JP3910922B2

JP3910922B2 - 半導体装置

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Publication number: JP3910922B2
Application number: JP2003033482A
Authority: JP
Inventors: 英樹高橋
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-02-12
Filing date: 2003-02-12
Publication date: 2007-04-25
Anticipated expiration: 2017-08-14
Also published as: JP2003249662A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は半導体装置及びその製造方法に関するものであり、特にダイオードのリカバリー特性改善のために好適な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１７は、ダイオードの基本構造を示す断面図である。同断面図１７において、Ｎ＋層１Ｐ及びＮ−層２ＰからなるＮ基板４Ｐの表面上には、Ｐ型の不純物を拡散することにより、アノード領域３Ｐが形成されている。アノード領域３Ｐの表面上にアノード電極５Ｐが、Ｎ基板４Ｐの裏面にはカソード電極６Ｐが、それぞれ形成されている。以下に、ダイオードの動作について説明する。
【０００３】
図１７の構造において、アノード電極５Ｐとカソード電極６Ｐ間に所定のアノード電圧ＶＡＫ（順バイアス）を印加し、アノード電圧があるしきい値（〜０．６Ｖ）を超えると、アノード電極５ＰからホールがＮ−層２Ｐに注入され、ダイオードが導通する。また、カソード電極６Ｐとアノード電極５Ｐ間に所定のアノード電圧ＶＫＡ（逆バイアス）を印加すると、当該逆バイアスＶＫＡがアノード領域３ＰとＮ−層２ＰからなるＰＮ接合の降伏電圧に達するまでは、ダイオード内には電流は流れない。上記の様子を図１８に示す。尚、図１８は、図１９と共に、本発明の実施の形態の説明中においても援用される。
【０００４】
次に、ダイオードに印加するアノード電圧を順バイアスから逆バイアスに切り替えた時の特性は逆回復特性（リカバリー特性）と呼ばれ、逆回復特性は図１９に示す様な電流の時間経過（過渡応答）を示すことが知られている。同図１９中、記号Ｉｒｒは逆方向に流れる電流（リカバリー電流）Ｉｒのピーク値を示し、又、記号Ｔｒｒは逆方向に流れた電流Ｉｒが消失するまでに要する時間であり、記号Ｉｆは順バイアス時の電流値である。
【０００５】
逆回復特性では、リカバリー電流のピーク電流Ｉｒｒの大きさが小さく、しかも、逆方向に流れる電流Ｉｒがゆるやかに消失するものが望まれている。即ち、図１９に示すように時間Ｔ１，Ｔ２を定め、Ｔ１＞Ｔ２のときにはリカバリー特性がハードであり、Ｔ１＜Ｔ２のときにはリカバリー特性がソフトであると定義する。そして、ダイオードをＩＧＢＴ等の主スイッチング素子とペアで用いるときには、もしリカバリー特性がハードな場合には、サージ電圧の発生やスイッチングロスによる発熱が生じるため、これらを回避すべく、低損失でソフトリカバリーな特性（電流Ｉｒの時間変化ｄＩｒ／ｄｔの減少化）が求められる。以下、リカバリー電流Ｉｒのピーク値Ｉｒｒを「リカバリーピーク電流」と呼ぶ。
【０００６】
この逆方向に流れる電流Ｉｒの過渡応答に関しては、最近の調査・研究により、次のような点が判明している。即ち、▲１▼リカバリーピーク電流Ｉｒｒはアノード電極近辺の半導体領域のキャリア密度に依存しており、上記キャリア密度の減少に応じてリカバリーピーク電流Ｉｒｒも減少する。加えて、▲２▼上記消失時間Ｔｒｒは、カソード電極近辺の半導体領域のキャリア密度に依存することが知られており、カソード領域のキャリア密度の増大に応じて消失時間Ｔｒｒも長くなる。
【０００７】
そこで、かかる調査結果を踏まえて、逆回復特性改善のための構造が、従来、数多く提案されている。
【０００８】
（Ｉ）その第一は、例えば、特開平８−４６２２１号公報に開示されているし、後述する三菱電機技報や平成７年電気学会産業応用部門全国大会（No.136,P79）においても従来技術として指摘されている技術である。それは、白金に代表される重金属をライフタイムキラーとしてアノード電極側からドープ・拡散させるものであり、これによりＰＮ接合部付近のＮ型層のライフタイムは短くコントロールされる。特に、この技術を用いれば、カソード電極側のＮ型層内のキャリアのライフタイムがアノード側のＰＮ接合部近辺のライフタイムよりも長くなるように白金の拡散をコントロールすることができるので、カソード側のキャリア密度を増大させることができ、以て上述した消失時間Ｔｒｒを長くすることができる。
【０００９】
しかし、この第１従来技術を以てしても、均一性，再現性をも含めて、アノード側のＮ型層内のキャリアのライフタイムをより一層短くコントロールすることが容易でないという点が、問題点として残る。
【００１０】
（II）第２の従来技術は、特公昭５９−４９７１４号公報に開示されているものであり、その従来技術を適用したときのダイオードの縦断面構造を図２０に示す。同図２０中、図１７と同一記号のものは同一のものを示す。この第２従来技術は、表面に形成されるアノード領域３Ｐを部分的に形成することでアノード領域３Ｐからのホールの注入を抑制し、以てアノード電極５Ｐの近辺領域のキャリア密度を下げてリカバリーピーク電流Ｉｒｒを小さくしようとするものである。
【００１１】
