JPWO2014136215A1 - 半導体ウエハの順電圧ばらつき低減方法 - Google Patents

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Abstract

Ｎ型の半導体ウエハであって半導体ウエハの平面視においてＮ層に含まれている不純物の密度がばらついている半導体ウエハの順電圧Ｖｆのばらつきを低減する方法を提供する。本明細書が開示する順電圧ばらつき低減方法は、Ｎ型の半導体ウエハに荷電粒子を照射してＮ層に欠陥を生成させて順電圧のばらつきを低減する方法である。その一つの態様は、半導体ウエハの平面視において、荷電粒子を、Ｎ層の不純物の密度に応じて深さ方向の到達位置あるいは照射密度が異なるように照射する。例えば、半導体ウエハの中央領域に照射する荷電粒子のウエハ深さ方向の到達位置が、半導体ウエハの周縁領域に照射する荷電粒子の到達位置よりもＰ型半導体層に近くなるように荷電粒子を照射する。

Description

本発明は、半導体ウエハの平面視における順電圧のばらつきを低減する方法に関する。本明細書では、説明を簡単にするため、「半導体ウエハ」を単純に「ウエハ」と称することがある。また、「Ｐ型半導体層」を単純に「Ｐ層」と称し、「Ｎ型半導体層」を単純に「Ｎ層」と称することがある。
ダイオードの逆回復時間を短縮するため、ライフタイム制御という手法が知られている。この手法は、Ｐ層とＮ層が積層されたウエハに荷電粒子を照射し、Ｎ層に意図的に結晶欠陥を生成する技術である。キャリアは結晶欠陥にトラップされ、そのライフタイムが終了する。荷電粒子は、イオンあるいは電子である。イオンの種類としては、典型的にはヘリウムイオンやプロトンが選定される。
結晶欠陥について概説する。ウエハに照射された荷電粒子は、結晶構造中のシリコン原子をはじき出す。そうすると、結晶構造の中に、シリコン原子が欠如した空孔が形成される。この空孔は点欠陥と呼ばれる。点欠陥は、それだけでは不安定であり、他の要因と結び付いて安定化する。安定な欠陥の態様の一つは、複数の点欠陥が結びついたものであり、複空孔欠陥と呼ばれる。安定な欠陥の別の態様は、ウエハに含まれる不純物と点欠陥が結び付いたものであり、複合欠陥と呼ばれる。つまり、点欠陥と不純物が結びついて複合欠陥となる。ここで、「不純物」は、半導体の導電型を決定付ける不純物ではなく、導電型に寄与しない物質である。この、導電型に寄与せず、点欠陥の安定化に寄与する不純物を、本明細書では、便宜上、欠陥安定化不純物と称し、導電型を決定付ける不純物と区別する。なお、導電型を決定付ける不純物の典型は、ボロンとリンであり、欠陥安定化不純物の典型は、酸素と炭素である。
他方、ライフタイムは、欠陥位置のウエハ方向の深さと関係していることが知られている（特開２００７−２５１００３号公報や特開２００９−２３９２６９号公報）。ウエハの深さ方向の欠陥の位置は、照射する荷電粒子に与えるエネルギによって調整することができる。
ところで、従来、ダイオードを作るには、拡散ウエハが良く用いられていた。他方、近年の電気自動車の普及に伴い、インバータの改良が進み、ＩＧＢＴなどのトランジスタ素子とダイオードを一つのチップ上に形成する半導体デバイスの開発が検討されている。インバータには、トランジスタとダイオードの逆並列回路が多用されるからである。一つのチップに、ＩＧＢＴとダイオードの逆並列回路を形成したデバイスは、逆導通型ＩＧＢＴ（RCIGBT: Reverse Conducted Insulated Gate Bipolar Transistor）と呼ばれる。
ＩＧＢＴなどのトランジスタとダイオードを形成するためのウエハとしては、ＩＧＢＴを作るのに適したウエハを用いるのがよい。ＩＧＢＴを作るには、ＦＺ法（Floating Zone 法）やＭＣＺ法（Magnetic CZ法）によって作られたウエハが適している。即ち、ダイオードを形成するのに適したウエハと、ＩＧＢＴを形成するのに適したウエハは異なっていた。
本願の発明者は、ＲＣＩＧＢＴにおいてもダイオードのライフタイム特性を改善すべく、元来ＩＧＢＴに使われていたウエハに荷電粒子を均一に照射した。そうすると、ウエハの順電圧Ｖｆが、ウエハ平面視における位置に依存したばらつきを生じることを発見した。具体的には、ウエハを平面視したときの中央領域における順電圧Ｖｆが、周縁領域における順電圧Ｖｆよりも高くなる。なお、順電圧Ｖｆとは、ダイオードに、徐々に大きくなる順方向の電圧を加えたときに、電流が急激に大きくなる境界の電圧を意味する。従来のダイオードに使われていたウエハ（拡散ウエハなど）では、順電圧Ｖｆの面内ばらつきは見られなかった（見られたとしても極僅かであった）。しかし、ＩＧＢＴに使われていたウエハに荷電粒子を照射すると、面内の位置に依存した順電圧Ｖｆのばらつきが生じる。一つのウエハから複数の半導体デバイスを作ることができるため、順電圧Ｖｆのばらつきは好ましくない。本明細書は、Ｐ層とN層が積層したウエハの順電圧Ｖｆのばらつきを低減する方法を開示する。
