JP6237915B2 - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置および半導体装置の製造方法 Download PDF

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Description

この発明は、電力変換装置などに使用される電力用のダイオードおよび電力用ダイオードを内蔵する半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。
還流ダイオードは、高電圧・大電流の電力変換装置などに使用される半導体装置である。還流ダイオードのスイッチング時に要求される電気特性は、スイッチング損失の低減とソフトリカバリ特性である。ソフトリカバリ特性は、パワーエレクトロニクス機器から発生する電磁ノイズを抑制するために、特に、近年、環境問題対策として要望される特性である。
図５は、従来のダイオードの層構造とライフタイム制御領域を示す半導体基板の要部断面図である。図５に示すように、還流ダイオードとして使用される縦型パワーダイオード１００は、高抵抗のｎ型ドリフト層１０１の上面に設けられるアノード電極１０２と、ｎ型ドリフト層１０１の下面に設けられるカソード電極１０３と、を備える。
アノード電極１０２は、ｎ型ドリフト層１０１の上面側の中心部に選択的に形成されるｐ型アノード層１０４にオーミック接触する。カソード電極１０３は、ｎ型ドリフト層１０１の下面側の全面に形成されるｎ型カソード層１０５にオーミック接触する。アノード電極１０２が接触するアノード層１０４は、主電流に係わる領域であり、活性部１０９と称される。
ｎ型ドリフト層１０１において、アノード電極１０２やアノード層１０４と同じ上面側であって、アノード層１０４を取り巻く外周には、エッジ終端部１１０が配置される。このエッジ終端部１１０は、ガードリング１０７およびフィールドプレート（図示を省略する）を備える。ガードリング１０７は、アノードを負極とする逆電圧印加時に、ｐｎ接合１０６の外周基板の表面に生じる高電界を緩和させる機能を有する。フィールドプレートは、例えば外部電荷の影響により静電ポテンシャルが変化するのを防ぐ機能を有する。
エッジ終端部１１０は、ガードリング１０７やフィールドプレートの他に、絶縁膜１０８を有する。絶縁膜１０８は、ｐｎ接合のエッジ終端表面とその外周側の高電界のシリコン（Ｓｉ）基板表面とを保護する。エッジ終端部１１０は、ハッチングで示されるライフタイム制御領域１１１が、高抵抗のｎ型ドリフト層１０１のアノード層１０４近辺に設けられる。
図６は、一般的なＩＧＢＴとダイオードのチョッパ回路図である。ダイオードとＩＧＢＴ、中間コンデンサを結ぶ閉回路には浮遊のインダクタンスＬｓｔｒａｙが存在するが、図６においては、便宜上、Ｌｓｔｒａｙを回路上の一部に示している。図７は、一般的なダイオードのスイッチング時の電圧電流の時間推移を示す逆回復電圧電流波形図である。図７においては、図６に示す回路で動作するダイオードをターンオフさせる際の逆回復電圧と電流の時間（μｓ）推移を表す逆回復電圧電流波形を示している。
図７に示すように、アノード電流Ｉａｋは、順方向電流Ｉｆから減少率ｄｉ／ｄｔで減少し、逆方向に転流してさらに逆方向電流が増加する。アノード電流Ｉａｋは、逆回復ピーク電流Ｉｒｐに達してからは、電流減少率ｄＩｒ／ｄｔで減少し、電流値０に収束する。図７においては、アノード・カソード間電圧Ｖａｋは、見やすくするために、アノードに対してカソードが正となるＶｋａの向きで表示している。
アノード・カソード間電圧Ｖａｋは、順電圧ＶＦ（図示せず）からアノード電流Ｉａｋの減少に対応して逆向きの電圧に転じ、アノード・カソード間電圧Ｖａｋは負（Ｖｋａが正）となる。その後、アノード電流Ｉａｋが逆回復ピーク電流Ｉｒｐに達するときに、カソード・アノード間電圧Ｖｋａは、電源電圧Ｖｃｃと同じ値となる。その後、アノード電流Ｉａｋの電流減少率ｄＩｒ／ｄｔと浮遊のインダクタンスＬｓｔｒａｙとの積（Ｌｓｔｒａｙ×ｄＩｒ／ｄｔ）だけ、Ｖｃｃよりも高い電圧が発生する。これがサージ電圧となり、ｄＩｒ／ｄｔの絶対値が最大となるときに、Ｖｋａもサージ電圧の最大値Ｖｓとなる。その後は、Ｖｃｃに収束する。
ダイオード１００においては、図７の逆回復電流電圧波形図に示すように、ダイオードのスイッチング時に順方向電流（アノード電流）が流れている状態から逆方向の電圧阻止状態に切り換る際には、スイッチングが完了する間、逆方向に電流が流れる。これは、キャリアの導電度変調によってダイオード１００内に蓄えられたキャリアが、電圧の印加方向が逆方向になっても残留キャリアとして残り、再結合消滅または外部に排出される間、逆方向電流となるからである。
この逆方向電流は、ダイオードのリカバリ電流（逆回復電流）といわれる。この逆回復電流のピーク値Ｉｒｐは、順電流の電流減少速度（ｄＩｒ／ｄｔ）が急激になるほど大きくなる。逆回復電流のピーク値Ｉｒｐが大きくなると、スイッチング損失が大きくなる。この逆回復電流が増加する過程で、少し遅れてｐｎ接合１０６から空乏層が伸び始めて逆電圧（阻止電圧）が大きくなる。その後、大きくなった逆電圧はやがて、外部から印加される逆バイアス電圧値へと収束する。一方、ｎ型ドリフト層１０１内の残留過剰電子はカソード層１０５を経てカソード電極１０３から排除され、残留ホールはアノード層１０４を経てアノード電極１０２から排除される。このとき、ホールのキャリア移動度が電子より小さいので、逆回復電流の減少速度ｄＩｒ／ｄｔは残留ホールの排除速度で決まると考えてよい。