しかし、この構造では、部分的に形成したアノード領域３Ｐとその間隔Ｗとでアノード近辺のキャリア密度をコントロールするのであるが、アノード領域３Ｐの間隔Ｗを広げ過ぎると降伏電圧が低下するため、かかる点がネックとなってアノード近辺のキャリア密度を十分コントロールすることができないという問題点が新たに顕出する。
【００１２】
（III）また、第３の従来技術を用いたダイオード構造としては、三菱電機技報Ｖｏ１．６７．Ｎｏ．９．１９９３，ＰＰ９４−９７に開示されたものがある。これは、構造的には図１７に示したものと基本的に同じではあるが、表面に形成されるアノード領域の構造を変えることで逆回復特性を改善しようとするものである。即ち、同技報の技術では、図１７に示したアノード領域３Ｐの厚みを薄くし、またアノード領域の表面濃度を下げることで、アノード領域３Ｐからのホールの注入を抑制し、以てアノード近辺のキャリア密度を下げてリカバリーピーク電流Ｉｒｒを小さくしようとしている。これにより、リカバリーピーク電流Ｉｒｒは約４０％低減され、かつリカバリー時の傾きｄＩｒ／ｄｔも約１／２に減少するという結果が報告されている。
【００１３】
しかし、この構造でも、降伏電圧を確保するためにはアノード領域３Ｐの厚みと濃度とをある程度の値に設定することが必要となり、アノード領域の薄膜化及び低濃度化にも限界があることから、第２従来技術（II）と同様に、アノード近辺のキャリアを十分コントロールすることができないという問題点が残る。
【００１４】
（IV）更に、第４の従来技術を適用したダイオード構造としては、平成７年電気学会産業応用部門全国大会ＰＰ７９−８０に開示されたものがある。この構造例を図２１に示す。同図２１中、図１７と同一記号のものは同一のものを示す。図２１の記号２ＰＰは、プロトン照射によってダメージを受けた領域を示す。この従来技術では、ｐｉｎ構造において、リカバリー時の損失低減化のために、既述の白金ドープに代えて電子線照射を行いｎ層内のキャリアのライフタイムを低減化して消失時間Ｔｒｒの増大化を図ると共に、更に、プロトン照射によってｎ−層内のライフタイムを局所的にコントロールし、アノード領域近辺のキャリア密度を下げてリカバリーピーク電流Ｉｒｒを小さくしようとしたものである。これにより、電子線照射のみの場合と比べて、傾きｄＩｒ／ｄｔが１／２以下に、リカバリーピーク電流Ｉｒｒが４０％程減少した旨が報告されている。
【００１５】
【特許文献１】
特開平８−４６２２１号公報
【特許文献２】
特公昭５９−４９７１４号公報
【特許文献３】
特開平８−１２５２００号公報
【特許文献４】
特公昭４７−２７３０号公報
【特許文献５】
特開平５−１０２１６１号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、第４の従来技術に係るダイオードの構造に対しては、後程、本願出願人が実証するように、プロトン照射量（プロトンドーズ量）を実用的なレベルにまで上げていくと降伏電圧が著しく低下していくために、上記第１，第２，第３の従来技術と同じく、アノード領域近辺のキャリアを十分にコントロールすることができないという問題点があることを、指摘できる。
【００１７】
実際に本願出願人がプロトン照射によって上記第４従来技術と同様なサンプルを試作し、その試作品の、プロトンドーズ量の増加に対する耐圧ないし降伏電圧を評価して得られた実験結果を、図２２に示す。尚、図２２には、リカバリー前に流していた順方向電流Ｉｆ（図１９参照）に対するリカバリーピーク電流Ｉｒｒの測定結果をも示している。この実験は、プロトンビームの加速エネルギーをアルミホイール等のバッファによって調整することにより、その照射量を変えつつ、アノード近辺にプロトン照射を行い、その後、３４０゜Ｃの熱処理を施した後の耐圧を評価したときの結果である。同図２２中、横軸は相対値として表わしたプロトンドーズ量を示し、左側の縦軸は降伏電圧Ｖｒを示し、右側の縦軸は比（Ｉｒｒ／Ｉｆ）を示す。ここでは、上述の通り、プロトンが照射される深さないしは照射位置を固定した上で、プロトンの照射量のみを変えている。同図２２に示されている通り、プロトン照射量の増大とともに耐圧Ｖｒが低下していることが理解される（図２３を対比参照）。尚、この耐圧Ｖｒの低下原因については後で述べる。
【００１８】
図２１に示した第４の従来技術の場合は、図２２の実験結果で言えば、プロトンドーズ量の相対値が１程度の場合に該当する。しかし、重金属拡散や電子線照射によって得られるよりも一層にキャリアのライフタイムの短い低ライフタイム領域をプロトン照射によってＮ−層内に効果的に形成するには、（つまりリカバリーピーク電流Ｉｒｒをより一層小さくするには、）図２２の比（Ｉｒｒ／Ｉｆ）の測定結果から理解されるように、プロトンの照射量を大きくすることが必要であり、実用的には、相対値で言えば、プロトンのドーズ量としては１０〜１００cm^-3程度の値が望まれる。
【００１９】
しかるに、図２２に示す通り、その程度の大きさにまでプロトンのドーズ量を増やすと、耐圧劣化の影響は無視できない程に大きくなり、デバイス特性は非実用的なものとならざるを得ないのである。この点が、プロトン照射を用いた第４従来技術の抱える重大な問題点である。そういう意味では、上記第４の従来技術では、局所ライフタイムコントロールについて、十分な最適化の検討がなされていなかったと言える。
【００２０】
この発明は上記に述べた全ての問題点を解決するためになされたものである。即ち、この発明は、逆回復特性として、▲１▼第３半導体層近辺のキャリア密度を下げてリカバリーピーク電流（Ｉｒｒ）をより一層小さくなるように、かつ、▲２▼第１半導体層と第２半導体層との界面とは反対面側近辺の第１半導体層のキャリア密度を上げてリカバリー電流消失時間（Ｔｒｒ）を長くなるように、第１半導体層内のキャリアのライフタイムをコントロールしても、▲３▼降伏電圧の低下の無い、新規な構造を有する半導体装置を実現することを、目的としている。
