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JP5682096B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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JP5682096B2
JP5682096B2 JP2007297171A JP2007297171A JP5682096B2 JP 5682096 B2 JP5682096 B2 JP 5682096B2 JP 2007297171 A JP2007297171 A JP 2007297171A JP 2007297171 A JP2007297171 A JP 2007297171A JP 5682096 B2 JP5682096 B2 JP 5682096B2
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Description

この発明は、高速、低損失およびソフトなスイッチング特性を兼ね備えた半導体装置およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device having high speed, low loss, and soft switching characteristics, and a method for manufacturing the same.

電力用半導体装置として、600V、1200Vまたは1700V等の耐圧クラスのダイオードやIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)等がある。近時、これらのデバイスの特性改善が進んでいる。電力用半導体装置は、高効率で省電力なコンバーターやインバーター等の電力変換装置に用いられており、回転モーターやサーボモーターの制御に不可欠である。このような電力制御装置には、低損失で省電力であり、また高速、高効率であり、さらに環境に優しい、すなわち周囲に対して悪影響を及ぼさないという特性が要求されている。   As power semiconductor devices, there are diodes of a withstand voltage class such as 600V, 1200V or 1700V, IGBTs (insulated gate bipolar transistors), and the like. Recently, the characteristics of these devices have been improved. Power semiconductor devices are used in high-efficiency and power-saving power converters such as converters and inverters, and are indispensable for controlling rotary motors and servo motors. Such power control devices are required to have characteristics such as low loss and power saving, high speed and high efficiency, and environmental friendliness, that is, no adverse effects on the surroundings.

このような要求に対して、トレンチゲート構造を有するトレンチゲート型IGBTが開発されている(例えば、特許文献1参照。)。トレンチゲート型IGBTでは、オン時に高抵抗ベース層中に蓄積されるキャリアを増大させることができるので、オン電圧を低くすることができる。また、IGBTの製造方法として、慣用の半導体基板(例えばシリコンウェハー)を研削等により薄くした後に、その研削面側から所定の濃度で元素をイオン注入し、熱処理を行う方法により、低コストで電気的損失の低いIGBTを作製する方法が公知である(例えば、特許文献2参照。)。近年、このような低コストな方法による素子の開発および製造が主流になりつつある。   In response to such a demand, a trench gate type IGBT having a trench gate structure has been developed (see, for example, Patent Document 1). In the trench gate type IGBT, carriers accumulated in the high-resistance base layer can be increased when the trench gate type IGBT is turned on, so that the on-voltage can be lowered. In addition, as a method for manufacturing an IGBT, a conventional semiconductor substrate (for example, a silicon wafer) is thinned by grinding or the like, and then an element is ion-implanted at a predetermined concentration from the ground surface side, and a heat treatment is performed. A method for manufacturing an IGBT with low static loss is known (see, for example, Patent Document 2). In recent years, the development and manufacture of devices by such low-cost methods are becoming mainstream.

また、プレーナゲート型IGBTにおいて、半導体基板中にゲート電極を埋め込む構成や、半導体基板中に酸化膜を埋め込むサイモックス(SIMOX:Separation by IMplanted OXygen)構成が提案されている(例えば、特許文献3参照。)。このような構成のプレーナゲート型IGBTでは、エミッタ電極側にキャリアが蓄積されることによって、損失が低くなる。さらに、トレンチ構造と半導体基板中にゲート電極を埋め込む構造を組み合わせ、ゲート電極が埋め込まれたトレンチの上面にチャネル領域を形成するようにしたIGBTが提案されている(例えば、特許文献4参照。)。   In addition, in a planar gate type IGBT, a configuration in which a gate electrode is embedded in a semiconductor substrate and a SIMOX (Separation by IMplanted Oxygen) configuration in which an oxide film is embedded in a semiconductor substrate are proposed (for example, see Patent Document 3). ). In the planar gate type IGBT having such a configuration, the loss is reduced by accumulating carriers on the emitter electrode side. Further, an IGBT has been proposed in which a trench structure and a structure in which a gate electrode is embedded in a semiconductor substrate are combined, and a channel region is formed on the upper surface of the trench in which the gate electrode is embedded (see, for example, Patent Document 4). .

また、半導体基板上の酸化膜のパターニングによる開口部の形成後に、その開口部からエピタキシャル成長により単結晶半導体層を酸化膜上にまで成長させて形成し、その後、単結晶半導体層を平坦化するために化学的機械的研磨(Chemical Mechanical Polish 以下CMPと略記する)を行って所定の厚さとし、その単結晶半導体層にベース領域とソース領域を形成し、更に単結晶半導体層上に酸化膜を介してゲート電極を形成する製造方法を特願2007−103387号として出願している。   Further, after forming an opening by patterning an oxide film on a semiconductor substrate, a single crystal semiconductor layer is grown from the opening to the oxide film by epitaxial growth, and then the single crystal semiconductor layer is planarized A chemical mechanical polishing (Chemical Mechanical Polish, hereinafter abbreviated as CMP) is performed to obtain a predetermined thickness, a base region and a source region are formed in the single crystal semiconductor layer, and an oxide film is interposed on the single crystal semiconductor layer. A manufacturing method for forming a gate electrode has been filed as Japanese Patent Application No. 2007-103387.

一方、基板裏面に不純物イオンを注入し、パルスレーザーを用いたレーザーアニール、またはそのレーザーアニールと電気炉アニールを組み合わせて、その不純物イオンを活性化させる方法が提案されている(例えば、特許文献5参照。)。また、レーザーアニールに関して、第1のレーザー光と、これと波長の異なる第2のレーザー光とで、基板への照射強度または照射時間の少なくとも一方を制御することにより、基板または基板上の膜の深さ方向の温度分布を制御する方法が提案されている(例えば、特許文献6参照。)。また、2つ目のパルスのエネルギー密度が1つ目のパルスよりも小さくなるようにして2段階のパルスレーザーを照射することにより、ガラス基板上の多結晶シリコンの薄膜層を結晶質に改質する方法が提案されている(例えば、特許文献7参照。)。   On the other hand, a method has been proposed in which impurity ions are implanted into the back surface of the substrate and activated by combining laser annealing using a pulse laser, or laser annealing and electric furnace annealing (for example, Patent Document 5). reference.). Regarding laser annealing, the first laser beam and the second laser beam having a different wavelength are used to control at least one of the irradiation intensity and the irradiation time on the substrate, so that the substrate or the film on the substrate can be controlled. A method for controlling the temperature distribution in the depth direction has been proposed (see, for example, Patent Document 6). The thin film layer of polycrystalline silicon on the glass substrate is modified to be crystalline by irradiating the two-stage pulse laser so that the energy density of the second pulse is smaller than that of the first pulse. Has been proposed (see, for example, Patent Document 7).

特開平5−243561号公報(段落[0005]〜[0009])JP-A-5-243561 (paragraphs [0005] to [0009]) 特表2002−520885号公報(段落[0060]〜[0063])Japanese translation of PCT publication No. 2002-52085 (paragraphs [0060] to [0063]) 特開2006−237553号公報(段落[0067]〜[0070]、[0117]〜[0122])JP 2006-237553 A (paragraphs [0067] to [0070], [0117] to [0122]) 特開2007−43028号公報(段落[0031]〜[0034])JP 2007-43028 A (paragraphs [0031] to [0034]) 特開2003−59856号公報(段落[0006])JP 2003-59856 A (paragraph [0006]) 国際公開第2007/015388号パンフレット(要約の項)International Publication No. 2007/015388 Pamphlet (Summary Section) 特開2005−327865号公報JP 2005-327865 A

しかしながら、前記特許文献3に開示された半導体基板中にゲート電極を埋め込む構成では、ゲート電極を素子の表面に引き出すために、ゲート電極に達するトレンチを形成し、このトレンチを多結晶シリコンで埋める必要があるため、製造プロセスが複雑であり、製造コストの増大を招くという問題点がある。また、半導体基板中に埋め込まれたゲート電極と、ゲート電極引き出し用の多結晶シリコンとの接触抵抗がばらつくため、ゲート耐圧の歩留まりが向上しないという問題点もある。さらに、ゲート電極の三辺に沿って反転層を形成する必要があるため、電子がドリフト層に注入されにくいという問題点もある。   However, in the configuration in which the gate electrode is embedded in the semiconductor substrate disclosed in Patent Document 3, it is necessary to form a trench reaching the gate electrode and fill the trench with polycrystalline silicon in order to draw the gate electrode to the surface of the device. Therefore, there is a problem that the manufacturing process is complicated and the manufacturing cost is increased. In addition, since the contact resistance between the gate electrode embedded in the semiconductor substrate and the polycrystalline silicon for extracting the gate electrode varies, there is a problem that the yield of gate breakdown voltage is not improved. Furthermore, since it is necessary to form an inversion layer along the three sides of the gate electrode, there is a problem that electrons are not easily injected into the drift layer.

また、埋め込んだゲート電極の上部に、ベース層とエミッタ層を形成したシリコン層があり、該シリコン層は多結晶シリコンで形成されている。この多結晶シリコンの成長直後にゲート酸化膜形成のための酸化工程が行われる。この多結晶シリコンの結晶粒界および欠陥により、ゲート酸化膜との間に界面欠陥と準位が形成され、それが反転層の移動度を通常の1/5(約200cm2/(Vs)まで低下させる場合があり、所望の低損失性が得られにくくなる場合があった。 In addition, there is a silicon layer on which a base layer and an emitter layer are formed above the buried gate electrode, and the silicon layer is formed of polycrystalline silicon. Immediately after the growth of the polycrystalline silicon, an oxidation process for forming a gate oxide film is performed. Due to the crystal grain boundaries and defects of this polycrystalline silicon, interface defects and levels are formed between the gate oxide film and the mobility of the inversion layer is reduced to 1/5 (about 200 cm 2 / (Vs)). In some cases, it is difficult to obtain a desired low loss property.

