JP7036198B2 - 半導体装置、半導体ウエハおよび半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置、半導体ウエハ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、半導体装置、半導体ウエハおよび半導体装置の製造方法に関する。
特許文献１には、製品用のウエハにおけるキャリアのライフタイムを評価することが直接的に可能であるライフタイム評価用ＴＥＧ（Ｔｅｓｔ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｇｒｏｕｐ）および評価方法が開示されている。特許文献１の評価方法では、実物のＴＥＧの計測及びシミュレーションによって各々与えられるオン電圧値同士を比較してライフタイム値を推測する。
日本特開平１０－１７８０７９号公報
半導体装置を製造する際、製品の管理のための多種多様なモニタ装置がウエハ上に形成されることがある。また、キャリアのライフタイムは、一般に、パワーデバイスの種々の特性と関連する重要な要素である。ここで、ライフタイムの評価を製造プロセスの最終工程で行う場合、速やかなフィードバックが難しいという問題点があった。また、一般にライフタイムの評価方法として、複数の製造パラメータが合算された何らかの特性値もしくは代替値を測定することがある。この場合、評価の精度の向上が難しい可能性がある。
特許文献１のＴＥＧでは、ライフタイム制御層自体の特性を測定することが可能である。しかし、特許文献１では製品自体を加工しているため、製品の特性に影響が生じる可能性がある。また、シミュレーションによりライフタイム値を得るため、結果が判明するまでに時間を要する可能性がある。従って、量産品の特性検査としては使用しづらいおそれがある。また、プロトン照射深さの管理を容易に実施したい場合には、不向きである可能性がある。
本発明は上述の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、容易にライフタイム制御層の深さを判定できる半導体装置、半導体ウエハおよび半導体装置の製造方法を得ることである。
本願の発明に係る半導体装置は、主電流が流れる有効領域と、該有効領域を囲む無効領域と、を有する半導体基板と、該半導体基板の上面に設けられた上面電極層と、該半導体基板の裏面に設けられた裏面電極層と、を備え、該半導体基板は、該有効領域に設けられ、周囲よりも結晶欠陥密度が高いライフタイム制御層と、該無効領域の上面側に設けられた測定層と、該無効領域に設けられ、周囲よりも結晶欠陥密度が高い結晶欠陥層と、を備え、該上面電極層は、該測定層の上に設けられた複数の測定用電極を備え、該測定層は、少なくとも該複数の測定用電極が設けられる部分に導電層を有し、該結晶欠陥層は、該半導体基板の上面と垂直な方向から見て該複数の測定用電極の間に設けられる。
本願の発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板に、主電流が流れる有効領域と、該有効領域を囲み上面側に測定層が形成された無効領域と、を形成し、該半導体基板の上面に、該測定層の上の複数の測定用電極を含む上面電極層を形成し、該半導体基板の裏面に裏面電極層を形成し、該半導体基板の上面からの高さが、該有効領域よりも該測定層の上で高くなるように、該上面電極層の上にマスクを形成し、該マスクの上からプロトンを照射して、該有効領域にライフタイム制御層を形成し、該半導体基板の上面と垂直な方向から見て該複数の測定用電極の間に結晶欠陥層を形成し、該マスクを除去し、プロトン照射後の該複数の測定用電極の間の抵抗値を測定し、該測定層には、少なくとも該複数の測定用電極が設けられる部分に導電層が形成される。
本願の発明に係る半導体装置では、複数の測定用電極を用いて測定層の抵抗値または電流値を測定できる。また、プロトン注入は、例えばライフタイム制御層が目標とする深さに形成されたときに、測定層に結晶欠陥層が形成されるように実施される。測定層に結晶欠陥層が設けられると、測定層の抵抗値または電流値が変動する。このため、測定層の抵抗値または電流値から、容易にライフタイム制御層の深さを判定できる。
