JP2018107303A - 半導体装置、電力変換装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents
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- H01L29/0607—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions for preventing surface leakage or controlling electric field concentration
- H01L29/0611—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions for preventing surface leakage or controlling electric field concentration for increasing or controlling the breakdown voltage of reverse biased devices
- H01L29/0615—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions for preventing surface leakage or controlling electric field concentration for increasing or controlling the breakdown voltage of reverse biased devices by the doping profile or the shape or the arrangement of the PN junction, or with supplementary regions, e.g. junction termination extension [JTE]
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Abstract
【課題】本発明は、縦構造を有する半導体装置において、安定的な耐圧特性、オフ時におけるリーク電流の低減化に伴う低オフロス化、ターンオフ動作の制御性向上、及びターンオフ時の遮断能力の向上を図ることを目的とする。
【解決手段】本発明に係る半導体装置において、バッファ層は、活性層と接合し不純物濃度のピーク点を１つ有する第１バッファ層（１５ａ）と、第１バッファ層およびドリフト層と接合し、不純物濃度のピーク点を少なくとも１つ有し、第１バッファ層より最大不純物濃度が低い第２バッファ層（１５ｂ）とを備え、第２バッファ層の最大不純物濃度は、ドリフト層の不純物濃度よりも高く１．０×１０１５ｃｍ−３以下である。
【選択図】図１
【解決手段】本発明に係る半導体装置において、バッファ層は、活性層と接合し不純物濃度のピーク点を１つ有する第１バッファ層（１５ａ）と、第１バッファ層およびドリフト層と接合し、不純物濃度のピーク点を少なくとも１つ有し、第１バッファ層より最大不純物濃度が低い第２バッファ層（１５ｂ）とを備え、第２バッファ層の最大不純物濃度は、ドリフト層の不純物濃度よりも高く１．０×１０１５ｃｍ−３以下である。
【選択図】図１
Description
この発明は、ＩＧＢＴ、ダイオード等のパワー半導体素子を有する半導体装置に関する。
従来のトレンチゲート型ＩＧＢＴ及びＰＩＮダイオード等の縦型の半導体装置は縦構造領域を有している。ＩＧＢＴでは、Ｎ型のドリフト層、Ｎ型のバッファ層およびＰ型のコレクタ層を含む領域が縦構造領域となり、ダイオードでは、Ｎ型のドリフト層、Ｎ型のバッファ層およびＮ＋カソード層を含む領域が縦構造領域となる。特許文献１には、縦構造を有するＩＧＢＴが開示されている。
縦構造領域を有するＩＧＢＴまたはダイオード等の従来の縦型の半導体装置では、半導体装置を製造するＳｉウエハとして、エピタキシャル成長で製造されるウエハに代えてＦＺ法で製造されるウエハを用いることがある。その際、ウエハの縦構造領域、例えばＩＧＢＴにおけるＮ型のバッファ層は高い不純物濃度を持ち、かつその不純物プロファイルは、Ｎ型のドリフト層との接合部にかけて急峻な不純物の勾配を持つ。
縦構造を有する半導体装置におけるバッファ層の上記のような不純物プロファイルは、ターンオフ動作の制御性が悪く、かつターンオフ時の遮断能力の低下を招く等、種々の問題点があった。
本発明では、上記のような問題点を解決し、縦構造を有する半導体装置において、安定的な耐圧特性、オフ時におけるリーク電流の低減化に伴う低オフロス化、ターンオフ動作の制御性向上、及びターンオフ時の遮断能力の向上を図ることを目的とする。
本発明における半導体装置は、一方主面及び他方主面を有し第１導電型のドリフト層を主要構成部として含む半導体基体と、半導体基体内においてドリフト層に対し他方主面側にドリフト層に隣接して形成される第１導電型のバッファ層と、半導体基体の他方主面上に形成される第１及び第２導電型のうち少なくとも一つの導電型を有する活性層と、半導体基体の一方主面上に形成される第１電極と、活性層上に形成される第２電極と、を備える。バッファ層は、活性層と接合し不純物濃度のピーク点を１つ有する第１バッファ層と、第１バッファ層およびドリフト層と接合し、不純物濃度のピーク点を少なくとも１つ有し、第１バッファ層より最大不純物濃度が低い第２バッファ層とを備える。第２バッファ層の最大不純物濃度は、ドリフト層の不純物濃度よりも高く１．０×１０１５ｃｍ以下である。
本発明における半導体装置では、第２バッファ層の最大不純物濃度がドリフト層の不純物濃度よりも高く１．０×１０１５ｃｍ−３以下であるため、耐圧特性の安定化、オフ時におけるリーク電流の低減化に伴う低オフロス化、ターンオフ動作の制御性向上、及びターンオフ時の遮断能力の向上が可能となる。
＜発明の原理＞
本発明は、パワーモジュール(耐圧（定格電圧）が６００Ｖ以上)のキーコンポーネントであるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）またはダイオードなどのバイポーラ系パワー半導体素子を有する、半導体装置において、以下の特徴（ａ）〜（ｄ）を有する縦構造領域に関する。
本発明は、パワーモジュール(耐圧（定格電圧）が６００Ｖ以上)のキーコンポーネントであるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）またはダイオードなどのバイポーラ系パワー半導体素子を有する、半導体装置において、以下の特徴（ａ）〜（ｄ）を有する縦構造領域に関する。
（ａ）オフ状態の電圧遮断能力を上げ、かつ高温での耐圧保持時のリーク電流を低減し、低オフロスまたは高温動作を実現する。
（ｂ）ターンオフ動作終焉での電圧跳ね上がり現象（以下、「ｓｎａｐ−ｏｆｆ現象」と略記する）と、ｓｎａｐ−ｏｆｆ現象に起因する発振現象を抑制する。
（ｃ）ターンオフ動作時の遮断能力を向上する。
（ｄ）半導体を製造するウエハの６インチ以上の大口径化にも対応するウェハプロセス技術に組み込み可能である。
なお、特徴（ａ）の「オフ状態の電圧遮断能力」とは、電流が流れていない静的（ｓｔａｔｉｃ）な状態での電圧保持能力を意味している。また、特徴（ｃ）の「ターンオフ動作時の遮断能力」とは、電流が流れている動的（ｄｙｎａｍｉｃ）な状態での電圧保持能力を示している。
以下の実施例では、パワー半導体素子の代表例としてＩＧＢＴおよびダイオードを挙げるが、本発明はＲＣ（Reverse Conducting）−ＩＧＢＴ、ＲＢ（Reverse Blocking）−ＩＧＢＴ、またはＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などのパワー半導体にも適用可能であり、上記の目的に対して効果が得られる。
なお、ＲＣ−ＩＧＢＴについては「H. Takahashi et al., “1200 V Reverse Conducting IGBT,” Proc. ISPSD2004, pp. 133-136, 2004」に、ＲＢ−ＩＧＢＴについては「T. Naito et al., “1200 V Reverse Blocking IGBT with Low Loss for Matrix Converter,” Proc. ISPSD2004, pp. 125-128, 2004」においてそれぞれ説明がなされている。
また、以下では半導体材料としてＳｉを用いた半導体デバイスを例に示すが、本発明は炭化珪素（ＳｉＣ）または窒化ガリウム（ＧａＮ）等のワイドバンドギャップ材料を用いた半導体デバイスに対しても効果を奏する。さらに、以下では１７００〜６５００Ｖの高耐圧クラスの半導体装置を例に示すが、本発明は耐圧クラスに関わらず上記目的に対して効果を奏する。
図１、図２及び図３は、縦型構造を有する半導体デバイスの構造を示す断面図であり、これらの図に示す構造が本発明の基本構造である。図１はトレンチゲート型ＩＧＢＴを、図２はＰＩＮダイオードを、図３はＲＦＣダイオードを示している。ＲＦＣダイオードは、ＰＩＮダイオードとＰＮＰトランジスタの並列接続型のダイオードである。なお、ＲＦＣダイオードについては、「K. Nakamura et al, Proc. ISPSD2009, pp. 156-158, 2009」および「K. Nakamura et al., Proc. ISPSD2010, pp. 133-136. 2010」に説明がなされている。
図１を参照してトレンチゲート型ＩＧＢＴの構造を説明する。まず、トレンチゲート型ＩＧＢＴの活性セル領域（Active Cell Area）Ｒ１の構造を説明する。Ｎ−ドリフト層１４の下面（他方主面）には、Ｎ−ドリフト層１４に隣接してＮバッファ層１５が形成されている。Ｎバッファ層１５の下面にはＮバッファ層１５に隣接してＰ型（第２導電型）のＰコレクタ層１６が形成されている。Ｐコレクタ層１６の下面にはＰコレクタ層１６に隣接してコレクタ電極２３Ｃが形成される。なお、以下では、Ｎ型（第１導電型）のドリフト層であるＮ−ドリフト層１４とＮ型のバッファ層であるＮバッファ層１５とを少なくとも含む構造部分を「半導体基体」と呼ぶ場合がある。そして、Ｎ−ドリフト層１４は半導体基体の主要構成部である。
Ｎ−ドリフト層１４の上層部にＮ層１１が形成されている。Ｎ層１１の上面にはＰベース層９が形成されている。Ｐベース層９とＮ層１１とを縦方向に貫くように、ポリシリコンからなるトレンチ構造のゲート電極１３が形成されている。ゲート電極１３はゲート絶縁膜１２を介してＮ−ドリフト層１４、Ｎ層１１、Ｐベース層９、及びＮ＋エミッタ層７と対向している。したがって、ゲート電極１３、Ｎ＋エミッタ層７、Ｐベース層９及びＮ層１１により、ＩＧＢＴにおける絶縁ゲート型のトランジスタ形成領域が構成される。
Ｐベース層９の表層にゲート絶縁膜１２と接するようにＮ型のＮ＋エミッタ層７が形成されている。さらに、Ｐベース層９の表層にはＰ＋層８が形成されている。ゲート電極１３上には層間絶縁膜６が形成される。Ｎ−ドリフト層１４の上面（一方主面）上にはＮ＋エミッタ層７およびＰ＋層８と電気的に接続するようにエミッタ電極５Ｅ（第１電極）が形成される。なお、図１において活性セル領域Ｒ１に示される２本のゲート電極１３のうち、左側のゲート電極１３は本来のゲート電極として寄与するが、右側のゲート電極１３は本来のゲート電極として寄与せずエミッタ電位となるダミー電極である。ダミー電極の目的および効果は、特許第４２０５１２８号公報、特許第４７８５３３４号公報および特許第５６３４３１８号公報に記載されており、ＩＧＢＴの飽和電流密度の抑制、容量特性の制御による無負荷短絡状態での発振の抑制、それによる短絡耐量の向上、エミッタ側のキャリア濃度向上による低ＯＮ電圧化などである。
次に、トレンチゲート型ＩＧＢＴの中間領域(interface area)Ｒ２の構造を説明する。Ｎ−ドリフト層１４の上層部にはＰ領域２２が形成される。Ｐ領域２２は、活性セル領域Ｒ１側に延びてダミー電極のゲート電極１３より深く形成される。また、Ｐ領域２２はガードリングとして機能する。
Ｎ−ドリフト層１４の上面上に絶縁膜２５が形成され、絶縁膜２５上に表面ゲート電極部とも呼ばれるゲート電極１３の一部と、表面ゲート電極部を囲む層間絶縁膜６が形成される。層間絶縁膜６に囲まれた表面ゲート電極部上には、ゲート電極として機能する電極５Ｘが形成される。電極５Ｘは、活性セル領域Ｒ１のエミッタ電極５Ｅと同時にエミッタ電極５Ｅと独立して形成される。
次に、トレンチゲート型ＩＧＢＴの終端領域（ termination area)Ｒ３について説明する。Ｎ−ドリフト層１４の上層部に選択的にＰ領域２２が形成される。このＰ領域２２はフィールドリングとして機能する。また、活性セル領域Ｒ１の絶縁ゲート型トランジスタ構造のうち、Ｐベース層９以外の構成が形成される。
Ｐ領域２２は、中間領域Ｒ２及び終端領域Ｒ３のそれぞれにおいて、耐圧保持機能を発揮させる領域として設けられる。なお、終端領域Ｒ３の絶縁ゲート型トランジスタ構造におけるＮ＋エミッタ層７及びＮ層１１は、Ｐ領域２２とＮ−ドリフト層１４とのＰＮ接合部から延びる空乏層の延びを止めるために設けられている。
Ｎ−ドリフト層１４の上面上に絶縁膜２５及び層間絶縁膜６の積層構造が選択的に形成される。また、Ｐ領域２２及びゲート電極１３に電気的に接続してフローティング電極となる電極５Ｙが形成される。この電極５Ｙは活性セル領域Ｒ１のエミッタ電極５Ｅと同時にエミッタ電極５Ｅ及び電極５Ｘと独立して形成される。
そして、活性セル領域Ｒ１、中間領域Ｒ２及び終端領域Ｒ３にかけてエミッタ電極５Ｅ、電極５Ｘ及び５Ｙ上にパッシベーション膜２０が形成され、パッシベーション膜２０及び活性セル領域Ｒ１のエミッタ電極５Ｅの一部上にパッシベーション膜２１が形成される。
また、活性セル領域Ｒ１、中間領域Ｒ２及び終端領域Ｒ３間で共通にＩＧＢＴ用の縦構造領域２７Ｇが形成される。縦構造領域２７Ｇは半導体基体を構成するＮ−ドリフト層１４及びＮバッファ層１５と、Ｐコレクタ層１６及びコレクタ電極２３Ｃとによる積層構造である。
図２を参照してＰＩＮダイオードの構造を説明する。まず、ＰＩＮダイオードの活性セル領域Ｒ１の構造を説明する。Ｎ−ドリフト層１４の他方主面である下面には、Ｎバッファ層１５が形成されている。Ｎバッファ層１５の下面には活性層であるＮ＋カソード層１７が形成されている。Ｎ＋カソード層１７の下面にはカソード電極２３Ｋが第２電極として形成されている。
Ｎ−ドリフト層１４の上層部にはＰアノード層１０が一方電極領域として形成されている。Ｐアノード層１０とＮ−ドリフト層１４、Ｎバッファ層１５及びＮ＋カソード層１７によりＰＩＮダイオード構造が形成される。そして、Ｐアノード層１０の上面である一方主面上にアノード電極５Ａが第１電極として形成される。
次に、ＰＩＮダイオードの中間領域Ｒ２の構造を説明する。Ｎ−ドリフト層１４の上層部にＰ領域２２が形成され、このＰ領域２２は活性セル領域Ｒ１側に延びてＰアノード層１０と連結する、この際、Ｐ領域２２はＰアノード層１０より深く形成される。このＰ領域２２がガードリングとして機能する。
Ｎ−ドリフト層１４の上面上に絶縁膜２５が形成され、絶縁膜２５上に層間絶縁膜６が形成され、層間絶縁膜６上の一部に電極５Ａが形成される。
次に、図２において終端領域Ｒ３の構造を説明する。Ｎ−ドリフト層１４の上層部に選択的にＰ領域２２が形成される。このＰ領域２２はフィールドリミッティングリングとして機能する。また、Ｎ−ドリフト層１４の表層にＰ領域２２とは独立してＮ＋層２６が選択的に形成される。Ｎ＋層２６はＰ領域２２とＮ−ドリフト層１４の接合部から延びる空乏層の延びを止める目的で設けられる。Ｐ領域２２の本数が増加するほど、ＰＩＮダイオードの耐圧クラスは高くなる。
Ｎ−ドリフト層１４上面上に絶縁膜２５及び層間絶縁膜６の積層構造が選択的に形成され、Ｐ領域２２及びＮ＋層２６に電気的に接続して電極５Ｚが形成される。電極５Ｚは活性セル領域Ｒ１のアノード電極５Ａと同時にアノード電極５Ａと独立して形成される。
そして、中間領域Ｒ２及び終端領域Ｒ３にかけてアノード電極５Ａ及び電極５Ｚ上にパッシベーション膜２０が形成され、パッシベーション膜２０及び中間領域Ｒ２のアノード電極５Ａの一部上にパッシベーション膜２１が形成される。
また、活性セル領域Ｒ１、中間領域Ｒ２及び終端領域Ｒ３間で共通にダイオード用の縦構造領域２７Ｄ１が形成される、縦構造領域２７Ｄ１は半導体基体となるＮ−ドリフト層１４及びＮバッファ層１５と、Ｎ＋カソード層１７及びカソード電極２３Ｋとによる積層構造である。
次に、図３においてＲＦＣダイオードの構造を説明する。ＲＦＣダイオードは、図２に示したＰＩＮダイオードの活性領域Ｒ１において、活性層であるＮ＋カソード層１７の一部をＰカソード層１８に置き換えたものであり、それ以外の構成はＰＩＮダイオードと同様である。すなわち、ＲＦＣダイオードの活性層は、第１部分活性層であるＮ＋カソード層１７と、第２部分活性層であるＰカソード層１８とを含んで構成される。
ＲＦＣダイオードは、ＰＩＮダイオードに比べ、カソード側の電界強度を緩和する電界緩和現象等、特許第５２５６３５７号や特開２０１４−２４１４３３号に示すようなダイオード性能面での特徴的な効果が得られる。特許第５２５６３５７号または特開２０１４−２４１４３３号（ＵＳ８６８６４６９）に示すように、リカバリー動作時の後半にＰカソード層１８からホールの注入が促進されるため、カソード側の電界強度が緩和され、リカバリー動作終焉でのｓｎａｐ−ｏｆｆ現象およびその後の発振現象を抑制し、リカバリー動作時の破壊耐量向上などダイオード性能面で特徴的な効果が得られる。
Ｎ＋カソード層１７とＰカソード層１８は、上記の効果を保証する観点から、特許第５２５６３５７号または特開２０１４−２４１４３３号（ＵＳ８６８６４６９）に示す関係を満足するように配置する。ＲＦＣダイオードは、等価回路で表現すると、ＰＩＮダイオードとＰＮＰトランジスタとが並列に接続したダイオード構造である。Ｎ−ドリフト層１４は、可変抵抗領域である。
図４はＩＧＢＴまたはダイオード等の縦型の半導体装置の平面構造を模式的に示す説明図である。同図に示すように、中央部に複数の活性セル領域Ｒ１が形成され、活性セル領域Ｒ１，Ｒ１間に表面ゲート配線部Ｒ１２が設けられ、さらに、一部の領域にゲートパッド部Ｒ１１が設けられる。
