WO2007055352A1

WO2007055352A1 - 半導体装置およびその製造方法

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Publication number: WO2007055352A1
Application number: PCT/JP2006/322547
Authority: WO
Inventors: Michio Nemoto
Original assignee: Fuji Electric Device Technology Co., Ltd.
Priority date: 2005-11-14
Filing date: 2006-11-13
Publication date: 2007-05-18
Also published as: JPWO2007055352A1; US7799662B2; US20080315364A1; JP5104314B2; CN101305470A; JP5594336B2; CN101305470B; JP2012238904A

Abstract

　Ｎ-型第１半導体層となるＮ-型ＦＺウェハー（１０）中に酸素を導入した後、ＦＺウェハー（１０）の表面にＰ型第２半導体層（２）およびアノード電極（４）を形成する。アノード電極（４）の側からＦＺウェハー（１０）にプロトンを照射して、ＦＺウェハー（１０）中に結晶欠陥（１２）を導入する。熱処理を行って、ＦＺウェハー（１０）中の結晶欠陥（１２）を回復させることにより、第１半導体層内の一部のネットドーピング濃度をＦＺウェハー（１０）の当初のネットドーピング濃度よりも高くし、所望のブロードバッファ構造を形成する。これによって、高速・低損失であり、かつソフトなスイッチング特性を有する半導体装置を、ＦＺバルクウェハーを用いて安価に、かつ制御性および歩留まりよく作製することができる。

Description

明細書

半導体装置およびその製造方法

技術分野

[0001] この発明は、高速'低損失であるだけでなぐソフトリカバリー特性をも兼ね備えたダィオードまたは IGBT (絶縁ゲート型ノイポーラトランジスタ)等の半導体装置およびその製造方法に関する。

背景技術

[0002] 電力用半導体装置として、 600V、 1200Vまたは 1700V等の耐圧クラスのダイォードゃ IGBT等がある。近時、これらのデバイスの特性改善が進んでいる。電力用半導体装置は、高効率で省電力なコンバータ一一インバーター等の電力変換装置に用いられており、回転モーターやサーボモーターの制御に不可欠である。

[0003] このような電力制御装置には、低損失で省電力であり、また高速、高効率であり、さらに環境に優しい、すなわち周囲に対して悪影響を及ぼさないという特性が要求されている。このような要求に対して、ダイオードにおいては、ブロードバッファ構造が提案されている。ブロードバッファ構造とは、 Nドリフト層の平均的な濃度分布が、同層のほぼ中間付近にピーク (極大値）を有し、かつアノードおよび力ソード方向に向かつて、傾きをもって減少するような構造のことである（例えば、特許文献 1参照。 ) o

[0004] ブロードバッファ構造のダイオードでは、従来のェミッタ注入効率を下げるとともにラィフタイム分布の制御を行う技術 (例えば、特許文献 2参照。）では困難であるような高速動作 (例えば、キャリア周波数： 20kHz以上)でのソフトリカバリー特性および発振抑制効果を実現することができる。このようなブロードバッファ構造のダイオードを作製する方法として、特許文献 1には、次の 2つの方法が開示されている。

[0005] 第 1の方法は、バルタ内の深い領域、すなわち半導体チップの表面から 30〜60 μ mあるいはそれよりも深い領域に、半導体基板の当初のリン濃度よりも高いリン濃度の領域をェピタキシャル成長法により形成する方法である。第 2の方法は、 FZ (フロートゾーン)バルタウェハーにプロトンイオン (H+)を照射し、熱処理を行うことによって、ノレク内部の飛程 Rpの近傍でプロトンをドナー化させる方法である。ェピタキシャルウェハーよりもバルクウヱハーの方が安価であるので、第 2の方法は、第 1の方法よりも安価である。

[0006] また、上記特許文献 1の他にも、プロトンの照射と熱処理によるプロトンのドナー化現象を利用して高濃度の N+層を形成する方法が種々提案されている（例えば、特許文献 3、特許文献 4参照。 )₀その他にも、特許文献 4には、酸素によるサーマルドナ一を用いて N+層を形成する方法が開示されている。また、プロトンのドナー化を避ける必要がある場合には、プロトンの代わりにヘリウムを用いる提案がある（例えば、特許文献 5参照。）。

[0007] また、安価にブロードバッファ構造を実現する方法として、ァクセプタ原子で半導体基板のドナー（リン)濃度を補償することによって、ネットドーピング濃度としてバルタ内部に高濃度領域を得る方法が提案されている（例えば、特許文献 6参照。 )₀また、プロトンの照射によりシリコン基板中に欠陥を形成し、熱処理によりその残留欠陥を調整して、局所的にライフタイムを低減する方法が公知である (例えば、特許文献 5、特許文献 7、特許文献 8参照。 )₀

[0008] 一方、 IGBTの製造方法として、慣用の半導体基板 (例えばシリコンウェハー）を研削等により薄くした後に、その研削面側力所定の濃度で原子をイオン注入し、熱処理を行う方法により、低コストで電気的損失の低い IGBTを作製する方法が公知である（例えば、特許文献 9参照。 )₀近年、このような低コストな方法による素子の開発および製造が主流になりつつある。また、その他のダイオードの構造としては、例えば特許文献 10に開示されているようなダイオードもある。

[0009] 特許文献 1 :特開 2003— 318412号公報

特許文献 2：特開平 8— 148699号公報

特許文献 3：特開平 9 - 260639号公報

特許文献 4:特開 2001— 156299号公報

特許文献 5：特開 2003 - 249662号公報

特許文献 6：特開 2005 - 64429号公報

特許文献 7：特開 2001— 326366号公報

特許文献 8：特開平 10— 74959号公報特許文献 9：特表 2002— 520885号公報

特許文献 10：特開 2001— 127308号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0010] 通常ドナー原子として用いられるリンや砒素をイオン注入することにより、ノレク内の深い領域に半導体基板の当初のリン濃度よりも高いドナー濃度の領域を形成するのは困難である。その理由の一つは、半導体基板にリンや砒素を一般的な lMeVの加速電圧で打ち込んでも、その飛程 Rpがわずか 1 μ m程度であるため、 30 μ m以上の深さの領域にリンや砒素を分布させるのは実質的に不可能であるからである。

[0011] そこで、上述したように、補償によってバルタ内に高濃度のドナー領域を形成したり、あるいはリンや砒素よりも軽、原子を用いることによってノレク内に高濃度のドナー領域を形成するしかない。補償による方法では、例えばボロンよりも軽くて拡散係数の高いアルミニウム、ガリウム、白金または亜鉛等を、拡散深さが 30 m以上となるように、 1000°C前後の比較的高温で長時間拡散させる必要がある。

[0012] 特に、それらの原子を基板裏面側から導入する場合には、ウェハーを 100 μ m前後の厚さに研肖 Ι』·研磨した後に、その研磨面にイオン注入法でそれらの原子を導入し、拡散させる必要がある。そのため、ハンドリング時に薄いウェハーが割れてしまつたり、イオン注入面にゴミが付着したりキズが付いたりして、所望の濃度の拡散領域を形成できな、と、う問題点がある。

[0013] 一方、プロトンやヘリウム等の軽い原子を用いる方法では、ウェハーを削って薄くする前に荷電粒子の照射と熱処理を行うので、上述したようなウェハーの割れやキズ等の影響は低減できる。しかしながら、ドナー化濃度の制御が難しいため、所望の濃度プロファイルを得にく、と、う問題点がある。

[0014] 例えば前記特許文献 3では、 FZウェハーにプロトンを、加速電圧を lOMeVとし、ド一ズ量を 4 X 10^uatoms/cm²にして照射することにより、 N+高濃度層（特許文献 3では、チャンネルストップ層）を形成している。得られた N+高濃度層の濃度は、最大で 2 . 5 X 10¹⁴/cm³であり、飛程 Rp近傍の低抵抗領域の幅が 200 μ m以上と広ヽ。

[0015] それに対して、 600Vや 1200Vの耐圧クラスの場合、上述したブロードバッファ構造を含む低濃度の Nドリフト層の幅自体は 150 μ m程度と、上記低抵抗領域の幅（2 00 m)よりも狭い。従って、前記特許文献 3に開示された方法では、効果的なプロードバッファ構造を形成することはできな、。

[0016] また、前記特許文献 4には、プロトンの照射エネルギーが lMeV以下であり、熱処理温度が 300°C以上 500°C以下であることが記載されている。しかし、ブロードバッファ構造を形成するためのプロトンの照射エネルギーにつ、ては、記載されてヽな、。また、具体的な作製結果についても記載されていない。従って、実際にブロードバッファ構造を形成できるか否かは不明である。

[0017] また、特許文献 5には、プロトンよりもヘリウムが望ましいことが記載されており、その理由として、プロトンを照射した場合、素子の耐圧が 6割程度まで下がってしまうことが挙げられている。しかし、プロトンの照射により素子の耐圧が下がるのは、ブロードノッファ構造ではない、従来の一般的な構造の素子を作製しているからである。また、特許文献 5には、プロトンの具体的な照射条件や熱処理条件は記載されていない

[0018] さらに、特許文献 5の図 3と同文献の図 4を比較すると、所望のプロファイルである図 4のヘリウム照射品に対して、図 3のプロトン照射品では、高濃度領域の濃度が所望の濃度の 4倍程度になっており、精度よく制御できていないことがわかる。また、特許文献 5、特許文献 7および特許文献 8には、プロトンをドナー化させることについては全く記載されていないため、プロトンをドナー化させるための制御方法が不明である。

[0019] ここで、本発明者が行った実験結果について説明する。この実験では、 FZ— N型シリコンウェハーにプロトンを照射し、熱処理を行った後、拡がり抵抗測定法により濃度プロファイルを直接評価した。ウェハーの比抵抗は 330 Ω cmであり、リン濃度は 1. 4 X 10¹³Zcm³であった。また、プロトンの照射エネルギーは 7. 9MeVであり、ドーズ量は 1. O X 10¹²Zcm²であった。そして、アルミアブソーバーを用いてプロトンの飛程がシリコン表面、すなわちプロトンの照射面力も約 50 mの深さになるようにした。なお、プロトンの照射面には、 10000オングストロームの厚さの熱酸化膜を形成した。

[0020] 熱処理条件は、 350°Cで 60分と、 420°Cで 60分とした。いずれの条件でも窒素および水素雰囲気でァニールを行った。このように作製した試料を、角度が 5° 44' であるマウントに貼り付け、ウェハーの断面が露出するように 1Z20ダイヤモンドコンパゥンドを用いて研磨した。

