JP2021093541A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
)を有し、かつアノードおよびカソード方向に向かって傾きをもって減少する領域を含むブロードバッファ領域を有する構造のことである。
難な程度の、n-ドリフト層の深い距離にまでプロトンH+を到達させて格子欠陥を形成し、熱処理を行う。このプロトン照射と熱処理によって、ウエハ内部のプロトンH+の飛程
Rpの近傍で、プロトンH+を含む複合的な格子欠陥(Defect complex)
によるドナー(水素誘起ドナー、水素関連ドナーなどと呼ばれる)を形成する方法である(例えば、下記特許文献1(段落0020、0021)および下記特許文献2(要約)参照)。さらに、ウエハ内に酸素を導入し、水素誘起ドナーに対してさらに酸素を複合させることにより、高濃度のブロードバッファ領域を形成する方法についても提案されている(例えば、下記特許文献3(段落0011)参照)。
H+をドナー化して、中性子照射前のウエハより高濃度のドナーをnベース領域(n-ドリフト層)に導入する方法が提案されている(例えば、下記特許文献4参照)。
の場合、次の(1)式で表すことができる。
る。上記(1)式では、例えば、ガスドープしたFZウエハを用いて作製されたノンパンチスルー構造の半導体装置において、比抵抗ρ0が±12%ばらつくと、耐圧VBも12%ばらつくことを示している。さらに、耐圧だけでなく、スイッチング特性も同程度ばらつく。スイッチング特性が12%以上ばらつくことはデバイスの動作保証の上で問題となるレベルである。スイッチング特性のばらつきを12%以下に抑える一つの方法は、比抵抗のばらつきを±12%より低くすることである。そのためには、例えば、前述のように比抵抗のばらつきが±12%より小さい中性子照射により比抵抗が制御された中性子照射ウエハを用いることが有効である。
の不純物濃度を制御する方法が知られている。しかしながら、実際には、水素関連ドナーは550℃以上でほぼ消滅するというデータが得られていることから、n-ドリフト層全
体のような広い範囲にわたって不純物濃度を制御することは難しく、特に、高耐圧の半導
体装置に必要な低濃度のn-ドリフト層内における不純物濃度を制御することは極めて難
しい。このため、高耐圧の半導体装置を作製するに際し、上述した特許文献3を適用したとしても、耐圧のばらつきを低減する効果を奏することは難しい。
が高くなるネットドーピング濃度分布を有する。前記第1バッファ層と、前記バッファ層の中で前記第1バッファ層から1つ前記ベース層側に隣り合う第2バッファ層と、の間の部分は、ドナー濃度の最小値を示す深さ位置から前記第1バッファ層側および前記第2バッファ層側へ向かうにしたがってドナー濃度が高くなるネットドーピング濃度分布を有する。前記第2バッファ層と、前記バッファ層の中で前記第2バッファ層から1つ前記ベース層側に隣り合う第3バッファ層と、の間の部分は、ドナー濃度の最小値を示す深さ位置から前記第2バッファ層側および前記第3バッファ層側へ向かうにしたがってドナー濃度が高くなるネットドーピング濃度分布を有する。前記第1バッファ層と前記第2バッファ層との間の部分でドナー濃度の最小値を示す深さ位置、および、前記第2バッファ層と前記第3バッファ層との間の部分でドナー濃度の最小値を示す深さ位置、においてドナー濃度分布の傾きが連続的に変化してゼロになっている。前記高濃度層と前記第1バッファ層との間の境界位置のドナー濃度の最小値、および、前記第1バッファ層と前記第2バッファ層との間の部分のドナー濃度の最小値、は前記ドリフト層のドナー濃度よりも高い。前記ドリフト層はシリコン基板からなる。前記バッファ層は水素関連ドナーである。第1導電型はn型であり、第2導電型はp型である。
ース層および前記高濃度層よりも低く、かつ当該極大値をピークとし、深さ方向に高低差をもつネットドーピング濃度分布を有する。前記バッファ層は、前記ドリフト層の他方の主面から異なる深さに3つ以上配置されている。前記ドリフト層の中心の深さとなる位置から前記ドリフト層の他方の主面に近い側に前記バッファ層を少なくとも1つ含む。前記ドリフト層の中心の深さとなる位置から前記ドリフト層の一方の主面に近い側に前記バッファ層を少なくとも1つ含む。前記ドリフト層の中心の深さとなる位置から前記ドリフト層の他方の主面に近い側の前記バッファ層の個数は、前記ドリフト層の中心の深さとなる位置から前記ドリフト層の一方の主面に近い側の前記バッファ層の個数よりも多い。前記ドリフト層はシリコン基板からなる。前記バッファ層は水素関連ドナーである。第1導電型はn型であり、第2導電型はp型である。
する。
造することができる。
シリコンウエハのn-ドリフト層の不純物濃度を制御するために、シリコンウエハにプ
ロトンイオン(H+)を照射して、n-ドリフト層中にブロードバッファ構造を形成したダイオードおよびその製造方法について説明する。
ている。また、ウエハの他方の主面側には、n+カソード層3が形成されている。pアノ
ード層2(第2半導体層)とn+カソード層3(第3半導体層)とに挟まれる半導体基板
の部分(第1半導体層)がn-ドリフト層1である。pアノード層2の表面にはアノード
電極4が形成されている。n+カソード層3の表面には、カソード電極5が形成されてい
る。
って、傾きをもって減少している、山型でn-ドリフト層1よりも濃度の高いマウンド状
の領域が形成されている。このn型のマウンド状の領域を、ブロードバッファ領域6と呼ぶ。ブロードバッファ領域6の不純物濃度分布の極大値は、n+カソード層3およびpア
ノード層2の不純物濃度よりも低い。すなわち、ブロードバッファ領域6は、n-ドリフ
ト層1の内部に設けられた、ウエハのバルクの不純物濃度よりも高く、かつn+カソード
層3およびpアノード層2よりも低いネットドーピング濃度を有する領域である。
toms/cm2以下の範囲にあること、の2点である。
照射と熱処理によって形成することができる。以下、実施の形態1にかかる半導体装置の製造プロセスについて、図2、図3を参照して詳細に説明する。ここでは、一例として、図1に例示した寸法およびネットドーピング濃度のダイオード(定格電圧:V0=120
0V、定格電流:150A)を製造する場合について説明する。
を用意する。このFZウエハ10を第1半導体層とする。以下、FZウエハ10自体の不純物濃度をバルク濃度、その比抵抗をバルク比抵抗と、それぞれ呼ぶことにする(図2(a))。なお、比抵抗ρ(Ωcm)とドナー濃度N(atoms/cm3)の関係は、比