【００２１】
特に、この発明では、上記▲１▼，▲３▼を同時に満足させる点に主眼が置かれている。この場合には、更に、例えば既述した第１従来技術を適用することによって第１半導体層のキャリア密度の最適化を図ることで、上記▲２▼をも実現することが可能であり、この点も本発明の副次的な目的である。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明に係る半導体装置は、第１導電型の第１半導体層と、前記第１半導体層の主面と第１界面をなす第１主面と前記第１主面に対向する第２主面とを有し、且つ前記第１導電型の不純物を含むと共に、ダメージを受けて格子欠陥化状態にあるダメージ部分をも含む第２半導体層と、前記第２半導体層の前記第２主面と第２界面をなす主面を有する第２導電型の第３半導体層とを備え、前記第２半導体層に於ける第２ライフタイムは前記第１半導体層に於ける第１ライフタイムよりも小さく、前記第２半導体層に於ける抵抗値は前記第２界面から前記第１界面に向けて単調に減少していることを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
実施の形態１では、新規なｐｉｎ構造を有する半導体装置が提供される。
そのような半導体装置の好適な一例として、ここでは、本発明をダイオードに適用した例を説明する。本実施の形態に係るダイオードは、ＰＮ接合のＰ層とＮ層との界面からＮ層内の所定の深さないしは所定位置までにわたって、予め所定のイオンとしてヘリウムイオンが照射されてダメージを与えられたことによって、当該界面から抵抗値が単調に減少してゆくという特性を具備した、ダメージ領域を有している。このようなダメージ領域が上記界面近辺ないし接合付近のＮ層内に形成されていることで、耐圧ないし降伏電圧に影響をもたらすことなく（不変）、より一層ソフトなリカバリー特性を実現することが、可能となる。以下、より具体的な分析を通じて、上記ダメージ領域を有する本ダイオードについて説明する。
【００２４】
（１）図１は、この発明の実施の形態１に係るダイオードの縦断面図である。同断面図１において、第１導電型の第１半導体層（Ｎ型基板）１は、カソードＮ＋層１Ａと、その表面上に形成されたＮ−層１Ｂとからなる。本実施の形態では、Ｎ型の導電型が第１導電型にあたる。
【００２５】
この第１半導体層１の第１主面上には、同じくＮ型の導電性を有する第２半導体層２が軽イオン（例えばＨｅイオン）照射によりダメージを受けた状態として形成されており、第２半導体層２の第１主面と第１半導体層１の第１主面とは第１界面Ｓ１を形成している。この第２半導体層２が本実施の形態の特徴部分であり、後述の説明から後程理解されるように、同層２は、（i）第１半導体層１におけるキャリアのライフタイムτ１（第１ライフタイムタイムと呼ぶ）よりも短いないしは小さいライフタイム（第２ライフタイムと呼ぶ）τ２を有し、且つ（ii）単調減少する抵抗値を有する、領域である。以後、第２半導体層２を「低ライフタイム層ないし低ライフタイム領域」と呼ぶ。
【００２６】
低ライフタイム層２の（上記第１主面に対向する）第２主面上には、第２導電型（ここでは、Ｐ型）の不純物拡散により形成された第３半導体層（アノード層に該当。以下、アノードＰ層と呼ぶ）３が配設されており、同層２の第２主面と同層３の第２主面とは第２界面Ｓ２を形成している。ここでは、アノードＰ層３の厚みは薄く設定されており、３μｍ程度である。
【００２７】
更に、アノードＰ層３の第１主面上にはアノード電極（第１主電極）５が、又、カソードＮ＋層１Ａの裏面にあたる第２主面上にはカソード電極（第２主電極）６が、各々形成されている。
【００２８】
ここでは、例えば、既述した第１従来技術におけるＰｔ，Ａｕ等の重金属の拡散を本デバイスにも採用し、重金属の拡散時間又は拡散温度をコントロールすることで、第１半導体層１中のキャリアのライフタイムτ１を低ライフタイム層２のそれ（τ２）よりも長くなるようにして、カソード側のキャリア密度の増大化を図っている。尚、厳密には、第１半導体層１内の重金属の拡散係数にも若干勾配があるので、カソードＮ＋層１Ａ側のライフタイム（τ１Ａ）の方がＮ−層１Ｂのライフタイム（τ１Ｂ）よりも若干長くなる。この技術は、勿論、図１９に示したリカバリー電流消失時間Ｔｒｒの増大化を図るためのものである。
【００２９】
そして、リカバリーピーク電流Ｉｒｒの値を従来よりもより小さくし、かつ、重金属拡散技術の適用により得られるリカバリー電流消失時間Ｔｒｒの長時間化にも影響を与えないようにするという観点から、上記低ライフタイム層２の厚みないしは第２界面Ｓ２からの深さｄは、後述するように、所定の範囲内の値に制御されている。
【００３０】
（２）次に、この実施の形態のダイオードの動作について説明する。
【００３１】
図１の構造において、アノード電極５とカソード電極６間に所定のアノード電圧ＶＡＫを順バイアスとして印加し（図１８参照）、アノード電圧ＶＡＫがあるしきい値（〜０．６Ｖ）を超えると、アノード電極５よりホールが低ライフタイム層２を介してＮ−層１Ｂに注入され、ダイオードが導通する。そして、アノード電圧ＶＡＫが図１８に示すオン電圧値Ｖｆに等しくなったときに、定格電流Ｉｆが流れる。また、カソード電極６とアノード電極５間に所定のアノード電圧ＶＫＡを逆バイアスとして印加すると（図１８参照）、アノード電圧ＶＫＡが降伏電圧Ｖｒを超えない限り、ダイオードは導通しない。
【００３２】