また、前記特許文献4に開示された構成では、トレンチ構造を形成する必要があるため、その分、製造コストが高くなってしまう。また、特許文献4には、レーザーアニールによって多結晶シリコンのキャリア移動度を回復する技術が開発されている、との記載があるが、レーザー光の照射条件などは開示されていない。また、前記特許文献5および前記特許文献6には、基板表面に成長した多結晶シリコンの結晶性や特性をレーザー照射によって回復させることについては、記載されていない。   Further, in the configuration disclosed in Patent Document 4, since it is necessary to form a trench structure, the manufacturing cost is increased accordingly. Patent Document 4 describes that a technique for recovering the carrier mobility of polycrystalline silicon by laser annealing has been developed, but does not disclose the laser light irradiation conditions. Further, Patent Document 5 and Patent Document 6 do not describe recovery of crystallinity and characteristics of polycrystalline silicon grown on the substrate surface by laser irradiation.

また、先願に記載したエピタキシャル成長による単結晶半導体層のCMP研磨での平坦化では、電気特性への影響が危惧される。それは、単結晶半導体層の平坦化後の厚さの許容範囲が0.8μm±0.1μmと極めて薄くかつ狭い範囲であるため、極めて高い平坦化技術が要求される。例えば、平坦化後の厚さが0.75μm±0.23μmである場合に、耐圧1200V定格の素子を作成すると耐圧のばらつきが540V〜1410Vと極めて広くなる。また、ゲート閾値も6.1V〜7.9Vと広く、短絡耐量が15μs以下のものが発生する場合もある。   Further, the planarization by CMP polishing of the single crystal semiconductor layer by epitaxial growth described in the prior application has a fear of affecting the electric characteristics. This is because the allowable range of the thickness after planarization of the single crystal semiconductor layer is an extremely thin and narrow range of 0.8 μm ± 0.1 μm, and thus an extremely high planarization technique is required. For example, in the case where the thickness after flattening is 0.75 μm ± 0.23 μm and an element having a withstand voltage of 1200 V is created, the variation in withstand voltage is extremely wide as 540 V to 1410 V. In addition, the gate threshold value may be as wide as 6.1 V to 7.9 V, and a short-circuit withstand value of 15 μs or less may occur.

また、前記特許文献7に開示された方法を、シリコン基板上に多結晶シリコンの薄膜層を形成した構成に適用した場合、多結晶シリコンの結晶性がシリコン基板との界面まで十分に回復しないため、十分なキャリア移動度が得られないだけでなく、オフ時の漏れ電流が増大してしまうことがわかった。そこで、多結晶シリコンの結晶性を十分に回復させるために、単純にパルスレーザーのエネルギー密度を大きくすると、アブレーションが生じ、それによって薄膜トランジスタ等のデバイスでは特性が劣化してしまう。   Further, when the method disclosed in Patent Document 7 is applied to a configuration in which a polycrystalline silicon thin film layer is formed on a silicon substrate, the crystallinity of the polycrystalline silicon does not sufficiently recover to the interface with the silicon substrate. It was found that not only a sufficient carrier mobility could not be obtained, but also the leakage current at the time of off increased. Therefore, when the energy density of the pulse laser is simply increased in order to sufficiently recover the crystallinity of the polycrystalline silicon, ablation occurs, thereby deteriorating the characteristics of a device such as a thin film transistor.

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、高速、低損失およびソフトなスイッチング特性を兼ね備えた安価な半導体装置を提供することを目的とする。また、この発明は、高速、低損失およびソフトなスイッチング特性を兼ね備えた半導体装置を安価に製造することができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide an inexpensive semiconductor device having high speed, low loss, and soft switching characteristics in order to solve the above-described problems caused by the prior art. Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device that can manufacture a semiconductor device having high speed, low loss, and soft switching characteristics at low cost.

上述した課題を解決し、目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、第1導電型半導体基板の第1の主面の下に選択的に埋め込まれた絶縁層と、前記絶縁層に接して前記第1の主面との間に設けられた第2導電型ベース領域と、前記第2導電型ベース領域内に選択的に設けられた第1導電型ソース領域と、前記第1導電型ソース領域と前記第1導電型半導体基板に挟まれる前記第2導電型ベース領域の表面を被覆するゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の上に設けられたゲート電極と、前記第2導電型ベース領域および前記第1導電型ソース領域に接するエミッタ電極と、前記第1導電型半導体基板の第2の主面に設けられた第2導電型コレクタ層と、前記第2導電型コレクタ層に接するコレクタ電極と、を備え、前記エミッタ電極が前記第2導電型ベース領域および前記第1導電型ソース領域に接する部分に、絶縁膜として、前記ゲート絶縁膜と、前記ゲート電極を被覆する層間絶縁膜のみが存在し、前記絶縁層が設けられた部分における前記第1の主面は、隣り合う前記絶縁層に挟まれた部分における前記第1の主面よりも外側に突出しており、当該突出部分の幅は前記絶縁層の幅よりも狭く、前記ゲート絶縁膜、前記ゲート電極および前記層間絶縁膜は凹凸状となっていることを特徴とする。また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第2導電型ベース領域の厚さは、0.8±0.1μmであることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a semiconductor device according to the present invention includes an insulating layer selectively embedded below a first main surface of a first conductivity type semiconductor substrate, and an insulating layer formed on the insulating layer. A second conductivity type base region provided between and in contact with the first main surface; a first conductivity type source region selectively provided in the second conductivity type base region; and the first conductivity A gate insulating film covering a surface of the second conductive type base region sandwiched between the type source region and the first conductive type semiconductor substrate, a gate electrode provided on the gate insulating film, and the second conductive type An emitter electrode in contact with the base region and the first conductivity type source region, a second conductivity type collector layer provided on the second main surface of the first conductivity type semiconductor substrate, and in contact with the second conductivity type collector layer A collector electrode, and the emitter electrode However, only the gate insulating film and the interlayer insulating film that covers the gate electrode are present as insulating films in portions that are in contact with the second conductive type base region and the first conductive type source region, and the insulating layer is provided. The first main surface in the formed portion protrudes outside the first main surface in the portion sandwiched between the adjacent insulating layers, and the width of the protruding portion is larger than the width of the insulating layer. It is narrow, and the gate insulating film, the gate electrode, and the interlayer insulating film are uneven . In the semiconductor device according to the present invention as set forth in the invention described above, the thickness of the second conductivity type base region is 0.8 ± 0.1 μm.

また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、第1導電型半導体基板の第1の主面の下に選択的に埋め込まれた絶縁層と、前記絶縁層に接して前記第1の主面との間に設けられた第2導電型ベース領域と、前記第2導電型ベース領域内に選択的に設けられた第1導電型ソース領域と、前記第1導電型ソース領域と前記第1導電型半導体基板に挟まれる前記第2導電型ベース領域の表面を被覆する凹凸状のゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の上に設けられた凹凸状のゲート電極と、前記第2導電型ベース領域および前記第1導電型ソース領域に接するエミッタ電極と、前記第1導電型半導体基板の第2の主面に設けられた第2導電型コレクタ層と、前記第2導電型コレクタ層に接するコレクタ電極と、を備える半導体装置を製造する半導体装置の製造方法において、第1導電型半導体からなる出発基板の主面に前記絶縁層を選択的に形成する絶縁層形成工程と、前記絶縁層形成工程により形成された前記絶縁層の開口部分に露出する前記出発基板の前記主面に、前記絶縁層の開口部分を塞ぎ、かつ前記絶縁層の端部の上に延在する単結晶半導体層をエピタキシャル成長させる単結晶成長工程と、前記絶縁層の、前記単結晶成長工程後に露出している部分の上に、前記単結晶半導体層の上面よりも外側に突出させ、当該突出部分の幅が前記絶縁層の幅よりも狭くなるように多結晶半導体層を成長させる多結晶成長工程と、前記単結晶成長工程で成長した前記単結晶半導体層中に導入された欠陥、前記多結晶成長工程で成長した前記多結晶半導体層中に導入された欠陥、並びに前記多結晶半導体層、前記単結晶半導体層および前記出発基板の間の欠陥を回復させる回復工程と、を含み、前記絶縁層形成工程、前記単結晶成長工程、前記多結晶成長工程および前記回復工程を順に経ることによって、前記第1の主面の下に前記絶縁層が選択的に埋め込まれた前記第1導電型半導体基板を作製し、該第1導電型半導体基板を用いて前記構成の半導体装置を製造することを特徴とする。 According to another aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device, comprising: an insulating layer selectively embedded below a first main surface of a first conductivity type semiconductor substrate; and the first main surface in contact with the insulating layer. A second conductive type base region provided between the first conductive type source region, a first conductive type source region selectively provided in the second conductive type base region, the first conductive type source region, and the first conductive type. An uneven gate insulating film covering the surface of the second conductivity type base region sandwiched between the type semiconductor substrates, an uneven gate electrode provided on the gate insulating film, and the second conductivity type base region And an emitter electrode in contact with the first conductivity type source region, a second conductivity type collector layer provided on the second main surface of the first conductivity type semiconductor substrate, and a collector electrode in contact with the second conductivity type collector layer A semiconductor device for manufacturing the semiconductor device In the device manufacturing method, an insulating layer forming step of selectively forming the insulating layer on a main surface of a starting substrate made of a first conductivity type semiconductor, and an opening portion of the insulating layer formed by the insulating layer forming step A single crystal growth step of epitaxially growing a single crystal semiconductor layer that covers an opening of the insulating layer and that extends on an end of the insulating layer on the exposed main surface of the starting substrate; and the on the exposed part after single crystal growth process, the the upper surface of the single crystal semiconductor layer is protruded outwardly, the polycrystalline semiconductor as the width of the projecting portion is narrower than the width of said insulating layer A polycrystalline growth step for growing a layer; defects introduced into the single crystal semiconductor layer grown in the single crystal growth step; defects introduced into the polycrystalline semiconductor layer grown in the polycrystalline growth step; As well as the above A recovery step of recovering defects between the crystal semiconductor layer, the single crystal semiconductor layer, and the starting substrate, and the insulating layer forming step, the single crystal growth step, the polycrystal growth step, and the recovery step in order Then, the first conductive semiconductor substrate in which the insulating layer is selectively embedded under the first main surface is manufactured, and the semiconductor device having the above structure is manufactured using the first conductive semiconductor substrate. It is characterized by manufacturing.

また、の発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記回復工程では、600℃以上1000℃以下の温度で、30分以上10時間以下の熱処理を行うことを特徴とする。 A method of manufacturing a semiconductor device according to this invention is the invention described above, the in the recovery step is carried out at a temperature of 600 ° C. or higher 1000 ° C. or less, and performing the following heat treatment for 30 minutes or more 10 hours.