本願の発明に係る半導体装置の製造方法では、マスクの上からプロトンを照射することで、有効領域にライフタイム制御層を形成し、無効領域のうち例えば測定層に結晶欠陥層を形成する。測定層に結晶欠陥層が設けられると、測定層の抵抗値または電流値が変動する。このため、複数の測定用電極を用いて測定層の抵抗値または電流値を測定することで、容易にライフタイム制御層の深さを判定できる。
実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明する断面図である。 目標とする深さよりも浅くライフタイム制御層が形成された状態を示す図である。 実施の形態１の変形例に係る半導体ウエハの平面図である。 実施の形態２に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態３に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態３の変形例に係る半導体装置の断面図である。
本発明の実施の形態に係る半導体装置、半導体ウエハおよび半導体装置の製造方法について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る半導体装置１００の断面図である。半導体装置１００は、半導体基板１０と、半導体基板１０の上面に設けられた上面電極層４０と、半導体基板１０の裏面に設けられた裏面電極層４６とを備える。半導体基板１０は、主電流が流れる有効領域１０ｃと、有効領域１０ｃを囲む無効領域１０ｄとを有する。
有効領域１０ｃは、通電に寄与する回路素子を有する領域である。有効領域１０ｃには、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）領域１０ａと、ダイオード領域１０ｂが設けられる。半導体装置１００は、ＲＣ（Ｒｅｖｅｒｓｅ－ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ）－ＩＧＢＴである。
無効領域１０ｄは、有効領域１０ｃ以外の領域であり、回路素子が形成されない。無効領域１０ｄはダイシングライン領域であっても良い。
ＩＧＢＴ領域１０ａにおいて、半導体基板１０の上面側にはｎ型のドリフト層１６が設けられる。ドリフト層１６の上面側にはｎ型のキャリア蓄積層１８が設けられる。キャリア蓄積層１８の上面側には、ｐ型のベース層２０が設けられる。ベース層２０の上面側には、ｐ型の拡散層２８が設けられる。本実施の形態では、ｎ型は第１導電型であり、ｐ型は第２導電型である。これに限らず、ｐ型が第１導電型であり、ｎ型が第２導電型であっても良い。
拡散層２８の両側には、ゲート電極２４が設けられる。ゲート電極２４は半導体基板１０に埋め込まれる。ゲート電極２４は、半導体基板１０の上面から露出する。また、ゲート電極２４はドリフト層１６とキャリア蓄積層１８の界面よりも下方まで延びる。ゲート電極２４はゲート絶縁膜２２に覆われている。各々のゲート電極２４の両側には、ｎ型のエミッタ層２６が設けられる。拡散層２８は、ベース層２０を介してエミッタ層２６に挟まれる。
半導体基板１０の裏面側には、ｎ型のバッファ層１４が設けられる。バッファ層１４の裏面側には、コレクタ層１２が設けられる。
ダイオード領域１０ｂにおいて、半導体基板１０の上面側の構造は、エミッタ層２６が設けられないこと以外はＩＧＢＴ領域１０ａと同様である。ダイオード領域１０ｂにおいて、ベース層２０はアノードに相当する。また、ダイオード領域１０ｂにおいて、半導体基板１０の裏面側の構造は、コレクタ層１２が設けられないこと以外はＩＧＢＴ領域１０ａと同様である。ダイオード領域１０ｂにおいて、バッファ層１４はカソードに相当する。
無効領域１０ｄにおいて、半導体基板１０の上面側には、ｎ型の半導体層であるドリフト層１６が設けられる。ドリフト層１６の上面側には、ｐ型の導電層２８ｄが形成される。導電層２８ｄは、拡散層２８と同じ層である。無効領域１０ｄには、後述するライフタイム制御層５０の深さを判定するための測定層３０が設けられる。測定層３０は、無効領域１０ｄの上面側に設けられる。測定層３０は、第１測定層３１と、第２測定層３２とを含む。また、本実施の形態では、第１測定層３１と第２測定層３２は、導電層２８ｄである。
無効領域１０ｄにおいて、半導体基板１０の裏面側の構造は、ダイオード領域１０ｂと同様である。
有効領域１０ｃにおいて、ゲート電極２４の上には絶縁層３９が設けられる。また、上面電極層４０は、有効領域１０ｃにおいて、半導体基板１０の上面および絶縁層３９の上に設けられたエミッタ電極４２を有する。また、上面電極層４０は、測定層３０の上に設けられた複数の測定用電極４４を備える。第１測定層３１の上には、２つの測定用電極４４が設けられる。同様に、第２測定層３２の上には、２つの測定用電極４４が設けられる。