荷電粒子を一様に照射しているにも関わらず、半導体ウエハが順電圧Ｖｆのばらつきを有する原因を追及したところ、次の知見が得られた。ダイオードに使われていたウエハ（拡散ウエハ、ＣＺ法によるウエハ）とＩＧＢＴに使われていたウエハ（ＦＺ法やＭＣＺ法によるウエハ）では、欠陥安定化不純物の含有密度（濃度）が大きく異なっていた。ダイオードによく使われるウエハでは、欠陥安定化不純物の含有密度が、概ね、４．０ｘＥ＋１７［atom／cm３］よりも大きい。他方、ＩＧＢＴによく使われるウエハでは、欠陥安定化不純物の含有密度は、概ね、４．０ｘＥ＋１７［atom／cm３］よりも小さい。この相違は、ウエハの製造方法に起因するものと推測される。以後、欠陥安定化不純物の含有密度が、概ね、４．０ｘＥ＋１７［atom／cm３］よりも大きいウエハを不純物高密度ウエハと称し、４．０ｘＥ＋１７［atom／cm３］よりも小さいウエハを不純物低密度ウエハと称することにする。
さらに、発明者の検討によると、荷電粒子を照射して欠陥を生成する場合、不純物高密度ウエハでは、点欠陥の密度（これは、即ち、照射する荷電粒子の密度に等価である）が複合欠陥の密度を決める支配的要因であり、他方、不純物低密度ウエハの場合は、欠陥安定化不純物の密度が、複合欠陥の密度を決める支配的要因であること判明した。そして、不純物低密度ウエハでは、欠陥安定化不純物の密度が面内でばらついており、それゆえ、荷電粒子を均一に照射しても、欠陥安定化不純物の含有密度のばらつきに起因して、複合欠陥の密度にばらつきが生じ、その結果、順電圧Ｖｆにばらつきが生じるものと推測される。
なお、不純物高密度ウエハの場合は、仮に欠陥安定化不純物の分布にばらつきが存在したとしても、ばらつきの分布は、生成される複合欠陥の密度には大きく影響しない。このことは、欠陥安定化不純物の密度が全体に高ければ、ばらつきが存在したとしても、荷電粒子の照射で生じるほぼ全ての点欠陥と相互作用して複合欠陥を生成するのに十分な欠陥安定化不純物が存在するからであると考えられる。従って、ダイオードによく用いられていたウエハでは、欠陥安定化不純物のウエハ面内のばらつきの影響は顕著ではなく、荷電粒子をウエハ表面に均一に照射すれば、ウエハの全面でほぼ均一な順電圧Ｖｆが得られた。
ところが、ＩＧＢＴ用の不純物低密度ウエハの場合は、荷電粒子を均一に照射しても、欠陥安定化不純物の面内のばらつきが顕著に影響し、順電圧Ｖｆが面内でばらつくことになる。前述したように、ＦＺ法あるいはＭＣＺ法で作られたウエハでは、ウエハの面内において中央領域が周辺領域よりも欠陥安定化不純物の密度が高く、それゆえ、中央領域の順電圧Ｖｆが周縁領域の順電圧Ｖｆよりも高くなる。
上記の知見に基づき、本明細書は、ウエハ面内の順電圧Ｖｆのばらつきを低減する方法を提供する。その方法は、ウエハのＮ層に荷電粒子を打ち込んで結晶欠陥（点欠陥）を生成するのに際して、ウエハの中央領域に照射する荷電粒子の照射密度が、周縁領域に照射する荷電粒子の照射密度よりも低くなるように荷電粒子を照射する。逆に言えば、周縁領域に照射する荷電粒子の照射密度が、中央領域に照射する荷電粒子の照射密度よりも高くなるように荷電粒子を照射する。即ち、欠陥安定化不純物の密度が低い周縁領域では、照射する荷電粒子の密度を高くして、多くの複合欠陥が生成されるようにする。そうすることで、中央領域で生成される複合欠陥の密度が周縁領域の複合欠陥の密度とバランスし、順電圧Ｖｆが面内で均一化される。つまり、荷電粒子照射によって、複合欠陥のばらつきが小さくなり、その結果、順電圧Ｖｆの均一化される。ここで、「照射密度」は、ウエハの単位面積当たりに照射する荷電粒子の量を意味する。
また、前述したように、Ｎ層とＰ層が積層したウエハにおいては、順電圧Ｖｆは、Ｎ層に生成される複合欠陥の位置のＰ層からの距離に依存することが知られている。即ち、Ｎ層に生成される複合欠陥の位置がＰ層から遠いほど、Ｖｆは高くなる。生成される複合欠陥の位置（深さ）は、打ち込む荷電粒子の深さ方向の到達位置にほぼ等価である。そこで、ウエハの中央領域に照射する荷電粒子の到達位置が、ウエハの周縁領域に照射する荷電粒子の到達位置よりもＰ層に近くなるように荷電粒子を照射することでも、順電圧Ｖｆを均一化することができる。
