JP2006203151A - 半導体素子の濃度評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】縦型超接合半導体素子に設けられたストライプ状の並列ｐｎ層の各ｐ層およびｎ層の実効濃度を知ること。
【解決手段】縦型超接合半導体素子の厚さと同程度に素子の幅をストライプと平行方向に薄くして評価素子５を作製する。評価素子５の厚さ方向の辺を下にして、評価素子５の並列ｐｎ層２の幅が拡大するように、評価素子５を斜めに研磨する。斜め研磨により露出した研磨面４に対して広がり抵抗測定装置を用いて濃度評価を行う。
【選択図】 図１１

Description

この発明は、ＭＯＳＦＥＴ（絶縁ゲート型電界効果トランジスタ）、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）またはバイポーラトランジスタなどに適用可能で、高耐圧化と大電流容量化が両立する半導体素子の濃度評価方法に関する。

一般に半導体素子は、片面のみに電極部を持つ横型素子と、両面に電極部を持つ縦型素子とに大別できる。縦型素子は、オン時にドリフト電流が流れる方向と、オフ時に逆バイアス電圧による空乏層が延びる方向とが、ともに基板の厚み方向（縦方向）である。例えば、通常のプレーナ型のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴでは、高抵抗のｎ^-ドリフト層の部分は、ＭＯＳＦＥＴがオン状態のときは縦方向にドリフト電流を流す領域として働き、オフ状態のときは空乏化して耐圧を高める働きをする。

この高抵抗のｎ^-ドリフト層の厚さを薄くする、すなわち電流経路長を短くすることは、オン状態ではドリフト抵抗が低くなるので、ＭＯＳＦＥＴの実質的なオン抵抗（ドレイン−ソース間抵抗）を下げる効果をもたらす。しかし、オフ状態ではｐベース領域とｎ^-ドリフト層との間のｐｎ接合から拡張するドレイン−ベース間空乏層の拡張幅が狭くなるため、空乏電界強度がシリコンの最大（臨界）電界強度に速く達することになる。つまり、ドレイン−ソース電圧が素子耐圧の設計値に達する前に、ブレークダウンが生じるため、耐圧（ドレイン−ソース電圧）が低下してしまう。

逆に、ｎ^-ドリフト層を厚く形成すると、高耐圧化を図ることができるが、必然的にオン抵抗が大きくなるので、オン損失が増す。このように、オン抵抗（電流容量）と耐圧との間にはトレードオフ関係がある。この関係は、ドリフト層を持つＩＧＢＴ、バイポーラトランジスタおよびダイオードなどの半導体素子においても同様に成立することが知られている。また、オン時にドリフト電流が流れる方向と、オフ時に逆バイアス電圧による空乏層が延びる方向とが異なる横型素子でも同様である。この問題に対する解決法として、ドリフト層を、不純物濃度を高めたｎ型の領域とｐ型の領域を交互に配置した並列ｐｎ層とした半導体素子（以下、「超接合半導体素子」とする）が公知である。

超接合半導体素子と通常のプレーナ型のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴとの構造上の違いは、ドリフト部が一様で単一の導電型層（不純物拡散層）ではなく、縦型層状のｎ型のドリフト領域と縦型層状のｐ型の仕切領域を交互に接合した並列ｐｎ構造で構成されるということである。この構造では、並列ｐｎ構造の不純物濃度が高くても、オフ状態では並列ｐｎ構造の縦方向に配向する各ｐｎ接合から空乏層がその横方向双方に拡張し、ドリフト部全体が空乏化するため、高耐圧化を図ることができる。

このような超接合半導体素子において、オン抵抗と耐圧は並列ｐｎ層のチャージバランスにより決定される。すなわち、並列ｐｎ層のｐ層およびｎ層のそれぞれの実効濃度がオン抵抗と耐圧に影響する。従って、並列ｐｎ層のｐ層およびｎ層の実効濃度を把握することは重要である。特に縦型超接合半導体素子においては、縦方向（素子の厚さ方向）に電流を流すため、並列ｐｎ層のｐ層およびｎ層は、素子の表面側から裏面側へ向かって伸びている。従って、素子の深さ方向の実効濃度プロファイルを把握することは非常に難しい。

半導体の不純物濃度プロファイルを測定する方法として、半導体のエッチング量がそのドーパント濃度に依存するようなエッチング液で半導体の所望の部位をエッチングした後、エッチング部位を充填剤によって充填し、かつこの充填剤を半導体から取り外してレプリカを形成し、このレプリカを透過させた電子線の強度に基づいてドーパントの濃度プロファイルを測定する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、シリコン半導体基板を透過型電子顕微鏡で観察が可能な程度の厚さの第１の薄膜に切り出し、フッ酸と硝酸からなる混合液を用いて第１の薄膜をエッチングして、シリコン半導体基板中の不純物濃度分布に対応して膜厚が変化した第２の薄膜にし、透過型電子顕微鏡を用いてなど厚干渉縞観察法により第２の薄膜の膜厚を測定することによってシリコン半導体基板中の不純物濃度分布を求める方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。これらはいずれも縦型超接合半導体素子の深さ方向の実効濃度プロファイルを測定するのには適さない。

一般に、超接合半導体素子の濃度評価には２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）が用いられる。図３５に縦型超接合デバイスの断面構造を示す。ここでは簡単のため、ダイオード構造を示す。図３５において、符号１はｎ型領域であり、符号２はｎ層２ａとｐ層２ｂが交互に接合されてなる並列ｐｎ層であり、符号３はｐ型領域である。図３６に、図３５に示す縦型超接合ダイオードのＡ１−Ａ２方向の実効的な濃度プロファイルＮｅｆｆと、このような実効的な濃度プロファイルＮｅｆｆとなるためのｎ型ドーパントの濃度Ｎｎおよびｐ型ドーパントの濃度Ｎｐの各プロファイルを示す。