また、有効領域１０ｃのうちダイオード領域１０ｂには、ライフタイム制御層５０が設けられる。ライフタイム制御層５０は、周囲よりも結晶欠陥密度が高い。ライフタイム制御層５０は、ドリフト層１６のライフタイム制御層５０以外の部分よりも結晶欠陥密度が高いものとしても良い。
ライフタイム制御層５０はＲＣ－ＩＧＢＴのダイオード特性の改善のために形成される。ライフタイム制御層５０は、キャリアを再結合させライフタイムを抑制するように、結晶欠陥を誘起させた層である。ライフタイム制御層５０は、荷電粒子の照射等により形成される。ライフタイム制御層５０はドリフト層１６に設けられる。また、ライフタイム制御層５０は、ＲＣ－ＩＧＢＴの表面構造が形成されている場合、ダイオード領域１０ｂの表面構造よりも深い部分のみに形成されることが好ましい。表面構造は、キャリア蓄積層１８、ベース層２０、ゲート絶縁膜２２、ゲート電極２４、エミッタ層２６、拡散層２８、絶縁層３９を含む。ライフタイム制御層５０は、アノードとの界面近傍であるゲート電極２４の下端付近に形成されても良い。
無効領域１０ｄには、結晶欠陥層が設けられる。結晶欠陥層は、第１測定層３１に設けられた第１結晶欠陥層５１と、第２測定層３２の直下に設けられた第２結晶欠陥層５２とを含む。つまり、結晶欠陥層は第１測定層３１に設けられ、第２測定層３２には設けられない。また、第１結晶欠陥層５１と第２結晶欠陥層５２は、半導体基板１０の上面と垂直な方向から見て、それぞれ複数の測定用電極４４の間に設けられる。
第１結晶欠陥層５１と第２結晶欠陥層５２は、周囲よりも結晶欠陥密度が高い。第１結晶欠陥層５１は、第１測定層３１のうち第１結晶欠陥層５１以外の部分よりも結晶欠陥密度が高いものとしても良い。第２結晶欠陥層５２は、ドリフト層１６のうち第２結晶欠陥層５２以外の部分よりも結晶欠陥密度が高いものとしても良い。後述するように、第１結晶欠陥層５１と第２結晶欠陥層５２は、ライフタイム制御層５０と同じ工程で形成される。第１結晶欠陥層５１と第２結晶欠陥層５２は、ライフタイム制御層５０よりも上方に設けられる。
次に、半導体装置１００の製造方法を説明する。図２は、実施の形態１に係る半導体装置１００の製造方法を説明する断面図である。まず、半導体基板１０に、有効領域１０ｃと、上面側に測定層３０が形成された無効領域１０ｄとを形成する。次に、半導体基板１０の上面に上面電極層４０を形成する。このとき、測定層３０の上に複数の測定用電極４４を形成する。
次に、測定用電極４４の間の抵抗値を測定する。このとき、第１測定層３１の上の測定用電極４４間の抵抗値と、第２測定層３２の上の測定用電極４４間の抵抗値とを測定する。これにより、プロトン照射前の第１測定層３１および第２測定層３２の抵抗値が得られる。ここで測定される抵抗値は、例えば第１測定層３１および第２測定層３２のシート抵抗である。また、プロトン照射前の第１測定層３１および第２測定層３２の電流値が測定されても良い。
次に、上面電極層４０の上にマスク８２を形成する。マスク８２は、プロトン照射用の照射マスクである。ここで、上面電極層４０とマスク８２の間に遮蔽板８０を設けておく。遮蔽板８０は、アブソーバとも呼ばれる。遮蔽板８０により、プロトンの飛程が調節される。
マスク８２が厚いほど、プロトン照射により結晶欠陥が誘起される領域が半導体基板１０の浅い位置に形成される。このため、ドリフト層１６のうち表面構造より下方にライフタイム制御層５０を形成するダイオード領域１０ｂでは、マスク８２を薄く形成する。また、ライフタイム制御層５０よりも半導体基板１０の上面に近い位置に結晶欠陥層を形成する無効領域１０ｄでは、マスク８２を厚く形成する。つまり、マスク８２の半導体基板１０の上面からの高さは、ダイオード領域１０ｂよりも測定層３０の上で高い。同様に、ライフタイム制御層５０を形成しないＩＧＢＴ領域１０ａでは、マスク８２を厚く形成する。
ＩＧＢＴ領域１０ａとダイオード領域１０ｂとのマスク８２の厚さの差分Ｔ３は、ダイオード領域１０ｂの目標とする深さにライフタイム制御層５０が形成され、ＩＧＢＴ領域にライフタイム制御層５０が形成されないように設定される。