活性セル領域Ｒ１、ゲートパッド部Ｒ１１、及び表面ゲート配線部Ｒ１２の周辺を囲って中間領域Ｒ２が形成され、中間領域Ｒ２の周辺をさらに囲んで終端領域Ｒ３が設けられる。なお、図１、図２および図３で示した構造は図４のＡ１−Ａ１断面に相当する。
上述した活性セル領域Ｒ１は、パワー半導体チップの基本性能を保障する素子形成領域である。そして、中間領域Ｒ２および終端領域Ｒ３からなる周辺領域は、信頼性面を含めた耐圧保持用に設けられる。そのうち、中間領域Ｒ２は、活性セル領域Ｒ１と終端領域Ｒ３とがジョイントする領域でパワー半導体のダイナミック動作時の破壊耐量を保障し活性セル領域Ｒ１（における半導体素子）の本来の性能をサポートする領域である。また、終端領域Ｒ３は、静的（static）な状態での耐圧保持、耐圧特性の安定性及び信頼性面の保障およびダイナミック動作時の破壊耐量の不良を抑制し、活性セル領域Ｒ１の本来の性能をサポートする。
縦構造領域２７（縦構造領域２７Ｇ、縦構造領域２７Ｄ１、縦構造領域２７Ｄ２）は、トータルロス性能の保障、静的な状態での耐圧保持、耐圧特性の安定性、高温でのリーク特性安定性および信頼性の保障、並びにダイアミック動作時の制御性および破壊耐量を保障し、パワー半導体の基本性能をサポートする領域である。トータルロスとは、オン状態のロスとターンオンおよびターンオフ状態のロスとを加えたロスのことである。
＜ＩＧＢＴの製造方法＞
図５〜図１７はＩＧＢＴの製造方法（その１）を示す断面図である。なお、これらの図面は活性セル領域Ｒ１における製造方法を示している。
図５〜図１７はＩＧＢＴの製造方法（その１）を示す断面図である。なお、これらの図面は活性セル領域Ｒ１における製造方法を示している。
まず、ＦＺ法で形成されたシリコンウエハ（以後、このシリコンウエハ又は処理が施されたシリコンウエハを「半導体基体」という）を用意する。図５に示すように、Ｎ−ドリフト層１４が形成された半導体基体の上層部にＮ層１２８とＰベース層１３０を形成する。具体的には、Ｎ−ドリフト層１４にイオン注入及びアニーリング処理を施してＮ層１２８とＰベース層１３０を形成する。また、Ｐベース層１３０上にＳｉＯ２膜１２９を形成する。
次に、図６に示すように、半導体基体にイオン注入及びアニーリング処理を施し、Ｐベース層１３０の表面側に複数のＮ＋エミッタ層１３６を選択的に形成する。
次に、図７に示すように、半導体基体の上面に酸化膜１３１を形成し、写真製版技術を用いてパターニングする。そして、酸化膜１３１の開口に露出した部分に対しプラズマを用いた反応性イオンエッチングを施し、トレンチ１３７を形成する。その後、トレンチ１３７の周辺部の結晶欠陥及びプラズマダメージ層の除去、トレンチ１３７のボトム部のラウンディング、並びにトレンチ１３７の内壁の平化を目的にケミカルドライエッチングと犠牲酸化処理を行う。ケミカルドライエッチングと犠牲酸化処理に関しては、例えば特開平７−２６３６９２号公報に開示されている。また適切なトレンチ１３７の深さについては例えばＷＯ２００９−１２２４８６号公報に開示されている。
続いて、図８に示すように、熱酸化法又はＣＶＤ法（例えば、特開２００１−０８５６８６号公報参照）でトレンチ内壁にゲート酸化膜１３４を形成する。そして、ゲート酸化膜１３４を含むトレンチ１３７内に、リンをドープしたポリシリコン層１３２を形成してトレンチ１３７を埋める。なお、半導体基体の下面には、ゲート酸化膜１３４の形成と同時に酸化膜１５０が形成され、ポリシリコン層１３２の形成と同時に酸化膜１５０上にリンをドープしたポリシリコン層１５２が形成される。
次に、図９に示すように、ポリシリコン層１３２のうちトレンチ１３７の外に出た部分をエッチングする。エッチング後に半導体基体上面及びトレンチ１３７の埋め込み表面に露出するポリシリコン層１３２を熱酸化法又はＣＶＤ法で酸化もしくは堆積して酸化膜１３２ａを形成する。その後、半導体基体の表面にＰ＋層１３８を形成する。その後、半導体基体の上面上に、ボロンまたはリンがドープされた酸化膜１４０、及びＴＥＯＳ膜１４１をＣＶＤ法で形成する。酸化膜１４０としてＴＥＯＳ膜又はシリケートガラスを形成してもよい。なお、半導体基体の下面には、酸化膜１４０、及びＴＥＯＳ膜１４１の形成と同時にＴＥＯＳ膜１５４が形成される。
次に、図１０に示すように、フッ酸または混酸(例えば、フッ酸、硝酸、及び酢酸の混合液)を含有する液体を用いて半導体基体の下面のＴＥＯＳ膜１５４、ポリシリコン層１５２、及び酸化膜１５０をエッチングしてＮ−ドリフト層１４を露出させる。
続いて、図１１に示すように、不純物をドープしたポリシリコン層１６０（以下、不純物をドープしたポリシリコンを「ドープドポリシリコン」と称する）を、半導体基体の下面に露出したＮ−ドリフト層１４と接して形成する。このとき半導体基体上面に不所望のドープドポリシリコン層１６２も形成される。ドープドポリシリコン層１６０及び１６２はＬＰＣＶＤ法で形成する。ドープドポリシリコン層１６０及び１６２にドープする不純物としては、ドープドポリシリコン層１６０及び１６２がＮ＋層となるようにリン、ヒ素、またはアンチモン等を用いる。ドープドポリシリコン層１６０及び１６２の不純物濃度は１×１０１９（ｃｍ−３）以上に設定される。また、ドープドポリシリコン層１６０及び１６２の層厚は５００（ｎｍ）以上に設定される。
次に、図１２に示すように、窒素雰囲気中において、半導体基体の温度を９００〜１０００（℃）程度に加熱してドープドポリシリコン層１６０の不純物をＮ−ドリフト層１４の下面側へ拡散させる。この拡散により、Ｎ−ドリフト層１４の下面側に結晶欠陥と高濃度不純物を有するゲッタリング層１６４が形成される。このように、ゲッタリング層形成工程とは、半導体基体の下面に露出したＮ−ドリフト層１４の下面側にゲッタリング層１６４を形成する工程である。ゲッタリング層１６４の表面の不純物濃度は、例えば、１．０×１０１９〜１．０×１０２２（ｃｍ−３）のいずれかである。
ゲッタリング層形成工程の後に、任意の降温スピードにて半導体基体の温度を６００〜７００（℃）程度まで下げて、その温度を４時間以上維持する。この工程をアニール工程と称する。アニール工程では、半導体基体を加熱し製造工程にてＮ−ドリフト層１４に導入された金属不純物、汚染原子、及びダメージを拡散させゲッタリング層１６４で捕獲する。
次に、図１３に示すように、半導体基体上面のドープドポリシリコン層１６２をフッ酸または混酸(例えば、フッ酸/硝酸/酢酸の混合液)の液を用いて選択的に除去する。図１１〜図１３に示すゲッタリングのプロセスについては、例えばＷＯ２０１４−０５４１２１号公報に開示されている。
そして、図１４に示すように、半導体基体の上面側において、酸化膜１４０及びＴＥＯＳ膜１４１を一部エッチングし、一部を外部に露出させてコンタクトホールを有するトレンチ露出部１７０を形成する。トレンチ露出部１７０以外の部分はＩＧＢＴにおけるＭＯＳトランジスタ部分として機能する。
なお、図１４に示すように、ポリシリコン層１３２で埋められたトレンチ１３７が形成された領域に部分的にトレンチ露出部１７０を形成する目的は、ポリシリコン層１３２の一部をエミッタ電位とすることで実効的なゲート幅を小さくすること及び容量を調整することである。これにより、飽和電流密度抑制、容量制御による短絡時の発振抑制、短絡耐量向上(詳細はＷＯ２００２−０５８１６０号公報及びＷＯ２００２−０６１８４５号公報参照)、及びオン状態のエミッタ側キャリア濃度向上による低オン電圧化が可能となる。
次に、図１５に示すように、スパッタリングおよびアニーリングにより、半導体基体上面にシリサイド層１３９とバリアメタル層１４２を形成する。スパッタ時のメタルとしてＴｉ、Ｐｔ、ＣｏまたはＷなどの高融点メタル材料を用いる。次に半導体基体上面に、Ｓｉを１〜３％程度添加したメタル配線層１４４をスパッタリング法で形成する。メタル配線層１４４の材料は、例えば、ＡｌＳｉ、ＡｌＳｉＣｕ、またはＡｌＣｕである。メタル配線層１４４は、トレンチ露出部１７０と電気的に接続されている。
次に、図１６に示すように、半導体基体の下面側に形成されていたゲッタリング層１６４とドープドポリシリコン層１６０とを、研磨およびエッチングにより除去する。このようにゲッタリング層１６４などを除去する工程を除去工程と称する。除去工程では、Ｎ−ドリフト層１４のうちゲッタリング層１６４に接する部分を所望の厚さだけ除去してもよい。これにより半導体基体（Ｎ−ドリフト層１４）の厚みｔＤを、半導体装置の耐圧クラスに対応したものとすることができる。
続いて、図１７に示すように、半導体基体の下面にＮバッファ層１５を形成する。Ｎバッファ層１５の形成は、半導体基体の下面側から、リン、セレン、硫黄又はプロトン(水素)をＳｉへ導入しアニールする等の不純物注入処理及び熱処理によって行われる。その後、Ｎバッファ層１５の下面にＰ型のＰコレクタ層１６を形成する。さらに、Ｐコレクタ層１６の下面にコレクタ電極２３Ｃを形成する。コレクタ電極２３Ｃは、半導体装置をモジュールへ搭載する際に、モジュール中の半導体基体等とはんだ接合する部分である。そのため、コレクタ電極２３Ｃを複数のメタルを積層させて形成することで低コンタクト抵抗とすることが好ましい。
図１７と図１との関係において、ポリシリコン層１３２がゲート電極１３に対応し、ゲート酸化膜１３４がゲート絶縁膜１２に対応し、Ｎ層１２８がＮ層１１に対応し、Ｐベース層１３０がＰベース層９に対応し、Ｎ＋エミッタ層１３６がＮ＋エミッタ層７に対応し、Ｐ＋層１３８がＰ＋層８に対応し、メタル配線層１４４がエミッタ電極５Ｅに対応する。
＜ダイオードの製造方法＞
図１８〜図２６は、図３に示すＲＦＣダイオードの製造方法を示す断面図である。
図１８〜図２６は、図３に示すＲＦＣダイオードの製造方法を示す断面図である。
図１８には、活性セル領域Ｒ１と、活性セル領域Ｒ１を囲むように形成された中間領域Ｒ２及び終端領域Ｒ３が示されている。まず、Ｎ−ドリフト層１４のみが形成された半導体基体を準備する。そして、中間領域Ｒ２及び終端領域Ｒ３におけるＮ−ドリフト層１４の表面にＰ層５２を複数個、選択的に形成する。Ｐ層５２は、あらかじめ形成した酸化膜６２をマスクにしてイオン注入し、その後に半導体基体にアニール処理を施すことで形成する。なお、半導体基体の下面にも酸化膜６２形成時の酸化膜６８が形成されている。
次に、図１９に示すように、活性セル領域Ｒ１におけるＮ−ドリフト層１４の表面にイオン注入及びアニール処理を施してＰ層５０を形成する。
続いて、図２０に示すように、半導体基体の上面側の終端領域Ｒ３の端部にＮ＋層５６を形成する。次に、半導体基体の上面にＴＥＯＳ層６３を形成する。その後に、半導体基体の下面を露出する処理を行う。そして、不純物をドープしたドープドポリシリコン層６５を、半導体基体の下面に露出したＮ−ドリフト層１４と接するように形成する。このとき半導体基体の上面にもドープドポリシリコン層６４が形成される。
次に、図２１に示すように、半導体基体を加熱してドープドポリシリコン層６５の不純物をＮ−ドリフト層１４の下面側へ拡散させ、Ｎ−ドリフト層１４の下面側に結晶欠陥と不純物を有するゲッタリング層５５を形成する。この工程は図１２に示したＩＧＢＴの製造方法でゲッタリング層１６４を形成する工程と同様である。その後、アニール工程を実施してＮ−ドリフト層１４の金属不純物、汚染原子、及びダメージをゲッタリング層５５で捕獲する。
そして、図２２に示すように、基板の上面に形成されたドープドポリシリコン層６４を、フッ酸または混酸(例えば、フッ酸/硝酸/酢酸の混合液)の液を用いて選択的に除去する。このゲッタリングプロセスは、前記ＩＧＢＴのゲッタリングプロセスと同じである。
次に、図２３に示すように、半導体基体の上面にＰ層５２とＰ層５０とＮ＋層５６とを露出させるコンタクトホールを形成する。つまり、ＴＥＯＳ層６３を図２３に示されるように加工する。その後、Ｓｉを１〜３％程度添加したアノード電極５Ａ用のアルミ配線５をスパッタリング法で形成する。
続いて、図２４に示すように、半導体基体の上面にパッシベーション膜６６を形成する。
その後、図２５に示すように、半導体基体の下面側に形成されていたゲッタリング層５５とドープドポリシリコン層６５とを、研磨又はエッチングにより除去する。この除去工程により、半導体基体（Ｎ−ドリフト層１４）の厚みｔＤを、半導体装置の耐圧クラスに対応したものとする。
そして、図２６に示すように、Ｎ−ドリフト層１４の下面側にＮバッファ層１５を形成する。その後、Ｎバッファ層１５の下面にＰカソード層１８を形成する。続いて、活性セル領域Ｒ１において、Ｐカソード層１８の一部にＮ＋カソード層１７を形成する。Ｎバッファ層１５、Ｎ＋カソード層１７およびＰカソード層１８は、イオン注入とアニール処理により形成する拡散層である。最後に、半導体基体下面にカソード電極２３Ｋを形成する。
図２６と図３との関係において、Ｐ層５０がＰアノード層１０に対応し、Ｐ層５２がＰ領域２２に対応し、Ｎ＋層５６がＮ＋層２６に対応し、アルミ配線５がアノード電極５Ａに対応する。
ＩＧＢＴ又はダイオードに用いられるＳｉウエハの基板濃度（Ｃｄ）は、製造する半導体素子の耐圧クラスに応じて定められる。例えば、Ｃｄ＝１．０×１０１２〜５．０×１０１４ｃｍ−３である。ＳｉウエハはＦＺ法で作成される。そして、図１６又は図２５に示すウエハプロセス中にて、デバイスの厚みを耐圧クラスに応じて精度よく調整し、縦構造領域２７を図１７又は図２６に示すウエハプロセス中にて構築する。このようにＦＺウエハを用い、ウエハプロセス中にて縦構造領域を構築するウエハプロセスが主流となりつつあるのは以下の背景による。
ａ）ウエハとしてＮ−ドリフト層１４をエピタキシャル法で作製するウエハでは、Ｓｉウエハコストがエピタキシャル法で形成するＳｉ厚みに依存するため非常に高くなるというデメリットがある。一方、ＦＺ法にてＮ−ドリフト層１４の濃度のみ耐圧クラスごとに適切な値を設定し、ウエハプロセススタート時は耐圧クラスに関係無く同じ厚みのＮ−ドリフト層１４のＳｉウエハを用いることにより、単価の安いウエハを採用しウエハコストを低減できる。
ｂ）上記ＦＺ法で製造するウエハを活用する目的で、図１７又は図２８に示すウエハプロセス中の最終段階にてデバイスの厚みを耐圧クラスに必要な値に制御し、縦構造を構築することにより、プロセス装置の改造を極力最小限化したウエハプロセスを採用することができる。これにより、大口径のＳｉウエハのウエハプロセスにおいても、４０〜７００μｍと異なる様々なウエハの厚みに対応できる。
ｃ）背景ｂ）により、ＩＧＢＴおよびダイオードともに、ウエハ表面に形成するＭＯＳトランジスタ構造、各種拡散層、配線構造等のデバイス構造を、最新のプロセス装置をそのまま流用して作製することができる。
ｎドリフト層の不純物濃度およびデバイスの厚みは、ＩＧＢＴおよびダイオードの耐圧特性のみならず、トータルロス、ダイナミック動作時の制御性および破壊耐量にも影響するデバイスパラメータであり、高い精度が求められる。
図５〜図１７又は図１８〜図２６に示したウエハプロセスでは、図１５又は図２３に示すアルミ配線の形成工程、又は図２４に示すパッシベーション膜の形成工程の後に、縦構造領域を形成する。従って、縦構造領域を形成しない面には、例えばＩＧＢＴではＭＯＳトランジスタ構造が形成され、アルミ配線またはパッシベーション膜が存在する。そのため、縦構造領域を構成する拡散層（Ｎバッファ層１５、Ｐコレクタ層１６、Ｎ＋カソード層１７およびＰカソード層１８）の形成時には、縦構造領域を形成しない面がアルミ配線に用いるメタルであるアルミの融点６６０℃よりも低温になるよう配慮する必要があり、デバイスの深さ方向に温度勾配を有する波長のレーザーを用いてアニーリングを行ったり、アルミの融点６６０℃以下の低温でアニーリングを行ったりする。
その結果、上記ウエハプロセスにて製造するＩＧＢＴ又はダイオードにおけるＮバッファ層１５の不純物プロファイルは、図３３及び図３４に示す従来構造１の不純物プロファイルのように、接合深さＸｊ，ａが１．５〜２．０μｍ程度と浅く、かつＮ−ドリフト層１４とＮバッファ層１５の接合部にかけて急峻な濃度勾配（δａ＝４．５２ ｄｅｃａｄｅ ｃｍ−３／μｍ）を持つ特徴的な不純物プロファイルとなっている。その上、Ｎバッファ層１５には、Ｎ層プロファイルが不純物を導入するイオン注入時の深さ方向のプロファイルを再現することと、上記のアニーリング技術を用いることから、深さ方向および横方向への拡散が起きにくいというｎ層形成時のプロセス上の特徴がある。深くかつ緩やかな濃度勾配を有するＮ型拡散層を形成する技術として、高温かつ長時間のアニーリングがある。しかし、この技術は上記のような低融点のメタルが存在する工程では用いることができないため、図５または図１８に示すウエハプロセスの初期で用いることになる。その場合、高温かつ長時間のアニーリングを実施する工程の前後のいずれかでウエハ厚みが所望の厚み（４０〜７００μｍ）となる。そのため、それ以降のプロセスでは各プロセス装置を所望のウエハ厚みが処理できるように改造する必要があるため、膨大な費用が発生し非現実的である。その上、高温かつ長時間のアニーリングはＳｉウエハの大口径化にマッチングしないプロセス技術である。このようなＮバッファ層１５を用いるＩＧＢＴまたはダイオードでは、以下の大きな３つの性能上の問題が存在する。
（１）高温状態では、耐圧保持時にリーク電流が増加することによりオフロスが増加することに加え、デバイス自身の発熱による熱暴走で制御不能になり、高温での動作が保証できない。
（２）ＩＧＢＴおよびダイオードそれぞれのターンオフ動作等のダイナミック動作時に、デバイス内部のキャリアプラズマ状態と電界強度分布との関係から、Ｎ−ドリフト層１４とＮバッファ層１５の接合部付近のキャリアプラズマ層が枯渇し、Ｎ−ドリフト層１４とＮバッファ層１５の接合部の電界強度が上昇する。さらに、ターンオフ動作終焉で電圧が跳ね上がる現象（以下、「ｓｎａｐ−ｏｆｆ現象」と略記する）と、ｓｎａｐ−ｏｆｆ現象をトリガとする発振現象が発生する。ｓｎａｐ−ｏｆｆ現象により電圧が保持可能な耐圧以上の高電圧になりデバイスが破壊する場合がある。その結果、ＩＧＢＴおよびダイオードではターンオフ動作の制御性が悪く、かつターンオフ時の遮断能力の低下を招く。また、これらのＩＧＢＴまたはダイオードを搭載するパワーモジュールを含むインバーターシステムにおいて、ノイズ発生による誤動作の原因となる。なお、キャリアプラズマ層とは、電子およびホール濃度がほぼ同じで、キャリア濃度が１０１６ｃｍ−３以上とＮ−ドリフト層１４のドーピングキャリア濃度Ｃｄより２〜３桁程度高い中性層である。