本明細書が開示する技術は、欠陥安定化不純物の密度のばらつきが上記したタイプと異なるばらつきを有するウエハにも適用することができる。例えば、欠陥安定化不純物の密度が、ウエハ平面視において中央領域で低く、周縁領域で高い場合は、荷電粒子の照射密度が周縁領域よりも中央領域で高くなるように照射すればよい。あるいは、照射する荷電粒子のウエハ深さ方向の到達位置が、周縁領域よりも中央領域においてＰ層から遠くなるように荷電粒子を照射すればよい。本明細書が開示する技術を、欠陥安定化不純物のばらつきを一般化して表現すれば、次のとおりである。本明細書は、半導体ウエハの平面視においてＮ型半導体層に含まれている欠陥安定化不純物の密度がばらついている半導体ウエハの順電圧Ｖｆのばらつきを低減する方法を開示する。そのばらつき低減方法は、欠陥安定化不純物の密度に応じて深さ方向の到達位置あるいは照射密度が異なるように荷電粒子を照射する、と表現できる。もう少し具体的には、本明細書が開示する順電圧Ｖｆのばらつき低減方法は、ウエハの平面視においてＮ層に欠陥安定化不純物を第１密度で含む第１領域に照射する荷電粒子のウエハ深さ方向の到達位置が、欠陥安定化不純物を第１密度よりも低い第２密度で含む第２領域に照射する荷電粒子の到達位置よりもＰ層に近くなるように荷電粒子を照射する、と表現できる。あるいは、本明細書が開示する方法は、第１領域に照射する荷電粒子の照射密度が、第２領域に照射する荷電粒子の照射密度よりも低くなるように荷電粒子を照射してもよい。
荷電粒子の到達深さは「飛程」と呼ばれることがある。飛程は、荷電粒子に与えるエネルギに依存する。即ち、与えるエネルギ（加速エネルギ）が小さければ、飛程は短くなる。そこで、面内の領域に応じて飛程を変えるには、与えるエネルギを変えながら荷電粒子を照射すればよい。あるいは、一定のエネルギの荷電粒子を、ウエハ面内の位置に対応して厚みが異なる金属板を通過させてウエハに照射すればよい。金属の厚みが大きいほど荷電粒子のエネルギが減少するので、照射される荷電粒子の飛程をウエハの位置に応じて制御することができる。そのような金属板は、アブソーバと呼ばれる。例えば、欠陥安定化不純物の密度が周縁領域よりも中央領域で高い場合には、中央領域に対向する領域の厚みが周縁領域に対向する領域よりも薄いアブソーバを通じてＮ層側から荷電粒子を照射すればよい。あるいは、中央領域に対向する領域の厚みが周縁領域に対向する領域よりも厚いアブソーバを通じてＰ層側からイオン又は電子を照射しても、同じ効果を得られる。
なお、荷電粒子の照射は、ウエハ全面に行う必要はない。ＩＧＢＴとダイオードを同一ウエハに生成する場合、ダイオード形成予定領域に荷電粒子を照射し、ＩＧＢＴ形成予定領域には荷電粒子を照射しないという態様でもよい。そのような場合でも、ウエハ全面に分散している複数のダイオード形成予定領域のうち、N層に不純物を第１密度で含む第１予定領域に照射する荷電粒子の到達位置が、不純物を第１密度よりも低い第２密度で含む第２予定領域に照射する荷電粒子の到達位置よりもＰ層に近くなるように荷電粒子を照射すればよい。あるいは、第１予定領域に照射する荷電粒子の照射密度が、第２予定領域に照射する荷電粒子の照射密度よりも低くなるように荷電粒子を照射すればよい。
上記の技術を使って順電圧Ｖｆの面内ばらつきが低減されたウエハを用いると、順電圧が均一な複数の半導体デバイスを製造することができることも本明細書が開示する技術の一つである。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は、実施例にて説明する。
ウエハの平面図である。 第１実施例のばらつき低減方法を説明する図である。 荷電粒子の到達位置のＰ層からの距離と順電圧の関係の一例を示すグラフである。 第１実施例の変形例のばらつき低減方法を説明する図である。 第２実施例のばらつき低減方法を説明する図である（１）。 第２実施例のばらつき低減方法を説明する図である（２）。 第３実施例のばらつき低減方法を説明する図である（第１回目の照射）。 第３実施例のばらつき低減方法を説明する図である（第２回目の照射）。 第３実施例のばらつき低減方法を説明する図である（第３回目の照射）。 ヘリウムイオン照射密度と順電圧の関係の一例を示すグラフである。 異なる欠陥安定化不純物の分布を有するウエハの平面図である。 図６Ａのウエハに対する順電圧のばらつき低減方法の一例を説明する図である（第４実施例）。 第５実施例のばらつき低減方法を説明する図である。 基板の酸素含有密度と順方向電圧と逆回復損失の関係の一例を示す図である。