ダイオードが順電流状態から逆阻止電圧状態に切り換る際、その電流減少率が大きいほど、ダイオード逆電圧上昇率が増大し、前述の電磁ノイズ発生の原因となる。この理由は、電流減少率を維持するために、ダイオードの逆電圧をより急速に上昇させて残留ホールを速やかに排除する必要があるためである。
図７に示した逆回復電圧電流波形図では、横軸の時間軸（μｓ）について、大きく２つの領域に分けることができる。一つは、順電流がゼロに至ったときから、逆回復電流のピーク値Ｉｒｐに達するまでのＡ領域である。順電流は、定常電流から、ＩＧＢＴの駆動周波数などで決まる電流減少率ｄｉ／ｄｔで減少する。
その際、ｎ型ドリフト層１０１に残留するホールがアノード電極１０２から排除されるときの電流が、すなわち逆回復電流となる。この逆回復電流は、逆バイアス電圧の増大と共に増加して逆回復電流のピーク値Ｉｒｐに達する。もう一つの領域は、逆回復電流のピーク値Ｉｒｐから、残留ホールがアノード電極１０２から減少速度（ｄＩｒ／ｄｔ）での排除および再結合により、逆電流がゼロになるまでのＢ領域である。
還流ダイオードに求められるスイッチング損失の低減とソフトリカバリ特性は、相互にトレードオフの関係にあるので、通常、両立させることは容易ではない。例えば、スイッチング損失の低減は、アノード層１０４からのホールの注入量を減らして逆回復電流のピーク値Ｉｒｐを低減するとともに、電流減少率ｄＩｒ／ｄｔを大きくして逆回復時間（ｔｒｒ）を短くすることによって得られる。しかし、ソフトリカバリ特性は、逆に、Ｂ領域における逆回復電流減少率ｄＩｒ／ｄｔを小さくして逆回復時間（ｔｒｒ）を長くすることにより得られる。このように、スイッチング損失の低減とソフトリカバリ特性とは、両者の対策が相反するため、両立させることは容易ではない。
逆回復時のスイッチング損失を低減する方法としては、従来、デバイスの耐圧を損なわない範囲でｎ型高抵抗ドリフト層を薄くして残留キャリア（ホール）を減少させる方法もある。しかし、この場合、逆回復時のカソード側蓄積キャリアも減らすこととなり、カソード側の残留キャリアの消滅が速く（逆回復電流の減少速度ｄＩｒ／ｄｔが大）なるため、結果として、サージ電圧が大きくなり発振し易くなる。つまり、逆回復電流の減少速度ｄＩｒ／ｄｔが大きいとハードリカバリ特性を示しやすくなり、逆回復電流の減少速度ｄＩｒ／ｄｔが小さすぎると損失が大きくなる。このため、通常は、ソフトリカバリ特性を維持しながらスイッチング損失を低減することは極めて困難である。
このように、スイッチング損失の低減とソフトリカバリ特性（低ノイズ）を両立するためには、アノード層からのホール注入量を少なくして、逆回復電流のピーク値Ｉｒｐを小さくするだけでなく、注入されたホールの寿命（ライフタイム）を適切に制御することが必要である。
従来、残留キャリア（ホール）の制御を効果的に行うには、例えば、Ｓｉ半導体基板の厚さ方向で所望の深さ範囲にライフタイムの短い領域を形成することが知られている。そのようなライフタイム制御方法には、放射線を半導体に照射または注入することにより形成される結晶欠陥を、キャリアの再結合中心として利用する方法がある。この結晶欠陥は、２００℃〜４００℃の熱処理により大部分は回復するが、酸素がかかわる複合欠陥は残る。従来、この複合欠陥を制御することによってライフタイムを所望値となるように制御する方法が既に開発されている。
また、従来、白金などの重金属を半導体に熱拡散させる方法が知られている。この方法は、半導体基板内に結晶欠陥を形成し、その結晶欠陥がＳｉバンドギャップ中に不純物準位を形成するので、これをライフタイム制御に利用する方法である。しかしながら、重金属を用いるライフタイム制御方法は、Ｓｉ／酸化膜界面の結晶欠陥や高ドーピング領域内の結晶欠陥に偏析する傾向がある。このため、これらの場所に少数キャリアライフタイムの短い領域を形成することは可能であるが、任意の場所に形成することは困難である。
ライフタイムの制御に用いる放射線の種類には、ヘリウム照射、プロトン照射、電子線照射などがある。そのうち、ヘリウム照射、プロトン照射は、半導体内での飛程が短いので、所定の深さ範囲にライフタイムを短く制御した領域を局所的に形成することができる。その一方で、高エネルギーの照射装置は極めて高価であり、また、飛程の深さ制御を金属遮蔽板の厚さを利用する場合、深さ制御の精度面からの実用性はあまり高くない。
また、電子線照射はコストや生産性に優れるが、半導体内での飛程が長いので、半導体基板の厚さ方向全体で一様のライフタイムになり、局所的なライフタイム領域の形成は困難である。ただし、半導体基板内に予め局所的に高濃度酸素領域を形成した後、高濃度酸素領域以外の半導体領域にはライフタイム制御に有効な結晶欠陥が形成されない程度の電子線を照射する。このことにより、電子線照射によっても局所的ライフタイム制御がある程度可能である（例えば、下記特許文献１を参照）。
その他、このようなスイッチング損失の低減とソフトリカバリ化に関する文献には、次のようなものがある。具体的には、従来、例えば、高抵抗領域の中間領域近傍にキャリア捕獲層を設けることにより、逆回復時の損失を低減し、空乏層の進展を抑える記載がある（特許文献２）。また、具体的には、従来、例えば、酸素を導入し、アノード側表面からプロトンを照射して結晶欠陥を導入し、結晶欠陥を回復させてネットドーピング濃度を高くすることにより、低損失、ソフトリカバリ特性を得る記載がある（例えば、下記特許文献３を参照）。さらに、具体的には、従来、例えば、高抵抗ｎ層に白金を拡散し、ヘリウムイオンを照射して低ライフタイム領域とすることにより、ソフトリカバリ化を図る記載がある（例えば、下記特許文献４を参照）。