また、の発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記回復工程では、前記単結晶成長工程で成長した前記単結晶半導体層、および前記多結晶成長工程で成長した前記多結晶半導体層にレーザー光を照射することを特徴とする。 A method of manufacturing a semiconductor device according to this invention is the invention described above, the in the recovery step, wherein the single crystal semiconductor layer grown in a single crystal growth process, and said polycrystalline grown polycrystalline growth step The semiconductor layer is irradiated with laser light.

また、の発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、パルスレーザーを照射する複数のレーザー照射装置を用いて、照射エリアごとに複数のパルス状のレーザー光を連続的に照射することを特徴とする。 A method of manufacturing a semiconductor device according to this invention is the invention described above, by using a plurality of laser irradiation device for irradiating a pulsed laser, continuously irradiating a plurality of pulsed laser beam for each illumination area It is characterized by that.

本発明にかかる半導体装置によれば、プレーナゲート型半導体装置において、エミッタ電極が第2導電型ベース領域および第1導電型ソース領域に接する部分に、CMP(Chemical Mechanical Polishing、化学機械研磨)などの研磨を行う際の研磨ストッパ膜となる絶縁膜がない。これは、第1導電型半導体基板の第1の主面の下に埋め込まれた絶縁層の上に、第2導電型ベース領域となる半導体層が平坦な表面状態のまま成長するので、その半導体層の成長後に表面を平坦化する研磨を行う必要がないからである。また、本発明にかかる半導体装置の製造方法によれば、出発基板上の絶縁層の上に多結晶半導体層が平坦に成長するので、その多結晶半導体の表面を平坦化する研磨を行わずに済む。また、回復工程を行うことにより、半導体の結晶性が回復し、欠陥が減少またはなくなるので、十分に高いキャリア移動度が得られる。   According to the semiconductor device of the present invention, in the planar gate type semiconductor device, the portion where the emitter electrode is in contact with the second conductivity type base region and the first conductivity type source region is subjected to CMP (Chemical Mechanical Polishing) or the like. There is no insulating film to be a polishing stopper film when polishing. This is because the semiconductor layer to be the second conductivity type base region grows in a flat surface state on the insulating layer buried under the first main surface of the first conductivity type semiconductor substrate. This is because it is not necessary to perform polishing for planarizing the surface after the growth of the layer. Further, according to the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, since the polycrystalline semiconductor layer grows flat on the insulating layer on the starting substrate, polishing for flattening the surface of the polycrystalline semiconductor is not performed. That's it. Further, by performing the recovery step, the crystallinity of the semiconductor is recovered and defects are reduced or eliminated, so that sufficiently high carrier mobility can be obtained.

本発明にかかる半導体装置およびその製造方法によれば、高速、低損失およびソフトなスイッチング特性を兼ね備えた安価な半導体装置が得られるという効果を奏する。   According to the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention, it is possible to obtain an inexpensive semiconductor device having high speed, low loss, and soft switching characteristics.

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置およびその製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、nまたはpを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、nやpに付す+および−は、それぞれそれが付されていない層や領域よりも高不純物濃度および低不純物濃度であることを意味する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。   Exemplary embodiments of a semiconductor device and a method for manufacturing the same according to the present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying drawings. In the present specification and the accompanying drawings, it means that electrons or holes are majority carriers in layers and regions with n or p, respectively. Further, + and − attached to n and p mean that the impurity concentration is higher and lower than that of the layer or region where it is not attached. Note that, in the following description of the embodiments and the accompanying drawings, the same reference numerals are given to the same components, and duplicate descriptions are omitted.

(半導体装置の構成)
図1は、本発明の実施の形態にかかる半導体装置の構成を示す断面図である。図1に示すように、半導体装置の中央部は、ドリフト電流が流れる活性部1となっており、活性部1の周囲は、耐圧を確保するためのエッジ部2となっている。n半導体基板11の第1の主面側における活性部1の構成は、以下の通りである。埋め込み絶縁層12は、n半導体基板11の第1の主面の下に選択的に埋め込まれている。pベース領域13は、埋め込み絶縁層12に接して埋め込み絶縁層12とn半導体基板11の第1の主面との間に設けられている。
(Configuration of semiconductor device)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the central portion of the semiconductor device is an active portion 1 through which a drift current flows, and the periphery of the active portion 1 is an edge portion 2 for securing a withstand voltage. The configuration of the active portion 1 on the first main surface side of the n semiconductor substrate 11 is as follows. The buried insulating layer 12 is selectively buried under the first main surface of the n semiconductor substrate 11. The p base region 13 is provided between the buried insulating layer 12 and the first main surface of the n semiconductor substrate 11 in contact with the buried insulating layer 12.

+ソース領域14は、pベース領域13内に選択的に設けられている。ゲート絶縁膜15は、pベース領域13の、n+ソース領域14とn半導体基板11に挟まれる部分の表面を被覆している。ゲート電極16は、ゲート絶縁膜15の上に設けられている。ゲート電極16およびゲート絶縁膜15は、層間絶縁膜17により被覆されている。エミッタ電極18は、層間絶縁膜17の上に設けられており、層間絶縁膜17を貫通するコンタクトホールにおいてpベース領域13およびn+ソース領域14に接している。 The n + source region 14 is selectively provided in the p base region 13. The gate insulating film 15 covers the surface of the portion of the p base region 13 sandwiched between the n + source region 14 and the n semiconductor substrate 11. The gate electrode 16 is provided on the gate insulating film 15. The gate electrode 16 and the gate insulating film 15 are covered with an interlayer insulating film 17. Emitter electrode 18 is provided on interlayer insulating film 17, and is in contact with p base region 13 and n + source region 14 in a contact hole penetrating interlayer insulating film 17.

n半導体基板11の第1の主面側におけるエッジ部2の構成は、以下の通りである。pガードリング領域19は、n半導体基板11の表面層に選択的に設けられている。pガードリング領域19およびn半導体基板11の表面は、層間絶縁膜17により被覆されている。フィールドプレート20は、層間絶縁膜17の上に設けられており、層間絶縁膜17を貫通するコンタクトホールにおいてpガードリング領域19に接している。エッジ部2は、図示省略したパッシベーション膜により被覆されている。   The configuration of the edge portion 2 on the first main surface side of the n semiconductor substrate 11 is as follows. The p guard ring region 19 is selectively provided in the surface layer of the n semiconductor substrate 11. The surfaces of the p guard ring region 19 and the n semiconductor substrate 11 are covered with an interlayer insulating film 17. The field plate 20 is provided on the interlayer insulating film 17 and is in contact with the p guard ring region 19 in a contact hole penetrating the interlayer insulating film 17. The edge portion 2 is covered with a passivation film (not shown).

n半導体基板11の第2の主面側における構成は、活性部1およびエッジ部2に共通であり、以下の通りである。n+フィールドストップ層21は、pコレクタ層22よりもn半導体基板11の第2の主面から深い位置に、上述した第1の主面側の構成から離れて設けられている。pコレクタ層22は、n半導体基板11の第2の主面の表面層に設けられている。コレクタ電極23は、pコレクタ層22に接してn半導体基板11の第2の主面に設けられている。 The configuration on the second main surface side of the n semiconductor substrate 11 is common to the active portion 1 and the edge portion 2 and is as follows. The n + field stop layer 21 is provided at a position deeper from the second main surface of the n semiconductor substrate 11 than the p collector layer 22 and away from the above-described configuration on the first main surface side. The p collector layer 22 is provided on the surface layer of the second main surface of the n semiconductor substrate 11. The collector electrode 23 is provided on the second main surface of the n semiconductor substrate 11 in contact with the p collector layer 22.

以上の構成において、エミッタ電極18がpベース領域13およびn+ソース領域14に部分的に接する範囲内においては、絶縁膜として、ゲート絶縁膜15と層間絶縁膜17のみが存在する。また、フィールドプレート20がpガードリング領域19に部分的に接する範囲内においては、絶縁膜として層間絶縁膜17のみが存在する。つまり、この半導体装置には、pベース領域13が形成されている、埋め込み絶縁層12上の半導体層の表面を研磨して平坦化する際の研磨ストッパ膜となる絶縁膜が存在しない。 In the above configuration, only the gate insulating film 15 and the interlayer insulating film 17 exist as insulating films in a range where the emitter electrode 18 is partially in contact with the p base region 13 and the n + source region 14. Further, only the interlayer insulating film 17 exists as an insulating film within a range where the field plate 20 is partially in contact with the p guard ring region 19. That is, in this semiconductor device, there is no insulating film serving as a polishing stopper film when the surface of the semiconductor layer on the buried insulating layer 12 where the p base region 13 is formed is polished and planarized.

(製造方法の実施例1)
図2〜図21は、本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法の実施例1を順に説明する断面図である。特に限定しないが、ここでは、耐圧クラスが1200Vである場合の例を示す(実施例2においても同じ)。図2に示すように、まず、例えば、出発基板31として、比抵抗が60Ωcmであるn型のFZシリコン基板を用意する。FZ基板は、フローティングゾーン法により作製されたインゴットから切り出されたウェハーである。なお、FZ基板に代えて、チョクラルスキー法により作製されたインゴットから切り出されたCZ基板を用いてもよい。用意した出発基板31の表面に、例えば1000Åの厚さのスクリーン酸化膜32を成長させる。
(Example 1 of manufacturing method)
2 to 21 are cross-sectional views sequentially explaining Example 1 of the semiconductor device manufacturing method according to the embodiment of the present invention. Although not particularly limited, an example in which the withstand voltage class is 1200 V is shown here (the same applies to Example 2). As shown in FIG. 2, first, for example, an n-type FZ silicon substrate having a specific resistance of 60 Ωcm is prepared as the starting substrate 31. The FZ substrate is a wafer cut out from an ingot produced by a floating zone method. In place of the FZ substrate, a CZ substrate cut out from an ingot produced by the Czochralski method may be used. A screen oxide film 32 having a thickness of, for example, 1000 mm is grown on the surface of the prepared starting substrate 31.