抵抗が1Ωcmよりも高い場合において、ρ=4.596×1015/Nと表される。
μmである。また、アノード電極4の材料は、例えば、シリコン濃度が1wt%程度のアルミニウムシリコン(AlSi)などのアルミニウム合金(以下、Al−Si(1%)とする)である(図2(b))。
11を照射する。その際、サイクロトロンの加速電圧は、例えば、7.9MeVであり、プロトンH+11のドーズ量は、例えば、2.0×1012atoms/cm2である。また
、アルミアブソーバー(図示せず)を用い、アルミアブソーバーの厚さを調節してアルミアブソーバーを介してFZウエハ10にプロトンH+11を照射することで、プロトンH+11の飛程がFZウエハ10表面から60μmとなるようにする。図2(c)において、プロトンH+11の照射によりFZウエハ内に生じた結晶欠陥13を×印で示す(図2(
c))。
る。実施の形態1では、この段階でのFZウエハ10の厚さを120μmとする(図2(e))。
ソード層3となる第3半導体層が形成される(図2(g))。
、例えば、300nsecである。
属を成膜し、n+カソード層3の表面にオーミック接触するカソード電極5を形成し、ダ
イオードが完成する。FZウエハ10の、pアノード層2とn+カソード層3の間の半導
体基板部分はn-ドリフト層1となる。図2(g)の紙面右側に示す特性図(g−1)は
、(g)に示すダイオードの断面図に対応するネットドーピング濃度のプロファイルである。
物濃度のリン拡散層(表層濃度1×1020atoms/cm3、深さ80μm程度)が存
在するウエハを形成する。ついで、このウエハを用いて前述のダイオードの製造プロセス(図2(b)以降の処理)を行う。上記工程を追加することが好適である理由は、上述した特許文献3に開示されているように、ウエハの裏面に形成され、ウエハの濃度よりも高不純物濃度のリン拡散層が重金属等の不純物のゲッタリング層として作用し、かつアノー
ド層表面からブロードバッファ領域のネットドーピング濃度のピーク(以下、ピーク濃度とする)までの間(すなわち、プロトンH+の飛程Rp距離)の酸素濃度を高くすること
でプロトンH+11の照射によるブロードバッファ領域内での電子および正孔の移動度の
低下を抑えることができるからである。
ることもできるが、この値を超えると、酸素析出物や酸素誘起欠陥が生じることがあるので、1×1018atoms/cm3以下が望ましい。すなわち、アノード層表面からブロ
ードバッファ領域ピーク濃度までの間(すなわち、プロトンH+の飛程Rp距離)の酸素
濃度を1×1016atoms/cm3以上1×1018atoms/cm3以下とすることが望ましい。
形成される空孔を含む複合欠陥は、導入された酸素によるドナーとともに、半導体デバイスの主電流の流れる活性部だけでなく周辺耐圧構造部にも形成され、周辺耐圧構造部の直下にもn型でウエハの濃度よりも高不純物濃度のリン拡散層が形成される。その結果、ウエハの比抵抗が高くなり、かつ、周辺耐圧構造部の直下の不純物濃度が高くなるので、pn主接合に対する逆バイアス時に拡がる空乏層の等電位線密度が高くなる。これにより、周辺耐圧構造部表面の絶縁膜を介して受ける外部電荷による耐圧への影響を小さくすることができる。また、周辺耐圧構造部の直下における欠陥密度が増加することにより、この近傍のライフタイムが小さくなるので、導通時および逆回復時における活性部と周辺耐圧構造部の境界への電流または残留キャリアの集中を回避することができる。
)イオン以外にも、リチウムイオン(Li+)や酸素イオン(O-)があるが、これらの場合は質量が水素イオンよりも重くなり、同じ照射エネルギーでは十分広い飛程を得ることができない。よって、ウエハの表面から60μm程度の深さにイオン注入を行う必要がある場合には、水素イオン(H+)が最も好ましい。
1の要部断面図に示すダイオード、以下、実施例とする)と、比較として、従来のブロードバッファ領域をn-ドリフト層中に有するダイオード(第1の従来例)と、ブロードバ
ッファ領域を有さない従来の平坦なドーピング濃度分布(図4中では平坦濃度分布と記載)のn-ドリフト層1を備えるダイオード(図6の要部断面図に示すダイオード(以下、
第2の従来例とする)を示す。n-ドリフト層1の厚さを120μmとする(以降、図1
に示すように、n-ドリフト層1の厚さは厳密には120μmからpアノード層2とn+カソード層3の厚さを差し引いた116.5μmであるが、便宜上120μmと表記する)。
の従来例)については、ブロードバッファ領域6の実効ドーズ量を種々変更し、1.0×1011atoms/cm2、2.5×1011atoms/cm2、4.0×1011atoms/cm2、4.8×1011atoms/cm2、5.0×1011atoms/cm2、5
.2×1011atoms/cm2、5.7×1011atoms/cm2、6.0×1011atoms/cm2の場合の、それぞれウエハ(基板)の比抵抗(横軸)に対する半導体装
置の耐圧の変化を示す。実施例は、ブロードバッファ領域6の実効ドーズ量4.8×1011atoms/cm2以上のものである。一方、n-ドリフト層1中に平坦ドーピング濃度分布を有する従来のダイオード(第2の従来例)については、n-ドリフト層1の厚さが
120μmのときに比抵抗を変化させたときの耐圧値を従来の平坦濃度分布という名称を付けたプロット線で表示している。
条件(120μm)では、比抵抗が増加すると耐圧は上昇し、一定値に収束することを示している。一般的にデバイスを設計する場合、n-ドリフト層の厚さと比抵抗は、耐圧、
導通時の損失およびスイッチング特性のバランスを考慮して選択される。例えば、n-ド
リフト層の厚さは定格電圧V0(V)に対して0.1V0(μm)程度の値が選択される。また、定格電圧V0(V)と基板の典型的な比抵抗ρ0(Ωcm)は経験的に、次の(3)式で表される。
は203Ωcm、V0=6500Vでは293Ωcm程度である。さらに、動作上の余裕
度を考慮し、特に1700V以上の高定格電圧では、これらよりも1.5倍ほど高めの設定にすることもある。一方でスイッチング時の跳ね上がり電圧を抑制するために、前記の値よりも80%の値に低くすることもある。
20%程度のマージンを見込んだ高い実耐圧になるようにするため、例えば、定格電圧V0=1200Vの実耐圧を1400Vと設定する。このとき、図4から、平坦濃度分布と
表示された従来のダイオードでは、実耐圧が1400Vとなる基板の比抵抗は46Ωcmとなる。同様に、図4からブロードバッファ領域の実効ドーズ量が1.0×1011atoms/cm2、2.5×1011atoms/cm2、4×1011atoms/cm2、4.