また、マスク８２には第１結晶欠陥層５１の直上となる位置に凹部８２ａが設けられ、第２結晶欠陥層５２の直上となる位置に凹部８２ｂが設けられる。凹部８２ａの深さはＴ１であり、凹部８２ｂの深さはＴ１よりも大きいＴ２である。マスク８２の厚さの差分Ｔ３－Ｔ１は、ライフタイム制御層５０が目標とする深さに形成されたとき、第１測定層３１に第１結晶欠陥層５１が形成されるように設定される。また、マスク８２の厚さの差分Ｔ２－Ｔ１は、第１測定層３１に第１結晶欠陥層５１が形成されたとき、第２測定層３２の下方に第２結晶欠陥層５２が形成されるように設定される。
次に、マスク８２の上からプロトンを照射する。照射されたプロトンは半導体基板１０の結晶を破壊する。これにより結晶欠陥が誘起される。このとき、ダイオード領域１０ｂにライフタイム制御層５０が形成される。また、半導体基板１０の上面と垂直な方向から見て凹部８２ａ、８２ｂと重なる位置に、第１結晶欠陥層５１と第２結晶欠陥層５２が形成される。つまり、半導体基板１０の上面と垂直な方向から見て複数の測定用電極４４の間に結晶欠陥層が形成される。
このように、本実施の形態では、凹凸を有するマスク８２を用いることで、位置によりプロトンの照射深さを変えている。これにより、本来、表面構造より深い部分に形成されるライフタイム制御層５０を、半導体基板１０の表面近くに第１結晶欠陥層５１および第２結晶欠陥層５２として形成できる。
また、凹部８２ａ、８２ｂの深さの差分Ｔ２－Ｔ１により、第１測定層３１に第１結晶欠陥層５１が形成され、第２測定層３２の下方に第２結晶欠陥層５２が形成される。つまり、第２結晶欠陥層５２は、第１結晶欠陥層５１よりも深い位置に形成される。
次に、マスク８２を除去する。次に、複数の測定用電極４４の間の抵抗値を測定する。これにより、プロトン照射後の第１測定層３１および第２測定層３２の抵抗値が得られる。また、プロトン照射後の第１測定層３１および第２測定層３２の電流値が測定されても良い。
次に、ライフタイム制御層５０の深さの判定を行う。図２、３を用いて、ライフタイム制御層５０の深さの判定方法について説明する。まず、複数の測定用電極４４の間のプロトン照射前の抵抗値とプロトン照射後の抵抗値を比較する。図２は、目標とする深さにライフタイム制御層５０を形成できた状態を示している。このとき、第１測定層３１には結晶欠陥層が形成され、第２測定層３２には結晶欠陥層が形成されない。このため、プロトン照射前後で第１測定層３１、第２測定層３２の抵抗値を比較すると、第１測定層３１の測定値が変動し、第２測定層３２の測定値は変動しない。
図３は、目標とする深さよりも浅くライフタイム制御層５０が形成された状態を示す図である。このとき、ライフタイム制御層５０は、例えばキャリア蓄積層１８に形成される。また、無効領域１０ｄにおいても結晶欠陥層は図２に示される場合よりも浅い位置に形成される。このため、第１結晶欠陥層５１は半導体基板１０に形成されない。また、第２結晶欠陥層５２は、例えば第２測定層３２に形成される。このため、プロトン照射前後で第１測定層３１、第２測定層３２の抵抗値を比較すると、第１測定層３１の測定値は変動せず、第２測定層３２の測定値が変動する。
また、目標とする深さよりも深くライフタイム制御層５０が形成された場合には、無効領域１０ｄにおいても結晶欠陥層は図２に示される場合よりも深い位置に形成される。このため、第１結晶欠陥層５１と第２結晶欠陥層５２は、ドリフト層１６に形成される。つまり、第１測定層３１と第２測定層３２には結晶欠陥層が形成されない。このため、プロトン照射前後で第１測定層３１、第２測定層３２の抵抗値を比較すると、第１測定層３１と第２測定層３２の測定値は、共に変動しない。
つまり、第１測定層３１の測定値が変動した場合に、ライフタイム制御層５０が目標とする深さに形成されたと判定される。また、第２測定層３２の測定値が変動した場合に、ライフタイム制御層５０が目標とする深さよりも浅く形成されたと判定される。また、第１測定層３１と第２測定層３２の測定値が共に変動しない場合、ライフタイム制御層５０が目標とする深さよりも深く形成されたと判定される。
ライフタイム制御層５０の深さの判定結果に応じて、プロトン照射条件へのフィードバックまたは素子の前落としを行う。このように、本実施の形態では、プロトン照射前後の抵抗値または電流値を測定するだけで、目標とする深さにライフタイム制御層５０を形成できたかを確認できる。
次に、半導体基板１０の裏面に裏面電極層４６を形成する。なお、ライフタイム制御層５０の形成前に裏面電極層４６を形成しても良い。