ついで、図3に示すように、周知のフォトリソグラフィおよびエッチングにより、スクリーン酸化膜32の一部を除去する。その際、前記活性部においては、例えば1μm程度の幅で出発基板31のシリコンが露出し、活性部以外の領域では、出発基板31のシリコンが露出するようにする。活性部以外の領域とは、例えば、前記エッジ部、ゲートパッド部およびダイシングライン等の領域である。エッチングについては、スクリーン酸化膜32の開口幅が1μm程度であるので、下地のシリコンにダメージを与えないという理由により、フッ酸を主成分とした薬液によるウェットエッチングが望ましい。ウェットエッチングの代わりに、プラズマによるドライエッチングを行ってもよく、その場合には、エッチング後に1000℃程度の温度でエッチングダメージ面の回復を行えばよい。ここまでが絶縁層形成工程である。   Next, as shown in FIG. 3, a part of the screen oxide film 32 is removed by well-known photolithography and etching. At this time, the silicon of the starting substrate 31 is exposed in the active portion with a width of about 1 μm, for example, and the silicon of the starting substrate 31 is exposed in a region other than the active portion. The area other than the active part is, for example, an area such as the edge part, the gate pad part, and the dicing line. Regarding the etching, since the opening width of the screen oxide film 32 is about 1 μm, wet etching with a chemical solution mainly containing hydrofluoric acid is desirable because it does not damage the underlying silicon. Instead of wet etching, dry etching using plasma may be performed. In that case, the etching damage surface may be recovered at a temperature of about 1000 ° C. after the etching. This is the insulating layer forming step.

次いで、図4に示すように、原料ガスとしてジクロロシランまたはトリクロロシランを用い、ドーピングガスとしてフォスフィンガスを用い、スクリーン酸化膜32の開口部を塞ぐ程度に、例えば1000Å以上の厚さのリンドープの単結晶シリコン層33をエピタキシャル成長させる。その際、スクリーン酸化膜32の開口部に露出するシリコンがエピタキシャル成長の単結晶シードとなる。また、フォスフィンガスの流量を、単結晶シリコン層33にドーピングされるリンの不純物濃度が1×1016cm-3となるように制御する。 Next, as shown in FIG. 4, dichlorosilane or trichlorosilane is used as the source gas, phosphine gas is used as the doping gas, and phosphorous doped with a thickness of, for example, 1000 Å or more is used to close the opening of the screen oxide film 32. The single crystal silicon layer 33 is epitaxially grown. At that time, silicon exposed to the opening of the screen oxide film 32 becomes a single crystal seed for epitaxial growth. Further, the flow rate of the phosphine gas is controlled so that the impurity concentration of phosphorus doped in the single crystal silicon layer 33 becomes 1 × 10 16 cm −3 .

トリクロロシランを用いる場合には、単結晶シリコン層33は、スクリーン酸化膜32の開口部を塞いだ後、スクリーン酸化膜32上を横方向に成長し、単結晶シリコン層33の表面が平坦になるので、好ましい。単結晶シリコン層33は、スクリーン酸化膜32上で、スクリーン酸化膜32の開口部から1μm程度、横方向へ成長すれば十分である。ここまでが単結晶成長工程である。   In the case of using trichlorosilane, the single crystal silicon layer 33 closes the opening of the screen oxide film 32 and then grows laterally on the screen oxide film 32 so that the surface of the single crystal silicon layer 33 becomes flat. Therefore, it is preferable. It is sufficient that the single crystal silicon layer 33 is grown on the screen oxide film 32 in the lateral direction by about 1 μm from the opening of the screen oxide film 32. This is the single crystal growth process.

次いで、図5に示すように、原料ガスとしてジクロロシランまたはトリクロロシランを用い、ドーピングガスとしてフォスフィンガスを用い、例えば600℃でリンドープの多結晶シリコン層34を0.8μmの厚さとなるように成長させる。その際、フォスフィンガスの流量を、多結晶シリコン層34にドーピングされるリンの不純物濃度が1×1016cm-3となるように制御する。酸化膜上の多結晶シリコンの成長速度は、単結晶シリコン上の多結晶シリコンの成長速度の10倍以上であるので、実質的には、多結晶シリコン層34はスクリーン酸化膜32上にのみ成長する。また、多結晶シリコンは極めて平坦に成長する。本発明者らが多結晶シリコン層34の厚さを実測したところ、0.80±0.05μmであった。 Next, as shown in FIG. 5, dichlorosilane or trichlorosilane is used as the source gas, phosphine gas is used as the doping gas, and the phosphorous-doped polycrystalline silicon layer 34 has a thickness of 0.8 μm, for example, at 600 ° C. Grow. At this time, the flow rate of the phosphine gas is controlled so that the impurity concentration of phosphorus doped in the polycrystalline silicon layer 34 is 1 × 10 16 cm −3 . Since the growth rate of the polycrystalline silicon on the oxide film is 10 times or more the growth rate of the polycrystalline silicon on the single crystal silicon, the polycrystalline silicon layer 34 is substantially grown only on the screen oxide film 32. To do. Polycrystalline silicon grows extremely flat. When the inventors actually measured the thickness of the polycrystalline silicon layer 34, it was 0.80 ± 0.05 μm.

多結晶シリコン層34が単結晶シリコン層33に接触して単結晶シリコン層33と重なることによって、スクリーン酸化膜32は半導体層中に完全に埋め込まれる。なお、単結晶シリコン層33または多結晶シリコン層34を成長させる際に、フォスフィンガスを供給しないで、それら半導体層をノンドープの層とし、後からそのノンドープの半導体層にリンイオンを例えば8×1011cm-2程度のドーズ量で注入することによって、上述したリン濃度にしてもよい。ここまでが多結晶成長工程である。 As the polycrystalline silicon layer 34 contacts the single crystal silicon layer 33 and overlaps the single crystal silicon layer 33, the screen oxide film 32 is completely embedded in the semiconductor layer. When the single crystal silicon layer 33 or the polycrystalline silicon layer 34 is grown, these semiconductor layers are made non-doped layers without supplying phosphine gas, and phosphorus ions are subsequently added to the non-doped semiconductor layers, for example, 8 × 10 8. The phosphorus concentration described above may be achieved by implanting at a dose of about 11 cm −2 . This is the polycrystalline growth process.

次いで、図6に示すように、600℃以上1000℃以下の温度で、30分以上10時間以下の熱処理を行う。この熱処理では、熱処理炉の温度が例えば700℃になったら、炉内にウェハーを入れ、例えば5℃/分の昇温速度で炉内温度を上昇させる。その際、最初に酸素を混入し、ウェハー表面に例えば150Åの厚さの酸化膜を成長させる。その後、例えば窒素雰囲気にして所定の温度、ここでは例えば900℃で所定の時間、ここでは例えば1時間、保持する。その後、例えば2℃/分の降温速度で炉内温度が700℃になるまで冷却し、炉からウェハーを取り出す。なお、600℃〜700℃の熱処理の場合は、例えば室温で炉入れ出しを行えばよい。   Next, as shown in FIG. 6, heat treatment is performed at a temperature of 600 ° C. to 1000 ° C. for 30 minutes to 10 hours. In this heat treatment, when the temperature of the heat treatment furnace reaches, for example, 700 ° C., a wafer is put in the furnace, and the temperature in the furnace is increased at a temperature increase rate of, for example, 5 ° C./min. At that time, oxygen is first mixed to grow an oxide film having a thickness of, for example, 150 mm on the wafer surface. Thereafter, for example, a nitrogen atmosphere is maintained at a predetermined temperature, for example, 900 ° C. for a predetermined time, for example, 1 hour. Thereafter, for example, the temperature in the furnace is cooled to 700 ° C. at a temperature lowering rate of 2 ° C./min, and the wafer is taken out of the furnace. In the case of heat treatment at 600 ° C. to 700 ° C., for example, the furnace may be put in and out at room temperature.

この熱処理によって、出発基板と、エピタキシャル成長した単結晶シリコン層と、スクリーン酸化膜上の多結晶シリコン層が一体化される。また、スクリーン酸化膜上の多結晶シリコン層の結晶粒界と欠陥が回復し、多結晶シリコン層が単結晶シリコンとなる。従って、スクリーン酸化膜は、単結晶シリコン中に埋め込まれたことになり、埋め込み絶縁層12となる。また、出発基板は、第1の主面の下に埋め込み絶縁層12が選択的に埋め込まれたn半導体基板11となる。ここまでが回復工程である。続いて、このn半導体基板11を用いて、周知の方法、例えば以下のような手順でMOSゲート構造を作製する。   By this heat treatment, the starting substrate, the epitaxially grown single crystal silicon layer, and the polycrystalline silicon layer on the screen oxide film are integrated. Further, the crystal grain boundaries and defects of the polycrystalline silicon layer on the screen oxide film are recovered, and the polycrystalline silicon layer becomes single crystalline silicon. Therefore, the screen oxide film is buried in the single crystal silicon, and becomes the buried insulating layer 12. Further, the starting substrate is an n semiconductor substrate 11 in which the buried insulating layer 12 is selectively buried under the first main surface. This is the recovery process. Subsequently, using this n semiconductor substrate 11, a MOS gate structure is fabricated by a known method, for example, the following procedure.

図7に示すように、n半導体基板11の第1の主面(埋め込み絶縁層12が設けられている側の主面)に、例えば8000Åの厚さの初期酸化膜41を成長させる。次いで、図8に示すように、周知のフォトリソグラフィおよびエッチングにより、初期酸化膜41の一部を除去する。その際、前記エッジ部では、n半導体基板11のガードリング形成領域のシリコンが露出し、前記活性部には初期酸化膜41が残るようにする。そして、図9に示すように、n半導体基板11の第1の主面に残留する初期酸化膜41をマスクとして、例えば1×1015cm-2のドーズ量でボロンのイオン注入を行う。 As shown in FIG. 7, an initial oxide film 41 having a thickness of, for example, 8000 mm is grown on the first main surface of the n semiconductor substrate 11 (the main surface on the side where the buried insulating layer 12 is provided). Next, as shown in FIG. 8, a part of the initial oxide film 41 is removed by well-known photolithography and etching. At this time, silicon in the guard ring formation region of the n semiconductor substrate 11 is exposed at the edge portion, and the initial oxide film 41 is left in the active portion. Then, as shown in FIG. 9, boron ion implantation is performed with a dose of 1 × 10 15 cm −2 , for example, using the initial oxide film 41 remaining on the first main surface of the n semiconductor substrate 11 as a mask.