8×1011atoms/cm2、5.0×1011atoms/cm2、5.2×1011atoms/cm2、5.7×1011atoms/cm2、6.0×1011atoms/cm2
と表示されたダイオードの実耐圧が1400Vとなる比抵抗はそれぞれ55Ωcm、68Ωcm、100Ωcm、144Ωcm、150Ωcm、160Ωcm、200Ωcm、250Ωcmとなる。
相当する。耐圧ばらつき幅は、市場の要求するもっと小さい値、例えば、5%以下が要求される。このため、市場の要求する耐圧ばらつき幅を満たすには、比抵抗ばらつき幅をさらに小さくしなければならない。しかし、現状の高比抵抗(例えば、20Ωcm以上)FZウエハの比抵抗ばらつき幅は、前述のように、ガスドープで±12%(ばらつき幅で24%)以下、中性子照射ウエハで±8%(ばらつき幅で16%)以下がウエハメーカーの保証範囲であり、中性子照射ウエハでさえ、耐圧ばらつき幅の許容をはるかに超えている。
図中A参照)に示すように1400V(定格電圧V0=1200V)を示す比抵抗は約6
8Ωcmである。この比抵抗が±12%ばらつくとすると、比抵抗ばらつき範囲は約60Ωcm〜76Ωcmとなる。図4から、比抵抗ばらつき範囲60Ωcm〜76Ωcmに対応する耐圧ばらつき範囲は1320V〜1460Vとなる。この耐圧ばらつき範囲は中心値1390Vに対して約10.1%の耐圧ばらつき幅に相当する。第1の従来例の耐圧ばらつき幅13.7%よりも小さくなるものの、市場の要求する耐圧ばらつき幅5%より大きいので、まだ十分ではない。同様に4.0×1011atoms/cm2のブロードバッ
ファダイオードの場合、図4から1400V(定格電圧V0=1200V)を示す比抵抗
は約100Ωcmである。その比抵抗のばらつき±12%に対応する耐圧ばらつき範囲は1340V〜1430Vとなり、耐圧ばらつき幅は約6.5%であるため、まだ、市場の要求する耐圧ばらつき幅5%以下を満たすことができない。
ダイオードの場合、図4(図中B参照)から1400Vの耐圧を示す比抵抗は144Ωcmとなる。この比抵抗が12%ばらつくと、比抵抗ばらつき範囲は126.7Ωcm〜161.3Ωcmとなる。これに対応する耐圧ばらつき範囲は1363V〜1425Vとなる。つまり、耐圧ばらつき幅は中心値1394Vに対して4.4%となる。また、実効ドーズ量が5.0×1011atoms/cm2、5.7×1011atoms/cm2、6.0×1011atoms/cm2のブロードバッファダイオードでは、同様に図4から、耐圧
1400Vに対応する比抵抗はそれぞれ150Ωcm、200Ωcm、250Ωcmとなる。これらの比抵抗が12%ばらつくと、それぞれ比抵抗ばらつき範囲は132Ωcm〜168Ωcm、176Ωcm〜224Ωcm、220Ωcm〜280Ωcmとなる。これらの比抵抗ばらつき範囲に対応する耐圧ばらつき範囲は順に1371V〜1431V、1378V〜1422V、1380V〜1415Vである。つまり、耐圧ばらつき幅は、それぞれ順に中心値1401Vに対して4.3%、中心値1400Vに対して3.1%、中心値1397Vに対して2.5%となる。したがって、耐圧ばらつき幅は2%強〜4%強まで低減される。このため、実施例のいずれにおいても、市場の要求する耐圧ばらつき幅5%以下を満たすことがわかる。
の従来例)、バルク比抵抗が同55Ωcm、68Ωcm、100Ωcmと小さい場合、それぞれ耐圧ばらつき幅は約11.5%、約10.1%、約6.5%であるので、5.0%より大きく、市場の要求する耐圧ばらつき幅を満たさないため、本発明には含まれない。またさらに、ドリフト層にブロードバッファ領域を備えていても、実効ドーズ量が高すぎると、たとえば、1.0×1012atoms/cm2を超えると、1400Vに達するバ
ルクの比抵抗が300Ωcmを超えるようになり、本発明には含まれないようになる。その理由については後述する。
1011atoms/cm2、5.2×1011atoms/cm2、5.7×1011atoms/cm2、6.0×1011atoms/cm2である。このため、図4を見る限り、本発明にかかるブロードバッファ領域の実効ドーズ量は4.8×1011atoms/cm2以
上6.0×1011atoms/cm2以下となる。さらに、ブロードバッファ領域の実効
ドーズ量を1.0×1012atoms/cm2まで高くしても、耐圧ばらつき幅はさらに
低減し、バルク比抵抗は300Ωcm以下であることを確認した。
層の厚さ、あるいはブロードバッファ領域形成による実効ドーズ量といったパラメータのばらつきも当然含まれる。しかしながら、ドリフト層の厚さのばらつきは、ウエハのバックグラインドとエッチングの組合せで3%以下、実効ドーズ量制御はプロトンH+の注入
とアニールの温度制御により1%以下にすることができる。耐圧ばらつき幅を決める要因のうち、最大の要因は比抵抗ばらつき幅であるので、耐圧ばらつき幅を低減させることによる効果は大きいことがわかる。
をすることができる。その理由は、ドリフト層全体にわたるドーピング濃度の総量(ドーズ量)が、定格電圧によらずほぼ一定の値(1.2×1012atoms/cm2程度かそ
れ以下)になるからである。前述の定格電圧V0=1200Vでは、耐圧ばらつき幅が市
場の要求する耐圧ばらつき幅5%以下となるのはバルク比抵抗144Ωcm以上であり、この数値144は、定格電圧の数値1200の12%程度(≒144/1200×100%)に相当する。また、図5に示すように、バルク比抵抗が、定格電圧の数値1200の12.5%に相当する150Ωcm以上であれば、耐圧ばらつき幅はさらに縮小する。さらに、ウエハバルク比抵抗が、定格電圧の数値1200の13.3%に相当する160Ωcm以上であれば、耐圧ばらつき幅は4%以下となり、確実に市場の要求する耐圧ばらつ
き幅5%以下となる。同様に定格電圧V0=600Vでは、0.12V0=0.12×600=72となり、バルク比抵抗を72Ωcmとする。従って、バルク比抵抗72Ωcm以上で耐圧ばらつき幅が5%以下となる。以下同様に、定格電圧V0=1700Vではバル
クの比抵抗204Ωcm以上、定格電圧V0=3300Vでは、バルクの比抵抗396Ω
cm以上、定格電圧V0=4500Vではバルクの比抵抗540Ωcm以上で、それぞれ
耐圧ばらつき幅が5%以下に低減することを確認した。よって、本発明の半導体装置にかかるバルク比抵抗、すなわち、半導体基板の比抵抗ρ0は、次の(4)式を満たすことが
必要な要件となる。
上とすると、より確実に耐圧ばらつき幅を5%以下とすることができる。
促進され、スイッチング波形が発振し易くなるという問題が生じる。例えば、定格電圧V0=1200Vの場合、バルク比抵抗が300Ωcmを超えると、ドリフト層に本発明に
かかるブロードバッファ領域を有するブロードバッファ構造のダイオードであっても、逆回復時のキャリアの枯渇による発振現象が確認された。さらに、バルク比抵抗が極めて高くなると、このような発振現象は、他の定格電圧の場合にも共通に見られることが分かった。この現象は、n-ドリフト層全体にわたるドーピング濃度の総量(ドーズ量)が重要