[0021] また、 solid state measurement社製の SSM2000を用いて試料の拡がり抵抗を測定した。その測定により得られた抵抗値をキャリア濃度に換算した結果を図 51 ( 熱処理温度： 350°C)と図 52 (熱処理温度： 420°C)に示す。 V、ずれの図にぉ、ても、縦軸はキャリア濃度であり、横軸はウェハー表面 (プロトンの照射面)からの距離、すなわち深さである。

[0022] 図 51より、 350°Cでァニールすると、表面から 50 μ mの深さの近傍では、プロトンを照射したウェハー（図 51のプロトン照射後）の平均的な濃度力プロトンを照射していないウェハー（図 51のプロトン照射前）の濃度よりも一桁低くなつていることがわかる。これは、プロトンの飛程の前後に欠陥が多く存在しており、それによつてこの深さの領域で高抵抗になっているからである。従って、前記特許文献 1に開示されているようなブロードバッファ構造になってヽな、のは明らかである。

[0023] また、図 52より、 420°Cでァニールした場合は、 350°Cでァニールした場合よりも結晶が回復されて低抵抗ィ匕しているが、プロトンの飛程の前後で、プロトンを照射したゥェハー（図 52のプロトン照射後）の平均的な濃度力プロトンを照射していないウェハ一（図 52のプロトン照射前）の濃度よりも低くなつているので、ブロードバッファ構造になっていないことは明らかである。以上のように、公知のプロトン照射および熱処理の方法では、所望のブロードバッファ構造を形成することは困難である。

[0024] 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、高速'低損失であり、かつソフトなスイッチング特性を有するブロードバッファ構造のダイオードまたは IG BT等の電力用半導体装置を提供することを目的とする。また、この発明は、高速'低損失であり、かつソフトなスイッチング特性を有するブロードバッファ構造のダイオードまたは IGBT等の電力用半導体装置を、 FZバルタウェハーを用いて安価に、かつ制御性および歩留まりよく作製することができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0025] 上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる半導体装置は、第 1 導電型の第 i半導体層の第 i主面側に第 2導電型の第 2半導体層を有する。また、第 1半導体層の第 2主面側に第 1導電型の第 3半導体層を有する。第 2半導体層および第 3半導体層は、第 1半導体層よりも高濃度である。

[0026] 第 1半導体層中には、第 1半導体層の不純物濃度が極大となる箇所が少なくとも 1 か所存在する。また、第 1半導体層の不純物濃度は、その極大となる箇所力第 2半導体層および第 3半導体層の両方に向力つて低くなる。さらに、その不純物濃度が極大となる箇所に、酸素原子と、酸素よりも軽い原子が含まれている。この発明において、酸素より軽い原子は、水素であってもよい。

[0027] 本発明にかかる半導体装置によれば、第 1半導体層の不純物濃度が極大となる箇所に、酸素原子と酸素よりも軽い原子とからなる複合ドナーが存在することにより、所望のブロードバッファ構造が形成される。また、酸素原子とプロトンとからなる複合ドナ一によつて、所望のブロードバッファ構造が形成される。

[0028] また、本発明に力かる半導体装置の製造方法は、上述した構成の半導体装置を製造するにあたって、第 1導電型の半導体基板中に酸素を導入する工程を含む。この半導体基板は、第 1導電型の第 1半導体層となる。次いで、半導体基板の第 1主面または第 2主面に荷電粒子を照射する工程を含む。これによつて、第 1半導体層に結晶欠陥が導入される。次いで、熱処理を行う。これによつて、結晶欠陥が回復し、第 1 半導体層内の一部のネットドーピング濃度が半導体基板の当初のネットドーピング濃度よりち高くなる。

[0029] この発明において、酸素を導入した後に、半導体基板の第 1主面側に第 2半導体層を形成してから、荷電粒子の照射を行うようにしてもよい。この場合、熱処理によつて結晶欠陥を回復させた後、半導体基板の第 2主面を研削し、その研削により露出した面の側に第 3半導体層を形成するようにしてもよい。あるいは、半導体基板中に、酸素とともに第 1導電型不純物を導入して第 3半導体層を形成し、その反対側の面に第 2半導体層を形成してから、荷電粒子を照射するようにしてもょヽ。

[0030] いずれの方法においても、荷電粒子がプロトンであり、そのドーズ量が 1 X 10ⁿato ms/cm²以上 1 X 10¹⁴atoms/cm²以下であるとよい。また、熱処理温度は、 250°C 以上 500°C以下、好ましくは、 300°C以上 450°C以下、より好ましくは 350°C以上 42 o°c以下であるのがよい。

[0031] 本発明にかかる半導体装置の製造方法によれば、第 1半導体層中に、酸素原子と酸素よりも軽い原子、例えばプロトンとからなる複合ドナーを存在させることができ、それによって所望のブロードバッファ構造を形成することができる。また、酸素原子とプ口トンとからなる複合ドナーによって、所望のブロードバッファ構造を形成することができる。熱処理温度が 250°Cよりも低力つたり、 500°Cよりも高いと、酸素のドナー化温度 (450〜500°C)やプロトン等の起因欠陥の回復度合いとの兼ね合いにより、複合ドナーが生じない。

発明の効果

[0032] 本発明にかかる半導体装置によれば、高速'低損失であり、かつソフトなスィッチング特性を有するブロードバッファ構造のダイオードまたは IGBT等が得られる。また、本発明にかかる半導体装置の製造方法によれば、高速'低損失であり、かつソフトなスイッチング特性を有するブロードバッファ構造のダイオードまたは IGBT等を、 FZバルクウェハーを用いて安価に、かつ制御性および歩留まりよく作製することができる。図面の簡単な説明

[0033] [図 1]図 1は、本発明の実施の形態 1にかかる半導体装置の構成、ネットドーピング濃度およびプロトン分布を示す図である。

[図 2]図 2は、本発明の実施の形態 1にかかる半導体装置の製造プロセスを示す図である。

[図 3]図 3は、本発明の実施の形態 1にかかる半導体装置の製造プロセスを示す図である。

[図 4]図 4は、実施の形態 1のプロトン照射および 350°Cでの熱処理によるウェハーの濃度プロファイルを示す図である。

[図 5]図 5は、実施の形態 1のプロトン照射および 420°Cでの熱処理によるウェハーの濃度プロファイルを示す図である。

[図 6]図 6は、実施の形態 1のプロトン照射および 350°Cでの熱処理によるウェハーの濃度プロファイルを示す図である。

[図 7]図 7は、実施の形態 1のプロトン照射後のァニール温度とブロードバッファ部分の積分濃度の関係を示す図である。

[図 8]図 8は、実施の形態 1のプロトン照射後のァニール温度とプロトンのドーズ量とブロードバッファ部分の積分濃度の関係を示す図である。

[図 9]図 9は、実施の形態 1のダイオードの逆回復波形を示す図である。

[図 10]図 10は、従来のダイオードの逆回復波形を示す図である。

[図 11]図 11は、単相チョッパー回路の構成を示す図である。

[図 12]図 12は、本発明の実施の形態 2にかかる半導体装置の構成、ネットドーピング濃度およびプロトン分布を示す図である。

[図 13]図 13は、本発明の実施の形態 2にかかる半導体装置の製造プロセスを示す図である。

[図 14]図 14は、本発明の実施の形態 2にかかる半導体装置の製造プロセスを示す図である。

[図 15]図 15は、本発明の実施の形態 3にかかる半導体装置の構成、ネットドーピング濃度およびプロトン分布を示す図である。

[図 16]図 16は、本発明の実施の形態 3にかかる半導体装置の製造プロセスを示す図である。

[図 17]図 17は、本発明の実施の形態 3にかかる半導体装置の製造プロセスを示す図である。

[図 18]図 18は、コンバータ一一インバーター回路の構成を示す図である。

[図 19]図 19は、力率改善回路の構成を示す図である。

[図 20]図 20は、マトリクスコンバーター回路の構成を示す図である。

[図 21]図 21は、実施の形態 4にかかる半導体装置の構成およびネットドーピング濃度を示す図である。

[図 22]図 22は、実施の形態 5にかかる半導体装置の構成、ネットドーピング濃度、酸素濃度および水素濃度を示す図である。

[図 23]図 23は、実施の形態 6にかかる半導体装置のシリコン基板中の酸素原子濃度とダイオードの逆回復ピーク電圧の関係を示す図である。

[図 24]図 24は、実施の形態 7にかかる半導体装置の CV測定によるキャリア濃度分布測定の結果を示す図である。

[図 25]図 25は、実施の形態 7にかかる半導体装置の CV測定によるキャリア濃度分布測定の結果を示す図である。

[図 26]図 26は、実施の形態 7にかかる半導体装置の CV測定によるキャリア濃度分布測定の結果を示す図である。

[図 27]図 27は、実施の形態 7にかかる半導体装置の CV測定によるキャリア濃度分布測定の結果を示す図である。

[図 28]図 28は、実施の形態 7にかかる半導体装置の CV測定によるキャリア濃度分布測定の結果を示す図である。

[図 29]図 29は、実施の形態 7にかかる半導体装置の CV測定によるキャリア濃度分布測定の結果を示す図である。

[図 30]図 30は、実施の形態 7において比較となる半導体装置の CV測定によるキヤリァ濃度分布測定の結果を示す図である。

[図 31]図 31は、実施の形態 7において比較となる半導体装置の CV測定によるキヤリァ濃度分布測定の結果を示す図である。

[図 32]図 32は、実施の形態 7において比較となる半導体装置の CV測定によるキヤリァ濃度分布測定の結果を示す図である。

[図 33]図 33は、実施の形態 7において比較となる半導体装置の CV測定によるキヤリァ濃度分布測定の結果を示す図である。

[図 34]図 34は、実施の形態 7において比較となる半導体装置の CV測定によるキヤリァ濃度分布測定の結果を示す図である。

[図 35]図 35は、実施の形態 7において比較となる半導体装置の CV測定によるキヤリァ濃度分布測定の結果を示す図である。

[図 36]図 36は、実施の形態 7にかかる半導体装置の断面 SR分布測定の結果を示す図である。

[図 37]図 37は、実施の形態 7にかかる半導体装置の断面 SR分布測定の結果を示す図である。

[図 38]図 38は、実施の形態 7にかかる半導体装置の断面 SR分布測定の結果を示す図である。

[図 39]図 39は、実施の形態 7にかかる半導体装置の断面 SR分布測定の結果を示す図である。

[図 40]図 40は、実施の形態 7にかかる半導体装置の断面 SR分布測定の結果を示す図である。

[図 41]図 41は、実施の形態 7にかかる半導体装置の断面 SR分布測定の結果を示す図である。

[図 42]図 42は、実施の形態 7において比較となる半導体装置の断面 SR分布測定の結果を示す図である。

[図 43]図 43は、実施の形態 7において比較となる半導体装置の断面 SR分布測定の結果を示す図である。

[図 44]図 44は、実施の形態 7において比較となる半導体装置の断面 SR分布測定の結果を示す図である。

[図 45]図 45は、実施の形態 7において比較となる半導体装置の断面 SR分布測定の結果を示す図である。

[図 46]図 46は、実施の形態 7において比較となる半導体装置の断面 SR分布測定の結果を示す図である。

[図 47]図 47は、実施の形態 7において比較となる半導体装置の断面 SR分布測定の結果を示す図である。

[図 48]図 48は、実施の形態 7にかかる半導体装置のブロードバッファ層の形成状況をまとめた表である。

[図 49]図 49は、実施の形態 7にかかる半導体装置のシート抵抗の測定結果を示す図である。

[図 50]図 50は、実施の形態 8のゥヱハーの熱処理温度とライフタイムの関係を示す図である。

[図 51]図 51は、従来のプロトン照射および 350°Cでの熱処理によるウェハーの濃度プロファイルを示す図である。

[図 52]図 52は、従来のプロトン照射および 420°Cでの熱処理によるウェハーの濃度プロファイルを示す図である。

符号の説明

[0034] 1 第 1半導体層

2 第 2半導体層

3 第 3半導体層

発明を実施するための最良の形態

[0035] 以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置およびその製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、 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 +および—は、それぞれ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。

[0036] 実施の形態 1.