次いで、図10に示すように、例えば1150℃で例えば3時間のドライブ熱処理を行って、エッジ部にエッジターミネーション用のpガードリング領域19を形成する。その後、ゲート酸化を行い、例えば600〜1000Åの厚さの酸化膜42を生成する。次いで、図11に示すように、全面にゲート電極用の多結晶シリコン層43を成長させる。そして、図12に示すように、周知のフォトリソグラフィおよびエッチングにより、酸化膜42と多結晶シリコン層43の一部を除去して、ゲート絶縁膜15とゲート電極16を形成する。   Next, as shown in FIG. 10, for example, drive heat treatment is performed at 1150 ° C. for 3 hours, for example, to form a p guard ring region 19 for edge termination at the edge portion. Thereafter, gate oxidation is performed to generate an oxide film 42 having a thickness of 600 to 1000 mm, for example. Next, as shown in FIG. 11, a polycrystalline silicon layer 43 for a gate electrode is grown on the entire surface. Then, as shown in FIG. 12, the oxide film 42 and part of the polycrystalline silicon layer 43 are removed by well-known photolithography and etching to form the gate insulating film 15 and the gate electrode 16.

次いで、図13に示すように、n半導体基板11の第1の主面に残留する初期酸化膜41およびゲート電極16をマスクとして、例えば2×1014cm-2のドーズ量でボロンのイオン注入を行う。次いで、図14に示すように、例えば1150℃で例えば5時間のドライブ熱処理を行い、ボロンを拡散させてpベース領域13を形成する。これにより、ゲート閾値が例えば7.5V程度に調整される。 Next, as shown in FIG. 13, using the initial oxide film 41 and the gate electrode 16 remaining on the first main surface of the n semiconductor substrate 11 as a mask, for example, boron ion implantation is performed at a dose of 2 × 10 14 cm −2. I do. Next, as shown in FIG. 14, for example, drive heat treatment is performed at 1150 ° C. for 5 hours, for example, and boron is diffused to form the p base region 13. Thereby, the gate threshold is adjusted to, for example, about 7.5V.

次いで、図15に示すように、レジストマスクを用いて砒素のイオン注入を行い、レジストの剥離後に例えば1100℃で例えば30分間のドライブ熱処理を行い、n+ソース領域14を形成する。次いで、図16に示すように、全面に層間絶縁膜17としてBPSG膜を生成し、その一部を除去してコンタクトホールを開口する。ここまでで、MOSゲートとエッジターミネーションの基本的な構造ができあがる。 Next, as shown in FIG. 15, arsenic ions are implanted using a resist mask, and after the resist is removed, a drive heat treatment is performed, for example, at 1100 ° C. for 30 minutes to form the n + source region 14. Next, as shown in FIG. 16, a BPSG film is formed as an interlayer insulating film 17 on the entire surface, and a part thereof is removed to open a contact hole. Thus far, the basic structure of the MOS gate and edge termination is completed.

次いで、n半導体基板11の第1の主面側の全面にレジストを塗布し、ベーク処理を行って素子の表面構造を保護する。そして、n半導体基板11の第2の主面をバックグラインドおよびウェットエッチングなどの処理により研削して、基板の厚さが例えば140μmになるように仕上げる。次いで、図17に示すように、n半導体基板11の第2の主面側から、例えば1×1014cm-2のドーズ量でセレンのイオン注入を行う。そして、図18に示すように、例えば950℃で例えば1時間のドライブ熱処理を行って、n半導体基板11の第2の主面から例えば約20μmの深さまでn+フィールドストップ層21を形成する。なお、図17および図18では、n半導体基板11の第1の主面側の保護レジスト膜は省略されている。 Next, a resist is applied to the entire surface of the n semiconductor substrate 11 on the first main surface side, and a baking process is performed to protect the surface structure of the element. Then, the second main surface of the n semiconductor substrate 11 is ground by a process such as back grinding and wet etching to finish the thickness of the substrate to, for example, 140 μm. Next, as shown in FIG. 17, selenium ions are implanted from the second main surface side of the n semiconductor substrate 11 at a dose of 1 × 10 14 cm −2 , for example. Then, as shown in FIG. 18, for example, drive heat treatment is performed at 950 ° C. for 1 hour, for example, to form the n + field stop layer 21 from the second main surface of the n semiconductor substrate 11 to a depth of about 20 μm, for example. 17 and 18, the protective resist film on the first main surface side of the n semiconductor substrate 11 is omitted.

次いで、図19に示すように、前記保護レジスト膜を除去した後、例えばスパッタ法により、n半導体基板11の第1の主面全面に例えばAl−Si膜を例えば5μmの厚さに成膜する。そして、周知のフォトリソグラフィおよびエッチングにより、そのAl−Si膜を所望のパターンにした後、例えば380℃で例えば1時間のシンター処理を行う。これによって、エミッタ電極18およびフィールドプレート20が形成される。   Next, as shown in FIG. 19, after removing the protective resist film, an Al—Si film, for example, with a thickness of, for example, 5 μm is formed on the entire first main surface of the n semiconductor substrate 11 by, eg, sputtering. . Then, after making the Al—Si film into a desired pattern by well-known photolithography and etching, a sintering process is performed at, for example, 380 ° C. for one hour. Thereby, the emitter electrode 18 and the field plate 20 are formed.

次いで、n半導体基板11の第1の主面側の全面に例えばポリイミドを塗布し、活性部のポリイミドを除去し、エッジ部にはポリイミド膜が残るようにして、パッシベーション膜を形成する。パッシベーション膜が不要である場合には、この工程を省略する。次いで、図20に示すように、n半導体基板11の第2の主面側から、例えばボロンのイオン注入を行う。そして、図21に示すように、例えば380℃で例えば1時間のアニール処理を行って、n半導体基板11の第2の主面の表面層にpコレクタ層22を形成する。   Next, for example, polyimide is applied to the entire surface on the first main surface side of the n semiconductor substrate 11 to remove the polyimide in the active portion, and a passivation film is formed so that the polyimide film remains on the edge portion. If no passivation film is needed, this step is omitted. Next, as shown in FIG. 20, for example, boron ion implantation is performed from the second main surface side of the n semiconductor substrate 11. Then, as shown in FIG. 21, for example, annealing is performed at 380 ° C. for 1 hour, for example, to form the p collector layer 22 on the surface layer of the second main surface of the n semiconductor substrate 11.

次いで、例えばスパッタ法により、n半導体基板11の第2の主面に例えば2μmの厚さのAl−Si、例えば0.08μmの厚さのTi、例えば0.7μmの厚さのNiおよび例えば0.2μmの厚さのAuを順次成膜して、コレクタ電極23を形成することによって、図1に示す構成の半導体装置が完成する。最後に、図示しないダイシングラインに沿ってダイシングを行い、個々のIGBTチップが完成する。   Next, for example, by sputtering, the second main surface of the n semiconductor substrate 11 is coated with, for example, 2 μm thick Al—Si, for example 0.08 μm thick Ti, for example 0.7 μm thick Ni, and for example 0 A semiconductor device having the structure shown in FIG. 1 is completed by sequentially depositing Au having a thickness of 2 μm to form the collector electrode 23. Finally, dicing is performed along dicing lines (not shown) to complete individual IGBT chips.

実施例1では、上述したように、スクリーン酸化膜32の上に多結晶シリコン層34を積層するので、この多結晶シリコン層34のキャリア移動度が単結晶シリコンのキャリア移動度よりも低くなることが懸念される。これについては、本発明者らが鋭意研究を行った結果、図22に示すように、回復工程において行う熱処理の温度によって、十分に高いキャリア移動度が得られることがわかった。図22は、回復工程における熱処理温度とキャリア移動度の関係を示す特性図である。   In Example 1, since the polycrystalline silicon layer 34 is laminated on the screen oxide film 32 as described above, the carrier mobility of the polycrystalline silicon layer 34 is lower than the carrier mobility of single crystal silicon. Is concerned. As a result of intensive studies by the present inventors, it was found that sufficiently high carrier mobility can be obtained depending on the temperature of the heat treatment performed in the recovery step, as shown in FIG. FIG. 22 is a characteristic diagram showing the relationship between the heat treatment temperature and the carrier mobility in the recovery process.

図22から明らかなように、熱処理温度が700℃以下であると、キャリア移動度は、室温のシリコン結晶における電子の移動度(1495cm2/Vs)よりも低くなってしまう。しかし、熱処理温度が600℃以上であれば、キャリア移動度はほぼ回復していることがわかる。従って、熱処理温度は、600℃以上であればよい。一方、熱処理温度が1100℃以上になると、再びキャリア移動度が減少し、室温のシリコン結晶における電子の移動度よりも大分、低くなってしまう。これは、熱処理温度が1100℃以上の高温になると、発生する応力によって多結晶シリコン中の結晶粒界が固定されてしまい、点欠陥や転位を作り出してしまうため、結晶性が十分に回復しないからである。 As is apparent from FIG. 22, when the heat treatment temperature is 700 ° C. or lower, the carrier mobility becomes lower than the electron mobility (1495 cm 2 / Vs) in the silicon crystal at room temperature. However, it can be seen that when the heat treatment temperature is 600 ° C. or higher, the carrier mobility is almost recovered. Therefore, the heat treatment temperature may be 600 ° C. or higher. On the other hand, when the heat treatment temperature is 1100 ° C. or higher, the carrier mobility decreases again, and becomes much lower than the electron mobility in the silicon crystal at room temperature. This is because when the heat treatment temperature is 1100 ° C. or higher, the crystal grain boundaries in the polycrystalline silicon are fixed by the generated stress, and point defects and dislocations are created, so that the crystallinity is not sufficiently recovered. It is.