図３６に示すようなプロファイルが並列ｐｎ層２全体で構成されている場合に、その濃度評価をＳＩＭＳで行った場合に得られる濃度プロファイルを図３７に示す。なお、図３７においては、一点鎖線で囲む部分のｎ型ドーパントの濃度Ｎｎとｐ型ドーパントの濃度Ｎｐは同じであり、それらのプロファイルを示す二つの線は本来重なってしまうが、図を見やすくするため、ずらしてある。

図３７に示すように、ＳＩＭＳによる評価では、深さ方向の平均のプロファイルが得られるが、並列ｐｎ層２の主面に平行な方向での濃度プロファイルは得られない。その理由は、以下の通りである。ＳＩＭＳによる評価では、測定感度を向上させるため、比較的広い領域、例えば５０〜１００μｍ四方の広い領域で測定を行う。この場合、並列ｐｎ層２の繰り返し周期よりも測定領域が広いため、ｐ層２ｂ中に拡散したｎ型領域１のドーパントとなる原子や、ｎ層２ａ中に拡散したｐ型領域３のドーパントとなる原子の濃度評価を行うことになる。

つまり、ｐ層２ｂ中に拡散したｎ型領域１のドーパントとなる原子とｎ層２ａ中に拡散したｐ型領域３のドーパントとなる原子の密度、すなわち濃度を測定することになるため、オン時に電流が流れる部分（ｎチャネル型素子の場合にはｎ型領域）の実効的な濃度、およびオン時に電流が流れない部分（ｎチャネル型素子の場合にはｐ型領域）の実効的な濃度を評価することができない。また、深さ方向の濃度分布を得ることができない。

特開平１１−６７８５９号公報 特開２００１−１５６１３７号公報

一様に拡散されたウェーハや半導体領域の、表面に平行な深さ方向への濃度プロファイルを求める方法として、広がり抵抗測定装置（ＳＲ測定装置）を用いる方法がある。しかし、並列ｐｎ層２が深さ方向に構成された縦型超接合半導体素子に対して通常の広がり抵抗測定装置による濃度評価を行っても、並列ｐｎ層２で構成される初期状態での空乏層が存在するため、広がり抵抗（ＳＲ）の測定値が高くなってしまう。従って、正確な測定を行うことはできない。

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、縦型超接合半導体素子に設けられたストライプ状（短冊状）の並列ｐｎ層の各ｐ層およびｎ層の実効濃度を知ることができる半導体素子の濃度評価方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明者らは以下のような検討を行った。図１は、縦型超接合デバイスを斜めに研磨し、その研磨面に対して広がり抵抗測定装置により広がり抵抗を測定することによって濃度評価を行った場合の濃度プロファイルを示す図である。図１において、プロファイルを示す線のうち中央の平坦な部分は並列ｐｎ層のプロファイルであり、その左側の濃度が減少している部分は表面のｐ型領域のプロファイルであり、右側の濃度が増加している部分は裏面のｎ型領域からドーパントとなる原子が拡散している領域のプロファイルであり、さらに右側の平坦な部分は裏面のｎ型領域のプロファイルである。

図２は、縦型超接合半導体素子の構造を示す鳥瞰図であり、同図に示すように縦型超接合半導体素子では、その厚さ方向よりも幅および奥行き方向が広い。なお、図２では、図を見やすくするため、並列ｐｎ層２のｐ層２ｂの端面をハッチングを付して示している。図１に示す濃度プロファイルが得られる斜め研磨方法と広がり抵抗測定の方向を図３および図４に示す。図３には、図２に示す縦型超接合半導体素子の一部分を取り出した研磨前の状態と斜めに研磨する際の研磨面４が示されている。図４には、図３に示す研磨面４で縦型超接合半導体素子を斜めに研磨した後の状態が示されている。このときの斜め研磨の角度をθとする。

例えば、同じ構造が研磨面４のすべてで確保できる場合、研磨角θを５度４４分とすると、次の（１）式が成り立つ。従って、（２）式より構造の長さは１０倍の長さに換算される。
ｓｉｎ（５度４４分）＝［図３での深さ］÷［図４の研磨面での長さ］ ・・・（１）
［図４の研磨面での長さ］＝［図３での深さ］÷ｓｉｎ（５度４４分） ・・・（２）

従って、図３のｐ型領域３の深さが５μｍの場合、研磨面４では、ｐ型領域３の深さが５０μｍになる。もちろん、並列ｐｎ層２の長さも１０倍になる。図４に示す斜め研磨後の研磨面４に対して例えば５μｍピッチで広がり抵抗を測定すると、実デバイス（図３）の深さ方向のプロファイル上では０．５μｍ刻みで濃度を評価することができることになる。

これに対して、並列ｐｎ層２の領域ではｐｎ接合をまたいで測定を行うため、高抵抗な空乏層が存在することにより、広がり抵抗は大きくなる。それゆえ、正確な濃度は得られない。さらに、広がり抵抗測定では、通常、測定端子間の距離は１００μｍ程度である。それゆえ、並列ｐｎ層２の各ｐ層２ｂおよびｎ層２ａの幅が例えば５μｍの場合には、ｐ層２ｂとｎ層２ａを１０個ずつまたぐことになる。これも正確な並列ｐｎ層２の測定を困難にしている要因の１つである。

この改善方法として、図３の研磨方向に対して素子を９０度回転させた方向での斜め研磨が考えられる。この模式図を図５に示す。これを図５に示す研磨面４で研磨することにより、図６に示すような構造の端面が得られる。これについて、研磨角θを例えば５度４４分として研磨した際の実際の縮尺に近い図は、図７に示すようになる。図７に示すように、並列ｐｎ層２の繰り返し周期は現われるものの、その繰り返し周期は１／ｃｏｓθ倍されるのみなので、ほとんど並列ｐｎ層２の幅は拡大されない。

