JP3952452B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は、半導体基板内に重金属を拡散した後に、この半導体基板に荷電粒子を照射し、さらに６５０℃以上の熱処理を加えることにより前記半導体基板内に低ライフタイムの所定の領域を設けることを特徴とする半導体装置の製造方法であり、特にスイッチング用半導体素子のスイッチング特性の改善と静特性とスイッチング特性のトレードオフを改善するものである。
【０００２】
【従来の技術】
スイッチング電源などの高周波化が進められるにつれて、スイッチング用半導体素子であるスイッチング用ダイオードに対し、（１）スイッチング損失を少なくするために逆回復時間を小さくすること、（２）ノイズ発生を抑制するためにソフトリカバリーであること、（３）順電圧と逆回復時間のトレードオフをよくすることが要求されている。また、バイポーラトランジスタ、サイリスタ、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴその他のＭＯＳ系素子等でも同様にスイッチング損失、ノイズの改善が求められている。
【０００３】
スイッチング用半導体素子では、印加電圧を順方向から逆方向に切替えたとき、順方向動作時に蓄積された過剰少数キャリアの消滅に一定の時間がかかり、高速化の障害になっている。 以下、従来の技術について、スイッチング用ダイオードを例にとって説明する。
【０００４】
図１３は一般的なスイッチング用ダイオードの逆回復特性を説明する図である。順方向にＩＦＭの電流を流しておき時間ｔ１において逆方向に電圧を加える。順方向に流れている電流ＩＦＭは−ｄｉ／ｄｔの傾きをもって減少する。時間ｔ２において逆方向に電流が流れ始める。これを逆回復電流という。逆回復電流は最初−ｄｉ／ｄｔのラインに沿って流れるが、ある時間ｔ３において、逆回復電流の最大値ＩＲＭから徐々に少なくなり、最終的には零になる。
【０００５】
時間ｔ２からｔ４の差の時間を逆回復時間（ｔｒｒ）という。また時間ｔ２からｔ４までに流れる電流を時間で積分した値を逆回復電荷（Ｑｒｒ）という。逆回復電荷はスイッチング損失に比例する。一般に逆回復時間が小さいと逆回復電荷が少ないためスイッチング損失を小さくするために逆回復時間を小さくすればよい。
【０００６】
逆回復電流が減少していく時間ｔ３からｔ４の電流の勾配が緩やかな波形をソフトリカバリという。時間ｔ３からｔ４の電流の勾配が大きく急激に回復する逆回復波形、即ち、図１３に示したｔｒｒ２が小さく振動波形になりやすいものをハードリカバリという。
図１６に示した逆回復波形ｂはハードリカバリの逆回復波形の例である。
ソフトリカバリの評価はソフトネスファクター（ＳＦ）で行われる。ソフトネスファクターは逆回復電流の減少している時間と増加している時間との比ｔｒｒ２／ｔｒｒ１で定義される。ソフトネスファクターが小さいほどハードリカバリといわれる。
【０００７】
スイッチング損失を小さくするためには、逆回復電荷を少なくする必要がある。即ち逆回復時間を小さくすればよい。従来の技術では半導体素子中に金、白金や鉄あるいはこれらの混合物を拡散して、ライフタイムを小さくしたり、電子線、中性子線等を照射して格子欠陥を作り、再結合中心として作用させてライフタイムを短くしていた。
【０００８】
図１４は従来のスイッチング用ダイオードの第一の例に係る構造を説明するための図である（重金属の分布は図示せず）。
ｎ型の低濃度の半導体基板の第１の主面からｎ型の高濃度の不純物を拡散しｎ型の高濃度の半導体層２を形成し、第１の主面と反対側の第２の主面からｐ型の高濃度の不純物を拡散しｐ型の高濃度の半導体層３を形成する。この結果、ｎ型の低濃度の半導体基板とｐ型の高濃度の半導体層３との間でｐｎ接合ができる。
【０００９】
また、ｎ型の高濃度の半導体層２とｐ型の高濃度の半導体層３の間にある第１導電型の低濃度の半導体基板の部分であるｎ型の低濃度の半導体層１は順方向動作時にはキャリアが注入される層であり、逆方向動作時には、逆電圧を保持する層である。半導体基板の材質は珪素である。
【００１０】
低濃度の半導体基板にｎ型を用いているのはｎ型のほうがソフトリカバリーになりやすいためである。このため、第一の例の構造は、通常、ｐ型の高濃度の半導体層３とｎ型の低濃度の半導体層１とｎ型の高濃度の半導体層２で構成されるｐ＋ｎｎ＋型の構造である。ｐ型の低濃度の半導体基板を用いると注入されたホールが注入された電子の移動度より小さいため、逆回復の時にｐｎ接合付近の空間電荷層の形成が遅れハードリカバリになりやすい。このため、ｐ型半導体基板を利用することは少ない。
【００１１】
ｐ＋ｎｎ＋の拡散構造のダイオードに深い不純物準位を作る白金を拡散して逆回復時間を短くしている。
図１５は従来のスイッチング用ダイオードの第一の例に係る不純物濃度分布を説明するための図である。図のラインａは白金の分布を示す。
半導体基板内の白金等の分布はほぼ一様に分布し、半導体基板全体のライフタイムをほぼ一様に下げる。白金や金の場合、拡散係数が大きいため、半導体基板の表面付近で、半導体基板内よりも若干濃度が高くなる。
白金拡散後、アノード電極４、カソード電極５を形成しスイッチング用ダイオードの工程が完成する。
電子線照射の場合は照射領域の深さ方向において電子線照射によるライフタイムの値は一定となる。電子線照射の工程は、ｐ型の高濃度の半導体層３とｎ型の低濃度の半導体層１とｐ型の高濃度の半導体層３で構成されるｐ＋ｎｎ＋型の拡散構造にアノード電極４、カソード電極４を形成したのち、電子線照射を行い、その後安定化のための３００から４００℃の熱処理を行う。
【００１２】
図１６は従来のスイッチングダイオードの第一の例に係る逆回復特性を説明する図である。
ラインｂの逆回復波形を示すダイオードはラインａの逆回復波形を示すダイオードより白金の拡散温度を高くしライフタイムを短くしてある。
図１６に示される逆回復波形のラインａと逆回復波形のラインｂの比較から解るように、白金の拡散を用いると逆回復時間は小さくなるものの、逆回復電流が逆回復電流のピークＩＲＭから急激に回復してしまい、ハードリカバリーになってしまう。
これは金や電子線を用いて半導体基板全体のライフタイムを一様に小さくした場合も同様である。
【００１３】
ハードリカバリの場合、逆回復電流の変化ｄｉ／ｄｔが大きいため、ｄｉ／ｄｔとスイッチング用ダイオードや回路のインダクタンスＬとの積による電圧が発生し、また振動が起こるためノイズが発生しやすくなると共にスイッチング用ダイオードが破壊するなどの望ましくない現象が出る。スイッチング用ダイオードの特性改善のためには逆回復時間を小さくすると共にソフトリカバリ波形にしなければならない。
【００１４】
図１７は従来のスイッチング用ダイオードの第二の例に係る構造を説明するための図である。
従来の第一の例と同様ｐ型の高濃度の半導体層３とｎ型の低濃度の半導体層１とｎ型の高濃度の半導体層２で構成されるｐ＋ｎｎ＋型の構造である。
【００１５】
図１８は従来のスイッチング用ダイオードの第二の例に係る欠陥・不純物濃度分布を説明するための図である。図のラインｂはヘリウムイオン照射によりできた欠陥の分布を示す。
ｐ＋ｎｎ＋の構造のダイオードに半導体基板全体に深い不純物準位を作る白金等の重金属の拡散や電子線照射を行うのではなく、ｐ＋ｎｎ＋の拡散構造を形成した後、アノード電極４、カソード電極５を形成したのち、ｎ型の低濃度の半導体層１のｐｎ接合近辺に半値幅約１０μｍのヘリウムイオンによる欠陥層を作る。
この局在した低ライフタイムの層を作ることにより、逆回復特性を改善できる。
ヘリウムイオンあるいはプロトンによる照射においては、照射後、欠陥の安定化に加え、耐圧の回復と漏れ電流の低減のために３００から４００℃の熱処理を行う。
【００１６】
