ層61に向かって流れる。この電子電流の一部は、pnp−BJT領域54のベース電流となる。pnp−BJT領域54では、pアノード層61から拡散またはドリフトによって流れてきたホールがp層57に流れ込むだけであり、そのpn接合部は、若干逆バイアスされている。従って、そのpn接合部付近のnドリフト層59中の少数キャリア、すなわちホールの濃度は、極めて低い。 As shown in FIG. 21, electrons from the n ++ region 56 of the surface of the MOS portion, an n + inversion layer 58 in the surface of the p layer 57 surrounding the n ++ region 56, n - of the surface of the drift layer 59 n + It flows through the electron storage layer 60 toward the p collector layer 61 on the back surface. A part of this electron current becomes a base current of the pnp-BJT region 54. In the pnp-BJT region 54, holes that have flowed from the p anode layer 61 due to diffusion or drift only flow into the p layer 57, and the pn junction is slightly reverse-biased. Therefore, the concentration of minority carriers, that is, holes in the n drift layer 59 near the pn junction is extremely low.

一方、pinダイオード領域55のnカソードは、nドリフト層59の表面のn電子蓄積層60である。このn/n接合は、若干順バイアスされているので、nドリフト層59中に電子が注入される。大電流時には、電子濃度は、nドリフト層59のドーピング濃度よりも遥かに高くなる(高注入状態)。そして、電荷中性条件を満たすため、電子と同じ濃度のホールも存在する。従って、n/n接合付近のnドリフト層59中の少数キャリア、すなわちホールの濃度は、極めて高い。 On the other hand, the n cathode of the pin diode region 55 is the n + electron storage layer 60 on the surface of the n drift layer 59. Since this n + / n junction is slightly forward-biased, electrons are injected into the n drift layer 59. When the current is large, the electron concentration is much higher than the doping concentration of the n drift layer 59 (high injection state). In order to satisfy the charge neutrality condition, holes having the same concentration as the electrons also exist. Accordingly, the concentration of minority carriers in the n drift layer 59 in the vicinity of the n + / n junction, that is, the hole concentration, is extremely high.

IGBTにおいて、エミッタ側偏重の最適キャリア分布を実現するためには、pnp−BJT領域を減らして、pinダイオード領域を増やすことが重要である。また、n/n順バイアス量を増やして、電子注入を促進することが非常に重要である。これまで提案されたIE効果を有する構造では、pinダイオード領域の比率を増やすと同時に、n/n順バイアスの増加も実現されている。 In the IGBT, it is important to reduce the pnp-BJT region and increase the pin diode region in order to realize the optimum carrier distribution of the emitter side bias. It is also very important to increase the n + / n forward bias amount to promote electron injection. In the structure having the IE effect proposed so far, the ratio of the pin diode region is increased, and at the same time, the increase of n + / n forward bias is realized.

ところで、プレーナ構造において、セルピッチに占めるpベースの比率が小さくなると、オン電圧が低減する。これは、pinダイオード領域の比率が大きくなることに加えて、表面付近での横方向電流密度が高くなり、電圧降下が大きくなることによって、n/n接合の順バイアスが大きくなる効果が大きいと考えられる。n/n接合の順バイアスが大きくなる理由は、n層は低抵抗であるため、その電位がエミッタ電位(カソード電位)に等しいが、n層は高抵抗であるため、その電位が大電流により持ち上がるからである。 By the way, in the planar structure, when the ratio of the p base in the cell pitch is reduced, the on-voltage is reduced. This has the effect of increasing the forward bias of the n + / n junction by increasing the lateral current density near the surface and increasing the voltage drop in addition to increasing the ratio of the pin diode region. It is considered large. The reason why the forward bias of the n + / n junction becomes large is that the n + layer has a low resistance, so its potential is equal to the emitter potential (cathode potential), but the n layer has a high resistance, so its potential Is lifted by a large current.

同様に、トレンチ構造において、pnp−BJT領域の比率を減らすことによって、IE効果を高めることができる。pnp−BJT領域の比率を減らすには、例えば一部のメサ部において、pベース領域をフローティング状態とすればよい。また、トレンチを深くして、トレンチ底部をpn接合から離すことによっても、IE効果が大きくなる。さらに、メサ部の幅を狭くすることによっても、IE効果が大きくなる。これらは、いずれの場合も、メサ部を流れるホール電流密度が大きくなり、電圧降下によるn/n順バイアスが強くなるためと考えられる。 Similarly, the IE effect can be enhanced by reducing the ratio of the pnp-BJT region in the trench structure. In order to reduce the ratio of the pnp-BJT region, for example, the p base region may be set in a floating state in some mesa portions. The IE effect can also be increased by deepening the trench and separating the bottom of the trench from the pn junction. Further, the IE effect is increased by reducing the width of the mesa portion. In any case, it is considered that the density of the hole current flowing through the mesa portion increases, and the n + / n forward bias due to the voltage drop increases.

ここで、ドリフト層のドーピング濃度をNdとし、n/n接合にかかる順バイアスをVnとすると、n/n接合のn層側の電子濃度nは、次式で表される。ただし、kはボルツマン定数であり、Tは絶対温度である。
n=Ndexp(Vn/kT)
上記式より明らかなように、n/n接合に印加される順バイアスに応じて、カソード側の電子濃度nは、指数関数的に増大する。順バイアス量を増やす手段として、上述したように、大電流による電圧降下を利用するものがある。また、上記特許文献1〜3に記載されているように、n濃度を増やすことによっても、順バイアス量を増やすことができる。ただし、特許文献1に記載されているHiGT構造は、プレーナ構造であるため、表面側のnバッファ層の濃度が高すぎると、順耐圧が大きく低下してしまう。
Here, when the doping concentration of the drift layer is Nd and the forward bias applied to the n + / n junction is Vn, the electron concentration n on the n layer side of the n + / n junction is expressed by the following equation: . However, k is a Boltzmann constant and T is an absolute temperature.
n = Nd * exp (Vn / kT)
As is apparent from the above equation, the electron concentration n on the cathode side increases exponentially according to the forward bias applied to the n + / n junction. As means for increasing the forward bias amount, there is one that uses a voltage drop due to a large current as described above. Further, as described in Patent Documents 1 to 3, the forward bias amount can be increased also by increasing the n + concentration. However, since the HiGT structure described in Patent Document 1 is a planar structure, if the concentration of the n + buffer layer on the surface side is too high, the forward breakdown voltage is greatly reduced.