（３）上記Ｎバッファ層１５の形成時の特徴から、図１６、図１７又は図２５、図２６に示す縦構造領域形成時のウエハプロセス中に発生するＮバッファ層１５の形成面のキズまたは異物が起因となる、Ｎバッファ層１５の部分的な未形成によるＩＧＢＴまたはダイオードの耐圧不良現象に敏感になり、ＩＧＢＴまたはダイオードチップの不良率増加を招く。
従来、上記の問題点を解決する一手法として、ターンオフ動作時に空乏層がＮバッファ層１５に当たらないようにＮ−ドリフト層１４の厚みを厚くしたり、Ｎ−ドリフト層１４の不純物濃度を上げそのバラツキを小さくしたりするなどのＮ−ドリフト層１４のパラメータを適正化する手法が選択されていた。
しかしながら、Ｎ−ドリフト層１４の厚みを厚くすると、ＩＧＢＴおよびダイオードともにオン電圧が上昇し、トータルロス増加という反作用が生じる。一方、Ｎ−ドリフト層１４の不純物濃度のバラツキを小さくするということは、Ｓｉウエハ製造技術と用いるＳｉウエハに制限を加えることになり、Ｓｉウエハコストの高騰を招く。このように、従来のＩＧＢＴおよびダイオードには、デバイス性能を向上する上で、ジレンマともいうべき技術課題が存在する。
上記の問題（２）に対する解決策として、米国特許公報第６４８２６８１号、米国特許公報第７５１４７５０号、米国特許公報第７５３８４１２号には、プロトン（Ｈ＋）を用いて複数の層からなるＮバッファ層１５を形成することが提案されている。但し、これらの技術では、ＩＧＢＴまたはダイオードのトータルロスを低減するためのトレンドであるＮ−ドリフト層１４の薄厚化を考慮して、パワー半導体の基本特性である耐圧保持のためプロトンの濃度を高濃度化する必要がある。ただし、プロトンの高濃度化は、プロトン導入時の結晶欠陥増加または結晶欠陥によるキャリアの再結合中心となる欠陥密度増加を伴うため、ＩＧＢＴおよびダイオードのオフロス増加や、後述する図４２に示すようにＩＧＢＴまたはダイオードの破壊耐量低下を招くというデメリットが存在する。パワー半導体は、トータルロスを低減しつつ電圧保持能力を有しかつ破壊耐量を保証するのが求められる基本性能である。また、オフロスが増加するとＩＧＢＴまたはダイオード自身の発熱量が増加し、高温動作またはパワー半導体を搭載するパワーモジュール自身の熱設計にとって問題となる。つまり、上記の技術は、最新のＮ−ドリフト層１４を薄厚化する傾向にあるパワー半導体の要求を満足する技術ではない。
前述するように従来技術では、性能向上、すなわち低ＯＮ電圧化のためにＮ−ドリフト層１４の厚みが薄厚化しつつある最新のＩＧＢＴ又はダイオードに対し、ダイナミック動作時のデバイス内部状態を制御しながらターンオフ動作の制御性とターンオフ遮断能力とを向上し、パワー半導体の基本性能である安定的な耐圧特性保障を実現することが難しい。よって、ＦＺ法で作製されるウエハを用い、かつＳｉウエハの大口径化にも対応可能なウエハプロセスにて、上記課題を解決するＮバッファ層構造が必要である。また、ウエハプロセス中の悪影響により発生するＮバッファ層１５の部分的な未形成によるＩＧＢＴ又はダイオードの耐圧不良現象に鈍感化することも求められる。
本発明は、上記したＦＺウエハを用い、従来のＩＧＢＴまたはダイオードが持つデバイス性能面のジレンマを解決し、低オン電圧、安定的な耐圧特性、オフ時の低リーク電流による低オフロス化、ターンオフ動作の制御性向上、ターンオフ遮断能力の大幅な向上を目的とする。
図２７〜図２９は本発明の提案する縦構造領域の考え方を示す説明図である。図２７はオン状態（under on-state）におけるキャリア濃度ＣＣ、不純物プロファイル（ドーピングプロファイル）ＤＰ、電界強度ＥＦを示し、図２８及び図２９は電圧遮断状態（under blocking voltage state）及び動的状態（dynamic state）におけるキャリア濃度ＣＣ、不純物プロファイルＤＰ、及び電界強度ＥＦを示している。なお、図２７〜図２９において横軸に沿って示した数字は、図１〜図３に示したＰアノード層１０等のＩＧＢＴまたはダイオードの構成要素を示している。
従来のＩＧＢＴ及びダイオードに関する縦構造領域の問題点に起因した上記技術課題は、以下のような縦構造領域２７、特にＮバッファ層１５の目標とする提案する構造を実現すれば解決できると考える。以下に示すコンセプトは、図１で示すＩＧＢＴ構造、図２及び図３で示すダイオード構造に共通に適用可能なコンセプトである。
本発明の提案する縦構造領域２７を構成するＮバッファ層１５の構造に関する考え方を以下の（１）〜（３）に示す。
（１）ターンオフ動作時のＮ−ドリフト層１４とＮバッファ層１５との接合部付近のキャリアプラズマ層の枯渇現象に関して、図２９の領域Ａ１２に示すようにキャリアプラズマ層が残存するように、Ｎバッファ層１５の内部でもデバイスオン状態の伝導度変調現象が発生し、キャリアプラズマ層が存在するようにＮバッファ層１５の低濃度化を行う。キャリアプラズマ層の濃度は１０１６ｃｍ−３以上であるため、Ｎバッファ層１５の不純物濃度はそれ以下の１０１５ｃｍ−３オーダーとする。このように、Ｎバッファ層１５にキャリアプラズマ層が残存する程度に、Ｎバッファ層１５の不純物濃度を低くする。
（２）Ｎ−ドリフト層１４とＮバッファ層１５との接合部付近の濃度勾配を緩やかにする。これにより、図２８の領域Ａ２１に示すように、静的な状態では電界強度をＮバッファ層１５の内部で止め、図２９の領域Ａ２２に示すように、ダイナミック動作時はＮバッファ層１５内部を空乏層が緩やかに伸びるようにする。
（３）Ｎバッファ層１５に濃度傾斜を持たせ、不純物濃度を低く、かつ厚くすることにより、ＩＧＢＴまたはＲＦＣダイオードに内蔵するＰＮＰバイポーラトランジスタの電流増幅率（αpnp）を下げて、オフ時の低リーク電流による低オフロス化を実現する。
このように、本発明において、縦構造領域２７におけるＮバッファ層１５を、耐圧特性安定化および低オフロス化等の耐圧特性を保証した上で、デバイス内部のキャリアプラズマ状態をデバイス動作時に制御する役割を担う重要な層として、不純物濃度及び深さの最適化を図ったのが本願発明である。
＜実施の形態１＞
図３０〜図３２は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置であるＩＧＢＴ、ＰＩＮダイオードおよびＲＦＣダイオードの断面図である。図３０〜図３２は、それぞれ図４に示した活性セル領域Ｒ１内のＡ２−Ａ２断面に沿った断面図であり、それぞれ図１〜図３に示したＩＧＢＴ、ＰＩＮダイオードおよびＲＦＣダイオードの活性セル領域Ｒ１内の構成を示している。なお、図３１のＥ−Ｅ断面が、発明の原理で述べた図２７〜図２９の深さの横軸に相当する。図３０〜図３２に示すＮ−ドリフト層１４は、不純物濃度が１．０×１０１２〜５．０×１０１４ｃｍ−３で、ＦＺ（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｚｏｎｅ）法で作製されたＦＺウエハを用い形成される。図３０に示すＩＧＢＴにおいて、Ｐベース層９とＮ層１１との接合が主接合となる。また、図３１に示すＰＩＮダイオードおよび図３２に示すＲＦＣダイオードにおいて、Ｐアノード層１０とＮ−ドリフト層１４との接合が主接合となる。
図３０〜図３２は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置であるＩＧＢＴ、ＰＩＮダイオードおよびＲＦＣダイオードの断面図である。図３０〜図３２は、それぞれ図４に示した活性セル領域Ｒ１内のＡ２−Ａ２断面に沿った断面図であり、それぞれ図１〜図３に示したＩＧＢＴ、ＰＩＮダイオードおよびＲＦＣダイオードの活性セル領域Ｒ１内の構成を示している。なお、図３１のＥ−Ｅ断面が、発明の原理で述べた図２７〜図２９の深さの横軸に相当する。図３０〜図３２に示すＮ−ドリフト層１４は、不純物濃度が１．０×１０１２〜５．０×１０１４ｃｍ−３で、ＦＺ（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｚｏｎｅ）法で作製されたＦＺウエハを用い形成される。図３０に示すＩＧＢＴにおいて、Ｐベース層９とＮ層１１との接合が主接合となる。また、図３１に示すＰＩＮダイオードおよび図３２に示すＲＦＣダイオードにおいて、Ｐアノード層１０とＮ−ドリフト層１４との接合が主接合となる。
以下の説明では、代表としてＲＦＣダイオードを例に、各拡散層のパラメータを説明する。
Ｐアノード層１０：表面不純物濃度は１．０×１０１６ｃｍ−３以上に設定され、ピーク不純物濃度は２．０×１０１６〜１．０×１０１８ｃｍ−３に設定され、深さは２．０〜１０．０μｍに設定される。
Ｎ＋カソード層１７：表面不純物濃度は１．０×１０１８〜１．０×１０２１ｃｍ−３に設定され、深さは０．３〜０．８μｍに設定される。
Ｐカソード層１８：表面不純物濃度は１．０×１０１６〜１．０×１０２０ｃｍ−３に設定され、深さは０．３〜０．８μｍに設定される。
本発明は、図３０〜図３２に示されるＮバッファ層１５に関して２通りの構造、すなわち第１構造と第２構造とを有する。第１構造のＮバッファ層１５は、第１バッファ層１５ａと第２バッファ層１５ｂの積層構造で構成される。第１バッファ層１５ａはＰコレクタ層１６、Ｎ＋カソード層１７またはＰカソード層１８と接合し、第２バッファ層１５ｂはＮ−ドリフト層１４と接合する。第１構造において、第１バッファ層１５ａと第２バッファ層１５ｂはそれぞれ不純物濃度のピークを一つ有する。
第２構造のＮバッファ層１５では、第１構造の第２バッファ層１５ｂが第１サブバッファ層１５ｂ１〜第ｎサブバッファ層１５ｂｎの積層構造として構成される。第１サブバッファ層１５ｂ１は第１バッファ層１５ａと接合し、第ｎサブバッファ層１５ｂｎはＮ−ドリフト層１４と接合する。各サブバッファ層１５ｂ１〜１５ｂｎは、それぞれ不純物濃度のピークを一つ有している。すなわち、第２構造のＮバッファ層１５は、Ｐコレクタ層１６、Ｎ＋カソード層１７またはＰカソード層１８と接合する第１バッファ層１５ａと、第１バッファ層１５ａ上に積層されＮ−ドリフト層１４と接合する第２バッファ層１５ｂとを備える。そして、第２バッファ層１５ｂは、第１バッファ層１５ａ側からＮ−ドリフト層１４側にかけて順に積層された第１サブバッファ層１５ｂ１、第２サブバッファ層１５ｂ２、…第ｎサブバッファ層１５ｂｎを備える。各サブバッファ層は一つの濃度ピークを有している。第１構造および第２構造において第１バッファ層１５ａおよび第２バッファ層１５ｂのパラメータは以下の通りである。
第１バッファ層１５ａのピーク不純物濃度Ｃａ，ｐは１．０×１０１６〜５．０×１０１６ｃｍ−３に設定され、深さＸｊ，ａは１．２〜５．０μｍに設定される。
第１構造の第２バッファ層１５ｂのピーク不純物濃度Ｃｂ，ｐと、第２構造の第２バッファ層１５ｂの各サブバッファ層１５ｂ１〜１５ｂｎのピーク不純物濃度の最大値である最大ピーク不純物濃度（Ｃｂ，ｐ）ｍａｘは、Ｎ−ドリフト層１４の不純物濃度Ｃｄより高濃度かつ１．０×１０１５ｃｍ−３以下に設定される。第２バッファ層１５ｂの深さＸｊ，ｂは４．０〜５０μｍに設定される。なお、第１構造の第２バッファ層１５ｂのピーク不純物濃度Ｃｂ，ｐと、第２構造の第２バッファ層１５ｂにおける最大ピーク不純物濃度（Ｃｂ，ｐ）ｍａｘは、それぞれ第２バッファ層１５ｂの最大不純物濃度である。
図３３は第１構造および第２構造の不純物プロファイルを示し、図３４は図３３の領域Ａ３の拡大図である。図３３及び図３４の横軸は深さを示し、図３０のＢ−Ｂ断面、図３１および図３２のＣ−Ｃ断面に対応している。また、図３３及び図３４の横軸の０は、図３０、図３１及び図３２のＢに対応している。すなわち、図３０に示すＩＧＢＴにおけるＰコレクタ層１６の下面、図３１に示すＰＩＮダイオードにおけるＮ＋カソード層１７の下面、図３２に示すＲＦＣダイオードにおけるＮ＋カソード層１７またはＰカソード層１８の下面が、図３３及び図３４の横軸の０に対応する。
図３３および図３４において、第１構造の不純物プロファイルを太い点線Ｌ１１で示し、第２構造の不純物プロファイルを太い実線Ｌ１２で示す。また、図３３および図３４において、本発明の特徴を有さない従来の縦構造領域である従来構造１，２の不純物プロファイルを、比較のためにそれぞれ細い実線Ｌ１３と細い点線Ｌ１４で示している。
第１バッファ層１５ａの深さおよび不純物プロファイルは、第１構造と第２構造において共通である。図３３には、第１バッファ層１５ａ、第１サブバッファ層１５ｂ１〜第４サブバッファ層１５ｂ４を備える第２構造の不純物プロファイルを示している。なお、図３３及び図３４では、各不純物プロファイルのピークに符号を付しており、例えば第２構造の不純物プロファイルにおいて符号「１５ｂ１」が付されたピークは、第２構造における第１サブバッファ層１５ｂ１のピークを示している。
まず、図３３および図３４を参照して第１構造について説明する。第１構造のＮバッファ層１５は、第１バッファ層１５ａと単層の第２バッファ層１５ｂからなる。第２バッファ層１５ｂの不純物濃度Ｃｂのプロファイル（不純物プロファイル）においてピーク不純物濃度Ｃｂ，ｐは、第２バッファ層１５ｂの中央部と、第１バッファ層１５ａおよび第２バッファ層１５ｂの接合部Ｘｊ，ａのうち、接合部Ｘｊ，ａに近い場所に位置する。また、第２バッファ層１５ｂの不純物プロファイルは、低濃度でかつＮ−ドリフト層１４との接合部に向けて深さ方向に緩い濃度勾配δｂを有する。ピーク不純物濃度Ｃｂ，ｐを、第２バッファ層１５ｂの中央部と、第１バッファ層１５ａおよび第２バッファ層１５ｂの接合部Ｘｊ，ａのうち、接合部Ｘｊ，ａに近い場所に位置するよう形成するため、第２バッファ層１５ｂを形成するためのイオン注入および照射技術等においてイオン種をＳｉへ導入する際のピーク位置を、第１バッファ層１５ａおよび第２バッファ層１５ｂの接合部Ｘｊ，ａより深くなるように設定する。
なお、第２バッファ層１５ｂとＮ−ドリフト層１４との接合部付近における主接合側濃度傾斜量、すなわち濃度勾配δｂ（ｄｅｃａｄｅ ｃｍ−３／μｍ）は、以下の式（１）で表される。
ただし、Δｌｏｇ１０Ｃｂは図３３に示す第２バッファ層１５ｂの不純物濃度Ｃｂの変化量であり、ｌｏｇは底が１０の常用対数であり、Δｔｂは、第２バッファ層１５ｂの深さｔｂの変化量である。
第１バッファ層１５ａと第２バッファ層１５ｂとの接合部の深さＸｊ，ａは以下のように定義する。図３４に示すように、第１バッファ層１５ａの不純物プロファイルの傾きの接線と、第２バッファ層１５ｂの不純物プロファイルの傾きの接線とが交差するポイント、すなわち不純物プロファイルの勾配が負から正に変化するポイントを、接合部の深さＸｊ，ａとする。また、第２バッファ層１５ｂとＮ−ドリフト層１４との接合部の深さＸｊ，ｂも同様に、図３３に示す第２バッファ層１５ｂの不純物プロファイルの傾きの接線と、Ｎ−ドリフト層１４の不純物プロファイルの傾きの接線とが交差するポイントで定められる。
第１構造において、第１バッファ層１５ａと第２バッファ層１５ｂは、以下の式（２）〜式（４）に表わす関係を満足する。
ただし、δａ＝９．６０（ｄｅｃａｄｅ ｃｍ−３／μｍ）、δｂ＝０．０３〜０．０６（ｄｅｃａｄｅ ｃｍ−３／μｍ）である。δｂ値は、後述する本発明のＮバッファ層１５の種々の構造パラメータを規定の範囲に設定し、かつ後述する条件ａ）〜ｅ）を満足する構造の範囲として示している。
次に、図３３および図３４を参照して第２構造について説明する。第２構造におけるＮバッファ層１５では、第２バッファ層１５ｂが複数層のサブバッファ層の積層構造として構成される。図３３には、４層のサブバッファ層から第２バッファ層１５ｂが構成される場合の不純物プロファイルが示されている。第１バッファ層１５ａの不純物プロファイルは第１構造における第１バッファ層１５ａと同様である。
第２バッファ層１５ｂにおける各サブバッファ層のピーク不純物濃度Ｃｂ１，ｐ，Ｃｂ２，ｐ，…，Ｃｂｎ，ｐは、第１バッファ層１５ａとの接合部Ｘｊ，ａからＮ−ドリフト層１４との接合部Ｘｊ，ｂに向けて、他方主面から一方主面に向かう深さ方向に段々と低くなるように、すなわち主接合側ほど低くなるように設定される。また、それらの濃度勾配δｂ１，δｂ２，…，δｂｎも同様に、第１バッファ層１５ａとの接合部Ｘｊ，ａからＮ−ドリフト層１４との接合部Ｘｊ，ｂに向けて、他方主面から一方主面に向かう深さ方向に段々と小さくなるように、すなわち主接合側ほど小さくなるように設定される。また、隣接する２つのサブバッファにおけるピーク濃度間の距離ΔＳｎ，ｎ−１は、第２バッファ層１５ｂにおいて等しい。例えば、図３３において不純物濃度のピーク点間の距離を第１サブバッファ層１５ｂ１と第２サブバッファ層１５ｂ２との間でＳｂ１，ｂ２とし、第２サブバッファ層１５ｂ２と第３サブバッファ層１５ｂ３との間でＳｂ２，ｂ３とし、第３サブバッファ層１５ｂ３と第４サブバッファ層１５ｂ４との間でＳｂ３，ｂ４とすると、ΔＳｂ１，ｂ２≒ΔＳｂ２，ｂ３≒ΔＳｂ３，ｂ４となる。なお、ここで述べるピーク点間の距離が等しいとは、厳密に等しい場合だけではなく、各サブバッファ層の半値幅（２μｍ）の範囲内で等しい場合を含む。
また、第２バッファ層１５ｂを構成する各サブバッファ層１５ｂ１〜１５ｂｎは、隣接する２つのサブバッファ層の接合部を含めて、全ての領域に亘って、不純物濃度がＮ−ドリフト層１４の不純物濃度Ｃｄよりも高くなるように設定される。
第２構造において、第１バッファ層１５ａと第２バッファ層１５ｂとは以下の式（５）に表わす関係を満足する。
また、第１バッファ層１５ａと第１サブバッファ層１５ｂ１は、以下の式（６）、式（７）に表わす関係を満足する。
ここで、δａ＝９．６０（ｄｅｃａｄｅ ｃｍ−３／μｍ）、δｂ１＝０．５０〜１．００（ｄｅｃａｄｅ ｃｍ−３／μｍ）である。
また、第２バッファ層１５ｂの各サブバッファ層１５ｂ１〜１５ｂｎは、以下の式（８）〜式（１１）に表わす関係を満足する。
ここで、第ｎサブバッファ層１５ｂｎおよびＮ−ドリフト層１４の接合部付近における濃度勾配δｂｎ（主接合側濃度勾配ともいう）は、後述する本発明のＮバッファ層１５の種々の構造パラメータを規定の範囲に設定し、かつ後述する条件ａ）〜ｅ）を満足する場合、δｂｎ＝０．１４〜０．５０（ｄｅｃａｄｅ ｃｍ−３／μｍ）である。
また、不純物プロファイルにおいて、各サブバッファ層１５ｂ１〜１５ｂｎにおけるピーク不純物濃度を繋いだ直線近似により得られる濃度勾配δ´ｂは、後述する本発明のＮバッファ層１５の種々の構造パラメータを規定の範囲に設定し、かつ後述する条件ａ）〜ｅ）を満足する場合、δ´ｂ＝０．０１〜０．０３（ｄｅｃａｄｅ ｃｍ−３／μｍ）である。