そこで、望ましい熱処理温度の範囲を600℃以上1000℃以下とする。また、望ましい熱処理時間は30分以上10時間以下である。例えば、800℃の熱処理を700℃の炉入れで行う場合、5℃/分で昇温するには、20分必要である。これを10℃/分で10分以下で行うと、急激な温度上昇により欠陥が残留することが分かった。また、保温時間が30分以下だと同じく欠陥が残留する。従って、十分に欠陥を取り去るには、熱処理時間を昇温時間よりも長くしながら、かつ十分な昇温レートを保つために、熱処理時間を30分以上にしなければならない。一方、600℃で保温時間が10時間を越えると、欠陥の残留はなくなる。しかし、工程処理のスループットを上げるために、保温時間は短い方がよいので、600℃以上とすれば10時間以下としても欠陥の残留はなくなる。ここで、キャリア移動度は、ベアウェハーに厚さ1000Åの熱酸化膜を成長させた後、その上に上述した多結晶成長工程と同じ条件で1μmの厚さの多結晶シリコン層を生成し、400℃〜1200℃の範囲で100℃刻みの各温度で熱処理を行い、ホール係数を測定し、その結果から算出した値である。   Therefore, a desirable heat treatment temperature range is 600 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower. The desirable heat treatment time is 30 minutes or more and 10 hours or less. For example, when heat treatment at 800 ° C. is performed in a 700 ° C. furnace, 20 minutes are required to raise the temperature at 5 ° C./min. It was found that when this was performed at 10 ° C./min for 10 minutes or less, defects remained due to a rapid temperature rise. In addition, if the heat retention time is 30 minutes or less, defects remain. Therefore, in order to remove defects sufficiently, the heat treatment time must be 30 minutes or longer in order to keep the heat treatment time longer than the temperature rise time and maintain a sufficient temperature rise rate. On the other hand, when the heat retention time exceeds 10 hours at 600 ° C., no defects remain. However, in order to increase the throughput of the process process, it is better that the heat retention time is short. Therefore, if the temperature is set to 600 ° C. or higher, no defects remain even if it is 10 hours or shorter. Here, the carrier mobility is such that after a thermal oxide film having a thickness of 1000 mm is grown on a bare wafer, a polycrystalline silicon layer having a thickness of 1 μm is formed thereon under the same conditions as in the polycrystalline growth process described above. It is a value calculated from the results obtained by performing a heat treatment at each temperature in increments of 100 ° C. in the range of ℃ to 1200 ° C., measuring the Hall coefficient.

図23に、ホール係数の測定系の構成を示す。この測定系は、多結晶シリコン層の表面に一辺が1cmの正方形を想定し、その正方形の4頂点のうち、対角上の2点に電圧を印加し、他の対角上の2点の電圧を測定する構成となっている。   FIG. 23 shows the configuration of the Hall coefficient measurement system. This measurement system assumes a square with a side of 1 cm on the surface of the polycrystalline silicon layer, applies a voltage to two diagonal points of the four vertices of the square, and two other diagonal points. The voltage is measured.

ところで、本出願人は、先に行った特許出願(特願2007−103387号)の中で、出発基板の表面に酸化膜を形成し、この酸化膜を埋めるようにシリコン層を成長させ、このシリコン層の表面を研磨して平坦化する半導体装置の製造方法を開示している。この特願2007−103387号に開示された製造方法により作製された半導体装置を比較例とし、以下に、この比較例と、上述した実施例1の方法により作製された半導体装置(単に、実施例1とする)とで、特性の比較を行った結果について説明する。   By the way, in the patent application filed earlier (Japanese Patent Application No. 2007-103387), the present applicant forms an oxide film on the surface of the starting substrate and grows a silicon layer so as to fill the oxide film. A method for manufacturing a semiconductor device in which the surface of a silicon layer is polished and planarized is disclosed. A semiconductor device manufactured by the manufacturing method disclosed in this Japanese Patent Application No. 2007-103387 is used as a comparative example. Hereinafter, a semiconductor device manufactured by the method of the comparative example and the above-described first embodiment (simply referred to as an embodiment). 1), the result of the comparison of characteristics will be described.

図24は、実施例1と比較例とで埋め込み絶縁層上の半導体層(以下、部分SOI層とする、SOI:Silicon on Insulator)の厚さを比較した図である。部分SOI層の厚さは、実施例1では、スクリーン酸化膜32上に多結晶シリコン層34を成長させる際の多結晶シリコン層34の厚さにより決まり、比較例では、酸化膜を埋めるシリコン層の研磨量により決まる。十分な低損失性が得られる部分SOI層の厚さの許容範囲は、例えば0.8±0.1μmであると言われている。そこで、ここでは、部分SOI層の厚さの目標値を0.8μmとした。   FIG. 24 is a diagram comparing the thickness of a semiconductor layer (hereinafter referred to as a partial SOI layer, SOI: Silicon on Insulator) on the buried insulating layer between Example 1 and the comparative example. In the first embodiment, the thickness of the partial SOI layer is determined by the thickness of the polycrystalline silicon layer 34 when the polycrystalline silicon layer 34 is grown on the screen oxide film 32. In the comparative example, the thickness of the partial SOI layer is a silicon layer filling the oxide film. It depends on the amount of polishing. It is said that the allowable range of the thickness of the partial SOI layer that provides a sufficiently low loss is, for example, 0.8 ± 0.1 μm. Therefore, here, the target value of the thickness of the partial SOI layer is set to 0.8 μm.

図24に示すように、実施例1では、部分SOI層の厚さを0.81±0.01μmに抑えることができるので、製造したすべての半導体装置で十分な低損失性が得られる。それに対して、比較例の部分SOI層の厚さは0.83±0.17μmであり、前記許容範囲を逸脱してしまう。従って、比較例では、損失の高い半導体装置もできてしまう。   As shown in FIG. 24, in Example 1, since the thickness of the partial SOI layer can be suppressed to 0.81 ± 0.01 μm, a sufficiently low loss property can be obtained in all manufactured semiconductor devices. On the other hand, the thickness of the partial SOI layer of the comparative example is 0.83 ± 0.17 μm, which deviates from the allowable range. Therefore, in the comparative example, a semiconductor device with a high loss is also produced.

図25は、実施例1と比較例とで耐圧を比較した図である。図25に示すように、実施例1では、耐圧を1410±50Vに抑えることができる。これは、実施例1の部分SOI層の厚さが上述した0.81±0.01μmに抑えられるからである。それに対して、比較例の耐圧は約600V〜1450Vである。比較例の耐圧が低い方に大きくばらつく理由は、比較例の部分SOI層の厚さが目標値よりも薄い方にばらついているからである。部分SOI層の厚さが目標値(0.8μm)よりも薄いと、部分SOI層内の電界強度が高くなり、その結果、耐圧が低くなってしまう。   FIG. 25 is a diagram in which the breakdown voltage is compared between Example 1 and the comparative example. As shown in FIG. 25, in Example 1, the breakdown voltage can be suppressed to 1410 ± 50V. This is because the thickness of the partial SOI layer in Example 1 is suppressed to the above-described 0.81 ± 0.01 μm. On the other hand, the withstand voltage of the comparative example is about 600V to 1450V. The reason why the breakdown voltage of the comparative example greatly varies is that the partial SOI layer of the comparative example has a thickness that is thinner than the target value. When the thickness of the partial SOI layer is thinner than the target value (0.8 μm), the electric field strength in the partial SOI layer becomes high, and as a result, the breakdown voltage becomes low.

図26は、実施例1と比較例とで閾値を比較した図である。図26に示すように、実施例1では、閾値を7.4±0.1Vに抑えることができる。それに対して、比較例の閾値は7.2±0.8Vである。MOSゲートの閾値は、部分SOI層に形成されたpベース領域の濃度とゲート絶縁膜の容量で決まる。実施例1では、部分SOI層の厚さのばらつきが小さいので、pベース領域の濃度のばらつきがほとんどなく、ゲート閾値のばらつきが小さくなる。比較例では、部分SOI層の厚さのばらつきが大きいため、pベース領域の濃度にばらつきが生じ、その結果、ゲート閾値のばらつきが大きくなってしまう。   FIG. 26 is a diagram comparing threshold values in Example 1 and the comparative example. As shown in FIG. 26, in Example 1, the threshold value can be suppressed to 7.4 ± 0.1V. On the other hand, the threshold value of the comparative example is 7.2 ± 0.8V. The threshold value of the MOS gate is determined by the concentration of the p base region formed in the partial SOI layer and the capacitance of the gate insulating film. In Example 1, since the variation in the thickness of the partial SOI layer is small, there is almost no variation in the concentration of the p base region, and the variation in the gate threshold is small. In the comparative example, since the variation in the thickness of the partial SOI layer is large, the concentration in the p base region varies, and as a result, the variation in the gate threshold value increases.

図27は、実施例1と比較例とでオン電圧とターンオフ損失のトレードオフ特性を比較した図である。図27に示すように、実施例1では、オン電圧が比較例よりも0.1V低くなり、トレードオフ特性が大幅に改善される。これは、実施例1では、部分SOI層の表面を研磨しないので、研磨ストッパ膜がないからである。研磨ストッパ膜がないと、単位セルの幅を10%程度減少できるので、その分、セル密度が増える。比較例では、部分SOI層の表面を研磨して平坦化する必要があるので、研磨ストッパ膜が存在する。   FIG. 27 is a diagram comparing the trade-off characteristics between the on-state voltage and the turn-off loss in Example 1 and the comparative example. As shown in FIG. 27, in Example 1, the on-voltage is 0.1 V lower than that of the comparative example, and the trade-off characteristics are greatly improved. This is because in Example 1, since the surface of the partial SOI layer is not polished, there is no polishing stopper film. Without the polishing stopper film, the unit cell width can be reduced by about 10%, and the cell density is increased accordingly. In the comparative example, since the surface of the partial SOI layer needs to be polished and flattened, a polishing stopper film exists.

(製造方法の実施例2)
図28は、本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法の実施例2を説明する断面図である。図28に示すように、実施例2は、回復工程において、熱処理の代わりに、レーザーアニールを行うようにしたものである。図2〜図5および図7〜図21に示す工程は、実施例1と同じであるので、重複する説明を省略する。以下に、レーザーアニールによる回復工程についてのみ説明する。
(Example 2 of manufacturing method)
FIG. 28 is a cross-sectional view for explaining Example 2 of the semiconductor device manufacturing method according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 28, Example 2 is one in which laser annealing is performed instead of heat treatment in the recovery process. The steps shown in FIGS. 2 to 5 and FIGS. 7 to 21 are the same as those in the first embodiment, and thus the duplicate description is omitted. Only the recovery process by laser annealing will be described below.