一方、特許文献3に記載されているCSTBT構造では、表面側のnバッファ層は、トレンチゲート酸化膜により挟まれており、そのゲート酸化膜を介してポリシリコン電位へと続いている。そのため、順電圧保持時、すなわちブロッキングモード時には、表面側のnバッファ層は、pn接合だけでなく、両側のトレンチゲート酸化膜との境界からも空乏化するので、低い順バイアスで完全に空乏化する。従って、表面側のnバッファ層は高濃度であるにもかかわらず、その内部の電界は緩和されている。順バイアスをさらに上げても、トレンチ間のメサ部の電界が緩和されていることによって、局所的なピーク電界が現れにくい。 On the other hand, in the CSTBT structure described in Patent Document 3, the n + buffer layer on the surface side is sandwiched between trench gate oxide films, and continues to the polysilicon potential via the gate oxide film. Therefore, when the forward voltage is maintained, that is, in the blocking mode, the n + buffer layer on the surface side is depleted not only from the pn junction but also from the boundary with the trench gate oxide film on both sides, so that it is completely depleted with a low forward bias. Turn into. Therefore, the electric field inside the n + buffer layer on the surface side is relaxed despite the high concentration. Even if the forward bias is further increased, a local peak electric field is unlikely to appear due to the relaxation of the electric field at the mesa between the trenches.

これは、一様、かつ単一の導電型層よりなるドリフト層の代わりに、不純物濃度を高めた縦形層状のn型領域と縦形層状のp型領域を交互に繰り返し接合した並列pn構造をドリフト部に備える超接合構造のMOSFETの原理にも通ずるものである。このように、CSTBT構造は、IE効果を高めつつも、順耐圧が低下しにくいという特性を有する。表面側のnバッファ層は、nドリフト層との間に拡散電位を作り、ホールにとっての電位障壁となるので、ドリフト層中のホール濃度が上昇する。 This drifts a parallel pn structure in which vertical layered n-type regions and vertical layered p-type regions with increased impurity concentration are alternately joined instead of a uniform and single drift type drift layer. This is also in accordance with the principle of the superjunction MOSFET provided in the part. As described above, the CSTBT structure has a characteristic that the forward breakdown voltage is hardly lowered while enhancing the IE effect. The n + buffer layer on the surface side creates a diffusion potential with the n drift layer and becomes a potential barrier for holes, so that the hole concentration in the drift layer increases.

もう一つの説明として、表面側のnバッファ層とn層との間が順バイアスされるので、n層から電子が注入されるからであるということができる。つまり、n/n接合において、n層が高濃度であれば、電子注入効率が向上するので、n層に入るホール電流に対して、n層に注入される電子電流の比率が大きくなる。ホールがn層中を少数キャリアとして拡散して流れるためには、n/n接合が順バイアスされる必要がある。n層濃度が高いほど、熱平衡状態における少数キャリアとしてのホール濃度が小さいため、同じホール電流を流すためには、より高い順バイアス量が必要となる。順バイアス量が大きいと、n層に流れ込む電子電流が増えるので、電子濃度が増える。この第2の説明は、物理的には、先の第1の説明を言い換えたものである。 As another explanation, it can be said that electrons are injected from the n + layer because the n + buffer layer and the n layer on the surface side are forward-biased. That is, in the n + / n junction, if the n + layer has a high concentration, the electron injection efficiency is improved. Therefore, the ratio of the electron current injected into the n layer to the hole current entering the n + layer. Becomes larger. In order for holes to diffuse and flow as minority carriers in the n + layer, the n + / n junction needs to be forward biased. The higher the n + layer concentration, the smaller the hole concentration as minority carriers in the thermal equilibrium state. Therefore, a higher forward bias amount is required to flow the same hole current. If the forward bias amount is large, the electron current flowing into the n layer increases, so that the electron concentration increases. This second description is physically a paraphrase of the first description.

上述したように、従来のIGBTでも、IE効果によるエミッタ側に偏重したキャリア分布が実現されている。しかしながら、オン電圧−ターンオフ損失のトレードオフを最適化するには、オン状態におけるカソード側のキャリア濃度をさらに高くする必要がある。つまり、従来のIGBTでは、IE効果がまだ不十分である。CSTBT構造やIEGT構造のように、トレンチゲート構造を採用したものでもトレードオフ特性が向上しているが、それでもなお、さらなる微細化によって特性を改善することができる余地がある。     As described above, even in the conventional IGBT, a carrier distribution concentrated on the emitter side due to the IE effect is realized. However, in order to optimize the trade-off between on-voltage and turn-off loss, it is necessary to further increase the carrier concentration on the cathode side in the on-state. That is, the IE effect is still insufficient in the conventional IGBT. Even though a trench gate structure such as a CSTBT structure or an IEGT structure has improved trade-off characteristics, there is still room for improvement by further miniaturization.