上述したように、本実施の形態ではウエハ表面からのプロトン照射深さ精度の管理を容易に実施できる。また、プロトン照射の直後に、ライフタイム制御層５０の深さを判定できるため、判定結果を速やかにフィードバックできる。従って、容易に素子の前落とし及び照射条件へのフィードバックができる。
また、本実施の形態では、プロトン照射の直前および直後で抵抗値または電流値を測定する。このため、プロトン照射の影響のみを判定できる。従って、評価の精度を向上できる。
本実施の形態の変形例として、ライフタイム制御層５０はＩＧＢＴ領域１０ａに形成されても良い。また、半導体装置１００はＲＣ－ＩＧＢＴに限らず、ＩＧＢＴ、ダイオードなどの縦型の半導体装置であって、製造工程にプロトン照射工程が含まれるものであっても良い。
また、ライフタイム制御層５０は、プロトン照射に限らずヘリウム粒子照射、電子線照射等によって形成されても良い。
また、本実施の形態では、測定層３０の厚さは拡散層２８の厚さと同じである。これに限らず、照射深さが目標とする範囲内のとき第１測定層３１に第１結晶欠陥層５１が形成され、照射深さが目標とする範囲外のとき第１測定層３１に第１結晶欠陥層５１が形成されないように、第１測定層３１の厚さが設定されても良い。また、導電層２８ｄは拡散層２８と同じ層に限らず、測定用電極４４によって抵抗値または電流値が測定できる層であれば良い。
また、半導体装置１００は、第１測定層３１と第２測定層３２のうち、一方のみを備えても良い。例えば、測定層３０として第１測定層３１のみが設けられる場合、第１測定層３１の抵抗値が変動するか否かにより、目標とする深さにライフタイム制御層５０が形成されているかを判定できる。
また、測定層３０に結晶欠陥層が形成された場合の抵抗値または測定層３０に結晶欠陥層が形成されていない場合の抵抗値が予め分かっている場合には、プロトン照射後のみに抵抗値の測定を行っても良い。この場合、予め分かっている抵抗値と測定値を比較することで、目標とする深さにライフタイム制御層５０が形成されているかを判定できる。
また、半導体基板１０は、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されていても良い。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドである。これにより、半導体装置１００の耐電圧性および許容電流密度を向上でき、半導体装置１００を小型化できる。従って、本実施の形態に示すような無効領域１０ｄを確保できる。
図４は、実施の形態１の変形例に係る半導体ウエハ１０１の平面図である。半導体ウエハ１０１には、半導体装置１００が複数形成されている。つまり、半導体ウエハ１０１に形成されるチップのうち測定点となる半導体装置１００は、例えば図４に示されるように配置される。複数の測定点を半導体ウエハ１０１上に配置することで、プロトン照射深さのウエハ面内のばらつきを把握できる。これにより、さらに細かなプロトン照射条件へのフィードバックが可能となる。
半導体ウエハ１０１上に形成される測定点の数および配置は、必要とされるプロトン照射深さの管理の精度に応じて変更しても良い。なお、半導体ウエハ１０１上に形成されるチップ毎に測定点を配置しても良い。これにより、各チップの特性とプロトン照射のばらつきとの紐付けができる。
これらの変形は以下の実施の形態に係る半導体装置、半導体ウエハおよび半導体装置の製造方法について適宜応用することができる。なお、以下の実施の形態に係る半導体装置、半導体ウエハおよび半導体装置の製造方法については実施の形態１との共通点が多いので、実施の形態１との相違点を中心に説明する。
実施の形態２．
図５は、実施の形態２に係る半導体装置２００の断面図である。半導体装置２００では、無効領域２１０ｄの構造が実施の形態１と異なる。これ以外は実施の形態１と同様である。なお、図５では便宜上、製造工程で用いられる遮蔽板８０とマスク２８２が図示されている。
無効領域２１０ｄの上面側には測定層２３０が設けられる。測定層２３０は、第１測定層３１と、第２測定層３２と、第３測定層２３３を含む。また、第１測定層３１と第２測定層３２と第３測定層２３３は、導電層２８ｄである。
無効領域２１０ｄに設けられた結晶欠陥層は、第１測定層３１に設けられた第１結晶欠陥層５１と、第２測定層３２の直下に設けられた第２結晶欠陥層５２とを含む。第３測定層２３３または第３測定層２３３の直下には、結晶欠陥層は設けられない。