図 1は、本発明の実施の形態 1にかかる半導体装置の構成、ネットドーピング濃度およびプロトン分布を示す図である。図 1において半導体装置の断面図 100に示すように、 N—ドリフト層となる N型の第 1半導体層 1の一方の主面側に、 Pアノード層となる P型の第 2半導体層 2が形成されている。また、第 1半導体層 1の他方の主面側に、 N+力ソード層となる N型の第 3半導体層 3が形成されている。そして、第 2半導体層 2 の表面には、アノード電極 4が形成されている。また、第 3半導体層 3の表面には、力ソード電極 5が形成されている。

[0037] 図 1においてアノード電極力もの距離一ネットドーピング濃度 (log)の特性図 110に示すように、第 1半導体層 1のネットドーピング濃度は、第 1半導体層 1のほぼ中間付近にピークを有し、第 2半導体層 2および第 3半導体層 3に向カゝつて、傾きをもって減少している。すなわち、実施の形態 1の半導体装置は、ブロードバッファ構造となっている。第 2半導体層 2と第 3半導体層 3のネットドーピング濃度は、ともに第 1半導体層 1のネットドーピング濃度よりも高い。

[0038] 一例として、実施の形態 1の半導体装置を、耐圧が 1200Vクラスで、定格電流が 1 50Aとなるように、チップサイズを 10mm X 10mmとして作製した場合の各部のネットドーピング濃度および寸法を例示する。寸法については、第 2半導体層 2とアノード電極 4との界面を基準とし、特に断らない限り、この界面力ゝらの距離で表す。

[0039] 第 2半導体層 2と第 1半導体層 1との界面までの距離は、である。第 3半導体層 3と力ソード電極 5との界面までの距離は、 140 mである。第 1半導体層 1と第 3半導体層 3との界面から、第 3半導体層 3と力ソード電極 5との界面までの距離、すなわち第 3半導体層 3の厚さは、 0. 5 mである。

[0040] 第 2半導体層 2のネットドーピング濃度は、アノード電極 4との界面において 5 X 10¹⁶ atomsZccであり、第 1半導体層 1に向力つて低くなり、第 1半導体層 1との界面では、 5 X 10¹³at_Oms/_CCよりも低い。第 1半導体層 1のネットドーピング濃度は、第 2半導体層 2との界面では、 5 X 10¹³atoms/ccよりも低いが、第 2半導体層 2との界面近傍で 5 X 10¹³atomsZccとなる。以下では、濃度を示す単位として atomsZccと atoms Zcm³を用いて説明する力「cc」と「cm³」は同じである。

[0041] そして、第 1半導体層 1のほぼ中間付近でピークとなる箇所のネットドーピング濃度は、 1. 5 X 10¹⁴atoms/ccである。また、第 1半導体層 1の、第 3半導体層 3との界面およびその付近におけるネットドーピング濃度は、 5 X 10¹³atoms/ccである。第 3半導体層 3のネットドーピング濃度は、第 1半導体層 1との界面において 5 X 10¹³atom_S Zeeであり、力ソード電極 5に向力つて高くなり、力ソード電極 5との界面で 1 X 10¹⁹at

[0042] 図 1にお!/、てアノード電極からの距離プロトン分布の特性図 120に示すように、第 1半導体層 1のネットドーピング濃度がピークとなる箇所までの距離は、である。この距離は、製造段階で第 2半導体層 2の表面にプロトンを照射したときのプロトンの飛程 Rpに等しい。このプロトンの飛程 Rpの前後でプロトンの濃度が高い。第 1半導体層 1には酸素原子が導入されており、酸素原子とプロトンとからなる複合ドナーによって、所望のブロードバッファ構造が形成されて、る。

[0043] 次に、実施の形態 1にかかる半導体装置の製造プロセスについて説明する。ここでは、一例として、図 1に例示した寸法およびネットドーピング濃度の半導体装置 (耐圧 : 1200Vクラス、定格電流： 150A)を製造する場合について説明する。図 2および図 3は、製造プロセスを示す図である。まず、図 2の断面図 200に示すように、半導体基板として、比抵抗カ 0〜1200 «11、例えば 90 Q cm (リン濃度 5. O X 10¹³atoms/c c)の FZウェハー 10を用意する。

[0044] そして、図 2の断面図 210に示すように、この FZウェハー 10の両面にリンガラス 11 を塗布し、窒素および酸素雰囲気で例えば 1250°C、 100時間の熱処理を行って、両面からリン（P)を拡散させる。この熱処理によって、 FZウェハー 10の両面からゥヱハー内に大量の酸素（O)が導入され、 FZウェハー 10における酸素濃度は、固溶限界濃度 (約 1 X 10¹⁸atoms/cc)となる。

[0045] 次いで、断面図 210に一点鎖線で示すように、 FZウェハー 10を研削し、ウェハー表面の高濃度のリン拡散層 211を除去する。それによつて、図 2の断面図 212に示すように、高濃度リン層 211からなる第 3半導体層 214を有する薄ウェハー 213が得られる。この薄ウェハー 213の一方の表面をポリッシュ（研磨）して鏡面に仕上げる。この FZウェハー 10のミラー仕上げ面には、後のダイオードのプロセス工程において、第 2半導体層 2、ガードリングエッジ構造およびアノード電極 4が形成される。 FZゥェハー 10の厚さは、この研削およびポリッシュ（研磨）後に例えば 500 mになるように、予め選定されている。

[0046] FZウェハー 10のミラー仕上げ面での比抵抗は、例えば 90 Ω cmである。 FZウエノ、一 10の他方の表面は、リンガラス 11を除去したままの状態である。この面の表面濃度は、例えば 1 X 10²°atoms/cm³程度であり、高濃度のリンが例えば 80 m程度の深さまで拡散している。

[0047] 次いで、図 2の断面図 220に示すように、標準的なダイオードのプロセス工程によつて、 Pアノード層となる第 2半導体層 2、図示しないガードリングエッジ構造、絶縁膜 6 およびアノード電極 4を形成する。第 2半導体層 2の濃度は、例えば 5 X 10¹⁶atom_S Zeeであり、その深さは、例えば 3 mである。また、アノード電極 4の材料は、例えば Al—Sil%である。

[0048] 次いで、図 2の断面図 230に示すように、アノード電極 4の側から FZゥヱハー 10に、サイクロトロンにより加速されたプロトンを照射する。その際、サイクロトロンの加速電圧は、例えば 7. 9MeVであり、プロトンのドーズ量は、例えば 1. O X lO^atoms/c m²である。また、アルミアブソーバーを用い、その厚さを調節して、プロトンの飛程が F Zウェハー 10の半導体とアノード電極 4との界面から 60 /z mとなるようにする。断面図 230において、 X印は、プロトンの照射により FZウェハー 10内に生じた結晶欠陥 12 を表す。

[0049] 次いで、図 3の断面図 300に示すように、例えば 350°Cで 1時間の熱処理を水素雰囲気で行い、結晶欠陥 12を回復させる。それによつて、 FZウェハー 10の半導体とァノード電極 4との界面から 60 mの深さのところを中心としてその前後に高濃度領域 13ができる。この高濃度領域 13によって、所望のブロードバッファ構造が形成される

[0050] 次いで、図 3の断面図 310に示すように、 FZウェハー 10の、リンガラス 11が除去された状態のままの面に対して研削やウエットエッチングを行い、 FZウェハー 10を所定の厚さにする。 1200Vクラスの場合、この段階での FZウェハー 10の厚さは、典型的には 100〜160 /ζ πιである。実施の形態 1では、この段階での FZウェハー 10の厚さは、例えば 140 μ mである。

[0051] 次いで、 FZウェハー 10の、研削やウエットエッチングが行われた面に対してリン等の N型不純物をイオン注入する。その際の加速電圧は、例えば 50keVであり、ドーズ量は、例えば 1 X 10¹⁵atomsZcm²である。次いで、そのイオン注入面に対して、 YA G第 2高調波レーザ等のレーザ光をダブルパルス法にて照射する。

[0052] ここで、ダブルパルス法とは、レーザ光の照射エリアごとに、複数のレーザ照射装置力も所定の遅延時間だけ照射タイミングをずらして複数のパルスレーザを連続的に照射する方法である。ダブルパルス法については、特開 2005— 223301号公報に詳述されている。

[0053] ダブルパルス法によりレーザ光を照射する際のエネルギー密度は、レーザ光の照射エリアごとに、合計で例えば 3jZcm²である。また、ダブルパルスの遅延時間は、例えば 300nsecである。このレーザ照射によって、その前にイオン注入されたリン等の N型不純物が電気的に活性ィ匕して、 N+力ソード層となる第 3半導体層 3ができる。

[0054] 最後に、図 3の断面図 320に示すように、第 3半導体層 3の表面にチタン、ニッケルおよび金の順で金属を成膜し、第 3半導体層 3にォーミック接触する力ソード電極 5を形成し、半導体装置 (ダイオード)が完成する。 FZウェハー 10の、第 2半導体層 2と第 3半導体層 3の間の部分は、第 1半導体層 1となる。図 3の特性図 330は、断面図 32 0の半導体装置に対応するネットドーピング濃度のプロファイルである。