しかし、トレンチ構造の製造プロセスは、プレーナ構造の製造プロセスに比べて、長く、複雑である。そのため、トレンチ型デバイスの良品率は、プレーナ型デバイスの良品率よりも低い。従って、トレンチ型デバイスの製品コストは高い。それにもかかわらず、特性の向上を図るため、より一層の微細化を進めると、製造コストはさらに高くなってしまう。なお、トレンチゲート構造では、トレンチ底部に電界が集中しやすく、アバランシェ降伏を起こしやすいため、オン電圧−耐圧のトレードオフが悪化しやすい。 また、構造上、ゲートをエミッタに対して負電位にした場合に、トレンチ底部の電界強度が増し、さらに耐圧が劣化してしまうという問題を抱えている。     However, the manufacturing process of the trench structure is long and complicated compared to the manufacturing process of the planar structure. Therefore, the yield rate of trench type devices is lower than that of planar type devices. Therefore, the product cost of the trench type device is high. Nevertheless, if further miniaturization is performed in order to improve the characteristics, the manufacturing cost will be further increased. In the trench gate structure, the electric field tends to concentrate on the bottom of the trench and the avalanche breakdown is likely to occur, so that the trade-off between on-voltage and withstand voltage tends to deteriorate. In addition, due to the structure, when the gate is set to a negative potential with respect to the emitter, there is a problem that the electric field strength at the bottom of the trench increases and the breakdown voltage deteriorates.

上述した問題点を解消するため、従来よりもIE効果の大きい半導体装置、すなわちオン電圧−ターンオフ損失トレードオフが最適化され、また、電圧保持時に、局所的な電界集中を防ぐことによって、オン電圧−耐圧のトレードオフの悪化を招くことのない半導体装置およびその製造方法が特許文献4に記載されている。
図22は、特許文献4に記載された半導体装置の一例の構成図であり、同図(a)は要部断面図、同図(b)は要部斜視図である。同図(b)では各半導体層を示した。
In order to solve the above-described problems, a semiconductor device having a larger IE effect than that of the prior art, that is, an on-voltage-turn-off loss trade-off is optimized. Patent Document 4 discloses a semiconductor device and a manufacturing method thereof that do not cause deterioration in breakdown voltage trade-off.
FIG. 22 is a configuration diagram of an example of the semiconductor device described in Patent Document 4, in which FIG. 22A is a cross-sectional view of the main part, and FIG. 22B is a perspective view of the main part. FIG. 4B shows each semiconductor layer.

半導体基板1上に中央部に開口部5がある酸化膜4を形成し、ポリシリコン層65を用いて酸化膜4で囲まれたn半導体層66を形成する。このn半導体層66はnバッファ層となる。このn半導体層66上にゲート酸化膜10を形成し、中央部にゲート電極12となるポリシリコン層11を形成する。このポリシリコン層11をマスクにpベース層13とn++エミッタ層14をボロンとリンのイオン注入で形成する。表面を層間絶縁膜16で被覆し、この層間絶縁膜16と酸化膜10にコンタクトホール17を形成しpベース層13とn++エミッタ層14に接するエミッタ電極18を形成する。n半導体基板1の裏面19にpコレクタ層20を形成しその上にコレクタ電極21を形成してIGBTが完成する。
特開2003−347549号公報 特表2002−532885号公報 特開平8−316479号公報 特開2006−237553号公報
An oxide film 4 having an opening 5 at the center is formed on the n semiconductor substrate 1, and an n + semiconductor layer 66 surrounded by the oxide film 4 is formed using a polysilicon layer 65. The n + semiconductor layer 66 becomes an n + buffer layer. A gate oxide film 10 is formed on the n + semiconductor layer 66, and a polysilicon layer 11 to be the gate electrode 12 is formed at the center. Using this polysilicon layer 11 as a mask, a p base layer 13 and an n ++ emitter layer 14 are formed by ion implantation of boron and phosphorus. The surface is covered with an interlayer insulating film 16, contact holes 17 are formed in the interlayer insulating film 16 and the oxide film 10, and an emitter electrode 18 in contact with the p + base layer 13 and the n + + emitter layer 14 is formed. the n - back surface 19 of the semiconductor substrate 1 to form a p-type collector layer 20 IGBT forms the collector electrode 21 thereon is completed.
JP 2003-347549 A Japanese translation of PCT publication No. 2002-532885 JP-A-8-316479 JP 2006-237553 A

しかし、前記の特許文献4の図22の構造では、ポリシリコン層65で形成したn半導体層66(この中にはn++ソース層14、pベース層13およびnバッファ層67が形成される)の結晶性が良くないために、結晶欠陥によるライフタイムの低下が生じる。そのため、このn半導体層66でのキャリアの再結合が大きくなり漏れ電流が増大する。また、n半導体層66内の抵抗が大きくなりオン電圧が大きくなる。また、特許文献4ではn半導体層66を単結晶層で形成することも記載されているが具体的な形成方法は示されていない。 However, in the structure shown in FIG. 22 of Patent Document 4 described above, the n + semiconductor layer 66 (the n ++ source layer 14, the p + base layer 13, and the n + buffer layer 67 is formed in the polysilicon layer 65. )), The lifetime is reduced due to crystal defects. Therefore, the recombination of carriers in the n + semiconductor layer 66 is increased, and the leakage current is increased. In addition, the resistance in the n + semiconductor layer 66 increases and the on-voltage increases. Patent Document 4 also describes forming the n + semiconductor layer 66 as a single crystal layer, but does not show a specific formation method.

例えば、単結晶層をエピタキシャル成長層で形成した場合、酸化膜上のエピタキシャル成長層には結晶欠陥が生じるのでライフタイムの低下を招き、漏れ電流およびオン電圧が増大する。
この発明の目的は、前記の課題を解決して、半導体層(エピタキシャル層)の結晶性を良好にして、漏れ電流の減少とオン電圧の低減を図ることができる半導体装置の製造方法を提供することである。
For example, when the single crystal layer is formed of an epitaxial growth layer, crystal defects occur in the epitaxial growth layer on the oxide film, leading to a reduction in lifetime and an increase in leakage current and on-voltage.
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device that solves the above-described problems, improves the crystallinity of a semiconductor layer (epitaxial layer), and can reduce leakage current and ON voltage. That is.