半導体基板中にヘリウムイオンを打ち込み、これらのイオンが半導体基板中に停止する時に停止位置付近に高密度の欠陥を生じる。この現象を利用して低ライフタイム領域を局在化できる。欠陥層の厚さ（半値幅）はイオンの質量に依存してプロトン、デュトロン、ヘリウムイオンの順に小さくなり、ヘリウムイオンの場合、約１０μｍである。局在した低ライフタイムの層の制御にはプロトン等よりヘリウムイオンのほうが適している。
【００１７】
図１９は従来のスイッチングダイオードの第二の例（第三の例を含む）に係る逆回復特性を説明する図である。
ラインｂの逆回復波形を示すダイオードはラインａの逆回復波形を示すダイオードより白金の拡散温度を高くしライフタイムを短くしたものである。
逆回復波形のラインｃはｎ型の低濃度の半導体層１のｐｎ接合近辺に半値幅約１０μｍのヘリウムイオンによる欠陥層を作り、局在した低ライフタイムの層を作った図１７に示した構造と図１８に示した欠陥・不純物濃度分布を持つスイッチング用ダイオードの逆回復特性特性である。
【００１８】
欠陥によるライフタイムの小さい局在した領域により、逆回復時間が小さくなる。
ｐｎ接合近傍にライフタイムの小さい局在した層があるため、ｐｎ接合近傍では蓄積過剰キャリアが少なく、ｎｎ＋界面では蓄積キャリアが相対的に多くなる。このため、逆回復時において、注入キャリアの少ないｐｎ接合付近が早く回復するので逆回復電流のピーク値ＩＲＭが小さくなる。
またｐｎ付近が早く回復するとこの部分が高抵抗層として働き、ｎｎ＋層付近に残っている過剰注入キャリアは流れにくくなり、逆回復波形はソフトになる。低ライフタイム領域を局在させることにより、さらに、順電圧と逆回復時間の相関も改善できる。
【００１９】
さらに逆回復時間を小さくするために半導体基板全体に電子線を照射することもできる。電子線、ヘリウムイオン照射においては、照射後、欠陥の安定化に加え耐圧の回復と漏れ電流の低減のため３００から４００℃の熱処理を行う。但し、４００℃以上の熱処理で欠陥が消えてしまうため、熱的安定性に乏しい。照射後、欠陥の安定化に加え耐圧の回復と漏れ電流の低減のため３００から４００℃の熱処理後、さらに３００℃以上の工程を通すことは望ましくない。
【００２０】
荷電粒子線を利用した工程は、ｐｎ拡散工程、アノード電極並びにカソード電極形成工程の後に重金属を使わないライフタイム制御ができるのが利点である。また、逆回復時間の微調整が可能である。
半導体製造プロセスにおいて、重金属を使わないことは重金属汚染対策が必要なくなる利点がある。もちろん従来工程である白金拡散あるいは金拡散工程を行った後に電極形成し、ヘリウム照射を行うこともできる。
【００２１】
図２０は従来のスイッチング用ダイオードの第三の例に係る製造工程を説明するための図である。以下、この製造工程を説明する。
図２１は従来のスイッチング用ダイオードの第三の例に係る構造を説明するための図である。
第１の工程において半導体基板に拡散層を形成し、図２１に示すｐｎｎ＋の拡散構造を作製する。
【００２２】
第１の工程の最初の拡散工程で、ｎ型の低濃度の半導体基板の第１の主面からｎ型の高濃度の不純物として燐を拡散し、ｎ型の高濃度の半導体層２を形成する。
次に第１の工程の二回目の拡散工程で、第１の主面と反対側の第２の主面に、ボロンイオンをイオン注入し、熱処理することにより表面濃度１０１７個／cm３、接合深さ３μｍのｐ型の低濃度の半導体層９を形成する。ｐ型の低濃度の半導体層９の表面濃度が低濃度でしかも拡散接合深さが浅いのが特色である。
ｐ型の低濃度の半導体層９とｎ型の高濃度の半導体層２とに挟まれたｎ型の低濃度の半導体基板がｎ型の低濃度の半導体層１である。この３層により、ｐｎｎ＋の拡散構造が形成される。
【００２３】
第２の工程ではｐ型の低濃度の半導体層９の表面に白金をスパッタして、白金の層を作り８００〜１０００℃で熱処理し、半導体基板全体に拡散する。図２２は従来のスイッチング用ダイオードの第三の例に係る欠陥・不純物濃度分布を説明するための図である。白金拡散による白金の分布は図のラインａに示される。
【００２４】
第３の工程はｐ型の低濃度の半導体層９の表面に残った白金を除去した後ｐ型の低濃度の半導体層９の表面にアノード電極４を形成する。ｎ型の高濃度の半導体層２の表面にカソード電極５を形成する（図２１）。
【００２５】
第４の工程ではアノード電極の方からカソ−ド電極に向けてヘリウムイオンを注入する。まずアノード側に、アノード電極４に対置するように、所定のイオン源、ヘリウムイオンビーム照射源を配置する。次にヘリウムイオン照射の深さを照射エネルギー量を変えることなく調節するための金属バッファ層（例えばアルミフォイル）をアノード電極４の前方に配置し、この金属バッファ層を介して、ヘリウムイオンをｐｎ接合付近、即ちｎ層表面付近に、基板表面から見て所定の深さに照射する。これにより、所定の位置に欠陥層ができる。
図２２は従来のスイッチング用ダイオードの第三の例に係る欠陥・不純物濃度分布を説明するための図である。図２２のラインｂはヘリウムイオン照射による欠陥の濃度分布を示す。この欠陥層が局在した低ライフタイムの層となる。
【００２６】
第５の工程は、３００から４００℃の熱処理を加えてヘリウムイオンによる欠陥層を熱的に安定化させ、ヘリウムイオンの照射による耐圧低下とリーク電流の増加を回復させるものである。
【００２７】
本実施例もｐｎ接合近傍にライフタイムの小さい局在した層があるため、ｐｎ接合近傍では蓄積過剰キャリアが少なく、ｎｎ＋界面では蓄積キャリアが相対的に多くなる。このため、逆回復時において、注入キャリアの少ないｐｎ接合付近が早く回復するので逆回復電流のピーク値が小さくなる。
【００２８】
またｐｎ接合付近が早く回復すると高抵抗層として働き、ｎｎ＋層付近に残っている過剰注入キャリアは流れにくくなり、逆回復波形はソフトになる。ｐｎｎ＋構造を利用しまたライフタイム領域を局在させることにより、さらに、順電圧と逆回復時間の相関も改善できる。
従来のスイッチング用ダイオードの第二の例に比較し、ｐ型の半導体層の表面濃度が１０１７個／cm３、接合深さが３μｍと表面濃度が低濃度で、しかも拡散接合深さが浅いため、さらに、ノイズが少なく、順電圧と逆回復時間の相関がよくなる。
【００２９】
前記第ニの実施例または第三の実施例により低損失、ソフトリカバリ特性を有するスイッチング用ダイオードを、耐圧を劣化させることなく汎用系イオン源たるヘリウムイオンビームにて容易に形成することができる。従来のスイッチング用ダイオードの第二の実施例、第三の実施例によりほぼ良好な特性が得られる。白金などの重金属拡散に比べ、ヘリウムイオンなどの軽イオン照射によるライフタイムコントロール技術は、低ライフタイム領域をデバイス内の特定の層あるいは領域にのみ設けることができ、順電圧と逆回復時間との相関関係を大きく改善できるという利点がある。
【００３０】
しかし、荷電粒子照射によって形成される欠陥準位は４００℃以上の温度領域で完全に消滅してしまうため、照射後の高温半田による工程の温度や半導体装置の使用温度が制限されてしまう。
【００３１】
【発明が解決しようとする課題】
所望の領域に高温でも安定な低ライフタイム領域を形成する工程を含む半導体装置の製造法方法を提供するものである。
【００３２】
【課題を解決しようとする手段】
上記課題を解決するために、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板の一方の表面から、該半導体基板内に重金属を拡散する重金属拡散工程と、拡散後に前記半導体基板の前記表面に所望の領域を保護するマスク工程と、領域保護した後に前記表面側から電子線を照射する電子線照射工程と、電子線を照射後に６５０℃以上の熱処理を行う熱処理工程とを有することを特徴とする。
また、上記重金属は、白金または金であることを特徴とする。
【００３３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面で説明する。