上記の関係から、本発明のＮバッファ層１５を構成する第１バッファ層１５ａおよび第２バッファ層１５ｂの役割は、図２７〜図２９に示す目標とするＮバッファ層１５の役割を考慮すると、図３５〜図３７に示す通りである。図３５はオン状態（under on-state）におけるキャリア濃度ＣＣ、不純物プロファイル（ドーピングプロファイル）ＤＰ、電界強度ＥＦを示し、図３６及び図３７は電圧遮断状態（under blocking voltage state）及び動的状態（dynamic state）におけるキャリア濃度ＣＣ、不純物プロファイルＤＰ、及び電界強度ＥＦを示している。なお、図３５〜図３７において横軸に沿って示した数字は、図３０〜図３２に示したＰアノード層１０等のＩＧＢＴまたはダイオードの構成要素を示している。
第１バッファ層１５ａは、図３６の領域Ａ２１´に示すように、静的状態で主接合から伸びてくる空乏層を止める役割を担う。これにより、安定的な耐圧特性が得られ、オフ時の低リーク電流による低オフロス化が実現する。
第２バッファ層１５ｂの不純物濃度は、オン状態すなわち定格の主電流が流れている状態において、伝導度変調現象により発生するキャリアプラズマ層により、第２バッファ層１５ｂを形成する際のドーピングプロファイルより増加する（図３５の領域Ａ１１´）。その結果、動的状態で主接合から伸びる空乏層の伸長スピードをＮ−ドリフト層１４内よりも抑制し、かつＯＮ状態で生じたキャリアプラズマ層を残留させ、電界強度分布を制御する役割を担う（図３７の領域Ａ２２´）。これにより、ターンオフ動作終焉でのｓｎａｐ−ｏｆｆ現象およびｓｎａｐ−ｏｆｆ現象に起因する発振現象を抑制し、スイッチング動作の制御性を向上した上で、動的状態における破壊耐量の向上を実現する。
図３８は、フォトルミネッセンス（Ｐｈｏｔｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ：ＰＬ）法による、本発明の第１構造または第２構造の第１バッファ層１５ａおよび第２バッファ層１５ｂにおけるＳｉの結晶性の評価結果を示している。この評価結果により、Ｓｉのバンドギャップ間のエネルギー準位に生じた欠陥準位が明らかになる。図３８の横軸はエネルギー（ｅＶ）、縦軸は温度３０Ｋにおけるフォトルミネッセンス強度（ａ．ｕ．）を示している。
図３８では、第１バッファ層１５ａの評価結果を点線Ｌ１５で、第２バッファ層１５ｂの評価結果を実線Ｌ１６で示している。第１バッファ層１５ａの評価結果は、本発明の特徴を有さない従来の縦構造領域である従来構造１，２の評価結果と同様と考えることができる。第１バッファ層１５ａ、第２バッファ層１５ｂ共に、０．９８ｅＶでは照射したレーザー光に由来するピークを有し、１．１ｅＶではバンド端発光によるピークを有している。第２バッファ層１５ｂでは、これら２つのピークの間に、図３８に領域Ａ３１、Ａ３２で示す２つのピークを有する。これらのピークは、キャリア（特にホール）の再結合中心となるエネルギー準位が、第２バッファ層を構成する半導体であるＳｉのバンドギャップ中に存在することを示している。これらの準位が、後述する図４９，５３，５４に示すように、ダイオードの動的動作時に発生するキャリア（ここでは、ホール）を捕獲する。その結果、図３２のＲＦＣダイオードにおけるＰＮＰトランジスタ領域３２の動作を抑制し、後述する図４１に示すダイオードのリカバリー動作時のＱＲＲを低減し、ダイオードのスナッピーリカバリーモードのＳＯＡ（Safe Operating Area：安全動作領域）を拡大させる特徴的な挙動へ寄与する。後述する図４２〜４４、４８，４９，５９，６０，６２，６３，６９，７１などにおいて、本発明の第１構造及び第２構造に関する不純物濃度とＩＧＢＴおよびダイオードのデバイス性能との関係を説明するが、これらの関係は、第２バッファ層１５ｂの再結合中心の欠陥密度との関係を示す結果ともいえる。
図３９は、本発明のＮバッファ層１５を用いる図３２のＲＦＣダイオードの、静的状態における電圧保持時の電界強度分布のシミュレーション結果を示している。図３９の横軸は０から１まで正規化された深さを示しており、０は図３２のＡ点、すなわちＰアノード層１０の上面に対応し、１は図３２のＢ点、すなわちＮ＋カソード層１７またはＰカソード層１８の下面に対応する。また、図３９の縦軸は不純物濃度（ｃｍ−３）と電界強度（×１０３Ｖ／ｃｍ）を示している。シミュレーションに用いたデバイスは耐圧１２００Ｖクラスであるため、静的状態では温度２５℃において１４２０Ｖの電圧が保持されている。図３９では、中程度の太さの点線Ｌ１７で第１構造の不純物プロファイルを示し、太い点線Ｌ１８で第２構造の不純物プロファイルを示している。また、中程度の太さの実線Ｌ１９で第１構造の電界強度を示し、太い実線Ｌ２０で第２構造の電界強度を示している。また、比較のため、細い点線Ｌ２１で従来構造１の不純物プロファイルを示し、細い実線Ｌ２２で従来構造１の電界強度を示している。図４０は図３９の領域Ａ４の拡大図である。
図より、デバイスが電圧保持している時、従来構造１、第１構造及び第２構造ともに、第１バッファ層１５ａにて空乏層が止まっていることが分かる。また、第１構造及び第２構造では、第２バッファ層１５ｂで電界強度分布の勾配がＮ−ドリフト層１４よりも大きくなっており、第２バッファ層１５ｂで空乏層の伸びが緩やかになっているといえる。
上記の関係および役割を担う第１バッファ層１５ａおよび第２バッファ層１５ｂは、ウエハプロセス中のデバイスの厚みを精度よく形成する工程（図１６または図２５）の後に形成する。ここで、デバイスの厚みは、図３０〜図３２に示すＡからＢまでの距離ｔＤである。第１バッファ層１５ａおよび第２バッファ層１５ｂは、形成する順番および第２バッファ層１５ｂ導入時の加速エネルギーのピーク位置の設定が重要である。すなわち、半導体基体の他方主面側から第１イオンを注入し、第１イオンをアニールにより活性化させて第１バッファ層を形成した後、半導体基体の他方主面側から第２イオンを注入し、第２イオンをアニールにより活性化させて第２バッファ層を形成する。これらの形成方法の詳細は後述する。
第１バッファ層１５ａを形成する際のアニール温度は第２バッファ層１５ｂを形成する際のアニール温度より高温であるため、第２バッファ層１５ｂより先に第１バッファ層１５ａを形成すると、第２バッファ層１５ｂの活性化後の不純物プロファイルや、第２バッファ層１５ｂを形成するために導入する結晶欠陥の種類に悪影響があり、デバイスＯＮ状態のキャリア（ここではホール）に悪影響が生じる。従って、第２バッファ層１５ｂは第１バッファ層１５ａの後に形成する。第１バッファ層１５ａの形成後にイオンをＳｉ中へ導入し、Ｐコレクタ層１６、Ｎ＋カソード層１７、またはＰカソード層１８を形成した後、もしくはコレクタ電極２３Ｃまたはカソード電極２３Ｋを形成した後にアニールを行うことで、上記に示した特性の第２バッファ層１５ｂを形成可能である。
また、第２バッファ層１５ｂを形成するためＳｉ中に導入するイオン種の濃度のピーク位置は、以下のように設定する。第１構造においては、ピーク位置から第１バッファ層１５ａおよび第２バッファ層１５ｂの接合部Ｘｊ，ａまでの距離が、ピーク位置から第２バッファ層の中央部までの距離よりも短くなるように設定する。これにより、第１バッファ層１５ａと第２バッファ層１５ｂが干渉せず、精度良く所望の第１バッファ層１５ａと第２バッファ層１５ｂとの関係を満足する第２バッファ層１５ｂを形成することができる。第２構造においては、第２バッファ層１５ｂを構成する各サブバッファ層１５ｂ１〜１５ｂｎにおける隣り合うピーク位置間の距離（ΔＳｂ１，ｂ２，ΔＳｂ２，ｂ３，…，ΔＳｂ（ｎ−１），ｂｎ）が等しくなるようにする。なお、ここで述べるピーク位置間の距離が等しいとは、厳密に等しい場合だけではなく、各サブバッファ層の半値幅（２μｍ）の範囲内で等しい場合を含む。
第１バッファ層１５ａではイオン種としてリンを用い、第２バッファ層１５ｂではセレン、硫黄、リン、プロトン（Ｈ＋）またはヘリウムを用いる。これらのイオン種を高加速エネルギーにてＳｉ中へ導入することにより、第１バッファ層１５ａおよび第２バッファ層１５ｂを形成する。プロトンまたはヘリウムを用いる場合は、３５０〜４５０℃のアニールによるドナー化でｎ層を形成する拡散層形成プロセス技術を用いる。また、プロトンまたはヘリウムは、イオン注入以外にもサイクロトロンを利用した照射技術でＳｉ中へ導入することが可能である。
プロトンをＳｉへ導入すると、導入時に生じる空孔欠陥に水素原子と酸素原子が結合して複合欠陥となる。この複合欠陥には水素が含まれるため電子供給源（ドナー）となる。アニーリングにより複合欠陥の密度が増加するとドナー濃度も増加し、イオン注入または照射プロセスに起因してサーマルドナー現象を促進するメカニズムによりドナー濃度はさらに増加する。この結果、Ｎ−ドリフト層１４よりも不純物濃度の高いドナー化した層が形成され、この層が第２バッファ層１５ｂとしてデバイスの動作に寄与する。ただし、プロトンの導入により形成される複合欠陥には、キャリアのライフタイムを低下させるライフタイムキラーとなる欠陥も存在するため、後述するように、第１バッファ層１５ａを形成した後に第２バッファ層１５ｂをドナー化する必要があり、製造工程中の第２バッファ層を形成するイオン注入工程の位置とドナー化のためのアニーリング条件が重要である。
第１バッファ層１５ａと第２バッファ層１５ｂの活性化には、それぞれ異なる手法のアニーリングを用いる。その際のアニール温度は、第１バッファ層１５ａの方が第２バッファ層１５ｂよりも高温とする。よって、第２バッファ層１５ｂの活性化率Ｒｂは第１バッファ層１５ａの活性化率Ｒａよりも小さく、Ｒｂ／Ｒａ＝０．０１となる条件で各拡散層を形成する。活性化率Ｒ（％）は（活性化後の不純物プロファイルより算出されるドーズ量／実際の拡散層領域に入っているイオン原子のドーズ量）×１００で表される。
ここで、活性化後の不純物プロファイルより算出されるドーズ量は、拡がり抵抗測定法（Ｓｐｒｅａｄｉｎｇ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ）による拡散層の不純物濃度と深さとの関係より算出されるドーズ量である。また、実際の拡散層領域に入っているイオン原子のドーズ量は、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）法によって深さ方向のイオンの質量を分析し算出されるドーズ量である。
図４１はダイオードのリカバリー波形と、当該波形から抽出される性能パラメータとを示している。図４１の横軸は時間（×１０−６秒）を示し、縦軸はアノード−カソード間電圧ＶＡＫ（Ｖ）とアノード電流密度ＪＡ（Ａ／ｃｍ２）を示している。図４１の実線Ｌ２３はアノード−カソード間電圧ＶＡＫを示し、点線Ｌ２４はアノード電流密度ＪＡを示している。ｓｎａｐ−ｏｆｆ電圧Ｖｓｎａｐ−ｏｆｆは、スナッピーリカバリー動作時のＶＡＫの最大値である。電源電圧ＶＣＣは、１．０×１０−６秒時点のＶＡＫに相当する。ｄＶ／ｄｔは、Ｖｃｃの１０〜５０％となるＶＡＫの波形勾配を示している。ＪＦは、リカバリー動作の初期の順バイアス時のＪＡの最大値を示している。ＪＡ（ｂｒｅａｋ）は、リカバリー動作時の最大遮断電流密度を示している。ＪＲＲは、リカバリー動作時の最大逆回復電流密度を示している。ｄｊ／ｄｔは、ＪＦの０〜５０％となるＪＡの波形勾配を示している。ｍａｘ．ｄｊ／ｄｔは、リカバリー動作時の最大遮断ｄｊ／ｄｔを示している。ｄｊＲ，ＯＦＦ／ｄｔは、テール電流領域終焉時のＪＡの波形勾配を示している。ＱＲＲは、リカバリー動作時の蓄積電荷量を示し、ＪＡを０Ａ以下の範囲で積分して得られる。
図４２以降では、図４１に示す上記の性能パラメータを用いて、本発明のＮバッファ層１５の第２バッファ層１５ｂのパラメータとダイオード性能との関係を示す。図４２〜図４４は、耐圧ＢＶＲＲＭ、ｓｎａｐ−ｏｆｆ電圧Ｖｓｎａｐ−ｏｆｆ、スナッピーリカバリー動作時の安全動作温度（Ｓａｆｅ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）、およびリカバリー動作時の最大遮断電流密度ＪＡ（ｂｒｅａｋ）という１７００Ｖクラスのダイオード性能を縦軸に、第２バッファ層１５ｂの構造パラメータを横軸にとり、これらの関係を示したものである。第２バッファ層１５ｂの構造パラメータとして、図４２では第２バッファ層１５ｂのトータルドーズ量Ｄｏｓｅ，ｂ（ｃｍ−２）を、図４３では第２バッファ層１５ｂの最大ピーク不純物濃度（Ｃｂ，ｐ）ｍａｘを、図４４ではＮバッファ層１５の活性化後のトータルドーズ量に占める第２バッファ層１５ｂの活性化後のトータルドーズ量（Ｄｏｓｅ´ｂ）の割合を示している。なお、Ｎバッファ層１５の活性化後のトータルドーズ量（Ｄｏｓｅ´ｂ）は、第１バッファ層１５ａおよび第２バッファ層１５ｂの活性化後のトータルドーズ量の和（Ｄｏｓｅ´ａ＋Ｄｏｓｅ´ｂ）で表される。
図４２〜図４４は、第２構造を有する図３２のＲＦＣダイオードの特性を示している。図４２〜図４４では、第２構造のＢＶＲＲＭを黒丸で、Ｖｓｎａｐ−ｏｆｆを黒菱で、安全動作温度を黒三角で、ＪＡ（ｂｒｅａｋ）を黒四角で、それぞれプロットし各プロット点を実線Ｌ２５〜Ｌ２８で繋いでいる。また、図４２では、第２構造から第１バッファ層１５ａをなくした構造のＢＶＲＲＭを参考のため白丸でプロットし、各プロット点を点線Ｌ２９で繋いでいる。また、図４２では、従来構造１におけるＢＶＲＲＭを白丸で、Ｖｓｎａｐ−ｏｆｆを白菱で、安全動作温度を白三角で、ＪＡ（ｂｒｅａｋ）を白四角で、比較のためそれぞれプロットしている。
図４２〜４４中の右軸の性能パラメータは、ダイオードの破壊耐量の指標となる性能パラメータである。その中で、Ｖｓｎａｐ−ｏｆｆは、定格電圧以下を目標とする性能パラメータである。今回は、耐圧１７００Ｖクラスのダイオードであるため、定格電圧を１７００Ｖに設定し、Ｖｓｎａｐ−ｏｆｆは１７００Ｖ以下を目標とする。安全動作温度は、スナッピーリカバリー動作下での安全動作温度を示し、より低温の数値となるほど安全動作温度範囲が広いことを示す。ＪＡ（ｂｒｅａｋ）は大きいほど大電流密度での遮断が可能で破壊耐量が大きいことを示す。
図４２より、第１バッファ層１５ａが無い第２構造では、ＢＶＲＲＭを上げるためにＤｏｓｅｂを２．０×１０１４ｃｍ−２以上に高ドーズ化する必要がある。一方、第１バッファ層１５ａが存在する第２構造では、ＢＶＲＲＭにＤｏｓｅｂに対する依存性がないが、Ｄｏｓｅｂを１．０×１０１４ｃｍ−２より高くすると、安全動作温度が大きくなり、かつＪＡ（ｂｒｅａｋ）が低下するという破壊耐量低下の挙動を示す。以上のことから、第１バッファ層１５ａを有さない構造では、電圧保持能力を保証しながら破壊耐量を保証することができず、第１バッファ層１５ａと第２バッファ層１５ｂによりＮバッファ層１５を構成することが、様々なダイオード性能を満足する観点から有効であることが分かる。
さらに、第２構造においても、Ｖｓｎａｐ−ｏｆｆを１７００Ｖ以下にし、広い安全動作温度範囲および大きなＪＡ（ｂｒｅａｋ）値を保証する（破壊耐量を保証する）ために、Ｄｏｓｅｂを１．０×１０１４ｃｍ−２以下とする必要がある。第２バッファ層１５ｂは、Ｎ−ドリフト層１４の不純物濃度Ｃｄより高濃度である必要があるため、ＤｏｓｅｂはＮ−ドリフト層１４のドーズ量（＝Ｃｄ×ｔＤ）より高い必要がある。よって、種々のダイオード性能を保証し、かつダイオードの安全動作温度範囲を拡大するためにＤｏｓｅｂは以下の式（１２）を満足する必要がある。このようにＤｏｓｅｂを設定した第２構造は、従来構造１よりも種々のダイオード性能を保証した上で、ダイオードの安全動作温度を０℃から−６０℃へ格段に拡大させる効果が得られる。
図４３より、（Ｃｂ，ｐ）ｍａｘを１．０×１０１５ｃｍ−３より大きくすると、Ｖｓｎａｐ−ｏｆｆが１７００Ｖ以上となり、かつ安全動作温度範囲が狭くなるため、（Ｃｂ，ｐ）ｍａｘを１．０×１０１５ｃｍ−３以下とする必要がある。また、第２バッファ層１５ｂはＮ−ドリフト層１４の不純物濃度Ｃｄより高濃度である必要があるため、（Ｃｂ，ｐ）ｍａｘをＣｄより高くする必要がある。従って、（Ｃｂ，ｐ）ｍａｘは以下の式（１３）を満足する必要がある。
図４４より、Ｄｏｓｅ´ｂ／（Ｄｏｓｅ´ａ＋Ｄｏｓｅ´ｂ）は、５％以下となると従来構造１に近いダイオード性能となるため安全動作温度範囲が狭くなる。また、Ｄｏｓｅ´ａ／（Ｄｏｓｅ´ａ＋Ｄｏｓｅ´ｂ）が４０％以上になると、Ｄｏｓｅ´ｂが１．０×１０１４ｃｍ−２以上となるため、Ｖｓｎａｐ−ｏｆｆが１７００Ｖ以上となり、かつ安全動作温度範囲が狭くなる。そのため、Ｄｏｓｅ´ｂ／（Ｄｏｓｅ´ａ＋Ｄｏｓｅ´ｂ）は以下の式（１５）を満足する必要がある。
図４５，４６には、図４２〜４４のような第２構造の特徴的な挙動に関するメカニズムを説明するため、図４１に示す解析ポイントＡＰ１におけるデバイス内部状態のシミュレーション結果を示している。図４１に示す解析ポイントＡＰ１は、第２構造を有する図３２のＲＦＣダイオードにて、（Ｃｂ，ｐ）ｍａｘ＞１．０×１０１５ｃｍ−３と設定したときに破壊するポイントを参考にして設定している。図４５，４６のシミュレーションに用いたデバイスは図３２のＲＦＣダイオードであり、そのうち図４５のシミュレーションに用いたデバイスでは第２バッファ層１５ｂの最大不純物濃度（Ｃｂ，ｐ）ｍａｘを（Ｃｂ，ｐ）ｍａｘ≦１．０×１０１５ｃｍ−３とし、図４６のシミュレーションに用いたデバイスでは（Ｃｂ，ｐ）ｍａｘ＞１．０×１０１５ｃｍ−３と設定している。
図４５、４６の横軸は正規化した深さを示している。横軸の０は図３２のＡ、すなわちＰアノード層１０の最表面に相当し、横軸の１．０は図３２のＢ、すなわちＰカソード層１８の表面に相当する。縦軸は、キャリア濃度（ｃｍ−３）及び電界強度（×１０３Ｖ／ｃｍ）を示している。図４５，４６において、ＰＩＮダイオード領域３１における特性を点線で示し、そのうち電子濃度を細い点線Ｌ３０、正孔濃度を中程度の太さの点線Ｌ３１、電界強度を太い点線Ｌ３２で示している。また、ＰＮＰトランジスタ領域３２における特性を実線で示し、そのうち電子濃度を細い実線Ｌ３３、正孔濃度を中程度の太さの実線Ｌ３４、電界強度を太い実線Ｌ３５で示している。