前記の目的を達成するために、第1導電型の半導体基板上に開口部を有する絶縁膜を形成する工程と、前記半導体基板の開口部と前記絶縁膜上に前記半導体基板より高い不純物濃度を有する第1導電型のエピタキシャル成長層を形成する工程と、該エピタキシャル成長層にレーザ光を照射してレーザアニールする工程とを有する製造方法とする。
また、第1導電型の半導体基板上に開口部を有する絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜は、側壁と該側壁より薄い部分を有し、前記半導体基板の開口部と前記絶縁膜の薄い部分上に前記半導体基板より高い不純物濃度を有する第1導電型のエピタキシャル成長層を前記側壁より高く形成する工程と、前記側壁をストッパとして前記エピタキシャル成長層を研削し平坦化する工程と、該エピタキシャル成長層にレーザ光を照射してレーザアニールする工程とを有する製造方法とする。
In order to achieve the above object, a step of forming an insulating film having an opening on a semiconductor substrate of a first conductivity type, and an impurity concentration higher than that of the semiconductor substrate on the opening and the insulating film of the semiconductor substrate. The manufacturing method includes a step of forming an epitaxial growth layer having the first conductivity type and a step of laser annealing by irradiating the epitaxial growth layer with laser light.
A step of forming an insulating film having an opening on the semiconductor substrate of the first conductivity type; and the insulating film has a side wall and a portion thinner than the side wall, the opening of the semiconductor substrate and the insulating film Forming a first conductivity type epitaxial growth layer having an impurity concentration higher than that of the semiconductor substrate on the thin portion higher than the side wall; grinding and planarizing the epitaxial growth layer using the side wall as a stopper; and the epitaxial growth layer. And a step of laser annealing by irradiating with laser light.

また、前記レーザ光のエネルギーが3J/cm〜6J/cmであるとよい。
また、前記レーザ光の照射がスポットであり、該レーザ光のスポットを所定時間照射し、照射した箇所が重なるように次の箇所に移動してレーザ光を照射し、隣接するスポットの重なる箇所の割合をスポット面積の60%以上とするとよい。
Further, the energy of the laser beam may is 3J / cm 2 ~6J / cm 2 .
Further, the irradiation of the laser beam is a spot, the spot of the laser beam is irradiated for a predetermined time, and the laser beam is irradiated by moving to the next location so that the irradiated location is overlapped. The ratio may be 60% or more of the spot area.

この発明によれば、酸化膜上に形成され、バッファ層やベース層を有するエピタキシャル成長層をレーザアニールすることで結晶欠陥を消滅させ、半導体装置(IGBTやMOSFETなど)の漏れ電流とオン電圧(オン抵抗)を低減することができる。
レーザアニールにおいて、レーザエネルギ量を3J/cm〜6J/cmとすることで漏れ電流を大幅(40%程度)に低減できる。
According to the present invention, a crystal defect is eliminated by laser annealing an epitaxial growth layer formed on an oxide film and having a buffer layer and a base layer, and a leakage current and an on-voltage (on-state) of a semiconductor device (IGBT, MOSFET, etc.) are eliminated. Resistance) can be reduced.
In laser annealing, it can reduce leakage current by the laser energy amount and 3J / cm 2 ~6J / cm 2 significantly (about 40%).

また、レーザ光のスポットの重なり量を60%以上とすることで、初期値(レーザアニール前の値)に対して漏れ電流を50%程度減少させることができる。     Further, by setting the overlapping amount of laser light spots to 60% or more, the leakage current can be reduced by about 50% with respect to the initial value (value before laser annealing).

実施の形態を以下の実施例で説明する。尚、下記の説明において、従来構造と同一部位には同一符号を付した。     Embodiments will be described in the following examples. In the following description, the same parts as those in the conventional structure are denoted by the same reference numerals.

図1〜図12は、この発明の第1実施例の半導体装置の製造方法を工程順に示した要部製造工程断面図である。この断面図は1セルの断面を示す。
図1において、n半導体基板1上に絶縁膜(例えば酸化膜2)を形成する。
図2において、セル周辺部となる酸化膜2を側壁3として残してその他の箇所の酸化膜2を除去する。
1 to 12 are cross-sectional views showing a main part manufacturing process showing the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment of the present invention in the order of steps. This sectional view shows a section of one cell.
In FIG. 1, an insulating film (for example, oxide film 2) is formed on an n semiconductor substrate 1.
In FIG. 2, the oxide film 2 which becomes the peripheral portion of the cell is left as a side wall 3 and the oxide film 2 in other portions is removed.

図3において、n半導体基板1上に絶縁膜(例えば酸化膜4)を形成し、中央部に開口部5を形成する。
図4において、開口部5上からエピタキシャル成長させ、酸化膜4上に横方向のエピタキシャル成長させて、n半導体基板1より高濃度のnエピタキシャル成長層6(未拡散層がnバッファ層となる)を半導体層として酸化膜の側壁3の高さ(例えば1μm程度)より高く形成する。このとき、nエピタキシャル成長層6には結晶欠陥7が発生する。
In FIG. 3, an insulating film (for example, oxide film 4) is formed on an n semiconductor substrate 1, and an opening 5 is formed in the center.
In FIG. 4, epitaxial growth is performed from above the opening 5 and lateral growth is performed on the oxide film 4, so that the n + epitaxial growth layer 6 having a higher concentration than the n semiconductor substrate 1 (the undiffused layer becomes the n + buffer layer). Is formed higher than the height (for example, about 1 μm) of the side wall 3 of the oxide film as a semiconductor layer. At this time, crystal defects 7 occur in the n + epitaxial growth layer 6.