図面を参照して本明細書が開示する半導体ウエハの順電圧のばらつき低減方法を説明する。
（第１実施例）図１Ａは、ＩＧＢＴとダイオードを逆並列に接続した逆導通型ＩＧＢＴ（RCIGBT：Reverse Conducted Insulated Gate Bipolar Transistor）を製造するためのウエハ２（半導体ウエハ）の模式的平面図である。ウエハ２は、例えば、ＦＺ法（Floating Zone 法）、あるいは、ＭＣＺ法（Magnetic CZ法）で製造されており、Ｎ層（Ｎ型半導体層）に含有される欠陥安定化不純物の密度は、４．０ｘＥ＋１７［atom／cm３］よりも小さい。ここで、欠陥安定化不純物は、具体的には酸素分子あるいは炭素分子である。欠陥安定化不純物の密度が、４．０ｘＥ＋１７［atom／cm３］よりも小さいウエハ２を、不純物低密度ウエハと称する。
ウエハ２は、平面視したときの中央領域Ｒ１と、周縁領域Ｒ３と、それらの中間の領域Ｒ２では、欠陥安定化不純物の密度が異なっている。欠陥安定化不純物の密度は、中央領域Ｒ１で最も高く、次に中間領域Ｒ２が高く、周縁領域Ｒ３が最も低い。別言すれば、欠陥安定化不純物の密度は、周縁領域Ｒ３よりも中央領域Ｒ１で高い。欠陥安定化不純物の密度が、４．０ｘＥ＋１７［atom／cm３］以下でばらつきを有すると、一様な荷電粒子をウエハ全面に照射した場合でも、順電圧Ｖｆがばらついてしまう。欠陥安定化不純物の密度が、４．０ｘＥ＋１７［atom／cm３］以下では、欠陥安定化不純物の密度が低いほど順電圧Ｖｆが低くなる。一例では、荷電粒子としてヘリウムイオンをウエハ全面に一様に照射すると、中央領域Ｒ１における順電圧Ｖｆが約０．１５［ボルト］であり、中間領域Ｒ２における順電圧Ｖｆが約０．１０［ボルト］であり、周縁領域Ｒ３における順電圧Ｖｆは約０．０５［ボルト］以下となる。
第１実施例の順電圧のばらつき低減方法を、図１Ｂを使って説明する。図１Ｂは、図１Ａのウエハ２を１Ｂ−１Ｂ線における断面を模式的に示したものである。ただし、図１Ｂでは、断面を表すハッチングは図示を省略している。ウエハ２は、Ｐ層３（Ｐ型半導体層）と、Ｎ層４、５（Ｎ型半導体層）が積層している。なお、Ｎ層は、Ｎ型不純物を多く含むＮ＋層５と、Ｎ＋層５よりもＮ型不純物の含有量が少ないＮ−層４とで構成される。Ｎ−層４はＮ＋層５よりも電気抵抗が高く、図１Ｂの構成のダイオードはＰＩＮダイオードと呼ばれる。本明細書では、Ｎ−層４とＮ＋層５を合わせて「Ｎ層」と総称する。Ｐ層３、Ｎ層４及び５の生成方法は、よく知られているので説明は省略する。
第１実施例の順電圧のばらつき低減方法では、Ｎ層側表面Ｂからヘリウムイオン（Ｈｅ＋）８１ａをウエハ２の全面に照射する。ヘリウムイオンの照射強度（加速エネルギ）は、荷電粒子の到達深さがＰ層３のすぐ手前まで到達する大きさに調整されている。本実施例では、凹型のアブソーバ９を介してヘリウムイオンを照射する。アブソーバ９の前ではヘリウムイオン照射８１ａは、均一な強さを有している。アブソーバ９は、ウエハ２の中央領域Ｒ１に対向する領域の厚みが周縁領域Ｒ３に対向する領域よりも薄い凹型形状を有している。そのようなアブソーバ９を通過した後のヘリウムイオン照射８１ｂは、中央領域Ｒ１ではエネルギが高く、周縁領域Ｒ３ではエネルギが低くなる。その結果、中央領域Ｒ１ではヘリウムイオンの飛程は長くなり、周縁領域Ｒ３では飛程が短くなる。別言すれば、第１実施例の順電圧のばらつき低減方法では、ウエハ２の平面視において、中央領域Ｒ１に照射するヘリウムイオンの深さ方向の到達位置が、周縁領域Ｒ３に照射するヘリウムイオンの到達位置よりもＰ層３（Ｐ層とＮ層との境界）に近くなるように荷電粒子を照射する。図１Ｂの符号Ｅが、ヘリウムイオンの到達位置を示している。ヘリウムイオンの到達位置でシリコン原子がはじき出され、点欠陥が生じるので、符号Ｅが示すＸ印は、ヘリウムイオン照射により発生する点欠陥を示している。図１Ｂに示すように、生成される点欠陥Ｅは、中央領域Ｒ１でＰ層３に近く、周縁に向かうにつれてＰ層３から離れる。なお、生成される点欠陥Ｅは、深さ方向に分布を有するが、ヘリウムイオン到達位置の深さ方向の分布幅は極めて小さく（例えば１．０ミクロン程度である）、ピークの位置を、ヘリウムイオンの到達位置とみなしてよい。
前述したように、点欠陥は安定ではなく、付近に存在する欠陥安定不純物と結び付いて安定化する。点欠陥と欠陥安定化不純物が結びついた欠陥は複合欠陥と呼ばれる。ヘリウムイオン照射によって形成された点欠陥は全てが複合欠陥となるわけではない。特に、ウエハ２の場合、領域に依存して欠陥安定化不純物の密度が異なり、密度の高い中央領域Ｒ１では高い比率で複合欠陥が生成され、密度が低い周縁領域Ｒ３では複合欠陥が生成される確率は低い。図中の「欠陥Ｅ」は、ヘリウムイオン照射直後は点欠陥を意味するが、点欠陥の一部は欠陥安定化不純物と結び付くので複合欠陥を意味することとなる。