次に、半導体装置２００の製造方法を説明する。本実施の形態では、上面電極層４０を形成した後、第１測定層３１、第２測定層３２および第３測定層２３３の上の測定用電極４４間の抵抗値を測定する。これにより、プロトン照射前の第１測定層３１および第２測定層３２および第３測定層２３３の抵抗値が得られる。
次に、上面電極層４０の上にマスク２８２を形成する。マスク２８２には第１結晶欠陥層５１の直上となる位置に凹部２８２ａが設けられ、第２結晶欠陥層５２の直上となる位置に凹部２８２ｂが設けられる。さらに、マスク２８２には、半導体基板１０の上面と垂直な方向から見て、第３測定層２３３上の測定用電極４４の間となる位置に凹部２８２ｃが設けられる。
凹部２８２ａの深さはＴ４であり、凹部２８２ｂの深さはＴ４よりも大きいＴ５である。また、凹部２８２ｃの深さは、Ｔ４よりも小さいＴ６である。深さＴ４、Ｔ５の決め方は、実施の形態１における深さＴ１、Ｔ２の決め方と同様である。また、マスク２８２の厚さの差分Ｔ４－Ｔ６は、第１測定層３１に第１結晶欠陥層５１が形成されたとき、凹部２８２ｃと重なる位置へのプロトン照射深さが半導体基板１０の上面よりも浅くなるように設定される。
次に、マスク２８２の上からプロトンを照射する。これにより、実施の形態１と同様にダイオード領域１０ｂにライフタイム制御層５０が形成される。また、第１測定層３１に第１結晶欠陥層５１が形成され、第２測定層３２の下方に第２結晶欠陥層５２が形成される。また、凹部２８２ａ、２８２ｃの深さの差分Ｔ４－Ｔ６により、第３測定層２３３および第３測定層２３３の直下には結晶欠陥層が形成されない。
次に、マスク２８２を除去し、複数の測定用電極４４の間の抵抗値を測定する。これにより、プロトン照射後の第１測定層３１、第２測定層３２および第３測定層２３３の抵抗値が得られる。
次に、ライフタイム制御層５０の深さの判定を行う。ここでは、実施の形態１と同様に複数の測定用電極４４の間のプロトン照射前の抵抗値とプロトン照射後の抵抗値を比較する。図５は、目標とする深さにライフタイム制御層５０を形成できた状態を示している。このとき、実施の形態１と同様に、プロトン照射前後で第１測定層３１、第２測定層３２の抵抗値を比較すると、第１測定層３１の測定値が変動し、第２測定層３２の測定値は変動しない。また、第３測定層２３３には測定前後において結晶欠陥層が形成されていないため、第３測定層２３３の測定値は変動しない。
次に、目標とする深さよりも浅くライフタイム制御層５０が形成された場合を考える。このとき、ライフタイム制御層５０は、例えばキャリア蓄積層１８に形成される。また、結晶欠陥層は第２測定層３２にのみ形成される。このため、プロトン照射前後で、第１測定層３１および第３測定層２３３の測定値は変動せず、第２測定層３２の測定値が変動する。
また、目標とする深さよりも深くライフタイム制御層５０が形成された場合を考える。このとき、結晶欠陥層は第１測定層３１と第２測定層３２には形成されず、第３測定層２３３に形成される。このため、プロトン照射前後で抵抗値を比較すると、第１測定層３１と第２測定層３２の測定値は変動せず、第３測定層２３３の測定値は変動する。
つまり、第１測定層３１の測定値が変動した場合に、ライフタイム制御層５０が目標とする深さに形成されたと判定される。また、第２測定層３２の測定値が変動した場合に、ライフタイム制御層５０が目標とする深さよりも浅く形成されたと判定される。また、第３測定層２３３の測定値が変動した場合、ライフタイム制御層５０が目標とする深さよりも深く形成されたと判定される。
本実施の形態では、目標とする深さに対してライフタイム制御層５０が深いか浅いかを容易に判定できる。特に、目標とする深さよりも深くライフタイム制御層５０が形成された場合に第３測定層２３３の側定値が変動することで、照射深さをより正確に判定できる。
ここで、第１～３測定層３１、３２、２３３のうち複数においてプロトン照射前後の測定値が変動することも考えられる。この場合、プロトン照射前後で測定値が最も大きく変動する測定層からライフタイム制御層５０の深さを判定しても良い。また、例えば、第１測定層３１と第２測定層３２の測定値が共に変動した場合には、ライフタイム制御層５０は、図２および図３で示される位置の中間に位置していると判定することもできる。