図１は本発明のスイッチング用ダイオードの第一の例に係る製造工程を説明するための図である。
【００３４】
図２は本発明のスイッチング用ダイオードの第一の例に係るｐ、ｎ拡散工程を説明するための図である。
用いるｎ型の低濃度の半導体基板は厚さ２５３μｍ、比抵抗３４Ω−ｃｍの珪素である。
第１の工程の最初の拡散工程で、ｎ型の低濃度の半導体基板の第１の主面からｎ型の高濃度の不純物として、燐を拡散し、拡散深さ１５０μｍのｎ型の高濃度の半導体層２を形成する。
【００３５】
次に第１の工程の二回目の拡散工程で、第１の主面と反対側の第２の主面に、ボロンイオンをイオン注入し、熱処理することにより表面濃度１０１７個／cm３、接合深さ３μｍのｐ型の低濃度の半導体層９を形成する。ｐ型の低濃度の半導体層９の表面濃度が低濃度で、しかも拡散接合深さが浅いのが特色である。
ｐ型の低濃度の半導体層９とｎ型の高濃度の半導体層２とに挟まれたｎ型の低濃度の半導体基板がｎ型の低濃度の半導体層１である。このｐ型の低濃度の半導体層９、ｎ型の低濃度の半導体層１とｎ型の高濃度の半導体層２の３個の層により、ｐｎｎ＋の拡散構造が形成される。
【００３６】
図３は本発明のスイッチング用ダイオードの第一の例に係る重金属拡散工程を説明するための図である。ここでは、重金属として白金を用いた。
第２の工程ではｐ型の低濃度の半導体層９の表面に白金をスパッタして、白金の層６を作り７００〜１０００℃、好ましくは８００℃で１時間熱処理し、ｐ型の低濃度の半導体層９、ｎ型の低濃度の半導体層１とｎ型の高濃度の半導体層２で形成されるｐｎｎ＋の半導体基板全体に拡散する。
【００３７】
図４は本発明のスイッチング用ダイオードの第一の例に係る不純物濃度分布を説明するための図である。
白金拡散による白金の分布は図のラインａに示される。白金はｐｎｎ＋の半導体基板全体にほぼ一様に拡散する。白金は、拡散係数が大きいため、半導体基板表面である第１の主面と第２の主面付近で、若干、濃度が高くなる。
【００３８】
図５は本発明のスイッチング用ダイオードの第一の例に係るヘリウムイオン照射工程を説明するための図である。
第３の工程ではまず最初に、ｐ型の低濃度の半導体層９の表面に残った白金を王水で除去する。
【００３９】
次に、アノード側からカソ−ド側に向けてヘリウムイオンを注入する。まずアノード側に、アノードに対置するように、所定のイオン源であるヘリウムイオン照射源を配置する。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金属のバッファ層７（今回の実施例ではＡｌ）をｐ型の低濃度の半導体層９の前方に配置し、この金属のバッファ層７を介して、ヘリウムイオンをｐｎ接合付近、即ちｎ型の低濃度の半導体層１の表面付近に照射し、所定の深さに欠陥層を作る。
【００４０】
図６は本発明のスイッチング用ダイオードの第一の例に係る欠陥・不純物濃度分布を説明するための図である。図６のラインｂは欠陥の濃度分布を示す。
ヘリウムイオンの加速電圧は２４ＭeＶであり、ヘリウムイオンのドーズ量は１×１０１３／cm２である。また、金属のバッファ層７のＡｌの厚さは２７５μｍである。ヘリウムイオンの照射により、所定の、ｐ型の半導体層３の表面から所定の約１０μｍの深さに、半値幅約１０μｍの欠陥層を作ることができる。
【００４１】
第４の工程において、半導体基板に６５０から１０００℃、望ましくは７００℃で１時間の熱処理を加える。
図７は本発明のスイッチング用ダイオードの第一の例に係る欠陥・不純物濃度分布を説明するための図である。図７のラインａは白金の濃度分布を示す。
第４の工程の熱処理により、ヘリウムイオンによる欠陥層が高濃度の白金層にかわり、低ライフタイムの所定の領域を設けることができる。
６５０℃より低い温度の熱処理では、欠陥が消滅してしまうか、白金が移動しないため、局在した低ライフタイムの所定の領域を設けることはできない。
１０００℃より高い温度の熱処理では、最初局在した低ライフタイムの所定の領域ができても再分布してしまい、最終的には局在した低ライフタイムの所定の領域はできない。
【００４２】
第５の工程は、アノード電極４とカソード電極５を形成する工程である。
図８は本発明のスイッチング用ダイオードの第一の例に係る構造を説明するための図である。
ｐ型の低濃度の半導体層９の表面にアノード電極４を形成し、ｎ型の高濃度の半導体層２の表面にカソード電極５を形成する。アノード電極４とカソード電極５として、Ｔｉ（チタニュウム）−Ｎｉ（ニッケル）−Ａｇ（銀）の電極システムを用いる。
作製には電子ビーム蒸着法を用いる。チタニウムは珪素の半導体基板と電極とのオーミック性をとるために用いられ、ニッケルは半田耐蝕性のために用いられ、また銀はニッケルの酸化防止用にを用いられる。
【００４３】
図１に示される本発明の工程では、低ライフタイムの所定の層は白金などの重金属による局在した層である。これに対して図２０に示される従来の工程では、低ライフタイムの所定の層はヘリウムイオンの照射により形成された欠陥層を利用している。
【００４４】
白金などの重金属による局在した低ライフタイムの所定の層ができる現象は次のように考えられる。
あらかじめ白金などの重金属を拡散した半導体基板に、ヘリウムイオンなどの荷電粒子線を照射し、所望の領域に欠陥を形成した後、６５０℃以上の熱処理を加えることにより、低温で容易に移動することができ電気的に不活性な格子間型白金原子が、高温でも安定で電気的に活性な置換型白金原子に変化する。このため、ヘリウムイオンなどによる荷電粒子線などの照射による場合と比較し、熱的に安定な低ライフタイムの所定の層が形成できる。
【００４５】
荷電粒子照射によって形成される欠陥準位は４００℃以上の温度領域で完全に消滅してしまうため、この欠陥準位をライフタイムキラーとして利用する従来の方法では、照射後の高温半田による工程温度や半導体装置の使用温度等が制限されてしまう。これに対して、本発明の場合、ヘリウムイオンなどによる荷電粒子線などの照射による欠陥準位をライフタイムキラーとして利用する従来の方法と比較し、熱的に安定な低ライフタイムの所定の層が形成できる。６５０℃までの温度処理に安定である。
【００４６】
本発明の実施例によれば、順電圧は白金拡散だけのものと比べて同じ逆回復時間でも低い。また逆回復波形は逆回復時間を非常に小さくしてもソフトとである。
図９は 本発明のスイッチング用ダイオードの第一の例に係る順電流が流れている時の蓄積キャリアの分布を説明するための図である。図９のラインaは注入キャリアの分布である。
ｐｎ接合近辺のライフタイムが小さいためアノード側であるｐｎ接合付近の蓄積キャリアが小さく、カソード側にいくにしたがって大きくなっている。このため、ダイオードにかかる印加電圧を順方向から逆方向に切替えた時、ｐｎ接合付近のキャリアの消滅が早く、カソード側のキャリアが消滅しきれないうちにｐｎ送付近は空間電荷層ができ、抵抗が大きくなる。この傾向は、電流が少なくなるほど進み、逆回復波形の電流の傾斜は緩くなり、前述の図１９に示されるラインcの逆回復波形のように逆回復時間を短くしてもソフト波形になる。
【００４７】
本実施例の場合は、p型層の濃度を下げ、拡散深さも浅くしてあるため、p層からの注入は少なく（注入効率が悪い）、pｎ接合付近のキャリアは低ライフタイム層を局在させたものより更に少なく、ソフト波形になりやすいようになっている。
【００４８】
これにより低損失、ソフトリカバリ特性を有し、しかも耐圧劣化のない半導体装置を汎用系イオン源たるヘリウムイオンビームを用いた照射にて容易に形成することができる。
６５０℃以上の熱処理で熱に対して安定な低ライフタイム層を作っているので、この後の保護膜作製時における熱処理や組立工程における半田付け工程の３５０〜４５０℃における熱処理その他６５０℃までの熱処理では逆回復特性の変化はおきない。
【００４９】