例えば研磨角θが５度４４分の場合には、並列ｐｎ層２の各層２ａ，２ｂの幅が例えば５μｍの場合には、１．００５倍程度にしかならず、５．０２μｍ程度でしかない。これに対して５μｍピッチで広がり抵抗測定を行った場合、ｐ層２ｂとｎ層２ａの濃度の測定は可能であるが、１００μｍの端子間隔で５μｍ幅の部分に両端子を接触させることは非常に困難である。例えば、研磨面４がずれた場合（図７に示す研磨面４の左側の部分が奥になった場合など）には、ｐ層２ｂの研磨面を出しているとしている箇所がｎ層２ａに変わる場合もある。このような場合には、先に示す図４のように空乏層をまたいでしまうため、正確な濃度測定はできない。

また、例え研磨面４にすべてのｐ層２ｂが現われていたとしても、空乏層に端子が接触しないようにするのは非常に困難である。例えば、図７に示す研磨面４に対して測定ができた場合には、図８のような濃度プロファイルとなる。従って、並列ｐｎ層２の深さ方向の平均濃度は測定できるが、ｐｎ接合付近の濃度を測定することはできない。本発明者らは、以上のような検討結果に基づいて、並列ｐｎ層２のｐ層２ｂとｎ層２ａの境界付近の実効濃度を測定することを可能とするために鋭意研究を重ね、本発明を完成するに至った。

請求項１の発明にかかる半導体素子の濃度評価方法は、第１の主面と第２の主面の間に低抵抗層と、第１導電型領域と第２導電型領域とを交互に配置したストライプ状の並列ｐｎ層とを備える半導体素子の実効的な濃度を評価するにあたって、素子の厚さと同程度に素子の幅をストライプと平行方向に薄くして評価素子を得る工程と、前記評価素子の並列ｐｎ層の幅が拡大するように斜め研磨を行う工程と、前記斜め研磨により露出した研磨面に対して広がり抵抗測定装置を用いて濃度評価を行う工程と、を含むことを特徴とする。

また、請求項２の発明にかかる半導体素子の濃度評価方法は、請求項１に記載の発明において、前記評価素子の厚さをＴとし、前記第１の主面から前記低抵抗層までの深さ方向の前記並列ｐｎ層の長さをＤとし、ストライプ状の前記並列ｐｎ層の長さをＬとし、前記並列ｐｎ層のｐ層およびｎ層の幅をそれぞれＷｐおよびＷｎとし、ストライプと平行方向に薄くした前記評価素子の幅をＷとし、前記第１の主面または前記第２の主面と前記斜め研磨により露出する研磨面とのなす角度のうち鋭角となる角度を（９０°−θ）とするとき、（Ｗｎ＋Ｗｐ）／Ｄ＜ｔａｎθ＜Ｗ／Ｄであることを特徴とする。

また、請求項３の発明にかかる半導体素子の濃度評価方法は、第１の主面と第２の主面の間に低抵抗層と、第１導電型領域と第２導電型領域とを交互に配置したストライプ状の並列ｐｎ層とを備える半導体素子の実効的な濃度を評価するにあたって、評価素子となる半導体素子の並列ｐｎ層のｐ層またはｎ層が露出する研磨前の端面が、該端面の研磨後に露出する研磨面に対して所望の角度で傾くように前記第１の主面または前記第２の主面を支持した状態で、該評価素子の前記端面を斜め研磨して前記並列ｐｎ層の幅を拡大させる工程と、前記斜め研磨により露出した研磨面に対して広がり抵抗測定装置を用いて濃度評価を行う工程と、を含むことを特徴とする。

また、請求項４の発明にかかる半導体素子の濃度評価方法は、第１の主面と第２の主面の間に低抵抗層と、第１導電型領域と第２導電型領域とを交互に配置したストライプ状の並列ｐｎ層とを備える半導体素子の実効的な濃度を評価するにあたって、素子の幅をストライプと平行方向に薄くして評価素子を得る工程と、前記評価素子の並列ｐｎ層のｐ層またはｎ層が露出する研磨前の端面が、該端面の研磨後に露出する研磨面に対して所望の角度で傾くように前記第１の主面または前記第２の主面を支持した状態で、該評価素子の前記端面を斜め研磨して前記並列ｐｎ層の幅を拡大させる工程と、前記斜め研磨により露出した研磨面に対して広がり抵抗測定装置を用いて濃度評価を行う工程と、を含むことを特徴とする。

また、請求項５の発明にかかる半導体素子の濃度評価方法は、請求項３または４に記載の発明において、前記評価素子の厚さをＴとし、前記第１の主面から前記低抵抗層までの深さ方向の前記並列ｐｎ層の長さをＤとし、ストライプ状の前記並列ｐｎ層の長さをＬとし、前記並列ｐｎ層のｐ層およびｎ層の幅をそれぞれＷｐおよびＷｎとし、前記評価素子の幅をＷとし、前記斜め研磨により露出する研磨面に対して（９０°−θ）の角度をなす平面を有する試料台の該平面に前記第１の主面または前記第２の主面を貼り付けた状態で前記評価素子の端面の研磨を行うとき、（Ｗｎ＋Ｗｐ）／Ｄ＜ｔａｎθ＜Ｗ／Ｄであることを特徴とする。

また、請求項６の発明にかかる半導体素子の濃度評価方法は、請求項１〜５のいずれか一つに記載の発明において、前記斜め研磨により露出した研磨面に関して長さＬ方向に直交する２辺の長さをＫ１およびＫ２とし、Ｋ１＝Ｋ２＝Ｋである場合に、Ｄ＜Ｋ×ｃｏｓθ＜Ｔであることを特徴とする。

また、請求項７の発明にかかる半導体素子の濃度評価方法は、請求項１〜５のいずれか一つに記載の発明において、前記斜め研磨により露出した研磨面に関して長さＬ方向に直交する２辺の長さをＫ＿ｍｉｎおよびＫ＿ｍａｘとし、Ｋ＿ｍｉｎ＜Ｋ＿ｍａｘである場合に、Ｋ＿ｍｉｎ×ｃｏｓθ＞Ｄであるとともに、Ｋ＿ｍａｘ×ｃｏｓθ＜Ｔであることを特徴とする。