他方、ヘリウムイオンの到達位置とＰ層との距離に依存して順電圧Ｖｆが異なる。図２に、ヘリウムイオンの到達位置のＰ層からの距離と、順電圧Ｖｆとの関係の一例を示す。図２のグラフは、複合欠陥の生成確立が欠陥安定化不純物の密度に依存しない、不純物高密度ウエハに一様にヘリウムイオンを照射した実験結果に基づくものである。この例では、イオン粒子の到達位置がＰ層から５ミクロン以下では順電圧Ｖｆはほぼゼロであり、Ｐ層からの距離が１７．５ミクロンでは順電圧Ｖｆは０．０５ボルトとなり、Ｐ層からの距離が３０ミクロンでは順電圧Ｖｆは０．１０ボルトとなる。
先に述べたように、ウエハ２にヘリウムイオンを一様に照射した場合、順電圧Ｖｆは、中央領域Ｒ１では約０．１５ボルトとなり、中間領域では約０．１０ボルトとなり、周縁領域Ｒ３では約０．０５ボルトとなる。それゆえ、ヘリウムイオン到達位置とＰ層との距離ｄが、中央領域Ｒ１ではｄ１＝０．０５ミクロン以下となり、中間領域Ｒ２ではｄ２＝０．１０ミクロンとなり、周縁領域Ｒ３ではｄ３＝０．３０ミクロンとなるようにアブソーバ９の厚みを調整すれば、イオン照射後の順電圧Ｖｆは、ウエハ全面で概ね一定となる。図１Ｂでは、ヘリウムイオンＥの到達位置とＰ層との距離ｄが、中央領域Ｒ１で最も短く、次いで中間領域Ｒ２で次に長く、周縁領域Ｒ３で最も長くなっていることを示されている。なお、ヘリウムイオンの照射強さは、ウエハの周方向には一定であり、照射されるヘリウムイオンの分布は、Ｐ層側に向かって中央が突出する凸状となる。
次に、図３を参照して、第１実施例の変形例を説明する。第１実施例では、ヘリウムイオンを、ウエハ２のＮ層側から照射した。その際には、中央領域Ｒ１に対向する領域の厚みが周縁領域Ｒ３に対向する領域よりも薄いアブソーバ９を通じてＮ層側表面Ｂからヘリウムイオンを照射した。一様なヘリウムイオン照射８１ａは、アブソーバ９を通過した後の照射８１ｂは、中央領域に照射されるヘリウムイオンのエネルギが周縁領域に照射されるヘリウムイオンのエネルギよりも高くなってウエハ２に到達する。その結果、中央領域Ｒ１ではＰ層に近く、周縁領域Ｒ３ではＰ層から遠くなっている欠陥Ｅの分布を得ることができる。同じ効果は、中央領域Ｒ１に対向する領域の厚みが周縁領域Ｒ３に対向する領域よりも厚いアブソーバ３９を通じてＰ層側表面Ｆからヘリウムイオンを照射しても得られる（図３参照）。一様なヘリウムイオン照射８１ａは、中央領域Ｒ１に照射されるヘリウムイオンのエネルギが周縁領域Ｒ３に照射されるヘリウムイオンのエネルギよりも低くなってウエハ２に到達する（照射８１ｃ）。その結果、中央領域Ｒ１ではＰ層に近く、周縁領域Ｒ３ではＰ層から遠くなっている欠陥Ｅの分布を得ることができる。図３は、中央領域Ｒ１におけるヘリウムイオン到達位置とＰ層との距離ｄ１が、周縁領域Ｒ３におけるヘリウムイオン到達位置とＰ層との距離ｄ３よりも短いことを示している。
（第２実施例）次に、図４Ａと図４Ｂを参照して第２実施例の順電圧のばらつき低減方法を説明する。この実施例では、Ｎ層（特にＮ型不純物を高密度に含むＮ＋層５）の厚みが、欠陥安定化不純物密度の低い中央領域で薄く、欠陥安定化不純物密度の高い周縁領域で厚いウエハ４２を準備する。そのウエハ４２のＮ層側表面Ｂからウエハ全面にエネルギが一様なヘリウムイオン８１ａを照射する（図４Ａ参照）。ヘリウムイオンのエネルギは一定なので、ヘリウムイオンの飛程は、Ｎ層表面Ｂから一定の深さとなる。ただし、Ｎ層の厚みが中央領域で薄く、周縁領域で厚いので、ヘリウムイオンの到達位置とＰ層（Ｐ層とＮ層の境界）との間の距離は、中央領域で短く、周縁領域で長くなる。即ち、ヘリウムイオンの照射によって生成される欠陥Ｅは、中央領域でＰ層３に近く、周縁にいくほどＰ層から遠くなる分布を有することになる。
次に、図４Ｂに示すように、Ｎ層側の表面を平坦に削り取る。図４Ｂにおいて、符号ＲＶが示す破線部分が、削り取る部分を示している。Ｎ層側表面を削り取ると、第１実施例と同様に、順電圧Ｖｆのばらつきが抑制されたウエハが得られる。
（第３実施例）次に、図５Ａから図５Ｃを参照して、第３実施例のばらつき低減方法を説明する。ウエハ２は、図１Ａに示したウエハと同じタイプであり、Ｎ層において、中央領域で欠陥安定化不純物の密度が高く、周縁領域では低い。この実施例では、欠陥安定化不純物の密度が高い中央領域ではヘリウムイオンの照射密度を低く、欠陥安定化不純物の密度が低い周縁領域にはヘリウムイオンの照射密度を高くする。なお、照射密度は、ウエハ単位面積当たりに照射するヘリウムイオンの量を意味する。照射密度と順電圧Ｖｆの関係の一例を図６に例示する。