な要素となる。それは、逆回復時に伸長する空間電荷領域の伸び具合が、ポアソンの式に従いドーピング濃度の総量(ドーズ量)に依存するためであり、その結果、掃き出されるキャリアの総量もドーピング濃度の総量によって決まるからである。よって、定格電圧V0=1200Vに対しては、300Ωcmを超え、他の定格電圧についてもV0=600Vでは150Ωcmを超え、V0=1700Vでは425Ωcmを超え、V0=3300Vでは825Ωcmを超え、V0=4500Vでは1125Ωcmを超える場合に同様の発振
現象が確認された。以上の定格電圧V0とバルク比抵抗ρ0との間には、ρ0≦0.25V0という関係式が成り立つ。従って、バルク比抵抗ρ0は、次の(5)式を満たすことが必
要な要件となる。
リフト層の一部分に形成され、基板濃度(バルクの不純物濃度)かそれ以下のネットドーピング濃度の部分と接していることである。このことにより、バルク濃度と独立に耐圧を決定することができ、その結果、耐圧ばらつき幅を低減できる。仮に、ブロードバッファ領域がn-ドリフト層全体にわたり分布する構造である場合、不純物濃度の制御と耐圧は
イオン注入とドライブのみに依存することになる。その結果、定格電圧が変わり、特に高耐圧になると、n-ドリフト層内の100μm以上の広い範囲に水素誘起ドナーを分布さ
せ、かつその不純物濃度を低くしなければならない。n-ドリフト層をこのような濃度分
布にすることは、現状では物理的に極めて困難である。
ら照射したが、図3(c)に示すように、プロトンH+11を裏面側(カソード電極側)
から照射してもよい。図3に示す製造方法の、それ以外の工程は、図2に示す製造方法と同様である。つまり、図2と図3の相違は、(c)の工程である。
(Ωcm)が定格電圧V0(V)に対して上記(2)式を満たす基板からなるn-ドリフト層1に、ブロードバッファ領域6を設けている。ブロードバッファ領域6のネットドーピング濃度の総量が上記範囲内にある。これにより、バルク比抵抗のばらつきが±12%程度あったとしても、ダイオードの耐圧が、バルク比抵抗のばらつきに応じて変化する範囲を小さくすることができる。また、半導体装置のスイッチング特性が、バルク比抵抗のばらつきに応じて変化する範囲も小さくすることができる。したがって、耐圧のばらつきおよびスイッチング特性のばらつきを低減することができる。
リフト層1)の一方の主面側にpアノード層2を形成した後、FZウエハ10のおもて面または裏面から、pアノード層2または後の工程で形成されるn+カソード層3より深い
箇所に達する飛程距離でプロトンH+11を照射し、300℃以上550℃以下の熱処理
を行う。これにより、n-ドリフト層1の内部に、上述した条件のブロードバッファ領域
6を形成することができる。このとき、FZウエハ10の比抵抗(バルク比抵抗)ρ0は
定格電圧V0に対して上記条件を満たす。これにより、FZウエハ10の比抵抗のばらつ
きが±12%程度あったとしても、半導体装置の耐圧が、FZウエハ10の比抵抗のばらつきに応じて変化する範囲を小さくすることができる。また、半導体装置のスイッチング特性が、FZウエハ10の比抵抗のばらつきに応じて変化する範囲も小さくすることができる。したがって、耐圧のばらつきおよびスイッチング特性のばらつきを低減することができる。
Zウエハ10に上記条件で酸素を導入する。これにより、ウエハにプロトンH+11を照
射した際の、ブロードバッファ領域6内での電子および正孔の移動度の低下を抑えることができる。
図7は、実施の形態2にかかる半導体装置の構成、ネットドーピング濃度分布を示す図である。実施の形態1におけるブロードバッファ領域6を、n-ドリフト層1中に複数備
えてもよい。
とが好ましいことは、実施の形態1と同様である。さらに、ブロードバッファ領域6を複数作る場合は、ブロードバッファ領域を1つ形成するよりも、その数に応じてより高不純物濃度のブロードバッファ領域が形成され易くなるので、スイッチング時もしくは電源電圧保持時の空間電荷領域における電界強度の減少が1個の場合よりも大きくなりやすい。しかし、その結果、半導体装置の耐圧が低くなることもあるので、バルク比抵抗はさらに高くすることがよく、目安としては0.15V0以上であることがより好ましい。上限は
、前述の0.25V0であることは同じである。それ以外の構成は、実施の形態1と同様
である。
と、ドナー濃度分布((d))である。両方のダイオードについて、FZバルクウエハのドナー濃度の規格値をN0とし、実際のFZバルクウエハのドナー濃度の測定値が、(1
+α)N0(あるいは(1−α)N0、α>0)であったとする。あるいは、一連の素子形成プロセスを処理するときに、同時に流動する単位としてのFZバルクウエハ処理枚数(例えば50枚)における、FZバルクウエハのドナー濃度の測定値の標準偏差が、(1+α)N0(あるいは(1−α)N0、α>0)であったとしてもよい。つまり、ドナー濃度のばらつきの割合が±α(α>0)であるとする。
件の下でポアソンの式を解くと、ドナー濃度がN0のときの電圧値(耐圧値)φ0は、φ0
=−(1/2)x0ECとなる。バルクドナー濃度が(1±α)N0だけばらついたときの
耐圧値の最大値および最小値φ±は、境界条件としてそれぞれ位置x±にて電界強度が0になるとすると、φ±=φ0/(1±α/2)となり、その結果、耐圧値のばらつきの割
合△φ/φ0は、4α/{(2−α)(2+α)}となる(ここで△φ=φ-−φ+)。
。ここで、ブロードバッファ領域の不純物濃度は理想的な分布であり、ばらつきが無いものとする。また、βは1よりも大きい値とする。図14(c)において、それぞれのブロードバッファ領域の電界強度の勾配の大きさはβ倍だけ大きくなるので、バルク部分(濃度N0)よりも大きな電界強度の減少分△Eが発生する。この電界強度の『目減り』がn
回続くとすると、ドリフト層全体の幅Wdに対して電界強度の『目減り』が生じていていない部分、つまりブロードバッファ領域ではないバルク部分の総長の割合γは、γ=(Wd−nW0)/Wdとなる。n≧2、0<W0<Wdなので、γは0以上1以下となる。一方
、同じく電界強度の最大値ECに対して、n回分だけ目減りした電界強度△Eの割合ηは
、η=Σi△Ei/EC=qβN0nW0/(ECε0εSi)となる。ここでqは電荷素量、ε0は真空の誘電率、εSiはシリコンの比誘電率である。ηは0以上1以下である。つまり、複数個のブロードバッファ領域を持つ場合の電圧値のばらつきの割合は、平坦な従来型ダ
イオードのばらつきの割合から、バルク濃度のばらつきが影響しないブロードバッファ領域の寄与と、ブロードバッファ領域において電界強度が『目減り』した部分の寄与を、取り除いた値になるとする。この仮定に基づき、前記の電圧値のばらつきの割合△φ/φ0