本実施の形態では、無効領域２１０ｄに測定層３０が３つ設けられた。これに限らず、無効領域２１０ｄには測定層３０が４つ以上設けられても良い。このとき、測定層３０を単に検査規格の合否判定に用いるだけでなく、ライフタイム制御層５０の深さを詳細に調べるために用いることができる。
実施の形態３．
図６は、実施の形態３に係る半導体装置３００の断面図である。本実施の形態では測定層３３０の構造が実施の形態１と異なる。これ以外は実施の形態１と同様である。測定層３３０は、第１測定層３３１と第２測定層３３２とを含む。無効領域３１０ｄにはドリフト層１６の上面側にｐ型の導電層３２８ｄが設けられる。第１測定層３３１は、両端に設けられた導電層３２８ｄと、ドリフト層１６のうち導電層３２８ｄに挟まれた部分１６ａとを含む。同様に、第２測定層３３２は、両端に設けられた導電層３２８ｄと、ドリフト層１６のうち導電層３２８ｄに挟まれた部分１６ａとを含む。
また、実施の形態１と同様に、第１測定層３３１には第１結晶欠陥層３５１が形成される。第１結晶欠陥層３５１は、第１測定層３３１のうち導電層３２８ｄに挟まれた部分１６ａに形成される。また、第２測定層３３２の直下には第２結晶欠陥層３５２が形成される。第２結晶欠陥層３５２は、第２測定層３３２のうち導電層３２８ｄに挟まれた部分１６ａの直下に形成される。
第１測定層３３１において、複数の測定用電極４４は、両端部の導電層３２８ｄの上にそれぞれ設けられる。同様に、第２測定層３３２において、複数の測定用電極４４は、両端部の導電層３２８ｄの上にそれぞれ設けられる。
本実施の形態では、測定層３３０の各々にｐｎｐパターンが形成される。複数の測定用電極４４により測定する対象は、シート抵抗ではなく、測定用電極４４間のリーク電流である。プロトン照射の前後で測定値が変動するかどうかを確認する手順は、実施の形態１と同様である。本実施の形態においても、ライフタイム制御層５０の深さを容易に判定できる。
本実施の形態の変形例として、測定層３３０は、図６に示される構造に限らず、少なくとも複数の測定用電極４４が設けられる部分に導電層３２８ｄを有していれば良い。例えば、導電層３２８ｄは、測定層３３０の両端以外の部分に設けられても良い。
図７は、実施の形態３の変形例に係る半導体装置４００の断面図である。無効領域４１０ｄには測定層４３０が形成される。測定層４３０は、第１測定層３３１と第２測定層３３２と第３測定層４３３を含む。第３測定層４３３は、両端に設けられた導電層３２８ｄと、ドリフト層１６のうち導電層３２８ｄに挟まれた部分１６ａとを含む。また、第３測定層４３３と重なる位置には結晶欠陥層は設けられない。

プロトン照射の前後で測定値が変動するかどうかを確認する手順は、実施の形態２と同様である。半導体装置４００においても、ライフタイム制御層５０の深さを容易に判定できる。なお、各実施の形態で説明した技術的特徴は適宜に組み合わせて用いてもよい。
１００、２００、３００、４００ 半導体装置、１０１ 半導体ウエハ、１０ 半導体基板、１０ｃ 有効領域、１０ｄ、２１０ｄ、３１０ｄ、４１０ｄ 無効領域、１４ バッファ層、１６ ドリフト層、２０ ベース層、２８ 拡散層、２８ｄ、３２８ｄ 導電層、３０、２３０、３３０、４３０ 測定層、３１、３３１ 第１測定層、３２、３３２ 第２測定層、２３３、４３３ 第３測定層、４０ 上面電極層、４４ 測定用電極、４６ 裏面電極層、５０ ライフタイム制御層、５１ 第１結晶欠陥層、５２ 第２結晶欠陥層、８２、２８２ マスク

Claims (14)

  1. 主電流が流れる有効領域と、前記有効領域を囲む無効領域と、を有する半導体基板と、
    前記半導体基板の上面に設けられた上面電極層と、
    前記半導体基板の裏面に設けられた裏面電極層と、
    を備え、
    前記半導体基板は、
    前記有効領域に設けられ、周囲よりも結晶欠陥密度が高いライフタイム制御層と、
    前記無効領域の上面側に設けられた測定層と、
    前記無効領域に設けられ、周囲よりも結晶欠陥密度が高い結晶欠陥層と、
    を備え、
    前記上面電極層は、前記測定層の上に設けられた複数の測定用電極を備え、
    前記測定層は、少なくとも前記複数の測定用電極が設けられる部分に導電層を有し、