特開２００７−２６６１０３号公報 特開２０１０−９２９９１号公報 再表２００７−５５３５２号公報 国際公開第９９／０９６００パンフレット
しかしながら、上述した特許文献１に記載された従来の技術は、厚み方向全体に結晶欠陥を形成する電子線照射のみの場合に比べると、動作抵抗（順電圧降下値Ｖｆ）への影響が小さいままで、スイッチング損失を小さくすることができるという趣旨の記載がある。すなわち、アノード側に近いキャリアのライフタイムのみを短縮して逆回復電流のピーク値Ｉｒｐを小さくし、それ以外の残留キャリアはそのままにすることにより、動作抵抗への影響を小さくして損失を低減する技術と考えられる。
図８は、電子線照射により半導体基板を一様にライフタイム制御したダイオードの逆回復特性を示す図である。図８においては、図７に加えて、さらにアノード電流（Ｉａ）×アノード・カソード間電圧（Ｖａｋ）の時間推移波形を破線で加えて示している。図８において、破線で示す波形の横軸の時間で積分した面積分は、電力エネルギー量、すなわち、スイッチング損失を示す。
図８によれば、逆回復電流によるスイッチング損失には、２つのピークが見られる。１つめのピークは、逆回復電流のピーク値Ｉｒｐに起因する時間幅の狭いスパイク状電圧のピークであり、２つめのピークは、Ｉｒｐより後の逆電流のテール（ｄＩｒ／ｄｔ）部分に相当する時間幅の広いピークである。時間積分で比較すると、時間幅の狭いピークより時間幅の広いピークの時間積分による面積の方が２倍以上大きい。
すなわち、スイッチング損失の低減はＩｒｐの低減によるよりも、ｄＩｒ／ｄｔを大きく（速く）することの方が効果が大きい。言い換えると、上述した特許文献１に記載のように逆回復電流のピーク値Ｉｒｐを小さくするだけでは、スイッチング損失の低減には限界があるという問題があった。
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、スイッチング損失の低減とソフトリカバリ特性との両立が安価で簡単なプロセスで得ることができる半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板の第１主面側に形成された第１導電型のドリフト層と、前記ドリフト層に沿って選択的に形成され、前記ドリフト層より低抵抗の第２導電型アノード層と、前記半導体基板の第２主面側の表面層に形成され、前記ドリフト層と接する第１導電型のカソード層と、空孔と酸素との複合欠陥で形成された空孔−酸素複合欠陥領域と、を備える。また、この発明にかかる半導体装置の前記空孔−酸素複合欠陥領域は、前記カソード層と前記ドリフト層との境界面から前記半導体基板の第１主面に向かう方向の深さがＲであり、前記半導体基板の比抵抗をρ、前記アノード層と前記ドリフト層とのｐｎ接合から前記カソード層までの厚さをｔ、前記ｐｎ接合に印加される逆バイアス電圧Ｖで前記ｐｎ接合から前記ドリフト層内に拡がる空乏層幅が０．５４×√（ρ×Ｖ）であるＷに対して、０＜Ｒ≦ｔ−Ｗで表される深さに設けられていることを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置は、上記の発明において、前記空孔−酸素複合欠陥領域は、ＶＶ欠陥とＶＯ欠陥との複合欠陥により形成されていることを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置は、上記の発明において、前記空孔−酸素複合欠陥領域は、前記空孔−酸素複合欠陥領域に重金属を拡散させて形成される再結合中心として機能する複合欠陥を備えていることを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置は、上記の発明において、前記重金属拡散は、白金拡散であることを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置は、上記の発明において、前記第１導電型半導体基板の一方の主面に選択的に前記半導体基板より低抵抗の第２導電型領域を有するデバイスがダイオードまたはダイオードを含む半導体装置であることを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板の第１主面側に形成された第１導電型のドリフト層と、前記ドリフト層に沿って選択的に形成され、前記ドリフト層より低抵抗の第２導電型アノード層と、前記半導体基板の第２主面側の表面層に形成され、前記ドリフト層と接する第１導電型のカソード層と、空孔と酸素との複合欠陥で形成された空孔−酸素複合欠陥領域と、を備えた半導体装置の製造方法である。前記空孔−酸素複合欠陥領域は、前記カソード層と前記ドリフト層との境界面から前記半導体基板の第１主面に向かう方向の深さがＲであり、前記半導体基板の比抵抗をρ、前記アノード層と前記ドリフト層とのｐｎ接合から前記カソード層までの厚さをｔ、前記ｐｎ接合に印加される逆バイアス電圧Ｖで前記ｐｎ接合から前記ドリフト層内に拡がる空乏層幅が０．５４×√（ρ×Ｖ）であるＷに対して、０＜Ｒ≦ｔ−Ｗで表される深さに設けられている。この発明にかかる半導体装置の製造方法は、前記空孔−酸素複合欠陥領域を、局所的に高濃度である酸素を含む高濃度酸素領域を酸素のイオン注入により所定の位置に形成した後、電子線照射によりライフタイムを低下させることによって形成することを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板の第１主面側に形成された第１導電型のドリフト層と、前記ドリフト層に沿って選択的に形成され、前記ドリフト層より低抵抗の第２導電型アノード層と、前記半導体基板の第２主面側の表面層に形成され、前記ドリフト層と接する第１導電型のカソード層と、空孔と酸素との複合欠陥で形成された空孔−酸素複合欠陥領域と、を備えた半導体装置の製造方法である。