また、請求項８の発明にかかる半導体素子の濃度評価方法は、請求項１、２、３、４、５または７に記載の発明において、前記第１の主面と前記斜め研磨により露出した研磨面とにより形成される長さＭの線分に関して、該線分と前記第１の主面中で長さ方向Ｌに平行な直線がなす角度のうち、狭い方の角度をαとするとき、Ｍ×ｓｉｎαが、ＷｎおよびＷｐのうちの小さい方の長さよりも小さいことを特徴とする。

請求項１〜８の発明によれば、深さ方向にストライプ状の並列ｐｎ層を有する超接合半導体素子について、その並列ｐｎ層の各ｐ層およびｎ層の境界での濃度プロファイルがわかる。

本発明にかかる半導体素子の濃度評価方法によれば、縦型超接合半導体素子に設けられたストライプ状（短冊状）の並列ｐｎ層の各ｐ層およびｎ層の実効濃度を知ることができる。それによって、オン時の実効的な濃度を算出したり、オフ時やオン時、またはゼロバイアス時（熱平衡状態）の各状態における空乏層の広がりを計算することができるという効果を奏する。また、本発明方法により得られた濃度プロファイルをシミュレーションに適用することによって、内部状態がより実デバイスに近い状態で得られる。これにより、大幅な設計期間の短縮を図ることが可能となるという効果を奏する。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体素子の濃度評価方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。

実施の形態１．
実施の形態１は請求項１、２および６に対応する。まず、図９に示すように、図２に示す素子をストライプと平行方向に薄くして評価素子５を得る。このときの薄くする幅は、素子の厚さＴと同程度である。このときの評価素子５における並列ｐｎ層２の全体の幅をＷとすると、ＴとＷがほぼ同程度となる。これは、評価素子５の厚さ方向を底辺にして斜め研磨するためである。従って、厚さ方向を底辺にし、斜め研磨が可能であれば、評価素子５における並列ｐｎ層２の全体の幅ＷはＴよりも大きくてもよいし、小さくてもよい。さらに、並列ｐｎ層２に平行に薄くするための方法として、酸化膜やポリシリコンなどで平行がわかるような目印を作製すればよい。

次に、図１０に示すように、斜め研磨を行うための所定の角度を持った試料台６に評価素子５を貼り付ける。このとき、斜め研磨後の研磨面４の一部がｎ型領域（ｎ⁺⁺層）１に現われるように評価素子５を貼り付ける。このようにすることで、並列ｐｎ層２のｐ層２ｂがｎ型領域１の第１主面側に現われたとき、並列ｐｎ層２の実効的な長さがわかる。

またこのとき、並列ｐｎ層２のｐ層２ｂおよびｎ層２ａの幅をそれぞれＷｐおよびＷｎとし、第１主面（ｐ型領域３の表面）からｎ型領域１までの深さ方向の並列ｐｎ層２の長さをＤとすると、（Ｗｎ＋Ｗｐ）／Ｄ＜ｔａｎθとなるような角度を選ぶ。それによって、並列ｐｎ層２の各ｐ層２ｂおよびｎ層２ａの幅分が研磨により広げられ、その広げられた領域が研磨面４に必ず各１つ以上現われる。

さらに、ｔａｎθ＜Ｗ／Ｄとなるように角度θを持った試料台６を選択することによって、必ず第１主面が研磨面に現われる。このようにすると、広がり抵抗測定時にｎ型領域１から最表面（第１主面）までの濃度プロファイルを得ることが可能となる。この後、図１０に一点鎖線で示す研磨面４で評価素子５を研磨する。図１０に示す研磨角度θは、（Ｗｎ＋Ｗｐ）／Ｄ＜ｔａｎθを満たす角度であることは明らかである。

このような研磨角度θでの研磨後の鳥瞰図を図１１に示す。図１１からわかるように、並列ｐｎ層２の各ｐ層２ｂおよびｎ層２ａが斜め研磨により完全に広げられた領域（研磨面４の中央部分の２つの層２ａ，２ｂ）が各１つ現われていることがわかる。なお、実施の形態１では、斜め研磨を行った研磨面４に関して長さＬ方向に直交する２辺の長さをＫ１およびＫ２とするとき、Ｋ１＝Ｋ２＝Ｋである場合について説明する。このとき、Ｄ＜Ｋ×ｃｏｓθ＜Ｔとすることにより、ｎ型領域１となるｎ⁺⁺基板に研磨されない面が残るため、その残った基板の面と研磨面４とのなす角度を求めれば、正確な研磨角度θを算出することが可能となる。

並列ｐｎ層２の各ｐ層２ｂおよびｎ層２ａが斜め研磨により完全に広げられた領域が各１つ現われる例として、例えばＷｎ＝Ｗｐ＝３μｍ、Ｄ＝７０μｍである場合を考える。このとき、研磨角度θとして５度４４分を選べば、研磨前の幅３μｍの領域は研磨面４では３０μｍ（＝３μｍ／ｓｉｎ（５度４４分））となる。従って、研磨により拡大された面でのＷｎおよびＷｐの幅はそれぞれ３０μｍであり、その総和は６０μｍとなる。それゆえ、７０μｍのＤよりも小さいので、各ｐ層２ｂおよびｎ層２ａが研磨面４に現われれば、並列ｐｎ層２の濃度を測定することができることになる。