後述する通り、この低ライフタイム層２はＰＮ接合の降伏電圧に何らの影響をも与えないため、この構造のダイオードでは、▲３▼降伏電圧が、低ライフタイム層２が形成されていない場合のダイオードのそれと比べて低下しないという利点が得られる。しかも、アノード側に低ライフタイム層２が形成されているので、アノード近辺のキャリア密度が著しく低減され、▲１▼リカバリー時のリカバリーピーク電流Ｉｒｒ（図１９参照）を既述の第１〜第４従来技術よりもより一層小さくすることができるという利点も同時に得られる。しかも、このダイオードでも、第１従来技術と同様に、予め重金属を第１半導体層１内に拡散させるが、その拡散量をコントロールすることにより、カソードＮ＋層１Ａ側のライフタイムを長くしてカソード側のキャリア密度を高めているので、オン時のオン電圧Ｖｆ（図１８参照）を低下させて、▲２▼リカバリー電流消失時間Ｔｒｒ（図１９参照）を長くすることもできる。
【００３３】
（３）図１のダイオード構造の上記利点を実証すべく、今回、既述した従来の第４技術におけるプロトン照射の場合と本実施の形態のヘリウムイオン照射の場合とにおける、それぞれの照射の降伏電圧への影響を調査した。その調査は、荷電粒子（Ｈ⁺，Ｈｅ⁺）照射後、熱処理を施した後の各サンプルについて、広がり抵抗（spread resistance：以下、ＳＲと呼ぶ。）を測定することで行われた。ここに、ＳＲ測定とは、図２に模式的に例示するように、例えば半導体素子を斜め方向に研磨し（勿論、垂直方向に研磨した場合でも良い）、研磨面ＳＳ上に２つの電極針をそれぞれ接触させ、当該両電極針を方向Ｄ１に沿って移動させながら両電極針間の広がりＳＰで生ずる抵抗（即ち、広がり抵抗）を測定することで、半導体素子内の抵抗値ないしは抵抗率を求めるという方法であり、これは既知の測定技術である。
【００３４】
従来のプロトン照射の場合のＳＲ測定結果とＨｅイオン照射を行った本デバイスのＳＲ測定結果を、それぞれ図３及び図４に示す。両図３，４に示す測定は、いずれも米国 SOLID STATE MEASUREMENTS,INC.社の測定器を用いて行われたものであり、両図３，４の横軸は、図１で言えばアノードＰ層３の第１主面からの深さＬとして与えられる荷電粒子照射位置を示す。又、両図３，４中、測定結果Ｒ，ρ，Ｎは、それぞれ、広がり抵抗，素子の抵抗率，不純物濃度を示している。広がり抵抗Ｒと抵抗率ρないしは不純物濃度Ｎとの間には、シリコンでは既知の換算値があるので、広がり抵抗Ｒが測定されれば、その換算値を用いることで、抵抗率ρ、従って不純物濃度Ｎの値は自動的に算出される。又、両図３，４の縦軸は対数スケールで示される。両図３，４の測定で用いられたサンプルは、いずれも同一基板、同一材料を用いて製作されたものであり、照射源のみが異なるにすぎず（即ち、Ｈ⁺かＨｅ⁺かの違い）、電気特性（リカバリー特性）が両者で同じになるようにそれぞれの照射量をコントロールしたものである。ドーズ量は、図２２の相対値で言えば、実用的な、１０〜１００cm^-3程度の値である。
【００３５】
プロトン照射の場合には、図３中の記号Ｒ１で示されるように、プロトン照射によるダメージの高抵抗部分とウエハのＮ−層の間に、低抵抗の領域が測定されている。ここで、「ダメージ」とは、軽イオン照射により半導体層の抵抗が大きくなるという意味で用いられている。これは、プロトンにより形成されたダメージ層がその後の熱処理によりドナー化（不純物化）したものであると考えられる。このドナー化現象は現実的にはダメージ層全体に渡って起こっているものと考えられ、このため、プロトン照射では降伏電圧が低下するのである。
【００３６】
一方、図４に示すヘリウムイオン照射の場合には、図３と比較して明らかな通り、図３の領域Ｒ１で示されるようなドナー化現象は生じておらず、広がり抵抗Ｒないし抵抗率ρは、アノードＰ層３の第１主面からの深さＬないしは界面Ｓ２からの深さの増大と共に、単調に減少している。即ち、ヘリウムイオン照射により形成されるダメージ部分は高抵抗な領域として測定されており、プロトン照射の様なドナー化現象は起こっていないと判断できる。従って、ヘリウムイオン照射によれば、照射によるダメージのみが接合付近のｎ層内に形成されるのみであり、そのために降伏電圧Ｖｒ（図１８）の低下が照射によっても起きないのである。勿論、この点は、ヘリウムイオンの照射量に依存するものではない。
【００３７】
図２３に、ヘリウムイオン照射量に対する耐圧Ｖｒ及びリカバリピーク電流Ｉｒｒの特性に関する測定結果を示す。同図２３の左右の縦軸は、図２２の場合と同様に、それぞれ耐圧Ｖｒ，相対比（Ｉｒｒ／Ｉｆ）を示す。図２２と図２３を対比参照すれば明白な通り、ヘリウムイオン照射の場合には、実用的にみて十分に小さなリカバリ電流値Ｉｒｒを実現しうる照射量１０〜１００cm^-3程度（相対値）のヘリウムイオンを照射しても、耐圧Ｖｒの変化は殆ど見られない。
【００３８】
このように、ヘリウムイオン照射による低ライフタイム領域２の形成は、照射を受けたＮ−層部分を熱処理後もドナー化させないという作用をもたらし、これによって耐圧Ｖｒを不変とさせるのである。
【００３９】
（４）次に、図１の構造のダイオードの逆回復特性について述べる。
【００４０】
このダイオードでは、アノード近辺に、即ち、ＰＮ接合面たる界面Ｓ２周辺に、ヘリウムイオン照射によりダメージを受けた低ライフタイム領域２が形成されている。このため、▲１▼アノード近辺のキャリア密度が著しく低下し、リカバリーピーク電流Ｉｒｒが著しく小さくなる。しかも、▲３▼上記（３）で述べた通り、照射による耐圧Ｖｒの劣化はない。
【００４１】