前記空孔−酸素複合欠陥領域は、前記カソード層と前記ドリフト層との境界面から前記半導体基板の第１主面に向かう方向の深さがＲであり、前記半導体基板の比抵抗をρ、前記アノード層と前記ドリフト層とのｐｎ接合から前記カソード層までの厚さをｔ、前記ｐｎ接合に印加される逆バイアス電圧Ｖで前記ｐｎ接合から前記ドリフト層内に拡がる空乏層幅が０．５４×√（ρ×Ｖ）であるＷに対して、０＜Ｒ≦ｔ−Ｗで表される深さに設けられている。この発明にかかる半導体装置の製造方法は、前記空孔−酸素複合欠陥領域を、局所的に高濃度である酸素を含む高濃度酸素領域を酸素のイオン注入により所定の位置に形成した後、重金属拡散を行いライフタイムを低下させることによって形成することを特徴とする。
この発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法によれば、スイッチング損失の低減とソフトリカバリ特性との両立が安価で簡単なプロセスで得ることができるという効果を奏する。
図１は、この発明にかかる実施の形態１のダイオードの要部断面図である。 図２は、この発明にかかる実施の形態１のダイオードの活性部における層構造および特性分布を示す説明図である。 図３は、この発明にかかる実施の形態１の製造方法により製造したダイオードの逆回復特性を示す説明図である。 図４は、この発明にかかる実施の形態１のダイオードの製造フローを示す断面図である。 図５は、従来のダイオードの層構造とライフタイム制御領域を示す半導体基板の要部断面図である。 図６は、一般的なＩＧＢＴとダイオードのチョッパ回路図である。 図７は、一般的なダイオードのスイッチング時の電圧電流の時間推移を示す逆回復電圧電流波形図である。 図８は、電子線照射により半導体基板を一様にライフタイム制御したダイオードの逆回復特性を示す図である。 図９は、比較例ダイオードの逆回復特性を示す説明図である。
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる導体装置および半導体装置の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。以下の実施の形態（明細書および添付図面）において、ｎまたはｐを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、ｎやｐに付す＋は、相対的に不純物濃度が高いことを意味し、ｎやｐに付す−は、相対的に不純物濃度が高いまたは低いことを意味する。
なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、実施の形態で説明される添付図面は、見易くまたは理解し易くするため、正確なスケール、寸法比で描かれていない。さらに、本発明はその要旨を超えない限り、以下に説明する実施例の記載に限定されるものではない。
（実施の形態１）
まず、この発明にかかる実施の形態１の半導体装置であるダイオードの構成について説明する。図１は、この発明にかかる実施の形態１のダイオードの要部断面図である。図１において、この発明にかかる実施の形態１のダイオード２０は、縦型パワーダイオードであって、ｐｉｎ構造を有している。図１においては、例えば、耐圧クラスが１２００Ｖであるダイオード２０を示している。
ダイオード２０は、図１の要部断面図に示すように、高抵抗のｎ型ドリフト層１を備えている。実施の形態１においては、ｎ型ドリフト層１によって、この発明にかかる第１導電型のドリフト層を実現することができる。ｎ型ドリフト層１は、半導体基板（図４における符号５０を参照）によって実現される。半導体基板は、シリコン（Ｓｉ）を用いることができる。ダイオード２０においては、シリコンに代えて、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、酸化ガリウム（Ｇａ2Ｏ3）、ダイアモンド（Ｃ）等を半導体基板として用いてもよい。
ダイオード２０は、ｎ型ドリフト層１の上面（第１主面、おもて面）に設けられたアノード電極２を備える。アノード電極２は、ｎ型ドリフト層１の上面側の中心部に選択的に形成されるｐ型アノード層４にオーミック接触する。実施の形態１においては、ｐ型アノード層４によって、この発明にかかる第２導電型アノード層を実現することができる。ｐ型アノード層４とｎ型ドリフト層１との界面には、ｐｎ接合６が形成されている。
また、ダイオード２０は、ｎ型ドリフト層１の下面（第２主面裏面）に設けられたカソード電極３を備える。カソード電極３は、下面側の全面に形成されるｎ型カソード層５にオーミック接触する。ｎ型カソード層５は、ｎ型ドリフト層１の下面側の表面層に形成され、ｎ型ドリフト層１と接している。実施の形態１においては、ｎ型カソード層５によって、この発明にかかる第１導電型のカソード層を実現することができる。
ｎ型ドリフト層１の上面側であって、アノード層４を取り巻く外周には、エッジ終端部１０が配置される。エッジ終端部１０は、ｐｎ接合６のエッジ終端６ａの表面およびその外周側の高電界の半導体基板（ｎ型ドリフト層１）の表面を絶縁保護するための絶縁膜８を有する領域である。エッジ終端部１０は、環状のｐ型層であるガードリング７を有し、逆電圧印加時に、ｐｎ接合６を取り巻く基板の外周表面に生じる高電界を緩和させる機能を有する。ガードリング７は、フィールドプレート３０を有していてもよい。フィールドプレート３０は、導電性の膜であり、ポリシリコンや、アルミニウム等の金属膜からなる。