[0055] ここで、本発明者が行った実験結果について説明する。この実験では、図 2の製造プロセスと同じ条件で FZ—N型シリコンウェハーに酸素を導入し、ウェハーの表面に 10000オングストロームの厚さの熱酸ィ匕膜を形成し、その表面にプロトンを照射した。ウェハーの比抵抗は 330 Ω cmであり、リン濃度は 1. 4 X 10¹³/cm³であった。プロトンの照射エネルギーを 7. 9MeVとし、ドーズ量を 1. O X 10¹²Zcm²とした。

[0056] その後、水素雰囲気で熱処理を行った。熱処理条件を 350°Cで 60分と、 420°Cで 60分とした。得られた試料を角度が 5° 44' であるマウントに貼り付け、ウェハーの断面が露出するように 1Z20ダイヤモンドコンパゥンドを用いて研磨し、その露出面に対して solid state measurement社製の SSM2000を用いて拡がり抵抗を測定した。

[0057] 測定により得られた抵抗値をキャリア濃度に換算した結果を図 4 (熱処理温度：350 °C)と図 5 (熱処理温度: 420°C)に示す。いずれの図においても、縦軸はキャリア濃度であり、横軸はウェハー表面 (プロトンの照射面)からの距離である。

[0058] 図 4より、 350°Cでァニールすると、表面から 50 μ mの深さの近傍では、プロトンを照射したウェハー（図 4のプロトン照射後）の平均的な濃度が、プロトンを照射していないウェハー（図 4のプロトン照射前）の濃度、すなわちウェハーの当初の濃度よりも高くなつており、所望のブロードバッファ構造ができていることがわかる。なお、図 4において、ウェハー表面力もおよそ 15 μ mの深さまでに高濃度領域 (低抵抗領域)があるのは、酸ィ匕膜からの酸素の拡散によるものである。

[0059] また、図 5より、 420°Cでァニールした場合には、ウェハー表面から 60 μ mを越える深さまで、ウェハーの当初の濃度よりも高い高濃度領域が拡がっている。これは、 42 0°Cの熱処理で酸素および水素原子が拡散したことが原因であると考えられる。

[0060] 図 4の縦軸を logスケールから線形スケールに直したグラフを図 6に示す。図 6に示すように、キャリア濃度 (ネットドーピング濃度）の分布は滑らかではなぐ局所的に濃度の増減が生じている。これは、拡がり抵抗測定値に測定ばらつきがあることと、プロトンの入射によって残留ダメージ (欠陥）がシリコン中に局所的に残り、その欠陥によつてキャリアの移動度が低下することが原因である。

[0061] 本実施の形態 1におけるブロードバッファ構造でも、前記特許文献 1の図 77に開示されているような、局所的なネットドーピング濃度の変化が物理的に生じる。しかしながら、前記特許文献 1に開示されているように、逆回復特性における空間電荷領域のピン止め効果や耐圧特性は、電界強度の分布で決まる。そして、その電界強度分布は、ネットドーピング濃度の空間的な積分値に比例する。

[0062] それゆえ、このような濃度の局所的な増減、例えばある位置でのネットドーピング濃度の 10%程度の増減までは、無視してもかまわない。従って、本明細書においては、ブロードバッファ構造とは、このような濃度の微小な増減を含んでおり、平均的な濃度分布が局所的なピーク値力もアノードおよび力ソード方向に向力つて傾きをもって減少する構造のことを意味する。

[0063] 図 7は、プロトン照射後のァニール温度とブロードバッファ部分の不純物の積分濃度の関係を示す図である。プロトンのドーズ量は、 1 X 10¹²atomsZcm²である。ここで、ブロードバッファ部分の積分濃度とは、前記特許文献 1の段落 [0023]および [0 024]に開示されている計算方法と同じ方法で算出した値であり、逆回復特性等を決めるものである。この値は、前記特許文献 1によれば 8 X 10¹³atomsZcm²以下であることが望ましい。

[0064] 図 7より、ァニール温度が 250°Cよりも低い温度または 500°Cよりも高い温度になると、積分濃度が急激に減少することがわかる。これは、 250°Cよりも低い温度または 5 00°Cよりも高い温度では、酸素のドナー化温度（450〜500°C)や、プロトンに起因する欠陥の回復度合いとの兼ね合いによって、複合ドナー化が生じないことが原因であると考えられる。従って、ァニール温度は、 250°C以上 500°C以下であることが望ましい。

[0065] 図 8は、プロトン照射後のァニール温度とプロトンドーズ量とブロードバッファ部分の不純物の積分濃度の関係を示す図である。上述したようにブロードバッファ部分の積分濃度が 8 X 10¹³atoms/cm²以下であることが望ましいことと、ァニール温度が 250 〜500°Cであることが望まし、こととの兼ね合、から、所望のブロードバッファ構造を形成するには、プロトンのドーズ量は、 1 X 10^uatoms/cm²以上 1 X 10¹³atoms/c m²以下であるのが望まし、。

[0066] 以上の説明、並びに図 4および図 5と図 51および図 52との比較から、ブロードバッファ構造を形成するためには、プロトンの照射により基板に水素原子を導入するだけでなぐ基板に酸素が含まれていることが極めて重要であるということは、明らかである。また、熱処理によって酸素との相互作用により複合ドナーとなるためには、酸素よりも軽い原子を照射する必要がある。従って、照射する原子としては、 H、 He、 Li、 B eおよび Bの中で Hや Heが好ましぐ特に H (プロトン）が望ましい。これら原子をィォン化して照射する。

[0067] 図 9は、図 1のダイオードの室温での逆回復波形を示す図であり、図 10は、特許文献 9に開示されているダイオードの室温での逆回復波形を示す図である。これらの図において、 Iakはアノード電流であり、 Vakはアノード '力ソード間の電圧である。いずれも、図 11に示す単相チョッパー回路 20における波形図である。

[0068] 単相チョッパー回路 20では、逆回復順電流が 15Aで定格電流の 1Z10であり、 D Cバス電圧が 900Vであり、負荷インダクタンス Lmが ImHである。また、スイッチング I GBTは、標準的な 1200VZ150Aの FS (フィールドストップ型）— IGBTであり、そのゲート抵抗は、オン側で Ο Ωであり、オフ側で 33 Ωである。主回路の回路浮遊インダクタンス Lsは 200nHである。図 9および図 10から明らかなように、最も結晶欠陥を回復させている FZウェハーを用いた低コストなダイオードにおいても、本実施の形態 1 のように、酸素とプロトンによりブロードバッファ構造を形成したほうが、発振のないソフトリカバリーであることがわかる。

[0069] 実施の形態 2.

図 12は、本発明の実施の形態 2にかかる半導体装置の構成、ネットドーピング濃度およびプロトン分布を示す図である。図 12において半導体装置の断面図 1200に示すように、実施の形態 2の半導体装置は、図 1に示す実施の形態 1の半導体装置において、第 1半導体層 1と第 ₃半導体層 ₃の間に、第 1半導体層 1よりも高濃度で、かつ第 3半導体層 3よりも低濃度である、 N力ソードバッファ層となる第 4半導体層 7を設けたものである。その他の構成は実施の形態 1と同様であるので、同一の符号を付して説明を省略する。 [0070] 一例として、実施の形態 2の半導体装置の各部のネットドーピング濃度および寸法を例示する。ただし、実施の形態 1で例示した値と異なる値のみ説明する。図 12においてアノード電極からの距離—ネットドーピング濃度 (log)の特性図 1210に示すように、第 4半導体層 7のネットドーピング濃度は、第 1半導体層 1との界面における 5 X 1 0¹³atomsZccから、第 3半導体層 3に向力つて高くなる。

[0071] 第 3半導体層 3のネットドーピング濃度は、第 4半導体層 7との界面力力ソード電極 5に向かって高くなり、力ソード電極 5との界面で 1 X 10¹⁹atomsZccとなる。また、第 3半導体層 3と力ソード電極 5との界面までの距離は、 120 mである。

[0072] 図 12においてアノード電極からの距離プロトン分布の特性図 1220に示すように、第 1半導体層 1のネットドーピング濃度がピークとなる箇所までの距離は、 50 mであり、この前後でプロトンの濃度が高い。また、深さが 110〜140 mの領域において、プロトンの濃度が高い。

[0073] 50 mの深さの付近でプロトンの濃度が高いのは、ブロードバッファ構造を形成している力もである。また、 110〜140 /ζ πιの深さの領域でプロトンの濃度が高いのは、第 4半導体層 7を形成しているからである。なお、第 3半導体層 3と力ソード電極 5との界面までの距離が 120 μ mであるにもかかわらず、深さが 110〜140 μ mの領域においてプロトンの濃度が高いとした力これは、後述するように、製造段階において 1 20 /z mよりも厚い研削前のウェハーに、プロトンを、その飛程が 110〜140 mとなるように照射するからである。

[0074] このように、第 4半導体層 7を設けることによって、半導体装置に逆バイアスが印加されて空乏層が第 3半導体層 3に向力つて拡張する際に、空乏層が第 3半導体層 3に到達するのを防ぐことができる。第 3半導体層 3の厚さは、わずか 0. 5 /z m程度である。そのため、第 3半導体層 3を形成する際にパーティクルによるイオン注入の遮蔽やキズ等によって、第 3半導体層 3の形成が完全ではない場合、第 4半導体層 7がないと、第 1半導体層 1と力ソード電極 5が直接コンタクト (接触)してしまい、漏れ電流が増カロしてしまう。第 4半導体層 7を設けることによって、このような現象を防止することができる。

[0075] 次に、実施の形態 2にかかる半導体装置の製造プロセスについて説明する。ここでは、一例として、図 12に例示した寸法およびネットドーピング濃度の半導体装置 (耐圧： 1200Vクラス、定格電流： 150A)を製造する場合について説明する。図 13および図 14は、製造プロセスを示す図である。まず、図 13の断面図 1300、断面図 1310 、断面図 1311および断面図 1320に示すように、実施の形態 1と同様にして、リン )及び固溶限界濃度まで酸素が導入された FZウェハー 10のミラー仕上げ面に、標準的なダイオードのプロセス工程によって、第 2半導体層 2、図示しないガードリングェッジ構造、絶縁膜 6およびアノード電極 4を形成する。