また、このダイオードでは、ヘリウム照射によるダメージがアノード近辺にのみ局所的に形成されているため、このようなダメージが形成されていない従来のダイオードと比べて、ダメージの形成されていないその他の領域、つまり、図１のＮ−層１Ｂ，カソードＮ＋層１Ａ中のキャリアのライフタイムを長くする必要がある。というのは、低ライフタイム領域２をＮ−層１Ｂ内に局所的に形成しているので、仮にその他のＮ型層のライフタイムを上記領域２が形成されていないときと同一の値にしてしまうと、オン時のＯＮ電圧Ｖｆが高くなってしまい、ロスを生じることとなる。そこで、これを回避するには、その他のＮ型層のライフタイムをより長くコントロールして、オン電圧Ｖｆを下げる必要があるのである。この点は、低ライフタイム領域２の厚みｄを最適化すると共に、既述の重金属拡散技術の適用によって、実現しうる。この長いライフタイムの実現はカソード近辺のキャリア密度を増し、このため、リカバリー電流消失時間Ｔｒｒが長くなる。
【００４２】
（５）図５は、上記の低ライフタイム領域２を形成した場合のダイオードの逆回復特性を分析するための、シミュレーションのモデルを示すものである。同図５中、図１と同一記号のものは同一部分を示す。但し、このモデルでは、図１の低ライフタイム領域２にあたる領域は、図５の領域２Ｓ及び領域２Ｓ１に二分されるものとされている。この内、一方の領域２Ｓは、ヘリウムイオンビームの半値幅（≒１０μｍ）を考慮して設定された領域であり、領域２Ｓの厚みｄ１は上記半値幅分に相当するものとされている。従って、図５のモデルにおける他方の領域２Ｓ１の部分は、実際にはヘリウムイオン照射を受けたダメージ部分である筈ではあるが、シミュレーションの便宜のために、当該領域２Ｓ１は単にＮ−層１Ｂと同じライフタイムを有するＮ型半導体層として扱われている。実際には、両領域２Ｓ，２Ｓ１は共にヘリウムイオン照射によりダメージを受けた層であるから、各領域２Ｓ，２Ｓ１のそれぞれのライフタイムをτ２Ｓ、τ２Ｓ１として表わせば、τ１＞τ２Ｓ１＞τ２Ｓの関係が成立するものと考えられ、従って、図１では、図５の両領域２Ｓ，２Ｓ１を含めて両者を一体的に第２半導体層（低ライフタイム層）２として定義している。
【００４３】
このシミュレーションを行うに際して、各パラメータは次の通りに設定されている。即ち、モデルのダイオードは耐圧６００Ｖクラスのダイオードに設定しており、Ｎ−層１Ｂの比抵抗を３０Ω．ｃｍに、その厚みを３０μｍに設定している。ただし、実際に拡散ウエハを用いていることに対応させるために、Ｎ−層１ＢとＮ＋層（Ｎ⁺基板）１Ａとの間に１００μｍ程度の濃度勾配部分があるものと、本モデルでは設定されている。又、アノードＰ層３の深さないし厚みは実際のダイオードにあわせて３μｍに設定されており、その表面濃度は１ｅ１７と設定している。更に、低ライフタイム領域のない場合の、つまり図１７に示す従来技術に該当する場合のダイオードのライフタイムは、全領域について、５０ｎｓｅｃ．としている。一方、低ライフタイム領域の存在する場合には、図５のモデルにおける低ライフタイム領域２Ｓの幅ｄ１をヘリウムイオンビームの半値幅に対応させて１０μｍとし、その領域２Ｓのライフタイムを８ｎｓｅｃ．（＜１／１０×２００ｎｓｅｃ．）とし、その他の領域（２Ｓ１，１Ｂ，１Ａ）のライフタイムを２００ｎｓｅｃ．としている。そして、低ライフタイム領域２ないし２Ｓの界面Ｓ２からの位置ないし深さｄを変えて、リカバリー特性のシミュレーションを実行した。
【００４４】
シミュレーションは、図１８に示すオン電圧Ｖｆと図１９に示す逆回復特性（Ｉｒｒ，Ｔｒｒ）とについて、市販のシミュレータＭｅｄｉｃｉを用いて行われている。得られたシミュレーション結果を図６に示す。
【００４５】
図６において、それぞれの特性Ｔｒｒ，Ｉｒｒ，Ｖｆはキャリアのライフタイムを全領域で同じにした場合（つまり、領域２Ｓの形成が無い場合）の各特性に対する規格値として示されている。従って、相対比が１のときは、本デバイスは従来のもの（例えば、図１７に示すもの）と同一の特性を示すこととなる。
【００４６】
図６のシミュレーション結果を考察すると、次の点が理解される。先ず、オン電圧Ｖｆは、低ライフタイム領域２ＳがＮ型基板内に深く形成されるにつれて大きくなる。他方、リカバリーピーク電流Ｉｒｒは、その深さが２０μｍのときに極小となり、そのときの位置から照射位置がずれるとその値が大きくなる。又、リカバリー電流消失時間Ｔｒｒは、オン電圧Ｖｆの場合とは逆に、低ライフタイム領域２Ｓが深く形成されるにつれて小さくなる。このような結果は、低ライフタイム領域２Ｓが界面Ｓ２から深く形成されるにつれて、低ライフタイム領域２Ｓ及びその近辺のキャリア密度が少なくなり、オン電圧Ｖｆが高くなることを示している。また、リカバリーピーク電流Ｉｒｒが極小値を持つのは、図５のモデルでは領域２Ｓ１，２Ｓが設定されている結果、低ライフタイム領域２Ｓが深くなると、逆にアノード最近辺のキャリア、つまり領域２Ｓ１内のキャリアが多くなるためであると考えられる。さらに、低ライフタイム領域２Ｓが深く形成されるにつれて、カソード側のキャリアは減少するため、リカバリー電流消失時間Ｔｒｒは、低ライフタイム領域２Ｓが深くなるにつれて小さくなる。
【００４７】
既述した本発明の目的▲１▼〜▲３▼を達成するためには、図６のシミュレーションにおける相対値で言えば、Ｖｆ≒１（オン電圧Ｖｆの不変化→時間Ｔｒｒを長くする）、Ｉｒｒ＜１，Ｔｒｒ＞１の関係が成立するように、低ライフタイム領域２ないしは２Ｓの厚みないし深さｄを設定する必要がある。特にＩｒｒ＜１の関係式の成立が重視されなければならない。かかる観点から図６のシミュレーション結果を評価するならば、低ライフタイム領域２ないしは２Ｓの厚みｄを１０μｍ〜３０μｍの範囲内にコントロールするときには、従来よりも良好なソフトリカバリー特性が得られることが理解される。
【００４８】
