WO2013141141A1 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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proton
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勇介 小林
吉村　尚
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富士電機株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device.
  • power semiconductor devices there are diodes having a withstand voltage of 400 V, 600 V, 1200 V, 1700 V, 3300 V or more, IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), and the like. These power semiconductor devices are used in power converters such as converters and inverters. Power semiconductor devices are required to have characteristics such as low loss, high efficiency and high tolerance, and low cost.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of a diode for explaining the prior art.
  • a p-type anode layer 1501 is formed on the main surface of the n ⁇ -type semiconductor substrate 1500, and an n + -type cathode layer 1502 is formed on the opposite side.
  • a p-type layer to be a termination region 1503 is formed at the outer peripheral position of the p-type anode layer 1501.
  • An anode electrode 1505 is provided on the p-type anode layer 1501, and a cathode electrode 1506 is provided on the lower surface of the n + -type cathode layer 1502.
  • Numeral 1507 is a field plate, and numeral 1508 is an insulating layer.
  • control of doping concentration at a deep position of the n ⁇ -type semiconductor substrate 1500 is required from the front surface side toward the back surface side. It is done.
  • a method of carrier concentration control there is known a method of donor generation using proton injection which can obtain a deep range in silicon at a relatively low acceleration voltage.
  • This method is a method of performing proton injection into a region containing a predetermined concentration of oxygen to form an n-type region.
  • This proton implantation is known to generate crystal defects in a silicon substrate. This crystal defect is essential for donor formation, but depending on the type and concentration of the defect, the leakage current increases and the electrical characteristics deteriorate.
  • the defect introduced by proton injection is not only the proton range Rp (the distance from the injection surface at the position where the ion injected is most concentrated) but also the proton from the injection surface to the flight range Many remain in the passage area and near the injection surface.
  • This residual defect is in a state close to an amorphous state due to a large deviation of atoms (in this case, silicon atoms) from lattice positions and strong disorder of the crystal lattice itself. Therefore, residual defects cause scattering centers of carriers such as electrons and holes to lower carrier mobility and increase conduction resistance, and cause carriers to become generation centers to increase leakage current, etc. Bring As described above, the proton injection causes a defect which is strongly disturbed from the crystal state, which remains in the proton passage region from the proton injection surface to the range and causes a decrease in carrier mobility and a leakage current. Especially called disorder.
  • disorder lowers carrier mobility and causes characteristic defects such as increase in leakage current and conduction loss. Therefore, there is a need for a suitable crystal defect control technique that generates donors while suppressing the increase in leakage current.
  • one of the main donor generation factors is that hydrogen introduced into silicon is replaced with oxygen of VO defects in which silicon vacancies and oxygen atoms are linked by heat treatment, and oxygen clusters It is known to promote donorization.
  • a technique related to the amount of proton injection and annealing temperature see, for example, Patent Document 1 below
  • a technology that describes heat treatment conditions for a donor generation method by proton injection for example, 2
  • a technique is disclosed in which the depth from the injection surface is described for the region formed by the donor generation method by proton injection.
  • silicon thyristor pellets are locally ion-implanted with protons in the peripheral portion, subjected to low-temperature heat treatment to locally convert protons in crystals, and low resistance channel stop layer
  • the channel stop layer is formed by a simple process at a location in the crystal where patterning of the silicon substrate is difficult.
  • Patent Document 2 relates to a method of forming a blocking zone embedded in a semiconductor substrate, comprising the steps of preparing a semiconductor substrate having a first and a second surface and having a basic doping of a first conductivity type. Injecting protons into one of the first and second surfaces of the semiconductor substrate such that protons are introduced into a first region of the semiconductor substrate spaced apart from the injection surface; A heat treatment is performed to heat the semiconductor substrate to a predetermined temperature for a predetermined time, and hydrogen-induced donors are generated in both the first region and a second region adjacent to the first region and the injection surface. And the step of
  • a plurality of blocking zones are formed by the injection of protons into a semiconductor substrate, and the deepest one of them is formed to a depth of 15 ⁇ m from the injection surface.
  • Patent Document 1 does not describe in detail the hydrogen atmosphere annealing.
  • Patent Document 2 does not describe a method for increasing the donor conversion rate.
  • the donor conversion ratio is the ratio of the integrated concentration in the depth direction of the region donor-converted by proton to the irradiation dose (dose amount) of proton.
  • FIG. 13 is a characteristic diagram comparing the carrier concentration distribution when the range Rp of proton injection is around 15 ⁇ m and deeper than that for each range.
  • 13 (a) shows the case where the range Rp is 50 ⁇ m
  • FIG. 13 (b) shows the case where the range Rp is 20 ⁇ m
  • FIG. 13 (c) shows the case where the range Rp is 15 ⁇ m. Indicates the case.
  • the carrier concentration in the vicinity of the proton injection surface (depth 0 to 5 ⁇ m) and the passage region is determined by the impurity concentration 1 ⁇ 10 14 (/ cm 3 ) of the silicon substrate. Also, the disorder has been sufficiently reduced.
  • the carrier concentration in the vicinity of the injection surface and in the passage region of protons is greatly reduced, and disorder is reduced. It can be seen that When the disorder remains in this manner, the leakage current and the conduction loss of the element increase.
  • the range Rp of proton injection exceeds 15 ⁇ m, it is necessary to study a new method to reduce disorder.
  • a method of manufacturing a semiconductor device has the following features. First, an implantation step of implanting protons from the back surface of the semiconductor substrate of the first conductivity type is performed. After the implantation step, the semiconductor substrate is annealed in an annealing furnace to form a first semiconductor region of a first conductivity type having an impurity concentration higher than that of the semiconductor substrate. At this time, in the forming step, the annealing furnace is in a hydrogen atmosphere, and the volume concentration of hydrogen is 0.5% or more and less than 4.65%.
  • the semiconductor device is a diode
  • the first semiconductor region of the first conductivity type is an n-type field stop layer
  • the semiconductor substrate Is a cathode layer.
  • the semiconductor device is an insulated gate bipolar transistor, and the first semiconductor region of the first conductivity type is an n-type field stop layer.
  • the semiconductor substrate is a drift layer.
  • the volume concentration of hydrogen is set so that the carrier concentration in the region from the n-type field stop layer of the semiconductor substrate to the cathode electrode is approximately the substrate concentration. It is characterized in that it is set to a possible concentration.
  • the volume concentration of hydrogen is set so that the carrier concentration in the region from the n-type field stop layer of the semiconductor substrate to the collector electrode is approximately the substrate concentration. It is characterized in that it is set to a possible concentration.
  • an annealing temperature of the annealing is 300 ° C. to 450 ° C.
  • an annealing temperature of the annealing is 350 ° C. to 400 ° C.
  • the processing time of the annealing process is 1 hour to 10 hours.
  • the processing time of the annealing processing is 3 hours to 7 hours.
  • the processing time of the annealing processing is 5 hours or less.
  • the injection amount of protons in the proton injection is 3 ⁇ 10 12 / cm 2 to 5 ⁇ 10 14 / cm 2. .
  • the injection amount of protons in the proton injection is 1 ⁇ 10 13 / cm 2 to 1 ⁇ 10 14 / cm 2. .
  • the logarithm log (E) of the implantation energy E of the proton implantation is represented by y
  • the logarithm log (Rp) of the proton range Rp is represented.
  • hydrogen can be introduced into silicon other than proton implantation by performing annealing after proton implantation in a hydrogen atmosphere in a range of 0.5% to 4.65% hydrogen concentration. Become. Then, the crystal defects at the proton passing portion can be recovered, and the drop of the carrier concentration in the region from the n-type field stop layer to the cathode electrode can be prevented.
  • hydrogen can be introduced into a silicon substrate without increasing crystal defects in generating a donor by proton injection, and there is an effect that characteristic deterioration due to crystal defects is not caused. Further, according to the method of manufacturing a semiconductor device in accordance with the present invention, in donor generation by proton injection, it is possible to improve the donor conversion rate.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a diode as a semiconductor device to which the present invention is applied.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view (part 1) showing the manufacturing process of the active portion of the diode of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view (part 2) showing the manufacturing process of the active portion of the diode of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view (part 3) showing the manufacturing process of the active portion of the diode of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view (part 4) showing the manufacturing process of the active portion of the diode of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view (part 5) showing the manufacturing process of the active portion of the diode of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view (part 6) showing the manufacturing process of the active portion of the diode of the present invention.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view (part 7) showing the manufacturing process of the active portion of the diode of the present invention.
  • FIG. 9 is a characteristic diagram showing the measurement result of the carrier concentration distribution in the depth direction after annealing in the manufacturing process of the active portion of the diode according to the first embodiment.
  • FIG. 10 is a characteristic diagram showing the relationship between the recovery rate relative to the substrate concentration and the hydrogen concentration in proton furnace annealing.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing an IGBT as a semiconductor device to which the present invention is applied.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of a diode for explaining the prior art.
  • FIG. 13 is a characteristic diagram comparing the carrier concentration distribution when the range Rp of proton injection is around 15 ⁇ m and deeper than that for each range.
  • FIG. 14 is a characteristic diagram showing the threshold voltage at which the voltage waveform starts to vibrate.
  • FIG. 15 shows an oscillation waveform during reverse recovery of a general diode.
  • FIG. 16 is a characteristic diagram showing the relationship between the range of protons and the acceleration energy of protons in the semiconductor device according to the present invention.
  • FIG. 17 is a chart showing the position condition of the field stop layer which the depletion layer first reaches in the semiconductor device according to the present invention.
  • FIG. 18 is an explanatory view showing an IGBT having a plurality of field stop layers.
  • FIG. 19 is an explanatory view showing a diode having a plurality of field stop layers.
  • FIG. 20 is a characteristic diagram showing the carrier lifetime of the semiconductor device according to the present invention.
  • FIG. 21 is a characteristic diagram showing a reverse recovery waveform of the semiconductor device according to the present invention.
  • FIG. 22 is a characteristic diagram showing the measurement results of the carrier concentration distribution in the depth direction after annealing in the manufacturing process of the active portion of the diode according to the second embodiment.
  • FIG. 23 is a characteristic diagram showing the measurement results of the carrier concentration distribution in the depth direction after annealing in the manufacturing process of the active portion of the diode according to the third embodiment.
  • FIG. 24 is a characteristic diagram showing the measurement results of the carrier concentration distribution in the depth direction after annealing in the manufacturing process of the active portion of the diode according to the fourth embodiment.
  • n and p in the layer or region having n or p, it is meant that electrons or holes are majority carriers, respectively.
  • + and-attached to n and p mean that the impurity concentration is higher and the impurity concentration is lower than that of the layer or region to which it is not attached, respectively.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a diode as a semiconductor device to which the present invention is applied.
  • the semiconductor device 100 shown in FIG. 1 shows an example of a diode, it may be an insulated gate bipolar transistor (IGBT).
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • the p-type anode layer 102 is formed on the surface layer of the main surface of the n -- type semiconductor substrate (n - drift region) 101, and the n + -type cathode layer 101b is formed on the surface layer facing each other (rear surface). It is formed. Then, a p-type layer to be the termination region 104 is formed at the outer peripheral position of the p-type anode layer 102.
  • the semiconductor device 100 controls the n-type doping concentration at a deep position from the front surface side to the back surface side in order to reduce voltage oscillation that causes noise at the time of switching.
  • FIG. 1 shows a state in which generation of proton donors is promoted by hydrogen atmosphere annealing after proton injection.
  • the n-layer 101a is formed using proton injection, which provides a deep range in silicon at a relatively low accelerating voltage.
  • the n layer 101a becomes a field stop (FS) layer by proton implantation, n - has a higher impurity concentration than - (type semiconductor substrate 101 n) drift region.
  • FS field stop
  • An anode electrode 105 is provided on the p-type anode layer 102, and a cathode electrode 106 is provided on the lower surface of the n + -type cathode layer 101b (the back surface of the semiconductor device 100).
  • the active portion 110 is a region through which current flows when the semiconductor device is on, and the breakdown voltage structure portion 111 relaxes the electric field on the main surface side of the n ⁇ -type semiconductor substrate (n ⁇ drift region) 101 to maintain breakdown voltage. Area.
  • a field limiting ring (FLR: termination region) 104 which is a floating p-type region and a field plate (FP) 107 which is a conductive film electrically connected to the termination region 104 are included in the withstand voltage structure portion 111. It is provided. 108 is an insulating layer.
  • the initial oxide film is formed by heat treating the n ⁇ type semiconductor substrate 101 to be the n ⁇ drift region in a water vapor atmosphere. Thereafter, the oxide film is removed only in the active region by photolithography and wet etching.
  • boron (B) is ion-implanted from the main surface side of the n -- type semiconductor substrate 101 using the oxide film 108 as a mask to form a p-type anode layer 102 by heat treatment.
  • the anode electrode 105 is formed on the p-type anode layer 102 by sputtering of metal.
  • Reference numeral 108 denotes an insulating layer of the above oxide film.
  • a front surface protective film (not shown) covering the anode electrode 105 is manufactured, and as shown in FIG. 4, the electron beam 401 is irradiated from the front surface side and heat treatment is performed to obtain a lifetime killer. Take control. Thereafter, as shown in FIG. 5, the n ⁇ -type semiconductor substrate 101 is ground from the back surface side to a position 502 of a product thickness used as the semiconductor device 100.
  • protons 601 are injected from the back surface side of the n ⁇ -type semiconductor substrate 101 with predetermined injection energy and injection amount. Then, as shown in FIG. 7, in order to generate a donor region of the proton 601 (n layer 101a as a field stop layer), annealing 701 at a predetermined temperature is performed in a hydrogen H 2 atmosphere in the furnace.
  • the n layer 101a is provided apart from the p type anode layer 102 and the n + type cathode layer 101b.
  • the injection energy of the proton 601 is 0.3 to 10 MeV, for example, 2.2 MeV (range Rp is 55 ⁇ m), and the injection amount is 1 ⁇ 10 14 / cm 2 .
  • the range Rp of the proton 601 is 16 ⁇ m to 220 ⁇ m.
  • the range Rp of the proton 601 is 16 ⁇ m or more, and the oscillation suppression effect of reverse recovery is large, which is preferable. The oscillation suppression effect of reverse recovery will be described later.
  • the range Rp of the proton 601 is 20 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • the injection amount of the proton 601 may be, for example, about 3 ⁇ 10 12 / cm 2 to 5 ⁇ 10 14 / cm 2 .