回復工程では、例えば、YAG(Yttrium Aluminum Garnet)レーザーの第2高調波(YAG2ωレーザー、波長:532nm)のレーザー照射装置を2台使用してレーザーアニールを行う。レーザーの照射条件は、特に限定しないが、例えば以下の通りである。例えば、1台目のレーザー(1stパルス)および2台目のレーザー(2ndパルス)の照射エネルギー密度をともに2J/cm2とし、合計で4J/cm2のレーザー照射エネルギー密度となるようにする。また、例えば、1stパルスに対する2ndパルスの遅延時間を500nsとする。また、例えば、1台目および2台目のそれぞれについて、パルスのオーバーラップ率を90%とする。 In the recovery process, for example, laser annealing is performed using two laser irradiation apparatuses of a second harmonic (YAG 2ω laser, wavelength: 532 nm) of a YAG (Yttrium Aluminum Garnet) laser. The laser irradiation conditions are not particularly limited, but are as follows, for example. For example, the irradiation energy densities of the first laser (1st pulse) and the second laser (2nd pulse) are both 2 J / cm 2 , so that the total laser irradiation energy density is 4 J / cm 2 . For example, the delay time of the 2nd pulse with respect to the 1st pulse is set to 500 ns. Also, for example, the pulse overlap rate is set to 90% for each of the first and second units.

このレーザーアニール処理によって、出発基板と、エピタキシャル成長した単結晶シリコン層と、スクリーン酸化膜上の多結晶シリコン層が一体化される。また、スクリーン酸化膜上の多結晶シリコン層の結晶粒界と欠陥が回復し、多結晶シリコン層が単結晶シリコンとなる。従って、スクリーン酸化膜は、単結晶シリコン中に埋め込まれたことになり、埋め込み絶縁層12となる。また、出発基板は、第1の主面の下に埋め込み絶縁層12が選択的に埋め込まれたn半導体基板11となる。上述したような条件でレーザー光を照射すれば、レーザー照射部位にアブレーションを生じさせずに、結晶質を回復させることができる。   By this laser annealing treatment, the starting substrate, the epitaxially grown single crystal silicon layer, and the polycrystalline silicon layer on the screen oxide film are integrated. Further, the crystal grain boundaries and defects of the polycrystalline silicon layer on the screen oxide film are recovered, and the polycrystalline silicon layer becomes single crystalline silicon. Therefore, the screen oxide film is buried in the single crystal silicon, and becomes the buried insulating layer 12. Further, the starting substrate is an n semiconductor substrate 11 in which the buried insulating layer 12 is selectively buried under the first main surface. When the laser beam is irradiated under the conditions as described above, the crystal quality can be recovered without causing ablation at the laser irradiation site.

なお、これらのレーザー照射条件は、所望の特性が得られるように、適宜、選択される。パルス状のレーザーを照射するには、光源自体を点滅させることによっても実現できるし、光源を連続して発光させておき、シャッター等の開閉によって所望の時間だけレーザーを照射することによっても実現できる。ここでは、そのどちらで実現してもよい。また、YAG2ωレーザーの代わりに、YAGレーザーの第3高調波(YAG3ωレーザー)、YLF2ω、YVO4(2ω)、YAG3ω、YLF3ωもしくはYVO4(3ω)等の全固体レーザー、XeCl、KrFもしくはXeF等のエキシマレーザー、または半導体レーザーを用いてもよい。   These laser irradiation conditions are appropriately selected so that desired characteristics can be obtained. Irradiation with a pulsed laser can be realized by blinking the light source itself, or by illuminating the laser for a desired time by opening and closing the shutter or the like, and irradiating the laser for a desired time. . Here, either may be realized. Also, instead of the YAG2ω laser, an excimer laser such as a third harmonic of a YAG laser (YAG3ω laser), YLF2ω, YVO4 (2ω), YAG3ω, YLF3ω or YVO4 (3ω), XeCl, KrF or XeF Alternatively, a semiconductor laser may be used.

上述した実施例2の方法により作製された半導体装置(単に、実施例2とする)と前記比較例とで、特性の比較を行った結果について説明する。実施例2の部分SOI層の厚さを図24に併せて示す。実施例2においても、部分SOI層の厚さの目標値を0.8μmとした。実施例2では、部分SOI層の厚さを0.79±0.01μmに抑えることができるので、製造したすべての半導体装置で十分な低損失性が得られる。   A result of comparison of characteristics between the semiconductor device manufactured by the method of Example 2 described above (simply referred to as Example 2) and the comparative example will be described. The thickness of the partial SOI layer of Example 2 is also shown in FIG. Also in Example 2, the target value of the thickness of the partial SOI layer was set to 0.8 μm. In Example 2, since the thickness of the partial SOI layer can be suppressed to 0.79 ± 0.01 μm, sufficient low loss can be obtained in all manufactured semiconductor devices.

実施例2の耐圧を図25に併せて示す。実施例2では、耐圧を1400±30Vに抑えることができる。また、実施例2の閾値を図26に併せて示す。実施例2では、閾値を7.1±0.1Vに抑えることができる。図29は、実施例2と比較例とでオン電圧とターンオフ損失のトレードオフ特性を比較した図である。図29に示すように、実施例2では、実施例1と同様の理由により、オン電圧が比較例よりも0.1V低くなり、トレードオフ特性が大幅に改善される。なお、図29と図27とでは、比較例のトレードオフ特性に違いがあるが、これは、両者でオン電圧やターンオフ損失の測定条件等が異なるからであり、本質的な違いはない。   The breakdown voltage of Example 2 is also shown in FIG. In Example 2, the breakdown voltage can be suppressed to 1400 ± 30V. Moreover, the threshold value of Example 2 is also shown in FIG. In the second embodiment, the threshold value can be suppressed to 7.1 ± 0.1V. FIG. 29 is a graph comparing the trade-off characteristics between the on-state voltage and the turn-off loss in Example 2 and the comparative example. As shown in FIG. 29, in the second embodiment, for the same reason as in the first embodiment, the on-voltage is 0.1 V lower than that in the comparative example, and the trade-off characteristics are greatly improved. Note that FIG. 29 and FIG. 27 differ in the trade-off characteristics of the comparative example, because this is because the measurement conditions of the on-voltage and the turn-off loss are different, and there is no essential difference.

以上説明したように、実施の形態によれば、所望の厚さの部分SOI層が精度よく得られるので、上述したように、耐圧やゲートの閾値が安定したIGBTが得られる。また、オン電圧とターンオフ損失のトレードオフ特性が改善される。さらに、回復工程を行うことにより、半導体の結晶性が回復し、欠陥が減少またはなくなるので、十分に高いキャリア移動度が得られる。従って、高速、低損失およびソフトなスイッチング特性を兼ね備えた安価なIGBTが得られる。このIGBTを用いることによって、電気的損失および放射電磁ノイズの低い、環境問題を考慮したIGBTモジュールやIPM(Intelligent Power Module)が得られる。   As described above, according to the embodiment, a partial SOI layer having a desired thickness can be obtained with high accuracy. As described above, an IGBT with stable breakdown voltage and gate threshold can be obtained. In addition, the trade-off characteristics between on-voltage and turn-off loss are improved. Further, by performing the recovery process, the crystallinity of the semiconductor is recovered and defects are reduced or eliminated, so that sufficiently high carrier mobility can be obtained. Therefore, an inexpensive IGBT having high speed, low loss, and soft switching characteristics can be obtained. By using this IGBT, it is possible to obtain an IGBT module or IPM (Intelligent Power Module) taking into consideration environmental problems with low electrical loss and radiated electromagnetic noise.

以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、種々変更可能である。例えば、実施の形態中に記載した寸法、濃度および製造条件などは一例であり、本発明はそれらの値に限定されるものではない。また、出発基板としてポリシリコン原料でできた基板を用いてもよい。さらに、耐圧クラスは、600V、1700V、3300Vまたはそれ以上であってもよい。また、各実施の形態では第1導電型をn型とし、第2導電型をp型としたが、本発明は第1導電型をp型とし、第2導電型をn型としても同様に成り立つ。   As described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made. For example, the dimensions, concentrations, manufacturing conditions, and the like described in the embodiments are examples, and the present invention is not limited to these values. Further, a substrate made of a polysilicon raw material may be used as a starting substrate. Further, the withstand voltage class may be 600V, 1700V, 3300V or higher. In each embodiment, the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type. However, in the present invention, the first conductivity type is p-type and the second conductivity type is n-type. It holds.

以上のように、本発明にかかる半導体装置およびその製造方法は、電力変換装置などに使用されるパワー半導体装置に有用であり、特に、IGBTに適している。   As described above, the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention are useful for a power semiconductor device used for a power conversion device and the like, and are particularly suitable for an IGBT.