図４２〜図４４に示す第２バッファ層１５ｂのパラメータが適切に設定されたＲＦＣダイオードでは、図４５に示すように、ＰＩＮダイオード領域３１およびＰＮＰトランジスタ領域３２とも、カソード側残留キャリアプラズマ層を制御しながらそれぞれ主接合付近で最大となる三角形および台形に近い電気強度分布を示す。このようなダイオード内部状態では、ダイオード動作は安定的な動作を行い、破壊耐量への悪影響は無いと考えられる。ただし、図４６に示すように、第２バッファ層１５ｂのパラメータを（Ｃｂ，ｐ）ｍａｘ＞１．０×１０１５ｃｍ−３と設定すると、ＲＦＣダイオードを構成するＰＩＮダイオード領域３１にて、残留キャリアプラズマ層が第２バッファ層１５ｂ中の第ｎサブバッファ層１５ｂｎとＮ−ドリフト層１４との間の接合部付近に局所的に分布する結果となる。そのため、Ｎ＋カソード層１７へ向けて電界強度が上昇し、電界強度のアンバランス化が発生する。
ダイオードの動作中に電界強度のアンバランス化が発生すると、破壊耐量の低下を招く。つまり、図４３には第２バッファ層の最大不純物濃度（Ｃｂ，ｐ）ｍａｘが１．０×１０１５ｃｍ−３以上で破壊耐量が劇的に低下する挙動を示したが、この挙動は、図４６に示すようなダイオードのリカバリー動作中のダイオード内部にて、電界強度のアンバランス化が起きていることがトリガとなっていると考えられる。
同様に、図４２および図４４に示す横軸の構造パラメータが高い領域でも、図４６に示すようなダイオード内部状態となり、破壊耐量の低下を招いていると考えられる。また、図４５および図４６のカソード領域を比較すると、第２バッファ層１５ｂの最大不純物濃度（Ｃｂ，ｐ）ｍａｘが（Ｃｂ，ｐ）ｍａｘ＞１．０×１０１５ｃｍ−３となると、目標とするＮバッファ層１５の役割の１つである図３７中のＡ１２´領域に示す動的動作時に第２バッファ層１５ｂの残留キャリアプラズマ層領域が狭くなり、ＰＩＮダイオード領域３１およびＰＮＰトランジスタ領域３２のいずれも第２バッファ層１５ｂ領域で枯渇している。つまり、第２バッファ層１５ｂが高濃度化して（Ｃｂ，ｐ）ｍａｘ＞１．０×１０１５ｃｍ−３またはＤｏｓｅｂ＞１．０×１０１４ｃｍ−２となると、動的動作時に第２バッファ層１５ｂの残留キャリアプラズマ層領域が狭くなって枯渇する結果、ダイオードの破壊耐量が低下する。この挙動は、第２バッファ層１５ｂの構造パラメータの一つであるＤｏｓｅｂ／（Ｄｏｓｅａ＋Ｄｏｓｅｂ）値が、４０％より大きくなる場合にも発生する。
上記に示した構造パラメータ以外にも、第２バッファ層１５ｂの構造パラメータとして（Ｃｂ，ｐ）ｍａｘ／Ｃｄと（Ｃｂ，ｐ）ｍａｘ／Ｃａ，ｐがある。（Ｃｂ，ｐ）ｍａｘ／Ｃｄは、第２バッファ層１５ｂの最大ピーク不純物濃度（Ｃｂ，ｐ）ｍａｘとＮ−ドリフト層１４の不純物濃度Ｃｄとの関係を表している。２つ目は、（Ｃｂ，ｐ）ｍａｘ／Ｃａ，ｐであり、第２バッファ層１５ｂの最大ピーク不純物濃度（Ｃｂ，ｐ）ｍａｘと第１バッファ層１５ａのピーク不純物濃度Ｃａ，ｐとの関係を表すパラメータである。
Ｎ−ドリフト層１４の不純物濃度Ｃｄは１．０×１０１２〜５．０×１０１４ｃｍ−３であり、第１バッファ層１５ａのピーク不純物濃度Ｃａ，ｐは１．０×１０１６〜５．０×１０１６ｃｍ−３である。したがって、式（１３）より上記のパラメータは以下の式（１５）及び式（１６）を満足する必要がある。
ただし、（Ｃｂ，ｐ）ｍａｘ／Ｃａ，ｐに関しては、図４３に示す実測データでカバーしている範囲という観点から、式（１７）の条件に設定することが、ダイオードの種々の性能と広い安全動作温度範囲を保証する観点からより良いと考える。
図４７は、第２構造を有する耐圧６５００ＶクラスのＲＦＣダイオードについて、耐圧ＢＶＲＲＭおよびスナッピーリカバリー動作時の安全動作温度（Ｓａｆｅ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）のダイオード性能を縦軸に、第２バッファ層１５ｂの構造パラメータである（Ｃｂ，ｐ）ｍａｘ／Ｃａ，ｐを横軸にとり、これらの関係を示すグラフである。図では耐圧ＢＶＲＲＭを黒丸でプロットして実線Ｌ３６でつなぎ、安全動作温度を黒三角でプロットして実線Ｌ３７でつないでいる。なお、（Ｃｂ，ｐ）ｍａｘ／Ｃａ，ｐ＞０．１の範囲で安全動作温度のデータが存在しないのは、ＢＶＲＲＭがリカバリー動作評価時のＶＣＣより低い電圧しか保持できず評価できないためである。図の横軸に関して、（Ｃｂ，ｐ）ｍａｘ／Ｃａ，ｐが大きくなるほどＮバッファ層１５における第１バッファ層１５ａの影響が低下し、第２バッファ層１５ｂの影響に律速するため、ＢＶＲＲＭは極端に低下する。逆に、（Ｃｂ，ｐ）ｍａｘ／Ｃａ，ｐが小さくなるほど、Ｎバッファ層１５における第２バッファ層１５ｂの影響が低下し第１バッファ層１５ａの影響に律速するため、安全動作温度範囲が狭くなる。図４７の結果から、第２バッファ層１５ｂの構造パラメータである（Ｃｂ，ｐ）ｍａｘ／Ｃａ，ｐを式（１８）を満たす範囲に設定することで、種々のダイオード性能を満足する有効な効果が得られる。
図４８は、Ｄｏｓｅｂをパラメータとしてスナッピーリカバリー動作時のＶｓｎａｐ−ｏｆｆとＶＣＣとの関係を示している。評価デバイスは耐圧１２００ＶクラスのＲＦＣダイオードであり、従来構造１、第１構造および第２構造のそれぞれについて評価を行った。従来構造１の評価結果は白丸でプロットし、各プロット間を点線Ｌ４４で接続している。第１構造の評価結果は、Ｄｏｓｅｂ＝５．０×１０１３ｃｍ−２の場合を白丸でプロットし、Ｄｏｓｅｂ＝１．０×１０１４ｃｍ−２の場合を白三角でプロットし、Ｄｏｓｅｂ＝２．０×１０１４ｃｍ−２の場合を白四角でプロットし、各プロット間をそれぞれ実線Ｌ３８〜Ｌ４０で接続している。また、第２構造の評価結果は、Ｄｏｓｅｂ＝５．０×１０１３ｃｍ−２の場合を黒丸でプロットし、Ｄｏｓｅｂ＝１．０×１０１４ｃｍ−２の場合を黒三角でプロットし、Ｄｏｓｅｂ＝２．０×１０１４ｃｍ−２の場合を黒四角でプロットし、各プロット間をそれぞれ実線Ｌ４１〜Ｌ４３で接続している。
Ｖｓｎａｐ−ｏｆｆが小さいほどダイオード性能として優れており、Ｖｓｎａｐ−ｏｆｆは評価ダイオードの定格電圧よりも小さくする必要がある。図４８より、第１構造および第２構造では、従来構造１よりもＶｓｎａｐ−ｏｆｆ値が高くなり、Ｖｓｎａｐ−ｏｆｆ≦１２００Ｖを満足するにはＤｏｓｅｂ≦１．０×１０１４ｃｍ−２とする必要があることが分かる。
図４９は、耐圧１２００ＶクラスのＲＦＣダイオードにおける−２０℃でのスナッピーリカバリー条件下でのリカバリー波形を示している。その他のスイッチング条件は、ＶＣＣ＝１０００Ｖ、ＪＦ＝０．１ＪＡ、ｄｊ／ｄｔ＝１０００Ａ／ｃｍ２μｓ、ｄＶ／ｄｔ＝１２５００Ｖ／μｓ、Ｌｓ＝２．０μＨである。図４９の横軸は時間（×１０−６秒）を、縦軸はアノード−カソード間電圧ＶＡＫ（Ｖ）およびアノード電流密度ＪＡ（Ａ／ｃｍ−２）をそれぞれ示している。従来構造１のＶＡＫを細い実線Ｌ４５で、ＪＡを細い点線Ｌ４６でそれぞれ示している。また、第１構造のＶＡＫを中程度の太さの実線Ｌ４７でＪＡを中程度の太さの点線Ｌ４８で、それぞれ示している。また、第２構造のＶＡＫを太い実線Ｌ４９で、ＪＡを太い点線Ｌ５０で、それぞれ示している。
図４９では、後述する図６１とは異なり、スナッピーリカバリー動作時にｓｎａｐ−ｏｆｆ現象およびその後の発振現象を発生していないことがわかる。これは、ＲＦＣダイオードの効果である。図中の従来構造１の波形中のバツ印は、デバイスが破壊したポイントを示している。図より、従来構造１では、−２０℃でリカバリー動作の後半に巨大なテール電流が発生し、デバイスの破壊が生じている。一方、第１構造および第２構造では、リカバリー動作の後半におけるテール電流が低減し、デバイスが破壊することなく遮断している。上記した従来構造１の挙動のメカニズムは、ダイオードのリカバリー動作時の特徴的な挙動によるものである。また、ダイオードのリカバリー動作時に巨大なテール電流が発生するかどうかを判断する指標となるダイオード性能パラメータは、図４１中のＱＲＲ値である。
上記の結果は、−２０℃におけるスナッピーリカバリー動作を従来構造１では保証できないが、第１構造および第２構造では保証できることを示している。つまり、第１構造および第２構造は、ＲＦＣダイオードの特徴であるリカバリー動作終焉でのｓｎａｐ−ｏｆｆ現象およびその後の発振現象を抑制しつつ、リカバリー動作中にＰＮＰトランジスタ領域３２の動作を抑制することにより、バランスの取れた動作を実現する効果がある。
図５０は、第２構造における第２バッファ層１５ｂの不純物プロファイルをパラメータとして、スナッピーリカバリー動作時のＶｓｎａｐ−ｏｆｆとＶＣＣとの関係を示している。図５０の横軸はＶＣＣ（Ｖ）、縦軸はＶｓｎａｐ−ｏｆｆ（Ｖ）を示している。評価デバイスは、耐圧１２００ＶクラスのＲＦＣダイオードである。図５０中のバツ印は、デバイスが破壊したポイントを示している。図では、δｂｎ＜δｂ（ｎ−１）かつＣｂｎ，ｐ＜Ｃｂ（ｎ−１），ｐとしたときの特性を黒丸でプロットし、δｂｎ＝δｂ（ｎ−１）かつＣｂｎ，ｐ＝Ｃｂ（ｎ−１），ｐとしたときの特性を白丸でプロットし、δｂｎ＞δｂ（ｎ−１）かつＣｂｎ，ｐ＞Ｃｂ（ｎ−１），ｐとしたときの特性を黒三角でプロットし、それぞれ実線Ｌ５１〜Ｌ５３で接続している。なお、δｂｎ＜δｂ（ｎ−１）かつＣｂｎ，ｐ＜Ｃｂ（ｎ−１），ｐの濃度プロファイルは、図３３に示す第２構造の濃度プロファイルである。δｂｎ＝δｂ（ｎ−１）かつＣｂｎ，ｐ＝Ｃｂ（ｎ−１），ｐの濃度プロファイルは、フラットな濃度プロファイルである。δｂｎ＞δｂ（ｎ−１）かつＣｂｎ，ｐ＞Ｃｂ（ｎ−１），ｐを満足する濃度プロファイルは、第２バッファ層１５ｂのＮ−ドリフト層１４側から第１バッファ層１５ａ側にかけて濃度が低下する濃度プロファイルである。図より、第２構造の第２バッファ層１５ｂの濃度プロファイルは、以下の条件ａ）を満足することで、スナッピーリカバリー動作で破壊せず、かつＶｓｎａｐ−ｏｆｆ≦１２００Ｖを満足することがわかる。
ａ）δｂｎ＜δｂ（ｎ−１）かつＣｂｎ，ｐ＜Ｃｂ（ｎ−１），ｐ
図５１は、第２構造の第２バッファ層１５ｂのアニーリング後の不純物プロファイルを示している。図５１の横軸は深さ（×１０−６μｍ）を、縦軸はＮ型不純物濃度（ｃｍ−３）を示している。また、プロトン（Ｈ＋）をＳｉへ導入する際の加速エネルギーが一条件の場合の不純物プロファイルを点線で、二条件の場合の不純物プロファイルを一点鎖線で、理想的な不純物プロファイルを実線で示している。また、実線Ｌ５６のピークに付した符号は、第２バッファ層１５ｂの各サブバッファ層１５ｂ１〜１５ｂ４を示している。
図５１は、第２構造の第２バッファ層１５ｂのアニーリング後の不純物プロファイルを示している。図５１の横軸は深さ（×１０−６μｍ）を、縦軸はＮ型不純物濃度（ｃｍ−３）を示している。また、プロトン（Ｈ＋）をＳｉへ導入する際の加速エネルギーが一条件の場合の不純物プロファイルを点線で、二条件の場合の不純物プロファイルを一点鎖線で、理想的な不純物プロファイルを実線で示している。また、実線Ｌ５６のピークに付した符号は、第２バッファ層１５ｂの各サブバッファ層１５ｂ１〜１５ｂ４を示している。
図５１より、加速エネルギーが一条件もしくは二条件の場合は、プロトン（Ｈ＋）が通過した領域でドナー層が形成されずＮ型不純物濃度が低くなることが分かる。このＮ型不純物濃度が低くなる領域をＰ層３７とする。Ｐ層３７は、Ｎ−ドリフト層１４の不純物濃度Ｃｄ以下の低濃度であり、かつ結晶欠陥が多く、キャリアのライフタイムを低下させるライフタイムキラーとなる。Ｎバッファ層１５にこのようなＰ層３７が存在すると、Ｎバッファ層１５がＩＧＢＴにおけるコレクタ側あるいはダイオードにおけるカソード側に残留キャリアプラズマ層を形成することができなくなり、かつ局所的な低ライフタイム領域が存在することで、ターンオフ動作時のｓｎａｐ−ｏｆｆ現象およびサージ電圧の抑制、並びにオフ動作時のリーク電流の低減が実現できなくなる。また、ＯＮ電圧が増加し、かつデバイスの特性のバラツキが増加するという、デバイス性能面へ悪影響を及ぼす。よって、Ｎバッファ層１５では、Ｎ−ドリフト層１４の不純物濃度Ｎｄ以下の低濃度なＰ層３７を形成しないように、第２バッファ層１５ｂを形成する必要がある。前述のように第２バッファ層１５ｂでは、プロトン（Ｈ＋）をＳｉへ導入した際に形成される複合欠陥と水素が結合し、サーマルドナー化を促進したメカニズムによりドナー層が形成される。従って、複合欠陥と結合する水素を補充しプロトン通過領域にＰ層３７が形成されないようにするためには、プロトン（Ｈ＋）をＳｉへ導入する際に不純物濃度のピーク位置の間隔（ΔＳｂ１，ｂ２，ΔＳｂ２，ｂ３，…，ΔＳｂ（ｎ−１），ｂｎ）が等しくなるように、加速エネルギーを変化させるか、もしくは加速エネルギーを一定として注入角度を変化させる必要がある。なお、ここで述べるピーク位置の間隔が等しいとは、厳密に等しい場合だけではなく、各サブバッファ層の半値幅（２μｍ）の範囲内で等しい場合を含む。
第１バッファ層１５ａと、第２バッファ層１５ｂ中の第１バッファ層１５ａと接する第１サブバッファ層１５ｂ１は、それぞれのピーク濃度となる深さの差が小さい。この特徴は、互いの不純物プロファイルを安定化させる観点と、第１サブバッファ層１５ｂ１の形成にあたりプロトン（Ｈ＋）の通過領域に結晶欠陥の多いＰ層３７が形成されることを抑制する観点からで、第１バッファ層１５ａと第１サブバッファ層１５ｂ１における不純物濃度のピーク位置の間隔（ΔＳａ，ｂ１）を、第２バッファ層１５ｂの隣接する各サブバッファ層１５ｂ１〜１５ｂｎにおける不純物濃度のピーク位置の間隔（ΔＳｂ１，ｂ２，ΔＳｂ２，ｂ３，…，ΔＳｂ（ｎ−１），ｂｎ）よりも小さくする必要がある。
第２バッファ層１５ｂを構成する各サブバッファ層１５ｂ１〜１５ｂｎの活性化後の不純物プロファイルは、一方主面から他方主面の方向に、すなわちＩＧＢＴであればＰコレクタ層１６、ダイオードであればＮ＋カソード層１７またはＰカソード層１８の方向へ裾を引く特徴を持つ。このような不純物プロファイルを形成することで、デバイス動作時に主接合からＰコレクタ層１６、Ｎ＋カソード層１７またはＰカソード層１８側へ伸びる空乏層の伸張スピードを、各サブバッファ層１５ｂ１〜１５ｂｎにおいて緩やかにすることができる。これにより、デバイスの動的動作時に残留キャリアプラズマ層に加えて空乏層の伸びを制御し、図４５に示すように動的動作時の電界強度分布の制御性を向上させ、ターンオフ動作の制御性や破壊耐量向上を実現する。そのためには、Ｎバッファ層１５は以下の条件ｂ）〜ｄ）を満たす必要がある。
ｂ）第２バッファ層１５ｂを構成する各サブバッファ層１５ｂ１〜１５ｂｎにおいて、ΔＳｂ１，ｂ２＝ΔＳｂ２，ｂ３…＝ΔＳｂ（ｎ−１），ｂｎとする。
ｃ）第１バッファ層１５ａと第２バッファ層１５ｂとの間で、ΔＳａ，ｂ１＜ΔＳｂ１，ｂ２とする。
ｄ）図３３および図５０より、第２バッファ層１５ｂを構成する各サブバッファ層１５ｂ１〜１５ｂｎの不純物プロファイルは、ＩＧＢＴであればＰコレクタ層１６、ダイオードであればＮ＋カソード層１７またはＰカソード層１８の方向へ裾を引く不純物プロファイルとする。
ｅ）条件ｄ）は、少なくとも第２サブバッファ層１５ｂ２以降の主接合側に位置する２つの以上のサブバッファ層１５ｂ２〜１５ｂｎの不純物プロファイルに適用する。
図５０，５１から、本発明の第２構造は、図４２〜４４，４７に示すようなダイオードの種々の性能を満足するには、第２バッファ層１５ｂの構造パラメータ以外に、上記条件ａ）〜ｅ）を満足する必要がある。
以上から、図３３に示す不純物プロファイルの特徴を有する本発明のＮバッファ層１５である第１構造および第２構造は、図４２〜４４，４７で示す第２バッファ層１５ｂの構造パラメータを設定すること、第２構造では加えて上記条件ａ）〜ｅ）を満足することにより、種々の性能を満足するバランスの取れたダイオードを実現する。その上で、従来構造１に対し、ダイオードのスナッピーリカバリー動作時の巨大テール電流を抑制する作用により、安全動作温度を拡大させる効果を示す。
＜実施の形態２＞
実施の形態２では、図３２に示すＲＦＣダイオードのＮバッファ層１５に、実施の形態１で述べた種々の構造パラメータと条件ａ）〜ｅ）を適用したときの、ダイオード性能の結果（図５２〜図６０）を説明する。
実施の形態２では、図３２に示すＲＦＣダイオードのＮバッファ層１５に、実施の形態１で述べた種々の構造パラメータと条件ａ）〜ｅ）を適用したときの、ダイオード性能の結果（図５２〜図６０）を説明する。
図５２〜５４は、耐圧１２００ＶクラスのＲＦＣダイオードのスナッピーリカバリー動作のＮバッファ層１５依存性を示している。−２０℃でのスナッピーリカバリー動作時の波形は、図４９に示したとおりである。図５２，５３は、それぞれＶＣＣ＝１０００Ｖにおける動作温度とＶｓｎａｐ−ｏｆｆおよびＱＲＲとの関係を示している。図５４は、−２０℃でのＱＲＲとＶＣＣとの関係を示している。図５２〜５４において、第１構造の特性を黒三角、第２構造の特性を黒丸でプロットし、各プロットを実線Ｌ５４、Ｌ５５で接続している。また、従来構造１の特性を白丸でプロットし、各プロットを点線Ｌ５６で接続している。また、バツ印はデバイスが破壊したポイントを示している。
図５２，５３に示すように、従来構造１では−２０℃でデバイスが破壊されるが、第１構造および第２構造では−６０℃の低温でも正常な動作が行われることがわかる。なお、従来構造１が−２０℃で破壊する際には、巨大なＱＲＲ値を示す特徴的なリカバリー動作を示し、図４９に示すようにリカバリー動作後半にて巨大なテール電流が発生する。
図５４に示すように、従来構造１ではＱＲＲのＶＣＣ依存性が大きい。すなわち、従来構造１ではＶＣＣが高いとＰＮＰトランジスタ領域３２が動作しやすくなり、破壊に至ると考えられる。一方、第１構造および第２構造では、ＱＲＲのＶＣＣ依存性が小さい。すなわち、第１構造および第２構造では、ＶＣＣが高い条件下でもＰＮＰトランジスタ領域３２の動作を抑制する効果がある。このように、第１構造および第２構造では、ＰＮＰトランジスタ領域３２の動作を抑制する効果により、スナッピーリカバリー動作時の安全動作温度を拡大するという特徴を有している。
従って、図５３，５４から、ＱＲＲの動作温度依存性およびＶＣＣ依存性を可能なかぎり小さくなることが、ＲＦＣダイオードでのスナッピーリカバリー動作温度範囲を低温側へ拡大し、スナッピーリカバリーモードのＳＯＡ（Ｓａｆｅ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ａｒｅａ、安全動作領域）を改善するための一つの指標となることがわかる。