図5において、酸化膜の側壁3をストッパとしてnエピタキシャル成長層6を研削・平坦化処理して、例えば、厚さを1μm程度にする。
図6において、nエピタキシャル成長層6にレーザ光8を照射してレーザアニールすることで結晶欠陥7を消滅させ結晶欠陥7のないnエピタキシャル成長層9とする。
図7において、nエピタキシャル成長層9上に絶縁膜(ゲート酸化膜10)を形成し、このゲート酸化膜10上にゲート電極12となるポリシリコン層11を形成する。
In FIG. 5, the n + epitaxial growth layer 6 is ground and planarized by using the side wall 3 of the oxide film as a stopper, for example, to a thickness of about 1 μm.
In FIG. 6, the n + epitaxial growth layer 6 is irradiated with laser light 8 and laser annealed to eliminate the crystal defects 7, thereby forming the n + epitaxial growth layer 9 without the crystal defects 7.
In FIG. 7, an insulating film (gate oxide film 10) is formed on the n + epitaxial growth layer 9, and a polysilicon layer 11 to be the gate electrode 12 is formed on the gate oxide film 10.

図8において、中央部のゲート電極12となるポリシリコン層11を残し両側を除去してゲート電極12を形成する。このとき開口部5よりゲート電極12の幅を広くする。
図9において、ゲート電極12であるポリシリコン層11をマスクとしてpベース層13を酸化膜4に接するようにボロンのイオン注入で形成し、このpベース層13の表面層にゲート電極12であるポリシリコン層11をマスクにn++エミッタ層14をリンのイオン注入で形成し、さらにpベース層13およびn++エミッタ層14とに接するようにp++コンタクト層15を図示しないレジストをマスクにボロンのイオン注入で形成する。このときpベース層13は酸化膜13と接するようにして、n半導体基板1には接しないようにする。接するとpnダイオードが形成されて素子として動作しなくなる。
In FIG. 8, the gate electrode 12 is formed by removing both sides while leaving the polysilicon layer 11 to be the gate electrode 12 in the center. At this time, the width of the gate electrode 12 is made wider than the opening 5.
In FIG. 9, a p + base layer 13 is formed by boron ion implantation so as to be in contact with the oxide film 4 using the polysilicon layer 11 as the gate electrode 12 as a mask, and the gate electrode 12 is formed on the surface layer of the p + base layer 13. The n ++ emitter layer 14 is formed by phosphorus ion implantation using the polysilicon layer 11 as a mask, and a resist (not shown) is formed on the p ++ contact layer 15 so as to be in contact with the p + base layer 13 and the n ++ emitter layer 14. The mask is formed by boron ion implantation. At this time, the p + base layer 13 is in contact with the oxide film 13 and is not in contact with the n semiconductor substrate 1. When contacted, a pn diode is formed and the device does not operate.

このとき図9ではpベース層13とp++コンタクト層15は酸化膜4に接しているが、図13に示すようにpベース層13を酸化膜4に接しないように形成し、そのpベース層13の表面層にn++エミッタ層14を形成し、このn++エミッタ層14に接するようにp++コンタクト層15を形成してもよい。
図10において、表面に層間絶縁膜16を形成し、層間絶縁膜16とゲート酸化膜10にコンタクトホール17を形成する。
In this case p + base layer 13 and the p ++ contact layer 15 in FIG. 9 is in contact with the oxide film 4, formed so as not to be in contact with p + base layer 13 to the oxide film 4 as shown in FIG. 13, the The n ++ emitter layer 14 may be formed on the surface layer of the p + base layer 13, and the p ++ contact layer 15 may be formed in contact with the n ++ emitter layer 14.
In FIG. 10, an interlayer insulating film 16 is formed on the surface, and contact holes 17 are formed in the interlayer insulating film 16 and the gate oxide film 10.

図11において、コンタクトホール17を介してn++エミッタ層14とp++コンタクト層15に接するエミッタ電極18を層間絶縁膜16上に形成する。
図12において、n半導体基板1の裏面側を研削して厚みを薄くした後、研削した裏面19にpコレクタ層20を形成し、そのpコレクタ層20上にコレクタ電極21を形成してFS(フィールド ストップ)型のIGBTが完成する。
In FIG. 11, an emitter electrode 18 in contact with the n ++ emitter layer 14 and the p ++ contact layer 15 through the contact hole 17 is formed on the interlayer insulating film 16.
In FIG. 12, after the back surface side of the n semiconductor substrate 1 is ground to reduce the thickness, a p + collector layer 20 is formed on the ground back surface 19, and a collector electrode 21 is formed on the p + collector layer 20. Thus, an FS (field stop) type IGBT is completed.

前記の図2の工程において、nエピタキシャル層6の研削・平坦化のときにストッパの働きをする酸化膜の側壁3は必ずしも形成する必要はない。その場合、図5の工程ではnエピタキシャル成長層6の研削・平坦化した後の厚さは、研削・平坦化する時間などを管理して決めればよい。
図14は、レーザエネルギー量と漏れ電流(規格化)の関係を示す図である。
In the process of FIG. 2 described above, it is not always necessary to form the sidewall 3 of the oxide film that functions as a stopper when the n + epitaxial layer 6 is ground and planarized. In that case, in the step of FIG. 5, the thickness of the n + epitaxial growth layer 6 after grinding and planarization may be determined by managing the grinding and planarization time.
FIG. 14 is a diagram showing the relationship between the laser energy amount and the leakage current (normalized).

エネルギー量が不足であると結晶欠陥が修復されず消滅しないために、漏れ電流は大きい。また、エネルギー量が過剰であると、このエネルギーによりnエピタキシャル成長層の結晶欠陥が修復される(消滅する)割合より再度結晶欠陥が発生する割合が優位になって漏れ電流は増大する。
実験の結果、このレーザエネルギー量は3J/cm〜6J/cmの範囲で漏れ電流が大幅に低減する。また、図示しないがオン電圧も低減する。
If the amount of energy is insufficient, the crystal defects are not repaired and do not disappear, so the leakage current is large. If the amount of energy is excessive, the rate at which crystal defects are generated again becomes superior to the rate at which crystal defects in the n + epitaxial growth layer are repaired (disappeared) by this energy, and the leakage current increases.
The results of the experiment, the laser energy amount is the leakage current is greatly reduced in the range of 3J / cm 2 ~6J / cm 2 . Although not shown, the on-voltage is also reduced.