[0076] 次いで、図 13の断面図 1330に示すように、アノード電極 4の側から FZウェハー 10 に実施の形態 1と同じ条件でプロトンを照射する。ただし、アルミアブソーバーの厚さを調節して、プロトンの飛程が FZウェハー 10の半導体とアノード電極 4との界面から 50 mとなるようにする（図 12、特'性図 1220の Rpl)。断面図 1330にお!/、て、第 2 半導体層 2に近い側の X印は、この飛程 Rplを 50 μ mとしたときのプロトンの照射により FZウェハー 10内に生じた結晶欠陥 12を表す。

[0077] 続いて、プロトンの飛程が FZウェハー 10の半導体とアノード電極 4との界面から 11 0〜 140 mとなるようにアルミアブソーバーの厚さを調節して（図 12、特性図 1220 の Rp2)、アノード電極 4の側から FZウェハー 10に実施の形態 1と同じ条件でプロトンを照射する。断面図 1330において、第 2半導体層 2から遠い側の X印は、この飛程 Rp2を 110〜140 /ζ πιとしたときのプロトンの照射により FZウェハー 10内に生じた結晶欠陥 14を表す。

[0078] なお、 2回目のプロトンの照射については、アノード電極 4の反対側から照射してもよい。アノード電極 4の反対側とは、アノード電極 4を FZウェハー 10のおもて面に形成するとすれば、ウェハーの裏面側のことである。裏面側から 2回目のプロトン照射を行った場合のプロトンの分布を、図 12の特性図 1220に破線で示す。

[0079] 次いで、図 14の断面図 1400に示すように、実施の形態 1と同じ条件で熱処理を行う。それによつて、 1回目のプロトン照射でできた結晶欠陥 12の回復による第 1の高濃度領域 13と、 2回目のプロトン照射でできた結晶欠陥 14の回復による第 2の高濃度領域 15ができる。第 1の高濃度領域 13によって、所望のブロードバッファ構造が形成される。第 2の高濃度領域 15によって、第 4半導体層 7が形成される。 [0080] 次いで、図 14の断面図 1410に示すように、実施の形態 1と同様にして、 FZウエノ、一 10を例えば 120 mの厚さにする。そして、図 14の断面図 1420に示すように、実施の形態 1と同様にして、第 3半導体層 3および力ソード電極 5を形成し、半導体装置 (ダイオード)が完成する。 FZウェハー 10の、第 2半導体層 2と第 4半導体層 7の間の部分は、第 1半導体層 1となる。図 14の特性図 1430は、断面図 1420の半導体装置に対応するネットドーピング濃度のプロファイルである。

[0081] 実施の形態 3.

図 15は、本発明の実施の形態 3にかかる半導体装置の構成、ネットドーピング濃度およびプロトン分布を示す図である。図 15において半導体装置の断面図 1500に示すように、実施の形態 3の半導体装置は、図 1に示す実施の形態 1の半導体装置において、第 3半導体層 3を厚くしたものである。その他の構成は実施の形態 1と同様であるので、同一の符号を付して説明を省略する。

[0082] 一例として、実施の形態 3の半導体装置の各部のネットドーピング濃度および寸法を例示する。ただし、実施の形態 1で例示した値と異なる値のみ説明する。図 15においてアノード電極からの距離—ネットドーピング濃度 (log)の特性図 1510に示すように、第 1半導体層 1と第 3半導体層 3との界面までの距離、および第 3半導体層 3と力ソード電極 5との界面までの距離は、それぞれ 80 μ mおよび 250 μ mである。従って、第 3半導体層 3の厚さは、 170 /z mである。

[0083] また、第 3半導体層 3の、力ソード電極 5との界面におけるネットドーピング濃度は、 1 X 10²°atoms/ccである。図 15においてアノード電極からの距離—プロトン分布の特性図 1520に示すように、第 1半導体層 1のネットドーピング濃度がピークとなる箇所までの距離は、 50 /z mであり、この前後でプロトンの濃度が高ぐブロードバッファ構造を形成している。

[0084] 次に、実施の形態 3にかかる半導体装置の製造プロセスについて説明する。ここでは、一例として、図 15に例示した寸法およびネットドーピング濃度の半導体装置 (耐圧： 1200Vクラス）を製造する場合について説明する。図 16および図 17は、製造プ口セスを示す図である。まず、図 16の断面図 1600に示すように、半導体基板として、実施の形態 1と同様の FZウェハー 10を用意する。ただし、 FZウェハー 10の厚さを 50 0 μ mとする。

[0085] 次いで、図 16の断面図 1610に示すように、実施の形態 1と同様にして、 FZウエノ、一 10の両面からリンを拡散させる。ただし、熱処理の時間を 200時間として、リンを 1 70 mの深さまで拡散させ、厚さ 170 mの高濃度リン層 16を形成する。このとき、 FZゥヱハー 10の両面からゥヱハー内に大量の酸素が導入され、 FZゥヱハー 10における酸素濃度は、固溶限界濃度 (約 1 X 10¹⁸atoms/cc)となる。

[0086] 次いで、断面図 1610に一点鎖線で示すように、 FZウェハー 10を研削し、ウェハー表面の高濃度のリン拡散層 16を除去して 250 mの厚さにする。それによつて、図 1 6の断面図 1620に示すように、高濃度リン層 16からなる第 3半導体層 3を有する厚さ 250 μ mの薄ウェハー 17が得られる。この薄ウェハー 17の表面を研削およびポリッシュ（研磨）して、鏡面に仕上げる。この段階で、薄ウェハー 17の厚さ 250 mのうち、 9 0 Ω cmの高比抵抗である領域の厚さは 80 μ mとなる。

[0087] そして、薄ウェハー 17の、第 3半導体層 3ではない側の表面は、ミラー仕上げの面になっており、その比抵抗は 90 Ω cmである。一方、薄ウェハー 17の、第 3半導体層 3の側の表面は、リンガラスを除去したままの状態である。この面の表面濃度は、例えば 1 X 10²°atoms/cm³程度であり、高濃度のリンが、薄ウェハー 17の、第 3半導体層 3の側の表面力も例えば 170 m程度の深さまで拡散している。

[0088] 次いで、図 16の断面図 1630に示すように、標準的なダイオードのプロセス工程によって、薄ウェハー 17の、第 3半導体層 3ではない側の表面に第 2半導体層 2、図示しないガードリングエッジ構造、絶縁膜 6およびアノード電極 4を形成する。次いで、図 17の断面図 1700に示すように、アノード電極 4の側力薄ウェハー 17に実施の形態 1と同じ条件でプロトンを照射する。ただし、アルミアブソーバーの厚さを調節して、プロトンの飛程が薄ウェハー 17の半導体とアノード電極 4との界面から 50 μ mとなるようにする。断面図 1700において、 X印は、プロトンの照射により薄ウェハー 17内に生じた結晶欠陥 12を表す。

[0089] 次いで、図 17の断面図 1710に示すように、実施の形態 1と同じ条件で熱処理を行う。それによつて、結晶欠陥 12の回復による高濃度領域 13ができ、所望のブロードバッファ構造が形成される。次いで、図 17の断面図 1720に示すように、実施の形態 1と同様にして、力ソード電極 5を形成し、半導体装置 (ダイオード)が完成する。薄ゥハー 17の、第 2半導体層 2と第 3半導体層 3の間の部分は、第 1半導体層 1となる。

[0090] 図 17の特性図 1730は、断面図 1720の半導体装置に対応するネットドーピング濃度のプロファイルである。この実施の形態 3のように、リンを拡散させて深い力ソード拡散層を残しても、ブロードバッファ構造の効果により、従来のダイオードよりも低損失でソフトリカバリーなダイオードが得られる。

[0091] なお、本発明は、ダイオードに限らず、通常の IGBTや逆阻止 IGBTに適用することもできる。本発明を適用した IGBT等では、低損失で、かつ発振を抑えたターンオフを実現できる。特に、逆阻止 IGBTを作製する際には、 FZバルタウェハーを用い、そのおもて面にゲート構造ゃェミッタ構造やエッジ構造を作製し、電子線を lOOkGy以下で照射した後に、ウェハー全体の最終的な厚さが 100 m前後になるようにウェハ一の裏面を研削および研磨し、研削による露出面に対してボロンのイオン注入とレーザ照射によるボロンの活性ィ匕工程がある。

[0092] 一方、ターンオフ時には、ダイオードの逆回復と同様に表側から空乏層が広がり、キャリアが消滅していくが、ダイオードの場合と同様に、キャリアの急激な消滅を抑えることができるので、発振のないスムーズなターンオフが可能となる。従って、低損失でソフトリカバリーなダイオードや、発振のな!、スムーズなターンオフが可能な IGBT を作製することができる。また、そのような特性を有する IGBTモジュールを用いた P WMインバータ等の電力変換装置にぉ、て、過電圧破壊や EMIノイズの発生を抑えることがでさる。

[0093] 図 18、図 19および図 20は、実施の形態 1〜3のダイオードや FS— IGBTの適用例を示す図である。図 18に示すコンバータ一—インバータ回路 30は、効率良く誘導電動機やサーボモータ等を制御することが可能で、産業や電気鉄道等で広く用いられる。図 19に示す力率改善回路 (PFC回路) 40は、 AC— AC変換の入力電流を正弦波状に制御して波形改善をはかる回路であり、スイッチング電源用に用いられる。図 20の回路図 2000は、マトリクスコンバーター回路 50の全体図であり、回路図 2010 は、マトリクスコンバーター回路 50のスイッチング部 51の構成を示す図である。

[0094] 上記各実施の形態 1〜3によれば、ブロードバッファ構造により、最も効率的に逆回復損失の低減とソフトリカノリー特性が得られるという効果を奏する。また、 FZウエノ、一を用いており、かつェピタキシャル成長工程がないので、従来よりも著しく安価であるという効果を奏する。さらに、実施の形態 1および 2では、ウェハーを研削して薄ゥェハー化する前に、ブロードバッファ構造を形成するためのプロトンの照射や熱処理を行うので、これらの処理の際にウェハーが割れたりするのを防ぐことができる。

[0095] 実施の形態 3では、薄ウェハー化して力プロトンの照射や熱処理を行うが、薄ゥェハーがこれらの処理で割れてしまうほどには薄くないので、これらの処理の際にゥェハーが割れたりするのを防ぐことができる。従って、歩留まりよく製造することができる。また、第 3半導体層 3を薄ウェハー化した後にトランスパレンシ一に形成するので、より一層、逆回復損失の低減に有利である。

[0096] ところで、プロトンやヘリウムを SOI (シリコン'オン'インシュレーター）基板に照射し、熱処理を行うことによって、プロトンやヘリウムの照射によって誘起された欠陥により酸素を外方へ拡散させ、 SOI基板中の残留酸素を除去し、ドナー濃度を低減させる方法が公知である（例えば、特開昭 63— 27083号公報)。この方法と本発明方法とは、趣旨および効果の点で全く異なる。