この研磨面４を通常の広がり抵抗測定装置により測定する。これにより、並列ｐｎ層２の各ｐ層２ｂおよびｎ層２ａのプロファイルが少なくとも各１つ得られる。この広がり抵抗測定により得られた濃度プロファイルを図１２に示す。図１２において、中央の幅の広い２つの部分が、幅が完全に広げられたｐ層２ｂおよび幅が完全に広げられたｎ層２ａのプロファイルである。図１２からわかるように、完全に広げられたｐ層２ｂおよびｎ層２ａの領域では、接合部分での濃度低下部分ができるため、その接合を示す低濃度部分が３箇所以上あることにより、各ｐ層２ｂおよびｎ層２ａが少なくとも１つ以上入っているか否かを判断することができる。

また、拡大された領域がｐ層２ｂであるかｎ層２ａであるかということは、基板（実施の形態１ではｎ型）の導電型がわかっていれば、その広がり抵抗測定によるプロファイルにより判別することができる。つまり、基板とその次の表面側（基板と逆側、すなわち第１主面側）の導電型層との濃度形状から判別可能である。図１３に丸で囲んで示すように、基板の次の表面側の導電型層で接合を示す低濃度層が確認されれば、基板の次の表面側の導電型層は、基板と異なる導電型、すなわちここではｐ型となる。それに対して、図１４に丸で囲んで示すように、基板の次の表面側の導電型層で２段の形状ができていれば、基板の次の表面側の導電型層は、基板と同じ導電型、すなわちここではｎ型となる。

しかしながら、この研磨角度θでは、研磨面４で完全に拡大されるｐ層２ｂおよびｎ層２ａは、いずれか一方になる可能性がある。例えば、研磨面４で拡大されたｐ層２ｂおよびｎ層２ａの幅がそれぞれ１０μｍおよび３０μｍであり、その隣に現われるｐ層２ｂの幅が２０μｍであるような場合である。このような場合には、図１５に示すように、幅が完全に拡大された領域はｎ層２ａだけであり、ｎ層２ａのみ濃度プロファイルが得られる。もちろん、その完全に拡大されたｎ層２ａの両隣の不完全に拡大されたｐ層２ｂに関して１０μｍの領域と２０μｍの領域での濃度プロファイルを測定すれば、それらのプロファイルを比較することにより（例えば、濃度が一致する部分で対称に折り返す）、精度としては充分な濃度プロファイルが得られる。

これを回避するには、研磨角度θを急峻にすればよい。例として、研磨角度θ＝１１度３２分とすれば、３μｍの幅のｐ層２ｂおよびｎ層２ａはそれぞれ１５μｍ（＝３μｍ／ｓｉｎ（１１度３２分））に拡大される。それゆえ、研磨面４には、ｐ層２ｂおよびｎ層２ａの完全に拡大された領域が必ず各１つ以上現われる。それゆえ、図１５に示すような濃度プロファイルは回避され、図１６に示す濃度プロファイルが得られる。このように研磨角度θを適切に選択することによって、並列ｐｎ層２の各ｐ層２ｂおよびｎ層２ａの濃度プロファイルが得られる。図１６では、中央のｐ層２ｂとその両隣のｎ層２ａが完全に拡大されており、さらにこれらの両隣のｐ層２ｂは不完全に拡大されている。

次に、実施の形態１により得られる濃度プロファイルの解析の仕方について説明する。簡単化のため、並列ｐｎ層２の表面（第１主面）からの長さを７０μｍとし、並列ｐｎ層２の各ｐ層２ｂおよびｎ層２ａの幅をともに３μｍとし、斜め研磨の角度θを１１度３２分とする。なお、広がり抵抗の測定ピッチを２．５μｍとする。また、さらなる簡単化のため、斜め研磨を行った研磨面４に関して長さＬ方向に直交する２辺の長さＫ１とＫ２を同じとする。また、不完全に拡大された部分のうち、表面側の長さをＬ１とし、ｎ型領域１側の長さをＬ２とする。

この場合、研磨面４で完全に幅が拡大される各ｐ層２ｂおよびｎ層２ａの長さはともに１５μｍとなる。そのときの濃度プロファイルを図１７に示す。例えば図１７に示すＡの部分は、表面側、すなわちｐ型領域３側からＬ１〜（Ｌ１＋１５）μｍの領域（ｎ層２ａ）の濃度プロファイルを見ていることになる。同様にして、ＢおよびＣの部分は、それぞれ表面側から（Ｌ１＋１５）〜（Ｌ１＋３０）μｍの領域（ｐ層２ｂ）の濃度プロファイル、および（Ｌ１＋３０）〜（Ｌ１＋４５）μｍの領域（ｎ層２ａ）の濃度プロファイルを見ていることになる。

実施の形態２．
実施の形態２は、実施の形態１の変形例であり、請求項１、２、７および８に対応する。実施の形態２が実施の形態１と異なる点は、斜め研磨を行った研磨面４に関して長さＬ方向に直交する２辺の長さをＫ１およびＫ２とすると、Ｋ１の長さとＫ２の長さが異なることである。つまり、実施の形態２は、研磨面４に角度が生じた場合に相当する。測定方法および研磨手順については実施の形態１と同様であるので省略する。

図１８に、研磨面４がずれた場合の評価素子５の鳥瞰図を示す。図１８に示すように、図の手前側が奥側よりも研磨されている。従って、斜め研磨を行った研磨面４に関して長さＬ方向に直交する２辺の長さを比較した場合、手前側の方が長くなり、奥側が短くなる。すなわち、手前側の辺の長さがＫ＿ｍａｘに相当し、奥側の辺の長さがＫ＿ｍｉｎに相当する。このような場合に、Ｋ＿ｍａｘ×ｃｏｓθ＜Ｔであれば、基板のｎ型領域１が研磨されずに残るため、角度補正（正確な角度による長さ変換）が可能となる。また、Ｋ＿ｍｉｎ×ｃｏｓθ＞Ｄであれば、研磨面４はｎ型領域１に達する。