また、図15に示すように、レーザ光照射を重ね合わせる量(重なり量:オーバーラップ量)を多くすると結晶欠陥が修復(消滅)する割合が増大する。
図16は、レーザ光のスポットの重なり量と漏れ電流(規格化)の関係を示す図である。レーザアニールにおいては、レーザ光の照射はスポット22(例えば、幅が0.5mmで長さが2mm程度の長方形をしている)であり、所定時間(例えばμsのオーダ)照射した後、このスポット22を幅方向に重なるように照射する次の位置(スポット23)にずらして移動する。1スキャン終わったところでスポット22の長手方向にずらしてまた横方向へスポット22を移動させてスキャンする。長手方向の重なりは0.3mm程度である。
Further, as shown in FIG. 15, when the amount of overlap of laser light irradiation (overlap amount: overlap amount) is increased, the rate at which crystal defects are repaired (disappeared) increases.
FIG. 16 is a diagram illustrating the relationship between the amount of laser beam spot overlap and the leakage current (normalized). In laser annealing, laser beam irradiation is a spot 22 (for example, a rectangle having a width of about 0.5 mm and a length of about 2 mm). After irradiation for a predetermined time (for example, on the order of μs), this spot is irradiated. 22 is shifted to the next position (spot 23) to be irradiated so as to overlap in the width direction. At the end of one scan, scanning is performed by shifting the spot 22 in the longitudinal direction and moving the spot 22 in the lateral direction. The overlap in the longitudinal direction is about 0.3 mm.

このようにスポット22を順次一部重なるように移動させ(スポット23)ながらレーザ光を照射してレーザアニールを行う。このスポット22、23の幅方向の重なる箇所の面積の割合(重なる箇所の面積S2をスポット面積S1で割った値を百分率で表したもので重なり量24のこと)を60%以上とすることで漏れ電流を50%程度低減できる。勿論、オン電圧の低減にも効果がある。     In this way, laser annealing is performed by irradiating the laser beam while moving the spot 22 so as to partially overlap (spot 23). By setting the ratio of the area of the spots 22 and 23 overlapping in the width direction (the area obtained by dividing the area S2 of the overlapping parts by the spot area S1 as a percentage and the amount of overlap 24) is 60% or more. Leakage current can be reduced by about 50%. Of course, it is also effective in reducing the on-voltage.

重なり量24を増やすことで、nエピタキシャル成長層6の温度が高くなり、結晶欠陥7が正常な結晶に修復される(戻る)割合は大きくなる。しかし、重なり量24が60%以上になると漏れ電流が初期値の50%のレベルで一定になるのは、重なり量が60%でnエピタキシャル層6内の結晶欠陥7が消滅し正常な結晶に戻ったためと推測される。 By increasing the overlap amount 24, the temperature of the n + epitaxial growth layer 6 increases, and the rate at which the crystal defects 7 are restored (returned) to normal crystals increases. However, when the overlap amount 24 is 60% or more, the leakage current becomes constant at the initial level of 50% because the crystal defect 7 in the n + epitaxial layer 6 disappears when the overlap amount is 60% and normal crystals Presumed to have returned to.

前記のように、nエピタキシャル成長層6に発生した結晶欠陥7をレーザ光8の照射によるレーザアニールで消滅させることにより漏れ電流の小さな半導体装置とすることができる。また、図示しないがオン電圧を低減させることができる。
またレーザ光源としては、YAGレーザやエキシマレーザなどが所定のエネルギー量が得易いということで好適である。
As described above, by eliminating the crystal defects 7 generated in the n + epitaxial growth layer 6 by laser annealing by irradiation with the laser beam 8, a semiconductor device having a small leakage current can be obtained. Although not shown, the on-voltage can be reduced.
As a laser light source, a YAG laser, an excimer laser, or the like is preferable because a predetermined energy amount can be easily obtained.

図17は、この発明の第2実施例の半導体装置の構成図であり、同図(a)は要部断面図、同図(b)は要部斜視図である。この構造は特許文献4の図20の従来構造と基本的に同じであるが、違うのはレーザ光8の照射(レーザアニール)により半導体層(nエピタキシャル成長層6)の結晶欠陥7を消滅させている点である。
半導体基板1上に酸化膜4を形成し、酸化膜4の中央部に開口部5が形成され、セル周辺部に酸化膜の側壁3を形成する。開口部5上と酸化膜4、3に囲まれた箇所にレーザアニールされたnエピタキシャル成長層9を形成する。酸化膜4上のnエピタキシャル成長層9に酸化膜4に接するようにpベース層を形成し、このpベース層13の表面層にn++エミッタ層14を形成し、さらにn++エミッタ層14とpベース層13と酸化膜4にそれぞれ接するようにp++コンタクト層15を形成する。pベース層14が形成されないnエピタキシャル成長層9はnバッファ層9aとなる。n++エミッタ層14とnエピタキシャル成長層9に挟まれたpベース層13上にはゲート酸化膜10を介してゲート電極12を形成する。図ではn++エミッタ層14の一部上とpベース層13上とnエピタキシャル成長層9上にゲート酸化膜10を形成している。ゲート電極12の表面に層間絶縁膜16を形成する。層間絶縁膜16とゲート酸化膜10にコンタクトホール17を形成し、n++エミッタ層14とp++コンタクト層15に接するようにエミッタ電極18を形成する。
FIGS. 17A and 17B are configuration diagrams of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention, in which FIG. 17A is a sectional view of the principal part and FIG. 17B is a perspective view of the principal part. This structure is basically the same as the conventional structure shown in FIG. 20 of Patent Document 4, except that the crystal defect 7 of the semiconductor layer (n + epitaxial growth layer 6) is eliminated by irradiation with laser light 8 (laser annealing). It is a point.
An oxide film 4 is formed on the n semiconductor substrate 1, an opening 5 is formed at the center of the oxide film 4, and a sidewall 3 of the oxide film is formed around the cell. At a location opening 5 above and surrounded by the oxide film 4,3 to form a laser annealed n + epitaxial growth layer 9. The p + base layer formed in contact with the oxide film 4 in the n + epitaxial growth layer 9 on the oxide film 4, the n ++ emitter layer 14 is formed on the surface layer of the p + base layer 13, further n ++ emitter layer 14, p ++ contact layer 15 is formed in contact with p + base layer 13 and oxide film 4, respectively. The n + epitaxial growth layer 9 in which the p + base layer 14 is not formed becomes an n + buffer layer 9a. on top p + base layer 13 sandwiched between the n ++ emitter layer 14 and the n + epitaxial layer 9 to form the gate electrode 12 through the gate oxide film 10. In the figure, the gate oxide film 10 is formed on a part of the n ++ emitter layer 14, the p + base layer 13, and the n + epitaxial growth layer 9. An interlayer insulating film 16 is formed on the surface of the gate electrode 12. A contact hole 17 is formed in the interlayer insulating film 16 and the gate oxide film 10, and an emitter electrode 18 is formed so as to be in contact with the n ++ emitter layer 14 and the p ++ contact layer 15.