図１０は本発明のスイッチング用ダイオードの第二の例に係る不純物濃度分布を説明するための図である。図１０のラインａは白金の分布である。ｐ、ｎ拡散構造や電極は図８に示した第一の例の構造と同じである。
本実施例では、ｎ型の低濃度の半導体層１の表面、即ちｐｎ接合付近だけでなく、カソード側、即ちｎ型の低濃度の半導体層１とn型の高濃度層の半導体層２のｎｎ＋界面付近にも低ライフタイム層を作ることにより、設計の自由度をあげ、更に順電圧と逆回復時間のトレードオフを改善するものである。
【００５０】
図１１は本発明のＩＧＢＴの例に係る構造を説明するための図である。
ｎ型の高濃度のバッファ層１２付近に低ライフタイムの領域を作ると、オン電圧とターンオフ時間のトレードオフが改善できる。
低ライフタイムの所定の領域として深さ方向での局在化に加え、部分照射により照射領域の横方向の局在化を行うことによりトレードオフの改善ができる。部分照射の実現はステンレスのマスクを用いることによって達成された。チャネル直下は低オン電圧のためなるべくライフタイムを下げないように低ライフタイム領域２１をつくる。ｐ型半導体層１３の直下はターンオフタイムを小さくするために低ライフタイム領域２０とし各々役割分担する。
【００５１】
図１２は本発明のスイッチング用ダイオードの第三の例に係る構造を説明するための図である。図１２の構造はプレーナ型のダイオードの転流破壊の改善策である。高耐圧のプレーナダイオードの逆回復過程において、サージ電圧が静耐圧以下であるにもかかわらず、順電流を高速に切ると、即ち、−ｄｉ／ｄｔの絶対値が大きいと破壊することがある。この原因は逆回復時外周部４１に蓄積されているキャリアが回復時ｐ型の低濃度の半導体領域３４の周辺に集中するためである。
プレーナ型ダイオードの主電流の流れる外側の領域である外周部４１を低ライフタイム領域とし、周辺に蓄積するキャリアを少なくすることでこの破壊の問題を解決できる。
図１２の構造はｐ、ｎ拡散構造作製後、電極形成前に、本発明のスイッチング用ダイオードの第一の例の製造工程と同様に白金拡散を行い、次に、ステンレスをマスクとし、素子外周部４１に電子線を照射し周辺部４１全域に欠陥を作り、７００℃で熱処理することにより、中央部４０に比較し、周辺部４１のライフタイムを小さくできる。電子線の場合深さ方向に選択性がなく、半導体基板深さ方向全体に欠陥層を作ってしまう性質があることをを利用した。
【００５２】
スイッチング用のダイオードの第一の実施例において、重金属として白金、荷電粒子の照射にヘリウムイオンを用いた例を示した。重金属は白金の他金または鉄あるいはこれらの混合物であってもよい。
また深さ方向の所定の位置に１または２の低ライフタイムの層を設けたが、さらに３層またはそれ以上であってもよい。またこれらの層は横方向に複数に存在してもよい。
本発明は低ライフタイムの領域を深さ方向、平面方向に複数、自由に３次元に作ることができる。
【００５３】
実施例においてスイッチング用ダイオード、ＩＧＢＴについて一例を述べたが、ｐｎ接合とショットキダイオードとの複合素子（ＭＰＳ；Ｍｅｒｇｅｄ ｐ−ｉ−ｎ／Ｓｃｈｏｔｔｋｙ）、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴやＭＯＳゲートサイリスタなどにも適用できる。また実施例では、ソフトリカバリ波形を説明するために、ｎ型の低濃度の半導体基板を利用した例を述べたが、本発明はｐ型の低濃度の半導体基板を利用した所謂ｐ型素子であってもよい。
【００５４】
荷電粒子の照射方向全領域を制御する場合は電子線がよく、深さ方向の所定の位置に制御するのにはヘリウムイオンが好ましいが、必要とする低ライフタイムの所定の領域の条件により、ヘリウムイオン、デュトロン、プロトン、電子線などを使い分けることができる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体基板内の低ライフタイムの所定の領域を作るために、６５０℃以上の温度で安定化するため、６５０℃まで、その後のウェーハプロセス、組立工程の熱処理、使用温度が制限されることはない。
低ライフタイムを一定の深さ方向だけでなく、複数とし、さらに平面方向に局在化し、低ライフタイムの領域を三次元で局在化することにより、スイッチング素子のスイッチング時間を短くでき、逆回復波形をソフトにでき、順損失と逆損失のトレードオフを改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のスイッチング用ダイオードの第一の例に係る製造工程を説明するための図である。
【図２】 本発明のスイッチング用ダイオードの第一の例に係るｐ、ｎ拡散工程を説明するための図である。
【図３】 本発明のスイッチング用ダイオードの第一の例に係る重金属拡散工程を説明するための図である。
【図４】 本発明のスイッチング用ダイオードの第一の例に係る不純物濃度分布を説明するための図である。
【図５】 本発明のスイッチング用ダイオードの第一の例に係るヘリウムイオン照射工程を説明するための図である。
【図６】 本発明のスイッチング用ダイオードの第一の例に係る欠陥・不純物濃度分布を説明するための図である。
【図７】 本発明のスイッチング用ダイオードの第一の例に係る不純物濃度分布を説明するための図である。
【図８】 本発明のスイッチング用ダイオードの第一の例に係る構造を説明するための図である。
【図９】 本発明のスイッチング用ダイオードの第一の例に係る順電流が流れている時の蓄積キャリアの分布を説明するための図である。
【図１０】 本発明のスイッチング用ダイオードの第二の例に係る不純物濃度分布を説明するための図である。
【図１１】 本発明のＩＧＢＴの例に係る構造を説明するための図である。
【図１２】 本発明ののスイッチング用ダイオードの第三の例に係る構造を説明するための図である。
【図１３】 一般的なスイッチング用ダイオードの逆回復特性を説明する図である。
【図１４】 従来のスイッチング用ダイオードの第一の例に係る構造を説明するための図である。
【図１５】 従来のスイッチング用ダイオードの第一の例に係る不純物濃度分布を説明するための図である。
【図１６】 従来のスイッチングダイオードの第一の例に係る逆回復特性を説明する図である。
【図１７】 従来のスイッチング用ダイオードの第二の例に係る構造を説明するための図である。
【図１８】 従来のスイッチング用ダイオードの第二の例に係る欠陥・不純物濃度分布を説明するための図である。
【図１９】 従来のスイッチングダイオードの第二の例と第三の例に係る逆回復特性を説明する図である。
【図２０】 従来のスイッチング用ダイオードの第三の例に係る製造工程を説明するための図である。
【図２１】 従来のスイッチング用ダイオードの第三の例に係る構造を説明するための図である。
【図２２】 従来のスイッチング用ダイオードの第三の例に係る係る欠陥・不純物濃度分布を説明するための図である。
【符号の説明】
１ ｎ型の低濃度の半導体層
２ ｎ型の高濃度の半導体層
３ ｐ型の高濃度の半導体層
４ アノード電極
５ カソード電極
６ 白金の層
７ 金属のバッファ層
８ オーミック電極層
９ ｐ型の低濃度の半導体層
１１ ｎ型の低濃度の半導体層
１２ ｎ型の高濃度のバッファ層
１３ ｐ型の低濃度の半導体層
１４ ｐ型の高濃度の半導体層
１５ ｎ型の高濃度の半導体層
１６ 絶縁膜
１７ エミッタ電極
１８ コレクタ電極
１９ ゲート電極
２０、２１ 低ライフタイム領域
３１ ｎ型の低濃度の半導体層
３４ ｐ型の低濃度の半導体領域
３５ ｎ型の高濃度の半導体層
３６ 絶縁膜
３７ カソード電極
３８ アノード電極
４１ 外周部
【発明の属する分野】
本発明は、半導体基板内に重金属を拡散した後に、この半導体基板に荷電粒子を照射し、さらに６５０℃以上の熱処理を加えることにより前記半導体基板内に低ライフタイムの所定の領域を設けることを特徴とする半導体装置の製造方法であり、特にスイッチング用半導体素子のスイッチング特性の改善と静特性とスイッチング特性のトレードオフを改善するものである。