さらにこのとき、第１主面と研磨面４により形成される線分に関して、その長さＭを有する線分と第１主面中で長さ方向Ｌに平行な直線がなす角度のうち、狭い方の角度をαとするとき、Ｍ×ｃｏｓαが広がり抵抗を測定する端子間距離よりも広く、Ｍ×ｓｉｎαがＷｎとＷｐの小さい方の長さよりも小さければ、端子間では同一導電型となるため、広がり抵抗の測定が可能となる。従って、濃度プロファイルが得られる。

図１９に、図１８に示す研磨面４とｎ型領域１とｐ型領域３の部分を研磨面４側から見た図を示す。図１９に付記したＢ１−Ｂ２、Ｃ１−Ｃ２、Ｄ１−Ｄ２およびＥ１−Ｅ２を通常の広がり抵抗測定により測定する。そのとき得られる濃度プロファイルを図２０に示す。図２０において、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）はそれぞれＢ１−Ｂ２、Ｃ１−Ｃ２、Ｄ１−Ｄ２およびＥ１−Ｅ２におけるプロファイルである。当然のことではあるが、図２０に示す濃度プロファイルでは、並列ｐｎ層２の部分では平行移動していることがわかる。

実施の形態３．
実施の形態３は、実施の形態２の変形例である。実施の形態３が実施の形態２と異なる点は、斜め研磨を行う角度が急峻になっている点である。これにより、研磨面４に現われる並列ｐｎ層２の各ｐ層２ｂおよびｎ層２ａの数が実施の形態２よりも多くなる。実施の形態３では、研磨により完全に拡大されたｐ層２ｂの数とｎ層２ａの数の合計は３個以上になっている。このときの研磨面４を上面から見た図を図２１に示す。図２１に付記したＢ３−Ｂ４、Ｃ３−Ｃ４、Ｄ３−Ｄ４およびＥ３−Ｅ４を通常の広がり抵抗測定により測定する。

そのとき得られる濃度プロファイルを図２２に示す。図２２において、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）はそれぞれＢ３−Ｂ４、Ｃ３−Ｃ４、Ｄ３−Ｄ４およびＥ３−Ｅ４におけるプロファイルである。図２２に示すように、実施の形態２と比較して各ｐ層２ｂおよびｎ層２ａの完全に斜め研磨により広げられた個数が多くなるのが変わるのみで、濃度プロファイルとしては、実施の形態２と同様のプロファイルが得られる。

実施の形態４．
実施の形態４は請求項３〜６に対応する。まず、図９に示すような評価素子５を用意する。そして、図２３に示すように、斜め研磨を行うための試料台７の急峻な角度を有する平面８に評価素子５を貼り付ける。評価素子５の第１主面（ｐ型領域３の表面）９または第２主面（ｎ型領域１の裏面）１０を試料台７の平面８に貼り付けることができれば、評価素子５における並列ｐｎ層２の全体の幅Ｗは、大きくても小さくてもよい。また、試料台７の平面８に評価素子５の第１主面９を貼り付けてもよいし、第２主面１０を貼り付けてもよい。図２３に示す例では、第２主面１０が貼り付けられている。

試料台７の平面８と斜め研磨後の研磨面４とのなす角度を（９０°−θ）とするとき、評価素子５の傾きは実施の形態１と同じになる。従って、実施の形態１において説明した通り、（Ｗｎ＋Ｗｐ）／Ｄ＜ｔａｎθとなるような角度を選び、ｔａｎθ＜Ｗ／Ｄとなるように角度（９０°−θ）の平面８を有する試料台７を選択する。ここで、実施の形態１と同様、ＷｐおよびＷｎは並列ｐｎ層２のｐ層２ｂおよびｎ層２ａの幅であり、Ｄは第１主面９からｎ型領域１までの深さ方向の並列ｐｎ層２の長さである。

図２３に一点鎖線で示す研磨面４で評価素子５を研磨した後の鳥瞰図を図２４に示す。なお、実施の形態１の説明と重複する内容については、説明を省略する。並列ｐｎ層２の各ｐ層２ｂおよびｎ層２ａが斜め研磨により完全に広げられた領域が各１つ現われる例として、例えばＷｎ＝Ｗｐ＝３μｍ、Ｄ＝７０μｍである場合を考えるとき、並列ｐｎ層２の濃度を測定するためには、試料台７の平面８の角度（９０°−θ）として８４度１６分（θ＝５度４４分）を選べばよい。そうすれば、実施の形態１と同様に、研磨面におけるｐ層２ｂおよびｎ層２ａの拡大された幅の総和は、Ｄよりも小さい６０μｍとなる。

そこで、この研磨面４を通常の広がり抵抗測定装置により測定する。これにより、並列ｐｎ層２の各ｐ層２ｂおよびｎ層２ａのプロファイルが少なくとも各１つ得られる。この広がり抵抗測定により得られた濃度プロファイルを図２５に示す。図２５において、中央の幅の広い２つの部分が、幅が完全に広げられたｐ層２ｂおよび幅が完全に広げられたｎ層２ａのプロファイルである。

また、実施の形態１において説明した通り、図２６に丸で囲んで示すように、基板の次の表面側の導電型層が基板と異なる導電型である場合には、接合を示す低濃度層が確認される。一方、図２７に丸で囲んで示すように、基板の次の表面側の導電型層が基板と同じ導電型である場合には、２段の形状が確認される。

また、図２８に示すように、ｎ層２ａ（またはｐ層２ｂ）だけが研磨面４で完全に拡大される場合を回避するには、試料台７の平面８の角度（９０°−θ）を緩やかにすればよい。例えば、試料台７の平面８の角度（９０°−θ）を７８度２８分（θ＝１１度３２分）とすればよい。そうすれば、研磨面４には、ｐ層２ｂおよびｎ層２ａの完全に拡大された領域が必ず各１つ以上現われるので、図２９に示す濃度プロファイルが得られる。このように試料台７の平面８の角度（９０°−θ）を適切に選択することによって、並列ｐｎ層２の各ｐ層２ｂおよびｎ層２ａの濃度プロファイルが得られる。