は、平坦な従来型ダイオードの同割合に因子(γ/η)を掛けた値になるので、△φ/φ0=4α(γ/η)/{(2−α)(2+α)}となる。ここで、αは0%より大きく1
2%以下であるとすると、この範囲では4α/{(2−α)(2+α)}≒αと近似することができ、△φ/φ0≒α(γ/η)となる。ブロードバッファ領域の総数nが増加す
るほど、γは小さくなるので、電圧値のばらつき幅△φ/φ0は小さくなる。また、電界
強度の『目減り』の割合ηは、ブロードバッファ領域の濃度のバルク濃度N0よりも大き
くなる(つまりβが大きくなる)程、あるいはブロードバッファ領域の個数nが増加するほど、大きくなる。また、ブロードバッファ領域の幅W0についても、値を広げるとηは
大きくなる。よって、濃度が高く幅の広いブロードバッファ領域を数多く形成するほど、理論的には、電圧(耐圧)のばらつき割合△φ/φ0は小さくなる。
W0を6μm、N0に対するブロードバッファ領域の濃度の倍数βを10とする。このとき、ηは2.19、γは0.85となるので、耐圧のばらつき割合△φ/φ0は0.047
(4.7%)となり、αよりも十分小さくすることができ、かつ市場の要求する耐圧ばらつき幅5%も満たすことができる。したがって、複数個のブロードバッファ領域を形成するにあたって、以下の式(6)の条件を満たすように形成すると、耐圧値のばらつき割合△φ/φ0はFZバルクウエハのばらつき割合よりも小さくすることができるので好まし
い。
FZバルクウエハのばらつき割合よりも小さくすることができるので、なお好ましい。
るブロードバッファ領域の濃度の倍数)を大きくしすぎたり、n(ブロードバッファ領域の個数)を増やしすぎたりすると、電界強度の『目減り』の総量が大きくなり、十分な耐圧を得ることができなくなる。また、βが1に十分近い程度の値しかなければ、電界強度の『目減り』△Eがバルクにおける電界強度の減少分と大差なくなり、ブロードバッファ領域の効果そのものが小さくなり、耐圧ばらつきの抑制につながらない。よってβ、W0
、nについて、耐圧とそのばらつき具合、および逆回復発振抑制の効果を踏まえて決める必要がある。一方、各ブロードバッファ領域の形状は、プロトン照射によりガウス分布に近くなる。また、ガウス分布の広がり具合を示す半値幅は上記のW0に相当し、プロトン
の加速エネルギーに依存する。このプロトン照射によりブロードバッファ領域を形成する場合、上記の考察は、例えばドナー濃度について、ある一つのブロードバッファ領域にわたり積分した値を半値幅で平均化したものと考える。言い換えると、電界強度の『目減り』△Eは、ブロードバッファ領域の積分値の総量(実効ドーズ量)により決まるので、個々の形状の相違(矩形かガウス分布か)には、大きく因らない。よって、β、W0、nの
選択は、実際には各ブロードバッファ領域の積分濃度の総量を決めることとなる。また、前述の式(6)は、定格電圧に因らずに成り立つ。その理由は、定格電圧に応じて決定するバルクウエハの濃度に対して、臨界電界強度Ecが依存する度合いは弱く、およそ一定
値と考えてよいことと、さらに電界強度の『目減り』△Eは、個々のブロードバッファ領域の濃度やバルクウエハの濃度ではなく、これらの濃度の積分値(総量、あるいは実効ドーズ量)に依存するから、である。
ms/cm3で半値幅が5μm)となり、合計9×1011atoms/cm2となる。
傍のドリフト層の低不純物濃度(高抵抗)の領域を確保する。こうすることで、逆回復時とか、宇宙線の侵入時におけるpn接合近傍の電界強度の増加を抑えることができる。あるいは、ドリフト層のちょうど中間となる位置からカソード電極側に近い側のブロードバッファ領域の個数が、前記中間となる位置からアノード電極に近い側のブロードバッファ領域個数(0個も含む)よりも多くしても、同様の効果が得られるので好ましい。
とで、スイッチング時の空間電荷領域の拡がり方をより細かく制御することができる。
図8は、実施の形態3にかかる半導体装置の構成、ネットドーピング濃度分布を示す図である。実施の形態1,2にかかる半導体装置の構成をIGBTに適用してもよい。
となる。バルク比抵抗ρ0(Ωcm)は、実施の形態1と同様である。つまり、バルク比
抵抗は、上記(2)式あるいは前記のさらに好ましい範囲にある。pベース層22の表面には、エミッタ電極24が形成されている。pコレクタ層28の表面には、コレクタ電極25が形成されている。ウエハのおもて面側には、pベース層22を貫通し、n-ドリフ
ト層21に達するトレンチが形成され、その内壁にゲート絶縁膜31が形成されている。トレンチの内部には、このゲート絶縁膜31を介してゲート電極27が埋め込まれている。pベース層22内には、nエミッタ層29が形成されている。エミッタ電極24は、pベース層22およびnエミッタ層29を電気的に接続する。また、エミッタ電極24は、ゲート絶縁膜31およびゲート電極27上に形成された層間絶縁膜32によりゲート電極
27から絶縁されている。
。図8では、トレンチゲート構造IGBTを示しているが、プレーナーゲート構造IGBTを用いてもよい。
深さからコレクタ電極25側に設けることで、空乏層を確実に止めて、上記の電荷中性領域を確保するのが望ましい。
で、厚さ500μm程度のFZウエハ10を用意する。このFZウエハ10を第1半導体層とする(図9(a))。このFZウエハ10は、実施の形態1に示すように事前に室温程度(例えば20℃)の固溶度よりも高濃度の酸素をドライブインにて拡散させて導入してもよい。
の不純物濃度は、1×1020atoms/cm3であり、その接合深さは表面から、例え
ば、0.5μmである。また、ゲート電極27の材料は、例えば、ポリシリコンを用いてもよい。
の際、サイクロトロンの加速電圧は、例えば、7.9MeVであり、プロトンH+11の
ドーズ量は、1.0×1014atoms/cm2である。また、アルミアブソーバーを用
い、その厚さを調整して、シリコン基板表面から90μmとなるようにする。FZウエハ10の厚さが例えば500μmの場合は、プロトンH+11の飛程が410μmになるよ
う調整する。この飛程は、静電加速器を用いて、加速電圧にて飛程調整を実施しても良く、この場合の加速電圧は7.5MeVである。図9(c)において、プロトンH+11の
照射によりFZウエハ10内に生じた結晶欠陥13を×印で示す。
図9)では、この段階でのFZウエハ10の厚さを120μmとする。
タ層28となるボロン+14等のp型不純物をイオン注入する(図9(h))。その際の
加速電圧は、例えば、50keVであり、活性化後の不純物濃度が3×1017atoms/cm3となるようなドーズ量とする。ここで、nフィールドストップ層23の実効ドー
ズ量は、ブロードバッファ領域26を含めて、前記の実効ドーズ量条件を満たすような範囲とする。
の照射(図9(c)参照)を、エミッタ電極24および保護膜を形成し、FZウエハ10の裏面の研削およびウェットエッチング30の後に実施する点である。図10に示す製造方法その2は、エミッタ電極24および周辺耐圧構造部の保護膜の耐熱温度がプロトンH+を照射した後の熱処理温度よりも高い場合に有効である。