照射するヘリウムイオンのエネルギはウエハ全面で一定でよい。欠陥安定化不純物密度の低い周縁領域に高密度のヘリウムイオンを照射することで、複合欠陥が生成される可能性を高くして、中央領域で生成される複合欠陥の密度とのバランスをとる。
ウエハの面内でヘリウムイオンの密度を異ならしめる方法を、図５Ａ〜図５Ｃを使って説明する。この例では、エネルギが一定のヘリウムイオンを３回照射する。第１回目は、エネルギが一定のヘリウムイオン８２ａをウエハの全面に照射する。その結果、ウエハの全領域Ｒ１１で打ち込まれるイオンの面密度は一定となる（図５Ａ）。
次に、ウエハ２の中央領域のみを覆う小径の第１遮蔽板５９ａを通じてエネルギが一定のヘリウムイオン８２ｂを照射する。第１遮蔽板５９ａは、ヘリウムイオンを通さない。それゆえ、第１遮蔽板５９ａで覆われた範囲ではヘリウムイオンがウエハ２に届かず、打ち込まれたヘリウムイオンの密度は第１回目の照射時のままである。他方、第１遮蔽板５９ａで覆われていない領域には、第２回目のヘリウムイオン照射８２ｂが到達するので、打ち込まれるヘリウムイオンの密度が高まる（図５Ｂ）。図５Ｂにおいて、中央領域Ｒ２１におけるヘリウムイオン密度よりも、その周囲の領域Ｒ２２におけるヘリウムイオン密度が高くなる。
次に、第１遮蔽板５９ａよりも径が大きい第２遮蔽板５９ｂを通じてエネルギが一定のヘリウムイオン８２ｃを照射する。第２遮蔽板５９ｂもヘリウムイオンを通さず、それゆえ、第２遮蔽板５９ｂで覆われた範囲ではヘリウムイオンがウエハ２に届かず、打ち込まれたヘリウムイオンの密度は第２回目の照射時のままである。他方、第２遮蔽板５９ｂで覆われていない領域には、第３回目のヘリウムイオン照射８２ｃが到達するので、打ち込まれるヘリウムイオンの密度がさらに高まる（図５Ｃ）。結局、中央領域Ｒ３１では打ち込まれるヘリウムイオンの密度がもっとも低く、中央領域Ｒ３１の周囲の中間領域Ｒ３２では、打ち込まれるヘリウムイオンの密度が中央領域Ｒ３１に次に高く、中間領域Ｒ３２の周囲の周縁領域Ｒ３３では、打ち込まれるヘリウムイオンの密度が最も高くなる（図５Ｃ参照）。こうして、中央領域で打ち込まれるヘリウムイオンの密度が最も低く、周縁にいくほど密度が高くなる分布を実現できる。前述したように、ヘリウムイオンの到達位置には点欠陥Ｅが生成される。周縁領域では中央領域と比較して欠陥安定化不純物の密度は低いが点欠陥の密度が中央領域と比較して高くなるため、結果として生成される複合欠陥の密度は中央領域と周縁領域で均一化される。その結果、面内での順電圧Ｖｆのばらつきを抑制することができる。
（第４実施例）次に、順電圧のばらつき低減方法の第４実施例を説明する。第４実施例は、第１実施例から第３実施例で用いたウエハとは欠陥安定化不純物の分布が異なるウエハに対して本技術を適用したものである。図７Ａに示すウエハ６２は、平面図において、Ｎ層における欠陥安定化不純物の密度が、中央領域Ｒ４で最も低く、中間領域Ｒ５で次に高く、周縁領域Ｒ６で最も高い。それゆえ、このウエハ６２の全面にエネルギが一定のヘリウムイオンを照射すると、中央領域Ｒ４での順電圧Ｖｆが低くなり、周縁に向かうにつれて順電圧Ｖｆが高くなるばらつきが生じる。そこで、この実施例では、中央領域Ｒ４に対向する領域の厚みが周縁領域Ｒ６に対向する領域よりも厚いアブソーバ６９を通じてＮ層表面Ｂの側から一様なヘリウムイオン８３ａを照射する（図７Ｂ）。なお、図７Ｂは、図７Ａのウエハ２を７Ｂ−７Ｂ線における断面を模式的に示したものである。ただし、図７Ｂでは、断面を表すハッチングは図示を省略している。
アブソーバ６９を通過した後のヘリウムイオン照射８３ｃは、中央領域でエネルギが低く、周縁領域でエネルギが高い分布を有する。このヘリウムイオンが照射されると、ウエハ６２では、ヘリウムイオンの到達位置が、中央領域Ｒ４でＰ層３（Ｐ層とＮ層との境界）から最も遠く、周縁に近づくにつれてＰ層３に近づく分布となる。ヘリウムイオンの到達位置は、結合欠陥の位置と等価である。このウエハ６２では、中央領域Ｒ４では、複合欠陥Ｅの密度は低いがその位置はＰ層３から遠く、周縁領域Ｒ６ではその逆に複合欠陥Ｅの密度は高いがその位置はＰ層３に近い。複合欠陥Ｅの位置がＰ層３から遠いことは、順電圧Ｖｆを高める傾向がある。それゆえ、欠陥安定化不純物の密度が中央領域Ｒ４で低く、周縁領域Ｒ６で高いことと、Ｐ層からヘリウムイオンの到達位置までの距離が中央領域Ｒ４で遠く、周縁領域Ｒ６で近いことは、順電圧Ｖｆへの寄与が相殺し、その結果、順電圧Ｖｆの面内ばらつきが抑制される。