実施の形態５．
実施の形態５は、実施の形態４に実施の形態２を適用したものであり、請求項３〜５、７および８に対応する。つまり、図３０に示すように、実施の形態５では、研磨面４に角度が生じており、研磨面４に関して長さＬ方向に直交する２辺の長さＫ＿ｍａｘとＫ＿ｍｉｎが異なっている。図３０は、研磨面４がずれた場合の評価素子５を示す鳥瞰図である。実施の形態４および実施の形態２と重複する説明については省略する。

実施の形態２と同様に、Ｋ＿ｍａｘ×ｃｏｓθ＜Ｔであり、またＫ＿ｍｉｎ×ｃｏｓθ＞Ｄである。さらに、Ｍ×ｃｏｓαは広がり抵抗を測定する端子間距離よりも広い。また、Ｍ×ｓｉｎαはＷｎとＷｐの小さい方の長さよりも小さい。濃度プロファイルを得るためには、このような条件を満たすのがよい。図３１に、図３０に示す研磨面４とｎ型領域１とｐ型領域３の部分を研磨面４側から見た図を示す。

図３１に付記したＢ５−Ｂ６、Ｃ５−Ｃ６、Ｄ５−Ｄ６およびＥ５−Ｅ６を通常の広がり抵抗測定により測定する。そのとき得られる濃度プロファイルを図３２に示す。図３２において、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）はそれぞれＢ５−Ｂ６、Ｃ５−Ｃ６、Ｄ５−Ｄ６およびＥ５−Ｅ６におけるプロファイルである。

実施の形態６．
実施の形態６は、実施の形態５の変形例であり、斜め研磨を行う角度を急峻にしたもの、すなわち試料台７の平面８の角度（９０°−θ）を緩やかにしたものである。この場合には、実施の形態３と同様に、研磨面４に現われる並列ｐｎ層２の各ｐ層２ｂおよびｎ層２ａの数が実施の形態５よりも多くなる。このときの研磨面４を上面から見た図を図３３に示す。

図３３に付記したＢ７−Ｂ８、Ｃ７−Ｃ８、Ｄ７−Ｄ８およびＥ７−Ｅ８を通常の広がり抵抗測定により測定する。そのとき得られる濃度プロファイルを図３４に示す。図３４において、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）はそれぞれＢ７−Ｂ８、Ｃ７−Ｃ８、Ｄ７−Ｄ８およびＥ７−Ｅ８におけるプロファイルである。

以上において、本発明は、上述した各実施の形態に限らず、種々変更可能である。また、実施の形態中に記載した寸法や角度などの数値は一例であり、本発明はそれらの値に限定されるものではない。さらに、本発明は、ダイオードに限らず、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、バイポーラトランジスタなどにも適用することができる。また、本発明は、並列ｐｎ層を有する半導体素子以外にも、主面に対して平行な方向に濃度分布を有する半導体素子、すなわち横方向に濃度変化が大きい半導体素子の実効濃度を評価する場合にも適用することができる。

以上のように、本発明にかかる半導体素子の濃度評価方法は、大電力用半導体素子の濃度評価に有用であり、特に、並列ｐｎ構造をドリフト部に有するダイオードやＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴやバイポーラトランジスタなどの高耐圧化と大電流容量化を両立させることのできる半導体素子の濃度評価に適している。

通常の斜め研磨された縦型超接合デバイスの広がり抵抗測定により得られる濃度プロファイルを示す図である。 縦型超接合半導体素子の構造を示す鳥瞰図である。 斜め研磨前の縦型超接合半導体素子の一部を示す図である。 斜め研磨後の縦型超接合半導体素子の一部を示す図である。 別の方向での斜め研磨前の縦型超接合半導体素子の一部を示す図である。 別の方向での斜め研磨後の縦型超接合半導体素子の一部を示す図である。 別の方向での斜め研磨後の実際の研磨面を示す図である。 広がり抵抗測定により得られる図７に示す研磨面の濃度プロファイルを示す図である。 実施の形態１の濃度評価方法に用いられる評価素子を示す鳥瞰図である。 実施の形態１において評価素子を試料台に貼り付けた状態を示す鳥瞰図である。 実施の形態１において研磨後の評価素子を示す鳥瞰図である。 実施の形態１の濃度評価方法により得られる濃度プロファイルの一例を示す図である。 実施の形態１の濃度評価方法により得られる濃度プロファイルの要部を拡大して示す図である。 実施の形態１の濃度評価方法により得られる濃度プロファイルの要部を拡大して示す図である。 実施の形態１の濃度評価方法により得られる濃度プロファイルの他の例を示す図である。 実施の形態１の濃度評価方法により得られる濃度プロファイルのさらに他の例を示す図である。 実施の形態１の濃度評価方法により得られる濃度プロファイルの解析の仕方を示す図である。 実施の形態２において研磨後の評価素子を示す鳥瞰図である。 実施の形態２において研磨後の評価素子を示す平面図である。 実施の形態２の濃度評価方法により得られる濃度プロファイルの一例を示す図である。 実施の形態３において研磨後の評価素子を示す平面図である。 実施の形態３の濃度評価方法により得られる濃度プロファイルの一例を示す図である。 実施の形態４において評価素子を試料台に貼り付けた状態を示す鳥瞰図である。 実施の形態４において研磨後の評価素子を示す鳥瞰図である。 実施の形態４の濃度評価方法により得られる濃度プロファイルの一例を示す図である。 実施の形態４の濃度評価方法により得られる濃度プロファイルの要部を拡大して示す図である。 実施の形態４の濃度評価方法により得られる濃度プロファイルの要部を拡大して示す図である。 実施の形態４の濃度評価方法により得られる濃度プロファイルの他の例を示す図である。 実施の形態４の濃度評価方法により得られる濃度プロファイルのさらに他の例を示す図である。 実施の形態５において研磨後の評価素子を示す鳥瞰図である。 実施の形態５において研磨後の評価素子を示す平面図である。 実施の形態５の濃度評価方法により得られる濃度プロファイルの一例を示す図である。 実施の形態６において研磨後の評価素子を示す平面図である。 実施の形態６の濃度評価方法により得られる濃度プロファイルの一例を示す図である。 縦型超接合デバイスの要部の構造を示す断面図である。 図３５に示す縦型超接合ダイオードの実効的な濃度プロファイルを示す図である。 縦型超接合デバイスのＳＩＭＳにより得られる濃度プロファイルを示す図である。