    前記結晶欠陥層は、前記半導体基板の上面と垂直な方向から見て前記複数の測定用電極の間に設けられることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記結晶欠陥層は、前記ライフタイム制御層よりも上方に設けられることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記結晶欠陥層は、前記測定層に設けられ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. 前記測定層は、第１測定層と、第２測定層と、を含み、
    前記結晶欠陥層は前記第１測定層に設けられ、前記第２測定層には設けられない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。
  5. 前記測定層は、第１測定層と、第２測定層と、を含み、
    前記結晶欠陥層は、前記第１測定層に設けられた第１結晶欠陥層と、前記第２測定層の直下に設けられた第２結晶欠陥層と、を含む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。
  6. 前記測定層は、第１測定層と、第２測定層と、第３測定層と、を含み、
    前記結晶欠陥層は、前記第１測定層に設けられた第１結晶欠陥層と、前記第２測定層の直下に設けられた第２結晶欠陥層と、を含む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。
  7. 前記導電層は、第１導電型の半導体層の上面側に形成され、第２導電型であり、
    前記測定層は、両端に設けられた前記導電層と、前記半導体層のうち前記導電層に挟まれた部分と、を含むことを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の半導体装置。
  8. 前記半導体基板は、
    裏面側に設けられた第１導電型のカソードと、
    上面側に設けられた前記第１導電型のドリフト層と、
    前記ドリフト層の上面側に設けられた第２導電型のアノードと、
    を備え、
    前記ライフタイム制御層は前記ドリフト層に設けられることを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の半導体装置。
  9. 前記アノードの上面側に設けられた前記第２導電型の拡散層を備え、
    前記導電層は、前記拡散層と同じ層であることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
  10. 前記半導体基板は、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項１から９の何れか１項に記載の半導体装置。
  11. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドであることを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置。
  12. 請求項１～１１の何れか１項に記載の半導体装置が複数形成されたことを特徴とする半導体ウエハ。
  13. 半導体基板に、主電流が流れる有効領域と、前記有効領域を囲み上面側に測定層が形成された無効領域と、を形成し、
    前記半導体基板の上面に、前記測定層の上の複数の測定用電極を含む上面電極層を形成し、
    前記半導体基板の裏面に裏面電極層を形成し、
    前記半導体基板の上面からの高さが、前記有効領域よりも前記測定層の上で高くなるように、前記上面電極層の上にマスクを形成し、
    前記マスクの上からプロトンを照射して、前記有効領域にライフタイム制御層を形成し、前記半導体基板の上面と垂直な方向から見て前記複数の測定用電極の間に結晶欠陥層を形成し、
    前記マスクを除去し、プロトン照射後の前記複数の測定用電極の間の抵抗値を測定し、
    前記測定層には、少なくとも前記複数の測定用電極が設けられる部分に導電層が形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  14. 前記マスクを形成する前に、前記複数の測定用電極の間のプロトン照射前の抵抗値を測定し、
    前記複数の測定用電極の間の前記プロトン照射前の抵抗値と前記プロトン照射後の抵抗値を比較することを特徴とする請求項１３に記載の半導体装置の製造方法。
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