0(d))、熱処理を行う(図10(e))。プロトンH+の照射のとき、照射の加速器
による加速電圧上限値の範囲でプロトンH+11の飛程を調整する。例えば静電加速器で
は、裏面からの飛程を30μmとする場合、加速エネルギーは1.5MeVである。あるいはサイクロトロン型加速器を用いて、前述したアルミアブソーバーにより飛程を調整してもよい。図10(f)以降の工程は、製造方法その1の図9(g)以降と同じである。以上の製造方法その2のようにIGBTを形成すると、FZウエハ10を薄くした後の工程数を少なくすることができ、薄いウエハのハンドリングに起因するウエハの割れといった不良を軽減することができる。
11の照射後の熱処理温度がエミッタ電極24の耐熱温度よりも高い場合は、図11に示す製造方法その3を用いて、実施の形態3にかかるIGBTを作製するのがよい。
めて、pコレクタ層に到達しない構成を有するIGBTを作製する点である。このようにすると、ホールの注入効率は、ほぼウエハ裏面のpコレクタ層28の濃度および導入深さの調整のみで行うことができる。その他の工程は図10に示す製造方法その2と同様である。
図13では、実施の形態4にかかる半導体装置の構成、ネットドーピング濃度分布を示す図である。実施の形態3におけるブロードバッファ領域26を、n-ドリフト層21中
に複数備えていてもよい。
とすることが好ましいことは、実施の形態1と同様である。さらに、ブロードバッファ領域26を複数作る場合は、ブロードバッファ領域を1つ形成するよりも、その数に応じてより高不純物濃度のブロードバッファ領域が形成され易くなるので、スイッチング時もしくは電源電圧保持時の空間電荷領域における電界強度の減少が1個の場合よりも大きくな
りやすい。しかし、その結果、半導体装置の耐圧が低くなることもあるので、バルク比抵抗はさらに高くすることがよく、目安としては0.15V0以上であることがより好まし
い。上限は、前述の0.25V0であることは同じである。それ以外の構成は、実施の形
態3と同様である。
atoms/cm3で半値幅が5μm、ピーク濃度が3.5×1015atoms/cm3で半値幅が3μmである。それぞれのブロードバッファ領域26の積分濃度は、エミッタ電極24に近いほうから順に、2×1011atoms/cm2,3×1011atoms/c
m2,4×1011atoms/cm2となり、合計8×1011atoms/cm2となる。
さらにnフィールドストップ層23がおよそ1.0×1012atoms/cm2となるよ
うにして、n型層(n-ドリフト層21、ブロードバッファ領域26、nフィールドスト
ップ層23)の実効ドーズ量(積分濃度)の総計は1.8×1012atoms/cm2と
なる。
オフ状態の空乏層はpコレクタ層28に達しないようにしなければならない。このため、上記3つのn型層の積分濃度の総計は、1.2×1012atoms/cm2より大きくし
なければならない。よって、上記3つのn型層の積分濃度の総計は、1.2×1012atoms/cm2以上、2.0×1012atoms/cm2以下とすればよい。また、pコレクタ層28に接するnフィールドストップ層23のみで上記積分濃度の範囲を満たしてもよい。この場合、リンを導入することでnフィールドストップ層23を形成してもよいし、プロトンH+を導入することでnフィールドストップ層23を形成してもよい。上記3
つのn型層全体で上記積分濃度の範囲を満たす場合、ゲートがオンのときにpコレクタ層から少数キャリアのホールがスムーズに注入され、かつ耐圧も安定的に得られるようになる。
りした電界強度△Eの割合をηとしたときに、4α(γ/η)/{(2−α)(2+α)}<αの条件を満たすように形成することが好ましい。一方で、実施の形態3に示すように、IGBTでは裏面側にpコレクタ層28が形成されるため、裏面側から少数キャリアが注入されるので、空乏化していない電荷中性領域を裏面側から5〜20μmは確保することが望ましい。そのため、ブロードバッファ領域26のネットドーピング濃度分布のピークを、n-ドリフト層21の中心の深さからコレクタ電極25側に設けることで、空乏
層を確実に止めて、上記の中性領域を確保するのが望ましい。つまり、複数個のブロードバッファ領域26を、ドリフト層中間よりもコレクタ電極寄りの領域に多く形成すれば、電界強度の『目減り』△E(図14(c)参照)を同領域にて形成することが可能となるので、好ましい。具体的には、ドリフト層のちょうど中間となる位置からコレクタ電極側
に近い側のブロードバッファ領域の個数が、前記中間となる位置からエミッタ電極に近い側のブロードバッファ領域個数(0個も含む)よりも多ければよい。
しい。その理由は、ウエハの表面から照射するとゲート酸化膜とシリコンの界面に結晶欠陥が形成されてしまうため、ゲート電圧の特性に影響を与える可能性があるからである。また、捕獲準位がpベース層22の近傍にも残留すると、オン状態でのキャリア分布が変化し、オン電圧とターンオフ損失のトレードオフ特性が悪化する可能性もあるからである。
3とn-ドリフト層1の間にて、n+カソード層3よりも低い不純物濃度でかつ同層に隣接するように、nフィールドストップ層をリンの注入若しくはプロトンH+を照射して形成
すればよい。
あるいは省き、一つまたは複数のブロードバッファ領域の濃度を調整することで、順方向阻止状態の空乏層がpコレクタ層に達しないようにする。このような構造とすることで、逆方向阻止状態にてpコレクタ層とドリフト層のpn接合から空乏層が広がるときに、前記pn接合の電界強度の集中を抑えて、逆方向耐圧も順方向耐圧と同じオーダーに維持することが可能である。
2 pアノード層
3 n+カソード層
4 アノード電極
5 カソード電極
6,26 ブロードバッファ領域
10 FZウエハ
11 プロトンH+
12 絶縁膜
13 結晶欠陥
14 ボロン+
15 リン+
22 pベース層
23 nフィールドストップ層
24 エミッタ電極
25 コレクタ電極
27 ゲート電極
28 pコレクタ層
29 nエミッタ層
30 研削およびウェットエッチング
31 ゲート絶縁膜
32 層間絶縁膜
Claims (15)
- 第1導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層の一方の主面側に設けられた、当該ドリフト層よりもネットドーピング濃度の高い第2導電型のベース層と、
前記ドリフト層の他方の主面側に設けられた、当該ドリフト層よりもネットドーピング濃度の高い第1導電型の高濃度層と、
前記ドリフト層の内部に設けられた、当該ドリフト層よりもドナー濃度が高く、極大値が前記ベース層および高濃度層よりも低く、かつ当該極大値をピークとし、深さ方向に高低差をもつネットドーピング濃度分布を有する第1導電型のバッファ層と、
を備え、