【０００２】
【従来の技術】
スイッチング電源などの高周波化が進められるにつれて、スイッチング用半導体素子であるスイッチング用ダイオードに対し、（１）スイッチング損失を少なくするために逆回復時間を小さくすること、（２）ノイズ発生を抑制するためにソフトリカバリーであること、（３）順電圧と逆回復時間のトレードオフをよくすることが要求されている。また、バイポーラトランジスタ、サイリスタ、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴその他のＭＯＳ系素子等でも同様にスイッチング損失、ノイズの改善が求められている。
【０００３】
スイッチング用半導体素子では、印加電圧を順方向から逆方向に切替えたとき、順方向動作時に蓄積された過剰少数キャリアの消滅に一定の時間がかかり、高速化の障害になっている。 以下、従来の技術について、スイッチング用ダイオードを例にとって説明する。
【０００４】
図１３は一般的なスイッチング用ダイオードの逆回復特性を説明する図である。順方向にＩＦＭの電流を流しておき時間ｔ１において逆方向に電圧を加える。順方向に流れている電流ＩＦＭは−ｄｉ／ｄｔの傾きをもって減少する。時間ｔ２において逆方向に電流が流れ始める。これを逆回復電流という。逆回復電流は最初−ｄｉ／ｄｔのラインに沿って流れるが、ある時間ｔ３において、逆回復電流の最大値ＩＲＭから徐々に少なくなり、最終的には零になる。
【０００５】
時間ｔ２からｔ４の差の時間を逆回復時間（ｔｒｒ）という。また時間ｔ２からｔ４までに流れる電流を時間で積分した値を逆回復電荷（Ｑｒｒ）という。逆回復電荷はスイッチング損失に比例する。一般に逆回復時間が小さいと逆回復電荷が少ないためスイッチング損失を小さくするために逆回復時間を小さくすればよい。
【０００６】
逆回復電流が減少していく時間ｔ３からｔ４の電流の勾配が緩やかな波形をソフトリカバリという。時間ｔ３からｔ４の電流の勾配が大きく急激に回復する逆回復波形、即ち、図１３に示したｔｒｒ２が小さく振動波形になりやすいものをハードリカバリという。
図１６に示した逆回復波形ｂはハードリカバリの逆回復波形の例である。
ソフトリカバリの評価はソフトネスファクター（ＳＦ）で行われる。ソフトネスファクターは逆回復電流の減少している時間と増加している時間との比ｔｒｒ２／ｔｒｒ１で定義される。ソフトネスファクターが小さいほどハードリカバリといわれる。
【０００７】
スイッチング損失を小さくするためには、逆回復電荷を少なくする必要がある。即ち逆回復時間を小さくすればよい。従来の技術では半導体素子中に金、白金や鉄あるいはこれらの混合物を拡散して、ライフタイムを小さくしたり、電子線、中性子線等を照射して格子欠陥を作り、再結合中心として作用させてライフタイムを短くしていた。
【０００８】
図１４は従来のスイッチング用ダイオードの第一の例に係る構造を説明するための図である（重金属の分布は図示せず）。
ｎ型の低濃度の半導体基板の第１の主面からｎ型の高濃度の不純物を拡散しｎ型の高濃度の半導体層２を形成し、第１の主面と反対側の第２の主面からｐ型の高濃度の不純物を拡散しｐ型の高濃度の半導体層３を形成する。この結果、ｎ型の低濃度の半導体基板とｐ型の高濃度の半導体層３との間でｐｎ接合ができる。
【０００９】
また、ｎ型の高濃度の半導体層２とｐ型の高濃度の半導体層３の間にある第１導電型の低濃度の半導体基板の部分であるｎ型の低濃度の半導体層１は順方向動作時にはキャリアが注入される層であり、逆方向動作時には、逆電圧を保持する層である。半導体基板の材質は珪素である。
【００１０】
低濃度の半導体基板にｎ型を用いているのはｎ型のほうがソフトリカバリーになりやすいためである。このため、第一の例の構造は、通常、ｐ型の高濃度の半導体層３とｎ型の低濃度の半導体層１とｎ型の高濃度の半導体層２で構成されるｐ＋ｎｎ＋型の構造である。ｐ型の低濃度の半導体基板を用いると注入されたホールが注入された電子の移動度より小さいため、逆回復の時にｐｎ接合付近の空間電荷層の形成が遅れハードリカバリになりやすい。このため、ｐ型半導体基板を利用することは少ない。
【００１１】
ｐ＋ｎｎ＋の拡散構造のダイオードに深い不純物準位を作る白金を拡散して逆回復時間を短くしている。
図１５は従来のスイッチング用ダイオードの第一の例に係る不純物濃度分布を説明するための図である。図のラインａは白金の分布を示す。
半導体基板内の白金等の分布はほぼ一様に分布し、半導体基板全体のライフタイムをほぼ一様に下げる。白金や金の場合、拡散係数が大きいため、半導体基板の表面付近で、半導体基板内よりも若干濃度が高くなる。
白金拡散後、アノード電極４、カソード電極５を形成しスイッチング用ダイオードの工程が完成する。
電子線照射の場合は照射領域の深さ方向において電子線照射によるライフタイムの値は一定となる。電子線照射の工程は、ｐ型の高濃度の半導体層３とｎ型の低濃度の半導体層１とｐ型の高濃度の半導体層３で構成されるｐ＋ｎｎ＋型の拡散構造にアノード電極４、カソード電極４を形成したのち、電子線照射を行い、その後安定化のための３００から４００℃の熱処理を行う。
【００１２】
図１６は従来のスイッチングダイオードの第一の例に係る逆回復特性を説明する図である。
ラインｂの逆回復波形を示すダイオードはラインａの逆回復波形を示すダイオードより白金の拡散温度を高くしライフタイムを短くしてある。
図１６に示される逆回復波形のラインａと逆回復波形のラインｂの比較から解るように、白金の拡散を用いると逆回復時間は小さくなるものの、逆回復電流が逆回復電流のピークＩＲＭから急激に回復してしまい、ハードリカバリーになってしまう。
これは金や電子線を用いて半導体基板全体のライフタイムを一様に小さくした場合も同様である。
【００１３】
ハードリカバリの場合、逆回復電流の変化ｄｉ／ｄｔが大きいため、ｄｉ／ｄｔとスイッチング用ダイオードや回路のインダクタンスＬとの積による電圧が発生し、また振動が起こるためノイズが発生しやすくなると共にスイッチング用ダイオードが破壊するなどの望ましくない現象が出る。スイッチング用ダイオードの特性改善のためには逆回復時間を小さくすると共にソフトリカバリ波形にしなければならない。
【００１４】
図１７は従来のスイッチング用ダイオードの第二の例に係る構造を説明するための図である。
従来の第一の例と同様ｐ型の高濃度の半導体層３とｎ型の低濃度の半導体層１とｎ型の高濃度の半導体層２で構成されるｐ＋ｎｎ＋型の構造である。
【００１５】
図１８は従来のスイッチング用ダイオードの第二の例に係る欠陥・不純物濃度分布を説明するための図である。図のラインｂはヘリウムイオン照射によりできた欠陥の分布を示す。
ｐ＋ｎｎ＋の構造のダイオードに半導体基板全体に深い不純物準位を作る白金等の重金属の拡散や電子線照射を行うのではなく、ｐ＋ｎｎ＋の拡散構造を形成した後、アノード電極４、カソード電極５を形成したのち、ｎ型の低濃度の半導体層１のｐｎ接合近辺に半値幅約１０μｍのヘリウムイオンによる欠陥層を作る。
この局在した低ライフタイムの層を作ることにより、逆回復特性を改善できる。
ヘリウムイオンあるいはプロトンによる照射においては、照射後、欠陥の安定化に加え、耐圧の回復と漏れ電流の低減のために３００から４００℃の熱処理を行う。
【００１６】
半導体基板中にヘリウムイオンを打ち込み、これらのイオンが半導体基板中に停止する時に停止位置付近に高密度の欠陥を生じる。この現象を利用して低ライフタイム領域を局在化できる。欠陥層の厚さ（半値幅）はイオンの質量に依存してプロトン、デュトロン、ヘリウムイオンの順に小さくなり、ヘリウムイオンの場合、約１０μｍである。局在した低ライフタイムの層の制御にはプロトン等よりヘリウムイオンのほうが適している。
【００１７】