  • the injection amount of the proton 601 is about 1 ⁇ 10 13 / cm 2 to 1 ⁇ 10 14 / cm 2 so that defect recovery and a donor conversion rate are in a desired state.
  • the annealing 701 for donor generation may be, for example, an atmosphere with a temperature of 380 ° C. and a hydrogen concentration of 0.5% or more and less than 4.65%.
  • the processing time of the annealing 701 may be, for example, about 1 hour to 10 hours.
  • the processing time of the annealing 701 is, for example, about 3 hours to 7 hours.
  • the processing time of the annealing 701 may be, for example, about 1 hour to 5 hours.
  • phosphorus (P) is ion implanted 801 from the back surface side of the n - type semiconductor substrate 101, and heat treatment is performed to form an n + layer (n + type cathode layer 101b, hereinafter, n + layer 101b). Form).
  • metal is sputtered on the back surface of the n ⁇ -type semiconductor substrate 101 to form a cathode electrode 106.
  • the n layer 101a and the n + layer 101b form a field stop region, and have an impurity concentration higher than that of the n ⁇ drift region (n ⁇ type semiconductor substrate 101). Thereby, the active part of the diode shown in FIG. 1 is completed.
  • FIG. 9 is a characteristic diagram showing the measurement result of the carrier concentration distribution in the depth direction after annealing in the manufacturing process of the active portion of the diode according to the first embodiment.
  • the figure shows the measurement results by the spreading resistance measurement method (SRA: Spreading Resistance Analysis) of the XX ′ axis part of FIG. 1 when annealing is performed at 0% and 4% hydrogen concentration in the proton reactor, respectively (FIG. The same applies to 22-24.
  • the carrier concentration measured by this SRA method shows almost a doping concentration when the carrier mobility is the same as the ideal value of the crystal.
  • the position 0 in the figure is the boundary between the cathode electrode 106 and the n + layer 101 b (the same applies to FIGS. 22 to 24).
  • the hydrogen concentration is 0%, as shown by the dotted line in the figure, a large amount of crystal defects are generated at the location where the proton passes, so the carrier concentration is lowered between n layer 101a and n + layer 101b. I understand.
  • the substrate concentration (N0) can be about.
  • FIG. 10 is a characteristic diagram showing the relationship between the recovery rate relative to the substrate concentration and the hydrogen concentration in proton furnace annealing.
  • the minimum carrier concentration in the measurement by the SRA method is N1
  • the relationship between the recovery rate for the substrate concentration and the hydrogen concentration in proton furnace annealing is shown.
  • the hydrogen concentration goes from 0% to 0.5%
  • the crystal recovery rate rapidly increases, and at 3% or more, the crystal recovery rate becomes almost saturated.
  • the hydrogen concentration should be 0.5% or more.
  • hydrogen is at a concentration of 4.65% or more and there is a danger of explosion, and 3% or more is almost saturated.
  • the hydrogen concentration be less than 4.65%. More preferably, the hydrogen concentration may be 1.0% or more and 4.0% or less so that the crystal recovery rate is 80% or more and the risk of explosion can be reduced.
  • the heat treatment after proton injection is performed in a hydrogen atmosphere in the range of 0.5% or more and less than 4.65% of the hydrogen concentration, thereby making silicon other than proton injection. It will be possible to introduce hydrogen into it. In addition, a large amount of hydrogen terminates dangling bonds of crystal defects and has an effect of promoting crystal recovery.
  • the dose amount for donor generation can be reduced, and the annealing temperature of the furnace can be lowered. Therefore, the process time (lead time) can be reduced. Thus, the chip price (cost) of the semiconductor device 100 can be lowered.
  • the method of manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment is different from the method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment in acceleration energy of protons and annealing conditions.
  • the configuration other than the proton annealing conditions of the method of manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment is the same as the method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment.
  • steps from the formation of the p-type anode layer 102 to the injection of protons 601 are performed (FIGS. 2 to 6).
  • the acceleration energy of the proton is, for example, 1.1 MeV (range Rp is 18 ⁇ m).
  • annealing 701 is performed at a temperature of 340 ° C. for 10 hours in an atmosphere having a hydrogen concentration of 0.5% or more and less than 4.65% to generate a donor region (n layer 101a) (FIG. 7).
  • the subsequent steps from formation of the n + layer 101b by ion implantation of phosphorus and laser annealing are performed (FIG. 8), and the diode shown in FIG. 1 is completed.
  • FIG. 22 is a characteristic diagram showing the measurement results of the carrier concentration distribution in the depth direction after annealing in the manufacturing process of the active portion of the diode according to the second embodiment.
  • the carrier concentration of the implanted near the surface and passing areas of protons 601 n - -type impurity concentration (substrate concentration shown by the dotted line, similarly in Fig. 23, 24) of the semiconductor substrate 101 is higher than It can be understood that the donor region can be generated while recovering the crystal defects (disorder).
  • n - can be the thickness of the type semiconductor substrate to reduce a step of performing a thin state. Thereby, the yield can be improved, and the cost of manufacturing equipment can be reduced. Further, according to the second embodiment, by setting the annealing temperature of proton to 340 ° C.
  • the protonation rate of protons becomes highest (for example, 10 to 50%) when the annealing temperature is in the range of 300 ° C. to less than 350 ° C. Therefore, by performing the annealing treatment in this temperature range, it is possible to maintain a high donor conversion rate of protons.
  • the method of manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment differs from the method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment in that the acceleration energy of protons and the state of defect recovery and donorization are in a desired state.
  • annealing of protons at a temperature higher than 340 ° C. and lower than 400 ° C. is performed in an atmosphere having a hydrogen concentration of 0.5% or more and less than 4.65%. Therefore, in the third embodiment, the order of performing the steps is different from that of the first embodiment, and electron beam irradiation and heat treatment for lifetime control are performed after proton annealing.
  • steps from the formation of the p-type anode layer to the formation of the front surface protective film are performed as in the first embodiment.
  • the n ⁇ -type semiconductor substrate is ground from the back surface side to a position of a product thickness used as a semiconductor device.
  • protons are implanted at an acceleration energy of 1.1 MeV from the back surface side of the n ⁇ -type semiconductor substrate
  • annealing is performed, for example, at a temperature of 380 ° C. for 10 hours in an atmosphere with a hydrogen concentration of 0.5% to 4.65%.
  • an electron beam is irradiated from the front surface side of the substrate and heat treatment is performed to perform lifetime killer control.
  • the subsequent steps from ion implantation of phosphorus and formation of an n + layer by laser annealing are performed, whereby the diode shown in FIG. 1 is completed.
  • FIG. 23 is a characteristic diagram showing the measurement results of the carrier concentration distribution in the depth direction after annealing in the manufacturing process of the active portion of the diode according to the third embodiment.
  • crystal defects are generated in the third embodiment. It can be seen that the donor region can be generated while recovering.
  • the same effect as that of the first embodiment can be obtained. Further, according to the third embodiment, by setting the annealing temperature of proton to 400 ° C. or less, it is possible to reduce defects and improve the donor conversion rate. Further, as in the second embodiment, since all the structure on the front side of the substrate can be formed on the thick n ⁇ -type semiconductor substrate before back grinding, it is possible to improve the yield and reduce the cost. can do.
  • the semiconductor device manufacturing method according to the fourth embodiment is different from the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment in that the acceleration energy and the hydrogen concentration are set at 0.
  • the point is that proton annealing is performed at a temperature of 300 ° C. to 450 ° C. in an atmosphere of 5% or more and less than 4.65%.
  • the order of performing the respective steps is different from that of the first embodiment, and the electron beam for forming the front surface protective film and controlling the lifetime after annealing of protons Irradiation and heat treatment.
  • the p-type anode layer and the anode electrode are formed.
  • the n ⁇ -type semiconductor substrate is ground from the back surface side to a position of a product thickness used as a semiconductor device.
  • protons are injected from the back surface side of the n ⁇ -type semiconductor substrate with an acceleration energy of 1.1 MeV, and then, for example, at a temperature of 420 ° C. for 5 hours in an atmosphere with a hydrogen concentration of 0.5% to 4.65%.
  • Annealing produces a donor region.
  • a front surface protective film covering the anode electrode is formed.
  • an electron beam is irradiated from the front surface side of the substrate and heat treatment is performed to perform lifetime killer control.
  • the subsequent steps from ion implantation of phosphorus and formation of an n + layer by laser annealing are performed, whereby the diode shown in FIG. 1 is completed.
  • FIG. 24 is a characteristic diagram showing the measurement results of the carrier concentration distribution in the depth direction after annealing in the manufacturing process of the active portion of the diode according to the fourth embodiment.
  • the carrier concentration in the vicinity of the injection surface of proton and in the passage region is higher than the impurity concentration of the n ⁇ -type semiconductor substrate, crystal defects (disorders) are generated in the fourth embodiment. It can be seen that the donor region can be generated while recovering. Further, since the carrier concentration in the vicinity of the injection surface and in the passage region of protons is higher than in the second and third embodiments, the crystal defects are recovered more stably than in the second and third embodiments. It turns out that you can do it.
  • the same effect as that of the first embodiment can be obtained. Further, according to the fourth embodiment, by raising the annealing temperature of protons, the number of steps performed in the state where the thickness of the n ⁇ -type semiconductor substrate is thin after grinding the back surface increases, but the crystal defects are stabilized. Can be recovered.
  • the present invention has been described above with reference to a method of manufacturing a semiconductor device in which a diode is formed on a semiconductor substrate, the present invention is not limited to the above embodiment, and the n layer (field stop layer) 101a of an insulated gate bipolar transistor (IGBT) may be used. It is possible to apply similarly to what is produced.
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing an IGBT as a semiconductor device to which the present invention is applied.
  • a p-type base layer 210 is formed on the surface layer of the main surface of an n -- type semiconductor substrate (n - drift region) 201.
  • an n-type emitter layer 209 is formed on the surface layer of the p-type base layer 210.
  • a trench gate electrode 208 is provided via the gate oxide film 213 so as to face the n ⁇ drift region (n ⁇ type semiconductor substrate 201), the p type base layer 210, and the n type emitter layer 209.
  • a metal-oxide-semiconductor (MOS) type gate electrode is formed.
  • floating p of floating (floating) potential so as to be in contact with the side surface of trench type gate electrode 208 opposite to the p type base layer 210 side.
  • Layer 211 is formed.
  • the trench dummy gate 212 is formed via the gate oxide film 213 so as to be adjacent to the trench gate electrode 208 with the floating p layer 211 interposed therebetween.
  • the potential of the dummy gate 212 may be a floating potential or an emitter potential.
  • the p + -type collector layer 203 is formed on the surface layer on the opposite side (back side).
  • a p-type guard ring 204 serving as the termination region 104 is formed at the outer peripheral position of the p-type base layer 210.
  • the IGBT 200 controls the n-type doping concentration at a deep position from the front surface side to the back surface side in order to reduce voltage oscillation that causes noise during switching.
  • FIG. 11 shows a state in which generation of proton donors is promoted by hydrogen atmosphere annealing after proton injection.
  • the n-type layer 201a is formed using proton injection which can obtain a deep range in silicon at a relatively low acceleration voltage.
  • the n-type layer 201a becomes a field stop layer by proton implantation, n - has a higher impurity concentration than - (type semiconductor substrate 201 n) drift region.
  • Emitter electrode 202 is provided on p type base layer 210 and n type emitter layer 209, and collector electrode 206 is provided on the lower surface of p + type collector layer 203 (the back surface of IGBT 200).
  • the active portion 110 is a region through which current flows when the IGBT is on, and the termination region 104 relaxes the electric field on the main surface side of the n -- type semiconductor substrate (n - drift region) 201 to maintain breakdown voltage. It is an area.
  • the termination region 104 is provided with, for example, a p-type guard ring 204 which is a floating p-type region and a field plate (FP) 207 which is a conductive film electrically connected to the guard ring 204.
  • Reference numeral 205 denotes an interlayer insulating film
  • reference numeral 214 denotes an insulating layer.
  • the first-stage field stop layer is the field stop layer located at the deepest position in the depth direction from the back surface of the substrate on the n + -type cathode layer in the case of a diode and the p + -type collector layer in the case of an IGBT. It is.
  • FIG. 15 shows an oscillation waveform during reverse recovery of a general diode. If the anode current is less than 1/10 of the rated current, oscillation may occur before reverse recovery ends because the amount of accumulated carriers is small. With the anode current fixed at a certain value, the diode is reversely recovered at different power supply voltages V CC . At this time, when the power supply voltage V CC exceeds a predetermined value, an additional overshoot occurs in the cathode-anode voltage waveform after the peak value of the normal overshoot voltage is exceeded. Then, this additional overshoot (voltage) triggers the subsequent waveform to vibrate.
  • the threshold voltage at which the voltage waveform starts to oscillate is called the oscillation start threshold V RRO .
  • Oscillation start threshold V RRO is, p-type anode layer and the n diodes - n from the pn junction between the drift region - drift region extends to the edge of the depletion layer (strictly speaking, the space charge region edge because holes present), It depends on the position of the first stage proton peak which reaches first among a plurality of proton peaks. The reason is as follows. When the depletion layer extends from the p-type anode layer on the front side to the n - drift region at the time of reverse recovery, the end of the depletion layer reaches the first field stop layer so that the spread is suppressed, The discharge weakens. As a result, carrier exhaustion is suppressed and oscillation is suppressed.
  • the depletion layer at the time of reverse recovery spreads along the depth direction from the pn junction between the p-type anode layer and the n ⁇ drift region toward the cathode electrode. Therefore, the peak position of the field stop layer at which the depletion layer edge first reaches is the field stop layer closest to the pn junction between the p-type anode layer and the n ⁇ drift region.
  • n - -type thickness of the semiconductor substrate (anode electrode and the thickness of a portion held with the cathode electrode) to W 0 the depletion layer end of the peak position of the first reaches the field stop layer, the cathode electrode and the n -
  • X be the depth from the interface with the back surface of the semiconductor substrate (hereinafter referred to as the distance from the back surface).
  • the distance index L is introduced.
  • the distance index L is expressed by the following equation (1).
  • FIG. 17 is a chart showing the position condition of the field stop layer which the depletion layer first reaches in the semiconductor device according to the present invention.
  • FIG. 19 is an explanatory view showing a diode having a plurality of field stop layers.
  • FIG. 19A shows a cross-sectional view of a diode in which a plurality of field stop layers 3 are formed.
  • FIG. 19 (b) shows the net doping concentration distribution along the cutting line BB ′ of FIG. 19 (a).