[0097] つまり、本発明は、酸素を除去せずにシリコン中に残留させるものであり、特開昭 6 3— 27083号公報〖こ開示された方法とは、目的および方法が本質的に異なる。また、本発明は、酸素と水素 (プロトン）により複合欠陥を形成させてドナー化させるものであり、特開昭 63— 27083号公報に開示された方法とは、作用が異なる。さらに、本発明は、ネットドーピング濃度 (この場合はドナー濃度)を高くするものであり、特開昭 63 — 27083号公報に開示された方法とは、効果も全く異なる。

[0098] また、特開昭 63— 27083号公報に開示された方法によれば、 MOSの閾値を安定ィ匕させることができる。それに対して、本発明では、ダイオードの場合には MOS構造が存在しない。あるいは、本発明を MOSデバイスへ適用した場合でも、本発明の作用および効果は、 N—ドリフト層に対するものであり、シリコン表面に形成される MOS 構造への影響はない、という点で、本発明は特開昭 63— 27083号公報に開示された方法とは異なる。

[0099] 実施の形態 4. 図 21は、実施の形態 4にかかる半導体装置の構成およびネットドーピング濃度を示す図である。図 21において半導体装置の断面図 2100に示すように、この半導体装置は、 FS (フィールドストップ)型の IGBTである。 N—ドリフト層となる N型の第 1半導体層 1の一方の主面側に、 Pベース層となる P型の第 2半導体層 2が形成されている。また、第 1半導体層 1の他方の主面側には、第 1半導体層 1よりも不純物濃度が高い N 型のフィールドストップ層となる第 3半導体層 3が形成されている。また、第 3半導体層 3の表面には、 Pコレクタ層 2104が形成されている。

[0100] また、第 2半導体層 2の表面には、ェミッタ電極 2105が形成されている。また、第 1 半導体層 1および第 2半導体層 2に接するように、ゲート絶縁膜 2106およびゲート電極 2107からなる MOSゲート構造が形成されている。さらに、第 2半導体層 2のうちェミッタ電極 2105およびゲート絶縁膜 2106に接する部分に N+ソース領域 2108が形成されている。また、 Pコレクタ層 2104の表面には、コレクタ電極 2109が形成されている。

[0101] 図 21において、ェミッタ電極 2105からの距離一ネットドーピング濃度 (log)の特性図 2110に示すように、第 1半導体層 1のネットドーピング濃度は、第 1半導体層 1のほぼ中間付近に高濃度領域 2113のピークを有し、第 2半導体層 2および第 3半導体層 3に向力つて、傾きをもって減少している。すなわち、実施の形態 4の半導体装置は、ブロードバッファ構造となっている。このブロードバッファ構造は、高濃度領域 2113 により形成される。第 2半導体層 2、第 3半導体層 3および Pコレクタ層 2104のネットド一ビング濃度は、ともに第 1半導体層 1のネットドーピング濃度よりも高い。

[0102] 一例として、実施の形態 4の半導体装置を、耐圧が 1200Vクラスで、定格電流が 1 50Aとなるように、チップサイズを 10mm X 10mmとして作製した場合の各部のネットドーピング濃度および寸法を例示する。寸法については、第 2半導体層 2とェミッタ電極 2105との界面を基準とし、特に断らない限り、この界面からの距離で表す。

[0103] 第 2半導体層 2と第 1半導体層 1との界面までの距離は、である。 Pコレクタ層 2104とコレクタ電極 2109との界面までの距離は、 140 /z mである。第 3半導体層 3と pコレクタ層 2104との界面から、 Pコレクタ層 2104とコレクタ電極 2109との界面までの距離、すなわち Pコレクタ層 2104の厚さは、 0. 5 mである。 [0104] 第 2半導体層 2のネットドーピング濃度は、ェミッタ電極 2105との界面において 5 X 10¹⁶at_Oms/_CCであり、第 1半導体層 1に向かって低くなり、第 1半導体層 1との界面では、 5 X 10¹³atoms/ccよりも低い。第 1半導体層 1のネットドーピング濃度は、第 2 半導体層 2との界面では、 5 X 10¹³atoms/ccよりも低いが、第 2半導体層 2との界面近傍で 5 X 10¹³atomsZccとなる。

[0105] そして、第 1半導体層 1のほぼ中間付近でピークとなる箇所のネットドーピング濃度は、 1. 5 X 10¹⁴atoms/ccである。また、第 1半導体層 1の、第 3半導体層 3との界面およびその付近におけるネットドーピング濃度は、 5 X 10¹³atomsZccである。

[0106] 第 3半導体層 3のネットドーピング濃度は、第 1半導体層 1との界面において 5 X 10¹ ³atomsZccであり、 Pコレクタ層 2104に向力つて高くなる。第 3半導体層 3のネットド一ビング濃度は、 Pコレクタ層 2104との界面近傍で第 1半導体層 1のピークのネットド一ビング濃度である 1. 5 X 10"atoms/ccよりも高くなる力 Pコレクタ層 2104との界面では、 5 X 10¹³atomsZccよりも低い。

[0107] Pコレクタ層 2104のネットドーピング濃度は、第 3半導体層 3との界面において 5 X

10¹³atomsZccよりも低いが、コレクタ電極 2109に向かって高くなり、コレクタ電極 2 109との界面で 1 X 10¹⁸atoms/ccとなる。

[0108] 第 1半導体層 1のネットドーピング濃度がピークとなる箇所までの距離は、 60 mである。この距離は、製造段階で第 2半導体層 2の表面にプロトンを照射したときのプロトンの飛程 Rpに等しい。このプロトンの飛程 Rpの前後でプロトンの濃度が高い。第 1 半導体層 1には酸素原子が導入されており、酸素原子とプロトンとからなる複合ドナ一によつて、所望のブロードバッファ構造が形成されている。

[0109] 実施の形態 5.

図 22は、実施の形態 5にかかる半導体装置の構成、ネットドーピング濃度、酸素濃度および水素濃度を示す図である。図 22において半導体装置の断面図 2200に示すように、この半導体装置は、 NPT (ノンパンチスルー）型の IGBTに逆阻止能力を持たせた逆阻止 IGBTである。

[0110] 図 22において、符号 1は、 N—ドリフト層となる N型の第 1半導体層である。符号 2は、

Pゥエル領域となる P型の第 2半導体層である。符号 2201は N型のェミッタ領域、符号 2202はゲート絶縁膜、符号 2203はゲート電極、符号 2204は層間絶縁膜、符号 2205は Pコレクタ層、符号 2206は側面 Pコレクタ層、符号 2207はェミッタ電極、符号 2208はコレクタ電極である。

[0111] 逆阻止型 IGBTにはダイオード動作があるため、 N型のブロードバッファ層を設けることで、 IGBT動作だけでなぐダイオード動作の改善も可能である。このブロードバッファ層は、側面 Pコレクタ層 2206に到達しても、してなくても構わない。図 22において、符号 2210はェミッタ電極 2207からの距離—ネットドーピング濃度 (log)の特性図、符号 2220はェミッタ電極 2207からの距離酸素分布の特性図、符号 2230はェミッタ電極 2207からの距離一水素分布の特性図である。

[0112] 逆阻止 IGBTの場合、シリコン基板のおもて面力裏面までの厚さは、特に限定しないが、例えば、耐圧 600Vでは 100 μ mであり、耐圧 1200Vでは 180 μ m程度である。ェミッタ電極 2207からの距離—酸素分布の特性図 2220に示すように、逆阻止 IGBTでは、基板おもて面側、すなわち第 1半導体層 1のェミッタ電極側の領域において、酸素濃度が低くなつている。

[0113] ェミッタ電極 2207からの距離—水素分布の特性図 2230に示すように、プロトンは、その飛程が基板中の裏面側半分、すなわち酸素濃度が高い領域に入るように照射される。例えば、プロトンの飛程は、耐圧 600Vでは裏面から 25 m (表面からは 75 μ m)程度であり、耐圧 1200Vでは裏面から 50 m (表面からは 130 μ m)程度である。このようにすれば、特にダイオード動作時の発振を抑制でき、放射ノイズを抑えることができる。

[0114] 実施の形態 6.

図 23は、実施の形態 6にかかる半導体装置のシリコン基板中の酸素原子濃度とダィオードの逆回復ピーク電圧 (逆回復中のサージ電圧）の関係を示す図である。図 2 3において、縦軸は、規格ィ匕された値である。この実施の形態 6の半導体装置は、前述の方法により作製されたブロードバッファダイオードである。

[0115] 図 23に示すように、基板中の酸素濃度により、プロトン照射および熱処理後の、ブロードバッファ層の濃度および移動度の値が変化し、ダイオードの逆回復特性が変わってくる。酸素濃度が l X 10¹⁶atomsZcm³以上であれば、ブロードバッファ層は問題なく形成され、逆回復におけるサージ電圧を抑制できることがわ力る。

[0116] それに対して、酸素濃度が 1 X 10¹⁶atoms/cm³未満の場合には、ブロードバッファ層のドナー濃度が低くなるだけでなぐ欠陥濃度が高くなるため、ダイオードの逆回復特性は、従来と同じになり、発振やサージ電圧の増加が見られる。従って、シリコン基板中の酸素の濃度は、 1 X 10¹⁶atoms/cm³以上であるのが望ましい。

[0117] 一方、拡散時の温度が 1300°Cである場合の酸素の固溶度は、 1 X 10¹⁸/cm³である（「シリコンの科学」（リアライズ社、 1996年 06月））。従って、シリコン基板中の酸素の最大濃度は、 l X 10¹⁸/cm³となる。以上より、望ましくは、シリコン基板中の酸素の濃度は、 1 X 10¹⁶atoms/cm³以上 1 X 10¹⁸atoms/cm³以下であるのがよい。

[0118] 実施の形態 7.