前記バッファ層は、前記ドリフト層の他方の主面から異なる深さに3つ以上配置されており、
前記ドリフト層の中心の深さとなる位置から前記ドリフト層の他方の主面に近い側に前記バッファ層を少なくとも1つ含み、
前記ドリフト層の中心の深さとなる位置から前記ドリフト層の一方の主面に近い側に前記バッファ層を少なくとも1つ含み、
前記ドリフト層はシリコン基板からなり、
前記バッファ層は水素関連ドナーであり、
第1導電型はn型であり、第2導電型はp型であることを特徴とする半導体装置。 - 第1導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層の一方の主面側に設けられた、当該ドリフト層よりもネットドーピング濃度の高い第2導電型のベース層と、
前記ドリフト層の他方の主面側に設けられた、当該ドリフト層よりもネットドーピング濃度の高い第2導電型の高濃度層と、
前記ドリフト層の内部に設けられた、当該ドリフト層よりもドナー濃度が高く、極大値が前記ベース層および高濃度層よりも低く、かつ当該極大値をピークとし、深さ方向に高低差をもつネットドーピング濃度分布を有する第1導電型のバッファ層と、
を備え、
前記バッファ層は、前記ドリフト層の他方の主面から異なる深さに3つ以上配置されており、
前記ドリフト層の中心の深さとなる位置から前記ドリフト層の他方の主面に近い側に前記バッファ層を少なくとも1つ含み、
前記ドリフト層の中心の深さとなる位置から前記ドリフト層の一方の主面に近い側に前記バッファ層を少なくとも1つ含み、
前記ドリフト層はシリコン基板からなり、
前記バッファ層の中で最も前記高濃度層側の第1バッファ層は水素関連ドナーか、またはドナーとしてリンを含む領域かのいずれかであり、
前記第1バッファ層以外のバッファ層は水素関連ドナーであり、
第1導電型はn型であり、第2導電型はp型であることを特徴とする半導体装置。 - 第1導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層の一方の主面側に設けられた、当該ドリフト層よりもネットドーピング濃度の高い第2導電型のベース層と、
前記ドリフト層の他方の主面側に設けられた、当該ドリフト層よりもネットドーピング濃度の高い第1導電型の高濃度層と、
前記ドリフト層の内部に設けられた、当該ドリフト層よりもドナー濃度が高く、極大値が前記ベース層および高濃度層よりも低く、かつ当該極大値をピークとし、深さ方向に高低差をもつネットドーピング濃度分布を有する第1導電型のバッファ層と、
を備え、
前記バッファ層は、前記ドリフト層の他方の主面から異なる深さに3つ以上配置されており、
前記高濃度層と、前記バッファ層の中で最も前記高濃度層側の第1バッファ層と、の間の境界の部分は、当該境界の深さ位置から前記高濃度層側および前記第1バッファ層側へ向かうにしたがってネットドーピング濃度が高くなるネットドーピング濃度分布を有し、
前記第1バッファ層と、前記バッファ層の中で前記第1バッファ層から1つ前記ベース層側に隣り合う第2バッファ層と、の間の部分は、ドナー濃度の最小値を示す深さ位置から前記第1バッファ層側および前記第2バッファ層側へ向かうにしたがってドナー濃度が高くなるネットドーピング濃度分布を有し、
前記第2バッファ層と、前記バッファ層の中で前記第2バッファ層から1つ前記ベース層側に隣り合う第3バッファ層と、の間の部分は、ドナー濃度の最小値を示す深さ位置から前記第2バッファ層側および前記第3バッファ層側へ向かうにしたがってドナー濃度が高くなるネットドーピング濃度分布を有し、
前記第1バッファ層と前記第2バッファ層との間の部分でドナー濃度の最小値を示す深さ位置、および、前記第2バッファ層と前記第3バッファ層との間の部分でドナー濃度の最小値を示す深さ位置、においてドナー濃度分布の傾きが連続的に変化してゼロになっており、
前記高濃度層と前記第1バッファ層との間の境界位置のドナー濃度の最小値、および、前記第1バッファ層と前記第2バッファ層との間の部分のドナー濃度の最小値、は前記ドリフト層のドナー濃度よりも高く、
前記ドリフト層はシリコン基板からなり、
前記バッファ層は水素関連ドナーであり、
第1導電型はn型であり、第2導電型はp型であることを特徴とする半導体装置。 - 第1導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層の一方の主面側に設けられた、当該ドリフト層よりもネットドーピング濃度の高い第2導電型のベース層と、
前記ドリフト層の他方の主面側に設けられた、当該ドリフト層よりもネットドーピング濃度の高い第2導電型の高濃度層と、
前記ドリフト層の内部に設けられた、当該ドリフト層よりもドナー濃度が高く、極大値が前記ベース層および高濃度層よりも低く、かつ当該極大値をピークとし、深さ方向に高低差をもつネットドーピング濃度分布を有する第1導電型のバッファ層と、
を備え、
前記バッファ層は、前記ドリフト層の他方の主面から異なる深さに3つ以上配置されており、
前記高濃度層と、前記バッファ層の中で最も前記高濃度層側の第1バッファ層と、の間の境界の部分は、当該境界の深さ位置から前記高濃度層側および前記第1バッファ層側へ向かうにしたがってネットドーピング濃度が高くなるネットドーピング濃度分布を有し、
前記第1バッファ層と、前記バッファ層の中で前記第1バッファ層から1つ前記ベース層側に隣り合う第2バッファ層と、の間の部分は、ドナー濃度の最小値を示す深さ位置から前記第1バッファ層側および前記第2バッファ層側へ向かうにしたがってドナー濃度が高くなるネットドーピング濃度分布を有し、
前記第2バッファ層と、前記バッファ層の中で前記第2バッファ層から1つ前記ベース層側に隣り合う第3バッファ層と、の間の部分は、ドナー濃度の最小値を示す深さ位置から前記第2バッファ層側および前記第3バッファ層側へ向かうにしたがってドナー濃度が高くなるネットドーピング濃度分布を有し、
前記第1バッファ層と前記第2バッファ層との間の部分でドナー濃度の最小値を示す深さ位置、および、前記第2バッファ層と前記第3バッファ層との間の部分でドナー濃度の最小値を示す深さ位置、においてドナー濃度分布の傾きが連続的に変化してゼロになって
おり、
前記高濃度層と前記第1バッファ層との間の境界位置のドナー濃度の最小値、および、前記第1バッファ層と前記第2バッファ層との間の部分のドナー濃度の最小値、は前記ドリフト層のドナー濃度よりも高く、
前記ドリフト層はシリコン基板からなり、
前記第1バッファ層は水素関連ドナーか、またはドナーとしてリンを含む領域かのいずれかであり、
前記第1バッファ層以外のバッファ層は水素関連ドナーであり、
第1導電型はn型であり、第2導電型はp型であることを特徴とする半導体装置。 - 第1導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層の一方の主面側に設けられた、当該ドリフト層よりもネットドーピング濃度の高い第2導電型のベース層と、