  • a p-type anode layer 52 is formed on the front surface side of the n ⁇ -type semiconductor substrate to be the n ⁇ drift region 1, and an n + -type cathode layer 53 is formed on the back surface side.
  • Reference numeral 51 is an anode electrode
  • reference numeral 54 is a cathode electrode.
  • three stages of field stop layers 3 are formed in the n ⁇ drift region 1.
  • the distance X from the rear surface of the substrate to the peak position of the field stop layer 3 deepest from the rear surface of the substrate is 50 ⁇ m. This corresponds to the case where the distance index L is 58.2 ⁇ m and ⁇ described later is 1.2 based on the chart shown in FIG.
  • the arrow L shown in FIG. 19B indicates, for example, the distance (length) from the pn junction between the p-type anode layer 52 and the n ⁇ drift region 1.
  • FIG. 18 is an explanatory view showing an IGBT having a plurality of field stop layers.
  • FIG. 18A shows a cross-sectional view of an IGBT in which a plurality of field stop layers 3 are formed.
  • FIG. 18 (b) shows the net doping concentration distribution along the cutting line AA 'in FIG. 18 (a).
  • a p-type base layer 33 is formed on the front surface side of the n ⁇ -type semiconductor substrate to be the n ⁇ drift region 1, and a p collector layer 4 is formed on the back surface side.
  • Reference numeral 2 is an n + emitter layer
  • reference numeral 23 is a pn junction between the p-type base layer 33 and the n ⁇ drift region 1
  • reference numeral 31 is an emitter electrode
  • reference numeral 32 is a collector electrode.
  • Reference numeral 38 denotes an n buffer layer
  • reference numeral 41 denotes an interlayer insulating film
  • reference numeral 42 denotes a gate electrode
  • reference numeral 43 denotes a gate insulating film.
  • three stages of field stop layers 3 are formed in the n ⁇ drift region 1.
  • the distance X from the rear surface of the substrate to the peak position of the field stop layer 3 deepest from the rear surface of the substrate is 50 ⁇ m.
  • the arrow L shown in FIG. 18B indicates, for example, the distance (length) from the pn junction 23 between the p-type base layer 33 and the n ⁇ drift region 1.
  • the distance index L shown in the above equation (1) represents the distance from the pn junction between the p-type anode layer and the n ⁇ drift region to n - end of the depletion layer (correctly space charge region) extending drift region (depletion layer end) is an index indicating a distance from the pn junction.
  • the denominator indicates the space charge density of the space charge region (simply, the depletion layer) at the time of reverse recovery.
  • q is elementary charge
  • p hole concentration
  • n electron concentration
  • N d donor concentration
  • N a acceptor concentration
  • ⁇ the semiconductor dielectric constant.
  • the donor concentration N d is an average concentration obtained by integrating the n ⁇ drift region in the depth direction and dividing by the distance of the integrated section.
  • This space charge density ⁇ is described by the hole concentration p running through the space charge region (depletion layer) during reverse recovery and the average donor concentration N d of the n ⁇ drift region, and the electron concentration is negligibly lower than these Since there is no acceptor, it can be expressed as ⁇ q q (p + N d ).
  • the rated current density of V sat is the saturation velocity at which the velocity of the carrier is saturated at a predetermined electric field strength.
  • the field stop layer has a function of making it difficult for the field stop layer to extend the extension of the space charge region spreading at the time of reverse recovery by making the doping concentration higher than the n ⁇ drift region.
  • the power supply voltage V.sub.CC and the cutoff current are not fixed but variable. Therefore, in such a case, it is necessary to provide a certain width at a preferable position of the peak position of the field stop layer to which the depletion layer first reaches.
  • the distance X from the back surface of the peak position of the field stop layer to which the depletion layer first reaches is as shown in the chart shown in FIG. FIG. 17 shows the distance X from the back surface of the peak position of the field stop layer to which the end of the depletion layer first reaches at each of the rated voltages of 600 V to 6500 V.
  • X W 0 ⁇ L
  • ⁇ is a coefficient. For example, X is shown when this ⁇ is changed from 0.7 to 1.6.
  • n as shown in FIG. 17 - the total thickness of the type semiconductor substrate (thickness at the finish after thinning by grinding or the like) and the n - drift region Average resistivity. Average is the average concentration and resistivity across the n - drift region, including the field stop layer.
  • the rated voltage the typical values shown in the rated current density J F also Figure 17.
  • the rated current density J F is set such that the energy density determined by the product of the rated voltage and the rated current density J F is approximately a constant value, and is approximately the value shown in FIG.
  • the distance index L is calculated according to the above equation (1) using these values, the values are as shown in FIG.
  • the distance X from the back surface of the peak position of the field stop layer to which the end of the depletion layer first reaches is the thickness W of the n -- type semiconductor substrate with a value where ⁇ is 0.7 to 1.6 for this distance index L It is the value subtracted from 0 .
  • FIG. 14 is a characteristic diagram showing the threshold voltage at which the voltage waveform starts to vibrate.
  • FIG. 14 shows the dependence of the oscillation start threshold V RRO on this ⁇ , for several typical rated voltages V rate (600 V, 1200 V, 3300 V).
  • the vertical axis is a value obtained by standardizing the oscillation start threshold V RRO with the rated voltage V rate . It is understood that the oscillation start threshold value V RRO can be rapidly increased when ⁇ is 1.5 or less for all three rated voltages V rate .
  • the operating voltage (power supply voltage V CC ) to be the voltage V is about half of the rated voltage V rate. Therefore, when the power supply voltage V CC is half the rated voltage V rate At least diode reverse recovery oscillation should not occur. That is, the value of V RRO / V rate needs to be 0.5 or more. From FIG. 14, it is preferable that at least ⁇ be 0.2 to 1.5 because ⁇ is 0.2 or more and 1.5 or less for the value of V RRO / V rate to be 0.5 or more. .
  • ⁇ is smaller than 0.7, although the oscillation start threshold V RRO is about 80% or more of the rated voltage V rate , the field stop layer becomes close to the p-type base layer, so that the avalanche breakdown voltage of the element is the rated voltage V rate. It may be smaller. Therefore, ⁇ is preferably 0.7 or more. In addition, when ⁇ becomes larger than 1.4, the oscillation start threshold V RRO rapidly decreases from about 70% of the rated voltage V rate , and reverse recovery oscillation tends to occur. Therefore, ⁇ is preferably 1.4 or less.
  • the avalanche breakdown voltage of the element is sufficiently higher than the rated voltage V rate when ⁇ is in the range of 0.8 to 1.3, and more preferably in the range of 0.9 to 1.2.
  • the oscillation start threshold V RRO can be maximized .
  • the diode can sufficiently retain accumulated carriers during reverse recovery, thereby suppressing the oscillation phenomenon.
  • the distance X from the back surface of the peak position of the field stop layer to which the end of the depletion layer first reaches is preferably such that the coefficient ⁇ of the distance index L is in the above range.
  • the distance index L shows that any rated voltage V rate is deeper than 20 ⁇ m. That is, the reason for setting the range Rp of protons to form the deepest first-stage proton peak from the back surface to be deeper than 15 ⁇ m, particularly 20 ⁇ m or more from the back surface of the substrate is just to maximize this oscillation suppression effect. .
  • the field stop layer in a region deeper than at least 15 ⁇ m from the back surface of the n ⁇ -type semiconductor substrate.
  • the preferable range of (gamma) it is possible not to be a diode but to make the same range also in IGBT. That is, reverse recovery oscillation may be considered in place of turn-off oscillation, and the likelihood of occurrence of oscillation and the operation and effect of suppression are also similar.
  • FIG. 16 is a characteristic diagram showing the relationship between the range of protons and the acceleration energy of protons in the semiconductor device according to the present invention.
  • the inventors of the present invention conducted intensive studies to find that the proton range Rp (the peak position of the field stop layer) and the proton acceleration energy E have a logarithm log (Rp) of the proton range Rp of x, the proton acceleration Assuming that the logarithm log (E) of the energy E is y, it has been found that there is a relationship of the following equation (2).
  • FIG. 16 is a characteristic diagram showing the above equation (2), which shows the acceleration energy of proton for obtaining the desired range Rp of proton.
  • the horizontal axis in FIG. 16 is the logarithm log (Rp) of the proton range Rp, and indicates the corresponding range Rp ( ⁇ m) in the lower parentheses of the axis value of log (Rp).
  • the vertical axis is the logarithm log (E) of the acceleration energy E of proton, and the acceleration energy E of the corresponding proton is shown in the parentheses on the left side of the axis value of log (E).
  • the acceleration energy E of proton injection is calculated (hereinafter referred to as a calculated value E) from the average range Rp of desired protons using the above-mentioned fitting equation, and the proton is used as the silicon substrate at the calculated value E of the acceleration energy.
  • the actual average range Rp ′ is also about ⁇ 10% of the desired average range Rp It falls within the range and falls within the range of measurement error. Therefore, the variation of the actual average range Rp 'from the desired average range Rp has a negligible effect on the electrical characteristics of the diode or IGBT. Therefore, if the actual acceleration energy E 'is in the range of the calculated value E ⁇ 10%, it can be judged that the actual average range Rp' is substantially the average range Rp as set. Alternatively, there is no problem if the actual average range Rp 'falls within ⁇ 10% of the average range Rp calculated by applying the actual acceleration energy E' to the above equation (2).
  • the acceleration energy E and the average range Rp can fall within the above range ( ⁇ 10%)
  • the actual acceleration energy E ′ and the actual average range Rp ′ are desired average ranges
  • the range of the variation or error may be ⁇ 10% or less with respect to the average range Rp, and preferably within ⁇ 5%, it can be considered that the above equation (2) is satisfactorily followed.
  • the acceleration energy E of protons necessary to obtain the desired proton range Rp can be determined.
  • the acceleration energy E of each of the protons for forming the field stop layer described above also uses the above equation (2), and the spread resistance measurement method (a sample in which protons are actually injected with the above acceleration energy E ′) is It agrees well with the measured value measured by the SRA method. Therefore, by using the above equation (2), it is possible to predict the acceleration energy E of the necessary proton based on the proton range Rp with extremely high accuracy.
  • FIG. 21 is a characteristic diagram showing a reverse recovery waveform of the semiconductor device according to the present invention.
  • FIG. 21 shows the reverse recovery waveform of the present invention (hereinafter referred to as Example 1) manufactured according to the first embodiment and the reverse recovery of a comparative example in which only electron beam irradiation is performed without proton injection. The waveform is shown.
  • the rated voltage is 1200 V
  • the doping concentration (average concentration) N d of the FZ silicon substrate and the finished thickness W 0 of the FZ silicon substrate after grinding are as shown in FIG.
  • the ⁇ of the field stop layer deepest from the back surface of the substrate is 1.
  • the dose is set to 300 kGy, and the acceleration energy is set to 5 MeV.
  • the dose was 60 kGy.
  • the forward voltage drop at the rated current density (the column of 1200 V in FIG. 17) was 1.8 V in both the present invention and the comparative example.
  • the test conditions are: power supply voltage V CC is 800 V, initial steady-state anode current is rated current (current density ⁇ active area about 1 cm 2 ), diode in the chopper circuit, driving IGBT (same 1200 V), intermediate capacitor Stray inductance of 200 nH.
  • Example 1 can reduce the reverse recovery peak current and reduce the overshoot voltage at which a high voltage is generated relative to the power supply voltage V CC by about 200 V, as compared with the comparative example.
  • the reverse recovery waveform of the present invention is a so-called soft recovery waveform. This indicates that extremely soft waveforms can be achieved even with lifetime control by electron beam irradiation that tends to be hard recovery, but this is an effect that can not be obtained conventionally (comparative example).
  • FIG. 20 is a characteristic diagram showing the carrier lifetime of the semiconductor device according to the present invention.
  • FIG. 20 shows the net doping concentration, the point defect concentration, and the carrier lifetime with respect to the depth direction from the anode electrode in the diode of Example 1.
  • the reason why the present invention can realize soft recovery is that the point defects (voids (V), double vacancies (VV)) introduced by electron beam irradiation are introduced by proton injection from the back of the substrate. It is presumed that the dangling bond is terminated by a hydrogen atom.
  • Defects that promote the generation and annihilation of carriers are mainly point defects, and are energy centers (centers) mainly composed of vacancies (V) and double vacancies (VV). Dangling bonds are formed in point defects.
  • protons from the back side of the substrate there and performing annealing (heat treatment)
  • defects are alleviated and it is attempted to return to a state close to a normal crystalline state.
  • the hydrogen atoms around the dangling bond are terminated.
  • the centers composed mainly of vacancies (V) and double vacancies (VV) disappear.
  • donors hydrogen-induced donors derived from hydrogen atoms are mainly composed of VOH defects of vacancy (V) + oxygen (O) + hydrogen (H), so dangling bonds are simply hydrogen atoms by proton injection. Not only terminated, but also VOH defects are formed. That is, the formation of the VOH defect most contributing to the donor formation is the reason for eliminating the point defects mainly composed of the holes (V) and the double holes (VV). It is speculated that this promotes the generation of VOH donors while reducing the density of the vacancies (V) and double vacancies (VV) responsible for leakage current and carrier recombination.
  • the wafer contains oxygen.
  • an FZ wafer manufactured from pure polysilicon contains about 1 ⁇ 10 15 / cm 3 to 1 ⁇ 10 16 / cm 3 of oxygen.
  • oxygen is contained at about 1 ⁇ 10 16 / cm 3 to 1 ⁇ 10 17 / cm 3 . These contained oxygen contributes as O of the VOH defect.
  • this proton injection mainly includes vacancies (V) and double vacancies (VV). It is presumed that relatively few VOH defects are formed, leaving a large amount of defects. This point is due to the formation of a field stop layer by proton injection from the back side of the substrate of the present invention and a hydrogen-induced donor, and the vacancy (V) and double holes obtained by the effect of terminating dangling bonds by electron irradiation with hydrogen atoms. This is a major difference from the reduction of defects mainly based on vacancies (VV).
  • the lifetime of the depth region forming the field stop layer is longer than that of the shallow region, and becomes about 10 ⁇ s, for example.
  • This value is a lifetime value (10 ⁇ s or more) when electron beam irradiation is not performed, or a value sufficiently close thereto.
  • the concentration distribution of minority carriers in this case, holes (not shown) can be made sufficiently low on the anode side and high enough on the cathode side, making the carrier concentration distribution extremely ideal for the soft recovery characteristics of the diode. Can be achieved.