図 24〜図 29は、実施の形態 7にかかる半導体装置の CV測定によるキャリア濃度分布測定の結果を示す図である。ここでは、 3300 «!1の 2—?^型シリコンゥェハー（表面は鏡面仕上げ）に裏面からリンを 1 X lo cm³, 80 mの深さまで拡散させた厚さ 500 /z mのウェハー（サイズは任意、例えば、直径 5または 6インチ）を用いる。

[0119] このリンの拡散時に、ウェハー内に酸素原子が導入される。以下、この酸素を含むウェハーを DWウェハーとする。 DWウェハーとは、リン等の不純物とともに酸素を拡散させたゥヱハーのことである。ここでは、前記実施の形態 6より、ウェハー中の酸素の濃度は、 1 X 10¹⁶atoms/cm³以上 1 X 10¹⁸atoms/cm³以下とする。

[0120] このウェハーに対して、おもて面からプロトン H+をドーズ量 1. O X 10^u〜l . O X 10¹⁴ および加速電圧 7. 9MeVにて照射する。さらに、 300°C力ら 500°Cまで 50 °C刻みの各温度で 60分間の熱処理を行う。

[0121] CV測定では、 solid state measurement社製の CV測定装置 SSM495ハードプローブを用いる。測定素子は、次のように作製する。上述したウェハーに、初期酸化膜を 8000オングストロームの厚さに成長させて表面活性部（アノード電極が接触する部分）をエッチングし、そこにボロンを l X 10¹³Zcm²のドーズ量で、 lOOkeVの加速電圧でイオン注入する。

[0122] その後、 1150°C、 200分で熱処理をして、 Pアノード層およびエッジ構造部分のガードリング P層を形成する。その後、 PSG膜を 1. 5 m成長させて活性部をエツチングし、 Al— Sil%を表面にスパッタリングで成長させた後、ノターンユングによりァノード電極を形成する。

[0123] その後、 7. 9MeVの加速電圧でドーズ量 1 X 10^u〜l X

おもて面からの飛程 Rpを 40 mにしてプロトン照射を行う。そして、窒素または水素雰囲気で 300 °C〜500°C (50°C刻み）の各条件で熱処理を行う。その後、裏面に TiZNiZAuを合計 1 μ m程度の厚さに蒸着して、最終的に PiNダイオードを作製する。このダイォードの活性面積 (表面のアルミ電極と Pアノード層が接している部分の面積）は 0. 72 cm (？める。

[0124] このように、ガードリングをエッジ構造にして高比抵抗ウェハーを用いれば、 CV測定を行う際に、空乏層端の影響を受けることなしに、装置の最大印加電圧 250Vにて空乏層が広がる幅約 150 mに渡り容量を測定できる。そのため、ドナー化の度合いにもよるが、プロトンの飛程 Rp、すなわちおもて面力も 40 mの位置も空乏化するので、その位置近傍のキャリア濃度を測定できる。

[0125] 空乏層幅 Wにおけるキャリア濃度 N (W)は、次の（1)式にて与えられ、 Rp近傍における正味のドナー濃度分布がわかる。ただし、（1)式において、印加電圧を V、容量を C、真空の誘電率を ε 0、シリコンの比誘電率を ε s、素子の活性面積を Aとする。

[0126] [数 1]

[0127] 図 24、図 25および図 26は、それぞれ、プロトンのドーズ量が 1. O X 10^uZcm²であり、熱処理温度が 300°C、 350°Cおよび 400°Cの試料の CV測定結果である。また、図 27、図 28および図 29は、それぞれ、プロトンのドーズ量が 1. O X 10¹²Zcm²であり、熱処理温度が 300°C、 350°Cおよび 400°Cの試料の CV測定結果である。

[0128] 図 30〜図 35は、 DWウェハーの代わりに、ウェハー裏面のリン拡散を行わない通常の FZウェハーを用いて測定素子を作製し、 CV測定を行った結果を示す図である。測定素子の作製方法は、上述した DWウェハーを用いる場合と同様である。 DWゥェハーを用いる場合との違いは、リン拡散時に導入された過飽和の酸素がウェハー中に存在しない（あるいは、検出限界の l X 10¹⁵/cm³以下)ことと、拡散による熱履歴がないことである。

[0129] 図 30、図 31および図 32は、それぞれ、プロトンのドーズ量が 1. O X 10^uZcm²であり、熱処理温度が 300°C、 350°Cおよび 400°Cの試料の CV測定結果である。また、図 33、図 34および図 35は、それぞれ、プロトンのドーズ量が 1. O X 10¹²Zcm²であり、熱処理温度が 300°C、 350°Cおよび 400°Cの試料の CV測定結果である。

[0130] 図 36〜図 41は、実施の形態 7にかかる半導体装置の断面 SR分布測定の結果を示す図である。ここでは、上述した CV測定の場合と同様の方法にて形成された DW ウェハーを用い、 CV測定の場合と同様の方法にて測定素子を作製する。 SR分布測定には、 solid state measurement社製の SR測定装置 SSM2000を用いる。

[0131] サンプルのマウント (研磨）角度は 5° 44' であり、研磨面の最終仕上げには 1Z2 0 mダイヤモンドコンパウンドを用いる。また、図 24〜図 29において用いられる試料との違いは、シリコン結晶の比抵抗が 120 Q cm (3. 83 X 10¹³Zcm³)であることであり、その他の点については同じである。

[0132] 図 36、図 37および図 38は、それぞれ、プロトンのドーズ量が 1. O X 10^uZcm²であり、熱処理温度が 300°C、 350°Cおよび 400°Cの試料の SR分布測定結果である。また、図 39、図 40および図 41は、それぞれ、プロトンのドーズ量が 1. O X 10¹²Zcm²であり、熱処理温度が 300°C、 350°Cおよび 400°Cの試料の SR分布測定結果である。

[0133] 図 42〜図 47は、 DWウェハーの代わりに、ウェハー裏面のリン拡散を行わな！/、通常の FZウェハーを用いて測定素子を作製し、 SR分布測定を行った結果を示す図である。測定素子の作製方法および DWウェハーを用いる場合との違いにっ、ては、上述した通りである。

[0134] 図 42、図 43および図 44は、それぞれ、プロトンのドーズ量が 1. O X 10^uZcm²であり、熱処理温度が 300°C、 350°Cおよび 400°Cの試料の SR分布測定結果である。また、図 45、図 46および図 47は、それぞれ、プロトンのドーズ量が 1. O X 10¹²Zcm²であり、熱処理温度が 300°C、 350°Cおよび 400°Cの試料の SR分布測定結果である。

[0135] また、プロトン（H+)の代わりに、ヘリウムイオン（He²⁺)を用いる。加速電圧を 24Me Vとし、ドーズ量を 1 X 10¹²/cm²とし、飛程 Rpを 40 μ mとしてヘリウムイオン照射した試料を同様のプロセスにて形成し、 CV測定および SR分布測定を行う。 [0136] 図 48は、プロトンまたはヘリウムイオンの照射による、ブロードバッファ層の形成状況をまとめた表である。図 48に示す表には、 CV測定による評価と SR測定による評価のそれぞれについて、イオン種とその照射量、および熱処理の有無とその熱処理温度における形成状況がまとめられている。

[0137] 図 48において、「◎」は、良好に形成、すなわちイオンの飛程部分を濃度の最大ピークとする所望の形状（山形状)の濃度分布が得られて、かつバルタシリコンの濃度よりもネット濃度が高くなつていることを表す。つまり、ブロードバッファ層が良好に形成されていることを表す。「〇」は、 CV測定評価が一部装置限界のため不十分であるが、所望の山形状の濃度分布が得られていることを表す。

[0138] 「△」は、不十分、すなわち所望の山形状の濃度分布が得られて!/、な、か、または SR測定の値が CV測定値より小さいことを表す。移動度が低下すると、 SR測定の値が CV測定値より小さくなる。「X」は、所望の山形状の濃度分布が得られていないことを表す。

[0139] 酸素を含むウェハーを用いた場合 (表において、 DW、 CZ—FZの場合）、照射量が I X 10^u〜l X 10¹²atomsZcm²であり、熱処理温度が 300°C〜400°Cであれば、ブロードバッファ層が良好に形成されていることがわかる。従って、この範囲の条件での処理が望ましい。

[0140] さらに、測定限界を超えている力所望の山形状の濃度分布が得られているものを含めてもよい。この場合には、照射量が l X 10¹⁴atoms/cm²までであってもよいし、熱処理温度が 450°C以下であってもよ!/、。

[0141] 図 24〜図 48より、次のことがわかる。まず、図 24〜図 29に示すように、 DWウエノ、一にプロトンを照射する場合、基板濃度（1. 4 X 10¹³atoms/cm³)に対して深さ 40 mを中心に、ドナー化をおこして高濃度になっていることが分かる。これは、図 48 に「◎」または「〇」で示すように、プロトンの照射直後、すなわち熱処理を行う前の段階でも確認される。この分布力ブロードバッファ構造となる。

[0142] 熱処理温度が 300°C以上 400°C以下では、ブロードバッファ構造が形成されている。 CV測定結果の図示を省略するが、図 48に示すように、熱処理温度が 400°Cで高ドーズ量（1 X 10¹³/cm²または 1 X 10"/cm²)の場合には、おもて面から深さ 20 μ m程度の領域も高濃度化している。

[0143] 一方、 CV測定結果の図示を省略するが、熱処理温度が 450°C以上で低ドーズ量 ( 1 X 10^u/cm²または 1 X 10¹²/cm²)では、ほとんど基板濃度まで回復し、プロトンの照射によるドナーが消滅している。 CV測定結果の図示を省略するが、熱処理温度が 450°C以上でも、高ドーズ量では、ドナー化による高濃度領域が若干存在する。

[0144] このように、 DWウェハーへのプロトン照射の場合は、全ドーズ量に渡り、ブロードバッファ構造を形成し、特に 300°C以上 450以下力その形成に有効な温度範囲である。 CV測定結果の図示を省略するが、ヘリウムイオン照射の場合は、熱処理温度が 450°C以上で飛程 Rp近傍に濃度のピークが見られる力プロトンの場合と比べてドナー化濃度が低い。

[0145] 図 30〜図 35に示すように、通常の FZウェハーにプロトンを照射する場合、 DWゥェハーの結果と比べると、ドナー化によるネットドーピング濃度の増加の割合が小さぐ最大 1Z3程度である。これより、ウェハー中に酸素が含まれている方が、ドナー化を効果的に促進していることが分かる。ただし、熱処理温度が 400°Cよりも高いと、 DW ウェハーを用いる場合と比べて、おもて面から深さ 20 mまでの間にサーマルドナーの影響がでないので、 400°C〜450°Cの温度範囲、例えば 420°C以上の温度での熱処理が必要である場合には、通常の FZウェハーを用いてもょ、。

[0146] 図 36〜図 41に示すように、 DWウェハーにプロトンを照射する場合、 SR測定と CV 測定における濃度分布の大きな違いは、飛程 Rp近傍のドナー濃度力 SR測定では低濃度を示す条件が多いことである。プロトンのドーズ量が 1 X 10^u/cm²または 1 X 10¹²/cm²である場合、 SR測定結果の図示を省略するが、熱処理なし (プロトンの照射直後）のときの測定濃度は、基板と同レベルである。