ｎ型ドリフト層１の下面側には、少数キャリアのライフタイムが周辺よりも低減された空孔−酸素複合欠陥領域１１が形成されている。空孔−酸素複合欠陥領域１１は、半導体基板（ｎ型ドリフト層１）において、ｎ型カソード層５とｎ型ドリフト層１との境界面から半導体基板（ｎ型ドリフト層１）の上面側であって、当該境界面からの深さがＲとなる位置に形成されている。
空孔−酸素複合欠陥領域１１は、後述するように、イオン注入によってｎ型ドリフト層１の特定の深さに局所的に導入された酸素と、電子線照射によってｎ型ドリフト層１全体に導入された空孔との複合欠陥が形成された領域である。ｎ型ドリフト層１に導入された酸素と空孔は、熱処理により複合的な欠陥となり、空孔−酸素欠陥（Ｖａｃａｎｃｙ−Ｏｘｙｇｅｎ ｄｅｆｅｃｔ、ＶＯ欠陥、以下ＶＯ）、または、複空孔（ｄｉｖａｃａｎｃｙ、ＶＶ欠陥、以下ＶＶ）の複合体となる。ＶＯ、ＶＶは、それぞれ、キャリアの再結合中心の機能を有し、キャリアのライフタイムを低くする効果を有する。ダイオード２０は、上述した従来の縦型パワーダイオード１００と同様の構成を有し、その製法についても、従来と同様の製造方法とすることができる。
（空孔−酸素複合欠陥領域１１の層構造および特性分布）
次に、ダイオード２０に特有の空孔−酸素複合欠陥領域１１の層構造および特性分布について説明する。図２は、この発明にかかる実施の形態１のダイオード２０の活性部９における層構造および特性分布を示す説明図である。図２（ａ）においては、ダイオード２０の活性部９における層構造の要部断面図を示している。
図２（ａ）において、符号ｄは、空孔−酸素複合欠陥領域１１のｐｎ接合６からの深さを示している。また、図２（ａ）において、符号１５は、ｎ型ドリフト層１内に広がる空乏層を示している。また、図２（ａ）において、符号Ｗは、ダイオード２０への電源電圧Ｖｃｃの電圧印加によってカソード・アノード間電圧ＶｋａがＶｃｃとなったときの、ｎ型ドリフト層１内に広がる空乏層１５の深さ方向の厚さを示している。また、図２（ａ）において、符号ｔは、ｎ型ドリフト層１の深さ方向の厚さを示している。ｎ型ドリフト層１の深さ方向の厚さｔは、ｐｎ接合６からｎ型カソード層５までの距離である。空孔−酸素複合欠陥領域１１は、空乏層１５の厚さＷよりもさらにｎ型カソード層５の方向に離れている。
図２（ｂ）においては、図２（ａ）の断面に示すようにダイオード２０を所定の箇所で切断したときのライフタイム分布を示している。図２（ｂ）において、横軸のライフタイムの値は、対数スケールであり、縦軸の深さ方向Ｘと交差する点は、ライフタイムの値がゼロであるわけではない。
特にライフタイム制御を施さない場合のダイオードのライフタイムをτ0とすると、τ0の値は１０〜１００μｓ程度である。τ0の値は、例えば、２０μｓでもよい。これに対して、電子線照射等により空孔を主体とした点欠陥が半導体基板の全体に導入されると、ライフタイムは、τ0から低下した値τ1となる。このτ1は、ダイオードの所定の特性を得るために、例えば電子線の照射量や結晶性回復のためのアニール処理温度等で、０．０１〜５μｓ程度に適宜制御される。
この実施の形態１においては、さらに所定の深さに、空孔−酸素複合欠陥領域１１を形成するため、空孔−酸素複合欠陥領域１１の形成箇所のライフタイムは、局所的にτ2の値まで低下する。τ2の値は、０．００１〜０．１μｓ程度である。なお、高濃度にドーパントがドーピングされているｐ型アノード層４とｎ型カソード層５とは、ライフタイムがτ0から低下している。
図２（ｃ）においては、図２（ａ）の断面に示すようにダイオード２０を所定の箇所で切断したときの欠陥濃度分布を示している。図２（ｃ）において、横軸の濃度は、対数スケールであり、縦軸の深さ方向Ｘと交差する点は、濃度がゼロであるわけではない。図２（ｃ）に示すように、ダイオード２０においては、後述する方法によって半導体基板に導入された酸素（Ｏ）は、所定の深さで局所的に増加している。
一方、ダイオード２０において、電子線照射によって導入された空孔によるＶＶ欠陥は、半導体基板の深さ方向全体に分布する。熱処理等により、空孔と酸素によるＶＯ欠陥が形成され、局所的にＶＯ欠陥の濃度が増加した分布となる。また、ＶＶ欠陥も酸素が導入された位置（深さｄ）で濃度が増加する。このように、空孔−酸素複合欠陥領域１１は、ＶＶ欠陥とＶＯ欠陥の複合欠陥領域である。
なお、空孔−酸素複合欠陥領域１１におけるＶＶ、ＶＯ、Ｏの濃度関係は、図２（ｃ）に示したものに限るものではない。空孔−酸素複合欠陥領域１１におけるＶＶ、ＶＯ、Ｏの相対的な濃度関係は、形成条件により変化してもよい。例えば、ＶＶ欠陥がＶＯ欠陥より高濃度となってもよい。また、ＶＯ欠陥がドナーとなり、ｎ型ドリフト層１のドーピング濃度が局所的に増加してもよい。この場合、ＶＯ欠陥のドナーにより局所的にドーピング濃度が増加する箇所は、ｎ型フィールドストップ層としてもよい。このｎ型フィールドストップ層は、空乏層の広がりを抑制する効果を有する。
本発明の空孔−酸素複合欠陥領域１１は、さらにその形成位置に特徴を有する。ダイオード２０にかかるｎ型半導体基板の比抵抗をρ、ｐｎ接合６の逆バイアス電圧をＶ、ｎ型半導体基板と同じ状態の基板からなるｎ型ドリフト層１のｐｎ接合６からの厚さをｔ、空孔−酸素複合欠陥領域１１のｐｎ接合６からの深さをｄとすると、ｎ型カソード層５から空孔−酸素複合欠陥領域１１に至る長さＲは、Ｒ＝ｔ−ｄである。