本発明の実施の形態にかかる半導体装置の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the semiconductor device concerning embodiment of this invention. 本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法の実施例1を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining Example 1 of the manufacturing method of the semiconductor device concerning embodiment of this invention. 本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法の実施例1を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining Example 1 of the manufacturing method of the semiconductor device concerning embodiment of this invention. 本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法の実施例1を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining Example 1 of the manufacturing method of the semiconductor device concerning embodiment of this invention. 本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法の実施例1を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining Example 1 of the manufacturing method of the semiconductor device concerning embodiment of this invention. 本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法の実施例1を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining Example 1 of the manufacturing method of the semiconductor device concerning embodiment of this invention. 本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法の実施例1を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining Example 1 of the manufacturing method of the semiconductor device concerning embodiment of this invention. 本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法の実施例1を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining Example 1 of the manufacturing method of the semiconductor device concerning embodiment of this invention. 本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法の実施例1を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining Example 1 of the manufacturing method of the semiconductor device concerning embodiment of this invention. 本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法の実施例1を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining Example 1 of the manufacturing method of the semiconductor device concerning embodiment of this invention. 本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法の実施例1を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining Example 1 of the manufacturing method of the semiconductor device concerning embodiment of this invention. 本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法の実施例1を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining Example 1 of the manufacturing method of the semiconductor device concerning embodiment of this invention. 本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法の実施例1を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining Example 1 of the manufacturing method of the semiconductor device concerning embodiment of this invention. 本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法の実施例1を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining Example 1 of the manufacturing method of the semiconductor device concerning embodiment of this invention. 本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法の実施例1を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining Example 1 of the manufacturing method of the semiconductor device concerning embodiment of this invention. 本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法の実施例1を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining Example 1 of the manufacturing method of the semiconductor device concerning embodiment of this invention. 本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法の実施例1を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining Example 1 of the manufacturing method of the semiconductor device concerning embodiment of this invention. 本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法の実施例1を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining Example 1 of the manufacturing method of the semiconductor device concerning embodiment of this invention. 本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法の実施例1を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining Example 1 of the manufacturing method of the semiconductor device concerning embodiment of this invention. 本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法の実施例1を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining Example 1 of the manufacturing method of the semiconductor device concerning embodiment of this invention. 本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法の実施例1を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining Example 1 of the manufacturing method of the semiconductor device concerning embodiment of this invention. 実施例1について回復工程における熱処理温度とキャリア移動度の関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between the heat processing temperature and carrier mobility in a recovery process about Example 1. FIG. ホール係数の測定系の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the measurement system of a Hall coefficient. 実施例1および2と比較例とで埋め込み絶縁層上の半導体層の厚さを比較した図である。It is the figure which compared the thickness of the semiconductor layer on a buried insulating layer by Example 1 and 2 and a comparative example. 実施例1および2と比較例とで耐圧を比較した図である。It is the figure which compared withstand pressure | voltage with Examples 1 and 2 and a comparative example. 実施例1および2と比較例とで閾値を比較した図である。It is the figure which compared the threshold value in Example 1 and 2 and a comparative example. 実施例1と比較例とでオン電圧とターンオフ損失のトレードオフ特性を比較した図である。It is the figure which compared the trade-off characteristic of ON voltage and turn-off loss by Example 1 and a comparative example. 本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法の実施例2を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining Example 2 of the manufacturing method of the semiconductor device concerning embodiment of this invention. 実施例2と比較例とでオン電圧とターンオフ損失のトレードオフ特性を比較した図である。It is the figure which compared the trade-off characteristic of ON voltage and turn-off loss by Example 2 and a comparative example.

符号の説明Explanation of symbols

11 n半導体基板
12 埋め込み絶縁層
13 pベース領域
14 n+ソース領域
15 ゲート絶縁膜
16 ゲート電極
17 層間絶縁膜
18 エミッタ電極
22 pコレクタ層
23 コレクタ電極
31 出発基板
32 酸化膜
33 単結晶シリコン層
34 多結晶シリコン層
11 n semiconductor substrate 12 buried insulating layer 13 p base region 14 n + source region 15 gate insulating film 16 gate electrode 17 interlayer insulating film 18 emitter electrode 22 p collector layer 23 collector electrode 31 starting substrate 32 oxide film 33 single crystal silicon layer 34 Polycrystalline silicon layer

Claims (6)

第1導電型半導体基板の第1の主面の下に選択的に埋め込まれた絶縁層と、
前記絶縁層に接して前記第1の主面との間に設けられた第2導電型ベース領域と、
前記第2導電型ベース領域内に選択的に設けられた第1導電型ソース領域と、
前記第1導電型ソース領域と前記第1導電型半導体基板に挟まれる前記第2導電型ベース領域の表面を被覆するゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜の上に設けられたゲート電極と、
前記第2導電型ベース領域および前記第1導電型ソース領域に接するエミッタ電極と、
前記第1導電型半導体基板の第2の主面に設けられた第2導電型コレクタ層と、
前記第2導電型コレクタ層に接するコレクタ電極と、
を備え、前記エミッタ電極が前記第2導電型ベース領域および前記第1導電型ソース領域に接する部分に、絶縁膜として、前記ゲート絶縁膜と、前記ゲート電極を被覆する層間絶縁膜のみが存在し、
前記絶縁層が設けられた部分における前記第1の主面は、隣り合う前記絶縁層に挟まれた部分における前記第1の主面よりも外側に突出しており、当該突出部分の幅は前記絶縁層の幅よりも狭く、前記ゲート絶縁膜、前記ゲート電極および前記層間絶縁膜は凹凸状となっていることを特徴とする半導体装置。
An insulating layer selectively embedded below the first main surface of the first conductivity type semiconductor substrate;
A second conductivity type base region provided between the first main surface in contact with the insulating layer;
A first conductivity type source region selectively provided in the second conductivity type base region;
A gate insulating film covering a surface of the second conductivity type base region sandwiched between the first conductivity type source region and the first conductivity type semiconductor substrate;
A gate electrode provided on the gate insulating film;
An emitter electrode in contact with the second conductivity type base region and the first conductivity type source region;
A second conductivity type collector layer provided on a second main surface of the first conductivity type semiconductor substrate;
A collector electrode in contact with the second conductivity type collector layer;
And only the gate insulating film and the interlayer insulating film covering the gate electrode are present as insulating films at portions where the emitter electrode is in contact with the second conductive type base region and the first conductive type source region. ,
The first main surface in a portion where the insulating layer is provided protrudes outward from the first main surface in a portion sandwiched between adjacent insulating layers, and the width of the protruding portion is the insulating width. A semiconductor device characterized in that the gate insulating film, the gate electrode, and the interlayer insulating film are concavo-convex, narrower than the width of the layer .
前記第2導電型ベース領域の厚さは、0.8±0.1μmであることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a thickness of the second conductivity type base region is 0.8 ± 0.1 μm. 第1導電型半導体基板の第1の主面の下に選択的に埋め込まれた絶縁層と、前記絶縁層に接して前記第1の主面との間に設けられた第2導電型ベース領域と、前記第2導電型ベース領域内に選択的に設けられた第1導電型ソース領域と、前記第1導電型ソース領域と前記第1導電型半導体基板に挟まれる前記第2導電型ベース領域の表面を被覆する凹凸状のゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の上に設けられた凹凸状のゲート電極と、前記第2導電型ベース領域および前記第1導電型ソース領域に接するエミッタ電極と、前記第1導電型半導体基板の第2の主面に設けられた第2導電型コレクタ層と、前記第2導電型コレクタ層に接するコレクタ電極と、を備える半導体装置を製造する半導体装置の製造方法において、
第1導電型半導体からなる出発基板の主面に前記絶縁層を選択的に形成する絶縁層形成工程と、
前記絶縁層形成工程により形成された前記絶縁層の開口部分に露出する前記出発基板の前記主面に、前記絶縁層の開口部分を塞ぎ、かつ前記絶縁層の端部の上に延在する単結晶半導体層をエピタキシャル成長させる単結晶成長工程と、
前記絶縁層の、前記単結晶成長工程後に露出している部分の上に、前記単結晶半導体層の上面よりも外側に突出させ、当該突出部分の幅が前記絶縁層の幅よりも狭くなるように多結晶半導体層を成長させる多結晶成長工程と、
前記単結晶成長工程で成長した前記単結晶半導体層中に導入された欠陥、前記多結晶成長工程で成長した前記多結晶半導体層中に導入された欠陥、並びに前記多結晶半導体層、前記単結晶半導体層および前記出発基板の間の欠陥を回復させる回復工程と、
を含み、
前記絶縁層形成工程、前記単結晶成長工程、前記多結晶成長工程および前記回復工程を順に経ることによって、前記第1の主面の下に前記絶縁層が選択的に埋め込まれた前記第1導電型半導体基板を作製し、該第1導電型半導体基板を用いて前記構成の半導体装置を製造することを特徴とする半導体装置の製造方法。
A second conductive type base region provided between the insulating layer selectively buried below the first main surface of the first conductive type semiconductor substrate and the first main surface in contact with the insulating layer A first conductivity type source region selectively provided in the second conductivity type base region; and the second conductivity type base region sandwiched between the first conductivity type source region and the first conductivity type semiconductor substrate. A concavo-convex gate insulating film covering the surface of the gate electrode, a concavo-convex gate electrode provided on the gate insulating film, an emitter electrode in contact with the second conductive type base region and the first conductive type source region; Manufacturing of a semiconductor device for manufacturing a semiconductor device, comprising: a second conductivity type collector layer provided on a second main surface of the first conductivity type semiconductor substrate; and a collector electrode in contact with the second conductivity type collector layer. In the method
An insulating layer forming step of selectively forming the insulating layer on a main surface of a starting substrate made of a first conductivity type semiconductor;
The main surface of the starting substrate exposed in the opening portion of the insulating layer formed by the insulating layer forming step covers the opening portion of the insulating layer and extends above the end portion of the insulating layer. A single crystal growth step of epitaxially growing a crystalline semiconductor layer;
Said insulating layer, said on a portion exposed after single crystal growth process, the the upper surface of the single crystal semiconductor layer is protruded outwardly, so that the width of the projecting portion is narrower than the width of said insulating layer A polycrystalline growth step for growing a polycrystalline semiconductor layer on the substrate;
Defects introduced into the single crystal semiconductor layer grown in the single crystal growth step, defects introduced into the polycrystalline semiconductor layer grown in the polycrystalline growth step, and the polycrystalline semiconductor layer, single crystal A recovery step of recovering defects between the semiconductor layer and the starting substrate;
Including
The first conductivity in which the insulating layer is selectively embedded under the first main surface by sequentially performing the insulating layer forming step, the single crystal growth step, the polycrystalline growth step, and the recovery step. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: manufacturing a semiconductor substrate having a structure described above, and manufacturing the semiconductor device having the configuration described above using the first conductive semiconductor substrate.
前記回復工程では、600℃以上1000℃以下の温度で、30分以上10時間以下の熱処理を行うことを特徴とする請求項3に記載の半導体装置の製造方法。   4. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 3, wherein in the recovery step, heat treatment is performed at a temperature of 600 ° C. to 1000 ° C. for 30 minutes to 10 hours. 前記回復工程では、前記単結晶成長工程で成長した前記単結晶半導体層、および前記多結晶成長工程で成長した前記多結晶半導体層にレーザー光を照射することを特徴とする請求項3に記載の半導体装置の製造方法。   The laser beam is applied to the single crystal semiconductor layer grown in the single crystal growth step and the polycrystalline semiconductor layer grown in the polycrystal growth step in the recovery step. A method for manufacturing a semiconductor device. パルスレーザーを照射する複数のレーザー照射装置を用いて、照射エリアごとに複数のパルス状のレーザー光を連続的に照射することを特徴とする請求項5に記載の半導体装置の製造方法。   6. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 5, wherein a plurality of pulsed laser beams are continuously irradiated for each irradiation area using a plurality of laser irradiation apparatuses that irradiate a pulse laser.
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