第１〜第３実施例で使用したウエハ２と、第４実施例で使用したウエハ６２は、ともに不純物低密度ウエハであるが、Ｎ層に含まれる欠陥安定化不純物の面内分布が異なる。しかし、本明細書が開示する技術は、欠陥安定化不純物の分布のばらつきが異なるいずれのウエハに対しても適用可能である。即ち、本明細書が開示する技術は、Ｎ層における欠陥安定化不純物の分布が面内でばらついているウエハの順電圧Ｖｆのばらつきを低減する方法を提供する。例えば、欠陥安定化不純物の密度が、ウエハ平面視において中央領域で低く、周縁領域で高い場合は、荷電粒子の照射密度が周縁領域よりも中央領域で高くなるように照射すればよい。あるいは、照射する荷電粒子のウエハ深さ方向の到達位置が、周縁領域よりも中央領域においてＰ層から遠くなるように荷電粒子を照射すればよい。本明細書が開示する技術を、欠陥安定化不純物のばらつきを一般化して表現すれば、次のとおりである。この明細書が開示する技術は、ウエハの面内の順電圧Ｖｆのばらつきを低減する方法である。より具体的には、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層が積層している半導体ウエハに荷電粒子を照射してＮ型半導体層に欠陥を生じさせて順電圧のばらつきを低減する方法である。この明細書が開示する技術は、特に、Ｎ層に含まれる欠陥安定化不純物の密度が、４．０ｘＥ＋１７［atom／cm３］よりも小さいウエハに適している。その方法では、半導体ウエハの平面視において、不純物の密度に応じて深さ方向の到達位置あるいは照射密度が異なるように荷電粒子を照射する。より具体的には、本明細書が開示する方法では、半導体ウエハの平面視において、Ｎ層に不純物を第１密度で含む第１領域に照射するイオン（荷電粒子）のウエハ深さ方向の到達位置が、不純物を第１密度よりも低い第２密度で含む第２領域に照射するイオンの到達位置よりもＰ層に近くなるようにイオンを照射する。あるいは、第１領域に照射するイオンの照射密度が、第２領域に照射するイオンの照射密度よりも低くなるようにイオンを照射する。上記の表現は、第１〜第４実施例を含む。第１〜第３実施例では、中央領域が第１領域の一例に相当し、周縁領域が第２領域の一例に相当する。また、第４実施例では、周縁領域が第１領域の一例に相当し、中央領域が第２領域の一例に相当する。
（第５実施例）さらに、本明細書が開示する技術の別の実施例を、図８を参照して説明する。本明細書が開示する技術は、照射するヘリウムイオンのエネルギ、あるいは、密度を、ウエハ面内の各領域における欠陥安定化不純物の密度に応じて変更する。その方法は、ヘリウムイオンビームを照射するビームガン７１を、ウエハ面内でスキャンすることのできる装置で実現できる。図８のビームガン７１は、ウエハ上をスキャンしながらウエハ７２のＮ層側表面７２ｂからヘリウムイオンビームを照射することができる。スキャンスピードを遅くすれば、イオンの密度（即ち、生成される点欠陥の密度）が高くなる。ビームのエネルギを強めれば、飛程が大きくなり、生成される点欠陥の位置がＰ層に近くなる。従って、ビームガン７１を用いることで、第１実施例から第４実施例と同じ結果を得ることができる。
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例では、不純物低密度ウエハのＮ層にヘリウムイオンを照射し、点欠陥を生成する。照射する荷電粒子はヘリウムイオンに限られない。照射する荷電粒子は、プロトンや電子であってもよい。
荷電粒子の照射は、ウエハの全面に行わなくともよい。ＲＣＩＧＢＴを作成する際にダイオードを生成する領域に対して離散的に荷電粒子を生成してもよい。その場合であっても、欠陥安定化不純物の含有密度が高い領域には、低い領域と比較して高い密度で荷電粒子を照射する。あるいは、欠陥安定化不純物の含有密度が高い領域には、低い領域と比較してＰ層に近い位置まで達するように荷電粒子を照射する。
上記したいずれかの実施例で順電圧Ｖｆの面内ばらつきを抑制したウエハを使えば、一つのウエハから作られる複数のＲＣＩＧＢＴの順電圧特性のばらつきを小さくすることができる。