前記ドリフト層の他方の主面側に設けられた、当該ドリフト層よりもネットドーピング濃度の高い第1導電型の高濃度層と、
前記ドリフト層の内部に設けられた、当該ドリフト層よりもドナー濃度が高く、極大値が前記ベース層および高濃度層よりも低く、かつ当該極大値をピークとし、深さ方向に高低差をもつネットドーピング濃度分布を有する第1導電型のバッファ層と、
を備え、
前記バッファ層は、前記ドリフト層の他方の主面から異なる深さに3つ以上配置されており、
前記ドリフト層の中心の深さとなる位置から前記ドリフト層の他方の主面に近い側に前記バッファ層を少なくとも1つ含み、
前記ドリフト層の中心の深さとなる位置から前記ドリフト層の一方の主面に近い側に前記バッファ層を少なくとも1つ含み、
前記ドリフト層の中心の深さとなる位置から前記ドリフト層の他方の主面に近い側の前記バッファ層の個数は、前記ドリフト層の中心の深さとなる位置から前記ドリフト層の一方の主面に近い側の前記バッファ層の個数よりも多く、
前記ドリフト層はシリコン基板からなり、
前記バッファ層は水素関連ドナーであり、
第1導電型はn型であり、第2導電型はp型であることを特徴とする半導体装置。 - 第1導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層の一方の主面側に設けられた、当該ドリフト層よりもネットドーピング濃度の高い第2導電型のベース層と、
前記ドリフト層の他方の主面側に設けられた、当該ドリフト層よりもネットドーピング濃度の高い第2導電型の高濃度層と、
前記ドリフト層の内部に設けられた、当該ドリフト層よりもドナー濃度が高く、極大値が前記ベース層および高濃度層よりも低く、かつ当該極大値をピークとし、深さ方向に高低差をもつネットドーピング濃度分布を有する第1導電型のバッファ層と、
を備え、
前記バッファ層は、前記ドリフト層の他方の主面から異なる深さに3つ以上配置されており、
前記ドリフト層の中心の深さとなる位置から前記ドリフト層の他方の主面に近い側に前記バッファ層を少なくとも1つ含み、
前記ドリフト層の中心の深さとなる位置から前記ドリフト層の一方の主面に近い側に前記バッファ層を少なくとも1つ含み、
前記ドリフト層の中心の深さとなる位置から前記ドリフト層の他方の主面に近い側の前記バッファ層の個数は、前記ドリフト層の中心の深さとなる位置から前記ドリフト層の一方の主面に近い側の前記バッファ層の個数よりも多く、
前記ドリフト層はシリコン基板からなり、
前記バッファ層の中で最も前記高濃度層側の第1バッファ層は水素関連ドナーか、またはドナーとしてリンを含む領域かのいずれかであり、
前記第1バッファ層以外のバッファ層は水素関連ドナーであり、
第1導電型はn型であり、第2導電型はp型であることを特徴とする半導体装置。 - 前記高濃度層と、前記バッファ層の中で最も前記高濃度層側の第1バッファ層と、の間の境界の部分は、当該境界の深さ位置から前記高濃度層側および前記第1バッファ層側へ向かうにしたがってネットドーピング濃度が高くなるネットドーピング濃度分布を有し、
前記第1バッファ層と、前記バッファ層の中で前記第1バッファ層から1つ前記ベース層側に隣り合う第2バッファ層と、の間の部分は、ドナー濃度の最小値を示す深さ位置から前記第1バッファ層側および前記第2バッファ層側へ向かうにしたがってドナー濃度が高くなるネットドーピング濃度分布を有し、
前記第2バッファ層と、前記バッファ層の中で前記第2バッファ層から1つ前記ベース層側に隣り合う第3バッファ層と、の間の部分は、ドナー濃度の最小値を示す深さ位置から前記第2バッファ層側および前記第3バッファ層側へ向かうにしたがってドナー濃度が高くなるネットドーピング濃度分布を有し、
前記第1バッファ層と前記第2バッファ層との間の部分でドナー濃度の最小値を示す深さ位置、および、前記第2バッファ層と前記第3バッファ層との間の部分でドナー濃度の最小値を示す深さ位置、においてドナー濃度分布の傾きが連続的に変化してゼロになっており、
前記高濃度層と前記第1バッファ層との間の境界位置のドナー濃度の最小値、および、前記第1バッファ層と前記第2バッファ層との間の部分のドナー濃度の最小値、は前記ドリフト層のドナー濃度よりも高いことを特徴とする請求項1、2、5、6のいずれか一つに記載の半導体装置。 - 前記ドリフト層の比抵抗ρ0(Ωcm)が定格電圧V0(V)に対して、
0.12V0≦ρ0
を満たすことを特徴とする請求項3または4に記載の半導体装置。 - 前記高濃度層と前記第1バッファ層との間の境界位置のドナー濃度は、前記第1バッファ層と前記第2バッファ層との間の部分のドナー濃度の最小値よりも高いことを特徴とする請求項3、4、7、8のいずれか一つに記載の半導体装置。
- 前記第2バッファ層と、前記第2バッファ層から1つ前記ベース層側に隣り合う前記第3バッファ層と、の間の部分は、ドナー濃度の最小値を示す深さ位置から前記第2バッファ層側および前記第3バッファ層側へ向かうにしたがってドナー濃度が高くなるネットドーピング濃度分布を有し、
前記第1バッファ層と前記第2バッファ層との間の部分のドナー濃度の最小値は、前記第2バッファ層と前記第3バッファ層との間の部分のドナー濃度の最小値よりも高いことを特徴とする請求項3、4、7〜9のいずれか一つに記載の半導体装置。 - 前記ドリフト層の一方の主面側に、前記ベース層と接して設けられた、当該ベース層よりも不純物濃度の高い第1導電型のエミッタ層と、
前記ドリフト層、前記ベース層および前記エミッタ層に接する絶縁膜と、
前記絶縁膜を介して、前記ドリフト層、前記ベース層および前記エミッタ層と隣り合うゲート電極と、
をさらに備え、
前記第2バッファ層と前記第3バッファ層との間の部分のドナー濃度の最小値は前記ドリフト層の不純物濃度よりも高いことを特徴とする請求項2、4、6のいずれか一つに記
載の半導体装置。 - 複数の前記バッファ層のうち、臨界電界強度に対して電界強度を目減りさせる前記バッファ層の積分濃度の合計が5.2×1011atoms/cm2以上であることを特徴とす
る請求項1〜11のいずれか一つに記載の半導体装置。 - 前記臨界電界強度に対する電界強度の目減りが、耐圧と同じ値の電圧の印加に応じた電界強度の目減りであることを特徴とする請求項12に記載の半導体装置。
- 前記ドリフト層の中心の深さとなる位置から前記ドリフト層の他方の主面に近い側に前記バッファ層を少なくとも1つ含み、
前記ドリフト層の中心の深さとなる位置から前記ドリフト層の一方の主面に近い側に前記バッファ層を少なくとも1つ含むことを特徴とする請求項3または4に記載の半導体装置。 - 前記シリコン基板に含まれる酸素の濃度は1×1016/cm3以上であり、1×1018
/cm3以下であることを特徴とする請求項1〜14のいずれか一つに記載の半導体装置
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