図５５は、耐圧４５００ＶクラスのＲＦＣダイオードにおける１７５℃でのリーク電流密度ＪＲ−逆バイアス電圧ＶＲ特性を示している。図５５の横軸は逆バイアス電圧ＶＲ（Ｖ）、縦軸はリーク電流密度ＪＲ（Ａ／ｃｍ２）を示している。また、図５５では点線Ｌ５７、一点鎖線Ｌ５８、実線Ｌ５９がそれぞれ従来構造１、従来構造２、第２構造の特性を示している。
図５６は、逆バイアス電圧ＶＲが４５００Ｖのときのリーク電流密度ＪＲ（Ａ／ｃｍ２）と動作温度（℃）の関係を示しており、点線Ｌ６０、一点鎖線Ｌ６１、実線Ｌ６２がそれぞれ従来構造１、従来構造２、第２構造の特性を示している。図５６における動作温度が１７５℃のときのＪＲは、図５５におけるＶＲ＝４５００のときのＪＲと一致する。
図５５より、従来構造１ではＶＲが約２５００Ｖにおいてデバイス自身の発熱により電圧を保持できなくなり、領域Ａ３３で示す熱暴走現象が発生する。一方、第２構造では、ＲＦＣダイオードに内蔵するＰＮＰトランジスタ領域３２の増幅率αｐｎｐが下がり、オフ時のリーク電流を低減するため、ＶＲ×ＪＲで示されるオフロスを小さくし、オフ時のチップ自身の発熱量を低減することができる。したがって、第２構造は従来構造１と異なり熱暴走せず、１７５℃でもオフ時の電圧保持能力を有する。
さらに、図５６より、第２構造は従来構造１よりもオフ時のリーク電流が小さく、低オフロス化となることが分かる。つまり、第２構造ではパワー半導体自身の発熱量を抑制するため、パワー半導体を搭載するパワーモジュールの熱設計面から発熱を抑える効果を示す。
図５７〜６０は、耐圧４５００ＶクラスのＲＦＣダイオードのスナッピーリカバリー動作におけるＮバッファ層１５依存性を示している。図５７は、−２０℃でのリカバリー波形であり、その他のスイッチング条件は、ＶＣＣ＝３６００Ｖ、ＪＦ＝０．１ＪＡ、ｄｊ／ｄｔ＝５８０Ａ／ｃｍ２μｓ、ｄＶ／ｄｔ＝３２０００Ｖ／μｓ、Ｌｓ＝２．０μＨである。図５７の横軸は時間（×１０−６秒）、縦軸はアノード−カソード間電圧ＶＡＫ（Ｖ）およびアノード電流密度ＪＡ（Ａ／ｃｍ２）をそれぞれ示している。従来構造１のＶＡＫを細い実線Ｌ６３で、ＪＡを細い点線Ｌ６４でそれぞれ示している。また、従来構造２のＶＡＫを中程度の太さの実線Ｌ６５でＪＡを中程度の太さの点線Ｌ６６で、それぞれ示している。また、第２構造のＶＡＫを太い実線Ｌ６７で、ＪＡを太い点線Ｌ６８で、それぞれ示している。
図５７より、従来構造１および従来構造２ではリカバリー動作の後半に巨大なテール電流が発生し、特に従来構造１ではリカバリー動作の途中で破壊に至ることが分かる。一方、第２構造では、図４４に示した耐圧１２００Ｖクラスのダイオードの場合と同様、耐圧４５００Ｖクラスのダイオードにおいても巨大なテール電流を抑制し、遮断していることが分かる。
図５８は、２５℃でのＶｓｎａｐ−ｏｆｆとＶＣＣとの関係を示している。図５８の横軸がＶＣＣ（Ｖ）、縦軸がＶｓｎａｐ−ｏｆｆ（Ｖ）をそれぞれ示している。図５９は、２５℃でのＱＲＲとＶＣＣとの関係を示している。図５９の横軸がＶＣＣ（Ｖ）、縦軸がＱＲＲ（×１０−６Ｃ／ｃｍ２）をそれぞれ示している。図６０は、ＶＣＣ＝３６００ＶにおけるＱＲＲと動作温度との関係を示している。図６０の横軸が動作温度（℃）、縦軸がＱＲＲ（×１０−６Ｃ／ｃｍ２）をそれぞれ示している。また、図６０中のバツ印はデバイスの破壊ポイントを示している。図５８〜図６０において、白丸と点線Ｌ６９が従来構造１、白三角と点線Ｌ７０が従来構造２、黒丸と実線Ｌ７１が第２構造の特性をそれぞれ示している。
図５８，５９から、従来構造１，２は第２構造に比べてＶｓｎａｐ−ｏｆｆは低いものの、ＱＲＲのＶＣＣ依存性が大きいことが分かる。また、図６０に示すように従来構造１では、動作温度の低下と共にＱＲＲが大きくなり、−２０℃でデバイスが破壊される。耐圧１２００ＶクラスのＲＦＣダイオードの結果を含め、スナッピーリカバリー動作時の動作温度範囲を拡大する観点から、ＱＲＲの動作温度依存性およびＶＣＣ依存性は可能なかぎり小さい方が良い。目標とする挙動を示すのは、本発明のＮバッファ層１５である第１構造および第２構造である。
以上のように、本発明の第１構造および第２構造は、前述のＲＦＣダイオードの特徴であるリカバリー動作終焉でのｓｎａｐ−ｏｆｆ現象およびその後の発振現象を抑制する効果を保持しながら、リカバリー動作中にＲＦＣダイオードを構成するＰＮＰトランジスタ領域３２の動作を抑制することにより低ＱＲＲ化を実現し、バランスの取れたＲＦＣダイオードの動作を保証する。その結果、スナッピーリカバリー動作時の安全動作温度を拡大、すなわちスナッピーリカバリーモードでのＳＯＡを拡大させ、破壊耐量の向上を実現する。
＜実施の形態３＞
実施の形態３では、図３１に示すＰＩＮダイオードのＮバッファ層１５に、実施の形態１で述べた種々の構造パラメータと条件ａ）〜ｅ）を適用したときの、ダイオード性能の結果図６１〜図６３）を説明する。
実施の形態３では、図３１に示すＰＩＮダイオードのＮバッファ層１５に、実施の形態１で述べた種々の構造パラメータと条件ａ）〜ｅ）を適用したときの、ダイオード性能の結果図６１〜図６３）を説明する。
図６１〜図６３にダイオード性能を示す評価デバイスは、耐圧４５００ＶクラスのＰＩＮダイオードである。図６１〜図６３には比較のために従来構造１，２のダイオード性能も示しており、この従来構造１，２の不純物プロファイルは既に図３３で示している。また、図６１〜図６３のバツ印はデバイスの破壊ポイントを示している。
図６１は、耐圧４５００ＶクラスのＰＩＮダイオードの２５℃でのスナッピーリカバリー波形を示している。その他のスイッチング条件は、ＶＣＣ＝３６００Ｖ、ＪＦ＝０．１ＪＡ、ｄｊ／ｄｔ＝２８０Ａ／ｃｍ２μｓ、ｄＶ／ｄｔ＝２３０００Ｖ／μｓ、Ｌｓ＝２．０μＨである。図６１の横軸は時間（×１０−６秒）を、縦軸はアノード−カソード間電圧ＶＡＫ（Ｖ）およびアノード電流密度ＪＡ（Ａ／ｃｍ−２）をそれぞれ示している。従来構造１のＶＡＫを細い実線Ｌ７２で、ＪＡを細い点線Ｌ７３でそれぞれ示している。また、従来構造２のＶＡＫを中程度の太さの実線Ｌ７４でＪＡを中程度の太さの点線Ｌ７５で、それぞれ示している。また、第２構造のＶＡＫを太い実線Ｌ７６で、ＪＡを太い点線Ｌ７７で、それぞれ示している。
ＰＩＮダイオードはＲＦＣダイオードに比べ、リカバリー動作の後半でＮバッファ層１５のカソード側に残留キャリアプラズマ層が枯渇しやすいため、リカバリー動作時のｓｎａｐ−ｏｆｆ現象の抑制効果が小さい。その結果、図６１に示すように、従来構造１，２ではｓｎａｐ−ｏｆｆ現象が発生し、特に従来構造１の構造ではｓｎａｐ−ｏｆｆ現象後にデバイス破壊に至る。ただし、第２構造を用いるＰＩＮダイオードでは、Ｎ−ドリフト層１４と第ｎサブバッファ層１５ｂｎとの接合部付近の残留キャリアプラズマ層の影響により、リカバリー動作時に主接合から伸びる空乏層の伸長スピードが第２バッファ層１５ｂ内で低下し、従来構造に比べてｓｎａｐ−ｏｆｆ現象が発生したとしてもＶｓｎａｐ−ｏｆｆが小さくなる。すなわち、図３５の領域Ａ１１´および図３７の領域Ａ１２´に示すように、第２構造では第２バッファ層１５ｂにＯＮ状態から存在するキャリアプラズマ層がリカバリー動作時にも残留しており、これにより電界強度分布が制御されてｓｎａｐ−ｏｆｆポイントが遅延され、結果としてデバイス破壊を回避できる。
図６２は、２５℃でのＶｓｎａｐ−ｏｆｆとＶＣＣとの関係を示している。図６２の横軸はＶＣＣ（Ｖ）を示し、縦軸はＶｓｎａｐ−ｏｆｆ（Ｖ）を示している。図６３は、２５℃でのＱＲＲとＶＣＣとの関係を示している。図６３の横軸はＶＣＣ（Ｖ）を示し、縦軸はＱＲＲ（×１０−６／ｃｍ２）を示している。図６２および図６３において、従来構造１の特性を白丸と点線Ｌ７８で、従来構造２の特性を白三角と点線Ｌ７９で、第２構造の特性を黒丸と実線Ｌ８０で、それぞれ示している。
図６２より、ＰＩＮダイオードにおいても第２構造を採用することにより、従来構造１ではデバイス破壊が生じる電圧でもデバイス破壊を回避し、スナッピーリカバリー動作時の破壊耐量が向上することが分かる。その上、第２構造のＮバッファ層１５は、従来構造１，２と比較してＶｓｎａｐ−ｏｆｆのＶＣＣ依存性が低く、高ＶＣＣ側での高破壊耐量化に対し最も効果的であることが分かる。
図６３より、第２構造は従来構造１，２よりもＱＲＲのＶＣＣ依存性が小さいことが分かる。したがって、第２構造ではＰＩＮダイオードのスナッピーリカバリー動作時の破壊耐量が向上する。以上のように、本発明の第１構造および第２構造は、ＰＩＮダイオードにおいても破壊耐量を向上させる効果を示す。
＜実施の形態４＞
実施の形態４では、図３０に示すトレンチゲート構造のＩＧＢＴのＮバッファ層１５に、実施の形態１で述べた種々の構造パラメータと条件ａ）〜ｅ）を適用したときの、ＩＧＢＴ性能の結果（図６４〜図７１）を説明する。
実施の形態４では、図３０に示すトレンチゲート構造のＩＧＢＴのＮバッファ層１５に、実施の形態１で述べた種々の構造パラメータと条件ａ）〜ｅ）を適用したときの、ＩＧＢＴ性能の結果（図６４〜図７１）を説明する。
図６４〜図７１は、耐圧６５００ＶクラスのＩＧＢＴの性能を示している。なお、ＩＧＢＴのＮバッファ層１５以外の各層のパラメータは以下の通りである。
Ｐベース層９は、ピーク不純物濃度が１．０×１０１６〜１．０×１０１８ｃｍ−３、深さはＮ＋エミッタ層７より深くＮ層１１より浅くに設定される。
Ｎ層１１は、ピーク不純物濃度が１．０×１０１５〜１．０×１０１７ｃｍ−３、深さはＰベース層９より０．５〜１．０μｍ深くに設定される。
Ｎ＋エミッタ層７は、ピーク不純物濃度が１．０×１０１８〜１．０×１０２１ｃｍ−３、深さは０．２〜１．０μｍに設定される。
Ｐ＋層８は、表面不純物濃度：１．０×１０１８〜１．０×１０２１ｃｍ−３、深さはＮ＋エミッタ層７と同じあるいは深くなるように設定される。
Ｐコレクタ層１６は、表面不純物濃度が１．０×１０１６〜１．０×１０２０ｃｍ−３に設定され、深さは０．３〜０．８μｍに設定される。
図６４〜６６は、耐圧６５００ＶクラスのＩＧＢＴの誘導負荷状態でのターンオフ動作波形を示している。図６４はＶＣＣ＝４６００Ｖと高ＶＣＣ条件下でのターンオフ動作波形を、図６５はＬＳ＝５．８μＨと高ＬＳ条件下でのターンオフ動作波形を、図６６は−６０℃と低温条件下でのターンオフ動作波形を、それぞれ示している。図６４〜図６６はいずれも横軸が時間（×１０−６秒）を、縦軸がコレクタ−エミッタ間電圧ＶＣＥ（Ｖ）およびコレクタ電流密度ＪＣ（Ａ／ｃｍ２）を示している。また、図６４〜図６６において従来構造１のＶＣＥを細い実線Ｌ８１で、ＪＣを細い点線Ｌ８２でそれぞれ示している。また、第２構造のＶＣＥを太い実線Ｌ８３で、ＪＣを太い点線Ｌ８４で、それぞれ示している。
図６４〜図６６の領域Ａ３４，３５，３６に示すように、従来構造１ではｓｎａｐ−ｏｆｆ現象が発生している。図６４中のＶＣＥ（ｓｕｒｇｅ）は、ターンオフ動作におけるサージ現象もしくはｓｎａｐ−ｏｆｆ現象時の最大ＶＣＥ値である。また、同じグラフ中の従来構造１と第２構造のオン電圧ＶＣＥ（ｓａｔ）は、ほぼ同じである。図６４〜図６６から、第２構造では、ＩＧＢＴのターンオフ動作に対し厳しい回路条件下でも、ターンオフ動作終焉時のｄｊＣ／ｄｔが小さくなり、その結果ｓｎａｐ−ｏｆｆ現象を抑制していることがわかる。実際のターンオフ動作終焉時のｄｊＣ／ｄｔ は、例えば図６５の条件の場合、従来構造１の３．４９×１０７Ａ／ｃｍ２ｓｅｃに対して第２構造では１．４０×１０７Ａ／ｃｍ２ｓｅｃと小さくなっている。
図６７は、ＶＣＥ（ｓｕｒｇｅ）とＶＣＥ（ｓａｔ）との関係を従来構造１，２および第２構造について示している。横軸がＶＣＥ（ｓａｔ）を示し、縦軸がＶＣＥ（ｓｕｒｇｅ）を示している。その他の誘導負荷ターンオフスイッチング条件は、ＪＣ＝４１．２Ａ／ｃｍ２、ＶＧ＝１５Ｖ、温度２５℃、ＶＣＣ＝４６００Ｖ、ＬＳ＝２．８μＨである。図６７では、従来構造１の特性を白丸、従来構造２の特性を白三角、第２構造の特性を黒丸でそれぞれプロットしている。
図６７において、横軸のＶＣＥ（ｓａｔ）が大きくなることは、図３０のＩＧＢＴにおいてＰコレクタ層１６が低濃度化していることを意味する。つまり、横軸のＶＣＥ（ｓａｔ）が大きくなる方向では、ＩＧＢＴのターンオフ動作時にコレクタ側のキャリアプラズマ層が低濃度化しているため、ターンオフ時のＶＣＥ（ｓｕｒｇｅ）が高くなり、ｓｎａｐ−ｏｆｆ現象が発生しやすくなる。図６７より、第２構造では、従来構造１，２に比べて同じＶＣＥ（ｓａｔ）値に対してＶＣＥ（ｓｕｒｇｅ）値が小さい傾向がある。その上、第２構造は、従来構造１よりもＶＣＥ（ｓｕｒｇｅ）のＶＣＥ（ｓａｔ）依存性が小さい。つまり、第２構造では、ＩＧＢＴのターンオフ動作時にコレクタ側のキャリアプラズマ層濃度が低濃度化しても、図３７のＡ１２´領域に示すように残留キャリアプラズマ層が存在するため、ＶＣＥ（ｓｕｒｇｅ）上昇やｓｎａｐ−ｏｆｆ現象を抑制する効果が得られる。
図６８は１５０℃におけるコレクタ−エミッタ間リーク電流密度ＪＣＥＳとコレクタ−エミッタ間電圧ＶＣＥＳとの関係を、従来構造１，２および第２構造について示している。図６８において比較する３つのサンプルのＯＮ電圧はほぼ同じである。図６８の横軸はＶＣＥＳ（Ｖ）を、縦軸はＪＣＥＳ（Ａ／ｃｍ２）をそれぞれ示している。また、従来構造１の特性を点線Ｌ８５、従来構造２の特性を一点鎖線Ｌ８６、第２構造の特性を実線Ｌ８７でそれぞれ示している。
図６８より、第２構造は従来構造１に比べてオフ時のリーク電流ＪＣＥＳが低下していることが分かる。これは、第２構造ではＩＧＢＴに内蔵するＰＮＰトランジスタの増幅率αｐｎｐが低下するためである。これにより、第２構造では低オフロス化となり、オフ時のチップ自身の発熱量の低減が可能となる。
図６９は、無負荷短絡状態での短絡エネルギーＥＳＣと動作温度との関係を、従来構造１、従来構造２および第２構造について示した図である。ただし、第２構造については、（Ｃｂ，ｐ）ｍａｘ≦１．０×１０１５ｃｍ−３および（Ｃｂ，ｐ）ｍａｘ＞１．０×１０１５ｃｍ−３の２つの場合の特性を示す。前者を黒丸でプロットし実線Ｌ８８で接続し、後者を白丸でプロットし実線Ｌ８９で接続する。また、従来構造１の特性は白丸でプロットし点線Ｌ９０で接続、従来構造２の特性は白三角でプロットし点線Ｌ９０で接続する。
図６９より、第２構造において（Ｃｂ，ｐ）ｍａｘ≦１．０×１０１５ｃｍ−３とすると、従来構造１，２と比較して最もＥＳＣ値が大きくなることが分かる。但し、第２構造でも（Ｃｂ，ｐ）ｍａｘ＞１．０×１０１５ｃｍ−３とすると、短絡状態の遮断能力が極端に低下し、ＩＧＢＴの短絡特性が保証されないことが分かる。このように、第２構造では（Ｃｂ，ｐ）ｍａｘが短絡状態の遮断能力に影響を与えている。
この影響のメカニズムを、図７０に示すターンオフ動作波形から解明する。図７０は、耐圧６５００Ｖクラスのトレンチゲート構造ＩＧＢＴの１２５℃における無負荷短絡状態でのシミュレーションによるターンオフ動作波形を示している。図７０の横軸は時間（×１０−６／秒）を、縦軸はＶＣＥ（Ｖ）およびＪＣ（Ａ／ｃｍ２）を示す。そして、図７０において実線Ｌ９２がＶＣＥを、一点鎖線Ｌ９３がＪＣを示す。
図７１は図７０中に示す解析ポイントＡＰ２におけるデバイス内部のキャリア濃度分布を示している。図７１において横軸は正規化された深さを示し、横軸の０、１．０はそれぞれ図３０のＡ，Ｂに対応する。なお、図３０のＡはＭＯＳトランジスタ部の表面であり、ＢはＰコレクタ層１６の表面を示している。また、図７１において縦軸はキャリア濃度（ｃｍ−３）と電界強度（×１０３Ｖ／ｃｍ）を示している。図７１において、（Ｃｂ，ｐ）ｍａｘ≦１．０×１０１５ｃｍ−３のときの電子濃度を細い実線Ｌ９４、正孔濃度を太い実線Ｌ９５、電界強度を中程度の太さの実線Ｌ９６でそれぞれ示す。また、（Ｃｂ，ｐ）ｍａｘ＞１．０×１０１５ｃｍ−３のときの電子濃度を細い点線Ｌ９７、正孔濃度を太い点線Ｌ９８、電界強度を中程度の太さの点線Ｌ９９でそれぞれ示す。
図７１より、第２バッファ層の最大ピーク不純物濃度が（Ｃｂ，ｐ）ｍａｘ＞１．０×１０１５ｃｍ−３と高くなる条件下では、短絡状態のデバイス内部の電界強度が主接合部、すなわちＰベース層９とＮ−ドリフト層１４との接合部ではなく、第１バッファ層１５ａと第２バッファ層１５ｂとの接合部（Ｘｊ，ａ）において高くなるという特異な分布を示し、電界強度分布のアンバランス化が生じていることが分かる。これは、第２バッファ層１５ｂの残留キャリアプラズマ層濃度が低下することによる。第２バッファ層１５ｂの残留キャリアプラズマ層濃度が低下することは、図３７のＡ１２´領域に示す第２バッファ層１５ｂの役割が果たせなくなることも意味している。
電界強度分布のアンバランス化が発生すると、Ｎ−ドリフト層１４とＮバッファ層１５との接合部付近、もしくはＮバッファ層１５中において局所的に発熱する箇所が生じるため、ＩＧＢＴは熱破壊に至り短絡状態の遮断能力が低下する。つまり、このようなデバイス内部状態になることが、図６９に示す短絡状態の遮断能力が極端に低下する原因である。
以上に示したように、図３３に示す不純物プロファイルの特徴を有するＮバッファ層１５を持つＩＧＢＴは、安定的な耐圧特性、オフ時の低リーク電流による低オフロス化、ターンオフ動作の制御性向上、無負荷状態でのターンオフ遮断能力の大幅な向上を実現する。さらに、本発明のＮバッファ層１５の第２バッファ層１５ｂを形成する際、Ｎ型拡散層を形成する不純物が深さ方向のみならず横方向にも拡散するという特徴を有する。その結果、Ｎバッファ層１５の形成時の特徴およびウエハプロセス中の悪影響に起因するＮバッファ層１５の部分的な未形成領域が生じず、ＩＧＢＴおよびダイオードチップの不良率増加を抑制する効果を示す。
実施の形態４では、図３０に示すＩＧＢＴに対する本発明の適用例を説明した。しかし、本発明は、ダミー電極を有さず全てのゲート電極１３がゲート電位であるＩＧＢＴ（例えば特許第５９０８５２４号公報の図６６）、隣り合うゲート電極１３間の拡散層の中でＮ層１１が存在しないＩＧＢＴ（例えば特許第５９０８５２４号公報の図１）、ＭＯＳトランジスタ部のゲート構造が平面ゲート構造であるＩＧＢＴ（例えば特許第５９０８５２４号公報の図７９〜５２）にも適用可能であり、同様な効果が得られる。
＜実施の形態５＞
実施の形態５の半導体装置は、図４に示すパワー半導体の構成要素と実施の形態１から実施の形態４に示す特徴的なＮバッファ層１５との関係により、ＩＧＢＴ及びダイオードのターンオフ時の遮断能力のさらなる向上を図っている。