[0147] 熱処理温度 450°Cのときの SR測定結果の図示を省略するが、熱処理温度が 300 °C〜450°Cに渡って飛程 Rpをピークに高濃度（ドナー)化している。しかし、 SR測定結果の図示を省略するが、ドーズ量が 1 X 10¹³Zcm²および 1 X 10¹⁴Zcm²と増加するにつれて、熱処理温度が 350°C以下の場合に、飛程 Rp近傍 (〜深さ約 20 mまで）の濃度が大きく減少している。また、曲線が滑らかではなぐキンクが生じている。

[0148] これは、軽イオン照射によるキャリア移動度の低下が原因である。イオン照射を行う場合、被照射体 (シリコン)では、イオンが非弾性衝突を繰り返して停止するまでの間、シリコンがイオン力もエネルギーを受け取る。それによつて、イオン透過領域でシリコンの部分溶融が生じ、その結果、欠陥が生じる。この欠陥は、主に転位 (線欠陥）であり、この転位線を中心に空間電荷が生じる。この空間電荷は、キャリアを散乱するため、電子の散乱緩和時間が短くなり、移動度が低下する（「半導体評価技術」（河東田編著、産業図書、 1989)の P42を参照)。

[0149] 図 42〜図 47に示すように、通常の FZウェハーにプロトンを照射する場合、 DWゥェハーを用いる場合と比べて、 SR測定における濃度低下が大きぐ最大で濃度が 1桁小さくなつている。つまり、通常の FZウェハーを用いる方力 DWウェハーを用いるよりも、移動度の低下が大きい。

[0150] 図 24〜図 29と図 30〜図 35を比較すると、通常の FZウェハーでは、 DWウェハーに比べて、ドナー化濃度が 1Z3ほど小さくなつているので、移動度も 1Z3に減少していることになる。このように、ウェハー中に酸素が含まれていることによって、イオン照射時における移動度の低下を抑制することができる。

[0151] 図 49は、 DWウェハーを用いた測定素子で、照射したプロトンの飛程 Rpを 2 μ mとし、他は前述と同じ処理 (熱処理)を施したウェハー表面のシート抵抗を測定した結果を示す図である。シート抵抗は、最表層の抵抗を最も反映するので、表層から深さ 2 m近傍までの抵抗率がわかる。シート抵抗 Rsおよび拡散深さ xjと、拡散領域の平均比抵抗 P sとの間には、次の（2)式の関係が成り立つ。

[0152] [数 2]

[0153] 図 49に示すように、 DWウェハーでは、熱処理温度が 350°C以上において、シート抵抗が約 200 ΩΖ口に飽和している。これは、 CV測定のキャリア濃度分布の深さ下限 (最表層〜 5 μ m程度）が、平均濃度で約 1 X 10¹⁵Zcm³程度になっていることを示している。

[0154] これは、サーマルドナーだけではなぐ水素と酸素およびシリコンの複合ドナーが、安定的に最表層に残っていることを示している。以上のことから、酸素を含有する D Wウェハーを用いて、上述したドーズ量でプロトンを照射し、上述した温度範囲で熱処理すること力安定的なブロードバッファ層の形成にとって、有効である。なお、シート抵抗については、プロトンのドーズ量が 1 X 10¹³/cm²または 1 X 10"/cm²の場合も、良好な結果が得られている。

[0155] 実施の形態 8.

一般に、イオン照射には、前記特許文献 5、 7および 8に開示されているように、ゥェハーの少数キャリアのライフタイムを下げる効果がある。このライフタイム低下とドナー化との関連について調べた結果について説明する。

[0156] 図 50は、実施の形態 8のウェハーの熱処理温度とライフタイムの関係を示す図である。ここでは、 1 X 10^u〜l X 10¹³Zcm²のドーズ量でプロトンを照射し、種々の温度で熱処理を行ったウェハーと、ヘリウムイオンを照射し、種々の温度で熱処理を行つたウェハーと、酸化膜 1000オングストロームのみを形成したベアウェハーについて、ライフタイムの測定を行う。

[0157] ライフタイム測定には、コベルコ科研の LTA— 1200EPを使用する。図 50には、ゥェハー内 49点の多点測定における平均値が示されている。図 50より、ドーズ量が 1 X 10¹²Zcm²以上でのプロトンの照射では、 350°C〜400°Cの間でライフタイムが大きく変化して、ることがわ力る。

[0158] プロトンの照射と熱処理を行って!/、な、ベアウェハーのライフタイムは、 400 μ s程度である。それに対して、その値 (400 s程度）までは回復していないものの、熱処理温度が 400°C以上であれば、プロトンを照射したウェハーのライフタイムは 10 s 前後であり、デバイスの特性 (ダイオード順電圧、逆回復損失等)の制御の点力ゝら望ましい。

[0159] し力し、上述したように、ドナー化によるブロードバッファプロファイルの形成条件としては、熱処理温度が 300°C〜450°C以下であるのが望ましい。従って、これらの結果から、プロトンのドーズ量は、 1 X 10^u/cm²以上 1 X 10¹⁴Zcm²以下であり、熱処理温度は、 300°C以上 450°C以下、好ましくは 350°C以上 420°C以下であるのがよい。

[0160] 以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、種々変更可能である。例えば、実施の形態中に記載した寸法や濃度、電圧値や電流値、温度や時間等の処理条件などの種々の値は一例であり、本発明はそれらの値に限定されるものではない。また、各実施の形態では第 1導電型を N型とし、第 2導電型を P型としたが、本発明は第 1導電型を P型とし、第 2導電型を N型としても同様に成り立つ。

[0161] さらに、上述した実施の形態では、プロトンの照射領域のライフタイムは、もともとのウェハーのライフタイム（15〜30 s)まで回復している力プロトンの照射量などの条件や、回復熱処理の条件 (温度、時間、雰囲気など)を変更して、プロトンの照射領域のライフタイム値を低減させてもよい。また、本発明は、 1200Vクラスに限らず、 60 OVや 1700V、あるいはそれ以上の耐圧クラスでも同様に適用可能である。

[0162] 例えば、 600Vクラスである場合には、ウェハーの比抵抗は 20〜90 Q cmであり、最終厚さが 50〜70 /ζ πιである。 1700Vクラスである場合には、ウェハーの比抵抗は 80 〜200 Ω cmであり、最終厚さ力 20〜200 μ mである。

産業上の利用可能性

[0163] 以上のように、本発明にかかる半導体装置およびその製造方法は、電力用半導体装置に有用であり、特に、電気的損失および放射電磁ノイズの低い、環境問題を考慮した IGBTモジュールや IPM (インテリジェントパワーモジュール）に適して、る。

Claims

請求の範囲

[1] 第 1導電型の第 1半導体層の第 1主面側に該第 1半導体層よりも高濃度の第 2導電型の第 2半導体層が形成され、かつ前記第 1半導体層の第 2主面側に該第 1半導体層よりも高濃度の第 1導電型の第 3半導体層が形成された半導体装置において、前記第 1半導体層中に該第 1半導体層の不純物濃度が極大となる箇所が少なくとも 1か所あり、かつ前記第 1半導体層の不純物濃度が、前記極大となる箇所から前記第 2半導体層および前記第 3半導体層の両方に向かって低くなり、

さらに、前記第 1半導体層中の少なくとも不純物濃度が極大となる箇所に、酸素原子と酸素よりも軽!ヽ原子が含まれて！/ヽることを特徴とする半導体装置。

[2] 前記酸素より軽!、原子が水素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] 上記請求項 1または 2に記載の半導体装置を製造するにあたって、

第 1導電型の第 1半導体層となる第 1導電型の半導体基板中に酸素を導入するェ程と、

前記半導体基板の第 1主面または第 2主面に荷電粒子を照射して、該半導体基板中の前記第 1半導体層に結晶欠陥を導入する工程と、

熱処理を行って、前記第 1半導体層中に導入された結晶欠陥を回復させることにより、前記第 1半導体層内の一部のネットドーピング濃度を前記半導体基板の当初のネットドーピング濃度よりも高くする工程と、

を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。

[4] 前記荷電粒子がプロトンであることを特徴とする請求項 3に記載の半導体装置の製造方法。

[5] プロトンを照射する際のプロトンのドーズ量が 1 X 10^Uatoms/cm²以上 1 X 10¹⁴at omsZcm²以下であることを特徴とする請求項 4に記載の半導体装置の製造方法。

[6] 前記半導体基板中への酸素の導入後、荷電粒子の照射前に、該半導体基板の第 1主面側に該半導体基板よりも高濃度の第 2導電型の第 2半導体層を形成する工程と、

前記熱処理による結晶欠陥の回復後、前記半導体基板の第 2主面を研削するェ程と、

前記半導体基板の、研削により露出した面の側に前記第 1半導体層よりも高濃度の第 1導電型の第 3半導体層を形成する工程と、

をさらに含むことを特徴とする請求項 3に記載の半導体装置の製造方法。

[7] 前記荷電粒子がプロトンであることを特徴とする請求項 6に記載の半導体装置の製造方法。

[8] プロトンを照射する際のプロトンのドーズ量が 1 X 10^uatoms/cm²以上 1 X 10¹⁴at omsZcm²以下であることを特徴とする請求項 7に記載の半導体装置の製造方法。

[9] 前記半導体基板中への酸素の導入時に、酸素とともに第 1導電型不純物を導入して該半導体基板よりも高濃度の第 1導電型の第 3半導体層を形成する工程と、前記半導体基板中への酸素および第 1導電型不純物の導入後、荷電粒子の照射前に、前記第 1導電型不純物が導入されていない前記第 1半導体層の表面に該第 1 半導体層よりも高濃度の第 2導電型の第 2半導体層を形成する工程と、

[10] 前記荷電粒子がプロトンであることを特徴とする請求項 9に記載の半導体装置の製造方法。

[11] プロトンを照射する際のプロトンのドーズ量が 1 X 10^uatoms/cm²以上 1 X 10¹⁴at omsZcm²以下であることを特徴とする請求項 10に記載の半導体装置の製造方法。

[12] 前記荷電粒子の照射による結晶欠陥の導入後、 250°C以上 500°C以下の温度で熱処理を行うことを特徴とする請求項 3〜： L1のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。

[13] 前記荷電粒子の照射による結晶欠陥の導入後、 300°C以上 450°C以下の温度で熱処理を行うことを特徴とする請求項 3〜： L1のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。

[14] 前記荷電粒子の照射による結晶欠陥の導入後、 350°C以上 420°C以下の温度で熱処理を行うことを特徴とする請求項 3〜： L1のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。