図１９は従来のスイッチングダイオードの第二の例（第三の例を含む）に係る逆回復特性を説明する図である。
ラインｂの逆回復波形を示すダイオードはラインａの逆回復波形を示すダイオードより白金の拡散温度を高くしライフタイムを短くしたものである。
逆回復波形のラインｃはｎ型の低濃度の半導体層１のｐｎ接合近辺に半値幅約１０μｍのヘリウムイオンによる欠陥層を作り、局在した低ライフタイムの層を作った図１７に示した構造と図１８に示した欠陥・不純物濃度分布を持つスイッチング用ダイオードの逆回復特性特性である。
【００１８】
欠陥によるライフタイムの小さい局在した領域により、逆回復時間が小さくなる。
ｐｎ接合近傍にライフタイムの小さい局在した層があるため、ｐｎ接合近傍では蓄積過剰キャリアが少なく、ｎｎ＋界面では蓄積キャリアが相対的に多くなる。このため、逆回復時において、注入キャリアの少ないｐｎ接合付近が早く回復するので逆回復電流のピーク値ＩＲＭが小さくなる。
またｐｎ付近が早く回復するとこの部分が高抵抗層として働き、ｎｎ＋層付近に残っている過剰注入キャリアは流れにくくなり、逆回復波形はソフトになる。低ライフタイム領域を局在させることにより、さらに、順電圧と逆回復時間の相関も改善できる。
【００１９】
さらに逆回復時間を小さくするために半導体基板全体に電子線を照射することもできる。電子線、ヘリウムイオン照射においては、照射後、欠陥の安定化に加え耐圧の回復と漏れ電流の低減のため３００から４００℃の熱処理を行う。但し、４００℃以上の熱処理で欠陥が消えてしまうため、熱的安定性に乏しい。照射後、欠陥の安定化に加え耐圧の回復と漏れ電流の低減のため３００から４００℃の熱処理後、さらに３００℃以上の工程を通すことは望ましくない。
【００２０】
荷電粒子線を利用した工程は、ｐｎ拡散工程、アノード電極並びにカソード電極形成工程の後に重金属を使わないライフタイム制御ができるのが利点である。また、逆回復時間の微調整が可能である。
半導体製造プロセスにおいて、重金属を使わないことは重金属汚染対策が必要なくなる利点がある。もちろん従来工程である白金拡散あるいは金拡散工程を行った後に電極形成し、ヘリウム照射を行うこともできる。
【００２１】
図２０は従来のスイッチング用ダイオードの第三の例に係る製造工程を説明するための図である。以下、この製造工程を説明する。
図２１は従来のスイッチング用ダイオードの第三の例に係る構造を説明するための図である。
第１の工程において半導体基板に拡散層を形成し、図２１に示すｐｎｎ＋の拡散構造を作製する。
【００２２】
第１の工程の最初の拡散工程で、ｎ型の低濃度の半導体基板の第１の主面からｎ型の高濃度の不純物として燐を拡散し、ｎ型の高濃度の半導体層２を形成する。
次に第１の工程の二回目の拡散工程で、第１の主面と反対側の第２の主面に、ボロンイオンをイオン注入し、熱処理することにより表面濃度１０１７個／cm３、接合深さ３μｍのｐ型の低濃度の半導体層９を形成する。ｐ型の低濃度の半導体層９の表面濃度が低濃度でしかも拡散接合深さが浅いのが特色である。
ｐ型の低濃度の半導体層９とｎ型の高濃度の半導体層２とに挟まれたｎ型の低濃度の半導体基板がｎ型の低濃度の半導体層１である。この３層により、ｐｎｎ＋の拡散構造が形成される。
【００２３】
第２の工程ではｐ型の低濃度の半導体層９の表面に白金をスパッタして、白金の層を作り８００〜１０００℃で熱処理し、半導体基板全体に拡散する。図２２は従来のスイッチング用ダイオードの第三の例に係る欠陥・不純物濃度分布を説明するための図である。白金拡散による白金の分布は図のラインａに示される。
【００２４】
第３の工程はｐ型の低濃度の半導体層９の表面に残った白金を除去した後ｐ型の低濃度の半導体層９の表面にアノード電極４を形成する。ｎ型の高濃度の半導体層２の表面にカソード電極５を形成する（図２１）。
【００２５】
第４の工程ではアノード電極の方からカソ−ド電極に向けてヘリウムイオンを注入する。まずアノード側に、アノード電極４に対置するように、所定のイオン源、ヘリウムイオンビーム照射源を配置する。次にヘリウムイオン照射の深さを照射エネルギー量を変えることなく調節するための金属バッファ層（例えばアルミフォイル）をアノード電極４の前方に配置し、この金属バッファ層を介して、ヘリウムイオンをｐｎ接合付近、即ちｎ層表面付近に、基板表面から見て所定の深さに照射する。これにより、所定の位置に欠陥層ができる。
図２２は従来のスイッチング用ダイオードの第三の例に係る欠陥・不純物濃度分布を説明するための図である。図２２のラインｂはヘリウムイオン照射による欠陥の濃度分布を示す。この欠陥層が局在した低ライフタイムの層となる。
【００２６】
第５の工程は、３００から４００℃の熱処理を加えてヘリウムイオンによる欠陥層を熱的に安定化させ、ヘリウムイオンの照射による耐圧低下とリーク電流の増加を回復させるものである。
【００２７】
本実施例もｐｎ接合近傍にライフタイムの小さい局在した層があるため、ｐｎ接合近傍では蓄積過剰キャリアが少なく、ｎｎ＋界面では蓄積キャリアが相対的に多くなる。このため、逆回復時において、注入キャリアの少ないｐｎ接合付近が早く回復するので逆回復電流のピーク値が小さくなる。
【００２８】
またｐｎ接合付近が早く回復すると高抵抗層として働き、ｎｎ＋層付近に残っている過剰注入キャリアは流れにくくなり、逆回復波形はソフトになる。ｐｎｎ＋構造を利用しまたライフタイム領域を局在させることにより、さらに、順電圧と逆回復時間の相関も改善できる。
従来のスイッチング用ダイオードの第二の例に比較し、ｐ型の半導体層の表面濃度が１０１７個／cm３、接合深さが３μｍと表面濃度が低濃度で、しかも拡散接合深さが浅いため、さらに、ノイズが少なく、順電圧と逆回復時間の相関がよくなる。
【００２９】
前記第ニの実施例または第三の実施例により低損失、ソフトリカバリ特性を有するスイッチング用ダイオードを、耐圧を劣化させることなく汎用系イオン源たるヘリウムイオンビームにて容易に形成することができる。従来のスイッチング用ダイオードの第二の実施例、第三の実施例によりほぼ良好な特性が得られる。白金などの重金属拡散に比べ、ヘリウムイオンなどの軽イオン照射によるライフタイムコントロール技術は、低ライフタイム領域をデバイス内の特定の層あるいは領域にのみ設けることができ、順電圧と逆回復時間との相関関係を大きく改善できるという利点がある。
【００３０】
しかし、荷電粒子照射によって形成される欠陥準位は４００℃以上の温度領域で完全に消滅してしまうため、照射後の高温半田による工程の温度や半導体装置の使用温度が制限されてしまう。
【００３１】
【発明が解決しようとする課題】
所望の領域に高温でも安定な低ライフタイム領域を形成する工程を含む半導体装置の製造法方法を提供するものである。
【００３２】
【課題を解決しようとする手段】
上記課題を解決するために、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板の一方の表面から、該半導体基板内に重金属を拡散する重金属拡散工程と、拡散後に前記半導体基板の前記表面に所望の領域を保護するマスク工程と、領域保護した後に前記表面側から電子線を照射する電子線照射工程と、電子線を照射後に６５０℃以上の熱処理を行う熱処理工程とを有することを特徴とする。
また、上記重金属は、白金または金であることを特徴とする。
【００３３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面で説明する。
図１は本発明のスイッチング用ダイオードの第一の例に係る製造工程を説明するための図である。
【００３４】
図２は本発明のスイッチング用ダイオードの第一の例に係るｐ、ｎ拡散工程を説明するための図である。
用いるｎ型の低濃度の半導体基板は厚さ２５３μｍ、比抵抗３４Ω−ｃｍの珪素である。
第１の工程の最初の拡散工程で、ｎ型の低濃度の半導体基板の第１の主面からｎ型の高濃度の不純物として、燐を拡散し、拡散深さ１５０μｍのｎ型の高濃度の半導体層２を形成する。