半導体基板1の裏面19にp層(pコレクタ層20)を形成すると図15のようなIGBTとなり、n層(nドレイン層)を形成すると図示しないMOSFETとなる。どちらの場合も結晶欠陥7のあるnエピタキシャル成長層6をレーザアニールして結晶欠陥7を消滅させたnエピタキシャル成長層9とすることで漏れ電流とオン電圧(オン抵抗)を減少させることができる。特に、IGBTの場合には少数キャリアの注入により伝導度変調が起こるので、nエピタキシャル成長層6内の結晶欠陥7を消滅させることは伝導度変調を起こすキャリア量を増やすのでオン電圧の低減効果は大きい。これは、以下の第3、第4実施例の場合も同様のことが言える。 When a p + layer (p + collector layer 20) is formed on the back surface 19 of the n semiconductor substrate 1, an IGBT as shown in FIG. 15 is formed, and when an n + layer (n + drain layer) is formed, a MOSFET (not shown) is formed. In either case, leakage current and on-voltage (on-resistance) can be reduced by laser annealing the n + epitaxial growth layer 6 having the crystal defects 7 to form the n + epitaxial growth layer 9 in which the crystal defects 7 are eliminated. . In particular, in the case of IGBT, conductivity modulation occurs due to the injection of minority carriers, so eliminating the crystal defects 7 in the n + epitaxial growth layer 6 increases the amount of carriers that cause conductivity modulation, so the effect of reducing the on-voltage is large. The same can be said for the following third and fourth embodiments.

図18は、この発明の第3実施例の半導体装置の要部断面図である。図17と違うのは、pベース層13がnエピタキシャル成長層9の表面層に形成され、このpベース層13の表面層にn++エミッタ層14が形成されている点である。この構造の場合も、レーザアニールにより結晶欠陥7のないnエピタキシャル成長層9としているので漏れ電流とオン電圧を減少させることができる。 FIG. 18 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. The difference from FIG. 17 is that the p + base layer 13 is formed on the surface layer of the n + epitaxial growth layer 9, and the n + + emitter layer 14 is formed on the surface layer of the p + base layer 13. Also in this structure, since the n + epitaxial growth layer 9 without crystal defects 7 is formed by laser annealing, the leakage current and the on-voltage can be reduced.

図19は、この発明の第4実施例の半導体装置の要部断面図である。図17と違うのは、酸化膜の側壁3が形成されていない点である。この構造の場合も、レーザアニールにより結晶欠陥7のないnエピタキシャル成長層9としているので漏れ電流とオン電圧を減少させることができる。 FIG. 19 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention. The difference from FIG. 17 is that the sidewall 3 of the oxide film is not formed. Also in this structure, since the n + epitaxial growth layer 9 without crystal defects 7 is formed by laser annealing, the leakage current and the on-voltage can be reduced.