ｐｎ接合６からｎ型ドリフト層１内に拡がる空乏層１５の幅Ｗが、Ｗ＝０．５４×√（ρ×Ｖ）で表されるとき、Ｗ、ｄ、ｔの関係は、Ｗ≦ｄ＜ｔで表される。ｎ型カソード層５から空孔−酸素複合欠陥領域１１に至る長さＲは、０＜Ｒ≦ｔ−Ｗで表される。このｎ型カソード層５からの深さＲの位置を中心に、空孔−酸素複合欠陥領域１１が設けられることにより、スイッチング損失を充分に低減し、ソフトリカバリ特性も得られるダイオード２０を実現することができる。
なお、空孔−酸素複合欠陥領域１１は、典型的には図２に示すように、半導体基板の深さ方向に幅Ｄを有する領域である。この幅Ｄは、後述するように空孔−酸素複合欠陥領域１１における酸素濃度の分布幅であってもよく、酸素濃度がガウス分布等であれば、半値全幅（Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ Ｈａｌｆ Ｍａｘｉｍｕｍ、ＦＷＨＭ）であってもよい。
特許文献１に記載された従来のライフタイム制御のように、逆回復電流のピーク値Ｉｒｐの低減だけによってスイッチング損失の低減を図ると、ソフトリカバリ化を図ることはできるが、充分なスイッチング損失の低減を得ることは難しい。本発明は、そこでさらに改良して、逆回復電流のピーク値Ｉｒｐを小さくするとともに、注入されたホールの寿命（ライフタイム）を適切に制御することが必要であるとの考えのもとになされている。
上述した図８において説明したように、順電流Ｉａ×逆電圧Ｖａｋの波形を時間積分で比較すると、時間幅の狭いピークより時間幅の広いピークの時間積分による面積の方が２倍以上大きい。すなわち、スイッチング損失の低減はＩｒｐの低減だけでなく、上述した図７に示したＢ領域における逆電流減少速度ｄＩｒ／ｄｔを少し大きく（速く）すると、スイッチング損失をさらに低減することができる。
これにより、上述した図７に示したＢ領域の逆電流減少速度ｄＩｒ／ｄｔを大きく（速く）するために、スイッチングの際のＢ領域の残留ホールを少なくすればよい。一方で、Ｂ領域の残留ホールを少なくし過ぎると、動作抵抗（順電圧Ｖｆ）が大きくなることがある。このため、ダイオード２０においては、ダイオードの定格電圧における最大の空乏層幅の外側に位置する残留ホールのみライフタイムを短くして、残留ホールを少なくするように調節する。これにより、ダイオード２０は、スイッチング損失を十分に低減し、ソフトリカバリ特性も得られ、順電圧（Ｖｆ）も大きくなり難いという効果を奏する。
（ダイオード２０の製造方法）
次に、この発明にかかる半導体装置の製造方法として、実施の形態１のダイオード２０の製造方法について説明する。図４は、この発明にかかる実施の形態１のダイオード２０の製造フローを示す断面図である。実施の形態１において、ダイオード２０の定格電圧は１２００Ｖとするが、この定格電圧に限るものではない。以下、工程の順序に沿って製造方法を説明する。
まず、図４（ａ）に示すように、シリコン製の半導体基板５０を用意する。半導体基板５０は、例えば、厚さが１３０μｍ、比抵抗が５５Ωｃｍの、ＦＺ（フロートゾーン）法により製造されたｎ型のＳｉ半導体基板を用いる。半導体基板５０は、ｎ型ドリフト層１を実現する。半導体基板５０は、ＦＺ法により製造されたものに限らず、ＣＺ（チョクラルスキー）法、ＭＣＺ（磁場印加型チョクラルスキー）法により製造されたものでもよい。実施の形態１においては、半導体基板５０によって、この発明にかかる第１導電型の半導体基板を実現することができる。
８インチ以上の口径の半導体基板には、ＭＣＺ法が容易かつ濃度分布を精度よく製造でき、有利である。特に、ＣＺ法、ＭＣＺ法により製造された半導体基板は、ＦＺ法により製造された半導体基板よりも酸素を多く含む。ＦＺ法により製造された半導体基板の平均酸素濃度は１×１０15／ｃｍ3以下であるが、ＣＺ法、ＭＣＺ法により製造された半導体基板の平均酸素濃度は１×１０16／ｃｍ3以上である。特にＭＣＺ法により製造された半導体基板では、平均酸素濃度が１×１０17／ｃｍ3以上である。このため、この発明にかかる実施の形態１のダイオード２０における空孔−酸素複合欠陥領域１１を形成しやすい。
次に、図４（ｂ）に示すように、半導体基板５０の表面５０ａに、ｐ型アノード層とエッジ終端部１０とを形成する。エッジ終端部１０の表面には、熱酸化あるいは堆積法により、絶縁膜の機能を有する酸化膜８を形成する。さらに、ｐ型アノード層４と接触するアノード電極２、表面パシベーション膜等を形成し、表面構造を完成させる。
次に、図４（ｃ）に示すように、半導体基板５０の厚さを薄くする。半導体基板５０は、半導体基板５０の裏面５０ｂから、バックグラインドによる研削、裏面エッチングあるいはこれらの組合せ等の方法によって厚さを薄くする。これにより、半導体基板５０は、薄くする前の裏面５０ｂから、図４（ｃ）において矢印５１で示す方向に、符号５２で示す研削面まで薄くされる。
次に、図４（ｄ）に示すように、高濃度酸素領域５４を形成する。高濃度酸素領域５４は、例えば、半導体基板５０の研削面５２から、符号５３で示すように、半導体基板５０の内部に酸素をイオン注入して導入することにより形成する。
次に、図４（ｅ）に示すように、空孔形成領域５５を半導体基板５０の全体に形成する。空孔形成領域５５は、例えば、半導体基板５０の表面から電子線照射１２を行うことによって形成することができる。電子線照射１２は、半導体基板５０の裏面から行ってもよい。
次に、図４（ｆ）に示すように、空孔−酸素複合欠陥領域１１を形成する。空孔−酸素複合欠陥領域１１は、例えば、半導体基板５０を３００〜４００℃の範囲の所定温度で熱処理（アニール）することによって形成する。この場合、図４（ｆ）に示す酸素通過領域５６は、酸素が通過していないｎ型ドリフト層１よりも酸素濃度が多い場合があり、ｎ型ドリフト層１よりもＶＯ欠陥が若干高くなる場合がある。