【００３５】
次に第１の工程の二回目の拡散工程で、第１の主面と反対側の第２の主面に、ボロンイオンをイオン注入し、熱処理することにより表面濃度１０１７個／cm３、接合深さ３μｍのｐ型の低濃度の半導体層９を形成する。ｐ型の低濃度の半導体層９の表面濃度が低濃度で、しかも拡散接合深さが浅いのが特色である。
ｐ型の低濃度の半導体層９とｎ型の高濃度の半導体層２とに挟まれたｎ型の低濃度の半導体基板がｎ型の低濃度の半導体層１である。このｐ型の低濃度の半導体層９、ｎ型の低濃度の半導体層１とｎ型の高濃度の半導体層２の３個の層により、ｐｎｎ＋の拡散構造が形成される。
【００３６】
図３は本発明のスイッチング用ダイオードの第一の例に係る重金属拡散工程を説明するための図である。ここでは、重金属として白金を用いた。
第２の工程ではｐ型の低濃度の半導体層９の表面に白金をスパッタして、白金の層６を作り７００〜１０００℃、好ましくは８００℃で１時間熱処理し、ｐ型の低濃度の半導体層９、ｎ型の低濃度の半導体層１とｎ型の高濃度の半導体層２で形成されるｐｎｎ＋の半導体基板全体に拡散する。
【００３７】
図４は本発明のスイッチング用ダイオードの第一の例に係る不純物濃度分布を説明するための図である。
白金拡散による白金の分布は図のラインａに示される。白金はｐｎｎ＋の半導体基板全体にほぼ一様に拡散する。白金は、拡散係数が大きいため、半導体基板表面である第１の主面と第２の主面付近で、若干、濃度が高くなる。
【００３８】
図５は本発明のスイッチング用ダイオードの第一の例に係るヘリウムイオン照射工程を説明するための図である。
第３の工程ではまず最初に、ｐ型の低濃度の半導体層９の表面に残った白金を王水で除去する。
【００３９】
次に、アノード側からカソ−ド側に向けてヘリウムイオンを注入する。まずアノード側に、アノードに対置するように、所定のイオン源であるヘリウムイオン照射源を配置する。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金属のバッファ層７（今回の実施例ではＡｌ）をｐ型の低濃度の半導体層９の前方に配置し、この金属のバッファ層７を介して、ヘリウムイオンをｐｎ接合付近、即ちｎ型の低濃度の半導体層１の表面付近に照射し、所定の深さに欠陥層を作る。
【００４０】
図６は本発明のスイッチング用ダイオードの第一の例に係る欠陥・不純物濃度分布を説明するための図である。図６のラインｂは欠陥の濃度分布を示す。
ヘリウムイオンの加速電圧は２４ＭeＶであり、ヘリウムイオンのドーズ量は１×１０１３／cm２である。また、金属のバッファ層７のＡｌの厚さは２７５μｍである。ヘリウムイオンの照射により、所定の、ｐ型の半導体層３の表面から所定の約１０μｍの深さに、半値幅約１０μｍの欠陥層を作ることができる。
【００４１】
第４の工程において、半導体基板に６５０から１０００℃、望ましくは７００℃で１時間の熱処理を加える。
図７は本発明のスイッチング用ダイオードの第一の例に係る欠陥・不純物濃度分布を説明するための図である。図７のラインａは白金の濃度分布を示す。
第４の工程の熱処理により、ヘリウムイオンによる欠陥層が高濃度の白金層にかわり、低ライフタイムの所定の領域を設けることができる。
６５０℃より低い温度の熱処理では、欠陥が消滅してしまうか、白金が移動しないため、局在した低ライフタイムの所定の領域を設けることはできない。
１０００℃より高い温度の熱処理では、最初局在した低ライフタイムの所定の領域ができても再分布してしまい、最終的には局在した低ライフタイムの所定の領域はできない。
【００４２】
第５の工程は、アノード電極４とカソード電極５を形成する工程である。
図８は本発明のスイッチング用ダイオードの第一の例に係る構造を説明するための図である。
ｐ型の低濃度の半導体層９の表面にアノード電極４を形成し、ｎ型の高濃度の半導体層２の表面にカソード電極５を形成する。アノード電極４とカソード電極５として、Ｔｉ（チタニュウム）−Ｎｉ（ニッケル）−Ａｇ（銀）の電極システムを用いる。
作製には電子ビーム蒸着法を用いる。チタニウムは珪素の半導体基板と電極とのオーミック性をとるために用いられ、ニッケルは半田耐蝕性のために用いられ、また銀はニッケルの酸化防止用にを用いられる。
【００４３】
図１に示される本発明の工程では、低ライフタイムの所定の層は白金などの重金属による局在した層である。これに対して図２０に示される従来の工程では、低ライフタイムの所定の層はヘリウムイオンの照射により形成された欠陥層を利用している。
【００４４】
白金などの重金属による局在した低ライフタイムの所定の層ができる現象は次のように考えられる。
あらかじめ白金などの重金属を拡散した半導体基板に、ヘリウムイオンなどの荷電粒子線を照射し、所望の領域に欠陥を形成した後、６５０℃以上の熱処理を加えることにより、低温で容易に移動することができ電気的に不活性な格子間型白金原子が、高温でも安定で電気的に活性な置換型白金原子に変化する。このため、ヘリウムイオンなどによる荷電粒子線などの照射による場合と比較し、熱的に安定な低ライフタイムの所定の層が形成できる。
【００４５】
荷電粒子照射によって形成される欠陥準位は４００℃以上の温度領域で完全に消滅してしまうため、この欠陥準位をライフタイムキラーとして利用する従来の方法では、照射後の高温半田による工程温度や半導体装置の使用温度等が制限されてしまう。これに対して、本発明の場合、ヘリウムイオンなどによる荷電粒子線などの照射による欠陥準位をライフタイムキラーとして利用する従来の方法と比較し、熱的に安定な低ライフタイムの所定の層が形成できる。６５０℃までの温度処理に安定である。
【００４６】
本発明の実施例によれば、順電圧は白金拡散だけのものと比べて同じ逆回復時間でも低い。また逆回復波形は逆回復時間を非常に小さくしてもソフトとである。
図９は 本発明のスイッチング用ダイオードの第一の例に係る順電流が流れている時の蓄積キャリアの分布を説明するための図である。図９のラインaは注入キャリアの分布である。
ｐｎ接合近辺のライフタイムが小さいためアノード側であるｐｎ接合付近の蓄積キャリアが小さく、カソード側にいくにしたがって大きくなっている。このため、ダイオードにかかる印加電圧を順方向から逆方向に切替えた時、ｐｎ接合付近のキャリアの消滅が早く、カソード側のキャリアが消滅しきれないうちにｐｎ送付近は空間電荷層ができ、抵抗が大きくなる。この傾向は、電流が少なくなるほど進み、逆回復波形の電流の傾斜は緩くなり、前述の図１９に示されるラインcの逆回復波形のように逆回復時間を短くしてもソフト波形になる。
【００４７】
本実施例の場合は、p型層の濃度を下げ、拡散深さも浅くしてあるため、p層からの注入は少なく（注入効率が悪い）、pｎ接合付近のキャリアは低ライフタイム層を局在させたものより更に少なく、ソフト波形になりやすいようになっている。
【００４８】
これにより低損失、ソフトリカバリ特性を有し、しかも耐圧劣化のない半導体装置を汎用系イオン源たるヘリウムイオンビームを用いた照射にて容易に形成することができる。
６５０℃以上の熱処理で熱に対して安定な低ライフタイム層を作っているので、この後の保護膜作製時における熱処理や組立工程における半田付け工程の３５０〜４５０℃における熱処理その他６５０℃までの熱処理では逆回復特性の変化はおきない。
【００４９】
図１０は本発明のスイッチング用ダイオードの第二の例に係る不純物濃度分布を説明するための図である。図１０のラインａは白金の分布である。ｐ、ｎ拡散構造や電極は図８に示した第一の例の構造と同じである。
本実施例では、ｎ型の低濃度の半導体層１の表面、即ちｐｎ接合付近だけでなく、カソード側、即ちｎ型の低濃度の半導体層１とn型の高濃度層の半導体層２のｎｎ＋界面付近にも低ライフタイム層を作ることにより、設計の自由度をあげ、更に順電圧と逆回復時間のトレードオフを改善するものである。