さらに、ヘリウムイオン照射位置ｄを時間Ｔｒｒが従来の場合と同じになる図６の照射位置３０μｍに設定したときの、オン状態でのキャリア密度を調査した。その結果、アノード電極５より注入されたホール密度分布がＮ基板１側の濃度分布と交わる点の深さ、つまり、オン状態での第１半導体層１の不純物濃度と第１半導体層１内に注入されたキャリアの濃度とが同じになる位置は、界面Ｓ２からみて５８μｍの位置にあった。ということは、ヘリウムイオン照射位置ｄは上記の通り１０μｍ〜３０μｍの範囲内にコントロールされるので、アノード電極５より注入されたホールがＮ基板１と交わる点の深さの半分以下にヘリウムイオン照射位置ｄを設定すれば、リカバリー電流消失時間Ｔｒｒを、重金属拡散や電子ビーム照射の施されていない従来の場合（図１７）よりも長い時間（時間Ｔｒｒの相対値＞１）に設定することが可能になる。
【００４９】
（６）次に、上記シミュレーション結果を踏まえて、実際にダイオードを試作した。試作では、従来のダイオードに比べて全体に施すライフタイムコントロールを弱めたｐｉｎ構造に対して、上述のヘリウムイオン照射を行ない、その後、熱処理（アニール）を施した上で、上記シミュレーション同様に、各特性Ｖｆ，Ｉｒｒ，Ｔｒｒのヘリウムイオン照射位置依存性を調査した。但し、ここでは、ヘリウムイオン照射位置は、アノードＰ層３（厚み３μｍ程度）を含めた深さＬ（図１参照）で以て表わされる。ヘリウムイオン照射は、シミュレーション同様に、照射ビームの半値幅が１０μｍである条件で行なわれており、照射量は実用的な相対値レベルで１０〜１００cm^-3程度（図２２参照）である。また、本試作では、熱処理を加えたダイオードのＳＲ測定結果を評価し（図４，図８参照）、ダメージを受けた低ライフタイム領域の比抵抗の変化とＮ基板の比抵抗の変化とが交わる点、図４，図８の例では、点Ｐを、ヘリウムイオン照射位置Ｌとしている。その試作結果を図７に示す。図７の縦軸は、図６と同様に、領域２の無い従来構造（図１７参照）の特性に対する相対値として与えられている。
【００５０】
図７に示されるように、試作結果も図６のシミュレーション結果とほぼ同様の結果であり、オン電圧Ｖｆは低ライフタイム領域２（図１）が深くなるにつれて大きくなる。リカバリーピーク電流Ｉｒｒは深さＬが２８μｍのときに極小となり、当該深さ（＝２８μｍ）からヘリウムイオン照射位置Ｌがずれると、その値が大きくなる。リカバリー電流消失時間Ｔｒｒは、オン電圧Ｖｆとは、逆に、低ライフタイム領域２の位置Ｌが深くなるにつれて小さくなる。図６と図７とでは、アノードＰ層３の厚みを差し引いたとしても、リカバリーピーク電流Ｉｒｒの極小値近辺のリカバリーピーク電流Ｉｒｒのヘリウムイオン照射位置に対する変化に差が生じているが（図７ではリカバリ電流Ｉｒｒの変化が小さい）、これは、図６のシミュレーションでは図５の領域２Ｓ１を非ダメージ領域として扱っていることに起因しているものと、考えられる。従って、図５の領域２Ｓ１もダメージ領域として実際に考える必要性が、ここに見出される。
【００５１】
図７の試作結果からは、従来の場合と比較して、低ライフタイム領域２の位置Ｌを１５μｍ〜４０μｍの範囲内にすると、従来よりもリカバリー特性が改善される（特にリカバリーピーク電流Ｉｒｒ＜１となる）。
【００５２】
アノードＰ層３の第１主面からのヘリウムイオン照射位置Ｌを図７の２８μｍにコントロールして試作品を試作した場合のＳＲ測定結果を、図８に示す。同図８より理解される通り、ダメージを受けた低ライフタイム領域の抵抗は、ダメージを与える前の約５０倍強になっている。ということは、低ライフタイム領域２の抵抗率が第１半導体層１のそれの５０倍以上に設定されることが望ましい。又、ライフタイムに関しては、既述したシミュレーションの条件設定からみて、（低ライフタイム領域２のライフタイムτ２）＜１／１０×（第１半導体層１のライフタイムτ１）の関係が成立していることが望まれる。これにより、Ｎ型基板１内のキャリア密度を適切にすることが可能となる。
【００５３】
ヘリウムイオン照射位置Ｌをリカバリーピーク電流Ｉｒｒが極小となる２８μｍの位置にコントロールして低ライフタイム領域２を形成した場合のリカバリー特性を、図９に示す。又、ヘリウムイオン照射を行なわない場合のダイオードの逆回復特性の結果を、図１０に示す。両図９，１０において、記号Ｉ_kがアノード−カソード間電流を示している。他の記号は既述した通りである。両図９，１０を比較してわかる通り、図９の本発明のダイオードの方が、リカバリーピーク電流Ｉｒｒがより小さくなっており、且つリカバリー電流消失時間Ｔｒｒもより長くなっている。
【００５４】
（７）以上の説明では、ｐｉｎ構造において、Ｎ型基板１及びアノードＰ層３をそれぞれ第１導電型の第１半導体層及び第２導電型の第３半導体層とし、その間に挟まれた中間層を低ライフタイム層２とし、アノード電極５及びカソード電極６を各々第１及び第２主電極とする場合であった（図１参照）。しかし、本発明はこれに限られるものではなく、（ｉ）ｐ型半導体基板を第１導電型の第１半導体層とし、（ｉｉ）その上に形成された、よりライフタイムが短く且つ単調減少する抵抗率を有するｐ型の半導体層を第１導電型の第２半導体層とし、（ｉｉｉ）更にその上に形成されたカソードｎ層を第２導電型の第３半導体層とし、（ｉｖ）カソード電極及びアノード電極をそれぞれ第１及び第２主電極とする、半導体装置にも、適用可能である。この場合の第２半導体層は、ヘリウムイオン等の所定のイオン照射を受けることによってダメージのみを受けた領域であり、その後の熱処理によってもアクセプタ化されない性質（従って、抵抗率の単調減少化）を有する