図４（ｆ）に示した工程においては、さらに、ｎ型ドリフト層１より高濃度のｎ型カソード層５を形成する。ｎ型ドリフト層１より高濃度のｎ型カソード層５は、例えば、研削面５２にリン等のｎ型ドーパントをイオン注入により導入し、レーザーアニール等により電気的に活性化させることにより形成する。
最後に、図４（ｇ）に示すように、研削面５２にカソード電極３を形成する。カソード電極３は、研削面５２のｎ型カソード層５に接するように形成する。
定格耐圧１２００Ｖのダイオード２０は、例えば、電源電圧６００Ｖの電力変換装置に用いられる。このため、比抵抗ρ＝５５Ωｃｍ、Ｖ＝６００Ｖとすると、ｐ型アノード層４底部からｎ型ドリフト層１内に拡がる空乏層１５の幅Ｗは、式）Ｗ＝０．５４×√（ρ×Ｖ）から、Ｗ＝０．５４×√（５５×６００）＝９８μｍとなる。ｐｎ接合６面からの、ｎ型ドリフト層１の厚さをｔとし、空孔−酸素複合欠陥領域１１の深さをｄとすると、空孔−酸素複合欠陥領域１１が形成される深さは、Ｗ≦ｄ＜ｔで表される。
これをこの発明にかかる実施の形態１のダイオード２０に適用すると、空孔−酸素複合欠陥領域１１が設けられる深さは、ｐ型アノード層４底部（ｐｎ接合６）から９８μｍ以上１３０μｍ以内の範囲となる。図２に示したダイオード２０では、４×１０17ｃｍ3の酸素濃度を有する空孔−酸素複合欠陥領域１１を、ｐ型アノード層４の底部（ｐｎ接合６のこと）から１１０μｍの深さに幅５μｍの酸素のイオン注入により形成した。
研削面５２からの酸素の注入深さは２０μｍ（１３０−１１０μｍ）となるので、酸素をイオン注入するときの加速エネルギーは、約３０ＭｅＶである。このような加速エネルギーは、線形加速器、サイクロトロン加速器等で得ることができる。このとき、深さ方向（注入方向）のＦＷＨＭは０．７μｍである。ただし、熱処理により若干酸素が拡散するので、酸素の分布幅は約１．０μｍとなる。よって、空孔−酸素複合欠陥領域１１の幅Ｄは、約１．０〜２．０μｍとなる。
なお、酸素のイオン注入により、半導体基板の裏面から、酸素が通過するｎ型カソード層５、ｎ型ドリフト層１、および、空孔−酸素複合欠陥領域１１は、格子欠陥にダメージが導入されるため、空孔−酸素複合欠陥領域１１の幅Ｄはさらに広がり、約２．０〜１０μｍと考えても構わない。
また、イオン注入する酸素のドーズ量は、例えば１×１０11／ｃｍ2〜１×１０14／ｃｍ2であってもよい。この場合、ｎ型カソード層５から深さＲにおける空孔−酸素複合欠陥領域１１の最大酸素濃度は、１×１０16／ｃｍ2〜１×１０19／ｃｍ2であってもよい。また、ＶＯ欠陥の濃度は、酸素濃度と同程度か、あるいは空孔と結合しているため酸素濃度よりも低くなり、例えば１×１０14／ｃｍ2〜１×１０17／ｃｍ2であってもよい。さらに、空孔−酸素複合欠陥領域１１のＶＶ欠陥の濃度は、例えば１×１０14／ｃｍ2〜１×１０17／ｃｍ2であってもよい。また、空孔−酸素複合欠陥領域１１のＶＶ欠陥の濃度は、ＶＯ欠陥の濃度より低くてもよく、あるいは高くてもよい。
図４に示した工程では説明を省いたが、ダイオード２０において、ｐ型のガードリング７は、図示しない酸化膜をマスクとしてボロンを加速電圧５０ｋＶで、ドーズ量１．３×１０13ｃｍ-2のイオン注入とドライブ拡散により形成した。また、ダイオード２０において、ｐアノード層４を図示しない酸化膜をマスクとしてボロンを加速電圧は５０ｋＶで、ドーズ量１×１０13ｃｍ-2のイオン注入とドライブ拡散により形成した。このｐアノード層４とｐガードリング７の深さはそれぞれ約３μｍ、４μｍとした。
また、ｐ型アノード層４とｎ型ドリフト層１の境界には、ｐｎ接合６が形成される。Ｓｉ半導体基板表面と交わるｐｎ接合のエッジ終端６ａの外側には、ｐ型アノード層４を取り巻くように、所定の間隔を置いて複数ｐ型のガードリング７を設ける。ｐｎ接合のエッジ終端を６ａとガードリング７との間、およびガードリング間の表面には、酸化膜８が被覆される。
その後、ライフタイムを調整するために、電子線照射１２と熱処理を施した。電子線照射量は加速電圧４．２ＭｅＶで６０ｋＧｙで、結晶欠陥の緩和のための熱処理を３６０℃、１時間とした。なお、電子線照射の加速電圧は１〜８ＭｅＶ程度であってもよく、電子線照射量は２０〜６００ｋＧｙ程度であってもよい。ｎ型カソード層５は裏面からリンを１×１０15ｃｍ2のドーズ量でイオン注入した後、０．５μｍの深さに拡散して形成した。
アノード電極２をＡｌ−Ｓｉ膜で、カソ−ド電極３をＴｉ、ＮｉおよびＡｕで、それぞれ真空蒸着により形成した。図示されないが、酸化膜８の開口部を介してガードリング７のそれぞれの表面に接するアノード電極膜と同時形成によるフィールドプレート３０が設けられることも好ましい。空孔−酸素複合欠陥領域１１以外の領域および層、電極膜などは前述の説明以外の他の公知の技術により適宜形成することもできる。
図３は、この発明にかかる実施の形態１の製造方法により製造したダイオード２０の逆回復特性を示す説明図である。図９は、比較例ダイオードの逆回復特性を示す説明図である。比較例ダイオードは、ダイオード２０との比較のため、高濃度酸素領域をｐ型アノード層４の下方５μｍの位置に形成し電子線照射１２により空孔−酸素複合欠陥領域として形成されている。
比較用ダイオードのその他の製造条件は、ダイオード２０と同じにした。図３および図９に示すように、比較例ダイオードのスイッチング損失は４２ｍＪであるのに対し、ダイオード２０のスイッチング損失は２６ｍＪであった。ダイオード２０および比較例ダイオードは、ともに、スパイク状のサージ電圧が抑えられ、かつソフトリカバリ特性も得られているが、ダイオード２０では、比較例ダイオードに比べて、スイッチング損失がいっそう低減していることが判る。さらに、ダイオード２０においては、順電圧降下（Ｖｆ）不良の発生がないことも確認された。