  • vacancies in the area where the field stop layer is formed by introducing point defects in the depth direction of the substrate by electron beam irradiation and forming a field stop layer consisting of hydrogen-induced donors by proton injection from the back surface of the substrate. It is possible to reduce the point defects mainly composed of (V) and double holes (VV), and to make the lifetime distribution an effective distribution for the soft recovery characteristic.
  • the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is useful, for example, for a power semiconductor device used for motor control or engine control for industrial or automotive use.

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Abstract

　第１導電型の半導体基板（１０１）の裏面からプロトン注入する注入工程と、注入工程後に、半導体基板（１０１）を炉中でアニール処理を行うことによって、半導体基板（１０１）よりも高い不純物濃度を有する第１導電型の第１半導体領域（１０１ａ）を形成する形成工程を含み、形成工程は、炉を水素雰囲気中とし、炉アニールの水素の容積濃度を０．５％以上４．６５％未満で行う。これにより、プロトン注入によるドナー生成において、結晶欠陥低減を図ることができる。また、ドナー化率を向上させることができる。

Description

半導体装置の製造方法
　この発明は、半導体装置の製造方法に関する。
　電力用半導体装置として、４００Ｖ、６００Ｖ、１２００Ｖ、１７００Ｖ、３３００Ｖあるいはそれ以上の耐圧を有するダイオードやＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等がある。これらの電力用半導体装置は、コンバーター・インバーター等の電力変換装置に用いられている。電力用半導体装置は、低損失・高効率・高耐量という特性および低コストが求められている。
　図１２は、従来技術を説明するダイオードの断面図である。ｎ-型半導体基板１５００の主面にｐ型アノード層１５０１が形成され、対面にはｎ+型カソード層１５０２が形成される。そして、ｐ型アノード層１５０１の外周位置に終端領域１５０３となるｐ型の層が形成されている。ｐ型アノード層１５０１上にはアノード電極１５０５が設けられ、ｎ+型カソード層１５０２の下面には、カソード電極１５０６が設けられる。１５０７はフィールドプレート、１５０８は絶縁層である。
　このダイオード等の素子で、スイッチング時におけるノイズの原因となる電圧振動を低減させるために、おもて面側から裏面側に向かってｎ-型半導体基板１５００の深い位置でのドーピング濃度コントロールが求められている。
　キャリア濃度コントロールの方法として、比較的低い加速電圧で、シリコン中に深い飛程が得られるプロトン注入を用いたドナー生成の方法が知られている。この方法は、所定の濃度の酸素が含まれる領域にプロトン注入を行い、ｎ型領域を形成する方法である。このプロトン注入は、シリコン基板中に結晶欠陥を発生させることが知られている。ドナー生成にはこの結晶欠陥が不可欠であるが、欠陥の種類や濃度などによっては、漏れ電流の増加を招き電気特性の悪化を引き起こす。
　プロトン注入により導入される欠陥は、プロトンの飛程Ｒｐ（イオン注入によって注入されたイオンが最も高濃度に存在する位置の注入面からの距離）だけでなく、注入面から飛程までのプロトンの通過領域や、注入面近傍に多く残留する。この残留欠陥は、格子位置からの原子（この場合シリコン原子）のずれが大きく、また結晶格子自体の強い乱れにより、アモルファスに近い状態である。そのため、残留欠陥は、電子および正孔といったキャリアの散乱中心となってキャリア移動度を低下させて導通抵抗を増加させるほか、キャリアの発生中心となって漏れ電流を増加させる等、素子の特性不良をもたらす。このように、プロトンの注入により、プロトンの注入面から飛程までのプロトンの通過領域に残留し、キャリア移動度の低下や漏れ電流の原因となるような、結晶状態から強く乱れた欠陥を、特にディスオーダーと呼ぶ。
　このようにディスオーダーは、キャリア移動度を低下させ、漏れ電流や導通損失の増加等の特性不良をもたらす。そのため、漏れ電流の増加を抑えつつもドナーの生成を行うというような、適切な結晶欠陥の制御技術が必要になっている。
　プロトン注入によるドナー生成の方法によれば、主なドナー生成要因の一つはシリコン中に導入した水素が熱処理によりシリコン空孔と酸素原子が結びついたＶＯ欠陥の酸素と置換されて、酸素クラスターによるドナー化を促進することが知られている。
　このプロトン注入によるドナー生成において、ドナー生成量を上げるためにはシリコン中に導入した水素量を増やすことが効果的であるが、プロトン注入量を上げると結晶欠陥が増大してしまう。また、高温の熱処理により結晶欠陥を回復させるとプロトンによるドナーが消滅してしまう。このため、ドナー生成量を上げるには上記のようなトレードオフ関係があり、このトレードオフ特性を克服するためにプロトン注入以外で水素をシリコン中に導入する方法を組み合わせるか、高温熱処理以外で結晶欠陥を回復させる必要がある。
　例えば、プロトン注入によるドナー生成に対して、プロトン注入量とアニール温度に関する技術（例えば、下記特許文献１参照。）、プロトン注入によるドナー生成方法に対し熱処理条件を記載した技術（例えば、下記特許文献２参照。）、プロトン注入によるドナー生成方法により形成された領域について注入面からの深さを記載した技術（例えば、下記特許文献３参照。）が開示されている。
　特許文献１の技術は、シリコンサイリスタペレットを、主接合形成後、周辺部に局所的にプロトンをイオン打ち込みし、低温熱処理し結晶中のプロトンを局所的にドナー化させ、低抵抗のチャンネルストップ層を形成するというものであり、シリコン基板のパターニングの困難な結晶内部の場所に、簡単なプロセスでチャンネルストップ層を形成するというものである。
　特許文献２の技術は、半導体基板に埋設された阻止ゾーンを形成する方法にかかり、第１および第２の面を有し、第１伝導型の基本ドーピングがなされた半導体基板を準備する工程と、半導体基板における第１および第２の面の一方に、陽子を注入し、陽子が、注入面と離間して配された、半導体基板の第１の領域に導入されるようにする工程と、半導体基板を所定時間、所定温度に加熱する加熱処理を行い、第１の領域、および該第１の領域と注入面で隣接する第２の領域の両方で、水素によって誘発されたドナーが生成されるようにする工程と、を含む。
　特許文献３の技術では、半導体基板へのプロトンの注入により、複数の阻止ゾーンが形成され、そのうち最も深いもので注入面から１５μｍの深さに形成する技術が開示されている。
特開平９－２６０６３９号公報 米国特許出願公開第２００６－０２８６７５３号明細書 米国特許出願公開第２００６－００８１９２３号明細書
　しかしながら、特許文献１には、水素雰囲気アニールに関する詳細な記載はない。また、特許文献２には、ドナー化率を上げる方法は記載されていない。ここで、ドナー化率とは、プロトンの照射量（ドーズ量）に対して、プロトンによってドナー化された領域の深さ方向の積分濃度の割合である。プロトン注入によるドナー化率を上げるためには、水素をより多くシリコン中に導入する必要があるが、プロトン注入のドーズ量を上げると結晶欠陥も増加してしまい特性劣化を引き起こす。また、高温熱処理で結晶欠陥を回復させるとドナーが消滅してしまう。このように、プロトン注入によるドナー生成において、結晶欠陥低減と、ドナー化率の向上を両立させることができなかった。
　また、発明者らが鋭意研究を重ねた結果、プロトン注入の飛程（イオン注入によって注入されたイオンが最も高濃度に存在する位置の注入面からの距離）が、特許文献３にあるような１５μｍを超える場合、プロトンの注入面近傍および通過領域のディスオーダーの低減が十分ではないことが分かった。図１３は、プロトン注入の飛程Ｒｐが１５μｍ前後およびそれより深い場合のキャリア濃度分布を飛程ごとに比較した特性図である。図１３（ａ）には飛程Ｒｐが５０μｍである場合を示し、図１３（ｂ）には飛程Ｒｐが２０μｍである場合を示し、図１３（ｃ）には飛程Ｒｐが１５μｍである場合を示す。
　図１３（ｃ）の飛程Ｒｐ＝１５μｍの場合、プロトンの注入面近傍（深さが０μｍ～５μｍ）および通過領域のキャリア濃度は、シリコン基板の不純物濃度１×１０14（／ｃｍ3）よりも高くなっており、ディスオーダーは十分低減されている。一方、図１３（ｂ）の飛程Ｒｐ＝２０μｍおよび図１３（ａ）の飛程Ｒｐ＝５０μｍでは、プロトンの注入面近傍および通過領域のキャリア濃度が大きく低下しており、ディスオーダーが低減されていないことがわかる。このようにディスオーダーが残留する場合、素子の漏れ電流や導通損失が高くなってしまう。これによって、プロトン注入の飛程Ｒｐが１５μｍを超える場合、ディスオーダーを低減する新たな方法の検討が必要である。
　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、プロトン注入によるドナー生成において、結晶欠陥低減を図ることを目的とする。また、プロトン注入によるドナー生成において、ドナー化率の向上を図ることを目的とする。
　上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、次の特徴を有する。まず、第１導電型の半導体基板の裏面からプロトン注入する注入工程を行う。前記注入工程後に、前記半導体基板をアニール炉でアニール処理を行うことによって、前記半導体基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型の第１半導体領域を形成する形成工程を行う。このとき、前記形成工程は、前記アニール炉を水素雰囲気中とし、当該水素の容積濃度を０．５％以上４．６５％未満で行う。
　また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記半導体装置はダイオードであり、前記第１導電型の前記第１半導体領域がｎ型のフィールドストップ層であり、前記半導体基板がカソード層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、上述した発明において、前記半導体装置は絶縁ゲート型バイポーラトランジスタであり、前記第１導電型の前記第１半導体領域がｎ型のフィールドストップ層であり、前記半導体基板がドリフト層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、上述した発明において、前記水素の容積濃度は、前記半導体基板の前記ｎ型のフィールドストップ層からカソード電極までの領域のキャリア濃度を基板濃度程度にできる濃度に設定したことを特徴とする。
　また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記水素の容積濃度は、前記半導体基板の前記ｎ型のフィールドストップ層からコレクタ電極までの領域のキャリア濃度を基板濃度程度にできる濃度に設定したことを特徴とする。
　また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記アニール処理のアニール温度は３００℃～４５０℃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、上述した発明において、前記アニール処理のアニール温度は３５０℃～４００℃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、上述した発明において、前記アニール処理の処理時間は１時間～１０時間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、上述した発明において、前記アニール処理の処理時間は３時間～７時間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、上述した発明において、前記アニール処理の処理時間は５時間以下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、上述した発明において、前記プロトン注入のプロトンの注入量は、３×１０12／ｃｍ2～５×１０14／ｃｍ2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、上述した発明において、前記プロトン注入のプロトンの注入量は、１×１０13／ｃｍ2～１×１０14／ｃｍ2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、上述した発明において、前記プロトン注入のプロトンの注入エネルギーＥの対数ｌｏｇ（Ｅ）をｙとし、前記プロトンの飛程Ｒｐの対数ｌｏｇ（Ｒｐ）をｘとすると、ｙ＝－０．００４７ｘ4＋０．０５２８ｘ3－０．２２１１ｘ2＋０．９９２３ｘ＋５．０４７４を満たすことを特徴とする。
　上述した発明によれば、プロトン注入後のアニールを水素雰囲気中において水素濃度０．５％以上４．６５％未満の範囲中で行うことにより、プロトン注入以外でシリコン中に水素を導入できるようになる。そして、プロトン通過箇所の結晶欠陥を回復させることができ、前記ｎ型のフィールドストップ層からカソード電極までの領域のキャリア濃度の落ち込みを防止できる。
　本発明にかかる半導体装置の製造方法によれば、プロトン注入によるドナー生成において、結晶欠陥を増やさずにシリコン基板に水素を導入することができ、結晶欠陥による特性劣化を引き起こさないという効果を奏する。また、本発明にかかる半導体装置の製造方法によれば、プロトン注入によるドナー生成において、ドナー化率を向上できるという効果を奏する。
図１は、本発明を適用した半導体装置としてダイオードを示す断面図である。 図２は、本発明のダイオードの活性部の製造工程を示す断面図（その１）である。 図３は、本発明のダイオードの活性部の製造工程を示す断面図（その２）である。 図４は、本発明のダイオードの活性部の製造工程を示す断面図（その３）である。 図５は、本発明のダイオードの活性部の製造工程を示す断面図（その４）である。 図６は、本発明のダイオードの活性部の製造工程を示す断面図（その５）である。 図７は、本発明のダイオードの活性部の製造工程を示す断面図（その６）である。 図８は、本発明のダイオードの活性部の製造工程を示す断面図（その７）である。 図９は、第１の実施の形態にかかるダイオードの活性部の製造工程におけるアニール後のキャリア濃度の深さ方向の分布の測定結果を示す特性図である。 図１０は、基板濃度に対する回復率とプロトン炉アニールの水素濃度の関係を示す特性図である。 図１１は、本発明を適用した半導体装置としてＩＧＢＴを示す断面図である。 図１２は、従来技術を説明するダイオードの断面図である。 図１３は、プロトン注入の飛程Ｒｐが１５μｍ前後およびそれより深い場合のキャリア濃度分布を飛程ごとに比較した特性図である。 図１４は、電圧波形が振動を始める閾値電圧について示す特性図である。 図１５は、一般的なダイオードの逆回復時の発振波形である。 図１６は、本発明にかかる半導体装置のプロトンの飛程とプロトンの加速エネルギーとの関係を示す特性図である。 図１７は、本発明にかかる半導体装置において空乏層が最初に達するフィールドストップ層の位置条件を示す図表である。 図１８は、複数のフィールドストップ層を有するＩＧＢＴを示す説明図である。 図１９は、複数のフィールドストップ層を有するダイオードを示す説明図である。 図２０は、本発明にかかる半導体装置のキャリアライフタイムを示す特性図である。 図２１は、本発明にかかる半導体装置の逆回復波形を示す特性図である。 図２２は、第２の実施の形態にかかるダイオードの活性部の製造工程におけるアニール後のキャリア濃度の深さ方向の分布の測定結果を示す特性図である。 図２３は、第３の実施の形態にかかるダイオードの活性部の製造工程におけるアニール後のキャリア濃度の深さ方向の分布の測定結果を示す特性図である。 図２４は、第４の実施の形態にかかるダイオードの活性部の製造工程におけるアニール後のキャリア濃度の深さ方向の分布の測定結果を示す特性図である。