（８）又、図１，図６，図７のダイオードは、Ｎ−層１Ｂ及びＮ＋層１Ａ中に白金等の重金属がヘリウムイオン照射前に予め拡散されていることを前提とした構造であったが、本発明はこれに限られるものではなく、上記重金属が予め拡散されていない場合にヘリウムイオン照射を行って低ライフタイム領域２を形成するダイオードにも適用可能である。この場合には、重金属拡散による効果、即ち、既述した効果▲２▼（カソード側のキャリア密度の増大化・（重金属拡散が施されたときの従来のダイオードに対しての）オン電圧Ｖｆの不変化・消失時間Ｔｒｒの増大化の維持）は得られないが、上述した特徴的な効果▲１▼（電流Ｉｒｒの一層の低減化）及び▲３▼（耐圧不変）は得られるため、そのような構造もなお有益な技術を提供する。
【００５５】
（９）図１に基づく上記説明は、軽イオンないし所定のイオンの代表例として、ヘリウムイオンを利用して図１の低ライフタイム領域２を形成した場合であったが、軽イオンとしては、ヘリウムイオン以外のものを利用しても良い。ここでは、「軽イオン」とは、水素イオン、即ちプロトンを除く、原子番号２のヘリウムのイオンから原子番号８の酸素のイオンまでを含む、相対的に軽い原子のイオンを意味するものとして、広義の意味で用いられている。特に、Ｈｅ，Ｌｉ，Ｂｅという、シリコンに対して一般的にドナー，アクセプタという半導体不純物を構成しない部類に属する原子のイオンを、所定のイオンに用いるのが効果的である。
【００５６】
（実施の形態２）
以下では、ダイオードの好ましい製造方法について説明する。図１１〜図１４の縦断面図は、この実施の形態における製造工程を示す。
【００５７】
このダイオードを製造するには、図１１に示す第１工程において、まずＮ＋層１ＡとＮ−層１ＢとからなるＮ型基板（第１導電型の第１半導体層に該当）１を用意する。
【００５８】
次に第２工程においては、図１２に示すように、Ｎ−層１Ｂの露出した表面より、Ｐ型不純物を注入、アニールして、アノード領域３（第２導電型の第２半導体層）をＮ−層表面上に形成する。次に、図１３に示すように、Ｎ型基板１の表面上にアノード電極（第１主電極）５を、Ｎ型基板１の裏面上にカソード電極（第２主電極）６を、各々形成する。尚、カソード電極６については、後述する第３工程後にこれを形成するようにしても良い。
【００５９】
次に図１４に示す第３工程において、先ず、アノード側に、アノード電極５に対置するように、所定のイオン源を配設する。所定のイオン源は、水素イオン（プロトン）を除いた軽イオン照射源であり、ここでは、それは軽イオンの代表格たるヘリウムイオンビーム照射源である。次に、ヘリウムイオン照射の深さを照射量を変えることなく調節するためのバッファ層（たとえばアルミフォイル）７をアノード電極５の前方に配置し（バッファ層７の厚みによってヘリウムイオンビームの加速エネルギーを減少させる）、このバッファ層７を介して、ヘリウムイオンを界面Ｓ２よりＮ−層１Ｂ内に所定の深さｄで（アノード領域３の、アノード電極５が形成された一方の表面３Ｓ１からみて所定の深さＬで）照射し、その後、３００゜Ｃ〜４００゜Ｃの熱処理（第１熱処理）を照射後のデバイスに加える。これにより、厚みｄの低ライフタイム領域２を界面Ｓ２近傍のＮ−層１ＢＳ内に形成する。その他のＮ−層部分は記号１Ｂとして表わす。このとき、アノード電極５の表面よりヘリウムを照射することで、カソード面側より照射する場合に比べて、アノード面（界面Ｓ２）に対する照射位置のバラツキを小さくすることができる。上記所定の深さＬの範囲は、アノード領域３の膜厚が３μｍ程度であることを考えると、実施の形態１で述べた通り、１５μｍ〜４０μｍであることが望ましい。
【００６０】
上記第１〜第３工程を経て、図１に示したような新規なダイオード構造を得ることができる。即ち、リカバリーピーク電流Ｉｒｒのより小さな低損失ソフトリカバリー特性を有する半導体装置を、耐圧を劣化させることなく、汎用な軽イオン源たるヘリウムイオンビーム発生装置を用いて容易に形成することができる。この場合、工程数は図１４の工程が増えるだけに留まる。
【００６１】
本実施の形態で述べた技術的思想は、アノード領域内のＰＮ接合面付近に低ライフタイム領域を形成する場合にも、基本的に適用可能である。
【００６２】
（実施の形態３）
本実施の形態の工程を示すフローチャートを図１５に示す。同図１５より理解される通り、本実施の形態の特徴は、ヘリウムイオン照射工程前に、実施の形態２で述べた第２工程中に、図１６に示す重金属拡散工程を付加することにある。この重金属拡散工程自体は、既述した第１従来技術に相当しており、図１のカソードＮ＋層１Ａ側のキャリアのライフタイムを増やし、カソード側のキャリア密度を増大させて、低ライフタイム領域２を設けたことにより生じうるオン電圧Ｖｆの増加を防止して時間Ｔｒｒを長くなるようにする点にある。
【００６３】
以下、図１６の工程図を参照して、さらにカソード側のライフタイムをより長くコントロールできるダイオードの製造方法について説明する。
【００６４】
即ち、実施の形態２に示した製造方法中、図１２の工程終了後に、図１６に示す通り、アノード領域３の表面上に白金又は金等の重金属をスパッタし、その後、８００゜Ｃ〜９００゜Ｃの熱処理（第２熱処理）を加えてＮ−層１ＢＳ，Ｎ＋層１Ａ内に重金属を拡散させる。これにより、Ｎ＋層１ＢＳからＮ＋層１Ａにかけて、低ライフタイム層２のそれよりも長いライフタイムを有する領域が形成される。図１４の工程におけるヘリウムイオン照射後の熱処理温度よりも、当該熱処理温度の方が十分に高いので、本実施の形態のように図１２の工程と図１３の工程との間に重金属拡散工程を付加することで、アノード近辺及びカソード近辺のライフタイムを各々別々の工程としてコントロールすることが可能となる。
【００６５】
以上より、本実施の形態の製造方法を用いれば、耐圧を劣化させることなくソフトリカバリー特性（Ｉｒｒ→小，Ｔｒｒ→大）をより一層改善できる半導体装置を提供できる。
【００６６】
（まとめ）