実施の形態５の半導体装置は、図４に示すパワー半導体の構成要素と実施の形態１から実施の形態４に示す特徴的なＮバッファ層１５との関係により、ＩＧＢＴ及びダイオードのターンオフ時の遮断能力のさらなる向上を図っている。
図７２〜図８３は、実施の形態５の半導体装置における第１〜第１２の態様を示す断面図である。これらの断面は図４のＡ１−Ａ１断面に相当する。第１、第２、第９及び第１１の態様はＩＧＢＴ（図１、図３０）の改良であり、第３の態様はＰＩＮダイオード（図２、図３１）の改良であり、第４〜第８、第１０および第１２の態様はＲＦＣダイオード（図３、図３２）の改良である。
以下、図１〜図３および図３０〜図３２と同一の構成部分に適宜、同一符号を付して説明を省略するとともに、特徴部分を中心に説明する。
図７２で示す第１の態様では、図１及び図３０に示すＩＧＢＴと比較して、活性セル領域Ｒ１の周辺領域である中間領域Ｒ２及び終端領域Ｒ３にＰコレクタ層１６を形成せず、Ｐコレクタ層１６が形成されない領域にＮバッファ層１５を延長して形成していることを特徴としている。すなわち、中間領域Ｒ２及び終端領域Ｒ３において、コレクタ電極２３ＣはＮバッファ層１５と接合してＮバッファ層１５上に設けられる。
図７３に示す第２の態様では、図１及び図３０に示すＩＧＢＴと比較して、活性セル領域Ｒ１の周辺領域である中間領域Ｒ２及び終端領域Ｒ３にＰコレクタ層１６を形成することなく、Ｐコレクタ層１６ｅを形成していることを特徴としている。なお、Ｐコレクタ層１６ｅはＰコレクタ層１６よりも表面濃度が低濃度に設定される。
図７４に示す第３の態様では、図２および図３１に示すＰＩＮダイオードと比較して、周辺領域である中間領域Ｒ２及び終端領域Ｒ３にＮ＋カソード層１７を形成せず、Ｐコレクタ層１６が形成されない領域にＮバッファ層１５を延長して形成していることを特徴としている。すなわち、中間領域Ｒ２及び終端領域Ｒ３において、カソード電極２３ＫはＮバッファ層１５と接合してＮバッファ層１５上に設けられる。
図７５に示す第４の態様では、図３および図３２に示すＲＦＣダイオードと比較して、周辺領域である中間領域Ｒ２及び終端領域Ｒ３にはＮ＋カソード層１７（第１部分活性層）を形成せず、Ｐカソード層１８（第２部分活性層）を形成していることを特徴としている。
図７６に示す第５の態様では、図３および図３２に示すＲＦＣダイオードと比較して、周辺領域である中間領域Ｒ２及び終端領域Ｒ３にＰカソード層１８を形成せず、Ｐカソード層１８が形成されない領域にＮバッファ層１５を延長して形成していることを特徴としている。すなわち、中間領域Ｒ２及び終端領域Ｒ３において、カソード電極２３ＫはＮバッファ層１５と接合してＮバッファ層１５上に設けられる。
図７７に示す第６の態様では、図３および図３２に示すＲＦＣダイオードと比較して、周辺領域である中間領域Ｒ２及び終端領域Ｒ３では、Ｐカソード層１８（第２部分活性層）を形成せずＮ＋カソード層１７（第１部分活性層）を形成していることを特徴としている。
図７８に示す第７の態様では、図７５に示す第４の態様のＲＦＣダイオードと比較して、中間領域Ｒ２のＰカソード層１８に代えてＮ＋カソード層１７（第１部分活性層）を形成していることを特徴としている。
図７９に示す第８の態様では、図２および図３１に示すＰＩＮダイオードと比較して、中間領域Ｒ２及び終端領域Ｒ３にかけてＰカソード層１８（第２部分活性層）を形成していることを特徴としている。
図８０で示す第９の態様では、図７２に示すＩＧＢＴと比較して、終端領域Ｒ３のＮ−ドリフト層１４内の一方主面側に、Ｐ領域２２と接続するＰ領域２２ｂと、フローティング状態の複数のＰ領域２２ｃとを形成していることを特徴としている。
図８１で示す第１０の態様では、図７５に示すＲＦＣダイオードと比較して、終端領域Ｒ３のＮ−ドリフト層１４の一方主面側に、Ｐ領域２２と接続するＰ領域２２ｂと、フローティング状態の複数のＰ領域２２ｃとを形成していることを特徴としている。
図８２で示す第１１の態様では、図８０に示すＩＧＢＴと比較して、複数のＰ領域２２ｃがフローティング状態ではなく、パッシベーション膜２０とコンタクト状態にあることを特徴とする。
図８３で示す第１２の態様では、図８１に示すＲＦＣダイオードと比較して、複数のＰ領域２２ｃがフローティング状態ではなく、パッシベーション膜２０とコンタクト状態にあることを特徴とする。図８０〜８３の終端領域Ｒ３の構造の特徴およびその効果は、国際公開第２０１５／１１４７４８号および特願２０１５−２３０２２９号に示されている。
このように、実施の形態５の第１〜第１０の態様は、ＩＧＢＴ、ＰＩＮダイオードおよびＲＦＣダイオードにおいて、活性セル領域Ｒ１、中間領域Ｒ２及び終端領域Ｒ３でコレクタ電極２３Ｃ又はカソード電極２３Ｋと接する活性層に相当する領域の構造を変えていることを特徴としている。
したがって、第１〜第１０の態様は、ＩＧＢＴ、ＰＩＮダイオードおよびＲＦＣダイオードにおいて、オン状態から、中間領域Ｒ２および終端領域Ｒ３のコレクタ側またはカソード側からのキャリア注入を抑制するような構造となっている。
その結果、実施の形態３の第１〜第１０の態様は、ターンオフ動作時に中間領域Ｒ２に存在する主接合であるＰＮ接合部の電界強度を緩和させ、局所的な電界強度の上昇を抑制し、インパクトイオン化による電流集中に起因する局所的な温度上昇による熱破壊を抑制する作用（熱破壊抑制作用）がある。
本現象のメカニズムおよび効果の詳細は、ＩＧＢＴに関しては、特許第５７０８８０３号公報、特許第５７０１４４７号公報、国際公開第２０１５／１１４７１４号、ダイオードに関しては特開２０１４−２４１４３３号公報に記載されている。
図８４は、耐圧３３００Ｖクラスで図７３に示す第２の態様のＩＧＢＴの逆バイアス安全動作領域（Reverse Bias Safe Operating Area:ＲＢＳＯＡ）を示している。図８４の横軸は電源電圧ＶＣＣ（Ｖ）で、縦軸はターンオフ時の最大遮断電流密度ＪＣ（ｂｒｅａｋ）（Ａ／ｃｍ２）である。図８４の実線Ｌ１００，１０１は、図３３に示す不純物プロファイルのＮバッファ層１５（第２構造）を採用した場合の特性を示し、点線Ｌ１０２は従来のＮバッファ層（従来構造１）を採用した場合の特性を示している。なお、１５０℃における第２構造の特性を黒丸と実線Ｌ１００で、１７５℃における第２構造の特性を黒三角と実線Ｌ１０１で、それぞれ示している。図８４に示されたグラフ線の内側が安全動作領域（ＳＯＡ）である。
図８４より、第２の態様のＩＧＢＴにおいて、Ｎバッファ層１５が第２構造の場合は、Ｎバッファ層１５が従来構造１の場合に比べて、ＲＢＳＯＡが高ＪＣ（ｂｒｅａｋ）かつ高ＶＣＣサイドへ拡大していることが分かる。つまり、第２構造によりＩＧＢＴのＲＢＳＯＡが格段に向上する。
図８５は、耐圧６５００Ｖクラスで図７５に示す第４の態様のＲＦＣダイオードのリカバリーＳＯＡを示している。図８５の横軸はＶＣＣ（Ｖ）を示し、縦軸はリカバリー動作時の最大遮断ｄｊ／ｄｔであるｍａｘ．ｄｊ／ｄｔおよび最大パワー密度を示している。Ｎバッファ層１５が従来構造１である場合の特性を、ｍａｘ．ｄｊ／ｄｔについて白三角で、最大パワー密度について黒三角でそれぞれプロットしている。また、Ｎバッファ層１５が第２構造である場合の特性を、ｍａｘ．ｄｊ／ｄｔについて白丸と実線Ｌ１０３で、最大パワー密度について黒丸と実線Ｌ１０４でそれぞれ示している。
図８５中のグラフ線の内側がＳＯＡである。図より、本発明の第２構造のＮバッファ層１５を有する第４の態様のＲＦＣダイオードは、従来構造１のＮバッファ層を有するＲＦＣダイオードに比べて、リカバリーＳＯＡがｍａｘ．ｄｊ／ｄｔおよび最大パワー密度ともに大きくなるサイドへ拡大していることが分かる。つまり、第２構造によってＲＦＣダイオードのリカバリーＳＯＡが格段に向上する。
図８４，８５より、実施の形態３の第１の態様におけるＩＧＢＴ、および第４の態様におけるＲＦＣダイオードにおいて、Ｎバッファ層１５に第１構造または第２構造を採用することにより、従来構造よりも大幅にターンオフ時のＳＯＡが拡大し、本発明の目的の１つであるターンオフ遮断能力の大幅な向上を実現することが分かる。実施の形態３の他の態様のＩＧＢＴおよびダイオードについても、Ｎバッファ層１５に第１構造または第２構造を採用することによりそれぞれ図８４および図８５に示すのと同様な効果が得られる。また、図８０〜図８３に示すような終端領域Ｒ３でも、活性領域Ｒ１と中間領域Ｒ２から終端領域Ｒ３にて電極２３と接する縦構造は、図７２または図７５と同じ構造であるため、ＩＧＢＴまたはダイオードへのターンオフ時のＳＯＡに関して、Ｎバッファ層１５に第１構造または第２構造を用いることで、図８４または図８５と同様の効果が得られる。
＜実施の形態６＞
本実施の形態では、実施の形態１で説明した第１構造または第２構造におけるＮバッファ層１５の、特に第２バッファ層１５ｂの不純物プロファイルを安定的に製造する方法について説明する。
本実施の形態では、実施の形態１で説明した第１構造または第２構造におけるＮバッファ層１５の、特に第２バッファ層１５ｂの不純物プロファイルを安定的に製造する方法について説明する。
図８６は、実施の形態１〜５で説明したＩＧＢＴ、ＰＩＮダイオード、およびＲＦＣダイオードの製造工程として、検討したプロセスＡ〜Ｅを示す。図８６に示す表の第１行にはウエハ表面部の保護膜形成、ウエハの厚み制御、第２バッファ層（プロトン導入）、第２バッファ層（アニール）、第１バッファ層（プロトン導入、アニール）、第２バッファ層（プロトン導入）、活性層形成、第２バッファ層（プロトン導入）、第２バッファ層（アニール）、コレクタ電極またはカソード電極の形成、第２バッファ層（プロトン導入、アニール）という工程を示している。これらの工程は、図５〜図１７に示すＩＧＢＴの製造工程のうち図１６および図１７に示す工程、または図１８〜図２６に示すダイオードの製造工程のうち図２５又は図２６に示す工程において想定される代表的な工程であり、上の列から下の列への順で実施される。図８６において“○”と示されている工程は、各プロセスＡ〜Ｅでサンプル試作時に実施される工程である。なお、「第２バッファ層（プロトン導入）」は、第２バッファ層を形成するためのプロトンの導入工程を表し、「第２バッファ層（アニール）」は、第２バッファ層を形成するために導入したプロトンをアニール処理で活性化させる工程を表している。
すなわち、プロセスＡでは、ウエハ表面部の保護膜形成、ウエハの厚み制御、第１バッファ層の形成（プロトン（第１イオン）導入、アニール）、第２バッファ層の形成（プロトン（第２イオン）導入）、活性層（Ｐコレクタ層１６、Ｎ＋カソード層１７、Ｐカソード層１８）の形成、第２バッファ層の形成（アニール）、裏面側電極（コレクタ電極又はカソード電極）の形成、をこの順で実施する。
また、プロセスＢでは、ウエハ表面部の保護膜形成、ウエハの厚み制御、第２バッファ層の形成（プロトン（第２イオン）導入）、第１バッファ層の形成（プロトン（第１イオン）導入、アニール）、活性層（Ｐコレクタ層１６、Ｎ＋カソード層１７、Ｐカソード層１８）の形成、第２バッファ層の形成（アニール）、裏面側電極（コレクタ電極又はカソード電極）の形成、をこの順で実施する。
また、プロセスＣでは、ウエハ表面部の保護膜形成、ウエハの厚み制御、第２バッファ層の形成（プロトン（第２イオン）導入）、第２バッファ層の形成（アニール）、第１バッファ層の形成（プロトン（第１イオン）導入、アニール）、活性層（Ｐコレクタ層１６、Ｎ＋カソード層１７、Ｐカソード層１８）の形成、裏面側電極（コレクタ電極又はカソード電極）の形成、をこの順で実施する。
また、プロセスＤでは、ウエハ表面部の保護膜形成、ウエハの厚み制御、第１バッファ層の形成（プロトン（第１イオン）導入、アニール）、活性層（Ｐコレクタ層１６、Ｎ＋カソード層１７、Ｐカソード層１８）の形成、第２バッファ層の形成（プロトン（第２イオン）導入）、第２バッファ層の形成（アニール）、裏面側電極（コレクタ電極又はカソード電極）の形成、をこの順で実施する。
また、プロセスＥでは、ウエハ表面部の保護膜形成、ウエハの厚み制御、第１バッファ層の形成（プロトン（第１イオン）導入、アニール）、活性層（Ｐコレクタ層１６、Ｎ＋カソード層１７、Ｐカソード層１８）の形成、裏面側電極（コレクタ電極又はカソード電極）の形成、第２バッファ層の形成（プロトン（第２イオン）導入、アニール）、をこの順で実施する。
図８７は、プロセスＡ〜Ｄで作成された、Ｎバッファ層１５およびＮ−ドリフト層１４の不純物プロファイルを示している。但し、図８７に不純物プロファイルを示すサンプルでは、第２サブバッファ層１５ｂ２〜第ｎサブバッファ層１５ｂｎを形成しておらず、Ｎバッファ層１５については第１バッファ層１５ａと第２バッファ層１５ｂの第１サブバッファ層１５ｂ１の不純物プロファイルのみが示されている。図８７の横軸は深さ（×１０−６ｍ）を示し、縦軸はキャリア濃度（ｃｍ−３）を示している。図８７では、プロセスＡの特性を１点鎖線Ｌ１０５、プロセスＢの特性を実線Ｌ１０６、プロセスＣの特性を点線Ｌ１０７、プロセスＤの特性を２点鎖線Ｌ１０８でそれぞれ示している。また、図８７の横軸に沿って付された数字は、デバイスの構成要素の参照符号を示している。
図８７より、プロトンをＳｉへ導入する工程が第１バッファ層１５ａの形成工程より前にあるプロセスＢ，Ｃでは、第１サブバッファ層１５ｂ１の不純物プロファイルが不安定化し、第１サブバッファ層１５ｂ１の不純物濃度が低下していることが分かる。プロトンのドナー層は、プロトンをＳｉへ導入する時に生じる空孔欠陥に水素原子および酸素原子が結合して複合欠陥と水素が結合し、アニーリングにより複合欠陥の密度が増加し形成される。つまり、プロセスＢ，Ｃでは、プロトンをＳｉへ導入する時に形成される複合欠陥が第１バッファ層１５ａを形成する際のアニーリング時に回復するため、ドナー化が抑制され、第１サブバッファ層１５ｂ１の不純物プロファイルの不安定化および低濃度化につながると考えられる。
一方、プロセスＡ，Ｄでは、プロトンをＳｉへ導入する工程が第１バッファ層１５ａの形成工程より後に位置するため、プロセスＢ，Ｃで発生しているようなプロトンをＳｉへ導入する時に形成される複合欠陥の回復現象が発生しない。従って、第２バッファ層１５ｂを形成するためのアニーリング工程でドナー化が促進され、第１サブバッファ層１５ｂ１において安定した不純物プロファイルと十分な不純物濃度を得ることができる。
図８７にはプロセスＥによるＮバッファ層１５およびＮ−ドリフト層１４の不純物プロファイルが示されていない。しかし、プロセスＥはプロセスＡ，Ｄと同じく、第１バッファ層１５ａの形成工程以降にプロトンをＳｉへ導入する工程があるため、第１サブバッファ層１５ｂ１の不純物プロファイルはプロセスＡ，Ｄとほぼ同じになると考えられる。
プロセスＥでは、裏面側電極の形成後に、第２バッファ層１５ｂを形成する。ここで、裏面側電極が複数のメタル（例えば、Ａｌ／Ｍｏ／Ｎｉ／Ａｕ，ＡｌＳｉ／Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ，Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕなど）により構成される場合は、Ｐコレクタ層１６、Ｎ＋カソード層１７又はＰカソード層１８と接する裏面金属を構成するメタル（例えば、Ａｌ、ＡｌＳｉまたはＴｉなど）を形成した後に第２バッファ層１５ｂを形成し、その後、裏面側電極を構成する残りのメタル（例えば、Ｍｏ／Ｎｉ／Ａｕ、Ｔｉ／ＮＩ／Ａｕ、ＮＩ／Ａｕなど）を形成しても良い。
プロセスＢ，Ｃで形成するＮバッファ層１５は、第１サブバッファ層１５ｂ１において不安定かつ低濃度な不純物プロファイルとなるため、本発明の効果の実現を阻害し、デバイス特性のバラツキ増加等の悪影響を発生する。従って、Ｎバッファ層１５の第２バッファ層１５ｂを構成する各サブバッファ層１５ｂ１〜１５ｂｎにおいて安定した不純物濃度プロファイルと十分な不純物濃度を得るためには、第１バッファ層１５ａの形成より後でプロトンをＳｉへ導入する必要がある。これにより、実施の形態１〜４に示した本発明のＮバッファ層１５の有効な効果を実現することが可能となる。なお、実施の形態１〜４で説明した本発明の第１構造および第２構造のＮバッファ層１５は、プロセスＡにより作成されたものである。
＜実施の形態７＞
本実施の形態は、上述した実施の形態１〜５にかかる半導体装置を電力変換装置に適用したものである。本発明は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態７として、三相のインバータに本発明を適用した場合について説明する。
本実施の形態は、上述した実施の形態１〜５にかかる半導体装置を電力変換装置に適用したものである。本発明は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態７として、三相のインバータに本発明を適用した場合について説明する。
図８８は、本実施の形態にかかる電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。
図８８に示す電力変換システムは、電源１００、電力変換装置２００、負荷３００から構成される。電源１００は、直流電源であり、電力変換装置２００に直流電力を供給する。電源１００は種々のもので構成することが可能であり、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成することができるし、交流系統に接続された整流回路またはＡＣ／ＤＣコンバータで構成することとしてもよい。また、電源１００を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータによって構成することとしてもよい。
電力変換装置２００は、電源１００と負荷３００の間に接続された三相のインバータであり、電源１００から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に交流電力を供給する。電力変換装置２００は、図８８に示すように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路２０１と、主変換回路２０１を制御する制御信号を主変換回路２０１に出力する制御回路２０３とを備えている。