　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、それぞれそれが付されていない層や領域よりも高不純物濃度および低不純物濃度であることを意味する。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。
（第１の実施の形態）
　図１は、本発明を適用した半導体装置としてダイオードを示す断面図である。図１に示す半導体装置１００は、ダイオードの例を示すが、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）であってもよい。
　この半導体装置１００は、ｎ-型半導体基板（ｎ-ドリフト領域）１０１の主面の表面層にｐ型アノード層１０２が形成され、対面（裏面）の表面層にはｎ+型カソード層１０１ｂが形成される。そしてｐ型アノード層１０２の外周位置に終端領域１０４となるｐ型の層が形成される。この半導体装置１００は、スイッチング時におけるノイズの原因となる電圧振動を低減させるために、おもて面側から裏面側に対して深い位置でのｎ型ドーピング濃度のコントロールを行っている。
　この図１には、プロトン注入後、水素雰囲気アニールによりプロトンのドナー生成を促進させた状態を示している。キャリア濃度コントロールについては、比較的低い加速電圧で、シリコン中に深い飛程が得られるプロトン注入を用いてｎ層１０１ａを形成する。このｎ層１０１ａはプロトン注入によるフィールドストップ（ＦＳ）層となり、ｎ-ドリフト領域（ｎ-型半導体基板１０１）より高い不純物濃度を有する。
　ｐ型アノード層１０２上にはアノード電極１０５が設けられ、ｎ+型カソード層１０１ｂの下面（半導体装置１００の裏面）には、カソード電極１０６が設けられる。また、活性部１１０は、半導体装置のオン時に電流が流れる領域であり、耐圧構造部１１１は、ｎ-型半導体基板（ｎ-ドリフト領域）１０１の主面側の電界を緩和し、耐圧を保持する領域である。
　耐圧構造部１１１には、例えばフローティングのｐ型領域であるフィールドリミッティングリング（ＦＬＲ：終端領域）１０４と、終端領域１０４に電気的に接続された導電膜であるフィールドプレート（ＦＰ）１０７とが設けられている。１０８は絶縁層である。
　図２～図８は、それぞれ本発明のダイオードの活性部の製造工程を示す断面図である。これらの図を用いて活性部１１０の構造について説明する。はじめに、図２に示すように、ｎ-ドリフト領域となるｎ-型半導体基板１０１を水蒸気雰囲気中で熱処理をすることにより初期酸化膜を形成する。この後、フォトリソグラフィとウェットエッチングにより活性部領域のみ酸化膜を取り除く。
　そして、図３に示すように、酸化膜１０８をマスクとして、ｎ-型半導体基板１０１の主面側から例えばボロン（Ｂ）をイオン注入し、熱処理することにより、ｐ型アノード層１０２を形成する。また、ｐ型アノード層１０２上にアノード電極１０５をメタルのスパッタにより形成する。１０８は、上記の酸化膜による絶縁層である。
　次に、アノード電極１０５を覆うおもて面保護膜（不図示）を作製し、図４に示すように、おもて面側から電子線４０１を照射し、熱処理することにより、ライフタイムキラー制御を行う。この後、図５に示すように、ｎ-型半導体基板１０１を裏面側から研削していき、半導体装置１００として用いる製品厚さの位置５０２まで研削する。
　次に、図６に示すように、ｎ-型半導体基板１０１の裏面側から所定の注入エネルギーおよび注入量を有してプロトン６０１を注入する。そして、図７に示すように、プロトン６０１のドナー領域（フィールドストップ層としてのｎ層１０１ａ）を生成するために、炉内の水素Ｈ2雰囲気中で所定温度のアニール７０１を行う。このｎ層１０１ａは、ｐ型アノード層１０２およびｎ+型カソード層１０１ｂとも離れて設けられる。
　プロトン６０１の注入エネルギーは０．３ＭｅＶから１０ＭｅＶ、例えば、２．２ＭｅＶ（飛程Ｒｐは５５μｍ）、注入量は１×１０14／ｃｍ2とする。プロトン６０１の注入エネルギーが１．０ＭｅＶ～５．０ＭｅＶの場合、プロトン６０１の飛程Ｒｐは１６μｍ～２２０μｍとなる。特に、プロトン６０１の注入エネルギーが１．０ＭｅＶ以上の場合、プロトン６０１の飛程Ｒｐは１６μｍ以上となり、逆回復の発振抑制効果が大きくなり好ましい。逆回復の発振抑制効果については後述する。さらに、プロトン６０１の注入エネルギーが２．０ＭｅＶ～３．０ＭｅＶの場合、プロトン６０１の飛程Ｒｐは２０μｍ～１００μｍとなる。
　プロトン６０１の注入量は、例えば、３×１０12／ｃｍ2～５×１０14／ｃｍ2程度であってもよい。好ましくは、プロトン６０１の注入量は、欠陥回復とドナー化率とが所望の状態となるように、１×１０13／ｃｍ2～１×１０14／ｃｍ2程度であるのがよい。ドナー生成のためのアニール７０１は、例えば、温度が３８０℃、水素濃度が０．５％以上４．６５％未満の雰囲気であってもよい。アニール７０１の処理時間は、例えば１時間～１０時間程度であってもよい。好ましくは、アニール７０１の処理時間は、例えば３時間～７時間程度であるのがよい。その理由は、アニール７０１の開始から１時間程度生じる温度変動を安定させることができるからである。また、製造コストを低く抑える場合には、アニール７０１の処理時間は例えば１時間～５時間程度であるのがよい。
　この後、図８に示すように、ｎ-型半導体基板１０１の裏面側から例えばリン（Ｐ）をイオン注入８０１し、熱処理によりｎ+層（ｎ+型カソード層１０１ｂ、以下、ｎ+層１０１ｂとする）を形成する。この後、ｎ-型半導体基板１０１の裏面にメタルをスパッタしてカソード電極１０６を形成する。ｎ層１０１ａとｎ+層１０１ｂはフィールドストップ領域となり、ｎ-ドリフト領域（ｎ-型半導体基板１０１）より高い不純物濃度を有する。これにより、図１に示すダイオードの活性部が完成する。
（実施例）
　次に、上記構成の半導体装置１００についての特性について説明する。図９は、第１の実施の形態にかかるダイオードの活性部の製造工程におけるアニール後のキャリア濃度の深さ方向の分布の測定結果を示す特性図である。プロトン炉において水素濃度が０％と４％のそれぞれでアニールを行った際の図１のＸ－Ｘ’軸部分の広がり抵抗測定法（ＳＲＡ：Ｓｐｒｅａｄｉｎｇ　Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ）による測定結果を示している（図２２～２４においても同様）。このＳＲＡ法により測定したキャリア濃度は、キャリアの移動度が結晶の理想値と同じ場合はほぼドーピング濃度を示す。一方、結晶欠陥が多い場合や結晶の乱れ（ディスオーダー）が多い場合には、移動度が下がるので広がり抵抗が増加し、キャリア濃度が低く測定される（つまり、見かけ上、ドーピング濃度が低い値となる）。図中０の位置は、カソード電極１０６とｎ+層１０１ｂの境界である（図２２～２４においても同様）。水素濃度が０％の場合、図中点線で示すように、プロトンが通過した箇所は多量の結晶欠陥が生じるため、ｎ層１０１ａからｎ+層１０１ｂへの間において、キャリア濃度が下がっていることがわかる。
　一方、水素濃度が４％の場合、図中実線で示すように、プロトン通過箇所の結晶欠陥が回復しており、ｎ層１０１ａからｎ+層１０１ｂへの間において、キャリア濃度が落ち込むことがなく、基板濃度（Ｎ０）程度にできる。
　図１０は、基板濃度に対する回復率とプロトン炉アニールの水素濃度の関係を示す特性図である。この図１０を用い、ＳＲＡ法による測定における最小キャリア濃度をＮ１とし、基板濃度に対する回復率とプロトン炉アニールの水素濃度の関係を示す。水素濃度が０％から０．５％になると急激に結晶回復率が上がり、３％以上で結晶回復率はほぼ飽和してくる。水素濃度バラツキの影響を考慮すると水素濃度０．５％以上で行うべきである。また、水素は４．６５％以上の濃度になると爆発の危険があること、３％以上は効果がほぼ飽和している。以上の結晶回復率と水素濃度との関係を考慮すると、水素濃度は４．６５％未満で行うことが望ましい。さらに好ましくは、結晶回復率が８０％以上でかつ爆発のリスクを低減できるように、水素濃度を１．０％以上４．０％以下としてもよい。
　上記のように、第１の実施の形態によれば、プロトン注入後の熱処理を水素雰囲気中において水素濃度０．５％以上４．６５％未満の範囲内で行うことにより、プロトン注入以外でシリコン中に水素を導入できるようになる。また、多量の水素は、結晶欠陥のダングリングボンドを終端させ、結晶回復を促進させる効果がある。
　そして、上記第１の実施の形態の製造方法によれば、ドナー生成のためのドーズ量を小さくでき、また、炉のアニール温度を下げることができるようになるため、工程時間（リードタイム）を下げることができるようになり、半導体装置１００のチップ単価（コスト）を下げることができるようになる。
（第２の実施の形態）
　次に、第２の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法について説明する。第２の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法は、プロトンの加速エネルギーとアニール条件が第１の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法と異なる。第２の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法のプロトンのアニール条件以外の構成は、第１の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法と同様である。
　具体的には、まず、第１の実施の形態と同様に、ｐ型アノード層１０２の形成からプロトン６０１の注入までの工程を行う（図２～６）。プロトンの加速エネルギーは、例えば１．１ＭｅＶ（飛程Ｒｐは１８μｍ）である。次に、例えば、水素濃度が０．５％以上４．６５％未満の雰囲気において３４０℃の温度で１０時間のアニール７０１を行うことでドナー領域（ｎ層１０１ａ）を生成する（図７）。その後、第１の実施の形態と同様に、リンのイオン注入およびレーザーアニールによるｎ+層１０１ｂの形成から以降の工程を行うことで（図８）、図１に示すダイオードが完成する。
　このように製造したダイオードのキャリア濃度の深さ方向の分布をＳＲＡ法により測定した結果を図２２に示す。図２２は、第２の実施の形態にかかるダイオードの活性部の製造工程におけるアニール後のキャリア濃度の深さ方向の分布の測定結果を示す特性図である。図２２に示すように、プロトン６０１の注入面近傍および通過領域のキャリア濃度がｎ-型半導体基板１０１の不純物濃度（点線で図示する基板濃度、図２３，２４においても同様）よりも高くなっていることから、結晶欠陥（ディスオーダー）を回復させながらドナー領域を生成することができることがわかる。
　以上、説明したように、第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。第２の実施の形態によれば、プロトンのアニール温度を３４０℃以下とすることにより、裏面研削前の厚さの厚いｎ-型半導体基板に基板おもて面側の構造（ｐ型アノード層、アノード電極および層間絶縁膜など）をすべて形成することができるため、ｎ-型半導体基板の厚さが薄い状態で行う工程を少なくすることができる。これにより、歩留りを向上させることができ、かつ製造設備のコストを低減することができる。また、第２の実施の形態によれば、プロトンのアニール温度を３４０℃以下とすることにより、裏面研削前の厚さの厚いｎ-型半導体基板に電子線照射を行うことができるため、歩留りを向上させることができる。さらに、プロトンのドナー化率は、アニール温度が３００℃以上３５０℃未満の範囲で最も高くなる（例えば１０～５０％）。よって、この温度範囲でアニール処理を行うことで、プロトンのドナー化率を高く維持することができる。
（第３の実施の形態）
　次に、第３の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法について説明する。第３の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法が第１の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、プロトンの加速エネルギーと、欠陥回復とドナー化率とが所望の状態となるように、水素濃度が０．５％以上４．６５％未満の雰囲気において３４０℃より高く４００℃以下の温度のプロトンのアニールを行う点である。このため、第３の実施の形態においては、各工程を行う順序が第１の実施の形態と異なり、プロトンのアニール後に、ライフタイム制御のための電子線照射および熱処理を行う。
　具体的には、まず、第１の実施の形態と同様に、ｐ型アノード層の形成からおもて面保護膜の形成までの工程を行う。次に、ｎ-型半導体基板を裏面側から研削していき、半導体装置として用いる製品厚さの位置まで研削する。次に、ｎ-型半導体基板の裏面側からプロトンを加速エネルギー１．１ＭｅＶで注入した後、水素濃度が０．５％以上４．６５％未満の雰囲気において例えば３８０℃の温度で１０時間のアニールを行うことでドナー領域を生成する。次に、基板おもて面側から電子線を照射し、熱処理することにより、ライフタイムキラー制御を行う。その後、第１の実施の形態と同様に、リンのイオン注入およびレーザーアニールによるｎ+層の形成から以降の工程を行うことで、図１に示すダイオードが完成する。
　このように製造したダイオードのキャリア濃度の深さ方向の分布をＳＲＡ法により測定した結果を図２３に示す。図２３は、第３の実施の形態にかかるダイオードの活性部の製造工程におけるアニール後のキャリア濃度の深さ方向の分布の測定結果を示す特性図である。図２３に示すように、プロトンの注入面近傍および通過領域のキャリア濃度がｎ-型半導体基板の不純物濃度よりも高くなっていることから、第３の実施の形態において結晶欠陥（ディスオーダー）を回復させながらドナー領域を生成することができることがわかる。
　以上、説明したように、第３の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、第３の実施の形態によれば、プロトンのアニール温度を４００℃以下とすることにより、欠陥を低減させるとともに、ドナー化率を向上させることができる。また、第２の実施の形態と同様に、裏面研削前の厚さの厚いｎ-型半導体基板に基板おもて面側の構造をすべて形成することができるため、歩留り向上やコスト低減を実現することができる。
（第４の実施の形態）
　次に、第４の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法について説明する。第４の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法が第１の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、加速エネルギーと、ドナー化率を高くするために、水素濃度が０．５％以上４．６５％未満の雰囲気において３００℃～４５０℃の温度でプロトンのアニールを行う点である。このため、第４の実施の形態においては、各工程を行う順序が第１の実施の形態と異なり、プロトンのアニール後に、おもて面保護膜の形成と、ライフタイム制御のための電子線照射および熱処理とを行う。