この発明の各実施の形態におけるダイオードは、第１主電極側の第３の半導体層の底面から所定の深さまでに形成された、単調減少する抵抗率を有する低ライフタイム領域２を有するため、降伏電圧に影響を及ぼすことなく、第３の半導体層近辺のキャリア密度を低減して、逆回復特性の逆電流を格段に低減することを可能にする。しかも、低ライフタイム領域２のライフタイムとその他の領域のライフタイムとをそれぞれ別々に最適な値にコントロールしているため、第２主電極側の第１半導体層のキャリア密度を増大させる方向にコントロールすることができ、逆回復特性が改善される。
【００６７】
そして、この発明におけるダイオードでは、低ライフタイム領域の抵抗が単調に減少しているので、第１半導体層と第３半導体層とで降伏電圧が決まることとなる。
【００６８】
この発明におけるダイオードの製造方法では、そのような改善されたソフトリカバリー特性を有するダイオードを容易にかつ汎用性を以て製造することができる。
【００６９】
尚、本発明の範囲はクレームによって与えられるものであって、上述した明細書中の説明に限定されるものではない。クレームの範囲内にある、あらゆる修正例及び変形例は、全てこの発明の範囲内にある。
【００７０】
（産業上の利用の可能性）
この発明は、半導体装置の内で、特にｐｉｎダイオードに利用されるときに、その特徴を効果的に発揮しうる。そして、この発明に係る半導体装置をパワーモジュールにおけるフリーホイールダイオードとして使用しうる。
【００７１】
【発明の効果】
本発明に係る半導体装置では、第２半導体層は高抵抗値を有する低ライフタイム領域であって、しかも、その抵抗値は単調に減少するのみである。そのため、第２半導体層から第１半導体層へかけて、不純物のキャリアのライフタイムは単調に増加する。これにより、低ライフタイム領域が第１及び第３半導体領域間に生じても、ＰＮ接合の降伏電圧（耐圧）を劣化させることなく大きな値に維持することが可能となる。そして、この低ライフタイム化により、第２界面近傍のキャリア密度は十分に低減される。従って、このＰＮ接合に印加されるバイアスを順方向バイアスから逆バイアスへ変えたときに流れるリカバリー電流のピーク値を既述した第１〜第４技術よりも一層に低減化することが可能となり、ソフトリカバリー特性を格段に改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１におけるダイオードの構造を示す縦断面図である。
【図２】ＳＲ測定法を模式的に示す図である。
【図３】従来の第４技術を適用した場合のダイオードのＳＲ測定結果を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係るダイオードのＳＲ測定結果を示す図である。
【図５】本発明におけるシミュレーション・モデルを示す縦断面図である。
【図６】図５のモデルに対するシミュレーション結果を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態１におけるダイオードの試作結果を示す図である。
【図８】図７の試作結果中、リカバリーピーク電流が最小値を示すときのＳＲ測定結果を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態１に係るダイオードの試作結果を示す図である。
【図１０】図９との比較のために示した、従来のダイオードの測定結果を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態２におけるダイオードの製造方法を示す断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態２におけるダイオードの製造方法を示す断面図である。
【図１３】本発明の実施の形態２におけるダイオードの製造方法を示す断面図である。
【図１４】本発明の実施の形態２におけるダイオードの製造方法を示す断面図である。
【図１５】本発明の実施の形態３における製造工程を示すフローチャートである。
【図１６】図１５中の第２工程の一部を示す断面図である。
【図１７】従来の一般的なダイオードの構造を示す断面図である。
【図１８】ダイオードの出力特性を示す図である。
【図１９】ダイオードの逆回復特性を示す図である。
【図２０】従来の第２技術を適用したときのダイオードの構造例を示す断面図である。
【図２１】従来の第４技術を適用したときのダイオードの構造を示す断面図である。
【図２２】従来の第４技術を適用したダイオードにおいて、プロトン照射量と降伏電圧及びリカバリーピーク電流との関係を示す図である。
【図２３】ヘリウムイオン照射時の降伏電圧及びリカバリピーク電流の測定結果を示す図である。
【符号の説明】
１第１半導体層、２第２半導体層、３第３半導体層、５第１主電極、６第２主電極。

Claims

第１導電型の第１半導体層と、
前記第１半導体層の主面と第１界面をなす第１主面と前記第１主面に対向する第２主面とを有し、且つ前記第１導電型の不純物を含むと共に、ダメージを受けて格子欠陥化状態にあるダメージ部分をも含む第２半導体層と、
前記第２半導体層の前記第２主面と第２界面をなす主面を有する第２導電型の第３半導体層とを備え、
前記第２半導体層に於ける第２ライフタイムは前記第１半導体層に於ける第１ライフタイムよりも小さく、
前記第２半導体層に於ける抵抗値は前記第２界面から前記第１界面に向けて単調に減少していることを特徴とする、
半導体装置。
請求項1記載の半導体装置であって、
前記第２半導体層内の前記ダメージ部分は、前記格子欠陥化状態から前記不純物化されてはいないことを特徴とする、
半導体装置。
請求項２記載の半導体装置であって、
前記第２半導体層内の前記第１導電型不純物の濃度は一定であることを特徴とする、
半導体装置。