【００５０】
図１１は本発明のＩＧＢＴの例に係る構造を説明するための図である。
ｎ型の高濃度のバッファ層１２付近に低ライフタイムの領域を作ると、オン電圧とターンオフ時間のトレードオフが改善できる。
低ライフタイムの所定の領域として深さ方向での局在化に加え、部分照射により照射領域の横方向の局在化を行うことによりトレードオフの改善ができる。部分照射の実現はステンレスのマスクを用いることによって達成された。チャネル直下は低オン電圧のためなるべくライフタイムを下げないように低ライフタイム領域２１をつくる。ｐ型半導体層１３の直下はターンオフタイムを小さくするために低ライフタイム領域２０とし各々役割分担する。
【００５１】
図１２は本発明のスイッチング用ダイオードの第三の例に係る構造を説明するための図である。図１２の構造はプレーナ型のダイオードの転流破壊の改善策である。高耐圧のプレーナダイオードの逆回復過程において、サージ電圧が静耐圧以下であるにもかかわらず、順電流を高速に切ると、即ち、−ｄｉ／ｄｔの絶対値が大きいと破壊することがある。この原因は逆回復時外周部４１に蓄積されているキャリアが回復時ｐ型の低濃度の半導体領域３４の周辺に集中するためである。
プレーナ型ダイオードの主電流の流れる外側の領域である外周部４１を低ライフタイム領域とし、周辺に蓄積するキャリアを少なくすることでこの破壊の問題を解決できる。
図１２の構造はｐ、ｎ拡散構造作製後、電極形成前に、本発明のスイッチング用ダイオードの第一の例の製造工程と同様に白金拡散を行い、次に、ステンレスをマスクとし、素子外周部４１に電子線を照射し周辺部４１全域に欠陥を作り、７００℃で熱処理することにより、中央部４０に比較し、周辺部４１のライフタイムを小さくできる。電子線の場合深さ方向に選択性がなく、半導体基板深さ方向全体に欠陥層を作ってしまう性質があることをを利用した。
【００５２】
スイッチング用のダイオードの第一の実施例において、重金属として白金、荷電粒子の照射にヘリウムイオンを用いた例を示した。重金属は白金の他金または鉄あるいはこれらの混合物であってもよい。
また深さ方向の所定の位置に１または２の低ライフタイムの層を設けたが、さらに３層またはそれ以上であってもよい。またこれらの層は横方向に複数に存在してもよい。
本発明は低ライフタイムの領域を深さ方向、平面方向に複数、自由に３次元に作ることができる。
【００５３】
実施例においてスイッチング用ダイオード、ＩＧＢＴについて一例を述べたが、ｐｎ接合とショットキダイオードとの複合素子（ＭＰＳ；Ｍｅｒｇｅｄ ｐ−ｉ−ｎ／Ｓｃｈｏｔｔｋｙ）、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴやＭＯＳゲートサイリスタなどにも適用できる。また実施例では、ソフトリカバリ波形を説明するために、ｎ型の低濃度の半導体基板を利用した例を述べたが、本発明はｐ型の低濃度の半導体基板を利用した所謂ｐ型素子であってもよい。
【００５４】
荷電粒子の照射方向全領域を制御する場合は電子線がよく、深さ方向の所定の位置に制御するのにはヘリウムイオンが好ましいが、必要とする低ライフタイムの所定の領域の条件により、ヘリウムイオン、デュトロン、プロトン、電子線などを使い分けることができる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体基板内の低ライフタイムの所定の領域を作るために、６５０℃以上の温度で安定化するため、６５０℃まで、その後のウェーハプロセス、組立工程の熱処理、使用温度が制限されることはない。
低ライフタイムを一定の深さ方向だけでなく、複数とし、さらに平面方向に局在化し、低ライフタイムの領域を三次元で局在化することにより、スイッチング素子のスイッチング時間を短くでき、逆回復波形をソフトにでき、順損失と逆損失のトレードオフを改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のスイッチング用ダイオードの第一の例に係る製造工程を説明するための図である。
【図２】 本発明のスイッチング用ダイオードの第一の例に係るｐ、ｎ拡散工程を説明するための図である。
【図３】 本発明のスイッチング用ダイオードの第一の例に係る重金属拡散工程を説明するための図である。
【図４】 本発明のスイッチング用ダイオードの第一の例に係る不純物濃度分布を説明するための図である。
【図５】 本発明のスイッチング用ダイオードの第一の例に係るヘリウムイオン照射工程を説明するための図である。
【図６】 本発明のスイッチング用ダイオードの第一の例に係る欠陥・不純物濃度分布を説明するための図である。
【図７】 本発明のスイッチング用ダイオードの第一の例に係る不純物濃度分布を説明するための図である。
【図８】 本発明のスイッチング用ダイオードの第一の例に係る構造を説明するための図である。
【図９】 本発明のスイッチング用ダイオードの第一の例に係る順電流が流れている時の蓄積キャリアの分布を説明するための図である。
【図１０】 本発明のスイッチング用ダイオードの第二の例に係る不純物濃度分布を説明するための図である。
【図１１】 本発明のＩＧＢＴの例に係る構造を説明するための図である。
【図１２】 本発明ののスイッチング用ダイオードの第三の例に係る構造を説明するための図である。
【図１３】 一般的なスイッチング用ダイオードの逆回復特性を説明する図である。
【図１４】 従来のスイッチング用ダイオードの第一の例に係る構造を説明するための図である。
【図１５】 従来のスイッチング用ダイオードの第一の例に係る不純物濃度分布を説明するための図である。
【図１６】 従来のスイッチングダイオードの第一の例に係る逆回復特性を説明する図である。
【図１７】 従来のスイッチング用ダイオードの第二の例に係る構造を説明するための図である。
【図１８】 従来のスイッチング用ダイオードの第二の例に係る欠陥・不純物濃度分布を説明するための図である。
【図１９】 従来のスイッチングダイオードの第二の例と第三の例に係る逆回復特性を説明する図である。
【図２０】 従来のスイッチング用ダイオードの第三の例に係る製造工程を説明するための図である。
【図２１】 従来のスイッチング用ダイオードの第三の例に係る構造を説明するための図である。
【図２２】 従来のスイッチング用ダイオードの第三の例に係る係る欠陥・不純物濃度分布を説明するための図である。
【符号の説明】
１ ｎ型の低濃度の半導体層
２ ｎ型の高濃度の半導体層
３ ｐ型の高濃度の半導体層
４ アノード電極
５ カソード電極
６ 白金の層
７ 金属のバッファ層
８ オーミック電極層
９ ｐ型の低濃度の半導体層
１１ ｎ型の低濃度の半導体層
１２ ｎ型の高濃度のバッファ層
１３ ｐ型の低濃度の半導体層
１４ ｐ型の高濃度の半導体層
１５ ｎ型の高濃度の半導体層
１６ 絶縁膜
１７ エミッタ電極
１８ コレクタ電極
１９ ゲート電極
２０、２１ 低ライフタイム領域
３１ ｎ型の低濃度の半導体層
３４ ｐ型の低濃度の半導体領域
３５ ｎ型の高濃度の半導体層
３６ 絶縁膜
３７ カソード電極
３８ アノード電極
４１ 外周部
Claims (2)
- 半導体基板の一方の表面から、該半導体基板内に重金属を拡散する重金属拡散工程と、
拡散後に前記半導体基板の前記表面に所望の領域を保護するマスク工程と、
領域保護した後に前記表面側から電子線を照射する電子線照射工程と、
電子線を照射後に６５０℃以上の熱処理を行う熱処理工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記重金属は白金または金であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
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