符号の説明

１ 低抵抗層（ｎ型領域）
２ 並列ｐｎ層
２ａ 並列ｐｎ層のｎ層
２ｂ 並列ｐｎ層のｐ層
４ 研磨面
５ 評価素子
７ 試料台
８ 平面
９ 第１主面
１０ 第２主面

Claims (8)

1. 第１の主面と第２の主面の間に低抵抗層と、第１導電型領域と第２導電型領域とを交互に配置したストライプ状の並列ｐｎ層とを備える半導体素子の実効的な濃度を評価するにあたって、
   素子の厚さと同程度に素子の幅をストライプと平行方向に薄くして評価素子を得る工程と、
   前記評価素子の並列ｐｎ層の幅が拡大するように斜め研磨を行う工程と、
   前記斜め研磨により露出した研磨面に対して広がり抵抗測定装置を用いて濃度評価を行う工程と、
   を含むことを特徴とする半導体素子の濃度評価方法。
2. 前記評価素子の厚さをＴとし、前記第１の主面から前記低抵抗層までの深さ方向の前記並列ｐｎ層の長さをＤとし、ストライプ状の前記並列ｐｎ層の長さをＬとし、前記並列ｐｎ層のｐ層およびｎ層の幅をそれぞれＷｐおよびＷｎとし、ストライプと平行方向に薄くした前記評価素子の幅をＷとし、前記第１の主面または前記第２の主面と前記斜め研磨により露出する研磨面とのなす角度のうち鋭角となる角度を（９０°−θ）とするとき、（Ｗｎ＋Ｗｐ）／Ｄ＜ｔａｎθ＜Ｗ／Ｄであることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の濃度評価方法。
3. 第１の主面と第２の主面の間に低抵抗層と、第１導電型領域と第２導電型領域とを交互に配置したストライプ状の並列ｐｎ層とを備える半導体素子の実効的な濃度を評価するにあたって、
   評価素子となる半導体素子の並列ｐｎ層のｐ層またはｎ層が露出する研磨前の端面が、該端面の研磨後に露出する研磨面に対して所望の角度で傾くように前記第１の主面または前記第２の主面を支持した状態で、該評価素子の前記端面を斜め研磨して前記並列ｐｎ層の幅を拡大させる工程と、
   前記斜め研磨により露出した研磨面に対して広がり抵抗測定装置を用いて濃度評価を行う工程と、
   を含むことを特徴とする半導体素子の濃度評価方法。
4. 第１の主面と第２の主面の間に低抵抗層と、第１導電型領域と第２導電型領域とを交互に配置したストライプ状の並列ｐｎ層とを備える半導体素子の実効的な濃度を評価するにあたって、
   素子の幅をストライプと平行方向に薄くして評価素子を得る工程と、
   前記評価素子の並列ｐｎ層のｐ層またはｎ層が露出する研磨前の端面が、該端面の研磨後に露出する研磨面に対して所望の角度で傾くように前記第１の主面または前記第２の主面を支持した状態で、該評価素子の前記端面を斜め研磨して前記並列ｐｎ層の幅を拡大させる工程と、
   前記斜め研磨により露出した研磨面に対して広がり抵抗測定装置を用いて濃度評価を行う工程と、
   を含むことを特徴とする半導体素子の濃度評価方法。
5. 前記評価素子の厚さをＴとし、前記第１の主面から前記低抵抗層までの深さ方向の前記並列ｐｎ層の長さをＤとし、ストライプ状の前記並列ｐｎ層の長さをＬとし、前記並列ｐｎ層のｐ層およびｎ層の幅をそれぞれＷｐおよびＷｎとし、前記評価素子の幅をＷとし、前記斜め研磨により露出する研磨面に対して（９０°−θ）の角度をなす平面を有する試料台の該平面に前記第１の主面または前記第２の主面を貼り付けた状態で前記評価素子の端面の研磨を行うとき、（Ｗｎ＋Ｗｐ）／Ｄ＜ｔａｎθ＜Ｗ／Ｄであることを特徴とする請求項３または４に記載の半導体素子の濃度評価方法。
6. 前記斜め研磨により露出した研磨面に関して長さＬ方向に直交する２辺の長さをＫ１およびＫ２とし、Ｋ１＝Ｋ２＝Ｋである場合に、Ｄ＜Ｋ×ｃｏｓθ＜Ｔであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の半導体素子の濃度評価方法。
7. 前記斜め研磨により露出した研磨面に関して長さＬ方向に直交する２辺の長さをＫ＿ｍｉｎおよびＫ＿ｍａｘとし、Ｋ＿ｍｉｎ＜Ｋ＿ｍａｘである場合に、Ｋ＿ｍｉｎ×ｃｏｓθ＞Ｄであるとともに、Ｋ＿ｍａｘ×ｃｏｓθ＜Ｔであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の半導体素子の濃度評価方法。
8. 前記第１の主面と前記斜め研磨により露出した研磨面とにより形成される長さＭの線分に関して、該線分と前記第１の主面中で長さ方向Ｌに平行な直線がなす角度のうち、狭い方の角度をαとするとき、Ｍ×ｓｉｎαが、ＷｎおよびＷｐのうちの小さい方の長さよりも小さいことを特徴とする請求項１、２、３、４、５または７に記載の半導体素子の濃度評価方法。
   
   
   

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