　具体的には、まず、第１の実施の形態と同様に、ｐ型アノード層およびアノード電極を形成する。次に、ｎ-型半導体基板を裏面側から研削していき、半導体装置として用いる製品厚さの位置まで研削する。次に、ｎ-型半導体基板の裏面側から加速エネルギーを１．１ＭｅＶとしてプロトンを注入した後、水素濃度が０．５％以上４．６５％未満の雰囲気において例えば４２０℃の温度で５時間のアニールを行うことでドナー領域を生成する。次に、アノード電極を覆うおもて面保護膜を形成する。次に、基板おもて面側から電子線を照射し、熱処理することにより、ライフタイムキラー制御を行う。その後、第１の実施の形態と同様に、リンのイオン注入およびレーザーアニールによるｎ+層の形成から以降の工程を行うことで、図１に示すダイオードが完成する。
　このように製造したダイオードのキャリア濃度の深さ方向の分布をＳＲＡ法により測定した結果を図２４に示す。図２４は、第４の実施の形態にかかるダイオードの活性部の製造工程におけるアニール後のキャリア濃度の深さ方向の分布の測定結果を示す特性図である。図２４に示すように、プロトンの注入面近傍および通過領域のキャリア濃度がｎ-型半導体基板の不純物濃度よりも高くなっていることから、第４の実施の形態において結晶欠陥（ディスオーダー）を回復させながらドナー領域を生成することができることがわかる。また、プロトンの注入面近傍および通過領域のキャリア濃度が第２，３の実施の形態の場合よりも高くなっていることから、第２，３の実施の形態よりも結晶欠陥を安定して回復させることができることがわかる。
　以上、説明したように、第４の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、第４の実施の形態によれば、プロトンのアニール温度を高くすることにより、裏面研削後、ｎ-型半導体基板の厚さが薄い状態で行う工程数が多くなるが、結晶欠陥を安定して回復させることができる。
（第５の実施の形態）
　以上において本発明は、半導体基板にダイオードを形成する半導体装置の製造方法について説明したが、上述した実施の形態に限らず、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）のｎ層（フィールドストップ層）１０１ａを作製するものについても同様に適用することが可能である。
　図１１は、本発明を適用した半導体装置としてＩＧＢＴを示す断面図である。このＩＧＢＴ２００は、ｎ-型半導体基板（ｎ-ドリフト領域）２０１の主面の表面層にｐ型ベース層２１０が形成されている。さらにこのｐ型ベース層２１０の表面層には、ｎ型エミッタ層２０９が形成されている。そして、ｎ-ドリフト領域（ｎ-型半導体基板２０１）、ｐ型ベース層２１０、ｎ型エミッタ層２０９に対向するように、ゲート酸化膜２１３を介して、トレンチ型のゲート電極２０８が設けられ、金属－酸化膜－半導体（ＭＯＳ）型ゲート電極を形成している。
　また、ｎ-型半導体基板２０１の主面の表面層には、トレンチ型のゲート電極２０８のｐ型ベース層２１０側に対して反対側の側面に接するように、フローティング（浮遊）電位のフローティングｐ層２１１が形成される。そして、フローティングｐ層２１１を挟んでトレンチ型のゲート電極２０８と隣り合うように、ゲート酸化膜２１３を介してトレンチ型のダミーゲート２１２が形成される。ダミーゲート２１２の電位は、フローティング電位であってもよいし、エミッタ電位であってもよい。一方、対面（裏面）の表面層にはｐ+型コレクタ層２０３が形成される。そしてｐ型ベース層２１０の外周位置に終端領域１０４となるｐ型のガードリング２０４が形成される。
　このＩＧＢＴ２００は、スイッチング時におけるノイズの原因となる電圧振動を低減させるために、おもて面側から裏面側に対して深い位置でのｎ型ドーピング濃度のコントロールを行っている。この図１１には、プロトン注入後、水素雰囲気アニールによりプロトンのドナー生成を促進させた状態を示している。キャリア濃度コントロールについては、比較的低い加速電圧で、シリコン中に深い飛程が得られるプロトン注入を用いてｎ型層２０１ａを形成する。このｎ型層２０１ａはプロトン注入によるフィールドストップ層となり、ｎ-ドリフト領域（ｎ-型半導体基板２０１）より高い不純物濃度を有する。
　ｐ型ベース層２１０およびｎ型エミッタ層２０９上にはエミッタ電極２０２が設けられ、ｐ+型コレクタ層２０３の下面（ＩＧＢＴ２００の裏面）には、コレクタ電極２０６が設けられる。また、活性部１１０は、ＩＧＢＴがオンの時に電流が流れる領域であり、終端領域１０４は、ｎ-型半導体基板（ｎ-ドリフト領域）２０１の主面側の電界を緩和し、耐圧を保持する領域である。終端領域１０４には、例えばフローティングのｐ型領域であるｐ型ガードリング２０４と、ガードリング２０４に電気的に接続された導電膜であるフィールドプレート（ＦＰ）２０７とが設けられている。２０５は層間絶縁膜、２１４は絶縁層である。
　以上、説明したように、第５の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
（第６の実施の形態）
　次に、フィールドストップ層の位置についての説明を、第６の実施の形態として説明する。プロトン注入によるフィールドストップ層は、当然１つだけでなく複数形成してもよい。以下では、複数回のプロトン注入において、１段目のフィールドストップ層のプロトンピーク位置の好ましい位置について説明する。１段目のフィールドストップ層とは、ダイオードの場合はｎ+型カソード層、ＩＧＢＴの場合はｐ+型コレクタ層側となる基板裏面から、深さ方向で最も深い箇所に位置するフィールドストップ層のことである。
　図１５は、一般的なダイオードの逆回復時の発振波形である。アノード電流が定格電流の１／１０以下の場合、蓄積キャリアが少ないために、逆回復が終わる手前で発振することがある。アノード電流をある値に固定して、異なる電源電圧ＶCCにてダイオードを逆回復させる。このとき、電源電圧ＶCCがある所定の値を超えると、カソード・アノード間電圧波形において、通常のオーバーシュート電圧のピーク値を超えた後に、付加的なオーバーシュートが発生するようになる。そして、この付加的なオーバーシュート（電圧）がトリガーとなり、以降の波形が振動する。電源電圧ＶCCがこの所定の値をさらに超えると、付加的なオーバーシュート電圧がさらに増加し、以降の振動の振幅も増加する。このように、電圧波形が振動を始める閾値電圧を発振開始閾値ＶRROと呼ぶ。このＶRROが高ければ高いほど、ダイオードは逆回復時に発振しないことを示すので、好ましい。
　発振開始閾値ＶRROは、ダイオードのｐ型アノード層とｎ-ドリフト領域とのｐｎ接合からｎ-ドリフト領域を広がる空乏層端（厳密には、正孔が存在するので空間電荷領域端）が、複数のプロトンピークのうち最初に達する１段目のプロトンピークの位置に依存する。その理由は、次のとおりである。逆回復時に空乏層がおもて面側のｐ型アノード層からｎ-ドリフト領域を広がるときに、空乏層端が１つ目のフィールドストップ層に達することでその広がりが抑えられ、蓄積キャリアの掃き出しが弱まる。その結果、キャリアの枯渇が抑制され、発振が抑えられる。
　逆回復時の空乏層は、ｐ型アノード層とｎ-ドリフト領域との間のｐｎ接合からカソード電極に向かって深さ方向に沿って広がる。このため、空乏層端が最初に達するフィールドストップ層のピーク位置は、ｐ型アノード層とｎ-ドリフト領域との間のｐｎ接合に最も近いフィールドストップ層となる。そこで、ｎ-型半導体基板の厚さ（アノード電極とカソード電極とに挟まれた部分の厚さ）をＷ0、空乏層端が最初に達するフィールドストップ層のピーク位置の、カソード電極とｎ-型半導体基板の裏面との界面からの深さ（以下、裏面からの距離とする）をＸとする。ここで、距離指標Ｌを導入する。距離指標Ｌは、下記の（１）式であらわされる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　図１７は、本発明にかかる半導体装置において空乏層が最初に達するフィールドストップ層の位置条件を示す図表である。図１９は、複数のフィールドストップ層を有するダイオードを示す説明図である。図１９（ａ）には、複数のフィールドストップ層３を形成したダイオードの断面図を示す。図１９（ｂ）には、図１９（ａ）の切断線Ｂ－Ｂ’に沿ったネットドーピング濃度分布を示す。ｎ-ドリフト領域１となるｎ-型半導体基板のおもて面側にｐ型アノード層５２を形成し、裏面側にはｎ+型カソード層５３を形成している。符号５１はアノード電極であり、符号５４はカソード電極である。ｎ-ドリフト領域１の内部にはフィールドストップ層３を例えば３段形成している。また、基板裏面から最も深いフィールドストップ層３のピーク位置の、基板裏面からの距離Ｘは５０μｍである。これは、図１７に示す図表に基づいて距離指標Ｌを５８．２μｍとし、後述するγを１．２とした場合である。また、図１９（ｂ）に示したＬの矢印は、例えばｐ型アノード層５２とｎ-ドリフト領域１との間のｐｎ接合からの距離（長さ）を示している。
　図１８は、複数のフィールドストップ層を有するＩＧＢＴを示す説明図である。図１８（ａ）には、複数のフィールドストップ層３を形成したＩＧＢＴの断面図を示す。図１８（ｂ）には、図１８（ａ）の切断線Ａ－Ａ’に沿ったネットドーピング濃度分布を示す。ｎ-ドリフト領域１となるｎ-型半導体基板のおもて面側にｐ型ベース層３３を形成し、裏面側にはｐコレクタ層４を形成している。符号２はｎ+エミッタ層であり、符号２３はｐ型ベース層３３とｎ-ドリフト領域１との間のｐｎ接合であり、符号３１はエミッタ電極であり、符号３２はコレクタ電極である。また、符号３８はｎバッファ層であり、符号４１は層間絶縁膜であり、符号４２はゲート電極であり、符号４３はゲート絶縁膜である。ｎ-ドリフト領域１の内部にはフィールドストップ層３を例えば３段形成している。基板裏面から最も深いフィールドストップ層３のピーク位置の、基板裏面からの距離Ｘは５０μｍである。これは、図１７に示す図表に基づいて距離指標Ｌを５８．２μｍとし、後述するγを１．２とした場合である。また、図１８（ｂ）示したＬの矢印は、例えばｐ型ベース層３３とｎ-ドリフト領域１との間のｐｎ接合２３からの距離（長さ）を示している。
　次に、ダイオードの逆回復発振について説明する。上記（１）式に示す距離指標Ｌは、逆回復時に、カソード・アノード間電圧ＶAKが電源電圧ＶCCとなるときに、ｐ型アノード層とｎ-ドリフト領域との間のｐｎ接合からｎ-ドリフト領域に広がる空乏層（正しくは空間電荷領域）の端部（空乏層端）の、当該ｐｎ接合からの距離を示す指標である。平方根の内部の分数の中で、分母は逆回復時の空間電荷領域（簡単には、空乏層）の空間電荷密度を示している。周知のポアソンの式は、ｄｉｖＥ＝ρ／εで表され、Ｅは電界強度、ρは空間電荷密度でρ＝ｑ（ｐ－ｎ＋Ｎd－Ｎa）である。ｑは電荷素量、ｐは正孔濃度、ｎは電子濃度、Ｎdはドナー濃度、Ｎaはアクセプタ濃度、εは半導体の誘電率である。特にドナー濃度Ｎdは、ｎ-ドリフト領域を深さ方向に積分し、積分した区間の距離で割った平均濃度とする。
　この空間電荷密度ρは、逆回復時に空間電荷領域（空乏層）を駆け抜ける正孔濃度ｐとｎ-ドリフト領域の平均的なドナー濃度Ｎdで記述され、電子濃度はこれらよりも無視できるほど低く、アクセプタが存在しないため、ρ≒ｑ（ｐ＋Ｎd）と表すことができる。このときの正孔濃度ｐは、ダイオードの遮断電流によって決まり、特に素子の定格電流密度が通電している状況を想定するため、ｐ＝ＪF／（ｑｖsat）で表され、ＪFは素子の定格電流密度、ｖsatはキャリアの速度が所定の電界強度で飽和した飽和速度である。
　上記ポアソンの式を距離ｘで２回積分し、電圧ＶとしてＥ＝－ｇｒａｄＶ（周知の電界Ｅと電圧Ｖとの関係）であるため、境界条件を適当にとれば、Ｖ＝（１／２）（ρ／ε）ｘ2となる。この電圧Ｖが、定格電圧ＢＶの１／２としたときに得られる空間電荷領域の長さｘを、上記の距離指標Ｌとしているのである。その理由は、インバーター等の実機では、電圧Ｖとなる動作電圧（電源電圧ＶCC）を、定格電圧の半値程度とするためである。フィールドストップ層は、ドーピング濃度をｎ-ドリフト領域よりも高濃度とすることで、逆回復時に広がる空間電荷領域の伸びを、フィールドストップ層において広がり難くする機能を有する。ダイオードのアノード電流が、回路上の別の位置にあるＩＧＢＴのＭＯＳゲートのオンにより遮断電流から減少を始めるときに、空乏層が最初に達するフィールドストップ層のピーク位置が、ちょうどこの空間電荷領域の長さにあれば、蓄積キャリアがｎ-ドリフト領域に残存した状態で、空間電荷領域の伸びを抑えることができるので、残存キャリアの掃出しが抑えられる。
　実際の逆回復動作は、例えばＩＧＢＴモジュールを周知のＰＷＭインバーターでモーター駆動するときには、電源電圧ＶCCや遮断電流が固定ではなく可変である。したがって、このような場合では、空乏層が最初に達するフィールドストップ層のピーク位置の好ましい位置に、ある程度の幅を持たせる必要がある。発明者らの検討の結果、空乏層が最初に達するフィールドストップ層のピーク位置の裏面からの距離Ｘは、図１７に示す図表のようになる。図１７には、定格電圧が６００Ｖ～６５００Ｖのそれぞれにおいて、最初に空乏層端が達するフィールドストップ層のピーク位置の裏面からの距離Ｘを示す。ここで、Ｘ＝Ｗ0－γＬとおき、γは係数である。このγを、例えば０．７～１．６まで変化させたときのＸを示している。
　図１７に示すように、各定格電圧では、素子（ダイオード）が定格電圧よりも１０％程度高い耐圧を持つように、安全設計をする。そして、オン電圧や逆回復損失がそれぞれ十分低くなるように、図１７に示すようにｎ-型半導体基板の総厚（研削等によって薄くした後の仕上がり時の厚さ）およびｎ-ドリフト領域の平均的な比抵抗とする。平均的とは、フィールドストップ層を含めたｎ-ドリフト領域全体の平均濃度および比抵抗である。定格電圧によって、定格電流密度ＪFも図１７に示したような典型値となる。定格電流密度ＪFは、定格電圧と定格電流密度ＪFとの積によって決まるエネルギー密度が、およそ一定の値となるように設定され、ほぼ図１７に示す値のようになる。これらの値を用いて上記（１）式に従い距離指標Ｌを計算すると、図１７に記載した値となる。最初に空乏層端が達するフィールドストップ層のピーク位置の裏面からの距離Ｘは、この距離指標Ｌに対してγを０．７～１．６とした値をｎ-型半導体基板の厚さＷ0から引いた値となる。
　これら距離指標Ｌおよびｎ-型半導体基板の厚さＷ0の値に対して、逆回復発振が十分抑えられるような、最初に空乏層端が達するフィールドストップ層のピーク位置の裏面からの距離Ｘは、次のようになる。図１４は、電圧波形が振動を始める閾値電圧について示す特性図である。図１４には、このγに対する、発振開始閾値ＶRROの依存性を、典型的ないくつかの定格電圧Ｖrate（６００Ｖ、１２００Ｖ、３３００Ｖ）について示す。ここで、縦軸は、発振開始閾値ＶRROを定格電圧Ｖrateで規格化した値とする。３つの定格電圧Ｖrateともに、γが１．５以下で発振開始閾値ＶRROを急激に高くできることがわかる。
　前述のように、インバーター等の実機では、電圧Ｖとなる動作電圧（電源電圧ＶCC）を定格電圧Ｖrateの半値程度とするため、電源電圧ＶCCを定格電圧Ｖrateの半値とするときには、少なくともダイオードの逆回復発振は生じないようにしなければならない。つまり、ＶRRO／Ｖrateの値は０．５以上とする必要がある。図１４から、ＶRRO／Ｖrateの値が０．５以上となるのは、γが０．２以上１．５以下であるので、少なくともγを０．２～１．５とすることが好ましい。
　また、図示しない６００Ｖ～１２００Ｖの間（８００Ｖや１０００Ｖなど）、１２００Ｖ～３３００Ｖの間（１４００Ｖ，１７００Ｖ，２５００Ｖなど）、および３３００Ｖ以上（４５００Ｖ、６５００Ｖなど）のいずれにおいても、図１４に示す３つの曲線から大きく逸脱せず、この３つの曲線と同様の依存性（γに対する発振開始閾値ＶRROの値）を示す。図１７から、γが０．７～１．４の範囲で、いずれの定格電圧Ｖrateも発振開始閾値ＶRROを十分高くできる領域であると分かる。