基礎的データとして、不純物の一つである酸素を例に、不純物の含有密度と順方向電圧Ｖｆの関係の具体例を紹介する。図９は、酸素の含有密度が２．０ｘＥ＋１７［atom／cm３］の半導体ウエハと、４．０ｘＥ＋１７［atom／cm３］のウエハについて、順電圧Ｖｆと逆回復損失Ｑｒｒを計測した結果である。なお、図９の結果は、幾つかの計測値の平均を示している。図９から理解されるように、酸素の含有密度が高いと順方向電圧が高くなる傾向がある。一例では、酸素含有密度に２倍の差があると、順方向電圧で１．０［Ｖ］の差が生じる。発明者らの測定では、一サンプルの半導体ウエハに、酸素濃度が２．０ｘＥ＋１７［atom／cm３］の領域と４．０ｘＥ＋１７［atom／cm３］の領域の双方が観測された。
また、図９に示すように、酸素含有密度と逆回復損失の間にも特定の関係がある。酸素の含有密度が高いと逆回復損失が小さくなる傾向がある。
本発明の代表的かつ非限定的な具体例について、図面を参照して詳細に説明した。この詳細な説明は、本発明の好ましい例を実施するための詳細を当業者に示すことを単純に意図しており、本発明の範囲を限定することを意図したものではない。また、開示された追加的な特徴ならびに発明は、さらに改善された順電圧のばらつき低減方法を提供するために、他の特徴や発明とは別に、又は共に用いることができる。
また、上記の詳細な説明で開示された特徴や工程の組み合わせは、最も広い意味において本発明を実施する際に必須のものではなく、特に本発明の代表的な具体例を説明するためにのみ記載されるものである。さらに、上記の代表的な具体例の様々な特徴、ならびに、独立及び従属請求項に記載されるものの様々な特徴は、本発明の追加的かつ有用な実施形態を提供するにあたって、ここに記載される具体例のとおりに、あるいは列挙された順番のとおりに組合せなければならないものではない。
本明細書及び／又は請求の範囲に記載された全ての特徴は、実施例及び／又は請求の範囲に記載された特徴の構成とは別に、出願当初の開示ならびに請求の範囲に記載された特定事項に対する限定として、個別に、かつ互いに独立して開示されることを意図するものである。さらに、全ての数値範囲及びグループ又は集団に関する記載は、出願当初の開示ならびに請求の範囲に記載された特定事項に対する限定として、それらの中間の構成を開示する意図を持ってなされている。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

Claims (7)

  1. 点欠陥と結びつく不純物を含有するＮ型の半導体ウエハであって、半導体ウエハの平面視において当該不純物の密度がばらついている半導体ウエハの順電圧のばらつきを低減する方法であり、
    半導体ウエハの平面視において、不純物を第１密度で含む第１領域に照射する荷電粒子の照射密度が、不純物を第１密度よりも低い第２密度で含む第２領域に照射する荷電粒子の照射密度よりも低くなるように荷電粒子を照射して、点欠陥と不純物が結びついた複合欠陥のばらつきを照射前と比べて小さくすることを特徴とする順電圧のばらつき低減方法。
  2. 前記第１領域は、半導体ウエハの平面視において半導体ウエハの中央の領域であり、前記第２領域は、中央領域を囲む周縁領域であることを特徴とする請求項１に記載のばらつき低減方法。
  3. Ｐ型半導体層とＮ型半導体層が積層している半導体ウエハであって、半導体ウエハの平面視においてＮ型半導体層に含まれている不純物の密度がばらついている半導体ウエハの順電圧のばらつきを低減する方法であり、
    前記不純物は、点欠陥と結びついて複合欠陥となるものであり、
    半導体ウエハの平面視において、不純物を第１密度で含む第１領域に照射する荷電粒子の到達位置が、不純物を第１密度よりも低い第２密度で含む第２領域に照射する荷電粒子の到達位置よりもＰ型半導体層に近くなるように荷電粒子を照射し、点欠陥と不純物が結びついた複合欠陥のばらつきを照射前と比べて小さくする、ことを特徴とする半導体ウエハの順電圧のばらつき低減方法。
  4. 前記第１領域は、半導体ウエハの平面視において半導体ウエハの中央の領域であり、前記第２領域は、中央領域を囲む周縁領域であることを特徴とする請求項３に記載の順電圧のばらつき低減方法。
  5. 中央領域に対向する領域の厚みが周縁領域に対向する領域よりも薄いアブソーバを通じてＮ型半導体層側から荷電粒子を照射する、請求項４に記載の順電圧のばらつき低減方法。
  6. 中央領域に対向する領域の厚みが周縁領域に対向する領域よりも厚いアブソーバを通じてＰ型半導体層側から荷電粒子を照射する、請求項４に記載の順電圧のばらつき低減方法。
  7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の方法で順電圧のばらつきが低減された半導体ウエハを使って製造された半導体装置。
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