負荷３００は、電力変換装置２００から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷３００は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車、鉄道車両、エレベーター、もしくは、空調機器向けの電動機として用いられる。
以下、電力変換装置２００の詳細を説明する。主変換回路２０１は、スイッチング素子と還流ダイオードを備えており（図示せず）、スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源１００から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に供給する。主変換回路２０１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態にかかる主変換回路２０１は２レベルの三相フルブリッジ回路であり、６つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された６つの還流ダイオードから構成することができる。主変換回路２０１は半導体モジュール２０２により構成される。主変換回路２０１の各スイッチング素子と各還流ダイオードの少なくともいずれかに、上述した実施の形態１〜５のいずれかに係る半導体装置を適用する。６つのスイッチング素子は２つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路２０１の３つの出力端子は、負荷３００に接続される。
また、主変換回路２０１は、各スイッチング素子を駆動する駆動回路（図示なし）を備えているが、駆動回路は半導体モジュール２０２に内蔵されていてもよいし、半導体モジュール２０２とは別に駆動回路を備える構成であってもよい。駆動回路は、主変換回路２０１のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路２０１のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路２０３からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号（オン信号）であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号（オフ信号）となる。
制御回路２０３は、負荷３００に所望の電力が供給されるよう主変換回路２０１のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷３００に供給すべき電力に基づいて主変換回路２０１の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間（オン時間）を算出する。例えば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するＰＷＭ制御によって主変換回路２０１を制御することができる。そして、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるよう、主変換回路２０１が備える駆動回路に制御指令（制御信号）を出力する。駆動回路は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号又はオフ信号を駆動信号として出力する。
本実施の形態に係る電力変換装置では、主変換回路２０１のスイッチング素子と還流ダイオードとして実施の形態１〜５にかかる半導体装置を適用するため、安定的な耐圧特性、オフ時におけるリーク電流の低減化に伴う低オフロス化、ターンオフ動作の制御性向上、及びターンオフ時の遮断能力の向上を実現することができる。
本実施の形態では、２レベルの三相インバータに本発明を適用する例を説明したが、本発明は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、２レベルの電力変換装置としたが３レベルやマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、単相負荷に電力を供給する場合には単相のインバータに本発明を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはＤＣ／ＤＣコンバータやＡＣ／ＤＣコンバータに本発明を適用することも可能である。
また、本発明を適用した電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機、レーザー加工機、誘導加熱調理器、若しくは非接触器給電システムの電源装置、太陽光発電システム若しくは蓄電システム等のパワーコンディショナー、または自動車、電車、若しくは高速鉄道などの駆動部のシステムに用いることも可能である。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
６ 層間絶縁膜、９ Ｐベース層、１０ Ｐアノード層、１１ Ｎ層、１２ ゲート絶縁膜、１３ ゲート電極、１４ Ｎ−ドリフト層、１５ Ｎバッファ層、１６ Ｐコレクタ層、１７ Ｎ＋カソード層、１８ Ｐカソード層、３１ ＰＩＮダイオード領域、３２ ＰＮＰトランジスタ領域、２３Ｃ コレクタ電極、２３Ｋ カソード電極、２７Ｇ，２７Ｄ１，２７Ｄ２ 縦構造領域、Ｒ１ 活性領域、Ｒ２ 中間領域、Ｒ３ 終端領域。
Claims (37)
- 一方主面及び他方主面を有し、第１導電型のドリフト層を主要構成部として含む半導体基体と、
前記半導体基体内において、前記ドリフト層に対し他方主面側に前記ドリフト層に隣接して形成される第１導電型のバッファ層と、
前記半導体基体の他方主面上に形成される、第１及び第２導電型のうち少なくとも一つの導電型を有する活性層と、
前記半導体基体の一方主面上に形成される第１電極と、
前記活性層上に形成される第２電極と、を備え、
前記バッファ層は、
前記活性層と接合し不純物濃度のピーク点を１つ有する第１バッファ層と、
前記第１バッファ層および前記ドリフト層と接合し、不純物濃度のピーク点を少なくとも１つ有し、前記第１バッファ層より最大不純物濃度が低い第２バッファ層とを備え、
前記第２バッファ層の最大不純物濃度は、前記ドリフト層の不純物濃度よりも高く、１．０×１０１５ｃｍ−３以下である、
半導体装置。 - 請求項１に記載の半導体装置であって、
前記第２バッファ層の第１導電型のドーズ量は、前記ドリフト層の第１導電型のドーズ量より多く、１．０×１０１４ｃｍ−２よりも少ない、
半導体装置。 - 請求項１又は２に記載の半導体装置であって、
前記バッファ層の活性化後の第１導電型のドーズ量に占める前記第２バッファ層の活性化後の第１導電型のドーズ量の割合は、５％以上４０％以下である、
半導体装置。 - 請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
前記第２バッファ層の最大不純物濃度を前記ドリフト層の不純物濃度で除した値は、２以上１．０×１０３以下である、
半導体装置。 - 請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
前記第２バッファ層の最大不純物濃度を前記第１バッファ層のピーク不純物濃度で除した値は、２×１０−５より大きく０．１以下である、
半導体装置。 - 請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
前記第１バッファ層の活性化率は前記第２バッファ層の活性化率より高い、
半導体装置。 - 請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
前記第２バッファ層は、前記第２バッファ層を構成する半導体のバンドギャップ中に再結合中心となるエネルギー準位を有する、
半導体装置。 - 請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
前記第２バッファ層は、不純物濃度のピーク点をそれぞれ一つ有する複数のサブバッファ層の積層構造であり、
前記複数のサブバッファ層のうち最も他方主面側のサブバッファ層である第１サブバッファ層は前記第１バッファ層と接合し、
前記第２バッファ層の最大不純物濃度は、前記複数のサブバッファ層のピーク不純物濃度の最大値であり、
隣接する２つの前記サブバッファ層の不純物濃度のピーク点間の距離は、少なくとも２組の隣接する前記サブバッファ層間で等しい、
半導体装置。 - 請求項８に記載の半導体装置であって、
全ての隣接する２つの前記サブバッファ層の不純物濃度のピーク点間の距離は等しい、
半導体装置。 - 請求項９に記載の半導体装置であって、
前記第１バッファ層と前記第１サブバッファ層の不純物濃度のピーク点間の距離は、隣接する２つの前記サブバッファ層の不純物濃度のピーク点間の距離より小さい、
半導体装置。 - 請求項８から１０のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
前記複数のサブバッファ層のピーク不純物濃度は、他方主面から一方主面に向かう方向において低下する、
半導体装置。 - 請求項８から１１のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
前記バッファ層において、一方主面から他方主面に向かう方向における濃度勾配は、前記複数のサブバッファ層において他方主面側のサブバッファ層ほど高く、最も他方主面側のサブバッファ層の濃度勾配は前記第１バッファ層の濃度勾配より低い、
半導体装置。 - 請求項８から１２のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
前記複数のサブバッファ層のうち少なくとも２つのサブバッファ層の活性化後の不純物プロファイルは、一方主面から他方主面に向けて裾を引く形状である、
半導体装置。 - 請求項８から１３のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
前記第２バッファ層において、隣接する２つの前記サブバッファ層の接合部の不純物濃度は前記ドリフト層の不純物濃度よりも高い、
半導体装置。 - 請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
前記ドリフト層内の一方主面側に第１導電型の絶縁ゲート型のトランジスタ形成領域を有し、
前記活性層は第２導電型を呈し、
前記半導体装置は、
前記トランジスタ形成領域、前記バッファ層、前記活性層、並びに前記第１及び第２電極によりＩＧＢＴが形成される素子形成領域と、
前記素子形成領域に隣接して耐圧保持用に設けられる周辺領域とを有する、
半導体装置。 - 請求項１５に記載の半導体装置であって、
前記絶縁ゲート型のトランジスタ形成領域のゲートは１又は複数のトレンチゲートである、
半導体装置。 - 請求項１５又は１６に記載の半導体装置であって、
前記活性層は前記素子形成領域のみに形成され、
前記周辺領域において前記バッファ層上に前記第２電極が設けられる、
半導体装置。 - 請求項１５又は１６に記載の半導体装置であって、
前記活性層は前記素子形成領域と前記周辺領域に形成され、
前記周辺領域に形成される前記活性層は、前記素子形成領域に形成される前記活性層よりも、第２導電型の不純物濃度が低い、
半導体装置。 - 請求項１５又は１６に記載の半導体装置であって、
前記周辺領域の前記ドリフト層内の一方主面側に、複数のフローティング状態の第２導電型の不純物領域を有する、
半導体装置。 - 請求項１５又は１６に記載の半導体装置であって、
前記周辺領域の前記ドリフト層内の一方主面側に、パッシベーション膜とコンタクトを有する第２導電型の不純物領域を有する、
半導体装置。 - 請求項１から１４のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
前記ドリフト層内の一方主面側に第２導電型の一方電極領域を有し、
前記活性層は第１導電型を呈し、第１導電型の不純物濃度が前記バッファ層より高く設定され、前記活性層が他方電極領域として機能し、
前記半導体装置は、
前記一方電極領域、前記バッファ層、前記活性層、並びに前記第１及び第２電極によりダイオードが形成される素子形成領域と、
前記素子形成領域に隣接して耐圧保持用に設けられる周辺領域とを有する、
半導体装置。 - 請求項２１に記載の半導体装置であって、
前記活性層は前記素子形成領域のみに形成され、
前記周辺領域において前記バッファ層上に前記第２電極が設けられる、
半導体装置。 - 請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
前記ドリフト層内の一方主面側に第２導電型の一方電極領域を有し、
前記活性層は第１導電型の第１部分活性層と、第２導電型の第２部分活性層とを含み、
前記第１部分活性層の第１導電型の不純物濃度および前記第２部分活性層の第２導電型の不純物濃度は前記バッファ層より高く設定され、
前記第１部分活性層が他方電極領域として機能し、
前記半導体装置は、
前記一方電極領域、前記バッファ層、前記第１及び第２の部分活性層、並びに前記第１及び第２電極によりダイオードが形成される素子形成領域と、
前記素子形成領域に隣接して耐圧保持用に設けられる周辺領域とを有する、
半導体装置。 - 請求項２３に記載の半導体装置であって、
前記活性層は前記素子形成領域のみに形成され、
前記周辺領域において前記バッファ層上に前記第２電極が設けられる、
半導体装置。 - 請求項２３に記載の半導体装置であって、
前記活性領域に前記第１部分活性層と前記第２部分活性層が形成され、
前記周辺領域に前記第２部分活性層が形成される、
半導体装置。 - 請求項２３に記載の半導体装置であって、
前記活性領域に前記第１部分活性層と前記第２部分活性層が形成され、
前記周辺領域に前記第１部分活性層が形成される、
半導体装置。 - 請求項２３に記載の半導体装置であって、
前記周辺領域は、前記活性領域を囲む終端領域と、前記終端領域と前記周辺領域の間に挟まれた中間領域とを有し、
前記活性領域に前記第１部分活性層と前記第２部分活性層が形成され、
前記中間領域に前記第１部分活性層が形成され、
前記終端領域に前記第２部分活性層が形成される、
半導体装置。 - 請求項２３に記載の半導体装置であって、
前記周辺領域の前記ドリフト層内の一方主面側に、複数のフローティング状態の第２導電型の不純物領域を有する、
半導体装置。 - 請求項２３に記載の半導体装置であって、
前記周辺領域の前記ドリフト層内の一方主面側に、パッシベーション膜とコンタクトを有する第２導電型の不純物領域を有する、
半導体装置。 - 請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
前記ドリフト層内の一方主面側に第２導電型の一方電極領域を有し、
前記活性層は第１導電型の第１部分活性層と、第２導電型の第２部分活性層とを含み、
前記第１部分活性層の第１導電型の不純物濃度は前記バッファ層より高く設定され、
前記第１部分活性層が他方電極領域として機能し、
前記半導体装置は、
前記一方電極領域、前記バッファ層、前記活性層、並びに前記第１及び第２電極によりＰＩＮダイオードが形成される素子形成領域と、
前記素子形成領域に隣接して耐圧保持用に設けられる周辺領域とを有し、
前記素子形成領域に前記第１部分活性層が形成され、
前記周辺領域に前記第２部分活性層が形成される、
半導体装置。 - 一方主面及び他方主面を有し、第１導電型のドリフト層を主要構成部として含む半導体基体と、
前記半導体基体内において、前記ドリフト層に対し他方主面側に前記ドリフト層に隣接して形成される第１導電型のバッファ層と、
前記半導体基体の他方主面上に形成される、第１及び第２導電型のうち少なくとも一つの導電型を有する活性層と、
前記半導体基体の一方主面上に形成される第１電極と、
前記活性層上に形成される第２電極と、を備え、
前記バッファ層は、
前記活性層と接合し不純物濃度のピーク点を１つ有する第１バッファ層と、
前記第１バッファ層および前記ドリフト層と接合し、前記第１バッファ層より最大不純物濃度が低い第２バッファ層とを備え、
前記第２バッファ層は、前記第２バッファ層を構成する半導体のバンドギャップ中に再結合中心となるエネルギー準位を有する、
半導体装置。 - 請求項１から３１のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法であって、
（ａ）半導体基体の他方主面側から第１イオンを注入する工程と、
（ｂ）前記第１イオンをアニールにより活性化させて前記第１バッファ層を形成する工程と、
（ｃ）前記工程（ｂ）の後、前記半導体基体の他方主面側から第２イオンを注入する工程と、
（ｄ）前記第２イオンをアニールにより活性化させて前記第２バッファ層を形成する工程と、を備える、
半導体装置の製造方法。 - 請求項３２に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記工程（ｃ）、（ｄ）の間に、
（ｃ１）前記半導体基体の他方主面上に活性層を形成する工程をさらに備える、
半導体装置の製造方法。 - 請求項３２に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記工程（ｂ）、（ｃ）の間に、
（ｂ１）前記半導体基体の他方主面上に活性層を形成する工程をさらに備える、
半導体装置の製造方法。 - 請求項３２に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記工程（ｂ１）、（ｃ）の間に、
（ｂ２）前記活性層上に第２電極を形成する工程をさらに備える、
半導体装置の製造方法。 - 請求項３２に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記工程（ｂ１）、（ｃ）の間に、
（ｂ３）前記活性層上に複数層で構成される第２電極の一部の層を形成する工程をさらに備え、
前記工程（ｄ）の後に、
（ｅ）前記第２電極の残りの層を形成する工程をさらに備える、
半導体装置の製造方法。 - 請求項１から３１のいずれか１項に記載の半導体装置を有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路と、を備える、
電力変換装置。
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