　γが０．７より小さくなると、発振開始閾値ＶRROは定格電圧Ｖrateのおよそ８０％以上であるものの、フィールドストップ層がｐ型ベース層に近くなるため、素子のアバランシェ耐圧が定格電圧Ｖrateより小さくなる場合が生じる。そのため、γは０．７以上が好ましい。また、γが１．４より大きくなると、発振開始閾値ＶRROは定格電圧Ｖrateの約７０％から急速に減少し、逆回復発振が発生し易くなる。したがって、γは１．４以下であるのが好ましい。より好ましくは、γが０．８～１．３の範囲内、さらに好ましくはγが０．９～１．２の範囲内であれば、素子のアバランシェ耐圧を定格電圧Ｖrateよりも十分高くしつつ、発振開始閾値ＶRROを最も高くすることができる。
　この図１４で重要な点は、いずれの定格電圧Ｖrateにおいても、発振開始閾値ＶRROを十分高くできるγの範囲は、ほぼ同じ（０．７～１．４）となることである。この理由は、空乏層が最初に到達するフィールドストップ層のピーク位置の裏面からの距離Ｘの範囲を、Ｗ0－Ｌ（γ＝１）を中心とすることが最も効果的なためである。γ＝１．０を含むことが最も効果的なのは、パワー密度（定格電圧Ｖrateと定格電流密度ＪFとの積）が略一定（例えば１．８×１０5～２．６×１０5ＶＡ／ｃｍ2）となることに起因する。つまり、ターンオフ等のスイッチング時に、素子の電圧が定格電圧Ｖrate相当になったときに、空間電荷領域端の距離（深さ）は上記（１）式で示す距離指標Ｌ程度となり、この距離指標Ｌの位置に裏面から最も深いフィールドストップ層のピーク位置があれば（すなわちγが約１．０）、スイッチング時の発振は抑制することができる。そして、パワー密度が略一定なので、距離指標Ｌは定格電圧Ｖrateに比例するようになる。これにより、どの定格電圧Ｖrateにおいても、γ＝１を略中心に含む範囲とすれば発振開始閾値ＶRROを十分高くでき、逆回復時の発振抑制効果を最も大きくできる。
　以上より、最初に空乏層端が達するフィールドストップ層のピーク位置の裏面からの距離Ｘを上記範囲とすることで、逆回復時にダイオードは蓄積キャリアを十分残存させることができ、発振現象を抑えることができる。したがって、いずれの定格電圧Ｖrateにおいても、最初に空乏層端が達するフィールドストップ層のピーク位置の裏面からの距離Ｘは、距離指標Ｌの係数γを上述の範囲とすることがよい。これにより、逆回復時の発振現象を効果的に抑制することができる。
　また、図１７では、定格電圧Ｖrateが６００Ｖ以上において、上述のように裏面から最も深い１つ目（１段目）のフィールドストップ層の裏面からの深さをγ＝１程度とする場合、距離指標Ｌはいずれの定格電圧Ｖrateも２０μｍより深いことがわかる。すなわち裏面から最も深い１段目のプロトンピークを形成するためのプロトンの飛程Ｒｐを基板裏面から１５μｍよりも深く、特に２０μｍ以上とする理由は、まさにこの発振抑制効果を最も高くするためである。
　以上のように、良好なスイッチング特性を得るためには、ｎ-型半導体基板の裏面から少なくとも１５μｍよりも深い領域にフィールドストップ層を形成する必要がある。なお、上記の距離指標Ｌの考え方、およびγの好ましい範囲については、ダイオードだけでなく、ＩＧＢＴにおいても同様の範囲とすることが可能である。つまり、逆回復発振はターンオフ発振と置き換えて考えればよく、発振の起きやすさ、および抑制する作用効果についても、類似している。
（第７の実施の形態）
　次に、本発明にかかる半導体装置の製造方法におけるプロトンの加速エネルギーについての説明を、第７の実施の形態として説明する。上記のγの範囲を満たすように、空乏層が最初に達するフィールドストップ層のピーク位置が基板裏面からの距離Ｘを有するように当該フィールドストップ層を実際にプロトン注入で形成するには、プロトンの加速エネルギーを図１６に示す特性図から決めればよい。図１６は、本発明にかかる半導体装置のプロトンの飛程とプロトンの加速エネルギーとの関係を示す特性図である。
　発明者らは鋭意研究を重ねた結果、プロトンの飛程Ｒｐ（フィールドストップ層のピーク位置）と、プロトンの加速エネルギーＥについて、プロトンの飛程Ｒｐの対数ｌｏｇ（Ｒｐ）をｘ、プロトンの加速エネルギーＥの対数ｌｏｇ（Ｅ）をｙとすると、下記（２）式の関係があることを見出した。
　ｙ＝－０．００４７ｘ4＋０．０５２８ｘ3－０．２２１１ｘ2＋０．９９２３ｘ＋５．０４７４　・・・（２）
　図１６は、上記（２）式を示す特性図であり、プロトンの所望の飛程Ｒｐを得るためのプロトンの加速エネルギーを示している。図１６の横軸はプロトンの飛程Ｒｐの対数ｌｏｇ（Ｒｐ）であり、ｌｏｇ（Ｒｐ）の軸数値の下側の括弧内に対応する飛程Ｒｐ（μｍ）を示す。また、縦軸はプロトンの加速エネルギーＥの対数ｌｏｇ（Ｅ）であり、ｌｏｇ（Ｅ）の軸数値の左側の括弧内に対応するプロトンの加速エネルギーＥを示す。上記（２）式は、実験等によって得られた、プロトンの飛程Ｒｐの対数ｌｏｇ（Ｒｐ）と加速エネルギーの対数ｌｏｇ（Ｅ）との各値を、ｘ（＝ｌｏｇ（Ｒｐ））の４次の多項式でフィッティングさせた式である。
　なお、上記のフィッティング式を用いて所望のプロトンの平均飛程Ｒｐからプロトン注入の加速エネルギーＥを算出（以下、算出値Ｅとする）して、この加速エネルギーの算出値Ｅでプロトンをシリコン基板に注入した場合における、実際の加速エネルギーＥ’と実際に広がり抵抗測定法（ＳＲＡ法）等によって得られた平均飛程Ｒｐ’（プロトンピーク位置）との関係は、以下のように考えればよい。
　加速エネルギーの算出値Ｅに対して、実際の加速エネルギーＥ’がＥ±１０％程度の範囲にあれば、実際の平均飛程Ｒｐ’も所望の平均飛程Ｒｐに対して±１０％程度の範囲に収まり、測定誤差の範囲内となる。そのため、実際の平均飛程Ｒｐ’の所望の平均飛程Ｒｐからのバラつきが、ダイオードやＩＧＢＴの電気的特性へ与える影響は、無視できる程度に十分小さい。したがって、実際の加速エネルギーＥ’が算出値Ｅ±１０％の範囲にあれば、実際の平均飛程Ｒｐ’は実質的に設定どおりの平均飛程Ｒｐであると判断することができる。あるいは、実際の加速エネルギーＥ’を上記（２）式に当てはめて算出した平均飛程Ｒｐに対して、実際の平均飛程Ｒｐ’が±１０％以内に収まれば、問題ない。
　実際の加速器では、加速エネルギーＥおよび平均飛程Ｒｐはいずれも上記の範囲（±１０％）に収まり得るため、実際の加速エネルギーＥ’および実際の平均飛程Ｒｐ’は、所望の平均飛程Ｒｐと算出値Ｅとで表される上記（２）式に示すフィッティング式にしたがっていると考えて、全く差支えない。さらに、バラつきや誤差の範囲が、平均飛程Ｒｐに対して±１０％以下であればよく、好適には±５％に収まれば、申し分なく上記（２）式に従っていると考えることができる。
　上記（２）式を用いることにより、所望のプロトンの飛程Ｒｐを得るのに必要なプロトンの加速エネルギーＥを求めることができる。上述したフィールドストップ層を形成するためのプロトンの各加速エネルギーＥも、上記（２）式を用いており、実際に上記の加速エネルギーＥ’でプロトンを注入した試料を周知の広がり抵抗測定法（ＳＲＡ法）にて測定した実測値ともよく一致する。したがって、上記（２）式を用いることで、極めて精度よく、プロトンの飛程Ｒｐに基づいて必要なプロトンの加速エネルギーＥを予測することが可能となった。
（第８の実施の形態）
　次に、本発明にかかる半導体装置の逆回復波形についての説明を、第８の実施の形態として説明する。図２１は、本発明にかかる半導体装置の逆回復波形を示す特性図である。図２１には、第１の実施の形態にしたがって作製された本発明（以下、実施例１とする）の逆回復波形と、プロトン注入を行わずに電子線照射のみとした比較例の逆回復波形とを示す。定格電圧は１２００Ｖとし、ＦＺシリコン基板のドーピング濃度（平均濃度）Ｎd、および、研削後のＦＺシリコン基板の仕上がり厚さＷ0は図１７の通りである。基板裏面から最も深いフィールドストップ層のγは１である。電子線照射条件は、本発明では線量を３００ｋＧｙとし、加速エネルギーを５ＭｅＶとした。比較例では線量を６０ｋＧｙとした。本発明および比較例のいずれも定格電流密度（図１７の１２００Ｖの欄）における順電圧降下は１．８Ｖとした。試験条件は、電源電圧ＶCCを８００Ｖとし、初期の定常的なアノード電流を定格電流（電流密度×活性面積約１ｃｍ2）とし、チョッパー回路においてダイオード、駆動用ＩＧＢＴ（同じ１２００Ｖ）、中間コンデンサとの浮遊インダクタンスを２００ｎＨとした。
　図２１からも明らかなように、実施例１は、比較例よりも、逆回復ピーク電流が小さく、電源電圧ＶCCに対して高い電圧が発生するオーバーシュート電圧も２００Ｖ程度小さくすることができていることがわかる。すなわち、本発明の逆回復波形はいわゆるソフトリカバリー波形である。これは、高速だがハードリカバリーになりやすい電子線照射によるライフタイム制御でも、極めてソフトな波形を達成することができたことを示し、従来（比較例）では得られない効果である。
　このような本発明に見られる効果の作用（理由）について、図２０を参照して説明する。図２０は、本発明にかかる半導体装置のキャリアライフタイムを示す特性図である。図２０には、実施例１のダイオードについて、アノード電極からの深さ方向に対するネットドーピング濃度、点欠陥濃度、およびキャリアライフタイムを示す。本発明がソフトリカバリー化を実現することができる理由は、電子線照射によって導入された点欠陥（空孔（Ｖ）、複空孔（ＶＶ））に対し、基板裏面からのプロトン注入によって導入された水素原子によってダングリングボンドが終端されたためであると推測される。キャリアの生成・消滅を促す欠陥は、点欠陥が主であり、空孔（Ｖ）・複空孔（ＶＶ）を主体とするエネルギー中心（センター）である。点欠陥にはダングリングボンドが形成されている。そこに、基板裏面からプロトンを注入してアニール（熱処理）を行うことにより、欠陥が緩和されて正常な結晶状態に近い状態に戻ろうとする。このとき、ダングリングボンドを周辺の水素原子が終端する。これにより、空孔（Ｖ）および複空孔（ＶＶ）を主体とするセンターは消滅する。一方、水素原子に起因するドナー（水素誘起ドナー）は、空孔（Ｖ）＋酸素（Ｏ）＋水素（Ｈ）のＶＯＨ欠陥が主体であるため、プロトン注入により単にダングリングボンドが水素原子で終端されるだけでなく、ＶＯＨ欠陥も形成される。すなわち、ドナー形成に最も寄与するＶＯＨ欠陥の形成こそが、空孔（Ｖ）および複空孔（ＶＶ）を主体とする点欠陥を消滅させる理由である。これが、漏れ電流やキャリア再結合の原因である空孔（Ｖ）および複空孔（ＶＶ）の密度を低下させつつ、ＶＯＨドナーの生成を促すと推測される。
　ここで、通常は、シリコンウェハーをインゴットから製造してウェハー状にスライスした段階で、ウェハーには酸素が含まれている。例えば純ポリシリコンから製造したＦＺウェハーには、酸素は１×１０15／ｃｍ3～１×１０16／ｃｍ3程度含有されている。ＣＺウェハーを原料とするポリシリコンから引き上げたＦＺウェハーについては、酸素は１×１０16／ｃｍ3～１×１０17／ｃｍ3程度含有されている。これらの含有されている酸素が、ＶＯＨ欠陥のＯとして寄与する。
　なお、従来技術として、ドナーをあまり形成せずにライフタイム低減のみを目的としたプロトン注入は広く知られているが、このプロトン注入は空孔（Ｖ）および複空孔（ＶＶ）を主体とする欠陥を大量に残し、ＶＯＨ欠陥は相対的にほとんど形成していないものと推測される。この点は、本発明の基板裏面からのプロトン注入と水素誘起ドナーとによるフィールドストップ層の形成、および電子線照射によるダングリングボンドを水素原子で終端する効果によって得られる空孔（Ｖ）および複空孔（ＶＶ）を主体とする欠陥の低減と、大きく異なる点である。
　このような現象により、点欠陥密度は、図２０の中段に示すように、ｐ型アノード層からフィールドストップ層までは電子線照射による点欠陥が十分残留し、一様なライフタイム分布を形成している。このときのライフタイムは、例えば、０．１μｓ以上３μｓ以下の程度である。一方、フィールドストップ層から基板裏面のカソード側では、プロトンの注入により、基板裏面から５０μｍ程度およびそれよりさらにカソード側に近いところで、水素濃度が増加する。この水素原子がダングリングボンドを終端することで、点欠陥濃度は減少する。これにより、フィールドストップ層を形成している深さ領域（裏面から５０μｍ深さ～基板裏面表層）のライフタイムは、それより浅い領域よりも増加し、例えば１０μｓ程度となる。この値は、電子線照射を行わないときのライフタイム値（１０μｓ以上）か、それに十分近い値である。これにより、図示しない少数キャリア（この場合正孔）の濃度分布は、アノード側で十分低く、カソード側で十分高い分布とすることができ、ダイオードのソフトリカバリー特性にとって極めて理想的なキャリア濃度分布を達成できる。
　以上より、基板の深さ方向に電子線照射により点欠陥を導入し、基板裏面からのプロトン注入によって水素誘起ドナーからなるフィールドストップ層を形成することによって、フィールドストップ層を形成した領域の空孔（Ｖ）および複空孔（ＶＶ）を主体とする点欠陥を減らし、ライフタイム分布をソフトリカバリー特性に有効な分布とすることができる。
　以上のように、本発明にかかる半導体装置の製造方法は、例えば産業用あるいは自動車用のモーター制御やエンジン制御に使用されるパワー半導体装置に有用である。
　１００　半導体装置（ダイオード）
　１０１　ｎ-型半導体基板
　１０１ａ　ｎ層（フィールドストップ層）
　１０１ｂ　ｎ+型カソード層（ｎ+層）
　１０２　ｐ型アノード層
　１０４　終端領域
　１０５　アノード電極
　１０６　カソード電極
　１０７　フィールドプレート
　１０８　絶縁層
　２００　半導体装置（ＩＧＢＴ）

Claims (13)

  1. 　第１導電型の半導体基板の裏面からプロトン注入する注入工程と、
    　前記注入工程後に、前記半導体基板をアニール炉でアニール処理を行うことによって、前記半導体基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型の第１半導体領域を形成する形成工程と、を含み、
    　前記形成工程は、前記アニール炉を水素雰囲気中とし、当該水素の容積濃度を０．５％以上４．６５％未満で行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 　前記半導体装置はダイオードであり、前記第１導電型の前記第１半導体領域がｎ型のフィールドストップ層であり、前記半導体基板がカソード層であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 　前記半導体装置は絶縁ゲート型バイポーラトランジスタであり、前記第１導電型の前記第１半導体領域がｎ型のフィールドストップ層であり、前記半導体基板がドリフト層であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 　前記水素の容積濃度は、前記半導体基板の前記ｎ型のフィールドストップ層からカソード電極までの領域のキャリア濃度を基板濃度程度にできる濃度に設定したことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 　前記水素の容積濃度は、前記半導体基板の前記ｎ型のフィールドストップ層からコレクタ電極までの領域のキャリア濃度を基板濃度程度にできる濃度に設定した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。
  6. 　前記アニール処理のアニール温度は３００℃～４５０℃であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 　前記アニール処理のアニール温度は３５０℃～４００℃であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 　前記アニール処理の処理時間は１時間～１０時間であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  9. 　前記アニール処理の処理時間は３時間～７時間であることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
  10. 　前記アニール処理の処理時間は５時間以下であることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