（実施の形態２）
次に、この発明にかかる実施の形態２のダイオードについて説明する。この発明にかかる実施の形態２のダイオードは、上述した実施の形態１に記載のダイオード２０における空孔−酸素複合欠陥領域１１を、電子線照射から白金の熱拡散に代えて製造されている。白金の熱拡散工程前は、上述した実施の形態１と同じとしてよい。
実施の形態２のダイオードの製造に際しては、半導体基板５０の裏面にｎ型カソード層５を形成する前に、白金を１重量％含有したペーストを塗布し、１０００℃で３時間の熱処理を行うことによって、半導体基板５０に白金を熱拡散させた。この熱拡散により、白金が、半導体基板５０の裏面から２５μｍ程度拡散し、裏面から２０μｍ程度の位置に形成されている高濃度酸素領域に結晶欠陥を形成するため、空孔−酸素複合欠陥領域１１とすることができる。
実施の形態２に示す方法によって製造された、空孔−酸素複合欠陥領域１１を備えるダイオード２０は、スイッチング損失が２８ｍＪであり、ソフトリカバリ特性も示すことができた。また、実施の形態２に示す方法によって製造されたダイオードにおいては、順電圧降下（Ｖｆ）不良が発生していないことを確認した。
以上説明したように、実施の形態１、２に記載のダイオード２０によれば、動作抵抗を大きくすることなく、スイッチング損失の低減とソフトリカバリ特性との両立が図られたダイオード２０を、安価で簡単なプロセスで得ることができる。
以上のように、この発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法は、電力変換装置などに使用される電力用のダイオードおよび電力用ダイオードを内蔵する半導体装置および半導体装置の製造方法に有用であり、特に、高電圧・大電流の電力変換装置などに使用される電力用のダイオードおよび電力用ダイオードを内蔵する半導体装置および半導体装置の製造方法に適している。
１ ｎ型ドリフト層
２ アノード電極
３ カソード電極
４ ｐ型アノード層
５ ｎ型カソード層
６ ｐｎ接合
６ａ エッジ終端
７ ガードリング
８ 酸化膜
９ 活性部
１０ エッジ終端部
１１ 空孔−酸素複合欠陥領域
１２ 電子線照射
１５ 空乏層
２０ ダイオード
３０ フィールドプレート
５０ 半導体基板
５０ａ 表面
５０ｂ 裏面
５２ 研削面
５３ イオン注入
５４ 高濃度酸素領域
５５ 空孔形成領域
５６ 酸素通過領域

Claims (4)

  1. 第１導電型の半導体基板と、
    前記半導体基板の第１主面側に形成された第１導電型のドリフト層と、
    前記ドリフト層に沿って選択的に形成され、前記ドリフト層より低抵抗の第２導電型アノード層と、
    前記半導体基板の第２主面側の表面層に形成され、前記ドリフト層と接する第１導電型のカソード層と、
    空孔と酸素との複合欠陥で形成された空孔−酸素複合欠陥領域と、
    を備えた半導体装置であって、
    前記空孔−酸素複合欠陥領域は、
    前記空孔−酸素複合欠陥領域に重金属を拡散させて形成される再結合中心として機能する複合欠陥を備えており、
    前記カソード層と前記ドリフト層との境界面から前記半導体基板の第１主面に向かう方向の深さがＲであり、
    前記半導体基板の比抵抗をρ、前記アノード層と前記ドリフト層とのｐｎ接合から前記カソード層までの厚さをｔ、前記ｐｎ接合に印加される逆バイアス電圧Ｖで前記ｐｎ接合から前記ドリフト層内に拡がる空乏層幅が０．５４×√（ρ×Ｖ）であるＷに対して、０＜Ｒ≦ｔ−Ｗで表される深さに設けられていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記重金属拡散は、白金拡散であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記第１導電型半導体基板の一方の主面に選択的に前記半導体基板より低抵抗の第２導電型領域を有するデバイスがダイオードまたはダイオードを含む半導体装置であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
  4. 第１導電型の半導体基板と、
    前記半導体基板の第１主面側に形成された第１導電型のドリフト層と、
    前記ドリフト層に沿って選択的に形成され、前記ドリフト層より低抵抗の第２導電型アノード層と、
    前記半導体基板の第２主面側の表面層に形成され、前記ドリフト層と接する第１導電型のカソード層と、
    空孔と酸素との複合欠陥で形成された空孔−酸素複合欠陥領域と、
    を備え、
    前記空孔−酸素複合欠陥領域は、
    前記カソード層と前記ドリフト層との境界面から前記半導体基板の第１主面に向かう方向の深さがＲであり、
    前記半導体基板の比抵抗をρ、前記アノード層と前記ドリフト層とのｐｎ接合から前記カソード層までの厚さをｔ、前記ｐｎ接合に印加される逆バイアス電圧Ｖで前記ｐｎ接合から前記ドリフト層内に拡がる空乏層幅が０．５４×√（ρ×Ｖ）であるＷに対して、０＜Ｒ≦ｔ−Ｗで表される深さに設けられている半導体装置の製造方法であって、
    前記空孔−酸素複合欠陥領域を、
    局所的に高濃度である酸素を含む高濃度酸素領域を酸素のイオン注入により所定の位置に形成した後、重金属拡散を行いライフタイムを低下させることによって形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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