この発明の第1実施例の半導体装置の要部製造工程断面図Sectional view of manufacturing process of main part of semiconductor device according to first embodiment of this invention. 図1に続く、この発明の第1実施例の半導体装置の要部製造工程断面図1 is a cross-sectional view of the main part manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, continued from FIG. 図2に続く、この発明の第1実施例の半導体装置の要部製造工程断面図FIG. 2 is a cross-sectional view of the main part manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention continued from FIG. 図3に続く、この発明の第1実施例の半導体装置の要部製造工程断面図FIG. 3 is a cross-sectional view of the main part manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention continued from FIG. 図4に続く、この発明の第1実施例の半導体装置の要部製造工程断面図FIG. 4 is a cross-sectional view of the main part manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention continued from FIG. 図5に続く、この発明の第1実施例の半導体装置の要部製造工程断面図FIG. 5 is a cross-sectional view of the main part manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention continued from FIG. 図6に続く、この発明の第1実施例の半導体装置の要部製造工程断面図FIG. 6 is a cross-sectional view of the main part manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention continued from FIG. 図7に続く、この発明の第1実施例の半導体装置の要部製造工程断面図FIG. 7 is a cross-sectional view of the main part manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention continued from FIG. 図8に続く、この発明の第1実施例の半導体装置の要部製造工程断面図FIG. 8 is a cross-sectional view of the main part manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention continued from FIG. 図9に続く、この発明の第1実施例の半導体装置の要部製造工程断面図FIG. 9 is a cross-sectional view of the main part manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention continued from FIG. 図10に続く、この発明の第1実施例の半導体装置の要部製造工程断面図FIG. 10 is a cross-sectional view of the main part manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention continued from FIG. 図11に続く、この発明の第1実施例の半導体装置の要部製造工程断面図FIG. 11 is a cross-sectional view of the main part manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention continued from FIG. ベース層が下部の酸化膜に接続しない場合の図Diagram when p + base layer is not connected to underlying oxide film レーザエネルギー量と漏れ電流(規格化)の関係を示す図Diagram showing the relationship between laser energy and leakage current (standardization) レーザ光のスポットを重ね合わせた図Diagram of overlapping laser beam spots レーザ光のスポットの重なり量と漏れ電流(規格化)の関係を示す図Diagram showing the relationship between laser beam spot overlap and leakage current (standardization) この発明の第2実施例の半導体装置の構成図であり、(a)は要部断面図、(b)は要部斜視図FIG. 3 is a configuration diagram of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention, in which (a) is a cross-sectional view of the main part and (b) is a perspective view of the main part. この発明の第3実施例の半導体装置の要部断面図Sectional drawing of the principal part of the semiconductor device of 3rd Example of this invention. この発明の第4実施例の半導体装置の要部断面図Sectional drawing of the principal part of the semiconductor device of 4th Example of this invention. IGBTの等価回路を示す図The figure which shows the equivalent circuit of IGBT プレーナ型IGBTの要部の構成を示す断面図Sectional drawing which shows the structure of the principal part of planar type IGBT 従来の半導体装置の一例の構成図であり、(a)は要部断面図、(b)は要部斜視図It is a block diagram of an example of the conventional semiconductor device, (a) is principal part sectional drawing, (b) is principal part perspective view.

符号の説明Explanation of symbols

1 n半導体基板
2 酸化膜
3 側壁
4 酸化膜
5 開口部
6 nエピタキシャル成長層
7 結晶欠陥
8 レーザ光
9 nエピタキシャル成長層(欠陥消滅)
9a nバッファ層
10 ゲート酸化膜
11 ポリシリコン層
12 ゲート電極
13 pベース層
14 n++エミッタ層
15 p++コンタクト層
16 層間絶縁膜
17 コンタクトホール
18 エミッタ電極
19 裏面
20 pコレクタ層
21 コレクタ電極
1 n - semiconductor substrate 2 oxide film 3 side wall 4 oxide film 5 opening 6 n + epitaxial layer 7 crystal defects 8 laser beam 9 n + epitaxial growth layer (defect annihilation)
9a n + buffer layer 10 gate oxide film 11 a polysilicon layer 12 gate electrode 13 p + base layer 14 n ++ emitter layer 15 p ++ contact layer 16 interlayer insulating film 17 contact hole 18 emitter electrode 19 rear surface 20 p + collector layer 21 Collector electrode

Claims (4)

第1導電型の半導体基板上に開口部を有する絶縁膜を形成する工程と、前記半導体基板の開口部と前記絶縁膜上に前記半導体基板より高い不純物濃度を有する第1導電型のエピタキシャル成長層を形成する工程と、該エピタキシャル成長層にレーザ光を照射してレーザアニールする工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming an insulating film having an opening on a semiconductor substrate of a first conductivity type; and forming an epitaxial growth layer of a first conductivity type having an impurity concentration higher than that of the semiconductor substrate on the opening and the insulating film of the semiconductor substrate. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: a step of forming; and a step of laser annealing by irradiating the epitaxial growth layer with laser light. 第1導電型の半導体基板上に開口部を有する絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜は、側壁と該側壁より薄い部分を有し、前記半導体基板の開口部と前記絶縁膜の薄い部分上に前記半導体基板より高い不純物濃度を有する第1導電型のエピタキシャル成長層を前記側壁より高く形成する工程と、前記側壁をストッパとして前記エピタキシャル成長層を研削し平坦化する工程と、該エピタキシャル成長層にレーザ光を照射してレーザアニールする工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming an insulating film having an opening on a semiconductor substrate of the first conductivity type; and the insulating film has a side wall and a portion thinner than the side wall, and the opening of the semiconductor substrate and a thin portion of the insulating film Forming a first conductivity type epitaxial growth layer having an impurity concentration higher than that of the semiconductor substrate on the upper side, a step of grinding and planarizing the epitaxial growth layer using the side wall as a stopper, and a laser on the epitaxial growth layer A method of manufacturing a semiconductor device, comprising the step of laser annealing by irradiating light. 前記レーザ光のエネルギーが3J/cm〜6J/cmであ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。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1 or 2, characterized in that the energy of the laser light is 3J / cm 2 ~6J / cm 2 . 前記レーザ光の照射がスポットであり、該レーザ光のスポットを所定時間照射し、照射した箇所が重なるように次の箇所に移動してレーザ光を照射し、隣接するスポットの重なる箇所の割合をスポット面積の60%以上とすることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
The laser beam irradiation is a spot, the laser beam spot is irradiated for a predetermined time, and the laser beam is irradiated by moving to the next spot so that the irradiated spot is overlapped. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the spot area is 60% or more of the spot area.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP2541604A4 (en) * 2010-02-25 2016-04-20 Renesas Electronics Corp SEMICONDUCTOR DEVICE AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME
JP2017076812A (en) * 2016-12-15 2017-04-20 株式会社東芝 Semiconductor device
CN115461847A (en) * 2021-03-31 2022-12-09 华为技术有限公司 Field effect transistor, manufacturing method thereof, switch circuit and circuit board

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2541604A4 (en) * 2010-02-25 2016-04-20 Renesas Electronics Corp SEMICONDUCTOR DEVICE AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME
JP2017076812A (en) * 2016-12-15 2017-04-20 株式会社東芝 Semiconductor device
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