  11. 　前記プロトン注入のプロトンの注入量は、３×１０12／ｃｍ2～５×１０14／ｃｍ2であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  12. 　前記プロトン注入のプロトンの注入量は、１×１０13／ｃｍ2～１×１０14／ｃｍ2であることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
  13. 　前記プロトン注入のプロトンの注入エネルギーＥの対数ｌｏｇ（Ｅ）をｙとし、前記プロトンの飛程Ｒｐの対数ｌｏｇ（Ｒｐ）をｘとすると、ｙ＝－０．００４７ｘ4＋０．０５２８ｘ3－０．２２１１ｘ2＋０．９９２３ｘ＋５．０４７４を満たすことを特徴とする請求項１～１２のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
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Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104392912A (zh) * 2014-11-05 2015-03-04 中国东方电气集团有限公司 一种在半导体器件中形成n型埋层的方法
WO2016051973A1 (ja) * 2014-10-03 2016-04-07 富士電機株式会社 半導体装置および半導体装置の製造方法
WO2016157935A1 (ja) * 2015-04-02 2016-10-06 三菱電機株式会社 電力用半導体装置の製造方法
JP6037012B2 (ja) * 2013-06-26 2016-11-30 富士電機株式会社 半導体装置および半導体装置の製造方法
JP2020155581A (ja) * 2019-03-20 2020-09-24 株式会社東芝 半導体装置
JP2021082829A (ja) * 2014-11-14 2021-05-27 インフィネオン テクノロジーズ アーゲーＩｎｆｉｎｅｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ａｇ 半導体装置を形成する方法および半導体装置
JP2022035157A (ja) * 2020-08-20 2022-03-04 三菱電機株式会社 半導体装置および半導体装置の製造方法
JP2022062217A (ja) * 2018-03-19 2022-04-19 富士電機株式会社 半導体装置および半導体装置の製造方法
US11676996B2 (en) 2017-07-19 2023-06-13 Mitsubishi Electric Corporation Method of manufacturing semiconductor device, and semiconductor device
US11901419B2 (en) 2019-10-11 2024-02-13 Fuji Electric Co., Ltd. Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9385211B2 (en) * 2012-03-30 2016-07-05 Fuji Electric Co., Ltd. Manufacturing method for semiconductor device
US9419116B2 (en) * 2014-01-22 2016-08-16 Alexei Ankoudinov Diodes and methods of manufacturing diodes
US9224876B2 (en) * 2014-01-24 2015-12-29 Alexei Ankoudinov Fast switching diodes and methods of manufacturing those diodes
JP6237921B2 (ja) * 2014-09-30 2017-11-29 富士電機株式会社 半導体装置および半導体装置の製造方法
US20160126308A1 (en) * 2014-10-31 2016-05-05 Global Power Technologies Group, Inc. Super-junction edge termination for power devices
US9806186B2 (en) * 2015-10-02 2017-10-31 D3 Semiconductor LLC Termination region architecture for vertical power transistors
JP6833848B2 (ja) * 2015-11-27 2021-02-24 アーベーベー・シュバイツ・アーゲーＡＢＢ Ｓｃｈｗｅｉｚ ＡＧ 面積効率の良いフローティングフィールドリング終端
CN106935498B (zh) * 2015-12-30 2019-09-13 节能元件控股有限公司 绝缘栅双极晶体管的背面场栏的低温氧化层制作方法
CN107452621B (zh) * 2016-05-31 2021-07-20 无锡华润微电子有限公司 快恢复二极管及其制造方法
DE102016112139B3 (de) * 2016-07-01 2018-01-04 Infineon Technologies Ag Verfahren zum Reduzieren einer Verunreinigungskonzentration in einem Halbleiterkörper
WO2018092788A1 (ja) * 2016-11-16 2018-05-24 富士電機株式会社 半導体装置
IT201800007263A1 (it) * 2018-07-17 2020-01-17 Sensore ottico a bassa potenza per applicazioni di consumo, industriali e automobilistiche
JP7243744B2 (ja) * 2019-01-18 2023-03-22 富士電機株式会社 半導体装置および半導体装置の製造方法
EP3920209B1 (en) * 2019-09-11 2024-07-31 Fuji Electric Co., Ltd. Semiconductor device and manufacturing method
DE112020001043T5 (de) * 2019-10-11 2021-12-23 Fuji Electric Co., Ltd. Halbleitervorrichtung und herstellungsverfahren einer halbleitervorrichtung

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0427706B2 (ja) * 1982-06-28 1992-05-12 Handotai Kenkyu Shinkokai
JPH09260639A (ja) 1996-03-27 1997-10-03 Hitachi Ltd シリコン半導体装置の製造方法
US20060081923A1 (en) 2004-09-30 2006-04-20 Infineon Technologies Ag Semiconductor device and fabrication method suitable therefor
US20060286753A1 (en) 2005-06-08 2006-12-21 Reiner Barthelmess Method for Producing a Stop Zone in a Semiconductor Body and Semiconductor Component Having a Stop Zone
WO2007055352A1 (ja) * 2005-11-14 2007-05-18 Fuji Electric Device Technology Co., Ltd. 半導体装置およびその製造方法
JP2008091853A (ja) * 2006-09-07 2008-04-17 Fuji Electric Device Technology Co Ltd 半導体装置およびその製造方法
JP2008211148A (ja) * 2007-02-28 2008-09-11 Fuji Electric Device Technology Co Ltd 半導体装置およびその製造方法
JP2009099705A (ja) * 2007-10-16 2009-05-07 Toyota Motor Corp 半導体装置の製造方法
WO2011052787A1 (ja) * 2009-11-02 2011-05-05 富士電機システムズ株式会社 半導体装置および半導体装置の製造方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4728508B2 (ja) * 2001-06-11 2011-07-20 株式会社東芝 縦型電力用半導体素子の製造方法
CN103946983B (zh) * 2011-12-15 2017-05-31 富士电机株式会社 半导体装置和半导体装置的制造方法
US9947761B2 (en) 2012-03-19 2018-04-17 Fuji Electric Co., Ltd. Production method for semiconductor device

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0427706B2 (ja) * 1982-06-28 1992-05-12 Handotai Kenkyu Shinkokai
JPH09260639A (ja) 1996-03-27 1997-10-03 Hitachi Ltd シリコン半導体装置の製造方法
US20060081923A1 (en) 2004-09-30 2006-04-20 Infineon Technologies Ag Semiconductor device and fabrication method suitable therefor
US20060286753A1 (en) 2005-06-08 2006-12-21 Reiner Barthelmess Method for Producing a Stop Zone in a Semiconductor Body and Semiconductor Component Having a Stop Zone
WO2007055352A1 (ja) * 2005-11-14 2007-05-18 Fuji Electric Device Technology Co., Ltd. 半導体装置およびその製造方法
JP2008091853A (ja) * 2006-09-07 2008-04-17 Fuji Electric Device Technology Co Ltd 半導体装置およびその製造方法
JP2008211148A (ja) * 2007-02-28 2008-09-11 Fuji Electric Device Technology Co Ltd 半導体装置およびその製造方法
JP2009099705A (ja) * 2007-10-16 2009-05-07 Toyota Motor Corp 半導体装置の製造方法
WO2011052787A1 (ja) * 2009-11-02 2011-05-05 富士電機システムズ株式会社 半導体装置および半導体装置の製造方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP2790208A4

Cited By (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6037012B2 (ja) * 2013-06-26 2016-11-30 富士電機株式会社 半導体装置および半導体装置の製造方法
WO2016051973A1 (ja) * 2014-10-03 2016-04-07 富士電機株式会社 半導体装置および半導体装置の製造方法
JPWO2016051973A1 (ja) * 2014-10-03 2017-07-20 富士電機株式会社 半導体装置および半導体装置の製造方法
US10312331B2 (en) 2014-10-03 2019-06-04 Fuji Electric Co., Ltd. Semiconductor device, and method of manufacturing semiconductor device
US10923570B2 (en) 2014-10-03 2021-02-16 Fuji Electric Co., Ltd. Manufacturing method for controlling carrier lifetimes in semiconductor substrates that includes injection and annealing
US11646350B2 (en) 2014-10-03 2023-05-09 Fuji Electric Co., Ltd. Semiconductor device, and method of manufacturing semiconductor device
CN104392912A (zh) * 2014-11-05 2015-03-04 中国东方电气集团有限公司 一种在半导体器件中形成n型埋层的方法
JP7140860B2 (ja) 2014-11-14 2022-09-21 インフィネオン テクノロジーズ アーゲー 半導体装置を形成する方法および半導体装置
JP2021082829A (ja) * 2014-11-14 2021-05-27 インフィネオン テクノロジーズ アーゲーＩｎｆｉｎｅｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ａｇ 半導体装置を形成する方法および半導体装置
WO2016157935A1 (ja) * 2015-04-02 2016-10-06 三菱電機株式会社 電力用半導体装置の製造方法
JPWO2016157935A1 (ja) * 2015-04-02 2017-04-27 三菱電機株式会社 電力用半導体装置の製造方法
US11676996B2 (en) 2017-07-19 2023-06-13 Mitsubishi Electric Corporation Method of manufacturing semiconductor device, and semiconductor device
JP2022062217A (ja) * 2018-03-19 2022-04-19 富士電機株式会社 半導体装置および半導体装置の製造方法
JP7327541B2 (ja) 2018-03-19 2023-08-16 富士電機株式会社 半導体装置および半導体装置の製造方法
US11824095B2 (en) 2018-03-19 2023-11-21 Fuji Electric Co., Ltd. Semiconductor device and semiconductor device manufacturing method
JP7246983B2 (ja) 2019-03-20 2023-03-28 株式会社東芝 半導体装置
JP2020155581A (ja) * 2019-03-20 2020-09-24 株式会社東芝 半導体装置
US11901419B2 (en) 2019-10-11 2024-02-13 Fuji Electric Co., Ltd. Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device
JP2022035157A (ja) * 2020-08-20 2022-03-04 三菱電機株式会社 半導体装置および半導体装置の製造方法
JP7528628B2 (ja) 2020-08-20 2024-08-06 三菱電機株式会社 半導体装置および半導体装置の製造方法

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